KR20230120802A - 연료전지 장치 - Google Patents

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KR20230120802A
KR20230120802A KR1020220017478A KR20220017478A KR20230120802A KR 20230120802 A KR20230120802 A KR 20230120802A KR 1020220017478 A KR1020220017478 A KR 1020220017478A KR 20220017478 A KR20220017478 A KR 20220017478A KR 20230120802 A KR20230120802 A KR 20230120802A
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장희중
양동근
우형석
전지훈
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엘지전자 주식회사
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Abstract

본 발명에 따른 연료전지 장치는, 스택; 스택과 열교환되는 냉각수를 저장하는 냉각수탱크; 냉매를 압축시키는 압축기; 스택으로 공급되는 냉각수와 압축기로부터 배출된 냉매를 열교환시키는 냉각수가열 열교환기; 냉각수가열 열교환기로부터 배출된 냉매를 응축시키는 응축기; 응축기로부터 배출된 냉매를 팽창시키는 팽창밸브; 팽창밸브로부터 배출된 냉매를 증발시켜 압축기로 공급하는 증발기; 압축기로부터 배출된 냉매를 냉각수가열 열교환기로 선택적으로 공급하는 가열삼방밸브를 포함하므로, 가열삼방밸브를 제어하여 고온의 냉매를 스택으로 공급되는 냉각수와 필요에 따라 열교환시킴으로써, 스택의 온도를 발전에 적합한 온도에 빠르게 도달시킬 수 있어, 연료전지 장치의 발전 성능을 향상시킬 수 있다.

Description

연료전지 장치{Fuel Cell Appratus}
본 발명은 연료전지 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 압축기를 포함하는 히트펌프 사이클을 활용하여 스택으로 공급되는 냉각수의 온도를 조절할 수 있는 연료전지 장치에 관한 것이다.
연료전지 장치(Fuel cell apparatus)는, 탄화수소 계열의 물질, 예컨대, 메탄올, 에탄올, 천연가스 등에 포함되어 있는 수소를, 산소와 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키는 발전 장치이다.
연료전지 장치의 스택은, 약 65°C에서 전기화학반응이 활발히 일어난 다는 점이 알려져있다. 이에, 연료전지 장치의 발전 성능을 확보하기 위해서는, 스택을 적정 온도로 예열하고, 발열 반응인 스택 내 전기화학반응에도 예열된 스택의 적정 온도가 유지되도록 스택을 적절히 냉각하는 것이 중요하다.
연료전지 장치는, 한국공개특허공보 제10-2012-0071288호와 유사하게, 스택으로 공급할 수소를 생성하기 위하여, 연료가스를 공급받아 개질시켜 수소가 함유된 개질가스를 생성하는 개질기를 포함한다.
이때, 개질기가 개질가스를 생성하기 위하여는 일정 온도로 예열될 필요가 있으므로, 일반적으로 연료전지 장치는 최초 구동시 개질기를 일정 온도까지 예열하는 예열 모드로 먼저 운전되게 된다.
그 다음, 일반적으로 연료전지 장치는, 개질기가 일정 온도에 도달하면, 스택의 발전을 저해하는 개질가스에 함유된 일산화탄소의 농도가 적정 수준까지 저감되도록 개질기 내 개질을 반복하는 개질 모드로 운전되게 된다.
그 다음, 일반적으로 연료전지 장치는, 개질가스의 일산화탄소 농도가 적정 수준까지 저감되면, 개질가스를 스택으로 공급하기 시작하면서 스택 내 전기화학반응을 통해 전기에너지를 생성하는 발전 모드로 운전되게 된다.
이때, 종래 연료전지 장치는, KR 등록특허공보 제10-1101049호와 유사하게, 개질기가 수소를 추출할 때 발생하는 고온의 공기를 스택으로 공급하는 스택 예열 시스템을 갖추어, 발전 모드에 진입하기 전 스택을 적정 온도로 예열시킴으로써 스택의 발전 성능을 향상시킬 수 있었다.
그러나, 스택 예열 시스템을 갖춘 종래 연료전지 장치는, 개질기가 작동하지 않는 예열 모드에서는 스택을 예열할 수 없어, 개질 모드가 실행되는 시간 내에 스택을 충분히 예열하지 못하고 발전 모드에 진입할 경우에는 스택의 발전 성능이 저하된다는 문제점이 있었다.
또한, 종래 연료전지 장치는, KR 공개특허공보 제10-2014-0142420호와 유사하게, 흡수식 히트펌프를 활용하여 연료전지 배가스의 폐열을 회수한 뒤 회수한 폐열을 외부의 난방 열원으로 공급할 수 있었다.
그러나, 히트펌프를 활용하는 종래 연료전지 장치는, 회수한 폐열을 스택의 예열에 활용하지는 못하여, 여전히 구동 초기 스택의 발전 성능이 저하된다는 문제점이 있었다.
또한, 종래 연료전지 장치는, KR 등록특허공보 제10-1237212호와 유사하게, 스택을 경유하면서 순환하는 냉각수 순환라인을 구비하여, 스택의 반응열을 방열하여 스택이 과열되지 않도록 할 수 있었다.
그러나, 냉각수 순환라인을 구비한 종래 연료전지 장치은, 냉각수 순환라인을 통해 스택을 냉각할 뿐이고 그 외 스택을 예열할 수는 없도록 구성되어, 스택을 예열시키기 위하여는 냉각수 순환라인과는 별도의 예열 시스템을 추가로 구비하여야한다는 문제점이 있었다.
KR 공개특허공보 제10-2012-0071288호 KR 등록특허공보 제10-1101049호 KR 공개특허공보 제10-2014-0142420호 KR 등록특허공보 제10-1237212호
본 발명의 목적은, 운전 모드에 구애받지 않고 스택을 예열시킬 수 있는 연료전지 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 단일의 히트펌프 사이클을 통하여 간소하면서도 효과적으로 스택의 예열과 냉각을 모두 수행할 수 있는 연료전지 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 히트펌프 사이클을 통하여 스택을 예열에 사용되고 남은 열을 난방 열원에 공급할 수 있는 연료전지 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 히트펌프 사이클을 통하여 스택으로 공급되는 개질가스의 밀도를 향상시킬 수 있는 연료전지 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 히트펌프 사이클을 통하여 버너로 공급되는 공기 및 AOG의 밀도를 향상시킬 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; 스택과 열교환되는 냉각수를 저장하는 냉각수탱크; 냉매를 압축시키는 압축기; 냉각수탱크로부터 스택으로 공급되는 냉각수와 압축기로부터 배출된 냉매를 열교환시키는 냉각수가열 열교환기; 냉각수가열 열교환기로부터 배출된 냉매를 응축시키는 응축기; 응축기로부터 배출된 냉매를 팽창시키는 팽창밸브; 팽창밸브로부터 배출된 냉매를 증발시켜 압축기로 공급하는 증발기; 압축기로부터 배출된 냉매를 냉각수가열 열교환기로 선택적으로 공급하는 가열삼방밸브를 포함하고, 냉각수탱크로부터 스택으로 공급되는 냉각수와 팽창밸브로부터 증발기로 공급되는 냉매를 열교환시키는 냉각수냉각 열교환기; 냉각수탱크로부터 배출된 냉각수를 냉각수냉각 열교환기로 선택적으로 공급하는 냉각삼방밸브를 더 포함할 수 있다.
따라서, 가열삼방밸브 및 냉각삼방밸브를 제어하여 히트펌프 사이클(압축기,응축기,팽창밸브,및 증발기로 구성되는 사이클)을 순환하는 냉매의 고온부와 저온부를 스택으로 공급되는 냉각수와 필요에 따라 각각 열교환시킴으로써, 스택의 온도를 발전에 적합한 온도에 빠르게 도달시키거나 또는 적합한 온도 이상으로 과열되지 않도록 스택의 온도를 안정적으로 유지할 수 있어, 연료전지 장치의 발전 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치는, 냉각수가열 열교환기를 통과하거나 바이패스한 냉매를 내부에 저장된 냉각수와 열교환시키는 열회수탱크를 더 포함할 수 있다.
따라서, 외부의 온수원으로 사용되는 열회수탱크의 온도가 적정 온도보다 낮을 경우에는 상대적으로 고온인 냉매와 열회수탱크를 열교환시켜 열회수탱크를 가열하고, 열회수탱크의 온도가 적정 온도보다 높을 경우에는 상대적으로 저온인 냉매와 열회수탱크를 열교환시켜 열회수탱크를 냉각함으로써, 연료전지 장치의 온수 공급 효율 내지 난방 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치는, 개질가스를 생성하여 스택으로 공급하는 개질기; 및 냉각수냉각 열교환기로부터 증발기로 공급되는 냉매를 개질기로부터 스택으로 공급되는 개질가스와 열교환시키는 개질가스냉각 열교환기를 더 포함할 수 있다.
따라서, 스택으로 공급되는 고온의 개질가스를 증발기 및 팽창밸브를 통과한 저온의 냉매와 열교환시켜 냉각함으로써 밀도를 낮추어, 스택으로 공급되는 개질가스의 유량을 상승시켜 연료전지 장치의 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치는, 공기와 연료를 연소시켜 개질기를 가열하는 버너; 및 개질가스냉각 열교환기로부터 증발기로 공급되는 냉매를 버너로 공급되는 공기와 열교환시키는 버너급기냉각 열교환기를 더 포함할 수 있다.
따라서, 버너로 공급되는 공기를 증발기,팽창밸브 및 개질가스냉각 열교환기를 통과한 저온의 냉매와 열교환시켜 냉각함으로써 밀도를 낮추어, 버너로 공급되는 공기의 유량을 상승시켜 버너의 연소 효율을 향상시키고, 개질가스 생성량을 상승시켜 연료전지 장치의 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치는, 개질가스냉각 열교환기로부터 증발기로 공급되는 냉매를 스택으로부터 배출되어 버너로 공급되는 가스와 열교환시키는 AOG냉각 열교환기를 더 포함할 수 있다.
따라서, 버너로 공급되는 가스(AOG)를 증발기,팽창밸브 및 개질가스냉각 열교환기를 통과한 저온의 냉매와 열교환시켜 냉각함으로써 밀도를 낮추어, 버너로 공급되는 가스의 유량을 상승시켜 버너의 연소 효율을 향상시키고, 개질가스 생성량을 상승시켜 연료전지 장치의 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치는, 스택으로 공급되는 냉각수의 온도를 감지하는 냉각수온도센서를 더 포함할 수 있고, 버너가 개질기를 목표 온도까지 예열하는 예열 모드 또는 개질기에서 생성되는 개질가스의 이산화탄소 농도를 목표 농도까지 저감시키는 개질 모드에서, 냉각수온도센서가 감지한 냉각수의 온도값이 목표 온도 범위(제1하한온도 내지 제1상항온도) 미만인지, 이내인지, 또는 초과인지에 따라, 냉각수의 온도가 목표 온도 범위 이내이도록 가열삼방밸브와 냉각삼방밸브를 각각 냉각수가열 열교환기와 냉각수냉각 열교환기측으로 절환하거나 절환하지 않도록 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
따라서, 발전 모드에 진입하기 이전인 예열 또는 개질 모드에서라도 미리 스택을 발전에 적합한 온도인 목표 온도 범위에 도달시키고 도달된 온도가 유지되도록 함으로써, 연료전지 장치의 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치는, 스택으로 개질가스 및 공기를 공급하여 전기에너지를 생성하는 발전 모드에서, 냉각수온도센서가 감지한 냉각수의 온도값이 목표 온도 범위(제2기준온도로부터 허용차이값 이내인 온도 범위) 이하인지, 이내인지, 또는 초과인지에 따라, 냉각수의 온도가 목표 온도 범위 이내이도록 가열삼방밸브를 냉각수가열 열교환기측으로 절환하거나 절환하지 않도록하고, 냉각삼방밸브의 냉각수냉각 열교환기측 개도량을 증가시키거나 감소시키는 제어부를 더 포함할 수 있다.
