KR102634123B1 - 연료전지 장치 및 그 제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 연료전지 장치는, 스택; 개질가스를 생성하여 스택으로 공급하는 개질기; 개질기를 가열하는 버너; 스택으로 공급되는 냉각수를 저장하는 물공급탱크; 외기를 흡입하여 버너로 공급하는 버너 에어블로워; 공기를 가열공기와 냉각공기로 변환하는 볼텍스 튜브; 버너 에어블로워로부터 송출되는 공기를 볼텍스 튜브 또는 버너로 선택적으로 공급되게 하는 삼방밸브; 볼텍스 튜브로부터 배출되는 공기를 물공급탱크로부터 스택으로 공급되는 냉각수와 열교환시킨 다음 버너로 공급하는 제 1열교환기; 볼텍스 튜브로부터 배출되는 공기를 개질기로부터 배출되는 개질가스와 열교환시킨 다음 버너로 공급하는 제 2열교환기; 볼텍스 튜브로부터 배출되는 가열공기와 냉각공기를 제 1열교환기와 제 2열교환기 중 서로 다른 열교환기로 공급되게 하는 사방밸브를 포함하여, 제 1열교환기에서 볼텍스 튜브로부터 배출된 가열공기에 의해 예열된 냉각수가 스택으로 공급되도록하여 스택을 발전에 적합한 온도로 예열하는 시간을 크게 단축시킬 수 있고, 제 2열교환기에서 볼텍스 튜브로부터 배출된 냉각공기에 의해 냉각되어 밀도가 상승된 개질가스가 버너 또는 스택으로 공급되도록하여 버너의 연소 효율 및 스택의 발전 효율을 향상시킬 수 있다.

Description

연료전지 장치 및 그 제어방법{FUEL CELL APPARATUS AND METHOD THEREOF}
본 발명은 연료전지 장치 및 그 제어방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 볼텍스 튜브를 활용하여 냉각수 및 개질가스의 온도를 제어할 수 있는 연료전지 장치에 관한 것이다.
연료전지 장치(Fuel cell apparatus)은, 탄화수소 계열의 물질, 예컨대, 메탄올, 에탄올, 천연가스 등에 포함되어 있는 수소를, 산소와 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키는 발전 장치다.
종래 연료전지 장치는, 선행기술 1(한국공개특허공보 제10-2012-0071288호)와 유사하게, 수소 원자를 포함하는 연료를 수소 가스로 전환개질(reforming)하는 연료처리장치와, 연료처리장치로부터 공급되는 수소 가스를 이용하여 전기 에너지를 발생시키는 스택(stack)을 구비한다. 또한, 연료전지 장치는, 스택을 냉각하고, 열을 회수하기 위한 열교환기 및 냉각수배관, 생산된 직류전원을 교류전원으로 변환하는 전력변환장치 등을 더 구비할 수 있다.
연료처리장치의 버너에서 일어나는 연료 가스의 연소나, 스택에서의 전기 발생에 산소가 필수적으로 사용되기 때문에, 일반적으로 연료전지 장치는, 선행기술 2(한국등록특허공보 제10-1951439호)와 유사하게, 외부 공기를 연료처리장치나 스택으로 유동시키는 블로워(blower)를 구비한다.
상기 종래 연료전지 장치는, 먼저 연료가스를 공급받아 스택의 발전에 필요한 개질가스를 생성하는 개질기를 버너로 가열하여 개질에 적합한 온도로 예열하는 예열 모드로 운전하고, 그 다음 개질기가 상기 온도 조건에 도달하면, 생성된 개질가스의 수소 및 일산화탄소 등의 농도가 스택의 발전에 적합한 농도에 도달할때까지 개질기에서 생성되는 개질가스를 버너로 재순환시키며 개질을 반복하는 개질 모드로 운전하고, 그 다음 개질가스의 농도가 상기 농도 조건에 도달하면, 스택으로 개질가스 및 외기를 공급하여 전기화학반응을 일으켜 전기에너지를 생산하는 발전 모드로 운전할 수 있다.
이때, 스택은 일반적으로 약 75도의 온도에서 가장 좋은 발전 효율을 보이는데, 상기 종래기술의 경우, 발전 운전에 진입하여야만 고온의 개질가스 및 상기 개질가스와 열교환하여 가열된 냉각수가 스택으로 공급되어 스택을 예열하기 시작하므로, 발전 운전 초기에는 스택의 온도가 낮아 발전 효율이 저하된다는 문제점이 있었다.
한편, 연료전지 장치의 발전 운전에 따라 스택에서는 열이 발생하는데, 이러한 열은 발전 운전 초기에는 스택이 발전에 적합한 온도에 도달하도록 하지만, 스택이 목표 온도에 도달한 후로는 스택의 과열을 막기위해 방열되어야할 필요가 있다.
상기 종래 연료전지 장치는, 상기 발전 모드가 일정시간 유지되어 상기 스택이 목표 온도에 도달하여 연료전지 장치 운전에 따라 발생하는 열의 방출이 요구되는 상황에서, 연료전지 장치 운전에 따라 냉각수를 순환시켜 열을 회수하여 저장하는 물공급탱크의 온수를 외부로 배수하고 다시 외부 급수원으로부터 냉수를 공급하는 방식을 사용함으로, 연료전지 장치의 정교한 열 관리가 어렵고 급수에 따른 추가적인 운전 비용이 발생한다는 문제점이 있었다.
KR 10-2012-0071288 A KR 10-1951439 B
본 발명의 목적은, 스택을 발전에 적합한 온도로 예열하는 시간을 단축시켜 발전 효율을 향상시킨 연료전지 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 간이하고 효과적으로 스택에서 생성되는 폐열을 방열하여 최적의 온도를 유지할 수 있는 연료전지 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 버너 또는 스택으로 공급되는 개질가스의 밀도를 향상시켜 버너의 연소 효율 또는 스택의 발전 효율을 향상시킨 연료전지 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 버너로 공급되는 공기의 밀도를 향상시켜 버너의 연소 효율을 향상시킨 연료전지 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 스택으로 공급되는 냉각수의 온도를 최적의 온도로 정교하게 관리할 수 있는 연료전지 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 버너 또는 스택으로 공급되는 개질가스의 온도를 최적의 온도로 정교하게 관리할 수 있는 연료전지 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치는, 스택; 개질가스를 생성하여 스택으로 공급하는 개질기; 개질기를 가열하는 버너; 스택으로 공급되는 냉각수를 저장하는 물공급탱크; 외기를 흡입하여 버너로 공급하는 버너 에어블로워; 공기를 가열공기와 냉각공기로 변환하는 볼텍스 튜브; 버너 에어블로워로부터 송출되는 공기를 볼텍스 튜브 또는 버너로 선택적으로 공급되게 하는 삼방밸브를 포함한다.
또한, 상기 연료전지 장치는, 볼텍스 튜브로부터 배출되는 공기를 물공급탱크로부터 스택으로 공급되는 냉각수와 열교환시킨 다음 버너로 공급하는 제 1열교환기; 볼텍스 튜브로부터 배출되는 공기를 개질기로부터 배출되는 개질가스와 열교환시킨 다음 버너로 공급하는 제 2열교환기; 볼텍스 튜브로부터 배출되는 가열공기와 냉각공기를 제 1열교환기와 제 2열교환기 중 서로 다른 열교환기로 공급되게 하는 사방밸브를 포함한다.
상기 연료전지 장치는, 개질기로부터 배출되어 제 2열교환기를 통과한 개질가스가 버너로 공급되도록하는 개질가스 바이패스유로; 개질가스 바이패스유로에 배치되어 개폐되는 개질가스 바이패스밸브를 더 포함할 수 있다.
따라서, 물공급탱크로부터 배출된 냉각수가 제 1열교환기에서 가열공기와 열교환되어 예열된 다음 스택으로 공급됨에 따라, 예열된 냉각수가 스택으로 열을 전달하여 스택을 발전에 적합한 온도로 빠르게 예열할 수 있다.
또한, 개질기로부터 생성되어 배출되는 개질가스가 제 2열교환기에서 냉각공기와 열교환되어 냉각된 다음 버너 또는 스택으로 공금됨에 따라, 밀도가 향상된 개질가스가 버너 또는 스택으로 공급되어 버너의 연소 효율 및 스택의 발전 효율이 향상될 수 있다.
또한, 발전에 적합한 온도에 도달한 냉각수와 개질가스가 제 1,2열교환기에서 불필요하게 열교환되지 않도록, 삼방밸브를 절환하여 버너 에어블로워로부터 송출되는 공기가 볼텍스 튜브로 공급되지 않고 버너로 공급되도록 함으로써, 냉각수와 개질가스의 온도를 최적으로 유지하여 스택의 발전 효율을 높게 유지할 수 있다.
상기 연료전지 장치는, 제 1열교환기를 통과한 열교환된 냉각수와 제 2열교환기를 통과한 열교환된 개질가스를 열교환시킨 다음 각각 스택으로 공급하는 개질가스 열교환기; 볼텍스 튜브로부터 제 1열교환기로 공급되는 공기가 제 1열교환기를 바이패스하도록 하는 제 1바이패스유로; 제 1바이패스유로에 배치되어 개폐되는 제 1바이패스밸브; 볼텍스 튜브로부터 제 2열교환기로 공급되는 공기가 제 2열교환기를 바이패스하도록 하는 제 2바이패스유로; 제 2바이패스유로에 배치되어 개폐되는 제 2바이패스밸브;를 더 포함할 수 있다.
따라서, 냉각공기가 제 2열교환기를 바이패스하도록 하여 개질가스가 제 2열교환기를 통과하면서 냉각공기로부터 열을 빼앗기지 않도록 함으로써, 개질가스가 열손실 없이 개질가스 열교환기로 공급되어 냉각수와 열교환되므로, 개질가스 열교환기를 통과하는 냉각수를 효과적으로 예열할 수 있다.
또한, 제 1바이패스밸브를 개방하여 제 1열교환기로 가열공기가 공급되지 않도록 하거나, 사방밸브를 절환하여 제 1열교환기로 냉각공기가 공급되도록 함으로써, 제 1열교환기를 통과하는 냉각수가 예열되지 않도록 하거나 냉각되도록 하여, 냉각수가 과열되지 않고 적정한 온도가 유지되도록 할 수 있다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치는, 버너를 가동시켜 개질기를 예열시키는 예열 운전 모드 실행 중, 버너 에어블로워로부터 송출되는 공기가 볼텍스 튜브로 공급되지않고 버너로 공급되도록 삼방밸브를 제어하여, 버너로 공급되는 공기의 불필요한 압력 손실을 제거할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치는, 개질기에서 생성되는 개질가스의 일산화탄소 농도가 충분히 저감되도록 개질을 반복하는 개질 운전 모드 실행 중, 버너 에어블로워로부터 송출되는 공기가 볼텍스 튜브로 공급되도록 삼방밸브를 제어하고, 볼텍스 튜브로부터 배출되는 가열공기가 제 1열교환기로 공급되고 냉각공기는 제 2열교환기로 공급되도록 사방밸브를 제어하고, 제 1,2바이패스밸브는 폐쇄되도록 하여, 냉각수가 제 1열교환기에서 가열공기와 열교환되어 예열된 다음 스택으로 공급됨에 따라, 예열된 냉각수가 스택으로 열을 전달하여 스택을 발전에 적합한 온도로 빠르게 예열할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치는, 또한, 개질기로부터 생성되어 배출되는 개질가스가 제 2열교환기에서 냉각공기와 열교환되어 냉각된 다음 버너로 공금됨에 따라, 밀도가 향상된 개질가스가 버너로 공급되어 버너의 연소 효율이 향상될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치는, 개질가스와 외기를 스택으로 공급하여 전기에너지를 생성하는 발전 운전 모드 실행 중, 제 1열교환기를 통과하면서 가열공기에 의하여 예열된 냉각수가 개질가스 열교환기에서 개질가스에 의해 추가로 예열된 다음 스택으로 공급되도록 하여, 예열된 냉각수가 스택으로 열을 전달하여 스택을 발전에 적합한 온도로 더욱 빠르게 예열할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치는, 또한, 제 2열교환기를 통과하면서 냉각공기에 의하여 냉각된 개질가스가 개질가스 열교환기에서 냉각수에 의해 추가로 냉각된 다음 스택으로 공급되도록 하여, 밀도가 상승된 개질가스가 스택으로 공급되어 스택의 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치는, 상기 발전 운전 모드 실행 중, 제 1바이패스밸브는 폐쇄되고 제 2바이패스밸브는 개방되도록 제어하여, 버너로 공급되는 가열공기는 제 1열교환기에서 냉각수와 열교환되어 냉각된 다음 버너로 공급되게 하고, 버너로 공급되는 냉각공기는 제 2열교환기를 바이패스하여 낮은 온도를 유지한 체 버너로 공급되게 하여, 밀도가 상승된 공기가 버너로 공급되어 버너의 연소 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치는, 또한, 개질기로부터 배출되는 개질가스가 제 2열교환기를 통과하여 개질가스 열교환기로 공급될 때, 냉각공기가 제 2열교환기를 바이패스하여, 개질가스가 제 2열교환기에서 냉각공기로부터 열을 빼앗기지 않으므로, 고온의 상태를 유지한 체 개질가스 열교환기로 공급되어 냉각수와 열교환되어, 개질가스 열교환기를 통과하는 냉각수를 효과적으로 예열하여 스택을 발전에 적합한 온도로 더욱 빠르게 예열할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치는, 상기 발전 운전 모드 실행 중, 볼텍스 튜브로부터 배출되는 가열공기가 제 2열교환기로 공급되고 냉각공기는 제 1열교환기로 공급되도록 사방밸브를 제어함으로써, 냉각수가 제 1열교환기에서 냉각공기와 열교환하여 냉각된 다음 스택으로 공급되게 하여, 스택의 전기화학반응에 따라 생성되는 열을 냉각수가 효과적으로 흡수하면서도 냉각수가 과열되지 않고 적정한 온도를 유지하도록 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치는, 또한, 개질가스가 제 2열교환기에서 냉각공기와 열교환되어 일차적으로 냉각되고, 개질가스 열교환기에서 냉각수와 열교환되어 추가적으로 냉각된 다음 스택으로 공급되게 하여, 밀도가 향상된 개질가스를 스택으로 공급하여 스택의 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치는, 상기 발전 운전 모드 실행 중, 볼텍스 튜브로부터 배출되는 가열공기가 제 1열교환기로 공급되고 냉각공기는 제 2열교환기로 공급되도록 사방밸브를 제어하고, 제 1바이패스밸브는 개방되고 제 2바이패스밸브는 폐쇄되도록 제어하여, 제 1열교환기로 가열공기가 공급되지 않도록 함으로써, 제 1열교환기를 통과하는 냉각수가 가열공기와 열교환되지 않도록 하여, 냉각수의 온도가 유지되도록 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치는, 상기 발전 운전 모드 실행 중, 냉각수와 개질가스가 발전에 적합한 온도에 도달하면, 냉각수와 개질가스가 제 1,2열교환기에서 불필요하게 열교환되지 않도록 삼방밸브를 버너측으로 절환하여, 냉각수와 개질가스의 온도가 유지되게 함으로써, 스택의 발전 효율을 높게 유지할 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은, 본 발명의 실시예에 따른, 연료전지 장치에 대한 구성도이다.
