KR100813275B1

KR100813275B1 - 연료전지 시스템 및 그 운영방법

Info

Publication number: KR100813275B1
Application number: KR1020070007238A
Authority: KR
Inventors: 오덕진; 이현철; 송태원; 김동관; 왕용
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2007-01-23
Filing date: 2007-01-23
Publication date: 2008-03-13
Also published as: US8512904B2; US20080176114A1

Abstract

초기 기동 시 스택의 온도를 빠르게 올릴 수 있는 연료전지 시스템 및 그 운영방법이 개시된다. 개시된 연료전지 시스템은, 스택 내에 설치된 금속재 냉각 세퍼레이터의 양면 유로에 프로세스 버너의 배기가스나 연료처리장치의 수소가스, 그리고 프로세스 버너의 배기가스로 데워진 냉각수를 선택적으로 통과시키며 스택 온도를 상승시키는 기구를 구비하고 있다. 따라서, 이 시스템에서는 초기 기동 시와 같이 스택의 빠른 승온이 필요한 경우 고온의 배기가스와 수소가스의 연소열 및 가열된 냉각수를 이용하는 급속 가열이 가능하므로, 정상 가동까지 걸리는 시간을 대폭 단축할 수 있다.

Description

연료전지 시스템 및 그 운영방법{Fuel cell system and managing method thereof}

도 1은 일반적인 연료전지의 전기 생성 원리를 설명하는 도면,

도 2는 연료전지의 일반적인 단위 셀 구조를 도시한 도면,

도 3은 연료전지의 일반적인 스택 구조를 도시한 도면,

도 4는 종래 연료전지 시스템의 구조를 도시한 도면,

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구조를 도시한 도면,

도 6은 도 5에 도시된 연료전지 시스템 중 스택의 셀 사이에 설치되는 냉각 세퍼레이터를 보인 도면,

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구조를 도시한 도면,

도 8은 도 7에 도시된 연료전지 시스템 중 스택의 셀 사이에 설치되는 냉각 세퍼레이터를 보인 도면.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

100...스택 110...프로세스 버너

120...저탕조 130...냉각수 저장탱크

140...물탱크 V1~V4...밸브

200...연료처리장치 210...탈황기

220...리포머 230...버너

251...CO 쉬프트기 252...CO 제거기

본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 특히 기동 시 스택의 온도를 신속히 올릴 수 있는 기능이 구비된 연료전지 시스템 및 그 운영방법에 관한 것이다.

일반적으로 연료전지는 연료가 가진 화학에너지를 화학반응에 의해 직접 전기에너지로 바꾸는 장치로서, 연료가 공급되는 한 계속해서 전기를 만들어낼 수 있는 일종의 발전장치이다. 도 1은 이러한 연료전지의 에너지 전환 구조를 개략적으로 보인 것으로, 도면과 같이 캐소드(cathode; 1)에 산소를 포함한 공기가, 애노드(anode; 3)에 수소를 함유한 연료가 공급되면, 전해질막(2)을 통해 물 전기분해의 역반응이 진행되면서 전기가 발생하게 된다. 그런데, 통상적으로 이러한 단위 셀(10) 하나에서 발생되는 전기는 유용하게 사용될 만큼 그 전압이 높지 않기 때문에, 도 2와 같이 여러 개의 셀(10)을 직렬로 연결한 스택(stack;100)의 형태로 사용하게 된다. 이 스택(100)에 적층되어 있는 각 셀(10)에는 도 3에 도시된 바와 같이 유로플레이트(4)의 면 유로(4a)를 포함하여 수소나 산소가 각 전극(1)(3)에 공급되고 회수되기 위한 유로가 연결되어 있다. 따라서, 도 2와 같이 스택(100)에 수소와 산소를 공급하면, 각 셀(10)의 유로를 통해 해당 전극에 해당 물질이 경유하며 순환하게 된다. 그리고, 이와 같이 전기화학반응 과정에서는 전기 뿐 아니라 열도 같이 발생하기 때문에, 연료전지의 원활한 가동을 위해서는 이 열을 계속해서 식혀줄 필요가 있다. 이를 위해 스택(100)에는 열교환용 냉각수가 지나가기 위한 냉각판(5)이 5~6개 셀(10)마다 설치되어 있다. 따라서, 냉각수가 이 냉각판(5)의 유로(5a)를 통과하면서 스택(100) 내의 열을 냉각수가 흡수하고, 이렇게 열을 흡수한 냉각수는 열교환기(H5; 도 4 참조) 안에서 2차 냉각수에 의해 식혀진 후 다시 스택(100)안으로 순환하게 된다.

