KR20140083250A - Operation Method For MCFC System - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to an MCFC system operation method. The MCFC system operation method includes: a load amount increasing step for increasing a load amount (current/area) generated in a fuel cell stack of the MCFC system by a predetermined amount; a load amount maintaining step for maintaining the increased load amount for a predetermined period of time after the load amount increasing step; and an increasing and maintaining repeating step for repeating the load amount increasing step and the load amount maintaining step in sequence until a required maximum MCFC output is reached.

Description

MCFC 시스템 운전방법{Operation Method For MCFC System}{Operation Method For MCFC System}

본 발명은 MCFC 시스템(Molten Carbonate Fuel Cell System) 운전방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 셀 내부 온도 편차를 균일하게 유지하는 MCFC 운전방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a method of operating an MCFC system (Molten Carbonate Fuel Cell System), and more particularly, to a method of operating an MCFC that maintains a uniform temperature variation within a cell.

연료전지는 화학에너지를 전기화학반응에 의해 전기에너지로 직접 변환하는 장치이다. 다시 말해, 연료전지는 연료극에서의 수소산화반응과 공기극에서의 산소환원반응을 통해 화학에너지를 전기에너지로 직접 변환하는 장치이다. 용융 탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell; 이하, "MCFC")는 이와 같이 수소와 공기를 공급받아 전기에너지(즉, 전기)를 생산하는 대표적인 연료전지이다. MCFC는 고온형 연료전지로 발전효율이 47%로 높고, 연료 사용량이나 탄소가스 배출량이 낮은 차세대 신재생에너지로 각광받고 있다.Fuel cells are devices that convert chemical energy directly into electrical energy by electrochemical reactions. In other words, the fuel cell is a device that directly converts chemical energy into electrical energy through a hydrogen oxidation reaction at the anode and an oxygen reduction reaction at the cathode. Molten carbonate fuel cell (hereinafter referred to as "MCFC") is a representative fuel cell that produces electricity (i.e., electricity) by receiving hydrogen and air. MCFC is a high-temperature type fuel cell, and it is attracting attention as next generation renewable energy with 47% high power generation efficiency and low fuel consumption and carbon emission.

MCFC를 생성하는 MCFC 시스템은 크게 연료전지 스택(stack), MBOP(Mechanical Balance of Plant), EBOP(Electrical Balance of Plant)를 포함한다. 여기서 연료전지 스택은 전기 화학 반응으로 전기를 생산하는 구성이고, MBOP는 연료전지 스택으로 연료, 공기, 물 등을 전처리하여 공급하는 구성이며, EBOP는 연료전지 스택에서 생산한 직류전기를 교류전기로 변환하여 필요한 곳으로 공급하는 구성이다. MCFC systems that generate MCFCs include fuel cell stacks, Mechanical Balance of Plant (MBOP), and Electrical Balance of Plant (EBOP). Here, the fuel cell stack is configured to produce electricity through an electrochemical reaction. The MBOP is configured to pre-treat fuel, air, and water with a fuel cell stack, and EBOP is configured to supply DC electricity generated from the fuel cell stack to an AC And supplies it to a necessary place.

연료전지 스택에서는 전기 화학 반응에 대하여 살펴보면, 연료극(양극)에서는 수소가 이온화되며 전자를 내놓는 반응이 일어나고, 이 전자는 전해질을 통해 공기극(음극)으로 이동하고, 그곳에서 공기(산소)와 반응하여 물을 생성한다.As for the electrochemical reaction in the fuel cell stack, in the fuel electrode (anode), hydrogen is ionized and a reaction occurs in which electrons are emitted. The electrons move to the air electrode (cathode) through the electrolyte and react with air Generate water.