도 2는, 본 발명의 실시예에 따른, 연료처리장치의 구성에 대한 개략도이다.
도 3은, 본 발명의 실시예에 따른, 연료전지 장치의 예열 운전 모드를 설명하는 도면이다.
도 4은, 본 발명의 실시예에 따른, 연료전지 장치의 개질 운전 모드를 설명하는 도면이다.
도 5은, 본 발명의 실시예에 따른, 연료전지 장치의 냉각수 추가예열모드를 설명하는 도면이다.
도 6은, 본 발명의 실시예에 따른, 연료전지 장치의 냉각수 과열단속모드를 설명하는 도면이다.
도 7은, 본 발명의 실시예에 따른, 연료전지 장치의 냉각수 온도안정화 및 개질가스 냉각모드를 설명하는 도면이다.
도 8은, 본 발명의 실시예에 따른, 연료전지 장치의 정상운전모드를 설명하는 도면이다.
도 9 및 도 10은, 본 발명의 실시예에 따른, 연료전지 장치의 제어흐름도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계 및/또는 동작은 하나 이상의 다른 구성요소, 단계 및/또는 동작의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
이하 도 1을 참조하여, 연료전지 장치(1)의 각 부에 관하여 설명한다.
연료전지 장치(1)는, 연료처리부(I), 전력생성부(II), 물순환부(III) 및/또는 열회수부(IV)를 포함할 수 있다. 연료전지 장치(1)는, 전력생성부(II)에서 생성된 직류전원을 교류전원으로 변환하는 전력변환장치를 포함하는 전력변환부(미도시)를 더 구비할 수 있다.
연료처리부(I)는, 연료처리장치(10), 연료처리장치(10)에 공급되는 연료 가스의 유동을 조절하는 연료밸브(30), 공기를 연료처리장치(10)로 유동시키는 버너 에어블로워(71) 등을 포함할 수 있다.
전력생성부(II)는, 스택(20a,20b), 연료처리장치(10)에서 토출된 개질가스의 열교환이 일어나는 개질가스 열교환기(21), 스택(20a,20b)에서 반응하지 않고 배출되는 가스의 열교환이 일어나는 제 5열교환기(22), 스택(20a,20b)에 공급되는 공기에 수분을 공급하는 가습장치(23), 공기를 스택(20a,20b)으로 유동시키는 스택 에어블로워(72) 등을 포함할 수 있다. 여기서, 스택(20a,20b)에서 반응하지 않고 배출되는 가스는, 애노드 오프 가스(anode off gas, AOG)로 명명될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 연료전지 장치(1)가 두 개의 스택(20a,20b)을 구비하는 것으로 설명하나, 이에 제한되지 않는다.
물순환부(III)는, 연료전지 장치(1)에서 생성되는 물을 저장하는 물공급탱크(13), 연료처리장치(10)로 물을 유동시키는 물펌프(38), 연료처리장치(10)로 공급되는 물의 유동을 조절하는 물공급밸브(39), 개질가스 열교환기(21)로 물을 유동시키는 냉각수펌프(43) 등을 포함할 수 있다.
열회수부(IV)는, 열교환에 사용되는 물을 저장하는 열회수탱크(15), 열회수탱크(15)에 저장된 물을 열회수탱크(15) 외부로 유동시키는 열회수펌프(48) 등을 포함할 수 있다.
이하, 본원 발명의 기술적 사상의 핵심의 이해를 돕기 위하여 각 부 및 각 부를 구성하는 구성 중, 각 부 및 각 부를 구성하는 구성들의 작동 순서와 무관한 순서로 특정 구성에 관하여 먼저 설명하도록 한다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치(1)는, 스택(20a,20b); 개질가스를 생성하여 스택(20a,20b)으로 공급하는 개질기(140); 개질기(140)를 가열하는 버너(120); 스택(20a,20b)으로 공급되는 냉각수를 저장하는 물공급탱크(13); 외기를 흡입하여 버너(120)로 공급하는 버너 에어블로워(71); 공기를 가열공기와 냉각공기로 변환하는 볼텍스 튜브(502); 버너 에어블로워(71)로부터 송출되는 공기를 볼텍스 튜브(502) 또는 버너(120)로 선택적으로 공급되게 하는 삼방밸브(500)를 포함한다.
또한, 상기 연료전지 장치(1)는, 볼텍스 튜브(502)로부터 배출되는 공기를 물공급탱크(13)로부터 스택(20a,20b)으로 공급되는 냉각수와 열교환시킨 다음 버너(120)로 공급하는 제 1열교환기(510); 볼텍스 튜브(502)로부터 배출되는 공기를 개질기(140)로부터 배출되는 개질가스와 열교환시킨 다음 버너(120)로 공급하는 제 2열교환기(520); 및 볼텍스 튜브(502)로부터 배출되는 가열공기와 냉각공기를 제 1열교환기(510)와 제 2열교환기(520) 중 서로 다른 열교환기로 공급되게 하는 사방밸브(505)를 포함한다.
스택(20a,20b)은, 수소와 산소를 전기화학반응시켜 전기에너지를 생성할 수 있다. 예를 들어, 스택(20a,20b)은, 연료처리장치(10)로부터 공급되는 개질가스에 포함된 수소와 외기로 공급되는 산소를 전기화학반응시켜 전기에너지를 생성할 수 있다.
스택(20a,20b)은, 전기화학반응이 일어나는 단일 셀이 적층되어 구성될 수 있다. 단일 셀은, 전해질막을 중심으로 연료극과 공기극이 배치된 막-전극 접합체(membrane electrode assembly, MEA), 세퍼레이터(separator) 등으로 구성될 수 있다. 막-전극 접합체의 연료극에서는, 수소가 촉매에 의하여 수소이온과 전자로 분리되어 전기가 발생할 수 있고, 막-전극 접합체의 공기극에서는 수소이온과 전자가 산소와 결합하여 물이 생성될 수 있다.
개질기(140)는, 연료가스를 개질하여 개질가스를 생성하여 스택(20a,20b)으로 공급할 수 있다.
예를 들어, 촉매를 이용하여, 황 화합물이 제거된 연료 가스로부터 수소 가스를 생성하는 개질 공정을 수행할 수 있다. 여기서, 개질 반응에 사용되는 촉매는, 니켈(Ni), 알루미나(Al₂O₃) 등으로 구성된 촉매일 수 있다.
예를 들어, 탈황기(110)로부터 토출된 연료 가스와 증기발생기(130)로부터 토출된 수증기가 제2 믹서(112)에서 혼합되어 개질기(140)에 공급될 수 있다. 이때, 개질기(140)에 공급된 연료 가스와 수증기가 개질기(140) 내에서 개질 반응하는 경우, 수소 가스가 생성될 수 있다.
한편, 개질기(140)에서 토출되는 가스는, 개질가스로 명명될 수 있다.
버너(120)는, 개질기(140)에서의 개질 반응이 촉진되도록, 개질기(140)를 가열할 수 있다. 예를 들어, 탈황기(110)로부터 토출된 연료 가스와 외부에서 유입된 공기가 제1 믹서(111)에서 혼합되어 버너(120)에 공급될 수 있다. 이때, 버너(120)는, 연료 가스와 공기가 혼합된 가스를 연소시켜 연소열을 발생시킬 수 있고, 버너(120)에서 공급되는 열에 의해, 개질기(140)의 내부온도가 적정 온도(예: 800℃)로 유지될 수 있다.
한편, 연료 가스와 공기가 혼합된 가스의 연소에 의해 버너(120)에서 생성되는 배기가스는, 연료처리장치(10)의 외부로 배출될 수 있다. 예를 들어, 연료처리장치(10)의 버너(120)에서 생성되는 배기가스는, 배기가스토출유로(210)를 통해 연료처리장치(10)에서 토출되어, 제 3열교환기(26)로 공급되어 열교환된 다음, 외부로 배출될 수 있다.
버너 에어블로워(71)는, 외기를 흡입하여 송출할 수 있다. 버너 에어블로워(71)는, 제1 외부공기유입유로(201)에 연결되어 제1 외부공기유입유로(201)를 통해 유입되는 외기를 흡입할 수 있다. 버너 에어블로워(71)는, 송출유로(201a)에 연결되어 흡입한 외기를 송출할 수 있다.
송출유로(201a)는, 버너 에어블로워(71)의 토출구와 삼방밸브(500)의 흡입구를 연결할 수 있다.
삼방밸브(500)는, 버너 에어블로워(71)로부터 송출되는 공기를 메인급기유로(202) 또는 볼텍스 튜브(502)로 선택적으로 공급되게 할 수 있다.
예를 들어, 삼방밸브(500)는, 송출유로(201a), 메인급기유로(202), 및 볼텍스급기유로(501)와 삼방으로 연결될 수 있다. 삼방밸브(500)는, 버너 에어블로워(71)로부터 송출되는 공기를 송출유로(201a)를 통해 공급받을 수 있다. 삼방밸브(500)는, 공급받은 공기가 메인급기유로(202)로 토출되도록 절환되거나, 또는, 볼텍스급기유로(501)로 토출되도록 절환될 수 있다.
볼텍스급기유로(501)는, 삼방밸브(500)의 토출구와 볼텍스 튜브(502)의 흡입구를 연결할 수 있다.
메인급기유로(202)는, 삼방밸브(500)의 토출구와 연료처리장치(10)를 연결하여, 버너 에어블로워(71)로부터 송출되는 공기를 버너(120)로 공급할 수 있다. 예를 들어, 메인급기유로(202)를 통해 연료처리장치(10)로 공급된 공기는, 탈황기(110)에서 토출된 연료 가스와 제1 믹서(111)에서 혼합되어 버너(120)에 공급될 수 있다.
볼텍스 튜브(502)는, 버너 에어블로워(71)로부터 송출되는 공기를 가열공기와 냉각공기로 변환할 수 있다.
예를 들어, 볼텍스 튜브(502)의 흡입구는 볼텍스급기유로(501)와 연결되어, 볼텍스급기유로(501)를 통해 공기를 공급받아 가열공기와 냉각공기로 변환할 수 있다. 예를 들어, 볼텍스 튜브(502)의 가열공기 토출구는 열풍공급유로(503)와 연결되어, 볼텍스 튜브(502)에서 변환된 가열공기는 열풍공급유로(503)를 통해 배출될 수 있다. 예를 들어, 볼텍스 튜브(502)의 냉각공기 토출구는 냉풍공급유로(504)와 연결되어, 볼텍스 튜브(502)에서 변환된 냉각공기는 냉풍공급유로(504)를 통해 배출될 수 있다.
열풍공급유로(503)는, 볼텍스 튜브(502)의 가열공기 토출구와 사방밸브(505)를 연결하여, 볼텍스 튜브(502)로부터 배출되는 가열공기가 사방밸브(505)로 공급되게 할 수 있다.
