KR100909094B1 - Fuel cell system - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 연료 전지 시스템은 반응가스와 산화제 가스를 이용하여 전력을 발생시키는 연료전지 스택과, 상기 연료전지 스택에서 배출되는 미반응 가스를 상기 연료전지 스택의 유입구 측으로 이동시키는 회수관과 상기 회수관에 연결 설치된 펌프 및 상기 회수관과 연결되어 펌프에서 배출되는 미반응 가스를 상기 회수 펌프로 다시 유입시키는 바이패스관을 포함하는 회수부를 포함한다.The fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell stack for generating electric power using a reaction gas and an oxidant gas, a recovery pipe for moving unreacted gas discharged from the fuel cell stack to an inlet side of the fuel cell stack, and the recovery. And a recovery unit including a pump connected to the pipe and a bypass pipe connected to the recovery pipe and introducing the unreacted gas discharged from the pump back into the recovery pump.

연료 전지, 재순환, 개질가스, 미반응 가스 Fuel cell, recirculation, reformed gas, unreacted gas

Description

연료 전지 시스템{FUEL CELL SYSTEM}Fuel cell system {FUEL CELL SYSTEM}

본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료전지스택에서 배출되는 미반응 가스를 회수하는 구조를 개선한 연료전지시스템에 관한 것이다. 또한 본 발명은 개질기를 포함하는 연료전지 시스템에서 CO 변성기에서 개질기로 개질가스를 재순환시키는 구조를 개선한 연료전지 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly, to a fuel cell system having an improved structure for recovering unreacted gas discharged from a fuel cell stack. The present invention also relates to a fuel cell system having an improved structure for recycling reformed gas from a CO transformer to a reformer in a fuel cell system including a reformer.

연료 전지는 연료(수소 또는 개질 가스)와 산화제(산소 또는 공기)를 이용하여 전기 화학적으로 전력을 생산하는 장치로서, 외부에서 지속적으로 공급되는 연료(수소 또는 개질 가스)와 산화제(산소 또는 공기)를 전기화학반응에 의하여 직접 전기에너지로 변환시키는 장치이다.A fuel cell is a device that produces electricity electrochemically by using fuel (hydrogen or reformed gas) and oxidant (oxygen or air). Fuel cells (hydrogen or reformed gas) and oxidant (oxygen or air) are continuously supplied from the outside. Is a device that converts directly into electrical energy by an electrochemical reaction.

연료 전지의 산화제로는 순수 산소나 산소가 다량 함유되어있는 공기를 이용하며, 연료로는 순수 수소 또는 탄화수소계 연료(LNG, LPG, CH3OH) 를 사용한다.Pure oxygen or air containing a large amount of oxygen is used as an oxidant of a fuel cell, and pure hydrogen or a hydrocarbon fuel (LNG, LPG, CH 3 OH) is used as a fuel.

이하, 설명의 편의를 위하여 이러한 연료 전지 중 고분자 전해질형 연료 전지를 중심으로 설명한다. 고분자 전해질형 연료전지는 출력밀도 및 에너지 전환효율이 높고 80℃ 이하의 낮은 온도에서 작동 가능하며, 소형화, 밀폐화가 가능하여 무공해 자동차, 가정용 발전 시스템, 이동통신 장비, 군사용 장비, 의료기기 등 매우 다양한 분야의 전원으로 사용되고 있다.Hereinafter, for the convenience of description, the polymer electrolyte fuel cell will be described. The polymer electrolyte fuel cell has high power density and energy conversion efficiency, can be operated at low temperature below 80 ℃, and can be miniaturized and sealed, which is very versatile for pollution-free automobiles, household power generation systems, mobile communication equipment, military equipment, medical equipment, etc. It is used as a power source for the field.

이러한 고분자 전해질형 연료전지는 개질기를 구비하여 연료로부터 수소를 다량으로 함유한 개질가스를 생산하고 이러한 개질가스를 전기를 생산하는 연료전지스택으로 공급한다.The polymer electrolyte fuel cell includes a reformer to produce a reformed gas containing a large amount of hydrogen from the fuel, and supply the reformed gas to a fuel cell stack that generates electricity.

도 4는 종래 기술에 따른 연료전지시스템을 개략적으로 도시한 구성도이다.4 is a configuration diagram schematically showing a fuel cell system according to the prior art.

