KR20150049399A - 에어 퍼징을 통한 동결물질 제거 효과가 우수한 연료전지 시스템 및 그 제어 방법 - Google Patents

에어 퍼징을 통한 동결물질 제거 효과가 우수한 연료전지 시스템 및 그 제어 방법 Download PDF

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Abstract

에어 퍼징을 통해 동결원인 물질 제거 및 유동 흐름을 발생시켜 저온 상태에서 배관이 동파되는 것을 방지할 수 있는 에어 퍼징을 통한 동결물질 제거 효과가 우수한 연료전지 시스템 및 그 제어 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 에어 퍼징을 통한 동결물질 제거 효과가 우수한 연료전지 시스템의 제어 방법은 연료전지 시스템의 정상 운전을 정지시킨 후, 제1 밸브는 차단하고 제2 밸브를 개방시킨 상태에서 에어 블로어를 이용하여 공기 공급배관 및 수소 공급배관과, 상기 공기 공급배관 및 수소 공급배관에 각각 연통하는 제1 및 제2 기수 분리기의 내부로 에어 압을 각각 공급하여 상기 공기 공급배관, 수소 공급배관과 제1 및 제2 기수 분리기의 내부에 체류하는 수분을 제거하는 것을 특징으로 한다.

Description

에어 퍼징을 통한 동결물질 제거 효과가 우수한 연료전지 시스템 및 그 제어 방법{FUEL CELL SYSTEM WITH EXCELLENT ELIMINATING EFFECT ON FREEZING MATERIAL THROUGHOUT AIR PURGING AND METHOD OF CONTROLLING THE SAME}
본 발명은 연료전지 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 별도의 히팅 장치를 사용하는 것 없이 에어 퍼징을 통해 동결원인 물질 제거 및 유동 흐름을 발생시켜 저온 상태에서 배관이 동파되는 것을 방지할 수 있는 에어 퍼징을 통한 동결물질 제거 효과가 우수한 연료전지 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
연료전지(fuel cell)는 전기화학 반응에 의하여 연료가 갖고 있는 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 장치이다. 따라서, 원리상 열기관이 갖는 열역학적인 제한을 받지 않기 때문에 종래의 발전장치보다 발전 효율이 높고 무공해, 무소음으로 환경문제가 거의 없다. 또한, 연료전지는 다양한 용량으로 제작이 가능하고 전력 수요지 내에 설치가 용이하여 송변전 설비의 초기 투자비용을 절감할 수 있는 이점이 있다.
이러한 연료전지를 이용한 연료전지 시스템은 전기를 생산하는 연료전지 스택과, 발전된 DC 전력을 AC 전력으로 변환시키는 전력 변환기 및 제어기 등으로 구성된다. 이때, 연료전지 스택은 적층된 수백 장의 셀(cell)들로 구성되어 있으며, 물, 연료, 공기 등이 각 셀로 공급되도록 설계되어 있다. 기본적으로 각 셀은 전해질(electrolyte)에 의하여 분리된 연료극(anode)과 공기극(cathode)의 두 전극으로 구성되며, 각 셀은 분리판(separator)에 의하여 분리된다.
이러한 구성을 갖는 연료전지 시스템은 연료인 수소와 산소의 반응으로 전기 및 열 뿐만 아니라 수분이 생성된다. 이때, 반응한 열은 간접 열교환을 통해 사용자가 사용할 수 있도록 냉각수 탱크에 저장된다.
그러나, 극지방이나 동절기 등 저온 환경에서 연료전지 시스템을 사용할 경우, 연료전지 시스템의 내부에 배치되는 물 관리 배관에서 동파가 일어날 수 있다.
즉, 연료전지 시스템의 운전을 실시하는 동안 발생한 응축수가 연료전지 시스템의 운전을 정지할 시, 연료전지 스택, 워터 트랩(water trap), 배관 등에 체류하게 된다. 이와 같이 연료전지 스택, 워터 트랩, 배관 등에 체류된 수분은 영하의 온도에서 동파 사고를 일으키는 요인으로 작용하여 연료전지 시스템의 구동 효율을 열화시키는 문제가 있다.
