KR100788195B1 - 연료전지 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의한 연료전지는, 연료에서 수소가 정제되는 개질기; 상기 개질기에 연결되어 그 개질기에서 정제된 수소와 산소의 전기화학적 반응으로 전기에너지와 열에너지가 생성되는 적어도 한 개 이상의 스택; 및 상기 개질기와 스택 사이에 설치되어 수소를 저장하는 수소버퍼;를 포함함으로써, 가정에서의 수소 수요가 최소 요구 연료량 이하일 경우에도 개질기를 운전할 수 있도록 하여 수소 수요의 변화에 신속하게 대응할 수 있고 이를 통해 연료전지에 대한 신뢰성을 높일 수 있다.

Description

연료전지{FUEL CELL SYSTEM}

도 1은 본 발명 연료전지가 공동주택에 설치된 계통도,

도 2는 본 발명 연료전지에서 연료 수요량이 많은 경우 수소의 공급 상태를 보인 개략도,

도 3은 본 발명 연료전지에서 연료 수요량이 적은 경우 수소의 공급 상태를 보인 개략도.

** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 **

10 : 개질기 11 : 개질기 버너

21~24 : 각 스택 30 : 수소버퍼

40 : 수소반송유닛 41 : 수소반송라인

42 : 수소반송밸브 43 : 제어부

50 : 수소공급라인

본 발명은 연료전지의 수소 공급 장치에 관한 것으로, 특히 최소 요구 연료량 이하로 운전될 때 연료전지의 수소 공급 장치에 관한 것이다.

일반적으로 연료전지(FUEL CELL SYSTEM)는 수소와 산소가 가진 화학적 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 전기화학적 장치이다. 상기 연료전지는 작동온도와 주연료의 형태에 따라 알카리형(AFC), 인산염형(PAGC), 용융탄산염형(MCFC), 고체전해질형(SOFC), 고분자전해질형(PEMFC) 등으로 구분된다. 이 중에서 상기 고분자전해질형 연료전지의 전해질은 액체가 아닌 고체 고분자 중합체(Membrane)로서 다른 연료전지와는 구별된다. 상기 고분자전해질형 연료전지는 통상 LNG, LPG 등의 탄화수소계(CH계열) 연료를 개질기에서 탈황공정→개질반응→수소정제공정을 거쳐 수소(H₂)만을 정제하고, 이 정제된 수소를 스택의 연료극으로 공급하여 연료로 사용하고 있다.

이러한 연료전지는 연료극으로 수소가 공급되는 동시에 공기극으로는 산소를 포함한 공기가 지속적으로 공급되어 그 수소와 산소의 전기 화학적 반응을 거쳐 반응 전후의 에너지 차를 전기 에너지로 직접 변환시키고, 이 과정에서 연료전지는 전기 에너지와 함께 부산물로 반응열과 물이 생성되는 것이었다.

그러나, 상기와 같은 종래 연료전지에 있어서는, 실질적인 가구당 소비전력량에 따라 수소의 발생량이 조절되어야 하나, 그 가구당 소비전력량에 대응되는 개질 연료 수요량이 특정값 이하일 경우에는 개질기의 운전시 전체 효율과 감가상각 측면에서 운전을 정지하는 것이 오히려 더 효과적일 수 있다. 이와 같이 특정한 용량의 개질기에 대해 운전을 지속할 수 있는 최소 연료량을 통상 '최소 요구 연료량(turn down limit)'이라고 한다. 하지만, 개질 연료 수요량이 '최소 요구 연료량 ' 이하일 경우에도 개질기의 운전을 정지하는 것은 개질기의 재기동시 준비 시간이 길어져 바람직하지 않다. 특히, 공동주택용 연료전지의 경우 계절별 또는 시간대별 연료 소요량의 편차가 커서 개질 연료 수요량이 '최소 요구 연료량'이하라고 해서 개질기의 운전을 정지하였다가는 갑자기 개질 연료 수요량이 폭증하는 것에 신속하게 대응하지 못하여 자칫 연료전지에 대한 신뢰도가 크게 낮아질 우려가 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래 연료전지의 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 개질 연료 수요량이 '최소 요구 연료량'이하일 경우에도 개질기의 운전을 지속하면서도 이 과정에서 생성되는 수소를 효율적으로 관리할 수 있는 연료전지를 제공하려는데 본 발명의 목적이 있다.

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 연료에서 수소가 정제되는 개질기; 상기 개질기에 연결되어 그 개질기에서 정제된 수소와 산소의 전기화학적 반응으로 전기에너지와 열에너지가 생성되는 적어도 한 개 이상의 스택; 상기 개질기와 스택 사이에 설치되어 수소를 저장하는 수소버퍼; 및 상기 수소버퍼와 개질기 사이에 설치되어 상기 수소버퍼에 저장되는 잉여 수소가 상기 개질기로 반송되도록 하는 수소반송유닛;을 포함한 연료전지가 제공된다.

