KR20230011765A - 연료전지 발전 시스템 운전 방법 - Google Patents

연료전지 발전 시스템 운전 방법 Download PDF

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정주해
조선희
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현대자동차주식회사
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Abstract

본 발명은 연료전지 발전 시스템을 구성하는 연료전지모듈들의 전체 수량 중, 소정의 기준모듈수에 해당하는 연료전지모듈을 소정 사이클 동안 순차로 휴지시키면서, 나머지 연료전지모듈들을 작동시키는 단계; 상기 연료전지모듈들의 평균 성능이 감소하여, 차례로 설정된 소정의 기준수준들을 차례로 초과할 때마다, 상기 사이클 동안 순차로 휴지시키는 연료전지모듈의 수를 상기 기준모듈수로부터 점차 줄여가는 단계; 상기 연료전지모듈들의 평균 성능이 소정의 하한수준 이상이 되면, 연료전지모듈의 수리 또는 교체를 수행하는 단계를 포함하여 구성된다.

Description

연료전지 발전 시스템 운전 방법{FUEL CELL POWER GENERATION SYSTEM OPERAING METHOD}
본 발명은 연료전지 발전 시스템을 운전하는 기술에 관한 것이다.
연료전지 발전 시스템은, 수소와 공기 중의 산소를 연료로 하는 다수의 연료전지모듈을 통해 전기를 생산하여 전력망으로 공급할 수 있도록 구성된다.
상기 연료전지 발전 시스템을 구성하고 있는 연료전지모듈들은 장기간 운전 시 지속적으로 성능이 감소하며, 그 주요 원인 중 하나는 캐소드 촉매의 산화피막이 점차 두꺼워짐에 따라 산소환원 반응이 감소하기 때문이다.
상기 발명의 배경이 되는 기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 1020040064660 A
본 발명은 연료전지시스템의 안정적인 가동율을 유지할 수 있으면서도, 내구성을 향상시켜서, 연료전지시스템의 수명을 개선시킬 수 있도록 하는 연료전지 발전 시스템 운전 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명 연료전지 발전 시스템 운전 방법은,
연료전지 발전 시스템을 구성하는 연료전지모듈들의 전체 수량 중, 소정의 기준모듈수에 해당하는 연료전지모듈을 소정 사이클 동안 순차로 휴지시키면서, 나머지 연료전지모듈들을 작동시키는 단계;
상기 연료전지모듈들의 평균 성능이 감소하여, 차례로 설정된 소정의 기준수준들을 차례로 초과할 때마다, 상기 사이클 동안 순차로 휴지시키는 연료전지모듈의 수를 상기 기준모듈수로부터 점차 줄여가는 단계;
상기 연료전지모듈들의 평균 성능이 소정의 하한수준 이상이 되면, 연료전지모듈의 수리 또는 교체를 수행하는 단계;
를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 연료전지모듈들의 평균 성능이 감소하여, 상기 사이클 동안 순차로 휴지시키는 연료전지모듈의 수가 0로 감소된 상태에서, 상기 연료전지모듈들의 평균 성능이 상기 하한수준에 도달하도록 할 수 있다.
상기 기준모듈수는 상기 연료전지 발전 시스템을 구성하는 연료전지모듈들의 전체 수량의 20%로 설정될 수 있다.
상기 연료전지모듈들의 평균 성능을 비교하기 위한, 상기 소정의 기준수준들은 신품 연료전지모듈의 평균 출력 성능을 기준으로, 10%씩 감소하도록 설정될 수 있다.
상기 하한수준은 신품 연료전지모듈의 평균 출력 성능을 기준으로 30% 감소한 평균 출력 성능으로 설정될 수 있다.
상기 사이클은 연료전지모듈의 정상 조건 운전 중 휴지 시간에 따른 성능 감소 정도와, 가속 열화 조건 운전 중 휴지 시간에 따른 성능 감소 정도를 함께 고려할 때, 연료전지모듈의 성능 감소가 공통적으로 최소화되는 휴지 시간으로 설정될 수 있다.
상기 사이클은 0.5hr 초과 3hr 이하의 범위로 설정될 수 있다.
상기 사이클은 3시간으로 설정되어, 상기 연료전지 발전 시스템을 구성하는 전체 연료전지모듈들이 운전 중 차례로 3시간씩 휴지된 후 재가동이 이루어지는 과정을 반복할 수 있다.
