KR20210067273A - 연료전지 시스템 및 이의 운전방법 - Google Patents

연료전지 시스템 및 이의 운전방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20210067273A
KR20210067273A KR1020190156707A KR20190156707A KR20210067273A KR 20210067273 A KR20210067273 A KR 20210067273A KR 1020190156707 A KR1020190156707 A KR 1020190156707A KR 20190156707 A KR20190156707 A KR 20190156707A KR 20210067273 A KR20210067273 A KR 20210067273A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
fuel
flow rate
reformed water
fuel cell
reformed
Prior art date
Application number
KR1020190156707A
Other languages
English (en)
Inventor
정강식
Original Assignee
주식회사 미코파워
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 미코파워 filed Critical 주식회사 미코파워
Priority to KR1020190156707A priority Critical patent/KR20210067273A/ko
Publication of KR20210067273A publication Critical patent/KR20210067273A/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H01M8/04753—Pressure; Flow of fuel cell reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0438—Pressure; Ambient pressure; Flow
    • H01M8/04388—Pressure; Ambient pressure; Flow of anode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0438—Pressure; Ambient pressure; Flow
    • H01M8/04425—Pressure; Ambient pressure; Flow at auxiliary devices, e.g. reformers, compressors, burners
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H01M8/04776—Pressure; Flow at auxiliary devices, e.g. reformer, compressor, burner
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04992—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the implementation of mathematical or computational algorithms, e.g. feedback control loops, fuzzy logic, neural networks or artificial intelligence
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04201—Reactant storage and supply, e.g. means for feeding, pipes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0612—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
    • H01M8/0618—Reforming processes, e.g. autothermal, partial oxidation or steam reforming
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Artificial Intelligence (AREA)
  • Computing Systems (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Fuzzy Systems (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

연료전지 시스템이 개지된다. 연료전지 시스템은 연료전지 스택; 개질된 수소 함유 연료를 상기 연료전지 스택에 공급하는 개질기; 개질수를 수증기로 기화시키는 기화기; 연료 및 수증기를 혼합한 후 개질기에 공급하는 혼합기; 연료가스를 혼합기로 공급하는 연료 펌프; 개질수를 기화기로 공급하는 개질수 펌프; 연료 펌프와 혼합기를 연결하는 연료 공급배관에 설치되어 연료의 유량을 실시간으로 검출하는 제1 유량 검출기; 개질수 펌프와 기화기를 연결하는 개질수 공급배관에 설치되어 개질수의 유량을 실시간으로 검출하는 제2 유량 검출기; 및 연료 유량 및 개질수 유량에 대한 정보를 이용하여 SCR(Steam/Carbon Ratio)을 실시간으로 산출하고, 산출된 SCR을 기 설정된 기준 범위와 비교한 후 그 비교 결과에 따라 연료 펌프 또는 개질수 펌프의 동작을 제어하는 제어기를 구비한다.

Description

연료전지 시스템 및 이의 운전방법{FUEL-CELL SYSTEM AND METHOD OF OPERATING THE FUEL-CELL SYSTEM}
본 발명은 수소 함유 연료 및 공기를 이용하여 전력을 생성하는 연료전지 시스템 및 이의 운전방법에 관한 것이다.
수소와 산소의 전기화학적 반응을 통해 전기를 생성하는 연료 전지는 에너지 전환단계가 간단하고 고효율, 무공해 발전기라는 친환경적인 특성 때문에 최근 연구가 활발히 진행되고 있다.
특히, 상기 연료 전지 중 고체산화물 연료 전지(SOFC)는 전해질로써 세라믹을 사용하여 약 600 내지 1000
Figure pat00001
정도의 고온에서 작동되는 연료전지로서, 다른 용융탄산염 연료전지(MCFC), 인산형 연료전지(PAFC), 고분자형 연료전지(PEFC) 등 여러 형태의 연료 전지들 중 가장 효율이 높고 공해가 적을 뿐 아니라, 복합발전이 가능한 등의 여러 장점을 지니고 있다.
하지만, 고체산화물 연료전지 등과 같이 고온 연료전지 시스템의 경우, 연료를 개질하기 위해 일반적으로 수증기 개질기가 적용되는데, 연료전지 스택에 공급되는 개질 연료에서 수증기와 탄소의 비율이 적정 범위에 있지 않는 경우, 개질 연료가 공급되는 연료극이 파손되거나 성능이 저하되는 등의 문제점이 발생할 수 있다.
