KR20090006593A - 인산형 고분자 전해질막 연료전지 시스템 및 그 기동방법 - Google Patents
인산형 고분자 전해질막 연료전지 시스템 및 그 기동방법 Download PDFInfo
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Abstract
초기 기동 시 스택의 온도를 빠르게 올릴 수 있는 인산형 고분자 전해질막 연료전지 시스템 및 그 기동방법이 개시된다. 개시된 인산형 고분자 전해질막 연료전지 시스템은 수소와 산소의 반응을 이용한 전기생성반응이 진행되는 스택과, 스택에 가열된 냉각수를 통과시키며 스택 온도를 상승시키기 위한 냉각수가열수단 및, 스택에 산소의 공급원인 공기를 보내주는 송풍기와 그 공급되는 공기의 예열수단이 구비된 송풍유닛을 구비한다. 따라서, 이 시스템에서는 초기 기동 시와 같이 스택의 빠른 승온이 필요한 경우 가열된 공기를 공급하여 응축이 억제된 상태에서 스택의 발열반응을 승온에 이용할 수 있으므로, 정상 가동까지 걸리는 기동 시간을 대폭 단축할 수 있다.
연료전지, 인산, 전해질막, 기동
Description
본 발명은 인산이 함유된 고분자 전해질막을 사용하는 인산형 고분자 전해질막 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 특히 기동 시 스택의 온도를 신속히 올릴 수 있는 기능이 구비된 인산형 고분자 전해질막 연료전지 시스템 및 그 기동방법에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지는 연료가 가진 화학에너지를 화학반응에 의해 직접 전기에너지로 바꾸는 장치로서, 연료가 공급되는 한 계속해서 전기를 만들어낼 수 있는 일종의 발전장치이다. 도 1은 이러한 연료전지의 에너지 전환 구조를 개략적으로 보인 것으로, 도면과 같이 캐소드(cathode; 1)에 산소를 포함한 공기가, 애노드(anode; 3)에 수소를 함유한 연료가 공급되면, 전해질막(2)을 통해 물의 전기분해와 역반응이 진행되면서 전기가 발생하게 된다. 상기한 인산형 고분자 전해질막 연료전지 시스템은 상기 전해질막(2)으로서 인산이 함유된 고분자 전해질막을 사용하는 시스템을 말하는 것으로, 대개 120℃ 이상에서 작동되는 고온형의 용도로 제 작된다.
그런데, 통상적으로 이러한 단위 셀 하나에서 발생되는 전기는 유용하게 사용될 만큼 그 전압이 높지 않기 때문에, 도 2와 같이 여러 개의 셀(10)을 직렬로 연결한 스택(stack;100)의 형태로 사용하게 된다. 이 스택(100)에 적층되어 있는 각 셀(10)에는 도 3에 도시된 바와 같이 바이폴라플레이트(4)의 면 유로(4a)를 포함하여 수소나 산소가 각 전극(1)(3)에 공급되고 회수되기 위한 유로가 연결되어 있다. 따라서, 도 2와 같이 스택(100)에 수소와 산소를 공급하면, 각 셀(10)의 유로를 통해 해당 전극에 해당 물질이 경유하며 순환하게 된다. 그리고, 이와 같이 전기화학반응 과정에서는 전기 뿐 아니라 열도 같이 발생하기 때문에, 연료전지의 원활한 가동을 위해서는 이 열을 계속해서 식혀줄 필요가 있다. 이를 위해 스택(100)에는 열교환용 냉각수가 지나가기 위한 냉각판(5)이 5~6개 셀(10)마다 설치되어 있다. 따라서, 냉각수가 이 냉각판(5)의 유로(5a)를 통과하면서 스택(100) 내의 열을 냉각수가 흡수하고, 이렇게 열을 흡수한 냉각수는 열교환기(H5; 도 4 참조) 안에서 2차 냉각수에 의해 식혀진 후 다시 스택(100)안으로 순환하게 된다.
한편, 이러한 스택(100)에 수소를 공급하기 위한 연료원(fuel source)으로는, 천연가스와 같은 탄화수소 계열 물질이 이용되며, 도 4에 도시된 바와 같이 연료처리장치(200)에서 그 연료원으로부터 수소를 생성하여 스택(100)에 공급하게 된다.
