KR100830161B1 - 가정용 연료전지 시스템의 운전 개시방법 - Google Patents

가정용 연료전지 시스템의 운전 개시방법 Download PDF

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황정태
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Abstract

본 발명은 가정용 연료전지 시스템의 운전 개시방법에 관한 것으로, 시동초기 반응물 투입전에 연료변환기(10)를 촉매 활성화 온도까지 가열한 후, 정격의 수증기와 공기 및 정격의 30% 이하로 연료가스를 공급하여 미량의 연료가스를 과량의 수증기 및 공기와 반응시킴으로써 시동초기에 연료변환기(10)에서 발생하는 정화가스의 CO 함량을 10ppm 이하로 안정화시키고, 그 정화가스를 스택(20)에 투입하며, 스택(20)에서 배출되는 오프가스를 연료변환기(10)의 버너(14)로 공급한다.
이후, 연료가스와 스택의 부하를 일정 비율로 증가시켜 연료변환기(10) 내의 열균형을 유지하고 CO 배출량을 10ppm 이하로 억제하면서 출력을 정격까지 상승시킨다.
따라서, 시동시 배출되는 독성 및 가연성 가스의 대기 방출을 방지할 수 있고, 시동시부터 전기 출력시까지의 시간을 단축시킬 수 있으며, 연료변환기(10)가 시동과 동시에 신속하게 안정화되므로 시스템의 운전 개시 동안 공급되는 버너(14) 연료량을 감소시켜 효율을 증가시킬 수 있게 되는 효과가 있다.

Description

가정용 연료전지 시스템의 운전 개시방법{Fuel cell system start-up method}
도 1 내지 도 3은 종래 가정용 연료전지 시스템의 실시예들의 구성도,
도 4는 본 발명에 따른 가정용 연료전지 시스템의 운전 개시방법의 순서도,
도 5는 본 발명의 연료전지 스택 부하상승에 따른 연료변환기 연료공급량에 관한 그래프,
도 6은 상기 연료변환기 연료공급량에 따른 개질기 온도에 관한 그래프,
도 7은 상기 연료변환기 연료공급량에 따른 CO변성기 온도에 관한 그래프,
도 8은 상기 연료변환기 연료공급량에 따른 CO제거기 온도에 관한 그래프,
도 9의 (a),(b)는 각각 종래 및 본 발명에 따른 가정용 연료전지 시스템의 운전 성능에 관한 그래프,
도 10은 본 발명에 따라 구성이 단순화된 가정용 연료전지 시스템의 구성도이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
10 : 연료변환기 11 : 개질기
12 : CO변성기 13 : CO제거기
14 : 버너 20 : 스택
본 발명은 가정용 연료전지 시스템의 운전 개시방법에 관한 것으로, 특히 시동시 발생하는 독성 및 가연성 가스의 대기 방출을 방지하고 시동시간을 단축할 수 있도록 된 가정용 연료전지 시스템의 운전 개시방법에 관한 것이다.
연료전지는 전기화학 반응에 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.
따라서, 가정용 에너지 시스템으로서도 주목받고 있는데, 가정용으로서는 주로 고분자 전해질막형 연료전지(PEMFC ; Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)를 이용한 1~3kW 급 연료전지 시스템이 개발되고 있다.
또한, 상기 고분자 전해질막형 연료전지의 연료로 사용될 수 있는 탄화수소계 연료인 천연가스(NG;Natural Gas)의 공급을 위한 인프라 구축이 훌륭히 되어 있으며, 난방을 위해 온수를 사용하는 국내 주택 특성상 가정용 에너지원으로서 연료전지 시스템은 많은 장점을 가진다 하겠다.
한편, 상기 고분자 전해질막형 연료전지는 연료를 개질하여 생성된 수소를 연료극(anode)에 공급하고, 이 연료극과 고분자 전해질막을 사이에 두고 밀착된 공기극(cathode)에 공기를 공급하여 촉매의 작용에 의해 수소가 수송이온과 전자로 분리되어 각각 상기 전해질막과 외부도선을 타고 연료극으로부터 공기극으로 이동하도록 하며, 이 때 공기극으로 공급된 공기중의 산소와 상기 프로톤 및 전자가 결합하여 물을 생성하게 된다. 따라서, 상기 전자의 이동에 의해 전류가 생성되고, 물 생성시 열이 생성되어, 전류는 인버터를 통해 교류로 전환하여 사용하고, 생성된 열은 온수조에 저장하여 사용하게 된다.
