KR20130085325A - 연료 전지 시스템 및 그것의 저온 운전 방법 - Google Patents

연료 전지 시스템 및 그것의 저온 운전 방법 Download PDF

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Abstract

연료 전지 시스템은 극저온에서 연료 전지를 시동하기 위하여 연료 전지와 주변 기기들 중 적어도 하나의 기기에 부착되어 있는 반도체 소자의 발열을 이용하여 연료 전지와 주변 기기들 중 적어도 하나의 기기를 가열하는 히팅 모듈을 포함한다.

Description

연료 전지 시스템 및 그것의 저온 운전 방법 {Fuel cell system and method for operating the same at low temperature}
연료 전지 시스템 및 연료 전지 시스템의 운전 방법에 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. 연료 전지 내부의 전기 화학적 반응은 일반적으로 영상의 온도에서 원활하게 진행되기 때문에 영하의 온도에서 연료 전지를 구동할 경우에 연료 전지의 성능 및 내구성이 저하되게 되며, 연료 전지와 연료 전지를 구동하기 위한 주변 기기들이 결빙될 수 있다.
극저온에서 연료 전지를 시동할 수 있는 연료 전지 시스템과 연료 전지 시스템의 저온 운전 방법을 제공하는데 있다. 또한, 이 저온 운전 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, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 연료 전지 시스템은 연료를 이용하여 전력을 생산하는 연료 전지, 상기 연료 전지를 구동하여 상기 연료 전지에서 생산된 전력을 부하에 공급하기 위한 주변 기기들, 및 상기 연료 전지와 상기 주변 기기들 중 적어도 하나의 기기에 부착되어 있는 반도체 소자의 발열을 이용하여 상기 적어도 하나의 기기를 가열하는 적어도 하나의 히팅 모듈을 포함한다.
상기 반도체 소자는 트랜지스터일 수 있고, 상기 적어도 하나의 히팅 모듈은 상기 트랜지스터의 스위칭 동작 중에 상기 트랜지스터에서 발생된 발열을 이용하여 상기 적어도 하나의 기기를 가열할 수 있다. 상기 주변 기기들은 상기 트랜지스터로 소정 주파수의 펄스 형태로 전압이 변화되는 신호를 출력하는 것에 의해 상기 트랜지스터를 스위칭함으로써 상기 반도체 소자의 발열을 제어하는 제어기를 포함할 수 있다. 상기 적어도 하나의 히팅 모듈은 상기 소정 주파수에 비례하여 스위칭되는 트랜지스터의 발열을 이용하여 상기 적어도 하나의 기기를 가열할 수 있다. 상기 트랜지스터는 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)일 수 있다.
상기 적어도 하나의 기기에 부착되어, 상기 적어도 하나의 기기의 온도를 검출하는 온도 센서를 더 포함할 수 있고, 상기 적어도 하나의 히팅 모듈은 상기 온도 센서에 의해 검출된 온도에 따라, 상기 반도체 소자의 발열을 이용하여 상기 적어도 하나의 기기를 가열할 수 있다. 상기 주변 기기들은 상기 온도 센서에 의해 검출된 온도를 소정 온도와 비교하고, 상기 비교 결과에 따라 상기 반도체 소자의 발열을 제어하는 제어기를 포함할 수 있다. 상기 제어기는 상기 온도 센서에 의해 검출된 온도가 상기 소정 온도보다 낮으면 상기 반도체 소자의 발열을 유도할 수 있고, 상기 입력된 온도가 상기 소정 온도보다 낮지 않으면 상기 연료 전지를 시동하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 주변 기기들은 상기 적어도 하나의 기기의 온도에 따라 상기 주변 기기들 중 소정 펌프를 구동시킴으로써 상기 연료 전지 시스템 내에 남아 있는 유체를 순환시키는 것에 의해 상기 유체가 순환되는 경로 상에 위치한 주변 기기들 및 배관들을 워밍(warming)하는 제어기를 포함할 수 있다.
상기 반도체 소자는 상기 적어도 하나의 히팅 모듈과 상기 주변 기기들 중 적어도 하나의 주변 기기에 포함된 전자 회로에 의해 공유될 수 있고, 상기 적어도 하나의 기기의 온도가 소정 온도보다 낮은 경우에는 상기 반도체 소자는 상기 적어도 하나의 기기의 가열에 사용될 수 있고, 상기 연료 전지의 시동이 완료된 후에는 상기 전자 회로를 포함하는 주변 기기의 구동에 사용될 수 있다. 상기 적어도 하나의 주변 기기는 상기 연료 전지 시스템 내에서 소정 경로를 따라 연료를 순환시키는 순환 펌프일 수 있고, 상기 전자 회로는 상기 순환 펌프의 구동 회로일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 연료 전지 시스템의 운전 방법은 상기 연료 전지 시스템의 연료 전지 및 주변 기기들 중 적어도 하나의 기기의 온도를 입력받는 단계, 상기 입력된 온도를 소정 온도와 비교하는 단계, 및 상기 비교 결과에 따라 상기 적어도 하나의 기기에 부착되어 있는 반도체 소자의 발열을 제어하는 단계를 포함한다.
상기 반도체 소자는 트랜지스터일 수 있고, 상기 제어하는 단계는 상기 비교 결과에 따라 상기 트랜지스터로 입력되는 전압을 제어하는 것에 의해 상기 트랜지스터를 스위칭함으로써 상기 반도체 소자의 발열을 제어할 수 있다. 상기 제어하는 단계는 상기 비교 결과에 따라 상기 트랜지스터로 소정 주파수의 펄스 형태로 전압이 변화되는 신호를 출력하는 것에 의해 상기 트랜지스터를 스위칭할 수 있다. 상기 트랜지스터는 MOSFET일 수 있다.
상기 제어하는 단계는 상기 입력된 온도가 상기 소정 온도보다 낮으면, 상기 반도체 소자의 발열을 유도할 수 있고, 상기 입력된 온도가 상기 소정 온도보다 낮지 않으면, 상기 연료 전지를 시동하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 제어하는 단계는 상기 입력된 온도가 상기 소정 온도보다 낮으면, 상기 반도체 소자로 소정 주파수의 펄스 형태로 전압이 변화되는 신호를 출력하는 것에 의해 상기 반도체 소자의 발열을 유도할 수 있고, 상기 연료 전지의 시동이 완료된 후, 상기 반도체 소자로 상기 신호와는 다른 신호를 출력하는 것에 의해 상기 반도체 소자가 적용된 전자 회로를 포함하는 주변 기기를 구동하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 입력된 온도를 상기 소정 온도보다 높은 다른 온도와 비교하는 단계를 더 포함할 수 있고, 상기 입력된 온도가 상기 다른 온도보다 낮지 않으면, 상기 주변 기기들 중 소정 펌프를 구동시킴으로써 상기 연료 전지 시스템 내에 남아 있는 유체를 순환시키는 것에 의해 상기 유체가 순환되는 경로 상에 위치한 기기들 및 배관들을 워밍하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 비교하는 단계는 상기 입력된 온도가 상기 다른 온도보다 낮으면, 상기 입력된 온도를 상기 소정 온도와 비교할 수 있다.
상기 제어하는 단계는 상기 입력된 온도가 상기 소정 온도보다 낮으면, 상기 주변 기기들 중 소정 펌프에 부착된 반도체 소자의 발열을 유도할 수 있고, 상기 발열에 의해 가열된 소정 펌프를 구동시킴으로써 상기 연료 전지 시스템 내에 남아 있는 유체를 순환시키는 것에 의해 상기 유체가 순환되는 경로 상에 위치한 기기들 및 배관들을 워밍하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따라, 상기된 운전 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체가 제공된다.
반도체 소자의 발열을 이용하여 연료 전지와 주변 기기들을 가열함으로써 극저온에서 연료 전지를 시동할 수 있다. 또한, 연료 전지 시스템에 이미 적용되어 있는 반도체 소자의 발열을 이용함으로써 연료 전지 시스템의 크기의 큰 변동 없이 저렴한 비용으로 연료 전지 시스템의 저온 운전 기능을 추가적으로 구현할 수 있다.
도 1은 MOSFET의 심볼과 MOSFET의 기생 성분을 나타내는 등가 회로를 도시한 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 MOSFET의 스위칭 동작 과정에서의 전력 손실을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 히팅 모듈(heating module)(10)의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구성도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 저온 운전 방법의 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구성도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 저온 운전 방법의 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구성도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 저온 운전 방법의 흐름도이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 연료 전지 시스템은 연료를 이용하여 전력을 생산하는 연료 전지와 연료 전지를 구동하여 연료 전지에서 생산된 전력을 부하에 공급하기 위한 주변 기기들(peripheral devices)인 BOP(Balance Of Plants)로 구성된다. 본 발명의 실시예들의 특징은 연료 전지와 그것의 주변 기기들이 결빙된 경우에 이것들을 해빙하기 위한 수단들에 관련되어 있기 때문에 이하의 실시예들의 특징이 흐려지는 것을 방지하기 위하여 연료 전지를 구성하는 스택(stack), BOP 등에 대해서는 자세한 설명을 생략하기로 한다. 일반적으로, 연료 전지는 부하에서 요구하는 전력에 대응하여 복수 개의 셀들이 직렬 또는 병렬로 조합된 스택(stack) 형태로 설계된다. 이하에서는 하나의 셀 및 복수 개의 셀들이 결합된 스택 모두를 포괄하여, 간단히 연료 전지라고 호칭하기로 한다.
