KR102501945B1 - Apparatus for reforming fuel with excellent heat exchange efficiency and fuel cell system using the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 열교환 효과가 우수한 연료 개질 장치 및 이를 이용하여 AOG(Anode Off Gas)의 재사용이 가능한 연료전지 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따른 연료 개질 장치는 개질부, 버너부, 열교환부 및 배기가스 배출라인을 포함하되, 배기가스 배출라인은 직경이 상이한 2개의 배출관을 포함한다. 이때, 버너부에 AOG를 포함하는 연소용 가스가 공급될 때, 2개의 배출관 중 직경이 작은 배출관을 통하여 배기가스가 배출된다. 이를 통해, 버너부에 AOG를 포함하는 연소용 가스가 공급될 때, 배기가스 배출라인에 연결된 열교환부에서의 GHSV(Gas Hourly Space Velocity)를 낮출 수 있어, 열교환 효과를 높일 수 있다.The present invention relates to a fuel reformer with excellent heat exchange effect and a fuel cell system capable of reusing an anode off gas (AOG) using the same.
The fuel reforming apparatus according to the present invention includes a reforming unit, a burner unit, a heat exchange unit, and an exhaust gas discharge line, and the exhaust gas discharge line includes two discharge pipes having different diameters. At this time, when combustion gas including AOG is supplied to the burner unit, exhaust gas is discharged through a discharge pipe having a small diameter among two discharge pipes. Through this, when combustion gas including AOG is supplied to the burner unit, gas hourly space velocity (GHSV) in the heat exchange unit connected to the exhaust gas discharge line may be lowered, thereby increasing the heat exchange effect.
Description
본 발명은 열교환 효율이 우수한 연료 개질 장치에 관한 것이다. The present invention relates to a fuel reformer with excellent heat exchange efficiency.
또한, 본 발명은 AOG(Anode Off Gas) 재사용이 가능한 연료전지 시스템에 관한 것이다.In addition, the present invention relates to a fuel cell system capable of reusing AOG (Anode Off Gas).
연료전지 시스템은 전기화학 반응에 의하여 연료가 갖고 있는 화학 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 시스템이다. A fuel cell system is a system that converts chemical energy of a fuel into electrical energy by an electrochemical reaction.
연료전지 시스템은 연료 개질 장치 및 전지 스택을 포함한다. 연료 개질 장치는 전지 스택에 수소를 공급하기 위해 탄화수소계 연료를 수소로 개질하는 장치이다. 전지 스택은 연료 개질 장치로부터 공급받은 수소와 산소의 전기화학반응을 통해 전기를 생산한다. A fuel cell system includes a fuel reformer and a cell stack. The fuel reformer is a device that reforms hydrocarbon-based fuel into hydrogen to supply hydrogen to the cell stack. The cell stack generates electricity through an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen supplied from a fuel reformer.
도 1은 일반적인 연료전지 시스템을 개략적으로 나타낸 것이다. 1 schematically shows a general fuel cell system.
도 1을 참조하면, 연료전지 시스템은 개질기(110, 120) 및 연료전지(130)을 포함한다. Referring to FIG. 1 , the fuel cell system includes
개질기(110, 120)는 연료전지(130)의 애노드(131)에 수소를 공급하는 장치이다. 개질기는 고온 수증기 개질부(111)와 CO 제거부(112, 120)를 포함할 수 있다. CO 제거부는 수성 전이부(112) 및 선택적 산화반응부(120) 중 하나 이상을 포함한다. 도 1에서는 고온 수증기 개질부(111)와 수성 전이부(112)가 결합되어 있고, 선택적 산화반응부(120)가 별도로 배치되어 있는 예를 나타내었다. 또한, 도 1에서는 개질가스 배출라인(141) 및 일산화탄소 제거 개질가스 배출라인(143)이 도시되어 있다. 개질가스 배출라인(141)은 입구가 수성 전이부(112)의 출구와 연결되고, 출구가 선택적 산화반응부(120)의 입구와 연결된다. 일산화탄소 제거 개질가스 배출라인(143)은 입구가 선택적 산화반응부(120)의 출구와 연결되고, 출구가 연료전지(130)의 애노드(131)에 연결된다.The
개질부(111)는 개질용 가스가 공급되는 개질용 가스 공급라인(102)과 연결된다. 개질용 가스는 LNG, LPG 등의 탄화수소 가스가 될 수 있다. 개질부(111)는 개질용 가스를 수소로 개질한다. 개질부(111)에서의 개질 반응은, 탄화수소계 연료와 수증기가 화학 반응하는 것이다. 이때, 개질 반응의 결과물인 개질 가스는 수소이지만, 불가피하게 일산화탄소(CO)도 함께 생성된다. CO 제거부(112, 120)는 개질부(111)의 개질 반응의 결과물인 개질가스 중 일산화탄소를 제거하는 역할을 한다. CO 제거부가 수성 전이부(112)인 경우, 일산화탄소와 수증기가 화학 반응하여 CO 농도가 감소된다. CO 제거부가 선택적 산화반응부(120)인 경우, 일산화탄소와 산소가 화학반응하여 CO 농도가 감소된다. The reforming
고온 수증기 개질부(111) 및 CO 제거부(112, 120)에서의 화학 반응은 미리 정해진 반응 온도에서 수행된다. 이 반응 온도는 촉매의 종류에 따라 결정된다. 이러한 반응 온도는 버너부(미도시)에서 연소용 가스의 연소에 의해 발생하는 배기가스에 의해 얻어진다. 버너부는 연소용 가스가 공급되는 연소용 가스 공급라인(101)에 연결된다. 버너부에서 발생된 배기가스는 개질부(110) 주위에 배치된 열교환부(113)를 통해 이동하면서 개질부(110)와 열교환한다.Chemical reactions in the high-temperature
도 2는 고온 수증기 개질부 및 수성 전이부의 적정 온도 및 실제 반응 온도를 나타낸 것이다.Figure 2 shows the optimum temperature and the actual reaction temperature of the hot steam reforming section and the aqueous transition section.