한편, 도 1에는 종래 가정용 연료전지 시스템의 일 실시예가 개략적으로 도시되어 있다.
연료변환기(10)는 공급받은 연료가스(NG)를 스택(20)에서 사용가능한 다량의 수소를 포함한 가스(수소부유가스, 수소리치가스 등으로 지칭)로 변환시키는 것으로, 수증기－개질 반응을 통해 연료가스로부터 다량의 수소와 일산화탄소(CO) 및 이산화탄소(CO2)를 생성하는 개질기(11)와, 이로부터 생성된 개질가스를 변성촉매를 매개로 시프트반응을 진행시켜 CO의 양을 1% 이하로 저감시키는 CO변성기(12)와, 이로부터 배출된 변성가스를 공기와 혼합하여 선택적 산화반응을 통해 CO를 10ppm 이하로 저감시키는 CO제거기(CO정화기;13) 및 상기 연료가스를 공급받아 연소시켜 상기 반응기(11,12,13)들을 예열하고 특히 개질기(11)에 반응에 필요한 열(개질반응은 흡열반응이다.)을 공급하는 버너(14)를 포함하여 구성된다.
그리고 상기 CO제거기(13)로부터 스택(20)으로 정화가스공급관(30)이 연결되고, 스택(20)으로부터 상기 버너(14)로 오프가스회수관(31)이 연결되며, 이들 각 관로에는 밸브(40,41)가 설치되어 있다.
따라서, 상기 버너(14)의 작동으로 개질기(11)가 예열되고, 이에 연료가스와 물이 공급되어 촉매작용에 의해 개질반응을 일으켜 수소가 생성되며, 그 개질가스가 CO변성기(12)와 CO제거기(13)를 통과하면서 시프트(shift)반응 및 선택적 산화반응을 거쳐 CO 함량이 10ppm 이하로 제거되어 안정화된 정화가스가 상기 정화가스공급관(30)을 통해 스택(20)으로 공급되어 발전이 이루어지게 된다.
그런데, 상기 연료전지 시스템의 운전 개시 즉, 시동단계에서는 상기 연료변환기(10)의 각 반응기(11,12,13)들의 온도가 촉매의 최적 활성 수준으로 증가되지 못하여 정격 운전이 이루어지지 않기 때문에 상기 CO제거기(13)에서 배출되는 정화가스는 아직 원하는 수준으로 CO가 제거되지 않은 불안정한 상태로 배출된다.
상기와 같은 불안정한 상태의 정화가스는 스택(20) 연료극의 촉매 피독 문제로 인하여 스택(20)으로 투입하는 것이 불가능한 바, 이에 도시된 바와 같이 상기 정화가스공급관(30)에 불안정가스배출관(32)과 밸브(42)를 설치하여 정화가스내 CO가 요구되는 수준으로 제거되는 동안 대기중으로 방출하고 있다.
그리고, 소정 시간 경과 후, 연료변환기(10)가 안정화되어 정화가스의 CO 농도가 10ppm 이하로 제거되면 상기 밸브(40,42)를 조절하여 상기 정화가스를 정화가스공급관(30)을 통해 스택(20)에 투입된다.
스택(20)의 부하는 일정 속도로 상승하여 정격에 이르게 되고, 이 때 스 택(20)에서 배출되는 오프가스(발전에 사용되고 배출된 가스로서 잔여 수소가 포함되어 있음)는 상기 오프가스회수관(31)을 통하여 연료변환기(10)의 버너(14)에 공급된다.
그러나 상기 오프가스는 스택(20)의 부하에 따라 열량이 변화한다. 발전 초기에 과량의 정화가스가 스택(20)에 공급되고 스택(20)의 부하가 정격에 도달하지 못한 상태의 오프가스는 과량의 열량을 포함하고 있기 때문에 상기와 같이 버너(14)로 공급될 경우에는 버너(14), 나아가 연료변환기(10)를 과열시키거나 정상적인 온도제어를 불가능하게 하는 결과를 초래한다.
따라서 도 2와 같이 상기 오프가스회수관(31)의 밸브(41) 이전 위치에 오프가스배출관(33)을 연결하고, 그에 밸브(43)를 설치하여 발전 초기에 발생하는 오프가스를 대기중으로 방출하고 있다.