전자 회로의 주요 구성 부품인 반도체 소자의 대표적인 예로는 다이오드(diode), 트랜지스터(transistor) 등을 들 수 있다. 일반적으로, 반도체 소자를 통하여 전류가 흐르면 반도체 소자로부터 열이 발생하게 된다. 반도체 소자의 발열은 전자 회로의 오동작 내지 고장을 유발하기 때문에 종래에는 반도체 소자의 발열이 억제되는 방향으로 반도체 소자의 개발 및 전자 회로의 설계가 진행되어 왔다. 이하에서는 이와 같은 반도체 소자의 발열을 이용하여 연료 전지와 이것의 주변 기기들 중 적어도 하나를 가열하기 위한 기술적 수단들을 제시하고자 한다. 특히, 반도체 소자는 열선(hot wire), 저항 등과 같은 기존의 발열 수단에 비해 소비 전력이 적기 때문에 연료 전지 시스템의 가열 수단 추가에 따르는 연료 전지 시스템의 전력 소비의 증가를 최소화할 수 있다.
트랜지스터(transistor)의 스위칭 동작 중에 트랜지스터로부터 많은 열이 발생되기 때문에 반도체 소자들 중 열이 많이 발생되는 대표적인 반도체 소자로서 트랜지스터를 들 수 있다. 트랜지스터는 그 구성 물질에 따라 BJT(Bipolar Junction Transistor), FET(Field Effect Transistor) 등으로 구분된다. FET의 일종인 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)는 이것의 높은 스위칭 속도와 저 전압에서의 양호한 효율 등과 같은 장점들로 인해 전자 스위치(electronic switch)로서 널리 이용되고 있다. 예를 들어, MOSFET는 연료 전지 시스템의 DC-DC 컨버터와 펌프의 모터 구동 회로 등에 사용되고 있다. 이하에서는 MOSFET를 예로 들어 연료 전지와 주변 기기들 중 적어도 하나를 가열하기 위한 기술적 수단들을 설명하기로 한다. 다만, 이하의 실시예들이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, MOSFET가 이것과 유사한 특성을 갖는 다른 종류의 반도체 소자로 대체되어 이하의 실시예들이 용이하게 변형되어 설계될 수 있음을 이해할 수 있다.
도 1은 MOSFET의 심볼과 MOSFET의 기생 성분을 나타내는 등가 회로를 도시한 도면이다. 도 1의 (a)에는 바디 드레인 다이오드(body drain diode)가 내장된 N 채널의 MOSFET의 심볼(symbol)이 도시되어 있다. 도 1의 (a)에 도시된 바와 같이, MOSFET의 세 단자들(three terminals)은 소스(source), 게이트(gate), 드레인(drain)으로 호칭된다. N 채널의 MOSFET에서, 게이트와 소스 사이의 전압이 어떤 임계 전압을 넘어서면 드레인과 소스를 연결하는 자유 전자들로 이루어진 채널 영역이 형성되고, 이 채널 영역을 통하여 드레인과 소스간의 전류는 흐를 수 있게 된다. MOSFET는 그 MOSFET의 구조 및 구성 물질에 따라 고유의 임계 전압을 갖는다. 이와 같이, 드레인과 소스 사이에 흐르는 전류는 게이트와 소스 사이의 전압에 의해 제어된다.
도 1의 (b)에는 도 1의 (a)에 도시된 MOSFET의 등가 회로가 도시되어 있다. 도 1의 (b)에 도시된 바와 같이, MOSFET에는 게이트와 드레인 사이의 기생 커패시턴스(parasitic capacitance) CGD, 게이트와 소스 사이의 기생 커패시턴스 CGS, 드레인과 소스 사이의 기생 커패시턴스 CDS, 드레인 단자에서의 기생 인덕턴스 LD, 소스 단자에서의 기생 인덕턴스 LS, 게이트 단자에서의 기생 저항 RG 등과 같은 많은 기생 성분들(parasitic capacitance)이 존재한다. 이와 같은 기생 성분들은 MOSFET의 제조 공정에서 불가피하게 발생되는 설계자가 의도하지 않은 성분들을 의미하며, 일반적으로 단자들간의 접합(junction) 부위에서 기생 커패시턴스가 발생하고, 각 단자의 리드(lead)에서 인덕턴스가 발생되고, MOSFET의 구성 물질의 저항으로부터 기생 저항이 발생된다고 알려져 있다. 이 기생 성분들은 MOSFET의 효율을 떨어뜨리고 발열을 유발하기 때문에 일반적으로 이와 같은 기생 성분들이 억제되도록 MOSFET의 구조 설계가 이루어진다.
도 2는 도 1에 도시된 MOSFET의 스위칭 동작 과정에서의 전력 손실을 나타내는 도면이다. 도 2의 (a)에 도시된 바와 같이, MOSFET의 게이트와 소스 사이의 전압 VGS가 어떤 임계 전압을 초과하여 상승하면, 드레인과 소스간의 전류 IDS가 흐르게 된다. 그 결과, 도 2의 (b) 및 (c)에 도시된 바와 같이, 드레인과 소스 사이의 전압 VDS는 하강하고, 드레인과 소스간의 전류 IDS는 상승한다. 드레인과 소스 사이의 전압 VDS의 하강과 드레인과 소스간의 전류 IDS의 상승이 완료된 때에 MOSFET는 턴-온(turn-on)된다. 도 1의 (b)에 도시된 바와 같은 기생 성분들로 인해, MOSFET의 게이트와 소스 사이의 전압 VGS의 급격한 상승에 대응하여 드레인과 소스 사이의 전압 VDS은 바로 하강하지 않으며, 드레인과 소스간의 전류 IDS도 바로 상승하지 않는다.
즉, 도 1의 (b)에 도시된 바와 같은 기생 성분들로 인해, 도 2의 (b) 및 (c)에 도시된 바와 같이, 드레인과 소스 사이의 전압 VDS은 완만하게 하강하고 드레인과 소스간의 전류 IDS도 완만하게 상승한다. 이와 같이, 도 1의 (b)에 도시된 바와 같은 기생 성분들로 인해 MOSFET의 턴-온이 지연된다. MOSFET의 턴-온이 지연됨으로 인해, 도 2의 (d)에 도시된 바와 같이, MOSFET에는 드레인과 소스 사이의 전압 VDS와 드레인과 소스간의 전류 IDS로부터 MOSFET의 턴-온 과정에서의 전력 Pr이 발생되고, 이것은 열 에너지의 형태로 소멸된다(dissipate). 이와 같이 소멸되는 전력 Pr을 턴-온 손실(turn-on loss)이라고 한다.
도 2의 (a)에 도시된 바와 같이, MOSFET의 게이트와 소스 사이의 전압 VGS가 상기된 임계 전압 이하로 하강하면, 드레인과 채널을 연결하는 채널 영역이 사라지게 되어 드레인과 소스간에는 전류가 흐를 수 없게 된다. 그 결과, 도 2의 (b) 및 (c)에 도시된 바와 같이, 드레인과 소스 사이의 전압 VDS는 상승하고, 드레인과 소스간의 전류 IDS는 하강한다. 드레인과 소스 사이의 전압 VDS의 상승과 드레인과 소스간의 전류 IDS의 하강이 완료된 때에 MOSFET는 턴-오프(turn-off)된다. 도 1의 (b)에 도시된 바와 같은 기생 성분들로 인해, MOSFET의 게이트와 소스 사이의 전압 VGS의 급격한 하강에 대응하여 드레인과 소스 사이의 전압 VDS은 바로 상승하지 않으며, 드레인과 소스간의 전류 IDS도 바로 하강하지 않는다.
즉, 도 1의 (b)에 도시된 바와 같은 기생 성분들로 인해, 도 2의 (b) 및 (c)에 도시된 바와 같이, 드레인과 소스 사이의 전압 VDS은 완만하게 상승하고 드레인과 소스간의 전류 IDS도 완만하게 하강한다. 이와 같이, 도 1의 (b)에 도시된 바와 같은 기생 성분들로 인해 MOSFET의 턴-오프가 지연된다. MOSFET의 턴-오프가 지연됨으로 인해, 도 2의 (d)에 도시된 바와 같이, MOSFET에는 드레인과 소스 사이의 전압 VDS와 드레인과 소스간의 전류 IDS로부터 MOSFET의 턴-오프 과정에서의 전력 Pf가 발생되고, 이것은 열 에너지의 형태로 소멸된다(dissipate). 이와 같이 소멸되는 전력 Pf을 턴-오프 손실(turn-off loss)이라고 한다.
