KR100823926B1 - 연료전지시스템 - Google Patents

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Abstract

연료전지시스템이 개시된다. 본 발명에 따른 연료전지시스템은 수소와 공기의 전기 화학적 반응에 의해 전기를 생성하는 스택유닛; 상기 스택유닛에 공기를 공급하는 공기공급유닛; 상기 스택유닛에 수소를 공급하는 개질유닛; 및 상기 스택유닛을 퍼지시키기 위해, 열 생성 후 배출되는 배기가스를 상기 스택유닛에 공급하는 열공급유닛;을 포함한다.
이로 인해, 연료전지시스템의 운전 시작 전 또는 종료 후, 스택유닛에 남아있는 가연성가스를 외부로 방출하기 위한 퍼지(purge)를 외부에서 별도의 불활성가스를 공급받지 않고도 열공급유닛에서 배출되는 배기가스를 이용하여 자체적으로 해결할 수 있어 연료전지시스템의 운용비용이 감소한다. 또한, 배기가스를 이용하여 스택유닛을 퍼지하므로, 스택유닛의 촉매 특히 연료극의 촉매를 손상시키지 않으면서도 스택유닛을 퍼지 할 수 있다.
연료전지시스템, 열공급유닛, 배기가스, 퍼지

Description

연료전지시스템{FUEL CELL SYSTEM}
도 1은 종래의 스택유닛 퍼지구조를 나타낸 개략도,
도 2는 본 발명 연료전지시스템의 일 실시예에 따른 계통도,
도 3은 도 2의 열공급유닛에서 배출되는 배기가스로 스택유닛을 퍼지시키는 구조를 나타낸 도면,
도 4는 다른 실시예에 의한 열공급유닛에서 배출되는 배기가스로 스택유닛을 퍼지시키는 구조를 나타낸 도면이다.
** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **
120: 공기공급유닛 130: 스택유닛
140: 전기출력유닛 150: 급수유닛
200: 개질유닛 300, 400: 열공급유닛
310, 410 :3방밸브
본 발명은 연료전지시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료전지시스템의 운전 시작 전 또는 종료 후, 스택유닛에 남아있는 가연성가스를 외부로 방출하 기 위한 퍼지(purge)를 외부에서 별도의 불활성가스를 공급받지 않고도 자체적으로 할 수 있고, 또한, 스택유닛의 촉매 손상을 방지하면서 할 수 있는 연료전지시스템에 관한 것이다.
도 1은 종래의 스택유닛 퍼지구조를 나타낸 개략도이다.
도 1을 참조하면, 연료전지시스템의 운전 시작 전 또는 종료 후, 스택유닛(10)에 남아 있는 가연성 가스를 외부로 방출하기 위해, 외부에서 별도로 불활성가스(N2)를 연료극(11)에 투입하여 스택유닛(10)을 퍼지한다.
이러한 퍼지작업을 통해 스택유닛(10)에 남아있는 가연성 가스가 제거된다. 특히, 스택유닛(10)의 연료극(11) 촉매가 남아있는 가연성 가스와 반응하는 것이 방지되어 연료극(11) 촉매의 수명이 늘어난다. 미 설명 부호 12는 공기극을 나타낸다.
그러나, 상술한 바와 같이 불활성가스를 외부에서 별도로 공급하여 스택유닛(10)을 퍼지하는 것은 비용 측면이나 효율 측면에서 적절하지 않으며, 또한, 이러한 불활성가스의 투입자체도 장기적으로는 스택유닛(10)의 촉매 성능을 저하시키는 요인으로 작용한다.
본 발명은 상기와 같은 종래 연료전지시스템이 가지는 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 연료전지시스템의 운전 시작 전 또는 종료 후, 스택유닛에 남아있는 가연성가스를 외부로 방출하기 위한 퍼지(purge)를 외부에서 별도의 불활성가스를 공급받지 않고도 자체적으로 할 수 있는 연료전지시스템을 제공하는 데 목적이 있다.
또한, 스택유닛의 촉매 손상을 방지하면서 퍼지 할 수 있는 연료전지시스템를 제공하는 데 다른 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 연료전지시스템은 수소와 공기의 전기 화학적 반응에 의해 전기를 생성하는 스택유닛; 상기 스택유닛에 공기를 공급하는 공기공급유닛; 상기 스택유닛에 수소를 공급하는 개질유닛; 및 상기 스택유닛을 퍼지시키기 위해, 열 생성 후 배출되는 배기가스를 상기 스택유닛에 공급하는 열공급유닛;을 포함한다.
