KR20230023355A - 연료전지 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 연료전지 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템은, 연료 가스를 개질하여 개질가스를 생성하는 연료처리장치; 상기 개질가스를 이용하여 전기를 발생시키는 스택; 상기 연료처리장치에서 토출된 상기 개질가스가 상기 스택을 향해 유동하는 개질가스유로; 상기 연료처리장치에서 토출된 수증기가 유동하는 수증기유로; 상기 연료처리장치에서 토출된 상기 개질가스 및 상기 수증기 중 적어도 일부가 상기 연료처리장치를 향해 유동하는 바이패스유로; 상기 개질가스유로에 배치되는 개질가스밸브; 상기 수증기유로에 배치되는 수증기밸브; 및 상기 바이패스유로에 배치되는 바이패스밸브를 포함하고, 상기 수증기유로 및 상기 바이패스유로는, 상기 개질가스유로 중, 상기 연료처리장치와 상기 개질가스밸브 사이에 연결될 수 있다. 그 외에 다양한 실시예들이 가능하다.
Description
본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 개질 반응에 사용되는 촉매의 열화를 최소화하는 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.
종래 연료전지 시스템은, 선행기술 1(한국공개특허공보 제10-2012-0071288호)와 유사하게, 수소 원자를 포함하는 연료를 수소 가스로 전환개질(reforming)하는 연료처리장치와, 연료처리장치로부터 공급되는 수소 가스를 이용하여 전기 에너지를 발생시키는 스택(stack)을 구비한다. 또한, 연료전지 시스템은, 스택을 냉각하고, 열을 회수하기 위한 열교환기 및 냉각수배관, 생산된 직류전원을 교류전원으로 변환하는 전력변환장치 등을 더 구비할 수 있다.
수소 가스를 생성하는 개질 공정에는, 수소를 포함하는 연료와 함께 수증기가 요구된다. 또한, 연료와 수증기 사이의 개질 반응이 보다 활발하게 일어날 수 있도록, 비교적 가격이 저렴한 전이금속인 니켈(Ni)이나, 알루미나(Al₂O₃) 등으로 구성된 촉매가 개질 공정에 사용된다.
한편, 개질 반응은 700℃ 이상인 고온의 환경에서 이루어지며, 수증기의 공급이 안정화된 이후에 연료가 공급되는 것이 일반적이다. 이때, 고온의 환경에서 수소를 포함하는 연료의 공급 없이 수증기가 공급되는 경우, 개질 공정에 사용되는 촉매가 수증기에 의해 열화될 수 있다. 예를 들어, 550℃ 이상의 환경에서 니켈(Ni) 촉매에 수증기가 공급되는 경우, 니켈(Ni) 촉매의 재산화 반응이 일어날 수 있고, 750℃ 이상의 환경에서 산화 니켈(NiO)과 알루미나(Al₂O₃)의 강한 상호작용에 의해 스피넬(Spinel) 구조인 NiAl₂O₄가 형성될 수 있다.
이와 같이, 충분한 연료가 공급되기 이전에, 개질 반응에 사용되는 촉매가 고온의 환경에서 수증기에 노출되어 열화되면, 촉매 사용의 목적인 개질 반응이 활발히 일어나기 어려운 문제점이 있다. 또한, 촉매가 스피넬 구조인 NiAl₂O₄와 같은 결정을 형성하는 경우, 촉매의 재생이 사실상 불가능한 문제점도 있다.
본 발명은 전술한 문제 및 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
또 다른 목적은, 수증기에 의한 개질기 내 촉매의 열화를 최소화하여, 촉매의 수명을 연장할 수 있는 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.
또 다른 목적은, 수증기에 의한 밸브의 손상을 방지할 수 있는 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.
또 다른 목적은, 수증기의 공급이 안정화되는 동안 불필요한 물의 소비를 줄일 수 있는 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.
상기 과제를 달성하기 위한, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템은, 연료 가스를 개질하여 개질가스를 생성하는 연료처리장치와, 상기 개질가스를 이용하여 전기를 발생시키는 스택과, 상기 연료처리장치에서 토출된 기체가 다시 연료처리장치를 향해 유동하는 바이패스유로를 포함하고, 상기 연료처리장치는 소정 조건에서 개질 공정에서 사용되는 수증기를 외부로 토출하고, 상기 연료처리장치에서 토출된 수증기는 상기 소정 조건에서 상기 바이패스유로를 통해 상기 연료처리장치로 유동할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 연료전지 시스템은, 상기 연료처리장치에서 토출된 상기 개질가스가 상기 스택을 향해 유동하는 개질가스유로; 상기 연료처리장치에서 토출된 수증기가 유동하는 수증기유로; 상기 개질가스유로에 배치되는 개질가스밸브; 상기 수증기유로에 배치되는 수증기밸브; 및 상기 바이패스유로에 배치되는 바이패스밸브를 포함하고, 상기 수증기유로 및 상기 바이패스유로는, 상기 개질가스유로 중, 상기 연료처리장치와 상기 개질가스밸브 사이에 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 연료전지 시스템은, 상기 수증기유로에 배치되어, 상기 수증기에 대한 열교환이 일어나는 수증기열교환기를 더 포함하고, 상기 수증기밸브는, 상기 수증기열교환기에서 열교환된 상기 수증기가 유동하는, 상기 수증기유로의 후단에 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 연료전지 시스템은, 물을 상기 연료처리장치로 유동시키는 물펌프; 상기 연료처리장치에 공급되는 상기 물이 유동하는 물공급유로; 상기 물공급유로 및 상기 수증기열교환기에 연결되는 물우회유로; 및 상기 물우회유로에 배치되는 물우회밸브를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 연료전지 시스템은, 상기 개질가스유로에 배치되어, 상기 개질가스에 대한 열교환이 일어나는 개질가스열교환기; 및 상기 개질가스유로에 배치되어, 상기 열교환기에서 열교환된 상기 개질가스에 포함된 수분을 제거하는 수분제거장치를 더 포함하고, 상기 수증기유로는, 상기 연료처리장치에서 토출된 상기 개질가스가 상기 개질가스열교환기를 향해 유동하는, 상기 개질가스유로의 전단에 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 개질가스밸브는, 상기 개질가스유로의 전단에 배치되고, 상기 수증기유로 및 상기 바이패스유로는, 상기 개질가스유로의 전단 중, 상기 연료처리장치와 상기 개질가스밸브 사이에 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 개질가스밸브는, 상기 수분제거장치와 상기 스택 사이에 배치되고, 상기 바이패스유로는, 상기 수분제거장치와 상기 개질가스밸브 사이에 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 연료처리장치는, 개질 공정을 수행하는 개질기; 상기 개질 공정에서 생성되는 일산화탄소를 저감하는 적어도 하나의 반응기; 및 상기 연료처리장치에 공급되는 물을 이용하여, 상기 수증기를 생성하는 증기발생기를 포함하고, 상기 증기발생기에서 생성된 상기 수증기 중 적어도 일부는, 상기 개질기를 향해 유동하고, 나머지 일부는 상기 연료처리장치의 외부로 배출될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 개질가스밸브 내지 상기 바이패스밸브의 개도를 조절하는 제어부를 더 포함하고, 상기 제어부는, 상기 개질기에 상기 연료 가스가 공급되는 동안 상기 수증기밸브를 폐쇄하고, 상기 개질기에 대한 상기 연료 가스의 공급이 차단되는 동안 상기 수증기밸브를 개방할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 연료전지 시스템은, 상기 개질기에 대한 상기 연료 가스의 유동을 조절하는 내부연료밸브를 더 포함하고, 상기 제어부는, 상기 개질기에 대한 상기 연료 가스의 공급이 차단되는 동안, 상기 개질기 및 상기 적어도 하나의 반응기 각각에 대하여 기 설정된 온도 조건이 만족되는지 여부를 판단하고, 상기 기 설정된 온도 조건이 만족되는 경우, 상기 개질기에 상기 연료 가스가 공급되도록, 상기 내부연료밸브를 개방할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제어부는, 상기 개질기에 대한 상기 연료 가스의 공급이 차단되는 동안, 상기 개질가스밸브를 폐쇄하고, 상기 바이패스밸브를 개방하고, 상기 개질기에 상기 연료 가스가 공급되는 경우, 상기 전기의 발생에 대하여 기 설정된 발전 조건이 만족되는지 여부를 판단하고, 상기 기 설정된 발전 조건이 만족되는 경우, 상기 개질가스밸브를 개방하고, 상기 바이패스밸브를 폐쇄할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 기 설정된 발전 조건은, 상기 개질가스에서 수소 가스가 차지하는 비율이 기 설정된 최소 비율 이상인지 여부에 관한 조건일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제어부는, 상기 전기의 발생을 일시적으로 정지하는 경우, 상기 개질기에 대한 상기 연료 가스의 공급이 차단되도록, 상기 내부연료밸브를 폐쇄하고, 상기 적어도 하나의 반응기의 온도가 기준 온도를 초과하는 경우, 상기 물펌프의 능력을 증가시키고, 상기 적어도 하나의 반응기의 온도가 상기 기준 온도 이하인 경우, 상기 물펌프의 능력을 유지 또는 감소시킬 수 있다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 증기발생기에서 토출되는 수증기가 개질기에 유입되지 않고, 개질기를 우회하여 버너로 유입되도록 함으로써, 수증기의 공급이 안정화되는 동안 수증기에 의한 개질기 내 촉매의 열화를 최소화할 수 있어, 개질기 내 촉매의 수명을 연장할 수 있다.