따라서, 발전 모드에서 스택이 발전에 적합한 온도인 목표 온도 범위로 유지되도록 함으로써, 연료전지 장치의 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치는, 예열 모드 또는 개질 모드에서는 압축기를 설정된 제1출력으로 작동시키고, 발전 모드에서는 압축기를 제1출력보다 높게 설정된 제2출력으로 작동시키는 제어부를 더 포함할 수 있다.
따라서, 연료전지 장치의 모드에 따라 냉각수가 필요로 하는 가열량이 달라질 수 있는 것에 대응하여 압축기의 출력을 차등적으로 설정함으로써, 연료전지 장치의 냉각수 온도 관리 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치는, 압축기로부터 배출되는 냉매의 온도를 감지하는 압축기온도센서; 응축기로 유입되는 냉매의 온도를 감지하는 응축기온도센서; 압축기로부터 배출되는 냉매의 압력을 감지하는 제1압력센서; 및 증발기로 유입되는 냉매의 온도를 감지하는 증발기온도센서; 및 증발기로부터 배출되는 냉매의 압력을 감지하는 제2압력센서를 더 포함할 수 있고, 각 센서의 감지값에 따라 압축기, 응축기의 팬, 증발기의 팬을 각각 작동시키거나 정지시키는 제어부를 더 포함할 수 있다.
따라서, 필요에 따라 히트펌프 사이클을 순환하는 냉매의 압축량, 응축량, 증발량을 유동적으로 조절하여 연료전지 장치의 냉각수 온도 관리 성능을 향상시킬 수 있다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치는, 가열삼방밸브 및 냉각삼방밸브를 제어하여 히트펌프 사이클(압축기,응축기,팽창밸브,및 증발기로 구성되는 사이클)을 순환하는 냉매의 고온부와 저온부를 스택으로 공급되는 냉각수와 필요에 따라 각각 열교환시킴으로써, 스택의 온도를 발전에 적합한 온도에 빠르게 도달시키거나 또는 적합한 온도 이상으로 과열되지 않도록 스택의 온도를 안정적으로 유지할 수 있어, 연료전지 장치의 발전 성능을 향상시킬 수 있다
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치는, 외부의 온수원으로 사용되는 열회수탱크의 온도가 적정 온도보다 낮을 경우에는 상대적으로 고온인 냉매와 열회수탱크를 열교환시켜 열회수탱크를 가열하고, 열회수탱크의 온도가 적정 온도보다 높을 경우에는 상대적으로 저온인 냉매와 열회수탱크를 열교환시켜 열회수탱크를 냉각함으로써, 연료전지 장치의 온수 공급 효율 내지 난방 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치는, 스택으로 공급되는 고온의 개질가스를 증발기 및 팽창밸브를 통과한 저온의 냉매와 열교환시켜 냉각함으로써 밀도를 낮추어, 스택으로 공급되는 개질가스의 유량을 상승시켜 연료전지 장치의 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치는, 버너로 공급되는 공기를 증발기,팽창밸브 및 개질가스냉각 열교환기를 통과한 저온의 냉매와 열교환시켜 냉각함으로써 밀도를 낮추어, 버너로 공급되는 공기의 유량을 상승시켜 버너의 연소 효율을 향상시키고, 개질가스 생성량을 상승시켜 연료전지 장치의 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치는, 버너로 공급되는 가스(AOG)를 증발기,팽창밸브 및 개질가스냉각 열교환기를 통과한 저온의 냉매와 열교환시켜 냉각함으로써 밀도를 낮추어, 버너로 공급되는 가스의 유량을 상승시켜 버너의 연소 효율을 향상시키고, 개질가스 생성량을 상승시켜 연료전지 장치의 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치는, 발전 모드에 진입하기 이전인 예열 또는 개질 모드에서라도 미리 스택을 발전에 적합한 온도인 목표 온도 범위에 도달시키고 도달된 온도가 유지되도록 함으로써, 연료전지 장치의 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치는, 발전 모드에서 스택이 발전에 적합한 온도인 목표 온도 범위로 유지되도록 함으로써, 연료전지 장치의 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치는, 연료전지 장치의 모드에 따라 냉각수가 필요로 하는 가열량이 달라질 수 있는 것에 대응하여 압축기의 출력을 차등적으로 설정함으로써, 연료전지 장치의 냉각수 온도 관리 성능을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치는, 필요에 따라 히트펌프 사이클을 순환하는 냉매의 압축량, 응축량, 증발량을 유동적으로 조절하여 연료전지 장치의 냉각수 온도 관리 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 장치의 전체구성도이다.
도 2는, 본 발명의 실시예에 따른 연료처리장치의 구성도이다.
도 3은, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치의 예열 또는 개질 모드에서, 냉매가 냉각수가열 열교환기를 통과하고, 냉각수가 냉각수냉각 열교환기를 바이패스하는 경우의 유동흐름도이다.
도 4는, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치의 예열 또는 개질 모드에서, 냉매가 냉각수가열 열교환기를 바이패스하고, 냉각수가 냉각수냉각 열교환기를 바이패스하는 경우의 유동흐름도이다.
도 5는, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치의 예열 또는 개질 모드에서, 냉매가 냉각수가열 열교환기를 바이패스하고, 냉각수가 냉각수냉각 열교환기를 통과하는 경우의 유동흐름도이다.
도 6은, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치의 발전 모드에서, 냉매가 냉각수가열 열교환기를 통과하고, 냉각수가 냉각수냉각 열교환기를 바이패스하는 경우의 유동흐름도이다.
도 7은, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치의 발전 모드에서, 냉매가 냉각수가열 열교환기를 바이패스하고, 냉각수 중 일부는 냉각수냉각 열교환기를 바이패스하고 나머지는 냉각수냉각 열교환기를 통과하는 경우의 유동 흐름도이다.
도 8은, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치의 발전 모드에서, 냉매가 냉각수가열 열교환기를 바이패스하고, 냉각수가 냉각수냉각 열교환기를 통과하는 경우의 유동 흐름도이다.
도 9는, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치의 삼방밸브의 제어흐름도이다.
도 10은, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치의 압축기의 제어흐름도이다.
도 11은, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치의 응축기 팬의 제어흐름도이다.
도 12는, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치의 증발기 팬의 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 '304'가 '304a, 304b, 및 304c'를 포함하고, '506'가 '506a, 506b, 506c, 506d, 506e, 및 506f'를 포함하는 의미임은 당연하다.
이하, 특정 구성이 특정 유로에 '배치'된다 함은, 특정 구성의 입구단과 출구단이 각각 특정 유로에 연결됨을 의미할 수 있다. 또는, 특정 구성에 의하여 특정유로가 '전단'과 '후단'으로 구분됨을 의미할 수 있다.
또한, 특정 유로를 유동하는 유체는 특정 유로를 통해 특정 구성의 입구단으로 유입된 다음 특정 구성의 출구단으로 배출되어 다시 특정 유로를 유동할 수 있음을 의미할 수 있다.
이하, '하류' 및 '상류'라 함은, 유로 내 유체의 유동을 기준으로 정의한다. 예를 들어, 고압기체유로(500) 중 냉각수가열유로(502)가 합지되는 부위의 하류라 함은, 고압기체유로(500) 중 냉각수가열유로(502)가 합지되는 부위를 통과하는 유체가 흘러갈 고압기체유로(500) 내 부위를 의미한다.
이하, 냉매가 유동하는 유로의 명칭이 의미하는 온도, 압력, 및/또는 상태와는 온도, 압력, 및/또는 상태를 달리하는 이상의 냉매가 해당 유로를 유동할 수도 있다. 예를 들어, '고압액체유로(504)'에는 고압의 액체 뿐만 아니라, 고압의 기체가 함께 유동할 수도 있다.
연료전지(Fuel Cell) 장치란 탄화수소계 연료를 개질하여 얻은 수소와 외기중의 산소를 스택(20a, 20b)의 막전극접합체(MEA)에서 전기화학반응시켜 전기를 생산하는 장치이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치(1)는, 연료처리부(I), 전력생성부(II), 물순환부(III), 열회수부(IV)를 포함할 수 있고, 특히, 히트펌프 사이클(V)을 더 포함할 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 개질가스 열교환기(21), 스택(20a, 20b)에 공급되는 공기에 수분을 공급하는 가습장치(23), 공기를 스택(20a, 20b)으로 유동시키는 제2 블로워(72) 등을 포함할 수 있다.
물순환부(III)는, 연료전지 장치(1)에서 생성되는 냉각수를 저장하는 냉각수탱크(13), 연료처리장치(10)로 냉각수를 유동시키는 냉각수펌프(38), 연료처리장치(10)로 공급되는 냉각수의 유동을 조절하는 냉각수공급밸브(39), 개질가스 열교환기(21)로 냉각수를 유동시키는 냉각수펌프(43) 등을 포함할 수 있다. 본 발명에서 냉각수는 필터를 통과하며 이물질이 제거된 초순수 내지 물을 의미할 수 있으며, 서술에 있어 물과 냉각수를 특별히 구분하지 않도록 한다.
열회수부(IV)는, 열교환에 사용되는 냉각수를 저장하는 열회수탱크(15), 열회수탱크(15)에 저장된 냉각수를 열회수탱크(15) 외부로 유동시키는 열회수펌프(48) 등을 포함할 수 있다.
히트펌프 사이클(V)은, 압축기(400), 응축기(410), 팽창밸브(420), 및 증발기(430)를 포함할 수 있고, 압축기(400), 응축기(410), 팽창밸브(420), 및 증발기(430)를 순환하는 냉매 등을 더 포함할 수 있다.
이하, 본원 발명의 기술적 사상의 핵심의 이해를 돕기 위하여 각 부 및 각 부를 구성하는 구성 중, 각 부 및 각 부를 구성하는 구성들의 작동 순서와 무관한 순서로 특정 구성에 관하여 먼저 설명하도록 한다.
이하, 도 1을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치의 구성에 대해 설명한다.
스택(20)은, 수소와 산소를 전기화학반응시켜 전기에너지를 생성한다. 예를 들어, 스택(20)은, 연료처리장치(10)로부터 공급되는 개질가스에 함유된 수소와 제2 블로워로부터 공급되는 공기에 함유된 산소에 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, 스택 열교환기(미도시)를 더 포함할 수 있다. 스택 열교환기는, 냉각수를 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. 또는, 예를 들어, 스택 열교환기에 공급되는 냉각수가 스택(20a, 20b)으로 열을 전달한 뒤 스택 열교환기의 외부로 토출될 수 있고, 열을 전달받은 스택(20a, 20b)의 온도는 상승할 수 있다.
스택 열교환기는, 열교환을 통해 스택(20a, 20b)이 발전에 적합한 온도(예를 들어, 65도 내지 75도)로 유지되도록 할 수 있다. 스택 열교환기는, 냉각수공급유로(304)로 부터 냉각수를 공급받아, 스택물토출유로(307)로 냉각수를 토출할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에서, 연료전지 장치(1)는 두 개의 스택(20a, 20b)을 구비하는 것으로 설명하나, 이에 제한되지 않는다. 한편, 스택(20a, 20b)에서 반응하지 않고 배출되는 가스는, 양극배출가스(anode off gas, AOG)로 명명될 수 있다.
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)
개질기(140)는, 개질가스를 생성하여 스택(20a, 20b)으로 공급할 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. 이와 같이 개질기(140) 등을 거쳐 연료처리장치(10)에서 토출되는 가스는, 개질가스로 명명될 수 있다.
개질가스는, 연료전지 장치의 운전 모드에 따라 스택(20a, 20b)으로 공급되어 발전에 사용되거나, 또는 버너(120)로 공급되어 연소에 사용될 수 있다. 스택(20a, 20b)으로 공급된 개질가스는, 스택(20a, 20b)의 전기화학반응에 사용된 다음 스택(20a, 20b)으로부터 토출될 수 있다. 스택(20a, 20b)으로부터 토출되는 개질가스(이하 'AOG')는, 스택(20a, 20b)으로부터 버너(120)로 공급될 수 있다. 버너(120)로 공급된 AOG는 버너(120)의 연소에 사용될 수 있다.
