KR102374157B1 - 압력과 온도 변동 흡착 기술을 이용하여 산소가 농축된 공기를 공급받는 연료전지 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 복수의 질소 흡착기들이 병렬로 구비됨으로써, 일부는 질소를 흡착하는 흡착 모드로 사용하고, 나머지는 질소를 탈착하여 재생하는 재생 모드로 사용함으로써, 운전의 정지나 운전 조건의 변환 없이 지속적으로 질소의 흡착과 탈착이 반복해서 지속적으로 이루어질 수 있는 이점이 있다. 또한, 흡착 모드시 공기 압축기에서 가압된 공기에 의한 압력 변화를 이용하여 질소를 흡착시킬 수 있고, 재생 모드시 상기 공기 압축기에서 가압된 공기의 열과 상기 연료전시 스택에서 나온 수소 가스를 연소시킨 연소가스의 열을 이용하여 질소를 탈착시킴으로써, 흡착과 탈착 효율이 보다 향상될 수 있을 뿐만 아니라, 질소의 탈착에 소모되는 에너지를 절감할 수 있으므로 연료전지 시스템의 효율도 향상될 수 있다.

Description

압력과 온도 변동 흡착 기술을 이용하여 산소가 농축된 공기를 공급받는 연료전지 시스템{Fuel cell system supplied with oxygen enriched air using pressure and temperature swing adsorption technology}
본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 공기 압축기를 이용하여 공기 중의 질소를 질소 흡착제에 흡착시키고, 연료전지에 과잉 공급되어 반응하지 않고 토출되는 수소가스를 연소시킨 후 연소가스의 열을 회수한 공기를 이용하여 질소 흡착제를 재생시킴으로써, 산소가 농축된 공기를 공급받아서 발전 효율이 향상됨과 아울러 질소 흡착제의 재생에 필요한 에너지 사용량을 최소화시킴으로써, 효율이 향상될 수 있는 압력과 온도 변동 흡착 기술을 이용하여 산소가 농축된 공기를 공급받는 연료전지 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지는 연료와 산화제를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시키는 장치이다. 연료전지는 수소를 연료로 하고, 공기 중의 산소를 산화제로 사용하며, 외부에서 수소와 산소를 지속적으로 공급받으면서 전기 에너지를 낸다.
그러나, 공기 중의 산소의 농도는 약 21vol%에 불과하고, 산화제인 산소의 농도가 낮을수록 손실이 크게 발생되므로, 연료전지의 효율과 발전 용량성능에 한계가 따르는 문제점이 있다.
최근에는 질소 흡착제를 사용하여 공기 중의 질소를 흡착시켜, 산소의 농도를 높이는 기술이 적용되고 있으나, 질소 흡착제를 복수회 사용하기 위해서는 질소의 흡착과 탈착 과정이 주기적으로 필요하며, 이러한 흡착과 탈착 과정에 에너지가 많이 소모되는 문제점이 있다. 또한, 보편적으로 연료전지의 안정적인 운전을 위해, 수소 공급량을 이론적인 수소 양보다 약 20~50% 수준으로 더 공급한다. 즉, 당량비를 1.2~1.5으로 운용한다. 이에 따라, 공급된 수소 중 전기화학 반응에 참여하지 않은 수소가 사용되지 않고 대기로 배출된다는 문제가 있다.
한국공개특허 제10-2004-009800호
본 발명의 목적은, 연료전지에 과잉 공급되어 반응하지 않고 토출되는 수소가스를 연소시켜 질소 흡착제의 재생에 활용함으로써 시스템의 효율을 향상시킬 수 있는 압력과 온도 변동 흡착 기술을 이용하여 산소가 농축된 공기를 공급받는 연료전지 시스템을 제공하는데 있다.
본 발명에 따른 압력과 온도 변동 흡착 기술을 이용하여 산소가 농축된 공기를 공급받는 연료전지 시스템은, 외부 공기를 가압하는 공기 압축기와; 외부 공기를 유입하여 상기 공기 압축기에서 나온 흡착용 공기와 열교환시켜, 상기 흡착용 공기를 냉각시키는 프리 쿨러와; 연료전지 스택에서 나온 수소를 포함한 배출가스를 연소시키는 연소기와; 상기 프리 쿨러에서 열교환을 통해 가열되어 나온 재생용 공기와 상기 연소기에서 나온 연소가스를 열교환시켜, 상기 재생용 공기를 가열하는 연소가스 열교환기와; 복수개가 서로 병렬로 연결되고 내부에 질소 흡착제가 구비되어, 상기 프리 쿨러에서 냉각되어 나온 고압의 흡착용 공기 중 질소를 상기 질소 흡착제에 흡착시키는 흡착 모드와, 상기 연소가스 열교환기에서 가열된 재생용 공기의 열을 이용하여 상기 질소 흡착제를 재생시키는 재생 모드를 번갈아 수행하는 복수의 질소 흡착기들과; 상기 프리 쿨러와 상기 질소 흡착기들을 연결하여, 상기 프리 쿨러에서 냉각된 고압의 흡착용 공기를 상기 흡착 모드를 수행하는 상기 질소 흡착기로 공급하는 흡착용 공기 공급유로와; 상기 프리 쿨러와 상기 연소가스 열교환기의 공기 입구를 연결하여, 상기 프리 쿨러에서 가열된 재생용 공기를 상기 연소가스 열교환기의 공기 입구로 공급하는 열교환기 공기 공급유로와; 상기 연소가스 열교환기의 공기 출구와 상기 질소 흡착기들을 연결하여, 상기 연소가스 열교환기에서 가열된 재생용 공기를 상기 재생 모드를 수행하는 상기 질소 흡착기로 공급하는 재생용 공기 공급유로와; 상기 질소 흡착기들과 상기 연료전지 스택을 연결하여, 상기 흡착 모드를 수행하는 상기 질소 흡착기에서 산소가 농축된 산소농축 공기를 상기 연료전지 스택으로 공급하는 산소농축 공기 공급유로와; 상기 연료전지 스택과 상기 연소기의 가스 입구를 연결하여, 상기 배출 가스를 상기 연소기로 안내하는 수소 배출유로와; 상기 연소기와 상기 연소가스 열교환기의 가스 입구를 연결하여, 상기 연소기에서 나온 연소 가스를 상기 연소가스 열교환기로 안내하는 연소가스 유로를 포함한다.
상기 질소 흡착기와 상기 연소기의 공기 입구를 연결하여, 상기 재생 모드를 수행하는 상기 질소 흡착기에서 토출된 공기를 상기 연소기로 안내하는 연소기 공기 공급유로를 더 포함한다.
상기 산소농축 공기 공급유로에 설치되어, 상기 질소 흡착기에서 나온 산소농축 공기를 가습시키는 가습부를 더 포함한다.
상기 가습부는, 상기 산소농축 공기 공급유로와 상기 연료전지 스택의 공기 토출유로 사이에 설치되어, 상기 연료전지 스택에서 나온 공기의 열과 수분을 상기 질소 흡착기로부터 나온 산소농축 공기에 전달하는 막 가습기를 포함한다.
상기 수소 배출유로에 설치되어, 상기 연료전지 스택에서 나온 상기 배출 가스에 포함된 액체를 분리하는 기액 분리기를 더 포함한다.
상기 프리 쿨러에 연결되어, 외부 공기를 상기 프리 쿨러로 유입하는 프리 쿨러 흡기유로와, 상기 프리 쿨러 흡기유로에 설치되어, 외부 공기를 흡입하는 재생용 송풍기를 더 포함한다.
상기 흡착용 공기 공급유로는, 일측은 상기 프리 쿨러에 연결되고, 타측은 상기 복수의 질소 흡착기들에 각각 연결되도록 복수의 유로들로 분기되고, 상기 복수의 유로들에 설치된 복수의 흡착용 공기 공급밸브들과, 상기 흡착 모드와 상기 재생 모드에 따라 상기 복수의 유로들을 선택적으로 개폐하도록 상기 복수의 흡착용 공기 공급밸브들을 제어하는 제어부를 더 포함한다.
상기 흡착용 공기 공급유로에서 분기되어, 상기 재생 모드를 수행하는 상기 질소 흡착기에서 나온 공기를 외부로 배출하는 재생용 공기 배출유로를 더 포함한다.
상기 산소농축 공기 공급유로는, 일측은 상기 연료전지 스택에 연결되고, 타측은 상기 복수의 질소 흡착기들에 각각 연결되도록 복수의 유로들로 분기되고, 상기 복수의 유로들에 설치된 복수의 산소농축 공기 공급밸브들과, 상기 흡착 모드와 상기 재생 모드에 따라 상기 복수의 유로들을 선택적으로 개폐하도록 상기 복수의 산소농축 공기 공급밸브들을 제어하는 제어부를 더 포함한다.
상기 재생용 공기 공급유로는, 일측은 상기 연소가스 열교환기의 공기 출구에 연결되고, 타측은 상기 산소농축 공기 공급유로에서 상기 질소 흡착기와 상기 산소농축 공기 공급밸브 사이로 연결되도록 형성된다.
