KR20160015503A - 연료전지 시스템 및 그의 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 냉시동 운전 조건에서 공기극과 연료극의 역할을 바꾸어 교차 운전하는 냉시동 운전모드를 설정횟수동안 실시함으로써, 상기 공기극 측의 수분의 결빙을 방지하거나 생성된 얼음의 표면 결합력을 약화시켜 얼음의 분리가 쉽게 이루어지도록 함으로써, 냉시동 문제를 해결할 수 있다. 또한, 냉시동 운전모드로 전환시 공기극 내의 산소를 소모시키고 공기극 내의 잔류 질소를 통해 연료극을 퍼지함으로써, 수소와 산소의 직접 반응을 방지할 수 있다. 또한, 히터 등의 설치가 불필요하여 추가적인 전력 소요가 없으면서 냉시동 문제를 해결할 수 있는 이점이 있다. 또한, 냉시동으로 인한 운전 중단이 없어지므로 전력 생산 효율이 향상될 수 있다.

Description

연료전지 시스템 및 그의 제어방법{Fuel cell system and control method of the same}

본 발명은 연료전지 시스템 및 그의 제어방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 혹한의 날씨에서 발생되는 냉시동 문제를 해결할 수 있는 연료전지 시스템 및 그의 제어방법에 관한 것이다.

일반적으로 연료전지는 외부에서 공급되는 공기중의 산소와 수소의 산화, 환원 반응을 이용하여 전기를 발생시키는 장치이다. 연료전지에 산소와 공기가 각 공급 매니폴드를 통해 각 단위 셀로 공급되면, 연료극인 애노드(Anode)에서는 수소의 산화반응이 진행되어 수소 이온과 전자가 발생하게 되고, 생성된 수소이온과 전자는 각각 전해질막과 분리판을 통해 공기극인 캐소드(Cathode)로 이동한다. 캐소드에서는 애노드로부터 이동한 수소이온과 전자, 공기중의 산소가 참여하는 전기화학반응을 통하여 물을 생성하고, 이러한 전자 흐름에서 전기 에너지가 생성된다.

한편, 기온이 0℃이하로 떨어지는 겨울철이나 혹한의 날씨에서는 상기 연료전지의 스택 내부의 생성수가 얼게 되어 촉매층을 덮어 반응을 억제하여, 시동이 걸리지 않는 냉시동 문제가 발생하게 된다.

종래에는 이러한 냉시동 문제를 해결하기 위하여 히터나 압축기 등 별도의 장치를 추가하여 연료전지 시스템을 가열시키는 방법과, 수소와 산소의 직접 반응을 이용하는 방법이 사용되고 있다. 그러나, 별도의 장치를 추가할 경우 소요 동력을 필요로 하는 문제점이 있으며, 수소와 산소의 직접 반응을 이용할 경우 촉매나 기체 확산층의 수명에 악영향을 미치는 문제점이 있다.

일본공개특허 2010-182469

본 발명의 목적은, 냉시동 문제를 해결할 수 있는 연료전지 시스템 및 그의 제어방법을 제공한다.

본 발명에 따른 연료전지 시스템은, 공기극과 연료극을 포함하는 연료전지 스택과, 상기 공기극과 상기 연료극 중 어느 하나에 공기를 공급하는 공기 공급부와, 상기 공기극과 상기 연료극 중 어느 하나에 수소를 공급하는 수소 공급부와, 정상 운전 모드시 상기 공기 공급부의 공기가 상기 공기극으로 안내되고 상기 수소 공급부의 수소가 상기 연료극으로 안내되도록 유로를 연결하고, 냉시동 운전모드시 상기 수소 공급부의 수소가 상기 공기극으로 안내되고 상기 공기 공급부의 공기가 상기 연료극으로 교차 안내되도록 유로를 전환하는 유로전환수단과, 외기의 온도와 상기 연료전지 스택 내부 온도 중 적어도 하나에 따라 정상 운전모드와 냉시동 운전모드를 판단하고, 그에 따라 상기 유로전환수단의 작동을 제어하는 제어부를 포함한다.