이 연료처리장치(200)의 세부 구성으로는, 탈황기(210)와, 리포머(reformer;220), 버너(230), 물 공급용 펌프(260), 제1,2열교환기(H1)(H2), 그리 고 CO 쉬프트기(251)와 CO 제거기(252)로 구성된 CO 제거유닛(250) 등이 구비되어 있는데, 상기한 수소 생성과정은 상기 리포머(220)에서 진행된다. 즉, 연료탱크(270)에서 연료원으로 들어온 탄화수소 계열의 가스와 물탱크(280)에서 상기 물 공급용 펌프(260)를 통해 들어온 수증기가, 상기 버너(230)에 의해 가열되는 리포머(220) 안에서 반응을 일으키며 수소를 생성하게 된다. 이때 부산물로서 이산화탄와 일산화탄소 등이 생성이 되는데, 일산화탄소 10ppm 이상이 혼합된 연료가 스택(100)에 공급되면 전극이 피독되어 연료전지의 성능을 급격히 떨어뜨릴 수 있다. 따라서, 리포머(220) 출구 측에 CO쉬프트기(251)와 CO제거기(252)를 배치하여 일산화탄소 함량을 10ppm 이하가 되도록 통제하는 것이다. 상기 CO 쉬프트기(251)에서는 일산화탄소와 수증기가 반응하여 이산화탄소가 되는 반응이 주로 진행되며, CO 제거기(252)에서는 일산화탄소가 산소에 의해 직접 산화되는 반응이 주로 진행된다. CO 쉬프트기(251)를 통과한 연료에는 일산화탄소 함량이 5,000ppm 이하 수준이 되고, 이 연료가 CO 제거기(252)까지 통과한 후에는 일산화탄소 함량이 10ppm 아래로 떨어진다. 그리고, 리포머(220)의 입구측에 배치된 탈황기(210)는 연료원에 함유된 유황 성분을 제거하는 역할을 한다. 이 유황 성분은 10ppb(parts per billion) 이상만 스택(100)에 유입돼도 전극을 피독시킬 위험이 매우 높은 물질이기 때문에, 탈황기(210)를 통과시키며 유황 성분을 흡착 제거하는 것이다.
따라서, 이러한 연료처리장치(200)와 스택(100)이 구비된 연료전지 시스템이 작동이 되면, 연료처리장치(200)에서는 상기와 같은 과정을 통해 수소가 생성되며, 스택(100)에서도 전술한 바와 같이 연료처리장치(200)에서 공급된 수소를 연료로 한 전기생성반응이 진행된다. 도 4에서는 스택(100)을 간략히 도시하였는데, 실제로는 도 3에서 설명한 바와 같이 수소는 애노드와 접촉할 수 있도록 해당 유로를 통과하고, 산소원인 공기(air)는 캐소드와 접촉하도록 해당 유로를 통과하면서 반응을 일으키게 된다. 도 4의 참조부호 110은 스택(100)에서 소모되지 않은 잉여의 수소를 주 연료로 가동되는 프로세스 버너를 나타낸다. 이 프로세스 버너(110)로 물을 가열하여 저탕조(120)에 저장해두고 생활 온수 등으로 활용한다. 물론, 스택(100)내를 순환하는 냉각수와 열교환을 한 2차 냉각수를 저탕조(120)로 보내서 온수로 쓰기도 하는데, 그것만으로는 온수 온도가 충분하지 않기 때문에 최근에는 대개 이러한 프로세스 버너(110)를 두고 잉여의 수소를 활용하는 구조가 최근의 연료전지 시스템에 많이 채용되고 있다.
