KR20230069648A - 연료전지 시스템 - Google Patents

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우형석
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Abstract

본 발명은, 연료전지 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템은, 개질가스와 공기의 전기화학반응을 통해 전력을 생성하는 스택; 상기 스택에 공급되는 상기 개질가스를 생성하는 연료처리장치; 상기 스택에 공급되는 물이 저장되는 물공급탱크; 온수가 저장되는 열회수탱크; 및 상기 연료처리장치에 배치되고, 냉각수와 상기 연료처리장치에서 배출되는 배기가스가 열교환되는 제1 열교환기; 및 상기 물공급탱크에 저장된 물 또는 열회수탱크에 저장된 물을 가열하도록 상기 제1 열교환기에서 열교환된 냉각수를 상기 물공급탱크 또는 열회수탱크로 공급하는 열공급밸브를 포함하여, 연료처리장치에서 배출되는 배기가스의 폐열을 회수하여 물공급탱크에 저장된 물 또는 열회수탱크에 저장된 온수를 가열할 수 있다.

Description

연료전지 시스템{FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 연료처리장치에서 배출되는 배기가스의 폐열을 회수해 스택을 예열 또는 온수를 생성하는 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.
일반적인 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, 연료전지 시스템의 발전 운전 시, 스택에서 이루어지는 산소와 수소의 전기화학반응의 속도는 스택의 온도에 따라 달라지게 되며 스택의 종류에 따라 적절한 온도를 유지하며 발전 운전을 수행하게 된다. 그러나, 연료전지 시스템의 발전 운전 초기 시, 스택의 온도는 저온 상태에 해당하기 때문에 스택의 온도가 발전의 적절한 소정 온도에 도달할 때까지 발전이 원활히 이루어지지 않는 문제점이 있다. 또한, 이에 따라 연료전지 시스템의 정상 발전까지 상당한 시간이 소요되는 문제점이 있다.
KR 10-2012-0071288 A
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 연료처리장치에서 배출되는 배기가스의 폐열을 활용하여 스택을 예열하는 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 과제는, 연료처리장치에서 배출되는 배기가스의 폐열을 활용하여 가정 등 온수사용처에 공급되는 온수를 가열하는 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, 개질가스와 공기의 전기화학반응을 통해 전력을 생성하는 스택; 상기 스택에 공급되는 상기 개질가스를 생성하는 연료처리장치; 상기 스택에 공급되는 물이 저장되는 물공급탱크; 온수가 저장되는 열회수탱크; 및 상기 연료처리장치에 배치되고, 냉각수와 상기 연료처리장치에서 배출되는 배기가스가 열교환되는 제1 열교환기; 및 상기 물공급탱크에 저장된 물 또는 열회수탱크에 저장된 물을 가열하도록 상기 제1 열교환기에서 열교환된 냉각수를 상기 물공급탱크 또는 열회수탱크로 공급하는 열공급밸브를 포함하여, 연료처리장치에서 배출되는 배기가스의 폐열을 회수하여 물공급탱크에 저장된 물 또는 열회수탱크에 저장된 온수를 가열할 수 있다.
상기 열공급밸브를 조절하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 연료처리장치를 예열하는 예열모드 일 때, 상기 제1 열교환기에서 열교환된 냉각수가 상기 물공급탱크로 공급되도록 상기 열공급밸브를 상기 물공급탱크 측으로 전환하여, 예열모드 시 물공급탱크에 저장된 물이 예열될 수 있다.
상기 물공급탱크에서 배출된 냉각수를 상기 제1 열교환기로 공급하거나 상기 열공급밸브로 공급하는 열회수밸브를 더 포함할 수 있다.
상기 열공급밸브와 열회수밸브를 조절하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 연료처리장치를 예열하는 예열모드 일 때, 상기 물공급탱크에서 배출된 냉각수가 상기 제1 열교환기로 공급되도록 상기 열회수밸브를 상기 제1 열교환기 측으로 전환하여, 예열 모드 시 연료처리장치에서 배기가스와 냉각수가 열교환될 수 있다.
상기 물공급탱크에 저장된 물 온도를 감지하는 제1 온도센서를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 제1 온도센서에서 감지된 물 온도가 제1 설정온도 이상일 때, 상기 열회수밸브를 상기 열공급밸브 측으로 전환하여, 물공급탱크에 저장된 물의 예열이 완료되었다 판단하고 연료처리장치에서의 폐열 회수를 중단할 수 있다.
상기 물공급탱크에 저장된 물 온도를 감지하는 제1 온도센서; 상기 스택에서 배출되는 물 온도를 감지하는 제2 온도센서; 및 상기 열공급밸브를 조절하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 스택에서 개질가스와 공기의 전기화학반응을 통해 전력을 생성하는 발전모드 시, 상기 제1 온도센서에서 감지된 물 온도가 제1 설정온도 이상이고, 상기 제2 온도센서에서 감지된 물 온도가 제2 설정온도 이하일 때, 상기 제1 열교환기에서 배기가스와 열교환된 냉각수가 상기 물공급탱크로 공급되도록 상기 열공급밸브를 상기 물공급탱크 측으로 전환하여, 발전모드 초기 시 물공급탱크에 저장된 물을 가열할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 스택에서 개질가스와 공기의 전기화학반응을 통해 전력을 생성하는 발전모드 시, 상기 제2 온도센서에서 감지된 냉각수의 온도가 제2 설정온도 이상일 때, 상기 제1 열교환기에서 배기가스와 열교환된 냉각수가 상기 열회수탱크로 공급되도록 상기 열공급밸브를 상기 열회수탱크 측으로 전환하여, 발전모드 중기 시 열회수탱크에 저장된 온수를 가열할 수 있다.
상기 제1 설정온도는, 상기 제2 설정온도보다 더 높을 수 있다.
