KR102548739B1 - Fuel cell system having high thermal efficiency - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 연료전지 시스템은, 연료전지 유닛; 상기 연료전지 유닛을 냉각시키는 냉각수 유닛; 탄화수소계 원료로부터 수소 함유 가스를 생성하여 상기 연료전지 유닛에 공급하는 수소 공급 유닛; 연료전지 시스템 내부의 각종 가스로부터 시스템수로 열을 회수하기 위한 복수의 열교환기를 포함하는 가스 열교환 유닛; 상기 연료전지 유닛을 냉각시키는 냉각수로부터 시스템수로 열을 회수하는 스택 열교환 유닛; 및 상기 가스 열교환 유닛과 상기 스택 열교환 유닛에 상기 시스템수를 공급하는 시스템수 유닛;을 포함하고, 상기 가스 열교환 유닛을 구성하는 복수의 열교환기에는 시스템수가 병렬적으로 공급되는 것을 특징으로 한다.A fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell unit; a cooling water unit cooling the fuel cell unit; a hydrogen supply unit generating hydrogen-containing gas from a hydrocarbon-based raw material and supplying it to the fuel cell unit; a gas heat exchange unit including a plurality of heat exchangers for recovering heat from various gases inside the fuel cell system to system water; a stack heat exchange unit recovering heat from cooling water cooling the fuel cell unit to system water; and a system water unit supplying the system water to the gas heat exchange unit and the stack heat exchange unit, wherein the system water is supplied in parallel to a plurality of heat exchangers constituting the gas heat exchange unit.

Description

열효율이 우수한 연료전지 시스템{FUEL CELL SYSTEM HAVING HIGH THERMAL EFFICIENCY}Fuel cell system with excellent thermal efficiency {FUEL CELL SYSTEM HAVING HIGH THERMAL EFFICIENCY}

본 발명은 열효율이 우수한 연료전지 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell system with excellent thermal efficiency.

연료전지는 수소와 산소의 전기화학반응을 통해 화학 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 에너지 변환장치이다.A fuel cell is an energy conversion device that converts chemical energy into electrical energy through an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen.

이러한 연료전지에 사용되는 연료로는 통상 탄화수소 계열의 연료(LNG, LPG 등)를 스팀으로 개질(reforming)한 개질 가스가 사용되고 있다.As a fuel used in such a fuel cell, reformed gas obtained by reforming hydrocarbon-based fuel (LNG, LPG, etc.) into steam is used.

그런데, 스팀 개질 반응에 의해 얻어진 개질 가스에는 부산물로서 소정 함량의 일산화탄소가 함유되어 있다. 이 일산화탄소는 연료전지의 전극 촉매를 현저히 피독시키며, 이는 연료전지의 발전 효율을 현저히 저하시킨다. However, the reformed gas obtained by the steam reforming reaction contains a predetermined amount of carbon monoxide as a by-product. This carbon monoxide significantly poisons the electrode catalyst of the fuel cell, which significantly lowers the power generation efficiency of the fuel cell.

따라서, 수소 공급 장치에는 수소가 풍부한 개질 가스를 생성하는 개질 장치에 더하여, 그 개질 가스 중의 일산화탄소 농도를 저감하기 위한 CO 제거 장치가 병설되는 경우가 많다.Therefore, in many cases, a hydrogen supply device is provided with a CO removal device for reducing the carbon monoxide concentration in the reformed gas in addition to a reformer that generates hydrogen-rich reformed gas.

예컨대, 수소 공급 장치는 탄화수소 계열의 원료와 물을 600~700℃의 온도 범위에서 수소가 풍부한 개질 가스로 변환하는 스팀 개질(steam reforming) 반응기와, 개질 가스로 변환하는 과정에서 생성되는 0.5~5%의 일산화탄소를 200~350℃의 온도 범위에서 1차 제거하는 수성가스전이(water gas shift) 반응기와, 1차 제거 후 잔존하는 0.5% 미만의 일산화탄소에 공기를 공급하여 이산화탄소로 변환하는 선택산화(preferential oxidation) 반응기와, 스팀 개질 반응기를 가열하는 연소기를 포함하여 구성된다.For example, the hydrogen supply device includes a steam reforming reactor that converts hydrocarbon-based raw materials and water into hydrogen-rich reformed gas at a temperature range of 600 to 700 ° C., and 0.5 to 5 A water gas shift reactor that firstly removes % of carbon monoxide in the temperature range of 200 to 350 ° C., and selective oxidation that converts carbon monoxide into carbon dioxide by supplying air to less than 0.5% carbon monoxide that remains after the first removal ( It is configured to include a preferential oxidation) reactor and a combustor for heating the steam reforming reactor.

선택산화 반응기에서 일어나는 일산화탄소의 이산화탄소로의 변환 반응은 약 100℃에서 진행되는데, 이는 온도에 매우 민감한 반응으로써, 그 온도에 따라 일산화탄소 제거 효율이 현저히 저하될 수 있기 때문에, 선택산화 반응기에 공급되는 개질 가스는 냉각을 통해 일정 온도 범위를 유지한 채로 공급할 필요가 있다.The conversion reaction of carbon monoxide to carbon dioxide in the selective oxidation reactor proceeds at about 100 ° C. This is a temperature-sensitive reaction, and since the carbon monoxide removal efficiency can be significantly reduced depending on the temperature, the reforming supplied to the selective oxidation reactor The gas needs to be supplied while maintaining a certain temperature range through cooling.

또한, 연소기에 투입되는 열원으로는 통상 연료전지로부터 배출되는 애노드 오프가스(anode off-gas)가 이용되고 있는데, 애노드 오프가스는 수분을 다량 함유하므로, 이를 열원으로 활용하기 위해서는 미리 냉각을 통해 수분을 제거할 필요가 있다.In addition, as a heat source input to the combustor, anode off-gas discharged from the fuel cell is usually used. Since the anode off-gas contains a large amount of moisture, in order to use it as a heat source, it is cooled in advance to obtain moisture. need to be removed.

한편, 고분자 전해질막 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell; PEMFC)는 약 60~80℃의 낮은 작동 온도, 빠른 기동과 응답 특성, 우수한 내구성 등의 장점을 가져 휴대용, 차량용 및 가정용 연료전지로서 각광을 받고 있다. 그런데, 이는 연료 개질 장치와 작동 온도가 상이하므로, 연료 개질 장치와 연계하여 사용할 경우에는 연료 개질 장치에서 배출되는 개질 가스를 냉각하여 연료전지에 적합한 온도로 조정할 필요가 있다.On the other hand, Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC) has advantages such as a low operating temperature of about 60 ~ 80 ℃, fast start-up and response characteristics, and excellent durability, so it is in the limelight as a portable, vehicle, and household fuel cell. are receiving However, since it has a different operating temperature from that of the fuel reformer, when used in conjunction with the fuel reformer, it is necessary to cool the reformed gas discharged from the fuel reformer and adjust the temperature to a temperature suitable for the fuel cell.

이처럼 연료전지 시스템의 각 영역에서 요구되는 적정 온도 범위가 서로 상이하므로, 연료전지 시스템을 안정적으로 운영하기 위해서는 연료전지 시스템에서 발생하는 열원들의 온도에 대한 적절한 관리가 요구된다. As such, since appropriate temperature ranges required in each region of the fuel cell system are different from each other, proper management of temperatures of heat sources generated in the fuel cell system is required to stably operate the fuel cell system.

본 발명의 여러 목적 중 하나는, 연료전지 유닛과 수소 공급 유닛으로부터 효과적으로 열을 회수함으로써 열효율이 우수한 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.One of the various objects of the present invention is to provide a fuel cell system with excellent thermal efficiency by effectively recovering heat from a fuel cell unit and a hydrogen supply unit.

또한, 본 발명의 여러 목적 중 하나는, 연료전지 시스템의 각 영역에 요구되는 작동 온도를 적절히 유지함으로써 안정적인 운영이 가능한 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.In addition, one of the various objects of the present invention is to provide a fuel cell system capable of stable operation by appropriately maintaining operating temperatures required for each region of the fuel cell system.

본 발명에 따른 연료전지 시스템은, 연료전지 유닛; 상기 연료전지 유닛을 냉각시키는 냉각수 유닛; 탄화수소계 원료로부터 수소 함유 가스를 생성하여 상기 연료전지 유닛에 공급하는 수소 공급 유닛; 연료전지 시스템 내부의 각종 가스로부터 시스템수로 열을 회수하기 위한 복수의 열교환기를 포함하는 가스 열교환 유닛; 상기 연료전지 유닛을 냉각시키는 냉각수로부터 시스템수로 열을 회수하는 스택 열교환 유닛; 및 상기 가스 열교환 유닛과 상기 스택 열교환 유닛에 상기 시스템수를 공급하는 시스템수 유닛;을 포함하고, 상기 가스 열교환 유닛을 구성하는 복수의 열교환기에는 시스템수가 병렬적으로 공급되는 것을 특징으로 한다.A fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell unit; a cooling water unit cooling the fuel cell unit; a hydrogen supply unit generating hydrogen-containing gas from a hydrocarbon-based raw material and supplying it to the fuel cell unit; a gas heat exchange unit including a plurality of heat exchangers for recovering heat from various gases inside the fuel cell system to system water; a stack heat exchange unit recovering heat from cooling water cooling the fuel cell unit to system water; and a system water unit supplying the system water to the gas heat exchange unit and the stack heat exchange unit, wherein the system water is supplied in parallel to a plurality of heat exchangers constituting the gas heat exchange unit.

