KR20230043531A - 연료전지 장치 - Google Patents

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KR20230043531A
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우형석
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Abstract

본 발명에 따른 연료전지 장치는, 스택; 상기 스택으로 개질가스를 공급하는 개질기; 상기 개질기를 가열하는 버너; 상기 스택 및 버너로 공기를 공급하는 에어블로워; 외부 급수원으로부터 공급된 물을 저장하는 물공급탱크; 상기 물공급탱크로부터 물을 공급받아 기화시켜 수증기를 상기 개질기로 공급하는 증기발생기; 상기 물공급탱크로부터 물을 공급받아 상기 개질기로부터 배출된 개질가스와 열교환시킨 다음 상기 스택으로 공급하는 개질가스 열교환기; 및 상기 스택으로 공급된 다음 상기 스택으로부터 배출되는 물을 상기 버너로부터 배출된 배기가스와 열교환하여 상기 물공급탱크로 공급하는 웜업탱크를 포함하고, 운전시 발생하는 폐열을 회수하여 저장하는 열회수탱크; 상기 웜업탱크에서 회수한 폐열을 상기 열회수탱크로 공급하는 웜업열교환기를 더 포함할 수 있으므로, 모든 운전 단계에서 발생하는 버너 배기가스의 폐열을 스택으로 공급하여 스택이 전기화학반응에 적합한 온도에 도달하는 시간을 크게 단축시켜 연료전지 장치의 발전 성능을 향상시키기고, 고효율의 열교환기인 웜업탱크를 구비하여 연료전지 장치의 열 효율을 향상시킨다.

Description

연료전지 장치{Fuel cell apparatus}
본 발명은 연료전지 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 버너로부터 배출되는 배기가스의 폐열을 회수하는 웜업탱크를 구비한 연료전지 장치에 관한 것이다.
연료전지 장치는, 탄화수소 계열의 물질, 예컨대, 메탄올, 에탄올, 천연가스 등에 포함되어 있는 수소를, 산소와 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키는 발전 장치이다.
종래 연료전지 장치는, 먼저 연료가스를 공급받아 스택의 발전에 필요한 개질가스를 생성하는 개질기를 버너로 가열하여 개질에 적합한 온도로 예열하는 예열 모드로 운전하고, 그 다음 개질기가 상기 온도 조건에 도달하면, 생성된 개질가스의 수소 및 일산화탄소 등의 농도가 스택의 발전에 적합한 농도에 도달할때까지 개질기에서 생성되는 개질가스를 버너로 재순환하며 개질을 반복하는 개질 모드로 운전하고, 그 다음 개질가스의 농도가 상기 농도 조건에 도달하면, 스택으로 개질가스 및 외기를 공급하여 전기화학반응을 일으켜 전기에너지를 생산하는 발전 모드로 운전하였다.
이때, 스택은 일반적으로 약 75도의 온도에서 가장 좋은 발전 효율을 보이는데, 상기 종래기술의 경우, 발전 모드에 진입하여야만 고온의 개질가스 및 상기 개질가스와 열교환하여 가열된 냉각수가 스택으로 공급되어 스택을 예열하기 시작하므로, 발전 모드 초기에는 스택의 온도가 낮아 발전 효율이 저하된다는 문제점이 있었다.
한편, 연료전지 장치의 운전에 따라 연료전지 장치의 버너 및 스택 등에서 폐열이 발생하는데, 열교환기 등을 통한 상기 폐열의 회수는 연료전지 장치의 열 효율과 직결된다. 이때, 열교환기 내에서 열을 주고받는 냉매 및 열매에 포함된 이물, 예를 들어 고압 가스에 함유된 수분이나 냉각수에 함유된 기포는 일반적으로 열교환 효율을 저하시키므로, 열교환기의 성능 향상을 위하여는 이러한 이물의 제거가 필수적이다.
상기 종래기술은, 버너에서 배출되는 배기가스의 폐열을 회수하기 위하여 별도의 열회수 유로를 순환하는 냉각수와 상기 냉각수가 저장되는 열회수탱크 및 상기 냉각수와 상기 배기가스를 열교환시키는 열교환기를 구비하였으나, 상기 열교환기는 냉각수에 혼재하는 기포(기체)로 인해 열교환 효율이 저하되어 연료전지 장치의 폐열 회수 성능이 저하된다는 문제점이 있었다.
또한, 상기 종래기술은, 상기 발전 모드가 일정시간 유지되어 상기 스택이 목표 온도에 도달하였고 폐열을 회수할 필요도 없어 연료전지 장치 운전에 따라 발생하는 열의 방출이 요구되는 상황에서, 연료전지 장치 운전에 따라 회수한 폐열을 저장하는 물공급탱크의 온수를 외부로 배수하고 다시 냉수를 공급하므로, 연료전지 장치의 정교한 열 관리가 어렵고 추가적인 운전 비용이 발생한다는 문제점이 있었다.
한편, 국내 등록 특허 제10-1261822호는, 고압 가스에 포함된 수분을 제거하기 위한 다공성 배플을 이용한 기액분리장치에 관한 것이다.
상기 특허발명은, 기액분리장치의 본체 내부를 유동하는 가스의 이동 유로에 다공성 배플을 설치하여 유동하는 가스와 충돌시켜 가스의 유속을 저감시키고, 가스를 상기 배플 및 본체의 내벽과 접촉시켜 흡열함으로써 가스에 함유된 수분이 1차적으로 응축되어 분리되도록 하고, 잔량의 수분은 본체 내부의 상부에 구비되고 가스와의 접촉면적을 증가시켜 수분을 제거하는 데미스터에서 2차적으로 분리되게 함으로써, 가스에 함유된 수분의 제거율을 향상시킨 기액분리장치에 관한 것이다.
그러나, 상기 특허발명은, 저밀도 고압의 가스에 혼재된 수분을 제거하는 것에 관한 발명으로서, 상기 가스는 기액분리장치의 하부에서 상부로 유동하는 반면, 고압의 가스에 비해 상대적으로 낮은 압력을 갖고 밀도가 높은 연료전지 장치의 냉각수는 중력에 의해 기액분리장치의 상부에서 하부로 유동하므로, 가스의 기액분리를 위한 상기 특허발명의 구조는 연료전지 장치를 순환하는 냉각수의 기액분리에는 적용이 어렵다는 문제점이 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-1261822호(공고일자 2013년05월01일)
본 발명의 목적은, 스택이 전기화학반응에 적합한 온도에 도달하는 시간을 단축시켜 발전 효율을 향상시킨 연료전지 장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 다른 목적은, 스택이 전기화학반응에 적합한 온도에 도달한 다음 열회수를 통해 스택의 온도를 정교하게 관리할 수 있는 연료전지 장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 연료전지 장치의 운전시 발생하는 폐열의 회수가 필요 없는 경우 회수한 폐열을 간이하게 방열함으로써 운전 비용이 절약되는 연료전지 장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 폐열을 회수하는 열교환기에 냉각수에 혼재된 기포를 분리해내는 장치를 구비하여 폐열 회수 성능을 향상시킨 연료전지 장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 폐열을 회수하는 열교환기에 냉각수의 유속을 낮추어 상기 기포의 분리 효율을 향상시키는 장치를 구비하여 폐열 회수 성능을 향상시킨 연료전지 장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 폐열을 회수하는 열교환기에 열전도율을 향상시키는 장치를 구비하여 폐열 회수 성능을 향상시킨 연료전지 장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치는, 스택; 상기 스택으로 개질가스를 공급하는 개질기; 상기 개질기를 가열하는 버너; 상기 스택 및 버너로 공기를 공급하는 에어블로워; 외부 급수원으로부터 공급된 물을 저장하는 물공급탱크; 상기 물공급탱크로부터 물을 공급받아 기화시켜 수증기를 상기 개질기로 공급하는 증기발생기; 상기 물공급탱크로부터 물을 공급받아 상기 개질기로부터 배출된 개질가스와 열교환시킨 다음 상기 스택으로 공급하는 개질가스 열교환기; 및 상기 스택으로 공급된 다음 상기 스택으로부터 배출되는 물을 상기 버너로부터 배출된 배기가스와 열교환하여 상기 물공급탱크로 공급하는 웜업탱크를 포함한다.
따라서, 웜업탱크를 통해 연료전지 장치가 작동하는 모든 운전 구간에서 발생하는 버너의 배기가스로부터 폐열을 회수하여 스택의 예열에 사용함으로써, 스택이 전기화학반응에 적합한 온도에 도달하는 시간을 크게 단축시켜 연료전지 장치의 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 연료전지 장치의 운전시 발생하는 폐열을 회수하여 가열된 물을 저장하고 외부로 배출하는 열회수탱크; 상기 열회수탱크에 저장된 물을 공급받아 상기 웜업탱크로부터 배출되는 물과 열교환시키는 웜업열교환기; 상기 열회수탱크에 저장된 물을 상기 웜업열교환기로 공급하는 웜업펌프; 상기 웜업탱크에서 배출되는 물을 냉각시켜 방열하는 냉각장치; 상기 웜업탱크에서 배출되는 물이 상기 냉각장치로 선택적으로 유입되게 하는 삼방밸브를 더 포함할 수 있다.
따라서, 상기 웜업탱크에서 회수한 폐열을 별도의 열회수탱크에 저장함으로써 스택의 온도를 발전에 적합하게 관리할 수 있고, 필요에 따라 상기 웜업탱크로부터 배출되는 물을 별도의 냉각장치로 공급시켜 간이하게 방열함으로써 연료전지 장치의 운전 비용을 절약할 수 있다.
