KR100827334B1 - Fuel cell system shut-down method - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 종래 가정용 연료전지 시스템의 개략 구성도,1 is a schematic configuration diagram of a conventional domestic fuel cell system,
도 2는 본 발명에 따른 가정용 연료전지 시스템의 운전 종료방법의 순서도,2 is a flow chart of a method for ending operation of a domestic fuel cell system according to the present invention;
도 3은 연료전지 시스템 운전 종료 시 스택 부하와 연료변환기로의 연료공급량과의 관계를 나타낸 그래프,3 is a graph showing the relationship between the stack load and the fuel supply amount to the fuel converter at the end of the fuel cell system operation;
도 4는 연료변환기 연료공급량에 따른 개질기 온도에 관한 그래프,4 is a graph of the reformer temperature according to the fuel converter fuel supply amount;
도 5는 연료변환기 연료공급량에 따른 CO변성기 온도에 관한 그래프,5 is a graph of the temperature of the CO transformer according to the fuel converter fuel supply amount,
도 6은 연료변환기 연료공급량에 따른 CO제거기 온도에 관한 그래프,6 is a graph of the temperature of the CO remover according to the fuel converter fuel supply amount,
도 7은 스택 부하와 연료공급량 및 수증기공급량과의 관계를 나타낸 그래프,7 is a graph showing the relationship between stack load, fuel supply amount and steam supply amount,
도 8은 본 발명에 따라 운전 종료되는 연료전지 시스템의 개략 구성도이다.8 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system in which operation ends according to the present invention.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명** Description of the symbols for the main parts of the drawings *
10 : 연료변환기 11 : 개질기10: fuel converter 11: reformer
12 : CO변성기 13 : CO제거기12: CO transformer 13: CO remover
14 : 버너 20 : 스택14: Burner 20: Stack
본 발명은 가정용 연료전지 시스템 운전방법에 관한 것으로, 특히 독성 및 가연성 가스의 대기 방출을 방지할 수 있도록 된 운전 종료방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for operating a domestic fuel cell system, and more particularly, to a method for terminating an operation to prevent the release of toxic and flammable gases into the atmosphere.
연료전지는 전기화학반응에 의하여 연료가 갖고 있는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 발전장치이다. 따라서 원리상 열기관이 갖고 있는 열역학적인 제한(Carnot 효율)을 받지 않기 때문에 기존의 발전장치보다 효율이 높고, 무공해, 무소음으로 환경문제가 거의 없으며, 다양한 용량으로 제작이 가능하고, 특히 전력 수요지 내에 설치가 용이하여 송변전 설비를 절감할 수 있는 등 전력계통의 운영 측면에서도 기대가 큰 첨단기술이다.A fuel cell is a power generation device that directly converts chemical energy of a fuel into electrical energy by an electrochemical reaction. Therefore, since it is not subject to the thermodynamic limitation (Carnot efficiency) of the heat engine in principle, it is more efficient than the existing power generation equipment, has no environmental problems with no pollution and noise, and can be manufactured in various capacities. It is a cutting-edge technology with high expectations in terms of power system operation, such as easy transmission and reduction of transmission and transmission facilities.
따라서, 가정용 에너지 시스템으로서도 주목받고 있는데, 가정용으로서는 주로 고분자 전해질막형 연료전지(PEMFC ; Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)를 이용한 1~3㎾ 급 연료전지 시스템이 개발되고 있다.Accordingly, although it is attracting attention as a home energy system, a 1 to 3 kW fuel cell system using a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) is mainly developed for home use.
도 1에는 종래 가정용 연료전지 시스템의 구성이 개략적으로 도시되어 있다.1 schematically shows a configuration of a conventional domestic fuel cell system.
연료변환기(10)는 공급받은 연료가스(NG, LPG 등의 탄화수소류)를 스택(20)에서 사용 가능한 다량의 수소를 포함한 가스(수소부유가스, 수소리치가스 등으로 지칭)로 변환시키는 것으로, 초기 개질공정은 대부분 수증기개질(steam reforming:SR), 자연개질(autothermal reforming:ATR), 촉매적 부분산화(catalytic partial oxidation:CPOX) 또는 비촉매적 부분산화(POX)에 의해 이루어진다.The
본 발명은 연료가스를 수증기개질 반응을 이용하여 수소함유가스로 변환하는 연료변환기(10)를 사용하는 연료전지 시스템에 적용되는 것이다.The present invention is applied to a fuel cell system using a
연료변환기(10)는 연료가스를 공급받아 수증기 개질반응에 의해 다량의 수소와 일산화탄소(CO) 및 이산화탄소(CO2)를 생성하는 개질기(11)와, 이로부터 생성된 개질가스를 시프트반응을 통해 CO의 양을 1%이하로 저감시키는 CO변성기(12)와, 이로부터 배출되는 변성가스를 공기와 혼합하여 선택적 산화반응을 통해 CO를 스택(20)에 공급가능한 수준인 10ppm 이하로 저감시키는 CO제거기(13)(CO정화기) 및 상기 연료가스를 공급받아 연소시켜 상기 반응기들을 예열하고 특히 개질반응에 필요한 열을 공급하는 버너(14)를 포함하여 구성된다.The
상기 연료가스는 부취제로서 3.5ppm 가량 포함된 황 성분을 제거하기 위해 탈황기를 거친 후, 상기 개질기(11)로 공급된다.The fuel gas is passed through a desulfurizer to remove the sulfur component contained in the amount of about 3.5 ppm as a odorant, and then supplied to the reformer 11.
