KR102347152B1 - 수소 발생기를 포함하는 고분자 전해질 연료 전지 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 개시는, 수소 발생기를 포함하는 고분자 전해질 연료 전지 시스템에 관한다.

Description

수소 발생기를 포함하는 고분자 전해질 연료 전지 시스템 {SYSTEM OF POLYMER ELECTROLYTE MEMBRANE FUEL CELL COMPRISING HYDROGEN GENERATOR}
본 개시는, 수소 발생기를 포함하는 고분자 전해질 연료 전지 시스템에 관한다.
본 개시는 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 수소 발생기를 포함하는 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
알려진 바와 같이, 연료 전지(Fuel Cell)는 메탄올, 에탄올, 천연 가스 등의 연료에 함유되어 있는 수소(H2)와, 별도로 공급되는 산소(O2)의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다.
연료 전지에 있어, 근래에 개발되고 있는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell:　PEMFC, 이하 편의상　PEMFC라 한다)는　다른 연료 전지에 비하여 출력 특성이 탁월하며 작동 온도가 낮고 아울러 빠른 시동 및 응답 특성을 가지며, 자동차와 같은 이동용 전원은 물론, 주택, 공공건물과 같은 분산용 전원 및 전자기기용과 같은 소형 전원 등 그 응용 범위가 넓은 장점을 가진다.
이러한　PEMFC　방식의 연료 전지 시스템은 연료를 개질하여 수소를 발생시키고 이 수소를 연료전지로 공급하는 개질기(reformer)와, 산소를 연료전지로 공급하기 위한 팬을 구비한다. 따라서 연료전지는 개질기로부터 공급되는 수소와, 공기펌프 또는 팬의 가동에 의해 공급되는 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시킨다.
수소 발생기의 반응기 내부에서는 반응물(NaBH4)의 수소 생성 반응이 진행되며, 생성되는 수소 기체는 PEMFC로 공급되고, 반응기 안에는 생성물(H3BO3)과 반응물(NaBH4)이 공존하게 된다. 반응기 내부에는 NaBH4가 저장되어 있으며, 스택에서 요구하는 수소량만큼 HCl과 H2O을 공급하여 수소를 생성한다. 반응기에 공급되는 HCl과 H2O 양을 제어하면서 수소 생성량을 조절할 수 있다. 반응기 내부 반응물(NaBH4)이 소진될 때까지 수소 생성 반응이 진행될 수 있다.
한편, PEMFC 시스템 운용을 중단하다 재개할 경우, 수소 발생기의 반응기 열이 식으면서 반응물(NaBH4)과 생성물(H3BO3)이 덩어리로 뭉쳐 경화될 수 있다. 이러한 경우, 반응기로 공급된 Agent(HCl)가 반응물(NaBH4)과 결합하기 어려워 수소 생성 반응이 지연되고 수소 발생 효율이 낮아질 수 있다. 이로 인해 생성되는 수소의 압력 유지 및 공급에 차질이 생길 수 있다. 수시로 작동을 중단할 경우 반응기 내부 물질의 경화가 더 빠르게 진행될 수 있으며, 이로 인해 수소 생성량이 설계치 대비 감소될 수 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2007-0038514호
본 개시는, 상술한 종래 기술의 문제점을 해결할 수 있다.
본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 이하의 실시예들로부터 또 다른 기술적 과제들이 유추될 수 있다.
본 개시의 제 1 측면은, 고분자 전해질 연료 전지(PEMFC: polymer electrolyte membrane fuel cell)에 이용되는 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 연료 전지 시스템은, 연료 전지를 포함하는 장치를 포함하고, 상기 장치는, 연료극 및 공기극을 포함하는 고분자 전해질 연료 전지; 상기 공기극으로 공기를 공급하는 공기 공급기; 상기 연료극으로 수소를 공급하는 수소 발생기; 상기 공기 공급기 및 상기 수소 발생기의 작동을 제어하는 제어기; 및 배터리(battery)를 포함하고, 상기 수소 발생기는, 반응물을 포함하는 반응기, 상기 반응기 내부에 배치되는 프로펠러, 및 상기 반응기에 액상 물질을 공급하는 펌프를 포함하며, 상기 연료 전지 시스템은, 상기 장치의 시동 단계, 운용 단계, 및 정지 단계를 포함하고, 상기 운용 단계에서, 상기 제어기는 상기 수소 발생기에서 발생되는 수소 기체의 압력 값에 기초하여 상기 프로펠러의 작동 및 상기 펌프에서 상기 액상 물질이 분사되는 압력 값을 제어하는, 연료 전지 시스템을 제공할 수 있다.
