KR20180001845A - 연료전지 시스템 - Google Patents

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KR20180001845A KR1020160080808A KR20160080808A KR20180001845A KR 20180001845 A KR20180001845 A KR 20180001845A KR 1020160080808 A KR1020160080808 A KR 1020160080808A KR 20160080808 A KR20160080808 A KR 20160080808A KR 20180001845 A KR20180001845 A KR 20180001845A
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Abstract

본 발명은 연료전지 시스템을 제공한다.
상기 연료전지 시스템은, 제1 연료전지 스택과, 상기 제1 연료전지 스택과 연결되는 제2 연료전지 스택과, 상기 제1 연료전지 스택과 상기 제2 연료전지 스택을 연결하여, 상기 제1 연료전지 스택에서 배출되는 애노드 배출가스를 상기 제2 연료전지 스택에 공급하는 연료 이송라인과, 상기 연료 이송라인 설치되어, 상기 제1 연료전지 스택으로부터 이송되는 애노드 배출가스에 포함된 수증기를 상 분리에 의해 분리하여 저장하는 물 분리부를 포함할 수 있다.

Description

연료전지 시스템{FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 발전효율이 증대된 연료전지 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지는 탄화수소 연료에 저장된 화학 에너지를 전기화학반응에 의해 전기 에너지로 직접 변환시키는 장치로, 에너지 변환 효율이 높다. 또한, 기존 발전체계와 다르게 소음 및 바다 근처에 설치될 필요가 없으며, 설치 면적 대비 많은 양의 전력을 생산할 수 있는 장점이 있으며, 공해 물질로 분류되는 NOx나 SOx등이 생성되지 않아 친환경적인 발전 설비라고 볼 수 있다.
연료전지 중 하나인 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)의 경우 현재 상용화된 연료전지 중 작동온도가 가장 높은(약 800℃ 이상) 고온용 연료전지로 효율이 가장 좋은 연료전지이다.
또한 고온형 연료전지(SOFC, MCFC) 등의 경우 CO 등도 연료로 활용될 수 있기에, 다양한 연료를 사용하여 발전이 가능하며, 작동온도가 높아 열 효율적인 관점에서는 추가 배열 회수 시스템 도입으로 에너지 활용 측면에서 매우 효율적인 시스템으로 볼 수 있다.
이러한, 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)의 경우 내부 구성요소들은 대부분 세라믹과 Stainless steel로 구성되어 있으며, 반응물은 도시가스, 물, 공기 등이며 생성물로는 전기에너지, 열에너지와 수증기, 이산화탄소, 일산화탄소 등으로 구성되어 있다.
일반적으로 연료전지의 경우 공급되는 연료를 100% 소진하지 못하고, 약 70-80%의 연료 이용률을 가지고 있다. 그리고, 연료전지에서 반응하지 않은 미반응 연료가스가 대기에 그대로 유출되지 않도록 추가 반응 설비를 구축하여 미반응 연료가스를 인체에 무해한 가스로 변환하여 배출하고 있다.
이와 같이, 연료전지의 특성상 공급된 연료 중 반응하지 않은 남은 잔량의 연료의 경우, 연소시켜 버려지거나, 연료시스템 내부에서 추가적인 열 및 물질 생성을 위해 사용되고 있다.
