KR20090113639A - Fuel cell system and control method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 연료전지시스템 및 그 제어방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 일산화탄소제거기에서 발생된 열에너지를 이용하여 가열된 열매개체로 연료전지시스템의 스택을 가열하는 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 to a stack of a fuel cell system by applying a method of heating a stack of a fuel cell system with a heated heating medium using heat energy generated from a carbon monoxide remover. The present invention relates to a fuel cell system capable of raising the temperature economically and quickly to a state in which normal operation is possible, and a control method thereof.
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
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
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
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
한편, 연료전지시스템(110)의 최초 시동시부터 일정 시간동안은 화학반응이 본격적으로 이루어지지 않으므로, 연료전지시스템(110) 각 구성부분의 온도가 정상 적인 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
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
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
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 일산화탄소제거기에서 발생된 열에너지를 이용하여 가열된 열매개체로 연료전지시스템의 스택을 가열하는 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 apply a method of heating the stack of the fuel cell system with the heating medium heated by using the heat energy generated in the carbon monoxide eliminator is a normal stack of the fuel cell system It is to raise the temperature economically and quickly until the operation is possible.
상기 목적은 리포머와 일산화탄소제거기를 포함하여 개질(改質)가스를 발생시키는 개질기와, 상기 개질기에서 발생된 상기 개질가스를 공급받아 에너지를 발생시키는 스택을 포함하는 연료전지시스템의 제어방법에 있어서, 상기 개질기를 가동시킨 후, 상기 리포머가 가동됨에 따라 발생된 열에너지와 상기 일산화탄소제거기가 가동됨에 따라 발생된 열에너지 중 적어도 어느 하나를 사용하여 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 달성된 다.In the control method of the fuel cell system comprising a reformer for generating a reformed gas, including a reformer and a carbon monoxide remover, and a stack for generating energy by receiving the reformed gas generated from the reformer, After operating the reformer, the fruit is heated using at least one of thermal energy generated as the reformer is operated and thermal energy generated as the carbon monoxide remover is operated, and the stack is heated using the heated fruit media. It is achieved by the control method of the fuel cell system including an initial start to increase the temperature to the normal operating temperature, and a normal start to supply the reformed gas to the stack after the stack reaches the 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 열매개체가 열싸이펀현상에 의하여 순환되도록 함으로써 상기 스택을 가열하는 제 2기동을 포함하는 것이 바람직하다.The initial startup may include a first operation for supplying the heated fruit material to the stack, and the fruit material supplied to the stack through a circulating heating circuit provided between the reformer and the stack. It is preferred to include a second startup to heat the stack by allowing it to be circulated by a funnel.
상기 제 1기동은, 가열된 상기 열매개체가 상기 스택의 냉각판과 상기 스택에 마련된 냉각액저수조 중 적어도 어느 하나에 공급되는 것이 가능하다.In the first operation, the heated heating medium may be supplied to at least one of a cooling plate of the stack and a 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 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 제2기동은, 상기 일산화탄소제거기에 상기 리포머 및 쉬프트반응기를 통과해서 발생된 가스를 공기와 함께 공급하여 상기 일산화탄소제거기를 작동시키고, 상기 일산화탄소제거기의 작동에 의하여 발생된 열에너지를 상기 개질기의 열교환기로 공급하는 것이 바람직하다.The second operation is to supply the gas generated through the reformer and the shift reactor with the air to the carbon monoxide remover to operate the carbon monoxide remover, and the heat energy generated by the operation of the carbon monoxide remover to the heat exchanger of the reformer. It is preferable to supply.
상기 초기기동에서, 상기 리포머의 온도가 리포머작동상한온도에 이르렀는가 여부를 판단하여 상기 리포머의 온도가 상기 리포머작동상한온도 보다 높을 경우 에, 상기 리포머에 가열되지 않은 상기 열매개체를 공급하여 상기 리포머의 온도를 조절하는 것이 가능하다.In the initial start-up, 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, the fruit is not heated to the reformer to supply the reformer. It is possible to adjust the temperature of the.
또한, 상기 목적은 개질가스를 발생시키는 개질기와, 상기 개질기에서 발생된 상기 개질가스를 공급받아 에너지를 발생시키는 스택을 포함한 연료전지시스템에 있어서, 일산화탄소의 함량을 감소시키는 일산화탄소제거기가 마련되며, 상기 일산화탄소제거기에서 발생된 열에너지를 상기 개질기로 공급하는 연료전지시스템에 의하여서도 달성될 수 있다.In addition, the object is 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, carbon monoxide remover for reducing the content of carbon monoxide is provided, It can also be achieved by a fuel cell system for supplying thermal energy generated in the carbon monoxide eliminator to the reformer.
