KR20150052674A - Fuel cell system - Google Patents

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KR20150052674A
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김병준
김수택
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포스코에너지 주식회사
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Abstract

The present invention relates to a fuel cell system. More particularly, the fuel cell system according to the present invention comprises: an oxygen supply unit which supplies oxygen; a fuel supply unit which supplies fuel; a reformer which reforms the fuel; a moisture supply unit which supplies moisture to the reformer; a fuel cell stack module which generates power by the reaction of the reformed fuel; and a heat exchanger. The heat exchanger is configured to transfer heat generated by the fuel cell stack module to the moisture supplied from the moisture supply unit.

Description

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

본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 본 발명에 의한 연료 전지 시스템은, 산소를 공급하는 산소 공급 장치; 연료를 공급하는 연료 공급 장치; 연료를 개질하는 개질기; 상기 개질기에 수분을 공급하는 수분 공급 장치; 개질된 연료가 반응하여 전력을 생산하는 연료 전지 스택 모듈; 및 열교환기;를 포함하며, 상기 열교환기는, 상기 연료 전지 스택 모듈에서 생성된 열을 상기 수분 공급 장치에서 공급되는 수분에 전달하게 구성된다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly, a fuel cell system according to the present invention includes an oxygen supply device for supplying oxygen; A fuel supply device for supplying fuel; A reformer for reforming the fuel; A water supply device for supplying moisture to the reformer; A fuel cell stack module in which the reformed fuel reacts to produce electric power; And the heat exchanger is configured to transfer heat generated in the fuel cell stack module to moisture supplied from the water supply device.

연료 전지는 탄화수소 연료에 저장된 화학에너지를 전자화학적 반응에 의해 전기에너지로 직접 변환하는 장치이다. 일반적으로, 연료 전지는 전기적으로 충전된 이온을 도전시키는 전해질에 의해 분리되는 애노드 극 및 캐소드 극을 포함한다. 용융 탄산염 연료 전지는 이산화탄소를 포함하는 가스를 산화시킬 동안 애노드 극을 통해 반응물 연료가스를 통과함으로써 작동되며, 산소는 캐소드 극을 통과한다.Fuel cells are devices that convert chemical energy stored in hydrocarbon fuels directly into electrical energy by electrochemical reactions. Generally, a fuel cell includes an anode electrode and a cathode electrode separated by an electrolyte that conducts electrically charged ions. The molten carbonate fuel cell is operated by passing the reactant fuel gas through the anode electrode while oxidizing the gas containing carbon dioxide, and the oxygen passes through the cathode electrode.

상기 연료 전지에 공급되는 연료 가스는 애노드 극, 캐소드 극, 및 전해질로 구성되는 연료 전지 스택에서 적절히 반응할 수 있도록 연료 전지 스택에 공급되기 전에 소정의 개질 과정을 거치는 경우가 일반적이다. 이러한 개질 과정을 위해 소정의 개질기가 마련되며, 상기 개질기에서는 가습, 또는 예열 등의 개질이 이루어질 수 있다.The fuel gas supplied to the fuel cell generally undergoes a certain reforming process before being supplied to the fuel cell stack so as to be able to react properly in the fuel cell stack composed of the anode electrode, the cathode electrode, and the electrolyte. A predetermined reformer is provided for the reforming process, and the reformer may be modified such as humidification or preheating.

종래의 연료 전지의 경우, 상온의 물을 수처리 시스템을 거쳐서 개질에 활용한다. 이러한 형태의 개질의 경우, 개질에 필요한 온도를 얻기 위하여 연료 전지 시스템의 배열을 활용해 도시가스와 상온의 물을 섞어 열교환기를 거쳐서 내부 개질기에서 연료전지 작동에 필요한 수소를 얻는 방식을 사용한다.In the case of conventional fuel cells, water at room temperature is utilized for reforming through a water treatment system. In the case of this type of reforming, an arrangement of the fuel cell system is used to obtain the temperature required for reforming, and the hydrogen gas necessary for the operation of the fuel cell is obtained from the internal reformer through the heat exchanger by mixing the city gas and the water at room temperature.

열 교환기를 지난 시스템의 배기 가스는 외부로 방출되거나, 혹은 HRSG 에 다시 한번 열 교환을 거쳐서 스팀에 필요한 열량을 공급한 후 외부로 방출된다.The exhaust gas from the system passing through the heat exchanger is discharged to the outside or once again subjected to heat exchange to the HRSG to supply the necessary heat to the steam and then to the outside.

