WO2018217005A1 - 연료전지 시스템 - Google Patents

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최성호
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to a fuel cell system operating at high temperatures.
  • Fuel cells that generate electricity through the electrochemical reaction of hydrogen and oxygen have been actively researched recently because of the simple energy conversion step and the eco-friendly nature of high efficiency and pollution-free generators.
  • the solid oxide fuel cell (SOFC) of the fuel cell is a fuel cell operated at a high temperature of about 600 to 1000 °C using a ceramic as an electrolyte, other molten carbonate fuel cell (MCFC), phosphoric acid fuel cell (PAFC)
  • MCFC molten carbonate fuel cell
  • PAFC phosphoric acid fuel cell
  • PEFC polymer fuel cells
  • the operating temperature reaches about 600 to 1000 ° C., so that system components such as fuel cell stacks, reformers, etc. are initially generated to a temperature at which electrical energy can be generated. This should be heated up to the above temperature.
  • a technique for controlling the temperature of the system is required.
  • An object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of shortening the time taken from the start-up mode to the power generation mode of a fuel cell stack and stably reducing the temperature of the system in abnormal overheating conditions or when the fuel cell stack is stopped. To provide.
  • a fuel cell system includes at least one fuel cell stack; A reformer for converting at least a portion of a hydrocarbon fuel into hydrogen and supplying it to the fuel cell stack; A first heat exchanger coupled to a first air supply pipe connecting an external air supply unit and the fuel cell stack, and heating the air supplied from the air supply unit through heat exchange to supply the fuel cell stack to the fuel cell stack; A first heater installed at a second air supply pipe connecting the air supply unit and the fuel cell stack to heat air supplied to the fuel cell stack through the second air supply pipe; And when the temperature of the fuel cell stack is less than a first predetermined temperature, the air heated by the first heater is supplied to the fuel cell stack by operating the first heater, and the temperature of the fuel cell stack is set to the first temperature. And at least one temperature and less than or equal to a second temperature higher than the first temperature, a control device for controlling the air heated by the first heat exchanger to be supplied to the fuel cell stack.
  • the fuel cell system may further include a combustor configured to combust unreacted fuel and air discharged from the fuel cell stack, wherein the first heat exchanger uses the hot combustion gas supplied from the combustor.
  • the air can be heated.
  • the fuel cell system may further include a second heat exchanger that receives the combustion gas from the first heat exchanger and heats the hydrocarbon fuel provided from an external fuel supply through heat exchange to supply the reformed gas to the reformer. have.
  • the second heat exchanger may include a vaporizer for converting water into water vapor through heat exchange with the combustion gas, in which case the second heat exchanger is the steam generated by the vaporizer and the heating
  • the modified hydrocarbon fuel can be supplied to the reformer, which can produce hydrogen from at least a portion of the hydrocarbon fuel using the steam as an oxidant.
  • the fuel cell system may further include a second heater installed in a third air supply pipe connecting the air supply unit and the reformer, and heating the air moving through the third air supply pipe.
  • the controller may increase the temperature inside the reformer by supplying hot air to the reformer through the third air supply pipe by operating the second heater when the temperature of the fuel cell stack is less than the first temperature. have.
  • the reformer may supply the air supplied through the third air supply pipe to the second heat exchanger.
  • each of the first heater and the second heater may include a heating device or a gas burner.
  • the fuel cell system may further include first to third valve devices respectively installed in the first to third air supply pipes to open and close the first to third air supply pipes, respectively.
  • the control device may control the operation of the first to third valves and the first and second heaters. Specifically, when the temperature of the fuel cell stack is less than the first temperature according to the control of the control device, air heated by the first and second heaters is respectively supplied to the fuel cell stack and the reformer, When the temperature of the fuel cell stack is greater than or equal to the first temperature and is between the first temperature and the second high temperature, the air heated by the first heat exchanger is supplied to the fuel cell stack, and the temperature of the fuel cell stack When the temperature exceeds the second temperature, the first and second heaters may be stopped and the air supplied from the air supply part may be supplied to the fuel cell stack and the reformer in a non-heated state.
  • the fuel cell system may include: a bypass pipe connected to the air supply unit and disposed to surround the fuel cell stack; And a fourth valve device installed in the bypass pipe to open and close the bypass pipe.
  • the control device may include the bypass when the temperature of the fuel cell stack is greater than or equal to the second temperature.
  • the bypass pipe may be opened by controlling the fourth valve device to move the non-heated air through the pipe.
  • the bypass pipe is a first portion connected to the air supply; A second portion including a plurality of pipes branched from the end of the first portion to surround the fuel cell stack; And a third part connected to ends of the second partial pipes and connected to a pipe connecting the first heat exchanger and the second heat exchanger, or directly connected to the second heat exchanger.
  • the time taken from the start-up mode to the power generation mode can be shortened.
  • the temperature distribution inside the fuel cell stack can be made uniform, thereby improving stability of the fuel cell stack.
  • the temperature of the fuel cell stack is generally increased by using cooling air moving through the bypass pipe or directly supplying cooling air to the fuel cell stack and the reformer. It can be lowered uniformly and quickly to increase the stability of the fuel cell system.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating a fuel cell system according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram for describing the bypass pipe illustrated in FIG. 1.
  • first and second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.
  • the first component may be referred to as the second component, and similarly, the second component may also be referred to as the first component.
  • start-up mode of the high temperature operating fuel cell stack refers to an operating state during which the temperature of the fuel cell stack is heated to a temperature required for normal power generation from the initial operating state of the fuel cell stack.
  • power generation mode refers to an operating state in which the fuel cell stack is generating power normally after the temperature of the fuel cell stack is heated to a temperature required for normal power generation.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating a fuel cell system according to an exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a diagram for describing a bypass pipe shown in FIG. 1.
  • a fuel cell system 100 includes a fuel cell stack 110, a reformer 120, a combustor 130, a first heat exchanger 140A, and a second.
  • the fuel cell stack 110 may include one or more fuel cell stacks operating at high temperatures.
  • the fuel cell stack structure 110 may include at least one solid oxide fuel cell (SOFC) stack, a molten carbonate fuel cell (MCFC) stack, and the like that operate at a temperature of about 500 ° C. or more.
