KR20230081983A - 연료전지시스템의 제어방법 - Google Patents
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Abstract
본 개시의 연료전지시스템의 제어방법은, 스택의 발전 개시와 함께 저온수성가스변환기의 온도센서를 이용하여 상기 저온수성가스변환기의 촉매의 온도를 측정하여, 상기 저온수성가스변환기의 촉매의 온도는 일시적으로 낮아졌다가 다시 상승하는 신호로 이용할 수 있다.
Description
본 발명은 연료전지시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료전지시스템의 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로, 연료 전지는 고효율, 친환경, 높은 출력밀도 등과 같은 장점을 가지고 있어 유망한 미래 청정 에너지기술로 많은 관심을 받고 있다. 기존의 저온 고분자 전해질막 연료 전지(Low-Temperature Polymer electrolyte membrane fuel cell, LT-PEMFC)가 상용화 어려움을 겪고 있는 원인은 여러 가지가 있다. 저온 고분자 전해질막 연료 전지를 운전하기 위해서는 가습기, 수분 트랩 등과 같은 물 관리 시스템이 필요하다. 또한, 연료 공급의 어려움 및 특정 불순물의 농도가 낮은 수소를 사용해야 하는 단점이 있으며, 저온 고분자 전해질막 연료 전지의 운전을 통해 얻을 수 있는 열은 배열온도가 낮아 사용 목적이 제한적이다.
저온 고분자 전해질막 연료 전지의 대안으로 고온 고분자 전해질막 연료 전지(HT-PEMFC)의 연구가 활발히 진행되고 있다. 고온 고분자 전해질막 연료 전지는 인산이 도핑된 폴리벤즈이미다졸(polybenzimidazole, PBI)계 전해질막을 사용하여 별도의 가습 없이 운전이 가능하며, 연료 전지 운전을 통해 발생하는 물이 증기 형태로 발생하기 때문에 별도의 수분트랩이 필요하지 않다. 또한, 고온 고분자 전해질막 연료 전지를 150℃ ~ 180℃의 운전 온도에서 CO의 피독으로 인한 막 전극 접합체(membrane electrode assembly, MEA)의 성능저하 현상이 현저히 감소하여 CO 농도 3%까지 내성을 가지게 된다. 이러한 현상으로 인해 수소개질과정에서 CO 제거공정을 최소화할 수 있다. 또한, 100℃에 가까운 높은 배열온도를 얻을 수 있어 열에너지의 활용도가 높다.
그러나, 상기 고온 고분자 전해질막 연료 전지는 제어가 어렵다. 각 요소 들간의 시계열제어가 원활하지 못하면, 발전효율이 급격하게 떨어질 수 있다.
본 개시는 연료전지시스템의 운전효율을 높일 수 있는 연료전지시스템의 제어방법을 제안한다.
본 개시의 연료전지시스템의 제어방법은, 탄화수소를 개질하여 고농도 수소의 개질가스를 제공하는 개질기; 상기 개질가스와 공기를 이용하여 전기를 생성하는 스택; 및 상기 스택에서 생성된 전기를 상용 발전전압에 맞춰 변환하는 인터버를 포함하는 연료전지시스템에 관한 것이다.
상기 연료전지시스템의 운영시작 시에 저온수성가스변환기의 히터를 이용하여 촉매활성화온도를 유지하는 것을 수행할 수 있다.
상기 개질기에서 개질반응이 시작하여 수소가 발생하는 것을 수행할 수 있다.
상기 스택의 발전 개시와 함께 저온수성가스변환기의 온도센서를 이용하여 상기 저온수성가스변환기의 촉매의 온도를 측정하여, 상기 저온수성가스변환기의 촉매의 온도는 일시적으로 낮아졌다가 다시 상승하는 신호로 이용할 수 있다.
이후에는, AOG운전을 시작할 수 있다.
상기 AOG 운전 이후에, 상기 개질가스의 증가, 및 상기 스택의 발전량의 증가를 점진적으로 수행할 수 있다.
본 개시에 따르면, 연료전지시스템을 고효율 및 안전성이 높게 운전할 수 있다.
도 1은 실시예의 연료전지시스템을 보이는 도면이다.
도 2는 상기 개질기를 더 상세하게 보이는 도면이다.
도 3은 상기 온도센서의 온도측정값과 상기 스택의 출력전류를 나타내는 그래프이다.
도 4는 실시예에 따른 연료전지시스템의 제어방법을 설명하는 흐름도이다.
도 2는 상기 개질기를 더 상세하게 보이는 도면이다.
도 3은 상기 온도센서의 온도측정값과 상기 스택의 출력전류를 나타내는 그래프이다.
도 4는 실시예에 따른 연료전지시스템의 제어방법을 설명하는 흐름도이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명의 사상의 이하의 실시예에 제한되지 아니하고, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시예를 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 및 추가 등에 의해서 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명 사상의 범위 내에 포함될 수 있다.
