WO2013100490A1 - 연료전지 하이브리드 시스템 - Google Patents

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heat exchanger
heat
oxidant
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김민기
조인정
이상훈
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Posco Energy Co Ltd
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
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Definitions

  • air oxygen
  • the fuel cell typically supplies the oxidant supply gas to the cathode 44 from an oxidant source such as air.
  • the oxidant supply gas may be air, or in some cases, may be a gas in which some of the cathode exhaust gas is recycled and mixed with air.
  • an oxidant supply gas needs to be heated to an appropriate temperature in order to be supplied to the cathode 44.
  • a catalytic combustor 50 which burns unreacted fuel gas in the anode exhaust gas and heats the oxidant supply gas is used. The heated oxidant supply gas is supplied to the cathode 44 of the fuel cell stack.
  • molten carbonate fuel cells that produce electricity through this process produce heat as well as electricity. Therefore, in a fuel cell system using a high temperature fuel cell such as a molten carbonate fuel cell, the efficiency of the entire system depends on how the heat is used. Different. Accordingly, various methods of using such heat to improve the efficiency of the entire system are currently being devised. For example, a method of using such heat as a heating heat source has been attempted. However, in order to use this heat as a heating heat source, there is a limitation that a fuel cell system must be installed not far from where such a heating heat source is needed.
  • FIG. 2 is a block diagram illustrating a fuel cell hybrid system according to another embodiment of the present invention.
  • the heat engine 200 includes a compression means 210 and an expansion means 220.
  • the compression means 210 is configured to receive and compress an oxidant supply gas from an oxidant source such as air.
  • the compression means 210 according to the present embodiment may be a conventional compressor for compressing gas.
  • the oxidant feed gas heated through the first heat exchanger 510 is further heated through the second heat exchanger 520.
  • the second heat exchanger 520 exchanges the oxidant supply gas discharged from the first heat exchanger 510 and the oxidant supply gas discharged from the catalytic burner 150 to exchange the oxidant supply gas passed through the first heat exchanger 510. Heat more.
  • the oxidant supply gas discharged from the catalytic combustor 150 is also the first. It has a temperature sufficient to heat the oxidant feed gas exiting the heat exchanger 510.
  • the hybrid system according to the present embodiment since the heat produced by the fuel cell 100 is utilized in the heat engine 200, the efficiency of the entire system may be improved. More specifically, the hybrid system according to the present embodiment includes not only heat (see first heat exchanger) of the cathode exhaust gas exhausted from the cathode, but also heat (see second heat exchanger) of the oxidant supply gas discharged from the catalytic combustor. Since it is transferred to 200, not only the heat required by the heat engine 200 can be sufficiently secured, but also the heat from the fuel cell 100 can be utilized without waste, thereby improving the efficiency of the entire system.
  • the system according to the present embodiment may further include a first control valve 531 to adjust the flow rate of the oxidant supply gas supplied from the oxidant source to the catalytic combustor 150.
  • the system according to the present embodiment may further include a burner 535 to heat the oxidant supply gas supplied from the oxidant source to the catalytic combustor 150.
  • the hybrid system according to the present embodiment has a second regulating valve as shown in FIG. 1 for controlling the temperature, that is, to adjust the flow rate of the oxidant supply gas supplied to the oxidant supply gas discharged from the catalytic combustor 150. 532 may be further included.

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Description

연료전지 하이브리드 시스템
본 발명은 연료전지 하이브리드 시스템에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 연료전지를 열기관과 연계시켜, 또는 연료전지를 열기관뿐만 아니라 유기 랭킨 사이클 장치와도 연계시켜 시스템 전체의 효율을 향상시킨 연료전지 하이브리드 시스템에 관한 것이다.