  • SOFC solid oxide fuel cell
  • MCFC molten carbonate fuel cell
  • the fuel cell stack 110 generates electrical energy using oxygen in the air and hydrogen of the reformed fuel gas.
  • the reaction of oxygen and hydrogen is an exothermic reaction, and the fuel cell stack 110 may release heat while generating electrical energy.
  • the fuel cell stack 110 may include a stack of flat single cells, or may include a bundle of cylindrical or flat single cells.
  • the reformer 120 may convert at least a portion of the hydrocarbon fuel supplied from the external fuel supply unit 10 into hydrogen.
  • the reformer 120 includes a steam reformer for converting the hydrocarbon fuel into hydrogen using steam as an oxidant, a partial oxidation reformer for converting the hydrocarbon fuel into hydrogen using oxygen as an oxidant, Auto-thermal Reforming that converts the hydrocarbon fuel into hydrogen using both steam and oxygen as oxidant, and Catalytic Partial Oxidation Reformer that converts the hydrocarbon fuel into hydrogen through partial oxidation using a catalyst ) And the like can be used.
  • the steam reforming reaction in the steam reformer is an endothermic reaction, whereas the partial oxidation reforming reaction and catalytic partial oxidation reforming reaction in the partial oxidation reformer and the catalytic partial oxidation reformer are exothermic, and the autothermal reforming reaction in the autothermal reformer is It's a balanced response.
  • the steam reformer may be used as the reformer 120 to use the heat generated by the fuel cell stack 110 of the high temperature operation type and to improve the hydrocarbon reforming efficiency.
  • the reformer 120 converts at least a portion of the fuel into hydrogen by reacting steam generated by heating water supplied from an external water supply unit (not shown) and fuel supplied from the fuel supply unit 10.
  • a vaporizer for converting water into water vapor may be disposed in the second heat exchanger 140B, and the steam generated by the vaporizer and the fuel supplied and heated by the fuel supply unit 10 are heated. May be mixed and supplied to the reformer 120.
  • the reformer 120 has a power generation mode in which the temperature of the fuel cell stack 110 reaches about 600 ° C. to 700 ° C. in which the temperature of the fuel cell stack 110 is capable of self-thermal power generation.
  • the fuel supplied from the fuel supply unit 10 may be reformed and supplied to the fuel cell stack 110.
  • the reformer 120 provides air heated by the second heater 150B from the startup mode to a predetermined constant temperature. It is possible to improve the reforming efficiency of the fuel by increasing the internal temperature through heat exchange therewith.
  • the combustor 130 may generate hot combustion gas by burning unreacted discharged fuel among the fuel supplied to the fuel cell stack 110 and unreacted discharged air among the air supplied to the fuel cell stack 110. This may be supplied to the first heat exchanger 140A.
  • a well-known combustion device can be used without limitation, and a detailed description thereof will be omitted.
  • the first heat exchanger 140A heats the air provided from the external air supply unit 20 using the heat of the hot combustion gas provided from the combustor 130, and provides the heated air to the fuel cell stack 110. can do.
  • the first heat exchanger 140A may heat the air through heat exchange between the hot combustion gas provided from the combustor 130 and the air provided from the air supply unit 20.
  • the first heat exchanger 140 may be connected to a first air supply pipe 171 for supplying air to the fuel cell stack from the air supply unit 20.
  • the first heat exchanger 140A may supply air to the fuel cell stack after the fuel cell stack 110 is heated to a predetermined constant temperature.
  • air heated by the first heater 150A is supplied to the fuel cell stack 110 from the initial startup mode of the fuel cell stack 110 to the preset temperature, and the fuel cell stack Since the temperature of 110 reaches the preset temperature, the air heated by the first heat exchanger 140A may be supplied to the fuel cell stack 110.
  • the first heat exchanger (140A) may supply it to the second heat exchanger (140B) in order to additionally use the thermal energy of the hot combustion gas heat exchanged with the air.
  • the second heat exchanger 140B may heat the fuel supplied from the fuel supply unit 10 by using the heat of the high temperature combustion gas provided by the first heat exchanger 140A, and then supply it to the reformer 120. have.
  • the second heat exchanger 140B may heat the fuel through heat exchange between the hot combustion gas provided from the first heat exchanger 140A and the fuel provided from the fuel supply unit 10.
  • the cooled combustion gas after heating the fuel may be discharged to the outside.
  • the second heat exchanger 140B is connected to the hot combustion gas supplied from the first heat exchanger 140A.
  • the heat exchange of the water supplied from the external water supply may be converted into water vapor, which may be supplied to the reformer 120 together with the heated fuel.
  • first and second heat exchangers 140A and 140B a known heat exchanger may be used without limitation, and a detailed description thereof will be omitted.
  • the first heater 150A may be installed in a second air supply pipe 172 connecting the air supply unit 20 and the fuel cell stack 110.
  • the second air supply pipe 172 may be directly connected to the fuel cell stack 110, and a portion between the first heat exchanger 140A and the fuel cell stack 110 of the first air supply pipe 171. It may also be connected to.
  • the first heater 150A heats the air supplied to the fuel cell stack 110 through the second air supply pipe 172 from the initial startup mode of the fuel cell stack 110 to a predetermined constant temperature. Can be.
  • the air heated by the first heat exchanger 140A and supplied to the fuel cell stack 110 and the air heated by the first heater 150A and supplied to the fuel cell stack 110 are supplied to the fuel cell.
  • the stack 110 may react with the hydrogen-containing reforming fuel supplied from the reformer 120 to generate electrical energy.
  • the second heater 150B may be installed in a third air supply pipe 173 connecting the air supply unit 20 and the reformer 120, and may be installed from the initial startup mode of the fuel cell stack 110.
  • the air supplied to the reformer 120 may be heated through the third air supply pipe 173 to a predetermined constant temperature.
  • the reformer 120 increases the internal temperature by using the heat energy of the air heated by the second heater 150B, thereby operating from the initial startup mode of the fuel cell stack 110 to the predetermined constant temperature. It is possible to improve the reforming efficiency of the fuel over time.
