KR20090109274A - 연료전지 시스템 및 그 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 시스템 기동시 스택과 리포메이트 간의 온도 차이에 기인한 애노드 플로딩을 방지할 수 있는 연료전지 시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다. 본 발명의 연료전지 시스템의 제어방법은 연료전지 스택의 온도를 검출하는 단계와, 연료개질부에서 생성된 후 열교환부를 통해 연료전지 스택에 공급되는 리포메이트의 온도를 검출하는 단계와, 시스템 기동 시간 동안 리포메이트의 온도가 연료전지 스택의 온도보다 일정 범위 내에서 낮게 유지되도록 연료전지 스택의 온도 변화에 연동하여 리포메이트의 온도를 제어하는 단계를 포함한다.
연료전지, 기동, 물 응축, 스택 온도, 리포메이트, 열교환기, 온도 제어

Description

연료전지 시스템 및 그 제어 방법{Fuel cell system and control method thereof}
본 발명은 시스템 기동시 스택과 리포메이트 간의 온도 차이에 기인한 애노드 플로딩을 방지할 수 있는 연료전지 시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.
연료전지는 연료와 산화제의 전기화학적 반응에 의해 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환하는 장치이다. 연료전지는 기존의 터빈 발전기와 같이 연소 과정이나 구동장치가 없으므로 효율이 높을 뿐만 아니라 대기오염, 진동, 소음과 같은 환경문제를 유발하지 않으므로 차세대 발전 기술로 주목받고 있다.
연료전지는 전해질의 종류에 따라서 인산형 연료전지, 알칼리형 연료전지, 고분자 전해질형 연료전지, 용융탄산염형 연료전지, 고체산화물형 연료전지 등으로 구분될 수 있다. 각 연료전지는 기본적으로 같은 원리에 의해 작동되지만, 연료의 종류, 운전 온도, 촉매와 전해질이 서로 다르다. 이러한 연료전지들은 산업용, 가정용, 레저용 등의 다양한 용도로 연구개발되고 있다. 특히, 일부 연료전지들은 자동차, 선박 등과 같은 이동 수단의 전원공급장치로서 활발히 연구개발되고 있다.
전술한 연료전지들 가운데 고분자 전해질형 연료전지(polymer electrolyte membrane fuel cell, PEMFC)는 액체 전해질이 아닌 고체 고분자막을 사용하며, 인산형 연료전지에 비하여 출력 특성이 월등히 높고, 작동 온도가 낮으며, 아울러 빠른 시동 및 응답특성과 함께, 휴대용 전자기기의 전원과 같은 이동용(mobile) 전원이나 요트용 동력원과 같은 수송용 전원은 물론, 주택, 공공건물의 정지형 발전소와 같은 분산용 전원 등 그 응용 범위가 넓은 장점을 갖는다.
고분자 전해질형 연료전지는 크게 두 개의 구성 요소로 구분할 수 있는데, 하나는 스택 부분이며 다른 하나는 시스템 및 운전 부분이다. 스택은 연료와 산화제를 전기화학적으로 반응시켜 직접 전기를 생산하며, 애노드 전극촉매, 캐소드 전극촉매, 및 이 전극촉매들 사이에 삽입되는 전해질로 이루어진 막-전극 어셈블리를 구비한다. 또한 스택은 복수의 막-전극 어셈블리를 적층하여 제작될 수 있는데, 이러한 적층형 스택의 경우, 막-전극 어셈블리들 사이에는 세퍼레이터가 배치된다. 시스템 및 운전 부분은 연료 공급 장치, 산화제 공급 장치, 열교환 장치, 전력 변환 장치, 제어 장치 등을 구비하며, 스택의 운전을 제어한다.
전술한 고분자 전해질형 연료전지는 시스템 기동 초기에 스택의 온도 변화가 수반된다. 시스템 기동 직후 스택은 연료와 산화제의 전기화학적 반응을 시작하기 전이므로, 스택의 온도는 보통 정상 운전 상태의 온도보다 낮은 온도 범위에 있게 된다. 시간이 지남에 따라 스택에서는 연료와 산화제의 전기화학적 반응으로 전기에너지와 열이 발생하고, 발생된 열에 의해 스택 온도는 점차 상승하게 된다.
한편, 시스템 기동시 스택의 애노드에 정상 운전시의 온도로 열교환된 리포메이트를 공급하게 되면, 스택은 통상 정상 운전시의 온도보다 낮은 상온 부근의 온도를 갖기 때문에 스택 내부에서 리포메이트에 함유된 수증기의 상당량이 응축하게 된다. 이러한 스택 내부의 수증기 응축은 애노드 플로딩(anode flooding) 문제를 유발하고, 결국 스택의 정상적인 기동 및 운전을 방해한다.
특히, 스택 내부에 응축된 물은 스택 하부에 고일 가능성이 크다. 그 경우, 스택 내의 일부 셀이 물에 잠길 수 있으며, 이러한 셀은 스택에 역전압을 발생시켜 스택의 기동을 방해한다. 게다가 전술한 문제로 시스템 기동을 반복하게 되면 스택 성능이 급격히 저하될 수 있다.
