KR102056265B1 - 연료전지 가열장치 및 가열방법과 이를 포함하는 연료전지장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지 가열장치 및 가열방법과 이를 포함하는 연료전지장치에 관한 것이다. 상기 가열장치는, 작동상태에 있는 연료전지 스택의 온도 하강시, 해당 스택에 열을 가하여, 스택의 온도를 정상범위 내에 유지시키는 것으로서, 상기 스택의 외부에 밀착 설치되며, 스택으로부터 배출되는 배출물을 받아 스택 외부로 유도하는 아웃렛매니폴드부와; 상기 아웃렛매니폴드부의 내부로 외부의 보조연료를 공급하여, 보조연료가 아웃렛매니폴드부 내에서 연소하며 아웃렛매니폴드부 및 이에 접하는 스택을 가열하게 하는 보조연료공급부를 포함한다.
상기와 같이 이루어지는 본 발명의 연료전지 장치는, 각각의 스택이 서로에 대해 이격 배치되므로 스택간의 열전달이 이루어지지 않아 스택들이 서로에 대해 영향 받지 않으며, 특히 인렛매니폴드부와 아웃렛매니폴드부를 스택과 스택 사이에 개재시키되, 아웃렛매니폴드부를 가열원으로 삼아 스택을 개별적으로 가열 할 수 있으므로 스택의 온도저하에 따른 문제가 없어, 전체적인 발전효율이 최상으로 유지된다.

Description

연료전지 가열장치 및 가열방법과 이를 포함하는 연료전지장치 {Device and Method for heating the Fuel cell and Apparatus having the same}
본 발명은 연료전지 가열장치 및 가열방법과 이를 포함하는 연료전지장치에 관한 것이다.
에너지원으로 가장 널리 사용되고 있는 석유나 석탄 등의 화석연료는 매장량이 한정되어 있어, 그를 대신할 만한 대체 에너지 문제가 국가적 사회적으로 큰 관심거리가 되고 있다. 이를테면 석유나 석탄이나 가스 등의 화석연료가 아닌 태양열, 조력, 풍력을 이용한 발전이나 연료전지 등에 관한 관심이 고조되고 있는 것이다.
상기한 여러 가지 대체 에너지 중, 연료전지는 물의 전기분해 반응의 역반응을 이용하여 전기를 생산하는 것으로서, 천연가스, 석탄가스, 메탄올 등의 탄화수소 계열의 물질에 포함되어 있는 수소와, 공기 중의 산소를 전기 화학반응을 통해 전기에너지로 변환시키는 기술을 응용한 것이다.
이는 기존의 발전기술이 연료의 연소, 증기발생, 터빈구동, 발전기구동 등의 여러 과정을 포함하는 것과 달리, 연소 과정이나 구동 장치가 없으므로 효율이 높을 뿐만 아니라, 가령 SOx와 NOx 등의 대기오염물질을 거의 배출하지 않고 이산화탄소의 발생도 적으며, 소음이나 진동 등이 거의 없다는 장점이 있다.
이러한 연료전지에도 많은 종류가 있으며 예컨대, 인산형 연료전지(PAFC), 알칼리형 연료전지(AFC), 고분자전해질형 연료전지(PEMFC), 직접메탄올 연료전지(DMFC), 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell; SOFC) 등 다양한 종류가 있다.
상기 고체산화물 연료전지(SOFC)는 산소 또는 수소 이온을 투과시킬 수 있는 고체산화물을 전해질로 사용하는 연료전지로써, 모든 구성요소가 고체로 이루어져 있기 때문에 다른 연료전지에 비해 구조가 간단하고, 전해질의 손실 및 보충과 부식의 문제가 없다. 또한 고온에서 작동하기 때문에 귀금속 촉매가 필요하지 않으며, 직접 내부 개질을 통한 연료 공급이 용이하고, 고온의 가스를 배출하기 때문에 폐열을 이용한 열 복합 발전이 가능하다는 장점도 지니고 있다.
이러한 고체산화물 연료전지는 아래의 반응식과 같은 전극 반응을 한다.
<반응식>
연료극: H2 + O2 - → H2O + 2e-
CO + O2 - → CO2 + 2e-
공기극: O2 + 4e- → 2O2 -
전반응: H2 + CO + O2 → H20 + CO2
상기 반응식에 따라 작동하는 연료전지에 있어서, 전자는 외부 회로를 거쳐 공기극에 도달하고, 이와 동시에 공기극에서 발생한 산소이온은 전해질을 통해서 연료극으로 전달되어, 연료극에서는 수소 또는 CO가 산소이온과 결합하여 전자 및 물 또는 CO2를 생성한다.
