KR20210088363A

KR20210088363A - 캐스캐이드 타입 연료전지장치

Info

Publication number: KR20210088363A
Application number: KR1020200001683A
Authority: KR
Inventors: 김형순; 양동근; 우형석
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2020-01-06
Filing date: 2020-01-06
Publication date: 2021-07-14

Abstract

본 발명은 수소 및 공기 입출구의 변경이 가능하도록 구성된 캐스캐이드 연료전지스택의 구조에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 캐스캐이드 타입의 연료전지장치는 복수의 연료전지를 포함하는 연료전지스택이 n개의 캐스캐이드 단으로 구성되고, 각 단의 연료전지스택으로 공급 및 배출되는 수소와 공기의 순방향 흐름과 역방향 흐름을 교번하여 변경되도록 한다. 또한, 본 발명의 연료전지장치는 연료전지스택을 냉각하기 위한 냉각수의 순방향 흐름과 역방향 흐름을 교번하여 변경할 수도 있다.

Description

캐스캐이드 타입 연료전지장치{Cascade type fuel cell apparatus}

본 발명은 연료전지장치에 관한 것으로서, 특히 연료 및 공기 입출구의 변경이 가능하도록 구성된 캐스캐이드 타입 연료전지장치에 관한 것이다.

연료의 연소 에너지를 열로 바꾸지 않고 직접 전기 에너지로 바꾸는 연료전지 시스템은 미래의 전력생산에서 유망한 기술 중 하나로 거론되고 있다. 이러한 연료전지 시스템은 크게 연료개질장치 및 연료전지스택을 포함한다.

연료개질장치에서는 탈황기에 의해 연료에 함유된 황 성분이 제거되고 개질기에서 탈황된 연료와 물을 반응시켜 수소를 생산한다. 이때, 이러한 반응을 위한 열은 버너에서 연료를 연소시켜서 발생된 열을 이용한다.

연료전지는 애노드와 캐소드, 그리고 애노드와 캐소드 사이에 배치되어 이온을 이동시키는 전해질을 포함하며, 연료개질장치에서 애노드에 공급된 수소와 캐소드에 공급되는 공기에 포함된 산소의 전기화학반응을 통해 전기를 생산한다. 이러한 연료전지는 수 십 내지 수 백개 배열되어 스택(stack) 형태로 형성된다.

최근 연료전지의 크기가 커짐에 따라서 연료전지 내에서 소모되지 않고 방출되는 가스를 연료로 재활용하는 사례가 소개되고 있다. 이에 대한 예로서 한국등록특허 제10-1792254호(선행문헌 1) 및 한국등록특허 제10-1322680호(선행문헌 2)에는 캐스캐이드 타입의 연료전지스택이 개시되어 있다.

캐스캐이드 타입의 연료전지스택은 연료전지스택을 복수의 단으로 분할하여, 전단에서 배출되는 잔류가스를 후단의 반응가스로 공급함으로써 가스의 활용 효율을 향상시키는 방식이다.

연료전지스택을 캐스캐이드 타입으로 구성할 경우, 전단에서 사용되고 남은 가스를 다음 단에 공급하여 재활용함에 있어서 전단에서 반응에 의해 발생한 응축수를 제거하기 위해 기액분리기의 장착은 필수적이다. 기액분리기에서 분리된 응축수는 필터를 거친 후 가습기에 가습수로 공급되어 사용된 후 외부로 배출된다.

하지만, 종래의 캐스캐이드 타입의 연료전지스택에서는 다중 스택 사이에 상분리기와 필터를 배치해야 하므로 추가적인 비용이 발생하고 필터를 주기적으로 교환해야 하는 문제점이 있다.

또한, 후단의 연료전지스택은 열악한 환경에 노출되므로 후단의 연료전지스택이 과도한 플러딩(flooding) 현상으로 인해 성능이 저하되는 문제점이 있다.

또한, 후단의 연료전지스택으로 유입되는 수소의 농도가 감소하여 전기생산량이 감소하는 점이 있다.

또한, 후단 연료전지스택의 성능저하로 인해 전단의 연료전지스택에 부하가 증가하며 수명감소로 이어질 수 있고, 연료전지 시스템 전체의 신뢰성 문제를 야기할 수 있다.

한국등록특허 제10-1792254호 한국등록특허 제10-1322680호

본 발명은 복수의 단으로 구성된 캐스캐이드 구조의 연료전지장치에서 수소, 공기 및/또는 냉각수의 흐름이 교번하여 순방향 및 역방향이 되도록 하는 캐스캐이드 타입 연료전지장치를 제공하는데 목적이 있다.

본 발명은 후단의 연료전지스택에서의 수소농도의 부족현상을 방지할 수 있는 캐스캐이드 타입 연료전지장치를 제공하는데 목적이 있다.

본 발명은 후단의 연료전지스택이 플러딩(flooding)되는 현상을 방지하여 연료전지스택의 성능저하를 방지할 수 있는 캐스캐이드 타입 연료전지장치를 제공하는데 목적이 있다.

본 발명은 전단의 연료전지스택과 후단의 연료전지스택 간에 수소 및 공기의 흐름이 교번되도록 운전할 수 있는 캐스캐이드 타입 연료전지장치를 제공하는데 목적이 있다.

본 발명은 전단의 연료전지스택과 후단의 연료전지스택 간에 냉각수의 흐름이 교번되도록 운전할 수 있는 캐스캐이드 타입 연료전지장치를 제공하는데 목적이 있다.

본 발명은 전단 및 후단의 연료전지스택의 수소 및 공기의 흐름을 반대로 제어하여 후단의 연료전지스택의 성능저하를 방지하고 전단의 연료전지스택의 부하증가를 해소하도록 하는 캐스캐이드 타입 연료전지장치를 제공하는데 목적이 있다.

본 발명은 수소 및 공기의 주입과 배출이 전단의 연료전지스택과 후단의 연료전지스택에서 동일한 조건으로 이루어지도록 하는 캐스캐이드 타입 연료전지장치를 제공하는데 목적이 있다.

본 발명은 캐스캐이드 구조의 연료전지장치에서 복수의 연료전지스택 간 수명의 밸런스를 맞추고 수명감소를 최소화하는 캐스캐이드 타입 연료전지장치를 제공하는데 목적이 있다.

본 발명의 실시예에 따른 캐스캐이드 타입 연료전지장치는, 복수의 연료전지를 포함하는 연료전지스택이 n개의 캐스캐이드 단으로 구성되고, 각 단의 연료전지스택으로 공급 및 배출되는 수소와 공기의 순방향 흐름과 역방향 흐름을 교번하여 변경되도록 한다. 이와 같이 각 단의 연료전지스택으로 공급되는 수소와 공기의 흐름을 반대로 설정함으로서 각 연료전지스택 간 균형을 유지할 수 있고, 끝단에 설치된 연료전지스택의 성능저하를 방지할 수 있다.

