KR20110069497A - 연료 전지 시스템의 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

연료 전지 시스템의 제어 방법에 따르면, 연료 전지 시스템의 출력 전력의 변동 형태에 기초하여 연료 전지의 연료 이용률을 상승시키는 방향으로 연료 전지 시스템의 출력 전력 및 연료 전지 시스템으로 공급되는 연료의 양을 제어한다.

Description

연료 전지 시스템의 제어 방법{Method for controling fuel cell system}
연료 전지 시스템의 제어 방법과 그 제어 방법이 적용된 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
연료 전지(fuel cell)는 수소 등과 같이 지구상에 풍부하게 존재하는 물질로부터 전기 에너지를 발생시키는 친환경적 대체 에너지 기술로서 태양 전지(solar cell) 등과 함께 각광을 받고 있다. 현재 시중에 유통되고 있는 연료, 예를 들면 도시 가스는 연료 전지에 사용할 만큼 수소의 농도가 충분하지 않기 때문에 도시 가스를 개질하는 장치가 요구된다. 이와 같은 개질 장치로 공급되는 연료, 공기 등의 공급을 제어하기 위한 연료 전지 시스템의 제어 알고리즘(algorithm)에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.
연료 전지 시스템의 하드웨어적인 변경 없이, 연료 전지 시스템의 제어 알고리즘만을 변경하여 연료 전지 시스템의 효율을 향상시킬 수 있는 연료 전지 시스템의 제어 방법과 그 제어 방법이 적용된 연료 전지 시스템을 제공하는데 있다. 또한, 상기 제어 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체를 제공하는데 있다. 본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 이하에 기재된 내용으로부터 또 다른 기술적 과제들이 도출될 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 연료 전지 시스템의 제어 방법은 상기 연료 전지 시스템의 출력 전력의 변동 형태를 검출하는 단계, 및 상기 검출된 출력 전력의 변동 형태에 기초하여 연료 전지의 연료 이용률을 상승시키는 방향으로 상기 연료 전지 시스템의 출력 전력 및 상기 연료 전지 시스템으로 공급되는 연료의 양을 제어하는 단계를 포함한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 측면은 상기된 연료 전지 시스템의 제어 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체를 제공한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 또 다른 측면에 따른 연료 전지 시스템은 연료를 이용하여 전력을 발생시키는 연료 전지, 상기 연료 전지에 의 해 발생된 전력을 부하에 공급하기 위한 전력으로 변환하는 전력 변환기, 및 상기 전력 변환기의 출력 전력의 변동 형태에 기초하여 상기 연료 전지의 연료 이용률을 상승시키는 방향으로 상기 전력 변환기의 전력 변환 및 상기 연료의 공급량을 제어하는 제어기를 포함한다.
연료 전지 시스템의 하드웨어적인 변경 없이, 연료 전지 시스템의 제어 알고리즘만을 변경함으로써 연료 전지 시스템의 효율을 향상시킬 수 있다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구성도이다. 도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 연료 전지 시스템은 연료 처리기(fuel processor)(10), 연료 전지(fuel cell)(20), 전력 변환기(power converter)(30), 및 제어기(controller)(40)를 주요 구성으로 한다. 연료 전지 시스템에서의 전력 변환기(30)는 PCS(Power Conditioning System)으로 호칭되기도 한다.
연료 처리기(10)는 연료와 개질수를 개질(reform)하여 연료 전지(20)에서 사용할 수 있는 정도로 수소가 풍부(rich)한 개질 가스를 생성한다. 이와 같은 개질 가스의 원료로는 도시 가스, LPG(Liquefied Petroleum Gas), 등유 등이 사용될 수 있다. 현재, 개질 가스의 원료로 주로 도시 가스가 사용되며, 이하에서는 도시 가스를 예로 들어 설명하도록 하겠다. 연료 처리기(10)에서 도시 가스와 개질수간에는 CH4 + H2O -> CO + 3H2의 개질 반응이 일어나며, 이와 동시에 통상적으로 CO + H2O -> CO2 + H2의 시프트(shift) 반응이 일어난다. 이와 같은 개질 반응은 개질 반응의 촉매의 온도가 700도 정도로 유지될 때에 개질 가스 내의 수소의 농도가 가장 높게 검출된다. 이에 따라, 연료 처리기(10)로 공급되는 도시 가스는 도시 가스와 개질수간의 개질 반응에 사용됨과 동시에 개질 반응의 촉매를 가열하기 위한 버너용으로 함께 사용된다. 이하에서 연료 처리기(10)에서의 개질 반응의 촉매의 온도는 간단히 연료 처리기(10)의 개질 온도로 호칭될 수도 있다.
연료 처리기(10)에는 개질수(water)를 연료 처리기(10)에 공급하기 위한 개질수 펌프(11)가 연결되어 있다. 연료 처리기(10)에 공급되는 개질수로는 원활한 개질 반응을 위하여 물 속의 이온이 제거된 탈이온수(deionized water)가 사용된다. 또한, 연료 처리기(10)에는 도시 가스를 연료 처리기(10)에 공급하기 위한 도시 가스 펌프(12)가 연결되어 있다. 도시 가스 펌프(12)의 전단에는 연료 처리기(10)로 공급되는 도시 가스의 전체 량을 조절하기 위한 전자 밸브(13)가 삽입되어 있고, 도시 가스 펌프(12)의 후단에는 도시 가스와 개질수간의 개질 반응의 원료에 해당하는 도시 가스의 공급량을 조절하기 위한 전자 밸브(14)와 개질 반응의 촉매를 가열하기 위한 버너용 도시 가스의 공급량을 조절하기 위한 전자 밸브(15)가 삽입되어 있다. 또한, 연료 처리기(10)에는 버너용 도시 가스를 연소시키기 위한 공기를 연료 처리기(10)에 공급하기 위한 공기 펌프(16)가 연결되어 있다. 또한, 연료 처리기(10)에는 상기된 개질 반응의 촉매를 가열하기 위한 버너의 연소 가스를 외부로 배출하기 위한 배출구가 연결되어 있다.
연료 전지(20)는 연료 처리기(10)에 의해 개질된 가스를 이용하여 전력을 발 생시킨다. 보다 상세하게 설명하면, 연료 전지(20)는 개질 가스 중의 수소와 공기 중의 산소를 결합시키는 전기 화학적 반응(electrochemical reaction)을 이용하여 개질 가스가 가지고 있는 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환함으로써 단위 전력을 발생시키는 다수의 셀(cell)들, 이 셀들을 냉각시키기 위한 냉각판(cooling plate)들 등으로 구성된다. 이 셀들 각각은 연료, 예를 들어 수소가 공급되는 애노드판(anode plate), 수소로부터 분리된 전자를 통과시키지 않고, 양자만을 통과시키는 양자 교환 막(proton exchange membrane), 및 공기, 즉 산소가 공급되는 캐소드판(cathode plate)으로 구성된다.
