KR20200058922A - 연료전지용 열캐스캐이드 시스템 및 그 운영방법 - Google Patents

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Abstract

연료전지용 열캐스캐이드 시스템 및 그 운영방법이 소개된다.
이 중에서 연료전지용 열캐스캐이드 시스템은, 연료 공급을 위한 연료 공급기와, 연료 공급기로부터 연료를 공급받아 연료가스를 생성하는 개질기와, 개질기에서 생성된 연료가스를 이용한 전기화학반응을 통해 기전력을 발생시키는 연료전지 스택과, 연료전지 스택에서 배출된 미반응 가스를 산화시키는 촉매 산화기와, 촉매 산화기에서 발생된 배가스를 이용하여 공기를 예열하고 예열된 공기를 연료전지 스택에 공급하는 공기 예열 유닛과, 촉매 산화기에서 발생된 배가스를 이용하여 스팀을 발생시키고 발생된 스팀을 개질기에 제공하는 스팀 발생기를 포함할 수 있다.

Description

연료전지용 열캐스캐이드 시스템 및 그 운영방법{THERMAL CASCADE SYSTEM FOR FUEL CELL AND MANAGEMENT METHOD THEREOF}
본 발명은 연료전지용 열캐스캐이드 시스템 및 그 운영방법에 관한 것이다.
연료전지는 전기화학반응을 통해 연료의 화학 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 장치로, 에너지 변화효율이 열기관에 비하여 월등히 높기 때문에 연료 소비와 오염물질 및 온실가스 배출을 크게 저감할 수 있는 것으로 알려져 있다.
특히, 고체 산화물 연료전지(SOFC: Solid oxide fuel cell)는 다공성의 양극과 음극 및 두 개의 전극 사이에 치밀한 구조의 전해질로 구성되고, 양극에는 공기가 공급되고, 음극에는 수소 또는 연료가 공급된다. 이러한 단전지들을 연결재를 이용하여 상호 유기적인 연결을 통해 하나의 고체 산화물 연료전지 스택을 구성하므로, 전력 수요에 따라 수W에서 MW급까지 광범위하게 시스템을 구현할 수 있으며, 가정용에서부터 대규모 발전용으로 응용범위가 넓다.
그런데 종래 연료전지의 경우, 열에너지 효율화 관점보다는 유지관리의 용이성을 우선하여, 개질기, 오프가스 산화기, 열교환기를 분리하여 시스템을 구성함으로써, 열손실이 증가되고, 외부 연료의 추가 공급 등으로 인해 에너지 효율성이 낮다.
특히, 전지 스택의 용량 증대를 단위 스택의 추가 배열을 통해 진행하는 경우, 단위 스택이 배열되는 중심부 영역에 고온 적열이 발생되어 스택 운전 효율이 저하될 수 있다.
이에 다수 스택 배열에 따른 적열부 해소와 함께, 요소 시스템간에 열손실을 최소화하기 위한 공정 배열의 최적화가 요구되고 있다.
국내 공개특허공보 10-2013-0033824호 (2013.04.04. 공개)
본 발명의 실시예들은 연료전지 스택의 화학 반응열과 미반응 가스를 외부 공기의 예열, 스팀 생산 및 연료 개질에 재 이용하여 열에너지의 효율적인 활용이 가능한 연료전지용 열캐스캐이드 시스템 및 그 운영방법을 제공하고자 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 열캐스캐이드 시스템은, 연료 공급을 위한 연료 공급기; 상기 연료 공급기로부터 연료를 공급받아 연료가스를 생성하는 개질기; 상기 개질기에서 생성된 연료가스를 이용한 전기화학반응을 통해 기전력을 발생시키는 연료전지 스택; 상기 연료전지 스택에서 배출된 미반응 가스를 산화시키는 촉매 산화기; 상기 촉매 산화기에서 발생된 배가스를 이용하여 공기를 예열하고, 예열된 공기를 상기 연료전지 스택에 공급하는 공기 예열 유닛; 및 상기 촉매 산화기에서 발생된 배가스를 이용하여 스팀을 발생시키고, 발생된 스팀을 상기 개질기에 제공하는 스팀 발생기를 포함할 수 있다.
