JP2023072689A - 燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

Figure 2023072689000001
【課題】燃料処理装置から排出される排気ガスの廃熱を活用してスタックを予熱する燃料電池システムを提供する。
【解決手段】スタック（２０）に供給される水が保存される水供給タンク（１３）と、温水が保存される熱回収タンク（１５）と、燃料処理装置（１０）に配置され、冷却水と燃料処理装置（１０）から排出される排気ガスとが熱交換される第１熱交換器（４１０）と、水供給タンク（１３）に保存された水又は熱回収タンク（１５）に保存された水を加熱するように第１熱交換器（４１０）で熱交換された冷却水を水供給タンク（１３）又は熱回収タンク（１５）に供給する熱供給バルブ（４６２）と、を含み、燃料処理装置（１０）から排出される排気ガスの廃熱を回収し、水供給タンク（１３）に保存された水又は熱回収タンク（１５）に保存された温水を加熱することができる、本発明による燃料電池システム（１）により達成される。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、より詳細には、燃料処理装置から排出される排気ガスの廃熱を回収し、スタックを予熱又は温水を生成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１０－２０２１－０１５５８５３号（出願日：２０２１年１１月１２日：ＤＡＳ：３Ｅ６９）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。
一般的な燃料電池システムは、先行技術１（韓国公開特許公報第１０－２０１２－００７１２８８号）と同様に、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利用して電気エネルギーを発生させるスタック（ｓｔａｃｋ）を備える。また、燃料電池システムは、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等をさらに備えることができる。
一方、燃料電池システムの発電運転時、スタックで行われる酸素と水素の電気化学反応の速度はスタックの温度に応じて変わることになり、スタックの種類に応じて適切な温度を維持して発電運転を行うことになる。しかし、燃料電池システムの発電運転の初期時、スタックの温度は低温状態に該当するため、スタックの温度が発電の適切な所定の温度に到達するまで発電が円滑に行われないという問題点がある。また、これに伴って、燃料電池システムの正常発電まで相当の時間がかかるという問題点がある。
韓国公開特許公報第１０－２０１２－００７１２８８号
本発明が解決しようとする課題は、燃料処理装置から排出される排気ガスの廃熱を活用してスタックを予熱する燃料電池システムを提供することである。
本発明のまた別の課題は、燃料処理装置から排出される排気ガスの廃熱を活用し、家庭などの温水使用先に供給される温水を加熱する燃料電池システム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、言及されないまた別の課題は、以下の記載から当業者にとって明確に理解できるはずだ。
〔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、
改質ガスと空気の電気化学反応を通じて電力を生成するスタックと、
前記スタックに供給される前記改質ガスを生成する燃料処理装置と、
前記スタックに供給される水が保存される水供給タンクと、
温水が保存される熱回収タンクと、
前記燃料処理装置に配置され、冷却水と前記燃料処理装置から排出される排気ガスとが熱交換される第１熱交換器と、
前記水供給タンクに保存された水又は熱回収タンクに保存された温水を加熱するように前記第１熱交換器で熱交換された冷却水を前記水供給タンク又は熱回収タンクに供給する熱供給バルブと、を備える、燃料電池システム。
〔２〕
前記熱供給バルブを調節する制御部、を備え、
前記制御部は、
前記燃料処理装置を予熱する予熱モードであるとき、前記第１熱交換器で熱交換された冷却水が前記水供給タンクに供給されるように前記熱供給バルブを前記水供給タンク側に切り換える、〔１〕に記載の燃料電池システム。
〔３〕
前記水供給タンクから排出された冷却水を前記第１熱交換器に供給するか、又は、前記熱供給バルブに供給する熱回収バルブ、を更に備える、〔１〕に記載の燃料電池システム。
〔４〕
前記熱供給バルブと熱回収バルブを調節する制御部、を備え、
前記制御部は、前記燃料処理装置を予熱する予熱モードであるとき、前記水供給タンクから排出された冷却水が前記第１熱交換器に供給されるように前記熱回収バルブを前記第１熱交換器側に切り換える、〔３〕に記載の燃料電池システム。
〔５〕
前記水供給タンクに保存された水の温度を感知する第１温度センサ、を備え、
前記制御部は、前記第１温度センサで感知された水の温度が第１設定温度以上であるとき、前記熱回収バルブを前記熱供給バルブ側に切り換える、〔４〕に記載の燃料電池システム。
〔６〕
前記水供給タンクに保存された水の温度を感知する第１温度センサと、
前記スタックから排出される水の温度を感知する第２温度センサと、
前記熱供給バルブを調節する制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記スタックで改質ガスと空気の電気化学反応を通じて電力を生成する発電モード時、
前記第１温度センサで感知された水の温度が第１設定温度以上であり、前記第２温度センサで感知された水の温度が第２設定温度未満であるとき、前記第１熱交換器で排気ガスと熱交換された冷却水が前記水供給タンクに供給されるように前記熱供給バルブを前記水供給タンク側に切り換える、〔１〕に記載の燃料電池システム。
〔７〕
前記制御部は、
前記スタックで改質ガスと空気の電気化学反応を通じて電力を生成する発電モード時、
前記第２温度センサで感知された冷却水の温度が第２設定温度以上であるとき、前記第１熱交換器で排気ガスと熱交換された冷却水が前記熱回収タンクに供給されるように前記熱供給バルブを前記熱回収タンク側に切り換える、〔６〕に記載の燃料電池システム。
〔８〕
前記第１設定温度は、前記第２設定温度よりも更に高い、〔６〕に記載の燃料電池システム。
〔９〕
前記燃料処理装置は、水供給タンク、及び熱回収タンクを循環する冷却水の流動を形成する熱供給ポンプ、を更に備える、〔１〕に記載の燃料電池システム。
〔１０〕
前記水供給タンクと前記スタックとの間に配置され、前記水供給タンクに保存された冷却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〕に記載の燃料電池システム。
〔１１〕
前記冷却水ポンプの作動を調節する制御部、を備え、
前記制御部は、前記スタックで改質ガスと空気の電気化学反応を通じて電力を生成する発電モードであるとき、前記スタックに冷却水が供給されるように前記冷却水ポンプを作動させる、〔１０〕に記載の燃料電池システム。
〔１２〕
前記水供給タンクに配置され、前記第１熱交換器で排気ガスと熱交換された冷却水と前記水供給タンクに保存された冷却水とが熱交換される第２熱交換器、及び
前記熱回収タンクに配置され、前記第１熱交換器で排気ガスと熱交換された冷却水と前記熱回収タンクに保存された温水とが熱交換される第３熱交換器、を備える、〔１〕に記載の燃料電池システム。
〔１３〕
前記燃料処理装置は、前記改質ガスの生成に必要な熱エネルギーを供給するバーナー、を更に備え、
前記第１熱交換器は、燃料の燃焼反応の後に生成された排気ガスが排出される前記バーナーの出口側に近いように配置される、〔１２〕に記載の燃料電池システム。
〔１４〕
燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料電池システムは、
改質ガスを生成する燃料処理装置と、
前記改質ガスを用いて電力を生成するスタックと、
冷却水が保存される水供給タンクと、
温水が保存される熱回収タンクと、
前記燃料処理装置の廃熱を、冷却水を介して回収し、前記水供給タンクの冷却水又は熱回収タンクの温水を加熱する廃熱回収部と、を備えてなり、
前記廃熱回収部は、前記廃熱回収部を循環する冷却水の流動方向を切り換える切換バルブを備え、
前記水供給タンクに保存された冷却水の温度に基づいて前記切換バルブを調節し、前記水供給タンクに保存された冷却水を予熱するステップ、を含んでなる、燃料電池システムの制御方法。
〔１５〕
前記スタックから排出される冷却水の温度に基づいて前記切換バルブを調節し、前記熱回収タンクに保存された温水を加熱するステップ、を更に含む、〔１４〕に記載の燃料電池システムの制御方法。
