KR20250028801A - Fuel cell system and controlling method thereof - Google Patents
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Abstract
본 개시물의 다양한 실시예들에 따른 연료 전지 시스템은 연료극 및 공기극 사이에 복수의 단위 셀이 적층되어 배치되는 셀 모듈, 상기 셀 모듈을 포함하는 연료 전지 스택, 복수의 단위 셀 부하를 포함하며 상기 연료 전지 스택의 표면에 배치되고, 상기 복수의 단위 셀 각각에 상기 단위 셀 부하가 연결되어 전기에너지를 전달받는 셀 부하, 상기 연료 전지 스택과 연결되어 전기에너지를 전달받는 스택 부하, 상기 연료 전지 스택 및 스택 부하에 연결되고 상기 연료 전지 스택에서 생산되는 전기에너지를 부하단에서 요구하는 전력으로 변환하는 전력변환장치 및 상기 단위 셀의 전압, 상기 셀 모듈의 전압, 상기 연료 전지 스택의 온도 및 상기 연료 전지 스택의 표면 온도 중 적어도 어느 하나에 기초하여 상기 셀 부하 또는 상기 스택 부하의 동작을 제어하는 연료 전지 제어부를 포함할 수 있다.According to various embodiments of the present disclosure, a fuel cell system may include a cell module in which a plurality of unit cells are stacked and arranged between a fuel electrode and an air electrode, a fuel cell stack including the cell module, a cell load including a plurality of unit cell loads and disposed on a surface of the fuel cell stack, the unit cell loads being connected to each of the plurality of unit cells to receive electric energy, a stack load connected to the fuel cell stack to receive electric energy, a power conversion device connected to the fuel cell stack and the stack load to convert electric energy produced in the fuel cell stack into electric power required by a load end, and a fuel cell control unit that controls an operation of the cell load or the stack load based on at least one of a voltage of the unit cell, a voltage of the cell module, a temperature of the fuel cell stack, and a surface temperature of the fuel cell stack.
Description
본 개시물의 다양한 실시예들은 연료 전지 스택 내의 셀 모듈과 연료 전지 스택 표면에 배치되는 셀 부하를 직렬 연결하고 연료 전지 스택과 스택 부하를 병렬 연결하여 셀과 스택이 열화 등으로 인하여 손상을 입는 것을 방지하는 연료 전지 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다.Various embodiments of the present disclosure relate to a fuel cell system and a control method thereof, which prevents damage to cells and stacks due to deterioration or the like by connecting cell modules in a fuel cell stack and a cell load arranged on a surface of the fuel cell stack in series and connecting the fuel cell stack and the stack load in parallel.
연료전지는 연료(수소 또는 개질 가스)와 산화제(산소 또는 공기)를 이용하여 전기 화학적으로 전력을 생산하는 장치로서, 외부에서 지속적으로 공급되는 연료와 산화제를 전기 화학 반응에 의하여 직접 전기에너지로 변환시키는 장치이다. A fuel cell is a device that electrochemically generates electricity using fuel (hydrogen or reformed gas) and an oxidizer (oxygen or air). It is a device that directly converts fuel and oxidizer continuously supplied from the outside into electrical energy through an electrochemical reaction.
연료전지의 산화제로는 순수 산소나 산소가 다량 함유되어 있는 공기를 이용하며, 연료로는 순수 수소 또는 탄화수소계 연료(LNG, LPG, CH3OH)를 개질하여 생성된 수소가 다량 함유된 개질 가스를 사용한다.Pure oxygen or air containing a large amount of oxygen is used as the oxidizer of the fuel cell, and pure hydrogen or reformed gas containing a large amount of hydrogen produced by reforming hydrocarbon fuel (LNG, LPG, CH3OH) is used as the fuel.
연료전지는 전력과 열을 동시에 발생시키는 바, 발전효율과 열효율의 합인 총효율이 80%가 넘는 고효율 에너지 생산기기로 각광받고 있다. 또한, 실제 건물용이나 주거용 주택에 연료전지를 설치하여 사용자가 필요로 하는 전력과 열을 직접 생산하여 사용할 수 있는 장점이 있어서 사용자의 편의성이 향상될 뿐만 아니라 에너지 사용 비용을 대폭 감소시킬 수 있다.Fuel cells generate electricity and heat simultaneously, and are gaining attention as high-efficiency energy production devices with a total efficiency of over 80%, which is the sum of power generation efficiency and heat efficiency. In addition, fuel cells can be installed in actual buildings or residential houses to directly produce and use the electricity and heat that users need, which not only improves user convenience but also drastically reduces energy usage costs.
최근에는 다수의 연료전지를 통합하여 고효율 에너지를 생산하는 연료전지 시스템을 구축하여 운용하고 있다.Recently, fuel cell systems that produce high-efficiency energy by integrating multiple fuel cells have been built and operated.
이러한 연료전지는 크게, 인산형 연료전지(PAFC ; Phosphoric Acid Fuel Cell), 용융 탄산염형 연료전지(MCFC ; Molten Carbonates Fuel Cell), 고체 산화물형 연료전지(SOFC ; Solid Oxide Fuel Cell), 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC ; Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)와, 직접 메탄올형 연료전지(DMFC ; Direct Methanol Fuel Cell) 등으로 구분될 수 있다.These fuel cells can be broadly classified into phosphoric acid fuel cells (PAFC), molten carbonate fuel cells (MCFC), solid oxide fuel cells (SOFC), polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFC), and direct methanol fuel cells (DMFC).
이중 고체 산화물형 연료전지(SOFC)는 액화천연가스(LNG) 등을 산화시켜 만든 탄화수소와 산소의 전기화학적 반응으로 전력을 생산하는 저탄소 고효율 신재생에너지 발전설비다. 작동온도가 연료전지 중 가장 높은 600 ~ 1000에 이른다.The solid oxide fuel cell (SOFC) is a low-carbon, high-efficiency new renewable energy power generation facility that produces electricity through an electrochemical reaction between oxygen and hydrocarbons made by oxidizing liquefied natural gas (LNG), etc. Its operating temperature is the highest among fuel cells, at 600 to 1000 It reaches .
고체 산화물형 연료전지(SOFC)는 고온에서 작동하기 때문에 백금과 같은 고가의 귀금속 전극 촉매가 필요하지 않고 전해질 손실이나 보충이 필요치 않으며 전지 부식문제도 없고 발전효율도 높다.Because solid oxide fuel cells (SOFCs) operate at high temperatures, they do not require expensive precious metal electrode catalysts such as platinum, do not require electrolyte loss or replenishment, have no cell corrosion problems, and have high power generation efficiency.
또한 고온 가스를 배출하기 때문에 폐열을 이용한 열 복합 발전도 할 수 있다.In addition, because it emits high-temperature gas, it can also be used for combined heat and power generation using waste heat.
그리고, 고분자 전해질(막) 연료전지(PEMFC : Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)는 다른 형태의 연료전지에 비해 비교적 낮은 온도에서 작동하고 시동시간이 짧으며 부하 변화에 대한 빠른 응답 특성을 가지고 있다.Additionally, polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFCs) operate at relatively low temperatures compared to other types of fuel cells, have short startup times, and have fast response characteristics to load changes.
또한 고분자 전해질 연료전지는 효율이 높고 전류밀도 및 출력밀도가 크다. 또한 반응가스(수소 및 공기 중 산소)의 압력 변화에 덜 민감하며 다양한 범위의 출력을 낼 수 있다. 이런 이유로 무공해 차량의 동력원, 자가 발전용, 이동용 및 군사용 전원 등 다양한 분야에 응용될 수 있다.In addition, polymer electrolyte fuel cells have high efficiency and high current density and power density. They are also less sensitive to pressure changes in the reaction gases (hydrogen and oxygen in the air) and can produce a wide range of outputs. For this reason, they can be applied to various fields such as power sources for zero-emission vehicles, self-generation, mobile and military power sources.
고분자 전해질막 연료전지는 수소와 산소를 전기화학적으로 반응하여 물을 생성하면서 전기를 발생시키는 장치로서, 공급된 수소가 애노드의 촉매에서 수소이온과 전자로 분리되고, 분리된 수소이온은 전해질막을 통해 캐소드로 넘어가게 된다. 이때, 캐소드에 공급된 공기 중 산소는 외부 도선을 통해 캐소드로 들어온 전자와 결합하여 물을 생성하면서 전기 에너지를 발생시킨다.A polymer electrolyte membrane fuel cell is a device that generates electricity by electrochemically reacting hydrogen and oxygen to produce water. The supplied hydrogen is separated into hydrogen ions and electrons by the catalyst of the anode, and the separated hydrogen ions pass through the electrolyte membrane to the cathode. At this time, the oxygen in the air supplied to the cathode combines with the electrons that enter the cathode through an external conductor to produce water and generate electrical energy.
실제 건물, 산업현장, 차량, 드론 등에서 필요한 전위를 얻기 위해서는 필요한 전위만큼 단위 셀을 적층하여야 하며, 이렇게 단위 셀을 적층한 것을 스택(또는 연료전지 스택)이라 한다. 1 개의 단위 셀에서 발생하는 전위는 약1.2V로서, 다수의 셀을 직렬로 적층하여 부하에 필요한 전력을 공급하고 있다. 각 단위 셀은 막전극 접합체(MEA:Membrane Electrode Assembly)를 포함하며, 막전극 접합체에서 수소이온이 전달되는 고분자 전해질막을 사이에 두고 양측으로 수소가 공급되는 애노드 전극과 공기(산소)가 공급되는 캐소드 전극이 구비된다. 또한 촉매층을 포함하는 애노드 전극 및 캐소드 전극의 바깥쪽에는 가스 확산층이 배치되며, 이러한 막전극 접합체와 반응가스 및 쿨런트 유로가 형성된 분리판을 순차적으로 적층한 것이 연료전지 스택이다.In order to obtain the required potential in actual buildings, industrial sites, vehicles, drones, etc., unit cells must be stacked as much as the required potential, and the stacked unit cells are called a stack (or fuel cell stack). The potential generated from one unit cell is approximately 1.2 V, and multiple cells are stacked in series to supply the power required for the load. Each unit cell includes a membrane electrode assembly (MEA), and an anode electrode to which hydrogen is supplied on both sides and a cathode electrode to which air (oxygen) is supplied are provided, with a polymer electrolyte membrane between which hydrogen ions are transferred from the membrane electrode assembly. In addition, a gas diffusion layer is arranged on the outside of the anode electrode and the cathode electrode, which include a catalyst layer, and a fuel cell stack is formed by sequentially stacking such a membrane electrode assembly and a separator in which a reaction gas and coolant path are formed.
한편, 연료전지 스택은 분리판의 넓은 면적과 여러 셀들의 적층으로 인해 긴 구조적 특성을 가지고 있다. 이러한 스택의 구조적 특성으로 인해 일부 셀에 고전위가 형성되는 등 셀들 간에 전압의 불균형이 발생될 수 있다. 또한, 셀들 간에 온도의 불균형이 발생될 수 있다. 특히, 외부 환경에 연료 전지 스택의 표면은 연료 전지 스택의 내부와 온도차이가 심한 편이고, 연료 전지 스택의 온도 불균형을 크게 할 수 있다.Meanwhile, the fuel cell stack has a long structural characteristic due to the large area of the separator and the stacking of multiple cells. Due to the structural characteristic of the stack, a voltage imbalance may occur between the cells, such as the formation of a high potential in some cells. In addition, a temperature imbalance may occur between the cells. In particular, the surface of the fuel cell stack in the external environment has a large temperature difference from the inside of the fuel cell stack, which can greatly increase the temperature imbalance of the fuel cell stack.
따라서, 본 개시의 다양한 실시 예들은 상술한 문제점을 해결하기 위하여, 연료 전지 스택 내의 셀 모듈과 연료 전지 스택 표면에 배치되는 셀 부하를 직렬 연결하고 연료 전지 스택과 스택 부하를 병렬 연결하여 셀과 스택이 열화 등으로 인하여 손상을 입는 것을 방지하고자 한다.Accordingly, various embodiments of the present disclosure aim to solve the above-described problems by connecting a cell module in a fuel cell stack and a cell load arranged on the surface of the fuel cell stack in series, and connecting the fuel cell stack and the stack load in parallel, thereby preventing the cells and the stack from being damaged due to deterioration or the like.
또한, 연료 전지 시스템을 안정적으로 운전하고, 연료 전지 스택의 열화 방지, 기동 시 예열에 필요한 열원과 혹한기에 필요한 열원을 제공하고자 한다.In addition, it aims to operate the fuel cell system stably, prevent deterioration of the fuel cell stack, provide a heat source necessary for preheating during startup, and provide a heat source necessary in extreme cold weather.
본 문서에서 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 개시물이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical problems to be achieved in this document are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned can be clearly understood by a person having ordinary skill in the technical field to which the present disclosure belongs from the description below.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템은 연료극 및 공기극 사이에 복수의 단위 셀이 적층되어 배치되는 셀 모듈, 상기 셀 모듈을 포함하는 연료 전지 스택, 복수의 단위 셀 부하를 포함하며 상기 연료 전지 스택의 표면에 배치되고, 상기 복수의 단위 셀 각각에 상기 단위 셀 부하가 연결되어 전기에너지를 전달받는 셀 부하, 상기 연료 전지 스택과 연결되어 전기에너지를 전달받는 스택 부하, 상기 연료 전지 스택 및 스택 부하에 연결되고 상기 연료 전지 스택에서 생산되는 전기에너지를 부하단에서 요구하는 전력으로 변환하는 전력변환장치 및 상기 단위 셀의 전압, 상기 셀 모듈의 전압, 상기 연료 전지 스택의 온도 및 상기 연료 전지 스택의 표면 온도 중 적어도 어느 하나에 기초하여 상기 셀 부하 또는 상기 스택 부하의 동작을 제어하는 연료 전지 제어부를 포함할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, a fuel cell system may include a cell module in which a plurality of unit cells are stacked and arranged between a fuel electrode and an air electrode, a fuel cell stack including the cell module, a cell load including a plurality of unit cell loads and arranged on a surface of the fuel cell stack, the unit cell loads being connected to each of the plurality of unit cells to receive electric energy, a stack load connected to the fuel cell stack to receive electric energy, a power conversion device connected to the fuel cell stack and the stack load to convert electric energy produced in the fuel cell stack into electric power required by a load end, and a fuel cell control unit that controls an operation of the cell load or the stack load based on at least one of a voltage of the unit cell, a voltage of the cell module, a temperature of the fuel cell stack, and a surface temperature of the fuel cell stack.
상기 셀 부하는 상기 단위 셀과 상기 단위 셀 부하가 각각 직렬로 연결되고 상기 단위 셀의 전압이 기 설정된 전압을 초과하는 경우에 단위 셀 부하에 전기에너지가 전달될 수 있다.The above cell load can transfer electric energy to the unit cell load when the unit cell and the unit cell load are each connected in series and the voltage of the unit cell exceeds a preset voltage.
상기 스택 부하는 복수의 서로 다른 저항을 포함하여 상기 연료 전지 스택과 병렬 연결되고, 상기 병렬 연결되는 저항에 따라 상기 연료 전지 스택으로부터 전달받는 전기에너지를 달리할 수 있다.The above stack load includes a plurality of different resistors and is connected in parallel with the fuel cell stack, and can vary the electric energy transmitted from the fuel cell stack depending on the resistance connected in parallel.
상기 연료 전지 제어부는 상기 단위 셀의 전압, 상기 셀 모듈의 전압, 상기 연료 전지 스택의 온도 및 상기 연료 전지 스택의 표면 온도 중 적어도 어느 하나에 기초하여 상기 연료극에 연료를 공급 또는 차단 및 상기 공기극에 공기를 공급 또는 차단하도록 제어할 수 있다.The fuel cell control unit can control to supply or block fuel to the fuel electrode and to supply or block air to the air electrode based on at least one of the voltage of the unit cell, the voltage of the cell module, the temperature of the fuel cell stack, and the surface temperature of the fuel cell stack.
상기 연료 전지 제어부는 상기 연료 및 공기의 공급에 의하여 상기 셀 모듈에서 생산되는 전기 에너지가 상기 셀 부하 또는 스택 부하에 전달되도록 상기 셀 부하 또는 스택 부하의 동작을 제어할 수 있다.The above fuel cell control unit can control the operation of the cell load or stack load so that the electric energy produced in the cell module by the supply of the fuel and air is transmitted to the cell load or stack load.
상기 연료 전지 제어부는 기동 퍼지 단계, 기동 예열 단계, 정지 퍼지 단계, 냉해 방지 단계 및 열 공급량 증가 단계 중 적어도 어느 하나의 단계에서 상기 단위 셀의 전압, 상기 셀 모듈의 전압, 상기 연료 전지 스택의 온도 및 상기 연료 전지 스택의 표면 온도 중 적어도 어느 하나에 기초하여 상기 셀 부하 또는 상기 스택 부하의 동작을 제어할 수 있다.The fuel cell control unit can control the operation of the cell load or the stack load based on at least one of the voltage of the unit cell, the voltage of the cell module, the temperature of the fuel cell stack, and the surface temperature of the fuel cell stack in at least one of the startup purge phase, the startup preheating phase, the stop purge phase, the cold damage prevention phase, and the heat supply amount increase phase.
상기 기동 퍼지 단계는 연료극 퍼지 단계 및 공기극 퍼지 단계를 포함할 수 있다.The above-described purge step may include a fuel electrode purge step and an air electrode purge step.
