KR101132078B1

KR101132078B1 - 연료전지 시스템

Info

Publication number: KR101132078B1
Application number: KR1020100027428A
Authority: KR
Inventors: 안기장; 박준표; 김기운; 안성진; 김현
Original assignee: 삼성에스디아이 주식회사
Priority date: 2010-03-26
Filing date: 2010-03-26
Publication date: 2012-04-02
Anticipated expiration: 2030-03-26
Also published as: US20110236775A1; KR20110108114A

Abstract

냉각 스택을 신속하게 그리고 효율적으로 예열할 수 있는 연료전지 시스템이 제공된다. 연료전지 시스템은 원료를 개질하여 리포메이트를 생성하며 열원부에 의해 가열되는 개질기, 리포메이트 내의 수소와 산화제의 전기화학적 반응에 의해 발전하는 스택, 및 개질기의 표면 온도에 의해 가열된 개질기 주변 공기를 스택 주변으로 이동시키고 스택 온도 변화에 기초하여 공기 유속을 제어하는 유체유동제어장치를 포함한다.

Description

연료전지 시스템{Fuel Cell System}

본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 냉각 스택을 신속하게 그리고 효율적으로 예열할 수 있는 연료전지 시스템에 관한 것이다.

연료전지는 연료와 산화제를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시키는 장치이다. 연료전지는 한 쌍의 전극들 사이에 전해질이 배치된 구조를 구비한다. 연료로는 수소, 탄화수소, 알코올 등이 이용될 수 있고, 산화제로는 공기, 염소, 이산화염소 등이 시용될 수 있다.

고분자 전해질 타입의 연료전지는 수소이온교환 특성을 갖는 고분자막을 전해질로 이용하는 연료전지이다. 고분자 전해질 연료전지는 다른 형태의 연료전지에 비해 효율이 높고 전류밀도 및 출력밀도가 크며 부하에 대한 응답 특성이 빠르다. 대부분의 고분자 전해질 연료전지는 전기에너지를 발생시키는 스택과 스택에 연료를 공급하는 개질기를 구비한다. 개질기는 개질반응부와 개질반응부에 열을 공급하는 열원부를 구비하며, 통상 스택보다 높은 온도에서 작동된다.

본 발명은 개질기 표면의 열에너지에 의해 가열된 공기를 스택 측으로 공급하면서 스택 온도 변화에 기초하여 공기 유속을 제어함으로써 스택을 단시간에 효율적으로 예열할 수 있는 연료전지 시스템을 제공한다.

또한, 본 발명은 개질기에서 스택으로 향하는 공기 유동, 개질기 주변의 공기 유동, 및/또는 스택 주변의 공기 유동을 제어함으로써 시스템의 작동온도를 적정 수준으로 손쉽게 유지하고, 그것에 의해 시스템 효율 및 성능을 향상시킬 수 있는 연료전지 시스템을 제공한다.

본 발명의 일 측면에 의하면, 별도의 열원부에서의 공급된는 열원으로 탄화수소계 연료를 개질하여 리포메이트 가스를 생성시키는 개질기; 리포메이트 가스내의 수소와 산화제의 전기화학적 반응에 의해 발전하는 스택; 및 개질기의 표면 온도에 의해 가열된 개질기 주변 공기를 스택 주변으로 이동시키고 스택 온도 변화에 기초하여 공기 유속을 조절하는 유체유동제어장치를 포함하는 연료전지 시스템이 제공된다.

일 실시예에서, 유체유동제어장치는 송풍장치를 포함한다. 공기 유속은 스택 온도 변화에 따라 변화되며, 스택 온도변화가 기준값보다 작을 때 감소하고, 기준값보다 클 때 유지되도록 하는 것이 바람직하다.

일 실시예에서, 연료전지 시스템은 개질기 및 스택을 수납하는 케이스를 포함한다. 연료전지 시스템은 케이스 내부의 공기를 배출하는 배기장치를 더 포함할 수 있다. 배기장치의 동작 속도는 송풍장치의 동작 속도에 상응하여 변화할 수 있다.

