KR20100006468A - Method for operation of fuel cell system - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: An operation method for a fuel cell system is provided to increase gas dispersion by instantaneously increasing inner pressure of a stack, to release the reduction of service life of a stack, and to enable operation of a fuel system for a long term. CONSTITUTION: An operation method for a fuel cell system comprises the steps of: comparing an initial rated output power and measurement output of stack; when the measured output is reduced to the initial set value from initial rated output power, increasing the fuel supply amount of a fuel reformer from a initial set value to a set value; comparing an initial output reducing gradient and a present initial output reducing gradient; reducing an initial rated supply amount; when the initial output reducing gradient becomes the same as the present output reducing gradient, increasing the fuel supply amount to the set value; and a comparison step and a fuel supply amount returning and resupplying step.

Description

연료전지시스템 운전방법{method for operation of fuel cell system}Method for operation of fuel cell system

본 발명은 연료전지시스템 운전방법에 관한 것으로, 특히 연료전지스택의 재생이나 교체 없이 연료전지시스템의 운전시간을 증가시킬 수 있도록 된 연료전지시스템 운전방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of operating a fuel cell system, and more particularly, to a method of operating a fuel cell system that enables to increase the operating time of a fuel cell system without regeneration or replacement of the fuel cell stack.

연료전지시스템은 스택에 수소혼합가스와 공기를 공급 받아 이들의 반응에 의해 전력을 생산하는 시스템이다.The fuel cell system receives hydrogen mixed gas and air in a stack and generates electric power by reacting them.

상기 수소혼합가스는 탄화수소계 연료를 개질하여 얻게 되는데, 이를 위해 연료전지시스템은 도 1과 같이 연료변환기를 포함한다.(다양한 탄화수소계 연료중에서 천연가스(NG)를 일 예로 표시하였다.)The hydrogen mixed gas is obtained by reforming a hydrocarbon-based fuel. To this end, the fuel cell system includes a fuel converter as shown in FIG. 1 (Natural gas (NG) is shown as an example among various hydrocarbon-based fuels.)

상기 연료변환기는 공급 연료를 개질하여 수소를 생성하고, 스택의 촉매 피독 방지를 위해 생성가스 중의 일산화탄소(CO)를 요구 수준까지 제거하기 위하여 탈황기, 개질기, CO변성기, CO제거기 및 이들의 작동온도 제어를 위한 버너를 포함하여 이루어진다.The fuel converter reforms the feed fuel to generate hydrogen, and desulfurizer, reformer, CO transformer, CO remover and their operating temperature to remove carbon monoxide (CO) in the product gas to the required level to prevent catalyst poisoning of the stack. It comprises a burner for control.

상기 탈황기는 탄화수소내에 포함되어 있는 부취제인 황성분을 제거하고, 상기 개질기는 수증기-개질반응을 통해 연료가스로부터 다량의 수소와 일산화탄소(CO) 및 이산화탄소(CO2)를 생성하고, 상기 CO변성기는 개질기로부터 생성된 개질가스를 변성촉매를 매개로 CO변성반응을 진행시켜 CO의 양을 1% 이하로 저감시키며, 상기 CO제거기는 CO변성기에서 배출된 변성가스를 공기와 혼합하여 선택적 산화반응을 통해 CO를 10ppm 이하로 저감시키며, 상기 버너는 연료가스를 공급받아 연소시킴으로써 상기 각 반응기들을 예열하고 특히 개질기의 반응에 필요한 열(개질반응은 흡열반응이다.)을 공급한다.The desulfurizer removes sulfur, which is an odorant contained in hydrocarbons, the reformer generates a large amount of hydrogen, carbon monoxide (CO) and carbon dioxide (CO 2 ) from fuel gas through a steam reforming reaction, and the CO modifier is a reformer. The reformed gas generated from the CO is subjected to a CO modification reaction through a modification catalyst to reduce the amount of CO to 1% or less, and the CO remover mixes the modified gas discharged from the CO transformer with air to perform a selective oxidation reaction. Is reduced to 10 ppm or less, and the burner preheats the respective reactors by supplying fuel gas and combusts, in particular, supplying heat (reforming is an endothermic reaction) necessary for the reaction of the reformer.

상기 연료변환기에서 CO 함량이 요구 수준 이하로 제거된 수소혼합가스는 스택으로 공급되어 발전의 연료로 사용되며, 사용되지 않은 미반응가스는 상기 연료변환기로 순환되어 버너의 연료로 사용된다.The hydrogen mixed gas whose CO content is removed below the required level in the fuel converter is supplied to the stack to be used as fuel for power generation, and the unused unreacted gas is circulated to the fuel converter to be used as fuel for the burner.

상기 스택은 연료변환기에서 개질된 수소혼합가스를 연료극(anode)에 공급하고, 이 연료극과 고분자 전해질막을 사이에 두고 밀착된 공기극(cathode)에 공기를 공급하여 전류와 함께 물과 열을 생산하는 장치로, 스택의 내구성은 연료극 및 산소극에 전기화학반응을 일으키기 위한 촉매층, 반응가스가 촉매에 분산되기 위한 가스확산층(GDL, gas diffusion layer) 및 가스가 이동하는 가스채널 등에 의해 결정된다.The stack supplies a hydrogen mixed gas reformed by a fuel converter to an anode, and supplies water to a cathode closely connected with the anode and a polymer electrolyte membrane to produce water and heat together with a current. The durability of the stack is determined by a catalyst layer for causing an electrochemical reaction on the fuel electrode and an oxygen electrode, a gas diffusion layer (GDL) for dispersing the reaction gas in the catalyst, a gas channel through which the gas moves, and the like.

