KR102674815B1 - 연료전지 시스템 - Google Patents

연료전지 시스템 Download PDF

Info

Publication number
KR102674815B1
KR102674815B1 KR1020210152589A KR20210152589A KR102674815B1 KR 102674815 B1 KR102674815 B1 KR 102674815B1 KR 1020210152589 A KR1020210152589 A KR 1020210152589A KR 20210152589 A KR20210152589 A KR 20210152589A KR 102674815 B1 KR102674815 B1 KR 102674815B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
fuel
supply pipe
gas
liquid
gas supply
Prior art date
Application number
KR1020210152589A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20230066985A (ko
Inventor
장희중
우형석
Original Assignee
엘지전자 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 엘지전자 주식회사 filed Critical 엘지전자 주식회사
Priority to KR1020210152589A priority Critical patent/KR102674815B1/ko
Priority to US17/976,074 priority patent/US20230148377A1/en
Priority to CN202211357389.6A priority patent/CN116093386A/zh
Priority to DE102022211687.9A priority patent/DE102022211687A1/de
Priority to JP2022177953A priority patent/JP2023070181A/ja
Publication of KR20230066985A publication Critical patent/KR20230066985A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102674815B1 publication Critical patent/KR102674815B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04014—Heat exchange using gaseous fluids; Heat exchange by combustion of reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04014—Heat exchange using gaseous fluids; Heat exchange by combustion of reactants
    • H01M8/04022—Heating by combustion
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04201—Reactant storage and supply, e.g. means for feeding, pipes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04268—Heating of fuel cells during the start-up of the fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/043—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods
    • H01M8/04302—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods applied during start-up
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
    • H01M8/04373—Temperature; Ambient temperature of auxiliary devices, e.g. reformers, compressors, burners
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04701—Temperature
    • H01M8/04738—Temperature of auxiliary devices, e.g. reformer, compressor, burner
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H01M8/04753—Pressure; Flow of fuel cell reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H01M8/04776—Pressure; Flow at auxiliary devices, e.g. reformer, compressor, burner
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0612—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
    • H01M8/0618—Reforming processes, e.g. autothermal, partial oxidation or steam reforming
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M8/1233—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte with one of the reactants being liquid, solid or liquid-charged
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H01M8/2484—Details of groupings of fuel cells characterised by external manifolds
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

본 발명의 연료전지 시스템은, 기화연료부터 수소 가스를 생성하는 개질 공정을 수행하는 개질기와, 상기 개질기로 열을 공급하는 버너와, 상기 개질기로부터 배출된 개질가스와 공기로 전기화학반응을 일으켜 전기에너지를 생성하는 스택과, 상기 외부공기를 버너로 공급하는 제1공급관과, 상기 스택으로 외부공기를 공급하는 제2공급관과, 액체연료를 저장하는 제1저장탱크와, 상기 개질기로 기화연료를 공급하는 제2저장탱크와, 상기 제1저장탱크에서 배출된 액체연료를 상기 제1공급관을 유동하는 공기 또는 상기 제2공급관을 유동하는 공기와 열교환하고, 기화된 기체연료를 상기 제2저장탱크로 보내는 연료증발기를 포함한다.

