KR101028850B1 - 컴팩트 고체산화물 연료전지 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 컴팩트 고체산화물 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 양단부의 연료극(11)과 공기극(12)으로 각각 공급된 수소와 산소에 의한 전기화학반응을 통해 전기를 생성시키는 스택(10); 상기 스택(10)의 연료극(11)으로 수소를 공급하기 위해 연료가스를 수소로 전환시키는 자열개질기(20); 상기 스택(10)으로부터 배출되는 폐가스 및 폐공기를 연소시켜 폐열을 외부로 방출시키는 동시에 이 연소열을 통해 공정공기를 열교환 가열시켜 스택(10)의 공기극(12)으로 공급하는 열교환형촉매연소기(30); 상기 자열개질기(20)로 개질공기를 공급하기 위한 연소기(40); 및 상기 자열개질기(20)로 스팀을 공급하기 위한 스팀발생기(50)를 포함하여 구성된다. 따라서, 정상 운전 상태가 되면 공기와 물의 유로를 전환시켜 각각의 열교환형촉매연소기와 폐열스팀발생기를 통해 개질공기와 스팀을 자열개질기로 공급할 수 있도록 함으로써, 고온용 밸브를 사용하지 않고도 시스템을 가동시킬 수 있게 되어 비용절감을 꾀할 수 있음은 물론 폐열을 최대한 이용하여 시스템을 가동시킬 수 있게 되어 에너지 낭비를 최소화할 수 있게 되는 등의 효과를 얻는다.
컴팩트 고체산화물 연료전지 시스템, 자열개질기, 열교환형촉매연소기, 스택, 유로전환밸브

Description

컴팩트 고체산화물 연료전지 시스템{Fuel cell system}
본 발명은 컴팩트 고체산화물 연료전지 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 스택을 경유한 폐가스(tail gas)와 폐공기를 연소시키기 위한 열교환형촉매연소기 및 이 열교환형촉매연소기의 폐열을 이용하여 스팀을 발생시키는 폐열스팀발생기를 마련하여, 기동 운전시에는 연소기와 스팀증발기를 통해 개질공기와 스팀을 자열개질기로 공급하다가 정상 운전 상태가 되면 유로전환밸브를 통해 공기와 물의 유로를 전환시켜 각각의 열교환형촉매연소기와 폐열스팀발생기를 통해 개질공기와 스팀을 자열개질기로 공급할 수 있도록 하는 컴팩트 고체산화물 연료전지 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지라 함은 연료의 산화로 인해 생기는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 일종의 발전장치라고 할 수 있다. 산화, 환원반응을 이용하는 점에서는 보통의 화학전지와 차이가 없지만 닫힌 계내(系內)에서 전지반응을 하는 화학전지와는 달리, 반응물이 연속적으로 외부로부터 공급되는 동시에 반응생성물은 연속적으로 계외로 제거되는 것이 양자 간이 차이점이라 할 수 있다.
이러한 연료전지의 가장 대표적인 것으로서 수소-산소 연료전지가 있는데, 이것은 알칼리 수용액을 전해질로 사용하고 순수한 수소와 산소를 반응물로 사용한다.
그리고, 수소 외에도 메탄이나 천연가스 등의 화석연료를 사용하는 기체연료와 메탄올(메틸알코올) 히드라진 같은 액체연료를 사용하는 것 등 많은 연료전지가 있으며, 이들 중 작동온도가 300℃ 이하인 것을 저온형이라 하고, 그 이상인 것을 고온형이라고 한다.
또한, 발전효율의 향상을 고려한 연료전지와 귀금속 촉매를 사용하지 않은 고온형의 용융탄산염 연료전지를 제2세대, 그리고 보다 높은 효율로 발전(發電)하는 고체산화물 전해질 연료전지를 제3세대의 연료전지라 한다.
현재 가장 실용화에 가까운 것은 인산전해질 연료전지로서, 이것은 화석연료를 개질시킨 수소를 주성분으로 하는 수소가스와 공기 속의 산소를 이용한 수소-공기연료전지가 있다.
일례로 이러한 종래 기술의 컴팩트 고체산화물 연료전지 시스템에 대해 개략적으로 살펴보면, 양단부에 연료극과 공기극이 위치되고 이들 사이에 전해질이 마련되며 이들 연료극과 공기극으로 각각 공급된 수소와 산소에 의한 전기화학반응을 통해 전기를 생성시키는 스택과, 이 스택의 연료극으로 수소를 공급하기 위해 연료가스를 수소로 전환시키는 개질기와, 이 개질기로 개질공기를 공급하는 동시에 상기 스택의 공기극으로 가열공기를 공급하기 위한 연소기 및 상기 개질기로 스팀을 공급하기 위한 스팀발생기 등을 포함하여 구성된다.