일 실시예에서, 연료전지 시스템은 개질기 주변의 공기가 스택측으로 흐르는 것을 막는 유체유동분리장치를 더 포함한다. 유체유동분리장치는 개질기와 스택 사이에 배치되는 차단장치, 적어도 하나의 또 다른 배기장치, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 연료전지 시스템은 개질기를 수납하는 제1 섹션 및 스택을 수납하는 제2 섹션을 구비한 케이스를 포함한다. 유체유동제어장치는 송풍장치를 포함하고, 송풍장치는 제1 섹션과 제2 섹션의 경계벽에 설치된다. 송풍장치의 동작 속도는 스택 온도 변화에 따라 변화한다. 즉 스택 온도변화가 기준값보다 작을 때 감소하고, 기준값보다 클 때 유지되도록 하는 것이 바람직하다. 연료전지 시스템은 제2 섹션 내부의 공기를 배출하는 배기장치를 더 포함할 수 있다. 배기장치의 동작 속도는 송풍장치의 동작 속도에 동기화된다.

일 실시예에서, 연료전지 시스템은 1 섹션 내부의 공기를 배출하는 또 다른 배기장치를 더 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 연료전지 시스템은 제1 섹션과 상기 제2 섹션 간의 공기 유동을 차단하는 차단장치를 더 포함할 수 있다. 차단장치는 송풍장치에 결합된 커버를 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 연료전지 시스템은 케이스에 별도로 구비된 제3 섹션 내에 배치된 WGS 장치, 제1 섹션 내에 배치된 PROX 장치, 및 제2 섹션 내에 배치된 공기펌프를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예들에 의하면, 개질기 표면의 폐열을 이용하여 저온 또는 냉각 스택을 단시간에 효율적으로 예열할 수 있다. 또한, 개질기 주변의 공기 유동, 스택 주변의 공기 유동, 및/또는 개질기에서 스택으로 향하는 공기 유동을 제어함으로써, 스택 또는 시스템 전체의 기동 시간을 단축하고, 시스템 내부의 온도를 적정 수준으로 유지하며, 그것에 의해 연료전지 시스템을 장시간 안정적으로 작동될 수 있도록 한다. 아울러, 냉각된 스택의 예열을 위한 별도의 히터를 필요로 하지 않으므로 연료전지 시스템의 에너지 효율을 높이고 제조 비용을 낮출 수 있다.

도 1은 일실시예에 따른 연료전지 시스템의 개략적인 구성도.
도 2는 도 1의 유체유동제어장치에 대한 개략적인 구성도.
도 3은 또다른 일실시예에 따른 연료전지 시스템의 개략적인 구성도.
도 4는 또다른 일실시예에 따른 연료전지 시스템의 개략적인 구성도.
도 5는 또다른 일실시예에 따른 연료전지 시스템의 개략적인 구성도.
도 6은 도 5의 송풍장치의 제어 유량에 따른 스택의 온도 변화를 나타낸 그래프.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 개질기
11, 11a : 개질기 주변의 공기 흐름
20 : 스택
21, 21a : 스택 주변의 공기 흐름
30, 30a, 30b : 유체유동제어장치
32, 32a : 송풍장치
34, 34a : 제어부
40, 40a : 케이스
50, 52, 54 : 배기장치
100, 100a, 200, 200a : 연료전지 시스템

이하 첨부한 도면을 참고 하여 본 발명의 실시예 및 그 밖에 당업자가 본 발명의 내용을 쉽게 이해하기 위하여 필요한 사항에 대하여 상세히 기재한다. 다만, 본 발명은 청구범위에 기재된 범위 안에서 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로 하기에 설명하는 실시예는 표현 여부에 불구하고 예시적인 것에 불과하다.

본 실시예를 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 그리고 도면에서 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 참조번호 및 부호로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 또한, 두 구성요소가 연결되었다는 것은 직접적인 연결뿐만 아니라 또 다른 구성요소를 게재한 연결도 포함한다. 또한, 어떤 층이 다른 층의 위에 존재한다고 기술될 때, 이는 다른 층의 바로 위에 존재할 수도 있고, 그 사이에 제 3의 층이 게재될 수도 있다. 아울러, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장될 수 있으며 실제의 층 두께나 크기와 다를 수 있다.

도 1은 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 개략적인 구성도이다. 도 2는 도 1의 유체유동제어장치에 대한 개략적인 구성도이다.

도 1을 참조하면, 연료전지 시스템(100)은 개질기(10), 스택(20), 및 유체유동제어장치(30)를 구비한다.

