KR100619776B1 - 일산화탄소 희석장치를 구비한 연료전지 및 그 구동방법 - Google Patents

일산화탄소 희석장치를 구비한 연료전지 및 그 구동방법 Download PDF

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KR100619776B1
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Abstract

본 발명은, 일산화탄소 희석장치를 구비한 연료전지에 관한 것으로서, 연료를 공급하는 연료공급부와; 상기 연료공급부에서 연료를 공급받아 수소가스를 포함하는 수소부유가스를 발생시키는 개질기부와; 상기 개질기부에서 발생되는 수소가스와 별도로 공급되는 산소의 전기화학반응으로 전기와 열을 발생시키는 스택부와; 상기 개질기부에서 발생하는 수소부유가스를 상기 스택부로 공급하는 공급라인 중간에 구비되어 수소부유가스의 일산화탄소 농도를 검출하는 농도검출센서와; 상기 농도검출센서의 도출측에 위치하도록 상기 공급라인의 중간에 설치하여 일정량의 수소부유가스를 수용하도록 하는 저장부와; 상기 농도검출센서와 저장부 사이의 공급라인에 구비되어 상기 농도검출센서의 검출값이 기준치 이상인 경우에는 수소부유가스를 상기 개질기부로 선회시키는 동시에 상기 저장부에서 일산화탄소를 희석시킨 수소부유가스가 상기한 스택부로 공급되도록 하는 수소공급절환부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 의해, 기준치 이상의 일산화탄소를 함유한 수소부유가스가 스택부로 공급되는 현상을 억제하여 스택부의 성능저하 및 수명단축을 방지할 수 있는 일산화탄소 희석장치를 구비한 연료전지가 제공된다.

Description

일산화탄소 희석장치를 구비한 연료전지 및 그 구동방법{FUEL CELL HAVING DEVIECE FOR DILUTING CO AND OPERRATING METHOD THREROF}
도 1은 종래의 연료 전지의 구조를 도시한 개략도,
도 2는 도 1의 연료전지 발전 시스템을 구성하는 스택부의 단위 전지 단면도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 일산화탄소 희석장치를 구비한 연료전지의 구조를 도시한 개략도,
도 4는 도 3의 작동을 도시한 작동흐름도,
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 일산화탄소 희석장치를 구비한 연료전지의 구조를 도시한 개략도이다.
** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **
100 : 연료공급부 200 : 개질기부
300 : 스택부 340 : 공급라인
350 : 선회라인 360 : 회수라인
400 : 전력변환기 500 : 농도검출센서
600 : 저장부 700 : 3방밸브
800 : 압축기
본 발명은, 일산화탄소 희석장치를 구비한 연료전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 기준치 이상의 일산화탄소를 함유한 수소부유가스가 스택부로 공급되는 현상을 억제하여 스택부의 성능저하 및 수명단축을 방지할 수 있는 일산화탄소 희석장치를 구비한 연료전지에 관한 것이다.
현재 건물에서 사용하고 있는 전기에너지는 발전소에서 화력이나 수력 등에 의해 발전을 일으켜 발생되는 것이다. 그리고 발전소에서 발전된 전기에너지는 송전선을 통해 각 지역의 건물, 즉 가정으로 공급되며 그 공급되는 전기에너지로 텔레비전, 형광등, 냉장고, 에어컨 등을 작동하여 생활을 편리하고 유익하게 하고 있다.
그런데 현재 사용 중인 전기에너지를 발전소에서 얻기 위하여 발전소에서 기름이나 석탄을 연소시켜 그 열에너지를 전기에너지로 변환시켜 전기에너지를 얻게 되므로 사용되는 연료 에너지에 비해 발전 효율이 매우 낮고, 또한 그 발전소에서 발전된 전기에너지를 각 지역의 건물에 송전선을 통해 공급하는 과정에서 손실이 크게 발생되어 연료 에너지의 소모에 비해 각 건물에서 사용되는 전기에너지의 효율이 매우 낮다. 즉, 각 건물에서 사용하는 전기에너지를 얻기 위해 과다하게 많은 연료 에너지가 소모된다. 또한, 이로 인하여 많은 기름이나 석탄 등의 연료 에너지를 연소시키면서 발생되는 오염 물질에 의해 환경 오염을 유발시키게 되는 문제점 이 있다.