따라서, 연료전지 스택에 공급되는 개질 연료에서 수증기와 탄소의 비율을 일정하게 유지할 수 있는 기술의 개발이 필요하다.
본 발명의 일 목적은 SCR(Steam Carbon Ratio)를 일정하게 유지할 수 있어서 연료전지의 연료극을 보호할 수 있는 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 연료전지 시스템의 운전방법에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템은 연료전지 스택; 수증기를 산화제로 이용하여 탄화수소 연료 중 적어도 일부로부터 수소로 생성하고, 개질된 수소 함유 연료를 상기 연료전지 스택에 공급하는 개질기; 외부 개질수 공급부로부터 개질수를 공급받고, 이를 수증기로 기화시키는 기화기; 외부 연료 공급부 및 상기 기화기로부터 연료 및 수증기를 각각 공급받아서 이들을 혼합한 후 상기 개질기에 공급하는 혼합기; 상기 연료가스를 상기 연료 공급부로부터 상기 혼합기로 공급하는 연료 펌프; 상기 개질수를 상기 개질수 공급부로부터 상기 기화기로 공급하는 개질수 펌프; 상기 연료 펌프와 상기 혼합기를 연결하는 연료 공급배관에 설치되어 연료의 유량을 실시간으로 검출하는 제1 유량 검출기; 상기 개질수 펌프와 상기 기화기를 연결하는 개질수 공급배관에 설치되어 상기 개질수의 유량을 실시간으로 검출하는 제2 유량 검출기; 및 상기 제1 및 제2 유량 검출기로부터 상기 연료 유량 및 상기 개질수 유량에 대한 정보를 각각 제공받아서 탄소에 대한 수증기의 비율(Steam/Carbon Ratio, SCR)을 실시간으로 산출하고, 산출된 SCR을 기 설정된 기준 범위와 비교한 후 그 비교 결과에 따라 상기 연료 펌프 또는 상기 개질수 펌프의 동작을 제어하는 제어기를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 기준 범위는 2 이상 2.5 이하의 범위로 설정될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 산출된 SCR 값이 1.5 이상 2 미만인 경우, 상기 제어기는 상기 개질수의 양은 현재의 유량보다 제1 유량만큼 증가된 유량으로 공급되도록 상기 개질수 펌프(1620)의 동작을 실시간으로 제어하고, 상기 산출된 SCR 값이 2.5 초과 3 이하인 경우, 상기 제어기는 상기 개질수의 양은 현재의 유량보다 제2 유량만큼 감소된 유량으로 공급되도록 상기 개질수 펌프의 동작을 제어할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 산출된 SCR 값이 1.5 미만인 경우이거나 3.0 초과인 경우, 상기 제어기는 상기 연료전지 스택이 비상 정지가 되도록 상기 연료 펌프 및 상기 개질수 펌프의 동작을 제어할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 연료전지 시스템은 상기 개질기와 상기 연료전지 스택을 연결하는 연료 공급 배관에 설치되어 수소의 유량을 감지하는 제3 유량 검출기를 더 포함할 수 있고, 이 경우, 상기 제어기는 상기 연료 유량 및 상기 개질수 유량 정보와 함께 상기 수소 유량 정보를 기초로 상기 탄소에 대한 수증기의 비율(Steam/Carbon Ratio, SCR)을 산출할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 운전방법은 연료전지 스택, 상기 연료전지 스택에 개질 연료를 공급하는 개질기, 상기 개질기에 연료 및 수증기의 혼합 가스를 공급하는 혼합기, 개질수를 증기화하여 상기 혼합기에 수증기를 공급하는 기화기, 상기 연료 및 상기 개질수를 상기 혼합기 및 상기 기화기에 각각 공급하는 연료 펌프와 개질수 펌프 및 공기를 상기 연료전지 스택의 공기극에 공급하는 공기 블로워를 포함하는 연료전지 시스템을 운전하는 방법에 관한 것으로서, 상기 혼합기로 공급되는 상기 연료 및 상기 개질수의 유량을 각각 실시간으로 검출하는 제1 단계; 상기 연료 및 상기 개질수의 유량으로부터 탄소에 대한 수증기의 비율(Steam/Carbon Ratio, SCR)을 실시간 산출하는 제2 단계; 및 산출된 SCR 값을 기 설정된 기준 범위와 실시간으로 비교한 후 비교결과를 기초로 상기 연료 펌프, 상기 개질수 펌프 및 상기 공기 블로워 중 하나 이상의 동작을 실시간으로 제어하는 제3 단계를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 산출된 SCR 값이 1.5 이상 2 미만인 경우, 상기 개질수의 양이 현재의 유량보다 제1 유량만큼 증가된 유량으로 공급되도록 상기 개질수 펌프(1620)의 동작이 실시간으로 제어되고, 상기 산출된 SCR 값이 2.5 초과 3 이하인 경우, 상기 개질수의 양이 현재의 유량보다 제2 유량만큼 감소된 유량으로 공급되도록 상기 개질수 펌프의 동작이 제어되될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 산출된 SCR 값이 1.5 미만인 경우이거나 3.0 초과인 경우, 상기 연료전지 스택이 비상 정지가 되도록 상기 연료 펌프, 상기 개질수 펌프 및 상기 공기 블로워의 동작이 제어될 수 있다.