前記課題を達成するための、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムは、改質ガスと空気の電気化学反応を通じて電力を生成するスタックと、前記スタックに供給される前記改質ガスを生成する燃料処理装置と、前記スタックに供給される水が保存される水供給タンクと、温水が保存される熱回収タンクと、前記燃料処理装置に配置され、冷却水と前記燃料処理装置から排出される排気ガスとが熱交換される第１熱交換器と、前記水供給タンクに保存された水又は熱回収タンクに保存された水を加熱するように前記第１熱交換器で熱交換された冷却水を前記水供給タンク又は熱回収タンクに供給する熱供給バルブと、を含み、燃料処理装置から排出される排気ガスの廃熱を回収し、水供給タンクに保存された水又は熱回収タンクに保存された温水を加熱することができる。
前記熱供給バルブを調節する制御部を含み、前記制御部は、前記燃料処理装置を予熱する予熱モードであるとき、前記第１熱交換器で熱交換された冷却水が前記水供給タンクに供給されるように前記熱供給バルブを前記水供給タンク側切り換えて、予熱モード時、水供給タンクに保存された水を予熱することができる。
前記水供給タンクから排出された冷却水を前記第１熱交換器に供給するか、前記熱供給バルブに供給する熱回収バルブをさらに含むことができる。
前記熱供給バルブと熱回収バルブを調節する制御部を含み、前記制御部は、前記燃料処理装置を予熱する予熱モードであるとき、前記水供給タンクから排出された冷却水が前記第１熱交換器に供給されるように前記熱回収バルブを前記第１熱交換器側に切り換えて、予熱モード時、燃料処理装置で排気ガスと冷却水とを熱交換することができる。
前記水供給タンクに保存された水の温度を感知する第１温度センサを含み、前記制御部は、前記第１温度センサで感知された水の温度が第１設定温度以上であるとき、前記熱回収バルブを前記熱供給バルブ側に切り換えて、水供給タンクに保存された水の余熱が完了したと判断し、燃料処理装置での廃熱の回収を中断することができる。
前記水供給タンクに保存された水の温度を感知する第１温度センサと、前記スタックから排出される水の温度を感知する第２温度センサと、前記熱供給バルブを調節する制御部と、を含み、前記制御部は、前記スタックで改質ガスと空気の電気化学反応を通じて電力を生成する発電モード時、前記第１温度センサで感知された水の温度が第１設定温度以上であり、前記第２温度センサで感知された水の温度が第２設定温度未満であるとき、前記第１熱交換器で排気ガスと熱交換された冷却水が前記水供給タンクに供給されるように前記熱供給バルブを前記水供給タンク側に切り換えて、発電モードの初期時、水供給タンクに保存された水を加熱することができる。
前記制御部は、前記スタックで改質ガスと空気の電気化学反応を通じて電力を生成する発電モード時、前記第２温度センサで感知された冷却水の温度が第２設定温度以上であるとき、前記第１熱交換器で排気ガスと熱交換された冷却水が前記熱回収タンクに供給されるように前記熱供給バルブを前記熱回収タンク側に切り換えて、発電モードの中期時、熱回収タンクに保存された温水を加熱することができる。
前記第１設定温度は、前記第２設定温度よりもさらに高くてもよい。
前記燃料処理装置、水供給タンク、及び熱回収タンクを循環する冷却水の流動を形成する熱供給ポンプをさらに含むことができる。
前記水供給タンクと前記スタックとの間に配置され、前記水供給タンクに保存された冷却水を前記スタックに供給する冷却水ポンプをさらに含むことができる。
前記冷却水ポンプの作動を調節する制御部を含み、前記制御部は、前記スタックで改質ガスと空気の電気化学反応を通じて電力を生成する発電モードであるとき、前記スタックに冷却水が供給されるように前記冷却水ポンプを作動させて、スタックを予熱することができる。
前記水供給タンクに配置され、前記第１熱交換器で排気ガスと熱交換された冷却水と前記水供給タンクに保存された冷却水とが熱交換される第２熱交換器、及び前記熱回収タンクに配置され、前記第１熱交換器で排気ガスと熱交換された冷却水と前記熱回収タンクに保存された温水とが熱交換される第３熱交換器を含むことができる。
前記燃料処理装置は、前記改質ガスの生成に必要な熱エネルギーを供給するバーナーをさらに含み、前記第１熱交換器は、燃料の燃焼反応の後に生成された排気ガスが排出される前記バーナーの出口側に近いように配置されてもよい。
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。
本発明の多様な実施形態に係ると、燃料処理装置のバーナーから排出される排気ガスの廃熱は、廃熱回収部を循環する冷却水により回収され、スタックに供給される水タンクの冷却水は、前記廃熱回収部の冷却水により加熱された後、スタックに供給されることによって、低温状態のスタックが予熱され、燃料電池システムの発電効率が向上するという効果がある。
また、本発明の多様な実施形態に係ると、燃料処理装置のバーナーから排出される排気ガスの廃熱は、廃熱回収部を循環する冷却水により回収され、家庭などの温水使用先に供給される熱回収タンクの温水は前記廃熱回収部の冷却水により加熱され、燃料電池システム内の総エネルギー効率が向上するという効果がある。
本発明の効果は、以上で言及した効果に制限されず、言及されないまた別の効果は、請求範囲の記載から当業者にとって明確に理解できるはずだ。
本発明の一実施形態に係る燃料処理装置の構成に対する概略図である。 本発明の一実施形態に係る燃料電池システムに対する構成図である。 本発明の一実施形態に係る燃料処理装置、スタック、水供給タンク、熱回収タンク、及び廃熱回収部を示す系統図である。 本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの余熱モード及び／又は改質モード時、燃料処理装置の廃熱を回収して水供給タンクに保存された冷却水を予熱することを説明するための図である。 本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの余熱モード及び／又は改質モード時、燃料処理装置の廃熱を回収して水供給タンクに保存された冷却水を予熱することを説明するための図である。 本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの発電モード時、燃料処理装置の廃熱を回収して熱回収タンクに保存された温水を加熱することを説明するための図である。 本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの発電モード時、燃料処理装置の廃熱を回収して熱回収タンクに保存された温水を加熱することを説明するための図である。 本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの制御方法に関するフローチャートである。
以下では、図面を参照として本発明を詳細に説明する。図面においては、本発明を明確且つ簡略に説明するために説明と関係ない部分の図示を省略しており、明細書全体を通じて同一又は極めて類似する部分については同一の図面参照符号を使用する。
以下の説明で使用される構成要素に対する接尾辞「モジュール」及び「部」は、単純に本明細書の作成の容易さのみが考慮されて与えられるものであって、それ自体で特別に重要な意味又は役割を与えるわけではない。従って、前記「モジュール」及び「部」は、互いに混用されて使用されることもある。
本出願において、「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）」又は「有する」等の用語は、明細書上に記載された特徴、数字、ステップ、動作、構成要素、部品、又はこれらを組み合わせたものが存在することを指定しようとするものであり、一つ又はそれ以上の異なる特徴や数字、ステップ、動作、構成要素、部品、又はこれらを組み合わせたものの存在又は付加の可能性を予め排除しないものと理解されなければならない。
また、本明細書において、多様な要素を説明するために第１、第２等の用語が用いられ得るが、このような要素は、このような用語により制限されない。このような用語は、ある要素を他の要素から区別するためにのみ用いられ得る。
図１は、本発明の一実施形態に係る、燃料処理装置の構成に対する概略図である。
図１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物を除去する脱硫工程を行うことができる。例えば、脱硫器１１０は内部に吸着剤を備えることができる。その際、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）などで構成されることができる。
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をさらに含むことができる。
バーナー１２０は、改質器１４０における改質反応が促進されるように、改質器１４０に熱を供給できる。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。その際、バーナー１２０は、燃料ガスと空気と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。その際、バーナー１２０で供給される熱により、改質器１４０の内部温度が適正温度（例えば、８００℃）に維持されることができる。
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の外部に排出されることができる。
