KR100829089B1 - 연료전지 시스템 및 그 운전방법 - Google Patents

연료전지 시스템 및 그 운전방법 Download PDF

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양재춘
서형석
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지에스칼텍스 주식회사
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Abstract

본 발명은 연료전지 시스템 및 그 운전방법에 관한 것으로, 촉매연소기(30)가 개질기(20)와 분리되어 별도로 구성되고, 촉매연소기(30)의 플루가스가 상기 개질기(20)의 개질반응기(21)에 구비된 열교환기(21a)를 통과한 후 공기예열기(70)의 열교환기(70a)를 통해 배출되도록 되어 있다. 또한, 상기 개질기(20)의 고온쉬프트컨버터(22), 저온쉬프트컨버터(23) 및 보조쉬프트컨버터(24)에도 열교환기(22a,23a,24a)가 구비되어 개질반응기(21)로 공급되는 연료가스와 상기 촉매연소기(30)로 공급되는 수소가스를 예열할 수 있도록 구성된다.
따라서, 촉매연소기(30) 작동의 용이한 제어를 통해 개질성능을 조절할 수 있게 됨으로써 시스템 제어가 용이해질 뿐만 아니라, 개질반응기(21)의 개질반응과 촉매연소기(30)의 촉매연소반응이 보다 활발하게 이루어져 시스템이 정상상태에 보다 빨리 도달하게 되고, 아울러 시스템 효율이 향상되는 효과가 있다.

Description

연료전지 시스템 및 그 운전방법{fuel cell system and its operating method}
도 1은 종래 개질기와 촉매연소기의 설치상태도,
도 2는 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 구성도,
도 3은 본 발명에 따른 개질기와 촉매연소기의 설치상태도이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
10 : 탈황기 20 : 개질기
21 : 개질반응기 22 : 고온쉬프트컨버터
23 : 저온쉬프트컨버터 24 : 보조쉬프트컨버터
21a,22a,22a,24a : 열교환기 30 : 촉매연소기
40 : 스택 50 : 물탱크
60 : 스팀발생기 70 : 공기예열기
70a : 열교환기 80 : 이젝터
90 : 촉매시동가스탱크 100 : 공기공급라인
110 : 플루가스배출라인 120 : 연료가스공급라인
121 : 바이패스라인 130 : 스팀공급라인
140 : 수소가스배출라인
150 : 수소가스공급라인(촉매연소기용)
160 : 수소가스공급라인(스택 연료극용)
170 : 미반응수소가스배출라인 171 : 분지라인
본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로, 특히 평판형 개질기를 사용하는 연료전지 시스템에 관한 것이다.
연료전지 시스템은 스택(stack)의 연료극과 공기극 사이에서 수소와 산소가 전기화학 반응하여 전기와 함께 물과 열이 생성되는 시스템으로서 그 종류에 따라 연료로부터 상기 수소를 얻어내기 위한 개질기(reformer)를 갖추기도 한다.
상기 개질기(reformer)는 열원부와 개질반응부 및 일산화탄소저감부로 이루어지는데, 종래에는 주로 통형타입(tubular type)의 것이 사용되다가 최근에는 평판형타입(plate type)의 것이 사용되고 있다.
즉, 상기 평판형 개질기는 열원, 개질반응기 및 일산화탄소저감기가 모두 평판형으로 이루어져 적층(stacking) 구성되는데, 열원으로서 촉매연소기가 사용되고, 상기 일산화탄소저감기는 고온쉬프트컨버터(High Temperature Shift Converter) 및 저온쉬프트컨버터(Low Temperature Shift Converter)로 구성된다.
따라서, 상기 촉매연소기에서 발생되는 열을 이용하여 상기 개질반응기에서 수소부유가스(Hydorgen rich gas ; 이하, 수소가스라 칭함)를 생성하고 상기 일산 화탄소저감기에서 그 수소가스에 포함된 일산화탄소의 농도를 적절히 낮추어 스택의 연료극으로 공급하게 되며, 공기극에 공기가 공급되어 상호 반응함으로써 물, 열의 생성과 동시에 전기가 생산되게 된다.
그런데, 상기와 같은 연료전지 시스템에서는 도 1에 도시된 바와 같이, 촉매연소기(1)가 개질반응기(2)와 밀착되는 상태로 설치되어 즉, 촉매연소기(1)가 개질기(R)의 내부에 일체로 적층(stacking)되어 있으므로 촉매연소기(1) 내의 열을 균일하게 제어하기 어려워 개질반응을 원하는 대로 제어하기가 용이하지 않았다.
또한, 종래의 촉매연소기는 고온의 열을 가진 플루가스(flue gas)를 대기중으로 그대로 배출함으로써 시스템 효율 저하의 원인이 되었다.
또한, 대기온과 유사한 온도를 가진 연료가스가 개질반응기로 직접 유입됨으로써 개질반응기 내 촉매의 활성화가 지연되었고, 이에 따라 충분한 양의 수소가스가 발생하는데 시간이 걸리게 되므로 연료전지 시스템이 정상상태에 도달되는 시간도 지연되었으며, 이 역시 시스템 효율 저하의 원인이 되었다.
