KR20230128903A - Fuel Cell Apparatus - Google Patents
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Abstract
본 발명은 연료전지 장치에 관한 것이다.
본 발명의 연료전지 장치는, 개질가스를 생성하는 연료처리장치; 및 상기 연료처리장치에서 배출되는 개질가스와 공기로 전기화학반응을 일으켜 전기에너지를 생성하는 스택을 포함하고, 상기 연료처리장치는, 가스와 스팀을 반응시켜 개질가스를 생성하는 제1반응기; 상기 제1반응기에서 생성된 상기 개질가스에 포함된 일산화탄소를 제거하는 제2반응기; 상기 제1반응기로 열을 공급하는 버너; 및 상기 제2반응기와 열교환하여 내부를 유동하는 물을 가열하고, 상기 제1반응기로 스팀을 공급하는 스팀공급관을 포함하고, 상기 스팀공급관은, 병렬로 연결된 복수의 관이 상기 제2반응기와 열교환하도록 배치되고, 상기 스팀공급관은 병렬로 연결된 복수의 관 일부 또는 전체로 물을 유동시킨다.The present invention relates to a fuel cell device.
A fuel cell device of the present invention includes a fuel processing device generating reformed gas; and a stack generating electrical energy by causing an electrochemical reaction between reformed gas discharged from the fuel processing device and air, wherein the fuel processing device includes: a first reactor generating reformed gas by reacting gas with steam; a second reactor for removing carbon monoxide included in the reformed gas generated in the first reactor; a burner supplying heat to the first reactor; and a steam supply pipe for heating water flowing therein by exchanging heat with the second reactor and supplying steam to the first reactor, wherein the steam supply pipe includes a plurality of pipes connected in parallel to exchange heat with the second reactor. The steam supply pipe allows water to flow through some or all of the plurality of pipes connected in parallel.
Description
본 발명은 연료전지 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 가스를 이용하여 수소를 생성하는 연료처리장치를 포함하는 연료전지 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell device, and more particularly, to a fuel cell device including a fuel processing device that generates hydrogen using gas.
연료전지 장치는, 탄화수소 계열의 물질, 예컨대, 메탄올, 에탄올, 천연가스 등에 포함되어 있는 수소를, 산소와 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키는 발전 시스템이다.A fuel cell device is a power generation system that generates electrical energy by electrochemically reacting hydrogen contained in a hydrocarbon-based material, such as methanol, ethanol, natural gas, or the like, with oxygen.
스택에서 수소와 산소의 전기화학적 반응이 발생하여 전기에너지가 생성될 수 있다. 이러한 스택으로 공급되는 수소는 개질기를 통해 가스를 화학적 반응을 통해 생성할 수 있다. Electrical energy may be generated by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen in the stack. The hydrogen supplied to these stacks can be produced through a chemical reaction to gas through a reformer.
다만, 가스와 스팀의 반응을 통해 생성되는 개질가스는 수소 이외에 일산화탄소를 포함할 수 있으므로, 이를 제거하는 구조를 포함할 수 있다. However, since the reformed gas generated through the reaction between gas and steam may include carbon monoxide in addition to hydrogen, a structure for removing it may be included.
한국 공개특허 KR 10-2007-0019986 호는, 버너 의해 가열되는 가스와 스팀으로부터 수소를 포함하는 개질가스를 발생시키는 구조를 개시하고 있다. 다만, 상기의 인용문헌에서 개시되는 개질기는, 증기발생유로와 배기가스유로 구성을 위한 유로 구조물이 복잡하게 형성되어, 구조설계나 제작이 복잡한 문제가 있다. Korean Patent Publication No. KR 10-2007-0019986 discloses a structure for generating reformed gas containing hydrogen from gas and steam heated by a burner. However, the reformer disclosed in the above-cited literature has a problem in that the structure design and manufacturing are complicated because the flow path structure for configuring the steam generation flow path and the exhaust gas flow path is complicatedly formed.
또한, 스팀을 생성하기 위한 스팀유로가 열교환되는 영역이 충분히 확보되지 않아 스팀생성에 유리하지 않은 문제가 있다. In addition, there is a problem that is not advantageous for steam generation because a heat exchange area of the steam flow path for generating steam is not sufficiently secured.
또한, 스팀공급관으로 유동하는 물의량은 일정하게 유지되므로, 발전량이 달라져 개질가스의 생성량이 다른 경우, 개질가스에 포함된 일산화탄소를 제거성능이 떨어질 수 있는 문제가 있다. In addition, since the amount of water flowing through the steam supply pipe is kept constant, when the generation amount of reformed gas is different due to a change in power generation, there is a problem in that the performance of removing carbon monoxide included in the reformed gas may deteriorate.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 단순한 구조로 수소생성에 성능을 확보할 수 있는 연료전지 장치를 제공하는 것이다. 즉, 버너로부터 배출되는 배기가스의 열을 충분히 활용하여 스팀을 생성할 수 있는 구조를 제공하는 것이다. An object to be solved by the present invention is to provide a fuel cell device capable of securing hydrogen generation performance with a simple structure. That is, to provide a structure capable of generating steam by sufficiently utilizing the heat of the exhaust gas discharged from the burner.
본 발명의 또 다른 과제는, 개질가스에 포함된 일산화탄소를 저감하는 반응기의 냉각성능을 조절할 수 있는 연료전지 장치를 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to provide a fuel cell device capable of adjusting the cooling performance of a reactor for reducing carbon monoxide contained in reformed gas.
본 발명의 또 다른 과제는 버너에서 배출되는 배기가스가 유동하는 별도의 반응기에서 배기가스의 유동이 일정방향으로 유지되어 반응기의 온도를 유지할 수 있는 연료전지 장치를 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to provide a fuel cell device capable of maintaining the temperature of the reactor by maintaining a flow of exhaust gas in a predetermined direction in a separate reactor through which exhaust gas discharged from a burner flows.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The tasks of the present invention are not limited to the tasks mentioned above, and other tasks not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
상기 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치는, 개질가스를 생성하는 연료처리장치와, 상기 연료처리장치에서 배출되는 개질가스와 공기로 전기화학반응을 일으켜 전기에너지를 생성하는 스택을 포함하여, 수소와 산소의 반응을 통해 전기에너지를 생성할 수 있다. In order to achieve the above object, a fuel cell device according to an embodiment of the present invention generates electrical energy by generating an electrochemical reaction between a fuel processing device that generates reformed gas, and a reformed gas discharged from the fuel processing device and air. Including a stack to generate electrical energy through the reaction of hydrogen and oxygen.
상기 연료처리장치는, 가스와 스팀을 반응시켜 개질가스를 생성하는 제1반응기와, 상기 제1반응기에서 생성된 상기 개질가스에 포함된 일산화탄소를 제거하는 제2반응기와, 상기 제1반응기로 열을 공급하는 버너와, 상기 제2반응기와 열교환하여 내부를 유동하는 물을 가열하고, 상기 제1반응기로 스팀을 공급하는 스팀공급관을 포함한다. 상기 스팀공급관은, 병렬로 연결된 복수의 관이 상기 제2반응기와 열교환하도록 배치되고, 상기 스팀공급관은 병렬로 연결된 복수의 관 일부 또는 전체로 물을 유동시켜, 버너로부터 배기되는 배기가스 또는 제1반응기에서 배출되는 개질가스와 열교환하도록 스팀공급관을 유동하는 물의 량을 조절할 수 있다. The fuel processing device includes a first reactor generating reformed gas by reacting gas and steam, a second reactor removing carbon monoxide included in the reformed gas generated in the first reactor, and heat generated by the first reactor. and a burner for supplying heat, and a steam supply pipe for heating water flowing therein by exchanging heat with the second reactor and supplying steam to the first reactor. In the steam supply pipe, a plurality of pipes connected in parallel are arranged to exchange heat with the second reactor, and the steam supply pipe allows water to flow through some or all of the plurality of pipes connected in parallel to exhaust gas exhausted from the burner or the first steam supply pipe. The amount of water flowing through the steam supply pipe may be adjusted to exchange heat with the reformed gas discharged from the reactor.
상기 스팀공급관은, 상기 제2반응기와 열교환하는 제1스팀공급관과, 상기 제2반응기와 열교환하고 상기 제1스팀공급관과 병렬로 배치되는 제2스팀공급관을 포함하고, 상기 제1스팀공급관에는 내부를 유동하는 물의 유동을 조절하는 제1밸브가 배치되고, 상기 제2스팀공급관에는 내부를 유동하는 물의 유동을 조절하는 제2밸브가 배치되어, 제1스팀공급관과 제2스팀공급관을 유동하는 물을 조절할 수 있다. The steam supply pipe includes a first steam supply pipe that exchanges heat with the second reactor and a second steam supply pipe that exchanges heat with the second reactor and is disposed in parallel with the first steam supply pipe, and the first steam supply pipe has an internal A first valve for controlling the flow of water flowing through is disposed, a second valve for controlling the flow of water flowing inside is disposed in the second steam supply pipe, and water flowing through the first steam supply pipe and the second steam supply pipe is disposed. can be adjusted.
상기 스택에서 생성되는 전기에너지의 량에 따라 상기 제1밸브와 상기 제2밸브의 작동이 조절될 수 있다. Operations of the first valve and the second valve may be adjusted according to the amount of electrical energy generated by the stack.
상기 연료처리장치로 공급되되는 가스의 유동량을 조절하는 연료밸브를 더 포함하고, 상기 연료밸브를 통과하여 상기 개질기로 공급되는 가스의 유동량이 설정유량을 초과할 때, 상기 제1스팀공급관 또는 상기 제2스팀공급관 모두가 개방되도록 상기 제1밸브와 상기 제2밸브를 조절하여, 개질가스의 배출량이 늘어날 때, 스팀공급관을 유동하는 물의 량을 증가시킬 수 있다. It further includes a fuel valve for adjusting the flow rate of gas supplied to the fuel processing device, and when the flow rate of gas supplied to the reformer through the fuel valve exceeds a set flow rate, the first steam supply pipe or the The amount of water flowing through the steam supply pipe may be increased when the amount of reformed gas discharged increases by adjusting the first valve and the second valve so that both of the second steam supply pipes are open.
상기 연료밸브를 통과하여 상기 개질기로 공급되는 가스의 유동량이 설정류량 이하일 때, 상기 제1스팀공급관 또는 상기 제2스팀공급관 중 하나가 폐쇄되도록 상기 제1밸브 또는 상기 제2밸브를 조절하여, 개질가스의 배출량이 줄어들 때, 스팀공급관을 유동하는 물의 량을 줄일 수 있다. When the flow rate of the gas supplied to the reformer through the fuel valve is less than or equal to the set flow rate, the first valve or the second valve is adjusted so that one of the first steam supply pipe or the second steam supply pipe is closed, thereby reforming the gas. When the amount of gas is reduced, the amount of water flowing through the steam supply pipe can be reduced.