상기 연료처리장치, 물공급탱크 및 열회수탱크를 순환하는 냉각수 유동을 형성하는 열공급펌프를 더 포함할 수 있다.
상기 물공급탱크와 상기 스택 사이에 배치되고, 상기 물공급탱크에 저장된 냉각수를 상기 스택에 공급하는 냉각수펌프를 더 포함할 수 있다.
상기 냉각수펌프의 작동을 조절하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 스택에서 개질가스와 공기의 전기화학반응을 통해 전력을 생성하는 발전모드 일 때, 상기 스택에 냉각수가 공급되도록 상기 냉각수펌프를 작동시켜, 스택을 예열할 수 있다.
상기 물공급탱크에 배치되고, 상기 제1 열교환기에서 배기가스와 열교환된 냉각수와 상기 물공급탱크에 저장된 냉각수가 열교환되는 제2 열교환기; 및 상기 열회수탱크에 배치되고, 상기 제1 열교환기에서 배기가스와 열교환된 냉각수와 상기 열회수탱크에 저장된 온수가 열교환되는 제3 열교환기를 포함할 수 있다.
상기 연료처리장치는, 상기 개질가스의 생성에 필요한 열에너지를 공급하는 버너를 더 포함하고, 상기 제1 열교환기는, 연료의 연소반응 후 생성된 배기가스가 배출되는 상기 버너의 출구 측에 가깝도록 배치될 수 있다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 연료처리장치의 버너에서 배출되는 배기가스의 폐열은 폐열회수부를 순환하는 냉각수에 의해 회수되고, 스택에 공급되는 물탱크의 냉각수는 상기 폐열회수부의 냉각수에 의해 가열된 뒤 스택에 공급됨에 따라 저온 상태의 스택이 예열되어 연료전지 시스템의 발전 효율이 향상되는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 연료처리장치의 버너에서 배출되는 배기가스의 폐열은 폐열회수부를 순환하는 냉각수에 의해 회수되고, 가정 등 온수사용처에 공급되는 열회수탱크의 온수는 상기 폐열회수부의 냉각수에 의해 가열되어 연료전지 시스템 내 총 에너지효율이 향상되는 효과가 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, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료처리장치, 스택, 물공급탱크, 열회수탱크 및 폐열회수부를 나타내는 계통도이다.
도 4 및 도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 예열 모드 및/또는 개질 모드 시, 연료처리장치의 폐열을 회수하여 물공급탱크에 저장된 냉각수를 예열하는 것을 설명하기 위한 도면들이다.
도 6은 및 도 7은, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 발전 모드 시, 연료처리장치의 폐열을 회수하여 열회수탱크에 저장된 온수를 가열하는 것을 설명하기 위한 도면들이다.
도 8은, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 제어방법에 관한 순서도이다.
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 혼합 가스를 연소시켜 연소열을 발생시킬 수 있다. 이때, 버너(120)에서 공급되는 열에 의해, 개질기(140)의 내부온도가 적정 온도(예: 800℃)로 유지될 수 있다.
한편, 혼합 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 배관에 인접하여 배치될 수 있다.
개질기(140)는, 촉매를 이용하여, 황 화합물이 제거된 연료 가스로부터 수소 가스를 생성하는 개질 공정을 수행할 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.
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 구성도이다.
도 2를 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 포함할 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, 양극배출가스(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 온수펌프(48) 등을 포함할 수 있다. 한편, 열회수탱크(15)에 저장되는 물은 온수라 명명될 수 있다. 또한, 열회수탱크(15)는, 가정 등 온수가 사용되는 온수사용처(미도시)에 연결되어 사용자의 요구에 따라 온수를 공급할 수 있다.
또한, 연료전지 시스템(1)은, 연료처리장치(10)의 폐열을 회수하여 물공급탱크(13)에 저장된 물 또는 열회수탱크(15)에 저장된 온수를 가열하는 폐열회수부(400)를 포함할 수 있다. 폐열회수부(400)의 구성 및 연결관계에 대한 구체적인 설명은 후술하도록 한다.
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)는, 연료처리장치(10)에 대한 연료 가스의 공급이 중단되도록, 연료공급유로(101)을 차단할 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 연통될수 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 연통될 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 개질가스의 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.
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 개질 가스는 제2 스택(20b)에서 추가적으로 전기화학반응을 일으킬 수 있다.
제2 블로워(72)는, 제1 외부공기유입유로(201)와 연통된 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 개질 가스는, 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 양극배출가스(AOG)는, 스택가스토출유로(108)를 통해 유동할 수 있다.
AOG열교환기(22)는, 스택(20a. 20b)에서 토출된 양극배출가스(AOG)가 유동하는 스택가스토출유로(108)에 연결될 수 있다. AOG열교환기(22)는, 열회수탱크(15)에서 토출된 물이 유동하는 온수공급유로(313)에 연결될 수 있다. AOG열교환기(22)는, 스택가스토출유로(108)를 통해 유입되는 양극배출가스(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 양극배출가스(AOG)를 토출할 수 있다. AOG열교환기(22)에서 토출된 양극배출가스(AOG)는, AOG공급유로(109)를 통해 연료처리장치(10)로 유동할 수 있다. AOG공급유로(109)를 통해 연료처리장치(10)에 공급된 양극배출가스(AOG)는, 버너(120)의 연소를 위한 연료로 사용될 수 있다.
