KR100950363B1 - 용융탄산염 연료전지에 사용되는 연료의 증기/탄소비율제어장치 및 그 방법 - Google Patents

용융탄산염 연료전지에 사용되는 연료의 증기/탄소비율제어장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지에 공급되는 메탄을 함유한 천연가스 연료를 상기 연료전지 스택 공급하기에 앞서 수소로 전환하기 위한 연료와 스팀비율인 증기/탄소비율을 조절하는 용융탄산염 연료전지에 사용되는 연료의 증기/탄소비율 제어장치 및 그 방법에 관한 것으로,
그 구성은 메탄을 함유한 천연가스 연료(10)를 공급받아 황 성분을 제거하는 탈황기(20)와, 상기 황 성분이 제거된 천연가스 연료의 증기/탄소비율을 조절하는 가습기(30)와, 상기 증기/탄소비율이 조절된 천연가스 연료의 메탄가스를 수소가스로 개질하는 개질기(40)와, 상기 개질된 수소와 산소를 함께 공급받아 전기를 발생시키는 연료전지 스택(50)과, 상기 연료전지 스택에서 배출되는 고열의 가스를 가습기(20)로 공급하는 통상의 연료전지 배출가스 폐열회수장치에 있어서,
상기 연료전지 스택(50)과 가습기(30) 사이에는 연료전지 스택(50)에서 배출되는 고열의 가스와 상온의 순수(80)가 공급되고, 그 공급된 순수(80)를 열 교환하는 2중관 콘덴서(60)가 설치되고, 상기 2중관 콘덴서(60)와 가습기(30)의 사이에는 증기/물믹서기(70)가 설치된 것으로 이루어진다.
연료전지, 2중관 콘덴서, 가습기, 증기/물믹서기

Description

용융탄산염 연료전지에 사용되는 연료의 증기/탄소비율 제어장치 및 그 방법{Apparatus and method for controlling the ratio of vapor and carbon used in molten carbonate fuel cell}
본 발명은 연료전지에 공급되는 메탄을 함유한 천연가스 연료를 상기 연료전지 스택 공급하기에 앞서 수소로 전환하기 위한 연료와 스팀비율인 증기/탄소비율을 조절하는 용융탄산염 연료전지에 사용되는 연료의 증기/탄소비율 제어장치 및 그 방법에 관한 것이다.
메탄을 함유한 천연가스 연료(10)는 도 1에 나타낸 바와 같이 탈황기(20)를 거쳐 황 성분을 제거하고, 그 황 성분이 제거된 상기 천연가스 연료는 증기/탄소비율을 조절하기 위해 가습기(30)를 통과시켜 증기/탄소비율을 조절한 후 개질기(40)를 거쳐 상기 천연가스 연료 중의 메탄가스를 수소가스로 개질하고 그 개질된 수소는 산소와 함께 연료전지 스택(50)으로 들어가 반응하면서 전기를 발생시킨다.
한편 상기 가습기(30)에는 증기/탄소비율을 조절하는데 필요한 열을 얻고자 상기 연료전지 스택(50)에서 발생하는 고열(600-700℃)의 가스를 공급하여 통과시키게 되는데 이때 상기 고열의 가스에는 연료전지 스택(50)에서의 부 반응으로 생 성된 물에 의해 다량의 수분이 함유하고 되고 그로 인해 상기 가습기(30)로 공급되는 가스의 온도가 불균일하여 가습기온도 제어가 어려움으로 천연가스 중의 증기/탄소비율조절이 일정치 못한 문제점이 있다.
따라서 종래에는 상기 가습기(30)의 온도보상을 위하여 탈황기(20)의 앞에 별도의 히터(H)를 설치하여 천연가스 연료를 히팅 하도록 하고 있으나, 상기 히터(H)의 전원은 연료전지(50)에서 공급받음으로 송전되는 전력이 감소되는 문제점이 있다.
