JP2023072686A - 燃料電池装置及びその制御方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】ボルテックスチューブを活用して冷却水及び改質ガスの温度を制御することができる燃料電池装置を提供する。【解決手段】第１熱交換器（５１０）でボルテックスチューブ（５０２）から排出された加熱空気によって予熱された冷却水をスタック（２０）に供給して、スタック（２０）を発電に適した温度に予熱する時間を大きく縮めるとともに、第２熱交換器（５２０）でボルテックスチューブ（５０２）から排出された冷却空気によって冷却されて密度が高くなった改質ガスをバーナーまたはスタック（２０）に供給してバーナーの燃焼効率及びスタック（２０）の発電効率を向上させる。【選択図】図１

Description

本発明は燃料電池装置及びその制御方法に関し、より詳しくは、ボルテックスチューブを活用して冷却水及び改質ガスの温度を制御することができる燃料電池装置に関する。
〔関連技術〕
本願は、韓国特許出願第１０－２０２１－０１５５８５４号（出願日：２０２１年１１月１２日：ＤＡＳ：４９Ｄ４）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。
燃料電池装置（Ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ ａｐｐａｒａｔｕｓ）は、炭化水素系の物質、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装置である。
従来の燃料電池装置は、特許文献１（韓国公開特許第１０－２０１２－００７１２８８号公報）のように、水素原子を含む燃料を水素ガスに転換改質（ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ）する燃料処理装置と、燃料処理装置から供給される水素ガスを用いて電気エネルギーを発生させるスタック（ｓｔａｃｋ）とを備える。また、燃料電池装置は、スタックを冷却し、熱を回収するための熱交換器及び冷却水配管、生産された直流電源を交流電源に変換する電力変換装置などをさらに備えることができる。
燃料処理装置のバーナーで起こる燃料ガスの燃焼やスタックでの電気の発生には酸素が必須に使われるので、一般的に燃料電池装置は、特許文献２（韓国登録特許第１０－１９５１４３９号公報）のように、外部空気を燃料処理装置またはスタックに流動させるブロアー（ｂｌｏｗｅｒ）を備える。
前記従来の燃料電池装置は、まず燃料ガスを受けてスタックの発電に必要な改質ガスを生成する改質器をバーナーで加熱して改質に適した温度に予熱する予熱モードで運転し、次いで、改質器が前記温度条件に到逹すれば、生成された改質ガスの水素及び一酸化炭素などの濃度がスタックの発電に適した濃度に到逹するまで改質器で生成される改質ガスをバーナーに再循環させながら改質を繰り返す改質モードで運転し、次いで改質ガスの濃度が前記濃度条件に到逹すれば、スタックに改質ガス及び外気を供給して電気化学反応を引き起こして電気エネルギーを生産する発電モードで運転することができる。
ここで、スタックは一般的に約７５度の温度で最高の発電効率を表す。前記従来技術の場合、発電運転に進入したときにだけ、高温の改質ガス及び前記改質ガスと熱交換して加熱された冷却水がスタックに供給されてスタックを予熱し始めるので、発電運転の初期にはスタックの温度が低くて発電効率が低下するという問題点があった。
一方、燃料電池装置の発電運転によってスタックでは熱が発生する。このような熱は発電運転の初期にはスタックが発電に適した温度に到逹するようにするが、スタックが目標温度に到逹した後には、スタックの過熱を防ぐために放熱する必要がある。
前記従来の燃料電池装置は、前記発電モードを一定時間維持して前記スタックが目標温度に到逹し、燃料電池装置の運転によって発生する熱の放出が要求される状況で、燃料電池装置の運転によって冷却水を循環させて熱を回収して貯蔵する給水タンクの温水を外部に排水し、また外部給水源から冷水を供給する方式を使うので、燃料電池装置の精巧な熱管理が難しく、給水による追加的な運転費用が発生するという問題点があった。
韓国公開特許第１０－２０１２－００７１２８８Ａ号公報 韓国登録特許第１０－１９５１４３９Ｂ号公報
本発明の目的は、スタックを発電に適した温度に予熱する時間を縮めて発電効率を向上させた燃料電池装置を提供することである。
本発明の他の目的は、簡易で効果的にスタックで生成される廃熱を放熱して最適の温度を維持することができる燃料電池装置を提供することである。
本発明のさらに他の目的は、バーナーまたはスタックに供給される改質ガスの密度を向上させてバーナーの燃焼効率またはスタックの発電効率を向上させた燃料電池装置を提供することである。
本発明のさらに他の目的は、バーナーに供給される空気の密度を高めてバーナーの燃焼効率を向上させた燃料電池装置を提供することである。
本発明のさらに他の目的は、スタックに供給される冷却水の温度を最適温度に精巧に管理することができる燃料電池装置を提供することである。
本発明のさらに他の目的は、バーナーまたはスタックに供給される改質ガスの温度を最適温度に精巧に管理することができる燃料電池装置を提供することである。
本発明の課題は以上で言及した課題に制限されず、言及しなかった他の課題は以下の記載から当業者に明らかに理解可能であろう。
〔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〕
燃料電池装置であって、
水素と酸素を電気化学反応させて電気エネルギーを生成するスタックと、
改質ガスを生成して前記スタックに供給する改質器と、
前記改質器を加熱するバーナーと、
前記スタックに供給される冷却水を貯蔵する給水タンクと、
外気を吸入して送出するバーナーエアブロアーと、
前記バーナーエアブロアーから送出される空気を前記バーナーに供給するメイン給気流路と、
前記バーナーエアブロアーから送出される空気を加熱空気と冷却空気とに変換するボルテックスチューブと、
前記バーナーエアブロアーから送出される空気を前記メイン給気流路またはボルテックスチューブに選択的に供給する３方バルブと、
前記ボルテックスチューブから排出される前記加熱空気と冷却空気を第１転換流路及び第２転換流路の中で互いに異なる流路に転換して排出させる４方バルブと、
前記給水タンクから排出される冷却水と前記第１転換流路から排出される空気との間で熱交換させる第１熱交換器と、
前記第１熱交換器を通過した冷却水を前記スタックに供給する冷却水流路と、
前記第１熱交換器を通過した空気を前記バーナーに供給する第１給気流路と、
前記改質器から排出される改質ガスと前記第２転換流路から排出される空気との間で熱交換させる第２熱交換器と、
前記第２熱交換器を通過した改質ガスを前記スタックに供給する改質ガス流路と、
前記第２熱交換器を通過した空気を前記バーナーに供給する第２給気流路と、を備えてなる、燃料電池装置。
〔２〕
前記ボルテックスチューブから排出される前記加熱空気を前記４方バルブに供給する熱風供給流路と、
前記ボルテックスチューブから排出される前記冷却空気を前記４方バルブに供給する冷気供給流路と、を更に備える、〔１〕に記載の燃料電池装置。
〔３〕
前記第１転換流路は、前記４方バルブと前記第１熱交換器とを連結し、
前記第２転換流路は、前記４方バルブと前記第２熱交換器とを連結する、〔１〕に記載の燃料電池装置。
〔４〕
前記第１転換流路から分岐されて前記第１給気流路に連結される第１バイパス流路と、
前記第１バイパス流路に配置され、前記第１転換流路を通過する空気が前記第１熱交換器をバイパスするように開放することができる第１バイパスバルブと、
前記第２転換流路から分岐されて前記第２給気流路に連結される第２バイパス流路と、
前記第２バイパス流路に配置され、前記第２転換流路を通過する空気が前記第２熱交換器をバイパスするように開放することができる第２バイパスバルブと、を更に備える、〔３〕に記載の燃料電池装置。
〔５〕
前記第１給気流路は、一端が前記第１熱交換器と連通し、他端が前記メイン給気流路に連結され、
前記第２給気流路は、一端が前記第２熱交換器と連通し、他端が前記メイン給気流路に連結される、〔１〕に記載の燃料電池装置。
〔６〕
前記給水タンクに貯蔵された水を前記スタックに供給する冷却水ポンプを更に備える、〔１〕に記載の燃料電池装置。
〔７〕
前記冷却水流路を通過する冷却水と前記改質ガス流路を通過する改質ガスとの間で熱交換させる改質ガス熱交換器を更に備える、〔１〕に記載の燃料電池装置。
〔８〕
前記改質ガス流路から分岐され、前記バーナーと連通する改質ガスバイパス流路と、
前記改質ガスバイパス流路に配置される改質ガスバイパスバルブと、
前記改質ガス流路から前記改質ガスバイパス流路が分岐される地点の下流に配置される改質ガスバルブと、を更に備える、〔１〕に記載の燃料電池装置。
〔９〕
外気を吸入して前記スタックに供給するスタックエアブロアーと、
前記スタックエアブロアーと前記スタックを連結するスタック給気流路と、
前記スタックから外部と連通するスタック排気流路と、
前記スタック給気流路に配置され、開閉するスタックインバルブと、
前記スタック排気流路に配置され、開閉するスタックアウトバルブと、を更に備える、〔１〕に記載の燃料電池装置。
〔１０〕
前記燃料電池装置が稼働し始めれば、前記バーナーエアブロアーから送出される空気を前記メイン給気流路に供給するように前記３方バルブを制御する制御部を更に備える、〔１〕に記載の燃料電池装置。
〔１１〕
前記改質器の内部温度が設定改質器温度値に到逹すれば、
前記バーナーエアブロアーから送出される空気を前記ボルテックスチューブに供給するように前記３方バルブを制御し、
前記ボルテックスチューブから排出される前記加熱空気を前記第１転換流路に排出し、
前記冷却空気は前記第２転換流路に排出するように前記４方バルブを制御する制御部を更に備える、〔１〕に記載の燃料電池装置。
〔１２〕
前記スタックから排出される冷却水を前記給水タンクに供給する冷却水回収流路と、
前記スタックから排出される冷却水の温度を感知する第１温度センサーと、
前記スタックに供給される前記改質ガスの温度を感知する第２温度センサーと、を更に備える、〔４〕に記載の燃料電池装置。
〔１３〕
前記第１温度センサーで感知した冷却水の温度が設定冷却水温度値より低ければ、
前記バーナーエアブロアーから送出される空気を前記ボルテックスチューブに供給するように前記３方バルブを制御し、
前記ボルテックスチューブから排出される前記加熱空気を前記第１転換流路に排出し、
前記冷却空気は前記第２転換流路に排出するように前記４方バルブを制御し、
前記第１バイパスバルブは閉鎖し、
前記第２バイパスバルブは開放するように制御する制御部を更に備える、〔１２〕に記載の燃料電池装置。
〔１４〕
前記第１温度センサーで感知した冷却水温度と設定冷却水温度値との差が所定差分以上であれば、
前記バーナーエアブロアーから送出される空気を前記ボルテックスチューブに供給するように前記３方バルブを制御し、
前記ボルテックスチューブから排出される前記加熱空気を前記第２転換流路に排出し、
前記冷却空気は前記第１転換流路に排出するように前記４方バルブを制御し、
前記第１バイパスバルブは閉鎖し、
前記第２バイパスバルブは開放する、ように制御する制御部を更に備える、〔１２〕に記載の燃料電池装置。
〔１５〕
前記第１温度センサーで感知した冷却水の温度が設定冷却水温度値以上であるとともに前記設定冷却水温度値との差が所定差分未満であれば、
前記バーナーエアブロアーから送出される空気を前記ボルテックスチューブに供給するように前記３方バルブを制御し、
前記ボルテックスチューブから排出される前記加熱空気を前記第１転換流路に排出し、
前記冷却空気は前記第２転換流路に排出するように前記４方バルブを制御し、
前記第１バイパスバルブは開放し、
前記第２バイパスバルブは閉鎖する、ように制御する制御部を更に備える、〔１２〕に記載の燃料電池装置。
〔１６〕
前記制御部は、
前記第２温度センサーで感知した改質ガス温度が設定改質ガス温度値以下であれば、
前記バーナーエアブロアーから送出される空気を前記バーナーに供給するように前記３方バルブを制御し、
前記第１バイパスバルブ及び前記第２バイパスバルブが閉鎖する、ように制御する、〔１５〕に記載の燃料電池装置。
〔１７〕
燃料電池装置の制御方法であって、
前記燃料電池装置は、水素と酸素を電気化学反応させて電気エネルギーを生成するスタックと、改質ガスを生成して前記スタックに供給する改質器と、を備えてなり、
バーナーエアブロアーが外部空気を吸入して排出し、前記バーナーエアブロアーから排出される空気をバーナーに供給し、燃料を前記バーナーに供給し、前記バーナーを稼働させて前記改質器を予熱させる予熱運転モードを遂行する段階と、
