JP2023070181A - 燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

【課題】改質器に供給される燃料を用いて改質器のバーナーに供給される空気の密度を高める燃料電池システムを提供する。【解決手段】気化燃料から水素ガスを生成する改質工程を遂行する改質器（１４０）と、改質器（１４０）に熱を供給するバーナーと、改質器（１４０）から排出された改質ガスと空気により電気化学反応を起こして電気エネルギーを生成するスタック（２０ａ、２０ｂ）と、外部空気をバーナーに供給する第１供給管と、スタック（２０ａ、２０ｂ）に外部空気を供給する第２供給管と、液体燃料を貯蔵する第１貯蔵タンク（４００）と、改質器（１４０）に気化燃料を供給する第２貯蔵タンク（４０２）と、第１貯蔵タンク（４００）から排出された液体燃料を、第１供給管を流動する空気又は第２供給管を流動する空気と熱交換し、気化した気体燃料を前記第２貯蔵タンク（４０２）に送る燃料蒸発器（４１０）とを備える燃料電池システム。【選択図】図３

Description

本発明は燃料電池システムに関し、より詳しくは、液体燃料を使用する燃料電池システムに関する。
〔関連技術〕
本願は、韓国特許出願第１０－２０２１－０１５２５８９号（出願日：２０２１年１１月８日）に基づくパリ条約４条の優先権主張を伴ったものであり、本願発明は、当該韓国特許出願に開示された内容に基づくものである。参考のために、当該韓国特許出願の明細書、特許請求の範囲及び図面の内容は本願明細書の一部に包摂される。
燃料電池システム（Ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ ｓｙｓｔｅｍ）は、炭化水素系列の物質、例えば、メタノール、エタノール、天然ガスなどに含まれている水素を、酸素と電気化学的に反応させて電気エネルギーを発生させる発電システムである。
燃料電池は、スタックに供給される空気の流量と改質器を通じて改質されたガスの量を調節して発電量を調節することができる。改質器に供給されるガスは気体燃料を供給及び改質して水素を発生させる。
スタックに供給される空気はブロワーを通じて流量が調節できる。但し、ブロワーにより調節される空気の流量は多少限定的であるので、発電量の運転条件が過度な時、安定的な空気の供給が困難で、発電効率が落ちる問題点がある。
また、改質器を加熱するためのバーナーや改質ガスも密度などが改善されれば改質器の反応効率が改善できる。
韓国特許第１０－２１１６８７６号は、液体燃料を使用する燃料電池システムを開示している。但し、前記文献では、液体燃料を直接的に改質する燃料処理装置に供給する構造で、液体燃料の相変化により発生する熱供給を活用できない。
韓国特許第１０－２１１６８７６号公報
本発明が解決しようとする課題は、改質器に供給される燃料を用いて改質器のバーナーに供給される空気の密度を高める燃料電池システムを提供するものである。
本発明の更に他の課題は、改質器に供給される燃料を用いて改質器から排出されてバーナーに供給される改質ガスの密度を高める燃料電池システムを提供するものである。
本発明の更に他の課題は、改質器に供給される燃料を用いてスタックに供給される空気の密度を高める燃料電池システムを提供するものである。
本発明の課題は以上で言及した課題に制限されず、言及されていない更に他の課題は以下の記載から当業者に明確に理解できる。
〔本発明の一の態様〕
本発明にあっては、その一の態様として、以下の発明を提案する。
〔１〕
燃料電池システムであって、
気化燃料から水素ガスを生成する改質工程を遂行する改質器と、
前記改質器に熱を供給するバーナーと、
前記改質器から排出された改質ガスと空気で電気化学反応を起こして電気エネルギーを生成するスタックと、
前記外部空気をバーナーに供給する第１供給管と、
前記スタックに外部空気を供給する第２供給管と、
液体燃料を貯蔵する第１貯蔵タンクと、
前記改質器に気化燃料を供給する第２貯蔵タンクと、
前記第１貯蔵タンクから排出された液体燃料を、前記第１供給管を流動する空気又は前記第２供給管を流動する空気と熱交換し、気化した気体燃料を前記第２貯蔵タンクに送る燃料蒸発器とを備えてなる、燃料電池システム。
〔２〕
前記燃料蒸発器は、前記第１貯蔵タンクから排出される液体燃料と前記第１供給管を流動する空気を熱交換する第１燃料蒸発器と、
前記第１貯蔵タンクから排出される液体燃料と前記第２供給管を流動する空気を熱交換する第２燃料蒸発器と、を備える、〔１〕に記載の燃料電池システム。
〔３〕
前記第１貯蔵タンクと前記第１燃料蒸発器を連結する第１液体ガス供給管と、
前記第１貯蔵タンクと前記第２燃料蒸発器を連結する第２液体ガス供給管と、
前記第１液体ガス供給管に配置され、前記第１液体ガス供給管の内部流路を開閉するか、又は、開度を調節する第１膨脹弁と、
前記第２液体ガス供給管に配置され、前記第２液体ガス供給管の内部流路を開閉するか、又は、開度を調節する第２膨脹弁と、を備える、〔２〕に記載の燃料電池システム。
〔４〕
前記改質器を予熱する予熱モードで、
前記第１膨脹弁が前記第１液体ガス供給管の内部流路を拡張させ、
前記第２膨脹弁が前記第２液体ガス供給管の内部流路を閉鎖する、〔３〕に記載の燃料電池システム。
〔５〕
前記スタックで電気を生成する発電モードで、
前記第１膨脹弁が前記第１液体ガス供給管の内部流路の開度を拡張させ、
前記第２膨脹弁が前記第２液体ガス供給管の内部流路の開度を拡張させる、〔３〕に記載の燃料電池システム。
〔６〕
前記改質器から排出される前記バーナーに送るか、又は、前記スタックに送る改質ガス吐出管を備え、
前記液体ガス蒸発器は、前記改質ガス吐出管に配置され、前記改質器から排出される改質ガスと液体燃料を熱交換する第３液体ガス蒸発器を備える、〔３〕に記載の燃料電池システム。
〔７〕
前記第１貯蔵タンクと前記第３燃料蒸発器を連結する第３液体ガス供給管と、
前記第３液体ガス供給管に配置され、前記第３液体ガス供給管の内部流路を開閉するか、又は、開度を調節する第３膨脹弁と、を備える、〔６〕に記載の燃料電池システム。
〔８〕
前記改質器から排出される改質ガスに含まれた水素量を増加させる改質モードで、
前記第１膨脹弁が前記第１液体ガス供給管の内部流路の開度を拡張させ、
前記第３膨脹弁が前記第３液体ガス供給管の内部流路の開度を拡張させる、〔７〕に記載の燃料電池システム。
〔９〕
前記改質モードで、前記第３膨脹弁の開度が前記第１膨脹弁の開度より拡張される、〔８〕に記載の燃料電池システム。
〔１０〕
前記スタックで電気を生成する発電モードで、
前記第１膨脹弁が前記第１液体ガス供給管の内部流路の開度を拡張させ、
前記第２膨脹弁が前記第２液体ガス供給管の内部流路の開度を拡張させ、
前記第３膨脹弁が前記第３液体ガス供給管の内部流路の開度を拡張させる、〔７〕に記載の燃料電池システム。
〔１１〕
前記発電モードで、前記第３膨脹弁の開度が前記第１膨脹弁又は前記第２膨脹弁の開度より拡張される、〔１０〕に記載の燃料電池システム。
〔１２〕
前記燃料装置と、
前記第１液体ガス供給管、前記第２液体ガス供給管、又は、前記第３液体ガス供給管を連結する液体ガス共通管と、
前記液体ガス共通管を開閉する共通管弁と、を備える、〔７〕に記載の燃料電池システム。
〔１３〕
前記第１供給管に配置され、外部空気を前記第１供給管に供給する第１ブロワーと、
前記第２供給管に配置され、外部空気を前記第２供給管に供給する第２ブロワーと、を備え、
前記第１ブロワーが作動する時、前記共通管弁が開放される、〔１２〕に記載の燃料電池システム。
〔１４〕
前記燃料蒸発器は、
外形を形成するハウジングと、
前記ハウジングの内部に配置され、液体燃料が流動するように形成される燃料流動部と、
前記ハウジングの内部に配置され、空気又は改質ガスが流動するように形成されたガス流動部と、を備える、〔１〕に記載の燃料電池システム。
〔１５〕
前記燃料流動部を形成する管の内部と、前記ガス流動部を形成する管の内部の各々には複数の突起が形成される、〔１４〕に記載の燃料電池システム。