본 발명의 연료전지 시스템에 따르면, 제1 및 제2 유량 검출기 또는 제1 내지 제3 유량 검출기로부터 제공되는 연료 및 개질수의 유량 정보를 이용하여 SCR 값을 산출하고, 이를 기초로 연료전지 스택에 공급되는 연료, 개질수, 공기의 유량을 제어함으로써 연료전지 스택 내의 연료극의 손상이나 성능저하를 방지할 수 있고, 그 결과 연료전지 시스템의 수명을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 운전방법을 설명하기 위한 순서도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템(1000)은 연료전지 스택(1100), 개질기(1200), 기화기(1300), 혼합기(1400), 핫박스 하우징(1500), 연료 펌프(1610), 개질수 펌프(1620), 공기 블로워(1630), 제1 및 제2 유량 검출기(1710, 1720) 및 제어기(1800)를 포함할 수 있다.
상기 연료전지 스택(1100)은 고온에서 동작하는 하나 이상의 연료전지 스택을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 연료전지 스택(1100)은 약 500
Figure pat00002
이상의 온도에서 작동하는 고체산화물 연료전지(SOFC) 스택, 용융탄산염 연료전지(MCFC) 스택 등을 하나 이상 포함할 수 있다. 상기 연료전지 스택(110)은 공기 중의 산소 및 개질된 연료 가스의 수소를 이용하여 전기 에너지를 생성한다. 한편, 상기 연료전지 스택(110)은 평판형 단전지들의 스택을 포함할 수도 있고, 원통형 또는 평관형 단전지들의 번들을 포함할 수도 있다.
이하에서는 설명의 편의를 위해 상기 연료전지 스택(1100)이 평판형 고체산화물 연료전지 스택인 경우를 예로 들어 설명한다.
상기 연료전지 스택(1100)은 복수의 적층된 연료전지 단전지를 포함할 수 있다. 상기 연료 전지 단전지는 전해질층과, 이 전해질층의 양면들 각각에 공기극층 및 연료극층을 포함하여 전기를 생성한다. 구체적으로, 상기 연료 전지 단전지는 공기극층 및 연료극층 각각에 산소를 포함하는 공기와 수소를 포함하는 연료 가스를 흘려주면 전해질층에서 이온 전도현상을 통해 수소와 산소가 전기화학적으로 반응하여 전기가 생성된다.
상기 전해질층은 높은 이온 전도성, 우수한 산화-환원 분위기에서의 안정성 및 우수한 기계적 특성을 갖는 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ: Yttria-Stabilized Zirconia), (La, Sr)(Ga, Mg)O3, Ba(Zr,Y)O3, GDC(Gd doped CeO2), YDC(Y2O3 doped CeO2) 등과 같은 세라믹 물질로 형성될 수 있다. 이러한 전해질층을 포함하는 연료 전지 단전지를 통상적으로 고체산화물 연료 전지(SOFC)라고 명칭하며 약 600 내지 1000
Figure pat00003
의 고온에서 작동되는 것이 특징이다.
상기 공기극층은 산소가 이동할 수 있도록 LSM(Lanthanum strontium manganite), LSCF(Lanthanum strontium cobalt ferrite) 등을 이용하여 다공질 구조로 형성될 수 있다. LSM(Lanthanum strontium manganite)은 란탄늄(La), 스트론튬(Sr) 및 망간(Mn)의 복합체이고, LSCF(Lanthanum strontium cobalt ferrite)는 란탄늄(La), 스트론튬(Sr), 코발트(Co) 및 철(Fe)의 복합물이다.
