KR20230132314A - 연료전지 시스템 - Google Patents

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KR20230132314A
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장희중
양동근
우형석
박혜리
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엘지전자 주식회사
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Abstract

본 발명의 실시예는 개질가스와 공기로 전기화학반응을 일으켜 전기에너지를 생성하는 스택; 상기 스택으로 개질가스 또는 공기가 유입되는 제1유로; 상기 스택으로부터 애노드 오프 가스(Anode Off Gas, AOG) 또는 공기가 토출되는 제2유로; 및 상기 제1유로에 설치되고, 상기 제1유로를 유동하는 상기 개질가스 또는 상기 공기의 습도를 조절하는 제1세퍼레이터 유닛을 포함하는 연료전지 시스템에 관한 것이다.

Description

연료전지 시스템{FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 스택으로 공급되는 유체의 습도를 제어하는 세퍼레이터를 포함하는 연료전지 시스템에 관한 것이다.
연료전지 시스템(Fuel cell system)은 탄화수소 계열의 물질, 예컨대 메탄올, 에탄올, 천연가스 등에 포함되어 있는 수소를 산소와 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키는 발전 시스템이다.
일반적인 연료전지 시스템은 수소 원자를 포함하는 연료를 수소 가스로 전환개질(Reforming)하는 연료처리장치와, 연료처리장치로부터 공급되는 수소 가스를 이용하여 전기 에너지를 발생시키는 스택(Stack)을 구비한다. 또한, 연료전지 시스템은 스택으로 유입 및/또는 유출되는 가스의 수분을 제거하기 위한 수분제거장치를 더 포함할 수 있다.
연료전지 시스템은 전기화학반응이 지속됨에 따라 반응 부산물로써 물이 생성되고, 생성된 물이 성장함에 따라 가스의 공급을 차단하여 전압 강하 또는 전기의 발생이 중단되는 플러딩(Flooding) 현상이 발생되는 문제가 있다. 한편, 가스 내의 수분을 지나치게 많이 제거할 경우 스택 내에서의 전기화학 반응 효율이 저하되는 문제가 있다.
따라서, 연료전지 시스템에서 스택으로 유입 및 유출되는 가스의 수분 함량을 적절하게 조절하는 것이 필요하다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 스택으로 공급 및/또는 유출되는 가스의 상대습도를 조절할 수 있는 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 과제는 연료전지 시스템의 구조를 과다하게 변경하지 않더라도 가스의 상대습도를 최적점으로 조절하는 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 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템은 개질가스와 공기로 전기화학반응을 일으켜 전기에너지를 생성하는 스택; 상기 스택으로 개질가스 또는 공기가 유입되는 제1유로; 상기 스택으로부터 애노드 오프 가스(Anode Off Gas, AOG) 또는 공기가 토출되는 제2유로; 및 상기 제1유로에 설치되고, 상기 제1유로를 유동하는 상기 개질가스 또는 상기 공기의 습도를 조절하는 제1세퍼레이터 유닛을 포함할 수 있다.
상기 제1세퍼레이터 유닛은, 제1전단 플랜지; 제1후단 플랜지; 상기 제1전단 플랜지와 상기 제1후단 플랜지를 연결하는 제1세퍼레이터 배관; 상기 제1세퍼레이터 배관에 배치되는 제1세퍼레이터; 상기 제1세퍼레이터 배관의 제1위치에서 분기되고, 상기 제1세퍼레이터 배관의 제2위치에서 합류되는 바이패스 배관; 상기 바이패스 배관에 설치되는 바이패스 밸브; 및 상기 제1세퍼레이터 배관에 연결되는 배출배관을 포함할 수 있다.
상기 제1세퍼레이터 유닛은 상기 제1세퍼레이터 배관에 설치되는 습도 센서를 더 포함하고, 상기 습도 센서는 상기 제1세퍼레이터 배관의 상기 제2위치와 상기 제1후단 플랜지 사이에 설치될 수 있다.
상기 제1위치는 상기 제1전단 플랜지와 상기 제1세퍼레이터 사이 위치이고,
상기 제2위치는 상기 제1후단 플랜지와 상기 제1세퍼레이터 사이 위치일 수 있다.
상기 제1세퍼레이터 배관은, 상기 제1전단 플랜지로부터 상기 제1유로의 연장 방향을 따라 연장되는 제1부분과, 상기 제1부분으로부터 하향 경사지게 연장되는 제2부분과, 상기 제2부분으로부터 상향 경사지게 연장되는 제3부분과, 제3부분으로부터 상기 제1유로의 연장 방향을 따라 연장되고 상기 제1후단 플랜지와 연결되는 제4부분을 포함할 수 있다.
상기 제1세퍼레이터는 상기 제1세퍼레이터 배관의 상기 제2부분에 설치될 수 있다.
상기 배출배관은, 상기 제1세퍼레이터 배관의 상기 제2부분과 상기 제3부분 사이에 설치될 수 있다.
상기 배출배관은 복수회 절곡되어 형성될 수 있다.
상기 배출배관은 'U'자 형상으로 형성될 수 있다.
상기 배출배관은, 상기 제1세퍼레이터 배관과 연결되고 제1방향으로 연장되는 제1배출배관과, 상기 제1배출배관과 연결되고 상기 제1방향에 수직한 방향으로 연장되는 제2배출배관과, 상기 제2배출배관과 연결되고 상기 제1방향의 반대 방향인 제2방향으로 연장되는 제3배출배관과, 상기 제3배출배관에 연결되고 상기 제2방향에 수직한 방향으로 연장되는 제4배출배관과, 상기 제4배출배관으로부터 상기 제1방향으로 연장되는 제5배출배관을 포함할 수 있다.
상기 제1세퍼레이터는, 복수의 제1홀이 형성되는 제1메쉬; 상기 제1메쉬의 외측에 배치되고, 복수의 제2홀이 형성되는 제2메쉬를 포함할 수 있다.
제1홀의 직경은 제2홀의 직경보다 작을 수 있다.
상기 제1메쉬에 형성되는 상기 제1홀의 개수는 상기 제2메쉬에 형성되는 상기 제2홀의 개수보다 많을 수 있다.
상기 제1세퍼레이터는 제1모선과 제2모선을 포함하는 원뿔 형상을 포함하고, 상기 제2모선은 상기 제1모선보다 길게 형성될 수 있다.
상기 제2유로에 설치되고, 상기 제2유로를 유동하는 상기 애노드 오프 가스 또는 상기 공기의 습도를 조절하는 제2세퍼레이터 유닛을 포함할 수 있다.
상기 제2세퍼레이터 유닛은, 제2전단 플랜지; 제2후단 플랜지; 상기 제2전단 플랜지와 상기 제2후단 플랜지를 연결하는 제2세퍼레이터 배관; 상기 제2세퍼레이터 배관에 배치되는 제2세퍼레이터; 및 상기 제2세퍼레이터 배관에 연결되는 배출배관을 포함할 수 있다.
상기 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의제어방법은 상기 개질기에서 개질가스를 생성하는 단계; 및 상기 개질가스와 공기로 전기화학반응을 일으켜 스택에서 전기를 발생시키는 단계를 포함하고, 상기 개질가스를 생성하는 단계에는, 상기 스택으로 상기 개질가스를 공급하는 제1유로에 배치되는 제1세퍼레이터 유닛의 바이패스 밸브와, 상기 스택으로 상기 공기를 공급하는 제2유로 배치되는 제2세퍼레이터 유닛의 바이패스 밸브가 오프(Off)되고, 상기 스택에서 전기를 발생시키는 단계에서는, 상기 제1세퍼레이터 유닛의 습도 센서의 측정값에 따라 상기 제1세퍼레이터 유닛의 상기 바이패스 밸브의 개도를 제어하는 제1발전운전단계를 포함할 수 있다.
상기 제1발전운전단계는, 상기 제1세퍼레이터 유닛의 상기 습도 센서의 측정값이 기준값 이하로 판단되는 경우 상기 제1세퍼레이터 유닛의 상기 바이패스 밸브의 개도를 증가시킬 수 있다
상기 스택에서 전기를 발생시키는 단계에는, 상기 제2세퍼레이터 유닛의 습도 센서의 측정값에 따라 상기 제2세퍼레이터 유닛의 상기 바이패스 밸브의 개도를 제어하는 제2발전운전단계를 포함할 수 있다.
상기 제2발전운전단계는, 상기 제2세퍼레이터 유닛의 상기 습도 센서의 측정값이 기준값 이하로 판단되는 경우 상기 제2세퍼레이터 유닛의 상기 바이패스 밸브의 개도를 증가시킬 수 있다.
상기 습도 센서의 습도 판단과, 상기 바이패스 밸브의 개도 제어는 소정 시간 간격을 주기로 수행될 수 있다.
상기 제1발전운전단계와 상기 제2발전운전단계는 동시에 수행될 수 있다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 연료전지 시스템에 따르면 다음과 같은 효과가 하나 혹은 그 이상 있다.
첫째, 스택으로 공급되는 개질가스와 공기의 상대습도를 조절하여 스택 내에서 전기화학반응 효율을 향상시키는 장점이 있다.
둘째,　이중 메쉬 구조를 갖는 세퍼레이터를 배관에 설치하여 기존 연료전지 시스템의 구조를 변경하지 않더라도 가스의 상대 습도를 적절하게 조절할 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료처리장치의 구성에 대한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템에 대한 구성도이다.
도 3은 도 2의 연료전지 시스템의 구성 중 일부를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1세퍼레이터 유닛을 보여주는 도면이다.
도 5는 도 4의 제1세퍼레이터를 도시한 사시도이다.
도 6은 도 4의 제1세퍼레이터를 도시한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 제2세퍼레이터 유닛을 보여주는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 동작장법을 도시한 순서도이다.
도 9는 도 8의 버너 예열 운전 수행 단계를 수행하는 연료전지 시스템의 모습을 도시한 도면이다.
도 10은 도 8의 개질 운전 수행 단계를 수행하는 연료전지 지스템의 모습을 도시한 도면이다.
도 11은 도 8의 발전 운전 수행 단계를 나타내는 순서도이다.
도 12는 도 8의 제1발전운전단계를 수행하는 연료전지 시스템의 모습을 도시한 도면이다.
도 13은 도 8의 제2발전운전단계를 수행하는 연료전지 시스템의 모습을 도시한 도면이다.
도 14는 도 11의 제1발전운전단계에서 습도 센서의 측정값이 기준값 이하인 경우 제1세퍼레이터 유닛의 모습을 도시한 도면이다.
도 15는 도 11의 제1발전운전단계에서 습도 센서의 측정값이 기준값 이상인 경우 제1세퍼레이터 유닛의 모습을 도시한 도면이다.
도 16은 도 11의 제2발전운전단계에서 습도 센서의 측정값이 기준값 이하인 경우 제3세퍼레이터 유닛의 모습을 도시한 도면이다.
도 17은 도 11의 제2발전운전단계에서 습도 센서의 측정값이 기준값 이상인 경우 제3세퍼레이터 유닛의 모습을 도시한 도면이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다. 도면에서는 본 발명을 명확하고 간략하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분의 도시를 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 극히 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 참조부호를 사용한다.
이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 단순히 본 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되는 것으로서, 그 자체로 특별히 중요한 의미 또는 역할을 부여하는 것은 아니다. 따라서, 상기 "모듈" 및 "부"는 서로 혼용되어 사용될 수도 있다.