상기 재생용 공기 공급유로는, 일측은 상기 연소가스 열교환기의 공기 출구에 연결되고, 타측은 상기 복수의 질소 흡착기들에 각각 연결되도록 복수의 유로들로 분기되고, 상기 복수의 유로들에 설치된 복수의 재생용 공기 공급밸브들과, 상기 흡착 모드와 상기 재생 모드에 따라 상기 복수의 유로들을 선택적으로 개폐하도록 상기 복수의 재생용 공기 공급밸브들을 제어하는 제어부를 더 포함한다.
상기 연료전지 스택으로부터 냉각수를 토출하는 냉각수 토출유로와, 상기 냉각수 토출유로에 설치되어, 상기 연료전지 스택에서 나온 냉각수의 열을 외부 공기에 방열하는 방열기와, 상기 방열기에서 냉각된 냉각수를 상기 연료전지 스택으로 순환시키는 냉각수 순환유로를 더 포함한다.
상기 냉각수 토출유로에 설치되어, 상기 연료전지 스택에서 나온 냉각수의 온도를 측정하는 냉각수 온도센서와, 상기 냉각수 순환유로에 연결되어, 상기 연료전지 스택에서 나온 냉각수가 상기 방열기를 바이패스하도록 형성된 방열기 바이패스 유로와, 상기 방열기 바이패스 유로를 개폐하는 방열기 바이패스 밸브와, 상기 냉각수 온도센서에서 감지된 온도에 따라 상기 방열기 바이패스 밸브의 개폐를 제어하는 제어부를 더 포함한다.
본 발명의 다른 측면에 따른 본 발명에 따른 압력과 온도 변동 흡착 기술을 이용하여 산소가 농축된 공기를 공급받는 연료전지 시스템은, 외부 공기를 가압하는 공기 압축기와; 외부 공기를 유입하여 상기 공기 압축기에서 나온 흡착용 공기와 열교환시켜, 상기 흡착용 공기를 냉각시키는 프리 쿨러와; 연료전지 스택에서 나온 수소를 포함한 배출 가스를 연소시키는 연소기와; 상기 프리 쿨러에서 열교환을 통해 가열되어 나온 재생용 공기와 상기 연소기에서 나온 연소가스를 열교환시켜, 상기 재생용 공기를 가열하는 연소가스 열교환기와; 상기 프리 쿨러에서 냉각되어 나온 흡착용 공기와 상기 연소가스 열교환기에서 가열되어 나온 재생용 공기 중 어느 하나가 통과하도록 형성되고, 내부에 질소 흡착제가 구비되어 상기 흡착용 공기 중 질소를 흡착시키는 흡착 모드와, 상기 재생용 공기의 열을 이용하여 상기 질소 흡착제를 재생시키는 재생 모드를 번갈아 수행하는 제1질소 흡착기와; 상기 제1질소 흡착기와 병렬로 연결되고, 상기 프리 쿨러에서 냉각되어 나온 흡착용 공기와 상기 연소가스 열교환기에서 가열되어 나온 재생용 공기 중 나머지 하나가 통과하도록 형성되고, 내부에 질소 흡착제가 구비되어 상기 흡착용 공기 중 질소를 흡착시키는 흡착 모드와, 상기 재생용 공기의 열을 이용하여 상기 질소 흡착제를 재생시키는 재생 모드를 번갈아 수행하는 제2질소 흡착기와; 상기 프리 쿨러의 토출유로에서 분기되어 상기 제1질소 흡착기에 연결되어,상기 프리 쿨러에서 냉각된 고압의 흡착용 공기를 상기 제1질소 흡착기로 공급하는 제1흡착용 공기 공급유로와; 상기 프리 쿨러의 토출유로에서 분기되어 상기 제2질소 흡착기에 연결되어, 상기 프리 쿨러에서 냉각된 고압의 흡착용 공기를 상기 제2질소 흡착기로 공급하는 제2흡착용 공기 공급유로와; 상기 제1질소 흡착기와 상기 연료전지 스택의 공기 흡입유로를 연결하여, 상기 제1질소 흡착기에서 산소가 농축된 산소농축 공기를 상기 연료전지 스택으로 공급하기 위한 제1산소농축 공기 공급유로와; 상기 제2질소 흡착기와 상기 연료전지 스택의 공기 흡입유로를 연결하여, 상기 제2질소 흡착기에서 산소가 농축된 산소농축 공기를 상기 연료전지 스택으로 공급하기 위한 제2산소농축 공기 공급유로와; 상기 프리 쿨러와 상기 연소가스 열교환기의 공기 입구를 연결하여, 상기 프리 쿨러에서 가열된 재생용 공기를 상기 연소가스 열교환기의 공기 입구로 공급하는 열교환기 공기 공급유로와; 상기 연소가스 열교환기의 공기 출구와 상기 제1질소 흡착기를 연결하여, 상기 연소가스 열교환기에서 가열된 재생용 공기를 상기 제1질소 흡착기로 공급하는 제1재생용 공기 공급유로와; 상기 연소가스 열교환기의 공기 출구와 상기 제2질소 흡착기를 연결하여, 상기 연소가스 열교환기에서 가열된 재생용 공기를 상기 제2질소 흡착기로 공급하는 제2재생용 공기 공급유로와; 상기 연료전지 스택과 상기 연소기의 가스 입구를 연결하여, 상기 배출 가스를 상기 연소기로 안내하는 수소 배출유로와; 상기 연소기와 상기 연소가스 열교환기의 가스 입구를 연결하여, 상기 연소기에서 나온 연소 가스를 상기 연소가스 열교환기로 안내하는 연소가스 유로를 포함한다.
상기 제1흡착용 공기 공급유로에 설치된 제1흡착용 공기 공급밸브와, 상기 제2흡착용 공기 공급유로에 설치된 제2흡착용 공기 공급밸브와, 상기 제1산소농축 공기 공급유로에 설치된 제1산소농축 공기 공급밸브와, 상기 제2산소농축 공기 공급유로에 설치된 제2산소농축 공기 공급밸브와, 상기 제1재생용 공기 공급유로에 설치된 제1재생용 공기 공급밸브와, 상기 제2재생용 공기 공급유로에 설치된 제2재생용 공기 공급밸브와, 상기 제1질소 흡착기가 흡착 모드이고 상기 제2질소 흡착기가 재생 모드일 때 상기 제1흡착용 공기 공급밸브, 상기 제1산소농축 공기 공급밸브 및 상기 제2재생용 공기 공급밸브를 개방시키고, 상기 제2흡착용 공기 공급밸브와 상기 제2산소농축 공기 공급밸브, 상기 제1재생용 공기 공급밸브는 차폐시키며, 상기 제1질소 흡착기가 재생 모드이고 상기 제2질소 흡착기가 흡착 모드일 때 상기 제1흡착용 공기 공급밸브, 상기 제1산소농축 공기 공급밸브 및 상기 제2재생용 공기 공급밸브를 차폐시키고, 상기 제2흡착용 공기 공급밸브, 상기 제2산소농축 공기 공급밸브 및 상기 제1재생용 공기 공급밸브는 개방시키는 제어부를 더 포함한다.
본 발명은, 복수의 질소 흡착기들이 병렬로 구비됨으로써, 일부는 질소를 흡착하는 흡착 모드로 사용하고, 나머지는 질소를 탈착하여 재생하는 재생 모드로 사용함으로써, 운전의 정지나 운전 조건의 변환 없이 지속적으로 질소의 흡착과 탈착이 반복해서 지속적으로 이루어질 수 있으므로, 지속적으로 산소의 농도가 높은 산소 농축 공기를 연료전지 스택으로 공급할 수 있는 이점이 있다.
또한, 흡착 모드시 공기 압축기에서 가압된 공기에 의한 압력 변화를 이용하여 질소를 흡착시킬 수 있고, 재생 모드시 상기 공기 압축기에서 가압된 공기의 열과 상기 연료전시 스택에서 나온 수소가스를 연소시킨 연소가스의 열을 이용하여 질소를 탈착시킴으로써, 흡착과 탈착 효율이 보다 향상될 수 있을 뿐만 아니라, 상기 연료전지 스택으로 공급되는 공기 중 산소의 농도를 높여 상기 연료전지의 출력을 증가시켜 연료전지 시스템의 효율도 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 압력과 온도 변동 흡착 기술을 이용한 연료전지 시스템의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 제1질소 흡착기는 재생 모드이고, 제2질소 흡착기는 흡착 모드를 나타낸 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 제1질소 흡착기는 흡착 모드이고, 제2질소 흡착기는 재생 모드를 나타낸 도면이다.
도 4는 도 4는 도 1에 도시된 제1질소 흡착기는 흡착 모드이고, 제2질소 흡착기는 재생 모드일 때, 방열기를 바이패스하는 방열기 바이패스 모드를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 제1,2질소 흡착기들의 시간에 따른 운전 상태를 개략적으로 나타낸 도면이다.