상기 연료 전지 제어부는 상기 연료극 퍼지 단계에서 상기 연료 전지 스택의 연료극에 수소 라인을 통하여 수소가 공급 및 순환하도록 제어하고, 수소 퍼지 밸브를 온(On)하여 상기 연료극 내의 비활성 기체가 배출되도록 제어하고, 상기 복수의 단위 셀의 전압과 셀 부하의 동작을 개시하는 제1 기준 전압을 비교 판단하고, 상기 복수의 단위 셀 중 어느 하나의 단위 셀의 전압이 상기 제1 기준 전압을 초과하는 경우에 상기 단위 셀과 연결된 상기 단위 셀 부하에 전기 에너지를 전달하도록 상기 셀 부하의 동작을 제어하고, 상기 복수의 단위 셀의 전압과 셀 부하의 동작을 종료하는 제2 기준 전압을 비교 판단하고, 상기 복수의 단위 셀 중 어느 하나의 단위 셀의 전압이 상기 제2 기준 전압 미만인 경우에 상기 단위 셀과 연결된 단위 셀 부하에 전기 에너지의 전달이 차단되도록 상기 셀 부하의 동작을 제어하고, 그리고, 상기 셀 모듈의 전압과 셀 부하의 동작을 종료하는 제3 기준 전압을 비교 판단하여, 상기 셀 모듈의 전압이 상기 제3 기준 전압을 초과하지 않는 경우에 셀 부하의 동작이 종료되도록 셀 부하를 제어 및 상기 수소 퍼지 밸브를 오프(Off)하여 연료 라인으로부터 연료가 빠져나가지 않도록 제어할 수 있다.The fuel cell control unit controls hydrogen to be supplied and circulated through a hydrogen line to the fuel electrode of the fuel cell stack in the fuel electrode purge step, controls a hydrogen purge valve to be turned on so that inert gas in the fuel electrode is discharged, compares and determines a first reference voltage for initiating operation of the plurality of unit cells with the voltage of the cell load, and controls the operation of the cell load to transfer electric energy to the unit cell load connected to the unit cell when the voltage of any one unit cell among the plurality of unit cells exceeds the first reference voltage, compares and determines a second reference voltage for terminating the operation of the cell load, and controls the operation of the cell load to block the transfer of electric energy to the unit cell load connected to the unit cell when the voltage of any one unit cell among the plurality of unit cells is lower than the second reference voltage, and compares and determines a voltage of the cell module with a third reference voltage for terminating the operation of the cell load, and controls the cell load so that the operation of the cell load is terminated when the voltage of the cell module does not exceed the third reference voltage, and opens the hydrogen purge valve. It can be turned off to control fuel from leaking out of the fuel line.
상기 연료 전지 제어부는 상기 공기극 퍼지 단계에서 상기 연료 전지 스택의 공기극에 공기 라인을 통하여 공기가 공급되도록 제어하고, 공기 배출 차단 밸브를 통하여 상기 공기극 내의 비활성 기체가 배출되도록 제어하고, 상기 복수의 단위 셀의 전압과 셀 부하의 동작을 개시하는 제4 기준 전압을 비교 판단하여, 상기 복수의 단위 셀 중 어느 하나의 단위 셀의 전압이 상기 제4 기준 전압을 초과하는 경우에 상기 단위 셀과 연결된 상기 단위 셀 부하에 전기 에너지를 전달하도록 상기 셀 부하의 동작을 제어하고, 상기 셀 모듈의 전압과 스택 부하의 동작을 개시하는 제5 기준 전압을 비교 판단하여, 상기 셀 모듈의 전압이 상기 제5 기준 전압을 초과하는 경우에 연료 전지 스택으로부터 스택 부하에 전기 에너지가 전달되도록 상기 스택 부하의 동작을 제어하고, 그리고, 상기 스택 부하에 전기 에너지가 전달되어 상기 스택 부하에 흐르는 전류와 기 설정된 스택 부하의 최대 전류를 비교 판단하여, 상기 스택 부하에 흐르는 전류가 상기 최대 전류 이상인 경우에 기동 퍼지 단계를 종료하도록 제어할 수 있다.The fuel cell control unit controls air to be supplied to the cathode of the fuel cell stack through an air line during the cathode purge step, controls inert gas in the cathode to be discharged through an air discharge blocking valve, compares and determines a fourth reference voltage for initiating operation of the plurality of unit cells with the voltage of the cell load, and controls the operation of the cell load to transfer electric energy to the unit cell load connected to the unit cell when the voltage of any one of the plurality of unit cells exceeds the fourth reference voltage, compares and determines a fifth reference voltage for initiating operation of the cell module with the voltage of the stack load, and controls the operation of the stack load to transfer electric energy from the fuel cell stack to the stack load when the voltage of the cell module exceeds the fifth reference voltage, and further, compares and determines a current flowing in the stack load due to the electric energy being transferred to the stack load with a preset maximum current of the stack load, and controls to terminate the start-up purge step when the current flowing in the stack load is greater than or equal to the maximum current.
상기 연료 전지 제어부는 기 설정된 연료 퍼지 시간 동안 반복하여 상기 복수의 단위 셀의 전압과 제1 기준 전압 및 제2 기준 전압을 비교 판단할 수 있다.The above fuel cell control unit can repeatedly compare and determine the voltages of the plurality of unit cells with the first reference voltage and the second reference voltage during a preset fuel purge time.
상기 연료 전지 제어부는 상기 스택 부하에 흐르는 전류가 상기 최대 전류 미만인 경우에는 상기 연료 전지 스택으로부터 전기에너지를 전달받아 상기 최대 전류 이상으로 전류가 흐르도록 상기 스택 부하를 제어할 수 있다.The fuel cell control unit can control the stack load so that, when the current flowing through the stack load is less than the maximum current, electric energy is transferred from the fuel cell stack and the current flows more than the maximum current.
상기 연료 전지 제어부는 상기 기동 예열 단계에서 상기 연료 전지 스택의 온도와 상기 연료 전지 스택의 표면 온도의 차이를 기 설정된 허용 온도 차이와 비교 판단하고, 상기 온도 차이가 상기 기 설정된 허용 온도 차이를 초과하는 경우에는 기 설정된 허용 온도 차이에 기초하여 상기 연료극에 연료를 공급 및 상기 공기극에 공기를 추가로 공급하도록 제어하고, 상기 추가로 공급된 연료 및 공기에 의하여 상기 셀 모듈에서 생산되는 전기 에너지가 상기 셀 부하에 전달되도록 상기 셀 부하의 동작을 제어할 수 있다.The fuel cell control unit may determine by comparing the difference between the temperature of the fuel cell stack and the surface temperature of the fuel cell stack in the startup preheating step with a preset allowable temperature difference, and if the temperature difference exceeds the preset allowable temperature difference, may control to supply fuel to the fuel electrode and additionally supply air to the air electrode based on the preset allowable temperature difference, and may control the operation of the cell load such that the electric energy produced in the cell module by the additionally supplied fuel and air is transmitted to the cell load.
상기 셀 부하는 상기 전달된 전기에너지를 열에너지로 변환하여 상기 연료 전지 스택의 표면 온도를 상승시킬 수 있다.The above cell load can convert the transmitted electrical energy into thermal energy to increase the surface temperature of the fuel cell stack.
상기 연료 전지 제어부는 상기 온도 차이가 상기 기 설정된 허용 온도 차이 이하인 경우에는 상기 셀 부하에 전기에너지가 전달되지 않도록 상기 셀 부하의 동작을 제어하고, 그리고, 상기 연료극에 연료의 공급을 차단 및 상기 공기극에 공기의 공급을 차단하도록 제어할 수 있다.The fuel cell control unit can control the operation of the cell load so that electric energy is not transmitted to the cell load when the temperature difference is less than or equal to the preset allowable temperature difference, and can control to block the supply of fuel to the fuel electrode and block the supply of air to the air electrode.
상기 연료 전지 제어부는 상기 연료 전지 스택의 온도와 기 설정된 예열 완료 판정 온도를 비교 판단하고, 상기 연료 전지 스택의 온도가 상기 예열 완료 판정 온도를 초과하는 경우에는 상기 연료 전지 스택으로부터 상기 스택 부하에 전기 에너지가 전달되지 않도록 스택 부하의 동작을 제어할 수 있다.The fuel cell control unit compares and determines the temperature of the fuel cell stack with a preset preheating completion determination temperature, and if the temperature of the fuel cell stack exceeds the preheating completion determination temperature, controls the operation of the stack load so that electric energy is not transmitted from the fuel cell stack to the stack load.
상기 연료 전지 제어부는 상기 연료 전지 스택의 온도가 상기 예열 완료 판정 온도 이하인 경우에는, 상기 예열 완료 판정 온도에 기초하여 상기 연료극에 연료를 공급 및 상기 공기극에 공기를 추가로 공급하도록 제어하고, 상기 추가로 공급된 연료 및 공기에 의하여 상기 셀 모듈에서 생산되는 전기 에너지가 상기 스택 부하에 전달되도록 상기 스택 부하의 동작을 제어할 수 있다.The fuel cell control unit may control, when the temperature of the fuel cell stack is lower than or equal to the preheating completion determination temperature, to supply fuel to the fuel electrode and additionally supply air to the air electrode based on the preheating completion determination temperature, and control the operation of the stack load so that electric energy produced in the cell module by the additionally supplied fuel and air is transmitted to the stack load.
상기 셀 모듈은 상기 추가로 공급된 연료 및 공기가 전기화학적 반응하여 생산되는 열에너지를 이용하여 상기 연료 전지 스택의 온도를 상승시킬 수 있다.The above cell module can increase the temperature of the fuel cell stack by using heat energy produced by the electrochemical reaction of the additionally supplied fuel and air.
상기 연료 전지 제어부는 상기 정지 퍼지 단계에서 발전을 종료한 후에 상기 연료극 및 공기극 내에 물을 배출하기 위하여 수소 퍼지 밸브 및 공기 배출 차단 밸브를 제어하고, 상기 연료 전지 스택의 전압과 기 설정된 퍼지 완료 판정 전압을 비교하여 판단하고, 상기 연료 전지 스택의 전압이 상기 퍼지 완료 판정 전압 미만인 경우에 상기 연료 전지 스택으로부터 상기 스택 부하에 전달되는 전기 에너지를 차단하도록 상기 스택 부하의 동작을 제어하고, 그리고, 상기 공기극 내에 공기의 공급을 차단하도록 공기 라인을 제어할 수 있다.The fuel cell control unit may control a hydrogen purge valve and an air discharge cutoff valve to discharge water into the fuel electrode and the air electrode after power generation is terminated in the stop purge step, compare the voltage of the fuel cell stack with a preset purge completion determination voltage to make a determination, and control the operation of the stack load to block electric energy transmitted from the fuel cell stack to the stack load when the voltage of the fuel cell stack is lower than the purge completion determination voltage, and control an air line to block the supply of air into the air electrode.
연료 전지 제어부는 상기 복수의 단위 셀의 전압 중 최저 전압을 가지는 단위 셀의 전압과 기 설정된 연료를 차단하는 제6 기준 전압과 비교 판단하여, 상기 최저 전압을 가지는 단위 셀의 전압이 상기 제6 기준 전압 미만인 경우에 상기 연료극에 연료 공급을 차단하도록 제어하고, 상기 복수의 단위 셀의 전압과 셀 부하의 종료를 판단하는 제7 기준 전압을 비교 판단하여, 상기 복수의 단위 셀 중 어느 하나의 단위 셀의 전압이 상기 제7 기준 전압 미만인 경우에 상기 단위 셀과 연결된 단위 셀 부하에 전기 에너지의 전달이 차단되도록 상기 셀 부하의 동작을 제어하고, 그리고, 상기 셀 모듈의 전압과 셀 부하의 동작을 종료하는 제8 기준 전압을 비교 판단하여, 상기 셀 모듈의 전압이 상기 제8 기준 전압 미만인 경우에는 상기 셀 부하의 동작이 종료되도록 제어 및 수소 퍼지 밸브를 온(On)하여 상기 연료극의 수소가 배출되도록 제어할 수 있다.The fuel cell control unit compares and determines the voltage of a unit cell having the lowest voltage among the voltages of the plurality of unit cells with a sixth reference voltage for cutting off a preset fuel, and controls to cut off the fuel supply to the fuel electrode if the voltage of the unit cell having the lowest voltage is less than the sixth reference voltage, compares and determines the voltages of the plurality of unit cells with a seventh reference voltage for determining the termination of the cell load, and controls the operation of the cell load so that the transmission of electric energy to the unit cell load connected to the unit cell is cut off if the voltage of any one unit cell among the plurality of unit cells is less than the seventh reference voltage, and compares and determines the voltage of the cell module with an eighth reference voltage for terminating the operation of the cell load, and controls to terminate the operation of the cell load if the voltage of the cell module is less than the eighth reference voltage, and turns on a hydrogen purge valve to control so that hydrogen of the fuel electrode is discharged.
상기 연료 전지 제어부는 상기 냉해 방지 단계에서 외부 온도와 기 설정된 냉해 보호 판정 온도를 비교 판단하여, 상기 외부 온도가 상기 냉해 보호 판정 온도 미만인 경우에 상기 연료 전지 스택의 온도와 상기 연료 전지 스택의 표면 온도의 차이를 상기 기 설정된 허용 온도 차이와 비교 판단하고, 상기 온도 차이가 상기 기 설정된 허용 온도 차이를 초과하는 경우에는 기 설정된 허용 온도 차이에 기초하여 상기 연료극에 연료를 공급 및 상기 공기극에 공기를 추가로 공급하도록 제어하고, 상기 추가로 공급된 연료 및 공기에 의하여 상기 셀 모듈에서 생산되는 전기 에너지가 상기 셀 부하에 전달되도록 셀 부하의 동작을 제어할 수 있다.The fuel cell control unit may compare and determine an external temperature with a preset cold damage protection determination temperature in the cold damage prevention step, and if the external temperature is lower than the cold damage protection determination temperature, compare and determine a difference between a temperature of the fuel cell stack and a surface temperature of the fuel cell stack with the preset allowable temperature difference, and if the temperature difference exceeds the preset allowable temperature difference, control to supply fuel to the fuel electrode and additionally supply air to the air electrode based on the preset allowable temperature difference, and control the operation of the cell load so that electric energy produced in the cell module by the additionally supplied fuel and air is transmitted to the cell load.
상기 셀 부하는 상기 전달된 전기에너지를 열에너지로 변환하여 상기 연료 전지 스택의 표면 온도를 상승시킬 수 있다.The above cell load can convert the transmitted electrical energy into thermal energy to increase the surface temperature of the fuel cell stack.
상기 연료 전지 제어부는 상기 온도 차이가 상기 기 설정된 허용 온도 차이 이하인 경우에는 셀 부하에 전기에너지가 전달되지 않도록 셀 부하의 동작을 제어하고, 그리고, 상기 연료극에 연료의 공급을 차단 및 상기 공기극에 공기의 공급을 차단하도록 제어할 수 있다.The fuel cell control unit can control the operation of the cell load so that electric energy is not transmitted to the cell load when the temperature difference is less than or equal to the preset allowable temperature difference, and can control to block the supply of fuel to the fuel electrode and block the supply of air to the air electrode.
상기 연료 전지 제어부는 열 공급량 증가 단계에서 상기 연료 전지 스택에서 생산되는 발전 열 생산량과 열 수요량을 비교 판단하고, 발전 열 생산량이 열 수요량을 초과하는 경우에 연료 전지 스택으로부터 스택 부하에 전기에너지가 전달되지 않도록 스택 부하의 동작을 제어하고, 상기 연료극에 연료 공급을 차단 및 공기극에 공기 공급을 차단하도록 제어할 수 있다.The fuel cell control unit may compare and determine the amount of heat generation produced by the fuel cell stack and the amount of heat demand in the heat supply increase stage, and control the operation of the stack load so that electric energy is not transmitted from the fuel cell stack to the stack load when the amount of heat generation exceeds the amount of heat demand, and control to block the supply of fuel to the fuel electrode and block the supply of air to the air electrode.
상기 연료 전지 제어부는 발전 열 생산량이 열 수요량 이하인 경우에는, 상기 열 수요량에 기초하여 상기 연료극에 연료를 공급 및 상기 공기극에 공기를 추가로 공급하도록 제어하고, 상기 추가로 공급된 연료 및 공기에 의하여 상기 셀 모듈에서 생산되는 전기 에너지가 상기 스택 부하에 전달되도록 상기 스택 부하의 동작을 제어하고, 그리고, 상기 추가로 공급된 연료 및 공기에 의하여 상기 셀 모듈에서 생산되는 열 에너지가 열 수요가 필요한 연료 전지 시스템의 운전장치에 전달되도록 상기 연료 전지 스택을 제어할 수 있다.The fuel cell control unit may control, when the amount of generated heat production is less than or equal to the amount of heat demand, to supply fuel to the fuel electrode and additionally supply air to the air electrode based on the amount of heat demand, control the operation of the stack load so that electrical energy produced in the cell module by the additionally supplied fuel and air is transferred to the stack load, and control the fuel cell stack so that thermal energy produced in the cell module by the additionally supplied fuel and air is transferred to an operating device of the fuel cell system requiring a heat demand.
본 개시의 다양한 실시 예들에 따르면, 연료 전지 스택 내의 셀 모듈과 연료 전지 스택 표면에 배치되는 셀 부하를 직렬 연결하고 연료 전지 스택과 스택 부하를 병렬 연결하여 셀과 스택이 열화 등으로 인하여 손상을 입는 것을 방지할 수 있다.According to various embodiments of the present disclosure, a cell module in a fuel cell stack and a cell load disposed on a surface of a fuel cell stack are connected in series, and the fuel cell stack and the stack load are connected in parallel, so as to prevent the cells and the stack from being damaged due to deterioration or the like.
또한, 연료 전지 시스템을 안정적으로 운전할 수 있고, 연료 전지 스택의 열화 방지, 기동 시 예열에 필요한 열원과 혹한기에 필요한 열원을 제공할 수 있다.In addition, it can operate the fuel cell system stably, prevent deterioration of the fuel cell stack, provide a heat source required for preheating during startup, and provide a heat source required in extreme cold weather.
본 개시물에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The effects obtainable from the present disclosure are not limited to the effects mentioned above, and other effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art to which the present disclosure belongs from the description below.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시시예 따른 연료 전지 시스템의 일부 구성을 나타내는 도면이다.
도 3a 및 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 기동 퍼지 단계에 관한 흐름을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 기동 예열 단계에 관한 흐름을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 정지 퍼지 단계에 관한 흐름을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉해 방지 단계에 관한 흐름을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 열 공급량 증가 단계에 관한 흐름을 나타내는 도면이다.FIG. 1 is a drawing showing the configuration of a fuel cell system according to one embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a drawing showing a partial configuration of a fuel cell system according to one embodiment of the present invention.
FIGS. 3A and 3B are flowcharts showing a start-up purge step according to one embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing a flow chart of a preheating step according to one embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a flow diagram showing a stop purge step according to one embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a diagram showing a flow chart of a cold damage prevention step according to one embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a diagram showing a flow chart of a heat supply increase step according to one embodiment of the present invention.
본 개시물의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 개시물은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 개시물의 개시가 완전하도록 하며, 본 개시물이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 개시물의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 개시물은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.The advantages and features of the present disclosure, and the methods for achieving them, will become apparent by referring to the embodiments described in detail below together with the accompanying drawings. However, the present disclosure is not limited to the embodiments disclosed below, but may be implemented in various different forms, and the embodiments are provided only to make the disclosure of the present disclosure complete and to fully inform those skilled in the art of the scope of the disclosure, and the present disclosure is defined only by the scope of the claims. Like reference numerals refer to like elements throughout the specification.