본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품, 또는 이들을 조합한 것들의 존재, 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 본 명세서에서, 다양한 요소들을 설명하기 위해 제1, 제2 등의 용어가 이용될 수 있으나, 이러한 요소들은 이러한 용어들에 의해 제한되지 아니한다. 이러한 용어들은 한 요소를 다른 요소로부터 구별하기 위해서만 이용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료처리장치의 구성에 대한 개략도이다.
도 1을 참조하면, 연료처리장치(10)는 탈황기(110), 버너(120), 증기발생기(130), 개질기(140), 제1 반응기(150) 및/또는 제2 반응기(160)를 포함할 수 있다. 연료처리장치(10)는 적어도 하나의 믹서(111, 112)를 더 포함할 수 있다.
탈황기(110)는 연료 가스에 포함된 황 화합물을 제거하는 탈황공정을 수행할 수 있다. 예를 들어, 탈황기(110)는 내부에 흡착제를 구비할 수 있다. 이때, 탈황기(110)의 내부를 통과하는 연료 가스에 포함된 황 화합물이 흡착제에 흡착될 수 있다. 흡착제는 금속 산화물, 제올라이트(Zeolite), 활성탄소(activated carbon) 등으로 구성될 수 있다.
탈황기(110)는 연료 가스에 포함된 이물질을 제거하는 필터를 더 포함할 수 있다.
버너(120)는 개질기(140)에서의 개질 반응이 촉진되도록 개질기(140)에 열을 공급할 수 있다. 예를 들어, 탈황기(110)로부터 토출된 연료 가스와 외부에서 유입된 공기가 제1믹서(111)에서 혼합되어 버너(120)에 공급될 수 있다. 이때, 버너(120)는 연료 가스와 공기가 혼합된 가스를 연소시켜 연소열을 발생시킬 수 있고, 버너(120)에서 공급되는 열에 의해 개질기(140)의 내부온도가 적정 온도(예: 800℃)로 유지될 수 있다.
한편, 연료 가스와 공기가 혼합된 가스의 연소에 의해 버너(120)에서 생성되는 배기가스는 연료처리장치(10)의 외부로 배출될 수 있다.
증기발생기(130)는 물을 기화시켜 수증기로 배출할 수 있다. 예를 들어, 증기발생기(130)는 버너(120)에서 생성되는 배기가스, 제1반응기(150) 및/또는 제2반응기(160)로부터 열을 흡수하여 물을 기화시킬 수 있다.
증기발생기(130)는 제1반응기(150), 제2반응기(160) 및/또는 버너(120)에서 배출되는 배기가스가 유동하는 유로에 인접하게 배치될 수 있다.
개질기(140)는 촉매를 이용하여 황 화합물이 제거된 연료 가스로부터 수소 가스를 생성하는 개질 공정을 수행할 수 있다. 여기서, 개질 반응에 사용되는 촉매는 니켈(Ni), 알루미나(Al₂O₃) 등으로 구성된 촉매일 수 있다. 예를 들어, 탈황기(110)로부터 토출된 연료 가스와 증기발생기(130)로부터 토출된 수증기가 제2믹서(112)에서 혼합되어 개질기(140)에 공급될 수 있다. 이때, 개질기(140)에 공급된 연료 가스와 수증기가 개질기(140) 내에서 개질 반응하는 경우, 수소 가스가 생성될 수 있다.
한편, 제1믹서(111) 및/또는 제2믹서(112)는 이젝터(ejector)로 구현될 수 있다. 예를 들어, 제2믹서(112)는 증기발생기(130)에서 토출된 수증기를 이용하여 탈황기(110)로부터 토출된 연료 가스를 내부로 흡입하는 이젝터일 수 있다.
제1반응기(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 일산화탄소는 제1반응기(150) 내부에서 수증기와 반응하여 이산화탄소와 수소가 생성될 수 있다. 이때, 제1반응기(150)의 내부온도는 개질기(140)의 내부온도보다 낮고 상온보다 높은 온도(예: 200℃)일 수 있다.
제1반응기(150)는 쉬프트 반응기(shift reactor)로 명명될 수 있다.
제2반응기(160)는 제1반응기(150)로부터 토출되는 가스에 포함된 성분 중 잔존하는 일산화탄소를 저감할 수 있다. 예를 들어, 제1반응기(150)에서 토출된 가스에 포함된 일산화탄소가 제2반응기(160) 내부에서 산소와 반응하는 선택적 산화(preferential oxidation, PROX) 반응이 일어날 수 있다.
한편, 선택적 산화 반응의 경우 다량의 산소가 필요하므로 공기의 추가 공급이 요구되며, 추가 공급된 공기에 의해 수소가 희석되어 스택에 공급되는 수소의 농도가 감소하는 단점이 있다. 따라서, 이러한 단점을 극복하기 위해, 일산화탄소와 수소가 반응하는 선택적 메탄화(selective methanation) 반응이 활용될 수 있다.
한편, 개질기(140), 제1반응기(150) 및/또는 제2반응기(160)를 거쳐 연료처리장치(10)에서 토출되는 가스는 개질가스로 명명될 수 있다.
스택(20)은 연료처리장치(10)로부터 공급되는 개질가스에 전기화학반응을 일으켜 전기 에너지를 생성할 수 있다.
스택(20)은 전기화학반응이 일어나는 단일 셀이 적층되어 구성될 수 있다. 단일 셀은, 전해질막을 중심으로 연료극과 공기극이 배치된 막-전극 접합체(membrane electrode assembly, MEA), 세퍼레이터(separator) 등으로 구성될 수 있다. 막-전극 접합체의 연료극에서는 수소가 촉매에 의하여 수소이온과 전자로 분리되어 전기가 발생할 수 있고, 막-전극 접합체의 공기극에서는 수소이온과 전자가 산소와 결합하여 물이 생성될 수 있다.
스택(20)은 전기화학반응 과정에서 발생하는 열을 방열하는 스택 열교환기(미도시)를 더 포함할 수 있다. 스택 열교환기는 물을 냉매로 사용하는 열교환기일 수 있다. 예를 들어, 스택 열교환기에 공급되는 냉각수가 전기화학반응 과정에서 발생하는 열을 흡수할 수 있고, 흡수된 열에 의해 온도가 상승한 냉각수가 스택 열교환기의 외부로 토출될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템에 대한 구성도이고, 도 3은 도 2의 연료전지 시스템의 구성 중 일부를 도시한 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 연료전지 시스템(1)은 연료처리부(I), 전력생성부(II), 냉각수순환부(III) 및/또는 열회수부(IV)를 포함할 수 있다. 연료전지 시스템(1)은 전력생성부(II)에서 생성된 직류전원을 교류전원으로 변환하는 전력변환장치를 포함하는 전력변환부(미도시)를 더 구비할 수 있다.
연료처리부(I)는 연료처리장치(10), 연료처리장치(10)에 공급되는 연료 가스의 유동을 조절하는 연료밸브(30), 공기를 연료처리장치(10)로 유동시키는 제1블로워(71) 등을 포함할 수 있다.
전력생성부(II)는 스택(20a, 20b), 연료처리장치(10)에서 토출된 개질가스의 열교환이 일어나는 개질가스열교환기(21), 스택(20a, 20b)에서 반응하지 않고 배출되는 가스의 열교환이 일어나는 AOG열교환기(22), 스택(20a, 20b)에 공급되는 공기에 수분을 공급하는 가습장치(23), 공기를 스택(20a, 20b)으로 유동시키는 제2 블로워(72) 등을 포함할 수 있다. 여기서, 스택(20a, 20b)에서 반응하지 않고 배출되는 가스는 애노드 오프 가스(anode off gas, AOG)로 명명될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 연료전지 시스템(1)이 두 개의 스택(20a. 20b)을 구비하는 것으로 설명하나, 이에 제한되지 않는다.
냉각수순환부(III)는 연료전지 시스템(1)에서 생성되는 물을 저장하는 물공급탱크(13), 연료처리장치(10)로 물을 유동시키는 물펌프(38), 연료처리장치(10)로 공급되는 물의 유동을 조절하는 물공급밸브(39), 개질가스열교환기(21)로 물을 유동시키는 냉각수펌프(43) 등을 포함할 수 있다.
열회수부(IV)는 열교환에 사용되는 물을 저장하는 열회수탱크(15), 열회수탱크(15)에 저장된 물을 열회수탱크(15) 외부로 유동시키는 열회수펌프(48) 등을 포함할 수 있다.
연료밸브(30)는 연료처리장치(10)에 공급되는 연료 가스가 유동하는 연료공급유로(101)에 배치될 수 있다. 연료밸브(30)의 개도 정도에 대응하여 연료처리장치(10)에 공급되는 연료 가스의 유량이 조절될 수 있다. 예를 들어, 연료밸브(30)가 폐쇄되는 경우 연료공급유로(101)가 차단되어 연료처리장치(10)에 대한 연료 가스의 공급이 중단될 수 있다.
연료공급유로(101)에는 연료공급유로(101) 내에 유동하는 연료 가스의 유량을 검출하는 제1연료유량계(51)가 배치될 수 있다.
제1블로워(71)는 제1외부공기유입유로(201) 및 연료측 공기공급유로(202)에 연결될 수 있다. 제1블로워(71)는 제1외부공기유입유로(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 제1믹서(111)에서 혼합되어 버너(120)에 공급될 수 있다.
제1외부공기유입유로(201)에는 공기에 포함된 먼지 등의 이물질을 제거하는 공기필터(91) 및/또는 공기의 유동 방향을 제한하는 제1공기측 체크밸브(81)가 배치될 수 있다.
연료처리부(I)는 탈황기(110)에서 토출된 연료 가스가 개질기(140)로 유동하는 제1내부가스유로(102)를 포함할 수 있다. 제1내부가스유로(102)에는 비례제어밸브(31), 개질기(140)로 유입되는 연료 가스의 유동을 조절하는 내부연료밸브(32), 내부가스유로(102) 내에 유동하는 연료 가스의 유량을 검출하는 제2연료유량계(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 제2내부가스유로(103)를 포함할 수 있다. 버너(120)는 제2내부가스유로(103)를 통해 유입되는 연료 가스를 연소에 사용할 수 있다.
제1내부가스유로(102)와 제2내부가스유로(103)는 서로 연결될 수 있다.
연료처리장치(10)는 물공급탱크(13)에서 토출된 물이 유동하는 물공급유로(303)와 연결될 수 있다. 물공급유로(303)에는 물펌프(38), 물의 유동을 조절하는 물공급밸브(39) 및/또는 물공급유로(303) 내에 유동하는 물의 유량을 검출하는 물유량계(54)가 배치될 수 있다.
연료처리장치(10)의 버너(120)에서 생성되는 배기가스는 배기가스토출유로(210)를 통해 연료처리장치(10)에서 토출될 수 있다.
연료처리장치(10)는 개질가스토출유로(104)에 연결될 수 있다. 연료처리장치(10)에서 토출된 개질가스는 개질가스토출유로(104)를 통해 유동할 수 있다.
개질가스토출유로(104)는 개질가스의 열교환이 일어나는 개질가스열교환기(21)에 연결될 수 있다. 개질가스토출유로(104)에는 개질가스열교환기(21)에 유입되는 개질가스의 유동을 조절하는 개질가스밸브(33)가 배치될 수 있다.