도 2에서 SR 반응기는 고온 수증기 개질부를 의미하고, WGS 반응기는 수성 전이부를 의미한다. In FIG. 2, the SR reactor refers to a high-temperature steam reforming unit, and the WGS reactor refers to an aqueous transition unit.
도 2를 참조하면, 배기가스와 고온 수증기 개질부의 열교환, 그리고 배기가스와 수성 전이부의 열교환을 통하여 실제 반응 온도가 적정 온도에 근접할 수 있다. Referring to FIG. 2 , an actual reaction temperature may approach an appropriate temperature through heat exchange between the exhaust gas and the high-temperature steam reforming unit and heat exchange between the exhaust gas and the aqueous transition unit.
연료전지(130)는 애노드(131), 캐소드(132) 및 애노드와 캐소드 사이에 배치된 전해질(133)을 포함한다. 개질기로부터 애노드(131)에 공급되는 수소와 캐소드(132)에 공급되는 공기에 포함된 산소가 전기화학 반응함으로써, 전기가 생성된다. The
이때, 애노드(131)에 공급된 수소 중 일부는 반응하지 않는다. 애노드(131)에서 반응하지 않은 수소는 그대로 외부로 배출된다. 이러한 애노드에서 반응하지 않고 배출되는 수소를 애노드 오프 가스(Anode Off Gas; AOG)라 한다. AOG에는 수소 이외 CO2, N2 등도 포함된다. AOG가 그대로 배출되는 것은 수소 낭비라는 문제점을 가져온다. At this time, some of the hydrogen supplied to the
도 3은 AOG가 재사용되는 연료전지 시스템을 개략적으로 나타낸 것이다.3 schematically illustrates a fuel cell system in which AOG is reused.
도 3을 참조하면, 애노드(131)로부터 배출되는 AOG가 AOG 공급라인(210)을 통해 연소용 가스 공급라인(101)으로 공급된다. 이 경우, 버너부에는 연료용 가스인 탄화수소 가스와 AOG가 함께 공급된다. 버너부에 탄화수소 가스와 함께 수소를 포함하는 AOG가 공급될 경우, 연소 효율을 높일 수 있는 효과가 있다고 알려져 있다. Referring to FIG. 3 , AOG discharged from the
다만, 수소를 포함한 AOG는 연소속도가 빠르고, 수소 이외 이산화탄소, 질소 등을 포함하여 LNG 대비 체적 유량이 약 120% 수준으로 매우 높다. 따라서, LNG 및 AOG 혼합 연소를 통해 생성된 배기가스는, LNG 단독 연소를 통해 생성된 배기가스에 비해 기체 공간속도(Gas Hourly Space Velocity; GHSV)가 크다. 따라서, 배기가스의 빠른 GHSV에 의해 고온 수증기 개질부와 배기가스의 충분한 열교환이 이루어지지 않는다. 또한, 배기가스가 고온 수증기 개질부와 충분히 열교환되지 않음에 따라, 배기가스의 온도는 높은 상태가 되어 수성 전이부에서는 과도한 열교환이 이루어진다. However, AOG containing hydrogen has a fast combustion rate, and the volumetric flow rate compared to LNG is about 120%, which is very high, including carbon dioxide and nitrogen other than hydrogen. Therefore, the exhaust gas generated through the combined combustion of LNG and AOG has a higher Gas Hourly Space Velocity (GHSV) than the exhaust gas generated through the combustion of LNG alone. Therefore, sufficient heat exchange between the high-temperature steam reforming unit and the exhaust gas is not achieved due to the fast GHSV of the exhaust gas. In addition, as the exhaust gas does not sufficiently exchange heat with the high-temperature steam reforming unit, the temperature of the exhaust gas becomes high, and excessive heat exchange occurs in the aqueous transition unit.
도 4는 AOG가 연소가스로 재사용될 때 고온 수증기 개질부 및 수성 전이부의 적정 온도 및 실제 반응 온도를 나타낸 것이다.Figure 4 shows the appropriate temperature and actual reaction temperature of the high-temperature steam reforming section and aqueous transition section when AOG is reused as combustion gas.
도 4를 참조하면, 고온 수증기 개질부의 경우 열교환이 충분히 이루어지지 않아, 적정 온도(650℃)에 비해 실제 반응 온도가 낮다. 반대로, 수성 전이부의 경우 과도한 열교환으로 인해 적정 온도(190℃)에 비해 실제 반응 온도가 높다. 이러한 현상은 고온 수증기 개질부 및 수성 전이부에서의 화학 반응이 제대로 이루어지지 않는 것을 초래한다. 따라서, AOG가 연소 가스로 재사용되는 것은 개질 효율 및 CO 제거 효율이 저하되는 또 다른 문제점을 가져온다.Referring to FIG. 4, in the case of the high-temperature steam reforming unit, heat exchange is not sufficiently performed, so the actual reaction temperature is lower than the proper temperature (650° C.). Conversely, in the case of the aqueous transition, the actual reaction temperature is higher than the optimum temperature (190° C.) due to excessive heat exchange. This phenomenon results in poor chemical reactions in the high-temperature steam reforming section and the aqueous transition section. Therefore, the reuse of AOG as combustion gas brings another problem in that reforming efficiency and CO removal efficiency are lowered.
본 발명의 과제는 열교환 효과가 우수한 연료 개질 장치를 제공하는 것이다. An object of the present invention is to provide a fuel reformer with excellent heat exchange effect.