상기 스팀공급관은, 상기 제2반응기에 접촉하게 배치되고, 상기 제2반응기를 유동하는 개질가스 또는 배기가스와 열교환하는 열교환관과, 상기 제1반응기 내부로 스팀을 배출하는 스팀배출관을 포함하고, 상기 열교환관은, 병렬로 연결된 복수의 관이 상기 제2반응기와 열교환하도록 배치되어, 제2반응기를 유동하는 물의 량을 조절할 수 있다. The steam supply pipe includes a heat exchange pipe disposed in contact with the second reactor and exchanging heat with reformed gas or exhaust gas flowing through the second reactor, and a steam discharge pipe for discharging steam into the first reactor, In the heat exchange tube, a plurality of tubes connected in parallel are arranged to exchange heat with the second reactor, so that the amount of water flowing through the second reactor may be adjusted.
상기 열교환관은, 상기 제2반응기와 열교환하는 제1열교환관과, 상기 제2반응기와 열교환하고 상기 제1열교환관과 병렬로 배치되는 제2열교환관을 포함하고, 상기 제1열교환관에는 내부를 유동하는 물의 유동을 조절하는 제1밸브가 배치되고, 상기 제2열교환관에는 내부를 유동하는 물의 유동을 조절하는 제2밸브가 배치되어, 제2반응기를 유동하는 물의 량을 조절할 수 있다. The heat exchange tube includes a first heat exchange tube that exchanges heat with the second reactor and a second heat exchange tube that exchanges heat with the second reactor and is disposed in parallel with the first heat exchange tube, and the first heat exchange tube has an internal A first valve for controlling the flow of water flowing through is disposed, and a second valve for controlling the flow of water flowing inside is disposed in the second heat exchange pipe to control the amount of water flowing through the second reactor.
상기 제2반응기 내부에는, 상기 제1반응기에서 배출되는 배기가스가 유입되는 제1배기가스챔버와, 상기 제1배기가스챔버로부터 유동하는 배기가스를 배출하는 제2배기가스챔버와, 상기 제1배기가스챔버와 상기 제2배기가스챔버 사이에 배치되고 상기 제1반응기에서 배출되는 개질가스에 포함된 일산화탄소를 제거하는 정제챔버를 형성되고, 상기 제1열교환관과 상기 제2열교환관 각각은, 상기 제1배기가스챔버와 상기 제2배기가스챔버를 지나도록 배치되어, 배기가스챔버를 유동하는 배기가스와 열교환할 수 있다. Inside the second reactor, a first exhaust gas chamber into which exhaust gas discharged from the first reactor flows, a second exhaust gas chamber through which exhaust gas flowing from the first exhaust gas chamber is discharged, and the first A purification chamber disposed between the exhaust gas chamber and the second exhaust gas chamber and removing carbon monoxide contained in the reformed gas discharged from the first reactor is formed, and the first heat exchange tube and the second heat exchange tube, respectively, It is disposed to pass through the first exhaust gas chamber and the second exhaust gas chamber, and can exchange heat with the exhaust gas flowing through the exhaust gas chamber.
상기 제1열교환관과 상기 제2열교환관 각각은, 나선형태로 연장되고, 서로 교번되게 배치되어, 제1열교환관과 제2열교환관 각각에서 진행되는 열교환량이 유사하게 형성될 수 있다. Each of the first heat exchange tube and the second heat exchange tube extends in a spiral shape and is alternately arranged so that the amount of heat exchange in each of the first heat exchange tube and the second heat exchange tube may be similar.
상기 제1열교환관과 상기 제2열교환관 각각은, 상기 제1배기가스챔버에 배치되는 제1관과, 상기 제2배기가스챔버에 배치되는 제2관은 포함하고, 상기 제1관과 상기 제2관을 유동하는 물이 상기 상기 제1배기가스챔버와 상기 제2배기가스챔버를 유동하는 배기가스의 유동방향과 반대로 형성되도록 배치되어, 열교환효율을 증가시킬 수 있다. Each of the first heat exchange tube and the second heat exchange tube includes a first tube disposed in the first exhaust gas chamber and a second tube disposed in the second exhaust gas chamber, and the first tube and the second tube are disposed in the second exhaust gas chamber. Water flowing through the second pipe is arranged to be opposite to the flow direction of the exhaust gas flowing through the first exhaust gas chamber and the second exhaust gas chamber, thereby increasing heat exchange efficiency.
상기 제2반응기는, 내부에 상기 제1배기가스챔버, 상기 제2배기가스챔버, 및 상기 정제챔버를 형성하는 하우징을 포함하고, 상기 하우징은, 상기 제1반응기의 둘레벽에 마주하게 배치되는 내둘레벽과, 상기 내둘레벽으로부터 반경방향으로 이격배치되는 외둘레벽과, 상기 내둘레벽과 상기 외둘레벽 사이에 배치되고, 상기 제1배기가스챔버와 상기 정제챔버를 구획하는 제1구획벽과, 상기 제1구획벽과 상기 외둘레벽 사이에 배치되고, 상기 정제챔버와 상기 제2배기가스챔버를 구획하는 제2구획벽을 포함한다. The second reactor includes a housing forming the first exhaust gas chamber, the second exhaust gas chamber, and the purification chamber therein, and the housing is disposed to face a circumferential wall of the first reactor. An inner circumferential wall, an outer circumferential wall spaced apart from the inner circumferential wall in a radial direction, and a first portion disposed between the inner circumferential wall and the outer circumferential wall and partitioning the first exhaust gas chamber and the purification chamber. and a partition wall and a second partition wall disposed between the first partition wall and the outer circumferential wall and partitioning the purification chamber and the second exhaust gas chamber.
상기 제1관과 상기 제2관 각각은, 상기 제1구획벽 또는 상기 제2구획벽에 접촉하게 배치되고, 상기 제1배기가스챔버와 상기 제2배기가스챔버를 유동하는 배기가스의 유동을 가이드하도록 나선형태로 배치되어, 배기가스챔버를 유동하는 배기가스의 유동로를 확장시킬 수 있다. Each of the first tube and the second tube is disposed in contact with the first partition wall or the second partition wall, and controls the flow of exhaust gas flowing through the first exhaust gas chamber and the second exhaust gas chamber. Arranged in a spiral form to guide, it is possible to expand the flow path of the exhaust gas flowing through the exhaust gas chamber.
상기 정제챔버는, 일산화탄소와 물을 반응시켜 수소와 이산화탄소를 생성하는 제1정제챔버와, 상기 제1정제챔버에서 배출된 개질가스에서 잔여 일산화탄소를 제거하는 제2정제챔버를 포함하고, 상기 제2정제챔버는 상기 제1정제챔버 상측에 배치될 수 있다. The purification chamber includes a first purification chamber generating hydrogen and carbon dioxide by reacting carbon monoxide with water, and a second purification chamber removing residual carbon monoxide from the reformed gas discharged from the first purification chamber. A purification chamber may be disposed above the first purification chamber.
상기 제1열교환관과 상기 제2열교환관 각각은, 상기 하우징의 외둘레에 접촉되게 배치되는 제3관을 더 포함하고, 상기 제1열교환관과 상기 제2열교환관은 상기 제3관의 상류에서 분지되고, 상기 제1관의 하류에서 합지될 수 있다. Each of the first heat exchange tube and the second heat exchange tube further includes a third tube disposed in contact with an outer circumference of the housing, and the first heat exchange tube and the second heat exchange tube are upstream of the third tube. It is branched from, and can be combined downstream of the first pipe.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.Details of other embodiments are included in the detailed description and drawings.
본 발명의 연료전지 장치에 따르면 다음과 같은 효과가 하나 혹은 그 이상 있다.According to the fuel cell device of the present invention, one or more of the following effects are provided.
첫째, 제2반응기의 구조에서, 배기가스가 유동하는 배기가스챔버를 제1배기가스챔버와 제2배기가스챔버로 구획하고, 내부에 나선형태로 연장되는 스팀공급관이 배치되어, 배기가스의 온도를 낮추고, 스팀공급관을 유동하는 물을 효과적으로 가열할 수 있는 장점이 있다. First, in the structure of the second reactor, the exhaust gas chamber through which the exhaust gas flows is partitioned into a first exhaust gas chamber and a second exhaust gas chamber, and a steam supply pipe extending in a spiral shape is disposed therein, thereby increasing the temperature of the exhaust gas. It has the advantage of lowering and effectively heating the water flowing through the steam supply pipe.
둘째, 제2반응기에 배치되는 스팀공급관이 병렬로 연결되는 구조를 가져, 배기가스 또는 개질가스와 열교환하는 스팀공급관을 유동하는 물의 유동량을 조절하여, 일산화탄소를 감소반응을 위한 적절한 온도를 제공할 수 있다. 이는, 개질가스에 포함된 일산화탄소의 제거반응을 효과적으로 형성할 수 있는 장점도 있다.Second, the steam supply pipe disposed in the second reactor has a structure in which the steam supply pipe is connected in parallel, and the flow rate of water flowing through the steam supply pipe that exchanges heat with the exhaust gas or the reformed gas is adjusted to provide an appropriate temperature for the carbon monoxide reduction reaction. there is. This also has the advantage of effectively forming the removal reaction of carbon monoxide included in the reformed gas.
셋째, 스팀공급관이 배기가스챔버 내부에서 나선형태로 연장되는 구조를 가져, 배기가스챔버 내부에서 배기가스가 유동하는 유동로를 형성할 수 있다. 따라서, 배기가스챔버를 유동하는 배기가스가 스팀공급관이 형성하는 스파이럴 구조의 유로를 따라 유동하게 되어, 배기가스의 역류가 방지될 수 있는 장점도 있다.Third, since the steam supply pipe has a structure extending in a spiral shape inside the exhaust gas chamber, it is possible to form a flow path through which the exhaust gas flows inside the exhaust gas chamber. Therefore, the exhaust gas flowing in the exhaust gas chamber flows along the flow path of the spiral structure formed by the steam supply pipe, and there is also an advantage in that the reverse flow of the exhaust gas can be prevented.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The effects of the present invention are not limited to the effects mentioned above, and other effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description of the claims.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 장치의 시스템도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료처리장치의 개질기의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 개질기의 제1반응기의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 개질기의 제2반응기의 사시도이다.
도 5는 도 2의 단면도이다.
도 6은 도 4의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 제2반응기에서의 배기가스, 개질가스, 및 스팀의 유동을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 스팀공급관의 제3관의 배치와 물의 유동을 설명하기 위한 도면이다.
도 9은 본 발명의 일 실시예에 따른 스팀공급관의 제2관의 배치와 물의 유동을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 스팀공급관의 제1관의 배치와 물의 유동을 설명하기 위한 도면이다. 1 is a system diagram of a fuel cell device according to an embodiment of the present invention.
2 is a perspective view of a reformer of a fuel processing device according to an embodiment of the present invention.
3 is a perspective view of a first reactor of a reformer according to an embodiment of the present invention.
4 is a perspective view of a second reactor of a reformer according to an embodiment of the present invention.
5 is a cross-sectional view of FIG. 2 .
