WO2017164471A1 - 연료 전지 시스템 및 그 구동 방법 - Google Patents

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WO2017164471A1
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이상현
권준택
김민석
전희권
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에스퓨얼셀(주)
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Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell system and a driving method thereof.
  • a fuel cell device that generates electrical energy using a fuel cell is a power generation device that converts chemical energy of a fuel into electrical energy using an electrochemical reaction, comprising: a fuel cell stack having a plurality of fuel cells; Fuel conversion device, balance of plant (BPP) and control device.
  • BPP balance of plant
  • the fuel cell provided in the fuel cell device is an electrochemical power generation device that continuously generates electricity by supplying hydrogen and oxygen in the fuel gas to the anode and the cathode, respectively, as opposed to the water electrolysis principle in which hydrogen and oxygen are generated. to be.
  • the basic configuration of a fuel cell is a cell joined by a fuel electrode, an electrolyte layer, and an air electrode, and a desired voltage and current can be obtained by configuring a fuel cell stack in which a plurality of cells are stacked.
  • hydrogen gas which is a fuel for generating electricity
  • hydrogen is oxidized to hydrogen ions (H +) and electrons (e-) in the catalyst layer of the anode.
  • Hydrogen ions moved through the electrolyte and electrons moved through the external conductor combine to generate an oxygen reduction reaction that generates water.
  • an external flow of electrons forms a current to generate electricity.
  • the fuel cell system including the fuel cell device is composed of a fuel reformer, a fuel cell device, a power conversion device, and a heat recovery system.
  • the fuel reformer reforms a hydrocarbon-containing fuel containing hydrogen into a gas rich in hydrogen (for example, a gas having a hydrogen composition ratio of 75% or more) to a degree that can stably generate electricity of a desired size in a fuel cell stack.
  • a gas rich in hydrogen for example, a gas having a hydrogen composition ratio of 75% or more
  • fuel cell devices Made to be suitable for fuel cells, fuel cell devices generate direct current (DC) electricity, water and heat through hydrogen and oxygen reactions.
  • DC direct current
  • the power converter converts direct current (DC) into alternating current (AC), and the heat recovery system recovers waste heat from the main body to preheat the fuel reformer or supply heat to the cogeneration system.
  • a warm-up time is a time until the internal state of the fuel reformer of the conventional fuel cell system reaches a condition for reforming the hydrocarbon-based fuel into a gas containing a desired concentration of hydrogen, that is, a reforming gas. (warm-up time) is required.
  • Patent Document Republic of Korea Patent Application No. 10-2009-0133277 (Application Date: December 29, 2009)
  • the technical problem to be achieved by the present invention is to enable to obtain electrical energy through a fuel cell system without a warm-up time.
  • the reformer when the reforming reaction with respect to the fuel flowing from the reformer starts, opening the first valve to discharge the incomplete composition reforming gas generated by the reformer, the reformer At the complete composition reformed gas is discharged after the discharge of the incomplete composition reformed gas, closing the first valve and opening the second valve to deliver the complete composition reformed gas generated by the reformer to a fuel cell stack, and Opening a third valve to store the complete composition reformed gas produced by the reformer in a storage vessel.
  • the amount of the fuel introduced may be determined by the compression pressure of the complete composition reforming gas stored in the storage container and the capacity of the storage container.
  • a driving method of a fuel cell system comprises the steps of: determining a pressure in the storage vessel using a signal applied from a pressure gauge; comparing the determined pressure with a set pressure; Closing the third valve, and controlling the operation of the fuel booster to reduce the amount of fuel introduced into the reformer.
  • the driving method of the fuel cell system according to the above aspect may further include the step of opening the fourth valve to allow the fully-constituted reformed gas stored in the storage container to flow into the fuel cell stack if the operation mode is an immediate operation mode. .
  • the operation mode when the operation mode is the high speed operation mode, the reformed gas supplied from the reformer and the reformed gas supplied from the storage container are opened by opening the second valve and the fourth valve. It may further include the step of allowing to flow into.
  • a fuel cell system includes a reformer configured to discharge a reformed gas by reforming a fuel flowing through a first inlet into a gas in a desired state, a first valve positioned between an outlet of the reformer and a second inlet; A second valve connected to the outlet of the reformer, a fuel cell stack connected to the second valve, the fuel cell stack generating electricity using reformed gas introduced through the second valve, and connected to an outlet of the reformer A third valve, a storage container connected to the third valve, a fourth valve located between the storage container and an inlet of the fuel electrical stack, located between an outlet of the fuel cell stack and a second inlet of the reformer A fifth valve and a control unit connected to the first to fifth valves to control an open / closed state of the first to fifth valves.
  • the control unit opens the first valve to discharge the incomplete composition reformed gas toward the reformer when the reforming reaction starts in the reformer, and opens the second valve and the fifth valve when the reformed gas is completely formed in the reformer. Open the fuel cell stack to flow the full composition reformed gas into the fuel cell stack to operate the fuel cell stack, open the third valve to store the full composition reformed gas into the storage vessel, and the state of the mode selection signal is immediately in operation mode. In this case, the fourth valve is opened to allow the complete composition reforming gas stored in the storage container to flow into the fuel cell stack.
  • the fuel cell system may further include a temperature sensing unit connected to the control unit and sensing a temperature inside the reformer, wherein the control unit uses the sensing signal output from the temperature sensing unit.
  • the fuel cell system according to the above feature may further include a pressure gauge connected to the control unit and sensing an internal pressure of the storage container, wherein the control unit uses an internal signal of the storage container using a signal applied from the pressure gauge.
  • the third valve may be opened when the pressure is determined and the determined internal pressure is less than the set pressure.
  • a fuel cell system is connected to the control unit and measures a quantity of fuel flowing into the reformer, and is connected to the control unit and passes through the first flow meter toward the reformer.
  • the fuel booster may further include a fuel booster for adjusting a pressure of the fuel to be used, wherein the control unit, when the determined internal pressure is less than the set pressure, when the amount of fuel determined by the first flow meter does not reach the set amount, The fuel booster is controlled to increase the amount of fuel introduced into the reformer, and the set amount may be determined according to the compression pressure of the completely reformed reforming gas stored in the storage container and the capacity of the storage container.
  • the reforming gas supplied from the reformer and the reformed gas supplied from the storage container may be introduced into the fuel cell stack by opening the second valve and the fourth valve.
  • the fuel cell system using the reformed gas is generated using the reformed gas stored in the storage container, the warm-up time required for the reformed gas composition in a desired state is unnecessary, thereby improving user convenience. .
  • FIG. 1 is a conceptual diagram illustrating a fuel cell system according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an operation flowchart of a fuel cell system driving method according to an exemplary embodiment of the present invention, which is an operation flowchart when an operation mode of a fuel cell system is a general operation mode.
  • FIG. 3 is an operational flow diagram for the reformed gas storage control routine of FIG. 2.
  • FIG. 4 is an operation flowchart of a method of driving a fuel cell system according to an exemplary embodiment of the present invention, which is an operation flowchart when the operation mode of the fuel cell system is immediately before operation.
  • FIG. 5 is a conceptual diagram illustrating a method for supplying a reformed gas according to a warm-up time of a reformer according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a conceptual diagram illustrating a case in which a storage container is divided into a plurality of spaces as an example of the storage container of the reformed gas according to an embodiment of the present invention.
  • the power generation is performed without the warm-up time required for reforming gas composition at.
  • the fuel cell system replaces a part of the reformed gas generated and the reformed gas generated due to the reforming operation of the fuel after the fuel cell system is driven (or operated) and the reformed gas stored in advance. By storing, the fuel cell system immediately develops and can be operated (or driven) without a warm-up time and a preparation time.
  • Fuel cell systems driven based on reformed gas typically have to warm up to the reaction activation temperature of the catalyst for reforming the fuel (such as LNG, LPG, diesel, or gasoline), so the warm-up time is typically No power generation during (eg 1 to 3 hours).
  • the fuel such as LNG, LPG, diesel, or gasoline
  • the fuel cell system stores the reformed gas or the separate reformed gas remaining in the fuel cell stack during operation in a separate storage space inside the fuel cell system, so that the fuel cell system may be warmed up during the next operation.
  • the stored reformed gas is used to generate power immediately.
  • the fuel cell system includes a flow meter A (eg, a first flow meter) 100, a fuel booster 105 connected to the flow meter A 100, and a first inlet at the fuel booster 105.
  • a flow meter A eg, a first flow meter
  • fuel booster 105 connected to the flow meter A 100
  • a first inlet at the fuel booster 105 Connected reformer 110, fuel cell stack 160 connected to the outlet of reformer 110, valve A (eg, first valve) 115 located between the second inlet and outlet of reformer 110.
  • valve B eg, a second valve
  • Valve C (eg, third valve) 125 having one side connected to the outlet, flow meter B connected to the other side of the valve C (125) and connected to the outlet of the reformer 110 through valve C (125) ,
  • Pressure It is positioned to be connected to the other side of the pressure gauge 133, the pressure regulator 133, the pressure regulator 133 and the valve B 120 (that is, the inlet of the fuel cell stack 160) installed in the storage system 145.
  • Valve D e.g., fourth valve 130
  • valve E e.g., fifth valve located between the outlet of fuel cell stack 160 and the second inlet of reformer 110
  • a relief valve 155 located on the output side and an air blower 173 for injecting air into the fuel cell stack 160 are provided.
  • the fuel cell system of the present example is connected to the power supply device 170 connected to the fuel cell stack 160, the battery 175 connected to the power supply device 170, and the power supply device 170 to be controlled.
  • Device and BOP 180 power converter 183 connected to fuel cell stack 160 and power supply 170, emergency load 186 and general load connected to fuel cell stack 160, respectively.
  • switch A eg, first switch
  • switch B eg, second switch
  • switch A eg, commercial grid 163 connected to switch A 193 and switch B 196
  • general load 189 switch C 199
  • power supply 170 respectively.
  • Flow meter A (100) is for checking the amount of fuel input to the inlet, and outputs a signal in a state corresponding to the amount of the checked fuel.
  • the flow meter A 100 is connected to the control device 180, and outputs a signal of the state corresponding to the checked amount of fuel to the control device 180 to determine the amount of fuel flowing into the control device 180. To help.
  • the fuel flowing into the flow meter A (100) is introduced into the reformer 110 through the flow meter A (100) and the fuel booster 105, and fossils such as LNG, LPG, gasoline, diesel, etc. It may be a fuel.
  • the fuel booster 105 is positioned between the flow meter A 100 and the reformer 110 to adjust the amount of fuel flowing into the reformer 110 by adjusting the pressure of the fuel flowing from the flow meter A 100 to a desired pressure. It is for.
  • the fuel booster 105 is connected to the control device 180, the operation is controlled according to the control signal applied from the control device 180. At this time, the control device 180 controls the operation of the fuel booster 105 using the amount of fuel sensed by the flow meter A (100).
  • the reformer 110 is a fuel reformer for converting fuel input through the fuel booster 105 into components having different properties.
  • the reformer 110 may contain a hydrogen-containing fuel (liquefied petroleum gas (LPG), liquid natural gas (LNG), methane, coal gas, or methanol) to the extent necessary for the operation of the fuel cell.
  • LPG liquefied petroleum gas
  • LNG liquid natural gas
  • methane methane
  • coal gas or methanol
  • the reformer 110 may perform a hydrogen production core process for producing a reformed gas, which is a hydrogen-rich synthesis gas, based on a reaction of a hydrocarbon and water vapor.
  • valve A 115, the valve B 120, the valve C 125, the valve D 130, and the valve E 165 are connected to the control device 180 and according to a control signal applied from the control device 180.
  • the solenoid valve in which the open / close state is controlled, is for delivering the reformed gas output from the reformer 110 to the corresponding component.
  • valve A 115 is located between the outlet and the second inlet of the reformer 110, as described above, so that the reformed state is incomplete and the operation of the normal fuel cell is not performed (that is, the hydrogen content is set).
  • the reformed gas (hereinafter, referred to as 'incomplete composition reformed gas') of less than the amount thereof is introduced into the reformer 110 again.
  • Valve B 120 is discharged from the outlet of reformer 110 to deliver the complete composition reformed gas to fuel cell stack 160.
  • the valve C 125 is for introducing the reformed gas discharged from the outlet of the reformer 110 into the storage container 145 through the flow meter B 135 and the compressor 140.
  • valve C 125 is located between reformer 110 and flow meter B 135.
  • the valve D 130 is for delivering the reformed gas stored in the storage container 145 to the fuel cell stack 160, which is located between the pressure regulator 133 and the fuel cell stack 160, as described above.
  • Valve E 165 modifies 110 the reformed gas discharged from fuel cell stack 160 to adjust the pressure in fuel cell stack 160 and reuse the excess reformed gas remaining in use and remaining in fuel cell stack 160. To inject).
  • Such a valve E 165 may be implemented between the fuel cell stack 160 and the second inlet of the reformer 110.
  • the fuel cell system determines an operating state of the reformer 110 to determine whether an internal state of the reformer 110 is in a normal state, that is, a state in which reformed gas is produced in a desired state.
  • it is connected to the control device 180, and further comprises a temperature sensor for sensing the temperature inside the reformer 110 and outputs a detection signal of the state to the control device 180.
  • control device 180 determines the temperature inside the reformer 110 by using a signal applied from the temperature sensing unit, and determines whether the valves A through C 115, 120, and the like according to whether the determination temperature reaches the set temperature. 125 and the operating state of the valve E (165).
  • control device 180 may be configured to control the valves 115, 120, 125,.
  • the open / closed state of 165 may be controlled.
  • Flow meter B (135) is for checking the amount of reformed gas delivered to the storage container (145) through the compressor (140), the signal corresponding to the amount of the checked reformed gas connected to the control device 180 Output to the control device 180.
  • the compressor 140 is for compressing the reformed gas introduced into the storage container 145 through the flow meter B 135 to a corresponding size, and controls the amount of material gas introduced into the storage container 145.
  • the compressor 140 is connected to the control device 180 to operate according to a control signal applied from the control device 180 to adjust the degree of compression of the reformed gas.
  • the controller 180 controls the operation of the compressor 140 using the amount of reformed gas detected by the flow meter B 135 and the flow meter A 100.
  • the storage container 145 stores the reformed gas compressed and compressed by the compressor 140.
  • the pressure gauge 150 is for checking the pressure of the storage container 145 and is connected to the control device 180. Therefore, the pressure gauge 150 outputs a signal in a state corresponding to the checked pressure level to the control device 180.
  • the relief valve 155 is to maintain the pressure state in the storage container 145 in a set state, and is a valve for discharging the reformed gas stored in the storage container 145 to the outside as necessary.
  • the relief valve 155 is connected to the control device 180 is controlled the opening and closing state in accordance with the control signal applied from the control device 180.
  • control device 180 compares the pressure in the storage container 145 and the set pressure determined by the signal applied from the pressure gauge 150 to determine the state of the relief valve 155 when the determined pressure is equal to or higher than the set pressure. Can be controlled in the open state.
  • the pressure regulator 133 is for maintaining the pressure of the reformed gas flowing into the fuel cell stack 160 from the storage container 145 at a set pressure. The pressure of the reformed gas discharged from 145 is controlled.
  • the fuel cell stack 160 has a structure in which dozens or hundreds of unit cells of a fuel cell in which an electrochemical reaction occurs are stacked.
  • the unit cell of the fuel cell stack 160 may include a fuel electrode, an air electrode, a polymer electrolyte membrane, an electrolyte membrane-electrode assembly (MEA), and a bipolar plate.