그리고 상기 가습기(30)에는 연료가 진행하는 곳과 가스가 진행하는 곳이 별도로 구성되어 상기 가스의 열을 연료가 흡열(열 교환)하도록 되어 있다. 이는 통상의 가습기 구성임으로 그에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 이를 해소하고자 발명한 것으로서, 그 목적은 연료전지 스택(50)과 가습기(30) 사이에는 2중관 콘덴서(60)를 설치하여 이에 연료전지 스택(50)에서 배출되는 고열의 가스를 진행시킴과 동시에 상기 2중관 콘덴서(60)에 순수(80)를 공급하여 150℃ 이상으로 열 교환하고 그 열 교환된 수증기를 증기/물믹서기(70)를 이용하여 증기와 순수를 믹서한 후 가습기에 공급하여 가습기 출구 증기/탄소비율을 1.8 - 2.2로 제어함으로써 연료전지의 효율을 향상시키도록 한 용융탄산염 연료전지에 사용되는 연료의 증기/탄소비율 제어장치 및 그 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 해결수단은 메탄을 함유한 천연가스 연료를 공급받아 황 성분을 제거하는 탈황기와, 상기 황 성분이 제거된 천연가스 연료의 증기/탄소비율을 조절하는 가습기와, 상기 증기/탄소비율이 조절된 천연가스 연료의 메탄가스를 수소가스로 개질하는 개질기와, 상기 개질된 수소와 산소를 함께 공급받아 전기를 발생시키는 연료전지 스택과, 상기 연료전지 스택에서 배출되는 고열의 가스를 가습기로 공급하는 통상의 연료전지 배출가스 폐열회수장치에 있어서, 상기 연료전지 스택과 가습기 사이에는 연료전지 스택에서 배출되는 고열의 가스와 상온의 순수가 공급되고, 그 공급된 순수를 열 교환하는 2중관 콘덴서가 설치되고, 상기 2중관 콘덴서와 가습기의 사이에는 증기/물믹서기가 설치된 것으로 이루어진다.
그리고 상기 2중관 콘덴서에 공급되는 순수의 양은 분당 100-200리터이고, 상기 2중관 콘덴서를 통과하면서 열 교환되는 순수의 온도는 150℃ 이상이고, 상기 증기/물믹서기에서 조절되는 증기/탄소비율은 1.8 - 2.2이며, 상기 2중관 콘덴서에 공급되는 순수를 증기/물믹서기에 직접 공급하되, 그 공급량은 분당 0.2 - 0.3kg이다.
또한 본 발명은 메탄을 함유한 천연가스 연료를 탈황기에서 공급받아 황 성분을 제거하고, 상기 황 성분이 제거된 천연가스 연료를 가습기를 통과시켜 증기/탄소비율을 조절하며 상기 증기/탄소비율이 조절된 천연가스 연료의 메탄가스를 개질기를 통하여 수소가스로 개질하고, 상기 개질된 수소와 산소를 연료전지 스택에서 공급받아 전기를 발생시킴과 동시에 상기 연료전지 스택에서 발생하는 수분이 함유된 배출가스를 상기 가습기로 공급하는 공정으로 이루어진 통상의 연료전지 배출가스 폐열회수방법에 있어서, 상기 연료전지 스택과 가습기 사이에는 2중관 콘덴서를 설치하여 이에 연료전지 스택에서 배출되는 고열의 가스를 진행시킴과 동시에 상기 2중관 콘덴서에 순수를 공급하여 그를 150℃ 이상으로 열 교환하고 그 열 교환된 수증기에 순수를 다시 공급하여 증기/물믹서기에서 혼합한 후 가습기에 공급하여 가습기 출구로 배출되는 연료의 증기/탄소비율을 1.8 - 2.2로 제어하는 것으로 이루어진다.
그리고 상기 2중관 콘덴서에 공급되는 순수의 양은 분당 100-200리터이고, 상기 2중관 콘덴서에 공급되는 순수를 증기/물믹서기에 직접 공급하되, 그 공급량은 분당 0.2 - 0.3kg이다.
이상과 같은 본 발명은 연료전지 스택에서 배출되는 배 가스의 현열을 활용하여 상온의 순수를 열 교환하는데 활용함은 물론, 상기 열 교환된 증기에 순수를 공급하여 믹싱하고 그를 가습기에 공급함으로써, 가습기의 온도를 항상 일정하여 유지할 수 있음은 물론, 가습기의 출구로 배출되는 연료 중 증기/탄소비율을 적절제어하여 연료전지의 효율을 향상시키는 효과가 있다.