前記改質器の内部温度が設定改質器温度値に到逹すれば、前記バーナーエアブロアーから排出される空気をボルテックスチューブに供給し、給水タンクから排出される冷却水を前記ボルテックスチューブから排出される加熱空気と熱交換させた後、前記スタックに供給し、前記改質器で生成されて排出される改質ガスを前記ボルテックスチューブから排出される冷却空気と熱交換させた後、前記バーナーに供給し、前記熱交換された加熱空気と冷却空気を前記バーナーに供給して改質運転モードを遂行する段階と、
前記改質器で生成される改質ガスに含有された一酸化炭素の濃度が設定濃度値以下であれば、前記冷却空気と熱交換した改質ガスを前記加熱空気と熱交換した冷却水と熱交換させた後、前記スタックに供給し、スタックエアブロアーを作動させて前記スタックに外部空気を供給して電気エネルギーを生成する発電運転モードを遂行する段階と、を含んでなる、燃料電池装置の制御方法。
〔１８〕
前記発電運転モードの遂行中、前記スタックから排出される冷却水の温度が設定冷却水温度値より低ければ、
前記ボルテックスチューブから排出される冷却空気を前記改質器で生成されて排出される改質ガスとの間で熱交換させずに前記バーナーに供給する、ように制御する、〔１７〕に記載の燃料電池装置の制御方法。
〔１９〕
前記発電運転モードの遂行中、前記スタックから排出される冷却水の温度と設定冷却水温度値との差が所定差分以上であれば、
前記ボルテックスチューブから排出される冷却空気を前記給水タンクから排出される冷却水と熱交換させた後、前記バーナーに供給し、
前記ボルテックスチューブから排出される加熱空気を前記改質器で生成されて排出される改質ガスと熱交換させずに前記バーナーに供給する、ように制御する、〔１７〕に記載の燃料電池装置の制御方法。
〔２０〕
前記発電運転モードの遂行中、前記スタックから排出される冷却水の温度が設定冷却水温度値以上であるとともに前記設定冷却水温度値との差が所定差分未満であれば、
前記ボルテックスチューブから排出される加熱空気を前記給水タンクから排出される冷却水と熱交換させずにバーナーに供給し、
前記ボルテックスチューブから排出される冷却空気を前記改質器で生成されて排出される改質ガスとの間で熱交換させた後、前記バーナーに供給する、ように制御する、〔１７〕に記載の燃料電池装置の制御方法。
〔２１〕
前記スタックに供給される改質ガスの温度が設定改質ガス温度値以下であれば、
前記バーナーエアブロアーから排出される空気を前記バーナーに供給する、ように制御する、〔２０〕に記載の燃料電池装置の制御方法。
前記課題を達成するために、本発明の実施例による燃料電池装置は、スタックと、改質ガスを生成してスタックに供給する改質器と、改質器を加熱するバーナーと、スタックに供給される冷却水を貯蔵する給水タンクと、外気を吸入してバーナーに供給するバーナーエアブロアーと、空気を加熱空気と冷却空気とに変換するボルテックスチューブと、バーナーエアブロアーから送出される空気をボルテックスチューブまたはバーナーに選択的に供給する３方バルブとを含む（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）。
また、前記燃料電池装置は、ボルテックスチューブから排出される空気を給水タンクからスタックに供給される冷却水と熱交換させた後、バーナーに供給する第１熱交換器と、ボルテックスチューブから排出される空気を改質器から排出される改質ガスと熱交換させた後、バーナーに供給する第２熱交換器と、ボルテックスチューブから排出される加熱空気と冷却空気を第１熱交換器及び第２熱交換器の中で互いに異なる熱交換器に供給する４方バルブとを含む。
前記燃料電池装置は、改質器から排出されて第２熱交換器を通過した改質ガスをバーナーに供給する改質ガスバイパス流路と、改質ガスバイパス流路に配置され、開閉する改質ガスバイパスバルブとをさらに含むことができる。
したがって、給水タンクから排出された冷却水が第１熱交換器で加熱空気と熱交換して予熱された後、スタックに供給されることにより、予熱された冷却水がスタックに熱を伝達してスタックを発電に適した温度に早く予熱することができる。
また、改質器で生成されて排出される改質ガスが第２熱交換器で冷却空気と熱交換して冷却された後、バーナーまたはスタックに供給されることにより、密度が高くなった改質ガスがバーナーまたはスタックに供給されてバーナーの燃焼効率及びスタックの発電効率が向上することができる。
また、発電に適した温度に到逹した冷却水と改質ガスが第１及び第２熱交換器で不必要に熱交換しないように、３方バルブを転換して、バーナーエアブロアーから送出される空気をボルテックスチューブに供給せずにバーナーに供給することにより、冷却水と改質ガスの温度を最適に維持してスタックの発電効率を高く維持することができる。
前記燃料電池装置は、第１熱交換器を通過した熱交換された冷却水と第２熱交換器を通過した熱交換された改質ガスとの間で熱交換させた後、それぞれスタックに供給する改質ガス熱交換器と、ボルテックスチューブから第１熱交換器に供給される空気が第１熱交換器をバイパスするようにする第１バイパス流路と、第１バイパス流路に配置され、開閉する第１バイパスバルブと、ボルテックスチューブから第２熱交換器に供給される空気が第２熱交換器をバイパスするようにする第２バイパス流路と、第２バイパス流路に配置され、開閉する第２バイパスバルブと、をさらに含むことができる。
したがって、冷却空気が第２熱交換器をバイパスするようにして、改質ガスが第２熱交換器を通過しながら冷却空気に熱を奪われないようにすることにより、改質ガスが熱損失なしに改質ガス熱交換器に供給されて冷却水と熱交換するので、改質ガス熱交換器を通過する冷却水を効果的に予熱することができる。
また、第１バイパスバルブを開放して、第１熱交換器に加熱空気が供給されないようにするか、または４方バルブを転換して、第１熱交換器に冷却空気が供給されるようにすることにより、第１熱交換器を通過する冷却水が予熱されないようにするか冷却されるようにして、冷却水が過熱せずに適正温度を維持するようにすることができる。
その他の実施例の具体的な事項は詳細な説明及び図面に含まれている。
本発明の実施例による燃料電池装置は、バーナーを稼働させて改質器を予熱させる予熱運転モードの実行中、バーナーエアブロアーから送出される空気がボルテックスチューブに供給されずバーナーに供給されるように３方バルブを制御することにより、バーナーに供給される空気の不必要な圧力損失を除去することができる。
本発明の実施例による燃料電池装置は、改質器で生成される改質ガスの一酸化炭素濃度が充分に低減するように改質を繰り返す改質運転モードの実行中、バーナーエアブロアーから送出される空気がボルテックスチューブに供給されるように３方バルブを制御し、ボルテックスチューブから排出される加熱空気が第１熱交換器に供給され、冷却空気は第２熱交換器に供給されるように４方バルブを制御し、第１及び第２バイパスバルブは閉鎖するようにし、冷却水が第１熱交換器で加熱空気と熱交換して予熱された後、スタックに供給されることにより、予熱された冷却水がスタックに熱を伝達してスタックを発電に適した温度に早く予熱することができる。
また、本発明の実施例による燃料電池装置は、改質器で生成されて排出される改質ガスが第２熱交換器で冷却空気と熱交換して冷却された後、バーナーに供給されることにより、密度が高くなった改質ガスがバーナーに供給されてバーナーの燃焼効率が向上することができる。
本発明の実施例による燃料電池装置は、改質ガスと外気をスタックに供給して電気エネルギーを生成する発電運転モードの実行中、第１熱交換器を通過しながら加熱空気によって予熱された冷却水が改質ガス熱交換器で改質ガスによってさらに予熱された後、スタックに供給されるようにすることにより、予熱された冷却水がスタックに熱を伝達してスタックを発電に適した温度にもっと早く予熱することができる。
また、本発明の実施例による燃料電池装置は、第２熱交換器を通過しながら冷却空気によって冷却された改質ガスが改質ガス熱交換器で冷却水によってさらに冷却された後、スタックに供給されるようにすることにより、密度が高くなった改質ガスがスタックに供給されてスタックの発電効率を向上させることができる。
本発明の実施例による燃料電池装置は、前記発電運転モードの実行中、第１バイパスバルブは閉鎖し、第２バイパスバルブは開放するように制御し、バーナーに供給される加熱空気は第１熱交換器で冷却水と熱交換して冷却された後、バーナーに供給されるようにし、バーナーに供給される冷却空気は第２熱交換器をバイパスして低温を維持したままでバーナーに供給されるようにすることにより、密度が高くなった空気がバーナーに供給されてバーナーの燃焼効率を向上させることができる。
また、本発明の実施例による燃料電池装置は、改質器から排出される改質ガスが第２熱交換器を通過して改質ガス熱交換器に供給されるとき、冷却空気が第２熱交換器をバイパスし、改質ガスが第２熱交換器で冷却空気に熱を奪われないので、高温の状態を維持したままで改質ガス熱交換器に供給されて冷却水と熱交換することにより、改質ガス熱交換器を通過する冷却水を効果的に予熱してスタックを発電に適した温度にもっと早く予熱することができる。
本発明の実施例による燃料電池装置は、前記発電運転モードの実行中、ボルテックスチューブから排出される加熱空気が第２熱交換器に供給され、冷却空気は第１熱交換器に供給されるように４方バルブを制御し、冷却第１熱交換器で冷却空気と熱交換して冷却された後、スタックに供給されるようにすることにより、スタックの電気化学反応によって生成される熱を冷却水が効果的に吸収しながらも冷却水が過熱せずに適正温度を維持するようにすることができる。
また、本発明の実施例による燃料電池装置は、改質ガスが第２熱交換器で冷却空気と熱交換して一次的に冷却され、改質ガス熱交換器で冷却水と熱交換してさらに冷却された後、スタックに供給されるようにすることにより、密度が高くなった改質ガスをスタックに供給してスタックの発電効率を向上させることができる。
本発明の実施例による燃料電池装置は、前記発電運転モードの実行中、ボルテックスチューブから排出される加熱空気が第１熱交換器に供給され、冷却空気は第２熱交換器に供給されるように４方バルブを制御し、第１バイパスバルブは開放し、第２バイパスバルブは閉鎖するように制御して、第１熱交換器に加熱空気が供給されないようにすることにより、第１熱交換器を通過する冷却水が加熱空気と熱交換しないようにして冷却水の温度を維持することができる。
本発明の実施例による燃料電池装置は、前記発電運転モードの実行中、冷却水と改質ガスが発電に適した温度に到逹すれば、冷却水と改質ガスが第１及び第２熱交換器で不必要に熱交換しないように３方バルブをバーナー側に転換して冷却水と改質ガスの温度を維持することにより、スタックの発電効率を高く維持することができる。
本発明の効果は以上で言及した効果制限されず、言及しなかった他の効果は請求範囲の記載から当業者に明らかに理解可能であろう。
本発明の実施例による燃料電池装置に対する構成図である。 本発明の実施例による燃料処理装置の構成に対する概略図である。 本発明の実施例による燃料電池装置の予熱運転モードを説明する図である。 本発明の実施例による燃料電池装置の改質運転モードを説明する図である。 本発明の実施例による燃料電池装置の冷却水追加予熱モードを説明する図である。 本発明の実施例による燃料電池装置の冷却水過熱制御モードを説明する図である。 本発明の実施例による燃料電池装置の冷却水温度安定化及び改質ガス冷却モードを説明する図である。 本発明の実施例による燃料電池装置の正常運転モードを説明する図である。 本発明の実施例による燃料電池装置の制御フローチャートである。 本発明の実施例による燃料電池装置の制御フローチャートである。
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図面に基づいて詳細に後述する実施例を参照すると明らかになるであろう。しかし、本発明は以下で開示する実施例に限定されるものではなく、互いに異なる多様な形態に具現されることができる。ただ、本実施例は本発明の開示を完全にし、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するものであり、本発明は請求項の範疇によって定義されるだけである。明細書全般にわたって同じ参照符号は同じ構成要素を指す。
本明細書で使用する用語は実施例を説明するためのもので、本発明を制限しようとするものではない。本明細書で、単数型は、文句で特に言及しない限り、複数型も含む。明細書で使う“含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）”及び／または“含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）”は言及する構成要素、段階及び／または動作が一つ以上の他の構成要素、段階及び／または動作の存在または追加を排除しないことを意味する。
他の定義がなければ、本明細書で使うすべての用語（技術的及び科学的用語を含み）は本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者に共通的に理解可能な意味に使うことができる。また、一般的に使う辞書に定義されている用語は、特別に明白に定義しない限り、理想的にまたは過度に解釈されない。
