KR20230139180A - 연료전지 장치 - Google Patents

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KR20230139180A
KR20230139180A KR1020220037515A KR20220037515A KR20230139180A KR 20230139180 A KR20230139180 A KR 20230139180A KR 1020220037515 A KR1020220037515 A KR 1020220037515A KR 20220037515 A KR20220037515 A KR 20220037515A KR 20230139180 A KR20230139180 A KR 20230139180A
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김형순
양동근
우형석
장희중
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엘지전자 주식회사
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Abstract

본 발명에 따른 연료전지 장치는, 스택; 상기 스택을 위한 냉각수가 저장되는 냉각수탱크; 온수가 저장되는 온수탱크; 상기 냉각수를 상기 온수와 열교환시키는 온수 열교환기; 상기 냉각수탱크와 상기 스택을 연결하는 제1냉각수순환유로; 상기 스택과 상기 온수 열교환기를 연결하는 제2냉각수순환유로; 상기 온수 열교환기와 상기 냉각수탱크를 연결하는 제3냉각수순환유로; 상기 제3냉각수순환유로로부터 분지되어 상기 제1냉각수순환유로로 합지되는 제1바이패스유로; 및 상기 제1바이패스유로 단부에 배치되고 냉각수가 상기 냉각수탱크로 선택적으로 공급되도록하는 제1삼방밸브를 포함하므로, 제1삼방밸브를 제어하여 냉각수순환유로를 순환하는 냉각수의 열용량을 조절함으로써 스택의 온도를 용이하게 관리할 수 있다.

Description

연료전지 장치 {Fuel cell apparatus}
본 발명은 연료전지 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 스택을 경유하며 순환하는 냉각수의 열용량을 조절할 수 있는 연료전지 장치에 관한 것이다.
연료전지 장치는, 연료가스를 개질 반응기에서 개질 처리하여 수소를 포함하는 개질가스로 변환하고, 이를 발전 장치인 스택으로 공급해, 스택 내의 산소와 전기화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키는 장치이다.
연료전지 장치의 스택은, 온도에 따라 전기화학반응의 효율이 달라지므로, 최적의 반응 효율을 갖는 온도로 관리될 필요가 있다. 즉, 스택의 온도가 발전에 적합한 온도보다 낮을 경우, 스택을 목표온도로 예열할 필요가 있고, 스택의 온도가 발전에 적합한 온도에 도달한 경우, 스택 내 발전에 따른 발열에 의하여 스택이 과열되지 않도록 스택을 적절히 냉각할 필요가 있다. 이러한 필요에서, 연료전지 장치는, 스택의 온도를 관리하기 위하여 물순환부 내지 냉각수 순환 시스템을 구비하는 것이 일반적이다.
종래 연료전지 장치는, KR 10-2021-0041816 A와 유사하게, 연료전지; 내부에 포함된 냉각수가 순환되고, 연료전지와 열교환 가능하게 연결된 냉각수라인; 이온필터가 구비되고, 냉각수라인에서 분기된 냉각수가 이온필터를 통과하여 다시 냉각수라인으로 합류되도록 냉각수라인에 결합된 이온제거라인; 냉각수라인과 이온제거라인으로 각각 유동되는 냉각수 사이의 비율을 조절하는 조절밸브; 및 연료전지의 온도 또는 연료전지의 출력전압을 기반으로 조절밸브를 제어하는 제어기;를 포함하는 연료전지의 냉각수 제어시스템을 구비한다.
그러나, 종래 연료전지 장치는, 연료전지를 경유하며 순환하는 냉각수의 총 열용량을 조절할 수 있는 수단을 별도로 구비하지 않아, 연료전지의 온도를 높이기 위하여는 냉각수 전부를 가열하여야하고, 연료전지의 온도를 낮추기 위하여는 냉각수 전부를 냉각하여야하여, 연료전지 장치 내지 냉각수의 온도 관리가 비효율적이라는 문제점이 있었다.
KR 10-2021-0041816 A
본 발명의 목적은, 냉각수의 열용량을 필요에 따라 조절할 수 있도록 하여 스택의 온도를 용이하게 관리할 수 있는 연료전지 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 냉각수의 온도를 목표온도범위 내에서 효과적으로 유지하여, 스택을 적정 온도로 유지할 수 있는 연료전지 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 냉각수의 온도가 과열되는 것을 방지하여, 스택이 과열되는 것을 방지할 수 있는 연료전지 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 냉각수의 온수와의 열교환 여부를 필요에 따라 조절하여 냉각수의 온도를 용이하게 관리할 수 있는 연료전지 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 연료전지 장치 내 폐열이 발생하지 않는 운전 구간에서도 스택을 예열시킬 수 있는 연료전지 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 별도의 보조 열원으로 온수탱크의 온도를 용이하게 관리할 수 있는 연료전지 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 스택으로부터 온수탱크로 공급되는 폐열량을 조절할 수 있는 연료전지 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 개질가스를 냉각하여 밀도를 향상시킴으로써 스택으로 공급되는 개질가스량을 증가시킬 수 있는 연료전지 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 버너 내 연소로 발생하는 배기가스의 폐열을 회수함으로써 열효율을 향상시킨 연료전지 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 스택으로부터 배출되는 AOG의 폐열을 회수함으로써 열효율을 향상시킨 연료전지 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 스택으로부터 배출되는 공기의 폐열을 회수함으로써 열효율을 향상시킨 연료전지 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 열교환기의 공간 효율성을 향상시키고 열교환기를 위한 별도의 유로를 구성할 필요가 없어 불필요한 압력 손실을 방지할 수 있는 연료전지 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 달성하기 위한, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치는, 수소와 산소를 전기화학반응시켜 전기에너지를 생성하는 스택; 상기 스택으로 공급되는 냉각수가 저장되는 냉각수탱크; 외부로 공급되는 온수가 저장되는 온수탱크; 상기 냉각수탱크에 저장되는 냉각수를 상기 온수탱크에 저장되는 온수와 열교환시키는 온수 열교환기; 상기 냉각수탱크로부터 상기 스택으로 냉각수를 공급하는 제1냉각수순환유로; 상기 스택으로부터 상기 온수 열교환기로 냉각수를 공급하는 제2냉각수순환유로; 상기 온수 열교환기로부터 상기 냉각수탱크로 냉각수를 공급하는 제3냉각수순환유로; 상기 제3냉각수순환유로로부터 분지되어 상기 제1냉각수순환유로로 합지되는 제1바이패스유로; 및 상기 제1바이패스유로 단부에 배치되고 상기 제3냉각수순환유로를 유동하는 냉각수가 상기 냉각수탱크로 선택적으로 공급되도록하는 제1삼방밸브를 포함한다.
따라서, 제1삼방밸브를 통하여 제어함으로써 냉각수의 열용량을 필요에 따라 조절할 수 있도록 하여 스택의 온도를 용이하게 관리할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치의 상기 온수 열교환기는, 상기 온수탱크 내부에 배치될 수 있다.
따라서, 온수 열교환기가 온수탱크 외부에 배치될 경우에 비하여 공간 효율성을 향상시킬 수 있고, 온수탱크 외부에 온수 열교환기를 위한 별도의 온수 유로를 구성할 필요가 없어 불필요한 압력 손실을 방지할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치는, 상기 온수탱크를 가열하는 보일러를 더 포함할 수 있다.
따라서, 온수탱크를 보일러를 통해 필요에 따라 손쉽게 가열할 수 있도록함으로써, 온수탱크의 온도를 용이하게 관리할 수 있다.
또한, 연료전지 장치 내 폐열이 발생하지 않는 운전 구간에서도 보일러를 통해 온수탱크를 가열하고, 가열된 온수와 냉각수를 열교환시킴으로써 스택의 예열 시간을 단축시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치는, 연료를 개질하여 개질가스를 생성하는 개질기; 상기 개질기로부터 상기 스택으로 상기 개질가스를 공급하는 개질가스공급유로; 및 상기 개질기를 가열하는 버너를 더 포함할 수 있고, 상기 개질가스공급유로를 유동하는 개질가스와 상기 제1냉각수순환유로를 유동하는 냉각수를 열교환시키는 개질가스 열교환기를 더 포함할 수 있다.
따라서, 개질가스 열교환기를 통해 개질가스를 냉각하여 밀도를 향상시킴으로써 스택으로 공급되는 개질가스량을 증가킬 수 있고, 냉각수를 가열하여 스택을 예열할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치는, 상기 버너로부터 배출되는 배기가스와 상기 온수탱크로부터 공급되는 온수를 열교환시키는 배기 열교환기; 상기 온수탱크로부터 상기 배기 열교환기로 온수가 공급되도록하는 제1온수공급유로; 및 상기 배기 열교환기로부터 상기 온수탱크로 온수가 공급되도록하는 제1온수회수유로를 더 포함할 수 있다.
따라서, 배기 열교환기를 통하여 배기가스의 폐열을 회수함으로써, 온수를 가열하고 연료전지 장치의 열효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 버너로 개질기를 예열하는 단계부터 배기 열교환기를 통하여 온수를 가열하고, 가열된 온수가 냉각수와 열교환되도록하여 스택의 예열 시간을 단축시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치는, 상기 스택으로부터 배출되는 가스를 상기 버너로 공급하는 스택버너유로; 상기 스택버너유로를 유동하는 가스와 상기 온수탱크로부터 공급되는 온수를 열교환시키는 AOG 열교환기; 상기 온수탱크로부터 상기 AOG 열교환기로 온수가 공급되도록하는 제2온수공급유로; 및 상기 AOG 열교환기로부터 상기 온수탱크로 온수가 공급되도록하는 제2온수회수유로를 더 포함할 수 있다.
따라서, AOG 열교환기를 통하여 AOG의 폐열을 회수함으로써, 온수를 가열하고 연료전지 장치의 열효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치는, 공기를 흡입하여 상기 스택으로 공급하는 스택 에어블로워; 상기 스택으로부터 배출되는 공기와 상기 온수탱크로부터 공급되는 온수를 열교환시키는 공기 열교환기; 상기 온수탱크로부터 상기 공기 열교환기로 온수가 공급되도록하는 제3온수공급유로; 및 상기 공기 열교환기로부터 상기 온수탱크로 온수가 공급되도록하는 제3온수회수유로를 더 포함할 수 있다.
따라서, 공기 열교환기를 통하여 스택으로부터 배출되는 공기의 폐열을 회수함으로써, 온수를 가열하고 연료전지 장치의 열효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치는, 상기 제2냉각수순환유로로부터 분지되어 상기 제3냉각수순환유로로 합지되는 제2바이패스유로; 및 상기 제2바이패스유로 단부에 배치되고 제2냉각수순환유로를 유동하는 냉각수가 상기 온수 열교환기로 선택적으로 공급되도록하는 제2삼방밸브를 더 포함할 수 있다.
따라서, 제2삼방밸브를 제어함으로써, 냉각수의 온수와의 열교환 여부를 필요에 따라 조절하여 냉각수의 온도를 용이하게 관리할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치는, 상기 냉각수탱크에 저장되는 냉각수의 온도를 감지하는 냉각수온도센서; 및 상기 냉각수탱크에 저장된 냉각수가 상기 제1 내지 제3냉각수순환유로를 유동하도록 음압을 형성하는 냉각수펌프를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치는, 상기 온수탱크에 저장되는 온수의 온도를 감지하는 온수온도센서; 및 상기 버너로 상기 개질기를 목표온도까지 예열하는 단계 또는 상기 개질기에서 생성되는 개질가스의 일산화탄소 농도를 목표농도까지 저감하는 단계에서, 상기 온수온도센서가 감지한 온수의 온도가 상기 냉각수온도센서가 감지한 냉각수의 온도 이하이면, 상기 냉각수펌프를 정지하고, 상기 온수온도센서가 감지한 온수의 온도가 상기 냉각수온도센서가 감지한 냉각수의 온도 초과이면, 상기 냉각수펌프를 작동하고 상기 제1삼방밸브를 바이패스측으로 절환하고 상기 제2삼방밸브를 온수 열교환기측으로 절환하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
따라서, 예열 모드 또는 개질 모드에서 열회수탱크의 수온이 냉각수보다 높을 경우, 제1삼방밸브를 바이패스측으로 절환하여 냉각수의 열용량을 낮추고, 제2삼방밸브를 온수 열교환기측으로 절환하여, 스택을 효율적으로 예열하여 발전 성능을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치의 상기 제어부는, 상기 스택으로 개질가스가 공급되어 상기 스택이 전기에너지를 생성하는 단계에서, 상기 냉각수온도센서가 감지한 냉각수의 온도가 목표온도범위 내이면, 상기 냉각수펌프를 작동하고 상기 제1삼방밸브를 상기 냉각수탱크측으로 소정량 개도할 수 있다.
따라서, 발전 모드에서 냉각수의 온도가 목표온도범위 내일 경우, 제1삼방밸브의 개도량을 조절하여 냉각수의 열용량을 적절히 조절함으로써 냉각수의 온도가 목표온도범위 내에서 유지되도록하고 스택의 발전 성능을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치의 상기 제어부는, 상기 스택으로 개질가스가 공급되어 상기 스택이 전기에너지를 생성하는 단계에서, 상기 냉각수온도센서가 감지한 냉각수의 온도가 목표온도범위보다 높으면, 상기 냉각수펌프를 작동하고 상기 제1삼방밸브를 상기 냉각수탱크측으로 절환할 수 있다.
따라서, 발전 모드에서 냉각수의 온도가 목표온도범위보다 높을 경우, 제1삼방밸브를 냉각수탱크측으로 절환하여, 냉각수의 열용량을 높임으로써 스택의 발전에 따른 발열에도 냉각수의 온도가 상승하지 않도록 하고, 냉각수탱크 내의 저온의 냉각수를 함께 순환시켜 냉각수의 평균 온도를 낮춤으로써, 냉각수의 온도가 목표온도범위까지 하강하도록하고 스택의 발전 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 스택이 생성하는 전기에너지량이 목표발전량 미만이면, 상기 제2삼방밸브를 바이패스측으로 절환하고, 상기 스택이 생성하는 전기에너지량이 목표발전량 이상이면, 상기 제2삼방밸브를 상기 온수 열교환기측으로 절환할 수 있다.