또한, 수소가스에 포함된 일산화탄소를 상기 고온쉬프트컨버터와 저온쉬프트컨버터를 통하여 저감시키고 있으나, 그 저감정도가 부족하여 잔류 일산화탄소에 의하여 스택에 손상이 발생되었다.
또한, 연료가스로서 도시가스를 사용하는 경우 그 도입압력이 200 mmAq로 매우 작으므로 시스템 내로 원활히 공급하기 곤란하였다.
이에 본 발명은 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 촉매연소기의 발생열이 용이하게 제어되고, 시스템이 기동후 신속하게 정상상태에 도달하며, 시스템 효율이 향상되고, 일산화탄소에 의한 스택 손상이 방지될 뿐만 아니라 연료가스를 시스템 내로 보다 원활하게 공급할 수 있도록 된 연료전지 시스템 및 그 운전방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은,
연료가스내 황성분을 제거하는 탈황기;
개질반응기와 고온쉬프트컨버터와 저온쉬프트컨버터로 이루어져 상기 탈황기로부터 연료가스를 공급받아 수소가스를 생성하고 그에 포함된 일산화탄소를 저감시키는 평판형 개질기;
상기 개질기의 외부에 독립적으로 설치되어 플루가스를 상기 개질반응기의 열교환기에 공급하는 촉매연소기;
상기 개질기로부터 수소가스를 연료극으로 공급받고 공기를 공기극으로 공급받아 발전하는 스택;
상기 스택 냉각수가 저장되는 물탱크 및;
상기 물탱크의 물을 수증기로 만들어 상기 개질기로 공급하는 스팀발생기를 포함하여 구성된다.
상기 촉매연소기의 공기공급라인에 공기예열기가 설치되고, 이 공기예열기는 상기 개질반응기의 열교환기에 플루가스배출라인으로 연결되어 촉매연소기의 플루가스를 공급받는 열교환기를 구비한 것을 특징으로 한다.
상기 개질기는 상기 저온쉬프트컨버터로부터 수소가스 배출방향으로 보조쉬프트컨버터를 더 구비한 것을 특징으로 한다.
상기 개질기는 상기 저온쉬프트컨버터로부터 수소가스 배출방향으로 프록스반응기를 더 구비한 것을 특징으로 한다.
상기 개질기의 저온쉬프트컨버터와 보조쉬프트컨버터에 각각 열교환기가 구비되고, 상기 탈황기로부터 상기 열교환기들을 거쳐 상기 개질반응기로 연결되는 연료가스공급라인이 설치된 것을 특징으로 한다.
상기 연료가스공급라인의 개질기 이전 부분에 상기 스팀발생기로부터 스팀공급라인이 연결되고, 그 연결지점에 스팀 압력으로 연료가스를 흡입하여 상기 연료가스공급라인으로 동시에 혼합 방출하는 이젝터가 설치된 것을 특징으로 한다.
상기 연료가스공급라인에는 상기 저온쉬프트컨버터의 열교환기를 거치지 않는 바이패스라인이 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 고온쉬프트컨버터에 열교환기가 구비되고, 상기 개질기의 수소가스배출라인으로부터 상기 고온쉬프트컨버터의 열교환기를 거쳐 상기 촉매연소기로 연결되는 수소가스공급라인이 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 개질기의 수소가스배출라인의 출구측에 제1밸브가 설치되고, 상기 수소가스배출라인과 상기 고온쉬프트컨버터의 열교환기 사이의 수소가스공급라인에 제2밸브가 설치된 것을 특징으로 한다.
상기 개질기의 수소가스배출라인과 스택의 연료극을 연결하는 수소가스공급라인이 형성되고, 이 수소가스공급라인에 제3밸브가 설치되며, 상기 연료극의 미반 응수소가스배출라인이 상기 촉매연소기로 연결되는 수소가스공급라인에 연결되고, 상기 미반응수소가스배출라인에 제4밸브가 설치된 것을 특징으로 한다.
상기 고온쉬프트컨버터의 열교환기에 연결된 수소가스공급라인에는 상기 촉매연소기 시동용 연료가스가 저장된 촉매시동가스탱크가 연결된 것을 특징으로 한다.
상기 미반응수소가스배출라인에는 제4밸브 이후 부분에 상기 고온쉬프트컨버터의 열교환기로 연결되는 수소가스공급라인에 연결되는 분지라인이 형성된 것을 특징으로 한다.