또한, 본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 수증기가 개질기를 우회하는 동안 수증기의 온도가 낮아짐에 따라, 수증기가 통과하는 밸브의 손상을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 수증기가 개질기를 우회하여 버너에 유입되는 과정에서, 수증기가 수분제거장치를 통과하도록 구성함으로써, 수증기의 공급이 안정화되는 동안 불필요한 물의 소비를 줄일 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 연료처리장치의 구성에 대한 개략도이다.
도 2는, 본 발명의 제1 실시예에 따른, 연료전지 시스템에 대한 구성도이다.
도 3은, 도 2의 연료전지 시스템의 구성 중 일부를 도시한 도면이다.
도 4 및 도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 연료전지 시스템의 동작방법을 도시한 순서도들이다.
도 6 내지 도 8은, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 동작에 대한 설명에 참조되는 도면들이다.
도 9는, 본 발명의 제2 실시예에 따른, 연료전지 시스템에 대한 구성도이다.
도 10은, 도 9의 연료전지 시스템의 구성 중 일부를 도시한 도면이다.
도 11 내지 도 13은, 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 시스템의 동작에 대한 설명에 참조되는 도면들이다.
도 2는, 본 발명의 제1 실시예에 따른, 연료전지 시스템에 대한 구성도이다.
도 3은, 도 2의 연료전지 시스템의 구성 중 일부를 도시한 도면이다.
도 4 및 도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 연료전지 시스템의 동작방법을 도시한 순서도들이다.
도 6 내지 도 8은, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 동작에 대한 설명에 참조되는 도면들이다.
도 9는, 본 발명의 제2 실시예에 따른, 연료전지 시스템에 대한 구성도이다.
도 10은, 도 9의 연료전지 시스템의 구성 중 일부를 도시한 도면이다.
도 11 내지 도 13은, 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 시스템의 동작에 대한 설명에 참조되는 도면들이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다. 도면에서는 본 발명을 명확하고 간략하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분의 도시를 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 극히 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 참조부호를 사용한다.
이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 단순히 본 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되는 것으로서, 그 자체로 특별히 중요한 의미 또는 역할을 부여하는 것은 아니다. 따라서, 상기 "모듈" 및 "부"는 서로 혼용되어 사용될 수도 있다.
본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품, 또는 이들을 조합한 것들의 존재, 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 본 명세서에서, 다양한 요소들을 설명하기 위해 제1, 제2 등의 용어가 이용될 수 있으나, 이러한 요소들은 이러한 용어들에 의해 제한되지 아니한다. 이러한 용어들은 한 요소를 다른 요소로부터 구별하기 위해서만 이용될 수 있다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 연료처리장치의 구성에 대한 개략도이다.
도 1을 참조하면, 연료처리장치(10)는, 탈황기(110), 버너(120), 증기발생기(130), 개질기(140), 제1 반응기(150) 및/또는 제2 반응기(160)를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 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 가스를 연소시켜 연소열을 발생시킬 수 있고, 버너(120)에서 공급되는 열에 의해, 개질기(140)의 내부온도가 적정 온도(예: 800℃)로 유지될 수 있다.
한편, 연료 가스와 공기가 혼합된 가스의 연소에 의해 버너(120)에서 생성되는 배기가스는, 연료처리장치(10)의 외부로 배출될 수 있다.
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 유로에 인접하게 배치될 수 있다.
증기발생기(130)에서 토출된 수증기의 적어도 일부는, 연료처리장치(10)의 외부로 토출될 수 있다.
개질기(140)는, 촉매를 이용하여, 황 화합물이 제거된 연료 가스로부터 수소 가스를 생성하는 개질 공정을 수행할 수 있다. 여기서, 개질 반응에 사용되는 촉매는, 니켈(Ni), 알루미나(Al₂O₃) 등으로 구성된 촉매일 수 있다. 예를 들어, 탈황기(110)로부터 토출된 연료 가스와 증기발생기(130)로부터 토출된 수증기가 제2 믹서(112)에서 혼합되어 개질기(140)에 공급될 수 있다. 이때, 개질기(140)에 공급된 연료 가스와 수증기가 개질기(140) 내에서 개질 반응하는 경우, 수소 가스가 생성될 수 있다.
한편, 제1 믹서(111) 및/또는 제2 믹서(112)는, 이젝터(ejector)일 수 있다. 예를 들어, 제2 믹서(112)는, 증기발생기(130)에서 토출된 수증기를 이용하여, 탈황기(110)로부터 토출된 연료 가스를 내부로 흡입하는 이젝터로 구현될 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(20)은, 연료처리장치(10)로부터 공급되는 개질가스에 전기화학반응을 일으켜 전기 에너지를 생성할 수 있다.
스택(20)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(20)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 2는, 본 발명의 제1 실시예에 따른, 연료처리장치를 포함하는 연료전지 시스템에 대한 구성도이고, 도 3은, 도 2의 연료전지 시스템의 구성 중 일부를 도시한 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 연료전지 시스템(1)은, 연료처리부(I), 전력생성부(II), 냉각수순환부(III) 및/또는 열회수부(IV)를 포함할 수 있다. 연료전지 시스템(1)은, 전력생성부(II)에서 생성된 직류전원을 교류전원으로 변환하는 전력변환장치를 포함하는 전력변환부(미도시)를 더 구비할 수 있다.
연료처리부(I)는, 연료처리장치(10), 연료처리장치(10)에 공급되는 연료 가스의 유동을 조절하는 연료밸브(30), 공기를 연료처리장치(10)로 유동시키는 제1 블로워(71) 등을 포함할 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), 공기를 스택(20a, 20b)으로 유동시키는 제2 블로워(72) 등을 포함할 수 있다. 여기서, 스택(20a, 20b)에서 반응하지 않고 배출되는 가스는, 애노드 오프 가스(anode off gas, AOG)로 명명될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 연료전지 시스템(1)이 두 개의 스택(20a. 20b)을 구비하는 것으로 설명하나, 이에 제한되지 않는다.
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.
연료밸브(30)는, 연료처리장치(10)에 공급되는 연료 가스가 유동하는 연료공급유로(101)에 배치될 수 있다. 연료밸브(30)의 개도 정도에 대응하여, 연료처리장치(10)에 공급되는 연료 가스의 유량이 조절될 수 있다. 예를 들어, 연료밸브(30)가 폐쇄되는 경우, 연료공급유로(101)가 차단되어, 연료처리장치(10)에 대한 연료 가스의 공급이 중단될 수 있다.