한편, 상기한 고체산화물 연료전지는, 다수의 단위셀을 적층 구성한 이른바 스택(stack)을 기본 단위로 하며, 상기 스택은 전력 생산용량을 늘리기 위하여 직렬 또는 병렬 또는 직병렬로 조합하여 구성된다.
도 1은 종래 연료전지스택의 문제점을 설명하기 위하여 도시한 연료전지시스템(11)의 구성 도면이다.
도시한 바와같이, 종래의 연료전지시스템(11)은, 다수의 단위스택(19a,19b,19c)을 적층 구성한 발전부(19)와, 열교환기(13)와, 버너(15)와, 개질기(17)와, 전력변환기(27) 등을 포함하여 구성된다.
상기 각 단위스택(19a,19b,19c)은 적층 단위셀을 그 내부에 수용한 상태로 이웃 단위스택과 밀착 결합되어 있다. 상기 발전부(19)로부터 생산된 전기는 전력변환기(27)를 통해 적절히 가공되어 외부의 전력수요처로 공급된다.
상기 버너(15)는 각 단위스택(19a,19b,19c) 후단의 가스를 회수파이프(25)를 통해 공급받아 개질기(17) 및 인근 열교환기(13)를 가열하고, 개질기(17)로 하여금 연료를 개질하도록 하여 수소가 풍부한 가스를 발전부(19)의 각 단위스택으로 보내게 한다.
아울러 상기 열교환기(13)는 상기 발전부(19)에서 배출되어 회수파이프(25)를 통해 회수된 고온의 미반응가스(수소, 공기 등)와, 외부로부터 새로 유입되는 연료와 공기를 열교환시켜, 연료와 공기를 가열하는 역할을 한다.
그런데 상기한 종래의 연료전지시스템(11)은, 발전부(19)를 구성하는 각 단위스택이 서로에 대해 밀착 구성되므로, 임의의 스택이 이웃 스택에 나쁜 영향을 미칠 수 있다는 단점이 있었다. 즉 일부 스택의 성능저하가 다른 스택으로 전파되는 될 수 있는 것이다.
이를테면 임의의 단위스택에 문제가 발생하여 그 성능이 저하될 경우, 그에 이웃하는 단위스택으로 전류 쏠림 등이 야기되어, 단위스택 상호간의 히트발란스(heat balance)가 파괴됨으로써 연료전지시스템(11)의 성능이 크게 저하될 수 있는 것이다. 다시 말하면, 임의의 단위스택의 온도가 (비정상적인 이유로) 떨어질 경우, 이에 밀착하고 있는 이웃 단위스택의 온도도 같이 떨어져 전체적으로 현저한 성능 저하가 유발되는 것이다.
공지의 사실과 같이, SOFC와 같은 고온 연료전지의 경우, 각 단위스택의 운전온도는, 출력전력이나 내구성 등의 성능에 큰 영향을 미치므로, 단위스택의 자체의 운전온도는 물론 주변 단위스택간의 히트발란스를 유지하는 것이 매우 중요한데, 상기한 종래의 발전부(19)는 각 단위스택이 밀착 구성되어 있고, 게다가 임의 단위스택의 온도 저하시 온도를 정상범위로 올리기 위한 별도의 가열수단이 없어, 연료전지 시스템의 출력을 최적으로 유지하기가 쉽지 않은 것이다.
본 발명은 상기 문제점을 해소하고자 창출한 것으로서, 각각의 스택이 서로에 대해 이격 배치되므로 스택간의 열전달이 이루어지지 않아 스택들이 서로에 대해 영향 받지 않으며, 특히 인렛매니폴드부부와 아웃렛매니폴드부부를 스택과 스택 사이에 개재시키되, 아웃렛매니폴드부부를 가열원으로 삼아 스택을 개별적으로 가열 할 수 있으므로 스택의 온도저하에 따른 문제가 없어, 전체적인 발전효율이 최상으로 유지되는 연료전지 시스템과, 상기 아웃렛매니폴드부부를 개별적으로 가열시키는 연료전지 가열장치 및 가열방법을 제공함에 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 연료전지 가열장치는, 작동상태에 있는 연료전지 스택의 온도 하강시, 해당 스택에 열을 가하여, 스택의 온도를 정상범위 내에 유지시키는 것으로서, 상기 스택의 외부에 밀착 설치되며, 스택으로부터 배출되는 배출물을 받아 스택 외부로 유도하는 아웃렛매니폴드부부와; 상기 아웃렛매니폴드부부의 내부로 외부의 보조연료를 공급하여, 보조연료가 아웃렛매니폴드부부 내에서 연소하며 아웃렛매니폴드부부 및 이에 접하는 스택을 가열하게 하는 보조연료공급부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 스택은 두 개 이상이 이격 배치되고, 상기 각 스택에 있어서, 스택을 사이에 두고 상기 아웃렛매니폴드부부의 반대측에는, 스택의 내부로 연료와 공기를 공급하는 인렛매니폴드부부가 설치된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 아웃렛매니폴드부의 내부에는; 상기 스택내의 캐소오드측에서 배출되는 배출물을 받아 통과시키는 캐소오드아웃부와, 격벽에 의해 상기 캐소오드아웃부에 대해 격리되며, 스택내의 애노드측에서 배출되는 배출물을 받아 통과시키는 애노드아웃부가 형성된 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 보조연료공급부는; 상기 스택으로 공급되는 연료의 일부를, 