상기 연료극층은 수소가 이동할 수 있도록 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ: Yttria-Stabilized Zirconia)와 니켈(Ni)의 혼합물을 이용하여 다공질 구조로 형성될 수 있다.
상기 개질기(1200)는 탄화수소 연료 중 적어도 일부를 수소로 변환한 후 이를 상기 연료전지 스택(1100)의 연료극에 공급할 수 있다. 상기 개질기(120)로는 수증기를 산화제로 이용하여 상기 탄화수소 연료를 수소로 변환시키는 수증기 개질기(Steam Reformer)가 사용될 수 있다. 이 경우, 상기 개질기(1200)는 외부 개질수 공급부(200)로부터 공급된 개질수를 가열하여 생성된 수증기 및 상기 연료 공급부(100)에서 공급된 연료를 반응시켜 상기 연료의 적어도 일부를 수소로 변환시킬 수 있다.
상기 기화기(1300)는 상기 개질수 공급부(200)로부터 공급된 개질수를 가열하여 수증기를 생성할 수 있고, 상기 혼합기(1400)는 상기 기화기(3100)로부터 공급된 수증기 및 상기 연료 공급부(100)로부터 공급된 연료를 혼합한 후 혼합 가스를 상기 개질기(1200)에 공급할 수 있다.
상기 핫박스 하우징(1500)은 상기 연료전지 스택(1100), 상기 개질기(1200), 상기 기화기(1300), 상기 혼합기(1400)를 내부에 수용할 수 있다.
상기 연료 펌프(1610)는 상기 연료 공급부(100)로부터 연료를 상기 혼합기(1400)에 공급할 수 있고, 상기 개질수 펌프(1620)는 상기 개질수 공급부(200)로부터 개질수를 상기 기화기(1300)에 공급할 수 있으며, 상기 공기 블로워(1630)는 공기 공급부(300)로부터 공기를 상기 연료전지 스택(1100)의 공기극에 공급할 수 있다. 상기 연료 펌프(1610), 상기 개질수 펌프(1620) 및 상기 공기 블로워(1630)는 상기 핫박스 하우징(1500) 외부에 배치될 수 있다.
한편, 상기 연료전지 스택(1100)에 공급되는 개질 가스에 있어서, 수증기의 비율이 탄소보다 지나치게 높은 경우에는 연료전지 단전지의 연료극의 산화로 인한 부피 팽창으로 상기 연료극의 깨짐이 발생하거나 금속의 특성을 잃어버리는 등의 문제점이 발생할 수 있고, 상기 수증기의 비율이 상기 탄소보다 지나치게 낮은 경우에는 상기 연료극에 탄소가 축적되어 상기 연료극에 코킹이 발생되는 문제점이 발생할 수 있다. 따라서, 상기 연료전지 스택(1100)에 공급되는 개질 가스의 경우, 탄소에 대한 수증기의 비율(Steam/Carbon Ratio, SCR)이 일정한 범위 내에서 조절될 필요가 있다. 본 발명에서는 이러한 탄소에 대한 수증기의 비율(Steam/Carbon Ratio, SCR)을 기설정된 범위 내에서 조절하기 위한 구성을 구비하고 있고, 이에 대해서는 후술한다.
상기 제1 유량 검출기(1710)는 상기 연료 펌프(1610)와 상기 혼합기(1400)를 연결하는 연료 공급배관에 설치되어 상기 연료공급배관을 통해 상기 혼합기(1400)에 공급되는 연료의 유량을 측정할 수 있다. 상기 제2 유량 검출기(1720)는 상기 개질수 펌프(1620)와 상기 기화기(1300)를 연결하는 개질수 공급배관에 설치되어 상기 개질수 공급배관을 통해 상기 기화기(1300)에 공급되는 개질수의 유량을 측정할 수 있다.
상기 제어기(1800)는 상기 제1 유량 검출기(1710) 및 상기 제2 유량 검출기(1720)로부터 연료 유량 및 개질수 유량에 대한 정보를 제공받아서 탄소에 대한 수증기의 비율(Steam/Carbon Ratio, SCR)을 실시간으로 산출할 수 있고, 이를 기 설정된 기준 범위와 비교할 수 있으며, 이를 기초로 상기 연료 펌프(1610), 상기 개질수 펌프(1620) 및 상기 공기 블로워(1630)의 동작을 제어할 수 있다. 한편, 일 실시예로, 상기 기준 범위는 약 2 이상 2.5 이하의 범위로 설정될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제어기(1800)에 의해 산출된 SCR 값이 상기 기준 범위 이내에 있는 경우에는, 상기 제어기(1800)은 현재의 유량으로 상기 연료, 개질수 및 공기가 공급되도록 상기 연료 펌프(1610), 상기 개질수 펌프(1620) 및 상기 공기 블로워(1630)의 동작을 제어할 수 있다.