또한, 상기 CO제거기(13)와 스택(20)의 사이에 정화가스공급관(30)이 연결되고, 스택(20)과 상기 버너(14) 사이에 오프가스회수관(31)이 연결되어, 정화가스가 스택(20)으로 공급되어 발전에 사용되고, 사용되지 않은 잔여 수소를 포함한 상태의 오프가스가 버너(14)로 공급되어 시스템 정격 운전 중 버너(14)로의 외부 연료공급량을 감소시킴으로써 시스템 효율 향상을 도모하고 있다.In addition, the purification
또한, 상기 정화가스공급관(30)에는 불안정가스배출관(32)이 연결되어 운전개시 및 종료 때 CO가 충분한 수준으로 정화되지 않은 불안정 정화가스를 외부로 배출할 수 있도록 되어 있고(CO로 인한 스택(20) 촉매(백금)의 피독 방지), 상기 오프가스회수관(31)에 오프가스배출관(33)이 연결되어 운전초기 및 종료시점에서 과량의 열량을 가진 오프가스를 대기 중으로 배출하여 버너(14)로 공급되지 않도록 함으로써 버너(14)의 과열을 방지할 수 있도록 되어 있다.In addition, the unstable gas discharge pipe 32 is connected to the purified
또한, 상기 정화가스공급관(30)과 오프가스회수관(31)의 사이에 바이패스관(34)이 연결되어 불안정 정화가스를 바로 버너(14)로 바이패스시킴으로써 스택(20) 촉매의 피독을 방지하였다. 상기 각 관로에는 상기와 같은 제어를 실시하기 위한 밸브(40,41,42,43,44)들이 적소에 설치되어 있음은 물론이다.In addition, the
한편, 스택(20)을 정격으로 필요한 시간 동안 운전한 뒤, 연료전지 시스템의 운전을 종료하기 위해서는 먼저 스택(20)의 부하를 감소시켜 스택(20)의 운전을 종료시킨 후, 연료변환기(10)로의 연료가스 공급을 중단하여 연료변환기(10)의 운전을 종료함으로써 연료전지 시스템의 운전을 완전히 종료시킨다.On the other hand, after operating the
그런데, 상기와 같이 스택(20)의 부하 감소 동안 배출되는 오프가스와 스택(20) 운전 종료 후 연료변환기(10)에서 배출되는 정화가스는 과량의 열량을 포함하고 있기 때문에 상기와 같이 버너(14)로 공급될 경우에는 버너(14), 나아가 연료변환기(10)를 과열 손상시킬 뿐만 아니라 각 반응기들의 정상적인 온도제어를 불가능하게 하는 결과를 초래한다.However, as described above, since the off gas discharged during the load reduction of the
따라서, 종래에는 연료전지 시스템 운전 종료 때, 스택(20)의 부하가 감소하는 동안 발생하는 오프가스를 오프가스배출관(33)을 통해 대기 중으로 방출시키고, 스택(20) 운전 종료 후 연료변환기(10)의 운전이 종료되는 동안 발생하는 정화가스를 불안정가스배출관(32)을 통해 대기 중으로 방출시키고 있다.Therefore, conventionally, at the end of the fuel cell system operation, off gas generated while the load of the
그러나, 상기 정화가스와 오프가스에는 독성 및 가연성의 CH4, H2가 포함되 어 있으므로 시스템 외부로 방출될 경우 대기를 오염시키고 폭발사고의 위험성이 존재하는 바, 이러한 독성 및 가연성 가스의 외부 배출을 억제하기 위하여 종래에는 별도의 정화장치를 설치해야 했으므로 시스템의 구성 및 제어가 복잡하게 되는 문제점이 있었다.However, since the purge gas and off gas contain CH 4 and H 2 , which are toxic and flammable, when released to the outside of the system, there is a risk of pollution and explosion. In order to suppress the prior art had to install a separate purification device has a problem that the configuration and control of the system is complicated.
