Nothing Special   »   [go: up one dir, main page]

KR101362445B1 - Fuel cell system for using waste heat of fuel reformer and operating method of the same - Google Patents

Fuel cell system for using waste heat of fuel reformer and operating method of the same Download PDF

Info

Publication number
KR101362445B1
KR101362445B1 KR1020120039231A KR20120039231A KR101362445B1 KR 101362445 B1 KR101362445 B1 KR 101362445B1 KR 1020120039231 A KR1020120039231 A KR 1020120039231A KR 20120039231 A KR20120039231 A KR 20120039231A KR 101362445 B1 KR101362445 B1 KR 101362445B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
fuel cell
cell stack
heat
heat exchanger
fuel
Prior art date
Application number
KR1020120039231A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20130116645A (en
Inventor
김종호
이동활
전희권
Original Assignee
지에스칼텍스 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 지에스칼텍스 주식회사 filed Critical 지에스칼텍스 주식회사
Priority to KR1020120039231A priority Critical patent/KR101362445B1/en
Publication of KR20130116645A publication Critical patent/KR20130116645A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR101362445B1 publication Critical patent/KR101362445B1/en

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04014—Heat exchange using gaseous fluids; Heat exchange by combustion of reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04029—Heat exchange using liquids
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0612—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
    • H01M8/0618—Reforming processes, e.g. autothermal, partial oxidation or steam reforming
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

본 발명은 연료전지 및 그의 운전방법에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 연료 변환기의 폐열을 이용하여 연료전지 스택의 연료 변환기의 폐열을 이용하여 냉각수를 승온함으로써 연료전지 스택의 냉시동 운전조건을 극복하기 위한 연료 변환기의 폐열을 이용하는 연료전지 시스템 및 그의 운전방법에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명은 연료전지 스택; 연료를 개질하여 수소를 생성하는 연료 변환기; 상기 연료 변환기에서 발생하는 폐열을 회수하는 제1 열교환기; 및 상기 제1 열교환기에서 상기 폐열을 공급받아 냉각수조의 냉각수를 승온시켜 상기 연료전지 스택으로 공급하는 제2 열교환기;를 포함한다.
따라서 본 발명에 따르면 연료전지 시스템의 발전효율을 증대시키고 시스템을 간소화하는 한편 제조도 용이하게 하는 효과가 있다. The present invention relates to a fuel cell and a method of operating the same, and more particularly, to overcome the cold start operation condition of a fuel cell stack by raising the coolant using the waste heat of the fuel converter of the fuel cell stack using the waste heat of the fuel converter. A fuel cell system using waste heat of a fuel converter and a method of operating the same.
To this end, the present invention is a fuel cell stack; A fuel converter for reforming the fuel to produce hydrogen; A first heat exchanger for recovering waste heat generated by the fuel converter; And a second heat exchanger which receives the waste heat from the first heat exchanger and heats up the cooling water of the cooling water tank to supply the fuel cell stack.
Therefore, according to the present invention, there is an effect of increasing power generation efficiency of the fuel cell system, simplifying the system, and facilitating manufacture.

Description

연료 변환기의 폐열을 이용하는 연료전지 시스템 및 그 운전방법{FUEL CELL SYSTEM FOR USING WASTE HEAT OF FUEL REFORMER AND OPERATING METHOD OF THE SAME}FUEL CELL SYSTEM FOR USING WASTE HEAT OF FUEL REFORMER AND OPERATING METHOD OF THE SAME}

본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 연료 변환기의 폐열을 이용하여 냉각수를 승온함으로써 연료전지 스택의 냉시동 운전조건을 극복하기 위한 연료 변환기의 폐열을 이용하는 연료전지 시스템 및 그의 운전방법에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly, to a fuel cell system using the waste heat of a fuel converter for overcoming the cold start operation conditions of the fuel cell stack by raising the coolant using the waste heat of the fuel converter, and a method of operating the same. It is about.

연료전지 시스템은 반응가스의 전기화학 반응으로부터 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택, 연료전지 스택에 연료인 수소를 개질하여 공급하는 연료 변환기, 연료전지 스택에 전기화학 반응 시 필요한 산화제인 산소를 포함하는 공기를 공급하는 공기공급장치, 연료전지 스택의 전기화학 반응 부산물인 열을 외부로 방출시켜 연료전지 스택의 운전온도를 최적으로 제어하고 물 관리 기능을 수행하는 열 및 물 관리 시스템, 연료전지의 작동 전반을 제어하는 연료전지 제어기를 포함하여 구성된다.The fuel cell system includes a fuel cell stack for generating electrical energy from an electrochemical reaction of a reaction gas, a fuel converter for reforming and supplying hydrogen as a fuel to the fuel cell stack, and an oxygen oxidant necessary for an electrochemical reaction to the fuel cell stack. Air supply device for supplying air, heat and water management system to operate the fuel cell stack optimally and operate water management function by releasing heat, a byproduct of electrochemical reaction of fuel cell stack, to outside It is configured to include a fuel cell controller for controlling the first half.

그런데 낮은 온도에서 스택을 저온 운전하는 경우 셀 내부의 플러딩(flooding) 발생 가능성이 증가한다. 즉, 시동 후 최적 운전 온도에 도달하기 전까지는 스택 온도가 낮기 때문에 스택 내 물의 응축량이 많아지고, 결국 응축수의 양이 늘면서 플러딩 현상 등 여러 문제점이 발생한다.However, when the stack is operated at a low temperature at a low temperature, the possibility of flooding inside the cell increases. That is, since the stack temperature is low until the optimum operating temperature is reached after starting, condensation of the water in the stack increases, and consequently, various problems such as flooding phenomenon occur as the amount of condensate increases.

즉, 스택의 저온 운전 시 셀 내부에 액적의 물량 과다로 막전극접합체(MEA: Membrane Electrode Assembly), 기체확산층(GDL: Gas Diffusion Layer), 및 분리판 채널 내에 플러딩 발생 가능성이 높아지는데, 특히 애노드측 플러딩의 경우 캐소드측 산소의 크로스-오버 증가로 애노드측에서 수소/산소 계면이 형성되어 캐소드 전극층 카본 담지체의 부식을 유발하고, 애노드 전극층 내 백금 입자 주위로 라디칼 발생을 가속화시켜 바인더(binder) 열화의 원인이 된다. 또한 수소 확산성 저하로 산화 반응 감소 시 수소 이온 생성을 위한 물 전기분해 반응으로 애노드측 카본 담지체 부식을 유발한다.In other words, the excessive amount of droplets in the cell during low temperature operation of the stack increases the possibility of flooding in the membrane electrode assembly (MEA), gas diffusion layer (GDL), and separator channel. In the case of the side flooding, the cross-over of the oxygen of the cathode is formed, and the hydrogen / oxygen interface is formed at the anode, causing corrosion of the carbon electrode of the cathode electrode layer, and accelerating the generation of radicals around the platinum particles in the anode electrode layer, thereby increasing the binder. It may cause deterioration. In addition, when the oxidation reaction is reduced due to the decrease in hydrogen diffusivity, the water electrolysis reaction for generating hydrogen ions causes the anode-side carbon carrier corrosion.

따라서, 스택 출력 및 발열량, 냉각 시스템 성능, 스택 내구성 등을 고려하여 최적의 운전 온도로 스택을 운전시켜야 하며, 특히 시동 후에는 짧은 시간 내에 스택 온도를 최적 운전 온도로 승온시키는 것이 필요하다.Therefore, the stack should be operated at the optimum operating temperature in consideration of the stack output and heat generation amount, cooling system performance, stack durability, and the like. In particular, it is necessary to raise the stack temperature to the optimum operating temperature within a short time after startup.

도 1은 종래의 스택 승온 방법으로 외부 열원을 이용하여 냉각수를 승온시킨 뒤 승온된 냉각수를 이용하여 스택을 목표 운전 온도로 신속히 높이는 연료전지 스택 승온장치(10)를 개략적으로 보여주는 블록도이다.FIG. 1 is a block diagram schematically illustrating a fuel cell stack temperature raising apparatus 10 that raises a cooling water by using an external heat source and rapidly raises a stack to a target operating temperature by using the elevated temperature using a conventional stack heating method.