또한, 상기 웜업탱크에서 배출되는 물의 온도를 감지하는 제1온도센서; 상기 열회수탱크에 저장된 물의 온도를 감지하는 제2온도센서; 및 상기 제1온도센서의 감지값이 제1목표온도값 이하이면 상기 웜업탱크에서 배출되는 물이 상기 냉각장치를 바이패스하도록 상기 삼방밸브를 절환하고 상기 냉각장치 및 웜업펌프를 정지시키는 스택 예열 모드를 실행하고, 상기 제1온도센서의 감지값이 상기 제1목표온도값보다 크고 상기 제2온도센서의 감지값이 제2목표온도값보다 작으면 상기 웜업탱크에서 배출되는 물이 상기 냉각장치를 바이패스하도록 상기 삼방밸브를 절환하고 상기 냉각장치를 정지시키고 상기 웜업펌프를 작동시키는 폐열 회수 모드를 실행하고, 상기 제1온도센서의 감지값이 상기 제1목표온도값보다 크고 상기 제2온도센서의 감지값이 상기 제2목표온도값 이상이면 상기 웜업탱크에서 배출되는 물이 상기 냉각장치로 공급되도록 상기 삼방밸브를 절환하고 상기 냉각장치를 작동시키고 상기 웜업펌프를 정지시키는 방열 모드를 실행하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
따라서, 웜업탱크에서 회수한 폐열을, 복수의 온도센서가 감지한 온도값에 따라 물공급탱크로 전달하여 스택의 예열에 사용하거나, 열회수탱크에 저장하거나 또는 간이하게 방열하도록 제어함으로써, 연료전지 장치의 열 흐름을 목적에 따라 효과적으로 제어할 수 있다.
또한, 상기 웜업탱크는, 상기 스택으로부터 배출되는 물을 저장하고 상기 물에 혼재된 기포를 분리하는 기액분리장치; 및 상기 버너로부터 배출된 배기가스를 공급받아 외부로 배출하는 배기케이스를 포함할 수 있고, 상기 배기케이스는, 내부에 상기 기액분리장치가 설치되어 상기 기액분리장치와 상기 배기케이스 사이에 상기 배기가스가 통과하는 공간이 형성될 수 있고, 상기 기액분리장치는, 상하로 개구되며 하측으로 갈 수록 좁아지는 콘(cone)형상의 센터바디; 상기 센터바디의 외주면과 기액분리케이스 사이에 배치되고, 복수의 홀이 형성된 적어도 하나의 제1 배플플레이트; 및 상기 센터바디의 내측에 배치되고, 복수의 홀이 형성된 적어도 하나의 제2 배플플레이트를 포함할 수 있고, 상기 제1 배플플레이트는, 상기 제1 배플플레이트의 외주면으로부터 상기 배기케이스의 내주면까지 반경 외측방향으로 돌출되고, 원주방향을 따라 복수의 슬릿을 형성하는 슬릿리브와 연결될 수 있다.
따라서, 기액분리장치로 유입된 물에 혼재되어 열교환을 방해하는 기포는 상기 유입된 물이 센터바디를 통과함에 따라 물로부터 분리되어, 웜업탱크의 폐열 회수 성능을 향상시킬 수 있다.
따라서, 다공성 제2 배플플레이트의 배치로 센터바디의 내측을 유동하는 물의 유속을 저감시켜 기포 분리 효율을 향상시킴으로써, 웜업탱크의 폐열 회수 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.
따라서, 배기케이스를 유동하는 배기가스가 통과하는 슬릿리브와 기액분리장치에 저장된 물과 접촉되는 제1 배플플레이트가 연결됨으로써, 배기케이스를 유동하는 배기가스의 열을 기액분리장치에 저장된 물로 효과적으로 전달하여, 웜업탱크의 폐열 회수 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치는, 웜업탱크를 통해 연료전지 장치가 작동하는 모든 운전 구간에서 발생하는 버너의 배기가스로부터 폐열을 회수하고, 상기 회수한 폐열을 개질가스 열교환기를 통과하여 스택으로 공급되는 물공급탱크에 저장된 물로 전달하여 스택의 예열에 사용함으로써, 스택이 전기화학반응에 적합한 온도에 도달하는 시간을 크게 단축시켜 연료전지 장치의 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치는, 스택이 전기화학반응에 적합한 온도에 도달한 경우, 웜업펌프를 구동하여 열회수탱크에 저장된 물이 웜업열교환기를 순환하게 할 수 있고, 이에 따라 상기 웜업탱크에서 회수한 폐열을 별도의 열회수탱크로 전달함으로써, 물공급탱크의 온도를 유지하여 스택의 온도를 발전에 적합하게 관리할 수 있고, 또한, 연료전지 장치가 폐열을 회수할 필요가 없을 경우, 상기 웜업탱크로부터 배출되는 물을 별도의 냉각장치로 공급시켜 간이하게 방열함으로써, 연료전지 장치의 운전 비용을 절약할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치는, 웜업탱크에서 회수한 폐열을, 복수의 온도센서가 감지한 온도값에 따라 물공급탱크로 전달하여 스택의 예열에 사용하거나, 열회수탱크에 저장하거나 또는 간이하게 방열하도록 제어함으로써, 연료전지 장치의 열 흐름을 목적에 따라 효과적으로 제어할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치는, 기액분리장치로 유입된 물에 혼재되어 열교환을 방해하는 기포는 상기 유입된 물이 기액분리장치에 구비된 센터바디를 통과함에 따라 원심력과 밀도차에 의해 분리되므로, 기액분리장치에 저장된 상기 기포가 분리된 물과 배기케이스를 유동하는 배기가스간의 열교환 효율이 상승되어, 웜업탱크의 폐열 회수 성능을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치는, 상기 센터바디를 통과하는 물이 센터바디의 내측에 배치된 다공성 제2 배플플레이트에 충돌함으로써, 상기 물의 유속이 감소되어 센터바디에서의 기포 분리가 원활해져 웜업탱크의 폐열 회수 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치는, 웜업탱크로 유입된 배기가스가 상기 배기케이스와 기액분리장치의 이격 공간에 형성된 슬릿을 통과하면서 슬릿을 형성하는 슬릿리브에 열을 전달하고, 상기 열이 슬릿리브와 연결되고 기액분리장치의 내측에 배치된 제1 배플플레이트로 전도되어 제1 배플플레이트를 통과하는 기액분리장치에 저장된 물로 전달되므로, 상기 물과 배기가스간의 열교환 효율이 상승되어 웜업탱크의 폐열 회수 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 과제의 해결 수단이나 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 장치의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료처리장치의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 장치의 제어흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 웜업탱크의 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 웜업탱크의 투과사시도와 유동흐름도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 웜업탱크로부터 배기커버가 분리된 투과사시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 웜업탱크로부터 배기케이스와 배기커버를 제거한 투과사시도이다.
도 8는 본 발명의 일 실시예에 따른 웜업탱크의 배플어셈블리, 배관 구조 및 센터바디의 사시도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계 및/또는 동작은 하나 이상의 다른 구성요소, 단계 및/또는 동작의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
도 1을 참조하면, 연료전지 장치(1)는, 연료처리부(I), 전력생성부(II), 물순환부(III) 및/또는 열회수부(IV)를 포함할 수 있다. 연료전지 장치(1)는, 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 개질가스 열교환기(21), 스택(20a, 20b)에서 반응하지 않고 배출되는 가스의 열교환이 일어나는 제3열교환기(22)(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 장치(1)이 두 개의 스택(20a, 20b)을 구비하는 것으로 설명하나, 이에 제한되지 않는다.
물순환부(III)는, 연료전지 장치(1)에서 생성되는 물을 저장하는 물공급탱크(13), 연료처리장치(10)로 물을 유동시키는 물펌프(38), 연료처리장치(10)로 공급되는 물의 유동을 조절하는 물공급밸브(39), 개질가스 열교환기(21)로 물을 유동시키는 물펌프(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.
이하, 본원 발명의 기술적 사상의 핵심의 이해를 돕기 위하여 상기 각 부 및 각 부를 구성하는 구성 중, 각 부 및 각 부를 구성하는 구성들의 작동 순서와 무관한 순서로 특정 구성에 관하여 먼저 설명하도록 한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치(1)는, 스택(20a, 20b); 상기 스택(20a, 20b)으로 개질가스를 공급하는 개질기(140); 상기 개질기(140)를 가열하는 버너(120); 상기 스택(20a, 20b) 및 버너(120)로 공기를 공급하는 에어블로워(71,72); 외부 급수원(미도시)으로부터 공급된 물을 저장하는 물공급탱크(13); 상기 물공급탱크(13)로부터 물을 공급받아 기화시켜 수증기를 상기 개질기(140)로 공급하는 증기발생기(130); 상기 물공급탱크(13)로부터 물을 공급받아 상기 개질기(140)로부터 배출된 개질가스와 열교환시킨 다음 상기 스택(20a, 20b)으로 공급하는 개질가스 열교환기(21); 및 상기 스택(20a, 20b)으로 공급된 다음 상기 스택(20a, 20b)으로부터 배출되는 물을 상기 버너(120)로부터 배출된 배기가스와 열교환하여 상기 물공급탱크(13)로 공급하는 웜업탱크(400)를 포함한다.
스택(20a, 20b)은, 연료처리장치(10)로부터 공급되는 개질가스에 전기화학반응을 일으켜 전기 에너지를 생성할 수 있다. 예를 들어, 개질가스에 포함된 수소와 외기로 공급되는 산소를 전기화학반응시켜 전기에너지를 생성할 수 있다.
스택(20a, 20b)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.
개질기(140)는, 연료가스를 개질하여 상기 스택(20a, 20b)으로 공급할 수 있다. 예를 들어, 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, 개질기(140)에서 토출되는 가스는, 개질가스로 명명될 수 있다.
버너(120)는, 개질기(140)에서의 개질 반응이 촉진되도록, 개질기(140)를 가열할 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. 예를 들어, 연료처리장치(10)의 버너(120)에서 생성되는 배기가스는, 배기가스토출유로(210)를 통해 연료처리장치(10)에서 토출되어, 제1열교환기(26)로 공급될 수 있다.
버너(120)는 연료전지 장치(1)가 정지 중이 아닌 모든 운전 모드에서 항상 가동되므로, 버너(120)에서 배출되는 배기가스가 갖는 다량의 폐열은 모든 운전 모드에 걸쳐서 연료전지 장치(1)로 회수 될 수 있다.
예를 들어, 버너(120)에서 배출되는 배기가스는 가스배출유로(210)를 통해 제1열교환기(26)로 공급되어 1차적으로 폐열이 회수된 뒤, 다시 가스배출유로(210)를 거쳐서 웜업탱크(400)로 공급되어 2차적으로 폐열이 회수될 수 있다.
