KR20230090026A - 연료전지 시스템 - Google Patents

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KR20230090026A
KR20230090026A KR1020210178911A KR20210178911A KR20230090026A KR 20230090026 A KR20230090026 A KR 20230090026A KR 1020210178911 A KR1020210178911 A KR 1020210178911A KR 20210178911 A KR20210178911 A KR 20210178911A KR 20230090026 A KR20230090026 A KR 20230090026A
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장희중
양동근
우형석
전지훈
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엘지전자 주식회사
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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 상기 개질가스를 공급하는 연료처리장치; 냉각수와 상기 스택에 공급되는 개질가스의 열교환을 통해 상기 개질가스의 수분을 저감시키는 제1 세퍼레이터; 냉각수와 상기 스택에서 배출되는 미반응수소의 열교환을 통해 상기 미반응수소의 수분을 저감시키는 제2 세퍼레이터; 및 시스템의 발전량에 기초하여 상기 제1 세퍼레이터와 제2 세퍼레이터에 공급되는 냉각수의 유량을 조절하는 조절밸브를 포함할 수 있다. 그 외에 다양한 실시예들이 가능하다.

Description

연료전지 시스템{FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 스택에 공급되는 개질가스의 수분을 저감시켜 스택의 발전효율이 향상되고, 연료처리장치의 버너에 공급되는 미반응수소의 수분을 저감시켜 버너의 연소효율이 향상된 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, 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.
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.
KR 10-2012-0071288 A
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 스택에 공급되는 개질가스의 수분 함량을 저감시켜 스택의 발전 효율을 향상시키는 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 과제는 버너에 공급되는 미반응수소(AOG)의 수분 함량을 저감시켜 버너의 연소 효율을 향상시키는 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 상기 개질가스를 공급하는 연료처리장치; 냉각수와 상기 스택에 공급되는 개질가스의 열교환을 통해 상기 개질가스의 수분을 저감시키는 제1 세퍼레이터; 냉각수와 상기 스택에서 배출되는 미반응수소의 열교환을 통해 상기 미반응수소의 수분을 저감시키는 제2 세퍼레이터; 및 시스템의 발전량에 기초하여 상기 제1 세퍼레이터와 제2 세퍼레이터에 공급되는 냉각수의 유량을 조절하는 조절밸브를 포함할 수 있다.
상기 스택에서 개질가스와 공기의 전기화학반응을 통해 전력을 생성하는 발전모드 일 때, 시스템의 발전량에 따라 조절밸브의 개도량을 조절하는 제어부를 포함할 수 있다.
상기 제어부는, 시스템의 발전량이 점차 증가할 때, 상기 시스템의 발전량에 대응하여 상기 제1 세퍼레이터로 공급되는 냉각수 유량이 점차 증가하고 상기 제2 세퍼레이터로 공급되는 냉각수 유량이 점차 감소하도록 상기 조절밸브의 개도를 조절할 수 있다.
상기 제어부는, 시스템 발전량이 최대일 때, 상기 제1 세퍼레이터로 공급되는 냉각수 유량이 상기 제2 세퍼레이터로 공급되는 냉각수 유량보다 더 크도록 상기 조절밸브의 개도를 조절할 수 있다.
상기 제어부는, 시스템의 발전량이 최대일 때, 상기 제1 세퍼레이터로 공급되는 냉각수 유량과 상기 제2 세퍼레이터로 공급되는 냉각수 유량이 동일하도록 상기 조절밸브의 개도를 조절하는
상기 제1 세퍼레이터 및 제2 세퍼레이터는, 외관을 형성하고, 내부에 개질가스 또는 미반응수소가 유동하는 가스 유동부를 형성하는 하우징; 상기 하우징의 내벽에서 수직으로 연장 형성되는 배플; 및 상기 하우징 내 배치되고, 냉각수가 유동하는 냉각수 유동부를 형성하는 튜브를 포함할 수 있다.
상기 제1 세퍼레이터 및 제2 세퍼레이터는, 상기 하우징의 일측에 배치되고, 상기 하우징에서 생성된 응축수가 저장되는 드레인판; 및 물공급탱크와 상기 드레인판을 연결하고, 상기 드레인판에 저장된 응축수가 유동하는 응축수배관을 포함할 수 있다.
상기 응축수배관은, 상기 드레인판에 저장된 응축수의 수위가 일정수준 이상일 때, 응축수를 상기 물공급탱크로 공급하도록 역U자 형상으로 형성될 수 있다.
상기 가스 유동부의 가스 유동방향과, 상기 냉각수 유동부의 냉각수 유동방향은 반대일 수 있다.
상기 제1 세퍼레이터 및 제2 세퍼레이터에 연결되고, 상기 제1 세퍼레이터 및 제2 세퍼레이터를 순환하는 냉각수와 외기가 열교환되는 열교환기; 및 상기 열교환기에 인접하게 배치되고, 상기 열교환기로 향하는 외기의 유동을 형성하는 팬을 포함할 수 있다.
상기 팬은, 상기 스택에서 개질가스와 공기의 전기화학반응을 통해 전력을 생성하는 발전모드 일 때, 상기 시스템의 발전량에 따라 회전속도가 조절될 수 있다.