이를 위하여 본 실시예에 따른 연료전지장치는 연료전지스택으로 공급되는 수소와 공기의 흐름을 변경하기 위한 제1,2사방향밸브를 포함할 수 있다. 제1,2사방향밸브는 각각 수소 및 공기의 흐름이 순방향 및 역방향이 되도록 동작한다.

제1사방향밸브의 동작에 의해 각 단의 연료전지스택마다 전단의 연료전지스택의 제1채널로 수소가 공급되면, 상기 전단의 연료전지스택의 제2채널로 수소가 배출되고, 상기 배출된 수소는 다음 후단의 연료전지스택의 제1채널로 공급되고 상기 후단의 연료전지스택의 제2채널로 수소가 배출되도록 한다.

예컨대, 제1,2,...n단으로 순차로 이동되는 수소의 순방향 흐름에서 최후단인 제n단의 연료전지스택의 제2채널로 배출되는 수소는 제1사방향밸브로 공급되어 외부로 배출된다.

반대로, 제1사방향밸브의 동작에 의해 각 단의 연료전지스택마다 후단의 연료전지스택의 제2채널로 수소가 공급되면 상기 후단의 연료전지스택의 제1채널로 수소가 배출되고 상기 배출된 수소는 다음 전단의 연료전지스택의 제2채널로 공급되고 상기 전단의 연료전지스택의 제1채널로 수소가 배출된다.

예컨대, 제n,...2,1단으로 순차로 이동되는 수소의 역방향 흐름에서 최전단인 제1단의 연료전지스택의 제1채널로 배출되는 수소는 제1사방향밸브로 공급되어 외부로 배출된다. 이때, 상기 수소의 순방향 흐름과 역방향 흐름은 상기 설정조건이 만족할 때마다 서로 교번하여 진행된다. 에컨대, 설정된 주기에 도달하거나 제어부에서 의해 제어신호가 출력되면 순방향 흐름과 역방향 흐름이 변경되어 진행될 수 있다.

본 실시예에서, 상기와 같이 수소의 순방향 흐름과 역방향 흐름을 변경함으로써 n개의 단으로 구성된 연료전지스택 간의 성능의 균형을 이루고 전체적인 성능 저하를 방지할 수 있다.

또한, 제2사방향밸브의 동작에 의해 각 단의 연료전지스택의 제3채널로 공기가 동시에 공급되고, 공급된 공기는 각 단의 연료전지스택의 제4채널로 배출된다. 이와 같이 각 단의 연료전지스택의 제4채널로 배출되는 공기는 제2사방향밸브로 공급되어 외부로 배출된다.

반대로, 제2사방향밸브의 동작에 의해 각 단의 연료전지스택의 제4채널로 공기가 동시에 공급되면, 각 단의 연료전지스택의 제3채널로 공기가 배출된다. 이와 같이 각 단의 연료전지스택의 제3채널로 배출되는 공기는 제2사방향밸브로 공급된다.

상기 제2사방향밸브는 각 단의 연료전지스택의 제3채널로 공기를 공급하는 공기의 순방향 흐름이 진행되도록 동작한 후, 설정조건이 만족되면 각 단의 연료전지스택의 제4채널로 공기를 공급하는 공기의 역방향 흐름이 진행되도록 동작한다.

이때, 상기 공기의 순방향 흐름과 역방향 흐름은 상기 설정조건이 만족할 때마다 서로 교번하여 진행될 수 있다. 예컨대, 발전운전 시간이 설정된 주기에 도달하거나 또는 제어부에서 제어신호가 출력되는 경우에 교번하여 진행될 수 있다.

또는, 제1단 및 제n단의 연료전지스택의 전압차가 설정된 기준치를 초과하는 경우 공기의 순방향 흐름과 역방향 흐름이 변경되도록 동작할 수도 있다.

이러한 공기의 순방향 흐름과 역방향 흐름을 변경함으로써 끝단에 설치된 연료전지스택에서의 플러딩 현상으로 인한 성능저하를 방지할 수 있다.

또한, 본 발명의 연료전지장치는 연료전지스택을 냉각하기 위한 냉각수의 순방향 흐름과 역방향 흐름을 교번하여 변경할 수도 있다.

이를 위해 각 연료전지스택은 냉각수가 출입되는 제5채널 및 제6채널이 더 형성되고, 제5채널 또는 제6채널로 선택적으로 냉각수를 공급하도록 제어되는 제3사방향밸브가 구비될 수 있다. 이러한 제3사방향밸브는 외부에서 공급된 냉각수를 상기 제1단의 연료전지스택의 제5채널 및 제n단의 연료전지스택의 제6채널 중 선택된 한 채널로 공급하고 다른 채널로부터 배출되는 냉각수를 공급받아 외부로 배출한다.

제3사방향밸브의 동작에 의해 각 단의 연료전지스택마다 전단의 연료전지스택의 제5채널로 냉각수가 공급되면, 그 전단의 연료전지스택의 제6채널로 냉각수가 배출되고 상기 배출된 냉각수는 다음 후단의 연료전지스택의 제5채널로 공급되고 상기 후단의 연료전지스택의 제6채널로 냉각수가 배출된다. 그리고 제n단의 연료전지스택의 제6채널로 배출되는 냉각수는 제3사방향밸브로 공급된다.

반대로, 제3사방향밸브의 동작에 의해 각 단의 연료전지스택마다 후단의 연료전지스택의 제6채널로 냉각수가 공급되면 상기 후단의 연료전지스택의 제5채널로 냉각수가 배출되고 상기 배출된 냉각수는 다음 전단의 연료전지스택의 제6채널로 공급되고 상기 전단의 연료전지스택의 제5채널로 냉각수가 배출된다. 그리고, 제1단의 연료전지스택의 제5채널로 배출되는 냉각수는 제3사방향밸브로 공급된다.

상기 제3사방향밸브는, 상기 제1단의 연료전지스택의 제5채널로 상기 냉각수를 공급하는 냉각수의 순방향 흐름이 진행되도록 동작한 후, 설정조건이 만족되면 상기 제n단의 연료전지스택의 제2채널로 상기 냉각수를 공급하는 냉각수의 역방향 흐름이 진행되도록 동작한다.

이때, 냉각수의 순방향 흐름과 역방향 흐름도 설정조건이 만족할 때마다 서로 교번하여 진행될 수 있다.

본 발명에 의하면 복수의 단으로 구성된 캐스캐이드 구조의 연료전지장치에서 수소, 공기 및/또는 냉각수의 흐름이 교번하여 순방향 및 역방향이 되도록 함으로써 후단에 설치된 연료전지스택에서의 성능저하를 방지할 수 있다.

본 발명에 의하면 후단의 연료전지스택에서의 수소농도의 부족현상을 방지할 수 있다.

본 발명에 의하면 후단의 연료전지스택이 플러딩(flooding)되는 현상을 방지하여 연료전지스택의 성능저하를 방지할 수 있다.

