KR20230078859A - 공기공급량 제어가 가능한 공기공급부를 구비하여 효율성을 향상시킨 연료전지 - Google Patents
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Abstract
공기공급량 제어가 가능한 공기공급부를 구비하여 효율성을 향상시킨 연료전지가 개시된돠. 이러한 본 발명은, 일측에 버너와 버너연소실이 구비되며, 탄화수소계 원료를 수소가 함유된 개질가스(Reformate gas)로 개질하는 가스개질부; 개질가스의 이송통로측에 구비되는 선택산화반응기; 가스개질부의 고순도 수소와 산소의 전기화학반응에 의해 직류전력을 생산하며, 막전극접합체와 막전극접합체의 양측에 배치되는 분리판을 갖는 단위셀이 복수개 적층된 연료전지스택; 연료전지 스택에서 생산된 직류전력을 교류전력으로 변환하는 전력변환부; 연료전지스택에 공기를 공급하는 공기공급부; 및 가스개질부 및 연료전지스택에서 발생하는 폐열을 회수하는 열회수부; 를 포함하여 구성될 수 있다.
Description
본 발명은 공기공급량 제어가 가능한 공기공급부를 구비하여 효율성을 향상시킨 연료전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 연료전지 전기화학반응에서 필요로 하는 공기의 유량을 정밀하게 제어하면서, 한 개의 공기펌프로 연료전지 기동 순서에 가장 최적화된 3종류의 공기를 공급할 수 있도록 한 공기공급량 제어가 가능한 공기공급부를 구비하여 효율성을 향상시킨 연료전지에 관한 것이다.
일반적으로, 연료전지는 대기 중의 공기에 함유된 산소와 탄화수소계열(LNG, LPG등 ) 원료가스를 개질하고, 수소를 연료전지 스택에서 전기화학반응을 통해 화학에너지를 전기에너지로 직접 변환시켜주는 에너지 변환장치이다.
연료전지에서 사용되는 공기는, 스택 캐소드로 공급되는 환원공기, 연료처리장치의 온도 상승 및 유지를 위해 연소부로 공급되는 버너 연소공기, 연료처리장치 개질가스 내에 함유된 일산화탄소를 제거하는 선택적 산화반응기에 공급되는 산화공기로 구분할 수 있으며, 3 종류의 공기를 공급하는 공기공급장치가 필요하다.
예를 들어, 1kW급 연료전지의 경우, 연료전지 스택 캐소드로 공급되는 환원공기는 50~60LPM, 연료처리장치의 연소부에 공급되는 연소공기는 10~23LPM, 연료처리장치의 선택적 산화반응기에 공급되는 공기는 0.7~0.9LPM으로 각 연료전지 구성부품에서 필요로 하는 공기량이 서로 상이하고, 효율적인 전기화학반응을 위해서, 정밀한 유량 제어가 필요하여 종래의 연료전지는 3개의 공기펌프와 유량센서를 각각 구성하여 제어하는 방법을 사용한다.
상기와 같은, 연료전지의 공기공급장치에 대한 선행기술로, KR 특허공개공보 제10-2011-0139524호 (명칭 : 연료전지 시스템의 기체연료 공급장치 및 이를 포함하는 연료전지 시스템)이 개시되어 있다.
이 선행기술 KR 특허공개공보 제10-2011-0139524호는, 1개의 공기펌프와 3개의 조절밸브를 사용하는 구성이지만, 3개의 조절밸브는 각각 상호 연동되는 제어로직의 특징으로 연료전지 기동, 운전시에 발생하는 연료전지 공기공급계통 배관들의 압력변화에 대응할 수 없는 문제점이 있다.
또한, 공기펌프의 구동을 3개의 조절밸브 총 유량(조절밸브 개폐량으로 산정)에 따른 공기펌프의 총 유량을 조절하는 방법으로 기동 및 부분부하 운전에서 변화하는 공기공급 배관들의 압력변화에 따른 공급 공기 유량들의 오차가 발생할 수 있ㅇ으며, 공급 공기유량의 변화량이 펌프 추종속도보다 빠르게 되면 유량이 작아지는 현상이 발생하여, 연료전지 캐소드 공기희박이나 선택산화반응의 일산화탄소 미제거 등의 문제가 발생할 수 있어, 연료전지 내구성에 악영향을 줄 수 있다.