에어블로워(71,72)는, 공기를 상기 스택(20a, 20b) 및 버너(120)로 각각 공급할 수 있다. 에어블로워(71,72)는, 제1 블로워(71) 및/또는 제2 블로워(72)를 포함할 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.
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(20a, 20b) 측으로 유동시킬 수 있다.
물공급탱크(13)는, 외부 급수원(미도시)으로부터 공급된 물을 저장할 수 있다. 예를 들어, 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.
한편, 웜업탱크(400)에서 배기가스의 열교환 과정에서 생성되는 배기가스 응축수를 배출하는 응축수배출유로(470)가 물배출유로(302)에 연결될 수 있다.
물공급탱크(13)는, 웜업탱크(400)에 연결되어 웜업탱크(400)로부터 배출되는 물을 공급받을 수 있다. 예를 들어, 웜업탱크(400)에서 배출되는 물은 제1 웜업유로(440), 냉각유로(423) 또는 바이패스 유로(421), 제2 웜업유로(450), 웜업열교환기(410) 및 제3 웜업유로(460)를 통하여 물공급탱크(13)로 공급될 수 있다.
이때, 웜업탱크(400)로부터 공급되는 물은 배기가스의 폐열을 회수한 고온의 물일 수 있다. 따라서, 웜업탱크(400)로부터 공급되는 물은 물공급탱크(13)에 저장된 물의 온도를 상승시킬 수 있다.
이때, 스택(20a, 20b)의 온도가 적절한 온도에 도달하였고 열회수탱크(15)에서 폐열을 회수할 필요가 없을 경우에는, 물공급탱크(13)에 저장된 가열된 물을 물배출유로(302)를 통해 배수하고, 외부 급수원(미도시)으로부터 차가운 물을 급수받음으로써, 물공급탱크(13)에 저장되는 물의 온도를 관리할 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, 물펌프(43)에 의해 개질가스 열교환기(21)로 유동할 수 있고, 개질가스 열교환기(21)에서 개질가스와 열교환될 수 있다. 개질가스 열교환기(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 예열 또는 냉각할 수 있다. 스택(20a, 20b)으로 유입된 물은, 스택(20a, 20b)에서 일어나는 전기화학반응에 의해 발생하는 열을 흡수할 수 있다.
따라서, 물공급탱크(13)에 저장되는 물은 스택(20a, 20b)을 순환할 수 있으므로 스택(20a, 20b)의 온도와 밀접하게 관련된다. 이때, 스택(20a, 20b)이 발전에 적합한 온도로 도달 및 유지될 수 있도록 물공급탱크(13)에 저장되는 물의 온도를 관리할 필요가 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 웜업탱크(400)로 유입될 수 있다. 웜업탱크(400)로 유입된 물은, 웜업탱크(400)에서 버너(120)로부터 배출된 배기가스와 열교환되어 물공급탱크(13)로 공급될 수 있다.
따라서, 버너(120)로부터 배출된 배기가스의 폐열은 웜업탱크(400)에서의 열교환을 통해 물공급탱크(13)에 저장되는 물로 전달될 수 있고, 물공급탱크(13)에 저장된 물은 스택(20a, 20b)을 순환하며 스택(20a, 20b)을 예열 또는 냉각할 수 있다.
증기발생기(130)는, 상기 물공급탱크(13)로부터 물을 공급받아 기화시켜 수증기를 상기 개질기(140)로 공급할 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.
개질가스 열교환기(21)는, 상기 물공급탱크(13)로부터 물을 공급받아 상기 개질기(140)로부터 배출된 개질가스와 열교환시킨 다음 상기 스택(20a, 20b)으로 공급할 수 있다.
예를 들어, 개질가스 열교환기(21)는, 연료처리장치(10)에서 토출된 개질가스가 유동하는 개질가스토출유로개질가스토출유로(104)에 연결될 수 있다. 개질가스 열교환기(21)는, 물공급탱크(13)에서 토출된 물이 유동하는 물공급유로(304)에 연결될 수 있다. 개질가스 열교환기(21)는, 개질가스토출유로(104)를 통해 유입되는 개질가스와, 물공급유로(304)를 통해 공급되는 물을 열교환할 수 있다.
물공급유로(304)에는, 물공급탱크(13)에 저장된 물을 개질가스 열교환기(21)로 유동시키는 물펌프(43), 및/또는 물공급유로(304) 내에 유동하는 물의 유량을 검출하는 물유량계(56)가 배치될 수 있다.
개질가스 열교환기(21)는, 스택가스공급유로(106)에 연결될 수 있다 개질가스 열교환기(21)에서 토출된 개질가스는, 스택가스공급유로(106)를 통해 스택(20a, 20b)으로 유동할 수 있다.
예를 들어, 개질가스 열교환기(21)는, 개질기(140)에서 생성된 개질가스의 온도를 낮추어, 개질가스가 스택(20a, 20b)으로 유입될 경우 스택(20a, 20b)의 온도를 과도하게 상승시키지 못하도록 할 수 있다.
개질가스 열교환기(21)는, 물공급탱크(13)에 저장된 물을 스택(20a, 20b)으로 순환시킴에 있어, 물의 온도를 적절히 상승시켜 스택(20a, 20b)이 발전에 적합한 온도에 도달하도록 할 수 있다.
웜업탱크(400)는, 상기 스택(20a, 20b)으로 공급된 다음 상기 스택(20a, 20b)으로부터 배출되는 물을 상기 버너(120)로부터 배출된 배기가스와 열교환하여 상기 물공급탱크(13)로 공급할 수 있다.
웜업탱크(400)는, 가스배출유로(210)와 연결되어 버너(120)로부터 배출된 배기가스를 공급받을 수 있다. 웜업탱크(400)는, 스택물토출유로(307)와 연결되어 스택(20a, 20b)으로부터 배출되는 물을 공급받을 수 있다.
웜업탱크(400)는, 배기가스와 물을 열교환시킨 다음, 배기가스는 외부로 배출하고 물은 웜업유로(440,450,460)를 통해 물공급탱크(13)로 공급할 수 있다. 이에, 물공급탱크(13)에 저장되는 물의 온도는 상승할 수 있다.
한편, 열교환 중 발생하는 배기가스 응축수는 응축수배출유로(470)를 통해 물공급탱크(13)에서 배수되는 물과 함께 외부로 배수될 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치(1)는, 연료전지 장치(1)가 작동하는 모든 운전 구간에서 발생하는 버너(120)의 배기가스로부터 상기 웜업탱크(400)를 통해 폐열을 회수하고, 웜업탱크(400)에서 배출되는 물이 물공급탱크(13)를 거쳐 스택(20a, 20b)으로 공급되도록 하여 웜업탱크(400)에서 회수한 폐열이 스택(20a, 20b)의 예열에 사용되도록 함으로써, 스택(20a, 20b)이 전기화학반응에 적합한 온도에 도달하는 시간을 크게 단축시켜 연료전지 장치의 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
상기 웜업탱크(400)의 내부 구조에 관한 구체적인 설명은 후술하도록한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치(1)는 또한, 연료전지 장치(1)의 운전시 발생하는 폐열을 회수하여 가열된 물을 저장하고 외부로 배출하는 열회수탱크(15); 상기 열회수탱크(15)에 저장된 물을 공급받아 상기 웜업탱크(400)로부터 배출되는 물과 열교환시키는 웜업열교환기(410); 상기 열회수탱크(15)에 저장된 물을 상기 웜업열교환기(410)로 공급하는 웜업펌프(412); 상기 웜업탱크(400)에서 배출되는 물을 냉각시켜 방열하는 냉각장치(420); 상기 웜업탱크(400)에서 배출되는 물이 상기 냉각장치(420)로 선택적으로 유입되게 하는 삼방밸브(422)를 더 포함할 수 있다.
열회수탱크(15)는, 외부 급수원(미도시)으로부터 공급된 다음 연료전지 장치(1)의 운전시 발생하는 폐열로 가열된 물을 저장하고, 상기 저장한 물을 외부로 배출할 수 있다.
예를 들어, 외부 급수원(미도시)으로부터 공급된 물은 온수공급유로(313), 제1 온수순환회로(314), 제2 온수순환유로(315) 및 온수회수유로(317)를 통해 열회수탱크(15), 제3열교환기(22), 제2열교환기(25) 및 제1열교환기(26)를 차례로 순환할 수 있다.
이때, 제3열교환기(22), 제2열교환기(25), 및 제1열교환기(26)를 통과하는 물은 각각 스택(20a, 20b)에서 배출되는 가스(AOG), 스택(20a, 20b)에서 배출되는 공기, 및 버너(120)로부터 배출되는 배기가스와 열교환되어 연료전지 장치(1)의 운전에 따라 발생하는 폐열을 회수할 수 있다.
상기 폐열을 회수함에 따라 가열된 물은 열회수탱크(15)에 저장되고, 운전자의 필요에 따라 외부로 배수되어 급탕설비로 활용될 수 있다.
한편, 열회수탱크(15)는 순환유로(411)를 통하여 웜업열교환기(410)와 연결될 수 있다. 웜업펌프(412)의 작동에 따라 열회수탱크(15)에 저장된 물은 웜업열교환기(410)를 순환하여, 웜업열교환기(410)로 공급되는 웜업탱크(400)로부터 배출된 물과 열교환될 수 있다.
이때, 열회수탱크(15)에 저장되는 물의 온도는 운전자가 설정한 상기 열회수탱크(15)에 저장된 물이 가열되어 도달하도록 설정된 온도인 제2목표온도값에 따라 조절될 수 있다.
열회수펌프(48)는, 열회수탱크(15)에 저장된 물을 열회수탱크(15) 외부로 유동시킬 수 있고, 온수공급유로(313)상에 배치될 수 있다.
열회수펌프(48)에 의해 열회수탱크(15)에서 토출된 물은, 온수공급유로(313)를 거쳐 제3열교환기(22)로 유입될 수 있다. 제3열교환기(22)에서 애노드 오프 가스(AOG)와 열교환된 물은, 제1 온수순환회로(314)로 토출될 수 있다.
웜업열교환기(410)는, 상기 열회수탱크(15)에 저장된 물을 공급받아 상기 웜업탱크(400)로부터 배출되어 상기 물공급탱크(13)로 공급되는 물과 열교환시켜 상기 열회수탱크(15)로 공급할 수 있다.