따라서, 근래에는 에너지 효율이 우수할 뿐만 아니라 환경 친화적으로 전기에너지를 발생시키는 연료전지가 개발되고 있다. 이와 같은 연료전지는 외부로부터 연속적으로 공급되는 연료와 공기의 전기화학반응을 통하여 연료가 가진 화학 에너지를 직접 전기에너지로 발전시키는 장치이다.
도 1은 종래의 연료 전지의 구조를 도시한 개략도이고, 도 2는 도 1의 연료전지 발전 시스템을 구성하는 스택부의 단위 전지 단면도이다.
이들 도면에 도시한 바와 같이, 연료전지 시스템은 일정량의 연료를 공급하는 연료공급부(10)와, 연료공급부(10)의 연료를 공급받아 수소가스와 열을 포함하는 수소부유가스를 발생시키는 개질기부(20)와, 개질기부(20)에서 발생되는 수소가스와 별도로 공급되는 산소의 전기화학반응으로 전기와 열을 발생시키는 스택부(30)와, 스택부(30)에서 발생된 전기를 변환시키는 전력변환기(40)로 구성되어 있다.
개질기부(200)는 연료공급부(100)를 통해 공급되는 연료가 물과 공기와 함께 유입되어 상기 연료에 함유된 황을 제거하는 탈황반응기(DS, 210)와, 연료와 수증기가 반응하는 수증기 개질반응기(SR, 220)와, 일산화탄소와 수증기가 반응하도록 하는 고온수반응기(HTS, 230)와, 일산화탄소를 이산화탄소로 변환시키는 저온수반응기(LTS, 240)와, 산화되지 않은 일산화탄소를 이산화탄소로 변환시키는 부분산화반응기(PRO, 250) 및 개질반응 그리고 수소정제반응이 일어나면서 연료로부터 수소가 생성되는 반응로(260)와, 반응로(260)에 접촉 결합되어 반응로(260)에서 필요한 열을 공급하는 버너(270)로 이루어진다.
스택부(30)는 연료극(31)과 전해질막(32) 그리고 공기극(33)을 포함하여 구성되는 단위 전지가 다수개 적층되어 이루어진다.
개질기부(20)에서 발생된 수소부유가스를 스택부(30)로 공급하는 공급라인(34)의 중간에는 상기 수소부유가스가 포함하고 있는 일산화탄소의 농도를 검출할 수 있도록 농도검출센서(50)가 설치되어 있다.
도면 중 미설명 부분인 11, 13은 압축기이고 12는 공기 공급부이다.
상기한 바와 같은 구조를 갖는 종래의 연료전지의 작동은 다음과 같다.
먼저, 연료공급부(10)에서 메탄올이나 천연액화가스(일명; LNG) 또는 가솔린 등의 연료와 물을 개질기부(20)에 공급하게 되면 개질기부(20)에서 수증기 개질 반응(Steam Reforming) 및 부분 산화 반응(Partial Oxidation)이 복합적으로 일어나면서 수소가스와 반응열과 그리고 물을 포함하는 수소부유가스를 발생시키게 된다.
상기 수소부유가스를 공급받은 스택부(30)에서는 수소가스(H2)가 연료극(Anode; 일명, 산화전극)(31)측에 공급되어 전기 화학적 산화 반응이 일어나면서 수소이온 H+ 과 전자 e- 로 이온화되면서 산화된다. 이온화된 수소이온은 전해질막(32)을 통해 공기극(Cathode; 일명, 환원전극)(33)측으로 이동하게 되고 아울러 전자는 연료극(31)을 통해 이동하게 되어 전기와 열과 물을 발생시키게 된다. 스택부(30)에서 발생된 전기는 전력변환기(40)에 의해 변환되면서 전기 제품을 가동시키게 된다.
