KR102397331B1 - 압력과 온도 변동 흡착 기술을 이용하여 산소가 농축된 공기를 공급받는 연료전지 시스템 - Google Patents

압력과 온도 변동 흡착 기술을 이용하여 산소가 농축된 공기를 공급받는 연료전지 시스템 Download PDF

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이유일
나선익
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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 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 연료전지 스택에서 나온 냉각수의 폐열을 이용하여 질소를 탈착시킴으로써, 흡착과 탈착 효율이 보다 향상될 수 있을 뿐만 아니라, 질소의 탈착에 소모되는 에너지를 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 상기 연료전지 스택으로 공급되는 공기 중 산소의 농도를 높여 상기 연료전지의 출력을 증가시켜 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, 연료전지의 폐열을 회수한 냉각수의 열을 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.
한국공개특허 제10-2004-009800호
본 발명의 목적은, 연료전지에서 나온 냉각수의 폐열을 회수하여 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 유입하여 가압하는 공기 압축기와; 상기 공기 압축기에서 가압된 고압의 공기가 통과하도록 형성되고 질소 흡착제가 구비된 공기실과, 연료전지 스택을 냉각시키고 나온 냉각수가 통과하도록 형성된 워터 히팅 재킷을 포함하고, 복수개가 서로 병렬로 연결되어 상기 고압의 공기를 이용하여 공기 중 질소를 상기 질소 흡착제에 흡착시키는 흡착 모드와 상기 냉각수의 열을 이용하여 상기 질소 흡착제를 재생시키는 재생 모드를 번갈아 수행하는 복수의 질소 흡착기들과; 상기 공기 압축기와 상기 질소 흡착기들의 공기실을 연결하여, 상기 공기 압축기로부터 가압된 고압의 공기를 상기 흡착 모드를 수행하는 상기 질소 흡착기의 공기실로 공급하는 흡착용 공기 공급유로와; 상기 질소 흡착기들의 공기실과 상기 연료전지 스택을 연결하여, 상기 공기실에서 산소가 농축된 산소농축 공기를 상기 연료전지 스택으로 공급하는 산소농축 공기 공급유로와; 상기 연료전지 스택과 상기 질소 흡착기들의 워터 히팅 재킷의 입구를 연결하여, 상기 연료전지 스택을 냉각시키고 나온 고온의 냉각수의 열을 상기 재생 모드를 수행하는 상기 질소 흡착기의 워터 히팅 재킷으로 전달하는 재생용 냉각수 유로와; 상기 질소 흡착기들의 워터 히팅 재킷의 출구와 상기 연료전지 스택을 연결하여, 상기 워터 히팅 재킷에서 방열하고 나온 저온의 냉각수를 상기 연료전지 스택으로 다시 순환시키는 냉각수 순환유로와; 상기 흡착용 공기 공급유로와 별도로 형성되어, 외부 공기를 상기 재생 모드를 수행하는 상기 질소 흡착기들의 공기실로 공급하는 재생용 공기 공급유로를 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 공기 압축기에 연결된 압축기 토출유로에 설치되어, 상기 공기 압축기에서 가압된 공기를 냉각 유체를 이용하여 냉각 또는 제습시키는 프리 쿨러를 더 포함한다.
상기 냉각수 순환유로와 상기 재생용 공기 공급유로 사이에 설치되어, 상기 워터 히팅 재킷에서 나온 냉각수의 열을 상기 재생용 공기 공급유로를 통과하는 공기에 방열하기 위한 방열기를 더 포함한다.
상기 냉각수 순환유로에 설치되어, 상기 워터 히팅 재킷에서 나온 냉각수의 온도를 측정하는 냉각수 온도센서와, 상기 냉각수 순환유로에 연결되어, 상기 워터 히팅 재킷에서 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.
상기 재생용 냉각수 유로에서 분기되어, 상기 연료전지 스택을 냉각시키고 나온 고온의 냉각수 중 적어도 일부가 상기 질소 흡착기를 바이패스하여 상기 방열기로 공급되도록 안내하는 질소 흡착기 바이패스 유로와, 상기 질소 흡착기 바이패스 유로에 설치된 질소 흡착기 바이패스 밸브와, 상기 연료전지 스택에서 토출된 냉각수의 온도를 측정하는 스택 토출냉각수 온도센서와, 상기 스택 토출냉각수 온도센서에서 감지된 냉각수의 온도가 미리 설정된 목표 온도보다 설정값 이상 낮은 경우, 상기 질소 흡착기 바이패스 유로를 개방시키도록 상기 질소 흡착기 바이패스 밸브의 개폐를 제어하는 제어부를 더 포함한다.
상기 흡착용 공기 공급유로는, 일측은 상기 공기 압축기에 연결되고, 타측은 상기 복수의 질소 흡착기들의 공기실에 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 모드시 상기 공기실에서 상기 질소 흡착제를 재생시키고 나온 공기를 외부로 배출하는 재생용 공기 배출유로를 더 포함한다.
상기 산소농축 공기 공급유로는, 일측은 상기 연료전지 스택에 연결되고, 타측은 상기 복수의 질소 흡착기들의 공기실에 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 방열기에 연결되고, 타측은 상기 산소농축 공기 공급유로에서 상기 질소 흡착기와 상기 산소농축 공기 공급밸브 사이로 연결되도록 형성된다.
상기 재생용 공기 공급유로는, 일측은 상기 방열기에 연결되고, 타측은 상기 복수의 질소 흡착기들의 공기실에 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.