냉풍공급유로(504)는, 볼텍스 튜브(502)의 냉각공기 토출구와 사방밸브(505)를 연결할 수 있다. 볼텍스 튜브(502)로부터 배출되는 냉각공기가 사방밸브(505)로 공급되게 할 수 있다.
사방밸브(505)는, 볼텍스 튜브(502)로부터 배출되는 가열공기와 냉각공기를 제 1절환유로(511)와 제 2절환유로(521) 중 서로 다른 유로로 절환되어 배출되게 할 수 있다.
예를 들어, 사방밸브(505)는, 열풍공급유로(503), 냉풍공급유로(504), 제 1절환유로(511), 및 제 2절환유로(521)와 사방으로 연결될 수 있다.
예를 들어, 사방밸브(505)는, 열풍공급유로(503)를 통해 공급받은 가열공기가 제 1절환유로(511)로 배출되고 냉풍공급유로(504)를 통해 공급받은 냉각공기가 제 2절환유로(521)를 통해 배출되도록 절환(이하 '제 1절환모드'라 한다.)되거나, 또는, 열풍공급유로(503)를 통해 공급받은 가열공기가 제 2절환유로(521)로 배출되고, 냉풍공급유로(504)를 통해 공급받은 냉각공기가 제 1절환유로(511)를 통해 배출되도록 절환(이하 '제 2절환모드'라 한다.)될 수 있다.
제 1절환유로(511)는, 사방밸브(505)의 토출구와 제 1열교환기(510)를 연결할 수 있다. 제 2절환유로(521)는, 사방밸브(505)의 나머지 토출구와 제 2열교환기(520)를 연결할 수 있다.
제 1열교환기(510)는, 물공급탱크(13)로부터 배출되는 냉각수와 제 1절환유로(511)로부터 배출되는 공기를 열교환시킬 수 있다. 예를 들어, 제 1열교환기(510)는, 냉각수유로(304)를 통해 물공급탱크(13)로부터 배출되는 냉각수를 공급받아 열교환시킨 다음, 냉각수유로(304)로 열교환된 냉각수를 배출할 수 있다.
예를 들어, 제 1열교환기(510)는, 제 1절환유로(511)를 통해 볼텍스 튜브(502) 및 사방밸브(505)로부터 배출되는 가열공기(제 1절환모드) 또는 냉각공기(제 2절환모드)를 공급받아 열교환시킨 다음 제 1급기유로(512)로 배출할 수 있다.
냉각수유로(304)는, 제 1열교환기(510)를 통과한 냉각수를 스택(20a,20b)으로 공급되게 할 수 있다.
예를 들어, 제 1열교환기(510)는 냉각수유로(304)에 배치되어 냉각수유로(304)를 전단과 후단으로 분리할 수 있다. 이때, 냉각수유로(304)의 전단은 물공급탱크(13)와 제 1열교환기(510)를 연결하여, 물공급탱크(13)로부터 제 1열교환기(510)로 냉각수를 공급할 수 있다. 이때, 냉각수유로(304)의 후단은 제 1열교환기(510)와 개질가스 열교환기(21)를 연결하여, 제 1열교환기(510)를 통과한 냉각수가 개질가스 열교환기(21)를 통과한 다음 스택(20a,20b)으로 공급되게 할 수 있다.
냉각수유로(304)의 전단에는, 물공급탱크(13)에 저장된 물을 제 1열교환기(510)로 유동시키는 냉각수펌프(43), 및/또는 냉각수유로(304) 내에 유동하는 물의 유량을 검출하는 냉각수유량계(56)가 배치될 수 있다.
냉각수펌프(43)는, 물공급탱크(13)에 저장된 냉각수가 스택(20a,20b)으로 공급되게 할 수 있다.
제 1급기유로(512)는, 제 1열교환기(510)를 통과한 공기를 버너(120)로 공급되게 할 수 있다. 제 1급기유로(512)는, 제 1열교환기(510)와 버너(120)를 연결할 수 있다. 제 1급기유로(512)의 일단은 제 1열교환기(510)와 연통되고, 제 1급기유로(512)의 타단은 메인급기유로(202)로 합지될 수 있다.
제 1바이패스유로(513)는, 제 1절환유로(511)로부터 분지되어 제 1급기유로(512)로 합지될 수 있다. 제 1바이패스밸브(514)는, 제 1바이패스유로(513)에 배치되어 제 1절환유로(511)를 통과하는 공기가 제 1열교환기(510)를 바이패스하도록 개방될 수 있다.
제 1절환유로(511)를 통과하는 공기는, 제 1바이패스밸브(514)가 개방됨에 따라 제 1열교환기(510)를 바이패스하고 제 1바이패스유로(513)를 통해 곧바로 제 1급기유로(512)로 공급될 수 있다.
제 2열교환기(520)는, 개질기(140)로부터 배출되는 개질가스와 제 2절환유로(521)로부터 배출되는 공기를 열교환시킬 수 있다. 예를 들어, 제 2열교환기(520)는, 개질가스유로(104)를 통해 개질기(140)로부터 배출되는 개질가스를 공급받아 열교환시킨 다음, 개질가스유로(104)로 열교환된 개질가스를 배출할 수 있다.
예를 들어, 제 2열교환기(520)는, 제 2절환유로(521)를 통해 볼텍스 튜브(502) 및 사방밸브(505)로부터 배출되는 가열공기(제 2절환모드) 또는 냉각공기(제 1절환모드)를 공급받아 열교환시킨 다음 제 2급기유로(522)로 배출할 수 있다.
개질가스유로(104)는, 제 2열교환기(520)를 통과한 개질가스를 스택(20a,20b)으로 공급되게 할 수 있다.
예를 들어, 제 2열교환기(520)는 개질가스유로(104)에 배치되어 개질가스유로(104)를 전단과 후단으로 분리할 수 있다. 개질가스유로(104)의 전단은 연료처리장치(10)와 제 2열교환기(520)를 연결하여, 개질기(140)로부터 제 2열교환기(520)로 개질가스를 공급할 수 있다. 개질가스유로(104)의 후단은 제 2열교환기(520)와 개질가스 열교환기(21)를 연결하여, 제 2열교환기(520)를 통과한 개질가스가 개질가스 열교환기(21)를 통과한 다음 스택(20a,20b)으로 공급되게 할 수 있다.
개질가스 바이패스유로(105)는, 개질가스유로(104)로부터 분지되어 버너(120)와 연통될 수 있다.
예를 들어, 개질가스 바이패스유로(105)는, 개질가스유로(104)의 후단으로부터 분지되어 버너(120)와 연결될 수 있다. 개질가스 바이패스유로(105)를 통해 버너(120)로 유입되는 개질가스는, 버너(120)의 연소를 위한 연료로 사용될 수 있다.
개질가스 바이패스밸브(34)는, 개질가스 바이패스유로(105)에 배치될 수 있다.
개질가스 바이패스밸브(34)는, 개질가스유로(104)를 통과하는 개질가스가 개질가스 바이패스유로(105)를 통해 버너(120)로 공급되도록 개방될 수 있다. 또는, 개질가스유로(104)를 통과하는 개질가스가 개질가스 바이패스유로(105)를 통과하지 않도록 폐쇄될 수 있다.
개질가스 밸브(33)는, 개질가스유로(104)에서 개질가스 바이패스유로(105)가 분지되는 지점의 하류에 배치될 수 있다.
예를 들어, 개질가스 밸브(33)는, 개질가스유로(104)의 후단 중 개질가스 바이패스유로(105)가 분지되는 지점의 하류에 배치될 수 있다. 개질가스유로(104)를 통과하는 개질가스가 개질가스 열교환기(21) 및 스택(20a,20b)으로 공급되도록 개방될 수 있다. 또는, 개질가스유로(104)를 통과하는 개질가스가 개질가스 열교환기(21) 및 스택(20a,20b)으로 공급되지 않도록 폐쇄될 수 있다.
제 2급기유로(522)는, 제 2열교환기(520)를 통과한 공기를 버너(120)로 공급되게 할 수 있다. 제 2급기유로(522)는, 제 2열교환기(520)와 버너(120)를 연결할 수 있다. 제 2급기유로(522)의 일단은 제 2열교환기(520)와 연통되고, 제 2급기유로(522)의 타단은 메인급기유로(202)로 합지될 수 있다.
제 2바이패스유로(523)는, 제 2절환유로(521)로부터 분지되어 제 2급기유로(522)로 합지될 수 있다. 제 2바이패스밸브(524)는, 제 2바이패스유로(523)에 배치되어 제 2절환유로(521)를 통과하는 공기가 제 2열교환기(520)를 바이패스하도록 개방될 수 있다.
제 2절환유로(521)를 통과하는 공기는, 제 2바이패스밸브(524)가 개방됨에 따라 제 2열교환기(520)를 바이패스하고 제 2바이패스유로(523)를 통해 곧바로 제 2급기유로(522)로 공급될 수 있다.
개질가스 열교환기(21)는, 냉각수유로(304)를 통과하는 냉각수와 개질가스유로(104)를 통과하는 개질가스를 열교환시킬 수 있다.
개질가스 열교환기(21)는, 개질가스유로(104)의 후단과 연결되어 개질가스를 공급받을 수 있다. 개질가스 열교환기(21)는, 냉각수유로(304)의 후단과 연결되어 냉각수를 공급받을 수 있다. 개질가스 열교환기(21)는, 개질가스유로(104)를 통해 공급된 개질가스와 냉각수유로(304)를 통해 공급된 냉각수를 열교환시킬 수 있다.
스택가스공급유로(106)는, 개질가스 열교환기(21)와 스택(20a,20b)을 연결하여, 개질가스 열교환기(21)에서 냉각수와 열교환된 개질가스를 스택(20a,20b)으로 공급할 수 있다.
스택냉각수공급유로(305)는, 개질가스 열교환기(21)와 스택(20a,20b)을 연결하여, 개질가스 열교환기(21)에서 개질가스와 열교환된 냉각수를 스택(20a,20b)으로 공급할 수 있다.
물공급탱크(13)는, 스택(20a,20b)으로 공급되는 냉각수를 저장할 수 있다. 예를 들어, 물유입유로(301)에 연결될 수 있고, 물유입유로(301)를 통해 외부 급수원(미도시)로부터 공급되는 냉각수를 저장할 수 있다. 물유입유로(301)에는, 외부에서 공급되는 물에 포함된 이물질을 제거하는 제1 액체필터(92) 및/또는 물공급탱크(13)에 유입되는 물의 유동을 조절하는 물유입밸브(41)가 배치될 수 있다.
냉각수는, 물에서 이물질이 제거된 초순수를 의미할 수 있다. 설명의 편의를 위하여 물과 특별히 구분짓지 않고 설명하는 것으로 한다.
물공급탱크(13)는, 물배출유로(302)에 연결될 수 있고, 물배출유로(302)를 통해 물공급탱크(13)에 저장된 냉각수 중 적어도 일부를 외부로 배출할 수 있다. 물배출유로(302)에는, 물공급탱크(13)에서 배출되는 냉각수의 유동을 조절하는 물배출밸브(42)가 배치될 수 있다.
이때, 물공급탱크(13)에 저장된 냉각수를 물배출유로(302)를 통해 배수하고, 외부 급수원(미도시)으로부터 차가운 냉각수를 급수받음으로써, 물공급탱크(13)에 저장되는 냉각수의 온도를 낮출 수 있다.
물공급탱크(13)는, 물저장유로(308)에 연결될 수 있고, 물저장유로(308)를 통해 유동하는 냉각수를 저장할 수 있다. 예를 들어, 개질가스 수분제거장치(61), 추가수분제거장치(62), AOG 수분제거장치(63) 및/또는 공기 수분제거장치(64)에서 토출되어 제3 물회수유로(311)를 통해 유동하는 냉각수가, 물저장유로(308)를 거쳐 물공급탱크(13)로 유입될 수 있다. 물저장유로(308)에는, 물공급탱크(13)로 회수되는 냉각수에 포함된 이물질을 제거하는 제2 액체필터(93)가 배치될 수 있다.
물공급탱크(13)에 저장된 냉각수 중 적어도 일부는, 냉각수펌프(43)에 의해 개질가스 열교환기(21)로 유동할 수 있고, 개질가스 열교환기(21)에서 개질가스와 열교환될 수 있다. 개질가스 열교환기(21)에서 토출된 냉각수는, 스택냉각수공급유로(305)를 통해 스택(20a,20b)으로 유입될 수 있다.
스택냉각수공급유로(305)를 통해 스택(20a,20b)으로 유입된 냉각수는, 스택(20a,20b)을 예열 또는 냉각할 수 있다. 스택(20a,20b)으로 유입된 냉각수는, 스택(20a,20b)에서 일어나는 전기화학반응에 의해 발생하는 열을 흡수할 수 있다.
따라서, 물공급탱크(13)에 저장되는 냉각수는 스택(20a,20b)의 온도와 밀접하게 관련된다. 따라서, 스택(20a,20b)이 발전에 적합한 온도로 도달 및 유지될 수 있도록 물공급탱크(13)에 저장되는 냉각수의 온도를 관리할 필요가 있다.
복수의 스택(20a,20b)은, 물연결유로(306)에 의해 연결될 수 있다. 제1 스택(20a)에서 토출되는 냉각수는, 물연결유로(306)를 통해 제2 스택(20b)으로 유입될 수 있다.