도 1을 참조하면, 종래의 연료전지 스택 승온장치는 냉각수조(11)와, 냉각수 펌프(12)와, 히터(13), 연료전지 스택(14) 및 제어부(15)와 온도센서(16)를 포함한다.Referring to FIG. 1, a conventional fuel cell stack temperature raising apparatus includes a cooling water tank 11, a cooling water pump 12, a heater 13, a fuel cell stack 14, a controller 15, and a temperature sensor 16. It includes.

도 1과 같이 구성된 종래의 연료전지 스택 승온장치(10)의 동작은 다음과 같다.The operation of the conventional fuel cell stack temperature raising apparatus 10 configured as shown in FIG. 1 is as follows.

우선 온도센서(16)는 연료전지 스택(14)의 온도를 감지하여 제어부(15)로 제공한다. 그러면 제어부(15)는 온도센서(16)로부터 감지된 연료전지 스택(14)의 온도와 기 저장된 임계치 온도를 비교한다. 여기서 기 저장된 임계치 온도는 연료전지 스택(14)의 냉시동 조건을 판단히기 위한 온도이다. 만약 연료전지 스택(14)의 온도가 냉시동 조건인 경우, 연료전지 스택(14)을 승온해야 한다.First, the temperature sensor 16 detects a temperature of the fuel cell stack 14 and provides the temperature to the controller 15. Then, the controller 15 compares the temperature of the fuel cell stack 14 detected by the temperature sensor 16 with a previously stored threshold temperature. The previously stored threshold temperature is a temperature for determining a cold start condition of the fuel cell stack 14. If the temperature of the fuel cell stack 14 is a cold start condition, the fuel cell stack 14 must be heated.

따라서, 제어부(15)는 냉각수 펌프(12)에 의해 냉각수조(11)로부터 공급되는 냉각수를 승온하기 위해 히터(13)를 기동시킨다.Therefore, the control part 15 starts the heater 13 to heat up the cooling water supplied from the cooling water tank 11 by the cooling water pump 12.

이 후, 온도센서(16)로부터 제공된 연료전지 스택(14)의 온도가 냉시동 조건을 벗어났다고 판단하면, 제어부(15)는 히터(13)의 기동을 중지시킨다.After that, when it is determined that the temperature of the fuel cell stack 14 provided from the temperature sensor 16 is out of the cold start condition, the control unit 15 stops starting the heater 13.

그러나, 이러한 방법은 단시간에 연료전지 스택(14) 온도를 높일 수 있는 장점은 있으나, 부하 장치, 열원에서 소비되는 에너지로 인해 시스템 효율이 감소하는 문제를 가지며, 연료전지 스택(14)에서 발생한 에너지를 모두 열에너지로 소모하기 때문에 에너지 효율을 저하시키는 단점을 가진다. 또한 채널 내 물 응축 및 플러딩 현상을 방지하는데 한계가 있다.However, this method has the advantage of increasing the temperature of the fuel cell stack 14 in a short time, but has a problem that the system efficiency decreases due to energy consumed by the load device and the heat source, and energy generated by the fuel cell stack 14. Since all of them consume heat energy, they have the disadvantage of lowering energy efficiency. In addition, there is a limit in preventing water condensation and flooding in the channel.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 특히 연료전지 스택의 냉시동 운전조건을 극복하기 위한 냉각수 히터를 연료 변환기의 폐열이용으로서 대체하는 연료 변환기의 폐열을 이용하는 연료전지 시스템 및 그의 운전방법을 제공하는 것이다. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the problems of the prior art as described above, and an object of the present invention, in particular, is to replace a coolant heater for overcoming the cold start operation conditions of a fuel cell stack as fuel for replacing waste heat of a fuel converter. The present invention provides a fuel cell system using the waste heat of a converter and a method of operating the same.

이를 위해 본 발명은 연료전지 스택; 연료를 개질하여 수소를 생성하는 연료 변환기; 상기 연료 변환기에서 발생하는 폐열을 회수하는 제1 열교환기; 및 상기 제1 열교환기에서 상기 폐열을 공급받아 냉각수조의 냉각수를 승온시켜상기 연료전지 스택으로 공급하는 제2 열교환기를 포함하여 이루어진다.To this end, the present invention is a fuel cell stack; A fuel converter for reforming the fuel to produce hydrogen; A first heat exchanger for recovering waste heat generated by the fuel converter; And a second heat exchanger which receives the waste heat from the first heat exchanger and heats up the cooling water of the cooling water tank to supply the fuel cell stack.

또한, 이를 위해 본 발명에 따르는 연료 변환기의 폐열을 이용하는 연료전지 시스템은 회수열 저장수조로의 유로에 대한 조절을 위해 사용되는 삼방밸브; 및 상기 연료전지 스택의 온도와 기 설정된 임계치 온도의 비교 결과에 따라 상기 삼방밸브를 통해 상기 회수열 저장수조로의 유로에 대한 바이패스(bypass) 여부를 제어하는 제어부;를 더 포함할 수 있다.In addition, the fuel cell system using the waste heat of the fuel converter according to the present invention for this purpose is a three-way valve used for adjusting the flow path to the recovery heat storage tank; And a controller configured to control whether or not a bypass of the flow path to the recovery heat storage tank is bypassed through the three-way valve according to a comparison result of the temperature of the fuel cell stack and a preset threshold temperature.

이때, 제어부는 상기 연료전지 스택의 온도가 상기 임계치 온도 이하인 경우, 상기 삼방밸브를 통해 상기 회수열 저장수조로의 유로를 바이패스(bypass)하도록 제어할 수 있다.In this case, when the temperature of the fuel cell stack is less than or equal to the threshold temperature, the controller may control to bypass the flow path to the recovery heat storage tank through the three-way valve.

또한, 제어부는 상기 연료전지 스택의 온도가 상기 임계치 온도를 초과하는 경우, 상기 회수열 저장수조와 연결된 삼방밸브의 유로를 개방하도록 제어할 수 있다.In addition, the controller may control to open the flow path of the three-way valve connected to the recovery heat storage tank when the temperature of the fuel cell stack exceeds the threshold temperature.

또한, 이를 위해 본 발명에 따르는 연료 변환기의 폐열을 이용하는 연료전지 시스템은 상기 냉각수조에서 승온된 냉각수를 상기 연료전지 스택에 공급하는 제1 펌프;를 더 포함할 수 있다.In addition, the fuel cell system using the waste heat of the fuel converter according to the present invention for this purpose may further include a first pump for supplying the cooling water heated in the cooling water tank to the fuel cell stack.

또한, 이를 위해 본 발명에 따르는 연료 변환기의 폐열을 이용하는 연료전지 시스템은 상기 회수열 저장수조에 저장된 열을 외부로 방출하도록 상기 제1 열교환기로 공급하는 제2 펌프;를 더 포함할 수 있다.In addition, the fuel cell system using the waste heat of the fuel converter according to the present invention for this purpose may further include a second pump for supplying the heat stored in the recovery heat storage tank to the first heat exchanger to the outside.

또한, 이를 위해 본 발명에 따르는 연료 변환기의 폐열을 이용하는 연료전지 시스템은 연료전지 스택; 연료를 개질하여 수소를 생성하는 연료 변환기; 상기 연료 변환기에서 발생하는 폐열을 회수하는 제1 열교환기; 상기 제1 열교환기에서 상기 폐열을 공급받아 냉각수조의 냉각수를 승온시켜상기 연료전지 스택으로 공급하는 제2 열교환기; 상기 제2 열교환기와 회수열 저장수조 사이에 존재하는 제1 밸브; 상기 제2 열교환기와 상기 제1 열교환기 사이에 존재하는 제2 밸브; 및 상기 연료전지 스택의 온도와 기 설정된 임계치 온도의 비교 결과에 따라 상기 제1 밸브 및 상기 제2 밸브의 개방 여부를 제어하는 제어부를 포함하도록 이루어질 수도 있다.In addition, the fuel cell system using the waste heat of the fuel converter according to the present invention for this purpose is a fuel cell stack; A fuel converter for reforming the fuel to produce hydrogen; A first heat exchanger for recovering waste heat generated by the fuel converter; A second heat exchanger which receives the waste heat from the first heat exchanger and heats up the cooling water of the cooling water tank to supply the fuel cell stack; A first valve existing between the second heat exchanger and the recovered heat storage tank; A second valve existing between the second heat exchanger and the first heat exchanger; And a controller configured to control whether the first valve and the second valve are opened according to a result of comparing the temperature of the fuel cell stack with a preset threshold temperature.