하나의 구성 요소가 다른 구성 요소와 "연결된(connected to)" 또는 "커플링된(coupled to)" 이라고 지칭되는 것은, 다른 구성 요소와 직접 연결 또는 커플링된 경우 또는 중간에 다른 구성 요소를 개재한 경우를 모두 포함한다. 반면, 하나의 구성 요소가 다른 구성 요소와 "직접 연결된(directly connected to)" 또는 "직접 커플링된(directly coupled to)"으로 지칭되는 것은 중간에 다른 구성 요소를 개재하지 않은 것을 나타낸다. "및/또는"은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.When a component is referred to as being "connected to" or "coupled to" another component, it includes both the case where it is directly connected or coupled to the other component, or where there are other intervening components. On the other hand, when a component is referred to as being "directly connected to" or "directly coupled to" another component, it indicates that there are no other intervening components. "And/or" includes each and every combination of one or more of the mentioned items.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 개시물을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성 요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성 요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.The terminology used herein is for the purpose of describing embodiments only and is not intended to be limiting of the present disclosure. As used herein, the singular includes the plural unless the context clearly dictates otherwise. The terms "comprises" and/or "comprising," as used herein, do not exclude the presence or addition of one or more other components, steps, operations, and/or elements.
비록 제1, 제2 등이 다양한 구성 요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성 요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다.Although the terms first, second, etc. are used to describe various components, these components are not limited by these terms. These terms are only used to distinguish one component from another.
따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성 요소는 본 개시물의 기술적 사상 내에서 제2 구성 요소 일 수도 있음은 물론이다. 다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 개시물이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.Therefore, it should be understood that the first component mentioned below may also be the second component within the technical concept of the present disclosure. Unless otherwise defined, all terms (including technical and scientific terms) used in this specification may be used with a meaning that can be commonly understood by a person having ordinary knowledge in the technical field to which the present disclosure belongs. In addition, terms defined in a commonly used dictionary shall not be ideally or excessively interpreted unless explicitly specifically defined.
본 실시예에서 사용되는 '부' 또는 '모듈'이라는 용어는 소프트웨어 또는 FPGA또는 ASIC과 같은 하드웨어 구성요소를 의미하며, '부' 또는 '모듈'은 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만 '부' 또는 '모듈'은 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. '부' 또는 '모듈'은 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다. 따라서, 일 예로서 '부' 또는 '모듈'은 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성 요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들, 및 변수들을 포함할 수 있다. 구성요소들과 '부' 또는 '모듈'들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 '부' 또는 '모듈'들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 '부' 또는 '모듈'들로 더 분리될 수 있다.The term 'part' or 'module' used in this embodiment means a software or hardware component such as an FPGA or ASIC, and the 'part' or 'module' performs certain roles. However, the 'part' or 'module' is not limited to software or hardware. The 'part' or 'module' may be configured to be on an addressable storage medium and may be configured to play one or more processors. Thus, as an example, the 'part' or 'module' may include components such as software components, object-oriented software components, class components, and task components, processes, functions, attributes, procedures, subroutines, segments of program code, drivers, firmware, microcode, circuits, data, databases, data structures, tables, arrays, and variables. The functionality provided in the components and 'parts' or 'modules' may be combined into a smaller number of components and 'parts' or 'modules', or may be further separated into additional components and 'parts' or 'modules'.
본 개시물의 몇몇 실시예들과 관련하여 설명되는 방법 또는 알고리즘의 단계는 프로세서에 의해 실행되는 하드웨어, 소프트웨어 모듈, 또는 그 2 개의 결합으로 직접 구현될 수 있다. 소프트웨어 모듈은 RAM 메모리, 플래시 메모리, ROM 메모리, EPROM 메모리, EEPROM 메모리, 레지스터, 하드 디스크, 착탈형 디스크, CD-ROM, 또는 당업계에 알려진 임의의 다른 형태의 기록 매체에 상주할 수도 있다. 예시적인 기록 매체는 프로세서에 커플링되며, 그 프로세서는 기록 매체로부터 정보를 판독할 수 있고 저장 매체에 정보를 기입할 수 있다. 다른 방법으로, 기록 매체는 프로세서와 일체형일 수도 있다. 프로세서 및 기록 매체는 주문형 집적회로(ASIC) 내에 상주할 수도 있다. ASIC는 사용자 단말기 내에 상주할 수도 있다.The steps of a method or algorithm described in connection with some embodiments of the present disclosure may be implemented directly in hardware, a software module, or a combination of the two, executed by a processor. The software module may reside in RAM memory, flash memory, ROM memory, EPROM memory, EEPROM memory, registers, a hard disk, a removable disk, a CD-ROM, or any other form of storage medium known in the art. An exemplary storage medium is coupled to the processor, such that the processor can read information from, and write information to, the storage medium. In the alternative, the storage medium may be integral to the processor. The processor and the storage medium may reside in an application specific integrated circuit (ASIC). The ASIC may reside in a user terminal.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 다른 연료 전지 시스템의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.FIG. 1 is a drawing schematically showing the configuration of a fuel cell system according to another embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 연료 전지 시스템은 셀 모듈(103), 셀 부하(102), 연료 전지 스택(104)을 포함하는 스택 모듈(101), 수소 공급 차단 밸브(201), 수소 퍼지 밸브(202), 수소 순환 블로워(203), 공기 공급 블로워(301), 공기 공급 차단 밸브(302), 공기 배출 차단 밸브(303), 스택 부하(401), 냉각수 순환 펌프(402), 냉각수 열교환기(403)및 연료 전지 제어부(미도시)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1, the fuel cell system may include a cell module (103), a cell load (102), a stack module (101) including a fuel cell stack (104), a hydrogen supply cut-off valve (201), a hydrogen purge valve (202), a hydrogen circulation blower (203), an air supply blower (301), an air supply cut-off valve (302), an air exhaust cut-off valve (303), a stack load (401), a coolant circulation pump (402), a coolant heat exchanger (403), and a fuel cell control unit (not shown).
연료 전지 시스템은 수소와 산소를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지를 생성할 수 있다.Fuel cell systems can generate electrical energy by electrochemically reacting hydrogen and oxygen.
연료 전지 스택(104)은 연료 공급부(미도시) 및 공기 공급부(미도시)에서 연료 및 공기를 공급받을 수 있다. 연료 전지 스택(104)은 연료가 함유하는 수소와 공기가 함유하는 산소를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지 및 열에너지를 생성할 수 있다.The fuel cell stack (104) can receive fuel and air from a fuel supply unit (not shown) and an air supply unit (not shown). The fuel cell stack (104) can generate electrical energy and thermal energy by electrochemically reacting hydrogen contained in the fuel and oxygen contained in the air.
연료 전지 스택(104)은 연료 공급부(미도시)에서 순수한 수소 또는 수소를 다량으로 함유하는 개질가스를 공급받을 수 있다. 여기서 개질가스는 개질부(미도시)가 메탄올, 에탄올 또는 천연가스, LPG 등과 같이 액상 또는 기체 상태로 이루어진 탄화수소계 연료를 촉매충과 산화 반응시켜 발생시킬 수 있다.The fuel cell stack (104) can be supplied with pure hydrogen or reformed gas containing a large amount of hydrogen from a fuel supply unit (not shown). Here, the reformed gas can be generated by the reforming unit (not shown) causing a hydrocarbon fuel in a liquid or gaseous state, such as methanol, ethanol, natural gas, or LPG, to undergo an oxidation reaction with a catalyst layer.
연료 공급부에서 공급하는 수소 또는 개질가스는 연료 라인을 통하여 연료 전지 스택(104)에 공급될 수 있다. 연료 라인을 통하여 전달되는 수소 또는 개질 가스는 수소 공급 차단 밸브(201), 수소 퍼지 밸브(202), 수소 순환 블로워(203) 등에 의하여 연료 전지 스택(104)의 연료극에 공급, 차단 및 순환될 수 있다. Hydrogen or reformed gas supplied from a fuel supply unit can be supplied to a fuel cell stack (104) through a fuel line. Hydrogen or reformed gas delivered through the fuel line can be supplied, blocked, and circulated to a fuel electrode of a fuel cell stack (104) by a hydrogen supply cutoff valve (201), a hydrogen purge valve (202), a hydrogen circulation blower (203), etc.
수소 공급 차단 밸브(201)는 연료 전지 제어부의 제어 신호에 의하여 선택적으로 개폐하여 연료 전지 스택(104)에 전달되는 수소의 공급을 차단할 수 있다. 수소 공급 차단 밸브(201)는 연료 공급부에서 전달하는 연료의 공급량을 조절하여 연료 전지 스택(104)에 전달할 수 있다.The hydrogen supply cutoff valve (201) can selectively open and close according to a control signal from the fuel cell control unit to cut off the supply of hydrogen delivered to the fuel cell stack (104). The hydrogen supply cutoff valve (201) can control the amount of fuel delivered from the fuel supply unit and deliver it to the fuel cell stack (104).
수소 퍼지 밸브(202)는 연료 전지 제어부의 제어에 의하여 선택적으로 개폐하여 연료극에 반응하지 않은 비활성 기체나 물을 배출할 수 있다.The hydrogen purge valve (202) can be selectively opened and closed under the control of the fuel cell control unit to discharge inert gas or water that has not reacted with the fuel electrode.
수소 순환 블로워(203)는 연료극에서 반응하지 못한 수소 또는 개질가스를 순환시켜 다시 연료극에 공급할 수 있다. 수소 순환 블로워(203)는 연료 사용의 효율성을 높이기 위하여 연료극에서 산화반응으로 수소 이온이 되지 못한 수소 또는 개질가스를 순환시켜 다시 연료극에 전달할 수 있다.The hydrogen circulation blower (203) can circulate hydrogen or reformed gas that has not reacted at the fuel electrode and supply it back to the fuel electrode. The hydrogen circulation blower (203) can circulate hydrogen or reformed gas that has not been converted to hydrogen ions through an oxidation reaction at the fuel electrode and supply it back to the fuel electrode in order to increase the efficiency of fuel use.
공기 공급부(미도시)는 공기 라인을 통하여 산소를 함유하는 대기 중의 공기를 연료 전지 스택(104)에 공급할 수 있다.An air supply unit (not shown) can supply atmospheric air containing oxygen to the fuel cell stack (104) through an air line.
공기 공급 블로워(301)는 공기 라인을 통하여 전달되는 공기의 유량을 조절하여 연료 전지 스택(104)에 공급할 수 있다.The air supply blower (301) can control the flow rate of air delivered through the air line and supply it to the fuel cell stack (104).
공기 공급 블로워(301)는 공기 펌프와 같은 장비일 수 있다. 공기 공급 블로워(301)는 공기 공급부에서 공급되는 공기에 압력을 가하여 연료 전지 스택(104)에 전달할 수 있다.The air supply blower (301) may be equipment such as an air pump. The air supply blower (301) can apply pressure to air supplied from the air supply unit and transmit it to the fuel cell stack (104).
공기 공급 차단 밸브(302)는 연료 전지 제어부의 제어 신호에 의하여 선택적으로 개폐하여 연료 전지 스택(104)에 전달되는 공기의 공급을 차단할 수 있다.The air supply cutoff valve (302) can be selectively opened and closed by a control signal from the fuel cell control unit to cut off the supply of air to the fuel cell stack (104).
공기 배출 차단 밸브(303)는 연료 전지 제어부의 제어 신호에 의하여 선택적으로 개폐하여 공기극 내 산소가 반응하는 동안 공기의 배출을 차단할 수 있다.The air discharge blocking valve (303) can be selectively opened and closed by a control signal from the fuel cell control unit to block the discharge of air while oxygen in the air electrode reacts.
냉각수 순환 펌프(402)는 냉각수가 스택 부하(401) 또는 연료 전지 스택(104)에서 발생되는 열에너지와 열교환을 할 수 있도록 냉각수를 순환시킬 수 있다. 냉각수 순환 펌프(402)에 의하여 냉각수가 스택 부하(401)에 공급될 수 있다.The coolant circulation pump (402) can circulate the coolant so that the coolant can exchange heat with the heat energy generated from the stack load (401) or the fuel cell stack (104). The coolant can be supplied to the stack load (401) by the coolant circulation pump (402).
냉각수는 스택 부하(401)에서 발생되는 열과 열교환하여, 스택 부하(401) 주변의 온도가 소정의 온도 범위 내로 유지되도록 할 수 있다. 스택 부하(401)에서 1차적으로 열 교환한 냉각수는 연료 전지 스택(104)에 공급될 수 있다. 냉각수는 연료 전지 스택(104)에서 2차적으로 열 교환을 할 수 있다. 2차적으로 열 교환한 냉각수는 냉각수 열교환기에 전달될 수 있다. The coolant can exchange heat with the heat generated from the stack load (401) so that the temperature around the stack load (401) is maintained within a predetermined temperature range. The coolant that has undergone heat exchange primarily in the stack load (401) can be supplied to the fuel cell stack (104). The coolant can undergo heat exchange secondarily in the fuel cell stack (104). The coolant that has undergone heat exchange secondarily can be delivered to the coolant heat exchanger.
냉각수 열교환기는 열교환으로 온도가 높아지거나 또는 낮아진 냉각수의 온도를 다시 기 설정된 온도 범위 내외로 조절할 수 있다. 냉각수를 기 설정된 일정한 온도 범위 내로 유지하기 위하여, 냉각수 열교환기는 열 교환된 냉각수의 온도를 기 설정된 온도 범위 내로 조절하여 냉각수 순환 펌프(402)에 전달할 수 있다.The cooling water heat exchanger can adjust the temperature of the cooling water, which has been increased or decreased by heat exchange, back to within a preset temperature range. In order to maintain the cooling water within a preset constant temperature range, the cooling water heat exchanger can adjust the temperature of the heat-exchanged cooling water to within a preset temperature range and deliver it to the cooling water circulation pump (402).
즉 냉각수는 1차적으로 스택 부하(401)에서 열을 회수하거나 방출할 수 있고, 2차적으로 연료 전지 스택(104)에서 열을 회수하거나 방출할 수 있다. 그로 인하여 냉각수 온도가 높아지거나 또는 낮아질 수 있고, 냉각수 열교환기에서 냉각수 온도가 기 설정된 온도 범위 내외를 유지하도록 냉각수의 온도를 낮추거나 또는 높일 수 있다.That is, the coolant can primarily recover or release heat from the stack load (401), and secondarily recover or release heat from the fuel cell stack (104). As a result, the coolant temperature can be increased or decreased, and the coolant temperature can be lowered or increased so that the coolant temperature in the coolant heat exchanger is maintained within a preset temperature range.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 스택(104)의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.FIG. 2 is a drawing schematically showing the configuration of a fuel cell stack (104) according to one embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 스택 모듈(101)은 셀 모듈(103),셀 부하(102), 연료 전지 스택(104)을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 2, the stack module (101) may include a cell module (103), a cell load (102), and a fuel cell stack (104).
셀 모듈(103)은 연료극 및 공기극 사이에 복수의 단위 셀이 적층되어 배치 수 있다. 단위 셀은 수소 및 산소에 의하여 전기화화적 반응에 의하여 전기 에너지를 발생시킬 수 있다. 단위 셀에서 발생되는 전기 에너지는 대략 1.2[V] 이하이기 때문에, 부하에 필요한 전력을 공급하기 위하여 단위 셀들이 직렬로 적층되어 배치될 수 있다. 각각의 단위 셀에 공급되는 수소 및 산소의 유량, 수소 및 산소의 반응 속도나 크기가 상이할 수 있다. 따라서 각각의 단위 셀에서 발생되는 전기에너지의 전위 값이 상이할 수 있다.The cell module (103) may be arranged such that a plurality of unit cells are stacked between the fuel electrode and the air electrode. The unit cell may generate electric energy through an electrochemical reaction using hydrogen and oxygen. Since the electric energy generated from the unit cell is approximately 1.2 [V] or less, the unit cells may be stacked in series to supply the power required for the load. The flow rates of hydrogen and oxygen supplied to each unit cell, and the reaction rates and sizes of hydrogen and oxygen may be different. Therefore, the potential value of the electric energy generated from each unit cell may be different.
복수의 단위 셀 각각에 상기 단위 셀 부하가 직렬로 연결될 수 있다. 각각의 단위 셀에서 발생되는 전기에너지는 직렬로 연결된 단위 셀 부하에 전달될 수 있다. 각각의 단위 셀 마다 생산하는 전기에너지의 전위 값이 상이할 수 있고, 전기에너지의 전위 값이 클수록 단위 셀 부하에 전달되는 전기에너지는 커질 수 있다.The unit cell load may be connected in series to each of the plurality of unit cells. The electric energy generated from each unit cell may be transferred to the unit cell load connected in series. The potential value of the electric energy produced by each unit cell may be different, and the greater the potential value of the electric energy, the greater the electric energy transferred to the unit cell load.
복수의 단위 셀 각각에 전압센서가 연결되어 각각의 단위 셀에서 생산되는 전기에너지의 전위 값을 전압으로 측정할 수 있다. 또한, 셀 모듈(103)에서 생산된 전체 전기에너지의 전위 값을 측정하기 위한 전압센서가 셀 모듈(103)에 연결될 수 있다. 전기에너지의 전위 값이 높을수록 높은 전압이 측정될 수 있다.A voltage sensor may be connected to each of the plurality of unit cells so that the potential value of the electric energy produced in each unit cell can be measured as a voltage. In addition, a voltage sensor for measuring the potential value of the total electric energy produced in the cell module (103) may be connected to the cell module (103). The higher the potential value of the electric energy, the higher the voltage can be measured.
전압센서에 의하여 측정된 각각의 단위 셀의 전압 및 셀 모듈(103)의 전압에 대한 정보는 연료 전지 제어부에 전달될 수 있다. 연료 전지 제어부는 각각의 단위 셀의 전압 및 셀 모듈(103)의 전압에 대한 정보에 기초하여 각각의 단위 셀과 연결된 단위 셀 부하 사이가 도통되어 전기 에너지가 전달될 수 있도록 셀 부하(102)를 제어할 수 있다. 예를 들어, 단위 셀과 단위 셀 부하 사이에 스위치가 배치될 수 있고, 연료 전지 제어부는 스위치를 온 또는 오프하여 단위 셀과 단위 셀 부하 사이에 연결을 제어할 수 있다.Information about the voltage of each unit cell measured by the voltage sensor and the voltage of the cell module (103) can be transmitted to the fuel cell control unit. The fuel cell control unit can control the cell load (102) so that electrical energy can be transmitted between the unit cell and the unit cell load connected to each unit cell based on the information about the voltage of each unit cell and the voltage of the cell module (103). For example, a switch can be arranged between the unit cell and the unit cell load, and the fuel cell control unit can control the connection between the unit cell and the unit cell load by turning the switch on or off.