本発明の燃料電池システムは、気化燃料から水素ガスを生成する改質工程を遂行する改質器と、前記改質器に熱を供給するバーナーと、前記改質器から排出された改質ガスと空気により電気化学反応を起こして電気エネルギーを生成するスタックと、前記外部空気をバーナーに供給する第１供給管と、前記スタックに外部空気を供給する第２供給管を含む（備える；構成する；構築する；設定する；包接する；包含する；含有する）。
前記の課題を解決するために、燃料電池システムは、液体燃料を貯蔵する第１貯蔵タンクと、前記改質器に気化燃料を供給する第２貯蔵タンクと、前記第１貯蔵タンクから排出された液体燃料を、前記第１供給管を流動する空気または前記第２供給管を流動する空気と熱交換し、気化した気体燃料を前記第２貯蔵タンクに送る燃料蒸発器を含んで、液体燃料の冷熱を用いてスタックに供給される空気またはバーナーに供給される空気の密度を高めることができる。
前記燃料蒸発器は、前記第１貯蔵タンクから排出される液体燃料と前記第１供給管を流動する空気を熱交換する第１燃料蒸発器と、前記第１貯蔵タンクから排出される液体燃料と前記第２供給管を流動する空気を熱交換する第２燃料蒸発器を含んで、スタックに供給される空気やバーナーに供給される空気を冷却することができる。
前記第１貯蔵タンクと前記第１燃料蒸発器を連結する第１液体ガス供給管と、前記第１貯蔵タンクと前記第２燃料蒸発器を連結する第２液体ガス供給管と、前記第１液体ガス供給管に配置され、前記第１液体ガス供給管の内部流路を開閉するか、または開度を調節する第１膨脹弁と、前記第２液体ガス供給管に配置され、前記第２液体ガス供給管の内部流路を開閉するか、または開度を調節する第２膨脹弁を含んで、運転モードによって液体燃料の流動を調節することができる。
前記改質器を予熱する予熱モードで前記第１膨脹弁が前記第１液体ガス供給管の内部流路を拡張させ、前記第２膨脹弁が前記第２液体ガス供給管の内部流路を閉鎖して、予熱モードで空気が流動する第１供給管に配置される第１燃料蒸発器に液体燃料を供給することができる。
前記スタックで電気を生成する発電モードで、前記第１膨脹弁が前記第１液体ガス供給管の内部流路の開度を拡張させ、前記第２膨脹弁が前記第２液体ガス供給管の内部流路の開度を拡張させて、スタックに供給される空気とバーナーに供給される空気を全て冷却させることができる。
前記改質器から排出される前記バーナーに送るか、または前記スタックに送る改質ガス吐出管を含み、前記液体ガス蒸発器は、前記改質ガス吐出管に配置され、前記改質器から排出される改質ガスと液体燃料を熱交換する第３液体ガス蒸発器を含んで、改質器から排出される高圧の改質ガスを冷却することができる。
前記第１貯蔵タンクと前記第３燃料蒸発器を連結する第３液体ガス供給管と、前記第３液体ガス供給管に配置され、前記第３液体ガス供給管の内部流路を開閉するか、または開度を調節する第３膨脹弁を含んで、運転モードによって第３液体ガス蒸発器に液体燃料を供給することができる。
前記改質器から排出される改質ガスに含まれた水素量を増加させる改質モードで、前記第１膨脹弁が前記第１液体ガス供給管の内部流路の開度を拡張させ、前記第３膨脹弁が前記第３液体ガス供給管の内部流路の開度を拡張させて、改質器から吐出されるガスで液体燃料を気化させ、改質器から吐出される改質ガスの密度を高めることができる。
前記改質モードで、前記第３膨脹弁の開度が前記第１膨脹弁の開度より拡張されて、液体燃料を効果的に相変化させることができる。
前記スタックに電気を生成する発電モードで、前記第１膨脹弁が前記第１液体ガス供給管の内部流路の開度を拡張させ、前記第２膨脹弁が前記第２液体ガス供給管の内部流路の開度を拡張させ、前記第３膨脹弁が前記第３液体ガス供給管の内部流路の開度を拡張させて、３個の燃料蒸発器を通じて液体燃料を気化させることができる。
前記発電モードで、前記第３膨脹弁の開度が前記第１膨脹弁または前記第２膨脹弁の開度より拡張されて、液体燃料を効果的に相変化させることができる。
前記燃料装置と、前記第１液体ガス供給管、前記第２液体ガス供給管、または前記第３液体ガス供給管を連結する液体ガス共通管と、前記液体ガス共通管を開閉する共通管弁を含んで、第１貯蔵タンクに貯蔵された液体燃料を安定的に貯蔵することができる。
前記第１供給管に配置され、外部空気を前記第１供給管に供給する第１ブロワーと、前記第２供給管に配置され、外部空気を前記第２供給管に供給する第２ブロワーを含み、前記第１ブロワーが作動される時、前記共通管弁が開放されて、燃料電池システムが作動する時、第１貯蔵タンクに貯蔵された液体燃料が排出できる。
前記燃料蒸発器は、外形を形成するハウジングと、前記ハウジングの内部に配置され、液体燃料が流動するように形成される燃料流動部と、前記ハウジングの内部に配置され、空気または改質ガスが流動するように形成されたガス流動部を含む。
前記燃料流動部を形成する管の内部と、前記ガス流動部を形成する管の内部の各々には複数の突起が形成されて、熱交換面積を増加させることができる。
その他の実施形態の具体的な事項は詳細な説明及び図面に含まれている。
本発明の燃料電池システムによれば、次のような効果が１つあるいはその以上ある。
第１に、液体燃料の相変化により発生する冷熱を使用して改質器を加熱するバーナーに供給される空気の密度を高めて改質反応の効率を増加させる長所がある。
第２に、液体燃料の相変化により発生する冷熱を使用してスタックに供給される空気の密度を高めてスタックの内部での電気生成のための反応効率を増加させることができる長所もある。
第３に、液体燃料の相変化により発生する冷熱を使用して改質器から吐出されて改質器を加熱するバーナーに供給される改質ガスの密度を高めて改質反応の効率を増加させる長所がある。
本発明の効果は以上で言及した効果に制限されず、言及されていない更に他の効果は請求範囲の記載から当業者に明確に理解できる。
本発明の一実施形態に従う燃料電池システムの構成図である。 本発明の一実施形態に従う燃料処理装置を説明するための図である。 本発明の一実施形態に従う燃料電池システムにおいて、液体燃料と気体燃料の流動及び熱交換を説明するための構成を概略的に示す図である。 本発明の一実施形態に従う第１貯蔵タンク及びそれと関連した構成を説明するための概略図である。 図３で、予熱モードでの燃料及び空気の流動を説明するための図である。 図３で、改質モードでの燃料及び空気の流動を説明するための図である。 図３で、発電モードでの燃料及び空気の流動を説明するための図である。 第１実施形態に従う燃料蒸発器の構成を説明するための図であって、図８ａはガス流動部を説明するための概略的な断面図である。 第１実施形態に従う燃料蒸発器の構成を説明するための図であって、図８ｂは燃料流動部を説明するための概略的な断面図である。 第２実施形態に従う燃料蒸発器の構成を説明するための図であって、図９ａはガス流動部を説明するための概略的な断面図である。 第２実施形態に従う燃料蒸発器の構成を説明するための図であって、図９ｂは燃料流動部を説明するための概略的な断面図である。 第３実施形態に従う燃料蒸発器の構成を説明するための図であって、図１０ａはガス流動部を説明するための概略的な断面図である。 第３実施形態に従う燃料蒸発器の構成を説明するための図であって、図１０ｂは燃料流動部を説明するための概略的な断面図である。 図１０ａ及び図１０ｂの各々で、内部管の形態が変形された状態の図である。 図１０ａ及び図１０ｂの各々で、内部管の形態が変形された状態の図である。 本発明の第４実施形態に従う燃料蒸発器の斜視図である。 第４実施形態に従う燃料蒸発器の構成を説明するための図であって、図１３ａはガス流動部を説明するための概略的な断面図である。 第４実施形態に従う燃料蒸発器の構成を説明するための図であって、図１３ｂは燃料流動部を説明するための概略的な断面図である。 図１３ａ及び図１３ｂの各々で、内部管の形態が変形された状態の図である。 図１３ａ及び図１３ｂの各々で、内部管の形態が変形された状態の図である。