이러한 외부로 방출되는 배기가스의 온도는 100℃ 이상이며, 유량이 상당히 많아 양질의 열에너지를 동반한다.The temperature of the exhaust gas emitted to the outside is 100 ° C or more, and the flow rate is considerably large, and therefore, it is accompanied by good heat energy.

수처리 시스템의 경우 상온의 물이 가지고 있는 불순물을 제거하기 위해 설치된다. 수처리 시스템은 삼투압을 활용한 기술인 RO 를 2 단계로 구성하고, 내부 이온을 제거하기 위한 EDI 가 설치된다. 또한 필터로 수질을 시스템에 악영향이 없게 만드는 역할을 수행한다. In the case of a water treatment system, it is installed to remove impurities contained in water at room temperature. The water treatment system consists of two steps of RO, which utilizes osmotic pressure, and EDI is installed to remove internal ions. The filter also serves to make the water quality not adversely affect the system.

이러한 시스템은 매우 복잡하고 큰 면적을 차지하여 연료 전지 시스템 전체의 설치 비용을 증대시키며, 따라서 연료 전지 시스템에 의해서 생산되는 전기의 단가 상승의 요인으로 작용한다. 따라서, 이러한 수처리 시스템의 설치 비용을 절감시켜 연료 전지 시스템에서 생산되는 전기의 생산 단가를 절감시킬 수 있는 기술의 개발이 필요하다.Such a system is very complicated and occupies a large area, thereby increasing the installation cost of the entire fuel cell system, and thus contributing to a rise in the unit price of electricity produced by the fuel cell system. Therefore, there is a need to develop a technology capable of reducing the installation cost of the water treatment system and reducing the production cost of the electricity produced in the fuel cell system.

또한, 연료 전지 스택 모듈에서 생성되는 열의 활용율이 낮은 실정이며 현재로서는 HRU 로 스팀을 외부로 배출하고 있는 경우가 많다. 이러한 HRU 에서 배출되는 가스 또한 충분히 많은 열을 보유하고 있는 바, 이를 활용할 필요가 있다.In addition, the utilization rate of heat generated from the fuel cell stack module is low, and at present, the HRU often discharges steam to the outside. The gas emitted from these HRUs also has enough heat to be utilized.

공개특허 10-2012-0014840≪ RTI ID = 0.0 >

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명에 의한 연료 전지 시스템은, 산소를 공급하는 산소 공급 장치; 연료를 공급하는 연료 공급 장치; 연료를 개질하는 개질기; 상기 개질기에 수분을 공급하는 수분 공급 장치; 개질된 연료가 반응하여 전력을 생산하는 연료 전지 스택 모듈; 및 열교환기;를 포함하며, 상기 열교환기는, 상기 연료 전지 스택 모듈에서 생성된 열을 상기 수분 공급 장치에서 공급되는 수분에 전달하게 구성된다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been conceived to solve the above-described problems, and a fuel cell system according to the present invention includes: an oxygen supply device for supplying oxygen; A fuel supply device for supplying fuel; A reformer for reforming the fuel; A water supply device for supplying moisture to the reformer; A fuel cell stack module in which the reformed fuel reacts to produce electric power; And the heat exchanger is configured to transfer heat generated in the fuel cell stack module to moisture supplied from the water supply device.

상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 연료 전지 시스템은, 산소를 공급하는 산소 공급 장치; 연료를 공급하는 연료 공급 장치; 연료를 개질하는 개질기; 상기 개질기에 수분을 공급하는 수분 공급 장치; 개질된 연료가 반응하여 전력을 생산하는 연료 전지 스택 모듈; 및 열교환기;를 포함하며, 상기 열교환기는, 상기 연료 전지 스택 모듈에서 생성된 열을 상기 수분 공급 장치에서 공급되는 수분에 전달하게 구성된다.In order to achieve the above object, a fuel cell system according to the present invention includes: an oxygen supply device for supplying oxygen; A fuel supply device for supplying fuel; A reformer for reforming the fuel; A water supply device for supplying moisture to the reformer; A fuel cell stack module in which the reformed fuel reacts to produce electric power; And the heat exchanger is configured to transfer heat generated in the fuel cell stack module to moisture supplied from the water supply device.

바람직하게는, 상기 수분 공급 장치는, 물 저장 탱크, 및 상기 물 저장 탱크 내의 수위를 조절하는 수위 조절 센서를 포함한다.Preferably, the water supply device includes a water storage tank and a water level sensor for adjusting the water level in the water storage tank.