셀 부하(102)는 단위 셀 부하를 포함하며, 연료 전지 스택(104)의 표면에 배치될 수 있다. 단위 셀 부하는 단위 셀 각각에 연결되어 전기에너지를 전달받을 수 있다. 구체적으로, 단위 셀 부하는 단위 셀 각각에 직렬로 연결될 수 있다.The cell load (102) includes a unit cell load and may be placed on the surface of the fuel cell stack (104). The unit cell load may be connected to each unit cell to receive electrical energy. Specifically, the unit cell load may be connected in series to each unit cell.
단위 셀 부하는 단위 셀에서 생산되는 전기에너지의 전위 값에 따라 단위 셀로부터 전기에너지를 전달받거나 또는 전기에너지의 전달이 차단될 수 있다. 전술한 바와 같이, 연료 전지 제어부는 각각의 단위 셀의 전압 정보에 기초하여 단위 셀과 연결되는 단위 셀 부하에 전기에너지가 전달되도록 셀 부하(102)의 동작을 제어하거나 또는 전기에너지가 차단되도록 셀 부하(102)의 동작을 제어할 수 있다.The unit cell load can receive electric energy from the unit cell or have the electric energy transmission blocked depending on the potential value of the electric energy produced in the unit cell. As described above, the fuel cell control unit can control the operation of the cell load (102) so that electric energy is transmitted to the unit cell load connected to the unit cell based on the voltage information of each unit cell, or control the operation of the cell load (102) so that the electric energy is blocked.
예를 들어, 후술하는 바와 같이, 복수의 단위 셀 중 어느 하나의 단위 셀에서 생산되는 전기에너지의 전압을 측정하고, 측정된 전압이 고전위 노출을 방지하기 위한 제1 기준 전압을 초과하는 경우에는 단위 셀과 연결된 단위 셀 부하에 전기에너지가 전달될 수 있다.For example, as described below, the voltage of electrical energy produced in one unit cell among a plurality of unit cells may be measured, and if the measured voltage exceeds a first reference voltage for preventing high potential exposure, the electrical energy may be transferred to a unit cell load connected to the unit cell.
보다 구체적으로, 예를 들어, 수소 및 산소의 반응이 제1 단위 셀에서 제2 단위 셀보다 커서 제1 단위 셀에서 제2 단위 셀보다 전위가 높은 전기에너지를 생산할 수 있다. 제1 단위 셀에서 측정된 제1 전압은 고전위 노출 방지를 위한 제1 기준 전압을 초과할 수 있고, 제1 단위 셀과 연결된 제1 단위 셀 부하에 전기에너지가 전달될 수 있다. 반면에 제2 단위 셀에서 측정된 제2 전압은 제1 기준 전압을 초과할 수 없고, 제2 단위 셀과 연결된 제2 단위 셀 부하에는 전기에너지가 전달될 수 없다.More specifically, for example, the reaction of hydrogen and oxygen may be greater in the first unit cell than in the second unit cell, so that the first unit cell may produce electrical energy having a higher potential than the second unit cell. The first voltage measured in the first unit cell may exceed a first reference voltage for preventing high potential exposure, and the electrical energy may be transferred to the first unit cell load connected to the first unit cell. On the other hand, the second voltage measured in the second unit cell may not exceed the first reference voltage, and the electrical energy may not be transferred to the second unit cell load connected to the second unit cell.
셀 부하(102)는 연료 전지 스택(104)의 표면에 배치되어 단위 셀로부터 전달받은 전기에너지를 열에너지로 변환하고 연료 전지 스택(104)의 표면의 온도를 높일 수 있다. 셀 부하(102)는 기동 단계에서 예열을 하거나 또는 혹한기와 같이 외부 온도가 기 설정된 냉해 판정 온도보다 낮은 경우에 전기에너지를 열에너지로 변환하여 연료 전지 스택(104)의 표면 온도를 높일 수 있다.The cell load (102) is arranged on the surface of the fuel cell stack (104) to convert electric energy received from the unit cell into thermal energy and increase the temperature of the surface of the fuel cell stack (104). The cell load (102) can preheat during the startup phase or, when the external temperature is lower than a preset cold damage judgment temperature, such as in a cold season, to convert electric energy into thermal energy and increase the surface temperature of the fuel cell stack (104).
연료 전지 스택(104)은 셀 모듈(103)을 포함하고 셀 모듈(103)에서 수소 및 산소가 전기화학적으로 반응하여 생성하는 전기에너지를 스택 부하(401) 또는 전력변환장치(501)에 전달할 수 있다.A fuel cell stack (104) includes a cell module (103) and can transmit electrical energy generated by electrochemical reaction of hydrogen and oxygen in the cell module (103) to a stack load (401) or a power conversion device (501).
연료 전지 스택(104)은 연료 공급부로부터 연료를 전달받는 연료극과 공기 공급부로부터 공기를 전달받는 공기극을 포함할 수 있다.The fuel cell stack (104) may include a fuel electrode that receives fuel from a fuel supply unit and an air electrode that receives air from an air supply unit.
연료 전지 스택(104)은 연료극과 공기극 사이에 복수의 단위 셀들이 적층되어 폭이 넓은 구조적 특징을 가질 수 있다. 이러한 연료 전지 스택(104)의 구조적 특징으로 인하여 일부 셀에 고전위가 형성되는 등 셀들 간에 전압의 불균형이 발생될 수 있다. 또한, 셀들 간에 온도의 불균형이 발생될 수 있다. 특히, 외부 환경에 연료 전지 스택(104)의 표면은 연료 전지 스택(104)의 내부와 온도차이가 심한 편이고, 연료 전지 스택(104)의 온도 불균형을 크게 할 수 있다.The fuel cell stack (104) may have a wide structural feature in which multiple unit cells are stacked between the fuel electrode and the air electrode. Due to this structural feature of the fuel cell stack (104), a voltage imbalance may occur between the cells, such as high potential being formed in some cells. In addition, a temperature imbalance may occur between the cells. In particular, the surface of the fuel cell stack (104) in the external environment has a large temperature difference with the inside of the fuel cell stack (104), which may greatly increase the temperature imbalance of the fuel cell stack (104).
연료 전지 스택(104)은 전압 센서를 포함하고, 전압 센서는 연료 전지 스택(104)에서 생산되는 전압을 측정할 수 있다. 전압 센서에서 측정된 연료 전지 스택(104)의 전압에 대한 정보는 연료 전지 제어부에 전달될 수 있다. 연료 전지 제어부는 연료 전지 스택(104)의 전압 정보에 기초하여 연료 전지 스택(104)의 전압이 스택 부하(401)의 동작을 개시하는 기준 전압을 초과하는 경우에 스택 부하(401)에 전기 에너지를 전달하도록 연료 전지 스택(104) 및 스택 부하(401)의 동작을 제어할 수 있다.The fuel cell stack (104) includes a voltage sensor, and the voltage sensor can measure a voltage produced by the fuel cell stack (104). Information about the voltage of the fuel cell stack (104) measured by the voltage sensor can be transmitted to a fuel cell control unit. The fuel cell control unit can control the operation of the fuel cell stack (104) and the stack load (401) to transmit electric energy to the stack load (401) when the voltage of the fuel cell stack (104) exceeds a reference voltage for initiating operation of the stack load (401) based on the voltage information of the fuel cell stack (104).
연료 전지 스택(104)은 내부 및 표면에 온도 센서를 포함할 수 있고, 온도 센서는 연료 전지 스택(104)의 온도 및 표면의 온도를 측정할 수 있다. 온도 센서에 의하여 측정된 연료 전지 스택(104)의 표면 온도 및 스택의 온도는 연료 전지 제어부에 전달될 수 있다. 연료 전지 제어부는 연료 전지 스택(104)의 표면 온도 및 스택의 온도에 대한 정보에 기초하여 연료 전지 스택(104)에 연료 및 공기를 추가로 공급하도록 제어할 수 있다. 연료 전지 스택(104)에 연료 및 공기가 추가로 공급되어 셀 모듈(103)에서 전기화학적 반응이 보다 많이 발생할 수 있고, 전기에너지 및 열에너지가 보다 많이 생산될 수 있다. 셀 모듈(103)에서 추가로 생산되는 전기에너지는 셀 부하(102)에 전달될 수 있고, 셀 부하(102)는 전달받은 전기에너지를 열에너지로 변환하여 연료 전지 스택(104)의 표면의 온도를 높일 수 있다. 그리고, 셀 모듈(103)에서 추가로 생산되는 열에너지는 연료 전지 스택(104)의 온도를 높일 수 있다. 또한, 연료 전지 스택(104)은 셀 부하(102)가 전달받을 수 있는 전기에너지의 한계 이상으로 전기에너지를 생산할 수 있고, 생산된 전기에너지는 스택 부하(401)에 전달될 수 있다. 이와 동시에 열에너지가 보다 많이 생산될 수 있고, 생산된 열에너지는 연료 전지 스택(104)의 온도를 보다 많이 높일 수 있다. 이를 통해, 기동 단계 또는 혹한기와 같은 환경에서 연료 전지 스택(104)을 안정적으로 예열하거나 또는 연료 전지 스택(104)의 온도의 불균형을 줄일 수 있다.The fuel cell stack (104) may include temperature sensors inside and on the surface, and the temperature sensors may measure the temperature of the fuel cell stack (104) and the surface temperature. The surface temperature of the fuel cell stack (104) and the temperature of the stack measured by the temperature sensors may be transmitted to the fuel cell control unit. The fuel cell control unit may control to additionally supply fuel and air to the fuel cell stack (104) based on the information about the surface temperature of the fuel cell stack (104) and the temperature of the stack. Fuel and air are additionally supplied to the fuel cell stack (104), so that more electrochemical reactions may occur in the cell module (103), and more electrical energy and thermal energy may be produced. The electrical energy additionally produced in the cell module (103) may be transmitted to the cell load (102), and the cell load (102) may convert the received electrical energy into thermal energy to increase the temperature of the surface of the fuel cell stack (104). In addition, the heat energy additionally produced in the cell module (103) can increase the temperature of the fuel cell stack (104). In addition, the fuel cell stack (104) can produce electric energy exceeding the limit of the electric energy that the cell load (102) can receive, and the produced electric energy can be transmitted to the stack load (401). At the same time, more heat energy can be produced, and the produced heat energy can increase the temperature of the fuel cell stack (104) more. Through this, the fuel cell stack (104) can be stably preheated in an environment such as a startup phase or a cold season, or the temperature imbalance of the fuel cell stack (104) can be reduced.
스택 부하(401)는 연료 전지 스택(104)과 연결되어 전기에너지를 전달받을 수 있다. 스택 부하(401)는 복수의 서로 다른 저항을 포함할 수 있고 연료 전지 스택(104)과 병렬 연결될 수 있다. 병렬 연결되는 저항에 따라 연료 전지 스택(104)으로부터 전달받는 전기에너지를 달리할 수 있다. 예를 들어, 연료 전지 스택(104)으로부터 스택 부하(401)에 및 전력변환장치(501)에 분배되어 전달되는 전기 에너지에 대하여 스택 부하(401)의 저항을 줄이거나 또는 증가시킴으로써 스택 부하(401)에 전달되는 전기 에너지의 비중을 증가시키거나 또는 줄일 수 있다.The stack load (401) can be connected to the fuel cell stack (104) and receive electric energy. The stack load (401) can include a plurality of different resistors and can be connected in parallel with the fuel cell stack (104). Depending on the resistance connected in parallel, the electric energy received from the fuel cell stack (104) can be changed. For example, by reducing or increasing the resistance of the stack load (401), the proportion of the electric energy transmitted to the stack load (401) can be increased or decreased with respect to the electric energy distributed and transmitted from the fuel cell stack (104) to the stack load (401) and the power conversion device (501).
스택 부하(401)는 연료 전지 스택(104)과 저항 사이에 스위치를 배치할 수 있고, 연료 전지 제어부에 의하여 스위치를 온 또는 오프하여 전기에너지를 전달받거나 또는 차단할 수 있다. 전술한 바와 같이 연료 전지 제어부는 연료 전시 스택의 전압 정보에 기초하여 연료 전지 스택(104) 및 스택 부하(401) 사이가 도통되어 전기에너지가 전달될 수 있도록 제어할 수 있다.The stack load (401) can place a switch between the fuel cell stack (104) and the resistor, and the fuel cell control unit can turn the switch on or off to transmit or block electric energy. As described above, the fuel cell control unit can control the fuel cell stack (104) and the stack load (401) to be electrically connected based on voltage information of the fuel cell stack so that electric energy can be transmitted.
전력변환장치(501)는 연료 전기 스택 및 스택 부하(401)에 연결되고, 연료 전지 스택(104)에서 생산되는 전기에너지를 부하단에서 요구하는 전력으로 변환할 수 있다.The power conversion device (501) is connected to the fuel cell stack and the stack load (401) and can convert electric energy produced by the fuel cell stack (104) into electric power required by the load.
전력변환장치(501)는 연료 전지 스택(104)에서 발생한 직류 전기를 전기 부하(전동기, 계통 등)에서 사용할 수 있도록 전압, 주파수 등을 변환할 수 있다.The power conversion device (501) can convert the voltage, frequency, etc. of the direct current generated from the fuel cell stack (104) so that it can be used in an electric load (motor, system, etc.).
전력변환장치(501)에 전달되는 전기에너지에 기초하여 셀 부하(102) 또는 스택 부하(401)에 전달되는 전기에너지가 결정될 수 있고, 연료 전지 스택(104)에 공급되는 연료 및 공기의 유량이 결정될 수 있다.Based on the electrical energy delivered to the power conversion device (501), the electrical energy delivered to the cell load (102) or the stack load (401) can be determined, and the flow rates of fuel and air supplied to the fuel cell stack (104) can be determined.
연료 전지 제어부는 단위 셀의 전압, 셀 모듈(103)의 전압, 연료 전지 스택(104)의 온도 및 연료 전지 스택(104)의 표면 온도 중 적어도 어느 하나에 기초하여 셀 부하(102) 또는 스택 부하(401)의 동작을 제어할 수 있다.The fuel cell control unit can control the operation of the cell load (102) or the stack load (401) based on at least one of the voltage of the unit cell, the voltage of the cell module (103), the temperature of the fuel cell stack (104), and the surface temperature of the fuel cell stack (104).
연료 전지 제어부는 단위 셀의 전압, 셀 모듈(103)의 전압, 연료 전지 스택(104)의 온도 및 연료 전지 스택(104)의 표면 온도에 기초하여 연료극에 연료를 공급 또는 차단 및 공기극에 공기를 공급 또는 차단하도록 제어할 수 있다.The fuel cell control unit can control to supply or block fuel to the fuel electrode and to supply or block air to the air electrode based on the voltage of the unit cell, the voltage of the cell module (103), the temperature of the fuel cell stack (104), and the surface temperature of the fuel cell stack (104).
전술한 바와 같이 연료 전지 제어부는 단위 셀의 전압 또는 셀 모듈(103)의 전압이 낮은 경우에 연료 전지 스택(104)에 연료 및 공기가 많이 공급되도록 연료 라인 및 공기 라인을 제어할 수 있다. 또한, 연료 전지 스택(104)의 온도 및 연료 전지 스택(104)의 표면 온도가 낮은 경우에 연료 전지 스택(104)에 연료 및 공기가 많이 공급되도록 연료 라인 및 공기 라인을 제어할 수 있다.As described above, the fuel cell control unit can control the fuel line and the air line so that a large amount of fuel and air is supplied to the fuel cell stack (104) when the voltage of the unit cell or the voltage of the cell module (103) is low. In addition, the fuel line and the air line can be controlled so that a large amount of fuel and air is supplied to the fuel cell stack (104) when the temperature of the fuel cell stack (104) and the surface temperature of the fuel cell stack (104) are low.
반면에 연료 전지 제어부는 단위 셀의 전압 또는 셀 모듈(103)의 전압이 높은 경우에 연료 전지 스택(104)에 연료 및 공기가 차단되도록 연료 라인 및 공기 라인을 제어할 수 있다. 또한, 연료 전지 스택(104)의 온도 및 연료 전지 스택(104)의 표면 온도가 높은 경우에 연료 전지 스택(104)에 연료 및 공기가 차단되도록 연료 라인 및 공기 라인을 제어할 수 있다.On the other hand, the fuel cell control unit can control the fuel line and the air line so that the fuel and air are blocked to the fuel cell stack (104) when the voltage of the unit cell or the voltage of the cell module (103) is high. In addition, the fuel line and the air line can be controlled so that the fuel and air are blocked to the fuel cell stack (104) when the temperature of the fuel cell stack (104) and the surface temperature of the fuel cell stack (104) are high.
연료 전지 제어부는 연료 및 공기의 공급에 의하여 셀 모듈(103)에서 생산되는 전기 에너지가 셀 부하(102) 또는 스택 부하(401)에 전달되도록 셀 부하(102) 또는 스택 부하(401)의 동작을 제어할 수 있다.The fuel cell control unit can control the operation of the cell load (102) or the stack load (401) so that the electric energy produced in the cell module (103) by the supply of fuel and air is transferred to the cell load (102) or the stack load (401).
전술한 바와 같이, 연료 전지 제어부는 단위 셀로부터 측정된 전압이 기 설정된 전압을 초과하는 경우에 단위 셀과 연결되는 단위 셀 부하에 전기 에너지를 전달할 수 있도록 셀부하의 동작을 제어할 수 있다.As described above, the fuel cell control unit can control the operation of the cell load so as to transfer electrical energy to the unit cell load connected to the unit cell when the voltage measured from the unit cell exceeds a preset voltage.
또한, 연료 전지 제어부는 단위 셀로부터 측정된 전압이 기 설정된 전압 이하인 경우에는 단위 셀과 연결된 단위 셀 부하에 전기에너지가 전달되지 않도록 셀 부하(102)의 동작을 제어할 수 있다.Additionally, the fuel cell control unit can control the operation of the cell load (102) so that electrical energy is not transferred to the unit cell load connected to the unit cell when the voltage measured from the unit cell is lower than a preset voltage.
연료 전지 제어부는 기동 퍼지 단계, 기동 예열 단계, 정지 퍼지 단계, 냉해 방지 단계 및 열 공급량 증가 단계 중 적어도 어느 하나의 단계에서 단위 셀의 전압, 셀 모듈(103)의 전압, 상기 연료 전지 스택(104)의 온도 및 상기 연료 전지 스택(104)의 표면 온도 중 적어도 어느 하나에 기초하여 셀 부하(102) 또는 스택 부하(401)의 동작을 제어할 수 있다.The fuel cell control unit can control the operation of the cell load (102) or the stack load (401) based on at least one of the voltage of the unit cell, the voltage of the cell module (103), the temperature of the fuel cell stack (104), and the surface temperature of the fuel cell stack (104) in at least one of the start-up purge phase, the start-up preheat phase, the stop purge phase, the cold damage prevention phase, and the heat supply increase phase.