스택(20a,20b)으로부터 배출되는 냉각수는, 냉각수회수유로(307)를 통해 물공급탱크(13)로 공급될 수 있다. 또는, 스택(20a,20b)에서 토출되는 냉각수는, 냉각수회수유로(307)를 통해 냉각수열교환기(24)로 유입될 수 있다. 냉각수열교환기(24)는, 스택(20a,20b)에서 토출된 냉각수와, 열회수탱크(15)에서 토출된 냉각수를 열교환할 수 있다. 스택(20a,20b)에서 토출된 냉각수는, 냉각수열교환기(24)를 거쳐 물저장유로(308)를 통해 물공급탱크(13)로 저장될 수 있다.
스택 에어블로워(72)는, 외기를 흡입하여 스택(20a,20b)으로 공급할 수 있다. 스택 에어블로워(72)는, 제1 외부공기유입유로(201)와 연결된 제2 외부공기유입유로(203)와, 스택측 공기유입유로(204)에 연결될 수 있다. 제2 외부공기유입유로(203)는, 공기필터(91)의 후단에 연결될 수 있다. 스택 에어블로워(72)는, 제2 외부공기유입유로(203)를 통해 유입되는 공기를, 스택측 공기유입유로(204)를 통해 스택측으로 유동시킬 수 있다.
제2 외부공기유입유로(203)에는, 공기의 유동 방향을 제한하는 제2 공기측 체크밸브(82)가 배치될 수 있다.
스택급기유로는, 스택 에어블로워(72)와 스택(20a,20b)을 연결할 수 있다. 스택급기유로는, 스택측 공기유입유로(204),스택측 공기공급유로(205),개별공급유로(206, 207)를 포함할 수 있다.
스택측 공기유입유로(204)에는, 스택측 공기유입유로(204) 내에 유동하는 공기의 유량을 검출하는 공기유량계(53)가 배치될 수 있다.
가습장치(23)는, 스택측 공기유입유로(204)를 통해 유입되는 공기에 수분을 공급할 수 있고, 수분이 포함된 공기를 스택측 공기공급유로(205)를 통해 토출할 수 있다.
스택인밸브(36)는, 스택급기유로에 배치되어 개폐될 수 있다. 예를들어, 스택측 공기공급유로(205)에는, 스택(20a,20b)으로 공급되는 공기의 유동을 조절하는 스택인밸브(36)가 배치될 수 있다.
스택측 공기공급유로(205)는, 스택(20a,20b)에 각각 대응하는 개별공급유로(206, 207)에 연결될 수 있다. 스택측 공기공급유로(205)를 통해 유동하는 공기는, 개별공급유로(206, 207)를 통해 스택(20a,20b)으로 공급될 수 있다.
스택배기유로는, 스택(20a,20b)으로부터 외부와 연통될 수 있다. 스택배기유로는, 개별토출유로(208, 209), 공기토출유로(211), 공기배출유로(212), 배기유로(213)을 포함할 수 있다.
스택측 공기토출유로(211)는, 스택(20a,20b)에 각각 대응하는 개별토출유로(208, 209)에 연결될 수 있다. 스택(20a,20b)에서 토출된 공기는, 개별토출유로(208, 209)를 통해 스택측 공기토출유로(211)로 유동할 수 있다. 이때, 스택측 공기토출유로(211)를 통해 유동하는 공기는, 스택(20a,20b)에서 일어나는 전기화학반응에 의해 생성되는 수분을 포함할 수 있다.
스택측 공기토출유로(211)는, 가습장치(23)에 연결될 수 있다. 가습장치(23)는, 스택측 공기토출유로(211)를 통해 공급되는 공기에 포함된 수분을 이용하여, 스택(20a,20b)으로 유동하는 공기에 수분을 공급할 수 있다. 스택측 공기토출유로(211)를 통해 가습장치(23)에 공급된 공기는, 가습장치(23)를 거쳐 공기배출유로(212)로 토출될 수 있다.
스택아웃밸브(37)는, 스택배기유로에 배치되어 개폐될 수 있다. 예를 들어, 스택측 공기토출유로(211)에는, 스택(20a,20b)에서 토출되어 가습장치(23)에 유입되는 공기의 유동을 조절하는 스택아웃밸브(37)가 배치될 수 있다.
연료전지 장치(1)는, 온도를 감지하는 온도계 및/또는 압력을 감지하는 압력계를 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 연료전지 장치(1)는, 온수회수유로(317)에 유동하는 냉각수의 온도를 감지하는 온도계, 스택(20a,20b)에서 토출되어 AOG토출유로(108)에 유동하는 애노드 오프 가스(AOG)의 온도를 감지하는 온도계 등을 포함할 수 있다.
예를 들어, 연료전지 장치(1)는, 스택(20a,20b)으로부터 배출되는 냉각수의 온도를 감지하는 제 1온도센서(530), 스택(20a,20b)으로 공급되는 개질가스의 온도를 감지하는 제 2온도센서(531), 개질기(140) 내부의 온도를 감지하는 제 3온도센서(532)를 포함할 수 있다.
예를 들어, 연료전지 장치(1)는, 스택(20a,20b)에 유입되는 개질가스의 압력을 감지하는 압력계, 스택(20a,20b)에 토출되는 애노드 오프 가스(AOG)의 압력을 감지하는 압력계 등을 포함할 수 있다.
연료전지 장치(1)는, 개질기(140)에서 생성되어 배출되는 개질가스에 함유된 일산화탄소 농도를 감지하는 농도측정센서(534)를 포함할 수 있다.
연료전지 장치(1)는, 적어도 하나의 제어부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 제어부는, 적어도 하나의 프로세서를 포함할 수 있다. 여기서, 프로세서는 CPU(central processing unit)과 같은 일반적인 프로세서일 수 있다. 물론, 프로세서는 ASIC과 같은 전용 장치(dedicated device)이거나 다른 하드웨어 기반의 프로세서일 수 있다.
제어부는, 연료전지 장치(1)의 동작 전반을 제어할 수 있다. 제어부는, 연료전지 장치(1)에 구비된 각 구성과 연결될 수 있고, 각 구성과 상호 간에 신호를 송신 및/또는 수신할 수 있다. 예를 들어, 제어부는, 연료전지 장치(1)에 포함된 적어도 하나의 온도계로부터 수신되는 신호에 기초하여, 버너(120), 개질기(140), 제1 반응기(150) 및/또는 제2 반응기(160), 스택(20a,20b)으로부터 배출되는 냉각수, 스택(20a,20b)으로 공급되는 개질가스의 온도를 확인할 수 있다.
제어부는, 연료전지 장치(1)에 구비된 각 구성으로부터 수신되는 신호를 처리할 수 있고, 신호를 처리한 결과에 따른 제어 신호를 연료전지 장치(1)에 구비된 각 구성에 송신할 수 있다. 예를 들어, 제어부는, 연료전지 장치(1)에 구비된 각 밸브의 개도를 조절할 수 있다.
이하 도 1 및 도 2를 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치(1)의 나머지 구성에 관하여 설명한다.
연료처리장치(10)는, 탈황기(110), 버너(120), 증기발생기(130), 개질기(140), 제1 반응기(150) 및/또는 제2 반응기(160)를 포함할 수 있다. 연료처리장치(10)는, 적어도 하나의 믹서(111, 112)를 더 포함할 수 있다.
탈황기(110)는, 연료 가스에 포함된 황 화합냉각수를 제거하는 탈황공정을 수행할 수 있다. 예를 들어, 탈황기(110)는 내부에 흡착제를 구비할 수 있다. 이때, 탈황기(110)의 내부를 통과하는 연료 가스에 포함된 황 화합냉각수가 흡착제에 흡착될 수 있다. 흡착제는, 금속 산화물, 제올라이트(Zeolite), 활성탄소(activated carbon) 등으로 구성될 수 있다.
탈황기(110)는, 연료 가스에 포함된 이물질을 제거하는 필터를 더 포함할 수 있다.
증기발생기(130)는, 냉각수를 기화시켜 수증기로 배출할 수 있다. 예를 들어, 증기발생기(130)는, 버너(120)에서 생성되는 배기가스, 제1 반응기(150) 및/또는 제2 반응기(160)로부터 열을 흡수하여, 냉각수를 기화시킬 수 있다.
증기발생기(130)는, 제1 반응기(150), 제2 반응기(160) 및/또는 버너(120)에서 배출되는 배기가스가 유동하는 유로에 인접하게 배치될 수 있다.
한편, 제1 믹서(111) 및/또는 제2 믹서(112)는, 이젝터(ejector)로 구현될 수 있다. 예를 들어, 제2 믹서(112)는, 증기발생기(130)에서 토출된 수증기를 이용하여, 탈황기(110)로부터 토출된 연료 가스를 내부로 흡입하는 이젝터일 수 있다.
제1 반응기(150)는, 개질기(140)에서 토출되는 가스에 포함된 성분 중, 개질 반응에 의해 생성되는 일산화탄소를 저감할 수 있다. 예를 들어, 개질기(140)에서 토출되는 가스에 포함된 일산화탄소가 제1 반응기(150) 내부에서 수증기와 반응하여, 이산화탄소와 수소가 생성될 수 있다. 이때, 제1 반응기(150)의 내부온도는, 개질기(140)의 내부온도보다 낮고, 상온보다 높은 온도(예: 200℃)일 수 있다.
제1 반응기(150)는, 쉬프트 반응기(shift reactor)로 명명될 수 있다.
제2 반응기(160)는, 제1 반응기(150)로부터 토출되는 가스에 포함된 성분 중, 잔존하는 일산화탄소를 저감할 수 있다. 예를 들어, 제1 반응기(150)에서 토출된 가스에 포함된 일산화탄소가 제2 반응기(160) 내부에서 산소와 반응하는 선택적 산화(preferential oxidation, PROX) 반응이 일어날 수 있다.
한편, 선택적 산화 반응의 경우, 다량의 산소가 필요하므로 공기의 추가 공급이 요구되며, 추가 공급된 공기에 의해 수소가 희석되어 스택(20a,20b)에 공급되는 수소의 농도가 감소하는 단점이 있다. 따라서, 이러한 단점을 극복하기 위해, 일산화탄소와 수소가 반응하는 선택적 메탄화(selective methanation) 반응이 활용될 수 있다.
한편, 스택가스공급유로(106)에는, 개질가스에 포함된 수분의 양을 조절하는 개질가스 수분제거장치(61)가 배치될 수 있다. 개질가스 수분제거장치(61)로 유입된 개질가스는, 수분이 제거된 후 개질가스 수분제거장치(61)에서 토출될 수 있다.
개질가스 수분제거장치(61)에서 생성된 응축수는, 개질가스 수분제거장치(61)에서 토출되어, 제1 물회수유로(309)로 유동할 수 있다. 제1 물회수유로(309)에는, 냉각수의 유동을 조절하는 제1 물회수밸브(44)가 배치될 수 있다.
복수의 스택(20a,20b)은, 가스연결유로(107)에 의해 서로 연결될 수 있다. 제1 스택(20a)에서 반응하지 않고 토출되는 개질가스는, 가스연결유로(107)를 통해 제2 스택(20b)으로 유입될 수 있다.
가스연결유로(107)에는, 개질가스가 제1 스택(20a)을 통과하는 동안 응축되어 생성된 냉각수를 제거하는 추가수분제거장치(62)가 배치될 수 있다.
추가수분제거장치(62)에서 생성된 냉각수는, 추가수분제거장치(62)에서 토출되어, 제2 물회수유로(310)로 유동할 수 있다. 제2 물회수유로(310)에는, 냉각수의 유동을 조절하는 제2 물회수밸브(45)가 배치될 수 있다. 제2 물회수유로(310)는, 제1 물회수유로(309)에 연결될 수 있다.
스택(20a,20b)에서 반응하지 않고 토출되는 애노드 오프 가스(AOG)는, AOG토출유로(108)를 통해 유동할 수 있다.
제 5열교환기(22)는, 스택(20a,20b)에서 토출된 애노드 오프 가스(AOG)가 유동하는 AOG토출유로(108)에 연결될 수 있다. 제 5열교환기(22)는, 열회수탱크(15)에서 토출된 냉각수가 유동하는 온수공급유로(313)에 연결될 수 있다. 제 5열교환기(22)는, AOG토출유로(108)를 통해 유입되는 애노드 오프 가스(AOG)와, 온수공급유로(313)를 통해 공급되는 냉각수를 열교환할 수 있다.
온수공급유로(313)에는, 열회수탱크(15)에 저장된 냉각수를 제 5열교환기(22)로 유동시키는 온수펌프(48) 및/또는 온수공급유로(313) 내에 유동하는 냉각수의 유량을 검출하는 온수유량계(55)가 배치될 수 있다.
제 5열교환기(22)는, AOG공급유로(109)에 연결될 수 있고, AOG공급유로(109)를 통해 열교환된 애노드 오프 가스(AOG)를 토출할 수 있다. 제 5열교환기(22)에서 토출된 애노드 오프 가스(AOG)는, AOG공급유로(109)를 통해 연료처리장치(10)로 유동할 수 있다. AOG공급유로(109)를 통해 연료처리장치(10)에 공급된 애노드 오프 가스(AOG)는, 버너(120)의 연소를 위한 연료로 사용될 수 있다.