보조연료로 사용하기 위해 받아 상기 아웃렛매니폴드부의 캐소오드아웃부 내부로 유도하는 보조연료파이프와, 상기 보조연료파이프에 설치되어 보조연료파이프를 통과하는 보조연료의 유량을 조절하는 유량조절부를 구비하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 캐소오드아웃부의 내부에는, 캐소오드아웃부로 들어온 보조연료의 연소를 유도하는 연소유도부가 설치된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 개별 가열장치에는, 상기 유량조절부를 제어하기 위한 제어부가 더 구비되고, 상기 스택에는 스택의 온도를 감지하기 위한 센서가 설치되며, 상기 제어부는; 상기 센서로부터 전달받은 스택의 온도정보를 기초로 유량조절부를 제어하여, 보조연료의 공급량을 조절하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 캐소오드아웃부에는, 캐소오드아웃부내에서 발생한 보조연료의 연소가스를 외부로 배출하기 위한 연소가스배출파이프가 고정되어 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 연료전지스택 개별 가열방법은, 서로에 대해 이격 배치된 다수의 스택을 포함하는 발전부와, 상기 스택의 외부에 밀착 설치되며, 스택으로부터 배출되는 배출물을 받아 스택 외부로 유도하는 아웃렛매니폴드부와, 상기 아웃렛매니폴드부의 내부로 외부의 보조연료를 공급하여, 보조연료가 아웃렛매니폴드부 내에서 연소하여 아웃렛매니폴드부와 이에 접하는 스택을 가열하게 하는 보조연료공급부를 포함하는 연료전지스택 개별 가열장치를 구동하는 방법으로서,
상기 각 스택의 온도를 센싱하는 1차온도센싱단계와; 상기 1차온도센싱단계를 통해 센싱된 온도가 정상범위 내에 포함되고 있는지 판단하는 1차판단단계와; 상기 1차판단단계를 통해 온도가 정상범위를 벗어났다고 판단된 경우, 상기 보조연료공급부를 통해 아웃렛매니폴드부에 보조연료를 공급하여 아웃렛매니폴드부를 가열시키는 가열단계와; 상기 가열단계에 따른 스택의 온도를 감지하는 2차온도센싱단계와; 상기 2차온도센싱단계를 통해 센싱된 스택의 온도가 정상범위 내로 들어갔는지 판단하는 2차판단단계와; 상기 2차판단단계를 통해 감지된 온도가 정상범위이내 일 경우, 상기 보조연료공급부를 제어하여 보조연료의 공급을 차단하는 보조연료차단단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 아웃렛매니폴드부의 내부에는; 상기 스택내의 캐소오드측에서 배출되는 배출물을 받아 통과시키는 캐소오드아웃부와, 격벽에 의해 상기 캐소오드아웃부에 대해 격리되며, 스택내의 애노드측에서 배출되는 배출물을 받아 통과시키는 애노드아웃부가 형성되고, 상기 보조연료공급부는; 상기 스택으로 공급되는 연료의 일부를, 보조연료로 사용하기 위해 받아 상기 아웃렛매니폴드부의 캐소오드아웃부 내부로 유도하는 보조연료파이프와, 상기 보조연료파이프에 설치되어 보조연료파이프를 통과하는 보조연료의 유량을 조절하는 유량조절부를 구비하고, 상기 가열단계는; 상기 유량조절부를 통해 캐소오드아웃부내에 보조연료를 공급하는 단계인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 보조연료차단단계는; 상기 유량조절부를 차단하여 캐소오드아웃부로 공급되는 보조연료의 흐름을 중단시키는 단계인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 연료전지 시스템은, 서로에 대해 이격 배치된 다수의 스택을 포함하는 발전부와; 상기 각 스택의 외부에 밀착 설치되며, 스택으로부터 배출되는 배출물을 받아 스택 외부로 유도하는 아웃렛매니폴드부와; 연료공급파이프 및 공기공급파이프를 통해 외부로부터 공급된 연료와 공기를 상기 스택의 내부로 공급하는 것으로서, 스택을 사이에 두고 아웃렛매니폴드부의 반대편에 위치하는 인렛매니폴드부부와; 작동상태에 있는 스택의 온도 하강시 해당 스택에 열을 가하여, 스택의 온도를 정상범위내에 유지시키는 것으로서, 상기 아웃렛매니폴드부의 내부로 외부의 보조연료를 공급하여, 보조연료가 아웃렛매니폴드부 내에서 연소하며 아웃렛매니폴드부와 이에 접하는 스택을 가열하게 하는 보조연료공급부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 아웃렛매니폴드부의 내부에는; 상기 스택내의 캐소오드측에서 배출되는 배출물을 받아 통과시키는 캐소오드아웃부와, 격벽에 의해 상기 캐소오드아웃부에 대해 격리되며, 스택내의 애노드측에서 배출되는 배출물을 받아 통과시키는 애노드아웃부가 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 보조연료공급부는; 상기 