이때, 제어부는 상기 연료전지 스택의 온도가 상기 임계치 온도 이하인 경우, 상기 제1 밸브를 차단하고, 상기 제2 밸브를 개방하도록 제어할 수 있다.In this case, when the temperature of the fuel cell stack is less than or equal to the threshold temperature, the controller may control to shut off the first valve and open the second valve.

또한 이때, 제어부는 상기 연료전지 스택의 온도가 상기 임계치 온도를 초과하는 경우, 상기 제1 밸브를 개방하고, 상기 제2 밸브를 차단하도록 제어할 수 있다.In this case, when the temperature of the fuel cell stack exceeds the threshold temperature, the controller may control to open the first valve and shut off the second valve.

또한, 이를 위해 본 발명에 따르는 연료 변환기의 폐열을 이용하는 연료전지 시스템은 상기 냉각수조에서 승온된 냉각수를 상기 연료전지 스택에 공급하는 제1 펌프;를 더 포함할 수 있다.In addition, the fuel cell system using the waste heat of the fuel converter according to the present invention for this purpose may further include a first pump for supplying the cooling water heated in the cooling water tank to the fuel cell stack.

또한, 이를 위해 본 발명에 따르는 연료 변환기의 폐열을 이용하는 연료전지 시스템은 상기 회수열 저장수조에 저장된 열을 외부로 방출하도록 상기 제1 열교환기로 공급하는 제2 펌프;를 더 포함할 수 있다.In addition, the fuel cell system using the waste heat of the fuel converter according to the present invention for this purpose may further include a second pump for supplying the heat stored in the recovery heat storage tank to the first heat exchanger to the outside.

한편, 이를 위해 본 발명에 따르는 연료 변환기의 폐열을 이용하는 연료전지 시스템의 운전방법은 연료 변환기에서 발생하는 폐열을 회수하는 제1 단계; 연료전지 스택의 온도를 검출하는 제2 단계; 검출된 상기 연료전지 스택의 온도와 기 설정된 임계치 온도를 비교하는 제3 단계; 및 상기 임계치 온도와의 비교 결과에 따라 회수열 저장수조로의 유로를 바이패스(bypass)할지 여부를 결정하는 제4 단계;를 를 포함한다.On the other hand, for this purpose, a method of operating a fuel cell system using waste heat of a fuel converter according to the present invention includes a first step of recovering waste heat generated from the fuel converter; Detecting a temperature of the fuel cell stack; A third step of comparing the detected temperature of the fuel cell stack with a preset threshold temperature; And a fourth step of determining whether to bypass the flow path to the recovery heat storage tank according to the comparison result with the threshold temperature.

이때, 상기 제4 단계는 상기 연료전지 스택의 온도가 상기 임계치 온도 이하인 경우, 상기 회수열 저장수조로의 유로를 바이패스할 수 있다.In this case, in the fourth step, when the temperature of the fuel cell stack is less than or equal to the threshold temperature, the flow path to the recovery heat storage tank may be bypassed.

또한 이때, 상기 연료전지 스택의 온도가 상기 임계치 온도를 초과하는 경우, 상기 회수열 저장수조로의 유로를 개방할 수 있다.In this case, when the temperature of the fuel cell stack exceeds the threshold temperature, the flow path to the recovery heat storage tank may be opened.

또한, 이를 위해 본 발명에 따르는 연료 변환기의 폐열을 이용하는 연료전지 시스템의 운전방법은 상기 연료 변환기에서 발생하는 폐열을 외부로 방출하는 제5 단계;를 더 포함할 수 있다.In addition, the operation method of the fuel cell system using the waste heat of the fuel converter according to the present invention for this purpose may further include a fifth step of discharging the waste heat generated by the fuel converter to the outside.

이때, 임계치 온도는 상기 스택의 냉시동 운전여부를 판단하는 기준 임계치 온도이다.At this time, the threshold temperature is a reference threshold temperature for determining whether the cold start operation of the stack.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 연료전지 스택의 냉시동 운전조건을 극복하기 위한 외부의 열원이 제거됨으로써 시스템이 간소화되고 외부의 열원에서 소비되는 에너지의 감소가 발생하지 않으므로 시스템의 효율을 증대시키는 효과가 있다.According to an embodiment of the present invention, since the external heat source for overcoming the cold start operation conditions of the fuel cell stack is removed, the system is simplified and the energy consumed by the external heat source does not occur, thereby increasing the efficiency of the system. It works.

따라서 본 발명에 따르면, 궁극적으로 연료전지 시스템의 발전효율을 증대시키고 시스템이 간소화되는 한편 연료전지 시스템의 제조도 용이하다는 효과가 있다. Therefore, according to the present invention, there is an effect that ultimately increase the power generation efficiency of the fuel cell system, simplify the system and facilitate the manufacture of the fuel cell system.

도 1은 종래의 스택 승온 방법으로 외부 열원을 이용하여 냉각수를 승온시킨 뒤 승온된 냉각수를 이용하여 스택을 목표 운전 온도로 신속히 높이는 연료전지 스택 승온장치를 개략적으로 보여주는 블록도.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따르는 연료 변환기의 폐열을 이용하는 연료전지 시스템을 개략적으로 보여주기 위한 블록도.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따르는 연료 변환기의 폐열을 이용하는 연료전지 시스템을 개략적으로 보여주기 위한 블록도.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따르는 연료 변환기의 폐열을 이용하는 연료전지 시스템을 자세하게 보여주는 예시도.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따르는 연료 변환기의 폐열을 이용하는 연료전지 시스템의 운전방법을 보여주기 위한 순서도.1 is a block diagram schematically illustrating a fuel cell stack temperature raising apparatus for raising a coolant using an external heat source in a conventional stack temperature raising method and then rapidly raising the stack to a target operating temperature using the elevated coolant.
2 is a block diagram schematically illustrating a fuel cell system using waste heat of a fuel converter according to an embodiment of the present invention.
3 is a block diagram schematically illustrating a fuel cell system using waste heat of a fuel converter according to another embodiment of the present invention.
4 is an exemplary view showing in detail a fuel cell system using waste heat of a fuel converter according to another embodiment of the present invention.
5 is a flowchart illustrating a method of operating a fuel cell system using waste heat of a fuel converter according to an embodiment of the present invention.

이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 연료 변환기의 폐열을 이용하는 연료전지 시스템 및 그의 운전방법을 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail a fuel cell system and its operating method using the waste heat of the fuel converter according to an embodiment of the present invention.

도 2 내지 도 5의 동일 부재에 대해서는 동일한 도면 번호를 기재하였다.The same reference numerals are used for the same members in FIGS. 2 to 5.

본 발명의 기본 원리는 연료 변환기에서 발생하는 폐열을 이용하여 냉각수를 승온시킴으로써 연료전지 스택의 냉시동 운전조건을 극복하는 것이다.The basic principle of the present invention is to overcome the cold start operation conditions of the fuel cell stack by raising the cooling water by using the waste heat generated by the fuel converter.

본 발명을 설명함에 있어 연료전지 스택과 스택은 동일한 의미로 사용된다.In describing the present invention, the fuel cell stack and the stack are used in the same sense.