AOG공급유로(109)에는, 양극배출가스(AOG)에 포함된 수분의 양을 조절하는 AOG 수분제거장치(63) 및/또는 연료처리장치(10)로 공급되는 양극배출가스(AOG)의 유동을 조절하는 AOG밸브(35)가 배치될 수 있다. AOG 수분제거장치(63)로 유입된 양극배출가스(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)가 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 양극배출가스(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 연통될 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(214)로 토출될 수 있고, 배기유로(214)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(또는 온도센서)를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 연료전지 시스템(1)은, 물공급탱크에 저장된 냉각수의 온도를 감지하는 제1 온도계(472), 스택(20a, 20b)에서 토출된 물의 온도를 감지하는 제2 온도계(474) 등을 포함할 수 있다. 일례로, 제1 온도계(472)는, 일례로 냉각수공급유로(304)에 배치되고, 물공급탱크(13)에서 배출되어 냉각수공급유로(304) 내를 유동하는 물의 온도를 감지할 수 있다. 제1 온도계(472)는, 다른 예로, 제1 온도계(472)는, 물공급탱크(13)에 배치되고, 물공급탱크(13)에 저장된 물의 온도를 감지할 수 있다. 제2 온도계(474)는, 스택물토출유로(307)에 배치되고, 스택(20)에서 배출되어 스택물토출유로(307) 내를 유동하는 물의 온도를 감지할 수 있다.
또한, 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.
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. 또한, 제어부는, 연료전지 시스템(1)에 구비된 각 밸브를 전환할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템(1)에 있어, 연료처리장치(10), 스택(20), 물공급탱크(13), 열회수탱크(15) 및 폐열회수부(400)를 나타내는 계통도이다.
이하, 도 2 및 3을 참고하여 폐열회수부(400)에 관한 구성들을 설명한다.
도 2 및 도 3을 참고하면, 연료전지 시스템(1)은 폐열회수부(400)를 포함할 수 있다.
폐열회수부(400)는, 냉각수 라인을 따라 유동하는 냉각수를 통해 연료처리장치(10)에서 배출되는 배기가스의 폐열을 회수할 수 있다. 폐열회수부(400)는, 연료처리장치(10), 물공급탱크(13) 및 열회수탱크(15)에 각각 연결될 수 있다. 폐열회수부(400)는, 연료처리장치(10), 물공급탱크(13) 및 열회수탱크(15)를 순환하는 냉각수 라인을 형성할 수 있다.
폐열회수부(400)는, 연료처리장치(10), 물공급탱크(13) 및 열회수탱크(15)에 각각 배치되는 복수의 열교환기(410, 412, 414)를 포함할 수 있다. 폐열회수부(400)는, 연료처리장치(10)에 배치되는 제1 열교환기(410), 물공급탱크(13)에 배치되는 제2 열교환기(412) 및 제3 열교환기(414)에 배치되는 제3 열교환기(414)를 포함할 수 있다.
제1 열교환기(410)에서, 연료처리장치(10)에서 배출되는 배기가스와 물공급탱크(13) 또는 열회수탱크(15)에서 공급된 냉각수가 열교환될 수 있다. 구체적으로, 제1 열교환기(410)는, 버너(120)의 배기가스 배출구 측에 가깝도록 배치될 수 있다.
제2 열교환기(412)에서, 제1 열교환기(410)에서 열교환된 냉각수와 물공급탱크(13)에 저장된 물이 열교환될 수 있다.
제3 열교환기(414)에서, 제1 열교환기(410)에서 열교환된 냉각수와 열회수탱크(15)에 저장된 온수가 열교환될 수 있다.
폐열회수부(400)는, 냉각수 라인을 형성하고, 제1 열교환기(410)와 제2 열교환기(412)를 연결하는 제1 열회수관(422, 424) 및 제1 열교환기(410)와 제3 열교환기(414)를 연결하는 제2 열회수관(432, 434)를 포함할 수 있다.
제1 열회수관(422, 424)은, 제2 열교환기(412)의 토출단과 제1 열교환기(410)의 유입단을 연결하는 제1-1 열회수관(422)을 포함할 수 있다. 제1-1 열회수관(422)에는, 물공급탱크(13)에 저장된 물과 열교환된 냉각수가 유동할 수 있다.
제1 열회수관(422, 424)은, 제2 열교환기(412)의 유입단과 제2 열교환기(410)의 토출단을 연결하는 제1-2 열회수관(424)을 포함할 수 있다. 제1-2 열회수관(424)에는, 연료처리장치(10)의 배기가스와 열교환된 냉각수가 유동할 수 있다.
한편, 제1-2 열회수관(424)에는, 냉각수 라인을 순환하는 냉각수 유동을 형성하는 열공급펌프(440)가 배치될 수 있다.
또한, 폐열회수부(400)는, 제1 열교환기(410)를 바이패스한 냉각수가 유동하는 바이패스관(466)을 더 포함할 수 있다. 바이패스관(466)은, 제1 열교환기(410) 측에 배치될 수 있다. 바이패스관(466)은, 제1 열교환기(410)의 유입단(422)과 제1 열교환기(410)의 토출단(424)에 연결될 수 있다.
제2 열회수관(432, 434)은, 제3 열교환기(414)의 토출단과 제1 열교환기(410)의 유입단을 연결하는 제2-1 열회수관(432)을 포함할 수 있다. 구체적으로, 제2-1 열회수관(432)은, 제1-1 열회수관(422)에 합류되어 제1 열교환기(410)의 유입단과 연결될 수 있다. 따라서, 제2-1 열회수관(432)에는, 열회수탱크(15)에 저장된 온수와 열교환된 냉각수가 유동할 수 있다.
제2 열회수관(432, 434)은, 제3 열교환기(414)의 유입단과 제1 열교환기(410)의 토출단을 연결하는 제2-2 열회수관(434)을 포함할 수 있다 구체적으로, 제2-2 열회수관(434)은, 제1-2 열회수관(424)에서 분지되어 제1 열교환기(410)의 토출단과 연결될 수 있다. 따라서, 제2-2 열회수관(434)에는, 연료처리장치(10)의 배기가스와 열교환된 냉각수가 유동할 수 있다.
