WO2018124785A2 - 연료전지 장치 및 이의 제어방법 - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell apparatus, and to a fuel cell apparatus and a control method thereof for improving the efficiency and durability of a fuel cell apparatus by preventing contamination introduced into a stack through determination and measures of contamination of a filter unit in advance. will be.
  • Coal or petroleum energy which is generally used, can cause environmental pollution problems, and researches on alternative energy to replace it are being actively conducted.
  • a fuel cell using hydrogen energy is recognized as an environmentally friendly alternative energy because it has higher thermal efficiency and no pollutants are generated than the current internal combustion engine.
  • a fuel cell is a power generation system that converts chemical energy into electrical energy without a separate combustion process by an electrochemical reaction generated by reacting hydrogen, which is a fuel gas, and oxygen (or air), which is an oxidizing gas.
  • a fuel cell is a final product that generates electricity by using hydrogen and oxygen supplied from the outside. Water, heat, and electricity are generated. Hazardous substances such as nitrogen oxides (NOx) or sulfur oxides (SOx) are generated at a minimum. The problem of environmental pollution due to air pollution can be minimized. In addition, since the internal combustion engine uses fuel, efficiency is kept lower than that of a fuel cell, and various studies have been made for the use of high efficiency energy using the fuel cell.
  • NOx nitrogen oxides
  • SOx sulfur oxides
  • the fuel cell which is a high-efficiency clean power generation system, includes a phosphate fuel cell used at around 150 to 200 degrees according to the type of electrolyte used, and a polymer electrolyte fuel cell or an alkaline fuel operated at room temperature to 100 degrees or less.
  • a cell and a molten carbonate fuel cell operating at high temperatures of 600 to 700 degrees can be broadly classified into a solid oxide fuel cell that operates at 1000 degrees.
  • the polymer electrolyte fuel cell uses solid polymers as electrolytes, so it is easy to manage electrolytes, and there is no problem of electrolyte corrosion or electrolyte evaporation. Its high current density per area has significantly higher output characteristics than other fuel cells.
  • Fuel cells having such characteristics are used in vehicles to produce electric energy for driving motors, or for power generation when installed in houses.
  • the fuel cell uses pure water (DI), when the ionic material flows into the stack, it may cause a decrease in performance.
  • DI pure water
  • ionic materials are stacked in the water tank where various condensate water is collected, it is necessary to remove or discharge the ionic material to minimize the flow into the stack, thereby preventing contamination and failure of expensive stacks and improving efficiency. Was done.
  • Embodiments of the present invention are to monitor the exact replacement cycle of the filter unit to improve the efficiency of the fuel cell device and to minimize the ions moving to the stack through the periodic cleaning of the cooling water storage tank.
  • Fuel cell device is provided with at least one stack; A humidifier for supplying humidified air to the stack; A coolant storage tank provided to supply coolant to the stack and to recover condensate; A filter unit which receives coolant from the stack and filters conductive ions; A reformer to which a part of cooling water is supplied via the humidifying unit; A heat exchanger to which a part of cooling water is supplied via the humidifying unit; A detection sensor detecting a contamination state of the cooling water; And a controller configured to determine a contamination state of the cooling water storage tank and the filter unit by receiving the signal sensed by the detection sensor.
  • the coolant storage tank is characterized in that the level sensor for detecting the water level of the coolant introduced into the inside.
  • the cooling water storage tank is provided with a partition wall partitioning the inner region in the longitudinal direction, wherein the partition wall is characterized in that the state spaced apart from the inner bottom of the cooling water storage tank.
  • the cooling water storage tank is characterized in that the heater is provided to increase the temperature of the cooling water to the temperature required by the stack.
  • the cooling water storage tank is formed with an inclined portion extending in a state in which the bottom surface is inclined in one direction.
  • the coolant storage tank includes a drain port and a valve provided at one side of the coolant storage tank to store foreign substances remaining on the bottom surface when the stored coolant is contaminated.
  • the filter unit is a filter case filled with a plurality of ion exchange resin formed in a granular form therein; A cap coupled to the front and rear ends of the filter case and having a connection port; And a support plate seated on a stepped portion formed inside the front end and the rear end of the filter case and provided to minimize the movement of the ion exchange resin.
  • the support plate is maintained a mesh gap having a length smaller than the length corresponding to the diameter of the grains of the ion exchange resin.
  • the filter case and the cap is characterized in that made of any one of polypropylene or metal or non-metal to be able to use up to a temperature within 80 degrees.
  • a first pump receiving coolant from the coolant storage tank and supplying coolant to the stack;
  • a second pump is provided to receive the cooling water via the humidifying unit and to supply the cooling water to the reformer.
  • At least one sensor is characterized in that provided.
  • the controller may recognize the pollution degree of the cooling water according to the conductivity of the cooling water detected by the detection sensor.
  • the heat storage tank is provided with a heat storage tank for storing the heat-exchanged cooling water as hot water.
  • a control method of a fuel cell apparatus includes detecting a conductivity of a coolant while the fuel cell apparatus is operating and monitoring a replacement cycle of the filter unit according to the conductivity of the coolant; Providing an administrator with a monitoring result of the filter unit; And cleaning the cooling water storage tank by discharging the cooling water stored in the cooling water storage tank when the operation of the fuel cell is stopped.
  • the monitoring of the replacement cycle of the filter unit may include a first monitoring step of detecting conductivity of the coolant stored in the coolant storage tank; And a second monitoring step provided in the fuel cell device and sensing conductivity of the cooling water via the stack.
  • the cleaning of the cooling water storage tank may include: verifying a current generation amount of the fuel cell device; Checking a conductivity state of the fuel cell device; And re-supplying pure water into the coolant storage tank after natural draining for draining residual coolant and residual foreign matter remaining at the bottom of the coolant storage tank.
  • the cleaning of the cooling water storage tank may include: verifying a current generation amount of the fuel cell device; Checking a conductivity state of the fuel cell device; Spraying compressed air to the bottom of the coolant storage tank to drain residual coolant and residual foreign matter remaining at the bottom of the coolant storage tank; And re-supplying pure water after the remaining cooling water and the remaining foreign matter are drained to the cooling water storage tank.
  • Embodiments of the present invention can be replaced at the exact replacement time of the ion exchange resin according to the conductivity of the cooling water in order to maintain the proper efficiency and performance of the fuel cell device to extend the life of the filter unit and to maintain the overall performance and durability of the fuel cell device Increase can be achieved.
  • Embodiments of the present invention can stably filter the ions included in the coolant without deforming or deteriorating the filter part even when the temperature of the coolant passes through the stack at a high temperature, thereby achieving stable operation of the fuel cell device.
  • Embodiments of the present invention can periodically clean the cooling water storage tank in which a large amount of coolant is stored, and easily discharge the remaining foreign substances to the outside to extend the replacement cycle of the filter unit.
  • FIG. 1 is a view showing the configuration of a fuel cell device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a view showing a coolant storage tank according to an embodiment of the present invention.
  • 3 to 5 illustrate a coolant storage tank according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a view showing a filter unit according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a view showing a reformer and a heat exchanger in one embodiment of the present invention.
  • FIGS. 8 to 9 are flowcharts illustrating a control method of a fuel cell apparatus according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the fuel cell apparatus may be installed in a house and perform power generation for electric energy consumed at home through the produced electric energy.
  • the present invention provides at least one stack 100, a humidifier 200 for supplying humidified air to the stack 100, and supplying cooling water and condensate to the stack 100.
  • a reformer for supplying a cooling water storage tank 300, a filter unit 400 for filtering the conductive ions by receiving the cooling water from the stack 100, and a portion of the cooling water passing through the humidifying unit 200 are provided.
  • It includes a control unit 800 to receive the cooling water storage tank 300 and determine the contamination state of the filter unit 400.
  • the stack 100 according to the present embodiment may be configured with one or two or more, and the number may be increased depending on the capacity without limiting the number in particular.
  • a polymer electrolyte fuel cell is used as an example, but other types of fuel cells may be used.
  • the cooling water is moved to the filter unit 400 after the movement path is supplied to the stack 100 from the cooling water storage tank 300 as an example. And after passing through the humidifying part 200, some of the cooling water is supplied to the reformer 500 and the other part is supplied to the heat exchanger 600.
  • the cooling water storage tank 300 is provided to supply pure water to the stack 100.
  • the cooling water storage tank 300 includes a level sensor for detecting a surface height of the cooling water introduced into the cooling water storage tank 300. 310 is installed.
  • the level sensor 310 detects the water level of the coolant and transmits it to the controller 800, and the controller 800 determines whether the water level of the coolant supplied to the coolant storage tank 300 in real time is a normal height. Determine if it is.
  • the cooling water storage tank 300 receives pure water and condensed water through the water treatment unit (not shown) and supplies it to the stack 100. When the cooling water is insufficient, the cooling water storage tank 300 receives insufficient pure water through the water treatment unit (not shown). It can be configured to supplement.
  • the cooling water storage tank 300 is provided with a partition wall 320 for partitioning the inner region in the longitudinal direction.
  • the partition wall 320 is provided to minimize the phenomenon that the water surface is rocked while a large amount of cooling water and condensate circulated in the stack.