아울러, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우 그 상세한 설명은 생략한다.In the following description of the present invention, detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따르는 연료 변환기의 폐열을 이용하는 연료전지 시스템을 개략적으로 보여주기 위한 블록도이다.2 is a block diagram schematically illustrating a fuel cell system using waste heat of a fuel converter according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따르는 연료 변환기의 폐열을 이용하는 연료전지 시스템(100)은 연료를 개질하여 수소를 생성하는 연료 변환기(110), 연료 변환기(110)에서 발생하는 폐열을 회수하는 제1 열교환기(120), 제1 열교환기(120)에서 폐열을 공급받아 냉각수조(140)의 냉각수를 승온시키는 제2 열교환기(130), 냉각수조(140)에서 승온된 냉각수의 공급을 위한 제1 펌프(150), 및 제1 펌프에서 공급된 승온된 냉각수에 의해 초기 시동 운전온도가 상승하는 연료전지 스택(160), 연료전지 스택(160)에 구비된 온도센서(181)가 감지한 온도정보를 제공받아 기 저장된 임계치 온도와 비교하여 회수열 저장수조(170)로의 유로를 바이패스(bypass) 시키도록 삼방밸브(190)를 제어하는 제어부(180)를 포함한다.Referring to FIG. 2, the fuel cell system 100 using waste heat of a fuel converter according to an embodiment of the present invention includes a waste heat generated from a fuel converter 110 and a fuel converter 110 that generate hydrogen by reforming a fuel. The first heat exchanger 120 for recovering the heat, the second heat exchanger 130 for receiving the waste heat from the first heat exchanger 120 to increase the cooling water of the cooling water tank 140, the cooling water heated in the cooling water tank 140 The first pump 150 for supplying the fuel cell, and the fuel cell stack 160 and the temperature sensor 181 provided in the fuel cell stack 160 in which the initial start-up operation temperature is increased by the heated coolant supplied from the first pump. The controller 180 controls the three-way valve 190 to bypass the flow path to the recovery heat storage tank 170 by receiving the temperature information sensed by) and comparing it with the previously stored threshold temperature.

도 2와 같이 구성된 본 발명의 일 실시 예에 따르는 연료 변환기의 폐열을 이용하는 연료전지 시스템(100)의 동작은 다음과 같다.Operation of the fuel cell system 100 using the waste heat of the fuel converter according to an embodiment of the present invention configured as shown in FIG. 2 is as follows.

우선, 연료 변환기(110)는 연료전지 스택(160)이 직류를 생산하도록 개질된 수소를 공급한다. 이를 위해 연료 변환기(110)는 탄화수소계 연료(LNG, LPG, 등유 등)를 개질하여 수소를 생성한다.First, fuel converter 110 supplies hydrogen that is reformed such that fuel cell stack 160 produces direct current. To this end, the fuel converter 110 reforms hydrocarbon-based fuels (LNG, LPG, kerosene, etc.) to generate hydrogen.

이 때, 연료 변환기(110)는 연료를 수소로 변환하는 과정에서 많은 폐열이 발생한다.At this time, the fuel converter 110 generates a lot of waste heat in the process of converting the fuel to hydrogen.

종래에는 이와 같은 과정에서 발생하는 폐열을 고온의 폐가스 형태로 외부로 방출하였다.Conventionally, the waste heat generated in this process was discharged to the outside in the form of hot waste gas.

그러나 본 발명에서는 이 고온의 폐가스를 제1 열교환기(120)를 이용함으로써, 연료전지 스택(160)이 냉시동 조건을 갖는 온도일 경우, 냉각수를 승온하는 데에 사용한다.However, in the present invention, the high temperature waste gas is used to heat up the coolant when the fuel cell stack 160 has a cold start condition by using the first heat exchanger 120.

이를 위해 연료전지 스택(160)의 온도를 측정하기 위한 온도센서(181)가 구비된다.To this end, a temperature sensor 181 for measuring the temperature of the fuel cell stack 160 is provided.

제어부(180)는 온도센서(181)에서 제공받은 연료전지 스택(160)의 온도정보와 기 저장된 임계치 온도를 서로 비교하여, 현재 연료전지 스택(160)의 시동조건이 냉시동 조건인지 여부를 판단한다.The controller 180 compares the temperature information of the fuel cell stack 160 provided by the temperature sensor 181 with previously stored threshold temperatures, and determines whether the starting condition of the current fuel cell stack 160 is a cold start condition. do.

여기서 온도센서(181)는 연료전지 스택(160)의 온도를 측정하기 위해 냉각수의 유입부에 구비될 수도 있다. 다만, 온도센서(181)의 위치는 도 2와 같이 냉각수의 유입부에 한정되지 않으며, 유출부에 구비될 수도 있다.The temperature sensor 181 may be provided at the inlet of the coolant to measure the temperature of the fuel cell stack 160. However, the position of the temperature sensor 181 is not limited to the inlet of the coolant as shown in FIG. 2, and may be provided at the outlet.

만약 연료전지 스택(160)의 시동조건이 냉시동 조건인 경우, 제어부(180)는 회수열 저장수조(170)로의 유로를 바이패스(bypass) 시키도록 삼방밸브(190)를 제어한다.If the start condition of the fuel cell stack 160 is a cold start condition, the controller 180 controls the three-way valve 190 to bypass the flow path to the recovery heat storage tank 170.

예를 들면, 제어부(180)는 삼방밸브(190)의 회수열 저장수조(170) 방향 유로를 차단하도록 제어한다. 따라서, 제2 열교환기(130)는 제1 열교환기(120)로부터 제공받은 열을 냉각수조(140)로 공급하여 내부의 냉각수를 승온시킨다. For example, the controller 180 controls to block the flow path of the recovery heat storage tank 170 of the three-way valve 190. Therefore, the second heat exchanger 130 supplies the heat provided from the first heat exchanger 120 to the cooling water tank 140 to heat up the cooling water therein.

그러면, 제1 펌프(150)는 승온된 냉각수를 연료전지 스택(160)에 공급함으로써 연료전지 스택(160)의 온도를 상승시킨다.Then, the first pump 150 increases the temperature of the fuel cell stack 160 by supplying the heated coolant to the fuel cell stack 160.

이 때, 온도센서(181)는 일정 시간간격 지속적으로 연료전지 스택(160)의 온도를 측정하여 그 정보를 제어부(180)로 제공한다.At this time, the temperature sensor 181 measures the temperature of the fuel cell stack 160 continuously for a predetermined time interval and provides the information to the controller 180.

제어부(180)는 온도센서(181)로부터 지속적으로 제공받은 연료전지 스택(160)의 온도정보와 기 저장된 임계치 온도정보를 비교하여 연료전지 스택(160)이 냉시동 조건에서 벗어났다고 판단하는 경우, 삼방밸브(190)를 제어하여 회수열 저장수조(170)로 유로를 제공한다.When the controller 180 determines that the fuel cell stack 160 is out of the cold start condition by comparing the temperature information of the fuel cell stack 160 continuously provided from the temperature sensor 181 with the previously stored threshold temperature information, The valve 190 is controlled to provide a flow path to the recovered heat storage tank 170.

따라서, 제1 열교환기(120) 및 제2 열교환기(130)로부터 제공받은 열은 회수열 저장수조(170)로 공급되고, 회수열 저장수조(170)의 열이 임계치 이상으로 상승하는 경우 제2 펌프(171)에 의해 폐열은 외부로 방출된다.Therefore, the heat provided from the first heat exchanger 120 and the second heat exchanger 130 is supplied to the recovery heat storage tank 170, and when the heat of the recovery heat storage tank 170 rises above the threshold, Waste heat is discharged to the outside by the two pumps 171.

따라서, 본 발명에 의하면, 연료 변환기(110)에서 발생되어 외부로 배출되는 폐열의 일부가 제1 열교환기(120)를 통해 제2 열교환기(130)로 제공되어 제어부(180)의 삼방밸브(190) 제어에 의해 냉시동 조건인 연료전지 스택(160)으로 신속히 공급되어 연료전지 스택(160)을 단시간 내에 정상운전 온도로 승온시킬 수 있다.Therefore, according to the present invention, a part of the waste heat generated by the fuel converter 110 and discharged to the outside is provided to the second heat exchanger 130 through the first heat exchanger 120 to provide a three-way valve of the controller 180. 190, the fuel cell stack 160 may be rapidly supplied to the fuel cell stack 160 under cold start conditions, and the fuel cell stack 160 may be heated to a normal operation temperature within a short time.