따라서, 발전 모드에서 스택의 발전량이 목표발전량에 도달한 정상 상태인지 여부, 즉, 스택이 발전에 의하여 발산하는 폐열량이 충분한지를 고려하여, 스택의 폐열을 흡수한 냉각수가 온수탱크로 당해 폐열을 공급할지 여부를 제어함으로써, 냉각수가 스택의 폐열에 의하여 과열되는 것을 방지하고, 스택의 폐열이 충분치 않음에도 냉각수가 온수탱크로 폐열을 공급하여 과냉각되는 것을 방지하여, 냉각수의 온도를 정교하게 관리할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치의 상기 제어부는, 상기 스택으로 개질가스가 공급되어 상기 스택이 전기에너지를 생성하는 단계에서, 상기 냉각수온도센서가 감지한 냉각수의 온도가 목표온도범위보다 낮으면, 상기 냉각수펌프를 작동하고 상기 제1삼방밸브를 바이패스측으로 절환할 수 있다.
따라서, 발전 모드에서 냉각수의 온도가 목표온도범위보다 낮을 경우, 제1삼방밸브를 바이패스측으로 절환하여 냉각수의 열용량을 낮춤으로써 냉각수의 온도가 목표온도범위로 빠르게 상승할 수 있도록하고 스택의 발전 성능을 향상시킬 수 있다.
또한 상기 제어부는, 상기 스택이 생성하는 전기에너지량이 목표발전량 미만이면, 상기 제2삼방밸브를 바이패스측으로 절환하고, 상기 스택이 생성하는 전기에너지량이 목표발전량 이상이고 상기 냉각수온도센서가 감지한 냉각수의 온도와 상기 목표온도범위의 하한값의 차이가 소정차이값 내이면, 상기 제2삼방밸브를 상기 온수 열교환기측으로 절환하고, 상기 스택이 생성하는 전기에너지량이 목표발전량 이상이고 상기 냉각수온도센서가 감지한 냉각수의 온도와 상기 목표온도범위의 하한값의 차이가 소정차이값 외이면, 상기 제2삼방밸브를 상기 온수 열교환기측으로 소정량 개도할 수 있다.
따라서, 발전 모드 중 스택의 발전량이 목표발전량에 도달한 정상 상태이더라도 냉각수 온도가 목표온도범위보다 과도하게 낮을 경우에는, 제2삼방밸브의 온수 열교환기측 개도량을 감소시켜 냉각수가 온수탱크로 공급하는 폐열량을 저감함으로써 냉각수의 온도가 목표온도범위로 빠르게 상승하도록 할 수 있다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치는, 스택과 열교환되면서 냉각수순환유로를 순환하는 냉각수가 냉각수탱크를 경유하거나 또는 바이패스하도록 제1삼방밸브를 통하여 제어함으로써, 배관 내 냉각수만을 순환시키거나 또는 냉각수탱크 내 저장된 냉각수를 모두 순환시켜 냉각수의 열용량을 필요에 따라 조절할 수 있도록 하여 스택의 온도를 용이하게 관리할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치는, 스택과 열교환되면서 냉각수순환유로를 순환하는 냉각수가 온수 열교환기를 경유하거나 또는 바이패스하도록 제2삼방밸브를 통하여 제어함으로써, 냉각수의 온수와의 열교환 여부를 필요에 따라 조절하여 냉각수의 온도를 용이하게 관리할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치는, 예열 모드 또는 개질 모드에서 열회수탱크의 수온이 냉각수보다 높을 경우, 제1삼방밸브를 바이패스측으로 절환하여 냉각수의 열용량을 낮추고, 제2삼방밸브를 온수 열교환기측으로 절환하여, 스택을 효율적으로 예열하여 발전 성능을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치는, 발전 모드에서 냉각수의 온도가 목표온도범위 내일 경우, 제1삼방밸브의 개도량을 조절하여 냉각수의 열용량을 적절히 조절함으로써 냉각수의 온도가 목표온도범위 내에서 유지되도록하고 스택의 발전 성능을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치는, 발전 모드에서 냉각수의 온도가 목표온도범위보다 높을 경우, 제1삼방밸브를 냉각수탱크측으로 절환하여, 냉각수의 열용량을 높임으로써 스택의 발전에 따른 발열에도 냉각수의 온도가 상승하지 않도록 하고, 냉각수탱크 내의 저온의 냉각수를 함께 순환시켜 냉각수의 평균 온도를 낮춤으로써, 냉각수의 온도가 목표온도범위까지 하강하도록하고 스택의 발전 성능을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치는, 발전 모드에서 스택의 발전량이 목표발전량에 도달한 정상 상태인지 여부, 즉, 스택이 발전에 의하여 발산하는 폐열량이 충분한지를 고려하여, 스택의 폐열을 흡수한 냉각수가 온수탱크로 당해 폐열을 공급할지 여부를 제어함으로써, 냉각수가 스택의 폐열에 의하여 과열되는 것을 방지하고, 스택의 폐열이 충분치 않음에도 냉각수가 온수탱크로 폐열을 공급하여 과냉각되는 것을 방지하여, 냉각수의 온도를 정교하게 관리할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치는, 발전 모드에서 냉각수의 온도가 목표온도범위보다 낮을 경우, 제1삼방밸브를 바이패스측으로 절환하여 냉각수의 열용량을 낮춤으로써 냉각수의 온도가 목표온도범위로 빠르게 상승할 수 있도록하고 스택의 발전 성능을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치는, 발전 모드 중 스택의 발전량이 목표발전량에 도달한 정상 상태이더라도 냉각수 온도가 목표온도범위보다 과도하게 낮을 경우에는, 제2삼방밸브의 온수 열교환기측 개도량을 감소시켜 냉각수가 온수탱크로 공급하는 폐열량을 저감함으로써 냉각수의 온도가 목표온도범위로 빠르게 상승하도록 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치는, 개질가스 열교환기를 통해 스택으로 공급되는 고온의 개질가스와 냉각수를 열교환시킴으로써, 개질가스를 냉각하여 밀도를 향상시킴으로써 스택으로 공급되는 개질가스량을 증가킬 수 있고, 냉각수를 가열하여 스택을 예열할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치는, 배기 열교환기를 통하여 버너 내 연소로 발생하는 배기가스와 온수를 열교환시켜 배기가스의 폐열을 회수함으로써, 온수를 가열하고 연료전지 장치의 열효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치는, 또한, 버너로 개질기를 예열하는 단계부터 배기 열교환기를 통하여 온수를 가열하고, 가열된 온수가 냉각수와 열교환되도록하여 스택의 예열 시간을 단축시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치는, AOG 열교환기를 통하여 스택으로부터 배출되는 고온의 AOG와 온수를 열교환시켜, AOG의 폐열을 회수함으로써, 온수를 가열하고 연료전지 장치의 열효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치는, 공기 열교환기를 통하여 스택으로부터 배출되는 공기와 온수를 열교환시켜 공기의 폐열을 회수함으로써, 온수를 가열하고 연료전지 장치의 열효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치는, 온수탱크를 연료전지 장치 내 발생하는 폐열에만 의존하여 가열하지 않고, 보일러를 통해 필요에 따라 손쉽게 가열할 수 있도록함으로써, 온수탱크의 온도를 용이하게 관리할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치는, 또한, 연료전지 장치 내 폐열이 발생하지 않는 운전 구간에서도 보일러를 통해 온수탱크를 가열하고, 가열된 온수와 냉각수를 열교환시킴으로써 스택의 예열 시간을 단축시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치는, 냉각수와 온수를 열교환시키는 온수 열교환기가 상대적으로 체적 확보가 용이한 온수탱크 내부에 배치되도록 하여, 온수 열교환기가 온수탱크 외부에 배치될 경우에 비하여 공간 효율성을 향상시킬 수 있고, 온수탱크 외부에 온수 열교환기를 위한 별도의 온수 유로를 구성할 필요가 없어 불필요한 압력 손실을 방지할 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치의 전체구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료처리장치의 개략도이다.
도 3는 본 발명의 실시예에 따른 예열 모드 또는 개질 모드에서 냉각수순환유로상의 제1유동흐름도이다.
도 4은 본 발명의 실시예에 따른 예열 모드 또는 개질 모드에서 냉각수순환유로상의 제2유동흐름도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 예열 모드 또는 개질 모드에서의 연료전지 장치의 제어흐름도이다.
도 6는 본 발명의 실시예에 따른 발전 모드 중 스택의 발전량이 목표발전량 미만일 경우의 냉각수순환유로상의 제1유동흐름도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 발전 모드 중 스택의 발전량이 목표발전량 미만일 경우의 냉각수순환유로상의 제2유동흐름도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 발전 모드 중 스택의 발전량이 목표발전량 미만일 경우의 냉각수순환유로상의 제3유동흐름도이다.
도 9은 본 발명의 실시예에 따른 발전 모드 중 스택의 발전량이 목표발전량 미만일 경우의 연료전지 장치의 제어흐름도이다.
도 10는 본 발명의 실시예에 따른 발전 모드 중 스택의 발전량이 목표발전량 이상일 경우의 냉각수순환유로상의 제1유동흐름도이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 발전 모드 중 스택의 발전량이 목표발전량 이상일 경우의 냉각수순환유로상의 제2유동흐름도이다.
도 12은 본 발명의 실시예에 따른 발전 모드 중 스택의 발전량이 목표발전량 이상일 경우의 냉각수순환유로상의 제3유동흐름도이다.
도 13는 본 발명의 실시예에 따른 발전 모드 중 스택의 발전량이 목표발전량 이상일 경우의 냉각수순환유로상의 제4유동흐름도이다.
도 14은 본 발명의 실시예에 따른 발전 모드 중 스택의 발전량이 목표발전량 이상일 경우의 연료전지 장치의 제어흐름도이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다. 도면에서는 본 발명을 명확하고 간략하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분의 도시를 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 극히 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 참조부호를 사용한다.
본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품, 또는 이들을 조합한 것들의 존재, 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 본 명세서에서, 다양한 요소들을 설명하기 위해 제1, 제2 등의 용어가 이용될 수 있으나, 이러한 요소들은 이러한 용어들에 의해 제한되지 아니한다. 이러한 용어들은 한 요소를 다른 요소로부터 구별하기 위해서만 이용될 수 있다.
이하, 예를 들어 '402' 은 '402a, 및 402b'를 포함하는 의미임은 당연하다. 예를 들어, 'S2' 가 'S21, S22, S23' 등을 포함하는 의미임은 당연하다. 예를 들어, 'S23'가 'S231, S232, S233, S234'를 포함하는 의미임은 당연하다.
연료전지(Fuel Cell) 장치란 탄화수소계 연료를 개질하여 얻은 수소와 외기중의 산소를 스택의 막전극접합체(MEA)에서 전기화학반응시켜 전기를 생산하는 장치이다.
도 1을 참조하면, 연료전지 장치(1)는, 연료처리부(I), 전력생성부(II), 물순환부(III) 및/또는 열회수부(IV)를 포함할 수 있다. 연료전지 장치(1)는, 전력생성부(II)에서 생성된 직류전원을 교류전원으로 변환하는 전력변환장치를 포함하는 전력변환부(미도시)를 더 구비할 수 있다.
연료처리부(I)는, 연료처리장치(10), 연료처리장치(10)에 공급되는 연료 가스의 유동을 조절하는 연료밸브(30), 공기를 연료처리장치(10)로 유동시키는 버너 에어블로워(71) 등을 포함할 수 있다.
전력생성부(II)는, 스택(20a, 20b), 연료처리장치(10)에서 토출된 개질가스의 열교환이 일어나는 개질가스 열교환기(21), 스택(20a, 20b)에서 반응하지 않고 배출되는 가스의 열교환이 일어나는 AOG 열교환기(22), 스택(20a, 20b)에 공급되는 공기에 수분을 공급하는 가습장치(23), 공기를 스택(20a, 20b)으로 유동시키는 스택 에어블로워(72) 등을 포함할 수 있다.
물순환부(III)는, 연료전지 장치(1)에서 생성되는 물(내지 냉각수)을 저장하는 냉각수탱크(13), 연료처리장치(10)로 물을 유동시키는 물펌프(38), 연료처리장치(10)로 공급되는 물의 유동을 조절하는 물공급밸브(39), 개질가스 열교환기(21)로 냉각수를 유동시키는 냉각수펌프(43) 등을 포함할 수 있다. 본 발명에서 물은 이물질이 제거된 초순수인 냉각수를 의미할 수 있으나, 서술에 있어 물과 냉각수를 특별히 구분하지 않을 수 있다.
열회수부(IV)는, 열교환에 사용되는 온수을 저장하는 온수탱크(15), 온수탱크(15)에 저장된 온수를 온수탱크(15) 외부로 유동시키는 온수펌프(48) 등을 포함할 수 있다. 본 발명에서 온수탱크(15)에 저장되는 온수는, 연료전지 장치(1)의 운전 상황에 따라 냉각수에 비하여 상대적으로 낮은 온도를 갖을 수도 있고 또는 높은 온도를 갖을 수도 있으나, 이러한 온도와 무관하게 편의상 일률적으로 온수로 지칭하기로 한다.
이하, 본원 발명의 기술적 사상의 핵심의 이해를 돕기 위하여 상기 각 부 및 각 부를 구성하는 구성 중, 각 부 및 각 부를 구성하는 구성들의 작동 순서와 무관한 순서로 특정 구성에 관하여 먼저 설명하도록 한다.
이하, 도 1 내지 도 3을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치(1)의 구성에 대해 설명한다.
스택은, 수소와 산소를 전기화학반응시켜 전기에너지를 생성한다. 구체적으로, 스택(20)은, 연료처리장치(10)로부터 공급되는 개질가스에 함유된 수소와 스택 에어블로워(72)로부터 공급되는 공기에 함유된 산소에 전기화학반응을 일으켜 전기 에너지를 생성할 수 있다.