이하에서 각 제어 단계에 따라 연료 전지 제어부가 연료 전지 시스템을 제어하는 방법에 대하여 구체적으로 설명한다.Below, the method by which the fuel cell control unit controls the fuel cell system according to each control step is specifically described.
1)먼저, 기동 퍼지 단계에 대하여 이하에서 자세히 설명한다.1) First, the mobile purge step is explained in detail below.
도 3a 및 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 기동 퍼지 단계에 관한 흐름을 나타내는 도면이다.FIGS. 3A and 3B are flowcharts showing a start-up purge step according to one embodiment of the present invention.
도 3a 및 3b를 참조하면, 기동 퍼지 단계는 연료극 퍼지 단계 및 공기극 퍼지 단계를 포함할 수 있다.Referring to FIGS. 3a and 3b, the start-up purge step may include a fuel electrode purge step and an air electrode purge step.
기동 퍼지 단계 중 연료극 퍼지 단계는, 먼저 단계 S301에서, 연료 전지 제어부는 연료 전지 스택(104)의 연료극에 수소 라인을 통하여 수소가 공급 및 순환하도록 제어하고, 수소 퍼지 밸브(202)를 온(On)하여 상기 연료극 내의 비활성 기체가 배출되도록 제어할 수 있다.In the fuel electrode purge step during the start-up purge step, first, in step S301, the fuel cell control unit controls hydrogen to be supplied and circulated through a hydrogen line to the fuel electrode of the fuel cell stack (104), and turns on the hydrogen purge valve (202) to control inert gas within the fuel electrode to be discharged.
단계 S302에서, 연료 전지 제어부는 복수의 단위 셀의 전압과 셀 부하(102)의 동작을 개시하는 제1 기준 전압을 비교 판단할 수 있다. 구체적으로, 연료 퍼지 단계에서 공기극 상에 잔여 산소가 존재할 수 있다. 일부 단위 셀에서 공급되는 수소와 잔여 산소가 반응하여 고전위를 가지는 전기에너지가 생산될 수 있다. 인접하는 단위 셀들과 전위 차이 등에 의하여 열화가 발생하고 단위 셀은 손상을 입을 수 있다. 이러한 고전위 노출을 방지하기 위하여 기 설정된 기준 전위 이상으로 전기 에너지가 발생되는 경우에, 단위 셀과 연결된 단위 셀 부하에 전기에너지를 전달하여 단위 셀을 보호할 수 있다. 따라서, 연료 전지 제어부는 고전위 노출을 방지하기 위하여 셀 부하(102)의 동작을 개시하는 제1 기준 전압을 설정할 수 있고, 측정된 각각의 단위 셀의 전압과 기 설정된 제1 기준 전압을 비교하여 판단할 수 있다.In step S302, the fuel cell control unit can compare and determine the voltage of the plurality of unit cells with the first reference voltage that initiates the operation of the cell load (102). Specifically, residual oxygen may exist on the air electrode during the fuel purge step. Hydrogen supplied from some unit cells may react with residual oxygen to produce electric energy having a high potential. Deterioration may occur due to a potential difference with adjacent unit cells, and the unit cell may be damaged. In order to prevent such high potential exposure, when electric energy is generated above a preset reference potential, the unit cell may be protected by transmitting electric energy to the unit cell load connected to the unit cell. Therefore, the fuel cell control unit can set the first reference voltage that initiates the operation of the cell load (102) in order to prevent high potential exposure, and can compare the measured voltage of each unit cell with the preset first reference voltage to make a determination.
그리고, 연료 전지 제어부는 기 설정된 퍼지 시간 동안 복수의 단위 셀의 전압과 제1 기준 전압 이하인 경우에는 단계 S302를 반복하여 복수의 단위 셀의 전압과 제1 기준 전압을 비교 판단할 수 있다.And, if the voltage of the plurality of unit cells is lower than or equal to the first reference voltage during the preset purge time, the fuel cell control unit can compare and determine the voltage of the plurality of unit cells with the first reference voltage by repeating step S302.
단계 S303에서, 연료 전지 제어부는 복수의 단위 셀 중 어느 하나의 단위 셀의 전압이 제1 기준 전압을 초과하는 경우에 단위 셀과 연결된 단위 셀 부하에 전기 에너지를 전달하도록 셀 부하(102)의 동작을 제어할 수 있다. 제1 기준 전압을 초과하는 단위 셀의 전기에너지를 셀 부하(102)에 전달함으로써 단위 셀의 전기에너지의 전위 값을 낮출 수 있고 고전위 노출을 방지할 수 있다. In step S303, the fuel cell control unit can control the operation of the cell load (102) to transfer electric energy to the unit cell load connected to the unit cell when the voltage of any one unit cell among the plurality of unit cells exceeds the first reference voltage. By transferring the electric energy of the unit cell exceeding the first reference voltage to the cell load (102), the potential value of the electric energy of the unit cell can be lowered and exposure to a high potential can be prevented.
단계 S304에서, 연료 전지 제어부는 복수의 단위 셀의 전압과 셀 부하(102)의 동작을 종료하는 제2 기준 전압을 비교 판단할 수 있다. 전술한 바와 같이, 단위 셀에서 수소 및 산소가 반응하고 공기극 내에 산소가 소모될 수 있다. 그리고, 단위 셀은 연결된 단위 셀 부하에 전기에너지를 전달함으로써 전위 값이 낮아지고 고전위에 노출될 위험을 줄어들 수 있다. 따라서, 단위 셀에서 단위 셀 부하에 전기 에너지를 전달할 필요가 없게 되고 단위 셀과 단위 셀 부하의 전기적 연결을 차단하기 위하여 셀 부하(102)의 동작을 제어할 수 있다. 따라서, 연료 전지 제어부는 공기부 내 산소가 소모되어 셀 부하(102)의 동작을 종료하는 제2 기준 전압을 설정할 수 있고, 측정된 단위 셀 전압과 제2 기준 전압을 비교하여 셀 부하(102)의 동작 종료 여부를 판단할 수 있다.In step S304, the fuel cell control unit can compare and determine the voltages of the plurality of unit cells and the second reference voltage that terminates the operation of the cell load (102). As described above, hydrogen and oxygen may react in the unit cell and oxygen may be consumed in the air electrode. In addition, the unit cell may reduce the risk of being exposed to a high potential by transmitting electrical energy to the connected unit cell load, thereby lowering the potential value. Accordingly, there is no need to transmit electrical energy from the unit cell to the unit cell load, and the operation of the cell load (102) may be controlled to cut off the electrical connection between the unit cell and the unit cell load. Accordingly, the fuel cell control unit can set the second reference voltage that terminates the operation of the cell load (102) when oxygen in the air electrode is consumed, and can determine whether the operation of the cell load (102) is terminated by comparing the measured unit cell voltage with the second reference voltage.
그리고, 연료 전지 제어부는 기 설정된 퍼지 시간 동안 복수의 단위 셀의 전압과 제2 기준 전압 이상인 경우에는 단계 S304를 반복하여 복수의 단위 셀의 전압과 제2 기준 전압을 비교 판단할 수 있다.And, if the voltage of the plurality of unit cells is higher than the second reference voltage during the preset purge time, the fuel cell control unit can compare and determine the voltage of the plurality of unit cells with the second reference voltage by repeating step S304.
단계 S305에서, 연료 전지 제어부는 복수의 단위 셀 중 어느 하나의 단위 셀의 전압이 제2 기준 전압 미만인 경우에 단위 셀과 연결된 단위 셀 부하에 전기 에너지의 전달이 차단되도록 셀 부하(102)의 동작을 제어할 수 있다. 전술한 바와 같이, 연료 전지 제어부는 측정된 단위 셀 전압이 기 설정된 제2 기준 전압 미만인 경우에는 단위 셀과 연결된 단위 셀 부하에 전기에너지의 전달이 차단되도록 셀 부하(102)의 동작을 제어할 수 있다.In step S305, the fuel cell control unit may control the operation of the cell load (102) so that the transmission of electric energy to the unit cell load connected to the unit cell is blocked when the voltage of any one of the plurality of unit cells is less than the second reference voltage. As described above, the fuel cell control unit may control the operation of the cell load (102) so that the transmission of electric energy to the unit cell load connected to the unit cell is blocked when the measured unit cell voltage is less than the preset second reference voltage.
단계 S306에서, 연료 전지 제어부는 셀 모듈(103)의 전압과 셀 부하(102)의 동작을 종료하는 제3 기준 전압을 비교 판단할 수 있다. 연료 전지 제어부는 기 설정된 퍼지 시간이 도과한 후에 셀 모듈(103)의 전압이 제3 기준 전압을 초과하지 않는 경우에 셀 부하(102)의 동작이 종료되도록 셀 부하(102)를 제어할 수 있다. 여기서 제3 기준 전압은 공기극 내 산소가 대부분 소모되어 셀 모듈(103)에 포함되는 모든 단위 셀에서 수소 및 산소의 반응이 없어 전기에너지가 거의 발생하지 않고, 그로 인하여 모든 단위 셀과 연결되는 모든 단위 부하들에 전기에너지의 전달이 차단되도록 셀 부하(102)의 동작을 제어하는 기준 전압을 의미한다.In step S306, the fuel cell control unit can compare and determine the voltage of the cell module (103) and the third reference voltage that terminates the operation of the cell load (102). The fuel cell control unit can control the cell load (102) so that the operation of the cell load (102) is terminated when the voltage of the cell module (103) does not exceed the third reference voltage after the preset purge time has elapsed. Here, the third reference voltage means a reference voltage that controls the operation of the cell load (102) so that most of the oxygen in the cathode is consumed, so that no reaction of hydrogen and oxygen occurs in all the unit cells included in the cell module (103), hardly any electric energy is generated, and thus the transmission of electric energy to all the unit loads connected to all the unit cells is blocked.
셀 모듈(103)의 전압이 제3 기준 전압을 초과하는 경우에는 단계 S303을 반복하여 셀 모듈(103)에서 발생하는 전기에너지의 전위 값을 낮출 수 있다.If the voltage of the cell module (103) exceeds the third reference voltage, step S303 can be repeated to lower the potential value of the electric energy generated in the cell module (103).
그리고 연료 전지 제어부는 연료극 퍼지 단계를 종료하고 공기극 퍼지 단계를 진행할 수 있다.And the fuel cell control unit can terminate the fuel electrode purge step and proceed with the air electrode purge step.
다음으로 기동 퍼지 단계 중 공기극 퍼지 단계는, 먼저 단계 S307에서, 연료 전지 제어부는 연료 전지 스택(104)의 공기극에 공기 라인을 통하여 공기가 공급되도록 제어할 수 있다. 그리고 연료 전지 제어부는 공기 배출 차단 밸브(303)를 통하여 공기극 내의 비활성 기체가 배출되도록 제어할 수 있다.Next, in the air electrode purge step among the driving purge steps, first, in step S307, the fuel cell control unit can control air to be supplied to the air electrode of the fuel cell stack (104) through an air line. Then, the fuel cell control unit can control inert gas in the air electrode to be discharged through the air discharge blocking valve (303).
단계 S308에서, 연료 전지 제어부는 복수의 단위 셀의 전압과 셀 부하(102)의 동작을 개시하는 제4 기준 전압을 비교 판단할 수 있다. 공기극 퍼지 초기 단계에서 공기극을 통하여 전달되는 공기는 셀 모듈(103)의 구조상 공기극과 인접하는 단위 셀에서 수소와 빠르게 반응하지만, 공기극과 반대 방향에 위치하는 단위 셀에서는 수소와 느리게 반응할 수 있다. 또한, 공기극과 인접하는 단위 셀에서의 공기의 밀도는 공기극과 반대 방향에 위치하는 단위 셀에서의 공기의 밀도 보다 높을 수 있다. 따라서, 셀 모듈(103)의 복수의 단위 셀 중에 공기극과 인접하는 단위 셀에서 수소 및 산소가 먼저 반응하고 고전위를 가지는 전기에너지를 생산할 수 있다. 이러한 고전위의 노출을 방지하기 위하여 단위 셀과 연결되는 단위 셀 부하(102)에 전기에너지를 전달할 수 있다. 따라서 연료 전지 제어부는 고전위 노출을 방지하기 위한 제4 기준 전압을 설정할 수 있고, 측정된 각각의 단위 셀의 전압과 기 설정된 제 4기준 전압을 비교하여 판단할 수 있다. 여기서 제4 기준 전압은 전술한 제1 기준 전압과 같은 값을 가지거나 또는 상이한 값을 가질 수 있다.In step S308, the fuel cell control unit can compare and determine the voltage of the plurality of unit cells and the fourth reference voltage that initiates the operation of the cell load (102). In the initial stage of the air electrode purge, the air delivered through the air electrode can react quickly with hydrogen in the unit cell adjacent to the air electrode due to the structure of the cell module (103), but can react slowly with hydrogen in the unit cell located in the opposite direction to the air electrode. In addition, the density of air in the unit cell adjacent to the air electrode can be higher than the density of air in the unit cell located in the opposite direction to the air electrode. Therefore, among the plurality of unit cells of the cell module (103), hydrogen and oxygen can react first in the unit cell adjacent to the air electrode and produce electric energy having a high potential. In order to prevent exposure to such a high potential, electric energy can be transmitted to the unit cell load (102) connected to the unit cell. Therefore, the fuel cell control unit can set the fourth reference voltage to prevent exposure to the high potential, and can determine by comparing the measured voltage of each unit cell with the preset fourth reference voltage. Here, the fourth reference voltage may have the same value as the first reference voltage described above or may have a different value.
단계 S309에서, 연료 전지 제어부는 복수의 단위 셀 중 어느 하나의 단위 셀의 전압이 제4 기준 전압을 초과하는 경우에 단위 셀과 연결된 단위 셀 부하에 전기 에너지를 전달하도록 상기 셀 부하(102)의 동작을 제어할 수 있다. 전술한 바와 같이 공기극과 인접하는 단위 셀과 연결된 단위 셀 부하에 전기에너지를 전달함으로써 전위 값이 낮아지고 고전위에 노출될 위험을 줄어들 수 있다.In step S309, the fuel cell control unit can control the operation of the cell load (102) to transfer electric energy to the unit cell load connected to the unit cell when the voltage of any one of the plurality of unit cells exceeds the fourth reference voltage. As described above, by transferring electric energy to the unit cell load connected to the unit cell adjacent to the air electrode, the potential value can be lowered and the risk of exposure to a high potential can be reduced.
그리고, 연료 전지 제어부는 공기극과 반대 방향에 위치하는 단위 셀까지 충분히 공기가 공급되는 동안 단계 S308을 반복하여 복수의 단위 셀의 전압과 셀 부하(102)의 동작을 개시하는 제4 기준 전압을 비교 판단할 수 있다.And, the fuel cell control unit can compare and determine the voltage of a plurality of unit cells and the fourth reference voltage that initiates the operation of the cell load (102) by repeating step S308 while sufficient air is supplied to the unit cells located in the opposite direction to the air electrode.
단계 S310에서, 연료 전지 제어부는 셀 모듈(103)의 전압과 스택 부하(401)의 동작을 개시하는 제5 기준 전압을 비교 판단할 수 있다. 단계 S309에서 셀 모듈(103)의 모든 단위 셀로부터 모든 단위 셀 부하에 전기 에너지를 전달받아 셀 부하(102)가 동작한 상태에서, 연료 전지 제어부는 셀 모듈(103)에서 생산되는 전기에너지를 스택 부하(401)에 전달할 수 있도록 스택 부하(401)의 동작을 개시하는 제5 기준 전압을 설정할 수 있다. 연료 전지 제어부는 측정된 셀 모듈(103)의 전압과 기 설정된 제5 기준 전압을 비교할 수 있다.In step S310, the fuel cell control unit can compare and determine the voltage of the cell module (103) with the fifth reference voltage that initiates the operation of the stack load (401). In step S309, when the cell load (102) is operated by receiving electric energy from all unit cells of the cell module (103) to all unit cell loads, the fuel cell control unit can set the fifth reference voltage that initiates the operation of the stack load (401) so that the electric energy produced in the cell module (103) can be transmitted to the stack load (401). The fuel cell control unit can compare the measured voltage of the cell module (103) with the preset fifth reference voltage.
단계 S311에서, 연료 전지 제어부는 셀 모듈(103)의 전압이 상기 제5 기준 전압을 초과하는 경우에 연료 전지 스택(104)으로부터 스택 부하(401)에 전기 에너지가 전달되도록 상기 스택 부하(401)의 동작을 제어할 수 있다.In step S311, the fuel cell control unit can control the operation of the stack load (401) so that electric energy is transferred from the fuel cell stack (104) to the stack load (401) when the voltage of the cell module (103) exceeds the fifth reference voltage.
단계 S312에서, 연료 전지 제어부는 스택 부하(401)에 전기 에너지가 전달되어 스택 부하(401)에 흐르는 전류와 기 설정된 스택 부하(401)의 최대 전류를 비교 판단할 수 있다. 연료 전지 제어부는 스택 부하(401)에 흐르는 전류가 최대 전류 미만인 경우에는 연료 전지 스택(104)으로부터 전기에너지를 전달받아 최대 전류 이상으로 전류가 흐르도록 스택 부하(401)를 제어할 수 있다. 연료 전지 제어부는 스택 부하(401)에 흐르는 전류가 최대 전류 이상인 경우에 공기극 퍼지 단계를 종료하도록 제어할 수 있다. 즉, 전체 기동 퍼지 단계를 종료할 수 있다.In step S312, the fuel cell control unit can compare the current flowing in the stack load (401) with the preset maximum current of the stack load (401) by transferring electric energy to the stack load (401). If the current flowing in the stack load (401) is less than the maximum current, the fuel cell control unit can control the stack load (401) to receive electric energy from the fuel cell stack (104) and to flow current greater than the maximum current. If the current flowing in the stack load (401) is greater than the maximum current, the fuel cell control unit can control to end the air electrode purge phase. In other words, the entire start-up purge phase can be ended.
2)다음으로, 기동 예열 단계에 대하여 이하에서 자세히 설명한다.2) Next, the start-up warm-up phase is described in detail below.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 기동 예열 단계에 관한 흐름을 나타내는 도면이다.FIG. 4 is a diagram showing a flow chart of a preheating step according to one embodiment of the present invention.
도 4를 참조하면, 먼저 단계 S401에서, 연료 전지 제어부는 연료 전지 스택(104)의 온도와 연료 전지 스택(104)의 표면 온도의 차이를 기 설정된 허용 온도 차이와 비교 판단할 수 있다. Referring to FIG. 4, first, in step S401, the fuel cell control unit can compare the difference between the temperature of the fuel cell stack (104) and the surface temperature of the fuel cell stack (104) with a preset allowable temperature difference.
