KR20210085524A

KR20210085524A - 연료전지 시스템

Info

Publication number: KR20210085524A
Application number: KR1020190178638A
Authority: KR
Inventors: 원재영; 이지혜; 양동근
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2019-12-30
Filing date: 2019-12-30
Publication date: 2021-07-08

Abstract

본 발명은 연료전지 시스템을 개시한다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템은 연료전지스택에서 전기를 생산하는 과정에서 물을 최대한 회수하도록 하기 위해 복수의 열교환기와 기액분리기를 사용하여 연료에서 포함된 수분, 수소에 포함된 수분, 공기에 포함된 수분을 분리하도록 한다. 뿐만 아니라, 본 발명의 연료전지 시스템은 연료전지스택에 전기를 사용하는 과정에서 공급되는 물을 최대한 회수하도록 한다. 이와 같이 본 발명의 연료전지 시스템에서는 최대한 많은 양의 물을 다시 회수함으로써 수자립을 확보할 수 있다.

Description

연료전지 시스템{Fuel cell system}

본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 복수의 열교환기와 기액분리기를 통해 물을 충분히 회수하여 재사용하도록 하는 연료전지 시스템에 관한 것이다.

연료전지 시스템은 크게 연료개질장치 및 연료전지스택을 포함한다. 연료개질장치는 연료전지스택에 수소를 공급하기 위해 탄화수소계 연료를 수소로 개질하는 장치이다. 연료전지스택은 연료개질장치로부터 공급받은 수소와 산소의 전기화학 반응을 통해 전력을 생산한다.

연료전지는 이러한 전기화학 반응에 의해 생성된 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 전기화학장치로서 전력 생성에 있어서 유망한 기술 중 하나로 평가된다.

이러한 연료전지는 통상적으로 애노드(또는 연료 전극), 캐소드(또는 산화제 전극) 및 전해질을 포함하며 연료와 산화제를 반응시켜 전기를 생성시킨다.

예를 들어, 수소의 연료 및 공기의 산화제는 연료전지에 연속적으로 공급되며, 이에 따라 연료전지는 수소와 공기가 제공되는 한 계속해서 전력을 생성한다.

개별 연료전지는 낮은 전력을 생성하기 때문에 다수의 연료전지는 통상적으로 유효전압의 전력을 생성하기 위해 연료전지스택으로 조립된다.

연료전지 시스템을 지속적으로 운전할 경우 시스템 내의 물의 양이 감소한다. 이에 따라 외부에서 시수를 추가로 보충해야 하므로, 이에 대한 비용이 증가하는 문제점이 있다.

또한, 상기와 같이 보충한 시수를 이온수지탑을 통해 증류수로 변환하는 과정이 필요하므로, 보충해야 하는 시수의 양이 많아질수록 이온수지탑의 이온수지의 사용량이 많아지기 때문에 이온수지의 교환주기가 짧아지는 문제점이 있다.

이러한 종래의 문제점을 해결하기 위해 대한한국 공개특허공보 제10-2012-0071288호(선행문헌 1) 및 대한민국 등록특허공보 제10-1951439호(선행문헌 2)에는 사용한 물을 회수하여 재사용하는 연료전지 시스템이 개시되어 있다.

하지만, 선행문헌 1 및 2에 개시된 연료전지 시스템의 경우 사용한 물을 회수하고는 있지만 회수되는 물의 양이 충분하지 않아 시수를 많이 공급해야 하는 문제점이 있다.

특히, 선행문헌 1 및 2에 개시된 연료전지 시스템은 연료전지스택의 애노드 및 캐소드 출구 가스가 매우 고온이다. 따라서 수분을 충분히 응축시켜 회수하는 것이 어려우므로 회수되는 물의 양도 적다는 문제점이 있다.

또한, 천연가스를 사용할 경우 연료 개질용 스팀이 별도로 필요한데, 연료전지스택의 반응에서 생성된 물로 충분하지 않을 수 있어 추가적인 순수(혹은 초순수)의 제조가 필요하다는 문제점이 있다.

또한, 선행문헌 1 및 2의 경우 애노드의 출구 가스를 재사용하지 않기 때문에 에너지 절감을 기재할 수 없다는 문제점이 있다.

대한민국 공개특허공보 제10-2012-0071288호 대한민국 등록특허공보 제10-1951439호

본 발명은 연료전지스택에서 전기를 생산하는 과정에서 사용된 물을 충분히 회수하도록 하는 연료전지 시스템을 제공하는데 목적이 있다.

본 발명은 연료전지 시스템을 지속적으로 운전하여도 시스템 내의 물의 양의 감소를 최소화하는 연료전지 시스템을 제공하는데 목적이 있다.

본 발명은 외부에서 연료전지 시스템으로 공급되는 물의 양을 최소화하는 연료전지 시스템을 제공하는데 목적이 있다.

본 발명은 연료전지스택의 애노드 및 캐소드의 출구가스가 고온이라도 출구가스 내부에 함유된 수분을 충분히 응축시켜 물로 회수하도록 하는 연료전지 시스템을 제공하는데 목적이 있다.

본 발명은 외부에서 연료전지 시스템으로 공급되는 시수의 양을 줄여 시수를 증류수로 변환하는 이온수지탑의 이온수지의 수명 및 교환주기를 늘이도록 하는 연료전지 시스템을 제공하는데 목적이 있다.

본 발명은 연료전지스택의 애노드 출구가스를 개질기 버너의 연료로 재사용하도록 하는 연료전지 시스템을 제공하는데 목적이 있다.

본 발명은 연료전지스택에서 전기를 생산하는 과정에서 사용된 물이 순환되면서 회수될 때 회수되는 물이 자유낙하하여 워터탱크로 회수되도록 각 장비들이 배치된 연료전지 시스템을 제공하는데 목적이 있다.

본 발명은 연료전지 시스템에서 물을 충분히 회수하고 회수된 물을 재사용하여 수자립이 구축된 연료전지 시스템을 제공하는데 목적이 있다.

본 발명은 외부로부터 열교환을 위한 시수가 공급되지 않더라도 가습된 공기로부터 물을 회수할 수 있도록 하는 연료전지 시스템을 제공하는데 목적이 있다.

본 발명은 워터탱크에서 연료전지스택으로 공급되는 물의 전도도가 기준치 미만으로 떨어지면 순수를 제조하여 워터탱크로 공급하도록 하는 연료전지 시스템을 제공하는데 목적이 있다.

본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템은 연료전지스택에서 전기를 생산하는 과정에서 물을 최대한 회수하도록 한다. 이를 위해 복수의 기액분리기를 사용하여 연료에서 포함된 수분, 수소에 포함된 수분, 공기에 포함된 수분을 분리하도록 한다.