본 발명의 목적은 시스템 기동시 스택과 리포메이트 간의 온도 차이에 기인한 애노드 플로딩을 방지할 수 있는 연료전지 시스템 및 그 제어방법을 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 일 측면에 의하면, 연료전지 스택의 온도를 검출하는 단계; 연료개질부에서 생성된 후 열교환부를 통해 연료전지 스택에 공급되는 리포메이트의 온도를 검출하는 단계; 및 시스템 기동 시간 동안 리포메이트의 온도가 연료전지 스택의 온도보다 일정 범위 내에서 낮게 유지되도록 연료전지 스택의 온도 변화에 연동시켜 리포메이트의 온도를 제어하는 단계를 포함하는 연료전지시스템 제어방법이 제공된다.
상기 리포메이트의 온도를 제어하는 단계는, 연료전지 스택의 온도를 기준으로 90% 내지 50% 범위 내의 상대습도가 유지되도록 리포메이트의 온도를 제어하는 단계를 포함한다.
상기 리포메이트의 온도를 제어하는 단계는 열교환부의 시스템 기동시의 열교환 성능을 시스템 정상운전시의 열교환 성능보다 높게 제어하는 단계를 포함한다.
상기 연료전지 스택의 온도를 검출하는 단계는 연료전지 스택의 체적 중심부의 온도를 검출하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 연료전지시스템 제어방법은 리포메이트의 온도가 연료전지 스택의 온도보다 소정 크기만큼 작지않을 때, 리포메이트를 연료개질부에 공급하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 연료전지시스템 제어방법은 연료전지 스택의 캐소드에 산화제를 공급하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 의하면, 연료전지 스택; 연료전지 스택의 온도를 검출하는 제1 센서; 연료전지 스택에 공급할 리포메이트를 생성하는 연료개질부; 연료개질부에서 연료전지 스택으로 공급되는 리포메이트의 온도를 조절하는 열교환부; 열교환부를 통해 나오는 리포메이트의 온도를 검출하는 제2 센서; 및 시스템 기동 시간 동안 리포메이트의 온도가 연료전지 스택의 온도보다 일정 범위 내에서 낮게 유지되도록 연료전지 스택의 온도 변화에 연동시켜 리포메이트의 온도를 제어하는 제어부를 포함하는 연료전지시스템이 제공된다.
상기 제어부는 연료전지 스택의 온도를 기준으로 90% 내지 50%의 상대습도가 유지되도록 리포메이트의 온도를 제어한다.
상기 제어부는 열교환부의 시스템 기동시의 열교환 성능을 시스템 정상운전시의 열교환 성능보다 높게 제어한다. 이를 위해, 열교환부는 메인 열교환부 및 시스템 기동 구간에만 동작하는 보조 열교환부를 포함하고, 제어부는 시스템 기동시 메인 열교환부와 보조 열교환부를 함께 작동시켜 열교환 성능을 높일 수 있다.
상기 연료전지 시스템은 연료개질부와 연료전지 스택 사이에 배치되며, 리포메이트의 온도가 연료전지 스택의 온도 이상일 때, 리포메이트를 연료개질부에 공 급하기 위한 밸브를 더 포함할 수 있다.
상기 제어부는 연료전지 스택의 온도에 연동하여 열교환부의 동작을 자동 조절하는 열교환 온도 연동장치를 포함할 수 있다.
상기 연료전지 시스템은 연료전지 스택의 캐소드로 산화제를 공급하는 산화제 공급부를 더 포함할 수 있다.
상기 연료전지 스택은 고분자 전해질형 연료전지 방식의 스택을 포함한다.
본 발명에 의하면, 시스템 기동시 스택 온도보다 소정 범위의 낮은 온도를 갖는 리포메이트를 공급함으로써, 기존의 스택 내부에서 발생하던 애노드 플로딩 문제를 방지할 수 있다. 또한, 기동 구간에 스택의 온도가 증가함에 따라 리포메이트의 온도를 연동하여 증가시킴으로써 스택의 기동 및 운전 안정성을 높이고 스택 성능의 열화를 방지할 수 있다. 게다가, 스택 온도가 상온에서 매우 낮은 온도를 갖는 경우에도 시스템 기동시의 애노드 플로딩을 방지할 수 있다. 아울러, 시스템 기동시 스택 온도가 불안정하여 제어값보다 낮아진다 하더라도 열교환된 리포메이트 온도가 스택 온도와 연동하므로 애노드 플로딩을 방지할 수 있다. 또한, 시스템 기동 후 스택 온도가 설정 온도 이상으로 상승하는 경우에도 리포메이트 온도가 스택 온도와 연동하므로 스택 내부가 건조해지는 것을 방지할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다. 이하의 실시예는 본 기술 분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 충분히 이해하도록 하기 위한 것이며, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
단, 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여, 설명과 관계없는 부분은 도면에서 생략하였으며, 도면상에서 동일 부호는 동일하거나 유사한 요소를 지칭하며, 각 요소의 두께나 크기는 설명의 편의성 및 명확성을 위하여 과장될 수 있다. 또한 명세서 전체에 연료전지 스택이라는 용어를 사용하였지만, 이는 용어 사용의 편의를 위한 것이며, 연료전지 스택은 적층형 스택이나 평판형 스택을 포함할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 블록도이다.
