KR101675204B1 - Fuel cell system - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로, 수소와 공기의 화학 반응이 고온에서 이뤄지고, 외부로부터 메탄이 공급되고 내부에서 메탄이 개질되어 수소를 생성하는 연료전지와, 메탄에 수증기를 함유시키기 위해서 연료전지 일측에 구비된 가습기 및, 일측이 연료전지로부터 열을 흡수하고, 타측이 가습기에 유동하는 냉각수로 열을 방출하도록 연료전지 및 가습기 사이에 장착된 열전소자를 포함하며, 연료전지 및 열전소자의 복합발전을 통하여 연료전지의 에너지 변환 효율이 향상되는 효과가 있는 연료전지 시스템을 제공한다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly, to a fuel cell system in which a chemical reaction between hydrogen and air is performed at a high temperature, methane is supplied from the outside and methane is reformed therein to generate hydrogen, And a thermoelectric element mounted between the fuel cell and the humidifier to radiate heat to the cooling water whose one side absorbs heat from the fuel cell and the other side flows into the humidifier, Provided is a fuel cell system having an effect of improving energy conversion efficiency of a fuel cell through power generation.

Description

연료전지 시스템{FUEL CELL SYSTEM}Fuel cell system {FUEL CELL SYSTEM}

본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수소 공기 화학반응이 고온에서 이뤄지는 연료전지로부터 발생되는 열을 흡열하고 연료전지로 유입되는 수증기를 생성하는 가습기에 포함된 냉각수로 열을 발산하는 열전소자가 구비된 연료전지 시스템에 관한 것이다.
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly, to a fuel cell system in which a hydrogen air-chemical reaction absorbs heat generated from a fuel cell at a high temperature and dissipates heat to coolant contained in a humidifier To a fuel cell system equipped with a thermoelectric element.

MCFC(Molten Carbonate Fuel Cell, 용융탄산염 연료전지)는 탄화수소 또는 수소 연료에 저장된 화학 에너지를 공기와의 전기화학 반응을 통해 전기에너지로 직접 변환하는 장치이다. MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell) is a device that converts chemical energy stored in hydrocarbon or hydrogen fuel directly into electrical energy through electrochemical reaction with air.

일반적으로 용융탄산염 연료전지와 같은 고온 연료전지의 경우, 연료극(음극)에 흐르는 수소 연료와 공기극(양극)에 공급되는 산소 및 이산화탄소가 반응하여 발전하는 시스템이다.Generally, in the case of a high temperature fuel cell such as a molten carbonate fuel cell, a hydrogen fuel flowing in a fuel electrode (cathode) reacts with oxygen and carbon dioxide supplied to an air electrode (anode) to generate electricity.

종래의 MCFC시스템은 연료와 공기를 연료전지 모듈에서 반응시켜 직류(DC) 전기를 생산한다. 생산된 직류(DC) 전기는 전력변환장치(EBOP; ELECTRICAL BALANCE OF PLANT)를 거쳐 교류(AC) 전기로 변환된 후 송전망(Grid)에 전력을 공급한다. Conventional MCFC systems react with fuel and air in a fuel cell module to produce direct current (DC) electricity. The generated direct current (DC) electricity is converted to alternating current (AC) electricity through the electric power balance device (EBOP), and then the electric power is supplied to the grid.

더불어, MCFC 시스템 내에서 사용되는 전력(계장품, 블로어, 전기 heater, HVAC(난방, 환기, 공기조화; HEATING, VENTILATION, AIR CONDITIONING), 수처리 장치 등에서 사용되는 전기)은 MCFC 모듈에서 생산된 전기를 사용한다.In addition, power used in the MCFC system (electricity used in instrumentation, blowers, electric heaters, HVAC (heating, ventilation, air conditioning), water treatment equipment, etc.) use.

그러나, MCFC 시스템의 비상정지 시 MCFC 모듈이 발전을 정지하게 되면, 정상 운전시까지 필요한 전력을 송전망(Grid)으로부터 공급받는다. However, when the MCFC module stops generating electricity in the emergency stop of the MCFC system, the necessary power is supplied from the grid until the normal operation.

그러므로, 비상 정지 시간이 증가할수록 송전망(Grid)으로부터 공급받는 전력이 증가하고, 시스템의 효율은 감소되어 경제성 하락이 불가피하다.Therefore, as the emergency stop time increases, the electric power supplied from the grid increases, the efficiency of the system decreases, and the economical decline is inevitable.