  • a fuel electrode an air electrode
  • a polymer electrolyte membrane an electrolyte membrane-electrode assembly (MEA)
  • MEA electrolyte membrane-electrode assembly
  • the fuel cell stack in which the unit cells are stacked may compress the fasteners at both ends by fasteners or air pressure to reduce contact resistance between components.
  • Fastening plates at both ends may be provided with outlets and inlets of the reaction gas, cooling water circulation ports, and sockets for electrical output.
  • the air blower 173 is to supply oxygen necessary for the power generation operation of the fuel cell.
  • the air blower 173 is connected to the control device 180 to control an operation state according to the control of the control device 180.
  • the power supply device 170 is for supplying power required for operation to each component of the fuel cell system.
  • Each power supply device 170 uses power supplied from at least one of the commercial system 168 and the fuel cell stack 160. Supply the required size power to the element.
  • the battery 175 is connected to the power supply device 170 to perform a charging operation using power supplied from the power supply device 170, so that the operation of the commercial system 163 and the fuel cell stack 160 is abnormal.
  • the components may be operated using a charged power source in an emergency such as a power failure or power failure.
  • control device 180 The control device and the BOP 180 (hereinafter, referred to as a “control device”) 180 are connected to the power supply device 170 to receive power from the power supply device 170 for operation, and to control the overall operation of the fuel cell system. do.
  • the fuel cell system may further include separate peripheral auxiliary devices (BOPs) such as electric and control boards, pumps, blowers, power valves, etc., in addition to the devices shown in FIG.
  • BOPs peripheral auxiliary devices
  • the power converter 183 is connected to the fuel cell stack 160 and the power supply 170 to supply power in a state (direct current or alternating current) necessary for the operation of each component.
  • This power converter 183 is, in this example, an inverter (1831) for converting input DC power into AC power and direct current for converting the input DC power to at least one DC power of a desired size.
  • a DC-DC converter 1832 is provided, but is not limited thereto, and only one of the inverter 1831 or the DC-DC converter 1832 may be provided as necessary.
  • the emergency load 186 is an emergency load such as a power failure, and may be operated by receiving power from the power converter 183.
  • the emergency load 186 may be supplied with power even in an independent operation mode.
  • the emergency load 186 includes an uninterruptible power supply (UPS) and the like, and requires power in an emergency by using at least one of thermal energy and power supplied from the fuel cell stack 160 in an emergency.
  • UPS uninterruptible power supply
  • the general load 189 may be a load operated by receiving power from at least one of the fuel cell stack 160 and the commercial system 163 in a normal state, not in an emergency.
  • the switch A 193, the switch B 196, and the switch C 199 are connected to the control device 180 and have a switching state controlled according to a control signal applied from the control device 180. It can be implemented to power the emergency load 186 and the general load 189.
  • Switch A 193 is for the connection between the power converter 183 and the emergency load 186
  • switch B 196 is a connection between the power converter 183 and the emergency load 186 and the power converter ( 183 and for commercial line 163.
  • the switch C 199 is for the connection between the power converter 183 and the general load 189 and the connection between the power converter 183 and the commercial system 163.
  • the initial states of the valves 115, 120, 125, 130, 165 are in a closed state, and the initial states of the switches 193, 196, 199 are in an open state.
  • the reformer 110 raises the fuel inputted through the flow meter A 100 and the fuel booster 105 to a predetermined temperature at which the reforming catalytic reaction is possible to secure reforming reaction conditions, and then reforms the input fuel to a desired state.
  • a complete composition reformed gas which is a reformed gas in a desired state, is generated and supplied to the fuel cell stack 160.
  • the heater 110 is provided inside the reformer 110, the operation of which is controlled according to the control device 180 or the like.
  • the controller 180 compares the temperature inside the reformer 110 sensed by the temperature sensing unit with the set temperature, and the reformer 110 does not reach the set temperature. It is determined that the state of 110 is an incomplete state in which it is not possible to produce a complete composition reformed gas, and the valve A 115 is opened to discharge the incomplete composition reformed gas, which is a reformed gas of incomplete composition, back to the reformer 110 ( vent) to recover.
  • the control device 180 controls the The valve A 115 is closed and the valve B 120 and the valve E 165 are opened so that the reformed gas is supplied to the fuel cell stack 160 so that power generation by the fuel cell stack 180 can be started. As a result, electricity generated in the fuel cell stack 180 is supplied to the power supply device 170 and the power converter 183.
  • control device 180 In operation of the fuel cell stack 160, the control device 180 operates the air blower 173 to supply oxygen necessary for the power generation operation of the fuel cell stack 160.
  • a procedure for storing the reformed gas in a separate storage container 145 may be performed at the same time.
  • the fuel cell system determines the amount of fuel flowing into the reformer 110 in consideration of the amount of reformed gas to be stored in the storage container 145, and in addition to the reformed gas supplied to the fuel cell stack 160. Sufficient amount of reformed gas may be produced in storage vessel 145 to store the desired amount of reformed gas.
  • the controller 180 controls the operation of the fuel booster 105 to increase the amount of fuel introduced into the reformer 110 in consideration of the amount to be stored in the storage container 145, thereby reducing the amount of reformed gas generated.
  • valve C 125 is opened.
  • the amount of fuel introduced into the reformer 110 may be controlled using the pressure of the fuel by the operation of the fuel booster 105 according to the control of the control device 180.
  • the reformed gas discharged to the outlet of the reformer 110 flows into the compressor 140 through the flow meter B 135 through the open valve C 125 and is positively stored in the storage container 145 at a predetermined pressure. do.
  • the capacity of the reformed gas stored in the storage container 145 may be determined, for example, a warm-up time that is a reforming reaction preparation time, a time required for operation of an emergency load, a time required for a backup operation on data of a fuel cell system, and the like.
  • the reformer 110 starts operation to reform the fuel inputted to the operation state thereof.
  • the valve B 120 maintains a closed state.
  • valve D 130 is opened by the control of the control device 180 so that the reformed gas already stored in the storage container 145 passes through the pressure regulator 133 to adjust the pressure.
  • the fuel cell stack 160 may be supplied to the fuel cell stack 160 to perform a rated operation.
  • valve E 165 is also opened by the control of the controller 180 so that the reformed gas discharged from the fuel cell stack 160 is reformed through the second inlet 110 again. To be introduced.
  • the control device 180 determines the operation mode of the fuel cell system to be the operation mode immediately and operates the valve D 130 and the valve E 165.
  • the control gas is controlled so that the reformed gas stored in the storage container 145 flows directly into the fuel cell stack 160 so that the operation of the fuel cell stack 160 may be performed without the operation of the reformer 110.
  • control device 180 controls the operation of the valve A (115, 120, 165, etc.) to the operation state of the reformer 110 to perform a reforming operation on the fuel input to the reformer 110. Allow the full composition reforming gas to be produced after the warm-up time has elapsed.
  • the control device 180 opens the valve B 120 in the closed state and opens the open state.
  • the valve D 130 and the valve E 165 that were closed are closed.
  • the reformed gas flowing into the fuel electric stack 160 is transferred from the reformed gas stored in the storage container 145 to the reformed gas discharged from the reformer 110 so that the operation of the fuel electric stack 160 is continued. .
  • the fuel cell stack 160 operates using the reformed gas already stored in the storage container 145 instead of using the reformed gas flowing from the reformer 110 to allow the fuel cell to be operated during the warm-up period.
  • the system is operated and the reformed gas generated by the reformer 110 is supplied to the fuel cell stack 160 when the operating state of the reformer 110 is in a steady state capable of producing a complete composition reformed gas.
  • the control device 180 controls the switch A 193 and the switch B 196 to turn on.
  • the fuel cell stack 160 may be operated using the reformed gas stored in the storage container 145 to supply power to the emergency load 186 or supply power from the commercial system 163 to the emergency load 186.
  • the switches A 193 to C 193, 196, 199 are turned on by the control device 180.
  • the fuel cell stack 160 is stored in the storage container 145.
  • the fuel cell stack 160 may be operated using the reformed gas to supply thermal energy and power to the emergency load 186, and may supply power to the emergency load 186 using the charging power of the battery 175.
  • the switch A 193 and the switch B 196 are turned on to the control device 180.
  • the fuel cell system is operated according to one of the normal operation mode, the immediate operation mode and the independent operation mode.
  • the mode selection as described above, the mode selection generated according to the operation state of the fuel cell system by the mode selection switch or the control device 180 or the external monitoring device to output the mode selection signal of the corresponding state to the user selection operation Determined by the signal.
  • control device 180 When the operation of the fuel cell system is started by an operation of an operation switch or the like not shown, and the state of the mode selection signal input to the control device 180 is the normal operation mode, the control device 180 performs the operation of the fuel cell system. Control the operation mode.
  • control device 180 controls the operation of the fuel booster 105 so that the fuel can be supplied to the reformer 110, and the reformer 110 starts operation according to the supply of the fuel (S200).
  • the controller 180 determines the internal temperature of the reformer 110 by using a signal applied from the temperature sensor, and compares the determined internal temperature with the first set temperature to determine the reforming reaction of the state of the reformer 110. It is determined whether the conditions have been reached (S210).
  • the control device 180 determines the state of the reformer 110 as a state capable of reaching the conditions for the reforming reaction and generating reformed gas, so that the valve A 115 can be generated. To open (S220).
  • the incomplete composition reforming gas which is a reforming gas of incomplete composition discharged from the outlet of reformer 110, flows back into reformer 110 through valve A 115.
  • the controller 180 determines the internal temperature of the reformer 110 using a signal applied from the temperature sensing unit, determines whether the determined internal temperature has risen above the second set temperature, and generates the reformer 110 generated by the reformer 110. It is determined whether the gas is capable of generating a complete composition reformed gas that is a reformed gas in a desired state (S225). At this time, the second set temperature is higher than the first set temperature.
  • the control device 180 closes the valve A 115, instead opens the valve B 120 and the valve E 165 (S230), and the air blower 173. ) To operate (S240). Therefore, in this case, the valve A 115 and the valve D 130 are in the closed state, and the valve B 120 and the valve E 165 are in the open state.
  • the reformed gas containing hydrogen discharged from the reformer 110 through the open valve B 120 is supplied to the fuel cell stack 160 and by the oxygen supplied by the operation of the air blower 173, The power generation operation of the fuel cell stack 160 is performed.
  • the air blower 173 may be operated in conjunction with the reformed gas when supplied to the fuel cell stack 160.
  • DC power is generated in the fuel cell stack 160, and the generated DC power is supplied to the power converter 183.
  • DC power is converted to AC power by the operation of the inverter 1831 of the general load 189 and the emergency load 186 through the switch A 193, the switch B 196, and the switch C 199. Power is supplied to allow the operation of the loads 189 and 186 to be performed (S250).
  • the fuel cell stack 160 is driven in the normal operation state, which is the basic operation state, and the switch A 193, the switch B 196, and the switch C 199 are turned on, such that the normal load 189 and the emergency load are turned on. Power may be supplied to 186.
  • the control device 180 determines whether the charging of the battery 175 is completed (S260).
  • the battery 175 may determine its charge state and output a signal to the control device 180 according to whether the charging is completed. Accordingly, the control device 180 may determine whether the battery 175 is charged by using a state of a signal applied from the battery 175.
  • the controller 180 controls the operation of the power supply 170 to produce the fuel cell stack 160 through the power supply 170.
  • the charging operation of the battery 175 is performed using the supplied power (S270).
  • the charging operation of the battery 175 using the fuel cell stack 160 may be performed when the power produced by the fuel cell stack 160 is larger than the power consumed by the operation of the loads 186 and 189.
  • the power supply device 170 calculates power consumption using power applied from the loads 186 and 189, and calculates the power consumption and the power applied from the fuel cell stack 160 (hereinafter, referred to as a fuel cell).
  • the power applied to the stack is referred to as 'battery power' to determine whether the battery power is greater than the power consumption.
  • the power supply device 170 If the battery power is greater than the power consumption, the power supply device 170 outputs a signal of the state to the control device 180 to recognize the state that the battery power is greater than the power consumption.
  • the controller 180 can perform the charging operation of the battery 175 using the battery power only when the state of the battery power is greater than the power consumption and the state of the battery 175 is not charged.
  • control device 180 determines whether storage of the reformed gas is completed in the storage container 145 using a signal applied from the pressure gauge 150 (S280). .
  • control device 180 determines the pressure in the storage container 145 using a signal applied from the pressure gauge 150, and when the determined pressure reaches the set pressure, the control device 180 selects the desired amount in the storage container 145 (that is, As much as the capacity of the storage container 145].
  • the fuel cell system when it is determined that the reformed gas is stored in the storage container 145 in a desired amount (S280), the fuel cell system operates using the reformed gas applied only from the reformer 110. However, if it is determined that the reformed gas is not stored in the storage container 145 by the desired amount (S280), the control device 180 performs an operation for compressing and storing the reformed gas into the storage container 145 ( S30).
  • control device 180 flows into the reformer 110 to produce the reformed gas by the amount stored in the storage container 145 using the flow meter A 100 and the fuel booster 105.
  • the amount of fuel is increased (S300).
  • control device 180 reads a signal applied from the flow meter A 100 to determine the amount of fuel currently flowing in, and if the determined fuel amount is less than the set fuel amount, reforming for storage in the storage container 145. It is determined that the amount of fuel supplied for the gas needs to be increased.
  • the control device 180 controls the operation of the fuel booster 105 until the amount of fuel flowing into the reformer 110 is increased to the set fuel amount, thereby controlling the material machine 110. Increasing the pressure of the fuel flowing into), the operation of the fuel booster 105 can be controlled based on the value of the determined fuel amount.
  • the amount of fuel introduced into the reformer 110 is increased by the amount to be stored in the storage container 145 (that is, the capacity of the storage container 145), so that the reformed gas generated in the reformer 110 is increased.
  • the control device 180 opens the valve C 125 and maintains the valve D 130 in the closed state to open it.
  • the reformed gas passing through the valve C 125 is compressed to a predetermined pressure by the compressor 140 and then transferred to the storage container 145 so that a storage operation of the reformed gas to the storage container 145 may be performed. (S310).
  • the valve B 120 and the valve E 165 are still open, and thus the reformed gas is supplied to the fuel cell stack 160 through the valve B 120 to supply the fuel cell.
  • the power generation operation of stack 160 is maintained.
  • the capacity of the storage container 145 may be determined as described above for the warm-up time, the time required for the operation of the emergency load, the time required for the backup operation for the data of the fuel cell system, and the like.
  • the controller 180 controls the operation of the flow meter B 135 and the compressor 140 to the reformer 110. It is possible to compress and store the storage container 145 by an increase amount of the reformed gas increased according to the increase of the input fuel amount.
  • the controller 180 determines the increase in the amount of fuel flowing into the reformer 110 using the input fuel amount determined by the flow meter A 100 so that the reformed gas corresponding to the increased fuel amount is stored in the storage container 145.
  • the operation of the compressor 140 is controlled to be introduced into the container (step S320).
  • the control device 180 may control the operation of the compressor 140 until the amount of the gas flowing into the storage container 145 determined by the signal of the flow meter B 135 becomes an increase in the amount of fuel.
  • the control device 180 determines the pressure in the storage container 145 using a signal applied from the pressure gauge 150, and the determined pressure reaches the set pressure. It is determined whether the storage of the reformed gas as much as the desired amount is made to the storage container (145) (S330).
  • control device 180 determines that the reformed gas is not stored in the storage container 145 by a desired amount. Therefore, the control device 180 proceeds to step S300 to continuously perform the storage operation of the reformed gas in the storage container 145.