도 4를 참조하여 설명하면, 종래의 연료전지 스택(350)으로는 수소 또는 수소를 포함하는 연료와 산소를 포함하는 공기가 공급되고, 연료전지 스택(350)을 냉각시키는 냉각매체로서 물이 공급된다.Referring to FIG. 4, a conventional fuel cell stack 350 is supplied with hydrogen or a fuel containing hydrogen and air containing oxygen, and water is supplied as a cooling medium for cooling the fuel cell stack 350. do.

연료전지 스택(350)으로 공급되는 연료는 70% 내지 90%만 반응하고 나머지는 미반응 가스는 연료 출구단으로 배출된다. 반응하지 않는 미반응 가스를 재사용하기 위해서는 종래에는 연료 출구단과 연료 입구단을 연결하는 회수관(325)과 펌프(327)를 설치하여 미반응 가스를 연료입구단으로 순환시켰다.Only 70% to 90% of the fuel supplied to the fuel cell stack 350 reacts, and the remaining unreacted gas is discharged to the fuel outlet stage. In order to reuse unreacted gas that has not reacted, conventionally, a recovery pipe 325 and a pump 327 connecting the fuel outlet end and the fuel inlet end are installed to circulate the unreacted gas to the fuel inlet end.

하지만, 연료전지 스택(350)에서 배출되는 미반응 가스는 수분 및 수증기를 포함하여 펌프(327)가 오작동을 일으키는 문제가 종종 발생한다. 또한, 미반응 가스의 유량은 소량일 뿐만 아니라 회수되는 량이 변하므로 회수되는 미반응 가스의 양을 일정하게 제어하기가 어려운 문제가 있다.However, the unreacted gas discharged from the fuel cell stack 350 often causes the pump 327 to malfunction, including water and water vapor. In addition, since the flow rate of the unreacted gas is not only a small amount, but also the amount recovered is changed, it is difficult to constantly control the amount of the unreacted gas recovered.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 미반응 가스 또는 개질가스를 안정적으로 순환시켜서 내구성 및 안정성이 향상된 연료전지 시스템을 제공함에 있다.The present invention has been made to solve the above problems, an object of the present invention to provide a fuel cell system with improved durability and stability by reliably circulating unreacted gas or reformed gas.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템은 반응가스와 산화제 가스를 이용하여 전력을 발생시키는 연료전지 스택과, 상기 연료전지 스택에서 배출되는 미반응 가스를 상기 연료전지 스택의 유입구 측으로 이동시키는 회수관과 상기 회수관에 연결 설치된 펌프 및 상기 회수관과 연결되어 펌프에서 배출되는 미반응 가스를 상기 회수 펌프로 다시 유입시키는 바이패스관을 포함하는 회수부를 포함한다.In order to achieve the above object, a fuel cell system according to an embodiment of the present invention includes a fuel cell stack generating power using a reaction gas and an oxidant gas, and the unreacted gas discharged from the fuel cell stack. And a recovery pipe including a recovery pipe for moving to the inlet side of the battery stack, a pump connected to the recovery pipe, and a bypass pipe connected to the recovery pipe to introduce unreacted gas discharged from the pump into the recovery pump.

상기 바이패스관에는 유량조절 밸브가 설치될 수 있으며, 상기 유량조절 밸브는 일방향 밸브로 이루어질 수 있다.The bypass pipe may be provided with a flow control valve, the flow control valve may be formed of a one-way valve.

상기 연료전지 스택으로 반응가스를 공급하는 연료 공급관에는 압력계가 설치될 수 있다.A pressure gauge may be installed in the fuel supply pipe that supplies the reaction gas to the fuel cell stack.