본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 설명하면, 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 압력과 온도 변동 흡착 기술을 이용한 연료전지 시스템의 구성을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템은, 연료전지 스택(10), 공기 압축기(20), 복수의 질소 흡착기들(30), 흡착용 공기 공급유로(40), 산소농축 공기 공급유로(50), 냉각수 유로(60), 재생용 공기 공급유로(80), 수소 배출유로(14), 가습부(90), 프리 쿨러(100), 방열기(110), 방열기 바이패스 유로(120), 연소기(200), 연소기 공기 공급유로(210), 연소가스 유로(220), 연소가스 열교환기(300), 열교환기 공기 공급유로(310) 및 제어부(미도시)를 포함한다.
상기 연료전지 스택(10)에는 수소 입구(10a), 수소 출구(10b), 냉각수 입구(10c), 냉각수 출구(10d), 공기 입구(10e) 및 공기 출구(10f)가 형성된다.
상기 수소 입구(10a)에는 수소 탱크(11)로부터 수소를 공급받는 수소 공급유로(12)가 연결된다. 상기 수소 공급유로(12)에는 수소 밸브(V1)가 설치된다.
상기 수소 출구(10b)에는 상기 연료전지 스택(10)의 내부에서 반응하고 나온 수소를 배출하는 상기 수소 배출유로(14)가 연결된다.
상기 냉각수 입구(10c)에는 상기 연료전지 스택(10)으로 냉각수를 순환시키는 냉각수 순환유로(62)가 연결된다.
상기 냉각수 출구(10d)에는 상기 연료전지 스택(10)을 냉각시키고 나온 냉각수를 배출하는 냉각수 배출유로(62)가 연결된다.
상기 공기 입구(10e)에는 상기 산소농축 공기 공급유로(50)가 연결된다.
상기 공기 출구(10f)에는 상기 연료전지 스택(10)의 내부에서 반응하고 나온 공기를 배출하는 공기 토출유로(54)가 연결된다.
상기 공기 압축기(20)는, 외부 공기(OA, Outdoor Air)를 유입하여 미리 설정된 설정 압력으로 가압하는 압축기이다. 상기 공기 압축기(20)는, 외부 공기 공급유로(21) 상에 설치된다.
상기 외부 공기 공급유로(21)에서 상기 공기 압축기(20)로 흡입되기 이전의 공기를 필터링하기 위한 공기 필터(23)가 설치된다.
상기 복수의 질소 흡착기들(30)은, 상기 공기 압축기(20)와 상기 연료전지 스택(10)사이의 유로에 설치되어, 상기 공기 압축기(20)에서 압축된 고압의 공기 중 질소를 흡착시키기 위한 압력과 온도 스윙 흡착 용기(PTSA vessel, Pressure and Temperature Swing Adsorption vessel)이다. 상기 질소 흡착기들(30)은 복수개가 서로 병렬로 연결된다. 상기 복수의 질소 흡착기들(30)은 공기 중 질소를 흡착하는 흡착 모드와 질소 흡착제를 재생시키는 재생 모드를 번갈아 수행하도록 제어된다.
이하, 본 실시예에서는 상기 복수의 질소 흡착기들(30)은 2개의 제1,2질소 흡착기(31)(32)를 포함하는 것으로 예를 들어 설명한다. 다만, 이에 한정되지 않고, 2개 이상이 구비되는 것도 물론 가능하다.
상기 제1질소 흡착기(31)는 내부에 제1질소 흡착제(미도시)가 구비된 공기실로 이루어진다.
상기 제2질소 흡착기(32)는 내부에 제2질소 흡착제(미도시)가 구비된 공기실로 이루어진다.
상기 흡착용 공기 공급유로(40)는, 상기 공기 압축기(20)로부터 가압된 고압의 공기를 상기 복수의 질소 흡착기들(30) 중에서 상기 흡착 모드를 수행하는 질소 흡착기로 안내하는 유로이다. 상기 흡착용 공기 공급유로(40)는, 상기 프리 쿨러(100)의 흡착용 배기유로(102)와 상기 질소 흡착기(30)를 연결하는 유로이다. 본 실시예에서는, 상기 질소 흡착기들(30)이 2개로 이루어지는 것으로 예를 들어 설명하므로, 상기 흡착용 공기 공급유로(40)는 2개의 제1,2흡착용 공기 공급유로(41)(42)를 포함하는 것으로 예를 들어 설명한다.
상기 제1흡착용 공기 공급유로(41)는, 상기 프리 쿨러(100)의 흡착용 배기유로(102)에서 분기되어 상기 제1질소 흡착기(31)에 연결되는 유로이다. 상기 제1흡착용 공기 공급유로(41)에는 제1흡착용 공기 공급밸브(V11)가 설치된다. 상기 제1흡착용 공기 공급유로(41)에는 제1재생용 공기 배출유로(141)가 연결된다.
상기 제2흡착용 공기 공급유로(42)는, 상기 프리 쿨러(100)의 흡착용 배기유로(102)에서 분기되어 상기 제2질소 흡착기(32)에 연결되는 유로이다. 상기 제2흡착용 공기 공급유로(42)에는 제2흡착용 공기 공급밸브(V21)가 설치된다. 상기 제2흡착용 공기 공급유로(42)에는 제2재생용 공기 배출유로(142)가 연결된다.
상기 제1재생용 공기 배출유로(141)는, 상기 재생 모드시 상기 질소 흡착제를 재생시키고 나온 공기를 배출하기 위한 유로이다. 상기 제1재생용 공기 배출유로(141)에는 제1재생용 공기 배출밸브(V12)가 설치된다.
상기 제2재생용 공기 배출유로(142)는, 상기 재생 모드시 상기 질소 흡착제를 재생시키고 나온 공기를 배출하기 위한 유로이다. 상기 제2재생용 공기 배출유로(142)에는 제2재생용 공기 배출밸브(V22)가 설치된다.
상기 제1재생용 공기 배출유로(141)와 상기 제2재생용 공기 배출유로(142)는 상기 연소기 공기 공급유로(210)에 연결되어, 상기 질소 흡착제를 재생시키고 나온 공기는 상기 연소기(200)로 공급된다.
상기 산소농축 공기 공급유로(50)는, 상기 제1,2질소 흡착기들(31)(32)과 상기 연료전지 스택(10)을 연결하는 유로이다. 상기 산소농축 공기 공급유로(50)는, 상기 질소 흡착기에서 산소가 농축된 산소농축 공기를 상기 연료전지 스택(10)으로 공급하기 위한 유로이다. 상기 산소농축 공기 공급유로(50)는 일단은 상기 연료전지 스택(10)의 공기 입구(10e)에 연결되고, 타단은 2개의 제1,2산소농축 공기 공급유로(51)(52)로 분기된다.
상기 제1산소농축 공기 공급유로(51)는 상기 제1질소 흡착기(31)에 연결된 유로이다. 상기 제1산소농축 공기 공급유로(51)에는 제1산소농축 공기 공급밸브(V13)가 설치된다.
상기 제2산소농축 공기 공급유로(52)는 상기 제2질소 흡착기(32)에 연결된 유로이다. 상기 제1산소농축 공기 공급유로(52)에는 제2산소농축 공기 공급밸브(V23)가 설치된다.
상기 냉각수 유로(60)는, 냉각수 토출유로(61)와 냉각수 순환유로(62)를 포함한다.
상기 냉각수 토출유로(61)는, 상기 연료전지 스택(10)의 냉각수 출구(10f)와 상기 방열기(110)를 연결하여, 상기 연료전지 스택(10)에서 나온 냉각수를 상기 방열기(110)로 안내하는 유로이다.
상기 냉각수 순환유로(62)는, 상기 방열기(110)와 상기 연료전지 스택(10)의 냉각수 입구(10c)를 연결하여, 상기 방열기(110)에서 방열되어 냉각된 냉각수를 상기 연료전지 스택(10)으로 순환시키는 유로이다.
상기 냉각수 순환유로(62)에는 냉각수가 일시 저장되는 냉각수 저장소(75)와, 상기 냉각수를 펌핑하기 위한 냉각수 펌프(76)가 설치된다.
상기 재생용 공기 공급유로(80)는, 상기 연소가스 열교환기(300)의 공기 출구와 상기 제1,2질소 흡착기(31)(32)를 연결하여, 상기 연소가스 열교환기(300)에서 가열된 재생용 공기를 상기 제1,2질소 흡착기(31)(32) 중에서 재생 모드를 수행하는 측에 공급하기 위한 유로이다. 상기 재생용 공기 공급유로(80)는 일단은 상기 연소가스 열교환기(300)에 연결되고, 타단은 2개의 제1,2재생용 공기 공급유로(81)(82)로 분기된다. 상기 재생용 공기 공급유로(80)에는 체크밸브(86)가 설치된다.
상기 제1재생용 공기 공급유로(81)는, 상기 제1질소 흡착기(31)로 재생용 공기를 안내하도록 형성된다. 상기 제1재생용 공기 공급유로(81)에는 제1재생용 공기 공급밸브(V14)가 설치된다.