  • the control device 180 determines that the desired amount of reformed gas is stored in the storage container 145 to close the valve C 125 and the compressor.
  • the operation of the 140 is controlled to a stop state (off state) so that the reformed gas is no longer introduced into the storage container 145 (S340).
  • control device 180 reduces the amount of fuel entering the reformer 110 such that the reformer 110 can produce as much reformed gas as the amount supplied only to the fuel cell stack 160.
  • control device 180 determines the amount of fuel flowing in using the signal applied from the flow meter A 100 and controls the operation of the fuel booster 106 so that the determined fuel amount can be reduced to the determined fuel amount. Reduce the pressure of the fuel flowing into the (S350).
  • the amount of fuel flowing into the reformer 110 is set to such an extent that the amount of reformed gas can be generated except for the reformed gas that is further generated to flow into the storage container 145.
  • the controller 180 supplies the reformed gas to the fuel cell stack 160 to generate a power generation operation.
  • the reformed gas can be stored in the storage container 145 in a desired amount.
  • the control device 180 uses the reformed gas of the storage container 145. To immediately operate the fuel cell stack 160.
  • control device 180 first determines whether power is normally supplied from the commercial system 163 (S400).
  • control device 180 may use an output of a separately installed voltage generator to measure the voltage of the commercial system 163. Therefore, when the voltage sensed by the voltmeter is less than or equal to the set voltage, the control device 180 determines that the power supply from the commercial system 163 is not performed because of correction or the like.
  • control device 180 controls all of the switches A to C193, 196, and 199 to the ON state (S405).
  • the controller 180 is configured to supply power required for the operation of the fuel cell system using the charging voltage of the battery 175, and thus, the emergency load 186 and the general load 189 may be used to supply the power to the battery 175.
  • the charging voltage is applied (S410).
  • control device 180 opens the valve D 130 and operates the air follower 173 so that the reformed gas in the storage container 145 can flow into the fuel cell stack 160 via the pressure regulator 133. (S415).
  • power generation is performed by the operation of the fuel cell stack 160 to perform a charging operation to the battery 175, and at least one of the battery power and the commercial power supplied from the commercial system 163 is applied to the loads 186 and 189. It is supplied (S420).
  • control device 180 controls the operation of the reformer 110 and the valves 120 and 115 to separately control the operation of generating reformed gas in the reformer 110.
  • the control device 180 uses the signal applied from the fuel gauge A 100 and the signal applied from the temperature sensor to supply the fuel to the reformer 110. Then, it is determined whether the state of the reformer 110 is a normal state that generates a completely composition reformed gas, that is, it is determined whether the reformer 110 operates and the warm-up time has elapsed (S425).
  • the control device 180 closes the valve D 130 and the step (FIG. 2) of FIG. Proceeding to S230, the fuel cell system can be operated in the normal operation mode.
  • control device 180 may not reform the gas in the storage container 145. Generation of the fuel cell system is performed.
  • the control device 180 sets the pressure at which the pressure in the storage container 145 determined using the pressure gauge 150 is a stop condition pressure. If it is determined that the reduced state (S430), that is, if it is determined that all the reformed gas stored in the storage container 145 is exhausted state, the control device 180 stops the power generation operation of the fuel cell system (S435), The power generation operation of the fuel cell system is performed until the storage gas in the container 145 is exhausted.
  • control device 180 turns on the switch A 193 and the switch B 196 and turns off the switch C 199 (S440). ).
  • the charging voltage of the battery 175 is applied to the power supply and emergency load 186 required for the operation of the fuel cell system (S445).
  • control device 180 opens the valve D 130 and operates the air follower 173 for the power generation operation of the fuel cell stack 160 using the reformed gas of the storage container 145 (S450).
  • the power generation operation of the fuel cell stack 160 is performed by the stored reformed gas, so that the controller 180 controls the charging operation of the battery 175 and the battery is loaded into the load 186 through the on-off switches 193 and 196. Power is supplied (S455).
  • control device 180 controls the operation of the reformer 110 and the valves 120 and 115 to separately control the operation of generating reformed gas in the reformer 110.
  • control device 180 is completed by the warm-up operation of the reformer 110 by using a signal applied from the fuel gauge A (100) and a signal applied from the temperature sensor.
  • the valve D 130 is closed and the process proceeds to step S230 of FIG. 2 to allow the fuel cell system to operate in the normal operation mode.
  • the independent operation mode is a case where the power source of the commercial system 163 does not exist due to the state in which the fuel cell system is separated from the commercial system 163 or a power failure or a plug removal operation.
  • the controller 180 determines whether the operation mode is the independent operation mode by using the state of the mode selection signal to control the operation of the fuel cell system, and whether the power supply of the commercial system 163 can be determined using a voltmeter or the like. have.
  • the independent operation mode is divided into a first case in which the commercial system 163 is disconnected during normal operation of the fuel cell system and a second case in which the fuel cell system operates when the use system 163 is broken.
  • the first case is divided into a case where the fuel input to the reformer 110 is cut off and a fuel supply to the reformer 110 is performed.
  • the control device 180 operates the fuel cell system with the reformed gas stored in the storage container 145 so that the loads 186 and 189 can be supplied with power, and the fuel is exhausted when the reformed gas is exhausted. Stop the battery system.
  • the fuel input to the reformer 110 is cut off and the fuel supply to the reformer 110 is divided.
  • control device 180 controls the operation of the fuel cell system through the reformed gas stored in the storage container 145 to supply power to the loads 186 and 189, and the stored reformed gas is exhausted. System is stopped.
  • the control device 180 When the fuel is not shut off, the control device 180 operates the fuel cell system using the storage reforming gas of the storage container 145 to supply power to the loads 186 and 189 while operating the reformer 110 to operate the reformer 110.
  • the state of the 110 is a state of producing a complete composition reformed gas
  • the reformed gas applied to the fuel cell stack 160 is transferred from the reformed gas of the storage container 145 to the reformed gas generated in the reformer 110 to continue. This allows power to be supplied to the loads 186 and 189.
  • the fuel cell system may further have a high speed mode of operation, in which the fuel consumption of the emergency load 186 and the normal load 189 is greater than the normal range. It can be used when the power generation capacity of the battery system requires a larger capacity than usual.
  • the operation mode of the fuel cell system is the high speed operation mode
  • the control device 180 opens the valve B 120 and the valve D 130 from the reformed gas and the storage container 145 supplied from the reformer 110.
  • the reformed gas supplied may be supplied to the fuel cell stack 160 for power generation.
  • the opening degree of the valve D 130 may be determined in consideration of the amount of reformed gas (ie, additional reformed gas) to be additionally supplied to the fuel cell stack 160.
  • the opening degree of the valve D 130 may be determined to be between 70% and 100% when fully opened.
  • the opening degree of the valve D 130 may be determined to be between 40% and 70%, and the fuel cell stack 160 If the amount of additional reforming gas to be provided is in the range of 0 L to 40 L, the opening degree of the valve D 130 may be determined to be between 0 and 40%.
  • control device 180 may determine the opening degree of the valve 130 based on the information on the amount of the additional reformed gas.
  • control device 180 is transferred from the storage container 145 to the fuel cell stack 160 in consideration of the amount of reformed gas delivered after the warm-up operation of the reformer 110.
  • the amount of reformed gas can be adjusted.
  • the control device 180 may increase the amount of reformed gas supplied from the reformer 110 to the fuel cell stack 160.
  • the amount of reformed gas supplied from the reformer 110 to the fuel cell stack 160 may be measured by a separate measurement unit (not shown) installed at the rear of the valve B 120.
  • the information on the amount of the reformed gas measured and transmitted by the measurement unit may be transmitted to the control device 180, and the control device 180 may consider the information on the amount of the reformed gas inputted in consideration of the storage container ( The amount of reformed gas delivered from the fuel cell stack 160 to the fuel cell stack 160 can be determined.
  • the amount of reformed gas supplied from the reformer 110 to the fuel cell stack 160 is small at the initial stage of warm-up according to the information on the amount of reformed gas, it is supplied from the storage container 145 to the fuel cell stack 160.
  • the amount of reforming gas that is made can be relatively large.
  • the amount of reformed gas supplied from the reformer 110 to the fuel cell stack 160 increases after the warm-up period, the amount of reformed gas supplied from the reformer 110 to the fuel cell stack 160 also increases. In this case, the amount of reformed gas supplied from the storage container 145 to the fuel cell stack 160 may be reduced.
  • the reformer 110 transfers the reformed gas from the reservoir 145 to the fuel cell stack 160 in consideration of the warm-up time (ie, the warm-up state) and the amount of fuel supplied to the reformer 110.
  • a method of supplying is disclosed.
  • the warm-up time of the reformer 110 may vary depending on the temperature of the surrounding environment. For example, in order to warm up the temperature of the reformer 110 to 80 degrees for warm-up of the reformer 110, more time may be required in winter than in summer.
  • the control device 180 is an expected warm-up, which is an estimated time until completion of the warm-up of the reformer 110 using an external measurement temperature measured by using a temperature sensor.
  • the up time may be determined (S500).
  • the anticipated warm-up time may be shorter at higher temperatures of the current environment outside of the fuel cell system, and may be longer at lower temperatures of the external environment of the current fuel cell system.
  • control device 180 determines the expected warm-up time for the temperature of the external environment using the data already stored, and the fuel cell stack 160 in the storage container 145 according to the determined expected warm-up time.
  • the reformed gas supply time can be determined (step S510).
  • the opening degree of the valve D 130 may be set to 100% of a fully open state so that the reformed gas may be supplied from the storage container 145 to the fuel cell stack 160.
  • the controller 180 sets the opening degree of the valve D 130 to less than 100% in consideration of the amount of reformed gas supplied from the reformer 110 to the fuel cell stack 160.
  • the reformed gas may be supplied from the storage container 145 to the fuel cell stack 160 by setting to.
  • the valve D 130 may be closed and the reformed gas storage operation from reformer 110 to storage vessel 145 may proceed.
  • control device 180 may adjust the amount of reformed gas supplied from the storage container 145 to the fuel cell stack 160 in consideration of the amount of fuel introduced by the flow meter A 100.
  • the amount of reformed gas supplied from the reformer 110 to the fuel cell stack 160 may not be sufficient.
  • the controller 180 may generate the reformed gas stored in the storage container 145 even in the normal operation mode. 160).
  • the controller 180 does not have sufficient amount of reformed gas supplied from the reformer 110 to the fuel cell stack 160 by using the amount and the set amount of the introduced fuel determined by the flow meter A 100. Can be determined.
  • FIG. 6 a concept for dividing a storage container for storing reformed gas and storing the reformed gas at different pressures is disclosed.
  • an internal space may be divided into a plurality of spaces, and the reformed gas having a different pressure may be stored in each divided space.
  • the reformed gas of the first pressure is stored in the first divided space 610 of the storage vessel of the reformed gas
  • the reformed gas of the second pressure is stored in the second divided space 620 of the storage vessel of the reformed gas.
  • the first pressure may be a pressure higher than the second pressure.
  • the reformed gas at the first pressure stored in the first partition space 610 may be transferred from the storage vessel to the fuel cell stack 160, and after the initial stage of the warm-up, the reformed gas may be transferred from the reformer 110.
  • a reformed gas at a second pressure located in the second partition space 620 may be delivered from the reservoir to the fuel cell stack 160.
  • the reformed gas at the first pressure is converted to the pressure required by the fuel cell stack 160 and then the fuel cell stack Supplied to 160, a relatively large amount of reformed gas may be supplied to fuel cell stack 160.
  • the reformed gas at the second pressure is converted to the pressure required by the fuel cell stack 160.
  • the fuel cell stack 160 may then be supplied such that a relatively small amount of reformed gas may be supplied to the fuel cell stack 160.
  • the reformed gas of the second pressure is supplied from the storage vessel to the fuel cell stack at the initial stage of the warm-up, and the pressure in the second divided space 620 according to the supply of the reformed gas of the second pressure
  • the reformed gas having the first pressure located in the first divided space 610 moves to the second divided space 620 so that the pressure of the reformed gas in the second divided space 620 is second. May be maintained at pressure.
  • control device 180 may use the temperature change in the reformer or the elapsed time since the operation of the fuel cell system to perform the warm-up state (ie You can judge.
  • the first pressure and the second pressure may be set differently according to the operation of the fuel cell system and the amount of fuel.
  • the first pressure may be set to a relatively high value. If the amount of fuel supplied to the storage vessel is high, more reformed gas may be stored in the storage vessel by setting the first pressure relatively high to store a larger amount of reformed gas.
  • the first pressure when the amount of fuel supplied to the storage vessel is less than or equal to the threshold value, the first pressure may be set to a relatively small value.
  • the first pressure when the amount of fuel supplied to the storage container is small, the first pressure may be set to a relatively small value so that the reformed gas may be stored in the storage container to avoid unnecessary pressure changes for supplying the reformed gas to the fuel cell stack.
  • the reformed gas storage vessel is divided into a plurality of spaces 610 and 620, and the reformed gas having a different pressure is stored in each of the divided spaces 610 and 620. It may be set a plurality of and each of the storage vessel may be stored reformed gas of different pressure.
  • the control device controls the operation of each corresponding solenoid valve according to the operation state of the reformer so that the reformed gas can be introduced into and discharged from the divided space at a desired time.
  • an electromagnetic valve in which the open state is controlled by the operation of the control device may be attached to the divided spaces adjacent to each other.
  • the control device controls the operation of the solenoid valve according to the pressure in each divided space determined using a pressure gauge or the like so that gas movement between adjacent divided spaces can be made.
  • Such a fuel cell system diagnostic method may be implemented in an application form or in the form of program instructions that may be executed by various computer components and recorded in a computer-readable recording medium.
  • the computer-readable recording medium may include program instructions, data files, data structures, etc. alone or in combination.
  • the program instructions recorded on the computer-readable recording medium are those specially designed and configured for the present invention, and may be known and available to those skilled in the computer software arts.
  • Examples of computer-readable recording media include magnetic media such as hard disks, floppy disks, and magnetic tape, optical recording media such as CD-ROMs, DVDs, and magneto-optical media such as floptical disks. media), and hardware devices specifically configured to store and execute program instructions, such as ROM, RAM, flash memory, and the like.
  • Examples of program instructions include not only machine code generated by a compiler, but also high-level language code that can be executed by a computer using an interpreter or the like.
  • the hardware device may be configured to operate as one or more software modules to perform the process according to the invention, and vice versa.

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Abstract

본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 연료 전지 시스템은 제1 유입구를 통해 유입되는 연료를 원하는 상태의 가스로 개질하여 개질 가스를 배출하는 개질기, 개질기의 배출구와 제2 유입구 사이에 위치하는 제1 밸브, 개질기의 배출구에 연결되어 있는 제2 밸브, 제2 밸브에 연결되어 제2 밸브를 통해 유입되는 개질 가스를 이용하여 전기를 생산하는 연료 전지 스택, 개질기의 배출구에 연결되어 있는 제3 밸브, 제3 밸브와 연결되어 있는 저장 용기, 저장 용기와 연료 전기 스택의 유입구 사이에 위치하는 제4 밸브, 연료 전지 스택의 배출구와 개질기의 제2 유입구 사이에 위치하는 제5 밸브, 그리고 제1 밸브 내지 제5 밸브의 개폐 상태를 제어하는 제어 유닛을 포함한다. 제어 유닛은 개질기에서 개질 반응이 시작되면 제1 밸브를 개방하여 불완전 조성 개질 가스를 개질기 쪽으로 배출하고, 개질기에서 완전 조성 개질 가스가 생성되면 제2 밸브와 상기 제5 밸브를 개방하여 연료 전지 스택으로 완전 조성 개질 가스를 유입시켜 연료 전지 스택을 동작시키고, 제3 밸브를 개방하여 저장 용기로 완전 조성 개질 가스를 저장하고, 모드 선택 신호의 상태가 즉시 운전 모드이면, 제4 밸브를 개방하여 저장 용기에 저장된 완전 조성 개질 가스가 상기 연료 전지 스택으로 유입되도록 한다.