관련 선행문헌으로는 대한민국 공개특허 제10-2003-0042928호(2003.06.02. 공개)가 있으며, 상기 문헌에는 계통연계형 연료전지 시스템의 시동 및 운전전력 공급시스템이 기재되어 있다.
본 발명의 목적은 별도의 히팅 장치를 사용하는 것 없이 에어 퍼징을 통해 동결원인 물질 제거 및 유동 흐름을 발생시켜 저온 상태에서 배관이 동파되는 것을 방지할 수 있는 에어 퍼징을 통한 동결물질 제거 효과가 우수한 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 펌프 보조 구동부를 이용하여 배열회수 펌프 및 냉각수 펌프를 가동시켜 배열회수 순환배관 및 냉각수 순환배관의 내부로 냉각수가 순환하도록 유량 흐름을 만들어 주어 배열회수 탱크 및 냉각수 탱크의 내부에 채워진 냉각수가 동결되는 것을 방지하여 동파 사고를 예방할 수 있는 에어 퍼징을 통한 동결물질 제거 효과가 우수한 연료전지 시스템의 구동 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 에어 퍼징을 통한 동결물질 제거 효과가 우수한 연료전지 시스템은 전기화학반응으로 전기 에너지를 생성하는 연료전지 스택; 상기 연료전지 스택과 이격되도록 설치되며, 내부에 냉각수가 채워지는 냉각수 탱크; 상기 냉각수 탱크와 연료전지 스택 사이에 장착되며, 상기 연료전지 스택에서 발생한 폐열을 열교환시키는 열 교환기; 상기 연료전지 스택으로 공급되는 H2 가스의 공급을 제어하기 위한 제1 제어 밸브가 장착된 수소 공급배관; 상기 연료전지 스택으로 공기를 공급하기 위한 공기 공급배관; 상기 수소 공급배관 및 공기 공급배관에 각각 연결되며, 제2 제어 밸브가 장착된 퍼지 배관; 상기 열 교환기의 출측에 장착되며, 상기 열 교환기로부터의 배열을 회수하기 위한 배열회수 탱크; 상기 연료전지 스택, 열 교환기 및 배열회수 탱크에 각각 연결되는 폐 순환 구조를 갖는 배열회수 순환배관; 상기 열 교환기 및 냉각수 탱크에 각각 연결되는 폐 순환 구조를 갖는 냉각수 순환배관; 상기 연료전지 스택의 출측에 장착되어, 상기 공기 공급배관 및 수소 공급배관에 각각 연통하도록 설치된 제1 및 제2 기수 분리기; 및 상기 공기 공급배관과 연통하도록 설치되어, 상기 공기 공급배관으로 에어 압을 분사하기 위한 에어 블로어;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 에어 퍼징을 통한 동결물질 제거 효과가 우수한 연료전지 시스템의 제어 방법은 연료전지 시스템의 정상 운전을 정지시킨 후, 제1 밸브는 차단하고 제2 밸브를 개방시킨 상태에서 에어 블로어를 이용하여 공기 공급배관 및 수소 공급배관과, 상기 공기 공급배관 및 수소 공급배관에 각각 연통하는 제1 및 제2 기수 분리기의 내부로 에어 압을 각각 공급하여 상기 공기 공급배관, 수소 공급배관과 제1 및 제2 기수 분리기의 내부에 체류하는 수분을 제거하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템 및 그 제어 방법은 정상 운전을 정지시킨 운전대기 상태시, 에어 블로어를 이용한 에어 퍼징을 실시하는 것을 통해 동결원인 물질의 제거 및 유동 흐름을 발생시켜 저온 상태에서 연료전지 스택, 워터 트랩, 배관, 등이 동파되는 것을 예방할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 연료전지 시스템 및 그 제어 방법은 펌프 보조 구동부를 이용하여 냉각수 펌프 및 배열회수 펌프를 가동시켜 냉각수 순환배관 및 배열회수 순환배관의 내부로 냉각수가 순환하도록 유량 흐름을 만들어 주어 배열회수 탱크 및 냉각수 탱크의 내부에 채워진 냉각수가 동결되는 것을 미연에 방지하여 동파 사고를 방지할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 연료전지 시스템 및 그 제어 방법은 별도의 히팅 장치를 장착할 필요가 없으므로 추가적인 비용 소모 없이 동절기 시스템의 동파 사고에 대비할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 에어 퍼징을 통한 동결물질 제거 효과가 우수한 연료전지 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 에어 퍼징을 통한 동결물질 제거 효과가 우수한 연료전지 시스템을 보다 구체적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 에어 퍼징을 통한 동결물질 제거 효과가 우수한 연료전지 시스템의 제어 방법을 나타낸 공정 모식도이다.