이하, 본 발명에 따른 연료전지시스템을 첨부도면에 의거하여 상세히 설명한다. 도 2는 본 발명 연료전지시스템의 일 실시예에 따른 계통도이고, 도 3은 도 2의 열공급유닛에서 배출되는 배기가스로 스택유닛을 퍼지시키는 구조를 나타낸 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템은, 스택유닛(130)에 공기를 공급하는 공기공급유닛(120)과, 수소와 공기의 전기화학적 반응으로 전기를 생성하는 스택유닛(130)과, 스택유닛(130)에서 생성된 전기를 부하(Load)에 공급하는 전기출력유닛(140)과, 스택유닛(130)을 냉각시키는 급수유닛(150)과, 스택유닛(130)에 수소를 공급하는 개질유닛(200)과, 스택유닛(130)을 퍼지시키기 위해, 열 생성 후 배출되는 배기가스를 스택유닛(130)에 공급하는 열공 급유닛(300);을 포함한다.
상기 공기공급유닛(120)은 공기공급관들(La, Lsa, Lba, Lha)과 공기공급팬(122)을 포함한다. 공기공급팬(122)은 공기공급관들(La, Lsa)을 통해 스택유닛(130)의 공기극(132)에 대기중의 공기를 공급하고, 공기공급관들(La, Lba)을 통해 개질유닛(200)의 버너(270)에 대기중의 공기를 공급하고, 공기공급관들(La, Lpa)을 통해 개질유닛(200)의 부분산화반응기(250)에 대기중의 공기를 공급하고, 공기공급관들(La, Lha)을 통해 열공급유닛(300)에 대기중의 공기를 공급한다.
상기 스택유닛(130)은 개질유닛(200)에서 공급된 수소를 받는 연료극(131)과공기공급유닛(120)에서 공급되는 공기를 받는 공기극(132) 사이에서 일어나는 수소와 공기의 전기화학적 반응에 의해 전기에너지와 열에너지를 동시에 생성한다.
상기 전기출력유닛(140)은 스택유닛(130)에서 생성된 전기에너지를 교류로 변환하여 부하에 공급한다.
상기 급수유닛(150)은 스택유닛(130)에 물을 공급하여 스택유닛(130)을 냉각한다. 급수유닛(150)은 소정량의 물을 충전하는 급수통(151)과, 스택유닛(130)과 급수통(151) 사이를 순환식으로 연결하는 물순환라인(152)과, 물순환라인(152)의 중간에 설치되며 급수통(151)의 물을 펌핑하는 물순환펌프(153)와, 물순환라인(152)의 중간에 구비하여 순환 공급되는 물을 냉각하는 열교환기(154) 및 방열팬(155)으로 이루어져 있다. 또한, 급수통(151)의 물 또는 일반 상수(도면에선, 일반상수를 도시)를 개질유닛(200)에 공급하는 상수공급라인(156)으로 이루어진다.
상기 개질유닛(200)은 연료(LNG)에서 수소(H2)를 정제하여 스택유닛(130)의 연료극(131)에 공급한다. 이를 위해, 개질유닛(200)은 연료공급관(Lf)을 통해 공급된 연료에 포함된 황을 제거하는 탈황반응기(210)와, 탈황반응기(210)를 거쳐 황이 제거된 연료와 수증기발생기(260)에서 발생된 수증기를 반응시켜 수소를 생성하는 개질반응기(230)와, 개질반응기(230)에서 배출된 수소에 포함된 일산화탄소를 물과 반응시켜 일산화탄소의 농도를 저감시키는 중온수반응기(240)와, 중온수반응기(240)에서 배출된 수소에 포함된 일산화탄소를 공기와 반응시켜 일산화탄소의 농도를 더욱 저감시키는 부분산화반응기(250)와, 개질반응기(230)에 수증기를 공급하는 수증기발생기(260)와, 수증기발생기(260)에 필요한 열을 공급하고 탈황반응기(210)와 개질반응기(230)와 중온수반응기(240)와 부분산화반응기(250)가 작동하기 적절한 온도를 유지하도록 열을 공급하는 버너(270)를 포함하여 구성된다.