本発明の利点及び特徴、そして、それらを達成する方法は添付の図面と共に詳細に後述されている実施形態を参照すれば明確になる。しかしながら、本発明は以下に開示される実施形態に限定されるものでなく、互いに異なる多様な形態に具現されることができ、但し、本実施形態は本発明の開示が完全になるようにし、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者に発明の範疇を完全に知らせるために提供されるものであり、本発明は請求項の範疇により定義されるだけである。明細書の全体に亘って同一参照符号は同一構成要素を称する。
以下、本発明の実施形態により燃料電池システムを説明するための図面を参考して本発明に対して説明する。
以下、図１から図２を参照して、第１実施形態に従う燃料電池システム１の全体構成を説明する。
図１を参照すると、燃料電池システム１は、燃料処理部Ｉ、電力生成部ＩＩ、冷却水循環部ＩＩＩ、及び／又は熱回収部ＩＶを含むことができる。
燃料処理部Ｉは、燃料処理装置１０、燃料処理装置１０に供給される燃料ガスの流動を調節する燃料弁３０、空気を燃料処理装置１０に流動させる第１ブロワー７１などを含むことができる。
図２を参照すると、燃料処理装置１０は、脱硫器１１０、バーナー１２０、蒸気発生器１３０、改質器１４０、第１反応器１５０、及び／又は第２反応器１６０を含むことができる。燃料処理装置１０は、少なくとも１つのミキサー１１１、１１２を更に含むことができる。
脱硫器１１０は、燃料ガスに含まれた硫黄化合物を除去する脱硫工程を遂行することができる。例えば、脱硫器１１０は内部に吸着剤を備えることができる。この際、脱硫器１１０の内部を通過する燃料ガスに含まれた硫黄化合物が吸着剤に吸着できる。
吸着剤は、金属酸化物、ゼオライト（Ｚｅｏｌｉｔｅ）、活性炭素（ａｃｔｉｖａｔｅｄ ｃａｒｂｏｎ）などから構成できる。
脱硫器１１０は、燃料ガスに含まれた異質物を除去するフィルターを更に含むことができる。
バーナー１２０は、改質器１４０での改質反応が促進されるように、改質器１４０に熱を供給することができる。例えば、脱硫器１１０から吐出された燃料ガスと外部から流入した空気が第１ミキサー１１１で混合されてバーナー１２０に供給できる。この際、バーナー１２０は、燃料ガスと空気が混合された混合ガスを燃焼させて燃焼熱を発生させることができる。この際、バーナー１２０から供給される熱により、改質器１４０の内部温度が適正温度（例：８００℃）に維持できる。
一方、混合ガスの燃焼によりバーナー１２０で生成される排気ガスは、燃料処理装置１０の外部に排出できる。
蒸気発生器１３０は、水を気化させて水蒸気で排出することができる。例えば、蒸気発生器１３０は、バーナー１２０で生成される排気ガス、第１反応器１５０、及び／又は第２反応器１６０から熱を吸収して、水を気化させることができる。
蒸気発生器１３０は、第１反応器１５０、第２反応器１６０、及び／又はバーナー１２０から排出される排気ガスが流動する配管に隣接して配置できる。
改質器１４０は、触媒を用いて、硫黄化合物が除去された燃料ガスから水素ガスを生成する改質工程を遂行することができる。例えば、脱硫器１１０から吐出された燃料ガスと蒸気発生器１３０から吐出された水蒸気が第２ミキサー１１２で混合されて改質器１４０に供給できる。この際、改質器１４０に供給された燃料ガスと水蒸気が改質器１４０内で改質反応する場合、水素ガスが生成できる。
第１反応器１５０は、改質器１４０から吐出されるガスに含まれた成分のうち、改質反応により生成される一酸化炭素を低減することができる。例えば、改質器１４０から吐出されるガスに含まれた一酸化炭素が第１反応器１５０の内部で水蒸気と反応して、二酸化炭素と水素が生成できる。この際、第１反応器１５０の内部温度は、改質器１４０の内部温度より低く、常温より高い温度（例：２００℃）でありうる。
第１反応器１５０は、シフト反応器（ｓｈｉｆｔ ｒｅａｃｔｏｒ）と命名できる。
第２反応器１６０は、第１反応器１５０から吐出されるガスに含まれた成分のうち、残存する一酸化炭素を低減することができる。例えば、第１反応器１５０から吐出されたガスに含まれた一酸化炭素が第２反応器１６０の内部で酸素と反応する選択的酸化（ｐｒｅｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｏｘｉｄａｔｉｏｎ、ＰＲＯＸ）反応が起こることができる。
一方、選択的酸化反応の場合、多量の酸素が必要であるので空気の追加供給が要求され、追加供給された空気により水素が希釈されてスタックに供給される水素の濃度が減少する短所がある。したがって、このような短所を克服するために、一酸化炭素と水素が反応する選択的メタン化（ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｍｅｔｈａｎａｔｉｏｎ）反応が活用できる。
一方、改質器１３０、第１反応器１５０、及び／又は第２反応器１６０を経て燃料処理装置１０から吐出されるガスは改質ガスと命名できる。
スタック２０ａ、２０ｂは、燃料処理装置１０から供給される改質ガスに電気化学反応を起こして電気エネルギーを生成することができる。
スタック２０ａ、２０ｂは、電気化学反応が起こる単一セルが積層されて構成できる。
単一セルは、電解質膜を中心として燃料極と空気極が配置された膜－電極接合体（ｍｅｍｂｒａｎｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ａｓｓｅｍｂｌｙ、ＭＥＡ）、セパレータ（ｓｅｐａｒａｔｏｒ）などで構成できる。膜－電極接合体の燃料極では、水素が触媒により水素イオンと電子に分離されて電気が発生することができ、膜－電極接合体の空気極では水素イオンと電子が酸素と結合して水が生成できる。
スタック２０ａ、２０ｂは、電気化学反応過程で発生する熱を放熱するスタック熱交換器（図示せず）を更に含むことができる。スタック熱交換器は、水を冷媒に使用する熱交換器でありうる。例えば、スタック熱交換器に供給される冷却水が電気化学反応過程で発生する熱を吸収することができ、吸収された熱により温度が上昇した冷却水がスタック熱交換器の外部に吐出できる。
図１を参照すると、燃料処理部Ｉは液体燃料を貯蔵する第１貯蔵タンク４００、燃料処理装置１０の改質器１４０に気化燃料を供給する第２貯蔵タンク４０２、第１貯蔵タンク４００から排出された液体燃料が気体燃料になるように外部空気と熱交換する燃料蒸発器４１０、４１２、４１４を含む。燃料蒸発器４１０、４１２、４１４は、第１供給管に配置される第１燃料蒸発器４１０、第２供給管に配置される第２燃料蒸発器４１２、及び改質ガス吐出管１０４ａに配置される第３燃料蒸発器４１４を含むことができる。第１貯蔵タンク４００、第２貯蔵タンク４０２、燃料蒸発器４１０、４１２、４１４の構成及び連結関係に対しては以下に詳細に説明する。
燃料弁３０は、燃料処理装置１０に供給される燃料ガスが流動する燃料供給流路１０１を形成する燃料供給管（図示せず）に配置できる。燃料弁３０の開度程度に対応して、燃料処理装置１０に供給される燃料ガスの流量が調節できる。例えば、燃料弁３０は、燃料処理装置１０に対する燃料ガスの供給が中断されるように、燃料供給流路１０１を遮断することができる。
燃料供給管には、燃料供給流路１０１内に流動する燃料ガスの流量を検出する第１燃料流量計５１が配置できる。
燃料処理部Ｉは、外部空気を燃料処理装置１０に供給するように内部に第１供給流路２０２を形成する第１供給管（図示せず）と、第１供給管に配置され、外部空気を燃料処理装置１０に供給する第１ブロワー７１を含む。
第１ブロワー７１は、外部から流入する空気を、第１供給流路２０２を通じて燃料処理装置１０に流動させることができる。第１ブロワー７１は、外部空気流入流路２０１を通じて外部から流入する空気を、燃料処理装置１０に流動させることができる。
第１供給流路２０２を通じて燃料処理装置１０に流入する空気は、燃料処理装置１０のバーナー１２０に供給できる。例えば、燃料処理装置１０に流入する空気は、脱硫器１１０から吐出された燃料ガスと第１ミキサー１１１で混合されてバーナー１２０に供給できる。