스택(20a,20b)에서 토출된 애노드 오프 가스가 연료처리장치(10)를 향해 유동하는 AOG토출유로(108) 및 AOG공급유로(109)는, AOG유로로 명명될 수 있다. 이때, AOG토출유로(108)는 AOG유로의 전단으로 명명될 수 있고, AOG공급유로(109)는 AOG유로의 후단으로 명명될 수 있다.
AOG공급유로(109)에는, 애노드 오프 가스(AOG)에 포함된 수분의 양을 조절하는 AOG 수분제거장치(63) 및/또는 연료처리장치(10)로 공급되는 애노드 오프 가스(AOG)의 유동을 조절하는 AOG밸브(35)가 배치될 수 있다. AOG 수분제거장치(63)로 유입된 애노드 오프 가스(AOG)는, 수분이 제거된 후 AOG 수분제거장치(63)에서 토출될 수 있다.
AOG 수분제거장치(63)에서 생성된 응축수는, AOG 수분제거장치(63)에서 토출되어, 제3 물회수유로(311)를 통해 유동할 수 있다. 제3 물회수유로(311)에는, 냉각수의 유동을 조절하는 제3 물회수밸브(46)가 배치될 수 있다. 제3 물회수유로(311)는, 제1 물회수유로(309)에 연결될 수 있다.
온수펌프(48)에 의해 열회수탱크(15)에서 토출된 냉각수는, 온수공급유로(313)를 거쳐 제 5열교환기(22)로 유입될 수 있다. 제 5열교환기(22)에서 애노드 오프 가스(AOG)와 열교환된 냉각수는, 제1 온수순환회로(314)로 토출될 수 있다.
제 4열교환기(25)는, 가습장치(23)에서 토출된 공기가 유동하는 공기배출유로(212)에 연결될 수 있다. 제 4열교환기(25)는, 제 5열교환기(22)에서 토출된 냉각수가 유동하는 제1 온수순환회로(314)에 연결될 수 있다. 제 4열교환기(25)는, 공기배출유로(212)을 통해 유입되는 공기와 제1 온수순환회로(314)를 통해 유입되는 냉각수를 열교환할 수 있다.
제 4열교환기(25)에서 열교환된 공기는, 배기유로(213)를 통해 제 4열교환기(25)에서 토출될 수 있다. 배기유로(213)는 배기가스토출유로(210)와 연결될 수 있고, 배기가스토출유로(210)에 유동하는 배기가스와 공기배출유로(212)에 유동하는 공기가 혼합될 수 있다.
배기유로(213)에는, 공기 수분제거장치(64)가 배치될 수 있다. 공기 수분제거장치(64)는, 외부로 배출되는 공기에 포함된 수분의 양을 조절할 수 있다. 공기 수분제거장치(64)로 유입된 공기는, 수분이 제거된 후 공기 수분제거장치(64)에서 토출될 수 있다.
공기 수분제거장치(64)에서 생성된 응축수는, 공기 수분제거장치(64)에서 토출되어 제4 물회수유로(312)를 통해 유동할 수 있다. 제4 물회수유로(312)에는, 냉각수의 유동을 조절하는 제4 물회수밸브(47)가 배치될 수 있다. 제4 물회수유로(312)는, 물저장유로(308)에 연결될 수 있다.
제 4열교환기(25)에서 열교환된 냉각수는, 제2 온수순환유로(315)을 통해 제 4열교환기(25)에서 토출될 수 있다. 제 4열교환기(25)에서 토출된 냉각수는, 제2 온수순환유로(315)을 통해 냉각수열교환기(24)로 유입될 수 있다.
냉각수열교환기(24)는, 냉각수회수유로(307)를 통해 유입되는 물과, 제2 온수순환유로(315)를 통해 유입되는 냉각수를 열교환할 수 있다.
제 3열교환기(26)는, 배기가스가 유동하는 배기가스토출유로(210)에 연결될 수 있다. 제 3열교환기(26)는, 냉각수열교환기(24)에서 토출된 냉각수가 유동하는 제3 온수순환유로(316)에 연결될 수 있다. 제 3열교환기(26)는, 배기가스토출유로(210)를 통해 유입되는 배기가스와, 제3 온수순환유로(316)를 통해 유입되는 냉각수를 열교환할 수 있다.
제 3열교환기(26)에서 열교환된 배기가스는 배기유로(213)로 토출될 수 있고, 배기유로(213)에 유동하는 배기가스는 외부로 배출될 수 있다.
제 3열교환기(26)에서 열교환된 냉각수는, 온수회수유로(317)로 토출될 수 있고, 온수회수유로(317)에 유동하는 냉각수는 열회수탱크(15)로 유입될 수 있다.
이하 도 3 내지 도 10을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치(1)의 제어흐름도와 작동 모드에 대해 설명한다.
연료전지 장치(1)가 가동을 개시하면, 버너 에어블로워(71)가 외부 공기를 흡입하여 배출하고, 버너 에어블로워(71)로부터 배출되는 공기를 버너(120)로 공급하고, 연료를 버너(120)로 공급하여, 버너(120)를 가동시켜 개질기(140)를 예열시키는 예열 운전 모드를 실행할 수 있다. (S1) (도 3 참조)
버너 에어블로워(71)로부터 송출되는 공기는, 송출유로(201a)를 통해 삼방밸브(500)로 공급될 수 있다. 제어부는, 버너 에어블로워(71)로부터 송출되는 공기가 메인급기유로(202)로 공급되도록 삼방밸브(500)를 제어할 수 있다. 삼방밸브(500)로 공급된 공기는, 삼방밸브(500)가 메인급기유로(202)측으로 절환됨으로써 볼텍스 튜브(502)로 공급되지 않고 곧바로 메인급기유로(202)를 통해 버너(120)로 공급되어, 불필요한 압력 손실을 없앨 수 있다.
버너(120)는, 공급받은 연료와 메인급기유로(202)를 통해 공급받은 공기를 연소시켜 개질기(140)를 가열할 수 있다. 연소된 배기가스는 배기가스토출유로(210)를 통해 외부로 배기될 수 있다.
버너(120)로 공급되는 연료와 관련하여, 탈황기 및 믹서 등에 관한 설명은 상술한 바와 같으므로 서술을 생략한다.
제어부는, 예열 운전 모드 실행 중 개질기(140)의 내부 온도를 감지하는 제 3온도센서(532)로부터 수신된 온도값이, 설정 개질기 온도값에 도달하였는지 판단할 수 있다. (S2)
이때, 설정 개질기 온도값이란, 개질기(140)에서 연료와 증기를 개질반응하여 개질가스를 생성하기에 적합한 온도로서, 제어부의 메모리에 미리 저장된 값일 수 있다.
개질기(140)의 내부 온도가 설정 개질기 온도값에 도달하면, 버너 에어블로워(71)로부터 배출되는 공기를 볼텍스 튜브(502)로 공급하고, 물공급탱크(13)로부터 배출되는 냉각수를 볼텍스 튜브(502)로부터 배출되는 가열공기와 열교환시킨 다음 스택(20a,20b)으로 공급하고, 개질기(140)에서 생성되어 배출되는 개질가스는 볼텍스 튜브(502)로부터 배출되는 냉각공기와 열교환시킨 다음 버너(120)로 공급하고, 열교환된 가열공기와 냉각공기를 버너(120)로 공급하여, 개질 운전 모드를 실행할 수 있다.(S3) (도 4 참조)
개질기(140)로 연료 및 증기를 공급하고, 연료와 증기를 개질반응시켜 개질가스를 생성할 수 있다. 연료 및 증기와 관련하여, 탈황기, 믹서, 및 증기발생기 등에 관한 설명은 상술한 바와 같으므로 서술을 생략한다.
버너 에어블로워(71)로부터 송출되는 공기는, 송출유로(201a)를 통해 삼방밸브(500)로 공급될 수 있다. 제어부는, 버너 에어블로워(71)로부터 송출되는 공기가 볼텍스 튜브(502)로 공급되도록 삼방밸브(500)를 제어할 수 있다. 삼방밸브(500)로 공급된 공기는, 삼방밸브(500)가 볼텍스 튜브(502)측으로 절환됨으로써 볼텍스급기유로(501)를 통해 볼텍스 튜브(502)로 공급될 수 있다.
볼텍스 튜브(502)는, 공급받은 공기를 가열공기와 냉각공기로 변환하여 배출할 수 있다. 볼텍스 튜브(502)로부터 배출되는 가열공기는 열풍공급유로(503)를 통해 사방밸브(505)로 공급될 수 있다. 볼텍스 튜브(502)로부터 배출되는 냉각공기는 냉풍공급유로(504)를 통해 사방밸브(505)로 공급될 수 있다.
제어부는, 볼텍스 튜브(502)로부터 배출되는 가열공기가 제 1절환유로(511)로 배출되고 냉각공기는 제 2절환유로(521)로 배출되도록 사방밸브(505)를 제어할 수 있다.(제 1절환모드)
제 1절환유로(511)로 배출된 가열공기는 제 1열교환기(510)로 공급될 수 있다. 제 1열교환기(510)는, 물공급탱크(13)로부터 배출되는 냉각수와 가열공기를 열교환할 수 있다. 열교환된 가열공기는, 제 1급기유로(512)를 통해 메인급기유로(202)로 유입되어 버너(120)로 공급될 수 있다. 버너(120)로 공급된 열교환된 가열공기는, 연소에 사용될 수 있다.
물공급탱크(13)에 저장된 냉각수는, 냉각수펌프(43)의 작동에 의하여 물공급탱크(13)로부터 배출될 수 있다. 물공급탱크(13)로부터 배출된 냉각수는, 제 1열교환기(510)를 통과하며 가열공기와 열교환되어 예열된 다음, 냉각수유로(304)를 통하여 개질가스 열교환기(21)로 공급될 수 있다. 개질가스 열교환기(21)로 공급된 냉각수는 스택냉각수공급유로(305)를 통하여 스택(20a,20b)으로 공급될 수 있다. 스택(20a,20b)으로 공급된 냉각수는 스택(20a,20b)을 예열하고 냉각수회수유로(307)로 배출된 다음 다시 물공급탱크(13)로 회수될 수 있다.
따라서, 물공급탱크(13)로부터 배출된 냉각수가 제 1열교환기(510)에서 가열공기와 열교환되어 예열된 다음 스택(20a,20b)으로 공급됨에 따라, 예열된 냉각수가 스택(20a,20b)으로 열을 전달하여 스택(20a,20b)을 발전에 적합한 온도로 빠르게 예열할 수 있다.
제 2절환유로(521)로 배출된 냉각공기는 제 2열교환기(520)로 공급될 수 있다. 제 2열교환기(520)는, 개질기(140)로부터 배출되는 개질가스와 냉각공기를 열교환할 수 있다. 열교환된 냉각공기는, 제 2급기유로(522)를 통해 메인급기유로(202)로 유입되어 버너(120)로 공급될 수 있다. 버너(120)로 공급된 열교환된 냉각공기는, 연소에 사용될 수 있다.
제어부는, 개질기(140)에서 생성되어 배출된 개질가스가 버너(120)로 공급되도록, 개질가스 밸브(33)가 폐쇄되고 개질가스 바이패스밸브(34)가 개방되도록 제어할 수 있다.
개질기(140)에서 생성되어 배출된 개질가스는, 제 2열교환기(520)를 통과하며 냉각공기와 열교환되어 냉각된 다음, 개질가스유로(104) 및 개질가스 바이패스유로(105)를 통하여 버너(120)로 공급될 수 있다. 버너(120)로 공급된 개질가스는 연소에 사용될 수 있다.
따라서, 개질기(140)로부터 생성되어 배출되는 개질가스가 제 2열교환기(520)에서 냉각공기와 열교환되어 냉각된 다음 버너(120)로 공금됨에 따라, 밀도가 향상된 개질가스가 버너(120)로 공급되어 버너(120)의 연소 효율이 향상될 수 있다.
제어부는, 개질 운전 모드 실행 중 개질기(140)에서 생성되는 개질가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 감지하는 농도측정센서(534)로부터 수신된 농도값이, 설정 농도값에 도달하였는지 판단할 수 있다. (S4)
이때, 설정 농도값이란, 개질가스가 스택(20a,20b)으로 공급되어 전기화학반응을 일으키기에 적합한 일산화탄소 농도로서, 제어부의 메모리에 미리 저장된 값일 수 있다.
개질기(140)에서 생성되는 개질가스에 함유된 일산화탄소의 농도가 설정 농도값 이하이면, 냉각공기와 열교환된 개질가스를 가열공기와 열교환된 냉각수와 열교환시킨 다음 스택(20a,20b)으로 공급하고, 스택 에어블로워(72)를 작동시켜 스택(20a,20b)으로 외부 공기를 공급하여, 전기에너지를 생성하는 발전 운전 모드를 실행할 수 있다.(S5)
발전 운전 모드에서 삼방밸브(500), 사방밸브(505), 및 제 1,2바이패스밸브의 위치 또는 개폐여부는 개질 운전 모드에서와 같을 수 있다.