蒸気発生器１３０は、水を気化させて水蒸気に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、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されてもよい。
改質器１４０は、触媒を利用し、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行うことができる。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。その際、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、水素ガスが生成され得る。
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、二酸化炭素と水素が生成され得る。その際、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℃）であり得る。
第１反応器１５０は、シフト反応器（ｓｈｉｆｔ ｒｅａｃｔｏｒ）と名付けられ得る。
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）反応が起こり得る。
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という短所がある。従って、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）反応が活用され得る。
一方、改質器１４０、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、改質ガスと名付けられ得る。
スタック２０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できる。
スタック２０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（ｓｅｐａｒａｔｏｒ）等で構成されることができる。膜－電極接合体の燃料極では、水素が触媒により水素イオンと電子とに分離されて電気が発生し得、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され得る。
スタック２０は、電気化学反応の過程で発生する熱を防熱するスタック熱交換器（図示せず）をさら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得る。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の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の上昇した冷却水がスタック熱交換器の外部に吐出されることができる。
図２は、本発明の一実施形態に係る、燃料処理装置を含む燃料電池システムに対する構成図である。
図２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。燃料電池システム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バルブ３０、空気を燃料処理装置１０に流動させる第１ブロワー７１等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から吐出された改質ガスの熱交換が生じ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生じる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、空気をスタック２０ａ、２０ｂに流動させる第２ブロワー７２等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、正極排出ガス（ａｎｏｄｅ ｏｆｆ ｇａｓ、ＡＯＧ）と名付けられ得る。本発明の一実施形態において、燃料電池システム１が２つのスタック２０ａ、２０ｂを備えるものと説明しているが、これに制限されない。
冷却水循環部ＩＩＩは、燃料電池システム１で生成される水を保存する水供給タンク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、熱交換に使用される水を保存する熱回収タンク１５、熱回収タンク１５に保存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等を含むことができる。一方、熱回収タンク１５に保存される水は、温水と名付けられ得る。また、熱回収タンク１５は、家庭などの温水が使用される温水使用先（図示せず）に連結されて、ユーザの要求に応じて温水を供給することができる。
また、燃料電池システム１は、燃料処理装置１０の廃熱を回収し、水供給タンク１３に保存された水又は熱回収タンク１５に保存された温水を加熱する廃熱回収部４００を含むことができる。廃熱回収部４００の構成及び連結関係に対する具体的な説明は後述するようにする。
燃料バルブ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に配置できる。燃料バルブ３０の開度程度に対応し、燃料処理装置１０に供給される燃料ガスの流量を調節することができる。例えば、燃料バルブ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。
燃料供給流路１０１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を配置することができる。
第１ブロワー７１は、第１外部空気流入流路２０１及び燃料側空気供給流路２０２に連結されることができる。第１ブロワー７１は、第１外部空気流入流路２０１を介して外部から流入する空気を、燃料側空気供給流路２０２を介して燃料処理装置１０に流動させることができる。
燃料側空気供給流路２０２を介して燃料処理装置１０に流入する空気は、燃料処理装置１０のバーナー１２０に供給されることができる。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に供給されることができる。
第１外部空気流入流路２０１には、空気に含まれた埃などの異物を除去する空気フィルタ９１及び／又は空気の流動方向を制限する第１空気側チェックバルブ８１を配置することができる。
燃料処理部Ｉは、脱硫器１１０から吐出された燃料ガスが改質器１４０に流動する第１内部ガス流路１０２を含むことができる。第１内部ガス流路１０２には、比例制御バルブ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バルブ３２、内部ガス流路１０２内に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内に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バルブ８３、及び／又は硫黄検出装置９４を配置することができる。
比例制御バルブ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、圧力等を電気制御方式で内／外部のフィードバックを介して調節できる。
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、色が変わる指示薬を含むことができる。ここで、指示薬は、フェノールフタレイン（ｐｈｅｎｏｌｐｈｔｈａｌｅｉｎ）、モリブデン化合物等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がバーナー１２０に流動する第２内部ガス流路１０３を含むことができる。バーナー１２０は、第２内部ガス流路１０３を介して流入する燃料ガスを燃焼に使用できる。
第１内部ガス流路１０２と第２内部ガス流路１０３は、互いに連通され得る。
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に連結されることができる。水供給流路３０３には、水ポンプ３８、水の流動を調節する水供給バルブ３９及び／又は水供給流路３０３内に流動する水の流量を検出する水流量計５４を配置することができる。
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を介して燃料処理装置１０から吐出されることができる。
燃料処理装置１０は、改質ガス吐出流路１０４に連結されることができる。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を介して流動できる。
改質ガス吐出流路１０４は、改質ガスの熱交換が生じる改質ガス熱交換器２１に連結されることができる。改質ガス吐出流路１０４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バルブ３３を配置することができる。