개질기(10)는 탄화수소계 연료를 개질하여 리포메이트가스를 발생시키는 장치이다. 개질기(10)는 수증기 촉매 리포밍, 부분산화 반응, 및/또는 자열 리포밍 등의 방식으로 구현될 수 있다. 또한, 개질기(10)는 개질 반응에 필요한 열을 공급하기 위한 별도의 열원부(미도시)를 구비한다. 열원부는 연료를 연소시켜 열을 발생시키는 버너 또는 산화촉매연소기로 구현될 수 있다. 연료의 종류 등에 따라 차이가 있지만, 개질기(10)는 대략 수백℃의 온도에서 작동된다. 연료로는 보통 메탄올, 액화석유가스(liquid petroleum gas, LPG), 가솔린 등 탄화수소계열의 연료가 이용될 수 있다.

본 연료전지 시스템(100)은 WGS 장치와 PROX 장치를 구비할 수 있다(도 5 참조). WGS 장치는 개질기(10) 후단에 연결될 수 있고, PROX 장치는 WGS 장치의 후단에 연결되어 리포메이트 가스내의 CO를 10ppm이하로 저감시킬 수 있다. 또한 PROX 장치에 산소를 공급하기 위해 별도의 공기펌프가 구비될 수 있다. PROX 장치는 수소혼합가스 내의 일산화탄소 함량을 낮추는 일산화탄소 저감장치로써 작동하고, WGS 장치는 개질기(10)의 후단에 연계된 개질장치 및/또는 PROX 장치의 전단에 연계된 일산화탄소 저감장치로써 작동할 수 있다. 개질기(10), WGS 장치 및 PROX 장치를 포함하는 개질시스템은 일산화탄소 함량이 10ppm 미만인 수소혼합가스를 배관(12)을 통해 스택(20)에 공급한다.

스택(20)은 수소와 산화제의 전기화학반응에 의해 화학에너지를 전기에너지로 직접 전환하는 장치이다. 스택(20)은 원하는 전류밀도 및 출력밀도를 얻을 수 있도록 복수의 셀들을 직렬 및 병렬 연결한 평판형 또는 적층형 구조를 구비할 수 있다. 본 실시예에서, 스택(20)은 수소혼합가스 내의 수소를 연료로 이용하는 고분자 전해질 연료전지 방식으로 구현된다.

스택(20)은 운전 정지시 겨울철이나 한대 지역에서 내부의 수분이 결빙되어 재가동시 시스템의 운전에 문제가 발생할 수 있다. 그래서 기준 이하의 온도에서 장기간 보관되었거나 운전기동시 경우 별도의 열원을 내부에 공급하여 결빙된 수분을 제거한 다음에 시스템을 기동해야 한다. 일반적으로 시스템에는 저온 또는 냉각 기동을 위해 전기히터 등의 별도의 가열장치가 스택(20)에 열전도 가능하도록 결합되어야 한다. 하지만, 별도의 스택 가열장치를 설치하면, 시스템의 부피가 커지고 효율이 저하되며 제조 비용이 증가하게 된다. 따라서, 본 실시예에서는 개질기(10) 표면에서 버려지는 폐열을 이용하여 저온 또는 냉각 스택(20)을 효율적으로 예열하고자 한다..

유체유동제어장치(30)는, 예를 들어 도 2에 도시한 바와 같이, 송풍장치(32)와 송풍장치(32)의 동작을 제어하는 제어부(34)를 구비할 수 있다. 송풍장치(32)는 팬(fan)을 포함한다. 제어부(34)는 플립플롭을 이용한 논리회로나 고성능 마이크로프로세서의 적어도 일부 기능으로 구현될 수 있다.

유체유동제어장치(30)는 스택(20)의 저온 또는 냉각 기동시 개질기(10)의 주변에서 개질기(10)의 표면 온도에 의해 가열된 공기를 스택(20) 측으로 강제 유동시킨다. 스택(20)의 저온 또는 냉각 기동시 유체유동제어장치(30)가 작동되면, 개질기 주변의 공기 흐름(11)은 개질기(10)에서 유체유동제어장치(30) 쪽으로 흐르도록 형성되고, 스택 주변의 공기 흐름(21)은 유체유동제어장치(30)에서 스택(20) 쪽으로 흐르도록 형성된다.