수소가스배출라인의 제1밸브와 촉매연소기 수소가스공급라인의 제 2밸브를 개방하고, 스택 수소가스공급라인의 제3밸브와 미반응수소가스배출라인의 제 4밸브를 차단하는 단계;
상기 촉매연소기로 촉매시동가스탱크로부터 수소가스를 공급하고 대기중으로부터 공기를 공급하여 촉매반응을 매개로 연소시키는 단계;
상기 촉매시동가스탱크로부터의 수소가스 공급을 촉매연소기 내의 온도가 300℃에 도달할 때까지 일정하게 유지하는 단계;
개질반응기 내의 온도가 450℃가 될 때까지 상기 촉매연소기에 공급되는 수소가스와 공기의 유량을 증가시키는 단계;
스팀발생기의 스팀을 이젝터로 공급하여 탈황기로부터 유입되는 연료가스를 연료가스공급라인을 통해 상기 개질반응기로 공급하는 단계;
상기 개질반응기가 자신의 열교환기를 통해 전달되는 촉매연소기 플루가스의 열을 열원으로 사용하여 연료가스를 개질하는 단계;
상기 개질반응기에서 생성된 고온의 수소가스가 고온쉬프트컨버터와 저온쉬프트컨버터 및 보조쉬프트컨버터를 거치면서 일산화탄소 농도가 저감되고, 이들의 열교환기를 통해 연료가스공급라인의 연료가스와 상기 촉매연소기 수소가스공급라인의 수소가스가 예열되는 단계;
상기 촉매연소기의 연소반응과 개질반응기의 개질반응이 촉진되는 단계;
상기 촉매연소기로 공급되는 연료의 양과 공기의 양을 증가시키면서 개질반응기 내의 온도가 700℃로 상승할 때까지 진행하는 단계;
상기 제1밸브를 닫고, 제3밸브를 개방하여 스택의 연료극에 수소가스공급라인을 통해 수소가스를 공급하고 공기극으로 공기를 공급하여 발전을 시작하고, 상기 제4밸브를 개방하여 미반응수소를 미반응수소가스배출라인을 통해 촉매연소기로 공급하여 재활용하는 단계;
상기 촉매시동가스탱크로부터의 수소가스 공급을 차단하는 단계;
상기 촉매연소기의 온도를 실시간으로 모니터링하면서 촉매연소기로 공급되는 수소가스와 공기의 양을 조절하여 스택의 작동을 정상상태로 유도하는 단계;
상기 스택의 작동이 정상상태에 이르면 상기 촉매연소기로 공급되는 연료의 공급을 제어하여 개질반응기의 개질반응정도를 조절함으로써 스택의 작동을 정상상태로 유지하는 단계로 운전되는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 구성도이다. 도시된 바와 같이, 연료전지 시스템은 연료가스에서 황성분을 제거하는 탈황기(10)와, 황성분이 제거된 연료가스를 수소가 다량 함유된 가스로 개질하는 개질기(20), 상기 개질기(20)로부터 수소가스를 공급받고 대기로부터 공기를 공급받아 발전하는 스택(40), 상기 스택(40)을 냉각하는 냉각수를 저장하는 물탱크(50), 상기 물탱크(50)의 물을 가열하여 수증기를 생산하는 스팀발생기(60)을 포함하여 구성되며, 본 발명은 상기 개질기(20)의 개질반응시 촉매 활성에 필요한 열을 공급하는 촉매연소기(30)가 상기 개질기(20)와는 별도로 독립된 장치로 구성된 것에 한 특징이 있다.
즉, 본 발명의 상기 개질기(20)는 촉매연소기(30)를 포함하지 않으며, 개질반응기(21)와, 고온쉬프트컨버터(22)와 저온쉬프트컨버터(23)를 포함하여 구성된다.
상기 개질반응기(21)에는 도 2 와 도 3에 도시된 바와 같이, 평판형의 열교환기(21a)가 밀착설치되어 있으며, 상기 열교환기(21a)가 개질기(20)의 외부에 설치된 상기 촉매연소기(30)와 관로로 상호 연결된다.
상기 촉매연소기(30)에는 블로어에 의해 공기가 유입되는 공기공급라인(100)이 연결되고, 촉매연소기(30)의 연소후 생성된 플루가스(flue gas)는 플루가스배출라인(110)을 통해 배출되도록 되어 있는데, 상기 플루가스배출라인(110)이 상기 개질반응기(21)의 열교환기(21a)를 경유하도록 되어 있어 플루가스의 열이 상기 개질반응기(21)의 열원으로 사용된다.
또한, 상기 공기공급라인(100)에는 공기예열기(70)가 설치되는데, 이 공기예 열기(70)에 구비된 열교환기(70a)로 상기 플루가스배출라인(110)이 경유하도록 되어 있어, 개질반응기(21)의 열교환기(21a)를 통과한 플루가스의 잔열에 의해 촉매연소기(30)로 공급되는 공기가 예열된다.
한편, 전술한 바와 같이, 상기 개질기(20)는 상기 개질반응기(21) 외에 고온쉬프트컨버터(22)와 저온쉬프트컨버터(23)를 포함하여 구성되며, 이에 더하여 보조쉬프트컨버터(24)를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 보조쉬프트컨버터(24)는 프록스반응기(PROX; Preferential CO Oxidation)로 대체될 수 있다.