도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따르는 연료 변환기의 폐열을 이용하는 연료전지 시스템을 개략적으로 보여주기 위한 블록도이다.3 is a block diagram schematically illustrating a fuel cell system using waste heat of a fuel converter according to another embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면 본 발명의 다른 실시 예에 따르는 연료 변환기의 폐열을 이용하는 연료전지 시스템(200)은 연료를 개질하여 수소를 생성하는 연료 변환기(110), 연료 변환기(110)에서 발생하는 폐열을 회수하는 제1 열교환기(120), 제1 열교환기(120)에서 폐열을 공급받아 냉각수조(140)의 냉각수를 승온시키는 제2 열교환기(130), 냉각수조(140)에서 승온된 냉각수의 공급을 위한 제1 펌프(150), 및 제1 펌프에서 공급된 승온된 냉각수에 의해 초기 시동 운전온도가 상승하는 연료전지 스택(160)을 포함한다.Referring to FIG. 3, the fuel cell system 200 using waste heat of a fuel converter according to another embodiment of the present invention is configured to generate waste heat generated by the fuel converter 110 and the fuel converter 110 to generate hydrogen by reforming fuel. The first heat exchanger 120 to recover and the waste heat supplied from the first heat exchanger 120 to heat up the cooling water of the cooling water tank 140 of the second heat exchanger 130 and the cooling water heated in the cooling water tank 140 A first pump 150 for supplying, and a fuel cell stack 160 in which the initial start-up operation temperature is increased by the heated coolant supplied from the first pump.

도 3과 같이 구성된 본 발명의 일 실시 예에 따르는 연료 변환기의 폐열을 이용하는 연료전지 시스템을 자세히 설명하면 다음과 같다.Referring to the fuel cell system using the waste heat of the fuel converter according to an embodiment of the present invention configured as shown in Figure 3 in detail as follows.

우선, 연료 변환기(110)는 연료전지 스택(160)이 직류를 생산하도록 개질된 수소를 공급한다. 이를 위해 연료 변환기(110)는 탄화수소계 연료(LNG, LPG, 등유 등)를 개질하여 수소를 생성한다.First, fuel converter 110 supplies hydrogen that is reformed such that fuel cell stack 160 produces direct current. To this end, the fuel converter 110 reforms hydrocarbon-based fuels (LNG, LPG, kerosene, etc.) to generate hydrogen.

이 때, 연료 변환기(110)는 연료를 수소로 변환하는 과정에서 많은 폐가스가 발생한다.At this time, the fuel converter 110 generates a lot of waste gas in the process of converting the fuel to hydrogen.

여기서 이 고온의 폐가스를 제1 열교환기(120)를 이용함으로써, 연료전지 스택(160)이 냉시동 조건을 갖는 온도일 경우, 냉각수를 승온하는 데에 사용한다.In this case, the high temperature waste gas is used to heat the cooling water when the fuel cell stack 160 is at a temperature having a cold start condition by using the first heat exchanger 120.

이를 위해 연료전지 스택(160)의 온도를 측정하기 위한 온도센서(181)가 구비된다.To this end, a temperature sensor 181 for measuring the temperature of the fuel cell stack 160 is provided.

제어부(미도시)는 온도센서(181)에서 제공받은 연료전지 스택(160)의 온도정보와 기 저장된 임계치 온도를 서로 비교하여, 현재 연료전지 스택(160)의 시동조건이 냉시동 조건인지 여부를 판단한다.The controller (not shown) compares the temperature information of the fuel cell stack 160 provided by the temperature sensor 181 with previously stored threshold temperatures, and determines whether the start condition of the current fuel cell stack 160 is a cold start condition. To judge.

바람직하게 온도센서(181)는 연료전지 스택(160)의 온도를 측정하기 위해 냉각수의 유입부 또는 유출부에 구비될 수 있다.Preferably, the temperature sensor 181 may be provided at the inlet or outlet of the coolant to measure the temperature of the fuel cell stack 160.

만약 연료전지 스택(160)의 시동조건이 냉시동 조건인 경우, 제어부(미도시)는 제1 열교환기(120)로 유입되는 연료 변환기(110)의 폐열을 제2 열교환기(130)로 제공하고, 제2 열교환기(130)는 제공받은 폐열을 냉각수조(140)로 제공하여 냉각수조(140)에 담긴 냉각수를 승온시킨다.If the start condition of the fuel cell stack 160 is a cold start condition, the controller (not shown) provides waste heat of the fuel converter 110 flowing into the first heat exchanger 120 to the second heat exchanger 130. The second heat exchanger 130 provides the received waste heat to the cooling water tank 140 to increase the temperature of the cooling water contained in the cooling water tank 140.

그러면, 제1 펌프(150)는 승온된 냉각수를 연료전지 스택(160)에 공급함으로써 연료전지 스택(160)의 온도를 상승시킨다.Then, the first pump 150 increases the temperature of the fuel cell stack 160 by supplying the heated coolant to the fuel cell stack 160.

이 때, 온도센서(181)는 일정 시간간격 지속적으로 연료전지 스택(160)의 온도를 측정하여 그 정보를 제어부(미도시)로 제공한다.At this time, the temperature sensor 181 measures the temperature of the fuel cell stack 160 continuously for a predetermined time interval and provides the information to the controller (not shown).

제어부(미도시)는 온도센서(181)로부터 지속적으로 제공받은 연료전지 스택(160)의 온도정보와 기 저장된 임계치 온도정보를 비교하여 연료전지 스택(160)이 냉시동 조건에서 벗어났다고 판단하는 경우, 제1 열교환기(120)를 제어하여 폐열을 외부로 방출하도록 한다.When the controller (not shown) determines that the fuel cell stack 160 is out of the cold start condition by comparing the temperature information of the fuel cell stack 160 continuously provided from the temperature sensor 181 with the previously stored threshold temperature information, The first heat exchanger 120 is controlled to discharge waste heat to the outside.

따라서, 연료 변환기(110)에서 발생되는 폐열은 제1 열교환기(120)에 의해 냉시동 조건인 연료전지 스택(160)으로 공급되어 연료전지 스택(160)을 단시간 내에 정상운전 온도로 승온시킬 수 있다.Therefore, the waste heat generated by the fuel converter 110 may be supplied to the fuel cell stack 160 which is a cold start condition by the first heat exchanger 120 to raise the fuel cell stack 160 to a normal operating temperature in a short time. have.

도 4는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따르는 연료 변환기의 폐열을 이용하는 연료전지 시스템(300)을 자세하게 보여주는 예시도이다.4 is an exemplary view showing in detail a fuel cell system 300 using waste heat of a fuel converter according to another embodiment of the present invention.

도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예에 따르는 연료 변환기의 폐열을 이용하는 연료전지 시스템(300)은 연료 변환기(110), 제1 열교환기(120), 제2 열교환기(130), 냉각수조(140), 제1 펌프(150), 연료전지 스택(160), 회수열 저장수조(170), 제어부(180)를 포함한다.Referring to FIG. 4, the fuel cell system 300 using waste heat of a fuel converter according to another embodiment of the present invention includes a fuel converter 110, a first heat exchanger 120, a second heat exchanger 130, and cooling water. The tank 140, the first pump 150, the fuel cell stack 160, the recovery heat storage tank 170, and the controller 180 are included.

도 4와 같이 구성된 본 발명의 다른 실시 예에 따르는 연료 변환기의 폐열을 이용하는 연료전지 시스템의 동작은 다음과 같다.Operation of the fuel cell system using the waste heat of the fuel converter according to another embodiment of the present invention configured as shown in FIG. 4 is as follows.

우선, 제어부(180)는 온도센서(181)로부터 감지된 연료전지 스택(160)의 온도정보를 제공받는다.First, the controller 180 is provided with temperature information of the fuel cell stack 160 sensed by the temperature sensor 181.

바람직하게, 온도센서(181)는 연료전지 스택(160)의 온도를 감지하기 위해서 냉각수 유입구 또는 유출구에 구비될 수 있다.Preferably, the temperature sensor 181 may be provided at the coolant inlet or outlet to detect the temperature of the fuel cell stack 160.