도 4는 저온 환경에서 연료전지 시스템의 운전대기 상태시 펌프 구동 과정을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 에어 퍼징을 통한 동결물질 제거 효과가 우수한 연료전지 시스템 및 그 제어 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 에어 퍼징을 통한 동결물질 제거 효과가 우수한 연료전지 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 도시된 본 발명의 실시예에 따른 에어 퍼징을 통한 동결물질 제거 효과가 우수한 연료전지 시스템(100)은 연료전지 스택(110), 냉각수 탱크(115), 열 교환기(120), 수소 공급배관(125), 공기 공급배관(130), 퍼지 배관(135), 배열회수 탱크(140), 배열회수 순환배관(145), 냉각수 순환배관(150), 제1 및 제2 기수 분리기(160, 162) 및 에어 블로어(170)를 포함한다.
연료전지 스택(110)은 수소의 산화반응 및 산소의 환원반응이 동시에 일어나는 전기화학반응으로 전기 에너지를 생성한다. 이때, 연료전지 스택(110)은 적층된 다수의 셀(cell)들로 구성되어 있으며, 물, 연료, 공기 등이 각 셀로 공급되도록 설계되어 있다. 이때, 연료로는 수소 가스(H2)가 이용되고, 각 셀은 전해질(electrolyte)에 의하여 분리된 연료극(anode)과 공기극(cathode)의 두 전극으로 구성되며, 각 셀은 분리판(separator)에 의하여 분리된다.
냉각수 탱크(115)는 연료전지 스택(110)과 이격되도록 설치되며, 내부에 냉각수가 채워진다. 이러한 냉각수 탱크(115)는 내부에 빈 공간을 구비하는 용기 형태를 가질 수 있다. 이때, 냉각수 탱크(115)는 설계의 용이성을 고려해 볼 때, 육면체 형상을 갖는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니며 원통 형상 등 다양한 형태가 적용될 수 있다.
열 교환기(120)는 냉각수 탱크(115)와 연료전지 스택(110) 사이에 장착되며, 연료전지 스택(110)에서 발생한 폐열을 열교환시킨다. 이때, 도 1에서는 열 교환기(120)가 1개인 것으로 도시하였으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 2개 이상이 장착될 수도 있다.
수소 공급배관(125)은 연료전지 스택(110)으로 공급되는 H2 가스의 공급을 제어하기 위한 제1 제어 밸브(V1)가 장착된다. 이때, 수소 공급배관(125)은 일단이 연료전지 스택(110)의 입측에 연결되고, 타단이 연료전지 스택(110)의 출측에 연결된다.
공기 공급배관(130)은 연료전지 스택(110)으로 공기를 공급하는 역할을 한다. 이때, 공기 공급배관(130)은 일단이 연료전지 스택(110)의 입측에 연결되고, 타측이 연료전지 스택(110)의 출측에 연결된다. 이러한 공기 공급배관(130)은 수소 공급배관(125)과 평행하게 장착될 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.
퍼지 배관(135)은 수소 공급배관(125) 및 공기 공급배관(130)에 각각 연결되며, 제2 제어 밸브(V2)가 장착된다. 이러한 제2 제어 밸브(V2)는 연료전지 시스템(100)의 운전 중에는 항상 폐쇄 상태(closed state)를 유지하다가, 연료전지 시스템(100)의 운전을 정지시킨 운전대기 상태시 개방 상태(open state)로 전환시켜 수소 공급배관(125) 및 공기 공급배관(130)을 상호 연결시키는 역할을 한다. 이때, 퍼지 배관(135)은 상호 평행하게 배열되는 수소 공급배관(125)과 공기 공급배관(130)을 수직 방향으로 연통시키는 형태로 장착될 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.
배열회수 탱크(140)는 열 교환기(120)의 출측에 장착되며, 열 교환기(120)로부터의 배열을 회수하기 위한 목적으로 장착된다. 이러한 배열회수 탱크(140)는 내부에 빈 공간을 구비하는 용기 형태를 가질 수 있다.
