KR20100090631A - 연료 전지 시스템 및 연료 전지 시스템의 운전 방법 - Google Patents

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Abstract

본 기재는 연료전지 시스템과 그 운전방법에 관한 것이다. 본 기재에 따른 연료전지 시스템은, 연료 공급부; 상기 연료 공급부와 연통되며, 연료 주입구와 연료 배출구를 구비한 연료전지 스택; 및 상기 연료 공급부로부터 공급받은 연료를 상기 연료 배출구에 연결된 연료 배출관으로 전달하는 제1 바이패스관을 포함한다. 본 기재에 따른 연료전지 시스템의 운전방법은, 연료 공급부로부터 연료를 공급받고, 상기 공급받은 연료를 연료전지 스택의 연료 배출구에 연결된 연료 배출관으로 전달하고, 상기 연료전지 스택의 연료 주입구로부터 미반응 연료를 배출하는 단계를 포함한다.

Description

연료 전지 시스템 및 연료 전지 시스템의 운전 방법{FUEL CELL SYSTEM AND METHOD FOR DRIVING THE SAME}
본 발명은 연료 전지 시스템 및 이의 운전 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료 전지 스택으로 연료를 공급하는 구조를 개선한 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
연료 전지는 연료(수소 또는 개질 가스)와 산화제(산소 또는 공기)를 이용하여 전기 화학적으로 전력을 생산하는 장치로서, 외부에서 지속적으로 공급되는 연료(수소 또는 개질 가스)와 산화제(산소 또는 공기)를 전기화학 반응에 의하여 직접 전기에너지로 변환시키는 장치이다. 수소는 탄화수소계 연료(LNG, LPG, CH3OH, 등)를 개질 하여 생성될 수 있다.
직접 메탄올형 연료 전지(DMFC)는 연료전지의 예시적인 일례이다. 직접 메탄올형 연료 전지는 고농도의 메탈올을 연료 전지 스택으로 공급하여 산소와의 반응으로 전기를 생산한다.
이러한 연료 전지 시스템을 오랜시간 동안 운전하면 연료 전지 스택의 연료 유로 등에 불순물이 쌓여서 유로가 막히는 문제가 발생한다.
이와 같이 유로가 막히면 스택 전체를 분해하여 해당 셀을 교체하거나 수리해야 하는 불편이 있다. 또한, 연료 전지 시스템의 운전에 따라 스택 내부가 열화되는 현상이 발생하는데, 이러한 열화는 연료 전지 스택의 수명을 저하시키는 원인이 된다.
본 발명의 일 측면은 스택에서 발생한 문제를 용이하게 해결할 수 있는 연료 전지 시스템을 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 일 측면은 스택의 열화를 방지할 수 있는 연료 전지 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 일 측면은 연료전지 스택 내에서 불순물을 제거하여 스택의 열화를 방지하고 수명을 향상시킬 수 있는 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템은 연료와 산화제의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키며 연료가 유입되는 연료 주입구와 연료가 배출되는 연료 배출구를 갖는 연료 전지 스택과, 연료를 상기 연료 전지 스택으로 공급하는 연료 공급부와, 산화제를 상기 연료 전지 스택으로 공급하는 산화제 공급부와, 상기 연료 공급부와 상기 연료 전지 스택 사이에 설치된 연료 유입관과, 상기 연료 전지 스택에서 배출되는 미반응 연료가 흐르는 연료 배출관과, 상기 연료 유입관과 상기 연료 배출관에 연결 설치되어 상기 연료 유입관으로 유입된 연료를 상기 연료 배출구로 전달하는 공급 바이패스관, 및 상기 연료 유입관과 상기 연료 배출관에 연결 설치되어 상기 연료 주입구로 배출된 미반응 연료를 상기 연료 배출관으로 전달하는 배출 바이패스관을 포함한다.