이때, 본 발명은 상기 연료 공급기와 상기 개질기 사이에 위치되고, 압력 차이를 이용하여 상기 연료 공급기의 상기 연료 및 상기 스팀 발생기의 상기 스팀을 공급받아 상기 개질기에 제공하는 이젝터를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 연료 공급기의 연료를 상기 촉매 산화기로 바이패스하는 연료 바이패스를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 공기 예열 유닛에서 예열된 공기를 상기 촉매 산화기로 바이패스하는 공기 바이패스를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 연료전지 스택에서 배출된 미반응 가스를 상기 이젝터로 피드백하기 위한 미반응가스 루프를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 공기 예열 유닛은 외부에서 공급된 공기를 상기 촉매 산화기의 배가스로 예열하는 잠열 회수기; 및 상기 잠열 회수기에서 예열된 공기를 상기 촉매 산화기의 배가스를 이용하여 재 예열한 후, 상기 연료전지 스택에 공급하는 공기 예열기를 포함할 수 있다.
또한, 상기 연료전지 스택은 상기 촉매 산화기를 중심으로 이격 배치되는 복수의 전지 스택; 상기 개질기로부터 상기 연료가스를 제공받은 메인 매니폴드; 상기 메인 매니폴드 내 상기 연료가스를 복수의 상기 전지 스택에 공급하기 위해, 상기 메인 매니폴드와 복수의 상기 전지 스택 사이를 연결하는 복수의 서브 매니폴드; 및 복수의 상기 서브 매니폴드와 상기 촉매 산화기를 연결하는 연결 매니폴드를 포함할 수 있다.
또한, 상기 메인 매니폴드는 고리 형태로 제공되고, 복수의 상기 서브 매니폴드가 원주방향을 따라 상면에서 이격 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 열캐스캐이드 시스템의 운영방법은, 연료 공급기에서 연료를 공급하는 단계; 연료 공급기에서 공급된 연료를 이용하여 개질기에서 연료가스를 생성하는 단계; 연료가스를 이용한 전기화학반응을 통해 연료전지 스택에서 기전력을 발생시키는 단계; 연료전지 스택에서 배출된 미반응 가스를 촉매 산화기에서 산화시키는 단계; 촉매 산화기에서 발생된 배가스를 이용하여 공기를 예열한 후, 예열된 공기를 연료전지 스택에 공급하는 단계; 및 촉매 산화기에서 발생된 배가스를 이용하여 스팀을 발생시킨 후, 발생된 스팀을 개질기에 제공하는 단계를 포함할 수 있다.
이때, 본 발명은 상기 연료를 연료 공급기에 공급하는 단계 이후, 연료 공급기의 연료를 촉매 산화기로 바이패스하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 촉매 산화기에서 산화시키는 단계 이후, 촉매 산화기에서 발생된 배가스를 이용하여 공기를 예열한 후, 예열된 공기를 촉매 산화기로 바이패스하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 연료전지 스택에서 기전력을 발생하는 단계 이후, 연료전지 스택에서 배출된 미반응 가스를 개질기로 피드백하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들은 요소공정을 열에너지 생산 및 분배에 최적화함으로써, 시스템의 열손실을 최소화할 수 있고, 열에너지 효율성을 향상시킬 수 있다는 이점이 있다.
또한, 본 발명의 실시예들은 연료전지 스택에서 발생된 미반응 가스의 산화열을 개질기의 연료 개질에 필요한 흡열반응으로 이용함으로써, 외부 열원의 공급 없이도, 개질기에서의 연료 개질이 가능하다는 이점이 있다. 이를 통해, 공정 에너지 효율을 향상시킬 수 있고, 시스템의 장치가 컴팩트될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들은 요소공정 배치의 최적화를 통해, 연료전지 스택의 다수개 배열시, 전지 스택의 중심부에서 발생되는 적열 문제를 해소할 수 있다는 이점이 있다.
또한, 본 발명의 실시예들은 무동력을 통해 고온의 오프 가스를 재순화시킬 수 있으므로, 고온 열에너지를 연료 예열에 직접 활용이 가능하고, 스팀과 완전 혼합이 가능하다는 이점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 연료전지용 열캐스캐이드 시스템을 나타내는 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 연료전지용 열캐스캐이드 시스템을 도시한 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 연료전지용 열캐스캐이드 시스템을 도시한 결합 사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 연료전지용 열캐스캐이드 시스템의 운영방법을 나타내는 블록도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 구성 및 작용에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 설명은 특허 청구 가능한 본 발명의 여러 측면(aspects) 중 하나이며, 하기의 설명은 본 발명에 대한 상세한 기술의 일부를 이룰 수 있다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어 공지된 구성 또는 기능에 관한 구체적인 설명은 본 발명을 명료하게 하기 위해 생략할 수 있다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예들을 포함할 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
그리고 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성요소들은 이와 같은 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 이 용어들은 하나의 구성요소들을 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결되어' 있다거나 '접속되어' 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
도 1은 본 발명에 따른 연료전지용 열캐스캐이드 시스템을 나타내는 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 연료전지용 열캐스캐이드 시스템을 도시한 분해 사시도이며, 도 3은 본 발명에 따른 연료전지용 열캐스캐이드 시스템을 도시한 결합 사시도이다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 열캐스캐이드 시스템(10)은, 연료 공급기(100), 이젝터(700), 개질기(200), 연료전지 스택(300), 촉매 산화기(400), 공기 예열 유닛(500) 및 스팀 발생기(600)를 포함할 수 있다.