스택(20)은, 전기화학반응이 일어나는 단일 셀이 적층되어 구성될 수 있다.
단일 셀은, 전해질막을 중심으로 연료극과 공기극이 배치된 막-전극 접합체(membrane electrode assembly, MEA), 세퍼레이터(separator) 등으로 구성될 수 있다. 막-전극 접합체의 연료극에서는, 수소가 촉매에 의하여 수소이온과 전자로 분리되어 전기가 발생할 수 있고, 막-전극 접합체의 공기극에서는 수소이온과 전자가 산소와 결합하여 물이 생성될 수 있다.
스택(20)은, 전기화학반응 과정에서 발생하는 열을 방열하는 스택 열교환기(미도시)를 더 포함할 수 있다. 스택 열교환기는, 냉각수를 냉매로 사용하는 열교환기일 수 있다.
예를 들어, 스택 열교환기에 공급되는 냉각수가 전기화학반응 과정에서 발생하는 열을 흡수할 수 있고, 흡수된 열에 의해 온도가 상승한 냉각수가 스택 열교환기의 외부로 토출될 수 있다.
예를 들어, 스택 열교환기에 공급되는 냉각수는 스택으로 열을 전달하여 스택이 전기화학반응에 적합한 온도에 도달하도록 스택을 예열할 수 있고, 열을 전달하여 온도가 하강한 냉각수가 스택 열교환기의 외부로 토출될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 연료전지 장치(1)는 두 개의 스택(20a, 20b)을 구비하는 것으로 설명하나, 이에 제한되지 않는다.
냉각수탱크(13)에는, 스택(20a, 20b)으로 공급되는 냉각수가 저장된다. 냉각수탱크(13)에 저장된 냉각수 중 적어도 일부는, 냉각수펌프(43)에 의해 제1냉각수순환유로 전단(304)을 통해 개질가스 열교환기(21)로 유동할 수 있고, 개질가스 열교환기(21)에서 개질가스와 열교환될 수 있다. 개질가스 열교환기(21)에서 토출된 냉각수는, 제1냉각수순환유로 후단(305)을 통해 스택(20a, 20b)으로 유입되어(즉, 스택 열교환기(미도시)로 유입되어) 스택(20a, 20b)과 열교환될 수 있다. 스택(20a, 20b)로부터 토출된 냉각수는, 제2냉각수순환유로(307)를 통해 온수 열교환기(410)로 유입되어 온수와 열교환될 수 있다. 온수 열교환기(410)로부터 토출된 냉각수는, 제3냉각수순환유로(308)를 통해 냉각수탱크(13)로 회수될 수 있다.
제1냉각수순환유로(304, 305)는, 냉각수탱크(13)로부터 스택(20a, 20b)으로 냉각수를 공급한다. 제1냉각수순환유로(304, 305)는, 냉각수탱크(13)와 스택(20a, 20b)을 연결할 수 있다. 제1냉각수순환유로(304, 305)는, 개질가스 열교환기(21)에 의하여 전단(304)과 후단(305)으로 구분될 수 있다.
제1냉각수순환유로 전단(304)에는, 냉각수탱크(13)에 저장된 냉각수를 개질가스 열교환기(21)로 유동시키는 냉각수펌프(43), 및/또는 제1냉각수순환유로 내에 유동하는 냉각수의 유량을 검출하는 냉각수유량계(56)가 배치될 수 있다.
냉각수펌프(43)는, 냉각수탱크(13)에 저장된 냉각수가 제1 내지 제3냉각수순환유로(308)를 유동하도록 음압을 형성할 수 있다. 이때, 냉각수펌프(43)는, 제1냉각수순환유로 전단(304) 중 제1-2삼방밸브(402b)의 하류에 배치되어, 제1-2삼방밸브(402b)가 바이패스측으로 절환된 경우에도 사용될 수 있도록 함이 바람직하다.
제1냉각수순환유로 후단(305)을 통해 스택(20a, 20b)으로 유입된 냉각수는, 스택(20a, 20b)에 포함된 스택 열교환기(미도시)를 따라 유동할 수 있고, 스택(20a, 20b)에서 일어나는 전기화학반응에 의해 발생하는 열을 흡수하거나, 및/또는, 스택(20a, 20b)으로 열을 전달하여 스택(20a, 20b)를 예열할 수 있다.
복수의 스택(20a. 20b)은, 냉각수연결유로(306)에 의해 연결될 수 있다. 제1 스택(20a)에서 토출되는 냉각수는, 냉각수연결유로(306)를 통해 제2 스택(20b)으로 유입될 수 있다.
제2냉각수순환유로(307)는, 스택으로부터 온수 열교환기(410)로 냉각수를 공급한다. 제2냉각수순환유로(307)는, 스택과 온수 열교환기(410)를 연결할 수 있다. 스택(20a, 20b)에서 토출되는 냉각수는, 제2냉각수순환유로(307)를 통해 온수 열교환기(410)로 유입될 수 있다. 온수 열교환기(410)는, 스택(20a, 20b)에서 토출된 냉각수와, 온수탱크(15)에 저장되는 온수를 열교환할 수 있다.
제3냉각수순환유로(308)는, 온수 열교환기(410)로부터 냉각수탱크(13)로 냉각수를 공급한다. 제3냉각수순환유로(308)는, 온수 열교환기(410)와 냉각수탱크(13)를 연결할 수 있다. 온수 열교환기(410)에서 토출된 냉각수는, 제3냉각수순환유로(308)를 통해 냉각수탱크(13)로 회수될 수 있다.
온수탱크(15)에는, 외부로 공급되는 온수가 저장된다. 온수탱크(15)에 저장되는 온수는, 연료전지 장치(1)에서 발생하는 폐열을 회수함으로써 가열될 수 있다. 예를 들어, 온수탱크(15)에 저장되는 온수는, 제1 온수순환회로(313), AOG 열교환기(22), 제2 온수순환회로(314), 공기 열교환기(25), 제3 온수순환회로(315), 배기 열교환기(26), 및/또는 제4 온수순환회로(316)를 순환하면서 연료전지 장치(1)에서 발생하는 폐열을 회수하고 온수탱크(15)에 저장될 수 있다.
온수펌프(48)에 의해 온수탱크(15)에서 토출된 온수는, 제1 온수순환회로(313)를 거쳐 AOG 열교환기(22)로 유입될 수 있다. AOG 열교환기(22)에서 양극배출가스(AOG)와 열교환된 온수는, 제2 온수순환회로(314)로 토출될 수 있다.
공기 열교환기(25)는, 가습장치(23)에서 토출된 공기가 유동하는 가습장치토출유로(212)에 연결될 수 있다. 공기 열교환기(25)는, AOG 열교환기(22)에서 토출된 온수가 유동하는 제2 온수순환회로(314)에 연결될 수 있다. 공기 열교환기(25)는, 가습장치토출유로(212)을 통해 유입되는 공기와 제2 온수순환회로(314)를 통해 유입되는 온수를 열교환할 수 있다.
공기 열교환기(25)에서 열교환된 온수는, 제3 온수순환회로(315)를 통해 공기 열교환기(25)에서 토출될 수 있다. 공기 열교환기(25)에서 토출된 온수는, 제3 온수순환회로(315)를 통해 배기 열교환기(26)로 유입될 수 있다.
배기 열교환기(26)는, 배기가스가 유동하는 배기가스토출유로(210)에 연결될 수 있다. 배기 열교환기(26)는, 배기가스토출유로(210)를 통해 유입되는 배기가스와, 제3 온수순환회로(315)를 통해 유입되는 온수를 열교환할 수 있다.
배기 열교환기(26)에서 열교환된 배기가스는 배기유로(213)로 토출될 수 있고, 배기유로(213)에 유동하는 배기가스는 외부로 배출될 수 있다.
배기 열교환기(26)에서 열교환된 온수는, 제4 온수순환회로(316)로 토출될 수 있고, 제4 온수순환회로(316)에 유동하는 온수는 온수탱크(15)로 유입될 수 있다.
온수탱크(15)에 저장되는 온수는, 온수배수유로(416)를 통해 외부의 온수 사용처로 공급될 수 있다. 온수배수유로(416)에는, 온수탱크(15)에 저장되는 온수의 배수 여부를 조절하는 온수배수밸브(414)가 구비될 수 있다. 연료전지 장치(1)에서 발생하는 폐열을 회수하여 사용자에게 필요한 온수로 활용함으로써, 연료전지 장치(1)의 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.
보일러(412)는, 온수탱크(15)를 가열할 수 있다. 예를 들어, 보일러(412)는, 온수탱크(15)에 결합되는 버너와 같은 형태로 구비되어 온수탱크(15)를 직접적으로 가열할 수 있다. 또는 예를 들어, 보일러(412)는, 별도의 온수 저장탱크 및 저장탱크를 가열하는 버너가 일체로 구비되어, 온수탱크(15)로부터 온수를 공급받아 가열한 뒤 다시 온수탱크(15)로 가열된 온수를 공급하는 형태로 온수탱크(15)를 간접적으로 가열할 수도 있다. 이 경우, 온수탱크(15)로부터 보일러(412)로 온수를 공급하는 보일러공급유로(412b) 및 보일러(412)로부터 온수탱크(15)로 온수를 공급하는 보일러회수유로(412a)가 구비될 수 있다.
따라서, 온수탱크(15)를 연료전지 장치(1) 내 발생하는 폐열에만 의존하여 가열하지 않고, 보일러(412)를 통해 필요에 따라 손쉽게 가열할 수 있도록함으로써, 온수탱크(15)의 온도를 용이하게 관리할 수 있다.
또한, 연료전지 장치(1) 내 폐열이 발생하지 않는 운전 구간에서도 보일러(412)를 통해 온수탱크(15)를 가열하고, 가열된 온수와 냉각수를 열교환시킴으로써 스택의 예열 시간을 단축시킬 수 있다.
온수 열교환기(410)는, 냉각수탱크(13)에 저장되는 냉각수를 온수탱크(15)에 저장되는 온수와 열교환시킨다. 온수와 냉각수의 온도는 연료전지 장치(1)의 운전 상태에 따라 가변적이므로, 온수 열교환기(410)를 통과하는 냉각수는 상황에 따라 온수에 의하여 가열될 수도 있고 또는 온수를 가열할 수도 있다. 연료전지 장치(1)의 운전 상태에 따른 온수 열교환기(410)의 동작에 관한 자세한 설명은 후술하도록한다.
온수 열교환기(410)는, 제2냉각수순환유로(307)에 연결되어 냉각수를 공급받고, 공급된 냉각수를 온수와 열교환시킨 뒤, 열교환된 냉각수를 제3냉각수순환유로(308)로 토출할 수 있다.
온수 열교환기(410)는, 온수순환회로(313,314,315,316)에 연결되어 온수를 공급받고, 공급된 온수를 냉각수와 열교환시킨 뒤, 열교환된 온수를 온수순환회로(313,314,315,316)로 토출할 수 있다. 또는, 온수 열교환기(410)는, 온수탱크(15) 내부에 배치될 수 있다. 이때, 온수 열교환기(410)는, 온수탱크(15) 내부에 저장되는 온수와 접촉되도록 배치될 수 있다.
따라서, 냉각수와 온수를 열교환시키는 온수 열교환기(410)가 상대적으로 체적 확보가 용이한 온수탱크(15) 내부에 배치되도록 하여, 온수 열교환기(410)가 온수탱크(15) 외부에 배치될 경우에 비하여 공간 효율성을 향상시킬 수 있고, 온수탱크(15) 외부에 온수 열교환기(410)를 위한 별도의 온수 유로를 구성할 필요가 없어 불필요한 압력 손실을 방지할 수 있다.
제1바이패스유로(400)는, 제3냉각수순환유로(308)로부터 분지되어 제1냉각수순환유로(304,305)로 합지된다. 제3냉각수순환유로(308)를 유동하는 냉각수는, 제1바이패스유로(400)를 통하여 곧바로 제1냉각수순환유로(304,305)로 유입됨으로써 냉각수탱크(13)를 바이패스할 수 있다.
제1삼방밸브(402)는, 제1바이패스유로(400) 단부에 배치되고 제3냉각수순환유로(308)를 유동하는 냉각수가 냉각수탱크(13)로 선택적으로 공급되도록 한다. 이때, 제1삼방밸브(402)가 제3냉각수순환유로(308)를 유동하는 냉각수가 냉각수탱크(13)로 공급되도록 절환된 위치를 냉각수탱크(13)측으로 절환된 것이라 명명한다. 이때, 제1삼방밸브(402)가 제3냉각수순환유로(308)를 유동하는 냉각수가 냉각수탱크(13)를 바이패스하도록 절환된 위치를 바이패스측으로 절환된 것이라 명명한다.
이때, 제1삼방밸브(402)를 냉각수탱크(13)측으로 소정량 개도한다고 함은, 제3냉각수순환유로(308)를 유동하는 냉각수 중 제1삼방밸브(402)가 냉각수탱크(13)측으로 개도된 비율만큼이 냉각수탱크(13)로 공급되도록 하고 제3냉각수순환유로(308)를 유동하는 냉각수 중 나머지는 냉각수탱크(13)를 바이패스하도록 함을 의미한다.
예를 들어, 제1삼방밸브(402)는, 각각 배치 위치를 달리하는 제1-1삼방밸브(402a) 및/또는 제1-2삼방밸브(402b)를 포함할 수 있다. 제1-1삼방밸브(402a)는, 제1바이패스유로(400)가 제3냉각수순환유로(308)로부터 분지되는 부위에 배치될 수 있다. 제1-2삼방밸브(402b)는, 제1바이패스유로(400)가 제1냉각수순환유로로 합지되는 부위에 배치될 수 있다.