도 1을 참조하면, 연료전지 시스템은 연료전지 스택(10), 연료전지 스택(10)에 공급할 리포메이트를 생성하는 연료개질부(20), 연료개질부(20)에서 연료전지 스택(10)으로 공급되는 리포메이트의 온도를 조절하는 열교환부(30), 연료전지 스택(10)의 온도를 검출하는 제1 센서(42), 열교환부(30) 또는 리포메이트의 온도를 검출하는 제2 센서(44), 및 시스템 기동 초기에 리포메이트의 온도가 연료전지 스택(10)의 온도보다 일정 범위 내에서 낮게 유지되도록 연료전지 스택(10)의 온도 변화에 연동하여 리포메이트의 온도를 제어하는 제어부(50)를 포함한다.
연료전지 스택(10)은 기본적으로 애노드 전극촉매, 캐소드 전극촉매, 및 이 전극촉매들 사이에 삽입되는 전해질로 이루어진 막-전극 어셈블리를 구비한다. 또한 연료전지 스택(10)은 복수의 막-전극 어셈블리를 적층하여 제작될 수 있는데, 이러한 적층형 스택의 경우, 막-전극 어셈블리들 사이에는 세퍼레이터가 배치된다.
전술한 연료전지 스택(10)은 애노드 인렛(12)으로 공급되는 연료와 캐소드 인렛(16)으로 공급되는 산화제의 전기화학적 반응에 의해 전기에너지와 열을 생성한다. 연료전지 스택(10)에 유입된 연료와 산화제는 애노드 아웃렛(14)과 캐소드 아웃렛(18)을 통해 스택(10) 외부로 배출될 수 있다. 전술한 연료는 수소, 천연가스, 메탄올, 에탄올 등의 원료를 개질하여 얻을 수 있다.
연료개질부(20)는 연료전지 스택(10)에 적합한 최적의 연료인 수소를 공급하기 위한 장치이다. 연료개질부(20)는 천연가스, 가솔린, 메탄올 등의 원료를 개질하여 수소가 풍부한 리포메이트를 생성한다. 연료개질부(20)는 수증기 개질(steam reforming), 부분 산화 개질(partial oxidation reforming), 자열 개질(autothermal reforming), 또는 이들의 조합으로 이루어지는 개질 반응을 위한 촉매 공정을 포함할 수 있다. 또한, 연료개질부(20)는 연료 내의 일산화탄소와 황 등의 물순물을 제거하기 위한 촉매 공정을 포함할 수 있다. 전술한 촉매 공정은 수성가스 전환(water gas shift, WGS)을 위한 촉매 공정, 선택적 산화(preferential oxidation)를 위한 촉매 공정을 포함한다.
열교환부(30)는 연료전지 시스템 운전시에 발생하는 열을 변환하는 장치이다. 열교환부(30)는 연료전지 스택(10), 모터, 각종 제어기 등이 일정한 온도로 작동되도록 기능한다. 특히, 본 실시예의 열교환부(30)는 시스템 기동 시간 동안 연료개질부(20)에서 연료전지 스택(10)으로 공급되는 리포메이트의 온도를 스택 온도보다 조금 낮게 연동하여 변환한다.
제1 센서(42)는 시스템 기동시 상온에서부터 정상운전 온도까지 급격히 변화 하는 연료전지 스택(10)의 온도를 검출할 수 있는 온도 센서를 포함한다. 제1 센서(42)는 연료전지 스택(10)의 온도를 정확하게 검출하기 위하여 스택의 체적 중심부에 설치되는 것이 바람직하다.
제2 센서(44)는 시스템 기동시 급격히 변하는 연료전지 스택(10)의 온도에 연동하여 리포메이트의 변동 온도를 검출할 수 있는 온도 센서를 포함한다. 제2 센서(44)는 열교환부(30)의 온도, 열교환부(30)를 통해 나오는 리포메이트의 온도, 및 연료전지 스택(10)의 애노드 인렛(12)으로 들어가는 리포메이트의 온도 중 적어도 어느 하나의 온도를 검출하도록 설치될 수 있다.
제1 센서(42) 및 제2 센서(44)는 서미스터(thermister), 저항온도 감지기(resistance temperature detector), 열전대(thermocouple), 반도체 온도센서 등에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
제어부(50)는 제1 센서(42) 및 제2 센서(44)에서 검출된 온도 신호를 소정 입력 포트를 통해 받고, 받은 온도 신호로부터 연료전지 스택(10)의 온도와 리포메이트의 온도를 감지한다. 제어부(50)의 입력 포트는 아날로그 디지털 컨버터를 포함할 수 있다. 제어부(50)는 마이크로프로세서나 플립플롭을 이용한 논리회로로 구현될 수 있다.
