KR20230063396A - Solid oxide fuel cell system - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a solid oxide fuel cell system. The present invention comprises: a stack made of a plurality of cells stacked on top of each other; at least one temperature sensor interposed between the cells and measuring an internal temperature of the stack to generate temperature data; and a control unit that outputs the temperature data to a terminal.

Description

고체산화물연료전지시스템{SOLID OXIDE FUEL CELL SYSTEM}Solid oxide fuel cell system {SOLID OXIDE FUEL CELL SYSTEM}

본 발명은 고체산화물연료전지시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a solid oxide fuel cell system.

일반적으로, 고체산화물연료전지(SOFC)는 고온에서 연료와 산화제의 전기화학적 반응을 통해 전기를 발생시키는 장치이다.In general, a solid oxide fuel cell (SOFC) is a device that generates electricity through an electrochemical reaction between a fuel and an oxidizer at a high temperature.

고체산화물연료전지는 고체세라믹을 전해질로 갖고 700~1000℃라는 극고온에서 작동하며, 이로 인해 발전효율이 높고 전해질을 보충해주는 등의 문제에서 자유롭다.The solid oxide fuel cell has solid ceramic as an electrolyte and operates at an extremely high temperature of 700 to 1000 ° C. As a result, it has high power generation efficiency and is free from problems such as replenishing the electrolyte.

고체산화물연료전지는 다수의 단위 셀(111)cell)을 적층하여 사용하며, 1개의 셀 당 약 1V의 전압을 생성하는데 다수의 단위 셀을 적층하고 셀들의 면적을 늘려 고전압 출력을 얻을 수 있으며, 이와 같이 다수의 단위 셀을 적층한 것을 스택(110)stack)이라 한다.A solid oxide fuel cell is used by stacking a plurality of unit cells (111 cells), and generates a voltage of about 1V per cell. A high voltage output can be obtained by stacking a plurality of unit cells and increasing the area of the cells, Stacking a plurality of unit cells in this way is referred to as a stack (110).

이때, 셀 사이를 가스 밀봉하기 위해 세라믹 소재를 이용하여 접합되기 때문에 스택은 조립 및 운전 이후 교체(수정)가 불가능하다.At this time, since the cells are bonded using a ceramic material to gas-seal the cells, the stack cannot be replaced (modified) after assembly and operation.

또한, 고온 환경 속에서 세라믹 전해질과 전극, 그리고 금속 재료의 열 하중은 스택 내의 구조적 안전성이 취약해지며, 시동과 운전의 반복적인 사이클 운전은 피로 하중을 일으켜 전해질 및 전극에 크나큰 위협을 가할 수 있다.In addition, the thermal load of ceramic electrolytes, electrodes, and metal materials in a high-temperature environment weakens the structural safety in the stack, and repeated cycles of starting and driving cause fatigue loads, which can pose a great threat to the electrolyte and electrodes. .

본 발명의 목적은 스택의 내부온도를 측정할 수 있고, 이상이 있는 스택을 교체할 수 있는 고체산화물연료전지시스템을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a solid oxide fuel cell system capable of measuring the internal temperature of a stack and replacing a faulty stack.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 상호 적층되는 복수 개의 셀로 이루어진 스택; 셀 사이에 개재되고, 스택의 내부온도를 측정하여 온도데이터를 생성하는 적어도 하나 이상의 온도센서; 및 온도데이터를 단말기에 출력하는 제어부를 포함할 수 있다.In order to achieve the above object, the present invention is a stack consisting of a plurality of mutually stacked cells; at least one temperature sensor interposed between the cells and generating temperature data by measuring the internal temperature of the stack; and a control unit outputting the temperature data to the terminal.

본 발명에서 온도센서는 셀에 접하는 분리판; 및 분리판에 설치되는 열전대를 포함할 수 있다.In the present invention, the temperature sensor includes a separator in contact with the cell; and a thermocouple installed on the separator.