상기 열공급유닛(300)은 온수 및 난방을 위해 열이 필요할 경우에, 개질유닛(200)에서 공급받은 수소와 공기공급유닛(120)으로부터 공급받은 공기를 촉매와 반응시켜 열을 생성한다. 이를 위해, 열공급유닛(300)에는 공기공급유닛(120)으로부터 공기를 받기 위한 공기공급관(Lha)과, 개질유닛(200)으로부터 수소를 받기 위한 연료공급관(Lhf)이 연결된다. 물론, 열공급유닛(300)을 촉매를 사용하지 않는 전기버너나 가스버너로 구성할 수도 있을 것이다.
한편, 열공급유닛(300)에서 열을 생성하는 과정에서 발생되어 배출되는 배기가스로 스택유닛(130)을 퍼지하기 위해, 열공급유닛(300)과 스택유닛(130)의 연료 극(131)은 가스배출관(Lhe)으로 연결된다. 여기서 배출되는 배기가스에는 N2, H2O, CO, CO2등이 혼합된 가스이다.
가스배출관(Lhe)을 통해서 개질유닛(200)에서 생성된 수소를 스택유닛(130)으로 선택적으로 공급하기 위해 가스배출관(Lhe)에는 3방밸브(310)가 설치되며, 연료공급관(Lhf)과 3방밸브(310)는 우회연료공급관(Lhd)에 의해 연결된다.
상기 3방밸브(310)는 연료전지시스템의 운전중에는 우회연료공급관(Lhd)과 가스배출관(Lhe)을 연통시킨다. 이 경우, 개질유닛(200)에서 스택유닛(130)으로 수소가 공급되고, 열공급유닛(300)에서 배출되는 배기가스는 스택유닛(130)으로 공급되지 않고 대기중으로 방출된다.
반면, 3방밸브(310)는 연료전지시스템의 운전 전 또는 후에 스택유닛(130)의 퍼지를 위해 우회연료공급관(Lhd)과 가스배출관(Lhe)의 연통되는 것을 차단한다. 이 경우, 열공급유닛(300)에서 배출되는 배기가스는 가스배출관(Lhe)을 통해 스택유닛(130)으로 공급되어 스택유닛(130)을 퍼지시킨다.
이로 인해, 연료전지시스템의 운전 시작 전 및 종료 후, 스택유닛(130)에 남아있는 가연성가스를 외부로 방출하기 위한 퍼지(purge)를 외부에서 별도의 불활성가스를 공급받지 않고도 열공급유닛(300)에서 배출되는 배기가스를 이용하여 자체적으로 해결할 수 있다. 또한, 배기가스를 이용하여 스택유닛(130)을 퍼지하므로, 스택유닛(130)의 촉매, 특히 연료극(131)의 촉매를 손상시키지 않으면서 스택유닛(130)을 퍼지 할 수 있다.
도 4는 다른 실시예에 의한 열공급유닛에서 배출되는 배기가스로 스택유닛을 퍼지시키는 구조를 나타낸 도면이다. 본 실시예에서는 열공급유닛(400) 공급되는 연료와 스택유닛(450)에 공급되는 연료의 종류가 다르다.
즉, 스택유닛(450)에는 개질유닛(440)으로부터 수소가 공급되고, 열공급유닛(400)에는 별도의 연료공급원(430)으로부터 수소가 아닌 LNG가 공급된다. 물론 수소가 아니면 LNG 아닌 다른 연료도 상관없을 것이다.
도 4를 참조하면, 열공급유닛(400)은 온수 및 난방을 위해 열이 필요할 경우에, 별도의 연료공급원(430)에서 공급받은 연료(LNG)와 공기공급유닛(420)으로부터 공급받은 공기를 촉매와 반응시켜 열을 생성한다. 이를 위해, 열공급유닛(400)에는 공기공급유닛(420)으로부터 공기를 받기 위한 공기공급관(Lha)과, 별도의 연료공급원(430)으로부터 연료를 공급받기 위한 연료공급관(Lhf)이 연결된다.
