KR20230104484A - 연료전지 시스템 - Google Patents

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KR20230104484A
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케레스 인텔렉츄얼 프로퍼티 컴퍼니 리미티드
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Abstract

본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로, 연료전지부와, 상기 연료전지부에서 배출되는 애노드 오프가스를 연소하는 버너부와, 냉매와 애노드오프가스를 열교환하는 열회수부 및, 상기 열회수부와 연결되고, 상기 열회수부를 통과한 냉매와 상기 버너부를 열교환하는 버너열교환부를 포함하여 구성될 수 있으며, 본 발명에 따르면, 버너의 작동 온도를 유지하고 동시에 효과적으로 폐열을 회수하여 연료전지 시스템의 전체 열효율을 개선하는 효과를 기대할 수 있다.

Description

연료전지 시스템{FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 냉매와 버너의 주변 온도간에 열교환을 통해, 연료전지 시스템의 배치환경에 관계없이 버너의 주변 온도가 소정 온도범위내로 유지되도록 하여 버너의 연소효율이 유지될 수 있도록 하고, 동시에 효과적으로 폐열을 회수하여 시스템의 전체 열효율을 개선할 수 있는 연료전지 시스템에 관한 것이다.
연료전지는 연료(수소 또는 개질 가스)와 산화제(산소 또는 공기)를 이용하여 전기 화학적으로 전력을 생산하는 장치로서, 외부에서 지속적으로 공급되는 연료와 산화제를 전기 화학 반응에 의하여 직접 전기에너지로 변환시키는 장치이다.
연료전지의 산화제로는 순수 산소나 산소가 다량 함유되어 있는 공기를 이용하며, 연료로는 순수 수소 또는 탄화수소계 연료(LNG, LPG, CH3OH)를 개질하여 생성된 수소가 다량 함유된 개질 가스를 사용한다.
연료전지는 전력과 열을 동시에 발생시키는 바, 발전효율과 열효율의 합인 총효율이 80%가 넘는 고효율 에너지 생산기기로 각광받고 있다. 또한, 실제 건물용이나 주거용 주택에 연료전지를 설치하여 사용자가 필요로 하는 전력과 열을 직접 생산하여 사용할 수 있는 장점이 있어서 사용자의 편의성이 향상될 뿐만 아니라 에너지 사용 비용을 대폭 감소시킬 수 있다.
최근에는 다수의 연료전지를 통합하여 고효율 에너지를 생산하는 연료전지 시스템을 구축하여 운용하고 있다.
이러한 연료전지는 크게, 인산형 연료전지(PAFC ; Phosphoric Acid Fuel Cell), 용융 탄산염형 연료전지(MCFC ; Molten Carbonates Fuel Cell), 고체 산화물형 연료전지(SOFC ; Solid Oxide Fuel Cell), 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC ; Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)와, 직접 메탄올형 연료전지(DMFC ; Direct Methanol Fuel Cell) 등으로 구분될 수 있다.
이중 고체 산화물형 연료전지(SOFC)는 산소, 수소 등을 산화시켜 만든 탄화수소와 산소의 전기화학적 반응으로 전력을 생산하는 저탄소 고효율 신재생에너지 발전설비다. 작동온도가 연료전지중 가장 높은 600 ~ 1000℃에 이른다.
고체 산화물형 연료전지(SOFC)는 고온에서 작동하기 때문에 백금과 같은 고가의 귀금속 전극촉매가 필요하지 않고 전해질 손실이나 보충이 필요치 않으며 전지 부식문제도 없고 발전효율도 높다.
또한 고온 가스를 배출하기 때문에 폐열을 이용한 열 복합 발전도 할 수 있다.
현재 가장 진화한 연료전지 기술로 평가받고 있는 고체 산화물형 연료전지(SOFC)는 미국, 일본 등에서는 이미 주택 등의 건물에서 사용되고 있으며, 우리나라도 정부의 수소 경제 활성화 정책 이행과 더불어 향후 분산발전원으로써의 잠재력을 높이 평가하여 기술개발 및 상용화를 추진하고 있다.
한편, 기존 화력, 원자력 등의 비친환경적인 발전을 완전히 대체하기 위해 연료전지 시스템의 전체 효율을 개선하는 연구가 지속되고 있다. 이를 위해서는 연료전지 자체에 의한 발전효율뿐 아니라 그 외에 시스템의 폐열을 회수하여 재사용하여 열효율를 개선하는 방안도 고려되고 있다.
즉, 미래에너지의 친환경화를 위해 연료전지 시스템의 전체 효율을 보다 더 높일 필요성이 요구되고 있으며, 이는 연료전지의 개별특성에 의한 발전효율 개선 연구뿐 아니라 폐열을 효과적으로 회수/재사용하는 연구는 현재 해당 기술분야에서 당면한 과제이다.
그리고 기후, 날씨 변화, 계절 변화 등의 환경적 요인에 상관없이 연료전지 시스템을 구성하는 버너가 일정 온도 범위내에서 연소를 하도록 하는 것은 버너의 연소효율을 일정하게 유지하는데 도움이 된다. 따라서 연료전지 시스템의 배치환경에 상관없이 버너의 주변 온도를 일정하게 유지시키는 연구가 필요하다.
효율과 배출의 이유로, 연료전지 시스템은 일반적으로 애노드 오프 가스에 남아 있는 연료를 연소하는 버너로 구성되며, 보통 고온의 캐소드 가스와 함께 연소하며, 버너에 의해 생성된 열의 일부를 연료전지 시스템의 작동에 사용한다. 그러나 기존 연료전지 시스템에서는 버너 장치의 주변 온도가 여전히 상대적으로 높으며, 이는 시스템 내에서 폐열이 분산되기 때문에 잠재적인 안전 위험을 야기한다. 또한 기후, 날씨 변화, 계절 변화 등 환경 요인에 관계없이 일정 온도 범위 내에서 버너의 주변 온도를 유지하는 것이 버너의 연소 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명은 상기와 같이 관련 기술분야의 과제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 버너에서 흩어진 폐열을 회수하여 연료전지 시스템의 안전성과 전반적인 열 효율을 향상시킬 수 있는 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.
더하여, 본 발명의 목적은 연료 전지 시스템의 배치 환경에 관계 없이 미리 정해진 온도 범위 내에서 버너의 주변 온도를 유지함으로써 버너의 연소 효율을 향상시키는 것이다.
상기와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로, 연료전지부; 상기 연료전지부에서 배출되는 애노드 오프가스를 연소하는 버너부; 냉매와 애노드오프가스를 열교환하는 열회수부; 및 상기 열회수부와 연결되고, 상기 열회수부를 통과한 냉매와 상기 버너부를 열교환하는 버너열교환부;를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서 연료전지부는 적어도 하나의 연료전지로 구성될 수 있다. 상기 연료전지부는 애노드 입구, 캐소드 입구, 애노드 오프 가스 출구 및 캐소드 가스 출구로 구성될 수 있다. 연료전지 시스템은 연료 공급에서 애노드 입구로 가는 연료 공급 라인을 추가로 구성할 수 있다. 연료전지 시스템은 산화제 공급부에서 캐소드 입구로 가는 산화제 공급 라인을 추가로 구성할 수 있다. 연료전지 시스템은 애노드 오프 가스 출구에서 버너부로 가는 애노드 오프 가스 라인을 추가로 구성할 수 있다. 연료 전지 시스템은 캐소드 가스 출구에서 버너부로 연결되는 캐소드 가스라인을 구성할 수 있습니다.