Description

연료 전지 시스템 및 그 구동 방법
본 발명은 연료 전지 시스템 및 그 구동 방법에 관한 것이다.
일반적으로 연료 전지를 이용하여 전기 에너지를 생성하는 연료전지 장치는 전기화학반응을 이용하여 연료의 화학에너지를 전기에너지로 변환하는 발전장치로서, 복수의 연료전지를 구비한 연료전지 스택(Stack), 연료변환장치, 주변보조기기(Balance of Plant, BPP) 및 제어 장치 등을 포함한다.
즉, 연료전지 장치에 구비된 연료전지는 수소와 산소가 발생하는 물 전기분해원리와는 반대로 연료가스인 수소와 공기 중의 산소를 각각 양극과 음극에 공급하여 연속적으로 전기를 생산하는 전기화학적 발전장치이다.
이러한 연료전지의 동작에 의해, 연료전지에서는 전기와 열이 동시에 발생한다. 연료전지의 기본 구성은 연료극-전해질층-공기극으로 접합되어 있는 셀(cell)이며, 복수의 셀을 적층한 연료전지 스택을 구성함으로써 원하는 전압과 전류를 얻을 수 있다.
일반적으로 연료전지의 기본 셀에서 전기를 발생시키기 위한 연료인 수소가스를 연료극 쪽으로 공급하면, 수소는 연료극의 촉매층에서 수소이온(H+)과 전자(e-)로 산화되며, 공기극에서는 공급된 산소와 전해질을 통해 이동한 수소이온과 외부 도선을 통해 이동한 전자가 결합하여 물을 생성시키는 산소 환원 반응이 일어난다. 이 과정에서 전자의 외부 흐름이 전류를 형성하여 전기를 발생시킨다.
이러한 작동원리를 토대로 연료전지 장치를 구비한 연료전지 시스템은 연료개질장치, 연료전지 장치, 전력변환 장치 및 열 회수시스템으로 구성되었다.
연료개질장치는 수소를 함유한 탄화수소계 연료를 연료전지 스택에서 안정적으로 원하는 크기의 전기를 발생시킬 수 있는 정도로 수소가 농후한 가스(예를 들어, 수소의 조성비가 75% 이상인 가스)로 개질하여 연료전지에 적합하도록 만들고, 연료전지 장치는 수소와 산소 반응을 통해 직류(DC) 전기, 물 및 열을 발생시킨다.
전력변환 장치는 직류(DC)를 교류(AC)로 변화하며, 열회수시스템은 본체에서 나오는 폐열을 회수하여 연료개질장치를 예열하거나 열병합발전 시스템에 열을 공급한다.
현재는 연료 전지 시스템을 구성하고 있는 구성 요소(예를 들어, 주변 보조기기(BOP) 및 각종 부품 등) 각각에 대한 이상 유무의 확인이 어려워 연료 전지 시스템의 내구성 저하 및 유지 보수 비용의 증가가 예상된다.
또한, 종래의 연료 전지 시스템의 연료개질장치의 내부 상태가 탄화수소계 연료를 원하는 농도의 수소가 포함된 상태의 가스, 즉 개질 가스로 개질하기 위한 조건에 도달할 때까지의 시간인 웜-업 시간(warm-up time)이 필요하게 된다.
따라서, 연료 전지 시스템을 이용할 경우, 연료 전지 시스템을 구동시킨 후 바로 원하는 전기 에너지를 획득할 수 없는 불편함이 존재한다.
[선행기술문헌]
(특허문헌) 대한민국 특허출원번호 10-2009-0133277(출원일자: 2009년 12월 29일)
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 웜-업 시간 없이도 연료 전지 시스템을 통해 전기 에너지를 획득할 수 있도록 하기 위한 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 연료 전지 시스템의 구동 방법은 개질기에서 유입되는 연료에 대한 개질 반응이 시작되면, 제1 밸브를 개방하여 상기 개질기에 의해 생성된 불완전 조성 개질 가스를 배출하는 단계, 상기 개질기에서 상기 불완전 조성 개질 가스의 배출 이후 완전 조성 개질 가스가 배출되면, 상기 제1 밸브를 닫고 제2 밸브를 개방하여 상기 개질기에 의해 생성된 상기 완전 조성 개질 가스를 연료 전지 스택으로 전달하는 단계, 그리고 제3 밸브를 개방하여 상기 개질기에 의해 생성된 상기 완전 조성 개질 가스를 저장 용기에 저장하는 단계를 포함한다.
상기 유입되는 상기 연료의 양은 상기 저장 용기에 저장되는 상기 완전 조성 개질 가스의 압축 압력과 상기 저장 용기의 용량에 따라 결정될 수 있다.
상기 특징에 따른 연료 전지 시스템의 구동방법은 압력계에서 인가되는 신호를 이용하여 상기 저장 용기 내의 압력을 판정하는 단계, 판정된 상기 압력과 설정 압력을 비교하는 단계, 판정된 상기 압력이 상기 설정 압력에 도달하면 상기 제3 밸브를 닫는 단계, 그리고 연료 승압기의 동작을 제어하여 상기 개질기로 유입되는 연료의 양을 감소시키는 단계를 더 포함하는 것이 좋다.
상기 특징에 따른 연료 전지 시스템의 구동방법은 운전 모드가 즉시 운전 모드이면, 제4 밸브를 개방하여 상기 저장 용기에 저장된 완전 조성 개질 가스가 상기 연료 전지 스택으로 유입되도록 하는 단계를 더 포함하는 것이 좋다.
상기 특징에 따른 연료 전지 시스템의 구동방법은 운전 모드가 고속 운전 모드이면, 상기 제2 밸브와 제4 밸브를 개방하여 개질기로부터 공급되는 개질 가스와 상기 저장 용기로부터 공급되는 개질 가스가 상기 연료 전지 스택으로 유입되도록 하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 특징에 따른 연료 전지 시스템은 제1 유입구를 통해 유입되는 연료를 원하는 상태의 가스로 개질하여 개질 가스를 배출하는 개질기, 상기 개질기의 배출구와 제2 유입구 사이에 위치하는 제1 밸브, 상기 개질기의 배출구에 연결되어 있는 제2 밸브, 상기 제2 밸브에 연결되어 있고, 상기 제2 밸브를 통해 유입되는 개질 가스를 이용하여 전기를 생산하는 연료 전지 스택, 상기 개질기의 배출구에 연결되어 있는 제3 밸브, 상기 제3 밸브와 연결되어 있는 저장 용기, 상기 저장 용기와 상기 연료 전기 스택의 유입구 사이에 위치하는 제4 밸브, 상기 연료 전지 스택의 배출구와 상기 개질기의 제2 유입구 사이에 위치하는 제5 밸브, 그리고 상기 제1 내지 제5 밸브에 연결되어 상기 제1 밸브 내지 제5 밸브의 개폐 상태를 제어하는 제어 유닛을 포함하고, 상기 제어 유닛은 상기 개질기에서 개질 반응이 시작되면 제1 밸브를 개방하여 불완전 조성 개질 가스를 상기 개질기 쪽으로 배출하고, 상기 개질기에서 완전 조성 개질 가스가 생성되면 제2 밸브와 상기 제5 밸브를 개방하여 상기 연료 전지 스택으로 완전 조성 개질 가스를 유입시켜 상기 연료 전지 스택을 동작시키고, 상기 제3 밸브를 개방하여 상기 저장 용기로 완전 조성 개질 가스를 저장하고, 모드 선택 신호의 상태가 즉시 운전 모드이면, 상기 제4 밸브를 개방하여 상기 저장 용기에 저장된 완전 조성 개질 가스가 상기 연료 전지 스택으로 유입되도록 한다.
상기 특징에 따른 연료 전지 시스템은 상기 제어 유닛과 연결되어 있고 상기 개질기 내부의 온도를 감지하는 온도 감지부를 더 포함할 수 있고, 상기 제어 유닛은 상기 온도 감지부에서 출력되는 감지 신호를 이용하여 상기 개질기의 내부 온도를 판정하고, 판정된 내부 온도가 제1 설정 온도에 도달하면 상기 제1 밸브를 개방하고, 판정된 내부 온도가 제2 설정 온도 이상이면 상기 제1 밸브를 닫고 제2 밸브를 개방할 수 있다.
상기 특징에 따른 연료 전지 시스템은 상기 제어 유닛과 연결되어 있고 상기 저장 용기의 내부 압력을 감지하는 압력계를 더 포함할 수 있고, 상기 제어 유닛은 상기 압력계에서 인가되는 신호를 이용하여 상기 저장 용기의 내부 압력을 판정하고 판정된 내부 압력이 설정 압력 미만이면 상기 제3 밸브를 개방할 수 있다.
상기 특징에 따른 연료 전지 시스템은 상기 제어 유닛에 연결되어 있고 상기 개질기 쪽으로 유입되는 연료의 양을 측정하는 제1 유량계, 그리고 상기 제어 유닛에 연결되어 있고, 상기 제1 유량계를 통과하여 상기 개질기 쪽으로 유입되는 연료의 압력을 조정하는 연료 승압기를 더 포함할 수 있고, 상기 제어 유닛은 판정된 내부 압력이 설정 압력 미만이면 상기 제1 유량계에 의해 판정된 연료의 양이 설정량에 도달하지 않는 경우, 상기 연료 승압기를 제어하여 상기 개질기로 유입되는 연료의 양을 증가시키고, 상기 설정량은 상기 저장 용기에 저장되는 상기 완전 조성 개질 가스의 압축 압력과 상기 저장 용기의 용량에 따라 결정될 수 있다.
상기 제어 장치는 모드 선택 신호의 상태가 고속 운전 모드이면, 상기 제2 밸브와 상기 제4 밸브를 개방하여 개질기로부터 공급되는 개질 가스와 상기 저장 용기로부터 공급되는 개질 가스가 상기 연료 전지 스택으로 유입될 수 있도록 한다.
이러한 특징에 따르면 개질 가스를 사용하는 연료 전지 시스템에서, 저장 용기에 저장된 개질 가스를 이용하여 발전 이루어지므로, 원하는 상태의 개질 가스 조성에 필요한 웜-업 시간이 불필요하므로, 사용자의 편리성이 향상된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 나타낸 개념도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구동 방법에 대한 동작 순서도로서, 연료 전지 시스템의 운전 모드가 일반 운전 모드일 때의 동작 순서도이다.
도 3은 도 2의 개질 가스 저장 제어 루틴에 대한 동작 순서도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구동 방법에 대한 동작 순서도로서, 연료 전지 시스템의 운전 모드가 즉시 운전 전 모드일 때의 동작 순서도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 개질기의 웜-업 시간에 따른 개질 가스의 공급 방법을 나타낸 개념도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 개질 가스의 저장 용기에 대한 한 예로서, 저장 용기가 복수의 공간으로 분할된 경우를 도시한 개념도이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예와 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조 부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템 및 그 구동 방법에 대하여 설명한다.
본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템에서, 에서 개질 가스 조성에 필요한 웜-업 시간시간 없이 발전하여 운전이 이루어지도록 하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템은 연료 전지 시스템의 구동(또는 운전) 이후 연료의 개질 동작으로 인해 생성되는 개질 가스와 미리 저장되어 있는 개질 가스 간의 의 교체 동작 및 생성되는 개질 가스의 일부를 저장하는 동작에 의해, 웜-업 시간과 준비 시간 없이 연료 전지 시스템이 즉시 발전하여 운전(또는 구동)이 가능하도록 하는 것이다.
개질 가스를 기반으로 구동되는 연료 전지 시스템은 연료(LNG, LPG, 디젤, 또는 휘발유 등)의 개질을 위해 촉매의 반응 활성화 온도까지 웜-업(warm-up) 시켜야 하므로, 일반적으로 웜-업 시간 동안(예, 1시간 내지 3시간)에는 발전이 되지 않는다.
하지만, 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템은 운전 중 연료 전지 스택에서 사용하고 남은 개질 가스나 별도의 개질 가스를 연료 전지 시스템 내부의 별도 저장 공간에 저장하므로, 다음 운전 시 웜-업 기간에도 저장된 개질 가스를 이용하여 즉시 발전이 이루어지도록 한다.
도 1을 참조하면, 본 예에 따른 연료 전지 시스템은 유량계A(예, 제1 유량계)(100), 유량계A(100)에 연결된 연료 승압기(105), 연료 승압기(105)에 제1 유입구가 연결된 개질기(110), 개질기(110)의 배출구에 연결되는 연료 전지 스택(160), 개질기(110)의 제2 유입구와 배출구 사이에 위치한 밸브(valve)A(예, 제1 밸브)(115), 개질기(110)의 배출구와 연료전지 스택(160) 사이에 위치하여 개질기(110)와 연료 전지 스택(160)을 연결시키는 밸브B(예, 제2 밸브)(120), 개질기(110)의 배출구에 일측이 연결되어 있는 밸브C(예, 제3 밸브)(125), 밸브C(125)의 타측에 연결되어 밸브C(125)를 통해 개질기(110)의 배출구와 연결되는 유량계B(예, 제2 유량계)(135), 유량계B(135)의 출력 측과 연결되어 있는 압축기(140), 압축기(140)의 출력 측과 연결되어 있는 저장 용기(145), 저장 용기(145)에 설치되어 있는 압력계(150), 저장 용기(145)에 설치되어 있는 압력 조정기(133), 압력 조정기(133)와 밸브B(120)의 타측[즉, 연료 전지 스택(160)의 유입구]과 연결되게 위치하는 밸브D(예, 제4 밸브)(130), 연료 전지 스택(160)의 배출구와 개질기(110)의 제2 유입구 사이에 위치하는 밸브E(예, 제5 밸브), 저장 용기(145)의 출력 측에 위치하는 릴리프 밸브(relief valve)(155), 연료 전지 스택(160)로 공기를 주입하기 위한 에어 플로워(air blower)(173)를 구비한다.
또한, 본 예의 연료 전지 시스템은 연료전지 스택(160)에 연결되어 있는 전원 공급 장치(170), 전원 공급 장치(170)에 연결되어 있는 배터리(175), 전원 공급 장치(170)에 연결되어 제어 장치 및 BOP(180), 연료전지 스택(160)과 전원 공급 장치(170)에 연결되어 있는 전력 변환 장치(183), 연료전지 스택(160)에 각각 연결되어 있는 비상 부하(186)와 일반 부하(189), 비상 부하(186)에 연결되어 있는 스위치A(예, 제1 스위치)(193), 인버터(183)와 스위치A(186)에 연결되어 있는 스위치B(예, 제2 스위치)(196), 스위치A(193)와 스위치B(196)에 연결되어 있는 스위치C(199), 일반 부하(189), 스위치C(199) 및 전원 공급 장치(170)에 연결되어 있는 상용 계통(163)을 구비한다.
유량계A(100)는 유입구로 입력되는 연료의 양을 체크하기 위한 것으로서, 체크된 연료의 양에 해당하는 상태의 신호를 출력한다.