한편, 열공급유닛(400)에서 열을 생성하는 과정에서 발생되어 배출되는 배기가스로 스택유닛(450)을 퍼지하기 위해, 열공급유닛(400)과 스택유닛(450)의 연료극(451)은 가스배출관(Lhe)으로 연결된다.
가스배출관(Lhe)을 통해서 개질유닛(440)에서 생성된 수소를 스택유닛(450)으로 선택적으로 공급하기 위해 가스배출관(Lhe)에는 3방밸브(410)가 설치되며, 개질유닛(440)과 3방밸브(410)은 스택연료공급관(Lsf)에 의해 연결된다.
상기 3방밸브(310)는 연료전지시스템의 운전중에는 스택연료공급관(Lsf)과 가스배출관(Lhe)을 연통시킨다. 이 경우, 개질유닛(440)에서 스택유닛(450)의 연료극(451)으로 수소가 공급되고, 열공급유닛(400)에서 배출되는 배기가스는 스택유 닛(450)으로 공급되지 않고 대기중으로 방출된다.
반면, 3방밸브(410)는 연료전지시스템의 운전 전 또는 후에는 스택유닛(450)의 퍼지를 위해 스택연료공급관(Lsf)과 가스배출관(Lhe)의 연통을 차단한다. 이 경우, 열공급유닛(400)에서 배출되는 배기가스는 가스배출관(Lhe)을 통해 스택유닛(450)으로 공급되어 스택유닛(130)을 퍼지시킨다. 미 설명부호 452는 공기극을 나타낸다.
이하, 도 2 및 도 3을 참조하여 연료전지시스템의 동작을 설명하면 다음과 같다.
개질유닛(200)에서 연료(LNG)와 수증기를 개질반응시켜 수소를 발생시킨 후 발생된 수소를 스택유닛(130)의 연료극(131)으로 공급한다.
공기공급유닛(120)은 공기를 스택유닛(130)의 공기극(132)으로 공급한다.
스택유닛(130)은 공급된 수소와 공기의 전기화학적 반응을 통해 전기를 발생시키고, 발생 된 전기는 전기출력유닛(150)에서 교류로 바꿔 각종 전기제품(도면상에는 Load로 표시)에 공급한다.
한편, 연료전지시스템의 운전 전 또는 후에, 열공급유닛(300)은 열 생성 후 배출되는 배기가스를 스택유닛(130)에 공급하여 스택유닛(130)을 퍼지시킨다.
본 발명의 일 실시예에 의한 연료전지시스템에 따르면,
연료전지시스템의 운전 시작 전 및 종료 후, 스택유닛에 남아있는 가연성가스를 외부로 방출하기 위한 퍼지(purge)를 외부에서 별도의 불활성가스를 공급받지 않고도 열공급유닛에서 배출되는 배기가스를 이용하여 자체적으로 해결할 수 있어 연료전지시스템의 운용비용이 감소한다.
또한, 배기가스를 이용하여 스택유닛을 퍼지하므로, 스택유닛의 촉매 특히 연료극의 촉매를 손상시키지 않으면서도 스택유닛을 퍼지 할 수 있다.

Claims (3)

  1. 수소와 공기의 전기 화학적 반응에 의해 전기를 생성하는 스택유닛;
    상기 스택유닛에 공기를 공급하는 공기공급유닛;
    상기 스택유닛에 수소를 공급하는 개질유닛;
    상기 스택유닛을 퍼지시키기 위해, 열 생성 후 배출되는 배기가스를 상기 스택유닛에 공급하는 열공급유닛;
    상기 공기공급유닛으로부터 공급되는 공기를 상기 열공급유닛에 공급하는 공기공급관; 및
    상기 열공급유닛에서 배출되는 배기가스를 상기 스택유닛으로 공급하는 가스배출관;을 포함하는 연료전지시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스배출관에 설치된 3방밸브;
    상기 개질유닛에서 생성된 수소를 상기 열공급유닛으로 공급하는 연료공급관; 및
    상기 연료공급관과 상기 3방밸브를 연결하는 우회연료공급관;을 포함하는 연료전지시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스배출관에 설치된 3방밸브;
    상기 열공급유닛에 연료를 공급하는 연료공급관; 및
    상기 개질유닛과 상기 3방밸브를 연결하는 스택연료공급관;을 포함하는 연료전지시스템.
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