상기 연료처리장치와 상기 스택을 연결하고, 상기 연료처리장치에서 배출된 개질가스가 유동하는 제1 배관; 및 상기 연료처리장치와 상기 스택을 연결하고, 상기 스택에서 배출되는 미반응수소(AOG)가 유동하는 제2 배관을 포함하고, 상기 제1 세퍼레이터는 상기 제1 배관에 배치되고, 상기 제2 세퍼레이터는 상기 제2 배관에 배치될 수 있다.
상기 제1 세퍼레이터 및 제2 세퍼레이터를 순환하는 냉각수 유동을 형성하는 냉각부 펌프를 포함할 수 있다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 연료전지 시스템에 따르면 다음과 같은 효과가 하나 혹은 그 이상 있다.
첫째, 연료처리장치와 스택을 연결하고 개질가스가 유동하는 개질가스공급관에 배치된 제1 세퍼레이터에서 스택에 공급되는 개질가스와 냉각수가 열교환되어 개질가스에 포함된 수분이 응축됨에 따라 개질가스의 수분 함유량이 저감될 수 있다. 이에 따라, 스택의 발전 효율이 향상될 수 있다.
둘째, 연료처리장치와 스택을 연결하고 미반응수소가 유동하는 AOG배출관에 배치된 제2 세퍼레이터에서 버너에 공급되는 미반응수소와 냉각수가 열교환되어 미반응수소에 포함된 수분이 응축됨에 따라 미반응수소의 수분 함유량이 저감될 수 있다. 이에 따라, 버너의 연소 효율이 향상될 수 있다.
셋째, 시스템의 발전량에 따라 제1 세퍼레이터와 제2 세퍼레이터에 공급되는 냉각수 유량이 조절밸브에 의해 조절됨에 따라 상기 세퍼레이터들에 의해 응축되는 응축수 양 또한 조절되어 시스템의 발전 운전이 유연하고 효율적으로 수행될 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 연료처리장치의 구성에 대한 개략도이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 연료전지 시스템에 대한 구성도이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 연료처리장치, 스택, 세퍼레이터 및 물공급탱크의 연결관계를 도시한 계통도이다.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른 세퍼레이터의 구조 및 가스, 냉각수 및 응축수의 유동을 나타내는 도면들이다.
도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 발전모드 시, 개질가스, 미반응수소 및 냉각수의 유동을 나타내는 동작도이다.
도 6은, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 제어방법을 나타내는 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 구비할 수 있다.
연료처리부(I)는, 연료처리장치(10), 연료처리장치(10)에 공급되는 연료 가스의 유동을 조절하는 연료밸브(30), 공기를 연료처리장치(10)로 유동시키는 제1 블로워(71) 등을 포함할 수 있다.
전력생성부(II)는, 스택(20a, 20b), 연료처리장치(10)에서 토출된 개질가스의 열교환이 일어나는 개질가스열교환기(21), 스택(20a, 20b)에서 반응하지 않고 배출되는 가스의 열교환이 일어나는 AOG열교환기(22), 스택(20a, 20b)에 공급되는 공기에 수분을 공급하는 가습장치(23), 공기를 스택(20a, 20b)으로 유동시키는 제2 블로워(72) 등을 포함할 수 있다. 여기서, 스택(20a, 20b)에서 반응하지 않고 배출되는 가스는, 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.
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.
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 제1 세퍼레이터(401)가 배치될 수 있다. 제1 세퍼레이터(401)로 유입된 개질가스는, 수분이 제거된 후 제1 세퍼레이터(401)에서 토출될 수 있다.
제1 세퍼레이터(401)에서 생성된 응축수는, 제1 세퍼레이터(401)에서 토출되어, 제1 응축수배관(484a)으로 유동할 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, 제1 물회수유로(310)로 유동할 수 있다. 제1 물회수유로(310)에는, 물의 유동을 조절하는 제1 물회수밸브(45)가 배치될 수 있다. 제1 물회수유로(310)는, 물저장유로(308)에 연결될 수 있다.
스택(20a. 20b)에서 반응하지 않고 토출되는 미반응수소(AOG)는, 스택가스토출유로(108)를 통해 유동할 수 있다.
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.
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 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.
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.
제2 세퍼레이터(402)에서 생성된 응축수는, 제2 세퍼레이터(402)에서 토출되어, 제2 응축수배관(484b)를 통해 유동할 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)에는, 스택(20)에서 배출되는 공기의 유동을 조절하는 스택측 공기토출밸브(37)가 배치될 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.
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, 추가수분제거장치(62) 및/또는 공기 수분제거장치(64)에서 토출된 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)는, 응축수배관(484)에 연결될 수 있고, 응축수배관(484)을 통해 유동하는 물을 저장할 수 있다. 예를 들어, 제1 세퍼레이터(401) 및/또는 제2 세퍼레이터(402)에서 응축된 응축수가, 응축수배관(484)을 거쳐 물공급탱크(13)로 유입될 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 미반응수소(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 제2 물회수유로(312)를 통해 유동할 수 있다. 제2 물회수유로(312)에는, 물의 유동을 조절하는 제2 물회수밸브(47)가 배치될 수 있다. 제2 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.