以下、図１を参照して燃料電池装置１の各部について説明する。
燃料電池装置１は、燃料処理部Ｉ、電力生成部ＩＩ、水循環部ＩＩＩ及び／または熱回収部ＩＶを含むことができる。燃料電池装置１は、電力生成部ＩＩで生成された直流電源を交流電源に変換する電力変換装置を含む電力変換部（図示せず）をさらに備えることができる。
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バルブ３０、空気を燃料処理装置１０に流動させるバーナーエアブロアー７１などを含むことができる。
電力生成部ＩＩは、スタック２０ａ、２０ｂ、燃料処理装置１０から吐き出された改質ガスの熱交換を遂行す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を遂行する第５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、空気をスタック２０ａ、２０ｂに流動させるスタックエアブロアー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、アノードオフガス（ａｎｏｄｅ ｏｆｆ ｇａｓ：ＡＯＧ）と言うことができる。本発明の一実施例で、燃料電池装置１が二つのスタック２０ａ、２０ｂを備えるものとして説明するが、これに制限されない。
水循環部ＩＩＩは、燃料電池装置１で生成される水を貯蔵する給水タンク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給水バルブ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温水ポンプ４８などを含むことができる。
以下、本発明の技術的思想の核心の理解を助けるために、各部及び各部をなす構成の中で、各部及び各部をなす構成の作動順に関係ない順に特定の構成について先に説明する。
図１～図３を参照すると、本発明の実施例による燃料電池装置１は、スタック２０ａ、２０ｂと、改質ガスを生成してスタック２０ａ、２０ｂに供給する改質器１４０と、改質器１４０を加熱するバーナー１２０と、スタック２０ａ、２０ｂに供給される冷却水を貯蔵する給水タンク１３と、外気を吸入してバーナー１２０に供給するバーナーエアブロアー７１と、空気を加熱空気と冷却空気とに変換するボルテックスチューブ５０２と、バーナーエアブロアー７１から送出される空気をボルテックスチューブ５０２またはバーナー１２０に選択的に供給する３方バルブ５００と、を含む。
また、前記燃料電池装置１は、ボルテックスチューブ５０２から排出される空気を給水タンク１３からスタック２０ａ、２０ｂに供給される冷却水と熱交換させた後、バーナー１２０に供給する第１熱交換器５１０と、ボルテックスチューブ５０２から排出される空気を改質器１４０から排出される改質ガスと熱交換させた後、バーナー１２０に供給する第２熱交換器５２０と、ボルテックスチューブ５０２から排出される加熱空気と冷却空気を第１熱交換器５１０及び第２熱交換器５２０の中で互いに異なる熱交換器に供給する４方バルブ５０５とを含む。
スタック２０ａ、２０ｂは、水素と酸素を電気化学反応させて電気エネルギーを生成することができる。例えば、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含まれた水素と外気に供給される酸素を電気化学反応させ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されることができる。単一セルは、電解質膜を中心に燃料極と空気極が配置された膜電極接合体（ｍｅｍｂｒａｎｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ａｓｓｅｍｂｌｙ、ＭＥＡ）、セパレーター（ｓｅｐａｒａｔｏｒ）などから構成されることができる。膜電極接合体の燃料極では、水素が触媒によって水素イオンと電子と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を生成することができる。
改質器１４０は、燃料ガスを改質して改質ガスを生成し、スタック２０ａ、２０ｂに供給することができる。
例えば、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。ここで、改質反応に使われる触媒は、ニッケル（Ｎｉ）、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）などから構成された触媒であることができる。
例えば、脱硫器１１０から吐き出された燃料ガスと蒸気発生器１３０から吐き出された水蒸気とが第２ミキサー１１２で混合されて改質器１４０に供給されることができる。ここで、改質器１４０に供給された燃料ガスと水蒸気とが改質器１４０内で改質反応する場合、水素ガスが生成されることができる。
一方、改質器１４０から吐き出されるガスは改質ガスと言うことができる。
バーナー１２０は、改質器１４０での改質反応を促進するように、改質器１４０を加熱することができる。例えば、脱硫器１１０から吐き出された燃料ガスと外部から流入した空気とが第１ミキサー１１１で混合されてバーナー１２０に供給されることができる。ここで、バーナー１２０は、燃料ガスと空気とが混合されたガスを燃消させて燃焼熱を発生させることができ、バーナー１２０から供給される熱により、改質器１４０の内部温度を適正温度（例：８００℃）に維持することができる。
一方、燃料ガスと空気とが混合されたガスの燃焼によってバーナー１２０で生成される排気ガスは、燃料処理装置１０の外部に排出されることができる。例えば、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を通して燃料処理装置１０から吐き出され、第３熱交換器２６に供給されて熱交換した後、外部に排出されることができる。
バーナーエアブロアー７１は、外気を吸入して送出することができる。バーナーエアブロアー７１は第１外部空気流入路２０１に連結され、第１外部空気流入路２０１を通して流入する外気を吸入することができる。バーナーエアブロアー７１は送出流路２０１ａに連結され、吸入した外気を送出することができる。
送出流路２０１ａは、バーナーエアブロアー７１の吐出口と３方バルブ５００の吸入口とを連結することができる。
３方バルブ５００は、バーナーエアブロアー７１から送出される空気をメイン給気流路２０２またはボルテックスチューブ５０２に選択的に供給することができる。
例えば、３方バルブ５００は、送出流路２０１ａ、メイン給気流路２０２、及びボルテックス給気流路５０１と３方向に連結されることができる。３方バルブ５００は、バーナーエアブロアー７１から送出される空気を、送出流路２０１ａを通して受けることができる。３方バルブ５００は、供給された空気がメイン給気流路２０２に吐き出されるように転換するか、またはボルテックス給気流路５０１に吐き出されるように転換することができきる。
ボルテックス給気流路５０１は、３方バルブ５００の吐出口とボルテックスチューブ５０２の吸入口とを連結することができる。
メイン給気流路２０２は、３方バルブ５００の吐出口と燃料処理装置１０とを連結して、バーナーエアブロアー７１から送出される空気をバーナー１２０に供給することができる。例えば、メイン給気流路２０２を通して燃料処理装置１０に供給された空気は、脱硫器１１０から吐き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に供給されることができる。
ボルテックスチューブ５０２は、バーナーエアブロアー７１から送出される空気を加熱空気と冷却空気とに変換することができる。
例えば、ボルテックスチューブ５０２の吸入口はボルテックス給気流路５０１と連結され、ボルテックス給気流路５０１を通して空気を受けて加熱空気と冷却空気とに変換することができる。例えば、ボルテックスチューブ５０２の加熱空気吐出口は熱風供給流路５０３と連結され、ボルテックスチューブ５０２で変換された加熱空気は熱風供給流路５０３を通して排出されることができる。例えば、ボルテックスチューブ５０２の冷却空気吐出口は冷気供給流路５０４と連結され、ボルテックスチューブ５０２で変換された冷却空気は冷気供給流路５０４を通して排出されることができる。
熱風供給流路５０３はボルテックスチューブ５０２の加熱空気吐出口と４方バルブ５０５とを連結することにより、ボルテックスチューブ５０２から排出される加熱空気を４方バルブ５０５に供給することができる。
冷気供給流路５０４は、ボルテックスチューブ５０２の冷却空気吐出口と４方バルブ５０５とを連結することにより、ボルテックスチューブ５０２から排出される冷却空気を４方バルブ５０５に供給することができる。
４方バルブ５０５は、ボルテックスチューブ５０２から排出される加熱空気と冷却空気とを第１転換流路５１１及び第２転換流路５２１の中で互いに異なる流路に転換して排出することができる。
例えば、４方バルブ５０５は、熱風供給流路５０３、冷気供給流路５０４、第１転換流路５１１、及び第２転換流路５２１に四方に連結されることができる。
例えば、４方バルブ５０５は、熱風供給流路５０３を通して受けた加熱空気が第１転換流路５１１に排出され、冷気供給流路５０４を通して受けた冷却空気が第２転換流路５２１を通して排出されるように転換（以下、‘第１転換モード’と言う）されるか、または熱風供給流路５０３を通して受けた加熱空気が第２転換流路５２１に排出され、冷気供給流路５０４を通して受けた冷却空気が第１転換流路５１１を通して排出されるように転換（以下、‘第２転換モード’と言う）されることができる。
第１転換流路５１１は、４方バルブ５０５の吐出口と第１熱交換器５１０とを連結することができる。第２転換流路５２１は、４方バルブ５０５の残りの吐出口と第２熱交換器５２０とを連結することができる。
第１熱交換器５１０は、給水タンク１３から排出される冷却水と第１転換流路５１１から排出される空気との間で熱交換させることができる。例えば、第１熱交換器５１０は、冷却水流路３０４を通して給水タンク１３から排出される冷却水を受けて熱交換させた後、熱交換された冷却水を冷却水流路３０４に排出することができる。
例えば、第１熱交換器５１０は、第１転換流路５１１を通してボルテックスチューブ５０２及び４方バルブ５０５から排出される加熱空気（第１転換モード）または冷却空気（第２転換モード）を受けて熱交換させた後、第１給気流路５１２に排出することができる。
冷却水流路３０４は、第１熱交換器５１０を通過した冷却水がスタック２０ａ、２０ｂに供給されるようにすることができる。
例えば、第１熱交換器５１０は冷却水流路３０４に配置され、冷却水流路３０４を前段と後段とに分離することができる。ここで、冷却水流路３０４の前段は給水タンク１３と第１熱交換器５１０とを連結して、給水タンク１３から第１熱交換器５１０に冷却水を供給することができる。ここで、冷却水流路３０４の後段は第１熱交換器５１０と改質ガス熱交換器２１とを連結して、第１熱交換器５１０を通過した冷却水が改質ガス熱交換器２１を通過した後、スタック２０ａ、２０ｂに供給されるようにすることができる。
冷却水流路３０４の前段には、給水タンク１３に貯蔵された水を第１熱交換器５１０に流動させる冷却水ポンプ４３、及び／または冷却水流路３０４内に流動する水の流量を検出する冷却水流量計５６が配置されることができる。
冷却水ポンプ４３は、給水タンク１３に貯蔵された冷却水をスタック２０ａ、２０ｂに供給することができる。
第１給気流路５１２は、第１熱交換器５１０を通過した空気がバーナー１２０に供給されるようにすることができる。第１給気流路５１２は、第１熱交換器５１０とバーナー１２０とを連結することができる。第１給気流路５１２の一端は第１熱交換器５１０と連通し、第１給気流路５１２の他端はメイン給気流路２０２に連結されることができる。
第１バイパス流路５１３は第１転換流路５１１から分岐されて第１給気流路５１２に連結されることができる。第１バイパスバルブ５１４は第１バイパス流路５１３に配置され、第１転換流路５１１を通過する空気が第１熱交換器５１０をバイパスするように開放することができる。
第１転換流路５１１を通過する空気は、第１バイパスバルブ５１４が開放することによって第１熱交換器５１０をバイパスし、第１バイパス流路５１３を通して直ちに第１給気流路５１２に供給されることができる。
第２熱交換器５２０は、改質器１４０から排出される改質ガスと第２転換流路５２１から排出される空気とを熱交換させることができる。例えば、第２熱交換器５２０は、改質ガス流路１０４を通して改質器１４０から排出される改質ガスを受けて熱交換させた後、熱交換された改質ガスを改質ガス流路１０４に排出することができる。
例えば、第２熱交換器５２０は、第２転換流路５２１を通してボルテックスチューブ５０２及び４方バルブ５０５から排出される加熱空気（第２転換モード）または冷却空気（第１転換モード）を受けて熱交換させた後、第２給気流路５２２に排出することができる。