그러나 연료변환기(10)에서 배출되는 불안정한 정화가스 및 스택(20)의 오프가스에는 독성가스인 CO 이외에도 가연성인 다량의 수소(H2)가 포함되어 있어서 환경오염을 유발할 뿐만 아니라 설치장소의 안전을 위협하므로 이를 시스템 외부로 방출하기 전에 필터링할 수 있도록 별도의 정화장치가 필요하였다.
한편, 도 3에는 종래에 불안정 정화가스의 대기방출을 억제하기 위하여 연료변환기(10)의 후단에 상기 오프가스회수관(31)으로 연결되는 불안정가스재순환관(34)이 설치되고 그의 밸브(44)가 구비된 실시예가 도시되어 있다.
따라서, 시동시 발생하는 불안정 정화가스를 상기 불안정가스재순환관(34)을 통해 버너(14)로 공급하여 불안정 정화가스의 대기 방출을 막고 버너(14)의 열원으로 사용하였다.
그러나 상기 연료변환기(10)에서 배출되는 가스는 버너(14)가 필요로 하는 열량보다 약 2 ~ 4 배 높은 열량을 가지고 있으므로 상기 불안정 정화가스를 버너(14)로 직접 투입하면 버너(14)가 과열되어 손상됨은 물론, 상기 연료변환기(10)의 온도 제어에 문제가 발생하게 된다.
따라서, 버너(14)로 투입되는 열량을 제어하기 위해 상기와 같이 스택(20)을 거치지 않고 버너(14)로 직접 투입되는 불안정 정화가스의 일부만을 버너(14)로 투입시키는 분배기가 필요하게 되고, 이 경우 상기 분배기에서 대기중으로 방출되는 가스를 정화하기 위해서 역시 시스템 내에 별도의 정화장치를 설치해야만 하므로 장치 구성 및 제어로직이 복잡해지는 문제점이 있었다.
이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 별도의 추가장치를 설치할 필요없이 대기중으로 독성 및 가연성 가스가 방출되는 것을 방지할 수 있게 되어 환경오염 및 화재사고 발생의 위험을 줄일 수 있게 되고, 이에 상기 독성 및 가연성 가스의 정화와 버너로의 적당한 열량 분배를 위해 설치하던 정화장치와 분배기를 설치할 필요가 없게 되어 연료전지 시스템의 구성이 단순해지게 되며, 또한 고열량의 불안정 정화가스 및 오프가스가 버너로 직접 공급됨에 따른 연료변환기의 과열 현상을 방지할 수 있도록 된 가정용 연료전지 시스템의 운전 개시방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은,
버너를 점화시켜 연료변환기내 개질기, CO변성기, CO제거기를 가열하기 시작하는 버너점화단계와;
상기 개질기와 CO변성기 및 CO제거기의 촉매들이 반응이 시작되는 온도 영역으로 가열되는 반응기 촉매 활성단계와;
상기 개질기에 수증기를 정격으로 공급하는 수증기공급단계와;
상기 CO제거기에서 배출되는 정화가스의 CO함량이 10ppm 이하로 안정될 수 있는 양의 연료가스를 상기 개질기에 공급하고, 상기 CO제거기에 공기를 정격으로 공급하는 연료가스 및 공기 공급단계와;
상기의 단계들을 통해 CO함량이 10ppm 이하로 안정화되어 상기 CO제거기로부터 배출되는 정화가스를 상기 스택으로 공급하는 정화가스 스택 투입단계와;
상기 스택으로부터 배출되는 오프가스를 즉시 상기 버너로 공급하는 오프가스 버너투입단계와;
상기 스택의 부하변동에 따라 상기 개질기에 공급하는 연료량을 조절하여 스택을 정격 운전상태에 도달시키는 스택 정격 도달단계;
를 포함하여 구성된다.
이하, 본 발명을 첨부된 예시도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명에 따른 가정용 연료전지 시스템의 운전 개시방법의 순서도 로서, 도시된 바와 같이 첫 단계인 버너점화단계(S1)에서는 상기 버너(14)에 연료가스와 공기를 공급하고 이를 점화 연소시켜 그 화염과 연소가스의 열에 의하여 직/간접으로 연료변환기(10)내 각 반응기(11,12,13)들을 가열하기 시작한다.
