KR100798452B1 - 연료전지 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전기화학반응에 의해 전력을 생산하는 연료전지 시스템에 관한 것으로서 수소와 산소의 전기화학반응에 의해 직류전력을 생산하는 연료전지스택과, 연료전지스택에 수소가 함유된 개질가스를 공급하는 연료처리장치와, 연료전지스택에 산소를 공급하게 연결되는 산소공급장치와, 연료전지스택에서 소비되지 않은 잔여 개질가스가 연료처리장치의 연소기로 다시 도입되도록 연료전지스택과 연료처리장치 사이에 설치되는 잔여 개질가스 배출배관, 및 잔여 개질가스 배출배관에 설치되어 잔여 개질가스에 함유된 열을 저감시키는 흡열기를 포함한다. 이와 같이 본 발명의 연료전지 시스템은 추가적인 소비전력을 필요로 하지 않는 흡열기를 설치함으로써 연료전지스택을 통과한 잔여 개질가스에 함유된 수분을 분리 제거하여 발전원료를 다단계 또는 선형적으로 증가시키면서 안정적으로 전력발전량을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
연료전지 시스템, 전력발전효율, 개질가스, 잔여 개질가스, 흡열기

Description

연료전지 시스템{Fuel Cell System}
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템의 개략도이다.
도 2는 도 1에 도시된 연료전지 시스템의 냉각장치를 나타낸 개략도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 시스템의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료전지 시스템의 개략도이다.
도 5는 본 발명의 연료전지 시스템과 종래기술의 연료전지 시스템에서 연료처리장치의 연소기에 투입되는 발전연료의 변화량을 나타낸 그래프이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 기동시 시간의 경과에 따른 발전량, 발전원료, 공기유량의 변화량을 각각 도시한 그래프들이다.
도 8은 종래기술에 따른 연료전지 시스템의 개략도이다.
※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ※
100, 200, 300 : 연료전지 시스템 110, 210, 310 : 연료전지스택
120, 220, 320 : 연료처리장치 130, 230, 330 : 냉각장치
140, 240, 340 : 전력변환기 160, 260 : 흡열기
151, 251, 351 : 잔여 개질가스 배출배관
본 발명은 전기화학반응에 의해 전력을 생산하는 연료전지 시스템에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 연료전지스택을 통과한 잔여 개질가스에 함유된 수분을 추가적인 소비 전력이 없어도 분리 제거할 수 있어 안정적으로 전력발전량을 증가시킬 수 있는 연료전지 시스템에 관한 것이다.
연료전지 시스템은 일반적으로 도 8에 도시된 바와 같은 구성을 갖는다. 도 8에 도시된 바와 같은 종래기술에 따른 연료전지 시스템(300)은 수소와 산소의 전기화학반응에 의해 직류전력을 생산하는 연료전지스택(310)과, 천연가스(LNG) 또는 액화석유가스(LPG)와 같은 탄화수소계열의 발전원료(F)를 이용하여 수소가 많은 가스로 개질하는 연료처리장치(320)와, 연료전지스택(310)에 산소를 공급하도록 공기펌프(370)를 구비한 산소공급장치, 연료전지스택(310)을 냉각시키는 냉각장치(330)와, 연료전지스택(310)에서 생산된 직류(DC)전력을 교류(AC)전력으로 변환하는 전력변환기(340)를 주된 구성요소로 구비하며, 그 외에도 각종 주변장치(BOP ; balance of plant) 및 제어기를 구비한다.
그리고, 종래기술의 연료전지 시스템(300)은 연료처리장치(320)에서 생성된 개질가스를 연료전지스택(310)으로 공급하는 개질가스 공급배관(350)과, 연료전지스택(310)에서 소비되지 않은 잔여 개질가스를 연료처리장치(320)의 연소기(321)로 다시 도입하는 잔여 개질가스 배출배관(351), 및 개질가스를 연료전지스택(310)으로 바로 공급하지 않고 잔여 개질가스 배출배관(351)으로 공급되게 연결되는 바이패스 배관(352)을 구비한다.