外部空気流入流路２０１を形成する外部空気流入管（図示せず）には、空気に含まれたホコリなどの異質物を除去する第１空気フィルター９１と空気の流動方向を制限する第１空気側チェック弁８１が配置できる。
燃料処理部Ｉは、脱硫器１１０から吐出された燃料ガスが改質器１４０に流動する第１内部ガス流路１０２を形成する第１内部ガス管（図示せず）を含むことができる。第１内部ガス管には、比例制御弁３１、改質器１４０に流入する燃料ガスの流動を調節する内部燃料弁３２、内部ガス流路１０２を流動する燃料ガスの流量を検出する第２燃料流量計５２、内部ガス流路１０２を流動する燃料ガスの流動方向を制限する燃料側チェック弁８３、及び／又は硫黄検出装置９４が配置できる。
比例制御弁３１は、脱硫器１１０から吐出されて改質器１４０に流動する燃料ガスの流量、圧力などを、電気制御方式により内／外部フィードバックを通じて調節することができる。
硫黄検出装置９４は、脱硫器１１０から吐出された燃料ガスに含まれた硫黄を検出することができる。硫黄検出装置９４は、脱硫器１１０の吸着剤により除去されない硫黄化合物に反応して色が変わる指示剤を含むことができる。ここで、指示剤は、フェノールフタレイン（ｐｈｅｎｏｌｐｈｔｈａｌｅｉｎ）、モリブデン化合物などを含むことができる。
燃料処理部Ｉは、脱硫器１１０から吐出された燃料ガスをバーナー１２０に送る第２内部ガス流路１０３を形成する第２内部ガス管（図示せず）を含むことができる。バーナー１２０は、第２内部ガス流路１０３を通じて流入する燃料ガスを燃焼に使用することができる。
第１内部ガス流路１０２と第２内部ガス流路１０３は、互いに連通できる。
燃料処理装置１０は、水供給タンク１３から吐出された水が流動する水供給流路３０３を形成する水供給管（図示せず）と連結できる。水供給管には、水供給流路３０３を流動する水の流動を形成する水ポンプ３８と、水の流動を調節する水供給弁３９と、水供給流路３０３を流動する水の流量を検出する水流量計５４が配置できる。
燃料処理装置１０のバーナー１２０で生成される排気ガスは、排気ガス吐出流路２１０を通じて燃料処理装置１０から吐出できる。
燃料処理装置１０は、改質ガス吐出流路１０４を形成する改質ガス吐出管（図示せず）に連結できる。燃料処理装置１０から吐出された改質ガスは、改質ガス吐出流路１０４を通じて流動することができる。
改質ガス吐出管は、改質ガスの熱交換が起こる改質ガス熱交換器２１に連結できる。改質ガス吐出管には、改質ガス熱交換器２１に流入する改質ガスの流動を調節する改質ガス弁３３が配置できる。
改質ガス吐出管は、燃料処理装置１０から吐出された改質ガスが燃料処理装置１０に流動するようにバイパス流路１０５を形成するバイパス管（図示せず）と連結できる。バイパス管は、燃料処理装置１０に連結できる。燃料処理装置１０から流動する改質ガスは、バイパス流路１０５を通じてバーナー１２０に供給できる。バイパス流路１０５を通じてバーナー１２０に供給された改質ガスは、バーナー１２０の燃焼のための燃料に使用できる。バイパス管には、燃料処理装置１０に流入する改質ガスの流動を調節するバイパス弁３４が配置できる。
電力生成部ＩＩは、スタック２０ａ、２０ｂ、燃料処理装置１０から吐出された改質ガスの熱交換が起こる改質ガス熱交換器２１、スタック２０ａ、２０ｂで反応せずに排出されるガスの熱交換が起こるＡＯＧ熱交換器２２、スタック２０ａ、２０ｂに供給される空気に水分を供給する加湿装置２３を含む。
空気をスタック２０ａ、２０ｂに流動させる第２ブロワー７２などを含むことができる。ここで、スタック２０ａ、２０ｂで反応せずに排出されるガスは、陽極排出ガス（ａｎｏｄｅ ｏｆｆ ｇａｓ、ＡＯＧ）と命名できる。本発明の一実施形態で、燃料電池システム１が２つのスタック２０ａ、２０ｂを備えることと説明するが、これに制限されるのではない。
改質ガス熱交換器２１は、燃料処理装置１０から吐出された改質ガスが流動するように改質ガス吐出流路１０４を形成する改質ガス吐出管（図示せず）に連結できる。改質ガス熱交換器２１は、水供給タンク１３から吐出された水が流動するように冷却水供給流路３０４を形成する冷却水供給管（図示せず）に連結できる。改質ガス熱交換器２１は、改質ガス吐出流路１０４を通じて流入する改質ガスと、冷却水供給流路３０４を通じて供給される水を熱交換することができる。
冷却水供給管には、水供給タンク１３に貯蔵された水を改質ガス熱交換器２１に流動させる冷却水ポンプ４３、及び／又は冷却水供給流路３０４を流動する水の流量を検出する冷却水流量計５６が配置できる。
改質ガス熱交換器２１は、スタックガス供給流路１０６を形成するスタックガス供給管（図示せず）に連結できる。改質ガス熱交換器２１から吐出された改質ガスは、スタックガス供給流路１０６を通じてスタック２０ａ、２０ｂに流動することができる。
スタックガス供給管には、改質ガスに含まれた水分の量を調節する改質ガス水分除去装置６１が配置できる。改質ガス水分除去装置６１に流入した改質ガスは、水分が除去された後、改質ガス水分除去装置６１から吐出できる。
改質ガス水分除去装置６１で生成された凝縮水は、改質ガス水分除去装置６１から吐出されて、第１水回収流路３０９に流動することができる。第１水回収流路３０９を形成する第１水回収管（図示せず）には、第１水回収流路３０９を流動する水の流動を調節する第１水回収弁４４が配置できる。
スタック２０ａ、２０ｂは、スタックガス供給流路１０６を通じて流入する改質ガスに電気化学反応を起こして電気エネルギーを生成することができる。一実施形態で、燃料電池システム１が複数のスタック２０ａ、２０ｂを備える場合、第１スタック２０ａで反応せずに吐出される改質ガスは第２スタック２０ｂで追加的に電気化学反応を起こすことができる。
第２ブロワー７２は、第２供給流路２０３を形成する第２供給管（図示せず）と、スタック側空気流入流路２０４を形成するスタック側空気流入管（図示せず）との間に配置できる。第２供給管は、第１空気フィルター９１の下流に配置できる。第２ブロワー７２は、第２供給流路２０３を通じて流入する空気を、スタック側空気流入流路２０４を通じてスタック２０ａ、２０ｂ側に流動させることができる。
第２供給管には、第２供給流路２０３を流動する空気の流動方向を制限する第２空気側チェック弁８２が配置できる。
スタック側空気流入管には、スタック側空気流入流路２０４を流動する空気の流量を検出する空気流量計５３が配置できる。
加湿装置２３は、スタック側空気流入流路２０４を通じて流入する空気に水分を供給することができ、水分が含まれた空気を、スタック側空気供給流路２０５を通じて吐出することができる。
スタック側空気供給流路２０５を形成するスタック側空気供給管（図示せず）には、スタック２０ａ、２０ｂに供給される空気の流動を調節するスタック側空気供給弁３６が配置できる。
スタック側空気供給管は、スタック２０ａ、２０ｂに各々対応する個別供給流路２０６、２０７を形成する個別供給管（図示せず）と連結できる。スタック側空気供給流路２０５を流動する空気は、個別供給流路２０６、２０７を通じてスタック２０ａ、２０ｂに供給できる。
複数のスタック２０ａ、２０ｂは、ガス連結流路１０７を形成するガス連結管（図示せず）に互いに連結できる。第１スタック２０ａで反応せずに吐出される改質ガスは、ガス連結流路１０７を通じて第２スタック２０ｂに流入できる。
ガス連結管には、ガス連結流路１０７を流動する改質ガスが第１スタック２０ａを通過する間、凝縮されて生成された水を除去する追加水分除去装置６２が配置できる。
追加水分除去装置６２で生成された水は、追加水分除去装置６２から吐出されて、第２水回収流路３１０に流動することができる。第２水回収流路３１０を形成する第２水回収管（図示せず）には、水の流動を調節する第２水回収弁４５が配置できる。第２水回収管は、第１水回収管と連結できる。
スタック２０ａ、２０ｂで反応せずに吐出される陽極排出ガス（ＡＯＧ）は、スタックガス吐出流路１０８を通じて流動することができる。