연료극(양극): H2 (g) -> 2H+ + 2e-A fuel electrode (anode): H 2 (g) - > 2H + + 2e-

공기극(음극): 1/2O2 (g) + 2H+ + 2e- -> H2O (l)(Cathode): 1 / 2O 2 (g) + 2H + + 2e- -> H 2 O (l)

두 반응의 합: H2 (g) + 1/2O2 (g) -> H2O (l)The sum of two reactions: H 2 (g) + 1 / 2O 2 (g) -> H 2 O (l)

이렇게 물이 생성되는 반응은 발열반응이다. 이러한 연료전지 스택 내의 발열반응으로 인하여 MCFC 내의 온도 상승이 발생한다.The reaction in which water is formed is an exothermic reaction. The temperature rise in the MCFC occurs due to the exothermic reaction in the fuel cell stack.

한편, MCFC 초기 운전시, 도 1의 종래의 MCFC 시스템의 일 예에서 도시된 바와 같이, MCFC의 최고 출력에 도달하기 위하여 짧은 시간 내에 부하 생성을 증가시킨다. 이러한 종래의 MCFC 시스템에서는 연료전지 스택부에서 급격한 온도 상승으로 연료전지 스택에서 국부적으로 온도 편차가 발생하게 된다. 이러한 온도 편차는 연료전지 스택의 면적이 대형인 대면적 MCFC에서 더욱 두드러지게 나타난다.On the other hand, in the initial operation of the MCFC, as shown in an example of the conventional MCFC system of FIG. 1, the load generation is increased in a short time to reach the maximum output of the MCFC. In such a conventional MCFC system, a sudden temperature rise in the fuel cell stack portion causes a local temperature deviation in the fuel cell stack. This temperature variation is more prominent in a large area MCFC where the area of the fuel cell stack is large.

연료전지 스택 내의 국부적인 온도 편차는 연료전지 스택의 성능 및 내구성을 저하시켜 결과적으로 연료전지 스택의 장기 운전시 고장 발생을 야기하는 원인이 된다. 따라서 이러한 연료전지 스택 내의 온도 편차를 줄이기 위한 개선이 요구된다.The local temperature variation within the fuel cell stack deteriorates the performance and durability of the fuel cell stack, and consequently causes a failure in the long-term operation of the fuel cell stack. Therefore, improvement is needed to reduce the temperature variation in the fuel cell stack.

전술한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 초기 운전 시 단계별로 부하량을 상승시켜 연료전지 스택 내의 국부적인 온도 편차를 감소시켜 연료전지 스택의 내구성을 향상시키는 것이다. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to improve the durability of the fuel cell stack by reducing the local temperature deviation in the fuel cell stack by increasing the load in each initial stage.

전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명에 따른 MCFC 시스템 운전방법은, MCFC 시스템의 연료전지 스택에서 생성되는 부하량(전류/면적)을 일정량 증가시키는 부하량 증가 단계, 부하량 증가 단계 이후, 증가된 부하량을 일정 시간 동안 유지하는 부하량 유지 단계, 및 요구되는 MCFC의 최고 출력에 도달할 때까지 부하량 증가 단계와 부하량 유지 단계를 순차적으로 반복하는 증가유지 반복 단계를 포함한다.As a means for achieving the above technical object, a method for operating an MCFC system according to the present invention includes: a load increasing step for increasing a load (current / area) generated in a fuel cell stack of an MCFC system by a certain amount; A load maintaining step of maintaining the load amount for a certain period of time, and an increasing maintenance repetition step of sequentially repeating the load increasing step and the load maintaining step until the maximum output of the required MCFC is reached.

본 발명에 따른 MCFC 시스템 운전방법의 부하량 증가 단계에서는 연료전지 스택으로 공급되는 연료량 및 공기량을 증가시키는 것을 특징으로 한다.The fuel amount and the amount of air supplied to the fuel cell stack are increased in the step of increasing the load of the MCFC system operating method according to the present invention.

본 발명에 따른 MCFC 시스템 운전방법의 부하량 유지 단계에서는 연료전지 스택으로 공급되는 연료량 및 공기량을 일정하게 유지하는 것을 특징으로 한다.In the load holding step of the MCFC system operating method according to the present invention, the fuel amount and the air amount supplied to the fuel cell stack are kept constant.