개질가스 또는 AOG의 유동과 관련된 유로, 및 개질가스 또는 AOG가 통과하는 열교환기에 관한 설명은 후술하도록 한다.
버너(120)는, 공기와 연료를 연소시켜 개질기(140)를 가열할 수 있다. 즉, 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.
연료처리장치(10)와 관련하여, 상술한 구성 외의 탈황기(110), 증기발생기(130), 제1 반응기(150), 및 제2 반응기(160)에 관하여는 후술하도록 한다.
냉각수탱크(13)는, 스택(20a, 20b)으로 공급되어 스택(20a, 20b)과 열교환되는 냉각수를 저장한다. 냉각수공급유로(304)는, 냉각수탱크(13)와 스택(20a, 20b)을 연결할 수 있다.
냉각수공급유로(304)에는, 냉각수탱크(13)에 저장된 냉각수를 유동시키는 냉각수펌프(43), 냉각수공급유로(304) 내에 유동하는 냉각수의 유량을 검출하는 냉각수유량계(56), 냉각수의 유로를 절환하는 냉각삼방밸브(412), 냉각수와 개질가스를 열교환시키는 개질가스열교환기(21), 및/또는 냉각수와 냉매를 열교환시키는 냉각수가열 열교환기(404)가 배치될 수 있다.
냉각수냉각유로(510)는, 냉각수공급유로(304)로부터 분지된 다음 냉각수공급유로(304)로 합지될 수 있다. 냉각수냉각유로(510)에는, 냉각수냉각 열교환기(422)가 배치될 수 있다.
냉각삼방밸브(412)는, 냉각수공급유로(304)에서 냉각수냉각유로(510)가 분지되는 부위에 배치될 수 있다. 냉각삼방밸브(412)는, 냉각수탱크(13)로부터 배출된 냉각수를 냉각수냉각 열교환기(422)로 선택적으로 공급할 수 있다.
냉각수냉각유로(510)가 냉각수공급유로(304)에서 분지되는 지점 또는 냉각삼방밸브(412)가 배치되는 지점은, 냉각수가열 열교환기(404)가 배치되는 지점보다 상류일 수 있다.
냉각수공급유로(304)에서 분지된 냉각수냉각유로(510)가 다시 냉각수공급유로(304)로 합지되는 지점은, 냉각수가열 열교환기(404)가 배치되는 지점보다 하류일 수 있다.
따라서, 냉각삼방밸브(412)의 절환에 따라, 냉각수탱크(13)로부터 배출된 냉각수가 냉각수가열 열교환기(404) 또는 냉각수냉각 열교환기(422) 중 어느 하나만을 선택적으로 통과한 다음 스택(20a, 20b)으로 공급되게 할 수 있다.
또는, 냉각삼방밸브(412)의 냉각수냉각 열교환기(422)측 개도량에 따라, 냉각수탱크(13)로부터 배출된 냉각수 중 일부는 냉각수냉각 열교환기(422)만을 통과한 다음 스택(20a, 20b)으로 공급되게 하고, 냉각수탱크(13)로부터 배출된 냉각수 중 나머지는 냉각수가열 열교환기(404)만을 통과한 다음 스택(20a, 20b)으로 공급되게 할 수 있다.
한편, 냉각수공급유로(304)는, 제1냉각수공급유로(304a), 제2냉각수공급유로(304b), 및/또는 제3냉각수공급유로(304c)를 포함할 수 있다.
냉각삼방밸브(412)가 개질가스열교환기(21) 내지 냉각수가열 열교환기(404)측(이하 이를 '바이패스측'이라 한다.)으로 절환된 경우, 냉각수탱크(13)로부터 배출된 냉각수는, 제1냉각수공급유로(304a)를 통해 개질가스열교환기(21)로 유동할 수 있고, 개질가스열교환기(21)에서 개질가스와 열교환될 수 있다.
개질가스열교환기(21)에서 토출된 냉각수는, 제2냉각수공급유로(304b)를 통해 냉각수가열 열교환기(404)로 유동할 수 있고, 냉각수가열 열교환기(404)에서 냉매와 열교환될 수 있다.
냉각수가열 열교환기(404)에서 토출된 냉각수는, 제3냉각수공급유로(304c)를 통해 스택(20a, 20b)으로 유입될 수 있다.
본 실시예에서, 냉각수가열 열교환기(404)는 개질가스열교환기(21)의 하류에 배치되는 것으로 설명되었으나, 이에 제한되지 않고, 냉각수가열 열교환기(404)는 개질가스열교환기(21)의 상류에 배치될 수도 있다.
냉각삼방밸브(412)가 냉각수냉각 열교환기(422)측으로 절환된 경우, 냉각수탱크(13)로부터 배출된 냉각수는, 냉각수냉각유로(510)를 통해 냉각수냉각 열교환기(422)로 유동할 수 있고, 냉각수냉각 열교환기(422)에서 냉매와 열교환될 수 있다.
냉각수냉각 열교환기(422)에서 토출된 냉각수는, 냉각수냉각유로(510)를 통해 냉각수공급유로(304)로 유동되어 스택(20a, 20b)으로 유입될 수 있다.
냉각삼방밸브(412)가 냉각수냉각 열교환기(422)측으로 소정량 개도된 경우, 냉각수탱크(13)로부터 배출된 냉각수 중 일부는, 냉각수냉각유로(510)를 통해 냉각수냉각 열교환기(422)로 유동할 수 있고, 냉각수탱크(13)로부터 배출된 냉각수 중 나머지 일부는, 냉각수공급유로(304)를 통해 개질가스열교환기(21)로 유동할 수 있다.
냉각삼방밸브(412)가 냉각수냉각 열교환기(422)측으로 개도된 정도에 따라, 냉각수탱크(13)로부터 배출된 냉각수 중 냉각수냉각 열교환기(422)로 유동하는 냉각수의 유량이 달라질 수 있다.
냉각수공급유로(304)를 통해 스택(20a, 20b)으로 유입된 냉각수는, 스택(20a, 20b)과 열교환될 수 있다. 스택(20a, 20b)으로 유입된 냉각수는, 즉, 스택(20a, 20b)에 포함된 스택 열교환기(미도시)를 따라 유동할 수 있고, 스택(20a, 20b)을 예열하거나, 또는, 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 냉각수는, 물연결유로(306)를 통해 제2 스택(20b)으로 유입될 수 있다.
스택(20a, 20b)에서 토출되는 냉각수는, 스택물토출유로(307)를 통해 냉각수열교환기(24)로 유입될 수 있다. 냉각수열교환기(24)는, 스택(20a, 20b)에서 토출된 냉각수와, 열회수탱크(15)에서 토출된 냉각수를 열교환할 수 있다.
냉각수열교환기(24)에서 토출된 냉각수는, 물저장유로(308)를 통해 냉각수탱크(13)로 유입될 수 있다.
물저장유로(308)에는, 냉각수탱크(13)로 회수되는 냉각수에 포함된 이물질을 제거하는 제2 액체필터(93)가 배치될 수 있다.
이 외 냉각수탱크(13)에 저장된 냉각수와 관련하여, 물유입유로(301), 물배출유로(302), 수분제거장치(61, 62, 63, 64) 등에 관한 사항은 후술하도록 한다.
한편, 저압기체유로(508)는, 증발기(430)와 압축기(400)를 연결할 수 있다.
압축기(400)는, 증발기(430)로부터 토출되어 저압기체유로(508)를 통해 공급되는 냉매를 압축시킨다. 압축기(400)로 공급되는 냉매는, 저온 저압의 기체일 수 있다. 압축기(400)는, 압축된 냉매를 고압기체유로(500)로 토출할 수 있다. 압축기(400)로부터 토출되는 냉매는, 고온 고압의 기체일 수 있다.
고압기체유로(500)는, 압축기(400)와 응축기(410)를 연결한다. 고압기체유로(500)에는, 냉매의 유로를 절환하는 가열삼방밸브(402)가 배치될 수 있다.
냉각수가열유로(502)는, 고압기체유로(500)로부터 분지된 다음 고압기체유로(500)로 합지된다. 고압기체유로(500) 중 냉각수가열유로(502)가 분지되는 부위는, 냉각수가열유로(502)가 합지되는 부위보다 상류일 수 있다. 냉각수가열유로(502)에는, 냉각수가열 열교환기(404)가 배치된다.
가열삼방밸브(402)는, 고압기체유로(500)에서 냉각수가열유로(502)가 분지되는 부위에 배치되어 압축기(400)로부터 배출된 냉매를 냉각수가열 열교환기(404)로 선택적으로 공급한다.
예를 들어, 가열삼방밸브(402)가 냉각수가열 열교환기(404)측으로 절환될 경우, 압축기(400)로부터 배출된 냉매는 냉각수가열 열교환기(404)로 공급될 수 있다. 또는, 예를 들어, 가열삼방밸브(402)가 냉각수가열 열교환기(404)를 바이패스하는 측(이하, 이를 '바이패스측'으로 지칭한다)으로 절환될 경우, 압축기(400)로부터 배출된 냉매는 냉각수가열 열교환기(404)를 바이패스할 수 있다.
냉각수가열 열교환기(404)는, 냉각수공급유로(304)를 통해 냉각수탱크(13)로부터 스택(20a, 20b)으로 공급되는 냉각수와 압축기(400)로부터 배출되어 냉각수가열유로(502)를 통해 공급되는 냉매를 열교환시킨다. 냉각수가열 열교환기(404)는, 고온 고압의 냉매를 냉각수와 열교환시킴으로써 냉각수를 가열할 수 있다. 냉각수가열 열교환기(404)에서 열교환된 냉매는, 냉각수가열유로(502)로 토출되어 다시 고압기체유로(500)로 유입될 수 있다.
응축기(410)는, 냉각수가열 열교환기(404)로부터 배출된 냉매 및/또는 압축기(400)로부터 배출되고 냉각수가열 열교환기(404)를 바이패스한 냉매를 고압기체유로(500)로부터 공급받아 응축시킨다. 고압기체유로(500)로부터 응축기(410)로 공급되는 냉매는, 일반적으로 고온 고압의 기체일 수 있다. 응축기(410)는, 응축시킨 냉매를 고압액체유로(504)로 토출할 수 있다. 응축기(410)로부터 고압액체유로(504)로 토출되는 냉매는, 일반적으로 고온 고압의 액체일 수 있다.
응축기(410)는, 설치 공간 내 난방이 필요한 위치에 배치될 수 있다.
고압액체유로(504)는, 응축기(410)와 팽창밸브(420)를 연결할 수 있다.
팽창밸브(420)는, 고압액체유로(504)를 통해 응축기(410)로부터 배출된 냉매를 공급받아 팽창시킨다. 팽창밸브(420)는, 팽창된 냉매를 저압액체유로(506)로 토출할 수 있다. 팽창밸브(420)로부터 저압액체유로(506)로 토출된 냉매는, 일반적으로 저온 저압의 액체일 수 있다.
저압액체유로(506)는, 팽창밸브(420)와 증발기(430)를 연결할 수 있다. 저압액체유로(506)는, 후술하는 제1저압액체유로(506a), 제2저압액체유로(506b), 제3저압액체유로(506c), 제4저압액체유로(506d), 제5저압액체유로(506e), 및/또는 제6저압액체유로(506f)를 포함할 수 있다.
저압액체유로(506)에는, 냉각수냉각 열교환기(422)가 배치될 수 있다. 팽창밸브(420)로부터 저압액체유로(506)로 토출된 냉매는, 증발기(430)로 유입되기에 앞서 냉각수냉각 열교환기(422)를 통과하며 열교환될 수 있다.