배열회수 순환배관(145)은 연료전지 스택(110), 열 교환기(120) 및 배열회수 탱크(140)에 각각 연결되는 폐 순환 구조를 갖는다. 이러한 배열회수 순환배관(145)의 내부로는 연료전지 스택(110)을 냉각시키기 위한 냉각수가 순환하게 된다.
냉각수 순환배관(115)은 열 교환기(120) 및 냉각수 탱크(115)에 각각 연결되는 폐 순환 구조를 갖는다. 이러한 냉각수 순환배관(115)의 내부로는 냉각수가 순환하게 된다.
제1 및 제2 기수 분리기(160, 162)는 연료전지 스택(110)의 출측에 장착되어, 공기 공급배관(125) 및 수소 공급배관(130)에 각각 연통하도록 설치된다. 이때, 2개의 기수 분리기, 즉 제1 및 제2 기수 분리기(160, 162)가 설치된 것으로 도시하였으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 기수 분리기의 수는 1개, 또는 3개 이상이 설치되어 있을 수 있다.
이러한 제1 기수 분리기(160)의 출측에 배치되는 공기 공급배관(130)에는 제3 제어 밸브(V3)가 장착될 수 있고, 제2 기수 분리기(162)의 출측에 배치되는 수소 공급배관(125)에는 제4 제어 밸브(V4)가 장착될 수 있다. 또한, 배열회수 탱크(140)의 출측에 배치되는 배열회수 순환배관(145)에는 제5 제어 밸브(V5)가 장착될 수 있다.
에어 블로어(170)는 공기 공급배관(130)과 연통하도록 설치되어, 공기 공급배관(130)으로 에어 압을 분사하는 역할을 한다. 이러한 에어 블로어(170)의 수가 1개인 것을 일 예로 나타내었으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 복수 개를 장착하는 것도 무방하다.
전술한 구성을 갖는 본 발명의 실시예에 따른 에어 퍼징을 통한 동결물질 제거 효과가 우수한 연료전지 시스템은 정상 운전을 정지시킨 운전대기 상태시, 에어 블로어를 이용한 에어 퍼징을 실시하는 것을 통해 동결원인 물질의 제거 및 유동 흐름을 발생시켜 저온 상태에서 배관이 동파되는 것을 미연에 방지할 수 있다.
이에 대해서는, 이하 첨부된 도면을 참조하여 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 에어 퍼징을 통한 동결물질 제거 효과가 우수한 연료전지 시스템을 보다 구체적으로 나타낸 도면으로, 도 1과의 중복 설명은 생략하도록 한다.
도 2를 참조하면, 도시된 본 발명의 실시예에 따른 에어 퍼징을 통한 동결물질 제거 효과가 우수한 연료전지 시스템(100)은 제1 온도 센서(180), 제2 온도 센서(182), 배열회수 펌프(184), 냉각수 펌프(186), 펌프 보조 구동부(188), 전력 변환부(190) 및 워터 트랩(195)을 더 포함할 수 있다.
제1 온도 센서(182)는 배열회수 탱크(140)의 출측에 배치되는 배열회수 순환배관(145)에 장착되어, 배열회수 탱크(140)로부터 배출되는 냉각수의 온도를 측정하는 역할을 한다.
제2 온도 센서(184)는 냉각수 탱크(115)의 출측에 배치되는 냉각수 순환배관(150)에 장착되어, 냉각수 탱크(115)로부터 배출되는 냉각수의 온도를 측정하는 역할을 한다.
배열회수 펌프(184)는 제1 온도 센서(182)와 배열회수 탱크(140) 사이에 장착된다. 배열회수 펌프(184)는 배열회수 순환배관(145)의 내부를 순환하는 냉각수를 펌핑하여 냉각수의 유속을 조절하는 역할을 한다.
냉각수 펌프(186)는 제2 온도 센서(184)와 냉각수 탱크(115) 사이에 배치되는 냉각수 순환배관(150)에 장착된다. 이러한 냉각수 펌프(186)는 냉각수 순환배관(150)의 내부를 순환하는 냉각수를 펌핑하여 냉각수의 유속을 조절하는 역할을 한다.