이러한 유량계A(100)는 제어 장치(180)와 연결되어, 체크한 연료의 양에 해당하는 상태의 신호를 제어 장치(180)로 출력하여 제어 장치(180)가 유입되는 연료의 양을 판정할 수 있도록 한다.
이때, 유량계A(100)로 유입되는 연료는 유량계A(100)와 연료 승압기(105)를 통해 개질기(110)로 유입되는 것으로서, LNG, LPG, 휘발유(gasoline) 또는 경유(diesel) 등과 같은 화석 연료일 수 있다.
연료 승압기(105)는 유량계 A(100)와 개질기(110) 사이에 위치하여 유량계A(100)로부터 유입되는 연료의 압력을 원하는 압력으로 조정하여 개질기(110) 내로 유입되는 연료의 양을 조정하기 위한 것이다.
이러한 연료 승압기(105)는 제어 장치(180)와 연결되어, 제어 장치(180)로부터 인가되는 제어 신호에 따라 동작이 제어된다. 이때, 제어 장치(180)는 유량계A(100)에 의해 감지된 연료의 양을 이용하여 연료 승압기(105)의 동작을 제어한다.
개질기(110)는 연료개질장치로서, 연료 승압기(105)를 통과해 입력되는 연료를 다른 성질의 성분으로 변환시키기 위한 것이다.
예를 들어, 개질기(110)는 수소를 함유한 연료[LPG(liquefied petroleum gas), LNG(liquid natural gas), 메탄, 석탄가스 또는 메탄올 등]를 연료 전지의 동작에 필요한 정도로 수소를 많이 함유하는 가스(예, 수소의 조성비가 75% 이상)로 변환한 해당 상태의 개질 가스(이하, 이 개질가스를 ‘완전 조성 개질 가스’라 함)를 생성하기 위해 것이다.
이러한 개질기(110)는 탄화수소와 수증기의 반응을 기반으로 수소가 풍부한 합성 가스인 개질 가스를 생산하기 위한 수소 생산 핵심 공정을 수행할 수 있다.
밸브A(115), 밸브B(120), 밸브C(125), 밸브D(130) 및 밸브E(165)는 제어 장치(180)와 연결되어 제어 장치(180)로부터 인가되는 제어 신호에 따라 개폐 상태가 제어되는 전자 밸브로서, 개질기(110)로부터 출력되는 개질 가스를 해당하는 구성 요소로 전달하기 위한 것이다.
이를 위해, 밸브A(115)는, 이미 설명한 것처럼, 개질기(110)의 배출구와 제2 유입구 사이에 위치하여 개질 상태가 불완전하여 정상적인 연료 전지의 동작이 이루어지지 않는 상태(즉, 수소 함유량이 설정량 미만인 상태)의 개질 가스(이하, 이 개질 가스를 ‘불완전 조성 개질 가스’라 함)를 개질기(110)로 다시 유입시키는 역할을 수행한다.
밸브B(120)는 개질기(110)의 배출구에서 배출되어 완전 조성 개질 가스를 연료 전지 스택(160)으로 전달하기 위한 것이다.
밸브C(125)는 개질기(110)의 배출구에서 배출된 개질 가스를 유량계B(135)와 압축기(140)를 거쳐 저장 용기(145)로 유입시키기 위한 것이다.
따라서, 본 예의 경우, 밸브C(125)는 개질기(110)와 유량계B(135) 사이에 위치한다.
밸브D(130)는 저장 용기(145)에 저장된 개질 가스를 연료 전지 스택(160)으로 전달하기 위한 것으로, 이미 설명한 것처럼, 압력 조정기(133)와 연료 전지 스택(160) 사이에 위치한다.
밸브E(165)는 연료 전지 스택(160) 내의 압력을 조정하고 연료 전지 스택(160)에서 사용하고 남은 잉여 개질 가스를 재이용하기 위해, 연료 전지 스택(160)에서 배출된 개질 가스를 개질기(110)로 주입하기 위한 것이다.
이러한 밸브E(165)는 연료 전지 스택(160)과 개질기(110)의 제2 유입구 사이에 구현될 수 있다.
도 1에 도시되지 않았지만, 본 예에 따른 연료 전지 시스템은 개질기(110)의 동작 상태를 판정하여 개질기(110)의 내부 상태가 정상 상태, 즉 원하는 상태의 개질 가스의 생산이 이루어지는 상태 인지의 여부를 판정하기 위해, 제어 장치(180)에 연결되어 있고, 개질기(110) 내부의 온도를 감지하여 해당 상태의 감지 신호를 제어 장치(180)로 출력하는 온도 감지부를 더 구비한다.
이로 인해, 제어 장치(180)는 온도 감지부에서 인가되는 신호를 이용해 개질기(110) 내부의 온도를 판정하고 판정 온도가 설정 온도에 도달했는지의 여부에 따라 밸브A 내지 밸브C(115, 120, 125) 및 밸브E(165)의 동작 상태를 제어한다.
하지만, 이와는 달리, 대안적인 예에서, 제어 장치(180)는 개질기(110)의 주변 온도에 따라서 정해진 각 밸브(115, 120, 125, 165)의 개방 시간에 따라 밸브(115, 120, 125, 165)의 개폐 상태를 제어할 수 있다.
유량계B(135)는 압축기(140)를 통해 저장 용기(145)로 전달되는 개질 가스의 양을 체크하기 위한 것으로, 제어 장치(180)와 연결된 체크된 개질 가스의 양에 해당하는 상태의 신호를 제어 장치(180)로 출력한다.
압축기(140)는 유량계B(135)를 거쳐 저장 용기(145)로 유입되는 개질 가스를 해당 크기로 압축하기 위한 것으로, 저장 용기(145)로 유입되는 재질 가스의 양을 제어한다.
이러한 압축기(140)는 제어 장치(180)와 연결되어 제어 장치(180)로부터 인가되는 제어 신호에 따라 동작하여 개질 가스의 압축 정도를 조정한다. 이때, 제어 장치(180)는 유량계B(135)과 유량계A(100)에 의해 감지된 개질 가스의 양을 이용하여 압축기(140)의 동작을 제어한다
저장 용기(145)는 압축기(140)에 의해 압축되어 유입되는 개질 가스를 저장한다.
압력계(150)는 저장 용기(145)의 압력을 체크하기 위한 것으로, 제어 장치(180)와 연결되어 있다. 따라서, 압력계(150)는 체크된 압력의 크기에 해당하는 상태의 신호를 제어 장치(180)로 출력한다.
또한, 릴리프 밸브(155)는 저장 용기(145) 내의 압력 상태를 설정 상태로 유지하기 위한 것으로서, 필요에 따라 저장 용기(145)에 저장된 개질 가스를 외부로 배출하기 위한 밸브다.
이러한 릴리프 밸브(155)는 제어 장치(180)와 연결되어 제어 장치(180)로부터 인가되는 제어 신호에 따라 개폐 상태가 제어된다.
이를 위해, 제어 장치(180)는 압력계(150)로부터 인가되는 신호에 의해 판정된 저장 용기(145) 내의 압력과 설정 압력을 비교하여 판정된 압력이 설정 압력 이상이면 릴리프 밸브(155)의 상태를 개방 상태로 제어할 수 있다.
압력 조정기(133)는 저장 용기(145)에서 연료 전지 스택(160)으로 유입되는 개질 가스의 압력이 설정 압력으로 유지되도록 하기 위한 것으로서, 압력 조정기(133)는 이미 정해진 크기의 압력으로 저장 용기(145)에서 배출되는 개질 가스의 압력을 제어한다.
연료 전지 스택(160)은 전기 화학 반응이 일어나는 연료 전지의 단위 전지(single cell)이 수십 개 내지 수백 개가 적층된 구조를 갖고 있다.
이러한 연료 전지 스택(160)의 단위 전지는 연료극, 공기극, 고분자 전해질 막, 전해질 막-전극 접합체(membrane-electrode assembly, MEA) 및 바이폴라판으로 구성될 수 있다.
단위 전지가 적층된 연료 전지 스택은 구성 요소 간의 접촉 저항을 줄이기 위하여 양쪽 끝의 조임판을 조임쇠나 공기압으로 압착할 수 있다. 양쪽 끝의 조임판에는 반응 기체의 출구와 입구, 냉각수 순환구 및 전기출력용 소켓이 설치될 수 있다.
에어 블로워(173)는 연료 전지의 발전 동작을 위해 필요한 산소를 공급하기 위한 것으로서, 제어 장치(180)에 연결되어 제어 장치(180)의 제어에 따라 동작 상태가 제어된다.
전원 공급 장치(170)는 연료 전지 시스템의 각 구성 요소로 동작에 필요한 의 전원을 공급하기 위한 것으로서, 상용계통(168)과 연료전지 스택(160) 중 적어도 하나로부터 공급되는 전원을 이용하여 각 구성요소에 필요한 크기의 전원을 공급한다.
배터리(175)는 전원 공급 장치(170)와 연결되어 전원 공급 장치(170)로부터 공급되는 전원을 이용하여 충전 동작을 실시하여, 상용계통(163)과 연료 전지 스택(160)의 동작이 비정상 상태이거나 정전 시와 같은 비상 시에 충전된 전원을 이용하여 구성 요소들의 동작이 이루어질 수 있도록 한다.
제어 장치 및 BOP(이하, ‘제어 장치’라 함)(180)는 전원 공급 장치(170)에 연결되어 전원 공급 장치(170)로부터 동작에 필요한 전원을 공급받고, 연료 전지 시스템의 전반적인 동작을 제어한다.
본 예에서, 연료 전지 시스템은 도 1에 도시한 장치들 이외에도 전장 및 제어보드, 펌프류, 블로워류, 동력 밸브류 등과 같은 별도의 주변 보조기기(BOP)를 추가로 구비할 수 있다.
전력 변환 장치(183)는 연료 전지 스택(160)와 전원 공급 장치(170)과 연결되어 있어 각 구성요소의 동작에 필요한 상태(직류 또는 교류)의 전원을 공급하기 위한 것이다.
이러한 전력 변환 장치(183)는, 본 예에서, 입력되는 직류 전원을 교류 전원으로 변환하는 인버터(inverter)((1831)와 입력되는 직류 전원을 원하는 크기의 적어도 하나의 직류 전원으로 변환하기 위한 직류-직류 변환기(DC-DC converter)(1832)를 구비하지만, 이에 한정되지 않고, 필요에 따라 인버터(1831)나 직류-직류 변환기(1832) 중 하나만 구비할 수 있다.
비상 부하(186)는 정전 등과 같은 비상 시 동작하는 부하로서, 전력 변환 장치(183)로부터 전력을 공급 받아 동작될 수 있다.
이러한 비상 부하(186)는 독립 운전 모드 시에도 전력을 공급받을 수 있다.
본 예에서, 비상 부하(186)는 무정전 전원 장치(UPS, uninterruptible power supply) 등을 구비하고 있고, 비상 시 연료 전지 스택(160)으로부터 공급되는 열에너지와 전력 중 적어도 하나를 이용하여 비상 시 필요한 전력을 발생시켜 전지 연료 시스템의 데이터 등에 대한 백업 동작 등과 같은 비상 시 필요한 동작을 수행하기 위한 것이다.
일반 부하(189)는 비상 시가 아니라 일반 상태 시 연료 전지 스택(160)과 상용계통(163) 중 적어도 하나로부터 전력을 공급받아 동작하는 부하일 수 있다.
스위치A(193), 스위치B(196) 및 스위치C(199)는 제어 장치(180)에 연결되어 제어 장치(180)로부터 인가되는 제어 신호에 따라 스위칭 상태가 제어되는 스위치로서, 스위칭 상태에 따라 비상 부하(186)와 일반 부하(189)로 전력을 공급하기 위해 구현될 수 있다.
스위치A(193)는 전력 변환 장치(183)와 비상 부하(186)간의 연결을 위한 것이고, 스위치B(196)는 전력 변환 장치(183)와 비상 부하(186) 사이의 연결과 전력 변환 장치(183)와 상용 계통(163) 간의 연결을 위한 것이다.
스위치C(199)는 전력 변환 장치(183)와 일반 부하(189) 사이의 연결과 전력 변환 장치(183)와 상용 계통(163) 간의 연결을 위한 것이다.
이하, 이러한 구조를 갖는 본 예에 따른 연료 전지 시스템의 동작을 설명한다.
본 예에서, 밸브들(115, 120, 125, 130, 165)의 초기 상태는 닫힘(close) 상태이고, 스위치(193, 196,199)의 초기 상태는 개방 상태인 오프(off) 상태이다.
개질기(110)는 유량계 A(100)와 연료 승압기(105)를 통해 입력되는 연료를 개질 촉매 반응이 가능한 소정의 온도까지 상승시켜 개질 반응 조건을 확보한 후, 입력된 연료를 원하는 상태로 개질하여 원하는 상태의 개질 가스인 완전 조성 개질 가스를 생성해 연료 전지 스택(160)으로 공급한다.
따라서, 개질기(110)의 내부에는 제어 장치(180) 등에 따라 동작이 제어되는 히터(heater)가 구비되어 있다.
개질기(110)에서 개질 반응이 시작되면, 제어 장치(180)는 온도 감지부에 의해 감지된 개질기(110) 내부의 온도를 설정 온도와 비교하여 내부의 온도가 설정 온도에 도달하지 않을 경우, 개질기(110)의 상태가 완전 조성 개질 가스를 생성할 수 없는 상태인 불완전 상태로 판정해 밸브A(115)를 개방하여, 불완전한 조성의 개질 가스인 불완전 조성 개질 가스를 다시 개질기(110) 쪽으로 배출(vent)시켜 회수될 수 있다.
개질 가스에 대한 조성이 완벽하게 진행되면, 즉 개질기(110)의 내부의 온도가 설정 온도까지 상승하여 수소 함량이 원하는 정도로 함유된 완전 조성 개질 가스가 생성되면, 제어 장치(180)의 제어에 의해, 밸브A(115)는 폐쇄되고 밸브B(120)와 밸브E(165)는 개방되어, 연료 전지 스택(160)으로 개질 가스가 공급되어, 연료 전지 스택(180)에 의한 발전이 시작될 수 있도록 하고, 이로 인해, 연료 전지 스택(180)에서 발전된 전기가 전원 공급 장치(170)와 전력 변환 장치(183)로 공급되도록 한다.
연료 전지 스택(160)의 동작 시, 제어 장치(180)는 에어 블로워(173)를 동작시켜 연료 전지 스택(160)의 발전 동작에 필요한 산소가 공급될 수 있도록 한다.
본 예의 연료 전지 시스템에서는 별도의 저장 용기(145)에 개질 가스를 저장하기 위한 절차가 동시에 수행될 수 있다.
이를 위해, 연료 전지 시스템은 저장 용기(145)에 저장하고자 하는 개질 가스의 양을 고려하여 개질기(110)로 유입되는 연료의 양을 정해, 연료 전지 스택(160)으로 공급되는 개질 가스 이외에 추가로 저장 용기(145)에 원하는 양만큼의 개질 가스가 저장되도록 충분한 양의 개질 가스가 생성될 수 있도록 한다.
따라서, 제어 장치(180)는 연료 승압기(105)의 동작을 제어하여, 저장 용기(145)에 저장하고자 하는 양을 고려하여 개질기(110)로 유입되는 연료의 양을 증가시켜 생성되는 개질 가스의 양을 증가시킨 후 밸브C(125)를 개방시킨다. 이때, 개질기(110)로 유입되는 연료의 양은 제어 장치(180)의 제어에 따른 연료 승압기(105)의 동작에 의한 연료의 압력을 이용해 제어될 수 있다.