본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어방법은, 냉시동 운전 조건인지 여부를 판단하는 냉시동 판단단계와, 상기 냉시동 운전 조건이라고 판단되면, 연료전지 스택의 공기극에 수소를 공급하고, 상기 연료전지 스택의 연료극에 공기를 공급하여, 상기 공기극과 상기 연료극의 역할을 서로 바꾸어 전력을 생산하는 냉시동 운전단계를 포함한다.

본 발명은, 냉시동 운전 조건에서 공기극과 연료극의 역할을 바꾸어 교차 운전하는 냉시동 운전모드를 설정횟수동안 실시함으로써, 상기 공기극 측의 수분의 결빙을 방지하거나 생성된 얼음의 표면 결합력을 약화시켜 얼음의 분리가 쉽게 이루어지도록 함으로써, 냉시동 문제를 해결할 수 있다.

또한, 냉시동 운전모드로 전환시 공기극 내의 산소를 소모시키고 공기극 내의 잔류 질소를 통해 연료극을 퍼지함으로써, 수소와 산소의 직접 반응을 방지할 수 있다.

또한, 히터 등의 설치가 불필요하여 추가적인 전력 소요가 없으면서 냉시동 문제를 해결할 수 있는 이점이 있다.

또한, 냉시동으로 인한 운전 중단이 없어지므로 전력 생산 효율이 향상될 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 개략도이다.
도 2는 도 1에 도시된 연료전지 시스템의 냉시동 운전모드시 공기극의 입,출구가 폐쇄된 상태가 도시된 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 연료전지 시스템의 냉시동 운전모드시 공기극에만 수소를 공급하고, 연료극에는 공기를 공급하지 않는 상태가 도시된 도면이다.
도 4는 도 1에 도시된 연료전지 시스템의 냉시동 운전모드시 공기극에 수소를 공급하고, 연료극에 공기를 공급하는 상태가 도시된 도면이다.
도 5는 도 1에 도시된 연료전지 시스템에서 냉시동 운전모드에서 정상 운전모드로 전환시 연료극에만 수소가 공급되고, 공기극에는 공기가 공급되지 않는 상태가 도시된 도면이다.
도 6은 도 1에 도시된 연료전지 시스템의 제어방법이 도시된 순서도이다.
도 7은 도 6에 도시된 전극 교차 운전의 제어방법이 도시된 순서도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 개략도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템은, 연료전지 스택(2), 공기 공급부(30), 연료 공급부(40), 유로전환수단(50) 및 제어부(미도시)를 포함한다.

상기 연료전지 스택(2)은, 복수의 셀들이 적층되어 이루어지고, 각 셀들의 내부에는 연료가 공급되는 연료극(Anode)과 공기가 공급되는 공기극(Cathode)이 각각 구비된다. 본 실시예에서는, 상기 연료로서 수소를 공급하는 것으로 예를 들어 설명한다. 상기 각 셀들의 연료극들은 연료극 매니폴드로 연결되고, 상기 각 셀들의 공기극들은 공기극 매니폴드로 연결된다. 상기 연료극 매니폴드를 통해 상기 연료극으로 수소 또는 공기가 공급되고, 상기 공기극 매니폴드를 통해 상기 공기극으로 수소 또는 공기가 공급된다.

상기 공기극 매니폴드의 입구(11)에는 공기극 흡입유로(12)가 연결된다. 상기 공기극 흡입유로(12)는 상기 공기극 매니폴드의 입구(11)와 상기 유로전환수단을 연결한다. 상기 공기극 흡입유로(12)는 2개의 제1,2공기극 흡입유로(12a)(12b)를 포함한다. 상기 제1공기극 흡입유로(12a)는 상기 공기극 매니폴드의 입구(11)와 후술하는 제4삼방밸브(64)를 연결하고, 상기 제2공기극 흡입유로(12b)는 상기 제4삼방밸브와 유로전환수단을 연결한다.

