KR20090112822A - Fuel cell system and control method thereof - Google Patents

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KR20090112822A
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허진석
이현철
타카미 히가시
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삼성전자주식회사
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Abstract

PURPOSE: A fuel cell system and a control method thereof are provided to rapidly increase the temperature of a stack by supplying warm water generated during initial driving to a stack. CONSTITUTION: A fuel cell system includes a reformer(20) and a stack(30). The reformer generates reformate gas. The stack generates energy by supplying reformate gas generated in a reformer. A control method of a fuel system comprises the steps of: driving a reformer and heating heat media by heat energy generated by the driving of a reformer; heating a stack to the normal operating temperature by using heated heat media; and supplying the reformate gas to the stack after the stack reaches the normal operating temperature.

Description

연료전지시스템 및 그 제어방법{FUEL CELL SYSTEM AND CONTROL METHOD THEREOF}FUEL CELL SYSTEM AND CONTROL METHOD THEREOF}

본 발명은 연료전지시스템 및 그 제어방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 개질기에서 발생된 열에 의하여 가열된 열매개체가 순환되며 연료전지시스템의 스택을 가열시키는 방식을 적용하여 연료전지시스템의 스택이 정상적인 운전이 가능한 상태까지 경제적이고 신속하게 온도를 상승시킬 수 있는 연료전지시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell system and a control method thereof, and more particularly, a method of heating a stack of a fuel cell system by circulating a heating medium heated by heat generated from a reformer and heating the stack of the fuel cell system is performed. The present invention relates to a fuel cell system and a control method thereof capable of raising the temperature economically and quickly to a state in which operation is possible.

일반적으로 연료전지시스템(Fuel Cell System)은 산화, 환원의 전기화학반응을 통하여 전기 및 열에너지를 얻을 수 있는 장치이다. 석유, 석탄 등의 화석에너지는 매장량이 제한되어 있어 에너지 고갈이 점차 현실화됨은 물론, 이를 사용하는 과정에서 배출되는 각종 오염물질로 인한 환경오염이 문제되고 있다.In general, a fuel cell system is a device that can obtain electrical and thermal energy through electrochemical reactions of oxidation and reduction. Fossil energy, such as petroleum and coal, has a limited amount of reserves, resulting in energy depletion gradually becoming a reality, and environmental pollution due to various pollutants emitted in the process of using it.

연료전지시스템은 고효율의 전기화학반응을 통하여 전기에너지와 열에너지가 발생되므로 에너지 고갈 및 환경오염 문제를 획기적으로 해결할 수 있는 대체에너지원으로 각광받고 있다.Fuel cell systems are being spotlighted as alternative energy sources that can solve energy depletion and environmental pollution problems because electric energy and heat energy are generated through highly efficient electrochemical reactions.

연료전지시스템은 대한민국 특허출원 제1998-0016383호 및 대한민국 특허출 원 제2003-0047158호 등에 개시된 바와 같이 연료공급부와, 개질기(Fuel Processor)와, 스택(Stack)과, 냉각액공급부 등을 포함한다.The fuel cell system includes a fuel supply unit, a reformer, a stack, a coolant supply unit, and the like, as disclosed in Korean Patent Application No. 1998-0016383 and Korean Patent Application No. 2003-0047158.

이하에서는, 도 1을 참조하여 종래의 일 실시예에 따른 연료전지시스템의 작동을 구체적으로 설명한다.Hereinafter, an operation of a fuel cell system according to an exemplary embodiment will be described in detail with reference to FIG. 1.

종래의 일 실시예에 따른 연료전지시스템(110)은 연료공급부(150)에서 LNG, LPG, 등유 등의 탄화수소계(CH계열) 연료를 개질기(120)로 공급한다. The fuel cell system 110 according to an exemplary embodiment supplies a hydrocarbon-based (CH-based) fuel such as LNG, LPG, kerosene, etc. to the reformer 120 from the fuel supply unit 150.

개질기(120)는 탈황(Desulfurization)되어 공급된 연료가 개질(Reforming) 및 일산화탄소제거(CO Shift, CO Removal) 공정을 거치도록 한다. 일련의 공정을 거친 연료는 일산화탄소의 함유량이 낮으며 수소가 주성분인 가스가 되고, 외부유입공기공급부(170)에서 공급된 외부유입공기와 혼합되며 개질가스가 되어 스택(130, Stack)으로 공급된다.The reformer 120 is subjected to desulfurization so that the supplied fuel undergoes reforming and carbon monoxide removal. The fuel, which has undergone a series of processes, has a low carbon monoxide content and hydrogen as a main component, is mixed with the external inlet air supplied from the external inlet air supply unit 170, and is supplied as a reforming gas to the stack 130. .

스택(130)은 전기화학반응이 일어나는 단일셀(Single Cell)이 여러개 적층되어 마련된다. 단일셀은 전해질막을 중심으로 연료극과 공기극이 배치된 막-전극 접합체(MEA, Membrane-Electrode Assembly)이다. 연료극에서는 수소가 촉매에 의하여 수소이온과 전자로 분리되어 전기가 발생하며, 공기극에서는 수소이온과 전자가 산소와 결합하며 물이 생성된다. The stack 130 is provided by stacking a plurality of single cells in which an electrochemical reaction occurs. The single cell is a membrane-electrode assembly (MEA) in which a fuel electrode and an air electrode are disposed around an electrolyte membrane. In the anode, the hydrogen is separated into hydrogen ions and electrons by a catalyst to generate electricity. In the cathode, the hydrogen ions and electrons combine with oxygen to generate water.

냉각액공급부(140)는 수개의 단일셀 사이에 삽입된 냉각판으로 냉각액을 순환시켜 전기화학반응 과정에서 발생된 열을 스택(130)의 외부로 배출시킨다.The coolant supply unit circulates the coolant with a cooling plate inserted between several single cells to discharge heat generated in the electrochemical reaction process to the outside of the stack 130.

한편, 연료전지시스템(110)의 최초 시동시부터 일정 시간동안은 화학반응이 본격적으로 이루어지지 않으므로, 연료전지(110) 각 구성부분의 온도가 정상적인 작동을 위한 온도에 이르지 못하는 상태가 지속된다. 연료전지시스템(110)의 정상적인 작동을 위하여 필요한 최소온도는 각 구성부분에 따라 상이하므로 낮은 온도조건을 필요로 하는 부분은 정상적으로 작동하고 있더라도, 높은 온도조건을 필요로 하는 부분은 정상적으로 작동하지 못하는 경우가 발생된다. On the other hand, since the chemical reaction does not take place in earnest for a predetermined time from the initial start-up of the fuel cell system 110, the state in which the temperature of each component of the fuel cell 110 does not reach a temperature for normal operation continues. Since the minimum temperature required for the normal operation of the fuel cell system 110 varies depending on each component, even if a portion requiring a low temperature condition is operating normally, a portion requiring a high temperature condition does not operate normally. Is generated.

예를 들어, 개질기(120)에 포함된 리포머(미도시)는 작동가능 온도에 도달하여 가스를 생산하지만, 개질기(120)에 포함된 쉬프트반응기(미도시)는 아직 정상적인 기능을 할 수 있는 작동가능 온도에 도달하지 못하여 일산화탄소를 효과적으로 제거하지 못하는 상황이 발생될 수 있다.For example, a reformer (not shown) included in the reformer 120 reaches an operational temperature to produce gas, while a shift reactor (not shown) included in the reformer 120 is still capable of functioning normally. Situations may occur in which carbon monoxide cannot be effectively removed because the temperature is not reached.

이와 같은 경우에 쉬프트반응기(미도시)를 통과한 가스는 수소가 75%, 일산화탄소가 5% 가량 포함된다. 일산화탄소가 5% 가량 포함된 가스를 스택(130)에 공급하는 경우에 스택(130)의 손상이 발생할 수 있으므로, 비록 유용한 수소가 75% 가량 포함되어 있다고 하더라도 전기를 생산하기 위한 개질가스로 사용될 수 없다. 따라서, 일정한 온도에 이르러 일산화탄소가 일정범위 미만으로 포함된 개질가스가 생산될 때까지는 생산된 가스를 연소버너(160) 또는 연료공급부(150)로 보내 연소시키는 방법으로 소진시킨다.In this case, the gas passed through the shift reactor (not shown) contains about 75% hydrogen and about 5% carbon monoxide. Damage to the stack 130 may occur when a gas containing about 5% of carbon monoxide is supplied to the stack 130, and thus, even though about 75% of useful hydrogen is included, it may be used as a reforming gas for generating electricity. none. Therefore, until the reformed gas containing carbon monoxide in a predetermined range is produced at a constant temperature, the produced gas is exhausted by the combustion burner 160 or the fuel supply unit 150 for combustion.

그런데 종래의 연료전지시스템은 최초 시동시부터 연료전지시스템이 정상적인 가동이 가능한 온도에 이르기까지 상당한 시간이 소요된다.However, the conventional fuel cell system takes a considerable time from the initial start-up to the temperature at which the fuel cell system can operate normally.

이와 같은 점을 해결하기 위하여 전기히터로 연료전지시스템을 가열하여 정상가동 가능한 온도로 상승시키는 방법이 제시되었으나, 연료전지시스템에 상당시간동안 열을 가해야 하는 관계로 전기에너지 소모가 커 비경제적이다.In order to solve this problem, a method of heating the fuel cell system with an electric heater and raising it to a normal operating temperature has been proposed. However, since the heat is required to be applied to the fuel cell system for a considerable time, the electrical energy consumption is uneconomical. .

본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 개질기에서 발생된 열에 의하여 가열된 열매개체가 순환되며 연료전지시스템의 스택을 가열시키는 방식을 적용하여 연료전지시스템의 스택이 정상적인 운전이 가능한 상태까지 경제적이고 신속하게 온도를 상승시키는 것이다.The present invention is to solve such a problem, an object of the present invention is to operate the stack of the fuel cell system by applying a method of heating the stack of the fuel cell system is circulated heating the heating medium by the heat generated in the reformer This is to raise the temperature economically and quickly until possible.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지시스템 및 연료전지시스템 제어방법은 개질(改質)가스를 발생시키는 개질기와, 상기 개질기에서 발생된 상기 개질가스를 공급받아 에너지를 발생시키는 스택을 포함하는 연료전지시스템의 제어방법에 있어서, 상기 개질기를 가동시킨 후, 상기 개질기의 가동에 의하여 발생된 열에너지에 의하여 열매개체를 가열하고, 가열된 상기 열매개체를 이용하여 상기 스택을 정상작동온도까지 상승시키는 초기기동과, 상기 스택이 정상작동온도에 도달한 후 상기 개질가스를 상기 스택에 공급하는 정상기동을 포함하는 연료전지시스템의 제어방법에 의하여 달성된다.A fuel cell system and a method for controlling a fuel cell system according to the present invention for achieving the above object include a reformer for generating reformed gas, and a stack for generating energy by receiving the reformed gas generated in the reformer. In the control method of the fuel cell system, after the operation of the reformer, heating the heat medium by the heat energy generated by the operation of the reformer, using the heated heat medium to raise the stack to the normal operating temperature And a normal start for supplying the reformed gas to the stack after the stack reaches a normal operating temperature.