실시예에 있어서, 상기 운용 단계에서, 상기 수소 발생기에서 발생되는 수소 기체의 압력 값이 기 설정된 값의 90% 미만인 경우, 상기 제어기는 상기 프로펠러를 작동하고, 상기 제어기는 상기 액상 물질이 분사되는 압력 값을 증가시킬 수 있다.
실시예에 있어서, 상기 운용 단계에서, 상기 수소 발생기에서 발생되는 수소 기체의 압력 값이 기 설정된 값의 110%를 초과하는 경우, 상기 제어기는 상기 액상 물질이 분사되는 압력 값을 감소시킬 수 있다.
실시예에 있어서, 상기 반응물은 수소화붕소나트륨(NaBH4)을 포함하고, 상기 액상 물질은 염산(HCl) 및 물(H2O)을 포함할 수 있다.
실시예에 있어서, 상기 수소 발생기 및 상기 연료극을 서로 연결시키는, 연결관을 더 포함할 수 있다.
실시예에 있어서, 상기 시동 단계에서, 상기 수소 발생기에서 발생되는 수소 기체의 압력 값이 기 설정된 값을 기준으로 ±10% 범위 내인 경우, 상기 제어기는 상기 프로펠러를 정지시킬 수 있다.
실시예에 있어서, 상기 정지 단계에서, 상기 제어기는 상기 수소 발생기의 작동을 중단하고, 이후 상기 제어기는 상기 프로펠러를 2초 동안 작동시킬 수 있다.
실시예에 있어서, 상기 정지 단계에서, 상기 제어기는 상기 펌프의 작동을 중단하고, 이후 상기 제어기는 상기 프로펠러를 2초 동안 작동시킬 수 있다.
실시예에 있어서, 상기 정지 단계에서, 상기 제어기는 상기 공기 공급기의 작동을 중단할 수 있다.
실시예에 있어서, 상기 프로펠러는, 상기 반응기 내부의 물질을 교반할 수 있다.
본 개시는, 상기한 바와 같은 과제의 해결수단들에 의하여 한정되지 않으며, 이하의 기재로부터 다른 과제의 해결수단들이 유추될 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 따르면, 제어기가 반응기 내부에 배치되는 프로펠러를 작동시킴으로써, 반응물과 생성물의 경화 반응을 억제할 수 있다. 이에 따라, 수소 발생기에서 발생되어 연료 전지로 공급되는 수소 기체의 발생량이 일정하게 유지 또는 증대될 수 있다.
본 개시의 효과는 상술한 효과로 제한되는 것이 아니며, 언급되지 아니한 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 개시가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은, 본 개시의 일 실시예에 따른 연료 전지를 포함하는 장치의 각 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는, 본 개시의 일 실시예에 따른 수소 발생기의 각 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은, 본 개시의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 시동 단계에 관한 순서도를 나타낸 도면이다.
도 4는, 본 개시의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 운용 단계에 관한 순서도를 나타낸 도면이다.
도 5는, 본 개시의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 정지 단계에 관한 순서도를 나타낸 도면이다.
본 실시예들에서 사용되는 용어는 본 실시예들에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서, 본 실시예들에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 실시예들 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
본 실시예들은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 일부 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 실시예들을 특정한 개시형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 실시예들의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 명세서에서 사용한 용어들은 단지 실시예들의 설명을 위해 사용된 것으로, 본 실시예들을 한정하려는 의도가 아니다.
본 실시예들에 사용되는 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 실시예들이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 실시예들에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.
명세서 전체에서, "A 및/또는 B"는 A 및 B 중에서 적어도 하나를 의미한다.