改質ガス流路１０４は、第２熱交換器５２０を通過した改質ガスがスタック２０ａ、２０ｂに供給されるようにすることができる。
例えば、第２熱交換器５２０は改質ガス流路１０４に配置されて改質ガス流路１０４を前段と後段とに分離することができる。改質ガス流路１０４の前段は燃料処理装置１０と第２熱交換器５２０とを連結して、改質器１４０から第２熱交換器５２０に改質ガスを供給することができる。改質ガス流路１０４の後段は第２熱交換器５２０と改質ガス熱交換器２１とを連結して、第２熱交換器５２０を通過した改質ガスが改質ガス熱交換器２１を通過した後、スタック２０ａ、２０ｂに供給されるようにすることができる。
改質ガスバイパス流路１０５は改質ガス流路１０４から分岐されてバーナー１２０と連通することができる。
例えば、改質ガスバイパス流路１０５は改質ガス流路１０４の後段から分岐され、バーナー１２０と連結されることができる。改質ガスバイパス流路１０５を通してバーナー１２０に流入する改質ガスはバーナー１２０の燃焼のための燃料として使われることができる。
改質ガスバイパスバルブ３４は改質ガスバイパス流路１０５に配置されることができる。
改質ガスバイパスバルブ３４は、改質ガス流路１０４を通過する改質ガスが改質ガスバイパス流路１０５を通してバーナー１２０に供給されるように開放することができる。もしくは、改質ガス流路１０４を通過する改質ガスが改質ガスバイパス流路１０５を通過しないように閉鎖することができる。
改質ガスバルブ３３は、改質ガス流路１０４から改質ガスバイパス流路１０５が分岐される地点の下流に配置されることができる。
例えば、改質ガスバルブ３３は、改質ガス流路１０４の後段のうち改質ガスバイパス流路１０５が分岐される地点の下流に配置されることができる。改質ガス流路１０４を通過する改質ガスが改質ガス熱交換器２１及びスタック２０ａ、２０ｂに供給されるように開放することができる。もしくは、改質ガス流路１０４を通過する改質ガスが改質ガス熱交換器２１及びスタック２０ａ、２０ｂに供給されないように閉鎖することができる。
第２給気流路５２２は、第２熱交換器５２０を通過した空気をバーナー１２０に供給されるようにすることができる。第２給気流路５２２は第２熱交換器５２０とバーナー１２０とを連結することができる。第２給気流路５２２の一端は第２熱交換器５２０と連通し、第２給気流路５２２の他端はメイン給気流路２０２に連結されることができる。
第２バイパス流路５２３は第２転換流路５２１から分岐され、第２給気流路５２２に連結されることができる。第２バイパスバルブ５２４は第２バイパス流路５２３に配置され、第２転換流路５２１を通過する空気が第２熱交換器５２０をバイパスするように開放することができる。
第２転換流路５２１を通過する空気は、第２バイパスバルブ５２４が開放することにより、第２熱交換器５２０をバイパスし、第２バイパス流路５２３を通して直ちに第２給気流路５２２に供給されることができる。
改質ガス熱交換器２１は、冷却水流路３０４を通過する冷却水と改質ガス流路１０４を通過する改質ガスとを熱交換させることができる。
改質ガス熱交換器２１は改質ガス流路１０４の後段と連結され、改質ガスを受けることができる。改質ガス熱交換器２１は冷却水流路３０４の後段と連結され、冷却水を受けることができる。改質ガス熱交換器２１は、改質ガス流路１０４を通して供給された改質ガスと冷却水流路３０４を通して供給された冷却水との間で熱交換させることができる。
スタックガス供給流路１０６は改質ガス熱交換器２１とスタック２０ａ、２０ｂとを連結することにより、改質ガス熱交換器２１で冷却水と熱交換した改質ガスをスタック２０ａ、２０ｂに供給することができる。
スタック冷却水供給流路３０５は改質ガス熱交換器２１とスタック２０ａ、２０ｂとを連結し、改質ガス熱交換器２１で改質ガスと熱交換した冷却水をスタック２０ａ、２０ｂに供給することができる。
給水タンク１３は、スタック２０ａ、２０ｂに供給される冷却水を貯蔵することができる。例えば、水流入路３０１に連結されることができ、水流入路３０１を通して外部給水源（図示せず）から供給される冷却水を貯蔵することができる。水流入路３０１には、外部から供給される水に含まれた異物を除去する第１液体フィルター９２及び／または給水タンク１３に流入する水の流動を調節する水流入バルブ４１が配置されることができる。
冷却水は、水から異物が除去された超純水を意味することができる。説明の便宜のために、水と特別に区分せずに説明する。
給水タンク１３は排水流路３０２に連結されることができ、排水流路３０２を通して給水タンク１３に貯蔵された冷却水の少なくとも一部を外部に排出することができる。排水流路３０２には、給水タンク１３で排出される冷却水の流動を調節する排水バルブ４２が配置されることができる。
ここで、給水タンク１３に貯蔵された冷却水を、排水流路３０２を通して排水し、外部給水源（図示せず）から冷たい冷却水を給水されることにより、給水タンク１３に貯蔵される冷却水の温度を低めることができる。
給水タンク１３は水貯蔵流路３０８に連結されることができ、水貯蔵流路３０８を通して流動する冷却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／または空気水分除去装置６４から吐き出されて第３水回収流路３１１を通して流動する冷却水が水貯蔵流路３０８を経て給水タンク１３に流入することができる。水貯蔵流路３０８には、給水タンク１３に回収される冷却水に含まれた異物を除去する第２液体フィルター９３が配置されることができる。
給水タンク１３に貯蔵された冷却水の少なくとも一部は冷却水ポンプ４３によって改質ガス熱交換器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することができる。改質ガス熱交換器２１から吐き出された冷却水はスタック冷却水供給流路３０５を通してスタック２０ａ、２０ｂに流入することができる。
スタック冷却水供給流路３０５を通してスタック２０ａ、２０ｂに流入した冷却水はスタック２０ａ、２０ｂを予熱または冷却することができる。スタック２０ａ、２０ｂに流入した冷却水は、スタック２０ａ、２０ｂで起こる電気化学反応によって発生する熱を吸収することができる。
したがって、給水タンク１３に貯蔵される冷却水はスタック２０ａ、２０ｂの温度に密接に関連する。よって、スタック２０ａ、２０ｂが発電に適した温度に到達して維持されるように、給水タンク１３に貯蔵される冷却水の温度を管理する必要がある。
複数のスタック２０ａ、２０ｂは水連結流路３０６を介して連結されることができる。第１スタック２０ａから吐き出される冷却水は水連結流路３０６を通して第２スタック２０ｂに流入することができる。
スタック２０ａ、２０ｂから排出される冷却水は冷却水回収流路３０７を通して給水タンク１３に供給されることができる。もしくは、スタック２０ａ、２０ｂから吐き出される冷却水は冷却水回収流路３０７を通して冷却水熱交換器２４に流入することができる。冷却水熱交換器２４は、スタック２０ａ、２０ｂから吐き出された冷却水と熱回収タンク１５から吐き出された冷却水との間で熱交換させることができる。スタック２０ａ、２０ｂから吐き出された冷却水は冷却水熱交換器２４を経て水貯蔵流路３０８を通して給水タンク１３に貯蔵されることができる。
スタックエアブロアー７２は外気を吸入してスタック２０ａ、２０ｂに供給することができる。スタックエアブロアー７２は、第１外部空気流入路２０１と連結された第２外部空気流入路２０３と、スタック側空気流入路２０４とに連結されることができる。第２外部空気流入路２０３は空気フィルター９１の後端に連結されることができる。スタックエアブロアー７２は、第２外部空気流入路２０３を通して流入する空気を、スタック側空気流入路２０４を通してスタック側に流動させることができる。
第２外部空気流入路２０３には、空気の流動方向を制限する第２空気側チェックバルブ８２が配置されることができる。
スタック給気流路は、スタックエアブロアー７２とスタック２０ａ、２０ｂとを連結することができる。スタック給気流路は、スタック側空気流入路２０４、スタック側空気供給流路２０５、及び個別供給流路２０６、２０７を含むことができる。
スタック側空気流入路２０４には、スタック側空気流入路２０４内に流動する空気の流量を検出する空気流量計５３が配置されることができる。
加湿装置２３は、スタック側空気流入路２０４を通して流入する空気に水分を供給することができ、水分の含まれた空気を、スタック側空気供給流路２０５を通して吐き出すことができる。
スタックインバルブ３６はスタック給気流路に配置されて開閉することができる。例えば、スタック側空気供給流路２０５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インバルブ３６が配置されることができる。
スタック側空気供給流路２０５はスタック２０ａ、２０ｂにそれぞれ対応する個別供給流路２０６、２０７に連結されることができる。スタック側空気供給流路２０５を通して流動する空気は個別供給流路２０６、２０７を通してスタック２０ａ、２０ｂに供給されることができる。
スタック排気流路はスタック２０ａ、２０ｂから外部と連通することができる。スタック排気流路は、個別吐出流路２０８、２０９、空気吐出流路２１１、空気排出流路２１２、及び排気流路２１３を含むことができる。
スタック側空気吐出流路２１１は、スタック２０ａ、２０ｂにそれぞれ対応する個別吐出流路２０８、２０９に連結されることができる。スタック２０ａ、２０ｂから吐き出された空気は個別吐出流路２０８、２０９を通してスタック側空気吐出流路２１１に流動することができる。ここで、スタック側空気吐出流路２１１を通して流動する空気は、スタック２０ａ、２０ｂで起こる電気化学反応によって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流路２１１は加湿装置２３に連結されることができる。加湿装置２３は、スタック側空気吐出流路２１１を通して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を通して加湿装置２３に供給された空気は、加湿装置２３を経て空気排出流路２１２に吐き出されることができる。
スタックアウトバルブ３７はスタック排気流路に配置され、開閉することができる。例えば、スタック側空気吐出流路２１１には、スタック２０ａ、２０ｂから吐き出されて加湿装置２３に流入する空気の流動を調節するスタックアウトバルブ３７が配置されることができる。
燃料電池装置１は、温度を感知する温度計及び／または圧力を感知する圧力計をさらに含むことができる。
例えば、燃料電池装置１は、温水回収流路３１７に流動する冷却水の温度を感知する温度計、スタック２０ａ、２０ｂから吐き出されてＡＯＧ吐出流路１０８に流動するアノードオフガス（ＡＯＧ）の温度を感知する温度計などを含むことができる。
例えば、燃料電池装置１は、スタック２０ａ、２０ｂから排出される冷却水の温度を感知する第１温度センサー５３０、スタック２０ａ、２０ｂに供給される改質ガスの温度を感知する第２温度センサー５３１、及び改質器１４０の内部温度を感知する第３温度センサー５３２を含むことができる。
例えば、燃料電池装置１は、スタック２０ａ、２０ｂに流入する改質ガスの圧力を感知する圧力計、スタック２０ａ、２０ｂに吐き出されるアノードオフガス（ＡＯＧ）の圧力を感知する圧力計などを含むことができる。
燃料電池装置１は、改質器１４０で生成されて排出される改質ガスに含有された一酸化炭素濃度を感知する濃度測定センサー５３４を含むことができる。
燃料電池装置１は、少なくとも一つの制御部（図示せず）をさらに含むことができる。制御部は、少なくとも一つのプロセッサを含むことができる。ここで、プロセッサはＣＰＵ（ｃｅｎｔｒａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｕｎｉｔ）のような一般的なプロセッサであることができる。もちろん、プロセッサはＡＳＩＣのような専用装置（ｄｅｄｉｃａｔｅｄ ｄｅｖｉｃｅ）であるか、または他のハードウェアに基づくプロセッサであることができる。
制御部は燃料電池装置１の動作全般を制御することができる。制御部は、燃料電池装置１に備えられたそれぞれの構成と連結されることができ、それぞれの構成と互いに信号を送信及び／または受信することができる。例えば、制御部は、燃料電池装置１に含まれた少なくとも一つの温度計から受信される信号に基づいて、バーナー１２０、改質器１４０、第１反応器１５０及び／または第２反応器１６０、及びスタック２０ａ、２０ｂから排出される冷却水、及びスタック２０ａ、２０ｂに供給される改質ガスの温度を確認することができる。
制御部は、燃料電池装置１に備えられた各構成から受信される信号を処理することができ、信号を処理した結果による制御信号を燃料電池装置１に備えられた各構成に送信することができる。例えば、制御部は、燃料電池装置１に備えられた各バルブの開度を調節することができる。
以下、図１及び図２を参照して本発明の実施例による燃料電池装置１の残りの構成について説明する。