단계 S402에서, 연료 전지 제어부는 연료 전지 스택(104)의 온도와 연료 전지 스택(104)의 표면 온도의 차이가 기 설정된 허용 온도 차이를 초과하는 경우에는 기 설정된 허용 온도 차이에 기초하여 연료극에 연료를 공급 및 공기극에 공기를 추가로 공급하도록 제어할 수 있다.In step S402, if the difference between the temperature of the fuel cell stack (104) and the surface temperature of the fuel cell stack (104) exceeds a preset allowable temperature difference, the fuel cell control unit can control to supply fuel to the fuel electrode and additionally supply air to the air electrode based on the preset allowable temperature difference.
발전 단계에서 수소 및 산소의 반응성을 높이기 위하여 발전 단계 이전인 기동 단계에서 충분한 연료 전지 스택(104)의 예열이 필요할 수 있다. 후술하는 바와 같이 추가로 공급되는 연료 및 공기는 연료 전지 스택(104)에서 수소 및 산소 반응을 촉진시켜 전기에너지 및 열에너지를 생산할 수 있고, 전기에너지 및 열에너지는 연료 전지 스택(104)의 온도와 연료 전지 스택(104)의 표면 온도를 상승시켜 발전 단계에서 수소 및 산소의 반응성을 높일 수 있다.In order to increase the reactivity of hydrogen and oxygen in the power generation stage, sufficient preheating of the fuel cell stack (104) may be required in the starting stage prior to the power generation stage. As described below, additionally supplied fuel and air can promote hydrogen and oxygen reactions in the fuel cell stack (104) to produce electrical energy and thermal energy, and the electrical energy and thermal energy can increase the temperature of the fuel cell stack (104) and the surface temperature of the fuel cell stack (104), thereby increasing the reactivity of hydrogen and oxygen in the power generation stage.
단계 S403에서, 연료 전지 제어부는 추가로 공급된 연료 및 공기에 의하여 셀 모듈(103)에서 생산되는 전기 에너지가 셀 부하(102)에 전달되도록 셀 부하(102)의 동작을 제어할 수 있다.In step S403, the fuel cell control unit can control the operation of the cell load (102) so that the electric energy produced in the cell module (103) by the additionally supplied fuel and air is transferred to the cell load (102).
셀 부하(102)는 전달받은 전기에너지를 열에너지로 변환하여 연료 전지 스택(104)의 표면 온도를 상승시킬 수 있다. 구체적으로, 셀 부하(102)는 스택의 표면에 위치할 수 있다. 셀 부하(102)는 셀로부터 전기 에너지를 전달받아 열을 발생시킬 수 있다. 셀 부하(102)에서 발생되는 열은 스택 표면에 전달할 수 있고, 스택 표면은 셀 부하(102)에서 전달되는 열에 의하여 온도가 높아 질 수 있다. 즉 셀 부하(102)의 배치 구조를 통하여 스택 표면에 온도를 증가시킬 수 있고, 이는 연료 전지 스택(104)의 온도와 연료 전지 스택(104)의 표면 온도의 차이를 기 설정된 허용 온도 차이 내로 줄일 수 있다. The cell load (102) can convert the received electric energy into heat energy to increase the surface temperature of the fuel cell stack (104). Specifically, the cell load (102) can be located on the surface of the stack. The cell load (102) can receive electric energy from the cell and generate heat. The heat generated from the cell load (102) can be transferred to the stack surface, and the temperature of the stack surface can be increased by the heat transferred from the cell load (102). That is, the temperature of the stack surface can be increased through the arrangement structure of the cell load (102), and this can reduce the difference between the temperature of the fuel cell stack (104) and the surface temperature of the fuel cell stack (104) to within a preset allowable temperature difference.
단계 S404에서, 연료 전지 제어부는 온도 차이가 기 설정된 허용 온도 차이 이하인 경우에는 셀 부하(102)에 전기에너지가 전달되지 않도록 셀 부하(102)의 동작을 제어할 수 있다.In step S404, the fuel cell control unit can control the operation of the cell load (102) so that electric energy is not transmitted to the cell load (102) if the temperature difference is less than or equal to a preset allowable temperature difference.
단계 S405에서, 연료 전지 제어부는 연료극에 연료의 공급을 차단 및 상기 공기극에 공기의 공급을 차단하도록 제어할 수 있다.In step S405, the fuel cell control unit can control to block the supply of fuel to the fuel electrode and block the supply of air to the air electrode.
단계 S406에서, 연료 전지 제어부는 연료 전지 스택(104)의 온도와 기 설정된 예열 완료 판정 온도를 비교 판단할 수 있다.In step S406, the fuel cell control unit can compare and determine the temperature of the fuel cell stack (104) with a preset preheating completion determination temperature.
단계 S407에서, 연료 전지 제어부는 연료 전지 스택(104)의 온도가 예열 완료 판정 온도를 초과하는 경우에는 연료 전지 스택(104)으로부터 스택 부하(401)에 전기 에너지가 전달되지 않도록 스택 부하(401)의 동작을 제어할 수 있다.In step S407, the fuel cell control unit can control the operation of the stack load (401) so that electric energy is not transferred from the fuel cell stack (104) to the stack load (401) when the temperature of the fuel cell stack (104) exceeds the preheating completion determination temperature.
단계 S408에서, 연료 전지 제어부는 연료 전지 스택(104)의 온도가 예열 완료 판정 온도 이하인 경우에는, 예열 완료 판정 온도에 기초하여 연료극에 연료를 공급 및 상기 공기극에 공기를 추가로 공급하도록 제어할 수 있다.In step S408, if the temperature of the fuel cell stack (104) is lower than or equal to the preheating completion determination temperature, the fuel cell control unit can control to supply fuel to the fuel electrode and additionally supply air to the air electrode based on the preheating completion determination temperature.
단계 S409에서, 연료 전지 제어부는 추가로 공급된 연료 및 공기에 의하여 셀 모듈(103)에서 생산되는 전기 에너지가 스택 부하(401)에 전달되도록 스택 부하(401)의 동작을 제어할 수 있다. 셀 모듈(103)은 추가로 공급된 연료 및 공기가 전기화학적 반응하여 생산되는 열에너지를 이용하여 상기 연료 전지 스택(104)의 온도를 상승시킬 수 있다.In step S409, the fuel cell control unit can control the operation of the stack load (401) so that the electric energy produced in the cell module (103) by the additionally supplied fuel and air is transferred to the stack load (401). The cell module (103) can increase the temperature of the fuel cell stack (104) by using the thermal energy produced by the electrochemical reaction of the additionally supplied fuel and air.
스택 부하(401)는 연료 전지 스택(104)과 전기적으로 연결되어, 연료 전지 스택(104)에서 생산되는 전기에너지를 공급받을 수 있다. 연료 전지 스택(104)은 전기 에너지를 생산하여 스택 부하(401)에 생산된 전기 에너지를 공급하는 과정에서 열에너지가 발생할 수 있고, 그로 인하여 스택의 온도는 증가할 수 있다. 스택 부하(401)가 전기 에너지를 많이 공급받을 수록, 즉 스택에서 전기에너지를 많이 생산할수록 연료 전지 스택(104)에서 열에너지도 많이 발생하게 된다. 따라서, 연료 전지 스택(104)으로부터 스택 부하(401)가 전달받는 전기에너지가 많아질수록 연료 전지 스택(104)의 온도가 증가할 수 있다.The stack load (401) is electrically connected to the fuel cell stack (104) and can receive electric energy produced by the fuel cell stack (104). The fuel cell stack (104) may generate heat energy in the process of producing electric energy and supplying the produced electric energy to the stack load (401), thereby increasing the temperature of the stack. The more electric energy the stack load (401) receives, that is, the more electric energy the stack produces, the more heat energy is generated in the fuel cell stack (104). Accordingly, the more electric energy the stack load (401) receives from the fuel cell stack (104), the more the temperature of the fuel cell stack (104) may increase.
스택 부하(401)는 연료 전지 스택(104)과 부하단 사이에 배치되어 스택에서 생산되어 부하단에 전달되는 전기 에너지를 소모할 수 있다. 부하단에 요구하는 전기에너지를 스택 부하(401)가 중간에서 소모하기 때문에, 연료 전지 스택(104)은 스택 부하(401)에서 소모하는 전기에너지를 추가로 더 생산할 필요가 있다. 따라서, 연료 전지 제어부는 연료 전지 스택(104)에 연료 및 공기를 추가로 공급하도록 제어하고, 연료 전지 스택(104)은 추가로 공급된 연료 및 공기에 의하여 전기에너지 및 열에너지가 생산할 수 있다. 연료 전지 스택(104)에서 생산된 열에너지는 연료 전지 스택(104)의 온도를 상승시킬 수 있다.The stack load (401) is arranged between the fuel cell stack (104) and the load stage and can consume the electric energy produced in the stack and delivered to the load stage. Since the stack load (401) consumes the electric energy required for the load stage in the middle, the fuel cell stack (104) needs to additionally produce the electric energy consumed by the stack load (401). Therefore, the fuel cell control unit controls to additionally supply fuel and air to the fuel cell stack (104), and the fuel cell stack (104) can produce electric energy and thermal energy by the additionally supplied fuel and air. The thermal energy produced in the fuel cell stack (104) can increase the temperature of the fuel cell stack (104).
연료 전지 제어부는 기동 예열 단계에서 연료 전지 스택(104)의 온도와 연료 전지 스택(104)의 표면 온도를 충분히 상승시키도록 제어하여 발전 단계를 준비할 수 있다.The fuel cell control unit can prepare for the power generation stage by controlling the temperature of the fuel cell stack (104) and the surface temperature of the fuel cell stack (104) to sufficiently increase during the start-up preheating stage.
3)다음으로, 정지 퍼지 단계에 대하여 이하에서 자세히 설명한다.3) Next, the stop purge step is described in detail below.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 정지 퍼지 단계에 관한 흐름을 나타내는 도면이다.FIG. 5 is a flow diagram showing a stop purge step according to one embodiment of the present invention.
도 5를 참조하면, 정지 퍼지 단계에서 먼저 단계 S501에서, 연료 전지 제어부는 발전 종료 전에 셀 부하(102) 및 스택 부하(401)에 전기에너지가 전달되도록 셀 부하(102) 및 스택 부하(401)의 동작을 제어할 수 있다.Referring to FIG. 5, in the stop purge step, first, in step S501, the fuel cell control unit can control the operation of the cell load (102) and the stack load (401) so that electric energy is transferred to the cell load (102) and the stack load (401) before the end of power generation.
단계 S502에서, 연료 전지 시스템의 발전을 종료할 수 있다.In step S502, power generation of the fuel cell system can be terminated.
단계 S503에서, 연료 전지 제어부는 발전을 종료한 후에 연료극 및 공기극 내에 물을 배출하기 위하여 수소 퍼지 밸브(202) 및 공기 배출 차단 밸브(303)를 제어할 수 있다. 연료극 및 공기극 내의 물은 셀 모듈(103)의 부식을 일으킬 수 있고, 다음 발전 단계에서 연료 전지 스택(104)의 열화를 발생시킬 수 있다. 따라서, 발전 종료 후 연료극 및 공기극 내의 물을 배출하기 위한 퍼지를 진행한다. 단계 S503에서 전술한 기동 퍼지 단계를 참조하여 연료극 및 공기극의 퍼지를 진행할 수 있다.In step S503, the fuel cell control unit may control the hydrogen purge valve (202) and the air discharge cutoff valve (303) to discharge water inside the fuel electrode and the air electrode after power generation is terminated. Water inside the fuel electrode and the air electrode may cause corrosion of the cell module (103) and deterioration of the fuel cell stack (104) in the next power generation stage. Therefore, purge is performed to discharge water inside the fuel electrode and the air electrode after power generation is terminated. Purge of the fuel electrode and the air electrode may be performed with reference to the startup purge step described above in step S503.
단계 S504에서, 연료 전지 제어부는 연료 전지 스택(104)의 전압과 기 설정된 퍼지 완료 판정 전압을 비교하여 판단할 수 있다. 연료극 및 공기극의 퍼지를 하는 과정에서 연료 전지 스택(104)에서 전기 에너지가 생산될 수 있고, 연료 전지 제어부는 연료 전지 스택(104)에서 스택 부하(401)에 전기에너지를 전달하지 않고 연료 전지 스택(104) 내부에서 소모하여도 연료 전지 스택(104)에 손상이 발생하지 않을 정도의 낮은 전압을 퍼지 완료 판정 전압으로 설정할 수 있다.In step S504, the fuel cell control unit can compare the voltage of the fuel cell stack (104) with a preset purge completion determination voltage to make a determination. In the process of purging the fuel electrode and the air electrode, electric energy can be produced in the fuel cell stack (104), and the fuel cell control unit can set the purge completion determination voltage to a voltage low enough that the fuel cell stack (104) is not damaged even if the electric energy is consumed inside the fuel cell stack (104) without transmitting it to the stack load (401).
단계 S505에서, 연료 전지 제어부는 연료 전지 스택(104)의 전압이 퍼지 완료 판정 전압 미만인 경우에 연료 전지 스택(104)으로부터 스택 부하(401)에 전달되는 전기 에너지를 차단하도록 스택 부하(401)의 동작을 제어할 수 있다. 그리고 연료 전지 제어부는 공기극에 공기의 공급을 차단하도록 공기 라인을 제어할 수 있다. 공기극에 공기의 공급이 차단된 상태에서 셀 모듈(103)의 수소 및 산소의 반응으로 공기극에 남은 공기 중 산소는 소모될 수 있다.In step S505, the fuel cell control unit can control the operation of the stack load (401) to block the electric energy transmitted from the fuel cell stack (104) to the stack load (401) when the voltage of the fuel cell stack (104) is lower than the purge completion judgment voltage. In addition, the fuel cell control unit can control the air line to block the supply of air to the cathode. In a state where the supply of air to the cathode is blocked, the oxygen in the air remaining in the cathode can be consumed by the reaction of hydrogen and oxygen in the cell module (103).
단계 S506에서, 연료 전지 제어부는 복수의 단위 셀의 전압 중 최저 전압을 가지는 단위 셀의 전압과 기 설정된 연료를 차단하는 제6 기준 전압과 비교 판단할 수 있다.In step S506, the fuel cell control unit can compare the voltage of a unit cell having the lowest voltage among the voltages of a plurality of unit cells with a sixth reference voltage for cutting off a preset fuel.
전술한 바와 같이 공기의 공급이 차단된 상태에서 공기극 내 공기 중 산소가 소모되면 복수의 단위 셀에서 수소 및 산소의 반응속도가 떨어지며 낮은 전위를 가지는 전기에너지가 생산될 수 있다. 공기극 내 산소가 대부분 소모되면 연료 전지 제어부는 복수의 단위 셀 중에 가장 낮은 전위 값을 가지는 전기에너지를 생산하는 단위 셀의 전압을 측정하여 기 설정된 연료극에 연료 공급을 차단하기 위한 제6 기준 전압과 비교 판단할 수 있다. As described above, when the air supply is cut off and the oxygen in the air electrode is consumed, the reaction rate of hydrogen and oxygen in the plurality of unit cells decreases, and electric energy with a low potential can be produced. When most of the oxygen in the air electrode is consumed, the fuel cell control unit can measure the voltage of the unit cell producing electric energy with the lowest potential value among the plurality of unit cells and compare it with a sixth reference voltage for cutting off the fuel supply to the preset fuel electrode.
단계 S507에서, 연료 전지 제어부는 최저 전압을 가지는 단위 셀의 전압이 제6 기준 전압 미만인 경우에 연료극에 연료 공급을 차단하도록 제어할 수 있다. 연료극에 연료 공급이 차단된 상태에서 셀 모듈(103)의 수소 및 산소의 반응으로 연료극에 남은 수소는 소모될 수 있다.In step S507, the fuel cell control unit can control to cut off the fuel supply to the fuel electrode when the voltage of the unit cell having the lowest voltage is lower than the sixth reference voltage. In a state where the fuel supply to the fuel electrode is cut off, the hydrogen remaining in the fuel electrode can be consumed by the reaction of hydrogen and oxygen in the cell module (103).
단계 S508에서, 연료 전지 제어부는 복수의 단위 셀의 전압과 셀 부하(102)의 종료를 판단하는 제7 기준 전압을 비교 판단할 수 있다.In step S508, the fuel cell control unit can compare and determine the voltage of the plurality of unit cells with the seventh reference voltage for determining the end of the cell load (102).
단계 S509에서, 연료 전지 제어부는 복수의 단위 셀 중 어느 하나의 단위 셀의 전압이 제7 기준 전압 미만인 경우에 단위 셀과 연결된 단위 셀 부하에 전기 에너지의 전달이 차단되도록 셀 부하(102)의 동작을 제어할 수 있다.In step S509, the fuel cell control unit can control the operation of the cell load (102) so that the transmission of electric energy to the unit cell load connected to the unit cell is blocked when the voltage of any one unit cell among the plurality of unit cells is lower than the seventh reference voltage.
전술한 바와 같이 연료의 공급이 차단된 상태에서 연료극 내 수소가 소모되면 복수의 단위 셀에서 수소 및 산소의 반응속도가 떨어지며 낮은 전위를 가지는 전기에너지가 생산될 수 있다. 연료 전지 제어부는 측정된 복수의 단위 셀의 전압에 기초하여 기 설정된 셀 부하(102)의 종료를 판단하는 제7 기준 전압 미만인 경우에 순차적으로 단위 셀과 연결되는 단위 셀 부하에 전기에너지가 차단되도록 셀 부하(102)의 동작을 제어할 수 있다.As described above, when the hydrogen in the fuel electrode is consumed while the fuel supply is cut off, the reaction rate of hydrogen and oxygen in the plurality of unit cells decreases, and electric energy having a low potential may be produced. The fuel cell control unit may control the operation of the cell load (102) so that the electric energy is cut off to the unit cell load sequentially connected to the unit cell when the voltage of the plurality of measured unit cells is lower than the seventh reference voltage for determining the end of the preset cell load (102).
단계 S510에서, 연료 전지 제어부는 셀 모듈(103)의 전압과 셀 부하(102)의 동작을 종료하는 제8 기준 전압을 비교 판단할 수 있다. 여기서 제8 기준 전압은 연료극 수소가 대부분 소모되어 셀 모듈(103)에 포함되는 모든 단위 셀에서 수소 및 산소의 반응이 없어 전기에너지가 거의 발생하지 않고, 그로 인하여 모든 단위 셀과 연결되는 모든 단위 부하들에 전기에너지의 전달이 차단되도록 셀 부하(102)의 동작을 제어하는 기준 전압을 의미한다.In step S510, the fuel cell control unit can compare and determine the voltage of the cell module (103) and the eighth reference voltage that terminates the operation of the cell load (102). Here, the eighth reference voltage means a reference voltage that controls the operation of the cell load (102) so that most of the fuel electrode hydrogen is consumed, so that no reaction of hydrogen and oxygen occurs in all the unit cells included in the cell module (103), hardly any electrical energy is generated, and thus the transmission of electrical energy to all the unit loads connected to all the unit cells is blocked.
