KR100356682B1 - 연료전지 발전시스템의 재순환 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지 발전시스템의 재순환 장치에 관한 것으로, 연료가스 공급라인과 산화제가스 공급라인 및 스택 용기(1) 사이의 차압을 측정하는 차압 측정기(11,12)와, 스택(2)의 연료극(3) 및 산소극(4)에서 반응된 가스를 재순환시키기 위한 재순환 블로어(21,22)와, 스택 용기(1)의 내부 압력을 측정하는 내압 측정기(51)와, 스택 용기(1)의 내부 압력을 조절하기 위한 내압 조절밸브(61)와, 상압운전시 연료극(3) 및 산소극(4)에서 반응된 가스의 배출량을 조절하기 위한 상압용 차압 조절밸브(111,112)와, 가압운전시 연료극(3) 및 산소극(4)에서 반응된 가스의 배출량을 조절하기 위한 가압용 차압 조절밸브(121,122)와, 밴트의 가스 유량을 측정하는 유량 측정기(141,142)와, 차압 측정기(11,12)와 내압 측정기(51) 및 유량 측정기(141,142)에서 계측되어 전송된 값에 따라 내압 조절밸브(61)와 상압용 차압 조절밸브(111,112) 또는 가압용 차압 조절밸브(121,122)를 제어하여 스택 용기(1)와 연료극(3) 및 산소극(4) 사이의 차압을 조절하는 제어기(151)로 구성되어, 상압 및 가압조건에 따라 적절한 차압 조절밸브를 선택하여 차압을 자동 제어하므로 정밀하면서도 신속한 제어가 이루어지는 이점이 있다.

Description

연료전지 발전시스템의 재순환 장치{Recycle apparatus of fuel cell power generation system}
본 발명은 연료전지 발전시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 상압 또는 가압조건에 따라 서로 다른 용량 범위를 가지는 상압용 차압 조절부와 가압용 차압 조절부 중 어느 하나를 선택 조절하여 차압을 조절하도록 한 연료전지 발전시스템의 재순환 장치에 관한 것이다.
주지와 같이, 연료전지는 전기화학 반응에 의해 반응물(수소와 산소)의 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 발전장치로서 환경 조화성이 우수하고 높은 발전효율이 기대되고 있다.
특히, 연료전지 중에서 용융탄산염형 연료전지는 탄산염의 용융물을 전해질로 사용하여 작동온도가 650℃로 높기 때문에 전기화학 반응의 속도가 빨라 저온형 연료전지와는 달리 백금 등의 귀금속 촉매가 필요하지 않으며, 전기와 고온의 배열을 함께 이용할 경우 80% 이상의 열효율을 기대할 수 있어 석탄 가스화에 의한 복합 열병합 발전이 가능하다.
이러한 용융탄산염형 연료전지의 단위셀(unit cell)은, 전기화학 반응이 일어나는 연료극(anode) 및 산소극(cathode), 연료가스와 산화제가스의 유로를 형성하는 분리판, 전하를 포집하는 집전판과, 적층의 편의를 위해 시트의 형태로 제작되는 전해질판, 용융된 탄산염을 수용하는 매트릭스로 구성된다.
이러한 단위셀의 전압은 정격방전시에 약 0.8V로 낮기 때문에 실제 발전에서는 기본 구성셀인 단위셀을 다수 적층하여 전압을 높이고, 셀 면적을 증가시켜 고출력화를 달성하게 된다. 이렇게 단위셀을 여러 단 적층한 것을 스택(stack)이라 부른다.
스택으로 조립된 연료전지를 연료전지 발전시스템에 장착하여 연료극의 연료가스 유로로 연료가스를 공급하고 산소극의 산화제가스 유로로 산화제가스를 공급하면 각각의 전극에서 전기화학반응이 발생하여 직류전력이 얻어진다. 이때 전지전체에서는 수소와 산소가 반응하여 물이 생성되는 반응이다.
