KR101324112B1 - 연료전지 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면 스팀과 연료가스를 혼합하는 제 1 혼합부; 연료극과 공기극을 포함하는 연료전지 스택; 상기 연료극에서 발생하는 열을 흡수하여 연료가스를 수소로 개질하는 개질기; 및 상기 연료극에서 배출되는 배기가스와 상기 제 1 혼합부에서 제공되는 연료가스를 혼합하여 상기 개질기에 공급하는 제 2 혼합부를 포함하는 연료전지 시스템을 제공할 수 있다.

Description

연료전지 시스템{Fuel cell system}
본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것이다.
세계는 석유나 석탄 등 화석연료의 고갈이 점점 현실로 나타남에 따라 화석연료를 대체할 에너지 개발에 주력하고 있다. 대체 에너지는 석유에 주로 의존해 온 에너지원을 대신할 에너지원을 말하며, 특히 대체 에너지 중 신ㅇ재생에너지에 대한 관심이 높아가고 있다.
신ㅇ재생에너지는 수소, 연료전지, 태양열, 태양광, 바이오 에너지, 풍력, 지열, 해양 및 폐기물 등을 말하며, 이들 중에서 연료전지는 연료의 화학적 에너지를 전기화학반응을 통하여 직접 전기로 변환시키는 장치이다. 연료전지는 화학적 반응에 의해 전기를 발생시킨다는 점에서 배터리와 비슷하지만, 반응물질인 수소와 산소를 외부로부터 공급받으므로 배터리와는 달리 충전이 필요 없고, 연료가 공급되는 한 전기를 계속 생산할 수 있다는 장점이 있다.
연료전지는 전해질의 종류에 따라 전해질의 내부를 흘러가는 이온의 종류가 다르므로, 전해질의 종류에 따라 분류될 수 있다. 예를 들면, 연료전지는 고분자 전해질형 및 알카리형 연료전지, 인산형 연료전지, 용융탄산염 연료전지, 고체 산화 연료전지로 분류될 수 있다.
이 중 용융탄산염 연료전지는 액체상태로 용융된 탄산염을 전해질로 사용하는 연료전지로서, 약 650℃에서 운전되며, 발전연료의 공급에 의한 직접발전으로 발전효율이 높고 환경 친화성이 우수하다는 장점이 있다.
이러한 용융탄산염 연료전지는 반응에 필요한 수소를 스택 내부에서 개질하는 내부 개질형과 스택 외부에서 개질하는 외부 개질형으로 구분될 수 있다.
이 중 내부 개질형 용융탄산염 연료전지는 개질 반응에 연료극에서 발생되는 열을 이용함으로써 이용 효율이 높다. 구체적으로, 연료극에서 수소가 반응하면서 발생시키는 열이 연료극에 인접하게 설치된 개질기에 공급되고, 이 열은 메탄이 수소로 개질되는 반응에 이용될 수 있다. 따라서, 개질 반응에 필요한 열을 별도로 공급하지 않아도 된다.
그러나, 이러한 내부 개질형 용융탄산염 연료전지는 한번 작동을 시작하여 정상 작동 상태가 되면 부하를 조절하기가 쉽지 않다는 문제가 있다. 이러한 문제점은 내부 개질형 용융탄산염 연료전지를 발전소와 같이 일정한 수준의 전력 생산이 지속적으로 필요한 곳이 아닌 다른 분야, 특히 필요한 전력량이 가변적인 사용처에 적용하기 어렵다는 한계를 낳게 했다.
최근에는 이를 개선하기 위해 연료전지에 공급되는 연료가스의 양을 조절하는 기술이 제안되었으며, 본 출원인도 대한민국 특허출원 제10-2011-0029522호로 이러한 기술을 제시한 바 있다.
그러나, 상기와 같은 종래 기술은 다음과 같은 문제가 있다.