이에 상기 반응기(11,12,13)들의 온도가 상승하게 되는데, 상기 개질기(11)의 온도가 개질반응 온도 범위로 상승되면 상기 CO변성기(12)와 CO제거기(13)의 온도도 각각 반응 시작 가능 온도에 도달하게 된다.(반응기 촉매 활성화 단계; S2)
상기 단계(S2)에 의하여 개질기(11)와 CO변성기(12) 및 CO제거기(13)가 촉매활성온도에 이르게 되면 상기 개질기(11)에 수증기를 정격으로 공급하는 수증기공급단계(S3)를 수행한다.
상기와 같이 수증기를 공급한 이후에는 상기 개질기(11)에 개질용 연료가스를 정격에 크게 못미치는 양인 정격의 30% 이하의 양으로 공급하고, 또한 상기 CO제거기(13)에 선택적 산화반응에 사용되는 공기를 정격으로 공급한다.(연료가스 및 공기 공급단계; S4)
즉, 상기 연료가스 공급 개시는 정격의 0%초과~30%까지의 범위에서 이루어지는데 30% 초과의 범위에서는 연료변환기(10)에서 배출되는 정화가스 내 CO의 양이 증가하여 스택(20) 투입조건(10ppm 이하)을 만족시키지 못한다.
그리고 상기 개질기(11) 및 이후의 반응기(12,13)들에서 원활한 반응이 이루어질 수 있도록 상기 개질기(11)의 온도를 정격 운전범위로 유지한다. 개질기(11)의 온도제어는 상기 버너(14)에 공급되는 연료가스와 공기의 양을 조절함으로써 이루어진다.
따라서, 상기 개질기(11)에서 개질반응이 원활히 이루어지고, 상기 CO변성기(12)에서는 소량의 연료가스 공급으로 인해 미량 생성된 CO가 정격으로 공급되어 상대적으로 과량 존재하게 되는 수증기와 반응하여 대부분의 CO가 CO2로 변성된다.
그리고, 상기 CO제거기(13)에서 역시 미량 잔존하는 CO에 비하여 공기가 정격으로 공급되어 있기 때문에 그 미량 잔존하는 CO 마저 공기중의 산소와 대부분 결합하여 CO2가 생성됨으로써 CO의 함량은 10ppm 이하로 극미량 남게 되어 스택(20)에서 요구하는 수준을 만족하게 된다.
상기의 단계들을 통해 CO 함량이 스택(20)의 요구 수준을 만족하는 상태로 안정화되면 상기 CO제거기(13)로부터 배출되는 정화가스를 스택(20)에 투입한다.(정화가스 스택 투입단계 ; S5)
이어, 상기 정화가스가 스택(20)에 투입되어 발전에 사용된 후, 스택(20)으로부터 배출되는 오프가스는 오프가스회수관(31)을 통해 바로 상기 버너(14)로 투입한다.(오프가스 버너 투입단계 ; S6)
이어, 시스템 운전이 지속되면서 스택(20)의 부하가 상승함에 따라 부하 상승 속도에 맞추어 개질기(11)로 공급되는 연료가스 공급량을 동일한 속도로 정격량까지 증가시켜 통상적인 수소 이용율(70~80%, 정화가스에 포함된 수소량과 스택에서 사용되는 수소량의 비율)을 유지하면서 스택(20)을 정격상태에 도달시킨다.(스택 정격 도달단계 ; S7)
상기와 같은 본 발명의 연료전지 스택 부하상승과 연료변환기 연료공급량의 관계가 도 5의 (ㄴ)에 도시되었다. (ㄱ)은 종래의 일반적인 연료전지 시스템 운전 개시방법의 경우를 나타낸 것이다.
상기 종래의 경우(ㄱ)에는 운전 개시 때 연료변환기(10)의 각 반응기(11,12,13)가 충분히 가열되지 못하여 촉매의 활성화 단계에 도달되지 못했음에도 불구하고 연료가스를 정격(c)으로 공급하고, 수증기와 공기를 각 부하에 맞는 값으로 공급하므로 수소 생성량과 CO의 농도가 증가와 감소를 반복하게 됨으로써 시스템의 안정적인 운전 개시가 어렵게 된다. 또한 연료변환기(10)의 온도가 촉매활성온도로 상승되어 안정화되기까지 많은 시간이 필요하였다.
반면, 본 발명의 경우(ㄴ)에는 스택(20)의 부하가 0에서부터 상승하여 정격(C)지점에 도달될 때 개질기(11)의 초기 연료공급량을 정격의 0%초과~30%;(a)로 공급하고, 이로부터 증가시켜 연료공급량 역시 정격(c)에 도달하도록 하였다.