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／または第２反応器１６０を含むことができる。燃料処理装置１０は少なくとも一つのミキサー１１１、１１２をさら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冷却水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。ここで、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冷却水が吸着剤に吸着されることができる。吸着剤は、金属酸化物、ゼオライト（Ｚｅｏｌｉｔｅ）、活性炭素（ａｃｔｉｖａｔｅｄ ｃａｒｂｏｎ）などからなることができる。
脱硫器１１０は、燃料ガスに含まれた異物を除去するフィルターをさらに含むことができる。
蒸気発生器１３０は、冷却水を気化させて水蒸気として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、及び第１反応器１５０及び／または第２反応器１６０から熱を吸収して冷却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／またはバーナー１２０から排出される排気ガスが流動する流路に隣接して配置されることができる。
一方、第１ミキサー１１１及び／または第２ミキサー１１２は、エジェクター（ｅｊｅｃｔｏｒ）によって具現されることができる。例えば、第２ミキサー１１２は、蒸気発生器１３０から吐き出された水蒸気を用いて、脱硫器１１０から吐き出された燃料ガスを内部に吸入するエジェクターであることができる。
第１反応器１５０は、改質器１４０から吐き出されるガスに含まれた成分のうち、改質反応によって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から吐き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及び水素を生成することができる。ここで、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は高い温度（例：２００℃）であることができる。
第１反応器１５０はシフト反応器（ｓｈｉｆｔ ｒｅａｃｔｏｒ）と言うことができる。
第２反応器１６０は、第１反応器１５０から吐き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から吐き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、追加に供給された空気によって水素が希釈され、スタック２０ａ、２０ｂに供給される水素の濃度が低くなる欠点がある。よって、このような欠点を克服するために、一酸化炭素と水素とが反応する選択的メタン化（ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｍｅｔｈａｎａｔｉｏｎ）反応を活用することができる。
一方、スタックガス供給流路１０６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が配置されることができる。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から吐き出されることができる。
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から吐き出されて第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には、冷却水の流動を調節する第１水回収バルブ４４が配置されることができる。
複数のスタック２０ａ、２０ｂはガス連結流路１０７によって互いに連結されることができる。第１スタック２０ａで反応せずに吐き出される改質ガスはガス連結流路１０７を通して第２スタック２０ｂに流入することができる。
ガス連結流路１０７には、改質ガスが第１スタック２０ａを通過するうちに凝縮して生成された冷却水を除去する追加水分除去装置６２が配置されることができる。
追加水分除去装置６２で生成された冷却水は追加水分除去装置６２から吐き出されて第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には、冷却水の流動を調節する第２水回収バルブ４５が配置されることができる。第２水回収流路３１０は第１水回収流路３０９に連結されることができる。
スタック２０ａ、２０ｂで反応せずに吐き出されるアノードオフガス（ＡＯＧ）はＡＯＧ吐出流路１０８を通して流動することができる。
第５熱交換器２２はスタック２０ａ、２０ｂから吐き出されたアノードオフガス（ＡＯＧ）が流動するＡＯＧ吐出流路１０８に連結されることができる。第５熱交換器２２は、熱回収タンク１５から吐き出された冷却水が流動する温水供給流路３１３に連結されることができる。第５熱交換器２２は、ＡＯＧ吐出流路１０８を通して流入するアノードオフガス（ＡＯＧ）と温水供給流路３１３を通して供給される冷却水との間で熱交換させることができる。
温水供給流路３１３には、熱回収タンク１５に貯蔵された冷却水を第５熱交換器２２に流動させる温水ポンプ４８及び／または温水供給流路３１３内に流動する冷却水の流量を検出する温水流量計５５が配置されることができる。
第５熱交換器２２はＡＯＧ供給流路１０９に連結されることができ、ＡＯＧ供給流路１０９を通して、熱交換されたアノードオフガス（ＡＯＧ）を吐き出すことができる。第５熱交換器２２から吐き出されたアノードオフガス（ＡＯＧ）はＡＯＧ供給流路１０９を通して燃料処理装置１０に流動することができる。ＡＯＧ供給流路１０９を通して燃料処理装置１０に供給されたアノードオフガス（ＡＯＧ）はバーナー１２０の燃焼のための燃料として使われることができる。
スタック２０ａ、２０ｂから吐き出されたアノードオフガスが燃料処理装置１０に向かって流動するＡＯＧ吐出流路１０８及びＡＯＧ供給流路１０９はＡＯＧ流路と言うことができる。ここで、ＡＯＧ吐出流路１０８はＡＯＧ流路の前端と言うことができ、ＡＯＧ供給流路１０９はＡＯＧ流路の後端と言うことができる。
ＡＯＧ供給流路１０９には、アノードオフガス（ＡＯＧ）に含まれた水分の量を調節するＡＯＧ水分除去装置６３及び／または燃料処理装置１０に供給されるアノードオフガス（ＡＯＧ）の流動を調節するＡＯＧバルブ３５が配置されることができる。ＡＯＧ水分除去装置６３に流入したアノードオフガス（ＡＯＧ）は、水分が除去された後、ＡＯＧ水分除去装置６３から吐き出されることができる。
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から吐き出され、第３水回収流路３１１を通して流動することができる。第３水回収流路３１１には、冷却流動を調節する第３水回収バルブ４６が配置されることができる。第３水回収流路３１１は第１水回収流路３０９に連結されることができる。
温水ポンプ４８によって熱回収タンク１５から吐き出された冷却水は、温水供給流路３１３を経て第５熱交換器２２に流入することができる。第５熱交換器２２でアノードオフガス（ＡＯＧ）と熱交換した冷却水は第１温水循環回路３１４に吐き出されることができる。
第４熱交換器２５は、加湿装置２３から吐き出された空気が流動する空気排出流路２１２に連結されることができる。第４熱交換器２５は、第５熱交換器２２から吐き出された冷却水が流動する第１温水循環回路３１４に連結されることができる。第４熱交換器２５は、空気排出流路２１２を通して流入する空気と第１温水循環回路３１４を通して流入する冷却水との間で熱交換させることができる。
第４熱交換器２５で熱交換した空気は排気流路２１３を通して第４熱交換器２５から吐き出されることができる。排気流路２１３は排気ガス吐出流路２１０と連結されることができ、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２１２に流動する空気とが混合されることができる。
排気流路２１３には空気水分除去装置６４が配置されることができる。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から吐き出されることができる。
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から吐き出され、第４水回収流路３１２を通して流動することができる。第４水回収流路３１２には、冷却流動を調節する第４水回収バルブ４７が配置されることができる。第４水回収流路３１２は水貯蔵流路３０８に連結されることができる。
第４熱交換器２５で熱交換した冷却水は第２温水循環流路３１５を通して第４熱交換器２５から吐き出されることができる。第４熱交換器２５から吐き出された冷却水は第２温水循環流路３１５を通して冷却水熱交換器２４に流入することができる。
冷却水熱交換器２４は、冷却水回収流路３０７を通して流入する水と第２温水循環流路３１５を通して流入する冷却水との間で熱交換させることができる。
第３熱交換器２６は、排気ガスが流動する排気ガス吐出流路２１０に連結されることができる。第３熱交換器２６は、冷却水熱交換器２４から吐き出された冷却水が流動する第３温水循環流路３１６に連結されることができる。第３熱交換器２６は、排気ガス吐出流路２１０を通して流入する排気ガスと第３温水循環流路３１６を通して流入する冷却水との間で熱交換させることができる。
第３熱交換器２６で熱交換した排気ガスは排気流路２１３に吐き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されることができる。
第３熱交換器２６で熱交換した冷却水は温水回収流路３１７に吐き出されることができ、温水回収流路３１７に流動する冷却水は熱回収タンク１５に流入することができる。
以下、図３～図１０を参照して、本発明の実施例による燃料電池装置１の制御フローチャート及び作動モードについて説明する。
燃料電池装置１が稼働し始めれば、バーナーエアブロアー７１が外部空気を吸入して排出し、バーナーエアブロアー７１から排出される空気をバーナー１２０に供給し、燃料をバーナー１２０に供給してバーナー１２０を稼働させることによって改質器１４０を予熱させる予熱運転モードを遂行することができる（Ｓ１、図３参照）。
バーナーエアブロアー７１から送出される空気は送出流路２０１ａを通して３方バルブ５００に供給されることができる。制御部は、バーナーエアブロアー７１から送出される空気がメイン給気流路２０２に供給されるように、３方バルブ５００を制御することができる。３方バルブ５００に供給された空気は、３方バルブ５００がメイン給気流路２０２側に転換されることにより、ボルテックスチューブ５０２に供給されず、直ちにメイン給気流路２０２を通してバーナー１２０に供給されることにより、不必要な圧力損失を無くすことができる。
バーナー１２０は、供給された燃料とメイン給気流路２０２を通して供給された空気とを燃消させて改質器１４０を加熱することができる。燃焼された排気ガスは排気ガス吐出流路２１０を通して外部に排気されることができる。
バーナー１２０に供給される燃料に関連して、脱硫器及びミキサーなどについての説明は上述したものと同様であるので、その敍述を省略する。
制御部は、予熱運転モードの実行中、改質器１４０の内部温度を感知する第３温度センサー５３２から受信された温度値が設定改質器温度値に到逹したかを判断することができる（Ｓ２）。
ここで、設定改質器温度値は改質器１４０で燃料と蒸気とを改質反応させて改質ガスを生成するのに適した温度であり、制御部のメモリに予め保存された値であることができる。
改質器１４０の内部温度が設定改質器温度値に到逹すれば、バーナーエアブロアー７１から排出される空気をボルテックスチューブ５０２に供給し、給水タンク１３から排出される冷却水をボルテックスチューブ５０２から排出される加熱空気と熱交換させた後、スタック２０ａ、２０ｂに供給し、改質器１４０で生成されて排出される改質ガスはボルテックスチューブ５０２から排出される冷却空気と熱交換させた後、バーナー１２０に供給し、熱交換加熱空気と冷却空気をバーナー１２０に供給して改質運転モードを遂行することができる（Ｓ３、図４参照）。
改質器１４０に燃料及び蒸気を供給し、燃料と蒸気を改質反応させて改質ガスを生成することができる。燃料及び蒸気に関連して、脱硫器、ミキサー、及び蒸気発生器などについての説明は上述したものと同様であるので、その敍述を省略する。
バーナーエアブロアー７１から送出される空気は送出流路２０１ａを通して３方バルブ５００に供給されることができる。制御部は、バーナーエアブロアー７１から送出される空気がボルテックスチューブ５０２に供給されるように、３方バルブ５００を制御することができる。３方バルブ５００に供給された空気は、３方バルブ５００がボルテックスチューブ５０２側に転換されることにより、ボルテックス給気流路５０１を通してボルテックスチューブ５０２に供給されることができる。