한편, 이러한 스택(100)에 수소를 공급하기 위한 연료원(fuel source)으로는, 천연가스와 같은 탄화수소 계열 물질이 이용되며, 도 4에 도시된 바와 같이 연료처리장치(200)에서 그 연료원으로부터 수소를 생성하여 스택(100)에 공급하게 된다.

이 연료처리장치(200)의 세부 구성으로는, 탈황기(210)와, 리포머(reformer;220), 버너(230), 물 공급용 펌프(260), 제1,2열교환기(H1)(H2), 그리고 CO 쉬프트기(251)와 CO 제거기(252)로 구성된 CO 제거유닛(250) 등이 구비되어 있는데, 상기한 수소 생성과정은 상기 리포머(220)에서 진행된다. 즉, 연료탱크(270)에서 연료원으로 들어온 탄화수소 계열의 가스와 물탱크(280)에서 상기 물 공급용 펌프(260)를 통해 들어온 수증기가, 상기 버너(230)에 의해 가열되는 리포머(220) 안에서 반응을 일으키며 수소를 생성하게 된다. 이때 부산물로서 이산화탄와 일산화탄소 등이 생성이 되는데, 일산화탄소 10ppm 이상이 혼합된 연료가 스 택(100)에 공급되면 전극이 피독되어 연료전지의 성능을 급격히 떨어뜨릴 수 있다. 따라서, 리포머(220) 출구 측에 CO쉬프트기(251)와 CO제거기(252)를 배치하여 일산화탄소 함량을 10ppm 이하가 되도록 통제하는 것이다. 상기 CO 쉬프트기(251)에서는 일산화탄소와 수증기가 반응하여 이산화탄소가 되는 반응이 주로 진행되며, CO 제거기(252)에서는 일산화탄소가 산소에 의해 직접 산화되는 반응이 주로 진행된다. CO 쉬프트기(251)를 통과한 연료에는 일산화탄소 함량이 5,000ppm 이하 수준이 되고, 이 연료가 CO 제거기(252)까지 통과한 후에는 일산화탄소 함량이 10ppm 아래로 떨어진다. 그리고, 리포머(220)의 입측에 배치된 탈황기(210)는 연료원에 함유된 유황 성분을 제거하는 역할을 한다. 이 유황 성분은 10ppb(parts per billion) 이상만 스택(100)에 유입돼도 전극을 피독시킬 위험이 매우 높은 물질이기 때문에, 탈황기(210)를 통과시키며 유황 성분을 흡착 제거하는 것이다.

따라서, 이러한 연료처리장치(200)와 스택(100)이 구비된 연료전지 시스템이 작동이 되면, 연료처리장치(200)에서는 상기와 같은 과정을 통해 수소가 생성되며, 스택(100)에서도 전술한 바와 같이 연료처리장치(200)에서 공급된 수소를 연료로 한 전기생성반응이 진행된다. 도 4에서는 스택(100)을 간략히 도시하였는데, 실제로는 도 3에서 설명한 바와 같이 수소는 애노드와 접촉할 수 있도록 해당 유로를 통과하고, 산소원인 공기(air)는 캐소드와 접촉하도록 해당 유로를 통과하면서 반응을 일으키게 된다. 도 4의 참조부호 110은 스택(100)에서 소모되지 않은 잉여의 수소를 주 연료로 가동되는 프로세스 버너를 나타낸다. 이 프로세스 버너(110)로 물을 가열하여 저탕조(120)에 저장해두고 생활 온수 등으로 활용한다. 물론, 스 택(100)내를 순환하는 냉각수와 열교환을 한 2차 냉각수를 저탕조(120)로 보내서 온수로 쓰기도 하는데, 그것만으로는 온수 온도가 충분하지 않기 때문에 최근에는 대개 이러한 프로세스 버너(110)를 두고 잉여의 수소를 활용하는 구조가 최근의 연료전지 시스템에 많이 채용되고 있다.