구체적으로, 연료 공급기(100)는 연료를 이젝터(700)를 통해 개질기(200)에 제공할 수 있다. 이 연료 공급기(100)는 연료 공급탱크(미도시)로부터 연료를 공급받아 이젝터(700)에 연료를 제공하거나, 연료를 수용한 상태에서 배관을 통해 이젝터(700)에 연료를 제공할 수 있다.
본 실시예에서, 연료 공급기(100)를 통해 이젝터(700)로 공급되는 연료는, 탄화수소계 연료일 수 있으나, 이에 한정되지는 아니하며, 연료전기 스택을 통해 기전력의 발생이 가능한 다양한 종류의 연료가 사용될 수 있음은 물론이다.
이젝터(700)는 연료 공급기(100)와 개질기(200) 사이에 위치되어, 원료(연료, 스팀, 미반응 가스...)를 개질기(200)로 공급할 수 있다. 이젝터(700)는 내부에 벤츄리 구조를 제공함으로써, 별도의 구동장치 없이도, 압력 차이(일예로, 벤츄리 효과)를 이용하여 원료를 이동시킬 수 있다.
이젝터(700)에는 연료 공급기(100)의 연료, 스팀 발생기(600)의 스팀 및 연료전지 스택(300)의 미반응 가스가 각각 유입될 수 있다. 이젝터(700)에 유입된 연료, 스팀 및 미반응 가스는, 개질기(200)로 공급될 수 있다.
개질기(200)는 연료 공급기(100)로부터 연료를 공급받아 연료가스를 생성할 수 있다. 이때, 연료가스는 연료, 스팀, 미반응 가스가 개질기(200)를 통해 가열 반응하여 생성된 수소 등이 포함한 가스로 이해될 수 있다. 예컨대, 개질기(200)는 연료, 스팀 및 미반응 가스를 가열 반응하여 연료가스를 생성할 수 있다. 개질기(200)에서 생성된 연료가스는 연료전지 스택(300)으로 공급될 수 있다.
연료전지 스택(300)은 개질기(200)의 연료가스를 이용한 전기화학반응을 통해 기전력을 발생시킬 수 있다. 예컨대, 연료전지 스택(300)은 개질기(200)로부터 공급받은 연료가스 및 공기를 이용하여 전기화학반응을 일으켜 기전력을 발생시킬 수 있다. 이 연료전지 스택(300)에서 발생가능한 최대 전력값은 개질기(200)로부터 공급되는 수소의 양에 의해 영향을 받을 수 있다.
연료전지 스택(300)은 전지 스택(310), 메인 매니폴드(320), 서브 매니폴드(330) 및 연결 매니폴드(340)를 포함할 수 있다. 여기서, 전지 스택(310)은 촉매 산화기(400)가 배치되는 소정 공간을 중심으로 이격 배치되는 복수로 제공될 수 있다.
특히, 복수의 전지 스택(310)은 복수의 단위 스택 배열시, 복수의 전지 스택(310)의 중심부 영역(소정 공간)에는 촉매 산화기(400), 이젝터(700) 및 공기 예열 유닛(500) 및 스팀 발생기(600)가 배치될 수 있으므로, 단위 스택이 배열되는 중심부 영역에서 발생되는 고온 적열로 인한 스택 운전 효율의 저하를 방지할 수 있다.
메인 매니폴드(320)는 개질기(200)로부터 공급받은 연료가스를 복수의 서브 매니폴드(330)로 분배하여 제공할 수 있다. 이를 위해, 메인 매니폴드(320)는 고리 형태로 제공될 수 있고, 메인 매니폴드(320)의 상면에는 복수의 서브 매니폴드(330)가 원주방향을 따라 이격되게 배치될 수 있다.