Figure 6 is a cross-sectional view of Figure 4;
7 is a view for explaining the flow of exhaust gas, reformed gas, and steam in the second reactor according to an embodiment of the present invention.
8 is a view for explaining the arrangement of the third pipe of the steam supply pipe and the flow of water according to an embodiment of the present invention.
9 is a view for explaining the arrangement of the second pipe of the steam supply pipe and the flow of water according to an embodiment of the present invention.
10 is a view for explaining the arrangement of the first pipe of the steam supply pipe and the flow of water according to an embodiment of the present invention.
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 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.Advantages and features of the present invention, and methods of achieving them, will become clear with reference to the detailed description of the following embodiments taken in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but may be implemented in various different forms, and only these embodiments make the disclosure of the present invention complete, and common knowledge in the art to which the present invention belongs. It is provided to completely inform the person who has the scope of the invention, and the present invention is only defined by the scope of the claims. Like reference numbers designate like elements throughout the specification.
이하, 본 발명의 실시예들에 의하여 연료전지 장치를 설명하기 위한 도면들을 참고하여 본 발명에 대해 설명하도록 한다.Hereinafter, the present invention will be described with reference to drawings for explaining a fuel cell device according to embodiments of the present invention.
이하에서는, 도 1을 참조하여, 제1실시예에 따른 연료전지 장치(1)의 전체 구성을 설명한다. Hereinafter, with reference to FIG. 1, the overall configuration of the
도 1를 참조하면, 연료전지 장치(1)은, 연료처리부(10), 전력생성부(II), 냉각수순환부(III) 및/또는 열회수부(IV)를 포함할 수 있다. Referring to FIG. 1 , the
연료처리부(10)는, 연료처리장치(10), 연료처리장치(10)에 공급되는 연료 가스의 유동을 조절하는 연료밸브(30), 공기를 연료처리장치(10)로 유동시키는 제1블로워(71) 등을 포함할 수 있다.The
도 1을 참조하면, 연료처리장치(10)는, 탈황기(미도시)와 개질기(110)를 포함할 수 있다. Referring to FIG. 1 , the
탈황기는, 연료 가스에 포함된 황 화합물을 제거하는 탈황공정을 수행할 수 있다. 예를 들어, 탈황기는 내부에 흡착제를 구비할 수 있다. 이때, 탈황기의 내부를 통과하는 연료 가스에 포함된 황 화합물이 흡착제에 흡착될 수 있다. The desulfurizer may perform a desulfurization process for removing sulfur compounds contained in fuel gas. For example, the desulfurizer may have an adsorbent therein. At this time, the sulfur compound included in the fuel gas passing through the desulfurizer may be adsorbed to the adsorbent.
흡착제는, 금속 산화물, 제올라이트(Zeolite), 활성탄소(activated carbon) 등으로 구성될 수 있다.The adsorbent may be composed of metal oxide, zeolite, activated carbon, or the like.
탈황기는, 연료 가스에 포함된 이물질을 제거하는 필터를 더 포함할 수 있다. The desulfurizer may further include a filter for removing foreign substances included in the fuel gas.
개질기(110)는 제1반응기(112), 제2반응기(140), 버너(180), 및 스팀공급관(190)을 포함할 수 있다. The
제1반응기(112)는, 촉매를 이용하여, 황 화합물이 제거된 연료 가스로부터 수소 가스를 생성하는 개질 반응을 수행할 수 있다. 제2반응기(140)는 제1반응기(112)에서 토출되는 가스에 포함된 성분 중, 개질 반응에 의해 생성되는 일산화탄소를 저감 또는 제거할 수 있다The
버너(180)는, 제1반응기(112)에서의 개질 반응이 촉진되도록, 개질기(110)에 열을 공급할 수 있다. 탈황기로부터 토출된 연료 가스의 일부가 공기와 혼합되어 버너(180)에 공급될 수 있다. 이때, 버너(180)는, 연료 가스와 공기가 혼합된 혼합 가스를 연소시켜 연소열을 발생시킬 수 있다. The
스팀공급관(190)은 버너(180)에서 생성되는 배기가스, 제1반응기(112) 및/또는 제2반응기(140)로부터 열을 흡수하여, 물을 기화시킬 수 있다. 스팀공급관(190)은 기화된 스팀을 제1반응기(112) 내부로 배출할 수 있다. 본 발명의 스팀공급관(190)은, 병렬로 배치된 적어도 2개의 관이 선택적으로 제2반응기(140)와 열교환하도록 배치될 수 있다. 스팀공급관(190)은, 제2반응기(140)와 열교환하는 제1스팀공급관(190a)과, 제2반응기(140)와 열교환하고 제1열교환관(191a)과 병렬로 배치되는 제2스팀배출관(190b)을 포함한다.The
구체적인 제1반응기(112), 제2반응기(140), 버너(180), 및 스팀공급관(190)의 구성은 이하에서 자세하게 설명한다. The specific configuration of the
스택(20a, 20b)은, 연료처리장치(10)로부터 공급되는 개질가스에 전기화학반응을 일으켜 전기 에너지를 생성할 수 있다.The
스택(20a, 20b)은, 전기화학반응이 일어나는 단일 셀이 적층되어 구성될 수 있다. The
단일 셀은, 전해질막을 중심으로 연료극과 공기극이 배치된 막-전극 접합체(membrane electrode assembly, MEA), 세퍼레이터(separator) 등으로 구성될 수 있다. 막-전극 접합체의 연료극에서는, 수소가 촉매에 의하여 수소이온과 전자로 분리되어 전기가 발생할 수 있고, 막-전극 접합체의 공기극에서는 수소이온과 전자가 산소와 결합하여 물이 생성될 수 있다.A single cell may include a membrane electrode assembly (MEA) in which an anode and an air electrode are disposed around an electrolyte membrane, a separator, and the like. At the fuel electrode of the membrane-electrode assembly, hydrogen can be separated into hydrogen ions and electrons by a catalyst to generate electricity, and at the air electrode of the membrane-electrode assembly, hydrogen ions and electrons combine with oxygen to generate water.
스택(20a, 20b)은, 전기화학반응 과정에서 발생하는 열을 방열하는 스택 열교환기(미도시)를 더 포함할 수 있다. 스택 열교환기는, 물을 냉매로 사용하는 열교환기일 수 있다 예를 들어, 스택 열교환기에 공급되는 냉각수가 전기화학반응 과정에서 발생하는 열을 흡수할 수 있고, 흡수된 열에 의해 온도가 상승한 냉각수가 스택 열교환기의 외부로 토출될 수 있다. The
도 1을 참조하면, 연료밸브(30)는, 연료처리장치(10)에 공급되는 연료 가스가 유동하는 연료공급유로(101)를 형성하는 연료공급관(미도시)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. Referring to FIG. 1 , the
연료공급관에는, 연료공급유로(101) 내에 유동하는 연료 가스의 유량을 검출하는 제1연료유량계(51)가 배치될 수 있다. A first
제1블로워(71)는, 제1외부공기유입유로(201)를 통해 외부에서 유입되는 공기를, 연료측 공기공급유로(202)를 통해 연료처리장치(10)로 유동시킬 수 있다. The
연료측 공기공급유로(202)를 통해 연료처리장치(10)에 유입되는 공기는, 연료처리장치(10)의 버너(180)로 공급될 수 있다. 예를 들어, 연료처리장치(10)에 유입되는 공기는, 탈황기에서 토출된 연료 가스와 제1믹서(미도시)에서 혼합되어 버너(180)에 공급될 수 있다. Air introduced into the
제1외부공기유입유로(201)를 형성하는 제1외부공기유입관(미도시)에는, 공기에 포함된 먼지 등의 이물질을 제거하는 제1공기필터(91)와 공기의 유동 방향을 제한하는 제1공기측 체크밸브(81)가 배치될 수 있다.In the first external air inlet pipe (not shown) forming the first external
연료처리부(10)는, 탈황기에서 토출된 연료 가스가 개질기(110)로 유동하는 제1내부가스유로(102)를 형성하는 제1내부가스관(미도시)을 포함할 수 있다. 제1내부가스관에는, 비례제어밸브(31), 개질기(110)로 유입되는 연료 가스의 유동을 조절하는 내부연료밸브(32), 내부가스유로(102)를 유동하는 연료 가스의 유량을 검출하는 제2연료유량계(52), 내부가스유로(102)를 유동하는 연료 가스의 유동 방향을 제한하는 연료측 체크밸브(83), 및/또는 황검출장치(94)가 배치될 수 있다. The
비례제어밸브(31)는, 탈황기에서 토출되어 개질기(110)로 유동하는 연료 가스의 유량, 압력 등을, 전기제어 방식으로 내/외부 피드백을 통해 조절할 수 있다. The
황검출장치(94)는, 탈황기에서 토출된 연료 가스에 포함된 황을 검출할 수 있다. 황검출장치(94)는, 탈황기의 흡착제에 의해 제거되지 않은 황 화합물에 반응하여 색이 변하는 지시제를 포함할 수 있다. 여기서, 지시제는, 페놀프탈레인(phenolphthalein), 몰리브덴 화합물 등을 포함할 수 있다. The
연료처리부(10)는, 탈황기에서 토출된 연료 가스를 버너(180)로 보내는 제2내부가스유로(103)를 형성하는 제2내부가스관(미도시)을 포함할 수 있다. 버너(180)는, 제2내부가스유로(103)를 통해 유입되는 연료 가스를 연소에 사용할 수 있다. The
제1내부가스유로(102)와 제2내부가스유로(103)는, 서로 연통될수 있다. The first
연료처리장치(10)는, 물공급탱크(13)에서 토출된 물이 유동하는 물공급유로(303)를 형성하는 물공급관(미도시)관 연결될 수 있다. 물공급관에는, 물공급유로(303)를 유동하는 물의 유동을 형성하는 물펌프(38)와, 물의 유동을 조절하는 물공급밸브(39)와, 물공급유로(303)를 유동하는 물의 유량을 검출하는 물유량계(54)가 배치될 수 있다. The
연료처리장치(10)의 버너(180)에서 생성되는 배기가스는, 배기가스토출유로(210)를 통해 연료처리장치(10)에서 토출될 수 있다. Exhaust gas generated by the
연료처리장치(10)는, 개질가스토출유로(104)를 형성하는 개질가스토출관(미도시)에 연결될 수 있다. 연료처리장치(10)에서 토출된 개질가스는, 개질가스토출유로(104)를 통해 유동할 수 있다.The
개질가스토출관은, 개질가스의 열교환이 일어나는 개질가스열교환기(21)에 연결될 수 있다. 개질가스토출관에는, 개질가스열교환기(21)에 유입되는 개질가스의 유동을 조절하는 개질가스밸브(33)가 배치될 수 있다. The reformed gas discharge pipe may be connected to the reformed
개질가스토출관은, 연료처리장치(10)에서 토출된 개질가스가 연료처리장치(10)로 유동하도록 바이패스유로(105)를 형성하는 바이패스관(미도시)과 연결될 수 있다. 바이패스관은, 연료처리장치(10)에 연결될 수 있다. 연료처리장치(10)로부터 유동하는 개질가스는, 바이패스유로(105)를 통해 버너(180)로 공급될 수 있다. 바이패스유로(105)를 통해 버너(180)로 공급된 개질가스는, 버너(180)의 연소를 위한 연료로 사용될 수 있다. 바이패스관에는, 연료처리장치(10)에 유입되는 개질가스의 유동을 조절하는 바이패스밸브(34)가 배치될 수 있다. The reformed gas discharge pipe may be connected to a bypass pipe (not shown) forming the
전력생성부(II)는, 스택(20a, 20b), 연료처리장치(10)에서 토출된 개질가스의 열교환이 일어나는 개질가스열교환기(21), 스택(20a, 20b)에서 반응하지 않고 배출되는 가스의 열교환이 일어나는 AOG열교환기(22), 스택(20a, 20b)에 공급되는 공기에 수분을 공급하는 가습장치(23), 스택(20a, 20b)으로 공기를 공급하는 공급장치(2)를 포함한다. The power generation unit (II) is discharged without reacting in the
공기를 스택(20a, 20b)으로 유동시키는 제2블로워(72) 등을 포함할 수 있다. 여기서, 스택(20a, 20b)에서 반응하지 않고 배출되는 가스는, 양극배출가스(anode off gas, AOG)로 명명될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 연료전지 장치(1)이 두 개의 스택(20a. 20b)을 구비하는 것으로 설명하나, 이에 제한되지 않는다.A
개질가스열교환기(21)는, 연료처리장치(10)에서 토출된 개질가스가 유동하도록 개질가스토출유로(104)를 형성하는 개질가스토출관(미도시)에 연결될 수 있다. 개질가스열교환기(21)는, 물공급탱크(13)에서 토출된 물이 유동하도록 냉각수공급유로(304)를 형성하는 냉각수공급관(미도시)에 연결될 수 있다. 개질가스열교환기(21)는, 개질가스토출유로(104)를 통해 유입되는 개질가스와, 냉각수공급유로(304)를 통해 공급되는 물을 열교환할 수 있다. The reformed
냉각수공급관에는, 물공급탱크(13)에 저장된 물을 개질가스열교환기(21)로 유동시키는 냉각수펌프(43), 및/또는 냉각수공급유로(304)를 유동하는 물의 유량을 검출하는 냉각수유량계(56)가 배치될 수 있다. A cooling water flowmeter ( 56) may be placed.
개질가스열교환기(21)는, 스택가스공급유로(106)를 형성하는 스택가스공급관(미도시)에 연결될 수 있다 개질가스열교환기(21)에서 토출된 개질가스는, 스택가스공급유로(106)를 통해 스택(20a, 20b)으로 유동할 수 있다.The reformed
스택가스공급관에는, 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. A reformed gas
개질가스 수분제거장치(61)에서 생성된 응축수는, 개질가스 수분제거장치(61)에서 토출되어, 제1물회수유로(309)로 유동할 수 있다. 제1물회수유로(309)를 형성하는 제1물회수관(미도시)에는, 제1물회수유로(309)를 유동하는 물의 유동을 조절하는 제1물회수밸브(44)가 배치될 수 있다. Condensed water generated in the reformed gas
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, 제1스택(20a)에서 반응하지 않고 토출되는 개질 가스는 제2스택(20b)에서 추가적으로 전기화학반응을 일으킬 수 있다. The
제2블로워(72)는, 제2외부공기유입유로(203)를 형성하는 제2외부공기유입관(미도시)과, 스택측 공기유입유로(204)를 형성하는 스택측 공기유입관(미도시) 사이에 배치될 수 있다. 제2외부공기유입관은, 제1공기필터(91)의 하류에 배치될 수 있다. 제2블로워(72)는, 제2외부공기유입유로(203)를 통해 유입되는 공기를, 스택측 공기유입유로(204)를 통해 스택(20a, 20b) 측으로 유동시킬 수 있다. The
제2외부공기유입관에는, 제2외부공기유입유로(203)를 유동하는 공기의 유동 방향을 제한하는 제2공기측 체크밸브(82)가 배치될 수 있다.A second air-
스택측 공기유입관에는, 스택측 공기유입유로(204)를 유동하는 공기의 유량을 검출하는 공기유량계(53)가 배치될 수 있다. An
가습장치(23)는, 스택측 공기유입유로(204)를 통해 유입되는 공기에 수분을 공급할 수 있고, 수분이 포함된 공기를 스택측 공기공급유로(205)를 통해 토출할 수 있다. The
스택측 공기공급유로(205)를 형성하는 스택측 공기공급관(미도시)에는, 스택(20a, 20b)으로 공급되는 공기의 유동을 조절하는 스택측 공기공급밸브(36)가 배치될 수 있다. A stack-side
스택측 공기공급관은, 스택(20a. 20b)에 각각 대응하는 개별공급유로(206, 207)를 형성하는 개별공급관(미도시)과 연결될 수 있다. 스택측 공기공급유로(205)를 유동하는 공기는, 개별공급유로(206, 207)를 통해 스택(20a. 20b)으로 공급될 수 있다. The stack-side air supply pipe may be connected to individual supply pipes (not shown) forming
복수의 스택(20a. 20b)은, 가스연결유로(107)를 형성하는 가스연결관(미도시)로 서로 연결될 수 있다. 제1스택(20a)에서 반응하지 않고 토출되는 개질 가스는, 가스연결유로(107)를 통해 제2스택(20b)으로 유입될 수 있다. The plurality of
가스연결관에는, 가스연결유로(107)를 유동하는 개질가스가 제1스택(20a)을 통과하는 동안 응축되어 생성된 물을 제거하는 추가수분제거장치(62)가 배치될 수 있다.An additional
추가수분제거장치(62)에서 생성된 물은, 추가수분제거장치(62)에서 토출되어, 제2물회수유로(310)로 유동할 수 있다. 제2물회수유로(310)를 형성하는 제2물회수관(미도시)에는, 물의 유동을 조절하는 제2물회수밸브(45)가 배치될 수 있다. 제2물회수관은, 제1물회수관과 연결될 수 있다. Water generated in the additional
스택(20a. 20b)에서 반응하지 않고 토출되는 양극배출가스(AOG)는, 스택가스토출유로(108)를 통해 유동할 수 있다. The anode exhaust gas (AOG) discharged from the
AOG열교환기(22)는, 스택(20a. 20b)에서 토출된 양극배출가스(AOG)가 유동하도록 스택가스토출유로(108)를 형성하는 스택가스토출관(미도시)에 연결될 수 있다. The
AOG열교환기(22)는, 열회수탱크(15)에서 토출된 물이 유동하도록 온수공급유로(313)를 형성하는 온수공급관(미도시)에 연결될 수 있다. AOG열교환기(22)는, 스택가스토출유로(108)로 유동하는 양극배출가스(AOG)와, 온수공급유로(313)로 유동하는 물을 열교환할 수 있다. The
온수공급관에는, 열회수탱크(15)에 저장된 물을 AOG열교환기(22)로 유동시키는 온수펌프(48)와, 온수공급유로(313)를 유동하는 물의 유량을 검출하는 온수유량계(55)가 배치될 수 있다. In the hot water supply pipe, a
AOG열교환기(22)는, AOG공급유로(109)를 형성하는 AOG공급관(미도시)에 연결될 수 있다. AOG열교환기(22)는, 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(180)의 연소를 위한 연료로 사용될 수 있다. The
AOG공급관에는, 양극배출가스(AOG)에 포함된 수분의 양을 조절하는 AOG 수분제거장치(63)와, 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. In the AOG supply pipe, an AOG
AOG 수분제거장치(63)에서 생성된 응축수는, AOG 수분제거장치(63)에서 토출되어, 제3물회수유로(311)를 통해 유동할 수 있다. 제3물회수유로(311)를 형성하는 제3물회수관에는, 제3물회수유로(311)를 유동하는 물의 유동을 조절하는 제3물회수밸브(46)가 배치될 수 있다. 제3물회수관은, 제1물회수관에 연결될 수 있다. Condensed water generated in the AOG
스택측 공기토출유로(211)를 형성하는 스택측 공기토출관(미도시)는, 스택(20a. 20b)에 각각 대응하는 개별토출유로(208, 209)를 형성하는 개별토출관(미도시)에 연결될 수 있다. 스택측 공기토출관에는, 공기토출유로(211)를 유동하는 공기의 유동을 조절하는 스택측 공기토출밸브(37)가 배치될 수 있다. The stack-side air discharge pipe (not shown) forming the stack-side
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. Air discharged from the
스택측 공기토출관은, 가습장치(23)에 연결될 수 있다. 가습장치(23)는, 스택측 공기토출유로(211)로부터 공급되는 공기에 포함된 수분을 이용하여, 스택(20a, 20b)으로 유동하는 공기에 수분을 공급할 수 있다. 스택측 공기토출유로(211)를 유동하여 가습장치(23)에 공급된 공기는, 가습장치(23)를 거쳐 가습장치토출유로(212)로 토출될 수 있다. The stack-side air discharge pipe may be connected to the
냉각수순환부(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), 개질가스열교환기(21)로 물을 유동시키는 냉각수펌프(43) 등을 포함할 수 있다. The cooling water circulation unit (III) includes a
열회수부(IV)는, 열교환에 사용되는 물을 저장하는 열회수탱크(15), 열회수탱크(15)에 저장된 물을 열회수탱크(15) 외부로 유동시키는 열회수펌프(48) 등을 포함할 수 있다. The heat recovery unit (IV) may include a
물공급탱크(13)는, 물유입유로(301)을 형성하는 물유입관(미도시)에 연결될 수 있다. 물공급탱크(13)는, 물유입유로(301)를 통해 공급되는 물을 저장할 수 있다. 물유입관에는, 외부에서 공급되는 물에 포함된 이물질을 제거하는 제1액체필터(92)와, 물공급탱크(13)에 유입되는 물의 유동을 조절하는 물유입밸브(41)가 배치될 수 있다. The
물공급탱크(13)는, 물배출유로(302)를 형성하는 물배출관(미도시)에 연결될 수 있다. 물공급탱크(13)는, 물배출유로(302)를 통해 물공급탱크(13)에 저장된 물 중 적어도 일부를 외부로 배출할 수 있다. 물배출관에는, 물공급탱크(13)에서 배출되는 물의 유동을 조절하는 물배출밸브(42)가 배치될 수 있다. The
물공급탱크(13)는, 물저장유로(308)를 형성하는 물저장관(미도시)에 연결될 수 있다. 물공급탱크(13)는, 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 제3물회수유로(311)를 통해 유동하는 물이, 물저장유로(308)를 거쳐 물공급탱크(13)로 유입될 수 있다. 물저장관에는, 물공급탱크(13)로 회수되는 물에 포함된 이물질을 제거하는 제2액체필터(93)가 배치될 수 있다. The
물공급탱크(13)에 저장된 물 중 적어도 일부는, 냉각수펌프(43)에 의해 개질가스열교환기(21)로 유동할 수 있고, 개질가스열교환기(21)에서 개질가스와 열교환될 수 있다. 개질가스열교환기(21)에서 토출된 물은, 스택물공급유로(305)를 통해 스택(20a, 20b)으로 유입될 수 있다. At least some of the water stored in the
스택물공급유로(305)를 통해 스택(20a, 20b)으로 유입된 물은, 스택(20a, 20b)을 냉각할 수 있다. 스택(20a, 20b)으로 유입된 물은, 스택(20a, 20b)에 포함된 스택 열교환기(미도시)를 따라 유동할 수 있고, 스택(20a, 20b)에서 일어나는 전기화학반응에 의해 발생하는 열을 흡수할 수 있다. Water introduced into the
복수의 스택(20a. 20b)은, 물연결유로(306)를 형성하는 물연결관(미도시)에 의해 연결될 수 있다. 제1스택(20a)에서 토출되는 물은, 물연결유로(306)를 통해 제2스택(20b)으로 유입될 수 있다. The plurality of
스택(20a, 20b)에서 토출되는 물은, 스택물토출유로(307)를 통해 냉각수열교환기(24)로 유입될 수 있다. 냉각수열교환기(24)는, 스택(20a, 20b)에서 토출된 물과, 열회수탱크(15)에서 토출된 물을 열교환할 수 있다. 스택(20a, 20b)에서 토출된 물은, 냉각수열교환기(24)를 거쳐 물저장유로(308)로 유동할 수 있다. Water discharged from the
온수펌프(48)에 의해 열회수탱크(15)에서 토출된 물은, 온수공급유로(313)를 거쳐 AOG열교환기(22)로 유입될 수 있다. AOG열교환기(22)에서 양극배출가스(AOG)와 열교환된 물은, 제1온수순환회로(314)로 토출될 수 있다. Water discharged from the
공기열교환기(25)는, 가습장치(23)에서 토출된 공기가 유동하도록 가습장치토출유로(212)를 형성하는 가습장치토출관(미도시)에 연결될 수 있다. 공기열교환기(25)는, AOG열교환기(22)에서 토출된 물이 유동하는 제1온수순환회로(314)에 연결될 수 있다. 공기열교환기(25)는, 가습장치토출유로(212)을 통해 유입되는 공기와 제1온수순환회로(314)를 통해 유입되는 물을 열교환할 수 있다.The
공기열교환기(25)에서 열교환된 공기는, 공기배출유로(213)를 통해 공기열교환기(25)에서 토출될 수 있다. 공기배출유로(213)를 형성하는 공기배출관(미도시)은, 배기가스토출유로(210)를 형성하는 배기가스토출관(미도시)와 연결될 수 있다. 배기가스토출유로(210)에 유동하는 배기가스와 공기배출유로(213)에 유동하는 공기가 혼합될 수 있다. Air heat-exchanged in the
공기배출관에는, 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. An air
공기 수분제거장치(64)에서 생성된 응축수는, 공기 수분제거장치(64)에서 토출되어 제4 물회수유로(312)를 통해 유동할 수 있다. 제4 물회수유로(312)를 형성하는 제4 물회수관(미도시)에는, 물의 유동을 조절하는 제4 물회수밸브(47)가 배치될 수 있다. 제4 물회수관은, 물저장관과에 연결될 수 있다. Condensed water generated in the air
공기열교환기(25)에서 열교환된 물은, 제2온수순환유로(315)을 통해 공기열교환기(25)에서 토출될 수 있다. 공기열교환기(25)에서 토출된 물은, 제2온수순환유로(315)을 통해 냉각수열교환기(24)로 유입될 수 있다. Water heat-exchanged in the
냉각수열교환기(24)는, 스택물토출유로(307)를 통해 유입되는 물과, 제2온수순환유로(315)를 통해 유입되는 물을 열교환할 수 있다. The cooling
배기열교환기(26)는, 배기가스가 유동하는 배기가스토출유로(210)를 형성하는 배기가스토출관에 연결될 수 있다. 배기열교환기(26)는, 냉각수열교환기(24)에서 토출된 물이 유동하도록 제3온수순환유로(316)를 형성하는 제3온수순환관(미도시)에 연결될 수 있다. 배기열교환기(26)는, 배기가스토출유로(210)를 통해 유입되는 배기가스와, 제3온수순환유로(316)를 통해 유입되는 물을 열교환할 수 있다. The
배기열교환기(26)에서 열교환된 배기가스는 배기유로(213)로 토출될 수 있고, 배기유로(213)에 유동하는 배기가스는 외부로 배출될 수 있다.Exhaust gas heat-exchanged in the
배기열교환기(26)에서 열교환된 물은, 온수회수유로(317)로 토출될 수 있고, 온수회수유로(317)에 유동하는 물은 열회수탱크(15)로 유입될 수 있다. Water heat-exchanged in the
이하에서는 도 2 내지 도 10을 참조하여, 본 발명에 따른 연료처리장치(10)를 설명한다. 구체적으로는, 연료처리장치(10)에 포함된 개질기(110)의 구성을 설명한다. Hereinafter, a
도 3을 참조하면, 연료처리장치(10)는 가스와 스팀을 반응시켜 수소를 포함하는 개질가스를 생성하는 제1반응기(112)와 제1반응기(112)에서 배출되는 개질가스에 포함된 일산화탄소를 제거하는 제2반응기(140)를 포함한다. 연료처리장치(10)는 제2반응기(140)와 열교환하여 생성된 스팀을 제1반응기(112)로 공급하는 스팀공급관(190)을 포함한다. 연료처리장치(10)는 제1반응기(112) 내부에 배치되어, 제1반응기(112)로 열을 공급하는 버너(180)를 포함할 수 있다. Referring to FIG. 3 , the
스팀배출관(199)은 제2반응기(140)를 유동하는 가스와 열교환하는 열교환관(191)과, 제1반응기(112)로 스팀을 공급하는 스팀배출관(199)을 포함할 수 있다. 열교환관(191)은, 병렬로 배치된 적어도 2개의 관이 상기 제2반응기(140)와 열교환하도록 배치된다. The
제1반응기(112)는 내부에 수소가 생성되는 공간을 형성하는 제1하우징(114)을 포함한다. 버너(180)는, 제1하우징(114) 내측에 배치되고 가스와 공기의 혼합가스를 연소시킬 수 있다. The
제1하우징(114) 내부에는 버너(180)가 배치되는 연소챔버(130)와, 연소챔버(130)의 둘레에 배치되고 가스와 스팀의 반응으로 수소를 생성하는 개질챔버(132), 개질챔버(132)의 둘레에 배치되고 스팀과 가스를 혼합시키는 혼합챔버(138)가 형성된다. Inside the
도 6을 참조하면, 버너(180)는 연소챔버(130)의 하부에서 하측방향으로 개구된 연소관(182)을 포함하고, 연소관(182)에서 연소되어 생성된 배기가스는 연소관(182)의 외둘레를 통해 연소챔버(130)의 상측으로 유동할 수 있다. Referring to FIG. 6 , the
도 6을 참조하면, 개질챔버(132)는, 연소챔버(130)의 둘레에 배치될 수 있다. 개질챔버(132)는 혼합챔버(138)에서 배출되는 가스와 스팀이 반응하여 수소를 생성할 수 있다. 개질챔버(132)는 가스와 스팀의 반응을 촉진시키는 개질촉매제(134a)가 배치되는 반응챔버(134)와, 반응챔버(134)의 상측에 배치되고, 수소를 포함하는 개질가스가 유동하는 배출챔버(136)를 포함한다. Referring to FIG. 6 , the reforming
반응챔버(134)는 혼합챔버(138)에서 유입된 가스와 스팀을 반응시켜 수소를 포함하는 개질가스를 생성한다. 반응챔버(134)는 배출챔버(136)의 하측에 배치된다. 반응챔버(134)는, 연소챔버(130)의 둘레에 배치되어, 버너(180)에서 발생하는 연소열이 전달될 수 있다. 또한, 반응챔버(134)에는, 스팀과 가스의 반응을 촉진시키는 개질촉매제(134a)가 배치될 수 있다. 반응챔버(134)은 상승유로를 형성한다. 따라서, 반응챔버(134)에서 배출되는 수소를 포함한 개질가스는 배출챔버(136)로 유도할 수 있다. The
배출챔버(136)는, 반응챔버(134)의 상측에 배치된다. 배출챔버(136)에는, 스팀공급관(190)이 배치될 수 있다. 배출챔버(136)에 배치되는 스팀공급관(190)은 연소챔버(130)와 열교환하도록 배치될 수 있다. 배출챔버(136)에 배치되는 스팀공급관(190)은, 나선형상으로 형성될 수 있다. 스팀공급관(190)은 하측에서 상측으로 스팀을 유동시키는 구조를 가질 수 있다. 스팀공급관(190)의 상단부는 혼합챔버(138)로 연장되어, 스팀을 혼합챔버(138)로 배출할 수 있다. The
혼합챔버(138)는 개질챔버(132)의 외둘레에 배치될 수 있다. 혼합챔버(138)는 하강유로를 형성한다. 혼합챔버(138)에서 배출된 가스와 스팀은 개질챔버(132)로 유동할 수 있다. The mixing
혼합챔버(138)는 스파이럴 구조를 가질 수 있다. 따라서, 가스와 스팀이 혼합되면서 유동하는 길이를 확보할 수 있다. The mixing
제1하우징(114)은, 외형을 형성하는 둘레벽(116)과, 둘레벽(116)의 상단부를 커버하는 상부벽(118)과, 둘레벽(116)의 하단부를 커버하는 하부벽(120)을 포함할 수 있다. 제1하우징(114)은 연소챔버(130)와 개질챔버(132)를 구획하는 제1이너벽(122)과, 개질챔버(132)와 혼합챔버(138)를 구획하는 제2이너벽(124)을 포함할 수 있다. 제1하우징(114) 내부에 배치되는 나선형의 스팀공급관(190)은 제1이너벽(122)에 접촉되게 배치되어, 연소챔버(130)를 유동하는 배기가스와 열교환할 수 있다. The
제1반응기(112)는, 혼합챔버(138) 내부에는 스파이럴구조를 위한 가이드벽(126)을 포함할 수 있다. The
제1반응기(112)는, 연소챔버(130)에서 배출되는 배기가스를 제2반응기(140)로 보내는 제1배기가스배출관(128b)을 포함할 수 있다. 제1배기가스배출관(128b)은 제1반응기(112)의 상부면에서 돌출되는 구조를 가질 수 있다. 또한, 제1반응기(112)는 개질챔버(132)에서 배출되는 수소를 포함하는 개질가스를 제2반응기(140)로 보내는 제1개질가스배출관(129)과, 탈황기에서 배출되는 가스가 제1반응기(112)로 유입되는 가스유입관(128a)을 포함할 수 있다. 도 3을 참조하면, 제1배기가스배출관(128b), 제1개질가스배출관(129), 및 가스유입관(128a)은 제1하우징(114)의 상부벽(118)에 배치될 수 있다. The
제2반응기(140)는, 제1반응기(112)의 둘레에 배치된다. 제2반응기(140)는 중앙부가 상하방향으로 개구된 원통형의 형상을 가질 수 있다. 따라서, 상하방향으로 개구된 중앙부에 제1반응기(112)가 배치된다. The
제2반응기(140)는 내부에 배기가스 또는 개질가스가 유동하는 복수의 챔버를 형성하는 제2하우징(142)을 포함한다. 제2하우징(142) 내부에는, 제1반응기(112)에서 배출되는 배기가스가 유입되는 제1배기가스챔버(160)와, 제1배기가스챔버(160)로부터 유동하는 배기가스를 배출하는 제2배기가스챔버(162)와, 제1배기가스챔버(160)와 제2배기가스챔버(162) 사이에 배치되고 제1반응기(112)에서 배출되는 수소를 포함하는 개질가스를 정제하는 정제챔버(166)가 형성된다. The
제2하우징(142)은, 제1반응기(112)의 둘레벽(116)에 마주하게 배치되는 내둘레벽(144)과, 내둘레벽(144)으로부터 반경방향으로 이격배치되는 외둘레벽(146)을 포함한다. The
제2하우징(142)은, 내둘레벽(144)와 외둘레벽(146) 사이에 배치되고, 제1배기가스챔버(160), 제2배기가스챔버(162), 및 정제챔버(166)를 구획하는 복수의 구획벽(150, 152)을 포함한다. 복수의 구획벽(150, 152)은, 제1배기가스챔버(160)와 정제챔버(166)를 구획하는 제1구획벽(150)과 정제챔버(166)와 제2배기가스챔버(162)를 구획하는 제2구획벽(152)을 포함한다. The
정제챔버(166) 내부에는, 이하에서 설명할 제1정제챔버(168)와 제2정제챔버(170)를 구획하는 수평판(154)이 배치될 수 있다. Inside the
제1배기가스챔버(160)는 내둘레벽(144)과, 제1구획벽(150) 사이에 형성될 수 있다. 제1배기가스챔버(160)는 상측으로 유입된 배기가스가 하측으로 유동하는 하강유로를 형성할 수 있다. 제1배기가스챔버(160)는 정제챔버(166)의 일측에 배치되어, 정제챔버(166)로 열을 공급할 수 있다. The first
제1배기가스챔버(160)에는, 스팀공급관(190)이 배치될 수 있다. 스팀공급관(190)을 유동하는 물은 제1배기가스챔버(160)를 유동하는 배기가스와 열교환할 수 있다. A
제2하우징(142) 내측에는 제1배기가스챔버(160)와 제2배기가스챔버(162)를 연통하는 연결챔버(164)를 포함할 수 있다. 연결챔버(164)는 정제챔버(166) 하측에 배치되어 제1배기가스챔버(160)와 제2배기가스챔버(162)를 연결할 수 있다. 연결챔버(164)는 제1배기가스챔버(160)로부터 유동하는 배기가스를 제2배기가스챔버(162)로 유동시킬 수 있다. The inside of the
제2배기가스챔버(162)는 외둘레벽(146)과 제2구획벽(152) 사이에 형성될 수 있다. 제2배기가스챔버(162)는 하측으로 유입된 배기가스가 상측으로 유동하는 상승유로를 형성할 수 있다. 제2배기가스챔버(162)는 정제챔버(166)의 일측에 배치되어, 정제챔버(166)로 열을 공급할 수 있다. The second
제2배기가스챔버(162)에는, 스팀공급관(190)이 배치될 수 있다. 스팀공급관(190)을 유동하는 물은 제2배기가스챔버(162)를 유동하는 배기가스와 열교환할 수 있다. A
정제챔버(166)는 제1배기가스챔버(160)와 제2배기가스챔버(162) 사이에 배치될 수 있다. 정제챔버(166)는 제1구획벽(150)과 제2구획벽(152) 사이에 배치된다. 정제챔버(166)는 하측으로 유입되는 개질가스에서 일산화탄소를 저감하거나 제거할 수 있다. 정제챔버(166)는 일산화탄소와 물을 반응시켜 수소와 이산화탄소를 생성하는 제1정제챔버(168)와, 제1정제챔버(168)에서 배출된 개질가스에서 잔여 일산화탄소를 제거하는 제2정제챔버(170)를 포함할 수 있다. The
제1정제챔버(168)는 제2정제챔버(170)의 상측에 배치된다. 제1정제챔버(168)와 제2정제챔버(170) 사이에는 이들을 구획하는 수평판(154)이 배치된다. 수평판(154)은 정제챔버(166) 내부를 상하로 구획할 수 있다. 수평판(154)은 제1정제챔버(168)를 유동하는 개질가스가 제2정제챔버(170)로 유동하도록 복수의 연통홀(154a)이 형성될 수 있다. The
제1정제챔버(168)에는, 일산화탄소와 물의 반응을 촉진시키는 제1촉매제(168a)가 배치될 수 있다. 제1촉매제(168a)는 일산화탄소와 물이 반응하여 수소와 이산화탄소를 생성하는 것을 촉진시킬 수 있다. In the
제2정제챔버(170)에는 일산화탄소와 수소의 반응을 촉진시키는 제2촉매제(170a)가 배치될 수 있다. 제2촉매제(170a)는 일산화탄소와 수소가 반응하여 메탄과 물의 생성을 촉진시킬 수 있다. A second catalyst 170a that accelerates the reaction between carbon monoxide and hydrogen may be disposed in the
제1정제챔버(168)와 제2정제챔버(170)는 제1배기가스챔버(160)와 제2배기가스챔버(162) 사이에 배치되어, 제1배기가스챔버(160)와 제2배기가스챔버(162) 각각으로부터 열을 공급받을 수 있다. The
제2반응기(140)는, 제1반응기(112)에서 배출되는 배기가스를 제2반응기(140) 내부로 공급하는 배기가스유입관(156a)을 포함할 수 있다. 배기가스유입관(156a)은 제2반응기(140)의 상부면에서 돌출되는 구조를 가질 수 있다. 배기가스유입관(156a)은 제1배기가스배출관(128b)과 연결될 수 있다. The
제2반응기(140)는, 제2반응기(140)에서 배출되는 배기가스를 제2반응기(140) 외부로 보내는 제2배기가스배출관(156b)을 포함할 수 있다.The
또한, 제2반응기(140)는 제1반응기(112)에서 배출되는 수소를 포함하는 개질가스를 제2반응기(140) 내부로 공급하는 개질가스유입관(158a)과, 일산화탄소가 제거되어 제2반응기(140)에서 배출되는 개질가스를 스택(20a, 20b)으로 공급하는 제2개질가스배출관(158b)을 포함할 수 있다. In addition, the
도 4를 참조하면, 배기가스유입관(156a), 제2배기가스배출관(156b), 및 제2개질가스배출관(158b)은, 제2하우징(142)의 상측으로 돌출된다. 도 5 내지 도 6을 참조하면, 개질가스유입관(158a)은 제2하우징(142)의 하부로 연결될 수 있다. Referring to FIG. 4 , the exhaust
도 7을 참조하여, 배기가스, 개질가스, 물의 유동을 설명한다. Referring to FIG. 7, the flow of exhaust gas, reformed gas, and water will be described.
도 7을 참조하면, 제1반응기(112)에서 배출되는 배기가스는 제1배기가스챔버(160)와 제2배기가스챔버(162)를 유동한다. 즉, 배기가스는 제1배기가스챔버(160)를 통해 하측방향으로 유동하고, 제2배기가스챔버(162)를 통해 상측방향으로 유동한다. Referring to FIG. 7 , the exhaust gas discharged from the
제1배기가스챔버(160)와 제2배기가스챔버(162)를 유동하는 배기가스는 스팀공급관(190)과 개질챔버(132)로 열을 공급할 수 있다. Exhaust gas flowing through the first
도 7을 참조하면, 제1반응기(112)에서 배출되는 개질가스는 정제챔버(166)를 통해 상측으로 유동한다. 구체적으로, 개질가스는 제1정제챔버(168)와 제2정제챔버(170)를 순차적으로 유동할 수 있다. 제1정제챔버(168)와 제2정제챔버(170)를 유동하는 개질가스는 양측에 배치되는 제1배기가스챔버(160)와 제2배기가스챔버(162) 각각으로부터 열을 공급받을 수 있다. Referring to FIG. 7 , the reformed gas discharged from the
도 7을 참조하면, 제3관(196a, 196b)의 내부를 유동하는 물은, 하측에서 상측으로 유동한다. 제2관(194a, 194b)의 내부를 유동하는 물은, 상측에서 하측으로 유동한다. 제1관(192a, 192b)의 내부를 유동하는 물이 하측에서 상측으로 유동한다. Referring to FIG. 7 , water flowing inside the
제2관(194a, 194b)을 유동하는 물의 방향은, 제2배기가스챔버(162)를 유동하는 배기가스의 유동방향이 다르게 형성된다. 또한, 제1관(192a, 192b)을 유동하는 물의 방향은, 제1배기가스챔버(160)를 유동하는 배기가스의 유동방향이 다르게 형성된다.The direction of the water flowing through the
스팀공급관(190)은, 제2반응기(140)에 접촉하게 배치되거나, 제2반응기(140) 내부에 배치될 수 있다. 이하에서는 도 8 내지 도 10을 참조하여, 제2반응기(140)와 열교환하도록 배치되는 열교환관(191)을 설명한다. 열교환관(191)은, 제2반응기(140)의 외부나 내부에서 나선형의 형태로 배치될 수 있다. The
열교환관(191)은, 제2반응기(140)와 열교환하는 제1열교환관(191a)과, 제2반응기(140)와 열교환하고 제1열교환관(191a)과 병렬로 배치되는 제2열교환관(191b)을 포함한다.The heat exchange tube 191 includes a first heat exchange tube 191a that exchanges heat with the
제1열교환관(191a)과 제2열교환관(191b)은 서로 병렬로 연결될 수 있다. 여기서, 병렬 연결이란, 제1열교환관(191a)과 제2열교환관(191b) 각각의 양단에서 서로 연결되는 구조를 가지는 것을 의미한다. 도 8과 도 10을 참조하면, 스팀공급관(199)은 제1열교환관(191a)과 제2열교환관(191b)로 분지되고, 다시 합지되어 유동하는 구조를 가질 수 있다. The first heat exchange tube 191a and the second heat exchange tube 191b may be connected in parallel to each other. Here, the parallel connection means having a structure in which both ends of the first heat exchange tube 191a and the second heat exchange tube 191b are connected to each other. Referring to FIGS. 8 and 10 , the
제1열교환관(191a)과 제2열교환관(191b) 각각은 서로 교번되게 배치될 수 있다. 즉, 도 8 내지 도 10을 참조하면, 제1열교환관(191a)과 제2열교환관(191b)은 서로 일정한 간격으로 이격되며, 나선형으로 연장될 수 있다. Each of the first heat exchange tubes 191a and the second heat exchange tubes 191b may be alternately disposed. That is, referring to FIGS. 8 to 10 , the first heat exchange tube 191a and the second heat exchange tube 191b are spaced apart from each other at regular intervals and may extend in a spiral shape.
제1열교환관(191a)과 제2열교환관(191b) 각각은, 제1배기가스챔버(160)에 배치되는 제1관(192a, 192b)과, 제2배기가스챔버(162)에 배치되는 제2관(194a, 194b)과, 제2하우징(142)의 외둘레벽(146) 외측에 접촉되게 배치되는 제3관(196a, 196b)을 포함한다. 스팀공급관(190)을 유동하는 물은 제3관(196a, 196b), 제2관(194a, 194b), 제1관(192a, 192b) 순으로 유동한다. Each of the first heat exchange pipe 191a and the second heat exchange pipe 191b includes
제3관(196a, 196b)은 외둘레벽(146)에 접촉되게 배치된다. 제3관(196a, 196b)은 외둘레벽(146)에 나선형태로 배치될 수 있다. 제3관(196a, 196b)은 내부를 유동하는 물이 하측에서 상측으로 이동하도록 배치될 수 있다. The
제2관(194a, 194b)은 제2배기가스챔버(162) 내부에 배치된다. 제2관(194a, 194b)은 제2배기가스챔버(162) 내부에서 나선형으로 배치될 수 있다. 제2관(194a, 194b)은 내부를 유동하는 물이 상측에서 하측으로 이동하도록 배치될 수 있다. 제2관(194a, 194b)은 제2배기가스챔버(162)를 유동하는 배기가스의 유동경로를 확장시킬 수 있다. 제2관(194a, 194b)은 제2배기가스챔버(162) 내부에서 배기가스의 유동로를 스파이럴구조의 덕트로 형성시킬 수 있다. The
제2관(194a, 194b)은 제2하우징(142)의 내부에 배치되는 제2구획벽(152)에 접촉되게 배치될 수 있다. The
제1관(192a, 192b)은 제1배기가스챔버(160) 내부에 배치된다. 제1관(192a, 192b)은 제2배기가스챔버(162) 내부에서 나선형으로 배치될 수 있다. 제1관(192a, 192b)은 내부를 유동하는 물이 하측에서 상측으로 이동하도록 배치될 수 있다. 제1관(192a, 192b)은 제1배기가스챔버(160)를 유동하는 배기가스의 유동경로를 확장시킬 수 있다. 제1관(192a, 192b)은 제1배기가스챔버(160) 내부에서 배기가스의 유동로를 스파이럴구조의 덕트로 형성시킬 수 있다. The
제1관(192a, 192b)은 제2하우징(142)의 내부에 배치되는 제1구획벽(150)에 접촉되게 배치될 수 있다. The
제3관(196a, 196b)의 길이는, 제2관(194a, 194b)의 길이보다 길게 형성될 수 있다. 제3관(196a, 196b)의 길이는 제1관(192a, 192b)의 길이보다 짧게 형성될 수 있다. The length of the third tube (196a, 196b) may be formed longer than the length of the second tube (194a, 194b). The lengths of the
제1관(192a, 192b)의 길이는 제3관(196a, 196b)이나 제2관(194a, 194b)의 길이보다 길게 형성될 수 있다. 따라서, 제1관(192a, 192b)을 유동하는 물은 제1반응기(112)로부터 유입되는 배기가스의 뜨거운 열을 공급받아 스팀으로 빠르게 가열될 수 있다. 제2관(194a, 194b)을 유동하는 물의 방향과 제2배기가스챔버(162)를 유동하는 배기가스의 유동방향이 다르게 형성될 수 있다. 또한, 제1관(192a, 192b)을 유동하는 물의 방향과 제1배기가스챔버(160)를 유동하는 배기가스의 유동방향이 다르게 형성될 수 있다.The length of the first tube (192a, 192b) may be formed longer than the length of the third tube (196a, 196b) or the second tube (194a, 194b). Accordingly, the water flowing through the
제1관(192a, 192b)은 제1반응기(112)로 연결된다. 제1관(192a, 192b)은 하류에서 서로 합지되어 제1반응기(112)로 연결된다. The
제1열교환관(191a)에는 제1열교환관(191a) 내부를 유동하는 물의 유동을 조절하는 제1밸브(198a)가 배치된다. 제2열교환관(191b)에는 제2열교환관(191b) 내부를 유동하는 물의 유동을 조절하는 제2밸브(198b)가 배치된다. A
제1밸브(198a)와 제2밸브(198b)는 선택적으로 개폐될 수 있다. 여기서, 선택적 개폐의 의미는 제1밸브(198a)와 제2밸브(198b) 중 하나만이 개방되거나, 제1밸브(198a)와 제2밸브(198b) 모두가 개방되거나 폐쇄되는 경우를 포함할 수 있다. The
제1밸브(198a)와 제2밸브(198b)는 연료밸브(30)와 연동하여 작동이 조절될 수 있다. 제1밸브(198a)와 제2밸브(198b)는 스택(20a, 20b)에서 생성되는 전기에너지의 량에 따라 작동이 조절될 수 있다. The operation of the
본 발명의 연료전지장치(1)는 연료밸브(30), 제1밸브(198a), 및 제2밸브(198b)의 작동을 조절하는 제어부(미도시)를 포함할 수 있다. 제어부는, 스택(20a, 20b)의 발전량을 기초로 제1밸브(198a)와 제2밸브(198b)의 개폐를 조절할 수 있다. 스택(20a, 20b)의 발전량은 사용자의 요구조건에 따라 달라질 수 있다. The
제어부는 스택(20a, 20b)의 발전량이 일정수준을 초과할 때, 제1밸브(198a)와 제2밸브(198b)를 모두 개방할 수 있다. 연료전지 발전량이 많을 경우, 제1반응기(112)에서 생성되는 수소 개질량이 많아지므로 부산물인 일산화탄소의 양도 증가한다. 따라서 일산화탄소를 저감하거나 제거하는 제2반응기(140)의 부하량이 증가한다. 따라서, 개질챔버(132)에서의 반응량이 증가하며, 일산화탄소 감소반응의 특징인 열의 발생량이 증가할 수 있다. 제2반응기(140)에 냉각이 제대로 이루어지지 않는경우, 촉매의 자발열로 인해 제2반응기(140)의 온도가 상승할 수 있다. 제2반응기(140)의 온도가 상승하면, 제2반응기(140)에 배치되는 촉매제의 활성도가 증가하여, 반응량이 더 증가하여 온도가 발산(Temperature Runaway)할 수 있는 가능성이 커진다. 따라서 연료전지 발전량이 커질수록 일산화탄소를 제거하는 제2반응기(140)의 냉각이 더 필요하므로, 제1밸브(198a)의 제2밸브(198b)를 모두 개방하여 냉각효과를 증가시킨다.The controller may open both the
발전량이 많다는 것은, 개질기(110)로 공급되는 가스의 량이 많음을 의미할 수 있으므로, 연료밸브(30)의 개도량이 제1밸브(198a), 제2밸브(198b)의 작동에 영향을 미칠 수 있다. 즉, 연료밸브(30)의 개도량이 증가하는 경우, 발전량이 증가하므로, 제1밸브(198a)와 제2밸브(198b)를 모두 개방할 수 있다. Since a large amount of power generation may mean a large amount of gas supplied to the
제어부는 스택(20a, 20b)의 발전량이 일정수준을 이하할 때, 제1밸브(198a)와 제2밸브(198b) 중 하나만을 개방할 수 있다. 연료전지 발전량이 작을 경우, 제1반응기(112)에서 생성되는 수소 개질량이 적어, 일산화탄소의 량도 적게 생성된다. 따라서, 제2반응기(140)에서 반응하는 일산화탄소의 반응량이 작아 반응에 따른 발열량이 감소하여 제2반응기(140)의 온도가 감소한다. 제2반응기(140)의 온도가 감소하면, 촉매의 활성도가 감소하여 일산화탄소를 감소시키는 반응이 저하되며, 일산화탄소가 일부 외부로 유출될 수 있다. 이는 스택(20a, 20b)에 악영향을 끼치므로, 제1밸브(198a)와 제2밸브(198b) 중 하나의 밸브를 폐쇄하여, 제2반응기(140)의 냉각효과를 감소시킬 수 있다. 이에따라 제2반응기(140)의 온도는 재상승하여 촉매 반응온도를 유지할 수 있다.The controller may open only one of the
발전량이 적다는 것은, 개질기(110)로 공급되는 가스의 량이 적음을 의미할 수 있다. 따라서, 연료밸브(30)의 개도량이 감소하는 경우, 발전량이 감소되므로, 제1밸브(198a)와 제2밸브(198b) 중 하나의 밸브만을 개방할 수 있다. A small amount of power generation may mean that the amount of gas supplied to the
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 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 안될 것이다.Although the preferred embodiments of the present invention have been shown and described above, the present invention is not limited to the specific embodiments described above, and in the technical field to which the present invention belongs without departing from the gist of the present invention claimed in the claims. Various modifications and implementations are possible by those skilled in the art, and these modifications should not be individually understood from the technical spirit or perspective of the present invention.
1 : 연료전지 시스템
10: 연료처리장치
13 : 물공급탱크
20a, 20b : 스택
38 : 물펌프
110 : 개질기
112 : 제1반응기
114 : 제1하우징
116 : 둘레벽
122 : 제1이너벽
124 : 제2이너벽
126 : 가이드벽
130 : 연소챔버
132 : 개질챔버
134 : 반응챔버
136 : 배출챔버
138 : 혼합챔버
140 : 제2반응기
142 : 제2하우징
144 : 내둘레벽
146 : 외둘레벽
150 : 제1구획벽
152 : 제2구획벽
154 : 수평판
160 : 제1배기가스챔버
162 : 제2배기가스챔버
164 : 연결챔버
166 : 정제챔버
168 : 제1정제챔버
170 : 제2정제챔버
180 : 버너
182 : 연소관
190 : 스팀공급관
191a, 191b : 열교환관
192a, 192b : 제1관
194a, 194b : 제2관
196a, 196b : 제3관
198a, 198b : 밸브1: fuel cell system 10: fuel processing device
13:
38: water pump 110: reformer
112: first reactor 114: first housing
116: peripheral wall 122: first inner wall
124: second inner wall 126: guide wall
130: combustion chamber 132: reforming chamber
134: reaction chamber 136: discharge chamber
138: mixing chamber 140: second reactor
142: second housing 144: inner circumferential wall
146: outer circumferential wall 150: first partition wall
152: second partition wall 154: horizontal plate
160: first exhaust gas chamber 162: second exhaust gas chamber
164: connection chamber 166: purification chamber
168: first purification chamber 170: second purification chamber
180: burner 182: combustion pipe
190: steam supply pipe 191a, 191b: heat exchange pipe
192a, 192b:
196a, 196b: pipe 3 198a, 198b: valve
Claims (14)
상기 연료처리장치에서 배출되는 개질가스와 공기로 전기화학반응을 일으켜 전기에너지를 생성하는 스택을 포함하고,
상기 연료처리장치는,
가스와 스팀을 반응시켜 개질가스를 생성하는 제1반응기;
상기 제1반응기에서 생성된 상기 개질가스에 포함된 일산화탄소를 제거하는 제2반응기;
상기 제1반응기로 열을 공급하는 버너;
상기 제2반응기와 열교환하여 내부를 유동하는 물을 가열하고, 상기 제1반응기로 스팀을 공급하는 스팀공급관을 포함하고,
상기 스팀공급관은, 병렬로 연결된 복수의 관이 상기 제2반응기와 열교환하도록 배치되고,
상기 스팀공급관은 병렬로 연결된 복수의 관 일부 또는 전체로 물을 유동시키는 연료처리장치.a fuel processing device generating reformed gas; and
A stack generating electrical energy by causing an electrochemical reaction with reformed gas and air discharged from the fuel processing device,
The fuel processing device,
A first reactor for generating reformed gas by reacting gas with steam;
a second reactor for removing carbon monoxide included in the reformed gas generated in the first reactor;
a burner supplying heat to the first reactor;
A steam supply pipe for heating water flowing therein by exchanging heat with the second reactor and supplying steam to the first reactor;
In the steam supply pipe, a plurality of pipes connected in parallel are arranged to exchange heat with the second reactor,
The steam supply pipe is a fuel processing device for flowing water through some or all of a plurality of pipes connected in parallel.