또한, 본 발명의 실시예에서 냉매공급부로부터 상기 열회수부를 거쳐 상기 버너열교환부로 냉매를 공급하는 냉매라인;을 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서 상기 열회수부는, 상기 냉매라인과 연결되고 연료전지부와는 애노드오프가스라인으로 연결되며, 상기 냉매라인에서 공급되는 냉매와 상기 연료전지부에서 배출되는 애노드오프가스간에 열교환하는 제1 열회수유닛;을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서 상기 열회수부는 상기 냉매라인에서 공급되는 냉매와 상기 버너부에서 배출되는 배가스를 열교환하되, 상기 제1 열회수유닛 및 배가스라인과 연결되고, 상기 제1 열회수유닛을 통과한 냉매와 배가스간에 열교환하는 제2 열회수유닛;을 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서 상기 냉매는 상기 제1 열회수유닛에서 상기 제2 열회수유닛으로 흐른 후 상기 버너열교환부로 공급될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서 상기 연료전지부와 상기 버너부는 캐소드 가스라인으로 연결되고, 캐소드 가스는 상기 연료전지부에서 상기 버너부 방향으로 공급될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서 상기 연료전지부와 개질연료공급라인으로 연결되고, 상기 연료전지부로 개질된 연료를 공급하는 개질부;를 더 포함하고, 상기 개질부는 산화제 공급부와 상기 연료전지부 사이에서 산화제 공급라인과 연결되고, 산화제와 연료간에 열이 교환되도록 할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서 물공급부 및 연료공급부와 연결되고, 상기 물공급부에서 공급되는 물과 상기 연료공급부에서 공급되는 연료를 기체상으로 증발시키는 증발부; 및 상기 증발부와 상기 개질부 사이에 배치되고, 상기 증발부에서 공급되는 상기 기체상의 물과 연료를 균일하게 혼합하여 상기 개질부로 공급하는 댐퍼부;를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서 상기 제1 열회수유닛은 애노드오프가스라인으로 상기 물공급부와 연결되고, 상기 물공급부는 상기 제1 열회수유닛에서 공급되는 애노드오프가스에 함유된 수분을 포집할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서 상기 버너부와는 배가스라인으로 연결되고 상기 개질부와는 산화제 공급라인으로 연결되며, 상기 버너부에서 배출되는 배가스와 산화제를 열교환하고 상기 개질부로 예열된 산화제를 공급하는 산화제 예열부;를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서 상기 산화제 예열부는 상기 제2 열회수유닛과 배가스라인으로 연결되고, 배가스는 상기 산화제 예열부에서 상기 제2 열회수유닛 방향으로 공급될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서 상기 물공급부는, 상기 제1 열회수유닛과 냉매라인으로 연결되고, 냉매는 상기 물공급부에서 상기 제1 열회수유닛으로 공급되고, 상기 버너열교환부와 냉매라인으로 연결되고, 냉매는 상기 버너열교환부에서 상기 물공급부로 공급될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서 상기 애노드오프가스라인상에서 상기 연료전지부와 상기 제1 열회수유닛 사이에 배치되고, 상기 연료전지부에서 배출되는 애노드오프가스와 산화제를 열교환하는 오프가스열교환부;를 더 포함하되, 상기 오프가스열교환부는 상기 산화제 예열부와는 상기 산화제 공급라인으로 연결될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서 상기 배가스라인상에서 상기 산화제 예열부와 상기 제2 열회수유닛 사이에 상기 증발부가 연결되고, 배가스는 상기 산화제 예열부에서 상기 증발부로 공급되어, 상기 증발부에서 배가스는 물 및 연료와 열교환한 후 상기 제2 열회수유닛으로 공급될 수 있다.
본 발명인 연료전지 시스템은 모듈케이싱; 상기 모듈케이싱의 내부에 배치되고, 연료전지부 및 상기 연료전지부에서 배출되는 애노드 오프가스를 연소하는 버너부를 포함하는 연료전지모듈; 상기 모듈케이싱에 배치되고, 냉매와 상기 버너부를 열교환하는 버너열교환부;를 포함하되, 상기 버너열교환부는, 상기 모듈케이싱의 외벽 또는 내벽 중 하나 이상에 배치되되, 상기 모듈케이싱상에서 상기 버너부에 인접하여 배치될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서 연료전지부는 적어도 하나의 연료전지로 구성될 수 있다. 상기 연료전지부는 애노드 입구, 캐소드 입구, 애노드 오프 가스 출구 및 캐소드 가스 출구로 구성될 수 있다. 연료전지 시스템은 연료 공급에서 애노드 입구로 가는 연료 공급 라인을 추가로 구성할 수 있다. 연료전지 시스템은 산화제 공급부에서 캐소드 입구로 가는 산화제 공급 라인을 추가로 구성할 수 있다. 연료전지 시스템은 애노드 오프 가스 출구에서 버너부로 가는 애노드 오프 가스 라인을 추가로 구성할 수 있다. 연료 전지 시스템은 캐소드 가스 출구에서 버너부로 연결되는 캐소드 가스라인을 구성할 수 있습니다.
또한, 본 발명의 실시예에서 냉매공급부로부터 상기 열회수부를 거쳐 상기 버너열교환부로 냉매를 공급하는 냉매라인;을 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서 상기 냉매라인에서 공급되는 냉매와 애노드 오프가스를 열교환하는 열회수부;를 더 포함하되, 상기 버너열교환부는 상기 냉매라인상에서 상기 열회수부의 하류측에 연결될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서 상기 열회수부는, 상기 냉매라인과 연결되고, 연료전지부와는 애노드오프가스라인으로 연결되며, 상기 냉매라인에서 공급되는 냉매와 상기 연료전지부에서 배출되는 애노드오프가스간에 열교환하는 제1 열회수유닛;을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서 상기 열회수부는 상기 냉매라인에서 공급되는 냉매와 배가스를 열교환하되, 상기 제1 열회수유닛 및 배가스라인과 연결되고, 상기 제1 열회수유닛을 통과한 냉매와 상기 배가스라인에서 공급되는 배가스간에 열교환하는 제2 열회수유닛;을 더 포함하고, 상기 냉매는 상기 제1 열회수유닛에서 상기 제2 열회수유닛으로 흐른 후 상기 버너열교환부로 공급될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서 상기 연료전지모듈은, 상기 연료전지부와 개질연료공급라인으로 연결되고, 상기 연료전지부로 개질된 연료를 공급하는 개질부; 물공급부 및 연료공급부와 연결되고, 상기 물공급부에서 공급되는 물과 상기 연료공급부에서 공급되는 연료를 기체상으로 증발시키는 증발부; 상기 증발부와 상기 개질부 사이에 배치되고, 상기 증발부에서 공급되는 상기 기체상의 물과 연료를 균일하게 혼합하여 상기 개질부로 공급하는 댐퍼부; 및 상기 버너부와는 배가스라인으로 연결되고 상기 개질부와는 산화제 공급라인으로 연결되며, 상기 버너부에서 배출되는 배가스와 산화제를 열교환하고 상기 개질부로 예열된 산화제를 공급하는 산화제 예열부;를 더 포함하되, 상기 개질부와 상기 연료전지부는 산화제 공급라인으로 연결되고, 산화제는 상기 개질부에서 상기 연료전지부 방향으로 공급되며, 상기 연료전지부와 상기 버너부는 산화제 공급라인으로 연결되고, 산화제는 상기 연료전지부에서 상기 버너부 방향으로 공급되며, 상기 제1 열회수유닛은 애노드오프가스라인으로 상기 물공급부와 연결되고, 상기 물공급부는 상기 제1 열회수유닛에서 공급되는 애노드오프가스에 함유된 수분을 포집하고, 상기 산화제 예열부는 상기 제2 열회수유닛과 배가스라인으로 연결되고, 배가스는 상기 산화제 예열부에서 상기 제2 열회수유닛 방향으로 공급될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서 상기 물공급부는, 상기 제1 열회수유닛과 냉매라인으로 연결되고, 냉매는 상기 물공급부에서 상기 제1 열회수유닛으로 공급되고, 상기 버너열교환부와 냉매라인으로 연결되고, 냉매는 상기 버너열교환부에서 상기 물공급부로 공급될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서 상기 애노드오프가스라인상에서 상기 연료전지부와 상기 제1 열회수유닛 사이에 배치되고, 상기 연료전지부에서 배출되는 애노드오프가스와 산화제를 열교환하는 오프가스열교환부;를 더 포함하되, 상기 오프가스열교환부는 상기 산화제 예열부와는 상기 산화제 공급라인으로 연결되고, 상기 배가스라인상에서 상기 산화제 예열부와 상기 제2 열회수유닛 사이에 상기 증발부가 연결되고, 배가스는 상기 산화제 예열부에서 상기 증발부로 공급되어, 상기 증발부에서 배가스는 물 및 연료와 열교환한 후 상기 제2 열회수유닛으로 공급될 수 있다.
본 발명은 소정의 크기를 가지는 설치 공간에 복수개의 연료전지모듈을 포함하는 연료전지 시스템이 배치되고, 상기 버너열교환부는 상기 모듈케이싱의 외벽 또는 내벽에 밀착 배치되어 공간 부피를 적게 차지함에 따라 상기 설치 공간의 단위 면적당 배치할 수 있는 연료전지모듈의 개수는 증가하고, 상기 버너열교환부는 상기 버너부의 열을 회수하여 상기 설치 공간으로의 열발생량을 감소시킬 수 있다.
본 발명에 따르면, 냉매와 버너의 주변 온도간에 열교환을 통해, 연료전지 시스템의 배치환경에 관계없이 버너의 주변 온도가 소정 온도범위내로 유지되도록 하여 버너의 연소효율이 유지되도록 한다.
또한 효과적으로 폐열을 회수함으로써 연료전지 시스템 전체의 열효율을 개선할 수 있다.