그리고 복수의 서브 매니폴드(330)는 메인 매니폴드(320) 내 연료가스를 복수의 전지 스택(310)에 공급하기 위해, 메인 매니폴드(320)와 복수의 전지 스택(310) 사이를 연결할 수 있다. 연결 매니폴드(340)는 복수의 서브 매니폴드(330)와 촉매 산화기(400)를 연결할 수 있다.
촉매 산화기(400)는 연료전지 스택(300)에서 배출된 미반응 가스를 산화시킬 수 있다. 이 촉매 산화기(400)는 미반응 가스를 산화시킬 수 있는 통상의 촉매 산화기에 대응되는 구성이므로, 이에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
공기 예열 유닛(500)은 배가스와 열교환이 가능한 열교환기로, 촉매 산화기(400)에서 발생된 배가스를 이용하여 공기를 예열할 수 있고, 예열된 공기를 연료전지 스택(300)에 공급할 수 있다.
이러한 공기 예열 유닛(500)은 외부에서 공급된 공기를 촉매 산화기(400)의 배가스로 예열하는 잠열 회수기(510)와, 잠열 회수기(510)에서 예열된 공기를 촉매 산화기(400)의 배가스를 이용하여 재 예열한 후, 연료전지 스택(300)에 공급하는 공기 예열기(520)로 구성될 수 있다.
스팀 발생기(600)는 공기 예열 유닛(500)과 유사하게 배가스와 열교환이 가능한 열교환기로, 촉매 산화기(400)에서 발생된 배가스를 이용하여 스팀을 발생시키고, 발생된 스팀을 개질기(200)에 제공할 수 있다.
이들 잠열 회수기(510), 공기 예열기(520) 및 스팀 발생기(600)는, 연료전지 스택(300)의 중심부, 다시 말해 복수의 전지 스택(310)의 중심부 영역에 연속하여 배치되는 3단 복합 열교환기일 수 있다.
이와 같이, 잠열 회수기(510), 공기 예열기(520) 및 스팀 발생기(600)는, 촉매 산화기(400)에서 발생된 배가스를 이용하여 공기를 예열함으로써, 시스템의 열손실을 최소화하는 동시에, 공정 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.
한편, 연료 공급기(100)의 연료는 연료 바이패스(710)를 통해 촉매 산화기(400)로 바이패스될 수 있다. 연료 바이패스(710)는 연료 공급기(100)와 이젝터(700) 사이를 연결하는 배관과, 연료전지 스택(300)과 촉매 산화기(400)를 연결하는 배관 사이를 상호 연결할 수 있다. 이때, 연료를 촉매 산화기(400)로 바이패스하기 위해, 별도의 제어밸브가 사용될 수 있다.
그리고 공기 예열 유닛(500)에서 예열된 공기는, 공기 바이패스(730)를 통해 촉매 산화기(400)로 바이패스될 수 있다. 공기 바이패스(730)는 공기 예열기(520)와 연료전지 스택(300)을 연결하는 배관과, 연료전지 스택(300)과 촉매 산화기(400)를 연결하는 배관 사이를 상호 연결할 수 있다. 이때, 공기를 촉매 산화기(400)로 바이패스하기 위해, 별도의 제어밸브가 사용될 수 있다.
또한, 연료전지 스택(300)에서 배출된 미반응 가스는, 미반응가스 루프(720)를 통해 이젝터(700)로 피드백할 수 있다. 미반응가스 루프(720)는 연료전지 스택(300)과 촉매 산화기(400)를 연결하는 배관과 이젝터(700) 사이를 상호 연결할 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 연료전지용 열캐스캐이드 시스템의 운영방법을 나타내는 블록도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 열캐스캐이드 시스템의 운영방법은, 연료 공급기에서 연료를 공급하는 단계(S100)와, 개질기에서 연료가스를 생성하는 단계(S200)와, 연료전지 스택에서 기전력을 발생하는 단계(S300)와, 촉매 산화기에서 산화시키는 단계(S400)와, 공기를 연료전지 스택에 공급하는 단계(S500)와, 스팀을 개질기에 제공하는 단계(S600)를 포함할 수 있다.
상기 연료 공급기에서 연료를 공급하는 단계(S100)는, 연료를 연료 공급기를 통해 이젝터로 공급한다. 이때, 연료는 탄화수소계 연료가 사용될 수 있다. 연료는 이젝터를 통해 개질기로 이동되지만, 연료 중에서 일부는 연료 바이패스를 통해 촉매 산화기로 선택적으로 이동될 수 있다.