또한, 종래, MCFC시스템에서의 연료전지 모듈은 정상 운전시 약 650℃로 운전된다. 정상 운전중 모듈 내부의 온도를 제어하기 위해 연료전지 모듈 내부 반응에 필요한 공기보다 많은 양의 공기를 공급하여 시스템의 운전 온도를 제어한다. In addition, conventionally, the fuel cell module in the MCFC system is operated at about 650 DEG C during normal operation. To control the internal temperature of the module during normal operation, the operating temperature of the system is controlled by supplying more air than the air required for the reaction inside the fuel cell module.

그러나, 공기는 외기 환경에 따라 변수가 존재하므로, 대기 온도가 설계 온도를 상회할 시 모듈 내부 온도 유지 및 제어를 위해 설계값을 초과하는 양의 공기가 공급된다. However, since the air is variable depending on the ambient environment, when the ambient temperature exceeds the design temperature, an amount of air exceeding the design value is supplied for maintenance and control of the internal temperature of the module.

초과 공기는 향 후 시스템의 효율 감소 및 공기 공급 장치 등의 내구성에 심각한 영향을 미칠 수 있다. Excess air can seriously affect the efficiency of the system and the durability of the air supply system.

한편, 열전발전(Thermoelectric)은 제백(Seebeck) 효과에 근거하여, 고온측과 저온측의 온도 차이로 인해 발생 되는 전하이동에 의한 발전 방식이며, 이러한 열전발전에 사용되는 재료를 열전소자(Thermoelectric element)라 한다.On the other hand, a thermoelectric is a power generation system based on the seebeck effect, which is caused by a charge transfer caused by a temperature difference between a high temperature side and a low temperature side. The material used for the thermoelectric power generation is a thermoelectric element ).

이에 상기와 같은 점을 감안하여 발명된 본 발명의 목적은, 고온으로 작동되는 연료전지로부터 흡열하고, 연료전지로 유입되는 수증기를 생성하는 가습기에 포함된 냉각수로 열을 발산하도록 열전소자를 장착함으로써, 연료전지의 열을 흡열하여 연료전지의 온도를 제어하기 위한 공기 유입량을 감소시키고, 냉각수로 발열하므로 연료전지로 유입되는 수증기 생성을 위한 열원 형성이 최소화되고, 열전소자를 통해 전기 에너지가 생성되어 시스템 효율이 향상되는 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above problems, and it is an object of the present invention to provide a thermoelectric conversion device, which is capable of absorbing heat from a fuel cell operated at a high temperature and mounting a thermoelectric element to radiate heat to cooling water contained in a humidifier, , The amount of air inflow for controlling the temperature of the fuel cell is absorbed by absorbing the heat of the fuel cell, and heat is generated by the cooling water, thereby minimizing the formation of heat source for generating water vapor introduced into the fuel cell, and generating electric energy through the thermoelectric element And to provide a fuel cell system with improved system efficiency.

위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예의 연료전지 시스템은, 수소와 공기의 화학 반응이 고온에서 이뤄지고, 외부로부터 메탄이 공급되고 내부에서 메탄이 개질되어 수소를 생성하는 연료전지와, 메탄에 수증기를 함유시키기 위해서 연료전지 일측에 구비된 가습기 및, 일측이 연료전지로부터 열을 흡수하고, 타측이 가습기에 유동하는 냉각수로 열을 방출하도록 연료전지 및 가습기 사이에 장착된 열전소자를 포함한다.
According to an aspect of the present invention, there is provided a fuel cell system including a fuel cell in which a chemical reaction between hydrogen and air is performed at a high temperature, methane is supplied from the outside, and methane is reformed in the inside to generate hydrogen, And a thermoelectric element mounted between the fuel cell and the humidifier so as to discharge heat to the cooling water whose one side absorbs heat from the fuel cell and the other one which flows into the humidifier, .

위와 같은 본 발명의 연료전지 시스템에 따르면, 연료전지 및 열전소자의 복합발전을 통하여 연료전지의 에너지 변환 효율이 향상되는 효과가 있다.According to the fuel cell system of the present invention, the energy conversion efficiency of the fuel cell is improved through the combined power generation of the fuel cell and the thermoelectric device.

또한, 연료전지 시스템 비상 정지 시 남아있는 열을 통한 추가적인 발전이 가능하여 비상전원등에 사용 가능하다. Further, it is possible to use the remaining power generated by the remaining heat in the emergency stop of the fuel cell system, so that it can be used for an emergency power source and the like.