이와 같이 온도센서(181)가 감지한 연료전지 스택(160)의 온도를 제공받은 제어부(180)는 제공받은 온도와 기 저장된 임계치 온도를 서로 비교한다.As such, the controller 180 that receives the temperature of the fuel cell stack 160 sensed by the temperature sensor 181 compares the received temperature with a previously stored threshold temperature.

여기서 기 저장된 임계치 온도는 연료전지 스택(160)의 냉시동 조건을 판단하기 위한 기준온도로서, 제어부(180)는 온도센서(181)로부터 제공받은 온도가 기 저장된 임계치 온도보다 낮은 경우 연료전지 스택(160)이 냉시동 조건이라고 판단한다.Here, the previously stored threshold temperature is a reference temperature for determining a cold start condition of the fuel cell stack 160. The controller 180 may control the fuel cell stack (if the temperature provided from the temperature sensor 181 is lower than the previously stored threshold temperature). 160 is determined to be a cold start condition.

그러면 제어부(180)는 연료 변환기(110)로부터 생성되는 폐열을 제1 열교환기(120)를 통해 제2 열교환기(130)로 제공하도록 제어한다.Then, the controller 180 controls to provide waste heat generated from the fuel converter 110 to the second heat exchanger 130 through the first heat exchanger 120.

이 때, 제어부(180)는 제1 열교환기(120)와 제2 열교환기(130) 사이의 유로에 구비된 제2 밸브(184)가 개방되도록 제어한다.At this time, the controller 180 controls the second valve 184 provided in the flow path between the first heat exchanger 120 and the second heat exchanger 130 to be opened.

그리고, 제어부(180)는 제2 열교환기(130)와 회수열 저장수조(170) 사이의 유로에 구비된 제1 밸브(183)가 차단되도록 제어한다.The controller 180 controls the first valve 183 provided in the flow path between the second heat exchanger 130 and the recovery heat storage tank 170 to be blocked.

이 경우 제1 밸브(183)와 제2 밸브(184)는 전기에 의해 개폐가 가능한 솔레노이드 밸브를 사용할 수 있다.In this case, the first valve 183 and the second valve 184 may use a solenoid valve that can be opened and closed by electricity.

따라서 제2 열교환기(130)는 연료 변환기(110)의 폐열을 냉각수조(140)로 제공하여 냉각수를 승온시킨다.Therefore, the second heat exchanger 130 provides the waste heat of the fuel converter 110 to the cooling water tank 140 to increase the temperature of the cooling water.

이와 같이 승온된 냉각수는 제1 펌프(150)에 의해 연료전지 스택(160)으로 공급되어 연료전지 스택(160)을 승온시킨다.The coolant heated in this manner is supplied to the fuel cell stack 160 by the first pump 150 to heat up the fuel cell stack 160.

그 후, 제어부(180)는 온도센서(181)로부터 일정 시간간격으로 제공받는 연료전지 스택(160)의 온도가 기 설정된 임계치 이상으로 승온되었다고 판단하면, 제2 밸브(184)를 차단하여 제1 열교환기(120)로 하여금 연료 변환기(110)에서 발생하는 폐열을 외부로 방출시키도록 제어한다.Subsequently, when the controller 180 determines that the temperature of the fuel cell stack 160 received at a predetermined time interval from the temperature sensor 181 is raised to a temperature higher than or equal to a preset threshold, the controller 180 shuts off the second valve 184 to allow the first valve to shut down. The heat exchanger 120 is controlled to discharge the waste heat generated by the fuel converter 110 to the outside.

그리고 제어부(180)는 제1 밸브(183)를 개방하여 연료전지 스택(160)에서 발생하는 열을 제2 열교환기(130)로 하여금 회수열 저장수조(170)로 제공한다.The controller 180 opens the first valve 183 to provide the heat generated from the fuel cell stack 160 to the second heat exchanger 130 to the recovery heat storage tank 170.

만약 회수열 저장수조(170)의 열이 높아지는 경우, 제어부(180)는 제2 펌프(171)를 기동하여 회수열 저장수조(170)의 열을 제1 열교환기(120)로 제공하여 외부로 방출시키도록 제어한다.If the heat of the recovery heat storage tank 170 is increased, the controller 180 starts the second pump 171 to provide the heat of the recovery heat storage tank 170 to the first heat exchanger 120 to the outside. Control to release.

따라서, 본 발명의 다른 실시 예에 따르는 연료 변환기의 폐열을 이용하는 연료전지 시스템(300)은 냉각수를 승온시키기 위한 외부열원(히터)에서 발생하는 열을 연료 변환기(110)에서 발생하는 폐열을 이용하여 대체함으로써 동절기 연료전지 스택(160)을 효과적으로 승온시킬 수 있다.Accordingly, the fuel cell system 300 using the waste heat of the fuel converter according to another embodiment of the present invention uses the waste heat generated by the fuel converter 110 to generate heat generated from an external heat source (heater) for raising the cooling water. By replacing the winter fuel cell stack 160 can be effectively raised.

도 5는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따르는 연료 변환기의 폐열을 이용하는 연료전지 시스템의 운전방법을 보여주기 위한 순서도이다.5 is a flowchart illustrating a method of operating a fuel cell system using waste heat of a fuel converter according to another embodiment of the present invention.

도 5를 참조하면, 본 발명에 따르는 연료 변환기의 폐열을 이용하는 연료전지 시스템의 운전방법(S500)은 연료전지 스택(160)의 온도를 검출하는 단계(S510), 검출된 연료전지 스택(160)의 온도와 기 설정된 임계치 온도를 비교하는 단계(S520) 및 연료전지 스택(160)의 온도가 임계치 온도 이하이면, 연료 변환기(110)에서 발생하는 폐열로 냉각수를 승온시키는 단계(S530)를 포함한다.Referring to FIG. 5, in operation S500 of a fuel cell system using waste heat of a fuel converter according to the present invention, detecting the temperature of the fuel cell stack 160 (S510) and detecting the fuel cell stack 160. Comparing the temperature of the battery with a predetermined threshold temperature (S520) and if the temperature of the fuel cell stack 160 is less than or equal to the threshold temperature, heating the coolant with waste heat generated by the fuel converter 110 (S530). .

도 5를 참조하여, 본 발명의 또 다른 실시 예에 따르는 연료 변환기의 폐열을 이용하는 연료전지 시스템의 운전방법(S500)을 자세히 설명하면 다음과 같다.Referring to Figure 5, it will be described in detail the operation method (S500) of the fuel cell system using the waste heat of the fuel converter according to another embodiment of the present invention.

우선, 제어부(180)는 연료전지 스택(160)에 구비된 온도센서(181)로부터 연료전지 스택(160)의 온도 정보를 정기적으로 제공받는다(S510).First, the controller 180 periodically receives temperature information of the fuel cell stack 160 from the temperature sensor 181 provided in the fuel cell stack 160 (S510).

그러면 제어부(180)는 제공받은 연료전지 스택(160)의 온도와 기 저장된 임계치 온도정보를 서로 비교한다.Then, the controller 180 compares the received temperature of the fuel cell stack 160 with previously stored threshold temperature information.

여기서 기 저장된 임계치 온도정보는 연료전지 스택(160)의 냉시동 조건을 판단하기 위한 온도로서, 제공받은 연료전지 스택(160)의 온도가 기 저장된 임계치 온도정보보다 낮은 경우, 현재 연료전지 스택(160)은 냉시동조건이라고 판단할 수 있다(S520).The previously stored threshold temperature information is a temperature for determining a cold start condition of the fuel cell stack 160. When the temperature of the provided fuel cell stack 160 is lower than the previously stored threshold temperature information, the current fuel cell stack 160 ) May be determined as a cold start condition (S520).

제어부(180)가 연료전지 스택(160)의 상태를 냉시동 조건이라고 판단하면, 제어부(180)는 연료 변환기(110)로부터 발생하는 폐열을 제1 열교환기(120)에 의해 제2 열교환기(130)로 제공하도록 제어한다.When the controller 180 determines that the state of the fuel cell stack 160 is a cold start condition, the controller 180 uses the first heat exchanger 120 to collect waste heat generated from the fuel converter 110 by the second heat exchanger 120. 130).