구체적으로, 본 발명의 일 실시 양태는, 수소 함유 가스에 포함된 수소와 공기 중에 포함된 산소의 전기화학반응에 의해 전력을 생성하고, 냉각수에 의해 냉각되며, 캐소드 오프가스와 애노드 오프가스를 배출하는 연료전지 유닛; 냉각수 탱크와, 상기 냉각수 탱크로부터 상기 연료전지 유닛을 거쳐 다시 상기 냉각수 탱크로 이어지는 냉각수 순환관과, 상기 냉각수 탱크와 상기 연료전지 유닛 사이의 냉각수 순환관에 배치되어 상기 냉각수를 순환시키는 냉각수 펌프를 포함하는 냉각수 유닛; 탄화수소계 원료로부터 상기 수소 함유 가스를 생성하여 상기 연료전지 유닛에 공급하는 수소 공급 유닛으로서, 상기 탄화수소계 원료 및 수증기를 반응시켜 개질 가스를 생성하는 개질부와, 상기 개질 가스에 함유된 일산화탄소를 수증기와 반응시켜 일산화탄소를 1차 제거하는 수성가스 전이부와, 상기 일산화탄소가 1차 제거된 개질 가스에 공기를 공급하여 일산화탄소를 2차 제거하는 선택 산화부와, 상기 연료전지 유닛으로부터 배출되는 애노드 오프 가스를 연소시켜 상기 개질부를 가열하고, 연소 가스를 배출하는 연소부를 포함하는 수소 공급 유닛; 상기 수성가스 전이부에서 배출되는 일산화탄소가 1차 제거된 개질 가스로부터 시스템수로 열을 회수하는 제1 열교환기, 상기 수소 공급 유닛에서 배출되는 수소 함유 가스로부터 시스템수로 열을 회수하는 제2 열교환기 및 상기 연료전지 유닛에서 배출되는 애노드 오프 가스로부터 시스템수로 열을 회수하는 제3 열교환기를 포함하는 가스 열교환 유닛; 상기 연료전지 유닛으로부터 배출되는 냉각수로부터 시스템수로 열을 회수하는 스택 열교환기를 포함하는 스택 열교환 유닛; 및 시스템수를 저장하는 축열조와, 제1 시스템수 펌프에 의해 상기 축열조로부터 상기 스택 열교환 유닛에 상기 시스템수를 공급하는 제1 시스템수 공급관과, 제2 시스템수 펌프에 의해 상기 축열조로부터 상기 가스 열교환 유닛에 시스템수를 공급하고, 상기 제1 시스템수 공급관과 합류하는 제2 시스템수 공급관과, 상기 스택 열교환 유닛에서 배출되는 시스템수를 상기 축열조로 회수하는 시스템수 회수관을 포함하는 시스템수 유닛;을 포함하고, 상기 제2 시스템수 공급관은 상기 시스템수의 흐름 방향을 기준으로 상기 가스 열교환 유닛의 전단에 위치한 제1 지점에서 분기되어 상기 제1 내지 제3 열교환기 각각에 상기 시스템수를 공급하고, 상기 가스 열교환 유닛의 후단에 위치한 제2 지점에서 합류되는 제1 내지 제3 분기관을 포함하는 연료전지 시스템을 제공한다.Specifically, in one embodiment of the present invention, electric power is generated by an electrochemical reaction between hydrogen contained in a hydrogen-containing gas and oxygen contained in air, cooled by cooling water, and discharging cathode off-gas and anode off-gas a fuel cell unit to; A cooling water tank, a cooling water circulation pipe extending from the cooling water tank to the cooling water tank via the fuel cell unit, and a cooling water pump disposed in the cooling water circulation pipe between the cooling water tank and the fuel cell unit to circulate the cooling water a cooling water unit; A hydrogen supply unit generating the hydrogen-containing gas from a hydrocarbon-based raw material and supplying the hydrogen-containing gas to the fuel cell unit, a reforming unit generating a reformed gas by reacting the hydrocarbon-based raw material and steam, and converting carbon monoxide contained in the reformed gas into steam A water gas transition unit for firstly removing carbon monoxide by reacting with a water gas transition unit, a selective oxidation unit for secondarily removing carbon monoxide by supplying air to the reformed gas from which carbon monoxide is primarily removed, and an anode off-gas discharged from the fuel cell unit. a hydrogen supply unit including a combustion unit that burns to heat the reforming unit and discharges combustion gas; A first heat exchanger for recovering heat from the reformed gas from which carbon monoxide is primarily removed from the water gas transition unit to system water, and a second heat exchanger for recovering heat from the hydrogen-containing gas discharged from the hydrogen supply unit to system water. a gas heat exchange unit including a third heat exchanger for recovering heat from the anode off-gas discharged from the gas and the system water from the fuel cell unit; a stack heat exchange unit including a stack heat exchanger that recovers heat from cooling water discharged from the fuel cell unit to system water; and a heat storage tank for storing system water, a first system water supply pipe for supplying the system water from the heat storage tank to the stack heat exchange unit by a first system water pump, and a second system water pump for heat exchange of the gas from the heat storage tank. a system water unit including a second system water supply pipe that supplies system water to the unit and joins the first system water supply pipe, and a system water recovery pipe that collects the system water discharged from the stack heat exchange unit into the heat storage tank; The second system water supply pipe is branched from a first point located at the front end of the gas heat exchange unit based on the flow direction of the system water to supply the system water to each of the first to third heat exchangers, , It provides a fuel cell system including first to third branch pipes joined at a second point located at the rear end of the gas heat exchange unit.

또한, 본 발명의 다른 실시 양태는, 수소 함유 가스에 포함된 수소와 공기 중에 포함된 산소의 전기화학반응에 의해 전력을 생성하고, 냉각수에 의해 냉각되며, 캐소드 오프가스와 애노드 오프가스를 배출하는 연료전지 유닛; 냉각수 탱크와, 상기 냉각수 탱크로부터 상기 연료전지 유닛을 거쳐 다시 상기 냉각수 탱크로 이어지는 냉각수 순환관과, 상기 냉각수 탱크와 상기 연료전지 유닛 사이의 냉각수 순환관에 배치되어 상기 냉각수를 순환시키는 냉각수 펌프를 포함하는 냉각수 유닛; 탄화수소계 원료로부터 상기 수소 함유 가스를 생성하여 상기 연료전지 유닛에 공급하는 수소 공급 유닛으로서, 상기 탄화수소계 원료 및 수증기를 반응시켜 개질 가스를 생성하는 개질부와, 상기 개질 가스에 함유된 일산화탄소를 수증기와 반응시켜 일산화탄소를 1차 제거하는 수성가스 전이부와, 상기 일산화탄소가 1차 제거된 개질 가스에 공기를 공급하여 일산화탄소를 2차 제거하는 선택 산화부와, 상기 연료전지 유닛으로부터 배출되는 애노드 오프 가스를 연소시켜 상기 개질부를 가열하고, 연소 가스를 배출하는 연소부를 포함하는 수소 공급 유닛; 상기 수성가스 전이부에서 배출되는 일산화탄소가 1차 제거된 개질 가스로부터 시스템수로 열을 회수하는 제1 열교환기, 상기 수소 공급 유닛에서 배출되는 수소 함유 가스로부터 시스템수로 열을 회수하는 제2 열교환기, 상기 연료전지 유닛에서 배출되는 애노드 오프 가스로부터 시스템수로 열을 회수하는 제3 열교환기, 상기 연소부에서 배출되는 연소 가스로부터 시스템수로 열을 회수하는 제4 열교환기, 및 상기 연료전지 유닛에서 배출되는 캐소드 오프가스로부터 시스템수로 열을 회수하는 제5 열교환기를 포함하는 가스 열교환 유닛; 상기 연료전지 유닛으로부터 배출되는 냉각수로부터 시스템수로 열을 회수하는 스택 열교환기를 포함하는 스택 열교환 유닛; 및 시스템수를 저장하는 축열조와, 제1 시스템수 펌프에 의해 상기 축열조로부터 상기 스택 열교환 유닛에 상기 시스템수를 공급하는 제1 시스템수 공급관과, 제2 시스템수 펌프에 의해 상기 축열조로부터 상기 가스 열교환 유닛에 시스템수를 공급하고, 상기 제1 시스템수 공급관과 합류하는 제2 시스템수 공급관과, 상기 스택 열교환 유닛에서 배출되는 시스템수를 상기 축열조로 회수하는 시스템수 회수관을 포함하는 시스템수 유닛;을 포함하고, 상기 제2 시스템수 공급관은 상기 시스템수의 흐름 방향을 기준으로 상기 가스 열교환 유닛의 전단에 위치한 제1 지점에서 분기되어 상기 제1 내지 제5 열교환기 각각에 상기 시스템수를 공급하고 상기 가스 열교환 유닛의 후단에 위치한 제2 지점에서 합류되는 제1 내지 제5 분기관을 포함하는 연료전지 시스템을 제공한다.In addition, another embodiment of the present invention generates electric power by an electrochemical reaction between hydrogen contained in a hydrogen-containing gas and oxygen contained in the air, cooled by cooling water, and discharging cathode off-gas and anode off-gas. fuel cell unit; A cooling water tank, a cooling water circulation pipe extending from the cooling water tank to the cooling water tank via the fuel cell unit, and a cooling water pump disposed in the cooling water circulation pipe between the cooling water tank and the fuel cell unit to circulate the cooling water a cooling water unit; A hydrogen supply unit generating the hydrogen-containing gas from a hydrocarbon-based raw material and supplying the hydrogen-containing gas to the fuel cell unit, a reforming unit generating a reformed gas by reacting the hydrocarbon-based raw material and steam, and converting carbon monoxide contained in the reformed gas into steam A water gas transition unit for firstly removing carbon monoxide by reacting with a water gas transition unit, a selective oxidation unit for secondarily removing carbon monoxide by supplying air to the reformed gas from which carbon monoxide is primarily removed, and an anode off-gas discharged from the fuel cell unit. a hydrogen supply unit including a combustion unit that burns to heat the reforming unit and discharges combustion gas; A first heat exchanger for recovering heat from the reformed gas from which carbon monoxide is primarily removed from the water gas transition unit to system water, and a second heat exchanger for recovering heat from the hydrogen-containing gas discharged from the hydrogen supply unit to system water. a third heat exchanger that recovers heat from the anode off-gas discharged from the fuel cell unit into system water; a fourth heat exchanger that recovers heat from the combustion gas discharged from the combustion unit into system water; and the fuel cell a gas heat exchange unit including a fifth heat exchanger that recovers heat from the cathode offgas discharged from the unit to the system water; a stack heat exchange unit including a stack heat exchanger that recovers heat from cooling water discharged from the fuel cell unit to system water; and a heat storage tank for storing system water, a first system water supply pipe for supplying the system water from the heat storage tank to the stack heat exchange unit by a first system water pump, and a second system water pump for heat exchange of the gas from the heat storage tank. a system water unit including a second system water supply pipe that supplies system water to the unit and joins the first system water supply pipe, and a system water recovery pipe that collects the system water discharged from the stack heat exchange unit into the heat storage tank; The second system water supply pipe is branched from a first point located at the front end of the gas heat exchange unit based on the flow direction of the system water to supply the system water to each of the first to fifth heat exchangers, Provided is a fuel cell system including first to fifth branch pipes joined at a second point located at a rear end of the gas heat exchange unit.