상기 개질기에는 열교환기가 마련되며, 상기 일산화탄소제거기에서 발생된 상기 열에너지를 상기 열교환기로 공급하는 것이 가능하다.The reformer is provided with a heat exchanger, it is possible to supply the heat energy generated in the carbon monoxide remover to the heat exchanger.
상기 일산화탄소제거기의 외면 중 적어도 한 면이 상기 열교환기의 외면 중 적어도 한 면과 면접촉하도록 마련되며, 상기 열에너지의 공급은, 상기 면접촉하고 있는 접촉면을 통하여 이루어지는 것이 가능하다.At least one of the outer surfaces of the carbon monoxide remover is provided to be in surface contact with at least one of the outer surfaces of the heat exchanger, and the heat energy may be supplied through the contact surface in surface contact.
본 발명에 따른 연료전지시스템 및 그 제어방법은 일산화탄소제거기에서 발생된 열에너지를 이용하여 가열된 열매개체로 연료전지시스템의 스택을 가열하는 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 apply a method of heating the stack of the fuel cell system with a heated heating medium using heat energy generated from the carbon monoxide remover until the stack of the fuel cell system can be operated normally. It can raise the temperature economically and quickly.
또한, 본 발명에 따른 연료전지시스템 및 그 제어방법은 순환가열회로를 적용하여 스택의 온도를 경제적이고 신속하게 상승시킬 수 있다.In addition, the fuel cell system and its control method according to the present invention can increase the temperature of the stack economically and quickly by applying a circulating heating circuit.
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 일 실시예에 따른 연료전지시스템의 작동을 도시한 도면이다.2 is a view showing the operation of the fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
이에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 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)와, 개질기(20)의 일산화탄소제거기(29)와 열교환기(24) 사이에 마련된 열공급경로(180)를 포함한다.As shown in the drawing, the
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
가열버너(22)는 LNG, LPG, 등유 등의 탄화수소계 연료(50)를 태우며 발열한다. 가열버너(22)에서 발생된 열은 리포머(23)로 공급되어 열에 의한 개질반응이 촉진되도록 한다. 가열버너(22)에서 발생된 배기가스(74)는 열교환기(24)로 열에너지를 전달한 후 외부로 배출되며, 열교환기(24)로 전달된 열에너지는 공급된 열매개체인 물(64)을 가열한다.The
리포머(23)는 가열버너(22)에 의하여 가열되며 실질적으로 개질반응이 진행되는 부분이다. 연료전지시스템(10)을 최초로 가동시키면 공기(66)와 연료(50)가 가열버너(22)로 공급되어 점화되며 가열버너(22)의 작동이 개시된다. 점화된 가열 버너(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. 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 4밸브(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
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
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 수증기 등의 열부산물로부터 열을 전달받아 쉬프트반응기설정온도인 섭씨 100도 이상으로 가열되어야 한다. 쉬프트반응기(26)가 쉬프트반응기설정온도 보다 낮은 경우에는 열교환기(24)와 쉬프트반응기(26)를 거치며 열에너지를 전달하여 온도가 낮아진 가스를 외부로 배출한다. 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)와 혼합기(27)를 거쳐 일산화탄소제거기(29)로 공급된다.When the temperature and the like of the
혼합기(27)는 초기기동 중 제 2기동(일점쇄선)과 정상기동이 진행되는 경우에 쉬프트반응기(26)에서 발생된 가스를 공급받는다. 혼합기(27)는 제어기(미도시)의 제어신호에 따라 쉬프트반응기(26)로부터 공급받은 가스와 공기(66)를 혼합한다. 혼합기(27)에서 혼합된 혼합가스는 일산화탄소제거기(29)로 공급된다.The mixer 27 is supplied with the gas generated in the
일산화탄소제거기(29)는 선택적 산화(PROX, PReferential OXidation)반응을 통하여 일산화탄소의 양을 허용범위 이내로 저감시킨다. 일산화탄소제거기(29)에서는 다음과 같은 일련의 반응이 이루어진다.The
CO + 0.5O2 ↔ CO2 + 47 kcal/molCO + 0.5O 2 ↔ CO 2 + 47 kcal / mol