본 발명에서 제어부는 온도데이터를 수집하는 수집부; 온도데이터를 저장하는 데이터베이스; 온도데이터에 기초하여 스택의 온도에 대한 패턴데이터를 산출하는 분석부; 및 온도데이터와 패턴데이터를 실시간 비교하여 스택의 이상에 대한 예상데이터를 산출하는 예보부를 포함할 수 있다.In the present invention, the control unit includes a collection unit for collecting temperature data; a database for storing temperature data; an analysis unit that calculates pattern data for the temperature of the stack based on the temperature data; and a forecasting unit that compares temperature data and pattern data in real time to calculate expected data for an abnormality of the stack.

본 발명에서 제어부는 온도데이터, 패턴데이터 및 예상데이터 중 적어도 하나를 단말기에 출력하여 시각화하는 출력부를 더 포함할 수 있다.In the present invention, the control unit may further include an output unit for visualizing by outputting at least one of temperature data, pattern data, and expected data to the terminal.

본 발명에 따른 고체산화물연료전지시스템은 스택 간에 온도센서가 개재됨으로써 스택을 복수 개로 모듈화할 수 있다.The solid oxide fuel cell system according to the present invention can be modularized into a plurality of stacks by interposing a temperature sensor between the stacks.

또한, 스택이 모듈화됨으로써 이상이 생긴 스택과 온도센서만 따로 분리할 수 있어서 유지보수가 용이하다.In addition, since the stack is modularized, only the faulty stack and the temperature sensor can be separately separated, so maintenance is easy.

또한, 스택의 내부온도와 온도분포를 실시간으로 확인할 수 있다.In addition, the internal temperature and temperature distribution of the stack can be checked in real time.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 고체산화물연료전지시스템의 블록도이다.
도 2,3은 순차적으로 도 1에 도시된 스택의 사시도, 분해사시도이다.
도 4는 도 2에 도시된 스택에 매니폴드가 설치된 상태를 나타내는 사시도이다.
도 5는 도 1에 도시된 제어부의 블록도이다.
도 6은 도 5에 도시된 분석부의 블록도이다.1 is a block diagram of a solid oxide fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
2 and 3 are a perspective view and an exploded perspective view of the stack shown in FIG. 1 in sequence.
4 is a perspective view illustrating a state in which a manifold is installed in the stack shown in FIG. 2;
5 is a block diagram of a control unit shown in FIG. 1;
FIG. 6 is a block diagram of an analysis unit shown in FIG. 5 .

본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다.In order to explain in detail to the extent that those skilled in the art can easily practice the technical idea of the present invention, the most preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다.First, in adding reference numerals to components of each drawing, it should be noted that the same components have the same numerals as much as possible even if they are displayed on different drawings.

또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.In addition, in describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known configuration or function may obscure the gist of the present invention, the detailed description will be omitted.

이하, 도 1 내지 도 6을 참조하여, 본 발명의 일실시예에 따른 고체산화물연료전지시스템에 대하여 설명하도록 한다.Hereinafter, a solid oxide fuel cell system according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 6 .

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 고체산화물연료전지시스템의 블록도이고, 도 2,3은 순차적으로 도 1에 도시된 스택의 사시도, 분해사시도이며, 도 4는 도 2에 도시된 스택에 매니폴드가 설치된 상태를 나타내는 사시도이다.1 is a block diagram of a solid oxide fuel cell system according to an embodiment of the present invention, FIGS. 2 and 3 are a perspective view and an exploded perspective view of a stack shown in FIG. 1 sequentially, and FIG. 4 is a stack shown in FIG. 2 It is a perspective view showing the installed state of the manifold.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 고체산화물연료전지시스템(100, 이하, '시스템'이라 함)은 상호 적층되는 복수 개의 셀(111)로 이루어진 스택(110), 상기 셀(111) 사이에 개재되고, 상기 스택(110)의 내부온도를 측정하여 온도데이터를 생성하는 적어도 하나 이상의 온도센서(120), 상기 온도데이터를 단말기(10)에 출력하는 제어부(130)를 포함할 수 있다.1 to 4, the solid oxide fuel cell system (100, hereinafter referred to as 'system') is a stack 110 composed of a plurality of mutually stacked cells 111, and the cells 111 are interposed therebetween. and at least one temperature sensor 120 for generating temperature data by measuring the internal temperature of the stack 110, and a control unit 130 for outputting the temperature data to the terminal 10.