냉각수냉각 열교환기(422)는, 냉각수냉각유로(510)를 통해 냉각수탱크(13)로부터 스택(20a, 20b)으로 공급되는 냉각수와 제1저압액체유로(506a)를 통해 팽창밸브(420)로부터 증발기(430)로 공급되는 냉매를 열교환시킬 수 있다. 냉각수냉각 열교환기(422)는, 일반적으로 저온 저압인 냉매를 냉각수와 열교환시킴으로써 냉각수를 냉각할 수 있다. 냉각수냉각 열교환기(422)는, 열교환된 냉매를 제2저압액체유로(506b)로 토출할 수 있다.
증발기(430)는, 저압액체유로(506)를 통해 공급되는 냉매를 증발시켜 저압기체유로(508)를 통해 압축기(400)로 공급한다. 증발기(430)로부터 저압기체유로(508)로 토출되는 냉매는, 저온 저압의 기체일 수 있다.
증발기(430)는, 설치 공간 내 냉방이 필요한 위치에 배치될 수도 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치는, 히트펌프 사이클(V)(압축기,응축기,팽창밸브,및 증발기로 구성되는 사이클을 의미한다.), 및 냉매와 냉각수의 유로를 제어하기 위한 가열삼방밸브 및 냉각삼방밸브를 구비하여, 히트펌프 사이클을 순환하는 냉매의 고온부와 저온부를 스택으로 공급되는 냉각수와 필요에 따라 각각 열교환시킴으로써, 스택의 온도를 발전에 적합한 온도에 빠르게 도달시키거나 또는 적합한 온도 이상으로 과열되지 않도록 스택의 온도를 안정적으로 유지할 수 있어, 연료전지 장치의 발전 성능을 향상시킬 수 있다.
한편, 고압기체유로(500)에는, 냉매를 저장된 냉각수와 열교환시키는 열회수탱크(15)가 더 배치될 수 있다.
열회수탱크(15)는, 고압기체유로(500) 중 냉각수가열유로(502)가 합지되는 부위의 하류에 배치될 수 있다. 열회수탱크(15)는, 고압기체유로(500)로부터 냉매를 공급받아 내부에 저장된 냉각수와 열교환시킬 수 있다. 열회수탱크(15)에서 열교환된 냉매는, 고압기체유로(500)로 토출되어 응축기(410)로 공급될 수 있다.
열회수탱크(15)는 급탕 설비로 기능할 수 있으므로, 열회수탱크(15) 내부에 저장된 냉각수의 온도는 일반적으로 고압기체유로(500)를 유동하는 냉매의 온도 보다 낮을 수 있다. 따라서, 열회수탱크(15) 내부에 저장된 냉각수는, 고압기체유로(500)를 유동하는 냉매와 열교환되면서 가열될 수 있다.
그러나, 운전 조건에 따라, 열회수탱크(15) 내부에 저장된 냉각수의 온도가 고압기체유로(500)를 유동하는 냉매의 온도보다 높을 수도 있고, 이 경우 고압기체유로(500)를 유동하는 냉매는 열회수탱크(15) 내부에 저장된 냉각수와 열교환되면서 열회수탱크(15) 내부에 저장된 냉각수를 냉각하게 된다. 따라서, 열회수탱크(15) 내부에 저장된 냉각수의 온도가 필요 이상으로 높을 경우, 히트펌프 사이클과의 열교환을 통해 냉각될 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치는, 외부의 온수원으로 사용되는 열회수탱크의 온도가 적정 온도보다 낮을 경우에는 상대적으로 고온인 냉매와 열회수탱크를 열교환시켜 열회수탱크를 가열하고, 열회수탱크의 온도가 적정 온도보다 높을 경우에는 상대적으로 저온인 냉매와 열회수탱크를 열교환시켜 열회수탱크를 냉각함으로써, 연료전지 장치의 온수 공급 효율 내지 난방 효율을 향상시킬 수 있다.
한편, 열회수탱크(15)에 저장된 냉각수는, 온수펌프(48)에 의하여 제1 온수순환유로(314), 공기열교환기(25), 제2 온수순환유로(315), 냉각수열교환기(24), 제3 온수순환유로(316), 배기열교환기(26), 및/또는 온수회수유로(317)를 거쳐서 다시 열회수탱크(15)로 회수될 수 있다.
열회수탱크(15)에 저장된 냉각수는, 공기열교환기(25), 냉각수열교환기(24), 및/또는 배기열교환기(26)를 통과하면서 스택(20a, 20b)으로부터 배출되는 공기, 스택(20a, 20b)으로부터 배출되는 냉각수, 및/또는 버너(120)로부터 배출되는 배기가스의 폐열을 회수할 수 있다.
열회수탱크(15)와 관련된 나머지 사항에 관하여는 후술하도록 한다.
한편, 저압액체유로(506) 중 냉각수냉각 열교환기(422)의 하류인 부위에는, 개질가스냉각 열교환기(424), 버너급기냉각 열교환기(428), 및/또는 AOG냉각 열교환기(426)가 더 배치될 수 있다.
개질가스냉각 열교환기(424)는, 냉각수냉각 열교환기(422)로부터 증발기(430)로 공급되는 냉매를 개질기(140)로부터 스택(20a, 20b)으로 공급되는 개질가스와 열교환시킬 수 있다. 이때, 냉각수냉각 열교환기(422)로부터 증발기(430)로 공급되는 냉매는 개질기(140)로부터 스택(20a, 20b)으로 공급되는 개질가스보다 저온이므로, 열교환을 통해 개질가스를 냉각시킬 수 있다.
예를 들어, 개질가스냉각 열교환기(424)는, 스택가스공급유로(106)에 배치되어 스택(20a, 20b)으로 공급되는 개질가스를 공급받아 열교환시킨 다음 스택(20a, 20b)으로 공급할 수 있다.
예를 들어, 개질가스냉각 열교환기(424)는, 냉각수냉각 열교환기(422)와 연결된 제2저압액체유로(506b)와 연결되어, 냉각수냉각 열교환기(422)로부터 배출된 냉매를 공급받아 열교환시킬 수 있다. 예를 들어, 개질가스냉각 열교환기(424)는, 버너급기냉각 열교환기(428)와 연결된 제4저압액체유로(506d) 및/또는 AOG냉각 열교환기(426)와 연결된 제3저압액체유로(506c)와 연결되어, 열교환된 냉매를 버너급기냉각 열교환기(428) 및/또는 AOG냉각 열교환기(426)로 공급할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치는, 스택으로 공급되는 고온의 개질가스를 증발기 및 팽창밸브를 통과한 저온의 냉매와 열교환시켜 냉각함으로써 밀도를 낮추어, 스택으로 공급되는 개질가스의 유량을 상승시켜 연료전지 장치의 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
AOG냉각 열교환기(426)는, 개질가스냉각 열교환기(424)로부터 증발기(430)로 공급되는 냉매를 스택(20a, 20b)으로부터 배출되어 버너(120)로 공급되는 가스(즉, AOG)와 열교환시킬 수 있다. 이때, 개질가스냉각 열교환기(424)로부터 증발기(430)로 공급되는 냉매는 AOG 보다 저온이므로, 열교환을 통해 AOG를 냉각시킬 수 있다.
예를 들어, AOG냉각 열교환기(426)는, 스택(20a, 20b)과 연결된 스택가스토출유로(108)와 연결되어 스택(20a, 20b)에서 토출된 AOG를 공급받아 열교환시킬 수 있다. 예를 들어, AOG냉각 열교환기(426)는, 버너(120)와 연결된 AOG공급유로(109)와 연결되어 열교환된 AOG를 버너(120)로 공급할 수 있다.
예를 들어, AOG냉각 열교환기(426)는, 개질가스냉각 열교환기(424)와 연결된 제3저압액체유로(506c)와 연결되어 개질가스냉각 열교환기(424)로부터 토출된 냉매를 공급받아 열교환시킬 수 있다. 예를 들어, AOG냉각 열교환기(426)는, 증발기(430)와 연결된 제6저압액체유로(506f)와 연결되어 열교환된 냉매를 증발기(430)로 공급할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치는, 버너로 공급되는 가스(AOG)를 증발기,팽창밸브 및 개질가스냉각 열교환기를 통과한 저온의 냉매와 열교환시켜 냉각함으로써 밀도를 낮추어, 버너로 공급되는 가스의 유량을 상승시켜 버너의 연소 효율을 향상시키고, 개질가스 생성량을 상승시켜 연료전지 장치의 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
버너급기냉각 열교환기(428)는, 개질가스냉각 열교환기(424)로부터 증발기(430)로 공급되는 냉매를 버너(120)로 공급되는 공기와 열교환시킬 수 있다. 이때, 개질가스냉각 열교환기(424)로부터 증발기(430)로 공급되는 냉매는 공기보다 저온이므로, 열교환을 통해 공기를 냉각시킬 수 있다.
예를 들어, 버너급기냉각 열교환기(428)는, 연료측 공기공급유로(202)에 배치되어 버너(120)로 공급되는 공기를 공급받아 열교환시킨 다음 버너(120)로 공급할 수 있다.
예를 들어, 버너급기냉각 열교환기(428)는, 개질가스냉각 열교환기(424)와 연결되는 제4저압액체유로(506d)와 연결되어, 개질가스냉각 열교환기(424)로부터 배출되는 냉매를 공급받아 열교환시킬 수 있다. 예를 들어, 버너급기냉각 열교환기(428)는, 증발기(430)와 연결되는 제5저압액체유로(506e)와 연결되어 증발기(430)로 열교환된 냉매를 공급할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치는, 버너로 공급되는 공기를 증발기,팽창밸브 및 개질가스냉각 열교환기를 통과한 저온의 냉매와 열교환시켜 냉각함으로써 밀도를 낮추어, 버너로 공급되는 공기의 유량을 상승시켜 버너의 연소 효율을 향상시키고, 개질가스 생성량을 상승시켜 연료전지 장치의 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
한편, 제4저압액체유로(506d)는, 개질가스냉각 열교환기(424)와 AOG냉각 열교환기(426)를 연결하는 제3저압액체유로(506c)로부터 분지되어 버너급기냉각 열교환기(428)로 연결될 수 있다. 제5저압액체유로(506e)는, AOG냉각 열교환기(426)와 증발기(430)를 연결하는 제6저압액체유로(506f)로 합지될 수 있다. 즉, 버너급기냉각 열교환기(428)와 AOG냉각 열교환기(426)는 냉매의 흐름에 대하여 병렬로 배치될 수 있다.
한편, 바람직하게는, 버너급기냉각 열교환기(428) 및 AOG냉각 열교환기(426)는, 개질가스냉각 열교환기(424)의 하류에 배치될 수 있다. 이에 따라, 냉각수냉각 열교환기(422)로부터 배출된 냉매가 열교환 대상이 되는 유체를 냉각시킬 수 있는 정도인 냉각 용량을 우선적으로 스택(20a, 20b)의 발전 성능에 직결되는 개질가스의 냉각에 할당하고, 나머지 냉각 용량을 버너(120)의 연소 효율을 위하여 할당할 수 있게 된다.
냉각수온도센서(610)는, 스택(20a, 20b)으로 공급되는 냉각수의 온도를 감지할 수 있다. 예를 들어, 냉각수온도센서(610)는, 냉각수탱크(13) 내부에 배치되어 스택(20a, 20b)으로 공급될 냉각수의 온도를 감지할 수 있다. 또는, 예를 들어, 냉각수온도센서(610)는, 냉각수공급유로(304)에 배치되어 스택(20a, 20b)으로 공급되는 냉각수의 온도를 감지할 수 있다.
제1압력센서(600)는, 압축기(400)로부터 배출된 냉매의 압력을 감지할 수 있다. 제1압력센서(600)는, 고압기체유로(500) 중 압축기(400)에 인접한 부위에 배치될 수 있다.