그런데, 상기한 스택(100)에서의 전기생성반응이 정상적으로 가동되기 위해서는, 스택(100) 내부의 온도가 운전에 적합한 온도를 유지하고 있어야 한다. 통상 스택(100)의 정상 가동이 가능한 온도를 120℃ 정도로 보는데, 문제는 처음 기동 시에는 이 온도에 도달할 때까지 시간이 상당히 오래 걸린다는 점이다. 즉, 연료전지 시스템을 처음 가동할 때에는 스택(100)의 온도를 올리기 위해 냉각수 저장탱크(130)를 전기히터로 가열하고, 그 가열된 냉각수를 순환시키는 방식으로 스택(100)의 온도를 올려준다. 물론, 정상적인 전기생성반응이 진행되면 발열반응에 의해 스택(100)의 온도가 자연히 올라가게 되지만, 처음에는 가동에 적합한 온도가 될 때까지 냉각수를 전기히터로 데워서 스택(100) 안을 순환시키며 온도를 올려주는 것이다. 그런데, 이렇게 스택(100)을 가열하게 되면 정상 가동이 가능한 120℃ 정도에 도달할 때까지 거의 한 시간 정도가 소요되는 문제가 있다. 따라서, 연료처리장치(200)에서 아무리 빨리 수소를 생성하고 공급하려고 해도, 스택(100) 온도가 적정 온도에 도달하지 못하면 연료전지 시스템을 가동할 수가 없으며, 스택(100) 온도가 적정 온도에 도달할 때까지 기다려야 한다.

따라서, 연료전지 시스템의 원활한 운전을 위해서는 초기 기동 시에 스택(100)의 온도를 보다 신속하게 올릴 수 있는 방안이 요구되고 있다.

본 발명은 상기의 필요성을 감안하여 창출된 것으로서, 초기 기동 시에 스택의 온도를 보다 신속하게 승온시킬 수 있는 기능이 구비된 연료전지 시스템 및 그것을 운영하는 방법을 제공하는데 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 연료전지 시스템은, 수소를 이용한 전기생성반응이 진행되는 다수의 셀이 적층된 스택과, 연료원으로부터 상기 스택에 공급할 수소를 생성하는 연료처리장치와, 상기 연료원이나 상기 스택에서 소모되지 않은 잉여의 수소로 가동되는 프로세스 버너 및, 상기 스택의 온도를 식히기 위한 냉각수 순환유닛을 포함하는 연료전지 시스템에 있어서, 상기 스택 내의 셀 사이에 설치되는 금속 박판으로서 그 몸체 양면에 상보적인 음양각 형태의 유로가 형성된 냉각 세퍼레이터와, 상기 프로세스 버너의 배기가스를 상기 냉각 세퍼레이터의 일면 유로로 통과시켜서 스택 온도를 상승시키는 배기가스승온수단 및, 상기 냉각수를 상기 프로세스 버너의 배기가스와 열교환시켜서 상기 냉각 세퍼레이터의 타면 유로로 통과시키며 스택 온도를 상승시키는 냉각수승온수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 다른 특징에 따른 연료전지 시스템은, 수소를 이용한 전기생성반응이 진행되는 다수의 셀이 적층된 스택과, 연료원으로부터 상기 스택에 공급할 수소를 생성하는 연료처리장치와, 상기 연료원이나 상기 스택에서 소모되지 않은 잉여의 수소로 가동되는 프로세스 버너 및, 상기 스택의 온도를 식히기 위한 냉각수 순환유닛을 포함하는 연료전지 시스템에 있어서, 상기 스택 내의 셀 사이에 설치되는 금속 박판으로서, 그 몸체 양면에 상보적인 음양각 형태의 유로가 형성되고, 그 중 일면에는 수소의 연소반응을 촉진시키는 촉매가 코팅된 냉각 세퍼레이터와, 상기 연료처리장치에서 공급되는 수소 가스를 상기 냉각 세퍼레이터의 일면 유로로 통과시켜서 연소시킴으로써 스택 온도를 상승시키는 연소열승온수단 및, 상기 냉각수를 상기 프로세스 버너의 배기가스와 열교환시켜서 상기 냉각 세퍼레이터의 타면 유로로 통과시키며 스택 온도를 상승시키는 냉각수승온수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 배기가스승온수단은, 상기 프로세스 버너의 배기가스 유로를 상기 냉각 세퍼레이터의 일면 유로에 연결하는 배기가스연결라인과, 유로 선택이 가능하도록 그 연결부에 설치된 밸브를 포함하여, 그 밸브의 조작에 의해 배기가스가 스택 내부를 선택적으로 통과하도록 구성될 수 있다.

