KR102216464B1 - Fuel cell system and operating method thereof - Google Patents

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KR102216464B1
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장인갑
이태원
류보현
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Abstract

The present invention relates to a fuel cell system comprising: a fuel cell having a cathode, an anode, and a controller; and a thermoelectric element for producing electricity by using thermal energy of an exhaust gas exhausted from the cathode. At this time, when power is blocked from an external power source in a normal operation mode where power is normally supplied from the external power source, the controller switches to a first emergency operation mode to be driven by using electricity produced by the thermoelectric element. In addition, the fuel cell system of the present invention comprises: a first thermoelectric element for generating electricity by using an exhaust gas generated from the fuel cell; and a second thermoelectric element for absorbing and cooling the heat of the exhaust gas and supplying the condensed water condensed therethrough to a water treatment unit, so as to reduce a white smoke phenomenon by lowering the temperature of the exhaust gas discharged to the outside by using electricity generated by the first thermoelectric element. According to the present invention, in an emergency situation when an external power source is cut off, a fuel cell can be stably driven by using a thermoelectric element and an emergency generator.

Description

연료전지 시스템 및 그 구동 방법 {Fuel cell system and operating method thereof}Fuel cell system and its driving method TECHNICAL FIELD

본 발명은 연료전지 기술에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 수소와 산소의 전기화학반응으로 전기, 열, 물을 생성하는 연료전지 기술에 관한 것이다. The present invention relates to a fuel cell technology, and more particularly, to a fuel cell technology that generates electricity, heat, and water through an electrochemical reaction of hydrogen and oxygen.

연료전지는 수소, 메탄올, 석탄, 천연가스, 석유, 바이오매스가스, 매립지가스 등 연료의 화학에너지를 전기화학반응에 의한 전기에너지로 직접 변환하여 발전하는 장치로서, 공해물질 배출이 적으면서 발전 효율이 높고, 전기와 열을 동시에 생산할 수 있는 기술이다. A fuel cell is a device that directly converts chemical energy of fuels such as hydrogen, methanol, coal, natural gas, petroleum, biomass gas, and landfill gas into electrical energy through an electrochemical reaction to generate electricity. This is a technology that can produce electricity and heat at the same time.

기본적으로 연료 전지는 연료극, 전해질층, 공기극이 접합되어 있는 셀(Cell)과 다수의 셀을 적층한 스택(Stack)으로 이루어진 전기 생산기기, 전기적 주변기기(Electical Balance Of Plant, EBOP) 및 기계적 주변기기(Mechanical Balance Of Plant, MBOP)로 이루어져 있다. Basically, a fuel cell consists of a cell in which a fuel electrode, an electrolyte layer, and an air electrode are bonded, and a stack in which a number of cells are stacked, electrical peripheral devices (EBOP), and mechanical peripheral devices ( Mechanical Balance Of Plant, MBOP).

보통 BOP(Balance Of Plant)는 시스템 제어, 전력변환기 등의 전기적 주변기기(E-BOP)와 연료 및 공기공급, 열회수 및 열교환기, 수처리 시스템 등 내구성 향상과 운전 최적화를 위한 기계적 주변기기(M-BOP)로 분류된다. Usually BOP (Balance Of Plant) is a mechanical peripheral device (M-BOP) for improving durability and operation optimization such as system control, electrical peripheral devices such as power converters (E-BOP) and fuel and air supply, heat recovery and heat exchangers, and water treatment systems. It is classified as

연료전지의 작동원리는 연료를 연료극에 공급하면 수소는 연료극의 촉매층에서 수소이온과 전자로 산화되어, 전자는 외부 도선을 통해 이동하고, 수소이온은 전해질을 통해 공기극으로 이동한 뒤, 공기극으로 공급되는 공기 중의 산소와 반응하여 물을 생성시키며 전기와 열을 발생시키는 원리이다. The operating principle of a fuel cell is that when fuel is supplied to the anode, hydrogen is oxidized into hydrogen ions and electrons in the catalyst layer of the anode, electrons move through the external conductor, and hydrogen ions move to the cathode through the electrolyte and then supply to the cathode. It reacts with oxygen in the air to generate water and generates electricity and heat.

연료전지는 전해질에 따라 고분자전해질연료전지(PEMFC), 인산염연료전지(PAFC), 용융탄산염연료전지(MCFC), 고체산화물연료전지(SOFC), 알칼리연료전지(AFC), 직접메탄올연료전지(DMFC) 등으로 구분한다. Depending on the electrolyte, fuel cells are polymer electrolyte fuel cells (PEMFC), phosphate fuel cells (PAFC), molten carbonate fuel cells (MCFC), solid oxide fuel cells (SOFC), alkaline fuel cells (AFC), direct methanol fuel cells (DMFC). ), etc.