  • the first to third air supply pipe (171, 172, 173) connected to the air supply unit 20, the first to third valve device (181, 182, 183) for controlling the opening and closing of them can be installed.
  • each of the first to third valve devices 181, 182, and 183 may be controlled by the controller 160.
  • the second valve device 182 and the third valve device 183 may be configured such that the control device 160 of the fuel cell stack 110 starts from the initial startup mode of the fuel cell stack 110 to the preset temperature.
  • the second air supply pipe 172 and the third air supply pipe 173 may be opened, respectively, and in this case, the air heated by the first heater 150A receives the second air supply pipe ( Air supplied to the fuel cell stack 110 through 172 and heated by the second heater 150B may be supplied to the reformer 120 through the third air supply pipe 173.
  • the second and third valve devices 182 and 183 may be configured to control the second and third valves according to a control operation of the control device 160.
  • the air supply pipes 172 and 173 may be blocked, respectively, and the first valve device 181 may open the first air supply pipe 171 according to a control operation of the control device 160.
  • the first air supply pipe 171 is opened, air heated by the first heat exchanger 140A may be supplied to the fuel cell stack 110 through the first air supply pipe 171.
  • the control device 160 stops the first valve.
  • the first air supply pipe 171 is blocked through the device 181, and the second air supply pipe 172 is opened through the second valve device 182 while maintaining the stopped state of the first heater 150A.
  • the third air supply pipe 173 may be opened to supply the cooled air to the fuel cell stack 110 and through the first valve device 183 while maintaining the stopped state of the second heater 150B. ) To supply cooling air to the reformer 120.
  • the hot air heated by the first and second heaters 150A and 150B may be supplied to the fuel cell stack 110 and the reformer 120 from an initial startup mode of the fuel cell stack 110 to a predetermined constant temperature.
  • the temperature of the entire fuel cell stack 110 can be raised uniformly and quickly, thereby significantly reducing the time required from the start-up mode to the power generation mode of the fuel cell stack 110.
  • thermal stability of the fuel cell stack 110 may be improved.
  • the first and second heaters (150A, 150B) may be used a heat transfer device, a gas burner, etc. for easy on / off operation.
  • the control device 160 may control the operation of the first and second heaters 150A and 150B based on the temperature of the fuel cell stack 110 or the reformer 120.
  • the control device 160 is disposed adjacent to the fuel cell stack 110 to directly measure the temperature of the fuel cell stack 110 or to discharge unreacted fuel from the fuel cell stack 110. Based on an electrical signal provided from a temperature sensor (not shown) installed in the fuel discharge pipe 175 or the air discharge pipe 176 through which unreacted air is discharged, indirectly measuring the temperature of the fuel cell stack 110.
  • the first and second heaters 150A and 150B When the temperature of the fuel cell stack 110 is lower than a preset temperature, for example, a temperature between about 300 to 700 ° C., the first and second heaters 150A and 150B may be operated, and the fuel cell When the temperature of the stack 110 is greater than or equal to the preset temperature, the operation of the first and second heaters 150A and 150B may be stopped.
  • a preset temperature for example, a temperature between about 300 to 700 ° C.
  • the fuel cell system 100 may further include a bypass pipe 174 and a fourth valve device 184.
  • the bypass pipe 174 may be connected to the air supply unit 20 and may be disposed to surround the fuel cell stack 100.
  • the bypass pipe 174 is branched to the end of the first portion 174a, the first portion 174a connected to the air supply 20, as shown in FIG.
  • the third portion 174c may be directly connected to the second heat exchanger 140B, or may be connected to a pipe connecting the first heat exchanger 140A and the second heat exchanger 140B.
  • the fourth valve device 184 may be installed in the bypass pipe 174 and control the opening and closing of the bypass pipe 174 according to a control operation of the control device 160.
  • the control device 160 may include the fourth valve device 184.
  • the bypass pipe 174 may be opened, and in this case, the fuel cell stack 110 may be opened through heat exchange between the cooling air passing through the bypass pipe 174 and the fuel cell stack 110. The temperature can be reduced.
  • the fourth valve device 184 is the bypass pipe 174 except when the fuel cell stack 110 is abnormally heated to a high temperature or the fuel cell system 100 is stopped. Can be blocked.
  • the time taken from the start-up mode to the power generation mode can be shortened.
  • the temperature distribution inside the fuel cell stack can be made uniform, thereby improving stability of the fuel cell stack.
  • the temperature of the fuel cell stack is generally increased by using cooling air moving through the bypass pipe or directly supplying cooling air to the fuel cell stack and the reformer. It can be lowered uniformly and quickly to increase the stability of the fuel cell system.

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Abstract

연료전지 시스템이 개시된다. 연료전지 시스템은 하나 이상의 연료전지 스택, 탄화수소 연료 중 적어도 일부를 수소로 변환하여 연료전지 스택에 공급하는 개질기, 제1 공기 공급관에 결합되고 열교환을 통해 공기를 가열하여 연료전지 스택에 공급하는 제1 열교환기, 제2 공기 공급관을 통해 연료전지 스택으로 공급되는 공기를 가열하는 제1 가열기 및 연료전지 스택의 온도가 기 설정된 제1 온도 미만인 경우에는 제1 가열기에 의해 가열된 공기가 연료전지 스택에 공급되고, 연료전지 스택의 온도가 제1 온도 이상이고 제2 온도 이하인 경우에는 제1 열교환기에 의해 가열된 공기가 연료전지 스택에 공급되도록 제어하는 제어장치를 구비한다.

Description

연료전지 시스템
본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 고온에서 작동하는 연료전지 시스템에 관한 것이다.
수소와 산소의 전기화학적 반응을 통해 전기를 생성하는 연료 전지는 에너지 전환단계가 간단하고 고효율, 무공해 발전기라는 친환경적인 특성 때문에 최근 연구가 활발히 진행되고 있다.