Description

연료전지 시스템{FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 액체연료를 사용하는 연료전지 시스템에 관한 것이다.
연료전지 시스템(Fuel cell system)은, 탄화수소 계열의 물질, 예컨대, 메탄올, 에탄올, 천연가스 등에 포함되어 있는 수소를, 산소와 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키는 발전 시스템이다.
연료전지는, 스택으로 공급되는 공기의 유량과 개질기를 통해 개질된 가스의 량을 조절하여 발전량을 조절할 수 있다. 개질기로 공급되는 가스는 기체연료를 공급 및 개질하여 수소를 발생시킨다.
스택으로 공급되는 공기는 블로워를 통해 유량이 조절될 수 있다. 다만, 블로워로 조절되는 공기의 유량은 다소 한정적이므로, 발전량 운전조건이 과도할 때, 안정적인 공기의 공급이 어려워 발전효율이 떨어지는 문제점이 있다.
또한, 개질기를 가열하기 위한 버너나 개질가스도 밀도 등이 개선되면 개질기의 반응효율이 개선될 수 있다.
등록특허 제10-2116876호는, 액체연료를 사용하는 연료전지시스템을 개시하고 있다. 다만, 상기 문헌에서는, 액체연료를 직접적으로 개질하는 연료처리장치에 공급하는 구조로, 액체연료의 상변화로 발생하는 열공급을 활용하지 못한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 개질기로 공급되는 연료를 이용하여 개질기의 버너로 공급되는 공기의 밀도를 높이는 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 과제는 개질기로 공급되는 연료를 이용하여 개질기에서 배출되어 버너로 공급되는 개질가스의 밀도를 높이는 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 과제는 개질기로 공급되는 연료를 이용하여 스택으로 공급되는 공기의 밀도를 높이는 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 연료전지 시스템은, 기화연료부터 수소 가스를 생성하는 개질 공정을 수행하는 개질기와, 상기 개질기로 열을 공급하는 버너와, 상기 개질기로부터 배출된 개질가스와 공기로 전기화학반응을 일으켜 전기에너지를 생성하는 스택과, 상기 외부공기를 버너로 공급하는 제1공급관과, 상기 스택으로 외부공기를 공급하는 제2공급관을 포함한다.
상기의 과제를 해결하기 위해 연료전지 시스템은, 액체연료를 저장하는 제1저장탱크와, 상기 개질기로 기화연료를 공급하는 제2저장탱크와, 상기 제1저장탱크에서 배출된 액체연료를 상기 제1공급관을 유동하는 공기 또는 상기 제2공급관을 유동하는 공기와 열교환하고, 기화된 기체연료를 상기 제2저장탱크로 보내는 연료증발기를 포함하여, 액체연료의 냉열을 이용하여 스택으로 공급되는 공기 또는 버너로 공급되는 공기의 밀도를 높일 수 있다.
상기 연료증발기는, 상기 제1저장탱크에서 배출되는 액체연료와 상기 제1공급관을 유동하는 공기를 열교환하는 제1연료증발기와, 상기 제1저장탱크에서 배출되는 액체연료와 상기 제2공급관을 유동하는 공기를 열교환하는 제2연료증발기를 포함하여, 스택으로 공급되는 공기나 버너로 공급되는 공기를 냉각할 수 있다.
상기 제1저장탱크와 상기 제1연료증발기를 연결하는 제1액체가스 공급관과, 상기 제1저장탱크와 상기 제2연료증발기를 연결하는 제2액체가스 공급관과, 상기 제1액체가스 공급관에 배치되고, 상기 제1액체가스 공급관의 내부유로를 개폐하거나 개도를 조절하는 제1팽창밸브와, 상기 제2액체가스 공급관에 배치되고, 상기 제2액체가스 공급관의 내부유로를 개폐하거나 개도를 조절하는 제2팽창밸브를 포함하여, 운전모드에 따라 액체연료의 유동을 조절할 수 있다.
상기 개질기를 예열하는 예열모드에서 상기 제1팽창밸브가 상기 제1액체가스공급관의 내부유로를 확장시키고, 상기 제2팽창밸브가 상기 제2액체가스 공급관의 내부유로를 폐쇄하여, 예열모드에서 공기가 유동하는 제1공급관에 배치되는 제1연료증발기로 액체연료를 공급할 수 있다.
상기 스택으로 전기를 생성하는 발전모드에서, 상기 제1팽창밸브가 상기 제1액체가스공급관의 내부유로의 개도를 확장시키고, 상기 제2팽창밸브가 상기 제2액체가스 공급관의 내부유로의 개도를 확장시켜, 스택으로 공급되는 공기와 버너로 공급되는 공기를 모두 냉각시킬 수 있다.
상기 개질기에서 배출되는 상기 버너로 보내거나 상기 스택으로 보내는 개질가스토출관을 포함하고, 상기 액체가스증발기는, 상기 개질가스토출관에 배치되고, 상기 개질기에서 배출되는 개질가스와 액체연료를 열교환하는 제3액체가스증발기를 포함하여, 개질기로부터 배출되는 고압의 개질가스를 냉각할 수 있다.
상기 제1저장탱크와 상기 제3연료증발기를 연결하는 제3액체가스 공급관과, 상기 제3액체가스 공급관에 배치되고, 상기 제3액체가스 공급관의 내부유로를 개폐하거나 개도를 조절하는 제3팽창밸브를 포함하여, 운전모드에 따라 제3액체가스 증발기로 액체연료를 공급할 수 있다.
상기 개질기에서 배출되는 개질가스에 포함된 수소량을 증가시키는 개질모드에서, 상기 제1팽창밸브가 상기 제1액체가스공급관의 내부유로의 개도를 확장시키고, 상기 제3팽창밸브가 상기 제3액체가스 공급관의 내부유로의 개도를 확장시켜, 개질기로부터 토출되는 가스로 액체연료를 기화시키고, 개질기로부터 토출되는 개질가스의 밀도를 높일 수 있다.
상기 개질모드에서, 상기 제3팽창밸브의 개도가 상기 제1팽창밸브의 개도보다 확장되어, 액체연료를 효과적으로 상변화시킬 수 있다.
상기 스택으로 전기를 생성하는 발전모드에서, 상기 제1팽창밸브가 상기 제1액체가스 공급관의 내부유로의 개도를 확장시키고, 상기 제2팽창밸브가 상기 제2액체가스공급관의 내부유로의 개도를 확장시키고, 상기 제3팽창밸브가 상기 제3액체가스 공급관의 내부유로의 개도를 확장시켜, 3개의 연료증발기를 통해 액체연료를 기화시킬 수 있다.
상기 발전모드에서, 상기 제3팽창밸브의 개도가 상기 제1팽창밸브 또는 상기 제2팽창밸브의 개도보다 확장되여, 액체연료를 효과적으로 상변화시킬 수 있다.
상기 연료장치와, 상기제1액체가스공급관, 상기 제2액체가스공급관, 또는 상기 제3액체가스공급관을 연결하는 액체가스공통관과, 상기 액체가스공통관을 개폐하는 공통관밸브를 포함하여, 제1저장탱크에 저장된 액체연료를 안정적으로 저장할 수 있다.
상기 제1공급관에 배치되고, 외부공기를 상기 제1공급관으로 공급하는 제1블로워와, 상기 제2공급관에 배치되고, 외부공기를 상기 제2공급관으로 공급하는 제2블로워를 포함하고, 상기 제1블로워가 작동될 때, 상기 공통관 밸브가 개방되어, 연료전지 시스템이 작동할 때, 제1저장탱크에 저장된 액체연료가 배출될 수 있다.
상기 연료증발기는, 외형을 형성하는 하우징과, 상기 하우징 내부에 배치되고, 액체연료가 유동하도록 형성되는 연료유동부와, 상기 하우징 내부에 배치되고, 공기 또는 개질가스가 유동하도록 형성된 가스유동부를 포함한다.
상기 연료유동부를 형성하는 관 내부와, 상기 가스유동부를 형성하는 관 내부 각각에는 복수의 돌기가 형성되어, 열교환면적을 증가시킬 수 있다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 연료전지 시스템에 따르면 다음과 같은 효과가 하나 혹은 그 이상 있다.
첫째, 액체연료의 상변화로 발생하는 냉열을 사용하여 개질기를 가열하는 버너로 공급되는 공기의 밀도를 높여 개질반응의 효율을 증가시키는 장점이 있다.
둘째, 액체연료의 상변화로 발생하는 냉열을 사용하여 스택으로 공급되는 공기의 밀도를 높여 스택 내부에서의 전기생성을 위한 반응 효율을 증가시킬 수 있는 장점도 있다.
셋째, 액체연료의 상변화로 발생하는 냉열을 사용하여 개질기로부터 토출되어 개질기를 가열하는 버너로 공급되는 개질가스의 밀도를 높여 개질반응의 효율을 증가시키는 장점이 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 하나의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 연료처리장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 연료전지 시스템에서, 액체연료와 기체연료의 유동 및 열교환을 설명하기 위한 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 제1저장탱크 및 그와 관련된 구성을 설명하기 위한 개략도이다.
도 5는 도 3에서, 예열모드에서의 연료 및 공기의 유동을 설명하기 위한 도면이다.
도 6는 도 3에서, 개질모드에서의 연료 및 공기의 유동을 설명하기 위한 도면이다.
도 7는 도 3에서, 발전모드에서의 연료 및 공기의 유동을 설명하기 위한 도면이다.
도 8a와 도 8b는 제1실시예에 따른 연료증발기의 구성을 설명하기 위한 도면으로 도 8a는 가스유동부를 설명하기 위한 개략적인 단면도이고, 도 8b는 연료유동부를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 9a와 도 9b는 제2실시예에 따른 연료증발기의 구성을 설명하기 위한 도면으로 도 9a는 가스유동부를 설명하기 위한 개략적인 단면도이고, 도 9b는 연료유동부를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 10a와 도 10b는 제3실시예에 따른 연료증발기의 구성을 설명하기 위한 도면으로 도 10a는 가스유동부를 설명하기 위한 개략적인 단면도이고, 도 10b는 연료유동부를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 11a와 도 11b 각각은, 도 10a와 도 10b 각각에서, 내부관의 형태가 변형된 상태의 도면이다.
도 12는 본 발명의 제4실시예에 따른 연료증발기의 사시도이다.
도 13a와 도 13b는 제4실시예에 따른 연료증발기의 구성을 설명하기 위한 도면으로 도 13a는 가스유동부를 설명하기 위한 개략적인 단면도이고, 도 13b는 연료유동부를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 14a와 도 14b 각각은, 도 13a와 도 13b 각각에서, 내부관의 형태가 변형된 상태의 도면이다.