일 실시예에 있어서, 상기 연료전지 시스템은 상기 제1 내지 제5 분기관으로부터 배출되는 시스템수의 배출량을 제어하는 제1 내지 제5 오리피스를 더 포함할 수 있다.In one embodiment, the fuel cell system may further include first to fifth orifices for controlling the amount of system water discharged from the first to fifth branch pipes.

일 실시예에 있어서, 상기 제1 내지 제5 오리피스는 서로 다른 크기를 가질 수 있다.In one embodiment, the first to fifth orifices may have different sizes.

일 실시예에 있어서, 상기 연료전지 시스템은, 상기 제1 내지 제5 분기관으로부터 배출되는 시스템수의 유속을 조절하는 제1 내지 제5 유속 조절 밸브를 더 포함할 수 있다.In one embodiment, the fuel cell system may further include first to fifth flow rate control valves for adjusting the flow rate of the system water discharged from the first to fifth branch pipes.

일 실시예에 있어서, 상기 연료전지 시스템은, 상기 연료전지 유닛에 공급되는 공기에 수분을 공급하는 가습 유닛을 더 포함할 수 있다.In one embodiment, the fuel cell system may further include a humidifying unit supplying moisture to the air supplied to the fuel cell unit.

일 실시예에 있어서, 상기 연료전지 시스템은, 상기 연료전지 유닛으로부터 생산된 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 전력 변환 유닛을 더 포함할 수 있다.In one embodiment, the fuel cell system may further include a power conversion unit that converts DC power generated from the fuel cell unit into AC power.

일 실시예에 있어서, 상기 제2 열교환기로부터 배출되는 수소 함유 가스를 상기 연료전지 유닛으로 공급하는 수소 함유 가스 공급관과 상기 연료전지 유닛으로부터 배출되는 애노드 오프가스를 상기 제3 열교환기로 공급하는 애노드 오프가스 배출관을 상호 연결하는 우회관과, 상기 우회관에 설치되어 상기 수소 함유 가스를 상기 우회관으로 공급하거나 상기 우회관으로의 공급을 차단하는 제1 차단 밸브와, 상기 수소 함유 가스 공급관에 설치되어 상기 수소 함유 가스를 상기 연료전지 유닛으로 공급하거나 상기 연료전지 유닛으로의 공급을 차단하는 제2 차단 밸브와, 상기 애노드 오프가스 배출관에 설치되어 상기 우회관을 통과한 수소 함유 가스의 상기 연료전지 유닛으로의 공급을 차단하는 제3 차단 밸브를 더 포함할 수 있다.In one embodiment, a hydrogen-containing gas supply pipe for supplying hydrogen-containing gas discharged from the second heat exchanger to the fuel cell unit and an anode off-gas supplying anode off-gas discharged from the fuel cell unit to the third heat exchanger A bypass pipe connecting the gas discharge pipes to each other, a first shutoff valve installed in the bypass pipe to supply the hydrogen-containing gas to the bypass pipe or blocking supply to the bypass pipe, and a hydrogen-containing gas supply pipe installed in the bypass pipe. A second shut-off valve for supplying the hydrogen-containing gas to the fuel cell unit or blocking supply to the fuel cell unit, and a second shut-off valve installed in the anode off-gas discharge pipe to release the hydrogen-containing gas passing through the bypass pipe to the fuel cell unit. It may further include a third shutoff valve that blocks supply to.

일 실시예에 있어서, 상기 제2 시스템수 펌프에 의한 상기 시스템수의 유량이 상기 제1 시스템수 펌프에 의한 상기 시스템수의 유량보다 클 수 있다.In one embodiment, the flow rate of the system water by the second system water pump may be greater than the flow rate of the system water by the first system water pump.

본 발명에 따른 연료전지 시스템은, 연료전지 유닛과 수소 공급 유닛에서 발생하는 열원에 대한 효과적인 열회수가 가능할 뿐만 아니라, 발생하는 서로 다른 온도의 열원과 열량을 각각 제어할 수 있어 열효율이 우수한 장점이 있다.The fuel cell system according to the present invention not only enables effective heat recovery for the heat source generated from the fuel cell unit and the hydrogen supply unit, but also has excellent thermal efficiency because it can control the heat source and amount of heat generated at different temperatures, respectively. .

또한, 본 발명에 따른 연료전지 시스템은, 복수의 열교환기 각각에 대한 온도 범위를 정밀하게 제어할 수 있어, 전체 연료전지 시스템의 안정적인 운영이 가능한 장점이 있다.In addition, the fuel cell system according to the present invention can precisely control the temperature range for each of a plurality of heat exchangers, thereby enabling stable operation of the entire fuel cell system.

또한, 본 발명에 따른 연료전지 시스템은, 시스템수의 순환 경로가 짧아, 시스템수 펌프의 구동을 위한 소비전력의 저감을 도모할 수 있는 장점이 있다.In addition, the fuel cell system according to the present invention has a short circulation path of the system water, and thus has an advantage in that power consumption for driving the system water pump can be reduced.

본 명세서의 일 측면의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 명세서의 상세한 설명 또는 청구범위에 기재된 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Effects of one aspect of the present specification are not limited to the above effects, and should be understood to include all effects that can be inferred from the configuration described in the detailed description or claims of this specification.

도 1은 본 발명의 일 실시 양태에 따른 연료전지 시스템을 설명하기 위한 개략적인 개념도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시 양태에 따른 연료전지 시스템을 설명하기 위한 개략적인 개념도이다. 1 is a schematic conceptual diagram for explaining a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
2 is a schematic conceptual diagram for explaining a fuel cell system according to another embodiment of the present invention.

본 발명의 상세한 설명에 앞서, 이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시예에 불과할 뿐, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있음을 이해하여야 한다.Prior to the detailed description of the present invention, the terms or words used in this specification and claims described below should not be construed as being limited to a common or dictionary meaning, and the inventors should use their own invention in the best way. It should be interpreted as a meaning and concept corresponding to the technical idea of the present invention based on the principle that the concept of a term can be properly defined for explanation. Therefore, the embodiments described in this specification and the configurations shown in the drawings are only the most preferred embodiments of the present invention and do not represent all of the technical spirit of the present invention, so various alternatives can be made at the time of this application. It should be understood that there are equivalents and variations.

본 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.Throughout this specification, when a part is said to be "connected" to another part, this includes not only the case where it is "directly connected" but also the case where it is "electrically connected" with another element in between. do.

본 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에", "상부에", "상단에", "하에", "하부에", "하단에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.Throughout this specification, when an element is said to be located “on”, “above”, “above”, “below”, “below”, or “below” another element, this means that an element is located on another element. This includes not only the case of contact but also the case of another member between the two members.

본 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Throughout this specification, when a certain component is said to "include", it means that it may further include other components without excluding other components unless otherwise stated.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이때, 첨부된 도면에서 동일한 구성요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음을 유의해야 한다. 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략하였다. 마찬가지의 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. At this time, it should be noted that the same components are indicated by the same reference numerals as much as possible in the accompanying drawings. Detailed descriptions of well-known functions and configurations that may obscure the subject matter of the present invention have been omitted. For the same reason, some components in the accompanying drawings are exaggerated, omitted, or schematically illustrated, and the size of each component does not entirely reflect the actual size.

도 1은 본 발명의 일 실시 양태에 따른 연료전지 시스템을 설명하기 위한 개략적인 개념도이다. 1 is a schematic conceptual diagram for explaining a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 일 실시 양태에 따른 연료전지 시스템은 연료전지 유닛(100), 냉각수 유닛, 수소 공급 유닛(300), 가스 열교환 유닛(400), 스택 열교환 유닛, 및 시스템수 유닛을 포함하여 이루어진다.A fuel cell system according to an embodiment of the present invention includes a fuel cell unit 100, a cooling water unit, a hydrogen supply unit 300, a gas heat exchange unit 400, a stack heat exchange unit, and a system water unit.

본 발명의 일 실시 양태에 따른 연료전지 시스템에는 탄화수소계 원료와 공기가 공급된다.A hydrocarbon-based raw material and air are supplied to the fuel cell system according to an embodiment of the present invention.

탄화수소계 원료는 개질부(310)에 공급되어 수소가 풍부한 개질 가스로 변환되고, 수성가스 전이부(320)와 선택 산화부(330)를 거쳐 일산화탄소 농도가 저감된 수소 함유 가스로 변환된다. 선택 산화부(330)에서 배출되는 수소 함유 가스는 수소 함유 가스 공급관(710)을 통해 연료전지 유닛(100)의 애노드로 공급된다. The hydrocarbon-based raw material is supplied to the reforming unit 310 and converted into a hydrogen-rich reformed gas, and converted into a hydrogen-containing gas having a reduced carbon monoxide concentration through a water gas transition unit 320 and a selective oxidation unit 330. The hydrogen-containing gas discharged from the selective oxidation unit 330 is supplied to the anode of the fuel cell unit 100 through the hydrogen-containing gas supply pipe 710 .