도면이 설명에 있어서, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략할 수 있다.
이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.
본 명세서에 개시된 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
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.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.
본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 실시예의 연료전지시스템을 보이는 도면이다.
도 1을 참조하면, 연료전지시스템은 스택(1000), 인버터(2000), 및 개질기(3000)를 포함할 수 있다. 상기 개질기(reformer or fule processor)(3000)는 연료로서 탄화수소를 수소로 변환시키는 장치이다.
상기 탄화수소는 천연가스(LNG)를 사용할 수 있다. 상기 개질기는 상기 스택과 인접하여 설치할 수 있다. 상기 개질기와 상기 스택은 단일의 시스템으로 묶여서 제공될 수 있다. 상기 개질기에서 발생한 수소는 바로 스택으로 공급할 수 있다. 이 경우에 상기 개질기와 상기 스택은 연계해서 운전할 수 있다. 상기 개질기와 상기 스택이 연계해서 동작해야만, 최고의 발전효율을 얻어낼 수 있다.
상기 스택(1000)은 수소와 산소를 결합하여 물과 전기를 생성시키는 장치이다. 상기 스택은 막-전극 접합체를 포함할 수 있다. 상기 막-전극 접합체는 애노드, 전해질 막, 캐소드의 단위셀을 다수개 포함할 수 있다. 상기 스택은 상기 애노드에 수소를 포함하는 연료를 공급하는 연료 공급부를 포함할 수 있다. 상기 스택은, 상기 캐소드에 산소를 포함하는 공기를 공급하는 공기 공급부를 포함할 수 있다.
상기 인버터(2000)는 스택에서 생성된 전기를 상용 발전전압에 맞춰 변환하는 장치이다. 상기 장치들이 최적화 운전해야 시스템의 최대 효율을 얻을 수 있다
상기 스택(1000)의 냉각을 위해서는 냉매를 공급하는 것은 이미 설명한 바가 있다. 상기 냉매는 순환계통을 통하여 유동할 수 있다. 상기 냉매의 순환계통은 냉매를 저장하는 냉매통(1001)을 포함할 수 있다. 상기 냉매의 순환계통은 고온의 냉매를 냉각하는 열교환기(1002)를 포함할 수 있다. 상기 냉매의 순환계통은 펌프를 제공하여 냉매가 강제 순환하도록 할 수 있다. 상기 펌프에 의해서 유동하는 냉매는, 스택(1000), 열교환기(1002), 및 냉매통(1001)을 순차로 유동할 수 있다. 상기 냉매는 스택에서 열을 흡수할 수 있다. 상기 스택에서 흡수한 열은 열교환기에서 방출할 수 있다. 열교환기에서 식은 냉매는 상기 냉매통에 저장할 수 있다. 상기 냉매통의 냉매는 다시 스택으로 유동할 수 있다.
상기 열교환기(1002)의 고온측 매체는 상기 스택을 통과할 수 있다. 여기서 고온측 매체는 상기 냉매일 수 있다. 상기 열교환기(1002)의 저온측 매체는 외부에서공급할 수 있다. 상기 저온측 매체의 공급을 위하여 별도의 저수탱크(1003)를 가질 수 있다. 상기 저수탱크는 고온의 물을 저장할 수 있다. 상기 물은 상기 냉매로부터 열을 받아 가열할 수 있다. 상기 저수탱크의 물은 필요시에 외부로 인출하여 사용할 수 있다. 상기 저수탱크와 상기 열교환기에는 펌프를 설치하여 물이 순환하도록 할 수 있다. 이 경우에 상기 저수탱크는 소정의 냉각장치를 더 가질 수 있다. 상기 저수탱크는 외부로 인출하는 물만큼 저온의 물을 더 받을 수 있다.
상기 개질기(3000)는 열을 제공하는 버너(3001)를 가질 수 있다. 상기 버너는 연료의 공급량을 제어하는 연료공급기(3003)를 가질 수 있다. 상기 버너는 연료의 공급량에 맞추어 공기공급을 제어하는 공기제어기(3004)를 가질 수 있다. 상기 버너의 발열량은 상기 연료와 상기 공기의 공급량에 의해서 제어할 수 있다. 상기 개질기(3000)는 개질되는 연료를 탄화수소의 공급량을 제어하는 연료공급제어기(3005)를 포함할 수 있다. 상기 개질기(3000)는 상기 탄화수소에서 제거하는 탄소를 산화탄소로 변화시키는 산소의 공급원인 물의 공급을 제어하는 물공급기(3002)를 포함할 수 있다. 상기 개질기는 탄화수소를 개질하여수소(H2)를 공급할 수 있다. 상기 수소와 함께 산화탄소가 발생할 수 있다. 상기 개질기에서 출력하는 출력물에는 물이 포함될 수도 있다.