그러나 연료전지시스템에 장착된 스택의 경우, 스택 자체의 내구성보다 연료전지시스템 운전방법 및 효율을 극대화하기 위하여 구성되는 주변장치에 의해 시스템 내에서의 스택의 유효수명이 결정된다. 특히, 운전 중 발생하는 스택 내부의 수분 응축과 그로 인한 가스 분산도의 취약이 연료변환기로부터 공급된 수소혼합가 스가 각 셀로 고르게 전달되지 못하여 스택의 유효수명이 감소되기도 한다. However, in the case of a stack mounted on a fuel cell system, the useful life of the stack in the system is determined by a peripheral device configured to maximize the operation and efficiency of the fuel cell system rather than the durability of the stack itself. In particular, the condensation of moisture inside the stack and the weakness of the resulting gas dispersion during operation may not evenly transfer the hydrogen-mixed gas supplied from the fuel converter to each cell, thereby reducing the useful life of the stack.

도 2는 일정 시간 연료전지시스템에서 운전된 스택의 각 셀 전압을 측정하여 표시한 것으로, 모든 셀들의 전압이 동일하지 않고 서로 상이한 것은, 다양한 원인 이 있으나, 각 셀들에 수소혼합가스가 고르게 공급되지 않는 것도 그 한 이유이다.Figure 2 is a measure of the voltage of each cell of the stack operated in the fuel cell system for a certain time, the voltage of all the cells are not the same and different from each other, for a variety of reasons, but the hydrogen mixture gas is not evenly supplied to each cell One reason is not.

한편, 연료전지시스템에서 스택은 연료변환기, 인버터 등과 같은 다른 구성요소에 비해 상대적으로 유효수명이 짧아서, 운전 중간에 스택을 재생하거나 교체하는 것이 필요하였다.On the other hand, in the fuel cell system, the stack has a relatively short useful life compared to other components such as a fuel converter and an inverter, and thus, it is necessary to regenerate or replace the stack in the middle of operation.

즉, 도 3(연료전지시스템의 정격(부하 100%) 장기 운전시 전력-시간 그래프)와 같이, 운전이 지속됨에 따라 스택의 생산 전력량이 점차 감소하여 시스템 효율이 감소되므로 어느 시점(T7-종래의 스택 수명)에 도달하면 시스템의 효율 저하가 과도하여 더 이상 운전할 수 없는 상태가 되며, 그 시점에서 스택의 재생 또는 교체를 실시하는 것이다.That is, as shown in FIG. 3 (power-time graph during long-term operation of the fuel cell system (100% load)), as the operation continues, the amount of power produced in the stack gradually decreases and the system efficiency decreases. When the stack life of the stack is reached, the efficiency of the system is excessively degraded and it can no longer be operated. At that point, the stack is regenerated or replaced.

예를 들어, 도 3의 실험 대상이 된 연료전지시스템의 초기 효율은 35.2% (HHV), 스택의 효율은 60%이다. 운전 시간이 경과할수록 스택의 출력이 감소하고, 이는 효율감소로 이어져 상기 T7 시점에 이르면 스택 효율 저하에 따른 시스템 효율이 과도히 낮으므로 운전을 종료하고 스택을 교체하게 된다.For example, the initial efficiency of the fuel cell system subjected to the experiment of FIG. 3 is 35.2% (HHV), and the stack efficiency is 60%. As the operation time elapses, the output of the stack decreases, which leads to a decrease in efficiency, and thus, when the T7 time point is reached, the system efficiency due to the stack efficiency decreases is excessively low, thereby terminating the operation and replacing the stack.

따라서, 종래에는 연료전지시스템 장기 운전시, 스택의 재생 및 교체에 따른 비용과 시간의 소모를 감수할 수 밖에 없었다.Therefore, in the related art, long-term operation of the fuel cell system inevitably takes the cost and time consumed due to the regeneration and replacement of the stack.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 스택의 재생 및 교체 없이 보다 장시간 동안 연료전지시스템을 운전할 수 있도록 된 연료전지시스템 운전방법을 제공함에 그 목적이 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a fuel cell system operating method capable of operating a fuel cell system for a longer time without regeneration and replacement of a stack.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은,The present invention for achieving the above object,

스택의 초기정격출력과 측정출력을 비교하는 출력감소량 판단단계와;An output reduction amount determining step of comparing the initial rated output of the stack with the measured output;

측정출력이 초기정격출력으로부터 제1설정값으로 감소되면 연료변환기의 연료공급량을 초기정격공급량으로부터 설정값으로 증가시키는 연료공급량 급증단계와;A fuel supply increase step of increasing the fuel supply amount of the fuel converter from the initial rated supply amount to the set value when the measurement output is reduced from the initial rated output to the first set value;

초기정격출력의 감소시작시점으로부터 측정출력이 상기 제1설정값으로 감소한 시점까지의 초기출력감소기울기와 현재 출력감소기울기를 비교하는 출력감소기울기 비교단계와;An output reduction gradient comparing step of comparing an initial output reduction slope and a current output reduction gradient from the time when the initial rated output decreases to the time when the measurement output decreases to the first set value;

상기 초기출력감소기울기보다 현재 출력감소기울기가 작으면 급증된 연료공급량을 초기정격출력시의 정격공급량으로 감소시키는 연료공급량 복귀단계와;A fuel supply amount returning step of reducing a rapidly increased fuel supply amount to a rated supply amount at the initial rated output when the current output reduction slope is smaller than the initial output reduction slope;

현재 출력감소기울기가 상기 초기출력감소기울기와 같아지면 연료공급량을 다시 상기 설정값으로 증가시키는 연료공급량 재급증단계 및;A fuel supply amount re-expanding step of increasing the fuel supply amount back to the set value when the current output reduction slope is equal to the initial output reduction slope;

상기 출력감소기울기 비교단계와 연료공급량 복귀단계와 연료공급량 재급증단계를 반복 수행하는 반복단계;를 포함한다.And a repeating step of repeatedly performing the output reduction slope comparison step, the fuel supply amount returning step, and the fuel supply amount resurgence step.