본 발명의 다른 측면에 따른 압력과 온도 변동 흡착 기술을 이용하여 산소가 농축된 공기를 공급받는 연료전지 시스템은, 외부 공기를 유입하여 가압하는 공기 압축기와; 상기 공기 압축기에서 가압된 고압의 공기가 통과하도록 형성되고 제1질소 흡착제가 구비된 제1공기실과, 연료전지 스택을 냉각시키고 나온 냉각수가 통과하도록 형성된 제1워터 히팅 재킷을 포함하는 제1질소 흡착기와; 상기 제1질소 흡착기와 병렬로 연결되고, 상기 공기 압축기에서 가압된 고압의 공기가 통과하도록 형성되고 제2질소 흡착제가 구비된 제2공기실과, 연료전지 스택을 냉각시키고 나온 냉각수가 통과하도록 형성된 제2워터 히팅 재킷을 포함하는 제2질소 흡착기와; 상기 연료전지 스택의 공기 흡입유로와 상기 연료전지 스택의 공기 토출유로 사이에 설치되어, 상기 연료전지 스택에서 나온 공기의 열과 수분을 상기 제1,2질소 흡착기 중 어느 하나로부터 나온 산소농축 공기에 전달하는 가습부와; 상기 공기 압축기의 압축기 토출유로에 설치되어, 상기 공기 압축기에서 가압된 공기를 냉각 유체를 이용하여 냉각 제습시키는 프리 쿨러와; 상기 공기 압축기의 압축기 토출유로에서 분기되어 상기 제1질소 흡착기에 연결되어, 상기 공기 압축기에서 가압된 고압의 공기를 상기 제1질소 흡착기로 공급하는 제1흡착용 공기 공급유로와; 상기 공기 압축기의 압축기 토출유로에서 분기되어 상기 제2질소 흡착기에 연결되어, 상기 공기 압축기에서 가압된 고압의 공기를 상기 제2질소 흡착기로 공급하는 제2흡착용 공기 공급유로와; 상기 제1질소 흡착기의 공기실과 상기 연료전지 스택의 공기 흡입유로를 연결하여, 상기 제1질소 흡착기에서 산소가 농축된 산소농축 공기를 상기 연료전지 스택으로 공급하기 위한 제1산소농축 공기 공급유로와; 상기 제2질소 흡착기의 공기실과 상기 연료전지 스택의 공기 흡입유로를 연결하여, 상기 제2질소 흡착기에서 산소가 농축된 산소농축 공기를 상기 연료전지 스택으로 공급하기 위한 제2산소농축 공기 공급유로와; 상기 연료전지 스택과 상기 제1질소 흡착기의 제1워터 히팅 재킷을 연결하여, 상기 연료전지 스택을 냉각시키고 나온 고온의 냉각수의 열을 상기 제1질소 흡착기의 제1워터 히팅 재킷으로 전달하는 제1재생용 냉각수 유로와; 상기 연료전지 스택과 상기 제2질소 흡착기의 제2워터 히팅 재킷을 연결하여, 상기 연료전지 스택을 냉각시키고 나온 고온의 냉각수의 열을 상기 제2질소 흡착기의 제2워터 히팅 재킷으로 전달하는 제2재생용 냉각수 유로와; 상기 제1질소 흡착기들의 제1워터 히팅 재킷과 상기 연료전지 스택을 연결하여, 상기 제1워터 히팅 재킷에서 방열하고 나온 저온의 냉각수를 상기 연료전지 스택으로 다시 순환시키는 제1냉각수 순환유로와; 상기 제2질소 흡착기들의 제2워터 히팅 재킷과 상기 연료전지 스택을 연결하여, 상기 제2워터 히팅 재킷에서 방열하고 나온 저온의 냉각수를 상기 연료전지 스택으로 다시 순환시키는 제2냉각수 순환유로와; 상기 제1흡착용 공기 공급유로와 별도로 형성되어, 외부 공기를 상기 제1질소 흡착기들의 제1공기실로 공급하는 제1재생용 공기 공급유로와; 상기 제2흡착용 공기 공급유로와 별도로 형성되어, 외부 공기를 상기 제2질소 흡착기들의 제2공기실로 공급하는 제2재생용 공기 공급유로를 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 냉각수 유로에 설치된 제1재생용 냉각수 공급밸브와, 상기 제2재생용 냉각수 유로에 설치된 제2재생용 냉각수 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, 상기 제2재생용 냉각수 공급밸브를 개방시키고, 상기 제2흡착용 공기 공급밸브, 상기 제2산소농축 공기 공급밸브, 상기 제1재생용 냉각수 공급밸브는 차폐시키며, 상기 제1질소 흡착기가 재생 모드이고 상기 제2질소 흡착기가 흡착 모드일 때 상기 제1흡착용 공기 공급밸브, 상기 제1산소농축 공기 공급밸브, 상기 제2재생용 냉각수 공급밸브를 차폐시키고, 상기 제2흡착용 공기 공급밸브, 상기 제2산소농축 공기 공급밸브, 상기 제1재생용 냉각수 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 연료전지 스택에서 나온 냉각수의 폐열을 이용하여 질소를 탈착시킴으로써, 흡착과 탈착 효율이 보다 향상될 수 있을 뿐만 아니라, 질소의 탈착에 소모되는 에너지를 절감할 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 도 1에 도시된 제1질소 흡착기는 흡착 모드일 때, 냉각수가 제2질소 흡착기의 워터 히팅 재킷을 바이패스하는 워터 히팅 재킷 바이패스 모드를 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), 재생용 냉각수 유로(60), 냉각수 순환유로(70), 재생용 공기 공급유로(80), 가습부(90), 프리 쿨러(100), 방열기(110), 방열기 바이패스 유로(120), 질소 흡착기 바이패스 유로(130) 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 수소 배출유로(14)가 연결된다.
상기 냉각수 입구(10c)에는 상기 냉각수 순환유로(70)가 연결된다.
상기 냉각수 출구(10d)에는 상기 연료전지 스택(10)을 냉각시키고 나온 냉각수를 배출하는 스택 냉각수 배출유로(74)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, 제1질소 흡착제가 구비된 제1공기실(31a)과, 상기 연료전지 스택(10)을 냉각시키고 나온 냉각수가 통과하도록 형성된 제1워터 히팅 재킷(31b)을 포함한다.
상기 제2질소 흡착기(32)는, 제2질소 흡착제가 구비된 제2공기실(32a)과, 상기 연료전지 스택(10)을 냉각시키고 나온 냉각수가 통과하도록 형성된 제2워터 히팅 재킷(32b)을 포함한다.
상기 흡착용 공기 공급유로(40)는, 상기 공기 압축기(20)의 압축기 토출유로(22)와 상기 질소 흡착기(30)의 공기실을 연결하는 유로이다. 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. 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 공기 압축기(20)의 압축기 토출유로(22)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 배출유로가 연결된다.
상기 제2흡착용 공기 공급유로(42)는, 상기 공기 압축기(20)의 압축기 토출유로(22)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 배출유로가 연결된다.
상기 제1재생용 공기 배출유로(141)는, 상기 재생 모드시 상기 질소 흡착제를 재생시키고 나온 공기를 외부로 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 외부로 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 외부로 공기를 배출하는 외부 배기유로(143)로 연결된다.
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 공기실(30a)에서 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)의 공기실에 연결된 유로이다. 상기 제1산소농축 공기 공급유로(51)에는 제1산소농축 공기 공급밸브(V13)가 설치된다.
상기 제2산소농축 공기 공급유로(52)는 상기 제2질소 흡착기(32)의 공기실에 연결된 유로이다. 상기 제1산소농축 공기 공급유로(52)에는 제2산소농축 공기 공급밸브(V23)가 설치된다.
