KR102701211B1 - 연료전지 장치 및 그 제어방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 연료전지 장치는, 전기에너지를 발생하는 스택; 상기 스택으로 개질가스를 공급하는 개질 반응기; 상기 개질 반응기를 가열하는 버너; 상기 버너로 외기를 공급하는 버너 에어블로워; 상기 스택으로 외기를 공급하는 스택 에어블로워; 및 상기 버너로 공급되는 외기와 상기 개질 반응기에서 생성되어 상기 버너로 순환되는 개질가스를 열교환시켜 개질가스에 포함된 수분을 제거하는 제1열교환기를 포함하므로, 상기 버너로 공급되는 개질가스의 수분함량이 저감되어 버너의 연소 효율이 향상되고, 상기 스택으로 공급되는 개질가스와 외기를 열교환시켜 개질가스에 포함된 수분을 제거하는 제2열교환기를 더 포함할 수 있으므로, 수분함량이 저감된 개질가스가 상기 스택으로 공급되어 스택의 발전 효율이 향상된다.
Description
본 발명은 연료전지 장치 및 그 제어방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 개질가스의 수분함량을 저감할 수 있는 연료전지 장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.
연료전지 장치는, 연료가스를 개질 반응기에서 개질 처리하여 수소를 포함하는 개질가스로 변환하고, 이를 발전 장치인 스택으로 공급해, 스택 내의 산소와 전기화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키는 장치이다.
국내 특허 등록번호 1011402520000은, 연료전지의 전기화학반응 결과 생성되는 수분을 머금은 기체로 부터, 열교환을 통해 수분을 회수하여 재사용하기 위한 기액분리기에 관한 발명이다.
구체적으로 상기 특허발명은, 연료전지의 전기화학반응 결과 배출되는 수분을 머금은 기체가 유입될 수 있는 유입구 및 유입된 기체가 토출될 수 있는 토출구를 형성한 중공의 본체; 상기 본체의 내부 하단에 배치되는, 기체에 함유된 수분이 분리되어 저장될 수 있는 액체저장부; 본체로 유입된 기체에 함유된 수분을 접촉냉 방식으로 분리하기 위해, 본체의 내부 상단을 구획하는 구획분리부재; 및 본체로 유입된 기체가 다공성 막을 통과하면서 수분이 분리되도록, 상기 액체저장부의 상측에 배치되는 다공성 분리판을 포함한다.
이때, 유입구로 유입된 수분을 머금은 기체는 본체를 유동하며 본체의 내측면 및 구획분리부재와 접촉냉각되어, 기체로부터 수분이 분리될 수 있으며, 분리된 수분은 중력에 따라 본체의 내측면을 타고 본체 하단의 액체저장부에 고이게 된다.
또한, 유입구로 유입된 수분을 머금은 기체는 본체를 유동하며 다공성 분리판을 통과하여, 기체로부터 수분이 분리될 수 있으며, 분리된 수분은 중력에 따라 다공성 분리판 하단의 액체저장부에 고이게 된다.
위와 같이 수분이 분리된 기체는 토출구를 통해 본체 밖으로 토출된다.
그러나, 상기 상기 특허발명에서 열교환에 사용되는 유동 기체의 본체 및 내부 부재와의 접촉냉 방식은, 본체 및 내부 부재의 표면 온도에 열교환 효율이 크게 의존하는 문제점이 있다.
또한, 상기 상기 특허발명에서 열교환에 사용되는 다공성 분리판 활용 방식은, 다공성 분리판에서 분리된 물이 다공성 분리판의 하측에 위치한 액체저장부를 체울수록, 다공성 분리판을 통과하는 기체의 유동성이 저하되어 열교환 효율이 저하될 수 있다는 문제점이 있다.
한편, 종래기술에 따른 다른 연료전지 장치는, 개질 반응기에서 생성되는 개질가스의 농도가 스택의 발전에 사용되기에 적합해질때까지, 개질 반응기에서 생성되는 개질가스를 버너로 순환시켜 버너의 연소 연료로 사용하는 개질운전 단계에 있어서, 버너의 연소에 사용되는 개질가스가 높은 수분함량을 갖음으로써 버너의 연소 효율이 저하되는 문제점이 있었다.
한편, 종래기술에 따른 다른 연료전지 장치는, 개질 반응기에서 생성되는 개질가스를 스택으로 공급해 스택의 발전에 사용하는 발전운전 단계에 있어서, 스택의 발전에 사용되는 개질가스가 높은 수분함량을 갖음으로써 스택의 발전 효율이 저하되는 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은, 안정적으로 높은 열교환 효율을 갖는 열교환기를 구비한 연료전지 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 버너의 연소에 사용되는 개질가스의 수분함량을 저감하여 버너의 연소 효율을 향상시킨 연료전지 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 스택의 발전에 사용되는 개질가스의 수분함량을 저감하여 스택의 발전 효율을 향상시킨 연료전지 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 각 운전 모드에 적합토록 개질가스의 수분함량을 저감하면서도 용이하게 운전모드를 절환할 수 있는 연료전지 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 운전모드의 절환에 따라 발생할 수 있는 유동 저항요인을 제거하여 전력효율을 상승시킨 연료전지 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 달성하기 위한, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치는, 전기에너지를 발생하는 스택; 상기 스택으로 개질가스를 공급하는 개질 반응기; 상기 개질 반응기를 가열하는 버너; 상기 버너로 외기를 공급하는 버너 에어블로워; 상기 스택으로 외기를 공급하는 스택 에어블로워; 상기 버너로 공급되는 외기와 상기 개질 반응기에서 생성되어 상기 버너로 순환되는 개질가스를 열교환시켜 개질가스에 포함된 수분을 제거하는 제1열교환기를 포함한다.
이에 따라, 버너로 공급되는 개질가스의 수분함량이 저감되어 버너의 연소 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치는, 상기 스택으로 공급되는 개질가스와 외기를 열교환시켜 개질가스에 포함된 수분을 제거하는 제2열교환기를 더 포함할 수 있다.
이에 따라, 수분함량이 저감된 개질가스가 스택으로 공급되어 스택의 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치는, 버너로 외기를 공급하는 제1유로; 스택으로 외기를 공급하는 제2유로; 상기 제1유로에서 분기되 제1열교환기를 통과한 뒤 제1유로로 합류되는 제1바이패스 유로; 개질가스를 상기 스택으로 공급하는 제3유로; 상기 제3유로에서 분기되어 버너에 연결되는 제2바이패스 유로; 상기 제1유로와 상기 제1바이패스 유로를 선택적으로 개폐하는 삼방밸브; 스택으로의 개질가스 공급을 차단할 수 있는 제1개폐밸브; 및 상기 제2바이패스 유로를 개폐하는 제2개폐밸브를 더 포함할 수 있다.
이에 따라, 밸브 제어를 통해 바이패스 유로를 개폐하여 제1열교환기를 운전모드에 적합하게 사용함으로써, 효율적으로 연료전지 장치를 운전할 수 있다.
이에 따라, 밸브 제어를 통해 스택측 유로를 개폐하여 제2열교환기를 운전모드에 적합하게 사용함으로써, 효율적으로 연료전지 장치를 운전할 수 있다.
이에 따라, 밸브 제어를 통해 운전모드에 따라 불필요한 바이패스를 생략하여 외기 유동의 저항요인을 제거함으로써, 연료전지 장치의 전력효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치의 제어방법은, 버너와 버너 에어블로워를 가동시켜 개질 반응기를 예열시키는 예열운전 단계; 상기 개질 반응기의 온도가 소정온도값에 도달하면, 버너측으로 공급되는 외기를 제1열교환기로 바이패스시킨 다음 버너로 공급되게 하고, 상기 개질 반응기에서 생성되어 배출되는 개질가스를 제1열교환기로 바이패스시켜, 상기 바이패스된 외기와 열교환하여 수분함량을 저감시킨 다음 버너로 공급하는 개질운전 단계; 상기 개질 반응기에서 생성되는 개질가스에 함유된 일산화탄소의 농도가 소정농도값까지 저감되면, 개질가스를 스택으로 공급하고, 스택 에어블로워를 가동시켜 스택에서 전기에너지를 생성하는 발전운전 단계를 포함한다.