이와 같은 종래기술의 연료전지 시스템(300)은 운전 기동시에 발전원료(F)를 수소가 많은 가스로 개질할 수 있도록 연료처리장치(320) 내의 개질 반응기, 탈황기, 일산화탄소 제거기와 같은 반응기가 일정 온도까지 가열되어야 하며, 이를 위해 연료처리장치(320)의 연소기(321)에 공기와 발전원료를 투입하여 반응기의 온도를 650℃ 정도까지 상승시킨다. 그리고, 연료처리장치(320)는 개질 반응기가 개질할 수 있는 온도(약 650℃)에 이르면 발전원료(F) 공급배관을 통해 일정량의 발전원료가 투입되고, 그와 동시에 수증기 개질(steam reforming) 반응을 위해 일정량의 물이 공급되며, 일산화탄소 제거기에 미량의 공기가 공급된다. 그리고, 연료처리장치(320)는 개질가스를 생성 개시한 후에 일산화탄소 제거기의 온도가 안정되지 않아 고농도의 일산화탄소가 개질가스 내에 함유되어 있기 때문에, 연료전지스택(310)으로 개질가스를 바로 공급하지 않고 바이패스 배관(352)을 통해 개질가스를 연소기(321)에서 사용하도록 설정된다. 그리고, 종래기술의 연료전지 시스템(300)은 일정 시간(수 분 이내)이 경과하여 연료처리장치(320) 내의 반응기들의 온도가 안정화된 후에 개질가스 공급배관(350)에 설치된 솔레노이드밸브와, 잔여 개질가스 배출배관(351)에 설치된 솔레노이드밸브를 각각 개방하고, 바이패스 배관(352)에 설치된 솔레노이드 밸브를 차단하여 개질가스가 연료전지스택(310)을 통과한 후에 잔여 개질가스가 연료처리장치(320)의 연소기(321)로 유입되게 한다.
종래기술의 연료전지 시스템(300)은 연료전지스택(310)에 투입되는 개질가스량에 상응하여 전력을 생산하는데, 정격 발전전력까지 증가시키기 위해 급격하게 발전원료를 증가시키면 개질가스 내에 일산화탄소의 농도가 증가하기 때문에, 일반 적으로 다단계 또는 선형적으로 발전원료를 증가시키면서 전력을 생산한다. 이때, 생산되는 개질가스에 비례하여 전력을 생산하기 위해서는 연료처리장치(320)의 연소기(321)가 일정 온도로 유지되어야 한다.
하지만, 종래기술의 연료전지 시스템(300)은 연료전지스택(310)을 통과한 잔여 개질가스인 경우에 막전극접합체(MEA, membrane electrode assembly) 내의 고분자전해질막에서의 물의 역확산(back diffusion)현상과 시스템 운전시 발생되는 개질가스 내에 존재하는 과량의 물 성분을 함유하고 있어서, 결과적으로 연료전지스택(310)의 운전 온도에서 발생된 포화수증기(실제로는 포화수증기 이상)가 연료처리장치(320)의 연소기(321)로 공급된다. 이로 인해, 종래기술의 연료전지 시스템(300)은 연료처리장치(320)의 연소기(321)를 일정 온도로 유지하기 위해서 발전원료(F)를 더 투입하지만, 이는 전력발전효율을 저하시키고 상기와 같은 불규칙한 물의 거동이 다단계 운전시 재현성 있게 시스템을 제어하기 어렵게 만드는 문제점을 유발한다.
본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 잔여 개질가스 배출배관에 추가의 소비전력을 필요로 하지 않는 흡열기를 설치함으로써 연료전지스택을 통과한 잔여 개질가스에 함유된 수분을 분리 제거하여 연료처리장치의 개질반응기와 연소기 내부 온도를 안정적으로 유지하는 연료전지 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 연료전지 시스템은 수소와 산소의 전기화학반응에 의해 전력을 생산하는 연료전지스택과, 발전원료를 수소가 함유된 개질가스로 개질하여 상기 연료전지스택에 개질가스를 공급하도록 연결되는 연료처리장치와, 상기 연료전지스택에 산소를 공급하게 연결되는 산소공급장치와, 상기 연료전지스택에서 소비되지 않은 잔여 개질가스가 상기 연료처리장치의 연소기로 다시 도입되도록 상기 연료전지스택과 상기 연료처리장치 사이에 설치되는 잔여 개질가스 배출배관, 및 상기 잔여 개질가스 배출배관에 설치되어, 상기 잔여 개질가스에 함유된 열을 저감시키는 흡열기를 포함한다.