도 1은 본 발명인 연료전지 시스템의 제1 실시예에 대한 블록도.
도 2는 본 발명인 연료전지 시스템의 제2 실시예에 대한 블록도.
도 3은 본 발명인 연료전지 시스템의 제3 실시예에 대한 블록도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템이 구현된 장치를 나타낸 사시도.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템이 구현된 장치를 나타낸 정면도.
도 6a는 본 발명에서 연료전지모듈 케이싱의 내부에 배치되는 버너와 연료전지모듈 케이싱의 외벽에 배치되는 제1 버너열교환부간의 위치관계를 나타낸 도면.
도 6b는 본 발명에서 연료전지모듈 케이싱의 내부에 배치되는 버너와 연료전지모듈 케이싱의 외벽에 배치되는 제2 버너열교환부간의 위치관계를 나타낸 도면.
도 7은 소정의 크기를 가지는 설치 공간에 복수개의 연료전지모듈을 포함하는 연료전지 시스템이 배치된 상태를 나타낸 도면.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 발명의 실시예를 설명하기 위한 도면에 개시된 형상, 크기, 비율, 각도, 개수 등은 예시적인 것이므로 본 발명이 도시된 사항에 한정되는 것은 아니다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 본 명세서 상에서 언급된 '포함한다', '갖는다', '이루어진다' 등이 사용되는 경우 '~만'이 사용되지 않는 이상 다른 부분이 추가될 수 있다. 구성 요소를 단수로 표현한 경우에 특별히 명시적인 기재 사항이 없는 한 복수를 포함하는 경우를 포함한다.
구성 요소를 해석함에 있어서, 별도의 명시적 기재가 없더라도 오차 범위를 포함하는 것으로 해석한다.
위치 관계에 대한 설명일 경우, 예를 들면, '~상에', '~상부에', '~하부에', '~옆에' 등으로 두 부분의 위치 관계가 설명되는 경우, '바로' 또는 '직접'이 사용되지 않는 이상 두 부분 사이에 하나 이상의 다른 부분이 위치할 수도 있다.
비록 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않는다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있다.
명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 도시된 것이며, 본 발명이 도시된 구성의 크기 및 두께에 반드시 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 여러 실시예들의 각각 특징들이 부분적으로 또는 전체적으로 서로 결합 또는 조합 가능하며, 당업자가 충분히 이해할 수 있듯이 기술적으로 다양한 연동 및 구동이 가능하며, 각 실시예들이 서로에 대하여 독립적으로 실시 가능할 수도 있고 연관 관계로 함께 실시 가능할 수도 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시 예를 상세하게 설명하기로 한다. 이하에서 설명하는 복수의 실시예들은 서로 상충되지 않는 한 중복하여 적용될 수 있다.
본 발명은 연료전지부, 연료전지부에서 방출되는 애노드 오프 가스를 연소하기 위한 버너부, 냉매와 버너부 간에 열을 교환하도록 배열된 버너열교환부로 구성된 연료전지 시스템과 관련이 있다. 본 발명의 일부 구현에서는 연료전지부와 버너부가 모두 연료전지모듈의 일부일 수 있으며, 모듈 케이스 내에서 버너열교환부를 폐기한 다음 모듈 케이싱의 내벽 또는 외벽에 폐기될 수 있다. 본 발명의 일부 구현에서 연료전지 시스템은 냉매와 애노드 오프 가스 사이의 열을 교환하도록 배열된 열회수부를 구성하고, 버너열교환부는 열회수부를 통과한 냉매와 버너부 사이의 열을 교환하도록 배열될 수 있다.
도 1에는 본 발명인 연료전지 시스템(100)의 제1 실시예에 대한 블록도가 도시되어 있다.
도 1을 참고하면, 본 발명인 연료전지 시스템(100)의 제1 실시예는 산화제 예열부(110), 개질부(120), 연료전지부(130), 버너부(190), 버너열교환부(400), 열회수부(140), 증발부(150), 물공급부(160), 연료공급부(170), 댐퍼부(180), 냉매라인(210), 배가스라인(220) 및 애노드오프가스라인(230)을 포함할 수 있다.
여기서 산화제 예열부(110), 개질부(120), 연료전지부(130), 버너부(190), 댐퍼부(180) 및 증발부(150)를 포함하여 연료전지모듈(F)을 구성할 수 있다.
이하 검토할 냉매라인(210)은 냉매가 흐르는 하나 이상의 라인, 배관 등일 수 있고, 제1 내지 제4 냉매라인(211~214)을 포함할 수 있다. 그리고 배가스라인(220)은 배가스가 흐르는 하나 이상의 라인, 배관 등일 수 있고, 제1 내지 제3 배가스라인(221~223)을 포함할 수 있다. 또한 애노드오프가스라인(230)은 애노드오프가스가 흐르는 하나 이상의 라인, 배관 등일 수 있고, 제1 내지 제3 애노드오프가스라인(231~233)을 포함할 수 있다. 그리고 산화제 공급라인(250)은 산화제가 흐르는 하나 이상의 라인, 배관 등일 수 있고, 제1 내지 제3 산화제 공급라인(251~253)을 포함할 수 있다.
상기 물공급부(160)는 물을 저장하고 상기 증발부(150)로 공급할 수 있다. 이러한 상기 물공급부(160)는 워터탱크(161) 및 개질워터공급유닛(165)을 포함할 수 있다. 상기 워터탱크(161)는 물을 저장하는 저수조일 수 있다. 그리고 상기 개질워터공급유닛(165)은 상기 워터탱크(161)에 연결되고, 상기 증발부(150)와는 제1 물공급라인(243)으로 연결되어 상기 워터탱크(161)의 물을 상기 증발부(150)로 공급할 수 있다. 본 발명의 실시예에서 상기 개질워터공급유닛(165)은 펌프 등과 같은 이송장치일 수 있다.
상기 연료공급부(170)는 상기 증발부(150)와는 제1 연료공급라인(241)으로 연결될 수 있고, 외부 연료공급원(C)에서 공급되는 LNG, LPG 등과 같은 연료를 상기 증발부(150)로 공급할 수 있다. 본 발명의 실시예에서 상기 연료공급부(170)는 펌프 등과 같은 이송장치일 수 있다.
상기 증발부(150)는 상기 개질워터공급유닛(165)에 의해 상기 제1 물공급라인(243)을 따라 공급된 물과 상기 연료공급부(170)에 의해 상기 제1 연료공급라인(241)을 따라 공급된 연료를 가열시켜 기체상으로 변환할 수 있다.
상기 댐퍼부(180)는 상기 증발부(150)와 제2 물공급라인(244) 및 제2 연료공급라인(242)으로 연결될 수 있으며, 상기 증발부(150)에서 유입되는 기체상의 물과 기체상의 연료를 균일하게 혼합하는 기능을 수행할 수 있다. 또한 상기 댐퍼부(180)는 상기 개질부(120)와 제3 연료공급라인(245)에 의해 연결될 수 있으며, 상기 개질부(120)로 기상의 물과 연료를 공급할 수 있다.
상기 개질부(120)는 상기 댐퍼부(180)에서 상기 제3 연료공급라인(245)을 따라 공급되는 혼합기체를 화학반응시켜 개질된 연료(예컨대 수소)를 생성할 수 있다. 그리고 상기 개질부(120)는 상기 연료전지부(130)와 개질연료공급라인(246)으로 연결될 수 있고, 상기 개질연료공급라인(246)을 따라 상기 연료전지부(130)에 개질된 연료를 공급할 수 있다.
상기 연료전지부(130)는 개질된 연료와 산화제를 화학반응시켜 전기를 생산할 수 있다.
한편, 상기 버너부(190)는 상기 연료전지부(130)와는 캐소드 가스라인(254)으로 연결될 수 있고, 이에 따라 상기 연료전지부(130)로부터 미반응한 산화제가 상기 버너부(190)로 공급될 수 있다.
상기 버너부(190)는 상기 워터탱크(161)와는 제3 애노드오프가스라인(233)으로 연결될 수 있고, 이에 따라 상기 워터탱크(161)로부터 수분이 제거된 미반응 연료 등을 포함하는 애노드오프가스가 상기 버너부(190)로 공급될 수 있다.
상기 버너부(190)는 상기 캐소드 가스라인(254)에서 공급된 산화제와 상기 제3 애노드오프가스라인(233)에서 공급된 애노드오프가스를 연소할 수 있다.
그리고 상기 버너부(190)는 상기 산화제 예열부(110)와는 제1 배가스라인(221)으로 연결될 수 있다. 상기 버너부(190)에서 생성된 배가스는 상기 제1 배가스라인(221)을 따라 상기 산화제 예열부(110)로 공급될 수 있다.