제2압력센서(602)는, 증발기(430)로부터 배출되는 냉매의 압력을 감지할 수 있다. 제2압력센서(602)는, 저압기체유로(508)에 배치될 수 있다.
압축기온도센서(604)는, 압축기(400)로부터 배출된 냉매의 온도를 감지할 수 있다. 압축기온도센서(604)는, 고압기체유로(500) 중 압축기(400)에 인접한 부위에 배치될 수 있다.
증발기온도센서(606)는, 증발기(430)로 유입되는 냉매의 온도를 감지할 수 있다. 증발기온도센서(606)는, 저압액체유로(506) 중 증발기(430)에 인접한 부위에 배치될 수 있다.
응축기온도센서(608)는, 응축기(410)로 유입되는 냉매의 온도를 감지할 수 있다. 응축기온도센서(608)는, 고압기체유로(500) 중 응축기(410)에 인접한 부위에 배치될 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 구성과 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.
이하 도 1을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치의 나머지 구성에 대해 설명한다.
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, 냉각수탱크(13)에서 토출된 냉각수가 유동하는 냉각수공급유로(304)에 연결될 수 있다. 개질가스열교환기(21)는, 개질가스토출유로(104)를 통해 유입되는 개질가스와, 냉각수공급유로(304)를 통해 공급되는 냉각수를 열교환할 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.
스택(20a, 20b)은, 스택가스공급유로(106)를 통해 유입되는 개질가스에 전기화학반응을 일으켜 전기 에너지를 생성할 수 있다.
연료전지 장치(1)이 복수의 스택(20a, 20b)을 구비하는 경우, 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.
스택(20a, 20b)에서 반응하지 않고 토출되는 AOG는, 스택가스토출유로(108)를 통해 유동할 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.
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.
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.
열회수탱크(15)는, 제1 온수순환유로(314)와 연결될 수 있다. 제1 온수순환유로(314)에는, 열회수탱크(15)에 저장된 냉각수를 공기열교환기(25)로 유동시키는 온수펌프(48) 및/또는 제1 온수순환유로(314) 내에 유동하는 냉각수의 유량을 검출하는 온수유량계(55)가 배치될 수 있다.
공기열교환기(25)는, 가습장치(23)에서 토출된 공기가 유동하는 가습장치토출유로(212)에 연결될 수 있다. 공기열교환기(25)는, 가습장치토출유로(212)을 통해 유입되는 공기와 제1 온수순환유로(314)를 통해 유입되는 냉각수를 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 제4 물회수유로(312)를 통해 유동할 수 있다.
공기열교환기(25)에서 열교환된 냉각수는, 제2 온수순환유로(315)을 통해 공기열교환기(25)에서 토출될 수 있다. 공기열교환기(25)에서 토출된 냉각수는, 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 냉각수를 열교환할 수 있다.
배기열교환기(26)는, 배기가스가 유동하는 배기가스토출유로(210)에 연결될 수 있다. 배기열교환기(26)는, 냉각수열교환기(24)에서 토출된 냉각수가 유동하는 제3 온수순환유로(316)에 연결될 수 있다. 배기열교환기(26)는, 배기가스토출유로(210)를 통해 유입되는 배기가스와, 제3 온수순환유로(316)를 통해 유입되는 냉각수를 열교환할 수 있다.
배기열교환기(26)에서 열교환된 배기가스는 배기유로(213)로 토출될 수 있고, 배기유로(213)에 유동하는 배기가스는 외부로 배출될 수 있다.
배기열교환기(26)에서 열교환된 냉각수는, 온수회수유로(317)로 토출될 수 있고, 온수회수유로(317)에 유동하는 냉각수는 열회수탱크(15)로 유입될 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 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, 냉각수탱크(13)에서 토출된 냉각수가 유동하는 물공급유로(303)에 연결될 수 있다. 물공급유로(303)에는, 냉각수펌프(38), 냉각수의 유동을 조절하는 냉각수공급밸브(39) 및/또는 물공급유로(303) 내에 유동하는 냉각수의 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.
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.
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.
냉각수탱크(13)는, 물유입유로(301)에 연결될 수 있고, 물유입유로(301)를 통해 공급되는 냉각수를 저장할 수 있다. 물유입유로(301)에는, 외부에서 공급되는 냉각수에 포함된 이물질을 제거하는 제1 액체필터(92) 및/또는 냉각수탱크(13)에 유입되는 냉각수의 유동을 조절하는 물유입밸브(41)가 배치될 수 있다.
냉각수탱크(13)는, 물배출유로(302)에 연결될 수 있고, 물배출유로(302)를 통해 냉각수탱크(13)에 저장된 냉각수 중 적어도 일부를 외부로 배출할 수 있다. 물배출유로(302)에는, 냉각수탱크(13)에서 배출되는 냉각수의 유동을 조절하는 물배출밸브(42)가 배치될 수 있다.
수분제거장치(61, 62, 63, 64)에서 토출되는 냉각수는 냉각수탱크(13)로 회수될 수 있다.
예를 들어, 개질가스 수분제거장치(61)에서 토출되는 냉각수는 제1 물회수유로(309)를 통해 냉각수탱크(13)로 회수될 수 있다. 이때, 제1 물회수유로(309)에는 제1 물회수밸브(44)가 배치되어 회수되는 냉각수의 유량을 조절할 수 있다.
예를 들어, 추가수분제거장치(62)에서 토출되는 냉각수는 제2 물회수유로(310)를 통해 냉각수탱크(13)로 회수될 수 있다. 이때, 제2 물회수유로(310)에는 제2 물회수밸브(45)가 배치되어 회수되는 냉각수의 유량을 조절할 수 있다.
예를 들어, AOG 수분제거장치(63)에서 토출되는 냉각수는 제3 물회수유로(311)를 통해 냉각수탱크(13)로 회수될 수 있다. 이때, 제3 물회수유로(311)에는 제3 물회수밸브(46)가 배치되어 회수되는 냉각수의 유량을 조절할 수 있다.
예를 들어, 공기 수분제거장치(64)에서 토출되는 냉각수는 제4 물회수유로(312)를 통해 냉각수탱크(13)로 회수될 수 있다. 이때, 제4 물회수유로(312)에는 제4 물회수밸브(47)가 배치되어 회수되는 냉각수의 유량을 조절할 수 있다.
이하, 도 2를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른, 연료처리장치의 나머지 구성에 대해 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, 냉각수를 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, 냉각수를 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.
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 스택(20a, 20b)에 공급되는 수소의 농도가 감소하는 단점이 있다. 따라서, 이러한 단점을 극복하기 위해, 일산화탄소와 수소가 반응하는 선택적 메탄화(selective methanation) 반응이 활용될 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치의 예열 모드, 개질 모드, 및 발전 모드에 대해 설명한다.
연료전지 장치(1)가 가동을 개시하면, 제1 블로워(71)가 외부 공기를 흡입하여 버너(120)로 공급하고, 연료를 버너(120)로 공급하여, 버너(120)를 가동시켜 개질기(140)를 예열시키는 예열 모드를 실행할 수 있다.
버너(120)는, 공급받은 연료와 공기를 연소시켜 개질기(140)를 가열할 수 있다. 연소된 배기가스는 배기가스토출유로(210)를 통해 외부로 배기될 수 있다.
버너(120)로 공급되는 연료와 관련하여, 탈황기 및 믹서 등에 관한 설명은 상술한 바와 같으므로 서술을 생략한다.
버너(120)로 공급되는 공기는, 버너급기냉각 열교환기(428)를 통과하며 냉각되어 밀도가 상승될 수 있다. 이에 따라, 버너(120)로 공급되는 공기의 유량이 상승되어 버너(120)의 연소 효율이 향상될 수 있다.
제어부는, 예열 모드 실행 중 개질기(140)의 내부 온도를 감지하는 온도센서(미도시)로부터 수신된 온도값이, 설정 개질기(140) 온도값(내지 '목표 온도값')에 도달하였는지 판단할 수 있다.
이때, 설정 개질기(140) 온도값(내지 '목표 온도값')이란, 개질기(140)에서 연료와 증기를 개질반응하여 개질가스를 생성하기에 적합한 온도로서, 제어부의 메모리에 미리 저장된 값일 수 있다.
개질기(140)의 내부 온도가 설정 개질기(140) 온도값에 도달하면, 예열 모드에서와 동일하게 버너(120)를 작동시키면서, 개질기(140)를 작동시켜 개질기(140)에서 생성되어 배출되는 개질가스를 버너(120)로 공급하는 개질 모드를 실행할 수 있다.(S3)
개질기(140)로 연료 및 증기를 공급하고, 연료와 증기를 개질반응시켜 개질가스를 생성할 수 있다. 연료 및 증기와 관련하여, 탈황기, 믹서, 및 증기발생기 등에 관한 설명은 상술한 바와 같으므로 서술을 생략한다.
제어부는, 개질기(140)에서 생성되어 배출된 개질가스가 버너(120)로 공급되도록, 개질가스 밸브(33)가 폐쇄되고 개질가스 바이패스밸브(34)가 개방되도록 제어할 수 있다.
개질기(140)에서 생성되어 배출된 개질가스는, 개질가스토출유로(104) 및 개질가스 바이패스유로(105)를 통하여 버너(120)로 공급될 수 있다. 버너(120)로 공급된 개질가스는 연소에 사용될 수 있다.
제어부는, 개질 모드 실행 중 개질기(140)에서 생성되는 개질가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 감지하는 농도측정센서(미도시)로부터 수신된 농도값이, 설정 농도값(내지 '목표 농도값')에 도달하였는지 판단할 수 있다.
이때, 설정 농도값(내지 '목표 농도값')이란, 개질가스가 스택(20a, 20b)으로 공급되어 전기화학반응을 일으키기에 적합한 일산화탄소 농도로서, 제어부의 메모리에 미리 저장된 값일 수 있다.
개질기(140)에서 생성되는 개질가스에 함유된 일산화탄소의 농도가 설정 농도값 이하이면, 개질가스를 스택(20a, 20b)으로 공급하고, 제2 블로워(72)를 작동시켜 스택(20a, 20b)으로 외부 공기를 공급하여, 전기에너지를 생성하는 발전 모드를 실행할 수 있다.
제어부는, 개질기(140)에서 생성되어 배출된 개질가스가 스택(20a, 20b)으로 공급되도록, 개질가스 밸브(33)가 개방되고 개질가스 바이패스밸브(34)가 폐쇄되도록 제어할 수 있다.
개질기(140)에서 생성되어 배출된 개질가스는, 개질가스토출유로(104)를 통하여 개질가스열교환기(21)로 공급될 수 있다. 개질가스열교환기(21)에서 열교환된 개질가스는, 스택가스공급유로(106)를 통하여 개질가스냉각 열교환기(424)를 통과한 뒤 스택(20a, 20b)으로 공급될 수 있다.
개질가스는, 개질가스냉각 열교환기(424)를 통과하면서 냉각될 수 있다. 이에 따라, 밀도가 상승하여 스택(20a, 20b)으로 공급되는 개질가스의 유량이 상승함으로써, 스택(20a, 20b)의 발전 효율이 향상될 수 있다.
스택(20a, 20b)으로부터 배출되는 AOG는, 스택가스토출유로(108)를 통해 AOG냉각 열교환기(426)로 공급도리 수 있다. AOG냉각 열교환기(426)에서 토출된 AOG는, AOG공급유로(109)를 통해 버너(120)로 공급될 수 있다. 버너(120)로 공급된 AOG는 연소에 사용될 수 있다.
AOG는, AOG냉각 열교환기(426)를 통과하면서 냉각될 수 있다. 이에 따라, 밀도가 상승하여 버너(120)로 공급되는 AOG의 유량이 상승함으로써, 버너(120)의 연소 효율이 향상될 수 있다.