상기 스팀공급관은,
상기 제2반응기와 열교환하는 제1스팀공급관과, 상기 제2반응기와 열교환하고 상기 제1스팀공급관과 병렬로 배치되는 제2스팀공급관을 포함하고,
상기 제1스팀공급관에는 내부를 유동하는 물의 유동을 조절하는 제1밸브가 배치되고, 상기 제2스팀공급관에는 내부를 유동하는 물의 유동을 조절하는 제2밸브가 배치되는 연료전지장치.According to claim 1,
The steam supply pipe,
A first steam supply pipe that exchanges heat with the second reactor and a second steam supply pipe that exchanges heat with the second reactor and is disposed in parallel with the first steam supply pipe,
A fuel cell device in which a first valve for controlling the flow of water flowing therein is disposed in the first steam supply pipe, and a second valve for controlling the flow of water flowing therein is disposed in the second steam supply pipe.
상기 스택에서 생성되는 전기에너지의 량에 따라 상기 제1밸브와 상기 제2밸브의 작동이 조절되는 연료전치장치.According to claim 2,
A fuel cell device in which operations of the first valve and the second valve are controlled according to the amount of electric energy generated in the stack.
상기 연료처리장치로 공급되되는 가스의 유동량을 조절하는 연료밸브를 더 포함하고,
상기 연료밸브를 통과하여 상기 개질기로 공급되는 가스의 유동량이 설정유량을 초과할 때, 상기 제1스팀공급관 또는 상기 제2스팀공급관 모두가 개방되도록 상기 제1밸브와 상기 제2밸브를 조절하는 연료전지장치.According to claim 2,
Further comprising a fuel valve for adjusting the flow rate of the gas supplied to the fuel processing device,
Fuel controlling the first valve and the second valve so that both the first steam supply pipe and the second steam supply pipe are opened when the flow rate of gas supplied to the reformer through the fuel valve exceeds the set flow rate battery device.
상기 연료밸브를 통과하여 상기 개질기로 공급되는 가스의 유동량이 설정류량 이하일 때, 상기 제1스팀공급관 또는 상기 제2스팀공급관 중 하나가 폐쇄되도록 상기 제1밸브 또는 상기 제2밸브를 조절하는 연료처리장치.According to claim 2,
When the flow rate of the gas supplied to the reformer through the fuel valve is equal to or less than the set flow rate, fuel processing for controlling the first valve or the second valve so that either the first steam supply pipe or the second steam supply pipe is closed. Device.
상기 스팀공급관은,
상기 제2반응기에 접촉하게 배치되고, 상기 제2반응기를 유동하는 개질가스 또는 배기가스와 열교환하는 열교환관과,
상기 제1반응기 내부로 스팀을 배출하는 스팀배출관을 포함하고,
상기 열교환관은, 병렬로 연결된 복수의 관이 상기 제2반응기와 열교환하도록 배치되는 연료전지장치.According to claim 1,
The steam supply pipe,
A heat exchange tube disposed in contact with the second reactor and exchanging heat with reformed gas or exhaust gas flowing through the second reactor;
A steam discharge pipe for discharging steam into the first reactor,
The heat exchange tubes are arranged so that a plurality of tubes connected in parallel exchange heat with the second reactor.
상기 열교환관은, 상기 제2반응기와 열교환하는 제1열교환관과, 상기 제2반응기와 열교환하고 상기 제1열교환관과 병렬로 배치되는 제2열교환관을 포함하고,
상기 제1열교환관에는 내부를 유동하는 물의 유동을 조절하는 제1밸브가 배치되고, 상기 제2열교환관에는 내부를 유동하는 물의 유동을 조절하는 제2밸브가 배치되는 연료전지장치.According to claim 6,
The heat exchange tube includes a first heat exchange tube that exchanges heat with the second reactor and a second heat exchange tube that exchanges heat with the second reactor and is disposed in parallel with the first heat exchange tube,
A fuel cell device in which a first valve for controlling the flow of water flowing therein is disposed in the first heat exchange pipe, and a second valve for controlling the flow of water flowing therein is disposed in the second heat exchange pipe.
상기 제2반응기 내부에는,
상기 제1반응기에서 배출되는 배기가스가 유입되는 제1배기가스챔버와,
상기 제1배기가스챔버로부터 유동하는 배기가스를 배출하는 제2배기가스챔버와,
상기 제1배기가스챔버와 상기 제2배기가스챔버 사이에 배치되고 상기 제1반응기에서 배출되는 개질가스에 포함된 일산화탄소를 제거하는 정제챔버를 형성되고,
상기 제1열교환관과 상기 제2열교환관 각각은, 상기 제1배기가스챔버와 상기 제2배기가스챔버를 지나도록 배치되는 연료전지 장치.According to claim 7,
Inside the second reactor,
A first exhaust gas chamber into which the exhaust gas discharged from the first reactor flows;
a second exhaust gas chamber for discharging the exhaust gas flowing from the first exhaust gas chamber;
A purification chamber is disposed between the first exhaust gas chamber and the second exhaust gas chamber and removes carbon monoxide included in the reformed gas discharged from the first reactor,
The fuel cell device of claim 1 , wherein each of the first heat exchange tube and the second heat exchange tube is disposed to pass through the first exhaust gas chamber and the second exhaust gas chamber.
상기 제1열교환관과 상기 제2열교환관 각각은, 나선형태로 연장되고, 서로 교번되게 배치되는 연료전지 장치. According to claim 8,
The fuel cell device of claim 1 , wherein each of the first heat exchange tube and the second heat exchange tube extends in a spiral shape and is alternately disposed with each other.
상기 제1열교환관과 상기 제2열교환관 각각은, 상기 제1배기가스챔버에 배치되는 제1관과, 상기 제2배기가스챔버에 배치되는 제2관은 포함하고,
상기 제1관과 상기 제2관을 유동하는 물이 상기 상기 제1배기가스챔버와 상기 제2배기가스챔버를 유동하는 배기가스의 유동방향과 반대로 형성되도록 배치되는 연료전지 장치.According to claim 8,
Each of the first heat exchange tube and the second heat exchange tube includes a first tube disposed in the first exhaust gas chamber and a second tube disposed in the second exhaust gas chamber,
The fuel cell device is arranged so that the water flowing through the first pipe and the second pipe is opposite to a flow direction of the exhaust gas flowing through the first exhaust gas chamber and the second exhaust gas chamber.
상기 제2반응기는, 내부에 상기 제1배기가스챔버, 상기 제2배기가스챔버, 및 상기 정제챔버를 형성하는 하우징을 포함하고,
상기 하우징은,
상기 제1반응기의 둘레벽에 마주하게 배치되는 내둘레벽;
상기 내둘레벽으로부터 반경방향으로 이격배치되는 외둘레벽;
상기 내둘레벽과 상기 외둘레벽 사이에 배치되고, 상기 제1배기가스챔버와 상기 정제챔버를 구획하는 제1구획벽;
상기 제1구획벽과 상기 외둘레벽 사이에 배치되고, 상기 정제챔버와 상기 제2배기가스챔버를 구획하는 제2구획벽을 포함하는 연료전지 장치.According to claim 8,
The second reactor includes a housing forming the first exhaust gas chamber, the second exhaust gas chamber, and the purification chamber therein,
the housing,
an inner circumferential wall disposed to face the circumferential wall of the first reactor;
an outer circumferential wall spaced apart from the inner circumferential wall in a radial direction;
a first partition wall disposed between the inner circumferential wall and the outer circumferential wall and partitioning the first exhaust gas chamber and the purification chamber;
and a second partition wall disposed between the first partition wall and the outer circumferential wall and partitioning the purification chamber and the second exhaust gas chamber.
상기 제1관과 상기 제2관 각각은, 상기 제1구획벽 또는 상기 제2구획벽에 접촉하게 배치되고, 상기 제1배기가스챔버와 상기 제2배기가스챔버를 유동하는 배기가스의 유동을 가이드하도록 나선형태로 배치되는 연료전지 장치.According to claim 11,
Each of the first tube and the second tube is disposed in contact with the first partition wall or the second partition wall, and controls the flow of exhaust gas flowing through the first exhaust gas chamber and the second exhaust gas chamber. A fuel cell device arranged in a helical shape to guide.
상기 정제챔버는, 일산화탄소와 물을 반응시켜 수소와 이산화탄소를 생성하는 제1정제챔버와, 상기 제1정제챔버에서 배출된 개질가스에서 잔여 일산화탄소를 제거하는 제2정제챔버를 포함하고,
상기 제2정제챔버는 상기 제1정제챔버 상측에 배치되는 연료전지 장치.According to claim 8,
The purification chamber includes a first purification chamber for generating hydrogen and carbon dioxide by reacting carbon monoxide with water, and a second purification chamber for removing residual carbon monoxide from the reformed gas discharged from the first purification chamber,
The second purification chamber is disposed above the first purification chamber.
상기 제1열교환관과 상기 제2열교환관 각각은, 상기 하우징의 외둘레에 접촉되게 배치되는 제3관을 더 포함하고,
상기 제1열교환관과 상기 제2열교환관은 상기 제3관의 상류에서 분지되고, 상기 제1관의 하류에서 합지되는 연료전지 장치.
According to claim 10,
Each of the first heat exchange tube and the second heat exchange tube further includes a third tube disposed in contact with an outer circumference of the housing,
The fuel cell device of claim 1 , wherein the first heat exchange tube and the second heat exchange tube are branched upstream of the third tube and joined downstream of the first tube.
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