H2 + 0.5O2 ↔ H20 + 68 kcal/molH 2 + 0.5 O 2 ↔ H 2 0 + 68 kcal / mol
일산화탄소제거기(29)에서 정방향으로 반응이 진행되면, 일산화탄소가 이산화탄소로 변환되어 일산화탄소의 함유량이 줄어들게 됨을 의미한다. 일산화탄소제거기(29)를 통과하며 일산화탄소의 함유량은 10 ppm(parts per million) 미만으로 감소된다. 스택(30)의 온도가 스택작동적정온도에 도달하지 못한 제 2기동(일점쇄선) 상태인 경우에는 상술한 반응식이 진행되며, 혼합기(27)로 공급되는 공기의 양을 조절하여 완전연소가 일어남과 동시에 일산화탄소제거기(29)에서 발생된 열에너지가 열교환기(24)로 제공된다. 열에너지는 정방향으로 반응이 진행되는 경우에 발생된 반응열이다. 즉, 일산화탄소제거기(29) 내부에서 정방향으로의 반응은 발열반응이며, 발열반응이 진행되는 과정에서 다량의 열에너지가 발생한다. 발열반응 과정에서 발생한 이산화탄소와 물은 외부로 배출되고, 발생된 열에너지는 열공급경로(180)를 통하여 열교환기(24)로 공급된다. 본 실시예에서는, 열공급경로(180)를 일산화탄소제거기(29)와 열교환기(24) 사이에 별도로 마련된 공급경로로 표현하였으나, 일산화탄소제거기(29)가 열교환기(24)의 외부에 면접촉하며 밀착마련된 경우에는 상호 접촉되어 마련된 일산화탄소제거기(29)의 외면과 열교환기(24)의 외면을 통하여 일산화탄소제거기(29)에서 열교환기(24)로 열에너지가 공급되므로 별도의 공급경로가 필요하지 않게 된다. 한편, 정상기동(실선) 상태인 경우에 일산화탄소제거기(29)에서 배출된 개질가스는 스택(30)으로 공급된다.When the reaction proceeds in the
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
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
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(미도시)의 제어신호에 의하여 수시로 개폐되며 스택(30)의 온도를 일정하게 유지시킨 다.The cooling
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
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 액체상태의 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
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)에서 발생된 열에너지를 흡수하여 온도가 상승된 물(64)은 제 2밸브(92)를 통과하여 분리기(78)에 이른다. The cooling
분리기(78)에서 냉각판유로(72)는 제 1냉각판유로(74)와 제 2냉각판유로(76)로 분지된다. 분리기(78)는 제어부(미도시)의 제어신호에 의하여 제 1냉각판유로(74) 방향만으로 가열된 물(64)을 공급하거나, 제 2냉각판유로(76) 방향만으로 가열된 물(64)을 공급하거나, 제 1,2냉각판유로(74, 76) 모두로 가열된 물(64)을 공급한다. 제 1냉각판유로(74)는 냉각판(36)으로 가열된 온수를 직접 공급하며, 제 2냉각판유로(76)는 냉각액저수조(76)로 가열된 온수를 공급한다. 냉각액저수조(76)로 공급된 가열된 온수는 제어신호에 따른 제 9밸브(99)의 개폐 여부에 따라 냉각 액유로(73)를 통하여 냉각판(36)으로 공급된다. 제 1,2냉각판유로(74, 76)를 따라 공급되는 가열된 물(64)은 냉각판(36)에서 스택(30)에 열에너지를 전달하며 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 있으며, 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.In the
이하, 본 발명의 일 실시예에 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 an 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
리포머(23)의 온도가 리포머작동개시온도인 섭씨 300도에 이르렀는가 여부를 판단한다(S30). It is determined whether or not the temperature of the
리포머(23)의 온도가 리포머작동개시온도를 초과한 경우에는, 제 1, 2, 9밸브(91, 92, 99) 및 분리기(78)를 제어하여 냉각액저수조(40)로 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, 3, 9밸브(91, 92, 93, 99)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
가열버너(22)가 계속하여 리포머(23)를 가열하고 있으므로, 리포머(23)의 온도가 리포머작동상한온도인 섭씨 500도에 이르렀는가 여부를 판단한다(S50).Since the
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
냉각판(36)에 수용된 물의 양을 수용상한량과 비교한다(S70). The amount of water accommodated in the
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, 3, 9밸브(91, 92, 93, 99)의 개폐를 제어하여 냉각판(36)에 공급되어 저수되어 있던 온수를 배출함과 동시에 새로운 물을 공급받는 것이 가능하다.When the amount of water contained in the
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
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
스택(30)의 온도가 스택작동적정온도 보다 낮으면, 혼합기(27)를 개방하여 일산화탄소제거기(29)로 공기가 혼합된 혼합가스를 공급한다(S110). 이 때, 일산화탄소제거기(29)에서 공급되어지는 쉬프트 반응기를 통과한 가스를 완전연소 시키기 위해 공기의 량을 조절하여 혼합가스를 혼합기(27)에 공급한다. 일산화탄소제거기(29)로 혼합가스가 공급되면, 일산화탄소제거기(29) 내부에서 발열반응이 개시되며 열에너지가 발생된다. When the temperature of the