또한, 유체유동제어장치(30)는 개질기(10)의 주변에서 가열된 공기를 스택(20) 주변으로 유동시킬 때, 스택(20)의 온도 변화에 기초하여 공기의 유량 또는 유속을 조절한다. 예를 들면, 유체유동제어장치(30)는 스택 온도 변화에 따라 공기 유속을 변화시킬 수 있다. 스택온도가 소정의 기준값보다 작으면, 공기 유속을 감소시키고, 스택 온도 변화가 소정의 기준값보다 크면, 공기 유속을 유지하거나 증가시킬 수 있다. 기준값은 송풍장치에 대하여 기설정된 정상 동작 속도시의 공기 유속 또는 유량을 토대로 설정될 수 있다.

도 3은 또 다른 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 개략적인 구성도이다.

도 3을 참조하면, 연료전지 시스템(100a)은 개질기(10), 스택(20), 유체유동제어장치(30a), 케이스(40), 및 배기장치(50)를 구비한다. 유체유동제어장치(30a)는 도 2의 송풍장치(32)와 제어부(34)를 포함할 수 있다.

케이스(40)는 개질기(10), 유체유동제어장치(30a), 및 스택(20)을 수납한다. 케이스(40)는 개질기(10)의 인접한 부분, 예컨대, 개질기(10)에 인접한 측벽, 상부벽, 및 하부벽 중 적어도 어느 하나에 설치된 통기공(45)을 구비한다.

배기장치(50)는 케이스(40) 내부의 공기를 강제 배출하도록 케이스(40)에 결합된다. 배기장치(50)는 유체유동제어장치(30a)를 통해 스택(20)쪽으로 유동하는 공기가 스택(20)을 경유하여 케이스(40) 외부로 배출될 수 있도록 구비된다. 배기장치(50)의 동작 속도는 송풍장치(32)의 동작 속도와 동일하게 동기화되도록 유체유동제어장치(30a)에 의해 제어될 수 있다.

본 실시예에 의하면, 송풍장치(32)의 동작 속도에 상응하여 배기장치(50)의 동작 속도를 제어함으로써, 개질기(10) 주변의 대부분의 공기를 스택(20) 주변으로 효과적으로 이동시키면서 스택(20) 주변을 흐르는 공기의 유량과 유속을 일정하게 하여 스택(20) 예열 효과를 높일 수 있다.

도 4는 또 다른 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 개략적인 구성도이다.

도 4를 참조하면, 연료전지 시스템(200)은 개질기(10), 스택(20), 유체유동제어장치(30b), 및 유체유동분리장치를 구비한다. 유체유동제어장치(30b)는 도 2의 송풍장치(32)와 제어부(34)를 포함할 수 있다.

유체유동제어장치(30b)의 작동에 의해 스택(20)이 예열된 후 정상 작동되면, 유체유동분리장치는 개질기(10) 주변의 고온의 공기가 스택(20) 쪽으로 유동하지 못하도록 작동한다.

예를 들어, 유체유동분리장치는 송풍장치(32)에 의해 공기 유동을 차단하는 차단장치(62)를 포함할 수 있다. 차단장치(62)는 소정 간격 서로 이격되는 한 쌍의 차단벽(62a, 62b)을 구비할 수 있다. 차단장치(62)는 유체유동제어장치(30b)의 제어에 의해 오픈(open) 상태 또는 클로즈(close) 상태로 전환될 수 있다.

또한, 예를 들어 유체유동분리장치는 개질기(10) 주변의 공기 흐름(11a)을 스택(20)이 위치한 방향이 아닌 다른 방향으로 유도하는 제1 배기장치(64a)와, 또한 스택(20) 주변의 공기 흐름(21a)을 조절하기 위한 제2 배기장치(64b)를 구비할 수 있다. 제1 및 제2 배기장치들(64a, 64b)의 동작은 유체유동제어장치(30b)에 의해 독립적으로 제어될 수 있다.

본 실시예에 의하면, 연료전지 시스템(200)의 기동시뿐만 아니라 정상 운전시에도 개질기(10) 주변의 공기 흐름과 스택(20) 주변의 공기 흐름을 개별적으로 제어함으로써 표면 온도 100℃ 이상을 갖는 개질기(10) 주변의 온도 분위기와 개질기(10)에 비해 상대적으로 많이 낮은 표면 온도를 갖는 스택(20) 주변의 온도 분위기를 적정 수준으로 독립적으로 유지할 수 있다. 그것은 개질기(10)와 스택(20)의 장시간 안정적 운전에 기여한다.

