KR20230032692A - 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 연료처리장치에서 토출되는 상기 개질가스를 이용하여 전기를 발생시키는 제1 스택; 상기 제1 스택에서 토출되는 상기 개질가스를 이용하여 전기를 발생시키는 제2 스택; 상기 연료처리장치에서 토출되는 상기 개질가스가 유동하는 제1 유로; 상기 제1 스택에서 토출되는 상기 개질가스가 유동하는 제2 유로; 상기 제2 스택에서 토출되는 애노드 오프 가스(anode off gas, AOG)가 유동하는 제3 유로; 상기 제3 유로에 연결되고, 상기 제3 유로에 유동하는 상기 애노드 오프 가스 중 적어도 일부가 유동하는 제4 유로; 및 상기 제2 유로에 배치되어, 상기 제4 유로에 유동하는 상기 애노드 오프 가스와 상기 제1 스택에서 토출되는 상기 개질가스를 혼합하는 가스믹서를 포함할 수 있다. 그 외에 다양한 실시예들이 가능하다.
Description
본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 스택에서 토출되는 가스를 이용하여, 스택의 발전 효율을 높이면서, 스택의 수명을 연장할 수 있는 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.
한편, 스택의 발전 효율을 높이기 위해, 선행기술 2(한국공개특허공보 제10-2011-0013290호)와 유사하게, 스택은 캐스케이드(cascade) 구조로 구성될 수 있다. 스택이 캐스테이드 구조로 구성되는 경우, 전기를 발생시키는 전기화학반응이 각 스택에서 순차적으로 일어날 수 있다. 이때, 전기화학반응에 의해 캐스케이드의 전단에 배치된 스택에서 생성되는 응축수가 수소 가스와 함께 캐스케이드의 후단에 배치된 스택으로 유입될 수 있다.
이 경우, 응축수가 수소 가스가 유동하는 유로의 일부를 막음으로써, 수소 가스의 유동을 방해할 수 있다. 이로 인해, 수소 가스의 유동 방향에 대한 저항이 증가함에 따라 캐스케이드의 전단에 배치된 스택에서의 부하가 증가하는 문제점이 있다. 또한, 캐스케이드의 후단에 배치된 스택으로 유입되는 수분이 증가하는 경우, 캐스케이드의 후단에 배치된 스택으로 유입되는 가스 중 수소가 차지하는 비율이 낮아짐에 따라, 캐스케이드의 후단에 배치된 스택에서의 발전 효율이 낮아지는 문제점도 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 종래에는 스택에서 생성되는 응축수를 제거하는 수분제거장치를 각 스택 사이에 배치한다. 그러나 스택 사이에 수분제거장치를 배치하는 경우, 캐스케이드 구조를 구성하는 스택의 개수가 증가할수록 연료전지 시스템의 전체적인 부피가 과도하게 커지는 문제점이 있다.
본 발명은 전술한 문제 및 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
또 다른 목적은, 스택 내 응축수를 스택 외부로 효과적으로 배출시킬 수 있는 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.
또 다른 목적은, 스택으로 유입되는 수소 가스의 수분 함량을 줄이고, 수소의 비율을 높일 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 복수의 스택을 포함하고, 상기 연료처리장치에서 토출되는 상기 개질가스와 상기 복수의 스택에서 토출된 애노드 오프 가스(anode off gas, AOG)가 혼합된 가스가, 상기 복수의 스택 중 어느 하나에 유입될 수 있도록, 상기 개질가스와 상기 애노드 오프 가스를 혼합하는 가스믹서를 더 포함할 수 있다.
상기 연료전지 시스템은, 상기 연료처리장치에서 토출되는 상기 개질가스가 유동하는 제1 유로; 상기 복수의 스택 중 제1 스택에서 토출되는 상기 개질가스가 유동하는 제2 유로; 상기 복수의 스택 중 제2 스택에서 토출되는 애노드 오프 가스(anode off gas, AOG)가 유동하는 제3 유로; 및 상기 제3 유로에 연결되고, 상기 제3 유로에 유동하는 상기 애노드 오프 가스 중 적어도 일부가 유동하는 제4 유로를 더 포함하고, 상기 가스믹서는, 상기 제2 유로에 배치되고, 상기 제1 스택은 상기 제1 유로에 유동하는 개질가스를 이용하여 전기를 발생시키고, 상기 제2 스택은 상기 제2 유로에 유동하는 개질가스를 이용하여 전기를 발생시킬 수 있다.