MOSFET의 게이트로 입력되는 전압을 제어함으로써 MOSFET의 턴-오프 상태를 턴-온 상태로 변환하거나, 턴-온 상태를 턴-오프 상태로 변환하는 것을 MOSFET를 스위칭(switching)한다고 한다. 이에 따라, 상기된 턴-온 손실과 턴-오프 손실을 합쳐서 MOSFET의 스위칭 손실이라고 한다. MOSFET의 스위칭 손실은 MOSFET가 스위칭될 때마다 발생되기 때문에 MOSFET의 스위칭 주파수가 높을수록 MOSFET의 스위칭 손실은 증가하게 되며, 그에 따라 MOSFET의 발열도 증가하게 된다. 따라서, 이하의 실시예들에서 MOSFET가 연료 전지 및 주변 기기들의 가열 용도로 사용될 때에 MOSFET는 일반적인 용도로 사용될 때에 비해 고주파수로 스위칭된다. MOSFET의 스위칭 주파수가 너무 높을 경우에 MOSFET의 발열로 인해 MOSFET가 오 동작하거나, 타 버릴 수 있기 때문에 MOSFET가 정상 동작을 하는 범위 내에서 최대한 높게 스위칭 주파수가 설정되어야 할 것이다.
한편, MOSFET에서 손실되는 총 전력은 다음 수학식 1로 표현될 수 있다. 수학식 1에서 D는 도 1의 (a)의 도시된 펄스 파형의 듀티 사이클(duty cycle), 즉 임계 전압을 초과하는 전압 구간의 길이와 펄스 파형의 주기의 비율을 의미하고, RDS은 드레인과 소스간의 저항을 의미한다. 즉, D x IDS 2 X RDS은 턴-온 상태에서 드레인과 소스간의 저항에 의해 소비된 전력을 의미하고, f는 MOSFET의 스위칭 주파수를 의미한다. D x IDS 2 X RDS도 MOSFET의 발열에 기여할 수 있으나, 기생 성분들로 인한 발열에 비하면 미미하다.
Figure pat00001
다음 수학식 2는 MOSFET의 효율을 나타낸다. 수학식 2에서 Pin은 MOSFET로 입력된 총 전력을 의미한다. 수학식 2로부터 MOSFET에서 손실되는 전력이 적을수록, 즉 MOSFET의 스위칭 과정에서의 발열이 적을수록 MOSFET의 효율은 100%에 가까워짐을 알 수 있다.
Figure pat00002
도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 히팅 모듈(heating module)(10)의 구성도이다. 도 3의 (a)에는 하나의 MOSFET만을 포함하는 가장 단순한 구조의 히팅 모듈(100)이 도시되어 있다. 도 3의 (a)에 도시된 히팅 모듈(100)은 연료 전지 또는 주변 기기들 중 어느 하나의 기기에 부착된 MOSFET(101)와 이것을 감싸고 있는 단열재(102)로 구성된다. 단열재(102)는 열전도율이 낮은 시트(sheet) 형태의 물질로서 MOSFET(101)에서 발생된 열이 MOSFET(101)가 부착된 기기로만 전달되도록 하기 위하여 MOSFET(101)의 부착 면을 제외하고, MOSFET(101)의 나머지 면들을 감싸고 있다. MOSFET(101)의 소스는 접지되고, MOSFET(101)의 드레인에는 MOSFET(101)의 발열에 요구되는 일정한 전류가 입력되고, MOSFET(101)의 게이트에는 MOSFET(101)를 스위칭하는 펄스 신호가 입력될 수 있다. MOSFET(101)의 게이트로 도 2의 (a)에 도시된 바와 같은 펄스 신호가 입력되면 MOSFET(101)는 스위칭되고, 히팅 모듈(100)은 MOSFET(101)의 스위칭 동작 중에 MOSFET(101)에서 발생된 발열을 이용하여 도 3의 (a)에 도시된 기기를 가열한다.
히팅 모듈(100)의 발열 성능을 높이기 위하여, 히팅 모듈(100)은 서로 직렬로 연결된 복수 개의 MOSFET들을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, 히팅 모듈(100)은 서로 직렬로 연결된 두 개의 MOSFET들을 포함할 수도 있다. 또한, 히팅 모듈(100)은 서로 병렬로 연결된 복수 개의 MOSFET들을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 도 3의 (c)에 도시된 바와 같이, 히팅 모듈(100)은 서로 병렬로 연결된 두 개의 MOSFET들을 포함할 수도 있다. 도 3의 (b)에 도시된 히팅 모듈(100)은 도 3의 (a)에 도시된 히팅 모듈(100)에 비해 드레인과 소스간의 전압이 두 배 높게 설정되어야 한다. 반면, 도 3의 (c)에 도시된 히팅 모듈(100)은 도 3의 (a)에 도시된 히팅 모듈(100)에 비해 드레인과 소스간의 전류가 두 배 높게 설정되어야 한다. 히팅 모듈(100)에 공급되는 에너지의 특성, 예를 들어 연료 전지 시스템의 배터리에 충전된 에너지의 특성을 고려하여, 도 3의 (b)의 직렬 구조와 도 3의 (c)의 병렬 구조 중 보다 적절한 구조가 선택되어야 할 것이다. 나아가, 히팅 모듈(100)은 도 3의 (b)의 직렬 구조와 도 3의 (c)의 병렬 구조가 혼합된 형태로 연결된 MOSFET들을 포함할 수도 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구성도이다. 도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 연료 전지 시스템은 연료 전지(10), 연료 저장소(fuel storage)(20), 제어기(30), DC/DC 컨버터(31), 배터리(32), 공기 펌프(air pump)(41), 회수 펌프(water recovery pump)(42), 순환 펌프(recycle pump)(43), 공급 펌프(feed pump)(44), 제 1 분리기(separator)(51), 제 2 분리기(52), 제 1 열교환기(heat exchanger)(61), 제 2 열교환기(62), 밸브 모듈(valve module)(70), 혼합기(mixer)(80), 센서(sensor)(90), 히팅 모듈들(101, 102) 및 온도 센서들(201, 202)로 구성된다. 일반적으로, 연료 전지(10)를 구동하여 연료 전지에서 생산된 전력을 부하에 공급하기 위한 주변 기기들을 BOP라고 부른다. BOP는 연료 전지(10)에 연료, 공기 등을 공급함으로써 연료 전지(10)를 구동하기 위한 주변기기들인 MBOP(Mechanical Balance Of Plants)와 연료 전지의 출력 전압 변환 등을 수행함으로써 연료 전지에서 생산된 전력을 부하에 공급하기 위한 주변 기기들인 EBOP(Electrical Balance Of Plants)로 분류될 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, MBOP의 구성 요소들간에는 이것들을 연결하는 여러 배관(pipe)들이 장착되어 있다. 또한, 도 4에 도시된 연료 전지 시스템에는 도 4에 도시된 구성 요소들 이외에 다른 장치들이 존재할 수 있다. 예를 들어, 도 4에 도시된 연료 전지 시스템에는 연료 전지(10)의 온도를 검출하기 위해 연료 전지(10)에 서미스터(thermistor)가 장착될 수도 있고, 센서(90) 등에 연결된 배관에 이 배관에 흐르는 연료의 불순물을 제거하기 위한 필터(filter) 등이 장착될 수도 있고, 제 1 열교환기(61)와 제 2 교환기(62)의 냉각을 위해 제 1 열교환기(61)와 제 2 교환기(62)에 팬(fan) 등이 장착될 수도 있다. 나아가, 도 4에 도시된 실시예가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 도 4에 도시된 구성 요소들 중 일부가 제거되는 방식으로 도 4에 도시된 실시예가 변형 설계될 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 도 4에 도시된 연료 전지 시스템으로부터 도 4에 도시된 구성 요소들 중 제 2 분리기(52), 제 1 열교환기(heat exchanger)(61), 제 2 열교환기(62) 중 적어도 하나는 제거될 수 있다. 다만, 이와 같은 구성 요소들의 제거로 인해 연료 전지 시스템의 물 회수 기능, 냉각 기능 등의 성능이 떨어질 수 있다.
연료 전지(10)는 연료가 가지고 있는 화학 에너지를 전기 화학적 반응 (electrochemical reaction)을 이용하여 직접 전기 에너지로 변환함으로써 DC(Direct Current) 전력을 생산하는 발전 장치이다. 이와 같은 연료 전지의 예로는 고체 산화물 연료 전지(SOFC, Solid Oxide Fuel Cell), 고분자 전해질 연료 전지(PEMFC, Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell), 직접 메탄올 연료 전지(DMFC, Direct Methanol Fuel Cell) 등을 들 수 있다. 특히, 도 1에 도시된 실시예는 직접 메탄올 연료 전지를 운전하기 위한 MBOP가 적용된 연료 전지 시스템이다. 다만, 이하에서 기술될 기술적 수단들은 다른 종류의 연료 전지에도 적용될 수 있다.
한편, 직접 메탄올 연료 전지는 메탄올을 수소 농도가 높아지도록 개질하는 간접 메탄올 연료 전지(indirect methanol fuel cell)와는 달리, 메탄올을 개질하는 과정 없이 연료 전지(10)의 애노드(anode)에서 메탄올과 물이 직접 반응하여 수소 이온과 전자를 생성한다. 이와 같이, 직접 메탄올 연료 전지는 메탄올을 개질하는 과정이 필요 없기 때문에 소형화가 가능하며, 주로 휴대용 연료 전지 시스템에 적용되고 있다.