또한, 본 발명은 측정출력이 제2설정값으로 감소되면 연료공급량을 상기 설정값으로 증가시키고 측정출력 변화를 통해 스택 발전성능의 유지여부를 판단하는 스택성능 판단단계와;In addition, the present invention provides a stack performance determining step of determining whether or not to maintain the stack power generation performance by increasing the fuel supply amount to the set value when the measured output is reduced to the second set value;

스택 발전성능이 유지되지 않으면 스택의 부하와 연료공급량을 동반 감소시켜 스택 운전을 종료하는 스택운전 종료단계를 더 포함한다.If the stack power generation performance is not maintained further includes a stack operation termination step of terminating the stack operation by reducing the load and fuel supply amount of the stack.

상기 연료량 급증단계에서 측정출력의 제1설정값은 초기정격출력으로부터 2~5% 감소한 값이다.In the fuel quantity increase step, the first set value of the measured output is a value reduced by 2 to 5% from the initial rated output.

또한, 상기 연료량 급증단계에서 연료공급량의 증가량은 초기정격공급량의 3 ~ 10% 범위의 값이다.In addition, the increase amount of the fuel supply amount in the fuel quantity increase step is a value in the range of 3 to 10% of the initial rated supply amount.

상기 스택성능 판단단계에서 측정출력의 제2설정값은 초기정격출력의 10 ~ 20% 범위의 값이다.In the stack performance determination step, the second set value of the measurement output is a value in the range of 10 to 20% of the initial rated output.

한편, 본 발명은 상기 연료공급량 급증단계와 재급증단계에서 연료공급량의 증가와 동시에 스택의 공기 공급량을 초기정격공급량으로부터 설정값으로 증가시킨다.Meanwhile, the present invention increases the air supply amount of the stack from the initial rated supply amount to the set value at the same time as the fuel supply amount is increased in the fuel supply amount increase step and the re-up step.

상기 스택 공기 공급량 설정값의 최대값은, 공기 공급량 증가를 위한 주변기기의 소비전력 증가분이 연료전지시스템의 효율을 3% 미만으로 감소시키는 조건을 만족하는 값으로 설정된다.The maximum value of the stack air supply amount set value is set to a value that satisfies the condition that the power consumption increase of the peripheral device for increasing the air supply amount reduces the efficiency of the fuel cell system to less than 3%.

이상 설명한 바와 같은 본 발명에 따르면, 스택의 재생 및 교체 없이 보다 장시간 연료전지시스템을 운전할 수 있게 됨으로써 비용과 시간의 소모가 감소되는 효과가 있다.According to the present invention as described above, it is possible to operate the fuel cell system for a longer time without regeneration and replacement of the stack, thereby reducing the cost and time consumption.

특히, 스택 재생을 위해서는 시스템 외부에 재생을 위한 재생가스 저장장치 및 공급장치 등의 추가 설비가 필요하고, 이의 운용을 위한 시간이 필요한데, 본 발명은 연료변환기의 연료공급량 제어를 통해 스택의 유효 수명을 연장시킬 수 있으므로 상기 추가 설비가 필요하지 않게 되는 장점이 있다.In particular, in order to regenerate the stack, additional equipment such as a regeneration gas storage device and a supply device for regeneration is required outside the system, and time for its operation is required. Since it can be extended, there is an advantage that the additional equipment is not necessary.

즉, 본 발명은 특정 장비 없이 연료변환기의 부하변동을 이용하여 연료변환기의 효율변화를 최소화시키며 장기 운전할 수 있게 된다.That is, the present invention can minimize the change in efficiency of the fuel converter by using the load change of the fuel converter without a specific equipment and can operate for a long time.

또한, 연료변환기의 수증기/탄소 비, 산소/일산화탄소 비 등을 고려하여 가장 안정적으로 연료변환기의 연료를 공급할 수 있고, 스택의 수소이용률을 이용하여 연료변환기의 연료공급량을 최소화시켜 효율을 유지할 수 있다.In addition, it is possible to supply the fuel of the fuel converter stably in consideration of the water vapor / carbon ratio, the oxygen / carbon monoxide ratio of the fuel converter, and to maintain the efficiency by minimizing the fuel supply amount of the fuel converter by using the hydrogen utilization rate of the stack. .

또한, 본 발명은 연료전지시스템의 효율 결정요소인 연료변환기, 스택, 주변기기의 효율 변동시점을 고려하여 시스템의 운전종료시점 및 효율감소시점을 찾아낸 것으로 시스템의 안정성 및 효율이 향상된다.In addition, the present invention finds the operation termination point and the efficiency reduction time point in consideration of the efficiency change point of the fuel converter, the stack, and the peripheral devices which are the efficiency determinants of the fuel cell system, thereby improving the stability and efficiency of the system.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

연료전지시스템 운전 시, 연료변환기의 개질기로 공급되는 연료공급량은 스택의 수소이용률이 70 ~ 80%의 범위로 유지되도록 제어된다. 따라서, 도 4와 같이 스택의 부하가 변동되면 연료공급량도 상기 수소이용률을 유지하기 위해 변동되며, 스택 부하가 정격(A1)에 도달되면 연료공급량도 정격유량(P1)으로 공급된다.During operation of the fuel cell system, the amount of fuel supplied to the reformer of the fuel converter is controlled so that the hydrogen utilization of the stack is maintained in the range of 70 to 80%. Accordingly, as the load of the stack is changed as shown in FIG. 4, the fuel supply amount is also changed to maintain the hydrogen utilization rate. When the stack load reaches the rating A1, the fuel supply amount is also supplied at the rated flow rate P1.