또한, 연료전지 시스템에 공급되는 공기의 일부는 연소부(340)로 공급되어 연료를 점화시키고, 다른 일부는 후술할 수성가스 전이부(330)로 공급되어 일산화탄소를 이산화탄소로 전환하며, 나머지 일부는 연료전지 유닛(100)으로 공급되어 수소 함유 가스와의 전기화학반응에 의해 전력을 생성한다. In addition, part of the air supplied to the fuel cell system is supplied to the combustion unit 340 to ignite the fuel, and the other part is supplied to the water gas transition unit 330 to be described later to convert carbon monoxide into carbon dioxide, and the other part It is supplied to the fuel cell unit 100 to generate electric power through an electrochemical reaction with hydrogen-containing gas.

연료전지 유닛(100)은 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly; MEA)와, 상기 막-전극 접합체의 양측에 배치된 한 쌍의 분리판을 포함하는 단위셀이 복수개 적층되어 이루어질 수 있다.The fuel cell unit 100 may be formed by stacking a plurality of unit cells including a membrane electrode assembly (MEA) and a pair of separators disposed on both sides of the membrane electrode assembly.

연료전지 유닛(100)의 애노드에는 수소 함유 가스가 공급되고, 캐소드에는 공기가 공급되며, 연료전지 유닛(100)은 수소 함유 가스에 포함된 수소와 공기 중에 포함된 산소의 전기화학반응에 의해 전력을 생성한다.Hydrogen-containing gas is supplied to the anode of the fuel cell unit 100, air is supplied to the cathode, and the fuel cell unit 100 is powered by an electrochemical reaction between hydrogen contained in the hydrogen-containing gas and oxygen contained in the air. generate

연료전지 유닛(100)이 정상적으로 동작하기 위해서는 막-전극 접합체의 전해질막이 일정 습도 이상으로 유지되어야 하므로, 연료전지 유닛(100)의 캐소드에 공급되는 공기는 가습 유닛(미도시)을 거쳐 습도가 높아진 습윤공기일 수 있다. 여기서 가습 유닛은 막 가습기일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In order for the fuel cell unit 100 to operate normally, the electrolyte membrane of the membrane-electrode assembly must be maintained at a certain humidity or higher, so the air supplied to the cathode of the fuel cell unit 100 passes through a humidifying unit (not shown) to increase the humidity. It may be moist air. Here, the humidifying unit may be a membrane humidifier, but is not limited thereto.

연료전지 유닛(100)의 애노드로부터는 미반응의 애노드 오프 가스가 배출되며, 캐소드로부터는 미반응의 캐소드 오프 가스가 배출된다. 미반응의 애노드 오프가스는 애노드 오프가스 배출관(720)을 통해 연소부(340)로 공급되어 공기와 함께 연료로 활용된다.Unreacted anode-off gas is discharged from the anode of the fuel cell unit 100, and unreacted cathode-off gas is discharged from the cathode. The unreacted anode off-gas is supplied to the combustion unit 340 through the anode off-gas discharge pipe 720 and used as fuel together with air.

본 발명의 일 실시 양태에 따른 연료전지 시스템은 수소 함유 가스 공급관(710)과 애노드 오프가스 배출관(720)을 상호 연결하는 우회관(730)을 더 포함할 수 있으며, 우회관(730)에는 수소 함유 가스를 우회관(730)으로 공급하거나, 우회관(730)으로의 공급을 차단하는 제1 차단 밸브(735)가 설치되고, 수소 함유 가스 공급관(710)에는 수소 함유 가스를 연료전지 유닛(100)으로 공급하거나, 연료전지 유닛(100)으로의 공급을 차단하는 제2 차단 밸브(715)가 설치되며, 애노드 오프가스 배출관(720)에는 우회관(730)을 통과한 수소 함유 가스의 연료전지 유닛(100)으로의 공급을 차단하는 제3 차단 밸브(725)가 설치되어 있을 수 있다. The fuel cell system according to an embodiment of the present invention may further include a bypass pipe 730 interconnecting the hydrogen-containing gas supply pipe 710 and the anode off-gas discharge pipe 720, and the bypass pipe 730 includes hydrogen A first shut-off valve 735 for supplying the contained gas to the bypass pipe 730 or blocking the supply to the bypass pipe 730 is installed, and the hydrogen-containing gas is supplied to the hydrogen-containing gas supply pipe 710 to the fuel cell unit ( 100), or a second shutoff valve 715 for blocking supply to the fuel cell unit 100 is installed, and the anode off-gas discharge pipe 720 is supplied with hydrogen-containing gas that has passed through the bypass pipe 730. A third shutoff valve 725 that blocks supply to the battery unit 100 may be installed.

연료전지 시스템의 기동 시에는 수소 공급 유닛의 온도가 낮아 일산화탄소 농도가 비교적 높은 수소 함유 가스가 배출될 수 있으므로, 제2 및 제3 차단 밸브(725, 735)를 닫고, 제1 차단 밸브(715)를 열어 일산화탄소 농도가 비교적 높은 수소 함유 가스가 연소부(340)로 공급되어 열원으로 활용되도록 할 수 있다. 이후 수소 공급 유닛이 적정 온도로 유지되어 일산화탄소 농도가 낮은 수소 함유 가스가 배출되게 되면, 제1 차단 밸브(715)를 닫고, 제2 및 제3 차단 밸브(725, 735)를 열어 연료전지 시스템이 정상 작동되도록 할 수 있다. When the fuel cell system is started, since the temperature of the hydrogen supply unit is low, hydrogen-containing gas having a relatively high carbon monoxide concentration may be discharged. is opened so that a hydrogen-containing gas having a relatively high carbon monoxide concentration is supplied to the combustion unit 340 to be used as a heat source. Subsequently, when the hydrogen supply unit is maintained at an appropriate temperature and hydrogen-containing gas having a low carbon monoxide concentration is discharged, the first shutoff valve 715 is closed and the second and third shutoff valves 725 and 735 are opened to start the fuel cell system. can make it work normally.

연료전지 유닛(100)은 작동 과정에서 필연적으로 열이 발생하게 되고, 이러한 열은 연료전지의 운전에 영향을 미치므로, 이를 적절히 냉각할 필요가 있다.The fuel cell unit 100 inevitably generates heat during operation, and since this heat affects the operation of the fuel cell, it is necessary to properly cool it.

냉각수 유닛은 연료전지 유닛(100)의 온도를 낮춰주는 역할을 하며, 냉각수 탱크(210); 냉각수 탱크(210)로부터 연료전지 유닛(100)을 거쳐 다시 냉각수 탱크(210)로 이어지는 냉각수 순환관(220); 및 냉각수 탱크(210)와 연료전지 유닛(100) 사이의 냉각수 순환관(220)에 배치되어 냉각수를 순환시키는 냉각수 펌프(230);를 포함하여 이루어진다.The cooling water unit serves to lower the temperature of the fuel cell unit 100, and includes a cooling water tank 210; a cooling water circulation pipe 220 extending from the cooling water tank 210 through the fuel cell unit 100 back to the cooling water tank 210; and a cooling water pump 230 disposed in the cooling water circulation pipe 220 between the cooling water tank 210 and the fuel cell unit 100 to circulate the cooling water.

냉각수는 냉각수 펌프(230)에 의해 냉각수 탱크(210)로부터 배출되어 냉각수 순환관(220)을 거쳐 연료전지 유닛(100)으로 이동하며, 연료전지 유닛(100)의 폐열을 회수한 고온의 냉각수는 냉각수 순환관(220)을 거쳐 후술할 스택 열교환기(510)로 폐열을 방출한다. 스택 열교환기(510)에서 폐열을 방출한 저온의 냉각수는 냉각수 순환관(220)을 거쳐 냉각수 탱크(210)로 순환한다.Cooling water is discharged from the cooling water tank 210 by the cooling water pump 230 and moves to the fuel cell unit 100 through the cooling water circulation pipe 220, and the high-temperature cooling water recovered from the waste heat of the fuel cell unit 100 is Waste heat is discharged to the stack heat exchanger 510 to be described later via the cooling water circulation pipe 220 . The low-temperature cooling water discharged waste heat from the stack heat exchanger 510 circulates through the cooling water circulation pipe 220 to the cooling water tank 210 .

수소 공급 유닛(300) 탄화수소계 원료(LNG, LPG 등)로부터 수소 함유 가스를 생성하여 연료전지 유닛(100)에 공급하는 역할을 하며, 탄화수소계 원료 및 수증기를 반응시켜 개질 가스를 생성하는 개질부(310); 개질 가스에 함유된 일산화탄소를 수증기와 반응시켜 일산화탄소를 1차 제거하는 수성가스 전이부(320); 일산화탄소가 1차 제거된 개질 가스에 공기를 공급하여 일산화탄소를 2차 제거하는 선택 산화부(330); 및 연료전지 유닛으로부터 배출되는 애노드 오프 가스를 연소시켜 개질부를 가열하고, 연소 가스를 배출하는 연소부(340);를 포함하여 이루어진다.The hydrogen supply unit 300 serves to generate hydrogen-containing gas from hydrocarbon-based raw materials (LNG, LPG, etc.) and supplies it to the fuel cell unit 100, and a reforming unit that reacts the hydrocarbon-based raw material and water vapor to generate reformed gas. (310); A water gas transition unit 320 for firstly removing carbon monoxide by reacting carbon monoxide contained in the reformed gas with water vapor; a selective oxidizing unit 330 that secondarily removes carbon monoxide by supplying air to the reformed gas from which carbon monoxide is primarily removed; and a combustion unit 340 that burns the anode off-gas discharged from the fuel cell unit to heat the reforming unit and discharges combustion gas.

개질부(310)는 탄화수소계 원료 및 수증기의 혼합 가스로부터 하기 식 1에 의한 개질 반응에 의해 개질 가스를 생성한다. The reforming unit 310 generates reformed gas from a mixed gas of a hydrocarbon-based raw material and steam by a reforming reaction according to Equation 1 below.

[식 1] CH4 + H2O → 3H2 + CO[Equation 1] CH 4 + H 2 O → 3H 2 + CO

수성가스 전이부(320)는 하기 식 2에 의한 반응을 통해 개질 가스에 함유된 일산화탄소를 1차 제거하고, 수소가 농축된 개질 가스를 생성한다.The water gas transition unit 320 primarily removes carbon monoxide contained in the reformed gas through a reaction according to Equation 2 below, and generates hydrogen-enriched reformed gas.