  • the partition wall 320 is located in the middle of the longitudinal direction L of the coolant storage tank 300, but may be eccentrically positioned on one side.
  • the plurality of partition walls 320 may be arranged to be spaced apart at a predetermined interval.
  • the partition 320 is maintained in a state spaced apart from the inner bottom of the coolant storage tank 300, the partition 320 is extended to the position shown in the figure for the movement of the coolant.
  • the partition wall 320 according to the present embodiment further includes an extension plate 330 extending horizontally at an end portion extending to the bottom surface of the coolant storage tank 300 based on the drawings. .
  • the extension plate 330 may be changed without being limited to the length shown in the drawings, it may be possible to be arranged in a plurality of intervals along the longitudinal direction of the partition wall 320.
  • the level sensor 310 described above may minimize the malfunction due to the inflow of the coolant because it is positioned on the left side of the partition 320 on the basis of the drawing rather than a position where a large amount of coolant is introduced based on the partition 320.
  • the cooling water storage tank 300 is provided with a heater 302 to raise the temperature of the cooling water to the temperature required by the stack 100.
  • the heater 302 may be configured in plural and disposed at a position spaced upward from a bottom surface of the cooling water storage tank 100.
  • the controller 800 controls the temperature of the heater 302, and performs heat generation control on the heater 302 to maintain an optimal temperature supplied to the stack 100.
  • the invention control can raise or lower the temperature by changing the applied current value.
  • Cooling water storage tank 300 is formed with an inclined portion 340 is extended to the bottom surface inclined in one direction.
  • the inclined portion 340 minimizes contamination due to ionic materials such as ammonium ions, sulfate ions, or calcium ions to the filter unit 400, and the bottom surface of the cooling water storage tank 300. It is provided to easily discharge the foreign matter remaining in the.
  • the inclined portion 340 is inclined downward toward the drain port 90 and may be changed without being limited to the inclined shape shown in the drawing.
  • the controller 800 determines whether all the coolant stored in the coolant storage tank 300 is discharged through the drain port 90 according to the sleep information input from the level sensor 310, and when it is determined that all of the coolant is discharged.
  • the drain port 90 is controlled to be closed.
  • the pure water is supplied to the cooling water storage tank 300 to control the preset amount of cooling water.
  • the nozzle 304 may be used when the inclined portion 340 described above is provided on the bottom surface or when the nozzle 304 is not provided. However, when the inclined portion 340 is provided, the cleaning effect for the foreign matter may be improved, and the removal efficiency for the foreign matter may be further improved.
  • the nozzle 304 may be installed at an inner upper portion of the cooling water storage tank 300 to be sprayed from the upper side with a height difference from the bottom surface.
  • a plurality of nozzles are disposed adjacent to each other along the width direction (W) of the cooling water storage tank 300, and is of a small size for pressurization.
  • a pump (not shown) is provided.
  • the nozzle 304 may be inclined at an inclined angle similar to that of the inclined portion 340 on the top surface of the inclined portion 340. In this case, since the spraying direction of the washing water is similar to the inclined direction of the inclined portion 340. Cleaning of debris can be more advantageous.
  • the nozzle 304 may maintain or change the spray pressure of the sprayed washing water.
  • the initial injection of the washing water from the nozzle 304 may be performed by increasing the injection pressure, and may be controlled by the controller 800 to reduce the injection pressure after a predetermined time.
  • a plurality of nozzles 304 may be arranged along the longitudinal direction L of the cooling water storage tank 300 at equal intervals.
  • the nozzle since the nozzle is disposed in the width direction (W) and the washing water is sprayed in different directions, even if foreign matter remains at any position, it can be moved to the drain port 90, thereby improving the washing efficiency.
  • At least one detection sensor 700 may be provided and may be configured as follows.
  • the coolant storage tank 300 includes a first sensor 710 for detecting an electric conductivity of the coolant therein, and the conductivity of the coolant at the outlet of the humidifier 200. It includes a second sensor 720 to detect (Electric Conductivity).
  • the conductivity of the coolant is not detected when there is no ionic material, but when the ions are increased, electricity is sensed by the first sensor 710 or the second sensor 720.
  • the first sensor 710 Since the first sensor 710 is located inside the coolant storage tank 300, the first sensor 710 detects the conductivity of the stored coolant and transmits the conductivity to the controller 800.
  • the controller 800 receives the conductivity data of the first sensor 40 and determines whether the conductivity of the current coolant storage tank 300 is in a normal state.
  • the control unit 800 notifies the manager of the filter unit 400 replacement time to minimize the damage of the stack according to the data input through the first sensor 710 or the second sensor 720, and the filter unit (at the correct replacement time). Control to perform a replacement or check of
  • damage or failure of the stack may be prevented in advance, and inspection or replacement may be performed according to a regular replacement cycle of the filter unit 400, thereby improving safety due to maintenance.
  • the second sensor 720 is installed at a position before the coolant is supplied to the reformer 500 or the heat exchanger 600, and is supplied to the reformer 500 or the heat exchanger 600 according to the detected conductivity. Coolant can be shut off immediately.
  • the present embodiment further includes a display unit 900 which displays the degree of contamination of the cooling water according to the conductivity of the cooling water detected by the first and second sensors 710 and 720 described above.
  • the display unit 900 may be configured in various forms, for example, may be displayed in different colors according to the degree of contamination. For example, it may be displayed in green in a normal state, in yellow in some contaminated states, and in red in case of replacement or inspection of the filter unit 400 due to contamination.
  • the operator can visually check the different colors and determine the current conductivity of the coolant.
  • the display unit 900 may notify the user of an abnormality through a sound in addition to the method through the above-described color.
  • sound may be generated through a speaker (not shown) provided separately.
  • the conductivity is normal, no separate alarm alarm will sound, and if some pollution occurs, the alarm alarm may sound every second or minute.
  • an alarm alarm may be continuously generated or the sound level may be increased to signal contamination.
  • the user or the manager hears the alarm alarm generated through the display unit and can check the filter unit 400 or replace the coolant stored in the coolant storage tank 300 to extend the replacement cycle for the filter unit 400. Can be.
  • the filter unit 400 is located at a position adjacent to the outlet end of the stack 100 and includes a plurality of ion exchange resins 402 formed in a granular form.
  • the filter unit 400 may be configured with one or a plurality of installation numbers, and is not necessarily limited to the shape or the number shown in the drawings.
  • the filter case 410 and the cap 420 according to the present embodiment may be made of any one of polypropylene, metal, or nonmetal so that the filter case 410 and the cap 420 may be used up to a temperature within 80 degrees.
  • the reason why the filter unit 400 is configured to be used at a high temperature is that the temperature of the coolant flowing into the filter unit 400 while the stack 100 is operated is introduced at a temperature of, for example, 65 degrees or more.
  • the material when using a material that can withstand temperatures up to about 60 degrees, it may cause malfunction or deformation of the filter unit 400.
  • the material is used to maintain durability up to a temperature higher than the temperature of the outlet of the stack 100. Errors such as deformation or malfunction due to high temperature can be prevented.
  • the filter case 410 is configured in the form of a pipe formed inside the hollow shape, the ion exchange resin 402 is filled.
  • the ion exchange resin 402 is composed of a diameter of a micro unit to minimize the phenomenon that the ions are contained in the cooling water is supplied to the stack 100.
  • the ion exchange resin 402 is formed in the form of granules, the deformation phenomenon is minimized even when used for a long time, thereby improving durability.
  • the cap 420 is coupled to the front and rear ends of the filter case 410, and the coupling method is not particularly limited, and any one of various coupling methods may be selectively used.
  • Connection caps 422 are formed in the cap 420, respectively, and the coolant flowing through the stack 100 flows into the filter case 410 to the connection port 422 positioned at the A position based on the drawing. The coolant is moved to the humidifying part 200 after being moved to the B position.
  • the plurality of ion exchange resins 402 are fixed in position by the support plate 430 so as not to move inside the filter case 410.
  • the support plate 430 is positioned inside the filter case 410 and is positioned inside the cap 420 based on the axial direction of the filter case 410, for example.
  • the support plate 430 When the support plate 430 is installed in the filter case 410, the state seated on the step 412 is maintained, and thus, the support plate 430 is not moved in the axial direction of the filter case 410.
  • the support plate 430 may be formed in a disc shape, and a mesh gap having a length smaller than the length corresponding to the diameter of the grains of the ion exchange resin 402 may be maintained.
  • the support plate 430 and the cap 420 may be separately manufactured, and then the support plate 430 may be coupled to the cap 420. In this case, only the cap 420 may be replaced or washed, and then reused. Convenience and cost reduction can be achieved at the same time.
  • the reformer 500 includes a first reactor 510 for removing odorants of sulfur components included in the supplied liquefied natural gas, and the first reactor 510.
  • a second reactor 520 which reacts with one gas and water vapor, a third reactor 530 which reacts carbon monoxide with the gas passing through the second reactor 520, and selective oxidation by reacting carbon monoxide and oxygen
  • a fourth reactor 540 for inducing a reaction.
  • the first reactor 510 is provided to remove the odor of the sulfur component contained in the city gas using LNG.