스택(20)의 부하상승단계는 0~A, A~B, B~C 3단계로 구분되는데, 각 단계는 수소이용률이 50% 이하, 50% 초과~70% 이하, 70% 초과~80% 이하 단계를 의미한다.
운전 개시에서 개질기(11)에는 연료공급량 (a);정격의 0%초과~30%를 투입하고 스택 부하에 따라 상승시킨다. 이 때 스택(20)의 부하는 0에서부터 상승시키고 스택(20)에서 발전에 사용되고 남은 오프가스는 상기 오프가스회수관(31)을 통하여 바로 연료변환기(10)의 버너(14)에 공급한다.
이 때 스택(20)의 수소이용률은 50% 이하로서 고열량 오프가스가 버너(14)에 공급되지만 연료변환기(10)가 운전 개시 중에 있어, 개질기(11) 및 CO변성기(12), CO제거기(13)의 온도가 정격에 도달하지 못한 상황이므로 과량의 열량이 필요한 시 점이다. 또한 스택(20) 부하가 (A)지점에 도달하는 시간이 짧으므로 연료변환기(10)의 반응온도 제어에 문제가 발생하지 않는다.
스택 부하가 (B)지점에 도달되면, 개질기(11)에 공급되는 연료도 (b)지점에 도달하게 되고, 스택(20)의 수소이용률은 50~70% 범위를 유지한다. 이 범위에서는 연료변환기(10) 중 특히 CO변성기(12)의 운전 온도가 정격 범위에 도달하게 된다.
스택(20)의 부하가 (B)~(C)구간을 거치면, 스택의 수소이용률은 70~80%를 유지하게 되고, 연료공급량 역시 정격(c)에 도달하여 연료전지 시스템의 운전이 안정적으로 정격에 도달하게 된다.
즉, 본 발명은 상기와 같이 연료변환기(10)를 미리 충분히 예열하고 초기 연료를 정격에 못미치는 소정량 즉, 본 발명에서는 정격의 0%초과~30%;(a)로 공급함으로써 연료변환기(10)가 빠르게 안정적인 운전 온도를 갖도록 하였다.
한편, 이상 설명한 실시예에서는 스택(20)의 부하 및 연료공급량을 도 5와 같이 선형으로 상승시켰으나, 이를 단계별로 상승시켜도 무방하다.
이제, 상기 도 5에서의 스택 부하에 따른 연료공급량의 변화를 이용하고, 추가로 연료변환기(10)의 개질기(11) 온도를 제어함으로써 연료변환기(10)에서 배출되는 정화가스의 CO 농도를 10ppm 이하로 제거 가능한 각 반응기의 운전 온도를 제시하고자 한다.
도 6은 연료변환기(10)에 공급되는 연료가스에 따른 개질기(11)의 온도를 표시한 그래프이다. 일반적으로 개질반응이 정상적으로 일어나는 반응온도는 (ㄷ)과 같이 500~750oC이고, 이 범위에서 발생된 개질가스에는 스택 투입이 가능한 충분한 양의 수소가 포함된다.
본 발명은 전술한 바와 같은 연료공급량 변화를 이용하여 개질기(11)의 온도를 (ㄹ)과 같이 제어하여 운전한다. 즉, (ㄹ)과 같이 개질기(11) 온도가 580oC가 되면 연료 (a);정격의 0%초과~30%로 공급한다. 이후 공급연료량이 (b)에 도달되는 시점까지 개질기(11) 온도를 빠르게 상승시켜 연료공급량 (b)에서 650~670oC가 되도록 개질기(11) 온도를 제어한다. 이후 연료공급량을 (c)로 증가시키며 개질기(11)의 온도는 정격온도인 700oC를 유지하도록 제어한다. 개질기(11)의 온도제어는 버너(14)에 추가로 공급되는 연료가스의 양을 조절하여 제어한다.
상기와 같은 개질기(11) 운전 온도는, 개질기(11) 후단에 장착된 CO변성기(12) 및 CO제거기(13)가 반응이 시작하는 온도 영역에 도달할 수 있도록 반복 실험을 통해 알아낸 바, 개질기의 온도가 580oC에 도달하면 연료가스를 정격의 0%초과~30%를 공급하고 그 때 생성된 정화가스의 CO의 농도를 확인한 결과, 10ppm 이하의 안정화된 가스도출이 가능하였다.