[식 2] CO + H2O → H2 +CO2 [Equation 2] CO + H 2 O → H 2 +CO 2

선택 산화부(330)는 일산화탄소가 1차 제거되고, 수소가 농축된 개질 가스에 공기를 공급하여 하기 식 3에 의한 반응을 통해 일산화탄소가 2차 제거된 수소 함유 가스를 생성한다.The selective oxidation unit 330 supplies air to the reformed gas in which carbon monoxide is primarily removed and hydrogen is enriched to generate hydrogen-containing gas in which carbon monoxide is secondarily removed through a reaction according to Equation 3 below.

[식 3] 2CO + O2 → 2CO2 [Equation 3] 2CO + O 2 → 2CO 2

개질부(310)에서의 개질 반응은 흡열 반응으로서, 600~700℃의 높은 온도에서 이뤄지기 때문에 외부로부터 반응열을 공급할 필요가 있다. 이러한 반응열은 개질부(310)에 인접 배치된 연소부(340)로부터 얻어질 수 있다.The reforming reaction in the reforming unit 310 is an endothermic reaction, and since it is performed at a high temperature of 600 to 700° C., it is necessary to supply reaction heat from the outside. This reaction heat may be obtained from the combustion unit 340 disposed adjacent to the reforming unit 310 .

연소부(340)는 연료전지 유닛(100)의 애노드로부터는 배출되는 미반응의 애노드 오프 가스를 연소시켜 고온의 열을 생성하며, 연소부(340)의 온도는 애노드 오프 가스의 연소에 의해 약 600~1000℃로 유지된다.The combustion unit 340 generates high-temperature heat by burning unreacted anode off-gas discharged from the anode of the fuel cell unit 100, and the temperature of the combustion unit 340 is about approx. It is maintained at 600~1000℃.

전술한 바와 같이, 연료전지 시스템을 구성하는 연료전지 유닛(100)과 수소 공급 유닛(300)을 구성하는 각 부분은 서로 다른 작동 온도를 요구하기 때문에, 그 요구 조건을 충족시키기 위해, 본 발명의 일 실시 양태에 따른 연료전지 시스템은 가스 열교환 유닛과, 스택 열교환 유닛과, 시스템수 유닛을 포함하여 구성된다.As described above, since each part constituting the fuel cell unit 100 and the hydrogen supply unit 300 constituting the fuel cell system require different operating temperatures, in order to meet the requirements, the present invention A fuel cell system according to an embodiment includes a gas heat exchange unit, a stack heat exchange unit, and a water system unit.

가스 열교환 유닛(400)은 수성가스 전이부(320)에서 배출되는 일산화탄소가 1차 제거된 개질 가스로부터 시스템수로 열을 회수하는 제1 열교환기(410); 수소 공급 유닛(300)에서 배출되는 수소 함유 가스로부터 시스템수로 열을 회수하는 제2 열교환기(420); 및 연료전지 유닛(100)에서 배출되는 애노드 오프 가스로부터 시스템수로 열을 회수하는 제3 열교환기(430);를 포함하여 구성된다.The gas heat exchange unit 400 includes a first heat exchanger 410 for recovering heat from the reformed gas from which carbon monoxide is primarily removed from the water gas transition unit 320 to system water; a second heat exchanger 420 that recovers heat from the hydrogen-containing gas discharged from the hydrogen supply unit 300 into system water; and a third heat exchanger 430 that recovers heat from the anode off-gas discharged from the fuel cell unit 100 to the system water.

수성가스 전이부(320)에서 일어나는 수성가스 전이 반응은 약 200~350℃의 온도 범위에서 이루어지며, 선택산화 반응기(320)에서 일어나는 선택산화 반응은 약 100℃에서 이루어지는데, 선택산화 반응은 온도에 매우 민감하므로, 수성가스 전이부(320)에서 배출되는 개질 가스는 냉각을 통해 일정 온도 범위를 유지한 채 선택산화 반응기(330)에 공급되어야 한다.The water gas transition reaction occurring in the water gas transition unit 320 is performed in a temperature range of about 200 to 350 ° C, and the selective oxidation reaction occurring in the selective oxidation reactor 320 is performed at about 100 ° C. Since it is very sensitive to, the reformed gas discharged from the water gas transition unit 320 must be supplied to the selective oxidation reactor 330 while maintaining a certain temperature range through cooling.

제1 열교환기(410)에서는 수성가스 전이부(320)에서 배출되는 고온의 개질 가스와 저온의 시스템수 간의 열교환이 이루어지며, 이러한 열교환을 통해 선택산화 반응기(330)에 공급되는 개질 가스의 온도를 선택산화 반응에 적합한 온도로 제어할 수 있다.In the first heat exchanger 410, heat is exchanged between the high-temperature reformed gas discharged from the water gas transition unit 320 and the low-temperature system water, and through this heat exchange, the temperature of the reformed gas supplied to the selective oxidation reactor 330 can be controlled to a temperature suitable for the selective oxidation reaction.

연료전지 유닛(100)은 수소 공급 유닛(300)에 비해 낮은 온도에서 작동하므로, 수소 공급 유닛(300)으로부터 배출되는 수소 함유 가스는 냉각을 통해 일정 온도 범위를 유지한 채 연료전지 유닛(100)에 공급되어야 한다.Since the fuel cell unit 100 operates at a lower temperature than the hydrogen supply unit 300, the hydrogen-containing gas discharged from the hydrogen supply unit 300 is cooled and maintained in a certain temperature range while the fuel cell unit 100 should be supplied to

제2 열교환기(420)에서는 수소 공급 유닛(300)에서 배출되는 고온의 수소 함유 가스와 저온의 시스템수 간의 열교환이 이루어지며, 이러한 열교환을 통해 연료전지 유닛(100)에 공급되는 수소 함유 가스의 온도를 연료전지의 작동에 적합한 온도로 제어할 수 있다.In the second heat exchanger 420, heat is exchanged between the high-temperature hydrogen-containing gas discharged from the hydrogen supply unit 300 and the low-temperature system water, and through this heat exchange, the hydrogen-containing gas supplied to the fuel cell unit 100 The temperature can be controlled to a temperature suitable for operation of the fuel cell.

연료전지 유닛(100)으로부터 배출되는 애노드 오프가스는 다량의 수분을 함유하므로, 이를 열원으로 활용하기 위해서는 미리 냉각을 통해 수분을 제거해야 한다.Since the anode off-gas discharged from the fuel cell unit 100 contains a large amount of moisture, in order to utilize it as a heat source, the moisture must be removed through cooling in advance.

제3 열교환기(430)에서는 연료전지 유닛(100)으로부터 배출되는 고온의 애노드 오프가스와 저온의 시스템수 간의 열교환이 이루어지며, 이러한 열교환을 통해 애노드 오프가스에 함유된 수분의 함량을 열원으로 활용하기에 적합한 수준으로 낮출 수 있다.In the third heat exchanger 430, heat is exchanged between the high-temperature anode off-gas discharged from the fuel cell unit 100 and the low-temperature system water, and through this heat exchange, the moisture content of the anode off-gas is used as a heat source. It can be lowered to a level suitable for

스택 열교환 유닛은 연료전지 유닛으로부터 배출되는 냉각수로부터 시스템으로 열을 회수하는 스택 열교환기(510)를 포함한다.The stack heat exchange unit includes a stack heat exchanger 510 that recovers heat to the system from cooling water discharged from the fuel cell unit.

스택 열교환기(510)에서는 연료전지 유닛(100)의 폐열을 회수한 고온의 냉각수와 저온의 시스템수 간의 열교환이 이루어지며, 이러한 열교환을 통해 냉각수의 온도를 연료전지 유닛(100)의 폐열 회수에 적합한 수준으로 유지할 수 있다. In the stack heat exchanger 510, heat exchange is performed between the high-temperature cooling water from which the waste heat of the fuel cell unit 100 is recovered and the low-temperature system water. can be maintained at an appropriate level.

시스템수 유닛은 시스템수를 저장하는 축열조(610); 제1 시스템수 펌프(620)에 의해 축열조(610)로부터 스택 열교환 유닛(510)에 시스템수를 공급하는 제1 시스템수 공급관(630); 제2 시스템수 펌프(640)에 의해 축열조(610)로부터 가스 열교환 유닛(400)에 시스템수를 공급하고, 제1 시스템수 공급관(630)과 합류하는 제2 시스템수 공급관(650); 및 스택 열교환 유닛(510)에서 배출되는 시스템수를 축열조(610)로 회수하는 시스템수 회수관(660)을 포함하여 구성된다.The system water unit includes a heat storage tank 610 for storing system water; a first system water supply pipe 630 supplying system water from the heat storage tank 610 to the stack heat exchange unit 510 by the first system water pump 620; a second system water supply pipe 650 supplying system water from the heat storage tank 610 to the gas heat exchange unit 400 by the second system water pump 640 and joining the first system water supply pipe 630; and a system water recovery pipe 660 for recovering system water discharged from the stack heat exchange unit 510 to the heat storage tank 610 .

축열조(610)는 연료전지 시스템으로부터 발생한 폐열을 저장 및 회수하여 사용자가 원하는 시기에 저장된 폐열을 활용하기 위한 장치이다.The heat storage tank 610 is a device for storing and recovering waste heat generated from the fuel cell system and utilizing the stored waste heat at a time desired by a user.

축열조(610)에는 제1 및 제2 시스템수 공급관(630, 650)이 연결되어 제1 및 제2 시스템수 펌프(620, 640)에 의해 스택 열교환 유닛(510) 및 가스 열교환 유닛(400)에 시스템수를 공급한다.First and second system water supply pipes 630 and 650 are connected to the heat storage tank 610, and the stack heat exchange unit 510 and the gas heat exchange unit 400 are supplied by the first and second system water pumps 620 and 640. supply system water.