직접 메탄올 연료 전지의 애노드에서는 CH3OH + H2O -> 6H+ + 6e- + CO2의 반응(reaction)이 일어나고, 캐소드(cathode)에서는 3/2O2 + 6H+ + 6e- -> 3H2O의 반응이 일어난다. 양자(H+)는 연료 전지 내부의 양자 교환 막(proton exchange membrane)을 통하여 전송되고, 전자(e-)는 애노드로부터 캐소드로 외부 회로를 통하여 전송된다. 이와 같은 과정에 의해 전력이 생산된다. 특히, 직접 메탄올 연료 전지에는 연료 전지(10)에서의 반응이 원활하게 이루어지도록 하기 위한 촉매(catalyst)가 존재한다. 일반적으로, 촉매는 백금으로 제조되며, 상기된 반응 과정에서의 온도가 너무 높을 경우에 열화될 수 있다. 이에 따라, 순수한 메탄올은 연료 전지(10)에 공급되지 않으며, 적당량의 물로 희석된 메탄올, 즉 적정 농도의 메탄올 수용액이 연료 전지(10)에 공급되어야 한다. 이하에서는 연료 전지(10)의 애노드 측 입구로 공급되는 메탄올 수용액을 간단히 연료로 호칭하기로 한다.
이와 같이, 연료 전지(10)의 열화를 방지하면서, 연료 전지(10)에서의 반응이 원활하게 이루어지도록 하기 위해서는 연료 전지(10)에 적정량의 메탄올, 물, 공기가 공급되어야 한다. 제어기(30)는 센서(90)에 의해 검출된 연료의 농도, 온도 등에 기초하여 연료 전지(10)에 공급되는 연료, 물, 공기의 양을 조절하기 위해 공기 펌프(41), 공급 펌프(44), 순환 펌프(43), 및 회수 펌프(42)를 제어한다. 이와 같은 제어기(30)는 마이크로컨트롤러(microcontroller) 등으로 구현될 수 있다. 연료 전지(10)는 혼합기(80)로부터 연료 전지(10)의 애노드 측의 입구로 공급된 적정 농도의 연료를 이용하여 전력을 생산한다. 연료 전지(10)의 전력 생산 과정에서, 연료 전지(10)의 애노드 측의 출구로부터 상기된 반응 과정의 부산물인 이산화탄소, 미 반응된 연료 등이 배출되고, 연료 전지(10)의 캐소드 측의 출구로부터 상기된 반응 과정의 부산물인 물 등이 배출된다.
제 1 분리기(51)는 연료 전지(10)의 애노드 측의 출구로부터 배출된 부산물과 미반응 연료 등으로부터 메탄올과 물을 분리해 냄으로써 메탄올과 물을 회수한다. 연료 전지(10)의 캐소드 측의 출구로부터 배출된 부산물은 연료 전지(10)에서의 반응열 등으로 인한 고온의 유체로서 증기 형태의 수분을 포함하고 있다. 이것은 제 1 열교환기(61)를 통과하면서 제 1 열교환기(61)의 열 교환 과정(heat exchange process)에 의해 냉각되며, 이 과정에서 일부의 물이 회수된다. 제 2 분리기(52)는 이와 같이 냉각된 부산물로부터 물을 분리해 냄으로써 물을 회수하고, 이와 같은 회수 과정 이후의 나머지 부산물인 이산화탄소 등을 외부로 배출한다. 제 1 분리기(51)와 제 2 분리기(52)는 원심 분리 등을 이용하여 연료 전지(10)로부터 배출된 부산물과 미반응 연료 등으로부터 메탄올과 물을 분리할 수 있다. 회수 펌프(42)는 제 2 분리기(52)에 의해 회수된 물을 흡입하여 제 1 분리기(51)에 배출한다. 이에 따라, 제 1 분리기(51)로부터 제 1 분리기(51)에 의해 회수된 메탄올과 제 1 분리기(51) 및 제 2 분리기(52)에 의해 회수된 물이 섞인 저농도의 연료가 배출되게 된다.
연료 저장소(20)는 고농도의 연료, 예를 들어 100%의 메탄올이 저장되는 용기로서 원통형, 박스형 등 여러 가지 모양의 용기로 제조될 수 있다. 연료 저장소(20)는 연료가 리필(refill)될 수 형태로 제조될 수 있다. 또한, 연료 저장소(20)는 도 1에 도시된 연료 전지 시스템에 탈부착이 가능한 형태로 제조될 수 있으며, 일반적으로 카트리지(cartridge)로 호칭된다.
밸브 모듈(70)은 연료 순환 라인(71)과 연료 공급 라인(72)이 연결되는 지점에 삽입되어, 연료 순환 라인(71)을 통해 연료 전지(10)로부터 연료 전지(10)로 순환되는 저농도 연료의 흐름과 연료 공급 라인(72)을 통해 연료 저장소(20)로부터 연료 전지(10)로 공급되는 고농도 연료의 흐름을 제어한다. 여기에서, 연료 순환 라인(71)은 연료 전지(10)로부터 배출된 미반응 연료가 다시 연료 전지(10)로 흘러 들어가는 경로에 있는 배관들을 나타내고, 연료 공급 라인(72)은 연료 저장소(20)로부터 연료 전지(10)로 새로이 공급되는 연료가 흐르는 경로에 있는 배관들을 나타낸다.
순환 펌프(43)는 밸브 모듈(70)의 연료 흐름 제어에 따라 밸브 모듈(70)로부터 연료 순환 라인(71)을 통해 수송된 저농도 연료와 연료 공급 라인(72)을 통해 수송된 고농도 연료 중 적어도 하나를 흡입하여 제 2 열교환기(62)를 통하여 혼합기(80)로 배출한다. 이와 같이, 순환 펌프(43)는 이것의 펌핑 동작에 의해 연료 전지 시스템 내의 소정 경로, 즉 연료 공급 라인(72) 상의 연료 저장소(20), 공급 펌프(44)를 제외한 나머지 주변기기들, 연료 전지(10)와 이것들을 연결하는 배관들을 따라 연료를 순환시킨다. 순환 펌프(43)로부터 배출된 연료는 제 2 열교환기(62)를 통과하면서 제 2 열교환기(62)의 열 교환 동작에 의해 연료의 온도가 조정된다. 혼합기(80)는 순환 펌프(43)로부터 배출된 저농도 연료와 고농도 연료를 혼합하고, 이와 같은 혼합 과정을 거쳐 생성된 적정 농도의 연료를 연료 전지(10)에 공급한다.
제 1 열교환기(61)는 연료 전지(10)로부터 배출되는 물이 흐르는 배관 라인의 특정 지점, 예를 들어 연료 전지(10)의 캐소드 측의 출구에 위치하여, 연료 전지(10)의 캐소드로부터 배출된 물의 온도를 제어한다. 제 2 열교환기(62)는 연료 전지(10)로 공급되는 연료가 흐르는 배관 라인의 특정 지점, 예를 들어 순환 펌프(43)와 혼합기 사이에 위치하여, 연료 전지(10)의 애노드 측의 입구로 공급되는 연료의 온도를 제어한다. 제 1 열교환기(61)와 제 2 교환기(62)는 연료 전지 시스템의 배관 내부에 흐르는 유체와 배관 외부의 매체간의 열 교환이 원활하게 이루어질 수 있는 형태의 금속관, 탱크 등으로 구현될 수 있다.
한편, 도 4에 도시된 연료 전지 시스템은 연료 전지(10)의 출력 변화에 따라 연료 전지(10)와 배터리(32) 중 적어도 하나의 출력 전력을 부하(33)에 공급하는 하이브리드(hybrid) 구조를 갖는다. 배터리(32)는 연료 전지(10)의 시동을 위한 전원(power source)으로서의 역할을 하거나, 연료 전지(41)와 함께 부하(40)에 대한 전원으로서의 역할을 한다. 도 4의 실시예 및 이하의 다른 실시예들에 사용되는 배터리(32)는 일반적으로 리튬 배터리가 될 수 있으나, 충전이 가능한 대용량 커패시터(capacitor) 등도 될 수 있다. 또한, 배터리(32)는 도 4에 도시된 연료 전지 시스템 내부에 장착될 수도 있고, 연료 전지 시스템의 외부에 장착될 수도 있다. 이와 같이, 배터리가 장착된 연료 전지 시스템은 독립적으로 전력 생산이 가능하기 때문에 휴대용 연료 전지 시스템으로 사용될 수 있다.
DC/DC 컨버터(31)는 연료 전지(10)의 출력 전압을 제어부(30)의 제어에 따른 전압으로 변경한다. DC/DC 컨버터(31)의 출력 전력 중 부하(40)에 공급되고 남은 잉여 전력은 배터리(32)의 충전용으로 사용된다. DC/DC 컨버터(31)는 제어부(30)의 제어에 따라 연료 전지(10)로부터 정전류(constant current)가 출력되도록 연료 전지(10)의 출력 전압을 변경할 수 있다. 이것은 연료 전지 시스템이 연료 전지(10)로부터 정전류가 출력되도록 정전류 운전을 하는 경우이다. 아니면, DC/DC 컨버터(31)는 제어부(30)의 제어에 따라 부하(4) 측으로 정전압(constant voltage)이 입력되도록 연료 전지(10)의 출력 전압을 변경할 수 있다. 이것은 연료 전지 시스템이 연료 전지(10)로부터 정전압이 출력되도록 정전압 운전을 하는 경우이다.