이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 별도의 추가장치를 설치할 필요 없이 대기중으로 독성 및 가연성 가스가 배출되는 것을 방지할 수 있게 되어 환경오염 및 화재사고 발생의 위험을 줄일 수 있게 되고, 이에 상기 독성 및 가연성 가스의 정화를 위해 설치하던 정화장치가 필요없게 되어 연료전지 시스템의 구성이 단순해지며, 운전 종료가 완료될 때까지 오프가스 및 정화가스를 버너로 공급 연소시킬 수 있게 됨에 따라 연료소모량을 줄여 효율을 높일 수 있도록 된 가정용 연료전지 시스템의 운전 종료방법을 제공함에 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention has been made to solve the above problems, it is possible to prevent the emission of toxic and flammable gases into the atmosphere without the need to install additional devices to reduce the risk of environmental pollution and fire accidents. Therefore, there is no need for a purification device installed for the purification of the toxic and flammable gas, thereby simplifying the configuration of the fuel cell system, and supplying and burning off-gas and purified gas to a burner until the operation is completed. The purpose of the present invention is to provide a method of terminating the operation of a domestic fuel cell system that can increase fuel efficiency by reducing fuel consumption.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은,The present invention for achieving the above object,
스택의 부하를 정격에서 정격의 30%로 점진적으로 감소시키고, 상기 스택의 부하 감소에 따라 연료변환기로의 연료공급량을 정격의 30%로 동반 감소시키며, 스택의 오프가스는 버너로 공급하는 스택 부하 및 연료공급량 감소단계와;The load of the stack is gradually reduced from rated to 30% of the rated load, and the fuel supply to the fuel converter is reduced to 30% of the rated load as the load of the stack decreases, and the off-gas of the stack is supplied to the burner. And reducing the fuel supply amount;
상기 스택 부하 및 연료공급량 감소단계에서 스택의 부하가 30%가 되면 바로 스택의 부하를 0(zero)으로 감소시켜 스택 운전을 종료하고, 스택의 오프가스는 버 너로 공급하는 스택 정지단계와;In the stack load and fuel supply reduction step, when the load of the stack reaches 30%, the stack operation is immediately reduced by zeroing the stack load to zero, and the stack stop step of supplying off-gas of the stack to the burner;
상기 스택 정지단계에서 스택이 정지되면 연료변환기에서 배출되는 정화가스의 스택 투입을 차단하고, 그 정화가스를 버너로 공급하는 정화가스 스택 투입 차단단계와;When the stack is stopped in the stack stop step, the stack of the purge gas discharged from the fuel converter is blocked, and the purge gas stack input blocking step of supplying the purge gas to the burner;
상기 정화가스 스택 투입 차단단계 후, 연료변환기로의 연료공급량을 0(zero)으로 감소시켜 연료변환기의 운전을 종료하는 연료변환기 정지단계와;A fuel converter stopping step of terminating operation of the fuel converter by reducing the fuel supply amount to zero after the purge gas stack input blocking step;
상기 연료변환기 정지단계 후, 연료변환기를 퍼지하여 내부의 잔류가스를 버너로 공급하는 퍼지단계 및;A purge step of purging the fuel converter after the fuel converter stop step and supplying residual gas therein to a burner;
상기 퍼지단계를 일정 시간 동안 실시한 후, 시스템의 운전을 완전히 종료하는 종료단계;After the purge step for a predetermined time, the step of terminating the operation of the system completely;
를 포함하여 이루어진다.It is made, including.
따라서, 스택의 오프가스와 연료변환기의 정화가스를 시스템 외부로 배출함 없이 연료전지 시스템의 운전을 종료할 수 있게 된다.Therefore, the operation of the fuel cell system can be terminated without discharging off-gas of the stack and purge gas of the fuel converter to the outside of the system.
이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings the present invention will be described in detail.
도 2는 본 발명에 따른 가정용 연료전지 시스템의 운전 종료방법의 진행 단계를 나타낸 순서도로서, 본 발명은 스택 부하 및 연료공급량 감소단계(S1)와, 스택 정지단계(S2)와, 정화가스 스택 투입 차단단계(S3)와, 연료변환기 정지단계(S4)와, 퍼지단계(S5) 및 종료단계(S6)를 포함하여 이루어진다.Figure 2 is a flow chart showing the progress of the operation termination method of the home fuel cell system according to the present invention, the present invention is a stack load and fuel supply amount reduction step (S1), the stack stop step (S2), purge gas stack input It comprises a blocking step (S3), a fuel converter stop step (S4), a purge step (S5) and the end step (S6).