제2 시스템수 공급관(650)은 가스 열교환 유닛(400)의 후단에서 제1시스템수 공급관(630)과 합류하여 스택 열교환 유닛(510)에 시스템수를 공급하며, 스택 열교환 유닛(510)에서 배출되는 시스템수는 시스템수 회수관(660)을 통해 축열조(610)로 회수된다. 이처럼 스택 열교환 유닛(510)에 제1 및 제2 시스템수 공급관(650)을 흐르는 시스템수가 모두 공급되도록 함으로써, 연료전지 유닛(100)에 대한 냉각 효율을 극대화할 수 있다.The second system water supply pipe 650 joins the first system water supply pipe 630 at the rear end of the gas heat exchange unit 400, supplies system water to the stack heat exchange unit 510, and discharges the system water from the stack heat exchange unit 510. The system water is returned to the heat storage tank 610 through the system water recovery pipe 660. In this way, the cooling efficiency of the fuel cell unit 100 can be maximized by supplying both the system water flowing through the first and second system water supply pipes 650 to the stack heat exchange unit 510 .

이때, 제2 시스템수 펌프(640)에 의한 시스템수의 유량이 제1 시스템수 펌프(620)에 의한 시스템수의 유량보다 큰 것이 바람직하다. 이처럼 제2 시스템수 펌프(640)에 의한 시스템수의 유량이 상대적으로 클 경우, 제1 시스템수 공급관(630)과 제2 시스템수 공급관(650)이 합류하는 지점에서의 제2 시스템수 공급관(650)으로부터의 수압이 상대적으로 커져 시스템수의 순환이 원활해지며, 그 결과 연료전지 유닛(100)에 대한 냉각 효율뿐 아니라, 수소 공급 유닛(300)에 대한 냉각 효율이 극대화될 수 있다.At this time, it is preferable that the flow rate of system water by the second system water pump 640 is greater than the flow rate of system water by the first system water pump 620 . As such, when the flow rate of system water by the second system water pump 640 is relatively large, the second system water supply pipe at the point where the first system water supply pipe 630 and the second system water supply pipe 650 join ( The water pressure from 650 is relatively increased so that the system water is circulated smoothly, and as a result, not only the cooling efficiency of the fuel cell unit 100 but also the cooling efficiency of the hydrogen supply unit 300 can be maximized.

제2 시스템수 공급관(650)은 시스템수의 흐름 방향을 기준으로 가스 열교환 유닛(300)의 전단에 위치한 제1 지점(652)에서 분기되어 제1 내지 제3 열교환기(410, 420, 430) 각각에 시스템수를 공급하고, 가스 열교환 유닛(400)의 후단에 위치한 제2 지점(654)에서 합류되는 제1 내지 제3 분기관(650a, 650b, 650c)을 포함한다. The second system water supply pipe 650 is branched from a first point 652 located at the front end of the gas heat exchange unit 300 based on the flow direction of the system water, and the first to third heat exchangers 410, 420, and 430 It includes first to third branch pipes 650a, 650b, and 650c that supply system water to each and join at a second point 654 located at the rear end of the gas heat exchange unit 400.

제1 내지 제3 분기관(650a, 650b, 650c)에는 제1 내지 제3 오리피스(미도시)가 구비되어 있을 수 있다. 제1 내지 제3 오리피스는 제1 내지 제3 분기관(650a, 650b, 650c)으로부터 배출되는 시스템수의 배출량을 제어하며, 이를 위해 서로 다른 크기를 가질 수 있다. 예컨대, 연료전지 시스템의 정상적인 작동을 위해 각 열교환기에서 요구되는 열교환 열량은 제1 열교환기(410)로부터 제3 열교환기(430)로 갈수록 감소하므로, 이에 맞춰 제1 오리피스로부터 제3 오리피스로 갈수록 크기가 작아지게끔 구성할 수 있다. First to third orifices (not shown) may be provided in the first to third branch pipes 650a, 650b, and 650c. The first to third orifices control the amount of system water discharged from the first to third branch pipes 650a, 650b, and 650c, and may have different sizes for this purpose. For example, since the amount of heat exchange required in each heat exchanger for normal operation of the fuel cell system decreases from the first heat exchanger 410 to the third heat exchanger 430, it gradually decreases from the first orifice to the third orifice accordingly. It can be configured to be smaller in size.

제1 내지 제3 오리피스는 시스템수의 흐름 방향을 기준으로 각 열교환기의 후단에 구비되어 있을 수 있다. 이처럼 오리피스를 열교환기의 후단에 위치시킬 경우, 열교환기 내부를 시스템수로 가득 채울 수 있어 열교환 효율을 보다 향상시킬 수 있게 된다. The first to third orifices may be provided at a rear end of each heat exchanger based on the flow direction of the system water. In this way, when the orifice is located at the rear end of the heat exchanger, the inside of the heat exchanger can be filled with system water, so that the heat exchange efficiency can be further improved.

제1 내지 제3 분기관(650a, 650b, 650c)에는 제1 내지 제3 유속 조절 밸브(미도시)가 구비되어 있을 수 있다. 제1 내지 제3 유속 조절 밸브는 제1 내지 제3 분기관으로부터 배출되는 시스템수의 유속을 각 열교환기에서 요구되는 열교환 열량에 맞춰 조절한다. 제1 내지 제3 유속 조절 밸브를 구비하는 경우에는 제1 내지 제3 열교환기(410, 420, 430)에 요구되는 열교환 열량의 변동에 실시간 대응이 가능한 이점이 있다. First to third flow control valves (not shown) may be provided in the first to third branch pipes 650a, 650b, and 650c. The first to third flow rate control valves adjust the flow rate of system water discharged from the first to third branch pipes according to the amount of heat exchanged by each heat exchanger. In the case of having the first to third flow rate control valves, there is an advantage in that real-time response to changes in heat exchanged heat required for the first to third heat exchangers 410, 420, and 430 is possible.

제1 내지 제3 유속 조절 밸브는 시스템수의 흐름 방향을 기준으로 각 열교환기의 후단에 구비되어 있을 수 있다. 이처럼 유속 조절 밸브를 열교환기의 후단에 위치시킬 경우, 열교환기 내부를 시스템수로 가득 채울 수 있어 열교환 효율을 보다 향상시킬 수 있게 된다. The first to third flow control valves may be provided at a rear end of each heat exchanger based on the flow direction of the system water. In this way, when the flow control valve is located at the rear end of the heat exchanger, the inside of the heat exchanger can be filled with system water, so that the heat exchange efficiency can be further improved.

종래 연료전지 시스템에서는 통상 한 개 이상의 시스템수 펌프를 통하여 직렬로 연결된 복수의 열교환기에 시스템수를 순환시켜 왔다. 그런데, 이처럼 복수의 열교환기가 직렬로 연결된 경우는 하나의 열교환기에 대한 운영 온도를 기준으로 시스템수 유량이 정해지고, 온도 유지 및 열 회수가 진행되어, 열교환이 비효율적으로 일어나고, 연료전지 시스템의 운영이 불안정하게 되는 단점이 있었다. 게다가 시스템수의 순환 경로가 길어져, 차압이 증가하고, 시스템수 펌수의 소비전력이 증가하는 단점이 있었다.In a conventional fuel cell system, system water has been circulated through a plurality of heat exchangers connected in series through one or more system water pumps. However, when a plurality of heat exchangers are connected in series, the system water flow rate is determined based on the operating temperature of one heat exchanger, and temperature maintenance and heat recovery proceed, resulting in inefficient heat exchange and poor operation of the fuel cell system. It had the downside of being unstable. In addition, there are disadvantages in that the circulation path of the system water is long, the differential pressure increases, and the power consumption of the system water pump water increases.

이와 달리, 본 발명의 일 실시 양태에서는 서로 다른 운영 온도를 갖는 복수의 열교환기가 분기관을 통해 병렬로 연결되며, 복수의 열교환기 각각의 운영 온도가 개별적으로 제어될 수 있도록 구성된다. 그 결과, 복수의 열교환기의 운영 온도를 보다 정밀하게 제어할 수 있어 연료전지 시스템의 안정적인 운영이 가능해지며, 시스템수의 순환 경로가 단축되어 시스템수 펌프의 소비전력의 감소를 도모할 수 있다. Unlike this, in one embodiment of the present invention, a plurality of heat exchangers having different operating temperatures are connected in parallel through a branch pipe, and the operating temperature of each of the plurality of heat exchangers is configured to be individually controlled. As a result, the operating temperature of the plurality of heat exchangers can be more precisely controlled, enabling stable operation of the fuel cell system, and reducing the power consumption of the system water pump by shortening the circulation path of the system water.

도 2는 본 발명의 다른 실시 양태에 따른 연료전지 시스템을 설명하기 위한 개략적인 개념도이다. 2 is a schematic conceptual diagram for explaining a fuel cell system according to another embodiment of the present invention.

본 발명의 다른 실시 양태는 본 발명의 일 실시 양태와 비교하여 제4 열교환기(440) 및 제5 열교환기(450)를 추가로 구비하는 경우로서, 전술한 일 실시 양태와 중복되는 설명은 생략하기로 한다.Another embodiment of the present invention is a case in which the fourth heat exchanger 440 and the fifth heat exchanger 450 are additionally provided as compared to the embodiment of the present invention, and descriptions overlapping with the above-described embodiment are omitted. I'm going to do it.

제4 열교환기(440)에서는 연소부(340)로부터 배출되는 고온의 연소 가스와 저온의 시스템수 간의 열교환이 이루어지며, 이러한 열교환을 통해 연소 가스로부터의 폐열을 회수하여 연료전지 시스템의 열효율을 보다 개선할 수 있다.In the fourth heat exchanger 440, heat is exchanged between the high-temperature combustion gas discharged from the combustion unit 340 and the low-temperature system water, and through this heat exchange, waste heat from the combustion gas is recovered to improve the thermal efficiency of the fuel cell system. can be improved

제5 열교환기(450)에서는 연료전지 유닛(100)으로부터 배출되는 고온의 캐소드 오프가스와 저온의 시스템수 간의 열교환이 이루어지며, 이러한 열교환을 통해 캐소드 오프가스로부터의 폐열을 회수하여 연료전지 시스템의 열효율을 보다 개선할 수 있다.In the fifth heat exchanger 450, heat is exchanged between the high-temperature cathode off-gas discharged from the fuel cell unit 100 and the low-temperature system water, and through this heat exchange, waste heat from the cathode off-gas is recovered to improve the fuel cell system Thermal efficiency can be further improved.