그러나, 연료를 사용하여 바로 전력을 생성할 수 있는 연료전지 시스템의 장점을 감안하면, 연료 이용률을 높일 경우 시스템 전체의 효율을 높일 수 있으므로, 이러한 방안이 필요한 실정이다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 미반응 연료가스의 불순물을 제거하여 재사용함으로써 시스템 전체의 연료 이용효율을 향상시키는 연료전지 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 연료전지 시스템은, 제1 연료전지 스택과, 상기 제1 연료전지 스택과 연결되는 제2 연료전지 스택과, 상기 제1 연료전지 스택과 상기 제2 연료전지 스택을 연결하여, 상기 제1 연료전지 스택에서 배출되는 애노드 배출가스를 상기 제2 연료전지 스택에 공급하는 연료 이송라인과, 상기 연료 이송라인에 설치되어, 상기 제1 연료전지 스택으로부터 이송되는 애노드 배출가스에 포함된 수증기를 상 분리에 의해 분리하여 저장하는 물 분리부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 연료전지 스택은 연료를 공급받는 제1 연료극을 포함하고, 상기 제2 연료전지 스택은 상기 제1 연료극으로부터 미반응 연료가스를 포함한 애노드 배출가스를 공급받는 제2 연료극을 포함하며, 상기 연료 이송라인은 상기 제1 연료극과 상기 제2 연료극을 연결할 수 있다.
또한, 상기 연료 이송라인 상에 설치되어, 상기 제1 연료전지 스택으로부터 유입되어 통과하는 애노드 배출가스와 상기 물 분리부로부터 유입되어 통과하는 애노드 배출가스의 열교환이 이루어지는 열교환기를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 연료 이송라인은, 상기 제1 연료극에서 배출되는 애노드 배출가스를 상기 열교환기로 안내하는 제1 라인과, 상기 열교환기에서 배출되는 애노드 배출가스를 상기 물 분리부로 안내하는 제2 라인과, 상기 물 분리부에서 배출되는 애노드 배출가스를 상기 열교환기로 안내하는 제3 라인과, 상기 열교환기로부터 배출되는 애노드 배출가스를 상기 제2 연료극으로 안내하는 제4 라인을 포함하며, 상기 제3 라인을 통해 상기 열교환기로 안내된 애노드 배출가스는, 상기 제1 라인을 통해 열교환기로 안내된 애노드 배출가스와의 열교환에 의해 승온된 후, 상기 제4 라인을 통해 상기 제2 연료전지 스택으로 안내될 수 있다.
또한, 상기 물 분리부는, 내부가 기 설정된 온도 범위로 유지되는 항온조를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 연료전지 스택은 공기를 공급받는 제1 공기극을 포함하고, 상기 제2 연료전지 스택은 상기 제1 공기극으로부터 공기를 공급받는 제2 공기극을 포함하며, 상기 제1 공기극과 상기 제2 공기극은 공기 이송라인에 의해 연결될 수 있다.
또한, 일측은 상기 물 분리부와 연통되고, 타측은 상기 공기 이송라인과 연통되거나 상기 공기 이송라인에 인접 또는 접촉되게 구비되는 냉각라인을 더 포함하며, 상기 냉각라인으로 유입되는 상기 물 분리부의 물에 의해 상기 공기 이송라인을 통과하는 공기를 냉각시킬 수 있다.
또한, 일측은 공기를 공급하는 공기공급원과 연결되고, 타측은 상기 공기 이송라인과 연통되거나 상기 공기 이송라인에 인접 또는 접촉되게 구비되는 제2 공기 공급라인을 더 포함하며, 상기 제2 공기 공급라인으로 공급되는 외부의 공기에 의해 상기 공기 이송라인을 통과하는 공기를 냉각시킬 수 있다.
또한, 연료를 공급하는 연료 공급원과, 상기 제1 연료전지 스택에 구비된 제1 연료극을 연결하는 연료 공급라인과, 상기 연료 공급라인과 상기 물 분리부를 연결하는 물 보충라인을 더 포함하며, 상기 물 보충라인을 통해 상기 물 분리부에 저장된 물을 상기 연료 공급라인으로 유입시켜, 상기 제1 연료극으로 공급되는 연료의 개질반응에 이용할 수 있다.
이와 같은 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 시스템을 이용하면, 제1 연료전지 스택의 미반응 연료가스를 제2 연료전지 스택으로 공급함으로써, 연료전지 시스템 전체의 연료 이용률을 향상시킬 수 있다.