본 발명의 과제는 AOG(Anode Off Gas)를 재사용할 수 있으며, 열교환 효과가 우수한 연료전지 시스템을 제공하는 것이다. An object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of reusing AOG (Anode Off Gas) and having excellent heat exchange effect.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 과제 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 과제 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.The tasks of the present invention are not limited to the tasks mentioned above, and other tasks and advantages of the present invention not mentioned above can be understood by the following description and will be more clearly understood by the embodiments of the present invention. . It will also be readily apparent that the objects and advantages of the present invention may be realized by means of the instrumentalities and combinations indicated in the claims.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 연료 개질 장치는 개질부, 버너부, 열교환부 및 배기가스 배출라인을 포함하되, 배기가스 배출라인은 내경이 상이한 2개의 배출관을 포함한다. 이때, 버너부에 AOG를 포함하는 연소용 가스가 공급될 때, 2개의 배출관 중 내경이 상대적으로 작은 배출관을 통하여 배기가스가 배출된다. A fuel reforming apparatus according to the present invention for solving the above problems includes a reforming unit, a burner unit, a heat exchange unit, and an exhaust gas discharge line, and the exhaust gas discharge line includes two discharge pipes having different inner diameters. At this time, when combustion gas including AOG is supplied to the burner unit, exhaust gas is discharged through a discharge pipe having a relatively small inner diameter among two discharge pipes.
이를 통해, 버너부에 AOG를 포함하는 연소용 가스가 공급될 때, 배기가스 배출라인에 연결된 열교환부에서의 GHSV(Gas Hourly Space Velocity)를 낮출 수 있다. 이를 통해 배기가스와 개질부 간의 열교환 효과를 높일 수 있다.Through this, when combustion gas including AOG is supplied to the burner unit, Gas Hourly Space Velocity (GHSV) in the heat exchange unit connected to the exhaust gas discharge line may be lowered. Through this, it is possible to increase the heat exchange effect between the exhaust gas and the reforming unit.
본 발명에 따른 연료 개질 장치는 밸브 개폐에 의해 배기가스의 흐름이 제어될 수 있다. In the fuel reforming apparatus according to the present invention, the flow of exhaust gas may be controlled by opening and closing the valve.
일 예로, 2개의 배출관 중 내경이 상대적으로 큰 배출관에 밸브가 배치될 수 있다. 이 경우, 버너부에 AOG를 포함하는 연소용 가스가 공급되는 경우, 상기 밸브가 클로우즈(close) 상태가 되고, 버너부에 AOG를 포함하지 않는 연소용 가스가 공급되는 경우, 상기 밸브가 오픈(open) 상태가 된다. For example, a valve may be disposed in a discharge pipe having a relatively large inner diameter among the two discharge pipes. In this case, when combustion gas containing AOG is supplied to the burner unit, the valve is closed, and when combustion gas not containing AOG is supplied to the burner unit, the valve is opened ( open) state.
다른 예로, 2개의 배출관에 밸브가 각각 배치될 수 있다. 이 경우, 버너부에 AOG를 포함하는 연소용 가스가 공급되는 경우, 내경이 상대적으로 작은 배출관에 배치된 밸브는 오픈 상태가 되고, 내경이 상대적으로 큰 배출관에 배치된 밸브는 클로우즈 상태가 된다. 반대로, 버너부에 AOG를 포함하지 않는 연소용 가스가 공급되는 경우, 내경이 상대적으로 큰 배출관에 배치된 밸브는 오픈 상태가 되고, 내경이 상대적으로 큰 배출관에 배치된 밸브는 오픈 또는 클로우즈 상태가 된다. As another example, valves may be disposed in each of the two discharge pipes. In this case, when combustion gas including AOG is supplied to the burner unit, a valve disposed in a discharge pipe having a relatively small inner diameter is in an open state, and a valve disposed in a discharge pipe having a relatively large internal diameter is in a closed state. Conversely, when combustion gas not containing AOG is supplied to the burner unit, the valve disposed in the discharge pipe having a relatively large inner diameter is in an open state, and the valve disposed in the discharge pipe having a relatively large inner diameter is in an open or closed state. do.
개질부는, 고온 수증기 개질부 및 CO 제거부를 포함할 수 있다. 또한, CO 제거부는 수성 전이부 및 선택적 산화반응부를 포함할 수 있다.The reforming unit may include a high-temperature steam reforming unit and a CO removal unit. In addition, the CO removal unit may include an aqueous transition unit and a selective oxidation reaction unit.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 연료전지 시스템은 개질기와 연료전지를 포함한다. 상기 개질기는 버너부, 개질부 및 열교환부를 포함한다. 상기 연료전지는 애노드, 전해질 및 캐소드를 포함한다. A fuel cell system according to the present invention for solving the above problems includes a reformer and a fuel cell. The reformer includes a burner unit, a reforming unit, and a heat exchange unit. The fuel cell includes an anode, an electrolyte and a cathode.
이때, 연료전지의 애노드는 입구가 개질기의 개질부 출구와 연결되며, 출구가 AOG 공급라인을 통해 버너부 입구에 연결된다. 버너부에서 발생되어 열교환이 완료된 배기가스는 내경이 상이한 2개의 배출관을 포함하는 배기가스 배출라인을 통하여 배출된다. 이때, 버너부에 AOG를 포함하는 연소용 가스가 공급될 때, 2개의 배출관 중 내경이 상대적으로 작은 배출관을 통하여 배기가스가 배출된다.At this time, the inlet of the anode of the fuel cell is connected to the outlet of the reforming unit of the reformer, and the outlet is connected to the inlet of the burner unit through the AOG supply line. Exhaust gas generated in the burner unit and heat exchange completed is discharged through an exhaust gas discharge line including two discharge pipes having different inner diameters. At this time, when combustion gas including AOG is supplied to the burner unit, exhaust gas is discharged through a discharge pipe having a relatively small inner diameter among two discharge pipes.
본 발명에 따른 연료 개질 장치 및 이를 이용한 연료전지 시스템은 본 발명에 따른 연료전지 시스템은, 버너부에 AOG를 포함하는 연소용 가스가 공급될 수 있는 구조를 갖는다. 따라서, 버너부에서의 연소 효율을 높일 수 있다. The fuel reforming device according to the present invention and the fuel cell system using the same have a structure in which combustion gas including AOG can be supplied to a burner unit. Therefore, the combustion efficiency in the burner part can be improved.