상기 공급 바이패스관은 상기 연료 유입관에 3방향 밸브로 이루어진 공급 밸브를 매개로 설치되며, 상기 배출 바이패스관은 상기 연료 배출관에 3방향 밸브로 이루어진 배출 밸브를 매개로 설치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템은 연료와 산화제의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키며 연료가 유입되는 연료 주입구와 연료가 배출되는 연료 배출구를 갖는 연료 전지 스택과, 연료를 상기 연료 전지 스택으로 공급하는 연료 공급부와, 산화제를 상기 연료 전지 스택으로 공급하는 산화제 공급부와, 상기 연료 공급부와 상기 연료 전지 스택 사이에 설치된 연료 유입관과, 상기 연료 전지 스택에서 배출되는 미반응 연료가 흐르는 연료 배출관과, 상기 연료 유입관과 상기 연료 배출관에 3방향 밸브를 매개로 연결된 공급 바이패스관, 및 상기 연료 유입관과 상기 연료 배출관에 3방향 밸브를 매개로 연결된 배출 바이패스관을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 운전 방법은 연료 배출구로 연료를 유입시키는 단계와 연료 주입구로 미반응 연료를 배출시키는 단계와 연료 주입구로 배출된 미반응 연료를 연료 배출관으로 이동시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 운전 방법은 연료 전지 스택에서 배출된 미반응 연료에 포함된 불순물을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.
연료 배출구로 연료를 유입시키는 단계는 연료 유입관과 제1 바이패스관을 연통시키는 단계와 연료 유입관과 연료 주입구와의 연통을 차단하는 단계를 포함할 수 있다.
연료 배출구로 연료를 유입시키는 단계는 연료 유입관에서 제1 바이패스관으로 연료를 전달하는 단계와 제1 바이패스관에서 연료 배출관으로 연료를 전달하는 단계, 및 연료 배출관에서 연료 배출구로 연료를 유입시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
연료 주입구로 배출된 미반응 연료를 연료 배출관으로 이동시키는 단계는 연료 배출관과 제2 바이패스관을 연통시키는 단계와 연료 배출관과 연료 배출구의 연통을 차단하는 단계를 포함할 수 있다.
연료 주입구로 배출된 미반응 연료를 연료 배출관으로 이동시키는 단계는 연료 유입관에서 제2 바이패스관으로 연료를 전달하는 단계와 제2 바이패스관에서 연료 배출관으로 연료를 전달하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면에 따른 연료전지 시스템은, 연료 공급부; 상기 연료 공급부와 연통되며, 연료 주입구와 연료 배출구를 구비한 연료전지 스택; 및 상기 연료 공급부로부터 공급받은 연료를 상기 연료 배출구에 연결된 연료 배출관으로 전달하는 제1 바이패스관을 포함한다.
상기 연료전지 시스템은 상기 연료전지 스택을 상기 연료 공급부에 연결하는 연료 유입관을 포함하고, 상기 연료 유입관에 연결 장착되는 필터를 더 포함할 수 있다. 상기 연료전지 시스템은 상기 연료 유입관에 연결 장착되어 상기 공급받은 연료를 상기 제1 바이패스관으로 전달하도록 구성된 공급밸브를 더 포함할 수 있다. 상기 공급밸브는 상기 연료 주입구와 필터 사이에 위치할 수 있다. 상기 연료전지 시스템은 상기 연료 주입구에서 배출된 미반응 연료를 상기 연료 배출관으로 전달하도록 구성된 제2 바이패스관을 더 포함할 수 있다.
상기 연료전지 시스템은, 상기 연료 배출관에 연결 장착되어 상기 미반응 연료를 상기 제2 바이패스관으로 전달하도록 구성된 배출밸브를 더 포함할 수 있다. 상기 배출밸브는 상기 연료 공급부와 연료 배출구의 사이에 배치될 수 있다. 상기 공급밸브와 배출밸브 각각은 3방향 밸브로 이루어질 수 있으며, 제어부에 전기적으로 연결될 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 측면에 따른 연료전지 시스템은, 연료 공급부; 상기 연료 공급부와 연통되며, 연료 주입구와 연료 배출구를 구비한 연료전지 스택; 상기 연료 공급부로부터 공급받은 연료를 상기 연료 배출구에 연결된 연료 배출관으로 전달하는 공급 바이패스관; 상기 연료 주입구로부터 배출된 미반응 연료를 상기 연료 배출관으로 전달하도록 구성된 배출 바이패스관; 상기 공급받은 연료를 상기 공급 바이패스관으로 전달하도록 구성된 공급밸브; 및 상기 미반응 연료를 상기 배출 바이패스관으로 전달하도록 구성된 배출밸브를 포함한다.
본 발명의 또 다른 일 측면에 따른 연료전지 시스템의 운전방법은, 연료 공급부로부터 연료를 공급받고, 상기 공급받은 연료를 연료전지 스택의 연료 배출구에 연결된 연료 배출관으로 전달하고, 상기 연료전지 스택의 연료 주입구로부터 미반응 연료를 배출하는 단계를 포함한다.