연료전지의 부하를 조절하기 위해 연료가스의 양을 조절하면, 개질기에서의 흡열반응에 필요한 열을 발생시키는 연료극에서의 반응량이 줄어들거나 과다해져서 메탄의 개질에 필요한 적절한 열을 공급하지 못하게 된다. 따라서, 연료가스의 양의 조절에 따른 적절한 부하 조절을 할 수 없고, 스택 내부의 열 평형이 깨져버려 연료전지의 동작에 심각한 장애를 초래할 수도 있다.
본 발명의 실시예들은 안정적으로 부하를 조절할 수 있는 연료전지 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면 연료가스를 혼합하는 제 1 혼합부; 연료극과 공기극을 포함하는 연료전지 스택; 상기 연료극에서 발생하는 열을 흡수하여 연료가스를 수소로 개질하는 개질기; 상기 연료극에서 배출되는 배기가스와 상기 제 1 혼합부에서 제공되는 연료가스를 혼합하여 상기 개질기에 공급하는 제 2 혼합부; 상기 연료극에서 발생되는 배기가스를 가열하는 배기가스 가열부; 및 상기 배기가스 가열부의 전단에 상기 연료극에서 배출된 배기가스를 저장하는 배기가스 저장부를 포함하는 연료전지 시스템을 제공할 수 있다.
삭제
또한, 상기 배기가스 가열부와 상기 제 2 혼합부의 사이에 배치되는 배기가스 촉매연소부를 더 포함하는 연료전지 시스템을 제공할 수 있다.
삭제
또한, 상기 배기가스 가열부는 상기 공기극에서 배출된 공기와 배기가스를 열 교환하는 열 교환기인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 상기 제1 혼합부와 상기 제 2 혼합부 사이에 제공되며, 연료가스를 가열하는 연료가스 가열부를 더 포함하는 연료전지 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 상기 연료가스 가열부는 연료가스와 배기가스를 열 교환하는 열 교환기인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 상기 제 2 혼합부의 전단에 배치되며 상기 제 2 혼합부에 공급되는 연료가스의 양을 조절하는 제 1 밸브; 및 상기 제 2 혼합부의 전단에 배치되며 상기 제 2 혼합부에 공급되는 배기가스의 양을 조절하는 제 2 밸브를 더 포함하는 연료전지 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 상기 제 1 밸브와 상기 제 2 밸브를 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제 1 밸브가 상기 제 2 혼합부에 공급되는 연료가스의 양을 줄이면, 상기 제 2 밸브는 상기 제 2 혼합부에 공급되는 배기가스의 양을 늘리는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 연료극으로 공급되는 연료가스의 양을 조절하는 제 1 밸브; 상기 연료극에서 배출되는 배기가스를 가열하여 다시 상기 연료극으로 보내는 배기가스 순환라인; 및 상기 배기가스 순환라인 상에 배치되며 상기 연료극으로 공급되는 배기가스의 양을 조절하는 제 2 밸브를 더 포함하는 연료전지 시스템을 제공할 수 있다.
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삭제
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또한, 상기 배기가스 순환라인에는 상기 연료극에서 배출되는 배기가스에 포함된 이물질을 제거하는 필터가 제공되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 상기 제 1 밸브에서 공급되는 연료가스와 상기 제 2 밸브에서 공급되는 배기가스는 상기 스택의 전단에서 혼합된 후 상기 스택에 공급되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템을 제공할 수 있다.
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본 발명의 실시예들은 연료전지의 연료극에서 발생되는 배기가스를 개질 반응의 열원으로 활용함으로써 안정적으로 연료전지의 부하를 조절할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구성을 보여주는 도면.
도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구성을 보여주는 도면.
이하에서는 본 발명의 사상을 구현하기 위한 구체적인 실시예에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.
아울러 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구성을 보여주는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료전지 시스템(10)은 화학 반응을 통해 전기를 발생시키는 연료전지 스택(300)과, 상기 스택(300)에서의 화학 반응에 필요한 연료를 공급하는 연료 공급부(110)와, 상기 스택(300)에서의 화학 반응에 필요한 공기를 공급하는 공기 공급부(210)를 포함할 수 있다.