그런데, 상기한 스택(100)에서의 전기생성반응이 정상적으로 가동되기 위해서는, 스택(100) 내부의 온도가 운전에 적합한 온도가 되어야 한다. 상기와 같이 인산형 고분자 전해질막 연료전지 시스템에서는, 통상 스택(100)의 정상 가동이 가능한 온도를 120℃ 정도로 보는데, 문제는 처음 기동 시에는 이 온도에 도달할 때까지 시간이 상당히 오래 걸린다는 점이다. 연료전지 시스템을 처음 가동할 때에는 스택(100)의 온도를 올리기 위해 냉각수 저장탱크(130)를 전기히터(미도시)로 가열하고, 그 가열된 냉각수를 순환시키는 방식으로 스택(100)의 온도를 올려준다. 물론, 정상적인 전기생성반응이 진행되면 발열반응에 의해 스택(100)의 온도가 자연히 올라가게 되지만, 처음에는 가동에 적합한 온도가 될 때까지 냉각수를 전기히터로 데워서 스택(100) 안을 순환시키며 온도를 올려주는 것이다. 그런데, 이렇게 스택(100)을 가열하게 되면 정상 가동이 가능한 120℃ 정도에 도달할 때까지 거의 두 시간 정도가 소요되는 문제가 있다. 따라서, 연료처리장치(200)에서 아무리 빨리 수소를 생성하고 공급하려고 해도, 스택(100) 온도가 적정 온도에 도달하지 못하면 연료전지 시스템을 가동할 수가 없으며, 스택(100) 온도가 적정 온도에 도달할 때까지 기다려야 한다.
물론, 상기와 같은 전기히터로 데워진 냉각수로 스택(100)의 온도를 높이는 것과 동시에, 스택(100)에 연료와 공기를 공급하면서 전기생성반응을 같이 진행시킨다면, 스택(100)의 승온속도가 더 빨라질 것으로 기대할 수 있다. 그러나, 문제는, 인산형 고분자 전해질막의 경우에 100℃ 미만의 저온에서 전기화학반응이 일어나면 재료의 특성상 전해질막에 함유된 인산이 물과 함께 용출되어 버린다는 점이다. 인산형 고분자 전해질막에서는, 인산이 애노드와 캐소드 사이에서 수소 이온의 운반자 역할을 하여 전기생성반응을 유도하는 것인데, 이렇게 인산이 용출되어 빠져나가 버리면, 이후에 정상 가동 온도에 도달한다해도 전기생성반응이 제대로 이루어지지 않게 된다.
따라서, 인산형 고분자 전해질막을 사용하는 연료전지 시스템의 초기 승온속도를 높이기 위해서는, 기동 시에 스택(100)의 전기생성반응에 의한 열을 이용하면서도 전해질막에서의 인산 용출을 억제할 수 있는 방안이 요구되고 있다.
본 발명은 상기의 필요성을 감안하여 창출된 것으로서, 초기 기동 시 스택에서의 전기생성반응에 의한 열을 승온에 직접 이용하면서도, 전해질막에서의 인산 용출을 억제할 수 있도록 개선된 인산형 고분자 전해질막 연료전지 시스템 및 그것을 이용한 기동방법을 제공하는데 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 인산형 고분자 전해질막 연료전지 시스템은, 수소와 산소의 반응을 이용한 전기생성반응이 진행되는 스택과, 상기 스택에 가열된 냉각수를 통과시키며 스택 온도를 상승시키기 위한 냉각수가열수단 및, 상기 스택에 산소의 공급원인 공기를 보내주는 송풍기와, 그 공급되는 공기의 예열수단이 구비된 송풍유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 인산형 고분자 전해질막 연료전지 시스템의 기동방법은, 초기 기동 시 스택에 가열된 냉각수를 통과시키며 스택 온도를 적정온도까지 상승시키는 1차승온단계; 및, 상기 스택 내부를 수증기 응축이 일어나지 않는 조건으로 유지하면서 수소 및 공기를 공급하여 전기생성반응을 진행시키는 2차승온단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이 본 발명의 인산형 고분자 전해질막 연료전지 시스템은 다음과 같은 효과를 제공한다.
첫째, 초기 기동 시와 같이 스택의 빠른 승온이 필요한 경우, 가열된 냉각수에 의한 가열 뿐 아니라, 스택 내에서의 전기생성반응에 의한 발열작용을 이용할 수 있으므로, 연료전지 시스템의 정상 가동까지 걸리는 시간을 대폭 단축할 수 있다.
둘째, 수증기 응축이 억제되어 전해질막에서의 인산 용출 위험이 방지되므로, 안정적인 전기 생성 작업을 보장할 수 있다.
셋째, 기존의 시스템의 구성요소들을 거의 그대로 유지하면서 유입되는 공기의 가열수단이나 송풍기 용량 정도만 변경하면 구현이 가능하므로, 기존 시스템에서의 개조가 매우 편리하고 개조에 따른 비용부담도 적다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 일 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템을 블록도로 도시한 것 인데, 기본적인 구조는 종래와 마찬가지로 연료처리장치(200)에서 수소를 생성하여 스택(100)에 공급하며, 스택(100)에서는 그 연료처리장치(200)에서 공급된 수소를 이용하여 전기생성반응을 진행하는 구조로 이루어져 있다.