여기서, 상기 산화제 예열부(110)는 제1 산화제 공급라인(251)을 통해 산화제공급부(B)에서 공급되는 산화제와 상기 제1 배가스라인(221)을 통해 공급되는 배가스간에 열교환을 시켜 배가스의 폐열을 이용하여 산화제를 예열할 수 있다. 예열된 산화제는 제2 산화제 공급라인(252)을 따라 상기 개질부(120)로 공급될 수 있다.
그리고 상기 개질부(120)와 상기 연료전지부(130)는 제3 산화제 공급라인(253)으로 연결되어 있고, 산화제는 상기 개질부(120)를 통과하면서 열교환을 통해 보다 더 가열될 수 있다.
상기 산화제 예열부(110)와 상기 개질부(120)를 거쳐 여러 번 가열된 산화제는 상기 연료전지부(130)로 공급될 수 있다. 이때 배가스보다는 상기 개질부(120)의 화학작용에서 발생하는 열이 더 높으므로, 산화제는 상기 산화제 예열부(110)를 거쳐 상기 개질부(120)로 흐르는 순서로 산화제 공급라인(250)을 배열하여 산화제가 단계적으로 가열될 수 있도록 하였다.
최종적으로 가열된 산화제는 상기 연료전지부(130)로 공급될 수 있다. 상기 연료전지부(130)에서 높은 출력성능을 유지하기 위해서 산화제는 일정온도 이상으로 고온상태로 공급되는 것이 좋기 때문에, 상기 연료전지부(130)로 산화제를 공급하기 전에 예열하는 산화제 공급라인(250)의 배치 구조는 연료전지 시스템(100) 전체의 열효율을 개선하는 효과를 기대할 수 있게 한다.
이후 상기 연료전지부(130)에서 반응하지 않고 남은 산화제는 상기 캐소드 가스라인(254)을 통해 상기 버너부(190)로 공급되어 애노드오프가스와 함께 연소될 수 있다.
그리고 상기 버너부(190)에서 연소로 생성된 배가스는 상기 제1 배가스라인(221)을 통해 상기 산화제 예열부(110)로 공급되고, 유입되는 외부 산화제와 폐열을 회수하는 열교환을 할 수 있다.
한편, 상기 열회수부(140)는 냉매라인(210)과 연결되고, 상기 냉매라인(210)에서 공급되는 냉매와 애노드오프가스 또는 배가스간에 열교환하여 애노드오프가스 또는 배가스의 폐열을 회수할 수 있다.
이러한 상기 열회수부(140)는 제1 열회수유닛(141) 및 제2 열회수유닛(142)을 포함할 수 있다.
상기 제1 열회수유닛(141)은 상기 냉매라인(210) 및 상기 연료전지부(130)와 연결될 수 있다. 구체적으로 상기 제1 열회수유닛(141)은 냉매공급부(D1)와 제1 냉매라인(211)으로 연결될 수 있으며, 상기 제1 냉매라인(211)을 통해 냉매를 공급받을 수 있다. 그리고 상기 연료전지부(130)와는 제1 애노드오프가스라인(231)으로 연결될 수 있으며, 상기 연료전지부(130)로부터 애노드오프가스를 공급받을 수 있다.
상기 제1 열회수유닛(141)에서는 냉매와 애노드오프가스가 서로 열교환하는데, 냉매에 비해 애노드오프가스가 상대적으로 고온을 형성하고 있으므로, 열은 애노드오프가스에서 냉매 방향으로 전달된다. 이를 통해 애노드오프가스의 폐열을 회수할 수 있다.
상기 제2 열회수유닛(142)은 상기 제1 열회수유닛(141) 및 상기 배가스라인(220)과 연결될 수 있다. 구체적으로 상기 제2 열회수유닛(142)은 상기 제1 열회수유닛(141)과 제2 냉매라인(212)으로 연결될 수 있으며, 상기 제1 열회수유닛(141)에서 1차적으로 열교환한 냉매가 공급될 수 있다.
그리고 상기 제2 열회수유닛(142)은 상기 산화제 예열부(110)와 상기 제2 배가스라인(222)으로 연결될 수 있으며, 상기 산화제 예열부(110)에서 산화제와 열교환한 배가스가 공급될 수 있다.
상기 제2 열회수유닛(142)에서는 냉매와 배가스가 서로 열교환할 수 있다. 이때 냉매에 비해 배가스가 상대적으로 고온을 형성하고 있으므로, 열은 배가스에서 냉매 방향으로 전달된다. 냉매는 배가스와 열교환하여 2차적으로 폐열을 회수할 수 있다.
그리고 배가스의 폐열은 상기 산화제 예열부(110)에서 산화제와의 열교환을 통해 1차적으로 회수하고, 상기 제2 열회수유닛(142)에 냉매와의 열교환을 통해 2차적으로 회수한 후 제3 배가스라인(223)을 통해 연료전지 시스템으로부터 배기(E)될 수 있다.
상술한 상기 배가스라인(220)의 배치 구조를 통해 배가스의 폐열을 최대한 회수함으로써, 연료전지 시스템(100) 전체의 열효율을 개선하는 효과를 기대할 수 있다.
여기서, 상기 연료전지부(130)에서 배출되는 애노드오프가스의 평균 온도는 대략 600~620℃ 범위 내외이고, 상기 산화제 예열부(110)를 통과한 배가스의 평균 온도는 대략 750~850℃ 범위 내외이다.
따라서 애노드오프가스의 평균 온도가 배가스의 평균 온도보다 낮으므로, 냉매를 우선 애노드오프가스와 열교환하여 폐열을 회수하고 다음 배가스와 열교환하여 폐열을 회수하도록 구성함으로써, 온도별로 단계적으로 폐열을 회수할 수 있도록 구성하였다. 이는 폐열 회수율을 개선하는 효과를 기대할 수 있게 한다.
상기 제2 열회수유닛(142)에서 제3 냉매라인(213)으로 배출되는 냉매의 평균 온도는 대략 40~55℃ 범위 내외이다.
애노드오프가스와 배가스는 기체 상태로 질량이 작고, 냉매는 액체 상태로 질량이 크다. 따라서 상호간에 열교환이 일어나더라도 애노드오프가스와 배가스가 냉매로 전달하는 열량값은 작으므로, 냉매의 온도 상승값은 높지 않다.
상기 버너열교환부(400)는 상기 열회수부(140)를 통과한 냉매와 상기 버너부(190)를 열교환시켜, 작동 중 상기 버너부(190)의 주변 온도가 소정 온도범위내로 유지되도록 할 수 있다.
이때 상기 버너열교환부(400)는 상기 냉매라인(210)상에서 상기 열회수부(140)의 후류측에 배치될 수 있다.
구체적으로 상기 버너열교환부(400)와 상기 제2 열회수유닛(142)은 제3 냉매라인(213)으로 연결될 수 있다.
상기 버너부(190)에서 애노드오프가스와 산화제가 연소될 때의 상기 버너부(190)의 주변 온도는 대략 75℃ 이상을 형성할 수 있다.
상술한 바와 같이, 상기 제2 열회수유닛(142)에서 상기 제3 냉매라인(213)으로 공급되는 냉매의 평균 온도는 대략 40~55℃ 범위 내외를 유지하므로, 이러한 온도범위를 형성하는 냉매가 상기 버너부(190)를 냉각시킬 수 있다.
도 1을 참고하면, 상기 제3 냉매라인(213)에는 유량제어밸브(215)가 배치될 수 있으며, 유량제어밸브(215)는 바이패스유로(216)와 연결될 수 있다.
상기 유량제어밸브(215)는 버너열교환부(400)로 공급되는 냉매의 유량을 조절할 수 있으며, 이를 통해 상기 버너부(190)의 주변 온도를 상술한 대략 40~55℃ 범위 내위를 유지하도록 할 수 있다.
예를 들어, 상기 버너부(190)의 주변 온도가 대략 70℃ 인 경우, 상기 버너부(190)의 주변 온도를 55℃ 이하로 형성하기 위해, 상기 유량제어밸브(215)를 제어하여 상기 버너열교환부(400)로 공급되는 냉매의 유량을 많게 할 수 있다. 상당한 양의 냉매가 버너열교환부(400)에서 버너부(190)와 열 교환하므로 버너부(190)의 주변온도는 빠르게 냉각되며 목표 온도범위 이하로 변경될 수 있다.