ボルテックスチューブ５０２は、供給された空気を加熱空気と冷却空気とに変換して排出することができる。ボルテックスチューブ５０２から排出される加熱空気は熱風供給流路５０３を通して４方バルブ５０５に供給されることができる。ボルテックスチューブ５０２から排出される冷却空気は冷気供給流路５０４を通して４方バルブ５０５に供給されることができる。
制御部は、ボルテックスチューブ５０２から排出される加熱空気が第１転換流路５１１に排出され、冷却空気は第２転換流路５２１に排出されるように、４方バルブ５０５を制御することができる（第１転換モード）。
第１転換流路５１１に排出された加熱空気は第１熱交換器５１０に供給されることができる。第１熱交換器５１０は、給水タンク１３から排出される冷却水と加熱空気との間で熱交換させることができる。熱交換された加熱空気は第１給気流路５１２を通してメイン給気流路２０２に流入してバーナー１２０に供給されることができる。バーナー１２０に供給された熱交換された加熱空気は燃焼に使われることができる。
給水タンク１３に貯蔵された冷却水は冷却水ポンプ４３の作動によって給水タンク１３から排出されることができる。給水タンク１３から排出された冷却水は第１熱交換器５１０を通過しながら加熱空気と熱交換して予熱された後、冷却水流路３０４を通して改質ガス熱交換器２１に供給されることができる。改質ガス熱交換器２１に供給された冷却水はスタック冷却水供給流路３０５を通してスタック２０ａ、２０ｂに供給されることができる。スタック２０ａ、２０ｂに供給された冷却水はスタック２０ａ、２０ｂを予熱し、冷却水回収流路３０７に排出された後、再び給水タンク１３に回収されることができる。
したがって、給水タンク１３から排出された冷却水が第１熱交換器５１０で加熱空気と熱交換して予熱された後、スタック２０ａ、２０ｂに供給されることにより、予熱された冷却水がスタック２０ａ、２０ｂに熱を伝達してスタック２０ａ、２０ｂを発電に適した温度に早く予熱することができる。
第２転換流路５２１に排出された冷却空気は第２熱交換器５２０に供給されることができる。第２熱交換器５２０は、改質器１４０から排出される改質ガスと冷却空気との間で熱交換させることができる。熱交換された冷却空気は第２給気流路５２２を通してメイン給気流路２０２に流入し、バーナー１２０に供給されることができる。バーナー１２０に供給された熱交換された冷却空気は燃焼に使われることができる。
制御部は、改質器１４０で生成されて排出された改質ガスがバーナー１２０に供給されるように、改質ガスバルブ３３が閉鎖し、改質ガスバイパスバルブ３４が開放するように、制御することができる。
改質器１４０で生成されて排出された改質ガスは、第２熱交換器５２０を通過しながら冷却空気と熱交換して冷却された後、改質ガス流路１０４及び改質ガスバイパス流路１０５を通してバーナー１２０に供給されることができる。バーナー１２０に供給された改質ガスは燃焼に使われることができる。
したがって、改質器１４０から生成されて排出される改質ガスが第２熱交換器５２０で冷却空気と熱交換して冷却された後、バーナー１２０に供給されることにより、密度が高くなった改質ガスがバーナー１２０に供給されてバーナー１２０の燃焼効率が向上することができる。
制御部は、改質運転モードの実行中、改質器１４０で生成される改質ガスに含有された一酸化炭素の濃度を感知する濃度測定センサー５３４から受信された濃度値が設定濃度値に到逹したかを判断することができる（Ｓ４）。
ここで、設定濃度値は改質ガスがスタック２０ａ、２０ｂに供給されて電気化学反応を引き起こすのに適した一酸化炭素濃度であり、制御部のメモリに予め保存された値であることができる。
改質器１４０で生成される改質ガスに含有された一酸化炭素の濃度が設定濃度値以下であれば、冷却空気と熱交換した改質ガスを加熱空気と熱交換した冷却水との間で熱交換させた後、スタック２０ａ、２０ｂに供給し、スタックエアブロアー７２を作動させてスタック２０ａ、２０ｂに外部空気を供給して電気エネルギーを生成する発電運転モードを遂行することができる（Ｓ５）。
発電運転モードで、３方バルブ５００、４方バルブ５０５、及び第１及び第２バイパスバルブの位置または開閉可否は改質運転モードと同様であることができる。
制御部は、改質器１４０で生成されて排出された改質ガスがスタック２０ａ、２０ｂに供給されるように、改質ガスバルブ３３が開放し、改質ガスバイパスバルブ３４が閉鎖するように、制御することができる。
改質器１４０で生成されて排出された改質ガスは、第２熱交換器５２０を通過しながら冷却空気と熱交換して冷却された後、改質ガス流路１０４を通して改質ガス熱交換器２１に供給されることができる。
給水タンク１３に貯蔵された冷却水は、冷却水ポンプ４３の作動によって、給水タンク１３から排出されることができる。給水タンク１３から排出された冷却水は、第１熱交換器５１０を通過しながら加熱空気と熱交換して予熱された後、冷却水流路３０４を通して改質ガス熱交換器２１に供給されることができる。
改質ガス熱交換器２１は、供給された冷却水と改質ガスとの間で熱交換させることができる。冷却水と熱交換した改質ガスは、スタックガス供給流路１０６を通してスタック２０ａ、２０ｂに供給されることができる。改質ガスと熱交換した冷却水はスタック冷却水供給流路３０５を通してスタック２０ａ、２０ｂに供給されることができる。
したがって、第１熱交換器５１０を通過しながら予熱された冷却水が改質ガス熱交換器２１で改質ガスによってさらに予熱された後、スタック２０ａ、２０ｂに供給されるので、予熱された冷却水がスタック２０ａ、２０ｂに熱を伝達してスタック２０ａ、２０ｂを発電に適した温度にもっと早く予熱することができる。
したがって、第２熱交換器５２０を通過しながら冷却された改質ガスが改質ガス熱交換器２１で冷却水によってさらに冷却された後、スタック２０ａ、２０ｂに供給されるので、密度が高くなった改質ガスがスタックに供給されてスタック２０ａ、２０ｂの発電効率が大きく向上することができる。
制御部は、スタックエアブロアー７２を作動し、スタックインバルブ３６を開放することにより、スタック２０ａ、２０ｂに外部空気を供給することができる。第２外部空気流入路を通してスタックエアブロアー７２に吸入された空気はスタック側空気流入路２０４を通して加湿装置２３に供給されることができる。加湿装置２３で水分を受けた空気はスタック側空気供給流路２０５を通してスタック２０ａ、２０ｂに供給されることができる。スタック側空気流入路２０４に配置された空気流量計５３は、スタック２０ａ、２０ｂに供給される空気の流量を感知することができる。
制御部は、スタックアウトバルブ３７を開放して、スタック２０ａ、２０ｂから外部に空気が排気されるようにすることができる。スタック２０ａ、２０ｂに供給された空気は改質ガスと電気化学反応した後、スタック側空気吐出流路２１１を通して加湿装置２３に吐き出されることができる。吐き出された空気に含有された水分は加湿装置２３で吸収されることができる。
水分を吸収した空気は空気排出流路２１２を通して第４熱交換器２５に供給されることができる。第４熱交換器２５を通過した空気は排気流路２１３を通して排気ガス吐出流路２１０に供給されることができる。排気ガス吐出流路２１０に供給された空気は排気ガスとともに第３熱交換器２６に供給されることができる。第３熱交換器２６を通過した空気は排気流路２１３を通して排気ガスとともに外部に排気されることができる。
第３及び第４熱交換器及び空気水分除去装置６４についての説明は上述したものと同様であるので、その敍述を省略する。
スタック２０ａ、２０ｂは、供給された改質ガスと空気を電気化学反応させて電気エネルギーを生成することができる。電気化学反応は熱と水分の生成を伴うので、電気化学反応の結果として生成された熱と水はスタック２０ａ、２０ｂに供給された冷却水とともに排出されることができ、生成された水蒸気はスタック２０ａ、２０ｂから排出される空気とともに排気されることができる。
制御部は、発電運転モードの実行中、スタック２０ａ、２０ｂから排出される冷却水の温度（Ｔｗ）を感知する第１温度センサー５３０から受信された温度値が設定冷却水温度値（Ｔ１）以上であるかを判断することができる（Ｓ６）。
ここで、設定冷却水温度値（Ｔ１）はスタック２０ａ、２０ｂが改質ガスと空気を受けて電気化学反応を引き起こすのに効果的な温度であり、制御部のメモリに予め保存された値であることができる。
制御部は、発電運転モードの遂行中、スタック２０ａ、２０ｂから排出される冷却水の温度（Ｔｗ）が設定冷却水温度値（Ｔ１）より低ければ、ボルテックスチューブ５０２から排出される冷却空気が改質器１４０で生成されて排出される改質ガスと熱交換せずにバーナー１２０に供給されるように、制御することができる（Ｓ６１）。燃料電池装置１のこのような作動モードを冷却水追加予熱モードと言うことができる（図５参照）。
制御部は、バーナーエアブロアー７１から送出される空気がボルテックスチューブ５０２に供給されるように、３方バルブ５００を制御することができる。例えば、３方バルブ５００をボルテックスチューブ５０２側に転換するかまたはチューブ側に転換された位置を維持することができる。３方バルブ５００に供給された空気はボルテックス給気流路５０１を通してボルテックスチューブ５０２に供給されることができる。
制御部は、ボルテックスチューブ５０２から排出される加熱空気が第１転換流路５１１に排出され、冷却空気は第２転換流路５２１に排出されるように、４方バルブ５０５を制御することができる（上述した‘第１転換モード’）。例えば、制御部は、第１転換モードに４方バルブ５０５を転換するか、または第１転換モードに転換されている４方バルブ５０５の位置を維持することができる。
制御部は、第１バイパスバルブ５１４は閉鎖し、第２バイパスバルブ５２４は開放するように、制御することができる。例えば、制御部は閉鎖した第１バイパスバルブ５１４の位置を維持することができる。例えば、制御部は、第２バイパスバルブ５２４が開放するようにするか、または開放した第２バイパスバルブ５２４の位置を維持することができる。
第１転換流路５１１に排出された加熱空気は、閉鎖した第１バイパスバルブ５１４によって、第１バイパス流路５１３に流動せずに第１熱交換器５１０に供給されることができる。
第１熱交換器５１０は、給水タンク１３から排出される冷却水と加熱空気との間で熱交換させることができる。熱交換された加熱空気は第１給気流路５１２を通してメイン給気流路２０２に流入してバーナー１２０に供給されることができる。バーナー１２０に供給された熱交換された冷却空気は燃焼に使われることができる。
第２転換流路５２１に排出された冷却空気は、開放した第２バイパスバルブ５２４によって、第２熱交換器５２０に供給されずに第２バイパス流路５２３に流動して第２給気流路５２２に供給されることができる。第２給気流路に供給された冷却空気はメイン給気流路２０２に流入してバーナー１２０に供給されることができる。バーナー１２０に供給された冷却空気は燃焼に使われることができる。
したがって、バーナー１２０に供給される加熱空気は第１熱交換器５１０で冷却水と熱交換して冷却された後、バーナー１２０に供給され、バーナー１２０に供給される冷却空気は第２熱交換器５２０をバイパスして低温を維持したままでバーナー１２０に供給されるので、バーナー１２０に供給される空気の温度が低くなって空気の密度が高くなることにより、バーナー１２０の燃焼効率が向上することができる。
給水タンク１３に貯蔵された冷却水は冷却水ポンプ４３の作動によって給水タンク１３から排出されることができる。給水タンク１３から排出された冷却水は第１熱交換器５１０を通過しながら加熱空気と熱交換して予熱された後、冷却水流路３０４を通して改質ガス熱交換器２１に供給されることができる。
改質器１４０で生成されて排出された改質ガスは、改質ガス流路１０４を通して改質ガス熱交換器２１に供給されることができる。ここで、ボルテックスチューブ５０２から排出される冷却空気が第２熱交換器５２０に供給されずに第２熱交換器５２０をバイパスするようにすることにより、改質ガスが第２熱交換器５２０を通過しながらも冷却空気に熱を奪われず、高温状態を維持したままで第２熱交換器５２０を通過するようにすることができる。
改質ガス熱交換器２１は、供給された冷却水と改質ガスとの間で熱交換させることができる。第２熱交換器５２０で冷却空気に熱を奪われなかったままで改質ガス熱交換器２１に供給された改質ガスは、冷却水に熱を伝達して冷却水をさらに予熱した後、スタックガス供給流路１０６を通してスタック２０ａ、２０ｂに供給されることができる。
改質ガス熱交換器２１を通過した冷却水はスタック冷却水供給流路３０５を通してスタック２０ａ、２０ｂに供給されることができる。スタック２０ａ、２０ｂに供給された冷却水はスタック２０ａ、２０ｂを予熱し、冷却水回収流路３０７に排出された後、再び給水タンク１３に回収されることができる。