뿐만 아니라, 본 발명의 연료전지 시스템은 연료전지스택에 전기를 사용하는 과정에서 공급되는 물을 최대한 회수하도록 한다. 이를 위해 연료전지스택을 냉각하기 위해 사용되는 냉각수를 회수하도록 한다.

이와 같이 연료전지 시스템에서는 가능한 많은 양의 물을 회수함으로써 수자립을 구현하고 추가로 사용되는 물의 양을 최소한으로 줄일 수 있게 된다.

본 발명의 연료전지 시스템은 연료전지스택에서 전기를 생산하기 위해서는 수소와 산소가 필요하다. 이에 연료개질장치에서 연료를 공급받아 물과 반응시켜 수소를 생산하여 연료전지스택의 애노드로 공급하고 공기공급장치에서 외부의 공기를 연료전지스택의 캐소드로 공급한다.

연료개질장치에 필요한 물은 워터탱크에서 공급된다. 워터탱크에서 연료개질장치로 물을 공급하기 위한 물공급배관에 제1워터펌프가 설치되며 제1워터펌트에 의해 워터탱크에 저장된 물을 물공급배관을 통해 연료개질장치로 공급된다.

연료개질장치는 공급되는 연료에 포함된 황 성분을 제거하는 탈황기, 황 성분이 제거된 연료와 제1워터펌프에 의해 워터탱크로부터 공급된 물을 반응시켜 수소를 생산하는 반응기, 반응기의 동작에 필요한 온도를 조절하기 위한 버너를 포함한다. 이때, 연료전지스택의 애노드에서 배출되는 가스는 버너로 공급되도록 한다. 이로써 버너에서 사용되는 연료를 재사용함으로써 연료에 대한 에너지 절감 효과를 기대할 수 있다.

연료전지스택은 수소와 산소의 전기화학반응을 통해 전기를 생산한다. 이러한 전기화학반응은 발열반응이므로 냉각수가 필요하다. 워터탱크에 저장된 물을 연료전지스택으로 냉각수로 공급한다.

이를 위해 워터탱크에서 연료전지스택으로 제1냉각수를 공급하기 위한 냉각수 공급배관에 제2워터펌프가 설치되며 제2워터펌프에 의해 워터탱크에서 제1냉각수가 냉각수 공급배관을 통해 연료전지스택으로 공급될 수 있다.

연료전지스택을 냉각시킨 후 배출되는 제1냉각수는 제2열교환장치와 제1열교환장치를 거쳐 워터탱크로 다시 회수된다.

제1열교환장치는 연료개질장치에서 생산된 수소와 연료전지스택에서 배출되는 제1냉각수 간에 열교환이 이루어지고 상기 수소에서 물을 분리하여 열교환된 제1냉각수와 분리된 물을 워터탱크로 공급하도록 한다.

구체적으로, 제1열교환장치는 수소와 제1냉각수 간의 열교환을 수행하고 열교환된 제1냉각수를 워터탱크로 공급하는 제1열교환기와 제1열교환기에서 배출된 수소에서 물을 분리하여 워터탱크로 공급하는 제1기액분리기를 포함한다.

이때, 제1열교환기 및 제1기액분리기에서 워터탱크로 공급되는 물이 자유낙하에 의해 워터탱크로 공급되도록 제1열교환기 및 제1기액분리기는 워터탱크의 상단에 배치된다.

본 실시예에서는 워터탱크에서 연료전지스택으로 공급된 냉각수는 최대한 회수하여 다시 워터탱크로 공급되도록 한다. 그리고 제1기액분리기에서도 수소에 함유된 수분을 분리하여 분리된 물을 워터탱크로 회수함으로써 최대한의 물을 회수할 수 있도록 한다.

제2열교환장치는 연료전지스택에서 출력되는 제1냉각수와 외부로부터 공급된 제2냉각수 간의 열교환이 이루어지고 열교환된 냉각수를 제1열교환장치로 공급한다.

본 발명의 연료전지시스템에서는 제2열교환장치로부터 공급되는 제2냉각수와 버너에서 배출되는 가스와의 열교환이 이루어지고 배출된 가스에서 물을 분리하여 분리된 물을 워터탱크로 공급하는 제3열교환장치를 포함할 수 있다.

구체적으로, 제3열교환장치는 제2열교환장치로부터 공급되는 제2냉각수와 버너의 배출가스와의 열교환을 수행하는 제3열교환기와, 제3열교환기에서 공급되는 배출가스에서 물을 분리하여 분리된 물을 워터펌프로 공급하는 제2기액분리기를 포함한다.

이때, 제2기액분리기에서 워터탱크로 공급되는 물이 자유낙하에 의해 워터탱크로 공급되도록 제2기액분리기는 워터탱크의 상단에 배치된다.

이와 같이 본 발명에 따른 연료전지 시스템에서는 제1열교환기뿐만 아니라 제3열교환기를 통해서도 버너의 배기가스에 함유된 물을 회수할 수 있으므로 물을 추가로 회수할 수 있다.

공기공급장치는 외부로부터 공급된 공기를 가습하여 가습공기를 캐소드로 공급하는 가습기를 포함할 수 있다. 이때, 가습기는 캐소드로 가습공기를 공급하면서도 캐소드에서 배출되는 공기를 공급받아 가습한 후 가습공기를 배출할 수 있다.

이와 같이 가습기로부터 배출되는 가습공기는 제4열교환장치로 공급되고 제4열교환장치는 상기 공급된 가습공기와 외부로부터 공급되는 시수와의 열교환이 이루어지고 열교환된 가습공기에서 물을 분리하여 분리된 물을 워터탱크로 공급하도록 한다.

구체적으로, 제4열교환장치는 가습기로부터 배출되는 가습공기와 외부로부터 공급되는 시수와의 열교환이 이루어지는 제4열교환기와, 상기 제4열교환기에서 열교환된 가습공기에서 물을 분리하여 분리된 물을 워터탱크로 공급하는 제3기액분리기를 포함한다.

이때, 제3기액분리기에서 워터탱크로 공급되는 물이 자유낙하에 의해 워터탱크로 공급되도록 제3기액분리기는 워터탱크의 상단에 배치된다.

제4열교환기에서 열교환된 시수는 이온교환수지장치에서 공급받는다. 이온교환수지장치는 이러한 시수에 대하여 이온교환 과정 및 필터링 과정을 통해 순수를 생산하여 워터탱크로 순수를 공급하도록 한다.