또한, 열전 발전 시 사용되는 냉각수는 열전 발전에 사용된 후 가습기로 공급되어 수증기 생산에 필요한 열원을 공급하므로 종합적인 시스템의 발전 효율 증대를 기대할 수 있다.
Also, since the cooling water used in the thermoelectric power generation is supplied to the humidifier after being used in the thermoelectric power generation, it supplies the heat source necessary for the steam production, so that the power generation efficiency of the comprehensive system can be expected to be increased.

도 1은 본 발명의 제1 실시예의 연료전지 시스템의 개요도,
도 2는 본 발명의 제2 실시예의 연료전지 시스템의 개요도이다.1 is an outline view of a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention,
2 is a schematic diagram of a fuel cell system according to a second embodiment of the present invention.

MCFC 시스템은 정상운전 시 연료극(Anode)의 미반응 연료가 촉매 연소기를 통해 연소되며, 이때, 발생된 고온 가스가 가습기(200; Humidifier)로 공급된다. 가습기(200)의 외측에는 MCFC 전기화학 반응에 필요한 연료와 물이 유동하며, 가습기(200) 내에서 물은 스팀으로 변환되고, 가습기(200) 외부에서 연료는 전기화학 반응에 기반이 되는 열량을 얻게 된다. In the MCFC system, unreacted fuel in the anode is burned through the catalytic combustor during normal operation, and the generated hot gas is supplied to the humidifier (200). The fuel and water required for the MCFC electrochemical reaction flow on the outside of the humidifier 200. The water is converted into steam in the humidifier 200 and the fuel outside the humidifier 200 absorbs the calorie based on the electrochemical reaction .

MCFC 시스템의 연료전지(100)는 600~650℃ 에서 정상 운전되며, 전기화학반응 및 시스템의 온도제어를 위해 공기를 사용한다. 종래 연료전지 모듈은 내부 열 에너지를 보존하기 위해 단열 처리되었지만, 기존 단열 부분에 열전소자(300), 혹은 열전 모듈을 설치하여 연료전지(100)를 고온 측으로 사용하고, 가습기(200)로 공급되는 초순수를 냉각수로 사용하여 냉각수와 열전소자(300)의 접촉부를 저온 측으로 사용하여, 열전 소자를 이용한 발전이 가능하다. The fuel cell 100 of the MCFC system operates normally at 600 to 650 ° C and uses air for electrochemical reactions and temperature control of the system. The conventional fuel cell module is thermally insulated to preserve the internal thermal energy but the thermoelectric module 300 or the thermoelectric module is installed in the existing heat insulating portion to use the fuel cell 100 as the high temperature side, Using ultrapure water as cooling water and using the contact portion of the cooling water and the thermoelectric element 300 as a low temperature side, power generation using the thermoelectric element is possible.

MCFC 시스템의 연료전지(100) 내부는 정상 운전 시 약 650℃로 유지된다. 온도 유지를 위해 반응에 필요한 공기를 제외한 나머지 공기가 쿨링 source가 된다. 공기는 대기 및 외부 요인의 영향을 받기 쉽고, 공기 공급장치 등 MCFC 시스템의 주기기의 내구성을 감소시킨다.The inside of the fuel cell 100 of the MCFC system is maintained at about 650 DEG C under normal operation. For maintaining the temperature, the air other than the air required for the reaction becomes the cooling source. Air is susceptible to atmospheric and external factors and reduces the durability of the main equipment of the MCFC system, such as air supply systems.

열전 소자 및 냉각수의 사용으로 MCFC시스템의 정상 발전 시 공급 공기 유량의 감소 효과를 기대할 수 있으며, 기계 공급장치(Air Blower) 내구성 확보 및 종합 시스템 효율 증가를 기대할 수 있다.The use of thermoelectric elements and cooling water can reduce the supply air flow rate during the normal power generation of the MCFC system. It is expected that the durability of the mechanical blower can be ensured and the overall system efficiency can be increased.

열전 소자의 발전 원리상 고온측과 저온측의 온도차이가 클수록 높은 전기변환 효율을 나타내며, 이에 따라 냉각수를 이용하는 것이 열전발전 효율을 높일 수 있는 방법이다.The higher the temperature difference between the high temperature side and the low temperature side, the higher the electrical conversion efficiency is, and thus the use of cooling water is a method for increasing the efficiency of thermoelectric power generation.