상기 스택과 인버터는 전기 화학반응으로서 제어가 비교적 쉽다. 상기 스택과 인버터에 대한 효율적인 운전방안은 그 연구와 개발이 지속되고, 상당부분 개선을 이루었다. 그러나, 개질기는 제작하는 환경과 상태에 따라 운전하는 시간과 공급하는 가스와 수증기량이 변화되어 시스템에서 자동으로 운전하는 방안이 현재까지도 어려운 실정이다. 아울러, 상기 스택, 상기 인버터, 및 상기 개질기를 연계하여 함께 운전하는 것은 극히 어렵다.
한편, 상기 스택의 출력에는 처리하지 못한 수소가 있을 수 있다. 이를 위하여 상기 개질기를 AOG(Anode Off Gas)운전할 수 있다. 상기 AOG운전은 스텍의 배출가스 중에 포함되는 수소를 상기 버너(3001)에 공급하는 방식을 가리킬 수 있다. 이를 위하여 개질기의 배출구와 버너를 연결하는 유로를 더 마련할 수 있다. 상기 연결유오에는 개질가스공급제어기(3006)를 더 마련할 수 있다. 이 경우에는 폐기되는 연료를 더 이용하므로, 에너지사용효율을 높일 수 있다. 상기 AOG운전 시에 개질기만 제어하면 연료전지시스템의 고장과 주요 장치의 파손을 초래할 수 있다. 이에 따라서 연료전지시스템의 전반적인 제어가 수반될 필요가 있다.
도 2는 상기 개질기를 더 상세하게 보이는 도면이다.
도 2를 참조하면, 상기 개질기(3000)는 열을 제공하는 버너(3001). 연료공급기(3003)(3005), 공기제어기(3004), 및 물공급기(3002)를 포함할 수 있다. 상기 개질기는, 탄화수소를 개질하여 수소를 제공하는 개질부와, 유해물질을 제거하는 유해물질 제거부를 포함할 수 있다. 상기 개질부는 연료를 수증기 개질, 부분산화, 자열반응 등의 촉매반응에 의해 연료를 수소가 풍부한 개질 가스로 전환할 수 있다. 상기 유해물질 제거부는 촉매반응, 흡착 등 여러 가지 방법으로 개질 가스로부터 유해물질을 제거할 수 있다. 상기 유해물질 제거부의 대표적인 장치로서, 일산화탄소를 제거하는 수성가스변환기를 포함할 수 있다.
상기 수성가스변환기는, 고온수성가스변환기(high-temperature water-gas shift, 이하 HTS라고 할 때도 있다) 및 저온수성가스변환기(low-temperature water-gas shift, 이하 LTS라고 할 때도 있다)를 가질 수 있다. 개질 중의 가스는, 상기 고온수성가스변환기와 상기 저온수성가스변환기를 순차적으로 통과할 수 있다. 상기 두 변환기를 통과하면, 고농도수소의 일산화탄소의 농도가 저감된 개질가스를 제공할 수 있다. 상기 고온수성가스변환기는 500℃ 부근에서 Cr/Fe계열의 촉매를 이용하여 10%이상의 CO 농도를 5%이하로 저감시킬 수 있다. 상기 저온수성가스변환기는 200℃부근에서 Cu계열의 촉매를 이용하여 CO농도를 약 0.5% 정도로 감소시킬 수 있다. 상기 촉매는 일 예시로서 다양한 종류의 다른 촉매를 이용할 수 있다.
상기 개질기는 상기 저온수성가스변환기를 가열하는 히터(3008)을 포함할 수 있다. 상기 개질기는 상기 저온수성가스변환기의 온도를 측정하는 온도센서(3007)을 포함할 수 있다. 상기 온도센서(3007)의 측정온도는 저온수성가스변환기의 현재온도를 추종할 수 있다. 상기 온도센서(3007)의 측정온도는 저온수성가스변환기의 촉매온도를 측정할 수 있다. 상기 온도센서의 온도를 이용하여 연료전지시스템의 제어방법에 활용할 수 있다.
도 3은 상기 온도센서의 온도측정값과 상기 스택의 출력전류를 나타내는 그래프이고, 도 4는 실시예에 따른 연료전지시스템의 제어방법을 설명하는 흐름도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 LTS의 촉매는 연료의 개질이 시작되면 온도가 상승할 수 있다. 이때, 촉매의 활성화 온도를 상기 LTS히터(3008)을 이용할 수 있다. 연료전지시스템의 운영시작 시에 상기 LTS히터를 이용하여 촉매활성화온도를 유지할 수 있다(S1). 이후에는, 개질된 수소가 발생하면 온도가 상승하고 이에 따라 수증기량을 점차 증가시킬 수 있다(S2). 상기 개질기의 온도와 수증기량은 비례하고, 이때 수증기량은 측정이 어려워 제어값으로 사용하기는 힘들다. 상기 개질기의 온도는 촉매보호를 위해 삽입형의 온도센서(3007)가 있어 데이터 취득이 용이할 수 있다. 따라서, 상기 온도센서(3007)의 상기 AOG 운전의 인자로 이용할 수 있다.
