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KR20090036014A - 연료전지시스템의 스택정화방법 - Google Patents

연료전지시스템의 스택정화방법 Download PDF

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KR20090036014A
KR20090036014A KR1020070101090A KR20070101090A KR20090036014A KR 20090036014 A KR20090036014 A KR 20090036014A KR 1020070101090 A KR1020070101090 A KR 1020070101090A KR 20070101090 A KR20070101090 A KR 20070101090A KR 20090036014 A KR20090036014 A KR 20090036014A
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KR
South Korea
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stack
hydrogen
amount
fuel cell
cell system
Prior art date
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Withdrawn
Application number
KR1020070101090A
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English (en)
Inventor
이현재
박명석
Original Assignee
엘지전자 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Abstract

연료전지시스템의 정화방법이 개시된다. 본 발명에 따른 연료전지시스템의 정화방법은, 질소를 사용하지 않고 스택에 공급되는 공기 또는 수소의 양을 증가시키거나, 스택으로부터 배출되는 수소의 양을 증가시키거나, 스택에 공급되는 수소의 압력을 증가시켜 스택을 정화한다. 따라서, 질소를 보관할 별도의 질소용기가 필요 없게 되어 비용이 감소한다. 또한, 질소 소진시 질소용기를 주기적으로 채워주어야 하는 불편함이 없다. 특히 연료전지시스템을 가정용으로 사용할 경우에는 질소용기를 설치하기 위한 별도의 공간을 확보할 필요 없어 연료전지시스템의 설치가 용이하다. 또한, 운전 중에 주기적으로 스택 내부 유로를 정화한다. 따라서, 운전 중에 잔존하는 과수분(過水粉)과 폐가스로 인해 스택의 전류 및 전압이 떨어지는 등, 스택 성능이 저하되는 것을 막을 수 있다.
연료전지시스템, 정화, 운전 중, 주기

Description

연료전지시스템의 스택정화방법{METHOD OF PURGING STACK OF FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 연료전지시스템의 스택정화방법에 관한 것이다.
도 1은 LNG, LPG, CH3OH, 가솔린 등의 탄화수소계(CH계열) 연료를 탈황공정→개질반응→수소정제공정을 거쳐 수소(H2)만을 정제하여 연료로 사용하는 PEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)방식의 종래 연료전지시스템을 나타낸 개략도이다.
도 1에 도시된 바와 같이 종래 연료전지시스템은, 공급된 수소 및 공기로 전기를 생성하는 스택(30)과, 연료(LNG)에서 수소(H2)만을 추출하여 스택(30)에 공급하는 수소공급유닛(10)과, 공기를 스택(30) 및 수소공급유닛(10)에 공급하는 공기공급유닛(20)을 포함하여 구성된다.
상술한 수소공급유닛(10)에서 연료와 수증기가 개질반응하여 수소가 발생된다. 이때, 개질반응에 필요한 수증기를 생성하기 위해 수소공급유닛(10)는 수증기발생기(10b)와, 수증기발생기(10b)에 필요한 열을 공급하는 버너(10a)를 구비한다. 버너(10a)를 구동시키기 위해 초기에는 연료(LNG)가 버너(10a)에 공급되고, 이후에는 스택(30)에서 발전을 위해 사용하고 남은 오프개스(OFF-GAS)가 공급된다.
한편, 상술한 종래의 연료전지시스템은 운전 정지 후에 질소(N2)을 사용하여 스택(30) 내부에 잔존하는 과수분(過水粉)과 폐가스를 제거한다.
그러나, 이렇게 질소를 사용하여 스택을 정화할 경우, 질소를 보관할 별도의 질소용기가 필요하게 되어 비용이 상승하게 된다. 또한, 질소 소진시 질소를 주기적으로 채워주어야 하는 불편함이 따른다. 특히 연료전지시스템을 가정용으로 사용할 경우에는 질소용기를 설치하기 위한 별도의 공간 확보가 어렵다는 문제점이 발생한다.