바람직하게는, 외부 에너지를 공급받아 열을 생성하여 수분 공급 장치에서 제공되는 수분에 열을 제공하는 히터; 상기 히터의 작동을 제어하는 제어 장치;를 더 포함하며, 상기 제어 장치는, 상기 수분 공급장치에서 제공되는 수분의 상태에 따라서 상기 히터의 작동을 제어한다.Preferably, the heater is supplied with external energy to generate heat to provide heat to the moisture provided by the water supply device. And a control device for controlling the operation of the heater, wherein the control device controls the operation of the heater in accordance with the state of the water provided in the water supply device.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 연료 전지 스택 모듈에서 생성되는 열을 수분 공급 장치로부터 제공되는 수분에 공급하는 열교환기가 구비됨으로써, 별도의 수처리 장치가 필요없게 된다.The fuel cell system according to the present invention includes a heat exchanger that supplies heat generated from the fuel cell stack module to moisture supplied from the water supply device, thereby eliminating the need for a separate water treatment device.

또한, 수분 공급 장치로부터 공급되는 수분이 열을 가진 스팀 상태로 개질기에 제공됨에 따라서, 개질기에서는 개질 반응에 필요한 열을 별도로 공급할 필요가 없거나, 또는 추가적으로 필요한 열만을 공급하면 되므로, 에너지 절감 효과가 달성될 수 있다.Further, since the water supplied from the water supply device is supplied to the reformer in a steam state with heat, the reformer does not need to separately supply the heat required for the reforming reaction, or only the additional heat required can be supplied, .

또한, 각각의 단위 전지 셀에서는 온도 증가로 인한 반응 효율 및 전기 생산 효율 감소가 방지될 수 있으므로, 에너지 활용 효율이 증가할 수 있다.Also, in each of the unit battery cells, the reaction efficiency due to the temperature increase and the reduction in the electricity production efficiency can be prevented, so that the energy utilization efficiency can be increased.

따라서, 본 발명에 따른 연료 전지는 일정한 반응성능을 유지함으로써 에너지 생산 효율 증가 및 필요 에너지 절감 효과를 달성할 수 있다.Therefore, the fuel cell according to the present invention can achieve a high energy production efficiency and a required energy saving effect by maintaining a constant reaction performance.

또한, 수분 공급 장치에서 제공되는 수분이 연료 전지 시스템에서 생성된 열에 의해서 기체상태인 스팀으로 변환하면서 수분 내의 불순인자들이 제거된 상대로 개질기에 제공될 수 있다. 아울러, 스팀 상태로 개질기에 제공됨으로써 시스템의 전반적인 안정이 이루어지며, 열교환기만을 통해 이러한 스팀의 제공이 이루어지는 바, 별도의 수처리 시스템이 불필요하여 시스템이 간소화되게 된다.In addition, the water provided in the water supply device can be converted into steam in the gaseous state by the heat generated in the fuel cell system, and the reformer can be provided with the impurity elements in the water removed. In addition, since the steam is supplied to the reformer, the overall stability of the system can be ensured and the steam can be supplied only through the heat exchanger. Thus, a separate water treatment system is not required, thereby simplifying the system.

도 1 은 본 발명에 의한 연료 전지 시스템을 나타낸 개념도이다.1 is a conceptual diagram showing a fuel cell system according to the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 대하여 설명한다. 본 실시예는 제한적인 것으로 의도된 것이 아니다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. The present embodiments are not intended to be limiting.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The advantages and features of the present invention and the manner of achieving them will become apparent with reference to the embodiments described in detail below with reference to the accompanying drawings. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art. To fully disclose the scope of the invention to those skilled in the art, and the invention is only defined by the scope of the claims. Like reference numerals refer to like elements throughout the specification.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 부재는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 부재의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.The terminology used herein is for the purpose of illustrating embodiments and is not intended to be limiting of the present invention. In the present specification, the singular form includes plural forms unless otherwise specified in the specification. &Quot; comprises, "and / or" comprising ", as used herein, unless the recited element, step, operation and / Or additions.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms (including technical and scientific terms) used herein may be used in a sense commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Also, commonly used predefined terms are not ideally or excessively interpreted unless explicitly defined otherwise.

도 1 은 본 발명에 의한 연료 전지 시스템(1)을 나타낸 개념도이다.1 is a conceptual diagram showing a fuel cell system 1 according to the present invention.