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.
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.
이하 도 3을 참고하여, 스택(20)의 발전 효율과 버너(120)의 연소 효율을 향상시키기 위한 연료전지 시스템(1)의 구성들에 관해 설명한다.
도 3을 참고하면, 연료전지 시스템(1)은, 연료처리장치(10)와 스택(20) 사이에 배치되고, 연료처리장치(10)에서 배출되어 스택(20)으로 공급되는 개질가스의 수분 함유량 또는 스택(20)에서 배출되어 연료처리장치(10)로 공급되는 미반응수소(AOG)의 수분 함유량을 저감시키는 세퍼레이터(400)를 포함할 수 있다.
세퍼레이터(400)는, 스택가스공급유로(106)에 배치되는 제1 세퍼레이터(401)와, 스택가스토출유로(108)에 배치되는 제2 세퍼레이터(402)를 포함할 수 있다. 여기서, 제1 세퍼레이터(401)는, 연료처리장치(10)에서 스택(20)으로 공급되는 개질가스와 냉각수의 열교환을 통해 개질가스의 수분 함유량을 저감 시킬 수 있다. 제2 세퍼레이터(402)는, 스택(20)에서 배출되어 연료처리장치(10)로 공급되는 미반응수소(AOG)와 냉각수의 열교환을 통해 미반응수소(AOG)의 수분 함유량을 저감 시킬 수 있다.
연료전지 시스템(1)은, 제1 세퍼레이터(401)와 제2 세퍼레이터(402)에 공급되는 냉각수의 유량을 조절하는 조절밸브(410)를 포함할 수 있다.
조절밸브(410)는, 후술하는 제1-1 냉각수배관(432)과 제2-1 냉각수배관(442)에 각각 연결될 수 있다. 조절밸브(410)는, 삼방밸브(3-way valve)로 구성될 수 있다. 조절밸브(410)는, 시스템의 현재 발전량에 따라 제1 세퍼레이터(401) 측 개도량과 제2 세퍼레이터(402) 측 개도량을 달리 조절하여 각각의 세퍼레이터(401, 402)에 공급되는 냉각수의 유량을 조절할 수 있다. 일 실시예로, 조절밸브(410)는, 시스템 발전량이 최대일 때, 제1 세퍼레이터(401)로 공급되는 냉각수 유량이 상기 제2 세퍼레이터(402)로 공급되는 냉각수 유량보다 더 크도록 개도를 조절할 수 있다. 또한, 다른 실시예로, 조절밸브(410)는, 시스템 발전량이 최대일 때, 제1 세퍼레이터(401)로 공급되는 냉각수 유량이 상기 제2 세퍼레이터(402)로 공급되는 냉각수 유량이 동일하도록 개도를 조절할 수 있다.
연료전지 시스템(1)은, 세퍼레이터(400)를 순환하는 냉각수를 냉각하는 냉각부(420)를 포함할 수 있다.
냉각부(420)는, 세퍼레이터(400)에 연결되고 냉각수와 외기가 열교환되는 냉각부열교환기(422) 및 냉각부열교환기(422)의 일측에 배치되고 냉각부열교환기(422)에 공급되는 외기의 유동을 형성하는 팬(424)를 포함할 수 있다.
연료전지 시스템(1)은, 세퍼레이터(400)와 냉각부열교환기(422)를 연결하고, 냉각수가 순환하는 냉각수 라인(432, 434, 442, 444)을 포함할 수 있다.
냉각수 라인은, 제1 세퍼레이터(401)와 냉각부열교환기(422)를 연결하는 제1 냉각수배관(432, 434)과, 제2 세퍼레이터(402)와 냉각부열교환기(422)를 연결하는 제2 냉각수배관(442, 444)을 포함할 수 있다.
제1 냉각수배관(432, 434)은, 냉각부열교환기(422)의 토출단과 제1 세퍼레이터(401)의 입구단을 연결하는 제1-1 냉각수배관(432)와, 제1 세퍼레이터(401)의 출구단과 냉각부열교환기(422)의 입구단을 연결하는 제1-2 냉각수배관(434)을 포함할 수 있다.
제1-2 냉각수배관(434)에는, 냉각수 라인을 순환하는 냉각수의 유동을 형성하는 냉각부펌프(450)가 배치될 수 있다.
제2 냉각수배관(442, 444)은, 제2 세퍼레이터(402)의 입구단과 제1-1 냉각수배관(432)을 연결하는 제2-1 냉각수배관(442)과, 제2 세퍼레이터(402)의 토출단과 제1-2 냉각수배관(434)을 연결하는 제2-2 냉각수배관(444)을 포함할 수 있다.
연료전지 시스템(1)은, 세퍼레이터(400)와 물공급탱크(13)를 연결하고, 응축수가 유동하는 응축수 라인(484)을 포함할 수 있다.
응축수 라인(484)은, 제1 세퍼레이터(401)와 물공급탱크(13)를 연결하는 제1 응축수배관(484a)과, 제2 세퍼레이터(402)와 물공급탱크(13)를 연결하는 제2 응축수배관(484b)를 포함할 수 있다.