또는, 상기 열회수탱크(15)에 저장된 물을 공급받아 상기 냉각장치(420) 또는 바이패스 유로(421)를 통과한 물과 열교환시켜 상기 열회수탱크(15)로 공급할 수 있다.
순환유로(411)는, 상기 열회수탱크(15)와 상기 웜업열교환기(410)를 연결할 수 있다.
웜업펌프(412)는, 상기 순환유로(411)를 통하여 상기 열회수탱크(15)에 저장된 물이 상기 웜업열교환기(410)로 공급된 다음 상기 열회수탱크(15)로 회수되게 할 수 있다.
이때, 제어부는 열회수탱크(15)에 저장된 물의 온도를 상기 제2목표온도값과 비교하여, 웜업펌프(412) 및 웜업열교환기(410)의 구동여부를 결정할 수 있다.
따라서, 스택(20a, 20b)이 전기화학반응에 적합한 온도에 도달한 경우, 웜업펌프(412)를 구동하여 열회수탱크(15)에 저장된 물이 순환유로(411)를 통해 웜업열교환기(410)를 순환하게 할 수 있고, 이에 따라 상기 웜업탱크(400)에서 회수한 폐열을 별도의 열회수탱크(15)에 저장함으로써, 스택(20a, 20b)의 온도를 발전에 적합하게 관리하고 연료전지 장치(1)의 열회수 성능을 향상시킬 수 있다.
제1열교환기(26)는, 상기 열회수탱크(15)로부터 공급되는 물을 상기 개질기(140)에서 배출되는 배기가스와 열교환시켜 상기 열회수탱크(15)로 공급할 수 있다.
예를 들어, 제1열교환기(26)는, 배기가스가 유동하는 배기가스토출유로(210)에 연결될 수 있다. 제1열교환기(26)는, 제2열교환기(25)에서 토출된 물이 유동하는 제2 온수순환유로(315)에 연결될 수 있다.
제1열교환기(26)는, 배기가스토출유로(210)를 통해 유입되는 배기가스와, 제2 온수순환유로(315)를 통해 유입되는 물을 열교환할 수 있다.
제1열교환기(26)에서 열교환된 배기가스는 가스배출유로(210)로 토출될 수 있고, 가스배출유로(210)에 유동하는 배기가스는 웜업탱크(400)로 공급될 수 있다. 웜업탱크(400)로 공급된 배기가스는, 스택(20a, 20b)으로부터 배출되어 웜업탱크(400)로 공급된 물과 열교환된 뒤 웜업탱크(400)에서 외부로 배기될 수 있다.
제1열교환기(26)에서 열교환된 물은, 온수회수유로(317)로 토출될 수 있고, 온수회수유로(317)에 유동하는 물은 열회수탱크(15)로 유입될 수 있다.
제2열교환기(25)는, 상기 열회수탱크(15)로부터 공급되는 물을 상기 스택(20a, 20b)에서 배출되는 공기와 열교환시켜 상기 열회수탱크(15)로 공급할 수 있다.
예를 들어, 제2열교환기(25)는, 가습장치(23)에서 토출된 공기가 유동하는 가습장치토출유로(212)에 연결될 수 있다. 제2열교환기(25)는, 제3열교환기(22)에서 토출된 물이 유동하는 제1 온수순환회로(314)에 연결될 수 있다.
제2열교환기(25)는, 가습장치토출유로(212)을 통해 유입되는 공기와 제1 온수순환회로(314)를 통해 유입되는 물을 열교환할 수 있다.
제2열교환기(25)에서 열교환된 공기는, 공기배출유로(213)를 통해 제2열교환기(25)에서 토출될 수 있다. 공기배출유로(213)는 외부로 공기를 토출할 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.
제2열교환기(25)에서 열교환된 물은, 제2 온수순환유로(315)을 통해 제2열교환기(25)에서 토출될 수 있다. 제2 온수순환유로(315)는 제1열교환기(26)와 연결되어, 제2열교환기(25)에서 토출된 물을 제1열교환기(26)로 공급할 수 있다.
제3열교환기(22)는, 상기 열회수탱크(15)로부터 공급되는 물을 상기 스택(20a, 20b)에서 배출되는 가스와 열교환시켜 상기 열회수탱크(15)로 공급할 수 있다.
예를 들어, 제3열교환기(22)는, 스택(20a, 20b)에서 토출된 애노드 오프 가스(AOG)가 유동하는 AOG토출유로(108)에 연결될 수 있다. 제3열교환기(22)는, 열회수탱크(15)에서 토출된 물이 유동하는 온수공급유로(313)에 연결될 수 있다.
제3열교환기(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 제3열교환기(22)로 유동시키는 열회수펌프(48) 및/또는 온수공급유로(313) 내에 유동하는 물의 유량을 검출하는 온수유량계(55)가 배치될 수 있다.
제3열교환기(22)는, AOG공급유로(109)에 연결될 수 있고, AOG공급유로(109)를 통해 열교환된 애노드 오프 가스(AOG)를 토출할 수 있다.
제3열교환기(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.
냉각장치(420)는, 상기 웜업탱크(400)와 상기 물공급탱크(13) 사이에 배치되어 상기 웜업탱크(400)에서 배출되는 물을 냉각시켜 상기 물공급탱크(13)로 공급되게 할 수 있다.
냉각장치(420)는, 냉각유로(423)를 통해 삼방밸브(422)와 연결될 수 있다. 웜업탱크(400)에서 토출되어 삼방밸브(422)로 공급된 물은 냉각유로(423)를 통해 냉각장치(420)로 공급될 수 있다. 냉각장치(420)에서 냉각된 물은 다시 냉각유로(423)로 토출되어 제2 웜업유로(450)로 공급될 수 있다.
이때, 상기 냉각장치(420)는, 상기 웜업탱크(400)에서 배출되는 물이 통과하는 공냉식 라디에이터(420a)와 상기 라디에이터(420a)로 외기를 공급하는 팬(420b)을 포함할 수 있다.
이때, 상기 팬(420b)은 제어부와 전기적으로 연결되어, 온오프 제어될 수 있고, 라디에이터(420a)의 일측에 배치될 수 있다.
바이패스 유로(421)는, 상기 냉각장치(420)를 바이패스할 수 있다.
예를 들어, 바이패스 유로(421)는, 삼방밸브(422)와 제2 웜업유로(450)를 연결할 수 있다. 웜업탱크(400)에서 배출되어 삼방밸브(422)로 공급된 물은, 바이패스 유로(421)측으로 절환된 삼방밸브(422)에 의해 바이패스 유로(421)로 공급될 수 있다. 바이패스 유로(421)로 공급된 물은 냉각장치(420)를 바이패스하여 제2 웜업유로(450)로 공급될 수 있다.
삼방밸브(422)는, 상기 웜업탱크(400)에서 배출되는 물이 상기 냉각장치(420) 또는 상기 바이패스 유로(421)로 선택적으로 유입되게 할 수 있다.
예를 들어, 삼방밸브(422)는, 제1 웜업유로(440)를 통해 웜업탱크(400)로부터 배출되는 물을 공급받을 수 있다. 삼방밸브(422)는, 냉각유로(423)를 통해 냉각장치(420)로 상기 공급받은 물을 배출할 수 있다.
삼방밸브(422)는, 바이패스 유로(421)를 통해 상기 공급받은 물이 냉각장치(420)를 바이패스하도록 할 수 있다.
삼방밸브(422)는, 제어부와 전기적으로 연결되어, 웜업탱크(400)에서 배출되는 물을 방열할 필요가 있을 경우 냉각장치(420)측으로 절환될 수 있다.
삼방밸브(422)는, 제어부와 전기적으로 연결되어, 웜업탱크(400)에서 배출되는 물을 방열할 필요가 없을 경우 바이패스 유로(421)측으로 절환될 수 있다.
따라서, 스택(20a, 20b)이 전기화학반응에 적합한 온도로 유지되고 연료전지 장치(1)가 폐열을 회수할 필요가 없을 경우, 상기 웜업탱크(400)로부터 배출되는 물을 별도의 냉각장치(420)로 공급시켜 간이하게 방열함으로써, 연료전지 장치(1)의 운전 비용을 절약할 수 있다.
필터(490)는, 상기 웜업탱크(400)에서 배출되어 상기 물공급탱크(13)로 공급되는 물을 정화할 수 있다. 예를 들어, 필터(490)를 통과하는 물에 함유된 이물질 또는 이온 물질을 걸러내어, 스택(20a, 20b)으로 이물질 또는 이온 물질이 유입될 경우 발생할 수 있는 발전 성능 저하 또는 고장 등의 문제를 방지할 수 있다.
필터(490)는, 제2 웜업유로(450)상에 배치될 수 있다.
웜업유로(440,450,460)는, 웜업탱크(400)로부터 배출되는 물을 물공급탱크(13)로 공급할 수 있다. 웜업유로(440,450,460)는, 제1 웜업유로(440), 제2 웜업유로(450) 및 제3 웜업유로(460)를 포함할 수 있다.
제1 웜업유로(440)는, 웜업탱크(400)와 삼방밸브(422)를 연결할 수 있다.
제2 웜업유로(450)는, 냉각장치(420)를 통과한 물 또는 냉각장치(420)를 바이패스한 물이 공급될 수 있다.
이때, 제2 웜업유로(450)의 일단에서 냉각유로(423)와 바이패스 유로(421)가 합지될 수 있다. 이때, 제2 웜업유로(450)의 다른 일단은 웜업열교환기(410)와 연결되어, 제2 웜업유로(450)로 공급된 물을 웜업열교환기(410)로 공급할 수 있다.
제3 웜업유로(460)는, 웜업열교환기(410)와 물공급탱크(13)를 연결할 수 있다.
연료전지 장치(1)는, 온도를 감지하는 온도계 및/또는 압력을 감지하는 압력계를 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 연료전지 장치(1)는, 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 장치(1)는, 상기 웜업탱크(400)에서 배출되는 물의 온도를 감지할 수 있는 제1온도센서(430) 및/또는 상기 열회수탱크(15)에 저장된 물의 온도를 감지할 수 있는 제2온도센서(431)를 포함할 수 있다.