또한, 상기 냉각수승온수단은, 상기 냉각 세퍼레이터의 타면 유로로 공급되는 상기 냉각수 순환유닛의 본류에서 분기되어 상기 배기가스와의 열교환을 위한 열교환기를 경유한 후 다시 상기 본류에 합류되는 냉각수연결라인과, 유로 선택이 가능하도록 그 분기부에 설치된 밸브를 포함하여, 그 밸브의 조작에 의해 가열된 냉각수가 스택 내부를 선택적으로 통과하도록 구성될 수 있다.

그리고, 상기 연소열승온수단은, 상기 연료처리장치에서 공급되는 수소 가스의 유로를 상기 냉각 세퍼레이터의 일면 유로에 연결하는 수소가스연결라인과, 유로 선택이 가능하도록 그 연결부에 설치된 밸브를 포함하여, 그 밸브의 조작에 의 해 수소 가스가 스택 내부를 선택적으로 통과하도록 구성될 수 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 연료처리장치 운영방법은, 몸체 양면에 상보적인 음양각 형태의 유로가 형성된 금속 박판의 냉각 세퍼레이터를 셀 사이에 설치한 스택을 준비하는 단계; 초기 기동 시 프로세스 버너의 배기가스 및 그 배기가스와 열교환된 고온의 냉각수를 상기 냉각 세퍼레이터의 일면 유로와 타면 유로로 각각 통과시켜서 스택을 급속 승온시키는 단계; 상기 스택이 적정 온도에 도달하면 상기 냉각 세퍼레이터로의 배기가스 및 고온 냉각수 공급을 끊고 정상작업 모드로 전환하는 단계;를 포함한다.

또한, 본 발명의 다른 특징에 따른 연료처리장치 운영방법은, 몸체 양면에 상보적인 음양각 형태의 유로가 형성되고 일면에는 수소의 연소반응을 촉진시키는 촉매가 코팅된 금속 박판의 냉각 세퍼레이터를 셀 사이에 설치한 스택을 준비하는 단계; 초기 기동 시 연료처리장치에서 공급되는 수소가스를 상기 냉각 세퍼레이터의 일면 유로에 공급하여 연소시키고, 프로세스 버너의 배기가스와 열교환된 고온의 냉각수를 상기 냉각 세퍼레이터의 타면 유로에 공급해서 스택을 급속 승온시키는 단계; 상기 스택이 적정 온도에 도달하면 상기 냉각 세퍼레이터로의 수소가스 및 고온 냉각수 공급을 끊고 정상작업 모드로 전환하는 단계;를 포함한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 일 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템을 블록도로 도시한 것인데, 기본적인 구조는 종래와 마찬가지로 연료처리장치(200)에서 수소를 생성하여 스택(100)에 공급하며, 스택(100)에서는 그 연료처리장치(200)에서 공급된 수소를 이용하여 전기생성반응을 진행하는 구조로 이루어져 있다.

이중에서, 상기 연료처리장치(200)는 도 4에 도시된 기존의 것과 동일한 요소 및 연결구조를 가지고 있으므로 반복되는 설명은 생략하기로 한다.

그리고, 스택(100)을 포함한 나머지 부분들도 기본적으로 갖춰진 구성 요소들은 기존과 거의 유사하다. 대신, 본 발명에서는 기존의 냉각판(5;도 2참조)에 대응하는 부재를, 도 6과 같이 금속 박판을 프레싱하여 양면에 상보적인 음양각의 유로(51)(52)가 형성되게 만든 냉각 세퍼레이터(50)로 대체하고 있다. 즉, 기존의 냉각판(5)은 대개 흑연재질의 플레이트에 홈을 파서 냉각수가 흘러갈 유로를 만드는 구조였지만, 여기서는 금속재 냉각 세퍼레이터(50) 전체를 프레스하여 일면이 양각이면 타면은 그 해당 부위가 음각이 되는 요철로를 찍어서 그 요철로를 유체가 이동할 유로(51)(52)로 이용하도록 한 것이다. 이렇게 금속 박판을 이용하는 이유는, 기존의 흑연판에 비해 열용량(thermal mass)이 낮아서 전열이 빠르므로 급속 승온과 냉각에 적합하고, 또한, 한번의 프레스 가공으로 양면에 유로(51)(52)를 만들 수 있는 제작 상의 편리함이 있기 때문이다. 이 냉각 세퍼레이터(50)는 정상 가동 시에는 기존의 냉각판(5)과 마찬가지로 어느 한 쪽면 유로(52)를 통해 냉각수가 통과하면서 스택(100)의 열을 식히게 하는 역할을 하며, 초기 기동 시에는 그 양면 유로(51)(52)에 가열된 유체를 통과시켜서 스택(100)의 신속한 승온을 유도하는 역할을 하게 된다. 그 자세한 운영방법은 후술하기로 한다.