상기된 주변 기기들은 일반적으로 연료 전지(10)로부터 제공된 전력, 즉 DC/DC 컨버터(31)로부터 출력된 전력을 이용하여 구동되나, 연료 전지(10)의 전력 생산이 되지 않거나 충분하지 않은 상태라면 배터리(32)로부터 출력된 전력을 이용하여 구동될 수 있다. 특히, 연료 전지(10)가 시동되기 전에는 연료 전지(10)에 의해 전력이 생산되지 않기 때문에 연료 전지(10)와 주변 기기들을 가열하기 위한 에너지 및 이 가열 과정에서 주변 기기들을 구동하기 위한 에너지는 배터리(32)로부터 공급되어야 한다. 상술한 바와 같이, MOSFET과 같은 반도체 소자는 열선(hot wire), 저항 등과 같은 기존의 발열 수단에 비해 소비 전력이 적기 때문에 배터리(32)에 충전된 에너지만으로 극저온에서 연료 전지(10)를 시동할 수 있다. 한편, 도 4에서는 도면이 복잡해지는 것을 피하기 위하여 연료 전지(10), DC/DC 컨버터(31), 배터리(32), 부하(33) 사이에만 주요 전력선이 도시되어 있고, 연료 전지(10) 또는 배터리(32)로부터 주변 기기들로 연결되는 전력선은 생략되어 있다.
연료 전지(10)에는 히팅 모듈(101)과 온도 센서(201)가 부착되어 있고, 제 1 분리기(51)에는 히팅 모듈(102)과 온도 센서(202)가 부착되어 있다. 연료 전지(10)의 온도가 일정 수준 이상 되지 않으면 연료 전지(10) 내의 전기 화학적 반응이 원활하게 일어나지 않는다. 또한, 제 1 분리기(51)는 물 회수를 담당하고 있기 때문에 제 1 분리기(51)가 결빙된 상태에서 연료 전지(10)가 구동되면 연료 전지(10)로 고농도의 연료가 공급될 수 있으며, 그 결과 연료 전지가 열화되거나 고장날 수 있다. 이에 따라, 도 4에 도시된 실시예에서는 히팅 모듈의 가열 대상으로 연료 전지(10)와 제 1 분리기(51)가 선정되었다.
히팅 모듈(101)은 도 3에 도시된 바와 같이 연료 전지(10)의 표면에 부착될 수도 있고, 아니면 연료 전지(10)의 내부에 부착될 수도 있다. 후자는 전자보다 연료 전지(10)의 가열 효과가 높을 수 있나, 연료 전지(10)의 제조 공정이 까다로울 수 있다. 마찬가지로, 히팅 모듈(102)도 제 1 분리기(51)의 표면에 부착될 수도 있고, 아니면 제 1 분리기(51)의 내부에 부착될 수도 있다. 온도 센서(201)는 히팅 모듈(101)의 구동 여부를 결정하는 값을 제공하기 때문에 최대한 히팅 모듈(101)에 가깝게 부착됨이 바람직하다. 마찬가지로, 온도 센서(202)도 최대한 히팅 모듈(102)에 가깝게 부착됨이 바람직하다. 상기된 바와 같은 히팅 모듈(102)과 온도 센서(202)의 부착 방식은 이하에서 설명될 다른 히팅 모듈과 온도 센서에도 적용된다.
히팅 모듈(101)과 히팅 모듈(102)은 도 3에 도시된 바와 같은 구성들을 갖는 기기로서 연료 전지(10)와 제 1 분리기(51)에 부착되어 있는 MOSFET들의 발열을 이용하여 연료 전지(10)와 제 1 분리기(51)를 가열한다. 온도 센서(201)와 온도 센서(202)는 연료 전지(10)와 제 1 분리기(51)에 부착되어, 연료 전지(10)의 온도와 제 1 분리기(51)의 온도를 검출한다. 제어기(30)는 온도 센서(201)와 온도 센서(202)로부터 연료 전지(10)의 온도와 제 1 분리기(51)의 온도를 입력받고, 그 입력 값에 따라 히팅 모듈(101)과 히팅 모듈(102) 각각에 포함된 MOSFET의 게이트로 입력되는 전압을 제어함으로써 히팅 모듈(101)과 히팅 모듈(102) 각각에 포함된 MOSFET를 스위칭할 수 있다. 제어기(30)는 이와 같은 MOSFET의 스위칭에 의해 히팅 모듈(101)과 히팅 모듈(102) 각각의 MOSFET의 발열을 제어할 수 있다. 따라서, 히팅 모듈(101)과 히팅 모듈(102)은 온도 센서(201)와 온도 센서(202)에 의해 검출된 온도에 따라 연료 전지(10)와 제 1 분리기(51)에 부착되어 있는 MOSFET들의 발열을 이용하여 연료 전지(10)와 제 1 분리기(51)를 가열하게 된다.
즉, 제어기(30)가 히팅 모듈(101)과 히팅 모듈(102) 각각에 포함된 MOSFET의 게이트에 도 2의 (a)에 도시된 바와 같은 펄스 신호, 즉 특정 주파수의 펄스 형태로 전압이 변화되는 신호를 출력하는 것에 의해 히팅 모듈(101)과 히팅 모듈(102) 각각에 포함된 MOSFET를 스위칭하면, 히팅 모듈(101)과 히팅 모듈(102)은 이 신호의 특정 주파수에 비례하여 스위칭되는 MOSFET의 발열을 이용하여 연료 전지(10)와 제 1 분리기(51)를 가열한다. 따라서, 히팅 모듈(101)과 히팅 모듈(102) 각각에 포함된 MOSFET의 게이트로 입력된 신호의 주파수가 높을수록 히팅 모듈(101)과 히팅 모듈(102)의 발열 성능이 향상되게 된다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 저온 운전 방법의 흐름도이다. 도 5를 참조하면, 본 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 저온 운전 방법은 도 4에 도시된 제어부(30)에서 시계열적으로 처리되는 단계들로 구성된다. 따라서, 이하 생략된 내용이라 하더라도 도 4에 도시된 연료 전지 시스템에 관하여 이상에서 기술된 내용은 이하에서 기술될 연료 전지 시스템의 저온 운전 방법에도 적용된다. 이하에서는 도 5를 참조하면서 도 4에 도시된 제어기(30)의 저온 운전 방법을 상세히 살펴보기로 한다.
501 단계에서 제어기(30)는 온도 센서들(201, 202) 각각으로부터 연료 전지(10)의 현재 온도와 제 1 분리기(51)의 현재 온도를 입력받는다. 502 단계에서 제어기(30)는 501 단계에서 입력된 온도 값들을 목표 온도와 비교한다. 여기에서, 목표 온도는 연료 전지 시스템의 성능 내지 내구성에 영향 없이 연료 전지 시스템의 운전이 가능한 주요 기기의 최소 온도, 즉 연료 전지(10)와 제 1 분리기(51)의 최소 온도를 의미한다. 이와 같은 목표 온도는 온도가 변화되는 챔버(chamber) 내에서 연료 전지 시스템의 운전 테스트를 실시함으로써 결정될 수 있다. 한편, 상기된 목표 온도는 연료 전지(10)와 제 1 분리기(51) 별로 설정될 수도 있다. 예를 들어, 연료 전지(10)의 목표 온도는 연료 전지(10)의 시동이 가능한 최소 온도로 설정될 수 있고, 제 1 분리기(51)의 목표 온도는 연료 전지(10)의 배출물로부터 메탄올, 물 등의 분리가 가능한 최소 온도로 설정될 수 있다. 502 단계에서의 비교 결과, 연료 전지(10)의 현재 온도와 제 1 분리기(51)의 현재 온도 중 적어도 하나가 연료 전지(10)의 목표 온도보다 낮으면 503 단계로 진행하고, 그렇지 않으면 504 단계로 진행한다.
503 단계에서 제어기(30)는 연료 전지(10)의 현재 온도가 목표 온도보다 낮으면 히팅 모듈(101)의 MOSFET를 스위칭함으로써 히팅 모듈(101)의 MOSFET의 발열을 유도하고, 제 1 분리기(51)의 현재 온도가 목표 온도보다 낮으면 제 1 분리기(51)에 부착된 히팅 모듈(102)의 MOSFET를 스위칭함으로써 히팅 모듈(102)의 MOSFET의 발열을 유도한다. 한편, 연료 전지(10)와 제 1 분리기(51) 각각에 반드시 온도 센서가 하나씩 부착되어야 하는 것은 아니며, 연료 전지(10)와 제 1 분리기(51) 중 어느 하나에 하나의 온도 센서가 부착될 수 있으며, 하나의 온도 센서에 의해 검출된 값에 기초하여 히팅 모듈들(101, 102) 모두의 발열이 제어될 수도 있다.