아울러, 본 발명에 따르면, 물 분리부에 의해 제1 연료전지 스택에서 배출되는 애노드 배출가스에서 수증기와 같은 불순물을 제거한 후 제2 연료전지 스택으로 공급함으로써, 제2 연료전지 스택으로 양질의 미반응 연료가스를 공급하여, 미반응 연료가스의 이용 효율과 연료전지 스택의 전기 출력 효율을 극대화시킬 수 있다.
아울러, 제2 연료전지 스택의 반응열의 열원으로 제1 연료전지 스택의 반응열을 이용하므로, 시스템 내부의 열 효율을 향상시킬 수 있고, 열원을 얻기 위한 별도의 장비를 필요로 하지 않으므로 시스템을 간소화하고 비용을 절감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 연료전지 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면에 따라 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
먼저, 이하에서 설명되는 실시예들은 본 발명인 연료전지 시스템의 기술적인 특징을 이해시키기에 적합한 실시예들이다. 다만, 본 발명이 이하에서 설명되는 실시예에 한정하여 적용되거나 설명되는 실시예들에 의하여 본 발명의 기술적 특징이 제한되는 것이 아니며, 본 발명의 기술 범위 내에서 다양한 변형 실시가 가능하다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 시스템(100)은, 제1 연료전지 스택(200)과, 제2 연료전지 스택(300)과, 연료 이송라인(22)과, 물 분리부(500)를 포함할 수 있다.
제1 연료전지 스택(200)은, 제1 연료극(210)과, 제1 공기극(230)과, 제1 전해질층(220)을 구비할 수 있다. 제1 연료극(210)의 입구에는 연료 공급라인(21)이 연결되고, 연료 공급라인(21)은 연료공급원(20)에 연결될 수 있다. 제1 연료극(210)은 연료공급원(20)으로부터 연료를 공급받아 연료전지 반응을 할 수 있다.
제1 연료전지 스택(200)은 내부에 개질기(미도시)가 설치될 수 있고, 개질기는 연료공급원(20)으로부터 공급되는 천연가스를 개질하여 수소와 탄산가스를 형성한 후, 제1 연료극(210)으로 공급할 수 있다. 여기서, 개질반응에 필요한 열은 제1 연료극(210)의 연료전지 반응의 반응열을 통해 얻을 수 있고, 개질반응에 필요한 물은, 후술하는 바와 같이, 물 분리부(500)에 저장된 물을 이용할 수 있다.
다만, 개질기의 위치는 한정이 없으며 별도의 장비를 구비하여 제1 연료전지 스택(200)의 외부에 설치될 수도 있다. 또한, 개질기의 개질반응에 필요한 열과 물을 얻는 방법은 상기한 방법에 한정하는 것은 아니며 다양한 변형실시가 가능하다.
제1 공기극(230)은 전단에 연결된 공기공급원(30)으로부터 공기를 공급받을 수 있다. 즉, 제1 공기극(230)의 전단에는 제1 공기 공급라인(31)이 연결되고 제1 공기 공급라인(31)은 공기공급원(30)과 연결되어, 공기공급원(30)의 공기가 제1 공기 공급라인(31)으로 공급될 수 있다.
제1 전해질층(220)은 제1 연료극(210)과 제2 공기극(330) 사이에는 제1 전해질층(220)이 있다. 제1 전해질층(220)은 일 례로 고체 산화물 전해질로 이루어질 수 있고, 이에 따라 본 발명에 적용되는 제1 연료전지 스택(200)은 약 600℃ 내지 1000℃의 고온에서 작동하는 고체 산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)일 수 있다. 일 례로 본 발명에 적용되는 제1 연료전지 스택(200)은 제1 연료극(210) 전단의 작동온도가 약 700℃ 내지 750℃ 정도인 고온형 연료전지일 수 있고, 연료전지 반응 후 제1 연료전지 스택(200)의 후단의 온도는 약 750℃ 내지 800℃ 정도일 수 있다. 다만, 상기 제1 전해질층(220)의 종류와 제1 연료전지 스택(200)의 전, 후단의 온도는 이에 한정하는 것은 아니며 다양한 종류와 작동온도로 변형실시가 가능하다.