따라서, 개질기(110)의 배출구로 배출되는 개질 가스는 개방된 밸브C(125)를 통해 유량계B(135)를 지나 압축기(140)로 유입되어 소정의 압력으로 저장 용기(145)에 양으로 저장된다.
저장 용기(145)에 저장되는 개질 가스의 용량은 개질 반응 준비 시간인 웜-업 시간, 비상 부하의 동작에 필요한 시간, 연료 전지 시스템의 데이터 등에 대한 백업 동작에 필요한 시간 등에 결정될 수 있다.
이처럼, 저장 용기(145)에 개질 가스가 저장되어 있는 상태에서, 연료 전지 시스템의 동작 모드가 즉시 운전 모드가 되면, 개질기(110)는 동작을 시작하여 자신의 동작 상태를 입력되는 연료를 개질 시키기 위한 상태로 제어하고, 이때, 밸브B(120)는 폐쇄 상태를 유지한다.
하지만, 즉시 운전 모드가 되면, 제어 장치(180)의 제어에 의해 밸브D(130)는 개방 상태가 되어 저장 용기(145)에 이미 저장되어 있는 개질 가스는 압력 조정기(133)를 통과해 압력 조정이 이루어진 후 연료 전지 스택(160)으로 공급하여 정격 운전이 수행될 수 있다.
이때, 밸브D(130)가 개방될 때 제어 장치(180)의 제어에 의해 밸브E(165)도 함께 개방되어 연료 전지 스택(160)에서 배출되는 개질 가스가 다시 제2 유입구를 통해 개질기(110)로 유입될 수 있도록 한다.
즉, 제어 장치(180)는 입력되는 모드 선택 신호의 상태가 즉시 운전 모드로 판정되면, 연료 전지 시스템의 운전 모드를 즉시 운전 모드로 판정하여 해당 밸브D(130)와 밸브E(165)의 동작을 제어해 저장 용기(145) 내에 저장된 개질 가스가 바로 연료 전지 스택(160)으로 유입되어 개질기(110)의 동작 없이도 바로 연료 전지 스택(160)의 동작이 이루어질 수 있도록 한다.
이러한 즉시 운전 모드 중에서, 제어 장치(180)는 개질기(110)의 동작 상태에 해당 밸브A(115, 120, 165) 등의 동작을 제어하여 개질기(110)로 입력되는 연료에 대한 개질 동작을 이루어져 웜-업 시간 경과 후 완전 조성 개질 가스가 생산되도록 한다.
시간이 경과하여 개질기(110)의 동작 상태가 웜-업 시간이 경과해 완전 조성 개질 가스를 생성하는 정상 상태가 되면, 제어 장치(180)는 폐쇄 상태의 밸브B(120)를 개방되고 개방 상태였던 밸브D(130)와 밸브E(165)를 폐쇄한다.
이로 인해, 연료 전기 스택(160)으로 유입되는 개질 가스는 저장 용기(145)에 저장된 개질 가스에서 개질기(110)에서 배출되는 개질 가스로 절체되어 연료 전기 스택(160)의 동작이 계속 이루어지도록 한다.
이처럼, 즉시 운전이 필요한 경우, 연료 전지 스택(160)은 개질기(110)로부터 유입되는 개질 가스를 이용하는 대신 저장 용기(145)에 이미 저장되어 있는 개질 가스를 이용해 동작하여 웜-업 기간 중에도 연료 전지 시스템이 운전되도록 하고, 개질기(110)의 동작 상태가 완전 조성 개질 가스를 생성할 수 있는 정상 상태가 되면 개질기(110)에서 생성된 개질 가스가 연료 전지 스택(160)으로 공급된다.
이로 인해, 개질기(110)의 동작 상태가 정상 상태로 도달하기까지 소요되는 웜-업 시간 동안에도 연료 전기 스택(160)에서의 전기 생산이 이루어지므로, 연료 전지 시스템은 동작 지연 없이 즉시 운전이 이루어진다.
정전이 발생하거나 상용계통(163)으로부터 전원 공급이 안될 때와 같이 비상 부하(186)가 동작되는 비상 시, 제어 장치(180)는 스위치A(193)와 스위치B(196)를 온 제어하여, 저장 용기(145)에 저장된 개질 가스를 이용하여 연료 전지 스택(160)을 가동하여 비상 부하(186)에 전력을 공급하거나 상용계통(163)으로부터의 전력을 비상 부하(186)에 공급할 수 있다. 이 때, 제어 장치(180)에 의해 스위치A(193) 내지 스위치C(193, 196, 199)는 온 상태가 된다.
연료 공급이 없어 연료 전지 스택(160)이 동작 되지 않고 상용계통(163)으로부터의 전력이 공급되지 않아 연료에 의한 전력과 계통에 의한 전력이 둘 다 공급되지 않는 경우, 저장 용기(145)에 저장된 개질 가스를 이용하여 연료 전지 스택(160)을 동작시켜 비상 부하(186)에 열 에너지와 전력을 공급하고, 배터리(175)의 충전 전원을 이용하여 비상 부하(186)에 전력을 공급할 수 있다. 이 때, 스위치A(193)와 스위치B(196)는 제어 장치(180)에 온 상태가 된다.
다음, 도 2와 도 3을 참고로 하여, 이러한 연료 전지 시스템의 구동 방법을 자세히 설명한다.
본 예에서, 연료 전지 시스템은 일반 운전 모드, 즉시 운전 모드 및 독립 운전 모드 중 하나의 모드에 따라 동작된다.
이때, 모드 선택은 이미 설명한 것처럼, 사용자의 선택 동작에 해당 상태의 모드 선택 신호를 출력하는 모드 선택 스위치나 제어 장치(180)나 외부 모니터링 장치 등에 의해 연료 전지 시스템의 동작 상태에 따라 발생하는 모드 선택 신호에 정해진다.
[일반 운전 모드]
먼저, 도 2를 참고로 하여 일반 운전 모드일 때 연료 전지 시스템의 동작을 설명한다.
도시하지 않은 동작 스위치 등의 동작에 의해 연료 전지 시스템의 동작이 시작되고 제어 장치(180)로 입력되는 모드 선택 신호의 상태가 일반 운전 모드이면, 제어 장치(180)는 연료 전지 시스템의 동작을 일반 동작 모드로 제어한다.
따라서, 제어 장치(180)는 연료 승압기(105)의 동작을 제어하여 개질기(110)로 연료가 공급될 수 있도록 하고, 이러한 연료의 공급에 따라 개질기(110)가 운전을 시작한다(S200).
다음 제어 장치(180)는 온도 감지부에서 인가되는 신호를 이용하여 개질기(110)의 내부 온도를 판정하고, 판정된 내부 온도와 제1 설정 온도를 비교하여 개질기(110)의 상태가 개질 반응을 위한 조건에 도달했는지 판단한다(S210).
판정된 내부 온도가 제1 설정 온도에 도달하면, 제어 장치(180)는 개질기(110)의 상태를 개질 반응을 위한 조건에 도달하여 개질 가스를 생성할 수 있는 상태로 판정하여 밸브A(115)를 개방한다(S220).
따라서, 밸브A(115)가 개방됨에 따라 개질기(110)의 배출구로부터 배출되는 불완전한 조성의 개질 가스인 불완전 조성 개질 가스는 밸브A(115)를 통해 다시 개질기(110)로 유입된다.
제어 장치(180)는 온도 감지부에서 인가되는 신호를 이용하여 개질기(110)의 내부 온도를 판정하고 판정된 내부 온도가 제2 설정 온도 이상으로 상승했는지 판단하여, 개질기(110)에서 생성되는 개질 가스가 원하는 상태의 개질 가스인 완전 조성 개질 가스를 생성할 수 있는 상태인지를 판단한다(S225). 이때, 제2 설정 온도는 제1 설정 온도보다 높다.
판정된 내부 온도가 제2 설정 온도 이상이 되면, 제어 장치(180)는 밸브A(115)를 닫고, 대신 밸브B(120)와 밸브E(165)를 개방하며(S230), 에어 블로워(173)를 동작시킨다(S240). 따라서, 이 경우, 밸브A(115)와 밸브D(130)는 닫힘 상태이고, 밸브B(120)와 밸브E(165)는 개방 상태이다.
이로 인해, 개방된 밸브B(120)를 통해 개질기(110)에서 배출된 수소를 함유한 개질 가스가 연료 전지 스택(160)으로 공급되고 에어 블로워(173)의 동작에 의해 공급된 산소에 의해, 연료 전지 스택(160)의 발전 동작이 이루어진다.
에어 블로워(173)는 개질 가스가 연료 전지 스택(160)으로 공급될 때 연동하여 동작될 수 있다. 이처럼, 개질 가스를 기반으로 연료 전지 스택(160)의 운전이 수행되어 연료 전지 스택(160)에서 직류 전원이 생성되고 생성된 직류 전원이 전력 변환 장치(183)로 공급되면 전력 변환 장치(183)의 인버터(1831)의 동작에 의해 직류 전원은 교류 전원으로 변환되어 온 상태의 스위치A(193), 스위치B(196) 및 스위치C(199)를 통해 일반 부하(189)와 비상 부하(186)로 전력이 공급되어 부하(189, 186)의 동작이 이루어지도록 한다(S250).
이처럼, 기본 운전 상태인 일반 운전 상태에서는 연료 전지 스택(160)이 구동되고, 스위치A(193), 스위치B(196) 및 스위치C(199)가 온 상태로 되어 일반 부하(189)와 비상 부하(186)로 전력이 공급될 수 있다.
이처럼, 부하(189, 186)로의 전력 공급이 이루어지는 상태에서 제어 장치(180)는 배터리(175)의 충전이 완료되었는지 여부를 판단한다(S260).
이를 위해, 배터리(175)는 자신의 충전 상태를 판단하여 충전 완료 여부에 따라 신호를 제어 장치(180)로 출력할 수 있다. 따라서, 제어 장치(180)는 배터리(175)로부터 인가되는 신호의 상태를 이용하여 배터리(175)의 충전 여부를 판정할 수 있다.
따라서, 배터리(175)의 충전이 완료되지 않는 상태로 판단되면, 제어 장치(180)는 전원 공급 장치(170)의 동작을 제어하여 전원 공급 장치(170)를 통해 연료 전지 스택(160)에서 생산된 전원으로 배터리(175)의 충전 동작이 이루어지도록 한다(S270).
이때, 연료 전지 스택(160)을 이용한 배터리(175)의 충전 동작은 연료 전지 스택(160)에서 생산된 전력이 부하(186, 189)의 동작에 의해 소비되는 전력보다 많은 경우에 행해질 수 있다.
이를 위해, 전원 공급 장치(170)는 부하(186, 189) 측으로부터 인가되는 전력을 이용하여 소비 전력을 산출하고, 산출된 소비 전력과 연료 전지 스택(160)으로부터 인가되는 전력(이하, 연료 전지 스택으로 인가되는 전력을 ‘전지 전력’이라 함)을 비교하여 전지 전력이 소비 전력보다 큰지 판단한다.
전지 전력이 소비 전력보다 크면, 전원 공급 장치(170)는 해당 상태의 신호를 제어 장치(180)로 출력하여 전지 전력이 소비 전력보다 큰 상태를 인지할 수 있도록 한다.
따라서, 제어 장치(180는 전지 전력이 소비 전력보다 큰 상태이면서 배터리(175)의 상태가 미충전 상태인 경우에만, 전지 전력을 이용한 배터리(175)의 충전 동작이 이루어질 수 있도록 한다.
단계(S260)에서 배터리(175)의 충전이 완료되면, 제어 장치(180)는 압력계(150)로부터 인가되는 신호를 이용하여 저장 용기(145)에 개질 가스의 저장이 완료되었는지 판단한다(S280).
즉, 제어 장치(180)는 압력계(150)로부터 인가되는 신호를 이용하여 저장 용기(145) 내의 압력을 판정하고, 판정된 압력이 설정 압력에 도달하면 저장 용기(145) 내에 원하는 양만큼[즉, 저장 용기(145)의 용량만큼] 개질 가스가 저장된 상태로 판단한다.
따라서, 저장 용기(145)로 원하는 양만큼 개질 가스가 저장된 상태로 판단되면(S280), 연료 전지 시스템은 개질기(110)로부터만 인가되는 개질 가스를 이용하여 운전한다. 하지만, 저장 용기(145)에 원하는 양만큼 개질 가스가 저장되어 있지 않은 상태로 판단되면(S280), 제어 장치(180)는 저장 용기(145)로 개질 가스를 압축 저장하기 위한 동작을 수행한다(S30).
도 3을 참고로 하여, 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템에서 개질 가스를 저장 용기(145)에 압축 저장하는 동작을 자세히 설명한다.
도 3을 참조하면, 제어 장치(180)는 유량계A(100)와 연료 승압기(105)를 이용하여 저장 용기(145)로 저장되는 양만큼 개질 가스의 생산이 이루어질 수 있도록 개질기(110)로 유입되는 연료의 양을 증가시킨다(S300).
이를 위해, 제어 장치(180)는 유량계A(100)에서 인가되는 신호를 판독하여 현재 유입되는 연료의 양을 판정하고 판정된 연료량이 설정 연료량보다 적으면, 저장 용기(145)로 저장을 위한 개질 가스를 위해 연료의 공급량을 증가시켜야 하는 상태로 판단한다.
따라서, 판정된 연료량이 설정 연료량보다 적으면, 제어 장치(180)는 개질기(110)로 유입되는 연료의 양이 설정 연료량으로 증가될 때까지 연료 승압기(105)의 동작을 제어하여 재질기(110)로 유입되는 연료의 압력을 증가시키고, 이때, 연료 승압기(105)의 동작은 판정된 연료량의 값에 기초하여 제어될 수 있다.
이로 인해, 개질기(110)로 유입되는 연료의 양은 저장 용기(145)에 저장하고자 하는 양만큼[즉 저장 용기(145)의 용량] 증가되어 개질기(110)에서 생성되는 개질 가스는 증가하게 된다.
이처럼, 압력 승압기(105)를 이용하여 개질기(110)로 증가되는 연료의 양이 증가되면, 제어 장치(180)는 밸브C(125)를 열고, 밸브D(130)를 닫힘 상태로 유지하여 개방된 밸브C(125)를 통과한 개질 가스가 압축기(140)에 의해 소정의 압력으로 압축된 후 저장 용기(145)로 전달되도록 하여 저장 용기(145)로의 개질 가스의 저장 동작이 이루어질 수 있도록 한다(S310).
저장 용기(145)에 개질 가스가 저장되는 동작 중에도 밸브B(120)와 밸브E(165)는 여전히 열림 상태이므로 밸브B(120)를 통해 연료 전지 스택(160)로 개질 가스가 공급되어 연료 전지 스택(160)의 발전 동작은 유지된다.
이때, 저장 용기(145)의 용량은 이미 기술한 것처럼 웜-업 시간, 비상 부하의 동작에 필요한 시간, 연료 전지 시스템의 데이터 등에 대한 백업 동작에 필요한 시간 등에 결정될 수 있다.
이처럼, 저장 용기(145)로의 개질 가스 저장을 위해 밸브C(125)가 열리게 되면, 제어 장치(180)는, 유량계B(135)와 압축기(140)의 동작을 제어하여, 개질기(110)로 입력되는 연료량의 증가분에 따라 증가된 개질 가스의 증가량만큼 저장 용기(145)에 압축 저장될 수 있도록 한다.