ＡＯＧ熱交換器２２は、スタック２０ａ、２０ｂから吐出された陽極排出ガス（ＡＯＧ）が流動するようにスタックガス吐出流路１０８を形成するスタックガス吐出管（図示せず）に連結できる。
ＡＯＧ熱交換器２２は、熱回収タンク１５から吐出された水が流動するように温水供給流路３１３を形成する温水供給管（図示せず）に連結できる。ＡＯＧ熱交換器２２は、スタックガス吐出流路１０８に流動する陽極排出ガス（ＡＯＧ）と、温水供給流路３１３に流動する水を熱交換することができる。
温水供給管には、熱回収タンク１５に貯蔵された水をＡＯＧ熱交換器２２に流動させる温水ポンプ４８と、温水供給流路３１３を流動する水の流量を検出する温水流量計５５が配置できる。
ＡＯＧ熱交換器２２は、ＡＯＧ供給流路１０９を形成するＡＯＧ供給管（図示せず）に連結できる。ＡＯＧ熱交換器２２は、ＡＯＧ供給流路１０９を通じて熱交換された陽極排出ガス（ＡＯＧ）を吐出することができる。ＡＯＧ熱交換器２２から吐出された陽極排出ガス（ＡＯＧ）は、ＡＯＧ供給流路１０９を通じて燃料処理装置１０に流動することができる。ＡＯＧ供給流路１０９を通じて燃料処理装置１０に供給された陽極排出ガス（ＡＯＧ）は、バーナー１２０の燃焼のための燃料に使用できる。
ＡＯＧ供給管には、陽極排出ガス（ＡＯＧ）に含まれた水分の量を調節するＡＯＧ水分除去装置６３と、燃料処理装置１０に供給される陽極排出ガス（ＡＯＧ）の流動を調節するＡＯＧ弁３５が配置できる。ＡＯＧ水分除去装置６３に流入した陽極排出ガス（ＡＯＧ）は、水分が除去された後、ＡＯＧ水分除去装置６３から吐出できる。
ＡＯＧ水分除去装置６３で生成された凝縮水は、ＡＯＧ水分除去装置６３から吐出されて、第３水回収流路３１１を通じて流動することができる。第３水回収流路３１１を形成する第３水回収管には、第３水回収流路３１１を流動する水の流動を調節する第３水回収弁４６が配置できる。第３水回収管は、第１水回収管に連結できる。
スタック側空気吐出流路２１１を形成するスタック側空気吐出管（図示せず）は、スタック２０ａ、２０ｂに各々対応する個別吐出流路２０８、２０９を形成する個別吐出管（図示せず）に連結できる。スタック側空気吐出管には、空気吐出流路２１１を流動する空気の流動を調節するスタック側空気吐出弁３７が配置できる。
スタック２０ａ、２０ｂから吐出された空気は、個別吐出流路２０８、２０９を通じてスタック側空気吐出流路２１１に流動することができる。この際、スタック側空気吐出流路２１１を通じて流動する空気は、スタック２０ａ、２０ｂで起こる電気化学反応により生成される水分を含むことができる。
スタック側空気吐出管は、加湿装置２３に連結できる。加湿装置２３は、スタック側空気吐出流路２１１から供給される空気に含まれた水分を用いて、スタック２０ａ、２０ｂに流動する空気に水分を供給することができる。スタック側空気吐出流路２１１を流動して加湿装置２３に供給された空気は、加湿装置２３を経て加湿装置吐出流路２１２に吐出できる。
冷却水循環部ＩＩＩは、燃料電池システム１で生成される水を貯蔵する水供給タンク１３、燃料処理装置１０に水を流動させる水ポンプ３８、燃料処理装置１０に供給される水の流動を調節する水供給弁３９、改質ガス熱交換器２１に水を流動させる冷却水ポンプ４３などを含むことができる。
熱回収部ＩＶは、熱交換に使われる水を貯蔵する熱回収タンク１５、熱回収タンク１５に貯蔵された水を熱回収タンク１５の外部に流動させる熱回収ポンプ４８などを含むことができる。
水供給タンク１３は、水流入流路３０１を形成する水流入管（図示せず）に連結できる。水供給タンク１３は、水流入流路３０１を通じて供給される水を貯蔵することができる。水流入管には、外部から供給される水に含まれた異質物を除去する第１液体フィルター９２と、水供給タンク１３に流入する水の流動を調節する水流入弁４１が配置できる。
水供給タンク１３は、水排出流路３０２を形成する水排出管（図示せず）に連結できる。水供給タンク１３は、水排出流路３０２を通じて水供給タンク１３に貯蔵された水のうち、少なくとも一部を外部に排出することができる。水排出管には、水供給タンク１３から排出される水の流動を調節する水排出弁４２が配置できる。
水供給タンク１３は、水貯蔵流路３０８を形成する水貯蔵管（図示せず）に連結できる。水供給タンク１３は、水貯蔵流路３０８を通じて流動する水を貯蔵することができる。例えば、改質ガス水分除去装置６１、追加水分除去装置６２、ＡＯＧ水分除去装置６３及び／又は空気水分除去装置６４から吐出されて第３水回収流路３１１を通じて流動する水が、水貯蔵流路３０８を経て水供給タンク１３に流入できる。水貯蔵管には、水供給タンク１３に回収される水に含まれた異質物を除去する第２液体フィルター９３が配置できる。
水供給タンク１３に貯蔵された水のうちの少なくとも一部は、冷却水ポンプ４３により改質ガス熱交換器２１に流動することができ、改質ガス熱交換器２１で改質ガスと熱交換できる。改質ガス熱交換器２１から吐出された水は、スタック水供給流路３０５を通じてスタック２０ａ、２０ｂに流入できる。
スタック水供給流路３０５を通じてスタック２０ａ、２０ｂに流入した水は、スタック２０ａ、２０ｂを冷却することができる。スタック２０ａ、２０ｂに流入した水は、スタック２０ａ、２０ｂに含まれたスタック熱交換器（図示せず）に沿って流動することができ、スタック２０ａ、２０ｂで起こる電気化学反応により発生する熱を吸収することができる。
複数のスタック２０ａ、２０ｂは、水連結流路３０６を形成する水連結管（図示せず）により連結できる。第１スタック２０ａから吐出される水は、水連結流路３０６を通じて第２スタック２０ｂに流入できる。
スタック２０ａ、２０ｂから吐出される水は、スタック水吐出流路３０７を通じて冷却水熱交換器２４に流入できる。冷却水熱交換器２４は、スタック２０ａ、２０ｂから吐出された水と、熱回収タンク１５から吐出された水を熱交換することができる。スタック２０ａ、２０ｂから吐出された水は、冷却水熱交換器２４を経て水貯蔵流路３０８に流動することができる。
温水ポンプ４８により熱回収タンク１５から吐出された水は、温水供給流路３１３を経てＡＯＧ熱交換器２２に流入できる。ＡＯＧ熱交換器２２で陽極排出ガス（ＡＯＧ）と熱交換された水は、第１温水循環回路３１４に吐出できる。
空気熱交換器２５は、加湿装置２３から吐出された空気が流動するように加湿装置吐出流路２１２を形成する加湿装置吐出管（図示せず）に連結できる。空気熱交換器２５は、ＡＯＧ熱交換器２２から吐出された水が流動する第１温水循環回路３１４に連結できる。空気熱交換器２５は、加湿装置吐出流路２１２を通じて流入する空気と第１温水循環回路３１４を通じて流入する水を熱交換することができる。
空気熱交換器２５で熱交換された空気は、空気排出流路２１３を通じて空気熱交換器２５から吐出できる。空気排出流路２１３を形成する空気排出管（図示せず）は、排気ガス吐出流路２１０を形成する排気ガス吐出管（図示せず）と連結できる。排気ガス吐出流路２１０に流動する排気ガスと空気排出流路２１３に流動する空気が混合できる。
空気排出管には、空気水分除去装置６４が配置できる。空気水分除去装置６４は、外部に排出される空気に含まれた水分の量を調節することができる。空気水分除去装置６４に流入した空気は、水分が除去された後、空気水分除去装置６４から吐出できる。
空気水分除去装置６４で生成された凝縮水は、空気水分除去装置６４から吐出されて第４水回収流路３１２を通じて流動することができる。第４水回収流路３１２を形成する第４水回収管（図示せず）には、水の流動を調節する第４水回収弁４７が配置できる。第４水回収管は、水貯蔵管に連結できる。
空気熱交換器２５で熱交換された水は、第２温水循環流路３１５を通じて空気熱交換器２５から吐出できる。空気熱交換器２５から吐出された水は、第２温水循環流路３１５を通じて冷却水熱交換器２４に流入できる。
冷却水熱交換器２４は、スタック水吐出流路３０７を通じて流入する水と、第２温水循環流路３１５を通じて流入する水を熱交換することができる。