열전 소자 및 냉각수 라인, 생성된 전기를 외부로 송출할 수 있는 부가적인 설비를 통틀어 열전 발전 모듈이라 한다.Thermoelectric power generation modules are collectively referred to as thermoelectric elements, cooling water lines, and additional facilities that can transmit the generated electricity to the outside.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명의 제1 실시예에서는, 촉매 연소기에서 발생된 고온가스가 가습기(200)로 공급되는 배관에 열전소자(300)를 설치하여 배관에 흐르는 고온가스를 열전소자(300)의 고온측으로 사용하고, MCFC 시스템의 가습기(200)에 공급되는 용수를 By-pass하여 열전소자(300)의 냉각수로 이용한다. 열전발전에 사용된 냉각수는 가습기(200)로 순환되어 열전 발전에 소모된 열량을 보완한다.In the first embodiment of the present invention, the thermoelectric device 300 is installed in the piping to which the high temperature gas generated from the catalytic combustor is supplied to the humidifier 200, and the high temperature gas flowing in the piping is used as the high temperature side of the thermoelectric device 300 , The water supplied to the humidifier 200 of the MCFC system is bypassed and used as the cooling water of the thermoelectric element 300. The cooling water used in the thermoelectric power generation is circulated to the humidifier 200 to supplement the heat amount consumed in the thermoelectric power generation.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예는, 수소와 공기의 화학 반응이 고온에서 이뤄지고, 외부로부터 메탄이 공급되고 내부에서 메탄이 개질되어 수소를 생성하는 연료전지(100) 즉 MCFC와, 메탄에 수증기를 함유시키기 위해서 연료전지(100) 일측에 구비된 가습기(200) 및, 일측이 연료전지(100)로부터 열을 흡수하고, 타측이 가습기(200)에 유동하는 냉각수로 열을 방출하도록 연료전지(100) 및 가습기(200) 사이에 장착된 열전소자(300)를 포함한다.As shown in FIG. 1, the first embodiment of the present invention is a fuel cell 100 in which the chemical reaction between hydrogen and air is performed at a high temperature, methane is supplied from the outside, and methane is reformed in the inside to generate hydrogen A humidifier 200 provided at one side of the fuel cell 100 for containing water vapor in methane and a humidifier 200 having one side absorbing heat from the fuel cell 100 and the other side being cooled by cooling water flowing to the humidifier 200 And a thermoelectric element 300 mounted between the fuel cell 100 and the humidifier 200 so as to emit the heat.

앞서 기술한 바와 같이, 제1 실시예에서 열전소자(300)는, 촉매 연소기에서 발생된 고온가스가 가습기(200)로 공급되는 배관 즉, 연료전지(100)로부터 반응 후 가스를 외부로 배출하도록, 연료전지(100)로부터 연장된 배기관(110)에 장착된다.As described above, in the first embodiment, the thermoelectric device 300 is configured such that the high temperature gas generated in the catalytic combustor discharges the gas after the reaction from the pipe supplied to the humidifier 200, that is, the fuel cell 100 And is mounted to the exhaust pipe 110 extending from the fuel cell 100.

이를 좀더 자세히 설명하면 다음과 같다. 가습기(200)는, 가습기(200)로부터 연장되고, 메탄을 공급하는 유입관(120)과 연통된 냉각관(220)이 구비되고, 열전소자(300)는, 일측이 연료전지(100)로부터 연장된 배기관(110)과 접촉하고, 타측이 냉각관(220)과 접촉하게 된다.This will be described in more detail as follows. The humidifier 200 is provided with a cooling pipe 220 extending from the humidifier 200 and communicating with an inflow pipe 120 for supplying methane and the thermoelectric element 300 is connected to the fuel cell 100 The exhaust pipe 110 is in contact with the exhaust pipe 110, and the other side is in contact with the cooling pipe 220.

연료전지(100)는, 메탄이 유입되는 유입관(120)을 포함하고, 가습기(200)는, 냉각수가 저장된 워터 탱크(210)를 포함하며, 냉각관(220)은, 워터탱크(210)로부터 연장되고 유입관(120)과 연통된다. 워터탱크(210)에 저장된 냉각수는 냉각관(220)을 통해 유동하며 열전소자(300)를 통해 가열되고, 유입관(120)에 구비된 개질기(600)로 메탄과 함께 유입된다. The humidifier 200 includes a water tank 210 in which cooling water is stored and a cooling pipe 220 is connected to the water tank 210, And communicates with the inflow pipe 120. The cooling water stored in the water tank 210 flows through the cooling pipe 220 and is heated through the thermoelectric element 300 and flows into the reformer 600 provided in the inlet pipe 120 together with methane.