특히, 상기 연료 전지 중 고체산화물 연료 전지(SOFC)는 전해질로써 세라믹을 사용하여 약 600 내지 1000 ℃ 정도의 고온에서 작동되는 연료전지로서, 다른 용융탄산염 연료전지(MCFC), 인산형 연료전지(PAFC), 고분자형 연료전지(PEFC) 등 여러 형태의 연료 전지들 중 가장 효율이 높고 공해가 적을 뿐 아니라, 연료 개질기를 필요로 하지 않고 복합발전이 가능하다는 여러 장점을 지니고 있다.
하지만, 고체산화물 연료전지 등과 같이 고온 연료전지 시스템의 경우, 동작 온도가 약 600 내지 1000℃에 이르므로, 초기에 전기 에너지 생성이 가능한 온도까지 연료전지 스택, 개질기 등과 같은 시스템 구성요소를 전기 에너지 생성이 가능한 상기 온도까지 가열하여야 한다. 또한, 연료전지 시스템의 안정적인 운영 및 시스템의 내구성 향상을 위해, 시스템의 온도를 제어하는 기술이 요구된다.
본 발명의 목적은 연료전지 스택의 스타트업 모드로부터 발전 모드까지 소요되는 시간을 단축시킬 수 있고, 비정상적인 과열 상태 또는 연료전지 스택의 정지 시에 안정적으로 시스템의 온도를 감소시킬 수 있는 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템은 하나 이상의 연료전지 스택; 탄화수소 연료 중 적어도 일부를 수소로 변환하여 상기 연료전지 스택에 공급하는 개질기; 외부 공기 공급부와 상기 연료전지 스택을 연결하는 제1 공기 공급관에 결합되고, 열교환을 통해 상기 공기 공급부로부터 공급된 공기를 가열하여 상기 연료전지 스택에 공급하는 제1 열교환기; 상기 공기 공급부와 상기 연료전지 스택을 연결하는 제2 공기 공급관에 설치되며, 상기 제2 공기 공급관을 통해 상기 연료전지 스택으로 공급되는 공기를 가열하는 제1 가열기; 및 상기 연료전지 스택의 온도가 기 설정된 제1 온도 미만인 경우에는 상기 제1 가열기를 작동시켜 상기 제1 가열기에 의해 가열된 공기가 상기 연료전지 스택에 공급되고, 상기 연료전지 스택의 온도가 상기 제1 온도 이상이고 상기 제1 온도보다 높은 제2 온도 이하인 경우에는 상기 제1 열교환기에 의해 가열된 공기가 상기 연료전지 스택에 공급되도록 제어하는 제어장치를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 연료전지 시스템은 상기 연료전지 스택으로부터 배출된 미반응 연료 및 공기를 연소시키는 연소기를 더 포함할 수 있고, 상기 제1 열교환기는 상기 연소기로부터 공급된 고온 연소가스를 이용하여 상기 공기를 가열할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 연료전지 시스템은 상기 제1 열교환기로부터 상기 연소가스를 제공 받아 열교환을 통해 외부 연료 공급부로부터 제공된 상기 탄화수소 연료를 가열하여 상기 개질기로 공급하는 제2 열교환기를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제2 열교환기는 상기 연소가스와의 열교환을 통해 물을 수증기로 변환시키는 기화기를 포함할 수 있고, 이 경우, 상기 제2 열교환기는 상기 기화기에 의해 생성된 수증기 및 상기 가열된 탄화수소 연료를 상기 개질기에 공급할 있고, 상기 개질기는 상기 수증기를 산화제로 이용하여 상기 탄화수소 연료의 적어도 일부로부터 수소를 생성할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 연료전지 시스템은 상기 공기 공급부와 상기 개질기를 연결하는 제3 공기 공급관에 설치되고, 상기 제3 공기 공급관을 이동하는 공기를 가열하는 제2 가열기를 더 포함할 수 있고, 상기 제어장치는 상기 연료전지 스택의 온도가 상기 제1 온도 미만인 경우에 상기 제2 가열기를 작동시켜 상기 제3 공기 공급관을 통해 상기 개질기로 고온의 공기를 공급함으로써 상기 개질기 내부의 온도를 상승시킬 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 개질기는 상기 제3 공기 공급관을 통해 공급된 공기를 상기 제2 열교환기에 공급할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 가열기 및 상기 제2 가열기 각각은 전열 장치 또는 가스 버너를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 연료전지 시스템은 상기 제1 내지 제3 공기 공급관에 각각 설치되어 상기 제1 내지 제3 공기 공급관을 각각 개폐하는 제1 내지 제3 밸브 장치를 더 포함할 수 있고, 상기 제어 장치는 상기 제1 내지 제 3밸브 그리고 상기 제1 및 제2 가열기의 동작을 제어할 수 있다. 구체적으로, 상기 제어 장치의 제어에 따라 상기 연료전지 스택의 온도가 상기 제1 온도 미만인 경우에는 상기 제1 및 제2 가열기에 의해 각각 가열된 공기가 상기 연료전지 스택 및 상기 개질기에 각각 공급되고, 상기 연료전지 스택의 온도가 상기 제1 온도 이상 상기 제1 온도부터 높은 제2 온도 사이인 경우에는 상기 제1 열교환기이에 의해 가열된 공기가 상기 연료전지 스택에 공급되며, 상기 연료전지 스택의 온도가 상기 제2 온도를 초과하는 경우에는 상기 제1 및 제2 가열기가 정지되고 상기 공기 공급부에서 공급된 공기가 비가열 상태로 연료전지 스택 및 상기 개질기로 공급될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 연료전지 시스템은 상기 공기 공급부와 연결되고 상기 연료전지 스택을 둘러싸도록 배치된 바이패스 배관; 및 상기 바이패스 배관에 설치되어 상기 바이패스 배관을 개폐하는 제4 밸브 장치를 더 포함할 수 있고, 이 경우, 상기 제어장치는 상기 연료전지 스택의 온도가 상기 제2 온도 이상인 경우에 상기 바이패스 배관을 통해 비가열 공기가 이동하도록 상기 제4 밸브 장치를 제어하여 상기 바이패스 배관을 개방할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 바이패스 배관은 상기 공기 공급부에 연결되는 제1 부분; 상기 제1 부분의 단부로부터 상기 연료전지 스택을 둘러싸도록 분기된 복수의 배관들을 포함하는 제2 부분; 및 상기 제2 부분 배관들의 단부들이 연결되고 상기 제1 열교환기와 상기 제2 열교환기를 연결하는 배관에 연결되거나 상기 제2 열교환기에 직접 연결되는 제3 부분을 포함할 수 있다.