시스템의 운전 종료를 위해, 먼저 스택(20)이 정격으로 운전되는 상태(C)에 서 스택 부하를 점진적으로 30%까지 감소시킨다.(바람직하게는 10%까지 감소시킨다.)To terminate the operation of the system, first reduce the stack load by 30% (preferably by 10%) while the
이때 스택(20)의 수소이용률은 정격운전 시의 수소이용률인 70~80%로 유지하면서 스택(20)의 부하 감소에 따라 연료변환기(10)의 개질기(11)로 공급되는 연료공급량을 정격의 30%로 동시 감소시킨다.(스택 부하 및 연료공급량 감소단계(S1))At this time, while the hydrogen utilization rate of the
상기와 같은 스택(20)의 부하 감소와 연료변환기(10) 연료공급량의 관계가 도 3에 (ㄴ)으로 도시되었다. (ㄱ)은 종래의 일반적인 연료전지 시스템 운전 종료방법의 경우를 나타낸 것이다.The relationship between the load reduction of the
상기 종래의 경우(ㄱ)에는 운전 종료 때 스택 부하를 감소시키는 동안 연료공급량이 정격(c)으로 유지되고, 스택 부하가 0(zero)에 도달하면 스택(20)의 운전을 종료시켜 연료변환기(10)에서 배출되는 정화가스의 스택(20) 유입을 막는다. 이어 연료공급량을 감소시켜 연료변환기(10)의 운전을 종료하고 퍼지한 후 연료전지 시스템 운전을 종료하였다. In the conventional case (a), the fuel supply amount is maintained at the rating (c) while reducing the stack load at the end of the operation, and when the stack load reaches zero, the operation of the
따라서, 종래에는 스택 부하가 감소하여 스택(20)의 운전이 종료될 때까지 불필요하게 연료가 정격으로 계속 투입되고, 또한 연료변환기(10)의 버너(14)로 오프가스가 투입되지 않기 때문에 스택(20)의 부하 감소 동안 오프가스의 열량만큼 버너(14)로 추가 연료를 다량 공급해야 하므로 연료소비량이 증가하여 시스템 효율이 저하되었다.Therefore, conventionally, fuel is continuously supplied unnecessarily until the stack load is reduced and the operation of the
반면, 본 발명의 경우(ㄴ)에는 운전 종료 때 스택 부하를 감소(C→A)시키는 동안 연료공급량을 동시에 동일 비율로 감소(c→a)시킨다. 이때 스택(20)의 수소이 용률이 70~80%가 유지되도록 연료공급량을 조절한다. 스택(20)의 발전에 사용되고 배출되는 오프가스는 연료변환기(10)의 버너(14)로 계속 공급한다. 스택(20)의 부하가 정격의 30%(또는 10%)(A)로 감소되면 즉시 스택 부하를 0(zero)으로 감소시켜 스택(20)의 운전을 종료한다. 스택(20) 운전 종료 후 정화가스는 연료변환기(10)의 버너(14)로 공급되며, 이후 개질기(11)로의 연료공급을 중단함으로써 연료전지 시스템의 운전이 종료된다.On the other hand, in the case of the present invention (b), while reducing the stack load (C → A) at the end of the operation, the fuel supply amount is simultaneously reduced at the same rate (c → a). At this time, the fuel supply amount is adjusted so that the hydrogen of the
상기와 같이, 연료전지 시스템 운전 종료 동안 개질기(11)에 공급되는 연료공급량을 조절하여 스택(20)의 수소이용률을 정격시와 동일하게 70~80%로 유지함으로써 발전에 사용되는 연료공급량이 최대한 감소된다.As described above, by adjusting the fuel supply amount supplied to the reformer 11 during the end of operation of the fuel cell system, the fuel supply amount used for power generation is maintained by maintaining the hydrogen utilization rate of the
또한 연료변환기(10)에 과량의 열량을 공급할 필요가 없으므로 상기 버너(14)로 공급되는 오프가스내의 가연 성분인 H2의 함유량을 최대한 감소시킬 수 있게 되고, 시스템 운전 종료가 완료될 때까지 연료변환기(10)의 버너(14)에 오프가스를 계속 투입함으로써 개질 반응을 위한 버너(14)의 추가 연료 소모량이 감소된다. 따라서 시스템 운전 종료 동안의 사용 연료량이 최소화됨으로써 시스템 효율이 향상된다.In addition, since it is not necessary to supply an excessive amount of heat to the
이제, 상기 스택 부하 및 연료공급량 감소단계(S1)가 진행되는 동안, 상기 도 3에서의 스택 부하에 따른 연료공급량의 변화를 이용하고, 추가로 연료변환기(10)의 개질기(11) 온도를 제어함으로써 연료변환기(10)에서 배출되는 정화가스가 스택 부하 변동에 상관없이 항상 동일한 조성을 가지면서 스택 투입이 가능하도 록 CO가 10ppm 이하로 제거될 수 있는 상기 연료변환기(10)의 각 반응기들의 운전 온도를 제시한다.Now, while the stack load and fuel supply amount reduction step S1 are in progress, using the change of the fuel supply amount according to the stack load in FIG. 3, and further controlling the reformer 11 temperature of the