상기된 바와 같이, 연료 전지(20)는 단위 전력을 발생시키는 다수의 셀들이 결합된 스택 형태로 되어 있으나, 연료 전지(20)를 간명하게 표시하기 위하여 도 1에는 하나의 애노드판, 냉각판, 캐소드판만이 도시되어 있다. 이하에서는 도 1에 도시된 하나의 애노드판, 냉각판, 캐소드판에 대해서만 본 실시예를 설명하기로 하겠으나, 연료 전지(20)는 여러 개의 캐소드판, 냉각판, 애노드판 등이 포함되어 있는 다수의 셀들의 스택 형태로 되어 있으며, 본 실시예는 이 셀들 각각에 적용됨을 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있다.
연료 전지의 작동 온도가 약 500도 이상인 고온형 연료 전지 이외에는 연료 전지(20)의 애노드 입구(anode inlet)에 공급되는 개질 가스에 일산화탄소(CO, Carbon Monoxide)가 포함되어 있으면 애노드의 백금계 전극 촉매를 열화시킨다. 즉, 연료 전지의 작동 온도에 따라 일산화탄소에 대한 내성이 높아지는데, 연료 전지의 작동 온도가 약 150도인 연료 전지인 경우에 연료 처리기(10)에서 생성된 개 질 가스 내 일산화탄소의 함유량을 0.5% 미만으로 낮추어야 한다. 연료 처리기(10)에서 연료의 개질을 개시할 때에 그 개질 가스 내에 다량의 일산화탄소가 포함되어 있는 연료 전지 시스템에서는 연료 처리기(10)의 기동 초기에 개질 가스 내 일산화탄소의 함유량이 0.5% 미만이 될 때까지 연료 처리기(10)에서 생성된 개질 가스를 연료 전지(20)로 보내지 않고, 연료 처리기(10)에서 회수하여 개질 반응의 촉매를 가열하기 위한 버너용으로 사용한다.
이것을 위해 연료 처리기(10)에서 생성된 개질 가스 중 일산화탄소의 농도에 따라 개질 가스를 선택적으로 연료 전지(20)로 공급하는 바이패싱(bypassing) 장치가 설치된다. 이와 같은 바이패싱 장치는 연료 처리기(10)에서 생성된 개질 가스를 다시 연료 처리기(10)로 되돌려 보내기 위한 배관들과 전자 밸브들 등으로 구성된다. 보다 상세하게 설명하면, 연료 처리기(10)에서 생성된 개질 가스 내 일산화탄소의 함유량을 0.5% 이상인 경우에는 전자 밸브(21)를 폐쇄하고 전자 밸브(22)를 개방함으로써 연료 처리기(10)에서 생성된 개질 가스를 다시 연료 처리기(10)로 되돌려 보낸다. 이후, 연료 처리기(10)에서 생성된 개질 가스 내 일산화탄소의 함유량을 0.5% 미만이 되면, 전자 밸브(21)를 개방하고 전자 밸브(22)를 폐쇄함으로써 연료 처리기(10)에서 생성된 개질 가스를 연료 전지(20)로 공급한다.
연료 처리기(10)로부터 배출된 개질 가스는 수분을 포함하고 있어, 배관을 통과하는 과정에서 응축되어 배관 내부에서의 개질 가스의 흐름을 방해한다. 이에 따라, 연료 처리기(10)와 연료 전지(20)의 배관 중간에 그 배관 내에 흐르는 개질 가스로부터 수분을 분리해내기 위한 드레인 세퍼레이터(drain separator)(23), 드 레인 세퍼레이터에 의해 분리된 수분을 외부로 배출하기 위한 오토드레인(auto drain)(24)이 설치된다.
연료 전지(20)의 애노드 출구(anode outlet)로부터 연료 전지(20)에서 사용하고 남은 수소와 수분 등으로 구성된 가스, 즉 AOG(Anode Off Gas)가 배출된다. 이와 같이, 연료 전지(20)의 애노드 출구로부터 배출된 AOG는 연료 처리기(10)에서 회수하여 개질 반응의 촉매를 가열하기 위한 버너용으로 사용된다. 이것을 위해 연료 전지(20)의 애노드 출구와 연료 처리기(10)를 연결하는 배관이 설치된다. 이 배관에는 연료 처리기(10)로부터 배출된 개질 가스가 연료 전지(20)의 애노드 출구로 역류하는 것을 방지하기 위한 체크 밸브(Check valve)(25)가 삽입되어 있다. 체크 밸브(25)는 어느 일 방향만의 흐름을 허용하고, 반대 방향의 흐름을 허용하지 않는다. 연료 전지(20)의 애노드 출구로부터 배출된 AOG만을 사용하여 개질 반응의 촉매를 가열할 수도 있고, 연료 전지(20)의 애노드 출구로부터 배출된 AOG의 열량이 부족한 경우에는 연료 전지(20)의 애노드 출구로부터 배출된 AOG와 도시 가스 펌프(12)와 전자 밸브(15)의 제어에 따라 공급되는 도시 가스를 함께 사용하여 개질 반응의 촉매를 가열할 수도 있다.
연료 처리기(10)로부터 배출된 개질 가스와 연료 전지(20)의 애노드 출구로부터 배출된 AOG에는 수분이 포함되어 있기 때문에 연료 처리기(10)로 유입되는 개질 가스, AOG가 흐르는 배관의 중간에 그 배관 내에 흐르는 개질 가스, AOG로부터 수분을 분리해내기 위한 드레인 세퍼레이터(26), 드레인 세퍼레이터에 의해 분리된 수분을 외부로 배출하기 위한 오토드레인(27)이 설치된다. 도 1에는 도시되어 있지 않으나, 도 1에 도시된 연료 전지 시스템에는 연료 처리기(10)로부터 배출된 개질 가스의 열, 연료 전지(20)로부터 배출되는 AOG의 열 등을 회수하기 위한 열 교환기 등과 같은 기타 여러 부품들이 추가적으로 설치될 수 있음을 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있다.
전력 변환기(30)는 제어기(40)의 제어에 따라 연료 전지(20)에 의해 발생된 전력을 부하(50)에 공급하기 위한 전력으로 변환한다. 연료 전지(20)는 그 운전 조건 및 운전 시간에 따라 그 성능이 변화되고, 부하(50)의 변동에 대한 응답 속도가 낮다는 특성을 갖고 있다. 제어기(40)는 이와 같은 연료 전지(20)의 특성을 고려하여 전력 변환기(30)가 부하(50)가 요구하는 전압과 전류를 출력할 수 있도록 전력 변환기(30)의 전력 변환을 제어한다.
도 1에 도시된 연료 전지 시스템의 전기 효율은 다음과 같은 수학식 1로 나타낼 수 있다. 수학식 1에 따르면, 도 1에 도시된 연료 전지 시스템은 연료 전지(20)의 정전압 운전을 위한 시스템으로서 전력 변환기(30)로부터 출력되는 전압은 220V로 일정하다. 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 도 1에 도시된 연료 전지 시스템이 전력 변환기(30)로부터 출력되는 전류가 일정한 연료 전지(20)의 정전류 운전을 위한 시스템인 경우에도 본 실시예가 적용될 수 있음을 이해할 수 있다.