상기 연료전지 시스템(10)은 수소의 개질 반응에 화학 반응에서 발생되는 열을 이용하는 연료전지 시스템으로서, 일 예로 내부 개질형 용융탄산염 연료전지일 수 있다. 본 실시예에서는, 상기 스택(300)의 내부에 개질기와 연료극이 인접하게 형성되어 있는 내부개질형 용융탄산염 연료전지를 예로 들어 설명하겠다.
연료 공급부(110)는 수소로 개질되지 않은 연료를 상기 스택(300)에 공급하는 장치로서, 메탄이 주성분인 천연가스를 공급하는 장치일 수 있다. 예를 들면, 상기 연료 공급부(110)는 LNG 저장탱크에 연결되어, LNG 저장탱크에서 발생되는 증발가스(BOG)를 이용하거나, LNG를 재기화한 천연가스를 공급할 수 있다. 본 실시예에서, 연료 공급부(110)는 천연가스를 상기 스택(300)에 공급하는 것을 예로 들어 설명하겠다.
상기 연료 공급부(110)에서 공급되는 천연가스는 탈황기(120)를 거치며 황 성분이 제거된 후 제 1 혼합부(130)로 유입된다. 상기 제 1 혼합부(130)는 상기 연료 공급부(110)에서 공급되는 천연가스와 스팀공급부(150)에서 공급되는 스팀을 적절한 비율로 혼합한다. 여기서, 상기 제 1 혼합부(130)에서 스팀과 혼합된 가스를 연료가스라고 할 수 있다.
상기 제 1 혼합부(130)로부터 제공되는 연료가스는 연료가스 가열부(160)를 통과하며 가열된 후 제 2 혼합부(450)로 공급될 수 있다. 이때, 연료가스의 일부는 예비개질기(미도시)를 통과하며 미리 수소로 개질될 수 있다.
상기 제 1 혼합부(130)에서 상기 제 2 혼합부(450)로 제공되는 연료가스의 양은 제 1 밸브(510)에서 조절될 수 있다. 상기 제 1 밸브(510)는 상기 연료전지 시스템(10)에서 필요로 하는 부하에 대응되도록 연료가스의 양을 조절한다.
상기 제 2 혼합부(450)는 후술할 배기가스와 상기 제 1 혼합부(130)에서 공급되는 연료가스를 혼합하여 상기 스택(300)의 개질기(310)로 공급한다. 이때, 상기 제 2 혼합부(450)는 배기가스의 공급 여부에 따라 상기 제 1 혼합부(130)에서 공급되는 연료가스만 상기 개질기(310)로 공급할 수 있다.
한편, 상기 스택(300)은 연료가스에 포함된 메탄(methane)을 수소로 개질하는 개질기(310)와, 상기 개질기(310)에서 전달된 수소가 공급되는 연료극(320)과, 외부로부터 공기가 공급되는 공기극(340)과, 상기 연료극(320)과 상기 공기극(340) 사이에 개재되는 전해질(330)을 포함할 수 있다.
상기 스택(300)은 상기 개질기(310)로부터 공급된 수소를 전해질 반응시켜 수소이온과 전자로 분리시킴으로써 전기를 발생시킬 수 있으며, 상기 연료극(320) 및 상기 공기극(340)에서의 화학 반응 기전은 공지의 기술이므로 자세한 설명은 생략하겠다.
이때, 상기 개질기(310)는 상기 스택(300) 내에 상기 연료극(320)과 인접하게 설치되어 상기 개질기(310)와 상기 연료극(320)이 서로 열 교환할 수 있도록 함으로써 에너지 손실을 줄일 수 있다. 구체적으로, 상기 연료극(320)에서 수소가 수소이온 및 전자로 분리되는 반응은 발열반응이고, 상기 개질기(310)에서 메탄이 수소로 개질되는 반응은 흡열반응인 바, 상기 연료극(320)과 상기 개질기(310)가 서로 열 교환하게 설치되면 상기 연료극(320)에서 발생되는 열을 상기 개질기(310)에서 이용할 수 있다.