단계 S511에서, 연료 전지 제어부는 셀 모듈(103)의 전압이 상기 제8 기준 전압 미만인 경우에는 셀 부하(102)의 동작이 종료되도록 제어할 수 있다.In step S511, the fuel cell control unit can control the operation of the cell load (102) to be terminated when the voltage of the cell module (103) is lower than the eighth reference voltage.
단계 S512에서, 연료 전지 제어부는 수소 퍼지 밸브(202)를 온(On)하여 연료극의 수소가 배출되도록 제어할 수 있다.In step S512, the fuel cell control unit can control the hydrogen purge valve (202) to turn on so that hydrogen in the fuel electrode is discharged.
4)다음으로, 냉해 방지 단계에 대하여 이하에서 자세히 설명한다.4) Next, the cold damage prevention step is explained in detail below.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉해 방지 단계에 관한 흐름을 나타내는 도면이다.FIG. 6 is a diagram showing a flow chart of a cold damage prevention step according to one embodiment of the present invention.
도 6을 참조하면, 냉해 방지 단계는, 먼저 단계 S601에서, 연료 전지 제어부는 외부 온도와 기 설정된 냉해 보호 판정 온도를 비교 판단할 수 있다. 혹한기와 같이 외부 온도가 매우 낮은 상태에서 연료 전지 시스템을 발전하면 부하에서 요구하는 전기에너지의 생산이 어려울 수 있고, 발전 과정에서 연료 전지 스택(104)에 손상이 갈 수 있다. 따라서, 연료 전지 제어부는 냉해로부터 연료 전지 스택(104)을 보호할 수 있는 판정 온도를 설정할 수 있다.Referring to FIG. 6, in the cold damage prevention step, first, in step S601, the fuel cell control unit can compare and determine the external temperature and the preset cold damage protection judgment temperature. If the fuel cell system generates power in a state where the external temperature is very low, such as in a very cold season, it may be difficult to produce the electric energy required by the load, and the fuel cell stack (104) may be damaged during the power generation process. Therefore, the fuel cell control unit can set the judgment temperature that can protect the fuel cell stack (104) from cold damage.
단계 S602에서, 연료 전지 제어부는 외부 온도가 냉해 보호 판정 온도 미만인 경우에 연료 전지 스택(104)의 온도와 연료 전지 스택(104)의 표면 온도의 차이를 기 설정된 허용 온도 차이와 비교 판단할 수 있다.In step S602, the fuel cell control unit can compare the difference between the temperature of the fuel cell stack (104) and the surface temperature of the fuel cell stack (104) with a preset allowable temperature difference when the external temperature is lower than the cold damage protection judgment temperature.
단계 S603에서, 연료 전지 제어부는 연료 전지 스택(104)의 온도와 연료 전지 스택(104)의 표면 온도의 차이가 기 설정된 허용 온도 차이를 초과하는 경우에는 기 설정된 허용 온도 차이에 기초하여 연료극에 연료를 공급 및 공기극에 공기를 추가로 공급하도록 제어할 수 있다.In step S603, if the difference between the temperature of the fuel cell stack (104) and the surface temperature of the fuel cell stack (104) exceeds a preset allowable temperature difference, the fuel cell control unit can control to supply fuel to the fuel electrode and additionally supply air to the air electrode based on the preset allowable temperature difference.
외부 온도에 의하여 연료 전지 스택(104)의 표면의 온도가 낮아 질 수 있다. 연료 전지 스택(104)의 내부와 외부의 온도 차이로 인하여 연료 전지 스택(104)이 손상을 입을 수 있다. 따라서 연료 전지 스택(104)의 내부와 외부의 온도 차이로 줄일 필요성이 있다. 후술하는 바와 같이 추가로 공급되는 연료 및 공기는 연료 전지 스택(104)에서 수소 및 산소 반응을 촉진시켜 전기에너지 및 열에너지를 생산할 수 있고, 전기에너지 및 열에너지는 연료 전지 스택(104)의 표면 온도를 상승시킬 수 있다.The temperature of the surface of the fuel cell stack (104) may be lowered due to the external temperature. The fuel cell stack (104) may be damaged due to the temperature difference between the inside and the outside of the fuel cell stack (104). Therefore, there is a need to reduce the temperature difference between the inside and the outside of the fuel cell stack (104). As described below, additionally supplied fuel and air can promote hydrogen and oxygen reactions in the fuel cell stack (104) to produce electrical energy and thermal energy, and the electrical energy and thermal energy can increase the surface temperature of the fuel cell stack (104).
단계 S604에서, 연료 전지 제어부는 추가로 공급된 연료 및 공기에 의하여 셀 모듈(103)에서 생산되는 전기 에너지가 셀 부하(102)에 전달되도록 셀 부하(102)의 동작을 제어할 수 있다.In step S604, the fuel cell control unit can control the operation of the cell load (102) so that the electric energy produced in the cell module (103) by the additionally supplied fuel and air is transferred to the cell load (102).
셀 부하(102)는 전달된 전기에너지를 열에너지로 변환하여 연료 전지 스택(104)의 표면 온도를 상승시킬 수 있다. 전술한 바와 같이 셀 부하(102)는 스택의 표면에 위치할 수 있다. 셀 부하(102)는 셀로부터 전기 에너지를 전달받아 열을 발생시킬 수 있다. 셀 부하(102)에서 발생되는 열은 스택 표면에 전달할 수 있고, 스택 표면은 셀 부하(102)에서 전달되는 열에 의하여 온도가 높아 질 수 있다. 즉 셀 부하(102)의 배치 구조를 통하여 스택 표면에 온도를 증가시킬 수 있고, 이는 연료 전지 스택(104)의 온도와 연료 전지 스택(104)의 표면 온도의 차이를 기 설정된 허용 온도 차이 내로 줄일 수 있다. The cell load (102) can convert the transferred electric energy into heat energy to increase the surface temperature of the fuel cell stack (104). As described above, the cell load (102) can be located on the surface of the stack. The cell load (102) can receive electric energy from the cell and generate heat. The heat generated from the cell load (102) can be transferred to the stack surface, and the stack surface can have a high temperature due to the heat transferred from the cell load (102). That is, the temperature of the stack surface can be increased through the arrangement structure of the cell load (102), and this can reduce the difference between the temperature of the fuel cell stack (104) and the surface temperature of the fuel cell stack (104) to within a preset allowable temperature difference.
단계 S605에서, 연료 전지 제어부는 온도 차이가 기 설정된 허용 온도 차이 이하인 경우에는 셀 부하(102)에 전기에너지가 전달되지 않도록 셀 부하(102)의 동작을 제어할 수 있다.In step S605, the fuel cell control unit can control the operation of the cell load (102) so that electric energy is not transmitted to the cell load (102) if the temperature difference is less than or equal to a preset allowable temperature difference.
단계 S606에서, 연료 전지 제어부는 연료극에 연료의 공급을 차단 및 공기극에 공기의 공급을 차단하도록 제어할 수 있다.In step S606, the fuel cell control unit can control to block the supply of fuel to the fuel electrode and block the supply of air to the air electrode.
연료 전지 제어부는 셀 부하(102)에 전기 에너지를 전달하거나 또는 연료 및 공기 공급을 차단한 이후에 단계 S601을 반복하여 외부 온도와 기 설정된 냉해 보호 판정 온도를 비교 판단할 수 있다.The fuel cell control unit can compare and determine the external temperature with the preset cold damage protection judgment temperature by repeating step S601 after transmitting electric energy to the cell load (102) or cutting off the fuel and air supply.
5)다음으로, 열 공급량 증가 단계에 대하여 이하에서 자세히 설명한다.5) Next, the step of increasing the heat supply is described in detail below.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 열 공급량 증가 단계에 관한 흐름을 나타내는 도면이다.FIG. 7 is a diagram showing a flow chart of a heat supply increase step according to one embodiment of the present invention.
도 7을 참조하면, 열 공급량 증가 단계는, 먼저 단계 S701에서, 연료 전지 제어부는, 연료 전지 스택(104)에서 생산되는 발전 열 생산량과 열 수요량을 비교 판단할 수 있다.Referring to FIG. 7, in the step of increasing the heat supply, first, in step S701, the fuel cell control unit can compare and determine the amount of heat generation produced by the fuel cell stack (104) with the amount of heat demand.
연료 전지 시스템에서 전기 에너지를 생산하는 과정에서 많은 열이 필요할 수 있다. 예를 들어, 연료에서 수소 개질 가스를 생산하거나, 촉매 물질을 생산하거나 또는 냉각수 온도를 상승시키는 경우 등 흡열 반응에서 열의 수요가 필요할 수 있다. 연료 전지 스택(104) 내에서 수소 및 산소가 반응하여 전기 에너지 및 열 에너지를 생산하고, 생산된 열 에너지는 전술한 열 수요에 대한 공급으로 사용될 수 있다.A large amount of heat may be required in the process of producing electrical energy in a fuel cell system. For example, heat demand may be required in an endothermic reaction, such as producing hydrogen reforming gas from fuel, producing a catalyst material, or increasing the temperature of a coolant. Hydrogen and oxygen react within the fuel cell stack (104) to produce electrical energy and thermal energy, and the thermal energy produced may be used to supply the aforementioned heat demand.
연료 전지 제어부는 연료 전지 스택(104)에서 생산하는 발전 열 생산량과 연료 전지 시스템의 운전장치(Balance of Plant, BOP)에서 필요한 열 수요량을 비교 판단할 수 있다. 여기서 운전장치는 연료 전지 시스템에 포함되는 모든 장치를 의미한다.The fuel cell control unit can compare and determine the amount of heat generated by the fuel cell stack (104) with the amount of heat demand required by the balance of plant (BOP) of the fuel cell system. Here, the balance of plant (BOP) means all devices included in the fuel cell system.
단계 S702에서, 연료 전지 제어부는 발전 열 생산량이 열 수요량을 초과하는 경우에 연료 전지 스택(104)으로부터 스택 부하(401)에 전기에너지가 전달되지 않도록 스택 부하(401)의 동작을 제어할 수 있다. 스택 부하(401)에 전기에너지가 전달되면 연료 전지 스택(104)에서 수소 및 산소의 정반응이 증가하게 되어 스택 부하(401)에 전달되는 만큼 전기 에너지 생산될 수 있다. 열에너지는 전기에너지와 함께 생산되기 때문에, 연료 전지 제어부는 추가로 열 에너지를 생산하지 않도록 스택 부하(401)의 동작을 제어하는 것이다.In step S702, the fuel cell control unit can control the operation of the stack load (401) so that electrical energy is not transferred from the fuel cell stack (104) to the stack load (401) when the amount of generated heat production exceeds the amount of heat demand. When electrical energy is transferred to the stack load (401), the positive reaction of hydrogen and oxygen in the fuel cell stack (104) increases, so that electrical energy can be produced as much as is transferred to the stack load (401). Since thermal energy is produced together with electrical energy, the fuel cell control unit controls the operation of the stack load (401) so that additional thermal energy is not produced.
단계 S703에서, 연료 전지 제어부는 연료극에 연료 공급을 차단 및 공기극에 공기 공급을 차단하도록 제어할 수 있다. 연료 전지 제어부는 추가로 열 에너지를 생산하지 않도록 하기 위함이다.In step S703, the fuel cell control unit can control to cut off the fuel supply to the fuel electrode and to cut off the air supply to the air electrode. This is to prevent the fuel cell control unit from producing additional heat energy.
단계 S704에서, 연료 전지 제어부는 열 수요량에 기초하여 연료극에 연료를 공급 및 공기극에 공기를 추가로 공급하도록 제어할 수 있다.In step S704, the fuel cell control unit can control to supply additional fuel to the fuel electrode and additionally supply air to the air electrode based on the heat demand.
단계 S705에서, 연료 전지 제어부는 추가로 공급된 연료 및 공기에 의하여 셀 모듈(103)에서 생산되는 전기 에너지가 스택 부하(401)에 전달되도록 스택 부하(401)의 동작을 제어할 수 있다.In step S705, the fuel cell control unit can control the operation of the stack load (401) so that the electric energy produced in the cell module (103) by the additionally supplied fuel and air is transferred to the stack load (401).
연료 전지 제어부는 추가로 공급된 연료 및 공기에 의하여 셀 모듈(103)에서 생산되는 열 에너지가 열 수요가 필요한 연료 전지 시스템의 운전장치에 전달되도록 연료 전지 스택(104)을 제어할 수 있다.The fuel cell control unit can control the fuel cell stack (104) so that the heat energy produced in the cell module (103) by the additionally supplied fuel and air is transferred to the driving device of the fuel cell system requiring heat demand.
전술한 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템 및 그 제어 방법은 셀 부하(102) 및 스택 부하(401)를 이용하여 연료 전지 시스템을 안정적으로 운전할 수 있다. 또한, 연료 전지 스택(104)의 열화 방지, 기동 시 예열에 필요한 열원과 혹한기에 필요한 열원을 제공할 수 있다.The fuel cell system and its control method according to one embodiment of the present invention described above can stably operate the fuel cell system by using the cell load (102) and the stack load (401). In addition, it can provide a heat source necessary for preventing deterioration of the fuel cell stack (104), preheating during startup, and a heat source necessary in extremely cold weather.
본 게시의 다양한 실시 예들 및 이에 사용된 용어들은 본 게시물에 기재된 기술적 특징들을 특정한 실시 예들로 한정하려는 것이 아니며, 해당 실시 예의 다양한 변경, 균등 물, 또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.It should be understood that the various embodiments of this posting and the terminology used herein are not intended to limit the technical features described in this posting to specific embodiments, but rather to encompass various modifications, equivalents, or substitutes of the embodiments.
Claims (18)
상기 셀 모듈을 포함하는 연료 전지 스택;
복수의 단위 셀 부하를 포함하며 상기 연료 전지 스택의 표면에 배치되고, 상기 복수의 단위 셀 각각에 상기 단위 셀 부하가 연결되어 전기에너지를 전달받는 셀 부하;
상기 연료 전지 스택과 연결되어 전기에너지를 전달받는 스택 부하;
상기 연료 전지 스택 및 스택 부하에 연결되고 상기 연료 전지 스택에서 생산되는 전기에너지를 부하단에서 요구하는 전력으로 변환하는 전력변환장치; 및
상기 단위 셀의 전압, 상기 셀 모듈의 전압, 상기 연료 전지 스택의 온도 및 상기 연료 전지 스택의 표면 온도 중 적어도 어느 하나에 기초하여 상기 셀 부하 또는 상기 스택 부하의 동작을 제어하는 연료 전지 제어부;를 포함하는,
연료 전지 시스템.
A cell module in which a plurality of unit cells are stacked and arranged between a fuel electrode and an air electrode;
A fuel cell stack comprising the above cell modules;
A cell load including a plurality of unit cell loads and arranged on the surface of the fuel cell stack, the unit cell load being connected to each of the plurality of unit cells to transmit electric energy;
A stack load connected to the above fuel cell stack and receiving electric energy;
A power conversion device connected to the fuel cell stack and the stack load and converting electric energy produced by the fuel cell stack into electric power required by the load; and
A fuel cell control unit that controls the operation of the cell load or the stack load based on at least one of the voltage of the unit cell, the voltage of the cell module, the temperature of the fuel cell stack, and the surface temperature of the fuel cell stack;
Fuel cell system.
상기 셀 부하는,
상기 단위 셀과 상기 단위 셀 부하가 각각 직렬로 연결되고 상기 단위 셀의 전압이 기 설정된 전압을 초과하는 경우에 단위 셀 부하에 전기에너지가 전달되고, 그리고,
상기 스택 부하는,
복수의 서로 다른 저항을 포함하여 상기 연료 전지 스택과 병렬 연결되고, 상기 병렬 연결되는 저항에 따라 상기 연료 전지 스택으로부터 전달받는 전기에너지를 달리하는,
연료 전지 시스템.
In the first paragraph,
The above cell load is,
When the above unit cell and the above unit cell load are each connected in series and the voltage of the unit cell exceeds a preset voltage, electric energy is transferred to the unit cell load, and
The above stack load is,
A fuel cell stack is connected in parallel with a plurality of different resistors, and the electric energy transmitted from the fuel cell stack is changed according to the resistance connected in parallel.
Fuel cell system.
상기 연료 전지 제어부는,
상기 단위 셀의 전압, 상기 셀 모듈의 전압, 상기 연료 전지 스택의 온도 및 상기 연료 전지 스택의 표면 온도 중 적어도 어느 하나에 기초하여 상기 연료극에 연료를 공급 또는 차단 및 상기 공기극에 공기를 공급 또는 차단하도록 제어하고, 그리고,
상기 연료 및 공기의 공급에 의하여 상기 셀 모듈에서 생산되는 전기 에너지가 상기 셀 부하 또는 스택 부하에 전달되도록 상기 셀 부하 또는 스택 부하의 동작을 제어하는,
연료 전지 시스템.
In the first paragraph,
The above fuel cell control unit,
Controlling to supply or cut off fuel to the fuel electrode and to supply or cut off air to the air electrode based on at least one of the voltage of the unit cell, the voltage of the cell module, the temperature of the fuel cell stack, and the surface temperature of the fuel cell stack, and
Controlling the operation of the cell load or stack load so that the electric energy produced in the cell module by the supply of the fuel and air is transmitted to the cell load or stack load.
Fuel cell system.
상기 연료 전지 제어부는,
기동 퍼지 단계, 기동 예열 단계, 정지 퍼지 단계, 냉해 방지 단계 및 열 공급량 증가 단계 중 적어도 어느 하나의 단계에서 상기 단위 셀의 전압, 상기 셀 모듈의 전압, 상기 연료 전지 스택의 온도 및 상기 연료 전지 스택의 표면 온도 중 적어도 어느 하나에 기초하여 상기 셀 부하 또는 상기 스택 부하의 동작을 제어하는,
연료 전지 시스템.
In the first paragraph,
The above fuel cell control unit,
Controlling the operation of the cell load or the stack load based on at least one of the voltage of the unit cell, the voltage of the cell module, the temperature of the fuel cell stack, and the surface temperature of the fuel cell stack in at least one of the startup purge step, the startup warm-up step, the stop purge step, the cold damage prevention step, and the heat supply amount increase step.