또한, 제어부(50)는 시스템 기동시 연료전지 스택(10)에 공급되는 리포메이트의 온도가 연료전지 스택(10)의 온도보다 조금 낮게 연동되도록 열교환부(30)를 제어한다. 바람직하게, 리포메이트의 온도는 연료전지 스택(10)의 온도를 기준으로 약 90℃ 내지 50℃의 상대습도(relative humidity)에 대응하는 온도 범위에 존재하 도록 설정된다.
구 분 1℃ 기준 포화수증기량(gr/㎥)
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
10℃ 기준 포화 수증기량 (gr/㎥) 60 129.8 135.6 141.5 147.6 153.9 160.5 167.3 174.2 181.6 189.0
50 82.9 86.9 90.9 95.2 99.6 104.2 108.9 114.0 119.1 124.4
40 51.0 53.6 56.4 59.2 62.2 65.3 68.5 71.8 75.3 78.9
30 30.3 32.0 33.8 35.6 37.5 39.5 41.6 43.8 46.1 48.5
20 17.3 18.3 19.4 20.6 21.8 23.0 24.3 25.7 27.2 28.7
대기압하에서 어떤 온도의 공기가 가질 수 있는 수분의 양이 표 1과 같다고 할 때, 연료전지 스택(10)의 온도가 대기압에서 31℃이면, 리포메이트의 온도는 31℃의 포화수증기량 32.0gr/㎥보다 소정량 적은 수분을 갖는 온도 범위에서 선택될 것이다. 예컨대, 연료전지 스택(10)의 온도를 기준으로 상대습도 90%로 리포메이트의 수분량을 설정한다면, 리포메이트의 수분량은 32.0gr/㎥의 0.9배 즉 28.8gr/㎥가 되고, 따라서 리포메이트의 온도는 28.8gr/㎥의 수분량을 포함할 수 있는 온도 즉 약 29℃로 설정된다. 또한, 예컨대, 연료전지 스택(10)의 온도를 기준으로 상대습도 50%로 리포메이트의 수분량을 설정한다면, 리포메이트의 수분량은 32.0gr/㎥의 0.5배 즉 16.0gr/㎥가 되고, 따라서 리포메이트의 온도는 16.0gr/㎥의 수분량을 포함할 수 있는 온도 즉 약 19℃ ~ 20℃ 정도로 설정된다.
또 다른 예로써, 연료전지 시스템의 제어부는 시스템 기동 직후 연료전지 스택(10)의 온도가 31℃일 때, 리포메이트 온도를 약 29℃로 설정하고, 이 설정에 대응하도록 열교환부(30)를 제어할 수 있다. 이때, 연료전지 스택(10)의 온도를 기준으로 리포메이트는 약 90%의 상대습도를 갖게 된다. 또한 제어부는 시스템 기동 후반에 연료전지 스택(10)의 온도가 약 61℃일 때, 정상 운전을 준비하기 위하여 리포메이트 온도를 약 46℃로 설정하고, 이 설정에 대응하도록 열교환부(30)를 제어할 수 있다. 이때, 연료전지 스택(10)의 온도를 기준으로 리포메이트는 약 50%의 상대습도를 갖게 된다.
전술한 설명에 있어서, 설명의 편의상 리포메이트의 온도는 연료개질부(20)과 연료전지 스택(10)의 애노드 인렛(12)을 연결하는 배관 내의 압력을 고려하지 않았다. 배관을 통과하는 리포메이트에 가해지는 압력을 고려한다면, 리포메이트가 가질 수 있는 수분의 양은 더욱 감소될 것이다. 따라서, 리포메이트의 온도를 측정하는 위치에 따라서 배관 내의 압력을 고려하여 리포메이트의 온도를 조금 높게 설정하는 것도 가능하다. 아울러, 리포메이트는 대기 중의 공기가 아니므로 함유할 수 있는 수분의 량도 표 1의 값에서 예상가능한 작은 차이를 가질 수 있다.
전술한 연료전지 시스템은 연료개질부(20)에서 생성된 후 열교환부(30)를 통해 열교환되고 애노드 인렛(12)으로 공급되는 리포메이트 내의 수소와 산화제 공급부(60)를 통해 캐소드 인렛(16)으로 공급되는 공기 중의 산소의 전기화학적 반응에 의해 아래의 반응식 1 내지 반응식 3과 같이 전기에너지와 열을 발생시킨다. 산화제 공급부(60)는 공기 펌프나 송풍기를 포함할 수 있다.