제1-1삼방밸브(402a)는, 온수 열교환기(410)측 제3냉각수순환유로(308)로부터 냉각수를 공급받고, 공급받은 냉각수를 냉각수탱크(13)측 제3냉각수순환유로(308) 및/또는 제1바이패스유로(400)로 토출할 수 있다. 이때, 제1-1삼방밸브(402a)가 공급받은 냉각수를 냉각수탱크(13)측 제3냉각수순환유로(308)로 토출하도록 절환된 위치를 냉각수탱크(13)측으로 절환된 것이라 명명한다. 이때, 제1-1삼방밸브(402a)가 공급받은 냉각수를 제1바이패스유로(400)로 토출하도록 절환된 위치를 바이패스측으로 절환된 것이라 명명한다.
이때, 제1-1삼방밸브(402a)를 냉각수탱크(13)측으로 소정량 개도한다고 함은, 제1-1삼방밸브(402a)가 공급받은 냉각수 중 제1-1삼방밸브(402a)가 냉각수탱크(13)측으로 개도된 비율만큼이 냉각수탱크(13)측 제3냉각수순환유로(308)로 토출되도록하고, 제1-1삼방밸브(402a)가 공급받은 냉각수 중 나머지가 제1바이패스유로(400)로 토출되도록 함을 의미한다.
제1-2삼방밸브(402b)는, 제1바이패스유로(400)로부터 냉각수를 공급받거나 및/또는 냉각수탱크(13)측 제1냉각수순환유로 전단(304)으로부터 냉각수를 공급받을 수 있다. 제1-2삼방밸브(402b)는, 공급받은 냉각수를 개질가스 열교환기(21)측 제1냉각수순환유로 전단(304)으로 토출할 수 있다. 이때, 제1-2삼방밸브(402b)가 냉각수탱크(13)측 제1냉각수순환유로 전단(304)으로부터 냉각수를 공급받도록 절환된 위치를 냉각수탱크(13)측으로 절환된 것이라 명명한다. 이때, 제1-2삼방밸브(402b)가 제1바이패스유로(400)로부터 냉각수를 공급받도록 절환된 위치를 바이패스측으로 절환된 것이라 명명한다.
이때, 제1-2삼방밸브(402b)를 냉각수탱크(13)측으로 소정량 개도한다고 함은, 제1-2삼방밸브(402b)가 공급받는 냉각수 중 제1-2삼방밸브(402b)가 냉각수탱크(13)측으로 개도된 비율만큼이 냉각수탱크(13)측 제1냉각수순환유로 전단(304)으로부터 공급된 것이도록하고, 제1-2삼방밸브(402b)가 공급받는 냉각수 중 나머지가 제1바이패스유로(400)로부터 공급된 것이도록 함을 의미한다.
일반적으로 냉각수탱크(13)에 저장된 냉각수의 유량은 냉각수순환유로를 순환하는 냉각수의 유량보다 매우 크므로, 냉각수탱크(13)에 저장된 냉각수가 냉각수순환유로를 순환하도록할지 여부에 따라 냉각수순환유로를 순환하는 냉각수의 열용량이 크게 좌우된다.
따라서, 스택과 열교환되면서 냉각수순환유로를 순환하는 냉각수가 냉각수탱크(13)를 경유하거나 또는 바이패스하도록 제1삼방밸브(402)를 통하여 제어함으로써, 배관 내 냉각수만을 순환시키거나 또는 냉각수탱크(13) 내 저장된 냉각수를 모두 순환시켜 냉각수의 열용량을 필요에 따라 조절할 수 있도록 하여 스택의 온도를 용이하게 관리할 수 있다.
제2바이패스유로(404)는, 제2냉각수순환유로(307)로부터 분지되어 제3냉각수순환유로(308)로 합지될 수 있다. 제2냉각수순환유로(307)를 유동하는 냉각수는, 제2바이패스유로(404)를 통하여 곧바로 제3냉각수순환유로(308)로 유입됨으로써 온수 열교환기(410)를 바이패스할 수 있다.
제2삼방밸브(406)는, 제2바이패스유로(404) 단부에 배치되고 제2냉각수순환유로(307)를 유동하는 냉각수가 온수 열교환기(410)로 선택적으로 공급되도록할 수 있다. 예를 들어, 제2삼방밸브(406)는, 제3냉각수순환유로(308) 중 제2바이패스유로(404)가 합지되는 부위에 배치될 수 있다.
이때, 제2삼방밸브(406)가 제2냉각수순환유로(307)를 유동하는 냉각수가 온수 열교환기(410)로 공급되도록 절환된 위치를 온수 열교환기(410)측으로 절환된 것이라 명명한다. 이때, 제2삼방밸브(406)가 제2냉각수순환유로(307)를 유동하는 냉각수가 온수 열교환기(410)를 바이패스하도록 절환된 위치를 바이패스측으로 절환된 것이라 명명한다.
이때, 제2삼방밸브(406)를 온수 열교환기(410)측으로 소정량 개도한다고 함은, 제2냉각수순환유로(307)를 유동하는 냉각수 중 제2삼방밸브(406)가 온수 열교환기(410)측으로 개도된 비율만큼이 온수 열교환기(410)로 공급되도록 하고 제2냉각수순환유로(307)를 유동하는 냉각수 중 나머지는 온수 열교환기(410)를 바이패스하도록 함을 의미한다.
따라서, 스택과 열교환되면서 냉각수순환유로를 순환하는 냉각수가 온수 열교환기(410)를 경유하거나 또는 바이패스하도록 제2삼방밸브(406)를 통하여 제어함으로써, 냉각수의 온수와의 열교환 여부를 필요에 따라 조절하여 냉각수의 온도를 용이하게 관리할 수 있다.
연료처리장치(10)는, 탈황기(110), 버너(120), 증기발생기(130), 개질기(140), 제1 반응기(150) 및/또는 제2 반응기(160)를 포함할 수 있다. 연료처리장치(10)는, 적어도 하나의 믹서(111, 112)를 더 포함할 수 있다. (도 2 참조)
개질기(140)는, 연료를 개질하여 개질가스를 생성할 수 있다. 개질기(140)는, 촉매를 이용하여, 황 화합물이 제거된 연료 가스로부터 수소 가스를 생성하는 개질 공정을 수행할 수 있다. 예를 들어, 탈황기(110)로부터 토출된 연료 가스와 증기발생기(130)로부터 토출된 수증기가 제2 믹서(112)에서 혼합되어 개질기(140)에 공급될 수 있다. 이때, 개질기(140)에 공급된 연료 가스와 수증기가 개질기(140) 내에서 개질 반응하는 경우, 수소 가스가 생성될 수 있다.
개질기(130), 제1 반응기(150) 및/또는 제2 반응기(160)를 거쳐 연료처리장치(10)에서 토출되는 가스는, 개질가스로 명명될 수 있다.
개질기(130), 제1 반응기(150) 및/또는 제2 반응기(160)를 거쳐 연료처리장치(10)에서 토출되는 개질가스와 관련하여, 이하 편의상 제1 반응기(150) 및/또는 제2 반응기(160)에 관한 중복되는 서술은 생략하고, 개질기(130)에서 토출되는 수소 가스를 연료처리장치(10)에서 토출되는 개질가스와 구분하지 않도록 한다.
버너(120)는, 개질기(140)를 가열할 수 있다. 즉, 버너(120)는, 개질기(140)에서의 개질 반응이 촉진되도록, 개질기(140)에 열을 공급할 수 있다. 예를 들어, 탈황기(110)로부터 토출된 연료 가스와 외부에서 유입된 공기가 제1 믹서(111)에서 혼합되어 버너(120)에 공급될 수 있다. 이때, 버너(120)는, 연료 가스와 공기가 혼합된 혼합 가스를 연소시켜 연소열을 발생시킬 수 있다. 이때, 버너(120)에서 공급되는 열에 의해, 개질기(140)의 내부온도가 적정 온도(예: 800℃)로 유지될 수 있다.
한편, 혼합 가스의 연소에 의해 버너(120)에서 생성되는 배기가스는, 배기가스토출유로(210)를 통해 연료처리장치(10)의 외부로 배출될 수 있다.
상술한 구성 외의 연료처리장치(10)의 나머지 구성에 관하여는 후술하도록한다.
개질가스공급유로(430)는, 개질기(140)로부터 스택(20a, 20b)으로 개질가스를 공급할 수 있다. 개질가스공급유로(430)는, 개질기(140)와 스택(20a, 20b)을 연결할 수 있다. 개질가스공급유로(430)는, 개질가스 열교환기(21)에 의하여 개질가스토출유로(104) 및 스택가스공급유로(106)로 구분될 수 있다.
개질기(140)는, 개질가스토출유로(104)에 연결될 수 있다. 개질기(140)에서 토출된 개질가스는, 개질가스토출유로(104)를 통해 유동할 수 있다.
개질가스토출유로(104)는, 개질가스의 열교환이 일어나는 개질가스 열교환기(21)에 연결될 수 있다. 개질가스토출유로(104)에는, 개질가스 열교환기(21)에 유입되는 개질가스의 유동을 조절하는 개질가스밸브(33)가 배치될 수 있다.
개질가스토출유로(104)는, 연료처리장치(10)에서 토출된 개질가스가 연료처리장치(10)로 유동하는 개질가스바이패스유로(105)와 연통될 수 있다. 개질가스바이패스유로(105)는, 연료처리장치(10)에 연결될 수 있다. 개질가스바이패스유로(105)를 통해 연료처리장치(10)에 유입되는 개질가스는, 버너(120)의 연소를 위한 연료로 사용될 수 있다. 개질가스바이패스유로(105)에는, 연료처리장치(10)에 유입되는 개질가스의 유동을 조절하는 개질가스바이패스밸브(34)가 배치될 수 있다.
개질가스 열교환기(21)는, 개질가스공급유로(430)를 유동하는 개질가스와 제1냉각수순환유로(304, 305)를 유동하는 냉각수를 열교환시킬 수 있다.
개질가스 열교환기(21)는, 개질기(140)(내지 연료처리장치(10))에서 토출된 개질가스가 유동하는 개질가스토출유로(104)에 연결될 수 있다. 개질가스 열교환기(21)는, 냉각수탱크(13)에서 토출된 냉각수가 유동하는 제1냉각수순환유로 전단(304)에 연결될 수 있다. 개질가스 열교환기(21)는, 개질가스토출유로(104)를 통해 유입되는 개질가스와, 제1냉각수순환유로 전단(304)을 통해 공급되는 냉각수를 열교환할 수 있다.
개질가스 열교환기(21)는, 스택가스공급유로(106)에 연결될 수 있다. 개질가스 열교환기(21)에서 토출된 개질가스는, 스택가스공급유로(106)를 통해 스택(20a, 20b)으로 유동할 수 있다.
개질가스 열교환기(21)는, 제1냉각수순환유로 후단(305)에 연결될 수 있다. 개질가스 열교환기(21)에서 토출된 냉각수는, 제1냉각수순환유로 후단(305)을 통해 스택(20a, 20b)으로 유동할 수 있다.
따라서, 개질가스 열교환기(21)를 통해 스택(20a, 20b)으로 공급되는 고온의 개질가스와 냉각수를 열교환시킴으로써, 개질가스를 냉각하여 밀도를 향상시킴으로써 스택(20a, 20b)으로 공급되는 개질가스량을 증가킬 수 있고, 냉각수를 가열하여 스택(20a, 20b)을 예열할 수 있다.
스택(20a. 20b)은, 스택가스공급유로(106)를 통해 유입되는 개질가스에 전기화학반응을 일으켜 전기 에너지를 생성할 수 있다. 일 실시예에서, 연료전지 장치(1)이 복수의 스택(20a. 20b)을 구비하는 경우, 제1 스택(20a)에서 반응하지 않고 토출되는 개질 가스는 제2 스택(20b)에서 추가적으로 전기화학반응을 일으킬 수 있다.
배기 열교환기(26)는, 버너(120)로부터 배출되는 배기가스와 온수탱크(15)로부터 공급되는 온수를 열교환시킬 수 있다. 배기 열교환기(26)는, 배기가스토출유로(210))에 배치되어 배기가스토출유로(210)를 유동하는 배기가스를 온수와 열교환시킬 수 있다. 배기 열교환기(26)는, 제1온수공급유로와 연결되어 제1온수공급유로로부터 온수를 공급받아 열교환시킬 수 있다. 배기 열교환기(26)는, 제1온수회수유로와 연결되어 열교환된 온수를 제1온수회수유로로 토출할 수 있다.
제1온수공급유로는, 온수탱크(15)로부터 배기 열교환기(26)로 온수가 공급되도록할 수 있다. 1온수회수유로는, 배기 열교환기(26)로부터 온수탱크(15)로 온수가 공급되도록할 수 있다. 이때, 제1온수공급유로는 제1 내지 제3온수순환회로(313, 314, 315)를 지칭할 수 있다. 제1온수회수유로는 제4 온수순환회로(316)를 지칭할 수 있다.
따라서, 배기 열교환기(26)를 통하여 버너(120) 내 연소로 발생하는 배기가스와 온수를 열교환시켜 배기가스의 폐열을 회수함으로써, 온수를 가열하고 연료전지 장치(1)의 열효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 버너(120)로 개질기(140)를 예열하는 단계부터 배기 열교환기(26)를 통하여 온수를 가열하고, 가열된 온수가 냉각수와 열교환되도록하여 스택의 예열 시간을 단축시킬 수 있다.
한편, 스택(20a, 20b)으로 공급된 개질가스 중 스택(20a, 20b)에서 반응하지 않고 배출되는 가스는, 애노드 오프 가스(anode off gas, AOG) 내지 양극배출가스로 명명될 수 있다.
스택버너유로(432)는, 스택(20a, 20b)으로부터 배출되는 가스(AOG)를 버너로 공급할 수 있다. 스택버너유로(432)는, 스택(20a, 20b)과 버너(120)를 연결할 수 있다. 스택버너유로(432)는, AOG 열교환기(22)에 의하여 스택가스토출유로(108) 및 AOG공급유로(109)로 구분될 수 있다.