이중에서, 상기 연료처리장치(200)는 도 4에 도시된 기존의 것과 동일한 요소 및 연결구조를 가지고 있으므로 반복되는 설명은 생략하기로 한다.
그리고, 스택(100)을 포함한 나머지 부분들도 기본적으로 갖춰진 구성 요소들은 기존과 거의 유사하다. 대신, 본 실시예는 상기 스택(100)에 산소의 공급원이 공기를 공급하는 구조를 기동 시의 급속 가열에 적합하도록 새롭게 개선한 점에 특징이 있다.
일단, 스택(100) 주변에는 전기생성반응 시 발생되는 열을 식혀주기 위한 냉각수 순환유닛이 구비되어 있다. 이 냉각수 순환유닛은 정상 가동 시에는 냉각수 저장탱크(130)에 저장된 냉각수가 스택(100) 내의 냉각판(5)으로 공급되면서 스택(100)의 열을 식히고, 흡열 상태로 스택(100)을 빠져나온 냉각수는 열교환기(H5)에서 물탱크(140)에 있던 2차 냉각수와 열교환을 통해 식혀진 후 다시 저장탱크(130)로 돌아가는 냉각 작업을 수행한다. 그러나, 기동 시에는 스택(100)의 온도를 올리기 위해 냉각수 가열수단인 전기히터(미도시)로 냉각수 저장탱크(130)를 가열해서 그 가열된 냉각수가 스택(100)안을 순환하며 온도를 높이도록 시스템이 운영된다.
여기까지는 도 4에 도시된 기존의 시스템과 거의 같다. 하지만, 본원발명에서는 여기에 더하여 상기 스택(100)에 가열된 공기를 공급할 수 있도록 송풍유 닛(150)에 예열수단을 구비하고 있다. 즉, 송풍기(151)에서 스택(100)의 캐소드로 산소 공급원인 공기를 공급하게 되는데, 그 공기유입라인(152)에 히터(153)를 설치해서 가열된 공기가 스택(100)에 공급되도록 하는 것이다. 이렇게 가열된 공기가 공급되면, 스택(100) 안에서 수증기가 응축되는 조건이 만들어지지 않기 때문에, 스택(100)을 가동해서 전기화학반응을 일으켜도 전해질막(2;도 1 참조)의 인산이 용출되는 문제를 방지할 수 있다. 따라서, 상기 가열된 냉각수로 스택(100) 온도를 약 80℃ 정도까지 가열한 후, 상기와 같이 가열된 공기를 캐소드에 공급하고 애노드에는 연료처리장치(200)에서 수소를 공급하여 바로 전기생성반응을 진행시키면, 인산 용출의 위험이 없는 상태에서 스택(100)의 신속한 승온 작업이 진행될 수 있게 된다.
이와 같이 가열된 공기를 공급하면 스택(100) 안에서 수증기가 응축되지 않는 이유는, 바로 포화수증기압의 증가 때문이다. 즉, 통상 수증기의 응축 조건을 나타내는 상대습도(Φ)는 PW/Psat 로 표현된다. 여기서, PW는 스택(100) 내의 수증기 분압을, Psat 는 스택(100) 내 포화수증기압을 나타낸다. 이 상대습도(Φ)가 1보다 커지면, 즉 PW > Psat 의 조건이 되면 스택(100) 내에서 응축이 일어난다. 따라서, 응축이 일어나지 않게 하려면 수증기 분압(PW)을 낮추거나 포화수증기압(Psat)을 높이면 되는데, 여기서는 가열된 공기를 공급하여 포화수증기압(Psat)을 높이고자 하는 것이다. 하기의 수학식 1은 상기 상대습도(Φ)를 스택(100) 안에 유입되는 공 기의 온도와, 스택(100) 내부 온도 및 유입 공기의 상대습도 등의 함수로 표현한 것이다.