상기 재생용 냉각수 유로(60)는, 상기 연료전지 스택(10)에 연결된 스택 냉각수 배출유로(72)와 상기 제1,2질소 흡착기들(31)(32)의 워터 히팅 재킷을 연결하는 유로이다. 상기 재생용 냉각수 유로(60)는, 상기 연료전지 스택(10)을 냉각시키고 나온 고온의 냉각수의 열을 상기 제1,질소 흡착기들(31)(32) 중에서 상기 재생 모드를 수행하는 질소 흡착기의 워터 히팅 재킷으로 안내하는 유로이다. 상기 재생용 냉각수 유로(60)는, 상기 제1질소 흡착기(31)의 제1워터 히팅 재킷(31b)에 연결된 제1재생용 냉각수 유로(61)와, 상기 제2질소 흡착기(32)의 제2워터 히팅 재킷(32b)에 연결된 제2재생용 냉각수 유로(62)를 포함한다.
상기 제1재생용 냉각수 유로(61)에는 제1재생용 냉각수 공급밸브(V15)가 설치된다.
상기 제2재생용 냉각수 유로(62)에는 제2재생용 냉각수 공급밸브(V25)가 설치된다.
상기 냉각수 순환유로(70)는, 상기 제1,2질소 흡착기(31)(32)와 상기 연료전지 스택(10)을 연결하는 유로이다. 상기 냉각수 순환유로(70)는, 상기 제1,2질소 흡착기(31)(32)의 제1,2워터 히팅 재킷(31b)(32b)에서 방열하고 나온 저온의 냉각수를 상기 연료전지 스택(10)으로 다시 순환시키는 유로이다. 상기 냉각수 순환유로(70)는, 일단은 상기 연료전지 스택(10)의 냉각수 입구(10c)에 연결되고, 타단은 2개의 제1,2냉각수 순환유로(71)(72)로 분기된다. 상기 제1냉각수 순환유로(71)는, 상기 제1질소 흡착기(31)의 제1워터 히팅 재킷(31b)의 출구에 연결된 유로이다. 상기 제2냉각수 순환유로(72)는, 상기 제2질소 흡착기(32)의 제2워터 히팅 재킷(32b)의 출구에 연결된다.
상기 냉각수 순환유로(70)에는 냉각수가 일시 저장되는 냉각수 저장소(75)와, 상기 냉각수를 펌핑하기 위한 냉각수 펌프(76)가 설치된다.
상기 재생용 공기 공급유로(80)는, 외부 공기를 흡입하여 상기 제1,2질소 흡착기(31)(32) 중에서 재생 모드를 수행하는 측에 공급하기 위한 유로이다. 상기 재생용 공기 공급유로(80)는, 상기 외부 공기 공급유로(21)와 상기 흡착용 공기 공급유로(40)와 별도로 형성된 것으로 예를 들어 설명한다. 다만, 이에 한정되지 않고, 상기 재생용 공기 공급유로(80)는, 상기 외부 공기 공급유로(21)에서 분기되어 형성되는 것도 물론 가능하다.
상기 재생용 공기 공급유로(80)는 일단은 외부에 연결되고, 타단은 2개의 제1,2재생용 공기 공급유로(81)(82)로 분기된다. 상기 제1재생용 공기 공급유로(81)는, 상기 제1질소 흡착기(31)의 제1공기실(31a)로 공기를 안내하도록 형성된다. 상기 제2재생용 공기 공급유로(82)는 상기 제2질소 흡착기(32)의 제2공기실(32a)로 공기를 안내하도록 형성된다. 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 제1재생용 공기 공급유로(81)에는 제1재생용 공기 공급밸브(V14)가 설치되고, 상기 제2재생용 공기 공급유로(82)에는 제2재생용 공기 공급밸브(V24)가 설치된다.
상기 재생용 공기 공급유로(80)에는 공기를 송풍하는 재생용 송풍기(85)와, 체크밸브(86)가 설치된다.
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, 상기 공기 압축기(20)의 압축기 토출유로(22)에 설치되어, 상기 공기 압축기(20)에서 가압된 공기를 냉각 유체를 이용하여 냉각시키거나 제습시키거나 냉각과 제습을 모두 시킬 수 있다. 본 실시예에서는, 상기 프리 쿨러(100)는 팬이고, 상기 냉각 유체는 외부 공기인 것으로 예를 들어 설명한다. 상기 공기 압축기(20)에서 압축된 고온의 공기를 팬을 이용하여 냉각시킬 경우, 소모되는 동력을 줄일 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않고, 상기 냉각 유체는 외부로부터 공급되는 냉각수를 이용하는 것도 물론 가능하다. 또한, 상기 프리 쿨러(100)는, 상기 공기 압축기(20)에서 가압된 공기의 수분을 제습하는 제습기인 것도 가능하며, 공기 중 수분 제거시 흡착율이 향상될 수 있다.
상기 방열기(110)는, 상기 냉각수 순환유로(70)와 상기 재생용 공기 공급유로(80)사이에 설치되어, 상기 제1,2질소 흡착기(31)(32) 중 어느 하나로부터 나온 냉각수의 열을 상기 재생용 공기 공급유로(80)를 통과하는 공기에 방열하는 장치이다.
상기 냉각수 순환유로(70)에는, 상기 제1,2질소 흡착기(31)(32)의 제1,2워터 히팅 재킷(31b)(32b) 중 어느 하나로부터 나온 냉각수의 온도를 측정하는 냉각수 온도센서(201)가 설치된다.
상기 방열기 바이패스 유로(120)는, 상기 냉각수 순환유로(70)에 연결되어, 상기 제1,2워터 히팅 재킷(31b)(32b) 중 어느 하나로부터 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.
상기 질소 흡착기 바이패스 유로(130)는, 상기 재생용 냉각수 유로(60)에서 분기되어, 상기 연료전지 스택(10)을 냉각시키고 나온 고온의 냉각수 중 적어도 일부가 상기 제1,2질소 흡착기(31)(32)를 바이패스하도록 형성된 유로이다. 상기 질소 흡착기 바이패스 유로(130)는, 일단은 상기 재생용 냉각수 유로(60)에 연결되고, 타단은 상기 냉각수 순환유로(70)에 연결된다.
상기 질소 흡착기 바이패스 유로(130)에는 질소 흡착기 바이패스 밸브(V40)가 설치된다.
상기 스택 냉각수 배출유로(74)에는 상기 연료전지 스택(10)에서 토출된 냉각수의 온도를 측정하는 스택 토출냉각수 온도센서(202)가 설치된다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 작동을 설명하면, 다음과 같다.
이하, 재생 모드는, 상기 연료전지 스택(10)에서 나온 냉각수의 열을 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.
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 제1질소 흡착기(31)의 재생 모드시, 상기 연료전지 스택(10)에서 나온 냉각수가 상기 제1질소 흡착기(31), 상기 방열기(110), 상기 냉각수 저장소(75), 상기 냉각수 펌프(76)를 차례로 통과한 후, 상기 연료전지 스택(10)으로 순환되도록 유로가 전환된다.