다른 실시예로, 상기 제어기(1800)에 의해 산출된 SCR 값이 상기 기준 범위 밖의 범위 중 약 1.5 이상 2 미만인 경우, 상기 제어기(1800)는 현재의 유량으로 연료 및 공기를 각각 공급하도록 상기 연료 펌프(1610) 및 상기 공기 블로워(1630)의 동작을 제어하고, 개질수의 양은 현재의 유량보다 제1 유량만큼 증가된 유량으로 공급되도록 상기 개질수 펌프(1620)의 동작을 제어할 수 있다. 그리고 상기 제어기(1800)에 의해 산출된 SCR 값이 상기 기준 범위 밖의 범위 중 약 2.5 초과 3 이하인 경우, 상기 제어기(1800)는 현재의 유량으로 연료 및 공기를 각각 공급하도록 상기 연료 펌프(1610) 및 상기 공기 블로워(1630)의 동작을 제어하고, 개질수의 양은 현재의 유량보다 제2 유량만큼 감소된 유량으로 공급되도록 상기 개질수 펌프(1620)의 동작을 제어할 수 있다.
또 다른 실시예에 있어서, 상기 제어기(1800)에 의해 산출된 SCR 값이 상기 기준 범위 밖의 범위 중 약 1.5 미만인 경우이거나 약 3.0 초과인 경우, 상기 제어기(1800)는 상기 연료전지 스택(1100)이 비상 정지가 되도록 상기 연료 펌프(1610), 상기 개질수 펌프(1620) 및 상기 공기 블로워(1630)의 동작을 제어할 수 있다. 예를 들면, 상기 산출된 SCR 값이 상기 기준 범위 밖의 범위 중 약 1.5 미만인 경우이거나 약 3.0 초과인 경우, 상기 제어부(1800)는 비상밸브(미도시)를 개방하여 상기 연료전지 스택(1100)의 연료극에 질소(N2), 아르곤(Ar) 등의 불활성 기체를 공급하고, 상기 연료전지 스택(1100)의 공기극에는 상기 연료전지 스택(1100)을 냉각시키기 위해 기 설정된 유량으로 공기가 공급되도록 상기 공기 블로워(1630)의 동작을 제어할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템(1000)은 상기 개질기(1200)와 상기 연료전지 스택(1100)을 연결하는 연료 공급 배관에 설치된 제3 유량 검출기(1730)을 더 포함할 수 있다.
상기 제3 유량 검출기(1730)은 수소의 유량을 감지할 수 있고, 이에 대한 정보를 상기 제어기(1800)에 제공할 수 있다.
이 경우, 상기 제어기(1800)는 상기 탄소에 대한 수증기의 비율(Steam/Carbon Ratio, SCR)을 산출함에 있어서, 상기 수소의 양을 반영할 수 있다. 예를 들면, 상기 제3 유량 검출기(1730)를 통해 검출된 수소의 유량를 이용하면, 상기 개질기(1200)에서 개질 반응 후에 잔류하는 탄소의 양을 보다 정확하게 산출할 수 있고, 그 결과 보다 정확한 SCR을 산출할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 운전방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 1과 함께 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 운전방법은 혼합기(1400)로 공급되는 연료 및 개질수의 유량을 각각 실시간으로 검출하는 제1 단계(S110), 상기 연료 및 개질수의 유량으로부터 탄소에 대한 수증기의 비율(Steam/Carbon Ratio, SCR)을 실시간 산출하는 제2 단계(S120) 및 산출된 SCR 값을 기 설정된 기준 범위와 실시간으로 비교한 후 비교결과를 기초로 상기 연료 펌프(1610), 상기 개질수 펌프(1620) 및 상기 공기 블로워(1630) 중 하나 이상의 동작을 실시간으로 제어하는 제3 단계(S130)를 포함할 수 있다.