연료전지는 탄화수소 연료에 저장된 화학 에너지를 전기화학반응에 의해 전기 에너지로 직접 변환하는 장치이다. 즉, 연료전지는 연료극에서의 수소 산화반응과 공기극에서의 산소 환원반응에 의해 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환하는 장치이다. 이러한 반응을 위해 연료전지 스택의 연료극에는 연료가스(수소)를 공급하여야 하고, 연료전지 스택의 공기극에는 공기(산소)를 공급하여야 한다. 그리고 이러한 반응으로 전기를 생산하는 연료전지 시스템은 크게 연료전지 스택(Stack), MBOP(Mechanical Balance of Plant), EBOP(Electrical Balance of Plant)로 구성된다. 연료전지 스택은 전기화학반응으로 전기를 생산하는 구성이고, MBOP는 연료전지 스택으로 수소와 산소를 공급하는 구성이며, EBOP는 연료전지 스택으로터의 직류전기를 인버터(inverter) 등을 통해 교류전기로 변환하여 필요한 곳으로 공급하는 구성이다.
한편, 용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC)와 같은 고온형 연료전지는 다음과 같은 과정을 통해 전기를 생산한다. 도 3을 참조하여 이에 대해 보다 상술하면, 천연가스(Natural Gas)와 같은 연료가스는 통상 황을 포함하고 있는데, 이러한 황은 후술할 개질기(20)의 개질 촉매에 악영향을 미친다. 이에 따라 연료가스는 우선 탈황기(미도시)를 통해 탈황되어야 한다. 그리고 후술할 개질기(20)에서 일어나는 개질반응은 물을 필요로 하는데, 액상의 물은 개질 촉매에 손상을 줄 수 있으므로, 개질기(20)에는 연료가스와 함께 기상의 물이 공급되어야 한다. 이에 따라 연료가스는 가습 열교환기(10)를 거치면서 가습(加濕)된다. 가습 열교환기(10)는 연료전지 스택의 공기극(44)으로부터 배기되는 고온의 공기극 배기가스를 이용하여 액상의 물을 기화시킨다. 이렇게 탈황되고 가습된 연료가스는 전개질기(20, Pre-Reformer)에서 수소로 개질된다. 이러한 수소는 열교환기(30)에서의 열교환을 통해 필요한 온도로 가열된다. 그런 다음 수소는 연료전지 스택의 연료극(42)으로 공급된다.
그리고 연료전지 스택의 공기극(44)에는 전술한 것과 같이 공기(산소)가 공급되어야 한다. 이를 위해 연료전지는 통상적으로 대기와 같은 산화제 공급원(Air Source)으로부터 산화제 공급가스를 공기극(44)으로 공급한다. 여기서 산화제 공급가스는 공기일 수도 있고, 경우에 따라서는 공기극 배기가스 중의 일부를 재순환시켜 공기와 혼합시킨 가스일 수도 있다. 다만, 이러한 산화제 공급가스는 공기극(44)으로 공급되기 위해 적당한 온도로 가열될 필요가 있다. 이러한 가열을 위해 연료극 배기가스 중의 미반응 연료가스를 연소시켜 산화제 공급가스를 가열하는 촉매연소기(50)를 사용한다. 이렇게 가열된 산화제 공급가스는 연료전지 스택의 공기극(44)으로 공급된다.
그런데 이러한 과정을 통해 전기를 생산하는 용융탄산염 연료전지는 전기뿐만 아니라 열도 생산하기 때문에, 용융탄산염 연료전지와 같은 고온형 연료전지를 이용하는 연료전지 시스템에서는 이러한 열을 어떻게 이용하느냐에 따라 시스템 전체의 효율이 달라진다. 이에 따라 시스템 전체의 효율을 향상시키기 위해 이러한 열을 이용하는 방법들이 현재 다양하게 강구되고 있다. 일례로 이러한 열을 난방 열원으로 사용하는 방법이 시도되기도 한다. 그러나 이러한 열을 난방 열원으로 사용하기 위해서는 이러한 난방 열원을 필요로 하는 곳으로부터 멀지 않은 곳에 연료전지 시스템이 설치되어야 한다는 한계가 존재한다.