상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 연료 전지 시스템(1)은, 산소를 공급하는 산소 공급 장치(200); 연료를 공급하는 연료 공급 장치(300); 연료를 개질하는 개질기(400); 상기 개질기(400)에 수분을 공급하는 수분 공급 장치(500); 개질된 연료가 반응하여 전력을 생산하는 연료 전지 스택 모듈(100); 및 열교환기(600);를 포함하며, 상기 열교환기(600)는, 상기 연료 전지 스택 모듈(100)에서 생성된 열을 상기 수분 공급 장치(500)에서 공급되는 수분에 전달하게 구성된다.To achieve the above object, a fuel cell system (1) according to the present invention includes an oxygen supply device (200) for supplying oxygen; A fuel supply device 300 for supplying fuel; A reformer 400 for reforming the fuel; A water supply device 500 for supplying water to the reformer 400; A fuel cell stack module (100) in which the reformed fuel reacts to produce electric power; And a heat exchanger 600. The heat exchanger 600 is configured to transfer heat generated in the fuel cell stack module 100 to moisture supplied from the water supply device 500. [

본 발명에 의한 연료 전지 시스템(1)에 포함된 연료 전지 스택 모듈(100)은, 예컨대 용융탄산염 연료 전지로 구성될 수 있다. 이때, 연료 전지 스택 모듈(100)은 다수의 단위 전지 셀을 포함하여 구성될 수 있다.The fuel cell stack module 100 included in the fuel cell system 1 according to the present invention can be composed of, for example, a molten carbonate fuel cell. At this time, the fuel cell stack module 100 may include a plurality of unit battery cells.

상기 단위 전지 셀은 소정의 반응을 통해 전기를 생산하게 구비되며, 연료 전지 스택 모듈(100)은 소정의 단위 전지 셀이 적층된 구조를 가질 수 있다. 일반적으로, 단위 전지 셀은 전기적으로 충전된 이온을 도전시키는 전해질에 의해 분리되는 애노드 극 및 캐소드 극을 포함한다. 용융 탄산염 연료 전지는 이산화탄소를 포함하는 가스를 산화시킬 동안 애노드 극을 통해 반응물 연료가스가 통과하고, 이때 산소는 캐소드 극을 통과한다.The fuel cell stack module 100 may have a structure in which predetermined unit battery cells are stacked. Generally, a unit cell includes an anode and a cathode which are separated by an electrolyte that conducts electrically charged ions. The molten carbonate fuel cell passes the reactant fuel gas through the anode electrode while oxidizing the gas containing carbon dioxide, where the oxygen passes through the cathode electrode.

연료 전지 스택 모듈(100)에서 반응이 이루어지는 산소와 연료를 공급하도록 산소 공급 장치(200) 및 연료 공급 장치(300)가 마련된다. 산소 공급 장치(200) 에서는 산소를 공급하며, 연료 공급 장치(300)에서는 연료를 공급하여, 상기 연료 전지 스택 모듈(100)에서 산소와 연료 사이의 반응이 이루어지도록 한다. 이때, 상기 연료 공급 장치(300)에서 제공되는 연료는 메탄(CH4 )일 수 있다.The oxygen supply device 200 and the fuel supply device 300 are provided so as to supply the oxygen and the fuel to be reacted in the fuel cell stack module 100. [ The oxygen supplying device 200 supplies oxygen and the fuel supplying device 300 supplies fuel to cause a reaction between oxygen and fuel in the fuel cell stack module 100. At this time, the fuel provided in the fuel supply device 300 may be methane (CH 4 ).

한편, 상기 연료 전지 스택 모듈(100)에 공급되는 연료를 개질시키는 소정의 개질기(400)가 구비될 수 있다. 상기 개질기(400)는 연료를 개질하여 상기 연료 전지 셀에 공급하며, 이에 따라서 개질기(400) 내부에서는 개질 반응이 이루어질 수 있고, 개질기(400)는 연료 공급 장치(300)와 연료 전지 스택 모듈(100) 사이에 배치될 수 있다.Meanwhile, a predetermined reformer 400 for reforming the fuel supplied to the fuel cell stack module 100 may be provided. The reformer 400 reforms the fuel and supplies the reformed fuel to the fuel cell 300. The reformer 400 is connected to the fuel supply device 300 and the fuel cell stack module 100).