한편, 공급라인(34)에 설치된 농도검출센서(50)를 이용하여 개질기부(20)에서 스택부(30)로 공급되는 수소부유가스가 함유하고 있는 일산화탄소의 농도를 검출하여, 상기 수소부유가스가 일정량(약10 ppm) 이상의 일산화탄소를 함유하게 되면 스택부(30)의 손상을 방지하도록 스택부(30)의 운전은 정지하게 된다.
그런데, 이러한 종래의 연료전지에 있어서는, 농도검출센서(50)를 이용하여 스택부(30)에 공급되는 상기 수소부유가스가 함유하고 있는 일산화탄소의 농도를 검출하여 일산화탄소의 농도가 일정량을 초과하게 될 경우 스택부(30)의 작동을 중지시키게 되는데, 이 과정에서 일정비율을 초과한 일산화탄소를 포함한 수소부유가스(Hydrogen-Rich Gas)가 스택부(30)로 유입되어 스택부(30)의 성능이 저하되고 수명이 단축된다고 하는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은, 기준치 이상의 일산화탄소를 함유한 수소부유가스가 스택부로 공급되는 현상을 억제하여 스택부의 성능저하 및 수명단축을 방지할 수 있는 수소부유가스 저장부를 구비한 연료전지를 제공하는 것이다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 연료를 공급하는 연료공급부와; 상기 연료공급부에서 연료를 공급받아 수소가스를 포함하는 수소부유가스를 발생시키는 개질기부와; 상기 개질기부에서 발생되는 수소가스와 별도로 공급되는 산소의 전기화학반응으로 전기와 열을 발생시키는 스택부와; 상기 개질기부에서 발생하는 수소부유가스를 상기 스택부로 공급하는 공급라인 중간에 구비되어 수소부유가스의 일산화탄 소 농도를 검출하는 농도검출센서와; 상기 농도검출센서의 도출측에 위치하도록 상기 공급라인의 중간에 설치하여 일정량의 수소부유가스를 수용하도록 하는 저장부와; 상기 농도검출센서와 저장부 사이의 공급라인에 구비되어 상기 농도검출센서의 검출값이 기준치 이상인 경우에는 수소부유가스를 개질기부로 선회시키는 동시에 상기 저장부에서 일산화탄소를 희석시킨 수소부유가스가 상기한 스택부로 공급되도록 하는 수소공급절환부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 일산화탄소 희석장치를 구비한 연료전지에 의해 달성된다.
한편, 본 발명의 다른 분야에 따르면, 연료공급부에서 스택부로 공급되는 수소부유가스의 일산화탄소 농도를 검출하는 단계와; 스택부로 공급되는 수소부유가스의 일산화탄소 농도가 기준치 이하일 경우에는 상기한 수소부유가스가 지속적으로 스택부에 공급되도록 하는 반면 기준치 이상일 경우에는 다시 개질기부로 선회시키는 동시에 일산화탄소가 과다하게 함유된 수소부유가스는 스택부의 입구측에서 희석시키면서 스택부에 공급되도록 하는 단계와; 스택부로 공급되는 수소부유가스의 일산화탄소 농도가 일정 시간 이상 기준치 이상일 경우에는 스택부의 운전을 정지시키는 단계로 진행하는 것을 특징으로 하는 일산화탄소 희석장치를 구비한 연료전지의 구동방법에 의해 달성된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 일산화탄소 희석장치를 구비한 연료전지의 구조를 도시한 개략도이고, 도 4는 도 3의 작동을 도시한 작동흐름도이며, 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 일산화탄소 희석장치를 구비한 연료전지의 구조 를 도시한 개략도이다.