したがって、改質器１４０から排出される改質ガスが第２熱交換器５２０を通過して改質ガス熱交換器２１に供給されるとき、冷却空気が第２熱交換器５２０をバイパスするようにして、改質ガスが第２熱交換器５２０で冷却空気に熱を奪われないようにすることにより、高温の状態を維持したままで改質ガス熱交換器２１に供給されて冷却水と熱交換するので、改質ガス熱交換器２１を通過する冷却水を効果的に予熱してスタック２０ａ、２０ｂを発電に適した温度にもっと早く予熱することができる。
制御部は、発電運転モードの実行中、スタック２０ａ、２０ｂから排出される冷却水の温度（Ｔｗ）を感知する第１温度センサー５３０から受信した温度値が、設定冷却水温度値（Ｔ１）以上であれば、受信された温度値（Ｔｗ）と設定冷却水温度値（Ｔ１）との差が所定差分（Ｄ）未満であるかを判断することができる（Ｓ７）。
ここで、所定差分（Ｄ）とは、スタック２０ａ、２０ｂが改質ガスと空気を受けて電気化学反応を引き起こすのに効果的な温度区間であるＴ１からＴ１＋Ｄまでの区間面積を定義する値であり、制御部のメモリに予め保存された値であることができる。
制御部は、発電運転モードの遂行中、スタック２０ａ、２０ｂから排出される冷却水の温度（Ｔｗ）と設定冷却水温度値（Ｔ１）との差（Ｔｗ－Ｔ１）が所定差分（Ｄ）以上であれば、ボルテックスチューブ５０２から排出される冷却空気が給水タンク１３から排出される冷却水との間で熱交換した後、バーナー１２０に供給され、ボルテックスチューブ５０２から排出される加熱空気が改質器１４０で生成されて排出される改質ガスと熱交換せずにバーナー１２０に供給されるように、制御することができる（Ｓ７１）。燃料電池装置１のこのような作動モードを冷却水過熱制御モードと言うことができる（図６参照）。
制御部は、バーナーエアブロアー７１から送出される空気がボルテックスチューブ５０２に供給されるように、３方バルブ５００を制御することができる。例えば、３方バルブ５００をボルテックスチューブ５０２側に転換するかまたはチューブ側に転換された位置を維持することができる。３方バルブ５００に供給された空気はボルテックス給気流路５０１を通してボルテックスチューブ５０２に供給されることができる。
制御部は、ボルテックスチューブ５０２から排出される加熱空気が第２転換流路５２１に排出され、冷却空気は第１転換流路５１１に排出されるように、４方バルブ５０５を制御することができる（上述した‘第２転換モード’）。例えば、制御部は、第２転換モードに４方バルブ５０５を転換するかまたは第２転換モードに転換されている４方バルブ５０５の位置を維持することができる。
制御部は、第１バイパスバルブ５１４は閉鎖し、第２バイパスバルブ５２４は開放するように、制御することができる。例えば、制御部は閉鎖した第１バイパスバルブ５１４の位置を維持することができる。例えば、制御部は、第２バイパスバルブ５２４が開放するようにするかまたは開放した第２バイパスバルブ５２４の位置を維持することができる。
第１転換流路５１１に排出された冷却空気は、閉鎖した第１バイパスバルブ５１４によって、第１バイパス流路５１３に流動せずに第１熱交換器５１０に供給されることができる。
第１熱交換器５１０は、給水タンク１３から排出される冷却水と冷却空気との間で熱交換させることができる。熱交換された冷却空気は第１給気流路５１２を通してメイン給気流路２０２に流入してバーナー１２０に供給されることができる。バーナー１２０に供給された熱交換された加熱空気は燃焼に使われることができる。
第２転換流路５２１に排出された加熱空気は、開放した第２バイパスバルブ５２４によって、第２熱交換器５２０に供給されず、第２バイパス流路５２３に流動して第２給気流路５２２に供給されることができる。第２給気流路に供給された加熱空気はメイン給気流路２０２に流入してバーナー１２０に供給されることができる。バーナー１２０に供給された加熱空気は燃焼に使われることができる。
給水タンク１３に貯蔵された冷却水は、冷却水ポンプ４３の作動によって、給水タンク１３から排出されることができる。給水タンク１３から排出された冷却水は第１熱交換器５１０を通過しながら冷却空気と熱交換して冷却された後、冷却水流路３０４を通して改質ガス熱交換器２１に供給されることができる。
改質器１４０で生成されて排出された改質ガスは改質ガス流路１０４を通して改質ガス熱交換器２１に供給されることができる。ここで、ボルテックスチューブ５０２から排出される加熱空気が第２熱交換器５２０に供給されずに第２熱交換器５２０をバイパスするようにすることにより、改質ガスが第２熱交換器５２０を通過しながらも加熱空気と熱交換せずに第２熱交換器５２０を通過するようにすることができる。
改質ガス熱交換器２１は、供給された冷却水と改質ガスとの間で熱交換させることができる。改質ガス熱交換器２１に供給された改質ガスは冷却水に熱を伝達して冷却水を予熱した後、スタックガス供給流路１０６を通してスタック２０ａ、２０ｂに供給されることができる。
改質ガス熱交換器２１を通過した冷却水は、スタック冷却水供給流路３０５を通してスタック２０ａ、２０ｂに供給されることができる。スタック２０ａ、２０ｂに供給された冷却水はスタック２０ａ、２０ｂの熱を吸収して冷却水回収流路３０７に排出された後、再び給水タンク１３に回収されることができる。
したがって、冷却第１熱交換器５１０で冷却空気と熱交換して冷却されるようにした後、スタック２０ａ、２０ｂに供給されることにより、スタック２０ａ、２０ｂの電気化学反応によって生成される熱を効果的に吸収し、冷却水が過熱せずに適正温度を維持するようにすることができる。
制御部は、発電運転モードの遂行中、スタック２０ａ、２０ｂから排出される冷却水の温度（Ｔｗ）が設定冷却水温度値（Ｔ１）以上であるとともに設定冷却水温度値との差（Ｔｗ－Ｔ１）が所定差分（Ｄ）未満であれば、ボルテックスチューブ５０２から排出される加熱空気が給水タンク１３から排出される冷却水と熱交換せずにバーナー１２０に供給され、ボルテックスチューブ５０２から排出される冷却空気が改質器１４０で生成されて排出される改質ガスと熱交換した後、バーナー１２０に供給されるように制御することができる（Ｓ８）。燃料電池装置１のこのような作動モードを冷却水温度安定化及び改質ガス冷却モードと言うことができる（図７参照）。
制御部は、バーナーエアブロアー７１から送出される空気がボルテックスチューブ５０２に供給されるように、３方バルブ５００を制御することができる。例えば、３方バルブ５００をボルテックスチューブ５０２側に転換するかまたはチューブ側に転換された位置を維持することができる。３方バルブ５００に供給された空気はボルテックス給気流路５０１を通してボルテックスチューブ５０２に供給されることができる。
制御部は、ボルテックスチューブ５０２から排出される加熱空気が第１転換流路５１１に排出され、冷却空気は第２転換流路５２１に排出されるように、４方バルブ５０５を制御することができる（上述した‘第１転換モード’）。例えば、制御部は、第１転換モードに４方バルブ５０５を転換するかまたは第１転換モードに転換されている４方バルブ５０５の位置を維持することができる。
制御部は、第１バイパスバルブ５１４は開放し、第２バイパスバルブ５２４は閉鎖するように、制御することができる。例えば、制御部は、閉鎖した第１バイパスバルブ５１４が開放するようにすることができる。例えば、制御部は、第２バイパスバルブ５２４が閉鎖するようにするかまたは閉鎖した第２バイパスバルブ５２４の位置を維持することができる。
第１転換流路５１１に排出された加熱空気は、開放した第１バイパスバルブ５１４によって、第１熱交換器５１０に供給されず、第１バイパス流路５１３を通して第１給気流路５１２に供給されることができる。第１給気流路５１２に供給された加熱空気は、メイン給気流路２０２に流入してバーナー１２０に供給されることができる。バーナー１２０に供給された加熱空気は燃焼に使われることができる。
第２転換流路５２１に排出された冷却空気は、閉鎖した第２バイパスバルブ５２４によって、第２バイパス流路５２３に流動せず、第２熱交換器５２０に供給されることができる。
第２熱交換器５２０は、改質器１４０から排出される改質ガスと冷却空気との間で熱交換させることができる。熱交換された冷却空気は第２給気流路５２２を通してメイン給気流路２０２に流入してバーナー１２０に供給されることができる。バーナー１２０に供給された熱交換された冷却空気は燃焼に使われることができる。
給水タンク１３に貯蔵された冷却水は、冷却水ポンプ４３の作動によって、給水タンク１３から排出されることができる。ここで、ボルテックスチューブ５０２から排出される加熱空気が第１熱交換器５１０に供給されずに第１熱交換器５１０をバイパスするようにすることにより、冷却水が第１熱交換器５１０を通過しながらも加熱空気と熱交換せずに第１熱交換器５１０を通過するようにすることができる。第１熱交換器５１０を通過した冷却水は冷却水流路３０４を通して改質ガス熱交換器２１に供給されることができる。
改質器１４０で生成されて排出される改質ガスは、第２熱交換器５２０を通過しながら冷却空気と熱交換して冷却された後、改質ガス流路１０４を通して改質ガス熱交換器２１に供給されることができる。
改質ガス熱交換器２１は、供給された冷却水と改質ガスとの間で熱交換させることができる。改質ガス熱交換器２１に供給された改質ガスは、冷却水に熱を伝達して冷却水を予熱した後、スタックガス供給流路１０６を通してスタック２０ａ、２０ｂに供給されることができる。
改質ガス熱交換器２１を通過した冷却水は、スタック冷却水供給流路３０５を通してスタック２０ａ、２０ｂに供給されることができる。スタック２０ａ、２０ｂに供給された冷却水はスタック２０ａ、２０ｂの熱を吸収し、冷却水回収流路３０７に排出された後、再び給水タンク１３に回収されることができる。
したがって、改質ガスが第２熱交換器５２０で冷却空気と熱交換して一次的に冷却され、改質ガス熱交換器２１で冷却水と熱交換してさらに冷却された後、スタック２０ａ、２０ｂに供給されるので、密度が高くなった改質ガスがスタック２０ａ、２０ｂに供給されてスタック２０ａ、２０ｂの発電効率を向上させることができる。
したがって、第１バイパスバルブ５１４を開放して第１熱交換器５１０に加熱空気が供給されないようにすることにより、第１熱交換器５１０を通過する冷却水が加熱空気と熱交換しないようにして冷却水の温度を維持することができる。
制御部は、冷却温度安定化及び改質ガス冷却モードの実行中、スタック２０ａ、２０ｂに供給される改質ガスの温度（Ｔｇ）を感知する第２温度センサー５３１から受信した温度値が設定改質ガス温度値（Ｔ２）以下であるかを判断することができる（Ｓ９）。
ここで、設定改質ガス温度値（Ｔ２）はスタック２０ａ、２０ｂが電気化学反応を引き起こすのに効果的な改質ガス密度を形成する改質ガス温度値の最大値であり、制御部のメモリに予め保存された値であることができる。
制御部は、スタック２０ａ、２０ｂに供給される改質ガスの温度（Ｔｇ）が設定改質ガス温度値（Ｔ２）以下であれば、バーナーエアブロアー７１から排出される空気がバーナー１２０に供給されるように、制御することができる（Ｓ１０）。燃料電池装置１のこのような作動モードを正常運転モードと言うことができる（図８参照）。
制御部は、バーナーエアブロアー７１から送出される空気がバーナー１２０に供給されるように、３方バルブ５００を制御することができる。例えば、３方バルブ５００をバーナー１２０側に転換することができる。３方バルブ５００に供給された空気はメイン給気流路２０２を通してバーナー１２０に供給されることができる。
制御部は、第１バイパスバルブ５１４及び第２バイパスバルブ５２４が閉鎖するように、制御することができる。例えば、制御部は開放した第１バイパスバルブ５１４を閉鎖することができる。例えば、制御部は閉鎖した第２バイパスバルブ５２４の位置を維持することができる。
給水タンク１３に貯蔵された冷却水は、冷却水ポンプ４３の作動によって、給水タンク１３から排出されることができる。ここで、バーナーエアブロアー７１から排出される空気がボルテックスチューブ５０２に供給されずにバーナー１２０に供給されるようにすることにより、冷却水が別に熱交換せずに第１熱交換器５１０を通過するようにすることができる。第１熱交換器５１０を通過した冷却水は冷却水流路３０４を通して改質ガス熱交換器２１に供給されることができる。
改質器１４０で生成されて排出される改質ガスは、バーナーエアブロアー７１から排出される空気がボルテックスチューブ５０２に供給されずにバーナー１２０に供給されるようにすることにより、別に熱交換せずに第２熱交換器５２０を通過することができる。第２熱交換器５２０を通過した改質ガスは改質ガス流路１０４を通して改質ガス熱交換器２１に供給されることができる。
改質ガス熱交換器２１は、供給された冷却水と改質ガスとの間で熱交換させることができる。改質ガス熱交換器２１に供給された改質ガスは、冷却水に熱を伝達して冷却水を予熱した後、スタックガス供給流路１０６を通してスタック２０ａ、２０ｂに供給されることができる。
改質ガス熱交換器２１を通過した冷却水はスタック冷却水供給流路３０５を通してスタック２０ａ、２０ｂに供給されることができる。スタック２０ａ、２０ｂに供給された冷却水はスタック２０ａ、２０ｂの熱を吸収し、冷却水回収流路３０７に排出された後、再び給水タンク１３に回収されることができる。