상기 가스믹서는, 이젝터(ejector)일 수 있다.
상기 이젝터는, 상기 개질가스가 유입되는 제1 유입부; 상기 제1 유입부와 연결되고, 상기 개질가스의 유동 방향을 따라 단면적이 감소하는 노즐부; 상기 제4 유로에 연결되어, 상기 애노드 오프 가스가 유입되는 제2 유입부; 상기 노즐부를 통과하는 상기 개질가스와 상기 제2 유입부를 통해 유입되는 상기 애노드 오프 가스가 혼합되는 믹싱부; 및 상기 믹싱부와 연결되고, 상기 개질가스의 유동 방향을 따라 단면적이 증가하는 디퓨저부를 포함할 수 있다.
상기 연료전지 시스템은, 상기 제3 유로에 배치되어, 상기 애노드 오프 가스에 대한 열교환이 일어나는 열교환기를 더 포함하고, 상기 제4 유로는, 상기 열교환기에서 토출된 상기 애노드 오프 가스가 유동하는 상기 제3 유로의 후단에 연결될 수 있다.
상기 연료전지 시스템은, 상기 열교환기에서 열교환된 상기 애노드 오프 가스에 포함된 수분을 제거하는 수분제거장치를 더 포함하고, 상기 수분제거장치는, 상기 제3 유로와 상기 제4 유로가 연결되는 노드(node)와 상기 열교환기 사이에 배치될 수 있다.
상기 연료전지 시스템은, 상기 제4 유로에 배치되어, 상기 애노드 오프 가스가 유동하는 방향을, 상기 가스믹서를 향하는 방향으로 제한하는 체크밸브를 더 포함할 수 있다.
상기 연료전지 시스템은, 상기 제3 유로에 배치되어, 상기 제3 유로에 유동하는 상기 애노드 오프 가스 중 적어도 일부가 상기 제4 유로로 유동하고, 나머지 일부가 상기 연료처리장치로 유동하도록 동작하는 밸브를 더 포함할 수 있다.
상기 연료전지 시스템은, 상기 제4 유로로 유동하는 상기 애노드 오프 가스의 유량에 기초하여, 상기 밸브의 개도를 조절하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 제1 스택에서 토출되는 상기 개질가스의 유량에 대한 상기 제4 유로로 유동하는 상기 애노드 오프 가스의 유량의 비율(ratio)을 산출하고, 상기 산출된 비율(ratio)이 소정 비율 이상인 경우, 상기 제4 유로로 유동하는 상기 애노드 오프 가스의 유량이 감소하도록, 상기 밸브의 개도를 조절하고, 상기 산출된 비율(ratio)이 소정 비율 미만인 경우, 상기 제4 유로로 유동하는 상기 애노드 오프 가스의 유량이 증가하도록, 상기 밸브의 개도를 조절할 수 있다.
상기 연료처리장치는, 상기 연료 가스를 연소하는 버너를 포함하고, 상기 제3 유로는, 상기 연료처리장치에 연결되고, 상기 제3 유로에 유동하는 상기 애노드 오프 가스 중, 상기 제4 유로로 유동하는 일부를 제외한 나머지가, 상기 버너에 유입될 수 있다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 캐스케이드의 후단에 배치된 스택으로 유동하는 수소 가스의 유량을 증가시킬 수 있어, 캐스케이드의 후단에 배치된 스택 내 응축수를 스택 외부로 효과적으로 배출시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 캐스케이드의 후단에 배치된 스택으로 유입되는 수소 가스의 수분 함량을 줄이고, 수소의 비율을 높일 수 있어, 스택의 발전 효율을 향상시킬 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 일 실시예에 따른, 연료전지 시스템에 대한 구성도이다.
도 3은, 도 2의 연료전지 시스템의 구성 중 일부를 도시한 도면이다.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 가스믹서의 단면도이다.
도 5 내지 도 7은, 연료전지 시스템의 동작에 대한 설명에 참조되는 도면들이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 연료전지 시스템에 대한 구성도이다.
도 3은, 도 2의 연료전지 시스템의 구성 중 일부를 도시한 도면이다.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 가스믹서의 단면도이다.