특히, 본 발명에 따른 연료 개질 장치 및 이를 이용한 연료전지 시스템은 버너부에 AOG를 포함하는 연소용 가스가 공급될 때, 내경이 상대적으로 작은 배출관을 통해 배기가스가 배출된다. 이를 통해, 배출관의 압력 증가를 통하여 열교환부에서의 GHSV를 낮출 수 있다. 그 결과, 버너부로부터 발생된 배기가스가 개질부와 열교환하는 시간이 증가될 수 있으므로, 배기가스와 개질부 간의 열교환 효과를 높일 수 있다.In particular, in the fuel reformer and fuel cell system using the fuel reforming device according to the present invention, exhaust gas is discharged through a discharge pipe having a relatively small inner diameter when a combustion gas including AOG is supplied to the burner unit. Through this, it is possible to lower the GHSV in the heat exchange unit by increasing the pressure of the discharge pipe. As a result, since the heat exchange time between the exhaust gas generated from the burner unit and the reforming unit can be increased, the effect of heat exchange between the exhaust gas and the reforming unit can be increased.
도 1은 일반적인 연료전지 시스템을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 고온 수증기 개질부 및 수성 전이부의 적정 온도 및 실제 반응 온도를 나타낸 것이다.
도 3은 AOG가 재사용되는 연료전지 시스템을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 4는 AOG가 연소가스로 재사용될 때 고온 수증기 개질부 및 수성 전이부의 적정 온도 및 실제 반응 온도를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명에 적용될 수 있는 연료 개질 장치의 예를 개략적으로 나타낸 것이다.
1 schematically shows a general fuel cell system.
Figure 2 shows the optimum temperature and the actual reaction temperature of the hot steam reforming section and the aqueous transition section.
3 schematically illustrates a fuel cell system in which AOG is reused.
Figure 4 shows the appropriate temperature and actual reaction temperature of the high-temperature steam reforming section and aqueous transition section when AOG is reused as combustion gas.
5 schematically illustrates a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
6 schematically illustrates a fuel cell system according to another embodiment of the present invention.
7 schematically shows a fuel cell system according to another embodiment of the present invention.
8 schematically shows a fuel cell system according to another embodiment of the present invention.
9 schematically shows an example of a fuel reforming device applicable to the present invention.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.The above objects, features and advantages will be described later in detail with reference to the accompanying drawings, and accordingly, those skilled in the art to which the present invention belongs will be able to easily implement the technical spirit of the present invention. In describing the present invention, if it is determined that the detailed description of the known technology related to the present invention may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description will be omitted. Hereinafter, preferred embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the drawings, the same reference numerals are used to indicate the same or similar components.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템을 개략적으로 나타낸 것이다.5 schematically illustrates a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
도 5를 참조하면, 도시된 연료전지 시스템은 연료 개질 장치(110) 및 연료전지(130)을 포함한다. Referring to FIG. 5 , the illustrated fuel cell system includes a
연료 개질 장치(110)는 연료전지(130)의 애노드(131)에 수소를 공급하는 장치이다. 연료 개질 장치는 고온 수증기 개질부(111)를 포함한다. 또한 연료 개질 장치는 CO 제거부(112, 120)를 포함할 수 있다. CO 제거부는 수성 전이부(112) 및 선택적 산화반응부(120) 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 도 5에서는 고온 수증기 개질부(111)와 수성 전이부(112)가 결합되어 있고, 선택적 산화반응부(120)가 별도로 배치되어 있는 예를 나타내었다. 고온 수증기 개질부를 포함하는 개질 장치의 구조는 얼마든지 변형될 수 있고, 공지된 어떠한 개질기 구조도 본 발명에 적용 가능하다. The
또한, 도 5에서는 개질가스 배출라인(141) 및 일산화탄소 제거 개질가스 배출라인(143)이 도시되어 있다. 개질가스 배출라인(141)은 입구가 수성 전이부(112)의 출구와 연결되고, 출구가 선택적 산화반응부(120)의 입구와 연결된다. 일산화탄소 제거 개질가스 배출라인(143)은 입구가 선택적 산화반응부(120)의 출구와 연결되고, 출구가 연료전지(130)의 애노드(131)에 연결된다.In addition, in FIG. 5 , the reformed
고온 수증기 개질부(111)는 개질용 가스가 공급되는 개질용 가스 공급라인(102)과 연결된다. 개질용 가스는 LNG, LPG 등의 탄화수소 가스가 될 수 있다. 고온 수증기 개질부(111)는 개질용 가스를 수소로 개질한다. 고온 수증기 개질부(111)에서의 개질 반응은, 탄화수소계 연료와 수증기가 화학 반응하는 것이며, 다음과 같은 반응식으로 나타낼 수 있다. The high-temperature
CH4 + H2O → H2 + CO + CO2 + CH4 + H2OCH 4 + H 2 O → H 2 + CO + CO 2 + CH 4 + H 2 O
상기 반응식의 경우, 충분히 많은 양의 탄화수소계 연료와 수증기를 개질기에 투입하였을 때의 반응식으로, 각 성분의 몰 수는 고려하지 않았다. In the case of the above reaction equation, it is a reaction equation when a sufficiently large amount of hydrocarbon-based fuel and steam are introduced into the reformer, and the number of moles of each component is not considered.
이때, 상기의 반응식에서 볼 수 있는 바와 같이, 고온 개질 반응 결과, 수소 외에도 불가피하게 일산화탄소(CO)도 함께 생성된다. 일산화탄소는 연료전지의 효율 또는 성능을 저해하는 요인이 된다. 따라서, 개질 가스에 포함된 일산화탄소는 가능한 한 낮은 농도로 제어할 필요가 있다.At this time, as can be seen in the above reaction formula, as a result of the high-temperature reforming reaction, in addition to hydrogen, carbon monoxide (CO) is inevitably produced together. Carbon monoxide is a factor that impairs the efficiency or performance of fuel cells. Therefore, it is necessary to control the concentration of carbon monoxide included in the reformed gas to be as low as possible.