도 4는 연료변환기(10)의 연료공급량에 따른 개질기(11)의 온도를 표시한 그래프이다. 일반적으로 개질반응이 정상적으로 일어나는 반응온도는 (ㄷ)과 같이 500~750℃ 사이가 되고, 이 범위에서 발생된 개질가스가 CO변성기(12) 및 CO제거기(13)를 거쳐 스택(20) 투입이 가능한 정화가스로 변환된다.4 is a graph showing the temperature of the reformer 11 according to the fuel supply amount of the
본 발명은 전술한 바와 같이 연료공급량 변화를 이용하여 개질기(11)의 온도를 도 4의 (ㄹ)과 같이 제어하여 운전한다. 즉, 연료공급량이 정격(c)일때 개질기(11) 온도는 700℃를 유지하도록 제어한다. 이후 연료공급량을 감소시켜 중간단계인 (b)시점에서는 620~640℃로 개질기(11) 온도를 제어하고 연료공급량이 정격의 30%로 감소된 시점(a)에서는 개질기(11) 온도를 570~600℃가 되도록 제어한다. 개질기(11) 온도제어는 버너(14)에 추가로 공급되는 연료량을 조절하여 제어한다.As described above, the present invention operates by controlling the temperature of the reformer 11 as shown in FIG. That is, when the fuel supply amount is rated (c), the reformer 11 temperature is controlled to maintain 700 ℃. Since the fuel supply amount is reduced, the temperature of the reformer 11 is controlled at 620-640 ° C. at the intermediate stage (b), and the temperature of the reformer 11 is reduced from 570 to 620 at a time when the fuel supply amount is reduced to 30% of the rating. Controlled to 600 ° C. The reformer 11 temperature control is controlled by adjusting the amount of fuel additionally supplied to the
상기와 같이 스택 부하 변동에 따라 제어된 개질기(11) 운전 온도는 개질기(11) 후단에 장착된 CO변성기(12) 및 CO제거기(13) 온도를 고려하여 정화가스의 조성이 스택 부하 변동에 상관없이 일정하게 배출될 수 있도록 반복실험을 통해 확인하였다. 즉, 모든 부하 영역에서 CO제거기(13)에서 배출되는 정화가스는 H2 70% 이상, CH4 2% 이하, CO2와 N2 20%이고 CO가 10ppm 이하로 제거된 일정한 조성을 가지고 연료변환기(10)에서 배출됨을 확인하였다.As described above, the operating temperature of the reformer 11 controlled according to the stack load fluctuation is correlated with the stack load fluctuation of the composition of the purification gas in consideration of the temperature of the
상기 정화가스는 스택(20)의 발전에 사용되고 오프가스 형태로 연료변환 기(10)의 버너(14)에 공급되어 버너(14)의 연료로 사용된다. 따라서 정화가스의 조성과 유량을 통하여 스택(20)의 수소이용률 및 버너(14)의 추가 연료공급량을 계산하고, 이를 이용하여 연료전지 시스템 운전 제어 로직에 적용하였다. 특히 스택(20)의 부하 변동과 상관없이 정화가스가 일정한 조성으로 스택(20)에 공급될 경우, 스택(20)의 부하가 변동되더라도 스택(20)에서 사용되는 수소이용률을 계산값을 이용하여 일정하게 유지할 수 있도록 하는 제어가 가능하다. 또한 개질기(11) 온도제어를 위한 버너(14)의 추가 연료공급량 및 개질기(11) 운전 온도 변동폭을 계산 및 실험을 통하여 예상하여 적용함으로써 연료전지 시스템의 종료 운전제어가 간단하게 유도된다.The purge gas is used for power generation of the
도 5는 도 4와 같이 연료변환기(10)로의 연료공급량 변화에 따라 개질기(11)의 온도를 조절한 결과 나타나는 CO변성기(12)의 운전온도 범위를 그래프로 나타낸 것이다. 일반적으로 CO변성기(12)에 장착된 촉매의 활성온도영역은 정격에서 대략 180~250℃이다. 그러나 본 발명과 같이 연료공급량을 감소시키며 개질기(11)의 온도를 조절한 결과, CO변성기(12)의 운전온도는 정격(c)에서 220~230℃로 유지되지만 연료공급량이 30%((a)시점)로 감소되면 180~190℃에 도달하게 된다.FIG. 5 is a graph illustrating an operating temperature range of the
또한, 도 6에서와 같이, CO제거기(13)의 운전온도는 정격(c)에서 150℃로 운전되고 연료공급량이 30%로 감소되면 30℃ 감소된 120℃로 운전된다.In addition, as shown in Fig. 6, the operating temperature of the