이 때, 제어부(180)는 제1 열교환기(120)와 제2 열교환기(130)의 유로상에 구비된 제2 밸브(184)를 개방시키고, 제2 열교환기(130)와 회수열 저장수조(170)의 유로상에 구비된 제1 밸브(183)를 차단하도록 제어한다.At this time, the controller 180 opens the second valve 184 provided on the flow path between the first heat exchanger 120 and the second heat exchanger 130, and stores the second heat exchanger 130 and the recovered heat. Control to block the first valve 183 provided on the flow path of the water tank (170).

제2 열교환기(130)는 제공받은 폐열을 냉각수조(140)로 공급하여 냉각수를 승온시킨다. 승온된 냉각수는 제1 펌프(150)에 의해 연료전지 스택(160)으로 제공된다(S530).The second heat exchanger 130 supplies the received waste heat to the cooling water tank 140 to increase the temperature of the cooling water. The heated coolant is provided to the fuel cell stack 160 by the first pump 150 (S530).

온도센서(181)는 일정 시간간격으로 연료전지 스택(160)의 온도를 감지하여 제어부(180)로 제공하면, 제어부(180)는 기 저장된 임계치 온도와 서로 비교하여, 연료전지 스택(160)의 온도가 냉시동 조건에서 벗어났다고 판단하면 다음과 같은 제어를 수행한다.When the temperature sensor 181 detects the temperature of the fuel cell stack 160 at a predetermined time interval and provides the temperature to the controller 180, the controller 180 compares the previously stored threshold temperature with each other to determine the temperature of the fuel cell stack 160. If it is determined that the temperature is out of the cold start condition, the following control is performed.

우선, 제어부(180)는 제2 밸브(184)를 차단하고, 연료 변환기(110)에서 발행하는 폐열을 폐가스 형태로 외부로 방출하기 위해 제1 열교환기(120)를 제어한다.First, the controller 180 blocks the second valve 184 and controls the first heat exchanger 120 to discharge waste heat issued by the fuel converter 110 to the outside in the form of waste gas.

또한 제어부(180)는 연료전지 스택(160)에서 발생하는 열을 효과적으로 냉각하기 위하여 제1 밸브(183)를 개방하여 제2 열교환기(130)로 하여금 승온된 냉각수의 열을 회수열 저장수조(170)로 보내도록 제어한다(S540).In addition, the controller 180 opens the first valve 183 in order to effectively cool the heat generated by the fuel cell stack 160, thereby recovering the heat of the coolant heated by the second heat exchanger 130. 170, and control to send (S540).

만약 회수열 저장수조(170)의 온도가 기 설정된 온도보다 높은 경우, 제어부(180)는 제2 펌프(171)를 기동시켜, 회수열 저장수조(170)의 열을 제1 열교환기(120)로 방출하도록 제어한다.If the temperature of the recovery heat storage tank 170 is higher than the preset temperature, the controller 180 starts the second pump 171 to transfer the heat of the recovery heat storage tank 170 to the first heat exchanger 120. Control to release.

이와 같이 연료 변환기(110)에서 발생하는 폐열을 이용하여 연료전지 스택(160)의 냉시동 운전조건을 해제함으로써 외부열원의 추가없이 효과적으로 연료전지 스택(160)을 승온시킬 수 있다.As such, by releasing the cold start operation condition of the fuel cell stack 160 using the waste heat generated by the fuel converter 110, the fuel cell stack 160 may be effectively heated up without the addition of an external heat source.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is clearly understood that the same is by way of illustration and example only and is not to be construed as limiting the scope of the invention as defined by the appended claims. It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention.

110: 연료 변환기 120: 제1 열교환기
130: 제2 열교환기 140: 냉각수조
150: 제1 펌프 160: 연료전지 스택
170: 회수열 저장수조 180: 제어부110: fuel converter 120: first heat exchanger
130: second heat exchanger 140: cooling water tank
150: first pump 160: fuel cell stack
170: recovery heat storage tank 180: control unit

Claims (18)

삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 연료전지 스택;
연료를 개질하여 수소를 생성하는 연료 변환기;
상기 연료 변환기에서 발생하는 폐열을 회수하는 제1 열교환기;
제2 밸브 개방시에, 상기 제1 열교환기로부터 상기 폐열을 공급받아 냉각수조로 공급하여 냉각수조의 냉각수를 승온시켜 상기 연료전지 스택으로 공급하는 제2 열교환기;
제1 밸브 개방시에, 연료전지 스택에서 발생되는 열을 제2 열교환기로부터 공급받아 저장하고, 저장된 열을 제1 열교환기로 전달하는 회수열 저장수조;
상기 연료전지 스택의 온도가 기 설정된 임계치 온도 이하인 경우, 상기 제1 밸브를 차단하고, 상기 제2 밸브를 개방하도록 제어하며, 상기 연료전지 스택의 온도가 상기 임계치 온도를 초과하는 경우, 제1 밸브를 개방하고, 제2 밸브를 차단하도록 제어하는 제어부;를 포함하며,
상기 제1 밸브는 제2 열교환기와 회수열 저장수조 사이에 존재하고, 상기 제2 밸브는 상기 제1 열교환기와 상기 제2 열교환기 사이에 존재하는, 연료 변환기의 폐열을 이용하는 연료전지 시스템.Fuel cell stack;
A fuel converter for reforming the fuel to produce hydrogen;
A first heat exchanger for recovering waste heat generated by the fuel converter;
A second heat exchanger configured to receive the waste heat from the first heat exchanger and supply the waste heat to the cooling water tank to heat up the cooling water of the cooling water tank to supply the fuel cell stack when the second valve is opened;
A recovery heat storage tank configured to receive and store heat generated in the fuel cell stack from the second heat exchanger when the first valve is opened, and to transfer the stored heat to the first heat exchanger;
When the temperature of the fuel cell stack is less than or equal to a preset threshold temperature, the first valve is shut off and the second valve is controlled to be opened. When the temperature of the fuel cell stack exceeds the threshold temperature, the first valve is controlled. It includes; and a control unit for controlling to block the second valve;
And the first valve is between the second heat exchanger and the recovery heat storage tank, and the second valve is between the first heat exchanger and the second heat exchanger. 삭제delete 삭제delete 제8 항에 있어서,
상기 냉각수조에서 승온된 냉각수를 상기 연료전지 스택에 공급하는 제1 펌프;를 더 포함하는, 연료 변환기의 폐열을 이용하는 연료전지 시스템. The method of claim 8,
And a first pump for supplying the cooling water heated in the cooling water tank to the fuel cell stack. 제11 항에 있어서,
상기 회수열 저장수조에 저장된 열을 외부로 방출하도록 상기 제1 열교환기로 공급하는 제2 펌프;를 더 포함하는, 연료 변환기의 폐열을 이용하는 연료전지 시스템.12. The method of claim 11,
And a second pump for supplying the heat stored in the recovered heat storage tank to the first heat exchanger so as to discharge the heat to the outside. 제8 항, 제11 항 및 제12 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 임계치 온도는
상기 연료전지 스택의 냉시동 운전여부를 판단하는 기준 임계치 온도인 것을 특징으로 하는 연료 변환기의 폐열을 이용하는 연료전지 시스템.13. The method of any one of claims 8, 11 and 12, wherein the threshold temperature is
And a reference threshold temperature for determining whether the fuel cell stack is cold started. 연료전지 스택의 온도를 검출하는 제1 단계;
검출된 상기 연료전지 스택의 온도와 기 설정된 임계치 온도를 비교하는 제2 단계; 및
상기 연료전지 스택의 온도와 상기 임계치 온도와의 비교 결과에 따라 제1 또는 제2 밸브의 개방 여부를 결정하는 제3 단계;를 포함하며,
상기 제3 단계에서 상기 연료전지 스택의 온도가 상기 임계치 온도 이하인 경우, 제1 열교환기와 제2 열교환기의 유로상에 구비된 제2 밸브를 개방시키고, 제2 열교환기와 회수열 저장수조의 유로상에 구비된 제1 밸브를 차단하여, 연료변환기로부터의 폐열을 제1 열교환기 및 제2 열교환기를 거쳐 냉각수조로 전달시켜 냉각수를 승온시키고, 승온된 냉각수를 연료전지 스택으로 전달하여 연료전지 스택을 승온시키며,
상기 연료전지 스택의 온도가 상기 임계치 온도 초과인 경우, 제1 열교환기와 제2 열교환기의 유로상에 구비된 제2 밸브를 차단하여 연료 변환기로부터의 폐열을 제1 열교환기에서 폐가스 형태로 외부로 방출하고, 제2 열교환기와 회수열 저장수조의 유로상에 구비된 제1 밸브를 개방하여 승온된 냉각수의 열을 회수열 저장수조로 공급하며, 회수열 저장수조의 온도가 기 설정된 온도보다 높아지면 회수열 저장수조의 열이 제1 열교환기에서 폐가스 형태로 외부로 방출되도록 하는, 연료 변환기의 폐열을 이용하는 연료전지 시스템의 운전방법.Detecting a temperature of the fuel cell stack;
A second step of comparing the detected temperature of the fuel cell stack with a preset threshold temperature; And
And determining whether to open the first or second valve according to a result of comparing the temperature of the fuel cell stack with the threshold temperature.
When the temperature of the fuel cell stack is less than or equal to the threshold temperature in the third step, the second valve provided on the flow path of the first heat exchanger and the second heat exchanger is opened, and the flow path of the second heat exchanger and the recovery heat storage tank is increased. Shut off the first valve provided in the fuel cell, and transfer the waste heat from the fuel converter to the cooling water tank through the first heat exchanger and the second heat exchanger to raise the cooling water, and transfer the elevated cooling water to the fuel cell stack to raise the fuel cell stack. And
When the temperature of the fuel cell stack exceeds the threshold temperature, the second valve provided on the flow path of the first heat exchanger and the second heat exchanger is shut off to transfer waste heat from the fuel converter to the outside in the form of waste gas from the first heat exchanger. Discharge, and open the first valve provided on the flow path of the second heat exchanger and the recovery heat storage tank to supply the heat of the cooled water to the recovery heat storage tank, and when the temperature of the recovery heat storage tank becomes higher than the preset temperature. A method of operating a fuel cell system using waste heat from a fuel converter to allow heat from a recovered heat storage tank to be discharged to the outside in a form of waste gas from a first heat exchanger. 제14 항에 있어서,
상기 승온된 냉각수의 연료전지 스택으로의 전달은 냉각수조와 연료전시 스택의 유로상에 구비된 제1 펌프를 기동시켜 수행되는, 연료 변환기의 폐열을 이용하는 연료전지 시스템의 운전방법.15. The method of claim 14,
The transfer of the heated coolant to the fuel cell stack is performed by starting the first pump provided on the flow path of the cooling water tank and the fuel display stack, the method of operating a fuel cell system using the waste heat of the fuel converter. 제14 항에 있어서,
회수열 저장수조의 열의 제1 열교환기로의 전달은 회수열 저장수조와 제1 열교환기의 유로상에 구비된 제2 펌프를 기동시켜 수행되는, 연료 변환기의 폐열을 이용하는 연료전지 시스템의 운전방법. 15. The method of claim 14,
The transfer of the heat of the recovery heat storage tank to the first heat exchanger is performed by starting a second pump provided on the flow path of the recovery heat storage tank and the first heat exchanger, the operation method of the fuel cell system using the waste heat of the fuel converter. 삭제delete 제14 항 내지 제16 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 임계치 온도는
상기 연료전지 스택의 냉시동 운전여부를 판단하는 기준 임계치 온도인 것을 특징으로 하는 연료 변환기의 폐열을 이용하는 연료전지 시스템의 운전방법.The method of claim 14, wherein the threshold temperature is
A method of operating a fuel cell system using waste heat of a fuel converter, characterized in that a reference threshold temperature for determining whether the fuel cell stack is cold started.
KR1020120039231A 2012-04-16 2012-04-16 Fuel cell system for using waste heat of fuel reformer and operating method of the same KR101362445B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020120039231A KR101362445B1 (en) 2012-04-16 2012-04-16 Fuel cell system for using waste heat of fuel reformer and operating method of the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020120039231A KR101362445B1 (en) 2012-04-16 2012-04-16 Fuel cell system for using waste heat of fuel reformer and operating method of the same