CO 제거부(112, 120)는 개질부(111)의 개질 반응의 결과물인 개질가스 중 일산화탄소를 제거하는 역할을 한다. The
CO 제거부가 수성 전이부(112)인 경우, 일산화탄소와 수증기가 화학 반응하여 CO 농도가 감소된다. When the CO removal unit is the
CO + H2O → CO2 + H2 CO + H 2 O → CO 2 + H 2
CO 제거부가 선택적 산화반응부(120)인 경우, 일산화탄소와 산소가 화학반응하여 CO 농도가 감소된다. When the CO removal unit is the selective
2CO + O2 → 2CO2 2CO + O 2 → 2CO 2
개질부(111) 및 CO 제거부(112, 120)에는 각각 촉매가 포함된다. 고온 수증기 개질부(제1 개질부)(111)에 포함되는 촉매(제1 촉매)는 예를 들어, Ni가 될 수 있다. 수성 전이부(제2-1 개질부)(112)에 포함되는 촉매(제2-1 촉매)는 예를 들어, Cu-Zn, Fe-Cr이 될 수 있다. 선택적 산화반응부(제2-2 개질부)(120)에 포함되는 촉매(제2-2 촉매)는 예를 들어, Ru, Pt 등이 될 수 있다.A catalyst is included in the reforming
개질부(111) 및 CO 제거부(112, 120)에서의 화학 반응은 미리 정해진 반응 온도에서 수행된다. 이 반응 온도는 촉매의 종류에 따라 결정된다. 개질부(111)에서는 예를 들어, Ni 촉매 하에서 약 600~700℃ 정도에서 개질용 탄화수소 가스와 수증기의 화학 반응이 이루어진다. 수성 전이부(112)는 예를 들어 Cu-Zn 촉매 하에서 180~400℃ 정도에서 일산화탄소와 수증기의 화학 반응이 이루어진다. 선택적 산화반응부(120)에서는 예를 들어, Pt 촉매 하에서 120~150℃ 정도에서 일산화탄소와 산소의 화학 반응이 이루어진다.Chemical reactions in the reforming
이러한 반응 온도는 버너부(미도시)에서 연소용 가스의 연소에 의해 발생하는 배기가스에 의해 얻어진다. 버너부는 연소용 가스가 공급되는 연소용 가스 공급라인(101)에 연결된다. 연소용 가스는 LNG, LPG 등과 같은 탄화수소 가스가 될 수 있다. 버너부에서 발생된 배기가스는 개질부(110) 주위에 유로 형태로 배치된 열교환부(113)를 통해 이동하면서 개질부(110)와 열교환한다.This reaction temperature is obtained by exhaust gas generated by combustion of the combustion gas in a burner unit (not shown). The burner unit is connected to the combustion
연료전지(130)는 애노드(131), 캐소드(132) 및 애노드와 캐소드 사이에 배치되어 이온을 이동시키는 전해질(133)을 포함한다. 연료 개질 장치로부터 애노드(131)에 공급되는 수소와 캐소드(132)에 공급되는 공기(air)에 포함된 산소가 전기화학 반응함으로써, 전기가 생성된다. 도 5에 도시된 연료전지(130)는 하나의 전지 구조이다. 실제로는 도 5에 도시된 연료전지(130)가 수십 내지 수백개 배열되어, 스택을 형성한다. 연료 전지 혹은 스택의 구조는 이미 많은 문헌에 공지되어 있으므로, 상세한 설명은 생략한다.The
본 발명의 경우, 애노드(131)로부터 배출되는 AOG가 AOG 공급라인(210)을 통해 연소용 가스 공급라인(101)으로 공급된다. 버너부에는 연료용 가스인 탄화수소 가스와 AOG가 함께 공급된다. 버너부에 탄화수소 가스와 함께 수소를 포함하는 AOG가 공급될 경우, 연소 효율을 높일 수 있는 효과가 있다. 물론, AOG는 지속적으로 공급되는 것은 아니며, 간헐적으로 연소용 가스 공급라인(101)에 공급될 수 있다. In the case of the present invention, AOG discharged from the
전술한 바와 같이, 수소를 포함한 AOG는 연소속도가 빠르고, 수소 이외 이산화탄소, 질소 등을 포함하여 LNG 대비 체적 유량이 약 120% 수준으로 매우 높다. 따라서, LNG 및 AOG 혼합 연소를 통해 생성된 배기가스는, LNG 단독 연소를 통해 생성된 배기가스에 비해 GHSV가 크다. 이 경우, 배기가스의 빠른 GHSV에 의해 고온 수증기 개질부와 배기가스의 충분한 열교환이 이루어지지 않는 바, 이를 해결할 필요성이 있다. As described above, AOG containing hydrogen has a high combustion rate and a volumetric flow rate of about 120% compared to LNG, including carbon dioxide and nitrogen other than hydrogen. Therefore, the exhaust gas generated through the mixed combustion of LNG and AOG has a higher GHSV than the exhaust gas generated through the combustion of LNG alone. In this case, sufficient heat exchange between the high-temperature steam reforming unit and the exhaust gas is not achieved due to the fast GHSV of the exhaust gas, so there is a need to solve this problem.