이러한 구성의 종래 기술은 기동연소기를 통해 연료를 완전 연소시킨 후 그 폐열을 공기와 열 교환하여 개질기와 스택을 예열하는 방식과, 먼저 기동연소기를 통해 개질기를 기동시킨 후 스택을 통하지 않고 바로 연소시켜서 그 폐열로 스택을 예열하는 방식 등으로 나눌 수 있다.
그러나, 위와 같은 종래 기술의 컴팩트 고체산화물 연료전지 시스템은 고온의 유로를 전환시키기 위한 밸브를 반드시 구비하여야 하는데, 이러한 유로전환밸브는 현재까지 800℃ 이상의 고온에서 사용할 수 있는 신뢰성 있는 밸브로서 상용화된 제품이 없음은 물론 이러한 밸브를 제작하기에는 많은 시간과 예산 및 인력이 소요되는 등의 문제점을 갖고 있었다.
본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 스택을 경유한 폐가스와 폐공기를 연소시키기 위한 열교환형촉매연소기 및 이 열교환형촉매연소기의 폐열을 이용하여 스팀을 발생시키는 폐열스팀발생기를 마련하여, 기동 운전시에는 연소기와 스팀증발기를 통해 개질공기와 스팀을 자열개질기로 공급하다가 정상 운전 상태가 되면 유로전환밸브를 통해 공기와 물의 유로를 전환시켜 각각의 열교환형촉매연소기와 폐열스팀발생기를 통해 개질공기와 스팀을 자열개질기로 공급할 수 있도록 함으로써, 고온용 밸브를 사용하지 않고 폐열을 최대한 이용하여 컴팩트 고체산화물 연료전지 시스템을 가동시킬 수 있도록 하는 컴팩트 고체산화물 연료전지 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위해 안출된 본 발명의 컴팩트 고체산화물 연료전지 시스템은 양단부에 연료극과 공기극이 위치되고 이들 사이에 전해질이 마련되며 이들 연료극과 공기극으로 각각 공급된 수소와 산소에 의한 전기화학반응을 통해 전기를 생성시키는 스택; 상기 스택의 연료극으로 수소를 공급하기 위해 연료가스를 수소로 전환시키는 자열개질기; 상기 스택으로부터 배출되는 폐가스 및 폐공기를 연소시켜 폐열을 외부로 방출시키는 동시에 이 연소열을 통해 공정공기를 열교환 가열시켜 스택의 공기극으로 공급하는 열교환형촉매연소기; 상기 자열개질기로 개질공기를 공급하기 위한 연소기; 및 상기 자열개질기로 스팀을 공급하기 위한 스팀발생기를 포함하여 구성된다.
또한, 본 발명에 따른 컴팩트 고체산화물 연료전지 시스템에 있어서, 상기 연소기의 전방에 공급되는 개질공기가 열교환형촉매연소기를 거쳐 열 교환된 후 자열개질기로 공급되도록 하는 유로전환밸브가 더 구비된 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 컴팩트 고체산화물 연료전지 시스템에 있어서, 상기 열교환형촉매연소기의 후방에 폐열스팀발생기가 마련되고, 상기 스팀발생기의 전방에 공급되는 물을 상기 폐열스팀발생기의 폐열을 이용하여 스팀을 생성시킨 후 자열개질기로 공급되도록 하는 유로전환밸브가 더 구비된 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 컴팩트 고체산화물 연료전지 시스템에 있어서, 상기 스택, 자열개질기, 열교환형촉매연소기, 연소기, 스팀발생기 및 폐열스팀발생기는 열손실을 방지하기 위한 단열케이싱으로 덮어씌워진 것이 바람직하다.
이상에서와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 컴팩트 고체산화물 연료전지 시스템은 스택을 경유한 폐가스와 폐공기를 연소시키기 위한 열교환형촉매연소기 및 이 열교환형촉매연소기의 폐열을 이용하여 스팀을 발생시키는 폐열스팀발생기를 마련하여, 기동 운전시에는 연소기와 스팀증발기를 통해 개질공기와 스팀을 자열개질기로 공급하다가 정상 운전 상태가 되면 유로전환밸브를 통해 공기와 물의 유로를 전환시켜 각각의 열교환형촉매연소기와 폐열스팀발생기를 통해 개질공기와 스팀을 자열개질기로 공급할 수 있도록 함으로써, 고온용 밸브를 사용하지 않고도 시스템을 가동시킬 수 있게 되어 비용절감을 꾀할 수 있음은 물론 폐열을 최대한 이용하여 시스템을 가동시킬 수 있게 되어 에너지 낭비를 최소화 할 수 있게 되는 등의 효과를 얻는다.