만약, 상기 버너부(190)의 주변 온도가 대략 60℃ 인 경우, 상기 버너부(190)의 주변 온도를 55℃ 이하로 형성하기 위해, 상기 유량제어밸브(215)를 제어하여 상기 버너열교환부(400)로 공급되는 냉매의 유량을 상술한 대략 70℃ 인 경우에 비해 줄일 수 있다. 냉각하고자 하는 목표 온도범위까지의 편차가 크기 않으므로, 냉매의 유량을 줄여 과도한 냉각을 방지한다. (추가)
만약, 상기 버너부(190)의 주변 온도가 대략 40~55℃ 범위내를 유지하는 경우, 상기 버너부(190)의 주변온도를 냉각할 필요가 없다. 이 때에는 상기 유량제어밸브(215)를 제어하여 냉매가 상기 바이패스유로(216)로 공급되도록 한다. 이는 버너부(190)의 주변 온도를 과냉각하여 버너부(190)의 연소 성능 저하를 방지하기 위함이다. (추가)
즉 상기 유량제어밸브(215)를 이용하여 상기 버너부(190)의 주변 온도에 비례하여 냉매의 유량을 조절함으로써, 상기 버너부(190)의 주변 온도가 소정 온도 범위, 예컨대 대략 40~55℃ 범위내를 유지하도록 할 수 있다.
그리고 냉매는 상기 버너부(190)를 통해 연소과정에서 발생되는 폐열을 3차적으로 회수할 수 있다.
즉 본 발명의 실시예에서는 상술한 냉매라인(210)의 배치 구조를 통해 애노드오프가스에서 1차적으로 폐열을 회수하고, 배가스에서 2차적으로 폐열을 회수하며, 상기 버너부(190)를 3차적으로 폐열을 회수할 수 있다. 이는 궁극적으로 연료전지 시스템(100) 전체의 열효율을 개선하는 효과를 기대할 수 있다.
여기서, 상기 버너열교환부(400)는 본 발명인 연료전지 시스템(100)의 사용 환경에 따라 상기 버너부(190)의 주변 온도를 소정 온도 범위내로 유지하는 기능을 수행할 수 있다.
예를 들어, 겨울에는 영하의 온도를 형성할 수 있고, 여름에는 40℃가 넘는 고온을 형성할 수 있다. 상기 버너열교환부(400)는 상기 버너부(190)의 주변 온도를 대략 40~55℃ 범위내로 유지되도록 하여, 여름에는 온도가 지나치게 높아지는 것을 방지하고, 겨울에는 온도가 지나치게 낮아지는 것을 방지하여 연소효율이 일정하게 유지되도록 할 수 있다.
상기 버너열교환부(400)를 통과한 냉매는 제4 냉매라인(214)을 통해 냉매배출부(D2)로 배출될 수 있다.
한편, 상기 제1 열회수유닛(141)은 상기 워터탱크(161)와 제2 애노드오프가스라인(232)으로 연결될 수 있다. 이에 따라 상기 제1 열회수부(140)에서 애노드오프가스는 냉매와 열교환하고 이후에 상기 워터탱크(161)로 유입될 수 있다. 상기 워터탱크(161)에서는 애노드오프가스에 함유된 수분이 포집될 수 있다.
그리고 상기 워터탱크(161)와 상기 버너부(190)는 제3 애노드오프가스라인(233)으로 연결될 수 있다. 애노드오프가스는 상기 워터탱크(161)에서 수분이 포집되고, 이후 상기 버너부(190)로는 수분 함량이 낮아진 애노드오프가스가 공급된다.
상술한 바와 같이 상기 캐소드 가스라인(254)을 따라 상기 연료전지부(130)에서 상기 버너부(190)로 산화제가 공급되므로, 애노드오프가스와 산화제는 상기 버너부(190)에서 연소될 수 있다.
상기 버너부(190)에서는 미사용된 잔존 애노드오프가스와 산화제를 연소하여 제거하고 열에너지를 생성할 수 있다.
한편, 도 2에는 본 발명인 연료전지 시스템(100)의 제2 실시예에 대한 블록도가 도시되어 있다.
도 2를 참고하면, 본 발명인 연료전지 시스템(100)의 제2 실시예에서는 제1 실시예와 비교하여 상기 제4 냉매라인(214)이 상기 버너열교환부(400)와 상기 워터탱크(161)를 연결할 수 있다. 그리고 상기 제1 냉매라인(211)이 상기 워터탱크(161)와 상기 제1 열회수유닛(141)을 연결할 수 있다.
이에 따라 상기 냉매라인(210)은 상기 워터탱크(161)를 포함하여 냉매 순환라인을 형성할 수 있다.
즉, 상기 워터탱크(161)에서 상기 제1 냉매라인(211)을 통해 상기 제1 열회수유닛(141)으로 냉매가 공급되어 상기 제1 열회수유닛(141)에서 애노드오프가스와 냉매가 열교환할 수 있다.
다음, 냉매는 상기 제2 냉매라인(212)을 통해 상기 제1 열회수유닛(141)에서 상기 제2 열회수유닛(142)로 공급되고, 상기 제2 열회수유닛(142)에서 배가스와 냉매가 열교환할 수 있다.
그리고, 냉매는 상기 제3 냉매라인(213)을 통해 상기 제2 열회수유닛(142)에서 상기 버너열교환부(400)로 공급되고, 상기 버너열교환부(400)에서 작동 중인 상기 버너부(190)의 주변 온도가 감소시키거나 또는 감소시켜 소정온도 범위내로 유지되도록 열교환할 수 있다. 상술한 바와 같이, 배치환경에 대응하여 상기 버너부(190)의 연소효율 유지를 위해, 상기 버너열교환부(400)는 상기 버너부(190)의 주변 온도가 감소시키거나 또는 감소시켜 소정온도 범위내로 유지되도록 할 수 있다.
이후, 냉매는 상기 제4 냉매라인(214)을 통해 상기 버너열교환부(400)에서 상기 워터탱크(161)로 공급되고 저장될 수 있다.
상기와 같이, 본 발명의 제2 실시예에서는 상기 냉매라인(210)은 연료전지 시스템(100) 전체를 순환하는 냉매 순환라인을 형성할 수 있다.
한편, 상기 워터탱크(161)에는 냉매가 회수한 열을 난방 등에 활용할 수 있는 별도의 열사용 장치(M)가 마련될 수 있다.
본 발명의 제2 실시예에서는 상기 냉매라인(210)을 순환 구조로 구현함으로써, 연료전지 시스템(100) 전체에서 열효율 및 냉각능력을 개선하는 효과를 기대할 수 있다.
한편, 도 3에는 본 발명인 연료전지 시스템(100)의 제3 실시예에 대한 블록도가 도시되어 있다.
도 3을 참고하면, 본 발명인 연료전지 시스템(100)의 제3 실시예에서는 상술한 연료전지 시스템(100)의 제1 실시예에서 오프가스열교환부(115)를 더 포함할 수 있다. 상기 오프가스열교환부(115)는 상기 애노드오프가스라인(230)상에서 상기 연료전지부(130)와 상기 제1 열회수유닛(141) 사이에 배치되고, 상기 연료전지부(130)에서 배출되는 애노드오프가스와 산화제를 열교환할 수 있다.
구체적으로 상기 오프가스열교환부(115)는 상기 연료전지부(130)와 제1 애노드오프가스라인(231)을 통해 연결되고, 상기 제1 열회수유닛(141)과 제4 애노드오프가스라인(234)을 통해 연결될 수 있다.
이에 따라 제1 실시예와는 달리, 상기 연료전지부(130)에서 배출되는 애노드오프가스는 상기 오프가스열교환부(115)로 공급되어 상기 제1 산화제 공급라인(251)에서 유입되는 외부 산화제와 열교환할 수 있다. 그리고 가열된 산화제는 제5 산화제 공급라인(255)을 통해 상기 산화제 예열부(110)로 공급될 수 있다.
이후 애노드오프가스는 상기 제4 애노드오프가스라인(234)을 따라 상기 제2 열회수유닛(142)으로 공급될 수 있다.
다음, 본 발명의 제3 실시예에서는 상기 배가스라인(220)상에서 상기 증발부(150)가 상기 산화제 예열부(110)와 상기 제2 열회수유닛(142) 사이에 연결될 수 있다.
구체적으로 상기 증발부(150)는 상기 산화제 예열부(110)와 제2 배가스라인(222)으로 연결될 수 있고, 상기 제2 열회수유닛(142)과 제4 배가스라인(224)으로 연결될 수 있다.
이에 따라 제1 실시예와는 달리, 배가스는 상기 산화제 예열부(110)에서 상기 증발부(150)로 공급될 수 있다.
상기 증발부(150)에서 배가스는 물 및 연료와 열교환할 수 있다. 즉 배가스의 폐열이 전달되어 물 및 연료를 기화하는데 사용될 수 있다. 이는 연료전지 시스템(100) 전체의 열효율을 개선하는 효과를 기대할 수 있게 한다.