  • the second reactor 520 is a steam reforming reactor, in which methane and water are reacted to separate hydrogen and carbon monoxide.
  • the third reactor 530 is provided to generate carbon dioxide and hydrogen by reacting water with carbon monoxide generated in the first reactor.
  • the fourth reactor 540 reacts with carbon monoxide and oxygen to generate carbon dioxide, and the gas passing through the fourth reactor 540 is supplied to the stack 100.
  • the heat exchanger 600 receives hot water from a third pump 30 for pumping hot water stored in the heat storage tank 80 and is provided to recover heat of fuel gas generated in the third reactor 530.
  • a first heat exchanger 610, a second heat exchanger 620 provided to stabilize the temperature of the supply gas supplied to the fourth reactor 540 via the first heat exchanger 610, and a stack (
  • the third heat exchanger 630 provided to recover the water and heat generated on the air side of the 100
  • the fourth heat exchanger 640 provided to recover the heat of the exhaust gas generated in the burner 60.
  • a fifth heat exchanger 650 for recovering heat contained in the hydrogen-side unused gas of the stack 100.
  • the burner 60 is required for raising the temperature of the second reactor 520 and burns fuel gas and off gas supplied from the outside.
  • Burner 60 may be composed of one or a plurality.
  • the exhaust gas generated by the burner 60 is discharged to the outside after being supplied to the fourth heat exchanger 640.
  • the first heat exchanger 610 is provided for preheating the pure water.
  • the second heat exchanger 620 is provided for stabilization of the fuel gas temperature supplied to the fuel gas via the first heat exchanger 610 and supplied to the fourth reactor 540. For example, a phenomenon in which the catalyst of the fourth reactor 540 is wet may be prevented by cooling the temperature of the hydrogen gas to a predetermined temperature. Through this, carbon monoxide can be stably removed.
  • the third heat exchanger 630 is provided to recover water and heat generated by the oxidation reaction of hydrogen and oxygen in the stack 100.
  • the fourth heat exchanger 640 is provided to recover the heat of the exhaust gas generated in the burner 60 described above, and recovers heat by receiving hot water supplied from the heat storage tank via the third heat exchanger 620. .
  • the fifth heat exchanger 650 uses 75% hydrogen in the stack 100 and burns the remaining 25% in the burner 60. At this time, the fifth heat exchanger 650 recovers heat contained in the unused gas and recovers condensate generated at this time. Is provided for recovery. In this case, since the gas from which moisture is removed is supplied to the burner, as the burner combustion efficiency is improved, the efficiency of the fuel cell system is improved.
  • the heat storage tank 80 in which the coolant heat exchanged while passing through the heat exchanger 600 is stored as hot water.
  • the heat storage tank 80 may serve as, for example, a hot water reservoir in which hot water is stored in a house. In this case, the user can easily use the hot water stored in the heat storage tank (80).
  • the reformer receives the first pump 10 to receive the coolant from the coolant storage tank 300 and supplies the coolant to the stack 100, and the coolant through the humidifier 200.
  • a second pump 20 for supplying 500 is provided.
  • the second pump 20 may be configured in plural and a second sensor 720 is positioned at the front end of the second pump 20.
  • the burner 60 is provided to increase the temperature of the second reactor 520.
  • the burner 60 may be configured in plural, so that one can be stably used even when the operation is stopped due to an error. have.
  • a steam generator 70 is provided for generating steam through the combustion air heated by the burner 60 and supplying the generated steam to the gas supplied to the second reactor 520.
  • control method of the fuel cell apparatus may include: detecting conductivity of the coolant while the fuel cell apparatus is operating and monitoring replacement cycles of the filter unit according to the conductivity of the coolant (ST100) And providing the manager with the monitoring result of the filter unit (ST200) and cleaning the cooling water storage tank through the discharge of the cooling water stored in the cooling water storage tank when the fuel cell is stopped (ST300). It includes.
  • the filter part is replaced at the correct replacement time according to the conductivity of the coolant among various control methods, and the foreign matter is simultaneously moved to the outside while draining a large amount of coolant stored in the coolant storage tank. Cleaning is discharged to improve the durability of the filter at the same time.
  • the monitoring of the replacement cycle of the filter unit is a first monitoring step (ST110) for detecting the conductivity of the coolant stored in the cooling water storage tank and the fuel cell device And a second monitoring step ST120 for sensing the conductivity of the coolant via the stack.
  • the conductivity of the coolant is very important in maintaining the life of the filter part.
  • a large amount of condensate flows into the coolant storage tank. Can be done (ST110).
  • the conductivity of the coolant through the stack may be sensed to accurately determine the conductivity of the coolant at a specific position via the stack (ST120).
  • the step of providing the monitoring result of the filter unit to the manager (ST200) is to transmit the corresponding information to the manager through the Internet network according to the conductivity of the cooling water, and simultaneously requesting the confirmation request for the information transmitted to the manager (ST210) And re-requesting if a confirmation signal for the previously transmitted monitoring result information is not received even after a predetermined time elapses from the manager (ST220).
  • the manager may know accurate information about the conductivity of the current fuel cell device when the manager checks the text message.
  • the manager since the manager requests a confirmation request for the information transmitted to the manager in preparation for the case where the manager does not check (ST210), the case that the worker cannot check can be minimized. Therefore, it is possible to provide the manager with accurate information on the conductivity of the fuel cell device, thereby improving accuracy of data transmission.
  • control unit If the control unit does not receive a confirmation signal for the monitoring result information, the control unit simultaneously requests a confirmation by text message and telephone (ST230). In this case, the manager can recognize the exact state of the current fuel cell device and can accurately determine whether there is a problem with the filter unit or whether the inspection is necessary.
  • the cleaning of the cooling water storage tank may include checking power generation of the currently operating fuel cell device (ST310), and checking the conductivity state of the fuel cell device. (ST320) is further included.
  • the power generation amount of the currently operating fuel cell device corresponds to a normal power generation state, which is also determined based on the power generation amount preset by the controller. For example, when the amount of power generation is within the normal range, it is determined as a normal state, and when it is in an abnormal range, it is determined as an abnormal state.
  • the current conductivity of the fuel cell device is checked, and when it is within a preset normal range, it is determined as a normal state, and when the conductivity is an abnormal range, it is determined as an abnormal state.
  • the current generation amount of the fuel cell device is checked (ST310), and the conductivity state of the fuel cell device is checked (ST320). Then, natural water is drained to drain residual coolant and residual foreign matter remaining at the bottom of the coolant storage tank, and then pure water is re-supplied into the coolant storage tank (ST340).
  • the cooling water storage tank has a predetermined amount of cooling water at the bottom, all of the cooling water is naturally drained, and then pure water is supplied into the cooling water storage tank.
  • the present embodiment checks the current generation amount of the fuel cell device (ST310), and checks the conductivity state of the fuel cell device (ST320). .
  • compressed air is injected to the bottom of the coolant storage tank for draining the remaining coolant remaining on the bottom of the coolant storage tank and the foreign matter (ST350).
  • the remaining cooling water is discharged through the drain port and controlled so that compressed air is injected in a specific direction through the nozzle to the floor.
  • the foreign matter remaining in the coolant storage tank can be easily discharged through the drain port by the compressed air, and the cleaning power is also improved, thereby contributing to the efficiency of the stack.
  • the foreign matter may remain on the bottom of the cooling water storage tank for a long time, it is advantageous to improve the efficiency of the fuel cell device by spraying compressed air at a specific pressure for a predetermined time and draining all the remaining foreign matter.
  • the pure water may be supplied to the cooling water storage tank again and maintained at a predetermined flow rate.
  • Embodiments of the present invention can be applied to the technology for the filter unit provided in the fuel cell device and the cleaning for the cooling water storage tank.

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Abstract

연료전지 장치 및 이의 제어방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시 예에 의한 연료전지 장치 및 이의 제어방법은 연료전지 장치의 작동에 따라 냉각수의 전도도를 감지하고 필터부의 오염이 최소화 되도록 냉각수 저장 탱크에 대한 클리닝을 통해 연료전지 장치의 효율 및 내구성을 향상시키고자 한다.

Description

연료전지 장치 및 이의 제어방법
본 발명은 연료전지 장치에 관한 것으로서, 필터부의 오염을 사전에 판단 및 조치를 통해 스택으로 유입되는 오염물질을 예방하여 연료전지 장치의 효율 및 내구성을 향상시키기 위한 연료전지 장치 및 이의 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로 사용하고 있는 석탄 또는 석유 에너지는 환경 오염 문제를 유발할 수 있어 이를 대체하기 위한 대체 에너지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 일 예로 수소 에너지를 이용한 연료전지는 현재의 내연 기관에 비하여 열효율이 높고 별도의 오염 물질이 발생되지 않아 친환경적인 대체 에너지로 인식되고 있다.
연료전지는 연료가스인 수소와 산화가스인 산소(또는 공기)가 반응하면서 발생된 전기화학적 반응에 의하여 별도의 연소 과정 없이 화학에너지를 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다.