상기 운전방법은, 상기 연료 주입구로부터 배출된 미반응 연료를 상기 연료 배출관으로 전달하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 운전방법에서, 상기 미반응 연료를 전달하는 단계는, 공급 바이패스관을 상기 연료 배출관에 연결하고, 상기 연료 배출관과 상기 연료 배출구 사이에 유체 전달을 차단하는 단계를 포함할 수 있다. 그리고 상기 미반응 연료를 전달하는 단계는, 상기 연료를 연료 유입관으로부터 상기 공급 바이패스관으로 전달하고, 상기 연료를 상기 공급 바이패스관으로부터 상기 연료 배출관으로 전달하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 운전방법은, 상기 미반응 연료에 포함된 불순물을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 불순물을 제거하는 단계는, 상기 연료 유입관 상에 연결 장착된 필터로 연료를 통과시키는 단계를 포함할 수 있다. 상기 운전방법은, 상기 전달된 연료를 상기 연료 배출구로 주입하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 상기 주입하는 단계는, 연료 유입관을 배출 바이패스관에 연결하고, 상기 연료 유입관과 상기 연료 주입구 사이에 유체 전달을 차단하는 단계를 포함할 수 있다.
상기와 같이 본 발명에 따르면 연료 전지 스택의 내부에 있는 불순물을 제거할 수 있을 뿐만 아니라, 산화된 부분을 환원시켜서 스택의 열화를 방지함으로써 연료 전지 시스템의 수명을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시한 연료 전지 스택의 구조를 나타낸 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 운전 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 4a는 문제가 발생한 연료 전지 스택의 전압 테이블을 나타낸 사진이고, 도 4b는 문제가 해결된 연료 전지 스택의 전압 테이블을 나타낸 사진이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 당업자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 도시한 구성도이다.
상기한 도면을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)은 메탄올과 산소의 직접적인 반응에 의하여 전기 에너지를 발생시키는 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell; DMFC) 방식을 채용할 수 있다.
다만 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 본 실시예에 따른 연료 전지 시스템은 에탄올, LPG, LNG, 가솔린, 부탄 가스 등과 같이 수소를 함유한 액체 또는 기체 연료를 산소와 반응시키는 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxidation Fuel Cell; DOFC) 방식으로서 구성될 수 있다. 또한, 연료를 수소가 풍부한 개질가스로 개질하여 사용하는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrode Membrane Fuel Cell; PEMFC)로 이루어질 수도 있다.
이러한 연료 전지 시스템(100)에 사용되는 연료라 함은 메탄올, 에탄올 또는 천연가스, LPG 등과 같이 액상 또는 기체 상태로 이루어진 탄화수소계 연료를 통칭한다.
그리고 본 연료 전지 시스템(100)은 수소와 반응하는 산화제로서 별도의 저장 수단에 저장된 산소 가스를 사용할 수 있으며, 공기를 사용할 수도 있다.
본 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)은 연료와 산화제를 이용하여 전력을 발생시키는 연료 전지 스택(30)과 연료 전지 스택(30)으로 연료를 공급하는 연료 공급부(10)와, 전기 생성을 위한 산화제를 연료 전지 스택(30)으로 공급하는 산화제 공급부(20)를 포함하여 구성된다.
연료 공급부(10)는 연료 전지 스택(30)과 연결 설치되는 것으로서, 상기 연료 공급부(10)는 액상의 연료를 저장하는 연료 탱크(12)와, 연료 탱크(12)에 연결 설치되는 연료 펌프(14)를 구비한다. 상기한 연료 펌프(14)는 소정의 펌핑력에 의해 연료 탱크(12)에 저장된 액상의 연료를 연료 탱크(12)의 내부로부터 배출시키는 기능을 갖는다. 본 실시예에서 연료 공급부(10)에 저장된 연료는 고농도 메탈올로 이루어질 수 있다.
산화제 공급부(20)는 연료 전지 스택(30)과 연결 설치되며, 상기 산화제 공급부(20)는 소정의 펌핑력으로 외부 공기를 흡입하여 연료 전지 스택(30)으로 공급할 수 있는 산화제 펌프(21)를 구비한다.
도 2는 도 1에 도시한 연료 전지 스택의 구조를 나타낸 분해 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하여 설명하면, 본 연료 전지 시스템(100)에 적용되는 연료 전지 스택(30)은 연료와 산화제의 산화/환원 반응을 유도하여 전기 에너지를 발생시키는 복수의 전기 생성부들(35)을 구비한다.