상기 개질기에서 연료가스를 생성하는 단계(S200)는, 연료 공급기에서 공급된 연료를 이용하여 개질기에서 연료가스를 생성한다. 개질기는 이젝터를 통해 공급받은 연료, 스팀 및 미반응 가스를 가열 반응하여 연료가스를 생성할 수 있다. 개질기에서 생성된 연료가스는 연료전지 스택으로 공급될 수 있다.
상기 연료전지 스택에서 기전력을 발생하는 단계(S300)는, 연료가스를 이용한 전기화학반응을 통해 연료전지 스택에서 기전력을 발생시킨다. 연료전지 스택에서 배출된 미반응 가스는 미반응가스 루프를 통해 개질기로 피드백될 수 있다.
상기 촉매 산화기에서 산화시키는 단계(S400)는, 연료전지 스택에서 배출된 미반응 가스를 촉매 산화기에서 산화시킨다.
상기 공기를 연료전지 스택에 공급하는 단계(S500)는, 촉매 산화기에서 발생된 배가스를 이용하여 공기를 예열한 후, 예열된 공기를 연료전지 스택에 공급한다. 예컨대, 촉매 산화기에서 발생된 배가스는 공기 예열기 및 잠열 회수기에서 열교환을 통해 공기를 예열시킬 수 있다. 이때, 예열된 공기는 연료전지 스택으로 이동될 수 있다.
상기 스팀을 개질기에 제공하는 단계(S600)는, 촉매 산화기에서 발생된 배가스를 이용하여 스팀을 발생시킨 후, 발생된 스팀을 개질기에 제공한다. 예컨대, 촉매 산화기에서 발생된 배가스는 스팀 발생기에서 열교환을 통해 스팀을 발생시킬 수 있다. 이때, 발생된 스팀은 이젝터로 이동될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 요소공정을 열에너지 생산 및 분배에 최적화하여, 시스템의 열손실을 최소화하고 열에너지 효율성을 향상시킬 수 있고, 연료전지 스택에서 발생된 미반응 가스의 산화열을 개질기의 연료 개질에 필요한 흡열반응으로 이용할 수 있으므로, 외부 열원의 공급 없이도, 개질기에서의 연료 개질이 가능하고, 요소공정 배치의 최적화를 통해, 연료전지 스택의 다수개 배열시, 전지 스택의 중심부에서 발생되는 적열 문제를 해소할 수 있으며, 무동력을 통해 고온의 오프 가스를 재순화시킬 수 있으므로, 고온 열에너지를 연료 예열에 직접 활용이 가능하고, 스팀과 완전 혼합이 가능하다는 요소공정을 열에너지 생산 및 분배에 최적화함으로써, 시스템의 열손실을 최소화하고 열에너지 효율성을 향상시킬 수 있다는 이점이 있다.
또한, 본 발명의 실시예들은 연료전지 스택에서 발생된 미반응 가스의 산화열을 개질기의 연료 개질에 필요한 흡열반응으로 이용할 수 있으므로, 외부 열원의 공급 없이도, 개질기에서의 연료 개질이 가능하다. 결국, 공정 에너지 효율을 향상시킬 수 있고, 시스템의 장치가 컴팩트될 수 있다는 이점이 있다.
또한, 본 발명의 실시예들은 요소공정 배치의 최적화를 통해, 연료전지 스택의 다수개 배열시, 중심부에서 발생되는 적열 문제를 해소할 수 있다는 이점이 있다.
또한, 본 발명의 실시예들은 무동력을 통해 고온의 오프 가스를 재순화시킬 수 있으므로, 고온 열에너지를 연료 예열에 직접 활용이 가능하고, 스팀과 완전 혼합이 가능하다는 이점이 있다. 등의 우수한 장점을 갖는다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어 당업자는 각 구성요소의 재질, 크기 등을 적용 분야에 따라 변경하거나, 실시형태들을 조합 또는 치환하여 본 발명의 실시예에 명확하게 개시되지 않은 형태로 실시할 수 있으나, 이 역시 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것으로 한정적인 것으로 이해해서는 안 되며, 이러한 변형된 실시예는 본 발명의 특허청구범위에 기재된 기술사상에 포함된다고 하여야 할 것이다.