제1온도센서(430)는, 제1 웜업유로(440)상에 배치될 수 있다. 제1온도센서(430)는, 제어부와 전기적으로 연결되어, 감지한 물의 온도값을 제어부에 송신할 수 있다.
제2온도센서(431)는, 열회수탱크(15) 내부에 배치될 수 있다. 제2온도센서(431)는, 제어부와 전기적으로 연결되어, 감지한 물의 온도값을 제어부에 송신할 수 있다.
예를 들어, 연료전지 장치(1)는, 상기 웜업탱크(400)에서 배출되는 물의 압력을 감지할 수 있는 압력계(432)를 포함할 수 있다.
상기 압력계(432)는, 제1 웜업유로(440)상에 배치될 수 있다.
연료전지 장치(1)는, 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 장치(1)의 동작 전반을 제어할 수 있다. 제어부는, 연료전지 장치(1)에 구비된 각 구성과 연결될 수 있고, 각 구성과 상호 간에 신호를 송신 및/또는 수신할 수 있다.
예를 들어, 제어부는, 연료전지 장치(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 장치(1)에 구비된 각 구성으로부터 수신되는 신호를 처리할 수 있고, 신호를 처리한 결과에 따른 제어 신호를 연료전지 장치(1)에 구비된 각 구성에 송신할 수 있다. 예를 들어, 제어부는, 연료전지 장치(1)에 구비된 각 밸브의 개도를 조절할 수 있다
도 1 및 도 2를 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치(1)의 나머지 구성에 관하여 설명한다.
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 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.
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 개질가스 열교환기(21)에 연결될 수 있다. 개질가스토출유로(104)에는, 개질가스 열교환기(21)에 유입되는 개질가스의 유동을 조절하는 개질가스밸브(33)가 배치될 수 있다.
개질가스토출유로(104)는, 연료처리장치(10)에서 토출된 개질가스가 연료처리장치(10)로 유동하는 제2 바이패스 유로(105)와 연결될 수 있다. 제2 바이패스 유로(105)는, 연료처리장치(10)에 연결될 수 있다.
제2 바이패스 유로(105)를 통해 연료처리장치(10)에 유입되는 개질가스는, 버너(120)의 연소를 위한 연료로 사용될 수 있다. 제2 바이패스 유로(105)에는, 연료처리장치(10)에 유입되는 기체의 유동을 조절하는 바이패스밸브(34)가 배치될 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 장치(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 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(20a, 20b)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.
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(20a, 20b)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.
도 2를 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 연료처리장치(10) 내 나머지 구성에 관하여 설명한다.
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 필터(미도시)를 더 포함할 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 스택(20a, 20b)에 공급되는 수소의 농도가 감소하는 단점이 있다.
따라서, 이러한 단점을 극복하기 위해, 일산화탄소와 수소가 반응하는 선택적 메탄화(selective methanation) 반응이 활용될 수 있다.
한편, 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.
도 3을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치의 제어방법에 관하여 설명한다.
먼저, 연료전지 장치의 운전을 시작하면(S1), 상기 제1온도센서(430)는 웜업탱크(400)로부터 배출되는 물의 온도를 감지하여 제어부로 송신하고, 감지값을 수신한 제어부는 상기 감지값이 기 설정된 제1목표온도값 이하인지 판단한다.(S2)
이때, 제1목표온도값이란, 스택(20a, 20b)의 전기화학반응에 적합한 온도로 설정된 온도값이다.
이때, 제1온도센서(430)의 감지값은 웜업탱크(400)로 배출되는 물의 온도이므로, 물공급탱크(13)에 저장되는 물의 온도와 허용되는 오차범위 내에서 같을 수 있고, 물공급탱크(13)에 저장되는 물은 스택(20a, 20b)으로 공급되어 스택(20a, 20b)을 예열 또는 냉각하므로, 스택(20a, 20b)의 온도와 허용되는 오차범위 내에서 같을 수 있다. 따라서, 제1온도센서(430)의 감지값은 스택(20a, 20b)의 온도와 같을 수 있다.
제1온도센서(430)의 감지값이 제1목표온도값 이하인 경우, 스택(20a, 20b)의 온도가 발전에 적합한 온도에 도달하지 못하였으므로, 스택(20a, 20b)으로 공급되는 물, 즉, 물공급탱크(13)에 저장되는 물을 추가적으로 가열할 필요가 있다.
이에, 물공급탱크(13)로 공급되는 웜업탱크(400)로부터 배출되는 물이 웜업탱크(400)에서 회수한 버너(120)로부터 배출된 배기가스의 폐열을 소실하지 않고 물공급탱크(13)로 공급되도록, 웜업펌프(412)와 웜업열교환기(410)가 구동되지 않도록 제어할 수 있다. 이러한 운전 모드를 스택(20a, 20b) 예열 모드라 명명한다.(S3)
이때, 제어부는 삼방밸브(422)를 바이패스 유로(421)측으로 절환하여(S31), 웜업탱크(400)로부터 배출되어 삼방밸브(422)로 공급된 물이 냉각장치(420)를 통과하지 않도록 할 수 있다.
이때, 제어부는 냉각장치(420)를 정지시킬 수 있다(S32). 예를 들어, 냉각장치(420)를 구성할 수 있는 팬(420b)의 전원을 차단하여 팬(420b)을 정지시킬 수 있다. 따라서, 냉각장치(420)가 사용되지 않을 경우 불필요한 전력소모를 방지할 수 있다.
이때, 제어부는 웜업펌프(412)를 정지하여(S33), 열회수탱크(15)에 저장된 물이 웜업열교환기(410)로 공급되지 않도록 할 수 있다. 따라서, 상기 냉각장치(420)를 바이패스한 물이 웜업열교환기(410)를 통과하여 물공급탱크(13)로 공급됨에 있어, 웜업열교환기(410)에서의 별도의 열 손실이 일어나지 않게 된다.
제1온도센서(430)의 감지값이 제1목표온도값보다 큰 경우, 스택(20a, 20b)의 온도가 발전에 적합한 온도에 도달하였으므로, 스택(20a, 20b)으로 공급되는 물, 즉, 물공급탱크(13)에 저장되는 물을 추가적으로 가열할 필요가 없다.
이때, 상기 제2온도센서(431)는 열회수탱크(15)에 저장된 물의 온도를 감지하여 제어부로 송신하고, 감지값을 수신한 제어부는 상기 감지값이 기 설정된 제2목표온도값보다 작은지 판단한다(S4).
이때, 제2목표온도값이란, 운전자에 의하여 상기 열회수탱크(15)에 저장된 물이 가열되어 도달되도록 미리 설정된 온도값이다.
제2온도센서(431)의 감지값이 제2목표온도값 보다 작은 경우, 열회수탱크(15)에 저장된 물의 온도가 목표로 설정된 온도보다 작으므로, 열회수탱크(15)에 저장되는 물을 추가적으로 가열할 필요가 있다.
이에, 웜업탱크(400)로부터 배출되는 물이 웜업탱크(400)에서 회수한 버너(120)로부터 배출된 배기가스의 폐열이 열회수탱크(15)에 저장된 물로 전달되도록, 웜업펌프(412)와 웜업열교환기(410)가 구동되도록 제어할 수 있다. 이러한 운전 모드를 폐열 회수 모드라 명명한다.(S5)
이때, 제어부는 삼방밸브(422)를 바이패스 유로(421)측으로 절환하여(S51), 웜업탱크(400)로부터 배출되어 삼방밸브(422)로 공급된 물이 냉각장치(420)를 바이패스하도록 할 수 있다.
이때, 제어부는 냉각장치(420)를 정지시킬 수 있다(S52). 예를 들어, 냉각장치(420)를 구성할 수 있는 팬(420b)의 전원을 차단하여 팬(420b)을 정지시킬 수 있다. 따라서, 냉각장치(420)가 사용되지 않을 경우 불필요한 전력소모를 방지할 수 있다.
이때, 제어부는 웜업펌프(412)를 작동하여(S53), 열회수탱크(15)에 저장된 물이 웜업열교환기(410)로 공급되도록 할 수 있다.
따라서, 상기 냉각장치(420)를 바이패스한 물이 웜업열교환기(410)를 통과하여 물공급탱크(13)로 공급됨에 있어, 웜업열교환기(410)에서 열회수탱크(15)로부터 공급된 물과 열교환을 할 수 있다.
웜업열교환기(410)에서 열을 전달받은 열회수탱크(15)로부터 공급된 물은, 다시 열회수탱크(15)로 공급되어 열회수탱크(15)에 저장된 물의 온도를 높일 수 있다.
이때, 웜업탱크(400)로부터 배출되는 물의 온도는 버너(120)로부터 배출된 배기가스의 다량의 폐열을 회수하였으므로 일반적으로 열회수탱크(15)에 저장된 물의 온도보다 높으나, 열회수탱크(15)의 폐열 회수 여부 판단의 정확성을 향상시키기 위해 웜업펌프(412)의 구동여부를 판단함에 있어, 웜업탱크(400)로부터 배출된 물의 온도와 열회수탱크(15)에 저장된 물의 온도를 비교하는 단계를 더 포함할 수 있다.
제2온도센서(431)의 감지값이 제2목표온도값 이상인 경우, 열회수탱크(15)에 저장된 물의 온도가 목표로 설정된 온도에 도달하였거나 더 가열되었으므로, 열회수탱크(15)에 저장되는 물을 추가적으로 가열할 필요가 없을 수 있다.
이에, 웜업탱크(400)로부터 배출되는 물이 웜업탱크(400)에서 회수한 버너(120)로부터 배출된 배기가스의 폐열이 열회수탱크(15)에 저장된 물로 전달되지 않도록, 웜업펌프(412)와 웜업열교환기(410)가 구동되지 않도록 제어할 수 있다.
또한, 웜업탱크(400)로부터 배출되는 물이 폐열을 회수한 체 물공급탱크(13)로 공급되어 물공급탱크(13)에 저장된 물의 온도를 높이면, 스택(20a, 20b)의 온도가 발전에 적합한 온도인 제1목표온도값보다 상승할 우려가 있으므로, 웜업탱크(400)로부터 배출되는 물이 회수한 폐열을 다시 방열하도록 제어할 수 있다. 이러한 운전 모드를 방열 모드라 명명한다.(S6)
이때, 제어부는 삼방밸브(422)를 냉각장치(420)측으로 절환하여(S61), 웜업탱크(400)로부터 배출되어 삼방밸브(422)로 공급된 물이 냉각장치(420)로 공급되도록 할 수 있다.