改質ガス吐出流路１０４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に流動するバイパス流路１０５と連通され得る。バイパス流路１０５は、燃料処理装置１０に連結されることができる。バイパス流路１０５を介して燃料処理装置１０に流入する改質ガスは、バーナー１２０の燃焼のための燃料に使用できる。バイパス流路１０５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バルブ３４を配置することができる。
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改質ガス吐出流路１０４に連結されることができる。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冷却水供給流路３０４に連結されることができる。改質ガス熱交換器２１は、改質ガス吐出流路１０４を介して流入する改質ガスと、冷却水供給流路３０４を介して供給される水とを熱交換できる。
冷却水供給流路３０４には、水供給タンク１３に保存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内に流動する水の流量を検出する冷却水流量計５６を配置することができる。
改質ガス熱交換器２１は、スタックガス供給流路１０６に連結されることができる。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を介してスタック２０ａ、２０ｂに流動できる。
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を配置することができる。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から吐出され、第１水回収流路３０９に流動できる。第１水回収流路３０９には、水の流動を調節する第１水回収バルブ４４を配置することができる。
スタック２０ａ、２０ｂは、スタックガス供給流路１０６を介し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。一実施形態において、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でさらに電気化学反応を起こし得る。
第２ブロワー７２は、第１外部空気流入流路２０１と連通された第２外部空気流入流路２０３と、スタック側の空気流入流路２０４に連結されることができる。第２外部空気流入流路２０３は、空気フィルタ９１の後端に連結されることができる。第２ブロワー７２は、第２外部空気流入流路２０３を介して流入する空気を、スタック側の空気流入流路２０４を介してスタック２０側に流動させることができる。
第２外部空気流入流路２０３には、空気の流動方向を制限する第２空気側のチェックバルブ８２を配置することができる。
スタック側の空気流入流路２０４には、スタック側の空気流入流路２０４内に流動する空気の流量を検出する空気流量計５３を配置することができる。
加湿装置２３は、スタック側の空気流入流路２０４を介し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の空気供給流路２０５を介して吐出できる。
スタック側の空気供給流路２０５には、スタック２０に供給される空気の流動を調節するスタック側の空気供給バルブ３６を配置することができる。
スタック側の空気供給流路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。スタック側の空気供給流路２０５を介して流動する空気は、個別供給流路２０６、２０７を介してスタック２０ａ、２０ｂに供給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により互いに連結されることができる。第１スタック２０ａで反応せずに吐出される改質ガスは、ガス連結流路１０７を介して第２スタック２０ｂに流入できる。
ガス連結流路１０７には、改質ガスが第１スタック２０ａを通過する間に凝縮して生成された水を除去する追加水分除去装置６２を配置することができる。
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、第２水回収流路３１０に流動できる。第２水回収流路３１０には、水の流動を調節する第２水回収バルブ４５を配置することができる。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で反応せずに吐出される正極排出ガス（ＡＯＧ）は、スタックガス吐出流路１０８を介して流動できる。
ＡＯＧ熱交換器２２は、スタック２０ａ、２０ｂから吐出された正極排出ガス（ＡＯＧ）が流動するスタックガス吐出流路１０８に連結されることができる。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温水供給流路３１３に連結されることができる。ＡＯＧ熱交換器２２は、スタックガス吐出流路１０８を介して流入する正極排出ガス（ＡＯＧ）と、温水供給流路３１３を介して供給される水とを熱交換することができる。
温水供給流路３１３には、熱回収タンク１５に保存された水をＡＯＧ熱交換器２２に流動させる温水ポンプ４８及び／又は温水供給流路３１３内に流動する水の流量を検出する温水流量計５５を配置することができる。
ＡＯＧ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を介して熱交換された正極排出ガス（ＡＯＧ）を吐出することができる。ＡＯＧ熱交換器２２から吐出された正極排出ガス（ＡＯＧ）は、ＡＯＧ供給流路１０９を介して燃料処理装置１０に流動できる。ＡＯＧ供給流路１０９を介して燃料処理装置１０に供給された正極排出ガス（ＡＯＧ）は、バーナー１２０の燃焼のための燃料に使用できる。
ＡＯＧ供給流路１０９には、正極排出ガス（ＡＯＧ）に含まれた水分の量を調節するＡＯＧ水分除去装置６３及び／又は燃料処理装置１０に供給される正極排出ガス（ＡＯＧ）の流動を調節するＡＯＧバルブ３５を配置することができる。ＡＯＧ水分除去装置６３に流入した正極排出ガス（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から吐出され、第３水回収流路３１１を介して流動できる。第３水回収流路３１１には、水の流動を調節する第３水回収バルブ４６を配置することができる。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。
スタック側の空気吐出流路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から吐出された空気は、個別吐出流路２０８、２０９を介してスタック側の空気吐出流路２１１に流動できる。その際、スタック側の空気吐出流路２１１を介して流動する空気は、スタック２０ａ、２０ｂで生じ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。
スタック側の空気吐出流路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、スタック側の空気吐出流路２１１を介して供給される空気に含まれた水分を利用し、スタック２０に流動する空気に水分を供給することができる。スタック側の空気吐出流路２１１を介して加湿装置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に吐出されることができる。
スタック側の空気吐出流路２１１には、スタック２０ａ、２０ｂ から吐出されて加湿装置２３に流入する空気の流動を調節するスタック側の空気吐出バルブ３７を配置することができる。
水供給タンク１３は、水流入流路３０１に連結されることができ、水流入流路３０１を介して供給される水を保存することができる。水流入流路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９２及び／又は水供給タンク１３に流入する水の流動を調節する水流入バルブ４１を配置することができる。
水供給タンク１３は、水排出流路３０２に連結されることができ、水排出流路３０２を介して水供給タンク１３に保存された水の少なくとも一部を外部に排出できる。水排出流路３０２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バルブ４２を配置することができる。
水供給タンク１３は、水保存流路３０８に連結されることができ、水保存流路３０８を介して流動する水を保存することができる。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、第３水回収流路３１１を介して流動する水が、水保存流路３０８を経て水供給タンク１３に流入できる。水保存流路３０８には、水供給タンク１３に回収される水に含まれた異物を除去する第２液体フィルタ９３を配置することができる。