펌프 보조 구동부(188)는 제1 및 제2 온도 센서(180, 182)로부터 출력되는 제1 및 제2 측정 온도(T1, T2)를 전달받아, 운전대기 상태에서 배열회수 펌프(184) 및 냉각수 펌프(186)의 구동을 보조적으로 제어하는 역할을 한다. 이때, 펌프 보조 구동부(188)는 연료전지 시스템(100)의 정상 운전을 정지시킨 운전대기 상태시, 제1 및 제2 측정 온도(T1, T2) 중 어느 하나가 5℃ 미만일 경우, 배열회수 펌프(184) 및 냉각수 펌프(186)를 가동시켜, 배열회수 순환배관(145) 및 냉각수 순환배관(150)의 내부로 냉각수가 순환하도록 설정되어 있다.
전력 변환기(190)는 연료전지 스택(110)으로부터 생산된 DC 전력을 AC 전력으로 변환시킨다. 이러한 전력 변환부(190)는 연료전지 스택(110)의 출측에 배치될 수 있으며, DC/DC 컨버터 및 DC/AC 인버터 중 하나 이상이 이용될 수 있다. 이러한 전력 변환기(190)에 의해 변환된 전력은 일반 가정, 공장 등으로 공급된다.
워터 트랩(195)은 연료전지 스택(110)의 출측에 배치되어, 연료전지 스택(110)의 운전으로 발생하는 물(H2O)을 제거하는 역할을 한다. 이러한 워터 트랩(195)은 필수 구성 요소는 아니며, 필요에 따라 생략하는 것도 무방하다. 이때, 본 발명의 경우, 연료전지 시스템(100)의 운전 대기 상태에서 에어 블로어(170)를 구동하여 에어 퍼징을 실시하는 것에 의해, 워터 트랩(195), 수소 공급배관(125) 및 공기 공급배관(130) 등에 체류하는 수분을 제거할 수 있게 된다.
전술한 본 발명의 실시예에 따른 에어 퍼징을 통한 동결물질 제거 효과가 우수한 연료전지 시스템은 제1 밸브는 차단하고, 수소 공급배관 및 공기 공급배관 상호 간을 선택적으로 연결시키는 퍼지 배관에 장착된 제2 밸브를 개방한 후, 에어 블로어를 이용한 에어 퍼징을 실시함으로써 연료전지 스택, 공기 공급배관, 수소 공급배관, 제1 및 제2 기수 분리기, 워터 트랩 등에 체류하는 동결원인 물질인 수분을 제거하는 것이 가능해질 수 있다. 이 결과, 극지방이나 동절기 등 저온 환경에서 동파 사고의 발생을 예방할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 에어 퍼징을 통한 동결물질 제거 효과가 우수한 연료전지 시스템의 제어 방법에 대하여 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 에어 퍼징을 통한 동결물질 제거 효과가 우수한 연료전지 시스템의 제어 방법을 설명하기 위한 모식도로, 도 2와 연계하여 설명하도록 한다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 도시된 본 발명의 실시예에 따른 에어 퍼징을 통한 동결물질 제거 효과가 우수한 연료전지 시스템의 제어 방법은 정상 운전 정지 단계(S110), 에어 블로잉 단계(S120) 및 운전 대기 상태 유지 단계(S130)로 구분될 수 있다.
정상 운전 정지 단계(S110)에서는 정상 운전 중인 연료전지 시스템(100)에 정지 신호를 전달하여 연료전지 시스템(100)의 정상 운전을 정지시킨다.
에어 블로잉 단계(S120)에서는 제1 제어 밸브(V1)는 차단하고 제2 제어 밸브(V2)를 개방시킨 상태에서 에어 블로어(170)를 이용하여 공기 공급배관(130) 및 수소 공급배관(125)과, 공기 공급배관(130) 및 수소 공급배관(125)에 각각 연통하는 제1 및 제2 기수 분리기(160, 162)의 내부로 에어 압을 각각 공급하여 공기 공급배관(130), 수소 공급배관(125)과 제1 및 제2 기수 분리기(160, 162)의 내부에 체류하는 수분을 제거한다.