T: (유입 공기온도+스택 내 셀 가동 온도)/2
Pest: 스택 출구 압력
ψ: 유입 공기의 상대습도
U: 산소 이용율
이 수학식에서 알 수 있는 바와 같이, 유입 공기의 온도를 높이거나 공기 공급량을 늘여서 산소 이용율을 낮추면 상대습도가 낮아지게 되어 응축이 일어나는 조건을 벗어날 수 있게 되는 것이다. 물론, 굳이 이러한 수학식을 보지 않더라도, 스택 안의 온도를 높이면 포화수증기압이 높아지기 때문에 응축이 잘 일어나지 않게 되고, 공기 공급량이 늘어도 수증기의 분압이 떨어지므로 응축이 잘 일어나지 않게 될 것임을 예상할 수 있다. 도 6은 유입 공기의 온도를 변화시키면서 산소 이용율에 따른 상대습도의 추이를 시뮬레이션 해본 결과이다. 정격부하의 50%의 부하 운전에 대한 것으로, 이때 유입 공기의 상대습도는 0.6, 외기온도는 20℃, 스택 운전 온도는 80℃ 등으로 가정하였다. 그래프에서 알 수 있는 바와 같이, 유입 공기의 온도가 높아질수록 응축 한계선인 상대습도 1을 넘지 않는 구간이 많아짐을 알 수 있다. 그리고, 산소 이용율이 낮아질수록(즉, 공기 공급량이 많아질수록) 상대습도도 떨어지게 되는데, 산소 이용율이 0.25 즉, 25% 미만으로 떨어지게 하려면 송풍 부담이 너무 커지기 때문에, 그 보다는 높은 조건을 유지하는 것이 바람직하다. 따라서, 그래프의 도트 영역을 유지하면 응축을 원활하게 방지할 수 있다.
상기한 응축 억제 원리 중, 본 실시예에서는 유입 공기의 온도를 높여서 포화수증기압을 증가시켜 응축을 억제하는 구조를 채택한 것이다. 물론, 공기 공급량을 늘여서 응축을 억제할 수도 있는데 그 예는 뒤에서 다시 언급하기로 한다.
이와 같은 구성의 연료전지 시스템은 두 가지 방법으로 기동될 수 있다.
하나는, 가열된 냉각수로 100℃이하인 80℃ 정도까지 스택을 승온시킨 후, 그때부터는 가열된 공기를 공급하면서 스택(100)의 전기생성반응에 의한 발열로만 스택(100)을 승온시키는 방법과, 80℃부터 가열된 냉각수의 승온작업과 스택(100)의 전기생성반응에 의한 승온을 동시에 진행시키는 방법이다.
이중에서, 전자의 방법을 택한다면, 도 7a의 순서도와 같이 스택의 기동이 진행된다. 우선, 초기 기동 시에는 기존과 같이 냉각수 저장탱크(130)를 전기히터로 가열해서 냉각수를 데운 후, 그 덥혀진 냉각수를 스택(100) 안으로 통과시키며 스택(100)을 가열한다(S1). 그리고, 스택(100)의 온도가 설정된 적정 온도, 예컨대 100℃이하인 80℃에 도달하면(S2), 가열된 냉각수의 공급을 중단한다(S3). 그리고 동시에 히터(153)에 의해 가열된 공기를 스택(100)의 캐소드에, 연료처리장치(200)에서 공급된 수소를 스택(100)의 애노드에 각각 공급하여 전기생성반응을 진행시킨다(S4). 이렇게 되면, 적정 온도 도달 후부터는 스택(100)의 전기생성반 응에 따른 발열에 의해 스택(100)이 승온된다. 이후, 스택의 온도가 정상 가동에 적합한 120℃에 도달하면(S5), 정상 작업 모드로 전환하여 정상적인 전기생성과정을 진행하면 된다(S6).