본 발명에 의하면 전단의 연료전지스택과 후단의 연료전지스택 간에 수소 및 공기의 흐름이 교번되도록 운전할 수 있도록 하여 연료전지스택 간의 성능, 수명 등의 밸런스를 유지할 수 있다.

본 발명에 의하면 전단의 연료전지스택과 후단의 연료전지스택 간에 냉각수의 흐름이 교번되도록 운전할 수 있으므로 각 연료전지스택 간 냉각효과의 균형을 맞출 수 있고, 냉각효과가 상승될 수 있다.

본 발명에 의하면 전단 및 후단의 연료전지스택의 수소 및 공기의 흐름을 반대로 제어하여 후단의 연료전지스택의 성능저하를 방지하고 전단의 연료전지스택의 부하증가를 해소할 수 있다.

본 발명에 의하면 수소 및 공기의 주입과 배출이 전단의 연료전지스택과 후단의 연료전지스택에서 동일한 조건으로 이루어지도록 하여 각 연료전지스택이 동일한 조건으로 동작할 수 있도록 한다.

본 발명에 의하면 캐스캐이드 구조의 연료전지장치에서 복수의 연료전지스택 간 수명의 밸런스를 맞추어 수명감소를 최소화할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 n개의 단으로 구성된 캐스캐이드 타입 연료전지장치의 개략적인 구성도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지스택의 구성을 개시한 일 예시도.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 사방향밸브의 동작을 설명하기 위한 예시도.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지장치에서 수소의 흐름을 설명하기 위한 일 예시도.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지장치에서 공기의 흐름을 설명하기 위한 일 예시도.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지장치에서 냉각수의 흐름을 설명하기 위한 일 예시도.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지장치의 운전방법을 설명하는 흐름도.

이하, 본 발명의 일부 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세히 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

또한, 본 발명의 실시 예의 구성요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 또 다른 구성요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 n개의 단으로 구성된 캐스캐이드 타입 연료전지장치의 개략적인 구성도이다.

도 1를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 캐스캐이드 타입의 연료전지장치는 n(n≥2,정수)개의 캐스캐이드 단으로 구성된 연료전지스택(110,120,130)을 포함한다.

각 연료전지스택(110,120,130))은 외부로부터 수소와 공기가 각각 공급되고, 공급된 수소와 공기 중에 함유된 산소의 전기화학반응을 통해 전기를 생산한다. 이들 연료전지스택(110,120,130)은 복수의 개별 연료전지들이 스택 형태로 구성된다.

연료전지스택에서의 수소와 산소 간의 전기화학반응은 발열반응이므로 연료전지스택을 냉각하기 위한 냉각수가 각 연료전지스택(110,120,130)으로 공급될 수 있다.

본 실시예에서 각 연료전지스택(110,120,130))의 연료극인 애노드는 직렬로 연결되고 공기극인 캐소드는 병렬로 연결된다. 이와 같이 직병렬 혼합형 캐스캐이드 타입의 연료전지장치에서는 수소, 공기 및 냉각수를 공급하고 배출할 때, 이들의 흐름을 설정주기에 따라 반대로 변경하도록 한다. 즉, 한 주기에서는 수소, 공기 및 냉각수의 방향이 순방향이 되도록 공급 및 배출을 제어하고, 다음 한 주기에서는 역방향이 되도록 공급 및 배출을 제어할 수 있다.

본 실시예에 따른 연료전지장치는 수소의 공급 및 배출을 제어하기 위한 제1사방향밸브(4-way valve)(140)와, 공기의 공급 및 배출을 제어하기 위한 제2사방향밸브(150)와, 냉각수의 공급 및 배출을 제어하기 위한 제3사방향밸브(160)를 포함한다.

즉, 제1,2,3사방향밸브(140,150,160)은 각각 수소, 공기 및 냉각수의 흐름을 순방향 또는 역방향으로 제어하도록 동작한다. 본 발명에서는 수소, 공기 및 냉각수의 흐름에 대하여 최전단인 제1단부터 최후단인 제n단으로의 흐름을 순방향이라 하고, 그 반대방향인 제n단에서 제1단으로의 흐름을 역방향이라 한다.

먼저, 제1사방향밸브(140)의 동작에 의해 수소가 최전단인 제1단의 연료전지스택(110) 또는 최후단인 제n단의 연료전지스택(130) 중 선택된 하나로 공급된다. 연료극인 애노드는 직렬로 연결되어 있으므로 수소는 제1단(또는 제n단)의 연료전지스택에서 그 다음 후단(또는 그 전의 전단)으로 순차적으로 전달되고, 최종적으로는 제n단(또는 제1단)의 연료전지스택까지 전달된다.

이와 같이 전단에서 후단으로 또는 후단에서 전단으로 전달된 수소는 최종적으로 제1사방향밸브(140)로 공급된다.

구체적으로, 예컨대 제1사방향밸브(140)의 동작에 의해 수소가 최전단인 제1단의 연료전지스택(110)으로 공급되면, 제1,2,...n단의 연료전지스택으로 순방향으로 순서대로 수소가 전달되고, 최후단인 제n단의 연료전지스택(130)에서 배출되는 수소는 다시 제1사방향밸브(140)로 공급되는 것이다.

반대로, 제1사방향밸브(140)의 동작에 의해 수소가 최후단인 제n단의 연료전지스택(130)으로 공급되는 경우 제n,...,2,1단의 연료전지스택(130)으로부터 역방향으로 순서대로 수소가 전달되고, 최전단인 제1단의연료전지스택(110)에서 배출되는 수소는 다시 제1사방향밸브(140)로 공급되는 것이다.

다음으로, 제2사방향밸브(150)의 동작에 의해 각 연료전지스택(110,120,130)으로 공기가 동시에 공급된다. 공기극인 캐소드는 병렬로 연결되어 있으므로 공기는 각 단의 연료전지스택(110,120,130)으로 병렬로 공급되는 것이다. 이와 같이 공급된 공기는 병렬로 배출되어 제2사방향밸브(150)로 공급된다.

다음으로, 제3사방향밸브(160)의 동작에 의해 냉각수가 최전단인 제1단의 연료전지스택(110) 또는 최후단인 제n단의 연료전지스택(130) 중 선택된 하나로 공급된다. 냉각수는 제1단(또는 제n단)의 연료전지스택에서 그 다음 후단(또는 그 전의 전단)으로 순차적으로 전달되고, 최종적으로는 제n단(또는 제1단)의 연료전지스택까지 전달된다.

이와 같이 전단에서 후단으로 또는 후단에서 전단으로 전달된 냉각수는 최종적으로 제3사방향밸브(160)로 공급된다.

구체적으로, 예컨대 제3사방향밸브(160)의 동작에 의해 냉각수가 최전단인 제1단의 연료전지스택(110)으로 공급되는 경우 제1,2,...n단의 연료전지스택으로 순방향으로 순서대로 냉각수가 전달되고, 최후단인 제n단의 연료전지스택(130)에서 배출되는 냉각수는 다시 제1사방향밸브(140)로 공급되는 것이다.