상기 연료 전지 스택 모듈(100)에서는 개질된 연료와 소정의 산화제가 전기화학적 반응을 함으로써 전력이 생산될 수 있다. 상술한 바와 같이, 상기 연료 전지 스택 모듈(100)은 복수의 단위 셀이 적층된 구조를 가질 수 있으며, 하나의 단위 셀은 막-전극 접합체(Membrane-Electrode Assembly, MEA)와 이의 양 측에 위치하는 한 쌍의 세퍼레이터로 이루어질 수 있다.In the fuel cell stack module 100, electric power can be produced by electrochemically reacting the reformed fuel with a predetermined oxidant. As described above, the fuel cell stack module 100 may have a structure in which a plurality of unit cells are stacked, and one unit cell includes a membrane-electrode assembly (MEA) And a pair of separators.

한편, 상기 개질기(400)에 수분을 공급하는 수분 공급 장치(500)가 구비되며, 상기 수분 공급 장치(500)에서 공급되는 수분은, 상기 개질기(400)에 도달하기 전에 상기 열교환기(600)를 통과하여 열을 공급받게 구성된다.The water supplied from the water supply device 500 is supplied to the heat exchanger 600 before the reformer 400 reaches the reformer 400, And is supplied with heat.

즉, 도 1 에 도시된 바와 같이, 상기 열교환기(600)는 수분 공급 장치(500)와 개질기(400) 사이에 배치되며, 연료 전지 스택 모듈(100)에서 생성된 열을 수분 공급 장치(500)에서 공급되는 수분에 전달하도록 배치될 수 있다. 여기서, 사이에 배치된다 함은 상기 수분 공급 장치(500)에서 제공되는 수분이 상기 열교환기(600)로부터 열을 제공받은 후 개질기(400)에 공급된다는 것을 의미하는 것으로, 수분의 유동 순서에 따른 개념으로 이해되어야 하며, 위치적인 개념에 한정되어 이해되어서는 안된다.1, the heat exchanger 600 is disposed between the water supply device 500 and the reformer 400, and the heat generated in the fuel cell stack module 100 is supplied to the water supply device 500 To the moisture supplied from the water supply system (not shown). Here, it is meant that the water supplied from the water supply device 500 is supplied to the reformer 400 after heat is supplied from the heat exchanger 600, And should not be understood to be limited to local concepts.

연료 전지 스택 모듈(100)에서 생성되는 열은 상온의 물을 스팀으로 상변이 시키기에 충분히 고온이며, 다량의 물을 스팀으로 만들기에 충분한 열량을 보유하고 있으므로, 수분 공급 장치에서 제공되는 수분이 스팀 상태로 개질기(400)에 공급될 수 있다. 수분 공급 장치(500)에서 제공되는 수분이 연료 전지 스택 모듈(100)에서 생성된 열에 의해서 기체상태인 스팀으로 변환하면서 수분 내의 불순인자들이 제거된 상태로 개질기(400)에 제공될 수 있다. 아울러, 스팀 상태로 개질기(400)에 제공됨으로써 시스템의 전반적인 안정이 이루어지며, 열교환기(600)만을 통해 이러한 스팀의 제공이 이루어지는 바, 별도의 수처리 시스템이 불필요하여 시스템이 간소화되게 된다.The heat generated in the fuel cell stack module 100 is sufficiently high to cause the water of the room temperature to be phase-transformed into steam, and has a sufficient amount of heat to make a large amount of water into steam. Therefore, To the reformer 400 in a state where the reformer 400 is operated. The water provided in the water supply device 500 may be converted into steam in the gaseous state by the heat generated in the fuel cell stack module 100 and supplied to the reformer 400 in a state where the impurity elements in the water are removed. In addition, since the steam is supplied to the reformer 400, the overall stability of the system is ensured and the steam is supplied only through the heat exchanger 600, which eliminates the need for a separate water treatment system, thereby simplifying the system.