이러한 한계를 극복하기 위해 이러한 열을 열기관(예를 들어, 가스터빈)이나 유기 랭킨 사이클(Organic Rankine Cycle, ORC) 장치에서 활용하는 방법들이 강구되기도 한다. 여기서 열기관은 열에너지를 기계적 에너지로 변환시키는 장치를 말하고, 유기 랭킨 사이클 장치는 중저온의 폐열을 동력으로 회수하여 터빈을 돌리는 장치를 말한다. 그러나 이러한 방법들에서도 연료전지와 열기관을 연계시키는 과정에서, 또는 연료전지와 유기 랭킨 사이클 장치를 연계시키는 과정에서 연료전지로부터 생산되는 열을 효율적으로 사용하지 못한다는 한계를 드러내고 있다.
따라서 본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 과제는 연료전지를 열기관과 연계시키거나, 또는 연료전지를 열기관뿐만 아니라 유기 랭킨 사이클 장치와 연계시키면서도 연료전지로부터 생산되는 열을 효율적으로 사용할 수 있는 연료전지 하이브리드 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 연료전지 하이브리드 시스템은, 공기를 포함하는 산화제 공급가스를 압축하는 압축수단, 및 산화제 공급가스를 팽창시켜 기계적 에너지를 발생시키는 팽창수단을 구비하는 열기관, 연료가스를 공급받는 연료극, 산화제 공급가스를 공급받는 공기극, 및 연료극으로부터 배기되는 연료극 배기가스 중의 미반응 연료가스를 연소시켜 산화제 공급가스를 가열하는 촉매연소기를 구비하는 연료전지, 압축수단으로부터 배출되는 산화제 공급가스와 공기극으로부터 배기되는 공기극 배기가스를 열교환시키는 제1 열교환기, 및 제1 열교환기로부터 배출되는 산화제 공급가스와 촉매연소기로부터 배출되는 산화제 공급가스를 열교환시키는 제2 열교환기를 포함한다. 그리고 제2 열교환기로부터 배출되는 산화제 공급가스는 팽창수단을 거쳐 촉매연소기로 공급되고, 촉매연소기로부터 배출되는 산화제 공급가스는 제2 열교환기를 거쳐 공기극으로 공급된다.
본 발명에 따른 연료전지 하이브리드 시스템은 공기극으로부터 배기되는 공기극 배기가스가 가지는 열뿐만 아니라 촉매연소기로부터 배출되는 산화제 공급가스가 가지는 열도 열기관으로 전달하기 때문에, 열기관에서 필요로 하는 열을 충분히 확보할 수 있을 뿐만 아니라, 연료전지로부터의 열을 낭비 없이 활용할 수 있어 시스템 전체의 효율도 향상시킬 수 있으며, 열기관으로 전달하고 남은 열까지도 유기 랭킨 사이클 장치로 전달하기 때문에 시스템 전체의 효율을 더욱 향상시킬 수 있다는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 하이브리드 시스템을 도시하고 있는 블록도
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 하이브리드 시스템을 도시하고 있는 블록도
도 3은 용융탄산염 연료전지의 기본 구성을 도시하고 있는 블록도
이하에서는 첨부의 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명이 이하의 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 하이브리드 시스템을 도시하고 있는 블록도이다. 도 1에서 도시하고 있는 것과 같이 본 실시예에 따른 하이브리드 시스템은 연료전지(100)와 열기관(200)을 모두 포함한다. 우선 열기관(200)에 대해 상술하면, 본 실시예에 따른 열기관(200)은 압축수단(210)과 팽창수단(220)을 구비한다. 압축수단(210)은 대기와 같은 산화제 공급원(Air Source)으로부터 산화제 공급가스를 공급받아 압축시키는 구성이다. 참고로 본 실시예에 따른 압축수단(210)은 기체를 압축하는 통상의 압축기(compressor)일 수 있다.