연료전지는 외부에서 공급되는 수소와 산소를 이용하여 전기를 생산하는 최종 생성물질로 물과 열 및 전기가 발생되는데, 질소산화물(NOx) 또는 황산화물(SOx) 와 같은 유해 물질이 최소한으로 발생되므로 대기오염으로 인한 환경 오염 문제를 최소화 할 수 있다. 또한 내연기관은 연료를 사용할 경우 효율이 연료전지에 비해 낮게 유지되므로 상기 연료전지를 이용한 고효율의 에너지 사용을 위한 다양한 연구가 이루어지고 있다.
이와 같이 고효율의 청정 발전 시스템인 연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라 150도에서 200도 부근에서 사용하는 인산형 연료전지와, 상온 내지 100도 이하에서 작동하는 고분자 전해질형 연료전지 또는 알칼리형 연료전지와, 600도 내지 700도의 고온에서 작동하는 용융 탄산염 연료전지가 있다. 또한 1000도 에서 작동하는 고체산화물형 연료전지 등으로 크게 분류해 볼 수 있다.
전술한 다수개의 연료전지들 중에서 고분자 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC)는 고체인 고분자를 전해질로 사용하기 때문에 전해질 관리가 용이하고, 전해질에 의한 부식이나 전해질이 증발되는 문제가 없으며 단위 면적당 전류밀도가 높아 다른 연료전지에 비해 출력 특성이 월등히 높은 특징을 가지고 있다.
또한 작동 온도가 낮을 뿐 아니라 설비 유지 및 보수가 간편하고 빠른 시동 및 응답 특성을 가지고 있으므로 자동차 또는 공동 주택 또는 가정용 또는 공공 건물 등의 분산용 전원 및 전자기기용 소형 전원으로 이용하기 위한 개발이 활발히 추진되고 있다.
이와 같은 특징을 갖고 있는 연료전지는 차량에 사용되어 모터 구동을 위한 전기 에너지 생산을 위한 용도로 사용되거나, 주택에 설치될 경우 발전을 위한 용도로 사용된다.
특히 상기 연료전지는 순수(DI)를 이용하고 있으나 이온성 물질이 스택으로 유입될 경우 성능 저하를 유발할 수 있다. 또한 각종 응축수가 회수되는 물탱크에 이온성 물질이 적층될 경우 이를 제거하거나 배출시켜 상기 스택으로 유입되는 현상을 최소화 하여 고가의 스택에 대한 오염과 고장을 예방하고 효율을 향상시킬 수 있는 방안이 필요하게 되었다.
본 발명의 실시 예들은 연료전지 장치의 효율 향상을 위해 필터부의 정확한 교체 주기를 모니터링 하고 냉각수 저장 탱크에 대한 주기적인 클리닝을 통해 스택으로 이동하는 이온을 최소화 하고자 한다.
본 발명의 일 실시 예에 의한 연료전지 장치는 적어도 1개 이상으로 구비된 스택; 상기 스택으로 가습 공기를 공급하기 위한 가습부; 상기 스택으로 냉각수를 공급하고 응축수를 회수하기 위해 구비된 냉각수 저장 탱크; 상기 스택으로부터 냉각수를 공급받아 도전성 이온을 필터링하는 필터부; 상기 가습부를 경유한 냉각수 중의 일부가 공급되는 개질기; 상기 가습부를 경유한 냉각수 중의 일부가 공급되는 열교환기; 상기 냉각수의 오염 상태를 감지하는 감지 센서; 및 상기 감지 센서에서 감지된 신호를 전달받아 상기 냉각수 저장 탱크와 상기 필터부의 오염 상태를 판단하는 제어부를 포함한다.
상기 냉각수 저장 탱크에는 내부로 유입된 냉각수의 수면 높이를 감지하기 위한 레벨 센서가 설치된 것을 특징으로 한다.
상기 냉각수 저장 탱크에는 내부 영역을 종 방향에서 구획하는 격벽이 구비되되, 상기 격벽은 상기 냉각수 저장 탱크의 내측 바닥과 이격된 상태가 유지되는 것을 특징으로 한다.
상기 냉각수 저장 탱크에는 상기 냉각수의 온도를 상기 스택에서 요구하는 온도로 상승시키기 위해 히터가 구비된 것을 특징으로 한다.
상기 냉각수 저장 탱크에는 바닥면이 일측 방향으로 경사진 상태로 연장된 경사부가 형성된다.
상기 냉각수 저장 탱크에는 저장된 냉각수가 오염시 바닥면에 잔존하는 이물질을 상기 냉각수 저장 탱크의 일측에 구비된 드레인 포트와 밸브를 포함한다.
상기 필터부는 알갱이 형태로 형성된 다수개의 이온교환수지가 내부에 채워진 필터 케이스; 상기 필터 케이스의 선단부와 후단부에 각각 결합되고 연결 포트가 형성된 캡; 상기 필터 케이스의 선단부와 후단부 내측에 형성된 단턱에 안착되고 상기 이온교환수지의 움직임을 최소화 하기 위해 구비된 지지판을 포함한다.
상기 지지판은 상기 이온교환수지의 알갱이의 직경에 해당되는 길이 보다 작은 길이를 갖는 메쉬 간격이 유지된다.
상기 필터 케이스와 상기 캡은 80도 이내의 온도까지 사용 가능하도록 폴리프로필렌 또는 금속 또는 비금속 중의 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기 냉각수 저장 탱크로부터 냉각수를 공급받아 상기 스택으로 냉각수를 공급하는 제1 펌프; 상기 가습부를 경유한 냉각수를 공급받아 상기 개질기로 공급하는 제2 펌프가 구비된다.
상기 감지센서는 적어도 하나 이상 구비된 것을 특징으로 한다.
상기 감지센서로 감지된 냉각수의 전도도에 따라 상기 냉각수의 오염도를 상기 제어부가 인식하는 것을 특징으로 한다.
상기 열교환기를 경유하면서 열교환된 냉각수가 온수로 저장되는 축열조가 구비된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시 예에 의한 연료전지 장치의 제어방법은 연료전지 장치가 작동되는 동안 냉각수의 전도도를 감지하고 상기 냉각수의 전도도에 따라 필터부의 교체 주기를 모니터링 하는 단계; 상기 필터부의 모니터링 결과를 관리자에게 제공하는 단계; 및 상기 연료전지의 작동이 중지될 경우 냉각수 저장 탱크에 저장된 냉각수의 배출을 통해 상기 냉각수 저장 탱크에 대한 클리닝을 실시하는 단계를 포함한다.
상기 필터부의 교체 주기를 모니터링 하는 단계는 상기 냉각수 저장 탱크에 저장된 냉각수의 전도도를 감지하는 제1 모니터링 단계; 연료전지 장치에 구비되고 스택을 경유한 냉각수의 전도도를 감지하는 제2 모니터링 단계를 포함한다.
상기 냉각수 저장 탱크에 대한 클리닝을 실시하는 단계는 현재 연료전지 장치의 발전량을 확인하는 단계; 상기 연료전지 장치의 전도도 상태를 확인하는 단계; 상기 냉각수 저장 탱크의 바닥에 잔존하는 잔여 냉각수와 잔여 이물질에 대한 드레인을 위해 자연 배수를 실시한 후에 상기 냉각수 저장 탱크 내부로 순수를 재 공급하는 단계를 포함한다.
상기 냉각수 저장 탱크에 대한 클리닝을 실시하는 단계는 현재 연료전지 장치의 발전량을 확인하는 단계; 상기 연료전지 장치의 전도도 상태를 확인하는 단계; 상기 냉각수 저장 탱크의 바닥에 잔존하는 잔여 냉각수와 잔여 이물질에 대한 드레인을 위해 상기 냉각수 저장 탱크의 바닥으로 압축 공기를 분사하는 단계; 상기 냉각수 저장 탱크에 잔여 냉각수와 잔여 이물질이 드레인 된 이후에 순수를 재 공급하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시 예들은 연료전지 장치의 적정 효율 및 성능 유지를 위해 냉각수의 전도도에 따라 이온교환수지의 정확한 교체 시기에 교체를 할 수 있어 필터부의 수명 연장 및 상기 연료전지 장치의 전체적인 성능 유지 및 내구성 증대를 도모할 수 있다.
본 발명의 실시 예들은 스택을 경유한 냉각수의 온도가 고온인 경우에도 필터부의 변형 또는 효율 저하 없이 안정적으로 냉각수에 포함된 이온을 필터링 하여 연료전지 장치의 안정적인 작동을 도모할 수 있다.
본 발명의 실시 예들은 다량의 냉각수가 저장된 냉각수 저장 탱크에 대해 주기적으로 클리닝을 실시하고, 잔존하는 이물질을 외부로 용이하게 배출시켜 필터부의 교체 주기를 연장시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지 장치의 구성을 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 냉각수 저장 탱크를 도시한 도면.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 냉각수 저장 탱크를 도시한 도면.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 필터부를 도시한 도면.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 개질기와 열교환기를 도시한 도면.
도 8 내지 도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지 장치의 제어 방법을 도시한 순서도.
본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지 장치의 구성에 대해 도면을 참조하여 설명한다.