스택가스토출유로(108)는, 스택(20a, 20b)과 AOG 열교환기(22)를 연결할 수 있다. 스택(20a, 20b)으로부터 배출되는 AOG는, 스택가스토출유로(108)를 통하여 AOG 열교환기(22)로 공급될 수 있다. AOG공급유로(109)는, AOG 열교환기(22)와 버너(120)를 연결할 수 있다. AOG 열교환기(22)로부터 토출되는 AOG는, AOG공급유로(109)를 통하여 버너(120)로 공급될 수 있다. AOG공급유로(109)를 통해 연료처리장치(10)에 공급된 양극배출가스(AOG)는, 버너(120)의 연소를 위한 연료로 사용될 수 있다.
AOG 열교환기(22)는, 스택버너유로(432)를 유동하는 가스와 온수탱크(15)로부터 공급되는 온수를 열교환시킬 수 있다.
제2온수공급유로는, 온수탱크(15)와 AOG 열교환기(22)를 연결하여, 온수탱크(15)로부터 AOG 열교환기(22)로 온수가 공급되도록할 수 있다. 제2온수회수유로는, AOG 열교환기(22)와 온수탱크(15)를 연결하여, AOG 열교환기(22)로부터 온수탱크(15)로 온수가 공급되도록할 수 있다.
제2온수공급유로는 제1 온수순환회로(313)를 지칭할 수 있다. 제2온수회수유로는 제2 내지 제4 온수순환회로(314,315,316)를 지칭할 수 있다.
따라서, AOG 열교환기(22)를 통하여 스택(20a, 20b)으로부터 배출되는 고온의 AOG와 온수를 열교환시켜, AOG의 폐열을 회수함으로써, 온수를 가열하고 연료전지 장치(1)의 열효율을 향상시킬 수 있다.
스택 에어블로워(72)는, 공기를 흡입하여 스택(20a, 20b)으로 공급할 수 있다. 스택 에어블로워(72)는, 제1 외부공기유입유로(201)와 연통된 제2 외부공기유입유로(203)와, 스택측 공기유입유로(204)에 연결될 수 있다. 제2 외부공기유입유로(203)는, 공기필터(91)의 후단에 연결될 수 있다. 스택 에어블로워(72)는, 제2 외부공기유입유로(203)를 통해 유입되는 공기를, 스택측 공기유입유로(204)를 통해 스택(20) 측으로 유동시킬 수 있다.
가습장치(23)는, 스택측 공기유입유로(204)를 통해 유입되는 공기에 수분을 공급할 수 있고, 수분이 포함된 공기를 스택측 공기공급유로(205)를 통해 토출할 수 있다.
스택측 공기공급유로(205)는, 스택(20a. 20b)에 각각 대응하는 개별공급유로(206, 207)에 연결될 수 있다. 스택측 공기공급유로(205)를 통해 유동하는 공기는, 개별공급유로(206, 207)를 통해 스택(20a. 20b)으로 공급될 수 있다.
스택(20a, 20b)으로 공급된 공기는, 전기화학반응을 일으킨 뒤 스택(20a, 20b)으로부터 토출될 수 있다.
스택측 공기토출유로(211)는, 개별토출유로(208, 209)에 연결될 수 있다. 스택(20a, 20b)에서 토출된 공기는, 개별토출유로(208, 209)를 통해 스택측 공기토출유로(211)로 유동할 수 있다. 이때, 스택측 공기토출유로(211)를 통해 유동하는 공기는, 스택(20a, 20b)에서 일어나는 전기화학반응에 의해 생성되는 수분을 포함할 수 있다.
스택측 공기토출유로(211)는, 가습장치(23)에 연결될 수 있다. 가습장치(23)는, 스택측 공기토출유로(211)를 통해 공급되는 공기에 포함된 수분을 이용하여, 스택(20)으로 유동하는 공기에 수분을 공급할 수 있다. 스택측 공기토출유로(211)를 통해 가습장치(23)에 공급된 공기는, 가습장치(23)를 거쳐 가습장치토출유로(212)로 토출될 수 있다.
공기 열교환기(25)는, 스택(20a, 20b)으로부터 배출되는 공기와 온수탱크(15)로부터 공급되는 온수를 열교환시킬 수 있다. 공기 열교환기(25)는, 가습장치토출유로(212)에 배치되어, 가습장치토출유로(212)를 유동하는 공기를 온수와 열교환시킬 수 있다.
공기 열교환기(25)에서 열교환된 공기는, 공기배출유로(213)를 통해 공기 열교환기(25)에서 토출될 수 있다. 공기배출유로(213)는 배기가스토출유로(210)와 연통될 수 있고, 배기가스토출유로(210)에 유동하는 배기가스와 공기배출유로(213)에 유동하는 공기가 혼합될 수 있다.
제3온수공급유로는, 온수탱크(15)와 공기 열교환기(25)를 연결하여, 온수탱크(15)로부터 공기 열교환기(25)로 온수가 공급되도록할 수 있다. 제3온수회수유로는, 공기 열교환기(25)와 온수탱크(15)를 연결하여, 공기 열교환기(25)로부터 온수탱크(15)로 온수가 공급되도록할 수 있다.
제3온수공급유로는, 제1 및 제2 온수순환회로(313, 314)를 지칭할 수 있다. 제3온수회수유로는, 제3 및 제4 온수순환회로(315, 316)를 지칭할 수 있다.
따라서, 공기 열교환기(25)를 통하여 스택(20a, 20b)으로부터 배출되는 공기와 온수를 열교환시켜 공기의 폐열을 회수함으로써, 온수를 가열하고 연료전지 장치(1)의 열효율을 향상시킬 수 있다.
냉각수온도센서(420)는, 냉각수탱크(13)에 저장되는 냉각수의 온도를 감지할 수 있다. 냉각수온도센서(420)는, 스택(20a, 20b)의 냉각수 유입단 및 출입단에 각각 구비되어, 각각이 감지한 온도값의 평균값으로 냉각수의 온도를 산정하도록 할 수 있다.
온수온도센서(422)는, 온수탱크(15)에 저장되는 온수의 온도를 감지할 수 있다. 온수온도센서(422)는, 온수탱크(15)의 온수 유입단 및 출입단에 각각 구비되어, 각각이 감지한 온도값의 평균값으로 온수의 온도를 산정하도록 할 수 있다.
한편, 연료전지 장치(1)은, 적어도 하나의 제어부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 제어부는, 적어도 하나의 프로세서를 포함할 수 있다. 여기서, 프로세서는 CPU(central processing unit)과 같은 일반적인 프로세서일 수 있다. 물론, 프로세서는 ASIC과 같은 전용 장치(dedicated device)이거나 다른 하드웨어 기반의 프로세서일 수 있다.
제어부는, 연료전지 장치(1)의 동작 전반을 제어할 수 있다. 제어부는, 연료전지 장치(1)에 구비된 각 구성과 연결될 수 있고, 각 구성과 상호 간에 신호를 송신 및/또는 수신할 수 있다. 예를 들어, 제어부는, 연료전지 장치(1)에 구비된 각 구성(예를 들어, 냉각수온도센서(420), 온수온도센서(422))으로부터 수신되는 신호를 처리할 수 있고, 신호를 처리한 결과에 따른 제어 신호를 연료전지 장치(1)에 구비된 각 구성(예를 들어, 제1삼방밸브(402), 제2삼방밸브(406), 보일러(412), 냉각수펌프(43), 온수펌프(48), 온수배수밸브(414))에 송신할 수 있다.
이하, 도 1을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치(1)의 나머지 구성에 대해 설명한다.
연료밸브(30)는, 연료처리장치(10)에 공급되는 연료 가스가 유동하는 연료공급유로(101)에 배치될 수 있다. 연료밸브(30)의 개도 정도에 대응하여, 연료처리장치(10)에 공급되는 연료 가스의 유량이 조절될 수 있다. 예를 들어, 연료밸브(30)는, 연료처리장치(10)에 대한 연료 가스의 공급이 중단되도록, 연료공급유로(101)을 차단할 수 있다.
연료공급유로(101)에는, 연료공급유로(101) 내에 유동하는 연료 가스의 유량을 검출하는 제1 연료유량계(51)가 배치될 수 있다.
버너 에어블로워(71)는, 제1 외부공기유입유로(201) 및 연료측 공기공급유로(202)에 연결될 수 있다. 버너 에어블로워(71)는, 제1 외부공기유입유로(201)를 통해 외부에서 유입되는 공기를, 연료측 공기공급유로(202)를 통해 연료처리장치(10)로 유동시킬 수 있다.
연료측 공기공급유로(202)를 통해 연료처리장치(10)에 유입되는 공기는, 연료처리장치(10)의 버너(120)로 공급될 수 있다. 예를 들어, 연료처리장치(10)에 유입되는 공기는, 탈황기(110)에서 토출된 연료 가스와 제1 믹서(111)에서 혼합되어 버너(120)에 공급될 수 있다.
제1 외부공기유입유로(201)에는, 공기에 포함된 먼지 등의 이물질을 제거하는 공기필터(91) 및/또는 공기의 유동 방향을 제한하는 제1 공기측 체크밸브(81)가 배치될 수 있다.
연료처리부(I)는, 탈황기(110)에서 토출된 연료 가스가 개질기(140)로 유동하는 제1 내부가스유로(102)를 포함할 수 있다. 제1 내부가스유로(102)에는, 비례제어밸브(31), 개질기(140)로 유입되는 연료 가스의 유동을 조절하는 내부연료밸브(32), 내부가스유로(102) 내에 유동하는 연료 가스의 유량을 검출하는 제2 연료유량계(52), 내부가스유로(102) 내에 유동하는 연료 가스의 유동 방향을 제한하는 연료측 체크밸브(83), 및/또는 황검출장치(94)가 배치될 수 있다.
비례제어밸브(31)는, 탈황기(110)에서 토출되어 개질기(140)로 유동하는 연료 가스의 유량, 압력 등을, 전기제어 방식으로 내/외부 피드백을 통해 조절할 수 있다.
황검출장치(94)는, 탈황기(110)에서 토출된 연료 가스에 포함된 황을 검출할 수 있다. 황검출장치(94)는, 탈황기(110)의 흡착제에 의해 제거되지 않은 황 화합물에 반응하여 색이 변하는 지시제를 포함할 수 있다. 여기서, 지시제는, 페놀프탈레인(phenolphthalein), 몰리브덴 화합물 등을 포함할 수 있다.
연료처리부(I)는, 탈황기(110)에서 토출된 연료 가스가 버너(120)로 유동하는 제2 내부가스유로(103)를 포함할 수 있다. 버너(120)는, 제2 내부가스유로(103)를 통해 유입되는 연료 가스를 연소에 사용할 수 있다.
제1 내부가스유로(102)와 제2 내부가스유로(103)는, 서로 연통될수 있다.
연료처리장치(10)는, 냉각수탱크(13)에서 토출된 물이 유동하는 물공급유로(303)에 연결될 수 있다. 물공급유로(303)에는, 물펌프(38), 물의 유동을 조절하는 물공급밸브(39) 및/또는 물공급유로(303) 내에 유동하는 물의 유량을 검출하는 물유량계(54)가 배치될 수 있다.
제2 외부공기유입유로(203)에는, 공기의 유동 방향을 제한하는 제2 공기측 체크밸브(82)가 배치될 수 있다.
스택측 공기유입유로(204)에는, 스택측 공기유입유로(204) 내에 유동하는 공기의 유량을 검출하는 공기유량계(53)가 배치될 수 있다.
스택측 공기공급유로(205)에는, 스택(20)으로 공급되는 공기의 유동을 조절하는 스택측 공기공급밸브(36)가 배치될 수 있다.
공기배출유로(213)에는, 공기 수분제거장치(64)가 배치될 수 있다. 공기 수분제거장치(64)는, 외부로 배출되는 공기에 포함된 수분의 양을 조절할 수 있다. 공기 수분제거장치(64)로 유입된 공기는, 수분이 제거된 후 공기 수분제거장치(64)에서 토출될 수 있다.
공기 수분제거장치(64)에서 생성된 응축수는, 공기 수분제거장치(64)에서 토출되어 제4 물회수유로(312)를 통해 냉각수탱크(13)로 유동할 수 있다. 제4 물회수유로(312)에는, 물의 유동을 조절하는 제4 물회수밸브(47)가 배치될 수 있다.
스택가스공급유로(106)에는, 개질가스에 포함된 수분의 양을 조절하는 개질가스 수분제거장치(61)가 배치될 수 있다. 개질가스 수분제거장치(61)로 유입된 개질가스는, 수분이 제거된 후 개질가스 수분제거장치(61)에서 토출될 수 있다.
개질가스 수분제거장치(61)에서 생성된 응축수는, 개질가스 수분제거장치(61)에서 토출되어, 제1 물회수유로(309)로 유동할 수 있다. 제1 물회수유로(309)에는, 물의 유동을 조절하는 제1 물회수밸브(44)가 배치될 수 있다.
복수의 스택(20a. 20b)은, 가스연결유로(107)에 의해 서로 연결될 수 있다. 제1 스택(20a)에서 반응하지 않고 토출되는 개질 가스는, 가스연결유로(107)를 통해 제2 스택(20b)으로 유입될 수 있다.
가스연결유로(107)에는, 개질가스가 제1 스택(20a)을 통과하는 동안 응축되어 생성된 물을 제거하는 추가수분제거장치(62)가 배치될 수 있다.
추가수분제거장치(62)에서 생성된 물은, 추가수분제거장치(62)에서 토출되어, 제2 물회수유로(310)로 유동할 수 있다. 제2 물회수유로(310)에는, 물의 유동을 조절하는 제2 물회수밸브(45)가 배치될 수 있다. 제2 물회수유로(310)는, 제1 냉각수탱크(13)에 연결될 수 있다.
제1 온수순환회로(313)에는, 온수탱크(15)에 저장된 온수를 AOG 열교환기(22)로 유동시키는 온수펌프(48) 및/또는 제1 온수순환회로(313) 내에 유동하는 온수의 유량을 검출하는 온수유량계(55)가 배치될 수 있다.