상기 제2재생용 공기 공급유로(82)는 상기 제2질소 흡착기(32)로 재생용 공기를 안내하도록 형성된다. 상기 제2재생용 공기 공급유로(82)에는 제2재생용 공기 공급밸브(V24)가 설치된다.
본 실시예에서는, 상기 제1재생용 공기 공급유로(81)는 상기 제1산소농축 공기 공급유로(51)에 연결되고, 상기 제2재생용 공기 공급유로(82)는 상기 제2산소농축 공기 공급유로(52)에 연결되는 것으로 예를 들어 설명한다.
상기 가습부(90)는, 상기 산소농축 공기 공급유로(50)와 상기 연료전지 스택(10)의 상기 공기 토출유로(54) 사이에 설치되어, 상기 연료전지 스택(10)에서 나온 공기의 열과 수분을 이용하여 상기 제1,2질소 흡착기(31)(32) 중 어느 하나에서 나온 산소농축 공기를 가습시키는 막 가습기이다.
상기 프리 쿨러(100)는, 재생용 공기로 사용하기 위한 외부 공기를 유입하여 상기 공기 압축기(20)에서 나온 흡착용 공기와 열교환시킨다. 상기 프리 쿨러(100)에서는 상기 흡착용 공기는 냉각되고, 상기 재생용 공기는 1차로 가열된다. 즉, 상기 프리 쿨러(100)는 상기 공기 압축기(20)에서 가압되어 나온 고압의 흡착용 공기와 상기 연소가스 열교환기(210)로 유입되기 이전의 외부 공기를 서로 열교환시키는 공기 열교환기이다. 상기 프리 쿨러(100)에는 2개의 흡기구가 형성되어, 상기 압축기 토출유로(22)와 프리 쿨러 흡기유로(101)가 연결된다. 상기 2개의 흡기구를 통해 유입되는 공기가 혼합되지 않는다. 상기 프리 쿨러(100)에는 2개의 배기구가 형성되어, 상기 흡착용 공기 공급유로(40)와 상기 열교환기 공기 공급유로(310)가 각각 연결된다.
상기 프리 쿨러 흡기유로(101)에는 외부 공기를 흡입하는 재생용 송풍기(103)가 설치된다. 본 실시예에서는, 상기 프리 쿨러 흡기유로(101)와 상기 외부 공기 공급유로(21)가 별도로 형성된 것으로 예를 들어 설명하나, 이에 한정되지 않고, 하나의 유로에서 분기되어 형성된 것도 물론 가능하다.
상기 연소기(200)는, 상기 연료전지 스택(10)에서 나온 수소를 포함한 배출 가스(이하, 수소 가스라 칭함)를 연소시키는 장치이다.
상기 연소기(200)의 가스 입구(200a)에는 상기 수소 배출유로(14)가 연결된다. 상기 연소기(200)의 공기 입구(200b)에는 상기 연소기 공기 공급유로(210)가 연결된다. 상기 연소기(200)의 가스 출구(200c)에는 상기 연소가스 유로(220)가 연결된다.
상기 수소 배출유로(14)에는, 상기 연료전지 스택(10)에서 나온 수소 가스에 포함된 액체를 분리하는 기액 분리기(201)가 설치된다. 상기 연료전지 스택(10)에서 나온 수소 가스는 수소(H2), 수증기(H20(v))와 액상의 물(H2O(l))도 포함하므로, 상기 기액 분리기(201)를 통해 액상의 물을 분리한다.
상기 연소기 공기 공급유로(210)는, 상기 제1,2질소 흡착기(30) 중 어느 하나에서 질소 흡착제를 재생시키고 나온 공기를 상기 연소기(200)로 공급하기 위한 유로이다. 상기 연소기 공기 공급유로(210)는, 상기 제1,2재생용 공기 배출유로(141)(142)에서 상기 연소기(200)로 연결된다.
상기 연소가스 유로(220)는, 상기 연소기(200)의 가스 출구(200c)와 상기 연소가스 열교환기(300)의 가스 입구를 연결하여, 상기 연소기(200)에서 연소되어 나온 연소 가스를 상기 연소가스 열교환기(300)로 안내하는 유로이다.
상기 연소가스 열교환기(300)는, 상기 프리 쿨러(100)에서 열교환을 통해 가열되어 나온 재생용 공기와 상기 연소기(200)에서 나온 연소가스를 열교환시키는 열교환기이다. 상기 연소가스 열교환기(300)는 상기 재생용 공기를 상기 연소가스의 열을 이용해 2차로 가열한다. 상기 연소가스 열교환기(300)에는 상기 연소가스가 유입되는 가스 입구와 상기 재생용 공기가 유입되는 공기 입구가 각각 형성되며, 상기 연소가스와 상기 재생용 공기는 혼합되지 않는다. 또한, 상기 연소가스 열교환기(300)에는 상기 연소가스를 외부로 배출하기 위한 가스 출구와, 상기 재생용 공기 공급유로(80)가 연결된 공기 출구가 각각 형성된다.
상기 열교환기 공기 공급유로(310)는, 상기 프리 쿨러(100)와 상기 연소가스 열교환기(300)의 공기 입구를 연결하여, 상기 프리 쿨러(100)에서 1차 가열된 재생용 공기를 상기 연소가스 열교환기(300)로 공급하는 유로이다.
한편, 상기 방열기(110)는, 상기 냉각수 토출유로(61)에 설치되어, 상기 연료전지 스택(10)에서 나온 냉각수의 열을 외부 공기에 방열하는 장치이다.
상기 냉각수 토출유로(61)에는 상기 연료전지 스택(10)에서 나온 냉각수의 온도를 측정하는 냉각수 온도센서(61a)가 설치된다.
상기 방열기 바이패스 유로(120)는, 상기 연료전지 스택(10)에서 나온 냉각수가 상기 방열기(110)를 바이패스하도록 형성된 유로이다. 즉, 상기 방열기 바이패스 유로(120)는, 상기 방열기(110)의 입구측 유로와 출구측 유로를 연결하여, 상기 방열기(110)를 바이패스시키는 유로이다.
상기 방열기 바이패스 유로(120)에는 방열기 바이패스 밸브(V30)가 설치된다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 작동을 설명하면, 다음과 같다.
이하, 재생 모드는, 상기 연료전지 스택(10)에 과잉 공급되어 반응하지 않고 토출된 수소 가스를 연소시킨 연소가스의 열 및 압력 변동을 이용하여 질소 흡착제로부터 질소를 탈착시켜 질소 흡착제를 재생시키는 모드이다. 흡착 모드는 외부 공기에 포함된 질소를 상기 질소 흡착제에 흡착시켜, 산소가 농축된 산소농축 공기를 상기 연료전지 스택(10)으로 공급하기 위한 모드이다.
도 6을 참조하면, 상기 제1질소 흡착기(31)(Vessel-1)과 상기 제2질소 흡착기(Vessel-2)(32)는 각각 상기 흡착 모드(Online)와 상기 재생 모드(Regenerating)를 번갈아 수행한다. 본 실시예에서는, 상기 흡착 모드와 상기 재생 모드는 미리 설정된 설정 주기에 따라 전환되는 것으로 예를 들어 설명한다. 다만, 이에 한정되지 않고, 상기 질소 흡착기들의 토출측에 산소 농도 측정 센서를 구비하고, 상기 흡착 모드를 수행시 상기 산소 농도 측정 센서에서 측정된 산소의 농도가 설정 농도 미만이면 상기 재생 모드로 전환하는 것도 물론 가능하다. 또한, 상기 연료전지 스택(10)의 출력 전압을 추적하여, 출력 전압이 미리 설정된 설정 전압 미만이면 상기 흡착 모드와 상기 재생 모드를 전환시키는 것도 물론 가능하다.
먼저, 도 2를 참조하면, 상기 제1질소 흡착기(31)는 재생 모드이고, 상기 제2질소 흡착기(32)는 흡착 모드일 때에 대해 설명한다.
상기 제1질소 흡착기(31)의 재생 모드시, 냉각수의 흐름을 설명하면 다음과 같다.
상기 연료전지 스택(10)에서 나온 냉각수는 상기 방열기(110), 상기 냉각수 저장소(75), 상기 냉각수 펌프(76)를 차례로 통과한 후, 상기 연료전지 스택(10)으로 순환된다.
또한, 상기 제1질소 흡착기(31)의 재생 모드시, 재생용 공기의 흐름을 설명하면 다음과 같다.
상기 제1질소 흡착기(31)의 재생 모드시, 외부로부터 유입된 외부 공기(이하, 재생용 공기라 칭함)는 상기 재생용 송풍기(103), 상기 프리 쿨러(100), 상기 연소가스 열교환기(300), 상기 제1질소 흡착기(31), 상기 연소기(200)를 차례로 통과한 후 외부로 토출되도록 유로가 전환된다.