즉, 상기 스택(110) 간에 상기 온도센서(120)가 개재됨으로써 상기 스택(110)을 복수 개로 모듈화할 수 있다.That is, as the temperature sensor 120 is interposed between the stacks 110, the stacks 110 can be modularized into a plurality of pieces.

또한, 상기 스택(110)이 모듈화됨으로써 이상이 생긴 상기 스택(110)과 온도센서(120)만 따로 분리할 수 있어서 유지보수가 용이하다.In addition, since the stack 110 is modularized, only the stack 110 and the temperature sensor 120 having an abnormality can be separately separated, so that maintenance is easy.

또한, 상기 스택(110)의 내부온도와 온도분포를 실시간으로 확인할 수 있다.In addition, the internal temperature and temperature distribution of the stack 110 can be checked in real time.

상기 스택(110)은 육면체로 형성되며, 각 셀(111)에는 연료극과 공기극이 구비되며, 도 4에 도시된 매니폴드(140)에 구비된 연료유입구와 공기유입구를 통해서 연료극으로 연료가 공급되고, 공기극으로 공기가 공급될 수 있다.The stack 110 is formed in a hexahedral shape, each cell 111 is provided with an anode and an air electrode, and fuel is supplied to the anode through a fuel inlet and an air inlet provided in the manifold 140 shown in FIG. , air can be supplied to the cathode.

상기 온도센서(120)는 상기 셀(111)에 접하는 분리판(121), 상기 분리판(121)에 설치되는 열전대(122, Thermocouple)를 포함하고, 상기 분리판(121)은 상기 셀(111)의 분리판과 같은 크기와 재질로 제작되어 상기 셀에 적층이 보다 용이하게 이루어질 수 있다.The temperature sensor 120 includes a separator 121 in contact with the cell 111 and a thermocouple 122 installed on the separator 121, and the separator 121 includes the cell 111 ) is made of the same size and material as the separator plate, so that it can be more easily laminated to the cell.

상기 열전대(122)는 판상 형태로서, 상기 분리판(121)의 중심에 형성되는 통공(121a)에 삽입되어 상기 분리판(121)과 일체로 형성되고, 상기 스택(110)의 온도분포를 측정하기 위해 복수 개의 온도측정지점(122a)을 포함할 수 있다.The thermocouple 122 has a plate shape, is inserted into the through hole 121a formed in the center of the separator plate 121, is integrally formed with the separator plate 121, and measures the temperature distribution of the stack 110. In order to do so, a plurality of temperature measurement points 122a may be included.

도 5는 도 1에 도시된 제어부의 블록도이다.5 is a block diagram of a control unit shown in FIG. 1;

상기 제어부(130)는 상기 온도데이터를 수집하는 수집부(131), 상기 온도데이터를 저장하는 데이터베이스(132), 상기 온도데이터에 기초하여 상기 스택(110)의 온도에 대한 패턴데이터를 산출하는 분석부(133), 상기 온도데이터와 패턴데이터를 실시간 비교하여 상기 스택(110)의 이상에 대한 예상데이터를 산출하는 예보부(134)를 포함할 수 있다.The controller 130 includes a collection unit 131 that collects the temperature data, a database 132 that stores the temperature data, and analysis that calculates pattern data for the temperature of the stack 110 based on the temperature data. It may include a unit 133 and a forecasting unit 134 that compares the temperature data and the pattern data in real time to calculate expected data for an abnormality of the stack 110 .

상기 수집부(131)는 상기 열전대(122)에 연결되는 와이어(123)를 매개로 상기 온도데이터를 수집할 수 있다.The collection unit 131 may collect the temperature data through a wire 123 connected to the thermocouple 122 .

상기 데이터베이스(132)는 상기 수집부(131)로부터 수집된 상기 온도데이터를 저장할 수 있으며, 상기 온도데이터는 모듈별 상기 스택(110)의 전체온도, 부분온도 및 상기 스택(110)의 면적별 온도분포와 같이 상기 스택(110)의 온도와 관련된 정보가 해당될 수 있다.The database 132 may store the temperature data collected from the collection unit 131, and the temperature data includes the temperature of the entire stack 110 for each module, the partial temperature, and the temperature for each area of the stack 110. Information related to the temperature of the stack 110, such as distribution, may correspond.