이중 MCFC와 SOFC는 600℃ 이상에서 주로 발전용으로 이용되는 고온 연료전지이고, 나머지 PAFC, AFC, PEMFC, DMFC는 200℃ 이하 저온에서 작동하는 저온연료전지이다. Among them, MCFC and SOFC are high-temperature fuel cells mainly used for power generation above 600℃, and the remaining PAFC, AFC, PEMFC, and DMFC are low-temperature fuel cells operating at low temperatures below 200℃.

고온 연료전지는 반응성이 우수하여 전극촉매로 니켈을 비롯한 일반 비귀금속계 촉매를 이용할 수 있고 발전효율이 높은 장점이 존재하나, 기동/정지 시간이 길고 열충격에 취약한 단점이 있다.The high-temperature fuel cell has excellent reactivity, so it is possible to use a general non-precious metal catalyst including nickel as an electrode catalyst, and has the advantage of high power generation efficiency, but has a disadvantage of having a long start/stop time and vulnerable to thermal shock.

그리고, 저온 연료전지는 시동시간이 짧고 부하변동에 뛰어나지만, 고가의 백금촉매를 사용해야 하고 효율이 비교적 낮은 단점이 있다. In addition, the low-temperature fuel cell has a short start-up time and is excellent in load fluctuations, but has a disadvantage that requires the use of an expensive platinum catalyst and relatively low efficiency.

이처럼 연료전지는 작동환경 및 방식에 따라 수 W급 휴대용 전원에서부터 수십 MW급 분산발전까지 다양한 용도로 이용될 수 있다. As such, fuel cells can be used for various purposes from several W class portable power sources to tens of MW class distributed power generation according to the operating environment and method.

대한민국 등록특허 10-1768673Republic of Korea Patent Registration 10-1768673

본 발명은 시스템의 비상정지시 열전소자에서 생산된 전기를 이용하여 연료전지를 보호할 수 있는 연료전지 시스템 및 그 구동 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.An object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of protecting a fuel cell by using electricity produced by a thermoelectric element during an emergency shutdown of the system and a driving method thereof.

또한, 본 발명은 열전소자의 냉각기능을 이용하여 배출가스로 인한 백연 현상을 방지하고 응축수를 생성하여 재활용할 수 있는 연료전지 시스템을 제공하는데 그 다른 목적이 있다. In addition, another object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of recycling by generating condensed water and preventing white smoke from exhaust gas by using a cooling function of a thermoelectric element.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The object of the present invention is not limited to the above-mentioned object, and other objects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 연료전지와, 연료전지 가동시 발생하는 열을 회수하여 이용하기 위한 열 재생 유닛을 포함하는 연료전지 시스템에서, 상기 연료전지는 연료가 공급되는 연료극과 공기가 공급되는 공기극을 구비하는 셀이 적층되어 있는 스택, 개질반응을 통해 상기 연료극에 공급되는 연료를 개질하기 위한 예개질기, 상기 공기극에 공급되는 공기를 가열하기 위한 예가열기 및 연료전지의 구동을 제어하기 위한 제어기를 포함한다. 그리고, 상기 열 재생 유닛은 개질반응에 필요한 물을 상기 예개질기에 공급하기 위한 수처리부, 상기 연료전지에서 발생하는 배기가스를 이용하여 전기를 생성하기 위한 제1 열전소자 및 상기 제1 열전소자에서 생성된 전기를 이용하여 외부로 배출되는 배출가스의 온도를 낮춰서 백연현상을 저감시키기 위해, 배출가스의 열을 흡수하여 냉각시키고, 이를 통해 응축된 응축수를 상기 수처리부에 공급하기 위한 제2 열전소자를 포함하여 이루어진다.In a fuel cell system including a fuel cell of the present invention for achieving such an object and a heat recovery unit for recovering and using heat generated during operation of the fuel cell, the fuel cell comprises a fuel electrode and air supplied with fuel. A stack in which cells having a supplied cathode are stacked, a pre-reformer for reforming the fuel supplied to the anode through a reforming reaction, a preheater for heating the air supplied to the cathode, and controlling the driving of the fuel cell Includes a controller for. In addition, the heat regeneration unit includes a water treatment unit for supplying water required for the reforming reaction to the pre-reformer, a first thermoelectric element for generating electricity using exhaust gas generated from the fuel cell, and the first thermoelectric element. A second thermoelectric element for absorbing heat from the exhaust gas and cooling it, and supplying condensed water to the water treatment unit in order to reduce the white smoke phenomenon by lowering the temperature of the exhaust gas discharged to the outside using the generated electricity. It is made including.