따라서, 제어 장치(180)는 유량계A(100)에 의해 판정된 입력되는 연료량을 이용하여 개질기(110)로 유입되는 연료양의 증가분을 판정하여 증가된 연료량만큼의 개질 가스가 저장 용기(145)내로 유입될 수 있도록 압축기(140)의 동작을 제어한다(단계 S320). 이때, 제어 장치(180)는 유량계B(135)의 신호에 의해 판정된 저장 용기(145)로의 유입되는 가스의 양이 연료량의 증가분이 될 때까지 압축기(140)의 동작을 제어할 수 있다.
이처럼, 저장 용기(145)로 개질 가스가 저장되면, 제어 장치(180)는 압력계(150)로부터 인가되는 신호를 이용하여 저장 용기(145) 내의 압력을 판정하고, 판정된 압력이 설정 압력에 도달했는지 판단하여 저장 용기(145)로 원하는 양만큼의 개질 가스의 저장이 이루어졌는지 판단한다 (S330).
판정된 저장 용기(145)의 압력이 설정 압력보다 작으면, 제어 장치(180)는 원하는 양만큼 저장 용기(145)에 개질 가스가 저장되지 않는 상태로 판단한다. 따라서, 제어 장치(180)는 단계(S300)로 넘어가 계속적으로 저장 용기(145)에 개질 가스의 저장 동작이 이루어지도록 한다.
하지만, 저장 용기(145)의 압력이 설정 압력에 도달하면, 제어 장치(180)는 원하는 양만큼의 개질 가스가 저장 용기(145) 내에 저장된 상태로 판단하여 밸브C(125)를 폐쇄하고, 압축기(140)의 동작을 중지 상태[오프(OFF) 상태]로 제어하여 더 이상 저장 용기(145) 내로 개질 가스가 유입되지 않도록 한다(S340).
이처럼, 저장 용기(145)로 개질 가스의 저장이 완료되면, 저장 용기(145)로 저장을 위한 개질 가스를 추가로 생성할 필요가 없다.
따라서, 제어 장치(180)는 개질기(110)가 연료 전지 스택(160)으로만 공급되는 양만큼의 개질 가스를 생성할 수 있도록 개질기(110)로 유입되는 연료의 양을 감소시킨다.
그러므로, 제어 장치(180)는 유량계A(100)로부터 인가되는 신호를 이용하여 유입되는 연료량을 판정하고 판정된 연료량이 정해진 연료량으로 감소될 수 있도록 연료 승압기(106)의 동작을 제어하여 개질기(110)로 유입되는 연료의 압력을 감소시킨다(S350).
이로 인해, 개질기(110)로 유입되는 연료량은 저장 용기(145)로 유입되기 위해 추가 생성된 개질 가스를 제외한 양만큼의 개질 가스를 생성할 수 있는 정도로 설정된다.
이와 같이, 일반 운전 모드인 경우, 저장 용기(145)에 개질 가스가 원하는 양만큼 저장되지 않는 경우, 제어 장치(180)는 연료 전지 스택(160)으로 정상적으로 개질 가스의 공급이 이루어져 발전 동작이 이루어지도록 함과 동시에 원하는 양만큼 저장 용기(145)로의 개질 가스 저장이 이루어질 수 있도록 한다.
[즉시 운전 모드]
이처럼, 저장 용기(145)에 개질 가스가 저장된 상태에서, 제어 장치(180)로 인가되는 모드 선택 신호의 상태가 즉시 운전 모드이면, 제어 장치(180)는 저장 용기(145)의 개질 가스를 이용하여 연료 전지 스택(160)의 즉시 운전이 이루어지도록 한다.
도 4를 참고로 하여, 즉시 운전 모드일 때의 제어 방법을 설명한다.
동작 모드가 즉시 운전 모드로 판정되면, 제어 장치(180)는 먼저 상용 계통(163)으로부터 정상적으로 전력이 공급되는지 판단한다(S400).
이때, 상용 계통(163)으로의 정상 전력 공급 여부를 하기 위해, 제어 장치(180)는 상용 계통(163)의 전압을 측정하기 위해 별도로 설치된 전압기의 출력을 이용할 수 있다. 따라서, 전압기에 의해 감지된 전압이 설정 전압 이하인 경우, 제어 장치(180)는 정정 등의 이유로 상용 계통(163)로부터의 전력 공급이 이루어지지 않는 상태로 판단한다.
- 상용 전원 공급 시
따라서, 상용 계통(163)으로의 전력 공급이 이루어지는 경우(S400), 제어 장치(180)는 스위치A 내지 스위치C(193, 196, 199)를 모두 온 상태로 제어한다(S405).
다음, 제어 장치(180)는 배터리(175)의 충전 전압으로 연료 전지 시스템의 동작에 필요한 전원 공급이 이루어지도록 하고, 이로 인해, 비상 부하(186)와 일반 부하(189)로도 배터리(175)의 충전 전압이 인가된다(S410).
다음, 제어 장치(180)는 밸브D(130)를 개방하고 에어 플로워(173)를 동작시켜 저장 용기(145) 내의 개질 가스가 압력 조정기(133)를 거쳐 연료 전지 스택(160)으로 유입될 수 있도록 한다(S415).
따라서, 연료 전지 스택(160)의 동작에 의해 발전이 이루어져 배터리(175)로의 충전 동작이 이루어지고, 부하(186, 189)로는 전지 전력과 상용계통(163)에서 공급되는 상용전력 중 적어도 하나가 공급된다(S420).
이러한 즉시 운전 모드 시에도, 제어 장치(180)는 개질기(110)와 밸브(120, 115) 등의 동작을 제어하여 개질기(110)에서의 개질 가스 생성 동작을 별도로 제어한다.
이처럼, 별도로 개질기(110)의 동작이 제어되는 상태에서, 제어 장치(180)는 연료계A(100)로부터 인가되는 신호와 온도 감지부로부터 인가되는 신호를 이용하여 개질기(110)로 연료가 유입되고 개질기(110)의 상태가 완전 조성 개질 가스를 생성하는 정상 상태인지 판단한다, 즉 개질기(110)가 동작하고 웜-업 시간이 경과했는지 판단한다(S425).
개질기(110)로의 연료 공급이 이루어지고 개질기(110) 내의 상태가 완전 조성 개질 가스를 생성하는 상태로 판정되면(S425), 제어 장치(180)는 밸브D(130)를 닫고 도 2의 단계(S230)로 넘어가 일반 동작 모드로 연료 전지 시스템이 동작될 수 있도록 한다.
하지만, 연료계A(100)로 연료가 유입되지 않거나 개질기(110)의 상태가 완전 조성 개질 가스를 생성할 수 있는 상태가 아닌 경우, 제어 장치(180)는 저장 용기(145) 내의 개질 가스를 이용하여 연료 전지 시스템의 발전 동작을 실시한다.
따라서, 이처럼, 저장 용기(145)의 저장 가스를 이용하여 발전 동작이 이루어지면, 제어 장치(180)는 압력계(150)를 이용하여 판정된 저장 용기(145) 내의 압력이 중지 조건 압력인 설정 압력 이하로 감소된 상태로 판단되면(S430), 즉 저장 용기(145) 내에 저장된 개질 가스가 모두 소모된 상태로 판단되면 제어 장치(180)는 연료 전지 시스템의 발전 동작을 중지하여(S435), 저장 용기(145) 내의 저장 가스가 모두 소진 될 때까지 연료 전지 시스템의 발전 동작이 이루어지도록 한다.
- 상용 전원 미공급 시
하지만, 상용 계통(163)으로의 전력 공급이 이루어지지 않는 경우(S400), 제어 장치(180)는 스위치A(193)와 스위치B(196)를 온 시키고 스위치C(199)를 오프시킨다(S440).
이로 인해, 제어 장치(180)의 제어에 따라, 배터리(175)의 충전 전압은 연료 전지 시스템의 동작에 필요한 전원 공급 및 비상 부하(186)로 인가된다(S445).
다음, 제어 장치(180)는 저장 용기(145)의 개질 가스를 이용한 연료 전지 스택(160)의 발전 동작을 위해 밸브D(130)를 개방하고 에어 플로워(173)를 동작시킨다(S450).
따라서, 저장된 개질 가스에 의해 연료 전지 스택(160)의 발전 동작이 이루어져, 제어 장치(180)는 배터리(175)의 충전 동작을 제어하고 온된 스위치(193, 196)를 통해 부하(186)로는 전지 전력이 공급되도록 한다(S455).
이미 설명한 것처럼, 즉시 운전 모드 시에도, 제어 장치(180)는 개질기(110)와 밸브(120, 115) 등의 동작을 제어하여 개질기(110)에서의 개질 가스 생성 동작을 별도로 제어한다.
따라서, 이후의 동작은 이미 설명한 것과 동일하게, 제어 장치(180)는 연료계A(100)로부터 인가되는 신호와 온도 감지부로부터 인가되는 신호를 이용하여 개질기(110)의 웜-업 동작이 완료되었는지를 판단하여 밸브D(130)를 닫고 도 2의 단계(S230)로 넘어가 일반 동작 모드로 연료 전지 시스템이 동작되도록 한다(S460, S465, S470).
[독립 운전 모드]
독립 운전 모드는 연료 전지 시스템이 상용 계통(163)과 분리된 상태나 정전이나 플러그 탈거 동작 등으로 인해 상용 계통(163)의 전원이 존재하지 않는 경우이다.
제어 장치(180)는 모드 선택 신호의 상태를 이용하여 운전 모드가 독립 운전 모드인지 판정하여 연료 전지 시스템의 동작을 제어하고, 상용 계통(163)의 전원 존재 여부는 전압계 등을 이용하여 판정할 수 있다.
독립 운전 모드는 연료 전지 시스템이 정상적인 운전 중에 상용 계통(163)이 끊어지는 첫 번째 경우와 사용 계통(163)이 끊어진 상태에서 연료 전지 시스템이 운전하는 두 번째 경우로 나뉜다.
첫 번째 경우는 다시 개질기(110)로 입력되는 연료가 차단된 경우와 개질기(110)로의 연료 공급이 이루어지는 경우로 나뉜다.
따라서, 연료가 차단된 경우, 제어 장치(180)는 저장 용기(145)에 저장된 개질 가스로 연료 전지 시스템을 운전시켜 부하(186, 189)에 전력이 공급될 수 있도록 하고 개질 가스가 소진되면 연료 전지 시스템의 동작을 중지시킨다.
반면, 연료 공급이 이루어지는 경우, 연료 전지 시스템은 지속적으로 운전이 이루어진다.
두 번째의 경우에도 개질기(110)로 입력되는 연료가 차단된 경우와 개질기(110)로의 연료 공급이 이루어지는 경우로 나뉜다
따라서, 연료가 차단된 경우, 제어 장치(180)는 저장 용기(145)에 저장된 개질 가스를 통해 연료 전지 시스템의 운전을 제어하여 부하(186, 189)에 전력을 공급하고, 저장된 개질가스가 소진되면 시스템은 정지된다.
연료가 차단되지 않은 경우, 제어 장치(180)는 저장 용기(145)의 저장 개질 가스를 이용해 연료 전지 시스템을 운전시켜 부하(186, 189)로 전력을 공급하는 동시에 개질기(110)를 동작시켜 개질기(110)의 상태가 완전 조성 개질 가스를 생성하는 상태가 되면 연료 전지 스택(160)으로 인가되는 개질 가스를 저장 용기(145)의 개질 가스에서 개질기(110)에서 생성된 개질 가스로 절체하여 지속적으로 부하(186, 189)에 전력이 공급될 수 있도록 한다.
[고속 운전 모드]
본 예와 달리, 대안적인 예에서, 연료 전지 시스템은 고속 운전 모드를 더 구비할 수 있고, 고속 운전 모드는 비상 부하(186) 및 일반 부하(189)에서 소비되는 소비 전력이 정상 범위보다 커 연료 전지 시스템의 발전 용량이 일반적인 경우보다 큰 용량을 필요로 하는 경우에 사용될 수 있다.
따라서, 연료 전지 시스템의 운전 모드가 고속 운전 모드이며, 제어 장치(180)는 밸브B(120)와 밸브D(130)를 개방하여 개질기(110)로부터 공급되는 개질 가스와 저장 용기(145)로부터 공급되는 개질 가스가 전력 발전을 위해 연료 전지 스택(160)으로 공급될 수 있도록 한다.
이때, 고속 운전 모드에서, 연료 전지 스택(160)으로 추가적으로 공급되어야 하는 개질 가스(즉, 추가 개질 가스)의 양을 고려하여 밸브D(130)의 개방 정도가 결정될 수 있다.
예를 들어, 연료 전지 스택(160)으로 제공되어야 할 추가 개질 가스의 양이 70ℓ~100ℓ 범위인 경우, 밸브D(130)의 개방 정도는 완전히 개방된 때의 70%~100% 사이로 결정될 수 있다.
또한, 연료 전지 스택(160)으로 제공되어야 할 추가 개질 가스의 양이 40ℓ ~ 70ℓ범위인 경우, 밸브D(130)의 개방 정도는 40%~70% 사이로 결정될 수 있고, 연료 전지 스택(160)으로 제공되어야 할 추가 개질 가스의 양이 0ℓ ~ 40ℓ 범위이면 밸브D(130)의 개방 정도는 0~40% 사이로 결정될 수 있다.
이러한 추가 개질 가스의 양에 대한 정보는 제어 장치(180)로 전달되고, 제어 장치는 추가 개질 가스의 양에 대한 정보를 기반으로 해당 밸브(130)의 개방 정도를 결정할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 제어 장치(180)는 개질기(110)의 웜-업 동작 이후 전달되는 개질 가스의 양을 고려하여 저장 용기(145)로부터 연료 전지 스택(160)으로 전달되는 개질 가스의 양이 조정할 수 있다.
웜-업 동작이 시작된 직후부터 설정 상태까지의 웜-업 초기 시, 제어 장치(180)는 개질기(110)로부터 연료 전지 스택(160)으로 공급되는 개질 가스의 양을 증가시킬 수 있다. 이때, 웜-업 동작 이후, 개질기(110)로부터 연료 전지 스택(160)으로 공급되는 개질 가스의 양은 밸브B(120) 후단에 설치된 별도의 측정부(미도시)를 통해 측정될 수 있다.
따라서, 측정부에 의해 측정되어 전달되는 개질 가스의 양에 대한 정보는 제어 장치(180)로 전달될 수 있고, 제어 장치(180)는 입력된 개질 가스의 양에 대한 정보를 고려하여 저장 용기(145)로부터 연료 전지 스택(160)으로 전달되는 개질 가스의 양을 결정할 수 있다.
개질 가스의 양에 대한 정보에 따라 웜-업 초기에는 개질기(110)로부터 연료 전지 스택(160)으로 공급되는 개질 가스의 양이 적으므로, 저장 용기(145)로부터 연료 전지 스택(160)으로 공급되는 개질 가스의 양은 상대적으로 많을 수 있다. 하지만, 웜-업 초기 이후부터는 개질기(110)로부터 연료 전지 스택(160)으로 공급되는 개질 가스의 양이 증가하여 개질기(110)로부터 연료 전지 스택(160)으로 공급되는 개질 가스의 양 역시 증가하므로, 저장 용기(145)로부터 연료 전지 스택(160)으로 공급되는 개질 가스의 양은 감소할 수 있다.
도 5에서는 개질기(110)가 웜-업 시간(즉, 웜-업 상태)과 개질기(110)로 공급되는 연료의 양을 고려하여 저장 용기(145)로부터 연료 전지 스택(160)으로 개질 가스를 공급하는 방법이 개시된다.