상기 분석부(133)는 상기 데이터베이스(132)에 저장된 상기 온도데이터에 기초하여 상기 스택(110)의 온도에 대한 패턴데이터를 산출할 수 있다.The analyzer 133 may calculate pattern data for the temperature of the stack 110 based on the temperature data stored in the database 132 .

상기 예보부(134)는 상기 분석부(133)로부터 산출된 상기 패턴데이터와, 상기 데이터베이스(132)에 저장된 상기 온도데이터를 실시간 비교하여 상기 스택(110)의 이상에 대한 상기 예상데이터를 산출할 수 있다.The forecasting unit 134 compares the pattern data calculated from the analysis unit 133 and the temperature data stored in the database 132 in real time to calculate the expected data for the abnormality of the stack 110. can

상기 분석부(133)는 학습부(133a), 패턴추론부(133b)를 포함한다.The analysis unit 133 includes a learning unit 133a and a pattern reasoning unit 133b.

도 6은 도 5에 도시된 분석부의 블록도이다.FIG. 6 is a block diagram of an analysis unit shown in FIG. 5 .

상기 학습부(133a)는 상기 스택(110)의 이상이 발생한 시점의 상기 온도데이터를 반복적으로 학습한다.The learning unit 133a repeatedly learns the temperature data at the time when the stack 110 has an error.

상기 패턴추론부(133b)는 상기 학습부(133a)의 학습에 기초하여 상기 스택(110)의 이상패턴을 추론하여 패턴데이터를 산출하고 저장한다.The pattern inference unit 133b infers the abnormal pattern of the stack 110 based on the learning of the learning unit 133a to calculate and store pattern data.

상기 예보부(134)는 상기 학습부(133a)로부터 산출된 패턴데이터와, 상기 데이터베이스(132)에 저장된 상기 온도데이터를 실시간 비교하여 상기 스택(110)의 이상에 대한 상기 예상데이터를 산출한다.The forecasting unit 134 compares the pattern data calculated from the learning unit 133a and the temperature data stored in the database 132 in real time to calculate the predicted data for the abnormality of the stack 110.

즉, 상기 예보부(134)는 상기 패턴데이터와 온도데이터를 비교하여 상기 스택(110)의 이상이 발생하는 상기 스택(110)의 온도, 온도분포, 시점을 미리 파악할 수 있다.That is, the forecasting unit 134 compares the pattern data and the temperature data to determine in advance the temperature, temperature distribution, and timing of the stack 110 at which an abnormality of the stack 110 occurs.

상기 제어부(130)는 상기 온도데이터, 패턴데이터 및 예상데이터 중 적어도 하나를 상기 단말기(10)에 출력하여 시각화하는 출력부(135)를 더 포함할 수 있다.The control unit 130 may further include an output unit 135 that outputs at least one of the temperature data, pattern data, and expected data to the terminal 10 to visualize it.

상기 단말기(10)는 컴퓨터(PC), 휴대폰 또는 스마트폰 등의 공지의 스마트기기가 사용될 수 있다.The terminal 10 may be a known smart device such as a computer (PC), mobile phone or smart phone.

상기 출력부(135)에 의해 상기 온도데이터, 패턴데이터 및 예상데이터가 상기 단말기(10)에 전송되어 출력되어 관리자가 실시간으로 이를 확인할 수 있다.The temperature data, pattern data, and expected data are transmitted and output to the terminal 10 by the output unit 135 so that the manager can check them in real time.

상기 시스템(100)은 경고부(136)를 더 포함하며, 상기 경고부(136)는 상기 예보부(134)로부터 산출된 상기 예상데이터에 기초하여, 상기 예상데이터의 산출시점이 상기 스택(110)의 이상이 발생하는 시점으로부터 기설정된 시점 이내에 속하는 경우 경고신호를 생성한다.The system 100 further includes a warning unit 136, the warning unit 136, based on the expected data calculated from the forecasting unit 134, the calculation time of the expected data is the stack 110 ) generates a warning signal when it falls within a predetermined time point from the time point when the abnormality occurs.

