KR20230100394A - 연료전지 장치 및 그 제어방법 - Google Patents

연료전지 장치 및 그 제어방법 Download PDF

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장희중
양동근
우형석
박혜리
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엘지전자 주식회사
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Abstract

본 발명에 따른 연료전지 장치는, 스택; 상기 스택으로 개질가스를 공급하는 개질기; 상기 개질기를 가열하는 버너; 상기 버너로부터 배출되는 배기가스에 함유된 오염물질을 교대로 흡착하는 복수개의 흡착기; 상기 복수개의 흡착기를 병렬로 상기 버너와 연결하는 흡착유로; 상기 흡착유로에 배치되고, 상기 버너로부터 배출되는 배기가스가 상기 복수개의 흡착기 중 하나로 선택적으로 공급되도록하는 유로절환밸브; 상기 복수개의 흡착기를 병렬로 외부와 연결하는 배기유로;를 포함하고, 포화된 흡착기를 가열하여 흡착된 오염물질을 탈착시키는 히터; 탈착된 오염물질이 저장되는 저장탱크를 더 포함할 수 있으므로, 복수개의 흡착기 중 어느 하나가 흡착 중일 경우 다른 하나는 재생될 수 있도록하여, 재생 시간으로 인한 별도의 흡착 중지 시간 없이 지속적으로 배기가스 정화를 수행하여 친환경성을 향상시킬 수 있다.

Description

연료전지 장치 및 그 제어방법 {Fuel cell apparatus and method for controlling the same}
본 발명은 연료전지 장치 및 그 제어방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 배기가스의 오염물질을 정화할 수 있는 연료전지 장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.
연료전지 장치는, 연료가스를 개질기에서 개질 반응시켜 수소를 포함하는 개질가스로 변환하고, 이를 발전 장치인 스택으로 공급해, 스택 내의 산소와 전기화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키는 장치이다.
종래 연료전지 장치는, 대한민국 공개특허공보 제10-2020-0053116호와 유사하게, 개질가스를 생성하는 개질 반응이 흡열반응이라는 점에서, 개질기를 가열하기 위한 버너를 구비한다.
그러나, 버너의 연소 결과 생성되는 배기가스에는 이산화탄소 등의 오염물질이 포함되어 있어, 그대로 외부로 배출될 경우 환경 오염을 야기하는 문제점이 있었다.
또한, 종래 연료전지 장치는, 대한민국 등록특허공보 제10-1117633호와 유사하게, 스택으로 공급되는 개질가스 내 일산화탄소를 흡착하여 스택의 발전 효율을 향상시키는 일산화탄소 흡착기를 구비한다.
그러나, 연료전지 장치 내에서 버너로부터 배출되는 배기가스에 함유된 오염물질의 정화와는 무관한 위치에 흡착기를 구비하고 있어, 여전히 연료전지 장치의 배기가스로 인해 환경 오염이 야기되는 문제점이 있었다.
또한, 만약 일산화탄소 흡착기를 연료전지 장치의 배기가스 출구단에 배치한다 하더라도, 흡착기가 단수개로 구비될 뿐이어서, 흡착기 내 흡착제가 포화될 경우 더 이상 흡착 성능을 발휘하지 못하거나, 흡착기가 재생되는 동안에는 흡착 성능을 발휘하지 못한다는 문제점이 있었다.
KR 공개특허공보 제10-2020-0053116호
본 발명의 목적은, 버너로부터 배출되는 배기가스 내 오염물질 흡착기를 구비한 연료전지 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 흡착기의 재생 시간으로 인한 별도의 흡착 중지 시간 없이 지속적으로 배기가스 정화를 수행할 수 있는 연료전지 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 복수개의 흡착기를 구비하더라도 탈착된 오염물질의 운반 및 저장을 위한 압축기를 단수개로 구비하여 공간 효율을 향상시키고 소음을 저감할 수 있는 연료전지 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 연료전지 장치의 운전 조건에 따라 배출되는 배기가스량이 변화하더라도 이에 영향받지 않고 안정적으로 배기가스를 정화하여 외부로 배출할 수 있는 연료전지 장치를 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 실시예에 따른 연료전지 장치는, 스택; 상기 스택으로 개질가스를 공급하는 개질기; 상기 개질기를 가열하는 버너; 상기 버너로부터 배출되는 배기가스에 함유된 오염물질을 교대로 흡착하는 복수개의 흡착기; 상기 복수개의 흡착기를 병렬로 상기 버너와 연결하는 흡착유로; 상기 흡착유로에 배치되고, 상기 버너로부터 배출되는 배기가스가 상기 복수개의 흡착기 중 하나로 선택적으로 공급되도록하는 유로절환밸브; 상기 복수개의 흡착기를 병렬로 외부와 연결하는 배기유로;를 포함하고, 포화된 흡착기를 가열하여 흡착된 오염물질을 탈착시키는 히터; 탈착된 오염물질이 저장되는 저장탱크를 더 포함할 수 있다.
따라서, 버너로부터 배출된 배기가스가 복수개의 흡착기 중 어느 하나로 선택적으로 공급되도록하고, 다른 하나의 흡착기는 재생될 수 있도록함으로써, 재생 시간으로 인한 별도의 흡착 중지 시간 없이 지속적으로 연료전지 장치의 배기가스 정화를 수행할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치의 저장유로는, 상기 복수개의 흡착기를 병렬로 상기 저장탱크와 연결할 수 있고, 상기 저장유로는, 상기 저장탱크와 연결되는 단수개의 메인저장유로; 및 상기 메인저장유로와 상기 복수개의 개별배기유로 각각을 연결하는 복수개의 개별저장유로를 포함할 수 있고, 상기 연료전지 장치는, 상기 메인저장유로에 배치되는 압축기를 더 포함할 수 있다.
따라서, 오염물질의 운반 및 저장을 위한 압축기를 복수개의 흡착기와 병렬로 연결되는 메인저장유로에 배치함으로써 단수개의 압축기만으로 복수개의 흡착기에 대한 오염물질 운반 및 저장 기능을 수행하여, 압축기로 인한 연료전지 장치의 부피 증대를 최소화할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치는, 상기 배기유로에 배치되어 배기가스의 유동을 형성하는 배기블로워를 더 포함할 수 있고, 상기 배기블로워는, 버너로 외기를 공급하는 버너블로워의 회전수에 상응하도록 회전수가 제어될 수 있다.
따라서, 버너블로워의 회전수 증가에 따라 증가되는 양의 배기가스가, 그에 상응하도록 증가되는 배기블로워의 회전수에 의하여 흡착기와 각종 밸브 등에 의한 압력손실에도 불구하고 원활히 외부로 배기될 수 있도록 할 수 있으므로, 연료전지 장치의 운전 조건에 따라 배출되는 배기가스량이 변화하더라도, 이에 영향받지 않고 안정적으로 배기가스를 정화하여 외부로 배출할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치의 제어방법에 있어서, (a) 버너의 배기가스를 상기 복수개의 흡착기 중 어느 하나로 공급하는 단계; (b) 상기 어느 하나의 흡착기가 포화되면, 버너의 배기가스를 다른 하나의 흡착기로 공급하고, 상기 어느 하나의 흡착기를 가열하여 흡착된 오염물질을 탈착하는 단계; (c) 상기 어느 하나의 흡착기가 탈착되면, 상기 어느 하나의 흡착기로 공기를 공급하여 탈착된 오염물질을 저장탱크로 운반하는 단계; (d) 상기 저장탱크로 운반되는 공기에 함유된 오염물질의 농도가 설정농도값 이하이면, 상기 어느 하나의 흡착기의 가열 및 상기 어느 하나의 흡착기로의 공기 공급을 중단하는 단계;를 포함하고, 상기 (c)단계는, 상기 어느 하나의 흡착기를 가열한 시간이 설정된 탈착완료시간 이상이면, 상기 어느 하나의 흡착기로 공기를 공급하여 탈착된 오염물질을 저장탱크로 운반하는 단계일 수 있고, 상기 탈착완료시간 보다 작게 설정된 중간평가주기마다 상기 어느 하나의 흡착기로 공기를 공급하여 탈착된 오염물질을 저장탱크로 운반하는 단계를 더 포함할 수 있다.