Figure 112009078196835-PAT00001
수학식 1의 분자의 변수 성분은 전력 변환기(30)의 출력 전력의 값이고, 수학식 1의 분모의 변수 성분은 도 1에 도시된 연료 전지 시스템으로 공급되는 도시 가스의 양, 즉 연료 전지(20)로 공급되는 개질 가스의 원료에 해당하는 도시 가스 FRCH4의 양과 연료 처리기(10)의 개질 반응의 촉매를 가열하기 위한 버너용 도시 가스 FBCH4의 양의 합이다. 여기에서, Tref는 도 1에 도시된 연료 전지 시스템으로 공급되는 도시 가스의 온도이며, 일반적으로 실온 온도를 나타내는 20도로 설정된다.
상기된 수학식 1로부터 연료 전지 시스템의 효율이 향상되기 위해서는 전력 변환기(30)의 출력 전력이 높아지거나, 연료 전지(20)로 공급되는 개질 가스의 원료에 해당하는 도시 가스 FRCH4의 공급량과 연료 처리기(10)의 개질 반응의 촉매를 가열하기 위한 버너용 도시 가스 FBCH4의 공급량 중 적어도 하나는 감소되어야 한다는 것을 알 수 있다.
연료 전지 시스템으로 공급되는 도시 가스의 동일 양에 대해서 전력 변환기(30)의 출력 전력이 높아지기 위해서는 기본적으로 연료 전지(20)의 연료 이용률(fuel utilization rate)이 향상되어야 한다. 연료 전지(20)의 연료 이용률은 다음과 같은 수학식 2로 나타낼 수 있다. 이와 같은 연료 이용률은 일반적으로 80% 정도로 알려져 있으나, 연료 전지 시스템 내에서 부하(50)의 변동에 따라 생산해 내는 개질 가스의 양과 연료 전지(20)의 운전 조건에 따라 변동될 수 있다.
Figure 112009078196835-PAT00002
수학식 2의 분자의 변수 성분은 연료 전지(20)의 셀 당 전류 밀도, 연료 전지(20)의 셀 면적(active area), 연료 전지(20)의 셀 개수이고, 수학식 2의 분모의 변수 성분은 연료 처리기(10)의 개질 반응의 원료에 해당하는 도시 가스 Reformer CH4의 양과 이 도시 가스의 수소 변환율 H2/(CH4 + CO + CO2)의 곱, 즉 연료 전지(20)에 공급되는 수소의 양이다. 여기에서, 도시 가스의 수소 변환율은 수분 성분이 제거된 드라이 베이스(dry base)에서 각 성분들의 몰분율(mole fraction)로 계산된다. 또한, Tref는 도 1에 도시된 연료 전지 시스템으로 공급되는 도시 가스의 온도이며, 일반적으로 실온 온도를 나타내는 20도로 설정된다.
상기된 수학식 2로부터 연료 전지(20)의 연료 이용률이 향상되기 위해서는 연료 전지(20)의 출력 전류가 높아지거나, 연료 전지 시스템으로 공급되는 도시 가스의 양이 감소하거나, 도시 가스의 수소 변환율이 낮아져야 한다는 것을 알 수 있다. 연료 처리기(10)에 의한 도시 가스의 수소 변환율은 연료 처리기(10)의 개질 온도와 비례한다. 연료 처리기(10)의 개질 온도는 연료 전지(20)의 애노드 출구로 부터 배출된 AOG의 양과 연료 처리기(10)의 개질 반응의 촉매를 가열하기 위한 버너용 도시 가스의 양에 의해 결정된다. 따라서, 연료 전지(20)의 애노드 출구로부터 배출된 AOG의 양과 연료 처리기(10)의 개질 반응의 촉매를 가열하기 위한 버너용 도시 가스의 양을 감소시킴으로써 연료 전지(20)의 연료 이용률을 향상시킬 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 연료 전지 시스템의 여러 가지 제어 예들을 도시한 도면이다. 도 2를 참조하면, 연료 전지 시스템의 27 가지 제어 예들과 이 예들 각각에 대한 연료 이용률의 상승 내지 하강과 연료 전지 시스템의 효율의 상승 내지 하강이 표시되어 있다. 도 2에 도시된 인자들 중 연료 처리기(10)의 개질 반응의 원료에 해당하는 도시 가스 Reformer CH4의 양, 연료 전지(20)의 셀 당 전류 밀도, 연료 처리기(10)의 개질 반응의 촉매를 가열하기 위한 버너용 도시 가스 Burner CH4의 양은 제어기(40)에 의해 제어되는 인자들에 해당한다. 연료 전지(20)의 애노드 출구로부터 배출된 AOG의 양, 연료 처리기(10)에서의 변환율, 수소가 풍부한 개질 가스 FH2의 양은 제어기(40)에 의해 제어되는 상기 인자들에 의해 결정된다.
도 1에 도시된 연료 전지 시스템이 연료 전지(20)로부터 출력되는 전압이 일정한 연료 전지(20)의 정전압 운전을 위한 시스템이라는 전제 하에, 제어기(40)는 전력 변환기(30)의 출력 전력을 제어하기 위하여 전력 변환기(30)에 의해 연료 전지(20)의 각 셀로부터 인출되는 전류를 제어한다. 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 도 1에 도시된 연료 전지 시스템이 연료 전지(20) 로부터 출력되는 전류가 일정한 연료 전지(20)의 정전류 운전을 위한 시스템이라는 전제 하에, 제어기(40)는 전력 변환기(30)의 출력 전력을 제어하기 위하여 전력 변환기(30)에 의해 연료 전지(20)의 각 셀의 전압을 제어할 수도 있음을 이해할 수 있다.
연료 전지 시스템의 효율이 상승되는 2번, 5번, 11번, 14번, 20번, 23번의 경우를 살펴보기로 하겠다. 2번의 경우는 연료 전지 시스템의 출력, 즉 전력 변환기(30)의 출력 전력이 상승 중인 경우이다. 연료 전지 시스템의 효율과 연료 전지(20)의 연료 이용률을 상승시키기 위하여, 제어기(40)는 연료 처리기(10)의 개질 반응의 원료에 해당하는 도시 가스의 공급량과 연료 처리기(10)의 개질 반응의 촉매를 가열하기 위한 버너용 도시 가스의 공급량을 고정하고, 전력 변환기(30)에 의해 연료 전지(20)의 각 셀로부터 인출되는 전류의 밀도를 증가시킴으로써 전력 변환기(30)의 출력 전력을 증가시킨다.
이 경우, 연료 전지(20)의 각 셀로부터 인출되는 전류의 밀도를 증가시키는 것에 의하여 연료 전지(20)의 발전을 위한 전기 화학적 반응이 활발하게 일어나게 되나, 연료 처리기(10)의 개질 반응의 원료에 해당하는 도시 가스의 공급량이 고정된 상태이기 때문에 연료 전지(20)의 애노드 출구로부터 배출된 AOG의 양이 감소하게 된다. 연료 처리기(10)의 개질 반응의 촉매를 가열하기 위한 버너용 도시 가스의 공급량이 고정된 상태에서 연료 전지(20)의 애노드 출구로부터 배출된 AOG의 양이 감소되었기 때문에 연료 처리기(10)의 개질 온도는 내려가고, 결국 연료 처리기(10)에서의 도시 가스의 수소 변환율이 내려가게 되고, 수소가 풍부한 개질 가스 의 양이 감소하게 된다. 이와 같이, 연료 전지(20)의 각 셀로부터 인출되는 전류의 밀도가 증가되고, 도시 가스의 수소 변환율이 내려가기 때문에 수학식 2에 해당하는 연료 이용률은 올라가게 되고, 결국 연료 전지 시스템의 효율도 올라가게 된다.