상기와 같은 구성을 가지는 본 발명을 다음의 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 1 내지 도 4d에서 나타낸 것과 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 컴팩트 고체산화물 연료전지 시스템은 양단부에 연료극(Anode)(11)과 공기극(Cathode)(12)이 위치되고 이들 사이에 전해질(Electrolyte)(13)이 마련되며 이들 연료극(11)과 공기극(12)으로 각각 공급된 수소와 산소에 의한 전기화학반응을 통해 전기를 생성시키는 스택(10)과, 이 스택(10)의 연료극(11)으로 수소를 공급하기 위해 연료가스를 수소로 전환시키는 자열개질기(auto thermal reformer)(20)와, 상기 스택(10)으로부터 배출되는 폐가스 및 폐공기를 연소시켜 폐열을 외부로 방출시키는 동시에 이 연소열을 통해 공정공기를 열 교환 가열시켜 스택(10)의 공기극(12)으로 공급하는 열교환형촉매연소기(heat exchanger catalytic burner)(30)와, 상기 자열개질기(20)로 개질공기를 공급하기 위한 연소기(40) 및 상기 자열개질기(20)로 스팀을 공급하기 위한 스팀발생기(50)를 포함하여 구성된다.
그리고, 상기 연소기(40)의 전방에는 공급되는 개질공기가 열교환형촉매연소기(30)를 거쳐 열 교환된 후 자열개질기(20)로 공급되도록 하는 유로전환밸브(60)가 구비되어 있다.
그리고, 상기 열교환형촉매연소기(30)의 후방에 폐열스팀발생기(70)가 마련되고, 상기 스팀발생기(50)의 전방에 공급되는 물을 상기 폐열스팀발생기(70)의 폐열을 이용하여 스팀을 생성시킨 후 자열개질기(20)로 공급되도록 하는 유로전환밸브(80)가 구비되어 있다.
그리고, 상기 스택(10), 자열개질기(20), 열교환형촉매연소기(30), 연소기(40), 스팀발생기(50) 및 폐열스팀발생기(70)는 열손실을 방지하기 위해 덮어씌워지는 단열케이싱(90)이 마련되어 있다.
그리고, 상기 유로의 방향을 전환시키기 위한 유로전환밸브(60,80)들은 상기 단열케이싱(90)에 설치되는 것이 바람직하다.
한편, 상기 스택(10)의 폐가스(tail gas)와 폐공기가 열교환형촉매연소기(30)에서 연소된 후 외부로 방출되는 폐열온도를 측정하고 각각의 유로전환밸브(60,80)를 작동시켜 유로의 방향을 전환시킬 수 있도록 제어하는 별도의 콘트롤러(미도시)가 구비되고, 또한, 각각의 구성요소로 연료, 물 및 공기를 공급시키며 연소된 후 폐열을 외부로 방출시키기 위한 유로들이 마련됨은 당연할 것이다.
이러한 구성에 따른 본 발명의 일 실시예인 컴팩트 고체산화물 연료전지 시스템의 작동 과정을 살펴보면 다음과 같다.
우선 기동 운전의 경우를 살펴보면, 먼저 연소기(40)를 통해 가열된 개질공기를 자열개질기(20)로 공급하여 이 자열개질기(20)가 작동할 수 있는 온도 조건을 조성한 후, 스팀발생기(50)를 통해 자열개질기(20)로 스팀을 공급하는 동시에 연료(메탄)는 직접 자열개질기(20)로 공급한다.
이때, 자열개질기(20)에서는 개질가스(수소)가 발생되어 스택(10)의 연료극(11)으로 공급되는 동시에 스택(10)의 공기극(12)으로는 공정공기(산소)가 공급되며, 이 스택(10)에서 이들 수소와 산소의 전기화학반응(물과 전자를 생성)을 통해 전기에너지를 얻을 수 있게 되는 것이다.
한편, 상기 스택(10)에서 완전한 반응이 이루어지지 못한 개질가스와 폐공기는 다시 열교환용촉매연소기(30)에서 만나 연소되어 유해성분이 제거된 후 폐열은 외부로 방출된다.
여기서, 상기 폐열이 외부로 방출되는 동안, 한편으로는 공정공기와 열 교환을 거쳐 스택(10)으로 고온의 공정공기를 공급하게 되고, 다른 한편으로는 콘트롤러가 외부로 방출되는 폐열의 온도를 측정하여 폐열스팀발생기(70)의 작동여부를 체크한다.
이렇게 열교환용촉매연소기(30)의 연소에 따른 폐열에 의해 자열개질기(20)로 공급되는 개질공기의 가열과 스팀 생성이 가능하게 되면, 이때부터 정상 운전 상태가 된다.
그러면, 콘트롤러가 유로전환밸브(60,80)를 작동시켜 개질공기와 물의 유로를 전환시키게 되고, 이에 따라 기동시 사용되었던 연소기(40)와 스팀발생기(50)의 작동이 정지되는 한편, 개질공기는 열교환형촉매연소기(30)를 거친 후 자열개질기(20)로 공급되며 물은 폐열스팀발생기(70)를 거쳐 자열개질기(20)로 공급되어 연료를 개질시키게 되는 것이다.