이와 같이 이온교환수지장치에서 워터탱크로 순수의 공급은 특정조건에서 이루어진다. 즉, 워터탱크에 저장된 물의 전도도를 측정하는 전도도센서에서 측정된 물의 전도도가 설정된 기준치 미만인 경우 이온교환수지장치에서 순수를 워터탱크로 공급하도록 한다. 이러한 과정을 통해 워터탱크에 저장된 물의 전도도가 기준치 이상으로 관리될 수 있도록 한다.

여기서, 제4열교환기의 전면 또는 후면에 일정한 거리를 두고 적어도 하나의 방열팬이 설치될 수 있다. 방열팬은 일정조건 하에서 동작될 수 있다. 즉, 시수가 공급되지 않는 경우 방열팬이 동작하여 제4열교환기를 냉각시키도록 한다.

시수가 제4열교환기로 공급되지 않으면 가습기로부터 배출되는 가습공기의 열교환이 이루어지지 않으므로, 시수 대신에 방열팬에 의한 공기를 이용하여 열교환을 수행하기 위한 것이다.

상기와 같이 본 발명의 연료전지 시스템에서는 복수의 장치에서 물을 회수하여 워터탱크로 다시 수집되므로 물 회수량이 많고, 이에 따라 추가로 외부에서 공급되는 물의 양을 최소화할 수 있다. 그리고 시수의 양이 줄어듦으로써 이온교환수지의 교체주기가 길어지고 수명도 늘어나게 된다.

또한, 본 발명의 연료전지 시스템에서는 연료전지스택을 최상단에 배치하고 워터탱크를 최하단에 배치하고 연료전지스택 및 워크탱크 사이에 위로부터 아래로 제2열교환장치 및 제1열교환장치를 순차적으로 배치함으로써 연료전지스택에서 배출되는 물이 자유낙하에 의해 제2열교환장치 및 제1열교환기를 거쳐 워터탱크에 회수되도록 한다. 이로써 물을 워터탱크로 회수하기 위해 물의 이동을 위한 펌프 등의 장비를 추가하지 않아도 되므로 이를 위한 비용을 절감할 수 있다.

본 발명에 의하면 연료전지 시스템에서 사용된 물을 충분히 회수할 수 있어 추가되는 물의 양을 줄일 수 있다.

본 발명에 의하면 연료전지 시스템을 지속적으로 운전하여도 시스템 내의 물의 양의 감소를 최소화하므로 추가되는 물의 비용을 절감할 수 있다.

본 발명에 의하면 외부에서 연료전지 시스템으로 공급되는 물의 양을 최소화하므로 물의 소비를 줄일 수 있다.

본 발명에 의하면 연료전지스택의 애노드 및 캐소드의 출구가스가 고온이라도 출구가스 내부에 함유된 수분을 충분히 응축시켜 물로 회수할 수 있다.

본 발명에 의하면 외부에서 연료전지 시스템으로 공급되는 시수의 양을 줄일 수 있으므로 시수를 증류수로 변환하는 이온수지탑의 이온수지의 수명 및 교환주기를 늘일 수 있다.

본 발명에 의하면 연료전지스택의 애노드 출구가스를 개질기 버너의 연료로 재사용하므로 에너지를 절감할 수 있다.

본 발명에 의하면 연료전지 시스템에서 순환하면서 회수되는 물이 자유낙하하여 워터탱크로 회수되도록 각 장비들을 물리적으로 상하로 배치함으로써 물의 공급을 위한 장치(예:펌프 등)가 필요하지 않아 전체적인 비용이 절감된다.

본 발명에 의하면 연료전지 시스템에서 물을 충분히 회수하고 회수된 물을 재사용하여 수자립이 구축될 수 있다.

본 발명에 의하면 연료전지스택으로 공급되는 가습공기를 열교환하여 물을 회수하되, 외부로부터 시수가 가습공기를 열교환하기 위한 열교환기로 공급되지 않는 경우에 방열팬을 가동하여 물을 회수할 수 있도록 함으로써 더 많은 물을 회수할 수 있도록 한다.

본 발명에 의하면 워터탱크에서 연료전지스택으로 공급되는 물의 전도도가 기준치 미만으로 떨어지면 순수를 제조하여 워터탱크로 공급하도록 하여 연료전지스택의 성능저하를 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 개략적인 구성도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 상세 구성도.
도 3은 상기 연료전지 시스템을 구성하는 장치들의 물리적인 배치도.

이하, 본 발명의 일부 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세히 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

또한, 본 발명의 실시 예의 구성요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 또 다른 구성요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 개략적인 구성도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 상세 구성도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에서 연료전지 시스템은 연료개질장치(110), 복수의 열교환장치(120), 연료전지스택(130), 공기공급장치(140), 워터탱크(150), 이온교환수지장치(160)를 포함할 수 있다. 또한 연료전지 시스템은 그 외 전력을 생산하기 위한 각종 보조설비(BOP:Balance Of Plant)(도지되지 않음)를 포함할 수 있다.

연료개질장치(110)는 공급되는 연료와 물을 반응시켜 수소를 생성한다. 공급되는 연료는 예를 들어 일반적으로 수소가 포함된 도시가스를 사용할 수 있지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 천연가스도 가능하며, 수소가 포함된 가스라면 모두 적용이 가능하다.

연료전지스택(130)은 복수개의 개별 연료전지가 스택 형태로 배치되며 연료개질장치(110)로부터 공급되는 수소와 공기 중의 산소의 전기화학반응으로 직류 전력을 생산한다.

연료전지는 연료인 수소와 산화제인 산소(공기)가 분리판의 유로를 통해 막전극 접합체의 애노드(anode)와 캐소드(cathode)로 각각 공급되며, 이때 수소는 애노드(연료극 또는 산화극)로 공급되고, 산소는 캐소드(공기극 또는 환원극)로 공급된다.

애노드로 공급된 수소는 전해질막의 양쪽에 구성된 전극층의 촉매에 의해 수소 이온(proton, H+)과 전자(electron, e-)로 분해되며, 이 중 수소 이온만이 선택적으로 양이온 교환막인 전해질막을 통과하여 캐소드로 전달되고, 동시에 전자는 도체인 기체 확산층과 분리판을 통해 캐소드로 전달된다.

캐소드에서는 전해질막을 통해 공급된 수소 이온과 분리판을 통해 전달된 전자가 공기공급장치에 의해 캐소드로 공급된 공기 중 산소와 만나서 물을 생성하는 반응을 일으킨다.