폐열회수부(400)는, 물공급탱크(13) 또는 열회수탱크(15)에서 배출된 냉각수를 연료처리장치(10)로 공급하는 열회수밸브(452)를 포함할 수 있다. 열회수밸브(452)는, 제2 열교환기(412)에서 배출된 냉각수를 제1 열교환기(410)로 공급하거나 제1 열교환기(410)를 바이패스하도록 동작할 수 있다. 열회수밸브(452)는, 제3 열교환기(412)에서 배출된 냉각수가 제1 열교환기(410)로 공급하거나 제1 열교환기(410)를 바이패스하도록 동작할 수 있다.
열회수밸브(452)는, 제1-1 열회수관(422)에 배치될 수 있다. 열회수밸브(452)는, 삼방밸브(3-way valve)로 구성될 수 있다. 열회수밸브(452)의 유입단은, 제1-1 열회수관(422)의 상류와 연결될 수 있다. 열회수밸브(452)의 제1 토출단은, 제1-1 열회수관(422)의 하류와 연결될 수 있다. 열회수밸브(452)의 제2 토출단은, 바이패스관(466)과 연결될 수 있다.
폐열회수부(400)는, 연료처리장치(10)에서 배출된 냉각수를 물공급탱크(13) 또는 열회수탱크(15)로 공급하는 열공급밸브(462)를 포함할 수 있다. 열공급밸브(462)는, 제1 열교환기(410)에서 배출된 냉각수를 제2 열교환기(412) 또는 제3 열교환기(414)로 공급하거나 제1 열교환기(410)를 바이패스한 냉각수를 제2 열교환기(412) 도는 제3 열교환기(414)로 공급하도록 동작할 수 있다.
열공급밸브(462)는, 제1-2 열회수관(424)에 배치될 수 있다. 열회수밸브(452)는, 삼방밸브(3-way valve)로 구성될 수 있다. 열공급밸브(462)의 유입단은, 제1-2 열회수관(424)의 상류와 연결될 수 있다. 열공급밸브(462)의 제1 토출단은, 제1-2 열회수관(424)의 하류와 연결될 수 있다. 열공급밸브(462)의 제2 토출단은, 제2-2 열회수관(434)과 연결될 수 있다.
따라서, 폐열회수부(400)는, 냉각수 라인(422, 424, 432, 434)을 따라 유동하는 냉각수를 연료처리장치(10)에서 배출되는 배기가스가 열교환시켜 배기가스의 폐열을 회수할 수 있고, 상기 열교환된 냉각수를 물공급탱크(13)로 공급하여 물공급탱크(13)에 저장된 물을 가열하거나 또는 열회수탱크(15)로 공급하여 열회수탱크(15)에 저장된 온수를 가열할 수 있다.
도 4 및 도 5는, 연료전지 시스템(1)의 예열모드(WM) 및/또는 개질모드(RM) 시, 폐열회수부(400)의 작동에 관한 계통도이다.
연료전지 시스템(1)은, 개질에 적합한 온도에 도달하도록 개질기(140)를 버너(120)로 예열하는 예열모드(WM) 또는 개질가스의 수소 및 일산화탄소의 농도가 발전에 적합한 농도에 도달하도록 개질가스를 버너로 재순환시키고 개질을 반복하는 개질모드(RM)로 운전할 수 있다.
예열모드(WM)에서, 연료전지 시스템(1)은, 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. (도2 참고)
개질모드(RM)에서, 연료전지 시스템(1)은, 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(120)의 연소를 위한 연료로 사용될 수 있다. (도 2 참고)
예열모드(WM) 및/또는 개질모드(RM)에서, 연료전지 시스템(1)은, 열공급펌프(440)를 작동시켜 냉각수 라인(422, 424, 466)을 순환하는 냉각수의 흐름을 형성할 수 있다.
이하, 연료처리장치(10)에서 배출되는 배기가스의 폐열을 회수하기 위해 냉각수 라인을 순환하는 냉각수의 흐름을 설명한다.
도 4를 참고하면, 제2 열교환기(412)에서 배출된 냉각수는, 제1-1 열회수관(422)의 상류를 따라 유동하며 열회수밸브(452)로 공급될 수 있다. 이 때, 열회수밸브(452)는 제1-1 열회수관(422)의 하류와 연결되도록 제1 열교환기(410) 측으로 전환될 수 있으며, 열회수밸브(452)로 공급된 냉각수는, 제1-1 열회수관(422)의 하류를 따라 유동하며 제1 열교환기(410)로 공급될 수 있다.
제1 열교환기(410)로 공급된 냉각수는, 버너(140)의 작동에 따라 연소 후 배출되는 배기가스와 열교환 된 뒤 배출되며, 제1-2 열회수관(424)의 상류를 따라 유동하며 열공급펌프(440)를 통해 열공급밸브(462)로 공급될 수 있다. 이 때, 열공급밸브(462)는 제1-2 열회수관(424)의 하류와 연결되도록 제2 열교환기(412) 측으로 전환될 수 있으며, 열공급밸브(462)로 공급된 냉각수는, 1-2 열회수관(424)의 하류를 따라 유동하며 제2 열교환기(412)로 공급될 수 있다.
제2 열교환기(412)로 공급된 냉각수는, 물공급탱크(13)에 저장된 물과 열교환 된 뒤 배출되며, 제2 열교환기(412)에서 배출된 냉각수는, 상술한 순환 사이클에 따라 냉각수 라인을 순환할 수 있다.
이에 따라, 예열모드(WM) 및/또는 개질모드(RM) 시, 물공급탱크(13)에 저장된 물은, 제1 열교환기(410)를 통해 배기가스에서 버려지는 폐열을 회수한 냉각수와 제2 열교환기(410)에서 열교환되어 가열될 수 있다.