명세서 전체에서, "~상에 배치되는 것"은, 예를 들어, 어떤 부재가 다른 부재의 일 측에 배치되는 것을 의미하며, 어떤 부재가 다른 부재와 접촉하며 일 측에 배치되는 것과 접촉하지 않고 일 측에 배치되는 것을 모두 포함한다.
고분자 전해질형 연료 전지(PEMFC)는, 전해질과 애노드(anode) 및 캐소드(cathode) 전극으로 이루어진 막 전극 접합체(MEA: Membrane Electrode Assembly)의 양측에 기체확산층과 분리판이 적층된 단위 전지 구조를 가질 수 있으며, 이러한 단위 전지가 복수 개 직렬로 연결되어 구성된 것을 연료 전지 스택(stack)이라고 한다.
상기와 같이 구성된 고분자 전해질 연료 전지의 작동 원리를 설명하면, 먼저 수소와 산소가 공급되면, 세퍼레이터(separator)의 연료 라인을 따라 연료가 공급되고 전극부를 통과한 연료가 촉매와 맴브레인의 삼상계면에서 수소 이온과 전자(e-)로 해리되고, 수소 이온은 맴브레인으로 통과하고 전자는 집전판에 따로 모여서 산소 측으로 이동을 하여 산소 측에서 수소 이온, 전자, 산소가 결합하여 물을 생성하게 된다. 이때, 외부 도선을 따라 전자가 이동하면서 전기가 발생될 수 있다.
연료 전지를 포함하는 장치는, 연료 전지의 외관을 형성하면서 집전판, 세퍼레이터, 막 전극 집합체(MEA) 어셈블리의 결착을 위한 볼트를 체결함에 있어서 지지체 역할을 하는, 엔드 플레이트를 더 포함할 수도 있다. 엔드 플레이트는, 보통 알루미늄 합금, 스테인레스 등 강성이 있는 금속으로 제조될 수 있다. 집전판, 연료가 통하는 유로가 새겨진 그라파이트 또는 금속 세퍼레이터, 양극(anode), 음극(cathode)과 맴브레인 결합체인 막 전극 집합체(MEA)가 순차적으로 위치하여 결합될 수 있다.
또한, 막 전극 집합체와 세퍼레이터 사이에 연료의 누설을 막아주는 실링재가 위치될 수도 있다. 또한, 전극부와 맴브레인 사이에는 수소 가스의 활성화를 돕는 백금(Pt) 촉매가 도포될 수 있고, 전극부는 탄소 천이나 탄소 종이로 제조될 수 있다. 하나의 셀이 여러 장 수평으로 적층되어 연료 전지 스택(stack)을 이룰 수 있다.
이하에서는, 도면들을 참조하여 본 실시예들을 상세히 설명하도록 한다.
도 1은, 본 개시의 일 실시예에 따른 연료 전지를 포함하는 장치(100)의 각 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
본 개시의 제 1 측면은, 고분자 전해질 연료 전지(PEMFC: polymer electrolyte membrane fuel cell)에 이용되는 연료 전지 시스템에 있어서, 연료 전지 시스템은, 연료 전지를 포함하는 장치(100)를 포함하고, 장치는 연료극 및 공기극을 포함하는 고분자 전해질 연료 전지(110), 공기극으로 공기를 공급하는 공기 공급기(120), 연료극으로 수소를 공급하는 수소 발생기(130), 및 공기 공급기(120) 및 수소 발생기(130)의 작동을 제어하는 제어기(140)를 포함할 수 있다. 연료 전지를 포함하는 장치(100)는, 상기 각 구성에 전력을 공급하는 배터리(battery)를 더 포함할 수 있다. 또한, 장치(100)는 수소 발생기(130) 및 연료극을 서로 연결시키는 연결관(미도시)를 더 포함할 수 있다.
실시예에 있어서, 연료 전지(110)는 연료극 및 공기극을 포함할 수 있다. 연료 전지(110)의 작동 원리 상으로, 연료 전지(110)는 수소 및 산소를 공급받음으로써 작동될 수 있다. 본 실시예에 있어서, 공기극은 공기 공급기(120)로부터, 연료극은 수소 발생기(130)로부터 각각 산소 및 수소를 공급받을 수 있다.