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20130116645A KR20130116645A (en) 2013-10-24
KR101362445B1 true KR101362445B1 (en) 2014-02-12

Family

ID=49635670

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020120039231A KR101362445B1 (en) 2012-04-16 2012-04-16 Fuel cell system for using waste heat of fuel reformer and operating method of the same

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101362445B1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20220169009A (en) 2021-06-16 2022-12-27 한국철도기술연구원 Liquefied hydrogen vaporization and fuel cell vehicle cooling system
KR20220169008A (en) 2021-06-16 2022-12-27 한국철도기술연구원 Liquid hydrogen vaporization and integrated thermal management system

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102674817B1 (en) * 2021-11-12 2024-06-13 엘지전자 주식회사 Fuel cell system

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004335402A (en) * 2003-05-12 2004-11-25 Matsushita Electric Ind Co Ltd Fuel cell co-generation device
JP2006127861A (en) * 2004-10-27 2006-05-18 Aisin Seiki Co Ltd Fuel cell system
JP2007103034A (en) * 2005-09-30 2007-04-19 Idemitsu Kosan Co Ltd Fuel cell system and its starting method
JP2008112741A (en) * 2008-01-21 2008-05-15 Aisin Seiki Co Ltd Fuel cell system

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004335402A (en) * 2003-05-12 2004-11-25 Matsushita Electric Ind Co Ltd Fuel cell co-generation device
JP2006127861A (en) * 2004-10-27 2006-05-18 Aisin Seiki Co Ltd Fuel cell system
JP2007103034A (en) * 2005-09-30 2007-04-19 Idemitsu Kosan Co Ltd Fuel cell system and its starting method
JP2008112741A (en) * 2008-01-21 2008-05-15 Aisin Seiki Co Ltd Fuel cell system

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20220169009A (en) 2021-06-16 2022-12-27 한국철도기술연구원 Liquefied hydrogen vaporization and fuel cell vehicle cooling system
KR20220169008A (en) 2021-06-16 2022-12-27 한국철도기술연구원 Liquid hydrogen vaporization and integrated thermal management system

Also Published As

Publication number Publication date
KR20130116645A (en) 2013-10-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8470484B2 (en) Fuel cell system
JP3999498B2 (en) Fuel cell system and method for stopping the same
KR101610392B1 (en) Method for controlling fuel cell system
JP4595317B2 (en) Fuel cell system
US20070042249A1 (en) System for preventing freezing of fuel cell
JP2005228637A (en) Fuel cell system
KR101163464B1 (en) Thermal management system for fuel cell vehicle maintaining electrical conductivity and heating capacity
US20150147670A1 (en) Solid oxide fuel cell system
WO2009113305A1 (en) Fuel cell system and method of operating the same
KR101362445B1 (en) Fuel cell system for using waste heat of fuel reformer and operating method of the same
KR101134475B1 (en) Method for controlling fuel cell in low temperature
JP2007305334A (en) Fuel cell system
JP5436352B2 (en) Fuel cell system and control method thereof
EP3070774B1 (en) Fuel cell system
KR20140126862A (en) Fuel cell system and control method of the same which improve cold-startability of a fuel cell vehicle
KR101817276B1 (en) Heat recovery apparatus and method of furl cell
KR101101049B1 (en) A system for warming up a stack in a fuel cell
KR101091681B1 (en) Fuel cell cold starting device and method using adiabatic air compression
JP2008186791A (en) Fuel cell power generation system
KR20120070725A (en) Control unit and control method for fuel cell system
KR100700548B1 (en) Heating/hot-water control device for fuel cell and method thereof
JP5721451B2 (en) Fuel cell system and control method thereof
KR101080311B1 (en) Fuel cell system having separate type auxiliary burner and driving method threrof
KR100671682B1 (en) Apparatus and method for heat exchange of liquid fuel type fuel cell system
JP2014075277A (en) Fuel cell system and operation method thereof

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20170202

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20180205

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20190201

Year of fee payment: 6

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20200203

Year of fee payment: 7