이하, 도 4를 참고하여 세퍼레이터(400)의 구조에 관해 설명한다.
도 4a를 참고하면, 세퍼레이터(400)는, 세퍼레이터(400)의 외관을 형성하는 하우징(460), 하우징(460)의 내벽에 수직으로 연장되는 배플(464)을 포함할 수 있다.
하우징(460)의 내부에는 개질가스 또는 미반응수소(AOG)가 유동하는 가스유동부(462)가 형성될 수 있다. 하우징(460)은, 쉘(shell) 타입으로 형성될 수 있다.
가스유동부(462)의 제1 유입구(466)과 제1 배출구(468)는 후술하는 튜브(472)와 나란한 방향으로 개구될 수 있다. 제1 유입구(466)와 제1 배출구(468)는 서로 대향하는 위치에 형성될 수 있다.
배플(464)은, 하우징(460)의 내벽에서 상하방향 교대로 배치될 수 있다. 이에 따라, 상하방향으로 유동하는 개질가스 또는 미반응수소(AOG)의 유동이 형성되고, 하우징(460) 내부를 유동하는 개질가스 또는 미반응수소의 유속이 저감 되 결과적으로 열교환 면적이 증가할 수 있다.
도 4b를 참고하면, 세퍼레이터(400)는, 하우징(460) 내 배치되고, 냉각수가 유동하는 냉각수 유동부(470)를 형성하는 튜브(472)를 포함할 수 있다. 냉각수 유동부(470)는, 직선 형태의 복수의 튜브로 구성될 수 있다. 따라서, 하우징(460) 내를 유동하는 개질가스 또는 미반응수소(AOG)에 함유된 수분은, 개질가스 또는 미반응수소(AOG)와 냉각수의 온도차에 의해 튜브(472)의 외면에서 응축될 수 있다.
냉각수 유동부(470)의 제2 유입구(474)와 제2 배출구(476)는 가스유동부(462)의 제1 유입구(466)와 제1 배출구(468)에 수직한 방향으로 개구될 수 있다.
한편, 가스유동부(462)의 제1 유입구(466)와 냉각수 유동부(470)의 제1 유입구(474)는, 가스유동부(462)의 가스 유동방향과, 냉각수 유동부(470)의 냉각수 유동방향이 대향하도록 형성될 수 있다.
도 4c를 참고하면, 세퍼레이터(400)는, 하우징(460)의 일측에 배치되고, 상기 하우징(460)에서 생성된 응축수가 저장되는 드레인판(482)을 포함할 수 있다. 드레인판(482)은 응축수배관(484)에 연결되고, 드레인판(482)에 저장된 응축수는 응축수배관(484)을 통해 물공급탱크(13)로 공급될 수 있다. 한편, 응축수배관(484)은, 드레인판(482)에 저장된 응축수의 수위가 일정수준 이상일 때, 응축수를 물공급탱크(13)로 공급하도록 역U자 형상으로 형성될 수 있다. 따라서, 드레인판(482)에 저장된 응축수의 수위가 일정수준 이상인 경우, 응축수는 응축수배관(484)을 통해 자동적으로 물공급탱크(13)로 공급될 수 있다.
이하, 도 5를 참고하여 연료전지 시스템(1)의 발전모드 시, 개질가스, 미반응수소 및 냉각수의 유동을 설명한다.
수소와 공기의 전기화학반응을 통해 전력을 생성하는 발전모드 시, 연료전지 시스템(1)은, 개질가스밸브(33)를 개방하고, 바이패스밸브(34)를 폐쇄하며, AOG밸브(35)를 개방할 수 있다.
이하 도 5를 참고하여, 개질가스와 미반응수소(AOG)의 유동을 설명한다.
연료처리장치(10)에서 배출된 개질가스는, 연료처리장치(10)로의 재유입이 차단되어 제1 배관(104, 106)을 따라 유동하며 개질가스열교환기(21)를 지나 제1 세퍼레이터(401)로 공급될 수 있다.
제1 세퍼레이터(401)에 공급된 개질가스는, 제1 세퍼레이터(401)를 순환하는 냉각수와 열교환된 뒤 제1 세퍼레이터(401)에서 배출되어 스택(20)으로 공급될 수 있다. 이에 따라, 개질가스에 포함된 수분의 일정량이 제1 세퍼레이터(401)에서 응축되어 개질가스의 수분 함유량이 저감되고, 그 결과 스택(20)에서의 발전 효율이 향상될 수 있다.
스택(20)에 공급된 개질가스의 일부는, 제2 블로워(72)의 작동에 따라 스택(20)에 유입된 공기와 전기화학반응을 통해 전력을 생성하며, 나머지 개질가스는 전기화학반응에 참가하지 않은 미반응수소(AOG)의 상태로 스택(20)에서 배출될 수 있다.
스택(20)에서 배출된 미반응수소(AOG)는, 제2 배관(108, 109)을 따라 유동하며 AOG열교환기(22)를 지나 제2 세퍼레이터(402)로 공급될 수 있다.