그리고, 개질반응기(21)와 마찬가지로 상기 고온쉬프트컨버터(22)와 저온쉬프트컨버터(23) 및 보조쉬프트컨버터(24)에도 각각 평판형의 열교환기(22a,23a,24a)가 구비된다.
한편, 상기 탈황기(10)의 출구에 연결된 연료가스공급라인(120)은 상기 보조쉬프트컨버터(24)와 저온쉬프트컨버터(23)의 열교환기(24a,23a)를 경유하여 상기 개질반응기(21)로 연결되어 연료가스가 개질반응기(21)에 공급될 수 있도록 되어 있다. 이때, 상기 연료가스공급라인(120)에는 연료가스가 상기 열교환기(24a,23a)들을 모두 거치지 않고 보조쉬프트컨버터(24)의 열교환기(24a)만을 거치도록 저온쉬프트컨버터(23)의 열교환기(23a)를 경유하지 않는 바이패스라인(121)이 형성될 수 있다. 이와 같은 바이패스라인은 상기 보조쉬프트컨버터(24)의 열교환기(24a)에도 적용될 수 있는 바, 연료가스가 상기 열교환기(24a,23a)를 경유하는 것을 선택적으로 제어할 수 있다. 이와 같은 유로 제어를 위해 단순개폐밸브 또는 쓰리웨이밸브 등이 적절히 설치됨은 물론이다.
상기 개질반응기(21)에서 생성된 수소가스는 개질반응기(21)로부터 상기 고온쉬프트컨버터(22)와 저온쉬프트컨버터(23)를 차례로 거치는 수소가스배출라인(140)을 통해 배출되도록 되어 있으며, 상기 수소가스배출라인(140)의 저온쉬프트컨버터(23) 이후 부분에 상기 보조쉬프트컨버터(24)가 선택적으로 부가 설치되는 것이다.
한편, 상기 수소가스배출라인(140)의 개질기(20) 이후 부분, 즉, 도 2에서는 상기 보조쉬프트컨버터(24) 이후 부분으로부터 상기 촉매연소기(30)로 연소 발열용 수소가스를 공급하는 수소가스공급라인(150)이 형성되며, 상기 수소가스공급라인(150)은 고온쉬프트컨버터(22)의 열교환기(22a)를 경유하도록 설치된다.
상기 수소가스배출라인(140)의 후단 즉, 출구측에는 이를 개폐하는 제1밸브(V1)가 설치되고, 상기 수소가스공급라인(150)에도 이를 개폐하는 제2밸브(V2)가 설치된다.
또한, 상기 수소가스공급라인(150)에는 고온쉬프트컨버터(22)의 열교환기(22a)와 상기 제2밸브(V2)의 사이부분으로 연료전지 초기 시동시 개질반응기(21)에서 사용되는 연료가스를 공급할 수 있도록 촉매시동가스탱크(90)가 연결된다. 촉매시동가스로서는 수소, LNG 등이 사용될 수 있다.
또한, 상기 수소가스배출라인(140)의 개질기(20) 이후 부분에는 스택(40)의 연료극으로 연결되어 발전용 수소가스가 공급되는 또 다른 수소가스공급라인(160)이 설치된다.
상기 스택(40)으로 공급된 수소가스는 전량 산소와 반응하는 것이 아니므로 잔존한 미반응수소가 배출되도록 미반응수소가스배출라인(170)이 형성되는데, 상기 미반응수소가스배출라인(170)은 상기 수소가스공급라인(150)중 고온쉬프트컨버터(22)의 열교환기(22a)와 상기 촉매연소기(30)를 연결하는 부분에 연결된다.
또한, 상기 미반응수소가스배출라인(170)은 중간부분에서 분지되어 상기 수소가스공급라인(150)의 제2밸브(V2)와 고온쉬프트컨버터(22)의 열교환기(22a) 사이의 부분으로 연결되는 분지라인(171)이 형성될 수 있다. 이는 미반응수소의 일부를 고온쉬프트컨버터(22)의 열교환기(22a)를 통과시켜 예열할 수 있도록 하기 위함이다.
그리고, 상기 수소가스배출라인(140)으로부터 스택(40)의 연료극을 연결하는 수소가스공급라인(160)에는 이를 개폐하는 제3밸브(V3)가 설치되고, 상기 미반응수소가스배출라인(170)에는 분지라인(171) 형성 위치 이전에 이를 개폐하는 제4밸브(V4)가 설치된다.
한편, 상기 스택(40)은 연료극과 공기극을 갖춘 단위셀이 다수 적층되어 구성된 일반적인 구성의 것으로서, 상기 물탱크(50)에 저장된 물과 열교환하여 냉각이 이루어지도록 되어 있다. 이때, 물탱크(50)의 물이 직접 상기 스택(40)의 냉각에 이용될 수도 있고, 스택(40)의 냉각수라인에 설치된 열교환기를 순환하면서 상기 냉각수라인의 냉각수를 냉각하는 것에 의해 간접적으로 스택을 냉각하도록 된 것일 수도 있다.