이때, 제어부는 냉각장치(420)를 작동시킬 수 있다(S62). 예를 들어, 냉각장치(420)를 구성할 수 있는 팬(420b)에 전원을 공급하여 팬(420b)을 작동시킬 수 있다. 따라서, 냉각장치(420)로 공급된 물은 냉각장치(420)에 의하여 회수한 폐열을 방열할 수 있다.
이때, 제어부는 웜업펌프(412)를 정지하여(S63), 열회수탱크(15)에 저장된 물이 웜업열교환기(410)로 공급되지 않도록 할 수 있다. 따라서, 열회수탱크(15)에 저장된 물이 웜업열교환기(410)에서 별도의 폐열을 회수하여 더욱 가열되는 것을 방지할 수 있다.
따라서, 복수의 온도센서가 감지한 온도값에 따라, 웜업탱크(400)에서 회수한 폐열을 스택(20a, 20b)의 예열에 사용하거나, 열회수탱크(15)에 저장하거나 또는 간이하게 방열하도록 제어함으로써, 연료전지 장치(1)의 발전 효율 및 열회수 성능을 향상시키고 운전 비용을 절약할 수 있다.
이하, 도 4 내지 8를 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 웜업탱크(400)에 관하여 설명한다.
본 발명의 실시예에 따른 웜업탱크(400)는, 버너로부터 배출된 배기가스를 공급받아 외부로 배출하는 배기케이스(520) 및, 상기 스택으로부터 배출된 물을 공급받아 상기 유입된 물에 혼재된 기포를 분리하여, 상기 기포가 분리된 물은 내부에 저장하고, 상기 기포를 배출하는 기액분리장치(530)를 포함한다.
이때, 상기 기액분리장치가 스택으로부터 공급받는 물은, 물 속에 포함된 공기가 열을 받아 상변화한 기포 및 기타 기체 등이 포함되어 있을 수 있다.
상기 배기케이스(520)는 상기 배기케이스(520)의 일측에 형성되어 배기가스를 상기 배기케이스 내부로 유입하는 배기가스 유입구(523)을 포함할 수 있다. 상기 배기가스 유입구(523)는 상기 배기케이스(520)의 하부에 형성될 수 있다. 배기가스 유입구(523)은 버너와 연통될 수 있다.
상기 배기케이스(520)는 상기 배기케이스(520)의 일측에 형성되어, 상기 기액분리장치에 수용된 물과의 열교환 과정에서 발생하는 배기가스 응축수를 배출하는 응축수배출구(525)를 포함할 수 있다.
상기 응축수배출구(525)는 배기케이스(520)의 하부에 형성될 수 있다. 상기 응축수배출구(525)는 후술할 기액분리장치(530)의 하측에 위치할 수 있다. 따라서, 기액분리장치(530)에 물이 기액분리장치(530)의 틈 사이로부터 누설되더라도, 상기 응축수배출구(525)를 통해 배출되어, 상기 물이 상동에 쌓이거나 열교환기에 침착되어 열교환효율을 떨어뜨리는 문제를 방지할 수 있다.
배기케이스(520)의 내부에 기액분리장치(530)가 설치될 수 있다. 그리고, 상기 기액분리장치(530)와 상기 배기케이스(520)의 사이에 배기가스가 통과하는 공간이 형성될 수 있다. 예를 들어, 기액분리장치(530)의 둘레면은 배기케이스(520)의 내주면으로부터 내측으로 이격되어 배기가스가 통과하는 공간을 형성할 수 있다.
이때, 배기케이스(520)는 상부가 개구되는 바, 배기가스 유입구(523)을 통해 배기케이스(520)로 유입된 배기가스는, 상기 배기케이스(520)와 기액분리장치(530) 사이의 공간을 통과하여 배기케이스(520)의 개구된 상부를 통해 외부로 배출될 수 있다. 이때, 상기 기액분리장치의 상측에서 상기 배기가스가 배출되는 개구가 형성될 수 있다.
이때, 버너에서 배출되는 배기가스의 온도는 약 90도 정도이고, 배기케이스(520)를 유동하면서 기액분리장치(530)에 수용된 물과 기액분리케이스(810, 820, 830)를 통해 간접적으로 접촉하는 바, 기액분리장치(530)에 수용된 물을 가열할 수 있어, 스택 예열 성능 또는 열회수탱크의 폐열 회수 효율을 향상시킬 수 있다.
한편, 배기케이스(520)의 상부에 배기커버(510)가 착탈 가능하게 배치될 수 있다. 상기 배기커버(510)는 배기케이스(520)의 내부에 설치된 기액분리장치(530)를 커버하여 외부로부터 보호할 수 있다. 또한, 상기 배기커버(510)를 탈착하여 상기 기액분리장치를 관리하거나, 기액분리장치(530) 내부에 물을 주입할 수 있다.
상기 배기커버(510)는 배기케이스(520)의 상부를 둘러싸고, 상면이 메쉬형상으로 개구될 수 있다. 상기 배기커버(510) 배기케이스(520)의 상부 외주면을 둘러싸는 원통형상의 커버바디(511)와, 메쉬형상으로 형성되어 복수의 홀이 형성되는 커버홀(513)을 포함할 수 있다. 배기케이스(520)는 상단이 개구되어 상기 커버홀(513)과 연통되는 바, 상기 커버홀(513)을 통하여 배기가스가 배출될 수 있다.
한편, 기액분리장치(530)는 중공으로 형성되어 내부에 물을 수용하고, 상부에 분리된 기포가 배출되는 기포배출구(812)가 형성된 기액분리케이스(810, 820, 830)를 포함할 수 있다. 상기 기액분리케이스(810, 820, 830)는 배기케이스(520)의 내주면으로부터 내측으로 이격되어 배기가스가 통과하는 공간을 형성할 수 있다. 상기 기액분리케이스(810, 820, 830)는 원통형상으로 형성될 수 있다.
기액분리장치(530)는 스택으로부터 배출된 물을 유입하는 급수관(503a)과 연결될 수 있다. 따라서, 물공급탱크로부터 스택으로 공급되어 스택을 예열한 물은, 다시 스택으로부터 배출되어 급수관을 통해 기액분리장치(530)에 저장되고, 기액분리장치(530)는 배수관(506a)과 연결되어 저장된 물을 다시 물공급탱크로 공급할 수 있다.
이때, 급수관(503a)은 배기케이스바디(521)를 관통하여 기액분리장치(530)와 연결될 수 있다. 배수관(506a)은 배기케이스바디(521)를 관통하여 상기 기액분리장치(530)와 연결될 수 있다.
이때, 급수관(503a)은 기액분리케이스(810, 820, 830)의 일부를 관통하여, 상기 기액분리케이스의 내부와 연통되고, 물을 상기 기액분리케이스의 내부로 유입시킬 수 있다. 또한, 배수관(506a)은 기액분리케이스(810, 820, 830)의 일부를 관통하여 상기 기액분리케이스 내부와 연통되고, 상기 기액분리케이스에 저장된 물을 외부로 배출할 수 있다.
급수관(503a)에 의해 기액분리장치(530)의 내부로 유입된 물은 기액분리장치(530)의 내부에서 밀도차이에 의하여 기포가 제거된 물과 기포(기체)로 분리되어, 기체는 기액분리케이스(810, 820, 830)의 상부에 형성된 기포배출구(812)에 누적되어 일정 압력을 형성하고, 이로 인해 개방되는 캡(535)을 통과하여 배수관(506a)으로 배출되며, 기포가 분리된 물은 기액분리케이스(810, 820, 830)의 하부에 저장된 뒤 배기케이스(520)를 유동하는 배기가스로부터 가열된 다음 배수관(503a)으로 배출된다.
이때, 물에 혼재된 기포는 물의 열교환 효율을 떨어트릴 수 있는 바, 물로부터 기포가 분리됨으로써 물의 열교환 효율을 향상시킬 수 있다.
도 6을 참조하면, 기액분리케이스(810, 820, 830)은 상측으로부터 하측으로 순서대로 배치되는 어퍼케이스(810), 미들케이스(820) 및 로워케이스(830)를 구비할 수 있다.
어퍼케이스(810)는 하부가 개구되고 상부가 덮혀있는 원통형상으로 형성될 수 있다.
상기 어퍼케이스(810)의 하단에는 미들케이스(820)가 결합되고, 상기 미들케이스(820)의 하단에 로워케이스(830)가 결합될 수 있다. 상기 어퍼케이스(810), 미들케이스(820), 로워케이스(830)은 서로 착탈이 가능하도록 결합되어 제조가 용이하며, 기액분리장치(530)의 관리가 용이할 수 있다.
미들케이스(820)는 상하단이 개구된 링 형상으로 형성될 수 있다. 로워케이스(830)는 상부가 개구되고 하부가 밀폐된 원통 형상으로 형성되어 물이 수용될 수 있다.
한편, 기액분리장치(530)는 기포의 압력에 따라 개폐되어 상기 분리된 기포를 외부로 배출하는 캡(535)을 포함할 수 있다. 캡(535)은 기액분리케이스(810, 820, 830)의 상부에 결합될 수 있다. 캡(535)의 내부에는 압력스프링과 압력밸브, 진공스프링, 진공밸브, 개스킷과 같은 구성을 포함할 수 있다.
보다 예를 들어, 캡(535)은 기액분리케이스(810, 820, 830)의 상부에 형성된 기포배출구(812)에 연결될 수 있다.
이때, 기포가 혼재된 물이 기액분리장치(530)에 저장되거나 상기 기포가 혼재된 물로부터 분리된 기포가 누적됨에 따라 기액분리장치(530) 내부에 압력이 증가하게 되고, 이에 따라 상기 캡(535)이 개방될 수 있다. 그리고, 기포가 혼재된 물로부터 분리된 기체 또는 저장된 물은 개방된 캡(535)의 개구를 통하여 배출될 수 있다.