상기 공기극 매니폴드의 출구(13)에는 공기극 배출유로(14)가 연결된다. 상기 공기극 배출유로(14)는 2개의 제1,2공기극 배출유로(14a)(14b)를 포함한다. 상기 제1공기극 배출유로(14a)는 상기 공기극 매니폴드의 출구(13)와 후술하는 제1삼방밸브(61)를 연결하고, 상기 제2공기극 배출유로(14b)는 상기 제1삼방밸브(61)와 외부를 연결한다.

상기 연료극 매니폴드의 입구(21)에는 연료극 흡입유로(22)가 연결된다. 상기 연료극 흡입유로(22)는 상기 연료극 매니폴드의 입구(21)와 상기 유로전환수단을 연결한다. 상기 연료극 흡입유로(21)는 2개의 제1,2연료극 흡입유로(21a)(21b)를 포함한다. 상기 제1연료극 흡입유로(21a)는 상기 연료극 매니폴드의 입구(21)와 후술하는 제2삼방밸브(62)를 연결하고, 상기 제2연료극 흡입유로(21b)는 상기 제2삼방밸브(62)와 유로전환수단을 연결한다.

상기 연료극 매니폴드의 출구(23)에는 연료극 배출유로(24)가 연결된다. 상기 연료극 배출유로(24)는 2개의 제1,2연료극 배출유로(24a)(24b)를 포함한다. 상기 제1연료극 배출유로(24a)는 상기 연료극 매니폴드의 출구(23)와 후술하는 제3삼방밸브(63)를 연결하고, 상기 제2연료극 배출유로(24b)는 상기 제3삼방밸브(63)와 외부를 연결한다.

상기 공기 공급부(30)는, 공기가 저장되는 공기공급장치(32)와, 상기 공기공급장치(32)에 연결되고 상기 공기극 흡입유로(12)와 상기 연료극 흡입유로(22) 중 어느 하나로 공기를 공급하기 위한 공기공급유로(32a)를 포함한다.

상기 연료 공급부(40)는, 수소가 저장되는 수소공급장치(42)와, 상기 수소공급장치(42)에 연결되고 상기 공기극 흡입유로(12)와 상기 연료극 흡입유로(22) 중 다른 하나로 수소를 공급하기 위한 수소 공급유로(42a)를 포함한다.

상기 유로전환수단은, 정상운전모드와 냉시동 운전모드에 따라 상기 공기 공급부(30)와 상기 연료 공급부(40)를 선택적으로 상기 공기극 흡입유로(12)와 상기 연료극 흡입유로(22)에 연결하기 위해 유로를 전환한다. 상기 유로전환수단(50)은, 상기 공기공급유로(32a), 상기 수소공급유로(42a), 상기 제2공기극 흡입유로(12b) 및 상기 제2연료극 흡입유로(22b)가 연결된 사방밸브(50)이다.

상기 사방밸브(50)는, 정상 운전모드시 상기 공기 공급유로(32a)를 상기 제2공기극 흡입유로(12b)로 연결하고, 상기 수소 공급유로(42a)는 상기 제2연료극 흡입유로(22b)로 연결한다. 한편, 냉시동 운전모드시 상기 사방밸브(50)는, 상기 공기 공급유로(32a)를 상기 제2연료극 흡입유로(22b)로 연결하고, 상기 수소 공급유로(42a)는 상기 제2공기극 흡입유로(12b)로 연결한다. 즉, 상기 사방밸브(50)는, 정상운전모드시 상기 공기극으로 공기가 공급되고 상기 연료극으로 수소가 공급되도록 하고, 냉시동운전 모드시 상기 공기극으로 수소가 공급되고 상기 연료극으로 공기가 공급되도록 유로를 전환한다.