아울러, 종래의 공기공급장치 구성은 연료전지 원재료비를 상승시키고, 내부 구성의 복잡함으로 제작 비용과 유지보수 비용을 상승시켜 연료전지 기기가격 낮추는데 한계가 있다.
상기와 같은 문제점을 개선하기 위해 공기공급계통을 단순화하여 제작비용의 감소와 유지보수 용이성을 향상시키고 제어로직의 단순화를 통해 연료전지 성능 및 내구성을 향상시킬 수 있는 효율적인 공기공급장치를 갖는 연료전지를 제공하고자 한다.
따라서, 이러한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 연료전지 전기화학반응에서 필요로 하는 공기의 유량을 정밀하게 제어하면서, 한 개의 공기펌프로 연료전지 기동 순서에 가장 최적화된 3종류의 공기를 공급할 수 있도록 한 공기공급량 제어가 가능한 공기공급부를 구비하여 효율성을 향상시킨 연료전지를 제공하기 위한 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 공기공급량 제어가 가능한 공기공급부를 구비하여 효율성을 향상시킨 연료전지는, 일측에 버너와 버너연소실이 구비되며, 탄화수소계 원료를 수소가 함유된 개질가스(Reformate gas)로 개질하는 가스개질부(100); 상기 개질가스의 이송통로측에 구비되는 선택산화반응기; 상기 가스개질부(100)의 고순도 수소와 산소의 전기화학반응에 의해 직류전력을 생산하며, 막전극접합체와 상기 막전극접합체의 양측에 배치되는 분리판을 갖는 단위셀이 복수개 적층된 연료전지스택(200); 상기 연료전지 스택(200)에서 생산된 직류전력을 교류전력으로 변환하는 전력변환부; 상기 연료전지스택에 공기를 공급하는 공기공급부(201); 및 상기 가스개질부(100) 및 연료전지스택(200)에서 발생하는 폐열을 회수하는 열회수부; 를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 공기공급부(201)의 일측에는 상기 버너 및 선택산화반응기로 공급되는 공기의 유량을 조절하는 공기 유량제어부(103)를 더 구비하되, 상기 공기 유량제어부(103)는, 흡기 공기필터(208)와, 1개의 공기펌프와, 압력센서(203)를 구비한 버퍼탱크(202); 및 상기 연료전지스택(200)에 공급되는 공기의 공급통로에 구비된 공기유량계(206); 를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 버퍼탱크(202)에 구비된 압력센서(203)를 통해 버퍼탱크(202) 내부의 압력을 측정하고, 제어부에 의해 측정값과 설정값을 비교한 후 공기펌프의 출력 범위를 가변하여 버퍼탱크(202) 내부의 압력을 일정하게 유지시킬 수 있다.
상기 공기 유량제어부(103)를 통해 공급되는 공기의 유량을 제어하는 과정은, 상기 공기펌프를 구동하여 버퍼탱크(202)에 구비된 압력센서(203)의 압력이 제1압력 이상이 되도록 공기 유량을 제어하는 단계(S100 ~ S200); 상기 버퍼탱크(202)의 압력센서(203)의 압력이 제1압력 이상인 경우 버너공기 및 선택산화반응 공기를 공급하는 단계(S300 ~ S400); 상기 공기펌프와 공기유량계(206)의 피드백 제어를 통해 상기 버퍼탱크(202)의 압력이 제2압력 이상이 되도록 연료전지스택(200)에 대한 산화제 공기 유량을 정밀제어하는 단계(S500); 및 상기 버퍼탱크(202)의 제2압력을 기준으로 기 설정된 공기 공급량을 제어하되, 공기 유량제어부(103)들을 기 설정된 제어값으로 개폐하여 버너 및 선택산화반응기에 대한 공기 유량을 정밀 제어하는 단계(S600); 를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 버퍼탱크(202)의 제1압력은 8kpa∼10kpa 범위이며, 제2압력은 10kpa∼25kpa 범위로 공기 공급 유량을 제어할 수 있다.