삭제

이하, 본 발명에 의한 연료전지를 첨부도면에 도시된 일실시예에 의거하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명 연료전지가 공동주택에 설치된 계통도이고, 도 2는 본 발명 연료전지에서 연료 수요량이 많은 경우 수소의 공급 상태를 보인 개략도이며, 도 3은 본 발명 연료전지에서 연료 수요량이 적은 경우 수소의 공급 상태를 보인 개략도이다.

이에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 연료전지는, 흔히 공동주택 등 건물의 지하에 마련된 기계실에는 탄화수소계열의 연료에서 수소를 정제하는 한 개의 개질기(10)가 설치되고, 공동주택의 각 가정마다에는 상기 개질기(10)에 병렬 연결되어 수소와 산소의 전기화학적 반응으로 전기에너지와 열에너지를 생성하는 스택(21~24)이 설치되며, 상기 개질기(10)와 각 스택(21~24) 사이의 수소공급라인(50)에는 잉여 수소를 저장하는 수소버퍼(30)가 설치되고, 상기 수소버퍼(30)와 개질기(10) 사이에는 잉여 수소를 그 개질기(10)로 반송시키는 수소반송유닛(40)이 설치된다.

상기 개질기(10)는 버너(11)를 이용하여 탄화수소계열의 연료와 반응하기 위한 증기를 발생하는 증기발생단계와, 연료와 수증기가 개질 반응하여 수소를 발생시키는 증기반응단계와, 증기반응단계를 거치면서 부산물로 발생된 일산화탄소를 재반응시켜 수소를 추가 발생시키는 중온수반응단계와, 상기 중온수반응기를 통과한 연료에 공기를 공급하여 그 공기를 촉매로 연료중의 일산화탄소를 제거하는 부분산화반응단계를 차례대로 진행할 수 있도록 이루어진다.

또, 상기 개질기(10)에는 LNG와 같은 탄화수소계열의 연료를 공급하여 탈황 공정→개질반응→수소정제공정을 거쳐 정제된 수소(H₂)를 각각의 스택(21~24)에 공급하도록 수소공급라인(50)이 연결된다.

상기 수소공급라인(50)은 개질기(10)의 출구에 한 개의 메인공급라인(51)이 연결되고, 그 메인공급라인(51)에 각 스택(21~24)으로 수소를 분배 공급하기 위한 복수의 서브공급라인(52~55)이 연결된다. 상기 메인공급라인(51)의 중간에는 수소의 순도를 높이는 수소 분리정제기(PSA; Pressure Swing Adsorption)(210)(미도시)가 설치될 수 있고, 이 경우 상기 수소버퍼(30)는 분리정제기의 상류 또는 하류 어느 곳에나 설치될 수 있다.

상기 각각의 스택(21~24)은 전해질막(미도시)을 사이에 두고 연료극(미부호)과 공기극(미부호)이 배치되고, 그 연료극과 공기극의 외측면에는 연료유로와 공기유로를 각각 구비한 분리판이 배치되어 단위셀을 이룬다. 상기 복수의 단위셀이 적층되어 상기한 각각의 스택(21~24)이 이루어진다.

또, 상기 스택(21~24)에는 그 스택(21~24)에서 생성된 전기에너지가 가정용 전원으로 변환되도록 하는 전기변환유닛(미도시)이 설치된다. 상기 전기변환유닛은 스택(21~24)에서 생성되는 DC를 스위칭시켜 AC로 만들고 이 AC를 정류하여 다시 DC로 만드는 DC-DC 컨버터와 DC를 다시 AC로 변환하여 각 가구의 AC전원용 전기제품에 공급하는 인버터(Inverter)를 포함하여 이루어진다. 또, 상기 전기변환유닛은 스택의 용량에 따라 부하에 단독으로 연결될 수도 있으나 통상 연료전지의 초기운전이나 부하량의 변화에 대응할 수 있도록 기존의 상용전원(Grid)과 연결될 수도 있다.

상기 수소반송유닛(40)은 수소버퍼(30)와 개질기(10) 사이에 연결되는 수소반송라인(41)과, 상기 수소반송라인(41)의 중간에 설치되어 그 수소반송라인(41)을 개폐하는 수소반송밸브(42)와, 상기 수소의 수요량과 공급량의 차이를 산출하고 이 값에 따라 상기 수소반송밸브(42)의 개폐를 제어하는 제어부(43)로 이루어진다.

상기 수소반송라인(41)은 개질기(10)로 반송되는 수소가 연소용 연료로 사용되도록 그 출구가 개질기(10)의 버너(11)에 연결된다.

상기 수소반송밸브(42)는 2방밸브로 이루어져 상기 제어부(43)에 전기적으로 연결된다.

상기 제어부(43)는 각 가정에서 사용되는 수소의 소모량, 즉 각 스택(21~24)의 연료수요량을 검출하여 개질기(10)의 용량을 제어하는 동시에 상기 각 스택(21~24)에서의 연료수요량이 '최소 요구 연료량' 이하인 경우에는 상기 수소반송밸브(42)를 열어 잉여 수소의 일부가 개질기(10)로 반송되도록 상기 수소반송밸브(42)와 각 스택(21~24)에 전기적으로 연결된다.