일산화탄소제거기(29)에서 발생된 열에너지를 열교환기(24)로 공급한다(S120). 열에너지는 열공급경로(180)로 공급된다. 한편, 일산화탄소제거기(29)와 열교환기(24)가 상호 밀착된 경우에는 별도의 열공급경로(180)가 마련되지 않아도 밀착면을 통하여 열에너지가 전달될 수 있음은 상술한 바와 같다.The thermal energy generated by the
제 1밸브(91)를 차단하고 제 5밸브(95)를 개방시킨다(S130). 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 5밸브(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 스 택(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. Blocking the
제 5밸브(95)를 개방하는 한편, 리포머(23)에 연료(50)를 공급하고, 제 4밸브(94)를 제어하며 리포머(23)의 온도를 조절한다(S140). 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
스택(30)의 온도가 스택작동적정온도 이상이면, 연료전지시스템(10)의 정상기동(실선)에 진입한다. When the temperature of the
연료전지시스템(10)의 정상기동(실선)은 제 4, 5밸브(94, 95)를 차단(S160)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 공급하 도록 하는 제 4밸브(94)가 차단됨으로써 실온의 물(64)과 고온의 리포머(23) 간의 온도차이로 인하여 리포머(23)의 온도가 크게 변화될 여지가 제거된다.Normal startup (solid line) of the
제 4, 5밸브(94, 95)를 차단하는 한편, 제 2밸브(92)를 차단하고 제 1, 7, 8밸브(91, 97, 98)를 개방한다(S170). 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 급격하게 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 and
제 8밸브(98)가 개방되어 개질가스가 공급되면, 스택(30)이 본격적으로 작동된다(S180).When the
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 조절 한다. 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
전술한 실시예에서는, 일산화탄소제거기를 통한 가열과 리포머를 통한 가열이 동시에 이루어지는 경우에 대하여 설명하였으나, 필요에 따라 일산화탄소제거기를 통한 가열과 리포머를 통한 가열이 선택적으로 이루어질 수 있음은 물론이다.In the above-described embodiment, the case in which the heating through the carbon monoxide remover and the heating through the reformer are performed at the same time is described. However, the heating through the carbon monoxide remover and the heating through the reformer may be selectively performed as necessary.
이와 같이 본 발명은 기재된 실시예에 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 일 실시예에 따른 연료전지시스템의 작동을 도시한 도면이다.2 is a view showing the operation of the fuel cell system according to an 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.
*도면의 주요부분에 대한 부호 설명** Description of symbols on the main parts of the drawings *
10 : 연료전지 20 : 개질기10
22 : 가열버너 23 : 리포머22: heating burner 23: reformer
26 : 쉬프트반응기 29 : 일산화탄소제거기26: shift reactor 29: carbon monoxide remover
30 : 스택 36 : 냉각판30
40 : 냉각액저수조 71 : 순환가열회로40: coolant reservoir 71: circulation heating circuit
72 : 냉각판유로 73 : 냉각액유로72: cooling plate flow path 73: cooling liquid flow path
180 : 열공급경로180: heat supply path
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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-
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- 2008-04-28 KR KR1020080039464A patent/KR20090113639A/en not_active Application Discontinuation
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US8343678B2 (en) | 2010-03-26 | 2013-01-01 | Samsung Sdi Co., Ltd. | Fuel cell system to preheat fuel cell stack |
CN108630960A (en) * | 2018-07-25 | 2018-10-09 | 中国科学院理化技术研究所 | Thermosiphon flow battery and application thereof |
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