한편, 스택(100) 주변에는 전기생성반응 시 발생되는 열을 식혀주기 위한 냉각수 순환유닛이 구비되어 있다. 이 냉각수 순환유닛은 냉각수 저장탱크(130)에 저장된 냉각수가 스택(100) 내의 냉각 세퍼레이터(50)으로 공급되면서 스택(100)의 열을 식히고, 흡열 상태로 스택(100)을 빠져나온 냉각수는 열교환기(H5)에서 물탱크(140)에 있던 2차 냉각수와 열교환을 통해 식혀진 후 다시 저장탱크(130)로 돌아가는 순환 구조로 구성되어 있다.

그리고, 프로세스 버너(110)는 정상상태에서는 상기 스택(100)의 애노드로 공급된 후 소모되지 않고 남은 잉여의 수소를 주 연료하여 가동되는데, 기동 시에는 스택(100)의 온도가 올라가 있지 않기 때문에 스택(100)의 온도를 올리기까지는 연료처리장치(200)에서 생성된 수소를 함유한 연료를 애노드에 주입할 수가 없으며, 따라서 이를 프로세스 버너(110)에 바로 주입을 하거나, 탄화수소 원료를 직접 공급하여 프로세스 버너(110)를 가동하여, 물탱크(140)에서 보내진 물을 열교환기(H3)를 통해 가열하는 기능을 수행한다. 여기서 데워진 물은 저탕조(120)로 보내져서 생활 온수 등으로 활용된다.

그리고, 스택(100)을 급속 승온시킬 수 있도록 상기한 냉각 세퍼레이터(50)의 유로에 상기 프로세스 버너(110)의 배기가스를 스택(100)으로 직접 통과시키는 구조(배기가스승온수단)와, 상기 냉각수 저장탱크(130)의 물을 프로세스 버너(110)로 가열하여 스택(100)으로 통과시키는 구조(냉각수승온수단)를 구비하고 있다.

먼저, 프로세스 버너(110)의 배기 가스의 경우, 기존에는 열교환기(H3)에서 저탕조(120)로 보낼 물을 데운 후 그대로 배기되었는데, 여기서는 그 배기가스를 밸브 조작을 통해 스택(100) 안의 냉각 세퍼레이터(50)로 선택적으로 통과시킬 수 있게 되어 있다. 제1밸브(V1)는 배기가스를 배기라인(152)을 통해 그대로 배출할 것인지 아니면 배기가스연결라인(151)을 통해 스택(100) 안으로 보낼 것인지를 선택할 수 있게 해준다. 따라서, 제1밸브(V1)가 배기가스 투입모드로 맞춰지면, 프로세스 버너(110)의 배기 가스가 배기가스연결라인(151)을 따라 스택(100) 내부에 설치된 냉각 세퍼레이터(50)의 일면 유로(51)를 통과한 후 외부로 배출된다.

그리고, 냉각수를 데워서 스택(100)에 공급하기 위한 구조로서, 상기 냉각수 저장탱크(130)의 냉각수를 프로세트 버너(110)로 데우는 열교환기(H3)를 경유하도록 유도하는 냉각수 연결라인(153)과, 상기 냉각 세퍼레이터의 타면 유로로 향하는 본류(本流;154)와의 분기점에 설치된 제2밸브(V2)가 구비되어 있다. 즉, 정상 가동 시에는 냉각수 저장탱크(130)의 냉각수가 본류(154)를 따라 냉각 세퍼레이터(50)의 타면 유로로 바로 들어가지만, 제2밸브(V2)를 조작하면 냉각수가 열교환기(H3)를 경유하여 고온으로 가열된 상태로 냉각 세퍼레이터(50)에 들어가도록 할 수 있다. 이렇게 되면, 냉각수의 유로를 따라 고온의 냉각수가 스택(100)을 통과 하게 되며, 스택(100)을 빠져나온 냉각수는 제3밸브(V3)의 선택에 따라 저탕조(120)로 들어갈 수도 있고, 냉각수 저장탱크(130)로 되돌아갈 수도 있다. 따라서, 필요 시에 냉각수를 고온으로 데워서 스택(100)에 공급하는 것이다.