상기 제어부(미도시)는, 상기 제1질소 흡착기(31)의 재생 모드시, 상기 냉각수 펌프(76)를 작동시키고, 상기 제1재생용 냉각수 공급밸브(V15)를 개방시키고, 상기 제2재생용 냉각수 공급밸브(V25), 상기 질소 흡착기 바이패스 밸브(V40) 및 상기 방열기 바이패스 밸브(V30)를 모두 차폐시킨다.
상기 냉각수 펌프(76)가 작동되면, 상기 연료전지 스택(10)을 냉각시키고 나온 고온의 냉각수가 상기 제1재생용 냉각수 유로(61)를 통해 상기 제1질소 흡착기(31)의 제1워터 히팅 재킷(31b)으로 유입된다.
상기 제1질소 흡착기(31)에서는 상기 냉각수의 열에 의해 상기 제1질소 흡착제에 흡착된 질소가 탈착된다.
따라서, 별도의 가열원을 사용하지 않고, 상기 연료전지 스택(10)에서 나온 냉각수의 열을 이용하여, 상기 제1질소 흡착제의 재생이 이루어질 수 있다.
상기 제1질소 흡착기(31)의 제1워터 히팅 재킷(31b)에서 나온 냉각수는 상기 방열기(110)를 통과하면서 방열된다.
상기 방열기(110)에서 재생용 공기와 열교환을 통해 냉각된 냉각수는 상기 냉각수 순환유로(70)를 통해 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 공급된 재생용 공기는 상기 방열기(110), 상기 재생용 송풍기(85), 상기 제1질소 흡착기(31)를 통과한 후 외부로 토출되도록 유로가 전환된다.
상기 제어부(미도시)는, 상기 재생용 송풍기(85)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(85)가 작동되면, 외부로부터 재생용 공기가 상기 방열기(110)로 유입되어, 상기 방열기(110)를 통과하면서 상기 냉각수의 열을 흡수한다.
상기 방열기(110)를 통과한 재생용 공기는 상기 제1재생용 공기 공급유로(81)를 통해 상기 제1질소 흡착기(31)의 제1공기실(31a)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)로 유입된 재생용 공기는 상기 제1질소 흡착제에서 탈착된 질소를 포함하여 외부로 토출된다.
상기와 같이, 상기 제1질소 흡착기(31)의 재생 모드시, 상기 제1질소 흡착기(31)의 제1공기실(31a)에는 상기 방열기(110)를 통과한 공기가 통과하면서 상기 제1질소 흡착제로부터 탈착된 질소를 외부로 배출시키고, 상기 제1워터 히팅 재킷(31b)에는 상기 연료전지 스택(10)에서 나온 고온의 냉각수가 통과하면서 온도 변화를 통해 상기 제1질소 흡착제로부터 질소를 탈착시킨다.
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 제2질소 흡착기(32)의 흡착 모드시, 상기 제2질소 흡착기(32)의 제2공기실(32a)로 상기 공기 압축기(20)에서 가압된 공기가 통과하게 되고, 상기 제2워터 히팅 재킷(32b)으로 냉각수는 통과하지 않는다.
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 3bar인 것으로 예를 들어 설명한다.
상기 공기 압축기(20)에서 가압된 공기는 상기 프리 쿨러(100)에서 예냉된다. 상기 프리 쿨러(100)에서는 상기 공기 압축기(20)에서 가압된 공기의 온도를 낮출 수 있다.
상기 프리 쿨러(100)에서 예냉된 공기는 상기 제2질소 흡착기(32)의 제2공기실(32a)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)가 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)의 폐열을 회수하여 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 제1질소 흡착기(31)의 흡착 모드시, 상기 제1질소 흡착기(31)의 제1공기실(31a)로 상기 공기 압축기(20)에서 가압된 공기가 통과하게 되고, 상기 제1워터 히팅 재킷(31b)으로 냉각수는 통과하지 않는다.
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 공기의 온도를 낮출 수 있다.
상기 프리 쿨러(100)에서 예냉된 공기는 상기 제1질소 흡착기(31)의 제1공기실(31a)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)가 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.
한편, 도 3을 참조하면, 상기 제2질소 흡착기(32)의 재생 모드시, 냉각수의 흐름을 설명하면 다음과 같다.
상기 제2질소 흡착기(32)의 재생 모드시, 상기 연료전지 스택(10)에서 나온 냉각수가 상기 제2질소 흡착기(32), 상기 방열기(110), 상기 냉각수 저장소(75), 상기 냉각수 펌프(76)를 차례로 통과한 후, 상기 연료전지 스택(10)으로 순환되도록 유로가 전환된다.
상기 제어부(미도시)는, 상기 제2질소 흡착기(32)의 재생 모드시, 상기 냉각수 펌프(76)를 작동시키고, 상기 제1재생용 냉각수 공급밸브(V15)를 차폐시키고, 상기 제2재생용 냉각수 공급밸브(V25)는 개방시키고, 상기 질소 흡착기 바이패스 밸브(V40) 및 상기 방열기 바이패스 밸브(V30)를 모두 차폐시킨다.
상기 냉각수 펌프(76)가 작동되면, 상기 연료전지 스택(10)을 냉각시키고 나온 고온의 냉각수가 상기 제2재생용 냉각수 유로(62)를 통해 상기 제2질소 흡착기(32)의 제2워터 히팅 재킷(32b)으로 유입된다.
상기 제2질소 흡착기(32)에서는 상기 냉각수의 열에 의해 상기 제2질소 흡착제에 흡착된 질소가 탈착된다.
따라서, 별도의 가열원을 사용하지 않고, 상기 연료전지 스택(10)에서 나온 냉각수의 열을 이용하여, 상기 제1질소 흡착제의 재생이 이루어질 수 있다.
상기 제2질소 흡착기(32)의 제2워터 히팅 재킷(32b)에서 나온 냉각수는 상기 방열기(110)를 통과하면서 방열된다.
상기 방열기(110)에서 재생용 공기와 열교환을 통해 냉각된 냉각수는 상기 냉각수 순환유로(70)를 통해 상기 연료전지 스택(10)으로 순환된다.
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 방열기(110), 상기 재생용 송풍기(85), 상기 제2질소 흡착기(32)를 통과한 후 외부로 토출되도록 유로가 전환된다.
상기 제어부(미도시)는, 상기 재생용 송풍기(85)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(85)가 작동되면, 외부로부터 재생용 공기가 상기 방열기(110)로 유입되어, 상기 방열기(110)를 통과하면서 상기 냉각수의 열을 흡수한다.