상기 제어기는 외부 전원으로부터 전원을 정상적으로 공급받는 정상 운전 모드에서 외부 전원으로부터 전원이 차단되면, 상기 제1 열전소자에 의해 생산되는 전기를 이용하여 구동되도록 하는 제1 비상 운전 모드로 전환할 수 있다. In a normal operation mode in which power is normally supplied from an external power source, when power is cut off from an external power source, the controller may switch to a first emergency operation mode in which the power is driven using electricity generated by the first thermoelectric element.

본 발명의 일 실시예에서 상기 연료전지에 외부 전원이 공급되지 않는 비상 상황 시에 전기를 생성하기 위한 비상 발전기를 더 포함하며, 상기 제어기는 상기 제1 비상 운전 모드에서, 상기 제1 열전소자에 의해 생산되는 전기량이 상기 연료전지의 구동에 필요한 공급량 이하이면, 상기 비상 발전기에서 생성된 전기를 이용하여 구동되도록 하는 제2 비상 운전 모드로 전환할 수 있다. In an embodiment of the present invention, an emergency generator for generating electricity in an emergency situation in which external power is not supplied to the fuel cell is further included, and the controller is configured to provide the first thermoelectric element in the first emergency operation mode. When the amount of electricity produced by the fuel cell is less than or equal to the supply amount required to drive the fuel cell, it is possible to switch to the second emergency operation mode to be driven using electricity generated by the emergency generator.

본 발명에서 상기 제1 열전소자는 상기 연료전지에서 발생된 배기가스가 유입되는 입구에 위치하고, 상기 제2 열전소자는 배출가스가 외부로 배출되기 위하여 마련된 연통의 입구에 위치할 수 있다. In the present invention, the first thermoelectric element may be positioned at an inlet through which exhaust gas generated from the fuel cell is introduced, and the second thermoelectric element may be positioned at an inlet of a communication provided to allow exhaust gas to be discharged to the outside.

본 발명의 연료전지 시스템은 공기극, 연료극 및 제어기를 구비하는 연료전지 및 상기 공기극에서 배기되는 배기가스의 열 에너지를 이용하여 전기를 생산하기 위한 열전소자를 포함한다. 이때, 상기 제어기는 외부 전원으로부터 전원을 정상적으로 공급받는 정상 운전 모드에서 외부 전원으로부터 전원이 차단되면, 상기 열전소자에 의해 생산되는 전기를 이용하여 구동되도록 하는 제1 비상 운전 모드로 전환한다. The fuel cell system of the present invention includes a fuel cell including a cathode, a fuel electrode, and a controller, and a thermoelectric element for generating electricity using thermal energy of exhaust gas exhausted from the cathode. At this time, when the power is cut off from the external power in the normal operation mode in which power is normally supplied from the external power, the controller switches to a first emergency operation mode in which the power is driven using electricity generated by the thermoelectric element.

본 발명의 일 실시예에서 상기 연료전지에 외부 전원이 공급되지 않는 비상 상황 시에 전기를 생성하기 위한 비상 발전기를 더 포함하며, 상기 제어기는 상기 제1 비상 운전 모드에서, 상기 열전소자에 의해 생산되는 전기량이 상기 연료전지의 구동에 필요한 공급량 이하이면, 상기 비상 발전기에서 생성된 전기를 이용하여 구동되도록 하는 제2 비상 운전 모드로 전환할 수 있다. In an embodiment of the present invention, an emergency generator for generating electricity in an emergency situation in which external power is not supplied to the fuel cell is further included, and the controller is produced by the thermoelectric element in the first emergency operation mode. When the amount of electricity generated is equal to or less than the supply amount required for driving the fuel cell, it is possible to switch to the second emergency operation mode to be driven using electricity generated by the emergency generator.

상기 제어기는 상기 제2 비상 운전 모드에서, 상기 비상 발전기에서 발전할 수 있는 전기량이 미리 정해진 기준치 이하이면, 일정한 시간동안 점진적으로 연료전지의 구동을 정지하는 정지모드로 전환할 수 있다. In the second emergency operation mode, if the amount of electricity that can be generated by the emergency generator is less than a predetermined reference value, the controller may switch to a stop mode in which the fuel cell is gradually stopped for a certain period of time.

본 발명의 공기극, 연료극 및 제어기를 구비하는 연료전지 및 상기 공기극에서 배기되는 배기가스의 열 에너지를 이용하여 전기를 생산하기 위한 열전소자를 포함하는 연료전지 시스템에서의 구동 방법에서, 상기 제어기는 외부 전원으로부터 전원을 정상적으로 공급받으면, 정상 운전 모드로 구동하는 단계 및 상기 제어기는 상기 정상 운전 모드에서 외부 전원으로부터 전원이 차단되면, 상기 열전소자에 의해 생산되는 전기를 이용하여 구동되도록 하는 제1 비상 운전 모드로 전환하는 단계를 포함한다. In the driving method in a fuel cell system including a fuel cell having a cathode, an anode, and a controller of the present invention, and a thermoelectric element for generating electricity by using thermal energy of exhaust gas exhausted from the cathode, the controller is The step of driving to a normal operation mode when power is normally supplied from a power source, and a first emergency operation in which the controller is driven using electricity produced by the thermoelectric element when power is cut off from an external power source in the normal operation mode. And switching to the mode.