본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템은 연료를 이용하여 수소가 풍부한 개질가스를 만드는 개질기와 상기 개질기와 연결되어 상기 개질가스에 포함된 일산화탄소를 이산화탄소로 변성하는 CO 변성기를 포함하는 개질부와, 상기 CO 변성기에서 배출되는 일부 개질가스를 개질기로 유입시키는 회수관과 상기 회수관 에 연결 설치된 펌프와 상기 회수관에 연결 설치되어 상기 펌프에서 배출되는 개질가스를 상기 펌프의 입구 측으로 유도하는 바이패스관을 포함하는 회수부, 및 상기 개질부에서 배출된 개질가스를 이용하여 전력을 생산하는 연료전지 스택을 포함한다.A fuel cell system according to another embodiment of the present invention includes a reforming unit including a reformer for producing a hydrogen-rich reformed gas using fuel and a CO transformer for converting carbon monoxide contained in the reforming gas into carbon dioxide. Bypass, which is connected to the recovery pipe and the pump installed in connection with the recovery pipe for introducing some reformed gas discharged from the CO transformer to the reformer and connected to the recovery pipe to guide the reformed gas discharged from the pump to the inlet side of the pump A recovery unit including a tube, and a fuel cell stack for generating power using the reformed gas discharged from the reforming unit.

상기 바이패스관에는 유량조절 밸브가 설치될 수 있으며, 상기 유량조절 밸브는 일방향 밸브로 이루어질 수 있다.The bypass pipe may be provided with a flow control valve, the flow control valve may be formed of a one-way valve.

상기한 바와 같이 본 발명에 따르면 미반응 가스를 순환시키는 펌프의 오작동을 방지함으로써 연료전지 시스템의 안정성이 향상된다.As described above, according to the present invention, the stability of the fuel cell system is improved by preventing the malfunction of the pump circulating unreacted gas.

또한, 유량조절 밸브를 이용하여 연료전지 스택으로 순환되는 미반응 가스의 양을 정밀하게 제어함으로써 연료전지 시스템의 재현성 및 안정성이 향상된다.In addition, the reproducibility and stability of the fuel cell system are improved by precisely controlling the amount of unreacted gas circulated to the fuel cell stack using a flow control valve.

또한, CO 변성기에서 배출된 개질가스의 일부를 개질기로 안정적으로 공급하여 연료전지 시스템의 내구성이 향상된다.In addition, the durability of the fuel cell system is improved by stably supplying a part of the reformed gas discharged from the CO transformer to the reformer.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 당업자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily implement the present invention. As those skilled in the art would realize, the described embodiments may be modified in various different ways, all without departing from the spirit or scope of the present invention.

도 1은 본 발명의 제 1실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 도시한 구성도이다.1 is a configuration diagram schematically showing the overall configuration of a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention.

도 1을 참조하여 설명하면, 연료전지 시스템은 수소와 공기를 이용하여 전력 을 발생시키는 연료전지 스택(150)과 연료전지 스택(150)에서 배출되는 미반응 가스를 연료전지 스택(150)의 연료 유입구 쪽으로 이동시키는 회수부(130)를 포함한다.Referring to FIG. 1, the fuel cell system uses fuel and the unreacted gas discharged from the fuel cell stack 150 and the fuel cell stack 150 to generate electric power using hydrogen and air. It includes a recovery unit 130 to move toward the inlet.

연료전지 스택(150)으로는 수소와 산화제로서의 공기, 및 연료전지 스택의 냉각을 위한 물이 공급된다.The fuel cell stack 150 is supplied with hydrogen, air as an oxidant, and water for cooling the fuel cell stack.

본 실시예에서는 연료전지 스택(150)으로 직접 수소 가스가 공급되는 것으로 예시하고 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 별도의 개질 장치를 구비하여 연료로부터 개질된 개질가스를 연료전지 스택으로 공급할 수도 있다.In this embodiment, the hydrogen gas is directly supplied to the fuel cell stack 150. However, the present invention is not limited thereto, and is provided with a separate reforming device to supply reformed gas from fuel to the fuel cell stack. It may be.

이러한 연료전지 시스템에 사용되는 연료라 함은 수소뿐만 아니라 메탄올, 에탄올 또는 천연가스, LPG 등과 같이 액상 또는 기체 상태로 이루어진 연료를 통칭한다.The fuel used in such a fuel cell system refers to a fuel composed of a liquid or gaseous state, such as methanol, ethanol or natural gas, LPG, as well as hydrogen.

그리고 본 연료전지 시스템은 수소와 반응하는 산화제로서 공기가 사용된 것으로 예시하고 있으나 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며 별도의 저장수단에 저장된 산소 가스를 사용할 수도 있다.In addition, the fuel cell system exemplifies that air is used as an oxidant to react with hydrogen, but the present invention is not limited thereto and may use oxygen gas stored in a separate storage means.