제5 열교환기(450)를 통과한 캐소드 오프가스는 제4 열교환기(440)를 통과한 연소 가스와 합류하여 연료전지 시스템의 외부로 배출될 수 있다.The cathode off-gas passing through the fifth heat exchanger 450 may be combined with the combustion gas passing through the fourth heat exchanger 440 and discharged to the outside of the fuel cell system.

제2 시스템수 공급관(650)은 시스템수의 흐름 방향을 기준으로 가스 열교환 유닛(300)의 전단에 위치한 제1 지점(652)에서 분기되어 제1 내지 제5 열교환기(410, 420, 430, 440, 450) 각각에 시스템수를 공급하고, 가스 열교환 유닛(400)의 후단에 위치한 제2 지점(654)에서 합류되는 제1 내지 제5 분기관(650a, 650b, 650c, 650d, 650e)을 포함한다.The second system water supply pipe 650 is branched from a first point 652 located at the front end of the gas heat exchange unit 300 based on the flow direction of the system water, and the first to fifth heat exchangers 410, 420, 430, 440 and 450) supply system water to each of the first to fifth branch pipes 650a, 650b, 650c, 650d, and 650e joined at the second point 654 located at the rear end of the gas heat exchange unit 400. include

제1 내지 제5 분기관(650a, 650b, 650c, 650d, 650e)에는 제1 내지 제5 오리피스(미도시)가 구비되고/되거나, 제1 내지 제5 유속 조절 밸브(미도시)가 구비되어 있을 수 있다. 제4 및 제5 오리피스는 제1 내지 제3 오리피스와 동일한 구조로 이루어지고, 제4및 제5 유속 조절 밸브는 제1 내지 제3 유속 조절 밸브와 동일한 구조로 이루어지므로, 이에 대한 중복된 설명은 생략하기로 한다.The first to fifth branch pipes 650a, 650b, 650c, 650d, and 650e are provided with first to fifth orifices (not shown) and/or first to fifth flow control valves (not shown). There may be. The fourth and fifth orifices have the same structure as the first to third orifices, and the fourth and fifth flow control valves have the same structure as the first to third flow control valves. to omit

전술한 본 명세서의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 명세서의 일 측면이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 명세서에 기재된 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.The above description of the present specification is for illustrative purposes, and those skilled in the art to which one aspect of the present specification pertains can easily be modified into other specific forms without changing the technical spirit or essential features described in the present specification. you will be able to understand Therefore, the embodiments described above should be understood as illustrative in all respects and not limiting. For example, each component described as a single type may be implemented in a distributed manner, and similarly, components described as distributed may be implemented in a combined form.

본 명세서의 범위는 후술하는 청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 명세서의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present specification is indicated by the following claims, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and equivalent concepts should be interpreted as being included in the scope of the present specification.

100: 연료전지 유닛 210: 냉각수 탱크
220: 냉각수 순환관 230: 냉각수 펌프
300: 수소 공급 유닛 310: 개질부
320: 수성가스 전이부 330: 선택 산화부
340: 연소부 400: 가스 열교환 유닛
410: 제1 열교환기 420: 제2 열교환기
430: 제3 열교환기 440: 제4 열교환기
450: 제5 열교환기 510: 제6 열교환기
610: 축열조 620: 제1 시스템수 펌프
630: 제1 시스템수 공급관 640: 제2 시스템수 펌프
650: 제2 시스템수 공급관 650a: 제1 분기관
650b: 제2 분기관 650c: 제3 분기관
650d: 제4 분기관 650e: 제5 분기관
652: 제1 지점 654: 제2 지점
660: 시스템수 회수관 710: 수소 함유 가스 공급관
715: 제2 차단 밸브 720: 애노드 오프가스 배출관
725: 제3 차단 밸브 730: 우회관
735: 제1 차단 밸브100: fuel cell unit 210: cooling water tank
220: cooling water circulation pipe 230: cooling water pump
300: hydrogen supply unit 310: reforming unit
320: water gas transition unit 330: selective oxidation unit
340: combustion unit 400: gas heat exchange unit
410: first heat exchanger 420: second heat exchanger
430: third heat exchanger 440: fourth heat exchanger
450: fifth heat exchanger 510: sixth heat exchanger
610: heat storage tank 620: first system water pump
630: first system water supply pipe 640: second system water pump
650: second system water supply pipe 650a: first branch pipe
650b: second branch pipe 650c: third branch pipe
650d: 4th branch pipe 650e: 5th branch pipe
652 first point 654 second point
660: system water recovery pipe 710: hydrogen-containing gas supply pipe
715: second shutoff valve 720: anode off-gas discharge pipe
725: third shutoff valve 730: bypass pipe
735: first shutoff valve

Claims (9)