제어부는, 제2 블로워(72)를 작동하고, 스택측 공기공급밸브(36)를 개방하여 스택(20a, 20b)으로 외부 공기를 공급할 수 있다. 제2 블로워(72)로 흡입된 공기는, 스택측 공기유입유로(204)를 통해 가습장치(23)로 공급될 수 있다. 가습장치(23)에서 수분을 공급받은 공기는, 스택측 공기공급유로(205)를 통해 스택(20a, 20b)으로 공급될 수 있다. 스택측 공기유입유로(204)에 배치된 공기유량계(53)는, 스택(20a, 20b)으로 공급되는 공기의 유량을 감지할 수 있다.
제어부는, 스택아웃밸브(37)를 개방하여 스택(20a, 20b)으로부터 외부로 공기가 배기되도록 할 수 있다. 스택(20a, 20b)으로 공급된 공기는 개질가스와 전기화학반응을 일으킨 다음, 스택측 공기토출유로(211)를 통해 가습장치(23)로 토출될 수 있다. 토출된 공기에 함유된 수분은, 가습장치(23)에서 흡수될 수 있다.
수분이 흡수된 공기는 공기배출유로(212)를 통해 공기열교환기(25)로 공급될 수 있다. 공기열교환기(25)를 통과한 공기는 배기유로(213)를 통해 배기가스토출유로(210)로 공급될 수 있다. 배기가스토출유로(210)로 공급된 공기는 배기가스와 함께 배기열교환기(26)로 공급될 수 있다. 배기열교환기(26)를 통과한 공기는 배기유로(213)를 통해 배기가스와 함께 외부로 배기될 수 있다.
이하, 도 9 내지 도 12를 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치의 제어방법에 대해 설명한다.
연료전지 장치가 작동하면, 제어부는 연료전지 장치의 운전 모드를 판단할 수 있다. (S100)
운전 모드가 예열 모드 또는 개질 모드일 경우, 제어부는 압축기(400)를 제1출력으로 작동시킬 수 있다. (S200)
제1출력이란, 냉각수탱크(13)로부터 스택(20a, 20b)으로 공급되는 냉각수가 냉각수가열 열교환기(404)를 통과하여 가열될 때에, 냉각수가열 열교환기(404)를 통과하는 냉매가 냉각수로 적절량의 열량을 전달하여 발전 모드에 진입하기 전까지 스택(20a, 20b)을 적정 온도로 예열시키기 위한 압축기(400)의 출력량으로서, 제어부에 저장된 값일 수 있다. 제1출력은, 실험값일 수 있다. 제1출력은, 발전 모드에 진입하기까지 걸리는 시간, 및/또는 냉각수의 유량 등을 고려하여 설정될 수 있다. 예를 들어, 제1출력은 50%일 수 있다.
제어부는, 냉각수온도센서(610)가 감지한 냉각수의 온도값이 제1하한온도와 제1상한온도로 정의되는 온도 범위 이내인지, 미만인지, 또는 초과인지 판단할 수 있다. (S201, S202)
제1하한온도란, 발전 모드 진입 시 발전에 적합한 스택(20a, 20b)의 온도 범위의 하한값으로서, 미리 설정되어 제어부에 저장된 값일 수 있다. 제1하한온도는, 실험값일 수 있다. 예를 들어, 제1하한온도는, 65도일 수 있다.
제1상한온도란, 발전 모드 진입 시 발전에 적합한 스택(20a, 20b)의 온도 범위의 상한값으로서, 미리 설정되어 제어부에 저장된 값일 수 있다. 제1상한온도는, 실험값일 수 있다. 예를 들어, 제1상한온도는, 70도일 수 있다.
제1하한온도와 제1상한온도로 정의되는 온도 범위는, 후술하는 제2기준온도와 그 허용차이값으로 정의되는 온도 범위에 비하여 낮을 수 있다. 발전 모드 진입 시를 기준으로 판단되는 발전에 적합한 스택(20a, 20b)의 온도에 비하여, 발전 모드 진입 후 발전량이 증가함에 따라 판단되는 발전에 적합한 스택(20a, 20b)의 온도가 더 높을 수 있기 때문이다.
제어부는, 냉각수온도센서(610)가 감지한 냉각수의 온도값이 설정된 제1하한온도 미만이면, 압축기(400)로부터 배출된 냉매가 냉각수가열 열교환기(404)로 공급되도록 가열삼방밸브(402)를 절환하고(S203a), 냉각수탱크(13)로부터 배출된 냉각수가 냉각수냉각 열교환기(422)를 바이패스하도록 냉각삼방밸브(412)를 절환(S203b)할 수 있다. (도 3 참조)
따라서, 냉각수탱크(13)로부터 스택(20a, 20b)으로 공급되는 냉각수는, 냉각수냉각 열교환기(422)를 바이패스하면서 냉각수가열 열교환기(404)를 통과하여 가열될 수 있다. 이에 따라, 냉각수의 온도가 제1하한온도 이상으로 상승될 수 있고, 스택(20a, 20b)을 적정 온도로 예열할 수 있다.
제어부는, 냉각수온도센서(610)가 감지한 냉각수의 온도값이 설정된 제1하한온도 이상이고 설정된 제1상한온도 이하이면, 압축기(400)로부터 배출된 냉매가 냉각수가열 열교환기(404)를 바이패스하도록 가열삼방밸브(402)를 절환하고(S204a), 냉각수탱크(13)로부터 배출된 냉각수가 냉각수냉각 열교환기(422)를 바이패스하도록 냉각삼방밸브(412)를 절환할 수 있다(S204b). (도 4 참조)
따라서, 냉각수탱크(13)로부터 스택(20a, 20b)으로 공급되는 냉각수는, 냉각수냉각 열교환기(422) 및 냉각수가열 열교환기(404)를 바이패스하므로 온도가 유지될 수 있다. 이에 따라, 냉각수의 온도가 제1하한온도 내지 제1상한온도 이내에서 유지되어, 스택(20a, 20b)의 온도를 적정 온도로 유지시킬 수 있다.
제어부는, 냉각수온도센서(610)가 감지한 냉각수의 온도값이 설정된 제1상한온도 초과이면, 압축기(400)로부터 배출된 냉매가 냉각수가열 열교환기(404)를 바이패스하도록 가열삼방밸브(402)를 절환하고(S205a), 냉각수탱크(13)로부터 배출된 냉각수가 냉각수냉각 열교환기(422)로 공급되도록 냉각삼방밸브(412)를 절환할 수 있다.(S205b) (도 5 참조)
따라서, 냉각수탱크(13)로부터 스택(20a, 20b)으로 공급되는 냉각수는, 냉각수가열 열교환기(404)를 바이패스하면서 냉각수냉각 열교환기(422)를 통과하여 냉각될 수 있다. 이에 따라, 냉각수의 온도가 제1상한온도 이하로 감소될 수 있고, 스택(20a, 20b)을 적정 온도로 냉각할 수 있다.
S203 내지 S205 단계를 실행한 다음, 제어부는 가열삼방밸브(402) 및 냉각삼방밸브(412)를 조작한 시간(Tn)을 측정할 수 있다. (S400)
제어부는, 현재시간(Tn+1)에서 측정시간(Tn)을 뺀 값이, 설정제어주기(C) 이상인지 판단할 수 있다. (S401)
설정제어주기(C)란, 가열삼방밸브(402) 및 냉각삼방밸브(412)의 조작 주기로서, 제어부에 미리 설정되어 저장된 값일 수 있다.
제어부는, 현재시간(Tn+1)에서 측정시간(Tn)을 뺀 값이, 설정제어주기(C) 이상이면, 다시 S100 단계로 돌아갈 수 있다.
한편, S100 단계에서 운전 모드가 발전 모드일 경우, 제어부는 압축기(400)를 제2출력으로 작동시킬 수 있다. (S200)
제2출력이란, 냉각수탱크(13)로부터 스택(20a, 20b)으로 공급되는 냉각수가 냉각수가열 열교환기(404)를 통과하여 가열될 때에, 냉각수가열 열교환기(404)를 통과하는 냉매가 냉각수로 적절량의 열량을 전달하여 발전 모드에서 스택(20a, 20b)을 적정 온도로 유지시키기 위한 압축기(400)의 출력량으로서, 제어부에 저장된 값일 수 있다. 제2출력은, 실험값일 수 있다. 제2출력은, 발전 모드에서 스택(20a, 20b)의 발전량, 및/또는 냉각수의 유량 등을 고려하여 설정될 수 있다. 예를 들어, 제2출력은 100%일 수 있다.
일반적으로 발전 모드에서 요구되는 냉매의 유량 내지 압축량은 예열 모드 또는 개질 모드에서 보다 높으므로, 제2출력은 제1출력보다 크게 설정될 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치의 제어방법을 통하여, 연료전지 장치의 모드에 따라 냉각수가 필요로 하는 가열량이 달라질 수 있는 것에 대응하여 압축기의 출력을 차등적으로 설정함으로써, 연료전지 장치의 냉각수 온도 관리 성능을 향상시킬 수 있다.
제어부는, 냉각수온도센서(610)가 감지한 냉각수의 온도값을 제2기준온도와 비교한 다음(S301), 냉각수의 온도값과 제2기준온도간의 차이가 허용차이값 이내인지 판단할 수 있다.(S302a,S302b)
제2기준온도란, 발전 모드에서 발전에 적합한 스택(20a, 20b)의 온도값으로서, 미리 설정되어 제어부에 저장된 값일 수 있다. 제2기준온도는, 실험값일 수 있다. 예를 들어, 제2기준온도는, 75도일 수 있다.
허용차이값이란, 제2기준온도와 멀어지더라도 스택(20a, 20b)의 발전 성능에 미치는 영향이 미비하여 허용되는 정도의 스택(20a, 20b)의 온도 범위(즉, '허용 온도 범위')를 정의하는 값으로서, 미리 설정되어 제어부에 저장된 값일 수 있다. 허용차이값은, 실험값일 수 있다. 예를 들어, 허용차이값은, 3도일 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치의 제어방법을 통하여, 발전 모드에 진입하기 이전인 예열 또는 개질 모드에서라도 미리 스택을 발전에 적합한 온도인 목표 온도 범위에 도달시키고 도달된 온도가 유지되도록 함으로써, 연료전지 장치의 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
제어부는, 냉각수온도센서(610)가 감지한 냉각수의 온도값이 설정된 제2기준온도 이상이고, 냉각수의 온도값과 제2기준온도의 차이가 설정된 허용차이값 이하이면, 압축기(400)로부터 배출된 냉매가 냉각수가열 열교환기(404)를 바이패스하도록 가열삼방밸브(402)를 절환하고(S304a), 냉각삼방밸브(412)의 냉각수냉각 열교환기(422)측 개도량을 설정된 제1개도량만큼 감소시킬 수 있다(S304b). (도 6 내지 도 8 참조)
제1개도량이란, 발전 모드에서 스택(20a, 20b)의 온도가 허용 온도 범위 내에 있을 경우, 스택(20a, 20b)의 온도를 유지하기 위한 냉각삼방밸브(412)의 냉각수냉각 열교환기(422)측 개도량의 변화값으로서, 미리 설정되어 제어부에 저장된 값일 수 있다. 제1개도량은, 실험값일 수 있다. 예를 들어, 제1개도량은, 10%일 수 있다.
냉각수의 온도값이 제2기준온도 이상이면서 허용 온도 범위 내에 있을 경우, 냉각수가 과냉각되어 냉각수의 온도가 허용 온도 범위 미만으로 떨어지는 것을 방지하기 위하여 냉각삼방밸브(412)의 냉각수냉각 열교환기(422)측 개도량을 제1개도량만큼 감소시킬 수 있다.
냉각수의 온도값이 제2기준온도 이상이면서 허용 온도 범위 내에 있을 경우, 냉각수가 과열되어 냉각수의 온도가 허용 온도 범위를 초과하는 것을 방지하기 위하여 가열삼방밸브(402)를 냉각수가열 열교환기(404)의 바이패스측으로 절환할 수 있다.