상기 방열기(110)를 통과한 재생용 공기는 상기 제2재생용 공기 공급유로(82)를 통해 상기 제2질소 흡착기(32)의 제2공기실(32a)로 유입된다.
상기 제2질소 흡착기(32)로 유입된 재생용 공기는 상기 제2질소 흡착제에서 탈착된 질소를 포함하여 외부로 토출된다.
상기와 같이, 상기 제2질소 흡착기(32)의 재생 모드시, 상기 제2질소 흡착기(32)의 제2공기실(32a)에는 상기 방열기(110)를 통과한 공기가 통과하면서 상기 제2질소 흡착제로부터 탈착된 질소를 외부로 배출시키고, 상기 제2워터 히팅 재킷(32b)에는 상기 연료전지 스택(10)에서 나온 고온의 냉각수가 통과하면서 온도 변화를 통해 상기 제2질소 흡착제로부터 질소를 탈착시킨다.
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 있고, 상기 제2질소 흡착기(32)는 상기 연료전지 스택(10)에서 나온 고온의 냉각수에 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 참조하면, 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 방열기 바이패스 모드는, 냉각수가 상기 제2질소 흡착기(32)의 제2워터 히팅 재킷(32b)을 통과하면서 충분히 열량을 상실하여 냉각된 경우, 냉각수가 상기 방열기(110)를 바이패스하는 모드이다.
즉, 상기 제2질소 흡착기(32)의 재생 모드이고, 상기 방열기 바이패스 모드시, 상기 연료전지 스택(10)에서 나온 냉각수가 상기 제2질소 흡착기(32), 상기 냉각수 저장소(75), 상기 냉각수 펌프(76)를 차례로 통과한 후, 상기 연료전지 스택(10)으로 순환되도록 유로가 전환된다.
상기 제어부(미도시)는, 상기 냉각수 온도센서(201)가 측정한 상기 제2워터 히팅 재킷(32b)에서 나온 냉각수의 온도에 따라 상기 방열기 바이패스 밸브(V30)를 개폐를 제어한다.
상기 냉각수 온도 센서(201)에서 측정한 냉각수의 온도가 미리 설정된 온도 이하이면, 상기 제2질소 흡착기(32)에서 충분히 방열되어 냉각되었다고 판단하여, 상기 방열기 바이패스 밸브(V30)를 개방하여 상기 방열기 바이패스 유로(120)를 개방시킨다.
따라서, 상기 제2질소 흡착기(32)의 제2워터 히팅 재킷(32b)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 도 1에 도시된 제1질소 흡착기는 흡착 모드일 때, 냉각수가 제2질소 흡착기의 워터 히팅 재킷을 바이패스하는 워터 히팅 재킷 바이패스 모드를 나타낸 도면이다.
상기 워터 히팅 재킷 바이패스 모드는, 상기 연료전지 스택(10)의 운전 초기등 여러 가지 이유로 상기 연료전지 스택(10)에서 토출된 냉각수의 온도가 미리 설정된 목표 온도보다 설정값 이상 낮은 경우, 상기 연료전지 스택(10)에서 나온 냉각수를 상기 제2질소 흡착기(32)를 통과하지 않고 상기 방열기(110)로 바로 유입시키는 모드이다.
도 5를 참조하면, 상기 제1질소 흡착기(31)가 흡착 모드인 것으로 예를 들어 설명하나, 이에 한정되지 않고, 상기 제2질소 흡착기(32)가 흡착 모드일 때 냉각수가 상기 제1질소 흡착기(31)를 바이패스하는 것도 가능하다.
상기 흡착 모드와 상기 재생 모드시 공기의 흐름은 도 3에 개시된 바와 동일하므로, 그에 따른 상세한 설명은 생략한다.
상기 워터 히팅 재킷 바이패스 모드시, 상기 연료전지 스택(10)에서 나온 냉각수가 상기 방열기(110), 상기 냉각수 저장소(75), 상기 냉각수 펌프(76)를 차례로 통과한 후, 상기 연료전지 스택(10)으로 순환되도록 유로가 전환된다.
상기 제어부(미도시)는, 상기 연료전지 스택(10)의 운전 초기등 여러 가지 이유로 상기 연료전지 스택(10)에서 토출된 냉각수의 온도가 미리 설정된 목표 온도보다 설정값 이상 낮은 경우, 상기 질소 흡착기 바이패스 밸브(V40)를 개방시키고, 상기 제1재생용 냉각수 공급밸브(V15)와 상기 제2재생용 냉각수 공급밸브(V25)를 모두 차폐시킨다.
상기 질소 흡착기 바이패스 밸브(V40)가 개방되면, 상기 연료전지 스택(10)에서 나온 냉각수는 상기 질소 흡착기 바이패스 유로(130)를 통해 상기 방열기(110)로 유입된다.
즉, 상기 연료전지 스택(10)에서 나온 냉각수는 상기 제2질소 흡착기(32)로 유입되지 않고, 상기 방열기(110)에서 재생용 공기에 방열한다.
따라서, 상기 방열기(110)에서 냉각수의 열을 공급받은 재생용 공기는 상기 제2질소 흡착기(32)를 통과한 후, 외부로 배출된다.
상기와 같은 상기 워터 히팅 재킷 바이패스 모드시, 상기 제1질소 흡착기(31)에서는 질소를 흡착하는 것이 가능하여, 상기 연료전지 스택(10)으로는 산소 농축 공기가 공급될 수 있다.
상기와 같이, 본 발명에서는 복수의 질소 흡착기들을 포함함으로써, 일부는 질소를 흡착하는 흡착 모드로 사용하고, 나머지는 질소를 탈착하여 재생하는 재생 모드로 사용함으로써, 운전 조건의 변환 없이 지속적으로 질소의 흡착과 탈착이 모두 이루어질 수 있는 이점이 있다.
또한, 질소를 탈착하는 재생 모드시에는 냉각수의 열을 이용하고, 질소를 흡착하는 흡착 모드시에는 공기의 압력을 이용하므로, 흡착과 탈착 효율이 보다 향상될 수 있다.