본 발명의 경우, 도 5에 도시된 예와 같이, 제1 배출관(142)으로 구성되는 배기가스 배출라인에 제2 배출관(520)이 분기되어 있다. 또한, 제1 배출관(142)에는 제1 밸브(510)가 배치되어 있다. 제2 배출관(520)은 제1 밸브(510) 전단에서 제1 배출관(142)에서 분기되고, 제1 밸브(510) 후단에서 제1 배출관(142)에 합쳐질 수 있다. In the case of the present invention, as in the example shown in FIG. 5 , the
이때, 제2 배출관(520)의 내경은 제1 배출관(142)의 내경보다 작다. 그리고, 연소용 가스 공급라인(101)에 AOG가 공급될 때, 즉 버너부에 연소용 가스와 함께 AOG가 공급될 때에는 내경이 상대적으로 작은 제2 배출관(520)을 통하여 배기가스가 배출된다. 이를 위해, 연소용 가스 공급라인(101)에 AOG가 공급될 때에는 제1 밸브(510)가 클로우즈(close) 상태에 있게 된다. 제2 배출관의 내경이 작아지면 제2 배출관의 압력이 증가하게 되고, 이는 배기가스의 GHSV를 낮추는데 기여할 수 있다. 배기가스의 GHSV가 낮아지면 배기가스와 개질부 간의 열교환 시간이 증가하게 되므로, 고온 수증기 개질부의 실제 반응 온도 저하를 방지할 수 있다.At this time, the inner diameter of the
제2 배출관(520)의 내경은 다음의 Darcy-Weisbach equation을 고려하여 결정될 수 있다. The inner diameter of the
(상기 식에서 P는 압력 손실, L은 제2 배출관의 길이, D는 제2 배출관의 내경, ρ는 배기가스의 밀도, V는 배기가스의 평균유속을 의미한다)(In the above formula, P is the pressure loss, L is the length of the second discharge pipe, D is the inner diameter of the second discharge pipe, ρ is the density of the exhaust gas, and V is the average flow rate of the exhaust gas)
한편, 연소용 가스 공급라인에 AOG가 공급되지 않을 때, 즉, 개질용 가스만이 버너부에 공급될 때에는 제1 밸브가 오픈(open) 상태로 된다. 이 경우, 배기가스는 제1 배출관(142) 및 제2 배출관(520)을 통해서 배출될 수 있다. Meanwhile, when AOG is not supplied to the combustion gas supply line, that is, when only reforming gas is supplied to the burner unit, the first valve is open. In this case, the exhaust gas may be discharged through the
또한, 도 5에 도시된 예와 같이, AOG 공급라인(210)에는 제3 밸브(530)가 배치될 수 있다. 제3 밸브(530)의 오픈 정도에 따라 AOG 공급량이 조절될 수 있다.Also, as in the example shown in FIG. 5 , a
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템을 개략적으로 나타낸 것이다.6 schematically illustrates a fuel cell system according to another embodiment of the present invention.
도 6에 도시된 연료전지 시스템은 도 5에 도시된 연료전지 시스템과 유사하나, 제2 배출관(520)이 제1 밸브(510) 후단에서 제1 배출관(142)에 합쳐지지 않는 점에서 도 5에 도시된 연료전지 시스템과 차이점이 있다.The fuel cell system shown in FIG. 6 is similar to the fuel cell system shown in FIG. 5, but in that the
제2 배출관(520)은 도 5에 도시된 예와 같이 제1 밸브(510) 후단에서 제1 배출관(142)에 합쳐질 수 있다. 또한, 제2 배출관(520)은 도 6에 도시된 예와 같이 제1 밸브(510) 후단에서 제1 배출관(142)에 합쳐지지 않을 수 있다. The
도 7 및 도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템을 개략적으로 나타낸 것이다.7 and 8 schematically show a fuel cell system according to another embodiment of the present invention.
도 7 및 도 8에 도시된 예에서는 제1 배출관(142)에 제1 밸브(510)가 배치되어 있을 뿐만 아니라, 제2 배출관(520)에 제2 밸브(521)가 배치되어 있다.In the examples shown in FIGS. 7 and 8 , the
연소용 가스 공급라인(101)에 AOG가 공급될 때, 제1 밸브(510)가 클로우즈 상태이고, 상기 제2 밸브(521)는 오픈 상태에 있게 된다. 이를 통해, 연소용 가스 공급라인(101)에 AOG가 공급될 때, 배기가스가 제2 배출관(520)을 통해 배출된다. When AOG is supplied to the combustion
반면, 연소용 가스 공급라인(101)에 AOG가 공급되지 않을 때, 제1 밸브(510)는 오픈 상태이다. 제2 밸브(521)는 오픈 상태, 클로우즈 상태 모두 가능하다. 이를 통해, 연소용 가스 공급라인(101)에 AOG가 공급되지 않을 때에는 제1 배출관(142)을 통해 배기가스가 배출되거나 제1 배출관(142) 및 제2 배출관(520) 모두를 통해 배기가스가 배출될 수 있다. On the other hand, when AOG is not supplied to the combustion
도 9는 본 발명에 적용될 수 있는 연료 개질 장치의 예를 개략적으로 나타낸 것이다.9 schematically shows an example of a fuel reforming device applicable to the present invention.