종래 MCFC 시스템은 정상 운전 시(2.5MW 발전 출력) 촉매 연소기 후단 가스의 온도는 약 650℃를 유지하며, 연료전지(100)의 온도 제어를 위해 air 혼합 후 약 550℃ 정도로 가습기(200)로 공급된다. 가습기(200)로 공급되는 고온 배관에 발전에 필요한 열전소자(300)와 부가장치로 구성된 열전 모듈을 설치하며, 열전 발전 효율의 증가를 위해 가습기(200)의 Cold side로 공급되는 water를 By-pass하여 열전 모듈로 공급된다. In the conventional MCFC system, the temperature of the gas downstream of the catalytic combustor is maintained at about 650 ° C. during normal operation (output of 2.5 MW power generation), and supplied to the humidifier 200 at about 550 ° C. after air mixing for controlling the temperature of the fuel cell 100 do. A thermoelectric module 300 for generating electric power and a thermoelectric module composed of an addition device are installed in the high temperature piping supplied to the humidifier 200 and the water supplied to the cold side of the humidifier 200 for By- pass thermoelectric module.

열전 모듈 발전에 소모된 열량으로 인하여 낮아진 가습기(200)의 Cold side out 온도를 보상하기 위해 냉각수는 열전 모듈에 사용되어 열을 얻은 후 가습기(200)의 Cold side 입구에서 연료 즉 메탄과 혼합된 후 연료전지(100)로 공급된다.In order to compensate for the cold side out temperature of the humidifier 200 which is lowered due to the heat consumed in the thermoelectric module power generation, the cooling water is used in the thermoelectric module to obtain heat, and after mixing with the fuel or methane at the cold side inlet of the humidifier 200 And supplied to the fuel cell 100.

열전 모듈에서 발생된 직류(DC) 전기는 비상전원장치인 UPS 충전 및 MCFC 시스템의 전력변환장치(EBOP)에 공급될 수 있다. MCFC 시스템 내에는 비상 가동 정지 시 시스템 보호에 필수적인 전기를 UPS를 통해 공급 받게 된다. 열전 소자 복합 발전 시 MCFC의 비상 가동 정지 시에도 시스템 내 남아있는 폐열을 이용하여 UPS에 전력 공급이 가능하여 시스템의 보호가 가능하다.Direct current (DC) electricity generated from the thermoelectric module can be supplied to the emergency power supply, UPS charge, and to the power conversion unit (EBOP) of the MCFC system. Inside the MCFC system, electricity is supplied via UPS to protect the system during emergency shutdown. When the MCFC is shut down in emergency, it can protect the system by supplying power to the UPS by using the waste heat remaining in the system.

열전 발전은 Hot side와 cold side의 ΔT에 의해 발전하기 때문에 MCFC 시스템내 일정 수준 온도의 발열체에 적용 가능하며, 냉각수는 발전에 필요한 초순수 사용이 가능하다.Because the thermoelectric power is generated by the ΔT on the hot side and the cold side, it can be applied to the heating element of a certain level in the MCFC system, and the cooling water can use ultra pure water required for power generation.

열전발전에 필요한 냉각수 공급은 열전소자(300)가 설치된 배관의 온도에 따라 제어된다.The supply of the cooling water required for the thermoelectric power generation is controlled according to the temperature of the pipe in which the thermoelectric element 300 is installed.

본 발명의 제2 실시예에서는 연료전지(100)에 열전소자(300) 혹은 열전모듈을 설치하여 연료전지(100)의 쿨링효과 및 열전 발전을 통한 시스템의 종합 효율 증대를 기대한다. 열전 발전에 필요한 저온측 냉매는 가습기(200)로 공급되는 초순수가 될 수 있다. 열전 소자를 통과한 초순수는 가습기(200)로 공급되어 스팀생산에 필요한 열원을 보충한다.In the second embodiment of the present invention, the thermoelectric element 300 or the thermoelectric module is installed in the fuel cell 100 to increase the cooling efficiency of the fuel cell 100 and the overall efficiency of the system through the thermoelectric power generation. The low-temperature side refrigerant required for the thermoelectric power generation can be ultrapure water supplied to the humidifier 200. The ultrapure water that has passed through the thermoelectric element is supplied to the humidifier 200 to supplement the heat source necessary for steam production.