排気熱交換器２６は、排気ガスが流動する排気ガス吐出流路２１０を形成する排気ガス吐出管に連結できる。排気熱交換器２６は、冷却水熱交換器２４から吐出された水が流動するように第３温水循環流路３１６を形成する第３温水循環管（図示せず）に連結できる。排気熱交換器２６は、排気ガス吐出流路２１０を通じて流入する排気ガスと、第３温水循環流路３１６を通じて流入する水を熱交換することができる。
排気熱交換器２６で熱交換された排気ガスは排気流路２１３に吐出されることができ、排気流路２１３に流動する排気ガスは外部に排出できる。
排気熱交換器２６で熱交換された水は、温水回収流路３１７に吐出されることができ、温水回収流路３１７に流動する水は熱回収タンク１５に流入できる。
以下、図３から図４を参照して、改質器１４０に流動する液体ガスと気体ガスの流動と関連した構成を説明する。
図３を参照すると、燃料電池システム１は、液体ガスを貯蔵する第１貯蔵タンク４００、改質器１４０に気化燃料を供給する第２貯蔵タンク４０２、及び第１貯蔵タンク４００から排出された液体燃料を外部空気と熱交換して液体燃料を気化させる燃料蒸発器４１０、４１２、４１４を含む。
燃料蒸発器４１０、４１２、４１４は、第１供給管に配置される第１燃料蒸発器４１０、第２供給管に配置される第２燃料蒸発器４１２、及び改質ガス吐出管１０４ａに配置される第３燃料蒸発器４１４を含む。
燃料電池システム１は、第１貯蔵タンク４００と第１燃料蒸発器４１０を連結する第１液体ガス供給管４２０と、第１貯蔵タンク４００と第２燃料蒸発器４１２を連結する第２液体ガス供給管４２２と、第１貯蔵タンク４００と第３燃料蒸発器４１４を連結する第３液体ガス供給管４２４を含む。
燃料電池システム１は、第１燃料蒸発器４１０と第２貯蔵タンク４０２を連結する第１気体ガス供給管４３０と、第２燃料蒸発器４１２と第２貯蔵タンク４０２を連結する第２気体ガス供給管４３２と、第３燃料蒸発器４１４と第２貯蔵タンク４０２を連結する第３気体ガス供給管４３４を含む。
また、燃料電池システム１は、第１燃料蒸発器４１０、第２燃料蒸発器４１２、及び第３燃料蒸発器４１４のうち、少なくとも１つに液体燃料を供給する複数の膨脹弁４４０、４４２、４４４を含む。燃料電池システム１は、第１液体ガス供給管に配置され、第１液体ガス供給管の内部流路を開閉するか、または開度を調節する第１膨脹弁４４０と、第２液体ガス供給管４２２に配置され、第２液体ガス供給管４２２の内部流路を開閉するか、または開度を調節する第２膨脹弁４４２と、第３液体ガス供給管４２４に配置され、第３液体ガス供給管４２４の内部流路を開閉するか、または開度を調節する第３膨脹弁４４４を含む。
燃料電池システム１は、燃料処理装置１０と、第１液体ガス供給管４２０、第２液体ガス供給管４２２、または第３液体ガス供給管４２４を連結する液体ガス共通管４２６と、液体ガス共通管４２６を開閉する共通管弁４４６を含むことができる。
第１貯蔵タンク４００は、液体燃料を貯蔵することができる。第１貯蔵タンク４００は、燃料を液体状態で保管するように圧力タンク形態を使用することができる。第１貯蔵タンク４００は、二重構造のタンク（図示せず）と断熱部（図示せず）からなることができる。
図４を参照すると、第１貯蔵タンク４００と燃料蒸発器４１０、４１２、４１４との間には、第１貯蔵タンク４００から吐出された燃料を再液化する再液化装置４５０と、再液化装置４５０から吐出された燃料を燃料蒸発器４１０、４１２、４１４に供給するポンプ４５４が配置できる。また、第１貯蔵タンク４００と燃料蒸発器４１０、４１２、４１４との間には、燃料蒸発器４１０、４１２、４１４に流動する液体燃料を膨脹させる膨脹弁４４０、４４２、４４４が配置できる。
再液化装置４５０は、別途のヒートポンプ（図示せず）に流動する冷媒と第１貯蔵タンク４００から吐出されて蒸発された気体燃料を再液化させることができる。再液化装置４５０は、冷媒の蒸発を通じて、気体燃料を液化させることができる。
第１貯蔵タンク４００と再液化装置４５０は、第１貯蔵タンク４００で液相燃料が流動する第１管４５６ａと第１貯蔵タンク４００で気相燃料が流動する第２管４５６ｂに連結できる。第１管４５６ａは、第１貯蔵タンク４００の下部と連結されて、第１貯蔵タンク４００に貯蔵された液化燃料が流動できる。
第２管４５６ｂは、第１貯蔵タンク４００の上部と連結されて、第１貯蔵タンク４００で気化した気体ガスが流動できる。第２管４５６ｂには、第１貯蔵タンク４００から排出された気体ガスを圧縮する圧縮機４５２が配置できる。
再液化装置４５０は、第１管４５６ａで流動する液体燃料と第２管４５６ｂで流動する気体燃料を混合し、これを冷却して液体燃料で排出することができる。再液化装置４５０を通過した液体燃料を燃料蒸発器４１０、４１２、４１４に供給するポンプ４５４が配置できる。
再液化装置４５０と燃料蒸発器４１０、４１２、４１４との間には第３管４５６ｃが配置されて、再液化装置４５０から吐出される液体燃料を燃料蒸発器４１０、４１２、４１４に供給することができる。第３管４５６ｃにはポンプ４５４が配置できる。また、第３管４５６ｃには、燃料蒸発器４１０、４１２、４１４に流動する液体燃料を膨脹させる膨脹弁４４０、４４２、４４４が配置できる。第４管４５６ｄは、第３管４５６ｃから分枝されて管の内部の液体燃料を第１貯蔵タンクに供給することができる。
第１貯蔵タンク４００は、燃料蒸発器４１０、４１２、４１４から流動する気体燃料を一時的に貯蔵することができる。第１貯蔵タンク４００に貯蔵された気体燃料は、燃料供給流路１０１を通じて改質器１４０に供給できる。
液体ガス共通管４２６は、第１液体ガス供給管４２０、第２液体ガス供給管４２２、及び第３液体ガス供給管４２４の各々に連結される。液体ガス共通管４２６には、異質物の流入を防止するためのフィルター４２８と、第１貯蔵タンク４００から排出される液体ガスの流動を調節し、システム未使用及び非常時に高圧ガスを遮断する共通管弁４４６と、液体ガスの圧力を感知する圧力センサー４２９が配置できる。
＜運転モード＞
以下、図５から図７を参照して、燃料電池システム１の運転を説明する。
燃料電池システム１は、システムを予熱する予熱モード（ＷＭ）、改質ガスの生成量を確保する改質モード（ＲＭ）、スタック２０ａ、２０ｂを通じて電気を生成する発電モード（ＰＭ）で運転することができる。
予熱モード（ＷＭ）では、第１ブロワー７１が作動して、外部空気を改質器１４０に供給することができる。予熱モード（ＷＭ）で燃料処理装置１０のバーナー１２０で燃料ガスと空気が混合された混合ガスを燃焼させて燃焼熱を発生させて燃料処理装置１０を予熱することができる。
図５を参照すると、予熱モード（ＷＭ）で、共通管弁４４６が開放され、第１膨脹弁４４０が開度を拡張して、第１燃料蒸発器４１０に液体燃料を供給する。第１燃料蒸発器４１０では、液体燃料が気体燃料に相変化され、内部を流動する外部から流入した空気は温度が低減した状態でバーナー１２０に供給できる。第１燃料蒸発器４１０から排出される気体燃料は第２貯蔵タンク４０２に流動する。
前記の運転を通じて第２貯蔵タンク４０２内の一定圧力までガスが生成されれば、第２貯蔵タンク４０２の気体ガスを燃料処理装置１０に供給するようになる。燃料処理装置１０の内部では、第２貯蔵タンク４０２から排出された気体燃料を改質して改質ガスを生成することができる。
バーナー１２０が作動するにつれて、第１ブロワー７１の入口側対比出口側の空気温度及び圧力が全て上昇するようになって、高温／高圧の空気が第１燃料蒸発器４１０に流入するようになる。第１燃料蒸発器４１０に流入した空気は第１貯蔵タンク４００から排出された液体燃料を気化させることに熱を供給するようになる。以後、第１燃料蒸発器４１０から吐出される空気は低温及び高圧の状態でバーナー１２０に供給される。低温及び高圧の空気は密度が低くて燃料処理装置１０の同一の体積内により多くの空気量が供給できる。また、燃料処理装置１０内でガスと混合されて、燃焼時により多くの混合器が流入できるので、目標温度までの燃焼時間の短縮が可能になる。