상기 경고부(136)는 생성된 경고신호를 상기 단말기(10)에 도시하거나, 스피커를 통해 알람을 발생하여 관리자에게 상기 스택(110)의 보수시점이 임박했음을 알릴 수 있다.The warning unit 136 may display the generated warning signal on the terminal 10 or generate an alarm through a speaker to notify the manager that the maintenance time of the stack 110 is imminent.

전술된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 고체산화물연료전지시스템은 스택 간에 온도센서가 개재됨으로써 스택을 복수 개로 모듈화할 수 있다.As described above, the solid oxide fuel cell system according to an embodiment of the present invention can be modularized into a plurality of stacks by interposing a temperature sensor between the stacks.

또한, 스택이 모듈화됨으로써 이상이 생긴 스택과 온도센서만 따로 분리할 수 있어서 유지보수가 용이하다.In addition, since the stack is modularized, only the faulty stack and the temperature sensor can be separately separated, so maintenance is easy.

또한, 스택의 내부온도와 온도분포를 실시간으로 확인할 수 있다.In addition, the internal temperature and temperature distribution of the stack can be checked in real time.

상기와 같이 도면과 명세서에서 최적의 실시예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.As described above, the optimal embodiment has been disclosed in the drawings and specifications. Although specific terms have been used herein, they are only used for the purpose of describing the present invention and are not used to limit the scope of the present invention described in the claims. Therefore, those skilled in the art will understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible therefrom. Therefore, the true technical protection scope of the present invention should be determined by the technical spirit of the appended claims.

100 : 고체산화물연료전지시스템 110 : 스택
120 : 온도센서 130 : 제어부
140 : 매니폴드100: solid oxide fuel cell system 110: stack
120: temperature sensor 130: control unit
140: manifold

Claims (4)

상호 적층되는 복수 개의 셀로 이루어진 스택;
상기 셀 사이에 개재되고, 상기 스택의 내부온도를 측정하여 온도데이터를 생성하는 적어도 하나 이상의 온도센서; 및
상기 온도데이터를 단말기에 출력하는 제어부;
를 포함하는 고체산화물연료전지시스템.
a stack composed of a plurality of mutually stacked cells;
at least one temperature sensor interposed between the cells and generating temperature data by measuring an internal temperature of the stack; and
a control unit outputting the temperature data to a terminal;
A solid oxide fuel cell system comprising a.
 제 1 항에 있어서,
상기 온도센서는,
상기 셀에 접하는 분리판; 및
상기 분리판에 설치되는 열전대;
를 포함하는 고체산화물연료전지시스템.
According to claim 1,
The temperature sensor is
a separator in contact with the cell; and
a thermocouple installed on the separating plate;
A solid oxide fuel cell system comprising a.
 제 1 항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 온도데이터를 수집하는 수집부;
상기 온도데이터를 저장하는 데이터베이스;
상기 온도데이터에 기초하여 상기 스택의 온도에 대한 패턴데이터를 산출하는 분석부; 및
상기 온도데이터와 패턴데이터를 실시간 비교하여 상기 스택의 이상에 대한 예상데이터를 산출하는 예보부;
를 포함하는 고체산화물연료전지시스템.
According to claim 1,
The control unit,
a collection unit that collects the temperature data;
a database for storing the temperature data;
an analyzer configured to calculate pattern data for the temperature of the stack based on the temperature data; and
a forecasting unit that compares the temperature data and the pattern data in real time to calculate expected data for an abnormality of the stack;
A solid oxide fuel cell system comprising a.
 제 1 항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 온도데이터, 패턴데이터 및 예상데이터 중 적어도 하나를 상기 단말기에 출력하여 시각화하는 출력부를 더 포함하는 고체산화물연료전지시스템.
According to claim 1,
The control unit,
The solid oxide fuel cell system further comprises an output unit that outputs at least one of the temperature data, pattern data, and expected data to the terminal to visualize it.
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