이때 상기 발전운전 단계는, 상기 스택으로 공급되는 외기와 개질가스를 제2열교환기에서 열교환하여 상기 개질가스의 수분함량을 저감시킨 다음, 스택으로 공급되게 하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이에 따라, 개질운전 단계에서, 개질가스가 발전에 적합한 상태에 도달할 때까지, 생성된 개질가스를 버너로 재순환시켜 연소에 사용할 수 있다.
이에 따라, 개질운전 단계에서, 수분함량이 저감된 개질가스를 버너의 연료로 사용함으로써 연료전지 장치의 연소 효율을 향상시킬 수 있다.
이에 따라, 발전운전 단계에서, 수분함량이 저감된 개질가스를 스택의 연료로 사용함으로써 연료전지 장치의 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치의 제어방법은, 상기 발전운전 단계에서, 버너로 공급되는 외기가 제1열교환기로 바이패스하지 않고 직접 버너로 공급되게 할 수 있다.
이에 따라, 발전운전 단계에서, 불필요한 바이패스를 생략하여 외기 유동의 저항요인을 제거함으로써, 연료전지 장치의 전력효율을 향상시킬 수 있다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치는, 안정적으로 높은 열교환 효율을 갖는 열교환기를 구비할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치는, 버너의 연소에 사용되는 개질가스의 수분함량을 저감하여 버너의 연소 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치는, 스택의 발전에 사용되는 개질가스의 수분함량을 저감하여 스택의 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치는, 각 운전 모드에 적합토록 개질가스의 수분함량을 저감하면서도 용이하게 운전모드를 절환할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치는, 운전모드의 절환에 따라 발생할 수 있는 유동 저항요인을 제거하여 전력효율을 상승시킬 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은, 본 발명의 실시예에 따른, 연료전지 장치의 구성도이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 외기와 가스의 유동흐름도이다.
도 3은, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 외기와 가스의 유동흐름도이다.
도 4는, 본 발명의 실시예에 따른, 열교환기의 구성도이다.
도 5는, 본 발명의 실시예에 따른, 도 4의 A 부분의 단면도이다
도 6는, 본 발명의 실시예에 따른, 연료전지 장치의 제어흐름도이다
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 외기와 가스의 유동흐름도이다.
도 3은, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 외기와 가스의 유동흐름도이다.
도 4는, 본 발명의 실시예에 따른, 열교환기의 구성도이다.
도 5는, 본 발명의 실시예에 따른, 도 4의 A 부분의 단면도이다
도 6는, 본 발명의 실시예에 따른, 연료전지 장치의 제어흐름도이다
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다. 도면에서는 본 발명을 명확하고 간략하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분의 도시를 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 극히 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 참조부호를 사용한다.
본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품, 또는 이들을 조합한 것들의 존재, 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 본 명세서에서, 다양한 요소들을 설명하기 위해 제1, 제2 등의 용어가 이용될 수 있으나, 이러한 요소들은 이러한 용어들에 의해 제한되지 아니한다. 이러한 용어들은 한 요소를 다른 요소로부터 구별하기 위해서만 이용될 수 있다.
연료전지(Fuel Cell) 장치란 탄화수소계 연료를 개질하여 얻은 수소와 외기중의 산소를 스택(1)의 막전극접합체(MEA)에서 전기화학반응시켜 전기를 생산하는 장치이다.
연료전지 장치는 연료처리부, 전력생성부, 냉각수순환부, 열회수부 및 전력변환부를 포함할 수 있으나, 본 발명의 기술적 사상의 핵심과는 관련이 없는 냉각수순환부, 열회수부 및 전력변환부에 관하여는 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른, 연료전지 장치의 구성도이다. 도 1을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 설명한다.
도 1을 참조하면, 실시예에 따른 본 연료전지 장치는, 전기에너지를 발생하는 스택(1); 상기 스택(1)으로 개질가스를 공급하는 개질 반응기(2a); 상기 개질 반응기(2a)를 가열하는 버너(2b); 상기 버너(2b)로 외기를 공급하는 버너 에어블로워(3); 상기 스택(1)으로 외기를 공급하는 스택 에어블로워(4); 상기 버너(2b)로 공급되는 외기와 상기 개질 반응기(2a)에서 생성되어 상기 버너(2b)로 순환되는 개질가스를 열교환시켜 개질가스에 포함된 수분을 제거하는 제1열교환기(5)를 포함하고, 상기 스택(1)으로 공급되는 개질가스 및 외기를 열교환시켜 개질가스에 포함된 수분을 제거하는 제2열교환기(6)를 더 포함할 수 있다.
스택(1)은, 스택 에어블로워(4)가 공급하는 외기 내의 산소와 개질 반응기(2a)에서 생성되어 공급되는 개질가스 내의 산소를 전기화학반응시켜 전기에너지를 발생시킨다.
스택(1)은, 전기화학반응이 일어나는 단일 셀이 적층되어 구성될 수 있다. 단일 셀은, 전해질막을 중심으로 연료극과 외기극이 배치된 막-전극 접합체(membrane electrode assembly, MEA), 세퍼레이터(separator) 등으로 구성될 수 있다.
막-전극 접합체의 연료극에서는, 수소가 촉매에 의하여 수소이온과 전자로 분리되어 전기가 발생할 수 있고, 막-전극 접합체의 외기극에서는 수소이온과 전자가 산소와 결합하여 물이 생성될 수 있다.
개질기(2)는, 개질 반응기(2a)와 버너(2b)를 포함할 수 있다.
개질 반응기(2a)는, 황 화합물이 제거된 연료 가스를 공급받아 수소 가스를 생성하는 개질 반응을 수행할 수 있다. 여기서, 개질 반응에 사용되는 촉매는, 니켈(Ni), 알루미나(Al₂O₃) 등으로 구성된 촉매일 수 있다.
예를 들어, 탈황기(미도시)로부터 토출된 탈황된 연료 가스와 증기를 발생시키는 증기발생기(미도시)로부터 토출된 수증기가 혼합되어 개질 반응기(2a)에 공급될 수 있다. 이때, 개질 반응기(2a)에 공급된 연료 가스와 수증기가 개질 반응하는 경우, 수소 가스가 생성될 수 있다.
한편, 개질 반응기(2a)에서 생성되어 토출되는 가스는, 개질가스로 명명될 수 있다.
버너(2b)는, 흡열 반응인 개질 반응기(2a)에서의 개질 반응이 촉진되도록 개질 반응기(2a)에 열을 공급할 수 있다.
예를 들어, 탈황기(미도시)로부터 토출된 탈황된 연료 가스와 버너 에어블로워(3)에 의해 압축된 외기가 버너(2b)에 공급될 수 있다.
이때, 버너(2b)는, 연료 가스와 외기가 혼합된 가스를 연소시켜 연소열을 발생시킬 수 있고, 버너(2b)에서 공급되는 열에 의해, 개질기(2)의 내부온도가 적정 온도(예: 800℃)로 유지될 수 있다.
한편, 개질기(2)는 개질 반응에 의해 생성되는 일산화탄소를 저감하기 위해 선택적 산화 반응, 선택적 메탄화 반응이 일어날 수 있는 제1,2반응기(미도시)를 더 포함할 수도 있다.
버너 에어블로워(3)는, 외부 공기를 흡입하여 압축한 뒤 버너(2b)로 공급할 수 있다. 버너 에어블로워(3)는 압축기 및 송풍기를 포함할 수 있다. 버너 에어블로워(3)는 모터로부터 동력을 전달받아 구동될 수 있다. 이때, 모터의 회전 수가 증가할수록 버너 에어블로워(3)가 버너(2b)로 공급하는 공기 유량이 증가할 수 있다.
스택 에어블로워(4)는, 외부 공기를 흡입하여 압축한 뒤 스택(1)으로 공급할 수 있다. 스택 에어블로워(4)는 압축기 및 송풍기를 포함할 수 있다. 스택 에어블로워(4)는 모터로부터 동력을 전달받아 구동될 수 있다. 이때, 모터의 회전 수가 증가할수록 스택 에어블로워(4)가 스택(1)으로 공급하는 공기 유량이 증가할 수 있다.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 열교환기의 구성도이고, 도 5는, 도 4의 A 부분의 단면도이다.