5번의 경우는 연료 전지 시스템의 출력, 즉 전력 변환기(30)의 출력 전력이 상승 중인 경우이다. 연료 전지 시스템의 효율과 연료 전지(20)의 연료 이용률을 상승시키기 위하여, 제어기(40)는 연료 처리기(10)의 개질 반응의 촉매를 가열하기 위한 버너용 도시 가스의 공급량을 고정하고, 연료 처리기(10)의 개질 반응의 원료에 해당하는 도시 가스의 공급량을 감소시키고, 전력 변환기(30)에 의해 연료 전지(20)의 각 셀로부터 인출되는 전류의 밀도를 증가시킴으로써 전력 변환기(30)의 출력 전력을 증가시킨다.
이 경우, 연료 전지(20)의 각 셀로부터 인출되는 전류의 밀도를 증가시킴으로써 연료 전지(20)의 발전을 위한 전기 화학적 반응이 활발하게 일어나게 되나, 연료 처리기(10)의 개질 반응의 원료에 해당하는 도시 가스의 공급량이 감소된 상태이기 때문에 연료 전지(20)의 애노드 출구로부터 배출된 AOG의 양이 감소하게 된다. 연료 처리기(10)의 개질 반응의 촉매를 가열하기 위한 버너용 도시 가스의 공급량이 고정된 상태에서 연료 전지(20)의 애노드 출구로부터 배출된 AOG의 양이 감소되었기 때문에 연료 처리기(10)의 개질 온도는 내려가고, 결국 연료 처리기(10)에서의 도시 가스의 수소 변환율이 내려가게 되고, 수소가 풍부한 개질 가스의 양이 감소하게 된다. 이와 같이, 연료 전지(20)의 각 셀로부터 인출되는 전류의 밀도가 증가되고, 도시 가스의 수소 변환율이 내려가기 때문에 수학식 2에 해당하는 연 료 이용률은 올라가게 되고, 결국 연료 전지 시스템의 효율도 올라가게 된다.
11번의 경우는 연료 전지 시스템의 출력, 즉 전력 변환기(30)의 출력 전력이 감소 중인 경우이다. 연료 전지 시스템의 효율과 연료 전지(20)의 연료 이용률을 상승시키기 위하여, 제어기(40)는 연료 처리기(10)의 개질 반응의 원료에 해당하는 도시 가스의 공급량을 고정하고, 연료 처리기(10)의 개질 반응의 촉매를 가열하기 위한 버너용 도시 가스의 공급량을 대폭 감소시키고, 전력 변환기(30)에 의해 연료 전지(20)의 각 셀로부터 인출되는 전류의 밀도를 감소시킴으로써 전력 변환기(30)의 출력 전력을 감소시킨다.
이 경우, 연료 전지(20)의 각 셀로부터 인출되는 전류의 밀도를 감소시킴으로써 연료 전지(20)의 발전을 위한 전기 화학적 반응이 덜 일어나게 되고, 연료 처리기(10)의 개질 반응의 원료에 해당하는 도시 가스의 공급량이 고정된 상태이기 때문에 연료 전지(20)의 애노드 출구로부터 배출된 AOG의 양이 증가하게 된다. 그러나, 연료 처리기(10)의 개질 반응의 촉매를 가열하기 위한 버너용 도시 가스의 공급량이 AOG의 증가량보다 더 큰 폭으로 감소되었기 때문에 연료 처리기(10)의 개질 온도는 내려가고, 결국 연료 처리기(10)에서의 도시 가스의 수소 변환율이 내려가게 되고, 수소가 풍부한 개질 가스의 양이 감소하게 된다. 이와 같이, 연료 전지(20)의 각 셀로부터 인출되는 전류의 밀도가 감소되었으나, 연료 전지(20)의 전류 밀도의 감소 폭 보다 더 큰 폭으로 도시 가스의 수소 변환율이 내려가기 때문에 수학식 2에 해당하는 연료 이용률은 올라가게 되고, 결국 연료 전지 시스템의 효율도 올라가게 된다.
14번의 경우는 연료 전지 시스템의 출력, 즉 전력 변환기(30)의 출력 전력이 감소 중인 경우이다. 연료 전지 시스템의 효율과 연료 전지(20)의 연료 이용률을 상승시키기 위하여, 제어기(40)는 연료 처리기(10)의 개질 반응의 원료에 해당하는 도시 가스의 공급량을 감소시키고, 연료 처리기(10)의 개질 반응의 촉매를 가열하기 위한 버너용 도시 가스의 공급량을 대폭 감소시키고, 전력 변환기(30)에 의해 연료 전지(20)의 각 셀로부터 인출되는 전류의 밀도를 감소시킴으로써 전력 변환기(30)의 출력 전력을 감소시킨다.
이 경우, 연료 전지(20)의 각 셀로부터 인출되는 전류의 밀도를 감소시킴으로써 연료 전지(20)의 발전을 위한 전기 화학적 반응이 덜 일어나게 되나, 연료 처리기(10)의 개질 반응의 원료에 해당하는 도시 가스의 공급량이 감소된 상태이기 때문에 연료 전지(20)의 애노드 출구로부터 배출된 AOG의 양은 거의 변동이 없게 된다. 그러나, 연료 처리기(10)의 개질 반응의 촉매를 가열하기 위한 버너용 도시 가스의 공급량이 큰 폭으로 감소되었기 때문에 연료 처리기(10)의 개질 온도는 내려가고, 결국 연료 처리기(10)에서의 도시 가스의 수소 변환율이 내려가게 되고, 수소가 풍부한 개질 가스의 양이 감소하게 된다. 이와 같이, 연료 전지(20)의 각 셀로부터 인출되는 전류의 밀도가 감소되었으나, 연료 전지(20)의 전류 밀도의 감소 폭 보다 더 큰 폭으로 도시 가스의 수소 변환율이 내려가기 때문에 수학식 2에 해당하는 연료 이용률은 올라가게 되고, 결국 연료 전지 시스템의 효율도 올라가게 된다.
20번의 경우는 연료 전지 시스템의 출력, 즉 전력 변환기(30)의 출력 전력이 부하(50)의 근사 범위 내에서 유지되는 경우이다. 연료 전지 시스템의 효율과 연료 전지(20)의 연료 이용률을 상승시키기 위하여, 제어기(40)는 연료 처리기(10)의 개질 반응의 원료에 해당하는 도시 가스의 공급량을 고정하고, 연료 처리기(10)의 개질 반응의 촉매를 가열하기 위한 버너용 도시 가스의 공급량을 감소시키고, 전력 변환기(30)에 의해 연료 전지(20)의 각 셀로부터 인출되는 전류의 밀도를 고정함으로써 전력 변환기(30)의 출력 전력을 고정한다.