본 발명은 연료전지시스템의 안정적인 가동율을 유지할 수 있으면서도, 내구성을 향상시켜서, 연료전지시스템의 수명을 개선시킬 수 있도록 한다.
도 1은 본 발명 연료전지 발전 시스템 운전 방법을 적용할 수 있는 연료전지 발전 시스템을 예시한 도면,
도 2는 본 발명에 따른 연료전지 발전 시스템 운전 방법의 실시예를 도시한 순서도,
도 3은 본 발명에 따른 연료전지 발전 시스템 운전 방법의 실시예를 도시한 것으로서, 휴지되는 연료전지모듈의 수가 2개로 설정되어 운전되는 상태를 설명한 도면,
도 4는 본 발명에 따라, 연료전지 발전 시스템이 운전되는 동안, 목표출력은 일정하게 유지되면서도, 일부 연료전지모듈은 휴지되었다가 재가동되는 것을 설명한 그래프,
도 5는 본 발명에 따른 연료전지 발전 시스템 운전 방법의 실시예를 도시한 것으로서, 휴지되는 연료전지모듈의 수가 1개로 설정되어 운전되는 상태를 설명한 도면,
도 6은 본 발명에 따른 연료전지 발전 시스템 운전 방법의 실시예를 도시한 것으로서, 모든 연료전지모듈이 운전되는 상태를 설명한 도면,
도 7은 연료전지 발전 시스템이 도 3, 도 5, 도 6에 도시된 방식을 차례로 수행하는 과정을 통해, 목표출력을 계속 출력할 수 있도록 하는 과정을 표현한 도면,
도 8은 연료전지모듈의 정상 조건 운전 중, 휴지 시간과 휴지 적용 회수를 변화시켜서 실험한 결과를 도시한 도표,
도 9는 연료전지모듈의 열화 가속 조건 운전 중 휴지 시간에 따른 성능 감소 정도를 비교한 그래프이다.
본 명세서 또는 출원에 개시되어 있는 본 발명의 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명에 따른 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명에 따른 실시 예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서 또는 출원에 설명된 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
본 발명에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 형태를 가질 수 있으므로 특정실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통. 상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명이 적용될 수 있는 연료전지 발전 시스템을 예시한 것으로서, 다수의 연료전지모듈(MD)이 구비되고, 각 연료전지모듈(MD)에서 생산된 전력은 인버터(INT)를 통해 교류로 전환되어 수배전반(DT)을 통해 전력망으로 공급될 수 있도록 되어 있으며, 상기 각 인버터(INT)와 연료전지모듈(MD)은 통합제어기(CLR)에 의해 제어되도록 구성된다.
도 2를 참조하면, 본 발명 연료전지 발전 시스템 운전 방법의 실시예는, 연료전지 발전 시스템을 구성하는 연료전지모듈(MD)들의 전체 수량 중, 소정의 기준모듈수(N)에 해당하는 연료전지모듈(MD)을 소정 사이클 동안 순차로 휴지시키면서, 나머지 연료전지모듈(MD)들을 작동시키는 단계(S10); 상기 연료전지모듈(MD)들의 평균 성능이 감소하여, 차례로 설정된 소정의 기준수준들을 차례로 초과할 때마다, 상기 사이클 동안 순차로 휴지시키는 연료전지모듈(MD)의 수를 상기 기준모듈수(N)로부터 점차 줄여가는 단계(S20); 상기 연료전지모듈(MD)들의 평균 성능이 소정의 하한수준 이상이 되면, 연료전지모듈(MD)의 수리 또는 교체를 수행하는 단계(S30)를 포함하여 구성된다.
즉, 본 발명은 연료전지 발전 시스템을 구성하는 연료전지모듈(MD)들을 초기에는 동시에 모두 작동시키지 않고, 일부의 연료전지모듈(MD)들만 작동시키고, 상기 기준모듈수(N)에 해당하는 연료전지모듈(MD)들을 순차로 휴지시키도록 하다가, 연료전지모듈(MD)들의 평균 성능이 상기 기준수준들을 초과하여 감소하면, 그에 따라 휴지시키는 연료전지모듈(MD)의 수를 상기 기준모듈수(N)로부터 점차 줄여가도록 하는 것이다.