첨부된 도 1 내지 도 2 및 도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 의한 연료전지 장치는 주택에 설치될 수 있으며 생산된 전기 에너지를 통해 가정에서 소모되는 전기 에너지에 대한 발전을 실시할 수 있다.
이를 위해 본 발명은 적어도 1개 이상으로 구비된 스택(100)과, 상기 스택(100)으로 가습 공기를 공급하기 위한 가습부(200)와, 상기 스택(100)으로 냉각수 공급 및 응축수를 회수하기 위해 구비된 냉각수 저장 탱크(300)와, 상기 스택(100)으로부터 냉각수를 공급받아 도전성 이온을 필터링하는 필터부(400)와, 상기 가습부(200)를 경유한 냉각수 중의 일부가 공급되는 개질기(500)와, 상기 가습부(200)를 경유한 냉각수 중의 일부가 공급되는 열교환기(600)와, 상기 냉각수의 오염 상태를 감지하는 감지 센서(700) 및 상기 감지 센서(700)에서 감지된 신호를 전달받아 상기 냉각수 저장 탱크(300)와 상기 필터부(400)의 오염 상태를 판단하는 제어부(800)를 포함한다.
본 실시 예에 의한 스택(100)은 1개 또는 두 개 이상으로 구성될 수 있으며 특별히 개수를 한정하지 않고 용량에 따라 개수가 증가될 수 있다. 본 실시 예에 의한 스택(100)은 일 예로 고분자 전해질 연료전지가 사용되나 다른 형태의 연료전지가 사용되는 것도 가능할 수 있다.
냉각수는 이동 경로는 일 예로 냉각수 저장 탱크(300)에서 스택(100)으로 공급된 후에 필터부(400)로 이동된다. 그리고 가습부(200)를 경유한 후에 일부의 냉각수는 상기 개질기(500)로 공급되고 나머지 일부는 열교환기(600)로 공급된다.
그리고 최종적으로 냉각수 저장 탱크(300)로 재 순환되는 이동 경로가 유지된다.
본 실시 예에 의한 냉각수 저장 탱크(300)는 상기 스택(100)으로 순수를 공급하기 위해 구비되는데, 일 예로 상기 냉각수 저장 탱크(300)에는 내부로 유입된 냉각수의 수면 높이를 감지하기 위한 레벨 센서(310)가 설치된다.
상기 레벨 센서(310)는 냉각수의 수면 높이를 감지하여 제어부(800)로 전송하고, 상기 제어부(800)는 실시간으로 냉각수 저장 탱크(300)로 공급된 냉각수의 수면 높이가 정상 높이인지 비 정상 높이 인지 판단한다.
냉각수 저장 탱크(300)는 수처리 부(미도시)를 경유한 순수와 응축수를 공급받아 스택(100)으로 공급하는데, 상기 냉각수가 부족할 경우 수처리 부(미도시)를 경유한 순수를 공급 받아 부족한 냉각수를 보충하도록 구성될 수 있다.
상기 냉각수 저장 탱크(300)에는 내부 영역을 종 방향에서 구획하는 격벽(320)이 구비된다. 상기 격벽(320)은 스택을 순환한 냉각수 및 응축수가 다량 유입되면서 수면이 출렁되는 현상을 최소화 하기 위해 구비된다.
본 실시 예에 의한 격벽(320)은 냉각수 저장 탱크(300)의 길이 방향(L)을 기준으로 중간에 위치되어 있으나 일측에 편심되게 위치되는 것도 가능할 수 있다. 또한 격벽(320)은 복수개가 소정의 간격으로 이격되어 배치되는 것도 가능할 수 있다.
상기 격벽(320)은 상기 냉각수 저장 탱크(300)의 내측 바닥과 이격된 상태가 유지되는데, 상기 냉각수의 이동을 위해 도면에 도시된 위치까지 격벽(320)이 연장된다.
첨부된 도 3을 참조하면, 본 실시 예에 의한 격벽(320)에는 도면 기준으로 냉각수 저장 탱크(300)의 바닥면으로 연장된 단부에 수평하게 연장된 연장판(330)을 더 포함하여 구성된다.
상기 연장판(330)은 연장된 길이가 도면에 도시된 길이로 한정하지 않고 변경 될 수 있으며, 상기 격벽(320)의 종 방향을 따라 복수개가 일정 간격으로 배치되는 것도 가능할 수 있다.
이 경우 냉각수의 공급으로 냉각수 저장 탱크(300)의 수면 높이가 증가되는 경우에도 수면의 출렁임을 최소화 할 수 있어 레벨 센서(310)의 오동작을 예방하고 수면의 높이 변화가 급격히 발생하는 경우에도 안정적인 수면 상태를 유지할 수 있다.
전술한 레벨 센서(310)는 격벽(320)을 기준으로 다량의 냉각수가 유입되는 위치 보다는 도면 기준으로 격벽(320)의 좌측에 위치되는 것이 냉각수의 유입으로 인한 오작동을 최소화 할 수 있다.
본 실시 예에 의한 냉각수 저장 탱크(300)에는 상기 냉각수의 온도를 상기 스택(100)에서 요구하는 온도로 상승시키기 위해 히터(302)가 구비된다.
상기 히터(302)는 복수개로 구성될 수 있고, 냉각수 저장 탱크(100)의 바닥면으로부터 상부로 이격된 위치에 배치된다. 제어부(800)는 히터(302)의 온도를 제어하는데, 스택(100)으로 공급되는 최적의 온도를 유지하기 위해 상기 히터(302)에 대한 발열 제어를 실시한다. 여기서 발명 제어는 인가되는 전류값을 변화시켜 온도를 상승시키거나 하강 시킬 수 있다.
냉각수 저장 탱크(300)는 바닥면이 일측 방향으로 경사진 상태로 연장된 경사부(340)가 형성된다. 상기 경사부(340)는 연료전지 장치가 정지될 경우 필터부(400)로 암모늄 이온 또는 황산 이온 또는 칼슘이온 등의 이온성 물질로 인한 오염을 최소화 하고, 상기 냉각수 저장 탱크(300)의 바닥면에 잔존하는 이물질을 용이하게 배출시키기 위해 구비된다.
상기 경사부(340)는 일 예로 드레인 포트(90)를 향해 하향 경사지며 도면에 도시된 경사 형태로 한정하지 않고 변경될 수 있다.
이와 같이 경사부(340)가 냉각수 저장 탱크(300)에 구비될 경우 다량의 냉각수는 상기 경사부(340)를 따라 드레인 포트(90)를 통해 상기 냉각수 저장 탱크(300)의 외측으로 드레인 되므로 잔존하는 이물질에 대한 배출 효율이 향상된다.
제어부(800)는 레벨 센서(310)에서 입력된 수면 정보에 따라 냉각수 저장 탱크(300)에 저장된 냉각수가 모두 드레인 포트(90)를 통해 배출되었는지 판단하고, 상기 냉각수가 모두 배출된 것으로 판단될 경우에는 상기 드레인 포트(90)가 클로즈 되도록 제어한다.
그리고 냉각수 저장 탱크(300)에 순수가 공급되도록 제어하여 기 설정된 냉각수량이 유지되도록 제어한다.
첨부된 도 3 내지 도 4를 참조하면, 본 실시 예에 의한 냉각수 저장 탱크(300)에는 저장된 냉각수가 오염시 바닥면에 잔존하는 이물질을 상기 냉각수 저장 탱크(300)에 구비된 드레인 포트(90)로 이동시키기 위해 소정의 압력으로 유체가 분사되는 노즐(304)이 구비된다.
상기 노즐(304)은 바닥면에 전술한 경사부(340)가 구비된 경우 또는 미 구비된 경우 모두 사용 가능할 수 있다. 다만 상기 경사부(340)가 구비될 경우 이물질에 대한 세척 효과가 향상될 수 있어 이물질에 대한 제거 효율이 보다 향상될 수 있다.
노즐(304)은 전술한 실시 예 이외에도 냉각수 저장 탱크(300)의 내측 상부에 위치되어 바닥면과 높이차를 두고 상측에서 분사되도록 설치될 수 있다.
상기 노즐(304)은 냉각수 저장 탱크(300)의 상면에서 바라볼 때 도면에 도시된 바와 같이 다수개가 냉각수 저장 탱크(300)의 폭 방향(W)을 따라 이웃하여 배치되고 가압을 위해 소형 사이즈의 펌프(미도시)가 구비된다.
노즐(304)은 경사부(340)의 상면에 상기 경사부(340)의 경사각과 유사한 경사각으로 경사지게 설치될 수 있으며 이 경우 세척수의 분사 방향이 상기 경사부(340)의 경사진 방향과 유사하므로 이물질에 대한 세척이 보다 유리해 질 수 있다.
노즐(304)은 분사되는 세척수의 분사 압력이 일정하게 유지되거나 변동 될 수 있다. 예를 들면 노즐(304)에서 세척수가 분사되는 초기에는 분사 압력이 증가된 상태로 분사되고, 소정 시간 경과 후에는 분사 압력이 감소되도록 제어부(800)에 의해 제어될 수 있다.
따라서 냉각수 저장 탱크(300)에 잔존하는 이물질에 대한 세척과 배출에 보다 유리할 수 있다.