상기 제1 단계(S110)에 있어서, 상기 연료 및 개질수의 유량은 연료 펌프(1610)와 혼합기(1400)를 연결하는 연료 공급배관에 설치된 제1 유량 검출기(1710) 및 개질수 펌프(1620)와 기화기(1300)를 연결하는 개질수 공급배관에 설치된 제2 유량 검출기(1720)을 통해 각각 검출될 수 있다.
상기 제2 단계(S120)에 있어서, 상기 제1 및 제2 유량 검출기(1710, 1720)에 의해 검출된 연료 유량 및 개질수 유량에 대한 정보는 실시간으로 제어기(1800)에 제공될 수 있고, 상기 제어기(1800)는 상기 연료 유량 및 상기 개질수 유량을 이용하여 탄소에 대한 수증기의 비율(Steam/Carbon Ratio, SCR)을 실시간 산출할 수 있다.
상기 제3 단계(S130)에 있어서, 상기 제어기(1800)는 산출된 탄소에 대한 수증기의 비율(Steam/Carbon Ratio, SCR)을 기 설정된 기준 범위와 비교한 후 비교결과를 기초로 상기 연료 펌프(1610), 상기 개질수 펌프(1620) 및 상기 공기 블로워(1630) 중 하나 이상의 동작을 제어할 수 있다. 한편, 일 실시예로, 상기 기준 범위는 약 2 이상 2.5 이하의 범위로 설정될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제어기(1800)에 의해 산출된 SCR 값이 상기 기준 범위 이내에 있는 경우에는, 상기 제어기(1800)은 현재의 유량으로 상기 연료, 개질수 및 공기가 공급되도록 상기 연료 펌프(1610), 상기 개질수 펌프(1620) 및 상기 공기 블로워(1630)의 동작을 제어할 수 있다.
다른 실시예로, 상기 제어기(1800)에 의해 산출된 SCR 값이 상기 기준 범위 밖의 범위 중 약 1.5 이상 2 미만인 경우, 상기 제어기(1800)는 현재의 유량으로 연료 및 공기를 각각 공급하도록 상기 연료 펌프(1610) 및 상기 공기 블로워(1630)의 동작을 제어하고, 개질수의 양은 현재의 유량보다 제1 유량만큼 증가된 유량으로 공급되도록 상기 개질수 펌프(1620)의 동작을 제어할 수 있다. 그리고 상기 제어기(1800)에 의해 산출된 SCR 값이 상기 기준 범위 밖의 범위 중 약 2.5 초과 3 이하인 경우, 상기 제어기(1800)는 현재의 유량으로 연료 및 공기를 각각 공급하도록 상기 연료 펌프(1610) 및 상기 공기 블로워(1630)의 동작을 제어하고, 개질수의 양은 현재의 유량보다 제2 유량만큼 감소된 유량으로 공급되도록 상기 개질수 펌프(1620)의 동작을 제어할 수 있다.
또 다른 실시예에 있어서, 상기 제어기(1800)에 의해 산출된 SCR 값이 상기 기준 범위 밖의 범위 중 약 1.5 미만인 경우이거나 약 3.0 초과인 경우, 상기 제어기(1800)는 상기 연료전지 스택(1100)이 비상 정지가 되도록 상기 연료 펌프(1610), 상기 개질수 펌프(1620) 및 상기 공기 블로워(1630)의 동작을 제어할 수 있다. 예를 들면, 상기 산출된 SCR 값이 상기 기준 범위 밖의 범위 중 약 1.5 미만인 경우이거나 약 3.0 초과인 경우, 상기 제어부(1800)는 비상밸브(미도시)를 개방하여 상기 연료전지 스택(1100)의 연료극에 질소(N2), 아르곤(Ar) 등의 불활성 기체를 공급하고, 상기 연료전지 스택(1100)의 공기극에는 상기 연료전지 스택(1100)을 냉각시키기 위해 기 설정된 유량으로 공기가 공급되도록 상기 공기 블로워(1630)의 동작을 제어할 수 있다.