연료전지 스택(150)으로 공급되는 공기는 연료전지 스택(150)으로 산소를 공급하는 역할을 하며, 공기 유입구 측에 연결 설치된 가습기(141)에 의하여 가습되어 연료전지 스택(150)으로 공급된다.The air supplied to the fuel cell stack 150 serves to supply oxygen to the fuel cell stack 150, and is humidified by the humidifier 141 installed at the air inlet side and supplied to the fuel cell stack 150.

연료전지 스택(150)은 공기와 수소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시킨다. 이러한 연료전지 스택(150)은 전기 에너지를 발생시키는 최소 단위의 전기 발생부를 구비하는 바, 이 전기 발생부는 막-전극 어셈블리(Membrane- Electrode Assembly; MEA)를 중심에 두고 이의 양면에 세퍼레이터를 밀착 배치하여 구성될 수 있다. 연료전지 스택(150)으로 수소를 공급하는 연료 공급관(123)에는 수소가스의 압력을 측정하는 압력계(125)가 설치된다. 이 압력계(125)는 연료전지 스택(150)으로 유입되는 수소가스의 유량을 측정하는 역할을 한다.The fuel cell stack 150 generates electrical energy by electrochemically reacting air and hydrogen. The fuel cell stack 150 includes a minimum generation of electricity generating unit for generating electrical energy. The electricity generating unit has a membrane-electrode assembly (MEA) as the center and a separator is disposed on both sides thereof. Can be configured. A pressure gauge 125 for measuring the pressure of hydrogen gas is installed in the fuel supply pipe 123 for supplying hydrogen to the fuel cell stack 150. The pressure gauge 125 serves to measure the flow rate of hydrogen gas flowing into the fuel cell stack 150.

한편, 막-전극 어셈블리 내의 수소극 쪽으로 역확산(back diffusion) 등으로 산소와 반응하지 못한 미반응 수소 가스가 발생하며, 이러한 미반응 가스는 수분을 많이 함유하고 있다. 상기한 회수부(130)가 이러한 미반응 가스를 연료전지 스택(150)으로 재공급하는 역할을 한다.On the other hand, unreacted hydrogen gas that cannot react with oxygen is generated due to back diffusion or the like toward the hydrogen electrode in the membrane electrode assembly, and the unreacted gas contains a lot of moisture. The recovery unit 130 serves to supply the unreacted gas to the fuel cell stack 150.

회수부(130)는 연료전지 스택(150)의 연료 배출구(152)와 연료전지 스택(150)의 연료 유입구(151)를 연결하는 회수관(131)과, 회수관(131)에 연결 설치되어 미반응 가스를 강제적으로 연료 유입구(151) 측으로 이동시키는 펌프(132), 및 펌프(132)에서 배출되는 미반응 가스를 펌프(132)로 다시 유입시키는 바이패스관(135)을 포함한다.The recovery unit 130 is connected to the recovery pipe 131 connecting the fuel outlet 152 of the fuel cell stack 150 and the fuel inlet 151 of the fuel cell stack 150 and the recovery pipe 131. The pump 132 forcing the unreacted gas to the fuel inlet 151 side, and the bypass pipe 135 for introducing the unreacted gas discharged from the pump 132 back to the pump 132.

회수관(131)은 연료전지 스택(150)의 연료 배출구(152)와 연료 공급관(123)에 연결 설치되어 펌프(132)를 이용하여 미반응 가스를 연료 공급관(123)으로 이동시킨다.The recovery pipe 131 is connected to the fuel outlet 152 and the fuel supply pipe 123 of the fuel cell stack 150 to move the unreacted gas to the fuel supply pipe 123 using the pump 132.

바이패스관(135)은 회수관(131)에 연결되는데, 펌프(132)의 전방과 후방에서 회수관(131)과 연통되어 있다. 이에 따라 바이패스관(135)은 펌프(132)에서 배출된 미반응 가스를 재순환시켜서 다시 펌프(132)로 유입시킬 수 있다.The bypass pipe 135 is connected to the recovery pipe 131, and communicates with the recovery pipe 131 at the front and the rear of the pump 132. Accordingly, the bypass pipe 135 may recycle the unreacted gas discharged from the pump 132 and flow it into the pump 132 again.