상기 잔여 개질가스 배출배관에는 상기 흡열기의 작동에 의해 상기 잔여 개질가스로부터 분리된 수분을 배출하는 수분 배출기가 설치되는 것이 바람직하다.
상기 흡열기는 상기 산소공급장치에 연결되며, 상기 산소공급장치로부터 공기를 공급받아서 상기 잔여 개질가스와 열교환하는 것이 바람직하다.
상기 흡열기는 상기 산소공급장치와 상기 연료전지스택 사이를 연결하는 공기 공급배관 상에 연결됨으로써 상기 산소공급장치와 연결되는 것이 더 바람직하다.
본 발명은 상기 연료전지스택을 냉각시키는 냉각장치를 더 포함하며, 상기 흡열기는 상기 냉각장치에 연결되며 상기 냉각장치로부터 공급되는 냉각수가 상기 잔여 개질가스와 열교환하는 것이 바람직하다.
상기 흡열기에는 상기 냉각장치의 냉각수가 유입되게 상기 연료전지스택과 상기 냉각장치 사이에 설치되는 냉각수 공급배관이 연결되는 것이 더 바람직하다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템의 개략도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 연료전지 시스템(100)은 수소와 산소의 전기화학반응에 의해 직류전력을 생산하는 연료전지스택(110)과, 천연가스(LNG) 또는 액화석유가스(LPG)와 같은 발전원료(F)를 이용하여 수소가 많은 가스로 개질하는 연료처리장치(120)와, 연료전지스택(110)에 산소를 공급하도록 공기펌프(170)와 가습기를 구비한 산소공급장치와, 연료전지스택(110)을 냉각시키는 냉각장치(130)와, 연료전지스택(110)에서 생산된 직류(DC)전력을 교류(AC)전력으로 변환하는 전력변환기(140)를 주된 구성요소로 구비한다. 이때, 연료처리장치(120)는 그 내부에 설치되는 개질 반응기, 탈황기, 일산화탄소 제거기와 같은 반응기를 짧은 시간 내에 개질할 수 있는 온도까지 상승시키도록 반응기에 부착되는 히터를 구비한다.
그리고, 연료전지 시스템(100)은 연료처리장치(120)에서 생성된 개질가스를 연료전지스택(110)으로 공급하는 개질가스 공급배관(150)과, 연료전지스택(110)에서 소비되지 않은 잔여 개질가스를 연료처리장치(120)의 연소기(121)로 다시 도입하는 잔여 개질가스 배출배관(151), 및 필요에 따라 개질가스를 연료전지스택(110)으로 바로 공급하지 않고 잔여 개질가스 배출배관(151)으로 공급될 수도 있게 개질 가스 공급배관(150)과 잔여 개질가스 배출배관(151) 사이를 연결하는 바이패스 배관(152)을 구비한다. 그 외에도 연료전지 시스템(100)은 연료전지스택(110)과 연료전지장치(120)와 관련되는 공기펌프, 물펌프, 발전원료 가스 압축기 및 솔레노이드 밸브, 온도 센서, 압력 센서 등과 같은 주변장치(BOP ; balance of plant) 및 여러 구성요소들의 작동을 제어하는 제어기를 구비한다.
그리고, 도 2에 도시된 냉각장치(130)는 수냉식으로 열교환하는 열교환기(131), 열교환기(131)와 열교환하여 폐열을 회수하는 물탱크(132), 물펌프(133), 물탱크(132)에서 추가적으로 냉각수의 폐열을 회수하지 못하는 경우에 냉각팬으로 열을 제거하는 공랭식 열교환기(134) 및 물탱크(132)에 회수된 폐열 이상으로 열수요가 있는 경우에 자동적으로 작동되는 보조버너(135)로 구성된다.