반대로, 제3사방향밸브(160)의 동작에 의해 냉각수가 최후단인 제n단의 연료전지스택(130)으로 공급되는 경우 제n,...,2,1단의 연료전지스택(130)으로부터 역방향으로 순서대로 냉각수가 전달되고, 최전단인 제1단의연료전지스택(110)에서 배출되는 냉각수는 다시 제3사방향밸브(160)로 공급되는 것이다.

이때, 본 발명에 따른 연료전지장치에서는 수소, 공기 및 냉각수에 대하여 각각 순방향 및 역방향의 흐름이 교번으로 진행되도록 한다. 예컨대, 설정주기에 따라 한 주기에서는 순방향의 흐름이 진행되도록 하고 다음 주기에서는 역방향의 흐름이 진행되도록 한다. 이러한 순방향 및 역방향 흐름은 설정주기에 따라 계속 반복될 수 있다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지스택의 구성도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지스택(110,120,130)은 각각 수소가 출입되는 제1채널(111)과 제2채널(112)을 포함하고, 공기가 출입되는 제3채널(121)과 제4채널(122)을 포함한다. 또한, 연료전지스택(110,120,130)은 각각 냉각수가 출입되는 제5채널(131)과 제6채널(132)를 더 포함할 수 있다.

제1채널(111) 및 제2채널(112)은 연료전지스택(110,120,130)으로 수소를 공급(유입) 및 배출하기 위한 입구와 출구의 역할을 한다. 예컨대 제1채널(111)로 수소가 유입되면 제2채널(112)로 수소가 배출된다. 반대로 제2채널(112)로 수소가 유입되면 제1채널(111)로 수소가 배출된다.

제3채널(121) 및 제4채널(122)은 연료전지스택(110,120,130)으로 공기를 공급(유입) 및 배출하기 위한 입구와 출구의 역할을 한다. 예컨대 제3채널(121)로 공기가 유입되면 제4채널(122)로 공기가 배출된다. 반대로 제4채널(122)로 공기가 유입되면 제3채널(121)로 공기가 배출된다.

제5채널(131) 및 제6채널(132)은 연료전지스택(110,120,130)으로 냉각수를 공급(유입) 및 배출하기 위한 입구와 출구의 역할을 수행할 수 있다. 예컨대 제5채널(131)로 냉각수가 유입되면 제6채널(132)로 냉각수가 배출된다. 반대로 제6채널(132)로 냉각수 유입되면 제5채널(131)로 냉각수가 배출된다.

도 3 내지 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 사방향밸브의 동작을 설명하기 위한 예시도.

제1,2,3사방향밸브(140,150,160)는 각각 수소, 공기, 냉각수의 흐름을 네 방향으로 조절할 수 있다. 이들 제1,2,3사방향밸브(140,150,160)는 각각 수소, 공기, 냉각수가 공급 및 배출되는 4개의 입출구를 구비한다.

즉, 제1사방향밸브(140)는 수소가 공급 및 배출되는 4개의 입출구(S1~S4)가 구비되고, 제2사방향밸브(150)는 공기가 공급 및 배출되는 4개의 입출구(T1~T4)가 구비되며, 제3사방향밸브(160)는 냉각수가 공급 및 배출되는 4개의 입출구(U1~U4)가 구비된다.

이들 각각의 4개의 입출구는 서로 간에 연결될 수 있으며, 각각 연결된 입출구를 통해 수소, 공기, 냉각수가 전달될 수 있다.

도 3을 참조하면, 본 실시예에서 제1사방향밸브(140)는 제1입출구(S1)와 제2입출구(S2)가 연결되고 제3입출구(S3)와 제4입출구(S4)가 연결될 수 있다. 이 경우 제1입출구(S1)로 공급된 수소는 제2입출구(S2)를 통해 배출되고, 제4입출구(S4)로 공급된 수소는 제3입출구(S3)를 통해 배출될 수 있다.

또한, 제1사방향밸브(140)는 제1입출구(S1)와 제4입출구(S4)가 연결되고 제2입출구(S2)와 제3입출구(S3)가 연결될 수도 있다. 이 경우 제1입출구(S1)로 공급된 수소는 제4입출기(S4)를 통해 배출되고 제2입출구(S2)로 공급된 수소는 제3입출구(S3)를 통해 배출될 수 있다.

도 3의 좌측에 도시된 연결과 우측에 도시된 각 입출구 간의 연결은 서로 교번하여 진행될 수 있다. 좌측의 연결은 수소의 순방향 흐름을 위한 것이고, 우측의 연결은 수소의 역방향 흐름을 위한 것이다. 이러한 순방향 흐름과 역방향 흐름은 설정주기에 따라 서로 교번하여 이루어지도록 한다. 물론, 후술되는 제어부에 의한 제어신호에 의해 교번될 수도 있다.

도 4를 참조하면, 본 실시예에서 제2사방향밸브(150)는 제1입출구(T1)와 제2입출구(T2)가 연결되고 제3입출구(T3)와 제4입출구(T4)가 연결될 수 있다. 이 경우 제1입출구(T1)로 공급된 공기는 제2입출구(T2)를 통해 배출되고, 제4입출구(T4)로 공급된 수소는 제3입출구(T3)를 통해 배출될 수 있다.

또한, 제2사방향밸브(150)는 제1입출구(T1)와 제4입출구(T4)가 연결되고 제2입출구(T2)와 제3입출구(T3)가 연결될 수도 있다. 이 경우에는 제1입출구(T1)로 공급된 수소는 제4입출기(T4)를 통해 배출되고 제2입출구(T2)로 공급된 수소는 제3입출구(T4)를 통해 배출될 수 있다.

도 4의 좌측에 도시된 연결과 우측에 도시된 각 입출구 간의 연결은 서로 교번하여 진행될 수 있다. 좌측의 연결은 공기의 순방향 흐름을 위한 것이고, 우측의 연결은 공기의 역방향 흐름을 위한 것이다. 이러한 순방향 흐름과 역방향 흐름도 역시 설정주기에 따라 서로 교번하여 이루어지도록 한다. 물론, 제어부에 의한 제어신호에 의해 교번될 수도 있다.

도 5를 참조하면, 본 실시예에서 제3사방향밸브(160)는 제1입출구(U1)와 제2입출구(U1)가 연결되고 제3입출구(U3)와 제4입출구(U4)가 연결될 수 있다. 이 경우 제1입출구(U1)로 공급된 냉각수는 제2입출구(U2)를 통해 배출되고, 제4입출구(U4)로 공급된 냉각수는 제3입출구(U3)를 통해 배출될 수 있다.