본 발명의 연료전지 시스템에 따르면, 연료전지 스택의 스타트업 모드 동안 제1 및 제2 가열기에 의해 가열된 공기를 연료전지 스택 및 개질기에 공급함으로써 스타트업 모드로부터 발전 모드까지 소요되는 시간을 단축시킬 수 있고, 연료전지 스택 내부의 온도 분포를 균일하게 할 수 있어서 연료전지 스택의 안정성을 향상시킬 수 있다. 그리고 연료전지 스택의 이정상적 과열 상태 또는 연료전지 시스템의 정시시에는 바이패스 배관을 이동하는 냉각 공기를 이용하거나 상기 연료전지 스택 및 개질기에 냉각 공기를 직접 공급함으로써, 상기 연료전지 스택의 온도를 전체적으로 균일하게 그리고 빠르게 낮출 수 있어서 연료전지 시스템의 안정성을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템을 설명하기 위한 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시된 바이패스 배관을 설명하기 위한 도면들이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 스택 구조물에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
한편, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 명세서에 있어서, 고온 동작형 연료전지 스택의 “스타트업 모드”라 함은 상기 연료전지 스택의 초기 동작 상태에서부터 상기 연료전지 스택의 온도가 정상적인 발전을 위해 요구되는 온도까지 가열되는 동안의 동작 상태를 의미하고, “발전 모드”라 함은 상기 연료전지 스택의 온도가 정상적인 발전을 위해 요구되는 온도까지 가열된 이후에 상기 연료전지 스택이 정상적인 발전을 하고 있는 동작 상태를 의미한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템을 설명하기 위한 블록도이고, 도 2는 도 1에 도시된 바이패스 배관을 설명하기 위한 도면들이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템(100)은 연료전지 스택(110), 개질기(120), 연소기(130), 제1 열교환기(140A), 제2 열교환기(140B), 제1 가열기(150A), 제2 가열기(150B) 및 제어장치(160)를 포함한다.
상기 연료전지 스택(110)은 고온에서 동작하는 하나 이상의 연료전지 스택을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 연료전지 스택 구조물(110)은 약 500℃ 이상의 온도에서 작동하는 고체산화물 연료전지(SOFC) 스택, 용융탄산염 연료전지(MCFC) 스택 등을 하나 이상 포함할 수 있다. 상기 연료전지 스택(110)은 공기 중의 산소 및 개질된 연료 가스의 수소를 이용하여 전기 에너지를 생성한다. 상기 산소와 수소의 반응은 발열 반응으로써, 상기 연료전지 스택(110)은 전기 에너지를 생성하는 동안 열을 방출할 수 있다.
한편, 상기 연료전지 스택(110)은 평판형 단전지들의 스택을 포함할 수도 있고, 원통형 또는 평관형 단전지들의 번들을 포함할 수도 있다.
상기 개질기(120)는 외부 연료 공급부(10)에서 공급된 탄화수소 연료 중 적어도 일부를 수소로 변환할 수 있다. 상기 개질기(120)로는 수증기를 산화제로 이용하여 상기 탄화수소 연료를 수소로 변환시키는 수증기 개질기(Steam Reformer), 산소를 산화제로 이용하여 상기 탄화수소 연료를 수소로 변환시키는 부분산화 개질기(Partial Oxidation Reformer), 산화제로 수증기와 산소를 모두 이용하여 상기 탄화수소 연료를 수소로 변환시키는 자열 개질기(Auto-thermal Reforming), 촉매를 이용한 부분산화를 통해 상기 탄화수소 연료를 수소로 변환시키는 촉매 부분산화 개질기(Catalytic Partial oxidation Reformer) 등으로부터 선택된 하나가 사용될 수 있다. 상기 수증기 개질기에서의 수증기 개질 반응은 흡열 반응임에 반하여, 상기 부분산화 개질기 및 촉매 부분산화 개질기에서의 부분산화 개질 반응 및 촉매 부분산화 개질 반응은 발열 반응이고, 상기 자열 개질기에서의 자열 개질 반응은 균형 반응이다.
일 실시예에 있어서, 상기 고온 동작형인 연료전지 스택(110)의 발열을 이용하고 탄화수소의 개질 효율을 높이기 위해, 상기 개질기(120)로는 상기 수증기 개질기가 사용될 수 있다. 이 경우, 상기 개질기(120)는 외부 물 공급부(미도시)로부터 공급된 물을 가열하여 생성된 수증기 및 상기 연료 공급부(10)에서 공급된 연료를 반응시켜 상기 연료의 적어도 일부를 수소로 변환시킬 수 있다. 일 실시예로, 상기 제2 열교환기(140B) 내부에 물을 수증기로 변환시킬 수 있는 기화기가 배치될 수 있고, 상기 기화기에 의해 생성된 수증기와 상기 연료 공급부(10)에서 공급되어 가열된 연료가 혼합되어 상기 개질기(120)로 공급될 수 있다.
상기 개질기(120)는 상기 연료전지 스택(110)의 스타트업(start-up) 모드 초기부터 상기 연료전지 스택(110)의 온도가 자열 발전이 가능한 약 600℃ 내지 700℃에 도달한 발전 모드까지 상기 연료 공급부(10)에서 공급된 연료를 개질하여 상기 연료전지 스택(110)에 공급할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 개질기(120)로 상기 수증기 개질기가 사용되는 경우, 상기 개질기(120)는 상기 스타트업 모드로부터 기설정된 일정한 온도까지 상기 제2 가열기(150B)에 의해 가열된 공기를 제공받고, 이와의 열교환을 통해 내부 온도를 상승시킴으로써 상기 연료의 개질 효율을 향상시킬 수 있다.