AOG공급유로(109)에는, 양극배출가스(AOG)에 포함된 수분의 양을 조절하는 AOG 수분제거장치(63) 및/또는 연료처리장치(10)로 공급되는 양극배출가스(AOG)의 유동을 조절하는 AOG밸브(35)가 배치될 수 있다. AOG 수분제거장치(63)로 유입된 양극배출가스(AOG)는, 수분이 제거된 후 AOG 수분제거장치(63)에서 토출될 수 있다.
AOG 수분제거장치(63)에서 생성된 응축수는, AOG 수분제거장치(63)에서 토출되어, 제3 물회수유로(311)를 통해 유동할 수 있다. 제3 물회수유로(311)에는, 물의 유동을 조절하는 제3 물회수밸브(46)가 배치될 수 있다. 제3 물회수유로(311)는, 냉각수탱크(13)에 연결될 수 있다.
냉각수탱크(13)는, 물유입유로(301)에 연결될 수 있고, 물유입유로(301)를 통해 공급되는 물을 저장할 수 있다. 물유입유로(301)에는, 외부에서 공급되는 물에 포함된 이물질을 제거하는 제1 액체필터(92) 및/또는 냉각수탱크(13)에 유입되는 물의 유동을 조절하는 물유입밸브(41)가 배치될 수 있다.
냉각수탱크(13)는, 물배출유로(302)에 연결될 수 있고, 물배출유로(302)를 통해 냉각수탱크(13)에 저장된 물 중 적어도 일부를 외부로 배출할 수 있다. 물배출유로(302)에는, 냉각수탱크(13)에서 배출되는 물의 유동을 조절하는 물배출밸브(42)가 배치될 수 있다.
수분제거장치(61, 62, 63, 64)에서 토출되는 냉각수는 냉각수탱크(13)로 회수될 수 있다.
예를 들어, 개질가스 수분제거장치(61)에서 토출되는 냉각수는 제1 물회수유로(309)를 통해 냉각수탱크(13)로 회수될 수 있다. 이때, 제1 물회수유로(309)에는 제1 물회수밸브(44)가 배치되어 회수되는 냉각수의 유량을 조절할 수 있다.
예를 들어, 추가수분제거장치(62)에서 토출되는 냉각수는 제2 물회수유로(310)를 통해 냉각수탱크(13)로 회수될 수 있다. 이때, 제2 물회수유로(310)에는 제2 물회수밸브(45)가 배치되어 회수되는 냉각수의 유량을 조절할 수 있다.
예를 들어, AOG 수분제거장치(63)에서 토출되는 냉각수는 제3 물회수유로(311)를 통해 냉각수탱크(13)로 회수될 수 있다. 이때, 제3 물회수유로(311)에는 제3 물회수밸브(46)가 배치되어 회수되는 냉각수의 유량을 조절할 수 있다.
예를 들어, 공기 수분제거장치(64)에서 토출되는 냉각수는 제4 물회수유로(312)를 통해 냉각수탱크(13)로 회수될 수 있다. 이때, 제4 물회수유로(312)에는 제4 물회수밸브(47)가 배치되어 회수되는 냉각수의 유량을 조절할 수 있다.
이하, 도 2를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 연료처리장치의 나머지 구성에 대해 설명한다.
탈황기(110)는, 연료 가스에 포함된 황 화합물을 제거하는 탈황공정을 수행할 수 있다. 예를 들어, 탈황기(110)는 내부에 흡착제를 구비할 수 있다. 이때, 탈황기(110)의 내부를 통과하는 연료 가스에 포함된 황 화합물이 흡착제에 흡착될 수 있다.
흡착제는, 금속 산화물, 제올라이트(Zeolite), 활성탄소(activated carbon) 등으로 구성될 수 있다.
탈황기(110)는, 연료 가스에 포함된 이물질을 제거하는 필터를 더 포함할 수 있다.
증기발생기(130)는, 물을 기화시켜 수증기로 배출할 수 있다. 예를 들어, 증기발생기(130)는, 버너(120)에서 생성되는 배기가스, 제1 반응기(150) 및/또는 제2 반응기(160)로부터 열을 흡수하여, 물을 기화시킬 수 있다.
증기발생기(130)는, 제1 반응기(150), 제2 반응기(160) 및/또는 버너(120)에서 배출되는 배기가스가 유동하는 배관에 인접하여 배치될 수 있다.
제1 반응기(150)는, 개질기(140)에서 토출되는 가스에 포함된 성분 중, 개질 반응에 의해 생성되는 일산화탄소를 저감할 수 있다. 예를 들어, 개질기(140)에서 토출되는 가스에 포함된 일산화탄소가 제1 반응기(150) 내부에서 수증기와 반응하여, 이산화탄소와 수소가 생성될 수 있다. 이때, 제1 반응기(150)의 내부온도는, 개질기(140)의 내부온도보다 낮고, 상온보다 높은 온도(예: 200℃)일 수 있다.
제1 반응기(150)는, 쉬프트 반응기(shift reactor)로 명명될 수 있다.
제2 반응기(160)는, 제1 반응기(150)로부터 토출되는 가스에 포함된 성분 중, 잔존하는 일산화탄소를 저감할 수 있다. 예를 들어, 제1 반응기(150)에서 토출된 가스에 포함된 일산화탄소가 제2 반응기(160) 내부에서 산소와 반응하는 선택적 산화(preferential oxidation, PROX) 반응이 일어날 수 있다.
한편, 선택적 산화 반응의 경우, 다량의 산소가 필요하므로 공기의 추가 공급이 요구되며, 추가 공급된 공기에 의해 수소가 희석되어 스택에 공급되는 수소의 농도가 감소하는 단점이 있다. 따라서, 이러한 단점을 극복하기 위해, 일산화탄소와 수소가 반응하는 선택적 메탄화(selective methanation) 반응이 활용될 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치(1)의 냉각수 순환과 관련된 제어 방법에 관하여 설명하기에 앞서, 연료전지 장치(1)의 운전 모드에 대하여 설명한다.
연료전지 장치(1)가 가동을 개시하면, 버너 에어블로워(71)가 외부 공기를 흡입하여 버너(120)로 공급하고, 연료를 버너(120)로 공급하여, 버너(120)를 가동시켜 개질기(140)를 예열시키는 예열 운전 모드를 실행할 수 있다.
버너(120)는, 공급받은 연료와 공기를 연소시켜 개질기(140)를 가열할 수 있다. 연소된 배기가스는 배기가스토출유로(210)를 통해 외부로 배기될 수 있다. 배기가스토출유로(210)를 유동하는 배기가스는, 배기 열교환기(26)에서 온수와 열교환될 수 있다.
버너(120)로 공급되는 연료와 관련하여, 탈황기 및 믹서 등에 관한 설명은 상술한 바와 같으므로 서술을 생략한다.
제어부는, 예열 운전 모드 실행 중 개질기(140)의 내부 온도를 감지하는 온도센서(미도시)로부터 수신된 온도값이, 설정 개질기 온도값에 도달하였는지 판단할 수 있다.
이때, 설정 개질기 온도값이란, 개질기(140)에서 연료와 증기를 개질반응하여 개질가스를 생성하기에 적합한 온도로서, 제어부의 메모리에 미리 저장된 값일 수 있다.
개질기(140)의 내부 온도가 설정 개질기 온도값에 도달하면, 예열 운전 모드에서와 동일하게 버너(120)를 작동시키면서, 개질기(140)를 작동시켜 개질기(140)에서 생성되어 배출되는 개질가스를 버너(120)로 공급하는 개질 운전 모드를 실행할 수 있다.(S3)
개질기(140)로 연료 및 증기를 공급하고, 연료와 증기를 개질반응시켜 개질가스를 생성할 수 있다. 연료 및 증기와 관련하여, 탈황기, 믹서, 및 증기발생기 등에 관한 설명은 상술한 바와 같으므로 서술을 생략한다.
제어부는, 개질기(140)에서 생성되어 배출된 개질가스가 버너(120)로 공급되도록, 개질가스 밸브(33)가 폐쇄되고 개질가스 바이패스밸브(34)가 개방되도록 제어할 수 있다.
개질기(140)에서 생성되어 배출된 개질가스는, 개질가스토출유로(104) 및 개질가스바이패스유로(105)를 통하여 버너(120)로 공급될 수 있다. 버너(120)로 공급된 개질가스는 연소에 사용될 수 있다.
제어부는, 개질 운전 모드 실행 중 개질기(140)에서 생성되는 개질가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 감지하는 농도측정센서(미도시)로부터 수신된 농도값이, 설정 농도값에 도달하였는지 판단할 수 있다.
이때, 설정 농도값이란, 개질가스가 스택(20a,20b)으로 공급되어 전기화학반응을 일으키기에 적합한 일산화탄소 농도로서, 제어부의 메모리에 미리 저장된 값일 수 있다.
개질기(140)에서 생성되는 개질가스에 함유된 일산화탄소의 농도가 설정 농도값 이하이면, 개질가스를 스택(20a,20b)으로 공급하고, 스택 에어블로워(72)를 작동시켜 스택(20a,20b)으로 외부 공기를 공급하여, 전기에너지를 생성하는 발전 운전 모드를 실행할 수 있다.
제어부는, 개질기(140)에서 생성되어 배출된 개질가스가 스택(20a,20b)으로 공급되도록, 개질가스 밸브(33)가 개방되고 개질가스 바이패스밸브(34)가 폐쇄되도록 제어할 수 있다.
개질기(140)에서 생성되어 배출된 개질가스는, 개질가스토출유로(104)를 통하여 개질가스열교환기(21)로 공급될 수 있다. 개질가스열교환기(21)로 공급된 개질가스는, 제1냉각수순환유로(304,305)를 통해 개질가스열교환기(21)로 공급된 냉각수와 열교환될 수 있다.
냉각수와 열교환된 개질가스는, 스택가스공급유로(106)를 통해 스택(20a,20b)으로 공급될 수 있다. 개질가스와 열교환된 냉각수는, 스택물공급유로(305)를 통해 스택(20a,20b)으로 공급될 수 있다.
제어부는, 스택 에어블로워(72)를 작동하고, 스택측 공기공급밸브(36)를 개방하여 스택(20a,20b)으로 외부 공기를 공급할 수 있다. 스택 에어블로워(72)로 흡입된 공기는, 스택측 공기유입유로(204)를 통해 가습장치(23)로 공급될 수 있다. 가습장치(23)에서 수분을 공급받은 공기는, 스택측 공기공급유로(205)를 통해 스택(20a,20b)으로 공급될 수 있다. 스택측 공기유입유로(204)에 배치된 공기유량계(53)는, 스택(20a,20b)으로 공급되는 공기의 유량을 감지할 수 있다.
제어부는, 스택아웃밸브(37)를 개방하여 스택(20a,20b)으로부터 외부로 공기가 배기되도록 할 수 있다. 스택(20a,20b)으로 공급된 공기는 개질가스와 전기화학반응을 일으킨 다음, 스택측 공기토출유로(211)를 통해 가습장치(23)로 토출될 수 있다. 토출된 공기에 함유된 수분은, 가습장치(23)에서 흡수될 수 있다.
수분이 흡수된 공기는 가습장치토출유로(212)를 통해 공기열교환기(25)로 공급되어, 온수와 열교환될 수 있다. 공기열교환기(25)를 통과한 공기는 배기가스토출유로(210)로 공급되어, 배기가스와 함께 배기열교환기(26)로 공급될 수 있다. 배기열교환기(26)를 통과한 공기는 배기유로(213)를 통해 배기가스와 함께 외부로 배기될 수 있다.
스택(20a,20b)은, 공급된 개질가스와 공기를 전기화학반응시켜 전기에너지를 생성할 수 있다. 전기화학반응은 열과 수분의 생성을 수반하므로, 전기화학반응 결과 생성된 열과 물은 스택(20a,20b)으로 공급된 냉각수를 통해 배출될 수 있고, 생성된 수증기는 스택(20a,20b)으로부터 배출되는 공기와 함께 배기될 수 있다.
스택(20a,20b)에서 전기화학반응을 일으키지 못한 개질가스는 AOG로 배출될 수 있다.
스택에서 배출되는 AOG는, 스택가스토출유로(108)를 통해 AOG 열교환기(22)로 공급되어 온수와 열교환될 수 있다. 열교환된 AOG(22)는, AOG공급유로(109)를 통해 버너로 공급되어, 버너의 연료로 사용될 수 있다.
한편, 도 3 내지 도 4, 도 6 내지 도 8, 및 도 10 내지 도 13에는, 보일러(412), 온수펌프(48), 온수배수유로(416)의 활성화 여부가 도시되어 있으나, 이는 예시적인 것으로, 보일러(412), 온수펌프(48), 온수배수유로(416)의 활성화 여부는 연료전지 장치(1)의 운전 모드와 무관하게 결정될 수 있다.
예를 들어, 연료전지 장치(1)의 운전 모드와 무관하게 제어부는 보일러(412) 및/또는 온수펌프(48)를 제어함에 있어, 온수를 적정 온도까지 가열하기 위하여 작동시키거나, 또는 온수의 온도가 이미 적정 온도에 도달한 경우에는 이를 정지시킬 수 있다.
예를 들어, 사용자가 온수를 사용할 경우 제어부는 온수배수밸브(414)를 개방하여, 온수배수유로(416)를 통해 온수탱크(15) 내 온수가 외부로 배수될 수 있다.
한편, 스택(20a, 20b)의 전기화학반응이 가장 활성화되는 온도를 목표온도로 설정할 수 있다. 목표 온도는 예를 들어 '75도'일 수 있다. 또한, 목표 온도와 인접하여 정상 궤도의 온도로서 허용되는 목표온도범위가 설정될 수 있다. 예를 들어, 목표 온도가 '75도'일 경우, 목표온도범위는 '70도 ~ 80도'일 수 있고, 이때, 목표온도범위의 하한값은 '70도'가 된다. 연료전지 장치(1)의 냉각수 순환과 관련된 제어는, 스택(20a, 20b)의 온도를 목표온도범위에서 유지 및 관리하는 것을 목적으로 할 수 있다.