각각의 전기 생성부(35)는 전기를 발생시키는 단위 셀을 의미하며, 연료와 산화제 중의 산소를 산화/환원시키는 막-전극 집합체(Membrane Electrode assembly: MEA)(31) 및, 연료와 산화제를 막-전극 집합체(31)로 공급하기 위한 세퍼레이터(또는 바이폴라 플레이트) (32, 33)를 포함한다.
전기 생성부(35)는 막-전극 집합체(31)를 중심에 두고 이의 양측에 세퍼레이터(32, 33)가 각각 배치된 구조를 갖는다. 막-전극 집합체(31)는 중앙에 배치된 전해질막과 전해질막의 일측에 배치된 캐소드 전극과 전해질막의 타측에 배치된 애노드 전극을 포함한다.
세퍼레이터(32, 33)는 막-전극 집합체(31)를 사이에 두고 밀착 배치되어, 막-전극 집합체(31)의 양측에 각각 연료 유로와 산화제 유로를 형성한다. 이 때 연료 유로는 막-전극 집합체(31)의 애노드 전극 측에 배치되고, 산화제 유로는 막-전극 집합체(31)의 캐소드 전극 측에 배치된다. 그리고 전해질막은 애노드 전극에서 생성된 수소 이온을 캐소드 전극으로 이동시켜, 캐소드 전극의 산소와 결합되어 물을 생성시키는 이온 교환을 가능하게 한다
본 연료 전지 시스템(100)은 위와 같은 복수의 전기 생성부(35)가 연속적으로 배치됨으로써 연료 전지 스택(30)을 구성하게 된다. 연료 전지 스택(30)의 제일 외각에는 연료 전지 스택(30)을 일체로 고정하는 엔드 플레이트(37, 38)가 설치된다.
일측 엔드 플레이트(37)에는 연료를 연료 전지 스택(30)으로 공급하기 위한 연료 주입구(37a)와 산화제를 스택으로 공급하기 위한 산화제 주입구(37b)가 형성된다. 또한 상기 엔드 플레이트(37)에는 애노드 전극에서 반응하고 남은 미반응 연료를 배출시키기 위한 연료 배출구(37c)와 캐소드 전극에서 수소와 산소의 결합 반응에 의해 생성된 수분과 미반응 공기를 배출시키기 위한 산화제 배출구(37d)가 형성된다.
타측 엔드 플레이트(38)는 상기 일측 엔드 플레이트(37)와 마주하여 전기 생성부들(35)을 가압한다. 본 실시예에서는 일측 엔드 플레이트(37)에만 주입구(37a, 37b) 및 배출구(37c, 37d)가 형성된 것으로 예시하고 있지만 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니고, 일측 엔드 플레이트(37)에는 주입구(37a, 37b)가 형성되고 타측 엔드 플레이트(38)에는 배출구(37c, 37d)가 형성될 수도 있다. 또 다른 실시예에서는, 하나 이상의 유입구(37a, 37b, 37c, 37d)가 적어도 하나의 상기 엔드 플레이트(37, 38)에 형성될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 연료 공급부(10)는 연료 유입관(15)을 통해서 연료 주입구(37a)와 연결되며, 산화제 공급부(20)는 산화제 공급관(25)을 통해서 산화제 주입구(37b)와 연결된다. 또한, 연료 배출구(37c)에는 연료 배출관(43)이 연결 설치되며 산화제 배출구(37d)에는 산화제 배출관(41)이 연결 설치된다.
어떤 실시예에서는, 연료 배출관(43)은 연료를 회수하여 다시 연료 전지 스택(30)으로 공급하는 회수부(미도시)와 연결 설치될 수 있다. 연료 배출관(43)에는 배출되는 연료에 포함된 불순물을 제거하기 위해서 필터(56)가 설치된다.
한편, 연료 유입관(15)과 연료 배출관(43) 사이에는 연료 공급부(10)에서 전달된 연료를 연료 배출관(43)으로 전달하는 공급 바이패스관(45)이 설치된다. 또한 연료 유입관(15)과 연료 배출관(43) 사이에는 연료 주입구(37a)에서 배출된 미반응 연료를 연료 배출관(43)으로 전달하는 배출 바이패스관(47)이 설치된다.