또한, 재생 모드시 사용되는 냉각수는 워터 히팅 재킷을 통과하기 때문에, 공기실의 공기와 섞이지 않으므로, 흡착 효율과 탈착 효율이 보다 향상될 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: 제1재생용 냉각수 유로 62: 제2재생용 냉각수 유로
70: 냉각수 순환유로 80: 재생용 공기 공급유로
81: 제1재생용 공기 공급유로 82: 제2재생용 공기 공급유로
85: 재생용 송풍기 90: 가습부
100: 프리 쿨러 110: 방열기
120: 방열기 바이패스 유로 130: 질소 흡착기 바이패스 유로
201: 냉각수 온도센서 202: 스택 토출냉각수 온도센서
V1: 수소 밸브 V11:제1흡착용 공기 공급밸브
V12: 제1재생용 공기 배출밸브 V13: 제1산소농축 공기 공급밸브
V14:　제1재생용 공기 공급밸브　 V15: 제1재생용 냉각수 공급밸브
V21: 제2흡착용 공기 공급밸브 V22: 제2재생용 공기 배출밸브
V23:　제2산소농축 공기 공급밸브 V24: 제2재생용 공기 공급밸브
V25:　제2재생용 냉각수 공급밸브　V30: 방열기 바이패스 밸브
V40: 질소 흡착기 바이패스 밸브

Claims (14)

  1. 외부 공기를 유입하여 가압하는 공기 압축기와;
    상기 공기 압축기에서 가압된 고압의 공기가 통과하도록 형성되고 질소 흡착제가 구비된 공기실과, 연료전지 스택을 냉각시키고 나온 냉각수가 통과하도록 형성된 워터 히팅 재킷을 포함하고, 복수개가 서로 병렬로 연결되어 상기 고압의 공기를 이용하여 공기 중 질소를 상기 질소 흡착제에 흡착시키는 흡착 모드와 상기 냉각수의 열을 이용하여 상기 질소 흡착제를 재생시키는 재생 모드를 번갈아 수행하는 복수의 질소 흡착기들과;
    상기 공기 압축기와 상기 질소 흡착기들의 공기실을 연결하여, 상기 공기 압축기로부터 가압된 고압의 공기를 상기 흡착 모드를 수행하는 상기 질소 흡착기의 공기실로 공급하는 흡착용 공기 공급유로와;
    상기 질소 흡착기들의 공기실과 상기 연료전지 스택을 연결하여, 상기 공기실에서 산소가 농축된 산소농축 공기를 상기 연료전지 스택으로 공급하는 산소농축 공기 공급유로와;
    상기 연료전지 스택과 상기 질소 흡착기들의 워터 히팅 재킷의 입구를 연결하여, 상기 연료전지 스택을 냉각시키고 나온 고온의 냉각수의 열을 상기 재생 모드를 수행하는 상기 질소 흡착기의 워터 히팅 재킷으로 전달하는 재생용 냉각수 유로와;
    상기 질소 흡착기들의 워터 히팅 재킷의 출구와 상기 연료전지 스택을 연결하여, 상기 워터 히팅 재킷에서 방열하고 나온 저온의 냉각수를 상기 연료전지 스택으로 다시 순환시키는 냉각수 순환유로와;
    상기 흡착용 공기 공급유로와 별도로 형성되어, 외부 공기를 상기 재생 모드를 수행하는 상기 질소 흡착기들의 공기실로 공급하는 재생용 공기 공급유로를 포함하고,
    상기 냉각수 순환유로와 상기 재생용 공기 공급유로 사이에 설치되어, 상기 워터 히팅 재킷에서 나온 냉각수의 열을 상기 재생용 공기 공급유로를 통과하는 공기에 방열하기 위한 방열기와,
    상기 냉각수 순환유로에 설치되어, 상기 워터 히팅 재킷에서 나온 냉각수의 온도를 측정하는 냉각수 온도센서와,
    상기 냉각수 순환유로에 연결되어, 상기 워터 히팅 재킷에서 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.
  2. 외부 공기를 유입하여 가압하는 공기 압축기와;
    상기 공기 압축기에서 가압된 고압의 공기가 통과하도록 형성되고 질소 흡착제가 구비된 공기실과, 연료전지 스택을 냉각시키고 나온 냉각수가 통과하도록 형성된 워터 히팅 재킷을 포함하고, 복수개가 서로 병렬로 연결되어 상기 고압의 공기를 이용하여 공기 중 질소를 상기 질소 흡착제에 흡착시키는 흡착 모드와 상기 냉각수의 열을 이용하여 상기 질소 흡착제를 재생시키는 재생 모드를 번갈아 수행하는 복수의 질소 흡착기들과;
    상기 공기 압축기와 상기 질소 흡착기들의 공기실을 연결하여, 상기 공기 압축기로부터 가압된 고압의 공기를 상기 흡착 모드를 수행하는 상기 질소 흡착기의 공기실로 공급하는 흡착용 공기 공급유로와;
    상기 질소 흡착기들의 공기실과 상기 연료전지 스택을 연결하여, 상기 공기실에서 산소가 농축된 산소농축 공기를 상기 연료전지 스택으로 공급하는 산소농축 공기 공급유로와;
    상기 연료전지 스택과 상기 질소 흡착기들의 워터 히팅 재킷의 입구를 연결하여, 상기 연료전지 스택을 냉각시키고 나온 고온의 냉각수의 열을 상기 재생 모드를 수행하는 상기 질소 흡착기의 워터 히팅 재킷으로 전달하는 재생용 냉각수 유로와;
    상기 질소 흡착기들의 워터 히팅 재킷의 출구와 상기 연료전지 스택을 연결하여, 상기 워터 히팅 재킷에서 방열하고 나온 저온의 냉각수를 상기 연료전지 스택으로 다시 순환시키는 냉각수 순환유로와;
    상기 흡착용 공기 공급유로와 별도로 형성되어, 외부 공기를 상기 재생 모드를 수행하는 상기 질소 흡착기들의 공기실로 공급하는 재생용 공기 공급유로를 포함하고,
    상기 냉각수 순환유로와 상기 재생용 공기 공급유로 사이에 설치되어, 상기 워터 히팅 재킷에서 나온 냉각수의 열을 상기 재생용 공기 공급유로를 통과하는 공기에 방열하기 위한 방열기와,
    상기 재생용 냉각수 유로에서 분기되어, 상기 연료전지 스택을 냉각시키고 나온 고온의 냉각수 중 적어도 일부가 상기 질소 흡착기를 바이패스하여 상기 방열기로 공급되도록 안내하는 질소 흡착기 바이패스 유로와,
    상기 질소 흡착기 바이패스 유로에 설치된 질소 흡착기 바이패스 밸브와,
    상기 연료전지 스택에서 토출된 냉각수의 온도를 측정하는 스택 토출냉각수 온도센서와,
    상기 스택 토출냉각수 온도센서에서 감지된 냉각수의 온도가 미리 설정된 목표 온도보다 설정값 이상 낮은 경우, 상기 질소 흡착기 바이패스 유로를 개방시키도록 상기 질소 흡착기 바이패스 밸브의 개폐를 제어하는 제어부를 더 포함하는 압력과 온도 변동 흡착 기술을 이용하여 산소가 농축된 공기를 공급받는 연료전지 시스템.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 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 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 공기 압축기에 연결된 압축기 토출유로에 설치되어, 상기 공기 압축기에서 가압된 공기를 냉각 유체를 이용하여 냉각 또는 제습시키는 프리 쿨러를 더 포함하는 압력과 온도 변동 흡착 기술을 이용하여 산소가 농축된 공기를 공급받는 연료전지 시스템.