이하 도 3 내지 도 14를 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 장치(1)의 제어 방법, 특히 냉각수의 순환과 관련된 제어 방법에 관하여 설명한다.
연료전지 장치(1) 운전을 개시하면, 제어부는, 연료전지 장치(1)의 운전 모드를 판단한다(S1).
연료전지 장치(1)가 버너(120)로 개질기(140)를 목표온도까지 예열하는 단계(즉, 예열 운전 모드) 또는 개질기(140)에서 생성되는 개질가스의 일산화탄소 농도를 목표농도까지 저감하는 단계(즉, 개질 운전 모드)로 운전되고 있을 경우, 제어부는, 이에 대응되는 제어 단계(S2)에 진입할 수 있다. (도 5 참조)
예열 또는 개질 모드에서는, 발전 모드에 진입하기에 앞서 스택(20a, 20b)을 목표 온도로 예열할 필요가 있을 수 있다. 이에, 온수와 냉각수의 온도를 비교하여, 예를 들어, 보일러(412)의 작동 및/또는 온수펌프(48)의 작동에 의하여 온수가 배기 열교환기(26)로부터 폐열을 회수함으로써, 온수가 냉각수보다 온도가 높을 경우 등에만 온수 열교환기(410)를 작동시키는 제어를 수반할 수 있다.
따라서, 먼저 제어부는, 온수온도센서(422)가 감지한 온수의 온도와 냉각수온도센서(420)가 감지한 냉각수의 온도를 비교할 수 있다.(S21)
냉각수 온도가 온수 온도 이상일 경우, 온수 열교환기(410)를 작동시키더라도 냉각수가 가열되지 않으므로, 냉각수를 순환시키지 않는 S22에 진입할 수 있다. (도 3 참조)
이때 제어부는, 냉각수펌프(43)를 정지(또는 정지된 상태를 유지)시킬 수 있다.(S221). 또한 제어부는, 밸브를 초기 상태로 절환하는 S222 내지 S224를 추가로 실행할 수도 있다.
즉, 제어부는, 제1-1삼방밸브(402a)를 바이패스측으로 절환 (또는 절환된 위치를 유지)할 수 있고(S222), 제1-2삼방밸브(402b)를 바이패스측으로 절환 (또는 절환된 위치를 유지)할 수 있고(S223), 제2삼방밸브(406)를 바이패스측으로 절환 (또는 절환된 위치를 유지)할 수 있다(S224).
S22에서는 S23에 진입하기 위해, 온수펌프(48)를 작동시켜 배기 열교환기(26)로부터 폐열을 회수하고, 및/또는 보일러(412)를 작동하여 온수를 가열할 수 있다.
반면, 냉각수 온도가 온수 온도 미만일 경우, 온수 열교환기(410)를 작동시켜 냉각수를 가열하는 S23에 진입할 수 있다. (도 4 참조)
이때 제어부는, 냉각수펌프(43)를 작동 (또는 작동 유지)시키고(S231), 제1-1삼방밸브(402a)를 바이패스측으로 절환 (또는 절환된 위치를 유지)시킬 수 있고(S232), 제1-2삼방밸브(402b)를 바이패스측으로 절환 (또는 절환된 위치를 유지)시킬 수 있고(S233), 제2삼방밸브(406)를 온수 열교환기(410)측으로 절환 (또는 절환된 위치를 유지)시킨다(S234).
이에 따라, 제1바이패스유로(400)가 개방되고 냉각수 순환에 있어 냉각수탱크(13)가 완전히 배제되어, 냉각수의 열용량이 하강하고, 온수 열교환기(410)를 경유하여 온수로부터 열을 전달받게 되어, 순환하는 냉각수의 온도가 목표온도범위까지 상승할 수 있다. 따라서, 예열 모드 또는 개질 모드에서 스택을 효율적으로 예열하여 발전 성능을 향상시킬 수 있다.
제어부는, S22 내지 S23 단계를 실행한 뒤, 소정의 제어 주기시간이 경과하면 다시 S1으로 진입할 수 있다.
한편, 제어부는, S1에서 연료전지 장치(1)가 스택(20a, 20b)으로 개질가스가 공급되어 스택(20a, 20b)이 전기에너지를 생성하는 단계(즉, 발전 운전 모드)로 운전되고 있을 경우, 이에 대응되는 제어 단계(S3)에 진입할 수 있다.
이때, 제어부는, 스택(20a, 20b)의 발전량이 설정된 목표발전량 이상인지 판단할 수 있다.(S31)
스택(20a, 20b)의 목표발전량이란, 연료전지 장치(1)가 생산할 것으로 요구되는 최종적인 발전량으로, 사용자에 의하여 미리 제어부에 설정된 값일 수 있다.
스택(20a, 20b)의 발전량이 목표발전량 미만인 경우(즉, 일반적으로 발전 모드의 초기인 경우), 냉각수탱크(13)의 개입 여부를 조절하여 냉각수의 온도를 목표온도범위로 진입시키는 제어를 수반하는 S32에 진입할 수 있다. (도 9 참조)
냉각수의 목표 온도는 운전 환경에 따라 상이할 수 있으나 일반적으로 75도일 수 있고, 온수탱크(15) 내 온수의 목표 온도는 사용처에 따라 상이하나, 일반적으로 화장실,목욕탕 등에서 요구되는 온수 온도는 40도 안팎이다. 따라서, 예열 및 개질 모드 동안 가열된 뒤 발전 모드에 진입한 때의 냉각수의 온도는, 일반적으로 온수탱크(15)에 저장된 온수의 온도보다 높을 수 있다. 따라서, 발전 모드 초기의 제어 단계(S32)는, 온수 열교환기(410)측으로 폐열 공급을 하지 않도록 제2삼방밸브(406)를 바이패스측으로 절환하는 제어를 수반할 수 있다.
제어부는, S32에 진입하면 냉각수온도센서(420)가 감지한 냉각수의 온도가 냉각수 온도가 목표온도범위 내인지 판단할 수 있다.(S321)
예열 또는 개질 모드간에 냉각수의 가열이 충분치 않았거나, 운전 환경에 따라 목표온도범위에 도달하였던 냉각수의 온도가 다시 목표온도범위 미만으로 하강할 수 있다. 냉각수온도센서(420)가 감지한 냉각수의 온도가 목표온도범위보다 낮으면, 냉각수 온도를 목표온도범위까지 상승시키기위해 냉각수탱크(13)를 배제시키는 S322에 진입할 수 있다. (도 6 참조)
제어부는 냉각수펌프(43)를 작동(또는 작동 유지)시킬 수 있고(S3221), 제1-1삼방밸브(402a) 및 제1-2삼방밸브(402b)를 바이패스측으로 절환 (또는 절환된 위치를 유지)할 수 있고(S3222)(S3223), 제2삼방밸브(406)를 바이패스측으로 절환 (또는 절환된 위치를 유지) 할 수 있다(S3224).
이에 따라, 제1바이패스유로(400)가 개방되고 냉각수 순환에 있어 냉각수탱크(13)가 완전히 배제되어, 냉각수의 열용량이 하강하여, 스택(20a, 20b) 및 개질가스 열교환기(21)를 경유하여 폐열을 회수하며 순환하는 냉각수의 온도가 빠르게 목표온도범위까지 상승할 수 있다. 따라서, 발전 모드에서 냉각수의 온도가 목표온도범위보다 낮을 경우, 냉각수의 온도가 목표온도범위로 빠르게 상승할 수 있도록하고 스택(20a, 20b)의 발전 성능을 향상시킬 수 있다.
냉각수온도센서(420)가 감지한 냉각수의 온도가 목표온도범위 내이면, 냉각수의 온도를 목표온도범위 내에서 유지하기 위해 냉각수탱크(13)를 적절히 개입시키는 S323에 진입할 수 있다. (도 7 참조)
제어부는 냉각수펌프(43)를 작동(또는 작동 유지)시킬 수 있고(S3231), 제1-1삼방밸브(402a) 및 제1-2삼방밸브(402b)를 냉각수탱크(13)측으로 소정량 개도 (또는 소정의 개도량을 유지)할 수 있고(S3232)(S3233), 제2삼방밸브(406)를 바이패스측으로 절환 (또는 절환된 위치를 유지) 할 수 있다(S3234).
이때, 제1삼방밸브(402)가 개도되는 소정량은, 실험을 바탕으로 현재 냉각수 온도값에 따라 설정된 룩업테이블(Look-up Table) 값일 수 있다. 예를 들어, 냉각수 온도가 목표온도범위의 상한값에 가까워질수록 소정량값은 커질 수 있고, 냉각수 온도가 목표온도범위의 하한값에 가까워질수록 소정량값은 작아질 수 있다.
이에 따라, 냉각수 순환에 있어 냉각수탱크(13)가 적절한 정도로 개입되어, 냉각수의 열용량이 제1삼방밸브(402)의 개도량에 따라 조절되어, 스택(20a, 20b) 및 개질가스 열교환기(21)를 경유하며 폐열을 회수하더라도 순환하는 냉각수의 온도가 목표온도범위에서 유지될 수 있다. 따라서, 발전 모드에서 냉각수의 온도가 목표온도범위 내일 경우, 냉각수의 온도가 목표온도범위 내에서 유지되도록하고 스택(20a, 20b)의 발전 성능을 향상시킬 수 있다.
S32에서라도, 운전 환경, 스택(20a, 20b), 개질가스 열교환기(21)에서 회수되는 폐열에 따라 냉각수 온도가 목표온도범위를 초과할 수도 있다. 냉각수온도센서(420)가 감지한 냉각수의 온도가 목표온도범위보다 높으면, 냉각수 온도를 목표온도범위까지 낮추기 위해 냉각수탱크(13)를 완전히 개입시키는 S324에 진입할 수 있다. (도 8 참조)
제어부는 냉각수펌프(43)를 작동(또는 작동 유지)시킬 수 있고(S3241), 제1-1삼방밸브(402a) 및 제1-2삼방밸브(402b)를 냉각수탱크(13)측으로 절환(또는 절환된 위치를 유지)할 수 있고(S3242)(S3243), 제2삼방밸브(406)를 바이패스측으로 절환 (또는 절환된 위치를 유지)할 수 있다(S3244).
이에 따라, 제1바이패스유로(400)가 폐쇄되고 냉각수 순환에 있어 냉각수탱크(13)가 완전히 개입하게 되어, 냉각수의 열용량이 상승하고, 냉각수탱크(13)에 저장되어 있던 저온의 냉각수가 순환에 합류되면서 순환하는 냉각수의 온도가 목표온도범위까지 하강할 수 있다. 따라서, 발전 모드에서 냉각수의 온도가 목표온도범위보다 높을 경우, 냉각수의 온도가 목표온도범위까지 하강하도록하고 스택(20a, 20b)의 발전 성능을 향상시킬 수 있다.
제어부는, S322 내지 S324 단계를 실행한 뒤, 소정의 제어 주기시간이 경과하면 다시 S31으로 진입할 수 있다.
제어부는, 스택(20a, 20b)의 발전량이 목표발전량 이상인 경우(즉, 일반적으로 발전 모드 중기인 경우), 온수탱크(15)로 폐열을 공급하며 냉각수탱크(13)의 개입 여부를 조절하여 냉각수의 온도를 조절하는 제어를 수반하는 S33에 진입할 수 있다. (도 14 참조)
스택(20a, 20b)의 발전량이 목표발전량에 도달한 발전 모드 중기에서는 일반적으로, 일반적으로 냉각수의 온도가 온수의 온도보다 높음에도, 스택(20a, 20b)의 발열량이 상승함에 따라 스택(20a, 20b)이 과열되지 않도록 온수 열교환기(410)측으로 폐열을 공급할 필요가 있다. 따라서, 발전 모드 중기의 제어 단계(S33)에서는, 온수 열교환기(410)측으로 폐열을 공급하도록 제2삼방밸브(406)를 온수 열교환기(410)측으로 절환하거나, 소정량 개도하는 제어를 수반할 수 있다.
따라서, 발전 모드에서 스택(20a, 20b)의 발전량이 목표발전량에 도달한 정상 상태인지 여부, 즉, 스택(20a, 20b)이 발전에 의하여 발산하는 폐열량이 충분한지를 고려하여, 스택(20a, 20b)의 폐열을 흡수한 냉각수가 온수탱크(15)로 당해 폐열을 공급할지 여부를 제어함으로써, 냉각수가 스택(20a, 20b)의 폐열에 의하여 과열되는 것을 방지하고, 스택(20a, 20b)의 폐열이 충분치 않음에도 냉각수가 온수탱크(15)로 폐열을 공급하여 과냉각되는 것을 방지하여, 냉각수의 온도를 정교하게 관리할 수 있다.
S33에 진입한 경우, 제어부는 냉각수 온도가 목표온도범위 내인지 판단할 수 있다.(S331)
운전 환경, 온수탱크(15)로 공급되는 폐열이 과도하게 많아지는 등의 요인에 따라, 냉각수의 온도가 목표온도범위보다 낮아질 수 있다. 냉각수의 온도가 목표온도범위 미만이면, 냉각수 온도를 목표온도범위까지 상승시키기 위해 냉각수탱크(13)를 완전히 배제시키는 S332에 진입할 수 있다.
먼저, 제어부는 냉각수펌프(43)를 작동(또는 작동 유지)시킬 수 있고(S3321), 제1-1삼방밸브(402a) 및 제1-2삼방밸브(402b)를 바이패스측으로 절환(또는 절환된 위치를 유지)할 수 있다(S3322)(S3323).
이에 따라, 제1바이패스유로(400)가 개방되고 냉각수 순환에 있어 냉각수탱크(13)가 완전히 배제되어, 냉각수의 열용량이 하강하여, 스택(20a, 20b) 및 개질가스 열교환기(21)를 경유하여 폐열을 회수하며 순환하는 냉각수의 온도가 목표온도범위까지 상승할 수 있다.