본 발명은 도 2에 나타낸 바와 같이 메탄을 함유한 천연가스 연료(10)를 공급받아 황 성분을 제거하는 탈황기(20)와, 상기 황 성분이 제거된 천연가스 연료의 증기/탄소비율을 조절하는 가습기(30)와, 상기 증기/탄소비율이 조절된 천연가스 연료의 메탄가스를 수소가스로 개질하는 개질기(40)와, 상기 개질된 수소와 산소를 함께 공급받아 전기를 발생시키는 연료전지 스택(50)과, 상기 연료전지 스택에서 배출되는 고열의 가스를 가습기(20)로 공급하는 통상의 연료전지 배출가스 폐열회수장치에 있어서,
상기 연료전지 스택(50)과 가습기(30) 사이에는 연료전지 스택(50)에서 배출되는 고열의 가스와 상온의 순수(80)가 공급되고, 그 공급된 순수(80)를 열 교환하는 2중관 콘덴서(60)가 설치되고, 상기 2중관 콘덴서(60)와 가습기(30)의 사이에는 증기/물믹서기(70)가 설치된 것을 요지로 한다.
그리고 상기 2중관 콘덴서(60)에 공급되는 순수의 양은 분당 100-200리터이고, 상기 2중관 콘덴서(60)를 통과하면서 열 교환되는 순수의 온도는 150℃ 이상이고, 상기 증기/물믹서기(70)에서 조절되는 증기/탄소비율은 1.8 - 2.2이며, 상기 2중관 콘덴서(60)에 공급되는 순수(80)를 증기/물믹서기(70)에 직접 공급하되, 그 공급량은 분당 0.2 - 0.3kg이다.
상기에서 메탄을 함유한 천연가스 연료(10)를 공급받아 황 성분을 제거하는 탈황기(20)와, 상기 황 성분이 제거된 천연가스 연료의 증기/탄소비율을 조절하는 가습기(30)와, 상기 증기/탄소비율이 조절된 천연가스 연료의 메탄가스를 수소가스로 개질하는 개질기(40)와, 상기 개질된 수소와 산소를 함께 공급받아 전기를 발생시키는 연료전지 스택(50)과, 상기 연료전지 스택에서 배출되는 고열의 가스를 가습기(20)로 공급하는 공정은 통상의 것으로 이에 대한 구체적인 설명을 생략하기로 하기 하기에서는 본 발명의 요지만 설명하기로 한다.
상기에서 외부에서 유입되는 상온의 순수(80)를 연료전지 스택(50)과 가습기(30) 사이에 설치된 2중관 콘덴서(60)에 분당 100~200리터를 통과시키는 이유는 상기 연료전지 스택(50)에서 배출되는 배 가스는 600~700℃인바, 상기에서 언급한 순수유량을 초과하게 되면 배 가스가 보유한 현열이 낮아서 가습기(30)에 공급되는 배 가스의 온도가 낮아 가습기(30)에서 분사되는 증기의 입자가 커지기 때문에 연료가 증기입자를 포획하지 못해 가습기(30) 출구에서의 연료조건인 증기/탄소비율이 적정하지 못해 연료전지의 효율이 저하하게 된다.
또 상기에서 언급한 순수의 유량이 너무 적게 되면 가습기(30)에 공급되는 배 가스의 온도가 높아 증기입자를 매우 작게 할 수 있지만 가습기(30)에서 분사되는 증기량이 너무 적어 가습기를 거친 연료 중 증기/탄소비율이 작게 되어 연료전지 효율이 떨어지게 된다.
그러므로 상기에서 언급한 바와 같이 가습기 내부에서 연료가 증기를 적정하게 포획하기 위해서는 순수의 유량을 분당 100~200리터 통과시켜 증기입자의 조절해야 한다.