수소 함유 가스에 포함된 수소와 공기 중에 포함된 산소의 전기화학반응에 의해 전력을 생성하고, 냉각수에 의해 냉각되며, 캐소드 오프가스와 애노드 오프가스를 배출하는 연료전지 유닛;
냉각수 탱크와, 상기 냉각수 탱크로부터 상기 연료전지 유닛을 거쳐 다시 상기 냉각수 탱크로 이어지는 냉각수 순환관과, 상기 냉각수 탱크와 상기 연료전지 유닛 사이의 냉각수 순환관에 배치되어 상기 냉각수를 순환시키는 냉각수 펌프를 포함하는 냉각수 유닛;
탄화수소계 원료로부터 상기 수소 함유 가스를 생성하여 상기 연료전지 유닛에 공급하는 수소 공급 유닛으로서, 상기 탄화수소계 원료 및 수증기를 반응시켜 개질 가스를 생성하는 개질부와, 상기 개질 가스에 함유된 일산화탄소를 수증기와 반응시켜 일산화탄소를 1차 제거하는 수성가스 전이부와, 상기 일산화탄소가 1차 제거된 개질 가스에 공기를 공급하여 일산화탄소를 2차 제거하는 선택 산화부와, 상기 연료전지 유닛으로부터 배출되는 애노드 오프 가스를 연소시켜 상기 개질부를 가열하고, 연소 가스를 배출하는 연소부를 포함하는 수소 공급 유닛;
상기 수성가스 전이부에서 배출되는 일산화탄소가 1차 제거된 개질 가스로부터 시스템수로 열을 회수하는 제1 열교환기, 상기 수소 공급 유닛에서 배출되는 수소 함유 가스로부터 시스템수로 열을 회수하는 제2 열교환기 및 상기 연료전지 유닛에서 배출되는 애노드 오프 가스로부터 시스템수로 열을 회수하는 제3 열교환기를 포함하는 가스 열교환 유닛;
상기 연료전지 유닛으로부터 배출되는 냉각수로부터 시스템수로 열을 회수하는 스택 열교환기를 포함하는 스택 열교환 유닛; 및
시스템수를 저장하는 축열조와, 제1 시스템수 펌프에 의해 상기 축열조로부터 상기 스택 열교환 유닛에 상기 시스템수를 공급하는 제1 시스템수 공급관과, 제2 시스템수 펌프에 의해 상기 축열조로부터 상기 가스 열교환 유닛에 시스템수를 공급하고, 상기 제1 시스템수 공급관과 합류하는 제2 시스템수 공급관과, 상기 스택 열교환 유닛에서 배출되는 시스템수를 상기 축열조로 회수하는 시스템수 회수관을 포함하는 시스템수 유닛;
을 포함하고,
상기 제2 시스템수 공급관은 상기 시스템수의 흐름 방향을 기준으로 상기 가스 열교환 유닛의 전단에 위치한 제1 지점에서 분기되어 상기 제1 내지 제3 열교환기 각각에 상기 시스템수를 공급하고, 상기 가스 열교환 유닛의 후단에 위치한 제2 지점에서 합류되는 제1 내지 제3 분기관을 포함하는,
연료전지 시스템.a fuel cell unit that generates electric power by an electrochemical reaction between hydrogen contained in the hydrogen-containing gas and oxygen contained in the air, is cooled by cooling water, and discharges cathode off-gas and anode off-gas;
A cooling water tank, a cooling water circulation pipe extending from the cooling water tank to the cooling water tank via the fuel cell unit, and a cooling water pump disposed in the cooling water circulation pipe between the cooling water tank and the fuel cell unit to circulate the cooling water a cooling water unit;
A hydrogen supply unit generating the hydrogen-containing gas from a hydrocarbon-based raw material and supplying the hydrogen-containing gas to the fuel cell unit, a reforming unit generating a reformed gas by reacting the hydrocarbon-based raw material and steam, and converting carbon monoxide contained in the reformed gas into steam A water gas transition unit for firstly removing carbon monoxide by reacting with a water gas transition unit, a selective oxidation unit for secondarily removing carbon monoxide by supplying air to the reformed gas from which carbon monoxide is primarily removed, and an anode off-gas discharged from the fuel cell unit. a hydrogen supply unit including a combustion unit that burns to heat the reforming unit and discharges combustion gas;
A first heat exchanger for recovering heat from the reformed gas from which carbon monoxide is primarily removed from the water gas transition unit to system water, and a second heat exchanger for recovering heat from the hydrogen-containing gas discharged from the hydrogen supply unit to system water. a gas heat exchange unit including a third heat exchanger for recovering heat from the anode off-gas discharged from the gas and the system water from the fuel cell unit;
a stack heat exchange unit including a stack heat exchanger that recovers heat from cooling water discharged from the fuel cell unit to system water; and
A heat storage tank for storing system water, a first system water supply pipe for supplying the system water from the heat storage tank to the stack heat exchange unit by a first system water pump, and a gas heat exchange unit from the heat storage tank by a second system water pump a system water unit including a second system water supply pipe for supplying system water to the first system water supply pipe and joining the system water supply pipe, and a system water recovery pipe for recovering the system water discharged from the stack heat exchange unit to the heat storage tank;
including,
The second system water supply pipe is branched from a first point located in front of the gas heat exchange unit based on the flow direction of the system water to supply the system water to each of the first to third heat exchangers, and the gas heat exchanger Including the first to third branch pipes joined at the second point located at the rear end of the unit,
fuel cell system. 수소 함유 가스에 포함된 수소와 공기 중에 포함된 산소의 전기화학반응에 의해 전력을 생성하고, 냉각수에 의해 냉각되며, 캐소드 오프가스와 애노드 오프가스를 배출하는 연료전지 유닛;
냉각수 탱크와, 상기 냉각수 탱크로부터 상기 연료전지 유닛을 거쳐 다시 상기 냉각수 탱크로 이어지는 냉각수 순환관과, 상기 냉각수 탱크와 상기 연료전지 유닛 사이의 냉각수 순환관에 배치되어 상기 냉각수를 순환시키는 냉각수 펌프를 포함하는 냉각수 유닛;
탄화수소계 원료로부터 상기 수소 함유 가스를 생성하여 상기 연료전지 유닛에 공급하는 수소 공급 유닛으로서, 상기 탄화수소계 원료 및 수증기를 반응시켜 개질 가스를 생성하는 개질부와, 상기 개질 가스에 함유된 일산화탄소를 수증기와 반응시켜 일산화탄소를 1차 제거하는 수성가스 전이부와, 상기 일산화탄소가 1차 제거된 개질 가스에 공기를 공급하여 일산화탄소를 2차 제거하는 선택 산화부와, 상기 연료전지 유닛으로부터 배출되는 애노드 오프 가스를 연소시켜 상기 개질부를 가열하고, 연소 가스를 배출하는 연소부를 포함하는 수소 공급 유닛;
상기 수성가스 전이부에서 배출되는 일산화탄소가 1차 제거된 개질 가스로부터 시스템수로 열을 회수하는 제1 열교환기, 상기 수소 공급 유닛에서 배출되는 수소 함유 가스로부터 시스템수로 열을 회수하는 제2 열교환기, 상기 연료전지 유닛에서 배출되는 애노드 오프 가스로부터 시스템수로 열을 회수하는 제3 열교환기, 상기 연소부에서 배출되는 연소 가스로부터 시스템수로 열을 회수하는 제4 열교환기, 및 상기 연료전지 유닛에서 배출되는 캐소드 오프가스로부터 시스템수로 열을 회수하는 제5 열교환기를 포함하는 가스 열교환 유닛;
상기 연료전지 유닛으로부터 배출되는 냉각수로부터 시스템수로 열을 회수하는 스택 열교환기를 포함하는 스택 열교환 유닛; 및
시스템수를 저장하는 축열조와, 제1 시스템수 펌프에 의해 상기 축열조로부터 상기 스택 열교환 유닛에 상기 시스템수를 공급하는 제1 시스템수 공급관과, 제2 시스템수 펌프에 의해 상기 축열조로부터 상기 가스 열교환 유닛에 시스템수를 공급하고, 상기 제1 시스템수 공급관과 합류하는 제2 시스템수 공급관과, 상기 스택 열교환 유닛에서 배출되는 시스템수를 상기 축열조로 회수하는 시스템수 회수관을 포함하는 시스템수 유닛;
을 포함하고,
상기 제2 시스템수 공급관은 상기 시스템수의 흐름 방향을 기준으로 상기 가스 열교환 유닛의 전단에 위치한 제1 지점에서 분기되어 상기 제1 내지 제5 열교환기 각각에 상기 시스템수를 공급하고 상기 가스 열교환 유닛의 후단에 위치한 제2 지점에서 합류되는 제1 내지 제5 분기관을 포함하는,
연료전지 시스템.a fuel cell unit that generates electric power by an electrochemical reaction between hydrogen contained in the hydrogen-containing gas and oxygen contained in the air, is cooled by cooling water, and discharges cathode off-gas and anode off-gas;
A cooling water tank, a cooling water circulation pipe extending from the cooling water tank to the cooling water tank via the fuel cell unit, and a cooling water pump disposed in the cooling water circulation pipe between the cooling water tank and the fuel cell unit to circulate the cooling water a cooling water unit;
A hydrogen supply unit generating the hydrogen-containing gas from a hydrocarbon-based raw material and supplying the hydrogen-containing gas to the fuel cell unit, a reforming unit generating a reformed gas by reacting the hydrocarbon-based raw material and steam, and converting carbon monoxide contained in the reformed gas into steam A water gas transition unit for firstly removing carbon monoxide by reacting with a water gas transition unit, a selective oxidation unit for secondarily removing carbon monoxide by supplying air to the reformed gas from which carbon monoxide is primarily removed, and an anode off-gas discharged from the fuel cell unit. a hydrogen supply unit including a combustion unit that burns to heat the reforming unit and discharges combustion gas;
A first heat exchanger for recovering heat from the reformed gas from which carbon monoxide is primarily removed from the water gas transition unit to system water, and a second heat exchanger for recovering heat from the hydrogen-containing gas discharged from the hydrogen supply unit to system water. a third heat exchanger that recovers heat from the anode off-gas discharged from the fuel cell unit into system water; a fourth heat exchanger that recovers heat from the combustion gas discharged from the combustion unit into system water; and the fuel cell a gas heat exchange unit including a fifth heat exchanger that recovers heat from the cathode offgas discharged from the unit to the system water;
a stack heat exchange unit including a stack heat exchanger that recovers heat from cooling water discharged from the fuel cell unit to system water; and
A heat storage tank for storing system water, a first system water supply pipe for supplying the system water from the heat storage tank to the stack heat exchange unit by a first system water pump, and a gas heat exchange unit from the heat storage tank by a second system water pump a system water unit including a second system water supply pipe for supplying system water to the first system water supply pipe and joining the system water supply pipe, and a system water recovery pipe for recovering the system water discharged from the stack heat exchange unit to the heat storage tank;
including,
The second system water supply pipe is branched from a first point located in front of the gas heat exchange unit based on the flow direction of the system water to supply the system water to each of the first to fifth heat exchangers and the gas heat exchange unit. Including the first to fifth branch pipes joined at the second point located at the rear end of,
fuel cell system. 제2항에 있어서,
상기 제1 내지 제5 분기관으로부터 배출되는 시스템수의 배출량을 제어하는 제1 내지 제5 오리피스를 더 포함하는, 연료전지 시스템.According to claim 2,
The fuel cell system of claim 1 , further comprising first to fifth orifices for controlling an amount of system water discharged from the first to fifth branch pipes. 제3항에 있어서,
상기 제1 내지 제5 오리피스는 서로 다른 크기를 갖는, 연료전지 시스템.According to claim 3,
Wherein the first to fifth orifices have different sizes. 제2항에 있어서,
상기 제1 내지 제5 분기관으로부터 배출되는 시스템수의 유속을 조절하는 제1 내지 제5 유속 조절 밸브를 더 포함하는, 연료전지 시스템. According to claim 2,
The fuel cell system of claim 1 , further comprising first to fifth flow rate control valves for controlling a flow rate of system water discharged from the first to fifth branch pipes. 제2항에 있어서,
상기 연료전지 유닛에 공급되는 공기에 수분을 공급하는 가습 유닛을 더 포함하는, 연료전지 시스템.According to claim 2,
The fuel cell system further comprises a humidifying unit supplying moisture to the air supplied to the fuel cell unit. 제2항에 있어서,
상기 연료전지 유닛으로부터 생산된 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 전력 변환 유닛을 더 포함하는, 연료전지 시스템.According to claim 2,
The fuel cell system of claim 1, further comprising a power conversion unit that converts direct current power generated from the fuel cell unit into alternating current power. 제2항에 있어서,
상기 제2 열교환기로부터 배출되는 수소 함유 가스를 상기 연료전지 유닛으로 공급하는 수소 함유 가스 공급관과 상기 연료전지 유닛으로부터 배출되는 애노드 오프가스를 상기 제3 열교환기로 공급하는 애노드 오프가스 배출관을 상호 연결하는 우회관과,
상기 우회관에 설치되어 상기 수소 함유 가스를 상기 우회관으로 공급하거나 상기 우회관으로의 공급을 차단하는 제1 차단 밸브와,
상기 수소 함유 가스 공급관에 설치되어 상기 수소 함유 가스를 상기 연료전지 유닛으로 공급하거나 상기 연료전지 유닛으로의 공급을 차단하는 제2 차단 밸브와,
상기 애노드 오프가스 배출관에 설치되어 상기 우회관을 통과한 수소 함유 가스의 상기 연료전지 유닛으로의 공급을 차단하는 제3 차단 밸브를 더 포함하는,
연료전지 시스템.According to claim 2,
Connecting a hydrogen-containing gas supply pipe for supplying the hydrogen-containing gas discharged from the second heat exchanger to the fuel cell unit and an anode off-gas discharge pipe for supplying the anode off-gas discharged from the fuel cell unit to the third heat exchanger bypass pipe,
A first shut-off valve installed in the bypass pipe to supply the hydrogen-containing gas to the bypass pipe or to block supply to the bypass pipe;
A second shutoff valve installed in the hydrogen-containing gas supply pipe to supply the hydrogen-containing gas to the fuel cell unit or to block supply to the fuel cell unit;
Further comprising a third shutoff valve installed in the anode off-gas discharge pipe to block supply of the hydrogen-containing gas passing through the bypass pipe to the fuel cell unit,
fuel cell system. 제2항에 있어서,
상기 제2 시스템수 펌프에 의한 상기 시스템수의 유량이 상기 제1 시스템수 펌프에 의한 상기 시스템수의 유량보다 큰, 연료전지 시스템.According to claim 2,
The fuel cell system, wherein the flow rate of the system water by the second system water pump is greater than the flow rate of the system water by the first system water pump.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101778228B1 (en) * 2016-03-28 2017-09-26 주식회사 두산 High temperature fuel cell system
KR102044766B1 (en) * 2019-07-24 2019-11-19 주식회사 코텍에너지 High Efficiency Fuel Cell System Improved Thermal Efficiency and Performance of the Maintenance

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