상기 스팀발생기(60)는 상기 물탱크(50)에 직접 또는 소정거리 이격되어 설치되며, 물탱크(50) 내부의 물을 받아 가열하여 수증기를 생성하여 상기 연료가스 공급라인(120)의 탈황기(10) 이후 부분에 연결된 스팀공급라인(130)을 통해 수증기를 시스템 내부로 공급한다.
상기 연료가스공급라인(120)과 상기 스팀공급라인(130)의 연결지점에는 이젝터(80)가 설치된다. 상기 스팀공급라인(130)은 이젝터(80) 입구측의 노즐입구에 연결되고, 상기 연료가스공급라인(120)의 탈황기(10)측 부분이 상기 노즐의 출구측 주변부에 연결되며, 개질기(20)로 유입되는 연소가스공급라인(120)의 부분이 이젝터(80)의 출구측에 연결되어 스팀의 노즐 토출시 형성되는 압력에 의해 상기 탈황기(10)에서 배출되는 연료가스를 강제 흡입하여 이젝터(80)의 출구쪽으로 동시 배출할 수 있도록 되어 있다.
본 발명의 작동은 다음과 같이 이루어진다.
시스템 기동시 상기 제1,2밸브(V1,V2)는 개방상태이고, 상기 제3,4밸브(V3,V4)는 차단상태이다.
먼저, 상기 촉매연소기(30)로 촉매시동가스탱크(90)로부터 수소가스공급라인(150)을 통해 수소가스가 공급되고, 또한 공기공급라인(100)을 통해 공기가 공급되어 촉매반응에 의한 연소가 이루어지기 시작한다.
상기 촉매시동가스탱크(90)로부터의 수소가스 공급은 촉매연소기(30) 내의 온도가 300℃에 도달할 때까지 일정하게 유지된다.
촉매연소기(30)로부터 연소 후 배출되는 플루가스는 플루가스배출라인(110)을 통해 상기 개질반응기(21)의 열교환기(21a)를 통과하면서 개질반응기(21)로 열 을 전달하여 온도를 상승시키는데, 개질반응기(21) 내의 온도가 약 450℃가 될 때까지 상기 촉매연소기(30)에 공급되는 수소가스와 공기의 유량을 증가시킨다.
상기와 같이 개질반응기(21) 내의 온도가 약 450℃까지 상승되면 상기 스팀발생기(60)로부터 발생된 스팀을 이젝터(80)로 공급하여 탈황기(10)로부터 유입되는 연료가스를 강제로 흡입/혼합시켜 연료가스공급라인(120)을 통해 상기 개질반응기(21)로 공급한다.
탈황기(10)로 유입된 연료가스는 수소첨가탈황반응에 의하여 황성분이 제거된 후 연료가스공급라인(120)을 통해 개질반응기(21)로 공급되는데, 이때 상기 이젝터(80)로 유입되는 스팀(5㎏/㎠)이 이젝터(80)내 노즐을 통해 고속토출됨으로써 그 토출부로 연결된 미압의 연료가스(도시가스를 사용할 경우 200mmAq)가 용이하게 흡입되어 스팀과 더불어 배출됨으로써 시스템으로의 연료가스 공급이 원활하게 이루어지게 된다.
상기 개질반응기(21)는 상기 열교환기(21a)를 통해 전달되는 플루가스의 열을 열원으로 사용하여 내부의 촉매를 활성시켜 공급된 연료가스의 개질을 시작한다.
개질반응을 통해 생성된 고온의 수소가스는 수소가스배출라인(140)을 통해 배출되면서 상기 고온쉬프트컨버터(22)와 저온쉬프트컨버터(23) 및 보조쉬프트컨버터(24) 또는 프록스반응기를 순차적으로 거치면서 일산화탄소를 이산화탄소로 전환시켜 수소가스내의 일산화탄소 농도를 저감시킨다.
이 과정에서 배출되는 수소가스의 열이 상기 고온쉬프트컨버터(22)와 저온쉬 프트컨버터(23) 및 보조쉬프트컨버터(24)의 열교환기(22a,23a,24a)로 전달되므로 상기 보조쉬프트컨버터(24)와 저온쉬프트컨버터(23)의 열교환기(24a,23a)를 통과하여 개질반응기(21)로 공급되는 연료가스공급라인(120)의 연료가스가 예열된다.
한편, 상기 보조쉬프트컨버터(24) 이후의 수소배출라인(140)으로부터 상기 촉매연소기(30)로 연결된 수소가스공급라인(150)을 통해서 촉매연소기(30)로 수소가스가 공급되는데, 이 수소가스는 상기 고온쉬프트컨버터(22)의 열교환기(22a)를 통과하므로 촉매연소기(30)로 공급되기 전 예열이 이루어진다.