또한 상기에서 외부에서 유입되는 상온의 순수(80)를 연료전지 스택(50)과 가습기(30) 사이에 설치된 2중관 콘덴서(70)에 분당 100~200리터를 통과하여 150℃이상으로 열 교환하는 한편 0.2~ 0.5kg/min의 순수(80)를 증기/물믹서기(70)에 공급하는 이유는 연료전지 운전상태에 따라 2중관 콘덴서(60)를 거친 순수의 증기함량이 변하게 되므로 균일한 증기함량을 유지하기 위하여 액체인 순수를 상기에서 언급한 유량만큼 증기/물믹서기(70)에 공급하는 것이다.
이하 본 발명을 실시 예와 비교 예를 들어 설명하면 다음과 같다.
[실시예 1]
연료전지에 공급되는 메탄을 함유한 연료(10)가 탈황기(20)을 거쳐서 연료 중에 함유된 황 성분을 제거하고 외부에서 유입되는 상온의 순수(80)를 연료전지 스택(50)과 가습기(30) 사이에 설치된 2중관 콘덴서(60)에 분당 150리터 통과시켜 열 교환하고, 0.5kg/min의 순수(80)를 증기/물믹서기(70)에 공급하여 증기-물을 믹서 혼합한 후 그를 가습기(30)에 공급한 결과 상기 가습기 출구에서의 연료 중 증기/탄소비율을 2.1로 제어할 수 있었다.
[실시예 2]
연료전지에 공급되는 메탄을 함유한 연료(10)가 탈황기(20)을 거쳐서 연료 중에 함유된 황 성분을 제거하고 외부에서 유입되는 상온의 순수(80)를 연료전지 스택(50)과 가습기(30) 사이에 설치된 2중관 콘덴서(60)에 분당 100리터를 통과시켜 열 교환하고, 0.2kg/min의 순수(80)를 증기/물믹서기(70)에 공급하여 증기-물을 믹서 혼합한 후 그를 가습기(30)에 공급한 결과 가습기(30) 입구에서의 연료 중 증기/탄소비율을 1.8로 제어할 수 있었다.
[실시예 3]
연료전지에 공급되는 메탄을 함유한 연료(10)가 탈황기(20)을 거쳐서 연료 중에 함유된 황 성분을 제거하고 외부에서 유입되는 상온의 순수(80)를 연료전지 스택(50)과 가습기(30) 사이에 설치된 2중관 콘덴서(7)에 분당 200리터를 통과시켜 열 교환하고, 0.4kg/min의 순수(80)를 증기/물믹서기(70)에 공급하여 증기-물을 믹 서 혼합한 후 그를 가습기(30)에 공급한 결과 가습기 입구에서의 연료 중 증기/탄소비율을 2.0로 제어할 수 있었다.
[비교예 1]
연료전지에 공급되는 메탄을 함유한 연료(10)가 탈황기(20)을 거쳐서 연료 중에 함유된 황 성분을 제거하고 외부에서 유입되는 상온의 순수(80)를 연료전지 스택(50)과 가습기(30) 사이에 설치된 2중관 콘덴서(7)에 분당 50리터를 통과시켜 열 교환하고 0.1kg/min의 순수를 증기/물믹서기(70)에 공급하여 증기-물을 믹서 혼합한 후 그를 가습기(30)에 공급한 결과 상기 가습기(30) 입구에서의 연료 중 증기/탄소비율을 1.5로 제어할 수 있었다.
[비교예 2]
연료전지에 공급되는 메탄을 함유한 연료(10)가 탈황기(20)을 거쳐서 연료 중에 함유된 황 성분을 제거하고 외부에서 유입되는 상온의 순수(80)를 연료전지 스택(50)과 가습기(30) 사이에 설치된 2중관 콘덴서(60)에 분당 250리터를 통과시켜 열 교환하고 0.7kg/min의 순수를 증기/물믹서기(70)에 공급하여 증기-물을 믹서 혼합한 후 그를 가습기(30)에 공급한 결과 상기 가습기(30) 입구에서의 연료 중 증기/탄소비율을 2.5로 제어할 수 있었다.
도 1은 종래 용융탄산염 연료전지에 사용되는 연료의 증기/탄소비율 제어공정을 설명하기 위한 개략도,
도 2는 본 발명의 용융탄산염 연료전지에 사용되는 연료의 증기/탄소비율 제어공정을 설명하기 위한 개략도.