실시예에 있어서, 수소 발생기(130)는 반응물을 포함하는 반응기, 반응기 내부에 배치되는 프로펠러, 및 반응기에 액상 물질을 공급하는 펌프를 포함할 수 있다.
수소 발생기(130)에서, 반응물과 액상 물질이 화학 반응을 일으켜 수소 기체가 발생될 수 있다. 본 개시는, 수소 기체가 발생되는 화학 반응을 일으킬 수 있는 공지의 반응물들을 모두 포함할 수 있으나, 바람직하게는, 아래와 같은 화학 반응에 의하여 수소 기체가 발생될 수 있다.
[식 1]
NaBH4 + HCl + 3H2O -> NaCl + H3BO3 + 4H2 + 열(Heat)
식 1에서, 반응물은 수소화붕소나트륨(NaBH4)을 포함하고, 생성물은 H3BO3 및 H2를 포함할 수 있다. 반응기에서 식 1의 화학 반응이 발생되는 경우, 수소 기체가 발생될 수 있다. 또한, NaBH4를 포함하는 반응물과 H3BO3를 포함하는 생성물은 서로 응집되어 경화될 수 있다. 이에 따라, 화학 반응이 진행될수록, 화학 반응에 참여하는 반응물의 실질적인 양은 감소될 수 있다.
제어기(140)는, 공기 공급기(120) 및 수소 발생기(130)의 작동을 제어할 수 있다. 구체적으로, 제어기(140)는 수소 발생기(130) 내부의 반응기 및 펌프의 작동을 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어기(140)는 반응기 내부의 프로펠러의 작동 및 회전수를 제어할 수 있고, 제어기(140)는 펌프에서 분사되는 액상 물질의 압력 값을 제어할 수 있다.
도 2는, 본 개시의 일 실시예에 따른 수소 발생기(200)의 각 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
실시예에 있어서, 수소 발생기(200)는 반응기(210) 내부에 배치되는 프로펠러(213)를 더 포함할 수 있다. 수소 발생기(200)는 반응기(210) 내부로 액상 물질을 분사하는 펌프(220)를 더 포함할 수 있다. 여기에서, 액상 물질은 반응물과 반응하는 물질을 포함할 수 있으며, 예를 들어, 물(H2O)과 염산(HCl)을 포함할 수 있다. 반응물인 NaBH4와 염산은 서로 반응할 수 있고, 이에 따라 수소 기체가 발생될 수 있다.
실시예에 있어서, 프로펠러(213)는 반응기(210) 내부에서 액상 물질을 포함하는 반응물과 생성물을 교반할 수 있다. 또한, 화학 반응이 진행 중인 경우, 프로펠러(213)는 반응기(210) 내부에서 액상 물질을 포함하는 반응물과 생성물을 교반할 수 있다. 이에 따라, 반응물, 액상 물질, 및 생성물의 경화 반응은 억제될 수 있으며, 화학 반응에 참여하는 반응물의 실질적인 양이 증대될 수 있다. 구체적인 예시로서, 반응기 내부의 NaBH4 와 H3BO3의 경화 반응이 억제될 수 있다. 따라서, 수소 발생기(200)에서 발생되는 수소 기체의 압력 값이 일정하게 유지되거나 또는 수소 생성량이 증가될 수 있다.
실시예에 있어서, 프로펠러(213)는 기본 회전수로 회전할 수 있다. 예를 들어, 프로펠러(213)의 기본 회전수는 약 50 내지 약 200 rpm 중 특정한 값으로 설정될 수 있다. 후술하겠지만, 제어기(미도시)는 프로펠러(213)의 작동을 제어할 수 있다. 예를 들어, 연료 전지 시스템의 운용 단계에서, 수소 발생기(200)에서 발생되는 수소 기체의 압력 값이 특정 값 미만인 경우, 제어기는 프로펠러(213)를 작동시킬 수 있다. 구체적으로, 제어기는 프로펠러(213)를 작동시켜, 프로펠러(213)가 기 설정된 기본 회전수로 회전하도록 제어할 수 있다. 또한, 제어기는 프로펠러(213)가 기본 회전수를 초과하는 회전수로 작동하도록 제어할 수 도 있다. 예를 들어, 제어기는 프로펠러(213)가 기본 회전수에서 약 5% 내지 약 20%만큼 증가된 회전수로 회전하도록 제어할 수도 있다. 이에 따라, 프로펠러(213)는 반응기 내부의 반응물, 액상 물질, 및 생성물을 효과적으로 교반할 수 있고, 경화 반응을 효과적으로 억제할 수 있다.