본 발명에 따른 MCFC 시스템 운전방법의 부하량 증가 단계에서 일정량은 1~10mA/㎠ 범위인 것을 특징으로 한다.In the MCFC system operating method according to the present invention, the predetermined amount of the step of increasing the load is in the range of 1 to 10 mA / cm 2.

본 발명에 따른 MCFC 시스템 운전방법의 부하량 증가 단계에서 일정량은 최고 출력 미만의 값인 것을 특징으로 한다.In the MCFC system operating method according to the present invention, the predetermined amount is a value less than the maximum output in the step of increasing the load.

본 발명에 따른 MCFC 시스템 운전방법의 부하량 유지 단계는 1~10분 동안 증가된 부하량을 일정하게 유지하는 것을 특징으로 한다.The method for operating the MCFC system according to the present invention is characterized in that the increased load is maintained constant for 1 to 10 minutes.

본 발명에 따른 MCFC 시스템 운전방법은 대면적 MCFC에 사용되는 것을 특징으로 한다.The MCFC system operating method according to the present invention is characterized in that it is used in a large area MCFC.

본 발명에 따른 MCFC 시스템 운전방법은 연료전지 내의 국부적인 온도 편차를 감소시켜 연료전지 스택의 내구성을 향상시킨다. 나아가 연료전지 스택의 내구성 향상으로 장기 운전시 고장 발생률을 감소하여 MCFC 시스템의 성능을 향상시킬 수 있다.The method of operating the MCFC system according to the present invention improves the durability of the fuel cell stack by reducing the local temperature deviation in the fuel cell. Furthermore, by improving the durability of the fuel cell stack, it is possible to improve the performance of the MCFC system by reducing the failure rate during long-term operation.

도 1은 종래기술에 따른 MCFC 시스템 초기 운전시 시간에 따른 부하량의 그래프이다.
도 2는 본 발명에 따른 MCFC 시스템 운전방법의 흐름도이다.
도 3은 본 발명에 따른 MCFC 시스템 초기 운전시 시간에 따른 부하량의 그래프이다.FIG. 1 is a graph illustrating a load amount according to time in the initial operation of the MCFC system according to the related art.
2 is a flowchart of a method of operating an MCFC system according to the present invention.
FIG. 3 is a graph illustrating a load amount according to time during an initial operation of the MCFC system according to the present invention.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily carry out the present invention. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. In order to clearly illustrate the present invention, parts not related to the description are omitted, and similar parts are denoted by like reference characters throughout the specification.

도 2는 본 발명에 따른 MCFC 시스템 운전방법의 개략도를 도시한다. 본 발명에 따른 MCFC 시스템 운전방법은, MCFC 시스템의 연료전지 스택에서 생성되는 부하량을 일정량 증가시키는 부하량 증가 단계(S10), 부하량 증가 단계(S10) 이후, 증가된 부하량을 일정 시간 동안 유지하는 부하량 유지 단계(S20), 및 요구되는 MCFC의 최고 출력에 도달할 때까지 부하량 증가 단계(S10)와 부하량 유지 단계(S20)를 순차적으로 반복하는 증가유지 반복 단계(S30)를 포함한다.2 shows a schematic diagram of a method of operating an MCFC system according to the present invention. A method of operating an MCFC system according to the present invention includes: increasing a load (S10) for increasing a load generated in a fuel cell stack of an MCFC system; and maintaining a load for maintaining an increased load for a predetermined time Step S20 and an increment and repeat step S30 for sequentially repeating the load increasing step S10 and the load maintaining step S20 until the maximum output of the required MCFC is reached.