100 :연료 공급기 200 :개질기
300 :연료전지 스택 310 :전지 스택
320 :메인 매니폴드 330 :서브 매니폴드
400 :촉매 산화기 500 :공기 예열 유닛
600 :스팀 발생기 700 :이젝터
710 :연료 바이패스 720 :미반응가스 루프
730 :공기 바이패스

Claims (12)

  1. 연료 공급을 위한 연료 공급기;
    상기 연료 공급기로부터 연료를 공급받아 연료가스를 생성하는 개질기;
    상기 개질기에서 생성된 연료가스를 이용한 전기화학반응을 통해 기전력을 발생시키는 연료전지 스택;
    상기 연료전지 스택에서 배출된 미반응 가스를 산화시키는 촉매 산화기;
    상기 촉매 산화기에서 발생된 배가스를 이용하여 공기를 예열하고, 예열된 공기를 상기 연료전지 스택에 공급하는 공기 예열 유닛; 및
    상기 촉매 산화기에서 발생된 배가스를 이용하여 스팀을 발생시키고, 발생된 스팀을 상기 개질기에 제공하는 스팀 발생기를 포함하는 연료전지용 열캐스캐이드 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 공급기와 상기 개질기 사이에 위치되고, 압력 차이를 이용하여 상기 연료 공급기의 상기 연료 및 상기 스팀 발생기의 상기 스팀을 공급받아 상기 개질기에 제공하는 이젝터를 더 포함하는 연료전지용 열캐스캐이드 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 공급기의 연료를 상기 촉매 산화기로 바이패스하는 연료 바이패스를 더 포함하는 연료전지용 열캐스캐이드 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 공기 예열 유닛에서 예열된 공기를 상기 촉매 산화기로 바이패스하는 공기 바이패스를 더 포함하는 연료전지용 열캐스캐이드 시스템.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 연료전지 스택에서 배출된 미반응 가스를 상기 이젝터로 피드백하기 위한 미반응가스 루프를 더 포함하는 연료전지용 열캐스캐이드 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 공기 예열 유닛은
    외부에서 공급된 공기를 상기 촉매 산화기의 배가스로 예열하는 잠열 회수기; 및
    상기 잠열 회수기에서 예열된 공기를 상기 촉매 산화기의 배가스를 이용하여 재 예열한 후, 상기 연료전지 스택에 공급하는 공기 예열기를 포함하는 연료전지용 열캐스캐이드 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료전지 스택은
    상기 촉매 산화기를 중심으로 이격 배치되는 복수의 전지 스택;
    상기 개질기로부터 상기 연료가스를 제공받은 메인 매니폴드;
    상기 메인 매니폴드 내 상기 연료가스를 복수의 상기 전지 스택에 공급하기 위해, 상기 메인 매니폴드와 복수의 상기 전지 스택 사이를 연결하는 복수의 서브 매니폴드; 및
    복수의 상기 서브 매니폴드와 상기 촉매 산화기를 연결하는 연결 매니폴드를 포함하는 연료전지용 열캐스캐이드 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 메인 매니폴드는
    고리 형태로 제공되고, 복수의 상기 서브 매니폴드가 원주방향을 따라 상면에서 이격 배치되는 연료전지용 열캐스캐이드 시스템.
  9. 연료를 연료 공급기에 공급하는 단계;
    연료 공급기에서 공급된 연료를 이용하여 개질기에서 연료가스를 생성하는 단계;
    연료가스를 이용한 전기화학반응을 통해 연료전지 스택에서 기전력을 발생시키는 단계;
    연료전지 스택에서 배출된 미반응 가스를 촉매 산화기에서 산화시키는 단계;
    촉매 산화기에서 발생된 배가스를 이용하여 공기를 예열한 후, 예열된 공기를 연료전지 스택에 공급하는 단계; 및
    촉매 산화기에서 발생된 배가스를 이용하여 스팀을 발생시킨 후, 발생된 스팀을 개질기에 제공하는 단계를 포함하는 연료전지용 열캐스캐이드 시스템의 운영방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 연료를 연료 공급기에 공급하는 단계 이후, 연료 공급기의 연료를 촉매 산화기로 바이패스하는 단계를 더 포함하는 연료전지용 열캐스캐이드 시스템의 운영방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 촉매 산화기에서 산화시키는 단계 이후, 촉매 산화기에서 발생된 배가스를 이용하여 공기를 예열한 후, 예열된 공기를 촉매 산화기로 바이패스하는 단계를 더 포함하는 연료전지용 열캐스캐이드 시스템의 운영방법.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 연료전지 스택에서 기전력을 발생하는 단계 이후, 연료전지 스택에서 배출된 미반응 가스를 개질기로 피드백하는 단계를 더 포함하는 연료전지용 열캐스캐이드 시스템의 운영방법.
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