또한 상기 (ㄹ)과 같이 연료공급량에 따라 개질기(11)의 온도를 상승시키면서 운전한 결과, 연료변환기(10)에서 발생되는 CO 및 수소 가스량이 안정적으로 배출됨을 확인하였다.
상기한 개질기(11) 운전 온도에 따른 CO변성기(12) 및 CO제거기(13)의 온도 를 도 7과 도 8를 통해 상세히 설명한다.
도 7은 도 6과 같이 연료가스 공급량의 변화에 따라 개질기(11)의 온도를 조절한 결과 나타나는 CO변성기(12)의 운전 온도 범위를 나타내었다. 일반적으로 CO변성기(12)에 장착된 촉매의 활성온도영역은 정격에서 대략 180~250oC이다. 그러나 본 발명과 같이 적은 양의 연료가스와 과량의 수증기가 반응물로 공급될 경우, 개질기(11)에서 발생한 CO를 1% 이하, 더 바람직하게는 0.5% 내외로 감소시키는 온도는 150oC 정도임을 확인하였다.
따라서 CO변성기(12)의 온도가 150oC가 되는 시점에서 연료를 (a);정격의 0%초과~30%로 공급하고, 연료공급량과 개질기(11)의 온도를 상승시켜 CO변성기(12)의 온도상승을 유도하고, 반응물의 증가와 CO변성기(12)의 발열반응으로 도 7과 같이 CO변성기(12)의 운전 온도가 상승됨을 확인하였다. 연료공급량이 (b)가 되면 CO변성기(12)는 230oC 영역에 도달하게 되는데, 이 온도는 정격 운전 온도 범위이므로 연료공급량을 (c)로 상승시키는 동안 도 6에서와 같이 개질기(11)의 온도 상승폭을 감소시켜도 무방함을 알 수 있다.
또한 반응속도를 향상시키기 위하여 전열기 등을 이용하여 CO변성기(12)의 온도 상승을 유도해도 무방하며, 본 발명의 운전 개시방법을 적용하면, 20~50oC정도의 작은 온도 상승만으로도 CO변성기(12)의 촉매 활성화 영역에 충분히 도달 가능함을 확인하였다. 이에 따라 상기와 같이 전열기를 사용하는 경우에 운전 개시 동 안 공급되는 전력량이 감소될 수 있다.
도 8은 연료가스공급량과 CO제거기(13)의 운전 온도 관계를 나타낸 그래프이다. CO제거기(13)의 경우 운전 방법에 따라 활성 온도 범위에 차이가 있으나 통상 정격상태에서 활성 온도 범위는 120~180oC 내외이다. 그러나 본 발명의 경우 운전 초기 연료공급량이 0%초과~30%인 지점 (a)에서 CO제거기(13)의 운전 온도는 100oC 정도이다.(실험결과 정격의 연료가 공급될 경우에는 미반응한 CO가 발생하였다.)
즉, 본 발명에서는 100oC의 온도에서 정격의 0%초과~30%;(a)로 연료를 투입할 경우 CO가 효과적으로 제거됨을 확인하였고, 이 때 또 다른 반응물인 공기, 즉 산소가 과량 공급되어 CO외에도 과량의 수소와 발열 반응하여 반응온도 상승이 촉진됨으로써 정상상태로 도달하는 동안 CO가 완전 제거된다. 연료공급량이 정격(c)에 도달할 때 CO제거기(13)의 온도는 150oC에 이르게 된다.
도 9의 (a),(b)는 각각 종래 및 본 발명에 따른 가정용 연료전지 시스템의 운전 성능에 관한 그래프로서, 연료변환기(10) 및 스택(20) 방출가스를 분석하기 위하여 응축기 및 가스분석기를 설치하고 실제 운전시 방출되는 가스를 분석하여 수소 및 CO의 농도와 유량을 측정하였으며, 개질기(11)에 투입되는 연료와 개질기(11) 온도 제어를 위하여 추가로 버너(14)에 공급되는 연료를 확인하였다.
도 9(a)는 종래 연료전지 시스템의 경우(도 2의 예)를 나타낸 것으로, 종래의 통상적인 운전 방법으로 운전하여 측정한 결과이다. 운전 개시에서 개질기(11) 에 정격의 연료를 공급할 경우, 배출되는 CO의 농도는 측정 한계인 200ppm 이상으로 측정되었다. 일정 시간 이후에 CO변성기(12)와 CO제거기(13)의 온도가 정격온도에 도달하면 CO의 농도는 감소하여 스택투입이 가능하다.