제어부는, 개질기(140)에서 생성되어 배출된 개질가스가 스택(20a,20b)으로 공급되도록, 개질가스 밸브(33)가 개방되고 개질가스 바이패스밸브(34)가 폐쇄되도록 제어할 수 있다.
개질기(140)에서 생성되어 배출된 개질가스는, 제 2열교환기(520)를 통과하며 냉각공기와 열교환되어 냉각된 다음, 개질가스유로(104)를 통하여 개질가스 열교환기(21)로 공급될 수 있다.
물공급탱크(13)에 저장된 냉각수는, 냉각수펌프(43)의 작동에 의하여 물공급탱크(13)로부터 배출될 수 있다. 물공급탱크(13)로부터 배출된 냉각수는, 제 1열교환기(510)를 통과하며 가열공기와 열교환되어 예열된 다음, 냉각수유로(304)를 통하여 개질가스 열교환기(21)로 공급될 수 있다.
개질가스 열교환기(21)는, 공급된 냉각수와 개질가스를 열교환시킬 수 있다. 냉각수와 열교환된 개질가스는, 스택가스공급유로(106)를 통해 스택(20a,20b)으로 공급될 수 있다. 개질가스와 열교환된 냉각수는, 스택냉각수공급유로(305)를 통해 스택(20a,20b)으로 공급될 수 있다.
따라서, 제 1열교환기(510)를 통과하면서 예열된 냉각수가 개질가스 열교환기(21)에서 개질가스에 의해 추가로 예열된 다음 스택(20a,20b)으로 공급되므로, 예열된 냉각수가 스택(20a,20b)으로 열을 전달하여 스택(20a,20b)을 발전에 적합한 온도로 더욱 빠르게 예열할 수 있다.
따라서, 제 2열교환기(520)를 통과하면서 냉각된 개질가스가 개질가스 열교환기(21)에서 냉각수에 의해 추가로 냉각된 다음 스택(20a,20b)으로 공급되므로, 밀도가 상승된 개질가스가 스택으로 공급되어 스택(20a,20b)의 발전 효율이 크게 향상될 수 있다.
제어부는, 스택 에어블로워(72)를 작동하고, 스택인밸브(36)를 개방하여 스택(20a,20b)으로 외부 공기를 공급할 수 있다. 제 2외부공기유입유로를 통해 스택 에어블로워(72)로 흡입된 공기는, 스택측 공기유입유로(204)를 통해 가습장치(23)로 공급될 수 있다. 가습장치(23)에서 수분을 공급받은 공기는, 스택측 공기공급유로(205)를 통해 스택(20a,20b)으로 공급될 수 있다. 스택측 공기유입유로(204)에 배치된 공기유량계(53)는, 스택(20a,20b)으로 공급되는 공기의 유량을 감지할 수 있다.
제어부는, 스택아웃밸브(37)를 개방하여 스택(20a,20b)으로부터 외부로 공기가 배기되도록 할 수 있다. 스택(20a,20b)으로 공급된 공기는 개질가스와 전기화학반응을 일으킨 다음, 스택측 공기토출유로(211)를 통해 가습장치(23)로 토출될 수 있다. 토출된 공기에 함유된 수분은, 가습장치(23)에서 흡수될 수 있다.
수분이 흡수된 공기는 공기배출유로(212)를 통해 제 4열교환기(25)로 공급될 수 있다. 제 4열교환기(25)를 통과한 공기는 배기유로(213)를 통해 배기가스토출유로(210)로 공급될 수 있다. 배기가스토출유로(210)로 공급된 공기는 배기가스와 함께 제 3열교환기(26)로 공급될 수 있다. 제 3열교환기(26)를 통과한 공기는 배기유로(213)를 통해 배기가스와 함께 외부로 배기될 수 있다.
제 3,4열교환기 및 공기 수분제거장치(64)에 관한 설명은 상술한 바와 같으므로 서술을 생략한다.
스택(20a,20b)은, 공급된 개질가스와 공기를 전기화학반응시켜 전기에너지를 생성할 수 있다. 전기화학반응은 열과 수분의 생성을 수반하므로, 전기화학반응 결과 생성된 열과 물은 스택(20a,20b)으로 공급된 냉각수를 통해 배출될 수 있고, 생성된 수증기는 스택(20a,20b)으로부터 배출되는 공기와 함께 배기될 수 있다.
제어부는, 발전 운전 모드 실행 중 스택(20a,20b)으로부터 배출되는 냉각수의 온도(Tw)를 감지하는 제 1온도센서(530)로부터 수신된 온도값이, 설정 냉각수 온도값(T1) 이상인지 판단할 수 있다. (S6)
이때, 설정 냉각수 온도값(T1)이란, 스택(20a,20b)이 개질가스와 공기를 공급받아 전기화학반응을 일으키기에 효과적인 온도로서, 제어부의 메모리에 미리 저장된 값일 수 있다.
제어부는, 발전 운전 모드를 실행하는 중에, 스택(20a,20b)으로부터 배출되는 냉각수의 온도(Tw)가 설정 냉각수 온도값(T1) 보다 작으면, 볼텍스 튜브(502)로부터 배출되는 냉각공기가 개질기(140)에서 생성되어 배출되는 개질가스와 열교환하지 않고 버너(120)로 공급되도록 제어할 수 있다. (S61) 연료전지 장치(1)의 이러한 작동 모드를 냉각수 추가예열모드라고 명명할 수 있다. (도 5 참조)
제어부는, 버너 에어블로워(71)로부터 송출되는 공기가 볼텍스 튜브(502)로 공급되도록 삼방밸브(500)를 제어할 수 있다. 예를 들어, 삼방밸브(500)를 볼텍스 튜브(502)측으로 절환하거나 또는 튜브측으로 절환된 위치를 유지할 수 있다. 삼방밸브(500)로 공급된 공기는, 볼텍스급기유로(501)를 통해 볼텍스 튜브(502)로 공급될 수 있다.
제어부는, 볼텍스 튜브(502)로부터 배출되는 가열공기가 제 1절환유로(511)로 배출되고 냉각공기는 제 2절환유로(521)로 배출되도록 사방밸브(505)를 제어할 수 있다(상술한 '제 1절환모드'). 예를 들어, 제어부는, 제 1절환모드로 사방밸브(505)를 절환하거나 또는 제 1절환모드로 절환되어있는 사방밸브(505)의 위치를 유지할 수 있다.
제어부는, 제 1바이패스밸브(514)는 폐쇄되고 제 2바이패스밸브(524)는 개방되도록 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어부는, 폐쇄된 제 1바이패스밸브(514)의 위치를 유지할 수 있다. 예를 들어, 제어부는 제 2바이패스밸브(524)가 개방되도록 하거나 개방된 제 2바이패스밸브(524)의 위치를 유지할 수 있다.
제 1절환유로(511)로 배출된 가열공기는, 폐쇄된 제 1바이패스밸브(514)로 인하여 제 1바이패스유로(513)로 유동하지 않고, 제 1열교환기(510)로 공급될 수 있다.
제 1열교환기(510)는, 물공급탱크(13)로부터 배출되는 냉각수와 가열공기를 열교환할 수 있다. 열교환된 가열공기는, 제 1급기유로(512)를 통해 메인급기유로(202)로 유입되어 버너(120)로 공급될 수 있다. 버너(120)로 공급된 열교환된 냉각공기는, 연소에 사용될 수 있다.
제 2절환유로(521)로 배출된 냉각공기는, 개방된 제 2바이패스밸브(524)로 인하여 제 2열교환기(520)로 공급되지 않고 제 2바이패스유로(523)로 유동하여 제 2급기유로(522)로 공급될 수 있다. 제 2 급기유로로 공급된 냉각공기는, 메인급기유로(202)로 유입되어 버너(120)로 공급될 수 있다. 버너(120)로 공급된 냉각공기는, 연소에 사용될 수 있다.
따라서, 버너(120)로 공급되는 가열공기는 제 1열교환기(510)에서 냉각수와 열교환되어 냉각된 다음 버너(120)로 공급되고, 버너(120)로 공급되는 냉각공기는 제 2열교환기(520)를 바이패스하여 낮은 온도를 유지한 체 버너(120)로 공급되므로, 버너(120)로 공급되는 공기의 온도가 낮아져 공기의 밀도가 향상됨으로써 버너(120)의 연소 효율이 향상될 수 있다.
물공급탱크(13)에 저장된 냉각수는, 냉각수펌프(43)의 작동에 의하여 물공급탱크(13)로부터 배출될 수 있다. 물공급탱크(13)로부터 배출된 냉각수는, 제 1열교환기(510)를 통과하며 가열공기와 열교환되어 예열된 다음, 냉각수유로(304)를 통하여 개질가스 열교환기(21)로 공급될 수 있다.
개질기(140)에서 생성되어 배출된 개질가스는, 개질가스유로(104)를 통하여 개질가스 열교환기(21)로 공급될 수 있다. 이때, 볼텍스 튜브(502)로부터 배출되는 냉각공기가 제 2열교환기(520)로 공급되지 않고 제 2열교환기(520)를 바이패스하도록 함으로써, 개질가스가 제 2열교환기(520)를 통과하더라도 냉각공기로부터 열을 빼앗기지 않고 고온의 상태를 유지한 체 제 2열교환기(520)를 통과하도록 할 수 있다.
개질가스 열교환기(21)는, 공급된 냉각수와 개질가스를 열교환 할 수 있다. 제 2열교환기(520)에서 냉각공기로부터 열을 빼앗기지 않은 체 개질가스 열교환기(21)로 공급된 개질가스는, 냉각수로 열을 전달하여 냉각수를 추가적으로 예열한 다음 스택가스공급유로(106)를 통해 스택(20a,20b)으로 공급될 수 있다.
개질가스 열교환기(21)를 통과한 냉각수는 스택냉각수공급유로(305)를 통하여 스택(20a,20b)으로 공급될 수 있다. 스택(20a,20b)으로 공급된 냉각수는 스택(20a,20b)을 예열하고 냉각수회수유로(307)로 배출된 다음 다시 물공급탱크(13)로 회수될 수 있다.
따라서, 개질기(140)로부터 배출되는 개질가스가 제 2열교환기(520)를 통과하여 개질가스 열교환기(21)로 공급될 때, 냉각공기가 제 2열교환기(520)를 바이패스하도록 하여, 개질가스가 제 2열교환기(520)에서 냉각공기로부터 열을 빼앗기지 않도록 함으로써, 고온의 상태를 유지한 체 개질가스 열교환기(21)로 공급되어 냉각수와 열교환되므로, 개질가스 열교환기(21)를 통과하는 냉각수를 효과적으로 예열하여 스택(20a,20b)을 발전에 적합한 온도로 더욱 빠르게 예열할 수 있다.
제어부는, 발전 운전 모드 실행 중 스택(20a,20b)으로부터 배출되는 냉각수의 온도(Tw)를 감지하는 제 1온도센서(530)로부터 수신된 온도값이, 설정 냉각수 온도값(T1) 이상이면, 수신된 온도값(Tw)과 설정 냉각수 온도값(T1)의 차이가 소정차이값(D) 미만인지 판단할 수 있다. (S7)
이때, 소정차이값(D)이란, 스택(20a,20b)이 개질가스와 공기를 공급받아 전기화학반응을 일으키기에 효과적인 온도 구간인 T1부터 T1+D까지의 구간 넓이를 정의하는 값으로서, 제어부의 메모리에 미리 저장된 값일 수 있다.
제어부는, 발전 운전 모드를 실행하는 중에, 스택(20a,20b)으로부터 배출되는 냉각수의 온도(Tw)와 설정 냉각수 온도값(T1)의 차이(Tw-T1)가 소정차이값(D) 이상이면, 볼텍스 튜브(502)로부터 배출되는 냉각공기가 물공급탱크(13)로부터 배출되는 냉각수와 열교환된 다음 버너(120)로 공급되고, 볼텍스 튜브(502)로부터 배출되는 가열공기가 개질기(140)에서 생성되어 배출되는 개질가스와 열교환하지 않고 버너(120)로 공급되도록 제어할 수 있다.(S71) 연료전지 장치(1)의 이러한 작동 모드를 냉각수 과열단속모드라 명명할 수 있다. (도 6 참조)
제어부는, 버너 에어블로워(71)로부터 송출되는 공기가 볼텍스 튜브(502)로 공급되도록 삼방밸브(500)를 제어할 수 있다. 예를 들어, 삼방밸브(500)를 볼텍스 튜브(502)측으로 절환하거나 또는 튜브측으로 절환된 위치를 유지할 수 있다. 삼방밸브(500)로 공급된 공기는, 볼텍스급기유로(501)를 통해 볼텍스 튜브(502)로 공급될 수 있다.
제어부는, 볼텍스 튜브(502)로부터 배출되는 가열공기가 제 2절환유로(521)로 배출되고 냉각공기는 제 1절환유로(511)로 배출되도록 사방밸브(505)를 제어할 수 있다(상술한 '제 2절환모드'). 예를 들어, 제어부는, 제 2절환모드로 사방밸브(505)를 절환하거나 또는 제 2절환모드로 절환되어있는 사방밸브(505)의 위치를 유지할 수 있다.