나아가 제어부는, 냉각수온도센서(420)가 감지한 냉각수의 온도와 목표온도범위의 하한값을 뺀 값이 소정차이값(D) 이하인지 판단할 수 있다.(S3324)
이때, 소정차이값(D)이란, 냉각수 온도가 목표온도범위의 하한값보다 과도하게 낮다고 판단되는 임계값을 정의하는 값으로, 예를 들어 '-5도'일 수 있다. 이 경우, 목표온도범위가 '70도 ~ 80도'라면, '65도 < 냉각수 온도 < 70도'일 경우 냉각수 온도가 목표온도범위의 하한값보다 과도하게 낮지는 않은 것으로 판단하여 온수 열교환기(410)측으로 폐열 공급을 온전히 유지하도록 하고, '냉각수 온도 =< 65도'일 경우 냉각수 온도가 목표온도범위의 하한값보다 과도하게 낮은 것으로 판단하여 온수 열교환기(410)측으로 공급되는 폐열을 일부 제한하여 냉각수의 온도 상승을 도모하도록 한다.
냉각수의 온도가 목표온도범위보다 과도하게 낮은 경우, 즉, 냉각수온도센서(420)가 감지한 냉각수의 온도와 목표온도범위의 하한값의 차이가 소정차이값(D) 외(즉, 냉각수 온도 - 목표온도범위 하한값 =< D)이면,, 냉각수 온도를 빠르게 목표온도범위까지 상승시키기 위해 온수탱크(15)로 공급되는 폐열이 저감되도록, 제2삼방밸브(406)를 온수 열교환기(410)측으로 소정량 개도(또는 소정 개도량을 유지)하는 S3325a에 진입한다. (도 13 참조)
이때, 제2삼방밸브(406)가 개도되는 소정량은, 실험을 바탕으로 현재 냉각수 온도와 목표온도범위 하한값의 차이값에 따라 설정된 룩업테이블(Look-up Table) 값일 수 있다. 예를 들어, 냉각수 온도와 목표온도범위 하한값의 차이값이 소정차이값과 멀어질수록 소정량값은 낮아질 수 있다.
냉각수의 온도가 목표온도범위보다 과도하게 낮은 경우는 아니라면, 즉, 냉각수온도센서(420)가 감지한 냉각수의 온도와 목표온도범위의 하한값의 차이가 소정차이값(D) 내(즉, 냉각수 온도 - 목표온도범위 하한값 > D)이면, 온수탱크(15)로 온전히 폐열이 공급되도록, 제2삼방밸브(406)를 온수 열교환기(410)측으로 절환(또는 절환된 위치를 유지)하는 S3325b에 진입할 수 있다. (도 12 참조)
따라서, 발전 모드 중 스택(20a, 20b)의 발전량이 목표발전량에 도달한 정상 상태이더라도 냉각수 온도가 목표온도범위보다 과도하게 낮을 경우에는, 제2삼방밸브(406)의 온수 열교환기(410)측 개도량을 감소시켜 냉각수가 온수탱크(15)로 공급하는 폐열량을 저감함으로써 냉각수의 온도가 목표온도범위로 빠르게 상승하도록 할 수 있다.
S331에서 냉각수의 온도가 목표온도범위 내이면, 냉각수의 온도를 목표온도범위 내에서 유지하기 위해 냉각수탱크(13)를 적절히 개입시키는 S333에 진입할 수 있다. (도 11 참조)
먼저, 제어부는 냉각수펌프(43)를 작동(또는 작동 유지)시킬 수 있고(S3331), 제1-1삼방밸브(402a) 및 제1-2삼방밸브(402b)를 냉각수탱크(13)측으로 소정량 개도 (또는 소정의 개도량을 유지)할 수 있고(S3332)(S3333), 제2삼방밸브(406)를 온수 열교환기(410)측으로 절환 (또는 절환된 위치를 유지) 할 수 있다(S3334).
이때, 제1삼방밸브(402)가 개도되는 소정량은 상술한 바와 동일하다.
이에 따라, 냉각수 순환에 있어 냉각수탱크(13)가 적절한 정도로 개입되어, 냉각수의 열용량이 제1삼방밸브(402)의 개도량에 따라 조절되어, 스택(20a, 20b) 및 개질가스 열교환기(21)를 경유하며 폐열을 회수하더라도 순환하는 냉각수의 온도가 목표온도범위에서 유지될 수 있다.
스택(20a, 20b), 개질가스 열교환기(21)에서 회수되는 폐열이 과도하거나, 회수되는 폐열이 지속적으로 냉각수에 누적되면, 냉각수의 온도가 목표온도범위를 초과할 수 있다. S331에서 냉각수의 온도가 목표온도범위 초과이면, 냉각수 온도를 목표온도범위까지 낮추기 위해 냉각수탱크(13)를 완전히 개입시키는 S334에 진입할 수 있다. (도 10 참조)
먼저, 제어부는 냉각수펌프(43)를 작동(또는 작동 유지)시킬 수 있고(S3341), 제1-1삼방밸브(402a) 및 제1-2삼방밸브(402b)를 냉각수탱크(13)측으로 절환(또는 절환된 위치를 유지)할 수 있고(S3342)(S3343), 제2삼방밸브(406)를 온수 열교환기(410)측으로 절환 (또는 절환된 위치를 유지)할 수 있다(S3344).
이에 따라, 제1바이패스유로(400)가 폐쇄되고 냉각수 순환에 있어 냉각수탱크(13)가 완전히 개입하게 되어, 냉각수의 열용량이 상승하고, 냉각수탱크(13)에 저장되어 있던 저온의 냉각수가 순환에 합류되어 순환하는 냉각수의 온도가 낮아지고, 냉각수가 온수탱크(15)에 폐열을 공급함에 따라, 냉각수의 온도가 목표온도범위까지 하강할 수 있다.
제어부는, S332 내지 S334 단계를 실행한 뒤, 소정의 제어 주기시간이 경과하면 다시 S31으로 진입할 수 있다.
첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
마찬가지로, 특정한 순서로 도면에서 동작들을 묘사하고 있지만, 이는 바람직한 결과를 얻기 위하여 도시된 그 특정한 순서나 순차적인 순서대로 그러한 동작들을 수행하여야 한다거나, 모든 도시된 동작들이 수행되어야 하는 것으로 이해되어서는 안 될 수 있다. 특정한 경우, 멀티태스킹과 병렬 프로세싱이 유리할 수 있다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.

Claims (19)

  1. 수소와 산소를 전기화학반응시켜 전기에너지를 생성하는 스택;
    상기 스택으로 공급되는 냉각수가 저장되는 냉각수탱크;
    외부로 공급되는 온수가 저장되는 온수탱크;
    상기 냉각수탱크에 저장되는 냉각수를 상기 온수탱크에 저장되는 온수와 열교환시키는 온수 열교환기;
    상기 냉각수탱크로부터 상기 스택으로 냉각수를 공급하는 제1냉각수순환유로;
    상기 스택으로부터 상기 온수 열교환기로 냉각수를 공급하는 제2냉각수순환유로;
    상기 온수 열교환기로부터 상기 냉각수탱크로 냉각수를 공급하는 제3냉각수순환유로;
    상기 제3냉각수순환유로로부터 분지되어 상기 제1냉각수순환유로로 합지되는 제1바이패스유로; 및
    상기 제1바이패스유로 단부에 배치되고 상기 제3냉각수순환유로를 유동하는 냉각수가 상기 냉각수탱크로 선택적으로 공급되도록하는 제1삼방밸브를 포함하는 연료전지 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1삼방밸브는,
    상기 제1바이패스유로가 상기 제3냉각수순환유로로부터 분지되는 부위에 배치되는 제1-1삼방밸브를 포함하는 연료전지 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1삼방밸브는,
    상기 제1바이패스유로가 상기 제1냉각수순환유로로 합지되는 부위에 배치되는 제1-2삼방밸브를 포함하는 연료전지 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 온수 열교환기는,
    상기 온수탱크 내부에 배치되는 연료전지 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지 장치는,
    상기 온수탱크를 가열하는 보일러를 더 포함하는 연료전지 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지 장치는,
    연료를 개질하여 개질가스를 생성하는 개질기;
    상기 개질기로부터 상기 스택으로 상기 개질가스를 공급하는 개질가스공급유로; 및
    상기 개질기를 가열하는 버너를 더 포함하는 연료전지 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 연료전지 장치는,
    상기 개질가스공급유로를 유동하는 개질가스와 상기 제1냉각수순환유로를 유동하는 냉각수를 열교환시키는 개질가스 열교환기를 더 포함하는 연료전지 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 연료전지 장치는,
    상기 버너로부터 배출되는 배기가스와 상기 온수탱크로부터 공급되는 온수를 열교환시키는 배기 열교환기;
    상기 온수탱크로부터 상기 배기 열교환기로 온수가 공급되도록하는 제1온수공급유로; 및
    상기 배기 열교환기로부터 상기 온수탱크로 온수가 공급되도록하는 제1온수회수유로를 더 포함하는 연료전지 장치.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 연료전지 장치는,
    상기 스택으로부터 배출되는 가스를 상기 버너로 공급하는 스택버너유로;
    상기 스택버너유로를 유동하는 가스와 상기 온수탱크로부터 공급되는 온수를 열교환시키는 AOG 열교환기;
    상기 온수탱크로부터 상기 AOG 열교환기로 온수가 공급되도록하는 제2온수공급유로; 및
    상기 AOG 열교환기로부터 상기 온수탱크로 온수가 공급되도록하는 제2온수회수유로를 더 포함하는 연료전지 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지 장치는,
    공기를 흡입하여 상기 스택으로 공급하는 스택 에어블로워;
    상기 스택으로부터 배출되는 공기와 상기 온수탱크로부터 공급되는 온수를 열교환시키는 공기 열교환기;
    상기 온수탱크로부터 상기 공기 열교환기로 온수가 공급되도록하는 제3온수공급유로; 및
    상기 공기 열교환기로부터 상기 온수탱크로 온수가 공급되도록하는 제3온수회수유로를 더 포함하는 연료전지 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지 장치는,
    상기 제2냉각수순환유로로부터 분지되어 상기 제3냉각수순환유로로 합지되는 제2바이패스유로; 및
    상기 제2바이패스유로 단부에 배치되고 제2냉각수순환유로를 유동하는 냉각수가 상기 온수 열교환기로 선택적으로 공급되도록하는 제2삼방밸브를 더 포함하는 연료전지 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제2삼방밸브는,
    상기 제3냉각수순환유로 중 상기 제2바이패스유로가 합지되는 부위에 배치되는 연료전지 장치.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 연료전지 장치는,
    상기 냉각수탱크에 저장되는 냉각수의 온도를 감지하는 냉각수온도센서; 및
    상기 냉각수탱크에 저장된 냉각수가 상기 제1 내지 제3냉각수순환유로를 유동하도록 음압을 형성하는 냉각수펌프를 더 포함하는 연료전지 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 연료전지 장치는,
    상기 온수탱크에 저장되는 온수의 온도를 감지하는 온수온도센서; 및
    상기 버너로 상기 개질기를 목표온도까지 예열하는 단계 또는 상기 개질기에서 생성되는 개질가스의 일산화탄소 농도를 목표농도까지 저감하는 단계에서, 상기 온수온도센서가 감지한 온수의 온도가 상기 냉각수온도센서가 감지한 냉각수의 온도 이하이면, 상기 냉각수펌프를 정지하고, 상기 온수온도센서가 감지한 온수의 온도가 상기 냉각수온도센서가 감지한 냉각수의 온도 초과이면, 상기 냉각수펌프를 작동하고 상기 제1삼방밸브를 바이패스측으로 절환하고 상기 제2삼방밸브를 온수 열교환기측으로 절환하는 제어부를 더 포함하는 연료전지 장치.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 연료전지 장치는,
    상기 스택으로 개질가스가 공급되어 상기 스택이 전기에너지를 생성하는 단계에서, 상기 냉각수온도센서가 감지한 냉각수의 온도가 목표온도범위 내이면, 상기 냉각수펌프를 작동하고 상기 제1삼방밸브를 상기 냉각수탱크측으로 소정량 개도하는 제어부를 더 포함하는 연료전지 장치.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 연료전지 장치는,
    상기 스택으로 개질가스가 공급되어 상기 스택이 전기에너지를 생성하는 단계에서, 상기 냉각수온도센서가 감지한 냉각수의 온도가 목표온도범위보다 낮으면, 상기 냉각수펌프를 작동하고 상기 제1삼방밸브를 바이패스측으로 절환하는 제어부를 더 포함하는 연료전지 장치.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 연료전지 장치는,
    상기 스택으로 개질가스가 공급되어 상기 스택이 전기에너지를 생성하는 단계에서, 상기 냉각수온도센서가 감지한 냉각수의 온도가 목표온도범위보다 높으면, 상기 냉각수펌프를 작동하고 상기 제1삼방밸브를 상기 냉각수탱크측으로 절환하는 제어부를 더 포함하는 연료전지 장치.
  18. 상기 제15항 또는 제17항 중 어느 하나에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 스택이 생성하는 전기에너지량이 목표발전량 미만이면, 상기 제2삼방밸브를 바이패스측으로 절환하고, 상기 스택이 생성하는 전기에너지량이 목표발전량 이상이면, 상기 제2삼방밸브를 상기 온수 열교환기측으로 절환하는 연료전지 장치.
  19. 상기 제16항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 스택이 생성하는 전기에너지량이 목표발전량 미만이면, 상기 제2삼방밸브를 바이패스측으로 절환하고, 상기 스택이 생성하는 전기에너지량이 목표발전량 이상이고 상기 냉각수온도센서가 감지한 냉각수의 온도와 상기 목표온도범위의 하한값의 차이가 소정차이값 내이면, 상기 제2삼방밸브를 상기 온수 열교환기측으로 절환하고, 상기 스택이 생성하는 전기에너지량이 목표발전량 이상이고 상기 냉각수온도센서가 감지한 냉각수의 온도와 상기 목표온도범위의 하한값의 차이가 소정차이값 외이면, 상기 제2삼방밸브를 상기 온수 열교환기측으로 소정량 개도하는 연료전지 장치.
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