제2 연료전지 스택(300)은 제1 연료전지 스택(200)과 연결될 수 있다. 또한, 제2 연료전지 스택(300)은, 제2 연료극(310)과 제2 공기극(330)과 제2 전해질층(320)을 포함할 수 있다.
제2 연료극(310)의 입구는 제1 연료극(210)의 출구와 연결될 수 있고, 제1 연료극(210)으로부터 미반응 연료가스를 포함한 애노드 배출가스를 공급받을 수 있다.
구체적으로 제1 연료전지 스택(200)과 제2 연료전지 스택(300) 사이에 연료 이송라인(22)이 연결될 수 있고, 연료 이송라인(22)을 통해 제1 연료전지 스택(200)에서 배출되는 애노드 배출가스를 제2 연료전지 스택(300)에 공급될 수 있다. 보다 구체적으로 연료 이송라인(22)은 제1 연료극(210)과 제2 연료극(310)을 연결할 수 있다.
제2 연료전지 스택(300)은, 제1 연료극(210)으로부터 애노드 배출가스를 공급받으므로 내부에 개질기를 필요로 하지 않을 수 있고, 이에 따라 제1 연료전지 스택(200)과 상이한 구조를 구비할 수 있다. 또한, 제2 연료전지 스택(300)은 유입되는 연료량이 제1 연료전지 스택(200)에 비해 적기 때문에 적층되는 셀 수나 반응면적이 제1 연료전지 스택(200)과는 다를 수 있음은 물론이다.
제2 공기극(330)은 제1 공기극(230)으로부터 공기를 공급받을 수 있다. 여기서 제1 공기극(230)과 제2 공기극(330)은 공기 이송라인(33)을 통해 연결될 수 있고, 제1 공기극(230)의 공기는 공기 이송라인(33)을 통해 제2 공기극(330)으로 이송될 수 있다.
제2 전해질층(320)은, 상기한 제1 전해질층(220)과 같이, 일 례로 고체 산화물 전해질로 이루어질 수 있고, 제2 연료전지 스택(300)은 고온에서 작동하는 고체 산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)일 수도 있다. 따라서, 제2 연료전지 스택(300)의 입구의 온도는 상기한 제1 연료전지 스택(200)의 입구의 작동온도와 같이, 약 700℃ 내지 750℃ 정도일 수 있다. 다만, 제2 연료전지 스택(300)의 종류와 작동온도는 상기한 바에 한정하는 것은 아니며 다양한 변형실시가 가능하다.
한편, 물 분리부(500)는 연료 이송라인(22) 설치되어, 상기 제1 연료전지 스택(200)으로부터 이송되는 애노드 배출가스에 포함된 수증기를 상 분리에 의해 분리하여 저장할 수 있다.
구체적으로 물 분리부(500)는, 연료 이송라인(22) 상에 설치되어 제1 연료전지 스택(200)과 제2 연료전지 스택(300) 사이에 설치될 수 있으며, 제1 연료극(210)에서 배출되는 애노드 배출가스가 통과할 수 있다.
여기서, 제1 연료극(210)에서 배출되는 애노드 배출가스는, 상기한 바와 같이 약 750℃ 내지 800℃ 정도의 고온일 수 있다. 또한, 제1 연료전지 스택(200)이 고체 산화물 연료전지(SOFC)인 경우에 연료전지 화학반응에서 연료가스로 활용되는 반응물은 수소(H2)와 탄산가스(예를 들어, CO, CO2 등)일 수 있고, 이 중 제1 연료전지 스택(200)에서 미반응한 연료가 제2 연료전지 스택(300)으로 공급되며, 연료전지 화학반응 결과 수증기(H2O)가 생성될 수 있다. 따라서, 제1 연료전지 스택(200)에서 배출되는 애노드 배출가스는 일 례로 H2, CO, CO2, H2O를 포함하는 고온의 가스일 수 있다.