첨부된 도 5를 참조하면, 노즐(304)은 전술한 배치 이외에도 냉각수 저장 탱크(300)의 길이 방향(L)을 따라 다수개가 등 간격으로 배치될 수 있다. 이 경우에도 폭 방향(W)에 노즐이 배치되어 있으며 서로 다른 방향에서 세척수가 분사되므로 어느 위치에 이물질이 잔존하는 경우에도 이를 드레인 포트(90)로 이동시킬 수 있어 세척 효율이 향상된다.
본 실시 예에 의한 감지센서(700)는 적어도 하나 이상 구비되며 일 예로 아래와 같이 구성될 수 있다.
예를 들면 본 실시 예에 의한 냉각수 저장 탱크(300)는 내측에 냉각수의 전도도(Electric Conductivity)를 감지하기 위한 제1 센서(710)가 구비되고, 가습부(200)의 출구단에서 냉각수의 전도도(Electric Conductivity)를 감지하기 위해 제2 센서(720)를 포함한다.
냉각수의 전도도는 이온성 물질이 없을 경우 감지되지 않으나 이온이 증가될 경우 전기가 통하면서 상기 제1 센서(710) 또는 제2 센서(720)에 의해 감지된다.
제1 센서(710)는 냉각수 저장 탱크(300)의 내측에 위치되므로 저장된 냉각수의 전도도를 감지하여 제어부(800)로 전송한다. 제어부(800)는 제1센서(40)의 전도도 데이터를 입력받아 현재 냉각수 저장 탱크(300)의 전도도가 정상 상태 인지 판단한다.
제어부(800)는 제1 센서(710) 또는 제2 센서(720)를 통해 입력된 데이터에 따라 스택의 손상을 최소화 하기 위해 필터부(400) 교체 시기를 관리자에게 알려 정확한 교체 시기에 필터부(400)에 대한 교체 또는 점검을 실시하도록 제어한다.
이 경우 스택의 손상 또는 고장을 사전에 예방하고 필터부(400)의 정기적인 교체 주기에 따라 점검을 실시하거나 교체를 실시할 수 있어 유지 관리에 따른 안전성이 향상된다.
제2 센서(720)는 개질기(500) 또는 열교환기(600)로 냉각수가 공급되기 이전의 위치에 설치되어 있어 감지되는 전도도의 상태에 따라 상기 개질기(500) 또는 열교환기(600)로 공급되는 냉각수의 이동을 즉시 차단할 수 있다.
따라서 냉각수의 오염 상태에 따라 특정 구성으로 공급되는 냉각수의 이동을 안정적으로 차단하여 오염으로 인한 오작동을 사전에 예방하여 안정적인 발전을 도모할 수 있다.
본 실시 예는 전술한 제1,2 센서(710, 720)에서 감지된 냉각수의 전도도에 따라 상기 냉각수의 오염 정도가 표시되는 표시부(900)를 더 포함한다.
상기 표시부(900)는 다양한 형태로 구성될 수 있는데 일 예로 오염 정도에 따라 서로 다른 컬러로 표시될 수 있다. 예를 들면 정상 상태일 경우에는 녹색으로 표시되고, 일부 오염된 상태일 경우에는 황색으로 표시되고, 오염으로 인해 필터부(400)에 대한 교체 또는 점검이 필요할 경우에는 빨강색으로 표시될 수 있다.
이 경우 작업자가 육안으로 서로 다른 색깔을 확인하고 현재 냉각수의 전도도 상태를 판단할 수 있다.
다른 실시 예에 의한 표시부(900)는 전술한 색깔을 통한 방법 이외에도 소리를 통해 사용자에게 이상 유무를 알릴 수 있다. 이 경우 별도로 구비된 스피커(미도시)를 통해 소리가 발생될 수 있다.
예를 들어 전도도가 정상 일 경우에는 별도의 알람 경보가 울리지 않고, 일부 오염될 경우에는 특정 초 또는 분 단위로 알람 경보가 울릴 수 있다.
그리고 냉각수의 전도도가 증가될 경우 오염을 알리기 위해 연속적으로 알람 경보가 발생되거나 소리 레벨이 증가될 수 있다.
따라서 사용자 또는 관리자는 표시부를 통해 발생된 알람 경보를 듣고 필터부(400)에 대한 점검 또는 냉각수 저장 탱크(300)에 저장된 냉각수를 교환할 수 있어 상기 필터부(400)에 대한 교체 주기를 연장할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 의한 필터부에 대해 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
첨부된 도 6을 참조하면, 본 실시 예에 의한 필터부(400)는 스택(100)의 출구단과 인접한 위치에 위치되고 알갱이 형태로 형성된 다수개의 이온교환수지(402)(Ion exchange resin)가 내부에 채워진 필터 케이스(410)와, 상기 필터 케이스(410)의 선단부와 후단부에 각각 결합되고 연결 포트(422)가 형성된 캡(420)과, 상기 필터 케이스(410)의 선단부와 후단부 내측에 형성된 단턱(412)에 안착되고 상기 이온교환수지(402)의 움직임을 최소화 하기 위해 구비된 지지판(430)을 포함한다.
필터부(400)는 설치 개수가 1개 또는 복수개로 구성될 수 있으며 도면에 도시된 형태 또는 개수로 반드시 한정하지 않는다.
본 실시 예에 의한 필터 케이스(410)와 상기 캡(420)은 80도 이내의 온도까지 사용 가능하도록 폴리프로필렌 또는 금속 또는 비금속 중의 어느 하나로 이루어진다. 상기 필터부(400)가 고온의 온도에 사용 가능하게 구성되는 이유는 스택(100)이 작동되면서 상기 필터부(400)로 유입되는 냉각수의 온도는 일 예로 65도 이상의 온도로 유입된다.
이 경우 60도 전후의 온도까지 견딜 수 있는 재질을 사용할 경우 필터부(400)의 오작동 또는 변형을 유발할 수 있으므로 스택(100) 출구단의 온도 보다 상대적으로 높은 온도 까지 내구성이 유지되는 재질을 사용하여 고온의 온도로 인한 변형 또는 오작동과 같은 에러를 예방할 수 있다.
필터 케이스(410)는 내부가 중공 형태로 형성된 파이프 형태로 구성되고, 이온교환수지(402)가 채워진다. 상기 이온교환수지(402)는 마이크로 단위의 직경으로 구성되는데 냉각수에 포함된 이온 성분을 흡착하여 스택(100)으로 공급되는 현상을 최소화 한다.
상기 이온교환수지(402)는 알갱이 형태로 형성되므로 장기간 사용하는 경우에도 변형되는 현상이 최소화되므로 내구성이 향상된다.
캡(420)은 필터 케이스(410)의 선단부와 후단부에 결합되며 결합 방식은 특별히 한정하지 않고 다양한 결합 방식 중의 어느 한 방식이 선택적으로 사용될 수 있다.
캡(420)에는 연결 포트(422)가 각각 형성되어 있는데, 도면 기준으로 A위치에 위치된 연결 포트(422)로 스택(100)을 경유한 냉각수가 필터 케이스(410)의 내부로 유입된다. 그리고 냉각수는 B위치로 이동된 후에 가습부(200)로 이동된다.
다수개의 이온교환수지(402)는 필터 케이스(410)의 내측에서 이동되지 않도록 지지판(430)에 의해 위치가 고정된다. 상기 지지판(430)은 필터 케이스(410)의 내측에 위치되며 일 예로 필터 케이스(410)의 축 방향을 기준으로 상기 캡(420)과 인접한 내측에 위치된다.
지지판(430)이 필터 케이스(410)에 설치될 경우 단턱(412)에 안착된 상태가 유지되므로 필터 케이스(410)의 축 방향에서 이동되지 않고 정위치에 고정된 상태가 유지된다.
지지판(430)은 일 예로 원판 형태로 형성되고 상기 이온교환수지(402)의 알갱이의 직경에 해당되는 길이 보다 작은 길이를 갖는 메쉬 간격이 유지될 수 있다.
이 경우 다수개의 이온교환수지(402)는 상기 지지판(430)을 경유해서 필터 케이스(410)의 축 방향으로 이동되지 않으므로 최초 위치가 안정적으로 유지된다.
상기 지지판(430)과 캡(420)은 개별 제작된 후에 상기 지지판(430)이 상기 캡(420)에 결합될 수 있으며 이 경우 상기 캡(420) 만을 교체하거나 세척한 후에 재사용 할 수 있어 사용자의 편리성과 비용 절감을 동시에 도모할 수 있다.
본 실시 예에 의한 개질기와 열교환기의 구성에 대해 도면을 참조하여 설명한다.
첨부된 도 7을 참조하면, 본 실시 예에 의한 개질기(500)는 공급된 액화천연가스에 포함된 황성분의 부취제를 제거하는 제1 반응기(510)와, 상기 제1 반응기(510)를 경유한 가스와 수증기에 대한 반응이 이루어지는 제2 반응기(520)와, 상기 제2 반응기(520)를 경유한 가스에 일산화탄소를 반응시키는 제3 반응기(530)와, 일산화 탄소와 산소를 반응시켜 선택적 산화 반응을 유도하는 제4반응기(540)를 포함한다.