또한, 운전 정지 후에 비로소 스택(30) 내부에 잔존하는 과수분(過水粉)과 폐가스를 제거하므로, 연료전지시스템의 운전 중에는 스택(30)의 내부에 잔존하는 과수분(過水粉)과 폐가스를 제거할 수 없다. 이로 인해, 운전 중에 잔존하는 과수분(過水粉)과 폐가스로 인해 스택의 전류 및 전압이 떨어지는 등 스택 성능이 저하되는 것을 막을 수 없다는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 연료전지시스템이 가지는 스택 정화방법의 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 질소를 사용하지 않고도 연료전지시스템을 정화할 수 있는 연료전지시스템의 스택 정화방법을 제공하는 데 목적이 있다. 또한, 연료전지시스템의 운전 중에 스택의 내부에 잔존하는 과수분(過水粉)과 폐가스를 제거하는 연료전지시스템의 스택 정화방법을 제공하는 데 다른 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 연료전지시스템의 스택 정화방법은, 스택 내부에 잔존하는 과수분(過水粉)과 폐가스를 제거하는 스택의 정화(淨化)방법에 있어서, 스택의 운전 중에 주기적으로 스택 내부 유로를 정화하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 스택의 공기극에 공급되는 공기의 양을 주기적으로 증가하여 상기 스택을 정화하거나, 상기 스택의 연료극에 공급되는 수소의 양을 주기적으로 증가하여 상기 스택을 정화하거나, 상기 스택의 연료극에 공급되는 수소의 압력을 주기적으로 증가하여 상기 스택을 정화하거나, 상기 스택의 연료극으로 배출되는 수소의 양을 주기적으로 증가하여 상기 스택을 정화하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 스택의 정화시작시점은 누적전하량(C,A*sec)이 기준값에 도달한 경우나, 누적발전량(KW*hr)이 기준값에 도달한 경우나, 누적수소량(lpm.min)이 기준값에 도달한 경우가 바람직하다.
본 발명에 따른 연료전지시스템의 스택 정화방법에 의하면, 질소를 사용하지 않고 스택에 공급되는 공기 또는 수소의 양을 증가시키거나, 스택으로부터 배출되는 수소의 양을 증가시키거나, 스택에 공급되는 수소의 압력을 증가시켜 스택을 정화한다. 따라서, 질소를 보관할 별도의 질소용기가 필요 없게 되어 비용이 감소한다. 또한, 질소 소진시 질소용기를 주기적으로 채워주어야 하는 불편함이 없다. 특히 연료전지시스템을 가정용으로 사용할 경우에는 질소용기를 설치하기 위한 별도의 공간을 확보할 필요 없어 연료전지시스템의 설치가 용이하다.
또한, 운전 중에 주기적으로 스택 내부 유로를 정화한다. 따라서, 운전 중에 잔존하는 과수분(過水粉)과 폐가스로 인해 스택의 전류 및 전압이 떨어지는 등, 스택 성능이 저하되는 것을 막을 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 연료전지시스템의 스택 정화방법을 첨부도면에 의거하여 상세히 설명한다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스택 정화방법이 적용된 연료전지시스템의 계통도이고, 도 3은 도 2의 스택의 단일셀을 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명인 연료전지시스템의 스택 정화방법이 적용된 연료전지시스템은, 공급된 수소 및 공기로 전기를 생성하는 스택(130)과, 연료(LNG)에서 수소(H2)만을 추출하여 스택(130)에 공급하는 수소공급유닛(110)과, 공기를 스택(130) 및 수소공급유닛(110)에 공급하는 공기공급유닛(120)을 포함하여 구성된 다.
상기 수소공급유닛(110)은 LNG에서 수소(H2)를 정제하여 스택(130)에 공급하며, 개질기(111)와 연료공급라인(112)와 연료배출라인(113)을 포함한다.