제2 세퍼레이터(402)로 공급된 미반응수소(AOG)는, 제2 세퍼레이터(402)를 순환하는 냉각수와 열교환된 뒤 제2 세퍼레이터(402)에서 배출되어 연료처리장치(10)로 공급될 수 있다. 이에 따라, 미반응수소(AOG)에 포함된 수분의 일정량이 제2 세퍼레이터(402)에서 응축되어 미반응수소(AOG)의 수분 함유량이 저감되고, 그 결과 연료처리장치(10)의 버너(120)에서의 발전 효율이 향상될 수 있다.
연료처리장치(10)로 공급된 미반응수소(A0G)는, 버너(120)의 연료로 재사용될 수 있다.
이하 도 5를 참고하여, 세퍼레이터(400)를 순환하는 냉각수와, 응축수의 유동을 설명한다.
연료전지 시스템(1)은, 냉각수 라인에 냉각수 유동을 형성하기 위해 냉각부펌프(450)를 작동시킬 수 있다. 또한, 연료전지 시스템(1)은, 냉각부열교환기(422)를 향하는 외기의 유동을 형성하기 위해 팬(424)을 작동시킬 수 있다. 한편, 연료전지 시스템(1)은, 시스템의 발전량에 따라 팬(424)의 회전속도를 달리 조절할 수 있다. 일례로, 연료전지 시스템(1)은, 시스템의 발전량이 증가하는 경우, 시스템의 발전량에 대응하여 팬(424)의 회전속도를 증가시킬 수 있다.
냉각부펌프(450)의 작동에 따라, 냉각부열교환기(422)로 유입된 냉각수는, 팬(424)의 작동에 따라 냉각부열교환기(422)로 공급된 외기와 열교환 뒤 냉각부열교환기(422)에서 배출되어 제1-1 냉각수배관(432)을 따라 유동하며 조절밸브(410)로 공급될 수 있다.
조절밸브(410)로 공급된 냉각수의 일부는, 제1-1 냉각수배관(432)의 하류를 따라 제1 세퍼레이터(401)에 공급되어 개질가스와 열교환된 뒤 배출될 수 있다.
제1 세퍼레이터(401)에서 배출된 냉각수는, 제1-2 냉각수배관(434)을 따라 유동하며 냉각부펌프(450)를 지나 냉각부열교환기(422)로 공급될 수 있다.
조절밸브(410)로 공급된 냉각수의 나머지는, 제2-1 냉각수배관(442)을 따라 제2 세퍼레이터(402)에 공급되어 미반응수소(AOG)와 열교환된 뒤 배출될 수 있다.
제2 세퍼레이터(402)에서 배출된 냉각수는, 제2-2 냉각수배관(444)을 따라 유동하고 제1-2 냉각수배관(434)에 합류되며, 냉각부펌프(450)를 지나 냉각부열교환기(422)에 공급될 수 있다.
발전모드에서, 연료전지 시스템(1)은, 조절밸브(410)에 공급된 냉각수의 일부가 제1 세퍼레이터(401)로 공급되며, 나머지가 제2 세퍼레이터(402)로 공급되도록 조절밸브(410)를 제어할 수 있다. 구체적으로, 연료전지 시스템(1)은, 시스템의 발전량이 점차 증가하는 경우, 제1 세퍼레이터(401)로 공급되는 냉각수 유량이 점차 증가하고, 제2 세퍼레이터(401)로 공급되는 냉각수 유량이 점차 감소하도록 조절밸브(410)의 개도를 조절할 수 있다. 일례로, 연료전지 시스템(1)은, 시스템의 발전량이 최대일 때, 제1 세퍼레이터(401)에 공급되는 냉각수 유량이 제2 세퍼레이터(402)로 공급되는 냉각수 유량보다 더 크도록 조절밸브(410)의 개도를 조절할 수 있다. 다른 예로, 연료전지 시스템(1)은, 시스템의 발전량이 최대일 때, 제1 세퍼레이터(401)에 공급되는 냉각수 유량과 제2 세퍼레이터(402)로 공급되는 냉각수 유량이 동일하도록 조절밸브(410)의 개도를 조절할 수 있다.
또한, 제1 세퍼레이터(401)에서 응축된 응축수는, 제1 응측수배관(484a)를 따라 물공급탱크(13)에 공급되며, 제2 세퍼레이터(402)에서 응축된 응축수는, 제2 응축수배관(484b)를 따라 물공급탱크(13)에 공급될 수 있다.
이하, 도 6을 참고하여 연료전지 시스템(1)의 제어방법에 관해 설명한다.
도 6을 참고하면, 제어부는, 연료전지 시스템(1)의 운전을 개시할 수 있다(S100).
S100 이후, 제어부는, 제2 세퍼레이터(402) 측으로 조절밸브(410)를 전환할 수 있다(S110).
S110 이후, 제어부는, 예열 운전(WM) 후 개질 운전(RM)에 진입할 수 있다(S120).