상기 제어부(미도시)는, 상기 재생용 송풍기(103)를 작동시키고, 상기 제1재생용 공기 공급밸브(V14)는 개방시키고, 상기 제2재생용 공기 공급밸브(V15)는 차폐시킨다. 또한, 상기 제어부(미도시)는, 상기 제1재생용 공기 배출밸브(V12)는 개방시키고, 상기 제2재생용 공기 배출밸브(V22)는 차폐시킨다.
상기 재생용 송풍기(103)가 작동되면, 상기 재생용 공기가 상기 프리 쿨러(100)로 유입되어, 상기 프리 쿨러(100)를 통과하면서 상기 공기 압축기(20)에서 가압된 흡착용 공기의 열을 흡수하여 1차로 가열된다. 상기 프리 쿨러(100)로 유입되기 이전의 재생용 공기의 온도는 대기온도(예를 들어, 약 30℃ 수준)와 비슷하지만, 상기 프리 쿨러(100)에서 상기 공기 압축기(20)에서 가압된 고온의 공기와 열교환함으로써, 상기 프리 쿨러(100)에서 토출되는 재생용 공기의 온도는 약 100℃ 이하로 상승하게 된다.
상기 프리 쿨러(100)에서 1차 가열된 재생용 공기는 상기 열교환기 공기 공급유로(310)를 통해 상기 연소가스 열교환기(300)로 유입된다.
상기 연소가스 열교환기(300)에서는 상기 재생용 공기와 상기 연소기(200)에서 나온 연소가스의 열교환이 이루어진다. 상기 연소가스 열교환기(300)로 유입되기 이전의 재생용 공기의 온도는 상대적으로 낮은 온도(예를 들어, 약 100℃ 이하)이나, 상기 연소기(200)에서 나온 연소가스의 온도는 상대적으로 높은 온도(예를 들어, 약 250℃ 이상)이므로, 상기 재생용 공기는 상기 연소가스의 열을 흡수하여 2차로 가열된다. 상기 연소가스 열교환기(300)에서 토출되는 재생용 공기의 온도는 상기 질소 흡착제를 재생하기에 충분한 온도(예를 들어, 약 200℃ 이상)이다.
상기 연소가스 열교환기(300)에서 2차 가열된 재생용 공기는 상기 제1재생용 공기 공급유로(81)를 통해 상기 제1질소 흡착기(31)로 유입된다.
상기 제1질소 흡착기(31)에서는 낮아진 압력차와 상기 재생용 공기의 열에 의해 상기 제1질소 흡착제에 흡착되어 있던 수분과 질소가 탈착되면서 재생이 이루어진다.
상기 제1질소 흡착기(31)에서 상기 제1질소 흡착제를 재생시키고 나온 공기는 상기 연소기 공기 공급유로(210)를 통해 상기 연소기(200)로 공급된다.
상기 연소기(200)로 공급된 재생용 공기는 상기 연소기(200)에서 산화제로 사용된다.
한편, 상기 연소기(200)에서는 연소에 필요한 연료로써 상기 연료전지 스택(10)에서 나온 수소 가스를 사용한다. 상기 연료전지 스택(10)에서 나온 수소 가스는 수소(H2), 수증기(H20(v))와 액상의 물(H2O(l))도 포함하므로, 상기 기액 분리기(201)를 통해 액상의 물을 분리한 후, 상기 연소기(200)로 유입되도록 한다. 상기연소기(200)의 연소 온도가 높아 상기 연소기(200)에서 질소산화물등이 발생할 염려가 있는 경우, 필요에 따라 상기 기액 분리기(201)에서 액상물을 분리하고 반응에 참여시켜 연소온도를 낮출 수 있다.
상기 연소기(200)로 유입되는 수소 가스는 수소(H2)와 수증기(H20(v))를 포함하며, 온도는 연료전지의 운전온도와 유사한 온도(약 60℃ 내지 80℃)이거나 낮다.
상기 연소기(200)에서 연소되고 나온 연소가스는 질소(N2), 산소(O2) 및 수증기(H20(v))가 포함되고, 온도는 약 250℃ 이상이다. 따라서, 상기 연소기(200)에서 나온 고온의 연소가스는 상기 연소가스 열교환기(300)로 공급되어, 상기 연소가스의 열은 상기 재생용 공기를 2차 가열하는 데 사용된다.
한편, 상기 제2질소 흡착기(32)의 흡착 모드시, 공기의 흐름을 설명하면 다음과 같다.
상기 제2질소 흡착기(32)의 흡착 모드시, 외부 공기는 상기 공기 필터(23), 상기 공기 압축기(20), 상기 프리 쿨러(100), 상기 제2질소 흡착기(32), 상기 가습부(90)를 차례로 통과한 후, 상기 연료전지 스택(10)으로 공급되도록 유로가 전환된다.
상기 제어부(미도시)는, 상기 제2질소 흡착기(32)의 흡착 모드시, 상기 공기 압축기(20)를 작동시키고, 상기 제1흡착용 공기 공급밸브(V11)는 차폐시키고, 상기 제2흡착용 공기 공급밸브(V21)는 개방시킨다. 또한, 상기 제어부(미도시)는, 상기 제1산소농축 공기 공급밸브(V13)는 차폐시키고, 상기 제2산소농축 공기 공급밸브(V23)는 개방시킨다.
상기 공기 압축기(20)가 작동되면, 외부 공기가 상기 공기 필터(23)로 유입되고, 상기 공기 필터(23)에서는 외부 공기가 필터링된다.
상기 공기 필터(23)에서 나온 공기는 상기 공기 압축기(20)에서 미리 설정된 설정 압력까지 가압된다. 여기서, 상기 설정 압력은 약 2~3bar인 것으로 예를 들어 설명한다. 또한, 상기 공기 압축기(20)에서 나온 공기의 온도는 약 135℃ 이하이다.
상기 공기 압축기(20)에서 가압된 공기는 상기 프리 쿨러(100)에서 예냉된다. 상기 프리 쿨러(100)에서는 상기 공기 압축기(20)에서 가압된 고온의 흡착용 공기의 열을 상기 재생용 공기에 전달하여, 상기 흡착용 공기의 온도를 낮출 수 있다. 상기 프리 쿨러(100)에서 냉각된 흡착용 공기의 온도는 약 80℃ 이하이다.
상기 프리 쿨러(100)에서 예냉된 공기는 상기 제2질소 흡착기(32)로 공급된다.
상기 제2질소 흡착기(32)에서는 상기 공기 압축기(20)에서 가압된 공기 중 질소가 상기 제2질소 흡착제에 흡착되어, 공기 중의 산소 농도가 증가하여 산소 농축 공기가 토출된다.
상기 제2질소 흡착기(32)에서 토출된 산소 농축 공기는 상기 가습부(90)로 유입된다.
상기 가습부(90)에는 상기 제2질소 흡착기(32)에서 나온 산소 농축 공기와 상기 연료전지 스택(10)에서 전기화학반응을 마치고 토출된 습공기(Humid air) 및 액상의 물(H2O(l))이 각각 유입된다. 상기 가습부(90)에서는 상기 습공기가 상기 연료전지 스택(10)으로 공급되기 이전의 산소 농축 공기에 열 및 수분을 전달하게 된다. 따라서, 상기 제2질소 흡착기(32)에서 나온 산소 농축 공기는 상기 가습부(90)를 통과하면서 충분한 열과 수분을 공급받을 수 있다.
상기 가습부(90)를 통과한 산소 농축 공기는 상기 산소농축 공기 공급유로(50)를 통해 상기 연료전지 스택(50)으로 공급된다.
따라서, 상기 공기 압축기(20)를 이용하여 공기의 압력을 증가시켜, 상기 제2질소 흡착기(32)에서 질소의 흡착이 이루어진다.
상기와 같이, 상기 제1질소 흡착기(31)는 재생 모드이고, 상기 제2질소 흡착기(32)는 흡착 모드일 때, 상기 제1질소 흡착기(31)는 상기 연료전지 스택(10)에서 나온 고온의 냉각수에 의해 내부 온도는 상승하고 내부 압력은 흡착 모드일 때보다 낮아지게 되므로, 온도 및 압력 변동에 따라 상기 제1질소 흡착제로부터 질소를 탈착시킬 수 있다. 또한, 상기 제2질소 흡착기(32)는 상기 공기 압축기(20)에서 나온 고압의 공기에 의한 압력 변동에 따라 상기 제2질소 흡착제에서 질소를 흡착시킬 수 있다.
따라서, 상기 연료전지 스택(10)으로 산소가 농축된 산소 농축 공기를 공급함으로써, 연료전지 시스템의 성능과 효율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 상기 연료전지 스택(10)에서 반응에 참여하지 않고 버려지는 수소 가스의 연소열을 활용하여 질소의 탈착에 소모되는 에너지를 저감시킬 수 있는 이점이 있다.
이후, 미리 설정된 시간이 경과하면, 상기 설정 주기에 따라 상기 제1질소 흡착기(31)는 상기 재생 모드에서 상기 흡착 모드로 전환되고, 상기 제2질소 흡착기(32)는 상기 흡착 모드에서 상기 재생 모드로 전환된다.