또한, 제2사방향밸브(150)는 제1입출구(U1)와 제4입출구(U4)가 연결되고 제2입출구(U2)와 제3입출구(U3)가 연결될 수도 있다. 이 경우에는 제1입출구(U1)로 공급된 냉각수는 제4입출기(U4)를 통해 배출되고 제2입출구(U2)로 공급된 냉각수는 제3입출구(U3)를 통해 배출될 수 있다.

도 5의 좌측에 도시된 연결과 우측에 도시된 연결은 서로 교번하여 진행될 수 있다. 좌측의 연결은 냉각수의 순방향 흐름을 위한 것이고, 우측의 연결은 수소의 역방향 흐름을 위한 것이다. 이러한 순방향 흐름과 역방향 흐름은 설정주기에 따라 서로 교번하여 이루어지도록 한다. 물론, 제어부에 의한 제어신호에 의해 교번될 수도 있다.

이와 같이 제1,2,3사방향밸브(140,150,160)는 4개의 입출구 간의 연결상태에 따라 수소, 공기, 냉각수의 흐름이 달라질 수 있으며, 이에 따라 이들 각각의 순방향 흐름과 역방향 흐름이 결정될 수 있다.

한편, 일 실시예에서 이들 제1,2,3사방향밸브(140,150,160)는 연료전지장치의 전반적인 동작을 제어하는 제어부(도시되지 않음)에 의해 그 동작이 제어될 수 있다.

또한, 다른 실시예에서 제1,2,3사방향밸브(140,150,160)는 설정주기에 따라 동작될 수도 있다. 즉, 설정주기에 따라 4개의 입출구 간 연결이 변경될 수 있다.

이와 같이 n개의 단으로 구성된 연료전지스택(110,120,130) 및 제1,2,3사방향밸브(140,150,160)를 포함하는 연료전지장치의 동작을 설명한다.

수소의 순방향 흐름을 설명한다. 각 단의 연료전지스택(110,120,130)마다 전단의 연료전지스택의 제1채널로 수소가 공급되면 그 전단의 연료전지스택의 제2채널로 수소가 배출된다. 이와 같이 배출된 수소는 다음 후단의 연료전지스택의 제1채널로 공급되고, 그 후단의 연료전지스택의 제2채널로 수소가 배출된다.

이와 같이 전단의 연료전지스택에서 배출되는 수소가 후단의 연료전지스택으로 전달되며 최종적으로 최후단인 제n단의 연료전지스택의 제2채널로 배출된다. 상기 제2채널에서 배출되는 수소는 다시 제1사방향밸브(140)로 공급되어 외부장치로 배출된다.

또한, 수소의 역방향 흐름을 설명한다. 각 단의 연료전지스택마다 후단의 연료전지스택의 제2채널로 수소가 공급되면, 그 후단의 연료전지스택의 제1채널로 수소가 배출된다. 이와 같이 제1채널로 배출된 수소는 다음 전단의 연료전지스택의 제2채널로 공급되고, 그 전단의 연료전지스택의 제1채널로 수소가 배출된다.

이와 같이 후단의 연료전지스택에서 배출되는 수소가 전단의 연료전지스택으로 전달되며 최종적으로 최전단인 제1단의 연료전지스택의 제1채널로 배출된다. 상기 제1채널에서 배출되는 수소는 다시 제1사방향밸브(140)로 공급되어 외부장치로 배출된다.

이때, 제1사방향밸브(140)는 제1단의 연료전지스택의 제1채널로 수소를 공급하는 제1과정을 수행한 후, 설정조건이 만족되면 제n단의 연료전지스택의 제2채널로 수소를 공급하는 제2과정을 수행한다. 이는 제1사방향밸브(140)에서 수소 흐름의 방향을 변경함으로써 제1과정과 제2과정이 진행되는 것이다.

이러한 제1과정과 제2과정은 상기 설정조건이 만족할 때마다 서로 교번하여 진행될 수 있다. 상기 설정조건으로는 예를 들어 운전시간이 설정주기에 도달하거나 필요에 따라 제어부에서 출력되는 제어신호가 수신되는 경우를 포함한다.

다음으로 공기의 순방향 흐름을 설명한다. 본 발명의 다른 실시예에서 제2사방향밸브(150)의 동작에 의해 각 단의 연료전지스택의 제3채널로 공기가 공급되면, 각 단의 연료전지스택의 제4채널로 공기가 배출된다. 이와 같이 각 단의 연료전지스택의 제4채널로 배출되는 공기는 제2사방향밸브(150)로 공급되어 외부장치로 배출된다.

반대로, 공기의 역방향의 경우 제2사방향밸브(150)의 동작에 의해 각 단의 연료전지스택의 제4채널로 공기가 공급되면, 각 단의 연료전지스택의 제3채널로 공기가 배출된다. 이와 같이 각 단의 연료전지스택의 제3채널로 배출되는 공기는 제2사방향밸브(150)로 공급되어 외부장치로 배출된다.

이때, 제2사방향밸브(150)는 각 단의 연료전지스택의 제3채널로 공기를 공급하는 제3과정을 수행한 후, 설정조건이 만족되면 각 단의 연료전지스택의 제4채널로 공기를 공급하는 제4과정을 수행한다. 이는 제2사방향밸브(150)에서 공기 흐름의 방향을 변경함으로써 제3과정과 제4과정이 진행되는 것이다.

이러한 제3과정과 제4과정은 상기 설정조건이 만족할 때마다 서로 교번하여 진행될 수 있다. 예컨대, 운전시간이 설정주기에 도달하거나 필요에 따라 제어부에서 출력되는 제어신호가 수신되면 서로 교번하여 진행될 수 있다.

다음으로 냉각수의 순방향 흐름을 설명한다. 본 발명의 또 다른 실시예에서, 제3사방향밸브(160)의 동작에 의해 각 단의 연료전지스택마다 전단의 연료전지스택의 제5채널로 냉각수가 공급되면, 그 전단의 연료전지스택의 제6채널로 냉각수가 배출된다. 이와 같이 제6채널로 배출되는 냉각수는 다음 후단의 연료전지스택의 제5채널로 공급되고, 그 후단의 연료전지스택의 제6채널로 냉각수가 배출된다.

이와 같이 전단의 연료전지스택에서 배출되는 냉각수가 후단의 연료전지스택으로 전달되며, 최종적으로 최후단인 제n단의 연료전지스택의 제6채널로 배출된다. 상기 제6채널에서 배출되는 냉각수는 다시 제3사방향밸브(160)로 공급되어 외부장치로 배출된다.

반대로 냉각수의 역방향 흐름의 경우, 각 단의 연료전지스택마다 후단의 연료전지스택의 제6채널로 냉각수가 공급되면, 그 후단의 연료전지스택의 제5채널로 냉각수가 배출된다. 이와 같이 제5채널로 배출된 냉각수는 다음 전단의 연료전지스택의 제6채널로 공급되고 그 전단의 연료전지스택의 제5채널로 냉각수가 배출된다.