본 출원인의 선출원(2007.04.20.) 10-2007-0038651호(가정용 연료전지 시스템의 운전 개시방법)에서 연료전지 시스템의 부하가 30%로 운전될 경우 연료변환기(10)의 CO변성기(12)는 150℃ 이상, CO제거기(13)는 100℃ 이상에서 정상적인 반 응이 진행되어 정화가스의 CO농도가 10ppm 이하로 제거 가능함을 확인하였다. 따라서 본 발명의 연료변환기(10) 운전 종료 시점에서 CO변성기(12)와 CO제거기(13)의 운전 온도는 상기 활성온도 이상이므로 상기 CO제거기(13)로부터 배출되는 정화가스는 충분히 스택(20) 투입이 가능함을 알 수 있다. In the applicant's prior application (2007.04.20.) 10-2007-0038651 (method for starting the operation of the home fuel cell system) when the load of the fuel cell system is operated at 30%, the
도 7을 참조하여, 스택 부하에 따른 연료공급량의 변화를 이용하고, 추가로 공급되는 수증기의 양을 조절하여 연료변환기(10)의 열균형을 유지하며 안정적인 정화가스 배출을 유도하기 위한 제어방법을 설명한다.Referring to Figure 7, using a change in the fuel supply amount according to the stack load, and further controls the amount of water vapor supplied to maintain a thermal balance of the
연료변환기(10)의 운전에서 공급 연료의 수증기/탄소 비(S/C ratio)가 낮으면 CO변성반응의 성능이 감소하고 고온에서 개질기(11) 및 CO변성기(12)에 장착된 촉매에 코킹(coking)이 발생하여 내구성이 감소된다. 반면, 상기 수증기/탄소 비가 높으면 수증기를 가열하기 위하여 많은 열량이 소모되므로 연료변환기(10)의 효율이 감소된다.If the S / C ratio of the feed fuel is low in the operation of the
따라서, 연료변환기(10)의 효율 및 정화가스의 안정성이 확보되는 적절한 수증기/탄소 비가 존재하게 되며, 그러한 운전조건을 반복실험을 통하여 확인하였다.Therefore, there is an appropriate water vapor / carbon ratio to ensure the efficiency of the
그 결과 정격에서 공급된 연료의 수증기/탄소 비가 2.5~3일 경우, 효율이 가장 우수함을 확인하였다.As a result, it was confirmed that the efficiency was the best when the water vapor / carbon ratio of the fuel supplied at the rating was 2.5-3.
그러나 연료변환기(10)가 저 부하에서 운전될 경우, 연료공급량이 감소하고 부하에 따른 반응 온도들의 변화로 연료변환기(10) 내부의 각 반응기 및 버너(14), 열교환기 등의 온도구배가 불안정하여 정화가스의 조성 및 유량의 변화 등에 영향을 미치게 되는데, 본 발명의 적용 대상이 되는 연료변환기(10)에서 상기 수증기/ 탄소 비를 그대로 유지할 경우, 스택 부하 50% 이하가 되면 정화가스의 안정성이 감소됨을 확인하였다.However, when the
따라서 스택 부하 50% 이하에서 공급 연료의 수증기/탄소 비(S/C ratio)를 증가시킴으로써 연료변환기(10)에서 배출되는 정화가스의 안정성이 저하되지 않도록 한다.Therefore, by increasing the steam / carbon ratio (S / C ratio) of the feed fuel at 50% or less of the stack load, the stability of the purge gas discharged from the
도 7과 같이, 스택이 정격(C)으로 운전되고 개질기(11)로 공급되는 연료공급량도 정격(c)일 때 수증기는 수증기/탄소 비(S/C ratio)가 2.5~3이 되는 양(e)으로 공급한다. As shown in FIG. 7, when the stack is operated at the rated C and the fuel supply amount supplied to the reformer 11 is also rated c, the amount of water vapor is 2.5 to 3 (S / C ratio). e).
운전종료를 위해 스택 부하를 50% (B)로 감소시킬 때 동시에 연료가스 및 수증기량도 함께 감소시켜 각각 정격의 50%의 양(연료공급량;b, 수증기공급량; f)으로 공급한다. 즉, 이 구간에서는 상기 수증기/탄소 비를 정격 운전시와 동일하게 2.5~3을 유지한다.When the stack load is reduced to 50% (B) to terminate the operation, the fuel gas and water vapor volume are also reduced together, and are supplied in amounts of 50% (fuel supply b) and water vapor supply f respectively). That is, in this section, the steam / carbon ratio is maintained at 2.5 to 3 as in the rated operation.