한편, 도 3은 도 1에 도시된 제1질소 흡착기는 흡착 모드이고, 제2질소 흡착기는 재생 모드를 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하여, 상기 제1질소 흡착기(31)는 흡착 모드이고, 상기 제2질소 흡착기(32)는 재생 모드일 때에 대해 설명하면 다음과 같다.
상기 제1질소 흡착기(31)의 흡착 모드시, 공기의 흐름을 설명하면 다음과 같다.
상기 제1질소 흡착기(31)의 흡착 모드시, 외부 공기는 상기 공기 필터(23), 상기 공기 압축기(20), 상기 프리 쿨러(100), 상기 제1질소 흡착기(31), 상기 가습부(90)를 차례로 통과한 후, 상기 연료전지 스택(10)으로 공급되도록 유로가 전환된다.
상기 제어부(미도시)는, 상기 제1질소 흡착기(31)의 흡착 모드시, 상기 공기 압축기(20)를 작동시키고, 상기 제1흡착용 공기 공급밸브(V11)는 개방시키고, 상기 제2흡착용 공기 공급밸브(V21)는 차폐시킨다. 또한, 상기 제어부(미도시)는, 상기 제1산소농축 공기 공급밸브(V13)는 개방시키고, 상기 제2산소농축 공기 공급밸브(V23)는 차폐시킨다.
상기 공기 압축기(20)가 작동되면, 외부 공기가 상기 공기 필터(23)로 유입되고, 상기 공기 필터(23)에서는 외부 공기가 필터링된다.
상기 공기 필터(23)에서 나온 공기는 상기 공기 압축기(20)에서 미리 설정된 설정 압력까지 가압된다.
상기 공기 압축기(20)에서 가압된 공기는 상기 프리 쿨러(100)에서 예냉된다. 상기 프리 쿨러(100)에서는 상기 공기 압축기(20)에서 가압된 고온의 흡착용 공기의 열을 상기 재생용 공기에 전달하여, 상기 흡착용 공기의 온도를 낮출 수 있다. 상기 프리 쿨러(100)에서 냉각된 흡착용 공기의 온도는 약 80℃이하이다.
상기 프리 쿨러(100)에서 예냉된 공기는 상기 제1질소 흡착기(31)로 공급된다.
상기 제1질소 흡착기(31)에서는 상기 공기 압축기(20)에서 가압된 공기 중 질소가 상기 제1질소 흡착제에 흡착되어, 공기 중의 산소 농도가 증가하여 산소 농축 공기가 토출된다.
상기 제1질소 흡착기(31)에서 토출된 산소 농축 공기는 상기 가습부(90)로 유입된다.
상기 가습부(90)에는 상기 제1질소 흡착기(31)에서 나온 산소 농축 공기와 상기 연료전지 스택(10)에서 전기화학반응을 마치고 토출된 습공기(Humid air) 및 액상의 물(H2O(l))이 각각 유입된다. 상기 가습부(90)에서는 상기 습공기가 상기 연료전지 스택(10)으로 공급되기 이전의 산소 농축 공기에 열 및 수분을 전달하게 된다. 따라서, 상기 제1질소 흡착기(31)에서 나온 산소 농축 공기는 상기 가습부(90)를 통과하면서 충분한 열과 수분을 공급받을 수 있다.
상기 가습부(90)를 통과한 산소 농축 공기는 상기 산소농축 공기 공급유로(50)를 통해 상기 연료전지 스택(50)으로 공급된다.
따라서, 상기 제1질소 흡착기(31)의 흡착 모드시, 상기 공기 압축기(20)에서 가압된 공기가 상기 제1질소 흡착기(31)로 유입되어, 공기 중 질소의 흡착이 이루어진다.
또한, 상기 제2질소 흡착기(32)의 재생 모드시, 재생용 공기의 흐름을 설명하면 다음과 같다.
상기 제2질소 흡착기(32)의 재생 모드시, 외부로부터 공급된 재생용 공기는 상기 재생용 송풍기(103), 상기 프리 쿨러(100), 상기 연소가스 열교환기(300), 상기 제2질소 흡착기(32), 상기 연소기(200)를 차례로 통과한 후 외부로 토출되도록 유로가 전환된다.
상기 제어부(미도시)는, 상기 재생용 송풍기(103)를 작동시키고, 상기 제1재생용 공기 공급밸브(V14)는 차폐시키고, 상기 제2재생용 공기 공급밸브(V15)는 개방시킨다. 또한, 상기 제어부(미도시)는, 상기 제1재생용 공기 배출밸브(V12)는 차폐시키고, 상기 제2재생용 공기 배출밸브(V22)는 개방시킨다.
상기 재생용 송풍기(103)가 작동되면, 상기 재생용 공기가 상기 프리 쿨러(100)로 유입되어, 상기 프리 쿨러(100)를 통과하면서 상기 공기 압축기(20)에서 가압된 흡착용 공기의 열을 흡수하여 1차로 가열된다. 상기 프리 쿨러(100)로 유입되기 이전의 재생용 공기의 온도는 대기온도(예를들어, 약 30℃)와 비슷하지만, 상기 프리 쿨러(100)에서 상기 공기 압축기(20)에서 가압된 고온의 공기와 열교환함으로써, 상기 프리 쿨러(100)에서 토출되는 재생용 공기의 온도는 약 100℃ 이하로 상승하게 된다.
상기 프리 쿨러(100)에서 1차 가열된 재생용 공기는 상기 열교환기 공기 공급유로(310)를 통해 상기 연소가스 열교환기(300)로 유입된다.
상기 연소가스 열교환기(300)에서는 상기 재생용 공기와 상기 연소기(200)에서 나온 연소가스의 열교환이 이루어진다. 상기 연소가스 열교환기(300)로 유입되기 이전의 재생용 공기의 온도는 상대적으로 낮은 온도(예를 들어, 약 100℃ 이하)이나, 상기 연소기(200)에서 나온 연소가스의 온도는 상대적으로 높은 온도(예를 들어, 약 250℃ 이상)이므로, 상기 재생용 공기는 상기 연소가스의 열을 흡수하여 2차로 가열된다. 상기 연소가스 열교환기(300)에서 토출되는 재생용 공기의 온도는 상기 질소 흡착제를 재생하기에 충분한 온도(예를 들어, 약 200℃ 이상)이다.
상기 연소가스 열교환기(300)에서 2차 가열된 재생용 공기는 상기 제2재생용 공기 공급유로(82)를 통해 상기 제2질소 흡착기(32)로 유입된다.
상기 제2질소 흡착기(32)에서는 낮아진 압력차와 상기 재생용 공기의 열에 의해 상기 제2질소 흡착제에 흡착되어 있던 수분과 질소가 탈착되면서 재생이 이루어진다.
상기 제2질소 흡착기(32)에서 상기 제2질소 흡착제를 재생시키고 나온 공기는 상기 연소기 공기 공급유로(210)를 통해 상기 연소기(200)로 공급된다.
상기 연소기(200)로 공급된 재생용 공기는 상기 연소기(200)에서 산화제로 사용된다.
한편, 상기 연소기(200)에서는 연소에 필요한 연료로써 상기 연료전지 스택(10)에서 나온 수소 가스를 사용한다. 상기 연료전지 스택(10)에서 나온 수소 가스는 수소(H2), 수증기(H20(v))와 액상의 물(H2O(l))도 포함하므로, 상기 기액 분리기(201)를 통해 액상의 물을 분리한 후, 상기 연소기(200)로 유입되도록 한다. 연소 온도가 높아 상기 연소기(200)에서 질소산화물등이 발생할 염려가 있는 경우, 필요에 따라 상기 기액 분리기(201)에서 액상물을 분리하고 반응에 참여시켜 연소온도를 낮출 수 있다.
상기 연소기(200)로 유입되는 수소 가스는 수소(H2)와 수증기(H20(v))를 포함하며, 온도는 연료전지의 운전온도와 유사한 온도(약 60℃ 내지 80℃)이거나 낮다.
상기 연소기(200)에서 연소되고 나온 연소가스는 질소(N2), 산소(O2) 및 수증기(H20(v))가 포함되고, 온도는 약 250℃ 이상이다. 따라서, 상기 연소기(200)에서 나온 고온의 연소가스는 상기 연소가스 열교환기(300)로 공급되어, 상기 연소가스의 열은 상기 재생용 공기를 2차 가열하는 데 사용된다.
상기와 같이, 상기 제1질소 흡착기(31)는 흡착 모드이고, 상기 제2질소 흡착기(32)는 재생 모드일 때, 상기 제1질소 흡착기(31)는 상기 공기 압축기(20)에서 나온 고압의 공기에 의한 압력 변동에 따라 상기 제1질소 흡착제에서 질소를 흡착시킬 수 있다. 또한, 상기 제2질소 흡착기(32)는 상기 공기 압축기(20)에서 가압된 고온의 공기와 상기 연료전지 스택(10)에서 나온 연소가스의 열을 흡수한 재생용 공기에 의한 온도 변동에 따라 상기 제2질소 흡착제로부터 질소를 탈착시킬 수 있다.