이들 도면에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 일산화탄소 희석장치를 구비한 연료전지는, 연료를 공급하는 연료공급부(100)와, 연료공급부(100)에서 연료를 공급받아 수소가스를 포함하는 수소부유가스를 발생시키는 개질기부(200)와, 개질기부(200)에서 발생되는 수소가스와 별도로 공급되는 산소의 전기화학반응으로 전기와 열을 발생시키는 스택부(300)와, 개질기부(200)에서 발생하는 수소부유가스를 스택부(300)로 공급하는 공급라인(340) 중간에 구비되어 수소부유가스의 일산화탄소 농도를 검출하는 농도검출센서(500)와, 농도검출센서(500)의 도출측에 위치하도록 공급라인(340)의 중간에 설치하여 일정량의 수소부유가스를 수용하도록 하는 저장부(600)와, 농도검출센서(500)와 저장부(600) 사이의 공급라인(340)에 구비되어 농도검출센서(500)의 검출값이 기준치 이상인 경우에는 수소부유가스를 개질기부(200)로 선회시키는 동시에 저장부(600)에서 일산화탄소를 희석시킨 수소부유가스가 스택부(300)로 공급되도록 하는 수소공급절환부를 포함하여 구성되어 있다.
개질기부(200)는 연료공급부(100)를 통해 공급되는 연료가 물과 공기와 함께 유입되어 상기 연료에 함유된 황을 제거하는 탈황반응기(DS, 210)와, 연료와 수증기가 반응하는 수증기 개질반응기(SR, 220)와, 일산화탄소와 수증기가 반응하도록 하는 고온수반응기(HTS, 230)와, 일산화탄소를 이산화탄소로 변환시키는 저온수반응기(LTS, 240)와, 산화되지 않은 일산화탄소를 이산화탄소로 변환시키는 부분산화반응기(PRO, 250) 및 개질반응 그리고 수소정제반응이 일어나면서 연료로부터 수소 가 생성되는 반응로(260)와, 반응로(260)에 접촉 결합되어 반응로(260)에서 필요한 열을 공급하는 버너(270)로 이루어진다.
스택부(30)는 연료극(31)과 전해질막(32) 그리고 공기극(33)을 포함하여 구성되는 단위 전지가 다수개 적층되어 이루어진다.
수소공급절환부는 농도검출센서(500)의 도출측 공급라인(340)과 스택부(300)에서 남은 수소를 개질기부(200)로 회수하도록 그 스택부(300)와 개질기부(200) 사이에 연결되는 회수라인(360)을 연결하는 선회라인(350)과, 공급라인(340)과 선회라인(350)이 연결되는 지점에 설치되어 수소부유가스의 일산화탄소 농도에 따라 개폐방향을 절환하는 3방밸브(700)로 이루어진다.
또한, 수소공급절환부는 농도검출센서(500)의 도출측 공급라인(340)과 스택부에서 남은 수소를 개질기부(200)로 회수하도록 그 스택부(300)와 개질기부(200) 사이에 연결되는 회수라인(360)을 연결하는 선회라인(350)과, 공급라인(340)과 회수라인(350)이 연결되는 지점보다 후류에 구비되어 수소부유가스의 일산화탄소 농도가 기준치 이하일 경우 열리는 제1 양방밸브(341)와, 선회라인(350)의 중간에 구비되어 수소부유가스의 일산화탄소 농도가 기준치 이상일 경우 열리는 제2 양방밸브(361)로 구성할 수도 있다.
저장부(600)에 저장된 상기 수소부유가스를 스택부(300) 측으로 공급할 수 있도록 저장부(600)의 입구측 공급라인(340)에는 압축기(800)가 설치되어 있다.
도면 중 미설명 부분인 110, 130은 압축기이고 120은 공기 공급부이다.
상기한 바와 같은 구조를 갖는 본 발명의 일 실시예에 따른 일산화탄소 희석 장치를 구비한 연료전지의 작동은 다음과 같다.
먼저, 연료공급부(100)에서 메탄올이나 천연액화가스(일명; LNG) 또는 가솔린 등의 연료와 물을 개질기부(200)에 공급하게 되면 개질기부(200)에서 수증기 개질 반응(Steam Reforming) 및 부분 산화 반응(Partial Oxidation)이 복합적으로 일어나면서 수소가스와 반응열과 그리고 물을 포함하는 수소부유가스를 발생시키게 된다. 그리고 스택부(300)에서는 개질기부(200)에서 공급되는 수소가스와 별도로 공급되는 산소가 전기화학반응을 일으켜 전기와 열과 물을 발생시키게 된다.