이후, 스택(20)의 부하를 50% (B)에서 30%(A)로 감소시킬 때 연료공급량 역시 스택(20)의 수소이용률이 70~80%가 유지되도록 동일한 비율인 50%(b)에서 30%(a)로 감소시킨다.Then, when the load of the
그러나 수증기공급량은 정격의 30% 이상의 양(g)으로 공급한다. 즉, 스택 부하 50%(B) 이하 구간에서 수증기공급량은 스택 부하 50%(B) 이상 구간에서의 수증기공급량 감소비율보다 작은 비율로 감소시킨다. 본 발명은 스택 부하 50%에서 수증기/탄소 비 = 3으로 운전하고 스택 최소 부하(30% or 10%)에서 수증기/탄소 비 = 4가 되도록 부하 감소에 따라 수증기공급량을 제어하는 것이 바람직하다. 즉, 스택 부하에 추종하여 감소하는 연료공급량에 대해 수증기공급량을 감소시킴에 있어서 그 감소 경향은 유지하나 감소속도를 완화시켜 이전 구간에 비해 공급량이 감소되긴 하지만 수증기/탄소 비는 증가하도록 제어하는 것이다. However, the steam supply is at least 30% of the rated g. That is, the water vapor supply amount in the section of the
즉, 부하가 50%에서는 안정적인 정화가스가 배출되는 구간이지만 정화가스가 스택(20)에 계속 공급되고 있으므로 스택(20) 운전 종료지점인 부하 30%에 도달전인 50% 시점부터 수증기공급량 공급 비율을 증가시킴으로 개질반응은 물론 CO변성반응에서 CO를 제거하는 반응을 최대한 유도하여 불안정 가스배출을 최대한 억제하고자 하였다.That is, when the load is 50%, the stable purge gas is discharged, but since the purge gas is continuously supplied to the
또한 낮은 부하 구간에서 상기와 같이 최대한의 반응을 유도함으로써 종료 이후 연료변환기(10) 내에 존재하는 잔류가스(미반응 CH4 및 Carbon류는 코킹(coking)현상을 유발하여 내구성 및 성능을 감소시킴)양을 최소화하고자 하였다.In addition, the residual gas present in the
한편, 스택 부하 10%에서 스택 정지단계(S2)를 진행할 경우에는 연료공급량도 동일한 비율인 정격의 10%로 감소시키게 되며, 또한 수증기공급량 제어에 있어서 상기 수증기/탄소 비를 증가시키는 시점을 스택 부하 50%가 아닌 30% 시점에서 상승시켜도 무방하다. 즉, 이 경우 스택(20) 부하는 10%까지 점진 감소된 후, 바로 0으로 감소되어 종료된다.On the other hand, when the stack stop step (S2) is carried out at 10% of the stack load, the fuel supply amount is also reduced to 10% of the rating, which is the same ratio, and at the time of increasing the water vapor / carbon ratio in controlling the steam supply amount, the stack load is indicated. You can raise it at 30% instead of 50%. That is, in this case, the load of the
다음으로, CO제거기(13)로 공급되는 선택적 산화반응용 공기의 공급량도 스택 부하에 추종하여 감소시키되 산소/일산화탄소 비(O2/CO ratio)는 정격운전 때의 값인 1.5~2.5를 유지한다.Next, the amount of air for selective oxidation reaction supplied to the
선택적 산화반응은 CO변성기(12)에서 배출되는 1% 이하, 바람직하게는 0.5%의 CO를 공기와 반응시켜 CO2로 제거하지만 부반응으로 과량 생성된 H2와 반응하여 H2O를 형성하므로 지나치게 많은 양의 공기가 공급될 경우, CO외에도 다량의 H2가 소모되어 결과적으로 연료전지 시스템의 운전효율을 감소시킨다. 따라서 연료전지 시스템 운전 종료 시 CO제거기(13)의 산소/일산화탄소 비는 상기와 같이 정격과 동일한 1.5~2.5를 유지하며 부하를 감소시킨다.Selective oxidation reaction is too forms a
상기와 같은 스택 부하 및 연료공급량 감소단계(S1)를 진행하면서 스택(20)의 부하가 30%가 되면, 즉시 스택(20)의 부하를 0(zero)으로 감소시켜 스택(20)의 운전을 종료시킨다.(스택 정지단계(S2))If the load of the
상기의 과정에서 배출되는 오프가스는 계속 버너(14)로 공급된다.The offgas discharged in the above process is continuously supplied to the
상기 스택 정지단계(S2)에서 스택(20)이 정지된 후에는 연료변환기(10)에서 배출되는 정화가스가 스택(20)으로 투입되는 것을 차단하고, 이를 바이패스관(34)을 통해 버너(14)로 공급한다.(정화가스 스택 투입 차단단계(S3)After the
여기서, 정화가스는 일정 열량의 소모 없이 연료변환기(10)의 버너(14)로 공급되므로 버너(14)에 필요량 이상의 열량이 공급되어 버닝 등의 문제를 발생시킨다.(일반적으로 연료변환기(10)에서 배출되는 정화가스는 버너(14)가 필요로 하는 열량보다 약 2~4배 높은 열량을 가지고 있다.) Here, since the purge gas is supplied to the
그러나 스택(20)의 부하가 30%(A)에 도달하면, 개질기(11)로 투입되는 수증기/탄소 비가 정격보다 높은 3~4로 공급되고 있어, 액상의 물을 수증기로 변성시키 기 위하여 많은 열량이 필요하고, 또한 부하 30%에서 개질기(11)의 온도가 570~600℃로서 정격온도인 700℃ 보다 낮게 운전되고 있으며, 종료시점까지의 소요시간이 매우 짧으므로 고열량의 정화가스가 버너(14)에 공급되어도 개질촉매의 열화 및 버너(14) 버닝 등의 문제는 발생하지 않는다.However, when the load of the
따라서 부하 30% 이하, 바람직하게는 최소 부하인 10%에서 스택 정지단계 (S2)및 정화가스 스택 투입 차단단계(S3)를 진행하여도 무방하다.Therefore, the stack stop step (S2) and the purge gas stack input blocking step (S3) may be performed at a load of 30% or less, preferably at a minimum load of 10%.