이렇게 압축된 산화제 공급가스는 제1 열교환기(510)를 통해 가열된다. 이를 위해 제1 열교환기(510)는 압축수단(210)으로부터 배출되는 산화제 공급가스와 공기극(144)으로부터 배기되는 공기극 배기가스를 열교환시켜 산화제 공급가스를 가열한다. 공기극 배기가스는 매우 높은 온도를 가지고 있기 때문에 산화제 공급가스를 가열하기에 충분하다. 그런데 이러한 제1 열교환기(510)는 제1 내부 열교환기(512)와 제1 외부 열교환기(514)로 이루어질 수 있다. 제1 내부 열교환기(512)는 연료전지(100)를 구성하는 스택 모듈(Stack Module)의 내부에 구비되는 열교환기이고, 제1 외부 열교환기(514)는 스택 모듈의 외부에 구비되는 열교환기이다. 이와 같이 열교환기를 스택 모듈의 내부와 외부에 각각 구비하면 스택 모듈의 열교환 효율을 향상시킬 수 있다는 장점이 있다.
이와 같이 제1 열교환기(510)를 통해 가열된 산화제 공급가스는 제2 열교환기(520)를 통해 더욱 가열된다. 이러한 제2 열교환기(520)는 제1 열교환기(510)로부터 배출되는 산화제 공급가스와 촉매연소기(150)로부터 배출되는 산화제 공급가스를 열교환시켜 제1 열교환기(510)를 거친 산화제 공급가스를 더욱 가열한다. 전술한 것과 같이 촉매연소기(150)는 연료극(142)으로부터 배기되는 연료극 배기가스 중의 미반응 연료가스를 연소시켜 산화제 공급가스를 가열하기 때문에, 촉매연소기(150)로부터 배출되는 산화제 공급가스도 제1 열교환기(510)로부터 배출되는 산화제 공급가스를 가열하기에 충분한 온도를 가진다.
이러한 압축과 가열의 과정을 거친 고온 고압의 산화제 공급가스는 팽창수단(220)에서 팽창되며 기계적 에너지를 발생시킨다. 이러한 팽창수단(220)은 고압 고압의 가스가 팽창되며 터빈을 회전시킴으로써 기계적 에너지를 발생시키는 팽창터빈일 수 있다. 이와 같이 팽창수단(220)에서 발생한 기계적 에너지는 압축수단(210)에서 사용될 수 있을 뿐만 아니라 발전기(230, generator)에서도 사용될 수 있다. 이렇게 팽창수단(220)에서 발생한 기계적 에너지가 발전기(230)를 구동시키면 연료전지(100)에서뿐만 아니라 열기관(200)에서도 전기를 생산할 수 있다.
이와 같이 본 실시예에 따른 하이브리드 시스템은 연료전지(100)에서 생산된 열이 열기관(200)에서 활용되기 때문에 시스템 전체의 효율이 향상될 수 있다. 보다 구체적으로 본 실시예에 따른 하이브리드 시스템은 공기극으로부터 배기되는 공기극 배기가스가 가지는 열(제1 열교환기 참조)뿐만 아니라 촉매연소기로부터 배출되는 산화제 공급가스가 가지는 열(제2 열교환기 참조)도 열기관(200)으로 전달하기 때문에, 열기관(200)에서 필요로 하는 열을 충분히 확보할 수 있을 뿐만 아니라, 연료전지(100)로부터의 열을 낭비 없이 활용할 수 있어 시스템 전체의 효율도 향상시킬 수 있다.
한편, 팽창수단(220)으로부터 배출되는 산화제 공급가스는 전술한 촉매연소기(150)로 공급된다. 그런데 열기관(200)을 거친 산화제 공급가스만을 촉매연소기(150)로 공급하다 보면 공기극(144)에 충분한 양의 산화제 공급가스를 공급하지 못할 수도 있다. 열기관(200)에서 기계적 에너지를 생산하기 위해 필요로 하는 산화제 공급가스의 양과 연료전지(100)에서 전기를 생산하기 위해 필요로 하는 산화제 공급가스의 양이 서로 다를 수 있기 때문이다. 이러한 문제를 해결하기 위해 본 실시예에 따른 하이브리드 시스템은 도 1에서 도시하고 있는 것과 같이 산화제 공급원으로부터 산화제 공급가스를 압축수단(210)뿐만 아니라 촉매연소기(150)로도 공급할 수 있다. 이와 같이 구성하면 산화제 공급가스가 열기관(200)을 거쳐 촉매연소기(150)로 공급되는 것에 더해서, 선택적으로 산화제 공급원으로부터 직접 산화제 공급가스가 촉매연소기(150)로 공급될 수 있다.