前記の第１燃料蒸発器４１０を通じて燃料処理装置１０に低温及び高圧の空気と低温の気体燃料を改質器バーナーに供給時、より多い混合器がバーナーに供給可能である。また、既存対比より多くの混合器の供給により予熱運転時間の短縮が可能である。
改質モード（ＲＭ）では、改質器１４０を通じて生成された改質ガスをまた改質器１４０に供給して、改質された水素量を確保することができる。改質モード（ＲＭ）では、改質器１４０では気体燃料を基盤に高温の改質ガスを生成するようになり、発電モード（ＰＭ）前まではバイパス弁３４を通じて生成された改質ガスを全て燃焼に活用するようになる。
図６を参照すると、改質モード（ＲＭ）には、第１膨脹弁４４０と第３膨脹弁４４４の各々の開度を確保することができる。したがって、第１貯蔵タンク４００から排出された液体燃料は第１燃料蒸発器４１０と第３燃料蒸発器４１４に流動することができる。この際、第３膨脹弁４４４の開度を増加させて、第３燃料蒸発器４１４に流動する液体燃料の量を第１燃料蒸発器４１０に流動する液体燃料の量より大きく形成することができる。第３燃料蒸発器４１４を流動する改質ガスの温度が第１燃料蒸発器４１０を流動する空気の温度より高い。第１燃料蒸発器４１０より第３燃料蒸発器４１４で液体燃料の相変化がよく起こることができるので、第３燃料蒸発器４１４に流動する液体燃料の量を増加させることができる。
改質モード（ＲＭ）の運転時、改質器１４０は第２貯蔵タンク４０２に貯蔵された気体ガスを活用して改質ガスを生成するようになる。この際、改質器１４０から排出される改質ガスの温度が約９０度以上に達するようになるので、改質器１４０から排出される改質ガスの廃熱を活用するために、第３燃料蒸発器４１４に液体燃料を供給するようになる。
第１燃料蒸発器４１０と第３燃料蒸発器４１４に供給された液体ガスは、高温の改質ガスまたは第１供給管２０２ａを流動する空気と熱交換を通じて気化されて第２貯蔵タンク４０２に供給される。このように、第１燃料蒸発器４１０と第３燃料蒸発器４１４を通じての気体燃料生成は、第１燃料蒸発器４１０のみ使用した時より多くのガスが生成できる。このように、ガス生成量が増加するにつれて改質器反応器はより多くのガスを消費し、改質ガスを生成し、発電モード運転に進入するための準備を進行するようになる。
改質器１４０から排出された高温の改質ガスは第３燃料蒸発器４１４を通じて液体燃料と熱交換して低温の改質ガスに変化することができる。低温の改質ガスはバイパス弁３４を通じてバーナー１２０に供給されて燃焼効率を向上させることに使われるようになる。低温の改質ガスやはり温度変化によって密度が低くなって、バーナー１２０により多くの量が供給できる。また、バーナー１２０では水素含有量の高い改質ガスを共に燃焼することによって燃焼反応及び効率を向上させることができるようになる。
発電モード（ＰＭ）では、改質器１４０から排出される改質ガスと外部から流入する空気を通じてスタック２０ａ、２０ｂの内部で酸素と水素の電気化学反応により電気が生成できる。
発電モード（ＰＭ）で、第１ブロワー７１が作動することによって外部空気が燃料処理装置１０に流動し、第２ブロワー７２が作動することによって外部空気がスタック２０ａ、２０ｂに供給できる。
また、改質器１４０が作動することによって改質器１４０から排出される改質ガスがスタック２０ａ、２０ｂに供給できる。
図７を参照すると、発電モード（ＰＭ）で運転する時、第１貯蔵タンク４００から排出される液体燃料は、第１燃料蒸発器４１０、第２燃料蒸発器４１２、及び第３燃料蒸発器４１４の各々に供給できる。
発電モード（ＰＭ）で、第１膨脹弁４４０、第２膨脹弁４４２、及び第３膨脹弁４４４が全て開放できる。発電モードで、第３膨脹弁４４４を通じて流動する液体燃料の量が第１膨脹弁４４０や第２膨脹弁４４２を通じて流動する液体燃料の量より多いように開度を設定することができる。
発電モード（ＰＭ）で運転する時、第２ブロワー７２が動作するようになり、これは第１ブロワー７１の動作と同一に、第２ブロワー７２に流入する空気に比べて第２ブロワー７２から吐出される空気の温度及び圧力が全て上昇するようになる。
第２供給管２０３ａに配置される第２燃料蒸発器４１２は、第１貯蔵タンク４００から排出される液体燃料と熱交換を通じて低温及び高圧の空気が第１燃料蒸発器４１０から吐出される。第２燃料蒸発器４１２から吐出された低温及び高圧の空気はスタック２０ａ、２０ｂに供給されて、改質ガスとの反応を通じて電力の生産のための反応後、排出される。
また、改質器１４０で生成された改質ガスは第３燃料蒸発器４１４を経てスタック２０ａ、２０ｂに供給され、スタック２０ａ、２０ｂの電力生産に使用されずに排出される未反応水素（ＡＯＧ）はまたバーナー１２０に供給されて燃焼効率を向上させることに使われる。この際、スタック２０ａ、２０ｂに供給される改質ガスは第３燃料蒸発器４１４を通じて温度が低くなるので、一定ボリューム内により多くの改質ガスが供給可能になって、電力生産のための反応効率を向上させることができるようになる。
このように、スタック２０ａ、２０ｂに供給される空気と改質ガスの温度を低減させることにより密度が高温対比だいぶ低くなるようになる。スタック２０ａ、２０ｂの内部で空気と改質ガスの反応面積は非常に制限的であるので、密度が小さい場合、より多くの反応を図ることができる。これは、空気及び改質ガスの密度低減によりスタック内の発電効率を向上させることができるようになる。
以下、図８ａから図１４ｂを参照して、第１燃料蒸発器４１０、第２燃料蒸発器４１２、または第３燃料蒸発器４１４に使用できる燃料蒸発器４１０、４１２、４１４の多様な実施形態を説明する。
燃料蒸発器４１０、４１２、４１４は外形を形成するハウジングを含み、ハウジングの内部に液体燃料が流動する燃料流動部と空気または改質ガスが流動するガス流動部が形成される。
燃料流動部とガス流動部は複数個が互いに交差する方式により配置できる。燃料流動部を形成する管の内部と、ガス流動部を形成する管の内部の各々には液体燃料または空気の接触面積を増やすことができる突起が形成できる。燃料流動部とガス流動部は多様な形態に形成できる。
図８ａ及び図８ｂを参照すると、第１実施形態に従う燃料蒸発器は、円筒形状を有するハウジング４６０ａの内部に燃料流動部４７０ａとガス流動部４６２ａが形成される構造を有することができる。
ガス流動部４６２ａは直線形態の複数の細径管４６３ａから構成できる。燃料流動部４７０ａは複数の細径管４６３ａの間の空間で上下方向に曲がる流動を通じてガス流動部４６２ａと熱交換することができる。ガス流動部４６２ａの第１流入端４６４ａと第１排出端４６６ａは複数の細径管と平行な方向に開口できる。燃料流動部４７０ａの第２流入端４７２ａと第２排出端４７４ａはガス流動部４６２ａの第１流入端４６４ａと第１排出端４６６ａに垂直な方向に開口できる。燃料流動部４７０ａはガス流動部４６２ａの複数の細径管４６３ａと垂直な方向に形成され、燃料の流動を上下方向に形成して熱交換される流動面積を広くするガイダー４７１ａを含むことができる。
図９ａ及び図９ｂを参照すると、第２実施形態に従う燃料蒸発器のハウジング４６０ｂは内部にＵ字型管が配置される構造を有することができる。
ガス流動部４６２ｂは上下方向に形成された複数の細径管４６３ｂと、細径管４６３ｂの上方にベンディングされたＵ字形態のベンディング管４６３ｂ１を含む。ガス流動部４６２ｂの第１流入端４６４ｂと第１排出端４６６ｂはベンディング管４６３ｂ１が配置される方向から反対方向に開口される。
燃料流動部４７０ｂは複数の細径管４６３ｂの間を左右方向に流動するガイダーを通じて流動する構造を有することができる。燃料流動部４７０ｂの第２流入端４７２ｂと第２排出端４７４ｂはハウジング４６０ｂの周り方向に突出する構造を有することができる。
図１０ａ及び図１１ｂを参照すると、第３実施形態に従う燃料蒸発器は、ハウジング４６０ｃの円筒形状を有し、内部に燃料流動部４７０ｃとガス流動部４６２ｃが形成される構造を有することができる。