열교환기는, 제1열교환기(5) 및/또는 제2열교환기(6)를 포함할 수 있다.
제1열교환기(5)는, 도 4를 참조할때, 제1바이패스 유로(23)를 통과하는 외기와 제2바이패스 유로(24)를 통과하는 개질가스를 열교환시켜 개질가스의 수분함량을 저감시킬 수 있다.
이때, 상대적으로 저온인 외기를 상대적으로 고온인 개질가스와 열교환시키면서, 외기와 개질가스의 비열차이로 인해 개질가스 내 수분이 효과적으로 응축되므로, 높은 응축 효율을 갖을 수 있다.
이때, 수분함량이 저감된 개질가스는 제2바이패스 유로(24)를 통해 버너(2b)로 공급되어 연료로 사용될 수 있고, 낮은 수분함량으로 인해 연소 효율을 향상시킬 수 있다.
이때, 열교환에 사용된 외기는 제1바이패스 유로(23)로 배출된 뒤 버너 에어블로워(3)에 의해 버너(2b)로 공급되어 연소될 수 있다.
제1열교환기(5)는, 외기와 개질가스를 열교환시켜 개질가스 및/또는 외기가 연소에 적합한 적정 온도 및/또는 적정 습도를 갖추게끔 할 수도 있다.
제1열교환기(5)는, 배수관(5a)을 통하여 물탱크로 응축수를 배출할 수 있다.
제1열교환기(5)는, 도 4 및 도 5를 참조할 때, 일측에 개질가스가 유입되는 유입구(5b)와 타측에 개질가스가 배출되는 배출구(5c)를 형성하는 내부관체(5e)를 포함할 수 있다.
이때, 개질가스는 유입구(5b)로 유입되어 내부관체(5e)가 형성한 공간을 유동한 뒤 배출구(5c)로 배출될 수 있다.
또한, 내부관체(5e)를 감싸도록 내부관체(5e)의 외측에 적어도 일부가 이격되어 배치되고, 외기가 유동하는 외부관체(5d)를 포함할 수 있다.
이때, 외부관체(5d)가 내부관체(5e)에 대해 이격되어 배치됨으로써 형성되는 외부관체(5d)와 내부관체(5e) 사이의 공간을 통해 외기가 유동할 수 있고, 유동하는 외기는 내부관체(5e)가 형성한 공간을 유동하는 개질가스와 열교환될 수 있다.
이때, 외부관체(5d)는 제1바이패스 유로(23)와 연통되어, 제1바이패스 유로(23)로 부터 외기를 공급받아 열교환 시킨 뒤, 열교환된 외기를 제1바이패스 유로(23)로 배출할 수 있다.
이때, 내부관체의 유입구(5b)는 제2바이패스 유로(24)와 연통되어, 제2바이패스 유로(24)로부터 개질가스를 공급받을 수 있다.
이때, 내부관체의 배출구(5c)는 제2바이패스 유로(24)와 연통되어, 열교환으로 수분함량이 저감된 개질가스를 제2바이패스 유로(24)로 배출할 수 있다.
이때, 내부관체의 유입구(5b) 및 배출구(5c)는 각각, 내부관체(5e)의 바닥면으로부터 소정간격 높게 형성되어, 열교환시 개질가스로부터 생성되는 응축수가 내부관체(5e)에 고이도록 할 수 있다.
예를 들어, 열교환시 개질가스로부터 생성되는 응축수는 내부관체(5e)의 내측면에 맺힌 뒤, 중력에 의해 하방으로 흘러내려 내부관체(5e)의 바닥면에 고이게 된다. 고인 응축수는 내부관체의 유입구(5b) 및 배출구(5c)가 갖는 바닥면으로부터의 소정간격 높이로 인해, 내부관체의 유입구(5b) 및 배출구(5c) 밖으로 유동할 수 없다.
또한, 내부관체(5e)는 개질가스와 외기의 열교환시 생성되는 응축수가 내부관체(5e)의 일측에 고이도록 소정의 구배각도로 기울어져 배치될 수 있다.
이때, 내부관체(5e)의 일측에 고인 응축수는 배수관(5a)을 통하여, 장치 내 물을 저장하는 물탱크로 배출될 수 있다.
제1열교환기(5)의 형상은 기재한 설명에 한정되지 않고, 외기와 개질가스를 열교환할 수 있는 임의의 열교환기로 대체될 수 있으며, 예를 들어 핀튜브 타입, 핀플레이트 타입 등의 열교환기일 수 있다.
제2열교환기(6)는, 도 4를 참조할때, 제2유로(21)를 통과하는 외기와 제3유로(22)를 통과하는 개질가스를 열교환시켜 개질가스의 수분함량을 저감시킬 수 있다.
이때, 상대적으로 저온인 외기를 상대적으로 고온인 개질가스와 열교환시키면서, 외기와 개질가스의 비열차이로 인해 개질가스 내 수분이 효과적으로 응축되므로, 높은 응축 효율을 갖을 수 있다.
이때, 수분함량이 저감된 개질가스는 제3유로(22)를 통해 스택(1)으로 공급되어 연료로 사용될 수 있고, 낮은 수분함량으로 인해 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
이때, 열교환에 사용된 외기는 제2유로(21)로 배출된 뒤 스택 에어블로워(4)에 의해 스택(1)으로 공급되어 발전에 사용될 수 있다.
제2열교환기(6)는, 외기와 개질가스를 열교환시켜 개질가스 및/또는 외기가 연소에 적합한 적정 온도 및/또는 적정 습도를 갖추게끔 할 수도 있다.
제2열교환기(6)는, 배수관(6a)을 통하여 물탱크로 응축수를 배출할 수 있다.
제2열교환기(6)는, 도 4 및 도 5를 참조할 때, 일측에 개질가스가 유입되는 유입구(6b)와 타측에 개질가스가 배출되는 배출구(6c)를 형성하는 내부관체(6e)를 포함할 수 있다.
이때, 개질가스는 유입구(6b)로 유입되어 내부관체(6e)가 형성한 공간을 유동한 뒤 배출구(6c)로 배출될 수 있다.
또한, 내부관체(6e)를 감싸도록 내부관체(6e)의 외측에 적어도 일부가 이격되어 배치되고, 외기가 유동하는 외부관체(6d)를 포함할 수 있다.
이때, 외부관체(6d)가 내부관체(6e)에 대해 이격되어 배치됨으로써 형성되는 외부관체(6d)와 내부관체(6e) 사이의 공간을 통해 외기가 유동할 수 있고, 유동하는 외기는 내부관체(6e)가 형성한 공간을 유동하는 개질가스와 열교환될 수 있다.
이때, 외부관체(6d)는 제2유로(21)와 연통되어, 제2유로(21)로 부터 외기를 공급받아 열교환 시킨 뒤, 열교환된 외기를 제2유로(21)로 배출할 수 있다.
이때, 내부관체의 유입구(6b)는 제3유로(22)와 연통되어, 제3유로(22)로부터 개질가스를 공급받을 수 있다.
이때, 내부관체의 배출구(6c)는 제3유로(22)와 연통되어, 열교환으로 수분함량이 저감된 개질가스를 제3유로(22)로 배출할 수 있다.
이때, 내부관체의 유입구(6b) 및 배출구(6c)는 각각, 내부관체(6e)의 바닥면으로부터 소정간격 높게 형성되어, 열교환시 개질가스로부터 생성되는 응축수가 내부관체(6e)에 고이도록 할 수 있다.
예를 들어, 열교환시 개질가스로부터 생성되는 응축수는 내부관체(6e)의 내측면에 맺힌 뒤, 중력에 의해 하방으로 흘러내려 내부관체(6e)의 바닥면에 고이게 된다. 고인 응축수는 내부관체의 유입구(6b) 및 배출구(6c)가 갖는 바닥면으로부터의 소정간격 높이로 인해, 내부관체의 유입구(6b) 및 배출구(6c) 밖으로 유동할 수 없다.
또한, 내부관체(6e)는 개질가스와 외기의 열교환시 생성되는 응축수가 내부관체(6e)의 일측에 고이도록 소정의 구배각도로 기울어져 배치될 수 있다.