이하, 연료처리장치(10)에서 배출되는 배기가스의 폐열 회수가 완료된 경우, 냉각수 라인을 순환하는 냉각수의 흐름을 설명한다.
도 5를 참고하면, 제2 열교환기(412)에서 배출된 냉각수는, 제1-1 열회수관(422)의 상류를 따라 유동하며 열회수밸브(452)로 공급될 수 있다. 이 때, 연료전지 시스템(1)은, 제1 온도계(472)를 통해 물공급탱크(13)에 저장된 물의 온도를 감지할 수 있고, 제1 온도계(472)에서 감지된 물 온도 값이 제1 설정온도 이상인 경우, 바이패스관(466)과 연결되도록 열회수밸브(452)를 전환할 수 있다. 여기서, 제1 설정온도란, 발전모드(PM) 시 스택(20)을 충분히 예열하기에 적합한 물 온도로서, 제어부의 메모리에 미리 저장된 값일 수 있다.
열회수밸브(452)로 공급된 냉각수는, 바이패스관(466)과 제1-2 열회수관(424)의 하류를 따라 유동하며 열공급펌프(440)를 통해 열공급밸브(462)로 공급될 수 있다. 이 때, 열공급밸브(462)는 제1-2 열회수관(424)의 하류와 연결되도록 제2 열교환기(412) 측으로 전환될 수 있으며, 열공급밸브(462)로 공급된 냉각수는, 1-2 열회수관(424)의 하류를 따라 유동하며 제2 열교환기(412)로 공급될 수 있다.
제2 열교환기(412)로 공급된 냉각수는, 물공급탱크(13)에 저장된 물과 열교환 된 뒤 배출되며, 제2 열교환기(412)에서 배출된 냉각수는, 상술한 순환 과정을 동일 반복할 수 있다.
이에 따라, 물공급탱크(13)에 저장된 물의 온도가 충분히 가열된 경우, 연료처리장치(10)로 공급되는 냉각수를 바이패스시켜 연료처리장치(10)의 폐열 회수를 종료하며 물공급탱크(13)에 저장된 물의 온도를 스택을 예열하기에 적합한 설정온도로 유지할 수 있다.
도 6 및 도 7은, 연료전지 시스템(1)의 발전모드(PM) 시, 연료전지 시스템(1)의 작동에 관한 계통도이다.
연료전지 시스템(1)은, 공기와 개질가스의 전기화학반응을 통해 스택(20a, 20b)에서 전기를 생성하는 발전모드(PM)로 운전할 수 있다.
발전모드(PM)에서, 연료전지 시스템(1)은, 연료처리장치(10)에서 배출되는 개질가스가 스택(20)에 공급되도록, 개질가스밸브(33)를 개방하고, 바이패스밸브(34)를 폐쇄할 수 있다. 연료전지 시스템(1)은, 제2 블로워(72)를 구동하여, 전기를 발생시키는 전기화학반응에 사용되는 공기를 스택(20)에 공급할 수 있다. (도 2 참고)
발전모드(PM)에서, 연료전지 시스템(1)은, 열공급펌프(440)를 작동시켜 냉각수 라인(422, 424, 432, 434)을 순환하는 냉각수의 흐름을 형성할 수 있다.
발전모드(PM)에서, 연료전지 시스템(1)은, 냉각수펌프(43)를 작동시켜 물공급탱크(13)에 저장된 물을 스택(20)으로 공급하는 물 흐름을 형성할 수 있다.
이하, 발전모드(PM) 초기 시, 스택(20)을 예열하기 위한 냉각수의 흐름을 설명한다.
도 6을 참고하면, 제2 열교환기(412)에서 배출된 냉각수는, 제1-1 열회수관(422)의 상류를 따라 유동하며 열회수밸브(452)로 공급될 수 있다. 이 때, 열회수밸브(452)는 제1-1 열회수관(422)의 하류와 연결되도록 제1 열교환기(410) 측으로 전환될 수 있으며, 열회수밸브(452)로 공급된 냉각수는, 제1-1 열회수관(422)의 하류를 따라 유동하며 제1 열교환기(410)로 공급될 수 있다.
제1 열교환기(410)로 공급된 냉각수는, 버너(140)의 작동에 따라 연소 후 배출되는 배기가스와 열교환 된 뒤 배출되며, 제1-2 열회수관(424)의 상류를 따라 유동하며 열공급펌프(440)를 통해 열공급밸브(462)로 공급될 수 있다. 이 때, 열공급밸브(462)는 제1-2 열회수관(424)의 하류와 연결되도록 제2 열교환기(412) 측으로 전환될 수 있으며, 열공급밸브(462)로 공급된 냉각수는, 1-2 열회수관(424)의 하류를 따라 유동하며 제2 열교환기(412)로 공급될 수 있다.
이에 따라, 물공급탱크(13)에 저장된 물은, 제1 열교환기(410)를 통해 배기가스에서 버려지는 폐열을 회수한 냉각수와 제2 열교환기(410)에서 열교환되어 가열될 수 있고, 물공급탱크(13)에 저장된 가열된 물은, 냉각수펌프(43)의 작동에 의해 스택(20)에 공급되어 발전모드(PM) 초기 시 스택(20)을 발전에 적합한 온도로 빠르게 예열할 수 있다. 이 결과, 스택(20)의 발전 효율이 향상될 수 있다.
발전모드(PM)에서 연료전지 시스템(1)은, 제2 온도계(474)를 통해 스택(20)에서 배출된 물의 온도를 감지할 수 있고, 제2 온도계(474)에서 감지된 물 온도 값이 제2 설정온도 이상인 경우, 스택(20) 예열이 완료되었다고 판단할 수 있다. 여기서, 제2 설정온도란, 발전모드(PM) 시 스택(20) 예열이 충분히 완료되어 정상 발전 운전 가능한 온도로서, 제어부의 메모리에 미리 저장된 값일 수 있다.