본 발명의 일 실시예에서 상기 연료전지 시스템은 상기 연료전지에 외부 전원이 공급되지 않는 비상 상황 시에 전기를 생성하기 위한 비상 발전기를 더 포함하며, 상기 제어기는 상기 제1 비상 운전 모드에서, 상기 열전소자에 의해 생산되는 전기량이 상기 연료전지의 구동에 필요한 공급량 이하이면, 상기 비상 발전기에서 생성된 전기를 이용하여 구동되도록 하는 제2 비상 운전 모드로 전환하는 단계를 더 포함할 수 있다. In an embodiment of the present invention, the fuel cell system further includes an emergency generator for generating electricity in an emergency situation in which external power is not supplied to the fuel cell, and the controller is in the first emergency operation mode, the If the amount of electricity produced by the thermoelectric element is less than or equal to the amount of supply required for driving the fuel cell, the step of switching to a second emergency operation mode in which electricity generated by the emergency generator is used to be driven may be further included.

상기 제어기는 상기 제2 비상 운전 모드에서, 상기 비상 발전기에서 발전할 수 있는 전기량이 미리 정해진 기준치 이하이면, 일정한 시간동안 점진적으로 연료전지의 구동을 정지하는 정지모드로 전환하는 단계를 더 포함할 수 있다. In the second emergency operation mode, the controller may further include switching to a stop mode in which the fuel cell is gradually stopped for a certain time when the amount of electricity that can be generated by the emergency generator is less than a predetermined reference value. have.

본 발명에 의하면, 외부 전원의 공급이 차단되는 비상 상황에서 열전소자와 비상발전기를 이용하여 연료전지를 안정적으로 구동할 수 있는 효과가 있다. According to the present invention, there is an effect of stably driving a fuel cell using a thermoelectric element and an emergency generator in an emergency situation in which the supply of external power is cut off.

또한, 본 발명은 열전소자의 냉각기능을 이용하여 배출가스로 인한 백연 현상을 방지할 수 있는 효과가 있다. In addition, the present invention has an effect of preventing white smoke caused by exhaust gas by using the cooling function of the thermoelectric element.

또한, 본 발명은 배출가스를 응축시켜서 응축수를 생성하여 재활용함으로써, 연료전지의 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다. In addition, the present invention has an effect of improving the efficiency of a fuel cell by condensing exhaust gas to generate and recycle condensed water.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 내부 구조를 보여주는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템에서 연료전지를 보호하는 기능을 개념적으로 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템에서 열전 소자의 설치 위치를 표시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템에서의 구동 방법을 보여주는 흐름도이다. 1 is a block diagram showing the internal structure of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
2 is a conceptual diagram illustrating a function of protecting a fuel cell in a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
3 is a view showing an installation location of a thermoelectric element in a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
4 is a flowchart illustrating a driving method in a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.In the present invention, various modifications may be made and various embodiments may be provided, and specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail. However, this is not intended to limit the present invention to a specific embodiment, it is to be understood to include all changes, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used in the present application are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In the present application, terms such as "comprise" or "have" are intended to designate the presence of features, numbers, steps, actions, components, parts, or combinations thereof described in the specification, but one or more other features. It is to be understood that the presence or addition of elements or numbers, steps, actions, components, parts, or combinations thereof, does not preclude in advance.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 갖는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. Terms as defined in a commonly used dictionary should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related technology, and should not be interpreted as an ideal or excessively formal meaning unless explicitly defined in this application. Does not.

또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.In addition, in the description with reference to the accompanying drawings, the same reference numerals are assigned to the same components regardless of the reference numerals, and redundant descriptions thereof will be omitted. In describing the present invention, when it is determined that a detailed description of related known technologies may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, a detailed description thereof will be omitted.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 내부 구조를 보여주는 블록도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템에서 연료전지를 보호하는 기능을 개념적으로 도시한 것이다. 1 is a block diagram showing an internal structure of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a conceptual diagram illustrating a function of protecting a fuel cell in a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. .

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 연료전지 시스템은 연료전지(100)와, 연료전지(100) 가동시 발생하는 열을 회수하여 이용하기 위한 열 재생 유닛(Heat Recovery Unit, HRU)(200)을 포함한다. 1 and 2, the fuel cell system of the present invention includes a fuel cell 100 and a heat recovery unit (HRU) for recovering and using heat generated when the fuel cell 100 is operated. 200).