이때, 내부관체(6e)의 일측에 고인 응축수는 배수관(6a)을 통하여, 장치 내 물을 저장하는 물탱크로 배출될 수 있다.
제2열교환기(6)의 형상은 기재한 설명에 한정되지 않고, 외기와 개질가스를 열교환할 수 있는 임의의 열교환기로 대체될 수 있으며, 예를 들어 핀튜브 타입, 핀플레이트 타입 등의 열교환기일 수 있다.
에어필터(11)는, 버너(2b) 연소 및 스택(1)의 발전에 필요한 외기를 정화할 수 있다.
유량계(12)는, 스택 에어블로워(4)로부터 스택(1)으로 공급되는 외기의 유량을 측정할 수 있다.
가습기(13)는, 스택 에어블로워(4)로부터 스택(1)으로 공급되는 외기의 습도를 조절할 수 있다. 예를 들어, 가습기(13)는, 스택(1)으로 공급되는 외기에 수분을 공급할 수 있고, 스택(1)에서 토출되어 스택공기 배기관(33)을 통해 배기되는 외기의 수분을 스택(1)으로 공급되는 외기에 전달할 수 있다.
Cathode in 밸브(미도시)와 Cathode out 밸브(미도시)는 스택(1)의 외기극(Cahthode)을 밀폐하여 비운전시 스택(1) 내 촉매의 산화를 막기위해, 스택(1)의 외기극의 출입구에 설치될 수 있다.
물탱크(미도시)는, 연료전지 장치 내 필요한 물을 공급하고, 사용된 물을 회수하여 저장할 수 있다.
도 1을 참조하면, 실시예에 따른 본 연료전지 장치는, 버너(2b)로 외기를 공급하는 제1유로(20); 스택(1)으로 외기를 공급하는 제2유로(21); 상기 제1유로(20)에서 분기되 제1열교환기(5)를 통과한 뒤 제1유로(20)로 합류되는 제1바이패스 유로(23); 개질가스를 스택(1)으로 공급하는 제3유로(22); 상기 제3유로(22)에서 분기되어 버너(2b)에 연결되는 제2바이패스 유로(24); 상기 제1유로(20)와 상기 제1바이패스 유로(23)를 선택적으로 개폐하는 삼방밸브(7); 스택(1)으로의 개질가스 공급을 차단할 수 있는 제1개폐밸브(8); 및 상기 제2바이패스 유로(24)를 개폐하는 제2개폐밸브(9)를 더 포함할 수 있다.
제1유로(20)는, 버너 에어블로워(3)의 작동에 의해 외기가 버너(2b)를 향하여 이동되는 통로일 수 있다. 이때, 제1유로(20)에는 버너 에어블로워(3)가 구비될 수 있다. 이때, 제1유로(20)의 일단은 버너(2b)와 연통될 수 있다.
제1유로(20)는, 에어필터(11)를 통과한 정화된 외기가 유입되는 통로일 수도 있다. 이때, 제1유로(20)의 다른 일단은 에어필터(11)와 연통될 수 있다.
제1유로(20)는, 버너 에어블로워(3)를 기준으로 제1흡입유로(20a)와 제1토출유로(20b)로 구분될 수 있다.
제1흡입유로(20a)는, 제1유로(20) 중 외기를 버너 에어블로워(3)까지 공급하는 통로일 수 있다. 제1흡입유로(20a)의 일단은 버너 에어블로워(3)의 흡입구와 연통될 수 있고, 제1흡입유로(20a)의 다른 일단은 에어필터(11)와 연통될 수 있다.
제1토출유로(20b)는, 제1유로(20) 중 버너 에어블로워(3)에서 토출된 외기를 버너(2b)까지 공급하는 통로일 수 있다. 제1토출유로(20b)의 일단은 버너 에어블로워(3)의 토출구와 연통될 수 있고, 제1토출유로(20b)의 다른 일단은 버너(2b)와 연통될 수 있다.
제1바이패스 유로(23)는, 제1유로(20)에서 분기된 다음, 다시 제1유로(20)로 합류되는 통로일 수 있다. 제1유로(20)에서 분기된 제1바이패스 유로(23)의 일단은 제1열교환기(5)의 외부관체(5d)와 연통되어 제1열교환기(5)로 외기를 공급할 수 있다.
제1유로(20)로 합류되는 제1바이패스 유로(23)의 일단은 제1열교환기(5)의 외부관체(5d)와 연통되어, 제1열교환기(5)에서 토출되는 외기를 제1유로(20)로 공급할 수 있다.
제1바이패스 유로(23)는, 제1유로(20) 중 특히, 외기가 상기 버너 에어블로워(3) 측으로 흡입되는 제1흡입유로(20a)에서 분기된 다음, 제1흡입유로(20a)에 합류될 수 있다. 이때, 제1열교환기(5)로 공급되는 외기는 버너 에어블로워(3)에서 압축되기 이전의 외기일 수 있다.
제1바이패스 유로(23)는, 제1유로(20) 중 특히, 외기가 상기 버너 에어블로워(3)에서 토출되어 버너(2b)로 공급되는 제1토출유로(20b)에서 분기된 다음, 제1토출유로(20b)에 합류될 수도 있다. 이때, 제1열교환기(5)로 공급되는 외기는 버너 에어블로워(3)에서 압축된 외기일 수 있다.
삼방밸브(7)는, 제1유로(20)와 제1바이패스 유로(23)를 선택적으로 개폐할 수 있다. 이때, 삼방밸브(7)는 제1유로(20)와 제1바이패스 유로(23)의 분기점에 배치될 수 있다. 이때, 버너(2b)로 공급되는 외기의 제1열교환기(5)로의 바이패스 여부는 삼방밸브(7)의 제어에 의해 실행될 수 있다.
제2유로(21)는, 스택 에어블로워(4)의 작동에 의해 외기가 스택(1)을 향하여 이동되는 통로일 수 있다. 이때, 제2유로(21)에는 스택 에어블로워(4)가 구비될 수 있다. 이때, 제2유로(21)의 일단은 스택(1)과 연통될 수 있다.
제2유로(21)는, 에어필터(11)를 통과한 정화된 외기가 유입되는 통로일 수도 있다. 이때, 제2유로(21)의 다른 일단은 에어필터(11)와 연통될 수 있다.
제2유로(21)는, 스택 에어블로워(4)를 기준으로 제2흡입유로(21a)와 제2토출유로(21b)로 구분될 수 있다.
제2흡입유로(21a)는, 제2유로(21) 중 외기를 스택 에어블로워(4)까지 공급하는 통로일 수 있다. 제2흡입유로(21a)의 일단은 에어필터(11)와 연통될 수 있고, 제2흡입유로(21a)의 다른 일단은 스택 에어블로워(4)의 흡입구와 연통될 수 있다.
제2흡입유로(21a)는 제2열교환기(6)를 전후로 분절될 수 있다. 분절된 제2흡입유로(21a) 중 에어필터(11)와 연통된 제2흡입유로(21a)의 일단은 제2열교환기(6)와 연통되어 제2열교환기(6)로 정화된 외기를 공급할 수 있고, 분절된 제2흡입유로(21a) 중 스택 에어블로워(4)의 흡입구와 연통된 제2흡입유로(21a)의 일단은 제2열교환기(6)와 연통되어 제2열교환기(6)로부터 열교환된 외기를 공급받아 스택 에어블로워(4)로 공급할 수 있다.
제2토출유로(21b)는, 제2유로(21) 중 스택 에어블로워(4)에서 토출된 외기를 스택(1)까지 공급하는 통로일 수 있다. 제2토출유로(21b)의 일단은 스택 에어블로워(4)의 토출구와 연통될 수 있고, 다른 일단은 스택(1)과 연통될 수 있다.
이때, 제2흡입유로(21a)를 대체하여 제2토출유로(21b)가 제2열교환기(6)를 전후로 분절될 수도 있다. 이때, 분절된 제2토출유로(21b) 중 스택 에어블로워(4)와 연통된 제2토출유로(21b)의 일단은 제2열교환기(6)와 연통되어 제2열교환기(6)로 압축된 외기를 공급할 수 있고, 분절된 제2토출유로(21b) 중 스택(1)과 연통된 제2토출유로(21b)의 일단은 제2열교환기(6)와 연통되어 제2열교환기(6)로부터 열교환된 외기를 공급받아 스택(1)으로 공급할 수 있다.