이 경우, 연료 처리기(10)의 개질 반응의 원료에 해당하는 도시 가스의 공급량이 고정되어 있고, 연료 전지(20)의 각 셀로부터 인출되는 전류의 밀도도 고정된 상태이기 때문에 연료 전지(20)의 애노드 출구로부터 배출된 AOG의 양은 거의 변동이 없게 된다. 다만, 연료 처리기(10)의 개질 반응의 촉매를 가열하기 위한 버너용 도시 가스의 공급량이 감소되었기 때문에 연료 처리기(10)의 개질 온도는 내려가고, 결국 연료 처리기(10)에서의 도시 가스의 수소 변환율이 내려가게 되고, 수소가 풍부한 개질 가스의 양이 감소하게 된다. 이와 같이, 연료 전지(20)의 각 셀로부터 인출되는 전류의 밀도가 고정되고, 도시 가스의 수소 변환율이 내려가기 때문에 수학식 2에 해당하는 연료 이용률은 올라가게 되고, 결국 연료 전지 시스템의 효율도 올라가게 된다.
23번의 경우는 연료 전지 시스템의 출력, 즉 전력 변환기(30)의 출력 전력이 부하(50)의 근사 범위 내에서 유지되는 경우이다. 연료 전지 시스템의 효율과 연료 전지(20)의 연료 이용률을 상승시키기 위하여, 제어기(40)는 연료 처리기(10)의 개질 반응의 원료에 해당하는 도시 가스의 공급량을 감소시키고, 연료 처리기(10)의 개질 반응의 촉매를 가열하기 위한 버너용 도시 가스의 공급량을 고정시키고, 전력 변환기(30)에 의해 연료 전지(20)의 각 셀로부터 인출되는 전류의 밀도를 고정함으로써 전력 변환기(30)의 출력 전력을 고정한다.
이 경우, 연료 전지(20)의 각 셀로부터 인출되는 전류의 밀도가 고정된 상태에서 연료 처리기(10)의 개질 반응의 원료에 해당하는 도시 가스의 공급량이 감소되었기 때문에 연료 전지(20)의 애노드 출구로부터 배출된 AOG의 양은 감소하게 된다. 연료 처리기(10)의 개질 반응의 촉매를 가열하기 위한 버너용 도시 가스의 공급량이 고정된 상태에서 AOG의 양이 감소되었기 때문에 연료 처리기(10)의 개질 온도는 내려가고, 결국 연료 처리기(10)에서의 도시 가스의 수소 변환율이 내려가게 되고, 수소가 풍부한 개질 가스의 양이 감소하게 된다. 이와 같이, 연료 전지(20)의 각 셀로부터 인출되는 전류의 밀도가 고정되고, 도시 가스의 수소 변환율이 내려가기 때문에 수학식 2에 해당하는 연료 이용률은 올라가게 되고, 결국 연료 전지 시스템의 효율도 올라가게 된다.
연료 전지 시스템의 효율이 내려가는 다른 경우들은 이상에서 설명된 현상과 반대의 현상이 일어나게 되기 때문에, 이에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다. 다만, 4번, 9번의 경우에는 연료 전지(20)의 연료 이용률이 높아지는 경우이나, 연료 전지(20)로 공급되는 개질 가스의 원료에 해당하는 도시 가스의 공급량과 연료 처리기(10)의 개질 반응의 촉매를 가열하기 위한 버너용 도시 가스의 공급량 중 적어도 하나가 증가되는 경우이기 때문에 연료 전지 시스템의 효율이 내려간다.
한편, 상기된 바와 같은 연료 전지 시스템의 고효율 운전을 위해 연료 처리 기(10)의 개질 반응의 촉매의 온도를 낮추는 환경에서 부하(50)가 급격히 변동된 경우에 버너용 도시 가스의 양의 공급을 증가시켜도 이 촉매의 온도가 갑자기 상승할 수 없기 때문에 부하(50)의 추종성이 떨어지게 된다. 이에 따라, 제어기(40)는 부하 추종성을 우선시하는 부하 추종 모드(load following mode)와 연료 전지 시스템의 효율을 우선시하는 고효율 모드(high efficient mode)의 두 가지 제어 모드에 따라 도 1에 도시된 연료 전지 시스템을 제어한다. 종래에는 부하 추종성만을 우선시하였기 때문에 연료 전지 시스템의 연료 낭비가 심하였으나, 본 실시예에서는 부하(45)의 상태에 따라 부하 추종 모드와 고효율 모드 중 어느 하나를 선택적으로 함으로써 부하 추종성과 연료 전시 시스템의 효율 모두를 확보할 수 있도록 하였다.
도 3-4는 도 1에 도시된 제어기(40)에서의 제어 방법의 상세 흐름도이다. 이하에서는 도 3-4를 참조하면서 이상에서 살펴본 연료 전지 시스템의 제어 방법을 상세히 설명하도록 하겠다. 특히, 도 3-4에 도시된 연료 전지 시스템의 제어 방법은 도 1에 도시된 제어기(40)에서 시계열적으로 처리되는 단계들로 구성된다. 따라서, 이하 생략된 내용이라 하더라도 도 1에 도시된 제어기(40)에 관하여 이상에서 기술된 내용은 본 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 제어 방법에도 적용된다.
도 3-4는 도 1에 도시된 제어기(40)에서의 제어 방법의 상세 흐름도이다. 이하에서는 도 3-4를 참조하면서 이상에서 살펴본 연료 전지 시스템의 제어 방법을 상세히 설명하도록 하겠다. 특히, 도 3-4에 도시된 연료 전지 시스템의 제어 방법은 도 1에 도시된 제어기(40)에서 시계열적으로 처리되는 단계들로 구성된다. 따라 서, 이하 생략된 내용이라 하더라도 도 1에 도시된 제어기(40)에 관하여 이상에서 기술된 내용은 본 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 제어 방법에도 적용된다.
41 단계에서 제어기(40)는 부하(50)의 변동을 검출한다. 예를 들어, 도 1에 도시된 연료 전지 시스템이 댁내의 가전 기기들에 전력을 공급하기 위한 환경에서 댁내의 가전 기기들의 전력 소비량에 따라 부하(50)는 변동될 수 있다. 이와 같은 부하(50)의 변동은 부하(50)의 요구 전력 값, 즉 부하(50)로 흘러 들어가는 전력 값을 측정함으로써 검출될 수 있다. 보다 상세하게 설명하면, 제어기(40)는 부하(50)의 현재 값이 부하(50)의 이전 값의 정격 범위를 벗어난 경우에 부하(50)의 변동이 있는 것으로 검출한다. 부하(50)의 현재 값은 전류 측정기(35)에 의해 현재 측정된 전류 값과 전압 측정기(36)에 의해 현재 측정된 전압 값의 곱이다. 예를 들어, 부하(50)의 정격 범위는 부하(50) + 5%로부터 부하(50) - 5%까지의 범위가 될 수 있다. 부하(50)의 이전 값이 1kW(kilo Watt)라면, 제어기(40)는 부하(50)의 현재 값이 1kW + 50W로부터 1kW - 50W까지의 범위를 벗어난 경우에 부하(50)의 변동이 있는 것으로 검출한다. 부하(50)의 변동이 검출된 경우에는 42 단계로 진행하고, 그렇지 않은 경우에는 47 단계로 진행한다.