한편, 상기 연료전지 시스템은, 상기 공기극 매니폴드의 출구(13)와 상기 연료극 매니폴드의 입구(21)를 연결하기 위한 제1바이패스 유로(71)와, 상기 제1바이패스 유로(71)의 개폐를 단속하는 제1밸브수단을 더 포함한다.

상기 제1바이패스 유로(71)는, 상기 공기극 배출유로(14)와 상기 연료극 흡입유로(22)를 연결하도록 형성된다.

상기 제1밸브수단은, 상기 공기극 배출유로(14)상에서 상기 제1바이패스 유로(71)가 연결된 지점에 설치된 제1삼방밸브(61)와, 상기 연료극 흡입유로(22)상에서 상기 제1바이패스 유로(71)가 연결된 지점에 설치된 제2삼방밸브(62)를 포함한다.

또한, 상기 연료전지 시스템은, 상기 연료극 매니폴드의 출구(23)와 상기 공기극 매니폴드의 입구(11)를 연결하기 위한 제2바이패스 유로(72)와, 상기 제2바이패스 유로(72)의 개폐를 단속하는 제2밸브수단을 더 포함한다.

상기 제2바이패스 유로(72)는, 상기 연료극 배출유로(24)와 상기 공기극 흡입유로(12)를 연결하도록 형성된다.

상기 제2밸브수단은, 상기 연료극 배출유로(24)상에서 상기 제2바이패스 유로(72)가 연결된 지점에 설치된 제3삼방밸브(63)와, 상기 공기극 흡입유로(12)상에서 상기 제2바이패스 유로(72)가 연결된 지점에 설치된 제4삼방밸브(64)를 포함한다.

또한, 상기 연료전지 시스템은, 냉시동 운전여부를 판단하기 위해 온도를 감지하는 온도센서(미도시)와, 생산된 전력을 측정하기 위한 전력 측정기(미도시)를 더 포함한다. 상기 온도센서는, 상기 연료전지 스택(2) 내부에 설치되어 상기 연료전지 스택(2)내부의 온도를 감지하는 내부온도센서(미도시)와, 상기 연료전지 스택(2) 외부에 설치되어 외기 온도를 감지하는 외기온도센서(미도시) 중 적어도 하나를 더 포함한다. 상기 제어부(미도시)는 상기 내부온도센서와 상기 외기온도센서에서 각각 감지된 값 중 적어도 하나를 고려하여 상기 연료전지 시스템의 정상 운전모드나 냉시동 운전모드를 판단할 수 있다. 또한, 상기 제어부(미도시)는, 상기 연료전지 시스템에서 생산된 전력을 측정하고, 측정된 전력값(V)에 따라 냉시동 운전 조건인지 여부를 판단한다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 연료전지 시스템의 제어방법을 설명하면, 다음과 같다.

먼저, 도 1 및 도 6을 참조하면, 상기 연료전지 시스템이 시동되면, 상기 제어부(미도시)는 상기 공기극 매니폴드의 입구(11)로 공기를 공급하고, 상기 연료극 매니폴드의 입구(21)로 수소를 공급하도록 제어한다. (S1)(S2)

상기 제어부(미도시)는, 냉시동 운전 조건인지 여부를 판단한다. 즉, 상기 온도센서(미도시)에서 감지된 온도값(T)이 미리 설정된 설정 온도(Tref)를 미리 설정된 설정 온도(Tref)와 비교하고, 상기 전력 측정기(미도시)에서 측정한 전력값(V)을 미리 설정된 설정 전력값(Vref)과 비교한다.(S3)

상기 온도센서(미도시)에서 감지된 온도값(T)이 상기 설정 온도(Tref) 이상이고, 상기 전력 측정기(미도시)에서 측정한 전력값(V)이 상기 설정 전력값(Vref) 이상이면, 정상 운전모드를 유지한다.(S4)