상기 스택의 정격 운전 상태에서 연료변환기 개질기의 연료공급구 압력은 12~18 kPa 범위로 일정하게 유지된다.In the rated operating state of the stack, the fuel inlet pressure of the fuel converter reformer is kept constant in the range of 12-18 kPa.

도 5의 (1)은 본 발명에 따른 연료변환기의 연료공급량 제어와 그에 따른 스택의 출력(발생 전력) 변화를 나타낸 그래프이다.((2)는 종래의 경우임) 시스템이 기동되고 소정 시간이 경과하여 부하와 연료공급량이 정격인 상태(도 4의 A1, P1의 상태)의 출력 즉, 정격출력을 V1으로 표시하였다.Fig. 5 (1) is a graph showing the fuel supply amount control of the fuel converter according to the present invention and the change in output (generated power) of the stack accordingly ((2) is a conventional case). In the elapsed time, the output of the state in which the load and the fuel supply amount were rated (the state of A1 and P1 in Fig. 4), that is, the rated output was expressed as V1.

시스템의 운전이 지속되어 소정 시간이 경과하면 스택의 성능이 차츰 감소하여 출력이 줄어들게 된다.As the system continues to run for some time, the stack's performance will gradually decrease and output will decrease.

본 발명은 상기와 같은 스택의 출력 감소를 통해 스택의 성능 감소를 인지하고, 그에 따라 연료변환기로 공급되는 연료공급량을 제어함으로써 스택의 성능 감소를 지연시켜 스택의 성능을 시스템 효율을 고려할 때 운전이 가능한 상태로 최대한 지속시킴으로써 장기 운전이 가능하도록 된 것에 그 특징이 있다.The present invention recognizes a decrease in stack performance through the reduction of the output of the stack, and accordingly controls the amount of fuel supplied to the fuel converter, thereby delaying the decrease in stack performance so that operation of the stack is considered in consideration of system efficiency. It is characterized by long-term operation possible by continuing as long as possible.

이를 위해 본 발명은 출력감소량 판단단계, 연료공급량 급증단계, 출력감소기울기 비교단계, 연료공급량 복귀단계, 연료공급량 재급증단계 및 반복단계를 포함한다.To this end, the present invention includes an output reduction amount determination step, a fuel supply amount increase step, an output reduction slope comparison step, a fuel supply amount return step, a fuel supply amount resurged step, and an iterative step.

상기 출력감소량 판단단계는 시스템 운전시 스택의 출력(생산 전력)을 지속적으로 측정하고, 정격운전 상태 초기의 스택 출력(초기정격출력 V1)과 일정 시점에 측정된 출력을 비교하여, 측정출력이 일정한 설정값(제1설정값) 까지 감소하였는지를 판단한다. 상기 제1설정값은 초기정격출력으로부터 2~4% 감소한 값으로 설정하였다.The output reduction amount determining step continuously measures the output (production power) of the stack during system operation, compares the stack output (initial rated output V1) at the initial stage of the rated operation state with the output measured at a certain point of time, and the measurement output is constant. It is determined whether the set value (the first set value) has decreased. The first set value was set to a value reduced by 2 to 4% from the initial rated output.

상기 출력감소량 판단단계에서 측정출력이 초기정격출력(V1)에 비하여 2~ 4% 감소되면(시점 T1, 출력 V2) 상기 연료공급량 급증단계가 수행되어 연료변환기의 연료공급량을 초기정격공급량(P1)에서 설정값(P2) 까지 순간적으로 상승시킨다.In the output reduction amount determination step, when the measured output is reduced by 2 to 4% compared to the initial rated output V1 (time T1, output V2), the fuel supply amount increase step is performed to change the fuel supply amount of the fuel converter to the initial rated supply amount P1. Momentarily increases to the set value (P2).

이때 상기 초기정격공급량(P1)에서 설정값(P2)까지의 증가량은 초기정격공급량(P1)의 3 ~ 10% 범위의 값으로 설정된다.At this time, the increase amount from the initial rated supply amount P1 to the set value P2 is set to a value in the range of 3 to 10% of the initial rated supply amount P1.

증가량이 초기정격공급량(P1)의 3% 보다 작으면 연료 추가 공급에 따른 스택의 출력 증가 현상이 일어나지 않고, 10% 보다 크면 개질기의 운전온도가 정상 온도편차보다 10℃ 이상으로 크게 발생하기 때문에 연료전지시스템의 효율이 감소하기 때문이다.If the increase is less than 3% of the initial rated supply P1, the output of the stack does not increase due to the additional fuel supply.If the increase is greater than 10%, the operating temperature of the reformer is greater than 10 ° C above the normal temperature deviation. This is because the efficiency of the battery system is reduced.