또한, 바이패스관(135)에는 미반응 가스의 유량을 조절하는 유량조절 밸브(134)가 설치된다. 회수관(131)을 통해서 연료전지 스택(150)으로 유입되는 회수 유량(f1)과 바이패스관(135)을 통해서 재순환되는 재순환 유량(f2)은 상기한 유량조절 밸브(134)에 의하여 조절된다. 여기서 유량조절 밸브(134)는 역류를 방지할 수 있는 일방향 밸브(unidirectional valve)로 이루어질 수 있다. 이와 같이 유량조절 밸브(134)가 일방향 밸브로 이루어지면, 유압이 불안정한 경우에도 역류하는 것을 안정적으로 방지할 수 있다.In addition, the bypass pipe 135 is provided with a flow control valve 134 for adjusting the flow rate of the unreacted gas. The recovery flow rate f1 introduced into the fuel cell stack 150 through the recovery pipe 131 and the recycle flow rate f2 recycled through the bypass pipe 135 are controlled by the flow control valve 134. . Here, the flow control valve 134 may be made of a unidirectional valve that can prevent the back flow. Thus, when the flow control valve 134 is made of a one-way valve, it is possible to stably prevent backflow even when the hydraulic pressure is unstable.

연료 공급관(123)에 설치된 압력계(125)를 이용하여 연료전지 스택(150)으로 공급되는 수소가스의 양을 측정한 후, 균일한 양의 수소가스가 연료전지 스택(150)으로 공급될 수 있도록 유량조절 밸브(134)를 이용하여 재순환되는 미반응 가스의 유량을 조절한다.After measuring the amount of hydrogen gas supplied to the fuel cell stack 150 using the pressure gauge 125 installed in the fuel supply pipe 123, a uniform amount of hydrogen gas may be supplied to the fuel cell stack 150. The flow control valve 134 is used to adjust the flow rate of the unreacted gas recycled.

도 2에 도시한 바와 같이 바이패스관(135)을 통해서 재순환되는 재순환 유량(f2)은 회수 유량(f1) 보다 크도록 조절된다. 바람직하게는 재순환 유량(f2)이 회수 유량(f1) 보다 3배 내지 9배 더 많도록 유량조절 밸브(134)를 조절한다.As shown in FIG. 2, the recycle flow rate f2 recycled through the bypass pipe 135 is adjusted to be larger than the recovery flow rate f1. Preferably, the flow control valve 134 is adjusted such that the recycle flow rate f2 is 3 to 9 times more than the recovery flow rate f1.

재순환 유량(f2)이 회수 유량(f1)의 3배 보다 적은 경우에는, 펌프로 유입되는 수소가스의 양이 적어서 펌프(132)가 오작동을 일으키는 문제가 있으며, 재순환 유량(f2)이 회수 유량(f1)의 9배 보다 큰 경우에는 펌프(132)의 소비전력이 지나치게 커지는 문제가 있다.If the recycle flow rate f2 is less than three times the recovery flow rate f1, there is a problem that the amount of hydrogen gas flowing into the pump is small, causing the pump 132 to malfunction, and the recycle flow rate f2 is the recovery flow rate ( If it is larger than 9 times f1), the power consumption of the pump 132 becomes too large.

이와 같이 본 실시예에 따르면 바이패스관(135)을 설치하여 미반응 가스를 재순환시킴으로써 펌프(132)로 유입되는 미반응 가스의 유량을 증가시킬 수 있으며, 이에 따라 펌프(132)의 오작동을 방지할 수 있다. 또한, 바이패스관(135)에 유량조절 밸브(134)를 설치하여 연료전지 스택(150)으로 순환되는 미순환 가스의 유량을 조절하여 균일한 연료가 연료전지 스택으로 유입될 수 있다.As such, according to the present exemplary embodiment, by installing the bypass pipe 135, the unreacted gas may be recycled to increase the flow rate of the unreacted gas flowing into the pump 132, thereby preventing a malfunction of the pump 132. can do. In addition, by installing the flow control valve 134 in the bypass pipe 135 to adjust the flow rate of the uncirculated gas circulated to the fuel cell stack 150, a uniform fuel may be introduced into the fuel cell stack.