특히, 연료전지 시스템(100)은 잔여 개질가스에 함유된 열을 흡열하기 위해 흡열기(160)가 잔여 개질가스 배출배관(151)에 설치된다. 흡열기(160)는 산소공급장치에 의해 연료전지스택(110)에 공급되는 공기 또는 냉각장치(130)의 냉각수를 이용하여 잔여 개질가스에 함유된 열을 저감시킴으로써, 온도가 낮아지는 잔여 개질가스로부터 수분이 분리되게 한다. 이와 같은 흡열기(160)는 연료전지스택(110)으로부터 발생되는 전력을 이용하지 않으며 산소공급장치에 의해 이송되는 공기 또는 냉각장치(130)의 냉각수를 이용하기 때문에 추가적인 소비전력이 없어도 용이하게 잔여 개질가스의 열과 온도를 저감시킬 수 있다. 즉, 흡열기(160)는 연료전지스택(110)과 산소공급장치의 공기펌프(170) 사이에 설치되는 공기 공급배관에 연결됨으로써 공기가 흡열기(160)를 통과하면서 잔여 개질가스와 열교환되게 한다. 그 리고, 흡열기(160)를 통과한 공기는 가습기를 거친 후에 연료전지스택(110)으로 공급된다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 시스템의 개략도이다.
도 3에 도시된 제2 실시예에 따른 연료전지 시스템(100')은 흡열기(160)가 산소공급장치에 의해 이송되는 공기를 이용하며, 흡열기(160)에 의해 잔여 개질가스로부터 분리된 수분이 배출되도록 잔여 개질가스 배출배관(151)에 수분 배출기(161)가 더 설치될 수 있다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료전지 시스템의 개략도이다.
도 4에 도시된 제3 실시예에 따른 연료전지 시스템(200)은 상기 도 1에 도시된 흡열기(160)를 대신하여 냉각장치(230)의 냉각수를 이용하는 흡열기(260)가 사용된다. 다만, 제3 실시예의 연료전지 시스템(200)은 주된 구성요소가 도면번호만 상이할 뿐이고 도 1에 도시된 연료전지 시스템(100)의 구성요소와 동일한 기능을 수행함으로 그에 대한 설명을 생략하고, 도 1에 도시된 연료전지 시스템(100)과 다른 구성요소에 대해서만 아래에서 설명하겠다.
즉, 제3 실시예의 연료전지 시스템(200)은 냉각장치(230)와 흡열기(260) 사이에 냉각수 공급배관이 설치됨으로써, 냉각수가 흡열기(260)를 통과하면서 잔여 개질가스의 열을 저감시킬 수 있다. 그리고, 연료전지 시스템(200)에도 흡열기(260)에 의해 잔여 개질가스로부터 분리된 수분이 배출되도록 잔여 개질가스 배출배관(251)에 수분 배출기(261)가 설치된다.
도 5는 본 발명의 연료전지 시스템과 종래기술의 연료전지 시스템에서 연료 처리장치의 연소기에 투입되는 발전연료의 변화량을 나타낸 그래프이다.
도 5에 도시된 그래프를 살펴보면, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템(100, 200)은 동일한 조건 하에 있는 종래기술의 연료전지 시스템(300)에 비해 연료처리장치의 개질반응기 온도를 650℃로 유지하기 위해 연료처리장치의 연소기에 투입되는 발전원료의 량이 현저히 감소한 것으로 나타났으며(감소량: 0.15 lpm ― 0.25 lpm), 이로 인해 전력발전효율도 획기적으로 증가시킬 수 있는 것으로 확인되었다. 이런 전력발전효율의 증가에 대해 아래에서 살펴보겠다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 기동시 시간의 경과에 따른 발전량, 발전원료, 공기유량의 변화량을 각각 도시한 그래프들이다.
도 6에 도시된 그래프는 시간의 경과에 따라 기동에서부터 정격발전량까지 변화되는 발전량, 그에 필요한 발전원료, 연료전지스택에 공급되는 공기유량이 각각 계단식으로 변화를 하는 경우를 나타낸 것이다. 연료전지시스템의 전력발전효율은 아래의 식으로 정의된다.
전력발전효율(%) ∝ 전력발전량/사용된 발전원료의 엔탈피
(kWh)*(860kcal/kWh)/(kcal)
* 발전원료 = 개질을 위해 투입되는 원료 + 개질기연소기로 투입되는 원료.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템은 연료처리장치가 안정화되는 온도까지 정격발전에서 필요한 발전원료의 량보다 적은 량이 시스템 기동시에 필요하고, 연료처리장치가 안정화되질 않아 일산화탄소가 급격히 증가할 가능성이 있기 때문에, 여러 단계로 나누어 발전원료의 량을 증가시키면서 이에 상응하여 전력발전량을 계단식으로 증가시킨다.
