KR100686714B1

KR100686714B1 - 코제너레이션 연료전지 시스템의 폭발방지형 열회수장치

Info

Publication number: KR100686714B1
Application number: KR1020050111796A
Authority: KR
Inventors: 박문희; 전우철; 오원석; 장해용
Original assignee: 대구도시가스 주식회사
Priority date: 2005-11-22
Filing date: 2005-11-22
Publication date: 2007-02-26

Abstract

본 발명은 천연가스, 엘피지(LPG) 등의 탄화수소가스를 이용하여 전기와 열을 발생시키는 코제너레이션(Cogeneration) 연료전지 시스템에 관한 것으로, 이 연료전지 시스템의 열회수장치는 촉매연소 반응방법을 적용하여 운전시 연료개질장치로부터 생성된 가스가 스택 또는 연료개질장치의 버너에서 사용되지 않을 때 이 가스의 에너지를 활용함으로써, 상기 연료전지 시스템의 열효율을 높임과 동시에, 연소속도가 매우 빠른 수소를 안전하게 연소시켜 폭발의 위험성을 제거하고, 공해물질을 전혀 배출하지 않는 친환경적인 시스템으로 되게 된다.

Description

코제너레이션 연료전지 시스템의 폭발방지형 열회수장치 {Heat recovery device for cogeneration fuel cell system}

도 1은 종래기술에 따른 코제너레이션 연료전지 시스템의 개략적인 구성도이다.

도 2는 본 발명에 따른 코제너레이션 연료전지 시스템의 개략적인 구성도이다.

도 3은 본 발명에 따른 코제너레이션 연료전지 시스템에 구비된 열회수장치의 단면도이다.

<도면의 참조부호에 대한 간략한 설명>

1 : 펌프 2, 2', 8, 8', 9 : 자동밸브

3, 6 : 버너 4 : 연료개질장치

5 : 스택 7 : 저장수 저장탱크

10 : 확산층 11 : 예열장치

12 : 하부촉매층 12' : 상부촉매층

100 : 열회수장치 200 : 촉매연소 버너장치

본 발명은 천연가스, 엘피지(LPG) 등의 탄화수소가스를 이용하여 전기와 열을 발생시키는 코제너레이션(Cogeneration) 연료전지 시스템과, 특히 이에 사용되는 폭발방지형 열회수장치에 관한 것이다.

일반적으로, 코제너레이션 연료전지 시스템의 열회수장치에는 연료개질장치로부터 생성된 가스가 스택 또는 연료개질장치의 버너에서 이용되지 않을 때 이 가스를 연소시키는 연소장치가 있다. 도 1은 종래기술에 따른 연료전지 시스템의 한 예로서, 이 연료전지 시스템에서는 운전시 연료개질장치(4)에서 발생하는 개질가스 및 스택(5)의 아노드 오프-가스(Anode Off-Gas)를 일반 버너(6)를 이용하여 연소시키게 되어 있다.

이와 같이 일반 버너(6)를 이용하는 종래의 연료전지 시스템에서는, 이 연소용 버너(6)가 저장수 저장탱크(7)의 외부에 설치되어 있어서 열회수율이 낮게 되는 문제점이 있었다. 또한, 연소속도가 매우 빠른 수소의 특성상 일반 버너는 항상 폭발의 위험을 내포하고 있으며, 수소는 고온에서 연소되므로 연소시 질소산화물(NOx), 황산화물(SOx) 등과 같은 공해물질을 배출하여서 환경오염의 원인이 되기도 하였다.

이에 본 발명은 상기한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 본 발명은 연료전지 시스템의 초기 가동시 연료개질장치로부터 생성되는 개질가스와, 정상 운전시에도 연료개질장치로부터 생성되는 가스를 스택의 연료로 사용한 후 연료개질장치의 버너로 재순환하는 아노드 오프-가스의 열량이 스택의 전기부하가 낮아 연료개질장치의 버너의 적정 열량보다 높을 때 스택의 상기 아노드 오프-가스를 폭발의 위험성이 없고 공해물질을 전혀 배출하지 않는 촉매연소 버너장치로 연소시킴으로써 이들 가스의 완전연소를 유도함과 더불어, 상기 촉매연소 버너장치를 저장수 저장탱크 내부에 설치함으로써 열회수장치의 열효율을 향상시키도록 된 안전하고 친환경적인 코제너레이션 연료전지 시스템을 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 코제너레이션 연료전지 시스템은, 수소가 풍부한 가스를 생산하는 연료개질장치와, 이 연료개질장치에서 생성된 가스와 공기 중 산소의 화학적 반응으로 전기를 생산하는 스택 및, 이 스택의 폐열을 회수하고 온수를 공급하는 열회수장치를 구비하되, 이 열회수장치는 그 내부에 구비되고서 시스템의 폐열을 회수한 냉각수를 저장하는 저장수 저장탱크와, 연료전지 시스템의 운전시 상기 연료개질장치로부터 생성되는 개질가스 및 스택의 아노드 오프-가스를 열원으로 사용하는 촉매연소 버너장치, 직수라인과 저장수 저장탱크 사이에 위치된 자동밸브 및, 저장수를 공급 및 순환토록 하는 펌프로 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.