상기 연소기(130)는 상기 연료전지 스택(110)에 공급된 연료 중 미반응 배출 연료와 상기 연료전지 스택(110)에 공급된 공기 중 미반응 배출 공기를 연소시켜 고온 연소 가스를 생성할 수 있고, 이를 상기 제1 열교환기(140A)에 공급할 수 있다. 상기 연소기(130)로는 공지의 연소 장치가 제한 없이 사용될 수 있으므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
상기 제1 열교환기(140A)는 상기 연소기(130)로부터 제공된 고온 연소 가스의 열을 이용하여 외부 공기 공급부(20)로부터 제공된 공기를 가열하고, 가열된 공기를 상기 연료전지 스택(110)에 제공할 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 열교환기(140A)는 상기 연소기(130)로부터 제공된 고온 연소 가스와 상기 공기 공급부(20)로부터 제공된 공기 사이의 열교환을 통해 상기 공기를 가열할 수 있다. 이를 위해, 상기 제1 열교환기(140)는 상기 공기 공급부(20)로부터 상기 연료전지 스택에 공기를 공급하기 위한 제1 공기 공급관(171)에 연결될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 열교환기(140A)는 상기 연료전지 스택(110)이 기 설정된 일정한 온도까지 가열된 이후에 상기 연료전지 스택에 공기를 공급할 수 있다. 예를 들면, 상기 연료전지 스택(110)의 스타트업 모드 초기로부터 상기 기 설정된 온도까지는 상기 제1 가열기(150A)에 의해 가열된 공기가 상기 연료전지 스택(110)에 공급되고, 상기 연료전지 스택(110)의 온도가 상기 기 설정된 온도에 도달한 이후부터 상기 제1 열교환기(140A)에 의해 가열된 공기가 상기 연료전지 스택(110)에 공급될 수 있다.
한편, 상기 제1 열교환기(140A)는 상기 공기와 열교환이 일어난 상기 고온 연소 가스의 열에너지를 추가적으로 이용하기 위하여 이를 상기 제2 열교환기(140B)에 공급할 수 있다.
상기 제2 열교환기(140B)는 상기 제1 열교환기(140A)에서 제공된 고온 연소 가스의 열을 이용하여 상기 연료 공급부(10)에서 공급된 연료를 가열시킨 후 이를 상기 개질기(120)에 공급할 수 있다. 예를 들면, 상기 제2 열교환기(140B)는 상기 제1 열교환기(140A)로부터 제공된 고온 연소 가스와 상기 연료 공급부(10)로부터 제공된 연료 사이의 열교환을 통해 상기 연료를 가열할 수 있다. 상기 연료를 가열한 후의 냉각된 연소 가스는 외부로 배출될 수 있다.
한편, 상기 개질기(120)가 수증기 개질기이고 상기 제2 열교환기(140B) 내부에 기화기가 설치된 경우, 상기 제2 열교환기(140B)는 상기제1 열교환기(140A)에서 공급된 고온 연소 가스와의 열교환을 통해 외부 물 공급부에서 공급된 물을 수증기로 변환시키고, 이를 상기 가열된 연료와 함께 상기 개질기(120)로 공급할 수 있다.
상기 제1 및 제2 열교환기(140A, 140B)로는 공지의 열교환 장치가 제한 없이 사용될 수 있으므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
상기 제1 가열기(150A)는 상기 공기 공급부(20)와 상기 연료전지 스택(110)을 연결하는 제2 공기 공급관(172)에 설치될 수 있다. 상기 제2 공기 공급관(172)은 상기 연료전지 스택(110)에 직접 연결될 수도 있고, 상기 제1 공기 공급관(171) 중 상기 제1 열교환기(140A)와 상기 연료전지 스택(110) 사이의 부분에 연결될 수도 있다. 상기 제1 가열기(150A)는 상기 연료전지 스택(110)의 스타트업 모드 초기부터 기설정된 일정한 온도까지 상기 제2 공기 공급관(172)을 통해 상기 연료전지 스택(110)에 공급되는 공기를 가열할 수 있다.
상기 제1 열교환기(140A)에 의해 가열되어 상기 연료전지 스택(110)에 공급된 공기 및 상기 제1 가열기(150A)에 의해 가열되어 상기 연료전지 스택(110)에 공급된 공기는 상기 연료전지 스택(110) 내에서 상기 개질기(120)로부터 공급된 수소 함유 개질 연료와 반응하여 전기 에너지를 생성할 수 있다.
상기 제2 가열기(150B)는 상기 공기 공급부(20)와 상기 개질기(120)를 연결하는 제3 공기 공급관(173)에 설치될 수 있고, 상기 연료전지 스택(110)의 스타트업 모드 초기부터 기설정된 일정한 온도까지 상기 제3 공기 공급관(173)을 통해 상기 개질기(120)에 공급되는 공기를 가열할 수 있다. 상기 개질기(120)는 상기 제2 가열기(150B)에 의해 가열된 공기의 열에너지를 이용하여 내부 온도를 상승시킴으로써, 상기 연료전지 스택(110)의 스타트업 모드 초기부터 상기 기 설정된 일정한 온도까지의 작동시간 동안 연료의 개질 효율을 향상시킬 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 공기 공급부(20)와 연결된 상기 제1 내지 제3 공기 공급관(171, 172, 173)에는 이들의 개폐를 제어하는 제1 내지 제3 밸브 장치(181, 182, 183)이 각각 설치될 수 있다.
상기 제1 내지 젠3 밸브 장치(181, 182, 183) 각각의 동작은 상기 제어장치(160)에 의해 제어될 수 있다. 예를 들면, 상기 제2 밸브 장치(182) 및 상기 제3 밸브 장치(183)는 상기 연료전지 스택(110)의 스타트업 모드 초기부터 상기 기 설정된 온도까지의 시간 동안 상기 제어장치(160)의 제어 동작에 따라 상기 제2 공기 공급관(172) 및 상기 제3 공기 공급관(173)을 각각 개방할 수 있고, 이 경우, 상기 제1 가열기(150A)에 의해 가열된 공기가 상기 제2 공기 공급관(172)을 통해 상기 연료전지 스택(110)에 공급되고, 상기 제2 가열기(150B)에 의해 가열된 공기가 상기 제3 공기 공급관(173)을 통해 상기 개질기(120)로 공급될 수 있다.