도 7에 도시된 그래프는 시간의 경과에 따라 기동에서부터 정격발전량까지 변화되는 발전량, 그에 필요한 발전원료, 연료전지스택에 공급되는 공기유량이 선형적으로 변화하는 경우를 나타낸 것이다.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템은 연료처리장치가 안정화되는 온도까지 정격발전에서 필요한 발전원료의 량보다 적은 량이 시스템 기동시에 필요하고, 연료처리장치가 안정화되질 않아 일산화탄소가 급격히 증가할 가능성이 있기 때문에, 선형적으로 발전원료의 량을 증가시키면서 이에 상응하여 전력발전량을 선형적으로 증가시킨다.
즉, 연료전지 시스템은 다단계 운전(예:정격발전량: 350W, 700W, 1,000W) 또는 선형적으로 동작시키 위해서 연료처리장치 연소기로 투입되는 잔여 개질가스를 일정하게 조절하면서 연료처리장치의 연소기를 일정 온도로 유지시키는 것이 바람직하기 때문에, 연소기의 온도 변화에 영향을 줄 수 있는 잔여 개질가스에 함유된 수증기량과 수증잠열을 흡열기를 이용하여 제거하거나 감소시킨다. 이로 인해, 연료전지 시스템은 안정적이고 재현성 있는 다단계 운전이 가능해지고, 결과적으로 연료처리장치의 연소기에 투입되는 발전원료의 량이 종래기술에 비해 감소되어, 종래기술에 비해 전력발전효율도 증가된다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것이 당연하다.
앞서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 연료전지 시스템은 연료처리장치의 개질반응기와 연소기 내부 온도를 일정하게 유지할 수 있어서, 발전원료를 다단계 또는 선형적으로 증가시키면서 안정적으로 전력발전량을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (6)

  1. 수소와 산소의 전기화학반응에 의해 전력을 생산하는 연료전지스택과;
    상기 연료전지스택에 수소가 함유된 개질가스를 공급하도록 연결되며, 발전원료를 수소가 함유된 개질가스로 개질하는 연료처리장치와;
    상기 연료전지스택에 산소를 공급하게 연결되는 산소공급장치와;
    상기 연료전지스택에서 소비되지 않은 잔여 개질가스가 상기 연료처리장치의 연소기로 다시 도입되도록 상기 연료전지스택과 상기 연료처리장치 사이에 설치되는 잔여 개질가스 배출배관; 및
    상기 잔여 개질가스 배출배관에 설치되어, 상기 잔여 개질가스에 함유된 열을 저감시키는 흡열기를 포함하고,
    상기 흡열기는 상기 산소공급장치에 연결되며, 상기 산소공급장치로부터 공기를 공급받아서 상기 잔여 개질가스와 열교환하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 잔여 개질가스 배출배관에는 상기 흡열기의 작동에 의해 상기 잔여 개질가스로부터 분리된 수분을 배출하는 수분 배출기가 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 흡열기는 상기 산소공급장치와 상기 연료전지스택 사이를 연결하는 공기 공급배관 상에 연결됨으로써 상기 산소공급장치와 연결되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  5. 수소와 산소의 전기화학반응에 의해 전력을 생산하는 연료전지스택과;
    상기 연료전지스택에 수소가 함유된 개질가스를 공급하도록 연결되며, 발전원료를 수소가 함유된 개질가스로 개질하는 연료처리장치와;
    상기 연료전지스택에 산소를 공급하게 연결되는 산소공급장치와;
    상기 연료전지스택에서 소비되지 않은 잔여 개질가스가 상기 연료처리장치의 연소기로 다시 도입되도록 상기 연료전지스택과 상기 연료처리장치 사이에 설치되는 잔여 개질가스 배출배관;
    상기 잔여 개질가스 배출배관에 설치되어, 상기 잔여 개질가스에 함유된 열을 저감시키는 흡열기; 및
    상기 연료전지스택을 냉각시키는 냉각장치;를 포함하며,
    상기 흡열기는 상기 냉각장치에 연결되며, 상기 냉각장치로부터 공급되는 냉각수가 상기 잔여 개질가스와 열교환하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 흡열기에는 상기 냉각장치의 냉각수가 유입되게 상기 연료전지스택과 상기 냉각장치 사이에 설치되는 냉각수 공급배관이 연결되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
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