연료전지(100)에 열전소자(300) 혹은 열전 모듈을 설치하여 연료전지(100)로부터 흡열하고, 가습기(200)로 공급되는 초순수를 By-pass하여 열전소자(300)로부터 냉각수로 발열하게 된다. 냉각수는 가습기(200)로 재순환된다. 이를 도 2를 참조로 더 자세히 설명하면 다음과 같다.A thermoelectric element 300 or a thermoelectric module is installed in the fuel cell 100 to absorb heat from the fuel cell 100 and bypass the ultrapure water supplied to the humidifier 200 to generate heat from the thermoelectric element 300 to the cooling water . The cooling water is recirculated to the humidifier 200. This will be described in more detail with reference to FIG.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예는, 수소와 공기의 화학 반응이 고온에서 이뤄지고, 외부로부터 메탄이 공급되고 내부에서 메탄이 개질되어 수소를 생성하는 연료전지(100) 즉, MCFC와, 메탄에 수증기를 함유시키기 위해서 연료전지(100) 일측에 구비된 가습기(200) 및, 일측이 연료전지(100)로부터 열을 흡수하고, 타측이 가습기(200)에 유동하는 냉각수로 열을 방출하도록 연료전지(100) 및 가습기(200) 사이에 장착된 열전소자(300)를 포함한다.2, the second embodiment of the present invention is a fuel cell 100 in which the chemical reaction between hydrogen and air is performed at a high temperature, methane is supplied from the outside, and methane is reformed in the inside to generate hydrogen A humidifier 200 provided on one side of the fuel cell 100 for containing water vapor in methane, and a cooling water pipe for absorbing heat from the fuel cell 100 on one side and flowing to the humidifier 200 on the other side And a thermoelectric element 300 mounted between the fuel cell 100 and the humidifier 200 to emit heat.

앞서 기술한 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에서 열전소자(300)는, 연료전지(100)의 외형을 이루는 하우징(Vessel)에 장착된다. 이를 좀더 자세히 설명하면 다음과 같다. 가습기(200)는, 가습기(200)로부터 연장되고, 메탄을 공급하는 유입관(120)과 연통된 냉각관(220)이 구비되고, 열전소자(300)는, 연료전지(100)의 하우징(Vessel)에 장착되고, 일면이 냉각관(220)과 접촉하게 된다.As described above, in the second embodiment of the present invention, the thermoelectric element 300 is mounted on a housing constituting the outer shape of the fuel cell 100. [ This will be described in more detail as follows. The humidifier 200 is provided with a cooling pipe 220 extending from the humidifier 200 and communicating with an inlet pipe 120 for supplying methane and the thermoelectric element 300 is connected to the housing of the fuel cell 100 Vessel, and one surface thereof comes into contact with the cooling pipe 220. [

연료전지(100)는 스택 구조물과 구조물을 감싸고 있는 하우징(Vessel)로 구성된다. 하우징(Vessel) 내부에는 스택 구조물이 위치되고, 스택 구조물 외 공간에는 외부로부터 공급받는 공기(Air)가 흐르게 된다. 하우징(Vessel) 내부 표면은 온도 유지를 위해 단열재로 부착된다. The fuel cell 100 includes a stack structure and a housing surrounding the structure. The stack structure is located inside the housing and the air supplied from the outside flows through the space outside the stack structure. The inner surface of the housing is attached as an insulating material to maintain the temperature.

열전소자(300)는, 열전소자(300)의 일면이 하우징(Vessel) 표면과 동일면을 이루고, 타면이 하우징(Vessel) 내측을 향하도록 연료전지(100) 하우징(Vessel)에 장착된다. 이때, 냉각수가 흐르는 배관 즉, 냉각관(220)이 하우징(Vessel) 표면과 동일면을 이루는 열전소자(300)의 일면에 접촉하게 된다. The thermoelectric element 300 is mounted on the housing of the fuel cell 100 such that one surface of the thermoelectric element 300 is flush with the surface of the housing and the other surface is directed toward the inside of the housing. At this time, the pipe through which the cooling water flows, that is, the cooling pipe 220 comes into contact with one surface of the thermoelectric element 300 which is coplanar with the surface of the housing.

하우징(Vessel) 내측을 향하는 연료전지(100)의 타면에서는, 하우징(Vessel) 내부에 흐르는 공기로부터 열을 흡수하는 흡열작용이 발생되고, 하우징(Vessel)의 표면과 동일면을 이루는 일면에서는, 냉각관(220)으로 열을 방출하는 발열작용이 발생된다.On the other side of the fuel cell 100 facing the inside of the housing, an endothermic action for absorbing heat is generated from the air flowing in the housing, and on one side forming the same surface as the surface of the housing (Vessel) (220).