한편, 물 분리부(500)는 일 례로 수조일 수 있으며, 물 분리부의 내부 온도는 수증기의 액화가 가능한 온도 즉, 물의 끓는점(1기압일 때 약 100℃) 이하의 온도일 수 있고, 예를 들어 상온일 수 있다.
이에 따라, 제1 연료전지 스택(200)으로부터 배출되는 애노드 배출가스는, 물 분리부(500)로 유입되면서 애노드 배출가스 중에 포함된 수증기가 액화되어 애노드 배출가스로부터 분리될 수 있다. 분리된 물은 물 분리부(500)에 저장될 수 있고, 수증기의 액화에 따라 수증기가 최소화된 애노드 배출가스는 제2 연료전지 스택(300)의 제2 연료극(310)으로 이송될 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 연료전지 시스템(100)은 제1 연료전지 스택(200)의 미반응 연료가스를 제2 연료전지 스택(300)으로 공급함으로써, 연료전지 시스템(100) 전체의 연료 이용률을 향상시킬 수 있다.
아울러, 본 발명에 따르면, 물 분리부(500)에 의해 제1 연료전지 스택(200)에서 배출되는 애노드 배출가스에서 수증기와 같은 불순물을 제거한 후 제2 연료전지 스택(300)으로 공급함으로써, 제2 연료전지 스택(300)으로 양질의 미반응 연료가스를 공급하여, 제2 연료전지 스택(300)의 전기 출력 효율을 극대화 시킬 수 있다.
예를 들어, 일반적인 연료전지의 경우 연료이용률이 70~80%이나, 본 발명에 따른 연료전지 시스템(100)에 의하면 전체 연료이용률을 90% 이상으로 향상시키는 효과를 얻을 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 연료전지 시스템(100)은 열교환기(400)를 더 포함할 수 있다.
열교환기(400)는 연료 이송라인(22) 상에 설치되어, 제1 연료전지 스택(200)으로부터 유입되어 통과하는 애노드 배출가스와 물 분리부(500)로부터 유입되어 통과하는 애노드 배출가스의 열교환이 이루어질 수 있다.
이에 따라, 물 분리부(500)로부터 유입되어 통과하는 애노드 배출가스는, 상기 열교환기(400)에서의 열교환에 의해, 제2 연료전지 스택(300)의 제2 연료극(310)에 유입되기 전에 제2 연료극(310)에서의 연료전지 반응에 필요한 온도로 승온될 수 있다.
구체적으로, 연료 이송라인(22)은, 제1 연료극(210)에서 배출되는 애노드 배출가스를 열교환기(400)로 안내하는 제1 라인(22a)과, 열교환기(400)에서 배출되는 애노드 배출가스를 물 분리부(500)로 안내하는 제2 라인(22b)과, 물 분리부(500)에서 배출되는 애노드 배출가스를 열교환기(400)로 안내하는 제3 라인(22c)과, 열교환기(400)로부터 배출되는 애노드 배출가스를 제2 연료극(310)으로 안내하는 제4 라인(22d)을 포함할 수 있다.
그리고, 본 발명에 따른 연료전지 시스템(100)에서, 제3 라인(22c)을 통해 열교환기(400)로 안내된 애노드 배출가스는, 제1 라인(22a)을 통해 열교환기(400)로 안내된 애노드 배출가스와의 열교환에 의해 승온된 후, 제4 라인(22d)을 통해 제2 연료전지 스택(300)으로 안내될 수 있다.
구체적으로, 제1 연료극(210)에서 배출되어 제1 라인(22a)을 통해 열교환기(400)로 유입되는 애노드 배출가스는 고온(예를 들어 약 750℃ 내지 800℃ 정도)이며, 물 분리부(500)에서 배출되어 제3 라인(22c)을 통해 열교환기(400)로 유입되는 애노드 배출가스의 온도는 상대적으로 저온(예를 들어 약 100℃ 이하)일 수 있다. 따라서, 제3 라인(22c)을 통해 유입된 저온의 애노드 배출가스는, 제1 라인(22a)에 의해 유입된 고온의 애노드 배출가스와의 열교환을 통해 승온된 후 제2 연료극(310)으로 유입될 수 있다.