※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명※
10 : 천연가스 연료 20 : 탈황기
30 : 가습기 40 : 개질기
50 : 연료전지 스택 60 : 2중관 콘덴서
70 : 증기/물믹서기 80 : 순수

Claims (7)

  1. 메탄을 함유한 천연가스 연료(10)를 공급받아 황 성분을 제거하는 탈황기(20)와, 상기 황 성분이 제거된 천연가스 연료의 증기/탄소비율을 조절하는 가습기(30)와, 상기 증기/탄소비율이 조절된 천연가스 연료의 메탄가스를 수소가스로 개질하는 개질기(40)와, 상기 개질된 수소와 산소를 함께 공급받아 전기를 발생시키는 연료전지 스택(50)과, 상기 연료전지 스택에서 배출되는 고열의 가스를 가습기(20)로 공급하는 통상의 연료전지 배출가스 폐열회수장치에 있어서,
    상기 연료전지 스택(50)과 가습기(30) 사이에는 연료전지 스택(50)에서 배출되는 고열의 가스와 상온의 순수(80)가 공급되고, 그 공급된 순수(80)를 열 교환하는 2중관 콘덴서(60)가 설치되고, 상기 2중관 콘덴서(60)와 가습기(30)의 사이에는 증기/물믹서기(70)가 설치된 것을 특징으로 하는 용융탄산염 연료전지에 사용되는 연료의 증기/탄소비율 제어장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 2중관 콘덴서(60)에 공급되는 순수의 양은 분당 100-200리터이고, 상기 2중관 콘덴서(60)를 통과하면서 열 교환되는 순수의 온도는 150℃ 이상임을 특징으로 하는 용융탄산염 연료전지에 사용되는 연료의 증기/탄소비율 제어장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 증기/물믹서기(70)에서 조절되는 증기/탄소비율은 1.8 - 2.2임을 특징으로 하는 용융탄산염 연료전지에 사용되는 연료의 증기/탄소비율 제어장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 2중관 콘덴서(60)에 공급되는 순수(80)를 증기/물믹서기(70)에 직접 공급하되, 그 공급량은 분당 0.2 - 0.3kg임을 특징으로 하는 용융탄산염 연료전지에 사용되는 연료의 증기/탄소비율 제어장치.
  5. 메탄을 함유한 천연가스 연료(10)를 탈황기(20)에서 공급받아 황 성분을 제거하고, 상기 황 성분이 제거된 천연가스 연료를 가습기(30)를 통과시켜 증기/탄소비율을 조절하며 상기 증기/탄소비율이 조절된 천연가스 연료의 메탄가스를 개질기(40)를 통하여 수소가스로 개질하고, 상기 개질된 수소와 산소를 연료전지 스택(50)에서 공급받아 전기를 발생시킴과 동시에 상기 연료전지 스택에서 발생하는 수분이 함유된 배출가스를 상기 가습기로 공급하는 공정으로 이루어진 통상의 연료전지 배출가스 폐열회수방법에 있어서,
    상기 연료전지 스택(50)과 가습기(30) 사이에는 2중관 콘덴서(60)를 설치하여 이에 연료전지 스택(50)에서 배출되는 고열의 가스를 진행시킴과 동시에 상기 2중관 콘덴서(60)에 순수(80)를 공급하여 그를 150℃ 이상으로 열 교환하고 그 열 교환된 수증기에 순수를 다시 공급하여 증기/물믹서기(70)에서 혼합 한 후 가습기에 공급하여 가습기 출구로 배출되는 연료의 증기/탄소비율을 1.8 - 2.2로 제어하는 것을 특징으로 하는 용융탄산염 연료전지에 사용되는 연료의 증기/탄소비율 제어방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 2중관 콘덴서(60)에 공급되는 순수의 양은 분당 100-200리터임을 특징으로 하는 용융탄산염 연료전지에 사용되는 연료의 증기/탄소비율 제어방법.
  7. 제5항에 있어서, 상기 2중관 콘덴서(60)에 공급되는 순수(80)를 증기/물믹서기(70)에 직접 공급하되, 그 공급량은 분당 0.2 - 0.3kg임을 특징으로 하는 용융탄산염 연료전지에 사용되는 연료의 증기/탄소비율 제어방법.
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