연료공급유로(101)에는, 연료공급유로(101) 내에 유동하는 연료 가스의 유량을 검출하는 제1 연료유량계(51)가 배치될 수 있다.
제1 블로워(71)는, 제1 외부공기유입유로(201) 및 연료측 공기공급유로(202)에 연결될 수 있다. 제1 블로워(71)는, 제1 외부공기유입유로(201)를 통해 외부에서 유입되는 공기를, 연료측 공기공급유로(202)를 통해 연료처리장치(10)로 유동시킬 수 있다.
연료측 공기공급유로(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.
제1 외부공기유입유로(201)에는, 공기에 포함된 먼지 등의 이물질을 제거하는 공기필터(91) 및/또는 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 포함할 수 있다. 제1 내부가스유로(102)에는, 비례제어밸브(31), 개질기(140)로 유입되는 연료 가스의 유동을 조절하는 내부연료밸브(32), 내부가스유로(102) 내에 유동하는 연료 가스의 유량을 검출하는 제2 연료유량계(52), 내부가스유로(102) 내에 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 가스가 버너(120)로 유동하는 제2 내부가스유로(103)를 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 연결될 수 있다.
연료처리장치(10)는, 물공급탱크(13)에서 토출된 물이 유동하는 물공급유로(303)에 연결될 수 있다. 물공급유로(303)에는, 물펌프(38), 물의 유동을 조절하는 물공급밸브(39) 및/또는 물공급유로(303) 내에 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)에 연결될 수 있다. 연료처리장치(10)에서 토출된 개질가스는, 개질가스토출유로(104)를 통해 유동할 수 있다.
개질가스토출유로(104)는, 개질가스의 열교환이 일어나는 개질가스열교환기(21)에 연결될 수 있다. 개질가스토출유로(104)에는, 개질가스열교환기(21)에 유입되는 개질가스의 유동을 조절하는 개질가스밸브(33)가 배치될 수 있다.
개질가스토출유로(104)는, 연료처리장치(10)에서 토출된 개질가스가 연료처리장치(10)로 유동하는 바이패스유로(105)와 연결될 수 있다. 바이패스유로(105)는, 연료처리장치(10)에 연결될 수 있다. 바이패스유로(105)를 통해 연료처리장치(10)에 유입되는 개질가스는, 버너(120)의 연소를 위한 연료로 사용될 수 있다. 바이패스유로(105)에는, 연료처리장치(10)에 유입되는 기체의 유동을 조절하는 바이패스밸브(34)가 배치될 수 있다.
연료처리장치(10)는, 수증기토출유로(131)에 연결될 수 있다. 수증기토출유로(131)에는, 증기발생기(130)에서 생성되어 연료처리장치(10)의 외부로 토출되는 수증기가 유동할 수 있다. 수증기토출유로(131)는, 수증기의 열교환이 일어나는 수증기열교환기(27)에 연결될 수 있다.
물공급유로(303)에는, 물공급탱크(13)에서 토출된 물 중 적어도 일부가 유동하는 물우회유로(318)가 연결될 수 있다. 물우회유로(318)는, 수증기열교환기(27)에 연결될 수 있다. 예를 들어, 물공급유로(303)에 유동하는 물 중 일부는 연료처리장치(10)에 공급될 수 있고, 나머지 일부는 물우회유로(318)를 통해 수증기열교환기(27)에 공급될 수 있다.
물우회유로(318)에는, 물공급유로(303)를 통해 수증기열교환기(27)에 유입되는 물의 유동을 조절하는 물우회밸브(40)가 배치될 수 있다.
수증기열교환기(27)는, 연료처리장치(10)에서 토출된 수증기가 유동하는 수증기토출유로(131)에 연결될 수 있다. 수증기열교환기(27)는, 물공급탱크(13)에서 토출된 물이 유동하는 물우회유로(318)에 연결될 수 있다. 수증기열교환기(27)는, 수증기토출유로(131)를 통해 유입되는 수증기와, 물우회유로(318)를 통해 공급되는 물을 열교환할 수 있다.
수증기열교환기(27)에서 열교환된 수증기는, 수증기우회유로(132)로 토출될 수 있다. 수증기우회유로(132)는, 연료처리장치(10)에서 토출된 개질가스가 유동하는 개질가스토출유로(104)에 연결될 수 있다. 수증기우회유로(132)에는, 연료처리장치(10)에서 토출되는 수증기의 유동을 조절하는 수증기밸브(49)가 배치될 수 있다. 물우회밸브(40)의 개도와 수증기밸브(49)의 개도는, 서로 대응할 수 있다. 예를 들어, 물우회밸브(40)가 개방되는 경우, 수증기밸브(49)가 개방되고, 물우회밸브(40)가 폐쇄되는 경우, 수증기밸브(49)가 폐쇄될 수 있다.
연료처리장치(10)에서 토출된 수증기가 유동하는 수증기토출유로(131) 및 수증기우회유로(132)는, 수증기유로로 명명될 수 있다. 이때, 수증기토출유로(131)는 수증기유로의 전단으로 명명되고, 수증기우회유로(132)는 수증기유로의 후단으로 명명될 수 있다.
수증기열교환기(27)에서 열교환된 물은, 제4 물회수유로(319)로 토출될 수 있다. 제4 물회수유로(319)는, 개질가스 수분제거장치(61)에서 토출된 물이 유동하는 제1 물회수유로(309)에 연결될 수 있다. 한편, 본 발명에서는, 제4 물회수유로(319)가 제1 물회수유로(309)에 연결되는 것으로 설명하나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 스택(20a, 20b)에서 토출되는 물이 유동하는 스택물토출유로(307)에 연결될 수도 있다.
개질가스열교환기(21)는, 연료처리장치(10)에서 토출된 개질가스가 유동하는 개질가스토출유로(104)에 연결될 수 있다. 개질가스열교환기(21)는, 물공급탱크(13)에서 토출된 물이 유동하는 냉각수공급유로(304)에 연결될 수 있다. 개질가스열교환기(21)는, 개질가스토출유로(104)를 통해 유입되는 개질가스와, 냉각수공급유로(304)를 통해 공급되는 물을 열교환할 수 있다.
냉각수공급유로(304)에는, 물공급탱크(13)에 저장된 물을 개질가스열교환기(21)로 유동시키는 냉각수펌프(43), 및/또는 냉각수공급유로(304) 내에 유동하는 물의 유량을 검출하는 냉각수유량계(56)가 배치될 수 있다.
개질가스열교환기(21)는, 스택가스공급유로(106)에 연결될 수 있다 개질가스열교환기(21)에서 토출된 개질가스는, 스택가스공급유로(106)를 통해 스택(20a, 20b)으로 유동할 수 있다.
연료처리장치(10)에서 토출된 개질가스가 스택(20a. 20b)을 향해 유동하는 개질가스토출유로(104) 및 스택가스공급유로(106)는, 개질가스유로로 명명될 수 있다. 이때, 개질가스토출유로(104)는 개질가스유로의 전단으로 명명될 수 있고, 스택가스공급유로(106)는 개질가스유로의 후단으로 명명될 수 있다. 예를 들어, 수증기유로의 후단인 수증기우회유로(132) 및 바이패스유로(105)는, 개질가스유로의 전단 중, 연료처리장치(10)와 개질가스밸브(33) 사이에 연결될 수 있다.
스택가스공급유로(106)에는, 개질가스에 포함된 수분의 양을 조절하는 개질가스 수분제거장치(61)가 배치될 수 있다. 개질가스 수분제거장치(61)로 유입된 개질가스는, 수분이 제거된 후 개질가스 수분제거장치(61)에서 토출될 수 있다.
개질가스 수분제거장치(61)에서 생성된 응축수는, 개질가스 수분제거장치(61)에서 토출되어, 제1 물회수유로(309)로 유동할 수 있다. 제1 물회수유로(309)에는, 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 개질가스는 제2 스택(20b)에서 추가적으로 전기화학반응을 일으킬 수 있다.