한편, 상기 온도센서(미도시)에서 감지된 온도값(T)이 상기 설정 온도(Tref) 미만이고, 상기 전력 측정기(미도시)에서 측정한 전력값(V)이 상기 설정 전력값(Vref) 미만이면, 냉시동 운전 조건이라고 판단하여 냉시동 운전모드로 전환한다.(S5)

상기 냉시동 운전모드는, 상기 연료극으로 공기를 공급하고 상기 공기극으로 수소를 공급하여, 상기 연료극과 상기 공기극의 역할을 바꾸어 사용하는 전극 교차 운전을 하는 모드이다. 상기 냉시동 운전모드는 미리 설정된 설정 횟수(Ns)만큼 실시된다. 여기서는, 상기 설정 횟수는 2회인 것으로 예를 들어 설명한다.(S6)

이하, 도 2 내지 도 4, 도 7을 참조하여, 상기 냉시동 운전모드에 대해 상세히 설명한다.

먼저, 도 2를 참조하면, 상기 냉시동 운전모드가 시작되면, 상기 사방밸브(50)를 전환하기 이전에 미리 설정된 제1설정시간동안 상기 공기극으로 공기가 공급되는 것을 차단하고, 상기 연료극으로는 수소의 공급을 유지한 상태로 운전을 지속한다. (S51) 이 때, 상기 제4삼방밸브(64)는 상기 공기극 흡입유로(12)와 상기 제2바이패스 유로(72)를 모두 차폐한다. 상기 제1삼방밸브(61)는 상기 공기극 배출유로(14)와 상기 제1바이패스 유로(71)를 모두 차폐한다. 한편, 상기 제2삼방밸브(62)는 상기 연료극 흡입유로(22)는 개방하고 상기 제1바이패스 유로(71)는 차폐한다. 상기 제3삼방밸브(63)는 상기 연료극 배출유로(24)는 개방하고, 상기 제2바이패스 유로(72)는 차폐한다.

상기 공기극으로 공기가 공급되지 않고, 상기 연료극으로 수소가 공급되는 상태에서, 전력 생산을 위한 운전을 계속한다.(S52)

상기 운전이 계속되면 전기화학 반응에 의해 상기 공기극 내부에 있는 잔류하는 공기 중의 산소가 소모되어, 상기 공기극 내부의 질소 농도가 높아진다. 이후, 상기 공기극 내부에는 잔류 질소만이 남게 된다. 상기 제1설정시간은 상기 공기극 내부에 잔류하는 산소가 소모될 때까지의 시간으로 실험 등에 의해 미리 설정된다. (S53)

도 3을 참조하면, 상기 제1설정시간이 경과하면, 상기 사방밸브(50)를 전환한다. 상기 사방밸브(50)를 전환하면, 상기 공기 공급유로(32a)는 상기 연료극 흡입유로(22)에 연결되고, 상기 수소 공급유로(42a)는 상기 공기극 흡입유로(12)로 연결된다. (S54)

이 때, 상기 제2삼방밸브(62)는 미리 설정된 제2설정시간동안 상기 공기 공급유로(32a)를 차폐한다. 따라서, 상기 연료극으로 공기의 공급을 차단한다.

한편, 상기 제4삼방밸브(64)는 상기 수소 공급유로(42a)와 상기 공기극 흡입유로(12)를 모두 개방한다. 따라서, 상기 수소 공급유로(42a)로부터 공급되는 수소는 상기 공기극 흡입유로(12)를 통해 상기 공기극 매니폴드의 입구(11)로 흡입된다. (S55)

상기 공기극 매니폴드의 입구(11)를 통해 흡입된 수소는 상기 공기극 내에 잔류하고 있던 잔류 질소를 밀어내게 되고, 밀려난 잔류 질소는 상기 공기극 매니폴드의 출구(13)를 통해 배출된다.(S56) 따라서, 상기 공기극의 퍼지가 이루어진다.