MCFC 시스템의 초기 운전시, MCFC 시스템의 부하량 증가 단계(S10)에서 연료전지 스택에서 생성되는 부하량을 일정량 증가시킨다. 부하량은 단위면적당 전류값(mA/㎠)으로 정의될 수 있다. 부하량 증가 단계(S10)에서는 연료전지 스택으로 공급되는 연료량 및 공기량을 증가시켜 부하량을 증가시킬 수 있다. 여기서 일정량을 증가시킨다는 것은 한번에 MCFC 최고 출력까지 부하량을 증가시키지 않는다는 것을 의미한다. 따라서 부하량 증가 단계(S10)에서 증가되는 일정량은 부하량 MCFC 최고 출력보다 작은 수치이다. During the initial operation of the MCFC system, the load generated in the fuel cell stack is increased by a certain amount in the load increasing step (S10) of the MCFC system. The load can be defined as the current value per unit area (mA / cm 2). In the load increasing step S10, the fuel amount and the air amount supplied to the fuel cell stack can be increased to increase the load. Increasing a certain amount here means that the load is not increased to the MCFC peak power at a time. Therefore, a certain amount increased in the load increasing step (S10) is smaller than the maximum output of the load MCFC.

본 발명에 따른 일 실시예에서는, 부하량 증가 단계(S10)에서 증가되는 일정량은 1~10mA/㎠ 범위 내의 특정 값인 것이 바람직하다. 예를 들면, 부하량 증가 단계(S10)에서 일정량이 10mA/㎠로 설정되면 부하량 증간 단계(S10)를 반복할 때 마다 부하량은 10mA/㎠씩 증가할 것이다. 한편, 부하량 증간 단계(S10)에서 증가되는 부하량(일정량)은 MCFC 시스템의 최고 출력에 따라 변경될 수 있으므로 1~10mA/㎠ 로 한정되는 것은 아니다.In an embodiment according to the present invention, the predetermined amount increased in the load increasing step S10 is preferably a specific value within a range of 1 to 10 mA / cm2. For example, if the predetermined amount is set to 10 mA / cm 2 in the load increasing step S 10, the loading amount will increase by 10 mA / cm 2 each time the load increasing step S 10 is repeated. On the other hand, the amount of load (constant amount) to be increased in the load increment step S10 can be changed according to the maximum output of the MCFC system, so it is not limited to 1 to 10 mA / cm 2.

부하량 증가 단계(S10) 이후, 부하량 유지 단계(S20)에서는 증가된 부하량을 일정 시간 동안 유지한다. 부하량 유지 단계(S20)에서는 연료전지 스택으로 공급되는 연료량 및 공기량을 일정하게 유지함으로써 부하량을 일정하게 유지할 수 있다. 이렇게 부하량 유지 단계(S20)를 통하여 연료전지 스택 내의 온도 편차가 감소될 수 있다. 따라서 연료전지 스택 내의 온도가 급격하게 변화여 연료전지 스택의 성능 및 내구성이 저하되는 것을 방지할 수 있다.After the load increasing step S10, the increased load amount is maintained for a predetermined time in the load holding step S20. In the load holding step S20, the fuel amount and the air amount supplied to the fuel cell stack are kept constant, so that the load amount can be kept constant. The temperature deviation in the fuel cell stack can be reduced through the load holding step (S20). Therefore, the temperature in the fuel cell stack is rapidly changed, and the performance and durability of the fuel cell stack can be prevented from deteriorating.

본 발명에 따른 일 실시예에서는, 부하량 유지 단계(S20)에서 1~10분 범위 내의 특정 시간 동안 증가된 부하량을 일정하게 유지한다. 예를 들면, 10분 동안 증가된 부하량을 일정하게 유지할 수 있다. 한편, 부하량 유지 단계(S20)에서 유지 시간은 MCFC 시스템의 최고 출력에 도달하는데 까지 요구되는 시간에 따라 변경될 수 있으므로 1~10분으로 한정되는 것은 아니다.In one embodiment according to the present invention, the increased load is kept constant during a certain time in the range of 1 to 10 minutes in the load holding step (S20). For example, the increased load can be kept constant for 10 minutes. Meanwhile, the holding time in the load holding step S20 may be changed according to the time required until the maximum output of the MCFC system is reached, so that the holding time is not limited to 1 to 10 minutes.