이와 같은 구성의 연료전지 시스템은 다음과 같이 운영할 수 있다.

먼저, 시스템을 스타트할 때와 같이 스택(100)의 빠른 온도 상승이 요구되는 경우에는, 상기한 제1~3밸브(V1~V3)를 급속 가열 모드에 맞게 조정한다. 즉, 스택(100)내에 프로세스 버너(110)의 배기가스와 고온으로 데워진 냉각수가 들어가도록 각 밸브(V1~V3)를 조작한다. 그러면, 배기가스는 냉각 세퍼레이터(50)의 일면 유로를 통과하면서 스택(100)을 가열하게 되고, 열교환기(H3)에서 데워진 냉각수는 냉각 세퍼레이터(50)의 타면 유로를 통과하면서 스택(100)을 가열하게 된다. 이렇게 되면 고온의 가스와 물이 동시에 스택(100)을 가열하게 되므로, 기존에 비해 승온속도가 상당히 빨라지게 된다. 즉, 기존에는 냉각수 저장탱크(130)를 전기히터로 가열해서 스택(100)으로 가열된 냉각수를 공급하며 스택(100) 온도를 승온시켰지만, 여기서는 고온의 배기가스와 물을 동시에 투입해서 가열하기 때문에, 거의 2배가 가까운 승온속도를 기대할 수 있다. 실험에서도, 스택(100)의 정상 가동 온도인 120℃에 도달할 때까지 기존에는 거의 한 시간 정도가 소요되었지만, 이렇게 고온의 배기가스와 물을 동시에 투입하는 경우에는 약 30분 정도면 120℃에 도달하는 것으로 나타났다. 따라서, 기존의 절반 정도의 시간만 워밍업을 하면 연료전지 시스템의 정상 작동이 가능하게 되는 것이다.

이러한 초기 가열 과정에 의해 스택(100)이 적정 온도에 도달하면, 이제 정 상적인 작동 모드로 전환한다. 즉, 각 밸브(V1~V3)를 정상적인 작업이 되도록 조작하여, 고온의 배기가스는 그대로 배기되고 냉각수는 열교환기(H3)를 통과하지 않고 스택(100)에 투입되도록 한다. 이때부터 적정 온도로 가열된 스택(100)에서 정상적인 전기생성반응이 진행된다.

따라서, 스택(100)의 온도를 고온의 배기가스와 가열된 냉각수로 신속하게 승온시킬 수 있는 연료전지 시스템이 구현되는 것이다.

다음으로, 도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 시스템을 도시한 것이다. 본 실시예에서는 가열된 냉각수를 승온에 이용하는 구조(냉각수승온수단)과 함께 연료처지장치(200)에서 공급되는 수소의 연소열을 이용하는 구조(연소열승온수단)을 조합한 승온메카니즘을 채택하고 있다.

먼저, 냉각수를 프로세스 버너(110)의 배기가스로 가열하여 냉각 세퍼레이터(50)의 타면 유로(52)에 공급하는 냉각수승온수단은 전술한 실시예와 동일하므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.

대신, 상기 연소열승온수단으로서 연료처리장치(200)에서 공급되는 수소 가스의 유로를 상기 냉각 세퍼레이터(50)의 일면 유로(51)에 연결하는 수소가스연결라인(155)과, 유로 선택이 가능하도록 그 연결부에 설치된 제4밸브(V4)를 구비하고 있다. 따라서, 제4밸브(V4)가 급속가열모드에 맞춰지게 되면, 연료처리장치(200)에서 공급되는 수소 가스가 스택(100) 내의 애노드로 공급되는 것이 아니라, 수소가스연결라인(155)을 경유하여 상기 냉각 세퍼레이터(50)의 일면 유로(51)를 통과하게 된다. 그리고, 상기 냉각 세퍼레이터(50)의 일면 유로(51) 벽면에는 도 8에 도시된 바와 같이 수소의 연소반응을 촉진시키기 위한 Pt계열 또는 Pd 계열의 촉매(51a)가 코팅되어 있다. 따라서, 수소 가스가 이 냉각 세퍼레이터(50)의 일면 유로(51)를 통과하면 연소반응이 일어나게 되며, 그 연소열로 스택(100)을 빠르게 승온시킬 수 있게 되는 것이다.

본 실시예의 연료전지 시스템도 다음과 같이 운영할 수 있다.