스택으로 공급되는 연료의 일부를 보조연료로 사용하기 위해 받아, 상기 아웃렛매니폴드부의 캐소오드아웃부 내부로 유도하는 보조연료파이프와, 상기 보조연료파이프에 설치되며 보조연료파이프를 통과하는 보조연료의 유량을 조절하는 유량조절부를 구비하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 캐소오드아웃부의 내부에는, 캐소오드아웃부로 들어온 보조연료의 연소를 유도하는 연소유도부가 설치된 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 연료전시 시스템에는, 상기 유량조절부를 제어하기 위한 제어부가 더 구비되고, 상기 스택에는 스택의 온도를 감지하는 센서가 설치되며, 상기 제어부는; 상기 센서로부터 전달받은 스택의 온도정보를 기초로 유량조절부를 제어하여, 보조연료의 공급량을 조절하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 캐소오드아웃부에는, 캐소오드아웃부내에서 발생한 보조연료의 연소가스를 외부로 배출하기 위한 연소가스배출파이프가 고정되어 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 연소가스배출파이프와 상기 공기공급파이프의 사이에는 연소가스배출파이프의 열을 공기공급파이프로 전달하기 위한 열교환기가 더 구비된 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 애노드아웃부에는, 애노드아웃부를 통과해 아웃렛매니폴드부의 외부로 배출되는 배출물을 받아들여 유도하는 회수파이프가 고정되고, 상기 회수파이프와 연료공급파이프의 사이에는 열교환기가 더 설치된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.
이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
상기와 같이 이루어지는 본 발명의 연료전지 장치는, 각각의 스택이 서로에 대해 이격 배치되므로 스택간의 열전달이 이루어지지 않아 스택들이 서로에 대해 영향 받지 않으며, 특히 인렛매니폴드부부와 아웃렛매니폴드부를 스택과 스택 사이에 개재시키되, 아웃렛매니폴드부를 가열원으로 삼아 스택을 개별적으로 가열 할 수 있으므로 스택의 온도저하에 따른 문제가 없어, 전체적인 발전효율이 최상으로 유지된다.
도 1은 종래 연료전지스택의 문제점을 설명하기 위하여 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 전체적인 구조와 연료전지스택 개별 가열장치의 동작원리를 설명하기 위한 구조도이다.
도 3은 상기 도 2에 도시한 연료전지 시스템에서의 가열장치를 보다 구체적으로 나타내 보인 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지스택 개별 가열방법을 정리하여 도시한 순서도이다.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다.
본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소 들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다.
또한, “제 1”, “제 2”, “일 측”, “타 측” 등의 용어는, 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다.
본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지기술에 대한 상세한 설명은 생략한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태를 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템(31)의 전체적인 구조와 연료전지스택 개별 가열장치의 동작원리를 설명하기 위한 구조도이고, 도 3은 상기 도 2에 도시한 연료전지 시스템(31)에서의 가열장치를 보다 구체적으로 나타내 보인 도면이다.
도시한 바와같이, 본 실시예에 따른 연료전시 시스템(31)은, 서로에 대해 이격되며 상하로 배치된 다수의 스택(53)을 구비하는 발전부(51)와, 상기 각 스택(53)의 상부에 밀착 설치되는 인렛매니폴드부부(55)와, 각 스택(53)의 하부에 밀착 설치되는 아웃렛매니폴드부(57)와, 작동상태에 있는 스택의 온도 하강시 해당 스택에 열을 가하여, 스택의 온도를 정상범위내에 유지시키는 개별 가열장치를 포함한다.
상기 개별 가열장치는, 임의의 아웃렛매니폴드부(57)의 내부로 외부의 보조연료를 공급하여, 보조연료가 아웃렛매니폴드부(57) 내에서 연소하며 아웃렛매니폴드부와 이에 접하는 스택(53)을 가열하게 하는 보조연료공급부를 포함한다.