상기에서 설명한 본 발명의 공기공급량 제어가 가능한 공기공급부를 구비하여 효율성을 향상시킨 연료전지에 의하면, 공기공급계통을 단순화하여 제작비용의 감소와 유지보수 용이성을 향상시키고 제어로직의 단순화를 통해 연료전지 성능 및 내구성을 향상시킬 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 공기공급량 제어가 가능한 공기공급부를 구비하여 효율성을 향상시킨 연료전지에 의하면, 흡기 공기필터와 한 개의 공기펌프와 압력센서를 구비한 버퍼탱크와 버너공기 및 선택산화반응기로 공급되는 공기의 유량을 조절하는 공기 유량제어부와 연료전지 스택에 공급되는 공기공급통로에 구성된 공기유량계로 구성하는 효율적인 공기공급장치를 갖는 연료전지를 제공하여 안정적인 공기공급을 통해 연료전지 운전 안정성을 향상시키는 등 다양한 기능을 개선할 수 있게 된다.
그리고, 본 발명의 공기공급량 제어가 가능한 공기공급부를 구비하여 효율성을 향상시킨 연료전지에 의하면, 공기펌프와 공기유량센서를 3개에서 1개로 감소시켜, 구성과 제어방법의 단순화를 통해 원가절감 및 유지보수의 용이성을 향상시킬 수 있으며, 연료전지 시스템의 소형화에 유리한 구성을 제공할 수 있다.
아울러, 본 발명의 공기공급량 제어가 가능한 공기공급부를 구비하여 효율성을 향상시킨 연료전지에 의하면, 기펌프 토출단의 버퍼탱크 압력을 일정하게 유지하는 피드백 제어를 통해 압력을 일정하게 유지함으로써 연소공기, 선택 산화반응 공기, 스택 캐소드 공기의 맥동을 일정하게 유지하여 연료전지 성능 안정성을 향상시키며, 공기펌프 구동에 필요한 소비전력의 변동 폭을 최소화시키고 공기펌프 소비전력을 감소시키는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 효율적인 공기공급장치를 갖는 연료전지의 개략적인 구성을 나타낸 구성도,
도 2는 본 발명의 효율적인 공기공급장치를 갖는 연료전지를 도시한 구성도,
도 3은 본 발명의 효율적인 공기공급장치를 이용한 공기의 공급 제어에 관한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 효율적인 공기공급장치를 갖는 연료전지를 도시한 구성도,
도 3은 본 발명의 효율적인 공기공급장치를 이용한 공기의 공급 제어에 관한 순서도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것을 달성하기 위한 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다.
그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 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 참조부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
따라서, 몇몇 실시 예에서, 잘 알려진 공정단계들, 잘 알려진 구조 및 잘 알려진 기술들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적으로 설명되지 않는다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않은 한 복수형도 포함한다.
명세서에서 사용되는 포함한다(comprises) 및/또는 포함하는(comprising)은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자 이외의 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는 의미로 사용한다.
그리고, "및/또는"은 언급된 아이템의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
또한, 본 명세서에서 기술하는 실시 예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 개략도들을 참고하여 설명될 것이다.
따라서, 본 발명의 실시 예들은 도시된 특정형태로 제한되는 것이 아니라 제조공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다.
그리고, 본 발명에 도시된 각 도면에 있어서 각 구성요소들은 설명의 편의를 고려하여 다소 확대 또는 축소되어 도시된 것일 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 효율적인 공기공급장치를 갖는 연료전지의 개략적인 구성을 나타낸 구성도이며, 도 2는 본 발명의 효율적인 공기공급장치를 갖는 연료전지를 도시한 구성도이고, 도 3은 본 발명의 효율적인 공기공급장치를 이용한 공기의 공급 제어에 관한 순서도이다.
본 발명에 따른 공기공급량 제어가 가능한 공기공급부를 구비하여 효율성을 향상시킨 연료전지는, 일측에 버너와 버너연소실이 구비되며, 탄화수소계 원료를 수소가 함유된 개질가스(Reformate gas)로 개질하는 가스개질부(100); 개질가스의 이송통로측에 구비되는 선택산화반응기(미도시); 상기 가스개질부(100)의 고순도 수소와 산소의 전기화학반응에 의해 직류전력을 생산하며, 막전극접합체와 상기 막전극접합체의 양측에 배치되는 분리판을 갖는 단위셀이 복수개 적층된 연료전지스택(200); 연료전지 스택(200)에서 생산된 직류전력을 교류전력으로 변환하는 전력변환부(400); 연료전지스택에 공기를 공급하는 공기공급부(201); 및 가스개질부(100) 및 연료전지스택(200)에서 발생하는 폐열을 회수하는 열회수부(미도시); 를 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 가스개질부(100)는,탄화수소계 원료(LNG, LPG)를 수소가 풍부하게 함유된 개질가스(Reformate gas)로 개질하는 기능을 수행한다.