상기 개질기(111)는 연료에 함유된 황을 제거하는 탈황반응기(111a)와, 연료와 수증기가 개질 반응시켜 수소를 발생시키는 개질반응기(111b)와, 개질반응기(111b)를 거쳐 발생된 일산화탄소를 재반응시켜 수소를 추가 발생시키는 고온수반응기(111c) 및 저온수반응기(111d)와, 공기를 촉매로 하여 연료중의 일산화탄소를 제거함으로써 수소를 정제하는 부분산화반응기(111e)와, 개질반응기(111b)에 수증기를 공급하는 수증기발생기(111f)와, 수증기발생기(111f)에 필요한 열을 공급하는 버너(111g)를 포함한다.
상기 연료공급라인(112)에는 탈황반응기(111a)로 연료가 공급 또는 차단되게하는 제1밸브(V1)와, 버너(111g)로 연료가 공급 또는 차단되게 하는 제2밸브(V2)와, 스택(130)으로 개질되어 공급되는 수소의 양을 조절하는 제3밸브(V3)와, 스택(130)으로 공급되는 수소의 압력을 조절하는 제3컴프레서(C3)가 설치된다.
상기 연료배출라인(113)은 스택(130)에서 반응하고 남은 수소가 외부로 배출되는 라인으로, 연료배출라인(113)상에는 배출되는 수소의 양을 조절하는 제4밸브(V4)가 설치된다.
상기 공기공급유닛(120)은 수소공급유닛(110) 및 스택(130)에 공기를 공급하며, 제1컴프레서(C1), 제1공급라인(121), 제2컴프레서(C2), 제2공급라인(122), 공 기배출라인(123)을 포함한다.
상기 제1컴프레서(C1)는 제1공급라인(121)에 의해 버너(111g)와 연결되며, 버너(111g)에 대기중의 공기를 공급한다.
상기 제2컴프레서(C2)는 제2공급라인(122)를 통해 제2예열기(162)를 거쳐 스택(120)의 공기극(132)과 연결되며, 스택(120)의 공기극(132)에 대기중의 공기를 공급한다. 제2공급라인(122)에는 스택(120)으로 공급되는 공기의 양을 조절하는 제5밸브(V5)가 설치된다.
상기 스택(130)은 전기화학반응이 일어나는 여러개의 단일셀을 연속적으로 적층하여 구성되며, 수소와 공기를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지와 열에너지를 동시에 생성한다.
도 3을 참조하면, 상기 단일셀은, 전해질 막(131)의 양측에 수소 및 공기를 확산시키기 위한 연료극(132)과 공기극(133)이 접합되어 이루어진 막-전극 접합체(MEA:MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY)와, 그 막-전극 접합체의 양측에 밀착되도록 조립되어 연료극(132)과 공기극(133)에 수소 및 공기가 공급되는 내부 유로를 형성하는 분리판(SEPARATOR)(135,136)과, 그 분리판(135,136)의 양측에 배치되어 연료극(132)과 공기극(133)의 집전극이 되는 집전판(137,138)으로 구성되어 있다.
상기 막-전극 접합체의 전해질 막(131)은 고분자재료로 이루어진 이온교환막으로서 대표적으로 상품화된 전해질 막(131)으로는 듀폰사의 Nafion막이 있으며, 수소이온의 전달체 역할을 하는 동시에 산소와 수소의 접촉을 막는 역할을 한다.
상기 연료극(132)과 공기극(133)은 백금(Pt) 촉매층을 지지하는 지지체로서 다공성 탄소지(CARBON PAPER) 혹은 탄소천(CARBON CLOTH)이 전해질 막(131)의 양측에 접합된 구조로 되어 있다.
상기 분리판(135,136)은 치밀질의 카본 플레이트에 의해 형성되어 있고, 복수개의 리브가 형성되어 있어서 조립시 연료극(132)의 표면에서 수소가 흐르는 스택 내부 유로(135a)를 형성하고, 공기극(133)의 표면에서는 공기가 흐르는 스택 내부 유로(136a)를 형성한다.
상기 스택 내부 유로(135a)의 입구는 연료공급라인(112, 도 2참조)에, 출구는 연료배출라인(113, 도 2참조)에 각각 연결되어 있다.