상기 발전부(51)를 이루는 스택(53)은, n 개가 상하로 이격 배치된다. 또한 각 스택(53) 내부에는 적층된 상태의 단위셀이 내장되어 있음은 물론이다. 상기 스택(53) 자체는 일반적인 스택과 같은 것이다.
기본적으로 본 실시예의 연료전지 시스템(31)은, 각각의 스택(53)이 서로에 대해 이격 배치되어 있고, 각 스택(53)의 사이에 아웃렛매니폴드부(57) 및 인렛매니폴드부부(55)가 개지되어 있다는 특징을 갖는다.
상기와 같이 스택(53)이 이격되어 있으므로, 스택(53)간의 열전달이 이루어질 수 없다. 또한 상기 아웃렛매니폴드부(57)와 인렛매니폴드부부(55)는 서로 결합한 상태로 각 스택(53)을 기계적으로 고정시키며, 특히 아웃렛매니폴드부(57)는 외부로부터 공급된 보조연료에 의해 가열되어, 그 상부에 위치한 스택(53)을 가열한다.
상기 각 인렛매니폴드부(55)는, 연료공급파이프(33) 및 공기공급파이프(47)의 단부와 접속되어 있다. 따라서 상기 연료공급파이프(33)를 통해 공급된 연료는 개질기(45)를 통과한 상태로 인렛매니폴드부(55)를 경유하여 스택(53)내의 연료극(미도시)으로 공급되고, 공기공급파이프(47)를 통해 유입된 공기는 인렛매니폴드부(55)를 통과하여 스택(53)내의 공기극으로 전달되어, 전기화학반응에 참여한다.
또한 상기 아웃렛매니폴드부(57)는, 스택(53)으로부터 배출된 반응후의 반응물(물, 미반응 수소, 공기 등)을 통과시켜, 외부로 유도하는 역할을 한다.
특히 상기 아웃렛매니폴드부(57)는, 도 3에 도시한 바와같이, 격벽(57c)에 의해 구획된 캐소오스아웃부(57a)와 애노드아웃부(57b)를 갖는다. 상기 캐소오드아웃부(57a)는 스택의 캐소오드측에서 발생하는 반응물을 그 내부로 통과시키는 공간부이다. 또한 애노드아웃부(57b)는 스택(53)내의 애노드측에서 발생되는 반응물을 받아들여 회수파이프(65)로 내보내는 공간부이다.
아울러 각각의 캐소오드아웃부(57a)내에는 연소유도부(67)가 내장된다. 상기 연소유도부(67)는 캐소오드아웃부(57a) 내부로 유입한 보조연료의 발화를 촉진하여 연소를 유도하는 역할을 한다. 상기 연소유도부로서 디퓨젼타입 연소기나 촉매연소기를 적용할 수 있다.
그런데 상기 아웃렛매니폴드부(57)는 (인렛매니폴드부(55)도 마찬가지겠지만) 계속되는 발전부(51)의 운전에 의해 600℃이상의 온도로 가열된 상태이므로, 상기 보조연료는 캐소오드아웃부(57a) 내부로 유입되자 만자 자연발화한다. 상기 연소유도부(67)를 적용하지 않을 수 도 있는 것이다.
한편, 상기 개별 가열장치는, 작동상태에 있는 발전부(51) 중, 임의의 스택의 온도 하강시, 해당 스택을 가열하여 온도를 정상범위 내로 유지시키는 역할을 한다.
이러한 기능의 개별 가열장치는, 상기 아웃렛매니폴드부(57)의 캐소오드아웃부(57a)로 보조연료를 공급하는 보조연료공급부를 갖는다.
상기 보조연료공급부는, 연료공급파이프(33)를 통해 유입되어 각 스택(53)으로 이동하는 연료의 일부를, 보조연료로 사용하기 위해 받아, 선택된 캐소오드아웃부(57a) 내부로 유도하는 보조연료파이프(35)와, 각 보조연료파이프(35)에 설치되어 보조연료파이프(35)를 통과하는 보조연료의 유량을 조절하는 유량조절부(37)를 포함한다. 상기 유량조절부(37)는, 다수의 밸브(37a)로 구성된다.
상기 캐소오드아웃부(57a)로 공급되는 보조연료는 개질기(45)를 통해 개질되기 전의 상태로서, 고온으로 유지되고 있는 캐소오드아웃부(57a) 내부로 유입된 후 자연발화하여 아웃렛매니폴드부(57)를 가열한다. 상기 아웃렛매니폴드부(57)는 스택(53)의 저면에 밀착하고 있으므로, 아웃렛매니폴드부(57)의 가열에 의해 스택(53)도 가열된다.
상기 밸브(37a)를 개방할수록 캐소오드아웃부(57a)로 공급되는 보조연료의 유량이 많아짐은 물론이다. 또한 밸브(37a)를 완전히 차단하면 보조연료의 공급이 이루어지지 않음은 당연하다.