따라서, 흡착기의 재생에 있어 탈착완료시간에 도달하기 전이라도 중간평가주기에 따라 흡착기의 탈착 여부를 중간에 평가하여 탈착이 완료된 것으로 판단될 경우 재생 모드를 종료함으로써, 불필요한 흡착기 재생 시간을 줄이고 이후의 흡착 모드 실행에 미리 대기할 수 있도록할 수 있다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치는, 버너와 병렬로 연결되는 복수개의 흡착기, 포화된 흡착기를 재생하기 위한 히터 및 오염물질 저장탱크를 구비하여, 버너로부터 배출된 배기가스가 복수개의 흡착기 중 어느 하나로 선택적으로 공급되도록하고 다른 하나의 흡착기는 재생될 수 있도록함으로써, 재생 시간으로 인한 별도의 흡착 중지 시간 없이 지속적으로 연료전지 장치의 배기가스 정화를 수행하여 친환경성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치는, 단수개의 저장탱크와 복수개의 흡착기를 병렬로 연결하는 저장유로 중 저장탱크의 입구단에 압축기를 배치함으로써, 단수개의 압축기만으로 복수개의 흡착기에 대한 오염물질 운반 및 저장 기능을 수행하여 공간 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치는, 배기가스의 유동을 형성하는 배기블로워의 회전수를 버너로 외기를 공급하는 버너블로워의 회전수에 상응하도록 제어함으로써, 버너블로워의 회전수 증가에 따라 배기가스의 양이 증가하더라도 원활히 외부로 배기 할 수 있으므로, 연료전지 장치의 운전 조건에 영향받지 않고 안정적으로 배기가스 정화 및 배출 성능을 유지할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치의 제어방법은, 포화된 흡착기의 탈착 완료 여부를 평가할 때, 통상적인 탈착 완료에 걸리는 시간보다 작게 설정된 중간평가주기에 따라 흡착기의 탈착 여부를 중간에 평가하여 탈착이 완료된 것으로 판단될 경우 재생 모드를 종료함으로써, 불필요한 흡착기 재생 시간을 줄이고 이후의 흡착 모드 실행에 미리 대기할 수 있도록 하여 배기가스 정화 성능을 향상시킬 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 실시예에 따른 연료전지 장치에 대한 구성도이다.
도 2는, 본 발명의 실시예에 따른 연료처리장치의 구성에 대한 개략도이다.
도 3은, 본 발명의 실시예에 따른 제1흡착기 흡착 모드 중 제2흡착기 대기 단계의 유동흐름도이다.
도 4는, 본 발명의 실시예에 따른 제2흡착기 흡착 모드 중 제1흡착기 탈착 단계의 유동흐름도이다.
도 5는, 본 발명의 실시예에 따른 제2흡착기 흡착 모드 중 제1흡착기 운반 및 평가 단계의 유동흐름도이다.
도 6는, 본 발명의 실시예에 따른 제2흡착기 흡착 모드 중 제1흡착기 대기 단계의 유동흐름도이다.
도 7는, 본 발명의 실시예에 따른 제1흡착기 흡착 모드 중 제2흡착기 탈착 단계의 유동흐름도이다.
도 8는, 본 발명의 실시예에 따른 제1흡착기 흡착 모드 중 제2흡착기 운반 및 평가 단계의 유동흐름도이다.
도 9는, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치의 제어흐름도이다.
도 10는, 도 9의 S6의 제어흐름도이다.
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.
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.
이하, 예를 들어 '400' 은 '400a, 및 400b'를 포함하고, '401b'은 '401ba, 및 401bb'를 포함하는 의미임은 당연하다.
연료전지(Fuel Cell) 장치란 탄화수소계 연료를 개질하여 얻은 수소와 외기중의 산소를 스택의 막전극접합체(MEA)에서 전기화학반응시켜 전기를 생산하는 장치이다.
도 1을 참조하면, 연료전지 장치(1)는, 연료처리부(I), 전력생성부(II), 물순환부(III) 및/또는 열회수부(IV), 배기가스 처리부(V)를 포함할 수 있다.
연료처리부(I)는, 연료처리장치(10), 연료처리장치(10)에 공급되는 연료 가스의 유동을 조절하는 연료밸브(30), 공기를 연료처리장치(10)로 유동시키는 버너블로워(71) 등을 포함할 수 있다.
전력생성부(II)는, 스택(20a, 20b), 연료처리장치(10)에서 토출된 개질가스의 열교환이 일어나는 개질가스 열교환기(21), 스택(20a, 20b)에서 반응하지 않고 배출되는 가스의 열교환이 일어나는 제3열교환기(22), 스택(20a, 20b)에 공급되는 공기에 수분을 공급하는 가습장치(23), 공기를 스택(20a, 20b)으로 유동시키는 스택블로워(72) 등을 포함할 수 있다.
물순환부(III)는, 연료전지 장치(1)에서 생성되는 물을 저장하는 물공급탱크(13), 연료처리장치(10)로 물을 유동시키는 물펌프(38), 연료처리장치(10)로 공급되는 물의 유동을 조절하는 물공급밸브(39), 개질가스 열교환기(21)로 물을 유동시키는 물펌프(43) 등을 포함할 수 있다.
열회수부(IV)는, 열교환에 사용되는 물을 저장하는 열회수탱크(15), 열회수탱크(15)에 저장된 물을 열회수탱크(15) 외부로 유동시키는 열회수펌프(48) 등을 포함할 수 있다.
배기가스 처리부(V)는, 버너로부터 배출되는 배기가스의 오염물질을 흡착하는 흡착기(400), 흡착된 오염물질을 저장하는 저장탱크(415) 등을 포함할 수 있다.
이하 도 1 및 도 2를 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치의 각 부의 구성 중 특정 구성에 관하여 먼저 설명하도록 한다.
스택(20)은, 연료처리장치(10)로부터 공급되는 개질가스에 함유된 수소와 스택블로워(72)로부터 공급되는 외기에 함유된 산소를 전기화학반응을 일으켜 전기 에너지를 생성한다. (도 1 참조)
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, 복수개로 구비되어 서로 연결될 수 있다. 본 발명의 실시예에서, 연료전지 장치(1)는 두 개의 스택(20a, 20b)을 구비하는 것으로 설명하나, 이에 제한되지 않는다.
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. (도 2 참조)
버너(120)는, 개질기(140)에서의 개질 반응이 촉진되도록, 개질기(140)에 열을 공급한다. 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.
개질기(140)는, 스택으로 개질가스를 공급한다. (도 1 참조)
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.
한편, 개질기(130), 제1 반응기(150) 및/또는 제2 반응기(160)를 거쳐 연료처리장치(10)에서 토출되는 가스는, 개질가스로 명명될 수 있다.
이 외, 탈황기(110), 제1 믹서(111), 제2 믹서(112), 증기발생기(130) 등을 포함하는 연료처리장치(10)에 관한 설명은 후술하도록 한다.
버너블로워(71)는, 제1 외부공기유입유로(201) 및 연료측 공기공급유로(202)에 연결될 수 있다. 버너블로워(71)는, 제1 외부공기유입유로(201)를 통해 외부에서 유입되는 공기를, 연료측 공기공급유로(202)를 통해 연료처리장치(10)로 유동시킬 수 있다. (도 1 참조)
버너블로워(71)의 모터는, 제어부와 전기적으로 연결되어 제어부에 의하여 회전수가 제어될 수 있다. 버너블로워(71)의 회전수가 증가하면, 버너로 공급되는 외기량이 증가하면서 버너의 연소량이 상승하여, 버너가 배출하는 배기가스의 양이 증가할 수 있다.
한편, 연료전지 장치(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 장치(1)의 동작 전반을 제어할 수 있다. 제어부는, 연료전지 장치(1)에 구비된 각 구성(예를 들어, 버너블로워(71), 배기블로워(404), 제1유로절환밸브(403), 제2유로절환밸브(412), 공기공급밸브(420), 히터(410), 압축기(414), 농도측정센서(413))과 연결될 수 있고, 각 구성과 상호 간에 신호를 송신 및/또는 수신할 수 있다. 예를 들어, 제어부는, 연료전지 장치(1)에 구비된 각 구성으로부터 수신되는 신호를 처리할 수 있고, 신호를 처리한 결과에 따른 제어 신호를 연료전지 장치(1)에 구비된 각 구성에 송신할 수 있다.
제어부는, 타이머를 구비하여 시간을 측정할 수 있다. 예를 들어, 제어부는, 흡착기(400)의 흡착 모드 실행시 시간(Sn)을 측정하고, 현재시간(Sn+1)과 측정된 시간(Sn)을 빼 미리 설정된 포화기준시간(C)과의 대소를 판단할 수 있다.
이하, 도 3을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치의 배기가스 처리부(V)와 관련된 구성에 대하여 설명한다.
흡착기(400)는, 버너로부터 배출되는 배기가스에 함유된 오염물질을 흡착하고, 복수개로 구비된다. 예를 들어, 흡착기(400)는, 제1흡착기(400a) 및 제2흡착기(400b)로 구비될 수 있다.
흡착기(400)는, 흡착기(400)를 통과하는 배기가스에 함유된 오염물질을 흡착하면서 배기가스를 통과시킬 수 있다.
흡착기(400)는, 일반적으로 배기가스의 오염물질 흡착에 사용되는 흡착제를 구비할 수 있다. 예를 들어, 흡착기(400)는, 버너의 배기가스에 함유된 이산화탄소를 흡착하는 제올라이트 흡착기(400)일 수 있다
흡착기(400) 용량은, 내부에 구비된 흡착제의 용량에 따라 달라 질 수 있다.
흡착제에 흡착된 오염물질은, 히터(410)가 가하는 열에 의하여 다시 탈착될 수 있다. 이때, 탈착된 오염물질을 별도의 저장탱크(415)로 운반함으로써, 흡착제를 재생시켜 다시 사용할 수 있다.