도 9를 참조하면, 도시된 연료 개질 장치는 상부에 버너부(610) 및 고온 수증기 개질부(620)가 배치되어 있고, 하부에 수성 전이부(630)이 배치되어 있다.Referring to FIG. 9 , the illustrated fuel reforming apparatus has a
연료 개질 장치의 각 요소는, 서로 이격된 복수의 통체에 의해 그 위치가 정의될 수 있다. 복수의 통체는 동심형 구조일 수 있다. 예를 들어, 도 9를 참조하면, 연료 개질 장치의 상부는 내부로부터 제1 통체, 제2 통체, 제3 통체 및 제4 통체로서 총 4개의 통체를 구비할 수 있다. 버너부(610)는 제1 통체의 내부에 배치되고, 고온 수증기 개질부(620)는 제2 통체와 제3 통체 사이에 배치되고, 열교환부는 제1 통체와 제2 통체의 사이 공간 및 제3 통체와 제4 통체의 사이 공간이 될 수 있다. The position of each element of the fuel reforming device may be defined by a plurality of cylindrical bodies spaced apart from each other. The plurality of tubular bodies may have a concentric structure. For example, referring to FIG. 9 , the upper portion of the fuel reforming apparatus may include a total of four cylinders, namely, a first cylinder, a second cylinder, a third cylinder, and a fourth cylinder. The
그러나, 도 9에 도시된 연료 개질 장치의 구조는 하나의 예일 뿐 다른 변형이 가능하다. 예를 들어, 수성 전이부(630)는 고온 수증기 개질부(620) 외측에 배치될 수 있다. 다른 예로, 수성 전이부(630) 대신 선택적 산화반응부가 배치될 수 있다. However, the structure of the fuel reformer shown in FIG. 9 is only an example and other modifications are possible. For example,
버너부(610)는 연소용 가스 공급라인(101)에 연결된다. 고온 수증기 개질부(620)는 입구(612)가 개질용 가스 공급라인(102)에 연결된다. 도 9에서 도면부호 615는 배기가스의 흐름을 나타낸 것이고, 도면부호 625는 개질가스의 흐름을 나타낸 것이다. The
개질가스는 수성 전이부(630)의 출구(641)를 통해 개질가스 배출라인으로 배출된다. 배기가스는 고온 수증기 개질부(620) 및 수성 전이부(630)와 순차적으로 열교환한 후, 배기가스 출구(642)를 통해, 배기가스 배출라인을 구성하는 제1 배출관(142)를 통해 배출된다.The reformed gas is discharged to the reformed gas discharge line through the
전술한 바와 같이, 버너부(610)에 개질용 가스와 함께 AOG가 공급되는 경우, 배기가스는 제1 배출관에서 분기되는, 작은 내경을 갖는 제2 배출관을 통해 배출된다. As described above, when AOG is supplied to the
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 연료 개질 장치 및 이를 이용한 연료전지 시스템은 버너부에 AOG를 포함하는 연소용 가스가 공급될 때, 내경이 상대적으로 작은 배출관을 통해 배기가스가 배출된다. 이를 통해, 배출관의 압력 증가를 통하여 열교환부에서의 GHSV를 낮출 수 있다. 그 결과, 버너부로부터 발생된 배기가스가 개질부와 열교환하는 시간이 증가될 수 있으므로, 배기가스와 개질부 간의 열교환 효과를 높일 수 있다.As described above, in the fuel reforming device and the fuel cell system using the fuel reforming device according to the present invention, when combustion gas including AOG is supplied to the burner unit, exhaust gas is discharged through an exhaust pipe having a relatively small inner diameter. Through this, it is possible to lower the GHSV in the heat exchange unit by increasing the pressure of the discharge pipe. As a result, since the heat exchange time between the exhaust gas generated from the burner unit and the reforming unit can be increased, the effect of heat exchange between the exhaust gas and the reforming unit can be increased.
전술한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.The above-described present invention, since various substitutions, modifications, and changes are possible to those skilled in the art without departing from the technical spirit of the present invention, the above-described embodiments and accompanying drawings is not limited by
101 : 연소용 가스 공급라인 102 : 개질용 가스 공급라인
110 : 연료 개질 장치 111 : 고온 수증기 개질부
112 : 수성 전이부 113 : 열교환부
120 : 선택적 산화반응부 130 : 연료전지
131 : 애노드 132 : 캐소드
133 : 전해질 141 : 개질가스 배출라인
142 : 제1 배출관
143 : 일산화탄소 제거 개질가스 배출라인
210 : AOG 공급라인 510 : 제1 밸브
520 : 제2 배출관 521 : 제2 밸브
530 : 제3 밸브 610 : 버너부
620 : 고온 수증기 개질부 630 : 수성 전이부
612 : 고온 수증기 개질부의 입구 615 : 배기가스의 흐름
625 : 개질가스의 흐름 641 : 수성 전이부의 출구
642 : 배기가스 출구101: gas supply line for combustion 102: gas supply line for reforming
110: fuel reformer 111: high-temperature steam reformer
112: aqueous transition unit 113: heat exchange unit
120: selective oxidation reaction unit 130: fuel cell
131: anode 132: cathode
133: electrolyte 141: reformed gas discharge line
142: first discharge pipe
143: carbon monoxide removal reformed gas discharge line
210: AOG supply line 510: first valve
520: second discharge pipe 521: second valve
530: third valve 610: burner unit
620: high-temperature steam reforming unit 630: aqueous transition unit
612: inlet of high-temperature steam reforming unit 615: flow of exhaust gas
625: flow of reformed gas 641: outlet of aqueous transition
642: exhaust gas outlet
Claims (10)
입구가 연소용 가스 공급라인에 연결되며 버너를 구비하는 버너부;
상기 버너부에서 공급되는 배기가스가 상기 개질부와 열교환하면서 이동하도록 상기 개질부 주위에 유로 형태로 배치되는 열교환부; 및
입구가 상기 열교환부에 연결되는 배기가스 배출라인을 포함하고,
상기 배기가스 배출라인은 제1 배출관과, 상기 제1 배출관에서 분기되며 상기 제1 배출관보다 작은 내경을 갖는 제2 배출관을 포함하고,
상기 연소용 가스 공급라인에 AOG(Anode Off Gas)가 공급될 때 상기 제2 배출관을 통하여 배기가스가 배출되는, 연료 개질 장치.
a reformer having an inlet connected to a reforming gas supply line, an outlet connected to a reformed gas discharge line, and a catalyst disposed therein;
a burner unit having an inlet connected to a combustion gas supply line and having a burner;
a heat exchange unit arranged in a flow path around the reforming unit so that the exhaust gas supplied from the burner unit moves while exchanging heat with the reforming unit; and
An exhaust gas discharge line having an inlet connected to the heat exchange unit,
The exhaust gas discharge line includes a first discharge pipe and a second discharge pipe branching from the first discharge pipe and having a smaller inner diameter than the first discharge pipe,
A fuel reformer in which exhaust gas is discharged through the second discharge pipe when AOG (Anode Off Gas) is supplied to the combustion gas supply line.
상기 제1 배출관에 제1 밸브가 배치되고,
상기 연소용 가스 공급라인에 AOG가 공급될 때, 상기 제1 밸브가 클로우즈(close) 상태이고,
상기 연소용 가스 공급라인에 AOG가 공급되지 않을 때, 상기 제1 밸브가 오픈(open) 상태인, 연료 개질 장치.
According to claim 1,
A first valve is disposed in the first discharge pipe,
When AOG is supplied to the combustion gas supply line, the first valve is in a closed state,
The fuel reformer, wherein the first valve is in an open state when AOG is not supplied to the combustion gas supply line.