애노드: H2(g) → 2H+ + 2e-
캐소드: 1/2O2(g) + 2H+ + 2e- → H2O(l)
전체: H2(g) + 1/2O2(g) → H2O(l) + 전기에너지 + 열
전술한 연료전지 시스템의 제어과정을 좀더 상세히 설명한다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 제어방법에 대한 순서도이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 본 실시예의 연료전지 시스템 제어방법은 다음의 단계들을 포함한다. 먼저 본 실시예의 제어방법은 시스템을 기동시키는 단계(S10)를 포함한다. 본 단계(S10)는 사용자의 스위치 조작이나 프로그램된 운전 루틴에 의해 발생한 운전 제어신호를 제어부에서 감지한 후 시스템 기동에 필요한 동작을 수행하는 것을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제어방법은 시스템 기동 시간 동안 연료전지 스택의 온도(TS)를 검출하는 단계(S12)를 포함한다. 본 단계(S12)는 연료전지 스택에 연결된 제1 센서에서 연료전지 스택의 온도를 주기적으로 검출하고, 제어부에서 검출된 온도를 주기적으로 감지하는 것을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제어방법은 시스템 기동 시간 동안 연료개질부에서 생성된 후 열교환부를 통해 연료전지 스택으로 공급되는 리포메이트의 온도(TR)를 검출하는 단계(S14)를 포함한다. 본 단계(S14)는 열교환부의 온도 또는 리포메이트의 온도를 주기적으로 검출하는 제2 센서와 제2 센서에서 검출된 온도를 주기적으로 감지하는 제어부를 통해 수행될 수 있다.
또한, 상기 제어방법은 시스템 기동 시간 동안 리포메이트의 온도(TR)가 연료전지 스택의 온도(TS)보다 일정 범위 내에서 낮은가를 판단하는 단계(S16)를 포함한다. 본 단계(S16)는 연료전지 스택의 온도에서 리포메이트 온도를 뺀 값이 0을 초과하고 기준 온도 이하가 되도록 동작하는 것을 포함한다. 기준 온도는 스택 온도에서 스택 온도에 상응하는 포화수증기량의 90% 내지 50%의 포화수증기량을 갖는 온도를 뺀 온도 범위에 존재하게 된다. 리포메이트의 온도가 상기 온도 범위보다 낮으면, 스택 내부가 쉽게 건조해질 수 있고, 리포메이트의 온도가 상기 온도 범위보다 높으면, 스택 내부에 애노드 플로딩이 발생할 수 있다.
또한, 상기 제어방법은 상기 단계(S16)의 판단 결과가 예이면, 열교환된 리포메이트를 연료전지 스택에 공급하는 단계(S18)를 포함한다. 본 단계(S18)는 연료전지 스택의 애노드 인렛 측에 설치된 밸브의 채널을 개방하는 단계를 포함할 수 있다. 밸브는 솔레노이드 밸브를 포함한다.
또한, 상기 제어방법은 상기 단계(S16)의 판단 결과가 아니오이면, 열교환된 리포메이트를 연료전지 스택에 공급하지 않는 상태에서 다시 연료전지 스택의 온도(TS)를 검출하고 열교환된 리포메이트의 온도(TR)를 검출한 후, 리포메이트의 온도가 연료전지 스택의 온도보다 일정 범위 내에서 작은가를 다시 판단하는 단계를 포함한다. 본 단계에서 연료전지 스택에 공급되지 않는 리포메이트는 연료개질부에 공급되고, 연료개질부에서 연료개질부를 가열하기 위한 연료로써 사용될 수 있다.
도 3은 본 발명의 연료전지 시스템의 작동과정을 설명하기 위한 그래프이다.
도 3에 도시한 바와 같이, 본 실험예에서는 200W급 연료전지 시스템을 이용하였다. 시스템 기동 직후 연료전지 스택의 온도는 상온 부근인 약 31℃이었다. 그리고 약 10분의 기동 시간 동안 연료전지 스택의 온도는 약 31℃에서 약 63℃까지 급격히 상승하였다.
만일, 전술한 시스템 기동 시간 동안, 연료전지 스택의 정상 운전 상태에서의 온도인 약 63℃에 맞추어 리포메이트의 온도를 약 50℃정도로 제어한 후 연료전지 스택에 공급한다면, 연료전지 스택의 내부에서는 리포메이트 온도보다 낮은 스택 온도로 인하여 리포메이트에 함유된 수증기의 상당량이 응축된다. 응축된 물은 애노드 인렛을 막거나 애노드측의 연료 채널을 막아 리포메이트의 공급을 방해할 수 있다. 그리고 응축된 물은 연료전지 스택의 하부측에 고이게 된다. 그 경우, 연료전지 스택의 하부측에 위치하는 셀은 물에 잠겨 정상적으로 기동하지 못하거나 역전압을 발생시켜 스택에 악영향을 미칠 수 있다.