도 5 내지 도 7은, 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. 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.
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)로 구현될 수 있다. 예를 들어, 제2 믹서(112)는, 증기발생기(130)에서 토출된 수증기를 이용하여, 탈황기(110)로부터 토출된 연료 가스를 내부로 흡입하는 이젝터일 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(140), 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 일 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.
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.
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, 제1 스택(20a)에서 토출되는 개질가스와, 제2 스택(20b)에서 토출되는 애노드 오프 가스를 혼합하는 가스믹서(95)가 배치될 수 있다. 이하에서, 개질가스와 애노드 오프 가스(AOG)가 혼합된 가스는, 혼합가스로 명명될 수 있다.
가스믹서(95)에서 토출되는 혼합가스는, 가스연결유로(107)를 통해 제2 스택(20b)으로 유동할 수 있다. 즉, 제1 스택(20a)에서 토출된 개질가스와, 제2 스택(20b)에서 토출된 애노드 오프 가스(AOG)가 혼합된 혼합가스가 제2 스택(20b)으로 공급됨에 따라, 제2 스택(20b)으로 유입되는 가스의 유량이 증가할 수 있다. 이때, 제2 스택(20b)으로 유입되는 가스의 유량이 증가함에 따라, 제2 스택(20b)으로 유입되는 가스가 제2 스택(20b) 내부의 응축수를 제2 스택(20b) 외부로 밀어낼 수 있다. 일 실시예에 따른, 가스믹서(95)의 구성에 대한 구체적인 내용은, 도 4를 참조하여 후술하도록 한다.
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.
가스믹서(95)는, 스택(20a. 20b)에서 토출된 애노드 오프 가스(AOG) 중 적어도 일부가 유동하는, AOG바이패스유로(121)에 연결될 수 있다.
AOG바이패스유로(121)는, AOG유로에 연결될 수 있다. AOG바이패스유로(121)는, AOG열교환기(22)에서 토출된 애노드 오프 가스(AOG)가 유동하는, AOG공급유로(109)에 연결될 수 있다. 즉, AOG열교환기(22)에서 열교환된 애노드 오프 가스(AOG) 중 적어도 일부가, AOG바이패스유로(121)를 통해 가스믹서(95)로 유동할 수 있다. 이때, 열교환된 애노드 오프 가스(AOG)가 가스믹서(95)에서 개질가스와 혼합되어 제2 스택(20b)으로 유입됨에 따라, 제2 스택(20b)의 내부 온도가 낮아질 수 있다.
한편, AOG바이패스유로(121)에는, 애노드 오프 가스(AOG)의 유동 방향을 가스믹서(95)를 향하는 방향으로 제한하는 AOG체크밸브(미도시)가 배치될 수도 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.
AOG 수분제거장치(63)는, AOG공급유로(109)와 AOG바이패스유로(121)가 연결되는 노드(node)(122)와 AOG열교환기(22) 사이에 배치될 수 있다. 즉, AOG 수분제거장치(63)에서 수분이 제거된 애노드 오프 가스(AOG) 중 적어도 일부가, AOG바이패스유로(121)를 통해 가스믹서(95)로 유동할 수 있다. 이때, 수분이 제거된 애노드 오프 가스(AOG)가 가스믹서(95)에서 개질가스와 혼합되어 제2 스택(20b)으로 유입되는 경우, 제2 스택(20b)에 공급되는 개질가스의 수분 비율을 줄일 수 있어, 제2 스택(20b)의 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
한편, AOG밸브(35)의 개도에 따라, AOG바이패스유로(121)에 유동하는 애노드 오프 가스(AOG)의 유량이 조절될 수 있다. 예를 들어, AOG밸브(35)의 개도량이 감소하는 경우, AOG바이패스유로(121)에 유동하는 애노드 오프 가스(AOG)의 유량이 증가할 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), 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 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 가스믹서의 단면도이다.
도 4를 참조하면, 가스믹서(95)는, 이젝터(ejector)를 포함할 수 있다.
제1 스택(20a)에서 토출된 개질가스는, 가스믹서(95)의 제1 유입부(401)를 통해 가스믹서(95)의 내부로 유입될 수 있다.
가스믹서(95)의 제2 유입부(402)는, AOG바이패스유로(121)에 연결될 수 있다. AOG바이패스유로(121)에 유동하는 애노드 오프 가스(AOG)는, 가스믹서(95)의 제2 유입부(402)를 통해 가스믹서(95)의 내부로 유입될 수 있다.