상기 밸브(37a)는 수동식 밸브일수도 있고, 제어부(39)의 전기신호에 의해 작동되는 솔레노이드밸브 일 수 도 있다.
상기 각 스택(53)의 측부에는 센서(61)가 설치되어 있다. 상기 센서(61)는, 스택(53)의 온도를 실시간으로 감지하는 역할을 한다. 상기 센서(61)가 감지한 온도정보는 별도의 디스플레이부(미도시)를 통해 관리자에게 통보된다.
아울러 상기 제어부(39)는 센서(61)로부터 전달받은 온도정보를 기초로, 상기 밸브(37a)를 개방할지 여부를 판단한다. 가령 임의 스택(53)의 온도가 이웃 스택의 온도보다 낮을 경우, 밸브(37a)를 열어, 낮은 온도의 스택(53)과 접하고 있는 아웃렛매니폴드부(57)의 캐소오스아웃부(57a) 내부로 보조연료를 유도하는 것이다.
한편, 상기 각 아웃렛매니폴드부(57)의 애노드아웃부(57b)내의 미반응 수소는, 회수파이프(65)를 통해 열교환기(41a)와 블로워(43)를 통과한 후 개질기(45)를 경유하여 인넷매니폴드(55)로 공급된다. 상기 블로워(43)는 수소가스에 운동에너지를 부가하여 개질기(45)로 압송하는 역할을 한다.
상기 회수파이프(65)가 통과하는 열교환기(41a)에는 연료공급파이프(33)도 지난다. 따라서 상기 연료공급파이프(33)와 회수파이프(65)는 열교환기(41a)의 내부에서 열교환한다. 외부로부터 연료공급파이프(33)로 유입되어 개질기(45)를 향하는 연료는 회수파이프(65)를 흐르는 고온의 수소와 열교환되어 가열된다.
또한 상기 각 캐소오드아웃부(57a)에는 연소가스배출파이프(63)가 인입 고정되어 있다. 상기 연소가스배출파이프(63)는 캐소오드아웃부(57a) 내에서 연소된 보조연료의 연소가스를 대기로 배기하는 역할을 한다.
상기 연소가스배출파이프(63)와 공기공급파이프(47)의 사이에도 열교환기(41b)가 구비된다. 상기 열교환기(41b)는 연소가스배출파이프(63)를 통과하는 고온의 연소가스의 온도를, 새로 공급되는 공기와 열교환시킨느 역할을 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지스택 개별 가열방법을 정리하여 도시한 순서도이다. 본 실시예에 따른 연료전지스택 개별 가열방법은, 위에 설명한, 연료전지 시스템에서의 개별 가열장치를 구동하는 방법에 관한 것이다.
도시한 바와같이, 본 실시예에 따른 연료전지스택 개별 가열방법은, 상기 센서(61)를 이용해 각 스택(53)의 온도를 센싱하는 1차온도센싱단계(100)로 시작된다. 상기 1차온도센싱단계(100)를 통해 실시간으로 파악되는 온도정보는 작업자에게 통보됨은 물론 제어부(39)로도 전달된다.
이어서 1차판단단계(102)를 수행한다. 상기 1차판단단계(102)는 상기 1차온도센싱단계를 통해 센싱된 스택의 현재 온도가 정상범위 내에 포함되고 있는지 판단하는 과정이다. 상기 1차판단단계(102)의 판단주체는 제어부(39)이거나 작업자 일 수 있다. 적용된 밸브(37a)가 일반적인 수동식 밸브일 경우 판단주체는 작업자이다.
상기 1차판단단계(102)를 통해 스택의 온도가 정상범위를 벗어났다고 판단된 경우, 상기 밸브(37a)를 개방하여 캐소오드아웃부(57a)내에 보조연료를 공급하여 아웃렛매니폴드부를 가열시키는 가열단계(104)가 이어진다. 상기 밸브(37a)는 작업자에 의해 수동으로 조작되거나 제어부(39)에 의해 자동으로 개폐될 수 있음은 위에 언급한 바와같다.
상기 1차판단단계(102)를 통해 스택의 온도가 정상범위이내 라고 판단되었다면 별다른 조치를 취하지 않고, 상기 1차온도센싱단계(100)를 계속적으로 수행한다.
상기 가열단계(104)에 이어서 2차온도센싱단계(108)가 수행된다. 상기 2차온도센싱단계(108)는, 상기 센서(61)를 이용해, 가열을 마친 스택(53)의 온도를 측정하는 과정이다. 상기 2차온도센싱단계(108)를 통해 감지된 온도정보는 작업자와 제어부(39)로 통보된다. 이 과정은 1차온도센싱단계(100)와 동일한다.