본 발명의 연료전지 시스템 및 이의 운전방법에 따르면, 제1 및 제2 유량 검출기 또는 제1 내지 제3 유량 검출기로부터 제공되는 연료 및 개질수의 유량 정보를 이용하여 SCR 값을 산출하고, 이를 기초로 연료전지 스택에 공급되는 연료, 개질수, 공기의 유량을 제어함으로써 연료전지 스택 내의 연료극의 손상이나 성능저하를 방지할 수 있고, 그 결과 연료전지 시스템의 수명을 향상시킬 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
1000: 연료전지 시스템 1100: 연료전지 스택
1200: 개질기 1300: 기화기
1400: 혼합기 1500: 핫박스 하우징
1610: 연료 펌프 1620: 개질수 펌프
1630: 공기 블로워 1710: 제1 유량 검출기
1720: 제2 유량 검출기 1800: 제어기

Claims (8)

  1. 연료전지 스택;
    수증기를 산화제로 이용하여 탄화수소 연료 중 적어도 일부로부터 수소로 생성하고, 개질된 수소 함유 연료를 상기 연료전지 스택에 공급하는 개질기;
    외부 개질수 공급부로부터 개질수를 공급받고, 이를 수증기로 기화시키는 기화기;
    외부 연료 공급부 및 상기 기화기로부터 연료 및 수증기를 각각 공급받아서 이들을 혼합한 후 상기 개질기에 공급하는 혼합기;
    상기 연료가스를 상기 연료 공급부로부터 상기 혼합기로 공급하는 연료 펌프;
    상기 개질수를 상기 개질수 공급부로부터 상기 기화기로 공급하는 개질수 펌프;
    상기 연료 펌프와 상기 혼합기를 연결하는 연료 공급배관에 설치되어 연료의 유량을 실시간으로 검출하는 제1 유량 검출기;
    상기 개질수 펌프와 상기 기화기를 연결하는 개질수 공급배관에 설치되어 상기 개질수의 유량을 실시간으로 검출하는 제2 유량 검출기; 및
    상기 제1 및 제2 유량 검출기로부터 상기 연료 유량 및 상기 개질수 유량에 대한 정보를 각각 제공받아서 탄소에 대한 수증기의 비율(Steam/Carbon Ratio, SCR)을 실시간으로 산출하고, 산출된 SCR을 기 설정된 기준 범위와 비교한 후 그 비교 결과에 따라 상기 연료 펌프 또는 상기 개질수 펌프의 동작을 제어하는 제어기를 포함하는, 연료전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기준 범위는 2 이상 2.5 이하의 범위로 설정된 것을 특징으로 하는, 연료전지 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 산출된 SCR 값이 1.5 이상 2 미만인 경우, 상기 제어기는 상기 개질수의 양은 현재의 유량보다 제1 유량만큼 증가된 유량으로 공급되도록 상기 개질수 펌프(1620)의 동작을 실시간으로 제어하고,
    상기 산출된 SCR 값이 2.5 초과 3 이하인 경우, 상기 제어기는 상기 개질수의 양은 현재의 유량보다 제2 유량만큼 감소된 유량으로 공급되도록 상기 개질수 펌프의 동작을 제어하는 것을 특징으로 하는, 연료전지 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 산출된 SCR 값이 1.5 미만인 경우이거나 3.0 초과인 경우, 상기 제어기는 상기 연료전지 스택이 비상 정지가 되도록 상기 연료 펌프 및 상기 개질수 펌프의 동작을 제어하는 것을 특징으로 하는, 연료전지 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 개질기와 상기 연료전지 스택을 연결하는 연료 공급 배관에 설치되어 수소의 유량을 감지하는 제3 유량 검출기를 더 포함하고,
    상기 제어기는 상기 연료 유량 및 상기 개질수 유량 정보와 함께 상기 수소 유량 정보를 기초로 상기 탄소에 대한 수증기의 비율(Steam/Carbon Ratio, SCR)을 산출하는 것을 특징으로 하는, 연료전지 시스템.