흡착기(400)의 흡착 모드는, 흡착기(400)가 배기가스를 공급받아 오염물질을 흡착하는 상태로 정의될 수 있다.
흡착기(400)의 재생 모드는, 흡착기(400)에 흡착된 오염물질을 탈착시키고(이하, '탈착 단계'), 탈착된 오염물질을 저장탱크(415)로 운반하고(이하, '운반 단계'), 운반되는 유체의 오염물질 농도를 측정하여 탈착 완료 여부를 평가하는 단계(이하, '평가 단계')로 정의될 수 있다.
흡착유로(401)는, 복수개의 흡착기(400)를 병렬로 버너와 연결한다.
예를 들어, 흡착유로(401)는, 버너와 연결되는 단수개의 메인흡착유로(401a)를 포함할 수 있다. 또한, 흡착유로(401)는, 메인흡착유로(401a)와 복수개의 흡착기(400) 각각을 연결하는 복수개의 개별흡착유로(401)를 포함할 수 있다.
예를 들어, 복수개의 개별흡착유로(401)는, 메인흡착유로(401a)와 제1흡착기(400a)를 연결하는 제1개별흡착유로(401ba) 및 메인흡착유로(401a)와 제2흡착기(400b)를 연결하는 제2개별흡착유로(401bb)를 포함할 수 있다.
제1유로절환밸브(403)는, 흡착유로(401)에 배치되고, 버너로부터 배출되는 배기가스가 복수개의 흡착기(400) 중 하나로 선택적으로 공급되도록한다.
제어부는, 제1유로절환밸브(403)를 제어하여 복수개의 흡착기(400)가 교대로 작동하도록 버너로부터 배출되는 배기가스의 유로를 절환할 수 있다. 제어부는, 복수개의 흡착기(400) 중 흡착 모드를 실행할 흡착기(400)로 배기가스가 공급되도록 제1유로절환밸브(403)를 절환하여, 나머지 흡착기(400)로의 배기가스 공급을 차단하고, 나머지 흡착기(400) 중 포화된 흡착기(400)의 경우 재생 모드가 실행되도록 할 수 있다.
예를 들어, 제1유로절환밸브(403)는, 메인흡착유로(401a)와 제1개별흡착유로(401ba) 및 제2개별흡착유로(401bb)가 연결되는 부위에 배치되는 삼방밸브일 수 있다.
이때, 메인흡착유로(401a)를 통하여 제1유로절환밸브(403)로 공급된 배기가스는, 제1유로절환밸브(403)가 제1흡착기(400a)측으로 절환되면, 제1개별흡착유로(401ba)를 통하여 제1흡착기(400a)로 공급될 수 있다. 또는, 제1유로절환밸브(403)가 제2흡착기(400b)측으로 절환되면, 제2개별흡착유로(401bb)를 통하여 제2흡착기(400b)로 공급될 수 있다.
따라서, 버너로부터 배출된 배기가스가 제1흡착기(400a) 및 제2흡착기(400b) 중 어느 하나로 선택적으로 공급되도록 하여, 어느 하나의 흡착기(400)가 흡착 중일 경우 다른 하나의 흡착기(400)는 재생될 수 있도록함으로써, 재생 시간으로 인한 별도의 흡착 중지 시간 없이 지속적으로 흡착을 수행할 수 있다.
배기유로(402)는, 복수개의 흡착기(400)를 병렬로 외부와 연결한다.
예를 들어, 배기유로(402)는, 외부와 연결되는 단수개의 메인배기유로(402a) 및 메인배기유로(402a)와 복수개의 흡착기(400) 각각을 연결하는 복수개의 개별배기유로(402b)를 포함할 수 있다.
예를 들어, 복수개의 개별배기유로(402b)는, 메인배기유로(402a)와 제1흡착기(400a)를 연결하는 제1개별배기유로(402ba) 및 메인배기유로(402a)와 제2흡착기(400b)를 연결하는 제2개별배기유로(402bb)를 포함할 수 있다.
이때, 제1흡착기(400a)를 통과하여 정화된 배기가스는, 제1개별배기유로(402ba) 및 메인배기유로(402a)를 통하여 외부로 배기될 수 있다. 제2흡착기(400b)를 통과하여 정화된 배기가스는, 제2개별배기유로(402bb) 및 메인배기유로(402a)를 통하여 외부로 배기될 수 있다.
배기블로워(404)는, 메인배기유로(402a)에 배치되어 배기가스의 유동을 형성할 수 있다.
예를 들어, 배기블로워(404)는, 메인배기유로(402a)에 음압을 형성함으로써, 버너로부터 배출되어 메인흡착유로(401a)를 유동하는 배기가스가 흡착기(400) 및 개별배기유로(402b)를 통과하여 외부로 배출되도록 할 수 있다. 즉, 배기가스가 생성되어 배출되는 버너를 기준으로 볼 때, 버너의 전단에서는 버너블로워(71)가 압력을 형성하여 배기가스를 밀어주고, 버너의 후단에서는 배기블로워(404)가 부압을 형성하여 배기가스를 당겨줌으로서, 배기가스가 원활히 배출되도록 할 수 있다.
제어부는, 버너블로워(71)의 회전수에 따라 배기블로워(404)의 회전수를 조절할 수 있다. 예를 들어, 상술하였듯 버너로 외기를 공급하는 버너블로워(71)의 회전수가 증가하면, 버너의 연소량이 증가하여 버너로부터 배출되는 배기가스량이 증가하게 된다.
이에 상응하도록, 제어부는, 배기블로워(404)의 회전수를 증가시켜 증가된 양의 배기가스가 흡착기(400)와 밸브 등에 의한 압력손실에도 불구하고 원활히 외부로 배기될 수 있도록 할 수 있다. 따라서, 연료전지 장치의 운전 조건에 따라 배출되는 배기가스량이 변화하더라도, 이에 영향받지 않고 안정적으로 배기가스를 정화하여 외부로 배출할 수 있다.
히터(410)는, 복수개의 흡착기(400) 중 하나를 선택적으로 가열하여 흡착된 오염물질을 탈착시킬 수 있다. 즉, 히터(410)는, 복수개의 흡착기(400) 중 소정 시간 흡착으로 포화된 흡착기(400)를 선택적으로 가열할 수 있다.
히터(410)는, 복수개의 흡착기(400) 각각에 구비되도록 복수개로 구비될 수 있다. 예를 들어, 복수개의 히터(410)는, 제1흡착기(400a)에 인접하게 구비되는 제1히터(410a) 및 제2흡착기(400b)에 인접하게 구비되는 제2히터(410b)를 포함할 수 있다.
제어부는, 재생 모드에 진입한 흡착기(400)의 히터(410)를 작동시켜 해당 흡착기(400)의 탈착이 진행되도록 할 수 있다.
저장탱크(415)에는, 탈착된 오염물질이 저장될 수 있다. 저장탱크(415)는, 탈착된 오염물질을 고압 가스의 형태로 저장하기 위한 저장 시설일 수 있다.
이때, 압축기(414)는, 저장탱크(415)의 입구단에 배치되어 오염물질 및/또는 오염물질을 포함하는 유체를 저장탱크(415)에 저장되기에 적절한 상태로 변환하여 저장탱크(415)로 공급할 수 있다. 예를 들어, 압축기(414)는, 메인저장유로(411a)에 배치될 수 있다.
따라서, 압축기(414)를 메인저장유로(411a)에 배치함으로써 단수개의 압축기(414)가 복수개의 흡착기(400)와 병렬로 연결되도록하여, 압축기(414)로 인한 연료전지 장치의 부피 증대를 최소화할 수 있다.
저장유로(411)는, 복수개의 흡착기(400)를 병렬로 저장탱크(415)와 연결할 수 있다.
예를 들어, 저장유로(411)는, 저장탱크(415)와 연결되는 단수개의 메인저장유로(411a)를 포함할 수 있다. 또한 저장유로(411)는, 메인저장유로(411a)와 복수개의 개별배기유로(402b) 각각을 연결하는 복수개의 개별저장유로(411b)를 포함할 수 있다.
예를 들어, 복수개의 개별저장유로(411b)는, 제1개별배기유로(402ba)와 메인저장유로(411a)를 연결하는 제1개별저장유로(411ba) 및 제2개별배기유로(402bb)와 메인저장유로(411a)를 연결하는 제2개별저장유로(411bb)를 포함할 수 있다.
따라서, 저장유로(411)를 통하여 단수개의 저장탱크(415)를 복수개의 흡착기(400)와 병렬로 연결함으로써, 저장탱크(415)로 인한 연료전지 장치의 부피 증대를 최소화할 수 있다.
농도측정센서(413)는, 메인저장유로(411a)에 배치되어, 저장유로(411)를 통해 저장탱크(415)로 공급되는 유체에 함유된 오염물질의 농도를 측정할 수 있다.
제2유로절환밸브(412)는, 개별배기유로(402b)에서 개별저장유로(411b)가 연결되는 부위에 배치될 수 있다.