본 실시예에서는 상기 개질기(310)가 상기 연료극(320)과 인접하게 설치되어 열 교환하는 것(간접 내부 개질 방식, IIR: Indirect Internal Reforming)을 예로 설명했으나, 본 발명의 사상은 이에 한정되지 않는다. 예를 들면, 상기 개질기(310)와 상기 연료극(320)이 물리적으로 하나의 장치로 형성되어, 메탄이 수소로 개질됨과 동시에 바로 화학 반응에 사용되도록 할 수도 있다(직접 내부 개질 방식, DIR: Direct Internal Reforming).
한편, 상기 스택(300)의 정상 작동(normal operation) 상태에서, 상기 스택(300)은 약 650℃로 유지되어야 한다.
상기 연료극(320)에서 배출되는 배기가스는 배기가스 배출부(170)를 통해 배출될 수 있다. 상기 연료극(320)에서 배출되는 배기가스는 주로 질소로 구성되어 있으며, 약 300℃ 이상의 온도를 가지므로 상기 배기가스 배출부(170)로 배출되기 전에 보일러 등을 통과하며 폐열을 소비할 수도 있다.
이때, 상기 연료극(320)에서 배출되는 배기가스의 일부는 연료가스와 혼합되어 상기 스택(300)의 부하를 조절하는데 사용될 수 있다.
상세히, 상기 연료극(320)에서 배출되는 배기가스의 일부는 제 3 밸브(530)를 통해 분지되어 필터(410)를 통과한 후 배기가스 저장부(420)에 저장될 수 있다. 상기 필터(410)는 배기가스에 포함된 미량의 오염물질을 걸러낼 수 있다.
상기 배기가스 저장부(420)는 부하의 원활한 조절을 위해 임시로 배기가스를 저장하는 역할을 하며, 상기 제 3 밸브(530) 및 후술할 제 2 밸브(520)에서 직접적으로 유량이 조절되는 경우에는 생략될 수도 있다.
상기 배기가스 저장부(420)를 통과한 배기가스는 배기가스 가열부(430)에서 가열된 후 배기가스 촉매연소부(440)를 통과하며 연료로 쓰일 수 있는 성분들을 소비할 수 있다. 상기 배기가스 가열부(430)는 히터일 수 있으며, 배기가스는 상기 배기가스 가열부(430) 및 상기 배기가스 촉매연소부(440)를 통과하며 상기 개질기(310)에서의 개질 반응에 필요한 열을 제공할 수 있을 정도의 수준으로 가열된다.
상기 배기가스 촉매연소부(440)를 통과한 배기가스는 상기 제 2 혼합부(450)로 공급되어 상기 연료가스 가열부(160)에서 공급되는 연료가스와 혼합된다.
이때, 상기 제 2 혼합부(450)의 전단에는 배기가스의 공급량을 조절하는 제 2 밸브(520)가 제공된다.
여기서, 상기 연료극(320)으로부터 배출된 배기가스를 가열하여 다시 상기 연료극(320)으로 공급하는 유로는 배기가스 순환라인이라고 할 수 있으며, 이러한 배기가스 순환라인은 상기 연료극(320)으로부터 배출되는 배기가스를 순환시킴으로써 상기 개질기(310)에서의 반응에 필요한 열을 공급하는 기능을 한다. 본 실시예에서, 상기 배기가스 순환라인에는 상기 제 3 밸브(530), 상기 필터(410), 상기 배기가스 저장부(420), 상기 배기가스 가열부(430), 상기 배기가스 촉매연소부(440), 상기 제 2 밸브(520), 상기 제 2 혼합부(450)가 순차적으로 배치된다.