水供給タンク１３に保存された水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に流動でき、改質ガス熱交換器２１で改質ガスと熱交換されることができる。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を介してスタック２０ａ、２０ｂに流入できる。
スタック水供給流路３０５を介してスタック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）によって流動でき、スタック２０ａ、２０ｂで生じ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により連結されることができる。第１スタック２０ａから吐出される水は、水連結流路３０６を介して第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を介して冷却水熱交換器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から吐出された水とを熱交換できる。スタック２０ａ、２０ｂから吐出された水は、冷却水熱交換器２４を経て水保存流路３０８に流動できる。
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で正極排出ガス（ＡＯＧ）と熱交換された水は、第１温水循環回路３１４に吐出されることができる。
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加湿装置吐出流路２１２に連結されることができる。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に連結されることができる。空気熱交換器２５は、加湿装置吐出流路２１２を介して流入する空気と第１温水循環回路３１４を介して流入する水と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を介して空気熱交換器２５から吐出されることができる。空気排出流路２１３は排気ガス吐出流路２１０と連通されることができ、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２１３に流動する空気が混合できる。
空気排出流路２１３には、空気水分除去装置６４を配置することができる。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から吐出されて第４水回収流路３１２を介して流動できる。第４水回収流路３１２には、水の流動を調節する第４水回収バルブ４７を配置することができる。第４水回収流路３１２は、水保存流路３０８に連結されることができる。
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を介して空気熱交換器２５から吐出されることができる。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を介して冷却水熱交換器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を介して流入する水と、第２温水循環流路３１５を介して流入する水と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に連結されることができる。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第３温水循環流路３１６に連結されることができる。排気熱交換器２６は、排気ガス吐出流路２１０を介して流入する排気ガスと、第３温水循環流路３１６を介して流入する水と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２１４に吐出されることができ、排気流路２１４に流動する排気ガスは外部に排出されることができる。
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に流入することができる。
燃料電池システム１は、温度を感知する温度計（又は温度センサ）をさらに含むことができる。例えば、燃料電池システム１は、水供給タンクに保存された冷却水の温度を感知する第１温度計４７２、スタック２０ａ、２０ｂから吐出された水の温度を感知する第２温度計４７４等を含むことができる。一例として、第１温度計４７２は、 冷却水供給流路３０４に配置され、水供給タンク１３から排出されて冷却水供給流路３０４内を流動する水の温度を感知することができる。 別の例として、第１温度計４７２は、水供給タンク１３に配置され、水供給タンク１３に保存された水の温度を感知することができる。第２温度計４７４は、スタック水吐出流路３０７に配置され、スタック２０から排出されてスタック水吐出流路３０７内を流動する水の温度を感知することができる。
また、燃料電池システム１は、少なくとも１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１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り得る。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、他のハードウェアベースのプロセッサであり得る。
制御部は、燃料電池システム１の動作全般を制御することができる。制御部は、燃料電池システム１に備えられた各構成と連結されることができ、各構成と相互間に信号を送信及び／又は受信することができる。
制御部は、燃料電池システム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システム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、燃料電池システム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。また、制御部は、燃料電池システム１に備えられた各バルブを切り換えることができる。
図３は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システム１において、燃料処理装置１０、スタック２０、水供給タンク１３、熱回収タンク１５、及び廃熱回収部４００を示す系統図である。
以下、図２及び図３を参考し、廃熱回収部４００に関する構成を説明する。
図２及び図３を参考すると、燃料電池システム１は廃熱回収部４００を含むことができる。
廃熱回収部４００は、冷却水ラインに沿って流動する冷却水を介して燃料処理装置１０から排出される排気ガスの廃熱を回収することができる。廃熱回収部４００は、燃料処理装置１０、水供給タンク１３及び熱回収タンク１５にそれぞれ連結されることができる。廃熱回収部４００は、燃料処理装置１０、水供給タンク１３及び熱回収タンク１５を循環する冷却水ラインを形成することができる。
廃熱回収部４００は、燃料処理装置１０、水供給タンク１３及び熱回収タンク１５にそれぞれ配置される複数の熱交換器４１０、４１２、４１４を含むことができる。廃熱回収部４００は、燃料処理装置１０に配置される第１熱交換器４１０、水供給タンク１３に配置される第２熱交換器４１２、及び第３熱交換器４１４に配置される第３熱交換器４１４を含むことができる。
第１熱交換器４１０で、燃料処理装置１０から排出される排気ガスと水供給タンク１３又は熱回収タンク１５で供給された冷却水とを熱交換することができる。具体的に、第１熱交換器４１０は、バーナー１２０の排気ガスの排出口側に近いように配置されてもよい。
第２熱交換器４１２で、第１熱交換器４１０で熱交換された冷却水と水供給タンク１３に保存された水とを熱交換することができる。
第３熱交換器４１４で、第１熱交換器４１０で熱交換された冷却水と熱回収タンク１５に保存された温水とを熱交換することができる。
廃熱回収部４００は、冷却水ラインを形成し、第１熱交換器４１０と第２熱交換器４１２とを連結する第１熱回収管４２２、４２４、及び第１熱交換器４１０と第３熱交換器４１４とを連結する第２熱回収管４３２、４３４を含むことができる。
第１熱回収管４２２、４２４は、第２熱交換器４１２の吐出端と第１熱交換器４１０の流入端とを連結する第１－１熱回収管４２２を含むことができる。第１－１熱回収管４２２には、水供給タンク１３に保存された水と熱交換された冷却水が流動できる。
第１熱回収管４２２、４２４は、第２熱交換器４１２の流入端と第２熱交換器４１０の吐出端とを連結する第１－２熱回収管４２４を含むことができる。第１－２熱回収管４２４には、燃料処理装置１０の排気ガスと熱交換された冷却水が流動できる。
一方、第１－２熱回収管４２４には、冷却水ラインを循環する冷却水の流動を形成する熱供給ポンプ４４０を配置することができる。
また、廃熱回収部４００は、第１熱交換器４１０をバイパスした冷却水が流動するバイパス管４６６をさらに含むことができる。バイパス管４６６は、第１熱交換器４１０側に配置されてもよい。バイパス管４６６は、第１熱交換器４１０の流入端４２２と第１熱交換器４１０の吐出端４２４に連結されることができる。