42 단계에서 제어기(40)는 부하(50)의 변동에 대한 응답 시간을 최소화하기 위해 도 1에 도시된 연료 전지 시스템의 제어 모드들 중 부하 추종성을 우선시하는 부하 추종 모드를 선택한다. 부하 추종 모드는 전 부하에 걸쳐 연료 처리기(10)에서 일정한 변환율을 유지할 수 있도록 연료 처리기(10)의 개질 온도 등을 설정하는 모드를 말한다. 연료 처리기(10)에서 일정한 변환율을 유지하기 위한 연료 처리 기(10)의 개질 온도 등의 설정 값들의 결정에는 실험적 데이터에 기초하여 다양한 부하 값들에 대한 설정 값들이 기록된 룩업테이블(lookup table)이 이용된다.
43 단계에서 제어기(40)는 42 단계에서 선택된 부하 추종 모드에 따라 부하(50)에 대응되는 연료 처리기(10)에서의 개질 온도, 연료 처리기(10)로 공급될 도시 가스의 양과 개질수의 양을 설정한다. 예를 들어, 제어기(40)는 부하(50)의 여러 값들 각각에 대한 연료 처리기(10)에서의 개질 온도, 연료 처리기(10)로 공급될 도시 가스의 양과 개질수의 양이 기록된 룩업테이블을 참조하여 부하(50)의 현재 값에 대한 연료 처리기(10)에서의 개질 온도, 연료 처리기(10)로 공급될 도시 가스의 양과 개질수의 양을 설정할 수 있다.
44 단계에서 제어기(40)는 42 단계에서 선택된 부하 추종 모드에 따라 부하(50)에 해당하는 연료 전지(20)의 출력 전류의 값, 연료 전지(20)에 공급될 공기의 양 및 냉각제의 양을 설정한다. 예를 들어, 제어기(40)는 부하(50)의 여러 값들 각각에 대한 연료 전지(20)의 출력 전류의 값과 연료 전지(20)에 공급될 공기의 양 및 냉각제의 양이 기록된 룩업테이블을 참조하여 부하(50)의 현재 값에 대한 연료 전지(20)의 출력 전류의 값과 연료 전지(20)에 공급될 공기의 양 및 냉각제의 양을 설정할 수 있다.
45 단계에서 제어기(40)는 전자 밸브(13), 도시 가스 펌프(12), 전자 밸브(15), 및 공기 펌프(16)를 제어함으로써 연료 처리기(10)의 개질 촉매의 온도가 42 단계에서 설정된 개질 온도로 도달하도록 연료 처리기(10)로 공급되는 버너용 도시 가스의 양과 공기의 양을 제어한다. 또한, 제어기(40)는 도시 가스 펌프(12) 와 전자 밸브(14)를 제어함으로써 43 단계에서 설정된 도시 가스의 양에 도달하도록 연료 처리기(10)로 공급될 도시 가스의 양을 제어한다. 또한, 제어기(40)는 개질수 펌프(11)를 제어함으로써 43 단계에서 설정된 개질수의 양에 도달하도록 연료 처리기(10)로 공급될 개질수의 양을 제어한다.
46 단계에서 제어기(40)는 44 단계에서 설정된 연료 전지(20)의 출력 전류의 값에 도달하도록 전력 변환기(30)의 전력 변환을 제어한다. 연료 전지(20)로부터 출력되는 전압이 일정한 연료 전지(20)의 정전압 운전을 위한 시스템이라는 전제 하에, 제어기(40)는 전력 변환기(30)의 출력 전력을 제어하기 위하여 전력 변환기(30)에 의해 연료 전지(20)의 각 셀로부터 인출되는 전류를 제어한다. 또한, 제어기(40)는 44 단계에서 설정된 공기의 양에 도달하도록 공기 펌프(31)를 제어함으로써 연료 전지(20)로 공급될 공기의 양을 제어한다. 또한, 제어기(40)는 43 단계에서 설정된 냉각제의 양이 연료 전지(20)로 공급되도록 냉각제 펌프(32)를 제어함으로써 연료 전지(20)로 공급될 공기의 양을 제어한다.
47 단계에서 제어기(40)는 도 1에 도시된 연료 전지 시스템의 출력 전력, 즉 전력 변환기(30)의 출력 전력이 부하(50)의 일정 범위 내에 있는가를 검출한다. 전력 변환기(30)의 출력 전력은 전류 측정기(35)에 의해 현재 측정된 전류 값과 전압 측정기(36)에 의해 현재 측정된 전압 값의 곱이다. 예를 들어, 부하(50)의 일정 범위는 부하(50)의 2% 변동 범위, 즉 부하(50) + 2%로부터 부하(50) - 2%까지의 범위가 될 수 있다. 부하(50)가 1kW라면, 제어기(40)는 전력 변환기(30)의 출력 전력이 1kW + 20W로부터 1kW - 20W까지의 범위 내에 있는 경우에 전력 변환기(30)의 출력 전력이 부하(50)의 일정 범위 내에 있는 것으로 검출한다. 연료 전지 시스템의 출력 전력이 부하(50)의 요구 전력의 2% 변동 범위 내에 있으면 48 단계로 진행하고, 그렇지 않으면 42 단계로 돌아간다. 전력 변환기(30)의 출력 전력이 부하(50)의 2% 변동 범위를 넘어선다면 부하(50)의 추종성을 우선시하여 부하 추종 모드를 유지하고, 그렇지 않으면 고효율 모드로 전환한다.
48 단계에서 제어기(40)는 도 1에 도시된 연료 전지 시스템의 제어 모드들 중 연료 전지 시스템의 효율을 우선시하는 고효율 모드를 선택한다. 고효율 모드는 연료 전지(20)에 영향을 주지 않는 한도에서 연료 전지 시스템의 효율을 최대화하기 위해, 부하 별로 허용 가능한 최소 개질 변환율을 유지하도록 연료 처리기(10)의 개질 온도 등을 설정하는 모드를 말한다.
49 단계에서 제어기(40)는 도 1에 도시된 연료 전지 시스템의 출력 전력, 즉 전력 변환기(30)의 출력 전력의 변동 형태를 검출한다. 보다 상세하게 설명하면, 제어기(40)는 전류 측정기(35)와 전압 측정기(36)를 이용하여 일정 시간 동안 전력 변환기(30)의 출력 전력의 값을 주기적으로 측정하고, 이와 같이 측정된 출력 전력 값들의 변화로부터 연료 전지 시스템의 출력 전력의 변동 형태를 검출할 수 있다. 이와 같이 검출된 출력 전력의 변동 형태가 연료 전지 시스템의 출력 전력이 증가함을 나타내면 410 단계로 진행하고, 연료 전지 시스템의 출력 전력이 감소함을 나타내면 411 단계로 진행하고, 연료 전지 시스템의 출력 전력이 부하(50)의 근사 범위 내에서 유지됨을 나타내면, 412 단계로 진행한다.