연료 유입관(15)에서 공급 바이패스관(45)은 배출 바이패스관(47)보다 더 연료 공급부(10)에 가깝게 설치되고, 배출 바이패스관(47)은 공급 바이패스관(45)보다 더 연료 전지 스택(30)에 더 가깝게 설치된다. 연료 배출관(43)에서 공급 바이패스관(45)은 배출 바이패스관(47)보다 연료 전지 스택(30)에 가깝게 설치되고, 배출 바이패스관(47)은 공급 바이패스관(45)보다 필터(56)에 가깝게 설치된다. 이에 따라 공급 바이패스관(45)과 배출 바이패스관(47)은 연통되지는 않으나 서로 교차한다.
공급 바이패스관(45)은 연료 유입관(15)에 공급 밸브(51)를 매개로 연결 설치되고, 배출 바이패스관(47)은 연료 배출관(43)에 배출 밸브(53)를 매개로 연결 설치된다. 도 1에 도시된 실시예에서, 공급 밸브(51)와 배출 밸브(53)는 3방향 밸브(3-way valve)로 이루어진다.
한편, 본 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)은 제어부(60)를 더 포함하는데, 제어부(60)는 연료 전지 시스템(100)의 운전 중에 이상이 발생할 경우, 공급 밸브(51)를 제어하여 연료 공급부(10)와 공급 바이패스관(45)이 연료 공급관(15)을 통해서 연통되도록 한다. 따라서 상기 연료 공급부(10)로부터 전달된 연료는 상기 연료 유입관(15)을 통과하고 상기 공급밸브(51)에 의해 상기 공급 바이패스관(45)으로 전환되어, 상기 연료는 연료 배출구(37c)로 유입될 수 있다. 다시 말하면, 공급 밸브(51)는 연료 유입관(15)과 연료 전지 스택(30)과의 연결(유체 전달)을 차단하여 연료 공급부(10)에서 유입된 연료가 공급 바이패스관(45)을 통해서 흐르도록 한다.
또한, 제어부(60)는 배출 밸브(53)를 제어하여 배출 바이패스관(47)과 연료 배출관(43)이 연통되도록 하여 연료 주입구(37a)에서 배출된 미반응 연료를 연료 배출관(43)으로 배출한다. 따라서 배출 밸브(53)는 연료 배출관(43)과 연료 전지 스택(30)의 연결(유체 전달)을 차단하여 미반응 연료가 연료 전지 스택(30)으로 유입되지 않고 배출될 수 있도록 한다. 이와 같이 연료 배출구(37c)로 연료가 주입되고, 연료 주입구(37a)로 연료가 배출되는 것을 역방향 운전이라고 한다. 한편, 연료 주입구(37a)로 연료가 주입되고, 연료 배출구(37c)로 연료가 배출되는 것을 정방향 운전이라고 한다.
운전 시, 미반응 연료는 연료 배출관(43)을 지나 연료 유입관(15)으로 유입되는데, 여기서 상기 미반응 연료는 필터(56)를 거치게 된다. 미반응 연료에 포함된 불순물은 상기 필터(56)에 의해 걸러서 제거할 수 있다. 필터(56)는 불순물이 용이하게 제거될 수 있도록 주기적으로 교환될 수 있다.
이와 같이 일정 시간을 역방향 운전을 한 후 제어부(60)는 연료 유입관(15)과 공급 바이패스관(45)의 연결(유체 전달)을 차단하고, 연료 배출관(43)과 배출 바이패스관(47)의 연결(유체 전달)을 차단한다. 그리고 연료 유입관(15)과 연료 주입구(37a)를 연통시키고, 연료 배출관(43)과 연료 배출구(37c)를 연통시킨다.
이에 따라 다시 연료는 연료 유입관(15)을 통해서 연료 주입구(37a)로 공급되고, 연료 배출구(37c)와 연료 배출관(43)이 연통되어 미반응 연료를 배출시킨다.
본 실시예와 같이 공급 바이패스관(45)과 배출 바이패스관(47)을 각각 공급 밸브(51) 및 배출 밸브(53)와 연결 설치하면, 고농도의 연료가 흐르던 부분에 저농도의 연료가 닿게 되고, 저농도의 연료가 흐르던 부분에 고농도의 연료가 닿게 할 수 있다. 이에 따라 연료 전지 스택(30)이 재활성화되어 연료 전지 스택(30)의 내구성 및 수명이 향상된다. 또한, 연료를 거꾸로 주입함으로써 연료 전지 스택(30) 내부에 적체된 불순물을 외부로 배출시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 운전 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 3을 참조하여 설명하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)의 운전 방법은 연료 배출구(37c)로 연료를 유입시키는 단계(S101)와 연료 주입구(37a)로 미반응 연료를 배출시키는 단계(S102)와 연료 주입구(37a)로 배출된 미반응 연료를 연료 배출관(43)으로 이동시키는 단계(S103), 및 미반응 연료에 포함된 불순물을 제거하는 단계(S104)를 포함한다.