개질가스토출유로(104)에는 제1세퍼레이터 유닛이 배치될 수 있다. 제1세퍼레이터 유닛은 개질가스토출유로(104)를 유동하는 개질가스에 포함되는 수분의 양을 조절할 수 있다. 제1세퍼레이터 유닛은 개질가스토출유로(104)를 유동하는 개질가스의 습도를 조절할 수 있다. 제1세퍼레이터 유닛은 연료처리장치(10)에서 토출되어 스택(20a, 20b)으로 유입되는 개질가스의 습도를 조절할 수 있다. 제1세퍼레이터 유닛은 연료처리장치(10)에서 토출되어 바이패스유로(105)를 통해 버너로 유입되는 개질가스의 습도를 조절할 수 있다. 제1세퍼레이터 유닛에 대한 구체적인 설명은 후술하도록 한다. 개질가스토출유로(104)는 연료처리장치(10)에서 토출된 개질가스가 연료처리장치(10)로 유동하는 바이패스유로(105)와 연결될 수 있다. 바이패스유로(105)는 연료처리장치(10)에 연결될 수 있다. 바이패스유로(105)를 통해 연료처리장치(10)에 유입되는 개질가스는 버너(120)의 연소를 위한 연료로 사용될 수 있다. 바이패스유로(105)에는 연료처리장치(10)에 유입되는 개질가스의 유동을 조절하는 바이패스밸브(34)가 배치될 수 있다.
개질가스열교환기(21)는 연료처리장치(10)에서 토출된 개질가스가 유동하는 개질가스토출유로(104)에 연결될 수 있다. 개질가스열교환기(21)는 물공급탱크(13)에서 토출된 물이 유동하는 냉각수공급유로(304)에 연결될 수 있다. 개질가스열교환기(21)는 개질가스토출유로(104)를 통해 유입되는 개질가스와, 냉각수공급유로(304)를 통해 공급되는 물을 열교환할 수 있다.
냉각수공급유로(304)에는 물공급탱크(13)에 저장된 물을 개질가스열교환기(21)로 유동시키는 냉각수펌프(43), 및/또는 냉각수공급유로(304) 내에 유동하는 물의 유량을 검출하는 냉각수유량계(56)가 배치될 수 있다.
개질가스열교환기(21)는 스택가스공급유로(106)에 연결될 수 있다 개질가스열교환기(21)에서 토출된 개질가스는 스택가스공급유로(106)를 통해 스택(20a, 20b)으로 유동할 수 있다.
연료처리장치(10)에서 토출된 개질가스가 스택(20a. 20b)을 향해 유동하는 개질가스토출유로(104) 및 스택가스공급유로(106)는, 개질가스유로로 명명될 수 있다. 이때, 개질가스토출유로(104)는 개질가스유로의 전단으로 명명될 수 있고, 스택가스공급유로(106)는 개질가스유로의 후단으로 명명될 수 있다.
제1세퍼레이터 유닛(400)에서 포집된 응축수는 배출배관(460)을 통해 물저장유로(308)로 유동할 수 있다. 배출배관(460)은 제4물회수유로(318)과 연결될 수 있다. 제4물회수유로(318)는 물저장유로(308)과 연결될 수 있다. 스택(20a, 20b)은 스택가스공급유로(106)를 통해 유입되는 개질가스에 전기화학반응을 일으켜 전기 에너지를 생성할 수 있다. 일 실시예에서, 연료전지 시스템(1)이 복수의 스택(20a, 20b)을 구비하는 경우, 제1스택(20a)에서 반응하지 않고 토출되는 개질가스는 제2스택(20b)에서 추가적으로 전기화학반응을 일으킬 수 있다.
제2블로워(72)는 제1외부공기유입유로(201)와 연결된 제2외부공기유입유로(203)와, 스택측 공기유입유로(204)에 연결될 수 있다. 제2외부공기유입유로(203)는 공기필터(91)의 후단에 연결될 수 있다. 제2블로워(72)는 제2외부공기유입유로(203)를 통해 유입되는 공기를 스택측 공기유입유로(204)를 통해 스택(20) 측으로 유동시킬 수 있다.
제2외부공기유입유로(203)에는 공기의 유동 방향을 제한하는 제2공기측 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)에는 제3세퍼레이터 유닛이 배치될 수 있다. 제1세퍼레이터 유닛은 스택측 공기공급유로(205)를 유동하는 공기에 포함되는 수분의 양을 조절할 수 있다. 제3세퍼레이터 유닛은 스택측 공기공급유로(205)를 ?ℓ렷求? 공기의 습도를 조절할 수 있다. 제3세퍼레이터 유닛은 가습기(23)의 후단에 배치될 수 있다. 제3세퍼레이터 유닛은 가습기(23)를 통해 습도가 높아진 공기의 습도를 조절할 수 있다. 제3세퍼레이터 유닛은 스택(20a, 20b)으로 유입되는 공기의 습도를 조절할 수 있다. 제3세퍼레이터 유닛에 대한 구체적인 설명은 후술하도록 한다.
스택측 공기공급유로(205)는 스택(20a, 20b)에 각각 대응하는 개별공급유로(206, 207)에 연결될 수 있다. 스택측 공기공급유로(205)를 통해 유동하는 공기는 개별공급유로(206, 207)를 통해 스택(20a, 20b)으로 공급될 수 있다.
복수의 스택(20a, 20b)은 가스연결유로(107)에 의해 서로 연결될 수 있다. 제1스택(20a)에서 반응하지 않고 토출되는 개질가스는 가스연결유로(107)를 통해 제2스택(20b)으로 유입될 수 있다.
가스연결유로(107)에는 개질가스가 제1스택(20a)을 통과하는 동안 응축되어 생성된 물을 제거하는 수분제거장치(62)가 배치될 수 있다.
수분제거장치(62)에서 생성된 물은 수분제거장치(62)에서 토출되어 제1물회수유로(310)로 유동할 수 있다. 제1물회수유로(310)에는 물의 유동을 조절하는 물회수밸브(45)가 배치될 수 있다. 제1물회수유로(310)는 물저장유로(308)에 연결될 수 있다.
스택(20a, 20b)에서 반응하지 않고 토출되는 애노드 오프 가스(AOG)는 AOG토출유로(108)를 통해 유동할 수 있다.
AOG열교환기(22)는 스택(20a, 20b)에서 토출된 애노드 오프 가스(AOG)가 유동하는 AOG토출유로(108)에 연결될 수 있다. AOG열교환기(22)는 열회수탱크(15)에서 토출된 물이 유동하는 온수공급유로(313)에 연결될 수 있다. AOG열교환기(22)는 AOG토출유로(108)를 통해 유입되는 애노드 오프 가스(AOG)와, 온수공급유로(313)를 통해 공급되는 물을 열교환할 수 있다.
온수공급유로(313)에는 열회수탱크(15)에 저장된 물을 AOG열교환기(22)로 유동시키는 온수펌프(48) 및/또는 온수공급유로(313) 내에 유동하는 물의 유량을 검출하는 온수유량계(55)가 배치될 수 있다.
AOG열교환기(22)는 AOG공급유로(109)에 연결될 수 있고, AOG공급유로(109)를 통해 열교환된 애노드 오프 가스(AOG)를 토출할 수 있다. AOG열교환기(22)에서 토출된 애노드 오프 가스(AOG)는 AOG공급유로(109)를 통해 연료처리장치(10)로 유동할 수 있다. AOG공급유로(109)를 통해 연료처리장치(10)에 공급된 애노드 오프 가스(AOG)는 버너(120)의 연소를 위한 연료로 사용될 수 있다.
스택(20a, 20b)에서 토출된 애노드 오프 가스(AOG)가 연료처리장치(10)를 향해 유동하는 AOG토출유로(108) 및 AOG공급유로(109)는 AOG유로로 명명될 수 있다. 이때, AOG토출유로(108)는 AOG유로의 전단으로 명명될 수 있고, AOG공급유로(109)는 AOG유로의 후단으로 명명될 수 있다.
AOG유로에는 제2세퍼레이터 유닛이 배치될 수 있다. 제2세퍼레이터는 AOG공급유로(109)에 배치될 수 있다. 제2세퍼레이터 유닛은 AOG공급유로(109)를 유동하는 애노드 오프 가스(AOG)에 포함되는 수분의 양을 조절할 수 있다. 제2세퍼레이터 유닛은 스택(20a, 20b)에서 토출되어 연료처리장치(10)로 유입되는 애노드 오프 가스(AOG)의 습도를 조절할 수 있다. 제2세퍼레이터 유닛은 스택(20a, 20b)에서 토출되어 연료처리장치(10)의 버너(120)로 유입되는 애노드 오프 가스(AOG)의 습도를 조절할 수 있다. 제2세퍼레이터 유닛에 대한 구체적인 설명은 후술하도록 한다.
AOG공급유로(109)에는 연료처리장치(10)로 공급되는 애노드 오프 가스(AOG)의 유동을 조절하는 AOG밸브(35)가 배치될 수 있다. AOG밸브(35)는 AOG공급유로(109)를 통해 연료처리장치(10)에 공급되는 애노드 오프 가스(AOG)의 유량을 조절할 수 있다.
제2세퍼레이터(500)에서 포집된 응축수는 배출배관(560)을 통해 제2물회수유로(311)로 유동할 수 있다. 제2물회수유로(311)는 물저장유로(308)과 연결될 수 있다. 제2물회수유로(311)에는 물의 유동을 조정하는 물회수밸브(46)가 배치될 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.
스택측 공기토출유로(211)에는 스택(20a, 20b)에서 토출되어 가습장치(23)에 유입되는 공기의 유동을 조절하는 스택측 공기토출밸브(37)이 배치될 수 있다.
물공급탱크(13)는 물유입유로(301)에 연결될 수 있고 물유입유로(301)를 통해 공급되는 물을 저장할 수 있다. 물유입유로(301)에는 외부에서 공급되는 물에 포함된 이물질을 제거하는 제1액체필터(92) 및/또는 물공급탱크(13)에 유입되는 물의 유동을 조절하는 물유입밸브(41)가 배치될 수 있다.
물공급탱크(13)는 물배출유로(302)에 연결될 수 있고, 물배출유로(302)를 통해 물공급탱크(13)에 저장된 물 중 적어도 일부를 외부로 배출할 수 있다. 물배출유로(302)에는 물공급탱크(13)에서 배출되는 물의 유동을 조절하는 물배출밸브(42)가 배치될 수 있다.
물공급탱크(13)는 물저장유로(308)에 연결될 수 있고, 물저장유로(308)를 통해 유동하는 물을 저장할 수 있다. 예를 들어, 제1 내지 제4세퍼레이터 유닛(400, 500, 600, 700)에서 포집된 물은 물저장유로(308)를 거쳐 물공급탱크(13)로 유입될 수 있다. 물저장유로(308)에는, 물공급탱크(13)로 회수되는 물에 포함된 이물질을 제거하는 제2 액체필터(93)가 배치될 수 있다.
물공급탱크(13)에 저장된 물 중 적어도 일부는 냉각수펌프(43)에 의해 개질가스열교환기(21)로 유동할 수 있고, 개질가스열교환기(21)에서 개질가스와 열교환될 수 있다. 개질가스열교환기(21)에서 토출된 물은 스택물공급유로(305)를 통해 스택(20a, 20b)으로 유입될 수 있다.
스택물공급유로(305)를 통해 스택(20a, 20b)으로 유입된 물은 스택(20a, 20b)을 냉각할 수 있다. 스택(20a, 20b)으로 유입된 물은 스택(20a, 20b)에 포함된 스택 열교환기(미도시)를 따라 유동할 수 있고, 스택(20a, 20b)에서 일어나는 전기화학반응에 의해 발생하는 열을 흡수할 수 있다.
복수의 스택(20a, 20b)은 물연결유로(306)에 의해 연결될 수 있다. 제1스택(20a)에서 토출되는 물은 물연결유로(306)를 통해 제2스택(20b)으로 유입될 수 있다.
스택(20a, 20b)에서 토출되는 물은 스택물토출유로(307)를 통해 냉각수열교환기(24)로 유입될 수 있다. 냉각수열교환기(24)는 스택(20a, 20b)에서 토출된 물과, 열회수탱크(15)에서 토출된 물을 열교환할 수 있다. 스택(20a, 20b)에서 토출된 물은 냉각수열교환기(24)를 거쳐 물저장유로(308)로 유동할 수 있다.
온수펌프(48)에 의해 열회수탱크(15)에서 토출된 물은 온수공급유로(313)를 거쳐 AOG열교환기(22)로 유입될 수 있다. AOG열교환기(22)에서 애노드 오프 가스(AOG)와 열교환된 물은 제1온수순환회로(314)로 토출될 수 있다.
공기열교환기(25)는 가습장치(23)에서 토출된 공기가 유동하는 가습장치토출유로(212)에 연결될 수 있다. 공기열교환기(25)는 AOG열교환기(22)에서 토출된 물이 유동하는 제1온수순환회로(314)에 연결될 수 있다. 공기열교환기(25)는 가습장치토출유로(212)을 통해 유입되는 공기와 제1온수순환회로(314)를 통해 유입되는 물을 열교환할 수 있다.
공기열교환기(25)에서 열교환된 공기는 공기배출유로(213)를 통해 공기열교환기(25)에서 토출될 수 있다. 공기배출유로(213)는 배기가스토출유로(210)와 연결될 수 있고, 배기가스토출유로(210)에 유동하는 배기가스와 공기배출유로(213)에 유동하는 공기가 혼합될 수 있다.
공기배출유로(213)에는 제4세퍼레이터 유닛이 배치될 수 있다. 제4세퍼레이터 유닛은 공기배출유로(213)를 유동하는 공기에 포함된 수분의 양을 조절할 수 있다. 제4세퍼레이터 유닛으로 유입된 공기는 수분이 제거된 후 제4세퍼레이터 유닛에서 토출될 수 있다. 제4세퍼레이터 유닛은 스택(20a, 20b)에서 토출된 다습한 공기의 수분을 제거할 수 있다. 제4세퍼레이터 유닛은 스택(20a, 20b)에서 토출되고 가습기(23)를 통해 1차적으로 수분이 저감된 공기의 습도를 조절할 수 있다. 제4세퍼레이터 유넷에 대한 구체적인 설명은 후술하도록 한다. 제4세퍼레이터 유닛(700)에서 포집된 응축수는 배출배관을 통해 제3물회수유로(312)를 유동할 수 있다. 제3물회수유로(312)에는 물의 유동을 조절하는 물회수밸브(47)가 배치될 수 있다. 제3물회수유로(312)는 물저장유로(308)에 연결될 수 있다.
공기열교환기(25)에서 열교환된 물은, 제2 온수순환유로(315)을 통해 공기열교환기(25)에서 토출될 수 있다. 공기열교환기(25)에서 토출된 물은, 제2 온수순환유로(315)을 통해 냉각수열교환기(24)로 유입될 수 있다.
냉각수열교환기(24)는 스택물토출유로(307)를 통해 유입되는 물과, 제2 온수순환유로(315)를 통해 유입되는 물을 열교환할 수 있다.
배기열교환기(26)는 배기가스가 유동하는 배기가스토출유로(210)에 연결될 수 있다. 배기열교환기(26)는 냉각수열교환기(24)에서 토출된 물이 유동하는 제3온수순환유로(316)에 연결될 수 있다. 배기열교환기(26)는 배기가스토출유로(210)를 통해 유입되는 배기가스와, 제3온수순환유로(316)를 통해 유입되는 물을 열교환할 수 있다.
배기열교환기(26)에서 열교환된 배기가스는 배기유로(214)로 토출될 수 있고, 배기유로(214)에 유동하는 배기가스는 외부로 배출될 수 있다.
배기열교환기(26)에서 열교환된 물은 온수회수유로(317)로 토출될 수 있고, 온수회수유로(317)에 유동하는 물은 열회수탱크(15)로 유입될 수 있다.
연료전지 시스템(1)은 온도를 감지하는 온도계 및/또는 압력을 감지하는 압력계를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 연료전지 시스템(1)은 버너(120)의 온도를 감지하는 온도계, 온수회수유로(317)에 유동하는 물의 온도를 감지하는 온도계, 스택(20a, 20b)에서 토출되어 AOG토출유로(108)에 유동하는 애노드 오프 가스(AOG)의 온도를 감지하는 온도계 등을 포함할 수 있다. 예를 들어, 연료전지 시스템(1)은 스택(20a, 20b)에 유입되는 개질가스의 압력을 감지하는 압력계, 스택(20a, 20b)에 토출되는 애노드 오프 가스(AOG)의 압력을 감지하는 압력계 등을 포함할 수 있다.
연료전지 시스템(1)은 적어도 하나의 제어부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 제어부는 적어도 하나의 프로세서를 포함할 수 있다. 여기서, 프로세서는 CPU(central processing unit)과 같은 일반적인 프로세서일 수 있다. 물론, 프로세서는 ASIC과 같은 전용 장치(dedicated device)이거나 다른 하드웨어 기반의 프로세서일 수 있다.
제어부는 연료전지 시스템(1)의 동작 전반을 제어할 수 있다. 제어부는 연료전지 시스템(1)에 구비된 각 구성과 연결될 수 있고, 각 구성과 상호 간에 신호를 송신 및/또는 수신할 수 있다. 제어부는 연료전지 시스템(1)에 구비된 각 구성으로부터 수신되는 신호를 처리할 수 있고, 신호를 처리한 결과에 따른 제어 신호를 연료전지 시스템(1)에 구비된 각 구성에 송신할 수 있다. 예를 들어, 제어부는 연료전지 시스템(1)에 구비된 각 밸브의 개도를 조절할 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 세퍼레이터 유닛에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 다르면, 연료전지 시스템(1)은 연료처리장치(10)부터 토출되는 개질가스가 스택(20a, 20b)으로 유입되는 개질가스토출유로(104)에 배치되는 제1세퍼레이터 유닛(400)과, 스택(20a, 20b)으로부터 미반응되어 토출되는 개질가스가 유동하는 AOG공급유로(109)에 설치되는 제2세퍼레이터 유닛(500)과, 제2블로워(72)로부터 공급되는 공기가 스택(20a, 20b)으로 유입되는 스택측 공기공급유로(205)에 배치되는 제3세퍼레이터 유닛(600)과, 스택(20a, 20b)으로부터 토출되는 공기가 유동하는 공기배출유로(213)에 배치되는 제4세퍼레이터 유닛(700)을 포함할 수 있다. 제3세퍼레이터 유닛(600)은 제5물회수유로(319)와 연결될 수 있다. 제5물회수유로(319)는 물저장유로(309)와 연결될 수 있다. 제3세퍼레이터 유닛(600)에서 포집된 응축수는 제5물회수유로(319)를 통해 물저장유로(308)로 유동하여 물저장탱크(13)에 저장될 수 있다.
제1 내지 제4세퍼레이터 유닛(400, 500, 600, 700)은 내부를 통과하는 유체의 습도를 조절할 수 있다. 제1 내지 제4세퍼레이터 유닛(400, 500, 600, 700)은 내부를 통과하는 유체에 포함되는 수분의 양을 조절할 수 있다. 제1 내지 제4세퍼레이터 유닛(400, 500, 600, 700)은 내부를 통과하는 유체의 수분을 제거할 수 있다.
즉, 스택(20a, 20b)으로 유입되는 유체가 유동하는 유로에는 제1세퍼레이터 유닛(400)과 제3세퍼레이터 유닛(600)이 배치되고, 스택(20a, 20b)으로부터 토출되는 유체가 유동하는 유로에는 제2세퍼레이터 유닛(500)과 제4세퍼레이터 유닛(700)이 배치될 수 있다. 이때, 제1세퍼레이터 유닛(400)과 제3세퍼레이퍼 유닛(600)은 동일하게 제공되고, 제2세퍼레이터 유닛(500)과 제4세퍼레이터 유닛(700)은 동일하게 제공될 수 있다. 또한, 유체가 스택(20a, 20b)으로 유입되는 유로는 제1유로 및/또는 제3유로로 명명될 수 있고, 유체가 스택(20a, 20b)으로부터 토출되는 유로는 제2유로 및/또는 제4유로로 명명될 수 있다. 이하에서는, 제1세퍼레이터 유닛(400)과 제2세퍼레이터 유닛(500)의 구조에 대하여만 설명하도록 한다. 제3세퍼레이터 유닛(600)은 제1세퍼레이터 유닛(400)에 대한 설명을 참조하여 이해할 수 있고, 제4세퍼레이터 유닛(700)은 제2세퍼레이터 유닛(500)에 대한 설명을 참조하여 이해될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1세퍼레이터 유닛을 보여주는 도면이고, 도 5는 도 4의 제1세퍼레이터를 도시한 사시도이고, 도 6은 도 4의 제1세퍼레이터를 도시한 단면도이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 제2세퍼레이터 유닛을 보여주는 도면이다.
도 4를 참조하면, 제1세퍼레이터 유닛(400)은 제1전단 플랜지(410)를 포함할 수 있다. 제1전단 플랜지(410)에는 홀이 형성될 수 있다. 제1전단 플랜지(410)는 제1유로와 연결될 수 있다. 제1전단 플랜지(410)의 홀은 제1유로와 연통될 수 있다. 제1전단 플랜지(410)의 일단에는 제1유로가 연결되고, 제1전단 플랜지(410)의 타단에는 후술하는 제1세퍼레이터 배관(430)이 연결될 수 있다.
도 4를 참조하면, 제1세퍼레이터 유닛(400)은 제1후단 플랜지(420)를 포함할 수 있다. 제1후단 플랜지(420)에는 홀이 형성될 수 있다. 제1후단 플랜지(420)는 제1유로와 연결될 수 있다. 제1후단 플랜지(420)의 홀은 제1유로와 연통될 수 있다. 제1후단 플랜지(420)는 제1전단 플랜지(410)와 이격될 수 있다. 제1후단 플랜지(420)의 일단에는 제1유로가 연결되고, 제1후단 플랜지(420)의 타단에는 후술하는 제1세퍼레이터 배관(430)이 연결될 수 있다. 즉, 제1전단 플랜지(410)와 제1후단 플랜지(420) 사이에는 제1세퍼레이터 배관(430)이 배치될 수 있다.
도 4를 참조하면, 제1세퍼레이터 유닛(400)은 제1세퍼레이터 배관(430)을 포함할 수 있다. 제1세퍼레이터 배관(430)은 제1전단 플랜지(410)와 제1후단 플랜지(420) 사이에 배치될 수 있다. 제1세퍼레이터 배관(430)의 일단은 제1전단 플랜지(410)에 연결되고, 제1세퍼레이터 배관(430)의 타단은 제1후단 플랜지(420)에 연결될 수 있다. 제1세퍼레이터 배관(430)의 일단은 제1전단 플랜지(410)의 홀과 연통되고, 제1세퍼레이터 배관(430)의 타단은 제1후단 플랜지(420)의 홀과 연통될 수 있다. 제1세퍼레이터 배관(430)은 내부에 개질가스, 공기 등의 유체가 유동할 수 있는 유로가 형성될 수 있다. 제1세퍼레이터 배관(430)의 유로는 제1유로와 연통될 수 있다.
제1세퍼레이터 배관(430)은 제1유로의 연장 방향을 따라 연장되고, 제1전단 플랜지(410)와 연결되는 제1부분(431)을 포함할 수 있다. 제1세퍼레이터 배관(430)은 제1부분(431)으로부터 하향 경사지게 연장되는 제2부분(432)을 포함할 수 있다. 제1세퍼레이터 배관(430)은 제2부분(432)으로부터 상향 경사지게 연장되는 제3부분(433)을 포함할 수 있다. 제1세퍼레이터 배관(430)은 제3부분(433)으로부터 제1유로의 연장 방향을 따라 연장되고 제1후단 플랜지(420)와 연결되는 제4부분(434)를 포함할 수 있다. 제1 내지 제4부분(431, 432, 433, 434)는 서로 연통될 수 있다. 제1 내지 제4부분(431, 432, 433, 434)는 일체로 형성될 수 있다. 또는, 제1 내지 제4부분(431, 432, 433, 434)은 개별로 형성되고, 서로 결합되어 제1세퍼레이터 배관(430)을 형성할 수 있다.
제2부분(432)은 일단이 제1부분(431)과 연결되고, 타단이 제3부분(433)과 연결될 수 있다. 제2부분(432)은 제1부분(431)의 연장 방향에 대하여 제1각도(A1)를 가지도록 경사지게 배치될 수 있다. 제2부분(432)은 지면과 제1각도(A1)를 형성할 수 있다. 제1각도(A1)는 예각일 수 있다. 제2부분(432)의 연장 방향으로 제2부분(432)의 하부의 길이는, 대응하는 방향으로 제2부분(432)의 상부의 길이보다 길게 형성될 수 있다. 정면에서 보았을 때, 제2부분(432)의 상단의 길이는 제2부분(432)의 하단의 길이보다 짧게 형성될 수 있다.
제3부분(433)은 일단이 제2부분(432)와 연결되고, 타단이 제4부분(343)와 연결될 수 있다. 제3부분(433)은 제2부분(432)에 대하여 상향 경사지게 연장될 수 있다. 제3부분(433)은 제2부분(432)의 연장방향과 상이항 방향으로 연장될 수 있다. 제3부분(433)은 제4부분(434)에 대하여 하향 경사지게 연장될 수 있다. 제3부분(433)은 제4부분(434)에 대하여 제2각도(A2)를 가지도록 경사지게 배치될 수 있다. 제3부분(433)과 제4부분(434)이 형성하는 각도는 제2각도(A2)일 수 있다. 제2각도(A2)는 예각일 수 있다. 제2각도(A2)는 제1각도(A1)와 동일할 수 있다. 제2각도(A2)는 제1각도(A1)와 상이할 수 있다. 제3부분(433)은 제2부분(432)과 제3각도(A3)을 형성할 수 있다. 제3각도(A3)는 제1각도(A1)보다 클 수 있다. 제3각도(A3)는 제2각도(A2)보다 클 수 있다. 제3각도(A3)은 둔각일 수 있다.
도 4를 참조하면, 제1세퍼레이터 유닛(400)은 제1세퍼레이터(440)를 포함할 수 있다. 제1세퍼레이터(440)는 제1세퍼레이터 배관(430)에 배치될 수 있다. 제1세퍼레이터(440)는 제1세퍼레이터 배관(430)의 제2부분(432)에 배치될 수 있다. 제1세퍼레이터(440)는 제1세퍼레이터 배관(430)의 내부에 배치될 수 있다. 제1세퍼레이터(440)는 제1세퍼레이터 배관(430)의 내면과 이격될 수 있다. 제1세퍼레이터(440)는 제1세퍼레이터 배관(430)의 유로를 유동하는 유체에 포함되는 수분의 양을 조절할 수 있다. 제1세퍼레이터(440)는 제1세퍼레이터 배관(430)의 유로를 유동하는 유체에 포함되는 수분의 양을 감소시킬 수 있다. 제1세퍼레이터(440)는 제1세퍼레이터 배관(430)의 유로를 유동하는 유체에 포함되는 수분 제거할 수 있다. 제1세퍼레이터(440)는 제1세퍼레이터 배관(430)의 유로를 유동하는 유체의 습도를 조절할 수 있다.
도 5를 참조하면, 제1세퍼레이터(440)는 바디(441)를 포함할 수 있다. 바디(441)는 유체의 유동방향을 따라 순차로 배치되는 제1바디(441a)와 제2바디(441b)를 포함할 수 있다. 바디(441)는 제1세퍼레이터 배관(430)의 연장 방향을 따라 순차로 배치되는 제1바디(441a)와 제2바디(441b)를 포함할 수 있다.
제1바디(441a)는 제2바디(441b)보다 제1부분(431)에 가깝게 배치될 수 있다. 제1바디(441a)는 원통 형상으로 형성될 수 있다. 제1바디(441a)의 직경은 제1바디(441a)의 연장 방향을 따라 동일하게 형성될 수 있다. 제1바디(441a)의 내부에는 유체가 유동하기 위한 공간이 형성될 수 있다.
제2바디(441b)는 제1바디(441a)보다 제3부분(433)에 가깝게 배치될 수 있다. 제2바디(441b)의 내부에는 유체가 유동하기 위한 공간이 형성될 수 있다. 제2바디(441b)는 원뿔 형상으로 형성될 수 있다. 제2바디(441b)는 제1모선(L1)과 제2모선(L2)을 포함하는 원뿔 형상으로 형성될 수 있다. 제2모선(L2)은 제1모선(L1)보다 길게 형성될 수 있다. 제2바디(441b) 중 제2모선(L2)을 포함하는 부분은 제1바디(441a)에 대하여 경사를 형성될 수 있다. 제2바디(441b)의 직경은 제1바디(441a)에서 멀어지는 방향으로 감소될 수 있다. 제2바디(441b)의 직경은 제1바디(441a)에서 제2바디(441b)를 향하는 방향으로 감소될 수 있다. 제2바디(441b)는 유체가 유동하는 방향으로 단면적이 감소하는 형태로 형성될 수 있다. 단면에서 보았을 때, 제2바디(441b)의 제2모선(L2)과 제1세퍼레이터 배관(430)의 내면 사이의 이격 거리는 제1바디(441a)에서 제2바디(441b)를 향하는 방향으로 갈수록 증가할 수 있다. 단면에서 보았을 때, 제2바디(441b)의 제1모선(L1)과 제1세퍼레이터 배관(430)의 내면 사이의 이격 거리는 제1바디(441a)에서 제2바디(441b)를 향하는 방향으로 동일하게 형성될 수 있다.
제1바디(441a)와 제2바디(441b)는 일체로 형성될 수 있다. 제1바디(441a)의 공간과 제2바디(441b)의 공간은 연통될 수 있다. 제1바디(441a)의 공간과 제2바디(441b)의 공간은 연통되어 유체가 유동할 수 있는 유로(442)를 형성할 수 있다. 제1바디(441a)의 내면과 제2바디(441b)의 내면은 동일한 면을 형성할 수 있다. 제1바디(441a)의 내면과 제2바디(441b)의 내면은 동일 평면 상에 배치될 수 있다.
도 6을 참조하면, 바디(441)은 이중 구조로 형성될 수 있다. 바디(441)은 내측벽(443)과, 내측벽(443)의 외측에 배치되는 외측벽(444)을 포함할 수 있다. 외측벽(444)은 내측벽(443)에서 반경방향으로 이격 배치될 수 있다. 내측벽(443)은 복수의 제1홀이 형성되는 제1메쉬로 제공될 수 있다. 외측벽(444)는 복수의 제2홀이 형성되는 제2메쉬로 제공될 수 있다. 제1홀의 직경은 제2홀의 직경보다 작을 수 있다. 제1메쉬에 형성되는 복수의 제1홀의 개수는 제2메쉬에 형성되는 복수의 제2홀의 개수보다 많을 수 있다. 예를 들어, 내측벽(443)은 40 메쉬로 제공되고, 외측벽(444)는 100 메쉬로 제공될 수 있다. 바디(441)의 내측벽(443)에 형성되는 제1홀과, 외측벽(444)에 형성되는 제2홀을 통해 유체가 유동할 수 있다.
바디(441)의 내측벽(443)이 입자가 작은 메쉬로 제공되므로, 제1세퍼레이터(440)를 유동하는 유체의 수분 입자를 포집할 수 있다. 바디(441)의 내측벽(443)이 입자가 작은 메쉬로 제공되므로, 제1세퍼레이터(440)의 내부를 흐르는 유체에 포함되는 수분의 양을 감소시킬 수 있다. 바디(441)의 내측벽(443)이 입자가 작은 메쉬로 제공되므로, 제1세퍼레이터(440)의 내부를 흐르는 유체의 상대 습도를 저감할 수 있다. 이를 통해 스택(20)으로 유입되는 유체의 수분을 조절할 수 있다.
바디(441)의 외측벽(444)이 입자가 큰 메쉬로 제공되므로, 바디(441)또는 제1세퍼레이터(440)을 지지할 수 있다. 바디(441)의 외측벽(444)이 입자가 큰 메쉬로 제공되므로, 바디(441)또는 제1세퍼레이터(440)을 지지하는 골격을 제공할 수 있다. 바디(441)의 외측벽(444)이 입자가 큰 메쉬로 제공되므로, 바디(441)또는 제1세퍼레이터(440)의 파손을 방지할 수 있다.
제1세퍼레이터(440)는 플랜지(445)를 포함할 수 있다. 플랜지(445)에는 홀이 형성될 수 있다. 플랜지(445)의 홀은 제1세퍼레이터 배관(430)의 유로와 연통될 수 있다. 플랜지(445)는 바디(441)에 결합될 수 있다. 플랜지(445)는 제1바디(441a)에 결합될 수 있다. 플랜지(445)는 제1세퍼레이터 배관(430)에 결합될 수 있다. 플랜지(445)는 제1세퍼레이터 배관(430)의 제2부분(432)에 결합될 수 있다. 플랜지(445)의 외경은 제1세퍼레이터 배관(430)의 제2부분(432)의 외경보다 크게 형성될 수 있다. 이를 통해, 플랜지(445)는 제1세퍼레이터(440)가 제1세퍼레이터 배관(430)의 내면과 이격되도록 제1세퍼레이터(440)를 지지할 수 있다. 이를 통해, 제1메쉬(443)에서 포집된 수분은 제1세퍼레이터(440)과 제1세퍼레이터 배관(430) 사이의 이격 공간을 통해 유동할 수 있다.
도 4를 참조하면, 제1메쉬(443)에서 포집된 수분은 제2메쉬(444)의 제2홀을 통과하여 제1세퍼레이터(440)과 제1세퍼레이터 배관(430) 사이의 이격 공간을 흐를 수 있다. 제1메쉬(443)에서 포집되고 제1세퍼레이터(440)과 제1세퍼레이터 배관(430) 사이의 이격 공간을 통해 유동하는 수분은, 제1세퍼레이터 배관(430)의 제2부분(432)의 경사에 의해 아래로 흐를 수 있다. 제1메쉬(443)에서 포집된 수분은 제2부분(432)의 경사 방향을 따라 흐를 수 있다. 이때, 제2부분(432)을 따라 흐르는 수분은, 제2부분(432)에 대하여 상향 경사지게 형성되는 제3부분(433)에 의해 제2부분(432)와 제3부분(433)의 접합 부분에 모이게 된다. 제1메쉬(443)에서 포집된 수분이 모이는 제2부분(432)와 제3부분(433)의 접합 부분을 응축수 포집수(435)라 명명할 수 있다.
도 4를 참조하면, 제1세퍼레이터 유닛(400)은 바이패스 배관(450)을 포함할 수 있다. 바이패스 배관(450)은 제1세퍼레이터 배관(430)의 제1위치(P1)에서 분기되고, 제1세퍼레이터 배관(450)의 제2위치(P2)에서 합류될 수 있다. 제1위치(P1)는 제2위치(P2)보다 제1전단 플랜지(410)에 가까운 위치일 수 있다. 제1위치(P1)는 유체의 유동방향으로 제1세퍼레이터(440)의 전단일 수 있다. 제1위치(P1)는 제1전단 플랜지(410)와 제1세퍼레이터 (440)의 사이에 위치될 수 있다. 제2위치(P2)는 제1위치(P1)보다 제1후단 플랜지(420)에 가까운 위치일 수 있다. 제2위치(P2)는 유체의 유동방향으로 제1세퍼레이터(440)의 후단일 수 있다. 제2위치(P2)는 제1후단 플랜지(420)와 제1세퍼레이터(440)의 사이에 위치될 수 있다. 예를 들어, 바이패스 배관(540)은 제1부분(431)로부터 분기되고, 제4부분(434)에서 제1세퍼레이터 배관(430)과 합류될 수 있다.
바이패스 배관(450)에는 바이패스 밸브(451)가 배치될 수 있다. 바이패스 밸브(451)는 바이패스 배관(450)을 흐르는 유체의 유량을 조절할 수 있다. 바이패스 배관(450)을 통과하는 유체는, 유체에 포함되는 수분의 양이 조절되지 않을 수 있다. 제어부는 바이패스 밸브(451)의 개도를 조절함으로써, 스택(20)으로 유입되는 유체의 습도를 조절할 수 있다.
바이패스 배관(450)에는 제1습도 센서(452)가 배치될 수 있다. 제1습도 센서(452)는 유체의 습도를 측정할 수 있다. 제1습도 센서(452)는 제1세퍼레이터 유닛(400)에 의해 수분 및/또는 습도가 조절된 유체의 습도를 측정할 수 있다. 제1습도 센서(452)는 제1세퍼레이터 배관(430)의 제4부분(434)에 설치될 수 있다. 제1습도 센서(452)는 바이패스 배관(450)의 후단에 설치될 수 있다. 제1습도 센서(452)는 바이패스 배관(450)이 제1세퍼레이터 배관(430)에 합류되는 제2위치(P2)보다 후단에 설치될 수 있다. 제1습도 센서(452)는 제2위치(P2)와 제1후단 플랜지(420) 사이에 설치될 수 있다. 다만, 이에 제한되는 것은 아니고, 제1습도 센서(452)는 제1세퍼레이터 유닛(400)에 의해 수분 및/또는 습도가 조절된 유체의 습도를 측정할 수 있는 위치에 배치될 수 있다. 이를 통해, 제1습도 센서(452)의 측정값을 통한 피드백 제어가 가능할 수 있다.
도 4를 참조하면, 제1세퍼레이터 유닛(400)은 배출배관(460)을 포함할 수 있다. 배출배관(460)은 제1세퍼레이터 배관(430)에 연결될 수 있다. 배출배관(460)은 전술한 응축수 포집부(435)에 연결될 수 있다. 배출배관(460)은 복수회 절곡되어 형성될 수 있다. 배출배관(460)은 'U'자 형상으로 형성될 수 있다. 배출배관(460)은 U-shape의 드레인 트랩으로 제공될 수 있다. 배출배관(460)은 제1세퍼레이터 배관(430)과 연결되고 제1방향으로 연장되는 제1배출배관과, 제1배출배관과 연결되고 제1방향에 수직한 방향으로 연장되는 제2배출배관과, 제2배출배관과 연결되고 제1방향의 반대 방향인 제2방향으로 연장되는 제3배출배관과, 제3배출배관에 연결되고 제2방향에 수직한 방향으로 연장되는 제4배출배관과, 제4배출배관으로부터 상기 제1방향으로 연장되는 제5배출배관을 포함할 수 있다. 배출배관(460)은 물저장유로(308)에 연결될 수 있다. 배출배관(460)은 물저장유로(308)를 통해 물공급탱크(13)로 유입될 수 있다. 응축수 포집부(435)에 포집된 응축수는 배출배관(460) 및/또는 물저장유로(308)를 통해 물공급탱크(13)에 저장될 수 있다.
배출배관(460)이 U-Shape의 트랩으로 제공됨에 따라, 응축수 포집부(435)에포집된 응축수는 수위차에 의해 배출배관(460)을 통해 배출될 수 있다. 응축수 포집부(435)에 포집된 응축수가 일정 수위 이상 포집되는 경우, 'U' 트랩 구조인 배출배관(460)를 따라 자동적으로 배출될 수 있다. 배출배관(460)이 결합되는 제1세퍼레이터 배관(430)이 경사진 구조로 제공됨에 따라, 응축수 포집부(435)에 포집된 응축수가 배출배관(460)을 통해 배출될 때 벤츄리 효과(Venturi effect)를 얻을 수 있다. 이를 통해, 응축수 포집부(435)에서 배출배관(460)으로 배출되는 응축수의 유속이 증가될 수 있다. 또한, 배출배관(460)이 복수회 절곡되는 구조로 제공됨에 따라 압력 손실이 감소될 수 있다.
도 7을 참조하면, 제2세퍼레이터 유닛(500)은 제2유로와 연결되는 제2전단 플랜지(510), 제2유로와 연결되고 제2전단 플랜지(510)와 이격되는 제2후단 플랜지(520), 제2전단 플랜지(510)와 제2후단 플랜지(520) 사이에 배치되는 제2세퍼레이터 배관(530), 제2세퍼레이터 배관(530) 내에 배치되는 제2세퍼레이터(540) 및 제2세퍼레이터 배관(540)에 연결되는 배출배관(560)을 포함할 수 있다.
제2세퍼레이터 배관(530)은 제2유로의 연장 방향을 따라 연장되고 제2전단 플랜지(510)와 연결되는 제1부분(531)과, 제1부분(531)으로부터 하향 경사지게 연장되는 제2부분(532)과, 제2부분(532)으로부터 상향 경사지게 연장되는 제3부분(533)과, 제3부분(533)으로부터 제2유로의 연장 방향을 따라 연장되고 제2후단 플랜지(520)와 연결되는 제4부분(534)를 포함할 수 있다. 제2부분(532)은 제1부분(531)의 연장 방향에 대하여 제1각도(A1)를 가지도록 경사지게 배치될 수 있다. 제2부분(532)은 지면과 제1각도(A1)를 형성할 수 있다. 제1각도(A1)는 예각일 수 있다. 제3부분(533)은 제4부분(534)에 대하여 제2각도(A2)를 가지도록 경사지게 배치될 수 있다. 제3부분(533)과 제4부분(534)이 형성하는 각도는 제2각도(A2)일 수 있다. 제2각도(A2)는 예각일 수 있다. 제2각도(A2)는 제1각도(A1)와 동일할 수 있다. 제2각도(A2)는 제1각도(A1)와 상이할 수 있다. 제3부분(533)은 제2부분(532)과 제3각도(A3)을 형성할 수 있다. 제3각도(A3)는 제1각도(A1)보다 클 수 있다. 제3각도(A3)는 제2각도(A2)보다 클 수 있다. 제3각도(A3)은 둔각일 수 있다.
제2세퍼레이터 배관(530)은 제2부분(532)과 제3부분(533)에 만나는 부위에 형성되는 응축수 포집부(535)를 포함할 수 있다. 응축수 포집부(535)에는 배출배관(560)이 연결될 수 있다. 응축수 포집부(535)에 수용된 응축수는 배출배관(560)을 통해 물저장유로(308)로 유동되고, 물저장탱크(13)에 저장될 수 있다. 배출배관(560)은 복수회 절곡되어 형성될 수 있다. 배출배관(560)은 'U'자 형상으로 형성될 수 있다. 배출배관(560)은 U-shape의 드레인 트랩으로 제공될 수 있다.
제2세퍼레이터(540)는 바디(541)를 포함할 수 있다. 바디(541)는 유체의 유동방향을 따라 순차로 배치되는 제1바디(541a)와 제2바디(541b)를 포함할 수 있다. 제1바디(541a)는 원통 형상으로 형성될 수 있다. 제2바디(541b)는 제1모선(L1)과, 제1모선(L1)보다 긴 제2모선(L2)을 포함하는 원뿔 형상으로 형성될 수 있다. 제2세퍼레이터(540)는 내측벽(543)과, 내측벽(543)의 외측에 배치되는 외측벽(544)를 포함하는 이중 구조로 형성될 수 있다. 내측벽(543)은 복수의 제1홀이 형성되는 제1메쉬로 제공되고, 외측벽(544)는 복수의 제2홀이 형성되는 제2메쉬로 제공될 수 있다. 이때, 제1홀의 직경은 제2홀의 직경보다 작을 수 있다.
제2세퍼레이터 유닛(500)은 제1세퍼레이터 유닛(400)의 바이패스 배관(450)을 제외하고는 구조가 동일하게 제공될 수 있다. 따라서, 제2세퍼레이터 유닛(500)에서 생략된 설명은 제1세퍼레이터 유닛(400)에 대한 설명을 참고할 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 제어방법에 대하여 도면을 참조하여 설명한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 동작장법을 도시한 순서도이다. 도 9는 도 8의 버너 예열 운전 수행 단계를 수행하는 연료전지 시스템의 모습을 도시한 도면이다. 도 10은 도 8의 개질 운전 수행 단계를 수행하는 연료전지 지스템의 모습을 도시한 도면이다. 도 11은 도 8의 발전 운전 수행 단계를 나타내는 순서도이다. 도 12는 도 8의 제1발전운전단계를 수행하는 연료전지 시스템의 모습을 도시한 도면이다. 도 13은 도 8의 제2발전운전단계를 수행하는 연료전지 시스템의 모습을 도시한 도면이다. 도 14는 도 11의 제1발전운전단계에서 습도 센서의 측정값이 기준값 이하인 경우 제1세퍼레이터 유닛의 모습을 도시한 도면이다. 도 15는 도 11의 제1발전운전단계에서 습도 센서의 측정값이 기준값 이상인 경우 제1세퍼레이터 유닛의 모습을 도시한 도면이다. 도 16은 도 11의 제2발전운전단계에서 습도 센서의 측정값이 기준값 이하인 경우 제3세퍼레이터 유닛의 모습을 도시한 도면이다. 도 17은 도 11의 제2발전운전단계에서 습도 센서의 측정값이 기준값 이상인 경우 제3세퍼레이터 유닛의 모습을 도시한 도면이다.
도 8을 참조하면, 연료전지 시스템(1)의 제어방법은 버너(120)를 예열하는 버너 예열 운전 수행 단계(S100)를 포함할 수 있다. 버너 예열 운전 수행 단계(S100)에서는 연료 가스와 공기가 혼합된 가스를 버너(120)에 공급하여 연소열을 발생시킬 수 있다. 이때, 개질기(140)의 내부온도는 개질 반응이 촉진되는 적정 온도(예: 800℃)까지 점차 증가될 수 있다.
또한, 연료전지 시스템(1)은 버너(120)를 예열하는 운전을 수행하는 동안, 개질기(140)에 대한 연료 가스의 공급을 차단할 수 있다. 예를 들어, 연료전지 시스템(1)은 탈황기(110)에서 토출되는 연료 가스가 모두 버너(120)에 공급되도록 비례제어밸브(31)를 조절하여 개질기(140)에 대한 연료 가스의 공급을 차단할 수 있다.
도 9를 참조하면, 버너 예열 운전 수행 단계(S100)에서는 제1세퍼레이터 유닛(400)의 바이패스 밸브(451)가 풀 오프(Full Close)되도록 제어될 수 있다. 버너 예열 운전 수행 단계(S100)에서는 제3세퍼레이터 유닛(600)의 바이패스 밸브(601)가 풀 오프(Full Close)되도록 제어될 수 있다.
도 8을 참조하면, 연료전지 시스템(1)의 제어방법은 개질가스를 생성하는 개질 운전 수행 단계(S200)을 포함할 수 있다.
개질 운전 수행 단계(S200)에서는 개질가스를 생성할 수 있다. 예를 들어, 연료전지 시스템(1)은 버너(120)의 예열로 인해 개질기(140)의 내부온도가 적정 온도(예: 800℃)까지 증가한 경우, 개질가스를 생성하는 운전을 개시할 수 있다. 예를 들어, 연료전지 시스템(1)은 제1 반응기(150)의 내부온도가 일산화탄소의 제거를 위한 최소 온도(예: 160℃) 이상인 경우 개질가스를 생성하는 운전을 개시할 수 있다.
연료전지 시스템(1)은, 개질가스를 생성하는 운전을 수행하는 경우, 탈황기(110)에서 토출되는 연료 가스가 중 일부가 개질기(140)에 공급되고, 나머지 일부가 버너(120)에 공급되도록 비례제어밸브(31)를 조절할 수 있다.
한편, 연료전지 시스템(1)은, 개질가스를 생성하는 운전을 개시하는 경우, 개질 반응에 사용되는 수증기가 개질기(140)에 공급되도록, 물펌프(38)를 구동하여 연료처리장치(10)의 증기발생기(130)에 물을 공급할 수 있다.
도 10을 참조하면, 연료전지 시스템(1)에서 개질가스를 생성하는 운전을 개시하는 경우, 연료처리장치(10)에서 생성되는 수소의 상대습도를 조절하기 위해 제1세퍼레이트 유닛(400)이 사용될 수 있다. 연료전지 시스템(1)에서 개질가스를 생성하는 운전을 개시하는 경우, 연료처리장치(10)에서 개질가스토출유로(104)로 토출되는 개질가스의 상대습도를 조절하기 위해 제1세퍼레이트 유닛(400)의 바이패스 밸브(451)는 풀 오프(Full Close)될 수 있다.
연료전지 시스템(1)에서 개질가스를 생성하는 운전시, 연료처리장치(10)에서생성된 수소는 개질가스토출유로(104) 및 바이패스유로(105)를 통해 연료처리장치(10)의 버너(120)로 재유입될 수 있다. 이때, 연료처리장치(10)에서 생성된 수소의 상대 습도를 최대한 감소시키기 위한 운전이 필요하다. 따라서 제1세퍼레이터 유닛(400)의 바이패스 밸브(451)가 풀 오프(Full Close)되도록 바이패스 밸브(451)를 제어할 수 있다. 이 경우, 개질가스토출유로(104)를 유동하는 개질가스는 전부 제1세퍼레이터(440)를 통과하게 되고, 개질가스 내 포함된 수분의 양이 저감될 수 있다. 이를 통해, 연료처리장치(10)에서 생성된 고온 다습한 개질가스는 제1세퍼레이터(440)에서 수분의 양이 저감된 이후 버너(120)로 유입되어 버너(120)의 연소를 위한 연료로 사용될 수 있다. 이를 통해, 연소 효율을 향상시킬 수 있다.
도 8을 참조하면, 연료전지 시스템(1)의 제어방법은 전기에너지를 생성하는 발전 운전 수행 단계(S300)를 포함할 수 있다. 발전 운전 수행 단계(S300)에서는 스택(20)에서 전기를 발생시키는 발전 운전을 수행할 수 있다. 예를 들어, 연료전지 시스템(1)은, 개질기(140)에 연료 가스가 공급된 시점으로부터 소정 시간이 경과된 경우, 발전 운전을 개시할 수 있다.
발전 운전 수행 단계(S300)는 제1세퍼레이터 유닛(400)의 습도 센서(452)의 측정값에 따라 제1세퍼레이터 유닛(400)의 바이패스 밸브(451)의 개도를 제어하는 제1발전운전단계(S310)와, 제3세퍼레이터 유닛(600)의 습도 센서(603)의 측정값에 따라 제3세퍼레이터 유닛(600)의 바이패스 밸브(601)의 개도을 제어하는 제2발전운전단계(S320)를 포함할 수 있다. 제2발전운전단계(S320)는 제1발전운전단계(S310)이 수행된 이후에 수행될 수 있다. 다만, 이에 제한되지 않으며, 제1발전운전단계(S310)와 제2발전운전단계(S320)는 동시에 수행되거나, 제2발전운전단계(S320)가 제1발전운전단계(S310)보다 먼저 수행될 수 있다.
도 12을 참조하면, 연료전지 시스템(1)은 제1발전 운전을 수행하는 경우, 연료처리장치(10)에서 토출되는 개질가스가 스택(20)에 공급되도록, 개질가스밸브(33)를 개방하고, 바이패스밸브(34)를 폐쇄할 수 있다. 한편, 연료전지 시스템(1)에서 제1발전 운전이 수행되는 경우, 스택(20)에서 애노드 오프 가스(AOG)가 토출될 수 있다. 이때, 연료전지 시스템(1)은, 스택(20)에서 토출된 애노드 오프 가스(AOG)가 연료처리장치(10)에 유입되도록, AOG밸브(35)를 완전 개방할 수 있다. 연료처리장치(10)에 유입되는 애노드 오프 가스(AOG)는 버너(20)의 연소를 위한 연료로 사용될 수 있다.
도 11을 참조하면, 연료전지 시스템(1)에서 제1발전 운전이 수행되는 경우, 제1세퍼레이터 유닛(400)의 습도 센서(451)는 개질가스토출유로(104)를 유동하는 개질가스의 습도를 측정할 수 있다. 제1세퍼레이터 유닛(400)은 습도 센서(452)의 측정값을 전달받을 수 있다. 제1세퍼레이터 유닛(400)은 습도 센서(452)의 측정값을 통해 바이패스 밸브(451)의 개도량을 제어할 수 있다. 제1세퍼레이터 유닛(400)은 습도 센서(452)의 측정값이 기준값 이하로 판단되는 경우 제1세퍼레이터 유닛(400)의 바이패스 밸스(451)의 개도량을 증가시키고, 습도 센서(452)의 측정값이 기준값보다 큰 것으로 판단되는 경우 제1세퍼레이터 유닛(400)의 바이패스 밸브(451)의 개도량을 감소시킨다.
도 11 및 도 14를 참조하면, 습도 센서(452)의 측정값이 기준값 이하로 판단되는 경우 제1세퍼레이터 유닛(400)의 바이패스 밸브(451)의 개도가 증가되도록 제어한다. 예를 들어, 제1세퍼레이터 유닛(400)의 바이패스 밸브(451)의 개도가 5% 증가되도록 제어한다. 이 경우, 바이패스 밸브(451)의 개도가 증가됨에 따라, 바이패스 배관(450)을 유동하는 개질가스의 유량이 증가하고, 제1세퍼레이터 배관(430)을 유동하는 개질가스의 유량은 감소하게 된다. 바이패스 배관(450)을 통과하는 개질가스는 습도 조절이 이루어지지 않으므로 제1세퍼레이터 배관(430)을 통과한 개질가스에 비하여 습도가 높을 수 있다. 바이패스 배관(450)을 통과하는 개질가스와 제1세퍼레이터 배관(430)을 통과한 개질가스는 합류되어 적절한 습도를 갖는 개질가스가 스택(20)으로 유입될 수 있다.
도 11 및 도 15를 참조하면, 습도 센서(452)의 측정값이 기준값보다 큰 것으로 판단되는 경우 제1세퍼레이터 유닛(400)의 바이패스 밸브(451)의 개도가 감소되도록 제어한다. 예를 들어, 제1세퍼레이터 유닛(400)의 바이패스 밸브(451)의 개도가 3% 감소되도록 제어한다. 이 경우, 바이패스 밸브(451)의 개도가 감소됨에 따라, 바이패스 배관(450)을 유동하는 개질가스의 유량이 감소하고, 제1세퍼레이터 배관(430)을 유동하는 개질가스의 유량은 증가하게 된다. 바이패스 배관(450)을 통과하는 개질가스와 제1세퍼레이터 배관(430)을 통과한 개질가스는 합류되어 적절한 습도를 갖는 개질가스가 스택(20)으로 유입될 수 있다.
제1발전운전모드(S310)에서는 습도 센서(452)의 측정값에 따른 피드백 제어를 통해 적절한 습도를 갖는 개질 가스가 스택(20a, 20b)으로 유입될 수 있으므로, 스택(20) 내에서 이루어지는 전기화학반응의 효율이 향상될 수 있다. 또한, 제1발전운전모드(S310)에서는 바이패스 밸브(451)의 개도량 제어를 통해 다습한 가스를 바이패스함으로써 스택(20a, 20b)에 유입되는 개질가스의 습도 최적화할 수 있으므로, 제1발전 모드 운전시 스택(20a, 20b)내에서 이루어지는 전기화학적반응의 효율이 향상될 수 있다.
연료전지 시스템(1)에서 제1발전 운전이 수행되는 경우, 스택(20a, 20b)에서 미반응되어 배출되는 개질가스는 AOG토출유로(108)를 유동하여 제2세퍼레이터 유닛(500)을 통과할 수 있다. 개질가스는 제2세퍼레이터 유닛(500)을 통과하면서 수분이 제거되고, 제거된 수분은 냉각수로 활용될 수 있다.
도 13을 참조하면, 연료전지 시스템(1)은 제2발전 운전을 수행하는 경우, 제2블로워(72)를 구동하여 전기를 발생시키는 전기화학반응에 사용되는 공기가 스택(20)에 공급되도록 스택측 공기공급밸브(36)개 개방될 수 있다. 한편, 연료전지 시스템(1)에서 제2발전 운전이 수행되는 경우, 스택(20)에서 공기가 토출될 수 있다. 이때, 연료전지 시스템(1)은, 스택(20)에서 토출된 공기가 가습장치(23)로 유입되도록 스택측 공기토출밸브(37)를 개방할 수 있다.