한편, 연료전지 발전시스템은 그 발전효율을 향상시키기 위하여 재순환 운전을 수행하는데, 이를 위한 상압에서 가압으로의 운전 변환시 스택 용기와 연료극 및 산소극 사이의 차압은 항상 일정하게 요구되는 값의 범위 내를 유지하여야 한다. 만약 서로 압력차가 균형을 이루지 못할 경우에는 연료극과 산소극 사이에서 연료가스와 산화제가스가 크로스 오버되어 혼합되므로 연료전지의 수명을 단축시키고 발전효율을 떨어뜨리기 때문이다.
도 1은 종래 기술에 따른 연료전지 발전시스템 재순환 장치의 구성도이다.
이에 나타낸 바와 같이 종래의 재순환 장치는, 연료가스 공급라인과 산화제가스 공급라인 및 스택 용기(1) 사이의 차압을 측정하는 차압 측정기(11,12)와, 스택(2)의 연료극(3) 및 산소극(4)에서 반응된 가스를 재순환시키기 위한 재순환 블로어(21,22)와, 연료극(3) 및 산소극(4)으로 재순환되는 가스량을 조절하기 위한 유량 조절밸브(31,32)와, 연료극(3) 및 산소극(4)에서 반응된 가스의 배출량 또는재순환량을 조절하여 차압을 조절하기 위한 차압 조절밸브(41a,41b,42a,42b)와, 스택 용기(1)의 내부 압력을 측정하는 내압 측정기(51)와, 스택 용기(1)의 내부 압력을 조절하기 위한 내압 조절밸브(61)와, 차압 측정기(11,12)와 내압 측정기(51)에서 계측되어 전송된 값을 기초로 하여 차압 조절밸브(41a,41b,42a,42b) 및 내압 조절밸브(61)를 제어하여 스택 용기(1)와 연료극(3) 및 산소극(4) 사이의 차압을 자동 조절하는 제어기(71)로 구성된다.
상기와 같이 구성된 종래 연료전지 발전시스템의 재순환 장치에 의하면, 연료가스와 공기 및 이산화탄소는 각각 연료극(3)과 산소극(4)을 통과하면서 반응한 후 연료가스는 차압 조절밸브(41a)를 통하여 밴트로 배출되거나 필요한 일정량은 차압 조절밸브(41b)와 유량 조절밸브(31)를 통하여 연료극(3)으로 재순환되며, 산화제가스는 차압 조절밸브(42a)를 통하여 밴트로 배출되거나 필요한 일정량은 차압 조절밸브(42b)와 유량 조절밸브(32)를 통하여 산소극(4)으로 재순환된다.
이때, 제어기(71)는 가압운전을 하기 위하여 차압 조절밸브(41a,42a)를 조절하여 배출되는 유량을 줄이면서 압력을 높이며 동시에 스택 용기(1)에도 퍼지가스(N2)를 공급하면서 공정라인의 압력과 균형을 이루도록 압력을 높인다.
스택 용기(1)의 압력은 내압 조절밸브(61)를 통하여 자동 조절되며, 각각의 공정 라인은 차압 조절밸브(41a,42a)를 통하여 자동 조절된다. 일반적으로 상압운전에서 가압 재순환운전으로 변경할 때에 차압 측정기(11,12)에서 계측된 차압값을 읽고 차압 조절밸브(41a)와 차압 조절밸브(41b) 및 차압 조절밸브(42a)와 차압 조절밸브(42b) 사이의 개도비율을 적절히 조절하면서 재순환율과 압력을 조절한다.
전술한 바와 같은 종래 연료전지 발전시스템의 재순환 장치에서는, 한가지 용량의 차압 조절밸브를 이용하여 모든 유량과 압력을 제어하였다.
그런데, 압력과 유량은 반비례하므로 상압운전시와 가압운전시의 유량은 많은 차이를 나타낸다. 따라서 차압 조절밸브의 특성상 어느 한가지 용량의 차압 조절밸브로는 모든 유량과 압력을 제어하기 어려워 제어속도와 정밀성이 저하되는 문제점이 있었다.