503 단계가 일정 시간 동안 수행된 후에는 연료 전지(10)의 현재 온도와 제 1 분리기(51)의 현재 온도가 목표 온도에 도달하였는가를 확인하기 위해 다시 502 단계로 돌아간다. 온도 센서들(201, 202)로부터 출력된 신호는 제어기(30)에 계속적으로 입력되기 때문에 502 단계에서 제어기(30)는 503 단계에 의해 상승된 온도 값들을 목표 온도와 비교하게 되고, 그 결과 주요 기기의 온도가 연료 전지 시스템의 성능 내지 내구성에 영향 없이 연료 전지 시스템의 운전이 가능한 온도로 상승될 때까지 503 단계는 반복된다.
504 단계에서 제어기(30)는 연료 전지(10)를 시동하기 위하여 공급 펌프(44), 공기 펌프(41) 등의 동작을 시작함으로써 연료 전지(10)에 연료, 공기 등의 공급을 시작하고, 연료 전지(10)의 워밍업(warming-up)을 위한 연료, 공기 등의 공급량을 참조하여 공급 펌프(44), 공기 펌프(41) 등의 펌핑 동작을 제어한다. 공급 펌프(44), 공기 펌프(41) 등의 펌핑 동작을 제어하기 위한 방식의 예들은 다음과 같다. 예를 들어, 제어기(30)는 공급 펌프(44), 공기 펌프(41) 등의 펌핑 속도를 일정하게 유지하면서 펌핑의 온/오프 비(on/off rate)를 조정함으로써 공급 펌프(44), 공기 펌프(41) 등에 의한 메탄올, 공기 등의 펌핑 량을 조정(adjust)할 수 있다. 아니면, 제어기(30)는 공급 펌프(44), 공기 펌프(41) 등의 펌핑의 온(on)을 계속 유지하면서 펌핑 속도를 조정함으로써 공급 펌프(44), 공기 펌프(41) 등에 의한 메탄올, 공기 등의 펌핑 량을 조정할 수 있다. 연료 전지(10)의 시동이 완료되면, 연료 전지 시스템의 정상적인 운전이 가능하게 된다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구성도이다. 도 6을 참조하면, 본 실시예에 따른 연료 전지 시스템은 도 4에 도시된 실시예의 구성 요소들에 추가적으로 히팅 모듈(103) 및 온도 센서(203)를 포함한다. 따라서, 도 4에 도시된 실시예의 구성 요소들과 동일한 구성 요소들에 대한 설명은 생략되며, 도 4에 도시된 실시예의 구성 요소들의 설명으로 갈음하기로 한다.
순환 펌프(43)에는 히팅 모듈(103) 및 온도 센서(203)가 부착되어 있다. 연료 전지 시스템이 극저온 환경에서 장기간 보관될 경우, 고농도 연료가 남아 있는 연료 공급 라인(72), 연료 저장소(20) 및 공급 펌프(44)를 제외하고, 저농도 연료가 남아 있는 거의 모든 주변 기기들 및 배관들이 결빙된다. 도 4에 도시된 실시예에서는 히팅 모듈들(101, 102)에 의해 연료 전지(10)와 제 1 분리기(51)가 가열되나, 연료 전지(10)와 제 1 분리기(51)의 온도 상승만으로는 저농도 연료가 남아 있는 주변 기기들 및 배관들이 해빙되지 않거나, 해빙되기까지 오랜 시간이 소요되게 된다.
이에 따라, 도 6에 도시된 실시예에서는 연료 전지 시스템의 주요 기기들의 온도가 매우 낮은 경우에 순환 펌프(43)를 가열하고, 순환 펌프(43)를 구동함으로써 연료 전지 시스템 내에 남아 있는 유체를 순환시키는 것에 의해 이 유체가 순환되는 경로 상에 위치한 주변 기기들 및 배관들을 워밍(warming)한다. 여기에서, 연료 전지 시스템 내에 남아 있는 유체는 연료 전지(10)로 아직 유입되지 않은 잔여 연료, 연료 전지(10)의 배출물 등으로 구성된다. 이와 같이, 순환 펌프(43) 내에서 온도가 상승된 유체가 연료 전지 시스템 내에서 순환됨으로서 연료 공급 라인(72) 상의 연료 저장소(20), 공급 펌프(44)를 제외한 나머지 주변 기기들, 연료 전지(10)와 이것들을 연결하는 배관들의 온도가 상승하게 된다. 또한, 배관들의 온도 상승을 신속하게 하기 위하여, 배관들에 추가적인 히팅 모듈들이 부착될 수도 있다.
한편, 히팅 모듈들(101, 102, 103) 중 적어도 하나에 포함된 MOSFET는 어떤 주변 기기에 포함된 전자 회로에 의해 공유될 수 있다. 히팅 모듈들(101, 102, 103)이 부착된 기기들의 온도가 특정 온도보다 낮은 경우에는 MOSFET는 이 주변 기기들의 가열에 사용되고, 연료 전지(10)의 시동이 완료된 후에는 MOSFET가 적용된 전자 회로를 포함하는 주변 기기의 구동에 사용될 수 있다. 예를 들어, 히팅 모듈(103)과 순환 펌프(43)의 구동 회로는 적어도 하나의 MOSFET를 공유할 수 있다. 이 경우, 순환 펌프(43)의 온도가 특정 온도보다 낮은 경우에는 MOSFET는 순환 펌프(43)의 가열에 사용되고, 연료 전지(10)의 시동이 완료된 후에는 MOSFET는 순환 펌프(43)의 펌핑의 온/오프 비 내지 펌핑 속도를 제어하기 위해 사용될 수 있다. 이와 같이, 연료 전지 시스템에 이미 적용되어 있는 MOSFET를 발열의 소재로 사용함으로써 연료 전지 시스템의 온도 제어를 위한 MOSFET를 추가적으로 구비할 필요가 없게 된다. 그 결과, 연료 전지 시스템의 크기의 큰 변동 없이 저렴한 비용으로 연료 전지 시스템의 저온 운전 기능을 추가적으로 구현할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 저온 운전 방법의 흐름도이다. 도 7을 참조하면, 본 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 저온 운전 방법은 도 6에 도시된 제어부(30)에서 시계열적으로 처리되는 단계들로 구성된다. 따라서, 이하 생략된 내용이라 하더라도 도 6에 도시된 연료 전지 시스템에 관하여 이상에서 기술된 내용은 이하에서 기술될 연료 전지 시스템의 저온 운전 방법에도 적용된다. 이하에서는 도 7을 참조하면서 도 6에 도시된 제어기(30)의 저온 운전 방법을 상세히 살펴보기로 한다.
701 단계에서 제어기(30)는 온도 센서들(201, 202, 203) 각각으로부터 연료 전지(10)의 현재 온도, 제 1 분리기(51)의 현재 온도, 및 순환 펌프(43)의 현재 온도를 입력받는다. 702 단계에서 제어기(30)는 701 단계에서 입력된 온도 값들을 목표 온도와 비교한다. 702 단계에서의 비교 결과, 연료 전지(10)의 현재 온도, 제 1 분리기(51)의 현재 온도, 및 순환 펌프(43)의 현재 온도 중 적어도 하나가 목표 온도보다 낮으면 703 단계로 진행하고, 그렇지 않으면 706 단계로 진행한다. 703 단계에서 제어기(30)는 701 단계에서 입력된 온도 값들을 임계 온도와 비교한다. 여기에서, 임계 온도는 순환 펌프(43)의 펌핑에 의해 연료 전지 시스템에 남아 있는 유체가 순환 펌프(43)를 통해 순환될 수 있는 주요 기기의 최소 온도, 즉 연료 전지(10), 제 1 분리기(51), 및 순환 펌프(43)의 최소 온도를 의미한다. 이와 같은 임계 온도는 온도가 변화되는 챔버 내에서 연료 전지 시스템의 운전 테스트를 실시함으로써 결정될 수 있다. 703 단계에서의 비교 결과, 연료 전지(10)의 현재 온도, 제 1 분리기(51)의 현재 온도, 및 순환 펌프(43)의 현재 온도 중 적어도 하나가 임계 온도보다 낮으면 704 단계로 진행하고, 그렇지 않으면 705 단계로 진행한다. 극저온에서 장기간 보관된 연료 전지 시스템의 온도는 일반적으로 임계 온도보다 낮을 것이다.
704 단계에서 제어기(30)는 연료 전지(10)의 현재 온도가 임계 온도보다 낮으면 히팅 모듈(101)의 MOSFET를 스위칭함으로써 히팅 모듈(101)의 MOSFET의 발열을 유도하고, 제 1 분리기(51)의 현재 온도가 임계 온도보다 낮으면 제 1 분리기(51)에 부착된 히팅 모듈(102)의 MOSFET를 스위칭함으로써 히팅 모듈(102)의 MOSFET의 발열을 유도하고, 순환 펌프(43)의 현재 온도가 임계 온도보다 낮으면 순환 펌프(43)에 부착된 히팅 모듈(103)의 MOSFET를 스위칭함으로써 히팅 모듈(103)의 MOSFET의 발열을 유도한다. 한편, 연료 전지(10), 제 1 분리기(51), 및 순환 펌프(43) 각각에 반드시 온도 센서가 하나씩 부착되어야 하는 것은 아니며, 연료 전지(10)와 제 1 분리기(51) 중 어느 하나에 하나의 온도 센서가 부착될 수 있으며, 하나의 온도 센서에 의해 검출된 값에 기초하여 히팅 모듈들(101, 102, 103) 모두의 발열이 제어될 수도 있다.