여기서, 예열 운전(WM)이란, 개질에 적합한 온도에 도달하도록 개질기(140)를 버너(120)로 예열하는 운전 모드를 의미할 수 있다. 예열 운전(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. (도 2 참고)
또한, 개질 운전(RM)이란, 개질가스의 수소 및 일산화탄소의 농도가 발전에 적합한 농도에 도달하도록 개질가스를 버너로 재순환시키고 개질을 반복하는 운전 모드를 의미할 수 있다. 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)
S120 이후, 제어부는, 현재 시스템의 발전 운전(PM) 진입 여부를 판단할 수 있다(S200). 일례로, 제어부는, 시스템의 개질 운전(RM) 완료 여부로 현재 시스템의 발전 운전(PM) 진입 여부를 판단할 수 있다. 구체적으로, 연료전지 시스템(1)은, 개질기(140)에서 생성되어 배출되는 개질가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 감지하는 농도측정센서(미도시)를 더 포함할 수 있고, 제어부는, 상기 농도측정센서에서 감지된 일산화탄소의 농도와 설정 농도값을 비교하여 개질 운전(RM) 완료 여부를 판단할 수 있다. 즉, 제어부는, 개질기(140)에서 생성된 개질가스에 함유된 일산화탄소의 농도가 설정 농도값 이하인 경우, 발전 운전(PM)에 진입하였다고 판단할 수 있다. 이때, 설정 농도값이란, 개질가스가 스택(20)에 공급되어 전기화학반응을 일으키기에 적합한 일산화탄소의 농도 값으로 설정될 수 있다.
여기서, 발전 운전(PM)이란, 공기와 개질가스의 전기화학반응을 통해 스택(20)에서 전력을 생성하는 운전 모드를 의미할 수 있다.
발전 운전(PM)에 진입하지 않은 경우(S200에서 No), 제어부는, 조절밸브(410)의 개도를 제1 개도로 조절할 수 있다(S210). 여기서, 제1 개도란, 조절밸브(410)로 공급되는 총 냉각수 유량을 100%로 정의하였을 때, 제1 세퍼레이터(401)로 공급되는 냉각수 유량이 20%, 제2 세퍼레이터(402)로 공급되는 냉각수 유량이 80%의 비율로 공급되도록 설정된 개도를 의미할 수 있다.
S210 이후, 제어부는, S120 동작으로 복귀하여 이후 동작들을 수행할 수 있다.
발전 운전(PM)에 진입한 경우(S200에서 Yes), 제어부는, 냉각부펌프(450)를 작동시킬 수 있다(S220). 따라서, 냉각수가 냉각수 라인을 통해 세퍼레이터(400)와 냉각부열교환기(422)을 순환할 수 있다.
S220 이후, 제어부는, 개질가스밸브(33)를 개방할 수 있다(S230). 따라서, 개질가스가 연료처리장치(10)에서 스택(20)으로 공급될 수 있다.
S230 이후, 제어부는, 바이패스밸브(34)를 폐쇄할 수 있다(S240). 따라서, 연료처리장치(10)에서 배출된 개질가스가 바이패스유로(105)로 유동되는 것을 차단할 수 있다.
S240 이후, 제어부는, AOG밸브(35)를 개방할 수 있다(S250). 따라서, 스택(20)에서 배출된 미반응수소(AOG)가 연료처리장치(10)로 공급될 수 있다.
S250 이후, 제어부는, 제2 블로워(72)를 작동시켜 스택(20)에 산소를 공급할 수 있다(S260). 따라서, 스택(20)에서의 공기와 수소의 전기화학반응에 대비할 수 있다.
S260 이후, 제어부는, 현재 시스템의 발전 운전이 개시 여부를 판단할 수 있다(S300). 구체적으로, 제어부는, 전력변환장치(미도시) 등을 통해 스택(20)에서 전력 생산 여부를 감지하여 발전 운전 개시 여부를 판단할 수 있다.
현재 시스템에서 발전 운전이 개시되지 않은 경우(S300에서 No), 제어부는, S220 동작으로 복귀하여 이후 동작들을 수행할 수 있다.
현재 시스템에서 발전 운전이 개시된 경우(S300에서 Yes), 제어부는, 현재 시스템이 제1 발전량 이하로 운전 중인지 판단할 수 있다(S310). 여기서, 제1 발전량이란, 시스템의 최대 발전량을 100%로 정의하였을 때, 최대 발전량의 25%에 해당하는 발전량을 의미할 수 있다. 일례로, 시스템의 최대 발전량이 10kw인 경우, 제1 발전량은 2.5kw를 의미할 수 있다.
현재 시스템이 제1 발전량 이하로 운전 중인 경우(S310에서 Yes), 제어부는, 조절밸브(410)의 개도를 제1 개도로 조절할 수 있다(S320). 앞서, 제1 개도에 대해 설명한 바 자세한 설명은 생략한다.
현재 시스템이 제1 발전량을 초과하여 운전 중인 경우(S310에서 Yes), 제어부는, 현재 시스템이 제2 발전량 이하로 운전 중인지 판단할 수 있다(S330). 즉, 제어부는, 현재 시스템이 제1 발전량과 제2 발전량 사이에서 발전 중인지 여부를 판단할 수 있다. 여기서, 제2 발전량이란, 시스템의 최대 발전량을 100%로 정의하였을 때, 최대 발전량의 50%에 해당하는 발전량을 의미할 수 있다. 일례로, 시스템의 최대 발전량이 10kw인 경우, 제2 발전량은 5kw를 의미할 수 있다.