따라서, 상기 연료전지 스택(10)으로 산소가 농축된 산소 농축 공기를 공급함으로써, 연료전지 시스템의 성능과 효율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 상기 연료전지 스택(10)의 폐열을 회수하여 질소의 탈착에 소모되는 에너지를 저감시킬 수 있는 이점이 있다.
한편, 도 4는 도 1에 도시된 제1질소 흡착기는 흡착 모드이고, 제2질소 흡착기는 재생 모드일 때, 방열기를 바이패스하는 방열기 바이패스 모드를 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하명, 상기 제1질소 흡착기(31)는 흡착 모드이고, 상기 제2질소 흡착기(32)는 재생 모드인 것으로 예를 들어 설명하나, 이에 한정되지 않고, 상기 제1질소 흡착기(31)는 재생 모드이고, 상기 제2질소 흡착기(32)가 흡착 모드일 때도 상기 방열기 바이패스 모드가 가능하다.
상기 흡착 모드와 상기 재생 모드시 공기의 흐름은 도 3에 개시된 바와 동일하므로, 그에 따른 상세한 설명은 생략한다.
상기 제어부(미도시)는, 상기 냉각수 온도센서(61a)가 측정한 냉각수의 온도에 따라 상기 방열기 바이패스 밸브(V30)를 개폐를 제어한다.
상기 냉각수 온도 센서(61a)에서 측정한 냉각수의 온도가 미리 설정된 온도 이하이면, 상기 방열기 바이패스 밸브(V30)를 개방하여 상기 방열기 바이패스 유로(120)를 개방시킨다.
따라서, 상기 연료전지 스택(10)에서 나온 냉각수는 상기 방열기(110)를 통과하지 않고, 상기 방열기 바이패스 유로(120)를 통해 상기 냉각수 저장소(75)로 유입된다.
한편, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 제1,2질소 흡착기들의 시간에 따른 운전 상태를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, 상기 제1질소 흡착기(Vessel-1)과 상기 제2질소 흡착기(Vessel-2)가 상기 재생 모드(Regenerating)와 상기 흡착 모드(Online)를 번갈아 수행하는 것을 알 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
10: 연료전지 스택 12: 수소 공급유로
14: 수소 배출유로 20: 공기 압축기
21: 외부 공기 공급유로 22: 압축기 토출유로
30: 질소 흡착기 31: 제1질소 흡착기
32: 제2질소 흡착기 40: 흡착용 공기 공급유로
41: 제1흡착용 공기 공급유로 42: 제2흡착용 공기 공급유로
50: 산소농축 공기 공급유로 51: 제1산소농축 공기 공급유로
52: 제2산소농축 공기 공급유로 60: 재생용 냉각수 유로
61: 냉각수 토출유로 62: 냉각수 순환유로
80: 재생용 공기 공급유로 81: 제1재생용 공기 공급유로
82: 제2재생용 공기 공급유로 90: 가습부
100: 프리 쿨러 103: 재생용 송풍기
110: 방열기 120: 방열기 바이패스 유로
200: 연소기 210: 연소기 공기 공급유로
220: 연소가스 유로 300: 연소가스 열교환기
310: 열교환기 공기 공급유로
V1: 수소 밸브 V11:제1흡착용 공기 공급밸브
V12: 제1재생용 공기 배출밸브 V13: 제1산소농축 공기 공급밸브
V14:　제1재생용 공기 공급밸브　V21: 제2흡착용 공기 공급밸브
V22: 제2재생용 공기 배출밸브 V23:　제2산소농축 공기 공급밸브
V24: 제2재생용 공기 공급밸브 V30: 방열기 바이패스 밸브

Claims (15)

  1. 외부 공기를 가압하는 공기 압축기와;
    외부 공기를 유입하여 상기 공기 압축기에서 나온 흡착용 공기와 열교환시켜, 상기 흡착용 공기를 냉각시키는 프리 쿨러와;
    연료전지 스택에서 나온 수소를 포함한 배출가스를 연소시키는 연소기와;
    상기 프리 쿨러에서 열교환을 통해 가열되어 나온 재생용 공기와 상기 연소기에서 나온 연소가스를 열교환시켜, 상기 재생용 공기를 가열하는 연소가스 열교환기와;
    복수개가 서로 병렬로 연결되고 내부에 질소 흡착제가 구비되어, 상기 프리 쿨러에서 냉각되어 나온 고압의 흡착용 공기 중 질소를 상기 질소 흡착제에 흡착시키는 흡착 모드와, 상기 연소가스 열교환기에서 가열된 재생용 공기의 열을 이용하여 상기 질소 흡착제를 재생시키는 재생 모드를 번갈아 수행하는 복수의 질소 흡착기들과;
    상기 프리 쿨러와 상기 질소 흡착기들을 연결하여, 상기 프리 쿨러에서 냉각된 고압의 흡착용 공기를 상기 흡착 모드를 수행하는 상기 질소 흡착기로 공급하는 흡착용 공기 공급유로와;
    상기 프리 쿨러와 상기 연소가스 열교환기의 공기 입구를 연결하여, 상기 프리 쿨러에서 가열된 재생용 공기를 상기 연소가스 열교환기의 공기 입구로 공급하는 열교환기 공기 공급유로와;
    상기 연소가스 열교환기의 공기 출구와 상기 질소 흡착기들을 연결하여, 상기 연소가스 열교환기에서 가열된 재생용 공기를 상기 재생 모드를 수행하는 상기 질소 흡착기로 공급하는 재생용 공기 공급유로와;
    상기 질소 흡착기들과 상기 연료전지 스택을 연결하여, 상기 흡착 모드를 수행하는 상기 질소 흡착기에서 산소가 농축된 산소농축 공기를 상기 연료전지 스택으로 공급하는 산소농축 공기 공급유로와;
    상기 연료전지 스택과 상기 연소기의 가스 입구를 연결하여, 상기 배출 가스를 상기 연소기로 안내하는 수소 배출유로와;
    상기 연소기와 상기 연소가스 열교환기의 가스 입구를 연결하여, 상기 연소기에서 나온 연소 가스를 상기 연소가스 열교환기로 안내하는 연소가스 유로를 포함하는 압력과 온도 변동 흡착 기술을 이용하여 산소가 농축된 공기를 공급받는 연료전지 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 질소 흡착기와 상기 연소기의 공기 입구를 연결하여, 상기 재생 모드를 수행하는 상기 질소 흡착기에서 토출된 공기를 상기 연소기로 안내하는 연소기 공기 공급유로를 더 포함하는 압력과 온도 변동 흡착 기술을 이용하여 산소가 농축된 공기를 공급받는 연료전지 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 산소농축 공기 공급유로에 설치되어, 상기 질소 흡착기에서 나온 산소농축 공기를 가습시키는 가습부를 더 포함하는 압력과 온도 변동 흡착 기술을 이용하여 산소가 농축된 공기를 공급받는 연료전지 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 가습부는,
    상기 산소농축 공기 공급유로와 상기 연료전지 스택의 공기 토출유로 사이에 설치되어, 상기 연료전지 스택에서 나온 공기의 열과 수분을 상기 질소 흡착기로부터 나온 산소농축 공기에 전달하는 막 가습기를 포함하는 압력과 온도 변동 흡착 기술을 이용하여 산소가 농축된 공기를 공급받는 연료전지 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 수소 배출유로에 설치되어, 상기 연료전지 스택에서 나온 상기 배출 가스에 포함된 액체를 분리하는 기액 분리기를 더 포함하는 압력과 온도 변동 흡착 기술을 이용하여 산소가 농축된 공기를 공급받는 연료전지 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 프리 쿨러에 연결되어, 외부 공기를 상기 프리 쿨러로 유입하는 프리 쿨러 흡기유로와,
    상기 프리 쿨러 흡기유로에 설치되어, 외부 공기를 흡입하는 재생용 송풍기를 더 포함하는 압력과 온도 변동 흡착 기술을 이용하여 산소가 농축된 공기를 공급받는 연료전지 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 흡착용 공기 공급유로는, 일측은 상기 프리 쿨러에 연결되고, 타측은 상기 복수의 질소 흡착기들에 각각 연결되도록 복수의 유로들로 분기되고,
    상기 복수의 유로들에 설치된 복수의 흡착용 공기 공급밸브들과,