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.
이하, 본 발명의 실시예들에 의하여 연료전지 시스템을 설명하기 위한 도면들을 참고하여 본 발명에 대해 설명하도록 한다.
이하에서는, 도 1 내지 도 2를 참조하여, 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템(1)의 전체 구성을 설명한다.
도 1를 참조하면, 연료전지 시스템(1)은, 연료처리부(I), 전력생성부(II), 냉각수순환부(III) 및/또는 열회수부(IV)를 포함할 수 있다.
연료처리부(I)는, 연료처리장치(10), 연료처리장치(10)에 공급되는 연료 가스의 유동을 조절하는 연료밸브(30), 공기를 연료처리장치(10)로 유동시키는 제1 블로워(71) 등을 포함할 수 있다.
도 2을 참조하면, 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 화합물을 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 화합물이 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.
버너(120)는, 개질기(140)에서의 개질 반응이 촉진되도록, 개질기(140)에 열을 공급할 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 혼합 가스를 연소시켜 연소열을 발생시킬 수 있다. 이때, 버너(120)에서 공급되는 열에 의해, 개질기(140)의 내부온도가 적정 온도(예: 800℃)로 유지될 수 있다.
한편, 혼합 가스의 연소에 의해 버너(120)에서 생성되는 배기가스는, 연료처리장치(10)의 외부로 배출될 수 있다.
증기발생기(130)는, 물을 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, 물을 기화시킬 수 있다.
증기발생기(130)는, 제1 반응기(150), 제2 반응기(160) 및/또는 버너(120)에서 배출되는 배기가스가 유동하는 배관에 인접하여 배치될 수 있다.
개질기(140)는, 촉매를 이용하여, 황 화합물이 제거된 연료 가스로부터 수소 가스를 생성하는 개질 공정을 수행할 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.
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 스택에 공급되는 수소의 농도가 감소하는 단점이 있다. 따라서, 이러한 단점을 극복하기 위해, 일산화탄소와 수소가 반응하는 선택적 메탄화(selective methanation) 반응이 활용될 수 있다.
한편, 개질기(130), 제1 반응기(150) 및/또는 제2 반응기(160)를 거쳐 연료처리장치(10)에서 토출되는 가스는, 개질가스로 명명될 수 있다.
스택(20a, 20b)은, 연료처리장치(10)로부터 공급되는 개질가스에 전기화학반응을 일으켜 전기 에너지를 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.
스택(20a, 20b)은, 전기화학반응 과정에서 발생하는 열을 방열하는 스택 열교환기(미도시)를 더 포함할 수 있다. 스택 열교환기는, 물을 냉매로 사용하는 열교환기일 수 있다 예를 들어, 스택 열교환기에 공급되는 냉각수가 전기화학반응 과정에서 발생하는 열을 흡수할 수 있고, 흡수된 열에 의해 온도가 상승한 냉각수가 스택 열교환기의 외부로 토출될 수 있다.
도 1을 참조하면, 연료처리부(I)는 액체연료를 저장하는 제1저장탱크(400), 연료처리장치(10)의 개질기(140)로 기화연료를 공급하는 제2저장탱크(402), 제1저장탱크(400)에서 배출된 액체연료가 기체연료가 되도록 외부공기와 열교환하는 연료증발기(410, 412, 414)를 포함한다. 연료증발기(410, 412, 414)는, 제1공급관에 배치되는 제1연료증발기(410), 제2공급관에 배치되는 제2연료증발기(412), 및 개질가스토출관(104a)에 배치되는 제3연료증발기(414)를 포함할 수 있다. 제1저장탱크(400), 제2저장탱크(402), 연료증발기(410, 412, 414)의 구성 및 연결관계에 대해서는 이하에서 자세하게 설명한다.
연료밸브(30)는, 연료처리장치(10)에 공급되는 연료 가스가 유동하는 연료공급유로(101)를 형성하는 연료공급관(미도시)에 배치될 수 있다. 연료밸브(30)의 개도 정도에 대응하여, 연료처리장치(10)에 공급되는 연료 가스의 유량이 조절될 수 있다. 예를 들어, 연료밸브(30)는, 연료처리장치(10)에 대한 연료 가스의 공급이 중단되도록, 연료공급유로(101)을 차단할 수 있다.
연료공급관에는, 연료공급유로(101) 내에 유동하는 연료 가스의 유량을 검출하는 제1 연료유량계(51)가 배치될 수 있다.
연료처리부(I)는 외부공기를 연료처리장치(10)로 공급하도록 내부에 제1공급유로(202)를 형성하는 제1공급관(미도시)과, 제1공급관에 배치되고, 외부공기를 연료처리장치(10)로 공급하는 제1 블로워(71)를 포함한다.
제1 블로워(71)는, 외부에서 유입되는 공기를, 제1공급유로(202)를 통해 연료처리장치(10)로 유동시킬 수 있다. 제1 블로워(71)는, 외부공기유입유로(201)를 통해 외부에서 유입되는 공기를, 연료처리장치(10)로 유동시킬 수 있다.
제1공급유로(202)를 통해 연료처리장치(10)에 유입되는 공기는, 연료처리장치(10)의 버너(120)로 공급될 수 있다. 예를 들어, 연료처리장치(10)에 유입되는 공기는, 탈황기(110)에서 토출된 연료 가스와 제1 믹서(111)에서 혼합되어 버너(120)에 공급될 수 있다.
외부공기유입유로(201)를 형성하는 외부공기유입관(미도시)에는, 공기에 포함된 먼지 등의 이물질을 제거하는 제1 공기필터(91)와 공기의 유동 방향을 제한하는 제1 공기측 체크밸브(81)가 배치될 수 있다.
연료처리부(I)는, 탈황기(110)에서 토출된 연료 가스가 개질기(140)로 유동하는 제1 내부가스유로(102)를 형성하는 제1 내부가스관(미도시)을 포함할 수 있다. 제1 내부가스관에는, 비례제어밸브(31), 개질기(140)로 유입되는 연료 가스의 유동을 조절하는 내부연료밸브(32), 내부가스유로(102)를 유동하는 연료 가스의 유량을 검출하는 제2 연료유량계(52), 내부가스유로(102)를 유동하는 연료 가스의 유동 방향을 제한하는 연료측 체크밸브(83), 및/또는 황검출장치(94)가 배치될 수 있다.
비례제어밸브(31)는, 탈황기(110)에서 토출되어 개질기(140)로 유동하는 연료 가스의 유량, 압력 등을, 전기제어 방식으로 내/외부 피드백을 통해 조절할 수 있다.
황검출장치(94)는, 탈황기(110)에서 토출된 연료 가스에 포함된 황을 검출할 수 있다. 황검출장치(94)는, 탈황기(110)의 흡착제에 의해 제거되지 않은 황 화합물에 반응하여 색이 변하는 지시제를 포함할 수 있다. 여기서, 지시제는, 페놀프탈레인(phenolphthalein), 몰리브덴 화합물 등을 포함할 수 있다.
연료처리부(I)는, 탈황기(110)에서 토출된 연료 가스를 버너(120)로 보내는 제2 내부가스유로(103)를 형성하는 제2 내부가스관(미도시)을 포함할 수 있다. 버너(120)는, 제2 내부가스유로(103)를 통해 유입되는 연료 가스를 연소에 사용할 수 있다.
제1 내부가스유로(102)와 제2 내부가스유로(103)는, 서로 연통될수 있다.
연료처리장치(10)는, 물공급탱크(13)에서 토출된 물이 유동하는 물공급유로(303)를 형성하는 물공급관(미도시)관 연결될 수 있다. 물공급관에는, 물공급유로(303)를 유동하는 물의 유동을 형성하는 물펌프(38)와, 물의 유동을 조절하는 물공급밸브(39)와, 물공급유로(303)를 유동하는 물의 유량을 검출하는 물유량계(54)가 배치될 수 있다.
연료처리장치(10)의 버너(120)에서 생성되는 배기가스는, 배기가스토출유로(210)를 통해 연료처리장치(10)에서 토출될 수 있다.
연료처리장치(10)는, 개질가스토출유로(104)를 형성하는 개질가스토출관(미도시)에 연결될 수 있다. 연료처리장치(10)에서 토출된 개질가스는, 개질가스토출유로(104)를 통해 유동할 수 있다.
개질가스토출관은, 개질가스의 열교환이 일어나는 개질가스열교환기(21)에 연결될 수 있다. 개질가스토출관에는, 개질가스열교환기(21)에 유입되는 개질가스의 유동을 조절하는 개질가스밸브(33)가 배치될 수 있다.
개질가스토출관은, 연료처리장치(10)에서 토출된 개질가스가 연료처리장치(10)로 유동하도록 바이패스유로(105)를 형성하는 바이패스관(미도시)과 연결될 수 있다. 바이패스관은, 연료처리장치(10)에 연결될 수 있다. 연료처리장치(10)로부터 유동하는 개질가스는, 바이패스유로(105)를 통해 버너(120)로 공급될 수 있다. 바이패스유로(105)를 통해 버너(120)로 공급된 개질가스는, 버너(120)의 연소를 위한 연료로 사용될 수 있다. 바이패스관에는, 연료처리장치(10)에 유입되는 개질가스의 유동을 조절하는 바이패스밸브(34)가 배치될 수 있다.
전력생성부(II)는, 스택(20a, 20b), 연료처리장치(10)에서 토출된 개질가스의 열교환이 일어나는 개질가스열교환기(21), 스택(20a, 20b)에서 반응하지 않고 배출되는 가스의 열교환이 일어나는 AOG열교환기(22), 스택(20a, 20b)에 공급되는 공기에 수분을 공급하는 가습장치(23)을 포함한다.
공기를 스택(20a, 20b)으로 유동시키는 제2 블로워(72) 등을 포함할 수 있다. 여기서, 스택(20a, 20b)에서 반응하지 않고 배출되는 가스는, 양극배출가스(anode off gas, AOG)로 명명될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 연료전지 시스템(1)이 두 개의 스택(20a. 20b)을 구비하는 것으로 설명하나, 이에 제한되지 않는다.
개질가스열교환기(21)는, 연료처리장치(10)에서 토출된 개질가스가 유동하도록 개질가스토출유로(104)를 형성하는 개질가스토출관(미도시)에 연결될 수 있다. 개질가스열교환기(21)는, 물공급탱크(13)에서 토출된 물이 유동하도록 냉각수공급유로(304)를 형성하는 냉각수공급관(미도시)에 연결될 수 있다. 개질가스열교환기(21)는, 개질가스토출유로(104)를 통해 유입되는 개질가스와, 냉각수공급유로(304)를 통해 공급되는 물을 열교환할 수 있다.