구체적인 예시로서, 연료 전지 시스템 또는 연료 전지를 포함하는 장치의 운용 단계에서, 수소 발생기에서 발생되는 수소 기체의 압력 값이 기 설정된 값의 약 90% 미만인 경우, 제어기는 프로펠러를 작동시키고, 제어기는 액상 물질이 분사되는 압력 값을 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 제어기는 프로펠러를 기본 회전수로 작동시킬 수 있고, 제어기는 펌프가 액상 물질을 분사하는 압력을 기 설정된 값의 약 5% 내지 약 20%만큼 증가시킬 수 있다. 이에 따라, 수소 발생기에서 발생되는 수소 기체의 압력 값이 저조한 경우, 프로펠러를 이용하여 반응물과 생성물의 경화 반응을 억제함으로써 수소 기체 발생량이 증대될 수 있다.
다른 예시로서, 연료 전지 시스템 또는 연료 전지를 포함하는 장치의 운용 단계에서, 수소 발생기에서 발생되는 수소 기체의 압력 값이 기 설정된 값의 110%를 초과하는 경우, 제어기는 액상 물질이 분사되는 압력을 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 제어기는 펌프가 액상 물질을 분사하는 압력을 기 설정된 값의 약 5% 내지 약 20%만큼 감소시킬 수 있다.
전술한 예시에서, 기 설정된 값은 수소 발생기에서 발생될 수 있는 수소 기체 압력의 특정값일 수 있다. 제어기에 수소 기체 압력의 특정값이 기 설정된 값으로 입력되면, 제어기는 기 설정된 값을 기준으로 프로펠러를 작동시킬지 여부 및 액상 물질이 분사되는 압력 값을 증가시킬지 여부를 판단할 수 있다.
실시예에 있어서, 연료 전지 시스템은, 연료 전지를 포함하는 장치 또는 시스템의 시동 단계, 운용 단계, 및 정지 단계를 포함할 수 있다. 구체적인 예시로서, 시동 단계, 운용 단계, 및 정지 단계는 순서대로 작동될 수도 있다. 또한, 시동 단계 또는 운용 단계 내에서 장치가 정지 단계로 작동될 수도 있다. 각 단계에 대하여는, 이하 도 3 내지 도 5에서 보다 자세히 설명한다.
도 3은, 본 개시의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템 또는 장치의 시동 단계에 관한 순서도를 나타낸 도면이다. 시스템 전원이 켜지면, 본 개시에 따른 장치는 시동 단계에 있을 수 있다.
실시예에 있어서, 연료 전지 시스템이 시작되면, 제어기가 배터리의 작동 상태를 확인할 수 있다. 배터리가 정상적으로 작동되지 않는 경우, 시스템 또는 장치는 정지 단계로 이동될 수 있다.
제어기가 배터리의 작동 상태가 정상인 것으로 판단하면, 수소 발생기의 전원이 켜질 수 있다. 수소 발생기의 전원이 on 상태로 되면, 제어기는 수소 발생기의 시동 상태를 확인할 수 있다. 수소 발생기가 정상적으로 작동되지 않는 경우, 시스템 또는 장치는 정지 단계로 이동될 수 있다.
수소 발생기가 정상적으로 작동되는 경우, 제어기는 반응기 내부의 프로펠러를 작동시킬 수 있다. 프로펠러는 기본 회전수로 작동될 수 있다.
프로펠러가 작동되면, 펌프가 작동될 수 있다. 펌프는, 염산(HCl) 및 물(H2O)과 같은 액상 물질을 반응기 내부로 분사할 수 있다. 전술한 바와 같이, 제어기는 펌프로부터 반응기 내부로 분사되는 액상 물질의 분사 압력을 조절할 수 있다.