도 5는 또 다른 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 개략적인 구성도이다.

도 5를 참조하면, 연료전지 시스템(200a)은 개질기(10), 스택(20), 송풍장치(32a), 제어부(34a), 케이스(40a), 차단장치(63), 제1 배기장치(52), 및 제2 배기장치(54)를 구비한다. 연료전지 시스템(200a)은 WGS 장치(80), PROX 장치(82), 및 적어도 하나의 공기펌프(84)를 포함할 수 있다.

케이스(40a)는 케이스 몸체 내부에 제1 섹션(41), 제2 섹션(42) 및 제3 섹션(43)을 구비한다. 제1 섹션(41)과 제2 섹션(42)은 제1 경계벽(44)에 의해 구획되어 있다. 제1 섹션(41)과 제3 섹션(43)은 제2 경계벽(45)에 의해 구획되어 있다.

제1 경계벽(44)에는 송풍장치(34a)가 제1 섹션(41)과 제2 섹션(42)을 유체소통 가능하게 연결하도록 설치되어 있다. 본 실시예에서 송풍장치(34a)는 팬으로 구현되며, 차단장치(63)는 팬에 구비된 커버로 구현된다. 송풍장치(34a)와 차단장치(63)의 동작은 제어부(34a)에 의해 독립적으로 제어된다.

또한, 케이스(40a)는 적절한 위치에 다수의 통기공(미도시)을 구비한다. 통기공은 각 섹션(41, 42, 43) 내부와 케이스 외부 간에 어느 정도 자유로운 공기 유동을 허용한다.

개질기(10)와 PROX 장치(82)는 제1 섹션(41) 내에 수납되어 있다. 스택(20)과 공기펌프(84)는 제2 섹션(42) 내에 수납되어 있다. WGS 장치(80)는 제3 섹션(43) 내에 수납되어 있다.

케이스(40a)의 일측에는 제1 섹션(41) 내부와 케이스의 외부를 유체소통 가능하게 연결하도록 제1 배기장치(52)가 구비되어 있다. 케이스(40a)의 타측에는 제2 섹션(42) 내부와 케이스의 외부를 유체소통 가능하게 연결하도록 제2 배기장치(54)가 구비되어 있다. 제1 배기장치(52)와 제2 배기장치(54)의 동작은 제어부(34a)에 의해 제어된다. 제1 및 제2 배기장치들(52, 54)은 도 4의 제1 및 제2 배기장치들(64a, 64b)에 각각 대응될 수 있다.

본 실시예에 따른 연료전지 시스템의 작동과정을 설명하면 다음과 같다.

연료전지 시스템(200a)의 기동시, 개질기(10)는 열원부(미도시)에 의해 그 표면 온도가 100℃ 이상으로 급격히 상승한다. 이때, 제1 섹션(41) 내부의 공기 즉, 개질기(10) 주변의 공기 온도는 빠르게 상승한다. 그리고, 제3 섹션(43)을 포함한 시스템(200a) 전체의 내부 온도도 상승하고, 그것에 의해 시스템 전체가 예열된다.

특히, 제어부(34a)는 송풍장치(32a)와 제2 배기장치(54)를 동기화하여 작동시킴으로써 개질기(10) 주변의 뜨거운 공기가 스택(20) 주변을 경유하면서 스택(20)을 가열한 후 제2 배기장치(54)로 흐르도록 기류를 형성한다. 이때, 제어부(34a)는 스택(20)의 온도 변화에 기초하여 송풍장치(32a)의 동작 속도를 제어함으로써 스택(20)의 예열 온도와 예열 시간을 용이하게 조절한다.

일 실시예에서, -20℃로 냉각된 스택을 약 10분만에 0℃ 이상의 스택으로 예열해야하는 경우, 1분당 요구되는 스택 온도 변화는 2℃이다. 이 경우, 제어부(34a)는 2℃를 기준값으로 1분당 스택 온도 변화가 2℃보다 작으면, 소정의 동작 속도로 기설정되어 있는 송풍장치(32a)의 동작 속도를 소정량 감소시키고, 1분당 스택 온도 변화가 2℃보다 크면, 송풍장치(32a)의 현재의 동작 속도를 유지하거나 동작 속도를 소정량 증가시킬 수 있다.

