KR101115333B1 - 연료전지 시스템 - Google Patents

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KR101115333B1 KR1020110044258A KR20110044258A KR101115333B1 KR 101115333 B1 KR101115333 B1 KR 101115333B1 KR 1020110044258 A KR1020110044258 A KR 1020110044258A KR 20110044258 A KR20110044258 A KR 20110044258A KR 101115333 B1 KR101115333 B1 KR 101115333B1
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안국영
김한석
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강상규
조주형
송성진
송한호
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Abstract

본 발명은 전기를 생산하고 양극부에서 배출되는 배출가스를 효과적으로 활용할 수 있는 연료전지 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 산소와 이산화탄소가 반응해서 탄산이온이 발생되는 음극부(Cathode)와, 수소와 상기 음극부로부터 공급받은 탄산이온이 반응해서 물과 이산화탄소가 포함된 배출가스와 전기가 발생되는 양극부(Anode)로 구성된 전기발생부와, 상기 양극부와 연통되어 유입되는 상기 배출가스를 냉각시키는 냉각부와, 상기 냉각부를 지나면서 냉각된 상기 배출가스를 공급받아서 동력을 발생시키는 엔진부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템을 제공한다. 따라서 본 발명에 의하면 양극부에서 배출가스를 활용해서 동력이나 전력 생산이 가능하며, 이를 위한 별도의 추가 연료도 필요로 하지 않으므로 발전 효율을 향상시킬 수 있다는 이점이 있다.

Description

연료전지 시스템{FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 발전 시스템에 관한 것으로, 더 상세하게는 연료전지를 사용해서 전기를 발생시키는 연료전지 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지는 수소와 산소가 가진 화학적 에너지를 직접 전기 에너지로 변화시키는 전기화학적 장치로서 수소와 산소를 양극과 음극에 공급하여 연속적으로 전기를 생산하는 시스템을 말한다.
이러한 연료 전지의 일반적인 특성은, 연료가 전기화학적으로 반응하여 전기를 생산하는 과정에서 열이 발생하게 되므로 총 효율을 80%이상 높이는 고효율 발전이 가능하며, 기존의 화력 발전에 비해 효율이 높으므로 발전용 연료의 절감이 가능하고 열병합 발전도 가능하다. 또한, NOx와 CO2의 배출량이 석탄 화력 발전에 비하여 현저히 낮으며 소음도 매우 적어 공해 배출 요인이 거의 없는 무공해 에너지 기술이다.
이와 더불어 모듈화에 의한 건설 기간의 단축, 설비 용량의 증감이 가능하고 입지 선정이 용이하다. 따라서 도심지역 또는 건물 내 설치가 가능하여 경제적으로 에너지를 공급할 수 있으며, 천연가스, 도시가스, 메탄올, 폐기물 가스 등 다양한 연료를 사용할 수 있으므로 기존의 화력 발전을 대체하고, 분산 전원용 발전소, 열병합 발전소, 무공해 자동차 전원 등에 적용될 수 있다.
종래 연료전지 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이, 산소와 이산화탄소가 반응해서 탄산이온을 발생시키는 음극부(11)와, 수소와 탄산이온이 반응해서 전기와 배출가스를 생성하는 양극부(12)로 구성된 연료전지(10)가 포함되어 있으나, 종래 연료전지 시스템에 따르면 양극부(12)에서 배출되는 배출가스를 적절하게 활용하지 못하는 문제가 있으므로 이에 대한 개선이 필요한 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 전기를 생산하고 배출되는 배출가스를 효과적으로 활용할 수 있도록 구성된 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 산소와 이산화탄소가 반응해서 탄산이온이 발생되는 음극부(Cathode)와, 수소와 상기 음극부로부터 공급받은 탄산이온이 반응해서 물과 이산화탄소가 포함된 배출가스와 전기가 발생되는 양극부(Anode)로 구성된 전기발생부와, 상기 양극부와 연통되어 유입되는 상기 배출가스를 냉각시키는 냉각부와, 상기 냉각부를 지나면서 냉각된 상기 배출가스를 공급받아서 동력을 발생시키는 엔진부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템을 제공한다.