704 단계가 일정 시간 동안 수행된 후에는 연료 전지(10)의 현재 온도, 제 1 분리기(51)의 현재 온도, 및 순환 펌프(43)의 현재 온도가 임계 온도에 도달하였는가를 확인하기 위해 다시 703 단계로 돌아간다. 온도 센서들(201, 202, 203)로부터 출력된 신호는 제어기(30)에 계속적으로 입력되기 때문에 703 단계에서 제어기(30)는 704 단계에 의해 상승된 온도 값들을 목표 온도와 비교하게 되고, 그 결과 주요 기기의 온도가 순환 펌프(43)의 펌핑에 의해 연료 전지 시스템에 남아 있는 유체가 순환 펌프(43)를 통해 순환될 수 있는 온도로 상승될 때까지 704 단계는 반복된다.
705 단계에서 제어기(30)는 순환 펌프(43)를 구동시킴으로써 연료 전지 시스템 내에 남아 있는 유체를 순환시키는 것에 의해 이 유체가 순환되는 경로 상에 위치한 주변 기기들 및 배관들을 워밍한다. 705 단계가 일정 시간 동안 수행된 후에는 연료 전지(10)의 현재 온도, 제 1 분리기(51)의 현재 온도, 및 순환 펌프(43)의 현재 온도가 목표 온도에 도달하였는가를 확인하기 위해 다시 702 단계로 돌아간다. 706 단계에서 제어기(30)는 연료 전지(10)를 시동하기 위하여 공급 펌프(44), 공기 펌프(41) 등의 동작을 시작함으로써 연료 전지(10)에 연료, 공기 등의 공급을 시작하고, 연료 전지(10)의 워밍업(warming-up)을 위한 연료, 공기 등의 공급량을 참조하여 공급 펌프(44), 공기 펌프(41) 등의 펌핑 동작을 제어한다. 연료 전지(10)의 시동이 완료되면, 연료 전지 시스템의 정상적인 운전이 가능하게 된다.
연료 전지(10)의 시동이 완료된 후에 연료 전지 시스템이 정상적인 운전 모드(mode)로 진입하면, 제어기(30)는 히팅 모듈들(101, 102, 103)의 적어도 하나에 포함된 MOSFET로 도 2의 (a)에 도시된 신호와는 다른 신호를 출력하는 것에 의해 MOSFET가 적용된 전자 회로를 포함하는 주변 기기를 구동할 수도 있다. 예를 들어, 히팅 모듈(103)과 순환 펌프(43)의 구동 회로는 적어도 하나의 MOSFET를 공유할 수 있다. 이 경우, 제어기(30)는 연료 전지(10)의 시동이 완료된 후에 순환 펌프(43)의 펌핑의 온/오프 비 내지 펌핑 속도를 나타내는 신호를 출력하는 것에 의해 순환 펌프(43)의 구동 회로의 동작을 제어함으로써 순환 펌프(43)의 모터가 상기된 온/오프 비 내지 펌핑 속도로 회전하도록 할 수 있다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구성도이다. 도 6을 참조하면, 본 실시예에 따른 연료 전지 시스템은 도 6에 도시된 실시예의 구성 요소들로부터 히팅 모듈들(101, 102) 및 온도 센서들(201, 202)이 제거되어 있고, 이것들을 제외한 나머지 구성 요소들을 모두 포함한다. 따라서, 도 6에 도시된 실시예의 구성 요소들과 동일한 구성 요소들에 대한 설명은 생략되며, 도 6에 도시된 실시예의 구성 요소들의 설명으로 갈음하기로 한다.
상술한 바와 같이, 순환 펌프(43)가 구동되면, 연료 공급 라인(72) 상의 연료 저장소(20), 공급 펌프(44)를 제외한 나머지 주변기기들, 연료 전지(10)와 이것들을 연결하는 배관들을 통해 연료가 순환되며, 연료 공급 라인(72) 상의 연료 저장소(20)와 공급 펌프(44)에는 고농도 연료가 남아있기 때문에 지구 상에 존재하는 거의 모든 환경에서 결빙이 되지 않는다. 따라서, 히팅 모듈(103)의 발열 성능이 우수하다면 순환 펌프(43)의 구동만으로도 연료 전지 시스템 전체가 해빙될 수 있다. 이에 따라, 도 8에 도시된 실시예에서는 연료 전지(10)와 주변 기기들 중 순환 펌프(43)에만 히팅 모듈(103)과 온도 센서(203)가 부착되어 있다. 다만, 연료 전지(10)의 온도는 연료 전지(10)의 시동을 결정하는데 있어서 중요한 요소이기 때문에 연료 전지(10)에 추가적으로 온도 센서가 부착될 수도 있다.
한편, 히팅 모듈(103)의 발열 성능을 높이기 위해서 도 2에 도시된 (b) 및 (c)에 도시된 바와 같이, 다수의 MOSFET들을 하나의 히팅 모듈에 내장시킬 수 있다. 이와 같은 다수의 MOSFET들로서 연료 전지 시스템에 이미 적용되어 있는 MOSFET들이 사용될 수도 있다. 예를 들어, 순환 펌프(43)의 모터로서 브러시리스 모터(brushless motor)가 사용되는 경우에 브러시리스 모터의 구동 회로에는 다수의 MOSFET들이 포함되어 있다. 이와 같은 경우, 히팅 모듈(103)과 순환 펌프(43)의 구동 회로는 다수의 MOSFET들을 공유할 수 있다.
또한, DC/DC 컨버터(31)에도 다수의 MOSFET들이 포함될 수 있으며, 히팅 모듈(103)과 DC/DC 컨버터(31)는 다수의 MOSFET들을 공유할 수 있다. 즉, DC/DC 컨버터(31)는 순환 펌프(43)의 온도가 특정 온도보다 낮으면 히팅 모듈(103)로서의 역할을 하게 된다. 이 경우, 히팅 모듈(103)에 의해 가열되는 대상과 히팅 모듈(103)과 MOSFET를 공유하는 대상이 서로 다르며, DC/DC 컨버터(31)는 순환 펌프(43)에 부착된다. DC/DC 컨버터(31)가 히팅 모듈(103)로서의 역할을 할 때에 연료 전지(10)로부터 DC/DC 컨버터(31)로 전력이 공급되면, DC/DC 컨버터(31)로부터 연료 전지 시스템 내지 부하의 고장을 유발할 수 있는 큰 전압 내지 전류가 출력될 수 있다. 따라서, DC/DC 컨버터(31)가 히팅 모듈(103)로서의 역할을 할 때에는 연료 전지(10)와 DC/DC 컨버터(31)간의 연결이 단절될 수 있도록 하기 위한 스위치가 연료 전지(10)와 DC/DC 컨버터(31) 사이에 삽입될 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 저온 운전 방법의 흐름도이다. 도 9를 참조하면, 본 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 저온 운전 방법은 도 8에 도시된 제어부(30)에서 시계열적으로 처리되는 단계들로 구성된다. 따라서, 이하 생략된 내용이라 하더라도 도 8에 도시된 연료 전지 시스템에 관하여 이상에서 기술된 내용은 이하에서 기술될 연료 전지 시스템의 저온 운전 방법에도 적용된다. 이하에서는 도 9를 참조하면서 도 8에 도시된 제어기(30)의 저온 운전 방법을 상세히 살펴보기로 한다.
901 단계에서 제어기(30)는 온도 센서(203)로부터 순환 펌프(43)의 현재 온도를 입력받는다. 902 단계에서 제어기(30)는 901 단계에서 입력된 온도 값을 목표 온도와 비교한다. 902 단계에서의 비교 결과, 순환 펌프(43)의 현재 온도가 목표 온도보다 낮으면 903 단계로 진행하고, 그렇지 않으면 905 단계로 진행한다.
903 단계에서 제어기(30)는 순환 펌프(43)에 부착된 히팅 모듈(103)의 MOSFET를 스위칭함으로써 히팅 모듈(103)의 MOSFET의 발열을 유도한다. 이어서, 904 단계에서 제어기(30)는 순환 펌프(43)를 구동시킴으로써 연료 전지 시스템 내에 남아 있는 유체를 순환시키는 것에 의해 이 유체가 순환되는 경로 상에 위치한 주변 기기들 및 배관들을 워밍한다. 903 단계 및 904 단계가 일정 시간 동안 수행된 후에는 순환 펌프(43)의 현재 온도가 목표 온도에 도달하였는가를 확인하기 위해 다시 902 단계로 돌아간다. 온도 센서(203)로부터 출력된 신호는 제어기(30)에 계속적으로 입력되기 때문에 902 단계에서 제어기(30)는 903 단계 및 904 단계에 의해 상승된 온도 값들을 목표 온도와 비교하게 되고, 그 결과 주요 기기의 온도가 연료 전지 시스템의 성능 내지 내구성에 영향 없이 연료 전지 시스템의 운전이 가능한 온도로 상승될 때까지 903 단계 및 904 단계는 반복된다.