또 다른 방법으로, 도 7b의 순서도와 같이 80℃부터 가열된 냉각수에 의한 가열과, 스택(100) 전기생성반응에 의한 발열 작용을 동시에 진행시키는 방법이 채택될 수 있다. 이때에도 초기 기동 시에는 기존과 같이 냉각수 저장탱크(130)를 전기히터로 가열해서 냉각수를 데운 후, 그 덥혀진 냉각수를 스택(100) 안으로 통과시키며 스택(100)을 가열한다(P1). 그리고, 스택(100)의 온도가 설정된 적정 온도, 예컨대 80℃에 도달하면(P2), 가열된 냉각수의 공급은 계속 유지하면서, 히터(153)에 의해 가열된 공기를 스택(100)의 캐소드에, 연료처리장치(200)에서 공급된 수소를 스택(100)의 애노드에 각각 공급하여 전기생성반응을 진행시킨다(P3). 이렇게 되면, 적정 온도 도달 후부터는 가열된 냉각수에 의한 가열과 스택(100)의 전기생성반응에 따른 발열에 의한 가열이 동시에 작용되면서 스택(100)이 승온된다. 이후, 스택(100)의 온도가 정상 가동에 적합한 120℃에 도달하면(P4), 정상 작업 모드로 전환하여 정상적인 전기생성과정을 진행하면 된다(P5). 도 8은 상기한 방법들로 스택을 기동했을 때 정상 가동 온도인 120℃에 도달하는 시간을 나타낸 것인데, 기존과 같이 가열된 냉각수로만 스택을 가열할 경우, 거의 2시간이 소요되는데 비해, 본 방법의 경우는 종래보다 30~40분 정도의 시간을 더 단축할 수 있다.
따라서, 기존보다 훨씬 빠른 시간안에 연료전지 시스템의 정상 작동이 가능 해지는 것이다.
한편, 본 실시예에서는 가열된 공기를 공급하기 위해 공기유입라인(152)에 히터(153)를 설치한 경우를 예시하였는데, 도 9 및 도 10과 같은 구조도 채용될 수 있다. 도 9는 스택(100)의 공기유입라인(152)과 공기배기라인(160)을 열교환기(154)를 통해 열교환이 되게 함으로써, 스택(100)에 가열된 공기가 공급되도록 한 것이다. 도 10은 공기유입라인(152)에 이젝터(155)를 설치해서 공기배기라인(160)을 통해 배출되는 고온의 공기 일부를 다시 공기유입라인(152)으로 투입하는 구조이다. 그리고, 공기배기라인(160)에 제습기(156)를 설치해서 습기를 제거하면 고온이면서도 건조한 공기가 다시 들어가게 되므로 응축을 억제하는데 더 효과적이다. 이러한 구조를 채용할 경우에도 공기를 가열하는 구조만 차이가 날 뿐이고, 기동 시의 승온과정은 전술한 도 7a 및 도 7b의 순서도와 동일하게 진행된다. 즉, 80℃ 도달 후부터 스택(100)을 가동하는데, 도 9와 같이 배기가스와 열교환되거나 또는 도 10과 같이 배기가스 일부가 유입되면서 가열된 공기를 공급하며 승온작업을 진행하면 된다.
지금까지는 유입공기의 온도를 높여서 스택(100) 내의 포화수증기압을 증가시켜 응축을 억제하는 방식을 설명하였는데, 전술한 바와 같이 공기 공급량을 늘여서 수증기 분압이 포화수증기압 보다 작아지게 한 상태에서 스택(100)을 가동할 수도 있다. 즉, 도 11에 도시된 바와 같이, 가열된 냉각수로 스택(100)을 가열하다가(Q1), 스택(100) 온도가 80℃에 도달하면(Q2), 공기와 수소를 스택(100)에 공급하면서 전기생성반응을 진행시킨다(Q5). 이때에는 송풍기(151)의 송풍량을 증가시 켜서, 도 6 그래프의 도트 영역에 스택(100) 내부 조건이 위치되도록 한다. 그러면, 응축이 억제된 상태에서 전기생성반응이 진행되어 스택(100)이 빠른 시간 안에 정상 가동 온도에 도달할 수 있다. 그리고, 이 경우에도 적정 온도 도달 후 가열된 냉각수의 공급은 중단하고(Q3) 스택(100)의 전기생성반응으로만 승온작업을 진행시킬 수도 있고, 또는 가열된 냉각수의 공급을 유지하면서(Q4) 스택(100)의 전기생성반응을 함께 진행시킬 수도 있다. 이후 스택(100) 온도가 120℃에 도달하면(Q6) 정상 가동 모드로 전환한다(Q7).
따라서, 이 실시예에서도 스택(100) 내의 수증기 응축을 억제하여 전해질막에서의 인산 용출의 위험을 방지면서도 신속한 승온을 유도할 수 있다.