연료변환기(10)에서 배출된 안정화된 정화가스는 스택(20)에 투입되고 스택(20)의 부하를 정격까지 상승시킨다. 앞서 말한것과 같이 스택(20)의 부하 상승 이전에 오프가스회수관(31)을 통하여 연료변환기(10)의 버너(14)에 오프가스를 공급할 경우, 과량의 열량이 공급되므로 연료변환기(10)의 정상적인 온도유지가 불가능하므로 스택(20)의 부하 상승 이후에 발생하는 오프가스를 버너(14)에 공급하였고, 이 오프가스가 공급량을 감안하여 연료변환기(10)의 온도유지가 가능하도록 버너(14)에 공급되는 연료가스의 양을 조절하였다.
상기와 같이 운전한 결과, 연료변환기(10)에서 안정된 정화가스 배출시간 및 스택 부하 상승시간을 포함하여 오프가스 공급 완료시간까지 대략 30~40분의 시간이 소요되었으며 이 시간동안 버너(14)에는 연료변환기(10)의 온도를 유지하기 위하여 많은 량의 연료가 공급된다.
도 9(b)는 본 발명 운전 개시방법에 따라 연료전지 시스템을 운전한 결과이다. 본 발명에 따라 운전한 결과 배출되는 가스의 CO 농도는 초반부터 10ppm 이하로 제거되어 스택투입이 가능하였다.
또한 스택(20)에서 배출되는 오프가스를 버너(14)에 바로 투입하고 스택 부하 및 연료가스 공급량을 상승시켰다.
오프가스가 버너(14)에 공급됨으로써 개질기(11)의 온도를 유지하기 위하여 공급되는 버너(14) 연료가스의 공급량은 감소하였다. 즉, 본 발명은 버너(14)에 공급되는 추가 연료의 양을 버너(14)에 투입된 오프가스 양을 고려하여 감소 제어하게 된다.
상기와 같이 스택 부하 및 연료가스 공급량이 상승하는 동안 연료변환기(10)에서 배출되는 정화가스의 CO 농도는 10ppm 이하임을 확인하였다.
따라서 안정화된 정화가스 배출시간 및 스택 부하 상승시간을 포함하여 오프가스 공급을 완료하여 정격에 도달하는 시간이 상기 종래의 경우보다 크게 줄어든 15분~20분임을 확인하였다. 또한 종래에 40분 가량 공급되었던 과량의 버너(14) 연료가스를 처음부터 미량으로 공급할 수 있어 시스템의 효율이 향상되었다.
상기와 같이, 연료전지 시동 후 연료변환기(10)에서 발생하는 정화가스를 바로 스택(20)으로 공급하고, 스택(20)에서 배출되는 오프가스를 바로 연료변환기(10)의 버너(14)에 공급할 수 있게 됨으로써 종래와 같이 운전 개시중에 발생하는 정화가스와 오프가스를 대기중으로 방출할 필요가 없게 되었다. 즉, 운전 개시중 독성 및 가연성 가스가 대기중으로 방출되지 않으므로 환경오염과 화재사고의 위험이 방지된다.
그리고 스택(20)에서 발생하는 오프가스를 버너(14)로 회수하여 연소시켜 과량의 연료가스 소비를 억제함으로써 운전 개시 동안의 시스템 효율이 향상된다.
또한, 본 발명에 따르면 독성 및 가연성 가스의 대기방출관로가 불필요하게 되어 이들을 삭제하고 도 10과 같이 연료변환기(10)의 CO제거기(13)와 스택(20)을 연결하는 정화가스공급관(30)과 스택(20)과 상기 연료변환기(10)의 버너(14)를 연 결하는 오프가스회수관(31)만으로 관로를 구성할 수 있게 됨으로써 장치의 구성을 단순화할 수 있게 된다.
즉, 종래의 불안정가스배출관(32)과 오프가스배출관(33) 및 불안정가스재순환관(34)과 이들에 설치되었던 밸브(42,43,44)가 필요 없게 되고, 또한 상기 정화가스공급관(30)과 오프가스회수관(31)에 설치되던 밸브(40,41)도 설치할 필요가 없게 된다. 이와 같이 본 발명은 시스템의 구성이 단순해짐은 물론 이에 따라 상기 밸브(41~44)들의 작동을 제어하기 위한 제어기 및 제어로직 역시 간단한 구성이 가능하게 된다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 연료전지 시스템 시동시 독성 및 가연성 가스가 외부로 배출되지 않게 됨으로써 환경오염문제 및 화재 위험성이 해소되었다.