냉각수공급관에는, 물공급탱크(13)에 저장된 물을 개질가스열교환기(21)로 유동시키는 냉각수펌프(43), 및/또는 냉각수공급유로(304)를 유동하는 물의 유량을 검출하는 냉각수유량계(56)가 배치될 수 있다.
개질가스열교환기(21)는, 스택가스공급유로(106)를 형성하는 스택가스공급관(미도시)에 연결될 수 있다 개질가스열교환기(21)에서 토출된 개질가스는, 스택가스공급유로(106)를 통해 스택(20a, 20b)으로 유동할 수 있다.
스택가스공급관에는, 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)를 형성하는 제1 물회수관(미도시)에는, 제1 물회수유로(309)를 유동하는 물의 유동을 조절하는 제1 물회수밸브(44)가 배치될 수 있다.
스택(20a. 20b)은, 스택가스공급유로(106)를 통해 유입되는 개질가스에 전기화학반응을 일으켜 전기 에너지를 생성할 수 있다. 일 실시예에서, 연료전지 시스템(1)이 복수의 스택(20a. 20b)을 구비하는 경우, 제1 스택(20a)에서 반응하지 않고 토출되는 개질 가스는 제2 스택(20b)에서 추가적으로 전기화학반응을 일으킬 수 있다.
제2 블로워(72)는, 제2공급유로(203)를 형성하는 제2공급관(미도시)과, 스택측 공기유입유로(204)를 형성하는 스택측 공기유입관(미도시) 사이에 배치될 수 있다. 제2공급관은, 제1 공기필터(91)의 하류에 배치될 수 있다. 제2 블로워(72)는, 제2공급유로(203)를 통해 유입되는 공기를, 스택측 공기유입유로(204)를 통해 스택(20a, 20b) 측으로 유동시킬 수 있다.
제2공급관에는, 제2공급유로(203)를 유동하는 공기의 유동 방향을 제한하는 제2 공기측 체크밸브(82)가 배치될 수 있다.
스택측 공기유입관에는, 스택측 공기유입유로(204)를 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.
스택측 공기공급유로(205)를 형성하는 스택측 공기공급관(미도시)에는, 스택(20a, 20b)으로 공급되는 공기의 유동을 조절하는 스택측 공기공급밸브(36)가 배치될 수 있다.
스택측 공기공급관은, 스택(20a. 20b)에 각각 대응하는 개별공급유로(206, 207)를 형성하는 개별공급관(미도시)과 연결될 수 있다. 스택측 공기공급유로(205)를 유동하는 공기는, 개별공급유로(206, 207)를 통해 스택(20a. 20b)으로 공급될 수 있다.
복수의 스택(20a. 20b)은, 가스연결유로(107)를 형성하는 가스연결관(미도시)로 서로 연결될 수 있다. 제1 스택(20a)에서 반응하지 않고 토출되는 개질 가스는, 가스연결유로(107)를 통해 제2 스택(20b)으로 유입될 수 있다.
가스연결관에는, 가스연결유로(107)를 유동하는 개질가스가 제1 스택(20a)을 통과하는 동안 응축되어 생성된 물을 제거하는 추가수분제거장치(62)가 배치될 수 있다.
추가수분제거장치(62)에서 생성된 물은, 추가수분제거장치(62)에서 토출되어, 제2 물회수유로(310)로 유동할 수 있다. 제2 물회수유로(310)를 형성하는 제2 물회수관(미도시)에는, 물의 유동을 조절하는 제2 물회수밸브(45)가 배치될 수 있다. 제2 물회수관은, 제1 물회수관과 연결될 수 있다.
스택(20a. 20b)에서 반응하지 않고 토출되는 양극배출가스(AOG)는, 스택가스토출유로(108)를 통해 유동할 수 있다.
AOG열교환기(22)는, 스택(20a. 20b)에서 토출된 양극배출가스(AOG)가 유동하도록 스택가스토출유로(108)를 형성하는 스택가스토출관(미도시)에 연결될 수 있다.
AOG열교환기(22)는, 열회수탱크(15)에서 토출된 물이 유동하도록 온수공급유로(313)를 형성하는 온수공급관(미도시)에 연결될 수 있다. AOG열교환기(22)는, 스택가스토출유로(108)로 유동하는 양극배출가스(AOG)와, 온수공급유로(313)로 유동하는 물을 열교환할 수 있다.
온수공급관에는, 열회수탱크(15)에 저장된 물을 AOG열교환기(22)로 유동시키는 온수펌프(48)와, 온수공급유로(313)를 유동하는 물의 유량을 검출하는 온수유량계(55)가 배치될 수 있다.
AOG열교환기(22)는, AOG공급유로(109)를 형성하는 AOG공급관(미도시)에 연결될 수 있다. AOG열교환기(22)는, AOG공급유로(109)를 통해 열교환된 양극배출가스(AOG)를 토출할 수 있다. AOG열교환기(22)에서 토출된 양극배출가스(AOG)는, AOG공급유로(109)를 통해 연료처리장치(10)로 유동할 수 있다. AOG공급유로(109)를 통해 연료처리장치(10)에 공급된 양극배출가스(AOG)는, 버너(120)의 연소를 위한 연료로 사용될 수 있다.
AOG공급관에는, 양극배출가스(AOG)에 포함된 수분의 양을 조절하는 AOG 수분제거장치(63)와, 연료처리장치(10)로 공급되는 양극배출가스(AOG)의 유동을 조절하는 AOG밸브(35)가 배치될 수 있다. AOG 수분제거장치(63)로 유입된 양극배출가스(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)를 형성하는 제3 물회수관에는, 제3 물회수유로(311)를 유동하는 물의 유동을 조절하는 제3 물회수밸브(46)가 배치될 수 있다. 제3 물회수관은, 제1 물회수관에 연결될 수 있다.
스택측 공기토출유로(211)를 형성하는 스택측 공기토출관(미도시)는, 스택(20a. 20b)에 각각 대응하는 개별토출유로(208, 209)를 형성하는 개별토출관(미도시)에 연결될 수 있다. 스택측 공기토출관에는, 공기토출유로(211)를 유동하는 공기의 유동을 조절하는 스택측 공기토출밸브(37)가 배치될 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 공기토출관은, 가습장치(23)에 연결될 수 있다. 가습장치(23)는, 스택측 공기토출유로(211)로부터 공급되는 공기에 포함된 수분을 이용하여, 스택(20a, 20b)으로 유동하는 공기에 수분을 공급할 수 있다. 스택측 공기토출유로(211)를 유동하여 가습장치(23)에 공급된 공기는, 가습장치(23)를 거쳐 가습장치토출유로(212)로 토출될 수 있다.
냉각수순환부(III)는, 연료전지 시스템(1)에서 생성되는 물을 저장하는 물공급탱크(13), 연료처리장치(10)로 물을 유동시키는 물펌프(38), 연료처리장치(10)로 공급되는 물의 유동을 조절하는 물공급밸브(39), 개질가스열교환기(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.
물공급탱크(13)는, 물유입유로(301)을 형성하는 물유입관(미도시)에 연결될 수 있다. 물공급탱크(13)는, 물유입유로(301)를 통해 공급되는 물을 저장할 수 있다. 물유입관에는, 외부에서 공급되는 물에 포함된 이물질을 제거하는 제1 액체필터(92)와, 물공급탱크(13)에 유입되는 물의 유동을 조절하는 물유입밸브(41)가 배치될 수 있다.
물공급탱크(13)는, 물배출유로(302)를 형성하는 물배출관(미도시)에 연결될 수 있다. 물공급탱크(13)는, 물배출유로(302)를 통해 물공급탱크(13)에 저장된 물 중 적어도 일부를 외부로 배출할 수 있다. 물배출관에는, 물공급탱크(13)에서 배출되는 물의 유동을 조절하는 물배출밸브(42)가 배치될 수 있다.
물공급탱크(13)는, 물저장유로(308)를 형성하는 물저장관(미도시)에 연결될 수 있다. 물공급탱크(13)는, 물저장유로(308)를 통해 유동하는 물을 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 물이, 물저장유로(308)를 거쳐 물공급탱크(13)로 유입될 수 있다. 물저장관에는, 물공급탱크(13)로 회수되는 물에 포함된 이물질을 제거하는 제2 액체필터(93)가 배치될 수 있다.
물공급탱크(13)에 저장된 물 중 적어도 일부는, 냉각수펌프(43)에 의해 개질가스열교환기(21)로 유동할 수 있고, 개질가스열교환기(21)에서 개질가스와 열교환될 수 있다. 개질가스열교환기(21)에서 토출된 물은, 스택물공급유로(305)를 통해 스택(20a, 20b)으로 유입될 수 있다.
스택물공급유로(305)를 통해 스택(20a, 20b)으로 유입된 물은, 스택(20a, 20b)을 냉각할 수 있다. 스택(20a, 20b)으로 유입된 물은, 스택(20a, 20b)에 포함된 스택 열교환기(미도시)를 따라 유동할 수 있고, 스택(20a, 20b)에서 일어나는 전기화학반응에 의해 발생하는 열을 흡수할 수 있다.
복수의 스택(20a. 20b)은, 물연결유로(306)를 형성하는 물연결관(미도시)에 의해 연결될 수 있다. 제1 스택(20a)에서 토출되는 물은, 물연결유로(306)를 통해 제2 스택(20b)으로 유입될 수 있다.
스택(20a, 20b)에서 토출되는 물은, 스택물토출유로(307)를 통해 냉각수열교환기(24)로 유입될 수 있다. 냉각수열교환기(24)는, 스택(20a, 20b)에서 토출된 물과, 열회수탱크(15)에서 토출된 물을 열교환할 수 있다. 스택(20a, 20b)에서 토출된 물은, 냉각수열교환기(24)를 거쳐 물저장유로(308)로 유동할 수 있다.
온수펌프(48)에 의해 열회수탱크(15)에서 토출된 물은, 온수공급유로(313)를 거쳐 AOG열교환기(22)로 유입될 수 있다. AOG열교환기(22)에서 양극배출가스(AOG)와 열교환된 물은, 제1 온수순환회로(314)로 토출될 수 있다.
공기열교환기(25)는, 가습장치(23)에서 토출된 공기가 유동하도록 가습장치토출유로(212)를 형성하는 가습장치토출관(미도시)에 연결될 수 있다. 공기열교환기(25)는, AOG열교환기(22)에서 토출된 물이 유동하는 제1 온수순환회로(314)에 연결될 수 있다. 공기열교환기(25)는, 가습장치토출유로(212)을 통해 유입되는 공기와 제1 온수순환회로(314)를 통해 유입되는 물을 열교환할 수 있다.
공기열교환기(25)에서 열교환된 공기는, 공기배출유로(213)를 통해 공기열교환기(25)에서 토출될 수 있다. 공기배출유로(213)를 형성하는 공기배출관(미도시)은, 배기가스토출유로(210)를 형성하는 배기가스토출관(미도시)와 연결될 수 있다. 배기가스토출유로(210)에 유동하는 배기가스와 공기배출유로(213)에 유동하는 공기가 혼합될 수 있다.