증가유지 반복 단계(S30)에서는 MCFC의 최고 출력에 도달할 때까지 부하량 증가 단계(S10)와 부하량 유지 단계(S20)를 순차적으로 반복한다. 따라서 시간에 따른 부하량의 그래프는 계단식으로 도시될 수 있다. 부하량 증가와 부하량 유지가 반복됨에 따라 연료전지 스택 내의 국부적인 온도 편차가 감소될 수 있다.In the increasing and maintaining step S30, the load increasing step S10 and the load maintaining step S20 are repeated until the maximum output of the MCFC is reached. Thus, a graph of load over time can be shown in a step-wise fashion. As the load increases and the load maintenance is repeated, the local temperature deviation in the fuel cell stack can be reduced.

부하량 증가 단계(S10)의 일정량(부하량 증가치)과 부하량 유지 단계(S20)의 유지 시간은 MCFC의 최고 출력과 최고 출력에 도달하는데 요구되는 시간에 따라 적절하게 결정될 수 있다. 예를 들어, MCFC의 최고 출력이 50mA/㎠이고, 1시간 이내에는 최고 출력에 도달해야 한다고 가정하면, 부하량 증가 단계(S10)에서 일정량을 10mA/㎠으로, 부하량 유지 단계(S20)의 유지 시간을 10분으로 설정하여 5번의 부하량 증가 단계(S10) 및 4번의 부하량 유지 단계(S20)를 거쳐 MCFC의 최고 출력에 도달할 수 있다.A certain amount of the load increasing step S10 and a holding time of the load holding step S20 may be appropriately determined according to the maximum output of the MCFC and the time required to reach the maximum output. For example, assuming that the maximum output of the MCFC is 50 mA / cm 2 and the maximum output should be reached within 1 hour, a predetermined amount is set to 10 mA / cm 2 in the load increasing step S 10, Is set to 10 minutes, and the maximum output of the MCFC can be reached through the fifth load increasing step (S10) and the fourth load holding step (S20).

연료전지 스택 내의 국보적인 온도 편차는 연료전지 스택의 면적이 대형이 대면적 MCFC 시스템에서 두드러지게 나타날 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 MCFC 시스템 운전방법은 대면적 MCFC에 적합하다. 여기서 대면적은 연료전지 스택의 면적이 대형인 것을 의미한다. 연료전지 스택의 면적은 단일 스택이 대형일 수 있고, 또는 복수의 스택이 병렬로 배열되어 대형을 이룰 수도 있다.
The global temperature variation in the fuel cell stack can be prominent in a large-area MCFC system where the area of the fuel cell stack is large. Therefore, the method of operating the MCFC system according to the present invention is suitable for a large area MCFC. Here, the large area means that the area of the fuel cell stack is large. The area of the fuel cell stack may be a single stack, or a plurality of stacks may be arranged in parallel to form a stack.

본 발명의 일 예에 따른 MCFC 시스템의 초기 운전시 시간에 따른 부하량의 그래프를 도시하는 도 3을 참조하여, 본 발명에 따른 MCFC 시스템 운전방법의 일 예를 설명한다. An example of a method of operating an MCFC system according to the present invention will be described with reference to FIG. 3, which shows a graph of load over time during initial operation of the MCFC system according to an exemplary embodiment of the present invention.