第２熱回収管４３２、４３４は、第３熱交換器４１４の吐出端と第１熱交換器４１０の流入端とを連結する第２－１熱回収管４３２を含むことができる。具体的に、第２－１熱回収管４３２は、第１－１熱回収管４２２に合流され、第１熱交換器４１０の流入端と連結されることができる。したがって、第２－１熱回収管４３２には、熱回収タンク１５に保存された温水と熱交換された冷却水が流動できる。
第２熱回収管４３２、４３４は、第３熱交換器４１４の流入端と第１熱交換器４１０の吐出端とを連結する第２－２熱回収管４３４を含むことができる。具体的に、第２－２熱回収管４３４は、第１－２熱回収管４２４から分枝し、第１熱交換器４１０の吐出端と連結されることができる。したがって、第２－２熱回収管４３４には、燃料処理装置１０の排気ガスと熱交換された冷却水が流動できる。
廃熱回収部４００は、水供給タンク１３又は熱回収タンク１５から排出された冷却水を燃料処理装置１０に供給する熱回収バルブ４５２を含むことができる。熱回収バルブ４５２は、第２熱交換器４１２から排出された冷却水を第１熱交換器４１０に供給するか、第１熱交換器４１０をバイパスするように動作できる。熱回収バルブ４５２は、第３熱交換器４１２から排出された冷却水を第１熱交換器４１０に供給するか、第１熱交換器４１０をバイパスするように動作できる。
熱回収バルブ４５２は、第１－１熱回収管４２２に配置されてもよい。熱回収バルブ４５２は、三方バルブ（３－ｗａｙ ｖａｌｖｅ）で構成されることができる。熱回収バルブ４５２の流入端は、第１－１熱回収管４２２の上流と連結されることができる。熱回収バルブ４５２の第１吐出端は、第１－１熱回収管４２２の下流と連結されることができる。熱回収バルブ４５２の第２吐出端は、バイパス管４６６と連結されることができる。
廃熱回収部４００は、燃料処理装置１０から排出された冷却水を水供給タンク１３又は熱回収タンク１５に供給する熱供給バルブ４６２を含むことができる。熱供給バルブ４６２は、第１熱交換器４１０から排出された冷却水を第２熱交換器４１２又は第３熱交換器４１４に供給するか、第１熱交換器４１０をバイパスした冷却水を第２熱交換器４１２又は第３熱交換器４１４に供給するように動作できる。
熱供給バルブ４６２は、第１－２熱回収管４２４に配置されてもよい。熱回収バルブ４５２は、三方バルブ（３－ｗａｙ ｖａｌｖｅ）で構成されることができる。熱供給バルブ４６２の流入端は、第１－２熱回収管４２４の上流と連結されることができる。熱供給バルブ４６２の第１吐出端は、第１－２熱回収管４２４の下流と連結されることができる。熱供給バルブ４６２の第２吐出端は、第２－２熱回収管４３４と連結されることができる。
したがって、廃熱回収部４００は、冷却水ライン４２２、４２４、４３２、４３４に沿って流動する冷却水を燃料処理装置１０から排出される排気ガスが熱交換させて排気ガスの廃熱を回収することができ、前記熱交換された冷却水を水供給タンク１３に供給して水供給タンク１３に保存された水を加熱するか、又は熱回収タンク１５に供給して熱回収タンク１５に保存された温水を加熱することができる。
図４及び図５は、燃料電池システム１の予熱モードＷＭ及び／又は改質モードＲＭ時、廃熱回収部４００の作動に関する系統図である。
燃料電池システム１は、改質に適した温度に到達するように燃料処理装置１０を予熱する、具体的には、燃料処理装置１０の改質器１４０をバーナー１２０で予熱する予熱モードＷＭで運転することができる。或いは、燃料電池システム１は、改質ガスの水素及び一酸化炭素の濃度が発電に適した濃度に到達するように改質ガスをバーナーで再循環させて、改質を繰り返す改質モードＲＭで運転することができる。
予熱モードＷＭで、燃料電池システム１は、改質ガスバルブ３３、バイパスバルブ３４及びＡＯＧバルブ３５をすべて閉鎖することができる。その際、改質器１４０に対する燃料ガスの供給が遮断されるので、改質器１４０で改質ガスが生成されない。また、改質ガス吐出流路１０４、バイパス流路１０５及びＡＯＧ供給流路１０９で、改質ガスやアノードオフガス（ＡＯＧ）が流動しない（図２参考）。
改質モードＲＭで、燃料電池システム１は、改質ガスバルブ３３及びＡＯＧバルブ３５を閉鎖し、バイパスバルブ３４を開放することができる。その際、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及びバイパス流路１０５を介して燃料処理装置１０に再流入することがあり、バーナー１２０の燃焼のための燃料として使用されることがある（図２参考）。
予熱モードＷＭ及び／又は改質モードＲＭで、燃料電池システム１は、熱供給ポンプ４４０を作動させて、冷却水ライン４２２、４２４、４６６を循環する冷却水の流れを形成することができる。
以下、燃料処理装置１０から排出される排気ガスの廃熱を回収するために、冷却水ラインを循環する冷却水の流れを説明する。
図４を参考すると、第２熱交換器４１２から排出された冷却水は、第１－１熱回収管４２２の上流に沿って流動し、熱回収バルブ４５２に供給されることができる。その際、熱回収バルブ４５２は、第１－１熱回収管４２２の下流と連結されるように第１熱交換器４１０側に切り換えられることができ、熱回収バルブ４５２に供給された冷却水は、第１－１熱回収管４２２の下流に沿って流動し、第１熱交換器４１０に供給されることができる。
第１熱交換器４１０に供給された冷却水は、バーナー１４０の作動によって燃焼の後に排出される排気ガスと熱交換された後に排出され、第１－２熱回収管４２４の上流に沿って流動し、熱供給ポンプ４４０を介して熱供給バルブ４６２に供給されることができる。その際、熱供給バルブ４６２は第１－２熱回収管４２４の下流と連結されるように第２熱交換器４１２側に切り換えられることができ、熱供給バルブ４６２に供給された冷却水は、第１－２熱回収管４２４の下流に沿って流動し、第２熱交換器４１２に供給されることができる。
第２熱交換器４１２に供給された冷却水は、水供給タンク１３に保存された水と熱交換された後に排出され、第２熱交換器４１２から排出された冷却水は、前述した循環サイクルによって冷却水ラインを循環することができる。
これによって、予熱モードＷＭ及び／又は改質モードＲＭ時、水供給タンク１３に保存された水は、第１熱交換器４１０を介して排気ガスから捨てられる廃熱を回収した冷却水と第２熱交換器４１０で熱交換されて加熱されることができる。
以下、燃料処理装置１０から排出される排気ガスの廃熱の回収が完了した場合、冷却水ラインを循環する冷却水の流れを説明する。
図５を参考すると、第２熱交換器４１２から排出された冷却水は、第１－１熱回収管４２２の上流に沿って流動し、熱回収バルブ４５２に供給されることができる。その際、燃料電池システム１は、第１温度計４７２を介して水供給タンク１３に保存された水の温度を感知することができ、第１温度計４７２で感知された水の温度値が第１設定温度以上である場合、バイパス管４６６と連結されるように熱回収バルブ４５２を切り換えることができる。ここで、第１設定温度とは、発電モードＰＭ時、スタック２０を十分に予熱するのに適した水の温度であって、制御部のメモリに予め保存された値であり得る。
熱回収バルブ４５２に供給された冷却水は、バイパス管４６６と第１－２熱回収管４２４の下流に沿って流動し、熱供給ポンプ４４０を介して熱供給バルブ４６２に供給されることができる。その際、熱供給バルブ４６２は第１－２熱回収管４２４の下流と連結されるように第２熱交換器４１２側に切り換えられることができ、熱供給バルブ４６２に供給された冷却水は、第１－２熱回収管４２４の下流に沿って流動し、第２熱交換器４１２に供給されることができる。
第２熱交換器４１２に供給された冷却水は、水供給タンク１３に保存された水と熱交換された後に排出され、第２熱交換器４１２から排出された冷却水は、前述した循環過程を同一繰り返すことができる。
これによって、水供給タンク１３に保存された水の温度が十分に加熱された場合、燃料処理装置１０に供給される冷却水をバイパスさせて燃料処理装置１０の廃熱の回収を終了し、水供給タンク１３に保存された水の温度を、スタックを予熱するのに適した設定温度に維持できる。
図６及び図７は、燃料電池システム１の発電モードＰＭ時、燃料電池システム１の作動に関する系統図である。
燃料電池システム１は、空気と改質ガスの電気化学反応を通じてスタック２０ａ、２０ｂで電気を生成する発電モードＰＭで運転することができる。
発電モードＰＭで、燃料電池システム１は、燃料処理装置１０から排出される改質ガスがスタック２０に供給されるように、改質ガスバルブ３３を開放し、バイパスバルブ３４を閉鎖することができる。燃料電池システム１は、第２ブロワー７２を駆動し、電気を発生させる電気化学反応に使用される空気をスタック２０に供給できる（図２参考）。
発電モードＰＭで、燃料電池システム１は、熱供給ポンプ４４０を作動させて冷却水ライン４２２、４２４、４３２、４３４を循環する冷却水の流れを形成することができる。
発電モードＰＭで、燃料電池システム１は、冷却水ポンプ４３を作動させて水供給タンク１３に保存された水をスタック２０に供給する水の流れを形成することができる。
以下、発電モードＰＭの初期時、スタック２０を予熱するための冷却水の流れを説明する。