공기배출관에는, 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)를 형성하는 제4 물회수관(미도시)에는, 물의 유동을 조절하는 제4 물회수밸브(47)가 배치될 수 있다. 제4 물회수관은, 물저장관과에 연결될 수 있다.
공기열교환기(25)에서 열교환된 물은, 제2 온수순환유로(315)을 통해 공기열교환기(25)에서 토출될 수 있다. 공기열교환기(25)에서 토출된 물은, 제2 온수순환유로(315)을 통해 냉각수열교환기(24)로 유입될 수 있다.
냉각수열교환기(24)는, 스택물토출유로(307)를 통해 유입되는 물과, 제2 온수순환유로(315)를 통해 유입되는 물을 열교환할 수 있다.
배기열교환기(26)는, 배기가스가 유동하는 배기가스토출유로(210)를 형성하는 배기가스토출관에 연결될 수 있다. 배기열교환기(26)는, 냉각수열교환기(24)에서 토출된 물이 유동하도록 제3 온수순환유로(316)를 형성하는 제3 온수순환관(미도시)에 연결될 수 있다. 배기열교환기(26)는, 배기가스토출유로(210)를 통해 유입되는 배기가스와, 제3 온수순환유로(316)를 통해 유입되는 물을 열교환할 수 있다.
배기열교환기(26)에서 열교환된 배기가스는 배기유로(213)로 토출될 수 있고, 배기유로(213)에 유동하는 배기가스는 외부로 배출될 수 있다.
배기열교환기(26)에서 열교환된 물은, 온수회수유로(317)로 토출될 수 있고, 온수회수유로(317)에 유동하는 물은 열회수탱크(15)로 유입될 수 있다.
이하에서는 도 3 내지 도 4를 참조하여, 개질기(140)로 유동하는 액체가스와 기체가스의 유동과 관련된 구성을 설명한다.
도 3을 참조하면, 연료전지 시스템(1)은, 액체가스를 저장하는 제1저장탱크(400), 개질기(140)로 기화연료를 공급하는 제2저장탱크(402), 및 제1저장탱크(400)에서 배출된 액체연료를 외부공기와 열교환하여 액체연료를 기화시키는 연료증발기(410, 412, 414)를 포함한다.
연료증발기(410, 412, 414)는, 제1공급관에 배치되는 제1연료증발기(410), 제2공급관에 배치되는 제2연료증발기(412), 및 개질가스토출관(104a)에 배치되는 제3연료증발기(414)를 포함한다.
연료전지 시스템(1)은, 제1저장탱크(400)와 제1연료증발기(410)를 연결하는 제1액체가스 공급관(420)과, 제1저장탱크(400)와 제2연료증발기(412)를 연결하는 제2액체가스공급관(422)과, 제1저장탱크(400)와 제3연료증발기(414)를 연결하는 제3액체가스 공급관(424)을 포함한다.
연료전지 시스템(1)은, 제1연료증발기(410)와 제2저장탱크(402)를 연결하는 제1기체가스공급관(430)과, 제2연료증발기(412)와 제2저장탱크(402)를 연결하는 제2기체가스공급관(432)과, 제3연료증발기(414)와 제2저장탱크(402)를 연결하는 제3기체가스공급관(434)을 포함한다.
또한, 연료전지 시스템(1)은, 제1연료증발기(410), 제2연료증발기(412), 및 제3연료증발기(414) 중 적어도 하나로 액체연료를 공급하는 복수의 팽창밸브(440, 442, 444)를 포함한다. 연료전지 시스템(1)은, 제1액체가스 공급관에 배치되고, 제1액체가스 공급관의 내부유로를 개폐하거나 개도를 조절하는 제1팽창밸브(440)와, 제2액체가스공급관(422)에 배치되고, 제2액체가스공급관(422)의 내부유로를 개폐하거나 개도를 조절하는 제2팽창밸브(442)와, 제3액체가스 공급관(424)에 배치되고, 제3액체가스 공급관(424)의 내부유로를 개폐하거나 개도를 조절하는 제3팽창밸브(444)를 포함한다.
연료전지 시스템(1)은, 연료처리장치(10)와, 제1액체가스공급관(420), 제2액체가스공급관(422), 또는 제3액체가스공급관(424)을 연결하는 액체가스공통관(426)과, 액체가스공통관(426)을 개폐하는 공통관밸브(446)를 포함할 수 있다.
제1저장탱크(400)는, 액체연료를 저장할 수 있다. 제1저장탱크(400)는, 연료를 액체상태로 보관하도록 압력 탱크 형태를 사용할 수 있다. 제1저장탱크(400)는, 이중 구조의 탱크(미도시)와 단열부(미도시)로 이루어질 수 있다.
도 4를 참조하면, 제1저장탱크(400)와 연료증발기(410, 412, 414) 사이에는, 제1저장탱크(400)에서 토출된 연료를 재액화하는 재액화장치(450)와, 재액화장치(450)에서 토출된 연료를 연료증발기(410, 412, 414)로 공급하는 펌프(454)가 배치될 수 있다. 또한, 제1저장탱크(400)와 연료증발기(410, 412, 414) 사이에는, 연료증발기(410, 412, 414)로 유동하는 액체연료를 팽창시키는 팽창밸브(440, 442, 444)가 배치될 수 있다.
재액화장치(450)는, 별도의 히트펌프(미도시)로 유동하는 냉매와 제1저장탱크(400)에서 토출되어 증발된 기체연료를 재액화시킬 수 있다. 재액화장치(450)는, 냉매의 증발을 통해, 기체연료를 액화시킬 수 있다.
제1저장탱크(400)와 재액화장치(450)는, 제1저장탱크(400)에서 액상연료가 유동하는 제1관(456a)과 제1저장탱크(400)에서 기상연료가 유동하는 제2관(456b)으로 연결될 수 있다. 제1관(456a)은, 제1저장탱크(400)의 하부와 연결되어, 제1저장탱크(400)에 저장된 액화연료가 유동할 수 있다.
제2관(456b)은, 제1저장탱크(400)의 상부와 연결되어, 제1저장탱크(400)에서 기화된 기체가스가 유동할 수 있다. 제2관(456b)에는, 제1저장탱크(400)에서 배출된 기체가스를 압축하는 압축기(452)가 배치될 수 있다.
재액화장치(450)는, 제1관(456a)에서 유동하는 액체연료와 제2관(456b)에서 유동하는 기체연료를 혼합하고, 이를 냉각하여 액체연료로 배출할 수 있다. 재액화장치(450)를 통과한 액체연료를 연료증발기(410, 412, 414)로 공급하는 펌프(454)가 배치될 수 있다.
재액화장치(450)와 연료증발기(410, 412, 414) 사이에는 제3관(456c)이 배치되어, 재액화장치(450)에서 토출되는 액체연료를 연료증발기(410, 412, 414)로 공급할 수 있다. 제3관(456c)에는 펌프(454)가 배치될 수 있다. 또한, 제3관(456c)에는, 연료증발기(410, 412, 414)로 유동하는 액체연료를 팽창시키는 팽창밸브(440, 442, 444)가 배치될 수 있다. 제4관(456d)은, 제3관(456c)에서 분지되어 관 내부의 액체연료를 제1저장탱크로 공급할 수 있다.
제1저장탱크(400)는, 연료증발기(410, 412, 414)로부터 유동하는 기체연료를 일시적으로 저장할 수 있다. 제1저장탱크(400)에 저장된 기체연료는, 연료공급유로(101)를 통해 개질기(140)로 공급될 수 있다.
액체가스공통관(426)은, 제1액체가스공급관(420), 제2액체가스공급관(422), 및 제3액체가스공급관(424) 각각에 연결된다. 액체가스공통관(426)에는, 이물질 유입을 방지하기 위한 필터(428)와, 제1저장탱크(400)에서 배출되는 액체가스의 유동을 조절하고, 시스템 미사용 및 비상시 고압가스 차단하는 공통관밸브(446)와, 액체가스의 압력을 감지하는 압력센서(429)가 배치될 수 있다.
<운전모드>
이하에서는, 도 5 내지 도 7를 참조하여, 연료전지 시스템(1)의 운전을 설명한다.
연료전지 시스템(1)은, 시스템을 예열하는 예열모드(WM), 개질가스의 생성량을 확보하는 개질모드(RM), 스택(20a, 20b)을 통해 전기를 생성하는 발전모드(PM)로 운전할 수 있다.
예열모드(WM)에서는, 제1 블로워(71)가 작동하여, 외부공기를 개질기(140)로 공급할 수 있다. 예열모드(WM)에서 연료처리장치(10)의 버너(120)로 연료 가스와 공기가 혼합된 혼합 가스를 연소시켜 연소열을 발생시켜 연료처리장치(10)를 예열할 수 있다.
도 5를 참조하면, 예열모드(WM)에서, 공통관밸브(446)가 개방되고, 제1팽창밸브(440)가 개도를 확장하여, 제1연료증발기(410)로 액체연료를 공급한다. 제1연료증발기(410)에너는, 액체연료가 기체연료로 상변화되고, 내부를 유동하는 외부에서 유입된 공기는 온도가 저감된 상태로 버너(120)로 공급될 수 있다. 제1연료증발기(410)에서 배출되는 기체연료는 제2저장탱크(402)로 유동한다.
상기 운전을 통해 제2저장탱크(402) 내 일정 압력까지 가스가 생성되면, 제2저장탱크(402)의 기체가스를 연료처리장치(10)로 공급하게 된다. 연료처리장치(10) 내부에서는, 제2저장탱크(402)에서 배출된 기체연료를 개질하여 개질가스를 생성할 수 있다.
버너(120)가 작동함에 따라 제1 블로워(71)의 입구측 대비 출구측의 공기 온도 및 압력이 모두 상승 하게되어, 고온/고압의 공기가 제1연료증발기(410)로 유입하게 된다. 제1연료증발기(410)로 유입된 공기는 제1저장탱크(400)에서 배출된 액체연료를 기화시키는데 열을 공급하게된다. 이후 제1연료증발기(410)에서 토출되는 공기는 저온 및 고압의 상태로 버너(120)에 공급된다 저온 및 고압의 공기는 밀도가 낮아 연료처리장치(10)의 동일한 체적내에 더 많은 공기를 량이 공급될 수 있다. 또한, 연료처리장치(10) 내에서 가스와 혼합되어 연소시 더욱 많은 혼합기가 유입될 수 있기에 목표 온도까지의 연소시간 단축이 가능해진다.
상기의 제1연료증발기(410)를 통해 연료처리장치(10)에 저온 및 고압의 공기와 저온의 기체연료를 개질기 버너에 공급시 더 많은 혼합기가 버너에 공급가능하다. 또한 기존 대비 더욱 많은 혼합기 공급으로 예열 운전 시간의 단축이 가능하다
개질모드(RM)에서는, 개질기(140)를 통해 생성된 개질가스를 다시 개질기(140)로 공급하여 개질된 수소량을 확보할 수 있다. 개질모드(RM)에서는, 개질기(140)에서는 기체연료를 기반으로 고온의 개질가스를 생성하게 되며, 발전모드(PM) 전까지는 바이패스밸브(34)를 통해 생성된 개질가스 모두 연소에 활용하게 된다.
도 6를 참조하면, 개질모드(RM)에는, 제1팽창밸브(440)와 제3팽창밸브(444) 각각의 개도를 확보할 수 있다. 따라서, 제1저장탱크(400)에서 배출된 액체연료는 제1연료증발기(410)와 제3연료증발기(414)로 유동할 수 있다. 이때, 제3팽창밸브(444)의 개도를 증가시켜, 제3연료증발기(414)로 유동하는 액체연료의 양을 제1연료증발기(410)로 유동하는 액체연료의 양보다 크게 형성할 수 있다. 제3연료증발기(414)를 유동하는 개질가스의 온도가 제1연료증발기(410)를 유동하는 공기의 온도보다 높다. 제1연료증발기(410)에서보다 제3연료증발기(414)에서 액체연료의 상변화가 잘일어날 수 있어, 제3연료증발기(414)로 유동하는 액체연료의 양을 증가시킬 수 있다.