제어부(600)는 상기 제 1 밸브(510)와 상기 제 2 밸브(520)를 제어하여 상기 제 2 혼합부(450)로 공급되는 연료가스와 배기가스의 양을 조절함으로써 상기 스택(300)의 부하를 조절할 수 있다. 또한, 상기 제어부(600)는 상기 제 3 밸브(530)도 제어할 수 있다.
한편, 상기 공기 공급부(210)는 외부로부터 공기를 흡입하여 일정한 압력으로 공기를 상기 공기극(340)에 공급할 수 있다. 상기 공기 공급부(210)는 일 예로 송풍기일 수 있으며, 상기 공기 공급부(210)를 통해 공급되는 공기는 공기가열부(220) 및 공기 촉매연소부(230)를 통과하며 가열되어 상기 공기극(340)에 공급될 수 있다.
상기 공기극(340)에서 반응이 완료된 공기는 공기 배출부(240)를 통해 외부로 배출될 수 있다.
이하에서는 상기와 같은 구성을 갖는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 상기 연료전지 시스템(10)의 작동에 대해 설명하겠다.
상기 연료전지 시스템(10)의 부하 조절 필요가 없는 경우에는, 상기 제어부(600)는 상기 제 1 밸브(510)를 조절하여, 상기 제 1 혼합부(130)에서 공급되는 스팀과 혼합된 연료가스가 모두 상기 개질기(310)로 공급되도록 할 수 있다. 또한, 상기 제어부(600)는 상기 제 3 밸브(530)를 조절하여, 상기 연료극(320)에서 발생되는 배기가스를 상기 배기가스 배출부(170)로 배출시키거나, 상기 배기가스 저장부(420)에 저장하여 이후의 부하 조절에 대비하도록 할 수 있다.
이 경우, 상기 스택(300) 내부에서는 상기 연료극(320)에서 발생되는 열과 상기 개질기(310)에서 흡수하는 열이 열 평형 상태를 이룰 수 있다.
한편, 상기 연료전지 시스템(10)의 부하 조절이 필요한 경우, 특히 상기 스택(300)의 부하를 낮추어 발전량을 줄이는 경우, 상기 제어부(600)는 상기 제 2 혼합부(450)로 유입되는 스팀과 혼합된 연료가스의 유입량을 조절한다. 상기 연료극(320)에 공급되는 수소의 양이 줄어들면 발전량도 함께 줄어든다.
구체적으로, 상기 스택(300)의 부하를 낮추기 위해서는 상기 개질기(310) 및 상기 연료극(320)으로 공급되는 연료가스의 양을 줄여야 하므로, 상기 제어부(600)는 상기 제 1 밸브(510)를 조절하여 상기 제 2 혼합부(450)로 공급되는 연료가스의 양을 줄인다. 이 경우, 상기 연료극(320)에서 발생되는 발열량도 함께 줄어든다.
또한, 상기 제어부(600)는 상기 제 2 밸브(520)를 조절하여, 상기 제 2 혼합부(450)로 배기가스를 증가시킬 수 있다. 상기 제 2 혼합부(450)로 공급되는 배기가스는 상기 배기가스 순환라인을 따라 이동하며 상기 배기가스 가열부(430) 및 상기 배기가스 촉매연소부(440)에서 가열된 것이므로, 일정 수준의 열량을 갖는다.
한편, 상기 제어부(600)는 상기와 같은 배기가스의 공급을 위해 상기 제 3 밸브(530)를 조절하여 배기가스의 일부를 상기 배기가스 순환라인으로 공급할 수 있다.
상기 제 2 혼합부(450)는 상기 제 1 밸브(510)를 통해 공급되는 연료가스와 상기 제 2 밸브(520)를 통해 공급되는 가열된 배기가스를 혼합하여 상기 개질기(310)로 공급한다.