이후 배가스는 상기 제4 배가스라인(224)을 통해 상기 제2 열회수유닛(142)으로 공급될 수 있다.
본 발명의 제3 실시예에서는 오프가스열교환부(115)를 추가 배치하고, 상기 배가스라인(220)상에 상기 증발부(150)를 포함함으로써, 연료전지 시스템(100) 전체에서 열효율을 개선하는 효과를 기대할 수 있다.
한편, 도 4 내지 도 6b에는 도 1 내지 도 3에서 설명한 연료전지 시스템(100)이 장치로 구현된 도면이 도시되어 있다. 이하에서는 도 4 내지 도 6b를 참고하여, 장치로 구현된 연료전지 시스템(100)을 설명하도록 한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템(100)이 구현된 장치를 나타낸 사시도이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템(100)이 구현된 장치를 나타낸 정면도이며, 도 6a는 본 발명에서 연료전지모듈 케이싱의 내부에 배치되는 버너와 연료전지모듈 케이싱의 외벽에 배치되는 제1 버너열교환부간의 위치관계를 나타낸 도면이고, 도 6b 본 발명에서 연료전지모듈 케이싱의 내부에 배치되는 버너와 연료전지모듈 케이싱의 외벽에 배치되는 제2 버너열교환부간의 위치관계를 나타낸 도면이다.
도 4 내지 도6b를 참고하면, 장치로 구현된 본 발명인 연료전지 시스템(100)은 시스템프레임(300), 모듈케이싱(310), 연료전지모듈(F), 인버터(320), 연료공급부(170), 산화제공급부(B), 탈황부(330), 물공급부(160), 열회수부(140) 및 버너열교환부(400)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 시스템프레임(300)은 장치로 구현된 연료전지 시스템(100)의 전체적인 외관을 형성할 수 있다. 본 발명의 실시예에서 상기 시스템프레임(300)은 직육면체 형태로 구현되어 있으나, 배치환경에 따라 변경될 수 있으므로, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 모듈케이싱(310)은 상기 시스템프레임(300)에 배치될 수 있으며, 내부에는 상기 연료전지모듈(F)이 내장될 수 있다. 본 발명의 실시예에서 상기 모듈케이싱(310)은 직육면체 형태로 구현되어 있으나, 상기 시스템프레임(300)의 내부에 배치하기 위해 상기 시스템프레임(300)의 형태에 따라 변경될 수 있으므로, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 연료전지모듈(F)은 오프가스열교환부(115), 산화제 예열부(110), 개질부(120), 연료전지부(130), 버너부(190), 댐퍼부(180) 및 증발부(150)를 포함하여 구성될 수 있다. 상기 연료전지모듈(F)을 구성하는 상기 구성요소들은 도 1 내지 도 3에서 설명한 구성요소들과 동일하다. 따라서 상기 구성요소들의 기능은 상술한 내용을 참고하도록 한다.
또한, 도 1 내지 도 3에 개시된 상기 구성요소들을 연결하는 산화제 공급라인(250), 애노드오프가스라인(230), 배가스라인(220), 냉매라인(210)을 포함하는 각종 유체 유동 라인은 도 4 내지 도 6에 개시된 연료전지 시스템(100)에 동일하게 적용될 수 있다.
상기 인버터(320)는 상기 시스템프레임(300)의 내부에 배치될 수 있으며, 직류 및 교류간에 전력의 형태를 전환하거나 또는 전력값을 변경할 수 있다. 상기 인버터(320)는 상기 연료전지부(130)와 전기적으로 연결되어 상기 연료전지부(130)에서 발생되는 전력을 전환하거나 또는 도면으로 도시되어 있지는 않으나, 전력이 필요한 기타 전기장치와 전기적으로 연결되어 전력을 변경하여 공급할 수 있다.
상기 산화제공급부는 상기 시스템프레임(300)의 내부에 배치될 수 있으며, 도 1에 개시된 것과 같이, 상기 산화제 예열부(110)와 제1 산화제 공급라인(251)으로 연결되거나 또는 도 3에 개시된 것과 같이, 상기 오프가스열교환부(115)와 제1 산화제 공급라인(251)으로 연결되어 각각 산화제를 공급할 수 있다. 본 발명의 실시예에서 상기 산화제공급부는 에어 펌프 장치일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니고, 산화제를 이송할 수 있는 다른 장치도 포함할 수 있다.
상술한 바와 같이, 상기 오프가스열교환부(115)에서는 산화제와 애노드오프가스가 열교환하고, 상기 산화제 예열부(110)에서는 산화제와 배가스가 열교환하여 산화제는 상기 연료전지부(130)로 공급되기 전에 예열될 수 있다.
상기 연료공급부(170)는 상기 시스템프레임(300)의 내부에 배치될 수 있으며, 상기 증발부(150)로 LNG, LPG 등의 연료를 공급할 수 있다.
상기 탈황부(330)는 상기 시스템프레임(300)의 내부에 배치될 수 있으며, 상기 탈황부(330)는 상기 연료공급부(170)와 연결되어 상기 연료공급부(170)에서 공급되는 연료에 포함될 수 있는 황을 제거할 수 있다.
상기 물공급부(160)는 상기 시스템프레임(300)의 내부에 배치될 수 있으며, 상기 증발부(150)로 물을 공급할 수 있다.
상술한 바와 같이, 상기 증발부(150)에서는 상기 연료공급부(170)에서 공급된 연료와 상기 물공급부(160)에서 공급된 물을 가열하여 기체상으로 전환하고 상기 댐퍼부(180)로 공급하여 균일하게 혼합되도록 할 수 있다. 이때 도 3에 개시된 것과 같이 상기 증발부(150)가 제2 배가스라인(222)에 의해 상기 산화제 예열부(110)와 연결되어 배가스를 공급받는 경우 물 및 연료가 배가스와 열교환하여 배가스의 폐열을 회수하여 열효율을 높일 수 있다.
상기 열회수부(140)는 상기 시스템프레임(300)의 내부에 배치될 수 있으며, 상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에서 상기 열회수부(140)는 제1 열회수유닛(141) 및 제2 열회수유닛(142)을 포함하여 구성될 수 있다.
상기 제1 열회수유닛(141)은 도 1에서는 상기 연료전지부(130)와 연결될 수 있고, 도 3에서는 상기 오프가스열교환부(115)와 연결될 수 있다. 양자 모두 애노드오프가스를 공급받아 냉매와 열교환할 수 있다.
상기 제2 열회수유닛(142)은 도 1에서는 상기 산화제 예열부(110)와 연결될 수 있고, 도 3에서는 상기 증발부(150)와 연결될 수 있다. 양자 모두 배가스를 공급받아 냉매와 열교환할 수 있다.
상술한 바와 같이, 냉매는 상기 제1,2 열회수유닛(141,142)을 거치면서 애노드오프가스와 배가스의 폐열을 회수하고 상기 버너열교환부(400)로 공급될 수 있다.
상기 버너열교환부(400)는 상기 모듈케이싱(310)에 배치될 수 있으며, 냉매라인(210)에 연결될 수 있다.
상기 버너열교환부(400)는 상기 냉매라인(210)에서 공급되는 냉매와 상기 버너부(190)를 열교환시켜, 작동 중 상기 버너부(190)의 주변 온도가 소정 온도범위내로 유지되도록 할 수 있다.
이를 위해 상기 버너열교환부(400)는 상기 모듈케이싱(310)의 외벽 또는 내벽 중 하나 이상에 배치될 수 있으며, 상기 모듈케이싱(310)상에서 상기 버너부(190)에 인접하거나 또는 가깝게 배치될 수 있다. 또는 상기 모듈케이싱(310)상에서 상기 버너부(190)에 대응되는 부위에 배치될 수 있다.
도 4 및 도 5를 참고하면, 본 발명의 실시예에서는 상기 버너열교환부(400)가 상기 모듈케이싱(310)의 외벽에 배치되는 상태를 확인할 수 있다.
상기 버너열교환부(400)는 제1 버너열교환부(410) 및 제2 버너열교환부(420)를 포함할 수 있으며, 상기 제1 버너열교환부(410)는 상기 모듈케이싱(310)의 전면에 배치될 수 있고, 상기 제2 버너열교환부(420)는 상기 제1 버너열교환부(410)에 연결되며 상기 모듈케이싱(310)의 측면에 배치될 수 있다. 본 발명의 실시예에서 상기 제1,2 버너열교환부(410,420)를 복수회로 만곡된 냉매 배관으로 표현하였으나, 이에 한정되는 것은 아니고, 다양한 형태의 배관으로 구현될 수 있다.