이와 같이 후단의 연료전지스택에서 배출되는 냉각수가 전단의 연료전지스택으로 전달되며, 최종적으로 최전단인 제1단의 연료전지스택의 제5채널로 배출된다. 상기 제5채널에서 배출되는 냉각수는 다시 제3사방향밸브(160)로 공급되어 외부장치로 배출된다.

이때, 제3사방향밸브(160)는 제1단의 연료전지스택의 제5채널로 수소를 공급하는 제5과정을 수행한 후, 설정조건이 만족되면 제n단의 연료전지스택의 제6채널로 수소를 공급하는 제6과정을 수행한다. 이는 제3사방향밸브(160)에서 냉각수 흐름의 방향을 변경함으로써 제5과정과 제6과정이 진행되는 것이다.

상기 제5과정 및 제6과정은 상기 설정조건이 만족할 때마다 서로 교번하여 진행된다. 예컨대, 운전시간이 설정주기에 도달하거나 필요에 따라 제어부에서 출력되는 제어신호가 수신되는 경우에 상기 교번이 진행될 수 있다.

도 6 내지 도 8을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지장치의 동작을 구체적으로 설명한다. 상술한 바와 같이, 본 발명의 연료전지장치는 연료전지스택이 n개의 단으로 구성된 캐스캐이드 타입 연료전지장치이지만, 이하에서는 설명의 평의상 2단의 연료전지스택에 대하여 동작을 설명하도록 한다.

이는 설명의 편의를 위한 것이며, 이와 동일한 원리로 n개의 연료전지스택에 동일하게 적용됨을 밝혀둔다. 필요시 n개의 단으로 구성된 연료전지스택에 대해서도 설명을 추가하기로 한다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지장치에서 수소의 흐름을 설명하기 위한 일 예시도이다. 도 6에는 일례로 연료전지장치가 2단의 연료전지스택으로 구성된 예를 도시한다.

도 6의 좌측에는 수소의 순방향 흐름에 대한 동작이 도시된다. 도면에 도시된 바와 같이 제1사방향밸브(140)는 제1입출구(S1)로 수소가 공급되면 상기 공급된 수소가 제1연료전지스택(100)의 제1채널(111)로 공급되도록 동작한다. 제1연료전지스택(100)의 제1채널(111)로 공급된 수소는 제1연료전지스택(100)의 제2채널(112)로 수소가 배출된다.

이때, 상기와 같이 제1연료전지스택(100)의 제2채널(112)로 배출된 수소는 다음 단의 제2연료전지스택(200)의 제1채널(211)로 공급되며, 계속해서 이러한 수소는 제2연료전지스택(200)의 제4채널(212)로 배출된다. 그리고 제4채널(212)로 배출된 수소는 제1사방향밸브(140)로 공급되어 제1사방향밸브(140)의 제3입출구(S3)를 통해 외부장치로 배출된다.

이와 같이 제1사방향밸브(140)에 의해 제1연료전지스택(100)으로 수소가 공급되어 제2연료전지스택(200)을 통해 수소가 배출되는 수소의 순방향 흐름이 진행된다.

상기 수소의 순방향 흐름이 진행하는 중에 설정주기에 도달하거나 제어부에 의해 제어신호가 수신되면 도 6의 우측과 같이 동작한다.

도 6의 우측에는 수소의 역방향 흐름에 대한 동작이 도시된다. 도면에 도시된 바와 같이 제1사방향밸브(140)는 순방향과는 반대방향으로 제1입출구(S1)로 공급된 수소를 제2연료전지스택(200)의 제4채널(212)로 공급되도록 동작한다. 이와 같이 제2연료전지스택(200)의 제4채널(212)로 공급된 수소는 제2연료전지스택(200)의 제3채널(211)로 배출된다.

이때, 상기와 같이 제2연료전지스택(200)의 제1채널(211)로 배출된 수소는 이전 단의 제1연료전지스택(100)의 제2채널(112)로 공급되며, 계속해서 이러한 수소는 제1연료전지스택(100)의 제1채널(111)로 배출된다. 그리고 제1채널(111)로 배출된 수소는 제1사방향밸브(140)로 공급되어 제1사방향밸브(140)의 제3입출구(S3)을 통해 외부장치로 배출된다.

이와 같이 제1사방향밸브(140)에 의해 제2연료전지스택(200)으로 수소가 공급되어 제1연료전지스택(100)을 통해 수소가 배출되는 수소의 역방향 흐름이 진행된다.

이러한 수소의 순방향 흐름과 역방향 흐름은 설정조건에 따라 서로 교번하여 진행된다.

본 발명의 연료전지장치는 연료전지스택이 n개의 단으로 구성되므로, 제1사방향밸브의 동작에 의해, 각 단마다 연료전지스택의 제1채널로 공급된 수소가 제2채널로 배출되어 후단의 연료전지스택의 제1채널로 공급되는 순방향이 진행이 진행된다. 그리고, 반대로 각 단마다 연료전지스택의 제2채널로 공급된 수소가 제1채널로 배출되어 전단의 연료전지스택의 제2채널로 공급되는 역방향이 진행된다.

도 7는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지장치에서 공기의 흐름을 설명하기 위한 일 예시도이다. 도 7에서도 일례로 연료전지장치가 2단의 연료전지스택으로 구성된 예를 도시한다.

도 7의 좌측에는 공기의 순방향 흐름에 대한 동작이 도시된다. 도면에 도시된 바와 같이 제2사방향밸브(150)는 제1입출구(T1)로 공기가 공급되면, 공급된 공기가 제1,2연료전지스택(100,200)의 제3채널(121)로 동시에 공급되도록 동작한다.

제1,2연료전지스택(100,200)의 제3채널(121)로 공급된 공기는 제1,2연료전지스택(100,200)의 제4채널(122)로 수소가 동시에 배출된다. 이때, 상기와 같이 제1,2연료전지스택(100,200)의 제4채널(122)로 배출된 공기는 제1사방향밸브(150)로 공급되어 제2사방향밸브(150)의 제3입출구(T3)를 통해 외부장치로 배출된다.

이와 같이 제2사방향밸브(150)에 의해 제1,2연료전지스택(100,200)의 제3채널(121)로 공기가 동시에 공급되어 제4채널(122)로 동시에 배출되는 공기의 순방향 흐름이 진행된다.

상기 공기의 순방향 흐름이 진행하는 중에 설정주기에 도달하거나 제어부에 의해 제어신호가 수신되면 도 7의 우측과 같이 동작한다.

도 7의 우측에는 수소의 역방향 흐름에 대한 동작이 도시된다. 도면에 도시된 바와 같이 제2사방향밸브(150)는 순방향과는 반대방향으로 제1입출구(S1)로 공급된 공기를 제1,2연료전지스택(100,200)의 제4채널(212)로 동시에 공급되도록 동작한다. 이와 같이 제1,2연료전지스택(100,200)의 제4채널(212)로 공급된 수소는 제3채널(211)로 배출된다.