    상기 흡착 모드와 상기 재생 모드에 따라 상기 복수의 유로들을 선택적으로 개폐하도록 상기 복수의 흡착용 공기 공급밸브들을 제어하는 제어부를 더 포함하는 압력과 온도 변동 흡착 기술을 이용하여 산소가 농축된 공기를 공급받는 연료전지 시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 흡착용 공기 공급유로에서 분기되어, 상기 재생 모드를 수행하는 상기 질소 흡착기에서 나온 공기를 외부로 배출하는 재생용 공기 배출유로를 더 포함하는 압력과 온도 변동 흡착 기술을 이용하여 산소가 농축된 공기를 공급받는 연료전지 시스템.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 산소농축 공기 공급유로는, 일측은 상기 연료전지 스택에 연결되고, 타측은 상기 복수의 질소 흡착기들에 각각 연결되도록 복수의 유로들로 분기되고,
    상기 복수의 유로들에 설치된 복수의 산소농축 공기 공급밸브들과,
    상기 흡착 모드와 상기 재생 모드에 따라 상기 복수의 유로들을 선택적으로 개폐하도록 상기 복수의 산소농축 공기 공급밸브들을 제어하는 제어부를 더 포함하는 압력과 온도 변동 흡착 기술을 이용하여 산소가 농축된 공기를 공급받는 연료전지 시스템.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 재생용 공기 공급유로는,
    일측은 상기 연소가스 열교환기의 공기 출구에 연결되고, 타측은 상기 산소농축 공기 공급유로에서 상기 질소 흡착기와 상기 산소농축 공기 공급밸브 사이로 연결되도록 형성된 압력과 온도 변동 흡착 기술을 이용하여 산소가 농축된 공기를 공급받는 연료전지 시스템.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 재생용 공기 공급유로는,
    일측은 상기 연소가스 열교환기의 공기 출구에 연결되고, 타측은 상기 복수의 질소 흡착기들에 각각 연결되도록 복수의 유로들로 분기되고,
    상기 복수의 유로들에 설치된 복수의 재생용 공기 공급밸브들과,
    상기 흡착 모드와 상기 재생 모드에 따라 상기 복수의 유로들을 선택적으로 개폐하도록 상기 복수의 재생용 공기 공급밸브들을 제어하는 제어부를 더 포함하는 압력과 온도 변동 흡착 기술을 이용하여 산소가 농축된 공기를 공급받는 연료전지 시스템.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 연료전지 스택으로부터 냉각수를 토출하는 냉각수 토출유로와,
    상기 냉각수 토출유로에 설치되어, 상기 연료전지 스택에서 나온 냉각수의 열을 외부 공기에 방열하는 방열기와,
    상기 방열기에서 냉각된 냉각수를 상기 연료전지 스택으로 순환시키는 냉각수 순환유로를 더 포함하는 압력과 온도 변동 흡착 기술을 이용하여 산소가 농축된 공기를 공급받는 연료전지 시스템.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 냉각수 토출유로에 설치되어, 상기 연료전지 스택에서 나온 냉각수의 온도를 측정하는 냉각수 온도센서와,
    상기 냉각수 순환유로에 연결되어, 상기 연료전지 스택에서 나온 냉각수가 상기 방열기를 바이패스하도록 형성된 방열기 바이패스 유로와,
    상기 방열기 바이패스 유로를 개폐하는 방열기 바이패스 밸브와,
    상기 냉각수 온도센서에서 감지된 온도에 따라 상기 방열기 바이패스 밸브의 개폐를 제어하는 제어부를 더 포함하는 압력과 온도 변동 흡착 기술을 이용하여 산소가 농축된 공기를 공급받는 연료전지 시스템.
  14. 외부 공기를 가압하는 공기 압축기와;
    외부 공기를 유입하여 상기 공기 압축기에서 나온 흡착용 공기와 열교환시켜, 상기 흡착용 공기를 냉각시키는 프리 쿨러와;
    연료전지 스택에서 나온 수소를 포함한 배출 가스를 연소시키는 연소기와;
    상기 프리 쿨러에서 열교환을 통해 가열되어 나온 재생용 공기와 상기 연소기에서 나온 연소가스를 열교환시켜, 상기 재생용 공기를 가열하는 연소가스 열교환기와;
    상기 프리 쿨러에서 냉각되어 나온 흡착용 공기와 상기 연소가스 열교환기에서 가열되어 나온 재생용 공기 중 어느 하나가 통과하도록 형성되고, 내부에 질소 흡착제가 구비되어 상기 흡착용 공기 중 질소를 흡착시키는 흡착 모드와, 상기 재생용 공기의 열을 이용하여 상기 질소 흡착제를 재생시키는 재생 모드를 번갈아 수행하는 제1질소 흡착기와;
    상기 제1질소 흡착기와 병렬로 연결되고, 상기 프리 쿨러에서 냉각되어 나온 흡착용 공기와 상기 연소가스 열교환기에서 가열되어 나온 재생용 공기 중 나머지 하나가 통과하도록 형성되고, 내부에 질소 흡착제가 구비되어 상기 흡착용 공기 중 질소를 흡착시키는 흡착 모드와, 상기 재생용 공기의 열을 이용하여 상기 질소 흡착제를 재생시키는 재생 모드를 번갈아 수행하는 제2질소 흡착기와;
    상기 프리 쿨러의 토출유로에서 분기되어 상기 제1질소 흡착기에 연결되어,상기 프리 쿨러에서 냉각된 고압의 흡착용 공기를 상기 제1질소 흡착기로 공급하는 제1흡착용 공기 공급유로와;
    상기 프리 쿨러의 토출유로에서 분기되어 상기 제2질소 흡착기에 연결되어, 상기 프리 쿨러에서 냉각된 고압의 흡착용 공기를 상기 제2질소 흡착기로 공급하는 제2흡착용 공기 공급유로와;
    상기 제1질소 흡착기와 상기 연료전지 스택의 공기 흡입유로를 연결하여, 상기 제1질소 흡착기에서 산소가 농축된 산소농축 공기를 상기 연료전지 스택으로 공급하기 위한 제1산소농축 공기 공급유로와;
    상기 제2질소 흡착기와 상기 연료전지 스택의 공기 흡입유로를 연결하여, 상기 제2질소 흡착기에서 산소가 농축된 산소농축 공기를 상기 연료전지 스택으로 공급하기 위한 제2산소농축 공기 공급유로와;
    상기 프리 쿨러와 상기 연소가스 열교환기의 공기 입구를 연결하여, 상기 프리 쿨러에서 가열된 재생용 공기를 상기 연소가스 열교환기의 공기 입구로 공급하는 열교환기 공기 공급유로와;
    상기 연소가스 열교환기의 공기 출구와 상기 제1질소 흡착기를 연결하여, 상기 연소가스 열교환기에서 가열된 재생용 공기를 상기 제1질소 흡착기로 공급하는 제1재생용 공기 공급유로와;
    상기 연소가스 열교환기의 공기 출구와 상기 제2질소 흡착기를 연결하여, 상기 연소가스 열교환기에서 가열된 재생용 공기를 상기 제2질소 흡착기로 공급하는 제2재생용 공기 공급유로와;
    상기 연료전지 스택과 상기 연소기의 가스 입구를 연결하여, 상기 배출 가스를 상기 연소기로 안내하는 수소 배출유로와;
    상기 연소기와 상기 연소가스 열교환기의 가스 입구를 연결하여, 상기 연소기에서 나온 연소 가스를 상기 연소가스 열교환기로 안내하는 연소가스 유로를 포함하는 압력과 온도 변동 흡착 기술을 이용하여 산소가 농축된 공기를 공급받는 연료전지 시스템.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 제1흡착용 공기 공급유로에 설치된 제1흡착용 공기 공급밸브와,
    상기 제2흡착용 공기 공급유로에 설치된 제2흡착용 공기 공급밸브와,
    상기 제1산소농축 공기 공급유로에 설치된 제1산소농축 공기 공급밸브와,
    상기 제2산소농축 공기 공급유로에 설치된 제2산소농축 공기 공급밸브와,
    상기 제1재생용 공기 공급유로에 설치된 제1재생용 공기 공급밸브와,
    상기 제2재생용 공기 공급유로에 설치된 제2재생용 공기 공급밸브와,
    상기 제1질소 흡착기가 흡착 모드이고 상기 제2질소 흡착기가 재생 모드일 때 상기 제1흡착용 공기 공급밸브, 상기 제1산소농축 공기 공급밸브 및 상기 제2재생용 공기 공급밸브를 개방시키고, 상기 제2흡착용 공기 공급밸브와 상기 제2산소농축 공기 공급밸브, 상기 제1재생용 공기 공급밸브는 차폐시키며,
    상기 제1질소 흡착기가 재생 모드이고 상기 제2질소 흡착기가 흡착 모드일 때 상기 제1흡착용 공기 공급밸브, 상기 제1산소농축 공기 공급밸브 및 상기 제2재생용 공기 공급밸브를 차폐시키고, 상기 제2흡착용 공기 공급밸브, 상기 제2산소농축 공기 공급밸브 및 상기 제1재생용 공기 공급밸브는 개방시키는 제어부를 더 포함하는 압력과 온도 변동 흡착 기술을 이용하여 산소가 농축된 공기를 공급받는 연료전지 시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20040098000A (ko) * 2002-02-20 2004-11-18 이온 아메리카 코포레이션 고체 산화물 연료 전지와 시스템

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