905 단계에서 제어기(30)는 연료 전지(10)를 시동하기 위하여 공급 펌프(44), 공기 펌프(41) 등의 동작을 시작함으로써 연료 전지(10)에 연료, 공기 등의 공급을 시작하고, 연료 전지(10)의 워밍업을 위한 연료, 공기 등의 공급량을 참조하여 공급 펌프(44), 공기 펌프(41) 등의 펌핑 동작을 제어한다. 연료 전지(10)의 시동이 완료된 후에 연료 전지 시스템이 정상적인 운전 모드로 진입하면, 제어기(30)는 히팅 모듈(103)에 포함된 MOSFET로 도 2의 (a)에 도시된 신호와는 다른 신호를 출력하는 것에 의해 MOSFET가 적용된 전자 회로를 포함하는 주변 기기를 구동할 수도 있다. 예를 들어, 히팅 모듈(103)과 DC/DC 컨버터(31)는 다수의 MOSFET들을 공유할 수 있다. 이 경우, 제어기(30)는 연료 전지(10)의 시동이 완료된 후에 DC/DC 컨버터(31)의 전압 변환 비를 나타내는 신호를 출력하는 것에 의해 DC/DC 컨버터(31)의 전압 변환을 제어할 수 있다.
상기된 바와 같은 실시예들에 따르면, MOSFET의 발열을 이용하여 연료 전지(10), 주변 기기들 및 이것들을 연결하는 배관을 가열함으로써 배터리(32)에 충전되어 있는 에너지만으로 극저온에서 연료 전지(10)를 시동할 수 있다. 또한, 연료 전지 시스템에 이미 적용되어 있는 MOSFET의 발열을 이용하여 연료 전지(10), 주변 기기들 및 이것들을 연결하는 배관을 가열함으로써 연료 전지 시스템의 크기의 큰 변동 없이 저렴한 비용으로 연료 전지 시스템의 저온 운전 기능을 추가적으로 구현할 수 있다.
한편, 앞서 제시된 제어기(30)에 의해 실행되는 연료 전지 시스템의 여러 운전 방법은 컴퓨터에서 실행될 수 있는 프로그램으로 작성 가능하고, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 이용하여 상기 프로그램을 동작시키는 범용 디지털 컴퓨터에서 구현될 수 있다. 상기 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는 마그네틱 저장매체(예를 들면, 롬, 플로피 디스크, 하드 디스크 등), 광학적 판독 매체(예를 들면, 시디롬, 디브이디 등)와 같은 저장매체를 포함한다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 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.
10 ... 연료 전지
30 ... 제어기
43 ... 순환 펌프
51 ... 제 1 분리기
101, 102, 103 ... 히팅 모듈
201, 202, 203 ... 온도 센서

Claims (20)

  1. 연료를 이용하여 전력을 생산하는 연료 전지;
    상기 연료 전지를 구동하여 상기 연료 전지에서 생산된 전력을 부하에 공급하기 위한 주변 기기들; 및
    상기 연료 전지와 상기 주변 기기들 중 적어도 하나의 기기에 부착되어 있는 반도체 소자의 발열을 이용하여 상기 적어도 하나의 기기를 가열하는 적어도 하나의 히팅 모듈을 포함하는 연료 전지 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도체 소자는 트랜지스터이고,
    상기 적어도 하나의 히팅 모듈은 상기 트랜지스터의 스위칭 동작 중에 상기 트랜지스터에서 발생된 발열을 이용하여 상기 적어도 하나의 기기를 가열하는 연료 전지 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 주변 기기들은 상기 트랜지스터로 소정 주파수의 펄스 형태로 전압이 변화되는 신호를 출력하는 것에 의해 상기 트랜지스터를 스위칭함으로써 상기 반도체 소자의 발열을 제어하는 제어기를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 히팅 모듈은 상기 소정 주파수에 비례하여 스위칭되는 트랜지스터의 발열을 이용하여 상기 적어도 하나의 기기를 가열하는 연료 전지 시스템.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 트랜지스터는 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)인 연료 전지 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 기기에 부착되어, 상기 적어도 하나의 기기의 온도를 검출하는 온도 센서를 더 포함하고,
    상기 적어도 하나의 히팅 모듈은 상기 온도 센서에 의해 검출된 온도에 따라, 상기 반도체 소자의 발열을 이용하여 상기 적어도 하나의 기기를 가열하는 연료 전지 시스템.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 주변 기기들은 상기 온도 센서에 의해 검출된 온도를 소정 온도와 비교하고, 상기 비교 결과에 따라 상기 반도체 소자의 발열을 제어하는 제어기를 포함하는 연료 전지 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 온도 센서에 의해 검출된 온도가 상기 소정 온도보다 낮으면 상기 반도체 소자의 발열을 유도하고, 상기 입력된 온도가 상기 소정 온도보다 낮지 않으면 상기 연료 전지를 시동하는 단계를 더 포함하는 운전 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 주변 기기들은 상기 적어도 하나의 기기의 온도에 따라 상기 주변 기기들 중 소정 펌프를 구동시킴으로써 상기 연료 전지 시스템 내에 남아 있는 유체를 순환시키는 것에 의해 상기 유체가 순환되는 경로 상에 위치한 주변 기기들 및 배관들을 워밍(warming)하는 제어기를 포함하는 운전 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도체 소자는 상기 적어도 하나의 히팅 모듈과 상기 주변 기기들 중 적어도 하나의 주변 기기에 포함된 전자 회로에 의해 공유되고,
    상기 적어도 하나의 기기의 온도가 소정 온도보다 낮은 경우에는 상기 반도체 소자는 상기 적어도 하나의 기기의 가열에 사용되고, 상기 연료 전지의 시동이 완료된 후에는 상기 전자 회로를 포함하는 주변 기기의 구동에 사용되는 연료 전지 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 주변 기기는 상기 연료 전지 시스템 내에서 소정 경로를 따라 연료를 순환시키는 순환 펌프이고, 상기 전자 회로는 상기 순환 펌프의 구동 회로인 연료 전지 시스템.
  11. 연료 전지 시스템의 운전 방법에 있어서,
    상기 연료 전지 시스템의 연료 전지 및 주변 기기들 중 적어도 하나의 기기의 온도를 입력받는 단계;
    상기 입력된 온도를 소정 온도와 비교하는 단계; 및
    상기 비교 결과에 따라 상기 적어도 하나의 기기에 부착되어 있는 반도체 소자의 발열을 제어하는 단계를 포함하는 운전 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 반도체 소자는 트랜지스터이고,
    상기 제어하는 단계는 상기 비교 결과에 따라 상기 트랜지스터로 입력되는 전압을 제어하는 것에 의해 상기 트랜지스터를 스위칭함으로써 상기 반도체 소자의 발열을 제어하는 운전 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제어하는 단계는 상기 비교 결과에 따라 상기 트랜지스터로 소정 주파수의 펄스 형태로 전압이 변화되는 신호를 출력하는 것에 의해 상기 트랜지스터를 스위칭하는 운전 방법.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 트랜지스터는 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)인 운전 방법.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 제어하는 단계는 상기 입력된 온도가 상기 소정 온도보다 낮으면, 상기 반도체 소자의 발열을 유도하고,
    상기 입력된 온도가 상기 소정 온도보다 낮지 않으면, 상기 연료 전지를 시동하는 단계를 더 포함하는 운전 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 제어하는 단계는 상기 입력된 온도가 상기 소정 온도보다 낮으면, 상기 반도체 소자로 소정 주파수의 펄스 형태로 전압이 변화되는 신호를 출력하는 것에 의해 상기 반도체 소자의 발열을 유도하고,
    상기 연료 전지의 시동이 완료된 후, 상기 반도체 소자로 상기 신호와는 다른 신호를 출력하는 것에 의해 상기 반도체 소자가 적용된 전자 회로를 포함하는 주변 기기를 구동하는 단계를 더 포함하는 운전 방법.
  17. 제 11 항에 있어서,
    상기 입력된 온도를 상기 소정 온도보다 높은 다른 온도와 비교하는 단계를 더 포함하고,
    상기 입력된 온도가 상기 다른 온도보다 낮고 상기 소정 온도보다 낮지 않으면, 상기 주변 기기들 중 소정 펌프를 구동시킴으로써 상기 연료 전지 시스템 내에 남아 있는 유체를 순환시키는 것에 의해 상기 유체가 순환되는 경로 상에 위치한 기기들 및 배관들을 워밍(warming)하는 단계를 더 포함하는 운전 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 입력된 온도가 상기 다른 온도보다 낮지 않으면, 상기 연료 전지를 시동하는 단계를 더 포함하는 운전 방법.
  19. 제 11 항에 있어서,
    상기 제어하는 단계는 상기 입력된 온도가 상기 소정 온도보다 낮으면, 상기 주변 기기들 중 소정 펌프에 부착된 반도체 소자의 발열을 유도하고,
    상기 발열에 의해 가열된 소정 펌프를 구동시킴으로써 상기 연료 전지 시스템 내에 남아 있는 유체를 순환시키는 것에 의해 상기 유체가 순환되는 경로 상에 위치한 기기들 및 배관들을 워밍하는 단계를 더 포함하는 운전 방법.
  20. 제 11 항 내지 제 19 항 중에 어느 한 항의 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.
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