상기 초기기동은, 가열된 상기 열매개체를 상기 스택에 공급하는 제 1기동과, 상기 개질기와 상기 스택 사이에 마련된 순환가열회로(循環加熱回路)를 통하여 상기 스택에 공급된 상기 열매개체를 순환시켜 상기 스택을 가열하는 제 2기동을 포함하는 것이 바람직하다.The initial startup is performed by circulating the fruit medium supplied to the stack through a first startup for supplying the heated fruit object to the stack, and a circulating heating circuit provided between the reformer and the stack. It is preferred to include a second start for heating the stack.

상기 제 1기동에서, 가열된 상기 열매개체는 상기 스택의 냉각판에 직접 공급되는 것이 가능하다.In the first startup, the heated heating medium can be directly supplied to the cold plate of the stack.

상기 제 1기동에서, 가열된 상기 열매개체는 상기 스택에 마련된 냉각액저수조에 공급된 후, 상기 스택의 냉각판에 공급되는 것이 가능하다.In the first operation, the heated heating medium may be supplied to a cooling liquid reservoir provided in the stack and then supplied to a cooling plate of the stack.

상기 제 1기동에서, 가열된 상기 열매개체는 상기 스택의 냉각판 및 상기 스택에 마련된 냉각액저수조에 동시에 공급되는 것이 가능하다.In the first operation, the heated heating medium can be simultaneously supplied to the cooling plate of the stack and the cooling liquid reservoir provided in the stack.

상기 제 1기동은, 상기 개질기에 마련된 리포머의 온도가 리포머작동개시온도에 도달한 후에, 상기 열매개체를 상기 개질기의 열교환기를 통과시켜 가열하여 상기 스택으로 공급하는 것이 바람직하다.In the first operation, after the temperature of the reformer provided in the reformer reaches the reformer operation start temperature, the first fruit is preferably heated through a heat exchanger of the reformer and supplied to the stack.

상기 제 1기동은, 상기 스택의 내부에 저수되어 있던 열매개체를 외부로 배출한 후에 이루어지는 것이 가능하다.The first start can be performed after discharging the fruit object stored in the stack to the outside.

상기 제 1기동에서, 가열된 상기 열매개체의 공급량이 상기 스택의 열매개체 수용상한량에 도달한 경우에, 상기 스택으로의 상기 열개체의 공급을 중단하는 것이 바람직하다.In the first operation, when the supply amount of the heated fruit object reaches the upper limit of the amount of fruit object in the stack, it is preferable to stop the supply of the heat object to the stack.

상기 제 1기동에서, 가열된 상기 열매개체의 공급량이 상기 스택의 열매개체 수용상한량에 도달한 경우에, 상기 스택에 수용된 상기 열매개체의 일부를 배출하 고, 배출된 상기 열매개체에 상응하는 양의 상기 열매개체를 공급받는 것이 가능하다.In the first operation, when the supply amount of the heated fruit object reaches the upper limit of the amount of fruit object of the stack, the part of the fruit object accommodated in the stack is discharged, and the corresponding fruit object is discharged. It is possible to receive a positive amount of said fruit entity.

상기 제 1기동은, 상기 스택의 내부에 저수되어 있던 열매개체를 외부로 배출한 후에 이루어지는 것이 바람직하다.The first starting is preferably performed after discharging the fruit object stored in the stack to the outside.

상기 제 1기동에서, 가열된 상기 열매개체의 공급량이 상기 스택의 열매개체 수용상한량에 도달한 경우에, 상기 스택으로의 상기 열개체의 공급을 중단하는 것이 가능하다.In the first operation, it is possible to stop the supply of the thermal object to the stack when the supply amount of the heated fruit object reaches the upper limit of the amount of fruit object in the stack.

상기 제 1기동에서, 가열된 상기 열매개체의 공급량이 상기 스택의 열매개체 수용상한량에 도달한 경우에, 상기 스택에 수용된 상기 열매개체의 일부를 배출하고, 배출된 상기 열매개체에 상응하는 양의 상기 열매개체를 공급받는 것이 바람직하다.In the first operation, when the supply amount of the heated fruit object reaches the upper limit of the amount of fruit object of the stack, the part of the fruit object accommodated in the stack is discharged, and the amount corresponding to the fruit object discharged. It is preferable to be supplied with the fruit entity of.

상기 개질기에 마련된 쉬프트반응기의 온도가 쉬프트반응기설정온도에 이르었는가 여부를 판단하고, 상기 쉬프트반응기의 온도가 상기 쉬프트반응기설정온도에 도달하였으면, 상기 제 1기동을 중단하고 상기 제 2기동으로 전환하는 것이 가능하다.It is determined whether the temperature of the shift reactor provided in the reformer has reached the shift reactor set temperature, and if the temperature of the shift reactor reaches the shift reactor set temperature, stopping the first start and switching to the second start. It is possible.

상기 쉬프트반응기설정온도는 섭씨 100도인 것이 바람직하다.Preferably, the shift reactor set temperature is 100 degrees Celsius.

상기 제 2기동에서, 상기 순환가열회로를 통하여 상기 열매개체가 강제순환되는 것이 가능하다.In the second startup, it is possible that the fruit is forced circulation through the circulation heating circuit.

상기 제 2기동에서, 상기 순환가열회로를 총하여 상기 열매개체가 열싸이펀현상에 의하여 자연순환되는 것이 가능하다.In the second operation, it is possible to totally circulate the heating circuit so that the fruit entity is naturally circulated by the heat siphon phenomenon.

상기 개질기에 연료의 공급을 개시하고,Start supply of fuel to the reformer,

상기 개질기의 작동에 의해 발생된 개질가스를 상기 개질기의 가열버너에 공급하는 것이 바람직하다.It is preferable to supply the reformed gas generated by the operation of the reformer to the heating burner of the reformer.

상기 제 2기동에서, 상기 스택의 온도가 스택작동적정온도에 이르렀는가 여부를 판단하여 상기 스택의 온도가 상기 스택작동적정온도 이상이면, 상기 열매개체의 순환을 통한 상기 스택의 가열 및 상기 개질가스의 상기 가열버너로의 공급을 중단하고, 상기 스택으로 상기 개질가스를 공급하는 것이 가능하다.In the second startup, it is determined whether the temperature of the stack has reached the stack operating temperature, and if the stack temperature is equal to or higher than the stack operating temperature, the stack gas is heated and the reformed gas is circulated through the fruit medium. It is possible to stop the supply to the heating burner and supply the reformed gas to the stack.

상기 개질기에는 리포머가 마련되며, 상기 초기기동에서, 상기 리포머의 온도가 리포머작동상한온도에 이르렀는가 여부를 판단하여 상기 리포머의 온도가 상기 리포머작동상한온도 보다 높을 경우에, 상기 리포머에 가열되지 않은 상기 열매개체를 공급하여 상기 리포머의 온도를 조절하는 것이 바람직하다.The reformer is provided with a reformer, and in the initial start-up, it is determined whether the temperature of the reformer has reached the upper limit of the reformer operation temperature, and when the temperature of the reformer is higher than the upper limit of the reformer operation temperature, the reformer is not heated. It is preferable to control the temperature of the reformer by supplying the fruit individual.

상기 개질기에는 리포머가 마련되며, 상기 정상기동에서, 상기 리포머의 온도가 리포머작동상한온도에 이르렀는가 여부를 판단하여 상기 리포머의 온도가 상기 리포머작동상한온도 보다 높을 경우에, 상기 리포머에 상기 개질기의 열교환기를 통과하며 가열된 상기 열매개체를 공급하여 상기 리포머의 온도를 조절하는 것이 가능하다.The reformer is provided with a reformer, and in the normal startup, it is determined whether the temperature of the reformer has reached the upper limit of the reformer operation temperature, and the temperature of the reformer is higher than the upper limit of the reformer operation temperature. It is possible to control the temperature of the reformer by supplying the heated fruit medium passing through a heat exchanger.

상기 열매개체는 물(Water)인 것이 바람직하다.The fruit entity is preferably water (Water).

또한, 본 발명에 따른 연료전지시스템 및 연료전지시스템 제어방법은 개질가스를 발시키는 개질기; 상기 개질기에서 발생된 상기 개질가스를 공급받아 에너지를 발생시키는 스택; 및 상기 개질기와 상기 스택의 사이에 마련되어 초기기동시 상기 개질기에서 발생된 열을 이용하여 상기 스택의 온도를 상승시키는 순환가열회로를 포함하며, 상기 순환가열회로는, 상기 개질기로부터 상기 스택으로 열매개체를 공급하는 냉각판유로와, 상기 스택으로부터 상기 개질기로 상기 열매개체를 복귀시키는 순환유로를 포함하는 연료전지시스템에 의하여서도 달성될 수 있다.In addition, the fuel cell system and the fuel cell system control method according to the present invention includes a reformer for emitting reformed gas; A stack for generating energy by receiving the reformed gas generated by the reformer; And a circulating heating circuit provided between the reformer and the stack to increase the temperature of the stack by using heat generated in the reformer during initial startup, wherein the circulating heating circuit is a fruit medium from the reformer to the stack. It can also be achieved by a fuel cell system including a cooling plate flow path for supplying a circulating flow path for returning the fruit medium from the stack to the reformer.

상기 냉각판유로는, 상기 개질기에 마련된 열교환기와 상기 스택에 마련된 냉각판 사이에 마련된 것이 가능하다.The cooling plate flow path may be provided between a heat exchanger provided in the reformer and a cooling plate provided in the stack.

상기 냉각판유로는, 상기 개질기에 마련된 열교환기와 상기 스택에 마련된 냉각액저수조 사이에 마련된 것이 가능하다.The cooling plate flow path may be provided between a heat exchanger provided in the reformer and a cooling liquid reservoir provided in the stack.

상기 냉각판유로는, 상기 개질기에 마련된 열교환기와 상기 스택의 냉각판 사이 및 상기 열교환기와 상기 스택에 마련된 냉각액저수조 사이에 마련된 것이 가능하다.The cooling plate flow path may be provided between the heat exchanger provided in the reformer and the cooling plate of the stack and between the heat exchanger and the cooling liquid reservoir provided in the stack.

상기 냉각판유로에는 상기 열매개체의 공급을 제어하는 밸브가 마련되며, 상기 순환유로에는 상기 열매개체의 순환을 제어하는 밸브가 마련된 것이 바람직하다.The cooling plate flow passage is provided with a valve for controlling the supply of the fruit medium, the circulation passage is preferably provided with a valve for controlling the circulation of the fruit medium.

상기 스택에 마련된 냉각판에는 외부로 연장되어 상기 냉각판에 저수된 상기 열매개체의 배수를 유도하는 배수관이 마련되며, 상기 배수관에는 상기 열매개체의 배수를 제어하는 밸브가 마련된 것이 가능하다.The cooling plate provided in the stack may be provided with a drain pipe extending outward to induce drainage of the fruit object stored in the cooling plate, and the drain pipe may be provided with a valve for controlling the drainage of the fruit object.