따라서, 촉매연소기(30)의 연소반응이 더욱 촉진되어 개질반응기(21)의 열교환기(21a)에 충분한 양의 열을 전달할 수 있게 되며, 이때 개질반응기(21)로 공급되는 연료가스 자체도 예열되어 있는 상태이므로 개질반응이 보다 활발하게 진행된다.
상기의 과정은 촉매연소기(30)로 공급되는 연료(촉매시동탱크(90)로부터 공급되는 수소가스와 개질을 통해 생성되어 수소가스배출라인(140)으로부터 수소가스공급라인(150)으로 유입된 수소가스가 혼합되어 있다.)의 양과 공기의 양을 증가시키면서 개질반응기(21) 내의 온도가 700℃정도로 상승할 때까지 진행한다.
상기 과정에 의해 개질반응기(21) 내의 온도가 700℃까지 상승되면, 상기 제1밸브(V1)를 닫고, 제3밸브(V3)를 개방하여 스택(40)의 연료극에 연결된 수소가스공급라인(160)을 통해 개질에 의해 생성된 수소가스를 스택(40)의 연료극으로 공급하여 발전을 시작한다. 이때 스택(40)의 공기극으로 대기중의 공기가 공급됨은 물론이다.
또한, 동시에 상기 제4밸브(V4)를 개방하여 발전반응에 사용되지 않은 미반응수소를 미반응수소가스배출라인(170)을 통해 상기 촉매연소기(30) 이전의 수소가스공급라인(150)으로 유입시켜 촉매연소기(30)로 공급하여 재활용한다.
상기의 상태에서는 활발한 개질반응을 통해 생성된 다량의 수소가스와 상기 미반응수소가 촉매연소기(30)로 충분히 공급되므로 상기 촉매시동가스탱크(90)로부터의 수소가스 공급은 차단되며, 과도한 수소가스의 공급으로 촉매연소기(30)의 온도가 지나치게 상승하지 않도록 실시간으로 모니터링하면서 촉매연소기(30)로 공급되는 수소가스와 공기의 양을 적절히 조절한다.
한편, 상기와 같은 과정을 통해 스택(40)의 작동이 정상상태에 이르면 상기 촉매연소기(30)로 공급되는 연료의 공급을 제어(감소, 중단, 재개)하여 개질반응기(21)의 개질반응정도를 적절히 조절하여 스택(40)의 작동을 정상상태로 유지한다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 촉매연소기가 개질기의 외부에 독립적으로 설치되므로 촉매연소기에 공급되는 연료 및 공기의 양을 적절히 조절하여 촉매연소기의 온도를 조절하기 용이해지고, 이에 따라 촉매연소기의 플루가스 열을 전달받아 작동하는 개질반응기의 온도 또한 제어하기 용이해지며, 결국 개질반응을 의도한 바대로 제어할 수 있게 되어 시스템의 운전 제어에 크게 도움이 된다.
또한, 촉매연소기로부터 배출되는 플루가스의 열을 이용하여 촉매연소기로 공급되는 공기를 예열함으로써 촉매연소기가 보다 신속하게 정상작동할 수 있게 됨으로써 시스템 효율이 향상된다.
또한, 고온쉬프트컨버터와 저온쉬프트컨버터 및 보조쉬프트컨버터에 각각 열교환기가 구비되어 개질반응기로 공급되는 연료가스와 촉매연소기로 공급되는 수소가스가 각각 상기 보조쉬프트컨버터와 저온쉬프트컨버터의 열교환기 및 상기 고온쉬프트컨버터의 열교환기를 통과하면서 예열되므로 개질반응기와 촉매연소기내 촉매의 활성이 빠르게 이루어짐으로써 이들의 작동이 보다 신속하게 정상상태로 전환되며, 이로써 시스템 효율이 향상된다.
또한, 본 발명은 개질기내에 고온쉬프트컨버터와 저온쉬프트컨버터 외에 보조쉬프트컨버터(또는 프록스반응기)를 더 갖추고 있으므로 개질로 생성된 수소가스내의 일산화탄소를 보다 확실하게 저감시킬 수 있게 되어 일산화탄소에 의한 스택의 손상을 방지할 수 있게 된다.
또한, 본 발명은 개질반응기로의 연료가스공급라인에 스팀에 의해 작동되는 이젝터가 설치됨으로써 낮은 압력의 연료가스를 보다 원활하게 시스템 내로 공급할 수 있게 되는 효과가 있다.