이상과 같이 구성된 본 발명이 이제 도면을 참조로 하여 그 구성 및 작용이 한층 더 상세히 설명된다.

도 2는 본 발명에 따른 코제너레이션 연료전지 시스템의 개략적인 구성도이고, 도 3은 이 코제너레이션 연료전지 시스템에 사용되는 열회수장치의 단면도이다.

이들 도면에 도시된 바와 같이, 코제너레이션 연료전지 시스템은 수소가 풍부한 가스를 생산하는 연료개질장치(4)와, 이 연료개질장치(4)에서 생성된 가스와 공기 중 산소의 화학적 반응으로 전기를 생산하는 스택(5) 및, 이 스택(5)의 폐열을 회수하고 온수를 공급하는 열회수장치(100)를 구비하고 있다.

상기 코제너레이션 연료전지 시스템에서는, 초기 가동시 연료개질장치(4)로부터 생성되어지는 수소가 풍부한 개질가스가 곧바로 스택(5)에 공급되지 않고, CO가 스택(5)의 촉매에 영향을 미치지 않는 특정 농도 이하로 제거될 때까지 자동밸브(2)를 열고 이 자동밸브(2)와 토글제어되는 자동밸브(2')는 닫혀진 상태로 되어 상기 개질가스가 배관(A)을 통해 열회수장치(100)로 공급되고, 정상 운전시에는 스택(5)의 아노드에서 생성되는 오프-가스가 배관(D)을 통해 연료개질장치의 버너(3)로 재순환되면서, 그 열량이 이 버너(3)의 적정 열량보다 높을 때 자동밸브(8)를 닫고 이 자동밸브(8)와 토글제어되는 자동밸브(8')를 열어 상기 스택(5)의 아노드 오프-가스는 배관(C)을 통해 초기 가동시의 개질가스와 마찬가지로 열회수장치(100)로 공급되게 된다. 여기서, 상기 자동밸브들의 제어는 연료전지 시스템의 자 동 제어부(도시되지 않음)에 의해 제어된다.

본 발명에 따른 열회수장치(100)는, 시스템의 폐열을 회수한 냉각수를 저장하는 저장수 저장탱크(7)와, 이 저장수 저장탱크(7)의 내부에 구비되고서 배관(A) 또는 배관(C)을 통해 상기 연료전지 시스템의 운전시 연료개질장치(4)로부터 생성되는 개질가스 및 스택(5)의 아노드 오프-가스를 열원으로 사용하는 촉매연소 버너장치(200), 직수라인(E)과 저장수 저장탱크(7) 사이에 위치된 자동밸브(9) 및, 저장수를 공급 및 순환토록 하는 펌프(1)로 구성되어 있다.

이로써, 연료전지 시스템을 냉각하기 위한 직수가 시스템 내부로 유입되어 시스템에서 발생하는 폐열에 의하여 가열되며, 자동밸브(9)가 닫혀진 상태에서 가열된 냉각수는 저장수 저장탱크(7)에 저장되고, 이 저장수는 급탕에 이용될 수 있다. 스택(5)의 출력단의 온도에 따라, 직수라인(E)과 저장수 저장탱크(7) 사이의 자동밸브(9)는 연료전지 시스템의 자동 제어부(도시되지 않음)에 의해 제어된다.

도 3에 더욱 상세히 도시된 열회수장치(100)의 단면도를 참조로 하면, 이에 구비된 저장수 저장탱크(7)는 통상 원통형이나, 이에 한정되지 않고 시스템의 구성 또는 배치에 따라 적당한 형상과 크기로 될 수 있다. 또한, 이 저장수 저장탱크(7)의 내부 중심부에는 연료전지 시스템의 배관(A) 또는 배관(C)을 통해 공급되는 가스를 연소시키는 촉매연소 버너장치(200)가 존재한다. 본 발명의 장점은, 이 촉매연소 버너장치(200)가 저장수 저장탱크(7)의 내부에 설치됨으로써, 연소열 및 배기열이 저장수와 직접 열교환하여 열회수율이 높아지고, 이리하여 궁극적으로 시스템의 열효율이 증가하게 된다는 것이다.