이와 같이, 제1 제어 밸브(V1)는 차단하고 제2 제어 밸브(V2)를 개방한 후 에어 블로어(170)를 이용한 에어 퍼징을 실시할 경우, 연료전지 스택(110), 공기 공급배관(130), 수소 공급배관(125), 제1 및 제2 기수 분리기(160, 162), 워터 트랩(195) 등에 체류하는 동결원인 물질인 수분을 제거하는 것이 가능해질 수 있으므로, 극지방이나 동절기 등 저온 환경에서 동파 사고의 발생을 미연에 방지할 수 있게 된다.
운전 대기 상태 유지 단계(S130)에서는 에어 블로잉 단계(S120)를 마친 연료전지 시스템(100)을 운전 대기 상태로 유지시킨다.
한편, 도 4는 저온 환경에서 연료전지 시스템의 운전대기 상태시 펌프 구동 과정을 설명하기 위한 도면으로, 도 2와 연계하여 설명하도록 한다.
도 2 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템(100)의 경우, 연료전지 시스템(100)의 정상 운전을 정지시킨 운전대기 상태시, 제1 및 제2 측정 온도(T1, T2) 중 어느 하나가 5℃ 이상일 시, 배열회수 펌프(184) 및 냉각수 펌프(186)가 정지된 상태로 유지되도록 설정되고, 제1 및 제2 측정 온도(T1, T2) 중 어느 하나가 5℃ 미만일 시, 펌프 보조 구동부(188)를 이용하여 배열회수 펌프(184) 및 냉각수 펌프(186)를 가동시켜, 배열회수 순환배관(145) 및 냉각수 순환배관(150)의 내부로 냉각수가 순환되도록 설정되어 있다.
즉, 배열회수 탱크(140) 및 냉각수 탱크(115)에는 연료전지 시스템(100)의 운전에 필요한 물인 냉각수가 일정 수위 이상으로 채워지게 되며, 저온 환경에서 운전대기 상태로 지속적으로 노출되다 보면, 배열회수 탱크(140) 및 냉각수 탱크(115)의 내부에 채워진 냉각수가 동결될 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어 방법은 설정된 기준 온도 이하로 냉각수의 온도가 낮아질 경우, 펌프 보조 구동부(188)를 이용하여 냉각수 순환 펌프(186) 및 배열회수 순환 펌프(184)를 가동시켜 냉각수 순환배관(150) 및 배열회수 순환배관(145)의 내부로 냉각수가 순환하도록 유량 흐름을 만들어 주어 배열회수 탱크(140) 및 냉각수 탱크(150)의 내부에 채워진 냉각수가 동결되는 것을 미연에 방지하여 동파 사고를 방지할 수 있다.
지금까지 살펴본 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 에어 퍼징을 통한 동결물질 제거 효과가 우수한 연료전지 시스템의 제어 방법은 정상 운전을 정지시킨 운전대기 상태시, 제1 제어 밸브는 차단하고 제2 제어 밸브를 개방한 후 에어 블로어를 이용한 에어 퍼징을 실시함으로써 연료전지 스택, 배관, 워터 트랩 등에 체류하는 동결원인 물질인 수분을 제거하는 것을 통해 극지방이나 동절기 등 저온 환경에서 동파 사고가 발생하는 것을 미연에 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 에어 퍼징을 통한 동결물질 제거 효과가 우수한 연료전지 시스템의 제어 방법은 정상 운전을 정지시킨 운전대기 상태시, 제1 및 제2 온도 센서에 의해 측정된 온도가 설정된 기준 온도 미만으로 낮아질 경우, 펌프 보조 구동부를 이용하여 냉각수 펌프 및 배열회수 펌프를 가동시켜 냉각수 순환배관 및 배열회수 순환배관의 내부로 냉각수가 순환하도록 유량 흐름을 만들어 주어 배열회수 탱크 및 냉각수 탱크의 내부에 채워진 냉각수가 동결되는 것을 방지하여 동파 발생을 차단할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
100 : 연료전지 시스템 110 : 연료전지 스택
115 : 냉각수 탱크 120 : 열 교환기
125 : 수소 공급배관 130 : 공기 공급배관
135 : 퍼지 배관 140 : 배열회수 탱크
145 : 배열회수 순환배관 150 : 냉각수 순환배관
160 : 제1 기수 분리기 162 : 제2 기수 분리기
170 : 에어 블로어 180 : 제1 온도 센서