제어부는, 제 1바이패스밸브(514)는 폐쇄되고 제 2바이패스밸브(524)는 개방되도록 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어부는, 폐쇄된 제 1바이패스밸브(514)의 위치를 유지할 수 있다. 예를 들어, 제어부는 제 2바이패스밸브(524)가 개방되도록 하거나 개방된 제 2바이패스밸브(524)의 위치를 유지할 수 있다.
제 1절환유로(511)로 배출된 냉각공기는, 폐쇄된 제 1바이패스밸브(514)로 인하여 제 1바이패스유로(513)로 유동하지 않고, 제 1열교환기(510)로 공급될 수 있다.
제 1열교환기(510)는, 물공급탱크(13)로부터 배출되는 냉각수와 냉각공기를 열교환할 수 있다. 열교환된 냉각공기는, 제 1급기유로(512)를 통해 메인급기유로(202)로 유입되어 버너(120)로 공급될 수 있다. 버너(120)로 공급된 열교환된 가열공기는, 연소에 사용될 수 있다.
제 2절환유로(521)로 배출된 가열공기는, 개방된 제 2바이패스밸브(524)로 인하여 제 2열교환기(520)로 공급되지 않고 제 2바이패스유로(523)로 유동하여 제 2급기유로(522)로 공급될 수 있다. 제 2 급기유로로 공급된 가열공기는, 메인급기유로(202)로 유입되어 버너(120)로 공급될 수 있다. 버너(120)로 공급된 가열공기는, 연소에 사용될 수 있다.
물공급탱크(13)에 저장된 냉각수는, 냉각수펌프(43)의 작동에 의하여 물공급탱크(13)로부터 배출될 수 있다. 물공급탱크(13)로부터 배출된 냉각수는, 제 1열교환기(510)를 통과하며 냉각공기와 열교환되어 냉각된 다음, 냉각수유로(304)를 통하여 개질가스 열교환기(21)로 공급될 수 있다.
개질기(140)에서 생성되어 배출된 개질가스는, 개질가스유로(104)를 통하여 개질가스 열교환기(21)로 공급될 수 있다. 이때, 볼텍스 튜브(502)로부터 배출되는 가열공기가 제 2열교환기(520)로 공급되지 않고 제 2열교환기(520)를 바이패스하도록 함으로써, 개질가스가 제 2열교환기(520)를 통과하더라도 가열공기와 열교환되지 않고 제 2열교환기(520)를 통과하도록 할 수 있다.
개질가스 열교환기(21)는, 공급된 냉각수와 개질가스를 열교환 할 수 있다. 개질가스 열교환기(21)로 공급된 개질가스는, 냉각수로 열을 전달하여 냉각수를 예열한 다음 스택가스공급유로(106)를 통해 스택(20a,20b)으로 공급될 수 있다.
개질가스 열교환기(21)를 통과한 냉각수는, 스택냉각수공급유로(305)를 통하여 스택(20a,20b)으로 공급될 수 있다. 스택(20a,20b)으로 공급된 냉각수는 스택(20a,20b)의 열을 흡수하고 냉각수회수유로(307)로 배출된 다음 다시 물공급탱크(13)로 회수될 수 있다.
따라서, 냉각수가 제 1열교환기(510)에서 냉각공기와 열교환하여 냉각되도록 한 다음 스택(20a,20b)으로 공급됨으로써, 스택(20a,20b)의 전기화학반응에 따라 생성되는 열을 효과적으로 흡수하고, 냉각수가 과열되지 않고 적정한 온도를 유지하도록 할 수 있다.
제어부는, 발전 운전 모드를 실행하는 중에, 스택(20a,20b)으로부터 배출되는 냉각수의 온도(Tw)가 설정 냉각수 온도값(T1) 이상이면서 설정 냉각수 온도값과의 차이(Tw-T1)가 소정차이값(D) 미만이면, 볼텍스 튜브(502)로부터 배출되는 가열공기가 물공급탱크(13)로부터 배출되는 냉각수와 열교환하지 않고 버너(120)로 공급되고, 볼텍스 튜브(502)로부터 배출되는 냉각공기가 개질기(140)에서 생성되어 배출되는 개질가스와 열교환된 다음 버너(120)로 공급되도록 제어할 수 있다.(S8) 연료전지 장치(1)의 이러한 작동 모드를 냉각수 온도안정화 및 개질가스 냉각모드라 명명할 수 있다. (도 7 참조)
제어부는, 버너 에어블로워(71)로부터 송출되는 공기가 볼텍스 튜브(502)로 공급되도록 삼방밸브(500)를 제어할 수 있다. 예를 들어, 삼방밸브(500)를 볼텍스 튜브(502)측으로 절환하거나 또는 튜브측으로 절환된 위치를 유지할 수 있다. 삼방밸브(500)로 공급된 공기는, 볼텍스급기유로(501)를 통해 볼텍스 튜브(502)로 공급될 수 있다.
제어부는, 볼텍스 튜브(502)로부터 배출되는 가열공기가 제 1절환유로(511)로 배출되고 냉각공기는 제 2절환유로(521)로 배출되도록 사방밸브(505)를 제어할 수 있다(상술한 '제 1절환모드'). 예를 들어, 제어부는, 제 1절환모드로 사방밸브(505)를 절환하거나 또는 제 1절환모드로 절환되어있는 사방밸브(505)의 위치를 유지할 수 있다.
제어부는, 제 1바이패스밸브(514)는 개방되고 제 2바이패스밸브(524)는 폐쇄되도록 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어부는, 폐쇄된 제 1바이패스밸브(514)가 개방되도록 할 수 있다. 예를 들어, 제어부는 제 2바이패스밸브(524)가 폐쇄되도록 하거나 폐쇄된 제 2바이패스밸브(524)의 위치를 유지할 수 있다.
제 1절환유로(511)로 배출된 가열공기는, 개방된 제 1바이패스밸브(514)로 인하여 제 1열교환기(510)로 공급되지 않고, 제 1바이패스유로(513)를 통해 제 1급기유로(512)로 공급될 수 있다. 제 1급기유로(512)로 공급된 가열공기는, 메인급기유로(202)로 유입되어 버너(120)로 공급될 수 있다. 버너(120)로 공급된 가열공기는, 연소에 사용될 수 있다.
제 2절환유로(521)로 배출된 냉각공기는, 폐쇄된 제 2바이패스밸브(524)로 인하여 제 2바이패스유로(523)로 유동하지 않고, 제 2열교환기(520)로 공급될 수 있다.
제 2열교환기(520)는, 개질기(140)로부터 배출되는 개질가스와 냉각공기를 열교환할 수 있다. 열교환된 냉각공기는, 제 2급기유로(522)를 통해 메인급기유로(202)로 유입되어 버너(120)로 공급될 수 있다. 버너(120)로 공급된 열교환된 냉각공기는, 연소에 사용될 수 있다.
물공급탱크(13)에 저장된 냉각수는, 냉각수펌프(43)의 작동에 의하여 물공급탱크(13)로부터 배출될 수 있다. 이때, 볼텍스 튜브(502)로부터 배출되는 가열공기가 제 1열교환기(510)로 공급되지 않고 제 1열교환기(510)를 바이패스하도록 함으로써, 냉각수가 제 1열교환기(510)를 통과하더라도 가열공기와 열교환되지 않고 제 1열교환기(510)를 통과하도록 할 수 있다. 제 1열교환기(510)를 통과한 냉각수는, 냉각수유로(304)를 통하여 개질가스 열교환기(21)로 공급될 수 있다.
개질기(140)로부터 생성되어 배출되는 개질가스는, 제 2열교환기(520)를 통과하며 냉각공기와 열교환되어 냉각된 다음, 개질가스유로(104)를 통하여 개질가스 열교환기(21)로 공급될 수 있다.
개질가스 열교환기(21)는, 공급된 냉각수와 개질가스를 열교환 할 수 있다. 개질가스 열교환기(21)로 공급된 개질가스는, 냉각수로 열을 전달하여 냉각수를 예열한 다음 스택가스공급유로(106)를 통해 스택(20a,20b)으로 공급될 수 있다.
개질가스 열교환기(21)를 통과한 냉각수는, 스택냉각수공급유로(305)를 통하여 스택(20a,20b)으로 공급될 수 있다. 스택(20a,20b)으로 공급된 냉각수는 스택(20a,20b)의 열을 흡수하고 냉각수회수유로(307)로 배출된 다음 다시 물공급탱크(13)로 회수될 수 있다.
따라서, 개질가스가 제 2열교환기(520)에서 냉각공기와 열교환되어 일차적으로 냉각되고, 개질가스 열교환기(21)에서 냉각수와 열교환되어 추가적으로 냉각된 다음 스택(20a,20b)으로 공급되므로, 밀도가 향상된 개질가스가 스택(20a,20b)으로 공급되어 스택(20a,20b)의 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
따라서, 제 1바이패스밸브(514)를 개방하여 제 1열교환기(510)로 가열공기가 공급되지 않도록 함으로써, 제 1열교환기(510)를 통과하는 냉각수가 가열공기와 열교환되지 않도록 하여, 냉각수의 온도가 유지되도록 할 수 있다.
제어부는, 냉각수 온도안정화 및 개질가스 냉각모드 실행 중, 스택(20a,20b)으로 공급되는 개질가스의 온도(Tg)를 감지하는 제 2온도센서(531)로부터 수신된 온도값이, 설정 개질가스 온도값(T2) 이하인지 판단할 수 있다. (S9)
이때, 설정 개질가스 온도값(T2)이란, 스택(20a,20b)이 전기화학반응을 일으키기에 효과적인 개질가스 밀도를 형성하는 개질가스 온도값 중 최대값으로서, 제어부의 메모리에 미리 저장된 값일 수 있다.
제어부는, 스택(20a,20b)으로 공급되는 개질가스의 온도(Tg)가 설정 개질가스 온도값(T2) 이하이면, 버너 에어블로워(71)로부터 배출되는 공기가 버너(120)로 공급되도록 제어할 수 있다. (S10) 연료전지 장치(1)의 이러한 작동 모드를 정상운전모드라 명명할 수 있다. (도 8 참조)
제어부는, 버너 에어블로워(71)로부터 송출되는 공기가 버너(120)로 공급되도록 삼방밸브(500)를 제어할 수 있다. 예를 들어, 삼방밸브(500)를 버너(120)측으로 절환할 수 있다. 삼방밸브(500)로 공급된 공기는, 메인급기유로(202)를 통해 버너(120)로 공급될 수 있다.
제어부는, 제 1바이패스밸브(514) 및 제 2바이패스밸브(524)가 폐쇄되도록 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어부는, 개방된 제 1바이패스밸브(514)를 폐쇄할 수 있다. 예를 들어, 제어부는 폐쇄된 제 2바이패스밸브(524)의 위치를 유지할 수 있다.
물공급탱크(13)에 저장된 냉각수는, 냉각수펌프(43)의 작동에 의하여 물공급탱크(13)로부터 배출될 수 있다. 이때, 버너 에어블로워(71)로부터 배출되는 공기가 볼텍스 튜브(502)로 공급되지 않고 버너(120)로 공급되도록 함으로써, 냉각수가 별도로 열교환되지 않고 제 1열교환기(510)를 통과하도록 할 수 있다. 제 1열교환기(510)를 통과한 냉각수는, 냉각수유로(304)를 통하여 개질가스 열교환기(21)로 공급될 수 있다.
개질기(140)로부터 생성되어 배출되는 개질가스는, 버너 에어블로워(71)로부터 배출되는 공기가 볼텍스 튜브(502)로 공급되지 않고 버너(120)로 공급되도록 함으로써, 별도로 열교환되지 않고 제 2열교환기(520)를 통과할 수 있다. 제 2열교환기(520)를 통과한 개질가스는, 개질가스유로(104)를 통하여 개질가스 열교환기(21)로 공급될 수 있다.
개질가스 열교환기(21)는, 공급된 냉각수와 개질가스를 열교환 할 수 있다. 개질가스 열교환기(21)로 공급된 개질가스는, 냉각수로 열을 전달하여 냉각수를 예열한 다음 스택가스공급유로(106)를 통해 스택(20a,20b)으로 공급될 수 있다.
개질가스 열교환기(21)를 통과한 냉각수는, 스택냉각수공급유로(305)를 통하여 스택(20a,20b)으로 공급될 수 있다. 스택(20a,20b)으로 공급된 냉각수는 스택(20a,20b)의 열을 흡수하고 냉각수회수유로(307)로 배출된 다음 다시 물공급탱크(13)로 회수될 수 있다.
따라서, 스택(20a,20b)이 전기화학반응을 일으키기에 적합한 온도에 도달한 냉각수와 개질가스가 제 1,2열교환기에서 불필요하게 열교환되지 않도록 하여, 냉각수와 개질가스의 온도가 유지되게 함으로써, 스택(20a,20b)의 발전 효율을 높게 유지할 수 있다.
한편, 제어부는, 정상운전모드 진입 시의 시간(Tn)을 측정하여 메모리에 저장할 수 있다.