도 1은 일반적인 연료전지의 전기 생성 원리를 설명하는 도면,
도 2는 연료전지의 일반적인 단위 셀 구조를 도시한 도면,
도 3은 연료전지의 일반적인 스택 구조를 도시한 도면,
도 4는 종래 인산형 고분자 전해질막 연료전지 시스템의 구조를 도시한 도면,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 인산형 고분자 전해질막 연료전지 시스템의 구조를 도시한 도면,
도 6은 공기의 온도와 산소 이용율에 따른 상대습도의 변화를 도시한 그래프,
도 7a 및 도 7b는 도 5에 도시된 연료전지 시스템의 기동 과정을 보인 순서도,
도 8은 도 7a 및 도 7b의 과정으로 기동 시 스택의 승온 경향을 나타낸 그래프,
도 9 및 도 10은 도 5에 도시된 인산형 고분자 전해질막 연료전지 시스템의 변형 가능한 예를 보인 도면,
도 11은 본 발명의 다른 실시예로서 공기 공급량을 증가시켜서 연료전지 시스템을 기동하는 과정을 보인 순서도.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
100...스택 110...프로세스 버너
120...저탕조 130...냉각수 저장탱크
140...물탱크 150...송풍유닛
151...송풍기 152...공기유입라인
153...히터 154...열교환기
155...이젝터 156...제습기
200...연료처리장치 210...탈황기
220...리포머 230...버너
251...CO 쉬프트기 252...CO 제거기
Claims (11)
- 수소와 산소의 반응을 이용한 전기생성반응이 진행되는 스택과,상기 스택에 가열된 냉각수를 통과시키며 스택 온도를 상승시키기 위한 냉각수가열수단 및,상기 스택에 산소의 공급원인 공기를 보내주는 송풍기와, 그 공급되는 공기의 예열수단이 구비된 송풍유닛을 포함하는 인산형 고분자 전해질막 연료전지 시스템.
- 제1항에 있어서,상기 예열수단은,상기 스택으로의 공기유입라인에 설치된 히터를 포함하는 것을 특징으로 하는 인산형 고분자 전해질막 연료전지 시스템.
- 제1항에 있어서,상기 예열수단은,상기 스택으로의 공기유입라인과 상기 스택으로부터의 공기배기라인을 열교환이 이루어지도록 연결하는 열교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 인산형 고분자 전해질막 연료전지 시스템.
- 제1항에 있어서,상기 예열수단은,상기 스택으로부터의 공기배기라인에서 일부 공기를 인출하여 상기 스택으로의 공기유입라인에 주입하는 이젝터를 포함하는 것을 특징으로 하는 인산형 고분자 전해질막 연료전지 시스템.
- 제4항에 있어서,상기 예열수단은,상기 공기배기라인에 제습기가 설치된 것을 특징으로 하는 인산형 고분자 전해질막 연료전지 시스템.
- 초기 기동 시 스택에 가열된 냉각수를 통과시키며 스택 온도를 적정온도까지 상승시키는 1차승온단계; 및,상기 스택 내부를 수증기 응축이 일어나지 않는 조건으로 유지하면서 수소 및 공기를 공급하여 전기생성반응을 진행시키는 2차승온단계;를 포함하는 인산형 고분자 전해질막 연료전지 시스템의 기동방법.
- 제6항에 있어서,상기 적정 온도 도달 후 상기 1차승온단계는 종료되고 2차승온단계가 이어서 진행되는 것을 특징으로 하는 인산형 고분자 전해질막 연료전지 시스템의 기동방 법.
- 제6항에 있어서,상기 적정 온도 도달 후 상기 1차승온단계와 2차승온단계가 함께 진행되는 것을 특징으로 하는 인산형 고분자 전해질막 연료전지 시스템의 기동방법.
- 제6항에 있어서,상기 적정 온도는 100℃이하인 것을 특징으로 하는 인산형 고분자 전해질막 연료전지 시스템의 기동방법.
- 제6항에 있어서,상기 2차승온단계는, 공기를 응축이 일어나는 온도 이상으로 예열하여 상기 스택에 공급하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 인산형 고분자 전해질막 연료전지 시스템의 기동방법.
- 제6항에 있어서,상기 2차승온단계는, 상기 스택내의 수증기 분압이 포화수증기압 보다 작아지도록 공기 송풍량을 조정하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 인산형 고분자 전해질막 연료전지 시스템의 기동방법.
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