개질모드(RM) 운전시 개질기(140)는 제2저장탱크(402)에 저장된 기체가스를 활용하여 개질가스를 생성하게 된다. 이때 개질기(140)로부터 배출되는 개질가스의 온도가 약 90도 이상에 이르게 되므로, 개질기(140)로부터 배출되는 개질가스의 폐열을 활용하기 위해 제3연료증발기(414)에 액체연료를 공급하게 된다.
제1연료증발기(410)와 제3연료증발기(414)에 공급된 액체가스는 고온의 개질가스 또는 제1공급관(202a)을 유동하는 공기와 열교환을 통해 기화되어 제2저장탱크(402)에 공급된다. 이렇게 제1연료증발기(410)와 제3연료증발기(414)를 통한 기체연료 생성은, 제1연료증발기(410)만 사용했을 때보다 더욱 많은 가스가 생성될 수 있다. 이와 같이 가스 생성량이 증가함에 개질기 반응기는 더욱 많은 가스를 소비하며, 개질가스를 생성하며, 발전모드 운전에 진입하기 위한 준비를 진행하게 된다.
개질기(140)로부터 배출된 고온의 개질가스는 제3연료증발기(414)를 통해 액체연료와 열교환하여 저온의 개질가스로 변화할 수 있다. 저온의 개질가스는 바이패스밸브(34)를 통해 버너(120)로 공급되어 연소 효율을 향상시키는데 사용되게 된다. 저온의 개질가스 역시 온도 별화로 인해 밀도가 낮아져, 버너(120)에 더 많은 량이 공급될 수 있다. 또한, 버너(120)에서는 수소 함량이 높은 개질가스를 함께 연소함에 따라 연소 반응 및 효율을 향상 시킬 수 있게 된다.
발전모드(PM)에서는, 개질기(140)로부터 배출되는 개질가스와 외부로부터 유입되는 공기를 통해 스택(20a, 20b) 내부에서 산소와 수소의 전기화학반응으로 전기가 생성될 수 있다.
발전모드(PM)에서 제1 블로워(71)가 작동함에 따라 외부공기가 연료처리장치(10)로 유동하고, 제2 블로워(72)가 작동함에 따라 외부공기가 스택(20a, 20b)으로 공급될 수 있다.
또한, 개질기(140)가 작동함에 따라 개질기(140)에서 배출되는 개질가스가 스택(20a, 20b)으로 공급될 수 있다.
도 7을 참조하면, 발전모드(PM)로 운전할때, 제1저장탱크(400)에서 배출되는 액체연료는 제1연료증발기(410), 제2연료증발기(412), 및 제3연료증발기(414) 각각으로 공급될 수 있다.
발전모드(PM)에서, 제1팽창밸브(440), 제2팽창밸브(442), 및 제3팽창밸브(444)가 모두 개방될수 있다. 발전모드에서, 제3팽창밸브(444)를 통해 유동하는 액체연료의 량이 제1팽창밸브(440)나 제2팽창밸브(442)를 통해 유동하는 액체연료의 양보다 많도록 개도를 설정할 수 있다.
발전모드(PM)로 운전할때, 제2 블로워(72)가 동작하게 되며, 이는 제1 블로워(71)의 동작과 동일하게, 제2 블로워(72)로 유입되는 공기에 비해 제2 블로워(72)로부터 토출되는 공기의 온도 및 압력이 모두 상승하게 된다.
제2공급관(203a)에 배치되는 제2연료증발기(412)는, 제1저장탱크(400)에서 배출되는 액체연료와 열교환을 통해 저온 및 고압의 공기가 제1연료증발기(410)에서 토출된다. 제2연료증발기(412)에서 토출된 저온 및 고압의 공기는 스택(20a, 20b)에 공급되어, 개질가스와의 반응을 통해 전력을 생산을 위한 반응 후 배출된다.
또한 개질기(140)에서 생성된 개질가스는 제3연료증발기(414)를 지나 스택(20a, 20b)에 공급되고, 스택(20a, 20b)의 전력 생산에 사용되지 못하고 배출되는 미반응 수소(AOG)는 다시 버너(120)로 공급되어 연소 효율을 향상시키는데 사용된다. 이때 스택(20a, 20b)에 공급되는 개질가스는 제3연료증발기(414)를 통해 온도가 낮아짐으로 일정 볼륨내 더욱 많은 개질가스가 공급 가능해져, 전력생산을 위한 반응 효율을 향상시킬 수 있게 된다.
이와 같이 스택(20a, 20b)으로 공급되는 공기와 개질가스의 온도를 저감시킴으로 밀도가 고온 대비 많이 낮아지게 된다. 스택(20a, 20b) 내부에서 공기와 개질가스의 반응 면적은 매우 제한적이기에 밀도가 작을 경우 더욱 많은 반응을 도모할 수 있다. 이는 공기 및 개질가스의 밀도 저감으로 스택내 발전 효율을 향상시킬 수 있게 된다.
이하에서는, 도 8a 내지 도 14b를 참조하여, 제1연료증발기(410), 제2연료증발기(412), 또는 제3연료증발기(414)로 사용될 수 있는 연료증발기(410, 412, 414)의 다양한 실시예를 설명한다.
연료증발기(410, 412, 414)는 외형을 형성하는 하우징을 포함하고, 하우징 내부에 액체연료가 유동하는 연료유동부와 공기 또는 개질가스가 유동하는 가스유동부가 형성된다.
연료유동부와 가스유동부는 복수개가 서로 교차되는 방식으로 배치될 수 있다. 연료유동부를 형성하는 관 내부와, 가스유동부를 형성하는 관 내부 각각에는 액체연료 또는 공기의 접촉면적을 늘릴 수 있는 돌기가 형성될 수 있다. 연료유동부와 가스유동부는 다양한 형태로 형성될 수 있다.
도 8a와 도 8b를 참조하면, 제1실시예에 따른 연료증발기는, 원통형상을 가지는 하우징(460a) 내부에 연료유동부(470a)와 가스유동부(462a)가 형성되는 구조를 가질 수 있다.
가스유동부(462a)는 직선형태의 복수의 세경관(463a)으로 구성될 수 있다. 연료유동부(470a)는 복수의 세경관(463a) 사이의 공간에서 상하방향으로 꺽이는 유동을 통해 가스유동부(462a)와 열교환할 수 있다. 가스유동부(462a)의 제1유입단(464a)과 제1배출단(466a)은 복수의 세경관과 나란한 방향으로 개구될 수 있다. 연료유동부(470a)의 제2유입단(472a)과 제2배출단(474a)은 가스유동부(462a)의 제1유입단(464a)과 제1배출단(466a)에 수직한 방향으로 개구될 수 있다. 연료유동부(470a)는 가스유동부(462a)의 복수의 세경관(463a)과 수지한 방향으로 형성되고, 연료의 유동을 상하방향으로 형성하여 열교환되는 유동면적을 넓게 하는 가이더(471a)를 포함할 수 있다.
도 9a와 도 9b를 참조하면, 제2실시예에 따른 연료증발기의 하우징(460b)은 내부에 U자형 관이 배치되는 구조를 가질 수 있다.
가스유동부(462b)는 상하방향으로 형성된 복수의 세경관(463b)과, 세경관(463b)의 상측으로 밴딩된 U자형태의 밴딩관(463b1)을 포함한다. 가스유동부(462b)의 제1유입단(464b)과 제1배출단(466b)은 밴딩관(463b1)이 배치되는 방향에서 반대방향으로 개구된다.
연료유동부(470b)는 복수의 세경관(463b) 사이를 좌우방향으로 유동하는 가이더를 통해 유동하는 구조를 가질 수 있다. 연료유동부(470b)의 제2유입단(472b)과 제2배출단(474b)은 하우징(460b)의 둘레방향으로 돌출되는 구조를 가질 수 있다.
도 10a와 도 11b를 참조하면, 제3실시예에 따른 연료증발기는, 하우징(460c)의 원통형상을 가지고, 내부에 연료유동부(470c)와 가스유동부(462c)가 형성되는 구조를 가질 수 있다.
가스유동부(462c)는 직선형태의 복수의 세경관으로 구성될 수 있다. 연료유동부(470c)는 복수의 세경관 사이의 공간의 유동을 통해 가스유동부(462c)와 열교환할 수 있다. 가스유동부(462c)의 제1유입단(464c)과 제1배출단(466c)은 복수의 세경관과 나란한 방향으로 개구될 수 있다. 연료유동부(470c)의 제1유입단(464c)과 제1배출단(466c)은 가스유동부(462c)의 제2유입단(472c)과 제2배출단(474c)에 수직한 방향으로 개구될 수 있다.
제3실시예에 따른 연료증발기는, 연료유동부(470c) 또는 가스유동부(462c)의 관 내부 또는 외부가 도 10a 내지 도 10b와 같이 플랫한 형태로 형성되고, 도 11a 내지 도 11b와 같이 돌기가 돌출된 형상으로 형성될 수 있다.
도 12와 도 14b를 참조하면, 제4실시예에 따른 연료증발기는, 판형열교환기를 사용할 수 있다. 제4실시예에 따른 연료증발기는, 하우징(460d)의 판형의 형상을 가지고, 내부에 연료유동부(470d)와 가스유동부(462d)가 형성되는 구조를 가질 수 있다.
가스유동부(462d)의 제1유입단(464)과 제1배출단(466d)은 하우징(460d)의 일측면에서 대각선 방향으로 이격배치된다. 도 13a와 도 14a를 참조하면, 가스유동부(462d)는 하우징(460d) 내부에서 제1유입단(464d)과 제1배출단(466d)을 연결하는 복수의 유로를 가진다. 가스유동부(462d)는, 제1유입단(464d)과 제1배출단(466d)에 수직한 방향으로 복수의 유로가 형성된다. 가스유동부(462d)에 형성되는 복수의 유로는, 도 13a와 같이 관 내부가 플랫한 형상으로 형성되거나, 도 14a와 같이 관 내부가 돌기가 돌출된 형상으로 형성될 수 있다.
연료유동부(470d)의 제2유입단(472d)과 제2배출단(474d)은 하우징(460d)의 일측면에서 대각선 방향으로 이격배치된다. 도 13b와 도 14b를 참조하면, 연료유동부(470d)는 하우징(460d) 내부에서 제2유입단(472d)과 제2배출단(474d)을 연결하는 복수의 유로를 가진다. 연료유동부(470d)는, 제2유입단(472d)과 제2배출단(474d)에 수직한 방향으로 복수의 유로가 형성된다. 연료유동부(470d)에 형성되는 복수의 유로는, 도 13b와 같이 관 내부가 플랫한 형상으로 형성되거나, 도 14b와 같이 관 내부가 돌기가 돌출된 형상으로 형성될 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 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 안될 것이다.
1 : 연료전지 시스템 10 : 연료처리부
20a, 20b : 스택 71 : 제1블로워
72 : 제2블로워 140 : 개질기
400 : 제1저장탱크 402 : 제2저장탱크
410 : 제1연료증발기 412 : 제2연료증발기
414 : 제3연료증발기 440 : 제1팽창밸브
442 : 제2팽창밸브 444 : 제3팽창밸브