또한, 이때 일어나는 수소 이온의 이동에 기인하여 외부 도선을 통한 전자의 흐름이 발생하며, 이러한 전자의 흐름으로 전류가 생성된다.

각 열교환장치(120)는 연료전지스택(130)이 전력을 생산할 때 발생하는 열을 회수하는 기능을 수행한다. 즉, 각 열교환장치(120)는 물을 이용하여 고온의 가스 및 공기를 냉각시킨다. 특히, 공기를 냉각하는 경우 공기를 응축시켜 물이 후술될 워터탱크(150)로 회수되도록 할 수 있다.

공기공급장치(140)는 공기를 연료전지스택(130)으로 공급할 수 있다. 상술한 바와 같이 연료전지스택(130)은 공기공급장치(140)로부터 공급되는 공기에 함유된 산소와 연료인 수소가 전기화학반응을 일으켜 전기를 생산하도록 한다.

워터탱크(150)는 연료전지스택(130)으로 물을 공급한다. 바람직하게는 순수를 공급할 수 있다. 그리고 워터탱크(150)는 복수의 열교환장치(122)에서 응축되어 회수되는 물을 수집한다.

열교환수지장치(160)는 외부로부터 공급되는 시수를 이용하여 이온교환을 수행하고 필터링 과정을 거쳐 물로 유입될 수 있는 이온이나 불순물을 제거한 순수를 워터탱크(150)로 공급할 수 있다.

도 2을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템을 구체적으로 설명한다.

본 실시예에서 연료개질장치(110)는 탈황기(111)와 개질기(112)를 포함할 수 있다. 할 수 있다.

탈황기(111)는 연료에 포함된 황 성분을 제거할 수 있다. 탈황기(111)는 연료에 포함된 황성분을 필터링하는 탈황필터를 구비할 수 있다.

연료개질장치(110)로 공급되는 연료가스에는 안전한 사용을 위해 가스누출 등을 용이하게 식별할 수 있도록 인위적으로 유황성분 가스의 부취재를 함유시켜 둔다.

유황성분이 함유된 연료가스를 연료전지의 원료로 사용하는 경우에는 그 유황성분에 의하여 니켈계(Ni 계)나 류테늄계(Ru 계) 등의 개질 촉매가 피독되는 문제점이 발생되므로 탈황기(111)에서 황 성분을 제거하는 것이다.

개질기(112)는 반응기(113)와 버너(114)를 포함할 수 있다.

반응기(113)는 탈황기(111)에서 황이 제거된 연료가스와 워터탱크(150)에서 공급되는 물을 반응시켜 수소를 생생성하도록 한다.

워터탱크(150)에서 반응기(113)로 물을 공급하기 위한 물공급라인에는 제1워터펌프(152)가 설치되어 있다. 이러한 제1워터펌프(152)는 제어부(170)의 제어신호에 의해 동작될 수 있다.

이에, 제어부(170)는 반응기(113)에서 연료가스와 물을 반응시키고자 할 때 제1워터펌프(152)로 제어신호를 출력하여 워터탱크(150)에서 물공급라인을 통해 반응기(113)로 물이 공급되도록 할 수 있다.

버너(114)는 연료가스를 공급받아 가열함으로써 반응기(113)에서 연료가스와 물 간에 반응이 잘 이루어지도록 반응기(113)의 온도를 높이도록 한다.

열교환장치(120)는 복수 개로 구성될 수 있다. 도면에는 본 발명의 실시예에 따라 4개의 열교환장치(121,122,123,124)를 포함하는 예가 도시된다. 본 발명은 이에 한정되지 않으며 필요에 따라 열교환장치를 추가로 설치할 수도 있다.

제1열교환장치(121)는 제1열교환기(1211)와 기액분리기(1212)를 포함할 수 있다. 제1열교환기(1211)는 반응기(113)에서 출력되는 수소와 후술되는 제2교환장치(122)의 제2열교환기(1221)로부터 공급되는 물과 열교환을 수행한다.

제1열교환기(1211)에서 열교환된 수소는 제1기액분리기(1212)로 공급되고 열교환에 사용된 물은 워터탱크(150)로 회수된다.

제1기액분리기(1212)는 수소와 액체상태의 수분, 즉 물을 분리할 수 있다. 수소의 밀도를 고려하면 물의 밀도가 현저히 크기 때문에 복잡한 상분리 장치 없이도 물의 분리가 가능하다. 제1기액분리기(1212)에서 분리된 물도 워터탱크(150)로 회수된다.

연료전지스택(130)은 애노드와 캐소드, 그리고 애노드와 캐소드 사이에 배치되어 이온을 이동시키는 전해질을 포함한다. 연료개질장치(110)로부터 애노드에 공급되는 수소와 캐소드에 공급되는 공기에 포함된 산소가 전기화학반응함으로써, 전기가 생성된다.

도면에는 하나의 연료전지를 도시하지만, 실제로는 개별 연료전지가 수십 내지 수백개 배열되어 스택을 형성한다. 연료전지 및 연료전지스택(130)의 구조 및 특징은 공지기술이므로 상세한 설명은 생략한다.

연료전지스택(130)에서의 수소와 산소의 전기화학반응은 발열반응이므로 연료전지스택(130)을 냉각하기 위한 냉각수가 워터탱크(150)로부터 공급될 수 있다.

워터탱크(150)에서 연료전지스택(130)로 냉각수를 공급하기 위한 냉각수 공급라인에는 제2워터펌프(153)가 설치되어 있다. 제2워터펌프(152)는 제어부(170)의 제어신호에 의해 동작될 수 있다.

이에, 제어부(170)는 연료전지스택(130)에서 수소와 산소의 전기화학반응이 이루어질 때 제2워터펌프(153)로 제어신호를 출력하여 워터탱크(150)에서 냉각수 공급라인 통해 연료전지스택(130)으로 냉각수가 공급되도록 할 수 있다.

연료전지스택(130)의 애노드의 출구가스, 즉, 애노드 오프 가스(AOG:Anode Off Gas)는 개질기(112)의 버너(114)로 공급된다. 이러한 AOG 가스는 버터(114)의 연료로 사용될 수 있다.

이와 같이, 본 실시예에서는 연료전지스택(130)의 애노드에 배출되는 출구가스(AOG)를 개질기(112)의 버너(114)의 연료로 재사용하기 때문에 에너지 절감의 효과가 있다.

제2열교환장치(122)는 제2열교환기(1221)를 포함할 수 있다. 이러한 제2열교환기(1221)는 외부에서 공급되는 냉각수를 이용하여 연료전지스택(130)의 애노드에서 공급되는 물을 열교환하여 제1열교환기(1211)로 전달한다.