이 때, 상기 제1삼방밸브(61)는 상기 제2설정시간동안 상기 제2공기극 배출유로(14b)는 차폐하고, 상기 제1바이패스 유로(71)는 개방한다. 따라서, 상기 공기극 매니폴드의 출구(13)를 통해 배출되는 잔류 질소는 상기 제1바이패스 유로(71)를 통해 상기 연료극 매니폴드의 입구(21)로 흡입된다. (S57)

상기 연료극 매니폴드의 입구(21)를 통해 흡입된 잔류 질소는 상기 연료극 내에 잔류하고 있던 잔류 수소를 밀어내게 된다. 상기 연료극 내에 잔류하다가 밀려난 잔류 수소는 상기 연료극 매니폴드의 출구(23)를 통해 배출된다. (S58) 따라서, 상기 연료극의 퍼지가 이루어진다.

상기 연료극 매니폴드의 출구(23)를 통해 배출된 잔류 수소는 상기 제3삼방밸브(63)와 상기 연료극 배출유로(24)를 통해 외부로 배출된다.

도 4를 참조하면, 상기 제2설정시간이 경과하면, 상기 연료극 매니폴드의 입구(21)로 공기 공급을 시작한다.(S59)

이 때, 상기 제2사방밸브(62)는 상기 연료극 흡입유로(22)를 개방하고, 상기 제1바이패스 유로(71)는 차폐한다. 따라서, 상기 연료극 흡입유로(22)를 통해 상기 연료극 매니폴드의 입구(21)로 공기가 공급된다.

따라서, 상기 공기극으로는 수소가 공급되고, 상기 연료극으로는 공기가 공급되어, 상기 공기극과 상기 연료극의 역할이 바뀌는 전극 교차 운전이 실시되어 전력을 생산한다.(S60)(S61)

상기와 같이, 냉시동 운전 모드에서 상기 공기극과 상기 연료극의 역할이 바뀜으로써, 상기 공기극 측의 수분의 결빙이 방지될 수 있으며, 이미 생성된 얼음의 표면 결합력이 약화되어 얼음의 분리가 쉽게 이루어질 수 있는 효과가 있다.

또한, 상기 제1,2,3,4삼방밸브(61)(62)(63)(64)의 개폐를 통해 잔류 질소로 상기 연료극을 퍼지할 수 있으므로, 수소와 산소의 직접 반응을 방지할 수 있다.

한편, 상기 냉시동 운전모드를 상기 설정횟수만큼 반복한 후, 다시 상기 정상운전모드로 전환한다.

상기 정상운전모드로 전환시, 상기 사방밸브를 전환하기 이전에 상기 제1설정시간동안 상기 연료극으로 공기의 공급을 차단한 상태로 운전을 유지한다. 상기 연료극으로 공기가 공급되지 않고, 상기 공기극으로 수소가 공급되는 상태에서 전력 생산을 위한 운전이 계속되면, 전기 화학 반응에 의해 상기 연료극 내부에 잔류하는 공기 중의 산소가 소모되어, 상기 연료극 내부에는 질소만 남게 된다.

도 5를 참조하면, 상기 제1설정시간이 경과하면, 상기 사방밸브(50)를 전환한다. 상기 사방밸브(50)를 전환한 이후에도 미리 설정된 제2설정시간동안 상기 공기 공급유로(32a)를 차폐한다. 따라서, 상기 공기극으로 공기의 공급을 차단한다.

한편, 상기 제2삼방밸브(62)는 상기 수소 공급유로(42a)와 상기 연료극 흡입유로(22)를 모두 개방한다. 따라서, 상기 수소 공급유로(42a)로부터 공급되는 수소는 상기 연료극 흡입유로(22)를 통해 상기 연료극 매니폴드의 입구(22)로 흡입된다. 상기 연료극 매니폴드의 입구(22)를 통해 흡입된 수소는 상기 연료극 내에 잔류하고 있던 잔류 질소를 밀어내게 된다. 밀려난 잔류 질소는 상기 연료극 매니폴드의 출구(24)를 통해 배출된다. 따라서, 상기 연료극의 퍼지가 이루어진다.