이때 산화제 공급원으로부터 촉매연소기(150)로 공급되는 산화제 공급가스의 유량을 조절하기 위해 본 실시예에 따른 시스템은 제1 조절 밸브(531)를 더 포함할 수 있다. 그리고 산화제 공급원으로부터 촉매연소기(150)로 공급되는 산화제 공급가스를 가열하기 위해 본 실시예에 따른 시스템은 버너(535)를 더 구비할 수 있다. 연료전지(100)가 가동을 시작할 때나, 또는 연료전지(100)에 걸리는 부하가 50% 이하일 때에는 연료전지(100)에서 충분한 반응이 일어나지 않기 때문에 연료전지(100)가 작동에 필요한 온도를 유지하기 어렵다. 이에 따라 필요한 열을 별도로 공급해 주는 것이 바람직하다. 이를 위해 본 실시예에 따른 하이브리드 시스템은 전술한 버너(535)를 이용한다. 이와 같이 버너(535)를 통해 산화제 공급가스를 가열한 다음에 촉매연소기(150)로 공급하면, 연료전지(100)만으로는 필요한 온도를 유지하기 어려운 경우에도 산화제 공급가스가 가지는 열로부터 연료전지(100)를 필요한 온도로 유지할 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 하이브리드 시스템은 산화제 공급원으로부터 산화제 공급가스를 압축수단(210)뿐만 아니라 촉매연소기(150)로부터 배출되는 산화제 공급가스로도 공급할 수 있다. 전술한 것과 같이 산화제 공급가스는 촉매연소기(150)를 거치면서 가열되기 때문에 산화제 공급원으로부터 공급되는 산화제 공급가스보다 온도가 높다. 이에 따라 촉매연소기(150)로부터 배출되는 산화제 공급가스에 산화제 공급원으로부터의 산화제 공급가스를 공급하면 촉매연소기(150)로부터 배출되는 산화제 공급가스의 온도를 낮출 수 있다. 이러한 점을 이용하여 산화제 공급원으로부터 공급되는 산화제 공급가스의 양을 조절하면 촉매연소기(150)로부터 배출되는 산화제 공급가스의 온도를 조절할 수 있다.
예를 들어, 고부하로 인해 연료전지 스택의 온도가 상승하는 경우에 산화제 공급원으로부터 공급되는 산화제 공급가스의 양을 증가시켜 공기극(144)으로 공급되는 산화제 공급가스(즉, 촉매연소기로부터 배출되는 산화제 공급가스)의 온도를 낮추면, 연료전지 스택의 온도도 낮아질 수 있다. 연료전지 스택은 온도를 일정하게 유지하는 것이 필요하기 때문에 이와 같은 방법으로 연료전지 스택의 온도를 조절하는 것은 매우 유용하다. 본 실시예에 따른 하이브리드 시스템은 이러한 온도 조절을 위해, 즉 촉매연소기(150)로부터 배출되는 산화제 공급가스로 공급되는 산화제 공급가스의 유량을 조절하기 위해 도 1에서 도시하고 있는 것과 같이 제2 조절 밸브(532)를 더 포함할 수 있다.