예를 들어, 제2유로절환밸브(412)는, 제1개별배기유로(402ba)에서 제1개별저장유로(411ba)가 연결되는 부위에 배치되는 제2-1유로절환밸브(412a) 및 제2개별배기유로(402bb)에서 제2개별저장유로(411bb)가 연결되는 부위에 배치되는 제2-2유로절환밸브(412b)를 포함할 수 있다. 이때, 제2유로절환밸브(412)는, 삼방밸브일 수 있다.
이때, 제1개별배기유로(402ba)는, 제2-1유로절환밸브(412a)를 기준으로 전단(402baa)과 후단(402bab)으로 구분될 수 있고, 제2개별배기유로(402bb)는, 제2-2유로절환밸브(412b)를 기준으로 전단(402bba)과 후단(402bbb)으로 구분될 수 있다.
제2유로절환밸브(412)는, 흡착기(400)가 흡착 모드일 경우에는 배기블로워(404)측으로 절환되고, 흡착기(400)가 재생 모드일 경우에는 저장탱크(415)측으로 절환될 수 있다.
예를 들어, 제1흡착기(400a)의 흡착 모드 중에는 제2-1유로절환밸브(412a)는 배기블로워(404)측으로 절환되어 제1흡착기(400a)를 통과한 정화된 배기가스가 제1개별배기유로 전단(402baa), 제2-1유로절환밸브(412a), 제1개별배기유로 후단(402bab), 및 메인배기유로(402a)를 차례로 통과하여 외부로 배기되도록 할 수 있다.
예를 들어, 제1흡착기(400a)의 재생 모드 중에는 제2-1유로절환밸브(412a)는 저장탱크(415)측으로 절환되어 제1흡착기(400a)를 통과한 오염물질을 함유한 공기가 제1개별배기유로 전단(402baa), 제2-1유로절환밸브(412a), 제1개별저장유로(411ba), 메인저장유로(411a), 및 압축기(414)를 차례로 통과하여 저장탱크(415)에 저장되도록 할 수 있다.
공기공급유로(421)는, 복수개의 흡착기(400) 중 하나로 선택적으로 공기를 공급하여 탈착된 오염물질이 저장탱크(415)로 운반되도록할 수 있다. 공기공급유로(421)는, 외부와 흡착기(400)를 연결할 수 있다.
즉, 공기공급유로(421)는, 복수개의 흡착기(400) 중 탈착을 위하여 가열된 흡착기(400)로 외부로부터 공급되는 공기를 공급할 수 있다.
공기공급유로(421)는, 복수개의 흡착기(400) 각각에 연결되도록 복수개로 구비될 수 있다. 예를 들어, 복수개의 공기공급유로(421)는, 제1흡착기(400a)에 연결되는 제1개별공기공급유로(421ba) 및 제2흡착기(400b)에 연결되는 제2개별공기공급유로(421bb)를 포함할 수 있다.
이때, 제1개별공기공급유로(421ba) 및 제2개별공기공급유로(421bb)는, 외부와 연결된 단수개의 메인공기공급유로(421a)와 연결될 수 있다.
한편, 공기공급유로(421)는, 별도의 블로워를 구비하지 않더라도, 연료전지 장치가 설치된 외부 공간과 흡착기(400) 내부의 압력 차이에 의하여 원활히 흡착기(400)로 공기를 공급할 수 있다. 이에, 공기공급유로(421)에 별도로 개폐 가능한 공기공급밸브(420)를 배치하여, 흡착기(400)로의 공기 공급 여부를 제어할 수 있다.
예를 들어, 공기공급밸브(420)는, 제1개별공기공급유로(421ba)에 배치되는 제1공기공급밸브(420a) 및 제2개별공기공급유로(421bb)에 배치되는 제2공기공급밸브(420b)를 포함할 수 있다.
제어부는, 오염물질의 탈착이 완료되었거나 탈착이 완료되었는지 평가하기위하여, 재생 모드가 실행되는 흡착기(400)와 연결된 개별공기공급유로(421) 내 공기공급밸브(420)를 개방하여, 흡착기(400)로 공기를 공급할 수 있다.
예를 들어, 제1흡착기(400a) 재생 모드 실행 중, 제1흡착기(400a)를 가열한 뒤 충분한 시간이 경과한 경우, 제1공기공급밸브(420a)를 개방하여 제1흡착기(400a)로 공기를 공급할 수 있다. 제1흡착기(400a)로 공급된 공기는, 제1흡착기(400a) 내 탈착된 오염물질과 함께 제1개별배기유로 전단(402baa), 제2-1유로절환밸브(412a), 제1개별저장유로(411ba), 메인저장유로(411a), 및 압축기(414)를 통하여 저장탱크(415)로 운반될 수 있다.
이때, 메인저장유로(411a)에 배치된 농도측정센서(413)에 의하여, 운반되는 유체 내 오염물질의 농도가 측정될 수 있다. 측정 농도가 소정 값 이하이면, 탈착이 완료된 것으로 보아 재생 모드를 종료하고 이후의 흡착 모드가 실행될때까지 흡착기(400)를 대기 상태로 둘 수 있다.
한편, 공기공급유로(421)는, 설치환경에 따라, 연료전지 장치 내 외기가 유동하는 부분과 흡착기(400)를 연결할 수도 있다.
이하, 도 1 및 도 2를 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치의 각 부의 구성 중 나머지 구성에 대하여 설명한다.
탈황기(110)는, 연료 가스에 포함된 황 화합물을 제거하는 탈황공정을 수행할 수 있다. 예를 들어, 탈황기(110)는 내부에 흡착제를 구비할 수 있다. 이때, 탈황기(110)의 내부를 통과하는 연료 가스에 포함된 황 화합물이 흡착제에 흡착될 수 있다.
흡착제는, 금속 산화물, 제올라이트(Zeolite), 활성탄소(activated carbon) 등으로 구성될 수 있다.
탈황기(110)는, 연료 가스에 포함된 이물질을 제거하는 필터를 더 포함할 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.
한편, 본 발명에서 물은 이물질이 제거된 초순수인 냉각수를 의미할 수 있으나, 서술에 있어 물과 냉각수를 특별히 구분하지 않을 수 있다.
증기발생기(130)는, 제1 반응기(150), 제2 반응기(160) 및/또는 버너(120)에서 배출되는 배기가스가 유동하는 배관에 인접하여 배치될 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.
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.
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, 메인흡착유로(401a)를 통해 연료처리장치(10)에서 토출될 수 있다.
연료처리장치(10)는, 개질가스토출유로(104)에 연결될 수 있다. 연료처리장치(10)에서 토출된 개질가스는, 개질가스토출유로(104)를 통해 유동할 수 있다.
개질가스토출유로(104)는, 개질가스의 열교환이 일어나는 개질가스열교환기(21)에 연결될 수 있다. 개질가스토출유로(104)에는, 개질가스열교환기(21)에 유입되는 개질가스의 유동을 조절하는 개질가스밸브(33)가 배치될 수 있다.
개질가스토출유로(104)는, 연료처리장치(10)에서 토출된 개질가스가 연료처리장치(10)로 유동하는 바이패스유로(105)와 연통될 수 있다. 바이패스유로(105)는, 연료처리장치(10)에 연결될 수 있다. 바이패스유로(105)를 통해 연료처리장치(10)에 유입되는 개질가스는, 버너(120)의 연소를 위한 연료로 사용될 수 있다. 바이패스유로(105)에는, 연료처리장치(10)에 유입되는 개질가스의 유동을 조절하는 바이패스밸브(34)가 배치될 수 있다.
개질가스열교환기(21)는, 연료처리장치(10)에서 토출된 개질가스가 유동하는 개질가스토출유로(104)에 연결될 수 있다. 개질가스열교환기(21)는, 물공급탱크(13)에서 토출된 물이 유동하는 냉각수공급유로(304)에 연결될 수 있다. 개질가스열교환기(21)는, 개질가스토출유로(104)를 통해 유입되는 개질가스와, 냉각수공급유로(304)를 통해 공급되는 물을 열교환할 수 있다.
냉각수공급유로(304)에는, 물공급탱크(13)에 저장된 물을 개질가스열교환기(21)로 유동시키는 냉각수펌프(43), 및/또는 냉각수공급유로(304) 내에 유동하는 물의 유량을 검출하는 냉각수유량계(56)가 배치될 수 있다.
개질가스열교환기(21)는, 스택가스공급유로(106)에 연결될 수 있다 개질가스열교환기(21)에서 토출된 개질가스는, 스택가스공급유로(106)를 통해 스택(20a, 20b)으로 유동할 수 있다.
스택가스공급유로(106)에는, 개질가스에 포함된 수분의 양을 조절하는 개질가스 수분제거장치(61)가 배치될 수 있다. 개질가스 수분제거장치(61)로 유입된 개질가스는, 수분이 제거된 후 개질가스 수분제거장치(61)에서 토출될 수 있다.