또한, 상기 제4삼방밸브는 상기 제2설정시간동안 상기 제2연료극 배출유로(24b)는 차폐하고 상기 제2바이패스 유로(72)를 개방한다. 따라서, 상기 연료극 매니폴드의 출구(24)를 통해 배출되는 잔류 질소는 상기 제2바이패스 유로(72)를 통해 상기 공기극 매니폴드의 입구(11)로 흡입된다. 상기 공기극 매니폴드의 입구(11)를 통해 흡입된 잔류 질소는 상기 공기극 내에 잔류하고 있던 잔류 수소글 밀어낸다. 밀려난 잔류 수소는 상기 공기극 매니폴드의 출구(13)를 통해 배출된다. 따라서, 상기 공기극의 퍼지가 이루어진다. 상기와 같이, 상기 공기극과 상기 연료극의 퍼지를 실행한 이후에, 상기 공기극으로 공기의 공급을 개시하여 정상 운전을 실시한다.

상기와 같이, 겨울철 등 영하의 날씨에 연료전지 스택의 내부에서 생성되는 생성수가 얼어서 시동이 걸리지 않는 냉시동 문제를 해결하기 위하여, 공기극과 연료극의 역할을 바꾸어 운전하는 냉시동 운전모드를 설정횟수동안 실시함으로써, 냉시동으로 인한 운전 중단이 없어지므로 운전시간이 확보되어 전력 생산 효율이 향상될 수 있다.

또한, 밸브와 유로의 추가 구성만으로 냉시동을 해결할 수 있으므로 히터 등의 설치가 불필요하여 추가적인 전력 소요가 없어 효율이 향상될 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

2: 연료전지 스택 11: 공기극 매니폴드의 입구
12: 공기극 흡입유로 13: 공기극 매니폴드의 출구
14: 공기극 배출유로 21: 연료극 매니폴드의 입구
22: 연료극 흡입유로 23: 연료극 매니폴드의 출구
24: 연료극 배출유로 30: 공기 공급부
40: 연료 공급부 50: 사방밸브
61: 제1삼방밸브 62: 제2삼방밸브
63: 제3삼방밸브 64: 제4삼방밸브
71: 제1바이패스유로 72: 제2바이패스유로

Claims (10)