이와 같이 연료공급량이 증가(연료변환기의 연료공급구 압력 15 ~ 23 kPa)되면 스택으로 공급되는 수소혼합가스의 양이 증가되어 스택의 내부압력이 상승하고, 이에 가스 분산도가 향상됨으로써 각 셀로 수소혼합가스가 고르게 전달된다.As such, when the fuel supply amount increases (15 ~ 23 kPa fuel supply port pressure of the fuel converter), the amount of hydrogen mixed gas supplied to the stack is increased to increase the internal pressure of the stack, and thus the gas dispersion degree is improved. Mixed gas is delivered evenly.

또한, 스택 내 수소혼합가스의 유량이 증가되고 순간적으로 내부압력이 상승함으로써 스택 내부의 응축수가 외부로 배출된다.In addition, the flow rate of hydrogen mixed gas in the stack is increased and the internal pressure is instantaneously increased so that the condensed water in the stack is discharged to the outside.

또한, 연료변환기의 연료공급량이 증가됨으로써 스택의 수소이용률을 낮출 수 있게 된다.In addition, as the fuel supply amount of the fuel converter is increased, the hydrogen utilization rate of the stack can be lowered.

상기의 이유들에 의하여 종래의 경우를 표시한 도 5의 (2)에 비하여 도 5의 (1)과 같이 스택의 출력감소율(그래프의 기울기에 해당됨)이 감소되어 수명이 연장된다.Due to the above reasons, the output reduction rate (corresponding to the inclination of the graph) of the stack is reduced as shown in (1) of FIG.

상기 출력감소율 즉, 출력감소기울기는 지속적으로 모니터링되고, 상기 출력감소기울기 비교단계에서는 초기정격출력(V1)의 감소시작시점으로부터 측정출력이 상기 제1설정값으로 감소한 시점(T1)까지의 초기출력감소기울기와 측정 시점의 출력감소기울기를 비교하여 상기 연료공급량 증가에 따라 초기출력감소기울기보다 측정된 출력감소기울기가 줄어드는 시점을 파악한다. 즉, 연료공급량 증가제어에 따라 출력감소율이 완화되는 시점을 찾는다.The output reduction rate, that is, the output reduction slope is continuously monitored, and in the output reduction slope comparison step, the initial output from the start of reduction of the initial rated output V1 to the time point T1 when the measurement output decreases to the first set value. Comparing the decrease slope with the decrease slope at the time of the measurement, it is determined that the measured decrease in the output decrease slope is reduced as compared with the initial output decrease slope as the fuel supply amount increases. In other words, it finds a time point at which the output reduction rate is relaxed according to the fuel supply increase control.

이는 연료공급량을 다시 정상으로 복귀시킬 시점을 찾기 위한 것으로, 정격량 이상의 과도 공급상태를 유지할 이유가 없기 때문이다.This is to find a time point for returning the fuel supply amount back to normal, because there is no reason to maintain the excessive supply state beyond the rated amount.

따라서, 상기 출력감소기울기 비교단계에서 초기출력감소기울기보다 현재 측정된 출력감소기울기가 작아지면, 정격량 이상(P2)으로 공급되고 있는 연료공급량을 다시 감소시켜 정격공급량(P1)으로 연료를 공급한다.(연료공급량 복귀단계)Therefore, when the power reduction slope currently measured is smaller than the initial power reduction slope in the output reduction slope comparison step, the fuel supply amount supplied to the rated amount or more P2 is reduced again to supply fuel at the rated supply amount P1. (Fuel Supply Return Stage)

그러나, 스택의 유효수명 역시, 운전시간의 경과와 더불어 지속적으로 감소되므로 상기와 같은 연료량 급증제어를 통해 출력감소율을 완화시키는 과정을 반복할 필요가 있다.However, since the useful life of the stack also decreases continuously with the passage of the operating time, it is necessary to repeat the process of mitigating the power reduction rate through the fuel amount surge control as described above.

따라서, 출력감소기울기가 다시 상기 초기출력감소기울기와 같아지면 연료공급량을 다시 정격(P1)에서 상기 설정값(P2)으로 증가시키는 연료공급량 재급증단계를 수행한다.Therefore, when the output reduction slope is equal to the initial output reduction slope again, the fuel supply amount resupply step of increasing the fuel supply amount again from the rating P1 to the set value P2 is performed.

이후, 상기 출력감소기울기 비교단계와, 연료공급량 복귀단계 및 연료공급량 재급증단계를 반복 수행(반복단계)하여 스택의 출력 감소 시간을 지연시켜 스택의 유효수명을 연장시킴으로써 스택의 재생이나 교체 없이 시스템의 장기 운전이 가능하게 된다.Thereafter, the output reduction slope comparison step, the fuel supply amount return step and the fuel supply amount increase step are repeated (repeated step) to delay the output reduction time of the stack to extend the useful life of the stack, thereby regenerating the system without regenerating or replacing the stack. Long-term operation of is possible.

그러나, 연장된 시간이 경과하면 스택의 성능이 더욱 감소하여 결국 시스템 효율상 운전을 지속할 수 없는 상태에 이르게 되는 바, 적절한 스택의 운전 종료 시점을 찾기 위하여 본 발명은 스택성능 판단단계와, 스택운전 종료단계를 더 포함한다.However, when the extended time elapses, the performance of the stack is further reduced, leading to a state in which the operation cannot continue due to system efficiency. Thus, the present invention provides a stack performance determination step and a stack to find an appropriate end point of operation of the stack. It further comprises the operation end step.