현재 시스템이 제2 발전량 이하로 운전 중인 경우(S330에서 Yes), 제어부는, 조절밸브(410)의 개도를 제2 개도로 조절할 수 있다(S340). 여기서, 제2 개도란, 조절밸브(410)로 공급되는 총 냉각수 유량을 100%로 정의하였을 때, 제1 세퍼레이터(401)로 공급되는 냉각수 유량이 40%, 제2 세퍼레이터(402)로 공급되는 냉각수 유량이 60%의 비율로 공급되도록 설정된 개도를 의미할 수 있다.
현재 시스템이 제2 발전량을 초과하여 운전 중인 경우(S330에서 No), 제어부는, 현재 시스템이 제3 발전량 이하로 운전 중인지 판단할 수 있다(S350). 즉, 제어부는, 현재 시스템이 제2 발전량과 제3 발전량 사이에서 발전 중인지 여부를 판단할 수 있다. 여기서, 제3 발전량이란, 시스템의 최대 발전량을 100%로 정의하였을 때, 최대 발전량의 75%에 해당하는 발전량을 의미할 수 있다. 일례로, 시스템의 최대 발전량이 10kw인 경우, 제3 발전량은 7.5kw를 의미할 수 있다.
현재 시스템이 제3 발전량 이하로 운전 중인 경우(S350에서 Yes), 제어부는, 조절밸브(410)의 개도를 제3 개도로 조절할 수 있다(S340). 여기서, 제3 개도란, 조절밸브(410)로 공급되는 총 냉각수 유량을 100%로 정의하였을 때, 제1 세퍼레이터(401)로 공급되는 냉각수 유량이 60%, 제2 세퍼레이터(402)로 공급되는 냉각수 유량이 40%의 비율로 공급되도록 설정된 개도량을 의미할 수 있다.
현재 시스템이 제3 발전량을 초과하여 운전 중인 경우(S350에서 No), 제어부는, 조절밸브(410)의 개도를 제4 개도로 조절할 수 있다(S340). 여기서, 제4 개도란, 조절밸브(410)로 공급되는 냉각수 유량을 100%로 정의하였을 때, 제1 세퍼레이터(401)로 공급되는 냉각수 유량이 80%, 제2 세퍼레이터(402)로 공급되는 냉각수 유량이 20%의 비율로 공급되도록 설정된 개도를 의미할 수 있다.
이 때, 제1 세퍼레이터(401)에 공급되는 냉각수 유량이 점차 증가하는 것과 달리 제2 세퍼레이터(402)에 공급되는 냉각수 유량이 점차 감소할 수 있다. 이에 따라, 제2 세퍼레이터(402)에서의 열교환 효율이 다소 낮아질 수 있지만 냉각부열교환기(422)의 용량설계 또는 팬(424)의 회전속도를 조절하여 제2 세퍼레이터(402)에서의 열교환 효율을 보정할 수 있다. 일례로, 제어부는, 스택(20)에서 개질가스와 공기의 전기화학반응을 통해 전력을 생성하는 발전모드(PM) 일 때, 시스템의 발전량에 따라 팬(424)의 회전속도를 조절할 수 있다.
결과적으로, 연료전지 시스템(1)은, 현재 발전량에 따라 제1 세퍼레이터(401)로 공급되는 냉각수 유량이 조절되도록 개도를 단계적으로 조절할 수 있으며, 이에 따라, 현재 발전량에 대응해 스택(20)에 공급되는 개질가스의 수분함유량 또한 저감되어 스택(20)의 반응효율이 향상되는 장점이 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.