상기 개질기(310)에서는 메탄이 수소로 개질되는데, 이때 필요한 열의 일부는 상기 연료극(320)에서 얻고, 나머지 일부는 배기가스로부터 얻을 수 있다. 배기가스는 대부분이 질소 성분이므로 상기 연료극(320)에서 반응하지 않고 재차 상기 배기가스 순환라인을 따라 순환할 수 있다.
상기와 같은 작동에 의해, 부하 조절을 위해 연료가스의 양을 줄이더라도 상기 스택(300) 내부의 열 평형 상태는 유지될 수 있다. 즉, 상기 스택(300)은 가열된 배기가스의 공급에 의해 정상 작동 상태인 약 650℃를 유지할 수 있다. 다시 말하면, 공급되는 수소의 양이 감소함에 따라 상기 연료극(320)에서의 발열량이 감소하더라도 배기가스를 가열하여 순환시킴으로써 상기 연료전지 시스템(10)은 안정적으로 전력을 생산해낼 수 있다.
더욱이, 배기가스에 포함되어 있는 폐열이 흡열 반응에도 사용될 수 있으므로 에너지 소비를 줄일 수 있다는 장점도 있다.
이하에서는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 연료전지 시스템에 대하여 도면을 참고하여 설명한다. 다만, 제 2 실시예는 제 1 실시예와 비교하여, 배기가스 가열부와 연료가스 가열부에 있어서 차이가 있으므로, 차이점을 위주로 설명하며 동일한 부분에 대하여는 제 1 실시예의 설명과 도면 부호를 원용한다.
도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구성을 보여주는 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 연료전지 시스템(10)의 연료가스 가열부(160')와 배기가스 가열부(430')는 열 교환기 형태로 제공될 수 있다.
구체적으로, 상기 배기가스 가열부(430')는 상기 공기극(340)에서 배출되는 공기와 배기가스를 열 교환하여 배기가스를 가열하는 열 교환기일 수 있으며, 상기 연료가스 가열부(160')는 상기 배기가스 가열부(430')에서 열 교환한 공기와 상기 제 1 혼합부(130)에서 공급되는 연료가스를 열 교환하는 열 교환기일 수 있다.
물론, 상기 배기가스 가열부(430')와 상기 연료가스 가열부(160')는 보조적으로 배기가스 또는 연료가스를 가열하는 히터를 더 포함할 수도 있다.
상기와 같은 구조에 의하면 상기 공기극(340)으로부터 배출되는 공기에 포함된 폐열도 활용할 수 있으므로 에너지를 더욱 절약할 수 있다는 장점이 있다.
이상 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구체적인 실시 형태로서 설명하였으나, 이는 예시에 불과한 것으로서, 본 발명은 이에 한정되지 않는 것이며, 본 명세서에 개시된 기초 사상에 따르는 최광의 범위를 갖는 것으로 해석되어야 한다. 당업자는 개시된 실시형태들을 조합/치환하여 적시되지 않은 형상의 패턴을 실시할 수 있으나, 이 역시 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 것이다. 이외에도 당업자는 본 명세서에 기초하여 개시된 실시형태를 용이하게 변경 또는 변형할 수 있으며, 이러한 변경 또는 변형도 본 발명의 권리범위에 속함은 명백하다.