이와 같이 제2사방향밸브(150)에 의해 제1,2연료전지스택(100,200)의 제4채널(122)로 공기가 동시에 공급되어 제3채널(121)로 동시에 배출되는 공기의 역방향 흐름이 진행된다.

이러한 공기의 순방향 흐름과 역방향 흐름은 설정조건에 따라 서로 교번하여 진행된다.

본 발명의 연료전지장치는 연료전지스택이 n개의 단으로 구성되므로, 제2사방향밸브의 동작에 의해 n개의 단마다 연료전지스택의 제3채널로 공기가 동시에 공급되어 제4채널로 공기가 배출되는 순방향 흐름이 진행이 진행된다. 그리고, 반대로 n개의 단마다 연료전지스택의 제4채널로 동시에 공기가 공급되어 제3채널로 공기가 배출되는 역방향 흐름이 진행된다.

도 8는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지장치에서 냉각수의 흐름을 설명하기 위한 일 예시도이다. 도 8에는 일례로 연료전지장치가 2단의 연료전지스택으로 구성된 예를 도시한다.

도 8의 좌측에는 냉각수의 순방향 흐름에 대한 동작이 도시된다. 도면에 도시된 바와 같이 제3사방향밸브(160)는 제1입출구(U1)로 냉각수가 공급되면, 공급된 냉각수가 제1연료전지스택(100)의 제5채널(131)로 공급되도록 동작한다. 이와 같이 제1연료전지스택(100)의 제5채널(111)로 공급된 냉각수는 제1연료전지스택(100)의 제6채널(132)로 수소가 배출된다.

이때, 상기와 같이 제1연료전지스택(100)의 제6채널(132)로 배출된 냉각수는 다음 단의 제2연료전지스택(200)의 제5채널(231)로 공급되며, 계속해서 이러한 냉각수는 제2연료전지스택(200)의 제5채널(231)로 배출된다. 그리고 제5채널(231)로 배출된 냉각수는 제3사방향밸브(160)로 다시 공급되어 제3사방향밸브(160)의 제3입출구(U3)를 통해 외부장치로 배출된다.

이와 같이 제3사방향밸브(160)에 의해 제1연료전지스택(100)으로 냉각수가 공급되어 제2연료전지스택(200)을 통해 냉각수가 배출되는 냉각수의 순방향 흐름이 진행된다.

상기 냉각수의 순방향 흐름이 진행하는 중에 설정주기에 도달하거나 제어부에 의해 제어신호가 수신되면 도 8의 우측과 같이 동작한다.

도 8의 우측에는 냉각수의 역방향 흐름에 대한 동작이 도시된다. 도면에 도시된 바와 같이 제3사방향밸브(160)는 순방향과는 반대방향으로 제1입출구(S1)로 공급된 냉각수를 제2연료전지스택(200)의 제6채널(232)로 공급되도록 동작한다. 제2연료전지스택(200)의 제6채널(232)로 공급된 냉각수는 제2연료전지스택(200)의 제5채널(231)로 배출된다.

이때, 상기와 같이 제2연료전지스택(200)의 제5채널(231)로 배출된 냉각수는 이전 단의 제1연료전지스택(100)의 제6채널(132)로 공급되며, 계속해서 이러한 냉각수는 제1연료전지스택(100)의 제5채널(131)로 배출된다. 그리고 제5채널(131)로 배출된 냉각수는 제1사방향밸브(140)로 다시 공급되어 제1사방향밸브(140)의 제3입출구(U3)을 통해 외부장치로 배출된다.

이와 같이 제3사방향밸브(160)에 의해 제2연료전지스택(100)로 냉각수가 공급되어 제1연료전지스택(100)에서 배출되는 냉각수의 역방향 흐름이 진행된다.

이러한 냉각수의 순방향 흐름과 역방향 흐름은 설정조건에 따라 서로 교번하여 진행된다.

본 발명의 연료전지장치는 연료전지스택이 n개의 단으로 구성되므로, 제3사방향밸브의 동작에 의해, 각 단마다 연료전지스택의 제5채널로 공급된 냉각수가 제6채널로 배출되어 후단의 연료전지스택의 제5채널로 공급되는 순방향이 진행이 진행된다. 그리고, 반대로 각 단마다 연료전지스택의 제6채널로 공급된 냉각수가 제5채널로 배출되어 전단의 연료전지스택의 제6채널로 공급되는 역방향이 진행된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 n개의 단으로 구성된 캐스캐이드 타입의 연료전지장치에서 각 단의 연료전지스택의 수소, 공기 및 냉각수의 순방향 흐름과 역방향 흐름을 교번하여 진행되도록 함으로써 연료전지스택의 성능과 수명을 향상시키고, 장시간 사용으로 인해 뒷단의 연료전지스택에서의 플러딩을 방지하고 수소생산량 감소를 최소화할 수 있다.

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지장치의 운전방법을 설명하는 흐름도이다.

도 9를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지장치가 발전운전을 진행하고(S101), 발전운전 시간이 설정주기에 도달하였는지를 판단한다(S103).

발전운전이 설정주기에 도달하면 제1,2,3사방향밸브(110,120,130)가 동작하여 수소, 공기, 냉각수의 입출구 연결을 변경함으로써 수소, 공기, 냉각수의 흐름을 변경한다(S105).

발전운전 시간이 설정주기에 도달하지 않았으면 최끝단부인 제1단의 연료전지스택과 제n단의 연료전지스택에서 발전되는 전압의 차이가 기준치보다 큰지를 판단한다(S107).

제1,2,3사방향밸브(140,150,160)의 동작에 의해 순방향 흐름 또는 역방향 흐름이 진행되는 동안 수소 및 공기가 공급되는 처음의 연료전지스택 대비 수소 및 공기가 배출되는 끝단의 연료전지스택에서의 전력생산량은 차이가 발생된다.

이는 n개의 단으로 구성된 연료전지스택 중 양쪽 끝단에 배치된 연료전지스택에서는 열악한 환경에 노출되므로 플러딩 현상이 발생할 수 있다. 이때, 플러딩 현상으로 제1단과 제n단의 연료전지스택에서의 전기생산량에 차이가 발생하면 순방향 흐름과 역방향 흐름을 변경함으로써, 이러한 문제를 해결할 수 있다.

따라서, 플러딩 현상으로 인하여 공기가 최종적으로 배출되는 연료전지스택의 전압이 공기가 처음으로 공급되는 연료전지스택의 전압대비 기준치 이상 편차가 발생할 경우 공기 공급 및 배출의 채널을 변경하도록 한다(S109).