상기 제1 배출관에 제1 밸브가 배치되고, 상기 제2 배출관에 제2 밸브가 배치되며,
상기 연소용 가스 공급라인에 AOG가 공급될 때, 상기 제1 밸브가 클로우즈 상태이고, 상기 제2 밸브는 오픈 상태이며,
상기 연소용 가스 공급라인에 AOG가 공급되지 않을 때, 상기 제1 밸브는 오픈 상태이고, 상기 제2 밸브는 오픈 또는 클로우즈 상태인, 연료 개질 장치.
According to claim 1,
A first valve is disposed in the first discharge pipe, and a second valve is disposed in the second discharge pipe;
When AOG is supplied to the combustion gas supply line, the first valve is in a closed state and the second valve is in an open state,
When AOG is not supplied to the combustion gas supply line, the first valve is in an open state, and the second valve is in an open or closed state.
상기 개질부는, 상기 개질용 가스 공급라인으로부터 공급되는 탄화수소계 가스와 수증기가 반응하도록 하는 제1 촉매가 배치된 제1 개질부와, 상기 제1 개질부에서 배출되는 개질 가스 중 일산화탄소와 수증기 또는 산소와 반응하도록 하는 제2 촉매가 배치된 제2 개질부를 포함하는, 연료 개질 장치.
According to claim 1,
The reforming unit includes a first reforming unit in which a first catalyst for reacting the hydrocarbon-based gas supplied from the reforming gas supply line with water vapor is disposed, and carbon monoxide, water vapor, or oxygen among the reformed gases discharged from the first reforming unit. A fuel reforming device comprising a second reforming unit in which a second catalyst to react with the second reforming unit is disposed.
상기 제2 개질부는
상기 제1 개질부에서 배출되는 개질 가스 중 일산화탄소와 수증기가 반응하도록 하는 제2-1 촉매가 배치된 제2-1 개질부와,
상기 제2-1 개질부에서 배출되는 개질 가스 중 일산화탄소와 산소가 선택적으로 반응하도록 하는 제2-2 촉매가 배치된 제2-2 개질부를 포함하는, 연료 개질 장치.
According to claim 4,
The second reforming part
A 2-1 reforming unit in which a 2-1 catalyst for reacting carbon monoxide and water vapor in reformed gas discharged from the first reforming unit is disposed;
A fuel reformer comprising a 2-2 reforming unit in which a 2-2 catalyst for selectively reacting carbon monoxide and oxygen among reformed gases discharged from the 2-1 reforming unit is disposed.
입구가 상기 개질기의 개질부의 출구와 연결되며, 출구가 AOG 공급라인을 통해 상기 연소용 가스 공급라인에 연결되는 애노드와, 공기가 공급되는 캐소드와, 상기 애노드와 캐소드 사이에 배치되는 전해질을 포함하는 연료전지를 포함하고,
상기 배기가스 배출라인은 제1 배출관과, 상기 제1 배출관에서 분기되며 상기 제1 배출관보다 작은 내경을 갖는 제2 배출관을 포함하며, 상기 연소용 가스 공급라인에 AOG가 공급될 때 상기 제2 배출관을 통하여 배기가스가 배출되는, 연료전지 시스템.
a reforming unit having an inlet connected to a reforming gas supply line and an outlet connected to a reformed gas discharge line and having a catalyst disposed therein; a burner unit having a burner and having an inlet connected to a combustion gas supply line; the burner unit a reformer including a heat exchanging unit disposed in a flow path around the reforming unit and having an outlet connected to an exhaust gas discharge line so that the exhaust gas supplied from the reforming unit moves while exchanging heat with the reforming unit; and
An inlet connected to the outlet of the reforming unit of the reformer, an anode to which the outlet is connected to the combustion gas supply line through an AOG supply line, a cathode to which air is supplied, and an electrolyte disposed between the anode and the cathode. including a fuel cell;
The exhaust gas discharge line includes a first discharge pipe and a second discharge pipe branching from the first discharge pipe and having a smaller inner diameter than the first discharge pipe, and when AOG is supplied to the combustion gas supply line, the second discharge pipe A fuel cell system through which exhaust gas is discharged.
상기 제1 배출관에는 상기 연소용 가스 공급라인에 AOG가 공급될 때 클로우즈되는 밸브가 배치된, 연료전지 시스템.
According to claim 6,
Wherein the first discharge pipe is disposed with a valve closed when AOG is supplied to the combustion gas supply line.
상기 연소용 가스 공급라인에 AOG가 공급되지 않을 때, 상기 제1 배출관을 통하여 배기가스가 배출되거나 상기 제1 배출관 및 제2 배출관을 통하여 배기가스가 배출되는, 연료전지 시스템.
According to claim 6,
When AOG is not supplied to the combustion gas supply line, exhaust gas is discharged through the first discharge pipe or exhaust gas is discharged through the first discharge pipe and the second discharge pipe.
상기 AOG 공급라인에는 밸브가 배치된, 연료전지 시스템.
According to claim 6,
A fuel cell system, wherein a valve is disposed in the AOG supply line.
상기 개질부는, 상기 개질용 가스 공급라인으로부터 공급되는 탄화수소계 가스와 수증기가 반응하도록 하는 제1 촉매가 배치된 제1 개질부와, 상기 제1 개질부에서 배출되는 개질 가스 중 일산화탄소와 수증기 또는 산소와 반응하도록 하는 제2 촉매가 배치된 제2 개질부를 포함하는, 연료전지 시스템.According to claim 6,
The reforming unit includes a first reforming unit in which a first catalyst for reacting the hydrocarbon-based gas supplied from the reforming gas supply line with water vapor is disposed, and carbon monoxide, water vapor, or oxygen among the reformed gases discharged from the first reforming unit. A fuel cell system comprising a second reformer in which a second catalyst to react with is disposed.
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---|---|---|---|
KR1020180014830A KR102501945B1 (en) | 2018-02-06 | 2018-02-06 | Apparatus for reforming fuel with excellent heat exchange efficiency and fuel cell system using the same |
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