탈황기(De-sulfurizer)(10)는 LNG 등의 연료에서 황을 제거하는 역할을 한다. The desulfurizer 10 serves to remove sulfur from fuels such as LNG.

블로워(Blower)(20)는 공기를 예가열기(120)에 전달하는 역할을 한다. The blower 20 serves to deliver air to the preheater 120.

연료전지(100)는 예개질기(110), 예가열기(120), 스택(130), 버너(140)를 포함하여 이루어진다. The fuel cell 100 includes a pre-reformer 110, a pre-heater 120, a stack 130, and a burner 140.

예개질기(Pre-reformer)(110)는 개질반응을 통해 셀(cell)의 연료극에 공급되는 연료를 개질하는 역할을 한다. The pre-reformer 110 serves to reform the fuel supplied to the anode of the cell through a reforming reaction.

예가열기(Pre-heater)(120)는 공기극에 공급되는 공기를 가열하는 역할을 한다. The pre-heater 120 serves to heat the air supplied to the cathode.

스택(Stack)(130)은 연료가 공급되는 연료극과 공기가 공급되는 공기극을 구비하는 셀이 적층되어 있다. In the stack 130, cells including a fuel electrode supplied with fuel and an air electrode supplied with air are stacked.

버너(Burner)(140)는 스택(130)에서 생성된 가스를 가열하여 배기가스를 생성한다.The burner 140 generates exhaust gas by heating the gas generated in the stack 130.

제어기(410)는 연료전지의 구동을 제어하는 역할을 한다. The controller 410 serves to control the driving of the fuel cell.

열 재생 유닛(200)은 제1 열전소자(210), 제2 열전소자(220), 수처리부(230), 제1 경로분배기(240), 제2 경로분배기(250), 컨버터(260)를 포함한다. The heat regeneration unit 200 includes a first thermoelectric element 210, a second thermoelectric element 220, a water treatment unit 230, a first route divider 240, a second route divider 250, and a converter 260. Include.

제1 열전소자(210)는 연료전지(100)에서 발생하는 배기가스를 이용하여 전기를 생성하는 역할을 한다. The first thermoelectric element 210 serves to generate electricity using exhaust gas generated from the fuel cell 100.

제2 열전소자(220)는 제1 열전소자(210)에서 생성된 전기를 이용하여 외부로 배출되는 배출가스의 열을 흡수하여 냉각시키고, 이를 통해 응축된 응축수를 수처리부(230)에 공급하는 역할을 한다. 그리고, 제2 열전소자(220)는 응축되지 않은 일부 플루 가스(Flue gas)를 배출한다. The second thermoelectric element 220 uses electricity generated by the first thermoelectric element 210 to absorb and cool the heat of the exhaust gas discharged to the outside, and supply condensed condensed water to the water treatment unit 230 through this. Plays a role. In addition, the second thermoelectric element 220 discharges some flue gas that is not condensed.

수처리부(230)는 개질반응에 필요한 물을 예개질기(110)에 공급하는 역할을 한다. The water treatment unit 230 serves to supply water required for the reforming reaction to the pre-reformer 110.

제1 경로분배기(240)는 제1 열전소자(210)에서 발생한 전기를 제2 열전소자(220)와 제2 경로분배기(250)로 분배하는 역할을 한다. The first path divider 240 serves to distribute electricity generated from the first thermoelectric device 210 to the second thermoelectric device 220 and the second path divider 250.

제2 경로분배기(250)는 제어기(410)의 제어에 따라 제1 경로분배기(240)로부터 전달된 전기를 컨버터(260)에 전달하거나 또는 비상 운전 모드에 사용되도록 분배하는 역할을 한다. The second route divider 250 serves to deliver the electricity delivered from the first route divider 240 to the converter 260 under the control of the controller 410 or distribute the electricity to be used in the emergency operation mode.

컨버터(260)는 직류(DC)를 교류(AC)로 변환하여 계통(Grid)에 송전한다. The converter 260 converts direct current (DC) into alternating current (AC) and transmits it to a grid.

제어기(410)는 정상 운전 모드에서 제1 열전소자(210)에서 생성된 전기가 컨버터(260)에 전달되도록 하고, 비상 운전 모드에서 제1 열전소자(210)에서 생성된 전기가 연료전지(100)의 구동에 사용되도록 제2 경로분배기(250)를 제어한다. The controller 410 allows electricity generated by the first thermoelectric element 210 to be transferred to the converter 260 in the normal operation mode, and the electricity generated by the first thermoelectric element 210 in the emergency operation mode is transferred to the fuel cell 100 Controls the second path divider 250 to be used for driving ).