상기 스택 내부 유로(136a)의 입구는 제2공급라인(122, 도 2참조)에, 출구는 공기배출라인(123, 도 2참조)에 각각 연결되어 있다.
상기 집전판(137,138)은 전기전도성이 우수하고, 내식성이 우수하며, 수소취성이 발생되지 않는 것이 바람직하며, 구체적으로는 티타늄, 스테인레스, 동 등 상기 요구성능이 만족되는 것이라면 어느 것이라도 좋다.
도 2를 참조하면, 상기 전기출력유닛(140)은 스택(130)에서 생성된 전기에너지를 교류로 변환시켜 부하에 공급한다.
상기 급수유닛(150)은 개질기(111) 및 스택(130)을 냉각하고, 스팀발생기(111f)로 상수를 공급하다. 이를 위해 급수유닛(150)은 소정량의 물을 충전하는 급수통(151)과, 스택(130)과 급수통(151) 사이를 순환식으로 연결하는 물순환라인(152)과, 물순환라인(152)의 중간에 설치하여 급수통(151)의 물을 펌핑하는 물순환펌프(153)와, 물순환라인(152)의 중간에 구비하여 순환 공급되는 물을 냉각하는 열교환기(154) 및 방열팬(155)과 급수통(151)의 물 또는 일반 상수(도면에선, 일반상수를 도시)를 스팀발생기(111f)에 공급하는 상수공급라인(156)를 포함한다. 상수공급라인(156)에는 스팀발생기(111f)로 상수가 공급 또는 차단되도록 하는 제6밸브(V6)가 설치된다.
이하, 상술한 구성을 가진 연료전지시스템의 정화방법에 대해 설명한다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템의 정화방법은, 스택(130)의 운전 중에 주기적으로 스택 내부 유로(135a, 136a,)의 과수분(過水粉)과 폐가스로 인해 스택(130)의 전류 및 전압이 떨어지는 등, 스택(130)의 성능이 저하되는 것을 방지한다.
보다 구체적으로, 운전 중 스택 내부 유로(135a)에 잔존하는 과수분(過水粉)과 폐가스를 제거하기 위해서, 스택(130)의 연료극(132)에 공급되는 수소의 양을 주기적으로 증가시킨다. 공급되는 수소의 양을 증가시키기 위해서는, 제3밸브(V3)의 개도(開度)를 크게 한다. 이로 인해, 스택 내부 유로(135a)에 흐르는 수소의 양이 증가 되어, 스택 내부 유로(135a)에 잔존하는 과수분(過水粉)과 폐가스가 수소의 흐름에 의해 쓸려서 제거된다.
또는, 운전 중 스택 내부 유로(135a)에 잔존하는 과수분(過水粉)과 폐가스를 제거하기 위해서, 스택(130)의 연료극(132)으로부터 배출되는 수소의 양을 주기적으로 증가시킨다. 배출되는 수소의 양을 증가시키기 위해서는, 제4밸브(V4)의 개도(開度)를 크게 한다. 이로 인해, 스택 내부 유로(135a)에 흐르는 수소의 양이 증가 되어, 스택 내부 유로(135a)에 잔존하는 과수분(過水粉)과 폐가스가 수소의 흐 름력에 의해 쓸려서 제거된다.
또는, 운전 중 스택 내부 유로(135a)에 잔존하는 과수분(過水粉)과 폐가스를 제거하기 위해서, 스택(130)의 연료극(132)에 공급되는 수소의 압력을 주기적으로 증가시킨다. 공급되는 수소의 압력을 증가시키기 위해서는, 제3컴프레서(C3)을 가동한다. 이로 인해, 스택 내부 유로(135a)에 흐르는 수소의 양이 증가 되어, 스택 내부 유로(135a)에 잔존하는 과수분(過水粉)과 폐가스가 수소의 흐름력에 의해 쓸려서 제거된다.