제3유로(22)는, 개질 반응기(2a)에서 생성된 개질가스를 스택(1)으로 공급하는 통로일 수 있다. 제3유로(22)는 개질 반응기(2a)와 스택(1)을 연결할 수 있다.
제3유로(22)는 제2열교환기(6)를 전후로 분절될 수 있다.
이때, 분절된 제3유로(22) 중 개질 반응기(2a)와 연결된 제3유로(22)의 일단은, 제2열교환기(6)의 내부관체의 유입구(6b)와 연통되어 개질가스를 제2열교환기(6)로 공급할 수 있다.
이때, 분절된 제3유로(22) 중 스택(1)과 연결된 제3유로(22)의 일단은, 제2열교환기(6)의 내부관체의 배출구(6c)와 연통되어 제2열교환기(6)에서 토출되는 개질가스를 스택(1)으로 공급할 수 있다.
한편, 제3유로(22)에는, 개질 반응기(2a)에서 토출된 개질가스가 스택(1)에 공급되기 전 스택(1)에 적합한 온도 및 습도로 조절될 수 있도록, 개질가스 열교환기(미도시)와 Anode 워터트랩(미도시)가 배치될 수도 있다.
제2바이패스 유로(24)는, 제3유로(22)에서 분기되어 버너(2b)와 연결되는 통로일 수 있다.
제2바이패스 유로(24)는 제1열교환기(5)를 전후로 분절될 수 있다.
이때, 분절된 제2바이패스 유로(24) 중 제3유로(22)에서 분기된 제2바이패스 유로(24)의 일단은, 제1열교환기(5)의 내부관체의 유입구(5b)와 연통되어 개질가스를 제1열교환기(5)로 공급할 수 있다.
이때, 분절된 제2바이패스 유로(24) 중 버너(2b)와 연결된 제2바이패스 유로(24)의 일단은, 제1열교환기(5)의 내부관체의 배출구(5c)와 연통되어 제1열교환기(5)에서 토출되는 개질가스를 버너(2b)로 공급할 수 있다.
제1개폐밸브(8)는, 제3유로(22) 중 제2바이패스 유로(24)가 분기되는 분기점의 하류에 구비될 수 있다. 제1개폐밸브(8)는, 개질 반응기(2a)에서 생성되어 제3유로(22)를 통해 스택(1)으로 공급되는 개질가스의 유동을 차단할 수 있다. 바람직하게는, 제2열교환기(6)의 상류에 구비되어 제2열교환기(6)로의 개질가스 유입을 차단할 수 있다.
제2개폐밸브(9)는, 제2바이패스 유로(24)에 구비될 수 있다. 제2개폐밸브(9)는, 개질 반응기(2a)에서 생성되어 제2바이패스 유로(24)를 통해 버너(2b)로 공급되는 개질가스의 유동을 차단할 수 있다. 바람직하게는, 제1열교환기(5)의 상류에 구비되어 제1열교환기(5)로의 개질가스의 유입을 차단할 수 있다.
이때, 스택(1)으로 공급되는 개질가스의 제1열교환기(5)로의 바이패스 여부는 제1개폐밸브(8)와 제2개폐밸브(9)의 제어에 의하여 실행될 수 있다.
제1연료공급관(31)은, 도시가스를 버너(2b)로 공급하는 버너연료용 가스 라인(BNG)일 수 있다.
제2연료공급관(32)은, 도시가스를 개질 반응기(2a)로 공급하는 개질가스용 라인(PNG)일 수 있다. 이때, 증기발생기(미도시)로부터 토출된 수증기가 도시가스와 혼합되어 제2연료공급관(32)을 통해 함께 개질 반응기(2a)로 공급될 수 있다.
버너 배기관(30)은, 연료 가스와 외기의 연소에 의해 버너(2b)에서 생성되는 배기가스를 외부로 배출할 수 있다.
스택공기 배기관(33)은, 스택(1)에서 반응하였거나 반응하지 않은 외기가 배기되는 관일 수 있다. 배기되는 외기는 스택 내 전기화학반응에 의해 생성되는 수분을 머금을 수 있다.
스택공기 배기관(33)은 가습기(13)를 관통한 뒤 외부로 돌출될 수 있다. 이때, 가습기(13)는 스택공기 배기관(33)을 유동하는 배기되는 외기 내의 수분을 회수하여, 스택(1)으로 공급되는 외기에 전달할 수 있다.
스택가스 배기관(34)은, 스택(1)에서 미반응된 개질가스인 AOG(Anode Off Gas), 즉 양극배출가스를 버너(2b)로 공급할 수 있다. 양극배출가스는 버너(2b)의 연료로 재사용될 수 있다.
스택가스 배기관(34)에는, 폐열회수를 위한 AOG 열교환기(미도시)와 버너(2b)의 연소효율을 높이기 위하여 양극배출가스의 수분을 저감하는 AOG 상분리기(미도시)가 배치될 수 있다.
스택가스 배기밸브(10)는, 스택가스 배기관(34)에 구비되어, 양극배출가스의 유동을 차단할 수 있다.
온도센서(100)는, 개질기(2) 또는 개질 반응기(2a) 내에 설치되어 버너(2b) 및/또는 개질 반응기(2a)의 온도를 감지한 뒤, 이를 제어부에 전달할 수 있다.
농도측정센서(101)는, 개질 반응기(2a)가 생성하는 개질가스의 농도를 감지할 수 있다. 예를 들어 감지되는 농도는, 개질가스 내 일산화탄소 농도일 수 있다. 예를 들어 감지되는 농도는, 개질가스 내 수소 농도일 수 있다.
제어부(미도시)는, 연료전지 장치의 동작 전반을 제어할 수 있다. 제어부는, 연료전지 장치에 구비된 각 구성과 연결될 수 있고, 각 구성과 상호 간에 신호를 송신 및/또는 수신할 수 있다.
예를 들어, 제어부는, 온도센서(100)로부터 수신되는 신호에 기초하여, 버너(2b) 및/또는 개질 반응기(2a)의 온도를 확인할 수 있다.
예를 들어, 제어부는, 농도측정센서(101)로부터 수신되는 신호에 기초하여, 개질 반응기(2a)에서 생성된 개질가스의 일산화탄소의 농도를 확인할 수 있다.
예를 들어, 제어부는, 농도측정센서(101)로부터 수신되는 신호에 기초하여, 개질 반응기(2a)에서 생성된 개질가스의 수소의 농도를 확인할 수 있다.
제어부는, 수신한 신호를 처리한 결과에 따른 제어 신호를 연료전지 장치에 구비된 각 구성에 송신할 수 있다.
예를 들어, 제어부는, 개질모드 실행시 삼방밸브(7)와 제1,2개폐밸브(8,9)를 제어하여 제1,2바이패스 유로(23,24)가 각각 개방되게 할 수 있다.
예를 들어, 제어부는, 발전모드 실행시 삼방밸브(7)와 제1,2개폐밸브(8,9)를 제어하여 제1,2바이패스 유로(23,24)가 각각 폐쇄되게 할 수 있다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 외기와 가스의 유동흐름도이고, 도 3은, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 외기와 가스의 유동흐름도이고, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른, 제어흐름도이다. 이하 도 2,3,6을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 제어방법에 대해 설명한다.
먼저 예열운전 모드(S1)에 대해 설명한다.
예열운전이란, 개질운전에 앞서, 개질 반응기(2a)가 개질가스를 생성하기에 적합한 온도에 도달하도록 버너(2b)와 개질 반응기(2a)를 가열하는 운전이다.
연료전지 장치 운전을 시작하면(S11), 개질운전 모드(S3)에 진입하기전 먼저 버너(2b)와 개질 반응기(2a)를 충분히 예열하는 예열운전 모드에 진입하게 된다(S12).
제어부는 삼방밸브(7)를 버너 에어블로워(3)측으로 절환하여 제1바이패스 유로(23)를 폐쇄할 수 있고(S13), 버너 에어블로워(3)를 구동할 수 있다(S14).