연료 배출구(37c)로 연료를 유입시키는 단계(S101)는 연료 유입관(15)과 제1 바이패스관(45)을 연통시키는 단계와 연료 유입관(15)과 연료 주입구(37a)와의 연통을 차단하는 단계를 포함한다.
연료 유입관(15)과 공급 바이패스관(45)은 공급 밸브(51)에 의하여 연통되며, 연료 유입관(15)과 연료 주입구(37a)도 공급 밸브(51)에 의하여 유체 전달이 차단된다. 즉, 공급 밸브(51)는 연료 유입관(15)에서 연료 주입구(37a) 방향으로 연결된 관을 막고, 공급 바이패스관(45)과 연결된 부분을 개방한다.
이와 같이 공급밸브(51)을 제어하면, 연료는 연료 유입관(15)을 통해서 공급 바이패스관(45)으로 유입되며, 공급 바이패스관(45)으로 유입된 연료는 공급 바이패스관(45)과 연결된 연료 배출관(43)을 통해서 연료 배출구(37c)로 유입될 수 있다.
따라서, 도 3에 나타낸, 연료 배출구(37c)로 연료를 유입시키는 단계(S101)는 연료 유입관(15)에서 공급 바이패스관(45)으로 연료를 전달하는 단계와 공급 바이패스관(45)에서 연료 배출관(43)으로 연료를 전달하는 단계, 및 연료 배출관(43)에서 연료 배출구(37c)로 연료를 유입시키는 단계를 더 포함하게 된다.
상기한 바와 같이 연료 공급부(10)에서 연료 유입관(15)으로 이동한 연료는 공급 바이패스관(45)과 연료 배출관(43)을 순차적으로 거쳐서 연료 배출구(37c)로 유입된다. 연료 배출구(37c)로 유입된 연료는 연료 전지 스택(30) 내부에서 산화제와 반응을 하며, 미반응 연료는 연료 주입구(37a)로 배출된다.
도 3에 나타낸, 연료 주입구(37a)로 배출된 미반응 연료를 연료 배출관(43)으로 이동시키는 단계(S103)는 연료 배출관(43)과 배출 바이패스관(47)을 연통시키는 단계와 연료 배출관(43)과 연료 배출구(37c)의 연통(유체 전달)을 차단하는 단계를 포함한다.
연료 배출관(43)과 배출 바이패스관(47)은 배출 밸브(53)에 의하여 연통될 수 있으며 연료 배출관(43)과 연료 배출구(37c)도 배출 밸브(53)에 의하여 유체 전달이 차단될 수 있다. 즉, 배출 밸브(53)는 연료 배출관(43)에서 연료 배출구(37c) 방향으로 연결된 관을 막고, 동시에 배출 바이패스관(47)과 연결된 부분을 개방한다.
이와 같이 배출밸브(53)를 제어하면, 연료 주입구(37a)에서 배출된 연료는 연료 유입관(15)을 통해서 배출 바이패스관(47)으로 유입되며, 배출 바이패스관(47)으로 유입된 연료는 배출 바이패스관(47)과 연결된 연료 배출관(43)을 통해서 배출될 수 있다. 따라서, 도 3에 나타낸, 연료 주입구(37a)로부터 배출된 미반응 연료를 연료 배출관(43)으로 이동시키는 단계(S103)는 연료 유입관(15)에서 배출 바이패스관(47)으로 연료를 전달하는 단계와 상기 배출 바이패스관(47)에서 연료 배출관(43)으로 연료를 전달하는 단계를 더 포함하게 된다.
상기한 바와 같이 연료 주입구(37a)에서 연료 유입관(15)으로 이동한 연료는 배출 바이패스관(47)과 연료 배출관(43)을 순차적으로 거쳐서 배출될 수 있다.