농도검출센서(500)를 이용하여 개질기부(200)에서 스택부(300)로 공급되는 수소부유가스가 함유하고 있는 일산화탄소의 농도를 검출하여, 상기 수소부유가스가 일정량(약10 ppm) 미만의 일산화탄소를 함유하면 스택부(300)는 계속 운전을 하면서 전기를 발생한다.
농도검출센서(500)를 이용하여 개질기부(200)에서 스택부(300)로 공급되는 수소부유가스가 함유하고 있는 일산화탄소의 농도를 검출하여, 일시적으로 상기 수소부유가스가 일정량(약10 ppm) 이상의 일산화탄소를 함유하게 되면 스택부(300)의 성능저하와 수명단축을 방지하도록 저장부(600) 측으로 상기 수소부유가스를 공급하는 공급라인(340)은 폐쇄되고, 개질기부(200) 측으로 상기 수소부유가스를 선회시키는 선회라인(350)이 개방되어 일정량을 초과한 일산화탄소를 함유한 수소부유가스가 다시 개질기부(200)로 공급된다. 이때, 압축기(800)가 작용하여 저장부(600)에 저장되어 있는 일정량 미만의 일산화탄소를 함유한 수소부유가스가 스택부(300)로 공급되어 스택부(300)에서는 전기가 발생된다.
저장부(600)의 수소부유가스가 스택부(300)로 공급되는 동안 개질기부(200)에서 발생되는 수소부유가스가 함유하고 있는 일산화탄소의 농도가 일정량 이하로 떨어지게 되면 저장부(600) 측으로 상기 수소부유가스를 공급하는 공급라인(340)은 다시 개방되고, 개질기부(200) 측으로 상기 수소부유가스를 선회시키는 선회라인(350)이 폐쇄되어 스택부(300)는 개질기부(200)에서 수소부유가스를 공급받으면서 구동되어 전기를 발생시킨다.
한편, 일산화탄소의 농도가 일정량 이상인 수소부유가스가 지속적으로 개질기부(200)에서 스택부(300)로 공급되면 스택부(300)의 운전은 정지된다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 일산화탄소 희석장치를 구비한 연료전지의 작동은 다음과 같다.
다만, 상기한 작동과 동일한 부분에 대해서는 그에 대한 상세한 설명을 생략하기로 한다.
농도검출센서(500)를 이용하여 개질기부(200)에서 스택부(300)로 공급되는 수소부유가스가 함유하고 있는 일산화탄소의 농도를 검출하여, 일시적으로 상기 수소부유가스가 일정량(약10 ppm) 이상의 일산화탄소를 함유하게 되면 스택부(300)의 성능저하와 수명단축을 방지하도록 저장부(600) 측으로 상기 수소부유가스를 공급하는 제1 양방밸브(341)는 폐쇄되고, 개질기부(200) 측으로 상기 수소부유가스를 선회시키는 제2 양방밸브(361)가 개방되어 일정량을 초과한 일산화탄소를 함유한 수소부유가스가 다시 개질기부(200)로 공급된다. 이때, 압축기(800)가 작용하여 저장부(600)에 저장되어 있는 일정량 미만의 일산화탄소를 함유한 수소부유가스가 스 택부(300)로 공급되어 스택부(300)에서는 전기가 발생된다.
저장부(600)의 수소부유가스가 스택부(300)로 공급되는 동안 개질기부(200)에서 발생되는 수소부유가스가 함유하고 있는 일산화탄소의 농도가 일정량 이하로 떨어지게 되면 저장부(600) 측으로 상기 수소부유가스를 공급하는 제1 양방밸브(341)는 다시 개방되고, 개질기부(200) 측으로 상기 수소부유가스를 선회시키는 제2 양방밸브(361)가 폐쇄되어 스택부(300)는 개질기부(200)에서 수소부유가스를 공급받으면서 구동되어 전기를 발생시킨다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 상기 공급라인의 출구측에 상기 수소부유가스의 일산화탄소 농도가 기준치 이상일 경우에 상기 수소부유가스가 내부로 유입되어 희석됨과 아울러 희석된 수소부유가스를 상기 스택부에 공급하는 저장부를 구비하고, 상기 농도검출센서와 저장부 사이의 공급라인에 구비되어 상기 농도검출센서의 검출값이 기준치 이상인 경우에는 수소부유가스를 개질기부로 선회시키는 동시에 상기 저장부에서 일산화탄소를 희석시킨 수소부유가스가 상기한 스택부로 공급되도록 하는 수소공급절환부를 구비하도록 함으로써, 기준치 이상의 일산화탄소를 함유한 수소부유가스가 스택부로 공급되는 현상을 억제하여 스택부의 성능저하 및 수명단축을 방지할 수 있는 수소부유가스 저장부를 구비한 연료전지가 제공된다.