또한, 독성 및 가연성 가스가 외부로 배출되지 않으므로 외부 배출시 이를 정화하기 위한 정화장치가 필요 없게 되어 시스템 구성이 간단하다. 또한 정화가스 직접 재순환시 버너 과열을 방지하기 위해 설치하던 분배기도 필요 없게 된다.
또한, 연료변환기가 정격에 신속히 도달되어 안정화된 정화가스를 스택에 투입하여 보다 신속하게 전력을 생산할 수 있게 되므로 시스템의 시동시간이 감소하게 된다.
또한, 연료전지 시스템 시동 즉시 스택의 오프가스를 버너 연료로 회수하는 것이 가능하므로 연료변환기 온도유지를 위한 버너 공급 연료의 양을 감소시킬 수 있게 되어 운전 개시 동안 연료전지 시스템의 효율이 향상되는 효과가 있다.

Claims (8)

  1. 버너(14)를 점화시켜 연료변환기(10)내 개질기(11), CO변성기(12), CO제거기(13)를 가열하기 시작하는 버너점화단계(S1)와;
    상기 개질기(11)와 CO변성기(12) 및 CO제거기(13)의 촉매들이 반응이 시작되는 온도 영역으로 가열되는 반응기 촉매 활성단계(S2)와;
    상기 개질기(11)에 수증기를 정격으로 공급하는 수증기공급단계(S3)와;
    상기 CO제거기(13)에서 배출되는 정화가스의 CO함량이 10ppm 이하로 안정될 수 있는 양의 연료가스를 상기 개질기(11)에 공급하고, 상기 CO제거기(13)에 공기를 정격으로 공급하는 연료가스 및 공기 공급단계(S4)와;
    상기의 단계(S1~S5)들을 통해 CO함량이 10ppm 이하로 안정화되어 상기 CO제거기(13)로부터 배출되는 정화가스를 상기 스택(20)으로 공급하는 정화가스 스택 투입단계(S5)와;
    상기 스택(20)으로부터 배출되는 오프가스를 즉시 상기 버너(14)로 공급하는 오프가스 버너투입단계(S6)와;
    상기 스택(20)의 부하변동에 따라 상기 개질기(11)에 공급하는 연료량을 조절하여 스택(20)을 정격 운전상태에 도달시키는 스택 정격 도달단계(S7);
    를 포함하여 구성된 가정용 연료전지 시스템의 운전 개시방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 스택 정격 도달단계(S7)에서 상기 스택(20)의 부하 상승속도와 동일한 속도로 상기 개질기(11)에 공급되는 연료가스 공급량을 증가시키는 것을 특징으로 하는 가정용 연료전지 시스템의 운전 개시방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 개질기(11)에 공급하는 연료가스량에 따라 개질기(11)의 온도를 제어하는 것을 특징으로 하는 가정용 연료전지 시스템의 운전 개시방법.
  4. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 오프가스 버너투입단계(S6) 이후에는 상기 버너(14)에 공급되는 추가 연료의 양을 버너(14)에 투입된 오프가스 양을 고려하여 감소 제어하는 것을 특징으로 하는 가정용 연료전지 시스템의 운전 개시방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 연료가스 및 공기 공급단계(S4)에서 상기 개질기(11)에 연료가스가 정격의 0%초과~30%로 공급되는 것을 특징으로 하는 가정용 연료전지 시스템의 운전 개시방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 개질기(11)의 온도가 580oC 일 때 상기 연료가스를 공급 개시하고, 700 oC에서 정격에 도달하는 것을 특징으로 하는 가정용 연료전지 시스템의 운전 개시방법.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 CO변성기(12)의 온도가 150oC 일 때 상기 연료가스를 공급 개시하고, 230 oC에서 정격에 도달하는 것을 특징으로 하는 가정용 연료전지 시스템의 운전 개시방법.
  8. 청구항 5에 있어서,
    상기 CO제거기(13)의 온도가 100oC 일 때 상기 연료가스를 공급 개시하고, 150 oC에서 정격에 도달하는 것을 특징으로 하는 가정용 연료전지 시스템의 운전 개시방법.
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