초기 운전의 10분 동안은 부하량 증가 없이 일정하게 유지한다. 이 후, 부하량 증가 단계(S10)에서 부하량을 10mA/㎠까지 상승시킨다. 이 후, 부하량 유지 단계(S20)에서 10mA/㎠의 부하량으로 20분까지 일정하게 유지한다. 다시, 부하량 증가 단계(S10)에서 부하량을 20mA/㎠까지 상승시키고, 부하량 유지 단계(S20)에서 20mA/㎠의 부하량으로 30분까지 일정하게 유지한다. 이러한 부하량 증가 단계(S10) 및 부하량 유지 단계(S20)의 순차적인 반복하는 증가유지 반복 단계(S30)를 거쳐 최종적으로 MCFC 최고 출력인 50mA/㎠에 도달하게 된다. 이러한 과정을 거치게 되면 도 3에 도시된 바와 같이 시간 대 부하량의 그래프가 계단식으로 도시되게 된다(도 1의 그래프와 차이가 명확함).
During 10 minutes of initial operation, it is kept constant without increasing the load. Thereafter, the load is increased to 10 mA / cm < 2 > in the load increasing step S10. Thereafter, in a load holding step (S20), the load is kept constant for 20 minutes at a load of 10 mA / cm < 2 >. In the load increasing step S10, the load is increased to 20 mA / cm < 2 >, and the load is maintained constant for 30 minutes with a load of 20 mA / cm < 2 > The final output of the MCFC reaches the maximum output of 50 mA / cm < 2 > through the sequential repeated increase and maintenance and repetition step S30 of the load increasing step S10 and the load holding step S20. When this process is performed, a graph of time vs. load is shown in a stepwise manner as shown in FIG. 3 (the difference from the graph of FIG. 1 is clear).

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present invention is defined by the appended claims rather than the detailed description and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents are to be construed as being included within the scope of the present invention do.

Claims (7)

MCFC 시스템의 연료전지 스택에서 생성되는 부하량(전류/면적)을 일정량 증가시키는 부하량 증가 단계;
상기 부하량 증가 단계 이후, 증가된 부하량을 일정 시간 동안 유지하는 부하량 유지 단계; 및
요구되는 MCFC의 최고 출력에 도달할 때까지 상기 부하량 증가 단계와 상기 부하량 유지 단계를 순차적으로 반복하는 증가유지 반복 단계를 포함하는 MCFC 시스템 운전방법.A load increasing step of increasing a load (current / area) generated in the fuel cell stack of the MCFC system by a certain amount;
A load holding step of holding the increased load for a predetermined time after the load increasing step; And
And an increasing and repeating repeating step of sequentially repeating the load increasing step and the load maintaining step until the maximum output of the required MCFC is reached. 청구항 1에 있어서,
상기 부하량 증가 단계에서는 상기 연료전지 스택으로 공급되는 연료량 및 공기량을 증가시키는 것을 특징으로 하는 MCFC 시스템 운전방법.The method according to claim 1,
And increasing the fuel amount and the air amount supplied to the fuel cell stack in the load increasing step. 청구항 1에 있어서,
상기 부하량 유지 단계에서는 상기 연료전지 스택으로 공급되는 연료량 및 공기량을 일정하게 유지하는 것을 특징으로 하는 MCFC 시스템 운전방법.The method according to claim 1,
Wherein the fuel amount and the air amount supplied to the fuel cell stack are maintained constant in the load amount maintenance step. 청구항 1에 있어서,
상기 부하량 증가 단계에서 상기 일정량은 1~10mA/㎠ 범위인 것을 특징으로 하는 MCFC 시스템 운전방법.The method according to claim 1,
Wherein the predetermined amount in the load increasing step ranges from 1 to 10 mA / cm < 2 >. 청구항 1에 있어서,
상기 부하량 증가 단계에서 상기 일정량은 상기 최고 출력 미만의 값인 것을 특징으로 하는 MCFC 시스템 운전방법.The method according to claim 1,
Wherein the predetermined amount in the step of increasing the load is a value less than the maximum output. 청구항 1에 있어서,
상기 부하량 유지 단계는 1~10분 동안 증가된 부하량을 일정하게 유지하는 것을 특징으로 하는 MCFC 시스템 운전방법.The method according to claim 1,
Wherein the step of maintaining the load maintains the increased load for 1 to 10 minutes. 청구항 1 내지 청구항 6중 어느 한 항에 있어서,
상기 MCFC 시스템 운전방법은 대면적 MCFC에 사용되는 것을 특징으로 하는 MCFC 시스템 운전방법.The method according to any one of claims 1 to 6,
Wherein the method of operating the MCFC system is used for a large area MCFC.
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