제2 블로워(72)는, 제1 외부공기유입유로(201)와 연결된 제2 외부공기유입유로(203)와, 스택측 공기유입유로(204)에 연결될 수 있다. 제2 외부공기유입유로(203)는, 공기필터(91)의 후단에 연결될 수 있다. 제2 블로워(72)는, 제2 외부공기유입유로(203)를 통해 유입되는 공기를, 스택측 공기유입유로(204)를 통해 스택(20) 측으로 유동시킬 수 있다.
제2 외부공기유입유로(203)에는, 공기의 유동 방향을 제한하는 제2 공기측 체크밸브(82)가 배치될 수 있다.
스택측 공기유입유로(204)에는, 스택측 공기유입유로(204) 내에 유동하는 공기의 유량을 검출하는 공기유량계(53)가 배치될 수 있다.
가습장치(23)는, 스택측 공기유입유로(204)를 통해 유입되는 공기에 수분을 공급할 수 있고, 수분이 포함된 공기를 스택측 공기공급유로(205)를 통해 토출할 수 있다.
스택측 공기공급유로(205)에는, 스택(20)으로 공급되는 공기의 유동을 조절하는 스택측 공기공급밸브(36)가 배치될 수 있다.
스택측 공기공급유로(205)는, 스택(20a. 20b)에 각각 대응하는 개별공급유로(206, 207)에 연결될 수 있다. 스택측 공기공급유로(205)를 통해 유동하는 공기는, 개별공급유로(206, 207)를 통해 스택(20a. 20b)으로 공급될 수 있다.
복수의 스택(20a. 20b)은, 가스연결유로(107)에 의해 서로 연결될 수 있다. 제1 스택(20a)에서 반응하지 않고 토출되는 개질가스는, 가스연결유로(107)를 통해 제2 스택(20b)으로 유입될 수 있다.
가스연결유로(107)에는, 개질가스가 제1 스택(20a)을 통과하는 동안 응축되어 생성된 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)에는, 물의 유동을 조절하는 제2 물회수밸브(45)가 배치될 수 있다. 제2 물회수유로(310)는, 제1 물회수유로(309)에 연결될 수 있다.
스택(20a. 20b)에서 반응하지 않고 토출되는 애노드 오프 가스(AOG)는, AOG토출유로(108)를 통해 유동할 수 있다.
AOG열교환기(22)는, 스택(20a. 20b)에서 토출된 애노드 오프 가스(AOG)가 유동하는 AOG토출유로(108)에 연결될 수 있다. AOG열교환기(22)는, 열회수탱크(15)에서 토출된 물이 유동하는 온수공급유로(313)에 연결될 수 있다. AOG열교환기(22)는, AOG토출유로(108)를 통해 유입되는 애노드 오프 가스(AOG)와, 온수공급유로(313)를 통해 공급되는 물을 열교환할 수 있다.
온수공급유로(313)에는, 열회수탱크(15)에 저장된 물을 AOG열교환기(22)로 유동시키는 온수펌프(48) 및/또는 온수공급유로(313) 내에 유동하는 물의 유량을 검출하는 온수유량계(55)가 배치될 수 있다.
AOG열교환기(22)는, AOG공급유로(109)에 연결될 수 있고, AOG공급유로(109)를 통해 열교환된 애노드 오프 가스(AOG)를 토출할 수 있다. AOG열교환기(22)에서 토출된 애노드 오프 가스(AOG)는, AOG공급유로(109)를 통해 연료처리장치(10)로 유동할 수 있다. AOG공급유로(109)를 통해 연료처리장치(10)에 공급된 애노드 오프 가스(AOG)는, 버너(120)의 연소를 위한 연료로 사용될 수 있다.
스택(20a. 20b)에서 토출된 애노드 오프 가스가 연료처리장치(10)를 향해 유동하는 AOG토출유로(108) 및 AOG공급유로(109)는, AOG유로로 명명될 수 있다. 이때, AOG토출유로(108)는 AOG유로의 전단으로 명명될 수 있고, AOG공급유로(109)는 AOG유로의 후단으로 명명될 수 있다.
AOG공급유로(109)에는, 애노드 오프 가스(AOG)에 포함된 수분의 양을 조절하는 AOG 수분제거장치(63) 및/또는 연료처리장치(10)로 공급되는 애노드 오프 가스(AOG)의 유동을 조절하는 AOG밸브(35)가 배치될 수 있다. AOG 수분제거장치(63)로 유입된 애노드 오프 가스(AOG)는, 수분이 제거된 후 AOG 수분제거장치(63)에서 토출될 수 있다.
AOG 수분제거장치(63)에서 생성된 응축수는, AOG 수분제거장치(63)에서 토출되어, 제3 물회수유로(311)를 통해 유동할 수 있다. 제3 물회수유로(311)에는, 물의 유동을 조절하는 제3 물회수밸브(46)가 배치될 수 있다. 제3 물회수유로(311)는, 제1 물회수유로(309)에 연결될 수 있다.
스택측 공기토출유로(211)는, 스택(20a. 20b)에 각각 대응하는 개별토출유로(208, 209)에 연결될 수 있다. 스택(20a, 20b)에서 토출된 공기는, 개별토출유로(208, 209)를 통해 스택측 공기토출유로(211)로 유동할 수 있다. 이때, 스택측 공기토출유로(211)를 통해 유동하는 공기는, 스택(20a, 20b)에서 일어나는 전기화학반응에 의해 생성되는 수분을 포함할 수 있다.
스택측 공기토출유로(211)는, 가습장치(23)에 연결될 수 있다. 가습장치(23)는, 스택측 공기토출유로(211)를 통해 공급되는 공기에 포함된 수분을 이용하여, 스택(20)으로 유동하는 공기에 수분을 공급할 수 있다. 스택측 공기토출유로(211)를 통해 가습장치(23)에 공급된 공기는, 가습장치(23)를 거쳐 가습장치토출유로(212)로 토출될 수 있다.
스택측 공기토출유로(211)에는, 스택(20a. 20b)에서 토출되어 가습장치(23)에 유입되는 공기의 유동을 조절하는 스택측 공기토출밸브(37)이 배치될 수 있다.
물공급탱크(13)는, 물유입유로(301)에 연결될 수 있고, 물유입유로(301)를 통해 공급되는 물을 저장할 수 있다. 물유입유로(301)에는, 외부에서 공급되는 물에 포함된 이물질을 제거하는 제1 액체필터(92) 및/또는 물공급탱크(13)에 유입되는 물의 유동을 조절하는 물유입밸브(41)가 배치될 수 있다.
물공급탱크(13)는, 물배출유로(302)에 연결될 수 있고, 물배출유로(302)를 통해 물공급탱크(13)에 저장된 물 중 적어도 일부를 외부로 배출할 수 있다. 물배출유로(302)에는, 물공급탱크(13)에서 배출되는 물의 유동을 조절하는 물배출밸브(42)가 배치될 수 있다.
물공급탱크(13)는, 물저장유로(308)에 연결될 수 있고, 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. 물저장유로(308)에는, 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)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 애노드 오프 가스(AOG)와 열교환된 물은, 제1 온수순환회로(314)로 토출될 수 있다.
공기열교환기(25)는, 가습장치(23)에서 토출된 공기가 유동하는 가습장치토출유로(212)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)는 배기가스토출유로(210)와 연결될 수 있고, 배기가스토출유로(210)에 유동하는 배기가스와 공기배출유로(213)에 유동하는 공기가 혼합될 수 있다.
공기배출유로(213)에는, 공기 수분제거장치(64)가 배치될 수 있다. 공기 수분제거장치(64)는, 외부로 배출되는 공기에 포함된 수분의 양을 조절할 수 있다. 공기 수분제거장치(64)로 유입된 공기는, 수분이 제거된 후 공기 수분제거장치(64)에서 토출될 수 있다.