제3열교환장치(123)는 제3열교환기(1231)와 제2기액분리기(1232)를 포함할 수 있다. 제3열교환기(1231)는 버너(114)에서 배출된 가스와 제2열교환기(1221)를 통과한 냉각수와의 열교환을 수행한다.

제3열교환기(1231)로 공급되는 냉각수는 비록 제2열교환기(1221)를 통과하면서 온도가 약간 상승하지만 버너(114)에서 배출되는 가스가 고온이므로 제3열교환기(1231)에서 충분히 열교환이 이루어질 수 있다.

제2기액분리기(1232)는 제3열교환기(1231)를 통과한 가스와 물을 분리할 수 있다. 이와 같이 제2기액분리기(1232)에서 분리된 물은 워터탱크(150)로 회수된다. 그리고, 제2기액분리기(1232)에서 물이 분리된 가스는 배기가스로 배출된다.

공기공급장치(140)는 공기블로어(141)와 가습기(142)를 포함할 수 있다. 공기블로어(141)는 외부의 공기를 흡입하여 연료전지시스템 내부로 공급할 수 있다. 이러한 공기는 가습기(142)를 거쳐 연료전지스택(130)으로 공급될 수 있다.

가습기(142)는 공기블로어(141)에서 공급되는 공기에 수분을 함유시켜 가습된 공기를 공기유로를 통해 연료전지스택(130)의 캐소드로 공급한다. 이는 연료전지스택(130)에서 수소와 산소의 전기화학반응이 더 잘 일어나도록 하기 위해 가습공기를 연료전지스택(130)으로 공급하기 위한 것이다.

또한, 가습기(142)는 캐소드의 출구에서 배출되는 공기를 후술될 제4열교환기(1241)로 공급되도록 한다.

제4열교환장치(140)는 제4열교환기(1241)과 제3기액분리기(1242)를 포함할 수 있다.

제4열교환기(1241)는 외부에서 공급되는 시수를 이용하여 가습기(142)로부터 공급되는 공기의 열교환을 수행한다. 가습기(142)를 통과하는 공기는 고온이므로 차가운 시수에 의해 열교환이 이루어지고, 이후 공기는 제3기액분리기(1242)로 공급된다.

제3기액분리기(1242)는 공기에 함유된 물을 회수한다. 이렇게 회수된 물은 워터탱크(150)에 수집된다.

외부에서 공급되는 시수는 이온교환수지장치(160)로 공급된다. 이온교환수지장치(160)는 이온교환수지모듈(161)와 필터(162)를 포함할 수 있다.

외부에서 공급되는 시수는 이온교환수지모듈(161)에 의해 이온교환되어 필터(162)를 통과하면서 순수가 워터탱크(150)로 공급된다.

워터탱크(150)에 저장되는 물은 전도도 관리가 중요하다. 워터탱크(150)에는 내부에 저장된 물의 전도도를 측정하는 전도도센서(151)가 설치된다. 전도도센서(151)에서 측정된 물의 전도도는 제어부(170)로 전송된다. 젱부(170)는 측정된 전도도가 설정된 기준치 미만으로 떨어지면 이온교환수지모듈(161)에서 시수에 대한 이온교환 과정이 이루어지도록 제어할 수 있다.

워터탱크(150)는 내부에 물을 저장하며 기본적으로 연료개질장치(110)의 반응기(113)와 연료전지스택(130)으로 물을 공급한다. 즉, 연료전지스택(130)에서 전기를 생산하는 과정에서 필요한 물을 공급하도록 한다. 그리고, 워터탱크(150)는 연료전지스택(130)에서 전기를 생산하는 과정에서 회수되는 물을 수집하도록 한다.

연료전지 시스템이 운전되는 과정에서 물이 필요하고 연료전지 시스템을 연속적으로 계속 운전되는 과정에서 공급된 물이 감소될 수 있다. 따라서, 본 실시예에서는 공급된 물을 가능한 충분히 회수할 수 있도록 한다.

즉, 워터탱크(150)는 제1열교환기(1211)로부터 물을 회수할 수 있다. 그리고 제1기액분리기(1222), 제2기액분리기(1232), 제3기액분리기(1242)에서 각각 분리된 물을 회수할 수 있다.

이와 같이 본 실시예에서는 복수의 장치로부터 물을 회수함으로써 물을 재사용할 수 있도록 한다. 물의 재사용시 물의 전도도가 기준치 미만으로 감소하게 되면 시수를 공급받아 이온교환과정과 필터를 거쳐 순수를 제조하여 워터탱크(150)로 공급할 수 있다.

이하에서, 도 1 및 도 2를 참조하여 본 실시예에 따른 연료전지 시스템에서 연료, 물, 공기의 흐름을 통해 연료전지 시스템의 동작을 설명한다.

먼저, 연료의 흐름을 설명한다. 연료는 예를 들어 일반적인 도시가스를 사용할 수 있다. 물론 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 예를 들어 천연가스를 사용할 수도 있다.

연료가스는 연료개질장치(110)로 공급된다. 구체적으로 연료개질장치(110)의 탈황기(111)와 개질기(112)의 버터(114)로 공급된다.

연료가스는 탈황기(111)에서 탈황과정을 거쳐 반응기(113)로 입력된다. 반응기(113)에서는 연료가스와 워터탱크(150)로부터 공급된 물과 반응하여 수소를 생산한다. 버너(114)는 반응기(113)에서 연료가스와 물과의 반응이 잘 일어나도록 가열할 수 있다.

반응기(113)로부터 배출되는 고온의 수소는 제1열교환장치(121)의 제1열교환기(1211)로 공급된다. 제1열교환기(1211)로 공급된 수소는 제1열교환기(1211)에서 제2열교환기(1221)로부터 공급되는 물과의 열교환이 이루어진다.

열교환이 이루어진 수소는 제1기액분리기(1212)로 공급되고 제1기액분리기(1212)는 수소와 물을 분리하여 물은 워터탱크(150)로 회수되고 수소는 연료전지스택(130)의 애노드로 공급된다.

연료전지스택(130)에서는 애노드로 공급된 수소와 캐소드로 공급된 공기(산소)와 전기화학 반응이 일어나며 전기를 생산하도록 한다. 애노드에서 배출되는 출구가스(AOG)는 개질기(112)의 버너(114)로 공급된다. 이에 버너(114)는 초기에 공급되는 연료가스뿐만 아니라 애노드의 출구가스를 연료로 재사용할 수 있다. 이로써 에너지 절감을 도모할 수 있다.