그리고 상기 연료전지 스택(110)이 상기 기 설정된 온도 이상으로 가열된 경우, 상기 제2 및 제3 밸브 장치(182, 183)는 상기 제어장치(160)의 제어 동작에 따라 상기 제2 및 제3 공기 공급관(172, 173)을 각각 차단할 있고, 상기 제1 밸브 장치(181)는 상기 제어장치(160)의 제어 동작에 따라 상기 제1 공기 공급관(171)을 개방할 수 있다. 상기 제1 공기 공급관(171)이 개방된 경우, 상기 제1 열교환기(140A)에 의해 가열된 공기가 상기 제1 공기 공급관(171)을 통해 상기 연료전지 스택(110)에 공급될 수 있다.
한편, 상기 연료전지 스택(110) 또는 상기 개질기(120)가 비정상적으로 고온으로 가열되어 냉각이 필요한 경우 또는 상기 연료전지 시스템(100)을 정지하는 경우, 상기 제어장치(160)는 상기 제1 밸브 장치(181)를 통해 상기 제1 공기 공급관(171)을 차단하고, 상기 제1 가열기(150A)의 정지 상태를 유지시키면서 상기 제2 밸브 장치(182)를 통해 상기 제2 공기 공급관(172)을 개방하여 상기 연료전지 스택(110)에 냉각된 공기를 공급할 수 있고, 또한, 상기 제2 가열기(150B)의 정지 상태를 유지시키면서 상기 제1 밸브 장치(183)를 통해 상기 제3 공기 공급관(173)을 개방하여 상기 개질기(120)에 냉각 공기를 공급할 수 있다.
상기 제1 및 제2 가열기(150A, 150B)에 의해 가열된 고온 공기가 상기 연료전지 스택(110)의 스타트업 모드 초기부터 기 설정된 일정한 온도까지 상기 연료전지 스택(110) 및 상기 개질기(120)에 공급되는 경우, 상기 연료전지 스택(110) 전체의 온도를 균일하게 그리고 빠르게 상승시킬 수 있으므로, 상기 연료전지 스택(110)의 스타트업 모드로부터 발전 모드까지 소요되는 시간을 현저하게 단축시킬 수 있을 뿐만 아니라 상기 연료전지 스택(110)의 열안정성을 향상시킬 수 있다.
일 실시예로, 상기 제1 및 제2 가열기(150A, 150B)로는 온/오프 동작이 용이한 전열 장치, 가스 버너 등이 사용될 수 있다.
상기 제어장치(160)는 상기 연료전지 스택(110) 또는 상기 개질기(120)의 온도를 기초로 상기 제1 및 제2 가열기(150A, 150B)의 동작을 제어할 수 있다. 일 실시예로, 상기 제어장치(160)는 상기 연료전지 스택(110)에 인접하게 배치되어 상기 연료전지 스택(110)의 온도를 직접 측정하거나 상기 연료전지 스택(110)으로부터 미반응 연료가 배출되는 연료 배출관(175) 또는 미반응 공기가 배출되는 공기 배출관(176)에 설치되어 상기 연료전지 스택(110)의 온도를 간접적으로 측정하는 온도 센서(미도시)로부터 제공된 전기적 신호를 기초로, 상기 연료전지 스택(110)의 온도가 기 설정된 온도, 예를 들면, 약 300 내지 700℃ 사이의 온도보다 낮은 경우에상기 제1 및 제2 가열기(150A, 150B)를 작동시킬 수 있고, 상기 연료전지 스택(110)의 온도가 상기 기 설정된 온도 이상인 경우에는 상기 제1 및 제2 가열기(150A, 150B)의 동작을 중지시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템(100)은 바이패스 배관(174) 및 제4 밸브 장치(184)를 더 포함할 수 있다.
상기 바이패스 배관(174)은 상기 공기 공급부(20)에 연결될 수 있고, 상기 연료전지 스택(100)을 둘러싸도록 배치될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 바이패스 배관(174)은 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 공기 공급부(20)에 연결된 제1 부분(174a), 상기 제1 부분(174a)의 단부로 분기되고 상기 연료전지 스택(110)을 둘러싸는 복수의 배관들을 포함하는 제2 부분(174b) 및 상기 제2 부분(174b) 배관들의 단부들이 연결되고 상기 제2 열교환기(140B)에 연결되는 제3 부분(174c)을 포함할 수 있다. 상기 제3 부분(174c)은 상기 제2 열교환기(140B)에 직접 연결될 수도 있고, 상기 제1 열교환기(140A)와 상기 제2 열교환기(140B)를 연결하는 배관에 연결될 수도 있다.
상기 제4 밸브 장치(184)는 상기 바이패스 배관(174)에 설치되고, 상기 제어 장치(160)의 제어 동작에 따라 상기 바이패스 배관(174)의 개폐를 제어할 수 있다. 예를 들면, 상기 연료전지 스택(110)이 비정상적으로 고온으로 가열되어 냉각이 필요한 경우 또는 상기 연료전지 시스템(100)을 정지하는 경우, 상기 제어장치(160)는 상기 제4 밸브 장치(184)를 통해 상기 바이패스 배관(174)을 개방할 수 있고, 이 경우 상기 바이패스 배관(174)을 통과하는 냉각 공기와 상기 연료전지 스택(110) 사이의 열교환을 통해 상기 연료전지 스택(110)의 온도가 감소될 수 있다. 한편, 상기 제4 밸브 장치(184)는 상기 연료전지 스택(110)이 비정상적으로 고온으로 가열된 경우 또는 상기 상기 연료전지 시스템(100)을 정지하는 경우를 제외하고는 상기 바이패스 배관(174)을 차단할 수 있다.