이하, 스택(20) 예열이 완료된 발전모드(PM) 중기 시, 냉각수의 흐름을 설명한다.
도 7을 참고하면, 제3 열교환기(414)에서 배출된 냉각수는, 제2-1 열회수관(432)를 따라 유동하며 열회수밸브(452)로 공급될 수 있다. 이 때, 열회수밸브(452)는 제1-1 열회수관(422)의 하류와 연결되도록 제1 열교환기(410) 측으로 전환될 수 있으며, 열회수밸브(452)로 공급된 냉각수는, 제1-1 열회수관(422)의 하류를 따라 유동하며 제1 열교환기(410)로 공급될 수 있다.
제1 열교환기(410)로 공급된 냉각수는, 버너(140)의 작동에 따라 연소 후 배출되는 배기가스와 열교환 된 뒤 배출되며, 제1-2 열회수관(424)의 상류를 따라 유동하며 열공급펌프(440)를 통해 열공급밸브(462)로 공급될 수 있다. 이 때, 열공급밸브(462)는 제2-2 열회수관(434)와 연결되도록 제3 열교환기(414) 측으로 전환될 수 있으며, 열공급밸브(462)로 공급된 냉각수는, 2-2 열회수관(434)를 따라 유동하며 제3 열교환기(414)로 공급될 수 있다.
이에 따라, 스택(20) 예열이 완료된 경우, 열회수탱크(15)에 저장된 온수는, 제1 열교환기(410)를 통해 배기가스에서 버려지는 폐열을 회수한 냉각수와 제3 열교환기(414)에서 열교환되어 가열될 수 있고, 열회수탱크(15)에 저장된 온수는, 사용자의 요구에 따라 가정 등 온수사용처에 공급될 수 있다. 이 결과, 연료처리장치(10)에서 버려지는 폐열 회수량이 증대될 수 있으며, 연료전지 시스템(1)의 총 에너지 효율이 향상될 수 있다.
또한, 발전모드(PM)에서, 연료전지 시스템(1)은, 냉각수열교환기(24)를 통해 스택에서(20)에서 배출된 물과 열회수탱크(15)를 순환하는 온수가 열교환되도록 온수펌프(48)를 작동시킬 수 있다.
도 8은, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템(1)의 제어방법에 관한 순서도이다.
도 8을 참고하면, 제어부는, 연료전지 시스템(1)의 운전을 개시할 수 있다(S100). 연료전지 시스템(1)의 운전이 개시된 이후, 연료전지 시스템(1)은, 예열운전(WM), 개질운전(RM) 및/또는 발전운전(PM)을 수행할 수 있다.
S100 이후, 제어부는, 연료전지 시스템(1)의 현재 운전 모드를 판단할 수 있다(S110).
현재 연료전지 시스템(1)의 운전모드가 예열모드(WM) 또는 개질모드(RM)인 경우, 제어부는, 열공급펌프(440)를 작동시킬 수 있다(S210). 이에 따라, 폐열회수부(400)의 냉각수 라인을 따라 순환하는 냉각수 유동을 형성할 수 있다.
S210 이후, 제어부는, 제1 열교환기(410)에서 배기가스와 열교환된 냉각수가 제2 열교환기(412)로 공급되도록 열공급밸브(462)를 물공급탱크(13) 측으로 전환할 수 있다(S220). 이 때, 제어부는, 제2 열교환기(412)에서 배출된 냉각수가 제1 열교환기(410)로 공급되도록 열회수밸브(452)를 연료처리장치(10) 측으로 전환할 수 있다. 따라서, 냉각수 라인을 순환하는 냉각수가 제1 열교환기(410)에서 배기가스의 폐열을 회수한 뒤 제2 열교환기(412)로 공급되며, 제2 열교환기(410)로 공급된 냉각수와 물공급탱크(13)에 저장된 물이 열교환되어 물공급탱크(13)에 저장된 물이 가열될 수 있다.
S220 이후, 제어부는, 물공급탱크(13)에 저장된 물의 예열이 완료되었는지 판단할 수 있다(S230). 구체적으로, 제어부는, 제1 온도계(472)를 통해 물공급탱크(13)에 저장된 물의 온도를 감지할 수 있고, 제1 온도계(472)에서 감지된 물 온도값이 제1 설정온도 이상인 경우, 물공급탱크(13)에 저장된 물의 예열이 완료되었다고 판단할 수 있다. 여기서, 제1 설정온도란, 발전모드(PM) 시 스택(20)을 충분히 예열하기에 적합한 물 온도로 설정될 수 있다.
물공급탱크(13)에 저장된 물의 예열이 완료되지 않은 경우(S230에서 No), 제어부는, 제2 열교환기(412)에서 배출된 냉각수가 제1 열교환기(410)로 공급되도록 연료처리장치(10)의 입구단(422) 측으로 열회수밸브(452)를 전환할 수 있다(S240). 따라서, 물공급탱크(13)에 저장된 물의 온도가 제1 설정온도에 도달할 때까지 냉각수 라인을 순환하는 냉각수가 제1 열교환기(410)에서 배기가스의 폐열을 회수할 수 있다.
물공급탱크(13)에 저장된 물의 예열이 완료된 경우(S230에서 Yes), 제어부는, 제2 열교환기(412)에서 배출된 냉각수가 제1 열교환기(410)를 바이패스하도록 연료처리장치(10)의 출구단(424) 측으로 열회수밸브(452)를 전환할 수 있다(S250). 따라서, 냉각수 라인을 순환하는 냉각수가 제1 열교환기(410)에서 배기가스의 폐열을 더 이상 회수하지 않고 물공급탱크(13)에 저장된 물의 온도를 유지할 수 있다.