상기 스택성능 판단단계는 스택의 출력이 제2설정값으로 감소되었을 때(T7) 연료공급량을 상기 설정값(P2)으로 증가시키고 이를 유지하면서 스택의 성능 유지여부를 판단하는 것으로, 연료공급량을 증가시켰음에도 불구하고 출력감소기울기의 완화가 이루어지지 않고 출력감소가 지속적으로 진행되면(T8) 스택의 발전성능이 유지되지 않는 것으로 판단한다. 상기 제2설정값은 초기정격출력의 10 ~ 20% 범위의 값으로 설정한다.The stack performance determination step is to determine whether to maintain the performance of the stack while increasing the fuel supply amount to the set value P2 when the output of the stack is reduced to the second set value (T7) and increasing the fuel supply amount. Despite this, if the output reduction slope is not mitigated and output reduction continues (T8), it is determined that the power generation performance of the stack is not maintained. The second set value is set to a value in the range of 10 to 20% of the initial rated output.

상기와 같이 스택의 발전성능이 유지되지 않는 것으로 판단되면 스택의 부하와 연료변환기의 연료공급량을 동반 감소시켜 일정 시점(T9)에서 스택의 운전을 종료하고, 이어 소정 시간(독성가스의 배출을 최대한 줄이면서 시스템을 안정적으로 정지시키는데 소요되는 시간) 운전 후 시스템을 정지시키고, 스택의 재생 및 교체를 수행한다.If it is determined that the power generation performance of the stack is not maintained as described above, the load of the stack and the fuel supply amount of the fuel converter are reduced together, and the operation of the stack is terminated at a certain time point T9. Time taken to reliably stop the system while reducing it) After the operation is stopped, the stack is regenerated and replaced.

한편, 본 발명과 같이 연료변환기의 연료공급량을 증가(P1→P2)시킬 경우에는 연료변환기의 안정적인 운전을 위하여 물과 공기의 공급량을 동반 증가시켜 수증기/탄소 비(S/C ratio)와 산소/일산화탄소 비(O2/CO ratio)를 일정하게 유지하는 것이 필요하고, 또한 개질가스의 조성을 일정하게 유지하기 위해서 도 6과 같이 운전온도를 상승시켜야 하므로 연료변환기의 버너로 추가 연료를 공급하는 것이 필요 하다. 그리고, 정상운전 시 스택에서 소모되고 남은 미반응가스는 상기 버너로 공급되어 연료로 이용된다.On the other hand, in the case of increasing the fuel supply amount of the fuel converter (P1 → P2) as in the present invention, the water and air supply is increased together with the water vapor / carbon ratio (S / C ratio) and oxygen / It is necessary to keep the carbon monoxide ratio (O 2 / CO ratio) constant, and also to maintain the composition of the reformed gas to increase the operating temperature as shown in Figure 6 it is necessary to supply additional fuel to the burner of the fuel converter. Do. In addition, the unreacted gas remaining in the stack during normal operation is supplied to the burner and used as fuel.

그러나, 반복시험을 통해 개질기로 공급되는 연료공급량만을 증가시키고 반응물인 물과 공기의 유량을 고정시킨 상태에서 반응 수증기/탄소 비와 산소/일산화탄소 비의 최소값을 확인한 결과 개질기로 공급되는 연료공급 증가량이 정격공급량의 전술한 바와 같이 3 ~ 10 %일 때 안정적인 수소생산량 확보 및 일산화탄소 제거가 가능함을 확인하였다.However, through repeated tests, only the fuel supply to the reformer was increased, and the minimum amount of the reaction steam / carbon ratio and oxygen / carbon monoxide ratio was confirmed while the flow rate of reactant water and air was fixed. As described above, it was confirmed that stable hydrogen production and carbon monoxide removal were possible at 3 to 10% of the rated supply.

상기와 같이 개질기로의 연료공급량을 증가시키면 연료변환기에서 생산되는 수소혼합가스의 유량이 증가하여 스택의 수소이용률은 70% 전후로 감소하게 된다. 이와 같이 스택의 수소이용률이 감소되면 버너에 고열량의 미반응가스가 공급됨으로써 운전 조건 조절을 통해 버너에 추가 연료를 공급하지 않고도 연료변환기의 안정적인 운전이 가능하게 되며 수소이용률감소에 따른 연료변환기의 효율감소도 거의 발생하지 않으므로 효율을 유지하며 연료전지시스템 운전이 가능하게 된다.As described above, when the fuel supply amount to the reformer is increased, the flow rate of the hydrogen mixed gas produced by the fuel converter is increased, and the hydrogen utilization rate of the stack is reduced to around 70%. As such, when the hydrogen utilization rate of the stack is reduced, a high calorific value of unreacted gas is supplied to the burner, so that the fuel converter can be stably operated without supplying additional fuel to the burner by adjusting the operating conditions, and the efficiency of the fuel converter according to the hydrogen utilization decreases. Since the reduction rarely occurs, the fuel cell system can be operated while maintaining the efficiency.

한편, 상기와 같은 연료공급량 제어 조건에서 연료변환기를 운전할 경우, 운전온도 변화는 도 7과 같이 temp.1 ~ temp.2 의 영역에서 변화되는데, 상기 실시예에서와 같이 연료공급량을 증가시킬 경우 연료변환기에서 발생되는 수소생산량 및 일산화탄소 제거량 등을 고려하여 연료변환기의 안정적인 운전범위인 10℃ 범위를 유지할 수 있었다.On the other hand, when operating the fuel converter under the fuel supply amount control condition as described above, the operating temperature change is changed in the region of temp. 1 ~ temp. 2 as shown in Figure 7, the fuel supply if the fuel supply amount is increased as in the embodiment Considering the hydrogen production and carbon monoxide removal from the converter, we could maintain the stable operating range of 10 ℃.