본 발명의 연료전지 시스템에 따르면, 연료전지 스택의 스타트업 모드 동안 제1 및 제2 가열기에 의해 가열된 공기를 연료전지 스택 및 개질기에 공급함으로써 스타트업 모드로부터 발전 모드까지 소요되는 시간을 단축시킬 수 있고, 연료전지 스택 내부의 온도 분포를 균일하게 할 수 있어서 연료전지 스택의 안정성을 향상시킬 수 있다. 그리고 연료전지 스택의 이정상적 과열 상태 또는 연료전지 시스템의 정시시에는 바이패스 배관을 이동하는 냉각 공기를 이용하거나 상기 연료전지 스택 및 개질기에 냉각 공기를 직접 공급함으로써, 상기 연료전지 스택의 온도를 전체적으로 균일하게 그리고 빠르게 낮출 수 있어서 연료전지 시스템의 안정성을 높일 수 있다.
앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (10)

  1. 하나 이상의 연료전지 스택;
    탄화수소 연료 중 적어도 일부를 수소로 변환하여 상기 연료전지 스택에 공급하는 개질기;
    외부 공기 공급부와 상기 연료전지 스택을 연결하는 제1 공기 공급관에 결합되고, 열교환을 통해 상기 공기 공급부로부터 공급된 공기를 가열하여 상기 연료전지 스택에 공급하는 제1 열교환기;
    상기 공기 공급부와 상기 연료전지 스택을 연결하는 제2 공기 공급관에 설치되며, 상기 제2 공기 공급관을 통해 상기 연료전지 스택으로 공급되는 공기를 가열하는 제1 가열기; 및
    상기 연료전지 스택의 온도가 기 설정된 제1 온도 미만인 경우에는 상기 제1 가열기를 작동시켜 상기 제1 가열기에 의해 가열된 공기가 상기 연료전지 스택에 공급되고, 상기 연료전지 스택의 온도가 상기 제1 온도 이상이고 상기 제1 온도보다 높은 제2 온도 이하인 경우에는 상기 제1 열교환기에 의해 가열된 공기가 상기 연료전지 스택에 공급되도록 제어하는 제어장치를 포함하는, 연료전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지 스택으로부터 배출된 미반응 연료 및 공기를 연소시키는 연소기를 더 포함하고,
    상기 제1 열교환기는 상기 연소기로부터 공급된 고온 연소가스를 이용하여 상기 공기를 가열하는 것을 특징으로 하는, 연료전지 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 열교환기로부터 상기 연소가스를 제공 받아 열교환을 통해 외부 연료 공급부로부터 제공된 상기 탄화수소 연료를 가열하여 상기 개질기로 공급하는 제2 열교환기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 연료전지 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2 열교환기는 상기 연소가스와의 열교환을 통해 물을 수증기로 변환시키는 기화기를 포함하고, 상기 기화기에 의해 생성된 수증기 및 상기 가열된 탄화수소 연료를 상기 개질기에 공급하며,
    상기 개질기는 상기 수증기를 산화제로 이용하여 상기 탄화수소 연료의 적어도 일부로부터 수소를 생성하는 것을 특징으로 하는, 연료전지 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 공기 공급부와 상기 개질기를 연결하는 제3 공기 공급관에 설치되고, 상기 제3 공기 공급관을 이동하는 공기를 가열하는 제2 가열기를 더 포함하고,
    상기 제어장치는 상기 연료전지 스택의 온도가 상기 제1 온도 미만인 경우에 상기 제2 가열기를 작동시켜 상기 제3 공기 공급관을 통해 상기 개질기로 고온의 공기를 공급함으로써 상기 개질기 내부의 온도를 상승시키는 것을 특징으로 하는, 연료전지 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    열교환을 통해 외부 연료 공급부로부터 제공된 상기 탄화수소 연료를 가열하여 상기 개질기로 공급하는 제2 열교환기를 더 포함하고,
    상기 개질기는 상기 제3 공기 공급관을 통해 공급된 공기를 상기 제2 열교환기에 공급하는 것을 특징으로 하는, 연료전지 시스템.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제1 가열기 및 상기 제2 가열기 각각은 전열 장치 또는 가스 버너를 포함하는 것을 특징으로 하는, 연료전지 시스템.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 제1 내지 제3 공기 공급관에 각각 설치되어 상기 제1 내지 제3 공기 공급관을 각각 개폐하는 제1 내지 제3 밸브 장치를 더 포함하고,
    상기 제어 장치는 상기 제1 내지 제 3밸브 그리고 상기 제1 및 제2 가열기의 동작을 제어하며,
    상기 제어 장치의 제어에 따라 상기 연료전지 스택의 온도가 상기 제1 온도 미만인 경우에는 상기 제1 및 제2 가열기에 의해 각각 가열된 공기가 상기 연료전지 스택 및 상기 개질기에 각각 공급되고, 상기 연료전지 스택의 온도가 상기 제1 온도 이상 상기 제1 온도부터 높은 제2 온도 사이인 경우에는 상기 제1 열교환기이에 의해 가열된 공기가 상기 연료전지 스택에 공급되며, 상기 연료전지 스택의 온도가 상기 제2 온도를 초과하는 경우에는 상기 제1 및 제2 가열기가 정지되고 상기 공기 공급부에서 공급된 공기가 비가열 상태로 연료전지 스택 및 상기 개질기로 공급되는 것을 특징으로 하는, 연료전지 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 공기 공급부와 연결되고 상기 연료전지 스택을 둘러싸도록 배치된 바이패스 배관; 및
    상기 바이패스 배관에 설치되어 상기 바이패스 배관을 개폐하는 제4 밸브 장치를 더 포함하고,
    상기 제어장치는 상기 연료전지 스택의 온도가 상기 제2 온도 이상인 경우에 상기 바이패스 배관을 통해 비가열 공기가 이동하도록 상기 제4 밸브 장치를 제어하여 상기 바이패스 배관을 개방하는 것을 특징으로 하는, 연료전지 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 바이패스 배관은,
    상기 공기 공급부에 연결되는 제1 부분;
    상기 제1 부분의 단부로부터 상기 연료전지 스택을 둘러싸도록 분기된 복수의 배관들을 포함하는 제2 부분; 및
    상기 제2 부분 배관들의 단부들이 연결되고 상기 제1 열교환기와 상기 제2 열교환기를 연결하는 배관에 연결되거나 상기 제2 열교환기에 직접 연결되는 제3 부분을 포함하는 것을 특징으로 하는, 연료전지 시스템.
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