버너(114)에서 배출되는 가스는 제3열교환장치(123)의 제3열교환기(1231)로 공급된다. 제3열교환기(1231)로 공급된 가스는 제2열교환기(1221)에서 공급되는 냉각수에 의해 열교환이 이루어지고 이후에 제2기액분리기(1232)로 공급된다.

제2기액분리기(1232)는 가스와 물을 분리하여 물은 워터탱크(150)로 회수되고 가스는 외부로 배기된다.

이와 같이 연료개질장치(110)로 공급된 가스의 흐름에서 상당량의 물이 회수되어 워터탱크(150)로 수집될 수 있다.

다음으로, 공기의 흐름을 설명한다. 외부로부터 공기가 공기공급장치(140)의 공기블로어(141)에 의해 연료전지시스템 내부로 유입된다. 공기블로어(141)에 의해 유입된 공기는 연료전지스택(130)으로 공급될 수 있다.

본 실시예에서는 공기블로어(141)에 의해 유입된 공기가 가스기(142)를 통화하여 가습된 공기가 연료전지스택(130)으로 공급되도록 한다. 이는 연료전지스택(130)에서 수소와 공기중의 산소의 전기화학 반응시 가습된 공기의 산소가 반응이 더 잘 일어나기 때문이다.

가습기(142)를 통과한 가습공기는 연료전지스택(130)의 캐소드로 공급된다. 상술한 바와 같이 가습공기 중 산소는 수소와 반응하고 나머지는 캐소드 출구를 통해 배출된다.

배출된 공기는 다시 가습기(142)를 통과하게 된다. 가습기(142)에 의해 가습된 공기는 제4열교환장치(140)의 제4열교환기(1241)로 공급된다.

제4열교환기(1241)로 공급된 공기는 외부에서 공급되는 시수와 열교환이 이루어진다. 이후에 공기는 제3기액분리기(1242)로 공급되고 제3기액분리기(1242)는 공기에서 물을 분리한다. 분리된 물은 워크탱크(150)로 회수되고 공기는 외부로 배기된다.

본 발명의 다른 실시예에서 제4열교환기(1241)의 전면 또는 후면에 일정거리만큼 이격되어 적어도 하나의 방열팬(1243)이 설치될 수 있다. 방열팬(1243)은 제어부(170)의 제어신호에 의해 동작될 수 있다.

방열팬(1243)은 외부로부터 시수가 공급되지 않을시 제4열교환기(1242)에서 공기의 열교환을 위해 사용될 수 있다. 구체적으로 시수가 제4열교환기(1242)로 공급되면 차가운 시수에 의해 가습공기의 열교환이 이루어지지만, 시수가 공급되지 않는 경우에는 방열팬(1243)이 동작하여 가습공기의 열교환이 이루어지도록 한다.

이에, 제어부(170)는 시수가 공급되는 배관에 설치된 유량센서(도시되지 않음)로부터 전달되는 시수의 공급여부 감지결과를 확인하여 시수가 공급되지 않을 경우 방열팬(1243)를 동작시킬 수 있다.

이와 같이 외부로부터 공기가 연료전지 시스템으로 유입된 후 배기되는 과정에서 물이 회수되어 워터탱크(150)로 수집될 수 있다.

다음으로, 물의 흐름을 설명한다. 물은 크게 반응기(113)으로 공급되는 물과 연료전지스택(130)으로 공급되는 냉각수와, 그리고 워터탱크(150)로 순수를 공급하기 위해 외부에서 공급되는 시수가 있다.

먼저 연료개질장치(110)의 반응기(113)에서 연료가스로부터 수소를 생산하기 위해서는 물이 필요하므로 워터탱크(150)는 물공급배관을 통해 반응기(113)로 물을 공급한다.

이를 위해 제어부(170)는 개질기(112)가 동작하는 경우 워터탱크(150)에서 반응기(113)로 물을 공급하기 위한 물공급배관에 설치된 제1워터펌프(152)를 동작시켜 반응기(113)로 물이 공급되도록 한다.

그리고, 워터탱크(150)는 연료전지스택(130)으로 냉각수를 공급할 수 있다. 연료전지스택(130)에서 수소와 산소의 반응은 발열반응이므로, 이를 냉각하기 위한 냉각수가 필요하다. 이를 위해 제어부(170)는 연료전지스택(130)이 동작하는 경우 워터탱크(150)에서 연료전지스택(130)으로 냉각수를 공급하기 위한 냉각수 공급배관에 설치된 제2워터펌프(153)를 동작시켜 연료전지스택(130)으로 냉각수가 공급되도록 한다.

연료전지스택(130)을 냉각하고 배출되는 물은 제2열교환기(1221)로 공급된다. 제2열교환기(1221)로 공급된 물은 외부에서 제2열교환기(1221)로 공급되는 다른 냉각수에 의해 열교환이 이루어진다.

이처럼 제2열교환기(1211)에서 열교환되어 냉각된 물은 제1열교환기(1211)로 공급된다. 제1열교환기(1211)에서 상기 냉각된 물은 상술한 바와 같이 반응기(113)에서 공급되는 수소와 열교환에 사용되고, 이후 물은 워터탱크(150)로 회수된다.

상기 열교환된 수소는 제1기액분리기(1212)에서 물과 분리되고, 분리된 물은 워터탱크(150)로 회수된다.

한편, 상술한 바와 같이 외부에서 제2열교환기(1211)로 공급된 다른 냉각수는 제2열교환기(1211)에서 열교환된 후 제3열교환기(1231)로 공급된다.

제3열교환기(1231)로 공급된 물은 상기한 바와 같이 버너(114)로부터 배출되어 제3열교환기(1231)로 공급되는 가스와 열교환이 이루어진다. 이후에 물은 제2기액분리기(1232)로 공급된다.

제2기액분리기(1232)에서는 가스와 물이 분리된다. 제2기액분리기(1232)에서 분리된 물은 워터탱크(150)로 회수된다.

그리고, 시수의 흐름을 설명한다. 시수는 기본적으로 워터탱크(150)로 순수를 공급하기 위해 외부로부터 공급될 수 있다. 외부로부터 공급된 차가운 시수는 제4열교환기(141)로 공급된다. 제4열교환기(141)로 공급된 시수는 가습기(142)로부터 공급되는 가습공기와 열교환이 이루어진다.

이와 같이 열교환이 이루어진 가습공기는 제3기액분리기(1242)로 공급된다. 제3기액분리기(1424)에 의해 공기와 물이 분리되며, 분리된 물은 워터탱크(150)로 회수된다.