개질가스 수분제거장치(61)에서 생성된 응축수는, 개질가스 수분제거장치(61)에서 토출되어, 제1 물회수유로(309)로 유동할 수 있다. 제1 물회수유로(309)에는, 물의 유동을 조절하는 제1 물회수밸브(44)가 배치될 수 있다.
스택(20a. 20b)은, 스택가스공급유로(106)를 통해 유입되는 개질가스에 전기화학반응을 일으켜 전기 에너지를 생성할 수 있다. 일 실시예에서, 연료전지 장치(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.
스택블로워(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. 스택블로워(72)는, 제2 외부공기유입유로(203)를 통해 유입되는 공기를, 스택측 공기유입유로(204)를 통해 스택(20) 측으로 유동시킬 수 있다.
제2 외부공기유입유로(203)에는, 공기의 유동 방향을 제한하는 제2 공기측 체크밸브(82)가 배치될 수 있다.
스택측 공기유입유로(204)에는, 스택측 공기유입유로(204) 내에 유동하는 공기의 유량을 검출하는 공기유량계(53)가 배치될 수 있다.
가습장치(23)는, 스택측 공기유입유로(204)를 통해 유입되는 공기에 수분을 공급할 수 있고, 수분이 포함된 공기를 스택측 공기공급유로(205)를 통해 토출할 수 있다.
스택측 공기공급유로(205)에는, 스택(20)으로 공급되는 공기의 유동을 조절하는 스택측 공기공급밸브(36)가 배치될 수 있다.
스택측 공기공급유로(205)는, 스택(20a. 20b)에 각각 대응하는 개별공급유로(206, 207)에 연결될 수 있다. 스택측 공기공급유로(205)를 통해 유동하는 공기는, 개별공급유로(206, 207)를 통해 스택(20a. 20b)으로 공급될 수 있다.
복수의 스택(20a. 20b)은, 가스연결유로(107)에 의해 서로 연결될 수 있다. 제1 스택(20a)에서 반응하지 않고 토출되는 개질 가스는, 가스연결유로(107)를 통해 제2 스택(20b)으로 유입될 수 있다.
가스연결유로(107)에는, 개질가스가 제1 스택(20a)을 통과하는 동안 응축되어 생성된 물을 제거하는 추가수분제거장치(62)가 배치될 수 있다.
추가수분제거장치(62)에서 생성된 물은, 추가수분제거장치(62)에서 토출되어, 제2 물회수유로(310)로 유동할 수 있다. 제2 물회수유로(310)에는, 물의 유동을 조절하는 제2 물회수밸브(45)가 배치될 수 있다. 제2 물회수유로(310)는, 제1 물회수유로(309)에 연결될 수 있다.
스택(20a, 20b)에서 반응하지 않고 배출되는 가스는, 애노드 오프 가스(anode off gas, AOG)로 명명될 수 있다.
스택(20a. 20b)에서 반응하지 않고 토출되는 양극배출가스(AOG)는, 스택가스토출유로(108)를 통해 유동할 수 있다.
AOG열교환기(22)는, 스택(20a. 20b)에서 토출된 양극배출가스(AOG)가 유동하는 스택가스토출유로(108)에 연결될 수 있다. AOG열교환기(22)는, 열회수탱크(15)에서 토출된 물이 유동하는 온수공급유로(313)에 연결될 수 있다. AOG열교환기(22)는, 스택가스토출유로(108)를 통해 유입되는 양극배출가스(AOG)와, 온수공급유로(313)를 통해 공급되는 물을 열교환할 수 있다.
온수공급유로(313)에는, 열회수탱크(15)에 저장된 물을 AOG열교환기(22)로 유동시키는 온수펌프(48) 및/또는 온수공급유로(313) 내에 유동하는 물의 유량을 검출하는 온수유량계(55)가 배치될 수 있다.
AOG열교환기(22)는, AOG공급유로(109)에 연결될 수 있고, AOG공급유로(109)를 통해 열교환된 양극배출가스(AOG)를 토출할 수 있다. AOG열교환기(22)에서 토출된 양극배출가스(AOG)는, AOG공급유로(109)를 통해 연료처리장치(10)로 유동할 수 있다. AOG공급유로(109)를 통해 연료처리장치(10)에 공급된 양극배출가스(AOG)는, 버너(120)의 연소를 위한 연료로 사용될 수 있다.
AOG공급유로(109)에는, 양극배출가스(AOG)에 포함된 수분의 양을 조절하는 AOG 수분제거장치(63) 및/또는 연료처리장치(10)로 공급되는 양극배출가스(AOG)의 유동을 조절하는 AOG밸브(35)가 배치될 수 있다. AOG 수분제거장치(63)로 유입된 양극배출가스(AOG)는, 수분이 제거된 후 AOG 수분제거장치(63)에서 토출될 수 있다.
AOG 수분제거장치(63)에서 생성된 응축수는, AOG 수분제거장치(63)에서 토출되어, 제3 물회수유로(311)를 통해 유동할 수 있다. 제3 물회수유로(311)에는, 물의 유동을 조절하는 제3 물회수밸브(46)가 배치될 수 있다. 제3 물회수유로(311)는, 제1 물회수유로(309)에 연결될 수 있다.
스택측 공기토출유로(211)는, 스택(20a. 20b)에 각각 대응하는 개별토출유로(208, 209)에 연결될 수 있다. 스택(20a, 20b)에서 토출된 공기는, 개별토출유로(208, 209)를 통해 스택측 공기토출유로(211)로 유동할 수 있다. 이때, 스택측 공기토출유로(211)를 통해 유동하는 공기는, 스택(20a, 20b)에서 일어나는 전기화학반응에 의해 생성되는 수분을 포함할 수 있다.
스택측 공기토출유로(211)는, 가습장치(23)에 연결될 수 있다. 가습장치(23)는, 스택측 공기토출유로(211)를 통해 공급되는 공기에 포함된 수분을 이용하여, 스택(20)으로 유동하는 공기에 수분을 공급할 수 있다. 스택측 공기토출유로(211)를 통해 가습장치(23)에 공급된 공기는, 가습장치(23)를 거쳐 가습장치토출유로(212)로 토출될 수 있다.
물공급탱크(13)는, 물유입유로(301)에 연결될 수 있고, 물유입유로(301)를 통해 공급되는 물을 저장할 수 있다. 물유입유로(301)에는, 외부에서 공급되는 물에 포함된 이물질을 제거하는 제1 액체필터(92) 및/또는 물공급탱크(13)에 유입되는 물의 유동을 조절하는 물유입밸브(41)가 배치될 수 있다.
물공급탱크(13)는, 물배출유로(302)에 연결될 수 있고, 물배출유로(302)를 통해 물공급탱크(13)에 저장된 물 중 적어도 일부를 외부로 배출할 수 있다. 물배출유로(302)에는, 물공급탱크(13)에서 배출되는 물의 유동을 조절하는 물배출밸브(42)가 배치될 수 있다.
물공급탱크(13)는, 물저장유로(308)에 연결될 수 있고, 물저장유로(308)를 통해 유동하는 물을 저장할 수 있다. 예를 들어, 개질가스 수분제거장치(61), 추가수분제거장치(62), AOG 수분제거장치(63) 및/또는 공기 수분제거장치(64)에서 토출되어 제3 물회수유로(311)를 통해 유동하는 물이, 물저장유로(308)를 거쳐 물공급탱크(13)로 유입될 수 있다. 물저장유로(308)에는, 물공급탱크(13)로 회수되는 물에 포함된 이물질을 제거하는 제2 액체필터(93)가 배치될 수 있다.
물공급탱크(13)에 저장된 물 중 적어도 일부는, 냉각수펌프(43)에 의해 개질가스열교환기(21)로 유동할 수 있고, 개질가스열교환기(21)에서 개질가스와 열교환될 수 있다. 개질가스열교환기(21)에서 토출된 물은, 스택물공급유로(305)를 통해 스택(20a, 20b)으로 유입될 수 있다.
스택물공급유로(305)를 통해 스택(20a, 20b)으로 유입된 물은, 스택(20a, 20b)을 냉각할 수 있다. 스택(20a, 20b)으로 유입된 물은, 스택(20a, 20b)에 포함된 스택 열교환기(미도시)를 따라 유동할 수 있고, 스택(20a, 20b)에서 일어나는 전기화학반응에 의해 발생하는 열을 흡수할 수 있다.
복수의 스택(20a. 20b)은, 물연결유로(306)에 의해 연결될 수 있다. 제1 스택(20a)에서 토출되는 물은, 물연결유로(306)를 통해 제2 스택(20b)으로 유입될 수 있다.
스택(20a, 20b)에서 토출되는 물은, 스택물토출유로(307)를 통해 냉각수열교환기(24)로 유입될 수 있다. 냉각수열교환기(24)는, 스택(20a, 20b)에서 토출된 물과, 열회수탱크(15)에서 토출된 물을 열교환할 수 있다. 스택(20a, 20b)에서 토출된 물은, 냉각수열교환기(24)를 거쳐 물저장유로(308)로 유동할 수 있다.