이후, 제어기는 수소 발생기에서 발생되는 수소 기체의 압력 값을 기초로 수소 기체의 공급 상태가 정상인지 여부를 확인할 수 있다. 예를 들어, 수소 발생기에서 발생되는 수소 기체의 압력 값이 기 설정된 값의 ±10% 범위 내인 경우, 제어기는 반응기 내부의 프로펠러의 작동을 중단할 수 있다. 다른 예시로서, 수소 발생기에서 발생되는 수소 기체의 압력 값이 기 설정된 값의 ±10% 범위 밖인 경우, 상기 수소 발생기의 전원을 켜는 단계로 돌아갈 수 있다.
반응기 내부의 프로펠러의 작동이 중단되면, BOP가 작동되고, 스택의 운전이 제어될 수 있다.
도 4는, 본 개시의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 운용 단계에 관한 순서도를 나타낸 도면이다. 연료 전지를 포함하는 장치 또는 시스템은, 시간의 흐름에 따라 시동 단계에서 운용 단계로 넘어갈 수 있다. 또한, 장치 또는 시스템의 시동 단계 또는 운용 단계 각각에서 정지 단계로 넘어갈 수도 있다.
연료 전지 시스템의 운용 단계에서, 제어기는 수소 발생기에서 발생되는 수소 기체의 압력 값을 기초로 수소 기체의 공급 상태가 정상인지 여부를 확인할 수 있다. 예를 들어, 수소 발생기에서 발생되는 수소 기체의 압력 값이 기 설정된 값의 ±10% 범위 밖인 경우, 제어기는 프로펠러를 기본 회전수로 작동시키고 액상 물질이 분사되는 압력 값을 증가시킬 수 있다. 다른 예시로서, 수소 발생기에서 발생되는 수소 기체의 압력 값이 기 설정된 값의 ±10% 범위 밖인 경우, 제어기는 프로펠러를 기본 회전수 이상의 회전수(기본 회전수 + αrpm)로 작동시키고, 액상 물질이 분사되는 압력 값을 증가시킬 수도 있다. 제어기가 수소 기체의 공급 상태를 확인하는 단계는 일정 주기에 한번씩 이루어질 수 있으며, 예를 들어, 제어기는 1초에 한번씩 수소 기체의 공급 상태를 확인할 수 있다.
이후, 수소 발생기에서 발생되는 수소 기체의 압력 값이 기 설정된 값의 ±10% 범위 내인 경우, 제어기는 스택 운용 상태를 확인할 수 있다. 스택 운용 상태가 비정상인 경우, 제어기는 장치 또는 시스템을 정지 단계로 이동시킬 수 있다.
스택 운용 상태가 정상인 경우, 반응기 내부의 프로펠러는 작동이 중단될 수 있고, 수소 발생기는 정상적으로 운전할 수 있다.
이후, 제어기는 다시 한번 수소 발생기에서 발생되는 수소 기체의 압력 값을 기초로 수소 기체의 공급 상태가 정상인지 여부를 확인할 수 있다. 예를 들어, 수소 발생기에서 발생되는 수소 기체의 압력 값이 기 설정된 값의 ±20% 범위 밖인 경우, 제어기는 장치 또는 시스템을 정지 단계로 이동시킬 수 있다.
이와 달리, 수소 발생기에서 발생되는 수소 기체의 압력 값이 기 설정된 값의 ±20% 범위 내인 경우, 제어기는 스택의 운용 상태를 확인할 수 있다. 스택이 정상적으로 작동하지 않는 경우, 제어기는 장치 또는 시스템을 정지 단계로 이동시킬 수 있다.
도 5는, 본 개시의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 정지 단계에 관한 순서도를 나타낸 도면이다.
정지 단계에서, 제어기는 스택 발전의 전원을 off할 수 있다. 이후, 제어기는 배터리의 상태를 확인할 수 있다. 배터리가 정상적으로 작동되지 않는 경우, 제어기는 장치를 강제로 종료할 수 있다.
배터리가 정상적으로 작동되는 경우, 제어기는 수소 발생기의 운전을 중단할 수 있고, 반응기 내부의 프로펠러를 기본 회전수로 작동시킬 수 있다. 이후, 제어기는 수소 발생기의 전원을 off할 수 있다. 이 때, 제어기는 수소 발생기의 작동을 중단한 이후 프로펠러를 2초 동안 작동시킬 수 있다.