이때, 삼방밸브(7)의 절환에 따라(S13), 공급될 외기는 제1열교환기(5)로 바이패스 하지 않고, 제1유로(20)를 통해 버너 에어블로워(3)로 곧바로 공급될 수 있다.
이때, 버너(2b)로 공급될 외기는 유동상의 저항요소인 제1열교환기(5)를 거치지 않음으로써, 외기를 버너(2b)로 공급하기 위해 전력을 소비하는 버너 에어블로워(3)의 전력효율을 향상시킬 수 있다.
이때, 버너 에어블로워(3)의 구동에 따라(S14), 외부에서 공급된 외기는 에어필터(11)를 지나 제1유로(20)를 통해 삼방밸브(7)로 공급될 수 있다. 삼방밸브(7)로 공급된 외기는 제1열교환기(5)로 바이패스하지 않고, 제1유로(20)를 통해 버너 에어블로워(3)로 곧바로 공급될 수 있다. 버너 에어블로워(3)로 공급된 외기는 압축되어 버너(2b)로 공급될 수 있다.
이때, 버너(2b)는, 제1연료공급관(31)으로부터 공급받은 도시가스와 버너 에어블로워(3)에 의해 제1유로(20)로부터 공급받은 외기를 연소시킬 수 있다. 버너(2b) 내 연소에 의해 개질 반응기(2a)는 가열된다. 연소로 생성된 버너(2b) 안의 배기가스는 버너 배기관(30)을 통해 외부로 배기될 수 있다.
한편, 예열운전시, 제1연료공급관(31)을 통해 버너(2b)로 도시가스가 공급될 뿐 개질 반응기(2a)로는 연료가 공급되지 않으므로, 버너(2b)와 개질 반응기(2a)가 예열될 뿐 별도의 개질가스가 생성되진 않는다. 따라서, 제1,2열교환기(5,6)는 구동되지 않으며, 제어부에 의해 스택 에어블로워(4) 역시 구동되지 않는다.
버너(2b)와 개질 반응기(2a)가 충분히 예열되도록 예열운전 모드가 유지된다(S15).
그 다음, 온도센서(100)는 버너(2b) 온도를 감지하여 제어부로 전달할 수 있다. 버너(2b) 온도를 수신한 제어부는 버너(2b) 온도가 미리 설정된 소정온도값보다 큰지 판단할 수 있다(S2).
이때, 버너(2b) 온도가 소정온도값 이하이면 예열운전 모드를 유지할 수 있고(S15), 버너(2b) 온도가 소정온도값보다 크다면 개질운전 모드에 진입할 수 있다(S31).
이때, 버너(2b) 온도는 인접한 개질 반응기(2a)의 온도로 대체될 수 있다.
이때, 소정온도값이란, 제어부의 메모리에 사전에 저장된 값으로, 개질가스를 생성하기에 적합한 온도일 수 있다.
도 2의 유동흐름은 실시예에 따른 본 연료전지 장치의 개질운전 단계의 유동흐름일 수 있다. 이하 도 2를 참조하여 개질운전 모드(S3)에 대해 설명한다.
개질운전이란, 발전운전에 앞서, 개질 반응기(2a)에서 생성되는 개질가스를 버너(2b)로 재순환시키면서 개질 반응기(2a)에서 생성되는 개질가스가 스택(1)의 발전에 적합한 상태에 도달하게 만드는 운전이다.
이때, 스택(1)의 발전에 적합한 개질가스의 상태란, 충분히 높은 수소 농도 및 충분히 낮은 일산화탄소 농도 등을 의미할 수 있다.
버너(2b) 온도가 소정온도값보다 크다면, 개질운전 모드에 진입한다(S31).
이때, 에어필터(11)를 거쳐 정화된 외기는 버너 에어블로워(3)의 구동으로 인해 버너(2b)측으로 유동할 수 있다.
한편, 스택 에어블로워(4)는 구동하지 않는 반면 버너 에어블로워(3)를 구동하는 것으로 인한 차압 차이 또는 스택(1)측 Cathode 밸브(미도시)의 폐쇄로 인해, 에어필터(11)를 통과한 외기는 별도의 밸브 없이도 스택 에어블로워(4) 측으로 유동하지 않는다.
한편, 개질운전 모드 진입에 따라(S31), 제2연료공급관(32)을 통해 개질 반응기(2a)에 도시가스 및 스팀을 공급할 수 있다. 공급되는 도시가스 및 스팀은 개질 반응기(2a)에서 버너(2b)의 열을 받아 개질 반응을 일으키고, 그 결과 개질가스가 생성될 수 있다.
그 다음, 제어부는 삼방밸브(7)를 제1열교환기(5)측으로 절환할 수 있고(S32), 제1개폐밸브(8)를 폐쇄할 수 있으며(S33), 제2개폐밸브(9)를 개방할 수 있다(S34).
이때, 삼방밸브(7)의 절환에 따라(S32), 버너(2b)측으로 유동하던 외기는 절환된 삼방밸브(7)에 의해 제1바이패스 유로(23)를 통해 제1열교환기(5)로 바이패스될 수 있다.
이때, 제1열교환기(5)로 유입된 외기는 개질가스와 열교환한 뒤 제1바이패스 유로(23)로 배출되어 버너(2b)로 공급될 수 있다.
예를 들어, 외기는 제1바이패스 유로(23)를 통해 제1열교환기(5)의 외부관체(5d)로 공급될 수 있으며, 제1열교환기(5)의 내부관체(5e)로 유입된 개질 반응기(2a)에서 생성된 개질가스와 열교환하여 개질가스의 수분함량을 저감시키게 된다. 열교환된 외기는 외부관체(5d)로부터 제1바이패스 유로(23)로 토출되고, 버너 에어블로워(3)의 구동에 의해 버너(2b)로 공급되어 연소에 사용될 수 있다.
한편, 제1개폐밸브(8)의 폐쇄(S33) 및 제2개폐밸브(9)의 개방(S34)에 따라, 개질 반응기(2a)에서 생성된 개질가스는 스택(1)의 발전에 적합한 상태에 도달할 때까지 스택(1)으로 공급되지 않고 버너(2b)로 공급되어 연소에 사용될 수 있다.
예를 들어, 개질 반응기(2a)에서 생성된 개질가스는 제3유로(22)로 토출될 수 있다. 제3유로(22)를 유동하던 개질가스는, 제1개폐밸브(8)의 폐쇄와 제2개폐밸브(9)의 개방으로 인해 제2바이패스 유로(24)를 통해 제1열교환기(5)로 바이패스될 수 있다.
이때, 제1열교환기(5)로 유입된 개질가스는 제1바이패스 유로(23)를 통해 바이패스된 외기와 열교환하여 수분함량이 저감된 뒤, 제2바이패스 유로(24)로 배출되어 버너(2b)로 공급될 수 있다.
구체적으로, 개질가스는 제2바이패스 유로(24)를 통해 제1열교환기(5)의 내부관체(5e)로 공급될 수 있으며, 제1열교환기(5)의 외부관체(5d)로 유입된 외기와 열교환하며 개질가스 내 수분함량은 저감될 수 있다.
이때, 수분함량이 저감된 개질가스는 제1열교환기(5)의 내부관체(5e)로부터 제2바이패스 유로(24)를 통해 버너(2b)로 공급되어 연소에 사용될 수 있다. 이때, 수분함량이 저감된 개질가스는 버너(2b)의 연소 효율을 향상시킬 수 있다.
한편, 버너(2b)는, 제1연료공급관(31) 및 제2바이패스 유로(24)로 부터 공급받은 도시가스와 버너 에어블로워(3)에 의해 제1유로(20)로부터 공급받은 외기를 연소시킬 수 있다. 버너(2b) 내 연소에 의해 개질 반응기(2a)는 가열된다. 연소 후 생성된 버너(2b) 안의 배기가스는 버너 배기관(30)을 통해 외부로 배기될 수 있다.
그 다음, 개질 반응의 부산물인 개질가스 내 일산화탄소의 농도가 충분히 저감될 때까지 개질운전 모드를 유지한다(S35).