제어부는, 정상운전모드 실행 중, 현재 시간(Tn+1)을 측정하여, 정상운전모드 진입 후 경과한 시간((Tn+1) - (Tn))을 계산할 수 있다. 제어부는, 정상운전모드 진입 후 경과한 시간((Tn+1) - (Tn))이 제어주기시간(C)보다 큰 지 판단할 수 있다. (S11)
제어부는, 정상운전모드 진입 후 경과한 시간((Tn+1) - (Tn))이 제어주기시간(C)보다 크면, S6 단계로 돌아가 냉각수 및 개질가스의 온도제어를 시작할 수 있다.
이때, 제어주기시간(C)이란, 냉각수 및 개질가스의 온도를 제어하는 주기시간으로서, 제어부의 메모리에 미리 저장된 값일 수 있다.
첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
마찬가지로, 특정한 순서로 도면에서 동작들을 묘사하고 있지만, 이는 바람직한 결과를 얻기 위하여 도시된 그 특정한 순서나 순차적인 순서대로 그러한 동작들을 수행하여야 한다거나, 모든 도시된 동작들이 수행되어야 하는 것으로 이해되어서는 안 될 수 있다. 특정한 경우, 멀티태스킹과 병렬 프로세싱이 유리할 수 있다.
예를 들어, 본 실시예에서 S1 내지 S11 단계를 시간의 흐름에 따라 나열하고 있으나, 이는 본원 발명의 이해를 돕기 위한 실시예일 뿐, 본원 발명은 S1 내지 S11 단계를 실행함에 있어 반드시 이러한 순서로 한정되는 것은 아니다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.

Claims (21)

  1. 수소와 산소를 전기화학반응시켜 전기에너지를 생성하는 스택;
    개질가스를 생성하여 상기 스택으로 공급하는 개질기;
    상기 개질기를 가열하는 버너;
    상기 스택으로 공급되는 냉각수를 저장하는 물공급탱크;
    외기를 흡입하여 송출하는 버너 에어블로워;
    상기 버너 에어블로워로부터 송출되는 공기를 상기 버너로 공급하는 메인급기유로;
    상기 버너 에어블로워로부터 송출되는 공기를 가열공기와 냉각공기로 변환하는 볼텍스 튜브;
    상기 버너 에어블로워로부터 송출되는 공기를 상기 메인급기유로 또는 볼텍스 튜브로 선택적으로 공급되게 하는 삼방밸브;
    상기 볼텍스 튜브로부터 배출되는 상기 가열공기와 냉각공기를 제 1절환유로와 제 2절환유로 중 서로 다른 유로로 절환되어 배출되게 하는 사방밸브;
    상기 물공급탱크로부터 배출되는 냉각수와 상기 제 1절환유로로부터 배출되는 공기를 열교환시키는 제 1열교환기;
    상기 제 1열교환기를 통과한 냉각수를 상기 스택으로 공급되게 하는 냉각수유로;
    상기 제 1열교환기를 통과한 공기를 상기 버너로 공급되게 하는 제 1급기유로;
    상기 개질기로부터 배출되는 개질가스와 상기 제 2절환유로로부터 배출되는 공기를 열교환시키는 제 2열교환기;
    상기 제 2열교환기를 통과한 개질가스를 상기 스택으로 공급되게 하는 개질가스유로; 및
    상기 제 2열교환기를 통과한 공기를 상기 버너로 공급되게 하는 제 2급기유로를 포함하는 연료전지 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 볼텍스 튜브로부터 배출되는 상기 가열공기가 상기 사방밸브로 공급되게 하는 열풍공급유로; 및
    상기 볼텍스 튜브로부터 배출되는 상기 냉각공기가 상기 사방밸브로 공급되게 하는 냉풍공급유로를 더 포함하는 연료전지 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제 1절환유로는,
    상기 사방밸브와 상기 제 1열교환기를 연결하고,
    상기 제 2절환유로는,
    상기 사방밸브와 상기 제 2열교환기를 연결하는 연료전지 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제 1절환유로로부터 분지되어 상기 제 1급기유로로 합지되는 제 1바이패스유로;
    상기 제 1바이패스유로에 배치되어 상기 제 1절환유로를 통과하는 공기가 상기 제 1열교환기를 바이패스하도록 개방될 수 있는 제 1바이패스밸브;
    상기 제 2절환유로로부터 분지되어 상기 제 2급기유로로 합지되는 제 2바이패스유로; 및
    상기 제 2바이패스유로에 배치되어 상기 제 2절환유로를 통과하는 공기가 상기 제 2열교환기를 바이패스하도록 개방될 수 있는 제 2바이패스밸브를 더 포함하는 연료전지 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제 1급기유로는,
    일단이 상기 제 1열교환기와 연통되고 타단이 상기 메인급기유로로 합지되고,
    상기 제 2급기유로는,
    일단이 상기 제 2열교환기와 연통되고 타단이 상기 메인급기유로로 합지되는 연료전지 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 물공급탱크에 저장된 물이 상기 스택으로 공급되게 하는 냉각수펌프를 더 포함하는 연료전지 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 냉각수유로를 통과하는 냉각수와 상기 개질가스유로를 통과하는 개질가스를 열교환시키는 개질가스 열교환기를 더 포함하는 연료전지 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 개질가스유로로부터 분지되어 상기 버너와 연통되는 개질가스 바이패스유로;
    상기 개질가스 바이패스유로에 배치되는 개질가스 바이패스밸브; 및
    상기 개질가스유로에서 상기 개질가스 바이패스유로가 분지되는 지점의 하류에 배치되는 개질가스 밸브를 더 포함하는 연료전지 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    외기를 흡입하여 상기 스택으로 공급하는 스택 에어블로워;
    상기 스택 에어블로워와 상기 스택을 연결하는 스택급기유로;
    상기 스택으로부터 외부와 연통된 스택배기유로;
    상기 스택급기유로에 배치되어 개폐되는 스택인밸브; 및
    상기 스택배기유로에 배치되어 개폐되는 스택아웃밸브를 더 포함하는 연료전지 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지 장치가 가동을 개시하면, 상기 버너 에어블로워로부터 송출되는 공기가 상기 메인급기유로로 공급되도록 상기 삼방밸브를 제어하는 제어부를 더 포함하는 연료전지 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 개질기의 내부 온도가 설정 개질기 온도값에 도달하면, 상기 버너 에어블로워로부터 송출되는 공기가 상기 볼텍스 튜브로 공급되도록 상기 삼방밸브를 제어하고, 상기 볼텍스 튜브로부터 배출되는 상기 가열공기가 상기 제 1절환유로로 배출되고 상기 냉각공기는 상기 제 2절환유로로 배출되도록 상기 사방밸브를 제어하는 제어부를 더 포함하는 연료전지 장치.
  12. 제4항에 있어서,
    상기 스택으로부터 배출되는 냉각수를 상기 물공급탱크로 공급하는 냉각수회수유로;
    상기 스택으로부터 배출되는 냉각수의 온도를 감지하는 제 1온도센서; 및
    상기 스택으로 공급되는 상기 개질가스의 온도를 감지하는 제 2온도센서를 더 포함하는 연료전지 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제 1온도센서에서 감지한 냉각수의 온도가 설정 냉각수 온도값보다 작으면, 상기 버너 에어블로워로부터 송출되는 공기가 상기 볼텍스 튜브로 공급되도록 상기 삼방밸브를 제어하고, 상기 볼텍스 튜브로부터 배출되는 상기 가열공기가 상기 제 1절환유로로 배출되고 상기 냉각공기는 상기 제 2절환유로로 배출되도록 상기 사방밸브를 제어하고, 상기 제 1바이패스밸브는 폐쇄되고 상기 제 2바이패스밸브는 개방되도록 제어하는 제어부를 더 포함하는 연료전지 장치.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 제 1온도센서에서 감지한 냉각수 온도와 설정 냉각수 온도값의 차이가 소정차이값 이상이면, 상기 버너 에어블로워로부터 송출되는 공기가 상기 볼텍스 튜브로 공급되도록 상기 삼방밸브를 제어하고, 상기 볼텍스 튜브로부터 배출되는 상기 가열공기가 상기 제 2절환유로로 배출되고 상기 냉각공기는 상기 제 1절환유로로 배출되도록 상기 사방밸브를 제어하고, 상기 제 1바이패스밸브는 폐쇄되고 상기 제 2바이패스밸브는 개방되도록 제어하는 제어부를 더 포함하는 연료전지 장치.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 제 1온도센서에서 감지한 냉각수의 온도가 설정 냉각수 온도값 이상이면서 상기 설정 냉각수 온도값과의 차이가 소정차이값 미만이면, 상기 버너 에어블로워로부터 송출되는 공기가 상기 볼텍스 튜브로 공급되도록 상기 삼방밸브를 제어하고, 상기 볼텍스 튜브로부터 배출되는 상기 가열공기가 상기 제 1절환유로로 배출되고 상기 냉각공기는 상기 제 2절환유로로 배출되도록 상기 사방밸브를 제어하고, 상기 제 1바이패스밸브는 개방되고 상기 제 2바이패스밸브는 폐쇄되도록 제어하는 제어부를 더 포함하는 연료전지 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제 2온도센서에서 감지한 개질가스 온도가 설정 개질가스 온도값 이하이면, 상기 버너 에어블로워로부터 송출되는 공기가 상기 버너로 공급되도록 상기 삼방밸브를 제어하고, 상기 제 1바이패스밸브 및 제 2바이패스밸브가 폐쇄되도록 제어하는 연료전지 장치.
  17. 수소와 산소를 전기화학반응시켜 전기 에너지를 생성하는 스택과 개질가스를 생성하여 상기 스택으로 공급하는 개질기를 포함하는 연료전지 장치의 제어방법에 있어서,
    버너 에어블로워가 외부 공기를 흡입하여 배출하고, 상기 버너 에어블로워로부터 배출되는 공기를 버너로 공급하고, 연료를 상기 버너로 공급하여, 상기 버너를 가동시켜 상기 개질기를 예열시키는 예열 운전 모드를 실행하는 단계;
    상기 개질기의 내부 온도가 설정 개질기 온도값에 도달하면, 상기 버너 에어블로워로부터 배출되는 공기를 볼텍스 튜브로 공급하고, 물공급탱크로부터 배출되는 냉각수를 상기 볼텍스 튜브로부터 배출되는 가열공기와 열교환시킨 다음 상기 스택으로 공급하고, 상기 개질기에서 생성되어 배출되는 개질가스는 상기 볼텍스 튜브로부터 배출되는 냉각공기와 열교환시킨 다음 상기 버너로 공급하고, 상기 열교환된 가열공기와 냉각공기를 상기 버너로 공급하여, 개질 운전 모드를 실행하는 단계; 및
    상기 개질기에서 생성되는 개질가스에 함유된 일산화탄소의 농도가 설정 농도값 이하이면, 상기 냉각공기와 열교환된 개질가스를 상기 가열공기와 열교환된 냉각수와 열교환시킨 다음 상기 스택으로 공급하고, 스택 에어블로워를 작동시켜 상기 스택으로 외부 공기를 공급하여, 전기에너지를 생성하는 발전 운전 모드를 실행하는 단계를 포함하는 연료전지 장치의 제어방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 발전 운전 모드를 실행하는 중에, 상기 스택으로부터 배출되는 냉각수의 온도가 설정 냉각수 온도값 보다 작으면, 상기 볼텍스 튜브로부터 배출되는 냉각공기가 상기 개질기에서 생성되어 배출되는 개질가스와 열교환하지 않고 상기 버너로 공급되도록 제어하는 연료전지 장치의 제어방법.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 발전 운전 모드를 실행하는 중에, 상기 스택으로부터 배출되는 냉각수의 온도와 설정 냉각수 온도값의 차이가 소정차이값 이상이면, 상기 볼텍스 튜브로부터 배출되는 냉각공기가 상기 물공급탱크로부터 배출되는 냉각수와 열교환된 다음 상기 버너로 공급되고, 상기 볼텍스 튜브로부터 배출되는 가열공기가 상기 개질기에서 생성되어 배출되는 개질가스와 열교환하지 않고 상기 버너로 공급되도록 제어하는 연료전지 장치의 제어방법.
  20. 제17항에 있어서,
    상기 발전 운전 모드를 실행하는 중에, 상기 스택으로부터 배출되는 냉각수의 온도가 설정 냉각수 온도값 이상이면서 상기 설정 냉각수 온도값과의 차이가 소정차이값 미만이면, 상기 볼텍스 튜브로부터 배출되는 가열공기가 상기 물공급탱크로부터 배출되는 냉각수와 열교환하지 않고 버너로 공급되고, 상기 볼텍스 튜브로부터 배출되는 냉각공기가 상기 개질기에서 생성되어 배출되는 개질가스와 열교환된 다음 상기 버너로 공급되도록 제어하는 연료전지 장치의 제어방법.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 스택으로 공급되는 개질가스의 온도가 설정 개질가스 온도값 이하이면, 상기 버너 에어블로워로부터 배출되는 공기가 상기 버너로 공급되도록 제어하는 연료전지 장치의 제어방법.
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