1. 공기극과 연료극을 포함하는 연료전지 스택과;
   상기 공기극과 상기 연료극 중 어느 하나에 공기를 공급하는 공기 공급부와;
   상기 공기극과 상기 연료극 중 어느 하나에 연료를 공급하는 연료 공급부와;
   정상 운전 모드시 상기 공기 공급부의 공기가 상기 공기극으로 안내되고 상기 연료 공급부의 연료가 상기 연료극으로 안내되도록 유로를 연결하고, 냉시동 운전모드시 상기 연료 공급부의 연료가 상기 공기극으로 안내되고 상기 공기 공급부의 공기가 상기 연료극으로 교차 안내되도록 유로를 전환하는 유로전환수단과;
   외기의 온도와 상기 연료전지 스택 내부 온도 중 적어도 하나에 따라 정상 운전모드와 냉시동 운전모드를 판단하고, 그에 따라 상기 유로전환수단의 작동을 제어하는 제어부를 포함하는 연료전지 시스템.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 공기극의 입구에 연결된 공기극 흡입유로와, 상기 연료극의 입구에 연결된 연료극 흡입유로를 더 포함하고,
   상기 유로전환수단은, 상기 공기 공급부와 상기 연료 공급부를 상기 공기극 흡입유로와 상기 연료극 흡입유로에 연결하는 유로상에 설치된 사방밸브를 포함하는 연료전지 시스템.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 제어부는, 상기 냉시동 운전모드가 시작되면, 미리 설정된 제1설정시간동안 상기 공기극의 입구와 출구를 차폐시키고 상기 연료극으로 연료만을 공급하는 상태로 운전을 제어하는 연료전지 시스템.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 공기극의 출구와 상기 연료극의 입구를 연결하는 제1바이패스유로와;
   상기 제1바이패스 유로의 개폐를 단속하는 제1밸브수단을 더 포함하고,
   상기 제어부는, 상기 냉시동 운전모드시 상기 공기극으로 공급된 연료에 의해 상기 공기극의 출구로부터 배출되는 잔류공기가 미리 설정된 제2설정시간동안 상기 제1바이패스유로를 통해 상기 연료극의 입구로 안내되도록 상기 제1밸브수단을 제어하는 연료전지 시스템.
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 공기극의 출구에 연결된 공기극 배출유로와, 상기 연료극의 입구에 연결된 연료극 흡입유로를 더 포함하고,
   상기 제1밸브수단은, 상기 공기극 배출유로상에서 상기 제1바이패스유로가 연결된 지점에 설치된 제1삼방밸브와, 상기 연료극 흡입유로상에서 상기 제1바이패스유로가 연결된 지점에 설치된 제2삼방밸브를 포함하는 연료전지 시스템.
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 연료극의 출구와 상기 공기극의 입구를 연결하는 제2바이패스유로와,
   상기 제2바이패스유로의 개폐를 단속하는 제2밸브수단을 더 포함하고,
   상기 제어부는, 상기 냉시동 운전모드에서 상기 정상 운전모드로 전환시, 상기 연료극으로 공급된 연료에 의해 상기 연료극의 출구로부터 배출되는 잔류공기가 미리 설정된 제2설정시간동안 상기 제2바이패스 유로를 통해 상기 공기극의 입구로 안내되도록 상기 제2밸브수단을 제어하는 연료전지 시스템.
7. 청구항 6에 있어서,
   상기 연료극의 출구에 연결된 연료극 배출유로와, 상기 공기극의 입구에 연결된 공기극 흡입유로를 더 포함하고,
   상기 제2밸브수단은, 상기 연료극 배출유로 상에서 상기 제2바이패스유로가 연결된 지점에 설치된 제3삼방밸브와, 상기 공기극 흡입유로 상에서 상기 제3바이패스유로가 연결된 지점에 설치된 제4삼방밸브를 더 포함하는 연료전지 시스템.
8. 냉시동 운전 조건인지 여부를 판단하는 냉시동 판단단계와;
   상기 냉시동 운전 조건이라고 판단되면, 연료전지 스택의 공기극에 연료를 공급하고, 상기 연료전지 스택의 연료극에 공기를 공급하여, 상기 공기극과 상기 연료극의 역할을 서로 바꾸어 전력을 생산하는 냉시동 운전단계를 포함하는 연료전지 시스템의 제어방법.
9. 청구항 8에 있어서,
   상기 냉시동 운전단계는,
   상기 공기극에 연료를 공급하기 이전에, 상기 공기극의 입구와 출구를 차폐하는 과정과,
   상기 공기극의 입구와 출구가 차폐된 상태에서 미리 설정된 제1설정시간동안 전력을 생산하여 산소를 제거하는 과정과,
   상기 제1설정시간이 경과한 이후, 상기 공기극에 미리 설정된 제2설정시간동안 연료를 공급하는 과정과,
   상기 제2설정시간이 경과한 이후, 상기 연료극에도 공기를 공급하는 과정을 포함하는 연료전지 시스템의 제어방법.
10. 청구항 9에 있어서,
    상기 제2설정시간동안 상기 공기극에 연료를 공급하는 동안, 상기 공기극에서 배출되는 잔류 공기는 상기 연료극으로 공급하는 연료전지 시스템의 제어방법.

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