또한, 종래의 도 1에서 참조부호 41b와 42b의 차압 조절밸브는 삭제하여도 무방한 요소이다. 참조부호 31과 32의 유량 조절밸브가 그 역할을 수행할 수 있기 때문에 중복 설치된 구성인 것이다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안한 것으로서, 그 목적하는 바는 상압 또는 가압조건에 따라 서로 다른 용량 범위를 가지는 상압용 차압 조절부와 가압용 차압 조절부 중 어느 하나를 선택 조절하여 차압을 조절함으로써, 정밀하면서도 신속한 제어가 이루어지도록 하는 데 그 목적이 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 연료전지 발전시스템 재순환 장치의 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 연료전지 발전시스템 재순환 장치의 구성도.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
1 : 스택 용기 2 : 스택
3 : 연료극 4 : 산소극
11,12 : 차압 측정기 21,22 : 재순환 블로어
31,32 : 유량 조절밸브 51 : 내압 측정기
61 : 내압 조절밸브 111,112 : 상압용 차압 조절밸브
121,122 : 가압용 차압 조절밸브 131,132 : 유량계
141,142 : 유량 측정기 151 : 제어기
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지 발전시스템의 재순환 장치는, 연료가스 공급라인과 산화제가스 공급라인 및 스택 용기 사이의 차압을 측정하는 차압 측정부와, 스택의 연료극 및 산소극에서 반응된 가스를 재순환시키기 위한 재순환부와, 상기 스택 용기의 내부 압력을 측정하는 내압 측정부와, 상기 스택 용기의 내부 압력을 조절하기 위한 내압 조절부를 포함하는 연료전지 발전시스템의 재순환 장치에 있어서:
상압운전시 상기 연료극 및 산소극에서 반응된 가스의 배출량을 조절하여 차압을 조절하기 위한 상압용 차압 조절부와, 가압운전시 상기 연료극 및 산소극에서 반응된 가스의 배출량을 조절하여 차압을 조절하기 위한 가압용 차압 조절부와, 상기 연료가스 및 산화제가스가 배출되는 밴트의 가스 유량을 측정하는 유량 측정부와, 상기 차압 측정부와 내압 측정부 및 유량 측정부에서 계측되어 전송된 값을 기초로 하여 상기 내압 조절부와 상압용 차압 조절부 또는 가압용 차압 조절부를 제어하여 상기 스택 용기와 연료극 및 산소극 사이의 차압을 자동 조절하는 제어부를 더 포함한다.
본 발명의 실시예로는 다수개가 존재할 수 있으며, 이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명에 따른 연료전지 발전시스템 재순환 장치의 구성도이다.
이에 나타낸 바와 같이 본 발명의 재순환 장치는, 연료가스 공급라인과 산화제가스 공급라인 및 스택 용기(1) 사이의 차압을 측정하는 차압 측정기(11,12)와, 스택(2)의 연료극(3) 및 산소극(4)에서 반응된 가스를 재순환시키기 위한 재순환 블로어(21,22)와, 연료극(3) 및 산소극(4)으로 재순환되는 가스량을 조절하기 위한유량 조절밸브(31,32)와, 스택 용기(1)의 내부 압력을 측정하는 내압 측정기(51)와, 스택 용기(1)의 내부 압력을 조절하기 위한 내압 조절밸브(61)와, 상압운전시 연료극(3) 및 산소극(4)에서 반응된 가스의 배출량을 조절하여 차압을 조절하기 위한 상압용 차압 조절밸브(111,112)와, 가압운전시 연료극(3) 및 산소극(4)에서 반응된 가스의 배출량을 조절하여 차압을 조절하기 위한 가압용 차압 조절밸브(121,122)와, 연료가스 및 산화제가스가 배출되는 밴트의 가스 유량을 유량계(131,332)를 통해 측정하는 유량 측정기(141,142)와, 차압 측정기(11,12)와 내압 측정기(51) 및 유량 측정기(141,142)에서 계측되어 전송된 값을 기초로 하여 내압 조절밸브(61)와 상압용 차압 조절밸브(111,112) 또는 가압용 차압 조절밸브(121,122)를 제어하여 스택 용기(1)와 연료극(3) 및 산소극(4) 사이의 차압을 자동 조절하는 제어기(151)로 구성된다.