상기 캡(535)은 일측에 배수관(506a)과 연결되는 제1 연결관(506b)이 형성될 수 있다. 따라서, 캡(535)을 통해 배출되는 기체 또는 물은 제1 연결관(506b)과 배수관(506a)으로 순차적으로 유동할 수 있다.
보다 예를 들어, 캡(535)은 기포배출구(812)와 연결되는 캡바디(852)와 상기 캡바디(852)의 상부에 배치되어, 압력에 의해 캡바디(852)의 상부를 개폐하는 캡커버(851)을 구비할 수 있다.
상기 캡바디(852)의 내부에는 스프링, 밸브 및 개스킷 등과 같은 캡(535)의 일반적인 구조들이 수용될 수 있다. 캡바디(852)의 일측에는 제1 연결관(506b)이 연결되어, 배수관(506a)과 캡바디(852)가 서로 연통될 수 있다.
이때, 배출된 기포는 제1 연결관(6c) 및 배수관(506a)를 통해 물공급탱크로 공급되고, 물공급탱크의 내부 공간의 상부에 저장된다. 상기 저장된 기포는, 물배출밸브(42)를 개방하는 경우 물공급탱크에 저장된 물과 함께 외부로 배출될 수 있다.
배수관(506a)은 캡(535)의 캡바디(852)측으로 연결되는 제1 연결관(506b)과 기액분리장치(530)의 내부와 연결되는 제2 연결관(506c)으로 분지될 수 있다. 상기 제2 연결관(506c)은 하단에 배치된 로워케이스(830)의 바닥면에 인접하게 연장될 수 있다. 기액분리장치(530)의 내부에 저장된 물은 제2 연결관(506c)에 유입되어 배수관(506a)으로 유동할 수 있다.
한편, 기액분리장치(530)는 상기 기액분리케이스(810, 820, 830)의 내부에 배치되는 배플어셈블리(840)를 포함할 수 있다.
배플어셈블리(840)는 복수의 홀이 형성된 배플플레이트(841, 842, 843, 844)를 포함할 수 있다. 그리고, 상기 배플어셈블리(840)는 상기 배플어셈블리(840)의 중심부에 위치하여, 상하로 개구된 원통형상을 가지는 센터바디(845)를 포함할 수 있다.
그리고, 센터바디(845)에는, 상하방향으로 연장되고, 상기 센터바디(845)로부터 외측으로 돌출되어, 배플어셈블리(840)를 지지하는 복수의 지지벽(846)이 형성될 수 있다.
센터바디(845)는 기액분리케이스(810, 820, 830)의 내측에 배치되어, 중심 부근에 위치할 수 있다. 센터바디(845)는 상하로 개구되며 상측으로부터 하측으로 갈수록 좁아지는 콘(cone) 형상으로 형성될 수 있다. 급수관(503a)은 상기 센터바디(845)의 내측으로 물을 토출할 수 있다.
이때, 기액분리장치(530)에 유입되는 물은 센터바디(845)를 통과하고, 콘 형상의 센터바디(845)의 내주면을 따라 선회운동을 일으켜, 원심력에 의해 물과 기포를 효과적으로 분리시킬 수 있다(도 5 참조).
이때, 급수관(503a)은 센터바디(845)의 내측 상부에서 원주방향으로 상기 물을 토출하여 선회운동을 가속할 수 있다. 어퍼케이스(810)의 내부로 연장된 급수관(503a)의 끝단부는 센터바디(845)의 내측 상부에서 원주방향으로 절곡될 수 있다.
한편, 상기 배플어셈블리(840)는, 기액분리케이스(810, 820, 830)의 내부에 배치되고, 복수의 홀이 형성되는 제1 배플플레이트(841, 842)를 적어도 하나 포함할 수 있다. 상기 제1 배플플레이트(841, 842)는, 상기 센터바디(845)의 외주면과 기액분리케이스(810, 820, 830)의 사이의 공간에 배치될 수 있다.
제1 배플플레이트(841, 842)는 상부 제1 배플플레이트(841)와 상기 상측 제1 배플플레이트(842)의 하측에 배치되는 하부 제1 배플플레이트(842)를 포함할 수 있다. 상기 제1 배플플레이트의 개수는 제한되지 않는다.
상기 제1 배플플레이트(841, 842)는 중앙에 센터바디(845)의 외주면의 형상에 대응하는 개구(미도시)가 형성되어, 상기 제1 배플플레이트(841, 842)의 중앙에 센터바디(845)가 삽입될 수 있다.
상기 센터바디(845)는 상부 제1 배플플레이트(841)와 하부 제1 배플플레이트(842)를 관통하여 결합될 수 있다. 센터바디(845)는 하부로 갈수록 좁아지는 콘 형상으로 형성되는 바, 상부 제1 배플플레이트(841)에 형성된 상기 개구(미도시)는 하부 제1 배플플레이트(842)에 형성된 상기 개구(미도시)보다 직경이 클 수 있다.
이때, 배기케이스(520)로 유입된 배기가스가 슬릿(833)을 통과하며 슬릿리브(832)에 전달한 열이 제1 배플플레이트(841, 842)로 전달됨으로써, 제1 배플플레이트(841, 842)는 기액분리장치(530)에 수용된 물의 수위가 제1 배플플레이트(841, 842)가 배치된 높이까지 상승함에 따라 기액분리장치(530)에 수용된 물을 가열하게 된다.
제1 배플플레이트(841,842)는, 제1 배플플레이트의 외주면으로부터 기액분리케이스(810, 820, 830)를 관통하여 배기케이스(520)의 내주면까지 반경 외측방향으로 돌출되고, 원주방향을 따라 복수의 슬릿(833)을 형성하는 슬릿리브(832)와 연결될 수 있다.
배기가스는 슬릿리브(832)에 형성된 슬릿(833)을 통과하여 배기케이스(520)의 상부로 유동한 뒤 커버홀(513)를 통해 외부로 배출될 수 있다.
이때, 슬릿리브(832)는 배기가스로부터 열을 전달받아 제1 배플플레이트(841,842)로 전달할 수 있고, 열을 전달받은 제1 배플플레이트(841,842)는 기액분리장치(530)에 저장된 물의 수위가 상승되면서 제1 배플플레이트(841,842)에 형성된 다공홀을 통과하는 기액분리장치(530)에 저장된 물을 가열할 수 있다.
이때, 슬릿리브(832)와 제1 배플플레이트(841,842)간의 열 전도율을 높이기 위해, 슬릿리브(832)와 제1 배플플레이트(841,842)는 일체로 형성된 금속성 물질일 수 있다.
기액분리케이스(810, 820, 830)와 배기케이스(520)는 원통형상으로 형성되고, 이격된 공간에 상기 슬릿리브(832)가 배치되어 배기케이스(520)에 의해 지지 및/또는 결합될 수 있다.
한편, 배수관(506a)은, 전술한 바와 같이 기액분리케이스(810)의 일측을 관통하고(도 7 참조), 상기 기액분리케이스(810)의 내부로 연장되는 제2 연결관(506c)을 포함할 수 있다.
배수관(506a)의 제2 연결관(506c)은, 제1 배플플레이트(841, 842)에 형성된 복수의 홀 중 어느 하나를 관통하여, 상기 제1 배플플레이트와 상기 기액분리케이스에 의해 지지될 수 있다.
제1 배플플레이트(841, 842)가 상부 제1 배플플레이트(841)와 하부 제1 배플플레이트(842)를 포함하는 경우를 예로 들면, 배수관(506a)은 어퍼케이스(810)를 관통하고, 상기 기액분리케이스의 내부로 연장되는 제2 연결관(506c)은 상부 제1 배플플레이트(841)에 형성된 복수의 홀 중 어느 하나와, 하부 제1 배플플레이트(842)에 형성된 복수의 홀 중 어느 하나를 관통하여 로워케이스(830)의 바닥면에 인접한 부근까지 연장될 수 있다.
이때, 기액분리장치(530)에 수용된 물은 제2 연결관(506c)를 통하여 배수관(506a)으로 유동한 뒤, 물공급탱크로 공급될 수 있다.
한편, 상기 배플어셈블리(840)는, 상기 센터바디의 내측에 배치되고, 복수의 홀이 형성된 적어도 하나의 제2 배플플레이트(843, 844)를 포함할 수 있다.
제2 배플플레이트(843, 844)는 센터바디(845)의 내측에서 상기 센터바디의 내주면에 접하도록 배치될 수있다. 제2 배플플레이트(843, 844)는 센터바디(845)의 내부에 배치되는 상부 제2 배플플레이트(843)와, 상기 센터바디(845)의 내부에서 상기 상부 제2 배플플레이트(843)의 하측에 배치되는 하부 제2 배플플레이트(844)를 포함할 수 있다. 상기 제2 배플플레이트(843, 844)의 개수는 제한되지 않는다.
기포가 혼재된 물의 속도가 빠를수록, 기포가 분리되지 않을 가능성이 증가한다. 본 발명과 같이 상기 배플플레이트가 기액분리장치(530)의 내부에 배치됨에 따라, 기액분리장치(530)의 내부로 유입되는 기포가 혼재된 물은 제2 배플플레이트에 충돌할 수 있고, 상기 기포가 혼재된 물의 유속을 감소되면서 밀도가 서로 다른 물과 기포의 분리가 원활해질 수 있다.
제2 배플플레이트(843, 844)에 형성되는 복수의 홀 각각의 직경은 제1 배플플레이트(841, 842)에 형성되는 복수의 홀 각각의 직경보다 작도록 설계할 수 있다.
이에 따라, 급수관(503a)으로부터 토출되는 기포가 혼재된 물의 유속을 크게 떨어뜨리고, 캡(535)을 통해 외부로 배출되는 기체의 흐름을 원활하도록 할 수 있다.
그리고, 제2 배플플레이트(843, 844)에 의해 통과되지 않는 물의 유량이 많아짐으로써 기액분리장치(530)의 외부로 누설되지 않도록, 하부 제2 배플플레이트(844)의 경우, 중심 부근에 개구부(미도시)가 형성될 수 있다.
한편, 기액분리장치(530)는 센터바디(845)로부터 외측으로 돌출되어 상하방향으로 연장되고, 상기 센터바디(845)를 지지하는 적어도 하나의 지지벽(846)을 포함할 수 있다.