연료 배출구(37c)로 연료를 유입시키고, 연료 주입구(37a)로 상기 연료를 배출시키면 역방향으로 운전하여 노폐물을 제거할 수 있다. 연료 내에 포함된 불순물은 필터(56)에 의해 걸러지며, 연료전지 스택(30)에서 생성되는 불순물은 유압에 의해 방출된다. 그러나 상기 연료전지 스택(30)에서 생성된 불순물은 조건에 따라 주입구를 막아 상기 연료가 전기 생성부(35)로 유입되지 않을 수 있다. 이러한 상황에서, 주입구와 배출구가 바뀌면 상기 연료는 역방향으로 흐르게 되고, 통로의 입구에 위치한 불순물은 상기 연료 배출관(43)으로 방출될 수 있다. 상기 연료 유입관(15)으로 전달된 불순물은 필터(56)에서 걸러져 상기 연료전지 스택(30)으로 되흘러 들어갈 수 없다. 따라서 상기 필터(56)가 주기적으로 교환되며, 상기 연료전지 스택(30)은 기존의 연료전지 스택보다 훨씬 더 긴 수명을 유지할 수 있다. 역방향 운전을 하는 동안 연료를 역방향으로 흘리면 고농도의 연료가 흐르던 부분에 저농도의 연료가 닿게 되고, 저농도의 연료가 흐르던 부분에 고농도의 연료가 닿게 된다. 이에 따라 스택이 재활성화되어 스택의 내구성 및 수명이 향상된다.
도 3에 나타낸, 미반응 연료에 포함된 불순물을 제거하는 단계(S104)는 연료 배출관(43)에 설치된 필터(56)를 이용하여 불순믈 제거한다. 연료 주입구(37a)로 배출된 미반응 연료에는 불순물이 포함될 수 있는데, 이 불순물은 상기 연료 유입관(15)에 의해 연료 배출관(43)에 연결 설치된 필터(56)에서 걸러지게 된다.
한편, 본 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)의 운전 방법은 연료 유입관(15) 및 연료 주입구(37a)로 연료를 유입시키는 단계와, 미반응 연료를 연료 배출구(37c) 및 연료 배출관(43)으로 배출시키는 단계를 더 포함한다. 이러한 단계들을 통해서 연료를 정방향으로 공급하는데, 상기한 역방향 운전을 일정한 지속한 후에, 다시 정방향 운전을 수행한다.
역방향 운전은 연료 전지 스택(30) 내부에 문제가 발생하였음을 감지하였을 때에 수행할 수 있으며, 내구성 향상을 위하여 문제가 없는 경우에도 주기적으로 일정 시간 상기한 역방향 운전을 할 수도 있다.
제어부(60)는 각 전기 생성부(35)의 전압을 감시하여 특정 전기 생성부(35)의 전압이 기준 이하로 낮아진 경우, 연료를 역방향으로 공급하도록 공급 밸브(51)와 배출 밸브(53)를 제어할 수 있다.
연료를 역방향으로 공급하면서 각 전기 생성부(35)의 전압이 정상으로 회복된 경우 제어부(60)는 다시 연료를 정방향으로 공급하도록 공급 밸브(51)와 배출 밸브(53)를 제어한다. 또한, 연료를 정방향으로 공급하는 시간과 역방향으로 공급하는 시간을 동일하게 설정하여 정방향 운전과 역방향 운전을 교대로 실시할 수 있다.
도 4a는 문제가 발생한 연료 전지 스택의 전압 테이블을 나타낸 사진이고, 도 4b는 문제가 해결된 연료 전지 스택의 전압 테이블을 나타낸 사진이다.
도 4a 및 도 4b를 참조하여 설명하면, 본 실험에서는 약 1.72A의 전류 와 약 17.5W의 출력을 갖는 직접 메탄올형 연료 전지가 사용되었다.
도 4a에 도시된 바와 같이 2번째 전기 생성부에 문제가 발생하여 전압이 0.338V로 낮아졌다. 전압이 낮아지는 이유는 연료 유로가 막혀서 연료가 제대로 공급되지 못하기 때문이다.
도 4b는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템 운전 방법에 따라 연료를 역방향으로 공급하여 문제가 해결된 것을 나타낸다. 도 4b에 도시된 바와 같이 연료 유로에 있던 불순물이 제거되어 2번째 전기 생성부의 전압이 0.485V로 회복되었다.