가스개질부(100)는 개질촉매로 충진되어 있으며, 이에, 사용되는 촉매는 Ru 또는 Ni 개질 촉매를 사용하며, 600~700℃의 운전 온도에서 탄화수소계 원료와 생성된 수증기를 이용하여 개질반응을 통해 수소로 변환시킨다.
이러한 가스개질부(100)는, 탄화수소 계열의 발전원료(LNG, LPG))에 물을 첨가하여 수소가 많은 가스로 개질하는 장치로서, 도시하지는 않았으나, 수증기개질(SR : steam reforming) 반응기와, 개질가스의 일산화탄소를 제거하는 수성가스전환(water gas shift) 반응기와, 선택산화(preferential oxidation) 반응기 및 버너부를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 상기 수증기개질(SR) 반응기에 탄화수소계열의 원료(LNG, LPG 등)를 공급할 때, 부취제 성분인 황성분을 제거하기 위한 탈황기, 압력센서(101), 연료 부스팅 펌프(104), 솔레노이드밸브(102)가 구성되며, 수증기개질 반응기에 물을 공급하기 위한 정량수펌프(303)와, 버너부로 원료를 공급하기 위한 공기 유량제어부(103) 등을 더 포함하여 구성될 수도 있다.
가스개질부(100)의 연소공기는 공기공급장치(201)에서 버퍼탱크(202)를 거쳐 버너 연소공기 유량제어부(204)로 공급된다.
상기 버너 연소공기 유량제어부(204)는 미리 설정된 탄화수소 계열의 발전원료와의 공기의 연소비율과 온도유지 설정 값에 따라서 제어기가 공기 유량제어부의 개폐정도를 조절하여 공기공급량을 제어한다.
상기와 같은, 탄화수소 계열의 연료 공급에 있어서, 탈황기를 거쳐 연료 부스팅 펌프(104)를 통해 연료처리장치로(100)로 이동한다.
그리고, 연료처리장치 내에서 수증기개질(SR) 반응기, 수성가스전환(WGS) 반응기 및 선택산화(Prox) 반응기를 차례로 거쳐 수소가 많은 가스로 개질된 연료는 연료전지스택(200)으로 공급되도록 한다.
상기 선택산화반응기는, 개질가스가 이동하는 통로 외측에 구비되어 발열반응기 역할을 수행한다.
선택 산화반응기의 산화공기는, 공기공급장치(201)에서 버퍼탱크(202)를 거쳐 산화반응 공기 유량제어부(205)로 공급된다.
아울러, 탄화수소 계열의 발전원료량을 모니터링 하는 제어기는 연소비율에 맞춰 조절밸브의 개폐정도를 조절하여 공기 공급량을 제어하며, 정밀조절을 위해 미리 설정된 선택 산화반응기의 원전온도에 따라서 공급 유량을 가감하며 선택산화반응의 온도를 효율적으로 유지하도록 한다.
또한, 상기 연료전지스택(200)은, 가스개질부(100)의 고순도 수소와 산소의 전기화학반응에 의해 직류전력을 생산하며, 막전극접합체와 상기 막전극접합체의 양측에 배치되는 분리판을 포함하는 단위셀이 복수개 적층된 구조로 마련된다.
상기 연료전지 스택(200)의 캐소드(Cathode) 공기는 공기공급장치(201)에서 버퍼탱크(202)을 거쳐 Cathode 공기 공기유량계(206)로 공급된다.
그리고, 연료전지 스택(200)의 발전 전류를 제어기를 통해 모니터링하고, 미리 기 설정된 연료전지 스택(200)의 공기 필요량을 계산하여 공기유량계(206)의 측정치를 피드백 제어하여 공기펌프의 구동을 조절하여 공기 공급 유량을 제어하도록 한다.
아울러, 전력변환부(400)는, 연료전지스택(200)에서 생산된 직류전력을 교류전력으로 변환하는 기능을 수행한다.
한편, 공기공급부(201)는 연료전지스택(200)에 공기를 공급하는 기능을 수행할 수 있도록 구성된다.
상기 공기공급부(201)의 일측에는 상기 버너 및 선택산화반응기로 공급되는 공기의 유량을 조절하는 공기 유량제어부(103)를 더 구비하되, 상기 공기 유량제어부(103)는, 흡기 공기필터(208)와, 1개의 공기펌프와, 압력센서(203)를 구비한 버퍼탱크(202); 및 상기 연료전지스택(200)에 공급되는 공기의 공급통로에 구비된 공기유량계(206); 를 포함하여 구성될 수 있다.
공기펌프에서 토출되는 기체는 버퍼탱크(202)로 공급되며, 버퍼탱크(202)의 압력센서(203)는 버퍼탱크 내부의 압력 측정하고 제어부제어기가 측정 값과 설정 값을 비교한 후, 공기펌프의 출력 범위를 가변하여 버퍼탱크(202) 내부의 압력을 정밀하고 일정하게 유지시키게 된다.
버퍼탱크(202)는 입/출구 오리피스 크기를 다르게 배치하여 입구측 압력변동에 영향을 완화시킬 수 있으며, 버퍼탱크(202)의 내부는 특정한 유로, 격벽 또는 지지대를 설치하는 구조로 내압에 충분히 견딜 수 있는 구조로 구성한다.
이러한 공기 유량제어부(103)는, 상기 가스개질부(100)의 버너와 선택산화반응기 및 연료전지스택(200)에 공기를 공급하는 과정에서, 흡기 공기필터(208)와 한 개의 공기펌프와 압력센서(203)를 구비한 버퍼탱크(202)와 버너공기 및 선택산화반응기로 공급되는 공기의 유량을 조절하는 기능을 수행한다.
여기서, 상기 가스개질부(100) 버너와 선택산화반응기로 공급되는 공기압력 범위는 3kpa∼10kpa이고, 연료전지 스택(200) 캐소드에 공급되는 공기압력 범위는 9kpa∼25kpa이라 3종류의 공급 공기 배관별 압력이 상이하고, 공급되는 유량도 부하운전, 정격운전에서 서로 상이하게 구현할 수 있다.
상기 버퍼탱크(202)에 구비된 압력센서(203)를 통해 버퍼탱크(202) 내부의 압력을 측정하고, 제어부에 의해 측정값과 설정값을 비교한 후 공기펌프의 출력 범위를 가변하여 버퍼탱크(202) 내부의 압력을 일정하게 유지시킬 수 있다.
상기 공기 유량제어부(103)를 통해 공급되는 공기의 유량을 제어하는 과정은, 상기 공기펌프를 구동하여 버퍼탱크(202)에 구비된 압력센서(203)의 압력이 제1압력 이상이 되도록 공기 유량을 제어하는 단계(S100 ~ S200); 상기 버퍼탱크(202)의 압력센서(203)의 압력이 제1압력 이상인 경우 버너공기 및 선택산화반응 공기를 공급하는 단계(S300 ~ S400); 상기 공기펌프와 공기유량계(206)의 피드백 제어를 통해 상기 버퍼탱크(202)의 압력이 제2압력 이상이 되도록 연료전지스택(200)에 대한 산화제 공기 유량을 정밀제어하는 단계(S500); 및 상기 버퍼탱크(202)의 제2압력을 기준으로 기 설정된 공기 공급량을 제어하되, 공기 유량제어부(103)들을 기 설정된 제어값으로 개폐하여 버너 및 선택산화반응기에 대한 공기 유량을 정밀 제어하는 단계(S600); 를 포함하여 이루어질 수 있다.
여기서, 공기펌프를 이용하여 3종류 공기공급 배관에 공기유량를 각각 제어할 때, 연료전지시스템을 기동하면 가스개질부(100) 버너부에서 연료를 점화하는 버너공기가 제일 먼저 공급됨을 밝혀둔다.
상기 (S100 ~ S200) 단계에서는, 공기펌프를 버퍼탱크(202)에 구비된 압력센서(203)의 압력이 일정 압력 이상이 되게 공기펌프를 구동하여 버너공기 유량제어부(204)를 제어하여 공기 유량을 제어하게 된다.
즉, 버퍼탱크(202)의 압력센서(203) 측정 값에 따라서 공기공급장치(201)의 출력정도를 조절하는 제어방법은, 연료전지시스템을 기동하면 공기펌프를 버퍼탱크(202)에 구비된 압력센서(203)의 압력이 제1압력 이상이 되게 공기펌프를 구동하여 버너공기 유량제어부(204)를 제어하여 버너 공기 유량을 제어하게 되는 것이다.
이 때, 공기펌프를 버퍼탱크(202)에 구비된 압력센서(203) 압력과 피드백 제어하는 버퍼탱크 일정 압력은 8kpa∼10kpa 범위 인 것이 바람직하며, 상기 공기 유량제어부(204,205)들은 비례제어밸브로 구성한다.
또한, 상기 (S300 ~ S400)단계에서는, 수증기개질반응기 온도가 일정 온도(보통 600℃) 이상 승온하여, 연료처리장치에 정량수와 연료가스를 공급하면, 선택산화반응기로 공기 유량제어부(205)를 제어하여 공기 유량을 제어하게 된다.
그리고, 상기 (S500)단계에서는, 개질가스가 연료전지 스택에 공급될 때, 공기펌프와 공기유량계(206)의 피드백 제어를 통해 공기펌프를 구동하여 연료전지 스택에 산화제 공기 유량을 제어하게 된다.
즉, 개질가스가 연료전지스택(200)에 공급될 때, 공기펌프와 공기유량계(206)의 피드백 제어를 통해 연료전지스택(200) 공기유량을 충분히 공급할 수 있도록 버퍼탱크(202)의 압력을 제2압력 이상이 되게 공기펌프를 구동하여 연료전지 스택에 산화제 공기 유량을 정밀 제어하게 된다.
상기 버퍼탱크(202)의 제1압력은 8kpa∼10kpa 범위이며, 제2압력은 연료전지스택(200)과 연료전지 배기 배관의 차압을 고려하여 10kpa∼25kpa 범위로 공기 공급 유량을 제어할 수 있다.
상기 (S600)단계에서는, 버퍼탱크(202)의 제2압력에서 연료전지 스택에 미리 설정된 공급 공기량을 제어하고, 공기 유량제어부(204,205)들의 비례제어밸브들을 미리 설정된 제어 값으로 개폐하여 버너 공기 및 선택산화반응 공기유량를 정밀제어하도록 한다.
이에 더하여, 본 발명에 의하면, 선택산화반응기에 배관을 통해 연결된 냉각수 탱크(300)가 더 구비될 수 있다.
또한, 본 발명은, 가스개질부(100) 및 연료전지스택(200)에서 발생하는 폐열을 회수하는 열회수부를 포함하여 구성될 수 있다.
이러한 열회수부는, 일 례로, 냉각수가 냉각수 탱크(300)에서 제1냉각펌프(301)를 통해 연료전지스택(200)으로 공급된 후 열교환기(304)로 이동하도록 하며, 열교환기(304)에서 폐열을 방출한 냉각수는 다시 냉각수 탱크로 순환하는 것으로 구성됨이 바람직하다.
그리고, 냉각수의 폐열을 회수한 물이 저장된 온수저장탱크(307)의 축열이 완료되면, 냉각펌프(305)는 공랭식 열교환기(306)를 이용하여 폐열을 외부로 방출하고 냉각된 물을 열교환기(304)와 온수저장탱크(307)로 다시 순환시키도록 한다.
한편, 본 발명에 의하면, 버너 연소공기 유량제어부(204), 선택산화반응 공기 유량제어부(205), 스택 Cathode 공기 공기유량계(206)의 미리 설정된 총 공기 사용량을 계산하고, 총 공기사용량에 따라서 공기공급장치(201)의 출력정도를 가변하는 형태로도 구성이 가능하다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 권리 범위는 이같은 특정 실시예에만 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상을 이해하는 통상의 기술자에게 자명한 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시예를 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 특허청구범위내에 기재된 범주내에 속하는 것으로 해석하여야 할 것이다.
100 : 가스개질부,
101 : 압력센서,
102 : 솔레노이드밸브, 103 : 공기 유량제어부,
104 : 연료 부스팅 펌프, 200 : 연료전지스택,
201 : 공기공급부, 202 : 버퍼탱크,
203 : 압력센서, 204 : 버너 연소공기 유량제어부,
205 : 산화반응 공기 유량제어부, 206 : 공기유량계,
300 : 냉각수 탱크, 303 : 정량수펌프,
304 : 열교환기, 305 : 냉각펌프,
307 : 온수저장탱크, 400 : 전력변환부.
102 : 솔레노이드밸브, 103 : 공기 유량제어부,
104 : 연료 부스팅 펌프, 200 : 연료전지스택,
201 : 공기공급부, 202 : 버퍼탱크,
203 : 압력센서, 204 : 버너 연소공기 유량제어부,
205 : 산화반응 공기 유량제어부, 206 : 공기유량계,
300 : 냉각수 탱크, 303 : 정량수펌프,
304 : 열교환기, 305 : 냉각펌프,
307 : 온수저장탱크, 400 : 전력변환부.
Claims (5)
- 일측에 버너와 버너연소실이 구비되며, 탄화수소계 원료를 수소가 함유된 개질가스(Reformate gas)로 개질하는 가스개질부(100);
상기 개질가스의 이송통로측에 구비되는 선택산화반응기;
상기 가스개질부(100)의 고순도 수소와 산소의 전기화학반응에 의해 직류전력을 생산하며, 막전극접합체와 상기 막전극접합체의 양측에 배치되는 분리판을 갖는 단위셀이 복수개 적층된 연료전지스택(200);
상기 연료전지 스택(200)에서 생산된 직류전력을 교류전력으로 변환하는 전력변환부;
상기 연료전지스택에 공기를 공급하는 공기공급부(201); 및
상기 가스개질부(100) 및 연료전지스택(200)에서 발생하는 폐열을 회수하는 열회수부;
를 포함하는 공기공급량 제어가 가능한 공기공급부를 구비하여 효율성을 향상시킨 연료전지.
- 청구항 1에 있어서,
상기 공기공급부(201)의 일측에는 상기 버너 및 선택산화반응기로 공급되는 공기의 유량을 조절하는 공기 유량제어부(103)를 더 구비하되,
상기 공기 유량제어부(103)는,
흡기 공기필터(208)와, 1개의 공기펌프와, 압력센서(203)를 구비한 버퍼탱크(202); 및
상기 연료전지스택(200)에 공급되는 공기의 공급통로에 구비된 공기유량계(206);
를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기공급량 제어가 가능한 공기공급부를 구비하여 효율성을 향상시킨 연료전지.
- 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 버퍼탱크(202)에 구비된 압력센서(203)를 통해 버퍼탱크(202) 내부의 압력을 측정하고, 제어부에 의해 측정값과 설정값을 비교한 후 공기펌프의 출력 범위를 가변하여 버퍼탱크(202) 내부의 압력을 일정하게 유지시키는 것을 특징으로 하는 공기공급량 제어가 가능한 공기공급부를 구비하여 효율성을 향상시킨 연료전지.
- 청구항 3에 있어서,
상기 공기 유량제어부(103)를 통해 공급되는 공기의 유량을 제어하는 과정은,
상기 공기펌프를 구동하여 버퍼탱크(202)에 구비된 압력센서(203)의 압력이 제1압력 이상이 되도록 공기 유량을 제어하는 단계(S100 ~ S200);
상기 버퍼탱크(202)의 압력센서(203)의 압력이 제1압력 이상인 경우 버너공기 및 선택산화반응 공기를 공급하는 단계(S300 ~ S400);
상기 공기펌프와 공기유량계(206)의 피드백 제어를 통해 상기 버퍼탱크(202)의 압력이 제2압력 이상이 되도록 연료전지스택(200)에 대한 산화제 공기 유량을 정밀제어하는 단계(S500); 및
상기 버퍼탱크(202)의 제2압력을 기준으로 기 설정된 공기 공급량을 제어하되, 공기 유량제어부(103)들을 기 설정된 제어값으로 개폐하여 버너 및 선택산화반응기에 대한 공기 유량을 정밀 제어하는 단계(S600);
를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기공급량 제어가 가능한 공기공급부를 구비하여 효율성을 향상시킨 연료전지.
- 청구항 4에 있어서,
상기 버퍼탱크(202)의 제1압력은 8kpa∼10kpa 범위이며, 제2압력은 10kpa∼25kpa 범위로 공기 공급 유량을 제어하는 것을 특징으로 하는 공기공급량 제어가 가능한 공기공급부를 구비하여 효율성을 향상시킨 연료전지.
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