상기 지지벽(846)은 센터바디(845)의 둘레를 따라 원주방향으로 복수개가 배열되어, 방사형으로 돌??될 수 있다. 그리고, 상기 지지벽(846)은 상기 센터바디(845)의 높이와 대략 동일할 수 있다.
지지벽(846)은 센터바디(845)와 일체로 형성될 수 있고, 상기 센터바디의 외측에 배치된 제1 배플플레이트(841, 842)를 지지할 수 있다. 제1 배플플레이트(841, 842)는, 지지벽(846)이 삽입되는 슬릿(미도시)이 형성되고, 지지벽(846)은 제1 배플플레이트(841, 842)에 형성된 슬릿(미도시)에 삽입되어 서로 결합될 수 있다.
한편, 지지벽(846)은 센터바디(845)로부터 기액분리케이스(810, 820, 830)의 내주면까지 반경외측방향으로 돌출?? 수 있다. 즉, 복수의 지지벽(846)들은 기액분리케이스(810, 820, 830)의 내주면에 접할 수 있다.
이에 따라, 기액분리장치(530)를 제조할 때, 예를들어, 로워케이스(830)의 내주면에 지지벽(846)이 접하도록 삽입하고, 미들케이스(820)와 어퍼케이스(810)를 차례로 지지벽(846)에 접하도록 배치하는 방식 등으로 제조할 수 있기 때문에, 제조방법이 간단하여지고, 기액분리케이스(810, 820, 830)에 의하여 배플어셈블리(840)가 지지될 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 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 안될 것이다.
1: 연료전지 장치 10: 연료처리장치
20: 스택 30: 연료밸브
110: 탈황기 120: 버너
140: 개질기 150: 제1 반응기
160: 제2 반응기 210: 배기가스토출유로
310: 제2 물회수유로 400: 웜업탱크
503a: 급수관 506a: 배수관
506b: 제1 연결관 506c: 제2 연결관
510: 배기커버 511: 커버바디
520: 배기케이스 521: 배기케이스바디
523: 배기가스 유입구 525: 응축수배출관
530: 기액분리장치 810,820,830: 기액분리케이스
810: 어퍼케이스 812: 기포배출구
820: 미들케이스 830: 로워케이스
832: 슬릿리브 833: 슬릿
840: 배플어셈블리 841: 상부 제1 배플플레이트
842: 하부 제1 배플플레이트 843: 상부 제2 배플플레이트
844: 하부 제2 배플플레이트 845: 센터바디
846: 지지벽 851: 캡커버
852: 캡바디

Claims (16)

  1. 수소와 산소를 전기화학반응시켜 전기에너지를 생성하는 스택;
    연료가스를 개질하여 상기 스택으로 공급하는 개질기;
    상기 개질기를 가열하는 버너;
    공기를 상기 스택 및 버너로 각각 공급하는 에어블로워;
    외부 급수원으로부터 공급된 물을 저장하는 물공급탱크;
    상기 물공급탱크로부터 물을 공급받아 기화시켜 수증기를 상기 개질기로 공급하는 증기발생기;
    상기 물공급탱크로부터 물을 공급받아 상기 개질기로부터 배출된 개질가스와 열교환시킨 다음 상기 스택으로 공급하는 개질가스 열교환기; 및
    상기 스택으로 공급된 다음 상기 스택으로부터 배출되는 물을 상기 버너로부터 배출된 배기가스와 열교환하여 상기 물공급탱크로 공급하는 웜업탱크를 포함하는 연료전지 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 웜업탱크에서 배출되어 상기 물공급탱크로 공급되는 물을 정화하는 필터를 더 포함하는 연료전지 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    외부 급수원으로부터 공급된 다음 연료전지 장치의 운전시 발생하는 폐열로 가열된 물을 저장하고, 상기 저장한 물을 외부로 배출할 수 있는 열회수탱크;
    상기 열회수탱크에 저장된 물을 공급받아 상기 웜업탱크로부터 배출되어 상기 물공급탱크로 공급되는 물과 열교환시켜 상기 열회수탱크로 공급하는 웜업열교환기;
    상기 열회수탱크와 상기 웜업열교환기를 연결하는 순환유로; 및
    상기 순환유로를 통하여 상기 열회수탱크에 저장된 물이 상기 웜업열교환기로 공급된 다음 상기 열회수탱크로 회수되게 하는 웜업펌프를 더 포함하는 연료전지 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 열회수탱크로부터 공급되는 물을 상기 개질기에서 배출되는 배기가스와 열교환시켜 상기 열회수탱크로 공급하는 제1열교환기를 더 포함하는 연료전지 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 열회수탱크로부터 공급되는 물을 상기 스택에서 배출되는 공기와 열교환시켜 상기 열회수탱크로 공급하는 제2열교환기를 더 포함하는 연료전지 장치.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 열회수탱크로부터 공급되는 물을 상기 스택에서 배출되는 가스와 열교환시켜 상기 열회수탱크로 공급하는 제3열교환기를 더 포함하는 연료전지 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 웜업탱크와 상기 물공급탱크 사이에 배치되어 상기 웜업탱크에서 배출되는 물을 냉각시켜 상기 물공급탱크로 공급되게 하는 냉각장치;
    상기 냉각장치를 바이패스하는 바이패스 유로; 및
    상기 웜업탱크에서 배출되는 물이 상기 냉각장치 또는 상기 바이패스 유로로 선택적으로 유입되게 하는 삼방밸브를 더 포함하는 연료전지 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 냉각장치는,
    상기 웜업탱크에서 배출되는 물이 통과하는 공냉식 라디에이터와 상기 라디에이터로 외기를 공급하는 팬을 포함하는 연료전지 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    외부 급수원으로부터 공급된 다음 연료전지 장치의 운전시 발생하는 폐열로 가열된 물을 저장하고, 상기 저장한 물을 외부로 배출할 수 있는 열회수탱크;
    상기 열회수탱크에 저장된 물을 공급받아 상기 냉각장치 또는 바이패스 유로를 통과한 물과 열교환시켜 상기 열회수탱크로 공급하는 웜업열교환기;
    상기 열회수탱크와 상기 웜업열교환기를 연결하는 순환유로; 및
    상기 순환유로를 통하여 상기 열회수탱크에 저장된 물이 상기 웜업열교환기로 공급된 다음 상기 열회수탱크로 회수되게 하는 웜업펌프를 더 포함하는 연료전지 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 웜업탱크에서 배출되는 물의 온도를 감지하는 제1온도센서; 및
    상기 열회수탱크에 저장된 물의 온도를 감지하는 제2온도센서를 더 포함하는 연료전지 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1온도센서의 감지값이 제1목표온도값 이하이면 상기 웜업탱크에서 배출되는 물이 상기 냉각장치를 바이패스하도록 상기 삼방밸브를 절환하고 상기 냉각장치 및 웜업펌프를 정지시키는 스택 예열 모드를 실행하는 제어부를 더 포함하는 연료전지 장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 제1온도센서의 감지값이 상기 제1목표온도값보다 크고 상기 제2온도센서의 감지값이 제2목표온도값보다 작으면 상기 웜업탱크에서 배출되는 물이 상기 냉각장치를 바이패스하도록 상기 삼방밸브를 절환하고 상기 냉각장치를 정지시키고 상기 웜업펌프를 작동시키는 폐열 회수 모드를 실행하는 제어부를 더 포함하는 연료전지 장치.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 제1온도센서의 감지값이 상기 제1목표온도값보다 크고 상기 제2온도센서의 감지값이 상기 제2목표온도값 이상이면 상기 웜업탱크에서 배출되는 물이 상기 냉각장치로 공급되도록 상기 삼방밸브를 절환하고 상기 냉각장치를 작동시키고 상기 웜업펌프를 정지시키는 방열 모드를 실행하는 제어부를 더 포함하는 연료전지 장치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 웜업탱크는,
    상기 스택으로부터 배출되는 물이 유입되고, 상기 유입된 물에 혼재된 기포를 분리하여, 상기 기포가 분리된 물은 내부에 저장하고, 상기 기포는 배출하는 기액분리장치; 및
    상기 버너로부터 배출된 배기가스를 공급받아 외부로 배출하는 배기케이스를 포함하고,
    상기 배기케이스는,
    내부에 상기 기액분리장치가 설치되어 상기 기액분리장치와 상기 배기케이스 사이에 상기 배기가스가 통과하는 공간이 형성되고, 상기 기액분리장치의 상측에서 상기 배기가스가 배출되는 개구가 형성되는 연료전지 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 기액분리장치는,
    중공으로 형성되어 내부에 물을 수용하고, 상부에 상기 분리된 기포가 배출되는 기포배출구를 형성하고, 상기 배기케이스의 내주면으로부터 내측으로 이격되어 상기 공간을 형성하는 기액분리케이스;
    상기 기액분리케이스의 내측에 배치되고, 상하로 개구되며 하측으로 갈 수록 좁아지는 콘(cone)형상의 센터바디;
    상기 센터바디의 외주면과 기액분리케이스 사이에 배치되고, 복수의 홀이 형성된 적어도 하나의 제1 배플플레이트; 및
    상기 센터바디의 내측에 배치되고, 복수의 홀이 형성된 적어도 하나의 제2 배플플레이트를 포함하고,
    상기 제1 배플플레이트는,
    상기 제1 배플플레이트의 외주면으로부터 상기 기액분리케이스를 관통하여 상기 배기케이스의 내주면까지 반경 외측방향으로 돌출되고, 원주방향을 따라 복수의 슬릿을 형성하는 슬릿리브와 연결되는 연료전지 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 연료전지 장치는,
    상기 스택으로부터 배출된 물을 상기 기액분리장치 내로 유입하고 상기 센터바디의 내측 상부에서 원주방향으로 상기 물을 토출하는 급수관; 및
    상기 기액분리장치와 연결되어, 상기 기액분리장치에 저장된 물을 배출하는 배수관을 더 포함하고,
    상기 기액분리장치는,
    싱기 기액분리케이스의 상기 기포배출구에 연결되고, 압력에 따라 개폐되어 상기 분리된 기포를 외부로 배출하는 캡을 포함하는 연료전지 장치.
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