S240 및 S250 이후, 제어부는 S110으로 복귀하여 연료전지 시스템(1)의 현재 운전모드를 재차 판단할 수 있다.
현재 연료전지 시스템(1)의 운전모드가 발전모드(PM)인 경우, 제어부는, 발전모드(PM)가 초기 상태인지 판단할 수 있다(S310). 일례로, 제어부는, 스택(20)의 예열 완료 여부로 발전모드(PM)가 초기 상태인지 판단할 수 있다. 구체적으로, 제어부는 제2 온도계(474)를 통해 스택(20)에서 배출되는 물의 온도를 감지할 수 있고, 제2 온도계(474)에서 감지된 물 온도값이 제2 설정온도 이상인 경우, 스택(20)의 예열이 완료되었다고 판단하며, 현재 발전모드(PM)가 중기에 해당한다고 판단할 수 있다. 여기서, 제2 설정온도란, 발전모드(PM) 시 스택(20) 예열이 충분히 완료되어 정상 발전 운전 가능한 온도로 설정될 수 있다.
발전모드(PM) 초기 상태인 경우(S310에서 Yes), 제어부는, 물공급탱크(13)에 저장된 물의 예열이 완료되었는지 판단할 수 있다(S320). 구체적으로, 제어부는, 제1 온도계(472)를 통해 물공급탱크(13)에 저장된 물의 온도를 감지할 수 있고, 제1 온도계(472)에서 감지된 물 온도값이 제1 설정온도 이상인 경우, 물공급탱크(13)에 저장된 물의 예열이 완료되었다고 판단할 수 있다.
물공급탱크(13)에 저장된 물의 예열이 완료되지 않은 경우(S320에서 No), 제어부는, 열공급펌프(440)를 작동시킬 수 있다(S330). 이에 따라, 폐열회수부(400)의 냉각수 라인을 따라 순환하는 냉각수 유동을 형성할 수 있다.
S330 이후, 제어부는, 제1 열교환기(410)에서 배기가스와 열교환된 냉각수가 제2 열교환기(412)로 공급되도록 열공급밸브(462)를 물공급탱크(13) 측으로 전환할 수 있다(S340). 이 때, 제어부는, 제2 열교환기(412)에서 배출된 냉각수가 제1 열교환기(410)로 공급되도록 열회수밸브(452)를 연료처리장치(10) 측으로 전환할 수 있다. 따라서, 냉각수 라인을 순환하는 냉각수가 제1 열교환기(410)에서 배기가스의 폐열을 회수한 뒤 제2 열교환기(412)로 공급되며, 제2 열교환기(412)로 공급된 냉각수와 물공급탱크(13)에 저장된 물이 열교환되어 물공급탱크(13)에 저장된 물이 가열될 수 있다.
S340 이후, 제어부는, 냉각수펌프(43)를 작동시킬 수 있다(S350). 또한, 제어부는, 온수펌프(48)의 작동을 정지하거나 정지상태를 유지할 수 있다(S350). 따라서, 발전모드(PM) 초기 시, 스택(20)에 공급되는 물공급탱크(13)의 물이 충분히 가열되지 않은 경우, 연료처리장치(10)에서 회수된 배기가스의 폐열을 열회수탱크(15) 측으로 공급하지 않고 물공급탱크(13) 측으로 집중적으로 공급함과 동시에 스택(20)으로 물공급탱크(13)의 물을 공급하여 스택(20)을 예열할 수 있다.
물공급탱크(13)에 저장된 물의 예열이 완료된 경우(S320에서 Yes), 제어부는, 후술하는 S360 동작으로 이행될 수 있다.
발전모드(PM) 중기 상태인 경우(S310에서 No), 제어부는, 열공급펌프(440)를 작동시킬 수 있다(S360). 이에 따라, 폐열회수부(400)의 냉각수 라인을 따라 순환하는 냉각수 유동을 형성할 수 있다.
S360 이후, 제어부는, 제1 열교환기(410)에서 배기가스와 열교환된 냉각수가 제3 열교환기(412)로 공급되도록 열공급밸브(462)를 열회수탱크(15) 측으로 전환할 수 있다(S370). 이 때, 제어부는, 제3 열교환기(414)에서 배출된 냉각수가 제1 열교환기(410)로 공급되도록 열회수밸브(452)를 연료처리장치(10) 측으로 전환할 수 있다. 따라서, 냉각수 라인을 순환하는 냉각수가 제1 열교환기(410)에서 배기가스의 폐열을 회수한 뒤 제3 열교환기(414)로 공급되며, 제3 열교환기(414)로 공급된 냉각수와 열회수탱크(15)에 저장된 온수가 열교환되어 열회수탱크(15)에 저장된 온수가 가열될 수 있다.
S370 이후, 제어부는, 냉각수펌프(43)를 작동시킬 수 있다(S380). 또한, 제어부는 온수펌프(48)를 작동시키거나 작동 상태를 유지할 수 있다(S380). 따라서, 발전모드(PM) 중기 시, 스택(20)이 충분히 예열된 경우, 연료처리장치(10)에서 회수된 배기가스의 폐열이 열회수탱크(15) 측으로 공급됨에 따라 열회수탱크(15)에 저장된 온수가 가열되며, 열회수탱크(15)에 저장된 온수는 사용자의 요구에 따라 가정 등 온수사용처에 공급될 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.