또한, 배터리가 정상적으로 작동되는 경우, 제어기는 공기 공급기의 운전을 중단할 수 있고, 스택을 냉각시키며 BOP의 전원을 off할 수 있다. 이 때, 제어기는 펌프의 작동을 중단한 이후 프로펠러를 2초 동안 작동시킬 수 있다.
이에 따라, 연료 전지 시스템 및 장치의 작동이 모두 중단될 수 있다.
한편, 본 실시예와 관련된 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상기된 기재의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 방법들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 개시의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 개시에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 연료 전지를 포함하는 장치
110: 연료 전지
120: 공기 공급기
130: 수소 발생기
140: 제어기
200: 수소 발생기
210: 반응기
213: 프로펠러
220: 펌프

Claims (10)

  1. 고분자 전해질 연료 전지(PEMFC: polymer electrolyte membrane fuel cell)에 이용되는 연료 전지 시스템에 있어서,
    상기 연료 전지 시스템은, 연료 전지를 포함하는 장치를 포함하고,
    상기 장치는,
    연료극 및 공기극을 포함하는 고분자 전해질 연료 전지;
    상기 공기극으로 공기를 공급하는 공기 공급기;
    상기 연료극으로 수소를 발생시키는 수소 발생기;
    상기 공기 공급기 및 상기 수소 발생기의 작동을 제어하는 제어기; 및
    상기 수소 발생기에 전력을 공급하는 배터리(battery)를 포함하고,
    상기 수소 발생기는, 반응물을 포함하는 반응기, 상기 반응기 내부에 배치되는 프로펠러, 및 상기 반응기에 액상 물질을 공급하는 펌프를 포함하며,
    상기 연료 전지 시스템은, 상기 장치의 시동 단계, 운용 단계, 및 정지 단계를 포함하고,
    상기 운용 단계에서, 상기 제어기는 상기 수소 발생기에서 발생되는 수소 기체의 압력 값에 기초하여 상기 프로펠러의 작동 및 상기 펌프에서 상기 액상 물질이 분사되는 압력 값을 제어하고,
    상기 수소 발생기에서 발생되는 수소 기체의 압력 값이 기 설정된 값보다 낮아지는 경우, 상기 제어기는 상기 프로펠러를 작동시킴으로써 수소 기체의 발생과정에서 생성되는 상기 반응기 내부의 생성물과 상기 반응물의 경화 반응을 억제하는, 연료 전지 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 운용 단계에서, 상기 수소 발생기에서 발생되는 수소 기체의 압력 값이 기 설정된 값의 90% 미만인 경우, 상기 제어기는 상기 프로펠러를 작동하고, 상기 제어기는 상기 액상 물질이 분사되는 압력 값을 증가시키는, 연료 전지 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 운용 단계에서, 상기 수소 발생기에서 발생되는 수소 기체의 압력 값이 기 설정된 값의 110%를 초과하는 경우, 상기 제어기는 상기 액상 물질이 분사되는 압력 값을 감소시키는, 연료 전지 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응물은 수소화붕소나트륨(NaBH4)을 포함하고, 상기 액상 물질은 염산(HCl)과 물(H2O)을 포함하는, 연료 전지 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 수소 발생기 및 상기 연료극을 서로 연결시키는, 연결관을 더 포함하는, 연료 전지 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 시동 단계에서, 상기 수소 발생기에서 발생되는 수소 기체의 압력 값이 기 설정된 값을 기준으로 ±10% 범위 내인 경우, 상기 제어기는 상기 프로펠러를 정지시키는, 연료 전지 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 정지 단계에서, 상기 제어기는 상기 수소 발생기의 작동을 중단하고, 이후 상기 제어기는 상기 프로펠러를 2초 동안 작동시키는, 연료 전지 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 정지 단계에서, 상기 제어기는 상기 펌프의 작동을 중단하고, 이후 상기 제어기는 상기 프로펠러를 2초 동안 작동시키는, 연료 전지 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 정지 단계에서, 상기 제어기는 상기 공기 공급기의 작동을 중단하는, 연료 전지 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 프로펠러는, 상기 반응기 내부의 물질을 교반하는, 연료 전지 시스템.
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