여기서, 상기 기준모듈수(N)에 해당하는 연료전지모듈(MD)만을 순차적으로 휴지시키는 초기란, 상기 연료전지 발전 시스템을 구성하는 연료전지모듈(MD)들이 모두 신품으로 구성되어 있을 때를 의미하는 것이고, 상기 연료전지모듈(MD)들의 성능은 연료전지모듈(MD)의 출력 성능을 의미하는 것이다.
본 발명은 상기 연료전지모듈(MD)들의 평균 성능이 감소하여, 상기 사이클 동안 순차로 휴지시키는 연료전지모듈(MD)의 수가 0로 감소된 상태에서, 상기 연료전지모듈(MD)들의 평균 성능이 상기 하한수준에 도달하도록 한다.
즉, 상기한 바와 같이 연료전지모듈(MD)들의 평균 성능이 점차 감소해 감에 따라, 상기 기준모듈수(N)로부터 휴지시키는 연료전지모듈(MD)의 수를 줄여가다가, 종국에는 휴지시키는 연료전지모듈(MD) 없이 모든 연료전지모듈(MD)을 작동시켜서, 상기 연료전지 발전 시스템의 목표출력을 구현하던 중에 상기 연료전지모듈(MD)들의 평균 성능이 상기 하한수준에 도달할 수 있도록 하는 것이다.
이를 위해서는 상기 기준모듈수(N)와 상기 기준수준들 및 상기 하한수준이 상기 취지에 따라 적절하게 설정되어야 한다.
상기 기준모듈수(N)는 상기 연료전지 발전 시스템을 구성하는 연료전지모듈(MD)들의 전체 수량의 20%로 설정될 수 있다.
즉, 예컨대 상기 연료전지 발전 시스템을 구성하는 전체 연료전지모듈(MD)이 10개인 경우, 상기 기준모듈수(N)는 2개로 설정될 수 있는 것이다.
도 3은 10개의 신품 연료전지모듈(MD)로 연료전지 발전 시스템을 구성하고, 상기 기준모듈수(N)를 2로 설정하여, 각 연료전지모듈(MD)이 초기의 출력 성능으로부터 10%의 성능 감소에 해당하는 출력에 이르기까지, 8개의 연료전지모듈(MD)은 작동시키고, 상기 기준모듈수(N)에 해당하는 2개의 연료전지모듈(MD)은 상기 사이클 동안 순차로 휴지시키면서 운전하는 과정을 도표로 정리한 것이다.
예컨대, 상기 연료전지 발전 시스템을 구성하는 연료전지모듈(MD)들 중 모듈1의 경우, 사이클 1부터 사이클 4까지 4개의 사이클은 작동을 하다가, 사이클 5에서는 휴지상태를 갖고, 사이클 6에서 재가동되어 사이클 9까지 작동된 후, 사이클 10에서 다시 휴지상태를 갖도록 제어되는 것이다.
물론, 각 연료전지모듈(MD)이 휴지되는 사이클은 도 3에 도시된 바와 같이 서로 순차적으로 배치되어, 각 사이클에서 시스템 출력은 500KW를 고르게 유지할 수 있는 것이다.
즉, 도 4에 도시한 바와 같이, 상기 연료전지 발전 시스템의 목표출력은 시간의 경과에 대해 일정하게 유지할 수 있으면서도, 상기 연료전지 발전 시스템을 구성하는 일부의 연료전지모듈(MD)은 휴지되었다가 재가동되는 과정을 반복하는 것이며, 이와 같이 연료전지모듈(MD)이 휴지 후 재가동되면, 연료전지모듈(MD)의 캐소드 촉매에 축적된 산화피막이 제거되어, 연료전지모듈(MD)의 내구성을 개선하고 수명이 증대되는 효과를 가져오므로, 결과적으로 연료전지 발전 시스템 전체의 내구성 및 수명이 향상되는 효과를 가져오는 것이다.
상기 연료전지모듈(MD)들의 평균 성능을 비교하기 위한, 상기 소정의 기준수준들은 신품 연료전지모듈(MD)의 평균 출력 성능을 기준으로, 10%씩 감소하도록 설정될 수 있다.
즉, 상기 도 3에 대해서 언급한 바와 같이 신품 연료전지모듈(MD)의 출력으로부터 10% 감소한 출력 성능에 해당하는 출력까지는 도 3과 같이 휴지되는 연료전지모듈(MD)의 수를 상기 기준모듈수(N)인 2개로 하여, 상기 연료전지 발전 시스템을 운전하고, 그 이후에는 도 5에 도시된 바와 같이 상기 기준모듈수(N) 보다 하나 감소한 1개의 연료전지모듈(MD)을 상기 사이클 동안 순차로 휴지시키면서 상기 연료전지 발전 시스템을 운전하도록 하는 것이다.
상기 도 5는 각 연료전지모듈(MD)의 출력이 신품 연료전지모듈(MD)의 평균 출력 성능을 기준으로 20% 감소한 경우에 대한 것으로서, 각 연료전지모듈(MD)의 출력이 이 수준으로 감소하기 전까지는 1개의 연료전지모듈(MD)만 순차로 상기 사이클 동안 순차로 휴지시키면서 상기 연료전지 발전 시스템을 운전하는 것이다.