Claims (13)

  1. 연료가스내 황성분을 제거하는 탈황기(10);
    개질반응기(21)와 고온쉬프트컨버터(22)와 저온쉬프트컨버터(23)로 이루어져 상기 탈황기(10)로부터 연료가스를 공급받아 수소가스를 생성하고 그에 포함된 일산화탄소를 저감시키는 평판형 개질기(20);
    상기 개질기(20)의 외부에 독립적으로 설치되어 플루가스를 상기 개질반응기(21)의 열교환기(21a)에 공급하는 촉매연소기(30);
    상기 개질기(20)로부터 수소가스를 연료극으로 공급받고 공기를 공기극으로 공급받아 발전하는 스택(40);
    상기 스택(40) 냉각수가 저장되는 물탱크(50) 및;
    상기 물탱크(50)의 물을 수증기로 만들어 상기 개질기(20)로 공급하는 스팀발생기(60)를 포함하여 구성된 연료전지 시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 촉매연소기(30)의 공기공급라인(100)에 공기예열기(70)가 설치되고, 이 공기예열기(70)는 상기 개질반응기(21)의 열교환기(21a)에 플루가스배출라인(110)으로 연결되어 촉매연소기(30)의 플루가스를 공급받는 열교환기(70a)를 구비한 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 개질기(20)는 상기 저온쉬프트컨버터(23)로부터 수소 가스 배출방향으로 보조쉬프트컨버터(24)를 더 구비한 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 개질기(20)는 상기 저온쉬프트컨버터(23)로부터 수소가스 배출방향으로 프록스반응기를 더 구비한 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  5. 제 3항에 있어서, 상기 개질기(20)의 저온쉬프트컨버터(23)와 보조쉬프트컨버터(24)에 각각 열교환기(23a,24a)가 구비되고, 상기 탈황기(10)로부터 상기 열교환기(23a,24a)들을 거쳐 상기 개질반응기(21)로 연결되는 연료가스공급라인(120)이 설치된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 연료가스공급라인(120)의 개질기(20) 이전 부분에 상기 스팀발생기(60)로부터 스팀공급라인(130)이 연결되고, 그 연결지점에 스팀 압력으로 연료가스를 흡입하여 상기 연료가스공급라인(120)으로 동시에 혼합 방출하는 이젝터(80)가 설치된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  7. 제 5항에 있어서, 상기 연료가스공급라인(120)에는 상기 저온쉬프트컨버터(23)의 열교환기(23a)를 거치지 않는 바이패스라인(121)이 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 고온쉬프트컨버터(22)에 열교환기(22a)가 구비되고, 상기 개질기(20)의 수소가스배출라인(140)으로부터 상기 고온쉬프트컨버터(22)의 열교환기(22a)를 거쳐 상기 촉매연소기(30)로 연결되는 수소가스공급라인(150)이 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 개질기(20)의 수소가스배출라인(140)의 출구측에 제1밸브(V1)가 설치되고, 상기 수소가스배출라인(140)과 상기 고온쉬프트컨버터(22)의 열교환기(22a) 사이의 수소가스공급라인(150)에 제2밸브(V2)가 설치된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  10. 제 8항에 있어서, 상기 개질기(20)의 수소가스배출라인(140)과 스택(40)의 연료극을 연결하는 수소가스공급라인(160)이 형성되고, 이 수소가스공급라인(160)에 제3밸브(V3)가 설치되며, 상기 연료극의 미반응수소가스배출라인(170)이 상기 촉매연소기(30)로 연결되는 수소가스공급라인(150)에 연결되고, 상기 미반응수소가스배출라인(170)에 제4밸브(V4)가 설치된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  11. 제 8항에 있어서, 상기 고온쉬프트컨버터(22)의 열교환기(22a)에 연결된 수소가스공급라인(150)에는 상기 촉매연소기(30) 시동용 연료가스가 저장된 촉매시동가스탱크(90)가 연결된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  12. 제 10항에 있어서, 상기 미반응수소가스배출라인(170)에는 제4밸브(V4) 이후 부분에 상기 고온쉬프트컨버터(22)의 열교환기(22a)로 연결되는 수소가스공급라인(150)에 연결되는 분지라인(171)이 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  13. 수소가스배출라인(140)의 제1밸브(V1)와 촉매연소기(30) 수소가스공급라인(150)의 제 2밸브(V2)를 개방하고, 스택(40) 수소가스공급라인(160)의 제3밸브(V3)와 미반응수소가스배출라인(170)의 제 4밸브(V4)를 차단하는 단계;
    상기 촉매연소기(30)로 촉매시동가스탱크(90)로부터 수소가스를 공급하고 대기중으로부터 공기를 공급하여 촉매반응을 매개로 연소시키는 단계;
    상기 촉매시동가스탱크(90)로부터의 수소가스 공급을 촉매연소기(30) 내의 온도가 300℃에 도달할 때까지 일정하게 유지하는 단계;
    개질반응기(21) 내의 온도가 450℃가 될 때까지 상기 촉매연소기(30)에 공급되는 수소가스와 공기의 유량을 증가시키는 단계;
    스팀발생기(60)의 스팀을 이젝터(80)로 공급하여 탈황기(10)로부터 유입되는 연료가스를 연료가스공급라인(120)을 통해 상기 개질반응기(21)로 공급하는 단계;
    상기 개질반응기(21)가 자신의 열교환기(21a)를 통해 전달되는 촉매연소기(30) 플루가스의 열을 열원으로 사용하여 연료가스를 개질하는 단계;