하지만, 본 실시예의 연료전지 시스템 제어방법은 연료전지 스택에 공급되는 리포메이트의 온도가 연료전지 스택의 온도보다 낮으면서 소정의 온도차를 갖고 연료전지 스택의 온도와 연동하도록 리포메이트의 온도를 제어함으로써 전술한 문제의 발생을 방지한다. 즉, 본 실험예에서는 시스템 기동 시간 동안 약 31℃에서 63℃까지 상승하는 연료전지 스택의 온도에 소정 온도차를 갖고 연동하여 상승하도록 리포메이트의 온도를 약 29℃에서 50℃까지 제어한다.
연료전지 스택 온도와 연동하여 리포메이트 온도를 제어하기 위한 기준 온도 는, 리포메이트의 온도가 연료전지 스택의 온도보다 낮으면서, 리포메이트가 연료전지 스택 내부에 공급될 때, 연료전지 스택 내부에 약 90% 내지 50%의 상대습도를 유지할 수 있도록 설정된다.
한편, 도 3에서와 같이, 시스템의 정상 운전 상태에서는 스택 내부의 가습 조건이 기동시에 비해 완화되므로 기동 직후의 상대습도보다 낮은 정상운전시의 상대습도로 리포메이트를 제어한다. 이때, 정상 운전 상태에서 연료전지 스택의 온도가 약 63℃일 때, 리포메이트의 온도는 약 48℃ 내지 52℃ 정도로 설정된다.
이와 같이, 본 실시예에 의하면, 시스템 기동시 스택 온도와 리포메이트 온도 차이에 의해 스택 내부에 응축수가 과도하게 발생하는 것을 방지할 뿐만 아니라 스택 온도와 리포메이트의 온도 부조화에 의해 저가습 분위기가 형성되고 그것에 의해 스택 내부가 건조해지는 것도 방지할 수 있다.
도 4는 본 발명의 연료전지 시스템에 채용가능한 열교환 온도 연동장치에 대한 예시도이다. 즉, 도 4는 연료전지 시스템의 제어부에 포함되는 열교환 온도 연동장치의 인터페이스의 일례를 나타낸다.
본 실시예의 연료전지 시스템은 리포메이트의 온도와 연료전지 스택의 온도를 연동하기 위한 열교환 온도 연동장치(52)를 포함한다. 열교환 온도 연동장치(52)는 시스템 정상 운전시의 연료전지 스택 온도와 리포메이트 온도의 연동뿐만 아니라 시스템 기동 시간 동안의 연료전지 스택 온도와 리포메이트 온도의 역동적인 연동을 제어하기 위한 것이다.
도 4에 도시한 바와 같이, 열교환 온도 연동장치(52)에서 정상 운전시의 연 료전지 스택의 온도를 63℃로 설정하면, 시스템 기동시 스택 팬은 연료전지 스택의 온도가 63℃를 초과할 때까지 동작하지 않고 대기할 것이다. 그리고 정상 운전시의 리포메이트의 온도를 50℃로 설정하면, 시스템 기동시 열교환부 팬(H/X fan)은 리포메이트의 온도가 50℃를 초과할 때까지 동작하지 않고 대기할 것이다. 게다가, 정상 운전 상태가 되어도 자동 모드가 오프(OFF)로 설정되어 있으면, 여전히 기설정된 조건에 따라서만 대기 또는 동작할 것이다.
하지만, 본 실시예의 열교환 온도 연동장치(52)에서 열교환부 팬과 스택 팬(52a)을 자동 모드 ON으로 설정하면, 시스템 기동 직후 상온과 유사한 온도를 갖는 연료전지 스택의 온도보다 소정 온도 낮게 리포메이트의 온도를 낮춘 다음, 연료전지 스택의 온도 변화에 연동하여 리포메이트의 온도를 제어할 수 있다.
한편, 본 실시예의 연료전지 시스템은, 리포메이트 온도를 연료전지 스택 온도와 연동시키기 위하여, 연료개질부의 특정 지점에서 리포메이트의 온도를 제어할 수 있다. 예를 들면, 연료개질부가 수증기 개질 반응부(SR 반응부), 수성가스 전환 반응부(WGS 반응부), 및 선택산화 반응부(PROX 반응부)를 포함하는 경우, 본 실시예의 연료전지 시스템은 WGS 반응부에서 나오는 리포메이트의 온도와 연료전지 스택의 온도가 연동되도록 동작할 수 있다. 이 경우, 리포메이트의 온도는 PROX 반응부에서의 온도 변화 및 열교환부에서의 온도 변화를 고려하여 설정될 수 있다. 또 다른 예를 들면, 본 실시예의 연료전지 시스템은 PROX 반응부에서 나오는 리포메이트의 온도와 연료전지 스택의 온도가 연동되도록 동작할 수 있다. 이 경우, 리포메이트의 온도는 기본적으로 열교환부에서의 온도 변화를 고려하여 설정될 수 있다. 추가적으로, 본 실시예의 연료전지 시스템은 연료개질부와 연료전지 스택 사이를 연결하는 배관을 통과하면서 리포메이트의 온도 및 압력이 변화하는 것을 고려하여 리포메이트의 온도를 설정할 수 있다.