이때, 버너(2b) 연소 및 개질가스 생성을 위해 필요한 외기량은 증가될 수 있으므로, 제어부는 버너 에어블로워(3)에 요구되는 외기 공급량을 판단하여 버너 에어블로워(3)의 모터 회전수를 제어할 수 있다.
그 다음, 개질 반응기(2a)에서 생성된 개질가스의 일산화탄소 농도를 측정하는 농도측정센서(101)는 개질가스의 일산화탄소 농도를 감지하여 제어부로 전달할 수 있다. 일산화탄소 농도를 수신한 제어부는 일산화탄소 농도값이 미리 설정된 소정농도값까지 저감되었는지 판단할 수 있다(S4).
이때, 일산화탄소 농도값이 소정농도값 이상이면 개질운전 모드를 유지할 수 있고(S35), 일산화탄소 농도값이 소정농도값보다 작다면 발전운전 모드에 진입할 수 있다(S51).
이때, 소정농도값이란, 제어부의 메모리에 사전에 저장된 값으로, 예를 들어, 발전에 사용되기에 적합한 개질가스의 일산화탄소 농도일 수 있다.
도 3의 유동흐름은 실시예에 따른 본 연료전지 장치의 발전운전 단계의 유동흐름일 수 있다. 이하 도 3을 참조하여 발전운전 모드(S5)에 대해 설명한다.
발전운전이란, 개질 반응기(2a)에서 생성된 개질가스와 스택 에어블로워(4)가 압축한 외기를 스택(1)에서 전기화학반응시켜 전기에너지를 생성하는 운전이다.
개질 반응기(2a)에서 생성된 개질가스의 일산화탄소 농도값이 소정농도값보다 작다면, 발전운전 모드에 진입한다(S51).
이때, 개질 반응기(2a)에서 생성된 개질가스는 앞선 개질운전에 따라 스택(1)의 발전에 적합한 상태에 도달했으므로, 스택(1)으로 공급되어 발전에 사용될 수 있다.
제어부는 삼방밸브(7)를 버너 에어블로워(3)측으로 절환할 수 있다(S52).
이때, 삼방밸브(7)의 절환에 따라(S52), 버너 에어블로워(3)의 구동으로 인해 버너(2b)측으로 유동하던 외기는 제1열교환기(5)를 거치지 않고 직접 버너(2b)로 공급되어 연소에 사용될 수 있다.
이때, 버너(2b)로 공급되는 외기가 유동상의 저항요소인 제1열교환기(5)를 거치지 않음으로써, 외기를 버너(2b)로 공급하기 위해 전력을 소비하는 버너 에어블로워(3)의 전력효율을 향상시킬 수 있다.
제어부는 제2개폐밸브(9)를 폐쇄할 수 있고(S53), 제1개폐밸브(8)를 개방할 수 있다(S54).
이때, 제2개폐밸브(9)의 폐쇄에 따라(S53), 개질 반응기(2a)에서 생성되어 제3유로(22)를 유동하는 개질가스는, 제2바이패스 유로(24)로 바이패스하지 않는다.
이때, 버너(2b)는, 제2개폐밸브(9)의 폐쇄에 따라 제2바이패스 유로(24)로 부터 연료를 공급받지 못한다.
따라서, 버너(2b)는, 제1연료공급관(31)으로부터 공급받은 도시가스와 제1열교환기(5)를 통과하지 않고 버너 에어블로워(3)에 의해 제1유로(20)로부터 직접 공급받은 외기를 연소시킬 수 있다. 버너(2b) 내 연소에 의해 개질 반응기(2a)는 가열된다. 연소 후 생성된 버너(2b) 안의 배기가스는 버너 배기관(30)을 통해 외부로 배기될 수 있다.
한편, 제1개폐밸브(8)의 개방에 따라(S54), 개질 반응기(2a)에서 생성되어 제3유로(22)를 유동하는 개질가스는, 제2열교환기(6)를 통과하며 열교환되어 수분함량이 저감된 뒤 스택(1)으로 공급될 수 있다.
예를 들어, 개질 반응기(2a)에서 생성된 개질가스는 제3유로(22)를 통해 제2열교환기(6)의 내부관체(6e)로 공급될 수 있으며, 제2열교환기(6)의 외부관체(6d)로 유입된 외기와의 열교환으로 개질가스 내 수분함량은 저감될 수 있다. 수분함량이 저감된 개질가스는 제2열교환기(6)의 내부관체(6e)로부터 제1유로(20)를 통해 스택(1)으로 공급되어 발전에 사용될 수 있다. 이때, 수분함량이 저감된 개질가스는 스택(1)의 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
제어부는 스택가스 배기밸브(10)를 개방할 수 있고(S55), 스택 에어블로워(4)를 구동할 수 있다(S56).
이때, 에어필터(11)를 거쳐 흡입된 외기의 일부는 버너 에어블로워(3)의 구동으로 인해 버너(2b)측으로 유동하는 한편, 다른 일부는 스택 에어블로워(4)의 구동으로 인해 스택(1)측으로 유동할 수 있다.
이때, 스택 에어블로워(4)의 구동으로 인해 스택(1)측으로 유동하는 외기는 제2열교환기(6)를 통과하며 열교환한 뒤 스택(1)으로 공급되어 발전에 사용될 수 있다.
구체적으로, 제1유로(20)를 통해 제2열교환기(6)의 외부관체(6d)로 공급된 외기는 개질 반응기(2a)에서 생성되어 제2열교환기(6)의 내부관체(6e)로 공급된 개질가스와 열교환 한 뒤, 제2열교환기(6)의 외부관체(6d)로부터 제1유로(20)를 통해 스택(1)으로 공급되어 발전에 사용될 수 있다.
이때, 스택(1)으로 공급되던 외기는, 유량계(12)를 통과하면서 유량값이 유량계(12)에 의해 감지되어 제어부로 전달될 수 있다.
이때, 스택(1)으로 공급되던 외기는, 가습기(13)를 통과하면서 스택(1)의 발전에 적합한 습도로 조절되어 스택(1)으로 공급될 수 있다.
한편, 스택(1)은, 스택 에어블로워(4)에서 압축된 공기를 제2유로(21)를 통해 공급받고, 개질 반응기(2a)에서 생성되어 제2열교환기(6)를 거치며 수분함량이 저감된 개질가스를 공급받아 전기화학반응을 일으켜 전기에너지를 생산할 수 있다.
이때, 스택(1)으로 공급되는 개질가스의 낮은 수분함량으로 인해 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
한편, 스택가스 배기밸브(10)를 개방에 따라, 스택(1) 내 발전 과정에서 미반응한 수소인 양극배출가스(AOG)는 스택(1)으로부터 스택가스 배기관(34)을 통해 버너(2b)측으로 배출될 수 있다.
배출된 양극배출가스는 AOG 열교환기(미도시)에서 폐열회수될 수 있고, AOG Sperator(미도시)에서 추가적으로 수분이 제거될 수 있다. 이후 양극배출가스는 버너(2b)로 공급되어 연소에 사용될 수 있다.
이때, 양극배출가스의 수분함량은 제2열교환기(6)에서의 열교환으로 인해 낮아진 상태이므로, 제2열교환기(6)에서의 수분함량 저감은 양극배출가스의 재사용을 통해 버너(2b)의 연소 효율을 향상시키기도 한다.
한편, 스택(1)의 발전에 사용된 외기 또는 사용되지 않은 외기를 포함하는 공기인 스택공기는 스택공기 배기관(33)을 통해 토출될 수 있다. 이때, 스택공기는 전기화학반응에 의해 생성되는 수분을 포함할 수 있다.
스택공기에 포함된 수분은 스택공기가 스택공기 배기관(33)을 따라 가습기(13)를 통과할 때 가습기(13)에 의해 회수되어 스택(1)으로 유입되는 외기에 공급될 수 있다. 가습기(13)를 통과한 스택공기는 스택공기 배기관(33)을 따라 외부로 배기될 수 있다.
연료전지 장치에 요구되는 발전량에 따라 발전운전 모드를 유지하면서(S57), 요구되는 발전량이 증가됨에 따라 스택(1)의 발전에 필요한 외기량이 증가될 수 있으므로, 제어부는 요구 발전량에 따라 스택 에어블로워(4)의 모터 회전수를 제어할 수 있다.
첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
마찬가지로, 특정한 순서로 도면에서 동작들을 묘사하고 있지만, 이는 바람직한 결과를 얻기 위하여 도시된 그 특정한 순서나 순차적인 순서대로 그러한 동작들을 수행하여야 한다거나, 모든 도시된 동작들이 수행되어야 하는 것으로 이해되어서는 안 될 수 있다. 특정한 경우, 멀티태스킹과 병렬 프로세싱이 유리할 수 있다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.
Claims (16)
- 수소와 산소를 전기화학반응시켜 전기에너지를 발생하는 스택;
연료가스를 공급받아 개질가스를 생성하는 개질 반응기;
상기 개질 반응기를 가열하는 버너;
외기를 압축하여 상기 버너로 공급하는 버너 에어블로워;
상기 버너 에어블로워의 작동으로 외기가 상기 버너를 향하여 이동되는 제1유로;
외기를 압축하여 상기 스택으로 공급하는 스택 에어블로워;
상기 스택 에어블로워의 작동으로 외기가 상기 스택을 향하여 이동되는 제2유로;
상기 제1유로에서 분기된 다음, 제1유로로 합류되는 제1바이패스 유로;
상기 개질 반응기에서 생성된 개질가스를 상기 스택으로 공급하는 제3유로;
상기 제3유로에서 분기되어 상기 버너에 연결되는 제2바이패스 유로; 및
상기 제1바이패스 유로를 통과하는 외기와 상기 제2바이패스 유로를 통과하는 개질가스를 열교환시켜 상기 개질가스에 포함된 수분을 제거하는 제1열교환기를 포함하는 연료전지 장치. - 제1항에 있어서,
상기 제2유로를 통과하는 외기와 상기 제3유로를 통과하는 개질가스를 열교환시켜 상기 개질가스에 포함된 수분을 제거하는 제2열교환기를 더 포함하는 연료전지 장치. - 제2항에 있어서,
상기 제1,2열교환기는 각각,
일측에 개질가스가 유입되는 유입구와 타측에 개질가스가 배출되는 배출구를 형성하는 내부관체; 및
상기 내부관체를 감싸도록 상기 내부관체의 외측에 적어도 일부가 이격되어 배치되고, 외기가 유동하는 외부관체를 포함하고,
상기 유입구 및 배출구는 각각,
상기 내부관체의 바닥면으로부터 소정간격 높게 형성되어, 열교환시 생성되는 응축수가 상기 내부관체에 고이도록 하는 연료전지 장치. - 제3항에 있어서,
상기 제1,2열교환기의 내부관체는 각각,
개질가스와 외기의 열교환시 생성되는 응축수가 상기 내부관체의 일측에 고이도록 소정의 구배각도로 기울어져 배치되고,
상기 연료전지 장치는 물을 저장하는 물탱크를 더 포함하고,
상기 내부관체의 일측에 고인 응축수는 각각 배수관을 통하여 상기 물탱크로 배출되는 연료전지 장치. - 제1항에 있어서,
상기 제1유로와 상기 제1바이패스 유로를 선택적으로 개폐하는 삼방밸브를 더 포함하는 연료전지 장치. - 제5항에 있어서,
상기 제3유로 중 상기 제2바이패스 유로가 분기되는 분기점의 하류에 구비되는 제1개폐밸브; 및
상기 제2바이패스 유로에 구비되는 제2개폐밸브를 더 포함하는 연료전지 장치. - 제6항에 있어서,
개질모드 수행시 상기 삼방밸브와 제1,2개폐밸브를 제어하여 상기 제1,2바이패스 유로가 각각 개방되게 하는 제어부를 포함하는 연료전지 장치. - 제6항에 있어서,
발전모드 수행시 상기 삼방밸브와 제1,2개폐밸브를 제어하여 상기 제1,2바이패스 유로가 각각 폐쇄되게 하는 제어부를 포함하는 연료전지 장치. - 제1항에 있어서,
상기 제1바이패스 유로는,
상기 제1유로 중, 외기가 상기 버너 에어블로워 측으로 흡입되는 제1흡입유로에서 분기된 다음, 상기 제1흡입유로에 합류되는 연료전지 장치. - 제1항에 있어서,
상기 연료전지 장치는 외기가 유입되는 에어필터를 포함하고,
상기 제1,2유로는 상기 에어필터를 통과한 정화된 외기가 각각 유입되는 연료전지 장치. - 제1항에 있어서,
상기 스택에서 배출되는 가스를 상기 버너로 공급하는 스택가스 배기관;
상기 스택 에어블로워로 부터 상기 스택으로 공급되는 외기의 유량을 측정하는 유량계; 및
상기 스택 에어블로워로 부터 상기 스택으로 공급되는 외기의 습도를 조절하는 가습기를 더 포함하는 연료전지 장치. - 제1항에 있어서,
상기 제2유로를 통과하는 외기와 상기 제3유로를 통과하는 개질가스를 열교환시켜 상기 개질가스에 함유된 수분을 제거하는 제2열교환기를 더 포함하는 연료전지 장치. - 개질 반응기를 가열시키는 버너를 가동함과 아울러, 버너 에어블로워를 가동시켜 상기 버너에 외기를 공급하여 개질 반응기를 예열시키는 예열운전 단계;
상기 개질 반응기의 온도가 소정온도값에 도달하면, 상기 버너 에어블로워에 의하여 상기 버너측으로 공급되는 외기를 제1열교환기로 바이패스시킨 다음, 상기 버너로 공급되게 하고, 상기 개질 반응기에서 생성되어 배출되는 개질가스를 제1열교환기로 바이패스시켜 상기 바이패스된 외기와 열교환하여 수분함량을 저감시킨 다음, 상기 버너로 공급하는 개질운전 단계;
상기 개질운전 단계 중 상기 개질 반응기에서 생성되는 개질가스에 함유된 일산화탄소의 농도가 소정농도값까지 저감되면, 상기 개질가스를 스택으로 공급하고, 스택 에어블로워를 가동시켜 상기 스택에 외기를 공급하여 상기 스택에서 전기에너지를 생성하는 발전운전 단계를 포함하는 연료전지 장치의 제어방법. - 제13항에 있어서,
상기 발전운전 단계는,
상기 버너로 공급되는 외기가 제1열교환기로 바이패스하지 않고 직접 상기 버너로 공급되게 하고, 상기 스택으로 공급되는 개질가스가 제1열교환기로 바이패스하지 않고 상기 스택으로 공급되게 하는 단계를 포함하는 연료전지 장치의 제어방법. - 제14항에 있어서,
상기 발전운전 단계는,
상기 스택으로 공급되는 외기와 상기 스택으로 공급되는 개질가스를 제2열교환기에서 열교환하여 상기 개질가스의 수분함량을 저감시킨 다음, 상기 스택으로 공급되게 하는 단계를 포함하는 연료전지 장치의 제어방법. - 제14항에 있어서,
상기 연료전지 장치는,
상기 버너 에어블로워의 작동으로 외기가 상기 버너를 향하여 이동되는 제1유로; 상기 제1유로에서 분기되어 상기 제1열교환기와 연통된 다음 제1유로로 합류되는 제1바이패스 유로; 상기 개질 반응기에서 생성된 개질가스를 상기 스택으로 공급하는 제3유로; 및 상기 제3유로에서 분기되어 상기 제1열교환기와 연통된 다음 상기 버너로 연결되는 제2바이패스 유로를 더 포함하고,
상기 개질운전 단계 및 발전운전 단계 중 적어도 어느 하나에서,
상기 버너로 공급되는 외기의 제1열교환기로의 바이패스 여부는 상기 제1유로와 상기 제1바이패스 유로의 분기점에 설치된 삼방밸브를 제어하여 실행되고,
상기 스택으로 공급되는 개질가스의 제1열교환기로의 바이패스 여부는 상기 제3유로 내 분기점의 하류에 설치된 제1개폐밸브를 제어하고, 상기 제2바이패스 유로에 설치된 제2개폐밸브를 제어하여 실행되는 연료전지 장치의 제어방법.
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