KR20240007517A - 연료전지 시스템 - Google Patents

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KR20240007517A
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박진영
윤희성
안상훈
이남우
김태우
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현대자동차주식회사
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Abstract

본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로, 공기로부터 질소를 분리하여 산소농축공기를 생성하는 산소농축모듈, 산소농축모듈에 연결되며 산소농축모듈에 공기를 공급하는 제1공기공급라인, 제1공기공급라인에 마련되며 연료전지 스택의 외부에 마련되는 외부 열원으로부터 배출되는 폐열(waste heat)에 의해 제1공기공급라인을 따라 공급되는 공기를 선택적으로 가열하는 가열부, 산소농축모듈에 연결되며 제1공기공급라인과 개별적으로 산소농축모듈에 공기를 공급하는 제2공기공급라인, 제2공기공급라인에 마련되며 연료전지 스택의 외부에서 인가되는 외부 냉열(cold energy)에 의해 제2공기공급라인을 따라 공급되는 공기를 선택적으로 냉각하는 냉각부, 및 산소농축모듈과 연료전지 스택을 연결하며 연료전지 스택에 산소농축공기를 공급하는 스택연결라인을 포함하는 것에 의하여, 출력 및 시스템 효율을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

Description

연료전지 시스템{FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로 출력 및 시스템 효율을 향상시킬 수 있는 연료전지 시스템에 관한 것이다.
연료전지 시스템은 연료의 화학적인 반응으로 전기에너지를 생산해 내는 시스템으로써, 지구환경문제를 해결할 수 있는 대안으로서 지속적인 연구개발이 이루어지고 있다.
일반적으로, 연료전지 시스템은, 수소와 산소(O2)의 산화환원반응을 통해 전기를 생산하는 연료전지 스택(Fuel Cell Stack), 연료전지 스택에 연료(수소)를 공급하는 연료공급장치, 및 연료전지 스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 공기(산소)를 공급하는 공기공급장치(air processing system) 등을 포함할 수 있다.
최근에는 승용차(또는 상용차) 뿐만 아니라 선박 등과 같은 다양한 모빌리티에 연료전지 시스템을 적용하기 위한 다양한 시도가 이루어지고 있다.
한편, 연료전지 시스템의 효율 및 출력을 높이기 위해서는 연료전지 스택에 공급되는 수소의 농도 뿐만 아니라 산소의 농도(순도)를 높일 수 있어야 한다.
기존에는 압력변동흡착(pressure swing adsorption) 공정, 또는 온도변동흡착(temperature swing adsorption) 공정을 통해 공기 중에 포함된 질소를 흡착제에 흡착함으로써, 연료전지 스택에 공급되는 공기의 산소 순도를 높이는 방식이 제시된 바 있다.
그런데, 압력 변화에 기초한 압력변동흡착 공정의 경우 질소의 흡착률을 일정 이상 높이기 어려운 문제점이 있고, 온도 변화에 기초한 온도변동흡착 공정의 경우 승온 및 감온에 많은 시간이 소요되어 단위 시간당 처리량(산소의 농축 처리량)을 충분하게 확보하기 어려운 문제점이 있다.
이에 기존에는 압력 변화 및 온도 변화를 동시에 구현하는 압력온도변동흡착(pressure-temperature swing adsorption) 공정을 통해 공기 중에 포함된 질소를 흡착제에 흡착함으로써, 연료전지 스택에 공급되는 공기의 산소 순도를 높이는 방식이 제시된 바 있다.
그러나, 기존에는 공기 중 산소를 농축(enriching)하는 압력온도변동흡착 공정(예를 들어, 승온 단계 및 감온 단계)에 과도한 에너지가 소모됨에 따라, 연료전지 시스템의 효율(에너지 효율)을 증가시키기 어려운 문제점이 있다.
즉, 기존에는 고순도의 산소(산소농축공기)를 사용함에 따라 연료전지 시스템의 출력은 높일 수 있으나, 산소의 농축 공정(압력온도변동흡착 공정)에 많은 에너지가 소모됨에 따라, 연료전지 시스템의 전체 효율(에너지 효율)을 증가시키기 어려운 문제점이 있다.
이에 따라, 최근에는 산소의 농축 공정에 필요한 에너지 소모를 최소화하고, 연료전지 시스템의 출력 및 시스템 효율을 향상시키기 위한 다양한 연구가 이루어지고 있으나, 아직 미흡하여 이에 대한 개발이 요구되고 있다.
본 발명의 실시예는 출력 및 시스템 효율을 향상시킬 수 있는 연료전지 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
특히, 본 발명의 실시예는 산소의 농축 공정에 필요한 에너지 소모(기생 전력)를 최소화하고, 연료전지 시스템의 출력 및 효율을 향상시킬 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
무엇보다도, 본 발명의 실시예는 선박의 엔진에서 발생하는 폐열(배기가스)과 해수의 냉열을 이용하여 산소의 순도를 높이는 압력온도변동흡착 공정을 수행할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 실시예는 산소의 농축 효율 및 처리량을 높이고, 산소의 농축 공정에 소요되는 시간을 단축할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 실시예는 연료전지 스택의 열화에 의한 성능 감소를 최소화할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
실시예에서 해결하고자 하는 과제는 이에 한정되는 것은 아니며, 아래에서 설명하는 과제의 해결수단이나 실시 형태로부터 파악될 수 있는 목적이나 효과도 포함된다고 할 것이다.
상술한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지 시스템은, 공기로부터 질소를 분리하여 산소농축공기를 생성하는 산소농축모듈, 산소농축모듈에 연결되며 산소농축모듈에 공기를 공급하는 제1공기공급라인, 제1공기공급라인에 마련되며 연료전지 스택의 외부에 마련되는 외부 열원으로부터 배출되는 폐열(waste heat)에 의해 제1공기공급라인을 따라 공급되는 공기를 선택적으로 가열하는 가열부, 산소농축모듈에 연결되며 제1공기공급라인과 개별적으로 산소농축모듈에 공기를 공급하는 제2공기공급라인, 제2공기공급라인에 마련되며 연료전지 스택의 외부에서 인가되는 외부 냉열(cold energy)에 의해 제2공기공급라인을 따라 공급되는 공기를 선택적으로 냉각하는 냉각부, 및 산소농축모듈과 연료전지 스택을 연결하며 연료전지 스택에 산소농축공기를 공급하는 스택연결라인을 포함한다.
이는, 연료전지 시스템의 출력 및 시스템 효율을 향상시키기 위함이다.
즉, 기존에는 고순도의 산소(산소농축공기)를 사용함에 따라 연료전지 시스템의 출력은 높일 수 있으나, 산소의 농축 공정(압력온도변동흡착 공정)에 많은 에너지가 소모됨에 따라, 연료전지 시스템의 전체 효율(에너지 효율)을 증가시키기 어려운 문제점이 있다.
하지만, 본 발명의 실시예는 피대상체(예를 들어, 선박의 엔진)로부터 배출되는 폐열(고온의 배기가스) 및 해수의 냉열을 산소의 농축 공정(압력온도변동흡착 공정)을 수행하는 산소농축모듈의 에너지 소스로 사용하는 것에 의하여, 산소의 농축 공정에 필요한 에너지 소모를 최소화(기생 전력을 저감)하고, 연료전지 시스템의 출력 및 시스템 효율을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예는 산소농축모듈의 압력온도변동흡착 공정을 위한 히트 소스(heat source) 및 냉각 소스(cooling source)를 별도로 마련하지 않아도 되므로, 구조를 간소화하고, 공간활용성 및 설계자유도를 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 산소농축모듈은, 공기의 온도 및 압력에 기초하여 질소를 선택적으로 흡착 및 탈착하는 흡착제가 각각 개별적으로 수용된 복수개의 산소농축기를 포함할 수 있으며, 복수개의 산소농축기는 제1공기공급라인 및 제2공기공급라인에 각각 병렬로 연결될 수 있다.
산소농축모듈을 구성하는 산소농축기의 개수는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있다.
일 예로, 산소농축모듈은, 산소농축공기를 선택적으로 생성하는 제1산소농축기, 및 제1산소농축기와 병렬로 연결되며 제1산소농축기와 개별적으로 산소농축공기를 선택적으로 생성하는 제2산소농축기를 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제1산소농축기 및 제2산소농축기는 산소농축공기를 교번적으로 생성할 수 있고, 스택연결라인은 산소농축공기를 연료전직 스택에 연속적으로 공급할 수 있다.
참고로, 본 발명의 실시예에서, 연료전지 스택의 외부에 마련되는 외부 열원이라 함은, 연료전지 스택의 외부에 위치되도록 연료전지 스택이 장착되는 피대상체에 마련되는 다양한 외부 열원을 모두 포함하는 것으로 이해될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 외부 열원은 연료전지 스택이 장착되는 피대상체에 마련되는 엔진 또는 배터리 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
가열부는 엔진으로부터 배출되는 폐열에 의해 제1공기공급라인을 따라 공급되는 공기를 가열할 수 있는 다양한 구조로 제공될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 가열부는, 엔진으로부터 배출되는 배기가스를 안내하는 배기가스 안내라인, 및 배기가스와 제1공기공급라인을 따라 공급되는 공기를 상호 열교환시키는 제1열교환기를 포함할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예는 배기가스와 제1공기공급라인을 따라 공급되는 공기가 상호 열교환되도록 하는 것에 의하여, 제1공기공급라인을 따라 공급되는 공기를 가열하기 위한 소모 전력(예를 들어, 히터의 작동을 최소화)하고, 에너지 효율을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서, 연료전지 스택의 외부에서 인가되는 외부 냉열이라 함은, 연료전지 스택의 외부에서 인가 가능한 다양한 외부 냉열을 모두 포함하는 것으로 이해될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 외부 냉열은 해수(seawater)의 냉열(cold energy) 또는 상공(상공의 저온 공기)의 냉열 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
냉각부는 해수의 냉열에 의해 제2공기공급라인을 따라 공급되는 공기를 냉각할 수 있는 다양한 구조로 제공될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 냉각부는, 해수를 공급하는 해수 공급라인, 및 해수와 제2공기공급라인을 따라 공급되는 공기를 상호 열교환시키는 제2열교환기를 포함할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예는 제2공기공급라인을 따라 공급되는 공기와 해수가 상호 열교환되도록 하는 것에 의하여, 제2공기공급라인을 따라 공급되는 공기를 냉각하기 위한 소모 전력(예를 들어, 히트 펌프의 작동을 최소화)하고, 에너지 효율을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제1공기공급라인을 따라 산소농축모듈에 공급되는 공기는 제1압력 및 제1온도를 갖도록 정의되고, 제2공기공급라인을 따라 산소농축모듈에 공급되는 공기는 제1압력보다 높은 제2압력 및 제1온도보다 낮은 제2온도를 갖도록 정의된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지 시스템은 스택연결라인에 마련되며 산소농축공기를 일시적으로 저장하는 버퍼탱크를 포함할 수 있다.
이와 같이, 스택연결라인에 버퍼탱크를 마련하는 것에 의하여, 맥동 또는 헌팅 현상 등에 의한 산소농축공기의 공급 압력 및 유량 변화를 최소화하고, 연료전지 스택에 공급되는 산소농축공기의 공급 압력 및 유량을 일정하게 유지하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 스택연결라인에 마련되며 산소농축공기의 공급 유량을 조절하는 유량조절부를 포함할 수 있다.
이와 같이, 스택연결라인에 유량조절부를 마련하는 것에 의하여, 연료전지 스택의 운전 조건에 따라 연료전지 스택으로 공급되는 산소농축공기의 공급 유량을 최적화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
산소농축모듈과 제1공기공급라인 및 제2공기공급라인의 연결 구조는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지 시스템은, 제1공기공급라인과 제1산소농축기를 연결하며 스택연결라인이 연결되는 제1-1연결라인, 제1공기공급라인과 제2산소농축기를 연결하고 스택연결라인이 연결되는 제1-2연결라인, 제2공기공급라인과 제1산소농축기를 연결하는 제2-1연결라인, 제2공기공급라인과 제2산소농축기를 연결하는 제2-2연결라인, 제2-1연결라인에 연결되는 제1배기라인, 제2-2연결라인에 연결되는 제2배기라인, 제1-1연결라인을 선택적으로 개폐 가능하게 마련되며 스택연결라인이 연결되는 제1밸브, 제1-2연결라인을 선택적으로 개폐 가능하게 마련되며 스택연결라인이 연결되는 제2밸브, 제2-1연결라인을 선택적으로 개폐 가능하게 마련되며 제1배기라인이 연결되는 제3밸브, 및 제2-2연결라인을 선택적으로 개폐 가능하게 마련되며 제2배기라인이 연결되는 제4밸브를 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지 시스템은, 제1공기공급라인에 연결되며 제1배기라인 및 제2배기라인이 병렬로 연결되는 배기연결라인, 및 배기연결라인을 선택적으로 개폐하는 배기밸브를 포함할 수 있다.
이와 같이, 제1배기라인 및 제2배기라인을 따라 배기되는 질소 공기가 배기연결라인을 따라 배기되도록 하는 것에 의하여, 제1배기라인 및 제2배기라인의 구조 및 사이즈를 최소화하고, 공간활용성 및 설계자유도를 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 제1공기공급라인에 배기연결라인을 연결하는 것에 의하여, 제1공기공급라인을 따라 공급되는 공기가 산소농축모듈(예를 들어, 제1산소농축기 및 제2산소농축기)를 거치지 않고 배기연결라인을 따라 곧바로 외부로 배출되도록 하는 것도 가능하다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지 시스템은, 제2공기공급라인과 스택연결라인을 연결하며 제2공기공급라인에서 스택연결라인으로 공기를 바이패스시키는 바이패스라인, 및 바이패스라인을 선택적으로 개폐하는 바이패스밸브를 포함할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예는 제2공기공급라인과 스택연결라인을 연결하는 바이패스라인을 마련하는 것에 의하여, 산소농축모듈에 의해 생성되는 산소농축공기의 타겟산소농도가 대기산소농도(대기중 공기의 산소 농도)보다 낮은 경우에는, 제2공기공급라인을 따라 공급되는 공기(충분한 산소 농도를 갖는 공기)가 산소농축모듈을 거치지 않고 곧바로 스택연결라인으로 바이패스될 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 연료전지 시스템의 출력 및 시스템 효율을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
특히, 본 발명의 실시예에 따르면, 산소의 농축 공정에 필요한 에너지 소모(기생 전력)를 최소화하고, 연료전지 시스템의 출력 및 효율을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
무엇보다도, 본 발명의 실시예에 따르면 선박의 엔진에서 발생하는 폐열(배기가스)과 해수의 냉열을 이용하여 산소의 순도를 높이는 압력온도변동흡착 공정을 수행할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면 산소의 농축 효율 및 처리량을 높이고, 산소의 농축 공정에 소요되는 시간을 단축하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면 연료전지 스택의 열화에 의한 성능 감소를 최소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 연료전지 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 연료전지 시스템으로서, 제1산소농축기의 흡착 모드를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 연료전지 시스템으로서, 제1산소농축기의 재생 모드를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 연료전지 시스템으로서, 제1산소농축기의 휴지 모드를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 연료전지 시스템으로서, 바이패스라인을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 7 및 도 8은 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 변형예를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
다만, 본 발명의 기술사상은 설명되는 일부 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 기술사상 범위 내에서라면, 실시예들간 그 구성요소들 중 하나 이상을 선택적으로 결합, 치환하여 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는, 명백하게 특별히 정의되어 기술되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해될 수 있는 의미로 해석될 수 있으며, 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미를 고려하여 그 의미를 해석할 수 있을 것이다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함할 수 있고, "A 및(와) B, C 중 적어도 하나(또는 한 개 이상)"로 기재되는 경우 A, B, C로 조합할 수 있는 모든 조합 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예의 구성요소를 설명하는데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다.
이러한 용어는 그 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성요소의 본질이나 차례 또는 순서 등으로 한정되지 않는다.
그리고, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결', '결합' 또는 '접속'된다고 기재된 경우, 그 구성요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결, 결합 또는 접속되는 경우뿐만 아니라, 그 구성요소와 그 다른 구성요소 사이에 있는 또 다른 구성요소로 인해 '연결', '결합' 또는 '접속'되는 경우도 포함할 수 있다.
또한, 각 구성요소의 "상(위) 또는 하(아래)"에 형성 또는 배치되는 것으로 기재되는 경우, 상(위) 또는 하(아래)는 두 개의 구성요소들이 서로 직접 접촉되는 경우뿐만 아니라 하나 이상의 또 다른 구성요소가 두 개의 구성요소들 사이에 형성 또는 배치되는 경우도 포함한다. 또한, "상(위) 또는 하(아래)"으로 표현되는 경우 하나의 구성요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템(10)은, 압력온도변동흡착(pressure-temperature swing adsorption)을 통해 공기로부터 질소를 분리하여 산소농축공기를 생성하는 산소농축모듈(100), 산소농축모듈(100)에 연결되며 산소농축모듈(100)에 공기를 공급하는 제1공기공급라인(200), 제1공기공급라인(200)에 마련되며 연료전지 스택(30)의 외부에 마련되는 외부 열원으로부터 배출되는 폐열(waste heat)에 의해 제1공기공급라인(200)을 따라 공급되는 공기를 선택적으로 가열하는 가열부(300), 산소농축모듈(100)에 연결되며 제1공기공급라인(200)과 개별적으로 산소농축모듈(100)에 공기를 공급하는 제2공기공급라인(400), 제2공기공급라인(400)에 마련되며 연료전지 스택(30)의 외부에서 인가되는 외부 냉열(cold energy)에 의해 제2공기공급라인(400)을 따라 공급되는 공기를 선택적으로 냉각하는 냉각부(500), 및 산소농축모듈(100)과 연료전지 스택(30)을 연결하며 연료전지 스택(30)에 산소농축공기를 공급하는 스택연결라인(600)을 포함한다.
참고로, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템(10)은, 연료전지 스택(30)을 적용 가능한 다양한 차량 또는 선박, 항공 등의 모빌리티에 적용될 수 있으며, 연료전지 시스템(10)이 적용되는 피대상체의 종류 및 특성에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템(10)이 선박에 적용된 예를 들어 설명하기로 한다.
연료전지 스택(30)은, 연료(예를 들어, 수소)의 화학적인 반응으로 전기에너지를 생산하는 일종의 발전 장치로서, 수십 또는 수백 개의 연료전지 셀(단위 셀)(미도시)을 직렬로 적층하여 구성될 수 있다.
일 예로, 연료전지 셀은, 수소 양이온을 이동시켜 줄 수 있는 전해질막과 수소와 산소가 반응할 수 있도록 전해질막의 양쪽면에 마련된 전극(촉매전극층)이 결합된 막전극접합체(MEA: Membrane Electrode Assembly), 막전극접합체의 양면에 밀착되어 반응기체들을 고르게 분포시키고 발생된 전기에너지를 전달하는 기체확산층(GDL: Gas Diffusion Layer), 및 기체확산층에 밀착되며 유로를 형성하는 분리판(Bipolar plate)을 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, 연료전지 스택(30)에서 연료인 수소와 산화제인 공기(유입가스)가 분리판의 유로를 통해 막전극접합체의 애노드(anode)와 캐소드(cathode)로 각각 공급되는데, 수소는 애노드로 공급되고, 공기는 캐소드로 공급된다.
애노드로 공급된 수소는 전해질막의 양쪽에 구성된 전극층의 촉매에 의해 수소 이온(proton)과 전자(electron)로 분해되며, 이 중 수소 이온만이 선택적으로 양이온교환막인 전해질막을 통과하여 캐소드로 전달되고, 동시에 전자는 도체인 기체확산층과 분리판을 통해 캐소드로 전달된다.
캐소드에서는 전해질막을 통해 공급된 수소 이온과 분리판을 통해 전달된 전자가 공기공급장치에 의해 캐소드로 공급된 공기 중 산소와 만나서 물을 생성하는 반응을 일으킨다. 이때 일어나는 수소 이온의 이동에 기인하여 외부 도선을 통한 전자의 흐름이 발생하며, 이러한 전자의 흐름으로 전류가 생성된다.
산소농축모듈(100)은 압력온도변동흡착(pressure-temperature swing adsorption)을 통해 공기로부터 질소를 분리하여 산소농축공기를 생성하도록 마련된다.
여기서, 산소농축공기라 함은, 공기에서 가장 큰 비중을 차지하는 질소를 최대한 제거한 공기로 이해될 수 있으며, 산소농축공기는 고순도의 산소 농도를 가질 수 있다.
압력온도변동흡착 공정은, 흡착제(102)에 대한 성분간의 친밀도 차이(예를 들어, 질소에 대해 더 강하게 흡착하는 성질)를 이용하여 불순물(질소)을 흡착제(102)에 흡착시키고, 질소의 흡착이 포화되면 다시 흡착제(102)를 재생(질소 탈착)하는 단계를 반복적으로 수행함으로써, 산소농축공기를 생성하는 공정이다.
압력온도변동흡착 공정에 사용되는 흡착제(102)로서는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양한 흡착제(102)가 사용될 수 있으며, 흡착제(102)의 종류 및 특성에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 흡착제(102)로서는 미세 다공성 규산염광물인 제올라이트(zeolite)가 사용될 수 있다. 여기서, 제올라이트라 함은, 천연 제올라이트 및 합성 제올라이트를 포함하는 것으로 이해될 수 있다.
참고로, 흡착제(102)(예를 들어, 제올라이트)는 저온 고압의 조건(흡착 모드)에서는 공기중의 질소를 흡착하는 특성을 갖고, 고온 저압의 조건(재생 모드)에서는 흡착된 질소를 탈착(분리)하는 특성을 갖는다. 바람직하게, 압력온도변동흡착 공정에서는 흡착 모드와 재생 모드 간의 온도 차이가 클수록 흡착제(102)에 의한 흡착 및 탈착 성능이 극대화될 수 있다.
산소농축모듈(100)은 고온 저압 공기와 저온 고압의 공기를 이용한 압력온도변동흡착 공정을 통해 공기로부터 질소를 분리하여 산소농축공기를 생성할 수 있는 다양한 구조로 제공될 수 있으며, 산소농축모듈(100)의 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 산소농축모듈(100)은, 공기의 온도 및 압력에 기초하여 질소를 선택적으로 흡착 및 탈착하는 흡착제(102)(예를 들어, 제올라이트)가 각각 개별적으로 수용된 복수개의 산소농축기를 포함할 수 있으며, 복수개의 산소농축기는 병렬로 연결될 수 있다.
산소농축모듈(100)을 구성하는 산소농축기의 개수는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있으며, 산소농축기의 개수 및 배치 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
이하에서는 산소농축모듈(100)이 산소농축공기를 선택적으로 생성하는 제1산소농축기(110), 및 제1산소농축기(110)와 병렬로 연결되며 제1산소농축기(110)와 개별적으로 산소농축공기를 선택적으로 생성하는 제2산소농축기(120)를 포함하는 예를 들어 설명하기로 한다.
제1산소농축기(110) 및 제2산소농축기(120)는 공기로부터 질소를 분리하여 산소농축공기를 생성할 수 있는 다양한 구조로 제공될 수 있다.
이하에서는 제1산소농축기(110) 및 제2산소농축기(120)가 서로 동일한 구조 및 용량을 갖도록 형성된 예를 들어 설명하기로 한다. 다르게는 제1산소농축기(110) 및 제2산소농축기(120)를 서로 다른 구조로 형성하는 것도 가능하다.
일 예로, 제1산소농축기(110) 및 제2산소농축기(120)는 내부에 수용 공간을 갖는 저장용기(저장탱크)(미도시) 및 저장용기의 내부에 수용되는 흡착제(102)(예를 들어, 제올라이트)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 저장용기는 일종의 실린더 형태로 제공될 수 있다.
참고로, 전술 및 도시한 본 발명의 실시예에서는 산소농축모듈(100)이 2개의 산소농축기를 포함하는 예를 들어 설명하고 있지만, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 산소농축모듈이 3개 이상의 산소농축기를 포함하는 것도 가능하다. 다르게는 산소농축모듈이 단 하나의 산소농축기만을 포함하는 것도 가능하다.
또한, 전술 및 도시한 본 발명의 실시예에서는 산소농축모듈(100)을 구성하는 복수개의 산소농축기가 병렬로 연결된 예를 들어 설명하고 있지만, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 산소농축모듈을 구성하는 복수개의 산소농축기가 개별적으로 분리(제1공기공급라인과 제2공기공급라인과 각각 개별적으로 연결)되도록 구성하는 것도 가능하다.
복수개의 산소농축기의 작동 모드는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 서로 동일하거나 다르게 정해질 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 복수개의 산소농축기중 일부가 질소를 흡착제(102)에 흡착하는 흡착 모드를 수행하는 경우, 복수개의 산소농축기중 다른 일부는, 흡착제(102)에서 질소를 탈착하는 재생 모드를 수행하거나, 공기의 유입이 차단되는 휴지 모드(rest mode)를 수행할 수 있다.
바람직하게, 제1산소농축기(110) 및 제2산소농축기(120)는 산소농축공기를 교번적으로 생성할 수 있고, 스택연결라인(600)은 산소농축공기를 연료전직 스택에 연속적으로 공급할 수 있다.
가령, 제1산소농축기(110)가 산소농축공기를 생성하는 흡착 모드를 수행하는 중에, 제2산소농축기(120)는 흡착제(102)에서 질소를 탈착하는 재생 모드를 수행할 수 있다. 이와 반대로, 제2산소농축기(120)가 산소농축공기를 생성하는 흡착 모드를 수행하는 중에, 제1산소농축기(110)는 흡착제(102)에서 질소를 탈착하는 재생 모드를 수행할 수 있다.
전술 및 도시한 본 발명의 실시예에서는, 복수개의 산소농축기가 서로 다른 모드로 작동하는 예를 들어 설명하고 있지만, 본 발명의 다른 실시예에 따르면 복수개의 산소농축기가 동시에 서로 동일한 모드(예를 들어, 흡착 모드 또는 재생 모드)로 작동하도록 구성하는 것도 가능하다.
제1공기공급라인(200)은 외부 공기를 산소농축모듈(100)에 공급하도록 마련된다.
제1공기공급라인(200)은 산소농축모듈(100)에 공기를 공급할 수 있는 다양한 구조로 제공될 수 있으며, 제1공기공급라인(200)의 구조 및 형태에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
보다 구체적으로, 제1공기공급라인(200)의 일단은 대기에 노출될 수 있고, 다른 일단은 산소농축모듈(100)의 일단(예를 들어, 도 1을 기준으로 우측단)에 연결될 수 있다.
또한, 제1공기공급라인(200)에는 블로어(210)(예를 들어, 원심팬 또는 축류팬)가 마련될 수 있고, 외부 공기는 블로어(210)에 의한 송풍력에 의해 흡입된 후 강제적으로 이송될 수 있다.
가열부(300)는 연료전지 스택(30)의 외부에 마련되는 외부 열원으로부터 배출되는 폐열(waste heat)에 의해 제1공기공급라인(200)을 따라 공급되는 공기를 선택적으로 가열하도록 제1공기공급라인(200)에 마련된다.
참고로, 본 발명의 실시예에서, 연료전지 스택(30)의 외부에 마련되는 외부 열원이라 함은, 연료전지 스택(30)의 외부에 위치되도록 연료전지 스택(30)이 장착되는 피대상체에 마련되는 다양한 외부 열원을 모두 포함하는 것으로 이해될 수 있으며, 외부 열원의 종류 및 특성에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 외부 열원은, 연료전지 스택(30)이 장착되는 피대상체(예를 들어, 선박)에 마련되는 엔진(20) 또는 배터리(미도시) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
이하에서는 가열부(300)가 피대상체(예를 들어, 선박)의 엔진(20)으로부터 배출되는 폐열(waste heat)에 의해 제1공기공급라인(200)을 따라 공급되는 공기를 선택적으로 가열하도록 제1공기공급라인(200)에 마련되는 예를 들어 설명하기로 한다.
가열부(300)는 엔진(20)으로부터 배출되는 폐열에 의해 제1공기공급라인(200)을 따라 공급되는 공기를 가열할 수 있는 다양한 구조로 제공될 수 있으며, 가열부(300)의 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 가열부(300)는, 엔진(20)으로부터 배출되는 배기가스를 안내하는 배기가스 안내라인(310), 및 배기가스와 제1공기공급라인(200)을 따라 공급되는 공기를 상호 열교환시키는 제1열교환기(320)를 포함할 수 있다.
배기가스 안내라인(310)은 선박의 엔진(20)으로부터 배출되는 고온의 배기가스를 외부로 배기하도록 마련되며, 배기가스 안내라인(310)의 구조 및 형태에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
제1열교환기(320)는 배기가스와 제1공기공급라인(200)을 따라 공급되는 공기를 상호 열교환시킬 수 있는 다양한 구조로 형성될 수 있으며, 제1열교환기(320)의 종류 및 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 도 1을 참조하면, 제1열교환기(320)는 제1공기공급라인(200)에 연결될 수 있고, 배기가스 안내라인(310)은 제1열교환기(320)를 경유(예를 들어, 통과)하도록 제공될 수 있다.
예를 들어, 공기(제1공기공급라인을 따라 공급된 공기)는 제1열교환기(320)를 따라 유동될 수 있고, 배기가스는 제1열교환기(320)의 내부에서 공기(제1공기공급라인을 따라 공급된 공기)에 노출되도록 제1열교환기(320)의 내부를 통과할 수 있다.
이와 같이, 제1공기공급라인(200)을 따라 공급되는 공기와 배기가스가 상호 열교환되도록 하는 것에 의하여, 제1공기공급라인(200)을 따라 산소농축모듈(100)로 공급되는 공기의 온도를 높일 수 있다.
이는, 엔진(20)으로부터 배출되는 배기가스가 고온 상태를 갖는다는 것에 기인한 것으로, 제1열교환기(320)를 매개로 배기가스와 공기가 상호 열교환되도록 하는 것에 의하여, 제1공기공급라인(200)을 따라 공급되는 공기를 가열하기 위한 소모 전력(예를 들어, 히터의 작동을 최소화)하고, 에너지 효율을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
무엇보다도, 본 발명의 실시예는 엔진(20)의 폐열(waste heat)을 이용하여 공기를 가열할 수 있으므로, 히트 펌프(미도시) 및 히터(미도시)를 작동시키지 않고도, 제1공기공급라인(200)을 따라 공급되는 공기를 가열하는 것이 가능하며, 에너지 효율을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
제2공기공급라인(400)은 제1공기공급라인(200)과 개별적으로 외부 공기를 산소농축모듈(100)에 공급하도록 마련된다.
제2공기공급라인(400)은 산소농축모듈(100)에 공기를 공급할 수 있는 다양한 구조로 제공될 수 있으며, 제2공기공급라인(400)의 구조 및 형태에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
보다 구체적으로, 제2공기공급라인(400)의 일단은 대기에 노출될 수 있고, 다른 일단은 산소농축모듈(100)의 다른 일단(예를 들어, 도 1을 기준으로 좌측단)에 연결될 수 있다.
또한, 제2공기공급라인(400)에는 제2공기공급라인(400)을 따라 공급되는 공기를 압축하는 공기압축기(410)가 마련될 수 있다.
참고로, 제2공기공급라인(400)으로의 공기 유입은 공기압축기(410)의 흡입력에 의해 구현될 수 있으며, 공기압축기(410)의 흡입력에 대응하여 제2공기공급라인(400)에 유입되는 공기의 공급유량이 결정될 수 있다.
공기압축기(410)로서는 제2공기공급라인(400)을 따라 공급되는 공기를 압축할 수 있는 통상의 압축기가 사용될 수 있으며, 공기압축기(410)의 종류 및 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 공기압축기(410)는 로터의 회전에 의한 원심력을 이용하여 공기를 압축할 수 있다.
참고로, 공기압축기(410)는 제2공기공급라인(400)을 따라 공급되는 공기가 연료전지 스택(30)의 내부 유로를 통과할 수 있는 충분한 압력을 갖도록 공기를 압축할 수 있으며, 공기의 압축 정도는 연료전지 스택(30)의 운전 조건에 따라 다양하게 변경될 수 있다.
냉각부(500)는 연료전지 스택(30)의 외부에서 인가되는 외부 냉열(cold energy)에 의해 제2공기공급라인(400)을 따라 공급되는 공기를 선택적으로 냉각하도록 제2공기공급라인(400)에 마련된다.
참고로, 본 발명의 실시예에서, 연료전지 스택(30)의 외부에서 인가되는 외부 냉열이라 함은, 연료전지 스택(30)의 외부에서 인가 가능한 다양한 외부 냉열을 모두 포함하는 것으로 이해될 수 있으며, 외부 냉열의 종류 및 특성에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 외부 냉열은 해수(seawater)의 냉열(cold energy) 또는 상공(상공의 저온 공기)의 냉열 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
이하에서는 냉각부(500)가 해수(seawater)의 냉열(cold energy)에 의해 제2공기공급라인(400)을 따라 공급되는 공기를 선택적으로 냉각하도록 제2공기공급라인(400)에 마련되는 예를 들어 설명하기로 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제1공기공급라인(200)을 따라 산소농축모듈(100)에 공급되는 공기는 제1압력 및 제1온도를 갖도록 정의되고, 제2공기공급라인(400)을 따라 산소농축모듈(100)에 공급되는 공기는 제1압력보다 높은 제2압력 및 제1온도보다 낮은 제2온도를 갖도록 정의된다.
냉각부(500)는 해수의 냉열에 의해 제2공기공급라인(400)을 따라 공급되는 공기를 냉각할 수 있는 다양한 구조로 제공될 수 있으며, 냉각부(500)의 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 냉각부(500)는, 해수를 공급하는 해수 공급라인(510), 및 해수와 제2공기공급라인(400)을 따라 공급되는 공기를 상호 열교환시키는 제2열교환기(520)를 포함할 수 있다.
해수 공급라인(510)은 해수를 공급 가능한 다양한 구조로 제공될 수 있으며, 해수 공급라인(510)의 구조 및 형태에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
또한, 해수 공급라인(510)에는 해수 펌프(512)가 마련될 수 있고, 해수는 해수 펌프(512)에 의한 펌핑력에 의해 흡입된 후 강제적으로 이송될 수 있다.
제2열교환기(520)는 해수와 제2공기공급라인(400)을 따라 공급되는 공기를 상호 열교환시킬 수 있는 다양한 구조로 형성될 수 있으며, 제2열교환기(520)의 종류 및 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 도 1을 참조하면, 제2열교환기(520)는 제2공기공급라인(400)에 연결될 수 있고, 해수 공급라인(510)은 제2열교환기(520)를 경유(예를 들어, 통과)하도록 제공될 수 있다.
예를 들어, 공기(제2공기공급라인을 따라 공급된 공기)는 제2열교환기(520)를 따라 유동될 수 있고, 해수는 제2열교환기(520)의 내부에서 공기(제2공기공급라인을 따라 공급된 공기)에 노출되도록 제2열교환기(520)의 내부를 통과할 수 있다.
이와 같이, 제2공기공급라인(400)을 따라 공급되는 공기와 해수가 상호 열교환되도록 하는 것에 의하여, 제2공기공급라인(400)을 따라 산소농축모듈(100)로 공급되는 공기의 온도를 낮출 수 있다.
이는, 해수가 저온 상태를 갖는다는 것에 기인한 것으로, 제2열교환기(520)를 매개로 해수와 공기가 상호 열교환되도록 하는 것에 의하여, 제2공기공급라인(400)을 따라 공급되는 공기를 냉각하기 위한 소모 전력(예를 들어, 히트 펌프의 작동을 최소화)하고, 에너지 효율을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
무엇보다도, 본 발명의 실시예는 해수의 냉열(cold energy)을 이용하여 공기를 냉각할 수 있으므로, 히트 펌프(미도시) 및 냉각수단(미도시)을 작동시키지 않고도, 제2공기공급라인(400)을 따라 공급되는 공기를 냉각하는 것이 가능하며, 에너지 효율을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
스택연결라인(600)은 산소농축모듈(100)에서 생성된 산소농축공기를 연료전지 스택(30)으로 공급하도록 마련된다.
스택연결라인(600)은 산소농축모듈(100)과 연료전지 스택(30)을 연결 가능한 다양한 구조로 제공될 수 있으며, 스택연결라인(600)의 구조 및 형태에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지 시스템(10)은 스택연결라인(600)에 마련되며 산소농축공기를 일시적으로 저장하는 버퍼탱크(610)를 포함할 수 있다.
버퍼탱크(610)로서는 산소농축공기를 저장할 수 있는 통상의 저장탱크가 사용될 수 있으며, 버퍼탱크(610)의 구조 및 형태에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
이와 같이, 스택연결라인(600)에 버퍼탱크(610)를 마련하는 것에 의하여, 맥동 또는 헌팅 현상 등에 의한 산소농축공기의 공급 압력 및 유량 변화를 최소화하고, 연료전지 스택(30)에 공급되는 산소농축공기의 공급 압력 및 유량을 일정하게 유지하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 스택연결라인(600)에 마련되며 산소농축공기의 공급 유량을 조절하는 유량조절부(620)를 포함할 수 있다.
유량조절부(620)로서는 스택연결라인(600)을 따라 공급되는 산소농축공기의 공급 유량을 조절 가능한 다양한 유량조절장치가 사용될 수 있으며, 유량조절부(620)로의 종류 및 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 유량조절부(620)로서는 통상의 유량조절밸브가 사용될 수 있다.
이와 같이, 스택연결라인(600)에 유량조절부(620)를 마련하는 것에 의하여, 연료전지 스택(30)의 운전 조건에 따라 연료전지 스택(30)으로 공급되는 산소농축공기의 공급 유량을 최적화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
한편, 산소농축모듈(100)(예를 들어, 제1산소농축기 및 제2산소농축기)과 제1공기공급라인(200) 및 제2공기공급라인(400)의 연결 구조는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있으며, 산소농축모듈(100)과 제1공기공급라인(200) 및 제2공기공급라인(400)의 연결 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지 시스템(10)은, 제1공기공급라인(200)과 제1산소농축기(110)를 연결하며 스택연결라인(600)이 연결되는 제1-1연결라인(112), 제1공기공급라인(200)과 제2산소농축기(120)를 연결하고 스택연결라인(600)이 연결되는 제1-2연결라인(122), 제2공기공급라인(400)과 제1산소농축기(110)를 연결하는 제2-1연결라인(116), 제2공기공급라인(400)과 제2산소농축기(120)를 연결하는 제2-2연결라인(126), 제2-1연결라인(116)에 연결되는 제1배기라인(117), 제2-2연결라인(126)에 연결되는 제2배기라인(127), 제1-1연결라인(112)을 선택적으로 개폐 가능하게 마련되며 스택연결라인(600)이 연결되는 제1밸브(114), 제1-2연결라인(122)을 선택적으로 개폐 가능하게 마련되며 스택연결라인(600)이 연결되는 제2밸브(124), 제2-1연결라인(116)을 선택적으로 개폐 가능하게 마련되며 제1배기라인(117)이 연결되는 제3밸브(118), 및 제2-2연결라인(126)을 선택적으로 개폐 가능하게 마련되며 제2배기라인(127)이 연결되는 제4밸브(128)를 포함할 수 있다.
제1-1연결라인(112)은 제1공기공급라인(200)과 제1산소농축기(110)를 연결하도록 마련되고, 제1-2연결라인(122)은 제1공기공급라인(200)과 제2산소농축기(120)를 연결하도록 마련된다.
예를 들어, 제1산소농축기(110) 또는 제2산소농축기(120)가 재생 모드(흡착제로부터 질소를 탈착하는 모드)인 경우, 제1공기공급라인(200)을 따라 공급되는 공기(고온 저압 공기)는, 제1-1연결라인(112)을 따라 제1산소농축기(110)에 공급되거나, 제1-2연결라인(122)을 따라 제1산소농축기(110)에 공급될 수 있다.
제1밸브(114)는 제1-1연결라인(112)과 스택연결라인(600)을 연결하면서, 제1-1연결라인(112)을 선택적으로 개폐하도록 마련된다.
제1밸브(114)로서는 제1-1연결라인(112)을 선택적으로 개폐할 수 있는 통상의 밸브 수단이 사용될 수 있으며, 제1밸브(114)의 종류 및 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 제1밸브(114)로서는 통상의 삼방 밸브(three way valve)가 사용될 수 있다. 제1밸브(114)에 의해 제1-1연결라인(112)에서 제1산소농축기(110)로 공급되는 공기의 흐름이 선택적으로 차단(단속)되거나, 제1산소농축기(110)에서 스택연결라인(600)으로 공급되는 산소농축공기의 흐름이 선택적으로 차단(단속)될 수 있다.
제2밸브(124)는 제1-2연결라인(122)과 스택연결라인(600)을 연결하면서, 제1-2연결라인(122)을 선택적으로 개폐하도록 마련된다.
제2밸브(124)로서는 제1-2연결라인(122)을 선택적으로 개폐할 수 있는 통상의 밸브 수단이 사용될 수 있으며, 제2밸브(124)의 종류 및 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 제2밸브(124)로서는 통상의 삼방 밸브(three way valve)가 사용될 수 있다. 제2밸브(124)에 의해 제1-2연결라인(122)에서 제2산소농축기(120)로 공급되는 공기의 흐름이 선택적으로 차단(단속)되거나, 제2산소농축기(120)에서 스택연결라인(600)으로 공급되는 산소농축공기의 흐름이 선택적으로 차단(단속)될 수 있다.
제2-1연결라인(116)은 제2공기공급라인(400)과 제1산소농축기(110)를 연결하도록 마련되고, 제2-2연결라인(126)은 제2공기공급라인(400)과 제2산소농축기(120)를 연결하도록 마련된다.
예를 들어, 제1산소농축기(110) 또는 제2산소농축기(120)가 흡착 모드(흡착제에 질소를 흡착하는 모드)인 경우, 제2공기공급라인(400)을 따라 공급되는 공기(저온 고압 공기)는, 제2-1연결라인(116)을 따라 제1산소농축기(110)로 공급되거나, 제2-2연결라인(126)을 따라 제2산소농축기(120)로 공급될 수 있다.
제1배기라인(117)은 제2-1연결라인(116)에 연결되어 제1산소농축기(110)로부터 배출되는 질소 공기(흡착제로부터 탈착된 질소를 포함하는 공기)를 안내하도록 마련되고, 제2배기라인(127)은 제2-1연결라인(116)에 연결되어 제2산소농축기(120)로부터 배출되는 질소 공기(흡착제로부터 탈착된 질소를 포함하는 공기)를 안내하도록 마련된다.
예를 들어, 제1산소농축기(110) 또는 제2산소농축기(120)가 재생 모드(흡착제로부터 질소를 탈착하는 모드)인 경우, 제1산소농축기(110)로부터 배출되는 질소 공기는 제1배기라인(117)을 따라 외부로 배기될 수 있고, 제2산소농축기(120)로부터 배출되는 질소 공기는 제2배기라인(127)을 따라 외부로 배기될 수 있다.
제3밸브(118)는 제2-1연결라인(116)과 제1배기라인(117)을 연결하면서, 제2-1연결라인(116)을 선택적으로 개폐하도록 마련된다.
제3밸브(118)로서는 제2-1연결라인(116)을 선택적으로 개폐할 수 있는 통상의 밸브 수단이 사용될 수 있으며, 제3밸브(118)의 종류 및 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 제3밸브(118)로서는 통상의 삼방 밸브(three way valve)가 사용될 수 있다. 제3밸브(118)에 의해 제2-1연결라인(116)에서 제1산소농축기(110)로 공급되는 공기의 흐름이 선택적으로 차단(단속)되거나, 제1산소농축기(110)에서 제1배기라인(117)으로 배기되는 질소 공기의 흐름이 선택적으로 차단(단속)될 수 있다.
제4밸브(128)는 제2-2연결라인(126)과 제2배기라인(127)을 연결하면서, 제2-2연결라인(126)을 선택적으로 개폐하도록 마련된다.
제4밸브(128)로서는 제2-2연결라인(126)을 선택적으로 개폐할 수 있는 통상의 밸브 수단이 사용될 수 있으며, 제4밸브(128)의 종류 및 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 제4밸브(128)로서는 통상의 삼방 밸브(three way valve)가 사용될 수 있다. 제4밸브(128)에 의해 제2-2연결라인(126)에서 제2산소농축기(120)로 공급되는 공기의 흐름이 선택적으로 차단(단속)되거나, 제2산소농축기(120)에서 제2배기라인(127)으로 배기되는 질소 공기의 흐름이 선택적으로 차단(단속)될 수 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지 시스템(10)은, 제1공기공급라인(200)에 연결되며 제1배기라인(117) 및 제2배기라인(127)이 병렬로 연결되는 배기연결라인(160), 및 배기연결라인(160)을 선택적으로 개폐하는 배기밸브(162)를 포함할 수 있다.
배기연결라인(160)은 제1배기라인(117) 및 제2배기라인(127)을 병렬로 연결 가능한 다양한 구조로 제공될 수 있으며, 배기연결라인(160)의 구조 및 형태에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
따라서, 제1산소농축기(110)에서 제1배기라인(117)으로 배기되는 질소 공기, 및 제2산소농축기(120)에서 제2배기라인(127)으로 배기되는 질소 공기는 배기연결라인(160)을 공통적으로 통과한 후 외부로 배기될 수 있다.
이와 같이, 제1배기라인(117) 및 제2배기라인(127)을 따라 배기되는 질소 공기가 배기연결라인(160)을 따라 배기되도록 하는 것에 의하여, 제1배기라인(117) 및 제2배기라인(127)의 구조 및 사이즈를 최소화하고, 공간활용성 및 설계자유도를 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 제1공기공급라인(200)에 배기연결라인(160)을 연결하는 것에 의하여, 제1공기공급라인(200)을 따라 공급되는 공기가 산소농축모듈(100)(예를 들어, 제1산소농축기 및 제2산소농축기)를 거치지 않고 배기연결라인(160)을 따라 곧바로 외부로 배출되도록 하는 것도 가능하다.
배기밸브(162)는 배기연결라인(160)을 선택적으로 개폐하도록 마련된다.
배기밸브(162)로서는 배기연결라인(160)을 선택적으로 개폐할 수 있는 통상의 밸브 수단이 사용될 수 있으며, 배기밸브(162)의 종류 및 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 일 예로, 배기밸브(162)로서는 통상의 솔레노이드 밸브가 사용될 수 있다.
전술 및 도시한 본 발명의 실시예에서는, 제1배기라인(117) 및 제2배기라인(127)의 출구단이 배기연결라인(160)에 연결되는 예를 들어 설명하고 있지만, 본 발명의 다른 실시예에 따르면 별도의 배기연결라인을 배제하고 제1배기라인 및 제2배기라인의 출구단이 외부에 직접 노출되도록 구성하는 것도 가능하다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지 시스템(10)은, 제2공기공급라인(400)과 스택연결라인(600)을 연결하며 제2공기공급라인(400)에서 스택연결라인(600)으로 공기를 바이패스시키는 바이패스라인(170), 및 바이패스라인(170)을 선택적으로 개폐하는 바이패스밸브(172)를 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, 바이패스라인(170)의 일단은 제2공기공급라인(400)에 연결되고, 바이패스라인(170)의 다른 일단은 스택연결라인(600)에 연결될 수 있으며, 바이패스라인(170)은 제2공기공급라인(400)을 따라 공급되는 공기는 산소농축모듈(100)(예를 들어, 제1산소농축기 및 제2산소농축기)를 거치지 않고 바이패스라인(170)을 따라 곧바로 스택연결라인(600)에 공급될 수 있다.
바이패스라인(170)은 제2공기공급라인(400)과 스택연결라인(600)을 연결 가능한 다양한 구조로 제공될 수 있으며, 바이패스라인(170)의 구조 및 형태에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
바이패스밸브(172)는 바이패스라인(170)을 선택적으로 개폐하도록 마련된다.
바이패스밸브(172)로서는 바이패스라인(170)을 선택적으로 개폐할 수 있는 통상의 밸브 수단이 사용될 수 있으며, 바이패스밸브(172)의 종류 및 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 일 예로, 바이패스밸브(172)로서는 통상의 솔레노이드 밸브가 사용될 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예는 제2공기공급라인(400)과 스택연결라인(600)을 연결하는 바이패스라인(170)을 마련하는 것에 의하여, 산소농축모듈(100)에 의해 생성되는 산소농축공기의 타겟산소농도가 대기산소농도(대기중 공기의 산소 농도)보다 낮은 경우에는, 제2공기공급라인(400)을 따라 공급되는 공기(충분한 산소 농도를 갖는 공기)가 산소농축모듈(100)을 거치지 않고 곧바로 스택연결라인(600)으로 바이패스될 수 있다.
반면, 산소농축공기의 타겟산소농도가 대기산소농도보다 높은 경우에는, 바이패스라인(170)은 바이패스밸브(172)에 의해 차단될 수 있고, 제2공기공급라인(400)을 따라 공급되는 공기는 산소농축모듈(100)을 거쳐 산소농축공기로 처리된 후 스택연결라인(600)에 공급될 수 있다.
이하에서는 도 2 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템(10)의 작동 구조를 설명하기로 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제1산소농축기(110)와 제2산소농축기(120)는 흡착 모드 및 재생 모드를 서로 번갈아 가며 교변적으로 수행할 수 있다.
여기서, 흡착 모드라 함은, 공기중에 포함된 질소가 흡착제(102)에 흡착되는 모드로 정의될 수 있고, 재생 모드라 함은 흡착제(102)에 흡착된 질소를 흡착제(102)로부터 탈착(분리)시키는 모드로 정의될 수 있다.
도 2를 참조하면, 제1산소농축기(110)의 흡착 모드시, 제2공기공급라인(400)을 따라 공급되는 공기는 제2열교환기(520)를 통해 해수와 열교환(냉각)된 후 제1산소농축기(110)에 공급될 수 있다.
제2열교환기(520)를 거쳐 제1산소농축기(110)에 공급되는 공기는 저온 고압의 특성을 가지므로, 공기(저온 고압 공기)에 포함된 질소는 흡착제(102)에 흡착될 수 있고, 고순도의 산소 농도를 갖는 산소농축공기는 제1산소농축기(110)로부터 배출된 후, 스택연결라인(600)을 따라 버퍼탱크(610)에 공급(또는 버퍼탱크를 거쳐 연료전지 스택으로 공급)될 수 있다.
제1산소농축기(110)의 흡착 모드시, 제2산소농축기(120)는 재생 모드를 수행하게 된다.
제2산소농축기(120)의 재생 모드시, 제2-2연결라인(126)은 제4밸브(128)에 의해 차단되고, 제1공기공급라인(200)을 따라 공급되는 공기는 제1열교환기(320)를 통해 배기가스와 열교환(가열)된 후 제2산소농축기(120)에 공급될 수 있다.
제1열교환기(320)를 거쳐 제2산소농축기(120)에 공급되는 공기는 고온 저압의 특성을 가지므로, 흡착제(102)에 흡착된 질소는 흡착제(102)로부터 탈착(분리)될 수 있고, 질소를 포함한 질소 공기는 제2산소농축기(120)로부터 배출된 후, 제2배기라인(127) 및 연결배기라인을 거쳐 외부로 배기될 수 있다.
도 3을 참조하면, 제1산소농축기(110)의 흡착 모드가 일정 시간 경과되면, 흡착제(102)의 질소 흡착 효율이 감소하게 되므로, 제1산소농축기(110)는 재생 모드로 전환된다.
제1산소농축기(110)의 재생 모드시, 제2-1연결라인(116)은 제3밸브(118)에 의해 차단되고, 제1공기공급라인(200)을 따라 공급되는 공기는 제1열교환기(320)를 통해 배기가스와 열교환(가열)된 후 제1산소농축기(110)에 공급될 수 있다.
제1열교환기(320)를 거쳐 제1산소농축기(110)에 공급되는 공기는 고온 저압의 특성을 가지므로, 흡착제(102)에 흡착된 질소는 흡착제(102)로부터 탈착(분리)될 수 있고, 질소를 포함한 질소 공기는 제1산소농축기(110)로부터 배출된 후, 제1배기라인(117) 및 연결배기라인을 거쳐 외부로 배기될 수 있다.
제1산소농축기(110)의 재생 모드시, 제2산소농축기(120)는 흡착 모드를 수행하게 된다.
제2산소농축기(120)의 흡착 모드시, 제2공기공급라인(400)을 따라 공급되는 공기는 제2열교환기(520)를 통해 해수와 열교환(냉각)된 후 제2산소농축기(120)에 공급될 수 있다.
제2열교환기(520)를 거쳐 제2산소농축기(120)에 공급되는 공기는 저온 고압의 특성을 가지므로, 공기(저온 고압 공기)에 포함된 질소는 흡착제(102)에 흡착될 수 있고, 고순도의 산소 농도를 갖는 산소농축공기는 제2산소농축기(120)로부터 배출된 후, 스택연결라인(600)을 따라 버퍼탱크(610)에 공급(버퍼탱크를 거쳐 연료전지 스택으로 공급)될 수 있다.
한편, 도 4를 참조하면, 제1산소농축기(110)(또는 제2산소농축기)의 재생 모드에 소요되는 시간이 제2산소농축기(120)(또는 제1산소농축기)의 흡착 모드에 소요되는 시간보다 짧은 경우, 제1산소농축기(110)는 휴지 모드로 전환될 수 있다.
여기서, 휴지 모드라 함은, 저온 고압 공기 및 고온 저압 공기의 유입이 모두 차단되는 모드로서, 제1-1연결라인(112)은 제1밸브(114)에 의해 차단될 수 있고, 제2-1연결라인(116)은 제3밸브(118)에 의해 차단될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 산소농축모듈을 구성하는 산소농축기의 개수가 충분히 많아 특정 산소농축기의 재생 모드가 완료된 후 흡착 모드를 수행하기 전까지 시간이 남는 경우에도 특정 산소농축기의 휴지 모드가 수행될 수 있다.
또한, 도 5를 참조하면, 산소농축모듈(100)에 의해 생성되는 산소농축공기의 타겟산소농도가 대기산소농도(대기중 공기의 산소 농도)보다 낮은 경우에는, 제2공기공급라인(400)을 따라 공급되는 공기(충분한 산소 농도를 갖는 공기)가 산소농축모듈(100)을 거치지 않고 곧바로 스택연결라인(600)으로 바이패스될 수 있다.
산소농축모듈(100)의 바이패스 모드시, 바이패스라인(170)은 개방되지만, 제1-1연결라인(112)은 제1밸브(114)에 의해 차단될 수 있고, 제1-2연결라인(122)은 제2밸브(124)에 의해 차단될 수 있으며, 제2-1연결라인(116)은 제3밸브(118)에 의해 차단될 수 있고, 제2-2연결라인(126)은 제4밸브(128)에 의해 차단될 수 있다.
한편, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템(10)의 제어 방법을 설명하기 위한 블록도이다. 아울러, 전술한 구성과 동일 및 동일 상당 부분에 대해서는 동일 또는 동일 상당한 참조 부호를 부여하고, 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지 시스템(10)의 제어 방법은, 연료전지 스택(30)의 운전압력을 결정하는 단계(S100), 버퍼탱크(610)의 운전압력을 결정하는 단계(S110), 버퍼탱크(610)의 압력이 목표압력에 만족하는지 판단하는 단계(S120), 버퍼탱크(610)의 압력이 목표압력에 만족하면 제2열교환기(520)에 의한 공기의 온도범위(T2)를 설정하는 단계(S130), 제2열교환기(520)에 의한 공기의 온도범위(T2)가 목표 온도범위를 만족하는지 판단하는 단계(S140), 제1열교환기(320)에 의한 공기의 온도범위(T1)를 설정하는 단계(S150), 제1열교환기(320)에 의한 공기의 온도범위(T1)가 목표 온도범위를 만족하는지 판단하는 단계(S160), 제1열교환기(320)에 의한 공기의 온도범위(T1)가 목표 온도범위를 만족하면 연료전지 스택(30)으로 공급되는 공기의 타겟산소농도를 설정하는 단계(S170), 설정된 타겟산소농도가 대기산소농도보다 높은지 판단하는 단계(S180), 타겟산소농도가 대기산소농도보다 높으면 바이패스 밸브를 개방하고(S190), 타겟산소농도가 대기산소농도보다 낮으면 연료전지 스택(30)으로 공급되는 공기의 산소농도가 타겟산소농도보다 높은지 판단하는 단계(S200), 연료전지 스택(30)으로 공급되는 공기의 산소농도가 타겟산소농도보다 낮으면 휴지 모드인 산소농축기가 존재하는지 확인하는 단계(S210)를 포함할 수 있다.
먼저, 연료전지 스택(30)의 운전압력과 버퍼탱크(610)의 운전압력이 결정되면, 버퍼탱크(610)의 압력이 목표압력에 만족하는지 판단한다.
다음, 버퍼탱크(610)의 압력이 목표압력에 만족하면 제2열교환기(520)에 의한 공기(저온 고압 공기)의 온도범위(T2)를 설정한다.
반면, 버퍼탱크(610)의 압력이 목표압력에 만족하지 않으면(예를 들어, 버퍼탱크의 압력 목표압력보다 낮으면), 공기압축기(410)의 분당회전수(RPM)(공기압축기의 로터의 분당회전수)를 피드백 제어함으로써, 버퍼탱크(610)의 압력을 조절할 수 있다.
다음, 제2열교환기(520)에 의한 공기의 온도범위(T2)가 목표 온도범위를 만족하는지 판단하고, 제2열교환기(520)에 의한 공기의 온도범위(T2)가 목표 온도범위를 만족하는 경우에는 제1열교환기(320)에 의한 공기의 온도범위(T1)를 설정한다.
반면, 제2열교환기(520)에 의한 공기의 온도범위(T2)가 목표 온도범위를 만족하지 않으면(예를 들어, 제2열교환기에 의한 공기의 온도범위가 목표 온도범위보다 낮으면), 해수 펌프(512)의 회전수를 피드백 제어함으로써, 제2열교환기(520)에 의한 공기의 온도범위(T2)를 조절할 수 있다.
다음, 제1열교환기(320)에 의한 공기의 온도범위(T1)가 목표 온도범위를 만족하는지 판단하고, 제1열교환기(320)에 의한 공기의 온도범위(T1)가 목표 온도범위를 만족하면 연료전지 스택(30)으로 공급되는 공기의 타겟산소농도를 설정한다.
반면, 제1열교환기(320)에 의한 공기의 온도범위(T1)가 목표 온도범위를 만족하지 않으면(예를 들어, 제1열교환기에 의한 공기의 온도범위(T1)가 목표 온도범위보다 낮으면), 블로어(210)의 분당회전수(RPM)(블로어의 팬의 분당회전수)를 피드백 제어함으로써, 제1열교환기(320)에 의한 공기의 온도범위(T1)를 조절할 수 있다.
다음, 설정된 타겟산소농도가 대기산소농도보다 높은지 판단하고, 타겟산소농도가 대기산소농도보다 높으면 바이패스 밸브를 개방한다. 바이패스 밸브를 개방하면, 제2공기공급라인(400)을 따라 공급되는 공기는 산소농축모듈(100)을 거치지 않고 바이패스라인(170)을 따라 스택연결라인(600)으로 바이패스될 수 있다.
반면, 타겟산소농도가 대기산소농도보다 낮으면, 연료전지 스택(30)으로 공급되는 공기의 산소농도가 타겟산소농도보다 높은지 판단한다.
연료전지 스택(30)으로 공급되는 공기의 산소농도가 타겟산소농도보다 높으면, 산소농축모듈(100)로의 공기(저온 고압 공기 및 고온 저압 공기)의 공급이 차단될 수 있다.
반면, 연료전지 스택(30)으로 공급되는 공기의 산소농도가 타겟산소농도보다 낮으면, 연료전지 스택(30)으로 공급되는 공기의 산소농도가 타겟산소농도보다 낮으면 휴지 모드인 산소농축기가 존재하는지 확인한다.
연료전지 스택(30)으로 공급되는 공기의 산소농도가 타겟산소농도보다 낮은 조건에서, 휴지 모드를 수행하고 있는 산소농축기가 존재하면, 흡착 모드를 수행하는 산소농축기의 개수를 피드백 제어함으로써, 연료전지 스택(30)으로 공급되는 공기의 산소농도를 조절할 수 있다.
반면, 연료전지 스택(30)으로 공급되는 공기의 산소농도가 타겟산소농도보다 낮은 조건에서, 휴지 모드를 수행하고 있는 산소농축기가 존재하지 않으면, 연료전지 스택(30)으로 공급되는 공기의 타겟산소농도를 조절(예를 들어, 낮춤)할 수 있다.
한편, 도 7 및 도 8은 본 발명에 따른 연료전지 시스템(10)의 변형예를 설명하기 위한 도면이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 연료전지 시스템(10)의 산소농축모듈(100)은, 제1공기공급라인(200) 및 제2공기공급라인(400)에 각각 병렬로 연결되는 복수개의 산소농축기를 포함하되, 복수개의 산소농축기중 일부가 흡착 모드를 수행하는 경우, 복수개의 산소농축기중 다른 일부는, 재생 모드를 수행하거나, 휴지 모드를 수행할 수 있다.