한편, 운전 중 스택 내부 유로(136a)에 잔존하는 과수분(過水粉)과 폐가스를 제거하기 위해서, 스택(130)의 공기극(132)에 공급되는 공기의 양을 주기적으로 증가시킨다. 공급되는 공기의 양을 증가시키기 위해서는, 제5밸브(V5)의 개도(開度)를 크게 한다. 이로 인해, 스택 내부 유로(136a)에 흐르는 공기의 양이 증가 되어, 스택 내부 유로(136a)에 잔존하는 과수분(過水粉)과 폐가스가 공기의 흐름에 의해 쓸려서 제거된다. 이러한, 운전 중 스택 내부 유로(136a)에 잔존하는 과수분(過水粉)과 폐가스를 제거하는 방법은 스택 내부 유로(135a)에 잔존하는 과수분(過水粉)과 폐가스를 제거하는 방법과 동시에 사용될 수도 있음은 물론이다.
이와 같이, 질소를 사용하지 않고 스택(130)에 공급되는 공기 또는 수소의 양을 증가시키거나, 스택(130)으로부터 배출되는 수소의 양을 증가시키거나, 스택(130)에 공급되는 수소의 압력을 증가시켜 스택을 정화하므로, 질소를 보관할 별도의 질소용기가 필요 없게 되어 비용이 감소한다. 또한, 질소 소진시 질소용기를 주기적으로 채워주어야 하는 불편함이 없다. 특히 연료전지시스템을 가정용으로 사 용할 경우에는 질소용기를 설치하기 위한 별도의 공간을 확보할 필요 없어 연료전지시스템의 설치가 용이해 진다.
도 4는 도 2의 스택에 공급되는 공기의 양, 수소의 양, 수소의 압력 및 스택으로부터 배출되는 수소의 양을 시간에 따라 나타낸 그래프이고, 도 5는 도 4의 스택의 정화에 따른 스택의 전압 변화를 시간에 따라 나타낸 그래프이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 스택(130)의 정화시작시점(ti)은 운전 중 스택(130)이 생성한 누적전하량(C,A*sec)이 기준값(대략 6000C 이상)에 도달한 경우나, 누적발전량(KW*hr)이 기준값(대략 10KW*hr이상)에 도달한 경우나, 누적수소량(lpm.min)이 기준값(대략 60lpm*min)에 도달한 경우이다.
스택(130)의 정화시작시점(ti)이 되면, 이용율에 근거한 일반적인 정상운전시 스택(130)에 제공되는 공기의 양(대략 80 lpm), 수소의 양(대략 100 lpm), 수소의 압력(대략 100 mmbar), 스택(130)으로부터 배출되는 수소의 양을(이하, 이를 Vn으로 통일하여 칭하기로 한다.), 스택(130)의 정화에 필요한 만큼의 공기의 양, 수소의 양, 수소의 압력, 스택(130)으로부터 배출되는 수소의 양(이하, 이를 Vp로 통일하여 칭하기로 한다.)만큼 증가시킨다.
이때, Vp는 정상 운전시의 스택(130)에 제공되는 공기의 양(대략 80 lpm), 수소의 양(대략 100 lpm)보다 20 lpm 이상 더 증가된 공기의 양 또는 수소의 양이되거나, 또는, 스택(130)의 정화시점에서 밸브(V4, 도 2참조)를 열어 스택(130)으로부터 배출되는 수소의 양이 되거나, 수소의 압력(대략 100 mmbar)보다 10 mmbar 이상 더 증가 된 수소의 압력이 될 수 있다.
한편, 스택(130)의 정화에 필요한 공기의 양, 수소의 양, 수소의 압력, 스택(130)으로부터 배출되는 수소의 양(Vp)을 증가시키는 방법은, 제3밸브(V3), 제4밸브(V4), 제5밸브(V5)의 개도 조절 및 컴퓨레서(C3)의 작동에 의한다는 것을 이미 설명하였으므로 그 설명을 생략한다.
이렇게 증가 된 공기의 양, 수소의 양, 수소의 압력, 스택(130)으로부터 배출되는 수소의 양(Vp)을 정화종료시점(tf)까지 유지시킨다.