  6. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 흡착용 공기 공급유로는, 일측은 상기 공기 압축기에 연결되고, 타측은 상기 복수의 질소 흡착기들의 공기실에 각각 연결되도록 복수의 유로들로 분기되고,
    상기 복수의 유로들에 설치된 복수의 흡착용 공기 공급밸브들을 더 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 흡착 모드와 상기 재생 모드에 따라 상기 복수의 유로들을 선택적으로 개폐하도록 상기 복수의 흡착용 공기 공급밸브들을 제어하는 압력과 온도 변동 흡착 기술을 이용하여 산소가 농축된 공기를 공급받는 연료전지 시스템.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 흡착용 공기 공급유로에서 분기되어, 상기 재생 모드시 상기 공기실에서 상기 질소 흡착제를 재생시키고 나온 공기를 외부로 배출하는 재생용 공기 배출유로를 더 포함하는 압력과 온도 변동 흡착 기술을 이용하여 산소가 농축된 공기를 공급받는 연료전지 시스템.
  8. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 산소농축 공기 공급유로는, 일측은 상기 연료전지 스택에 연결되고, 타측은 상기 복수의 질소 흡착기들의 공기실에 각각 연결되도록 복수의 유로들로 분기되고,
    상기 복수의 유로들에 설치된 복수의 산소농축 공기 공급밸브들을 더 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 흡착 모드와 상기 재생 모드에 따라 상기 복수의 유로들을 선택적으로 개폐하도록 상기 복수의 산소농축 공기 공급밸브들을 제어하는 압력과 온도 변동 흡착 기술을 이용하여 산소가 농축된 공기를 공급받는 연료전지 시스템.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 재생용 공기 공급유로는,
    일측은 상기 방열기에 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.
  10. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 재생용 공기 공급유로는,
    일측은 상기 방열기에 연결되고, 타측은 상기 복수의 질소 흡착기들의 공기실에 각각 연결되도록 복수의 유로들로 분기되고,
    상기 복수의 유로들에 설치된 복수의 재생용 공기 공급밸브들을 더 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 흡착 모드와 상기 재생 모드에 따라 상기 복수의 유로들을 선택적으로 개폐하도록 상기 복수의 재생용 공기 공급밸브들을 제어하는 압력과 온도 변동 흡착 기술을 이용하여 산소가 농축된 공기를 공급받는 연료전지 시스템.
  11. 외부 공기를 유입하여 가압하는 공기 압축기와;
    상기 공기 압축기에서 가압된 고압의 공기가 통과하도록 형성되고 제1질소 흡착제가 구비된 제1공기실과, 연료전지 스택을 냉각시키고 나온 냉각수가 통과하도록 형성된 제1워터 히팅 재킷을 포함하는 제1질소 흡착기와;
    상기 제1질소 흡착기와 병렬로 연결되고, 상기 공기 압축기에서 가압된 고압의 공기가 통과하도록 형성되고 제2질소 흡착제가 구비된 제2공기실과, 연료전지 스택을 냉각시키고 나온 냉각수가 통과하도록 형성된 제2워터 히팅 재킷을 포함하는 제2질소 흡착기와;
    상기 연료전지 스택의 공기 흡입유로와 상기 연료전지 스택의 공기 토출유로 사이에 설치되어, 상기 연료전지 스택에서 나온 공기의 열과 수분을 상기 제1,2질소 흡착기 중 어느 하나로부터 나온 산소농축 공기에 전달하는 가습부와;
    상기 공기 압축기의 압축기 토출유로에 설치되어, 상기 공기 압축기에서 가압된 공기를 냉각 유체를 이용하여 냉각 제습시키는 프리 쿨러와;
    상기 공기 압축기의 압축기 토출유로에서 분기되어 상기 제1질소 흡착기에 연결되어, 상기 공기 압축기에서 가압된 고압의 공기를 상기 제1질소 흡착기로 공급하는 제1흡착용 공기 공급유로와;
    상기 공기 압축기의 압축기 토출유로에서 분기되어 상기 제2질소 흡착기에 연결되어, 상기 공기 압축기에서 가압된 고압의 공기를 상기 제2질소 흡착기로 공급하는 제2흡착용 공기 공급유로와;
    상기 제1질소 흡착기의 공기실과 상기 연료전지 스택의 공기 흡입유로를 연결하여, 상기 제1질소 흡착기에서 산소가 농축된 산소농축 공기를 상기 연료전지 스택으로 공급하기 위한 제1산소농축 공기 공급유로와;
    상기 제2질소 흡착기의 공기실과 상기 연료전지 스택의 공기 흡입유로를 연결하여, 상기 제2질소 흡착기에서 산소가 농축된 산소농축 공기를 상기 연료전지 스택으로 공급하기 위한 제2산소농축 공기 공급유로와;
    상기 연료전지 스택과 상기 제1질소 흡착기의 제1워터 히팅 재킷을 연결하여, 상기 연료전지 스택을 냉각시키고 나온 고온의 냉각수의 열을 상기 제1질소 흡착기의 제1워터 히팅 재킷으로 전달하는 제1재생용 냉각수 유로와;
    상기 연료전지 스택과 상기 제2질소 흡착기의 제2워터 히팅 재킷을 연결하여, 상기 연료전지 스택을 냉각시키고 나온 고온의 냉각수의 열을 상기 제2질소 흡착기의 제2워터 히팅 재킷으로 전달하는 제2재생용 냉각수 유로와;
    상기 제1질소 흡착기들의 제1워터 히팅 재킷과 상기 연료전지 스택을 연결하여, 상기 제1워터 히팅 재킷에서 방열하고 나온 저온의 냉각수를 상기 연료전지 스택으로 다시 순환시키는 제1냉각수 순환유로와;
    상기 제2질소 흡착기들의 제2워터 히팅 재킷과 상기 연료전지 스택을 연결하여, 상기 제2워터 히팅 재킷에서 방열하고 나온 저온의 냉각수를 상기 연료전지 스택으로 다시 순환시키는 제2냉각수 순환유로와;
    상기 제1흡착용 공기 공급유로와 별도로 형성되어, 외부 공기를 상기 제1질소 흡착기들의 제1공기실로 공급하는 제1재생용 공기 공급유로와;
    상기 제2흡착용 공기 공급유로와 별도로 형성되어, 외부 공기를 상기 제2질소 흡착기들의 제2공기실로 공급하는 제2재생용 공기 공급유로를 포함하고,
    상기 제1,2질소 흡착기 중 어느 하나로부터 나온 냉각수의 열을 상기 제1,2재생용 공기 공급유로로 유입되는 공기에 방열하기 위한 방열기와,
    상기 제1,2워터 히팅 재킷 중 어느 하나에서 나온 냉각수의 온도를 측정하는 냉각수 온도센서와,
    상기 제1,2워터 히팅 재킷 중 어느 하나에서 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.