공기 수분제거장치(64)에서 생성된 응축수는, 공기 수분제거장치(64)에서 토출되어 제4 물회수유로(312)를 통해 유동할 수 있다. 제4 물회수유로(312)에는, 물의 유동을 조절하는 제4 물회수밸브(47)가 배치될 수 있다. 제4 물회수유로(312)는, 물저장유로(308)에 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)에 연결될 수 있다. 배기열교환기(26)는, 냉각수열교환기(24)에서 토출된 물이 유동하는 제3 온수순환유로(316)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.
연료전지 시스템(1)은, 온도를 감지하는 온도계 및/또는 압력을 감지하는 압력계를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 연료전지 시스템(1)은, 버너(120)의 온도를 감지하는 온도계, 온수회수유로(317)에 유동하는 물의 온도를 감지하는 온도계, 스택(20a, 20b)에서 토출되어 AOG토출유로(108)에 유동하는 애노드 오프 가스(AOG)의 온도를 감지하는 온도계 등을 포함할 수 있다. 예를 들어, 연료전지 시스템(1)은, 스택(20a, 20b)에 유입되는 개질가스의 압력을 감지하는 압력계, 스택(20a, 20b)에 토출되는 애노드 오프 가스(AOG)의 압력을 감지하는 압력계 등을 포함할 수 있다.
연료전지 시스템(1)은, 적어도 하나의 제어부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 제어부는, 적어도 하나의 프로세서를 포함할 수 있다. 여기서, 프로세서는 CPU(central processing unit)과 같은 일반적인 프로세서일 수 있다. 물론, 프로세서는 ASIC과 같은 전용 장치(dedicated device)이거나 다른 하드웨어 기반의 프로세서일 수 있다.
제어부는, 연료전지 시스템(1)의 동작 전반을 제어할 수 있다. 제어부는, 연료전지 시스템(1)에 구비된 각 구성과 연결될 수 있고, 각 구성과 상호 간에 신호를 송신 및/또는 수신할 수 있다. 예를 들어, 제어부는, 연료전지 시스템(1)에 포함된 적어도 하나의 온도계로부터 수신되는 신호에 기초하여, 버너(120), 개질기(140), 제1 반응기(150) 및/또는 제2 반응기(160)의 온도를 확인할 수 있다.
제어부는, 연료전지 시스템(1)에 구비된 각 구성으로부터 수신되는 신호를 처리할 수 있고, 신호를 처리한 결과에 따른 제어 신호를 연료전지 시스템(1)에 구비된 각 구성에 송신할 수 있다. 예를 들어, 제어부는, 연료전지 시스템(1)에 구비된 각 밸브의 개도를 조절할 수 있다.
도 4 및 도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 연료전지 시스템의 동작방법을 도시한 순서도들이다.
도 4를 참조하면, 연료전지 시스템(1)은, S401 동작에서, 연료처리장치(10)의 버너(120)를 예열하는 운전을 수행할 수 있다. 예를 들어, 연료전지 시스템(1)은, 발전을 개시하는 경우, 연료 가스와 공기가 혼합된 가스를 버너(120)에 공급하여, 연소열을 발생시킬 수 있다. 개질기(140)의 내부온도는, 개질 반응이 촉진되는 적정 온도(예: 800℃ 이상)까지 점차 증가할 수 있다.
연료전지 시스템(1)은, 버너(120)를 예열하는 운전을 수행하는 동안, 개질기(140)에 대한 연료 가스의 공급을 차단할 수 있다. 예를 들어, 연료전지 시스템(1)은, 탈황기(110)에서 토출되는 연료 가스가 모두 버너(120)에 공급되도록 비례제어밸브(31)를 조절하여, 개질기(140)에 대한 연료 가스의 공급을 차단할 수 있다.
연료전지 시스템(1)은, 버너(120)를 예열하는 운전을 수행하는 동안, 개질가스밸브(33), 바이패스밸브(34) 및 AOG밸브(35)를 모두 폐쇄할 수 있다. 이때, 개질기(140)에 대한 연료 가스의 공급이 차단되므로, 개질기(140)에서 개질가스가 생성되지 않는다. 또한, 개질가스토출유로(104), 바이패스유로(105) 및 AOG공급유로(109)에서, 개질가스나 애노드 오프 가스가 유동하지 않는다.
연료전지 시스템(1)은, S402 동작에서, 개질가스 생성을 위한 개질 공정과 관련된 최소 온도가 만족되는지 여부를 판단할 수 있다. 여기서, 개질 공정과 관련된 최소 온도는, 개질기(140), 제1 반응기(150) 및 제2 반응기(160) 각각에 대하여 기 설정될 수 있다. 예를 들어, 개질기(140)에 대응하는 최소 온도는 800℃, 제1 반응기(150)에 대응하는 최소 온도는 160℃, 제2 반응기(160)에 대응하는 최소 온도는 160℃로 기 설정될 수 있다. 이때, 연료전지 시스템(1)은, 개질기(140)은 온도가 800℃ 이상이고, 제1 반응기(150) 및 제2 반응기(160)의 온도가 모두 160℃ 이상인 경우, 개질 공정과 관련된 최소 온도가 만족된 것으로 판단할 수 있다.
연료전지 시스템(1)은, S403 동작에서, 개질 공정과 관련된 최소 온도가 만족된 경우, 연료처리장치(10)의 증기발생기(130)를 통한 수증기의 공급을 개시할 수 있다. 예를 들어, 연료전지 시스템(1)은, 연료처리장치(10)의 증기발생기(130)에 물이 공급되도록, 물펌프(38)를 구동할 수 있다.
연료전지 시스템(1)은, 수증기의 공급이 개시되는 경우, 수증기밸브(49)를 개방할 수 있다. 연료전지 시스템(1)은, 개질기(140)에 대한 연료 가스의 공급이 차단되는 동안, 수증기밸브(49)를 개방할 수도 있다.
수증기밸브(49)가 개방된 경우, 증기발생기(130)에서 생성된 수증기 중 적어도 일부는, 연료처리장치(10)의 외부로 토출될 수 있고, 나머지는 개질기(140) 측으로 유동할 수 있다. 이때, 수증기열교환기(27)가 수증기의 유동에 미치는 영향, 즉, 수증기열교환기(27)가 수증기의 유동을 방해하는 정도가, 제2 믹서(112), 개질기(140), 제1 반응기(150) 및 제2 반응기(160)보다 작을 수 있다. 따라서, 증기발생기(130)에서 생성된 수증기의 대부분은, 연료처리장치(10)의 외부로 토출되어 물우회유로(132)에 유동할 수 있고, 소량의 수증기만 개질기(140) 측으로 유동할 수 있다.
도 6을 참조하면, 연료전지 시스템(1)은, 수증기의 공급이 개시되는 경우, 바이패스밸브(34)를 개방할 수 있다. 이때, 바이패스밸브(34)가 개방됨에 따라, 물우회유로(132)에 유동하는 수증기는 바이패스유로(105)를 통해 연료처리장치(10)에 다시 유입될 수 있고, 버너(20)에서 생성되는 배기가스와 함께 연료처리장치(10)의 외부로 배출될 수 있다.
한편, 연료전지 시스템(1)은, 수증기의 공급이 개시되는 경우, 물펌프(38)에 의해 연료처리장치(10)로 유동하는 물 중 일부가 물우회유로(318)에 유동하도록, 물우회밸브(40)를 개방할 수 있다. 또는, 연료전지 시스템(1)은, 개질기(140)에 대한 연료 가스의 공급이 차단되는 동안, 물우회밸브(40)를 개방할 수도 있다. 또는, 연료전지 시스템(1)은, 물펌프(38)가 동작하는 동안, 물우회밸브(40)를 개방할 수도 있다.
물우회밸브(40)가 개방되는 경우, 물우회유로(318)에 유동하는 물은 수증기열교환기(27)에 유입될 수 있고, 연료처리장치(10)에서 토출된 수증기와 열교환될 수 있다. 이때, 수증기열교환기(27)에서 물과 열교환된 수증기의 온도는, 수증기밸브(49)의 수명에 영향을 미치는 제한 온도(예: 180℃)보다 낮을 수 있다.