10: 연료처리장치 13: 물공급탱크
20: 스택 401: 제1 세퍼레이터
402: 제2 세퍼레이터 410: 조절밸브
422: 냉각부열교환기 424: 팬
432: 제1-1 냉각수배관 434: 제1-2 냉각수배관
442: 제2-1 냉각수배관 444: 제2-2 냉각수배관
450: 냉각부펌프 484: 응축수배관

Claims (15)

  1. 개질가스와 공기의 전기화학반응을 통해 전력을 생성하는 스택;
    상기 스택에 상기 개질가스를 공급하는 연료처리장치;
    냉각수와 상기 스택에 공급되는 개질가스의 열교환을 통해 상기 개질가스의 수분을 저감시키는 제1 세퍼레이터;
    냉각수와 상기 스택에서 배출되는 미반응수소의 열교환을 통해 상기 미반응수소의 수분을 저감시키는 제2 세퍼레이터; 및
    시스템의 발전량에 기초하여 상기 제1 세퍼레이터와 제2 세퍼레이터에 공급되는 냉각수의 유량을 조절하는 조절밸브를 포함하는 연료전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스택에서 개질가스와 공기의 전기화학반응을 통해 전력을 생성하는 발전모드 일 때, 시스템의 발전량에 따라 조절밸브의 개도량을 조절하는 제어부를 포함하는 연료전지 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    시스템의 발전량이 점차 증가할 때, 상기 시스템의 발전량에 대응하여 상기 제1 세퍼레이터로 공급되는 냉각수 유량이 점차 증가하고 상기 제2 세퍼레이터로 공급되는 냉각수 유량이 점차 감소하도록 상기 조절밸브의 개도를 조절하는 연료전지 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    시스템 발전량이 최대일 때, 상기 제1 세퍼레이터로 공급되는 냉각수 유량이 상기 제2 세퍼레이터로 공급되는 냉각수 유량보다 더 크도록 상기 조절밸브의 개도를 조절하는 연료전지 시스템.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    시스템의 발전량이 최대일 때, 상기 제1 세퍼레이터로 공급되는 냉각수 유량과 상기 제2 세퍼레이터로 공급되는 냉각수 유량이 동일하도록 상기 조절밸브의 개도를 조절하는 연료전지 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 세퍼레이터 및 제2 세퍼레이터는,
    외관을 형성하고, 내부에 개질가스 또는 미반응수소가 유동하는 가스 유동부를 형성하는 하우징;
    상기 하우징의 내벽에서 수직으로 연장 형성되는 배플; 및
    상기 하우징 내 배치되고, 냉각수가 유동하는 냉각수 유동부를 형성하는 튜브를 포함하는 연료전지 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 세퍼레이터 및 제2 세퍼레이터는,
    상기 하우징의 일측에 배치되고, 상기 하우징에서 생성된 응축수가 저장되는 드레인판; 및
    물공급탱크와 상기 드레인판을 연결하고, 상기 드레인판에 저장된 응축수가 유동하는 응축수배관을 포함하는 연료전지 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 응축수배관은,
    상기 드레인판에 저장된 응축수의 수위가 일정수준 이상일 때, 응축수를 상기 물공급탱크로 공급하도록 역U자 형상으로 형성된 연료전지 시스템.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 가스 유동부의 가스 유동방향과, 상기 냉각수 유동부의 냉각수 유동방향은 반대인 연료전지 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 세퍼레이터 및 제2 세퍼레이터에 연결되고, 상기 제1 세퍼레이터 및 제2 세퍼레이터를 순환하는 냉각수와 외기가 열교환되는 냉각부열교환기; 및
    상기 냉각부열교환기에 인접하게 배치되고, 상기 냉각부열교환기로 향하는 외기의 유동을 형성하는 팬을 포함하는 연료전지 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 팬은,
    상기 스택에서 개질가스와 공기의 전기화학반응을 통해 전력을 생성하는 발전모드 일 때, 상기 시스템의 발전량에 따라 회전속도가 조절되는 연료전지 시스템.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 연료처리장치와 상기 스택을 연결하고, 상기 연료처리장치에서 배출된 개질가스가 유동하는 제1 배관; 및
    상기 연료처리장치와 상기 스택을 연결하고, 상기 스택에서 배출되는 미반응수소가 유동하는 제2 배관을 포함하고,
    상기 제1 세퍼레이터는 상기 제1 배관에 배치되고,
    상기 제2 세퍼레이터는 상기 제2 배관에 배치되는 연료전지 시스템.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제1 세퍼레이터 및 제2 세퍼레이터를 순환하는 냉각수 유동을 형성하는 냉각부펌프를 포함하는 연료전지 시스템.
  14. 개질가스와 공기의 전기화학반응을 통해 전력을 생성하는 스택; 상기 스택에 상기 개질가스를 공급하는 연료처리장치; 냉각수와 상기 스택에 공급되는 개질가스의 열교환을 통해 상기 개질가스의 수분을 저감시키는 제1 세퍼레이터; 냉각수와 상기 스택에서 배출되는 미반응수소의 열교환을 통해 상기 미반응수소의 수분을 저감시키는 제2 세퍼레이터; 및 시스템의 발전량에 기초하여 상기 제1 세퍼레이터와 제2 세퍼레이터에 공급되는 냉각수의 유량을 조절하는 조절밸브를 포함하는 연료전지 시스템에 있어서, 상기 연료처리장치의 버너를 작동시켜 개질기를 예열하는 단계;
    개질기를 예열하는 단계 이후, 상기 개질기에서 생성된 수소가스의 농도가 설정농도에 도달하도록 수소가스를 개질하는 단계;
    수소가스를 개질하는 단계 이후, 상기 개질가스와 공기의 전기화학반응을 통해 스택에서 전력을 생성하는 단계를 포함하고,
    상기 스택에서 전력을 생성하는 단계는,
    시스템의 발전량에 따라 상기 조절밸브의 개도를 제어하여 상기 제1 세퍼레이터 및 제2 세퍼레이터로 공급되는 냉각수 유량을 조절하는 단계를 포함하는 연료전지 시스템의 제어방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제1 세퍼레이터 및 제2 세퍼레이터로 공급되는 냉각수 유량을 조절하는 단계는, 시스템의 발전량이 점차 증가할 때, 상기 시스템의 발전량에 대응하여 상기 제1 세퍼레이터로 공급되는 냉각수 유량이 점차 증가하고, 상기 제2 세퍼레이터로 공급되는 냉각수 유량이 점차 감소하도록 상기 조절밸브의 개도를 조절하는 연료전지 시스템.

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