그리고, 다시 자열개질기(20)에서 생성된 개질가스는 스택(10)으로 공급되어 스택(10)에서 공정공기와 반응하고, 다시 불완전 반응된 나머지 개질가스와 폐공기는 열교환형촉매연소기(30)에서 만나 연소된 후 외부로 방출된다.
이와 같이, 외부에서 연료와 물 및 공기가 지속적으로 공급되는 동시에 열교환형촉매연소기(30)를 통한 폐열 방출 과정이 계속적으로 반복 순환되는 동안 스택(10)에서는 지속적으로 전기에너지가 생성되는 것이다.
한편, 열교환형촉매연소기(30)에서 열교환되어 승온된 공정공기에 의해 스택(10)이 점차적으로 가열되게 되는데, 이때 스택(10)의 온도가 대략 300℃를 넘어서게 되면 셀의 전도도 향상을 위해 사용되는 니켈(Ni)이 산화분위기에서 니켈산화물로 변하게 되므로 개질가스 내부에 산소가 남아있지 않도록 자열개질기(20)의 운전에 주위를 요할 필요가 있다.
이상에서와 같이, 본 발명은 상기의 바람직한 실시예를 들어 설명하였으나, 이러한 실시예를 종래의 공지 기술과 단순히 조합 적용한 실시예는 물론 본 발명의 특허청구범위와 상세한 설명에서 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자가 용이하게 변형하여 이용할 수 있는 기술들은 본 발명의 기술범위에 당연히 포함된다고 보아야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 컴팩트 고체산화물 연료전지 시스템의 기동 운전시의 유로 흐름을 나타낸 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 컴팩트 고체산화물 연료전지 시스템의 정상 운전시의 유로 흐름을 나타낸 개략도이다.
도 3a 내지 3d는 본 발명의 일 실시예에 따른 컴팩트 고체산화물 연료전지 시스템의 기동 운전시의 각 요소들의 유로 흐름을 나타낸 흐름도이다.
도 4a 내지 4d는 본 발명의 일 실시예에 따른 컴팩트 고체산화물 연료전지 시스템의 정상 운전시의 각 요소들의 유로 흐름을 나타낸 흐름도이다.
** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **
10 : 스택 11 : 연료극
12 : 공기극 13 : 전해질
20 : 자열개질기 30 : 열교환형촉매연소기
40 : 연소기 50 : 스팀발생기
60 : 유로전환밸브 70 : 폐열스팀발생기
80 : 유로전환밸브 90 : 단열케이싱

Claims (4)

  1. 양단부에 연료극(11)과 공기극(12)이 위치되고 이들 사이에 전해질(13)이 마련되며 이들 연료극(11)과 공기극(12)으로 각각 공급된 수소와 산소에 의한 전기화학반응을 통해 전기를 생성시키는 스택(10);
    상기 스택(10)의 연료극(11)으로 수소를 공급하기 위해 연료가스를 수소로 전환시키는 자열개질기(20);
    상기 스택(10)으로부터 배출되는 폐가스 및 폐공기를 연소시켜 폐열을 외부로 방출시키는 동시에 이 연소열을 통해 공정공기를 열교환 가열시켜 스택(10)의 공기극(12)으로 공급하는 열교환형촉매연소기(30);
    상기 자열개질기(20)로 개질공기를 공급하기 위한 연소기(40); 및
    상기 자열개질기(20)로 스팀을 공급하기 위한 스팀발생기(50);
    를 포함하여 구성되는 컴팩트 고체산화물 연료전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연소기(40)의 전방에 공급되는 개질공기가 열교환형촉매연소기(30)를 거쳐 열 교환된 후 자열개질기(20)로 공급되도록 하는 유로전환밸브(60)가 더 구비된 것을 특징으로 하는 컴팩트 고체산화물 연료전지 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 열교환형촉매연소기(30)의 후방에 폐열스팀발생기(70)가 마련되고, 상기 스팀발생기(50)의 전방에 공급되는 물을 상기 폐열스팀발생기(70)의 폐열을 이용하여 스팀을 생성시킨 후 자열개질기(20)로 공급되도록 하는 유로전환밸브(80)가 더 구비된 것을 특징으로 하는 컴팩트 고체산화물 연료전지 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 스택(10), 자열개질기(20), 열교환형촉매연소기(30), 연소기(40), 스팀발생기(50) 및 폐열스팀발생기(70)는 열손실을 방지하기 위한 단열케이싱(90)으로 덮어씌워진 것을 특징으로 하는 컴팩트 고체산화물 연료전지 시스템.
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