Claims (15)

  1. 기화연료부터 수소 가스를 생성하는 개질 공정을 수행하는 개질기;
    상기 개질기로 열을 공급하는 버너;
    상기 개질기로부터 배출된 개질가스와 공기로 전기화학반응을 일으켜 전기에너지를 생성하는 스택;
    외부공기를 버너로 공급하는 제1공급관;
    상기 스택으로 외부공기를 공급하는 제2공급관;
    액체연료를 저장하는 제1저장탱크;
    상기 개질기로 기화연료를 공급하는 제2저장탱크;
    상기 개질기에서 배출되는 상기 버너로 보내거나 상기 스택으로 보내는 개질가스토출관; 및
    상기 개질가스토출관에 배치되고, 상기 개질기에서 배출되는 개질가스와 액체연료를 열교환하는 제3연료증발기를 포함하는 연료전지 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1저장탱크에서 배출되는 액체연료와 상기 제1공급관을 유동하는 공기를 열교환하는 제1연료증발기와;
    상기 제1저장탱크에서 배출되는 액체연료와 상기 제2공급관을 유동하는 공기를 열교환하는 제2연료증발기를 포함하는 연료전지 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1저장탱크와 상기 제1연료증발기를 연결하는 제1액체가스 공급관과;
    상기 제1저장탱크와 상기 제2연료증발기를 연결하는 제2액체가스 공급관과;
    상기 제1액체가스 공급관에 배치되고, 상기 제1액체가스 공급관의 내부유로를 개폐하거나 개도를 조절하는 제1팽창밸브와;
    상기 제2액체가스 공급관에 배치되고, 상기 제2액체가스 공급관의 내부유로를 개폐하거나 개도를 조절하는 제2팽창밸브를 포함하는 연료전지시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 개질기를 예열하는 예열모드에서 상기 제1팽창밸브가 상기 제1액체가스공급관의 내부유로를 확장시키고, 상기 제2팽창밸브가 상기 제2액체가스 공급관의 내부유로를 폐쇄하는 연료전지시스템.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 스택으로 전기를 생성하는 발전모드에서, 상기 제1팽창밸브가 상기 제1액체가스공급관의 내부유로의 개도를 확장시키고, 상기 제2팽창밸브가 상기 제2액체가스 공급관의 내부유로의 개도를 확장시키는 연료전지시스템.
  6. 삭제
  7. 제 3 항에 있어서,
    상기 제1저장탱크와 상기 제3연료증발기를 연결하는 제3액체가스 공급관과;
    상기 제3액체가스 공급관에 배치되고, 상기 제3액체가스 공급관의 내부유로를 개폐하거나 개도를 조절하는 제3팽창밸브를 포함하는 연료전지 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 개질기에서 배출되는 개질가스에 포함된 수소량을 증가시키는 개질모드에서, 상기 제1팽창밸브가 상기 제1액체가스공급관의 내부유로의 개도를 확장시키고, 상기 제3팽창밸브가 상기 제3액체가스 공급관의 내부유로의 개도를 확장시키는 연료전지 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 개질모드에서, 상기 제3팽창밸브의 개도가 상기 제1팽창밸브의 개도보다 확장되는 연료전지 시스템.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 스택으로 전기를 생성하는 발전모드에서, 상기 제1팽창밸브가 상기 제1액체가스 공급관의 내부유로의 개도를 확장시키고, 상기 제2팽창밸브가 상기 제2액체가스공급관의 내부유로의 개도를 확장시키고, 상기 제3팽창밸브가 상기 제3액체가스 공급관의 내부유로의 개도를 확장시키는 연료전지시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 발전모드에서, 상기 제3팽창밸브의 개도가 상기 제1팽창밸브 또는 상기 제2팽창밸브의 개도보다 확장되는 연료전지 시스템.
  12. 제 7 항에 있어서,
    상기 제1저장탱크와, 상기 제1액체가스공급관, 상기 제2액체가스공급관, 또는 상기 제3액체가스공급관을 연결하는 액체가스공통관과;
    상기 액체가스공통관을 개폐하는 공통관밸브를 포함하는 연료전지 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제1공급관에 배치되고, 외부공기를 상기 제1공급관으로 공급하는 제1블로워와;
    상기 제2공급관에 배치되고, 외부공기를 상기 제2공급관으로 공급하는 제2블로워를 포함하고,
    상기 제1블로워가 작동될 때, 상기 공통관 밸브가 개방되는 연료전지 시스템.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 제3연료증발기는,
    외형을 형성하는 하우징과,
    상기 하우징 내부에 배치되고, 액체연료가 유동하도록 형성되는 연료유동부와;
    상기 하우징 내부에 배치되고, 공기 또는 개질가스가 유동하도록 형성된 가스유동부를 포함하는 연료전지 시스템.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 연료유동부를 형성하는 관 내부와, 상기 가스유동부를 형성하는 관 내부 각각에는 복수의 돌기가 형성되는 연료전지시스템.
KR1020210152589A 2021-11-08 2021-11-08 연료전지 시스템 KR102674815B1 (ko)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210152589A KR102674815B1 (ko) 2021-11-08 2021-11-08 연료전지 시스템
US17/976,074 US20230148377A1 (en) 2021-11-08 2022-10-28 Fuel cell system
CN202211357389.6A CN116093386A (zh) 2021-11-08 2022-11-01 燃料电池系统
DE102022211687.9A DE102022211687A1 (de) 2021-11-08 2022-11-07 Brennstoffzellensystem
JP2022177953A JP2023070181A (ja) 2021-11-08 2022-11-07 燃料電池システム