유입되는 외기를 산소와 질소로 분리하는 공기분리부가 더 구비되며, 상기 공기분리부에서 발생하는 산소는 상기 엔진부 내부로 공급되는 것이 바람직하다.
상기 엔진부에는 점화 이전에 상기 냉각부에서 전달되는 배출가스와 상기 공기분리부에서 공급되는 산소를 혼합시키는 예혼합부재가 구비되는 것이 바람직하다.
상기 엔진부는 HCCI(Homogeneous Charge Compression Ignition) 엔진일 수 있다.
상기 냉각부는 상기 배출가스에 포함된 수증기가 응결되도록 상기 배출가스의 온도를 상기 수증기의 이슬점까지 냉각시키는 것이 바람직하다.
상기 냉각부에는 상기 배출가스가 흐르는 유로와, 응축된 물이 저장되도록 상기 냉각부 하부에 구비된 저장부재와, 저장된 물을 배출할 수 있도록 상기 저장부재 하단에 형성된 배출구가 구비되며, 상기 배출가스와 열 교환하도록 상기 유로 표면에는 저온의 냉각수가 흐르는 것을 특징으로 한다.
상기 엔진부에서 배출되는 이산화탄소를 포집하는 이산화탄소 포집부가 구비될 수 있다.
상기에서 설명한 본 발명에 따른 연료전지 시스템에 의하면 배출가스를 활용해서 동력이나 전력 생산이 가능하며, 이를 위한 별도의 추가 연료도 필요로 하지 않으므로 발전 효율을 향상시킬 수 있다는 이점이 있다.
또한, 배출가스를 응축시켜서 이산화탄소 회수가 가능하다는 이점도 있다.
도 1은 종래 연료전지 시스템을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 연료전지 시스템을 도시한 도면이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 연료전지 시스템의 실시예를 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 구성도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서는 산소와 이산화탄소가 반응해서 탄산이온이 발생되는 음극부(Cathode)(110)와, 수소와 상기 음극부로부터 공급받은 탄산이온이 반응해서 물과 이산화탄소가 포함된 배출가스와 전기가 발생되는 양극부(Anode)(120)로 구성된 전기발생부(100)와, 상기 양극부(120)와 연통되어 유입되는 상기 배출가스를 냉각시키는 냉각부(200)와, 상기 냉각부(200)를 지나면서 냉각된 상기 배출가스를 공급받아서 동력을 발생시키는 엔진부(300)를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템을 제공한다.
음극부(110)에서는 산소와 이산화탄소가 반응해서 탄산이온이 발생하게 되는데, 음극부(110)에 산소와 이산화탄소를 공급하기 위해 제철소나 발전소와 같은 다른 설비에서 배출되는 폐가스를 이용할 수 있다.
양극부(120)에서는 수소이온과 음극부(110)로부터 공급받은 탄산이온이 전기 화학적 산화반응을 통해 물과 이산화탄소가 포함된 배출가스와 전기가 발생하게 된다. 양극부(120)에 수소를 공급하기 위해 연료 개질 장치가 사용될 수 있으며, 연료 개질 장치는 수소를 함유한 일반연료(LPG, LNG, 메탄, 석탄가스, 메탄올 등)를 연료 전지에 요구되는 다량의 수소를 포함하는 가스로 변환시키는 역할을 한다. 또한, 전기발생부(100)에서 나오는 직류를 교류로 전환할 수 있도록 전력 전환 장치가 사용될 수 있다.
전기발생부(100)는 음극부(110)와 양극부(120)로 구성되되는, 두 전극의 합선을 방지하고 음극부(110)에서 양극부(120)로 탄산이온을 전달하는 통로 역할을 할 수 있도록 음극부(110)와 양극부(120) 사이에는 전해질 매트릭스가 구비될 수 있다.
전술한 바와 같이, 종래 연료전지 시스템은 전기를 생산하고 배출되는 배출가스를 적절하게 활용하지 못하는 문제가 있었으나, 본 실시예에서는 양극부(120)에 배출되는 배출가스를 엔진부(300)에 공급해서 동력을 발생시키도록 구성함으로써 전체 시스템의 효율을 향상시키고 있다.
다만, 양극부(120)에서 배출되는 배출가스의 온도는 대략 650℃ 정도인데, 이러한 고온의 배출가스를 직접 엔진부(300)에 공급하게 되면 발전량이 작아지는 문제가 발생할 수 있다. 이는 한정된 크기를 갖는 엔진부(300) 연소실에 고온의 배출가스가 공급됨으로 인해 단위 체적당 연료량이 낮아지기 때문이다. 또한, 엔진부(300)의 내구성에 문제가 생길 수 있을 뿐만 아니라 엔진부(300) 내부에서의 점화 타이밍이 달라짐으로 인해 동력 발생이 원활하지 않은 문제도 있을 수 있다.
본 실시예에서는 이러한 문제가 발생하지 않도록 배출가스가 냉각된 상태에서 엔진부(300)에 공급되도록 냉각부(200)가 구비된다. 따라서 양극부(120)에서 배출되는 배출가스는 냉각부(200)를 거치면서 냉각된 상태로 엔진부(300)에 공급된다.
엔진부(300)로 공급된 배출가스가 엔진부(300) 내부에서 점화되면서 발생하는 폭발력이 동력으로 전환되는데, 이러한 동력을 이용해서 제너레이터를 가동시킬 경우 추가적으로 전기를 생산할 수 있다는 이점이 있다.
유입되는 외기를 산소와 질소로 분리하는 공기분리부(400)가 더 구비되며, 상기 공기분리부(400)에서 발생하는 산소는 상기 엔진부(300) 내부로 공급되는 것이 바람직하다.
전술한 바와 같이, 양극부(120)에서 배출되는 배출가스는 냉각된 후 엔진부(300)에 공급되는데, 배출가스가 엔진부(300) 내부에서 점화될 수 있도록 산소를 공급해야 한다. 이때, 본 실시예에서는 외기를 도입해서 질소와 산소로 분리한 후 산소만을 엔진부(300) 내부에 공급한다.
외기를 질소와 산소로 분리할 수 있도록 공기분리부(400)가 구비된다. 공기분리부(400)는 공기냉각 액화분리공정(cryogenic air separation)을 사용할 수 있다. 이러한 방법은 공기를 액화(liquefaction) 및 정류(rectification)의 물리적 과정을 통하여 산소와 질소의 비등점(boiling point, bp) 차이로 분리탑(distillation column)에서 분리한다. 즉, 공기냉각 액화분리공정은 질소(끊는점 -195.8℃)와 산소(끊는점 -183℃)의 끊는점 차이를 이용하는 방법이다.
이와 같이 공기분리부(400)를 통해 엔진부(300)에 산소를 공급할 경우 엔진부(300)내부에서 배출가스가 용이하게 점화될 수 있다는 이점이 있다.
상기 엔진부(300)에는 점화 이전에 상기 냉각부(200)에서 전달되는 배출가스와 상기 공기분리부(400)에서 공급되는 산소를 혼합시키는 예혼합부재(310)가 구비되는 것이 바람직하다. 배출가스와 산소가 예혼합된 혼합기체를 연소시킬 경우 매연의 생성을 줄일 수 있다는 이점이 있기 때문이다.
상기 엔진부(300)는 HCCI(Homogeneous Charge Compression Ignition) 엔진을 사용하는 것이 바람직하다.
디젤 엔진은 보통 20:1 정도의 고압에 액체연료를 안개처럼 뿌려서 자체 폭발을 유도한다. 이는 경유를 비롯한 디젤연료들은 400~500℃의 온도에서 자체 폭발을 일으키기 때문에 가능한 것이며, 자체 폭발을 일으키면 골고루 동시에 폭발을 하게 되기 때문에 연료의 연소율이 높아지고 결과적으로는 연비가 좋아지는 효과가 있다. 하지만 본 실시예의 양극부(120)에서 배출되는 배출가스의 농도는 디젤 엔진에 사용되는 액체연료의 농도보다 낮으므로 디젤 엔진을 사용할 수 없는 문제가 있다.
따라서 공기와 연료를 섞은 혼합기에 점화장치가 불꽃을 터뜨려 폭발시키는 가솔린 엔진을 사용할 수 있지만, 수소와 일산화탄소의 비율이 적은 배출가스만으로는 점화가 어렵기 때문에 추가 연료를 투입해야 하는 단점이 있다. 추가 연료 투입은 곧 시스템 전체의 효율 저하를 의미하는 것이기 때문이다.
이에 본 실시예에서는 엔진부(300)로서 HCCI 엔진을 사용한다. HCCI 엔진은 가솔린 엔진과 디젤 엔진의 장점만을 갖는 엔진으로서, 수소와 일산화탄소의 비율이 적은 경우에도 점화가 가능하기 때문에 효과적인 동력 생산이 가능하며, 수소와 일산화탄소의 비율이 적기 때문에 연소 온도가 낮아져 질소 산화물의 생성을 예방할 수 있다는 이점이 있다.
상기 냉각부(200)는 상기 배출가스에 포함된 수증기가 응결되도록 상기 배출가스의 온도를 상기 수증기의 이슬점까지 냉각시키는 것이 바람직하다.
양극부(120)에서 배출되는 배출가스의 성분을 살펴보면, 이산화탄소와 수증기가 약 90% 정도를 차지하고, 수소와 일산화탄소가 나머지 약 10% 정도를 차지한다. 즉, 수소와 일산화탄소의 비율이 적기 때문에 용이하게 점화되지 않을 수 있다.
본 실시예에서는 배출가스가 용이하게 점화되도록 냉각부(200)에서 배출가스에 포함된 수증기를 제거한다. 즉, 냉각부(200)는 배출가스의 온도를 배출가스에 포함된 수증기의 이슬점까지 냉각시킨다. 이와 같이 구성하면 배출가스에 포함된 수증기를 제거할 수 있으며, 수증기가 제거된 배출가스를 엔진부(300)에 공급하면 단위 체적당 수소와 일산화탄소의 비율이 증가되어 용이하게 점화될 수 있다는 이점이 있다.
상기 냉각부(200)에는 상기 배출가스가 흐르는 유로(210)와, 응축된 물이 저장되도록 상기 냉각부(200) 하부에 구비된 저장부재(220)와, 저장된 물을 배출할 수 있도록 상기 저장부재(220) 하단에 형성된 배출구(221)가 구비되며, 상기 배출가스와 열 교환하도록 상기 유로(210) 표면에는 저온의 냉각수가 흐르는 것을 특징으로 한다.
전술한 바와 같이, 배출가스의 온도를 배출가스에 포함된 수증기의 이슬점까지 냉각하도록 구성하고 있으며, 이를 위해 본 실시예에서는 냉각부(200) 내부에 배출가스가 흐르는 유로(210)를 형성하고 있다. 유로(210)의 표면으로 저온의 공기나 물이 흐르면서 배출가스를 냉각시키고, 포함된 수증기가 물로 응축되면서 상변화하게 된다.
액체 상태의 물은 중력에 의해서 냉각부(200) 하부로 이동하게 된다. 냉각부(200) 하부에는 액체 상태의 물을 저장할 수 있도록 저장부재(220)가 구비되며, 저장부재(220) 하단에는 배출구(221)가 형성되어 저장된 액체 상태의 물이 자중에 의해 배출되도록 구성한다.
또한, 이와 같이 구성하면 배출구(221)가 저장된 액체 상태의 물에 잠기게 되기 때문에 배출구(221)를 통한 배출가스의 유출을 방지할 수 있다는 이점이 있다.
상기 엔진부(300)에서 배출되는 이산화탄소를 포집하는 이산화탄소 포집부(500)가 구비될 수 있다.
이산화탄소 포집(Carbon Capture and Storage : CCS)은 엔진부(300)에서 배출되는 이산화탄소를 대기로 배출하기 전에 고농도로 포집한 후 압축 및 수송해 안전하게 저장하는 기술이다. 이러한 기술은 현재의 기술 수준에서 이산화탄소 배출 저감을 위한 가장 이상적인 방법으로 볼 수 있다.
이산화탄소 포집부(500)에서 이산화탄소를 분리하는 방법은 흡수법, 물리 흡수법, 흡착 분리법을 이용할 수 있다. 또한 이산화탄소를 막분리법을 이용할 수 있는데, 막을 이용해 분리하는 경우에는 압력 차, 막 구조와 분자 크기, 분자에 대한 친화성 등 분자 사이의 상호작용을 이용하는 것이다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
100 : 전기발생부 110 : 음극부
120 : 양극부 200 : 냉각부
210 : 유로 220 : 저장부재
300 : 엔진부 310 : 예혼합부재
400 : 공기분리부 500 : 이산화탄소 포집부

Claims (11)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 산소와 이산화탄소가 반응해서 탄산이온이 발생되는 음극부(Cathode)와, 수소와 상기 음극부로부터 공급받은 탄산이온이 반응해서 물과 이산화탄소가 포함된 배출가스와 전기가 발생되는 양극부(Anode)로 구성된 전기발생부;
    상기 배출가스를 공급받아서 동력을 발생시키는 엔진부;
    유입되는 외기를 산소와 질소로 분리하는 공기분리부;
    를 포함하며,
    상기 공기분리부에서 발생하는 산소는 상기 엔진부로 공급되고,
    상기 엔진부에는 점화 이전에 상기 배출가스와 상기 산소를 혼합시키는 예혼합부재가 구비되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 엔진부는 HCCI(Homogeneous Charge Compression Ignition) 엔진인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 전기발생부와 상기 엔진부 사이에는 상기 양극부에서 배출되는 배출가스를 냉각시켜서 상기 엔진부에 공급하는 냉각부가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 냉각부는 상기 배출가스에 포함된 수증기가 응결되도록 상기 배출가스의 온도를 상기 수증기의 이슬점까지 냉각시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 냉각부에는 상기 배출가스가 흐르는 유로와,
    응축된 물이 저장되도록 상기 냉각부 하부에 구비된 저장부재와,
    저장된 물을 배출할 수 있도록 상기 저장부재 하단에 형성된 배출구가 구비되며,
    상기 배출가스와 열 교환하도록 상기 유로 표면에는 저온의 냉각수가 흐르는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  8. 산소와 이산화탄소가 반응해서 탄산이온이 발생되는 음극부(Cathode)와, 수소와 상기 음극부로부터 공급받은 탄산이온이 반응해서 물과 이산화탄소가 포함된 배출가스와 전기가 발생되는 양극부(Anode)로 구성된 전기발생부;
    상기 배출가스를 공급받아서 동력을 발생시키는 엔진부;
    를 포함하며,
    상기 엔진부는 점화 이전에 상기 배출가스와 외기를 혼합시키는 예혼합부재가 구비된 HCCI(Homogeneous Charge Compression Ignition) 엔진인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 전기발생부와 상기 엔진부 사이에는 상기 양극부에서 배출되는 배출가스를 냉각시켜서 상기 엔진부에 공급하는 냉각부가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 예혼합부재에 산소만 공급되도록 유입되는 외기를 산소와 질소로 분리하는 공기분리부가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  11. 제3항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 엔진부에서 배출되는 이산화탄소를 포집하는 이산화탄소 포집부가 구비되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
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