  6. 연료전지 스택, 상기 연료전지 스택에 개질 연료를 공급하는 개질기, 상기 개질기에 연료 및 수증기의 혼합 가스를 공급하는 혼합기, 개질수를 증기화하여 상기 혼합기에 수증기를 공급하는 기화기, 상기 연료 및 상기 개질수를 상기 혼합기 및 상기 기화기에 각각 공급하는 연료 펌프와 개질수 펌프 및 공기를 상기 연료전지 스택의 공기극에 공급하는 공기 블로워를 포함하는 연료전지 시스템의 운전방법에 있어서,
    상기 혼합기로 공급되는 상기 연료 및 상기 개질수의 유량을 각각 실시간으로 검출하는 제1 단계;
    상기 연료 및 상기 개질수의 유량으로부터 탄소에 대한 수증기의 비율(Steam/Carbon Ratio, SCR)을 실시간 산출하는 제2 단계; 및
    산출된 SCR 값을 기 설정된 기준 범위와 실시간으로 비교한 후 비교결과를 기초로 상기 연료 펌프, 상기 개질수 펌프 및 상기 공기 블로워 중 하나 이상의 동작을 실시간으로 제어하는 제3 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 연료전지 시스템의 운전방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 산출된 SCR 값이 1.5 이상 2 미만인 경우, 상기 개질수의 양이 현재의 유량보다 제1 유량만큼 증가된 유량으로 공급되도록 상기 개질수 펌프(1620)의 동작이 실시간으로 제어되고,
    상기 산출된 SCR 값이 2.5 초과 3 이하인 경우, 상기 개질수의 양이 현재의 유량보다 제2 유량만큼 감소된 유량으로 공급되도록 상기 개질수 펌프의 동작이 제어되는 것을 특징으로 하는, 연료전지 시스템의 운전방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 산출된 SCR 값이 1.5 미만인 경우이거나 3.0 초과인 경우, 상기 연료전지 스택이 비상 정지가 되도록 상기 연료 펌프, 상기 개질수 펌프 및 상기 공기 블로워의 동작이 제어되는 것을 특징으로 하는, 연료전지 시스템의 운전방법.

KR1020190156707A 2019-11-29 2019-11-29 연료전지 시스템 및 이의 운전방법 KR20210067273A (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190156707A KR20210067273A (ko) 2019-11-29 2019-11-29 연료전지 시스템 및 이의 운전방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190156707A KR20210067273A (ko) 2019-11-29 2019-11-29 연료전지 시스템 및 이의 운전방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20210067273A true KR20210067273A (ko) 2021-06-08

Family

ID=76399235

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020190156707A KR20210067273A (ko) 2019-11-29 2019-11-29 연료전지 시스템 및 이의 운전방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20210067273A (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114204077A (zh) * 2022-02-18 2022-03-18 浙江国氢能源科技发展有限公司 水蒸气流量振荡引起的sofc系统振荡控制与优化方法

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114204077A (zh) * 2022-02-18 2022-03-18 浙江国氢能源科技发展有限公司 水蒸气流量振荡引起的sofc系统振荡控制与优化方法
CN114204077B (zh) * 2022-02-18 2022-05-03 浙江国氢能源科技发展有限公司 水蒸气流量振荡引起的sofc系统振荡控制与优化方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9666888B2 (en) Combined power generation system and unit, method, and program for controlling the same
US9118052B2 (en) Integrated natural gas powered SOFC systems
JP4644641B2 (ja) 燃料電池スタックの起動方法及び燃料電池システム
US20230110742A1 (en) Metal Support, Electrochemical Element, Electrochemical Module, Electrochemical Device, Energy System, Solid Oxide Fuel Cell, Solid Oxide Electrolysis Cell, and Method for Producing Metal Support
JPWO2019160036A1 (ja) 燃料電池システム及び複合発電システム並びに燃料電池システムの制御方法
EP3605694A1 (en) Electrochemical element, electrochemical module, electrochemical device, energy system, solid oxide fuel cell, and method for producing electrochemical element
KR20190101852A (ko) 연료 전지의 온도 분포 제어 시스템, 연료 전지 및 온도 분포 제어 방법
KR20220135285A (ko) 안정적인 수소 공급을 위한 착제상 교대식 액화수소 기화 시스템
US11196075B2 (en) Fuel cell system and method for operating the same, and electrochemical system and method for operating the same
WO2009113305A1 (ja) 燃料電池システム及びその運転方法
EP2375484B1 (en) Operating method of fuel cell system
KR20120011598A (ko) 연료 전지 시스템 및 그 구동 방법
US11335930B2 (en) Fuel cell system and method for operating the same
US20110123884A1 (en) Method for controlling a fuel cell system during shutdown
JP2007141744A (ja) 燃料電池システム
Perry et al. A back-up power solution with no batteries
KR20210067273A (ko) 연료전지 시스템 및 이의 운전방법
JP2016100137A (ja) 燃料電池システム
US20120141906A1 (en) Electrode material for fuel cell, fuel cell comprising the same and method of manufacturing the fuel cell
JP4979952B2 (ja) 燃料電池発電装置及び制御プログラム並びに制御方法
JP7029122B2 (ja) 燃料電池システム
JP2004273141A (ja) 燃料電池システム
JP6556440B2 (ja) 燃料電池システム
KR20200002059A (ko) 연료전지 시스템
Groos et al. Fuel cell technologies

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination