WO2017222253A1 - 연료극 가스 또는 연료극 배가스를 이용한 열교환기를 포함하는 연료전지 시스템 - Google Patents

연료극 가스 또는 연료극 배가스를 이용한 열교환기를 포함하는 연료전지 시스템 Download PDF

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손승길
신석재
박세진
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김진형
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주식회사 경동나비엔
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Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell system including a heat exchanger using an anode gas or an anode exhaust gas, and more particularly, an anode gas or an anode exhaust gas for preheating air or fuel supplied to a burner using the anode gas or anode exhaust gas. It relates to a fuel cell system including a heat exchanger using.
  • the fuel cell has a structure that generates electricity by supplying hydrogen gas or a hydrocarbon as a fuel to the cathode and supplying oxygen to the cathode, unlike a conventional secondary battery.
  • the fuel cell is named as a battery, it can be regarded as a power generating device that actually generates electricity.
  • the fuel cell uses a method of causing an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen without burning fuel and converting the energy difference before and after the reaction into electrical energy.
  • a fuel cell is a system that does not generate gases polluting the environment such as NOx and SOx, and has no noise and vibration. It is a clean power generation system with thermal efficiency of 80% or more combined with electricity generation and heat recovery.
  • the solid oxide fuel cell system (SOLID OXIDE FUEL CELL SYSTEM) is a fuel cell stack that produces electricity through a chemical reaction, a fuel processing device for supplying hydrogen / hydrocarbon and oxygen to the stack, produced in the fuel cell stack An inverter device for converting DC power to AC power, an array recovery device for recovering heat generated from the fuel cell stack, and the like.
  • the fuel cell apparatus includes a heat exchange reformer for generating hydrogen from a fuel such as natural gas, a burner for supplying a heat source required for the fuel cell stack and the heat exchange reformer, and preheating fuel or air supplied to the fuel cell stack.
  • the heat exchanger is included, and the heat exchange type reformer, the fuel cell stack, the burner, and the heat exchanger are installed in one hot box that is insulated because it is operated at a high temperature.
  • the burner supplies a heat source for operating the fuel cell, and the amount of heat supplied to the system is changed according to the temperature conditions of the fuel and the air supplied to the burner. Since the difference between the amount of heat supplied by the burner and the amount of heat required by the system is indicated by the system efficiency, the amount of heat emitted from the hot box to the outside has to be recovered as much as possible.
  • the fuel cell system has been configured to install an additional heat exchanger in the hot box so that as much heat can be reused as possible before being discharged to the outside of the hot box.
  • the solid oxide fuel cell system includes a reformer that receives a liquid hydrocarbon-based raw material and generates a hydrogen-rich reformed gas; A heater attached to the reformer outer wall to warm the reformer to an initial ignition temperature; Desulfurizer for receiving the reformed gas discharged from the reformer to remove the sulfur component to produce a fuel gas; A complex heat exchanger for raising a temperature of air and fuel gas discharged from the desulfurizer; A solid oxide fuel cell stack configured to generate electricity by receiving the fuel gas heated in the complex heat exchanger through a cathode gas inlet and receiving the air heated in the complex heat exchanger through a cathode gas inlet; And a catalytic combustor configured to generate a combustion exhaust gas by receiving and supplying the cathode and the exhaust gas discharged from the solid oxide fuel cell stack, wherein the complex heat exchange
  • the high temperature combustion exhaust gas discharged from the catalytic combustor acting as a burner is preheated by heat exchange with fuel gas and air supplied to the fuel cell stack in the complex heat exchanger, thereby improving the efficiency of the fuel cell system.
  • the heat exchanger installed in the conventional fuel cell system is mainly used only for preheating fuel gas or air supplied to the fuel cell stack, and the gas of a high temperature is still outside the hot box. It is being discharged.
  • the present invention was developed to meet the needs of the industry, the fuel or air supplied to the burner using the hot anode gas discharged from the heat exchange reformer in the fuel cell system or the hot anode exhaust gas discharged from the fuel cell stack.
  • the purpose of the present invention is to provide a fuel cell system that improves the operating efficiency of the burner by preheating it.
  • a fuel cell system including a heat exchanger using an anode gas or an anode exhaust gas according to an embodiment of the present invention for achieving the above object a hot box made of a heat insulating material; It is disposed in the hot box, and includes a cathode, an electrolyte and a fuel electrode, a chemical reaction to generate electricity by combining the oxygen supplied to the cathode and the hydrogen supplied to the anode occurs, a high temperature containing unreacted oxygen from the cathode
  • a heat exchange reformer disposed in the hot box and configured to receive a fuel gas to generate a hot anode gas containing hydrogen and discharge the anode gas to the anode of the fuel cell stack;
  • a burner disposed in the hot box and configured to receive fuel gas and air to generate hot combustion exhaust gas and supply the combustion exhaust gas to a heat source in
  • a fuel cell system including a heat exchanger using an anode gas or an anode exhaust gas includes: a hot box made of an insulating material; It is disposed in the hot box, and includes a cathode, an electrolyte and a fuel electrode, a chemical reaction to generate electricity by combining the oxygen supplied to the cathode and the hydrogen supplied to the anode occurs, a high temperature containing unreacted oxygen from the cathode A fuel cell stack in which cathode exhaust gas of exhaust gas is discharged and high temperature anode exhaust gas containing unreacted hydrogen is discharged from the fuel electrode; A heat exchange reformer disposed in the hot box and configured to receive a fuel gas to generate a hot anode gas containing hydrogen and discharge the anode gas to the anode of the fuel cell stack; A burner disposed in the hot box and configured to receive fuel gas and air to generate hot combustion exhaust gas and supply the combustion exhaust gas to a heat source in the fuel cell system; And a burner fuel
  • a fuel cell system including a heat exchanger using an anode gas or an anode exhaust gas includes: a hot box made of an insulating material; It is disposed in the hot box, and includes a cathode, an electrolyte and a fuel electrode, a chemical reaction to generate electricity by combining the oxygen supplied to the cathode and the hydrogen supplied to the anode occurs, a high temperature containing unreacted oxygen from the cathode A fuel cell stack in which cathode exhaust gas of exhaust gas is discharged and high temperature anode exhaust gas containing unreacted hydrogen is discharged from the fuel electrode; A heat exchange reformer disposed in the hot box and configured to receive a fuel gas to generate a hot anode gas containing hydrogen and discharge the anode gas to the anode of the fuel cell stack; A burner disposed in the hot box and configured to receive fuel gas and air to generate hot combustion exhaust gas and supply the combustion exhaust gas to a heat source in the fuel cell system; And a fuel electrode
  • a fuel cell system including a heat exchanger using an anode gas or an anode exhaust gas includes: a hot box made of an insulating material; It is disposed in the hot box, and includes a cathode, an electrolyte and a fuel electrode, a chemical reaction to generate electricity by combining the oxygen supplied to the cathode and the hydrogen supplied to the anode occurs, a high temperature containing unreacted oxygen from the cathode A fuel cell stack in which cathode exhaust gas of exhaust gas is discharged and high temperature anode exhaust gas containing unreacted hydrogen is discharged from the fuel electrode; A heat exchange reformer disposed in the hot box and configured to receive a fuel gas to generate a hot anode gas containing hydrogen and discharge the anode gas to the anode of the fuel cell stack; A burner disposed in the hot box and configured to receive fuel gas and air to generate hot combustion exhaust gas and supply the combustion exhaust gas to a heat source in the fuel cell system; And a burner air
  • a fuel cell system including a heat exchanger using an anode gas or an anode exhaust gas includes: a hot box made of an insulating material; It is disposed in the hot box, and includes a cathode, an electrolyte and a fuel electrode, a chemical reaction to generate electricity by combining the oxygen supplied to the cathode and the hydrogen supplied to the anode occurs, a high temperature containing unreacted oxygen from the cathode A fuel cell stack in which cathode exhaust gas of exhaust gas is discharged and high temperature anode exhaust gas containing unreacted hydrogen is discharged from the fuel electrode; A heat exchange reformer disposed in the hot box and configured to receive a fuel gas to generate a hot anode gas containing hydrogen and discharge the anode gas to the anode of the fuel cell stack; A burner disposed in the hot box and configured to receive fuel gas and air to generate hot combustion exhaust gas and supply the combustion exhaust gas to a heat source in the fuel cell system; And a fuel gas gas
  • a fuel cell system including a heat exchanger using an anode gas or an anode exhaust gas includes: a hot box made of an insulating material; It is disposed in the hot box, and includes a cathode, an electrolyte and a fuel electrode, a chemical reaction to generate electricity by combining the oxygen supplied to the cathode and the hydrogen supplied to the anode occurs, a high temperature containing unreacted oxygen from the cathode A fuel cell stack in which cathode exhaust gas of exhaust gas is discharged and high temperature anode exhaust gas containing unreacted hydrogen is discharged from the fuel electrode; A heat exchange reformer disposed in the hot box and configured to receive a fuel gas to generate a hot anode gas containing hydrogen and discharge the anode gas to the anode of the fuel cell stack; A burner disposed in the hot box and configured to receive fuel gas and air to generate hot combustion exhaust gas and supply the combustion exhaust gas to a heat source in the fuel cell system; And a fuel electrode
  • the fuel cell system including the heat exchanger using the anode gas or the fuel exhaust gas of the present invention configured as described above is a high temperature anode gas or anode exhaust gas generated in the hot box of the fuel cell system and a burner installed inside the hot box.
  • the heat quantity of the air or fuel gas supplied to the burner may be controlled through heat exchange between the high temperature anode gas and the low temperature air or fuel gas, and the temperature of the anode gas may be adjusted to a temperature suitable for the low temperature fuel cell stack. I can regulate it.
  • FIG. 1 is a block diagram of a fuel cell system according to a first-first embodiment including a heat exchanger using an anode gas according to the present invention.
  • FIG. 2 is a block diagram of a fuel cell system according to a second embodiment of the present invention including a heat exchanger using a cathode gas according to the present invention
  • FIG. 3 is a block diagram of a fuel cell system according to an embodiment 2-1 including a heat exchanger using an anode gas according to the present invention
  • FIG. 4 is a configuration diagram of a fuel cell system according to a second embodiment including a heat exchanger using an anode gas according to the present invention.
  • FIG. 5 is a configuration diagram of a fuel cell system according to a third embodiment including a heat exchanger using a fuel gas according to the present invention.
  • FIG. 6 is a block diagram of a fuel cell system according to an embodiment 3-2 including a heat exchanger using an anode gas according to the present invention
  • FIG. 7 is a block diagram of a fuel cell system according to a first-first embodiment including a heat exchanger using anode exhaust gas according to the present invention
  • FIG. 8 is a block diagram of a fuel cell system according to an embodiment 1-2 including a heat exchanger using anode exhaust gas according to the present invention
  • FIG. 9 is a block diagram of a fuel cell system according to a second embodiment including a heat exchanger using an anode exhaust gas according to the present invention.
  • FIG. 10 is a block diagram of a fuel cell system according to a second embodiment including a heat exchanger using an anode exhaust gas according to the present invention.
  • FIG. 11 is a block diagram of a fuel cell system according to a third embodiment of the present invention including a heat exchanger using an anode exhaust gas according to the present invention
  • FIG. 12 is a block diagram of a fuel cell system according to an embodiment 3-2 including a heat exchanger using an anode exhaust gas according to the present invention
  • the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but can be implemented in various forms, and only the embodiments are intended to complete the disclosure of the present invention, and are common in the art to which the present invention pertains. It is provided to fully inform those skilled in the art of the scope of the invention, which is to be defined only by the scope of the claims. For reference, in describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known function or configuration may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.
  • a fuel cell system including a heat exchanger using an anode gas or an anode exhaust gas according to the present invention basically uses a solid oxide fuel cell system (SOFC). Therefore, the following describes in detail various embodiments of the present invention based on the solid oxide fuel cell system. However, the technical idea of the present invention is not limited thereto and may be applicable to various types of high temperature fuel cell systems using burners and heat exchangers.
  • SOFC solid oxide fuel cell system
  • the solid oxide fuel cell system is typically operated at a high temperature of 500 ° C. or higher because the chemical reaction that combines oxygen and hydrogen to generate water is an exothermic reaction. Therefore, in the entire fuel cell system, various devices and piping that operate at high temperature are arranged in a hot box made of a heat insulating material to prevent heat from being discharged to the outside.
  • the hot box means a box in which a fuel cell stack 20, a burner 30, and various heat exchangers are installed in the inside thereof, operated at a high temperature, and insulated from the outside, although not separately indicated. .
  • a fuel cell stack 20 which is a key device for producing electricity, is disposed inside the hot box.
  • the fuel cell stack 20 is configured in such a manner that a unit cell composed of an air electrode 21, an electrolyte 22, and a fuel electrode 23 is stacked in a plurality of layers.
  • the cathode 21 is connected to the stack air supply line 25 for supplying air (oxygen) from the outside of the hot box, through which the air required for the chemical reaction is supplied.
  • air oxygen
  • a separate heat exchanger (not shown) may be installed in the stack air supply line 25 to increase the amount of heat supplied to the air.
  • the electrolyte 22 is composed of a solid oxide having high ion conductivity, such as zirconia-based, and oxygen ions supplied through the cathode 21 move through the electrolyte 22 to react with hydrogen.
  • the fuel electrode 23 is supplied with fuel gas (hydrogen) from the outside of the hot box.
  • the fuel gas may be a general city gas, propane gas or the like, and is configured to reform and supply the fuel gas into highly efficient hydrogen gas in order to increase the reaction efficiency in the stack.
  • a burner 30 that receives fuel gas and air to generate hot combustion exhaust gas and supplies the combustion exhaust gas as a heat source in the fuel cell system is disposed in the hot box.
  • the burner 30 receives fuel gas and fuel required for combustion through two paths, respectively.
  • a burner fuel gas supply line 31 and a burner anode gas supply line 32 are connected to the burner 30 so as to receive fuel gas.
  • the burner fuel gas supply line 31 is supplied with fuel gas at room temperature such as general city gas and propane gas from the outside of the hot box.
  • Anode off gas (AOG) including the unreacted hydrogen gas discharged from the anode 23 of the fuel cell stack 20 is supplied through the anode exhaust gas supply line 31 for burners.
  • the anode exhaust gas is supplied to the burner 30 at a high temperature of 700 ° C. or more immediately after being discharged from the fuel cell stack 20, or after passing through various heat exchange steps, and then generally at a temperature of 70 ° C.
  • the burner 30 is provided with a burner air supply line 33 and a burner cathode exhaust gas supply line 34. Room temperature air is supplied from the outside of the hot box through the burner air supply line 33.
  • COG high temperature cathode exhaust gas
  • the cathode exhaust gas is directly supplied to the burner 30 at a high temperature of about 650 to 700 ° C. immediately after being discharged from the fuel cell stack 20.
  • a fuel gas such as general city gas or propane gas is supplied from the outside of the hot box to generate a reformed gas that is reformed into high-efficiency hydrogen gas, and the anode gas is used as a fuel electrode of the fuel cell stack 20.
  • a heat exchange reformer 40 for supplying to 23 is disposed inside the hot box.
  • the heat exchange type reformer 40 has a fuel gas supply line 41 for heat exchange type reformer for supplying fuel gas from the outside of the hot box, and the anode gas generated through the heat exchanger reformer 40 is It is supplied to the fuel electrode 23 of the fuel cell stack 20.
  • the heat exchange reformer 40 is supplied with a high temperature heat exchange medium through a separate high temperature heat exchange gas supply line 46 to supply a high heat source for reforming, and the high temperature heat exchange medium is the heat exchange reformer 40.
  • After passing through the heat exchanger and the fuel gas supplied through the heat exchange type reformer fuel gas supply line 41 is exchanged to the outside of the hot box through the reformer through-gas discharge line 47. This is also the same in FIGS. 2 to 12 described later.
  • the burners 30 are each supplied with fuel gas or air through two paths. That is, the burner 30 receives the fuel gas containing hydrogen through the fuel gas supply line 31 for the burner and the anode exhaust gas supply line 32 for the burner, and the burner air supply line 33 and the burner The air containing oxygen is supplied through the cathode exhaust gas supply line 34. If the temperature of the fuel gas or air supplied to the burner 30 is high, it is possible to generate combustion calories of a high amount of heat. Therefore, the higher the temperature of the fuel gas or air supplied to the burner 30 is advantageous.
  • the fuel gas supplied through the burner fuel gas supply line 31 is a normal city gas or propane gas at room temperature
  • the air supplied through the burner air supply line 33 is also at room temperature.
  • the anode exhaust gas supplied through the burner anode exhaust gas supply line 32 has a high temperature immediately after being discharged from the anode 23 of the fuel cell stack 20, but passes through a heat exchanger disposed outside the hot box.
  • a heat exchanger disposed outside the hot box.
  • the cathode exhaust gas supplied through the burner cathode exhaust gas supply line 34 is supplied to the burner 30 while maintaining the high temperature which is discharged from the fuel cell stack 20.
  • the amount of heat discharged from the hot box to the outside is determined. It is necessary to recover as much as possible.
  • the present inventors based on the result of analyzing the temperature distribution of the fuel gas or air supplied to the burner 30, the remaining three places, that is, the burner except the cathode exhaust gas supply line 34 for the burner is supplied with high temperature air
  • a heat exchanger 50 is installed on the fuel gas supply line 31 for fuel gas, the anode exhaust gas supply line 32 for burners, and the air supply line 33 for burners to heat-exchange the high temperature anode gas or anode gas. This optimizes the overall thermal efficiency of the fuel cell system.
  • 1 to 6 show an embodiment in which a heat exchanger using the anode gas is installed.
  • the heat exchanger 50 is disposed in the hot box and on a burner air supply line 33 for supplying air to the burner 30 from the outside of the hot box. It is installed in, and is configured to preheat the air at room temperature supplied to the burner 30 through the burner air supply line 33 using the hot anode gas.
  • the high temperature anode gas is a fuel gas supplied through the heat exchange type reformer fuel gas supply line 41 in the heat exchange reformer 40 is generated by heat exchange with the heat exchange medium, and contains a large amount of highly efficient hydrogen gas. do.
  • the anode gas is supplied to the fuel cell stack 20 at a high temperature in order to improve the thermal efficiency of the fuel cell stack 20.
  • the fuel cell system is used to preheat the low-temperature air supplied to the burner 30 by relaying the high temperature anode gas through the heat exchanger 50 before supplying the high temperature anode gas to the fuel cell stack 20. To improve the overall efficiency.
  • This embodiment may be more usefully used when using the low temperature fuel cell stack 20.
  • the high temperature anode gas discharged from the heat exchange reformer 40 cannot be used as it is, but has to be used after decreasing by a predetermined temperature.
  • the heat exchange process of the heat exchange type reformer 40 is controlled to lower the temperature of the discharged anode gas or lower the temperature of the discharged anode gas by using a separate cooling means, and then supply it to the low temperature fuel cell stack 20. Has come.
  • the high-temperature anode gas is discharged as it is from the heat exchange reformer 40, and the amount of heat is supplied to the burner 30.
  • the use of preheating air can further improve the thermal efficiency of the stack.
  • the heat exchange type reformer 40 is connected to the anode gas relay line 42 for supplying a high temperature anode gas to the heat exchanger 50, and the heat exchanger 50 supplies a high temperature anode gas to the heat exchanger.
  • the anode gas circulation line 43 for supplying heat to the anode 23 of the fuel cell stack 50 after heat exchange with the outside air supplied into the anode 50 is connected.
  • Unexplained reference numeral 35 denotes a combustion flue gas discharge line through which flue gas is discharged out of a hot box.
  • FIG. 2 is basically supplied with the high-temperature anode gas discharged from the heat exchange reformer 40 to the heat exchanger 50 installed in the air supply line 33 for the burner and supplied to the burner 30 from the outside of the hot box. It is the same as the embodiment of Figure 1 in that preheating air at room temperature. However, in FIG. 1, only one heat exchanger 50 is installed, whereas in FIG. 2, two first heat exchangers 50a and a second heat exchanger 50b are installed, and the fuel gas first branch line 42a is provided. And the anode gas of the high temperature through the anode gas second branch line 42b, respectively.
  • FIG. 2 shows that there are two heat exchangers 50a and 50b, the present invention is not limited thereto and naturally includes three or more heat exchangers.
  • the heat exchanger 50 is disposed in the hot box, and the fuel gas supply line 31 for the burner which supplies fuel gas to the burner 31 from the outside of the hot box. It is installed on the), and is configured to preheat the fuel gas at room temperature supplied to the burner 30 through the burner fuel gas supply line 31 using the hot anode gas.
  • the high temperature anode gas is a fuel gas supplied through the heat exchange type reformer fuel gas supply line 41 in the heat exchange reformer 40 is generated by heat exchange with the heat exchange medium, and contains a large amount of highly efficient hydrogen gas. do. However, depending on the conditions of the stack may be supplied without reforming reaction.
  • the anode gas is supplied to the fuel cell stack 20 at a high temperature in order to improve the thermal efficiency of the fuel cell stack 20.
  • the fuel cell is used to preheat the low temperature fuel gas supplied to the burner 30 by relaying the high temperature anode gas through the heat exchanger 50 before supplying the high temperature anode gas to the fuel cell stack 20. The overall efficiency of the system is improved.
  • This embodiment may be more usefully used when using the low temperature fuel cell stack 20.
  • the high temperature anode gas discharged from the heat exchange reformer 40 cannot be used as it is, but has to be used after decreasing by a predetermined temperature.
  • the heat exchange process of the heat exchange type reformer 40 is controlled to lower the temperature of the discharged anode gas or lower the temperature of the discharged anode gas by using a separate cooling means, and then supply it to the low temperature fuel cell stack 20. Has come.
  • the high-temperature anode gas is discharged as it is from the heat exchange reformer 40, and the amount of heat is supplied to the burner 30.
  • the thermal efficiency of the stack can be further improved.
  • the heat exchange type reformer 40 is connected to the anode gas relay line 42 for supplying a high temperature anode gas to the heat exchanger 50, and the heat exchanger 50 supplies a high temperature anode gas to the heat exchanger.
  • a fuel cell gas circulation line 43 for supplying heat to the fuel gas supplied into the fuel gas stack 50 and then supplied to the fuel electrode 23 of the fuel cell stack 50 is connected.
  • Unexplained reference numeral 35 denotes a combustion flue gas discharge line through which flue gas is discharged out of a hot box.
  • FIG. 4 basically supplies the high temperature anode gas discharged from the heat exchange reformer 40 to the heat exchanger 50 installed in the fuel gas supply line 31 for the burner, and then to the burner 30 from the outside of the hot box.
  • 3 is the same as the embodiment of FIG. 3 in that it preheats the fuel gas at room temperature.
  • FIG. 3 only one heat exchanger 50 is installed, whereas in FIG. 4, two of the first heat exchanger 50a and the second heat exchanger 50b are installed, and the fuel gas first branch line 42a is provided. And the anode gas of the high temperature through the anode gas second branch line 42b, respectively.
  • the heat exchanger 50 is disposed in the hot box, and the anode exhaust gas supply line for the burner which supplies the anode exhaust gas to the burner 31 from the outside of the hot box ( 32, and is configured to preheat the low temperature anode exhaust gas supplied to the burner 30 through the burner anode exhaust gas supply line 32 using the high temperature anode gas.
  • the anode exhaust gas has a high temperature of 700 ° C. or more immediately after being discharged from the fuel cell stack 20, but is lowered to about 70 ° C. during several heat exchange processes inside or outside the hot box, and the burner 30 is in this state. The fact that it is supplied as is already described above.
  • the high temperature anode gas is a fuel gas supplied through the heat exchange type reformer fuel gas supply line 41 in the heat exchange reformer 40 is generated by heat exchange with the heat exchange medium, and contains a large amount of highly efficient hydrogen gas. do.
  • the anode gas is supplied to the fuel cell stack 20 at a high temperature in order to improve the thermal efficiency of the fuel cell stack 20.
  • the fuel cell is used to preheat the low temperature anode exhaust gas supplied to the burner 30 by relaying the high temperature anode gas through the heat exchanger 50 before supplying the high temperature anode gas to the fuel cell stack 20. The overall efficiency of the system is improved.
  • This embodiment may be more usefully used when using the low temperature fuel cell stack 20.
  • the high temperature anode gas discharged from the heat exchange reformer 40 cannot be used as it is, but has to be used after decreasing by a predetermined temperature.
  • the heat exchange process of the heat exchange type reformer 40 is controlled to lower the temperature of the discharged anode gas or lower the temperature of the discharged anode gas by using a separate cooling means, and then supply it to the low temperature fuel cell stack 20. Has come.
  • the high-temperature anode gas is discharged as it is from the heat exchange reformer 40, and the amount of heat is supplied to the burner 30.
  • the thermal efficiency of the stack can be further improved.
  • the heat exchange type reformer 40 is connected to the anode gas relay line 42 for supplying a high temperature anode gas to the heat exchanger 50, and the heat exchanger 50 supplies a high temperature anode gas to the heat exchanger.
  • the anode gas circulation line 43 for supplying heat to the anode exhaust gas supplied into the anode 50 and then supplying the anode 23 of the fuel cell stack 50 is connected.
  • Unexplained reference numeral 35 denotes a combustion flue gas discharge line through which flue gas is discharged out of a hot box.
  • FIG. 6 basically supplies the high temperature anode gas discharged from the heat exchange reformer 40 to the heat exchanger 50 installed in the anode exhaust gas supply line 32 for burners, and supplies the burner 30 from the outside of the hot box to the burner 30.
  • 5 is the same as the embodiment of FIG. 5 in that preheating the low-temperature anode gas is performed.
  • FIG. 5 only one heat exchanger 50 is installed, whereas in FIG. 6, two of the first heat exchanger 50a and the second heat exchanger 50b are installed, and the fuel gas first branch line 42a is provided. And the anode gas of the high temperature through the anode gas second branch line 42b, respectively.
  • Heat exchange occurs between the hot anode gas and the cold anode flue gas in the heat exchanger, but due to the relatively fast fluid passage rate, sufficient heat exchange may not occur.
  • This embodiment solves this problem through two heat exchanges. Although it is shown in Figure 6 that there are two heat exchangers (50a, 50b), the present invention is not limited to this, it will naturally include three or more heat exchangers installed form.
  • the heat exchanger 50 is disposed in the hot box and on a burner air supply line 33 for supplying air to the burner 30 from the outside of the hot box. It is installed in, and is configured to preheat the air at room temperature supplied to the burner 30 through the burner air supply line 33 using the hot anode gas.
  • the high temperature anode exhaust gas is discharged from the anode 23 with unreacted hydrogen gas after a chemical reaction in which hydrogen and oxygen combine to generate water in the fuel cell stack 20. Since the fuel cell stack 20 is typically operated at a high temperature of 700 ° C. or higher because the chemical reaction occurring in the fuel cell stack 20 is an exothermic reaction, the fuel cell exhaust gas discharged from the anode 23 also has a high temperature of 700 ° C. or higher. It becomes a state.
  • the anode exhaust gas contains not only hot heat but also unreacted hydrogen gas, it is configured to recycle this heat and unreacted hydrogen gas in the fuel cell system.
  • a plurality of heat exchange processes are performed inside or outside the hot box.
  • a typical one is a heat exchange process with hot water occurring in a heat storage tank (not shown) installed outside the hot box. This hot water is used as hot water for heating and bathing in the home.
  • the anode exhaust gas discharged to the outside of the hot box in order to use the unreacted hydrogen gas included in the anode exhaust gas is re-supplied to the burner 30 through the anode anode gas supply line 32 for burners and combusted.
  • Fuel cell systems are very useful in that they generate electricity and heat simultaneously.
  • the electricity produced is consumed in the home, and when surplus power is left, it can be transmitted to the outside through the electricity system, thereby reducing the electricity bill.
  • the produced heat may be temporarily stored in a heat storage medium such as a heat storage tank (hot water tank), but if it is not used within a certain time, the heat is released and cannot be used. That is, since excess heat has a lower utility value than surplus power, it is important in energy efficiency to strictly predict the amount of electricity and heat used in the home to prevent excess heat from being produced.
  • the efficiency of the fuel cell stack 20 may be improved by efficiently using the heat amount inside the hot box 20. It is more desirable to be able to contribute to electricity production by improving.
  • the present inventors preheat the low-temperature air supplied to the burner 30 before the hot anode exhaust gas is discharged to the outside of the hot box, thereby improving thermal efficiency inside the hot box contributing to electricity production. will be.
  • the fuel cell stack 20 is connected to the anode flue gas relay line 45 for supplying the anode flue gas to the heat exchanger 50, and the heat exchanger 50 is connected to the fuel flue gas into the heat exchanger 50.
  • a burner anode exhaust gas supply line 32 for supplying heat to the burner 30 and then to the burner 30 is connected.
  • Unexplained reference numeral 35 denotes a combustion flue gas discharge line through which flue gas is discharged out of a hot box.
  • FIG. 8 is basically supplied with a high temperature anode exhaust gas discharged from the fuel cell stack 20 to the heat exchanger 50 installed in the air supply line 33 for the burner and supplied to the burner 30 from the outside of the hot box. It is the same as the embodiment of FIG. 7 in that air at room temperature is preheated. However, in FIG. 7, only one heat exchanger 50 is installed, whereas in FIG. 8, two of the first heat exchanger 50a and the second heat exchanger 50b are installed, and the anode flue gas first branch line 45a is provided. ) And the anode exhaust gas second branch line 45b are different in that they are configured to supply high temperature anode exhaust gas, respectively.
  • the high temperature anode exhaust gas exchanges heat between the outside air at room temperature, sufficient heat exchange may not occur due to the relatively fast flow rate of the fluid.
  • This embodiment solves this problem through two heat exchanges. Although it is shown that there are two heat exchangers 50a and 50b in FIG. 8, the present invention is not limited thereto, and it will naturally include three or more heat exchangers.
  • the heat exchanger 50 is disposed in the hot box and supplies a fuel gas supply line 31 for a burner to supply fuel gas to the burner 30 from the outside of the hot box. It is installed on the), and is configured to preheat the fuel gas at room temperature supplied to the burner 30 through the fuel gas supply line 31 for burners using the hot anode gas.
  • the fuel cell stack 20 is connected to the anode flue gas relay line 45 for supplying the anode flue gas to the heat exchanger 50, and the heat exchanger 50 is connected to the fuel flue gas into the heat exchanger 50.
  • a burner anode gas supply line 32 for supplying heat to the burner 30 after the heat exchange with the supplied fuel gas is installed.
  • Unexplained reference numeral 35 denotes a combustion flue gas discharge line through which flue gas is discharged out of a hot box.
  • FIG. 10 is basically supplied to the burner 30 from the outside of the hot box by supplying the high temperature anode exhaust gas discharged from the fuel cell stack 20 to the heat exchanger 50 installed in the burner air supply line 33. It is similar to the embodiment of FIG. 9 in that the fuel gas at room temperature is preheated. In FIG. 9, only one heat exchanger 50 is installed, whereas in FIG. 10, two first heat exchangers 50a and a second heat exchanger 50b are installed, and the first flue gas 45a of the anode exhaust gas is installed. ) And the anode exhaust gas second branch line 45b are different in that they are configured to supply high temperature anode exhaust gas, respectively.
  • the hot anode flue gas exchanges heat between the fuel gases at room temperature, but due to the relatively fast flow rate of the fluid, sufficient heat exchange may not occur.
  • This embodiment solves this problem through two heat exchanges. Although it is shown that there are two heat exchangers 50a and 50b in FIG. 10, the present invention is not limited thereto and naturally includes three or more heat exchangers.
  • the heat exchanger 50 is disposed in the hot box, and the anode exhaust gas supply line for the burner that supplies the anode exhaust gas to the burner 30 from the outside of the hot box ( 32, and is configured to preheat the low temperature anode exhaust gas supplied to the burner 30 through the burner anode exhaust gas supply line 31 using the high temperature anode exhaust gas.
  • the anode exhaust gas discharged from the fuel cell stack 20 maintains a high temperature inside the hot box, but after being discharged to the outside of the hot box, the heat storage tank (not shown) or a condenser (not shown) for removing water.
  • the temperature is about 70 ° C.
  • the fuel cell stack 20 is discharged from the fuel cell stack 20, but is discharged to the outside of the hot box by using the high temperature anode exhaust gas before discharged to the outside of the hot box, and then supplied to the inside of the hot box.
  • the exhaust gas By allowing the exhaust gas to be preheated, the thermal efficiency inside the hot box is further improved.
  • the fuel cell stack 20 is connected to the anode flue gas relay line 45 for supplying the anode flue gas to the heat exchanger 50, and the heat exchanger 50 is connected to the fuel flue gas into the heat exchanger 50.
  • a burner anode gas supply line 32 for supplying heat to the burner 30 after the heat exchange with the supplied fuel gas is installed.
  • Unexplained reference numeral 35 denotes a combustion flue gas discharge line through which flue gas is discharged out of a hot box.
  • FIG. 12 basically supplies the high temperature anode exhaust gas discharged from the fuel cell stack 20 to the heat exchanger 50 installed in the anode exhaust gas supply line 32 for burners, and supplies the burner 30 from the outside of the hot box to the burner 30. It is the same as the embodiment of FIG. 11 in that preheating the low temperature anode exhaust gas is performed. In FIG. 11, only one heat exchanger 50 is installed, whereas in FIG. 12, two first heat exchangers 50a and a second heat exchanger 50b are installed, and the first flue gas 45a of the anode exhaust gas is installed. ) And the anode exhaust gas second branch line 45b are different in that they are configured to supply high temperature anode exhaust gas, respectively.
  • the supply flow rate of the burner air supply line 33 is the largest, the supply flow rate of the anode exhaust gas relay line 45 and the burner anode exhaust gas supply line 32 is next, the fuel gas supply line for the burner (
  • the supply flow rate of 31 is relatively small.
  • the difference between the supply flow rate of the burner air supply line 33 and the supply flow rate of the anode exhaust gas relay line 45 is that the supply flow rate of the anode exhaust gas relay line 45 and the supply flow rate of the burner fuel gas supply line 31. Much greater than the difference.
  • the heat exchange occurs sufficiently between the anode flue gas and the fuel gas having a small difference in supply flow rate, so that the temperature of the finally passed heat exchanger gas is lowered. As a result, the heat exchange efficiency in the subsequent heat storage tank is relatively reduced. On the other hand, heat exchange does not occur sufficiently between the anode flue gas and the outside air having a large difference in supply flow rate, so that the temperature of the finally discharged heat exchanger gas is increased. As a result, the heat exchange efficiency in the subsequent heat storage tank is relatively increased. Since the fuel cell system can generate electricity and heat at the same time, whether to preheat air or fuel gas (or anode gas) in various embodiments of the present invention in consideration of heat recovery efficiency in the heat storage tank. You can choose.

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Abstract

본 발명은 연료전지 시스템 내의 열교환형 개질기에서 배출되는 고온의 연료극 가스 또는 연료전지 스택에서 배출되는 고온의 연료극 배가스를 이용하여 버너로 공급되는 연료 또는 공기를 예열함으로써 버너의 작동 효율을 향상시켜주는 연료전지 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다. 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 연료극 가스 또는 연료극 배가스를 이용한 열교환기를 포함하는 연료전지 시스템은, 단열 재료로 된 핫 박스; 상기 핫 박스 내에 배치되며, 공기극, 전해질 및 연료극을 포함하고, 상기 공기극으로 공급된 산소와 상기 연료극으로 공급된 수소가 결합하여 전기를 만드는 화학반응이 일어나며, 상기 공기극으로부터 미반응 산소가 포함된 고온의 공기극 배가스가 배출되고, 상기 연료극으로부터 미반응 수소가 포함된 고온의 연료극 배가스가 배출되는 연료전지 스택; 상기 핫 박스 내에 배치되며, 연료가스를 공급받아 수소가 포함된 고온의 연료극 가스를 생성하고 이 연료극 가스를 상기 연료전지 스택의 연료극으로 배출하는 열교환형 개질기; 상기 핫 박스 내에 배치되며, 연료가스 및 공기를 공급받아 고온의 연소 배가스를 생성하고 이 연소 배가스를 연료전지 시스템 내에 열원으로 공급하는 버너; 및 상기 핫 박스 내에 배치되며, 상기 핫 박스 외부로부터 상기 버너로 공기를 공급하는 버너용 공기 공급라인 상에 설치되고, 상기 열교환형 개질기로부터 배출된 고온의 연료극 가스를 이용하여 상기 버너용 공기 공급라인을 통해 상기 버너로 공급되는 공기를 예열시키는 열교환기;를 포함한다.

Description

연료극 가스 또는 연료극 배가스를 이용한 열교환기를 포함하는 연료전지 시스템
본 발명은 연료극 가스 또는 연료극 배가스 이용한 열교환기를 포함하는 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료극 가스 또는 연료극 배가스를 이용하여 버너로 공급되는 공기 또는 연료를 예열할 수 있도록 해주는 연료극 가스 또는 연료극 배가스를 이용한 열교환기를 포함하는 연료전지 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 인류가 사용하고 있는 에너지 중 대부분은 화석연료로부터 얻고 있다. 그러나 이러한 화석연료의 사용은 대기오염 및 산성비, 지구 온난화 등의 환경에 심각한 악영향을 미치고 있으며, 에너지 효율 또한 낮은 문제점이 있었다.
이러한 화석연료의 사용에 따른 문제점을 해결하기 위하여 최근에 연료전지스템이 개발되고 있다. 연료전지는 통상의 2차 전지와는 다르게 음극에 연료인 수소가스나 탄화수소를 공급하고, 양극에는 산소를 공급하여 전기를 발생시키는 구조를 갖는다. 즉, 연료전지는 명칭은 전지이지만 실제로는 전기를 발생시키는 발전장치로 볼 수 있다. 기본적으로 연료전지는 연료를 연소시키지 않고 수소와 산소를 전기 화학적 반응을 일으키고, 그 반응 전후의 에너지 차이를 전기에너지로 변환하는 방법을 사용한다.
연료전지는 NOx와 SOx등 환경을 오염시키는 가스가 발생되지 않으며 소음과 진동이 없는 시스템으로서 열효율이 전기발전량과 열회수량을 합하여 80% 이상인 크린 발전 시스템이라 할 수 있다.
통상적으로 고체산화물 연료전지 시스템(SOLID OXIDE FUEL CELL SYSTEM)은 화학반응을 통하여 전기를 생산하는 연료전지 스택(Stack), 스택에 수소/탄화수소 및 산소를 공급하는 연료처리 장치, 연료전지 스택에서 생산된 DC 전력을 AC 전력으로 전환하는 인버터 장치, 연료전지 스택에서 발생하는 열을 회수하는 배열회수 장치 등을 포함한다.
상기 연료전지 장치는 천연가스와 같은 연료에서 수소를 발생시키는 열교환형 개질기(Reformer), 상기 연료전지 스택 및 열교환형 개질기에 필요한 열원을 공급하는 버너, 상기 연료전지 스택으로 공급되는 연료 또는 공기를 예열하는 열교환기 등이 포함되며, 상기 열교환형 개질기, 연료전지 스택, 버너 및 열교환기는 고온에서 작동되기 때문에 단열이 되는 하나의 핫 박스(Hot box) 내에 설치된다.
상기 버너는 연료전지를 운전하기 위한 열원을 공급하는데, 버너로 공급되는 연료 및 공기의 온도 조건에 따라 시스템에 공급하는 열량이 변하게 된다. 버너가 공급하는 열량과 시스템이 필요로 하는 열량의 차이가 시스템 효율로 나타나게 되므로, 핫 박스에서 외부로 배출되는 열량을 가능한 많이 회수하여야 했다. 이를 위해 핫 박스 내에 열교환기를 추가로 설치하여 핫 박스의 외부로 배출되기 전에 최대한 많은 열을 재사용할 수 있도록 연료전지 시스템을 구성하여 왔다.
그 대표적인 예가 대한민국 공개특허 제2010-0083027호(발명의 명칭: 고체산화물 연료전지 시스템)(특허문헌 1)에 개시되어 있다. 이 고체산화물 연료전지 시스템은, 액상의 탄화수소계 원료를 공급받아 수소-리치(rich)한 개질 가스를 생성하는 개질기; 개질기 외벽에 부착되어 개질기를 초기 발화온도까지 승온시키는 가열기; 상기 개질기에서 배출된 개질 가스를 공급받아 황 성분을 제거하여 연료가스를 생성하는 탈황기; 공기 및 상기 탈황기에서 배출된 연료가스의 온도를 상승시키는 복합열교환기; 상기 복합열교환기에서 승온된 연료가스를 연료극가스 유입구로 공급받고, 상기 복합열교환기에서 승온된 공기를 공기극 가스 유입구로 공급받아 전기를 생성하는 고체산화물 연료전지 스택; 및 상기 고체산화물 연료전지 스택에서 배출된 공기극 및 연료극의 배출가스를 공급받아 연소시켜 연소 배가스를 생성하는 촉매연소기를 포함하여 구성되며, 상기 복합열교환기는 상기 연소 배가스와 상기 연료가스 및 공기의 열교환이 이루어지며, 상기 고체산화물 연료전지 스택, 개질기, 가열기, 탈황기, 촉매연소기 및 복합 열교환기는 하나의 핫 박스 내에 구비되어 있다.
즉, 버너 역할을 하는 상기 촉매연소기로부터 배출되는 고온의 연소 배가스가 복합열교환기 내에서 연료전지 스택으로 공급되는 연료가스와 공기와 열교환을 통해 이를 예열시키도록 하여 연료전지 시스템의 효율을 향상시켜준다.
그러나, 이 특허문헌 1에서와 같이 종래의 연료전지 시스템에 설치된 열교환기는 주로 연료전지 스택으로 공급되는 연료가스 또는 공기를 예열시키는 것에만 한정적으로 사용되고 있고, 여전히 높은 온도의 가스가 핫 박스 외부로 그대로 배출되고 있는 실정이다.
이러한 문제점을 해결하기 위해서는, 핫 박스 내의 열원을 최대한 재활용하기 위해 열교환기를 최적의 위치에 설치한 새로운 배치 형태를 가진 연료전지 시스템의 개발이 필요하다.
본 발명은 이러한 업계의 필요성을 충족시키기 위하여 개발된 것으로서, 연료전지 시스템 내의 열교환형 개질기에서 배출되는 고온의 연료극 가스 또는 연료전지 스택에서 배출되는 고온의 연료극 배가스를 이용하여 버너로 공급되는 연료 또는 공기를 예열함으로써 버너의 작동 효율을 향상시켜주는 연료전지 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 연료극 가스 또는 연료극 배가스를 이용한 열교환기를 포함하는 연료전지 시스템은, 단열 재료로 된 핫 박스; 상기 핫 박스 내에 배치되며, 공기극, 전해질 및 연료극을 포함하고, 상기 공기극으로 공급된 산소와 상기 연료극으로 공급된 수소가 결합하여 전기를 만드는 화학반응이 일어나며, 상기 공기극으로부터 미반응 산소가 포함된 고온의 공기극 배가스가 배출되고, 상기 연료극으로부터 미반응 수소가 포함된 고온의 연료극 배가스가 배출되는 연료전지 스택; 상기 핫 박스 내에 배치되며, 연료가스를 공급받아 수소가 포함된 고온의 연료극 가스를 생성하고 이 연료극 가스를 상기 연료전지 스택의 연료극으로 배출하는 열교환형 개질기; 상기 핫 박스 내에 배치되며, 연료가스 및 공기를 공급받아 고온의 연소 배가스를 생성하고 이 연소 배가스를 연료전지 시스템 내에 열원으로 공급하는 버너; 및 상기 핫 박스 내에 배치되며, 상기 핫 박스 외부로부터 상기 버너로 공기를 공급하는 버너용 공기 공급라인 상에 설치되고, 상기 열교환형 개질기로부터 배출된 고온의 연료극 가스를 이용하여 상기 버너용 공기 공급라인을 통해 상기 버너로 공급되는 공기를 예열시키는 열교환기;를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 연료극 가스 또는 연료극 배가스를 이용한 열교환기를 포함하는 연료전지 시스템은, 단열 재료로 된 핫 박스; 상기 핫 박스 내에 배치되며, 공기극, 전해질 및 연료극을 포함하고, 상기 공기극으로 공급된 산소와 상기 연료극으로 공급된 수소가 결합하여 전기를 만드는 화학반응이 일어나며, 상기 공기극으로부터 미반응 산소가 포함된 고온의 공기극 배가스가 배출되고, 상기 연료극으로부터 미반응 수소가 포함된 고온의 연료극 배가스가 배출되는 연료전지 스택; 상기 핫 박스 내에 배치되며, 연료가스를 공급받아 수소가 포함된 고온의 연료극 가스를 생성하고 이 연료극 가스를 상기 연료전지 스택의 연료극으로 배출하는 열교환형 개질기; 상기 핫 박스 내에 배치되며, 연료가스 및 공기를 공급받아 고온의 연소 배가스를 생성하고 이 연소 배가스를 연료전지 시스템 내에 열원으로 공급하는 버너; 및 상기 핫 박스 내에 배치되며, 상기 핫 박스 외부로부터 상기 버너로 연료가스를 공급하는 버너용 연료가스 공급라인 상에 설치되고, 상기 열교환형 개질기로부터 배출된 고온의 연료극 가스를 이용하여 상기 버너용 연료가스 공급라인을 통해 상기 버너로 공급되는 연료가스를 예열시키는 열교환기;를 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료극 가스 또는 연료극 배가스를 이용한 열교환기를 포함하는 연료전지 시스템은, 단열 재료로 된 핫 박스; 상기 핫 박스 내에 배치되며, 공기극, 전해질 및 연료극을 포함하고, 상기 공기극으로 공급된 산소와 상기 연료극으로 공급된 수소가 결합하여 전기를 만드는 화학반응이 일어나며, 상기 공기극으로부터 미반응 산소가 포함된 고온의 공기극 배가스가 배출되고, 상기 연료극으로부터 미반응 수소가 포함된 고온의 연료극 배가스가 배출되는 연료전지 스택; 상기 핫 박스 내에 배치되며, 연료가스를 공급받아 수소가 포함된 고온의 연료극 가스를 생성하고 이 연료극 가스를 상기 연료전지 스택의 연료극으로 배출하는 열교환형 개질기; 상기 핫 박스 내에 배치되며, 연료가스 및 공기를 공급받아 고온의 연소 배가스를 생성하고 이 연소 배가스를 연료전지 시스템 내에 열원으로 공급하는 버너; 및 상기 핫 박스 내에 배치되며, 상기 핫 박스 외부로부터 상기 버너로 연료극 배가스를 공급하는 버너용 연료극 배가스 공급라인 상에 설치되고, 상기 열교환형 개질기로부터 배출된 고온의 연료극 가스를 이용하여 상기 버너용 연료극 배가스 공급라인을 통해 상기 버너로 공급되는 연료극 배가스를 예열시키는 열교환기;를 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료극 가스 또는 연료극 배가스를 이용한 열교환기를 포함하는 연료전지 시스템은, 단열 재료로 된 핫 박스; 상기 핫 박스 내에 배치되며, 공기극, 전해질 및 연료극을 포함하고, 상기 공기극으로 공급된 산소와 상기 연료극으로 공급된 수소가 결합하여 전기를 만드는 화학반응이 일어나며, 상기 공기극으로부터 미반응 산소가 포함된 고온의 공기극 배가스가 배출되고, 상기 연료극으로부터 미반응 수소가 포함된 고온의 연료극 배가스가 배출되는 연료전지 스택; 상기 핫 박스 내에 배치되며, 연료가스를 공급받아 수소가 포함된 고온의 연료극 가스를 생성하고 이 연료극 가스를 상기 연료전지 스택의 연료극으로 배출하는 열교환형 개질기; 상기 핫 박스 내에 배치되며, 연료가스 및 공기를 공급받아 고온의 연소 배가스를 생성하고 이 연소 배가스를 연료전지 시스템 내에 열원으로 공급하는 버너; 및 상기 핫 박스 내에 배치되며, 상기 핫 박스 외부로부터 상기 버너로 공기를 공급하는 버너용 공기 공급라인 상에 설치되고, 상기 연료전지 스택에서 배출된 고온의 연료극 배가스를 이용하여 상기 버너용 공기 공급라인을 통해 상기 버너로 공급되는 공기를 예열시키는 열교환기;를 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료극 가스 또는 연료극 배가스를 이용한 열교환기를 포함하는 연료전지 시스템은, 단열 재료로 된 핫 박스; 상기 핫 박스 내에 배치되며, 공기극, 전해질 및 연료극을 포함하고, 상기 공기극으로 공급된 산소와 상기 연료극으로 공급된 수소가 결합하여 전기를 만드는 화학반응이 일어나며, 상기 공기극으로부터 미반응 산소가 포함된 고온의 공기극 배가스가 배출되고, 상기 연료극으로부터 미반응 수소가 포함된 고온의 연료극 배가스가 배출되는 연료전지 스택; 상기 핫 박스 내에 배치되며, 연료가스를 공급받아 수소가 포함된 고온의 연료극 가스를 생성하고 이 연료극 가스를 상기 연료전지 스택의 연료극으로 배출하는 열교환형 개질기; 상기 핫 박스 내에 배치되며, 연료가스 및 공기를 공급받아 고온의 연소 배가스를 생성하고 이 연소 배가스를 연료전지 시스템 내에 열원으로 공급하는 버너; 및 상기 핫 박스 내에 배치되며, 상기 핫 박스 외부로부터 상기 버너로 공기를 공급하는 버너용 연료가스 공급라인 상에 설치되고, 상기 연료전지 스택에서 배출된 고온의 연료극 배가스를 이용하여 상기 버너용 연료가스 공급라인을 통해 상기 버너로 공급되는 연료가스를 예열시키는 열교환기;를 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료극 가스 또는 연료극 배가스를 이용한 열교환기를 포함하는 연료전지 시스템은, 단열 재료로 된 핫 박스; 상기 핫 박스 내에 배치되며, 공기극, 전해질 및 연료극을 포함하고, 상기 공기극으로 공급된 산소와 상기 연료극으로 공급된 수소가 결합하여 전기를 만드는 화학반응이 일어나며, 상기 공기극으로부터 미반응 산소가 포함된 고온의 공기극 배가스가 배출되고, 상기 연료극으로부터 미반응 수소가 포함된 고온의 연료극 배가스가 배출되는 연료전지 스택; 상기 핫 박스 내에 배치되며, 연료가스를 공급받아 수소가 포함된 고온의 연료극 가스를 생성하고 이 연료극 가스를 상기 연료전지 스택의 연료극으로 배출하는 열교환형 개질기; 상기 핫 박스 내에 배치되며, 연료가스 및 공기를 공급받아 고온의 연소 배가스를 생성하고 이 연소 배가스를 연료전지 시스템 내에 열원으로 공급하는 버너; 및 상기 핫 박스 내에 배치되며, 상기 핫 박스 외부로부터 상기 버너로 연료극 배가스를 공급하는 버너용 연료극 배가스 공급라인 상에 설치되고, 상기 연료전지 스택으로부터 배출된 고온의 연료극 배가스를 이용하여 상기 버너용 연료극 배가스 공급라인을 통해 상기 버너로 공급되는 연료극 배가스를 예열시키는 열교환기;를 포함한다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 연료극 가스 또는 연료 배가스를 이용한 열교환기를 포함하는 연료전지 시스템은, 연료전지 시스템의 핫 박스 내에서 생성되는 고온의 연료극 가스 또는 연료극 배가스와 핫 박스 외부에서 내부에 설치된 버너로 공급되는 공기 또는 연료가스와의 열교환을 통해 상기 버너로 공급되는 공기 또는 연료가스의 열량을 증가시킴으로써, 연료전지 시스템 전체의 열 효율을 향상시켜준다.
또한, 고온의 연료극 가스와 저온의 공기 또는 연료가스의 열교환을 통해 상기 버너로 공급되는 공기 또는 연료가스의 열량을 제어할 수 있을 뿐만 아니라, 저온형 연료전지 스택에 적합한 온도로 연료극 가스의 온도를 조절할 수 있다.
또한, 상기 버너로 공급되는 공기의 열량을 증가시킴으로써 이와 함께 연소되는 연료가스의 공급량을 감소시킬 수 있어 운전 비용을 절감할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따라 연료극 가스를 이용한 열교환기를 포함하는 제1-1 실시예를 나타낸 연료전지 시스템의 구성도.
도 2는 본 발명에 따라 연료극 가스를 이용한 열교환기를 포함하는 제1-2 실시예를 나타낸 연료전지 시스템의 구성도.
도 3은 본 발명에 따라 연료극 가스를 이용한 열교환기를 포함하는 제2-1 실시예를 나타낸 연료전지 시스템의 구성도.
도 4는 본 발명에 따라 연료극 가스를 이용한 열교환기를 포함하는 제2-2 실시예를 나타낸 연료전지 시스템의 구성도.
도 5은 본 발명에 따라 연료극 가스를 이용한 열교환기를 포함하는 제3-1 실시예를 나타낸 연료전지 시스템의 구성도.
도 6은 본 발명에 따라 연료극 가스를 이용한 열교환기를 포함하는 제3-2 실시예를 나타낸 연료전지 시스템의 구성도.
도 7은 본 발명에 따라 연료극 배가스를 이용한 열교환기를 포함하는 제1-1 실시예를 나타낸 연료전지 시스템의 구성도.
도 8은 본 발명에 따라 연료극 배가스를 이용한 열교환기를 포함하는 제1-2 실시예를 나타낸 연료전지 시스템의 구성도.
도 9는 본 발명에 따라 연료극 배가스를 이용한 열교환기를 포함하는 제2-1 실시예를 나타낸 연료전지 시스템의 구성도.
도 10은 본 발명에 따라 연료극 배가스를 이용한 열교환기를 포함하는 제2-2 실시예를 나타낸 연료전지 시스템의 구성도.
도 11은 본 발명에 따라 연료극 배가스를 이용한 열교환기를 포함하는 제3-1 실시예를 나타낸 연료전지 시스템의 구성도.
도 12는 본 발명에 따라 연료극 배가스를 이용한 열교환기를 포함하는 제3-2 실시예를 나타낸 연료전지 시스템의 구성도.
이하에서 첨부된 도면을 참조로 본 발명에 따른 온도 조절용 열교환 수단을 포함하는 연료전지를 보다 상세히 설명한다.
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 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 참고로, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 발명에 따른 연료극 가스 또는 연료극 배가스를 이용한 열교환기를 포함하는 연료전지 시스템은 기본적으로 고체산화물 연료전지 시스템(SOFC)을 사용한다. 따라서, 이하에서는 고체산화물 연료전지 시스템을 기반으로 본 발명에 따른 여러 가지 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명의 기술사상은 이에 한정되지 아니하며, 버너와 열교환기를 사용하는 다양한 종류의 고온 연료전지 시스템에 적용 가능하다 할 것이다.
고체산화물 연료전지 시스템은 산소와 수소가 결합하여 물을 생성하는 화학 반응이 발열 반응인 관계로 통상적으로 500℃ 이상의 고온에서 운전된다. 따라서 전체 연료전지 시스템에 있어서 고온 상태에서 작동하는 여러 가지 장치 및 배관을 단열 재료로 된 핫 박스 내에 배치하여 외부로 열이 배출되는 것을 차단한다.
본 발명의 구체적인 설명에 앞서 도 1을 참조로 상기 핫 박스 내부에 설치되는 장치 및 배관을 간단히 설명하면 다음과 같다. 여기서 핫 박스라 함은 별도로 표시하지는 않았지만, 그 내부에 연료전지 스택(20), 버너(30) 및 각종 열교환 장치 등이 장착되고, 고온 상태에서 작동되며, 외부와는 단열 처리된 박스를 의미한다.
먼저, 전기를 생산하는 핵심 장치인 연료전지 스택(20)이 상기 핫 박스 내부에 배치된다. 이 연료전지 스택(20)은 공기극(21), 전해질(22) 및 연료극(23)으로 구성된 단위 셀이 여러 층으로 적층된 형태로 구성된다.
상기 공기극(21)은 핫 박스의 외부로부터 공기(산소)를 공급하는 스택용 공기 공급라인(25)이 연결되고, 이를 통해 화학 반응에 필요한 공기가 공급된다. 반응 효율을 높이기 위하여 상기 스택용 공기 공급라인(25)에 별도의 열교환기(미도시)가 설치되어 공급되는 공기의 열량을 증가시켜주도록 구성될 수 있다. 상기 전해질(22)은 지르코니아 계열과 같이 높은 이온전도도를 갖는 고체 산화물로 구성되고 상기 공기극(21)을 통해 공급된 산소 이온이 전해질(22)을 통해 이동하여 수소와 반응하게 된다. 상기 연료극(23)은 핫 박스의 외부로부터 연료가스(수소)가 공급된다. 이 연료가스는 일반 도시가스, 프로판 가스 등을 사용할 수 있는데, 스택 내에서의 반응 효율을 높이기 위하여 상기 연료가스를 고효율의 수소가스로 개질하여 공급하도록 구성된다.
한편, 연료가스 및 공기를 공급받아 고온의 연소 배가스를 생성하고 이 연소 배가스를 연료전지 시스템 내에 열원으로 공급하는 버너(30)가 상기 핫 박스 내에 배치된다. 이 버너(30)는 연소에 필요한 연료가스와 연료를 각각 2가지 경로를 통해 공급받는다.
먼저, 연료가스를 공급받기 위하여 상기 버너(30)에는 버너용 연료가스 공급라인(31)과 버너용 연료극 배가스 공급라인(32)이 각각 연결 설치된다. 상기 버너용 연료가스 공급라인(31)을 통해 핫 박스의 외부로부터 일반 도시가스, 프로판 가스와 같은 상온의 연료가스가 공급된다. 상기 버너용 연료극 배가스 공급라인(31)을 통해 상기 연료전지 스택(20)의 연료극(23)으로부터 배출되고 미반응된 수소가스를 포함하고 있는 연료극 배가스(AOG, Anode Off Gas)가 공급된다. 이 연료극 배가스는 연료전지 스택(20)에서 배출되는 직후에는 700℃ 이상의 고온이나, 여러 가지 열교환 단계를 통과한 다음 통상 70℃의 온도로 상기 버너(30)로 공급된다.
공기를 공급받기 위하여 상기 버너(30)에는 버너용 공기 공급라인(33)과 버너용 공기극 배가스 공급라인(34)이 각각 연결 설치된다. 상기 버너용 공기 공급라인(33)을 통해 핫 박스의 외부로부터 상온의 공기가 공급된다. 상기 버너용 공기극 배가스 공급라인(34)을 통해 상기 연료전지 스택(20)의 공기극(21)으로부터 배출되고 미반응된 공기를 포함하고 있는 고온의 공기극 배가스(COG, Cathode Off Gas)가 공급된다. 이 공기극 배가스는 연료전지 스택(20)에서 배출되는 직후에 약 650 ~ 700℃ 정도의 고온인 상태로 버너(30)로 직접 공급된다.
한편, 상기 핫 박스의 외부로부터 일반 도시가스, 프로판 가스와 같은 연료가스를 공급받아 고효율의 수소가스로 개질된 연료극 가스(Reformed Gas)를 생성하고 이 연료극 가스를 상기 연료전지 스택(20)의 연료극(23)으로 공급하는 열교환형 개질기(40)가 핫 박스 내부에 배치된다.
이를 위해 상기 열교환형 개질기(40)에는 핫 박스의 외부로부터 연료가스를 공급하는 열교환형 개질기용 연료가스 공급라인(41)이 연결 설치되고, 상기 열교환기 개질기(40)를 통해 생성된 연료극 가스는 연료전지 스택(20)의 연료극(23)으로 공급된다. 상기 열교환형 개질기(40)에는 개질에 필요한 높은 열원을 공급하기 위하여 별도의 고온 열교환가스 공급라인(46)을 통해 고온의 열교환 매체가 공급되고, 이 고온의 열교환 매체는 상기 열교환형 개질기(40)를 통과하는 과정에서 상기 열교환형 개질기용 연료가스 공급라인(41)을 통해 공급된 연료가스와 열교환이 이루어진 후에 개질기 통과가스 배출라인(47)을 통해 핫 박스 외부로 배출된다. 이는 후술하는 도 2 내지 도 12에서도 동일하다.
앞서 설명한 바와 같이, 상기 버너(30)는 각각 2가지 경로를 통해 연료가스 또는 공기를 공급받는다. 즉, 상기 버너(30)는 버너용 연료가스 공급라인(31) 및 버너용 연료극 배가스 공급라인(32)을 통해 수소를 함유한 연료가스를 공급받고, 버너용 공기 공급라인(33) 및 버너용 공기극 배가스 공급라인(34)을 통해 산소를 함유한 공기를 공급받는다. 버너(30)로 공급되는 연료가스 또는 공기의 온도가 높으면 그 만큼 높은 열량의 연소 배가스를 생성할 수 있기 때문에 버너(30)로 공급되는 연료가스 또는 공기는 온도가 높을수록 유리하다.
그러나, 상기 버너용 연료가스 공급라인(31)을 통해 공급되는 연료가스는 일반 도시가스나 프로판 가스로서 상온 상태이고, 상기 버너용 공기 공급라인(33)을 통해 공급되는 공기도 상온 상태이다.
상기 버너용 연료극 배가스 공급라인(32)을 통해 공급되는 연료극 배가스는 비록 연료전지 스택(20)의 연료극(23)에서 배출된 직후에는 높은 온도를 가지나, 핫 박스 외부에 배치된 열교환 장치를 통과하는 동안에 온도가 떨어져 버너용 연료극 배가스 공급라인(32)을 통해 버너(30)로 공급되는 시점에는 약 70℃ 정도의 온도를 가진다.
다만, 상기 버너용 공기극 배가스 공급라인(34)을 통해 공급되는 공기극 배가스는 연료전지 스택(20)에서 배출될 때 가지는 높은 온도를 그대로 유지한 채 버너(30)로 공급된다.
상술한 바와 같이, 핫 박스 내에 배치된 버너(30)로부터 공급되는 총 열량에 대하여 핫 박스의 내부에서 사용되는 열량의 차이가 전체 시스템의 효율을 결정하게 되므로, 핫 박스에서 외부로 배출되는 열량을 가능한 많이 회수하는 것이 필요하다. 본 발명자는 버너(30)로 공급되는 연료가스 또는 공기의 온도 분포를 분석한 결과를 토대로, 높은 온도의 공기가 공급되는 상기 버너용 공기극 배가스 공급라인(34)을 제외한 나머지 3 곳, 다시 말해 버너용 연료가스 공급라인(31), 버너용 연료극 배가스 공급라인(32) 및 버너용 공기 공급라인(33) 상에 상기 고온의 연료극 가스 또는 연료극 배가스를 열교환할 수 있도록 해주는 열교환기(50)를 설치함으로써, 연료전지 시스템의 전체 열 효율을 최적화하였다.
도 1 내지 도 6은 이 중에서 연료극 가스를 이용한 열교환기가 설치된 실시예를 나타낸다.
도 1 및 도 2에 개시된 일 실시예에 따르면, 상기 열교환기(50)는 상기 핫 박스 내에 배치되며, 상기 핫 박스 외부로부터 버너(30)로 공기를 공급하는 버너용 공기 공급라인(33) 상에 설치되고, 고온의 연료극 가스를 이용하여 버너용 공기 공급라인(33)을 통해 버너(30)로 공급되는 상온의 공기를 예열시키도록 구성된다.
상기 고온의 연료극 가스는 상기 열교환형 개질기(40) 내에서 열교환형 개질기용 연료가스 공급라인(41)을 통해 공급된 연료가스가 상기 열교환 매체와 열교환되어 생성되는 것으로, 고효율의 수소가스를 다량 포함한다. 이 연료극 가스는 연료전지 스택(20)의 열 효율을 향상시키기 위하여 높은 온도인 상태로 연료전지 스택(20)에 공급된다. 본 실시예는 이 고온의 연료극 가스를 연료전지 스택(20)에 공급하기 전에 상기 열교환기(50)를 먼저 거치도록 중계하여 버너(30)에 공급되는 저온의 공기를 예열하는데 사용함으로써 연료전지 시스템의 전체 효율을 향상시킨 것이다.
본 실시예는 저온형 연료전지 스택(20)을 사용하는 경우에 더욱 유용하게 사용될 수 있다. 종래에 저온형 연료전지 스택(20)을 사용하는 경우에는 열교환형 개질기(40)에 배출된 고온의 연료극 가스를 그대로 사용하지 못하고 일정 온도만큼 감소시킨 후에 사용하여야 했다. 이를 위해 열교환형 개질기(40)의 열교환 과정을 제어하여 배출되는 연료극 가스의 온도를 낮추거나 별도의 냉각수단을 이용하여 배출된 연료극 가스의 온도를 낮춘 다음에 저온형 연료전지 스택(20)에 공급하여 왔다.
그러나, 본 실시예에서는, 저온형 연료전지 스택(20)을 사용하는 경우에도 열교환형 개질기(40)에서 높은 온도의 연료극 가스를 그대로 배출시킨 다음 이 열량을 상기 버너(30)에 공급되는 저온의 공기를 예열시키는 사용함으로써 스택의 열 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
이를 위해 상기 열교환형 개질기(40)에는 고온의 연료극 가스를 열교환기(50)로 공급하는 연료극 가스 중계라인(42)이 연결 설치되고, 상기 열교환기(50)에는 고온의 연료극 가스를 열교환기(50) 내로 공급된 외부 공기와 열교환시킨 후 상기 연료전지 스택(50)의 연료극(23)으로 공급하는 연료극 가스 순환라인(43)이 연결 설치된다. 미 설명부호인 35는 연소 배가스가 핫 박스 외부로 배출되는 연소 배가스 배출라인을 나타낸다.
도 2는 기본적으로 열교환형 개질기(40)에서 배출되는 고온의 연료극 가스를 상기 버너용 공기 공급라인(33)에 설치된 열교환기(50)로 공급하여 핫 박스의 외부로부터 버너(30)로 공급되는 상온의 공기를 예열한다는 점에서 도 1의 실시예와 동일하다. 다만, 도 1에서는 상기 열교환기(50)가 하나만 설치되어 있는 반면에 도 2에서는 제1 열교환기(50a) 및 제2 열교환기(50b)의 2 개가 설치되고, 연료극 가스 제1 분기라인(42a) 및 연료극 가스 제2 분기라인(42b)을 통해 각각 고온의 연료극 가스가 공급되도록 구성되어 있다는 점에서 상이하다.
열교환기 내에서 고온의 연료극 가스와 상온의 외부 공기 사이에 열교환이 일어나지만, 상대적으로 빠른 유체의 통과 속도로 인해 충분한 열교환이 일어나지 않을 수 있다. 본 실시예는 2 번의 열교환을 통해 이러한 문제점을 해결한 것이다. 비록 도 2에는 2 개의 열교환기(50a, 50b)가 있는 것으로 도시되어 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 아니하고, 3 개 이상의 열교환기가 설치된 형태도 당연히 포함한다 할 것이다.
도 3 및 도 4에 개시된 다른 실시예에 따르면, 상기 열교환기(50)는 상기 핫 박스 내에 배치되며, 상기 핫 박스 외부로부터 버너(31)로 연료가스를 공급하는 버너용 연료가스 공급라인(31) 상에 설치되고, 고온의 연료극 가스를 이용하여 버너용 연료가스 공급라인(31)을 통해 버너(30)로 공급되는 상온의 연료가스를 예열시키도록 구성된다.
상기 고온의 연료극 가스는 상기 열교환형 개질기(40) 내에서 열교환형 개질기용 연료가스 공급라인(41)을 통해 공급된 연료가스가 상기 열교환 매체와 열교환되어 생성되는 것으로, 고효율의 수소가스를 다량 포함한다. 다만 스택의 조건에 따라 개질반응 없이 공급되기도 한다. 이 연료극 가스는 연료전지 스택(20)의 열 효율을 향상시키기 위하여 높은 온도인 상태로 연료전지 스택(20)에 공급된다. 본 실시예는 이 고온의 연료극 가스를 연료전지 스택(20)에 공급하기 전에 상기 열교환기(50)를 먼저 거치도록 중계하여 버너(30)에 공급되는 저온의 연료가스를 예열하는데 사용함으로써 연료전지 시스템의 전체 효율을 향상시킨 것이다.
본 실시예는 저온형 연료전지 스택(20)을 사용하는 경우에 더욱 유용하게 사용될 수 있다. 종래에 저온형 연료전지 스택(20)을 사용하는 경우에는 열교환형 개질기(40)에 배출된 고온의 연료극 가스를 그대로 사용하지 못하고 일정 온도만큼 감소시킨 후에 사용하여야 했다. 이를 위해 열교환형 개질기(40)의 열교환 과정을 제어하여 배출되는 연료극 가스의 온도를 낮추거나 별도의 냉각수단을 이용하여 배출된 연료극 가스의 온도를 낮춘 다음에 저온형 연료전지 스택(20)에 공급하여 왔다.
그러나, 본 실시예에서는, 저온형 연료전지 스택(20)을 사용하는 경우에도 열교환형 개질기(40)에서 높은 온도의 연료극 가스를 그대로 배출시킨 다음 이 열량을 상기 버너(30)에 공급되는 저온의 연료가스를 예열시키는 사용함으로써 스택의 열 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
이를 위해 상기 열교환형 개질기(40)에는 고온의 연료극 가스를 열교환기(50)로 공급하는 연료극 가스 중계라인(42)이 연결 설치되고, 상기 열교환기(50)에는 고온의 연료극 가스를 열교환기(50) 내로 공급된 연료가스와 열교환시킨 후 상기 연료전지 스택(50)의 연료극(23)으로 공급하는 연료극 가스 순환라인(43)이 연결 설치된다. 미 설명부호인 35는 연소 배가스가 핫 박스 외부로 배출되는 연소 배가스 배출라인을 나타낸다.
도 4는 기본적으로 열교환형 개질기(40)에서 배출되는 고온의 연료극 가스를 상기 버너용 연료가스 공급라인(31)에 설치된 열교환기(50)로 공급하여 핫 박스의 외부로부터 버너(30)로 공급되는 상온의 연료가스를 예열한다는 점에서 도 3의 실시예와 동일하다. 다만, 도 3에서는 상기 열교환기(50)가 하나만 설치되어 있는 반면에 도 4에서는 제1 열교환기(50a) 및 제2 열교환기(50b)의 2 개가 설치되고, 연료극 가스 제1 분기라인(42a) 및 연료극 가스 제2 분기라인(42b)을 통해 각각 고온의 연료극 가스가 공급되도록 구성되어 있다는 점에서 상이하다.
열교환기 내에서 고온의 연료극 가스와 상온의 연료가스 사이에 열교환이 일어나지만, 상대적으로 빠른 유체의 통과 속도로 인해 충분한 열교환이 일어나지 않을 수 있다. 본 실시예는 2 번의 열교환을 통해 이러한 문제점을 해결한 것이다. 비록 도 4에는 2 개의 열교환기(50a, 50b)가 있는 것으로 도시되어 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 아니하고, 3 개 이상의 열교환기가 설치된 형태도 당연히 포함한다 할 것이다.
도 5 및 도 6에 개시된 또 다른 실시예에 따르면, 상기 열교환기(50)는 상기 핫 박스 내에 배치되며, 상기 핫 박스 외부로부터 버너(31)로 연료극 배가스를 공급하는 버너용 연료극 배가스 공급라인(32) 상에 설치되고, 고온의 연료극 가스를 이용하여 버너용 연료극 배가스 공급라인(32)을 통해 버너(30)로 공급되는 저온의 연료극 배가스를 예열시키도록 구성된다. 상기 연료극 배가스는 연료전지 스택(20)에서 배출된 직후에는 700℃ 이상의 높은 온도를 가지나, 핫 박스 내부 또는 외부에서 여러 번의 열교환 과정의 거치는 동안에 70℃ 정도로 낮아지게 되고, 이 상태에서 버너(30)로 공급된다는 사실은 이미 상기한 바와 같다.
상기 고온의 연료극 가스는 상기 열교환형 개질기(40) 내에서 열교환형 개질기용 연료가스 공급라인(41)을 통해 공급된 연료가스가 상기 열교환 매체와 열교환되어 생성되는 것으로, 고효율의 수소가스를 다량 포함한다. 이 연료극 가스는 연료전지 스택(20)의 열 효율을 향상시키기 위하여 높은 온도인 상태로 연료전지 스택(20)에 공급된다. 본 실시예는 이 고온의 연료극 가스를 연료전지 스택(20)에 공급하기 전에 상기 열교환기(50)를 먼저 거치도록 중계하여 버너(30)에 공급되는 저온의 연료극 배가스를 예열하는데 사용함으로써 연료전지 시스템의 전체 효율을 향상시킨 것이다.
본 실시예는 저온형 연료전지 스택(20)을 사용하는 경우에 더욱 유용하게 사용될 수 있다. 종래에 저온형 연료전지 스택(20)을 사용하는 경우에는 열교환형 개질기(40)에 배출된 고온의 연료극 가스를 그대로 사용하지 못하고 일정 온도만큼 감소시킨 후에 사용하여야 했다. 이를 위해 열교환형 개질기(40)의 열교환 과정을 제어하여 배출되는 연료극 가스의 온도를 낮추거나 별도의 냉각수단을 이용하여 배출된 연료극 가스의 온도를 낮춘 다음에 저온형 연료전지 스택(20)에 공급하여 왔다.
그러나, 본 실시예에서는, 저온형 연료전지 스택(20)을 사용하는 경우에도 열교환형 개질기(40)에서 높은 온도의 연료극 가스를 그대로 배출시킨 다음 이 열량을 상기 버너(30)에 공급되는 저온의 연료극 배가스를 예열시키는 사용함으로써 스택의 열 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
이를 위해 상기 열교환형 개질기(40)에는 고온의 연료극 가스를 열교환기(50)로 공급하는 연료극 가스 중계라인(42)이 연결 설치되고, 상기 열교환기(50)에는 고온의 연료극 가스를 열교환기(50) 내로 공급된 연료극 배가스와 열교환시킨 후 상기 연료전지 스택(50)의 연료극(23)으로 공급하는 연료극 가스 순환라인(43)이 연결 설치된다. 미 설명부호인 35는 연소 배가스가 핫 박스 외부로 배출되는 연소 배가스 배출라인을 나타낸다.
도 6은 기본적으로 열교환형 개질기(40)에서 배출되는 고온의 연료극 가스를 상기 버너용 연료극 배가스 공급라인(32)에 설치된 열교환기(50)로 공급하여 핫 박스의 외부로부터 버너(30)로 공급되는 저온의 연료극 배가스를 예열한다는 점에서 도 5의 실시예와 동일하다. 다만, 도 5에서는 상기 열교환기(50)가 하나만 설치되어 있는 반면에 도 6에서는 제1 열교환기(50a) 및 제2 열교환기(50b)의 2 개가 설치되고, 연료극 가스 제1 분기라인(42a) 및 연료극 가스 제2 분기라인(42b)을 통해 각각 고온의 연료극 가스가 공급되도록 구성되어 있다는 점에서 상이하다.
열교환기 내에서 고온의 연료극 가스와 저온의 연료극 배가스 사이에 열교환이 일어나지만, 상대적으로 빠른 유체의 통과 속도로 인해 충분한 열교환이 일어나지 않을 수 있다. 본 실시예는 2 번의 열교환을 통해 이러한 문제점을 해결한 것이다. 비록 도 6에는 2 개의 열교환기(50a, 50b)가 있는 것으로 도시되어 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 아니하고, 3 개 이상의 열교환기가 설치된 형태도 당연히 포함한다 할 것이다.
다음으로, 도 7 내지 도 12를 참조로 연료극 배가스를 이용한 열교환기가 설치된 실시예를 설명한다.
도 7 및 도 8에 개시된 일 실시예에 따르면, 상기 열교환기(50)는 상기 핫 박스 내에 배치되며, 상기 핫 박스 외부로부터 버너(30)로 공기를 공급하는 버너용 공기 공급라인(33) 상에 설치되고, 고온의 연료극 배가스를 이용하여 버너용 공기 공급라인(33)을 통해 버너(30)로 공급되는 상온의 공기를 예열시키도록 구성된다.
상기 고온의 연료극 배가스는 연료전지 스택(20)에서 수소와 산소가 결합하여 물을 생성하는 화학반응 후에 미반응된 수소가스를 포함한 채로 연료극(23)으로부터 배출된다. 연료전지 스택(20)에서 발생하는 화학반응이 발열반응인 관계로 연료전지 스택(20)은 통상적으로 700℃ 이상의 높은 온도에서 운전되므로, 연료극(23)으로부터 배출되는 연료극 배가스도 700℃ 이상이 고온 상태가 된다.
이 연료극 배가스는 고온의 열량뿐만 아니라 미반응된 수소가스를 포함하고 있기 때문에 연료전지 시스템 내에서 이 열량과 미반응 수소가스를 재활용하도록 구성된다. 보다 상세하게 설명하면, 연료극 배가스의 높은 열량을 이용하기 위해서 핫 박스 내부 또는 외부에서 여러 번의 열교환 과정을 거치게 된다. 대표적인 것이 핫 박스 외부에 설치된 축열조(미도시)에서 일어나는 온수와의 열교환 과정이다. 이 온수는 가정 내의 난방수 및 목욕 등을 위한 온수로 사용된다. 연료극 배가스에 포함된 미반응 수소가스를 이용하기 위하여 핫 박스의 외부로 배출된 연료극 배가스는 버너용 연료극 배가스 공급라인(32)을 통해 버너(30)로 재공급되어 연소된다.
연료전지 시스템은 전기와 열을 동시에 생산한다는 점에서 매우 유용한 발전 설비이다. 생산된 전기는 가정 내에서 소비하고, 잉여의 전력이 남는 경우에는 이를 전기 계통을 통해 외부로 전송할 수 있고, 그 만큼 전기세를 절감받을 수 있다. 그러나, 생산된 열의 경우에는 비록 축열조(온수 탱크)와 같은 열 저장매체에 일시 저장될 수 있으나, 일정 시간 내에 사용하지 않으면 열이 발산하여 사용할 수 없게 된다. 즉, 잉여의 열은 잉여의 전력보다는 효용 가치가 낮기 때문에 가정 내 전기 및 열의 사용량을 엄밀히 예측하여 과잉의 열이 생산되지 않도록 하는 것이 에너지 효율 측면에서 중요하다.
따라서, 고온의 연료극 배가스는 핫 박스 외부로 배출되어 축열조를 통해 열을 생산하는 것에 사용하는 것도 중요하지만, 핫 박스(20) 내부에서 그 열량을 효율적으로 사용하여 연료전지 스택(20)의 효율을 향상시킴으로써 전기 생산에 기여할 수 있도록 하는 것이 더욱 바람직하다. 본 발명자는 이러한 점을 감안하여 고온의 연료극 배가스가 핫 박스 외부로 배출되기 전에 버너(30)로 공급되는 저온의 공기를 예열시켜 전기 생산에 기여하는 핫 박스 내부의 열 효율을 향상시킬 수 있도록 한 것이다.
이를 위해, 상기 연료전지 스택(20)에는 연료극 배가스를 열교환기(50)로 공급하는 연료극 배가스 중계라인(45)이 연결 설치되고, 상기 열교환기(50)에는 연료극 배가스를 열교환기(50) 내로 공급된 공기와 열교환시킨 후 버너(30)로 공급하는 버너용 연료극 배가스 공급라인(32)이 연결 설치된다. 미 설명부호인 35는 연소 배가스가 핫 박스 외부로 배출되는 연소 배가스 배출라인을 나타낸다.
도 8은 기본적으로 연료전지 스택(20)에서 배출되는 고온의 연료극 배가스를 상기 버너용 공기 공급라인(33)에 설치된 열교환기(50)로 공급하여 핫 박스의 외부로부터 버너(30)로 공급되는 상온의 공기를 예열한다는 점에서 도 7의 실시예와 동일하다. 다만, 도 7에서는 상기 열교환기(50)가 하나만 설치되어 있는 반면에 도 8에서는 제1 열교환기(50a) 및 제2 열교환기(50b)의 2 개가 설치되고, 연료극 배가스 제1 분기라인(45a) 및 연료극 배가스 제2 분기라인(45b)을 통해 각각 고온의 연료극 배가스가 공급되도록 구성되어 있다는 점에서 상이하다.
열교환기 내에서 고온의 연료극 배가스가 상온의 외부 공기 사이에 열교환이 일어나지만, 상대적으로 빠른 유체의 통과 속도로 인해 충분한 열교환이 일어나지 않을 수 있다. 본 실시예는 2 번의 열교환을 통해 이러한 문제점을 해결한 것이다. 비록 도 8에는 2 개의 열교환기(50a, 50b)가 있는 것으로 도시되어 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 아니하고, 3 개 이상의 열교환기가 설치된 형태도 당연히 포함한다 할 것이다.
도 9 및 도 10에 개시된 다른 실시예에 따르면, 상기 열교환기(50)는 상기 핫 박스 내에 배치되며, 상기 핫 박스 외부로부터 버너(30)로 연료가스를 공급하는 버너용 연료가스 공급라인(31) 상에 설치되고, 고온의 연료극 배가스를 이용하여 버너용 연료가스 공급라인(31)을 통해 버너(30)로 공급되는 상온의 연료가스를 예열시키도록 구성된다.
상기 연료극 배가스는 연료전지 스택(20)에서 일어나는 발열반응으로 인해 연료극(23)으로부터 700℃ 이상의 높은 온도로 배출된다는 사실, 이 고온의 연료극 배가스는 핫 박스 외부로 배출되어 열 생산에 사용되기 전에 핫 박스 내부에 있는 버너(20)로 공급되는 저온의 유체를 예열하는데 사용되도록 하여 전기 생산에 기여하도록 하는 것이 바람직하다라는 사실 등은 도 7 및 도 8을 참조로 상세히 설명한 바 있으므로, 이에 대한 설명은 생략하기로 한다.
이를 위해, 상기 연료전지 스택(20)에는 연료극 배가스를 열교환기(50)로 공급하는 연료극 배가스 중계라인(45)이 연결 설치되고, 상기 열교환기(50)에는 연료극 배가스를 열교환기(50) 내로 공급된 연료가스와 열교환시킨 후 버너(30)로 공급하는 버너용 연료극 배가스 공급라인(32)이 연결 설치된다. 미 설명부호인 35는 연소 배가스가 핫 박스 외부로 배출되는 연소 배가스 배출라인을 나타낸다.
도 10은 기본적으로 연료전지 스택(20)에서 배출되는 고온의 연료극 배가스를 상기 버너용 공기 공급라인(33)에 설치된 열교환기(50)로 공급하여 핫 박스의 외부로부터 버너(30)로 공급되는 상온의 연료가스를 예열한다는 점에서 도 9의 실시예와 동일하다. 다만, 도 9에서는 상기 열교환기(50)가 하나만 설치되어 있는 반면에 도 10에서는 제1 열교환기(50a) 및 제2 열교환기(50b)의 2 개가 설치되고, 연료극 배가스 제1 분기라인(45a) 및 연료극 배가스 제2 분기라인(45b)을 통해 각각 고온의 연료극 배가스가 공급되도록 구성되어 있다는 점에서 상이하다.
열교환기 내에서 고온의 연료극 배가스가 상온의 연료가스 사이에 열교환이 일어나지만, 상대적으로 빠른 유체의 통과 속도로 인해 충분한 열교환이 일어나지 않을 수 있다. 본 실시예는 2 번의 열교환을 통해 이러한 문제점을 해결한 것이다. 비록 도 10에는 2 개의 열교환기(50a, 50b)가 있는 것으로 도시되어 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 아니하고, 3 개 이상의 열교환기가 설치된 형태도 당연히 포함한다 할 것이다.
도 11 및 도 12에 개시된 또 다른 실시예에 따르면, 상기 열교환기(50)는 상기 핫 박스 내에 배치되며, 상기 핫 박스 외부로부터 버너(30)로 연료극 배가스를 공급하는 버너용 연료극 배가스 공급라인(32) 상에 설치되고, 고온의 연료극 배가스를 이용하여 버너용 연료극 배가스 공급라인(31)을 통해 버너(30)로 공급되는 저온의 연료극 배가스를 예열시키도록 구성된다.
상기 연료극 배가스는 연료전지 스택(20)에서 일어나는 발열반응으로 인해 연료극(23)으로부터 700℃ 이상의 높은 온도로 배출된다는 사실, 이 고온의 연료극 배가스는 핫 박스 외부로 배출되어 열 생산에 사용되기 전에 핫 박스 내부에 있는 버너(20)로 공급되는 저온의 유체를 예열하는데 사용되도록 하여 전기 생산에 기여하도록 하는 것이 바람직하다라는 사실 등은 도 7 및 도 8을 참조로 상세히 설명한 바 있으므로, 이에 대한 설명은 생략하기로 한다.
앞서 설명한 바와 같이, 연료전지 스택(20)으로부터 배출된 연료극 배가스는 핫 박스 내부에서는 고온의 상태를 유지하나, 핫 박스 외부로 배출된 후 상기 축열조(미도시) 또는 수분 제거를 위한 응축기(미도시)를 통과하는 과정에서 온도가 낮아져서 상기 버너용 배가스 공급라인(32)을 통해 핫 박스 내부로 재공급되는 때에는 70℃ 정도의 저온 상태가 된다.
본 실시예는 이러한 점에 착안하여 연료전지 스택(20)에서 배출되었으나 핫 박스 외부로는 배출되기 전인 고온의 연료극 배가스를 이용하여 핫 박스 외부로 배출되었다가 다시 핫 박스 내부로 공급되는 저온의 연료극 배가스를 예열할 수 있도록 함으로써, 핫 박스 내부에서의 열 효율을 더욱 향상시킨 것이다.
이를 위해, 상기 연료전지 스택(20)에는 연료극 배가스를 열교환기(50)로 공급하는 연료극 배가스 중계라인(45)이 연결 설치되고, 상기 열교환기(50)에는 연료극 배가스를 열교환기(50) 내로 공급된 연료가스와 열교환시킨 후 버너(30)로 공급하는 버너용 연료극 배가스 공급라인(32)이 연결 설치된다. 미 설명부호인 35는 연소 배가스가 핫 박스 외부로 배출되는 연소 배가스 배출라인을 나타낸다.
도 12는 기본적으로 연료전지 스택(20)에서 배출되는 고온의 연료극 배가스를 상기 버너용 연료극 배가스 공급라인(32)에 설치된 열교환기(50)로 공급하여 핫 박스의 외부로부터 버너(30)로 공급되는 저온의 연료극 배가스를 예열한다는 점에서 도 11의 실시예와 동일하다. 다만, 도 11에서는 상기 열교환기(50)가 하나만 설치되어 있는 반면에 도 12에서는 제1 열교환기(50a) 및 제2 열교환기(50b)의 2 개가 설치되고, 연료극 배가스 제1 분기라인(45a) 및 연료극 배가스 제2 분기라인(45b)을 통해 각각 고온의 연료극 배가스가 공급되도록 구성되어 있다는 점에서 상이하다.
열교환기 내에서 고온의 연료극 배가스가 저온의 연료극 배가스 사이에 열교환이 일어나지만, 상대적으로 빠른 유체의 통과 속도로 인해 충분한 열교환이 일어나지 않을 수 있다. 본 실시예는 2 번의 열교환을 통해 이러한 문제점을 해결한 것이다. 비록 도 12에는 2 개의 열교환기(50a, 50b)가 있는 것으로 도시되어 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 아니하고, 3 개 이상의 열교환기가 설치된 형태도 당연히 포함한다 할 것이다.
마지막으로, 연료극 배가스 중계라인(45)을 통해 공급되는 연료극 배가스를 이용하여 버너(30)로 공급되는 유체를 예열함에 있어서, 도 7과 같이 버너용 공기 공급라인(33)을 통해 공급되는 외부 공기를 예열하는 것과, 도 9와 같이 버너용 연료가스 공급라인(31)을 통해 공급되는 연료가스 또는 도 11과 같이 버너용 연료극 배가스 공급라인(32)을 통해 공급되는 연료극 배가스를 예열하는 것은 각각의 공급라인의 유량 차이로 인해 열교환 효율이 달라질 수 있다. 이를 이용하여 핫 박스 외부로 최종 배출되는 연료극 배가스의 활용을 다르게 설계할 수 있다. 통상적으로, 버너용 공기 공급라인(33)의 공급 유량이 가장 크고, 연료극 배가스 중계라인(45) 및 버너용 연료극 배가스 공급라인(32)의 공급 유량이 다음으로 크며, 버너용 연료가스 공급라인(31)의 공급 유량이 상대적으로 가장 작다. 이 중에서 버너용 공기 공급라인(33)의 공급 유량과 연료극 배가스 중계라인(45)의 공급 유량의 차이가 연료극 배가스 중계라인(45)의 공급 유량과 버너용 연료가스 공급라인(31)의 공급 유량의 차이보다 훨씬 크다.
공급 유량의 차이가 크지 않은 연료극 배가스와 연료가스 사이에는 열교환이 충분히 일어나 최종적으로 배출되는 열교환기 통과가스의 온도가 낮아진다. 그 결과, 후속하는 축열조에서 열교환 효율이 상대적으로 감소한다. 반면에 공급 유량의 차이가 큰 연료극 배가스와 외부 공기 사이에는 열교환이 충분히 일어나지 않아 최종적으로 배출되는 열교환기 통과가스의 온도가 높아진다. 그 결과, 후속하는 축열조에서 열교환 효율이 상대적으로 증가한다. 연료전지 시스템은 전기와 열을 동시에 생성할 수 있는 시스템이므로, 축열조에서의 열의 회수 효율을 고려하여 본 발명의 여러 실시예 중에서 공기를 예열하는 것으로 할지 연료가스(또는 연료극 배가스)를 예열하는 것으로 할지를 선택할 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적인 특징들이 변경되지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것으로 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
20: 연료전지 스택 21: 공기극
22: 전해질 23: 연료극
25: 스택용 공기 공급라인 30: 버너
31: 버너용 연료가스 공급라인 32: 버너용 연료극 배가스 공급라인
33: 버너용 공기 공급라인 34: 버너용 공기극 배가스 공급라인
35: 연소 배가스 배출라인 40: 열교환형 개질기
41: 열교환형 개질기용 연료가스 공급라인 42: 연료극 가스 중계라인
43: 연료극 가스 순환라인 45: 연료극 배가스 중계라인
50: 열교환기

Claims (18)

  1. 단열 재료로 된 핫 박스;
    상기 핫 박스 내에 배치되며, 공기극, 전해질 및 연료극을 포함하고, 상기 공기극으로 공급된 산소와 상기 연료극으로 공급된 수소가 결합하여 전기를 만드는 화학반응이 일어나며, 상기 공기극으로부터 미반응 산소가 포함된 고온의 공기극 배가스가 배출되고, 상기 연료극으로부터 미반응 수소가 포함된 고온의 연료극 배가스가 배출되는 연료전지 스택;
    상기 핫 박스 내에 배치되며, 연료가스를 공급받아 수소가 포함된 고온의 연료극 가스를 생성하고 이 연료극 가스를 상기 연료전지 스택의 연료극으로 배출하는 열교환형 개질기;
    상기 핫 박스 내에 배치되며, 연료가스 및 공기를 공급받아 고온의 연소 배가스를 생성하고 이 연소 배가스를 연료전지 시스템 내에 열원으로 공급하는 버너; 및
    상기 핫 박스 내에 배치되며, 상기 핫 박스 외부로부터 상기 버너로 공기를 공급하는 버너용 공기 공급라인 상에 설치되고, 상기 열교환형 개질기로부터 배출된 고온의 연료극 가스를 이용하여 상기 버너용 공기 공급라인을 통해 상기 버너로 공급되는 공기를 예열시키는 열교환기;를 포함하는 연료극 가스 또는 연료극 배가스를 이용한 열교환기를 포함하는 연료전지 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 열교환형 개질기에는 상기 연료극 가스를 상기 열교환기로 공급하는 연료극 가스 중계라인이 연결되고, 상기 열교환기에는 상기 연료극 가스를 상기 열교환기 내로 공급된 외부 공기와 열교환시킨 후 상기 연료전지 스택의 연료극으로 공급하는 연료극 가스 순환라인이 연결된 것을 특징으로 하는 연료극 가스 또는 연료 배가스를 이용한 열교환기를 포함하는 연료전지 시스템.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 열교환기는 상기 버너용 공기 공급라인 상에 하나 또는 둘 이상 설치되는 것을 특징으로 하는 연료극 가스 또는 연료 배가스를 이용한 열교환기를 포함하는 연료전지 시스템.
  4. 단열 재료로 된 핫 박스;
    상기 핫 박스 내에 배치되며, 공기극, 전해질 및 연료극을 포함하고, 상기 공기극으로 공급된 산소와 상기 연료극으로 공급된 수소가 결합하여 전기를 만드는 화학반응이 일어나며, 상기 공기극으로부터 미반응 산소가 포함된 고온의 공기극 배가스가 배출되고, 상기 연료극으로부터 미반응 수소가 포함된 고온의 연료극 배가스가 배출되는 연료전지 스택;
    상기 핫 박스 내에 배치되며, 연료가스를 공급받아 수소가 포함된 고온의 연료극 가스를 생성하고 이 연료극 가스를 상기 연료전지 스택의 연료극으로 배출하는 열교환형 개질기;
    상기 핫 박스 내에 배치되며, 연료가스 및 공기를 공급받아 고온의 연소 배가스를 생성하고 이 연소 배가스를 연료전지 시스템 내에 열원으로 공급하는 버너; 및
    상기 핫 박스 내에 배치되며, 상기 핫 박스 외부로부터 상기 버너로 연료가스를 공급하는 버너용 연료가스 공급라인 상에 설치되고, 상기 열교환형 개질기로부터 배출된 고온의 연료극 가스를 이용하여 상기 버너용 연료가스 공급라인을 통해 상기 버너로 공급되는 연료가스를 예열시키는 열교환기;를 포함하는 연료극 가스 또는 연료극 배가스를 이용한 열교환기를 포함하는 연료전지 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 열교환형 개질기에는 상기 연료극 가스를 상기 열교환기로 공급하는 연료극 가스 중계라인이 연결되고, 상기 열교환기에는 상기 연료극 가스를 상기 열교환기 내로 공급된 연료가스와 열교환시킨 후 상기 연료전지 스택의 연료극으로 공급하는 연료극 가스 순환라인이 연결된 것을 특징으로 하는 연료극 가스 또는 연료극 배가스를 이용한 열교환기를 포함하는 연료전지 시스템.
  6. 청구항 4 또는 청구항 5에 있어서,
    상기 열교환기는 상기 버너용 연료가스 공급라인 상에 하나 또는 둘 이상 설치되는 것을 특징으로 하는 연료극 가스 또는 연료극 가스를 이용한 열교환기를 포함하는 연료전지 시스템.
  7. 단열 재료로 된 핫 박스;
    상기 핫 박스 내에 배치되며, 공기극, 전해질 및 연료극을 포함하고, 상기 공기극으로 공급된 산소와 상기 연료극으로 공급된 수소가 결합하여 전기를 만드는 화학반응이 일어나며, 상기 공기극으로부터 미반응 산소가 포함된 고온의 공기극 배가스가 배출되고, 상기 연료극으로부터 미반응 수소가 포함된 고온의 연료극 배가스가 배출되는 연료전지 스택;
    상기 핫 박스 내에 배치되며, 연료가스를 공급받아 수소가 포함된 고온의 연료극 가스를 생성하고 이 연료극 가스를 상기 연료전지 스택의 연료극으로 배출하는 열교환형 개질기;
    상기 핫 박스 내에 배치되며, 연료가스 및 공기를 공급받아 고온의 연소 배가스를 생성하고 이 연소 배가스를 연료전지 시스템 내에 열원으로 공급하는 버너; 및
    상기 핫 박스 내에 배치되며, 상기 핫 박스 외부로부터 상기 버너로 연료극 배가스를 공급하는 버너용 연료극 배가스 공급라인 상에 설치되고, 상기 열교환형 개질기로부터 배출된 고온의 연료극 가스를 이용하여 상기 버너용 연료극 배가스 공급라인을 통해 상기 버너로 공급되는 연료극 배가스를 예열시키는 열교환기;를 포함하는 연료극 가스 또는 연료극 배가스를 이용한 열교환기를 포함하는 연료전지 시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 열교환형 개질기에는 상기 연료극 가스를 상기 열교환기로 공급하는 연료극 가스 중계라인이 연결되고, 상기 열교환기에는 상기 연료극 가스를 상기 열교환기 내로 공급된 연료극 배가스와 열교환시킨 후 상기 연료전지 스택의 연료극으로 공급하는 연료극 가스 순환라인이 연결된 것을 특징으로 하는 연료극 가스 또는 연료극 배가스를 이용한 열교환기를 포함하는 연료전지 시스템.
  9. 청구항 7 또는 청구항 8에 있어서,
    상기 열교환기는 상기 버너용 연료극 배가스 공급라인 상에 하나 또는 둘 이상 설치되는 것을 특징으로 하는 연료극 가스 또는 연료극 배가스를 이용한 열교환기를 포함하는 연료전지 시스템.
  10. 단열 재료로 된 핫 박스;
    상기 핫 박스 내에 배치되며, 공기극, 전해질 및 연료극을 포함하고, 상기 공기극으로 공급된 산소와 상기 연료극으로 공급된 수소가 결합하여 전기를 만드는 화학반응이 일어나며, 상기 공기극으로부터 미반응 산소가 포함된 고온의 공기극 배가스가 배출되고, 상기 연료극으로부터 미반응 수소가 포함된 고온의 연료극 배가스가 배출되는 연료전지 스택;
    상기 핫 박스 내에 배치되며, 연료가스를 공급받아 수소가 포함된 고온의 연료극 가스를 생성하고 이 연료극 가스를 상기 연료전지 스택의 연료극으로 배출하는 열교환형 개질기;
    상기 핫 박스 내에 배치되며, 연료가스 및 공기를 공급받아 고온의 연소 배가스를 생성하고 이 연소 배가스를 연료전지 시스템 내에 열원으로 공급하는 버너; 및
    상기 핫 박스 내에 배치되며, 상기 핫 박스 외부로부터 상기 버너로 공기를 공급하는 버너용 공기 공급라인 상에 설치되고, 상기 연료전지 스택에서 배출된 고온의 연료극 배가스를 이용하여 상기 버너용 공기 공급라인을 통해 상기 버너로 공급되는 공기를 예열시키는 열교환기;를 포함하는 연료극 가스 또는 연료극 배가스를 이용한 열교환기를 포함하는 연료전지 시스템.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 연료전지 스택에는 상기 연료극 배가스를 상기 열교환기로 공급하는 연료극 배가스 중계라인이 연결되고, 상기 열교환기에는 상기 연료극 배가스를 상기 열교환기 내로 공급된 공기와 열교환시킨 후 상기 버너로 공급하는 버너용 연료극 배가스 공급라인이 연결된 것을 특징으로 하는 연료극 가스 또는 연료극 배가스를 이용한 열교환기를 포함하는 연료전지 시스템.
  12. 청구항 10 또는 청구항 11에 있어서,
    상기 열교환기는 상기 버너용 공기 공급라인 상에 하나 또는 둘 이상 설치되는 것을 특징으로 하는 연료극 가스 또는 연료극 배가스를 이용한 열교환기를 포함하는 연료전지 시스템.
  13. 단열 재료로 된 핫 박스;
    상기 핫 박스 내에 배치되며, 공기극, 전해질 및 연료극을 포함하고, 상기 공기극으로 공급된 산소와 상기 연료극으로 공급된 수소가 결합하여 전기를 만드는 화학반응이 일어나며, 상기 공기극으로부터 미반응 산소가 포함된 고온의 공기극 배가스가 배출되고, 상기 연료극으로부터 미반응 수소가 포함된 고온의 연료극 배가스가 배출되는 연료전지 스택;
    상기 핫 박스 내에 배치되며, 연료가스를 공급받아 수소가 포함된 고온의 연료극 가스를 생성하고 이 연료극 가스를 상기 연료전지 스택의 연료극으로 배출하는 열교환형 개질기;
    상기 핫 박스 내에 배치되며, 연료가스 및 공기를 공급받아 고온의 연소 배가스를 생성하고 이 연소 배가스를 연료전지 시스템 내에 열원으로 공급하는 버너; 및
    상기 핫 박스 내에 배치되며, 상기 핫 박스 외부로부터 상기 버너로 공기를 공급하는 버너용 연료가스 공급라인 상에 설치되고, 상기 연료전지 스택에서 배출된 고온의 연료극 배가스를 이용하여 상기 버너용 연료가스 공급라인을 통해 상기 버너로 공급되는 연료가스를 예열시키는 열교환기;를 포함하는 연료극 가스 또는 연료극 배가스를 이용한 열교환기를 포함하는 연료전지 시스템.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 연료전지 스택에는 상기 연료극 배가스를 상기 열교환기로 공급하는 연료극 배가스 중계라인이 연결되고, 상기 열교환기에는 상기 연료극 배가스를 상기 열교환기 내로 공급된 연료가스와 열교환시킨 후 상기 버너로 공급하는 버너용 연료극 배가스 공급라인이 연결된 것을 특징으로 하는 연료극 가스 또는 연료극 배가스를 이용한 열교환기를 포함하는 연료전지 시스템.
  15. 청구항 13 또는 청구항 14에 있어서,
    상기 열교환기는 상기 버너용 연료가스 공급라인 상에 하나 또는 둘 이상 설치되는 것을 특징으로 하는 연료극 가스 또는 연료극 가스를 이용한 열교환기를 포함하는 연료전지 시스템.
  16. 단열 재료로 된 핫 박스;
    상기 핫 박스 내에 배치되며, 공기극, 전해질 및 연료극을 포함하고, 상기 공기극으로 공급된 산소와 상기 연료극으로 공급된 수소가 결합하여 전기를 만드는 화학반응이 일어나며, 상기 공기극으로부터 미반응 산소가 포함된 고온의 공기극 배가스가 배출되고, 상기 연료극으로부터 미반응 수소가 포함된 고온의 연료극 배가스가 배출되는 연료전지 스택;
    상기 핫 박스 내에 배치되며, 연료가스를 공급받아 수소가 포함된 고온의 연료극 가스를 생성하고 이 연료극 가스를 상기 연료전지 스택의 연료극으로 배출하는 열교환형 개질기;
    상기 핫 박스 내에 배치되며, 연료가스 및 공기를 공급받아 고온의 연소 배가스를 생성하고 이 연소 배가스를 연료전지 시스템 내에 열원으로 공급하는 버너; 및
    상기 핫 박스 내에 배치되며, 상기 핫 박스 외부로부터 상기 버너로 연료극 배가스를 공급하는 버너용 연료극 배가스 공급라인 상에 설치되고, 상기 연료전지 스택으로부터 배출된 고온의 연료극 배가스를 이용하여 상기 버너용 연료극 배가스 공급라인을 통해 상기 버너로 공급되는 연료극 배가스를 예열시키는 열교환기;를 포함하는 연료극 가스 또는 연료극 배가스를 이용한 열교환기를 포함하는 연료전지 시스템.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 연료전지 스택에는 상기 연료극 배가스를 상기 열교환기로 공급하는 연료극 배가스 중계라인이 연결되고, 상기 열교환기에는 상기 연료극 배가스를 상기 열교환기 내로 공급된 연료가스와 열교환시킨 후 상기 버너로 공급하는 버너용 연료극 배가스 공급라인이 연결된 것을 특징으로 하는 연료극 가스 또는 연료극 배가스를 이용한 열교환기를 포함하는 연료전지 시스템.
  18. 청구항 16 또는 청구항 17에 있어서,
    상기 열교환기는 상기 버너용 연료극 배가스 공급라인 상에 하나 또는 둘 이상 설치되는 것을 특징으로 하는 연료극 가스 또는 연료극 배가스를 이용한 열교환기를 포함하는 연료전지 시스템.
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