도 5를 참조하면, 개질기(110)가 웜-업 시간은 주변 환경의 온도에 따라 변할 수 있다. 예를 들어, 개질기(110)의 웜-업을 위해 개질기(110) 내부의 온도를 80도까지 올리기 위해서는 여름보다 겨울에 더 많은 시간이 필요할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템에서, 제어 장치(180)는 온도 감지부를 이용하여 측정한 외부 측정 온도를 이용하여 개질기(110)의 웜-업 완료 시까지의 예상 시간인 예상 웜-업 시간을 결정할 수 있다(S500).
예상 웜-업 시간은 현재 연료 전지 시스템의 외부 환경의 온도가 높을수록 짧아지고, 현재 연료 전지 시스템의 외부 환경의 온도가 낮을수록 길어질 수 있다.
따라서, 제어 장치(180)는 이미 저장되어 있는 데이터를 이용하여 외부 환경의 온도에 대한 예상 웜-업 시간을 결정하고, 결정된 예상 웜-업 시간에 따라 저장 용기(145)에서 연료 전지 스택(160)으로의 개질 가스 공급 시간을 결정할 수 있다(단계 S510).
예상 웜업 시간 동안은 밸브D(130)의 개방 정도가 완전 개방 상태인 100%로 설정되어 저장 용기(145)로부터 연료 전지 스택(160)으로 개질 가스가 공급될 수 있다.
예상 웜업 시간 이후에, 제어 장치(180)는 개질기(110)로부터 연료 전지 스택(160)으로 공급되는 개질 가스의 양을 고려해 밸브D(130)의 개방 정도를 100%보다 작게 정해진 정도(%)로 설정하여 저장 용기(145)로부터 연료 전지 스택(160)으로 개질 가스가 공급될 수 있다.
이후, 연료 전지 시스템의 동작 모드가 고속 운전 모드가 아니고, 개질기(110)로부터 연료 전지 스택(160)으로 공급되는 개질 가스의 양이 연료 전지 스택(160)의 동작을 위해 충분한 경우, 밸브D(130)는 폐쇄되고 다시 개질기(110)로부터 저장 용기(145)로의 개질 가스 저장 동작이 진행될 수 있다.
이뿐만 아니라 제어 장치(180)는 유량계A(100)에 의해 측정된 유입되는 연료의 양을 고려하여 저장 용기(145)로부터 연료 전지 스택(160)으로 공급되는 개질 가스의 양을 조정할 수도 있다.
연료 전지 시스템이 일반 동작 모드인 경우에도 개질기(110)로부터 연료 전지 스택(160)으로 공급되는 개질 가스의 양이 충분하지 않을 수 있다.
이처럼, 개질기(110)로부터 연료 전지 스택(160)으로 공급되는 개질 가스의 양이 충분하지 않은 경우, 제어 장치(180)는 일반 동작 모드에서도 저장 용기(145)에 저장된 개질 가스를 연료 전지 스택(160)으로 공급하도록 설정할 수 있다.
이 경우, 제어 장치(180)는 유량계A(100)에 의해 판정된 유입되는 연료의 양과 설정량을 이용하여 개질기(110)로부터 연료 전지 스택(160)으로 공급되는 개질 가스의 양이 충분하지 않는지의 여부를 판정할 수 있다.
도 6에서는 개질 가스를 저장하기 위한 저장 용기를 분할하여 서로 다른 압력으로 개질 가스를 저장하기 위한 개념이 개시된다.
도 6을 참조하면, 개질 가스의 저장 용기는 내부 공간이 복수 개의 공간으로 분할되고, 분할된 각 공간에 서로 다른 압력의 개질 가스가 저장될 수 있다.
예를 들어, 개질 가스의 저장 용기의 제1 분할 공간(610)에는 제1 압력의 개질 가스가 저장되고, 개질 가스의 저장 용기의 제2 분할 공간(620)에서는 제2 압력의 개질 가스가 저장될 수 있다. 제1 압력은 제2 압력보다 높은 압력일 수 있다.
웜-업 초기에는 제1 분할 공간(610)에 저장된 제1 압력의 개질 가스가 저장 용기로부터 연료 전지 스택(160)으로 전달될 수 있고, 웜-업 초기 이후, 개질 가스가 개질기(110)에서 연료 전지 스택(160)으로 전달되는 경우, 제2 분할 공간(620)에 위치한 제2 압력의 개질 가스가 저장 용기로부터 연료 전지 스택(160)으로 전달될 수 있다.
이처럼, 웜-업 초기에 저장 용기로부터 연료 전지 스택(160)으로 많은 개질 가스의 전달이 필요한 경우, 제1 압력의 개질 가스가 연료 전지 스택(160)에서 요구되는 압력으로 변환된 후 연료 전지 스택(160)으로 공급되어, 상대적으로 많은 양의 개질 가스가 연료 전지 스택(160)으로 공급될 수 있다.
웜-업 중반기와 후반기처럼 저장 용기로부터 연료 전지 스택(160)으로 상대적으로 적은 양의 개질 가스의 전달이 필요한 경우, 제2 압력의 개질 가스가 연료 전지 스택(160)에서 요구되는 압력으로 변환된 후 연료 전지 스택(160)을 공급되어, 상대적으로 적은 양의 개질 가스가 연료 전지 스택(160)으로 공급될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제2 압력의 개질 가스가 웜-업 초기에 저장 용기로부터 연료 전지 스택으로 공급되고, 제2 압력의 개질 가스의 공급에 따라 제2 분할 공간(620) 내의 압력이 제2 압력보다 작아지는 경우, 제1 분할 공간(610)에 위치한 제1 압력의 개질 가스가 제2 분할 공간(620)으로 이동하여 제2 분할 공간(620)의 개질 가스의 압력이 제2 압력으로 유지될 수도 있다.
이때, 제어 장치(180)는 개질기 내의 온도 변화를 이용하거나 연료 전지 시스템의 운전 이후 경과 시간을 이용하여 웜-업 상태(즉, 웜-업 초기, 웜-업 중반기 및 웜-업 후반기 등)의 판단할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제1 압력과 제2 압력은 연료 전지 시스템의 동작과 연료의 양에 따라 다르게 설정될 수 있다.
예를 들어, 저장 용기로 공급되는 연료의 양이 임계 값보다 많은 경우, 제1 압력은 상대적으로 높은 값으로 설정될 수 있다. 저장 용기로 공급되는 연료의 양이 많은 경우, 보다 많은 양의 개질 가스를 저장하기 위해 제1 압력을 상대적으로 높게 설정하여 보다 많은 개질 가스가 저장 용기에 보관될 수 있다.
다른 예를 들어, 저장 용기로 공급되는 연료의 양이 임계 값보다 작거나 같은 경우, 제1 압력은 상대적으로 작은 값으로 설정될 수 있다. 저장 용기로 공급되는 연료의 양이 적은 경우, 연료 전지 스택으로 개질 가스의 공급을 위한 불필요한 압력 변화를 피하기 위해 제1 압력이 상대적으로 작은 값으로 설정되어 개질 가스가 저장 용기에 보관될 수 있다.
도 6에서는, 설명의 편의상, 개질 가스의 저장 용기가 복수개의 공간(610, 620)으로 분할되어 분할된 각 공간(610, 620)에 서로 다른 압력의 개질 가스가 저장되지만, 개질 가스의 저장 용기를 복수 개로 정하고 각 저장 용기에 서로 다른 압력의 개질 가스가 저장될 수도 있다.
이와 같이, 저장 용기가 복수의 분할 공간으로 나눠져 있는 경우, 각 분할 공간의 유입구에는 제어 장치의 동작에 의해 제어되는 전자 밸브가 존재하며 또한 각 분할 공간의 배출구에도 전자 밸브가 존재할 수 있다. 또한 필요에 따라 압축기와 압력 조정기가 추가로 부착될 수 있다. 따라서, 제어 장치는 개질기의 동작 상태에 따라 각 해당하는 전자 밸브의 동작을 제어하여 원하는 시기에 해당 분할 공간으로 개질 가스가 유입되고 배출될 수 있도록 한다.
분할 공간 사이에 서로 다른 압력의 가스가 이동하는 경우, 서로 인접한 분할 공간 사이에도 제어 장치의 동작에 의해 개방 상태가 제어되는 전자 밸브가 부착될 수 있다. 이로 인해, 제어 장치는 압력기 등을 이용해 판정된 각 분할 공간 내의 압력에 따라 전자 밸브의 동작을 제어하여 인접한 분할 공간 사이의 가스 이동이 이루어질 수 있도록 한다.
이와 같은 연료 전지 시스템 진단 방법은 애플리케이션으로 구현되거나 다양한 컴퓨터 구성요소를 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령어의 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체는 프로그램 명령어, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다.
상기 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록되는 프로그램 명령어는 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거니와 컴퓨터 소프트웨어 분야의 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.
컴퓨터 판독 가능한 기록 매체의 예에는, 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD-ROM, DVD 와 같은 광기록 매체, 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 ROM, RAM, 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령어를 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다.
프로그램 명령어의 예에는, 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드도 포함된다. 상기 하드웨어 장치는 본 발명에 따른 처리를 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (10)

  1. 개질기에서 유입되는 연료에 대한 개질 반응이 시작되면, 제1 밸브를 개방하여 상기 개질기에 의해 생성된 불완전 조성 개질 가스를 배출하는 단계,
    상기 개질기에서 상기 불완전 조성 개질 가스의 배출 이후 완전 조성 개질 가스가 배출되면, 상기 제1 밸브를 닫고 제2 밸브를 개방하여 상기 개질기에 의해 생성된 상기 완전 조성 개질 가스를 연료 전지 스택으로 전달하는 단계, 그리고
    제3 밸브를 개방하여 상기 개질기에 의해 생성된 상기 완전 조성 개질 가스를 저장 용기에 저장하는 단계
    를 포함하는 연료 전지 시스템의 구동 방법.
  2. 제1항에서,
    유입되는 상기 연료의 양은 상기 저장 용기에 저장되는 상기 완전 조성 개질 가스의 압축 압력과 상기 저장 용기의 용량에 따라 결정되는 연료 전지 시스템의 구동 방법.
  3. 제1항에서,
    압력계에서 인가되는 신호를 이용하여 상기 저장 용기 내의 압력을 판정하는 단계,
    판정된 상기 압력과 설정 압력을 비교하는 단계,
    판정된 상기 압력이 상기 설정 압력에 도달하면 상기 제3 밸브를 닫는 단계, 그리고
    연료 승압기의 동작을 제어하여 상기 개질기로 유입되는 연료의 양을 감소시키는 단계
    를 더 포함하는 연료 전지 시스템의 구동 방법.
  4. 제1항에서,
    운전 모드가 즉시 운전 모드이면, 제4 밸브를 개방하여 상기 저장 용기에 저장된 완전 조성 개질 가스가 상기 연료 전지 스택으로 유입되도록 하는 단계
    를 더 포함하는 연료 전지 시스템의 구동 방법.
  5. 제1항에서,
    운전 모드가 고속 운전 모드이면, 상기 제2 밸브와 제4 밸브를 개방하여 개질기로부터 공급되는 개질 가스와 상기 저장 용기로부터 공급되는 개질 가스가 상기 연료 전지 스택으로 유입되도록 하는 단계
    를 더 포함하는 연료 전지 시스템의 구동 방법.
  6. 제1 유입구를 통해 유입되는 연료를 원하는 상태의 가스로 개질하여 개질 가스를 배출하는 개질기,
    상기 개질기의 배출구와 제2 유입구 사이에 위치하는 제1 밸브,
    상기 개질기의 배출구에 연결되어 있는 제2 밸브,
    상기 제2 밸브에 연결되어 있고, 상기 제2 밸브를 통해 유입되는 개질 가스를 이용하여 전기를 생산하는 연료 전지 스택,
    상기 개질기의 배출구에 연결되어 있는 제3 밸브,
    상기 제3 밸브와 연결되어 있는 저장 용기,
    상기 저장 용기와 상기 연료 전기 스택의 유입구 사이에 위치하는 제4 밸브,
    상기 연료 전지 스택의 배출구와 상기 개질기의 제2 유입구 사이에 위치하는 제5 밸브, 그리고
    상기 제1 내지 제5 밸브에 연결되어 상기 제1 밸브 내지 제5 밸브의 개폐 상태를 제어하는 제어 유닛
    을 포함하고,
    상기 제어 유닛은,
    상기 개질기에서 개질 반응이 시작되면 제1 밸브를 개방하여 불완전 조성 개질 가스를 상기 개질기 쪽으로 배출하고,
    상기 개질기에서 완전 조성 개질 가스가 생성되면 제2 밸브와 상기 제5 밸브를 개방하여 상기 연료 전지 스택으로 완전 조성 개질 가스를 유입시켜 상기 연료 전지 스택을 동작시키고,
    상기 제3 밸브를 개방하여 상기 저장 용기로 완전 조성 개질 가스를 저장하고,
    모드 선택 신호의 상태가 즉시 운전 모드이면, 상기 제4 밸브를 개방하여 상기 저장 용기에 저장된 완전 조성 개질 가스가 상기 연료 전지 스택으로 유입되도록 하는
    연료 전지 시스템.
  7. 제6항에서,
    상기 제어 유닛과 연결되어 있고 상기 개질기 내부의 온도를 감지하는 온도 감지부를 더 포함하고
    상기 제어 유닛은 상기 온도 감지부에서 출력되는 감지 신호를 이용하여 상기 개질기의 내부 온도를 판정하고, 판정된 내부 온도가 제1 설정 온도에 도달하면 상기 제1 밸브를 개방하고, 판정된 내부 온도가 제2 설정 온도 이상이면 상기 제1 밸브를 닫고 제2 밸브를 개방하는
    연료 전지 시스템.
  8. 제7항에서,
    상기 제어 유닛과 연결되어 있고 상기 저장 용기의 내부 압력을 감지하는 압력계를 더 포함하고,
    상기 제어 유닛은 상기 압력계에서 인가되는 신호를 이용하여 상기 저장 용기의 내부 압력을 판정하고 판정된 내부 압력이 설정 압력 미만이면 상기 제3 밸브를 개방하는
    연료 전지 시스템.
  9. 제8항에서,
    상기 제어 유닛에 연결되어 있고 상기 개질기 쪽으로 유입되는 연료의 양을 측정하는 제1 유량계, 그리고
    상기 제어 유닛에 연결되어 있고, 상기 제1 유량계를 통과하여 상기 개질기 쪽으로 유입되는 연료의 압력을 조정하는 연료 승압기
    를 더 포함하고,
    상기 제어 유닛은 판정된 내부 압력이 설정 압력 미만이면 상기 제1 유량계에 의해 판정된 연료의 양이 설정량에 도달하지 않는 경우, 상기 연료 승압기를 제어하여 상기 개질기로 유입되는 연료의 양을 증가시키고,
    상기 설정량은 상기 저장 용기에 저장되는 상기 완전 조성 개질 가스의 압축 압력과 상기 저장 용기의 용량에 따라 결정되는
    연료 전지 시스템.
  10. 제6항에서,
    상기 제어 장치는 모드 선택 신호의 상태가 고속 운전 모드이면, 상기 제2 밸브와 상기 제4 밸브를 개방하여 개질기로부터 공급되는 개질 가스와 상기 저장 용기로부터 공급되는 개질 가스가 상기 연료 전지 스택으로 유입되도록 하는 연료 전지 시스템.
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