먼저, 시스템을 스타트할 때와 같이 스택(100)의 빠른 온도 상승이 요구되는 경우에는, 상기한 제2~4밸브(V2~V4)를 급속 가열 모드에 맞게 조정한다. 즉, 스택(100)내에 연료처리장치(200)로부터의 수소 가스와 고온으로 데워진 냉각수가 들어가도록 각 밸브(V2~V4)를 조작한다. 그러면, 수소 가스는 냉각 세퍼레이터(50)의 일면 유로(51)를 통과하면서 연소하여 열을 발생시키게 되고, 열교환기(H3)에서 데워진 냉각수는 냉각 세퍼레이터(50)의 타면 유로(52)를 통과하면서 스택(100)을 가열하게 된다. 이렇게 되면 고온의 연소열과 가열수가 동시에 스택(100)을 가열하게 되므로, 마찬가지로 냉각수 저장탱크(130)를 전기히터로 가열해서 스택(100) 온도를 승온시키던 종래에 비해 2배가 가까운 승온속도를 기대할 수 있다.

이러한 초기 가열 과정에 의해 스택(100)이 적정 온도에 도달하면, 이제 정상적인 작동 모드로 전환한다. 즉, 각 밸브(V2~V4)를 정상적인 작업이 되도록 조작하여, 수소 가스는 정상적으로 스택(100) 안의 애노드로 공급되게 하고, 냉각수는 열교환기(H3)를 통과하지 않고 스택(100)에 투입되도록 한다. 이때부터 적정 온도로 가열된 스택(100)에서 정상적인 전기생성반응이 진행된다.

따라서, 스택(100)의 온도를 수소 가스의 연소열과 가열된 냉각수로 신속하 게 승온시킬 수 있다. 참고로, 연료전지 시스템을 기동한 후에 연료처리장치(200)에서 나오는 수소 가스를 스택(100) 내의 애노드로 공급하려면, CO 농도가 충분히 낮아질 때까지 기다려야 한다. 그것은 전술한 바와 같이 전극이 일산화탄소에 피독되어 성능이 저하될 수 있기 때문인데, 여기서는 초기 기동시의 수소가스를 냉각 세퍼레이터(50)로 공급하는 것이기 때문에, CO 농도가 아직 높더라도 그대로 사용해도 무방하다.

상술한 바와 같이 본 발명의 연료처리장치는 다음과 같은 효과를 제공한다.

첫째, 초기 스타트 시와 같이 스택의 빠른 승온이 필요한 경우 고온의 배기가스와 가열된 냉각수, 또는 수소 가스의 연소열과 가열된 냉각수를 동시에 이용하는 급속 가열이 가능하므로, 연료전지 시스템의 정상 가동까지 걸리는 시간을 대폭 단축할 수 있다.

둘째, 기존의 시스템의 구성요소들을 거의 그대로 유지하면서 냉각 세퍼레이터와의 연결구조만 변경하면 구현이 가능하므로, 기존 시스템에서의 개조가 매우 편리하고 개조에 따른 비용부담도 적다.

셋째, 냉각 세퍼레이터가 금속 박판으로 만들어지기 때문에 기존의 흑연재질 냉각판에 비해 열용량이 작아서 기동 시의 급속 승온에 효과가 더욱 크다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라 서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.

Claims

수소를 이용한 전기생성반응이 진행되는 다수의 셀이 적층된 스택과, 연료원으로부터 상기 스택에 공급할 수소를 생성하는 연료처리장치와, 상기 연료원이나 상기 스택에서 소모되지 않은 잉여의 수소로 가동되는 프로세스 버너 및, 상기 스택의 온도를 식히기 위한 냉각수 순환유닛을 포함하는 연료전지 시스템에 있어서,

상기 스택 내의 셀 사이에 설치되는 금속 박판으로서, 그 몸체 양면에 상보적인 음양각 형태의 유로가 형성된 냉각 세퍼레이터와,

상기 프로세스 버너의 배기가스를 상기 냉각 세퍼레이터의 일면 유로로 통과시켜서 스택 온도를 상승시키는 배기가스승온수단 및,

상기 냉각수를 상기 프로세스 버너의 배기가스와 열교환시켜서 상기 냉각 세퍼레이터의 타면 유로로 통과시키며 스택 온도를 상승시키는 냉각수승온수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
제1항에 있어서,