410 단계에서 제어기(40)는 연료 전지(20)의 출력 전압의 변동을 검출함으로 써 연료 전지(20)의 출력 전압이 안정 상태에 있는가를 결정한다. 보다 상세하게 설명하면, 제어기(40)는 전압 측정기(34)를 이용하여 일정 시간 동안 연료 전지(20)의 출력 전압의 값을 주기적으로 측정하고, 이와 같이 측정된 출력 전압의 값들의 동적 평균(moving average)을 계산한다. 이어서, 제어기(40)는 이와 같이 계산된 동적 평균을 기준으로 일정 시간 동안 측정된 출력 전압의 값들의 표준 편차(standard deviation)를 계산한다. 제어기(40)는 이와 같이 계산된 표준 편차가 임계 값보다 작으면 연료 전지(20)의 출력 전압이 안정 상태에 있는 것으로 결정하고, 임계 값보다 크면 연료 전지(20)의 출력 전압이 안정 상태에 있지 않은 것으로 결정한다. 연료 전지(20)의 출력 전압이 안정 상태에 있으면 410 단계로 진행하고, 그렇지 않으면 41 단계로 돌아간다.
연료 전지(20)로부터 출력되는 전압이 일정한 연료 전지(20)의 정전압 운전을 위한 시스템에서 연료 전지(20)의 출력 전압의 변동이 심한 경우에는 연료 처리기(10)의 개질 온도, 즉 변환율을 최소한도로 유지하는 것보다는 연료 전지(20)의 동작에 무리가 없도록 도시 가스의 수소 변환율을 확보하는 것이 바람직하다. 이와 같이, 본 실시예는 연료 전지 시스템의 출력이 정상 상태에 있는 경우에 연료 전지 시스템의 효율을 향상시킬 수 있도록 하였다.
411 단계에서 제어기(40)는 도 2에 도시된 2번, 5번의 경우에 대응하여 수학식 2에 해당하는 연료 이용률을 상승시키는 방향으로 연료 전지 시스템의 출력 전력, 즉 전력 변환기(30)의 출력 전력을 증가시킨 상태에서 연료 처리기(10)의 개질 반응의 원료에 해당하는 도시 가스의 공급량을 고정 또는 감소시키고, 연료 처리 기(10)의 개질 온도의 감소 온도를 설정한다. 연료 전지 시스템의 출력 전력이 증가한다는 것은 일반적으로 부하(50)의 요구 전력이 증가 중에 있다는 것을 의미하기 때문에 연료 전지 시스템의 출력 전력을 증가시키는 것이 부하(50)를 추종하는 것이 되어 바람직하다.
보다 상세하게 설명하면, 제어기(40)는 수학식 1이 나타내는 연료 이용률을 일정 단위만큼, 예를 들면 0.1%만큼 증가시키고, 전력 변환기(30)의 전력 변환을 제어하여 연료 전지(20)의 출력 전력을 허용 범위 내에서 일정 단위만큼 증가시킨다. 예를 들어, 허용 범위는 연료 전지 시스템에 연결된 부하(50)의 2% 변동 범위가 될 수 있고, 일정 단위는 부하(50)의 0.2%가 될 수 있다. 부하(50)가 1kW라면, 허용 범위는 1kW + 20W로부터 1kW - 20W의 범위가 되고, 일정 단위는 2W가 된다. 이와 같이, 연료 이용률과 연료 전지(20)의 출력 전력이 결정되면 수학식 2로부터 도시 가스의 공급량과 연료 처리기(10)의 개질 온도에 대응되는 변환율이 결정될 수 있다. 제어기(40)는 도시 가스 펌프(12)와 전자 밸브(14)를 제어함으로써 이와 같이 설정된 도시 가스의 양에 도달하도록 연료 처리기(10)로 공급될 도시 가스의 양을 제어한다. 또한, 제어기(40)는 이와 같은 도시 가스의 공급량에 비례하여 개질수 펌프(11)를 제어함으로써 연료 처리기(10)로 공급될 개질수의 양을 제어한다.
412 단계에서 제어기(40)는 연료 전지(20)의 출력 전압의 변동을 검출함으로써 연료 전지(20)의 출력 전압이 안정 상태에 있는가를 결정한다. 412 단계에는 410 단계와 마찬가지의 방법이 적용된다.
413 단계에서 제어기(40)는 도 2에 도시된 11번, 14번의 경우에 대응하여 수 학식 2에 해당하는 연료 이용률을 상승시키는 방향으로 연료 전지 시스템의 출력 전력, 즉 전력 변환기(30)의 출력 전력을 감소시킨 상태에서 연료 처리기(10)의 개질 반응의 원료에 해당하는 도시 가스의 공급량을 고정 또는 감소시키고, 연료 처리기(10)의 개질 온도의 감소 온도를 설정한다. 연료 전지 시스템의 출력 전력이 증가한다는 것은 일반적으로 부하(50)의 요구 전력이 감소 중에 있다는 것을 의미하기 때문에 연료 전지 시스템의 출력 전력을 감소시키는 것이 부하(50)를 추종하는 것이 되어 바람직하다.
보다 상세하게 설명하면, 제어기(40)는 수학식 2가 나타내는 연료 이용률을 일정 단위만큼, 예를 들면 0.1%만큼 증가시키고, 전력 변환기(30)의 전력 변환을 제어하여 연료 전지(20)의 출력 전력을 허용 범위 내에서 일정 단위만큼 감소시킨다. 예를 들어, 허용 범위는 연료 전지 시스템에 연결된 부하(50)의 2% 변동 범위가 될 수 있고, 일정 단위는 부하(50)의 0.2%가 될 수 있다. 부하(50)가 1kW라면, 허용 범위는 1kW + 20W로부터 1kW - 20W의 범위가 되고, 일정 단위는 2W가 된다. 이와 같이, 연료 이용률과 연료 전지(20)의 출력 전력이 결정되면 수학식 2로부터 도시 가스의 공급량과 연료 처리기(10)의 개질 온도에 대응되는 변환율이 결정될 수 있다. 제어기(40)는 도시 가스 펌프(12)와 전자 밸브(14)를 제어함으로써 이와 같이 설정된 도시 가스의 양에 도달하도록 연료 처리기(10)로 공급될 도시 가스의 양을 제어한다. 또한, 제어기(40)는 이와 같은 도시 가스의 공급량에 비례하여 개질수 펌프(11)를 제어함으로써 연료 처리기(10)로 공급될 개질수의 양을 제어한다.
414 단계에서 제어기(40)는 연료 전지(20)의 출력 전압의 변동을 검출함으로 써 연료 전지(20)의 출력 전압이 안정 상태에 있는가를 결정한다. 414 단계에는 410 단계와 마찬가지의 방법이 적용된다.
415 단계에서 제어기(40)는 도 2에 도시된 20번, 23번의 경우에 대응하여 수학식 2에 해당하는 연료 이용률을 상승시키는 방향으로 연료 전지 시스템의 출력 전력, 즉 전력 변환기(30)의 출력 전력을 고정한 상태에서 연료 처리기(10)의 개질 반응의 원료에 해당하는 도시 가스의 공급량을 고정 또는 감소시키고, 연료 처리기(10)의 개질 온도의 감소 온도를 설정한다. 연료 전지 시스템의 출력 전력이 부하(50)의 근사 범위 내에 있다는 것은 일반적으로 부하(50)의 요구 전력이 거의 변동이 없다는 것을 의미하기 때문에 연료 전지 시스템의 출력 전력을 유지하는 것이 부하(50)를 추종하는 것이 되어 바람직하다.