したがって、スタック２０ａ、２０ｂが電気化学反応を引き起こすのに適した温度に到逹した冷却水と改質ガスが第１及び第２熱交換器で不必要に熱交換しないようにして、冷却水と改質ガスの温度を維持することにより、スタック２０ａ、２０ｂの発電効率を高く維持することができる。
一方、制御部は、正常運転モードへの進入時の時間（Ｔｎ）を測定してメモリに保存することができる。
制御部は、正常運転モードの実行中、現在時間（Ｔｎ＋１）を測定し、正常運転モードへの進入後に経過した時間（（Ｔｎ＋１）－（Ｔｎ））を計算することができる。制御部は、正常運転モードへの進入後に経過した時間（（Ｔｎ＋１）－（Ｔｎ））が制御周期時間（Ｃ）より大きいかを判断することができる（Ｓ１１）。
制御部は、正常運転モードへの進入後に経過した時間（（Ｔｎ＋１）－（Ｔｎ））が制御周期時間（Ｃ）より大きければ、Ｓ６段階に戻って冷却水及び改質ガスの温度制御を開始することができる。
ここで、制御周期時間（Ｃ）は冷却水及び改質ガスの温度を制御する周期時間であり、制御部のメモリに予め保存された値であることができる。
添付図面はこの明細書に開示した実施例を容易に理解することができるようにするためのものであるだけで、添付図面によってこの明細書に開示した技術的思想が制限されなく、本発明の思想及び技術範囲に含まれるすべての変更、均等物及び代替物を含むものに理解されなければならない。
同様に、特定の順に図面で動作を示しているが、これは好ましい結果を得るために図示の特定の順または手順にそのような動作を遂行しなければならないか、すべての図示の動作を遂行しなければならないものに理解されてはいけない。特定の場合、マルチタスキングと並列プロセッシングが有利であることができる。
例えば、本実施例で、Ｓ１～Ｓ１１段階を時間順に並べているが、これは本発明の理解を助けるための実施例であるだけで、本発明はＳ１～Ｓ１１段階の遂行を必ずしもこのような手順に限定するものではない。
また、以上では本発明の好適な実施例について図示しながら説明したが、本発明は上述した特定の実施例に限定されなく、請求範囲で請求する本発明の要旨を逸脱することなしに本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者によって多様な変形実施が可能であるというのは言うまでもなく、このような変形実施は本発明の技術的思想や見込みから個別的に理解されてはいけないであろう。

Claims (21)

  1. 燃料電池装置であって、
    水素と酸素を電気化学反応させて電気エネルギーを生成するスタックと、
    改質ガスを生成して前記スタックに供給する改質器と、
    前記改質器を加熱するバーナーと、
    前記スタックに供給される冷却水を貯蔵する給水タンクと、
    外気を吸入して送出するバーナーエアブロアーと、
    前記バーナーエアブロアーから送出される空気を前記バーナーに供給するメイン給気流路と、
    前記バーナーエアブロアーから送出される空気を加熱空気と冷却空気とに変換するボルテックスチューブと、
    前記バーナーエアブロアーから送出される空気を前記メイン給気流路またはボルテックスチューブに選択的に供給する３方バルブと、
    前記ボルテックスチューブから排出される前記加熱空気と冷却空気を第１転換流路及び第２転換流路の中で互いに異なる流路に転換して排出させる４方バルブと、
    前記給水タンクから排出される冷却水と前記第１転換流路から排出される空気との間で熱交換させる第１熱交換器と、
    前記第１熱交換器を通過した冷却水を前記スタックに供給する冷却水流路と、
    前記第１熱交換器を通過した空気を前記バーナーに供給する第１給気流路と、
    前記改質器から排出される改質ガスと前記第２転換流路から排出される空気との間で熱交換させる第２熱交換器と、
    前記第２熱交換器を通過した改質ガスを前記スタックに供給する改質ガス流路と、
    前記第２熱交換器を通過した空気を前記バーナーに供給する第２給気流路と、を備えてなる、燃料電池装置。
  2. 前記ボルテックスチューブから排出される前記加熱空気を前記４方バルブに供給する熱風供給流路と、
    前記ボルテックスチューブから排出される前記冷却空気を前記４方バルブに供給する冷気供給流路と、を更に備える、請求項１に記載の燃料電池装置。
  3. 前記第１転換流路は、前記４方バルブと前記第１熱交換器とを連結し、
    前記第２転換流路は、前記４方バルブと前記第２熱交換器とを連結する、請求項１に記載の燃料電池装置。
  4. 前記第１転換流路から分岐されて前記第１給気流路に連結される第１バイパス流路と、
    前記第１バイパス流路に配置され、前記第１転換流路を通過する空気が前記第１熱交換器をバイパスするように開放することができる第１バイパスバルブと、
    前記第２転換流路から分岐されて前記第２給気流路に連結される第２バイパス流路と、
    前記第２バイパス流路に配置され、前記第２転換流路を通過する空気が前記第２熱交換器をバイパスするように開放することができる第２バイパスバルブと、を更に備える、請求項３に記載の燃料電池装置。
  5. 前記第１給気流路は、一端が前記第１熱交換器と連通し、他端が前記メイン給気流路に連結され、
    前記第２給気流路は、一端が前記第２熱交換器と連通し、他端が前記メイン給気流路に連結される、請求項１に記載の燃料電池装置。
  6. 前記給水タンクに貯蔵された水を前記スタックに供給する冷却水ポンプを更に備える、請求項１に記載の燃料電池装置。
  7. 前記冷却水流路を通過する冷却水と前記改質ガス流路を通過する改質ガスとの間で熱交換させる改質ガス熱交換器を更に備える、請求項１に記載の燃料電池装置。
  8. 前記改質ガス流路から分岐され、前記バーナーと連通する改質ガスバイパス流路と、
    前記改質ガスバイパス流路に配置される改質ガスバイパスバルブと、
    前記改質ガス流路から前記改質ガスバイパス流路が分岐される地点の下流に配置される改質ガスバルブと、を更に備える、請求項１に記載の燃料電池装置。
  9. 外気を吸入して前記スタックに供給するスタックエアブロアーと、
    前記スタックエアブロアーと前記スタックを連結するスタック給気流路と、
    前記スタックから外部と連通するスタック排気流路と、
    前記スタック給気流路に配置され、開閉するスタックインバルブと、
    前記スタック排気流路に配置され、開閉するスタックアウトバルブと、を更に備える、請求項１に記載の燃料電池装置。
  10. 前記燃料電池装置が稼働し始めれば、前記バーナーエアブロアーから送出される空気を前記メイン給気流路に供給するように前記３方バルブを制御する制御部を更に備える、請求項１に記載の燃料電池装置。
  11. 前記改質器の内部温度が設定改質器温度値に到逹すれば、
    前記バーナーエアブロアーから送出される空気を前記ボルテックスチューブに供給するように前記３方バルブを制御し、
    前記ボルテックスチューブから排出される前記加熱空気を前記第１転換流路に排出し、
    前記冷却空気は前記第２転換流路に排出するように前記４方バルブを制御する制御部を更に備える、請求項１に記載の燃料電池装置。
  12. 前記スタックから排出される冷却水を前記給水タンクに供給する冷却水回収流路と、
    前記スタックから排出される冷却水の温度を感知する第１温度センサーと、
    前記スタックに供給される前記改質ガスの温度を感知する第２温度センサーと、を更に備える、請求項４に記載の燃料電池装置。
  13. 前記第１温度センサーで感知した冷却水の温度が設定冷却水温度値より低ければ、
    前記バーナーエアブロアーから送出される空気を前記ボルテックスチューブに供給するように前記３方バルブを制御し、
    前記ボルテックスチューブから排出される前記加熱空気を前記第１転換流路に排出し、
    前記冷却空気は前記第２転換流路に排出するように前記４方バルブを制御し、
    前記第１バイパスバルブは閉鎖し、
    前記第２バイパスバルブは開放するように制御する制御部を更に備える、請求項１２に記載の燃料電池装置。
  14. 前記第１温度センサーで感知した冷却水温度と設定冷却水温度値との差が所定差分以上であれば、
    前記バーナーエアブロアーから送出される空気を前記ボルテックスチューブに供給するように前記３方バルブを制御し、
    前記ボルテックスチューブから排出される前記加熱空気を前記第２転換流路に排出し、
    前記冷却空気は前記第１転換流路に排出するように前記４方バルブを制御し、
    前記第１バイパスバルブは閉鎖し、
    前記第２バイパスバルブは開放する、ように制御する制御部を更に備える、請求項１２に記載の燃料電池装置。
  15. 前記第１温度センサーで感知した冷却水の温度が設定冷却水温度値以上であるとともに前記設定冷却水温度値との差が所定差分未満であれば、
    前記バーナーエアブロアーから送出される空気を前記ボルテックスチューブに供給するように前記３方バルブを制御し、
    前記ボルテックスチューブから排出される前記加熱空気を前記第１転換流路に排出し、
    前記冷却空気は前記第２転換流路に排出するように前記４方バルブを制御し、
    前記第１バイパスバルブは開放し、
    前記第２バイパスバルブは閉鎖する、ように制御する制御部を更に備える、請求項１２に記載の燃料電池装置。
  16. 前記制御部は、
    前記第２温度センサーで感知した改質ガス温度が設定改質ガス温度値以下であれば、
    前記バーナーエアブロアーから送出される空気を前記バーナーに供給するように前記３方バルブを制御し、
    前記第１バイパスバルブ及び前記第２バイパスバルブが閉鎖する、ように制御する、請求項１５に記載の燃料電池装置。
  17. 燃料電池装置の制御方法であって、
    前記燃料電池装置は、水素と酸素を電気化学反応させて電気エネルギーを生成するスタックと、改質ガスを生成して前記スタックに供給する改質器と、を備えてなり、
    バーナーエアブロアーが外部空気を吸入して排出し、前記バーナーエアブロアーから排出される空気をバーナーに供給し、燃料を前記バーナーに供給し、前記バーナーを稼働させて前記改質器を予熱させる予熱運転モードを遂行する段階と、
    前記改質器の内部温度が設定改質器温度値に到逹すれば、前記バーナーエアブロアーから排出される空気をボルテックスチューブに供給し、給水タンクから排出される冷却水を前記ボルテックスチューブから排出される加熱空気と熱交換させた後、前記スタックに供給し、前記改質器で生成されて排出される改質ガスを前記ボルテックスチューブから排出される冷却空気と熱交換させた後、前記バーナーに供給し、前記熱交換された加熱空気と冷却空気を前記バーナーに供給して改質運転モードを遂行する段階と、
    前記改質器で生成される改質ガスに含有された一酸化炭素の濃度が設定濃度値以下であれば、前記冷却空気と熱交換した改質ガスを前記加熱空気と熱交換した冷却水と熱交換させた後、前記スタックに供給し、スタックエアブロアーを作動させて前記スタックに外部空気を供給して電気エネルギーを生成する発電運転モードを遂行する段階と、を含んでなる、燃料電池装置の制御方法。
  18. 前記発電運転モードの遂行中、前記スタックから排出される冷却水の温度が設定冷却水温度値より低ければ、
    前記ボルテックスチューブから排出される冷却空気を前記改質器で生成されて排出される改質ガスとの間で熱交換させずに前記バーナーに供給する、ように制御する、請求項１７に記載の燃料電池装置の制御方法。
  19. 前記発電運転モードの遂行中、前記スタックから排出される冷却水の温度と設定冷却水温度値との差が所定差分以上であれば、
    前記ボルテックスチューブから排出される冷却空気を前記給水タンクから排出される冷却水と熱交換させた後、前記バーナーに供給し、
    前記ボルテックスチューブから排出される加熱空気を前記改質器で生成されて排出される改質ガスと熱交換させずに前記バーナーに供給する、ように制御する、請求項１７に記載の燃料電池装置の制御方法。
  20. 前記発電運転モードの遂行中、前記スタックから排出される冷却水の温度が設定冷却水温度値以上であるとともに前記設定冷却水温度値との差が所定差分未満であれば、
    前記ボルテックスチューブから排出される加熱空気を前記給水タンクから排出される冷却水と熱交換させずにバーナーに供給し、
    前記ボルテックスチューブから排出される冷却空気を前記改質器で生成されて排出される改質ガスとの間で熱交換させた後、前記バーナーに供給する、ように制御する、請求項１７に記載の燃料電池装置の制御方法。
  21. 前記スタックに供給される改質ガスの温度が設定改質ガス温度値以下であれば、
    前記バーナーエアブロアーから排出される空気を前記バーナーに供給する、ように制御する、請求項２０に記載の燃料電池装置の制御方法。
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