한편, 개질기(400)에 스팀을 제공하기 위해 사용되는 열량에 비해 연료 전지 스택 모듈(100)에서 생성되는 열이 상대적으로 클 경우, 추가적인 열의 배출이 가능하도록 소정의 배열 시스템이 구비될 수 있다. 즉, 물을 기체 상태로 상변화하는데 필요한 열은 100℃ 임에 비하여, 연료 전지 스택 모듈(100)에서 제공되는 열은 그보다 고온인 바, 남는 열을 외부로 배출시키는 배열 시스템이 구비됨으로써, 남는 열의 처리가 가능해질 수 있다. 예컨대, 도 1 에 도시된 바와 같이, 상기 열교환기(600)는 이중 구조를 가짐에 따라서 일부의 열을 상기 수분의 가열에 사용하고, 일부의 열을 외부로 배출하는 구성을 가질 수 있다.Meanwhile, when the heat generated in the fuel cell stack module 100 is relatively large compared to the amount of heat used to supply the steam to the reformer 400, a predetermined arrangement system may be provided so that additional heat can be discharged. That is, since the heat required for the phase change of the water to the gaseous state is 100 ° C., the heat provided by the fuel cell stack module 100 is higher than that of the heat, and the arrangement system for discharging the remaining heat to the outside is provided, Heat treatment may be possible. For example, as shown in FIG. 1, the heat exchanger 600 may have a dual structure, and may have a configuration in which a part of the heat is used for heating the moisture and a part of the heat is discharged to the outside.

한편, 상기 개질기(400)에서 이루어지는 개질 반응은 하기 식 1 및 식 2 과 같다.On the other hand, the reforming reaction in the reformer 400 is expressed by the following equations (1) and (2).

CH4 + H2O → 3H2 + CO (식 1)CH 4 + H 2 O? 3H 2 + CO (Formula 1)

CO + H2O → H2 + CO2 (식 2)CO + H 2 O → H 2 + CO 2 (Equation 2)

여기서, 상기 식 1 은 흡열반응으로서, 외부로부터 열을 공급받아 반응이 이루어진다.Here, the formula (1) is an endothermic reaction, and the reaction is performed by receiving heat from the outside.

한편, 연료 전지 스택 모듈(100)에서는 산화-환원 반응이 이루어지며, 이러한 산화-환원 반응을 통해 전기가 생산됨과 동시에 열이 생성된다. 즉, 연료 전지 스택 모듈(100)에서 이루어지는 산화-환원 반응은 열을 생성하는 발열 반응이다. On the other hand, in the fuel cell stack module 100, an oxidation-reduction reaction is performed, and electricity is produced through the oxidation-reduction reaction and heat is generated. That is, the oxidation-reduction reaction in the fuel cell stack module 100 is an exothermic reaction that generates heat.

상기 수분 공급 장치(500)에서 제공된 수분은 열교환기(600)를 거쳐 열을 제공받은 상태에서 개질기(400)로 제공되므로, 상기 수분에 저장된 열이 개질기(400)에 전달될 수 있다. 즉, 연료 전지 스택 모듈(100)에서 이루어지는 산화-환원 반응은 열을 생성하는 발열 반응이며, 개질기(400)에서 이루어지는 개질 반응은 열을 흡수하는 흡열 반응이므로, 열교환기(600) 및 수분 공급 장치(500)를 매개로 하여 개질기(400)와 연료 전지 스택 모듈(100)이 각각 반응 과정에서 열교환이 이루어질 수 있다.The moisture supplied from the water supply device 500 is supplied to the reformer 400 in a state where the heat is supplied through the heat exchanger 600 so that the heat stored in the moisture can be transferred to the reformer 400. That is, since the oxidation-reduction reaction in the fuel cell stack module 100 is an exothermic reaction that generates heat and the reforming reaction in the reformer 400 is an endothermic reaction that absorbs heat, the heat exchanger 600, The reformer 400 and the fuel cell stack module 100 can be heat exchanged in the course of the reaction through the heat exchanger 500.

즉, 상기 수분 공급 장치(500)에서 제공된 스팀에 의해서 연료의 예열이 이루어질 수 있고, 이에 따라서 연료가 반응에 적절한 상태를 유지할 수 있다. 즉, 상기 수분 공급 장치(500)는 가습 장치와 같이 예열 장치의 기능을 수행할 수 있다. That is, preheating of the fuel can be performed by the steam provided in the water supply device 500, so that the fuel can be maintained in a state suitable for the reaction. That is, the water supply device 500 can perform the function of the preheating device like the humidifying device.

개질기(400)에서는 상기 연료를 개질하여 수소가 풍부한 개질 가스를 생성할 수 있다. 한편, 개질기(400)는 버너 등과 같은 별도의 열 공급원을 구비할 수 있으며, 이에 한정하지 아니한다.In the reformer 400, the fuel may be reformed to generate hydrogen-rich reformed gas. Meanwhile, the reformer 400 may include a separate heat source such as a burner or the like, but is not limited thereto.