온수펌프(48)에 의해 열회수탱크(15)에서 토출된 물은, 온수공급유로(313)를 거쳐 AOG열교환기(22)로 유입될 수 있다. AOG열교환기(22)에서 양극배출가스(AOG)와 열교환된 물은, 제1 온수순환회로(314)로 토출될 수 있다.
공기열교환기(25)는, 가습장치(23)에서 토출된 공기가 유동하는 가습장치토출유로(212)에 연결될 수 있다. 공기열교환기(25)는, AOG열교환기(22)에서 토출된 물이 유동하는 제1 온수순환회로(314)에 연결될 수 있다. 공기열교환기(25)는, 가습장치토출유로(212)을 통해 유입되는 공기와 제1 온수순환회로(314)를 통해 유입되는 물을 열교환할 수 있다.
공기열교환기(25)에서 열교환된 공기는, 공기배출유로(213)를 통해 공기열교환기(25)에서 토출될 수 있다. 공기배출유로(213)는 메인흡착유로(401a)와 연통될 수 있고, 메인흡착유로(401a)에 유동하는 배기가스와 공기배출유로(213)에 유동하는 공기가 혼합될 수 있다.
공기배출유로(213)에는, 공기 수분제거장치(64)가 배치될 수 있다. 공기 수분제거장치(64)는, 외부로 배출되는 공기에 포함된 수분의 양을 조절할 수 있다. 공기 수분제거장치(64)로 유입된 공기는, 수분이 제거된 후 공기 수분제거장치(64)에서 토출될 수 있다.
공기 수분제거장치(64)에서 생성된 응축수는, 공기 수분제거장치(64)에서 토출되어 제4 물회수유로(312)를 통해 유동할 수 있다. 제4 물회수유로(312)에는, 물의 유동을 조절하는 제4 물회수밸브(47)가 배치될 수 있다. 제4 물회수유로(312)는, 물저장유로(308)에 연결될 수 있다.
공기열교환기(25)에서 열교환된 물은, 제2 온수순환유로(315)을 통해 공기열교환기(25)에서 토출될 수 있다. 공기열교환기(25)에서 토출된 물은, 제2 온수순환유로(315)을 통해 냉각수열교환기(24)로 유입될 수 있다.
냉각수열교환기(24)는, 스택물토출유로(307)를 통해 유입되는 물과, 제2 온수순환유로(315)를 통해 유입되는 물을 열교환할 수 있다.
배기열교환기(26)는, 배기가스가 유동하는 메인흡착유로(401a)에 연결될 수 있다. 배기열교환기(26)는, 냉각수열교환기(24)에서 토출된 물이 유동하는 제3 온수순환유로(316)에 연결될 수 있다. 배기열교환기(26)는, 메인흡착유로(401a)를 통해 유입되는 배기가스와, 제3 온수순환유로(316)를 통해 유입되는 물을 열교환할 수 있다.
배기열교환기(26)에서 열교환된 배기가스는 메인흡착유로(401a)로 토출될 수 있고, 메인흡착유로(401a)에 유동하는 배기가스는 흡착기(400)를 통과하여 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.
이하, 도 3 내지 도 10, 특히 도 9 및 도 10을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치의 제어방법에 대하여 설명한다.
본 발명의 버너의 배기가스에 함유된 오염물질을 흡착하는 흡착기(400)를 복수개 구비한 연료전지 장치의 제어방법에 있어서, 제1흡착기(400a) 및 제2흡착기(400b)를 구비하는 경우를 예로 들어 설명한다.
또한, 흡착기(400)는 배기가스에 함유된 특정 종류의 오염물질을 흡착하도록 구비될 수 있으나, 이하 이산화탄소(CO2)를 흡착하는 제올라이트 흡착기(400)임을 전제로 서술한다.
연료전지 장치가 운전을 개시하면, 버너블로워(71)를 작동하고 회전수를 조절할 수 있다. (S11)
이에, 버너로 외기가 공급되고, 버너는 공급받은 외기와 별도로 공급받은 연료가스를 연소하여 개질기를 가열할 수 있다. 이때, 버너는 연소의 결과물로 배기가스를 배출한다.
일정 온도에 도달한 개질기가 연료가스와 증기를 공급받아 개질가스를 생성하고, 생성된 개질가스를 스택으로 공급하여 전기에너지를 생성하는 점은 연료전지 장치의 일반적인 작동에 해당하므로 자세한 설명을 생략한다.
일반적으로, 연료전지 장치의 목표 발전량이 상승할수록, 스택에서 요구되는 개질가스의 공급량이 상승하므로, 흡열반응인 개질기에서의 개질 반응을 촉진하기위하여 버너블로워(71)의 회전수가 증가되도록 조절할 수 있다.
상술하였듯, 버너로부터 배출되는 배기가스가 외부로 원활히 유동할 수 있도록 배기블로워(404)를 작동하고 회전수를 조절할 수 있다. (S12)
즉, 버너로 외기를 공급하는 버너블로워(71)의 회전수에 따라 버너의 배기가스를 외부로 배출시키는 배기블로워(404)의 회전수를 조절하여 (S1), 연료전지 장치의 목표 발전량이 상승함에 따라 배기가스 배출량이 상승하더라도 배기가스의 배출 유로상에 구비된 흡착기(400) 및 밸브 등에 의한 압력손실을 극복하고 배기가스가 원활히 배출되도록 할 수 있다.
버너로부터 배출되는 배기가스는 복수개의 흡착기(400) 중 어느 하나로 공급될 수 있다. 즉, 이산화탄소를 함유한 배기가스가 흡착기(400)를 통과한 다음 외부로 배출되도록하여, 배기가스를 정화한 다음 외부로 배출할 수 있다.
예를 들어, 버너의 배기가스가 제1흡착기(400a)로 공급되도록하면서 제1흡착기(400a)를 통해 배기가스를 정화하는 제1흡착기(400a) 흡착 모드를 실행할 수 있다. (S2)
이때, 제1유로절환밸브(403)는, 제1흡착기(400a)측으로 절환될 수 있다. 이에, 버너로부터 배출되어 메인흡착유로(401a)를 유동하는 배기가스는 제1개별흡착유로(401ba)를 통해 제1흡착기(400a)로 공급될 수 있다.
이때, 제2-1유로절환밸브(412a)는, 배기블로워(404)측으로 절환될 수 있다. 이에, 제1흡착기(400a)에서 정화된 배기가스는, 제1개별배기유로(402ba)를 통해 배기블로워(404) 및 메인배기유로(402a)로 유동하여 외부로 배출될 수 있다. (도 3 참조)
이때, 제2-2유로절환밸브(412b)는, 저장탱크(415)측으로 절환될 수 있다. 이에, 제2흡착기(400b)의 재생이 필요한 경우, 제2흡착기(400b)에서 탈착된 이산화탄소는 제2개별공기공급유로(421bb)를 통해 제2흡착기(400b)로 공급된 공기와 함께 제2개별배기유로 전단(402bba), 제2개별저장유로(411bb), 메인저장유로(411a)를 차례로 통과하며 저장탱크(415)에 저장될 수 있다.
제1흡착기(400a)의 흡착 모드가 실행되면, 제어부는 시간(Sn)을 측정할 수 있다.
초기 구동시에 제2흡착기(400b)는, 재생된 상태로 제1흡착기(400a) 흡착 모드가 종료될때까지 대기하도록 할 수 있다. (도 3 참조) 초기 구동이 아닐 경우, 포화된 제2흡착기(400b)는 재생 모드가 실행되도록 한다. (S3) 흡착기(400)의 재생 모드에 관하여는 후술하도록 한다.
연료전지 장치의 작동에 따라 지속적으로 버너로부터 배기가스가 배출되면, 제1흡착기(400a)가 흡착한 이산화탄소의 양이 제1흡착기(400a)의 흡착 용량에 도달하여 제1흡착기(400a)가 포화될 수 있다.
제1흡착기(400a)의 포화여부는, 예를 들어, 제1흡착기(400a)가 흡착한 시간이 제어부에 미리 설정된 포화기준시간(C) 이상인지, 즉 제1흡착기(400a) 흡착 모드 실행 시간이 포화기준시간(C)에 도달하였는지로 판단할 수 있다. (S4) 즉, 현재시간 (Sn+1)에서 제1흡착기(400a) 흡착 모드 진입 시간(Sn)을 뺀 값이 포화기준시간(C) 이상인지 판단할 수 있다.
포화기준시간(C)이란, 일반적인 연료전지 장치의 작동 양상에 따른 배기가스 배출량을 고려하여, 단일개의 흡착기(400)가 더 이상 이산화탄소를 흡착할 수 없는 포화 상태에 도달하는데 걸리는 시간으로서 미리 계산되어 제어부에 설정된 값일 수 있다.
포화기준시간(C)은, 흡착기(400)의 흡착 용량, 연료전지 장치의 목표 발전량 등을 고려하여 설정될 수 있다.