연료전지 시스템(1)은, S404 동작에서, 개질가스 생성을 위한 개질 공정과 관련된 최적 온도가 만족되는지 여부를 판단할 수 있다. 예를 들어, 연료전지 시스템(1)은 제2 반응기(160)의 온도가 160℃ 내지 210℃로 유지되는 경우, 개질 공정과 관련된 최적 온도가 만족된 것으로 판단할 수 있다.
연료전지 시스템(1)은, S405 동작에서, 증기발생기(130)에서 생성되는 수증기의 압력이 개질 반응을 위한 최소 압력을 만족하는지 여부를 판단할 수 있다. 예를 들어, 물펌프(38)가 구동된 후 소정 시간이 경과되면, 수증기의 압력이 개질 반응을 위한 최소 압력 이상으로 유지될 수 있다.
연료전지 시스템(1)은, S406 동작에서, 개질 공정과 관련된 최적 온도가 만족되고, 수증기의 압력이 개질 반응을 위한 최소 압력을 만족하는 경우, 개질가스의 생성을 개시할 수 있다.
연료전지 시스템(1)은, 개질가스의 생성을 개시하는 경우, 탈황기(110)에서 토출되는 연료 가스가 중 일부가 개질기(140)에 공급되고, 나머지 일부가 버너(120)에 공급되도록 비례제어밸브(31)를 조절할 수 있다.
연료전지 시스템(1)은, 개질가스의 생성을 개시하는 경우, 수증기밸브(49)를 폐쇄할 수 있다. 이때, 수증기밸브(49)가 폐쇄됨에 따라, 증기발생기(130)에서 생성된 수증기는, 개질기(140) 측으로 대부분 유동할 수 있다.
연료전지 시스템(1)은, S407 동작에서, 전기의 발생에 대하여 기 설정된 조건(이하, 발전 조건)이 만족되는지 여부를 판단할 수 있다. 예를 들어, 연료전지 시스템(1)은, 연료처리장치(10)에서 토출되는 개질가스 중 수소 가스의 비율이 기 설정된 최소 비율 이상인 경우, 발전 조건이 만족된 것으로 판단할 수 있다. 예를 들어, 연료전지 시스템(1)은, 개질기(140)에 연료 가스가 공급된 시점으로부터 소정 시간이 경과된 경우, 발전 조건이 만족된 것으로 판단할 수 있다.
개질가스의 생성이 개시된 후 소정 시간 동안에는, 연료처리장치(10)에서 토출되는 개질가스 중 수소 가스의 비율이 기 설정된 최소 비율보다 낮을 수 있다. 여기서, 기 설정된 최소 비율은, 목표하는 발전량을 달성할 수 있는, 개질가스 중 수소 가스가 차지하는 비율의 최소값(예: 80%)을 의미할 수 있다. 이때, 수소 가스의 비율이 기 설정된 최소 비율보다 낮은 개질가스가 스택(20)에 공급되는 경우, 스택(20)에서 목표하는 발전량만큼 전기가 발생되기 어려우므로, 연료처리장치(10)에서 토출되는 개질가스를 버너(120)의 연료로 재사용할 수 있다.
도 7을 참조하면, 연료전지 시스템(1)은, 개질가스의 생성을 개시한 후 발전 조건이 만족되기 전까지, 수증기밸브(49), 개질가스밸브(33) 및 AOG밸브(35)를 폐쇄하고, 바이패스밸브(34)를 개방할 수 있다. 이때, 연료처리장치(10)에서 토출된 개질가스는, 개질가스토출유로(104) 및 바이패스유로(105)를 통해 연료처리장치(10)에 다시 유입될 수 있고, 버너(20)의 연소를 위한 연료로 사용될 수 있다.
연료전지 시스템(1)은, S408 동작에서, 발전 조건이 만족되는 경우, 스택(20)에서 전기를 발생시키는 발전 운전을 수행할 수 있다.
도 8을 참조하면, 연료전지 시스템(1)은, 발전 운전을 수행하는 경우, 연료처리장치(10)에서 토출되는 개질가스가 스택(20)에 공급되도록, 개질가스밸브(33)를 개방하고, 바이패스밸브(34) 및 수증기밸브(49)를 폐쇄할 수 있다. 연료전지 시스템(1)은, 제2 블로워(72)를 구동하여, 전기를 발생시키는 전기화학반응에 사용되는 공기를 스택(20)에 공급할 수 있다.
한편, 발전 운전이 수행되는 경우, 스택(20)에서 애노드 오프 가스가 토출될 수 있다. 이때, 연료전지 시스템(1)은, 스택(20)에서 토출된 애노드 오프 가스가 연료처리장치(10)에 유입되도록, AOG밸브(35)를 개방할 수 있다. 연료처리장치(10)에 유입되는 애노드 오프 가스는, 버너(20)의 연소를 위한 연료로 사용될 수 있다.
한편, 도 5를 참조하면, 연료전지 시스템(1)은, S501 동작에서, 발전 운전을 일시적으로 정지할 수 있다. 예를 들어, 사용자가 임의로 발전 운전을 정지하는 경우, 또는, 연료전지 시스템(1)에 포함된 구성과 관련된 에러가 발생한 경우, 연료전지 시스템(1)은, 발전 운전을 일시적으로 정지할 수 있다.
연료전지 시스템(1)은, 발전 운전을 일시적으로 정지하는 경우, 개질기(140)에 대한 연료 가스의 공급을 차단할 수 있다. 예를 들어, 연료전지 시스템(1)은, 발전 운전을 일시적으로 정지하는 경우, 탈황기(110)에서 토출되는 연료 가스가 모두 버너(120)에 공급되도록 비례제어밸브(31)를 조절하여, 개질기(140)에 대한 연료 가스의 공급을 차단할 수 있다.
연료전지 시스템(1)은, 발전 운전을 일시적으로 정지하는 경우, 발전 운전의 재개에 대비하여, 증기발생기(130)에서의 수증기 생성을 유지할 수 있다. 예를 들어, 연료전지 시스템(1)은, 발전 운전을 일시적으로 정지하는 경우, 물펌프(38)의 구동을 유지할 수 있고, 물우회밸브(40) 및 수증기밸브(49)를 개방할 수 있다.
또한, 연료전지 시스템(1)은, 발전 운전을 일시적으로 정지하는 경우, 바이패스밸브(34)를 개방하고, 개질가스밸브(33) 및 AOG밸브(35)를 폐쇄할 수 있다. 이때, 연료처리장치(10)에서 토출되어 물우회유로(132)에 유동하는 수증기는, 바이패스유로(105)를 통해 연료처리장치(10)에 다시 유입될 수 있고, 버너(20)에서 생성되는 배기가스와 함께 연료처리장치(10)의 외부로 배출될 수 있다. 이를 통해, 발전 운전이 일시적으로 정지된 동안, 증기발생기(130)에서 수증기를 지속적으로 생성하는 경우에도, 개질기(140) 내 촉매가 수증기에 의해 열화되는 것을 최소화할 수 있다.
연료전지 시스템(1)은, S502 동작에서, 버너(120)의 온도가 감소하도록 각 구성의 동작을 조절할 수 있다. 예를 들어, 연료전지 시스템(1)은, 버너(120)의 온도 감소를 위해, 연료밸브(30)의 개도를 조절하여, 연료처리장치(10)에 공급되는 연료 가스의 유량을 감소시킬 수 있다. 이때, 연료전지 시스템(1)은, 발전 운전을 일시적으로 정지하는 경우, 발전 운전의 재개에 대비하여, 개질 반응이 촉진되는 적정 온도(예: 800℃ 이상)보다 낮은 일정 수준의 온도(예: 720℃ 내지 740℃)로 버너(120)의 온도를 낮출 수 있다.