그리고, 제4열교환기(141)에서 열교환된 시수는 이온교환수지모듈(161)로 공급된다. 이온교환수지모듈(161)에서 이온교환 과정이 진행되고, 이후에 필터(162)를 거쳐 순수가 워터탱크(150)으로 공급된다.

상기에서 설명한 바와 같이 본 발명의 연료전지 시스템에서는 복수의 장치에서 워터탱크(150)로 물이 회수될 수 있다.

첫째, 연료전지스택(130)에서 냉각수로 사용된 물이 제1열교환기(1211)에서 수소와 열교환을 한 후 워터탱크(150)로 회수된다.

둘째, 제1기액분리기(1212)에서 제1열교환기(1211)에 의해 열교환된 수소에 함유된 물이 분리되어 워터탱크(150)로 회수된다.

셋째, 제2기액분리기(1232)에서 버너(114)로부터 배출되는 가스에 함유된 물이 분리되어 워터탱크(150)로 회수된다.

넷째, 제3기액분리기(1242)에서 가습기(142)에서 공급되는 가습공기에 함유된 물이 분리되어 워터탱크(150)로 회수된다.

이와 같이 본 발명의 연료전지 시스템에서는 복수의 장치에서 충분한 물이 회수되므로 수자립이 가능하고, 회수된 물을 재사용할 수 있으므로 물에 대한 추가 비용이 절감될 수 있다.

뿐만 아니라, 물을 회수하여 재사용하므로 외부로부터 시수를 공급하는 양이 줄어든다. 이에 따라 이온교환수지모듈(161)의 이온교환수지의 교체주기가 증가하고 수명이 증가하는 효과가 있다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템을 구성하는 장치들의 물리적인 배치도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템에서는 연료전지스택(130)에서 전기를 생산하는 동안 사용되는 물이 워터탱크(150)로 회수될 때 물의 자유낙하에 의해 워터탱크(150)로 회수되도록 각 장비들을 물리적인 위치를 다르게 설정할 수 있다.

구체적으로 살펴보면, 기본적으로 물을 자유낙하에 의해 회수하기 위해 워터탱크(150)를 제1단(최하단)에 배치한다.

그 상단(제2단)에 복수의 기액분리기(1212,1232,1242)를 배치한다. 즉, 각각의 기액분리기(1212,1232,1242)는 가스 또는 공기 중에 함유된 물을 분리하는 장치로서 분리된 물을 바로 워터탱크(150)로 회수되도록 하기 위해 워터탱크(150)의 바로 윗단에 배치한다.

이온교환수지모듈(161)은 제2단에 배치될 수 있다. 그 이유는 후술하는 바와 같이 이온교환수지모듈(161)은 제4열교환기(1241)로부터 물을 공급받기 때문이다.

그리고, 복수의 기액분리기(1212,1232,1242)의 바로 위 상단(제3단)에 복수의 열교환기(1211,1221,1231,1241)를 배치한다. 열교환기를 통화한 가스 또는 물은 다른 열교환기나 일부 기액분리기로 공급되므로 그 기액분리기의 상단에 배치한다.

구체적으로, 제3열교환기(1231)에서 공급되는 물은 제2기액분리기(1232)로 공급되므로 제2기액분리기(1232)의 상단에 제3열교환기(1231)가 배치된다.

제2열교환기(1211)에서 배출되는 물은 워터탱크(150)로 바로 회수된다. 그리고 제4열교환기(1241)에서 배출되는 물(시수)는 이온교환수지모듈(161)을 거쳐 워터탱크(150)로 공급된다.

여기서 제2열교환기(1221)에서는 연료전지스택(130)에서 배출되는 냉각수와 외부에서 공급되는 다른 냉각수가 유입된다. 연료전지스택(130)에서 배출되는 냉각수는 열교환 후 제1열교환기(1211)로 배출되고, 외부에서 공급된 다른 냉각수는 열교환 후 제3열교환기(1231)로 배출된다.

이에 따라서, 물의 자유낙하를 이용하기 위해 제3단에 설치된 제1,2,3열교환기(1221,1221,1231)는 다시 2단으로 구분하여 상하로 배치할 수 있다.

즉, 자유낙하의 원리에 따라 제3단에서도 제1,3열교환기(1211,1231)를 하단(제3-1단)에 배치하고 그 상단(제3-2단)에 제2열교환기(1221)를 배치한다.

그리고, 최상단(제4단)에 연료전지스택(130)이 배치된다. 연료전지스택(130)으로 공급된 냉각수는 제2열교환기(1221)로 공급되기 때문이다.

도 3에서 화살표는 물의 자유낙하를 나타내는 것이다. 도면에는 본 발명의 일례를 도시한 것이며, 물의 자유낙하를 이용한 물의 흐름이 이루어지도록 하는 범위 내에서 배치의 변경이 가능은 가능할 것이다.

이러한 장치들의 배치로 인해 물의 이동이 원활해지고 물의 자유낙하 원리를 이용하여 물의 흐름이 이루어지므로 물의 이동을 위한 별도의 장비가 최소화될 수 있다.

한편, 도면에는 도시되지 않았으나 연료, 공기, 물의 흐름을 위해 각각의 배관이 적절한 곳에 설치될 수 있다. 그리고 역시 도시되지 않았으나 연료, 공기, 물의 흐름을 제어하기 위한 제어밸브가 각 배관에 설치될 수 있다. 이러한 제어밸브는 제어부(170)에 의해 그 동작이 제어될 수 있다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

110 : 연료개질장치 111 : 탈황기
112 : 개질기 113 : 반응기
114 : 버너 120 : 열교환기
121 : 제1열교환장치 122 : 제2열교환장치
123 : 제3열교환장치 124 : 제4열교환장치
130 : 연료전지스택 140 : 공기공급장치
141 : 공기블로어 142 : 가습기
150 : 워터탱크 151 : 전도도센서
152 : 제1워터펌프 153 : 제2워터펌프
160 : 이온교환수지장치 161 : 이온교환수지모듈
162 : 필터 171 : 제어부
1211 : 제1열교환기 1212 : 제1기액분리부
1221 : 제2열교환기 1231 : 제3열교환기
1232 : 제2기액분리기 1241 : 제4열교환기
1242 : 제3기액분리기 1243 : 방열팬