따라서, 연료변환기의 반응조건인 상기 수증기/탄소 비(S/C ratio)와 산소/ 일산화탄소 비(O2/CO ratio) 및 스택의 수소이용률을 낮추고, 연료변환기의 수소 생산량 및 안정적인 운전이 가능한 운전온도 범위를 찾아 버너로의 추가 연료 공급이 필요 없는 연료변환기 운전법을 적용한 결과 연료변환기의 설계 효율 유지가 가능하였다.Therefore, the water vapor / carbon ratio and the oxygen / carbon monoxide ratio (O 2 / CO ratio), which are the reaction conditions of the fuel converter, and the hydrogen utilization of the stack are reduced, and the hydrogen production and the stable operation of the fuel converter are possible. As a result of applying the fuel converter operation method that does not need additional fuel supply to the burner by finding the temperature range, it is possible to maintain the design efficiency of the fuel converter.

또한, 연료전지시스템의 장기 운전 시, 도 5의 T7 영역이 되면 제어부에서는 연료변환기의 안정적인 장기운전을 위해 설계상의 수증기/탄소 비와 산소/일산화탄소 비를 유지할 수 있도록 제어하게 되고, 이 경우 물(수증기) 공급량의 증가로 연료변환기의 운전온도가 하강하게 된다. 따라서, 버너로 추가 연료가 다시 공급되고 연료변환기 효율은 2% 정도 감소된다.In the long-term operation of the fuel cell system, when the T7 region of FIG. 5 is reached, the control unit controls to maintain the design water vapor / carbon ratio and oxygen / carbon monoxide ratio for stable long-term operation of the fuel converter. Increased supply of water vapor lowers the operating temperature of the fuel converter. Thus, additional fuel is fed back to the burner and the fuel converter efficiency is reduced by 2%.

한편, 연료전지 스택의 성능 저하는 수소혼합가스가 공급되는 연료극(Anode) 외에 공기가 공급되는 공기극(산화극, Cathode)에서도 동일한 현상을 나타낸다. 따라서, 공기극의 경우, 도 8과 같이 연료변환기의 연료공급량 증가시점과 동일한 시점에 공기공급량을 정격량(C1)에서 설정값(C2)으로 급증시킨다.On the other hand, the performance degradation of the fuel cell stack exhibits the same phenomenon in the cathode (oxide, Cathode) in which air is supplied, in addition to the anode (Anode) in which the hydrogen mixed gas is supplied. Therefore, in the case of the air cathode, as shown in FIG. 8, the air supply amount is suddenly increased from the rated amount C1 to the set value C2 at the same time as the fuel supply amount increases in the fuel converter.

이후, 공기공급량의 감소는 연료공급량의 감소와 동일하게 순간적으로 감소시키거나, 증가시점으로부터 연료공급량 감소시점의 사이에서 서서히 감소시킬 수도 있다.Thereafter, the decrease in the air supply amount may be instantaneously reduced in the same manner as the decrease in the fuel supply amount, or may be gradually decreased between the increase in fuel supply amount and the decrease in fuel supply amount.

공기극에 공급되는 공기량은 연료극에 공급되는 수소혼합가스에 비해 대략 3배의 유량을 가지므로 순간적인 유량 증가에 의해 스택의 내부압력이 증가됨으로써 전술한 연료공급량 증가의 경우와 같이 스택의 성능 감소를 억제시킬 수 있다.Since the amount of air supplied to the cathode has a flow rate approximately three times that of the hydrogen mixed gas supplied to the anode, the internal pressure of the stack is increased due to the instantaneous flow rate, thereby reducing the stack performance as described above. Can be suppressed.

한편, 상기 공기공급량 설정값(C2)의 최대값은, 공기를 추가 공급하기 위한 주변기기의 전력소비량 증가로 인해 연료전지시스템의 효율이 크게 감소되지 않는 조건을 만족하는 범위에서 설정된다.On the other hand, the maximum value of the air supply amount set value (C2) is set in a range that satisfies the condition that the efficiency of the fuel cell system is not significantly reduced due to the increase in the power consumption of the peripheral device for additional air supply.

즉, 상기 공기공급량 설정값(C2)의 최대값은 상기 전력소비량 증가에 따른 연료전지시스템의 효율 감소가 초기 연료전지시스템 효율의 3% 미만의 범위에서 이루어지는 조건을 만족하는 값으로 설정된다.That is, the maximum value of the air supply amount set value C2 is set to a value that satisfies the condition that the efficiency reduction of the fuel cell system according to the increase of the power consumption is in the range of less than 3% of the initial fuel cell system efficiency.

도 1은 연료전지시스템의 개략 구성도로서 연료변환기와 스택의 관계를 나타낸 도면,1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system showing a relationship between a fuel converter and a stack;

도 2는 스택의 셀전압 측정 상태도,2 is a cell voltage measurement state diagram of a stack;

도 3은 스택의 출력-시간 선도로서, 스택의 성능과 수명을 나타낸 도면,3 is an output-time diagram of a stack, illustrating the performance and lifetime of the stack,

도 4는 스택 운전시 부하와 연료공급량의 관계를 나타낸 그래프,4 is a graph showing the relationship between the load and fuel supply amount during the stack operation;

도 5는 본 발명에 따른 스택의 출력-시간 선도로서, 본 발명에 따른 연료변환기의 연료공급 제어 상태가 부가 표시된 그래프(종래의 그래프 포함),5 is a power-time diagram of a stack according to the present invention, in which a fuel supply control state of the fuel converter according to the present invention is additionally displayed (including a conventional graph),

도 6은 연료변환기 운전시 연료공급량과 온도의 관계를 나타낸 그래프,6 is a graph showing the relationship between the fuel supply amount and the temperature when the fuel converter operates;

도 7은 본 발명에 따라 연료변환기의 연료공급량을 제어할 때 연료변환기의 온도변화를 표시한 그래프,7 is a graph showing the temperature change of the fuel converter when controlling the fuel supply amount of the fuel converter according to the present invention;

도 8은 본 발명에 따른 연료변환기의 연료공급량 제어 상태 및 이와 동시에 이루어지는 스택 공기극의 공기극 제어 상태가 부가 표시된 그래프이다.FIG. 8 is a graph in which a fuel supply amount control state of a fuel converter according to the present invention and a cathode control state of a stacked cathode are simultaneously displayed.