図６を参考すると、第２熱交換器４１２から排出された冷却水は、第１－１熱回収管４２２の上流に沿って流動し、熱回収バルブ４５２に供給されることができる。その際、熱回収バルブ４５２は第１－１熱回収管４２２の下流と連結されるように第１熱交換器４１０側に切り換えられることができ、熱回収バルブ４５２に供給された冷却水は、第１－１熱回収管４２２の下流に沿って流動し、第１熱交換器４１０に供給されることができる。
第１熱交換器４１０に供給された冷却水は、バーナー１４０の作動によって燃焼後に排出される排気ガスと熱交換された後に排出され、第１－２熱回収管４２４の上流に沿って流動し、熱供給ポンプ４４０を介して熱供給バルブ４６２に供給されることができる。その際、熱供給バルブ４６２は第１－２熱回収管４２４の下流と連結されるように第２熱交換器４１２側に切り換えられることができ、熱供給バルブ４６２に供給された冷却水は、第１－２熱回収管４２４の下流に沿って流動し、第２熱交換器４１２に供給されることができる。
これによって、水供給タンク１３に保存された水は、第１熱交換器４１０を介して排気ガスから捨てられる廃熱を回収した冷却水と第２熱交換器４１０で熱交換されて加熱されることができ、水供給タンク１３に保存された加熱された水は、冷却水ポンプ４３の作動によりスタック２０に供給され、発電モードＰＭの初期時、スタック２０を発電に適した温度で速く予熱できる。この結果、スタック２０の発電効率が向上し得る。
発電モードＰＭで、燃料電池システム１は、第２温度計４７４を介してスタック２０から排出された水の温度を感知することができ、第２温度計４７４で感知された水の温度値が第２設定温度以上である場合、スタック２０の予熱が完了したと判断できる。ここで、第２設定温度とは、発電モードＰＭ時、スタック２０の予熱が十分に完了し、正常の発電運転が可能な温度であって、制御部のメモリに予め保存された値であり得る。
以下、スタック２０の予熱が完了した発電モードＰＭの中期時、冷却水の流れを説明する。
図７を参考すると、第３熱交換器４１４から排出された冷却水は、第２－１熱回収管４３２に沿って流動し、熱回収バルブ４５２に供給されることができる。その際、熱回収バルブ４５２は第１－１熱回収管４２２の下流と連結されるように第１熱交換器４１０側に切り換えられることができ、熱回収バルブ４５２に供給された冷却水は、第１－１熱回収管４２２の下流に沿って流動し、第１熱交換器４１０に供給されることができる。
第１熱交換器４１０に供給された冷却水は、バーナー１４０の作動によって燃焼後に排出される排気ガスと熱交換された後に排出され、第１－２熱回収管４２４の上流に沿って流動し、熱供給ポンプ４４０を介して熱供給バルブ４６２に供給されることができる。その際、熱供給バルブ４６２は第２－２熱回収管４３４と連結されるように第３熱交換器４１４側に切り換えられることができ、熱供給バルブ４６２に供給された冷却水は、第２－２熱回収管４３４に沿って流動し、第３熱交換器４１４に供給されることができる。
これによって、スタック２０の予熱が完了した場合、熱回収タンク１５に保存された温水は、第１熱交換器４１０を介して排気ガスから捨てられる廃熱を回収した冷却水と第３熱交換器４１４で熱交換されて加熱されることができ、熱回収タンク１５に保存された温水は、ユーザの要求に応じて、家庭などの温水使用先に供給されることができる。この結果、燃料処理装置１０から捨てられる廃熱の回収量が増大し得、燃料電池システム１の総エネルギー効率が向上し得る。
また、発電モードＰＭで、燃料電池システム１は、冷却水熱交換器２４を介してスタック２０から排出された水と熱回収タンク１５を循環する温水とが熱交換されるように温水ポンプ４８を作動させることができる。
図８は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システム１の制御方法に関するフローチャートである。
図８を参考すると、制御部は、燃料電池システム１の運転を開始することができる（Ｓ１００）。燃料電池システム１の運転が開始された後、燃料電池システム１は、予熱運転ＷＭ、改質運転ＲＭ及び／又は発電運転ＰＭを行うことができる。
Ｓ１００の後、制御部は、燃料電池システム１の現在の運転モードを判断することができる（Ｓ１１０）。
現在の燃料電池システム１の運転モードが予熱モードＷＭ又は改質モードＲＭである場合、制御部は、熱供給ポンプ４４０を作動させることができる（Ｓ２１０）。これによって、廃熱回収部４００の冷却水ラインに沿って循環する冷却水の流動を形成することができる。
Ｓ２１０の後、制御部は、第１熱交換器４１０で排気ガスと熱交換された冷却水が第２熱交換器４１２に供給されるように熱供給バルブ４６２を水供給タンク１３側に切り換えることができる（Ｓ２２０）。その際、制御部は、第２熱交換器４１２から排出された冷却水が第１熱交換器４１０に供給されるように熱回収バルブ４５２を燃料処理装置１０側に切り換えることができる。したがって、冷却水ラインを循環する冷却水が第１熱交換器４１０で排気ガスの廃熱を回収した後、第２熱交換器４１２に供給され、第２熱交換器４１０に供給された冷却水と水供給タンク１３に保存された水とが熱交換され、水供給タンク１３に保存された水が加熱できる。
Ｓ２２０の後、制御部は、水供給タンク１３に保存された水の予熱が完了しているか判断できる（Ｓ２３０）。具体的に、制御部は、第１温度計４７２を介して水供給タンク１３に保存された水の温度を感知することができ、第１温度計４７２で感知された水の温度値が第１設定温度以上である場合、水供給タンク１３に保存された水の予熱が完了したと判断できる。ここで、第１設定温度とは、発電モードＰＭ時、スタック２０を十分に予熱するのに適した水温度に設定されることができる。
水供給タンク１３に保存された水の予熱が完了していない場合（Ｓ２３０でＮｏ）、制御部は、第２熱交換器４１２から排出された冷却水が第１熱交換器４１０に供給されるように燃料処理装置１０の入口端４２２側に熱回収バルブ４５２を切り換えることができる（Ｓ２４０）。したがって、水供給タンク１３に保存された水の温度が第１設定温度に到達するまで冷却水ラインを循環する冷却水が第１熱交換器４１０で排気ガスの廃熱を回収することができる。
水供給タンク１３に保存された水の予熱が完了した場合（Ｓ２３０でＹｅｓ）、制御部は、第２熱交換器４１２から排出された冷却水が第１熱交換器４１０をバイパスするように燃料処理装置１０の出口端４２４側に熱回収バルブ４５２を切り換えることができる（Ｓ２５０）。したがって、冷却水ラインを循環する冷却水が第１熱交換器４１０で排気ガスの廃熱をこれ以上回収せずに水供給タンク１３に保存された水の温度を維持することができる。
Ｓ２４０及びＳ２５０の後、制御部はＳ１１０に復帰し、燃料電池システム１の現在の運転モードを再度判断することができる。
現在の燃料電池システム１の運転モードが発電モードＰＭである場合、制御部は、発電モードＰＭが初期状態であるか判断できる（Ｓ３１０）。一例として、制御部は、スタック２０の予熱完了可否で発電モードＰＭが初期状態であるか判断できる。具体的に、制御部は第２温度計４７４を介してスタック２０から排出される水の温度を感知することができ、第２温度計４７４で感知された水の温度値が第２設定温度以上である場合、スタック２０の予熱が完了したと判断し、現在の発電モードＰＭが中期に該当すると判断できる。ここで、第２設定温度とは、発電モードＰＭ時、スタック２０の予熱が十分に完了し、正常の発電運転が可能な温度に設定されることができる。
発電モードＰＭの初期状態である場合（Ｓ３１０でＹｅｓ）、制御部は、水供給タンク１３に保存された水の予熱が完了しているか判断できる（Ｓ３２０）。具体的に、制御部は、第１温度計４７２を介して水供給タンク１３に保存された水の温度を感知することができ、第１温度計４７２で感知された水の温度値が第１設定温度以上である場合、水供給タンク１３に保存された水の予熱が完了したと判断できる。
水供給タンク１３に保存された水の予熱が完了していない場合（Ｓ３２０でＮｏ）、制御部は、熱供給ポンプ４４０を作動させることができる（Ｓ３３０）。これによって、廃熱回収部４００の冷却水ラインに沿って循環する冷却水の流動を形成することができる。
Ｓ３３０の後、制御部は、第１熱交換器４１０で排気ガスと熱交換された冷却水が第２熱交換器４１２に供給されるように熱供給バルブ４６２を水供給タンク１３側に切り換えることができる（Ｓ３４０）。その際、制御部は、第２熱交換器４１２から排出された冷却水が第１熱交換器４１０に供給されるように熱回収バルブ４５２を燃料処理装置１０側に切り換えることができる。したがって、冷却水ラインを循環する冷却水が第１熱交換器４１０で排気ガスの廃熱を回収した後、第２熱交換器４１２に供給され、第２熱交換器４１２に供給された冷却水と水供給タンク１３に保存された水とが熱交換され、水供給タンク１３に保存された水が加熱できる。
Ｓ３４０の後、制御部は、冷却水ポンプ４３を作動させることができる（Ｓ３５０）。また、制御部は、温水ポンプ４８の作動を停止するか、停止状態を維持することができる（Ｓ３５０）。したがって、発電モードＰＭの初期時、スタック２０に供給される水供給タンク１３の水が十分に加熱されない場合、燃料処理装置１０で回収された排気ガスの廃熱を熱回収タンク１５側に供給せずに水供給タンク１３側に集中的に供給すると同時に、スタック２０に水供給タンク１３の水を供給してスタック２０を予熱することができる。