연료전지 시스템(1)은, S503 동작에서, 제1 반응기(150) 및/또는 제2 반응기(160)의 온도가, 각각에 대하여 기 설정된 기준 온도를 초과하는지 여부를 판단할 수 있다. 예를 들어, 제1 반응기(150)에 대하여 기 설정된 기준 온도는 220℃, 제2 반응기(160)에 대하여 기 설정된 기준 온도는 200℃로 설정될 수 있다.
연료전지 시스템(1)은, S504 동작에서, 제1 반응기(150)의 온도가 제1 반응기(150)에 대하여 기 설정된 기준 온도보다 높거나, 제2 반응기(160)의 온도가 제2 반응기(160)에 대하여 기 설정된 기준 온도보다 높은 경우, 연료처리장치(10)에 공급되는 물의 유량이 증가하도록, 물펌프(38)의 능력을 증가시킬 수 있다. 이때, 연료처리장치(10)에 공급되는 물의 유량이 증가함에 따라, 물의 기화를 위해 증기발생기(130)가 제1 반응기(150) 및/또는 제2 반응기(160)로부터 흡수하는 열량이 증가할 수 있다. 따라서, 물펌프(38)의 능력이 증가함에 따라, 제1 반응기(150) 및/또는 제2 반응기(160)의 온도가 낮아질 수 있다.
한편, 연료전지 시스템(1)은, S505 동작에서, 제1 반응기(150)의 온도와 제2 반응기(160)의 온도가 모두 각각에 대하여 기 설정된 기준 온도 이하인 경우, 물펌프(38)의 능력을 유지 또는 감소시킬 수 있다.
연료전지 시스템(1)은, S506 동작에서, 발전 운전이 재개되는지 여부를 모니터링할 수 있다. 연료전지 시스템(1)은, 발전 운전이 일시적으로 정지된 후 발전 운전이 재개되기 전까지 물펌프(38)의 능력을 조절함으로써, 제1 반응기(150) 및/또는 제2 반응기(160)의 온도를 일정 수준으로 유지할 수 있다.
연료전지 시스템(1)은, S506 동작에서, 발전 운전이 재개되는 경우, 버너(120)의 온도가 증가하도록 각 구성의 동작을 조절할 수 있다. 예를 들어, 연료전지 시스템(1)은, 버너(120)의 온도 증가를 위해, 연료밸브(30)의 개도를 조절하여, 연료처리장치(10)에 공급되는 연료 가스의 유량을 증가시킬 수 있다. 이때, 연료전지 시스템(1)은, 버너(120)의 온도를 개질 반응이 촉진되는 적정 온도(예: 800℃ 이상)까지 높일 수 있다.
연료전지 시스템(1)은, S508 동작에서, 물펌프(38)의 능력을 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 연료전지 시스템(1)은, 버너(120)의 온도 증가에도 불구하고, 제1 반응기(150) 및/또는 제2 반응기(160)의 온도가 각각에 대하여 기 설정된 기준 온도를 초과하지 않도록, 물펌프(38)의 능력을 소정 기준까지 증가시킬 수 있다.
연료전지 시스템(1)은, S509 동작에서, 개질가스 생성을 위한 개질 공정과 관련된 최적 온도가 만족되는지 여부를 판단할 수 있다.
연료전지 시스템(1)은, S510 동작에서, 개질 공정과 관련된 최적 온도가 만족되는 경우, 개질가스의 생성을 개시할 수 있다. 이때, 연료전지 시스템(1)은, 개질기(140)에 연료 가스를 공급할 수 있고, 수증기밸브(49)를 폐쇄할 수 있다.
연료전지 시스템(1)은, S511 동작에서, 발전 조건이 만족되는지 여부를 판단할 수 있다.
연료전지 시스템(1)은, S512 동작에서, 발전 조건이 만족되는 경우, 스택(20)에서 전기를 발생시키는 발전 운전을 수행할 수 있다. 이때, 연료전지 시스템(1)은, 개질가스밸브(33) 및 AOG밸브(35)를 개방하고, 바이패스밸브(34) 및 수증기밸브(49)를 폐쇄할 수 있다.
도 9는, 본 발명의 제2 실시예에 따른, 연료전지 시스템에 대한 구성도이고, 도 10은, 도 9의 연료전지 시스템의 구성 중 일부를 도시한 도면이다. 도 2 및 도 3에서 설명한 내용과 중복되는 내용에 대해서는, 상세한 설명을 생략하도록 한다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 개질가스밸브(33)는, 개질가스유로의 후단인 스택가스공급유로(106)에 배치될 수 있다. 개질가스밸브(33)는, 개질가스 수분제거장치(61)와 스택(20a. 20b) 사이에 배치될 수 있다.
바이패스유로(105)는, 연료처리장치(10)에 연결될 수 있다. 바이패스유로(105)는, 스택가스공급유로(106)에 연결될 수 있다. 바이패스유로(105)는, 수분제거장치(61)와 개질가스밸브(33) 사이에 연결될 수 있다.
도 11을 참조하면, 연료전지 시스템(1)은, 개질 공정에 사용되는 수증기의 공급이 개시되는 경우, 수증기밸브(49)를 개방할 수 있다. 연료전지 시스템(1)은, 개질기(140)에 대한 연료 가스의 공급이 차단되는 동안, 수증기밸브(49)를 개방할 수도 있다. 또한, 연료전지 시스템(1)은, 수증기의 공급이 개시되는 경우, 바이패스밸브(34)를 개방하고, 개질가스밸브(33)를 폐쇄할 수 있다.
물우회유로(132)에 유동하는 수증기는, 개질가스열교환기(21)에서 열교환된 후 개질가스 수분제거장치(61)로 유입될 수 있다. 개질가스 수분제거장치(61)로 유입된 수증기 중 적어도 일부는, 개질가스 수분제거장치(61)에서 응축될 수 있다.
바이패스밸브(34)가 개방되고, 개질가스밸브(33)가 폐쇄됨에 따라, 개질가스 수분제거장치(61)에서 토출된 수증기는, 바이패스유로(105)를 통해 연료처리장치(10)에 다시 유입될 수 있고, 버너(20)에서 생성되는 배기가스와 함께 연료처리장치(10)의 외부로 배출될 수 있다.
도 12를 참조하면, 연료전지 시스템(1)은, 개질기(140)에 연료 가스가 공급되는 경우, 수증기밸브(49)를 폐쇄할 수 있다. 이때, 수증기밸브(49)가 폐쇄됨에 따라, 증기발생기(130)에서 생성된 수증기는 개질기(140) 측으로 대부분 유동할 수 있다.
연료 가스와 수증기의 개질 반응에 생성된 개질가스는, 연료처리장치(10)에서 개질가스토출유로(104)로 토출될 수 있다. 이때, 연료처리장치(10)에서 토출된 개질가스는, 개질가스열교환기(21) 및 개질가스 수분제거장치(61)를 거쳐, 바이패스유로(105)를 통해 연료처리장치(10)에 다시 유입될 수 있다.
도 13을 참조하면, 스택(20)에서 전기를 발생시키는 발전 운전이 수행되는 동안, 개질가스밸브(33) 및 AOG밸브(35)는 개방되고, 바이패스밸브(34) 및 수증기밸브(49)는 폐쇄될 수 있다.
연료처리장치(10)에서 개질가스토출유로(104)로 토출되는 개질가스는, 개질가스열교환기(21) 및 개질가스 수분제거장치(61)를 거쳐, 스택(20)에 공급될 수 있다. 또한, 스택(20)에서 토출된 애노드 오프 가스는, AOG열교환기(22) 및 AOG 수분제거장치(63)를 거쳐, 연료처리장치(10)에 유입될 수 있다.
상기와 같이, 본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 증기발생기(130)에서 토출되는 수증기가 개질기(140)에 유입되지 않고, 개질기(140)를 우회하여 버너(120)로 유입되도록 함으로써, 수증기의 공급이 안정화되는 동안 수증기에 의한 개질기(140) 내 촉매의 열화를 최소화할 수 있어, 개질기(140) 내 촉매의 수명을 연장할 수 있다.