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

110 : 제1단 연료전지스택 120 : 제2단 연료전지스택
130 : 제n단 연료전지스택 140 : 제1사방향밸브
150 : 제2사방향밸브 160 : 제3사방향밸브

Claims

수소가 출입되는 제1채널과 제2채널 및 공기가 출입되는 제3채널 및 제4채널이 각각 형성되고, n(n≥2,정수)개의 캐스캐이드 단으로 구성된 연료전지스택;
외부에서 공급된 수소를 제1단의 연료전지스택의 제1채널 및 제n단의 연료전지스택의 제2채널 중 선택된 한 채널로 공급하고 다른 채널로부터 배출되는 수소를 공급받아 외부로 배출하는 제1사방향밸브;
외부에서 공급된 공기를 각 단의 연료전지스택의 제3채널 및 제4채널 중 선택된 한 채널로 공급하고 다른 채널로부터 배출되는 수소를 공급받아 외부로 배출하는 제2사방향밸브를 포함하는 캐스캐이드 타입 연료전지장치.
제1항에 있어서,
상기 각 단의 연료전지스택마다 전단의 연료전지스택의 제1채널로 수소가 공급되면 상기 전단의 연료전지스택의 제2채널로 상기 수소가 배출되고 상기 배출된 수소는 다음 후단의 연료전지스택의 제1채널로 공급되고 상기 후단의 연료전지스택의 제2채널로 상기 수소가 배출되는 캐스캐이드 타입 연료전지장치.
제2항에 있어서,
상기 제n단의 연료전지스택의 제2채널로 배출되는 수소는 상기 제1사방향밸브로 공급되는 캐스캐이드 타입 연료전지장치.
제1항에 있어서,
상기 각 단의 연료전지스택마다 후단의 연료전지스택의 제2채널로 수소가 공급되면 상기 후단의 연료전지스택의 제1채널로 상기 수소가 배출되고 상기 배출된 수소는 다음 전단의 연료전지스택의 제2채널로 공급되고 상기 전단의 연료전지스택의 제1채널로 상기 수소가 배출되는 캐스캐이드 타입 연료전지장치.
제4항에 있어서,
상기 제1단의 연료전지스택의 제1채널로 배출되는 수소는 상기 제1사방향밸브로 공급되는 캐스캐이드 타입 연료전지장치.
제1항에 있어서,
상기 제1사방향밸브는,
상기 제1단의 연료전지스택의 제1채널로 상기 수소를 공급하는 수소의 순방향 흐름이 진행되도록 동작한 후, 설정조건이 만족되면 상기 제n단의 연료전지스택의 제2채널로 상기 수소를 공급하는 수소의 역방향 흐름이 진행되도록 동작하는 캐스캐이드 타입 연료전지장치.
제6항에 있어서,
상기 수소의 순방향 흐름과 역방향 흐름은 상기 설정조건이 만족할 때마다 서로 교번하여 진행되는 캐스캐이드 타입 연료전지장치.
제1항에 있어서
상기 각 단의 연료전지스택의 제3채널로 공기가 공급되면 상기 각 단의 연료전지스택의 제4채널로 상기 공기가 배출되는 캐스캐이드 타입 연료전지장치.
제8항에 있어서,
상기 각 단의 연료전지스택의 제4채널로 배출되는 공기는 상기 제2사방향밸브로 공급되는 캐스캐이드 타입 연료전지장치.
제1항에 있어서,
상기 각 단의 연료전지스택의 제4채널로 공기가 공급되면 상기 각 단의 연료전지스택의 제3채널로 상기 공기가 배출되는 캐스캐이드 타입 연료전지장치.
제10항에 있어서,
상기 각 단의 연료전지스택의 제3채널로 배출되는 공기는 상기 제2사방향밸브로 공급되는 캐스캐이드 타입 연료전지장치.
제1항에 있어서,
상기 제2사방향밸브는,
상기 각 단의 연료전지스택의 제3채널로 상기 공기를 공급하는 공기의 순방향 흐름이 진행되도록 동작한 후, 설정조건이 만족되면 상기 각 단의 연료전지스택의 제4채널로 상기 공기를 공급하는 공기의 역방향 흐름이 진행되도록 동작하는 캐스캐이드 타입 연료전지장치.
제12항에 있어서,
상기 공기의 순방향 흐름과 역방향 흐름은 상기 설정조건이 만족할 때마다 서로 교번하여 진행되는 캐스캐이드 타입 연료전지장치.
제12항에 있어서,
상기 제2사방향밸브는,
상기 제1단 및 제n단의 연료전지스택의 전압차가 설정된 기준치를 초과하는 경우 상기 공기의 순방향 흐름과 역방향 흐름이 변경되도록 동작하는 캐스캐이드 타입 연료전지장치.
제1항에 있어서,
상기 각 연료전지스택은 냉각수가 출입되는 제5채널 및 제6채널이 더 형성되는 캐스캐이드 타입 연료전지스택.
제15항에 있어서,
외부에서 공급된 냉각수를 상기 제1단의 연료전지스택의 제5채널 및 제n단의 연료전지스택의 제6채널 중 선택된 한 채널로 공급하고 다른 채널로부터 배출되는 냉각수를 공급받아 외부로 배출하는 제3사방향밸브를 더 포함하는 캐스캐이드 타입 연료전지장치.
제16항에 있어서
상기 각 단의 연료전지스택마다 전단의 연료전지스택의 제5채널로 냉각수가 공급되면 상기 전단의 연료전지스택의 제6채널로 상기 냉각수가 배출되고 상기 배출된 냉각수는 다음 후단의 연료전지스택의 제5채널로 공급되고 상기 후단의 연료전지스택의 제6채널로 상기 냉각수가 배출되는 캐스캐이드 타입 연료전지장치.
제17항에 있어서,
상기 제n단의 연료전지스택의 제6채널로 배출되는 냉각수는 상기 제3사방향밸브로 공급되는 캐스캐이드 타입 연료전지장치.
제16항에 있어서
상기 각 단의 연료전지스택마다 후단의 연료전지스택의 제6채널로 냉각수가 공급되면 상기 후단의 연료전지스택의 제5채널로 상기 냉각수가 배출되고 상기 배출된 냉각수는 다음 전단의 연료전지스택의 제6채널로 공급되고 상기 전단의 연료전지스택의 제5채널로 상기 냉각수가 배출되는 캐스캐이드 타입 연료전지장치.
제19항에 있어서,
상기 제1단의 연료전지스택의 제5채널로 배출되는 냉각수는 상기 제3사방향밸브로 공급되는 캐스캐이드 타입 연료전지장치.
제16항에 있어서,
상기 제3사방향밸브는,
상기 제1단의 연료전지스택의 제5채널로 상기 냉각수를 공급하는 냉각수의 순방향 흐름이 진행되도록 동작한 후, 설정조건이 만족되면 상기 제n단의 연료전지스택의 제2채널로 상기 냉각수를 공급하는 냉각수의 역방향 흐름이 진행되도록 동작하는 캐스캐이드 타입 연료전지장치.
제21항에 있어서,
상기 냉각수의 순방향 흐름과 역방향 흐름은 상기 설정조건이 만족할 때마다 서로 교번하여 진행되는 캐스캐이드 타입 연료전지장치.