또한, 연료전지 스택(150)에서 배출된 미반응 가스는 많은 수분을 포함하고 있는 바, 펌프(132)로 공급되는 미반응 가스의 유량을 증가시켜 수분으로 인하여 펌프(132)가 오작동 하는 것을 방지할 수 있다.In addition, the unreacted gas discharged from the fuel cell stack 150 contains a lot of water, thereby increasing the flow rate of the unreacted gas supplied to the pump 132 to prevent the pump 132 from malfunctioning due to moisture. can do.

수분이나 수증기가 포함된 가스를 펌프로 공급할 경우에는 동일한 가스유량을 일정하게 제어하면서 가스를 공급하는 것이 어려우며, 가스를 압축하는 부분의 소비전력이 급격히 증가하게 되고 심한 경우에는 가스를 압축하는 부분의 기능이 마비되어 펌프가 작동되지 않는 문제가 발생한다.When supplying gas containing water or steam to a pump, it is difficult to supply the gas while controlling the same gas flow rate constantly.In the severe case, the power consumption of the gas compressing part increases rapidly and in severe cases, The function is paralyzed causing the pump not to work.

재순환하는 유량이 전체 연료 가스 유량의 10 - 20% 정도인 적은 양이므로 재순환 유량에 맞는 용량의 펌프에 수분이나 수증기가 포함된 가스를 공급하면 가스펌프의 오동작이 발생할 가능성은 더욱 커지게 된다. 그러나 용량이 큰 펌프를 구성하면 적은 유량인 재순환 유량의 제어가 어려운 단점이 있다. Since the recirculating flow rate is a small amount of about 10-20% of the total fuel gas flow rate, supplying a gas containing water or steam to a pump having a capacity suitable for the recirculating flow rate increases the possibility of malfunction of the gas pump. However, when a pump having a large capacity is configured, it is difficult to control the recycle flow rate, which is a small flow rate.

그러나 본 실시예와 같이 회수관(131)에 바이패스관(135)을 구성하면 바이패스 유량과 재순환 유량의 합이 수분이나 수증기를 충분히 배출시킬 수 있는 가스펌프의 안정적인 유량범위이므로 미반응 가스에 수분이나 수증기 성분이 포함되어도 펌프의 안정적인 동작을 구현할 수 있으며, 유량조절 밸브를 이용하여 회수 유량을 미세하게 조절할 수 있다.However, when the bypass pipe 135 is formed in the recovery pipe 131 as in the present embodiment, the sum of the bypass flow rate and the recycle flow rate is a stable flow range of the gas pump capable of sufficiently discharging water or water vapor, and thus, Even if water or water vapor is included, stable operation of the pump can be realized, and the flow rate control valve can be used to finely control the recovery flow rate.

도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 시스템을 도시한 구성도이다.3 is a configuration diagram illustrating a fuel cell system according to a second embodiment of the present invention.

도 3을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 연료전지 시스템은 연료를 수 소가 다량으로 함유된 개질가스로 변환시키는 개질부(210)와 개질부(210)에서 생성된 개질가스와 공기를 이용하여 전력을 생산하는 연료전지 스택(250)을 포함한다.Referring to FIG. 3, the fuel cell system according to the present exemplary embodiment includes the reforming unit 210 and the reformed gas and air generated by the reforming unit 210 and the reforming unit 210 for converting fuel into reformed gas containing a large amount of hydrogen. A fuel cell stack 250 is used to produce power.

개질부(210)에는 개질기(211)로 연료를 공급하는 연료저장 탱크(231)와 개질기(211)로 물을 공급하는 물저장 탱크(234), 및 공기를 공급하는 펌프(232)가 연결 설치된다.The reformer 210 is connected to a fuel storage tank 231 for supplying fuel to the reformer 211, a water storage tank 234 for supplying water to the reformer 211, and a pump 232 for supplying air. do.

본 실시예에 따른 연료로는 메탄올, LNG, LPG 등의 탄화수소 계열의 연료가 사용된다. As the fuel according to the present embodiment, hydrocarbon-based fuels such as methanol, LNG, and LPG are used.