    상기 개질반응기(21)에서 생성된 고온의 수소가스가 고온쉬프트컨버터(22)와 저온쉬프트컨버터(23) 및 보조쉬프트컨버터(24)를 거치면서 일산화탄소 농도가 저감되고, 이들의 열교환기(22a,23a,24a)를 통해 연료가스공급라인(120)의 연료가스와 상기 촉매연소기(30) 수소가스공급라인(150)의 수소가스가 예열되는 단계;
    상기 촉매연소기(30)의 연소반응과 개질반응기(21)의 개질반응이 촉진되는 단계;
    상기 촉매연소기(30)로 공급되는 연료의 양과 공기의 양을 증가시키면서 개질반응기(21) 내의 온도가 700℃로 상승할 때까지 진행하는 단계;
    상기 제1밸브(V1)를 닫고, 제3밸브(V3)를 개방하여 스택(40)의 연료극에 수소가스공급라인(160)을 통해 수소가스를 공급하고 공기극으로 공기를 공급하여 발전을 시작하고, 상기 제4밸브(V4)를 개방하여 미반응수소를 미반응수소가스배출라인(170)을 통해 촉매연소기(30)로 공급하여 재활용하는 단계;
    상기 촉매시동가스탱크(90)로부터의 수소가스 공급을 차단하는 단계;
    상기 촉매연소기(30)의 온도를 실시간으로 모니터링하면서 촉매연소기(30)로 공급되는 수소가스와 공기의 양을 조절하여 스택(40)의 작동을 정상상태로 유도하는 단계;
    상기 스택(40)의 작동이 정상상태에 이르면 상기 촉매연소기(30)로 공급되는 연료의 공급을 제어하여 개질반응기(21)의 개질반응정도를 조절함으로써 스택(40)의 작동을 정상상태로 유지하는 단계로 운전되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 운전방법.
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Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101179539B1 (ko) * 2012-05-09 2012-09-04 국방과학연구소 연료전지 시스템용 개질장치
KR101205538B1 (ko) 2011-05-31 2012-11-27 한국전력공사 고체 산화물 연료 전지 시스템
KR101220027B1 (ko) * 2010-10-19 2013-01-08 한국과학기술원 고분자 전해질형 연료전지 시스템 및 그 운전방법
CN109140227A (zh) * 2018-11-13 2019-01-04 中国石油工程建设有限公司 一种小型lng分布式能源系统及工艺方法
CN109326806A (zh) * 2018-11-23 2019-02-12 武汉氢阳能源有限公司 一种实现冷启动的燃料电池系统
KR102188389B1 (ko) * 2020-06-24 2020-12-08 국방과학연구소 연료개질 플랜트의 다단연소기 연소촉매 시동 방법
US11038186B2 (en) 2019-05-29 2021-06-15 Hyundai Motor Company System for controlling operation of reformer for fuel cells
CN114142583A (zh) * 2021-10-29 2022-03-04 西安交通大学 一种混合电源系统

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5248567A (en) 1991-12-24 1993-09-28 Kabushiki Kaisha Toshiba Power generation plant including fuel cell
JP2000260446A (ja) 1999-03-10 2000-09-22 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd 燃料電池発電装置
KR20030023018A (ko) * 2001-09-11 2003-03-19 현대자동차주식회사 연료전지 자동차용 연료 변환기의 에너지 회수 시스템

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5248567A (en) 1991-12-24 1993-09-28 Kabushiki Kaisha Toshiba Power generation plant including fuel cell
JP2000260446A (ja) 1999-03-10 2000-09-22 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd 燃料電池発電装置
KR20030023018A (ko) * 2001-09-11 2003-03-19 현대자동차주식회사 연료전지 자동차용 연료 변환기의 에너지 회수 시스템

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101220027B1 (ko) * 2010-10-19 2013-01-08 한국과학기술원 고분자 전해질형 연료전지 시스템 및 그 운전방법
KR101205538B1 (ko) 2011-05-31 2012-11-27 한국전력공사 고체 산화물 연료 전지 시스템
KR101179539B1 (ko) * 2012-05-09 2012-09-04 국방과학연구소 연료전지 시스템용 개질장치
CN109140227A (zh) * 2018-11-13 2019-01-04 中国石油工程建设有限公司 一种小型lng分布式能源系统及工艺方法
CN109140227B (zh) * 2018-11-13 2024-03-08 中国石油集团工程股份有限公司 一种小型lng分布式能源系统及工艺方法
CN109326806A (zh) * 2018-11-23 2019-02-12 武汉氢阳能源有限公司 一种实现冷启动的燃料电池系统
US11038186B2 (en) 2019-05-29 2021-06-15 Hyundai Motor Company System for controlling operation of reformer for fuel cells
KR102188389B1 (ko) * 2020-06-24 2020-12-08 국방과학연구소 연료개질 플랜트의 다단연소기 연소촉매 시동 방법
CN114142583A (zh) * 2021-10-29 2022-03-04 西安交通大学 一种混合电源系统

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