상기 연료전지 발전 시스템을 구성하는 연료전지모듈(MD)들의 출력이 상기와 같이 각각 신품 연료전지모듈(MD)의 평균 출력 성능을 기준으로 20% 수준 이상으로 저감되면, 도 6에 표시된 바와 같이 휴지되는 연료전지모듈(MD) 없이 모든 연료전지모듈(MD)을 작동하여, 연료전지 발전 시스템의 목표출력을 충족시킬 수 있도록 운전한다.
본 실시예에서, 상기 하한수준은 신품 연료전지모듈(MD)의 평균 출력 성능을 기준으로 30% 감소한 평균 출력 성능으로 설정할 수 있다.
따라서, 도 6과 같이 모든 연료전지모듈(MD)을 작동하여 목표출력을 충족시키는 방식으로 상기 연료전지 발전 시스템을 계속 운전하다가, 각 연료전지모듈(MD)의 출력이, 상기 신품 연료전지모듈(MD)의 평균 출력 성능을 기준으로 30% 감소한 출력 이상으로 떨어지면, 이제 각 연료전지모듈(MD)은 그 수명을 다한 것으로 판단되므로, 수리 또는 교체를 수행하도록 하는 것이다.
즉, 연료전지 발전 시스템을 신품 연료전지모듈(MD)로 새로 구성한 경우, 상기 도 3, 도 5, 도 6에 도시된 방식을 차례로 수행하면, 구성하고 있는 연료전지모듈(MD)들을 적절히 휴지시키고 재가동시킴에 의해 가급적 연료전지모듈(MD)들의 내구성과 수명을 향상시킬 수 있도록 하고, 연료전지 발전 시스템이 출력하고자 하는 목표출력을 끊김 없이 안정적으로 계속적으로 유지할 수 있어서, 우수한 품질의 전력을 전력망에 공급할 수 있는 것이다.
참고로, 도 7은 연료전지 발전 시스템이 상기 도 3, 도 5, 도 6에 도시된 방식을 차례로 수행하는 과정을 통해, 목표출력인 500KW를 계속 출력할 수 있도록 하는 과정을 표현한 것으로서, ①은 도 3에 따른 운전기간, ②는 도 5에 따른 운전기간, ③은 도 6에 따른 운전기간을 나타내며, 실선은 각 운전기간에서 시스템의 가용 출력을 의미하며, ③ 운전기간에서 가용 출력이 500KW 이하로 떨어지게 되면, 상기한 바와 같이 연료전지모듈(MD)을 수리 또는 교체해야 하는 것이다.
여기서, 상기 사이클은 연료전지모듈(MD)의 정상 조건 운전 중 휴지 시간에 따른 성능 감소 정도와, 가속 열화 조건 운전 중 휴지 시간에 따른 성능 감소 정도를 함께 고려할 때, 연료전지모듈(MD)의 성능 감소가 공통적으로 최소화되는 휴지 시간으로 설정되는 것이 바람직하다.
도 8은 연료전지모듈(MD)의 정상 조건 운전 중, 운전 시간과 휴지 시간을 변화시켜서 실험한 결과로서, 3시간을 휴지시키는 경우 연료전지모듈(MD)의 성능 감소가 최소화됨을 확인할 수 있고, 9시간을 휴지시키는 경우는 0.5시간을 휴지시키는 경우에 비해 더 성능이 감소함을 알 수 있다.
도 9는 연료전지모듈(MD)의 가속 열화 조건 운전 중 휴지 시간에 따른 성능 감소 정도를 비교한 그래프로서, 3시간을 휴지시키는 경우가 0.5시간을 휴지시키는 경우에 비해 성능 저하가 크지만, 9시간을 휴지시키는 경우에 비해서는 성능 저하가 작아서, 더 유리한 것을 알 수 있다.
여기서, 상기 가속 열화 조건 운전 중 휴지 시간에 따른 성능감소는, 예컨대, 연료전지모듈(MD) 온도 80℃, 상대습도 100%인 부하 상태로 운전하는 촉매 열화 운전과, 연료전지모듈(MD) 온도 80℃, 무가습, 무부하 상태로 운전하는 전해질막 열화 운전을 차례로 100회 수행한 후, 휴지시키는 과정을 반복하면서 측정한다.
상기 도 8과 도 9의 결과를 종합하여, 연료전지모듈(MD)의 성능 감소가 공통적으로 최소화되는 휴지 시간은 3시간으로 볼 수 있다.
따라서, 상기 사이클은 0.5hr(Hour) 초과 3hr(Hour) 이하의 범위로 설정되도록 할 수 있을 것이다.
참고로, 상기 도 3, 도 5, 도 6의 운전기간에서는, 상기 사이클은 3시간으로 설정되어, 상기 연료전지 발전 시스템을 구성하는 전체 연료전지모듈(MD)들이 운전 중 차례로 3시간씩 휴지된 후 재가동이 이루어지는 과정을 반복하도록 한 것이다.
본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
MD; 연료전지모듈
INT; 인버터
CLR; 통합제어기
DT; 수배전반
N; 기준모듈수