상기 개질기에는 리포머가 마련되며, 상기 리포머에는 실온(室溫)의 상기 열매개체를 상기 리포머로 공급하는 유로와, 상기 냉각판유로에서 분지되어 가열된 상기 열매개체를 상기 리포머로 공급하는 유로가 마련된 것이 바람직하다.The reformer is provided with a reformer, and the reformer is provided with a flow path for supplying the fruit medium at room temperature to the reformer and a flow path for supplying the fruit medium branched and heated in the cooling plate flow path to the reformer. It is preferable.

본 발명에 따른 연료전지시스템 및 그 제어방법은 개질기에서 발생된 열에 의하여 가열된 열매개체가 순환되며 연료전지시스템의 스택을 가열시키는 방식을 적용하여 연료전지시스템의 스택이 정상적인 운전이 가능한 상태까지 경제적이고 신속하게 온도를 상승시킬 수 있다.The fuel cell system and its control method according to the present invention are economical to the state that the stack of the fuel cell system can be operated normally by applying a method of heating the stack of the fuel cell system by circulating the heat heated by the heat generated from the reformer. The temperature can be raised quickly and quickly.

또한, 본 발명에 따른 연료전지시스템 및 그 제어방법은 초기기동 중에 발생된 온수를 스택으로 공급하여 스택의 온도를 신속하게 상승시킬 수 있다.In addition, the fuel cell system and the control method according to the present invention can quickly increase the temperature of the stack by supplying the hot water generated during the initial startup to the stack.

이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 2는 본 발명의 제 1실시예에 따른 연료전지시스템의 작동을 도시한 도면이다.2 is a view showing the operation of the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention.

이에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 1실시예에 따른 연료전지시스템(10)은, 개질(改質)반응이 진행되는 개질기(20)와, 전기를 발생시키는 스택(30)과, 냉각액을 담수하는 냉각액저수조(40)와, 개질기(20)의 열교환기(24)와 스택(30)의 냉각판(36) 사이에 마련된 순환가열회로(71)와, 열교환기(24)에서 가열된 온수를 냉각판(36)으로 공급하는 냉각판유로(72)를 포함한다.As shown in the drawing, the fuel cell system 10 according to the first embodiment of the present invention includes a reformer 20 in which a reforming reaction proceeds, a stack 30 for generating electricity, and a coolant. Cooling water reservoir 40 for fresh water, circulating heating circuit 71 provided between the heat exchanger 24 of the reformer 20 and the cooling plate 36 of the stack 30, and the hot water heated by the heat exchanger 24. It includes a cooling plate flow path 72 for supplying the cooling plate (36).

개질기(20)는 개질반응을 통하여 탄화수소계의 연료(50)를 수소가 주성분인 개질가스로 만든다. 개질기(20)는 가열버너(22)와, 리포머(23, Reformer)와, 쉬프트반응기(26)와, 혼합기(27)와, 일산화탄소제거기(29)를 포함한다.The reformer 20 converts the hydrocarbon-based fuel 50 into a reformed gas mainly composed of hydrogen through a reforming reaction. The reformer 20 includes a heating burner 22, a reformer 23, a shift reactor 26, a mixer 27, and a carbon monoxide remover 29.

가열버너(22)는 LNG, LPG, 등유 등의 탄화수소계 연료(50)를 태우며 발열한 다. 가열버너(22)에서 발생된 열은 리포머(23)로 공급되어 열에 의한 개질반응이 촉진되도록 한다.The heating burner 22 generates heat by burning hydrocarbon-based fuel 50 such as LNG, LPG, kerosene, and the like. The heat generated from the heating burner 22 is supplied to the reformer 23 to promote the reforming reaction by the heat.

리포머(23)는 가열버너(22)에 의하여 가열되며 실질적으로 개질반응이 진행되는 부분이다. 연료전지시스템(10)을 최초로 가동시키면 공기와 연료(50)가 가열버너(22)로 공급되어 점화되며 가열버너(22)의 작동이 개시된다. 점화된 가열버너(22)는 리포머(23)를 가열하여, 리포머(23)의 온도가 리포머작동개시온도인 섭씨 300도에 이르도록 한다. 이 경우에 리포머(23)를 가열하기 위한 가열버너(22)의 작동을 위해 필수적인 부분을 제외하고 연료전지시스템(10) 내부의 밸브가 모두 폐쇄된다. 따라서 가열버너(22)에 의하여 발생된 열은 온전히 리포머(23)를 가열하는데 사용된다. 리포머작동개시온도에 이르러 2단계로 구분되는 초기기동 중 첫번째 단계인 제 1기동(점선)이 개시되면, 제 1밸브(91)를 개방하여 순수(DI Water, DeIonized Water)인 물(64)이 열교환기(24)를 통과하도록 한다. 열교환기(24)를 거치며 가열된 물(64)은 냉각판유로(72)를 따라 스택(30)의 냉각판(36)에 공급되며 스택(30)을 가열한다. 한편, 이와 동시에 가열버너(22)는 리포머(23)를 계속하여 가열하며 리포머(23)의 온도가 리포머작동상한온도인 섭씨 500도에 이르도록 한다. 리포머작동상한온도와 리프머작동개시온도를 상한과 하한으로 하여 리포머(23)는 최적의 성능을 나타낸다. 리포머(23)의 온도를 최적범위 내에서 유지시키기 위하여 리포머(23)의 온도가 리포머작동상한온도를 넘어서면, 물(64)을 리포머(23)로 공급하는 유로 상에 마련된 제 4밸브(94)를 개방한다. 제 4밸브(94)가 개방되면 실온의 물(64)이 리포머(23)로 공급되므로 리포머(23) 온도의 상승이 제한된다. 제 4밸 브(94)를 통하여 리포머(23)로 공급된 물은, 리포머(23)로부터 열을 빼앗아 고온의 증기로 변환된다. 고온의 증기는 쉬프트반응기(26)로 공급되어 쉬프트반응기(26)의 온도를 상승시킨 후 외부로 배출된다. 제 4밸브(94)는 제어부(미도시)의 제어신호에 의하여 연료전지시스템(10)의 초기기동 중에 수시로 개폐되며 리포머(23)의 온도가 일정범위 내에서 유지되도록 한다. The reformer 23 is heated by the heating burner 22 and is a portion where the reforming reaction proceeds substantially. When the fuel cell system 10 is operated for the first time, air and fuel 50 are supplied to the heating burner 22 to be ignited, and the operation of the heating burner 22 is started. The ignited heating burner 22 heats the reformer 23 so that the temperature of the reformer 23 reaches 300 degrees Celsius, which is a reformer operation start temperature. In this case, all the valves inside the fuel cell system 10 are closed except for an essential part of the operation of the heating burner 22 for heating the reformer 23. Therefore, the heat generated by the heating burner 22 is used to heat the reformer 23 completely. When the first operation (dotted line), which is the first stage of the initial startup divided into two stages, is reached when the reformer operation start temperature is reached, the first valve 91 is opened so that water 64, which is pure water (DI water, deionized water), Pass through heat exchanger (24). The water 64 heated through the heat exchanger 24 is supplied to the cold plate 36 of the stack 30 along the cold plate channel 72 and heats the stack 30. At the same time, the heating burner 22 continuously heats the reformer 23 so that the temperature of the reformer 23 reaches 500 degrees Celsius which is the upper limit of the reformer operation. The reformer 23 exhibits optimum performance by setting the upper limit temperature and the lower limit temperature of the reformer operation at the upper limit of the operation time. In order to keep the temperature of the reformer 23 within the optimum range, when the temperature of the reformer 23 exceeds the upper limit of the reformer operation temperature, the fourth valve 94 provided on the flow path for supplying water 64 to the reformer 23 is provided. Open). When the fourth valve 94 is opened, the room temperature water 64 is supplied to the reformer 23, so that the rise of the reformer 23 temperature is limited. The water supplied to the reformer 23 through the fourth valve 94 takes heat from the reformer 23 and is converted into high temperature steam. The hot steam is supplied to the shift reactor 26 to raise the temperature of the shift reactor 26 and then discharged to the outside. The fourth valve 94 is frequently opened and closed during the initial startup of the fuel cell system 10 by a control signal of a controller (not shown), so that the temperature of the reformer 23 is maintained within a predetermined range.

쉬프트반응기(26)는 수소가 주요한 성분인 가스를 공급받아 이에 포함된 일산화탄소의 성분비를 저감시킨다. 리포머(23)에서 공급받은 가스는 그 성분 중 75% 가량의 수소와, 15% 가량의 이산화탄소와, 5% 가량의 일산화탄소를 포함한다. 쉬프트반응기(26)에서는 다음과 같은 반응이 이루어진다.The shift reactor 26 receives a gas in which hydrogen is a major component and reduces the component ratio of carbon monoxide contained therein. The gas supplied from the reformer 23 contains about 75% of hydrogen, about 15% of carbon dioxide, and about 5% of carbon monoxide. In the shift reactor 26, the following reaction takes place.