냉매는 냉매공급부(D1)에서 공급되어 여러 구성요소들을 통과하며 열교환한 후에, 제3 냉매라인(213)을 통해 상기 제1 버너열교환부(410)로 공급될 수 있다. 냉매는 상기 제1 버너열교환부(410)를 통과하며 상기 모듈케이싱(310)의 측면에서 상기 버너부(190)에 대응되는 부위를 냉각하게 된다.
이후 냉매는 상기 제1 버너열교환부(410)에서 상기 제2 버너열교환부(420)로 공급되고 상기 모듈케이싱(310)의 전면에서 상기 버너부(190)에 인접하거나 또는 가깝게 배치되어 냉각할 수 있다. 또는 상기 모듈케이싱(310)의 전면에서 상기 버너부(190)에 대응되는 부위를 냉각할 수 있다. 상기 제2 버너열교환부(420)를 통과한 냉매는 도 1에서는 냉매배출부(D2)로 배출되고, 도 2에서는 워터탱크(161)로 공급될 수 있다.
즉 상기 제1,2 버너열교환부(410,420)가 각각 상기 모듈케이싱(310)의 측면 및 전면에 배치되어 상기 버너부(190)에 인접한 주변과 열교환함으로써, 상기 버너부(190)의 주변 온도를 감소시키거나 또는 감소시켜 소정 온도범위내로 유지되도록 하는 것이다.
다음, 도 6a 및 도 6b를 참고하면, 상기 제1,2 버너열교환부(410,420)가 상기 버너부(190)의 인접한 주변과 열교환하기 위해, 상기 버너부(190)의 배치범위를 포함하며 상기 모듈케이싱(310)상에 배치되는 상태를 확인할 수 있다.
예컨대, 상기 버너부(190)의 전면폭 G1, 측면폭 G2, 높이 G3 라고 하면, 상기 제1 버너열교환부(410)는 상기 모듈케이싱(310)에서 상기 버너부(190)에 대응되는 부위에 측면폭 H2, 높이 H3 범위를 형성하며 배치될 수 있다.
그리고 상기 제2 버너열교환부(420)는 상기 모듈케이싱(310)에서 상기 버너부(190)에 대응되는 부위에 전면폭 H1, 높이 H3 범위를 형성하며 배치될 수 있다.
즉 상기 제1,2 버너열교환부(410,420)가 상기 모듈케이싱(310)의 외벽에서 상기 버너부(190)에 대응되는 범위 전체를 포함하여 배치됨에 따라 냉매는 상기 버너부(190)와 효과적으로 열교환하여 상기 버너부(190)의 주변 온도를 감소시키거나 또는 감소시켜 소정 온도범위내로 유지시킬 수 있다.
여기서 소정 온도범위는 상술한 바와 같으며, 따라서 상기 버너열교환부(400)는 상기 버너부(190)의 주변 온도를 대략 40~55℃ 범위내로 유지되도록 하여, 여름에는 온도가 지나치게 높아지는 것을 방지하고, 겨울에는 온도가 지나치게 낮아지는 것을 방지하여, 상기 버너부(190)의 연소효율이 일정하게 유지되도록 할 수 있다.
상술한 바와 같이, 유량제어밸브(215)를 사용하여 버너부(190)의 주변 온도에 비례하여 냉매의 유량을 조절함으로써, 버너부(190)의 주변 온도는 미리 결정된 온도 범위 내에서 유지될 수 있습니다.
본 발명은 상술한 구조를 통해 연료전지 시스템의 배치환경에 관계없이 버너의 주변 온도가 소정 온도범위내로 유지되도록 하여 버너의 연소효율을 유지시키고, 효과적으로 폐열을 회수함으로써 연료전지 시스템 전체의 열효율을 개선하는 효과를 발휘할 수 있다.
한편, 도 7을 참고하면, 소정 크기를 가지는 특정 설치 공간(R)의 내부에 복수개의 연료전지모듈(F)을 포함하는 연료전지 시스템(100)이 배치된 상태를 확인할 수 있다.
요구되는 발전용량에 따라 하나의 연료전지 시스템(100)에 단일 또는 복수개의 연료전지모듈을 배치하여 운용할 수 있다. 예컨대 하나의 연료전지모듈이 10kW 출력을 발생하는 경우, 30kW 출력 또는 그 이상의 출력이 요구될 때는 도 7과 같이 여러 대의 연료전지모듈을 하나의 연료전지 시스템(100)으로 구성하여 운용할수 있다.
여기서 특정 설치 공간의 내부에 단일의 연료전지모듈(F)을 포함하는 연료전지 시스템(100)을 배치하는 것에 비해, 복수개의 연료전지모듈(F)을 포함하는 연료전지 시스템(100)을 배치하는 경우, 각각의 연료전지 모듈에서 발생되는 열이 통합되어 공간 내부에서 전체적인 열발생량과 열손실율이 극대화될 수 있다.
이에 따라 특정 설치 공간의 대기온도, 즉 분위기 온도는 증가하고 이는 연료전지모듈(F)은 물론, 이를 포함하는 연료전지 시스템(100) 전체가 적정 작동 온도를 벗어나 운전하게 되는 결과를 초래할 수 있다. 이는 궁극적으로 시스템 효율을 떨어뜨릴 수 있다.
이러한 열발생량과 열손실율을 통제하기 위해 복수개의 연료전지모듈 각각에 단열재 또는 냉각유로 등을 설계하여 외부로 열발생량과 열손실율을 최소화하게 된다.
이때 각각의 연료전지모듈 부분에 단열재를 설치하는 경우 단열재 자체의 두께로 인하여 정해진 특정 설치 공간의 내부에 연료전지모듈을 배치할 수 있는 공간 면적이 줄어들게 된다. 이는 단열재 자체가 일정한 공간 부피를 차지하기 때문이다. 그리고 단열재는 열손실율을 줄일 수는 있으나, 열회수율 향상에는 도움이 되지 않는다.
반면, 본 발명의 버너열교환부(400)와 같이 주로 열이 많이 발생하는 연료전지 모듈의 특정 부위에 수냉배관(본 발명의 버너열교환부(400)에 대응됨)을 배치하는 경우, 열발생량을 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 수냉배관에서 버너에서 발생되는 열을 회수하므로 열회수율 증가 및 열손실율을 감소시키는 효과를 기대할 수 있다. 이에 따라 특정 공간의 내부 분위기 온도 증가를 제한할 수 있으며, 이는 연료전지모듈(F) 및 연료전지 시스템(100)의 다른 구성품들도 알맞은 적정 작동 온도 환경에서 운전될 수 있도록 할 수 있다.
또한 단열재를 설치하는 것에 비해 수냉배관을 특정 부위에 한정하여 설치하는 것이므로, 수냉배관이 차지하는 공간 부피가 상대적으로 낮아 동일한 설치 공간의 내부에 더 많은 연료전지모듈을 배치할 수 있다.
결론적으로 동일한 크기의 설치 공간에서는 단열재보다는 상대적으로 공간 부피를 적게 차지하는 수냉배관을 각각의 연료전지모듈에 설치하는 것이 하나의 연료전지 시스템에 더 많은 연료전지모듈을 배치할 수 있어 유리하다.
또한 동일한 열효율 발생을 기준으로 한다면 단순히 단열재를 설치하는 것이 비해 본 발명과 같이 수냉배관을 설치하는 것이 열회수율을 증가시키고 열손실율을 감소시킬 수 있고, 아울러 연료전지모듈 및 연료전지 시스템이 적정 작동온도를 유지하는 분위기 온도 형성 측면에서 훨씬 유리하다.
이상의 사항은 연료전지 시스템의 특정한 실시예를 나타낸 것에 불과하다.
따라서 이하의 청구범위에 기재된 본 발명의 취지를 벗어나지 않는 한도내에서 본 발명이 다양한 형태로 치환, 변형될 수 있음을 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 용이하게 파악할 수 있다는 점을 밝혀 두고자 한다.