냉각관(220)의 재질은, 하우징(Vessel) 크기와 표면적에 따라 달라질 수 있으며, 열전소자(300)의 일면 면적에 따라 따라 냉각관(220)의 직경(Size)이 결정된다. 또한, 냉각관(200)의 외부는 단열재 등으로 보호된다. The diameter of the cooling pipe 220 is determined depending on the size of the housing and the area of the surface of the thermoelectric element 300. The outside of the cooling pipe 200 is protected by a heat insulating material or the like.

또한, 본 발명의 제2 실시예는, 연료전지(100)로 공기가 유입되는 공기극 인렛(CATHODE INLET)의 온도를 측정하는 센서(400) 및, 센서(400)를 통해 측정된 측정치를 설정치와 비교하여 유입관(230)을 차폐하도록 유입관(230)에 장착된 차폐장치(500)를 더 포함한다. The second embodiment of the present invention further includes a sensor 400 for measuring the temperature of the air inlet inlet through which air is introduced into the fuel cell 100 and a sensor 400 for measuring the measured value, And further includes a shielding device 500 mounted on the inflow pipe 230 so as to shield the inflow pipe 230.

열전발전을 통해 생산된 전기는 전력변환장치로 공급되거나 비상 전원장치(UPS)의 공급원으로 사용한다. 연료전지(100) 모듈은 급격한 온도 변화에 민감하므로 열전 발전에 필요한 냉각수는 비상정지 시 모듈이 일정 온도 이하로 하락 시 가동을 중지한다. 연료전지(100)를 정상 온도로 유지하기 위해 냉각수는 연료전지(100)의 Cathode inlet 온도를 기준으로 제어된다.Electricity generated by thermoelectric power can be supplied to a power converter or used as a source of an emergency power supply (UPS). Since the module of the fuel cell 100 is sensitive to a sudden temperature change, the cooling water required for the thermoelectric power generation is stopped when the module falls below a predetermined temperature during an emergency stop. In order to maintain the fuel cell 100 at a normal temperature, the cooling water is controlled based on the cathode inlet temperature of the fuel cell 100.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. It is to be understood that various changes and modifications may be made without departing from the scope of the appended claims.

100: 연료전지 110: 배기관
120: 유입관 200: 가습기
210: 탱크 220: 냉각관
300: 열전소자 400: 센서
500: 차폐장치 600: 개질기100: fuel cell 110: exhaust pipe
120: inlet pipe 200: humidifier
210: tank 220: cooling pipe
300: thermoelectric element 400: sensor
500: shielding device 600: reformer

Claims (8)