상기 촉매연소 버너장치(200)는 연료전지 시스템으로부터 나오는 불균일한 가스를 균일하게 하는 확산층(10)과, 이 확산층(10)을 통과한 균일한 가스가 촉매층(12,12')에서 연소될 수 있도록 소정의 온도까지 가열하는 예열장치(11) 및, 이 예열장치(11)에서 예열된 가스를 연소되게 하는 분리된 촉매층(12,12')으로 이루어진다. 여기서, 촉매층을 하부촉매층(12)과 상부촉매층(12') 두 층으로 분리함으로써, 가스의 완전 연소를 도모할 수 있으며 연소가스의 배기압력을 낮춰 열회수장치(100)에 공기를 공급하는 팬 또는 블로워(도시되지 않음)로 소비되는 전력을 감소시키는 효과를 얻을 수 있게 된다.

한편, 저장수 저장탱크(7)의 하부에는 직수와 연결된 배관인 직수라인(E)과 직수를 저장수 저장탱크(7)로 공급하는 자동밸브(9)가 설치되어 있으며, 저장된 온수를 배출하는 배관(F)과, 연료전지 시스템의 내부로 냉각수를 공급하는 펌프(1)와 함께 배관(G)이 연결되어 있다. 또한, 저장수 저장탱크(7)의 상부에는 연료전지 시스템의 폐열을 회수한 냉각수가 저장수 저장탱크(7)로 저장되는 배관(H)이 연결되어 있다. 저장수 저장탱크(7)의 외부는 단열재로 단열되어 있어 고온의 냉각수를 저장함으로써, 급탕과 같이 직접 온수로 사용이 가능하고, 난방시 난방용수로도 사용가능하다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 코제너레이션 연료전지 시스템의 운전시 열회수장치로 공급되는 개질가스 및 스택의 아노드 오프-가스를 촉매연소 버너장치로 연소시킴으로써, 폭발성이 강하고 연소속도가 빠른 수소가 풍부한 가스의 완전 연소를 유도하여 시스템의 안정성 및 친환경성을 높이면서, 촉매연소 버너장치를 저장수 저장탱크의 내부에 설치하여 연소열 및 배기열이 직접 저장수와 접촉토록 함으로써 열회수율을 향상시키고, 가스가 연소될 수 있는 촉매층을 두 층으로 분리하여 촉매연소 버너장치의 배기압력을 낮추게 됨으로써 전력소비를 저감시킬 수 있는 효과가 있게 된다.

Claims

수소가 풍부한 가스를 생산하는 연료개질장치(4)와, 이 연료개질장치(4)에서 생성된 가스와 공기 중 산소의 화학적 반응으로 전기를 생산하는 스택(5) 및, 이 스택(5)의 폐열을 회수하고 온수를 공급하는 열회수장치(100)를 구비하고 있는 코제너레이션 연료전지 시스템에서,

상기 열회수장치(100)는, 저장수 저장탱크(7)의 내부에 구비되고서 상기 연료전지 시스템의 운전시 연료개질장치(4)로부터 생성되는 개질가스 및 스택(5)의 아노드 오프-가스를 열원으로 사용하는 촉매연소 버너장치(200)를 구비하는 것을 특징으로 하는 코제너레이션 연료전지 시스템의 열회수장치.
제1항에 있어서, 초기 가동시 상기 연료개질장치(4)로부터 생성되는 수소가 풍부한 개질가스는, 그 안에 함유된 CO가 스택(5)의 촉매에 영향을 미치지 않는 농도 이하로 제거될 때까지 열회수장치(100)로 공급되고, 정상 운전시에는 스택(5)의 아노드에서 생성되는 오프-가스가 그 열량이 연료개질장치(4)의 버너(3)의 적정 열량보다 높을 때 열회수장치(100)로 공급되게 되어 있는 것을 특징으로 하는 코제너레이션 연료전지 시스템의 열회수장치.
제1항에 있어서, 상기 촉매연소 버너장치(200)는, 시스템으로부터 나오는 불균일한 가스를 균일하게 하는 확산층(10)과, 이 확산층(10)을 통과한 균일한 가스가 촉매층(12,12')에서 연소될 수 있는 온도까지 가열하는 예열장치(11) 및, 이 예열장치(11)에서 예열된 가스를 연소되게 하는 분리된 하부촉매층(12)과 상부촉매층(12')으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 코제너레이션 연료전지 시스템의 열회수장치.