도면중 미설명 부호인 20은 총 스택이다.

상기와 같은 본 발명에 의한 연료전지는 다음과 같은 작용 효과가 있다.

즉, 상기 개질기(10)에서 탄화수소계열의 연료를 개질하여 수소를 정제하고, 이 수소가 상기 각 스택(21~24)의 연료극(미부호)으로 공급되는 한편 공기가 상기 스택(21~24)의 공기극(미부호)으로 공급됨으로써 상기 연료극에서는 산화반응이, 상기 공기극에서는 환원반응이 일어나게 한다. 이 과정에서 생성되는 전자가 상기 연료극에서 공기극으로 이동하면서 전기에너지가 발생되고, 그 전기에너지는 상기 전기변환유닛(미도시)에서 교류전기로 전환되어 각 가구의 전기제품으로 공급된다.

여기서, 상기 개질기(10)에서 정제되는 수소는 그 개질기(10)와 각 스택(21~24) 사이에 설치되는 수소버퍼(30)에 채워면서 각 스택(21~24)으로 공급되는데, 이때 상기 제어부(43)는 각 스택(21~24)에서 검출되는 수소 사용량, 즉 총 연료 수요량을 산출하여 그 값에 따라 상기 수소반송밸브(42)의 개폐를 제어하게 된다.

예컨대, 상기 제어부(43)에서 검출되는 연료 수요량이 '최소 요구 연료량'이상일 경우에는 도 2에서와 같이 수소반송밸브(42)를 폐쇄시켜 상기 개질기(10)에서 생성되는 수소가 전량 각 가정의 스택(21~24)으로 공급되도록 한다.

반면, 연료 수요량이 '최소 요구 연료량'이하일 경우에는 도 3에서와 같이 수소반송밸브(42)를 열어 상기 개질기(10)에서 생성되는 수소의 일부가 다시 개질기(10)의 버너(11)로 반송되어 연소용 연료로 활용될 수 있도록 한다. 이 경우 상기 개질기(10)는 지속적으로 운전을 수행하도록 하여 급작스럽게 연료수요량이 증가할 때 상기 수소반송밸브(42)를 닫고 개질기(10)에서 생성되는 수소를 모두 각 가구의 스택(21~24)으로 공급함으로써 수소 수요 변화에 신속하게 대응할 수 있게 된다.

한편, 전술한 일실시예에서는 공동주택용 연료전지의 경우를 예로 들어 살펴보았으나, 경우에 따라서는 단독주택용 연료전지에서도 동일하게 적용할 수 있다. 이에 대한 상세한 설명은 전술한 일례와 대동소이하므로 생략한다.

본 발명에 의한 연료전지는, 상기 개질기와 스택 사이에 잉여 수소를 저장할 수 있는 수소버퍼를 설치하고 그 수소버퍼를 개질기에 연결하여 가정에서의 수소 수요 변화에 따라 상기 수소버퍼에 저장되는 수소를 가정에 전량 공급하거나 또는 일부를 개질기로 반송하여 연소용 연료로 활용하도록 함으로써, 가정에서의 수소 수요가 최소 요구 연료량 이하일 경우에도 개질기를 운전할 수 있도록 하여 수소 수요의 변화에 신속하게 대응할 수 있고 이를 통해 연료전지에 대한 신뢰성을 높일 수 있다.

Claims (6)

1. 연료에서 수소가 정제되는 개질기;

   상기 개질기에 연결되어 그 개질기에서 정제된 수소와 산소의 전기화학적 반응으로 전기에너지와 열에너지가 생성되는 적어도 한 개 이상의 스택;

   상기 개질기와 스택 사이에 설치되어 수소를 저장하는 수소버퍼; 및

   상기 수소버퍼와 개질기 사이에 설치되어 상기 수소버퍼에 저장되는 잉여 수소가 상기 개질기로 반송되도록 하는 수소반송유닛;을 포함한 연료전지.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,

   상기 수소반송유닛은 각 스택에 전기적으로 연결되어 수소의 수요량과 공급량의 차이를 산출하는 제어부와, 상기 수소버퍼와 개질기 사이의 수소반송라인에 설치되고 상기 제어부에 전기적으로 연결되어 그 제어부의 지령에 따라 개폐되는 수소반송밸브로 이루어지는 연료전지.
4. 제1항에 있어서,

   상기 수소버퍼에 저장되는 잉여 수소가 개질기의 연소용 연료로 사용되도록 상기 수소버퍼와 개질기의 버너 사이가 수소반송라인으로 연결되는 연료전지.
5. 제1항에 있어서,

   상기 수소반송유닛은 스택이 복수 개인 경우 각 스택의 연료수요량을 합한 값의 변화에 따라 개폐되도록 제어되는 연료전지.
6. 제1항에 있어서,

   상기 스택은 개질기에 각각 병렬 연결되는 연료전지.

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