제1흡착기(400a) 흡착시간이 포화기준시간(C)에 도달한 경우, 제1흡착기(400a) 흡착 모드를 종료하고 제2흡착기(400b) 흡착 모드를 실행할 수 있다. (S5)
이때, 제1유로절환밸브(403)는, 제2흡착기(400b)측으로 절환될 수 있다. 이에, 버너로부터 배출되어 메인흡착유로(401a)를 유동하는 배기가스는 제2개별흡착유로(401bb)를 통해 제2흡착기(400b)로 공급될 수 있다.
이때, 제2-2유로절환밸브(412b)는, 배기블로워(404)측으로 절환될 수 있다. 이에, 제2흡착기(400b)에서 정화된 배기가스는, 제2개별배기유로(402bb)를 통해 배기블로워(404) 및 메인배기유로(402a)로 유동하여 외부로 배출될 수 있다. (도 4 참조)
이때, 제2-1유로절환밸브(412a)는, 저장탱크(415)측으로 절환될 수 있다. 이에, 제1흡착기(400a)의 재생 시에, 제1흡착기(400a)에서 탈착된 이산화탄소는 제1개별공기공급유로(421ba)를 통해 제1흡착기(400a)로 공급된 공기와 함께 제1개별배기유로 전단(402baa), 제1개별저장유로(411ba), 메인저장유로(411a)를 차례로 통과하며 저장탱크(415)에 저장될 수 있다.
제2흡착기(400b)의 흡착 모드가 실행되면, 제어부는 시간(Sn)을 측정할 수 있다.
그 뒤, 제1흡착기(400a) 재생 모드를 실행할 수 있다.(S6) 즉, 어느 하나의 흡착기(400)가 포화되면, 버너의 배기가스를 다른 하나의 흡착기(400)로 공급하고, 어느 하나의 흡착기(400)는 재생되도록 할 수 있다. 흡착기(400)의 재생 모드에 관하여는 후술하도록 한다.
연료전지 장치의 작동에 따라 지속적으로 버너로부터 배기가스가 배출되면, 제2흡착기(400b)가 흡착한 이산화탄소의 양이 제2흡착기(400b)의 흡착 용량에 도달하여 제2흡착기(400b)가 포화될 수 있다.
예를 들어, 제2흡착기(400b)의 포화여부는, 제1흡착기(400a)의 경우와 마찬가지로, 제2흡착기(400b)가 흡착한 시간이 제어부에 미리 설정된 포화기준시간(C) 이상인지, 즉 제2흡착기(400b) 흡착 모드 실행 시간이 포화기준시간(C)에 도달하였는지로 판단할 수 있다. (S7) 즉, 현재시간 (Sn+1)에서 제2흡착기(400b)의 흡착 모드 진입 시간(Sn)을 뺀 값이 포화기준시간(C) 이상인지 판단할 수 있다.
제2흡착기(400b) 흡착시간이 포화기준시간(C)에 도달한 경우, 제2흡착기(400b) 흡착 모드를 종료하고 다시 S1 단계로 회귀하여, 재생이 완료되어 대기 상태에 있던 제1흡착기(400a)가 흡착 모드에 진입하도록 할 수 있다.
이하, 흡착기(400)의 재생 모드에 관하여 설명한다. 이때, 제1흡착기(400a)의 재생 모드(S6)를 예로 들어, 흡착기(400)의 재생에 관하여 설명한다.
먼저, 복수개의 흡착기(400) 중 어느 하나의 흡착기(400)가 포화되면, 어느 하나의 흡착기(400)를 가열하여 흡착된 오염물질을 탈착할 수 있다. (즉, 재생 모드 중 탈착 단계)
예를 들어, 제1흡착기(400a)가 포화되면, 제1흡착기(400a)에 인접하게 배치된 제1히터(410a)를 작동하여 제1흡착기(400a)를 가열할 수 있다. 이때, 제1흡착기(400a)가 재생 모드에 진입한 초기 시간(Tn)을 측정할 수 있다. (S61) (도 4 참조)
그 다음, 어느 하나의 흡착기(400)가 탈착되었는지 판단할 수 있다.
이를 위하여, 제1흡착기(400a) 재생 모드 실행 중 초기 시간(Tn)과는 별도로 중간 시간(Mn)을 측정할 수 있다. (S62)
또한, 제1흡착기(400a)가 상술한 포화기준시간(C) 동안 완전히 포화되었을 경우, 완전한 탈착을 위해 일반적으로 소요되는 시간으로서 탈착완료시간(R)을 미리 계산하여 제어부에 저장해놓을 수 있다.
그러나, 제1흡착기(400a)가 완전히 탈착되는데 소요되는 시간은 제1흡착기(400a) 내 이산화탄소 흡착량에 따라 결정되는 것으로서, 연료전지 장치의 평균적인 배기가스 배출량을 고려한 포화기준시간(C) 동안 제1흡착기(400a)가 흡착하였다하더라도, 연료전지 장치의 운전 조건 변화, 버너의 연소 효율 변화등에 따라 제1흡착기(400a)가 흡착한 이산화탄소의 양은 제1흡착기(400a)의 흡착 용량에 미치지 못할 수 있다.
따라서, 탈착완료시간(R)에 도달하기 전이라도 제1흡착기(400a)의 완전 탈착 여부를 중간에 평가하여 탈착이 완료된 것으로 판단될 경우 재생 모드를 종료함으로써 불필요한 흡착기(400) 재생 시간을 줄이고 이후의 흡착 모드 실행에 미리 대기할 수 있도록, 중간평가주기(M)을 미리 제어부에 저장해놓을 수 있다.
중간평가주기(M)은 탈착완료시간(R)을 고려하여 설정될 수 있다. 중간평가주기(M)가 과도하게 짧게 설정되면, 압축기(414)가 빈번하게 작동되어 소음 및 소비전력이 상승할 수 있다. 중간평가주기(M)가 과도하게 길게 설정되면, 흡착기(400)가 완전히 탈착되었음에도 이에 대응하지 못한체 계속하여 히터(410)를 작동시킴으로서 흡착기(400)가 과탈착될 수 있다.
예를 들어, 탈착완료시간(R)이 2시간일 경우, 중간평가주기는 25분으로 설정될 수 있다.
현재시간(Mn+1)에서 측정된 중간 시간(Mn)을 뺀 값이 설정된 중간평가주기(M) 이상인지 판단할 수 있다. (S63a)
현재시간(Mn+1)에서 측정된 중간 시간(Mn)을 뺀 값이 설정된 중간평가주기(M) 이상이면, 후술할 제1흡착기(400a)의 운반 단계로 진입한다. 즉, 탈착완료시간 보다 작게 설정된 중간평가주기마다 어느 하나의 흡착기(400)로 공기를 공급하여 탈착된 오염물질을 저장탱크(415)로 운반할 수 있다.
현재시간(Mn+1)에서 측정된 중간 시간(Mn)을 뺀 값이 설정된 중간평가주기(M) 미만이면, 현재시간(Tn+1)에서 측정된 초기 시간(Tn)을 뺀 값이 설정된 탈착완료시간(R) 이상인지 판단할 수 있다. (S63b)
현재시간(Tn+1)에서 측정된 초기 시간(Tn)을 뺀 값이 설정된 탈착완료시간(R) 이상이면, 제1흡착기(400a)를 가열한 시간이 일반적으로 탈착이 완료될 시간에 도달한 것으로 보아 중간평기주기(M)의 경과 여부와 무관하게 후술할 제1흡착기(400a)의 운반 단계로 진입한다. 즉, 어느 하나의 흡착기(400)를 가열한 시간이 설정된 탈착완료시간 이상이면, 어느 하나의 흡착기(400)로 공기를 공급하여 탈착된 오염물질을 저장탱크(415)로 운반할 수 있다.
현재시간(Tn+1)에서 측정된 초기 시간(Tn)을 뺀 값이 설정된 탈착완료시간(R) 미만이면, 다시 S63a 단계로 돌아가 중간평가주기(M) 경과 여부를 판단하면서 제1흡착기(400a)의 가열을 지속하게 된다.
그 다음, 어느 하나의 흡착기(400)가 탈착되면, 어느 하나의 흡착기(400)로 공기를 공급하여 탈착된 오염물질을 저장탱크(415)로 운반할 수 있다. (즉, 재생 모드 중 운반 단계)
예를 들어, 제1흡착기(400a) 내 탈착된 이산화탄소를 저장탱크(415)로 운반하기 위하여, 제1공기공급밸브(420a)를 개방하고 압축기(414)를 작동시킬 수 있다. (S64)
제1공기공급밸브(420a)가 개방됨에 따라, 제1개별공기공급유로(421ba)를 통해 유입되는 공기가 제1흡착기(400a)로 공급될 수 있다. 제1흡착기(400a)로 공급된 공기는, 제1흡착기(400a) 내 탈착된 이산화탄소와 함께 제1개별배기유로 전단(402baa), 제1개별저장유로(411ba), 및 메인저장유로(411a)를 통해 압축기(414)로 공급될 수 있다. 압축기(414)는, 이산화탄소를 함유한 공기를 압축하여 저장탱크(415)로 공급할 수 있다. (도 5 참조)
그 다음, 어느 하나의 흡착기(400)로부터 저장탱크(415)로 운반되는 공기에 함유된 오염물질의 농도를 측정하여, 어느 하나의 흡착기(400)가 완전히 탈착된 것인지 판단할 수 있다. (재생 모드 중 평가 단계)
예를 들어, 메인저장유로(411a)에 배치된 농도측정센서(413)는, 저장탱크(415)로 운반되는 공기의 CO2 농도(Gn)을 측정하고(S65), 측정된 CO2 농도값(Gn)이 설정농도값(Gt) 이하인지 판단한다.(S66)
설정농도값(Gt)란, 저장탱크(415)로 운반되는 공기에 대기 중에 함유된 이산화탄소 외의 추가적인 이산화탄소가 함유된 것으로 볼 수 없는 정도의 CO2 농도값으로서, 미리 설정되어 제어부에 저장된 값이다.