보다 상세하게 설명하면, 제어기(40)는 수학식 1이 나타내는 연료 이용률을 일정 단위만큼, 예를 들면 0.1%만큼 증가시키고, 전력 변환기(30)의 전력 변환을 제어하여 연료 전지(20)의 출력 전력을 유지한다. 이와 같이, 연료 이용률과 연료 전지(20)의 출력 전력이 결정되면 수학식 2로부터 도시 가스의 공급량과 연료 처리기(10)의 개질 온도에 대응되는 변환율이 결정될 수 있다. 제어기(40)는 도시 가스 펌프(12)와 전자 밸브(14)를 제어함으로써 이와 같이 설정된 도시 가스의 양에 도달하도록 연료 처리기(10)로 공급될 도시 가스의 양을 제어한다. 또한, 제어기(40)는 이와 같은 도시 가스의 공급량에 비례하여 개질수 펌프(11)를 제어함으로써 연료 처리기(10)로 공급될 개질수의 양을 제어한다.
416 단계에서 제어기(40)는 전자 밸브(13), 도시 가스 펌프(12), 전자 밸 브(15), 및 공기 펌프(16)를 제어함으로써 연료 처리기(10)의 개질 촉매의 온도가 411 단계, 413 단계, 또는 415 단계에서 설정된 개질 온도의 감소에 따라 연료 처리기(10)로 공급되는 버너용 도시 가스의 양과 공기의 양을 감소시킨다. 이어서, 41 단계로 돌아간다.
한편, 도 4에 도시된 방법들을 수행하는 제어기(40)는 다수의 논리 게이트들의 어레이로 구현될 수도 있고, 범용적인 마이크로프로세서와 이 마이크로 프로세서에서 실행될 수 있는 프로그램이 저장된 기록 매체의 조합으로 구현될 수도 있다. 후자의 경우에 도 3 및 5에 도시된 방법들은 컴퓨터에서 실행될 수 있는 프로그램으로 작성 가능하고, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 이용하여 이와 같은 프로그램을 동작시키는 범용 디지털 컴퓨터에서 구현될 수 있다. 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체의 예로는 마그네틱 저장매체(예를 들면, 롬, 플로피 디스크, 하드 디스크 등), 광학적 판독 매체(예를 들면, 시디롬, 디브이디 등)와 같은 저장매체 등을 들 수 있다.
이제까지 본 발명에 대한 실시예들을 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 연료 전지 시스템의 여러 가지 제어 예들을 도시한 도면이다.
도 3-4는 도 1에 도시된 제어기(40)에서의 제어 방법의 상세 흐름도이다.

Claims (13)

  1. 연료 전지 시스템의 제어 방법에 있어서,
    상기 연료 전지 시스템의 출력 전력의 변동 형태를 검출하는 단계; 및
    상기 검출된 출력 전력의 변동 형태에 기초하여 연료 전지의 연료 이용률을 상승시키는 방향으로 상기 연료 전지 시스템의 출력 전력 및 상기 연료 전지 시스템으로 공급되는 연료의 양을 제어하는 단계를 포함하는 제어 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어하는 단계는 상기 연료 이용률을 상승시키는 방향으로 상기 연료의 개질 반응의 촉매의 온도의 감소 온도를 설정하고,
    상기 감소 온도에 따라 상기 연료의 개질 반응의 촉매를 가열하기 위한 도시 가스의 공급량을 감소시키는 단계를 더 포함하는 제어 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제어하는 단계는 상기 출력 전력의 변동 형태가 상기 출력 전력이 증가함을 나타내면, 상기 연료 전지 시스템의 출력 전력을 증가시키고, 상기 개질 반응의 원료에 해당하는 도시 가스의 공급량을 고정 또는 감소시키고, 상기 감소 온도를 설정하는 제어 방법.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 제어하는 단계는 상기 출력 전력의 변동 형태가 상기 출력 전력이 감소함을 나타내면, 상기 연료 전지 시스템의 출력 전력을 감소시키고, 상기 개질 반응의 원료에 해당하는 도시 가스의 공급량을 고정 또는 감소시키고, 상기 감소 온도를 설정하는 제어 방법.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 제어하는 단계는 상기 출력 전력의 변동 형태가 상기 출력 전력이 부하의 근사 범위 내에서 유지됨을 나타내면, 상기 연료 전지 시스템의 출력 전력을 고정하고, 상기 개질 반응의 원료에 해당하는 도시 가스의 공급량을 고정 또는 감소시키고, 상기 감소 온도를 설정하는 제어 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어하는 단계는 상기 연료를 이용하여 전력을 발생시키는 연료 전지의 출력 전압이 안정 상태에 있는 경우에 상기 연료 전지 시스템의 출력 전력 및 상기 연료 전지 시스템으로 공급되는 연료의 양을 제어하는 제어 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    일정 시간 동안의 상기 연료 전지의 출력 전압의 값들의 동적 평균을 기준으로 하는 출력 전압의 값들의 표준 편차에 기초하여 상기 연료 전지의 출력 전압이 안정 상태에 있는가를 결정하는 단계를 더 포함하는 제어 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 전지 시스템에 연결된 부하의 변동 여부에 따라 상기 연료 전지 시스템의 복수 개의 제어 모드들 중 어느 하나를 선택하는 단계를 더 포함하고,
    상기 제어하는 단계는 상기 선택된 제어 모드가 상기 연료 전지 시스템의 효율을 우선시하는 고효율 모드(high efficient mode)이면, 상기 연료 이용률을 상승시키는 방향으로 상기 연료 전지 시스템의 출력 전력 및 상기 연료 전지 시스템으로 공급되는 연료의 양을 제어하는 제어 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제어 모드들은 상기 연료 전지 시스템의 부하 추종성을 우선시하는 부하 추종 모드(load following mode)와 상기 고효율 모드를 포함하는 제어 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 선택하는 단계는 상기 부하의 변동이 있으면 상기 부하 추종 모드를 선택하고, 상기 부하의 변동이 없으면 상기 고효율 모드를 선택하는 제어 방법.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중에 어느 한 항의 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.
  12. 연료를 이용하여 전력을 발생시키는 연료 전지;
    상기 연료 전지에 의해 발생된 전력을 부하에 공급하기 위한 전력으로 변환하는 전력 변환기; 및
    상기 전력 변환기의 출력 전력의 변동 형태에 기초하여 상기 연료 전지의 연료 이용률을 상승시키는 방향으로 상기 전력 변환기의 전력 변환 및 상기 연료의 공급량을 제어하는 제어기를 포함하는 연료 전지 시스템.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료를 개질하는 연료 처리기를 더 포함하고,
    상기 제어기는 상기 연료 이용률을 상승시키는 방향으로 상기 연료 처리기의 개질 온도의 감소 온도를 설정함으로써 상기 연료 처리기로 공급되는 도시 가스의 양을 감소시키는 연료 전지 시스템.
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