도 5는 본 발명의 연료전지 시스템에 채용가능한 열교환부의 블록도이다.
도 5를 참조하면, 열교환부(30a)는 박스로 개략적으로 도시된 배관(32), 및 배관(32)을 지나는 리포메이트를 냉각시키는 냉각수단을 포함한다. 냉각수단은 제1 팬(34a) 및 제2 팬(34b)을 포함한다. 배관(32)은 실제로 구불구불하게 연장되거나 나선형으로 연장될 수 있다. 배관(32)의 출구 부근에는 응축된 물을 배출하기 위한 배수밸브(33)가 연결된다. 또한, 배관(32)의 출구 부근에는 열교환된 리포메이트의 온도가 연료전지 스택의 온도보다 높을 때 그 리포메이트(R1)를 산화 연료로 연료개질부에 공급하고, 열교환된 리포메이트의 온도가 연료전지 스택의 온도보다 소정 범위에서 낮을 때 그 리포메이트(R2)를 연료전지 스택으로 공급하기 위한 3-way 밸브(35)가 연결된다.
연료전지 시스템의 기동 시간 동안, 두 개의 팬(34a, 36b)은 배관(32)으로 유입되는 리포메이트(R0)의 온도가 상온의 스택 온도보다 조금 낮아지도록 고출력으로 작동된 후 연료전지 스택의 온도 상승에 연동하여 리포메이트의 온도가 점진적으로 높아지도록 그 출력을 서서히 감소하도록 작동된다. 또한, 시스템 정상 운전시 리포메이트의 온도가 연료전지 스택의 온도와 거의 일정한 온도차를 갖고 유지하도록 두 팬들(34a, 34b) 중 어느 하나의 팬만이 작동될 수 있다.
본 실시예의 열교환부(30a)는 두 팬들(34a, 34b)의 동작 속도의 강약을 이용 하여 시스템 기동 구간에는 고속 동작으로 리포메이트의 온도를 크게 낮추도록 운용되고, 정상 운전 구간에는 보통 또는 낮은 속도의 동작으로 리포메이트의 온도를 적절히 유지하도록 운용될 수 있다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 G/L 세퍼레이터를 구비한 연료전지 시스템에 대한 블록도이다.
본 실시예의 두 G/L 세퍼레이터들(36a, 36b)은 기본적으로 도 1의 시스템 블록도에서 볼 때 연료개질부(20)와 연료전지 스택(10) 사이에 연결된다. 이때, 연료개질부(20)와 두 G/L 세퍼레이터들(36a, 36b)과의 사이에는 기존의 열교환기가 설치될 수 있다. 다른 한편으로, 본 실시예의 두 G/L 세퍼레이터들(36a, 36b)은 도 1의 시스템 블록도에서 볼 때 열교환부(30)와 연료전지 스택(10) 사이에 연결될 수 있다. 이 경우, 도 5의 열교환부(30a)에서 나오는 리포메이트(R2)는 도 6의 리포메이트 Ra로서 G/L 세퍼레이터에 유입된다고 볼 수 있다.
도 6을 참조하면, 본 실시예의 열교환부(30b)는 연료개질부와 연료전지 스택 사이를 연결하는 제1 내지 제7 배관(32a, 32b, 32c, 32d, 32e, 32f, 32g), 제1 배관(32a)과 제2 배관(32b) 사이에 배치되는 제1 G/L 세퍼레이터(36a), 및 제3 배관(32c)과 제4 배관(32d)사이에 배치되는 제2 G/L 세퍼레이터(36b)를 더 포함한다.
열교환부(30b)는 제2 배관(32b), 제3 배관(32c), 제6 배관(32f) 및 제7 배관(32g)을 연결하는 4-way 밸브(37a)를 포함한다. 여기서, 제6 배관(32f)은 제2 배관(32b)을 통과하는 리포메이트가 제2 G/L 세퍼레이터(36b)를 거치지 않고 제5 배관(32e)을 통해 연료전지 스택에 공급되도록 제2 배관(32b)과 제5 배관(32e) 사이 에 바이패스를 형성한다. 그리고 제7 배관(32g)은 제2 배관(32b)을 통과하는 리포메이트의 온도가 연료전지 스택의 온도보다 낮은 원하는 온도가 아닌 경우, 그 리포메이트(Rb)를 연료개질부에 공급하기 위한 배관이다.
또한, 열교환부(30b)는 제2 G/L 세퍼레이터(36b)에서 제4 배관(32d)을 통해 나오는 리포메이트(Rc)의 흐름과 제6 배관(32f)을 지나는 리포메이트(Rc)의 흐름을 선택적으로 제어하기 위한 3-way 밸브(37b)를 포함한다.
전술한 열교환부(30b)에서 제1 G/L 세퍼레이터(36a)는 유입된 리포메이트(Ra)의 가습량을 조절하기 위하여 시스템 기동시에만 단독 운용되는 메인 가습량 조절부에 대응하고, 제2 G/L 세퍼레이터(36b)는 리포메이트의 가습량을 다시 조절하게 위하여 시스템 정상운전시에 제1 G/L 세퍼레이터(36a)를 보조하도록 운용되는 보조 가습량 조절부에 대응한다.