즉, 측정 CO2 농도값(Gn)이 설정농도값(Gt) 이하라면, 흡착기(400) 내에 탈착된 이산화탄소가 없거나 미미한 것으로 볼 수 있어, 흡착기(400)의 탈착이 완료된 것으로 볼 수 있다.
그 다음, 측정된 농도를 바탕으로 어느 하나의 흡착기(400)가 완전히 탈착된 것으로 판단되면, 어느 하나의 흡착기(400)의 재생 모드를 종료하고, 흡착 모드가 실행될때까지 대기하도록 할 수 있다. (대기 단계)
예를 들어, 측정된 CO2 농도값(Gn)이 설정농도값(Gt) 이하이면, 제1히터(410a)를 정지하고, 제1공기공급밸브(420a)를 폐쇄하고, 압축기(414)를 정지하여 제1흡착기(400a)가 대기 상태에 있도록 할 수 있다. (S67a) (도 6 참조) 즉, 저장탱크(415)로 운반되는 공기에 함유된 오염물질의 농도가 설정농도값 이하이면, 어느 하나의 흡착기(400)의 가열 및 어느 하나의 흡착기(400)로의 공기 공급을 중단할 수 있다.
또한, 측정된 CO2 농도값(Gn)이 설정농도값(Gt) 보다 크면, 제1공기공급밸브(420a)를 폐쇄하고 압축기(414)를 정지한 다음, S62단계로 돌아가 탈착을 계속한다(S67b). 즉, 저장탱크(415)로 운반되는 공기에 함유된 오염물질의 농도가 설정농도값 보다 크면, 어느 하나의 흡착기(400)로의 공기 공급을 중단하고 탈착 단계로 돌아갈 수 있다.
한편, 본 실시예에서, 운반 단계 및 평가 단계 실행시 흡착기(400)를 가열하는 히터(410)는 작동 상태로 유지하는 것을 전제로 서술하였으나, 소비전력 절감을 위하여, 운반 단계 및 평가 단계에서 히터(410)를 OFF하고, 다시 탈착 단계로 돌아올 경우에만 히터(410)를 ON할 수도 있다.
제2흡착기(400b)의 재생 모드(S3)에 관한 설명은, 제1흡착기(400a)의 재생 모드와 용어의 치환이 있을 뿐 내용이 동일하므로 (도 7 및 도 8 참조), 상술한 제1흡착기(400a)의 재생 모드(S6)에 관한 설명으로 갈음하도록 한다.
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.
예를 들어, 초기 구동시 제1흡착기(400a) 흡착 모드에 앞서 제2흡착기(400b) 흡착 모드를 먼저 실행할 수도 있다.
예를 들어, 2개의 흡착기(400)가 구비된 경우를 예로 들어 설명하였으나, 그 이상의 흡착기(400)가 구비되어 각각 교대로 흡착 모드를 실행하거나 또는 복수개의 흡착기(400) 중 일부인 복수개의 흡착기(400)가 흡착 모드를 동시에 실행할 수도 있다.
예를 들어, 버너블로워(71)와 배기블로워(404)의 회전수 조절은 본 실시예에 따른 순서와 무관하게 실행될 수 있으며, 다른 단계와 동시에 실행될 수도 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.

Claims (15)

  1. 산소와 수소를 전기화학반응시켜 전기에너지를 생성하는 스택;
    상기 스택으로 개질가스를 공급하는 개질기;
    상기 개질기를 가열하는 버너;
    상기 버너로부터 배출되는 배기가스에 함유된 오염물질을 흡착하는 복수개의 흡착기;
    상기 복수개의 흡착기를 병렬로 상기 버너와 연결하는 흡착유로;
    상기 흡착유로에 배치되고, 상기 버너로부터 배출되는 배기가스가 상기 복수개의 흡착기 중 하나로 선택적으로 공급되도록하는 제1유로절환밸브; 및
    상기 복수개의 흡착기를 병렬로 외부와 연결하는 배기유로를 포함하는 연료전지 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지 장치는,
    상기 복수개의 흡착기 중 하나를 선택적으로 가열하여 흡착된 오염물질을 탈착시키는 히터;
    탈착된 오염물질이 저장되는 저장탱크; 및
    상기 복수개의 흡착기를 병렬로 상기 저장탱크와 연결하는 저장유로를 더 포함하는 연료전지 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 배기유로는,
    외부와 연결되는 단수개의 메인배기유로; 및
    상기 메인배기유로와 상기 복수개의 흡착기 각각을 연결하는 복수개의 개별배기유로를 포함하는 연료전지 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 저장유로는,
    상기 저장탱크와 연결되는 단수개의 메인저장유로; 및
    상기 메인저장유로와 상기 복수개의 개별배기유로 각각을 연결하는 복수개의 개별저장유로를 포함하는 연료전지 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 연료전지 장치는,
    상기 개별배기유로에서 상기 개별저장유로가 연결되는 부위에 배치되는 제2유로절환밸브를 더 포함하는 연료전지 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 연료전지 장치는,
    상기 메인저장유로에 배치되는 압축기를 더 포함하는 연료전지 장치.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 연료전지 장치는,
    상기 메인배기유로에 배치되어 배기가스의 유동을 형성하는 배기블로워를 더 포함하는 연료전지 장치.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 연료전지 장치는,
    상기 복수개의 흡착기 중 하나로 선택적으로 공기를 공급하여 탈착된 오염물질이 상기 저장탱크로 운반되도록하는 공기공급유로를 더 포함하는 연료전지 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 공기공급유로는,
    외부와 상기 흡착기를 연결하고,
    상기 연료전지 장치는,
    상기 공기공급유로에 배치되어 개폐되는 공기공급밸브를 더 포함하는 연료전지 장치.
  10. 버너의 배기가스에 함유된 오염물질을 흡착하는 흡착기를 복수개 구비한 연료전지 장치의 제어방법에 있어서,
    (a) 버너의 배기가스를 상기 복수개의 흡착기 중 어느 하나로 공급하는 단계;
    (b) 상기 어느 하나의 흡착기가 포화되면, 버너의 배기가스를 다른 하나의 흡착기로 공급하고, 상기 어느 하나의 흡착기를 가열하여 흡착된 오염물질을 탈착하는 단계;
    (c) 상기 어느 하나의 흡착기가 탈착되면, 상기 어느 하나의 흡착기로 공기를 공급하여 탈착된 오염물질을 저장탱크로 운반하는 단계; 및
    (d) 상기 저장탱크로 운반되는 공기에 함유된 오염물질의 농도가 설정농도값 이하이면, 상기 어느 하나의 흡착기의 가열 및 상기 어느 하나의 흡착기로의 공기 공급을 중단하는 단계를 포함하는 연료전지 장치의 제어방법.
  11. 제10항에 있어서,
    버너로 외기를 공급하는 버너블로워의 회전수에 따라 버너의 배기가스를 외부로 배출시키는 배기블로워의 회전수를 조절하는 단계를 더 포함하는 연료전지 장치의 제어방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 (b)단계는,
    상기 어느 하나의 흡착기로 버너의 배기가스가 공급된 시간이 설정된 포화기준시간 이상이면, 버너의 배기가스를 다른 하나의 흡착기로 공급하고, 상기 어느 하나의 흡착기를 가열하여 흡착된 오염물질을 탈착하는 탈착 단계인 연료전지 장치의 제어방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 (c)단계는,
    상기 어느 하나의 흡착기를 가열한 시간이 설정된 탈착완료시간 이상이면, 상기 어느 하나의 흡착기로 공기를 공급하여 탈착된 오염물질을 저장탱크로 운반하는 단계인 연료전지 장치의 제어방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 (c)단계는,
    상기 탈착완료시간 보다 작게 설정된 중간평가주기마다 상기 어느 하나의 흡착기로 공기를 공급하여 탈착된 오염물질을 저장탱크로 운반하는 단계를 더 포함하는 연료전지 장치의 제어방법.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 (d)단계는,
    상기 저장탱크로 운반되는 공기에 함유된 오염물질의 농도가 설정농도값 보다 크면, 상기 어느 하나의 흡착기로의 공기 공급을 중단하고 상기 (c)단계로 돌아가는 단계를 더 포함하는 연료전지 장치의 제어방법.
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