그리고, 정화종료시점(tf)이 지나면, 증가 된 공기의 양, 수소의 양, 수소의 압력, 스택으로부터 배출되는 수소의 양(Vp)을, 일반적인 정상운전시의 스택(130)에 제공되는 공기의 양(대략 80lpm), 수소의 양(대략 100lpm), 수소의 압력(대략 100 mmbar), 스택(130)으로부터 배출되는 수소의 양(Vn)으로 다시 줄인다.
그리고, 운전 중 스택(130)이 생성한 누적전하량(C,A*sec)과, 누적발전량(KW*hr)과, 누적수소량(lpm.min)을 초기화하여, 누적전하량(C,A*sec)과, 누적발전량(KW*hr)과, 누적수소량(lpm.min)이 다시 기준값에 다시 도달하기를 기다린다.
이렇게 스택(130)의 정화를 시작하고 끝마치고, 다시 시작하고 끝마치는 과정을 주기적(P)으로 반복하여, 스택(130)의 정화를 운전 중에 실행한다.
이로 인해, 운전 중에 스택 내부 유로(135a, 136a, 도 3참조)에 잔존하는 과수분(過水粉)과 폐가스로 인해 스택(130)의 전류 및 전압이 떨어지는 등, 스택(130)의 성능이 저하되는 것을 막을 수 있다. 즉, 도 5에 도시된 바와 같이, 스택(130)의 전류가 한계 전류(limit C, 대략 30A)로 떨어지기 전에 스택(130)을 정화함으로써, 스택(130)의 운전 중 성능이 저하되는 것을 막을 수 있다.
도 1은 종래 연료전지시스템을 나타낸 개략도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스택 정화방법이 적용된 연료전지시스템의 계통도,
도 3은 도 2의 스택의 단일셀을 나타낸 도면,
도 4는 도 2의 스택에 공급되는 공기의 양, 수소의 양, 수소의 압력 및 스택으로부터 배출되는 수소의 양을 시간에 따라 나타낸 그래프,
도 5는 도 4의 스택의 정화에 따른 스택의 전압 변화를 시간에 따라 나타낸 그래프이다.
** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **
110 : 수소공급유닛 112: 연료공급라인
113: 연료배출라인 130 : 스택
132: 연료극 133: 공기극
V3 : 제3밸브 V4: 제4밸브
V5: 제5밸브 C3 : 제3컴퓨레서
ti: 정화시작시점 tf: 정화종료시점

Claims (8)

  1. 스택 내부에 잔존하는 과수분(過水粉)과 폐가스를 제거하는 스택의 정화(淨化)방법에 있어서, 스택의 운전 중에 주기적으로 스택 내부 유로를 정화하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 스택정화방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 스택의 공기극에 공급되는 공기의 양을 주기적으로 증가하여 상기 스택을 정화하는 연료전지시스템의 스택정화방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 스택의 연료극에 공급되는 수소의 양을 주기적으로 증가하여 상기 스택을 정화하는 연료전지시스템의 스택정화방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 스택의 연료극에 공급되는 수소의 압력을 주기적으로 증가하여 상기 스택을 정화하는 연료전지시스템의 스택정화방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 스택의 연료극으로 배출되는 수소의 양을 주기적으로 증가하여 상기 스택을 정화하는 연료전지시스템의 스택정화방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스택의 정화시작시점은 누적전하량(C,A*sec)이 기준값에 도달한 경우인 연료전지시스템의 스택정화방법.
  7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스택의 정화시작시점은 누적발전량(KW*hr)이 기준값에 도달한 경우인 연료전지시스템의 스택정화방법.
  8. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스택의 정화시작시점은 누적수소량(lpm.min)이 기준값에 도달한 경우인 연료전지시스템의 스택정화방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN109524688A (zh) * 2018-11-27 2019-03-26 常州易控汽车电子股份有限公司 质子交换膜燃料电池堆用氢气喷射阀驱动控制系统及方法

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