이하에서는, 산소농축모듈(100)이 개별적으로 산소농축공기를 생성하는 제1산소농축기(110), 제2산소농축기(120), 제3산소농축기(130), 제4산소농축기(140), 제5산소농축기(150)를 포함하는 예를 들어 설명하기로 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 타겟산소농도를 만족시키기 위해 5개의 산소농축기 중 2개의 산소농축기가 흡착 모드를 수행하는 중에, 5개의 산소농축기 중 다른 2개의 산소농축기는 재생 모드를 수행할 수 있으며, 5개의 산소농축기 중 나머지 하나의 산소농축기는 휴지 모드를 수행할 수 있다.
또한, 5개의 산소농축기의 흡착 모드, 재생 모드 및 휴지 모드가 수행되는 시간은 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있다. 일 예로, 5개의 산소농축기(제1산소농축기 내지 제5산소농축기)는 흡착 모드 및 재생 모드의 수행 시간이 2분으로 정의될 수 있고, 휴지 모드의 수행 시간은 1분으로 정의될 수 있다.
도 7을 참조하면, 제1산소농축기(110)와 제2산소농축기(120)가 흡착 모드를 수행하는 중에, 제3산소농축기(130)는 휴지 모드를 수행할 수 있고, 제4산소농축기(140) 및 제5산소농축기(150)는 재생 모드를 수행할 수 있다.
그 후, 소정 시간(예를 들어, 3분)이 경과된 후에는, 도 8과 같이, 제2산소농축기(120)와 제3산소농축기(130)가 흡착 모드로 전환될 수 있고, 제4산소농축기(140)는 휴지 모드로 전환될 수 있고, 제5산소농축기(150) 및 제1산소농축기(110)는 재생 모드로 전환될 수 있다.
이와 같은 방식으로, 5개의 산소농축기(제1산소농축기 내지 제5산소농축기)는 흡착 모드, 재생 모드 및 휴지 모드를 번갈아 가며 반복적으로 수행할 수 있다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10 : 연료전지 시스템
20 : 엔진
30 : 연료전지 스택
100 : 산소농축모듈
102 : 흡착제
110 : 제1산소농축기
112 : 제1-1연결라인
114 : 제1밸브
116 : 제2-1연결라인
117 : 제1배기라인
118 : 제3밸브
120 : 제2산소농축기
122 : 제1-2연결라인
124 : 제2밸브
126 : 제2-2연결라인
127 : 제2배기라인
128 : 제4밸브
130 : 제3산소농축기
140 : 제4산소농축기
150 : 제5산소농축기
160 : 배기연결라인
162 : 배기밸브
170 : 바이패스라인
172 : 바이패스밸브
200 : 제1공기공급라인
210 : 블로어
300 : 가열부
310 : 배기가스 안내라인
320 : 제1열교환기
400 : 제2공기공급라인
410 : 공기압축기
500 : 냉각부
510 : 해수 공급라인
512 : 해수 펌프
520 : 제2열교환기
600 : 스택연결라인
610 : 버퍼탱크
620 : 유량조절부

Claims (15)

  1. 연료전지 시스템으로서,
    공기로부터 질소를 분리하여 산소농축공기를 생성하는 산소농축모듈;
    상기 산소농축모듈에 연결되며, 상기 산소농축모듈에 상기 공기를 공급하는 제1공기공급라인;
    상기 제1공기공급라인에 마련되며, 연료전지 스택의 외부에 마련되는 외부 열원으로부터 배출되는 폐열(waste heat)에 의해 상기 제1공기공급라인을 따라 공급되는 상기 공기를 선택적으로 가열하는 가열부;
    상기 산소농축모듈에 연결되며, 상기 제1공기공급라인과 개별적으로 상기 산소농축모듈에 상기 공기를 공급하는 제2공기공급라인;
    상기 제2공기공급라인에 마련되며, 상기 연료전지 스택의 외부에서 인가되는 외부 냉열(cold energy)에 의해 상기 제2공기공급라인을 따라 공급되는 상기 공기를 선택적으로 냉각하는 냉각부; 및
    상기 산소농축모듈과 상기 연료전지 스택을 연결하며, 상기 연료전지 스택에 상기 산소농축공기를 공급하는 스택연결라인;
    을 포함하는 연료전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 외부 열원은 상기 연료전지 스택이 장착되는 피대상체에 마련되는 엔진 또는 배터리 중 적어도 어느 하나를 포함하는 연료전지 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 가열부는,
    상기 엔진으로부터 배출되는 배기가스를 안내하는 배기가스 안내라인; 및
    상기 배기가스와 상기 제1공기공급라인을 따라 공급되는 상기 공기를 상호 열교환시키는 제1열교환기;
    를 포함하는 연료전지 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 외부 냉열은 해수(seawater)의 냉열(cold energy) 또는 상공의 냉열 중 적어도 어느 하나를 포함하는 연료전지 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 냉각부는,
    상기 해수를 공급하는 해수 공급라인; 및
    상기 해수와 상기 제2공기공급라인을 따라 공급되는 상기 공기를 상호 열교환시키는 제2열교환기;
    를 포함하는 연료전지 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 산소농축모듈은,
    상기 제1공기공급라인 및 상기 제2공기공급라인에 각각 병렬로 연결되며, 상기 공기의 온도 및 압력에 기초하여 상기 질소를 선택적으로 흡착 및 탈착하는 흡착제가 수용된 복수개의 산소농축기를 포함하는 연료전지 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 복수개의 산소농축기중 일부가 상기 질소를 상기 흡착제에 흡착하는 흡착 모드를 수행하는 경우,
    상기 복수개의 산소농축기중 다른 일부는, 상기 흡착제에서 상기 질소를 탈착하는 재생 모드를 수행하거나, 상기 공기의 유입이 차단되는 휴지 모드를 수행하는 연료전지 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 산소농축모듈은,
    상기 제1공기공급라인 및 상기 제2공기공급라인과 연결되며, 상기 산소농축공기를 선택적으로 생성하는 제1산소농축기; 및
    상기 제1공기공급라인 및 상기 제2공기공급라인과 연결되며, 상기 제1산소농축기와 개별적으로 상기 산소농축공기를 선택적으로 생성하는 제2산소농축기;
    를 포함하는 연료전지 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1산소농축기 및 상기 제2산소농축기는 상기 산소농축공기를 교번적으로 생성하고,
    상기 스택연결라인은 상기 산소농축공기를 연속적으로 공급하는 연료전지 시스템.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 제1공기공급라인과 상기 제1산소농축기를 연결하며, 상기 스택연결라인이 연결되는 제1-1연결라인;
    상기 제1공기공급라인과 상기 제2산소농축기를 연결하고, 상기 스택연결라인이 연결되는 제1-2연결라인;
    상기 제2공기공급라인과 상기 제1산소농축기를 연결하는 제2-1연결라인;
    상기 제2공기공급라인과 상기 제2산소농축기를 연결하는 제2-2연결라인;
    상기 제2-1연결라인에 연결되는 제1배기라인;
    상기 제2-2연결라인에 연결되는 제2배기라인;
    상기 제1-1연결라인을 선택적으로 개폐 가능하게 마련되며, 상기 스택연결라인이 연결되는 제1밸브;
    상기 제1-2연결라인을 선택적으로 개폐 가능하게 마련되며, 상기 스택연결라인이 연결되는 제2밸브;
    상기 제2-1연결라인을 선택적으로 개폐 가능하게 마련되며, 상기 제1배기라인이 연결되는 제3밸브; 및
    상기 제2-2연결라인을 선택적으로 개폐 가능하게 마련되며, 상기 제2배기라인이 연결되는 제4밸브;
    를 포함하는 연료전지 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1공기공급라인에 연결되며, 상기 제1배기라인 및 상기 제2배기라인이 병렬로 연결되는 배기연결라인; 및
    상기 배기연결라인을 선택적으로 개폐하는 배기밸브;
    를 포함하는 연료전지 시스템.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제2공기공급라인과 상기 스택연결라인을 연결하며, 상기 제2공기공급라인에서 상기 스택연결라인으로 상기 공기를 바이패스시키는 바이패스라인; 및
    상기 바이패스라인을 선택적으로 개폐하는 바이패스밸브;
    를 포함하는 연료전지 시스템.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 스택연결라인에 마련되며, 상기 산소농축공기를 일시적으로 저장하는 버퍼탱크를 포함하는 연료전지 시스템.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 스택연결라인에 마련되며, 상기 산소농축공기의 공급 유량을 조절하는 유량조절부를 포함하는 연료전지 시스템.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 제1공기공급라인을 따라 상기 산소농축모듈에 공급되는 상기 공기는 제1압력 및 제1온도를 갖도록 정의되고,
    상기 제2공기공급라인을 따라 상기 산소농축모듈에 공급되는 상기 공기는 상기 제1압력보다 높은 제2압력 및 상기 제1온도보다 낮은 제2온도를 갖도록 정의되는 연료전지 시스템.
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