비상 발전기(500)는 연료전지에 외부 전원이 공급되지 않는 비상 상황 시에 전기를 생성하는 역할을 한다. 본 발명의 일 실시예에서 비상 발전기(500)는 무정전 전원 장치(Uninterruptible Power Supply, UPS)로 구현될 수 있다.The emergency generator 500 serves to generate electricity in an emergency situation when external power is not supplied to the fuel cell. In an embodiment of the present invention, the emergency generator 500 may be implemented as an uninterruptible power supply (UPS).

본 발명에서 제어기(410)는 외부 전원으로부터 전원을 정상적으로 공급받는 정상 운전 모드에서 외부 전원으로부터 전원이 차단되면, 제1 열전소자(210)에 의해 생산되는 전기를 이용하여 연료전지(100)가 구동되도록 하는 제1 비상 운전 모드로 전환한다.In the present invention, the controller 410 drives the fuel cell 100 using electricity produced by the first thermoelectric element 210 when power is cut off from the external power source in the normal operation mode in which power is normally supplied from the external power source. Switch to the first emergency operation mode that allows it.

그리고, 제어기(410)는 제1 비상 운전 모드에서, 제1 열전소자(210)에 의해 생산되는 전기량이 연료전지(100)의 구동에 필요한 공급량 이하이면, 비상 발전기(500)에서 생성된 전기를 이용하여 구동되도록 하는 제2 비상 운전 모드로 전환한다. And, the controller 410, in the first emergency operation mode, if the amount of electricity produced by the first thermoelectric element 210 is less than the supply amount required to drive the fuel cell 100, the electricity generated by the emergency generator 500 It switches to the second emergency operation mode to be driven by using.

본 발명에서 열전소자와 비상발전기를 이용하여 연료전지를 보호하는 내용을, 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.In the present invention, the content of protecting a fuel cell by using a thermoelectric element and an emergency generator will be described in more detail with reference to the drawings.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템에서 연료전지를 보호하는 기능을 개념적으로 도시한 것이다. 2 is a conceptual diagram illustrating a function of protecting a fuel cell in a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 연료전지(100)는 스택(130), 기계적 주변기기(Mechanical Balance Of Plant, MBOP)(310), 전기적 주변기기(Electical Balance Of Plant, EBOP)(420), 제어기(410)를 포함한다. 2, the fuel cell 100 includes a stack 130, a mechanical peripheral device (Mechanical Balance Of Plant, MBOP) 310, an electrical peripheral device (EBOP) 420, and a controller 410. Include.

제1 열전소자(210)는 공기극에서 배기되는 배기가스의 열 에너지를 이용하여 전기를 생산하는 역할을 한다. The first thermoelectric element 210 serves to generate electricity by using the thermal energy of exhaust gas exhausted from the cathode.

제어기(410)는 외부 전원으로부터 전원을 정상적으로 공급받는 정상 운전 모드에서 외부 전원으로부터 전원이 차단되면, 제1 열전소자(210)에 의해 생산되는 전기를 이용하여 연료전지(100)가 구동되도록 하는 제1 비상 운전 모드로 전환한다. The controller 410 allows the fuel cell 100 to be driven by using electricity produced by the first thermoelectric element 210 when power is cut off from the external power in the normal operation mode in which power is normally supplied from the external power. 1 Switch to emergency operation mode.

그리고, 제어기(410)는 제1 비상 운전 모드에서, 제1 열전소자(210)에 의해 생산되는 전기량이 연료전지(100)의 구동에 필요한 공급량 이하이면, 비상 발전기(500)에서 생성된 전기를 이용하여 구동되도록 하는 제2 비상 운전 모드로 전환한다. And, the controller 410, in the first emergency operation mode, if the amount of electricity produced by the first thermoelectric element 210 is less than the supply amount required to drive the fuel cell 100, the electricity generated by the emergency generator 500 It switches to the second emergency operation mode to be driven by using.

그리고, 제어기(410)는 제2 비상 운전 모드에서, 비상 발전기(500)에서 발전할 수 있는 전기량이 미리 정해진 기준치 이하이면, 일정한 시간동안 점진적으로 연료전지의 구동을 정지하는 쿨 다운(cool-down) 방식의 정지모드로 전환한다. 이때, 제2 열전소자(220)의 냉각 기능을 이용하여 쿨 다운 방식의 정지모드를 수행할 수 있다. In addition, in the second emergency operation mode, when the amount of electricity that can be generated in the emergency generator 500 is less than a predetermined reference value, the controller 410 gradually stops driving the fuel cell for a certain period of time. ) Type of stop mode. In this case, a cool-down stop mode may be performed by using the cooling function of the second thermoelectric element 220.