이 후, 연료변환기(10)로의 연료공급을 0(zero)으로 감소시켜 연료변환기(10)의 운전을 정지시킨다.(연료변환기 정지단계(S4))Thereafter, the fuel supply to the
상기와 같이 연료가스의 공급이 중단되면, 불활성가스, 수증기 및 연료가스 등을 이용하여 연료변환기(10)를 퍼지(purge)하고 잔여가스를 버너(14)로 공급하여 가연성분을 최대한 연소시킨다.(퍼지단계(S5))When the supply of fuel gas is stopped as described above, the
상기 퍼지단계(S5)를 연료변환기(10)내 잔여가스가 완전히 배출될 수 있도록 2~5분 정도 충분히 실시하고, 연료전지 시스템의 운전을 완전히 종료한다.(종료단계(S6))The purge step S5 is sufficiently performed for 2 to 5 minutes so that the remaining gas in the
상기와 같이, 연료전지 시스템 운전 종료시 스택(20)의 부하 감소에 따라 반응물인 연료가스, 수증기, 공기의 공급량을 점진적으로 감소시키면서 연료변환기(10) 부하를 동시에 감소시키고, 낮은 부하 구간에서 연료변환기(10)로 공급되는 연료의 수증기/탄소 비(S/C ratio)를 높여 공급함으로써 연료변환기(10)내의 열구배를 안정화시켜 배출되는 정화가스의 안정성을 확보하였다.As described above, at the end of operation of the fuel cell system, the load of the
이로써 연료전지 시스템 운전 종료 동안 연료변환기(10)의 정화가스가 스 택(20)의 발전에 사용되고 스택(20)에서 배출되는 오프가스가 연료변환기(10)의 버너(14) 열원으로 순환/연소되는 것이 가능하게 되어, 독성 및 가연성 가스의 대기 방출을 효과적으로 방지할 수 있게 되며, 이에 환경오염과 화재사고의 위험이 방지된다.As a result, the purge gas of the
또한 스택 부하와 연료공급량이 점진적으로 감소되면서 시스템의 운전 종료가 진행되기 때문에 종전과 같이 정격에서 급작스런 종료를 진행했을 때 보다 장기적으로 시스템의 내구성 감소가 억제되고 동시에 스택(20)에서 발생하는 오프가스를 버너(14)로 회수하여 연소시키므로 과량의 연료가스 소비를 억제함으로써 운전 종료 동안의 시스템 효율이 향상된다.In addition, as the stack load and fuel supply are gradually reduced, the operation of the system is terminated. Therefore, when the abrupt termination is performed at the rated rate as in the past, the reduction of durability of the system is suppressed in the longer term, and at the same time, the off gas generated in the
따라서, 도 8에 도시된 바와 같이, 종래의 불안정가스배출관(32)과 오프가스배출관(33) 및 그들에 설치되는 밸브(42,43) 등을 설치할 필요가 없게 되고, 더불어 시스템에 별도의 정화장치를 설치할 필요가 없게 된다. 이와 같이 본 발명은 시스템의 구성이 단순해짐은 물론 이에 따라 상기 밸브의 구동을 위한 제어기 및 제어로직 역시 간단한 구성이 가능하게 된다.Therefore, as shown in FIG. 8, there is no need to provide a conventional unstable gas discharge pipe 32, an off gas discharge pipe 33, and
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 연료전지 시스템 운전 종료 시 독성 및 가연성 가스의 배출이 방지됨으로써 환경오염 및 안전사고 발생의 요인이 제거된다.As described above, according to the present invention, the emission of toxic and flammable gases is prevented at the end of operation of the fuel cell system, thereby eliminating the causes of environmental pollution and safety accidents.
시스템 종료 시 연료공급량이 감소하여 효율이 향상된다.Efficiency is improved by reducing the fuel supply at the end of the system.
불안정가스배출관, 오프가스배출관, 별도의 정화장치가 필요 없게 되어 시스 템의 구성과 제어가 간단해진다.Unstable gas exhaust pipes, off-gas exhaust pipes, and separate purifiers are not required, simplifying the configuration and control of the system.
시스템의 종료가 점진적으로 진행되어 급작스런 종료로 인한 충격이 회피되므로 시스템의 내구성이 향상된다.Shutdown of the system proceeds gradually, avoiding the impact of sudden shutdown, thereby improving the durability of the system.
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Citations (3)
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JP2003217633A (en) | 2002-01-25 | 2003-07-31 | Nissan Motor Co Ltd | Reforming fuel cell system, and residual gas purging method |
KR20060086950A (en) * | 2003-10-21 | 2006-08-01 | 알베르타 리써치 카운실 인코포레이티드 | Controlling solid oxide fuel cell operation |
KR20070032162A (en) * | 2005-09-16 | 2007-03-21 | 엘지전자 주식회사 | Purge system for fuel cell |
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