전술한 발명에 대한 권리범위는 이하의 특허청구범위에서 정해지는 것으로써, 명세서 본문의 기재에 구속되지 않으며, 청구범위의 균등 범위에 속하는 변형과 변경은 모두 본 발명의 범위에 속할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템의 블록도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템 제어방법의 순서도.
도 3은 본 발명의 연료전지 시스템의 작동과정을 설명하기 위한 그래프.
도 4는 본 발명의 연료전지시스템에 채용가능한 열교환 온도 연동장치에 대한 예시도.
도 5는 본 발명의 연료전지시스템에 채용가능한 열교환부의 블록도.
도 6은 본 발명의 연료전지 시스템의 열교환부에 채용가능한 기액 세퍼레이터의 개략적인 구성도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 연료전지 스택
20 : 연료개질부
30 : 열교환부
42, 44 : 센서
50 : 제어부
60 : 산화제공급부

Claims (15)

  1. 연료전지 스택의 온도를 검출하는 단계;
    연료개질부에서 생성된 후 열교환부를 통해 상기 연료전지 스택에 공급되는 리포메이트의 온도를 검출하는 단계; 및
    상기 시스템 기동 시간 동안 상기 리포메이트의 온도가 상기 연료전지 스택의 온도보다 일정 범위 내에서 낮게 유지되도록 상기 연료전지 스택의 온도 변화에 연동하여 상기 리포메이트의 온도를 제어하는 단계를 포함하는 연료전지시스템 제어방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 리포메이트의 온도를 제어하는 단계는, 상기 연료전지 스택의 온도를 기준으로 90% 내지 50% 범위 내에서 상대습도가 유지되도록 상기 리포메이트의 온도를 제어하는 단계를 포함하는 연료전지시스템 제어방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 리포메이트의 온도를 제어하는 단계는 상기 열교환부의 시스템 기동시의 열교환 성능을 시스템 정상운전시의 열교환 성능보다 높게 제어하는 단계를 포함하는 연료전지시스템 제어방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 리포메이트의 온도를 제어하는 단계는 상기 시스템 기동시 메인 열교환부와 상기 시스템 기동시에만 동작하는 보조 열교환부를 동작시키는 단계를 포함하는 연료전지시스템 제어방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지 스택의 온도를 검출하는 단계는 상기 연료전지 스택의 체적 중심부의 온도를 검출하는 단계를 포함하는 연료전지시스템 제어방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 리포메이트의 온도가 상기 연료전지 스택의 온도와 같거나 높을 때, 상기 리포메이트를 상기 연료개질부에 공급하는 단계를 더 포함하는 연료전지시스템 제어방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지 스택의 캐소드에 산화제를 공급하는 단계를 더 포함하는 연료전지시스템 제어방법.
  8. 연료전지 스택;
    상기 연료전지 스택의 온도를 검출하는 제1 센서;
    상기 연료전지 스택에 공급할 리포메이트를 생성하는 연료개질부;
    상기 연료개질부에서 상기 연료전지 스택으로 공급되는 상기 리포메이트의 온도를 조절하는 열교환부;
    상기 열교환부를 통해 나오는 상기 리포메이트의 온도를 검출하는 제2 센서; 및
    상기 시스템 기동 시간 동안 상기 리포메이트의 온도가 상기 연료전지 스택의 온도보다 일정 범위 내에서 낮게 유지되도록 상기 연료전지 스택의 온도 변화에 연동하여 상기 리포메이트의 온도를 제어하는 제어부를 포함하는 연료전지시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 연료전지 스택의 온도를 기준으로 90% 내지 50%의 상대습도가 유지되도록 상기 리포메이트의 온도를 제어하는 연료전지시스템.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 열교환부의 시스템 기동시의 열교환 성능을 시스템 정상운전시의 열교환 성능보다 높게 제어하는 연료전지시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 열교환부는 메인 열교환부 및 상기 시스템 기동시에만 동작하는 보조 열교환부를 포함하는 연료전지시스템.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 연료개질부와 상기 연료전지 스택 사이에 배치되며, 상기 리포메이트의 온도가 상기 연료전지 스택의 온도 이상일 때, 상기 리포메이트를 상기 연료개질부에 공급하기 위한 밸브를 더 포함하는 연료전지시스템.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 연료전지 스택의 온도에 연동하여 상기 열교환부의 동작을 자동 조절하는 열교환 온도 연동장치를 포함하는 연료전지시스템.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 연료전지 스택의 캐소드로 산화제를 공급하는 산화제 공급부를 더 포함하는 연료전지시스템.
  15. 제8항에 있어서,
    상기 연료전지 스택은 고분자 전해질형 연료전지 방식의 스택을 포함하는 연료전지시스템.
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