도 11을 참조하면, 연료전지 시스템(1)에서 제2발전 운전이 수행되는 경우, 제3세퍼레이터 유닛(600)의 습도 센서(602)는 스택측 공기공급유로(205)를 유동하는 공기의 습도를 측정할 수 있다. 제3세퍼레이터 유닛(600)은 습도 센서(602)의 측정값을 전달받을 수 있다. 제3세퍼레이터 유닛(600)은 습도 센서(602)의 측정값을 통해 바이패스 밸브(601)의 개도량을 제어할 수 있다. 제3세퍼레이터 유닛(600)은 습도 센서(602)의 측정값이 기준값 이하로 판단되는 경우 제3세퍼레이터 유닛(600)의 바이패스 밸스(601)의 개도량을 증가시키고, 습도 센서(602)의 측정값이 기준값보다 큰 것으로 판단되는 경우 제3세퍼레이터 유닛(600)의 바이패스 밸브(601)의 개도량을 감소시킬 수 있다.
도 11 및 도 16을 참조하면, 습도 센서(602)의 측정값이 기준값 이하로 판단되는 경우 제3세퍼레이터 유닛(600)의 바이패스 밸브(601)의 개도가 증가되도록 제어한다. 예를 들어, 제3세퍼레이터 유닛(600)의 바이패스 밸브(601)의 개도가 5% 증가되도록 제어한다. 이 경우, 바이패스 밸브(601)의 개도가 증가됨에 따라, 바이패스 배관을 유동하는 공기의 유량이 증가하고, 제3세퍼레이터 유닛(600)을 유동하는 공기의 유량은 감소하게 된다. 제3세퍼레이터 유닛(600)의 바이패스 배관을 통과하는 공기는 습도 조절이 이루어지지 않으므로 제3세퍼레이터 유닛(600)을 통과한 공기에 비하여 습도가 높을 수 있다. 제3세퍼레이터 유닛(600)의 바이패스 배관을 통과하는 공기와 제3세퍼레이터 유닛(600)의 제3세퍼레이터를 통과한 공기는 합류되어 적절한 습도를 갖는 공기가 스택(20)으로 유입될 수 있다.
도 11 및 도 17을 참조하면, 습도 센서(602)의 측정값이 기준값보다 큰 것으로 판단되는 경우 제3세퍼레이터 유닛(600)의 바이패스 밸브(601)의 개도가 감소되도록 제어한다. 예를 들어, 제3세퍼레이터 유닛(600)의 바이패스 밸브(601)의 개도가 3% 감소되도록 제어한다. 이 경우, 바이패스 밸브(601)의 개도가 감소됨에 따라, 제3세퍼레이터 유닛(600)의 바이패스 배관을 유동하는 공기의 유량이 감소하고, 제2세퍼레이터 유닛(600)의 세퍼레이터를 통과하는 개질가스의 유량은 증가하게 된다. 제3세퍼레이터 유닛(600)의 바이패스 배관을 통과하는 공기와 제3세퍼레이터 유닛(600)의 세퍼레이터를 통과한 공기는 합류되어 적절한 습도를 갖는 공기가 스택(20)으로 유입될 수 있다.
제2발전운전모드(S320)에서는 습도 센서(602)의 측정값에 따른 피드백 제어를 통해 적절한 습도를 갖는 공기가 스택(20a, 20b)으로 유입될 수 있으므로, 스택(20) 내에서 이루어지는 전기화학반응의 효율이 향상될 수 있다. 또한, 제2발전운전모드(S320)에서는 바이패스 밸브(601)의 개도량 제어를 통해 다습한 공기를 바이패스함으로써 스택(20a, 20b)에 유입되는 공기의 습도 최적화할 수 있으므로, 제2발전 모드 운전시 스택(20a, 20b)내에서 이루어지는 전기화학적반응의 효율이 향상될 수 있다.
연료전지 시스템(1)에서 제2발전 운전이 수행되는 경우, 스택(20a, 20b)에서 배출되는 공기는 스택측 공기토출유로(211)를 통해 가습기(23)로 유동되고, 가습기(23)의 필터를 통해 1차적으로 수분이 제거될 수 있다. 가습기(23)를 통과한 공기는 가습장치토출유로(212) 및 공기배출유로(213)을 유동하여 제4세퍼레이터 유닛(700)을 통과할 수 있다. 가습기(23)를 통과한 공기는 제4세퍼레이터 유닛에(700) 의해 2차적으로 수분이 제거될 수 있다. 제거된 수분은 응축수로 명명될 수 있다. 응축수는 냉각수로 활용될 수 있다.
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.

Claims (22)

  1. 개질가스와 공기로 전기화학반응을 일으켜 전기에너지를 생성하는 스택;
    상기 스택으로 개질가스 또는 공기가 유입되는 제1유로;
    상기 스택으로부터 애노드 오프 가스(Anode Off Gas, AOG) 또는 공기가 토출되는 제2유로; 및
    상기 제1유로에 설치되고, 상기 제1유로를 유동하는 상기 개질가스 또는 상기 공기의 습도를 조절하는 제1세퍼레이터 유닛을 포함하는 연료전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1세퍼레이터 유닛은,
    제1전단 플랜지;
    제1후단 플랜지;
    상기 제1전단 플랜지와 상기 제1후단 플랜지를 연결하는 제1세퍼레이터 배관;
    상기 제1세퍼레이터 배관에 배치되는 제1세퍼레이터;
    상기 제1세퍼레이터 배관의 제1위치에서 분기되고, 상기 제1세퍼레이터 배관의 제2위치에서 합류되는 바이패스 배관;
    상기 바이패스 배관에 설치되는 바이패스 밸브; 및
    상기 제1세퍼레이터 배관에 연결되는 배출배관을 포함하는 연료전지 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1세퍼레이터 유닛은 상기 제1세퍼레이터 배관에 설치되는 습도 센서를 더 포함하고,
    상기 습도 센서는 상기 제1세퍼레이터 배관의 상기 제2위치와 상기 제1후단 플랜지 사이에 설치되는 연료전지 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제1위치는 상기 제1전단 플랜지와 상기 제1세퍼레이터 사이 위치이고,
    상기 제2위치는 상기 제1후단 플랜지와 상기 제1세퍼레이터 사이 위치인 연료전지 시스템.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 제1세퍼레이터 배관은,
    상기 제1전단 플랜지로부터 상기 제1유로의 연장 방향을 따라 연장되는 제1부분과, 상기 제1부분으로부터 하향 경사지게 연장되는 제2부분과, 상기 제2부분으로부터 상향 경사지게 연장되는 제3부분과, 제3부분으로부터 상기 제1유로의 연장 방향을 따라 연장되고 상기 제1후단 플랜지와 연결되는 제4부분을 포함하는 연료전지 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1세퍼레이터는 상기 제1세퍼레이터 배관의 상기 제2부분에 설치되는 연료전지 시스템.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 배출배관은,
    상기 제1세퍼레이터 배관의 상기 제2부분과 상기 제3부분 사이에 설치되는 연료전지 시스템.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 배출배관은 복수회 절곡되어 형성되는 연료전지 시스템.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 배출배관은 'U'자 형상으로 형성되는 연료전지 시스템.
  10. 제2항에 있어서,
    상기 배출배관은,
    상기 제1세퍼레이터 배관과 연결되고 제1방향으로 연장되는 제1배출배관과, 상기 제1배출배관과 연결되고 상기 제1방향에 수직한 방향으로 연장되는 제2배출배관과, 상기 제2배출배관과 연결되고 상기 제1방향의 반대 방향인 제2방향으로 연장되는 제3배출배관과, 상기 제3배출배관에 연결되고 상기 제2방향에 수직한 방향으로 연장되는 제4배출배관과, 상기 제4배출배관으로부터 상기 제1방향으로 연장되는 제5배출배관을 포함하는 연료전지 시스템.
  11. 제2항에 있어서,
    상기 제1세퍼레이터는,
    복수의 제1홀이 형성되는 제1메쉬;
    상기 제1메쉬의 외측에 배치되고, 복수의 제2홀이 형성되는 제2메쉬를 포함하는 연료전지 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    제1홀의 직경은 제2홀의 직경보다 작은 연료전지 시스템.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 제1메쉬에 형성되는 상기 제1홀의 개수는 상기 제2메쉬에 형성되는 상기 제2홀의 개수보다 많은 연료전지 시스템.
  14. 제2항에 있어서,
    상기 제1세퍼레이터는 제1모선과 제2모선을 포함하는 원뿔 형상을 포함하고,
    상기 제2모선은 상기 제1모선보다 길게 형성되는 연료전지 시스템.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 제2유로에 설치되고, 상기 제2유로를 유동하는 상기 애노드 오프 가스 또는 상기 공기의 습도를 조절하는 제2세퍼레이터 유닛을 포함하는 연료전지 시스템.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제2세퍼레이터 유닛은,
    제2전단 플랜지;
    제2후단 플랜지;
    상기 제2전단 플랜지와 상기 제2후단 플랜지를 연결하는 제2세퍼레이터 배관;
    상기 제2세퍼레이터 배관에 배치되는 제2세퍼레이터; 및
    상기 제2세퍼레이터 배관에 연결되는 배출배관을 포함하는 연료전지 시스템.
  17. 개질기에서 개질가스를 생성하는 단계; 및
    상기 개질가스와 공기로 전기화학반응을 일으켜 스택에서 전기를 발생시키는 단계를 포함하고,
    상기 개질가스를 생성하는 단계에는,
    상기 스택으로 상기 개질가스를 공급하는 제1유로에 배치되는 제1세퍼레이터 유닛의 바이패스 밸브와, 상기 스택으로 상기 공기를 공급하는 제2유로 배치되는 제2세퍼레이터 유닛의 바이패스 밸브가 오프(Off)되고,
    상기 스택에서 전기를 발생시키는 단계에서는,
    상기 제1세퍼레이터 유닛의 습도 센서의 측정값에 따라 상기 제1세퍼레이터 유닛의 상기 바이패스 밸브의 개도를 제어하는 제1발전운전단계를 포함하는 연료전지 시스템의 제어방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제1발전운전단계는,
    상기 제1세퍼레이터 유닛의 상기 습도 센서의 측정값이 기준값 이하로 판단되는 경우 상기 제1세퍼레이터 유닛의 상기 바이패스 밸브의 개도를 증가시키는 연료전지 시스템의 제어방법.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 스택에서 전기를 발생시키는 단계에는,
    상기 제2세퍼레이터 유닛의 습도 센서의 측정값에 따라 상기 제2세퍼레이터 유닛의 상기 바이패스 밸브의 개도를 제어하는 제2발전운전단계를 포함하는 연료전지 시스템의 제어방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 제2발전운전단계는,
    상기 제2세퍼레이터 유닛의 상기 습도 센서의 측정값이 기준값 이하로 판단되는 경우 상기 제2세퍼레이터 유닛의 상기 바이패스 밸브의 개도를 증가시키는 연료전지 시스템의 제어방법.
  21. 제18항 또는 제20항에 있어서,
    상기 습도 센서의 습도 판단과, 상기 바이패스 밸브의 개도 제어는 소정 시간 간격을 주기로 수행되는 연료전지 시스템의 제어방법.
  22. 제19항에 있어서,
    상기 제1발전운전단계와 상기 제2발전운전단계는 동시에 수행되는 연료전지 시스템의 제어방법.
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