따라서, 개질기(400)에서는 개질 반응에 필요한 열을 별도로 공급할 필요가 없거나, 또는 추가적으로 필요한 열만을 공급하면 되므로, 에너지 절감 효과가 달성될 수 있다.Therefore, in the reformer 400, it is not necessary to separately supply the heat required for the reforming reaction, or only the additional heat required can be supplied, so that the energy saving effect can be achieved.

또한, 각각의 단위 전지 셀에서는 온도 증가로 인한 반응 효율 및 전기 생산 효율 감소가 방지될 수 있으므로, 에너지 활용 효율이 증가할 수 있다.Also, in each of the unit battery cells, the reaction efficiency due to the temperature increase and the reduction in the electricity production efficiency can be prevented, so that the energy utilization efficiency can be increased.

따라서, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(1)은 일정한 반응성능을 유지함으로써 에너지 생산 효율 증가 및 필요 에너지 절감 효과를 달성할 수 있다.Therefore, the fuel cell system 1 according to the present invention can attain an increase in energy production efficiency and a necessary energy saving effect by maintaining a constant reaction performance.

바람직하게는, 상기 수분 공급 장치(500)는, 물 저장 탱크(510), 및 상기 물 저장 탱크(510) 내의 수위를 조절하는 수위 조절 센서를 포함한다.Preferably, the water supply device 500 includes a water storage tank 510 and a water level sensor for adjusting the water level in the water storage tank 510.

즉, 물 저장 탱크(510)는 개질기(400)에 제공되는 수분이 적절히 공급될 수 있도록 소정의 물이 미리 저장되도록 구비된다. 이때, 상기 물 저장 탱크(510) 내의 수위를 조절하는 수위 조절 센서가 구비됨에 따라서 물 저장 탱크(510) 내의 수위가 적절히 조절되고 수분 공급량이 알맞게 유지될 수 있다. 한편, 상기 물 저장 탱크(510) 내의 수분을 공급할 수 있도록 소정의 펌프(520)가 구비될 수 있다.That is, the water storage tank 510 is provided to store predetermined water in advance so that the water supplied to the reformer 400 can be appropriately supplied. At this time, since the water level sensor for adjusting the water level in the water storage tank 510 is provided, the water level in the water storage tank 510 can be appropriately adjusted and the water supply amount can be properly maintained. Meanwhile, a predetermined pump 520 may be provided to supply water in the water storage tank 510.

바람직하게는, 외부 에너지를 공급받아 열을 생성하여 수분 공급 장치(500)에서 제공되는 수분에 열을 제공하는 히터; 및 상기 히터의 작동을 제어하는 제어 장치;를 더 포함하며, 상기 제어 장치는, 상기 수분 공급 장치(500)에서 제공되는 수분의 상태에 따라서 상기 히터의 작동을 제어하게 구성될 수 있다.Preferably, the heater is supplied with external energy to generate heat, thereby providing heat to the moisture provided in the water supply device 500; And a control device for controlling the operation of the heater, wherein the control device can be configured to control the operation of the heater in accordance with the state of the water provided in the water supply device (500).

상기 히터는, 초기 상태에서 연료 전지 스택 모듈(100) 및 열교환기(600)로부터 제공되는 열이 없을 경우, 또는 열교환기(600)로부터 제공되는 열의 양이 부족할 경우 상기 개질기(400)에 제공되는 수분에 열을 가하여 스팀 상태로 만들도록 구비된다. 이에 따라서, 상기 히터는 수분 공급 장치(500)와 개질기(400) 사이에 배치되어 수분 공급 장치(500)로부터 제공되는 수분이 적절한 열에너지를 갖는 스팀 상태를 유지할 수 있도록 할 수 있다. The heater is provided to the reformer 400 when there is no heat provided from the fuel cell stack module 100 and the heat exchanger 600 in an initial state or when the amount of heat supplied from the heat exchanger 600 is insufficient So that heat is applied to the moisture to make the steam state. Accordingly, the heater can be disposed between the water supply device 500 and the reformer 400, so that the moisture supplied from the water supply device 500 can maintain a steam state having an appropriate thermal energy.