또한 본 실시예에 따른 시스템은 전술한 제1 조절 밸브(531)와 제2 조절 밸브(532)에 더해서 산화제 공급원으로부터 압축수단(210)으로 공급되는 산화제 공급가스의 유량을 조절하기 위해 제3 조절 밸브(533)를 더 포함할 수 있다. 제3 조절 밸브(533)는 결과적으로 팽창수단(220)으로 유입되는 산화제 공급가스의 양을 조절할 수 있기 때문에 열기관(200)에서 생산되는 기계적 에너지의 양을 조절할 수 있다. 결국, 본 실시예에 따른 시스템은 전술한 3개의 밸브(531, 532, 533)를 통해 열기관(200)에서 필요로 하는 산화제 공급가스의 양, 연료전지(100)에서 필요로 하는 산화제 공급가스의 양, 그리고 연료전지 스택의 온도를 조절하기 위해 필요로 하는 산화제 공급가스의 양 등을 조절할 수 있다. 참고로, 산화제 공급원으로부터 산화제 공급가스를 연료전지(100)나 열기관(200)으로 공급하기 위해 본 실시예에 따른 하이브리드 시스템은 송풍기(540, air blower)를 더 구비할 수 있다.
한편, 공기극(144)으로부터 배기되는 공기극 배기가스는 전술한 열기관(200)에 열을 제공한 이후에도 어느 정도 고온을 유지한다. 이에 따라 이러한 열을 더 활용할 수 있다면 시스템 전체의 효율은 더욱 향상될 것이다. 이를 위해 본 실시예에 따른 하이브리드 시스템은 도 2에서 도시하고 있는 것과 같이 중저온의 폐열을 동력으로 회수하여 터빈을 돌리는 유기 랭킨 사이클 장치(300)를 더 포함할 수 있다. 도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 하이브리드 시스템을 도시하고 있는 블록도이다. 도 2에서 도시하고 있는 것과 같이 본 실시예에 따른 유기 랭킨 사이클 장치(300)는, 제1 열교환기(510)로부터 배출되는 공기극 배기가스와의 열교환을 통해 작동 유체를 가열하는 제3 열교환기(310), 제3 열교환기(310)를 통해 가열된 작동 유체를 팽창시켜 기계적 에너지를 발생시키는 팽창터빈(320), 팽창터빈(320)으로부터 배출되는 작동 유체를 응측시키는 응축기(330), 및 응축기(330)로부터 배출되는 작동 유체를 압송하는 펌프(340)를 구비한다.
팽창터빈(320)은 전술한 팽창수단(220)과 유사하게 발생한 기계적 에너지로 발전기(360)를 구동시켜 전기를 발생시킬 수 있다. 그리고 응축기(330)는 작동 유체를 응축시키기 위해 외부에서 찬 물을 공급받을 수 있다. 또한 본 실시예에 따른 유기 랭킨 사이클 장치(300)는 열교환 효율을 더욱 높이기 위해 펌프(340)로부터 배출되는 작동 유체와 팽창터빈(320)으로부터 배출되는 작동 유체를 열교환시키는 제4 열교환기(350)를 더 포함할 수 있다. 참고로, 유기 랭킨 사이클 장치(300)는 작동 유체로 물보다 비등점이 낮고 증기압이 높은 유기 매체를 이용한다.
이와 같이 본 실시예에 따른 연료전지 하이브리드 시스템은 연료전지(100)뿐만 아니라, 열기관(200), 유기 랭킨 사이클 장치(300)를 통해서도 전기를 생산할 수 있다. 그리고 열기관(200)과 유기 랭킨 사이클 장치(300)에서 필요로 하는 열은 연료전지(100)로부터 공급될 수 있다. 이에 따라 본 실시예에 따른 연료전지 하이브리드 시스템은 설치 장소에 구애를 받지 않으면서도 시스템 전체의 효율을 향상시킬 수 있다. 보다 구체적으로 본 실시예에 따른 하이브리드 시스템(도 2 참조)은 연료전지(100)로부터의 폐열을 열기관(200)뿐만 아니라 유기 랭킨 사이클 장치(300)에서도 활용하기 때문에, 아래 표에서 나타내고 있는 것과 같이 종래의 연료전지만을 포함하는 시스템(도 3 참조)에 비해 향상된 효율을 가질 수 있다(아래 표는 정격 출력 시에 얻어지는 데이터이다).