본 발명의 제어기(151)는 PLC(Programmable Logic Controller)를 채용하고, 상압용 차압 조절밸브(111,112)의 용량은 총유량의 0~20% 범위, 가압용 차압 조절밸브(121,122)의 용량은 총유량의 20~80% 범위내를 제어할 수 있도록 설치하는 것이 바람직하다.
상기와 같이 구성된 종래 연료전지 발전시스템의 재순환 장치에 의하면,
<wrb>
상압에서 가압운전으로 변환시 퍼지가스(N2)를 공급하여 스택 용기(1)의 압력을 높이면서 내압 측정기(51)에 의해 계측된 압력값을 기준으로 하여 설정치내로 조절한다.
아울러, 각 연료가스 라인과 산화제가스 라인의 압력은 차압 측정기(11,12)에 의해 계측된 차압값을 기준으로 하여 상압용 차압 조절밸브(111,112) 또는 가압용 차압 조절밸브(121,122)를 제어하여 밴트의 유량을 조절하면서 압력을 설정값으로 조절한다.
여기서, 유량 측정기(141,142)는 유량계(131,132)를 통해 밴트의 유량을 측정하며, 이 유량 측정값은 제어부(151)로 전송된다.
그러면, 제어부(151)는 유량 측정값을 기준으로 하여 현재의 운전이 상압조건인지 가압조건인지를 판단하며, 그 결과에 따라 상압용 차압 조절밸브(111,112)와 가압용 차압 조절밸브(121,122) 중에서 밴트의 유량과 그 용량이 맞는 조절밸브를 선택한 후에 해당 밸브를 조절하여 차압을 제어한다.
<wrb>
상술한 바와 같이 본 발명은, 상압 및 가압조건에 따라 적절한 차압 조절밸브를 선택하여 차압을 자동 제어하므로 정밀하면서도 신속한 제어가 이루어진다.
따라서, 압력차의 불균형으로 인한 연료가스와 산화제가스 사이의 크로스 오버의 발생 우려가 제거되므로 연료전지의 성능향상 및 수명연장의 효과가 있다.

Claims (2)

  1. 연료가스 공급라인과 산화제가스 공급라인 및 스택 용기 사이의 차압을 측정하는 차압 측정부와, 스택의 연료극 및 산소극에서 반응된 가스를 재순환시키기 위한 재순환부와, 상기 스택 용기의 내부 압력을 측정하는 내압 측정부와, 상기 스택 용기의 내부 압력을 조절하기 위한 내압 조절부를 포함하는 연료전지 발전시스템의 재순환 장치에 있어서:
    상압운전시 상기 연료극 및 산소극에서 반응된 가스의 배출량을 조절하기 위한 상압용 차압 조절부와,
    가압운전시 상기 연료극 및 산소극에서 반응된 가스의 배출량을 조절하기 위한 가압용 차압 조절부와,
    상기 연료가스 및 산화제가스가 배출되는 밴트의 가스 유량을 측정하는 유량 측정부와,
    상기 차압 측정부와 내압 측정부 및 유량 측정부에서 계측되어 전송된 값을 기초로 하여 상기 내압 조절부와 상압용 차압 조절부 또는 가압용 차압 조절부를 제어하여 상기 스택 용기와 연료극 및 산소극 사이의 차압을 자동 조절하는 제어부를 더 포함하여 된 연료전지 발전시스템의 재순환 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 상압용 차압 조절부의 용량은 총유량의 0~20% 범위이며, 상기 가압용 차압 조절밸브의 용량은 총유량의 20~80% 범위인 것을 특징으로 하는 연료전지 발전시스템의 재순환 장치.
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