이와 같이 본 실시예에 따르면 연료 전지 내부에 문제가 발생한 경우 연료 전지 스택을 해체하지 아니하고도 매우 용이하게 문제를 해결할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
100: 연료 전지 시스템 10: 연료 공급부
15: 연료 유입관 20: 산화제 공급부
25: 산화제 공급관 30: 연료 전지 스택
31: 막-전극 집합체 35: 전기 생성부
37a: 연료 주입구 37b: 산화제 주입구
37c: 연료 배출구 37d: 산화제 배출구
41: 산화제 배출관 45: 공급 바이패스관
43: 연료 배출관 47: 배출 바이패스관
51: 공급 밸브 53: 배출 밸브
56: 필터 60: 제어부

Claims (18)

  1. 연료 공급부;
    상기 연료 공급부와 연통되며, 연료 주입구와 연료 배출구를 구비한 연료전지 스택; 및
    상기 연료 공급부로부터 공급받은 연료를 상기 연료 배출구에 연결된 연료 배출관으로 전달하는 제1 바이패스관
    을 포함하는 연료전지 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료전지 스택을 상기 연료 공급부에 연결하는 연료 유입관을 포함하고, 상기 연료 유입관에 연결 장착되는 필터를 더 포함하는 연료전지 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료전지 스택을 상기 연료 공급부에 연결하는 연료 유입관을 포함하고, 상기 연료 유입관에 연결 장착되어 상기 공급받은 연료를 상기 제1 바이패스관으로 전달하도록 구성된 공급밸브를 더 포함하는 연료전지 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 공급밸브는 상기 연료 주입구와 필터 사이에 위치하는 연료전지 시스템.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 연료 주입구에서 배출된 미반응 연료를 상기 연료 배출관으로 전달하도록 구성된 제2 바이패스관을 더 포함하는 연료전지 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 연료 배출관에 연결 장착되어 상기 미반응 연료를 상기 제2 바이패스관으로 전달하도록 구성된 배출밸브를 더 포함하는 연료전지 시스템.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 연료 공급부와 연료 배출구의 사이에 배치되는 배출밸브를 더 포함하는 연료전지 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 공급밸브와 배출밸브 각각은 3방향 밸브인 연료전지 시스템.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 공급밸브와 배출밸브는 제어부에 전기적으로 연결되는 연료전지 시스템.
  10. 연료 공급부;
    상기 연료 공급부와 연통되며, 연료 주입구와 연료 배출구를 구비한 연료전지 스택;
    상기 연료 공급부로부터 공급받은 연료를 상기 연료 배출구에 연결된 연료 배출관으로 전달하는 공급 바이패스관;
    상기 연료 주입구로부터 배출된 미반응 연료를 상기 연료 배출관으로 전달하도록 구성된 배출 바이패스관;
    상기 공급받은 연료를 상기 공급 바이패스관으로 전달하도록 구성된 공급밸브; 및
    상기 미반응 연료를 상기 배출 바이패스관으로 전달하도록 구성된 배출밸브
    를 포함하는 연료전지 시스템.
  11. 연료 공급부로부터 연료를 공급받고,
    상기 공급받은 연료를 연료전지 스택의 연료 배출구에 연결된 연료 배출관으로 전달하고,
    상기 연료전지 스택의 연료 주입구로부터 미반응 연료를 배출하는
    단계를 포함하는 연료전지 시스템의 운전방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 연료 주입구로부터 배출된 미반응 연료를 상기 연료 배출관으로 전달하는 단계를 더 포함하는 연료전지 시스템의 운전방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 미반응 연료를 전달하는 단계는,
    공급 바이패스관을 상기 연료 배출관에 연결하고,
    상기 연료 배출관과 상기 연료 배출구 사이에 유체 전달을 차단하는
    단계를 포함하는 연료전지 시스템의 운전방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 미반응 연료를 전달하는 단계는,
    상기 연료를 연료 유입관으로부터 상기 공급 바이패스관으로 전달하고,
    상기 연료를 상기 공급 바이패스관으로부터 상기 연료 배출관으로 전달하는
    단계를 더 포함하는 연료전지 시스템의 운전방법.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 미반응 연료에 포함된 불순물을 제거하는 단계를 더 포함하는 연료전지 시스템의 운전방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 불순물을 제거하는 단계는,
    상기 연료 유입관 상에 연결 장착된 필터로 연료를 통과시키는 단계를 포함하는 연료전지 시스템의 운전방법.
  17. 제 11 항에 있어서,
    상기 전달된 연료를 상기 연료 배출구로 주입하는 단계를 더 포함하는 연료전지 시스템의 운전방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 주입하는 단계는,
    연료 유입관을 배출 바이패스관에 연결하고,
    상기 연료 유입관과 상기 연료 주입구 사이에 유체 전달을 차단하는
    단계를 포함하는 연료전지 시스템의 운전방법.
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