10 : 연료전지 시스템 110 : 연료 공급부
120 : 탈황기 130 : 제 1 혼합부
150 : 스팀공급부 160 : 연료가스 가열부
170 : 배기가스 배출부 210 : 공기 공급부
220 : 공기 가열부 230 : 공기 촉매연소부
240 : 공기 배출부 300 : 스택
310 : 개질기 320 : 연료극
330 : 전해질 340 : 공기극
410 : 필터 420 : 배기가스 저장부
430 : 배기가스 가열부 440 : 배기가스 촉매연소부
450 : 제 2 혼합부 510 : 제 1 밸브
520 : 제 2 밸브 530 : 제 3 밸브
600 : 제어부

Claims (18)

  1. 연료가스를 혼합하는 제 1 혼합부;
    연료극과 공기극을 포함하는 연료전지 스택;
    상기 연료극에서 발생하는 열을 흡수하여 연료가스를 수소로 개질하는 개질기;
    상기 연료극에서 배출되는 배기가스와 상기 제 1 혼합부에서 제공되는 연료가스를 혼합하여 상기 개질기에 공급하는 제 2 혼합부;
    상기 연료극에서 발생되는 배기가스를 가열하는 배기가스 가열부; 및
    상기 배기가스 가열부의 전단에 상기 연료극에서 배출된 배기가스를 저장하는 배기가스 저장부를 포함하는 연료전지 시스템.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 배기가스 가열부와 상기 제 2 혼합부의 사이에 배치되는 배기가스 촉매연소부를 더 포함하는 연료전지 시스템.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 배기가스 가열부는 상기 공기극에서 배출된 공기와 배기가스를 열 교환하는 열 교환기인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 혼합부와 상기 제 2 혼합부 사이에 제공되며, 연료가스를 가열하는 연료가스 가열부를 더 포함하는 연료전지 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 연료가스 가열부는 연료가스와 배기가스를 열 교환하는 열 교환기인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  8. 제 1 항, 제 3항, 제 5 항, 제 6 항 또는 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 혼합부의 전단에 배치되며 상기 제 2 혼합부에 공급되는 연료가스의 양을 조절하는 제 1 밸브; 및
    상기 제 2 혼합부의 전단에 배치되며 상기 제 2 혼합부에 공급되는 배기가스의 양을 조절하는 제 2 밸브를 더 포함하는 연료전지 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 밸브와 상기 제 2 밸브를 제어하는 제어부를 더 포함하는 연료전지 시스템.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 밸브가 상기 제 2 혼합부에 공급되는 연료가스의 양을 줄이면, 상기 제 2 밸브는 상기 제 2 혼합부에 공급되는 배기가스의 양을 늘리는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료극으로 공급되는 연료가스의 양을 조절하는 제 1 밸브;
    상기 연료극에서 배출되는 배기가스를 다시 상기 연료극으로 보내는 배기가스 순환라인; 및
    상기 배기가스 순환라인 상에 배치되며 상기 연료극으로 공급되는 배기가스의 양을 조절하는 제 2 밸브를 더 포함하는 연료전지 시스템.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 제 11 항에 있어서,
    상기 배기가스 순환라인에는 상기 연료극에서 배출되는 배기가스에 포함된 이물질을 제거하는 필터가 제공되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  17. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 밸브에서 공급되는 연료가스와 상기 제 2 밸브에서 공급되는 배기가스는 상기 스택의 전단에서 혼합된 후 상기 스택에 공급되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  18. 삭제
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0613094A (ja) * 1992-06-29 1994-01-21 Sanyo Electric Co Ltd 間接内部改質溶融炭酸塩型燃料電池の燃料排ガスリサイクルシステム
KR100751029B1 (ko) * 2006-06-30 2007-08-21 재단법인 포항산업과학연구원 연료전지 발전시스템
KR100774528B1 (ko) 2006-09-12 2007-11-08 엘지전자 주식회사 연료전지시스템
KR20080027984A (ko) * 2006-09-25 2008-03-31 엘에스전선 주식회사 연료전지 발전시스템 및 방법

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0613094A (ja) * 1992-06-29 1994-01-21 Sanyo Electric Co Ltd 間接内部改質溶融炭酸塩型燃料電池の燃料排ガスリサイクルシステム
KR100751029B1 (ko) * 2006-06-30 2007-08-21 재단법인 포항산업과학연구원 연료전지 발전시스템
KR100774528B1 (ko) 2006-09-12 2007-11-08 엘지전자 주식회사 연료전지시스템
KR20080027984A (ko) * 2006-09-25 2008-03-31 엘에스전선 주식회사 연료전지 발전시스템 및 방법

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