이를 위하여 스택의 발전 개시와 함께 상기 온도센서(3007)를 이용하여 촉매의 온도를 측정할 수 있다(S3). 스택의 발전 개시 전에 상기 온도센서가 온도를 측정할 수 있는 것도 물론이다. 스택의 발전이 시작된 후에는, 상기 LTS의 촉매의 온도는 일시적으로 낮아졌다가 다시 상승할 수 있다(S4). 도 3의 t1을 참조할 수 있다. 도 3 에서 LTS촉매는 840(s)에서 발전이 시작되면, 일시적으로 온도가 내려갔다가 안정화되면서 온도가 점차 증가할 수 있다. 이러한 특성을 바탕으로 AOG운전을 완료할 수 있다. 상기 온도센서(3007)의 온도의 하강 후 상승되는 것을 통해, 개질기의 안정을 확인하고 상기 AOG운전을 개시할 수 있다(S5). 상기 AOG운전에 의해서 스택의 발전량이 점차 높아질 수 있다. 상기 AOG운전에 의해서, 고농도 수소의 개질가스가 증가할 수 있다(S6). 그와 함께 발전량이 증가할 수 있다(S7).
상기 AOG운전을 통한 개질가스의 상승(S6), 및 발전량증가(S7)는 원하는 전력량을 얻을 때까지 계속할 수 있다. 즉, 상기 단계를 반복할 수 있다.
상기 LTS의 촉매는 유독성 기체인 일산화탄서를 제거하기 위해 있는 촉매로 필수적으로 사용하는 촉매이다. 상기 촉매의 온도특성을 바탕으로 개질기의 상태를 간접적으로 확인하여 스택의 제어에 활용할 수 있다. 상기 스택의 제어를 위해 촉매 온도의 추세선을 따라 발전의 시작과 개질기의 안정권을 확인할 수 있다. 이를 통하여 AOG 운전개시를 판단할 수 있다. 상기 LTS의 온도를 이용하여, 제어의 시작과 끝을 확인하기 쉽다. 상기 LTS의 온도를 이용하여, 안전한 운전을 위한 보호장치에 사용할 수 있다. 상기 LTS의 온도를 이용함으로써, 개질기를 사용하더라도 안정적으로 발전할 수 있어 시스템 운전의 난이도를 낮을 수 있다.
본 개시에 따르면, 개질기의 안정기를 알 수 있어서, AOG운전개시시점을 정확히 알 수 있다.
3000 : 개질기
3007 : LTS 히터
3008 : LTS 온도센서
3007 : LTS 히터
3008 : LTS 온도센서
Claims (1)
- 탄화수소를 개질하여 고농도 수소의 개질가스를 제공하는 개질기; 상기 개질가스와 공기를 이용하여 전기를 생성하는 스택; 및 상기 스택에서 생성된 전기를 상용 발전전압에 맞춰 변환하는 인터버를 포함하는 연료전지시스템이고,
연료전지시스템의 운영시작 시에 저온수성가스변환기의 히터를 이용하여 촉매활성화온도를 유지하는 것;
상기 개질기에서 개질반응이 시작하여 수소가 발생하는 것;
상기 스택의 발전 개시와 함께 저온수성가스변환기의 온도센서를 이용하여 상기 저온수성가스변환기의 촉매의 온도를 측정하여, 상기 저온수성가스변환기의 촉매의 온도는 일시적으로 낮아졌다가 다시 상승하는 신호를 이용하여, AOG운전을 시작하는 것; 및
상기 AOG 운전 이후에, 상기 개질가스의 증가, 및 상기 스택의 발전량의 증가를 점진적으로 수행하는 것을 포함하는,
연료전지시스템의 제어방법.
Applications Claiming Priority (2)
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|---|---|---|---|
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| Country | Link |
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Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101768128B1 (ko) | 2016-02-16 | 2017-08-16 | 한국에너지기술연구원 | 독립형 냉각판을 구비하는 고온 고분자 전해질 막 연료 전지 스택 및 그 제조 방법 |
-
2022
- 2022-11-30 KR KR1020220164877A patent/KR20230081983A/ko unknown
Patent Citations (1)
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| KR101768128B1 (ko) | 2016-02-16 | 2017-08-16 | 한국에너지기술연구원 | 독립형 냉각판을 구비하는 고온 고분자 전해질 막 연료 전지 스택 및 그 제조 방법 |
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