상기 배기가스승온수단은,

상기 프로세스 버너의 배기가스 유로를 상기 냉각 세퍼레이터의 일면 유로에 연결하는 배기가스연결라인과, 유로 선택이 가능하도록 그 연결부에 설치된 밸브를 포함하여, 그 밸브의 조작에 의해 배기가스가 스택 내부를 선택적으로 통과하도록 된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
제1항에 있어서,

상기 냉각수승온수단은,

상기 냉각 세퍼레이터의 타면 유로로 공급되는 상기 냉각수 순환유닛의 본류에서 분기되어 상기 배기가스와의 열교환을 위한 열교환기를 경유한 후 다시 상기 본류에 합류되는 냉각수연결라인과, 유로 선택이 가능하도록 그 분기부에 설치된 밸브를 포함하여, 그 밸브의 조작에 의해 가열된 냉각수가 스택 내부를 선택적으로 통과하도록 된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
수소를 이용한 전기생성반응이 진행되는 다수의 셀이 적층된 스택과, 연료원으로부터 상기 스택에 공급할 수소를 생성하는 연료처리장치와, 상기 연료원이나 상기 스택에서 소모되지 않은 잉여의 수소로 가동되는 프로세스 버너 및, 상기 스택의 온도를 식히기 위한 냉각수 순환유닛을 포함하는 연료전지 시스템에 있어서,

상기 스택 내의 셀 사이에 설치되는 금속 박판으로서, 그 몸체 양면에 상보적인 음양각 형태의 유로가 형성되고, 그 중 일면에는 수소의 연소반응을 촉진시키는 촉매가 코팅된 냉각 세퍼레이터와,

상기 연료처리장치에서 공급되는 수소 가스를 상기 냉각 세퍼레이터의 일면 유로로 통과시켜서 연소시킴으로써 스택 온도를 상승시키는 연소열승온수단 및,

상기 냉각수를 상기 프로세스 버너의 배기가스와 열교환시켜서 상기 냉각 세퍼레이터의 타면 유로로 통과시키며 스택 온도를 상승시키는 냉각수승온수단을 구 비하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
제4항에 있어서,

상기 연소열승온수단은,

상기 연료처리장치에서 공급되는 수소 가스의 유로를 상기 냉각 세퍼레이터의 일면 유로에 연결하는 수소가스연결라인과, 유로 선택이 가능하도록 그 연결부에 설치된 밸브를 포함하여, 그 밸브의 조작에 의해 수소 가스가 스택 내부를 선택적으로 통과하도록 된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
제4항에 있어서,

상기 냉각수승온수단은,

상기 냉각 세퍼레이터의 타면 유로로 공급되는 상기 냉각수 순환유닛의 본류에서 분기되어 상기 배기가스와의 열교환을 위한 열교환기를 경유한 후 다시 상기 본류에 합류되는 냉각수연결라인과, 유로 선택이 가능하도록 그 분기부에 설치된 밸브를 포함하여, 그 밸브의 조작에 의해 가열된 냉각수가 스택 내부를 선택적으로 통과하도록 된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
몸체 양면에 상보적인 음양각 형태의 유로가 형성된 금속 박판의 냉각 세퍼레이터를 셀 사이에 설치한 스택을 준비하는 단계;

초기 기동 시 프로세스 버너의 배기가스 및 그 배기가스와 열교환된 고온의 냉각수를 상기 냉각 세퍼레이터의 일면 유로와 타면 유로로 각각 통과시켜서 스택을 급속 승온시키는 단계;

상기 스택이 적정 온도에 도달하면 상기 냉각 세퍼레이터로의 배기가스 및 고온 냉각수 공급을 끊고 정상작업 모드로 전환하는 단계;를 포함하는 연료전지 시스템 운영방법.
몸체 양면에 상보적인 음양각 형태의 유로가 형성되고 일면에는 수소의 연소반응을 촉진시키는 촉매가 코팅된 금속 박판의 냉각 세퍼레이터를 셀 사이에 설치한 스택을 준비하는 단계;

초기 기동 시 연료처리장치에서 공급되는 수소가스를 상기 냉각 세퍼레이터의 일면 유로에 공급하여 연소시키고, 프로세스 버너의 배기가스와 열교환된 고온의 냉각수를 상기 냉각 세퍼레이터의 타면 유로에 공급해서 스택을 급속 승온시키는 단계;

상기 스택이 적정 온도에 도달하면 상기 냉각 세퍼레이터로의 수소가스 및 고온 냉각수 공급을 끊고 정상작업 모드로 전환하는 단계;를 포함하는 연료전지 시스템 운영방법.