  12. 외부 공기를 유입하여 가압하는 공기 압축기와;
    상기 공기 압축기에서 가압된 고압의 공기가 통과하도록 형성되고 제1질소 흡착제가 구비된 제1공기실과, 연료전지 스택을 냉각시키고 나온 냉각수가 통과하도록 형성된 제1워터 히팅 재킷을 포함하는 제1질소 흡착기와;
    상기 제1질소 흡착기와 병렬로 연결되고, 상기 공기 압축기에서 가압된 고압의 공기가 통과하도록 형성되고 제2질소 흡착제가 구비된 제2공기실과, 연료전지 스택을 냉각시키고 나온 냉각수가 통과하도록 형성된 제2워터 히팅 재킷을 포함하는 제2질소 흡착기와;
    상기 연료전지 스택의 공기 흡입유로와 상기 연료전지 스택의 공기 토출유로 사이에 설치되어, 상기 연료전지 스택에서 나온 공기의 열과 수분을 상기 제1,2질소 흡착기 중 어느 하나로부터 나온 산소농축 공기에 전달하는 가습부와;
    상기 공기 압축기의 압축기 토출유로에 설치되어, 상기 공기 압축기에서 가압된 공기를 냉각 유체를 이용하여 냉각 제습시키는 프리 쿨러와;
    상기 공기 압축기의 압축기 토출유로에서 분기되어 상기 제1질소 흡착기에 연결되어, 상기 공기 압축기에서 가압된 고압의 공기를 상기 제1질소 흡착기로 공급하는 제1흡착용 공기 공급유로와;
    상기 공기 압축기의 압축기 토출유로에서 분기되어 상기 제2질소 흡착기에 연결되어, 상기 공기 압축기에서 가압된 고압의 공기를 상기 제2질소 흡착기로 공급하는 제2흡착용 공기 공급유로와;
    상기 제1질소 흡착기의 공기실과 상기 연료전지 스택의 공기 흡입유로를 연결하여, 상기 제1질소 흡착기에서 산소가 농축된 산소농축 공기를 상기 연료전지 스택으로 공급하기 위한 제1산소농축 공기 공급유로와;
    상기 제2질소 흡착기의 공기실과 상기 연료전지 스택의 공기 흡입유로를 연결하여, 상기 제2질소 흡착기에서 산소가 농축된 산소농축 공기를 상기 연료전지 스택으로 공급하기 위한 제2산소농축 공기 공급유로와;
    상기 연료전지 스택과 상기 제1질소 흡착기의 제1워터 히팅 재킷을 연결하여, 상기 연료전지 스택을 냉각시키고 나온 고온의 냉각수의 열을 상기 제1질소 흡착기의 제1워터 히팅 재킷으로 전달하는 제1재생용 냉각수 유로와;
    상기 연료전지 스택과 상기 제2질소 흡착기의 제2워터 히팅 재킷을 연결하여, 상기 연료전지 스택을 냉각시키고 나온 고온의 냉각수의 열을 상기 제2질소 흡착기의 제2워터 히팅 재킷으로 전달하는 제2재생용 냉각수 유로와;
    상기 제1질소 흡착기들의 제1워터 히팅 재킷과 상기 연료전지 스택을 연결하여, 상기 제1워터 히팅 재킷에서 방열하고 나온 저온의 냉각수를 상기 연료전지 스택으로 다시 순환시키는 제1냉각수 순환유로와;
    상기 제2질소 흡착기들의 제2워터 히팅 재킷과 상기 연료전지 스택을 연결하여, 상기 제2워터 히팅 재킷에서 방열하고 나온 저온의 냉각수를 상기 연료전지 스택으로 다시 순환시키는 제2냉각수 순환유로와;
    상기 제1흡착용 공기 공급유로와 별도로 형성되어, 외부 공기를 상기 제1질소 흡착기들의 제1공기실로 공급하는 제1재생용 공기 공급유로와;
    상기 제2흡착용 공기 공급유로와 별도로 형성되어, 외부 공기를 상기 제2질소 흡착기들의 제2공기실로 공급하는 제2재생용 공기 공급유로를 포함하고,
    상기 제1,2질소 흡착기 중 어느 하나로부터 나온 냉각수의 열을 상기 제1,2재생용 공기 공급유로로 유입되는 공기에 방열하기 위한 방열기와,
    상기 연료전지 스택을 냉각시키고 나온 고온의 냉각수 중 적어도 일부가 상기 제1,2질소 흡착기를 바이패스하여 상기 방열기로 공급되도록 안내하는 질소 흡착기 바이패스 유로와,
    상기 질소 흡착기 바이패스 유로에 설치된 질소 흡착기 바이패스 밸브와,
    상기 연료전지 스택에서 토출된 냉각수의 온도를 측정하는 스택 토출냉각수 온도센서와,
    상기 스택 토출냉각수 온도센서에서 감지된 냉각수의 온도가 미리 설정된 목표 온도보다 설정값 이상 낮은 경우, 상기 질소 흡착기 바이패스 유로를 개방시키도록 상기 질소 흡착기 바이패스 밸브의 개폐를 제어하는 제어부를 더 포함하는 압력과 온도 변동 흡착 기술을 이용하여 산소가 농축된 공기를 공급받는 연료전지 시스템.
  13. 청구항 11 또는 청구항 12에 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 냉각수 유로에 설치된 제1재생용 냉각수 공급밸브와,
    상기 제2재생용 냉각수 유로에 설치된 제2재생용 냉각수 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, 상기 제2재생용 냉각수 공급밸브를 개방시키고, 상기 제2흡착용 공기 공급밸브, 상기 제2산소농축 공기 공급밸브, 상기 제1재생용 냉각수 공급밸브는 차폐시키며,
    상기 제1질소 흡착기가 재생 모드이고 상기 제2질소 흡착기가 흡착 모드일 때 상기 제1흡착용 공기 공급밸브, 상기 제1산소농축 공기 공급밸브, 상기 제2재생용 냉각수 공급밸브를 차폐시키고, 상기 제2흡착용 공기 공급밸브, 상기 제2산소농축 공기 공급밸브, 상기 제1재생용 냉각수 공급밸브는 개방시키는 제어부를 더 포함하는 압력과 온도 변동 흡착 기술을 이용하여 산소가 농축된 공기를 공급받는 연료전지 시스템.
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