본 발명에서 제1 열전소자(210)에서는 정상 운전시에는 변전소를 포함하는 계통에서 생산된 전력에 합산되도록 전력을 생산하며, 변전소로부터 전원이 차단되는 비상정지 상황에서는 일정시간 동안 전력을 생산하여, 비상 발전기(500)를 가동하기 전에 먼저 비상전원의 역할을 수행할 수 있다. In the present invention, the first thermoelectric element 210 generates power to be added to the power produced by the system including the substation during normal operation, and generates power for a certain time in the emergency stop situation when power is cut off from the substation, Before the emergency generator 500 is operated, it may first serve as an emergency power source.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템에서 열전 소자의 설치 위치를 표시한 도면이다. 3 is a view showing an installation position of a thermoelectric element in a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, 제1 열전소자(210)는 열 재생 유닛(200)이 MBOP(310)와 연결된 부분으로서, 연료전지(100)에서 발생된 배기가스가 유입되는 입구(A)에 위치할 수 있다. 제1 열전소자(210)는 연료전지(100)에서 발생된 열을 전기로 변환하여 비상전원의 역할을 수행해야 하므로, 열 용량이 큰 영역인 A 영역에 설치되는 것이 바람직하다. Referring to FIG. 3, the first thermoelectric element 210 is a part connected to the MBOP 310 by the heat regeneration unit 200 and is located at the inlet A through which the exhaust gas generated from the fuel cell 100 is introduced. I can. Since the first thermoelectric element 210 needs to perform the role of an emergency power source by converting heat generated from the fuel cell 100 into electricity, it is preferable that the first thermoelectric element 210 be installed in an area A, which is an area having a large heat capacity.

그리고, 제2 열전소자(220)는 배출가스가 외부로 배출되기 위하여 마련된 연통(320)의 입구(B)에 위치할 수 있다. 제2 열전소자(220)가 B 영역에 설치되어 연통(320)을 통해 배출되는 배출가스로 인한 백연현상을 방지하고, 배출가스에 포함되어 있는 수분을 응축하여 응축수로 수처리부(230)에 제공하는 식으로 재사용할 수 있으므로, 연료전지의 효율이 향상된다. In addition, the second thermoelectric element 220 may be located at the inlet B of the communication communication 320 provided to discharge the exhaust gas to the outside. The second thermoelectric element 220 is installed in area B to prevent white smoke caused by exhaust gas discharged through the communication unit 320, and condensate moisture contained in the exhaust gas and provide it to the water treatment unit 230 as condensed water. Since it can be reused in such a way that the fuel cell efficiency is improved.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템에서의 구동 방법을 보여주는 흐름도이다. 4 is a flowchart illustrating a driving method in a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.

도 4를 참조하면, 제어기(410)는 외부 전원으로부터 전원을 정상적으로 공급받으면 정상 운전 모드로 구동한다(S401, S413).Referring to FIG. 4, the controller 410 drives in a normal operation mode when power is normally supplied from an external power source (S401, S413).

정상 운전 모드로 구동 중에 외부 전원으로부터 전원이 차단되면(S401), 제1 열전소자(210)에 의해 생산되는 전기를 이용하여 구동되도록 하는 제1 비상 운전 모드로 전환한다(S403). If the power is cut off from the external power supply while driving in the normal operation mode (S401), the first emergency operation mode is switched to the first emergency operation mode in which the power is driven using electricity produced by the first thermoelectric element 210 (S403).

이때, 제어기(410)는 제1 열전소자(210)에 의해 생산되는 전기량이 연료전지(100)의 구동에 필요한 공급량 이하이면(S405), 비상 발전기(500)에서 생성된 전기를 이용하여 구동되도록 하는 제2 비상 운전 모드로 전환한다(S407). At this time, if the amount of electricity produced by the first thermoelectric element 210 is less than the supply amount required to drive the fuel cell 100 (S405), the controller 410 is driven using the electricity generated by the emergency generator 500. To the second emergency operation mode (S407).

그리고, 제어기(410)는 제2 비상 운전 모드에서, 비상 발전기(500)에서 발전할 수 있는 전기량이 미리 정해진 기준치 이하이면(S409), 일정한 시간동안 점진적으로 연료전지의 구동을 정지하는 쿨 다운 방식의 정지모드로 전환한다(S411).And, in the second emergency operation mode, when the amount of electricity that can be generated in the emergency generator 500 is less than a predetermined reference value (S409), the controller 410 is a cool-down method in which the fuel cell is gradually stopped for a certain period of time. Switch to the stop mode of (S411).