개질부(210)는 연료를 촉매 개질 반응을 통하여 수소의 함량이 높은 개질가스로 변환시키는 개질기(211)와, 개질기에서 발생된 가스로부터 일산화탄소를 이산화탄소로 변환하는 CO 변성기(213), 및 CO 변성기(213)에서 배출된 개질가스로부터 일산화탄소를 제거하는 CO 제거기(215)를 포함한다.The reformer 210 includes a reformer 211 for converting fuel into a reformed gas having a high content of hydrogen through a catalytic reforming reaction, a CO transformer 213 for converting carbon monoxide to carbon dioxide from a gas generated in the reformer, and a CO transformer. And a CO remover 215 for removing carbon monoxide from the reformed gas discharged at 213.

개질부(210)에는 개질기(211)의 탈황성능 및 개질기 촉매층의 내구성을 향상시키기 위해서 CO 변성기(213)를 거친 개질가스의 일부를 개질기(211)로 회수하는 회수부(240)가 연결 설치된다.In order to improve the desulfurization performance of the reformer 211 and the durability of the reformer catalyst layer, the reformer 210 is connected to a recovery unit 240 for recovering a part of the reformed gas that has passed through the CO transformer 213 to the reformer 211. .

회수부(240)는 CO 변성기(213)에서 배출된 개질가스를 개질기(211)로 유입시키는 회수관(241)과, 회수관(241)에 설치되어 개질가스를 강제적으로 개질기(211)로 유동시키는 펌프(247), 및 회수관(241)에 연결 설치되어 펌프(247)에서 배출된 개질가스를 펌프(247)로 재 유입시키는 바이패스관(243)을 포함한다.The recovery unit 240 is provided with a recovery pipe 241 for introducing the reformed gas discharged from the CO transformer 213 into the reformer 211, and installed in the recovery pipe 241 to forcibly flow the reformed gas to the reformer 211. And a bypass pipe 243 connected to the pump 247 and the recovery pipe 241 to re-introduce the reformed gas discharged from the pump 247 into the pump 247.

회수관(241)은 CO 변성기(213)와 개질기(211)로 연료를 공급하는 연료 공급관(235)에 연결 설치된다. 그리고 바이패스관(243)은 펌프(247)의 출구 쪽과 입구 쪽의 회수관(241)에 연결 설치되어 펌프(247)에서 배출된 개질가스를 펌프(247)의 입구 쪽으로 유동시킨다.The recovery pipe 241 is connected to the fuel supply pipe 235 for supplying fuel to the CO transformer 213 and the reformer 211. In addition, the bypass pipe 243 is connected to the outlet pipe and the inlet side of the recovery pipe 241 to flow the reformed gas discharged from the pump 247 toward the inlet of the pump 247.

한편, 바이패스관(243)에는 유량조절 밸브(249)가 설치되는데, 유량조절 밸브(249)는 바이패스관(243)을 통해서 재순환되는 개질가스의 양을 조절하는 역할을 한다. 유량조절 밸브(249)는 역류를 방지할 수 있도록 일방향 밸브로 이루어질 수 있다.On the other hand, the bypass pipe 243 is provided with a flow control valve 249, the flow control valve 249 serves to adjust the amount of reformed gas recycled through the bypass pipe (243). The flow control valve 249 may be configured as a one-way valve to prevent backflow.

회수관(241)을 통해서 개질기(211)로 순환되는 개질가스의 양은 소량일 뿐만 아니라 개질가스는 개질기(211)와 CO 변성기(213)를 거치면서 많은 양의 수분을 함유하는데, 이러한 소량의 개질가스가 펌프(249)에 지속적으로 공급되면 펌프(249)의 오작동을 유발할 수 있다. 이를 방지하기 위해서 본 실시예에서는 바이패스관(243)과 유량조절 밸브(249)를 설치하여 개질가스의 일부를 재순환시켜서 충분한 양의 개질가스가 펌프(247)로 공급되도록 하였다. 이에 따라 펌프(247)의 오작동을 방지하여 개질가스를 안정적으로 개질기로 순환시킬 수 있다.The amount of the reformed gas circulated through the recovery pipe 241 to the reformer 211 is not only a small amount, but also the reformed gas contains a large amount of water while passing through the reformer 211 and the CO transformer 213. Continuous supply of gas to the pump 249 may cause a malfunction of the pump 249. In order to prevent this, in this embodiment, a bypass pipe 243 and a flow control valve 249 are installed to recycle part of the reformed gas so that a sufficient amount of reformed gas is supplied to the pump 247. Accordingly, the malfunction of the pump 247 can be prevented, so that the reformed gas can be stably circulated to the reformer.