水供給タンク１３に保存された水の予熱が完了した場合（Ｓ３２０でＹｅｓ）、制御部は、後述するＳ３６０の動作に移行できる。
発電モードＰＭの中期状態である場合（Ｓ３１０でＮｏ）、制御部は、熱供給ポンプ４４０を作動させることができる（Ｓ３６０）。これによって、廃熱回収部４００の冷却水ラインに沿って循環する冷却水の流動を形成することができる。
Ｓ３６０の後、制御部は、第１熱交換器４１０で排気ガスと熱交換された冷却水が第３熱交換器４１２に供給されるように熱供給バルブ４６２を熱回収タンク１５側に切り換えることができる（Ｓ３７０）。その際、制御部は、第３熱交換器４１４から排出された冷却水が第１熱交換器４１０に供給されるように熱回収バルブ４５２を燃料処理装置１０側に切り換えることができる。したがって、冷却水ラインを循環する冷却水が第１熱交換器４１０で排気ガスの廃熱を回収した後、第３熱交換器４１４に供給され、第３熱交換器４１４に供給された冷却水と熱回収タンク１５に保存された温水とが熱交換され、熱回収タンク１５に保存された温水が加熱できる。
Ｓ３７０の後、制御部は、冷却水ポンプ４３を作動させることができる（Ｓ３８０）。また、制御部は、温水ポンプ４８を作動させるか、作動状態を維持することができる（Ｓ３８０）。したがって、発電モードＰＭの中期時、スタック２０が十分に予熱された場合、燃料処理装置１０で回収された排気ガスの廃熱が熱回収タンク１５側に供給されることによって、熱回収タンク１５に保存された温水が加熱され、熱回収タンク１５に保存された温水はユーザの要求に応じて、家庭などの温水使用先に供給されることができる。
添付された図面は、本明細書に開示された実施形態を容易に理解できるようにするためのものであるだけで、添付された図面により本明細書に開示された技術的思想が制限されず、本発明の思想及び技術範囲に含まれる全ての変更、均等物乃至代換物を含むものと理解されなければならない。
同様に、特定の順序で、図面で動作を描写しているが、これは好ましい結果を得るために図示されたその特定の順序や順次の順序通りそのような動作を行わなければならないか、又は全ての図示された動作が行われなければならないものと理解されてはならない。特定の場合、マルチタスキングと並列プロセシングが有利であり得る。
また、以上では、本発明の好ましい実施形態について図示して説明しているが、本発明は、前述した特定の実施形態に限定されず、請求範囲で請求する本発明の要旨を外れることなく、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のは勿論であり、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 燃料処理装置
１３ 水供給タンク
１５ 熱回収タンク
２０ スタック
４００ 廃熱回収部
４１０ 第１熱交換器
４１２ 第２熱交換器
４１４ 第３熱交換器
４２２ 第１－１熱回収管
４２４ 第１－２熱回収管
４３２ 第２－１熱回収管
４３４ 第２－２熱回収管
４４０ 熱供給ポンプ
４５２ 熱回収バルブ
４６２ 熱供給バルブ
４７２ 第１温度計
４７４ 第２温度計

Claims (15)

  1. 燃料電池システムであって、
    改質ガスと空気の電気化学反応を通じて電力を生成するスタックと、
    前記スタックに供給される前記改質ガスを生成する燃料処理装置と、
    前記スタックに供給される水が保存される水供給タンクと、
    温水が保存される熱回収タンクと、
    前記燃料処理装置に配置され、冷却水と前記燃料処理装置から排出される排気ガスとが熱交換される第１熱交換器と、
    前記水供給タンクに保存された水又は熱回収タンクに保存された温水を加熱するように前記第１熱交換器で熱交換された冷却水を前記水供給タンク又は熱回収タンクに供給する熱供給バルブと、を備える、燃料電池システム。
  2. 前記熱供給バルブを調節する制御部、を備え、
    前記制御部は、
    前記燃料処理装置を予熱する予熱モードであるとき、前記第１熱交換器で熱交換された冷却水が前記水供給タンクに供給されるように前記熱供給バルブを前記水供給タンク側に切り換える、請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 前記水供給タンクから排出された冷却水を前記第１熱交換器に供給するか、又は、前記熱供給バルブに供給する熱回収バルブ、を更に備える、請求項１に記載の燃料電池システム。
  4. 前記熱供給バルブと熱回収バルブを調節する制御部、を備え、
    前記制御部は、前記燃料処理装置を予熱する予熱モードであるとき、前記水供給タンクから排出された冷却水が前記第１熱交換器に供給されるように前記熱回収バルブを前記第１熱交換器側に切り換える、請求項３に記載の燃料電池システム。
  5. 前記水供給タンクに保存された水の温度を感知する第１温度センサ、を備え、
    前記制御部は、前記第１温度センサで感知された水の温度が第１設定温度以上であるとき、前記熱回収バルブを前記熱供給バルブ側に切り換える、請求項４に記載の燃料電池システム。
  6. 前記水供給タンクに保存された水の温度を感知する第１温度センサと、
    前記スタックから排出される水の温度を感知する第２温度センサと、
    前記熱供給バルブを調節する制御部と、を備え、
    前記制御部は、
    前記スタックで改質ガスと空気の電気化学反応を通じて電力を生成する発電モード時、
    前記第１温度センサで感知された水の温度が第１設定温度以上であり、前記第２温度センサで感知された水の温度が第２設定温度未満であるとき、前記第１熱交換器で排気ガスと熱交換された冷却水が前記水供給タンクに供給されるように前記熱供給バルブを前記水供給タンク側に切り換える、請求項１に記載の燃料電池システム。
  7. 前記制御部は、
    前記スタックで改質ガスと空気の電気化学反応を通じて電力を生成する発電モード時、
    前記第２温度センサで感知された冷却水の温度が第２設定温度以上であるとき、前記第１熱交換器で排気ガスと熱交換された冷却水が前記熱回収タンクに供給されるように前記熱供給バルブを前記熱回収タンク側に切り換える、請求項６に記載の燃料電池システム。
  8. 前記第１設定温度は、前記第２設定温度よりも更に高い、請求項６に記載の燃料電池システム。
  9. 前記燃料処理装置は、水供給タンク、及び熱回収タンクを循環する冷却水の流動を形成する熱供給ポンプ、を更に備える、請求項１に記載の燃料電池システム。
  10. 前記水供給タンクと前記スタックとの間に配置され、前記水供給タンクに保存された冷却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に記載の燃料電池システム。
  11. 前記冷却水ポンプの作動を調節する制御部、を備え、
    前記制御部は、前記スタックで改質ガスと空気の電気化学反応を通じて電力を生成する発電モードであるとき、前記スタックに冷却水が供給されるように前記冷却水ポンプを作動させる、請求項１０に記載の燃料電池システム。
  12. 前記水供給タンクに配置され、前記第１熱交換器で排気ガスと熱交換された冷却水と前記水供給タンクに保存された冷却水とが熱交換される第２熱交換器、及び
    前記熱回収タンクに配置され、前記第１熱交換器で排気ガスと熱交換された冷却水と前記熱回収タンクに保存された温水とが熱交換される第３熱交換器、を備える、請求項１に記載の燃料電池システム。
  13. 前記燃料処理装置は、前記改質ガスの生成に必要な熱エネルギーを供給するバーナー、を更に備え、
    前記第１熱交換器は、燃料の燃焼反応の後に生成された排気ガスが排出される前記バーナーの出口側に近いように配置される、請求項１２に記載の燃料電池システム。
  14. 燃料電池システムの制御方法であって、
    前記燃料電池システムは、
    改質ガスを生成する燃料処理装置と、
    前記改質ガスを用いて電力を生成するスタックと、
    冷却水が保存される水供給タンクと、
    温水が保存される熱回収タンクと、
    前記燃料処理装置の廃熱を、冷却水を介して回収し、前記水供給タンクの冷却水又は熱回収タンクの温水を加熱する廃熱回収部と、を備えてなり、
    前記廃熱回収部は、前記廃熱回収部を循環する冷却水の流動方向を切り換える切換バルブを備え、
    前記水供給タンクに保存された冷却水の温度に基づいて前記切換バルブを調節し、前記水供給タンクに保存された冷却水を予熱するステップ、を含んでなる、燃料電池システムの制御方法。
  15. 前記スタックから排出される冷却水の温度に基づいて前記切換バルブを調節し、前記熱回収タンクに保存された温水を加熱するステップ、を更に含む、請求項１４に記載の燃料電池システムの制御方法。
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