바람직하게는, 이러한 히터의 작동 상태를 제어하는 소정의 제어 시스템이 마련될 수 있다. 상기 제어 시스템은, 열교환기(600)로부터 제공되는 열의 양 및 수분 공급 장치(500)로부터 제공되는 수분의 상태 등에 따라서 히터 및 열교환기(600)의 작동을 제어하며, 작동 상태에 따라 개질기(400)에 제공되는 스팀의 상태를 적절히 유지할 수 있다. 즉, 개질기(400)에 제공되는 수분이 적절한 열에너지를 갖는 스팀 상테를 유지할 수 있도록 할 수 있다.Preferably, a predetermined control system for controlling the operating state of such a heater may be provided. The control system controls the operation of the heaters and the heat exchanger 600 according to the amount of heat provided from the heat exchanger 600 and the state of water supplied from the water supply device 500 and the like, The state of steam supplied to the steam generator can be appropriately maintained. That is, the moisture supplied to the reformer 400 can maintain the steam having the proper heat energy.

한편, 추후 연료 전지 스택 모듈(100)이 정상 작동되어 상기 히터의 작동이 필요 없을 경우, 히터를 정지시키거나, 또는 별도의 바이패스 라인을 통해 스팀이 개질기(400)로 전달되도록 할 수 있다. 즉, 상기 제어 시스템은 수분 공급 장치(500)와 개질기(400) 사이의 배관 구조의 작동을 제어하며, 상기 배관 구조는 히터를 경유하는 경유 라인, 및 히터를 경유하지 아니하는 바이패스 라인을 구비하여 수분의 상태에 따라서 적절한 라인이 선택되어 경유되도록 제어 시스템의 제어가 이루어질 수 있다.Meanwhile, when the fuel cell stack module 100 is normally operated and the operation of the heater is not required, the heater may be stopped or the steam may be delivered to the reformer 400 through a separate bypass line. That is, the control system controls the operation of the piping structure between the water supply device 500 and the reformer 400, and the piping structure includes a bypass line passing through the heater and a bypass line not passing through the heater The control system can be controlled so that an appropriate line is selected and passed through depending on the state of the water.

이상에서는 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 안될 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, It should be understood that various modifications may be made by those skilled in the art without departing from the spirit and scope of the invention.

1: 연료 전지 시스템
100: 연료 전지 스택 모듈
200: 산소 공급 장치
300: 연료 공급 장치
400: 개질기
500: 수분 공급 장치
510: 물 저장 탱크
520: 펌프
600: 열교환기1: Fuel cell system
100: Fuel cell stack module
200: oxygen supply device
300: fuel supply device
400: reformer
500: Water supply device
510: Water storage tank
520: pump
600: heat exchanger

Claims (3)

연료 전지 시스템에 있어서,
상기 연료 전지 시스템은,
산소를 공급하는 산소 공급 장치;
연료를 공급하는 연료 공급 장치;
연료를 개질하는 개질기;
상기 개질기에 수분을 공급하는 수분 공급 장치;
개질된 연료가 반응하여 전력을 생산하는 연료 전지 스택 모듈; 및
열교환기;를 포함하며,
상기 열교환기는,
상기 연료 전지 스택 모듈에서 생성된 열을 상기 수분 공급 장치에서 공급되는 수분에 전달하는 연료 전지 시스템.In a fuel cell system,
The fuel cell system includes:
An oxygen supply device for supplying oxygen;
A fuel supply device for supplying fuel;
A reformer for reforming the fuel;
A water supply device for supplying moisture to the reformer;
A fuel cell stack module in which the reformed fuel reacts to produce electric power; And
A heat exchanger,
The heat exchanger
And transfers heat generated in the fuel cell stack module to moisture supplied from the water supply device. 청구항 1에 있어서,
상기 수분 공급 장치는,
물 저장 탱크, 및
상기 물 저장 탱크 내의 수위를 조절하는 수위 조절 센서를 포함하는 연료 전지 시스템.The method according to claim 1,
The water supply device includes:
Water storage tank, and
And a water level sensor for adjusting the water level in the water storage tank. 청구항 1에 있어서,
외부 에너지를 공급받아 열을 생성하여 수분 공급 장치에서 제공되는 수분에 열을 제공하는 히터;
상기 히터의 작동을 제어하는 제어 장치;를 더 포함하며,
상기 제어 장치는,
상기 수분 공급장치에서 제공되는 수분의 상태에 따라서 상기 히터의 작동을 제어하는 연료 전지 시스템.

The method according to claim 1,
A heater supplied with external energy to generate heat to provide heat to moisture provided by the water supply device;
And a control device for controlling the operation of the heater,
The control device includes:
And controls the operation of the heater in accordance with the state of water provided in the water supply device.

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