182 : 제2 온도 센서 184 : 배열회수 펌프
186 : 냉각수 펌프 188 : 펌프 보조 구동부
190 : 전력 변환기 195 : 워터 트랩
V1, V2, V3, V4, V5 : 제1 내지 제5 제어 밸브
S110 : 정상 운전 정지 단계
S120 : 에어 블로잉 단계
S130 : 운전 대기 상태 유지 단계

Claims (4)

  1. 전기화학반응으로 전기 에너지를 생성하는 연료전지 스택;
    상기 연료전지 스택과 이격되도록 설치되며, 내부에 냉각수가 채워지는 냉각수 탱크;
    상기 냉각수 탱크와 연료전지 스택 사이에 장착되며, 상기 연료전지 스택에서 발생한 폐열을 열교환시키는 열 교환기;
    상기 연료전지 스택으로 공급되는 H2 가스의 공급을 제어하기 위한 제1 제어 밸브가 장착된 수소 공급배관;
    상기 연료전지 스택으로 공기를 공급하기 위한 공기 공급배관;
    상기 수소 공급배관 및 공기 공급배관에 각각 연결되며, 제2 제어 밸브가 장착된 퍼지 배관;
    상기 열 교환기의 출측에 장착되며, 상기 열 교환기로부터의 배열을 회수하기 위한 배열회수 탱크;
    상기 연료전지 스택, 열 교환기 및 배열회수 탱크에 각각 연결되는 폐 순환 구조를 갖는 배열회수 순환배관;
    상기 열 교환기 및 냉각수 탱크에 각각 연결되는 폐 순환 구조를 갖는 냉각수 순환배관;
    상기 연료전지 스택의 출측에 장착되어, 상기 공기 공급배관 및 수소 공급배관에 각각 연통하도록 설치된 제1 및 제2 기수 분리기; 및
    상기 공기 공급배관과 연통하도록 설치되어, 상기 공기 공급배관으로 에어 압을 분사하기 위한 에어 블로어;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지 시스템은
    상기 배열회수 탱크의 출측에 배치되는 배열회수 순환배관에 장착되어, 상기 배열회수 탱크로부터 배출되는 냉각수의 온도를 측정하기 위한 제1 온도 센서와,
    상기 제1 온도 센서와 배열회수 탱크 사이에 장착된 배열회수 펌프와,
    상기 냉각수 탱크의 출측에 배치되는 냉각수 순환배관에 장착되어, 상기 냉각수 탱크로부터 배출되는 냉각수의 온도를 측정하기 위한 제2 온도 센서와,
    상기 제2 온도 센서와 냉각수 탱크 사이에 배치되는 냉각수 순환배관에 장착된 냉각수 펌프와,
    상기 제1 및 제2 온도 센서로부터 출력되는 제1 및 제2 측정 온도를 전달받아, 운전대기 상태에서 상기 배열회수 펌프 및 냉각수 펌프의 구동을 제어하는 펌프 보조 구동부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  3. 제1항 내지 제2항 중 어느 한 항에 기재된 연료전지 시스템의 제어 방법에 있어서,
    연료전지 시스템의 정상 운전을 정지시킨 후, 제1 밸브는 차단하고 제2 밸브를 개방시킨 상태에서 에어 블로어를 이용하여 공기 공급배관 및 수소 공급배관과, 상기 공기 공급배관 및 수소 공급배관에 각각 연통하는 제1 및 제2 기수 분리기의 내부로 에어 압을 각각 공급하여 상기 공기 공급배관, 수소 공급배관과 제1 및 제2 기수 분리기의 내부에 체류하는 수분을 제거하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 제어 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 연료전지 시스템의 정상 운전을 정지시킨 운전대기 상태시,
    제1 및 제2 측정 온도 중 어느 하나가 5℃ 이상일 시, 냉각수 펌프 및 배열회수 펌프가 정지된 상태로 유지시키고,
    상기 제1 및 제2 측정 온도 중 어느 하나가 5℃ 미만일 시, 펌프 보조 구동부를 이용하여 배열회수 펌프 및 냉각수 펌프를 가동시켜, 상기 배열회수 순환배관 및 냉각수 순환배관의 내부로 냉각수가 순환되도록 하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 제어 방법.
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