공기극과, 개질반응으로 개질된 연료를 공급받는 연료극을 구비하는 연료전지;
상기 공기극에서 배기되는 배기가스와의 열교환을 통해, 상기 개질반응에 요구되는 물을 수증기로 기화시키는 가습기; 및
상기 배기가스와 상기 가습기의 물 사이의 온도 차이를 이용하여 전기를 생산하는 열전소자를 포함하며,
상기 가습기는, 상기 물을 저장하는 탱크, 상기 탱크로부터 상기 물을 공급 받아 상기 배기가스와의 열교환을 통해 상기 물을 기화시키는 열교환기, 및 상기 탱크로부터 상기 열교환기로 직접 공급되는 물의 흐름과는 별도로, 상기 탱크의 물을 상기 열전소자를 거쳐, 상기 열교환기로 또는 상기 물의 흐름으로 안내하는 냉각관을 포함하고,
상기 열전소자는 상기 배기가스가 상기 공기극으로부터 상기 열교환기로 공급 되는 경로 중에 구비되는 연료전지 시스템.
A fuel cell having an air electrode and a fuel electrode supplied with fuel modified by a reforming reaction;
A humidifier for vaporizing the water required for the reforming reaction with water vapor through heat exchange with the exhaust gas exhausted from the air electrode; And
And a thermoelectric element for generating electricity using a temperature difference between the exhaust gas and the water of the humidifier,
The humidifier includes a tank for storing the water, a heat exchanger for supplying the water from the tank and vaporizing the water through heat exchange with the exhaust gas, and a water supply unit for supplying water directly from the tank to the heat exchanger And a cooling pipe for guiding the water of the tank to the heat exchanger or the flow of the water through the thermoelectric element,
Wherein the thermoelectric element is provided in a path through which the exhaust gas is supplied from the air electrode to the heat exchanger.
공기극과, 개질반응으로 개질된 연료를 공급받는 연료극을 구비하는 연료전지;
상기 공기극에서 배기되는 배기가스와의 열교환을 통해, 상기 개질반응에 요구되는 물을 수증기로 기화시키는 가습기; 및
상기 연료전지와 상기 가습기의 물 사이의 온도 차이를 이용하여 전기를 생산하는 열전소자를 포함하며,
상기 가습기는, 상기 물을 저장하는 탱크, 상기 탱크로부터 상기 물을 공급 받아 상기 배기가스와의 열교환을 통해 상기 물을 기화시키는 열교환기, 및 상기 탱크로부터 상기 열교환기로 직접 공급되는 물의 흐름과는 별도로, 상기 탱크의 물을 상기 열전소자를 거쳐, 상기 열교환기로 또는 상기 물의 흐름으로 안내하는 냉각관을 포함하고,
상기 열전소자는 상기 연료전지의 하우징에 장착되는 연료전지 시스템.
A fuel cell having an air electrode and a fuel electrode supplied with fuel modified by a reforming reaction;
A humidifier for vaporizing the water required for the reforming reaction with water vapor through heat exchange with the exhaust gas exhausted from the air electrode; And
And a thermoelectric element for producing electricity using a temperature difference between the fuel cell and the water of the humidifier,
The humidifier includes a tank for storing the water, a heat exchanger for supplying the water from the tank and vaporizing the water through heat exchange with the exhaust gas, and a water supply unit for supplying water directly from the tank to the heat exchanger And a cooling pipe for guiding the water of the tank to the heat exchanger or the flow of the water through the thermoelectric element,
Wherein the thermoelectric element is mounted on the housing of the fuel cell.
제1항에 있어서,
상기 배기가스를 상기 공기극으로부터 상기 열교환기로 안내하는 배기관을 더 포함하며,
상기 열전소자는 일측에서 상기 배기관과 접하고, 타측에서 상기 냉각관과 접하는 연료전지 시스템.
The method according to claim 1,
And an exhaust pipe for guiding the exhaust gas from the air electrode to the heat exchanger,
Wherein the thermoelectric element is in contact with the exhaust pipe at one side and is in contact with the cooling pipe at the other side.
제2항에 있어서,
상기 배기가스를 상기 공기극으로부터 상기 열교환기로 안내하는 배기관을 더 포함하며,
상기 열전소자는 일측에서 상기 하우징과 접하고, 타측에서 상기 냉각관과 접하는 연료전지 시스템.
3. The method of claim 2,
And an exhaust pipe for guiding the exhaust gas from the air electrode to the heat exchanger,
Wherein the thermoelectric element is in contact with the housing at one side and is in contact with the cooling tube at the other side.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 냉각관을 유동하는 물은 상기 열전소자가 방출하는 열에 의해 가열된 후에 상기 열교환기로 안내되는 연료전지 시스템.
3. The method according to claim 1 or 2,
Wherein water flowing through the cooling pipe is guided to the heat exchanger after being heated by heat emitted from the thermoelectric element.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 연료전지의 공기극으로 공기가 유입되는 공기극 인렛(CATHODE INLET)의 온도를 측정하는 센서; 및
상기 센서를 통해 측정된 측정치와 설정값을 비교하여 상기 냉각관을 차폐하도록 상기 냉각관에 장착된 차폐장치를 더 포함하는 연료전지 시스템.
3. The method according to claim 1 or 2,
A sensor for measuring a temperature of an air inlet inlet through which air flows into the air electrode of the fuel cell; And
And a shielding device mounted on the cooling pipe to shield the cooling pipe by comparing the measured value with the measured value through the sensor.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 열전소자를 통해 생성된 전기 에너지는,
상기 연료전지를 통해 생성된 전기 에너지를 변환해 전장품으로 송전하는 EBOP(전력변환장치; ELECTRICAL BALANCE OF PLANT) 또는,
UPS(비상전원장치; UNINTERRUPTIBLE POWER SUPPLY)로 송전되는 연료전지 시스템.
3. The method according to claim 1 or 2,
The electric energy generated through the thermoelectric element is converted into electric energy,
(Electric Power Balance of Plan), which converts electric energy generated through the fuel cell and transmits the electric energy to electric devices,
A fuel cell system that is powered by a UPS (UNINTERRUPTIBLE POWER SUPPLY).
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 연료전지는,
MCFC(MOLTEN CARBONATE FUEL CELL; 용융탄산염 연료전지)인 연료전지 시스템.3. The method according to claim 1 or 2,
The fuel cell includes:
A fuel cell system that is a MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell).
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