제1 반응기(510)는 LNG를 사용하는 도시가스에 포함된 황성분의 부취제를 제거하기 위해 구비된다.
상기 제2 반응기(520)는 스팀 리포밍 반응기로서 메탄과 물을 반응시켜 수소와 일산화탄소로 분리시킨다. 상기 제3 반응기(530)는 상기 제1 반응기에서 생성된 일산화 탄소에 물을 반응시켜 이산화 탄소와 수소를 생성하기 위해 구비된다. 상기 제4 반응기(540)는 일산화 탄소와 산소를 반응시켜 이산화 탄소를 생성하며, 상기 제4 반응기(540)를 경유한 가스는 스택(100)으로 공급된다.
본 실시 예에 의한 열교환기(600)는 축열조(80)에 저장된 온수를 펌핑하는 제3 펌프(30)로부터 온수를 공급받고 제 3 반응기(530)에서 발생한 연료가스의 열을 회수하기 위해 구비된 제1 열교환기(610)와, 상기 제1 열교환기(610)를 경유하고 제4 반응기(540)로 공급되는 공급 가스의 온도를 안정화 시키기 위해 구비된 제2 열교환기(620)와, 스택(100)의 공기측에서 생성된 물과 열을 회수하기 위해 구비된 제3 열교환기(630)와, 버너(60)에서 생성된 배기가스의 열을 회수하기 위해 구비된 제4 열교환기(640)와, 상기 스택(100)의 수소측 미사용 가스에 포함되어 있는 열을 회수하기 위한 제5 열교환기(650)를 포함한다.
버너(60)는 제2 반응기(520)의 승온을 위해 필요하며 외부에서 공급되는 연료가스와 오프 가스(off gas)를 연소한다. 상기 버너(60)는 1개 또는 복수개로 구성될 수 있다. 상기 버너(60)에서 생성된 배기가스는 제4 열교환기(640)로 공급된 후에 외부로 배출된다.
상기 제1 열교환기(610)는 순수에 대한 예열을 위해 구비된다. 제2 열교환기(620)는 상기 제1 열교환기(610)를 경유한 연료가스가 공급되고 제4 반응기(540)로 공급되는 연료가스 온도의 안정화를 위해 구비된다. 예를 들면 수소 가스의 온도를 소정의 온도로 냉각시켜 제4 반응기(540)의 촉매가 젖는 현상을 예방할 수 있다. 이를 통해 일산화 탄소의 안정적인 제거를 도모할 수 있다.
제3 열교환기(630)는 스택(100)에서 수소와 산소의 산화 반응으로 생성된 물과 열을 회수하기 위해 구비된다.
제4열교환기(640)는 전술한 버너(60)에서 발생한 배기가스의 열을 회수하기 위해 구비되고, 상기 제3 열교환기(620)를 경유한 축열조에서 공급되는 온수를 공급받아 열을 회수한다.
제5 열교환기(650)는 일 예로 상기 스택(100)에서 수소를 75% 사용하고 나머지 25%는 버너(60)에서 연소되는데 이 때 미사용 가스에 포함된 열을 회수하고 이 때 발생하는 응축수를 회수하기 위해 구비된다. 이 경우 수분이 제거된 가스가 버너로 공급되므로 버너 연소 효율이 향상됨에 따라 연료전지 시스템의 효율이 향상된다.
상기 열교환기(600)를 경유하면서 열교환된 냉각수가 온수로 저장되는 축열조(80)가 구비되는데, 상기 축열조(80)는 일 예로 주택에서는 온수가 저장되는 온수 저장고의 역할을 할 수 있다. 이 경우 사용자는 축열조(80)에 저장된 온수를 손쉽게 이용할 수 있다.
본 실시 예는 상기 냉각수 저장 탱크(300)로부터 냉각수를 공급받아 상기 스택(100)으로 냉각수를 공급하는 제1 펌프(10)와, 상기 가습부(200)를 경유한 냉각수를 공급받아 상기 개질기(500)로 공급하는 제2 펌프(20)가 구비된다. 상기 제2 펌프(20)는 복수개로 구성될 수 있으며 제2 센서(720)가 상기 제2 펌프(20)의 전단에 위치된다.
본 실시 예는 상기 제2 반응기(520)의 승온을 위해 버너(60)가 구비되는데, 상기 버너(60)는 복수개로 구성될 수 있어 1개가 에러로 인해 작동이 중지되는 경우에도 안정적으로 사용할 수 있다.
상기 버너(60)에서 승온된 연소용 공기를 통해 스팀을 발생하고, 발생된 스팀을 상기 제2 반응기(520)로 공급되는 가스로 공급하기 위한 스팀 발생기(70)가 구비된다.
본 발명의 일 실시 예에 의한 연료전지 장치의 제어방법에 대해 도면을 참조하여 설명한다.
첨부된 도 8을 참조하면, 본 실시 예에 의한 연료전지 장치의 제어방법은 연료전지 장치가 작동되는 동안 냉각수의 전도도를 감지하고 상기 냉각수의 전도도에 따라 필터부의 교체 주기를 모니터링 하는 단계(ST100)와, 상기 필터부의 모니터링 결과를 관리자에게 제공하는 단계(ST200) 및 상기 연료전지의 작동이 중지될 경우 냉각수 저장 탱크에 저장된 냉각수의 배출을 통해 상기 냉각수 저장 탱크에 대한 클리닝을 실시하는 단계(ST300)를 포함한다.
본 실시 예에 의한 연료전지 장치의 제어방법은 다양한 제어 방법 중 냉각수의 전도도에 따라 필터부에 대한 교체를 정확한 교체 시기에 실시하고, 냉각수 저장 탱크에 저장된 다량의 냉각수를 드레인 시키면서 이물질도 동시에 외부로 배출하는 클리닝을 통해 필터부의 내구성을 동시에 향상시키고자 한다.
이를 위해 상기 필터부의 교체 주기를 모니터링 하는 단계(ST100)는 상기 필터부의 교체 주기를 모니터링 하는 단계는 상기 냉각수 저장 탱크에 저장된 냉각수의 전도도를 감지하는 제1 모니터링 단계(ST110)와, 연료전지 장치에 구비되고 스택을 경유한 냉각수의 전도도를 감지하는 제2 모니터링 단계(ST120)를 포함한다.
냉각수의 전도도는 필터부의 수명 유지에 있어 상당히 중요한데, 냉각수 저장 탱크의 경우 다량의 응축수가 유입되므로 상기 냉각수 저장 탱크에 저장된 냉각수의 전도도가 정확하게 확인될 경우 현재 연료전지 장치의 전도도는 정상 상태인 것으로 판단할 수 있다(ST110).
다만 보다 정확한 상태를 판단하기 위해 스택을 경유한 냉각수의 전도도를 감지하여 스택을 경유한 특정 위치에서 냉각수의 전도도를 정확하게 판단할 수 있다(ST120).
따라서 연료전지 장치가 작동되는 동안 냉각수의 전도도로 인한 필터부의 오염 또는 상기 냉각수 저장 탱크의 클리닝을 위한 정확한 시기를 예측할 수 있다.
상기 필터부의 모니터링 결과를 관리자에게 제공하는 단계(ST200)는 상기 냉각수의 전도도에 따라 관리자에게 해당 정보를 인터넷 망을 통해 전송하되, 상기 관리자에게 전송한 정보에 대한 확인 요청을 동시에 요청하는 단계(ST210)와, 상기 관리자로부터 일정 시간이 경과된 후에도 기 전송한 모니터링 결과 정보에 대한 확인 신호가 접수되지 않을 경우 재 요청하는 단계(ST220)를 포함한다.
관리자에게 냉각수의 전도도에 따른 정보를 제공할 때 관리자에 문자 메시지로 우선 전송하는데, 상기 문자 메시지에는 현재 냉각수의 전도도에 대한 정보와, 필터부에 대한 교체 또는 점검이 필요한지에 대한 내용이 기재된다.
문자 메시지는 1회 또는 복수회에 걸쳐 관리자에게 전송될 수 있으므로 상기 관리자가 확인할 경우 현재 연료전지 장치의 전도도에 대한 정확한 정보를 알 수 있다.
또한 관리자가 미 확인할 경우를 대비하여 상기 관리자에게 전송한 정보에 대한 확인 요청을 동시에 요청하므로(ST210) 작업자가 확인하지 못하는 경우가 최소화 될 수 있다. 따라서 관리자에게 연료전지 장치의 전도도에 대한 정확한 정보를 제공할 수 있어 데이터 전송에 따른 정확성이 향상될 수 있다.
참고로 전술한 전도도에 대한 판단과 데이터 전송은 제어부에 의해 이루어진다.
만약 제어부는 모니터링 결과 정보에 대한 확인 신호가 접수되지 않을 경우 문자 메시지와 전화로 동시에 확인 요청(ST230)한다. 이 경우 관리자는 현재 연료전지 장치의 정확한 상태를 인지할 수 있어 필터부의 이상 유무 또는 점검이 필요한지 정확하게 판단할 수 있다.