또 다른 일 실시예에서, -20℃로 냉각된 스택을 약 10분만에 0℃ 이상의 스택으로 예열해야 하는 경우, 한정된 10분의 예열 시간 동안 스택의 온도 변화는 초기에 급격히 증가하다가 완만해지는 곡선 형태를 가질 수 있다. 그러한 경우, 제어부(34a)는, 10분의 예열 시간 내에 스택에 대하여 요구되는 온도 변화의 기준값이 큰 값에서 작은 값으로 변화되도록 구비할 수 있다. 예를 들면, 소정의 곡선(예컨대, 도 6의 유속 1/8배의 곡선)에서 기동 후 10분간을 소정의 시간 간격(예컨대, 30초 간격)으로 분할한 후 각 시점에서 곡선에 대한 각각의 접선의 기울기로 스택에 요구되는 온도 변화의 기준값을 설정할 수 있다.

유체유동제어장치에 의해 적절하게 예열된 스택(20)은 개질기(10), WGS 장치(80), 및 PROX 장치(82)를 통해 애노드로 공급되는 수소와, 공기펌프(84)를 통해 캐소드로 공급되는 공기 중의 산소(산화제)를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지와 열을 발생시키며 정상 기동한다.

스택(20)이 소정 온도(예컨대, 약 60℃)에서 정상 작동하기 시작하면, 제어부(34a)는 송풍장치(32a)를 정지시키고, 차단장치(63)를 작동시켜 제1 섹션(41)과 제2 섹션(42) 간의 공기 유동을 차단한다. 그리고, 제어부(34a)는 제1 배기장치(52)와 제2 배기장치(54)를 독립적으로 작동시켜 제1 섹션(41) 내부의 온도와 제2 섹션(42) 내부의 온도를 적정 수준으로 유지한다.

한편, 상온이나 고온 분위기에서 스택(20)이 기동하는 경우, 제어부(34a)는 송풍장치(34a)의 동작을 생략할 수 있다.

도 6은 도 5의 송풍장치의 제어 유량에 따른 스택의 온도 변화를 나타낸 그래프이다.

도 6을 참조하면, 특정 종류와 용량의 송풍장치를 준비하고, 그 동작속도를 변화시키며 도 5에 도시한 연료전지 시스템 내의 스택의 예열 성능을 시험하였다. 그 결과, 송풍장치의 정격 용량에 따른 정격 동작 속도보다 낮은 동작 속도(예컨대, 1/8배의 동작 속도)에서 스택 예열 효과를 얻을 수 있음을 확인하였다. 도 6에서, 개질기 팬(reformer fan)은 제1 배기장치(52)에 대응된다.

전술한 실험 결과에서 알 수 있듯이, 본 실시예의 연료전지 시스템에 사용되는 송풍장치는 시스템 기동시 스택 예열을 위해 기설정된 정상 동작 속도(예컨대, 정격 동작 속도의 1/8배의 동작 속도)를 가질 수 있다.

따라서, 본 실시예의 연료전지 시스템에서는 송풍장치의 정상 동작 속도시에 송풍장치에 의해 이동하는 공기의 유속을 공기의 기본 유속으로 설정한다. 그리고, 스택의 온도 변화를 측정하고 스택 온도 변화값이 스택에 대하여 요구되는 기설정된 기준 온도 변화값보다 작으면, 송풍장치의 정상 동작 속도보다 낮은 동작 속도로 송풍장치의 동작을 제어하고, 스택 온도 변화값이 기준 온도 변화값보다 크면, 송풍장치의 정상 동작 속도를 유지할 수 있다.

한편, 본 실시예의 연료전지 시스템에 채용가능한 케이스의 부피, 제1 및 제2 섹션들의 내부 용량, 스택의 표면적, 송풍장치의 종류 및 성능 등은 다양한 종류와 구조 및 성능을 가질 수 있다. 그럼에도 불구하고, 본 실시예의 스택 예열 방안에 따르면, 개질기 주변에서 가열된 공기로 스택을 신속하게 그리고 효율적으로 예열할 수 있다. 예를 들면, -20℃로 냉각된 스택의 경우에도 약 10분만에 0℃의 스택으로 빠르게 예열될 수 있다.