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210152589A KR102674815B1 (ko) 2021-11-08 2021-11-08 연료전지 시스템

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20230066985A KR20230066985A (ko) 2023-05-16
KR102674815B1 true KR102674815B1 (ko) 2024-06-12

Family

ID=86053118

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020210152589A KR102674815B1 (ko) 2021-11-08 2021-11-08 연료전지 시스템

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20230148377A1 (ko)
JP (1) JP2023070181A (ko)
KR (1) KR102674815B1 (ko)
CN (1) CN116093386A (ko)
DE (1) DE102022211687A1 (ko)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004309031A (ja) * 2003-04-08 2004-11-04 Honda Motor Co Ltd 熱交換器および蒸発器
JP2020042901A (ja) * 2018-09-06 2020-03-19 日産自動車株式会社 燃料電池システム

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101259820B1 (ko) * 2011-01-14 2013-04-30 삼성중공업 주식회사 연료전지시스템 및 이를 구비한 선박

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004309031A (ja) * 2003-04-08 2004-11-04 Honda Motor Co Ltd 熱交換器および蒸発器
JP2020042901A (ja) * 2018-09-06 2020-03-19 日産自動車株式会社 燃料電池システム

Also Published As

Publication number Publication date
CN116093386A (zh) 2023-05-09
DE102022211687A1 (de) 2023-05-11
KR20230066985A (ko) 2023-05-16
US20230148377A1 (en) 2023-05-11
JP2023070181A (ja) 2023-05-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9413017B2 (en) High temperature fuel cell system with integrated heat exchanger network
KR101084072B1 (ko) 연료 전지 시스템
US8293416B2 (en) Fuel cell system
US9240601B2 (en) Fuel cell module
JP5220445B2 (ja) 固体酸化物形燃料電池発電システム
US8227119B2 (en) Fuel cell system
JP2013229203A (ja) 固体酸化物形燃料電池システム
US20040053095A1 (en) Humidification of reactant streams in fuel cells
JP5381238B2 (ja) 燃料電池システム
JP2005255896A (ja) 脱硫器、脱硫システム、水素製造装置および燃料電池システム
KR102674815B1 (ko) 연료전지 시스템
JP2019169419A (ja) 燃料電池システム
US20190140298A1 (en) High efficiency fuel cell system with hydrogen and syngas export
US7910253B2 (en) Reformer for fuel cell and fuel cell using the same
JP2013055012A (ja) 燃料電池用蒸発器
US20220376281A1 (en) Fuel cell membrane humidifier and fuel cell system having same
JP2008293748A (ja) 燃料電池駆動式冷凍装置
JP3575650B2 (ja) 溶融炭酸塩型燃料電池
JP7165502B2 (ja) 燃料電池システム
JP2018125133A (ja) 固体酸化物形燃料電池システム
JP2020064882A (ja) 燃料電池システム
KR20220143214A (ko) 하이브리드 액화수소 기화 시스템
KR101205538B1 (ko) 고체 산화물 연료 전지 시스템
JP2008243540A (ja) 固体高分子電解質形燃料電池発電装置
JP7245136B2 (ja) 燃料電池システム

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant