KR20230089433A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 건물 등 급수처에 연결된 급수라인을 유동하는 냉수를 활용하여, 시스템의 에너지효율 향상 및 시스템 내 응축수 포집량이 증가된 연료전지 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly, to a fuel cell system in which the energy efficiency of the system is improved and the amount of condensate collected in the system is increased by utilizing cold water flowing through a water supply line connected to a water supply point such as a building.
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. A fuel cell system is a power generation system that generates electrical energy by electrochemically reacting hydrogen contained in hydrocarbon-based materials, such as methanol, ethanol, and natural gas, with oxygen.
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.A general fuel cell system, similar to Prior Art 1 (Korean Patent Publication No. 10-2012-0071288), a fuel processing device for converting and reforming fuel containing hydrogen atoms into hydrogen gas, and a fuel processing device A stack is provided to generate electric energy using hydrogen gas supplied therefrom. In addition, the fuel cell system may further include a heat exchanger and a cooling water pipe for cooling the stack and recovering heat, a power conversion device for converting DC power generated into AC power, and the like.
한편, 연료처리장치에서 생성된 개질 가스는 일정량의 수분을 포함한 체 스택으로 공급되어 스택의 발전에 이용된다. 그러나, 개질 가스의 수분이 과다한 경우, 스택에서 일어나는 수소와 산소의 전기화학반응이 저감되는 문제점이 있다.Meanwhile, the reformed gas generated in the fuel processor is supplied to the sieve stack containing a certain amount of moisture and used for power generation of the stack. However, when the moisture content of the reformed gas is excessive, there is a problem in that the electrochemical reaction between hydrogen and oxygen occurring in the stack is reduced.
한편, 스택에서의 수소와 산소의 전기화학반응 이후 배출되는 미반응수소(후술하는 anode off gas, AOG)는 일정량의 수분을 포함한 체 연료처리장치의 버너로 공급되어 버너의 연소에 이용된다. 그러나, 미반응수소에 포함된 수분이 과다한 경우, 버너의 연소 반응이 저감되는 문제점이 있다.On the other hand, unreacted hydrogen (anode off gas, AOG) discharged after the electrochemical reaction of hydrogen and oxygen in the stack is supplied to the burner of the body fuel processing device containing a certain amount of moisture and used for combustion of the burner. However, when the moisture contained in the unreacted hydrogen is excessive, there is a problem in that the combustion reaction of the burner is reduced.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 시스템 내 유동하는 기체에 함유된 수분을 포집하는 세퍼레이터의 상분리 효율을 향상시켜 시스템 내 응축수 포집량이 증가한 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.An object to be solved by the present invention is to provide a fuel cell system in which the amount of condensate collected in the system is increased by improving the phase separation efficiency of a separator that collects moisture contained in gas flowing in the system.
본 발명의 또 다른 과제는, 별도의 냉각장치의 구비없이 상분리 효율이 향상된 세퍼레이터를 구비한 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a fuel cell system including a separator with improved phase separation efficiency without a separate cooling device.
본 발명의 또 다른 과제는, 스택에 공급되는 개질가스의 수분 함유량을 저감시켜 스택의 발전효율이 향상된 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a fuel cell system in which the power generation efficiency of the stack is improved by reducing the moisture content of the reformed gas supplied to the stack.
본 발명의 또 다른 과제는, 연료장치에 공급되는 미반응수소의 수분 함유량을 저감시켜 스택의 발전효율이 향상된 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a fuel cell system with improved power generation efficiency of a stack by reducing the moisture content of unreacted hydrogen supplied to a fuel device.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The tasks of the present invention are not limited to the tasks mentioned above, and other tasks not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
상기 과제를 달성하기 위한, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템은, 개질가스와 공기의 전기화학반응을 통해 전력을 생산하는 스택; 상기 스택에 상기 개질가스를 공급하는 연료처리장치; 상기 스택에 상기 공기를 공급하는 블로워; 개질가스, 미반응수소 또는 공기에 포함된 수분을 응축시키는 세퍼레이터; 냉수가 유동하는 급수라인에서 분기되어 상기 세퍼레이터에 연결되고, 상기 세퍼레이터에 냉수를 공급하는 급수관; 상기 급수라인, 외부로 냉수를 배출하는 배수라인 및 상기 세퍼레이터에 연결되고, 상기 세퍼레이터에서 배출된 냉수가 유동하는 배수관; 상기 배수관에 배치되고, 상기 세퍼레이터에서 배출된 냉수를 상기 급수라인 또는 상기 배수라인으로 공급하는 드레인밸브를 포함할 수 있다.In order to achieve the above object, a fuel cell system according to an embodiment of the present invention includes a stack for generating power through an electrochemical reaction between reformed gas and air; a fuel processing device supplying the reformed gas to the stack; a blower supplying the air to the stack; A separator for condensing reformed gas, unreacted hydrogen or moisture contained in the air; a water supply pipe branched from a water supply line through which cold water flows and connected to the separator, and supplying cold water to the separator; a drain pipe connected to the water supply line, a drain line for discharging cold water to the outside, and the separator, and through which the cold water discharged from the separator flows; A drain valve disposed in the drain pipe and supplying cold water discharged from the separator to the water supply line or the drain line may be included.
상기 드레인밸브는, 상기 급수라인에 연결되고, 상기 세퍼레이터에서 상기 급수라인으로의 냉수 유동을 단속하는 제1 드레인밸브; 및 상기 배수라인에 연결되고, 상기 세퍼레이터에서 상기 배수라인으로의 냉수 유동을 단속하는 제2 드레인밸브를 포함할 수 있다.The drain valve, a first drain valve connected to the water supply line and regulating the flow of cold water from the separator to the water supply line; and A second drain valve connected to the drain line and regulating the flow of cold water from the separator to the drain line may be included.
상기 급수라인에 배치되고, 상기 급수라인을 유동하는 냉수 유량을 감지하는 제1 유량계; 및 상기 배수관에 배치되고, 상기 배수관을 유동하는 냉수 유량을 감지하는 제2 유량계; 및 상기 제1 유량계 및 제2 유량계에서 산출된 냉수 유량을 바탕으로 상기 드레인밸브를 조절하는 제어부를 포함할 수 있다.a first flowmeter disposed in the water supply line and sensing a flow rate of cold water flowing through the water supply line; and a second flowmeter disposed in the drain pipe and sensing a flow rate of cold water flowing through the drain pipe. and a control unit adjusting the drain valve based on the cold water flow rate calculated by the first flow meter and the second flow meter.
상기 제어부는, 상기 제1 유량계에서 감지된 냉수의 유량을 바탕으로 총 급수량을 산출하고, 상기 제2 유량계에서 감지된 냉수의 유량을 바탕으로 상기 세퍼레이터의 배수 유량을 산출하고, 총 급수량이 세퍼레이터의 배수 유량보다 클 때, 상기 세퍼레이터에서 배출된 냉수가 상기 급수라인으로 유입되도록 상기 제1 드레인밸브를 개방하고, 상기 제2 드레인밸브를 폐쇄할 수 있다.The control unit calculates the total water supply amount based on the flow rate of cold water detected by the first flow meter, calculates the discharge flow rate of the separator based on the flow rate of cold water detected by the second flow meter, and calculates the total water supply amount of the separator. When the flow rate is greater than the drain flow rate, the first drain valve may be opened and the second drain valve may be closed so that the cold water discharged from the separator flows into the water supply line.
상기 제어부는, 상기 제1 유량계에서 감지된 냉수의 유량을 바탕으로 총 급수량을 산출하고, 상기 제2 유량계에서 감지된 냉수의 유량을 바탕으로 상기 세퍼레이터의 배수 유량을 산출하고, 총 급수량이 세퍼레이터의 배수 유량보다 작거나 같을 때, 상기 세퍼레이터에서 배출된 냉수가 상기 배수라인으로 유입되도록 상기 제1 드레인밸브를 폐쇄하고, 상기 제2 드레인밸브를 개방할 수 있다.The control unit calculates the total water supply amount based on the flow rate of cold water detected by the first flow meter, calculates the discharge flow rate of the separator based on the flow rate of cold water detected by the second flow meter, and calculates the total water supply amount of the separator. When the flow rate is less than or equal to the drain flow rate, the first drain valve may be closed and the second drain valve may be opened so that the cold water discharged from the separator flows into the drain line.
상기 세퍼레이터에 공급되는 개질가스의 온도를 감지하는 제1 온도계; 및 상기 스택에 공급되는 개질가스의 온도를 감지하는 제2 온도계를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 온도계들에 의해 감지된 온도값의 차이에 기초하여 개질가스의 수분 함유량을 산출하고, 상기 개질가스의 수분 함유량에 따라 상기 제2 드레인밸브의 개도를 조절할 수 있다.a first thermometer for sensing the temperature of the reformed gas supplied to the separator; and a second thermometer for sensing a temperature of the reformed gas supplied to the stack, wherein the control unit calculates a moisture content of the reformed gas based on a difference between temperature values sensed by the thermometers, and calculates the moisture content of the reformed gas. It is possible to adjust the opening of the second drain valve according to the moisture content of the.
상기 제2 드레인밸브는, 개도 조절이 가능한 삼방밸브일 수 있다.The second drain valve may be a three-way valve capable of adjusting an opening.
상기 배수관과 상기 급수라인을 연결하고, 상기 세퍼레이터에서 배출된 냉수를 상기 급수라인으로 안내하는 가이드배관을 포함하고, 상기 제1 드레인밸브는, 상기 가이드배관에 배치될 수 있다.A guide pipe connecting the drain pipe and the water supply line and guiding cold water discharged from the separator to the water supply line may be included, and the first drain valve may be disposed in the guide pipe.
상기 가이드배관에 배치되고, 상기 가이드배관을 유동하는 냉수가 상기 급수라인으로 유입될 수 있도록 수압을 형성하는 급수펌프를 포함할 수 있다.It may include a water supply pump disposed in the guide pipe and forming water pressure so that cold water flowing through the guide pipe flows into the water supply line.
상기 세퍼레이터에 공급되는 개질가스의 온도를 감지하는 제1 온도계; 상기 스택에 공급되는 개질가스의 온도를 감지하는 제2 온도계; 및 상기 온도계들에 의해 감지된 온도값의 차이에 기초하여 개질가스의 수분 함유량을 산출하고, 상기 개질가스의 수분 함유량에 따라 상기 급수펌프를 조절하는 제어부를 포함할 수 있다.a first thermometer for sensing the temperature of the reformed gas supplied to the separator; a second thermometer for sensing the temperature of the reformed gas supplied to the stack; and a control unit that calculates the moisture content of the reformed gas based on the difference in temperature values detected by the thermometers and adjusts the water supply pump according to the moisture content of the reformed gas.
상기 연료처리장치와 상기 스택을 연결하고, 상기 연료처리장치에서 배출된 개질가스를 상기 스택으로 안내하는 제1 가스배관; 상기 연료처리장치와 상기 스택을 연결하고, 상기 스택에서 배출된 미반응수소를 상기 연료처리장치로 안내하는 제2 가스배관; 상기 스택에 연결되고, 상기 스택에서 배출된 공기가 유동하는 제3 가스배관을 포함할 수 있다.a first gas pipe connecting the fuel processing device and the stack and guiding the reformed gas discharged from the fuel processing device to the stack; a second gas pipe connecting the fuel processing device and the stack and guiding unreacted hydrogen discharged from the stack to the fuel processing device; It may include a third gas pipe connected to the stack and through which air discharged from the stack flows.
상기 세퍼레이터는, 상기 제1 가스배관에 배치되고, 상기 연료처리장치에서 배출된 개질가스와 상기 급수관에서 공급된 냉수의 열교환을 통해 생성된 응축수를 포집하는 제1 세퍼레이터; 상기 제2 가스배관에 배치되고, 상기 스택에서 배출된 미반응수소와 상기 급수관에서 공급된 냉수의 열교환을 통해 생성된 응축수를 포집하는 제2 세퍼레이터; 및 상기 제3 가스배관에 배치되고, 상기 스택에서 배출된 공기와 상기 급수관에서 공급된 냉수의 열교환을 통해 생성된 응축수를 포집하는 제3 세퍼레이터를 포함할 수 있다.The separator may include: a first separator disposed in the first gas pipe and collecting condensate generated through heat exchange between reformed gas discharged from the fuel processing device and cold water supplied from the water supply pipe; a second separator disposed in the second gas pipe and collecting condensed water generated through heat exchange between unreacted hydrogen discharged from the stack and cold water supplied from the water supply pipe; and a third separator disposed in the third gas pipe and collecting condensed water generated through heat exchange between air discharged from the stack and cold water supplied from the water supply pipe.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.Details of other embodiments are included in the detailed description and drawings.
본 발명의 연료전지 시스템에 따르면 다음과 같은 효과가 하나 혹은 그 이상 있다.According to the fuel cell system of the present invention, one or more of the following effects are provided.
첫째, 건물 등 급수처에 냉수를 공급하는 급수라인으로부터 세퍼레이터로 냉수를 공급할 수 있으며, 세퍼레이터에 공급된 냉수에 의해 세퍼레이터를 유동하는 기체가 냉각되어 세퍼레이터의 상분리 효율이 향상될 수 있다. 이에 따라, 시스템 내 응축수의 포집량 또한 증가할 수 있다.First, cold water may be supplied to the separator from a water supply line supplying cold water to a water supply point such as a building, and gas flowing through the separator may be cooled by the cold water supplied to the separator, thereby improving phase separation efficiency of the separator. Accordingly, the collection amount of condensate in the system may also increase.
둘째, 건물 등 급수처에 일반적으로 매입된 급수라인을 활용해 상기 세퍼레이터에 냉수를 공급할 수 있고, 이에 따라 상기 세퍼레이터를 유동하는 기체 냉각을 위한 별도의 냉각장치를 구비할 필요가 없다.Second, cold water can be supplied to the separator using a water supply line generally embedded in a water supply point such as a building, and accordingly, there is no need to provide a separate cooling device for cooling gas flowing through the separator.
셋째, 개질기와 스택 사이에 개질가스의 수분을 포집하는 세퍼레이터가 배치되고, 이에 따라 개질가스에 함유된 수분이 저감되어 스택의 발전효율이 향상될 수 있다.Third, a separator for collecting moisture in the reformed gas is disposed between the reformer and the stack, and accordingly, the moisture contained in the reformed gas is reduced, thereby improving power generation efficiency of the stack.
넷째, 버너와 스택 사이에 미반응수소의 수분을 포집하는 세퍼레이터가 배치되고, 이에 따라 미반응수소에 함유된 수분이 저감되어 버너의 연소효율이 향상될 수 있다.Fourth, a separator for collecting moisture of unreacted hydrogen is disposed between the burner and the stack, and thus the moisture contained in unreacted hydrogen is reduced, thereby improving combustion efficiency of the burner.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The effects of the present invention are not limited to the effects mentioned above, and other effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description of the claims.
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, 세퍼레이터 및 물공급탱크의 연결관계를 도시한 계통도이다.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 예열모드를 나타내는 동작도이다.
도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 개질모드를 나타내는 동작도이다.
도 6는, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 발전모드 시, 건물 등 급수처에 급수 중인 경우, 드레인밸브의 작동을 나타내는 동작도이다.
도 7는, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 발전모드 시, 건물 등 급수처에 급수량이 낮거나 없는 경우, 드레인밸브의 작동을 나타내는 동작도이다.
도 8은, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 제어방법을 나타내는 순서도이다.1 is a schematic diagram of a configuration of a fuel processing apparatus according to an embodiment of the present invention.
2 is a configuration diagram of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
3 is a system diagram showing the connection relationship between a fuel processing device, a stack, a separator, and a water supply tank according to an embodiment of the present invention.
4 is an operation diagram illustrating a preheating mode of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
5 is an operation diagram illustrating a reforming mode of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
6 is an operation diagram illustrating the operation of a drain valve when water is being supplied to a water supply point such as a building in a power generation mode of the fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
7 is an operation diagram illustrating the operation of a drain valve when the amount of water supplied to a water supply point such as a building is low or absent in a power generation mode of the fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
8 is a flowchart illustrating a control method of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
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. Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the drawings, in order to clearly and concisely describe the present invention, parts not related to the description are omitted, and the same reference numerals are used for the same or extremely similar parts throughout the specification.
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.The suffixes "module" and "unit" for the components used in the following description are simply given in consideration of ease of writing this specification, and do not themselves give a particularly important meaning or role. Accordingly, the “module” and “unit” may be used interchangeably.
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.In this application, terms such as "comprise" or "have" are intended to designate that there is a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification, but one or more other features It should be understood that the presence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof is not precluded.
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. Also, in this specification, terms such as first and second may be used to describe various elements, but these elements are not limited by these terms. These terms may only be used to distinguish one element from another.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 연료처리장치의 구성에 대한 개략도이다.1 is a schematic diagram of a configuration of a fuel processing apparatus according to an embodiment of the present invention.
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. Referring to FIG. 1, the
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. The
흡착제는, 금속 산화물, 제올라이트(Zeolite), 활성탄소(activated carbon) 등으로 구성될 수 있다.The adsorbent may be composed of metal oxide, zeolite, activated carbon, or the like.
탈황기(110)는, 연료 가스에 포함된 이물질을 제거하는 필터를 더 포함할 수 있다. The
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. The
한편, 혼합 가스의 연소에 의해 버너(120)에서 생성되는 배기가스는, 연료처리장치(10)의 외부로 배출될 수 있다. Meanwhile, exhaust gas generated in the
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. The
증기발생기(130)는, 제1 반응기(150), 제2 반응기(160) 및/또는 버너(120)에서 배출되는 배기가스가 유동하는 배관에 인접하여 배치될 수 있다. The
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. The
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.The
제1 반응기(150)는, 쉬프트 반응기(shift reactor)로 명명될 수 있다. The
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. The second reactor 160 can reduce carbon monoxide remaining among components included in the gas discharged from the
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. On the other hand, in the case of the selective oxidation reaction, since a large amount of oxygen is required, additional supply of air is required, and hydrogen is diluted by the additionally supplied air, which reduces the concentration of hydrogen supplied to the stack. Therefore, in order to overcome these disadvantages, a selective methanation reaction in which carbon monoxide and hydrogen react may be utilized.
한편, 개질기(140), 제1 반응기(150) 및/또는 제2 반응기(160)를 거쳐 연료처리장치(10)에서 토출되는 가스는, 개질가스로 명명될 수 있다. Meanwhile, gas discharged from the
스택(20)은, 연료처리장치(10)로부터 공급되는 개질가스에 전기화학반응을 일으켜 전기 에너지를 생성할 수 있다.The
스택(20)은, 전기화학반응이 일어나는 단일 셀이 적층되어 구성될 수 있다. The
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.A single cell may include a membrane electrode assembly (MEA) in which an anode and an air electrode are disposed around an electrolyte membrane, a separator, and the like. At the fuel electrode of the membrane-electrode assembly, hydrogen can be separated into hydrogen ions and electrons by a catalyst to generate electricity, and at the air electrode of the membrane-electrode assembly, hydrogen ions and electrons combine with oxygen to generate water.
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. The
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 연료처리장치를 포함하는 연료전지 시스템에 대한 구성도이다. 2 is a configuration diagram of a fuel cell system including a fuel processing device according to an embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 연료전지 시스템(1)은, 연료처리부(I), 전력생성부(II), 냉각수순환부(III) 및/또는 열회수부(IV)를 포함할 수 있다. Referring to FIG. 2 , the
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.The fuel processing unit (I) includes a
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, 미반응수소(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.The power generation unit (II) is discharged without reacting in the
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. The cooling water circulation unit (III) includes a water supply tank (13) for storing water generated in the fuel cell system (1), a water pump (38) for flowing water to the fuel processing device (10), and a fuel processing device (10). ), a
열회수부(IV)는, 열교환에 사용되는 물을 저장하는 열회수탱크(15), 열회수탱크(15)에 저장된 물을 열회수탱크(15) 외부로 유동시키는 온수펌프(48) 등을 포함할 수 있다. The heat recovery unit (IV) may include a
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. The
연료공급유로(101)에는, 연료공급유로(101) 내에 유동하는 연료 가스의 유량을 검출하는 제1 연료유량계(51)가 배치될 수 있다. A first
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. The
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. Air introduced into the
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.An
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. The fuel processing unit (I) may include a first internal
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. The
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. The
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. The fuel processing unit (I) may include a second internal
제1 내부가스유로(102)와 제2 내부가스유로(103)는, 서로 연통될수 있다. The first
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. The
연료처리장치(10)의 버너(120)에서 생성되는 배기가스는, 배기가스토출유로(210)를 통해 연료처리장치(10)에서 토출될 수 있다. Exhaust gas generated by the
연료처리장치(10)는, 개질가스토출유로(104)에 연결될 수 있다. 연료처리장치(10)에서 토출된 개질가스는, 개질가스토출유로(104)를 통해 유동할 수 있다.The
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. The reformed
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. The reformed
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. The reformed
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. In the cooling
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.The reformed
스택가스공급유로(106)에는, 개질가스에 포함된 수분의 양을 조절하는 제1 세퍼레이터(401)가 배치될 수 있다. 제1 세퍼레이터(401)로 유입된 개질가스는, 수분이 제거된 후 제1 세퍼레이터(401)에서 토출될 수 있다. A
제1 세퍼레이터(401)에서 생성된 응축수는, 제1 세퍼레이터(401)에서 토출되어, 제1 응축수배관(461)로 유동할 수 있다. 제1 응축수배관(461)에는, 물의 유동을 조절하는 제1 응축수밸브(471)가 배치될 수 있다. Condensed water generated in the
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. The
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. The
제2 외부공기유입유로(203)에는, 공기의 유동 방향을 제한하는 제2 공기측 체크밸브(82)가 배치될 수 있다.A second air-
스택측 공기유입유로(204)에는, 스택측 공기유입유로(204) 내에 유동하는 공기의 유량을 검출하는 공기유량계(53)가 배치될 수 있다. An
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. The
스택측 공기공급유로(205)에는, 스택(20)으로 공급되는 공기의 유동을 조절하는 스택측 공기공급밸브(36)가 배치될 수 있다. A stack-side
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. The stack-side
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. The plurality of
가스연결유로(107)에는, 개질가스가 제1 스택(20a)을 통과하는 동안 응축되어 생성된 물을 제거하는 추가수분제거장치(62)가 배치될 수 있다.An additional
추가수분제거장치(62)에서 생성된 물은, 추가수분제거장치(62)에서 토출되어, 물회수유로(310)로 유동할 수 있다. 물회수유로(310)에는, 물의 유동을 조절하는 물회수밸브(45)가 배치될 수 있다. 물회수유로(310)는, 물저장유로(308)에 연결될 수 있다. Water generated in the additional
스택(20a. 20b)에서 반응하지 않고 토출되는 미반응수소(AOG)는, 스택가스토출유로(108)를 통해 유동할 수 있다. Unreacted hydrogen (AOG) discharged without reacting in the
AOG열교환기(22)는, 스택(20a. 20b)에서 토출된 미반응수소(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 미반응수소(AOG)와, 온수공급유로(313)를 통해 공급되는 물을 열교환할 수 있다. The
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. In the hot
AOG열교환기(22)는, AOG공급유로(109)에 연결될 수 있고, AOG공급유로(109)를 통해 열교환된 미반응수소(AOG)를 토출할 수 있다. AOG열교환기(22)에서 토출된 미반응수소(AOG)는, AOG공급유로(109)를 통해 연료처리장치(10)로 유동할 수 있다. AOG공급유로(109)를 통해 연료처리장치(10)에 공급된 미반응수소(AOG)는, 버너(120)의 연소를 위한 연료로 사용될 수 있다. The
AOG공급유로(109)에는, 미반응수소(AOG)에 포함된 수분의 양을 조절하는 제2 세퍼레이터(402) 및/또는 연료처리장치(10)로 공급되는 미반응수소(AOG)의 유동을 조절하는 AOG밸브(35)가 배치될 수 있다. 제2 세퍼레이터(402)로 유입된 미반응수소(AOG)는, 수분이 제거된 후 제2 세퍼레이터(402)에서 토출될 수 있다. In the
제2 세퍼레이터(402)에서 생성된 응축수는, 제2 세퍼레이터(402)에서 토출되어, 제2 응축수배관(462)를 통해 유동할 수 있다. 제2 응축수배관(462)에는, 물의 유동을 조절하는 제2 응축수밸브(472)가 배치될 수 있다. 제2 응축수배관(462)은, 물공급탱크(13)에 연결될 수 있다. Condensate generated in the
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. The stack-side
스택측 공기토출유로(211)에는, 스택(20)에서 배출되는 공기의 유동을 조절하는 스택측 공기토출밸브(37)가 배치될 수 있다. A stack-side
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. The stack-side
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. The
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. The
물공급탱크(13)는, 물저장유로(308)에 연결될 수 있고, 물저장유로(308)를 통해 유동하는 물을 저장할 수 있다. 예를 들어, 추가수분제거장치(62) 및/또는 제3 세퍼레이터(403)에서 토출된 물은 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. The
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. At least some of the water stored in the
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. Water introduced into the
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. The plurality of
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. Water discharged from the
온수펌프(48)에 의해 열회수탱크(15)에서 토출된 물은, 온수공급유로(313)를 거쳐 AOG열교환기(22)로 유입될 수 있다. AOG열교환기(22)에서 미반응수소(AOG)와 열교환된 물은, 제1 온수순환회로(314)로 토출될 수 있다. Water discharged from the
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.The
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. Air heat-exchanged in the
공기배출유로(213)에는, 제3 세퍼레이터(403)가 배치될 수 있다. 제3 세퍼레이터(403)는, 외부로 배출되는 공기에 포함된 수분의 양을 조절할 수 있다. 제3 세퍼레이터(403)로 유입된 공기는, 수분이 제거된 후 공기 제3 세퍼레이터(403)에서 토출될 수 있다. A
제3 세퍼레이터(403)에서 생성된 응축수는, 제3 세퍼레이터(403)에서 토출되어 제3 응축수배관(463)을 통해 유동할 수 있다. 제3 응축수배관(463)에는, 물의 유동을 조절하는 제3 응축수밸브(473)가 배치될 수 있다. 제3 응축수배관(463)은, 물저장유로(308)에 연결될 수 있다. Condensed water generated in the
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. Water heat-exchanged in the
냉각수열교환기(24)는, 스택물토출유로(307)를 통해 유입되는 물과, 제2 온수순환유로(315)를 통해 유입되는 물을 열교환할 수 있다. The cooling
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. The
배기열교환기(26)에서 열교환된 배기가스는 배기유로(214)로 토출될 수 있고, 배기유로(214)에 유동하는 배기가스는 외부로 배출될 수 있다.Exhaust gas heat-exchanged in the
배기열교환기(26)에서 열교환된 물은, 온수회수유로(317)로 토출될 수 있고, 온수회수유로(317)에 유동하는 물은 열회수탱크(15)로 유입될 수 있다. Water heat-exchanged in the
연료전지 시스템(1)은, 온도를 감지하는 온도계(또는 온도센서)를 더 포함할 수 있다. The
예를 들어, 연료전지 시스템(1)은, 개질가스토출유로(104)에 배치되고, 개질가스토출유로(104) 내를 유동하는 개질가스의 온도를 감지하는 제1 온도계(482); 및 스택가스공급유로(106)에 배치되고, 스택가스공급유로(106) 내를 유동하는 개질가스의 온도를 감지하는 제2 온도계(484)를 포함할 수 있다.For example, the
제1 온도계(482)는 제1 세퍼레이터(401)에 공급되는 개질가스의 온도를 감지하고, 제2 온도계(484)는 제1 세퍼레이터(401)에서 배출되어 스택(20)에 공급되는 개질가스의 온도를 감지할 수 있다. 이에 따라, 제어부는 온도계들(482, 484)에 의해 감지된 온도 값의 차이에 기초하여 제1 세퍼레이터(401)를 유동하는 개질가스의 수분 함유량을 산출할 수 있다. The
이와 달리, 연료전지 시스템(1)은, 수분 센서(미도시)를 구비하여 제1 세퍼레이터(401)를 유동하는 개질가스의 수분 함유량을 감지하는 수분 센서(미도시)를 포함할 수 있다. 일례로, 수분센서는 적외선 수분 센서나 2색 적외선 수분계를 이용한 적외선 흡수법, 마이크로파식 수분 측정 방법, 전기 저항식 수분 측정 방법, 도전율 등을 이용할 수 있다.Alternatively, the
한편, 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.Meanwhile, the
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 구비된 각 구성으로부터 수신되는 신호를 처리할 수 있고, 신호를 처리한 결과에 따른 제어 신호를 연료전지 시스템(1)에 구비된 각 구성에 송신할 수 있다.The controller may control overall operations of the
이하, 도 3을 참고하여 연료전지 시스템(1)의 세퍼레이터(400)의 배치 및 세퍼레이터(400)와 급수라인(410) 및 배수라인(420)의 연결관계를 설명한다.Hereinafter, the arrangement of the separator 400 of the
도 3을 참고하면, 연료전지 시스템(1)은, 냉수와 시스템 내 유동하는 기체의 열교환을 통해 기체의 수분을 포집하는 세퍼레이터(400)를 포함할 수 있다. 세퍼레이터(400)에서 포집된 수분은 응축수의 형태로 응축수배관(461, 462, 463)을 거쳐 물공급탱크(13)에 저장되어 시스템 내 재활용될 수 있다(도 2 참고). 이 때, 세퍼레이터에 유입되는 기체는, 개질가스, 미반응수소(AOG) 및/또는 공기에 해당할 수 있다.Referring to FIG. 3 , the
연료전지 시스템(1)은, 냉수가 유동하는 급수라인(410)에서 분기되어 세퍼레이터(400)에 연결되고, 세퍼레이터(400)에 냉수를 공급하는 급수관(411, 412, 413)을 포함할 수 있다. 여기서, 급수라인(410)은, 건물 등 냉수의 사용이 이루어지는 급수처(미도시)에 연결될 수 있고, 사용자의 요구에 따라 급수원(미도시)으로부터 급수처로 냉수를 공급할 수 있다.The
연료전지 시스템(1)은, 급수라인(410), 외부로 냉수를 배출하는 배수라인(420) 및 세퍼레이터(400)에 연결되고, 세퍼레이터(410)에 배출된 냉수가 유동하는 배수관(421, 422, 423)을 포함할 수 있다. The
연료전지 시스템(1)은, 시스템 내 기체가 유동하는 가스배관을 포함할 수 있다. 가스배관은, 연료처리장치(10, 구체적으로 개질기)와 스택(20)을 연결하고, 연료처리장치(10)에서 배출된 개질가스를 스택(20)으로 안내하는 제1 가스배관(104, 106); 연료처리장치(10, 구체적으로 버너)와 스택(20)을 연결하고, 스택(20)에서 배출된 미반응수소(AOG)를 연료처리장치(10)로 안내하는 제2 가스배관(108, 109); 및 스택(20)에 연결되고, 스택(20)에서 배출된 공기가 유동하는 제3 가스배관(208, 209, 211, 212, 213)을 포함할 수 있다.The
세퍼레이터(400)는, 제1 가스배관(106)에 배치되고, 연료처리장치(10)에서 배출된 개질가스와 급수관(411)에서 공급된 냉수의 열교환을 통해 생성된 응축수를 포집하는 제1 세퍼레이터(401); 제2 가스배관(108)에 배치되고, 스택(20)에서 배출된 미반응수소(AOG)와 급수관(412)에서 공급된 냉수의 열교환을 통해 생성된 응축수를 포집하는 제2 세퍼레이터(402); 및 제3 가스배관(213)에 배치되고, 스택(20)에서 배출된 공기와 급수관(413)에서 공급된 냉수의 열교환을 통해 생성된 응축수를 포집하는 제3 세퍼레이터(403)를 포함할 수 있다. The separator 400 is disposed in the
제1 세퍼레이터(401)는, 스택가스공급유로(106)에 배치될 수 있고, 연료처리장치(10)로부터 개질가스를 공급받을 수 있다. The
제1 세퍼레이터(401)는, 제1 급수관(411)에 연결될 수 있고, 급수라인(410)을 통해 냉수를 공급받을 수 있다. 여기서, 제1 급수관(411)은 급수라인(410)의 상류 측에서 급수라인(410)으로부터 분기될 수 있고, 일례로 제1 급수관(411)의 입구단과 급수라인(410)의 상류 부분은 Y자관(Y-tube)으로 구성될 수 있다. The
제1 세퍼레이터(401)는, 제1 배수관(421)에 연결될 수 있고, 배수라인(420)을 통해 제1 세퍼레이터(401)에서 개질가스와 열교환된 냉수를 외부로 배출할 수 있다. 여기서, 제1 배수관(421)은 배수라인(420)에 합류할 수 있고, 일례로, 배수관(421)의 출구단과 배수라인(420)은 Y자관(Y-tube)으로 구성될 수 있다.The
제1 세퍼레이터(401)는, 제1 응축수배관(461)에 연결될 수 있고, 제1 세퍼레이터(401)에서 포집된 응축수를 물공급탱크(13)로 공급할 수 있다.The
제2 세퍼레이터(402)는, 스택가스토출유로(108)에 배치될 수 있고, 스택(20)으로부터 미반응후 배출된 미반응수소(A0G)를 공급받을 수 있다. The
제2 세퍼레이터(402)는, 제2 급수관(412)에 연결될 수 있고, 급수라인(410)을 통해 냉수를 공급받을 수 있다. 여기서, 제2 급수관(412)은 제1 급수관(411)에서 분기될 수 있고, 일례로 제1 급수관(411)과 제2 급수관(412)은 Y자관(Y-tube)로 구성될 수 있다. The
제2 세퍼레이터(402)은, 제2 배수관(422)에 연결될 수 있고, 배수라인(420)을 통해 제2 세퍼레이터(402)에서 미반응수소(AOG)와 열교환된 냉수를 외부로 배출할 수 있다. 여기서, 제2 배수관(422)은 제1 배수관(421)에 합류할 수 있고, 일례로 제1 배수관(421)과 제2 배수관(422)은 Y자관(Y-tube)로 구성될 수 있다. The
제2 세퍼레이터(402)는, 제2 응축수배관(462)에 연결될 수 있고, 제2 세퍼레이터(402)에서 포집된 응축수를 물공급탱크(13)로 공급할 수 있다.The
제3 세퍼레이터(403)는, 공기배출유로(213)에 배치될 수 있고, 스택(20)에서 배출되어 가습장치(23) 및/또는 공기열교환기(25)를 통과한 공기가 공급될 수 있다. The
제3 세퍼레이터(403)는, 제3 급수관(413)에 연결될 수 있고, 급수라인(410)을 통해 냉수를 공급받을 수 있다. 여기서, 제3 급수관(413)은 제1 급수관(411)에서 분기될 수 있다. The
제3 세퍼레이터(403)는, 제3 배수관(423)에 연결될 수 있고, 배수라인(420)을 통해 제3 세퍼레이터(403)에서 공기와 열교환된 냉수를 외부로 배출할 수 있다. 여기서, 제3 배수관(423)은 제1 배수관(421)에 합류할 수 있다. The
제3 세퍼레이터(403)는, 제3 응축수배관(463)에 연결될 수 있고, 물저장유로(308)을 통해 제3 세퍼레이터(403)에서 포집된 응축수를 물공급탱크(13)로 공급할 수 있다.The
연료전지 시스템(1)은, 배수관에 배치되고, 세퍼레이터(400)에서 배출된 냉수를 급수라인(410) 도는 배수라인(420)으로 공급하는 드레인밸브(431, 432)를 포함할 수 있다.The
드레인밸브(431, 432)는, 급수라인(410)에 연결되고, 세퍼레이터(400)에서 급수라인(410)으로의 냉수 유동을 단속하는 제1 드레인밸브(431)과, 배수라인(420)에 연결되고, 세퍼레이터(400)에서 배수라인(420)으로의 냉수 유동을 단속하는 제2 드레인밸브(432)를 포함할 수 있다. 여기서, 제2 드레인밸브(432)는 개도 조절이 가능한 삼방밸브일 수 있다.The
제1 드레인밸브(431)는, 제1 배수관(421)에서 분기되어 급수라인(410)의 하류 측에 연결된 가이드배관(424)에 배치될 수 있다. 여기서, 가이드배관(424)의 일단은 제1 배수관(421)에서 분기되어 연장되고, 타단은 Y자관(Y-tube) 형태로 급수라인(410)에 연결될 수 있다. 제1 드레인밸브(431)는, 건물 등 급수처(미도시)에 급수 중인 경우, 세퍼레이터(400)에서 열교환된 냉수가 급수라인(410)으로 공급되도록 개방될 수 있다. 따라서, 급수처에 급수 중인 경우에도 급수처의 급수사용량을 원활하게 유지할 수 있다.The
제2 드레인밸브(432)는, 제1 배수관(421)에 배치될 수 있다. 제2 드레인밸브(432)는, 건물 등 급수처(미도시)에 급수 사용량이 없는 경우, 세퍼레이터(400)에서 열교환된 냉수가 배수라인(420)으로 공급되도록 조절될 수 있다. 이에 따라, 세퍼레이터(400)에서 열교환된 냉수가 급수라인(410)으로 공급되어 세퍼레이터(400)로 재공급되는 것을 방지하여 세퍼레이터(400)에서의 상분리효율을 유지할 수 있다.The
연료전지 시스템(1)은, 냉수의 유량을 감지하는 유량계(451, 452)를 포함할 수 있다.The
유량계(451, 452)는, 급수라인(410)에 배치되고, 급수라인(410)을 유동하는 냉수 유량을 감지하는 제1 유량계(451)와, 배수관(421)에 배치되고, 배수관(421)을 유동하는 냉수 유량을 감지하는 제2 유량계(452)를 포함할 수 있다. The
제1 유량계(451)는, 급수라인(410)의 입구단에 배치될 수 있다. 따라서, 제1 유량계(451)는, 건물 등 급수처(미도시)와 세퍼레이터(400)에 공급되는 냉수의 총 급수량을 감지할 수 있다.The
제2 유량계(452)는, 제1 배수관(421)에 배치될 수 있다. 따라서, 제2 유량계(452)는, 세퍼레이터(400)에서 열교환 후 배출되는 냉수의 배수 유량을 감지할 수 있다.The
연료전지 시스템(1)은, 가이드배관(424)에 배치되는 급수펌프(440)를 더 포함할 수 있다. 급수펌프(440)는, 가이드배관(424)을 유동하는 냉수가 급수라인(410)으로 유입되도록 일정 수압을 형성할 수 있다.The
이하, 도 4 및 도 5를 참고하여 연료전지 시스템(1)의 예열운전(WM) 또는 개질운전(RM) 시 시스템 각 구성의 동작을 설명한다.Hereinafter, with reference to FIGS. 4 and 5 , the operation of each component of the system during the preheating operation (WM) or reforming operation (RM) of the
연료전지 시스템(1)은, 개질에 적합한 온도에 도달하도록 개질기(140)를 버너(120)로 예열하는 예열모드(WM)로 운전할 수 있다. 이때, 개질기(140)의 내부온도는, 개질 반응이 촉진되는 적정 온도(예: 800℃)까지 점차 증가할 수 있다.The
예열모드(WM)에서 연료전지 시스템(1)은, 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 2 참고). In the preheating mode (WM), the
도 4를 참고하면, 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. Referring to FIG. 4 , in the preheating mode (WM), the
연료전지 시스템(1)은, 예열모드(WM) 이후 개질가스의 수소 및 일산화탄소의 농도가 발전에 적합한 농도에 도달하도록 개질가스를 버너로 재순환시키고 개질을 반복하는 개질모드(RM)로 운전할 수 있다. After the preheating mode (WM), the
개질모드(RM)에서 연료전지 시스템(1)은, 탈황기(110)에서 토출되는 연료 가스가 중 일부가 개질기(140)에 공급되고, 나머지 일부가 버너(120)에 공급되도록 비례제어밸브(31)를 조절할 수 있다. In the reforming mode (RM), the
한편, 연료전지 시스템(1)은, 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(도 1 및 2 참고). Meanwhile, the
도 5를 참고하면, 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.Referring to FIG. 5 , in the reforming mode (RM), the
다만, 예열모드(WM)와 개질모드(RM)는, 발전모드(PM)를 위한 준비단계에 해당하는 운전모드로서, 예열모드(WM)와 개질모드(RM)에서는, 세퍼레이터(400)로 개질가스, 미반응수소(AOG) 및/또는 공기가 공급되지 않는다. 따라서, 세퍼레이터(400)로 불필요한 냉수의 공급을 차단하기 위해 제1 드레인밸브(431)와 제2 드레인밸브(432)는 폐쇄되도록 조절될 수 있다. 또한, 급수펌프(440)는 작동하지 않고 정지 상태를 유지할 수 있다.However, the preheating mode (WM) and the reforming mode (RM) are operation modes corresponding to preparation steps for the power generation mode (PM), and in the preheating mode (WM) and the reforming mode (RM), the separator 400 reforms No gas, unreacted hydrogen (AOG) and/or air is supplied. Therefore, in order to cut off unnecessary cold water supply to the separator 400, the
연료전지 시스템(1)은, 개질모드(RM) 이후 공기와 개질가스의 전기화학반응을 통해 스택(20a, 20b)에서 전기를 생성하는 발전모드(PM)로 운전할 수 있다. After the reforming mode (RM), the
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. 또한, 연료전지 시스템(1)은, 스택(20)에서 토출된 미반응수소(AOG)가 연료처리장치(10)에 유입되도록 AOG밸브(35)를 개방할 수 있다. 연료처리장치(10)에 유입되는 미반응수소(AOG)는, 버너(20)의 연소를 위한 연료로 사용될 수 있다.In the power generation mode (PM), the
한편, 연료전지 시스템(1)은, 제2 블로워(72)를 구동하여, 전기를 발생시키는 전기화학반응에 사용되는 공기를 스택(20)에 공급할 수 있다. 또한, 연료전지 시스템(1)은 가습장치(23)에서 가습된 공기가 스택(20)에 공급되도록 스택측 공기공급밸브(36)를 개방할 수 있다. 또한, 연료전지 시스템(1)은 스택(20)에서 토출된 공기가 가습장치(23)를 지나 외부로 배출되도록 스택측 공기토출밸브(37)를 개방할 수 있다.Meanwhile, the
이하, 도 6를 참고하여, 연료전지 시스템(1)의 발전운전(PM) 시 건물 등 급수처에 급수 사용 중인 경우, 시스템 각 구성들의 동작을 설명한다.Hereinafter, with reference to FIG. 6 , operations of each component of the system when water is supplied to a water supply point such as a building during PM operation of the
도 6을 참고하면, 세퍼레이터(400)는, 급수관(411, 412, 413)을 통해 급수라인(410)으로부터 냉수를 공급받을 수 있다. 이때, 세퍼레이터 내를 유동하는 기체와, 급수라인(410)으로 부터 공급된 냉수는 서로 열교환 될 수 있고, 이에 따라, 세퍼레이터 내를 유동하는 기체에 함유된 수분이 응축되어 물공급탱크(13)로 공급될 수 있다.Referring to FIG. 6 , the separator 400 may receive cold water from the
구체적으로, 제1 세퍼레이터(401)의 경우, 제1 급수관(411)을 통해 급수라인(410)으로부터 냉수를 공급받을 수 있다. 이때, 연료처리장치(10)에서 배출되어 제1 세퍼레이터(401) 내를 유동하는 개질가스는, 급수라인(410)으로부터 공급된 냉수에 의해 냉각될 수 있고, 개질가스에 함유된 수분은 응축되어 개질가스의 수분 함유량이 저감될 수 있다. Specifically, in the case of the
제2 세퍼레이터(402)의 경우, 제2 급수관(412)을 통해 급수라인(410)으로부터 냉수를 공급받을 수 있다. 이때, 스택(20)에서 배출되어 제2 세퍼레이터(402) 내를 유동하는 미반응수소(AOG)는, 급수라인(410)으로부터 공급된 냉수에 의해 냉각될 수 있고, 미반응수소(AOG)에 함유된 수분은 응축되어 미반응수소(AOG)의 수분 함유량이 저감될 수 있다.In the case of the
제3 세퍼레이터(403)의 경우, 제3 급수관(413)을 통해 급수라인(410)으로부터 냉수를 공급받을 수 있고, 스택(20)에서 배출되어 제3 세퍼레이터(403) 내를 유동하는 공기는, 급수라인(410)으로부터 공급된 냉수에 의해 냉각되어 공기에 함유된 수분 함유량이 저감될 수 있다.In the case of the
이후, 각각의 세퍼레이터(401, 402, 403)에서 열교환된 냉수는, 각각의 세퍼레이터(401, 402, 403)에서 배출되어 각각의 배수관(421, 422, 423) 내를 유동할 수 있다.Thereafter, the cold water heat-exchanged in the
이 때, 연료전지 시스템(1)은, 제1 유량계(451)를 통해 급수관(411, 412, 413)과 급수라인(410)을 유동하는 냉수의 총 급수량을 감지할 수 있다. 또한, 연료전지 시스템(1)은, 제2 유량계(452)를 통해 각각의 세퍼레이터(400)에서 배출되어 배수관(421, 422, 423)을 유동하는 냉수의 총 배수량을 감지할 수 있다.At this time, the
연료전지 시스템(1)은, 제1 유량계(451)에서 감지된 냉수의 총 급수량이 제2 유량계(452)에서 감지된 냉수의 총 배수량보다 큰 경우, 세퍼레이터(400)에서 배출된 냉수가 가이드배관(424)을 통해 급수라인(410)으로 공급되도록 제1 드레인밸브(431)를 개방하고, 제2 드레인밸브(432)를 폐쇄할 수 있다. 또한, 연료전지 시스템(1)은, 가이드배관(424)을 유동하는 냉수가 급수라인(410)으로 유입되도록 일정 수압을 형성하기 위해 급수펌프(440)을 작동시킬 수 있다. 이에 따라, 급수 사용량이 많은 급수처(미도시)에 급수 중인 경우에도 세퍼레이터(400)에 공급된 냉수를 급수라인(410)으로 재차 회수하여 급수처의 급수사용량을 원활하게 유지할 수 있다.In the
이하, 도 7를 참고하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템(1)의 발전운전 시 건물 등 급수처에 급수 사용량이 낮거나 급수 사용이 없는 경우, 시스템 각 구성들의 동작을 설명한다.Hereinafter, with reference to FIG. 7 , the operation of each component of the system when the amount of water used in a water supply source such as a building is low or there is no use of water during power generation operation of the
도 7을 참고하면, 세퍼레이터(400)는, 급수관(411, 412, 413)을 통해 급수라인(410)으로부터 냉수를 공급받을 수 있다. 이때, 세퍼레이터 내를 유동하는 기체와, 급수라인(410)으로 부터 공급된 냉수는 서로 열교환 될 수 있고, 이에 따라, 세퍼레이터 내를 유동하는 기체에 함유된 수분이 응축되어 물공급탱크(13)로 공급될 수 있다. 각각의 세퍼레이터(400)로 공급되는 냉수의 유동 및 기체와 냉수의 열교환 과정은 도 6에서 상술한 바 자세한 설명은 이에 갈음하도록 한다.Referring to FIG. 7 , the separator 400 may receive cold water from the
이후, 각각의 세퍼레이터(401, 402, 403)에서 열교환된 냉수는, 각각의 세퍼레이터(401, 402, 403)에서 배출되어 각각의 배수관(421, 422, 423) 내를 유동할 수 있다.Thereafter, the cold water heat-exchanged in the
이 때, 연료전지 시스템(1)은, 제1 유량계(451)를 통해 급수관(411, 412, 413)과 급수라인(410)을 유동하는 냉수의 총 급수량을 감지할 수 있다. 또한, 연료전지 시스템(1)은, 제2 유량계(452)를 통해 각각의 세퍼레이터(400)에서 배출되어 배수관(421, 422, 423)을 유동하는 냉수의 총 배수량을 감지할 수 있다.At this time, the
연료전지 시스템(1)은, 제1 유량계(451)에서 감지된 냉수의 총 급수량이 제2 유량계(452)에서 감지된 냉수의 총 배수량보다 같거나 작은 경우, 세퍼레이터(400)에서 배출된 냉수가 배수라인(420)을 통해 외부로 배출되도록 제1 드레인밸브(431)를 폐쇄하고, 제2 드레인밸브(432)를 개방할 수 있다. 이에 따라, 급수처(미도시)에 급수 사용량이 적거나 없는 경우, 세퍼레이터(400)에서 열교환된 냉수가 급수라인(410)으로 유입되어 미온의 냉수가 세퍼레이터(400)로 재공급되는 것을 방지하여 세퍼레이터(400)의 상분리효율을 유지할 수 있다.In the
이하, 도 8를 참고하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템(1)의 제어방법을 설명한다.Hereinafter, a control method of the
도 8을 참고하면, 제어부는 연료전지 시스템(1)의 운전을 개시할 수 있다(S100).Referring to FIG. 8 , the controller may start the operation of the fuel cell system 1 (S100).
S100 이후, 제어부는 연료전지 시스템(1)의 현재 운전모드를 판단할 수 있다(S110).After S100, the controller may determine the current operation mode of the fuel cell system 1 (S110).
현재 연료전지 시스템(1)의 운전모드가 예열모드(WM)인 경우(S200), 제어부는 연료처리장치(10)의 개질기(140)가 개질에 적합한 온도로 예열되도록 예열모드(WM)로 시스템을 정상운전 할 수 있다(도 4 참고).When the current operation mode of the
S200 이후, 제어부는 세퍼레이터(400)로 냉수가 공급되는 것을 방지하기 위해, 급수펌프(440)를 정지시킬 수 있으며, 제1 드레인밸브(431)와 제2 드레인밸브(432)를 폐쇄할 수 있다(S210).After S200, the control unit may stop the
현재 연료전지 시스템(1)의 운전모드가 개질모드(RM)인 경우(S300), 제어부는 연료처리장치(10)에서 배출되는 개질가스의 수소 및 일산화탄소의 농도가 발전에 적합한 농도에 도달하도록 개질모드(RM)로 시스템을 정상운전 할 수 있다(도 5 참고).When the current operation mode of the
S300 이후, 제어부는 연료처리장치(10)에서 토출된 개질가스가 버너(120)로 공급되도록 바이패스밸브(34)를 개방할 수 있다(S310). 이 때, 제어부는 개질가스밸브(33)를 폐쇄할 수 있다.After S300, the controller may open the
S310 이후, 제어부는 세퍼레이터(400)로 냉수가 공급되는 것을 방지하기 위해, 급수펌프(440)를 정지시킬 수 있으며, 제1 드레인밸브(431)와 제2 드레인밸브(432)를 폐쇄할 수 있다(S210).After S310, the control unit may stop the
현재 연료전지 시스템(1)의 운전모드가 발전모드(PM)인 경우(S400), 제어부는 스택(20)에서 전력이 생성되도록 발전모드(PM)로 시스템을 정상운전 할 수 있다.When the current operation mode of the
S400 이후, 제어부는 공기가 스택(20)으로 공급 또는 배출되도록 스택측 공기공급밸브(36)와 스택측 공기토출밸브(37)를 개방할 수 있다(S405)After S400, the controller may open the stack-side
S405 이후, 제어부는 개질가스가 스택(20)으로 공급되도록 바이패스밸브(34)를 폐쇄할 수 있으며(S410), 개질가스밸브(33)를 개방할 수 있다(S415). 또한, 제어부는 스택(20)에서 배출된 미반응수소(AOG)가 연료처리장치(10)로 공급되도록 AOG밸브(35)를 개방할 수 있다(S420).After S405, the control unit may close the
S420 이후, 제어부는 총 급수량 및 총 배수량을 감지할 수 있다(S430). 구체적으로, 제어부는 제1 유량계(451)를 통해 급수관 또는 급수라인으로 유입되는 냉수의 총 급수량을 감지할 수 있고, 제2 유량계(452)를 통해 배수관 내를 유동하는 냉수의 총 배수량을 감지할 수 있다. 여기서, 총 배수량은 드레인 유량으로 지칭될 수 있다.After S420, the control unit may detect the total amount of water supplied and the total amount of displacement (S430). Specifically, the control unit may detect the total amount of cold water flowing into the water supply pipe or the water supply line through the
S430 이후, 제어부는 S420에서 감지된 총 급수량과 총 배수량을 비교하여 건물 등 급수처에 급수 여부를 판단할 수 있다(S440). 구체적으로, 제어부는 총 급수량이 총 배수량보다 많은 경우, 건물 등 급수처에 급수 중이라 판단할 수 있으며, 총 급수량이 총 배수량과 동일하거나 적은 경우, 건물 등 급수처에 급수가 이뤄지지 않다고 판단할 수 있다.After S430, the control unit may compare the total water supply amount detected in S420 with the total displacement amount to determine whether water is supplied to a water supply point such as a building (S440). Specifically, the control unit may determine that water is being supplied to a water supply point such as a building when the total water supply amount is greater than the total displacement amount, and may determine that water is not supplied to a water supply point such as a building when the total water supply amount is equal to or less than the total displacement amount. there is.
총 급수량이 총 배수량보다 많은 경우(S440에서 Yes), 제어부는 제1 드레인밸브(431)를 개방할 수 있으며, 제2 드레인밸브(432)를 폐쇄할 수 있다(S450). 이에 따라, 세퍼레이터(400)에서 배출된 냉수는 가이드배관(424) 내를 유동하며 급수라인(410)과 연통될 수 있다.If the total water supply amount is greater than the total displacement amount (Yes in S440), the controller may open the
S450 이후, 제어부는 급수펌프(440)를 작동시킬 수 있다(S460). 이때, 제어부는 스택(20)에 공급되는 개질가스의 수분함량에 따라 세퍼레이터(400)에 공급되는 냉수 유량이 달라지도록 급수펌프(440)를 조절할 수 있다. 예를 들면, 제어부는 제1 온도계(482) 및 제2 온도계(484)에 의해 감지된 온도값의 차(T)를 바탕으로 개질가스의 수분함유량을 추산할 수 있고, 개질가스의 수분함유량에 따라 급수펌프(440)의 회전속도 등을 조절할 수 있다. 구체적으로, 제어부는 제1 온도계(482)와 제2 온도계(484)의 온도차(△T)가 설정값보다 높은 경우, 개질가스의 수분함량이 높다 판단하며, 세퍼레이터(400)에 공급되는 냉수 유량이 증가하도록 급수펌프(440)를 조절할 수 있다. 또한, 제어부는 제1 온도계(482)와 제2 온도계(484)의 온도차(△T)가 설정값보다 낮은 경우, 개질가스의 수분함량이 낮다 판단하며, 세퍼레이터(400)에 공급되는 냉수 유량이 감소하도록 급수펌프(440)를 조절할 수 있다. 여기서, 설정값이란 스택(20)에서 공기와의 전기화학반응에 적합하도록 설정된 개질가스의 수분함량에 대응하는 온도차를 의미할 수 있다. 또 다른 예를 들면, 제어부는 수분센서(미도시)를 통해 개질가스의 수분함량을 감지하여 급수펌프(440)를 조절할 수 있다.After S450, the control unit may operate the water supply pump 440 (S460). At this time, the control unit may adjust the
총 급수량이 총 배수량과 동일하거나 적은 경우(S440에서 No), 제어부는 급수펌프(440)를 정지할 수 있으며, 제1 드레인밸브(431)를 폐쇄할 수 있다(S470). 이에 따라, 세퍼레이터(400)에서 배출된 냉수는 가이드배관(424)으로의 유입이 차단되며, 배수라인(420)과 연통될 수 있다.When the total water supply amount is equal to or less than the total displacement amount (No in S440), the control unit may stop the
S470 이후, 제어부는 제2 드레인밸브(432)를 개방할 수 있다(S480). 이때, 제어부는 스택(20)에 공급되는 개질가스의 수분함량에 따라 배수라인(420)으로 배출되는 냉수 유량이 달라지도록 제2 드레인밸브(432)를 조절할 수 있다. 예를 들면, 제어부는 제1 온도계(482) 및 제2 온도계(484)에 의해 감지된 온도값의 차(T)를 바탕으로 개질가스의 수분함유량을 추산할 수 있고, 개질가스의 수분함유량에 따라 제2 드레인밸브(432)의 개도량을 조절할 수 있다. 구체적으로, 제어부는 제1 온도계(482)와 제2 온도계(484)의 온도차(△T)가 설정값보다 높은 경우, 개질가스의 수분함량이 높다 판단하며, 배수라인(420)으로 배출되는 냉수 유량이 증가하도록 제2 드레인밸브(432)의 개도량을 증가시킬 수 있다. 또한, 제어부는 제1 온도계(482)와 제2 온도계(484)의 온도차(△T)가 설정값보다 낮은 경우, 개질가스의 수분함량이 낮다 판단하며, 세퍼레이터(400)에 공급되는 냉수 유량이 감소하도록 제2 드레인밸브(432)의 개도량을 감소시킬 수 있다. 여기서, 설정값이란 스택(20)에서 공기와의 전기화학반응에 적합하도록 설정된 개질가스의 수분함량에 대응하는 온도차를 의미할 수 있다. 또 다른 예를 들면, 제어부는 수분센서(미도시)를 통해 개질가스의 수분함량을 감지하여 제2 드레인밸브(432)를 조절할 수 있다.After S470, the controller may open the second drain valve 432 (S480). At this time, the control unit may adjust the
S210, S320, S460 및 S480 이후, 제어부는 S110 동작으로 복귀하여 시스템의 운전모드에 따라 상술한 동작들을 다시 수행할 수 있다.After S210, S320, S460, and S480, the control unit may return to operation S110 and perform the above-described operations again according to the operation mode of the system.
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.The accompanying drawings are only for easy understanding of the embodiments disclosed in this specification, and the technical idea disclosed in this specification is not limited by the accompanying drawings, and all changes and equivalents included in the spirit and technical scope of the present invention It should be understood to include water or substitutes.
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.Similarly, while operations are depicted in the drawings in a particular order, it should not be understood that all illustrated operations must be performed, or that those operations must be performed in the specific order shown or in sequential order to obtain desired results. can In certain cases, multitasking and parallel processing can be advantageous.
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.In addition, although the preferred embodiments of the present invention have been shown and described above, the present invention is not limited to the specific embodiments described above, and the technical field to which the present invention belongs without departing from the gist of the present invention claimed in the claims. Of course, various modifications are possible by those skilled in the art, and these modifications should not be individually understood from the technical spirit or perspective of the present invention.
10: 연료처리장치
13: 물공급탱크
20: 스택
401: 제1 세퍼레이터
402: 제2 세퍼레이터
403: 제3 세퍼레이터
410: 급수라인
411: 제1 급수관
412: 제2 급수관
413: 제3 급수관
420: 배수라인
421: 제1 배수관
422: 제2 배수관
423: 제3 배수관
424: 가이드배관
431: 제1 드레인밸브
432: 제2 드레인밸브
440: 급수펌프
451: 제1 유량계
452: 제2 유량계10: fuel processing device 13: water supply tank
20: stack 401: first separator
402: second separator 403: third separator
410: water supply line 411: first water supply pipe
412: second water supply pipe 413: third water supply pipe
420: drain line 421: first drain pipe
422: second drain pipe 423: third drain pipe
424: guide pipe 431: first drain valve
432: second drain valve 440: water pump
451: first flow meter 452: second flow meter
Claims (15)
상기 스택에 상기 개질가스를 공급하는 연료처리장치;
상기 스택에 상기 공기를 공급하는 블로워;
개질가스, 미반응수소 또는 공기에 포함된 수분을 응축시키는 세퍼레이터;
냉수가 유동하는 급수라인에서 분기되어 상기 세퍼레이터에 연결되고, 상기 세퍼레이터에 냉수를 공급하는 급수관;
상기 급수라인, 외부로 냉수를 배출하는 배수라인 및 상기 세퍼레이터에 연결되고, 상기 세퍼레이터에서 배출된 냉수가 유동하는 배수관;
상기 배수관에 배치되고, 상기 세퍼레이터에서 배출된 냉수를 상기 급수라인 또는 상기 배수라인으로 공급하는 드레인밸브를 포함하는 연료전지 시스템.
A stack that generates power through an electrochemical reaction between reformed gas and air;
a fuel processing device supplying the reformed gas to the stack;
a blower supplying the air to the stack;
A separator for condensing reformed gas, unreacted hydrogen or moisture contained in the air;
a water supply pipe branched from a water supply line through which cold water flows and connected to the separator, and supplying cold water to the separator;
a drain pipe connected to the water supply line, a drain line for discharging cold water to the outside, and the separator, and through which the cold water discharged from the separator flows;
and a drain valve disposed in the drain pipe and supplying cold water discharged from the separator to the water supply line or the drain line.
상기 드레인밸브는,
상기 급수라인에 연결되고, 상기 세퍼레이터에서 상기 급수라인으로의 냉수 유동을 단속하는 제1 드레인밸브; 및
상기 배수라인에 연결되고, 상기 세퍼레이터에서 상기 배수라인으로의 냉수 유동을 단속하는 제2 드레인밸브를 포함하는 연료전지 시스템.
According to claim 1,
The drain valve,
a first drain valve connected to the water supply line and regulating the flow of cold water from the separator to the water supply line; and
and a second drain valve connected to the drain line and controlling flow of cold water from the separator to the drain line.
상기 급수라인에 배치되고, 상기 급수라인을 유동하는 냉수 유량을 감지하는 제1 유량계; 및
상기 배수관에 배치되고, 상기 배수관을 유동하는 냉수 유량을 감지하는 제2 유량계; 및
상기 제1 유량계 및 제2 유량계에서 산출된 냉수 유량을 바탕으로 상기 드레인밸브를 조절하는 제어부를 포함하는 연료전지 시스템.
According to claim 2,
a first flowmeter disposed in the water supply line and sensing a flow rate of cold water flowing through the water supply line; and
a second flowmeter disposed in the drain pipe and sensing a flow rate of cold water flowing through the drain pipe; and
and a control unit adjusting the drain valve based on the cold water flow rate calculated by the first flow meter and the second flow meter.
상기 제어부는,
상기 제1 유량계에서 감지된 냉수의 유량을 바탕으로 총 급수량을 산출하고, 상기 제2 유량계에서 감지된 냉수의 유량을 바탕으로 상기 세퍼레이터의 배수 유량을 산출하고,
총 급수량이 세퍼레이터의 배수 유량보다 클 때, 상기 세퍼레이터에서 배출된 냉수가 상기 급수라인으로 유입되도록 상기 제1 드레인밸브를 개방하고, 상기 제2 드레인밸브를 폐쇄하는 연료전지 시스템.
According to claim 3,
The control unit,
Calculate the total water supply amount based on the flow rate of cold water detected by the first flow meter, and calculate the drainage flow rate of the separator based on the flow rate of cold water detected by the second flow meter,
and opening the first drain valve and closing the second drain valve so that the cold water discharged from the separator flows into the water supply line when the total water supply amount is greater than the drain flow rate of the separator.
상기 제어부는,
상기 제1 유량계에서 감지된 냉수의 유량을 바탕으로 총 급수량을 산출하고, 상기 제2 유량계에서 감지된 냉수의 유량을 바탕으로 상기 세퍼레이터의 배수 유량을 산출하고,
총 급수량이 세퍼레이터의 배수 유량보다 작거나 같을 때, 상기 세퍼레이터에서 배출된 냉수가 상기 배수라인으로 유입되도록 상기 제1 드레인밸브를 폐쇄하고, 상기 제2 드레인밸브를 개방하는 연료전지 시스템.
According to claim 3,
The control unit,
Calculate the total water supply amount based on the flow rate of cold water detected by the first flow meter, and calculate the drainage flow rate of the separator based on the flow rate of cold water detected by the second flow meter,
and closing the first drain valve and opening the second drain valve so that the cold water discharged from the separator flows into the drain line when the total amount of supplied water is less than or equal to the drain flow rate of the separator.
상기 세퍼레이터에 공급되는 개질가스의 온도를 감지하는 제1 온도계; 및
상기 스택에 공급되는 개질가스의 온도를 감지하는 제2 온도계를 포함하고,
상기 제어부는,
상기 온도계들에 의해 감지된 온도값의 차이에 기초하여 개질가스의 수분 함유량을 산출하고, 상기 개질가스의 수분 함유량에 따라 상기 제2 드레인밸브의 개도를 조절하는 연료전지 시스템.
According to claim 5,
a first thermometer for sensing the temperature of the reformed gas supplied to the separator; and
A second thermometer for sensing the temperature of the reformed gas supplied to the stack,
The control unit,
The fuel cell system for calculating the moisture content of the reformed gas based on the difference between the temperature values detected by the thermometers, and adjusting the opening of the second drain valve according to the moisture content of the reformed gas.
상기 제2 드레인밸브는, 개도 조절이 가능한 삼방밸브인 연료전지 시스템.
According to claim 5,
The second drain valve is a fuel cell system that is a three-way valve capable of adjusting the opening.
상기 배수관과 상기 급수라인을 연결하고, 상기 세퍼레이터에서 배출된 냉수를 상기 급수라인으로 안내하는 가이드배관을 포함하고,
상기 제1 드레인밸브는, 상기 가이드배관에 배치되는 연료전지 시스템.
According to claim 2,
A guide pipe connecting the drain pipe and the water supply line and guiding the cold water discharged from the separator to the water supply line,
The first drain valve is disposed in the guide pipe.
상기 가이드배관에 배치되고, 상기 가이드배관을 유동하는 냉수가 상기 급수라인으로 유입될 수 있도록 수압을 형성하는 급수펌프를 포함하는 연료전지 시스템.
According to claim 8,
and a water supply pump disposed in the guide pipe and generating water pressure so that cold water flowing through the guide pipe flows into the water supply line.
상기 세퍼레이터에 공급되는 개질가스의 온도를 감지하는 제1 온도계;
상기 스택에 공급되는 개질가스의 온도를 감지하는 제2 온도계; 및
상기 온도계들에 의해 감지된 온도값의 차이에 기초하여 개질가스의 수분 함유량을 산출하고, 상기 개질가스의 수분 함유량에 따라 상기 급수펌프를 조절하는 제어부를 포함하는 연료전지 시스템.
According to claim 9,
a first thermometer for sensing the temperature of the reformed gas supplied to the separator;
a second thermometer for sensing the temperature of the reformed gas supplied to the stack; and
and a control unit that calculates a moisture content of the reformed gas based on a difference in temperature values detected by the thermometers and adjusts the water supply pump according to the moisture content of the reformed gas.
상기 연료처리장치와 상기 스택을 연결하고, 상기 연료처리장치에서 배출된 개질가스를 상기 스택으로 안내하는 제1 가스배관;
상기 연료처리장치와 상기 스택을 연결하고, 상기 스택에서 배출된 미반응수소를 상기 연료처리장치로 안내하는 제2 가스배관;
상기 스택에 연결되고, 상기 스택에서 배출된 공기가 유동하는 제3 가스배관을 포함하는 연료전지 시스템.
According to claim 1,
a first gas pipe connecting the fuel processing device and the stack and guiding the reformed gas discharged from the fuel processing device to the stack;
a second gas pipe connecting the fuel processing device and the stack and guiding unreacted hydrogen discharged from the stack to the fuel processing device;
and a third gas pipe connected to the stack and through which air discharged from the stack flows.
상기 세퍼레이터는,
상기 제1 가스배관에 배치되고, 상기 연료처리장치에서 배출된 개질가스와 상기 급수관에서 공급된 냉수의 열교환을 통해 생성된 응축수를 포집하는 제1 세퍼레이터;
상기 제2 가스배관에 배치되고, 상기 스택에서 배출된 미반응수소와 상기 급수관에서 공급된 냉수의 열교환을 통해 생성된 응축수를 포집하는 제2 세퍼레이터; 및
상기 제3 가스배관에 배치되고, 상기 스택에서 배출된 공기와 상기 급수관에서 공급된 냉수의 열교환을 통해 생성된 응축수를 포집하는 제3 세퍼레이터를 포함하는 연료전지 시스템.
According to claim 11,
The separator,
a first separator disposed in the first gas pipe and collecting condensate generated through heat exchange between reformed gas discharged from the fuel processing device and cold water supplied from the water supply pipe;
a second separator disposed in the second gas pipe and collecting condensed water generated through heat exchange between unreacted hydrogen discharged from the stack and cold water supplied from the water supply pipe; and
and a third separator disposed in the third gas pipe and collecting condensed water generated through heat exchange between air discharged from the stack and cold water supplied from the water supply pipe.
유량계에서 감지된 유량값을 기초로 급수라인을 유동하는 냉수의 총 급수량과 상기 세퍼레이터에서 배출되는 배수량을 산출하는 단계; 및
상기 세퍼레이터에서 배출된 냉수가 상기 급수라인 또는 상기 배수라인으로 유입되도록 상기 총 급수량과 배수량을 비교하여 상기 드레인밸브를 조절하는 단계를 포함하는 연료전지 시스템의 제어방법.
A stack that generates power through an electrochemical reaction between reformed gas and air; a fuel processing device supplying the reformed gas to the stack; a blower supplying the air to the stack; A separator that receives cold water from the water supply line and condenses reformed gas, unreacted hydrogen or moisture contained in the air; and a drain valve supplying cold water discharged from the separator to a water supply line or a drain line,
Calculating a total water supply amount of cold water flowing through the water supply line and a discharged water discharged from the separator based on the flow rate value sensed by the flow meter; and
and adjusting the drain valve by comparing the total amount of water supplied with the amount of water discharged so that cold water discharged from the separator flows into the water supply line or the drain line.
상기 드레인밸브는,
상기 급수라인에 연결되고, 상기 세퍼레이터에서 상기 급수라인으로의 냉수 유동을 단속하는 제1 드레인밸브; 및
상기 배수라인에 연결되고, 상기 세퍼레이터에서 상기 배수라인으로의 냉수 유동을 단속하는 제2 드레인밸브를 포함하고,
상기 드레인밸브를 조절하는 단계는, 총 급수량이 세퍼레이터의 배수 유량보다 큰 경우, 상기 세퍼레이터에서 배출된 냉수가 상기 급수라인으로 유입되도록 상기 제1 드레인밸브를 개방하고, 상기 제2 드레인밸브를 폐쇄하는 단계를 포함하는 연료전지 시스템의 제어방법.
According to claim 13,
The drain valve,
a first drain valve connected to the water supply line and regulating the flow of cold water from the separator to the water supply line; and
A second drain valve connected to the drain line and regulating the flow of cold water from the separator to the drain line;
The adjusting of the drain valve may include opening the first drain valve and closing the second drain valve so that cold water discharged from the separator flows into the water supply line when the total water supply amount is greater than the drain flow rate of the separator. A control method of a fuel cell system comprising steps.
상기 드레인밸브는,
상기 급수라인에 연결되고, 상기 세퍼레이터에서 상기 급수라인으로의 냉수 유동을 단속하는 제1 드레인밸브; 및
상기 배수라인에 연결되고, 상기 세퍼레이터에서 상기 배수라인으로의 냉수 유동을 단속하는 제2 드레인밸브를 포함하고,
상기 드레인밸브를 조절하는 단계는, 총 급수량이 세퍼레이터의 배수 유량보다 작거나 같은 경우, 상기 세퍼레이터에서 배출된 냉수가 상기 배수라인으로 유입되도록 상기 제1 드레인밸브를 폐쇄하고, 상기 제2 드레인밸브를 개방하는 단계를 포함하는 연료전지 시스템의 제어방법.
According to claim 13,
The drain valve,
a first drain valve connected to the water supply line and regulating the flow of cold water from the separator to the water supply line; and
A second drain valve connected to the drain line and regulating the flow of cold water from the separator to the drain line;
The adjusting of the drain valve may include closing the first drain valve so that cold water discharged from the separator flows into the drain line when the total amount of supplied water is equal to or less than the drain flow rate of the separator, and closing the second drain valve. A control method of a fuel cell system comprising the step of opening.
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