1 : 연료전지 시스템 10 : 연료처리장치
13 : 물공급탱크 15 : 열회수탱크
20 : 스택 400 : 폐열회수부
410 : 제1 열교환기 412 : 제2 열교환기
414 : 제3 열교환기 422 : 제1-1 열회수관
424 : 제1-2 열회수관 432 : 제2-1 열회수관
434 : 제2-2 열회수관 440 : 열공급펌프
452 : 열회수밸브 462 : 열공급밸브
472 : 제1 온도계 474 : 제2 온도계

Claims (15)

  1. 개질가스와 공기의 전기화학반응을 통해 전력을 생성하는 스택;
    상기 스택에 공급되는 상기 개질가스를 생성하는 연료처리장치;
    상기 스택에 공급되는 물이 저장되는 물공급탱크;
    온수가 저장되는 열회수탱크; 및
    상기 연료처리장치에 배치되고, 냉각수와 상기 연료처리장치에서 배출되는 배기가스가 열교환되는 제1 열교환기; 및
    상기 물공급탱크에 저장된 물 또는 열회수탱크에 저장된 온수를 가열하도록 상기 제1 열교환기에서 열교환된 냉각수를 상기 물공급탱크 또는 열회수탱크로 공급하는 열공급밸브를 포함하는 연료전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열공급밸브를 조절하는 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 연료처리장치를 예열하는 예열모드 일 때, 상기 제1 열교환기에서 열교환된 냉각수가 상기 물공급탱크로 공급되도록 상기 열공급밸브를 상기 물공급탱크 측으로 전환하는 연료전지 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 물공급탱크에서 배출된 냉각수를 상기 제1 열교환기로 공급하거나 상기 열공급밸브로 공급하는 열회수밸브를 더 포함하는 연료전지 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 열공급밸브와 열회수밸브를 조절하는 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 연료처리장치를 예열하는 예열모드 일 때, 상기 물공급탱크에서 배출된 냉각수가 상기 제1 열교환기로 공급되도록 상기 열회수밸브를 상기 제1 열교환기 측으로 전환하는 연료전지 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 물공급탱크에 저장된 물 온도를 감지하는 제1 온도센서를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 제1 온도센서에서 감지된 물 온도가 제1 설정온도 이상일 때, 상기 열회수밸브를 상기 열공급밸브 측으로 전환하는 연료전지 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 물공급탱크에 저장된 물 온도를 감지하는 제1 온도센서;
    상기 스택에서 배출되는 물 온도를 감지하는 제2 온도센서; 및
    상기 열공급밸브를 조절하는 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 스택에서 개질가스와 공기의 전기화학반응을 통해 전력을 생성하는 발전모드 시, 상기 제1 온도센서에서 감지된 물 온도가 제1 설정온도 이상이고, 상기 제2 온도센서에서 감지된 물 온도가 제2 설정온도 이하일 때, 상기 제1 열교환기에서 배기가스와 열교환된 냉각수가 상기 물공급탱크로 공급되도록 상기 열공급밸브를 상기 물공급탱크 측으로 전환하는 연료전지 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 스택에서 개질가스와 공기의 전기화학반응을 통해 전력을 생성하는 발전모드 시, 상기 제2 온도센서에서 감지된 냉각수의 온도가 제2 설정온도 이상일 때, 상기 제1 열교환기에서 배기가스와 열교환된 냉각수가 상기 열회수탱크로 공급되도록 상기 열공급밸브를 상기 열회수탱크 측으로 전환하는 연료전지 시스템.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제1 설정온도는, 상기 제2 설정온도보다 더 높은 연료전지 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 연료처리장치, 물공급탱크 및 열회수탱크를 순환하는 냉각수 유동을 형성하는 열공급펌프를 더 포함하는 연료전지 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 물공급탱크와 상기 스택 사이에 배치되고, 상기 물공급탱크에 저장된 냉각수를 상기 스택에 공급하는 냉각수펌프를 더 포함하는 연료전지 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 냉각수펌프의 작동을 조절하는 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 스택에서 개질가스와 공기의 전기화학반응을 통해 전력을 생성하는 발전모드 일 때, 상기 스택에 냉각수가 공급되도록 상기 냉각수펌프를 작동시키는 연료전지 시스템.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 물공급탱크에 배치되고, 상기 제1 열교환기에서 배기가스와 열교환된 냉각수와 상기 물공급탱크에 저장된 냉각수가 열교환되는 제2 열교환기; 및
    상기 열회수탱크에 배치되고, 상기 제1 열교환기에서 배기가스와 열교환된 냉각수와 상기 열회수탱크에 저장된 온수가 열교환되는 제3 열교환기를 포함하는 연료전지 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 연료처리장치는,
    상기 개질가스의 생성에 필요한 열에너지를 공급하는 버너를 더 포함하고,
    상기 제1 열교환기는,
    연료의 연소반응 후 생성된 배기가스가 배출되는 상기 버너의 출구 측에 가깝도록 배치되는 연료전지 시스템.
  14. 개질가스를 생성하는 연료처리장치; 상기 개질가스를 이용하여 전력을 생성하는 스택; 냉각수가 저장되는 물공급탱크; 온수가 저장되는 열회수탱크; 및 상기 연료처리장치의 폐열을 냉각수를 통해 회수하여 상기 물공급탱크의 냉각수 또는 열회수탱크의 온수를 가열하는 폐열회수부를 포함하는 연료전지 시스템의 제어방법에 있어서,
    상기 폐열회수부는, 상기 폐열회수부를 순환하는 냉각수의 유동 방향을 전환하는 절환밸브를 포함하고,
    상기 물공급탱크에 저장된 냉각수의 온도를 바탕으로 상기 절환밸브를 조절하여, 상기 물공급탱크에 저장된 냉각수를 예열하는 단계를 포함하는 연료전지 시스템의 제어방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 스택에서 배출되는 냉각수의 온도를 바탕으로 상기 절환밸브를 조절하여, 상기 열회수탱크에 저장된 온수를 가열하는 단계를 더 포함하는 연료전지 시스템의 제어방법.

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