이와 같이, 제2 연료전지 스택(300)의 연료전지 반응에 필요한 열원을 제1 연료전지 스택(200)의 연료전지 반응열을 활용하여 얻을 수 있으므로, 제2 연료전지 스택(300)의 반응열을 얻기 위한 별도의 장비를 필요로 하지 않고, 시스템의 열 효율을 향상시킬 수 있다.
한편, 물 분리부(500)는 내부가 기 설정된 온도 범위로 유지되는 항온조일 수 있다. 항온조는 내부에 저장되는 물의 온도를 일정하게 유지할 수 있다면 온도를 유지하는 방법에는 제한이 없으며, 예를 들어 담수나 해수가 저장되어 열원으로 활용할 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니며 전기나 가스, 공기를 열원으로 사용할 수도 있음은 물론이다.
이에 따라, 물 분리부(500) 내부의 온도는 수증기(water vapor)의 액화가 가능한 온도로 유지될 수 있으므로, 제1 연료전지 스택(200)으로부터 고온의 애노드 배출가스가 대량으로 또는 연속적으로 공급되는 경우에도, 내부의 온도를 유지하여 계속해서 수증기를 액화시킴으로써, 애노드 배출가스에서의 수증기 제거 효율을 향상시킬 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 연료전지 시스템(100)에서, 제1 공기극(230)에서 배출되는 공기의 온도는 고온(예를 들어, 약 750℃ 내지 800℃ 정도)이며, 제2 공기극(330)의 반응에 필요한 온도는 상대적으로 저온(예를 들어 약 700℃ 내지 750℃ 정도)이므로, 제1 공기극(230)에서 배출되는 공기를 냉각한 후 제2 공기극(330) 입구로 유입시킬 필요가 있다. 따라서, 본 발명에 따른 연료전지 시스템(100)은 공기공급원(30)에서 공급되는 공기 또는 물 분리부(500)에 저장된 물을 이용하여, 공기 이송라인(33)으로 이송되는 공기를 냉각시킬 수 있다.
구체적으로, 본 발명에 따른 연료전지 시스템(100)은, 냉각라인(41)을 더 포함할 수 있다. 냉각라인(41)은, 일측은 물 분리부(500)와 연통되고, 타측은 공기 이송라인(33)과 연통되거나 공기 이송라인(33)에 인접 또는 접촉되게 구비될 수 있다.
또한, 냉각라인(41)에는 제1 펌프(510)가 설치될 수 있고, 제1 펌프(510)는 냉각라인(41)을 통하여 물 분리부(500)에 저장된 물을 공기 이송라인(33)까지 수송할 수 있다.
여기서, 공기 이송라인(33)을 통해 이송되는 공기가 물 분리부(500)에 저장된 물에 의해 냉각될 수 있다면 냉각방식에는 제한이 없이 적용될 수 있다. 예를 들어, 냉각라인(41)의 일측은 물 분리부(500)와 연통되게 설치되어 물 분리부(500)에 저장된 물이 냉각라인(41)으로 유입될 수 있다. 또한, 예를 들어 냉각라인(41)의 타측은, 공기 이송라인(33)과 연통되게 설치되어 공기 이송라인(33)으로 물 분리부(500)의 물이 유입되어 섞임으로써 이송되는 공기를 냉각시킬 수도 있으며, 다른 예로 냉각라인(41)의 타측이 공기 이송라인(33)에 인접 또는 접촉되게 구비됨으로써 공기 이송라인(33)을 통과하는 공기를 간접적으로 냉각시킬 수 있다. 다만, 냉각라인(41)의 타측으로 이송된 물이 공기 이송라인(33)에 연결되는 방식은 상기한 바에 한정하는 것은 아니며 다양한 변형실시가 가능하다.