CO + H20 ↔ CO2 + H2 CO + H 2 0 ↔ CO 2 + H 2

쉬프트반응기(26)의 온도 등이 정상적인 작동범위에 있게 되면, 상술한 반응식의 정반응이 활성화되어 일산화탄소의 함유량이 0.5% 정도로 감소된다. 정상적인 작동을 위하여서 쉬프트반응기(26)는 리포머(23)의 가열로 인한 수증기를 포함한 열부산물로부터 열을 전달받아 쉬프트반응기설정온도인 섭씨 100도 이상으로 가열되어야 한다. 쉬프트반응기(26)가 쉬프트반응기설정온도 보다 높아지면, 물(64)과 탈황기(62)를 거친 연료(50)를 리포머(23)에 공급하여, 리포머(23)에서 개질반응이 진행되도록 한다. 개질반응이 진행되며 리포머(23)에서 발생된 가스는 쉬프트반응기(26)로 공급된다. 한편, 리포머(23)에서 개질반응이 진행되어 가스가 발생함에도 불구하고 스택(30)의 온도가 스택작동적정온도에 이르지 못한 경우에는, 제 6밸 브(96)를 개방하여 쉬프트반응기(26)를 통과한 가스를 가열버너(22)로 공급하는 제 2기동(일점쇄선)이 진행된다. 쉬프트반응기(26)가 쉬프트반응기설정온도 보다 높은 제 2기동(일점쇄선) 상태에서 발생된 가스는 충분한 수소를 함유하고 있으므로, 가열버너(22)로 공급하여 리포머(23)를 가열하기 위한 연소반응을 진행시킬 수 있다. 따라서 제 2기동(일점쇄선)이 개시되어 쉬프트반응기(26)에서 가열버너(22)로 가스가 공급되기 시작하면 가열버너(22)로 공급되던 연료(50)를 감소시키거나 중단시켜 연료(50)를 절약할 수 있다. 한편, 쉬프트반응기(26)가 쉬프트반응기설정온도 보다 높고 스택(30)의 온도도 스택작동적정온도 보다 높아지면 제 6밸브(96)가 차단되고 정상기동(실선)이 이루어져 가스가 혼합기(27)로 공급된다.When the temperature and the like of the shift reactor 26 are within the normal operating range, the forward reaction of the above-described reaction formula is activated to reduce the carbon monoxide content by about 0.5%. For the normal operation, the shift reactor 26 should be heated to a temperature of 100 degrees Celsius or more, which is a shift reactor set temperature by receiving heat from thermal by-products including water vapor due to the heating of the reformer 23. When the shift reactor 26 is higher than the shift reactor set temperature, the fuel 50 passed through the water 64 and the desulfurizer 62 is supplied to the reformer 23 so that the reforming reaction proceeds in the reformer 23. . The reforming reaction proceeds and the gas generated in the reformer 23 is supplied to the shift reactor 26. On the other hand, when the reforming reaction proceeds in the reformer 23 and gas is generated, the temperature of the stack 30 does not reach the stack operating temperature, the sixth valve 96 is opened to open the shift reactor 26. The second start (single-dashed line) which supplies the gas which passed through to the heating burner 22 advances. Since the gas generated in the second start (single-dashed line) state in which the shift reactor 26 is higher than the shift reactor set temperature contains sufficient hydrogen, a combustion reaction for supplying the heating burner 22 to heat the reformer 23. You can proceed. Therefore, when the second start (dashed dashed line) is started and gas is supplied from the shift reactor 26 to the heating burner 22, the fuel 50 supplied to the heating burner 22 is reduced or stopped. ) Can be saved. On the other hand, if the shift reactor 26 is higher than the shift reactor set temperature and the temperature of the stack 30 is also higher than the stack operating proper temperature, the sixth valve 96 is shut off and the normal operation (solid line) is performed, so that the gas is mixed (27). Is supplied.

혼합기(27)는 정상기동(실선)이 진행되는 경우에 쉬프트반응기(26)에서 발생된 가스를 공급받는다. 혼합기(27)는 제어기(미도시)의 제어신호에 따라 쉬프트반응기(26)로부터 제공받은 가스와 외부유입공기(66)를 혼합한다. 혼합기(27)에서 혼합된 혼합가스는 스택(30)이 저온형인 경우에 일산화탄소제거기(29)로 공급된다.The mixer 27 is supplied with the gas generated in the shift reactor 26 when the normal starting (solid line) proceeds. The mixer 27 mixes the gas supplied from the shift reactor 26 and the external inlet air 66 according to a control signal of a controller (not shown). The mixed gas mixed in the mixer 27 is supplied to the carbon monoxide remover 29 when the stack 30 is a low temperature type.

일산화탄소제거기(29)는 선택적 산화(PROX, PReferential OXidation)반응을 통하여 일산화탄소의 양을 허용범위 이내로 저감시킨다. 일산화탄소제거기(29)에서는 다음과 같은 일련의 반응이 이루어진다.The carbon monoxide remover 29 reduces the amount of carbon monoxide within an allowable range through a selective oxidation (PROX, PReferential Oxidation) reaction. In the carbon monoxide remover 29, a series of reactions are performed as follows.

CO + 0.5O2 ↔ CO2 CO + 0.5O 2 ↔ CO 2

일산화탄소제거기(29)에서 정방향으로 반응이 진행되면, 일산화탄소가 이산화탄소로 변환되어 일산화탄소의 함유량이 줄어들게 됨을 의미한다. 일산화탄소제 거기(29)를 통과하며 일산화탄소의 함유량은 10 ppm(parts per million) 미만으로 감소된다. 일산화탄소제거기(29)는 일산화탄소에 내성이 있는 고온형 스택(30)인 경우에는 필요하지 않으나, 저온형 스택(30)의 경우에는 필요하다. 일산화탄소제거기(29)에서 배출된 개질가스는 스택(30)으로 공급된다.When the reaction proceeds in the carbon monoxide remover 29 in the forward direction, it means that the carbon monoxide is converted to carbon dioxide to reduce the content of carbon monoxide. The carbon monoxide passes through there 29 and the content of carbon monoxide is reduced to less than 10 parts per million (ppm). The carbon monoxide remover 29 is not necessary in the case of the high temperature stack 30 which is resistant to carbon monoxide, but is required in the case of the low temperature stack 30. The reformed gas discharged from the carbon monoxide remover 29 is supplied to the stack 30.

스택(30)은 공급받은 개질가스에 전기화학반응을 일으켜 전기에너지와 열에너지를 생산한다. 스택(30)은 산화, 환원반응이 이루어지며 전기가 발생하는 단일셀(미도시)이 여러개 적층되어 마련된다. 본 발명의 도 2에서는 설명의 편의를 위하여 연료극(32), 공기극(34), 냉각판(36)의 형상을 개념적으로 표현하였으나, 단일셀(미도시)은 전해질막(미도시)을 중심으로 연료극(32)과 공기극(34)이 배치된 구조이며, 수개의 단일셀(미도시)이 적층된 후 냉각판(36)이 삽입된다. 스택(30)의 좌우측에는 앤드플레이트(38, End Plate)가 마련된다.The stack 30 generates electrochemical and thermal energy by causing an electrochemical reaction on the supplied reformed gas. The stack 30 is provided by stacking a plurality of single cells (not shown) in which oxidation and reduction are performed and electricity is generated. In FIG. 2 of the present invention, for convenience of description, the shapes of the fuel electrode 32, the air electrode 34, and the cooling plate 36 are conceptually expressed, but a single cell (not shown) is mainly formed around an electrolyte membrane (not shown). The fuel electrode 32 and the air electrode 34 are arranged, and a plurality of single cells (not shown) are stacked, and then the cooling plate 36 is inserted. End plates 38 are provided on left and right sides of the stack 30.

연료극(32)과 공기극(34)에서는 수소의 산화,환원반응에 의하여 전기가 발생된다. 즉, 연료극(32)에서는 수소가 촉매에 의하여 수소이온과 전자로 분리되며 전기가 발생되고, 공기극(34)에서는 연료극(32)에서 발생된 수소이온과 전자가 산소와 결합하여 물이 생성된다.In the fuel electrode 32 and the air electrode 34, electricity is generated by oxidation and reduction reaction of hydrogen. That is, in the anode 32, hydrogen is separated into hydrogen ions and electrons by a catalyst, and electricity is generated. In the cathode 34, hydrogen ions and electrons generated in the anode 32 combine with oxygen to generate water.

냉각판(36)은 수개의 연료극(32)과 공기극(34)이 적층된 사이에 마련되어 스택(30)의 온도를 적절하게 조절한다. 즉, 초기기동인 제 1,2기동(점선, 일점쇄선)이 진행되는 과정에서는 순환가열회로(71)와 냉각판유로(72) 내의 열매개체로부터 열이 냉각판(36)으로 전달되어 스택(30)의 온도를 상승시키고, 정상기동(실선)이 진행되는 과정에서는 냉각액유로(73)에 마련된 제 9, 10밸브(99, 100)가 제어부(미 도시)의 제어신호에 의하여 수시로 개폐되며 스택(30)의 온도를 일정하게 유지시킨다.The cooling plate 36 is provided between the plurality of fuel electrodes 32 and the air electrodes 34 laminated to appropriately adjust the temperature of the stack 30. That is, in the process of the first and second startups (dotted line and one-dot chain line), which are the initial startups, heat is transferred from the heat medium in the circulating heating circuit 71 and the cooling plate flow path 72 to the cooling plate 36, whereby the stack ( In the process of increasing the temperature of 30) and normal starting (solid line), the ninth and tenth valves 99 and 100 provided in the cooling liquid flow path 73 are frequently opened and closed by a control signal of a controller (not shown). The temperature of 30 is kept constant.

앤드플레이트(38)는 스택(30) 좌우측 최외부에 마련된다. 앤드플레이트(38)에는 스택(30)으로 투입되는 개질가스 등의 유출입을 위한 통공(미도시)이 마련된다. 또한, 단위셀(미도시)을 결합시키기 위하여 앤드플레이트(38)에는 각종 고정나사(미도시)가 결합된다. 스택(30)의 전체적인 무게를 지지하며 그 형상이 유지되도록 하므로 앤드플레이트(38)는 듀랄류민 등의 강성이 있는 금속으로 마련된다. The end plate 38 is provided on the left and right outermost sides of the stack 30. The end plate 38 is provided with a through hole (not shown) for the inflow and outflow of the reformed gas introduced into the stack 30. In addition, various fixing screws (not shown) are coupled to the end plate 38 to couple the unit cells (not shown). The end plate 38 is made of a rigid metal such as duralumin because it supports the overall weight of the stack 30 and maintains its shape.

순환가열회로(71)는 개질기(20)의 열교환기(24)와 스택(30)의 냉각판(36) 사이에 마련된 순환계(循環界)이다. 순환가열회로(71)는 연료전지시스템(10)의 초기기동시에 열싸이펀(Thermosyphon) 현상에 의하여 물이 자연순환되면서 냉각판(36)을 경제적이고 빠르게 가열한다. 물이 열싸이펀 현상에 의하여 자연순환되어 펌프 등 별도의 강제순환장치를 부가하지 않아도 되므로, 추가적인 에너지 소모 및 장치를 부가함에 따른 비용의 증가가 없게 된다. 열싸이펀 현상이란, 중력이 작용하는 곳에서의 2상변화(Two Phase Flow)를 의미한다. 이를 구체적으로 설명하면, 순환가열회로(71) 내부에는 열매개체인 물이 충진되어 있으며, 액체 상태의 물은 가열부의 역할을 하는 열교환기(24)에서 가열버너(22) 및 리포머(23)로부터 전달된 열을 흡수하여 고온의 기체상태 수증기로 상변화된다. 기화되며 용적이 팽창하는 동시에 밀도가 감소된 수증기는 순환가열회로(71)를 따라 열교환기(24) 보다 상대적으로 상단에 위치한 냉각판(36)으로 이동한다. 냉각판(36)은 응축부의 역할을 한다. 고열의 수증기는 냉각판(36)을 통과하는 과정에서 스택(30)으로 열을 빼앗겨 액체상 태의 물이 되며 용적이 감소되는 동시에 밀도가 증가되는 상변화를 겪는다. 밀도가 증가된 액체상태의 물은 중력에 의하여 상대적으로 하단에 위치한 열교환기(24)로 이동한다. 반복되는 가열과 냉각에 의하여 물이 액체와 기체간의 상변화를 거치며 순환가열회로(71) 내부를 별도의 강제순환장치없이 자연적으로 순환하여 스택(30)을 가열한다. 순환가열회로(71)에는 제 5밸브(95)가 마련된다. 제 5밸브(95)는 연료전지시스템(10)의 제 2기동(일점쇄선) 동작시에 개방된다. 열싸이펀 현상에 의한 순환은 열교환기(24)가 충분이 가열된 제 2기동(일점쇄선) 중에 본격적으로 발생된다. 제 5밸브(95)는 스택(30)의 온도가 스택작동적정온도 보다 높아지면 차단되며, 동시에 순환가열회로(71)를 통한 순환도 중단된다.The circulation heating circuit 71 is a circulation system provided between the heat exchanger 24 of the reformer 20 and the cooling plate 36 of the stack 30. The circulation heating circuit 71 heats the cooling plate 36 economically and rapidly as water naturally circulates due to a thermal siphon phenomenon at the initial startup of the fuel cell system 10. Since water is naturally circulated by the heat siphon phenomenon, it is not necessary to add a separate forced circulation device such as a pump, so that there is no additional energy consumption and an increase in the cost of adding the device. The thermosiphon phenomenon means two phase flow where gravity acts. Specifically, the circulation heating circuit 71 is filled with water, which is a fruit entity, and liquid water is supplied from the heating burner 22 and the reformer 23 in the heat exchanger 24 serving as a heating unit. It absorbs the transferred heat and phase changes into hot gaseous water vapor. Vaporized, vaporized and expanded at the same time as the volume is reduced, moves along the circulation heating circuit 71 to the cold plate 36 located at the top relative to the heat exchanger 24. The cooling plate 36 serves as a condenser. The high temperature water vapor loses heat to the stack 30 in the course of passing through the cooling plate 36 to become liquid water, and undergoes a phase change in which the volume decreases and the density increases. Liquid water of increased density moves to the heat exchanger 24 located at the lower end by gravity. By repeated heating and cooling, the water undergoes a phase change between the liquid and the gas, and naturally circulates inside the circulating heating circuit 71 without a separate forced circulation device to heat the stack 30. The circulation heating circuit 71 is provided with a fifth valve 95. The fifth valve 95 is opened during the second start (dotted and dashed line) operation of the fuel cell system 10. Circulation due to the heat siphon phenomenon occurs in earnest during the second startup (one dashed line) in which the heat exchanger 24 is sufficiently heated. The fifth valve 95 is shut off when the temperature of the stack 30 is higher than the stack operating temperature, and at the same time, the circulation through the circulation heating circuit 71 is also stopped.

냉각판유로(72)는 열교환기(24)에서 가열된 온수를 냉각판(36)으로 공급하는 유로이다. 제 1기동(점선)이 개시되면, 냉각판유로(72) 상에 마련된 제 1밸브(91), 제 2밸브(92)가 개방된다. 실온의 물(64)은 제 1밸브(91)를 통과하여 열교환기(24)로 공급된다. 열교환기(24)에서 가열버너(22)와 리포머(23)의 열을 흡수하여 온도가 상승된 물(64)은 제 2밸브(92)를 통과하여 냉각판(36)으로 공급되며, 냉각판(36)에서 스택(30)에 열을 전달하여 스택(30)의 온도를 상승시킨다. 한편, 열교환기(24)에서 온도가 상승된 물(64)이 냉각판(36)으로 공급되기 전에 스택(30)의 냉각판(36) 내부에 저수되어 있던 물을 제 3밸브(93)를 통하여 미리 배출할 수 있다. 냉각판(36) 내부에 저수되어 있던 물을 미리 배출함으로써, 스택(30) 전체의 열용량(Heat Capacity)을 감소시켜 공급된 온수가 보유한 열에너지를 온전히 스택(30)의 온도상승에 기여하도록 하여 스택(30)의 빠른 온도상승을 유도할 수 있으 며, 냉각판(36) 내부에 존재하던 물의 이온전도도가 기준치 이상으로 높아진 경우에도 냉각판(36) 내부에 저수되었던 물을 배출할 수 있다. 나아가, 냉각판(36) 내부 수위가 목표상한량에 도달한 후에도 스택(30)의 온도를 지속적으로 상승시키기 위하여, 제 1, 2, 3밸브(91, 92, 93)의 개폐를 제어하여 냉각판(36)에 공급되어 저수되어 있던 온수를 배출함과 동시에 새로운 물을 공급받는 것이 가능하다.The cooling plate flow path 72 is a flow path for supplying hot water heated by the heat exchanger 24 to the cooling plate 36. When the first start (dotted line) is started, the first valve 91 and the second valve 92 provided on the cooling plate flow passage 72 are opened. The water 64 at room temperature passes through the first valve 91 and is supplied to the heat exchanger 24. The heat 64, which absorbs the heat of the heating burner 22 and the reformer 23 in the heat exchanger 24 and rises in temperature, is supplied to the cooling plate 36 through the second valve 92, and the cooling plate 36 Heat is transferred to stack 30 at 36 to raise the temperature of stack 30. On the other hand, the water stored in the cooling plate 36 of the stack 30 before the water 64, the temperature of which has risen in the heat exchanger 24, is supplied to the cooling plate 36. Can be discharged in advance. By discharging the water stored in the cooling plate 36 in advance, the heat capacity of the entire stack 30 is reduced so that the thermal energy retained by the supplied hot water contributes to the temperature rise of the stack 30. It is possible to induce a rapid temperature rise of (30), even if the ion conductivity of the water existing in the cooling plate 36 is higher than the reference value can be discharged the water stored in the cooling plate 36. Furthermore, in order to continuously increase the temperature of the stack 30 even after the water level inside the cooling plate 36 reaches the target upper limit amount, the first, second, and third valves 91, 92, and 93 are controlled to open and close the cooling. It is possible to discharge the hot water stored in the plate 36 and receive fresh water at the same time.

이하, 본 발명의 제 1실시예에 따른 도 2에 도시된 연료전지시스템의 제어방법을 도 3a 및 도 3b를 참조하여 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a control method of the fuel cell system shown in FIG. 2 according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 3A and 3B.

연료전지시스템(10)을 최초로 가동시키는 경우에, 연료전지시스템(10)의 각 구성품은 전기화학반응이 진행되어 전기에너지를 생산할 수 있는 정상적인 온도범위에 있지 못하므로 내부에 마련된 각종 밸브를 차단하는 등 연료전지시스템(10)을 초기화하고(S10), 가열버너(22)를 작동시켜 리포머(23)를 가열한다(S20).When the fuel cell system 10 is operated for the first time, each component of the fuel cell system 10 is not in a normal temperature range in which the electrochemical reaction proceeds to produce electric energy, thereby blocking various valves provided therein. The fuel cell system 10 is initialized (S10) and the heating burner 22 is operated to heat the reformer 23 (S20).

리포머(23)의 온도가 리포머작동개시온도인 섭씨 300도에 이르렀는가 여부를 판단한다(S30). It is determined whether or not the temperature of the reformer 23 reaches 300 degrees Celsius which is a reformer operation start temperature (S30).

리포머(23)의 온도가 리포머작동개시온도를 초과한 경우에는, 냉각판유로(72)에 마련된 제 1, 2밸브(91, 92)를 개방하여 냉각판(36)에 열매개체를 공급한다(S40). 이때, 제 3밸브(93)를 먼저 개방하여 냉각판(36) 내부에 저수되어 있던 물을 배출시킨 후에 제 3밸브(93)를 차단하고 제 1, 2밸브(91, 92)를 개방하여 온수를 공급하는 것이 가능하다. 또한, 공급된 온수는 냉각판(36)을 거쳐 외부로 배출되며 새로운 온수가 계속하여 공급될 수 있다. 즉, 냉각판(36) 내부 수위가 목표상한량에 도달한 후에도 스택(30)의 온도를 지속적으로 상승시키기 위하여, 제 1, 2, 3밸브(91, 92, 93)의 개폐를 제어하여 냉각판(36)에 공급되어 저수되어 있던 온수를 배출함과 동시에 새로운 물을 공급받는 것이 가능하다. 냉각판유로(72)를 통하여 온수를 공급받으면 냉각판(36)의 온도가 상승되어, 결국 스택(30) 전체의 온도가 올라간다.When the temperature of the reformer 23 exceeds the reformer operation start temperature, the first and second valves 91 and 92 provided in the cooling plate flow path 72 are opened to supply the heat medium to the cooling plate 36 ( S40). At this time, the third valve 93 is opened first to discharge the water stored in the cooling plate 36, and then the third valve 93 is shut off and the first and second valves 91 and 92 are opened to provide hot water. It is possible to feed it. In addition, the supplied hot water is discharged to the outside via the cooling plate 36 and new hot water can be continuously supplied. That is, in order to continuously increase the temperature of the stack 30 even after the water level inside the cooling plate 36 reaches the target upper limit amount, the opening and closing of the first, second, and third valves 91, 92, and 93 are controlled to cool. It is possible to discharge the hot water stored in the plate 36 and receive fresh water at the same time. When hot water is supplied through the cooling plate flow path 72, the temperature of the cooling plate 36 is increased, and eventually the temperature of the entire stack 30 is increased.

가열버너(22)가 계속하여 리포머(23)를 가열하고 있으므로, 리포머(23)의 온도가 리포머작동상한온도인 섭씨 500도에 이르렀는가 여부를 판단한다(S50).Since the heating burner 22 continues to heat the reformer 23, it is determined whether or not the temperature of the reformer 23 reaches 500 degrees Celsius which is the upper limit of the reformer operation temperature (S50).

리포머(23)의 온도가 리포머작동상한온도를 초과한 경우에는, 물(64)을 리포머(23)로 공급하는 유로 상에 마련된 제 4밸브(94)의 개폐를 제어하여 리포머(23)의 온도를 제어한다(S60). 실온의 물(64)이 리포머(23)로 공급되면 리포머(23)의 온도가 떨어지며, 물(64)의 공급이 중단되면 가열버너(22)에서 발생된 열에 의하여 리포머(23)의 온도가 상승된다.When the temperature of the reformer 23 exceeds the upper limit of the reformer operation temperature, the temperature of the reformer 23 is controlled by controlling the opening and closing of the fourth valve 94 provided on the flow path for supplying water 64 to the reformer 23. Control (S60). When water 64 at room temperature is supplied to the reformer 23, the temperature of the reformer 23 is decreased. When the supply of water 64 is stopped, the temperature of the reformer 23 is increased by the heat generated by the heating burner 22. do.

냉각판(36)에 수용된 물의 양을 수용상한량과 비교한다(S70). The amount of water accommodated in the cooling plate 36 is compared with the upper limit of storage (S70).

냉각판(36)에 수용된 물의 양과 수용상한량을 비교하여 냉각판(36)에 수용된 물의 양이 미리 설정된 수용상한량 이상이면, 제 1밸브(91)를 차단하여 냉각판(36)에 수용된 물의 양을 일정하게 유지한다(S80). 이 경우에, 냉각판(36) 내부 수위가 목표상한량에 도달한 후에도 스택(30)의 온도를 지속적으로 상승시키기 위하여, 제 1, 2, 3밸브(91, 92, 93)의 개폐를 제어하여 냉각판(36)에 공급되어 저수되어 있던 온수를 배출함과 동시에 새로운 물을 공급받는 것이 가능함은 상술한 바와 같다.When the amount of water contained in the cooling plate 36 is greater than or equal to a predetermined storage upper limit by comparing the amount of water contained in the cooling plate 36 with the upper limit of water, the first valve 91 is blocked to determine the amount of water contained in the cooling plate 36. The amount is kept constant (S80). In this case, in order to continuously raise the temperature of the stack 30 even after the water level inside the cooling plate 36 reaches the target upper limit amount, the opening and closing of the first, second and third valves 91, 92 and 93 are controlled. As described above, it is possible to discharge hot water stored in the cooling plate 36 and to receive new water at the same time.