ガス流動部４６２ｃは直線形態の複数の細径管から構成できる。燃料流動部４７０ｃは複数の細径管の間の空間の流動を通じてガス流動部４６２ｃと熱交換することができる。ガス流動部４６２ｃの第１流入端４６４ｃと第１排出端４６６ｃは複数の細径管と平行な方向に開口できる。燃料流動部４７０ｃの第１流入端４６４ｃと第１排出端４６６ｃはガス流動部４６２ｃの第２流入端４７２ｃと第２排出端４７４ｃに垂直な方向に開口できる。
第３実施形態に従う燃料蒸発器は、燃料流動部４７０ｃまたはガス流動部４６２ｃの管の内部または外部が図１０ａから図１０ｂのようにフラットな形態に形成され、図１１ａから図１１ｂのように、突起が突出した形状に形成できる。
図１２及び図１４ｂを参照すると、第４実施形態に従う燃料蒸発器は、板型熱交換器を使用することができる。第４実施形態に従う燃料蒸発器は、ハウジング４６０ｄの板型の形状を有し、内部に燃料流動部４７０ｄとガス流動部４６２ｄが形成される構造を有することができる。
ガス流動部４６２ｄの第１流入端４６４と第１排出端４６６ｄは、ハウジング４６０ｄの一側面から対角線方向に離隔配置される。図１３ａ及び図１４ａを参照すると、ガス流動部４６２ｄはハウジング４６０ｄの内部で第１流入端４６４ｄと第１排出端４６６ｄを連結する複数の流路を有する。ガス流動部４６２ｄは、第１流入端４６４ｄと第１排出端４６６ｄに垂直な方向に複数の流路が形成される。ガス流動部４６２ｄに形成される複数の流路は、図１３ａのように管の内部がフラットな形状に形成されるか、または図１４ａのように管の内部が、突起が突出した形状に形成できる。
燃料流動部４７０ｄの第２流入端４７２ｄと第２排出端４７４ｄはハウジング４６０ｄの一側面から対角線方向に離隔配置される。図１３ｂ及び図１４ｂを参照すると、燃料流動部４７０ｄはハウジング４６０ｄの内部で第２流入端４７２ｄと第２排出端４７４ｄを連結する複数の流路を有する。燃料流動部４７０ｄは、第２流入端４７２ｄと第２排出端４７４ｄに垂直な方向に複数の流路が形成される。燃料流動部４７０ｄに形成される複数の流路は、図１３ｂのように管の内部がフラットな形状に形成されるか、または図１４ｂのように管の内部が、突起が突出した形状に形成できる。
以上、本発明の好ましい実施形態に対して図示及び説明したが、本発明は前述した特定の実施形態に限定されず、特許請求範囲で請求する本発明の要旨を逸脱することなく当該発明が属する技術分野で通常の知識を有する者により多様な変形実施が可能であることは勿論であり、このような変形実施は本発明の技術的思想や展望から個別的に理解されてはならない。
１ 燃料電池システム
１０ 燃料処理部
２０ａ、２０ｂ スタック
７１ 第１ブロワー
７２ 第２ブロワー
１４０ 改質器
４００ 第１貯蔵タンク
４０２ 第２貯蔵タンク
４１０ 第１燃料蒸発器
４１２ 第２燃料蒸発器
４１４ 第３燃料蒸発器
４４０ 第１膨脹弁
４４２ 第２膨脹弁
４４４ 第３膨脹弁

Claims (15)

  1. 燃料電池システムであって、
    気化燃料から水素ガスを生成する改質工程を遂行する改質器と、
    前記改質器に熱を供給するバーナーと、
    前記改質器から排出された改質ガスと空気で電気化学反応を起こして電気エネルギーを生成するスタックと、
    前記外部空気をバーナーに供給する第１供給管と、
    前記スタックに外部空気を供給する第２供給管と、
    液体燃料を貯蔵する第１貯蔵タンクと、
    前記改質器に気化燃料を供給する第２貯蔵タンクと、
    前記第１貯蔵タンクから排出された液体燃料を、前記第１供給管を流動する空気又は前記第２供給管を流動する空気と熱交換し、気化した気体燃料を前記第２貯蔵タンクに送る燃料蒸発器とを備えてなる、燃料電池システム。
  2. 前記燃料蒸発器は、前記第１貯蔵タンクから排出される液体燃料と前記第１供給管を流動する空気を熱交換する第１燃料蒸発器と、
    前記第１貯蔵タンクから排出される液体燃料と前記第２供給管を流動する空気を熱交換する第２燃料蒸発器と、を備える、請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 前記第１貯蔵タンクと前記第１燃料蒸発器を連結する第１液体ガス供給管と、
    前記第１貯蔵タンクと前記第２燃料蒸発器を連結する第２液体ガス供給管と、
    前記第１液体ガス供給管に配置され、前記第１液体ガス供給管の内部流路を開閉するか、又は、開度を調節する第１膨脹弁と、
    前記第２液体ガス供給管に配置され、前記第２液体ガス供給管の内部流路を開閉するか、又は、開度を調節する第２膨脹弁と、を備える、請求項２に記載の燃料電池システム。
  4. 前記改質器を予熱する予熱モードで、
    前記第１膨脹弁が前記第１液体ガス供給管の内部流路を拡張させ、
    前記第２膨脹弁が前記第２液体ガス供給管の内部流路を閉鎖する、請求項３に記載の燃料電池システム。
  5. 前記スタックで電気を生成する発電モードで、
    前記第１膨脹弁が前記第１液体ガス供給管の内部流路の開度を拡張させ、
    前記第２膨脹弁が前記第２液体ガス供給管の内部流路の開度を拡張させる、請求項３に記載の燃料電池システム。
  6. 前記改質器から排出される前記バーナーに送るか、又は、前記スタックに送る改質ガス吐出管を備え、
    前記液体ガス蒸発器は、前記改質ガス吐出管に配置され、前記改質器から排出される改質ガスと液体燃料を熱交換する第３液体ガス蒸発器を備える、請求項３に記載の燃料電池システム。
  7. 前記第１貯蔵タンクと前記第３燃料蒸発器を連結する第３液体ガス供給管と、
    前記第３液体ガス供給管に配置され、前記第３液体ガス供給管の内部流路を開閉するか、又は、開度を調節する第３膨脹弁と、を備える、請求項６に記載の燃料電池システム。
  8. 前記改質器から排出される改質ガスに含まれた水素量を増加させる改質モードで、
    前記第１膨脹弁が前記第１液体ガス供給管の内部流路の開度を拡張させ、
    前記第３膨脹弁が前記第３液体ガス供給管の内部流路の開度を拡張させる、請求項７に記載の燃料電池システム。
  9. 前記改質モードで、前記第３膨脹弁の開度が前記第１膨脹弁の開度より拡張される、請求項８に記載の燃料電池システム。
  10. 前記スタックで電気を生成する発電モードで、
    前記第１膨脹弁が前記第１液体ガス供給管の内部流路の開度を拡張させ、
    前記第２膨脹弁が前記第２液体ガス供給管の内部流路の開度を拡張させ、
    前記第３膨脹弁が前記第３液体ガス供給管の内部流路の開度を拡張させる、請求項７に記載の燃料電池システム。
  11. 前記発電モードで、前記第３膨脹弁の開度が前記第１膨脹弁又は前記第２膨脹弁の開度より拡張される、請求項１０に記載の燃料電池システム。
  12. 前記燃料装置と、
    前記第１液体ガス供給管、前記第２液体ガス供給管、又は、前記第３液体ガス供給管を連結する液体ガス共通管と、
    前記液体ガス共通管を開閉する共通管弁と、を備える、請求項７に記載の燃料電池システム。
  13. 前記第１供給管に配置され、外部空気を前記第１供給管に供給する第１ブロワーと、
    前記第２供給管に配置され、外部空気を前記第２供給管に供給する第２ブロワーと、を備え、
    前記第１ブロワーが作動する時、前記共通管弁が開放される、請求項１２に記載の燃料電池システム。
  14. 前記燃料蒸発器は、
    外形を形成するハウジングと、
    前記ハウジングの内部に配置され、液体燃料が流動するように形成される燃料流動部と、
    前記ハウジングの内部に配置され、空気又は改質ガスが流動するように形成されたガス流動部と、を備える、請求項１に記載の燃料電池システム。
  15. 前記燃料流動部を形成する管の内部と、前記ガス流動部を形成する管の内部の各々には複数の突起が形成される、請求項１４に記載の燃料電池システム。
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