표 1
구분 도 2에 따른 시스템 도 3에 따른 시스템
천연가스의 공급량 [1b/hr] 961 961
연료전지 DC [kW] 3017 3017
AC [kW] 2896 2896
Inverter loss (4%) [kW] 121 121
MBOP loss [kW] 19 99
열기관 압축기(효율 82.7%)소비 전력 [kW] 771
팽창터빈(효율 93%)발생 전력 [kW] 1279
ORC 장치(15%) 발생 전력 [kW] 145
시스템 전체 출력[kW] 3533 2800
총 전기 효율[%] 대략 59 대략 47
본 발명은 연료전지를 열기관과 연계시켜, 또는 연료전지를 열기관뿐만 아니라 유기 랭킨 사이클 장치와도 연계시켜 시스템 전체의 효율을 향상시킨 연료전지 하이브리드 시스템에 관한 것으로서, 산업상 이용가능성이 있다.

Claims (10)

  1. 공기를 포함하는 산화제 공급가스를 압축하는 압축수단, 및 상기 산화제 공급가스를 팽창시켜 기계적 에너지를 발생시키는 팽창수단을 구비하는 열기관;
    연료가스를 공급받는 연료극, 상기 산화제 공급가스를 공급받는 공기극, 및 상기 연료극으로부터 배기되는 연료극 배기가스 중의 미반응 연료가스를 연소시켜 상기 산화제 공급가스를 가열하는 촉매연소기를 구비하는 연료전지;
    상기 압축수단으로부터 배출되는 산화제 공급가스와 상기 공기극으로부터 배기되는 공기극 배기가스를 열교환시키는 제1 열교환기; 및
    상기 제1 열교환기로부터 배출되는 산화제 공급가스와 상기 촉매연소기로부터 배출되는 산화제 공급가스를 열교환시키는 제2 열교환기를 포함하며,
    상기 제2 열교환기로부터 배출되는 산화제 공급가스는 상기 팽창수단을 거쳐 상기 촉매연소기로 공급되고, 상기 촉매연소기로부터 배출되는 산화제 공급가스는 상기 제2 열교환기를 거쳐 상기 공기극으로 공급되는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 열교환기는 상기 연료전지를 구성하는 스택 모듈의 내부에 구비되는 제1 내부 열교환기, 및 상기 스택 모듈의 외부에 구비되는 제1 외부 열교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 산화제 공급가스를 공급하는 산화제 공급원으로부터 상기 산화제 공급가스를 상기 압축수단과 함께 상기 촉매연소기로도 공급하는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 산화제 공급원으로부터 상기 촉매연소기로 공급되는 산화제 공급가스의 유량을 조절하는 제1 조절 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 시스템.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 산화제 공급원으로부터 상기 촉매연소기로 공급되는 산화제 공급가스를 가열하는 버너를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 산화제 공급가스를 공급하는 산화제 공급원으로부터 상기 산화제 공급가스를 상기 압축수단과 함께 상기 촉매연소기로부터 배출되는 산화제 공급가스로도 공급하는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 시스템.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 산화제 공급원으로부터 상기 촉매연소기로부터 배출되는 산화제 공급가스로 공급되는 산화제 공급가스의 유량을 조절하는 제2 조절 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 시스템.
  8. 청구항 3 또는 청구항 6에 있어서,
    상기 산화제 공급원으로부터 상기 압축수단으로 공급되는 산화제 공급가스의 유량을 조절하는 제3 조절 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 시스템.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 열교환기로부터 배출되는 공기극 배기가스와의 열교환을 통해 작동 유체를 가열하는 제3 열교환기, 상기 제3 열교환기를 통해 가열된 작동 유체를 팽창시켜 기계적 에너지를 발생시키는 팽창터빈, 상기 팽창터빈으로부터 배출되는 작동 유체를 응측시키는 응축기, 및 상기 응축기로부터 배출되는 작동 유체를 압송하는 펌프를 구비하는 유기 랭킨 사이클(organic rankine cycle) 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 시스템.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 유기 랭킨 사이클 장치는 상기 펌프로부터 배출되는 작동 유체와 상기 팽창터빈으로부터 배출되는 작동 유체를 열교환시키는 제4 열교환기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 시스템.
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