제1 유입부(401)를 통해 가스믹서(95)의 내부로 유입된 개질가스는, 노즐부(410)를 고속으로 통과할 수 있다. 노즐부(410)는, 제1 유입부(401)와 연결되고, 개질가스의 유동 방향을 따라 단면적이 감소하는 형상으로 형성될 수 있다. 이때, 제1 유입부(112)를 통해 유입된 개질가스는, 노즐부(410)를 통과하는 동안 유속은 증가하고, 압력은 저하될 수 있다. 한편, 노즐부(410)를 통과하는 동안 저하된 개질가스의 압력에 따라, AOG바이패스유로(121)에 유동하는 애노드 오프 가스(AOG)가 압력차에 의해 제2 유입부(402)로 흡입될 수 있다.
노즐부(410)를 통과하여 분출된 개질가스와, 제2 유입부(402)를 통해 유입된 애노드 오프 가스(AOG)는 믹싱부(420)에서 혼합될 수 있다.
개질가스와 애노드 오프 가스(AOG)가 혼합된 혼합가스는, 디퓨저부(430)를 거쳐 토출부(403)로 유동할 수 있다. 디퓨저부(430)는, 믹싱부(420)와 연결되고, 혼합가스의 유동 방향에 따라 단면적이 증가하는 형상으로 형성될 수 있다. 혼합가스는, 디퓨저부(430)를 통과하는 동안, 유속은 저하되고, 압력은 상승할 수 있다.
혼합가스는, 토출부(403)를 통해 가스믹서(95)에서 토출되어, 제2 스택(20b)으로 공급될 수 있다.
도 5 내지 7은, 연료전지 시스템의 동작에 대한 설명에 참조되는 도면들이다.
연료전지 시스템(1)은, 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. 이때, 개질기(140)의 내부온도는, 개질 반응이 촉진되는 적정 온도(예: 800℃)까지 점차 증가할 수 있다.
또한, 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.
도 5를 참조하면, 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 가스(AOG)가 유동하지 않는다.
한편, 연료전지 시스템(1)은, 개질가스를 초기 생성하는 운전을 수행할 수 있다. 예를 들어, 연료전지 시스템(1)은, 버터(120)의 예열로 인해 개질기(140)의 내부온도가 적정 온도(예: 800℃)까지 증가한 경우, 개질가스를 초기 생성하는 운전을 개시할 수 있다. 예를 들어, 연료전지 시스템(1)은, 제1 반응기(150) 및 제2 반응기(160)의 내부온도가 일산화탄소의 제거를 위한 최소 온도(예: 160℃) 이상인 경우, 개질가스를 초기 생성하는 운전을 개시할 수 있다.
연료전지 시스템(1)은, 개질가스를 초기 생성하는 운전을 수행하는 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, 개질가스를 초기 생성하는 운전을 개시하는 경우, 개질 반응에 사용되는 수증기가 개질기(140)에 공급되도록, 물펌프(38)를 구동하여 연료처리장치(10)의 증기발생기(130)에 물을 공급할 수 있다. 이때, 연료전지 시스템(1)은, 개질기(140)에 공급된 수증기의 압력이 개질 반응을 위한 최소 압력 이상으로 유지되는 경우, 예컨대, 물펌프(38)가 구동된 후 소정 시간이 경과되면, 탈황기(110)에서 토출되는 연료 가스 중 일부를 개질기(140)에 공급할 수 있다.
개질가스를 초기 생성하는 운전이 수행되는 동안, 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 6을 참조하면, 연료전지 시스템(1)은, 개질가스를 초기 생성하는 운전을 수행하는 동안, 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.
한편, 연료전지 시스템(1)은, 스택(20)에서 전기를 발생시키는 발전 운전을 수행할 수 있다. 예를 들어, 연료전지 시스템(1)은, 개질가스 중 수소 가스의 비율이 기 설정된 최소 비율 이상인 경우, 발전 운전을 개시할 수 있다. 예를 들어, 연료전지 시스템(1)은, 개질기(140)에 연료 가스가 공급된 시점으로부터 소정 시간이 경과된 경우, 발전 운전을 개시할 수 있다.