첨부된 도 9를 참조하면, 냉각수 저장 탱크에 대한 클리닝을 실시하는 단계(ST300)는 현재 작동 중인 연료전지 장치의 발전량을 확인하는 단계(ST310)와, 상기 연료전지 장치의 전도도 상태를 확인하는 단계(ST320)를 더 포함한다.
현재 작동 중인 연료전지 장치의 발전량이 정상 발전 상태에 해당되는 지 판단하는데, 이 또한 제어부에 의해 기 설정된 발전량을 기준으로 판단된다. 예를 들어 상기 발전량이 정상 범위 이내일 경우에는 정상상태로 판단하고, 비 정상 범위일 경우에는 비정상 상태로 판단한다.
또한 연료전지 장치의 현재 전도도를 확인하고 기 설정된 정상 범위 이내일 경우 정상 상태로 판단하고, 상기 전도도가 비 정상 범위일 경우에는 비정상 상태로 판단한다.
냉각수 저장 탱크에 대한 클리닝을 실시하기 위해서는(ST300) 일 예로 현재 연료전지 장치의 발전량을 확인하고(ST310), 상기 연료전지 장치의 전도도 상태를 확인한다(ST320). 그리고 상기 냉각수 저장 탱크의 바닥에 잔존하는 잔여 냉각수와 잔여 이물질에 대한 드레인을 위해 자연 배수를 실시한 후에 상기 냉각수 저장 탱크 내부로 순수를 재 공급한다(ST340).
상기 냉각수 저장 탱크는 바닥에 소정의 냉각수가 잔존하므로 이를 모두 자연 배수시킨 후에 순수를 상기 냉각수 저장 탱크의 내부로 공급한다.
본 실시 예는 전술한 방법 이외에도 상기 냉각수 저장 탱크에 대한 클리닝을 실시하기 위해(ST300) 일 예로 현재 연료전지 장치의 발전량을 확인하고(ST310), 상기 연료전지 장치의 전도도 상태를 확인한다(ST320). 그리고 상기 냉각수 저장 탱크의 바닥에 잔존하는 잔여 냉각수와 잔여 이물질에 대한 드레인을 위해 상기 냉각수 저장 탱크의 바닥으로 압축 공기를 분사한다(ST350).
이 경우 상기 잔여 냉각수는 드레인 포트를 통해 배출되며 노즐을 통해 바닥으로 압축 공기가 특정 방향으로 분사되도록 제어된다.
냉각수 저장 탱크에 잔존하는 이물질은 압축 공기에 의해 드레인 포트를 통해 용이하게 배출될 수 있고, 세척력도 향상되므로 스택의 효율 향상에 기여 할 수 있다.
그리고 상기 냉각수 저장 탱크에 잔여 냉각수와 잔여 이물질이 드레인 된 이후에 순수를 재 공급한다(ST360)
상기 냉각수 저장 탱크는 장기간 사용할 경우 바닥에 이물질이 잔존할 수 있으므로 압축 공기를 소정의 시간 동안 특정 압력으로 분사 시켜 잔존하는 이물질을 모두 드레인 시키는 것이 연료전지 장치의 효율 향상에 유리해진다.
그리고 상기 냉각수 저장 탱크로 순순를 재 공급하여 기 설정된 유량으로 유지하면 된다.
그리고 상기 냉각수 저장 탱크의 바닥면에 잔존하는 이물질을 보다 효과적으로 제거가능 하다.
본 발명의 실시 예들은 연료전지 장치에 구비된 필터부에 대한 기술 및 냉각수 저장 탱크에 대한 클리닝에 적용시켜 사용할 수 있다.

Claims (17)

  1. 적어도 1개 이상으로 구비된 스택;
    상기 스택으로 가습 공기를 공급하기 위한 가습부;
    상기 스택으로 냉각수를 공급하고 응축수를 회수하기 위해 구비된 냉각수 저장 탱크;
    상기 스택으로부터 냉각수를 공급받아 도전성 이온을 필터링하는 필터부;
    상기 가습부를 경유한 냉각수 중의 일부가 공급되는 개질기;
    상기 가습부를 경유한 냉각수 중의 일부가 공급되는 열교환기;
    상기 냉각수의 오염 상태를 감지하는 감지 센서; 및
    상기 감지 센서에서 감지된 신호를 전달받아 상기 냉각수 저장 탱크와 상기 필터부의 오염 상태를 판단하는 제어부를 포함하는 연료전지 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 냉각수 저장 탱크에는 내부로 유입된 냉각수의 수면 높이를 감지하기 위한 레벨 센서가 설치된 것을 특징으로 하는 연료전지 장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 냉각수 저장 탱크에는 내부 영역을 종 방향에서 구획하는 격벽이 구비되되, 상기 격벽은 상기 냉각수 저장 탱크의 내측 바닥과 이격된 상태가 유지되는 것을 특징으로 하는 연료전지 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 냉각수 저장 탱크에는 상기 냉각수의 온도를 상기 스택에서 요구하는 온도로 상승시키기 위해 히터가 구비된 것을 특징으로 하는 연료전지 장치.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 냉각수 저장 탱크에는 바닥면이 일측 방향으로 경사진 상태로 연장된 경사부가 형성된 연료전지 장치.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 냉각수 저장 탱크에는 저장된 냉각수가 오염시 바닥면에 잔존하는 이물질을 상기 냉각수 저장 탱크의 일측에 구비된 드레인 포트와 밸브를 포함하는 연료전지 장치
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 필터부는 알갱이 형태로 형성된 다수개의 이온교환수지가 내부에 채워진 필터 케이스;
    상기 필터 케이스의 선단부와 후단부에 각각 결합되고 연결 포트가 형성된 캡;
    상기 필터 케이스의 선단부와 후단부 내측에 형성된 단턱에 안착되고 상기 이온교환수지의 움직임을 최소화 하기 위해 구비된 지지판을 포함하는 연료전지 장치.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 지지판은 상기 이온교환수지의 알갱이의 직경에 해당되는 길이 보다 작은 길이를 갖는 메쉬 간격이 유지되는 연료전지 장치.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 필터 케이스와 상기 캡은 80도 이내의 온도까지 사용 가능하도록 폴리프로필렌 또는 금속 또는 비금속 중의 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지 장치.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 냉각수 저장 탱크로부터 냉각수를 공급받아 상기 스택으로 냉각수를 공급하는 제1 펌프;
    상기 가습부를 경유한 냉각수를 공급받아 상기 개질기로 공급하는 제2 펌프가 구비된 연료전지 장치.
  11. 제1 항에 있어서,
    상기 감지센서는 적어도 하나 이상 구비된 것을 특징으로 하는 연료전지 장치.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 감지센서로 감지된 냉각수의 전도도에 따라 상기 냉각수의 오염도를 상기 제어부가 인식하는 연료전지 장치.
  13. 제1 항에 있어서,
    상기 열교환기를 경유하면서 열교환된 냉각수가 온수로 저장되는 축열조가 구비된 것을 특징으로 하는 연료전지 장치.
  14. 연료전지 장치가 작동되는 동안 냉각수의 전도도를 감지하고 상기 냉각수의 전도도에 따라 필터부의 교체 주기를 모니터링 하는 단계;
    상기 필터부의 모니터링 결과를 관리자에게 제공하는 단계; 및
    상기 연료전지의 작동이 중지될 경우 냉각수 저장 탱크에 저장된 냉각수의 배출을 통해 상기 냉각수 저장 탱크에 대한 클리닝을 실시하는 단계를 포함하는 연료전지 장치의 제어방법.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 필터부의 교체 주기를 모니터링 하는 단계는 상기 냉각수 저장 탱크에 저장된 냉각수의 전도도를 감지하는 제1 모니터링 단계;
    연료전지 장치에 구비되고 스택을 경유한 냉각수의 전도도를 감지하는 제2 모니터링 단계를 포함하는 연료전지 장치의 제어방법.
  16. 제14 항에 있어서,
    상기 냉각수 저장 탱크에 대한 클리닝을 실시하는 단계는 현재 연료전지 장치의 발전량을 확인하는 단계;
    상기 연료전지 장치의 전도도 상태를 확인하는 단계;
    상기 냉각수 저장 탱크의 바닥에 잔존하는 잔여 냉각수와 잔여 이물질에 대한 드레인을 위해 자연 배수를 실시한 후에 상기 냉각수 저장 탱크 내부로 순수를 재 공급하는 단계를 포함하는 연료전지 장치의 제어 방법.
  17. 제 14항에 있어서,
    상기 냉각수 저장 탱크에 대한 클리닝을 실시하는 단계는 현재 연료전지 장치의 발전량을 확인하는 단계;
    상기 연료전지 장치의 전도도 상태를 확인하는 단계;
    상기 냉각수 저장 탱크의 바닥에 잔존하는 잔여 냉각수와 잔여 이물질에 대한 드레인을 위해 상기 냉각수 저장 탱크의 바닥으로 압축 공기를 분사하는 단계;
    상기 냉각수 저장 탱크에 잔여 냉각수와 잔여 이물질이 드레인 된 이후에 순수를 재공급하는 단계를 포함하는 연료전지 장치의 제어방법.
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