Claims

공급되는 연료를 이용하여 수소를 생산하는 연료개질장치;
상기 연료개질장치에서 생산된 수소의 열교환이 이루어지는 제1열교환장치;
외부로부터 공기를 내부로 공급하는 공기공급장치;
애노드와 캐소드를 포함하며 상기 제1열교환장치에서 상기 애노드에 공급된 수소와 상기 공기공급장치에서 상기 캐소드에 공급된 공기 중의 산소와의 전기화학반응을 통해 전기를 생산하는 연료전지스택;
상기 연료전지스택으로 제1냉각수를 공급하는 워터탱크;
상기 연료전지스택에서 출력되는 제1냉각수와 외부로부터 공급된 제2냉각수 간의 열교환이 이루어지는 제2열교환장치를 포함하고,
상기 제1열교환장치는,
상기 연료개질장치에서 공급된 수소와 상기 제2열교환장치에서 공급되는 제1냉각수와의 열교환이 이루어지고 상기 수소에서 물을 분리하여 상기 열교환된 제1냉각수와 상기 분리된 물을 상기 워터탱크로 공급하는 연료전지 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제1열교환장치는,
상기 수소와 상기 제1냉각수 간의 열교환이 이루어지고 상기 열교환된 제1냉각수를 상기 워터탱크로 공급하는 제1열교환기;
상기 제1열교환기에서 배출되는 수소에서 물을 분리하고 상기 분리된 물을 상기 워터펌프로 공급하는 제1기액분리기를 포함하는 연료전지 시스템.
제2항에 있어서,
상기 제1열교환기 및 제1기액분리기에서 상기 워터탱크로 공급되는 물이 자유낙하에 의해 상기 워터탱크로 공급되도록 상기 제1열교환기 및 제1기액분리기는 상기 워터탱크의 상단에 배치되는 연료전지 시스템.
제1항에 있어서,
상기 워터탱크에서 상기 연료개질장치로 물을 공급하기 위한 물공급배관에 설치되며 상기 워터탱크에 저장된 물을 상기 물공급배관을 통해 상기 연료개질장치로 펌핑하기 위한 제1워터펌프를 포함하는 연료전지 시스템.
제4항에 있어서,
상기 연료개질장치는,
상기 공급되는 연료에 포함된 황 성분을 제거하는 탈황기;
상기 황 성분이 제거된 연료와 상기 제1워터펌프에 의해 상기 워터탱크로부터 공급된 물을 반응시켜 수소를 생산하여 상기 제1열교환장치로 상기 생산된 수소를 공급하는 반응기;
상기 반응기의 동작에 필요한 온도를 조절하기 위한 버너를 포함하는 연료전지 시스템.
제5항에 있어서,
상기 제2열교환장치로부터 공급되는 제2냉각수와 상기 버너에서 배출되는 가스와의 열교환이 이루어지고 상기 배출되는 가스에서 물을 분리하여 상기 분리된 물을 상기 워터탱크로 공급하는 제3열교환장치를 더 포함하는 연료전지 시스템.
제6항에 있어서,
상기 제3열교환장치는,
상기 제2열교환장치로부터 공급되는 제2냉각수와 상기 버너에서 배출되는 가스와의 열교환이 이루어지는 제3열교환기;
상기 제3열교환기에서 공급되는 가스에서 물을 분리하고 상기 분리된 물을 상기 워터펌프로 공급하는 제2기액분리기를 포함하는 연료전지 시스템.
제7항에 있어서,
상기 제2기액분리기에서 상기 워터탱크로 공급되는 물이 자유낙하에 의해 상기 워터탱크로 공급되도록 상기 제2기액분리기는 상기 워터탱크의 상단에 배치되는 연료전지 시스템.
제5항에 있어서,
상기 애노드에서 배출되는 가스는 상기 버너로 공급되는 연료전지 시스템.
제1항에 있어서,
상기 공기공급장치는,
외부로부터 공급된 공기를 가습하여 가습공기를 상기 캐소드로 공급하는 가습기를 포함하는 연료전지 시스템.
제10항에 있어서,
상기 가습기는 상기 캐소드에서 배출되는 공기를 공급받아 가습한 후 가습공기를 배출하는 연료전지 시스템.
제11항에 있어서,
상기 가습기로부터 배출되는 가습공기와 외부로부터 공급되는 시수와의 열교환이 이루어지고 상기 열교환된 가습공기에서 물을 분리하여 상기 분리된 물을 상기 워터탱크로 공급하는 제4열교환장치를 더 포함하는 연료전지 시스템.
제11항에 있어서,
상기 제4열교환장치는,
상기 가습기로부터 배출되는 가습공기와 외부로부터 공급되는 시수와의 열교환이 이루어지는 제4열교환기;
상기 제4열교환기에서 열교환된 가습공기에서 물을 분리하여 상기 분리된 물을 상기 워터탱크로 공급하는 제3기액분리기를 포함하는 연료전지 시스템.
제13항에 있어서,
상기 제3기액분리기에서 상기 워터탱크로 공급되는 물이 자유낙하에 의해 상기 워터탱크로 공급되도록 상기 제3기액분리기는 상기 워터탱크의 상단에 배치되는 연료전지 시스템.
제13항에 있어서
상기 제4열교환기에서 열교환된 시수를 공급받아 이온교환 과정 및 필터링 과정을 통해 순수를 생산하여 상기 워터탱크로 상기 순수를 공급하는 이온교환수지장치를 더 포함하는 연료전지 시스템.
제15항에 있어서,
상기 워터탱크에 저장된 물의 전도도를 측정하는 전도도센서를 더 포함하고, 상기 전도도센서에서 측정된 물의 전도도가 설정된 기준치 미만인 경우 상기 이온교환수지장치에서 순수를 상기 워터탱크로 공급하는 연료전지 시스템.
제13항에 있어서,
상기 제4열교환기의 전면 또는 후면에 설치된 적어도 하나의 방열팬을 더 포함하고, 상기 시수가 공급되지 않는 경우 상기 방열팬이 동작하여 상기 제4열교환기를 냉각시키는 연료전지 시스템.
제1항에 있어서,
상기 워터탱크에서 상기 연료전지스택으로 제1냉각수를 공급하기 위한 냉각수 공급배관에 설치되며 상기 워터탱크에서 상기 제1냉각수를 상기 냉각수 공급배관을 통해 상기 연료전지스택으로 펌핑하기 위한 제2워터펌프를 포함하는 연료전지 시스템.
제1항에 있어서,
상기 연료전지스택을 최상단에 배치하고 상기 워터탱크를 최하단에 배치하며 상기 연료전지스택 및 워크탱크 사이에 위로부터 아래로 상기 제2열교환장치 및 제1열교환장치를 순차적으로 배치하며 상기 연료전지스택에서 배출되는 물이 자유낙하에 의해 상기 제2열교환장치 및 제1열교환기를 거쳐 상기 워터탱크에 회수되도록 하는 연료전지 시스템.