도 7을 참조하면, 연료전지 시스템(1)은, 발전 운전을 수행하는 경우, 연료처리장치(10)에서 토출되는 개질가스가 제1 스택(20a)에 공급되도록, 개질가스밸브(33)를 개방하고, 바이패스밸브(34)를 폐쇄할 수 있다. 이때, 연료전지 시스템(1)은, 제2 블로워(72)를 구동하여, 전기를 발생시키는 전기화학반응에 사용되는 공기를 복수의 스택(20a, 20b)에 공급할 수 있다.
발전 운전이 수행되는 동안, 제2 스택(20b)에서 애노드 오프 가스(AOG)가 토출될 수 있다. 이때, 제2 스택(20b)에서 토출된 애노드 오프 가스(AOG)는, AOG열교환기(22)를 통과하는 동안 열교환될 수 있고, AOG 수분제거장치(63)를 통과하는 동안 수분이 제거될 수 있다.
제2 스택(20b)에서 토출된 애노드 오프 가스(AOG) 중 적어도 일부는, AOG바이패스유로(121)를 통해 가스믹서(95)에 유입될 수 있다. 가스믹서(95)에 유입된 애노드 오프 가스(AOG)는, 제1 스택(20a)에서 토출된 개질가스와 가스믹서(95)의 내부에서 혼합될 수 있다.
연료전지 시스템(1)은, AOG밸브(35)의 개도를 조절하여, AOG바이패스유로(121)를 통해 가스믹서(95)에 유입되는 애노드 오프 가스(AOG)의 유량을 조절할 수 있다.
연료전지 시스템(1)의 제어부는, AOG바이패스유로(121)에 유동하는 애노드 오프 가스(AOG)의 유량에 기초하여, AOG밸브(35)의 개도를 조절할 수 있다. 예를 들어, 연료전지 시스템(1)의 제어부는, 제1 스택(20b)에서 토출되는 개질가스의 유량에 대한, AOG바이패스유로(121)에 유동하는 애노드 오프 가스(AOG)의 유량의 비율(ratio)을 산출할 수 있다. 이때, 연료전지 시스템(1)의 제어부는, 산출된 비율(ratio)이 소정 비율(예: 30%) 이상인 경우, AOG바이패스유로(121)에 유동하는 애노드 오프 가스(AOG)의 유량이 감소하도록, AOG밸브(35)의 개도를 조절할 수 있다. 또한, 연료전지 시스템(1)의 제어부는, 산출된 비율(ratio)이 소정 비율(예: 25%) 미만인 경우, AOG바이패스유로(121)에 유동하는 애노드 오프 가스(AOG)의 유량이 증가하도록, AOG밸브(35)의 개도를 조절할 수 있다.
제2 스택(20b)에서 토출된 애노드 오프 가스(AOG) 중, AOG바이패스유로(121)를 통해 가스믹서(95)로 공급된 일부를 제외한 나머지는, AOG공급유로(109)를 통해 연료처리장치(10)의 버너(120)로 공급될 수 있다. 버너(120)에 공급되는 애노드 오프 가스(AOG)는, 버너(120)의 연료로 재사용될 수 있다.
상기와 같이, 본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 캐스케이드의 후단에 배치된 스택(20b)으로 유동하는 수소 가스의 유량을 증가시킬 수 있어, 캐스케이드의 후단에 배치된 스택(20b) 내 응축수를 스택(20b) 외부로 효과적으로 배출시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 캐스케이드의 후단에 배치된 스택(20b)으로 유입되는 수소 가스의 수분 함량을 줄이고, 수소의 비율을 높일 수 있어, 스택(20)의 발전 효율을 향상시킬 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.