Claims (8)

  1. 연료전지 발전 시스템을 구성하는 연료전지모듈들의 전체 수량 중, 소정의 기준모듈수에 해당하는 연료전지모듈을 소정 사이클 동안 순차로 휴지시키면서, 나머지 연료전지모듈들을 작동시키는 단계;
    상기 연료전지모듈들의 평균 성능이 감소하여, 차례로 설정된 소정의 기준수준들을 차례로 초과할 때마다, 상기 사이클 동안 순차로 휴지시키는 연료전지모듈의 수를 상기 기준모듈수로부터 점차 줄여가는 단계;
    상기 연료전지모듈들의 평균 성능이 소정의 하한수준 이상이 되면, 연료전지모듈의 수리 또는 교체를 수행하는 단계;
    를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 발전 시스템 운전 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 연료전지모듈들의 평균 성능이 감소하여, 상기 사이클 동안 순차로 휴지시키는 연료전지모듈의 수가 0로 감소된 상태에서, 상기 연료전지모듈들의 평균 성능이 상기 하한수준에 도달하도록 하는 것
    을 특징으로 하는 연료전지 발전 시스템 운전 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 기준모듈수는 상기 연료전지 발전 시스템을 구성하는 연료전지모듈들의 전체 수량의 20%로 설정되는 것
    을 특징으로 하는 연료전지 발전 시스템 운전 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 연료전지모듈들의 평균 성능을 비교하기 위한, 상기 소정의 기준수준들은 신품 연료전지모듈의 평균 출력 성능을 기준으로, 10%씩 감소하도록 설정된 것
    을 특징으로 하는 연료전지 발전 시스템 운전 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 하한수준은 신품 연료전지모듈의 평균 출력 성능을 기준으로 30% 감소한 평균 출력 성능으로 설정되는 것
    을 특징으로 하는 연료전지 발전 시스템 운전 방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 사이클은 연료전지모듈의 정상 조건 운전 중 휴지 시간에 따른 성능 감소 정도와, 가속 열화 조건 운전 중 휴지 시간에 따른 성능 감소 정도를 함께 고려할 때, 연료전지모듈의 성능 감소가 공통적으로 최소화되는 휴지 시간으로 설정되는 것
    을 특징으로 하는 연료전지 발전 시스템 운전 방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 사이클은 0.5hr 초과 3hr 이하의 범위로 설정되는 것
    을 특징으로 하는 연료전지 발전 시스템 운전 방법.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 사이클은 3시간으로 설정되어, 상기 연료전지 발전 시스템을 구성하는 전체 연료전지모듈들이 운전 중 차례로 3시간씩 휴지된 후 재가동이 이루어지는 과정을 반복하는 것
    을 특징으로 하는 연료전지 발전 시스템 운전 방법.
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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005085509A (ja) * 2003-09-04 2005-03-31 Nec Corp 燃料電池システムおよびその運転方法
WO2019022198A1 (ja) * 2017-07-28 2019-01-31 京セラ株式会社 燃料電池システム、設備管理方法、管理装置及び設備管理システム
KR20210129756A (ko) 2020-04-20 2021-10-29 현대자동차주식회사 연료전지 시스템 운전 제어 방법

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20040064660A (ko) 2001-09-25 2004-07-19 가부시끼가이샤 히다치 세이사꾸쇼 연료전지 발전장치와 그것을 이용한 장치

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