이에 따라, 냉각수탱크(13)로부터 배출된 냉각수 중 냉각수냉각 열교환기(422)를 통과하는 냉각수 유량이 감소하고, 압축기(400)로부터 배출된 냉매가 냉각수가열 열교환기(404)를 바이패스하여 냉각수를 가열하지 않음으로써, 냉각수가 과냉각되거나 과열되는 것을 방지하고 냉각수의 온도값이 허용 온도 범위 내에 유지되도록 할 수 있다.
제어부는, 냉각수온도센서(610)가 감지한 냉각수의 온도값이 설정된 제2기준온도 이상이고, 냉각수의 온도값과 제2기준온도의 차이가 설정된 허용차이값 초과이면, 압축기(400)로부터 배출된 냉매가 냉각수가열 열교환기(404)를 바이패스하도록 가열삼방밸브(402)를 절환하고(S303a), 냉각삼방밸브(412)의 냉각수냉각 열교환기(422)측 개도량을 설정된 제2개도량만큼 증가시킬 수 있다.(S303b) (도 6 내지 도 8 참조)
제2개도량이란, 발전 모드에서 스택(20a, 20b)의 온도가 허용 온도 범위 외에 있을 경우, 스택(20a, 20b)의 온도를 허용 온도 범위로 진입시키기 위한 냉각삼방밸브(412)의 냉각수냉각 열교환기(422)측 개도량의 변화값으로서, 미리 설정되어 제어부에 저장된 값일 수 있다. 제2개도량은, 실험값일 수 있다. 예를 들어, 제2개도량은, 5%일 수 있다.
냉각수의 온도값이 제2기준온도 이상이면서 허용 온도 범위 외에 있을 경우, 냉각수를 허용 온도 범위까지 냉각시키기 위하여 냉각삼방밸브(412)의 냉각수냉각 열교환기(422)측 개도량을 제2개도량만큼 증가시킬 수 있다.
냉각수의 온도값이 제2기준온도 이상이면서 허용 온도 범위 외에 있을 경우, 냉각수를 허용 온도 범위까지 냉각시키기 위하여 가열삼방밸브(402)를 냉각수가열 열교환기(404)의 바이패스측으로 절환할 수 있다.
이에 따라, 냉각수탱크(13)로부터 배출된 냉각수 중 냉각수냉각 열교환기(422)를 통과하는 냉각수 유량이 증가하고, 압축기(400)로부터 배출된 냉매가 냉각수가열 열교환기(404)를 바이패스하여 냉각수를 가열하지 않음으로써, 냉각수를 허용 온도 범위까지 냉각시킬 수 있다.
제어부는, 냉각수온도센서(610)가 감지한 냉각수의 온도값이 설정된 제2기준온도 미만이고, 제2기준온도와 냉각수의 온도값의 차이가 설정된 허용차이값 이하이면, 압축기(400)로부터 배출된 냉매가 냉각수가열 열교환기(404)를 바이패스하도록 가열삼방밸브(402)를 절환하고(S305a), 냉각삼방밸브(412)의 냉각수냉각 열교환기(422)측 개도량을 설정된 제1개도량만큼 증가시킬 수 있다.(S305b) (도 6 내지 도 8 참조)
냉각수의 온도값이 제2기준온도 미만이면서 허용 온도 범위 내에 있을 경우, 냉각수가 과열되어 냉각수의 온도가 허용 온도 범위를 초과하는 것을 방지하기 위하여 냉각삼방밸브(412)의 냉각수냉각 열교환기(422)측 개도량을 제1개도량만큼 증가시킬 수 있다.
냉각수의 온도값이 제2기준온도 미만이면서 허용 온도 범위 내에 있을 경우, 냉각수가 과열되어 냉각수의 온도가 허용 온도 범위를 초과하는 것을 방지하기 위하여 가열삼방밸브(402)를 냉각수가열 열교환기(404)의 바이패스측으로 절환할 수 있다.
이에 따라, 냉각수탱크(13)로부터 배출된 냉각수 중 냉각수냉각 열교환기(422)를 통과하는 냉각수 유량이 증가하고, 압축기(400)로부터 배출된 냉매가 냉각수가열 열교환기(404)를 바이패스하여 냉각수를 가열하지 않음으로써, 냉각수가 과열되는 것을 방지하고 냉각수의 온도값이 허용 온도 범위 내에 유지되도록 할 수 있다.
제어부는, 냉각수온도센서(610)가 감지한 냉각수의 온도값이 설정된 제2기준온도 미만이고, 제2기준온도와 냉각수의 온도값의 차이가 설정된 허용차이값 초과이면, 압축기(400)로부터 배출된 냉매가 냉각수가열 열교환기(404)로 공급되도록 가열삼방밸브(402)를 절환하고(S306a), 냉각삼방밸브(412)의 냉각수냉각 열교환기(422)측 개도량을 설정된 제2개도량만큼 감소시킬 수 있다.(S306b) (도 6 내지 도 8 참조)
냉각수의 온도값이 제2기준온도 미만이면서 허용 온도 범위 외에 있을 경우, 냉각수를 허용 온도 범위까지 가열시키기 위하여 냉각삼방밸브(412)의 냉각수냉각 열교환기(422)측 개도량을 제2개도량만큼 감소시킬 수 있다.
냉각수의 온도값이 제2기준온도 미만이면서 허용 온도 범위 외에 있을 경우, 냉각수를 허용 온도 범위까지 가열시키기 위하여 가열삼방밸브(402)를 냉각수가열 열교환기(404)측으로 절환할 수 있다.
이에 따라, 냉각수탱크(13)로부터 배출된 냉각수 중 냉각수냉각 열교환기(422)를 통과하는 냉각수 유량이 감소하고, 압축기(400)로부터 배출된 냉매가 냉각수가열 열교환기(404)를 통과하여 냉각수를 가열시키므로, 냉각수를 허용 온도 범위까지 가열시킬 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치의 제어방법을 통하여, 발전 모드에서 스택이 발전에 적합한 온도인 목표 온도 범위로 유지되도록 함으로써, 연료전지 장치의 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
S303 내지 S306 단계를 실행한 다음, 제어부는 가열삼방밸브(402) 및 냉각삼방밸브(412)를 조작한 시간(Tn)을 측정할 수 있다. (S400)
제어부는, 현재시간(Tn+1)에서 측정시간(Tn)을 뺀 값이, 설정제어주기(C) 이상인지 판단할 수 있다. (S401)
제어부는, 현재시간(Tn+1)에서 측정시간(Tn)을 뺀 값이, 설정제어주기(C) 이상이면, 다시 S100 단계로 돌아갈 수 있다.
한편, 도 10을 참조하면, 제어부는, 연료전지 장치의 작동 여부를 판단하여 (S500), 연료전지 장치가 정지 중일 경우, 압축기(400)도 함께 정지시킬 수 있다. (S501)
제어부는, 연료전지 장치가 작동 중일 경우, 압축기온도센서(604)가 감지한 냉매의 온도값이 소정온도값 이하인지 판단할 수 있다. (S502)
제어부는, 압축기온도센서(604)가 감지한 냉매의 온도값이 소정온도값 초과이면, 압축기(400)를 정지시킬 수 있다. (S503) 제어부는, 압축기온도센서(604)가 감지한 냉매의 온도값이 소정온도값 이하이면, 압축기(400)를 작동시킬 수 있다. (S504)
이때, 소정온도값이란, 냉각수가열 열교환기(404)로 공급될 냉매가 충분한 가열 용량(냉각수가열 열교환기(404)에서 냉각수를 가열시킬 수 있는 정도)을 갖고 있다고 볼 수 있는 정도의 냉매의 온도값으로서, 제어부에 미리 설정되어 저장된 값일 수 있다. 소정온도값은, 실험값일 수 있다. 예를 들어, 소정온도값은 100도일 수 있다.
따라서, 냉각수가열 열교환기(404)로 공급될 냉매가 충분한 가열 용량을 갖고 있는지 여부에 따라 압축기(400)를 적절하게 작동시킬 수 있다.
제어부는, 압축기(400)를 조작한 다음, 일정 제어주기 경과 후 다시 S500 단계로 돌아갈 수 있다.
한편, 도 11을 참조하면, 제어부는, 응축기온도센서(608)가 감지한 냉매의 온도값이 소정온도값 이상인지 판단할 수 있다.(S600)
제어부는, 응축기온도센서(608)가 감지한 냉매의 온도값이 소정온도값 미만이면, 응축기(410) 팬을 정지시킬 수 있다.(S601)
제어부는, 응축기온도센서(608)가 감지한 냉매의 온도값이 소정온도값 이상이면, 제1압력센서(600)가 감지한 압력값이 소정압력값 이상인지 판단할 수 있다. (S602)
제어부는, 응축기온도센서(608)가 감지한 냉매의 온도값이 소정온도값 이상이고 제1압력센서(600)가 감지한 압력값이 소정압력값 미만이면, 응축기(410) 팬의 작동 상태를 그대로 유지할 수 있다. (S603)
제어부는, 응축기온도센서(608)가 감지한 냉매의 온도값이 소정온도값 이상이고 제1압력센서(600)가 감지한 냉매의 압력값이 소정압력값 이상이면, 응축기(410)의 팬을 작동시킬 수 있다. (S604)
이때, 소정온도값 및 소정압력값이란, 냉각수냉각 열교환기(422)로 공급될 냉매가 충분한 냉각 용량(냉각수냉각 열교환기(422)에서 냉각수를 냉각시킬 수 있는 정도)을 갖고 있다고 볼 수 있는 정도의 냉매의 온도 및 압력값으로서, 제어부에 미리 설정되어 저장된 값일 수 있다. 소정온도값과 소정압력값은, 실험값일 수 있다. 예를 들어, 소정온도값은 105도일 수 있다. 예를 들어, 소정압력값은 3700kPA일 수 있다.
따라서, 냉각수냉각 열교환기(422)로 공급될 냉매가 충분한 냉각 용량을 갖고 있는지 여부에 따라 응축기(410) 팬을 적절하게 작동시킬 수 있다.
제어부는, 응축기(410) 팬을 조작한 다음, 일정 제어주기 경과 후 다시 S600 단계로 돌아갈 수 있다.
한편, 도 12를 참조하면, 제어부는, 증발기온도센서(606)가 감지한 냉매의 온도값이 소정온도값 이하인지 판단할 수 있다. (S700)
제어부는, 증발기온도센서(606)가 감지한 냉매의 온도값이 소정온도값 초과이면 증발기(430)의 팬을 정지시킬 수 있다.(S701)
제어부는, 증발기온도센서(606)가 감지한 냉매의 온도값이 소정온도값 이하이면, 제2압력센서(602)가 감지한 냉매의 압력값이 소정압력값 이상인지 판단할 수 있다. (S702)
제어부는, 증발기온도센서(606)가 감지한 냉매의 온도값이 소정온도값 이하이고 제2압력센서(602)가 감지한 냉매의 압력값이 소정압력값 미만이면 증발기(430)의 팬의 작동 상태를 그대로 유지할 수 있다. (S703)
제어부는, 증발기온도센서(606)가 감지한 냉매의 온도값이 소정온도값 이하이고 제2압력센서(602)가 감지한 냉매의 압력값이 소정압력값 이상이면 증발기(430)의 팬을 작동시킬 수 있다. (S704)
이때, 소정온도값 및 소정압력값이란, 냉각수가열 열교환기(404)로 공급될 냉매가 충분한 가열 용량을 갖고 있다고 볼 수 있는 정도의 냉매의 온도 및 압력값으로서, 제어부에 미리 설정되어 저장된 값일 수 있다. 소정온도값과 소정압력값은, 실험값일 수 있다. 예를 들어, 소정압력값은 400kPA일 수 있다.
따라서, 냉각수가열 열교환기(404)로 공급될 냉매가 충분한 가열 용량을 갖고 있는지 여부에 따라 증발기(430) 팬을 적절하게 작동시킬 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치의 제어방법을 통하여, 필요에 따라 히트펌프 사이클을 순환하는 냉매의 압축량, 응축량, 증발량을 유동적으로 조절하여 연료전지 장치의 냉각수 온도 관리 성능을 향상시킬 수 있다.