Claims (10)
- 연료 가스를 개질하여 개질가스를 생성하는 연료처리장치;
상기 연료처리장치에서 토출되는 상기 개질가스를 이용하여 전기를 발생시키는 제1 스택;
상기 제1 스택에서 토출되는 상기 개질가스를 이용하여 전기를 발생시키는 제2 스택;
상기 연료처리장치에서 토출되는 상기 개질가스가 유동하는 제1 유로;
상기 제1 스택에서 토출되는 상기 개질가스가 유동하는 제2 유로;
상기 제2 스택에서 토출되는 애노드 오프 가스(anode off gas, AOG)가 유동하는 제3 유로;
상기 제3 유로에 연결되고, 상기 제3 유로에 유동하는 상기 애노드 오프 가스 중 적어도 일부가 유동하는 제4 유로; 및
상기 제2 유로에 배치되어, 상기 제4 유로에 유동하는 상기 애노드 오프 가스와 상기 제1 스택에서 토출되는 상기 개질가스를 혼합하는 가스믹서를 포함하는 연료전지 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 가스믹서는, 이젝터(ejector)인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템. - 제2항에 있어서,
상기 이젝터는,
상기 개질가스가 유입되는 제1 유입부;
상기 제1 유입부와 연결되고, 상기 개질가스의 유동 방향을 따라 단면적이 감소하는 노즐부;
상기 제4 유로에 연결되어, 상기 애노드 오프 가스가 유입되는 제2 유입부;
상기 노즐부를 통과하는 상기 개질가스와 상기 제2 유입부를 통해 유입되는 상기 애노드 오프 가스가 혼합되는 믹싱부; 및
상기 믹싱부와 연결되고, 상기 개질가스의 유동 방향을 따라 단면적이 증가하는 디퓨저부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 제3 유로에 배치되어, 상기 애노드 오프 가스에 대한 열교환이 일어나는 열교환기를 더 포함하고,
상기 제4 유로는, 상기 열교환기에서 토출된 상기 애노드 오프 가스가 유동하는 상기 제3 유로의 후단에 연결되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템. - 제4항에 있어서,
상기 열교환기에서 열교환된 상기 애노드 오프 가스에 포함된 수분을 제거하는 수분제거장치를 더 포함하고,
상기 수분제거장치는, 상기 제3 유로와 상기 제4 유로가 연결되는 노드(node)와 상기 열교환기 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 제4 유로에 배치되어, 상기 애노드 오프 가스가 유동하는 방향을, 상기 가스믹서를 향하는 방향으로 제한하는 체크밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템. - 제6항에 있어서,
상기 제3 유로에 배치되어, 상기 제3 유로에 유동하는 상기 애노드 오프 가스 중 적어도 일부가 상기 제4 유로로 유동하고, 나머지 일부가 상기 연료처리장치로 유동하도록 동작하는 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템. - 제7항에 있어서,
상기 제4 유로로 유동하는 상기 애노드 오프 가스의 유량에 기초하여, 상기 밸브의 개도를 조절하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템. - 제8항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 제1 스택에서 토출되는 상기 개질가스의 유량에 대한 상기 제4 유로로 유동하는 상기 애노드 오프 가스의 유량의 비율(ratio)을 산출하고,
상기 산출된 비율(ratio)이 소정 비율 이상인 경우, 상기 제4 유로로 유동하는 상기 애노드 오프 가스의 유량이 감소하도록, 상기 밸브의 개도를 조절하고,
상기 산출된 비율(ratio)이 소정 비율 미만인 경우, 상기 제4 유로로 유동하는 상기 애노드 오프 가스의 유량이 증가하도록, 상기 밸브의 개도를 조절하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 연료처리장치는, 상기 연료 가스를 연소하는 버너를 포함하고,
상기 제3 유로는, 상기 연료처리장치에 연결되고,
상기 제3 유로에 유동하는 상기 애노드 오프 가스 중, 상기 제4 유로로 유동하는 일부를 제외한 나머지가, 상기 버너에 유입되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210115780A KR20230032692A (ko) | 2021-08-31 | 2021-08-31 | 연료전지 시스템 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210115780A KR20230032692A (ko) | 2021-08-31 | 2021-08-31 | 연료전지 시스템 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20230032692A true KR20230032692A (ko) | 2023-03-07 |
Family
ID=85512589
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020210115780A KR20230032692A (ko) | 2021-08-31 | 2021-08-31 | 연료전지 시스템 |
Country Status (1)
| Country | Link |
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| KR (1) | KR20230032692A (ko) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20110013290A (ko) | 2009-07-30 | 2011-02-09 | 지멘스 악티엔게젤샤프트 | 복수의 케스케이드 단을 포함하는 연료전지 장치 |
| KR20120071288A (ko) | 2010-12-22 | 2012-07-02 | 지에스퓨얼셀 주식회사 | 연료전지 장치 |
-
2021
- 2021-08-31 KR KR1020210115780A patent/KR20230032692A/ko unknown
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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