Fuel cell system.
상기 기동 퍼지 단계는 연료극 퍼지 단계 및 공기극 퍼지 단계를 포함하고,
상기 연료극 퍼지 단계에서 상기 연료 전지 제어부는,
상기 연료 전지 스택의 연료극에 수소 라인을 통하여 수소가 공급 및 순환하도록 제어하고, 수소 퍼지 밸브를 온(On)하여 상기 연료극 내의 비활성 기체가 배출되도록 제어하고,
상기 복수의 단위 셀의 전압과 셀 부하의 동작을 개시하는 제1 기준 전압을 비교 판단하고, 상기 복수의 단위 셀 중 어느 하나의 단위 셀의 전압이 상기 제1 기준 전압을 초과하는 경우에 상기 단위 셀과 연결된 상기 단위 셀 부하에 전기 에너지를 전달하도록 상기 셀 부하의 동작을 제어하고,
상기 복수의 단위 셀의 전압과 셀 부하의 동작을 종료하는 제2 기준 전압을 비교 판단하고, 상기 복수의 단위 셀 중 어느 하나의 단위 셀의 전압이 상기 제2 기준 전압 미만인 경우에 상기 단위 셀과 연결된 단위 셀 부하에 전기 에너지의 전달이 차단되도록 상기 셀 부하의 동작을 제어하고, 그리고,
상기 셀 모듈의 전압과 셀 부하의 동작을 종료하는 제3 기준 전압을 비교 판단하여, 상기 셀 모듈의 전압이 상기 제3 기준 전압을 초과하지 않는 경우에 셀 부하의 동작이 종료되도록 셀 부하를 제어 및 기동 퍼지 단계를 종료하도록 제어하는,
연료 전지 시스템.
In the fourth paragraph,
The above-mentioned purge step includes a fuel electrode purge step and an air electrode purge step,
In the above fuel electrode purge step, the fuel cell control unit,
Controlling the supply and circulation of hydrogen through a hydrogen line to the fuel electrode of the fuel cell stack, and controlling the discharge of inert gas within the fuel electrode by turning on the hydrogen purge valve,
Comparing and judging the voltage of the plurality of unit cells and the first reference voltage that initiates the operation of the cell load, and controlling the operation of the cell load to transfer electric energy to the unit cell load connected to the unit cell when the voltage of any one unit cell among the plurality of unit cells exceeds the first reference voltage,
Comparing and judging the voltage of the plurality of unit cells and the second reference voltage that terminates the operation of the cell load, and controlling the operation of the cell load so that the transmission of electric energy to the unit cell load connected to the unit cell is blocked when the voltage of any one unit cell among the plurality of unit cells is less than the second reference voltage, and
By comparing and judging the voltage of the cell module and the third reference voltage that terminates the operation of the cell load, the cell load is controlled so that the operation of the cell load is terminated when the voltage of the cell module does not exceed the third reference voltage, and the start-up purge step is controlled to be terminated.
Fuel cell system.
상기 공기극 퍼지 단계에서 상기 연료 전지 제어부는,
상기 연료 전지 스택의 공기극에 공기 라인을 통하여 공기가 공급되도록 제어하고, 공기 배출 차단 밸브를 통하여 상기 공기극 내의 비활성 기체가 배출되도록 제어하고,
상기 복수의 단위 셀의 전압과 셀 부하의 동작을 개시하는 제4 기준 전압을 비교 판단하여, 상기 복수의 단위 셀 중 어느 하나의 단위 셀의 전압이 상기 제4 기준 전압을 초과하는 경우에 상기 단위 셀과 연결된 상기 단위 셀 부하에 전기 에너지를 전달하도록 상기 셀 부하의 동작을 제어하고,
상기 셀 모듈의 전압과 스택 부하의 동작을 개시하는 제5 기준 전압을 비교 판단하여, 상기 셀 모듈의 전압이 상기 제5 기준 전압을 초과하는 경우에 연료 전지 스택으로부터 스택 부하에 전기 에너지가 전달되도록 상기 스택 부하의 동작을 제어하고, 그리고,
상기 스택 부하에 전기 에너지가 전달되어 상기 스택 부하에 흐르는 전류와 기 설정된 스택 부하의 최대 전류를 비교 판단하여, 상기 스택 부하에 흐르는 전류가 상기 최대 전류 이상인 경우에 공기극 퍼지 단계를 종료하도록 제어하는,
연료 전지 시스템.
In clause 5,
In the above air electrode purge step, the fuel cell control unit,
Controlling so that air is supplied to the air electrode of the above fuel cell stack through an air line, and controlling so that inert gas within the air electrode is discharged through an air discharge blocking valve,
By comparing and judging the voltage of the plurality of unit cells and the fourth reference voltage that initiates the operation of the cell load, if the voltage of any one unit cell among the plurality of unit cells exceeds the fourth reference voltage, the operation of the cell load is controlled to transfer electric energy to the unit cell load connected to the unit cell.
By comparing and judging the voltage of the cell module and the fifth reference voltage that initiates the operation of the stack load, if the voltage of the cell module exceeds the fifth reference voltage, the operation of the stack load is controlled so that electric energy is transferred from the fuel cell stack to the stack load, and,
The electrical energy is transferred to the stack load, and the current flowing through the stack load is compared with the maximum current of the preset stack load, and the air electrode purge step is controlled to be terminated when the current flowing through the stack load is greater than the maximum current.
Fuel cell system.
상기 연료 전지 제어부는,
기 설정된 연료 퍼지 시간 동안 반복하여 상기 복수의 단위 셀의 전압과 제1 기준 전압 및 제2 기준 전압을 비교 판단하는,
연료 전지 시스템.
In clause 5,
The above fuel cell control unit,
Comparing and determining the voltage of the plurality of unit cells with the first reference voltage and the second reference voltage repeatedly for a preset fuel purge time.
Fuel cell system.
상기 연료 전지 제어부는,
상기 스택 부하에 흐르는 전류가 상기 최대 전류 미만인 경우에는 상기 연료 전지 스택으로부터 전기에너지를 전달받아 상기 최대 전류 이상으로 전류가 흐르도록 상기 스택 부하를 제어하는,
연료 전지 시스템.
In Article 6,
The above fuel cell control unit,
When the current flowing through the stack load is less than the maximum current, the stack load is controlled so that electric energy is transferred from the fuel cell stack and the current flows more than the maximum current.
Fuel cell system.
상기 기동 예열 단계에서 상기 연료 전지 제어부는,
상기 연료 전지 스택의 온도와 상기 연료 전지 스택의 표면 온도의 차이를 기 설정된 허용 온도 차이와 비교 판단하고,
상기 온도 차이가 상기 기 설정된 허용 온도 차이를 초과하는 경우에는 기 설정된 허용 온도 차이에 기초하여 상기 연료극에 연료를 공급 및 상기 공기극에 공기를 추가로 공급하도록 제어하고, 상기 추가로 공급된 연료 및 공기에 의하여 상기 셀 모듈에서 생산되는 전기 에너지가 상기 셀 부하에 전달되도록 상기 셀 부하의 동작을 제어하고, 그리고,
상기 셀 부하는,
상기 전달된 전기에너지를 열에너지로 변환하여 상기 연료 전지 스택의 표면 온도를 상승시키는,
연료 전지 시스템.
In the fourth paragraph,
In the above mentioned preheating step, the fuel cell control unit,
The difference between the temperature of the fuel cell stack and the surface temperature of the fuel cell stack is compared with the preset allowable temperature difference, and
If the temperature difference exceeds the preset allowable temperature difference, the fuel is supplied to the fuel electrode and additional air is supplied to the air electrode based on the preset allowable temperature difference, and the operation of the cell load is controlled so that the electric energy produced in the cell module by the additionally supplied fuel and air is transmitted to the cell load, and
The above cell load is,
Converting the transmitted electrical energy into thermal energy to increase the surface temperature of the fuel cell stack.
Fuel cell system.
상기 연료 전지 제어부는,
상기 온도 차이가 상기 기 설정된 허용 온도 차이 이하인 경우에는 상기 셀 부하에 전기에너지가 전달되지 않도록 상기 셀 부하의 동작을 제어하고, 그리고,
상기 연료극에 연료의 공급을 차단 및 상기 공기극에 공기의 공급을 차단하도록 제어하는,
연료 전지 시스템.
In Article 9,
The above fuel cell control unit,
If the above temperature difference is less than or equal to the preset allowable temperature difference, the operation of the cell load is controlled so that electric energy is not transmitted to the cell load, and
Controlling to block the supply of fuel to the above fuel electrode and to block the supply of air to the above air electrode,
Fuel cell system.
상기 연료 전지 제어부는,
상기 연료 전지 스택의 온도와 기 설정된 예열 완료 판정 온도를 비교 판단하고,
상기 연료 전지 스택의 온도가 상기 예열 완료 판정 온도를 초과하는 경우에는 상기 연료 전지 스택으로부터 상기 스택 부하에 전기 에너지가 전달되지 않도록 스택 부하의 동작을 제어하는,
연료 전지 시스템.
In Article 9,
The above fuel cell control unit,
Compare and determine the temperature of the above fuel cell stack with the preset preheating completion judgment temperature,
If the temperature of the fuel cell stack exceeds the preheating completion determination temperature, the operation of the stack load is controlled so that electric energy is not transmitted from the fuel cell stack to the stack load.
Fuel cell system.
상기 연료 전지 제어부는,
상기 연료 전지 스택의 온도가 상기 예열 완료 판정 온도 이하인 경우에는,
상기 예열 완료 판정 온도에 기초하여 상기 연료극에 연료를 공급 및 상기 공기극에 공기를 추가로 공급하도록 제어하고, 상기 추가로 공급된 연료 및 공기에 의하여 상기 셀 모듈에서 생산되는 전기 에너지가 상기 스택 부하에 전달되도록 상기 스택 부하의 동작을 제어하고,
상기 셀 모듈은,
상기 추가로 공급된 연료 및 공기가 전기화학적 반응하여 생산되는 열에너지를 이용하여 상기 연료 전지 스택의 온도를 상승시키는,
연료 전지 시스템.
In Article 11,
The above fuel cell control unit,
If the temperature of the fuel cell stack is lower than or equal to the preheating completion judgment temperature,
Based on the above preheating completion determination temperature, control is provided to supply fuel to the fuel electrode and additionally supply air to the air electrode, and the operation of the stack load is controlled so that the electric energy produced in the cell module by the additionally supplied fuel and air is transmitted to the stack load.
The above cell module,
The temperature of the fuel cell stack is increased by using the heat energy produced by the electrochemical reaction of the additionally supplied fuel and air.
Fuel cell system.
상기 정지 퍼지 단계에서 상기 연료 전지 제어부는,
발전을 종료한 후에 상기 연료극 및 공기극 내에 물을 배출하기 위하여 수소 퍼지 밸브 및 공기 배출 차단 밸브를 제어하고,
상기 연료 전지 스택의 전압과 기 설정된 퍼지 완료 판정 전압을 비교하여 판단하고, 상기 연료 전지 스택의 전압이 상기 퍼지 완료 판정 전압 미만인 경우에 상기 연료 전지 스택으로부터 상기 스택 부하에 전달되는 전기 에너지를 차단하도록 상기 스택 부하의 동작을 제어하고, 그리고,
상기 공기극 내에 공기의 공급을 차단하도록 공기 라인을 제어하는,
연료 전지 시스템.
In the fourth paragraph,
In the above stop purge step, the fuel cell control unit,
After the power generation is completed, the hydrogen purge valve and the air discharge cutoff valve are controlled to discharge water inside the fuel electrode and air electrode.
Comparing the voltage of the fuel cell stack with a preset purge completion judgment voltage and determining, and controlling the operation of the stack load to block electric energy transmitted from the fuel cell stack to the stack load when the voltage of the fuel cell stack is lower than the purge completion judgment voltage, and
Controlling the air line to block the supply of air into the above air electrode,
Fuel cell system.
연료 전지 제어부는,
상기 복수의 단위 셀의 전압 중 최저 전압을 가지는 단위 셀의 전압과 기 설정된 연료를 차단하는 제6 기준 전압과 비교 판단하여, 상기 최저 전압을 가지는 단위 셀의 전압이 상기 제6 기준 전압 미만인 경우에 상기 연료극에 연료 공급을 차단하도록 제어하고,
상기 복수의 단위 셀의 전압과 셀 부하의 종료를 판단하는 제7 기준 전압을 비교 판단하여, 상기 복수의 단위 셀 중 어느 하나의 단위 셀의 전압이 상기 제7 기준 전압 미만인 경우에 상기 단위 셀과 연결된 단위 셀 부하에 전기 에너지의 전달이 차단되도록 상기 셀 부하의 동작을 제어하고, 그리고,
상기 셀 모듈의 전압과 셀 부하의 동작을 종료하는 제8 기준 전압을 비교 판단하여, 상기 셀 모듈의 전압이 상기 제8 기준 전압 미만인 경우에는 상기 셀 부하의 동작이 종료되도록 제어 및 수소 퍼지 밸브를 온(On)하여 상기 연료극의 수소가 배출되도록 제어하는,
연료 전지 시스템.
In Article 13,
The fuel cell control unit is
By comparing the voltage of the unit cell having the lowest voltage among the voltages of the plurality of unit cells with the sixth reference voltage for blocking the preset fuel, if the voltage of the unit cell having the lowest voltage is lower than the sixth reference voltage, the fuel supply to the fuel electrode is controlled to be blocked.
By comparing the voltages of the plurality of unit cells with the seventh reference voltage for determining the end of the cell load, if the voltage of any one unit cell among the plurality of unit cells is lower than the seventh reference voltage, the operation of the cell load is controlled so that the transmission of electric energy to the unit cell load connected to the unit cell is blocked, and
By comparing the voltage of the cell module with the eighth reference voltage that terminates the operation of the cell load, if the voltage of the cell module is lower than the eighth reference voltage, the operation of the cell load is terminated, and the hydrogen purge valve is turned on to control the hydrogen of the fuel electrode to be discharged.
Fuel cell system.
상기 냉해 방지 단계에서 상기 연료 전지 제어부는,
외부 온도와 기 설정된 냉해 보호 판정 온도를 비교 판단하여, 상기 외부 온도가 상기 냉해 보호 판정 온도 미만인 경우에 상기 연료 전지 스택의 온도와 상기 연료 전지 스택의 표면 온도의 차이를 상기 기 설정된 허용 온도 차이와 비교 판단하고,
상기 온도 차이가 상기 기 설정된 허용 온도 차이를 초과하는 경우에는 기 설정된 허용 온도 차이에 기초하여 상기 연료극에 연료를 공급 및 상기 공기극에 공기를 추가로 공급하도록 제어하고, 상기 추가로 공급된 연료 및 공기에 의하여 상기 셀 모듈에서 생산되는 전기 에너지가 상기 셀 부하에 전달되도록 셀 부하의 동작을 제어하고, 그리고,
상기 셀 부하는,
상기 전달된 전기에너지를 열에너지로 변환하여 상기 연료 전지 스택의 표면 온도를 상승시키는,
연료 전지 시스템.
In the fourth paragraph,
In the above cold damage prevention step, the fuel cell control unit,
By comparing the external temperature with the preset cold damage protection judgment temperature, if the external temperature is lower than the cold damage protection judgment temperature, the difference between the temperature of the fuel cell stack and the surface temperature of the fuel cell stack is compared with the preset allowable temperature difference.
If the above temperature difference exceeds the preset allowable temperature difference, the fuel is supplied to the fuel electrode and additional air is supplied to the air electrode based on the preset allowable temperature difference, and the operation of the cell load is controlled so that the electric energy produced in the cell module by the additionally supplied fuel and air is transmitted to the cell load, and
The above cell load is,
Converting the transmitted electrical energy into thermal energy to increase the surface temperature of the fuel cell stack.
Fuel cell system.
상기 연료 전지 제어부는,
상기 온도 차이가 상기 기 설정된 허용 온도 차이 이하인 경우에는 셀 부하에 전기에너지가 전달되지 않도록 셀 부하의 동작을 제어하고, 그리고,
상기 연료극에 연료의 공급을 차단 및 상기 공기극에 공기의 공급을 차단하도록 제어하는,
연료 전지 시스템.
In Article 15,
The above fuel cell control unit,
If the above temperature difference is less than or equal to the preset allowable temperature difference, the operation of the cell load is controlled so that electrical energy is not transmitted to the cell load, and
Controlling to block the supply of fuel to the above fuel electrode and to block the supply of air to the above air electrode,
Fuel cell system.
열 공급량 증가 단계에서 상기 연료 전지 제어부는,
상기 연료 전지 스택에서 생산되는 발전 열 생산량과 열 수요량을 비교 판단하고,
발전 열 생산량이 열 수요량을 초과하는 경우에 연료 전지 스택으로부터 스택 부하에 전기에너지가 전달되지 않도록 스택 부하의 동작을 제어하고,
상기 연료극에 연료 공급을 차단 및 공기극에 공기 공급을 차단하도록 제어하는,
연료 전지 시스템.
In the fourth paragraph,
In the step of increasing the heat supply, the fuel cell control unit,
Compare and judge the amount of power generation heat produced by the fuel cell stack and the amount of heat demand,
Controlling the operation of the stack load so that electrical energy is not transferred from the fuel cell stack to the stack load when the generated heat production exceeds the heat demand;
Controlling to cut off the fuel supply to the above fuel electrode and to cut off the air supply to the air electrode,
Fuel cell system.
상기 연료 전지 제어부는,
발전 열 생산량이 열 수요량 이하인 경우에는,
상기 열 수요량에 기초하여 상기 연료극에 연료를 공급 및 상기 공기극에 공기를 추가로 공급하도록 제어하고,
상기 추가로 공급된 연료 및 공기에 의하여 상기 셀 모듈에서 생산되는 전기 에너지가 상기 스택 부하에 전달되도록 상기 스택 부하의 동작을 제어하고, 그리고,
상기 추가로 공급된 연료 및 공기에 의하여 상기 셀 모듈에서 생산되는 열 에너지가 열 수요가 필요한 연료 전지 시스템의 운전장치에 전달되도록 상기 연료 전지 스택을 제어하는,
연료 전지 시스템.
In Article 17,
The above fuel cell control unit,
When the heat production is less than the heat demand,
Based on the above heat demand, control is provided to supply fuel to the fuel electrode and additionally supply air to the air electrode,
Controlling the operation of the stack load so that the electrical energy produced in the cell module by the additionally supplied fuel and air is transmitted to the stack load, and,
Controlling the fuel cell stack so that the heat energy produced in the cell module by the additionally supplied fuel and air is transmitted to the driving device of the fuel cell system requiring heat demand.
Fuel cell system.
Priority Applications (1)
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2023
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