또한, 본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 수증기가 개질기(140)를 우회하는 동안 수증기의 온도가 낮아짐에 따라, 수증기가 통과하는 밸브(34, 49)의 손상을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 수증기가 개질기(140)를 우회하여 버너(120)에 유입되는 과정에서, 수증기가 수분제거장치(61)를 통과하도록 함으로써, 수증기의 공급이 안정화되는 동안 불필요한 물의 소비를 줄일 수 있다.
첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
마찬가지로, 특정한 순서로 도면에서 동작들을 묘사하고 있지만, 이는 바람직한 결과를 얻기 위하여 도시된 그 특정한 순서나 순차적인 순서대로 그러한 동작들을 수행하여야 한다거나, 모든 도시된 동작들이 수행되어야 하는 것으로 이해되어서는 안 될 수 있다. 특정한 경우, 멀티태스킹과 병렬 프로세싱이 유리할 수 있다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.
10: 연료처리장치
20: 스택
21: 개질가스열교환기 22: AOG열교환기
27: 수증기열교환기 33: 개질가스밸브
34: 바이패스밸브 35: AOG밸브
49: 수증기밸브 61: 개질가스 수분제거장치
63: AOG 수분제거장치 95: 가스믹서
104: 개질가스토출유로 105: 바이패스유로
106: 스택가스공급유로 108: AOG토출유로
109: AOG공급유로 131: 수증기토출유로
132: 수증기우회유로
21: 개질가스열교환기 22: AOG열교환기
27: 수증기열교환기 33: 개질가스밸브
34: 바이패스밸브 35: AOG밸브
49: 수증기밸브 61: 개질가스 수분제거장치
63: AOG 수분제거장치 95: 가스믹서
104: 개질가스토출유로 105: 바이패스유로
106: 스택가스공급유로 108: AOG토출유로
109: AOG공급유로 131: 수증기토출유로
132: 수증기우회유로
Claims (12)
- 연료 가스를 개질하여 개질가스를 생성하는 연료처리장치;
상기 개질가스를 이용하여 전기를 발생시키는 스택;
상기 연료처리장치에서 토출된 상기 개질가스가 상기 스택을 향해 유동하는 개질가스유로;
상기 연료처리장치에서 토출된 수증기가 유동하는 수증기유로;
상기 연료처리장치에서 토출된 상기 개질가스 및 상기 수증기 중 적어도 일부가 상기 연료처리장치를 향해 유동하는 바이패스유로;
상기 개질가스유로에 배치되는 개질가스밸브;
상기 수증기유로에 배치되는 수증기밸브; 및
상기 바이패스유로에 배치되는 바이패스밸브를 포함하고,
상기 수증기유로 및 상기 바이패스유로는, 상기 개질가스유로 중, 상기 연료처리장치와 상기 개질가스밸브 사이에 연결되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 수증기유로에 배치되어, 상기 수증기에 대한 열교환이 일어나는 수증기열교환기를 더 포함하고,
상기 수증기밸브는, 상기 수증기열교환기에서 열교환된 상기 수증기가 유동하는, 상기 수증기유로의 후단에 배치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템. - 제2항에 있어서,
물을 상기 연료처리장치로 유동시키는 물펌프;
상기 연료처리장치에 공급되는 상기 물이 유동하는 물공급유로;
상기 물공급유로 및 상기 수증기열교환기에 연결되는 물우회유로; 및
상기 물우회유로에 배치되는 물우회밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 개질가스유로에 배치되어, 상기 개질가스에 대한 열교환이 일어나는 개질가스열교환기; 및
상기 개질가스유로에 배치되어, 상기 열교환기에서 열교환된 상기 개질가스에 포함된 수분을 제거하는 수분제거장치를 더 포함하고,
상기 수증기유로는, 상기 연료처리장치에서 토출된 상기 개질가스가 상기 개질가스열교환기를 향해 유동하는, 상기 개질가스유로의 전단에 연결되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템. - 제4항에 있어서,
상기 개질가스밸브는, 상기 개질가스유로의 전단에 배치되고,
상기 수증기유로 및 상기 바이패스유로는, 상기 개질가스유로의 전단 중, 상기 연료처리장치와 상기 개질가스밸브 사이에 연결되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템. - 제4항에 있어서,
상기 개질가스밸브는, 상기 수분제거장치와 상기 스택 사이에 배치되고,
상기 바이패스유로는, 상기 수분제거장치와 상기 개질가스밸브 사이에 연결되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 연료처리장치는,
개질 공정을 수행하는 개질기;
상기 개질 공정에서 생성되는 일산화탄소를 저감하는 적어도 하나의 반응기; 및
상기 연료처리장치에 공급되는 물을 이용하여, 상기 수증기를 생성하는 증기발생기를 포함하고,
상기 수증기밸브의 개도에 대응하여, 상기 증기발생기에서 생성된 상기 수증기 중 적어도 일부는 상기 개질기를 향해 유동하고, 나머지 일부는 상기 연료처리장치의 외부로 배출되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템. - 제7항에 있어서,
상기 개질가스밸브 내지 상기 바이패스밸브의 개도를 조절하는 제어부를 더 포함하고,
상기 제어부는,
상기 개질기에 상기 연료 가스가 공급되는 동안 상기 수증기밸브를 폐쇄하고,
상기 개질기에 대한 상기 연료 가스의 공급이 차단되는 동안 상기 수증기밸브를 개방하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템. - 제8항에 있어서,
상기 개질기에 대한 상기 연료 가스의 유동을 조절하는 내부연료밸브를 더 포함하고,
상기 제어부는,
상기 개질기에 대한 상기 연료 가스의 공급이 차단되는 동안, 상기 개질기 및 상기 적어도 하나의 반응기 각각에 대하여 기 설정된 온도 조건이 만족되는지 여부를 판단하고,
상기 기 설정된 온도 조건이 만족되는 경우, 상기 개질기에 상기 연료 가스가 공급되도록, 상기 내부연료밸브를 개방하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템. - 제9항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 개질기에 대한 상기 연료 가스의 공급이 차단되는 동안, 상기 개질가스밸브를 폐쇄하고, 상기 바이패스밸브를 개방하고,
상기 개질기에 상기 연료 가스가 공급되는 경우, 상기 전기의 발생에 대하여 기 설정된 발전 조건이 만족되는지 여부를 판단하고,
상기 기 설정된 발전 조건이 만족되는 경우, 상기 개질가스밸브를 개방하고, 상기 바이패스밸브를 폐쇄하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템. - 제10항에 있어서,
상기 기 설정된 발전 조건은, 상기 개질가스에서 수소 가스가 차지하는 비율이 기 설정된 최소 비율 이상인지 여부에 대응하는 조건인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템. - 제9항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 전기의 발생을 일시적으로 정지하는 경우, 상기 개질기에 대한 상기 연료 가스의 공급이 차단되도록, 상기 내부연료밸브를 폐쇄하고,
상기 적어도 하나의 반응기의 온도가 기준 온도를 초과하는 경우, 상기 물펌프의 능력을 증가시키고,
상기 적어도 하나의 반응기의 온도가 상기 기준 온도 이하인 경우, 상기 물펌프의 능력을 유지 또는 감소시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210105406A KR20230023355A (ko) | 2021-08-10 | 2021-08-10 | 연료전지 시스템 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210105406A KR20230023355A (ko) | 2021-08-10 | 2021-08-10 | 연료전지 시스템 |
Publications (1)
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|---|---|
| KR20230023355A true KR20230023355A (ko) | 2023-02-17 |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020210105406A KR20230023355A (ko) | 2021-08-10 | 2021-08-10 | 연료전지 시스템 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20230023355A (ko) |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20120071288A (ko) | 2010-12-22 | 2012-07-02 | 지에스퓨얼셀 주식회사 | 연료전지 장치 |
-
2021
- 2021-08-10 KR KR1020210105406A patent/KR20230023355A/ko not_active Application Discontinuation
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20120071288A (ko) | 2010-12-22 | 2012-07-02 | 지에스퓨얼셀 주식회사 | 연료전지 장치 |
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