한편, 본 발명에 따른 연료전지 시스템(100)은 제2 공기 공급라인(32)을 더 포함할 수 있다. 제2 공기 공급라인(32)은, 일측은 공기를 공급하는 공기공급원(30)과 연결되고, 타측은 공기 이송라인(33)과 연통되거나 공기 이송라인(33)에 인접 또는 접촉되게 구비될 수 있다.
여기서, 제2 공기 공급라인(32)의 일측은, 공기공급원(30)과 연통되거나 제1 공기 공급라인(31)에서 분기되어 형성될 수 있으며, 이에 따라 공기공급원(30)에서 공급되는 공기를 공기 이송라인(33)으로 이송시킬 수 있다. 또한, 제2 공기 공급라인(32)의 타측은 공기 이송라인(33)과 연통되게 설치되어 공기 이송라인(33)으로 외부의 공기를 유입시킴으로써 제1 공기극(230)으로부터 이송되는 공기를 냉각시킬 수 있고, 다른 예로 제2 공기 공급라인(32)의 타측이 공기 이송라인(33)에 인접 또는 접촉되게 구비됨으로써 공기 이송라인(33)을 통과하는 공기를 간접적으로 냉각시킬 수 있다. 다만, 제2 공기 공급라인(32)의 타측으로 이송된 물이 공기 이송라인(33)에 연결되는 방식은 상기한 바에 한정하는 것은 아니며 다양한 변형실시가 가능하다.
한편, 본 발명에 따른 연료전지 시스템(100)은 연료 공급라인(21)과 물 보충라인(42)을 더 포함할 수 있다.
연료 공급라인(21)은 연료를 공급하는 연료공급원(20)과 제1 연료극(210)을 연결할 수 있다. 또한, 물 보충라인(42)은 연료 공급라인(21)과 물 분리부(500)를 연결할 수 있다.
그리고, 본 발명에 따른 연료전지 시스템(100)은 물 보충라인(42)을 통해 물 분리부(500)에 저장된 물을 연료 공급라인(21)으로 유입시켜 제1 연료극(210)으로 공급되는 연료의 개질 반응에 이용할 수 있다. 여기서, 물 보충라인(42)에는 제2 펌프(520)가 설치될 수 있고, 제2 펌프(520)는 물 보충라인(42)을 통하여 물 분리부(500)에 저장된 물을 연료 공급라인(21)까지 수송할 수 있다.
이와 같은 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 시스템을 이용하면, 제1 연료전지 스택의 미반응 연료가스를 제2 연료전지 스택으로 공급함으로써, 연료전지 시스템 전체의 연료 이용률을 향상시킬 수 있다.
아울러, 본 발명에 따르면, 물 분리부에 의해 제1 연료전지 스택에서 배출되는 애노드 배출가스에서 수증기와 같은 불순물을 제거한 후 제2 연료전지 스택으로 공급함으로써, 제2 연료전지 스택으로 양질의 미반응 연료가스를 공급하여, 미반응 연료가스의 이용 효율과 연료전지 스택의 전기 출력 효율을 극대화시킬 수 있다.
이상, 본 발명의 특정 실시예에 대하여 상술하였지만, 본 발명의 사상 및 범위는 이러한 특정 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 청구범위에 기재된 본 발명의 요지를 변경하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 실시가 가능하다.