100:연료전지 시스템
110:산화제 예열부 115:오프가스열교환부
120:개질부 130:연료전지부
140:열회수부 141:제1 열회수유닛
142:제2 열회수유닛 150:증발부
160:물공급부 161:워터탱크
165:개질워터공급유닛 170:연료공급부
180:댐퍼부 190:버너부
210:냉매라인 215:냉매 유량제어밸브
216:냉매 버너열교환부의 바이패스유로
220:배가스라인 230:애노드오프가스라인
246:개질연료공급라인 250:산화제 공급라인
300:시스템프레임 310:모듈케이싱
320:인버터 330:탈황부
400;버너열교환부 410;제1 버너열교환부
420:제2 버너열교환부
F:연료전지모듈

Claims (23)

  1. 연료전지부;
    상기 연료전지부에서 배출되는 애노드 오프가스를 연소하는 버너부;
    냉매와 애노드오프가스를 열교환하는 열회수부; 및
    상기 열회수부에 연결되고, 상기 열회수부를 통과한 냉매와 상기 버너부를 열교환하는 버너열교환부;를 포함하는 연료전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    냉매공급부로부터 상기 열회수부를 거쳐 상기 버너열교환부로 냉매를 공급하는 냉매라인;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 열회수부는,
    상기 냉매라인과 연결되고 연료전지부와는 애노드오프가스라인으로 연결되며, 상기 냉매라인에서 공급되는 냉매와 상기 연료전지부에서 배출되는 애노드오프가스간에 열교환하는 제1 열회수유닛;을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 열회수부는 상기 냉매라인에서 공급되는 냉매와 상기 버너부에서 배출되는 배가스를 열교환하되,
    상기 제1 열회수유닛 및 배가스라인과 연결되고, 상기 제1 열회수유닛을 통과한 냉매와 배가스간에 열교환하는 제2 열회수유닛;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 냉매는 상기 제1 열회수유닛에서 상기 제2 열회수유닛으로 흐른 후 상기 버너열교환부로 공급되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 연료전지부와 상기 버너부는 캐소드 가스라인으로 연결되고, 캐소드 가스는 상기 연료전지부에서 상기 버너부 방향으로 공급되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 연료전지부와 개질연료공급라인으로 연결되고, 상기 연료전지부로 개질된 연료를 공급하는 개질부;를 더 포함하고,
    상기 개질부는 산화제 공급부와 상기 연료전지부 사이에서 산화제 공급라인과 연결되고, 산화제와 연료간에 열이 교환되도록 하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    물공급부 및 연료공급부와 연결되고, 상기 물공급부에서 공급되는 물과 상기 연료공급부에서 공급되는 연료를 기체상으로 증발시키는 증발부; 및
    상기 증발부와 상기 개질부 사이에 배치되고, 상기 증발부에서 공급되는 상기 기체상의 물과 연료를 균일하게 혼합하여 상기 개질부로 공급하는 댐퍼부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 열회수유닛은 애노드오프가스라인으로 상기 물공급부와 연결되고, 상기 물공급부는 상기 제1 열회수유닛에서 공급되는 애노드오프가스에 함유된 수분을 포집하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 버너부와는 배가스라인으로 연결되고 상기 개질부와는 산화제 공급라인으로 연결되며, 상기 버너부에서 배출되는 배가스와 산화제를 열교환하고 상기 개질부로 예열된 산화제를 공급하는 산화제 예열부;를 더 포함하는 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 산화제 예열부는 상기 제2 열회수유닛과 배가스라인으로 연결되고, 배가스는 상기 산화제 예열부에서 상기 제2 열회수유닛 방향으로 공급되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 물공급부는,
    상기 제1 열회수유닛과 냉매라인으로 연결되고, 냉매는 상기 물공급부에서 상기 제1 열회수유닛으로 공급되고,
    상기 버너열교환부와 냉매라인으로 연결되고, 냉매는 상기 버너열교환부에서 상기 물공급부로 공급되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 애노드오프가스라인상에서 상기 연료전지부와 상기 제1 열회수유닛 사이에 배치되고,
    상기 연료전지부에서 배출되는 애노드오프가스와 산화제를 열교환하는 오프가스열교환부;를 더 포함하되,
    상기 오프가스열교환부는 상기 산화제 예열부와는 상기 산화제 공급라인으로 연결되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 배가스라인상에서 상기 산화제 예열부와 상기 제2 열회수유닛 사이에 상기 증발부가 연결되고,
    배가스는 상기 산화제 예열부에서 상기 증발부로 공급되어, 상기 증발부에서 배가스는 물 및 연료와 열교환한 후 상기 제2 열회수유닛으로 공급되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  15. 모듈케이싱;
    상기 모듈케이싱의 내부에 배치되고, 연료전지부 및 상기 연료전지부에서 배출되는 애노드 오프가스를 연소하는 버너부를 포함하는 연료전지모듈;
    상기 모듈케이싱에 배치되고, 냉매와 상기 버너부를 열교환하는 버너열교환부;를 포함하되,
    상기 버너열교환부는, 상기 모듈케이싱의 외벽 또는 내벽 중 하나 이상에 배치되되, 상기 모듈케이싱상에서 상기 버너부에 인접하여 배치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 버너열교환부로 냉매를 공급하는 냉매라인;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 냉매라인에서 공급되는 냉매와 애노드 오프가스를 열교환하는 열회수부;를 더 포함하되,
    상기 버너열교환부는 상기 냉매라인상에서 상기 열회수부의 하류측에 연결되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 열회수부는,
    상기 냉매라인과 연결되고, 연료전지부와는 애노드오프가스라인으로 연결되며, 상기 냉매라인에서 공급되는 냉매와 상기 연료전지부에서 배출되는 애노드오프가스간에 열교환하는 제1 열회수유닛;을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 열회수부는 상기 냉매라인에서 공급되는 냉매와 배가스를 열교환하되,
    상기 제1 열회수유닛 및 배가스라인과 연결되고, 상기 제1 열회수유닛을 통과한 냉매와 상기 배가스라인에서 공급되는 배가스간에 열교환하는 제2 열회수유닛;을 더 포함하고,
    상기 냉매는 상기 제1 열회수유닛에서 상기 제2 열회수유닛으로 흐른 후 상기 버너열교환부로 공급되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 연료전지모듈은,
    상기 연료전지부와 개질연료공급라인으로 연결되고, 상기 연료전지부로 개질된 연료를 공급하는 개질부;
    물공급부 및 연료공급부와 연결되고, 상기 물공급부에서 공급되는 물과 상기 연료공급부에서 공급되는 연료를 기체상으로 증발시키는 증발부;
    상기 증발부와 상기 개질부 사이에 배치되고, 상기 증발부에서 공급되는 상기 기체상의 물과 연료를 균일하게 혼합하여 상기 개질부로 공급하는 댐퍼부; 및
    상기 버너부와는 배가스라인으로 연결되고 상기 개질부와는 산화제 공급라인으로 연결되며, 상기 버너부에서 배출되는 배가스와 산화제를 열교환하고 상기 개질부로 예열된 산화제를 공급하는 산화제 예열부;를 더 포함하되,
    상기 개질부와 상기 연료전지부는 산화제 공급라인으로 연결되고, 산화제는 상기 개질부에서 상기 연료전지부 방향으로 공급되며,
    상기 연료전지부와 상기 버너부는 산화제 공급라인으로 연결되고, 산화제는 상기 연료전지부에서 상기 버너부 방향으로 공급되며,
    상기 제1 열회수유닛은 애노드오프가스라인으로 상기 물공급부와 연결되고, 상기 물공급부는 상기 제1 열회수유닛에서 공급되는 애노드오프가스에 함유된 수분을 포집하고,
    상기 산화제 예열부는 상기 제2 열회수유닛과 배가스라인으로 연결되고, 배가스는 상기 산화제 예열부에서 상기 제2 열회수유닛 방향으로 공급되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 물공급부는,
    상기 제1 열회수유닛과 냉매라인으로 연결되고, 냉매는 상기 물공급부에서 상기 제1 열회수유닛으로 공급되고,
    상기 버너열교환부와 냉매라인으로 연결되고, 냉매는 상기 버너열교환부에서 상기 물공급부로 공급되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  22. 제20항에 있어서,
    상기 애노드오프가스라인상에서 상기 연료전지부와 상기 제1 열회수유닛 사이에 배치되고, 상기 연료전지부에서 배출되는 애노드오프가스와 산화제를 열교환하는 오프가스열교환부;를 더 포함하되, 상기 오프가스열교환부는 상기 산화제 예열부와는 상기 산화제 공급라인으로 연결되고,
    상기 배가스라인상에서 상기 산화제 예열부와 상기 제2 열회수유닛 사이에 상기 증발부가 연결되고, 배가스는 상기 산화제 예열부에서 상기 증발부로 공급되어, 상기 증발부에서 배가스는 물 및 연료와 열교환한 후 상기 제2 열회수유닛으로 공급되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  23. 소정의 크기를 가지는 설치 공간에 복수개의 연료전지모듈을 포함하는 제15항의 연료전지 시스템이 배치되고,
    상기 버너열교환부는 상기 모듈케이싱의 외벽 또는 내벽에 밀착 배치되어 공간 부피를 적게 차지함에 따라 상기 설치 공간의 단위 면적당 배치할 수 있는 연료전지모듈의 개수는 증가하고,
    상기 버너열교환부는 상기 버너부의 열을 회수하여 상기 설치 공간으로의 열발생량을 감소시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.



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