이상 본 발명을 몇 가지 바람직한 실시예를 사용하여 설명하였으나, 이들 실시예는 예시적인 것이며 한정적인 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 사상과 첨부된 특허청구범위에 제시된 권리범위에서 벗어나지 않으면서 다양한 변화와 수정을 가할 수 있음을 이해할 것이다.The present invention has been described above using several preferred embodiments, but these embodiments are illustrative and not limiting. Those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains will understand that various changes and modifications can be made without departing from the spirit of the present invention and the scope of the rights presented in the appended claims.

100 연료전지 200 열 재생 유닛
110 예개질기 120 예가열기
130 스택 140 버너
210 제1 열전소자 220 제2 열전소자
230 수처리부100 Fuel Cell 200 Heat Regeneration Unit
110 Pre-reformer 120 Pre-heater
130 stack 140 burner
210 First thermoelectric element 220 Second thermoelectric element
230 Water treatment department

Claims (10)

연료전지와, 연료전지 가동시 발생하는 열을 회수하여 이용하기 위한 열 재생 유닛을 포함하는 연료전지 시스템에서,
상기 연료전지는,
연료가 공급되는 연료극과 공기가 공급되는 공기극을 구비하는 셀이 적층되어 있는 스택;
개질반응을 통해 상기 연료극에 공급되는 연료를 개질하기 위한 예개질기;
상기 공기극에 공급되는 공기를 가열하기 위한 예가열기; 및
연료전지의 구동을 제어하기 위한 제어기를 포함하고,
상기 열 재생 유닛은,
개질반응에 필요한 물을 상기 예개질기에 공급하기 위한 수처리부;
상기 연료전지에서 발생하는 배기가스를 이용하여 전기를 생성하며, 비상전원의 기능을 수행하기 위한 제1 열전소자; 및
상기 제1 열전소자에서 생성된 전기를 이용하여 외부로 배출되는 배출가스의 온도를 낮춰서 백연현상을 저감시키기 위해, 배출가스의 열을 흡수하여 냉각시키고, 이를 통해 응축된 응축수를 상기 수처리부에 공급하기 위한 제2 열전소자를 포함하여 이루어지고,
상기 제어기는 외부 전원으로부터 전원을 정상적으로 공급받는 정상 운전 모드에서 외부 전원으로부터 전원이 차단되면, 상기 제1 열전소자에 의해 생산되는 전기를 이용하여 구동되도록 하는 제1 비상 운전 모드로 전환하고,
상기 연료전지에 외부 전원이 공급되지 않는 비상 상황 시에 전기를 생성하기 위한 비상 발전기를 더 포함하며,
상기 제어기는 상기 제1 비상 운전 모드에서, 상기 제1 열전소자에 의해 생산되는 전기량이 상기 연료전지의 구동에 필요한 공급량 이하이면, 상기 비상 발전기에서 생성된 전기를 이용하여 구동되도록 하는 제2 비상 운전 모드로 전환하고,
상기 제1 열전소자는 상기 연료전지에서 발생된 배기가스가 유입되는 열 재생 유닛의 입구에 위치하고,
상기 제2 열전소자는 배출가스가 외부로 배출되기 위하여 마련된 연통의 입구에 위치하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
In a fuel cell system including a fuel cell and a heat recovery unit for recovering and using heat generated during operation of the fuel cell,
The fuel cell,
A stack in which cells including a fuel electrode supplied with fuel and an air electrode supplied with air are stacked;
A pre-reformer for reforming the fuel supplied to the anode through a reforming reaction;
A preheater for heating the air supplied to the cathode; And
Includes a controller for controlling the driving of the fuel cell,
The heat regeneration unit,
A water treatment unit for supplying water required for the reforming reaction to the pre-reformer;
A first thermoelectric element for generating electricity by using exhaust gas generated from the fuel cell and performing a function of an emergency power supply; And
In order to reduce the white smoke phenomenon by lowering the temperature of the exhaust gas discharged to the outside by using electricity generated by the first thermoelectric element, the heat of the exhaust gas is absorbed and cooled, and condensed water is supplied to the water treatment unit through this It is made including a second thermoelectric element for
When the power is cut off from the external power in the normal operation mode in which power is normally supplied from the external power, the controller switches to a first emergency operation mode to be driven using electricity produced by the first thermoelectric element,
Further comprising an emergency generator for generating electricity in an emergency situation in which external power is not supplied to the fuel cell,
In the first emergency operation mode, when the amount of electricity produced by the first thermoelectric element is less than or equal to a supply amount required for driving the fuel cell, the controller is operated by using electricity generated by the emergency generator. Switch to the mode,
The first thermoelectric element is located at an inlet of a heat recovery unit through which exhaust gas generated from the fuel cell flows,
The second thermoelectric element is a fuel cell system, characterized in that located at the inlet of the communication provided to discharge the exhaust gas to the outside.
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