이와 같이, 본 실시예의 연료전지 시스템에서는, 개질기 표면의 온도에 의해 가열된 개질기 주변의 공기를 적절한 유량 또는 유속의 기류로 스택에 공급함으로써, 스택 또는 연료전지 시스템 전체를 신속히 그리고 효율적으로 예열한다.

본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 변형예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

전술한 발명에 대한 권리범위는 이하의 특허청구범위에서 정해지는 것으로써, 명세서 본문의 기재에 구속되지 않으며, 청구범위의 균등 범위에 속하는 변형과 변경은 모두 본 발명의 범위에 속할 것이다.

10 : 개질기
11, 11a : 개질기 주변의 공기 흐름
20 : 스택
21, 21a : 스택 주변의 공기 흐름
30, 30a, 30b : 유체유동제어장치
32, 32a : 송풍장치
34, 34a : 제어부
40, 40a : 케이스
50, 52, 54 : 배기장치
100, 100a, 200, 200a : 연료전지 시스템

Claims

열원부에 의하여 연료를 개질하여 리포메이트가스를 생성하는 개질기;
상기 리포메이트가스 내의 수소와 산화제의 전기화학적 반응에 의해 발전하는 스택; 및
상기 개질기의 표면 온도에 의해 가열된 개질기 주변 공기를 상기 스택 주변으로 이동시키고 스택 온도 변화에 기초하여 공기 유속을 제어하는 유체유동제어장치를 포함하는 연료전지 시스템.
제1항에 있어서,
상기 유체유동제어장치는 송풍장치를 포함하는 연료전지 시스템.
제2항에 있어서,
상기 공기 유속은 상기 스택 온도 변화에 따라서 변화하는 연료전지 시스템. .
제2항에 있어서,
상기 개질기 및 상기 스택을 수납하는 케이스를 포함하는 연료전지 시스템.
제4항에 있어서,
상기 케이스 내부의 공기를 배출하는 배기장치를 더 포함하는 연료전지 시스템.
제5항에 있어서,
상기 배기장치의 동작 속도는 상기 송풍장치의 동작 속도에 상응하여 변화하는 연료전지 시스템.
제2항에 있어서,
상기 개질기 주변의 공기가 상기 스택측으로 흐르는 것을 막는 유체유동분리장치를 더 포함하는 연료전지 시스템.
제7항에 있어서,
상기 유체유동분리장치는 상기 개질기와 상기 스택 사이에 배치되는 차단장치, 적어도 하나의 배기장치, 또는 이들의 조합을 포함하는 연료전지 시스템.
제1항에 있어서,
상기 개질기를 수납하는 제1 섹션 및 상기 스택을 수납하는 제2 섹션을 구비한 케이스를 포함하는 연료전지 시스템.
제9항에 있어서,
상기 유체유동제어장치는 송풍장치를 포함하고, 상기 송풍장치는 상기 제1 섹션과 상기 제2 섹션의 경계벽에 설치되는 연료전지 시스템.
제10항에 있어서,
상기 송풍장치의 동작 속도는 상기 스택 온도 변화에 따라서 변화하는 연료전지 시스템.
제10항에 있어서,
상기 제2 섹션 내부의 공기를 배출하는 배기장치를 더 포함하는 연료전지 시스템.
제12항에 있어서,
상기 배기장치의 동작 속도는 상기 송풍장치의 동작 속도에 동기화되는 연료전지 시스템.
제12항에 있어서,
상기 제1 섹션 내부의 공기를 배출하는 또 다른 배기장치를 더 포함하는 연료전지 시스템.
제10항에 있어서,
상기 제1 섹션과 상기 제2 섹션 간의 공기 유동을 차단하는 차단장치를 더 포함하는 연료전지 시스템.
제15항에 있어서,
상기 차단장치는 상기 송풍장치에 결합된 커버를 포함하는 연료전지 시스템.
제9항에 있어서,
상기 케이스에 구비된 제3 섹션 내에 배치되는 WGS 장치,
상기 제1 섹션 내에 배치되는 PROX 장치, 및
상기 제2 섹션 내에 배치되는 공기펌프를 더 포함하는 연료전지 시스템.