제어부는, 증발기(430) 팬을 조작한 다음, 일정 제어주기 경과 후 다시 S700 단계로 돌아갈 수 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.

Claims (19)

  1. 수소와 산소를 전기화학반응시켜 전기에너지를 생성하는 스택;
    상기 스택으로 공급되어 상기 스택과 열교환되는 냉각수를 저장하는 냉각수탱크;
    냉매를 압축시키는 압축기;
    상기 냉각수탱크로부터 상기 스택으로 공급되는 냉각수와 상기 압축기로부터 배출된 냉매를 열교환시키는 냉각수가열 열교환기;
    상기 냉각수가열 열교환기로부터 배출된 냉매를 응축시키는 응축기;
    상기 응축기로부터 배출된 냉매를 팽창시키는 팽창밸브;
    상기 팽창밸브로부터 배출된 냉매를 증발시켜 상기 압축기로 공급하는 증발기;
    상기 압축기와 상기 응축기를 연결하는 고압기체유로;
    상기 고압기체유로로부터 분지된 다음 상기 고압기체유로로 합지되고, 상기 냉각수가열 열교환기가 배치되는 냉각수가열유로; 및
    상기 고압기체유로에서 상기 냉각수가열유로가 분지되는 부위에 배치되어 상기 압축기로부터 배출된 냉매를 상기 냉각수가열 열교환기로 선택적으로 공급하는 가열삼방밸브를 포함하는 연료전지 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지 장치는,
    상기 고압기체유로 중 상기 냉각수가열유로가 합지되는 부위의 하류에 배치되고, 상기 고압기체유로를 유동하는 냉매를 내부에 저장된 냉각수와 열교환시키는 열회수탱크를 더 포함하는 연료전지 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지 장치는,
    상기 냉각수탱크로부터 상기 스택으로 공급되는 냉각수와 상기 팽창밸브로부터 상기 증발기로 공급되는 냉매를 열교환시키는 냉각수냉각 열교환기;
    상기 냉각수탱크와 상기 스택을 연결하는 냉각수공급유로;
    상기 냉각수공급유로로부터 분지된 다음 상기 냉각수공급유로로 합지되고, 상기 냉각수냉각 열교환기가 배치되는 냉각수냉각유로; 및
    상기 냉각수공급유로에서 상기 냉각수냉각유로가 분지되는 부위에 배치되어 상기 냉각수탱크로부터 배출된 냉각수를 상기 냉각수냉각 열교환기로 선택적으로 공급하는 냉각삼방밸브를 더 포함하는 연료전지 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 연료전지 장치는,
    개질가스를 생성하여 상기 스택으로 공급하는 개질기; 및
    공기와 연료를 연소시켜 상기 개질기를 가열하는 버너를 더 포함하는 연료전지 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 연료전지 장치는,
    상기 냉각수냉각 열교환기로부터 상기 증발기로 공급되는 냉매를 상기 개질기로부터 상기 스택으로 공급되는 개질가스와 열교환시키는 개질가스냉각 열교환기를 더 포함하는 연료전지 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 연료전지 장치는,
    상기 개질가스냉각 열교환기로부터 상기 증발기로 공급되는 냉매를 상기 버너로 공급되는 공기와 열교환시키는 버너급기냉각 열교환기를 더 포함하는 연료전지 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 연료전지 장치는,
    상기 개질가스냉각 열교환기로부터 상기 증발기로 공급되는 냉매를 상기 스택으로부터 배출되어 상기 버너로 공급되는 가스와 열교환시키는 AOG냉각 열교환기를 더 포함하는 연료전지 장치.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 연료전지 장치는,
    상기 스택으로 공급되는 냉각수의 온도를 감지하는 냉각수온도센서를 더 포함하는 연료전지 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 연료전지 장치는,
    상기 버너가 상기 개질기를 목표 온도까지 예열하는 예열 모드 또는 상기 개질기에서 생성되는 개질가스의 일산화탄소 농도를 목표 농도까지 저감시키는 개질 모드에서, 상기 냉각수온도센서가 감지한 냉각수의 온도값이 설정된 제1하한온도 미만이면, 상기 압축기로부터 배출된 냉매가 상기 냉각수가열 열교환기로 공급되도록 상기 가열삼방밸브를 절환하고, 상기 냉각수탱크로부터 배출된 냉각수가 상기 냉각수냉각 열교환기를 바이패스하도록 상기 냉각삼방밸브를 절환하는 제어부를 더 포함하는 연료전지 장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 연료전지 장치는,
    상기 버너가 상기 개질기를 목표 온도까지 예열하는 예열 모드 또는 상기 개질기에서 생성되는 개질가스의 일산화탄소 농도를 목표 농도까지 저감시키는 개질 모드에서, 상기 냉각수온도센서가 감지한 냉각수의 온도값이 설정된 제1하한온도 이상이고 설정된 제1상한온도 이하이면, 상기 압축기로부터 배출된 냉매가 상기 냉각수가열 열교환기를 바이패스하도록 상기 가열삼방밸브를 절환하고, 상기 냉각수탱크로부터 배출된 냉각수가 상기 냉각수냉각 열교환기를 바이패스하도록 상기 냉각삼방밸브를 절환하는 제어부를 더 포함하는 연료전지 장치.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 연료전지 장치는,
    상기 버너가 상기 개질기를 목표 온도까지 예열하는 예열 모드 또는 상기 개질기에서 생성되는 개질가스의 일산화탄소 농도를 목표 농도까지 저감시키는 개질 모드에서, 상기 냉각수온도센서가 감지한 냉각수의 온도값이 설정된 제1상한온도 초과이면, 상기 압축기로부터 배출된 냉매가 상기 냉각수가열 열교환기를 바이패스하도록 상기 가열삼방밸브를 절환하고, 상기 냉각수탱크로부터 배출된 냉각수가 상기 냉각수냉각 열교환기로 공급되도록 상기 냉각삼방밸브를 절환하는 제어부를 더 포함하는 연료전지 장치.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 연료전지 장치는,
    상기 스택으로 개질가스 및 공기를 공급하여 전기에너지를 생성하는 발전 모드에서, 상기 냉각수온도센서가 감지한 냉각수의 온도값이 설정된 제2기준온도 이상이고, 상기 냉각수의 온도값과 상기 제2기준온도의 차이가 설정된 허용차이값 이하이면, 상기 압축기로부터 배출된 냉매가 상기 냉각수가열 열교환기를 바이패스하도록 상기 가열삼방밸브를 절환하고, 상기 냉각삼방밸브의 상기 냉각수냉각 열교환기측 개도량을 설정된 제1개도량만큼 감소시키는 제어부를 더 포함하는 연료전지 장치.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 연료전지 장치는,
    상기 스택으로 개질가스 및 공기를 공급하여 전기에너지를 생성하는 발전 모드에서, 상기 냉각수온도센서가 감지한 냉각수의 온도값이 설정된 제2기준온도 이상이고, 상기 냉각수의 온도값과 상기 제2기준온도의 차이가 설정된 허용차이값 초과이면, 상기 압축기로부터 배출된 냉매가 상기 냉각수가열 열교환기를 바이패스하도록 상기 가열삼방밸브를 절환하고, 상기 냉각삼방밸브의 상기 냉각수냉각 열교환기측 개도량을 설정된 제2개도량만큼 증가시키는 제어부를 더 포함하는 연료전지 장치.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 연료전지 장치는,
    상기 스택으로 개질가스 및 공기를 공급하여 전기에너지를 생성하는 발전 모드에서, 상기 냉각수온도센서가 감지한 냉각수의 온도값이 설정된 제2기준온도 미만이고, 상기 제2기준온도와 상기 냉각수의 온도값의 차이가 설정된 허용차이값 이하이면, 상기 압축기로부터 배출된 냉매가 상기 냉각수가열 열교환기를 바이패스하도록 상기 가열삼방밸브를 절환하고, 상기 냉각삼방밸브의 상기 냉각수냉각 열교환기측 개도량을 설정된 제1개도량만큼 증가시키는 제어부를 더 포함하는 연료전지 장치.
  15. 제8항에 있어서,
    상기 연료전지 장치는,
    상기 스택으로 개질가스 및 공기를 공급하여 전기에너지를 생성하는 발전 모드에서, 상기 냉각수온도센서가 감지한 냉각수의 온도값이 설정된 제2기준온도 미만이고, 상기 제2기준온도와 상기 냉각수의 온도값의 차이가 설정된 허용차이값 초과이면, 상기 압축기로부터 배출된 냉매가 상기 냉각수가열 열교환기로 공급되도록 상기 가열삼방밸브를 절환하고, 상기 냉각삼방밸브의 상기 냉각수냉각 열교환기측 개도량을 설정된 제2개도량만큼 감소시키는 제어부를 더 포함하는 연료전지 장치.
  16. 제8항에 있어서,
    상기 연료전지 장치는,
    상기 버너가 상기 개질기를 목표 온도까지 예열하는 예열 모드 또는 상기 개질기에서 생성되는 개질가스의 일산화탄소 농도를 목표 농도까지 저감시키는 개질 모드에서, 상기 압축기를 설정된 제1출력으로 작동시키고, 상기 스택으로 개질가스 및 공기를 공급하여 전기에너지를 생성하는 발전 모드에서, 상기 압축기를 설정된 제2출력으로 작동시키는 제어부를 더 포함하고,
    상기 제2출력은 상기 제1출력보다 큰 연료전지 장치.
  17. 제3항에 있어서,
    상기 연료전지 장치는,
    상기 압축기로부터 배출되는 냉매의 온도를 감지하는 압축기온도센서; 및
    상기 압축기온도센서가 감지한 냉매의 온도값이 소정온도값 이하이면, 상기 압축기를 작동시키고, 상기 압축기온도센서가 감지한 냉매의 온도값이 소정온도값 초과이면, 상기 압축기를 정지시키는 제어부를 더 포함하는 연료전지 장치.
  18. 제3항에 있어서,
    상기 연료전지 장치는,
    상기 응축기로 유입되는 냉매의 온도를 감지하는 응축기온도센서;
    상기 압축기로부터 배출되는 냉매의 압력을 감지하는 제1압력센서; 및
    상기 응축기온도센서가 감지한 냉매의 온도값이 소정온도값 이상이고 상기 제1압력센서가 감지한 냉매의 압력값이 소정압력값 이상이면 상기 응축기의 팬을 작동시키고, 상기 응축기온도센서가 감지한 냉매의 온도값이 소정온도값 미만이면 상기 응축기의 팬을 정지시키고, 상기 응축기온도센서가 감지한 냉매의 온도값이 소정온도값 이상이고 상기 제1압력센서가 감지한 냉매의 압력값이 소정압력값 미만이면 상기 응축기의 팬의 작동 상태를 그대로 유지하는 제어부를 더 포함하는 연료전지 장치.
  19. 제3항에 있어서,
    상기 연료전지 장치는,
    상기 증발기로 유입되는 냉매의 온도를 감지하는 증발기온도센서;
    상기 증발기로부터 배출되는 냉매의 압력을 감지하는 제2압력센서; 및
    상기 증발기온도센서가 감지한 냉매의 온도값이 소정온도값 이하이고 상기 제2압력센서가 감지한 냉매의 압력값이 소정압력값 이상이면 상기 증발기의 팬을 작동시키고, 상기 증발기온도센서가 감지한 냉매의 온도값이 소정온도값 초과이면 상기 증발기의 팬을 정지시키고, 상기 증발기온도센서가 감지한 냉매의 온도값이 소정온도값 이하이고 상기 제2압력센서가 감지한 냉매의 압력값이 소정압력값 미만이면 상기 증발기의 팬의 작동 상태를 그대로 유지하는 제어부를 더 포함하는 연료전지 장치.
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