쉬프트반응기(26)의 온도가 쉬프트반응기설정온도 보다 높은가 판단한다(S90). 리포머(23)는 가열버너(22)에 의하여 직접 가열되므로 상대적으로 온도의 상승이 빠른 반면에, 쉬프트반응기(26)는 리포머(23)에 의하여 가열된 수증기 또는 리포머(23)에서 발생된 열에 의하여 간접적으로 가열된다. 따라서, 쉬프트반응기(26)의 온도는 리포머(23)의 온도보다 낮으며, 온도가 리포머(23) 보다 느리게 상승된다. 쉬프트반응기(26)가 리포머(23) 보다 느리게 온도가 상승하므로, 리포머(23)의 온도가 상대적으로 고온인 섭씨 500도의 리포머작동상한온도에 이르렀음에도 쉬프트반응기(26)의 온도는 상대적으로 저온인 섭씨 100도의 쉬프트반응기설정온도에 이르지 못하는 경우가 발생한다.It is determined whether the temperature of the shift reactor 26 is higher than the shift reactor set temperature (S90). The reformer 23 is directly heated by the heating burner 22, so that the temperature rises relatively quickly, whereas the shift reactor 26 is heated by the steam generated by the reformer 23 or by the heat generated by the reformer 23. Heated indirectly. Therefore, the temperature of the shift reactor 26 is lower than the temperature of the reformer 23, and the temperature rises slower than the reformer 23. Since the temperature of the shift reactor 26 is higher than that of the reformer 23, the temperature of the shift reactor 26 is relatively low even though the temperature of the reformer 23 reaches a relatively high temperature of 500 degrees Celsius. The shift reactor set temperature of 100 degrees Celsius may not be reached.

쉬프트반응기(26)의 온도가 쉬프트반응기설정온도 보다 높으면, 연료전지시스템(10)의 초기기동 중 제 2기동(일점쇄선)에 진입한다. 즉, 스택(30)의 온도가 스택(30)이 정상적으로 작동할 수 있는 스택작동적정온도에 이르렀는가 판단한다(S100). 스택작동적정온도는 스택(30)이 저온형인가 고온형이가에 따라 상이하게 설정된다.If the temperature of the shift reactor 26 is higher than the shift reactor set temperature, the second reactor (single dashed line) is entered during the initial startup of the fuel cell system 10. That is, it is determined whether the temperature of the stack 30 reaches a stack operating temperature at which the stack 30 can operate normally (S100). The stack operating temperature is set differently depending on whether the stack 30 is cold or hot.

스택(30)의 온도가 스택작동적정온도 보다 낮으면, 제 1밸브(91)를 차단하고 제 5밸브(95)를 개방시킨다(S110). 상술한 바와 같이, 제 5밸브(95)는 순환가열회로(71) 상에 마련된 개폐장치이다. 제 5밸브(95)는 제 1기동(점선) 중에 개방될 수도 있지만, 제 1기동(점선) 중에는 순환가열회로(71) 내부의 온도가 열싸이펀 현상이 본격적으로 발생할 정도로 높지 않을 수 있다. 그러나 쉬프트반응기(26)의 온도도 쉬프트반응기설정온도를 넘어서 제 2기동(일점쇄선)에 진입하게 되는 상황에 이르면, 순환가열회로(71) 내부는 열싸이펀 현상이 발생할 수 있는 물의 비등점 이상의 온도에 이른다. 따라서 스택(30)의 온도가 스택작동적정온도 보다 낮으면, 제 5 밸브(95)를 개방하여 열싸이펀 현상이 본격적으로 발생토록 함으로써 스택(30)을 가열한다. 열싸이펀 현상에 의하여 펌프와 같은 별도의 가압수단이 필요하지 않고 온도차에 의하여 자연대류되며 열이 스택(30)으로 전달되므로, 스택(30)의 온도를 신속히 상승시킬 수 있는 경제적인 방법이다. 한편, 자연대류를 보다 원활하게 하기 위하여 강제순환장치를 부가할 수 있으며, 이와 같은 경우에 열싸이펀 현상을 이용하지 않는 경우에 비하여 강제순환장치의 크기나 에너지 소모가 적어지는 효과가 발생하여 경제적이다. If the temperature of the stack 30 is lower than the stack operating temperature, the first valve 91 is blocked and the fifth valve 95 is opened (S110). As described above, the fifth valve 95 is an opening and closing device provided on the circulation heating circuit 71. Although the fifth valve 95 may be opened during the first startup (dotted line), the temperature inside the circulation heating circuit 71 may not be high enough to cause a heat siphon phenomenon in earnest during the first startup (dotted line). However, when the temperature of the shift reactor 26 also enters the second start (single-dashed line) beyond the shift reactor set temperature, the inside of the circulation heating circuit 71 has a temperature above the boiling point of water where a heat siphon phenomenon may occur. Leads to Therefore, when the temperature of the stack 30 is lower than the stack operating temperature, the stack 30 is heated by opening the fifth valve 95 so that a heat siphon phenomenon occurs in earnest. The heat siphon phenomenon does not require a separate pressurization means such as a pump, is naturally convection due to the temperature difference, and heat is transferred to the stack 30, and thus it is an economical method of rapidly raising the temperature of the stack 30. On the other hand, a forced circulation device may be added to make natural convection more smooth. In this case, the size and energy consumption of the forced circulation device are reduced compared to the case of not using the heat siphon phenomenon. to be.

제 5밸브(95)를 개방하는 한편, 리포머(23)에 연료(50)를 공급하고, 제 4밸브(94)를 제어하며 리포머(23)의 온도를 조절한다(S120). 연료(50)는 탈황기(62)를 거치며 탈황되어 리포머(23)로 공급되며, 제 4밸브(94)를 통하여서는 물(64)이 리포머(23)로 공급된다. 물(64)과 탈황된 연료(50)가 리포머(23)로 공급되면, 리포머(23)에서는 개질반응이 이루어지며 가스가 발생한다. 리포머(23)의 개질반응에 의한 가스는 열교환기(23)를 통과하여 쉬프트반응기(26)로 공급된다. 쉬프트반응기(26)는 일산화탄소를 효과적으로 제거할 수 있는 쉬프트반응기설정온도 이상이므로, 쉬프트반응기(26)를 통과하면 일산화탄소가 적정량 미만으로 함유된 가스가 발생된다. While opening the fifth valve 95, the fuel 50 is supplied to the reformer 23, the fourth valve 94 is controlled, and the temperature of the reformer 23 is adjusted (S120). The fuel 50 is desulfurized through the desulfurizer 62 and supplied to the reformer 23, and water 64 is supplied to the reformer 23 through the fourth valve 94. When water 64 and the desulfurized fuel 50 are supplied to the reformer 23, reforming reaction is performed in the reformer 23 and gas is generated. Gas by the reforming reaction of the reformer 23 passes through the heat exchanger 23 and is supplied to the shift reactor 26. Since the shift reactor 26 is above a shift reactor set temperature capable of effectively removing carbon monoxide, when the shift reactor 26 passes, gas containing less than an appropriate amount of carbon monoxide is generated.

쉬프트반응기(26)에서 가스가 발생됨과 함께, 제 6밸브(96)를 개방하여 발생된 가스를 가열버너(22)로 공급한다(S130). 스택(30)의 온도가 스택작동적정온도 보다 낮으므로, 스택(30)이 아직은 적절하게 작동하지 않는다. 따라서 쉬프트반응기(26)에서 발생된 가스를 스택(30)으로 공급하지 않고 가열버너(22)로 공급한다. 쉬프트반응기(26)에서 발생된 가스가 가열버너(22)로 공급되므로, 연료(50)의 공급을 감소 또는 완전 중단시킬 수 있어 연료전지시스템(10)의 운용이 경제적으로 된다.The gas is generated in the shift reactor 26 and the sixth valve 96 is opened to supply the generated gas to the heating burner 22 (S130). Since the temperature of the stack 30 is lower than the stack operating temperature, the stack 30 is not yet operating properly. Therefore, the gas generated in the shift reactor 26 is supplied to the heating burner 22 without being supplied to the stack 30. Since the gas generated in the shift reactor 26 is supplied to the heating burner 22, the supply of the fuel 50 can be reduced or completely stopped, so that the operation of the fuel cell system 10 becomes economical.

스택(30)의 온도가 스택작동적정온도 이상이면, 연료전지시스템(10)의 정상기동(실선)에 진입한다. When the temperature of the stack 30 is equal to or higher than the stack operating temperature, the fuel cell system 10 enters the normal startup (solid line).

연료전지시스템(10)의 정상기동(실선)은 제 4, 5, 6밸브(94, 95, 96)를 차단(S140)하면서 개시된다. 제 5밸브(95)가 차단되면, 순환가열회로(71) 상에 유체의 흐름이 중단되어 열싸이펀 현상의 진행이 정지된다. 따라서 순환가열회로(71)를 통한 스택(30)으로의 열전달이 정지된다. 제 4밸브(94)가 차단되면, 리포머(23)로의 직접적인 물(64)의 공급이 중단된다. 리포머(23)에 실온의 물(64)을 직접적으로 공급하도록 하는 제 4밸브(94)가 차단됨으로써 실온의 물(64)과 고온의 리포머(23) 간의 온도차이로 인하여 리포머(23)의 온도가 크게 변화될 여지가 제거된다. 제 6밸브(96)가 차단되면, 쉬프트반응기(26)에서 발생된 가스가 가열버너(22)로 공급되지 않는다.Normal start (solid line) of the fuel cell system 10 is initiated by blocking the fourth, fifth and sixth valves 94, 95 and 96 (S140). When the fifth valve 95 is blocked, the flow of the fluid on the circulation heating circuit 71 is stopped and the progress of the heat siphon phenomenon is stopped. Therefore, heat transfer to the stack 30 through the circulation heating circuit 71 is stopped. When the fourth valve 94 is shut off, the supply of water 64 directly to the reformer 23 is stopped. The fourth valve 94 which directly supplies the room temperature water 64 to the reformer 23 is shut off, so that the temperature of the reformer 23 is due to a temperature difference between the water 64 at room temperature and the high temperature reformer 23. The possibility of a significant change is eliminated. When the sixth valve 96 is shut off, gas generated in the shift reactor 26 is not supplied to the heating burner 22.

제 4, 5, 6밸브(94, 95, 96)를 차단하는 한편, 제 2밸브(92)를 차단하고 제 1, 7, 8밸브(91, 97, 98)를 개방한다(S150). 제 1밸브(91)가 개방되면, 실온의 물(64)이 열교환기(24)를 거치면서 온도가 상승된다. 제 7밸브(97)는 열교환기(24)를 거치며 온도가 상승된 물(64)이 리포머(23)로 공급되는 유로상에 마련된다. 제 2, 4밸브(92, 94)가 차단되고 제 1, 7밸브(91, 97)가 개방됨으로써, 리포머(23)는 실온의 물(64) 대신 가열된 물(64)을 공급받게 됨으로써 리포머(23)의 온도가 급격 하게 변화될 여지가 줄어든다. 제 8밸브(98)가 개방되면, 일산화탄소제거기(29)를 통과한 개질가스가 스택(30)으로 공급된다. 일산화탄소제거기(29)에는 쉬프트반응기(26)에서 발생된 가스가 외부유입공기(66)와 혼합되어 공급된다. 일산화탄소제거기(29)는 스택(30)이 저온형인 경우에 필요하다.While blocking the fourth, fifth, and sixth valves 94, 95, and 96, the second valve 92 is blocked, and the first, seventh, and eighth valves 91, 97, and 98 are opened (S150). When the first valve 91 is opened, the temperature is raised while water 64 at room temperature passes through the heat exchanger 24. The seventh valve 97 passes through the heat exchanger 24 and is provided on a flow path through which water 64 having a raised temperature is supplied to the reformer 23. By closing the second and fourth valves 92 and 94 and opening the first and seventh valves 91 and 97, the reformer 23 is supplied with the heated water 64 instead of the water 64 at room temperature. There is less room for the temperature of (23) to change drastically. When the eighth valve 98 is opened, the reformed gas passing through the carbon monoxide remover 29 is supplied to the stack 30. The gas generated in the shift reactor 26 is mixed with the external inlet air 66 and supplied to the carbon monoxide remover 29. The carbon monoxide remover 29 is required when the stack 30 is of a low temperature type.

제 8밸브(98)가 개방되어 개질가스가 공급되면, 스택(30)이 본격적으로 작동된다(S160).When the eighth valve 98 is opened to supply the reformed gas, the stack 30 is operated in earnest (S160).

스택(30)이 작동되면, 제어신호에 의하여 제 9, 10밸브(99, 100)를 개폐하며 스택(30)의 온도를 적정범위 내에서 유지시킨다(S190). 제 9, 10밸브(99, 100)는 냉각액유로(73) 상에 마련된다. 스택(30)이 본격적으로 작동되면, 스택(30)에서는 전기에너지가 발생됨과 동시에 다량의 열이 발생한다. 발생된 열이 배출되지 못하면 스택(30)이 정상적으로 작동하지 못한다. 따라서 냉각액저수조(40)와 연통된 냉각액유로(73)를 통하여 냉각액이 냉각판(36)으로 공급되며 스택(30)의 온도를 조절한다. 제 9, 10밸브(99, 100)는 냉각액유로(73) 상에 마련되어, 냉각액의 양을 조절하여 스택(30)이 적정한 온도 범위에서 작동할 수 있도록 한다.When the stack 30 is operated, the ninth and tenth valves 99 and 100 are opened and closed by a control signal, and the temperature of the stack 30 is maintained within an appropriate range (S190). The ninth and tenth valves 99 and 100 are provided on the cooling liquid flow path 73. When the stack 30 is operated in earnest, a large amount of heat is generated at the same time as the electrical energy is generated in the stack 30. If the generated heat is not discharged, the stack 30 may not operate normally. Therefore, the cooling liquid is supplied to the cooling plate 36 through the cooling liquid flow path 73 communicated with the cooling liquid reservoir 40 to adjust the temperature of the stack 30. The ninth and tenth valves 99 and 100 are provided on the coolant flow path 73 to adjust the amount of the coolant so that the stack 30 can operate in an appropriate temperature range.

도 4는 본 발명의 제 2실시예에 따른 연료전지시스템의 작동을 도시한 도면으로서, 본 발명의 제 1실시예와 다른 부분만을 설명하고자 하며, 설명을 위하여 필요한 경우 제 1실시예와 동일한 부분에 대해서는 동일한 참조부호를 부여하여 인용하고 변경된 부분에 대해서는 'a'를 부가한 참조부호를 부여하여 인용하기로 한다.4 is a view showing the operation of the fuel cell system according to the second embodiment of the present invention, and will be described only parts different from the first embodiment of the present invention, the same parts as the first embodiment if necessary for explanation The same reference numerals are used to refer to the reference numerals, and the changed parts are referred to by the reference numerals added with 'a'.

본 발명의 제 2실시예에 따른 연료전지시스템(10a)은 냉각판유로(72a)가 냉 각액저수조(40)로 직접 연결된다.In the fuel cell system 10a according to the second embodiment of the present invention, the cooling plate flow path 72a is directly connected to the cooling liquid reservoir 40.

냉각판유로(72a)가 냉각액저수조(40)로 직접 연결되므로, 제 9밸브(99)는 제 1기동(점선)이 개시됨과 동시에 개방되어, 냉각액저수조(40)로 공급된 온수를 냉각액유로(73a)를 통하여 냉각판(46)으로 공급한다. 제 2실시예에 의하면, 제 1실시예와 마찬가지로 제 3밸브(93) 또는 냉각액유로(73) 상에 별도로 마련된 밸브(미도시)를 통하여 초기기동시에 냉각액을 배출하거나 교환할 수 있다.Since the cooling plate flow passage 72a is directly connected to the cooling liquid reservoir 40, the ninth valve 99 is opened at the same time as the first start (dotted line) is started, and the hot water supplied to the cooling liquid reservoir 40 is cooled to the cooling liquid passage ( It is supplied to the cooling plate 46 through 73a). According to the second embodiment, like the first embodiment, the coolant can be discharged or exchanged at the time of initial startup through a valve (not shown) provided separately on the third valve 93 or the coolant flow path 73.

도 5는 본 발명의 제 3실시예에 따른 연료전지시스템의 작동을 도시한 도면으로서, 본 발명의 제 1실시예와 다른 부분만을 설명하고자 하며, 설명을 위하여 필요한 경우 제 1실시예와 동일한 부분에 대해서는 동일한 참조부호를 부여하여 인용하고 변경된 부분에 대해서는 'b'를 부가한 참조부호를 부여하여 인용하기로 한다.FIG. 5 is a view illustrating the operation of a fuel cell system according to a third embodiment of the present invention. FIG. 5 is only a part different from the first embodiment of the present invention. The same reference numerals are used to refer to the reference numerals, and for the changed parts, reference numerals with the addition of 'b' will be cited.

본 발명의 제 3실시예에 따른 연료전지시스템(10b)은 냉각판유로(72b)가 분리기(78b)에서 제 1냉각판유로(74b)와 제 2냉각판유로(76b)로 분지된다. In the fuel cell system 10b according to the third embodiment of the present invention, the cooling plate flow path 72b is branched from the separator 78b to the first cooling plate flow path 74b and the second cooling plate flow path 76b.

제 1냉각판유로(74b)는 냉각판(36)으로 직접 공급되어 스택(30)의 온도상승에 기여하며, 제 2냉각판유로(76b)는 냉각액저수조(40)로 공급된 후 냉각액유로(73b)를 통하여 냉각판(36)으로 공급되어 스택(30)의 온도를 상승시킨다. The first cooling plate flow path 74b is directly supplied to the cooling plate 36 to contribute to the temperature increase of the stack 30, and the second cooling plate flow path 76b is supplied to the cooling liquid reservoir 40 and then the cooling liquid flow path ( 73b) is supplied to the cooling plate 36 to raise the temperature of the stack 30.

전술한 실시예들에서는, 저온형 스택인 경우를 상정하여 일산화탄소제거기가 마련된 경우에 대하여 주로 설명하였으나, 일산화탄소제거기가 포함될지 여부는 스택을 비롯한 연료전지시스템 각 구성품의 특성에 따라 결정된다.In the above-described embodiments, a case where a carbon monoxide remover is provided is mainly described assuming a low temperature stack, but whether the carbon monoxide remover is included or not depends on the characteristics of each component of the fuel cell system including the stack.

이와 같이 본 발명은 기재된 실시예들에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서, 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.As described above, the present invention is not limited to the described embodiments, and various modifications and changes can be made without departing from the spirit and scope of the present invention, which will be apparent to those skilled in the art. Therefore, such modifications or variations will have to be belong to the claims of the present invention.

도 1은 종래의 일 실시예에 따른 연료전지시스템의 작동을 도시한 도면이다.1 is a view showing the operation of a fuel cell system according to a conventional embodiment.

도 2는 본 발명의 제 1실시예에 따른 연료전지시스템의 작동을 도시한 도면이다.2 is a view showing the operation of the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention.

도 3a 및 도 3b는 도 2 연료전지시스템의 제어방법을 도시한 순서도이다.3A and 3B are flowcharts illustrating a control method of the fuel cell system of FIG. 2.

도 4는 본 발명의 제 2실시예에 따른 연료전지시스템의 작동을 도시한 도면이다.4 is a view showing the operation of a fuel cell system according to a second embodiment of the present invention.

도 5는 본 발명의 제 3실시예에 따른 연료전지시스템의 작동을 도시한 도면이다.5 is a diagram illustrating the operation of a fuel cell system according to a third embodiment of the present invention.

*도면의 주요부분에 대한 부호 설명** Description of symbols on the main parts of the drawings *

10 : 연료전지 20 : 개질기10 fuel cell 20 reformer

22 : 가열버너 23 : 리포머22: heating burner 23: reformer

26 : 쉬프트반응기 29 : 일산화탄소제거기26: shift reactor 29: carbon monoxide remover

30 : 스택 36 : 냉각판30 stack 36 cold plate

40 : 냉각액저수조 71 : 순환가열회로40: coolant reservoir 71: circulation heating circuit

72 : 냉각판유로 73 : 냉각액유로72: cooling plate flow path 73: cooling liquid flow path

Claims (25)

개질(改質)가스를 발생시키는 개질기와, 상기 개질기에서 발생된 상기 개질가스를 공급받아 에너지를 발생시키는 스택을 포함하는 연료전지시스템의 제어방법에 있어서,In the control method of a fuel cell system including a reformer for generating a reformed gas, and a stack for generating energy by receiving the reformed gas generated from the reformer, 상기 개질기를 가동시킨 후, 상기 개질기의 가동에 의하여 발생된 열에너지에 의하여 열매개체를 가열하고, 가열된 상기 열매개체를 이용하여 상기 스택을 정상작동온도까지 상승시키는 초기기동과,After starting the reformer, the initial heating to heat the fruit medium by the heat energy generated by the operation of the reformer, and to raise the stack to the normal operating temperature using the heated fruit medium, 상기 스택이 정상작동온도에 도달한 후 상기 개질가스를 상기 스택에 공급하는 정상기동을 포함하는 연료전지시스템의 제어방법. And a normal operation of supplying the reformed gas to the stack after the stack reaches a normal operating temperature. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 초기기동은,The initial startup, 가열된 상기 열매개체를 상기 스택에 공급하는 제 1기동과,A first start for supplying the heated fruit entity to the stack; 상기 개질기와 상기 스택 사이에 마련된 순환가열회로(循環加熱回路)를 통하여 상기 스택에 공급된 상기 열매개체를 순환시켜 상기 스택을 가열하는 제 2기동을 포함하는 연료전지시스템의 제어방법.And a second operation for heating the stack by circulating the fruit material supplied to the stack through a circulating heating circuit provided between the reformer and the stack. 제 2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 제 1기동에서,In the first start, 가열된 상기 열매개체는 상기 스택의 냉각판에 직접 공급되는 연료전지시스템의 제어방법.The heated heating medium is directly supplied to the cooling plate of the stack control method of a fuel cell system. 제 2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 제 1기동에서,In the first start, 가열된 상기 열매개체는 상기 스택에 마련된 냉각액저수조에 공급된 후, 상기 스택의 냉각판에 공급되는 연료전지시스템의 제어방법.The heated heating medium is supplied to the cooling liquid reservoir provided in the stack, and then supplied to the cooling plate of the stack. 제 2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 제 1기동에서,In the first start, 가열된 상기 열매개체는 상기 스택의 냉각판 및 상기 스택에 마련된 냉각액저수조에 동시에 공급되는 연료전지시스템의 제어방법.The heated heating medium is supplied to the cooling plate of the stack and the cooling liquid reservoir provided in the stack at the same time control method of the fuel cell system. 제 2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 제 1기동은,The first start is, 상기 개질기에 마련된 리포머의 온도가 리포머작동개시온도에 도달한 후에, 상기 열매개체를 상기 개질기의 열교환기를 통과시켜 가열하여 상기 스택으로 공급하는 연료전지시스템의 제어방법.And after the temperature of the reformer provided in the reformer reaches a reformer operation start temperature, the fruit medium is heated by passing through a heat exchanger of the reformer and supplied to the stack. 제 2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 제 1기동은,The first start is, 상기 스택의 내부에 저수되어 있던 열매개체를 외부로 배출한 후에 이루어지는 연료전지시스템의 제어방법.A control method of a fuel cell system formed after discharging the fruit material stored in the stack to the outside. 제 2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 제 1기동에서,In the first start, 가열된 상기 열매개체의 공급량이 상기 스택의 열매개체 수용상한량에 도달한 경우에, 상기 스택으로의 상기 열개체의 공급을 중단하는 연료전지시스템의 제어방법.And supplying the thermal object to the stack when the supply amount of the heated fruit object reaches the upper limit of the fruit object capacity of the stack. 제 2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 제 1기동에서,In the first start, 가열된 상기 열매개체의 공급량이 상기 스택의 열매개체 수용상한량에 도달한 경우에, 상기 스택에 수용된 상기 열매개체의 일부를 배출하고, 배출된 상기 열매개체에 상응하는 양의 상기 열매개체를 공급받는 연료전지시스템의 제어방법.When the supply amount of the heated fruit object reaches the upper limit of the amount of fruit object in the stack, a part of the fruit object contained in the stack is discharged, and the fruit object in an amount corresponding to the discharged fruit object is supplied. Control method of receiving fuel cell system. 제 2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 개질기에 마련된 쉬프트반응기의 온도가 쉬프트반응기설정온도에 이르었는가 여부를 판단하고,It is determined whether the temperature of the shift reactor provided in the reformer has reached the shift reactor set temperature, 상기 쉬프트반응기의 온도가 상기 쉬프트반응기설정온도에 도달하였으면 상 기 제 1기동을 중단하고 상기 제 2기동으로 전환하는 연료전지시스템의 제어방법.And stopping the first start and switching to the second start when the temperature of the shift reactor reaches the set temperature of the shift reactor. 제 10항에 있어서,The method of claim 10, 상기 쉬프트반응기설정온도는 섭씨 100도인 연료전지시스템의 제어방법.And the shift reactor set temperature is 100 degrees Celsius. 제 2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 제 2기동에서,In the second start, 상기 순환가열회로를 통하여 상기 열매개체가 강제순환되는 연료전지시스템의 제어방법.The control method of the fuel cell system in which the fruit is forced circulation through the circulation heating circuit. 제 2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 제 2기동에서,In the second start, 상기 순환가열회로를 총하여 상기 열매개체가 열싸이펀현상에 의하여 자연순환되는 연료전지시스템의 제어방법.And total heat circulation of the circulating heating circuit so that the fruit is naturally circulated by a heat siphon phenomenon. 제 2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 개질기에 연료의 공급을 개시하고,Start supply of fuel to the reformer, 상기 개질기의 작동에 의해 발생된 개질가스를 상기 개질기의 가열버너에 공급하는 연료전지시스템의 제어방법.A control method of a fuel cell system for supplying a reforming gas generated by the operation of the reformer to the heating burner of the reformer. 제 14항에 있어서,The method of claim 14, 상기 제 2기동에서,In the second start, 상기 스택의 온도가 스택작동적정온도에 이르렀는가 여부를 판단하여 상기 스택의 온도가 상기 스택작동적정온도 이상이면,It is determined whether the temperature of the stack has reached the stack operating temperature, and if the temperature of the stack is greater than the stack operating temperature, 상기 열매개체의 순환을 통한 상기 스택의 가열 및 상기 개질가스의 상기 가열버너로의 공급을 중단하고, 상기 스택으로 상기 개질가스를 공급하는 연료전지시스템의 제어방법.And controlling the heating of the stack through the circulation of the fruit medium and supplying the reformed gas to the heating burner, and supplying the reformed gas to the stack. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 개질기에는 리포머가 마련되며,The reformer is provided with a reformer, 상기 초기기동에서,At the initial startup, 상기 리포머의 온도가 리포머작동상한온도에 이르렀는가 여부를 판단하여 상기 리포머의 온도가 상기 리포머작동상한온도 보다 높을 경우에,It is determined whether the temperature of the reformer has reached the upper limit of the reformer operating temperature, and when the temperature of the reformer is higher than the upper limit of the reformer operating temperature, 상기 리포머에 가열되지 않은 상기 열매개체를 공급하여 상기 리포머의 온도를 조절하는 연료전지시스템의 제어방법.And controlling the temperature of the reformer by supplying the heat medium not heated to the reformer. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 개질기에는 리포머가 마련되며,The reformer is provided with a reformer, 상기 정상기동에서,In the normal operation, 상기 리포머의 온도가 리포머작동상한온도에 이르렀는가 여부를 판단하여 상 기 리포머의 온도가 상기 리포머작동상한온도 보다 높을 경우에,It is determined whether the temperature of the reformer has reached the upper limit of the operating temperature of the reformer, and when the temperature of the reformer is higher than the upper limit of the operating temperature of the reformer, 상기 리포머에 상기 개질기의 열교환기를 통과하며 가열된 상기 열매개체를 공급하여 상기 리포머의 온도를 조절하는 연료전지시스템의 제어방법.And controlling the temperature of the reformer by supplying the heated heating medium through the heat exchanger of the reformer to the reformer. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 열매개체는 물(Water)인 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 제어방법.The fruit medium is a control method of a fuel cell system, characterized in that (Water). 개질가스를 발시키는 개질기;A reformer for emitting reformed gas; 상기 개질기에서 발생된 상기 개질가스를 공급받아 에너지를 발생시키는 스택; 및A stack for generating energy by receiving the reformed gas generated by the reformer; And 상기 개질기와 상기 스택의 사이에 마련되어 초기기동시 상기 개질기에서 발생된 열을 이용하여 상기 스택의 온도를 상승시키는 순환가열회로를 포함하며,A circulating heating circuit provided between the reformer and the stack to increase the temperature of the stack by using heat generated by the reformer at initial startup, 상기 순환가열회로는,The circulating heating circuit, 상기 개질기로부터 상기 스택으로 열매개체를 공급하는 냉각판유로와, 상기 스택으로부터 상기 개질기로 상기 열매개체를 복귀시키는 순환유로를 포함하는 연료전지시스템.And a cooling plate channel for supplying the fruit medium from the reformer to the stack, and a circulation channel for returning the fruit object from the stack to the reformer. 제 19항에 있어서,The method of claim 19, 상기 냉각판유로는,The cooling plate flow path, 상기 개질기에 마련된 열교환기와 상기 스택에 마련된 냉각판 사이에 마련된 연료전지시스템.A fuel cell system provided between the heat exchanger provided in the reformer and the cooling plate provided in the stack. 제 19항에 있어서,The method of claim 19, 상기 냉각판유로는,The cooling plate flow path, 상기 개질기에 마련된 열교환기와 상기 스택에 마련된 냉각액저수조 사이에 마련된 연료전지시스템.A fuel cell system provided between the heat exchanger provided in the reformer and the coolant reservoir provided in the stack. 제 19항에 있어서,The method of claim 19, 상기 냉각판유로는,The cooling plate flow path, 상기 개질기에 마련된 열교환기와 상기 스택의 냉각판 사이 및 상기 열교환기와 상기 스택에 마련된 냉각액저수조 사이에 마련된 연료전지시스템.And a heat exchanger provided between the reformer and a cooling plate of the stack, and a fuel cell system provided between the heat exchanger and a coolant reservoir provided in the stack. 제 19항에 있어서,The method of claim 19, 상기 냉각판유로에는 상기 열매개체의 공급을 제어하는 밸브가 마련되며,The cooling plate flow passage is provided with a valve for controlling the supply of the fruit object, 상기 순환유로에는 상기 열매개체의 순환을 제어하는 밸브가 마련된 연료전지시스템.And a valve for controlling circulation of the fruit object in the circulation passage. 제 19항에 있어서,The method of claim 19, 상기 스택에 마련된 냉각판에는 외부로 연장되어 상기 냉각판에 저수된 상기 열매개체의 배수를 유도하는 배수관이 마련되며,The cooling plate provided in the stack is provided with a drain pipe extending outward to induce drainage of the fruit material stored in the cooling plate. 상기 배수관에는 상기 열매개체의 배수를 제어하는 밸브가 마련된 연료전지시스템.The drain pipe is provided with a valve for controlling the drainage of the heat medium. 제 19항에 있어서,The method of claim 19, 상기 개질기에는 리포머가 마련되며,The reformer is provided with a reformer, 상기 리포머에는 실온(室溫)의 상기 열매개체를 상기 리포머로 공급하는 유로와, 상기 냉각판유로에서 분지되어 가열된 상기 열매개체를 상기 리포머로 공급하는 유로가 마련된 연료전지시스템.And a flow path for supplying the fruit medium at room temperature to the reformer and a flow path for supplying the fruit object branched and heated in the cooling plate flow path to the reformer.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US6699612B2 (en) * 2001-12-26 2004-03-02 Utc Fuel Cells, Llc Fuel cell power plant having a reduced free water volume
JP4953347B2 (en) * 2006-06-21 2012-06-13 Agcテクノグラス株式会社 Visibility correction filter glass and visibility correction filter

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