바이패스관(243)을 통해서 순환되는 재순환 유량(f2)은 회수관(241)을 통해서 개질기(211)로 공급되는 회수 유량(f1) 보다 3배 내지 9배 더 많도록 유량조절 밸브(249)를 조절한다.The recirculation flow rate f2 circulated through the bypass pipe 243 is 3 to 9 times more than the recovery flow rate f1 supplied to the reformer 211 through the recovery pipe 241. Adjust

재순환 유량(f2)이 회수 유량(f1)의 3배 보다 적은 경우에는, 펌프(247)로 유입되는 수소가스의 양이 적어서 펌프(247)가 오작동을 일으키는 문제가 있으며, 재순환 유량(f2)이 회수 유량(f1)의 9배 보다 큰 경우에는 펌프(247)의 소비전력이 지나치게 커지는 문제가 있다.If the recycle flow rate f2 is less than three times the recovery flow rate f1, the amount of hydrogen gas flowing into the pump 247 is small, causing the pump 247 to malfunction, and the recycle flow rate f2 is increased. If it is larger than 9 times the recovery flow rate f1, the power consumption of the pump 247 becomes too large.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.Although the preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited thereto, and various modifications and changes can be made within the scope of the claims and the detailed description of the invention and the accompanying drawings. Naturally, it belongs to the range of.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 개략적으로 도시한 구성도이다.1 is a configuration diagram schematically showing a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템에서 회수관과 바이패스관의 유량을 나타낸 그래프이다.2 is a graph showing the flow rates of the recovery pipe and the bypass pipe in the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention.

도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 개략적으로 도시한 구성도이다.3 is a configuration diagram schematically illustrating a fuel cell system according to a second embodiment of the present invention.

도 4는 종래 기술에 따른 연료 전지 시스템을 개략적으로 도시한 구성도이다.4 is a schematic view showing a fuel cell system according to the prior art.

- 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 -Explanation of symbols for the main parts of the drawings

123: 연료 공급관 125: 압력계123: fuel supply pipe 125: pressure gauge

130: 회수부 131: 회수관130: recovery unit 131: recovery tube

132: 펌프 134: 유량조절 밸브132: pump 134: flow control valve

135: 바이패스관 150: 연료전지 스택135: bypass tube 150: fuel cell stack

210: 개질부 211: 개질기210: reformer 211: reformer

213: CO 변성기213: CO transformer

Claims (8)

삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 반응가스와 산화제 가스를 이용하여 전력을 발생시키는 연료전지 스택;A fuel cell stack generating power by using a reaction gas and an oxidant gas; 상기 연료전지 스택에서 배출되는 미반응 가스를 상기 연료전지 스택의 연료 유입구 측으로 이동시키는 회수관과 상기 회수관에 연결 설치된 펌프, 및 상기 회수관과 연결되어 상기 펌프에서 배출되는 미반응 가스를 상기 펌프로 다시 유입시키는 바이패스관을 포함하는 회수부;A pump connected to the recovery pipe and the recovery pipe for moving the unreacted gas discharged from the fuel cell stack to the fuel inlet side of the fuel cell stack, and an unreacted gas discharged from the pump connected to the recovery pipe. A recovery unit including a bypass pipe to flow back into the pump; 를 포함하며,Including; 상기 바이패스관에는 일방향 밸브(unidirectional valve)로 이루어진 유량조절 밸브가 설치되고,The bypass pipe is provided with a flow control valve consisting of a unidirectional valve, 상기 회수관을 통해서 연료전지 스택으로 회수되는 미반응 가스의 유량을 f1이라 하고 상기 바이패스관을 통해서 상기 펌프로 재순환되는 유량을 f2라 할 때, f2는 f1의 3배 내지 9배이며, When the flow rate of the unreacted gas recovered through the recovery pipe to the fuel cell stack is f1 and the flow rate recycled to the pump through the bypass pipe is f2, f2 is 3 to 9 times f1, 상기 연료전지 스택으로 반응가스를 공급하는 연료 공급관에는 압력계가 설치된 연료전지 시스템.A fuel cell system having a pressure gauge installed in the fuel supply pipe for supplying the reaction gas to the fuel cell stack. 삭제delete 삭제delete 삭제delete
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