100 : 연료전지 시스템 200 : 제1 연료전지 스택
210 : 제1 연료극 230 : 제1 공기극
300 : 제2 연료전지 스택 310 : 제2 연료극
330 : 제2 공기극 400 : 열교환기
500 : 물 분리부 21 : 연료 공급라인
22 : 연료 이송라인 31 : 제1 공기 공급라인
32 : 제2 공기 공급라인 33 : 공기 이송라인
41 : 냉각라인 42 : 물 보충라인

Claims (9)

  1. 제1 연료전지 스택;
    상기 제1 연료전지 스택과 연결되는 제2 연료전지 스택;
    상기 제1 연료전지 스택과 상기 제2 연료전지 스택을 연결하여, 상기 제1 연료전지 스택에서 배출되는 애노드 배출가스를 상기 제2 연료전지 스택에 공급하는 연료 이송라인; 및,
    상기 연료 이송라인에 설치되어, 상기 제1 연료전지 스택으로부터 이송되는 애노드 배출가스에 포함된 수증기를 상 분리에 의해 분리하여 저장하는 물 분리부를 포함하는 연료전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 연료전지 스택은 연료를 공급받는 제1 연료극을 포함하고,
    상기 제2 연료전지 스택은 상기 제1 연료극으로부터 미반응 연료가스를 포함한 애노드 배출가스를 공급받는 제2 연료극을 포함하며,
    상기 연료 이송라인은 상기 제1 연료극과 상기 제2 연료극을 연결하는 연료전지 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 연료 이송라인 상에 설치되어, 상기 제1 연료전지 스택으로부터 유입되어 통과하는 애노드 배출가스와 상기 물 분리부로부터 유입되어 통과하는 애노드 배출가스의 열교환이 이루어지는 열교환기를 더 포함하는 연료전지 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 연료 이송라인은,
    상기 제1 연료극에서 배출되는 애노드 배출가스를 상기 열교환기로 안내하는 제1 라인;
    상기 열교환기에서 배출되는 애노드 배출가스를 상기 물 분리부로 안내하는 제2 라인;
    상기 물 분리부에서 배출되는 애노드 배출가스를 상기 열교환기로 안내하는 제3 라인; 및,
    상기 열교환기로부터 배출되는 애노드 배출가스를 상기 제2 연료극으로 안내하는 제4 라인을 포함하며,
    상기 제3 라인을 통해 상기 열교환기로 안내된 애노드 배출가스는, 상기 제1 라인을 통해 열교환기로 안내된 애노드 배출가스와의 열교환에 의해 승온된 후, 상기 제4 라인을 통해 상기 제2 연료전지 스택으로 안내되는 연료전지 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 물 분리부는, 내부가 기 설정된 온도 범위로 유지되는 항온조를 포함하는 연료전지 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 연료전지 스택은 공기를 공급받는 제1 공기극을 포함하고,
    상기 제2 연료전지 스택은 상기 제1 공기극으로부터 공기를 공급받는 제2 공기극을 포함하며,
    상기 제1 공기극과 상기 제2 공기극은 공기 이송라인에 의해 연결되는 연료전지 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    일측은 상기 물 분리부와 연통되고, 타측은 상기 공기 이송라인과 연통되거나 상기 공기 이송라인에 인접 또는 접촉되게 구비되는 냉각라인을 더 포함하며,
    상기 냉각라인으로 유입되는 상기 물 분리부의 물에 의해 상기 공기 이송라인을 통과하는 공기를 냉각시키는 연료전지 시스템.
  8. 제6항에 있어서,
    일측은 공기를 공급하는 공기공급원과 연결되고, 타측은 상기 공기 이송라인과 연통되거나 상기 공기 이송라인에 인접 또는 접촉되게 구비되는 제2 공기 공급라인을 더 포함하며,
    상기 제2 공기 공급라인으로 공급되는 공기에 의해 상기 공기 이송라인을 통과하는 공기를 냉각시키는 연료전지 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    연료를 공급하는 연료공급원과, 상기 제1 연료전지 스택에 구비된 제1 연료극을 연결하는 연료 공급라인; 및,
    상기 연료 공급라인과 상기 물 분리부를 연결하는 물 보충라인을 더 포함하며,
    상기 물 보충라인을 통해 상기 물 분리부에 저장된 물을 상기 연료 공급라인으로 유입시켜, 상기 제1 연료극으로 공급되는 연료의 개질반응에 이용하는 연료전지 시스템.
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