상기 2차온도센싱단계(108)에 이어 2차판단단계(110)를 수행한다. 상기 2차판단단계(110)는, 상기 가열단계(104)를 통해 가열된 스택(53)의 온도가 정상범위 내로 들어갔는지 판단하는 과정이다.
상기 2차판단단계(110)를 통해, 스택(53)의 온도가 정상범위 내부에 들어가지 않았다고 판단되었다면, 상기 가열단계(104)를 반복한다.
그러나, 스택(53)의 온도가 정상범위에 들어갔다면, 상기 보조연료공급부를 제어하여 보조연료의 공급을 차단하는 보조연료차단단계(112)를 수행한다. 상기 보조연료차단단계(112)는, 상기 밸브(37a)를 차단하여 캐소오드아웃부로 공급되는 보조연료의 흐름을 중단시키는 과정이다.
이상, 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세하게 설명하였으나, 이는 본 발명의 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로, 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
11:연료전지시스템 13:열교환기 15:버너
17:개질기 19:발전부 19a,19b,19c:단위스택
21:연료공급파이프 23:공기파이프 25:회수파이프
27:전력변환기 31:연료전지시스템 33:연료공급파이프
35:보조연료파이프 37:유량조절부 37a:밸브
39:제어부 41a,41b:열교환기 43:블로워
45:개질기 47:공기공급파이프 51:발전부
53:스택 55:인렛매니폴드부 57:아웃렛매니폴드부
57a:캐소오드아웃부 57b:애노드아웃부 57c:격벽
61:센서 63:연소가스배출파이프 65:회수파이프
67:연소유도부

Claims (19)

  1. 연료전지 장치에 있어서,
    서로에 대해 이격 배치된 다수의 스택의 외부에 접하도록 설치되며, 스택으로부터 배출되는 배출물을 받아 스택 외부로 유도하는 아웃렛매니폴드부부;
    상기 아웃렛매니폴드부부의 내부로 외부의 보조연료를 공급하여, 보조연료가 상기 아웃렛매니폴드부부 내에서 연소하며 아웃렛매니폴드부부 및 이에 접하는 스택을 가열하게 하는 보조연료공급부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 가열장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 각 스택에 있어서, 스택을 사이에 두고 상기 아웃렛매니폴드부부의 반대측에는, 스택의 내부로 연료와 공기를 공급하는 인렛매니폴드부가 설치된 것을 특징으로 하는 연료전지 가열장치.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 아웃렛매니폴드부부의 내부에는;
    상기 스택내의 캐소오드측에서 배출되는 배출물을 받아 통과시키는 캐소오드아웃부와,
    격벽에 의해 상기 캐소오드아웃부에 대해 격리되며, 스택내의 애노드측에서 배출되는 배출물을 받아 통과시키는 애노드아웃부가 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 가열장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 보조연료공급부는;
    상기 스택으로 공급되는 연료의 일부를, 보조연료로 사용하기 위해 받아 상기 아웃렛매니폴드부의 캐소오드아웃부 내부로 유도하는 보조연료파이프와,
    상기 보조연료파이프에 설치되어 보조연료파이프를 통과하는 보조연료의 유량을 조절하는 유량조절부를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지 가열장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 캐소오드아웃부의 내부에는, 캐소오드아웃부로 들어온 보조연료의 연소를 유도하는 연소유도부가 설치된 것을 특징으로 하는 연료전지 가열장치.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 유량조절부를 제어하기 위한 제어부가 더 구비되고,
    상기 스택에는 스택의 온도를 감지하기 위한 센서가 설치되며,
    상기 제어부는;
    상기 센서로부터 전달받은 스택의 온도정보를 기초로 유량조절부를 제어하여, 보조연료의 공급량을 조절하는 것을 특징으로 하는 연료전지 가열장치.
  7. 제 4항에 있어서,
    상기 캐소오드아웃부에는, 캐소오드아웃부내에서 발생한 보조연료의 연소가스를 외부로 배출하기 위한 연소가스배출파이프가 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 가열장치.
  8. 서로에 대해 이격 배치된 다수의 스택을 포함하는 발전부와;
    상기 각 스택의 외부에 설치되며, 스택으로부터 배출되는 배출물을 받아 스택 외부로 유도하는 아웃렛매니폴드부부와;
    연료공급파이프 및 공기공급파이프를 통해 외부로부터 공급된 연료와 공기를 상기 스택의 내부로 공급하는 것으로서, 스택을 사이에 두고 상기 아웃렛매니폴드부부의 반대편에 위치하는 인렛매니폴드부와;
    상기 아웃렛매니폴드부부의 내부로 외부의 보조연료를 공급하여, 보조연료가 아웃렛매니폴드부부 내에서 연소하며 아웃렛매니폴드부부와 이에 접하는 스택을 가열하게 하는 보조연료공급부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 장치.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 아웃렛매니폴드부부의 내부에는;
    상기 스택내의 캐소오드측에서 배출되는 배출물을 받아 통과시키는 캐소오드아웃부와,
    격벽에 의해 상기 캐소오드아웃부에 대해 격리되며, 스택내의 애노드측에서 배출되는 배출물을 받아 통과시키는 애노드아웃부가 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 장치.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 보조연료공급부는;
    상기 스택으로 공급되는 연료의 일부를 보조연료로 사용하기 위해 받아, 상기 아웃렛매니폴드부부의 캐소오드아웃부 내부로 유도하는 보조연료파이프와,
    상기 보조연료파이프에 설치되며 보조연료파이프를 통과하는 보조연료의 유량을 조절하는 유량조절부를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지 장치.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 캐소오드아웃부의 내부에는, 캐소오드아웃부로 들어온 보조연료의 연소를 유도하는 연소유도부가 설치된 것을 특징으로 하는 연료전지 장치.
  12. 제 10항에 있어서,
    상기 유량조절부를 제어하기 위한 제어부가 더 구비되고,
    상기 스택에는 스택의 온도를 감지하는 센서가 설치되며,
    상기 제어부는;
    상기 센서로부터 전달받은 스택의 온도정보를 기초로 유량조절부를 제어하여, 보조연료의 공급량을 조절하는 것을 특징으로 하는 연료전지 장치.
  13. 제 10항에 있어서,
    상기 캐소오드아웃부에는, 캐소오드아웃부내에서 발생한 보조연료의 연소가스를 외부로 배출하기 위한 연소가스배출파이프가 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 장치.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 연소가스배출파이프와 상기 공기공급파이프의 사이에는 연소가스배출파이프의 열을 공기공급파이프로 전달하기 위한 열교환기가 더 구비된 것을 특징으로 하는 연료전지 장치.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 애노드아웃부에는, 애노드아웃부를 통과해 아웃렛매니폴드부의 외부로 배출되는 배출물을 받아들여 유도하는 회수파이프가 고정되고,
    상기 회수파이프와 연료공급파이프의 사이에는 열교환기가 더 설치된 것을 특징으로 하는 연료전지 장치.
  16. 연료전지 가열 방법으로서,
    서로에 대해 이격 배치된 다수의 스택의 외부에 접하도록 설치되며, 스택으로부터 배출되는 배출물을 받아 스택 외부로 유도하는 아웃렛매니폴드부부, 스택을 사이에 두고 상기 아웃렛매니폴드부의 반대측에는 스택의 내부로 연료와 공기를 공급하는 인렛매니폴드부가 설치되어 각 스택의 온도를 센싱하는 1차온도센싱단계와;
    상기 1차온도센싱단계를 통해 센싱된 온도가 정상범위 내에 포함되고 있는지 판단하는 1차판단단계와;
    상기 1차판단단계를 통해 온도가 정상범위를 벗어났다고 판단된 경우, 아웃렛매니폴드부부에 보조연료를 공급하여 아웃렛매니폴드부부를 가열시키는 가열단계와;
    상기 가열단계에 따른 스택의 온도를 감지하는 2차온도센싱단계와;
    상기 2차온도센싱단계를 통해 센싱된 스택의 온도가 정상범위 내로 들어갔는지 판단하는 2차판단단계와;
    상기 2차판단단계를 통해 감지된 온도가 정상범위이내 일 경우, 보조연료의 공급을 차단하는 보조연료차단단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 가열방법.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 가열단계는;
    유량조절부를 통해 캐소오드아웃부내에 보조연료를 공급하는 단계인 것을 특징으로 하는 연료전지 가열방법.
  18. 제 16항에 있어서,
    상기 보조연료차단단계는;
    유량조절부를 차단하여 캐소오드아웃부로 공급되는 보조연료의 흐름을 중단시키는 단계인 것을 특징으로 하는 연료전지 가열방법.
  19. 제16항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 아웃렛매니폴드부부의 내부에는;
    스택내의 캐소오드측에서 배출되는 배출물을 받아 통과시키는 캐소오드아웃부와, 격벽에 의해 상기 캐소오드아웃부에 대해 격리되며, 스택내의애노드측에서 배출되는 배출물을 받아 통과시키는 애노드아웃부가 형성되고,
    보조연료공급부는;
    스택으로 공급되는 연료의 일부를, 보조연료로 사용하기 위해 받아 상기 아웃렛매니폴드부부의캐소오드아웃부 내부로 유도하는 보조연료파이프와, 상기 보조연료파이프에 설치되어 보조연료파이프를 통과하는 보조연료의 유량을 조절하는 유량조절부를구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지 가열방법.
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