Claims (5)

  1. 일정비율의 연료를 공급하는 연료공급부와;
    상기 연료공급부에서 연료를 공급받아 수소가스를 포함하는 수소부유가스를 발생시키는 개질기부와;
    상기 개질기부에서 발생되는 수소부유가스와 별도로 공급되는 산소의 전기화학반응으로 전기와 열을 발생시키는 스택부와;
    상기 수소부유가스를 상기 스택부로 공급하는 공급라인의 중간에 구비되어 상기 스택부로 공급되는 수소부유가스의 일산화탄소 농도를 검출하는 농도검출센서와;
    상기 농도검출센서와 상기 스택부 사이에 위치하도록 상기 공급라인의 중간에 설치하여 일정량의 수소부유가스를 수용하도록 함과 동시에 희석시키는 저장부와;
    상기 농도검출센서의 도출측 공급라인에 구비되어 상기 농도검출센서의 검출값이 일정비율 이상인 경우에는 수소부유가스를 개질기부로 선회시키는 수소공급절환부를 포함한 것을 특징으로 하는 개질기봄베부를 구비한 연료전지.
  2. 제1항에 있어서,
    수소공급절환부는 농도검출센서의 도출측 공급라인과 스택부에서 남은 수소를 개질기부로 회수하도록 그 스택부와 개질기부 사이에 연결되는 회수라인을 연결 하는 선회라인과, 상기 공급라인과 선회라인이 연결되는 지점에 설치되어 수소부유가스의 일산화탄소 농도에 따라 개폐방향을 절환하는 3방밸브로 이루어진 것을 특징으로 하는 일산화탄소 희석장치를 구비한 연료전지.
  3. 제1항에 있어서,
    수소공급절환부는 농도검출센서의 도출측 공급라인과 스택부에서 남은 수소를 개질기부로 회수하도록 그 스택부와 개질기부 사이에 연결되는 회수라인을 연결하는 선회라인과, 상기 공급라인과 회수라인이 연결되는 지점보다 후류에 구비되어 수소부유가스의 일산화탄소 농도가 기준치 이하일 경우 열리는 제1 양방밸브와, 상기 선회라인의 중간에 구비되어 수소부유가스의 일산화탄소 농도가 기준치 이상일 경우 열리는 제2 양방밸브로 구성되는 것을 특징으로 하는 일산화탄소 희석장치를 구비한 연료전지.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 저장부에 저장된 상기 수소부유가스를 상기 스택부 측으로 공급할 수 있도록 상기 저장부의 도입측 공급라인에는 압축기가 설치된 것을 특징으로 하는 일산화탄소 희석장치를 구비한 연료전지.
  5. 연료공급부에서 스택부로 공급되는 수소부유가스의 일산화탄소 농도를 검출하는 단계와;
    스택부로 공급되는 수소부유가스의 일산화탄소 농도가 기준치 이하일 경우에는 상기한 수소부유가스가 지속적으로 스택부에 공급되도록 하는 반면 기준치 이상일 경우에는 다시 개질기부로 선회시키는 동시에 일산화탄소가 과다하게 함유된 수소부유가스는 스택부의 입구측에서 희석시키면서 스택부에 공급되도록 하는 단계와,
    스택부로 공급되는 수소부유가스의 일산화탄소 농도가 일정 시간 이상 기준치 이상일 경우에는 스택부의 운전을 정지시키는 단계로 진행하는 것을 특징으로 하는 일산화탄소 희석장치를 구비한 연료전지의 구동방법.
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