Claims (7)

스택의 초기정격출력과 측정출력을 비교하는 출력감소량 판단단계와;An output reduction amount determining step of comparing the initial rated output of the stack with the measured output; 측정출력이 초기정격출력으로부터 제1설정값으로 감소되면 연료변환기의 연료공급량을 초기정격공급량으로부터 설정값으로 증가시키는 연료공급량 급증단계와;A fuel supply increase step of increasing the fuel supply amount of the fuel converter from the initial rated supply amount to the set value when the measurement output is reduced from the initial rated output to the first set value; 초기정격출력의 감소시작시점으로부터 측정출력이 상기 제1설정값으로 감소한 시점까지의 초기출력감소기울기와 현재 출력감소기울기를 비교하는 출력감소기울기 비교단계와;An output reduction gradient comparing step of comparing an initial output reduction slope and a current output reduction gradient from the time when the initial rated output decreases to the time when the measurement output decreases to the first set value; 상기 초기출력감소기울기보다 현재 출력감소기울기가 작으면 급증된 연료공급량을 초기정격출력시의 정격공급량으로 감소시키는 연료공급량 복귀단계와;A fuel supply amount returning step of reducing a rapidly increased fuel supply amount to a rated supply amount at the initial rated output when the current output reduction slope is smaller than the initial output reduction slope; 현재 출력감소기울기가 상기 초기출력감소기울기와 같아지면 연료공급량을 다시 상기 설정값으로 증가시키는 연료공급량 재급증단계 및;A fuel supply amount re-expanding step of increasing the fuel supply amount back to the set value when the current output reduction slope is equal to the initial output reduction slope; 상기 출력감소기울기 비교단계와 연료공급량 복귀단계와 연료공급량 재급증단계를 반복 수행하는 반복단계;A repeating step of repeatedly performing the output reduction slope comparison step, the fuel supply amount returning step and the fuel supply amount resurgence step; 를 포함하는 연료전지시스템 운전방법.Fuel cell system operating method comprising a. 청구항 1에 있어서, The method according to claim 1, 상기 측정출력이 제2설정값으로 감소되면 연료공급량을 상기 설정값으로 증가시키고 측정출력 변화를 통해 스택 발전성능의 유지여부를 판단하는 스택성능 판 단단계와;A stack performance determination step of increasing the fuel supply amount to the set value when the measured output is reduced to the second set value and determining whether the stack power generation performance is maintained by changing the measured output; 스택 발전성능이 유지되지 않으면 스택의 부하와 연료공급량을 동반 감소시켜 스택 운전을 종료하는 스택운전 종료단계;If the stack power generation performance is not maintained, the stack operation termination step of ending the stack operation by reducing the load and fuel supply amount of the stack; 를 더 포함하는 연료전지시스템 운전방법.Fuel cell system operation method further comprising. 청구항 1에 있어서, 상기 연료량 급증단계에서 측정출력의 제1설정값은 초기정격출력으로부터 2~4% 감소한 값인 것을 특징으로 하는 연료전지시스템 운전방법.The method of operating a fuel cell system according to claim 1, wherein the first set value of the measured output in the fuel increase rate is a value reduced by 2 to 4% from the initial rated output. 청구항 1에 있어서, 상기 연료량 급증단계에서 연료공급량의 증가량은 초기정격공급량의 3 ~ 10% 범위의 값인 것을 특징으로 하는 연료전지시스템 운전방법.The method of operating a fuel cell system according to claim 1, wherein the increase amount of the fuel supply amount in the fuel supply increase step is a value ranging from 3 to 10% of the initial rated supply amount. 청구항 2에 있어서, 상기 스택성능 판단단계에서 측정출력의 제2설정값은 초기정격출력의 10 ~ 20% 범위의 값인 것을 특징으로 하는 연료전지시스템 운전방법.The method according to claim 2, wherein the second set value of the measurement output in the stack performance determination step is a value in the range of 10 to 20% of the initial rated output. 청구항 1에 있어서, 상기 연료공급량 급증단계와 재급증단계에서 연료공급량의 증가와 동시에 스택의 공기 공급량을 초기정격공급량으로부터 설정값으로 증가시키는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템 운전방법.The method of operating a fuel cell system according to claim 1, wherein the air supply amount of the stack is increased from an initial rated supply amount to a set value at the same time as the fuel supply amount is increased in the fuel supply amount increase step and the re-expansion step. 청구항 6에 있어서, 상기 스택 공기 공급량 설정값의 최대값은, 공기 공급량 증가를 위한 주변기기의 소비전력 증가분이 연료전지시스템의 효율을 3% 미만으로 감소시키는 조건을 만족하는 값으로 설정되는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템 운전방법.The method of claim 6, wherein the maximum value of the stack air supply amount is set to a value that satisfies a condition that an increase in power consumption of the peripheral device for increasing the air supply amount decreases the efficiency of the fuel cell system to less than 3%. Fuel cell system operation method.
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