KR101162457B1 - Fuel Cell System of Polymer Electrolyte Membrane - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고분자 전해질형 연료전지 시스템에 관한 것이다. 수소를 포함한 연료와 물의 혼합물을 개질 반응하여 전기발생부(110)(210)의 전기 생성에 필요한 수소가 풍부한 개질가스를 생성하는 주개질기(120)(220)와, 상기 개질가스에 포함되어 전기발생부의 촉매를 피독시키는 일산화탄소와 같은 유해 물질을 제거하는 선택적 산화 반응기(130)(230)를 구비하되, 상기 주개질기는 개질반응이 원활하게 일어나도록 상기 주개질기에 공급되는 연료가스가 분기하여 유입되거나 상기 전기발생부에서 배출되는 미반응가스가 유입되어 연소되는 버너(122)(222)를 구비하고, 상기 선택적 산화 반응기에서 배출되는 공기가 상기 버너의 연소공기로 공급되는 구성으로 되어 있다. 이러한 구성에 의하면, 별도의 공랭식 팬 또는 블로워가 불필요하며, 버너의 연소효율을 향상할 수 있다는 효과가 있다.The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell system. Main reformers (120) and (220) for reforming a mixture of fuel and water including hydrogen to generate hydrogen-rich reforming gas for generating electricity of the electricity generating unit (110, 210), and the electricity contained in the reforming gas. It is provided with a selective oxidation reactor (130, 230) for removing harmful substances such as carbon monoxide poisoning the catalyst of the generator, the main reformer is a fuel gas supplied to the main reformer branched inflow so that reforming reaction occurs smoothly Or burners 122 and 222 in which unreacted gas discharged from the electricity generating unit is introduced and combusted, and air discharged from the selective oxidation reactor is supplied to combustion air of the burner. According to such a structure, a separate air cooling fan or blower is unnecessary, and there exists an effect that the combustion efficiency of a burner can be improved.
Description
본 발명은 고분자 전해질형 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 선택적 산화 반응기를 갖는 고분자 전해질형 연료전지 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell system, and more particularly to a polymer electrolyte fuel cell system having a selective oxidation reactor.
연료전지는 수소와 산소의 전기화학 반응에 의해 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 발전시스템이다. 연료전지에는 순수한 수소를 직접 공급할 수도 있고, 메탄올, 에탄올, 천연가스 등과 같은 물질을 개질하여 생성되는 수소를 공급할 수도 있다. 또한 순수한 산소를 직접 연료전지 시스템에 공급할 수도 있고, 공기 펌프 등을 이용하여 통상의 공기에 포함된 산소를 공급할 수도 있다.A fuel cell is a power generation system that converts chemical energy directly into electrical energy by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. Pure fuel may be directly supplied to the fuel cell, or hydrogen generated by reforming materials such as methanol, ethanol, and natural gas may be supplied. In addition, pure oxygen may be directly supplied to the fuel cell system, or oxygen included in normal air may be supplied using an air pump or the like.
이러한 연료전지는 상온 또는 100℃ 이하에서 작동하는 고분자 전해질형 및 직접 메탄올형 연료전지, 150~200℃ 부근에서 작동하는 인산형 연료전지, 600~700℃의 고온에서 작동하는 용융탄산염형 연료전지, 1000℃ 이상의 고온에서 작동하는 고체 산화물형 연료전지 등으로 분류된다. 이들 각각 연료전지는 기본적으로 유사한 원리에 의해 작동되지만 사용되는 연료의 종류, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다.Such fuel cells are polymer electrolyte type and direct methanol type fuel cells operating at room temperature or below 100 ° C, phosphoric acid type fuel cells operating near 150 ~ 200 ° C, molten carbonate type fuel cells operating at high temperature of 600 ~ 700 ° C, It is classified into the solid oxide type fuel cell which operates at high temperature of 1000 degreeC or more. Each of these fuel cells is basically operated on similar principles, but differs in the type of fuel used, catalysts, and electrolytes.
이 중에서 고분자 전해질형 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell : FEMFC)는 메탄올, 천연가스, 부탄 등을 개질하여 만들어진 수소를 연료로 사용하며, 다른 연료전지에 비하여 출력 특성이 탁월하고 작동 온도가 낮을 뿐더러 빠른 시동 및 응답 특성을 가진다. 또한 자동차와 같은 이동용 전원은 물론 주택이나 공공건물과 같은 분산용 전원 및 휴대용 전자기기와 같은 소형용 전원 등으로 이용할 수 있어 그 응용범위가 넓은 장점을 가지고 있다.Among them, Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (FEMFC) uses hydrogen produced by reforming methanol, natural gas, butane, etc., and has excellent output characteristics and lower operating temperature than other fuel cells. Quick start and response characteristics. In addition, it can be used as a mobile power source such as a car, a distributed power source such as a house or a public building, and a small power source such as a portable electronic device.
상기와 같은 고분자 전해질형 연료전지가 기본적으로 시스템의 구성을 갖추기 위해서는, 연료를 저장하는 연료용기, 상기 연료를 개질하여 수소를 발생시키는 개질기 및 상기 수소와 산소를 이용한 전기화학반응을 통해 전기를 생산하는 전기발생부(스택)가 필요하다. 고분자 전해질형 연료전지는 연료용기에 저장된 연료를 개질기에 공급하고, 개질기가 연료를 개질하여 수소를 발생시키며, 전기발생부(스택)가 수소와 산소를 전기화학적으로 반응하여 전기를 생산한다.In order for the polymer electrolyte fuel cell as described above to basically have a system configuration, a fuel container for storing fuel, a reformer for reforming the fuel to generate hydrogen, and electricity are produced through an electrochemical reaction using the hydrogen and oxygen. An electricity generating unit (stack) is required. The polymer electrolyte fuel cell supplies the fuel stored in the fuel container to the reformer, the reformer reforms the fuel to generate hydrogen, and the electricity generator (stack) electrochemically reacts hydrogen and oxygen to produce electricity.
상기 전기발생부는 전해질막_전극 접합체(Membrane Electrode Assembly : MEA)와 바이폴라 플레이트(bipolar plate)로 이루어진 단위 셀을 말하며, 대체로 상기 단위 셀이 수 개 내지 수십 개로 적층된 스택(stack)를 가진다. 상기 전해질막-전극 접합체는 전해질막을 사이에 두고 캐소드(cathode) 전극과 애노드 전극(anode)이 부착된 구조를 가진다. 바이폴라 플레이트는 표면에 유로가 형성되어 상기 전해질막-전극 접합체의 캐소드 전극과 애노드 전극에서의 반응에 필요한 수소와 산소가 공급되는 통로의 역할을 한다. 또한 바이폴라 플레이트는 도전성이 있는 물질로 제조되어 각 전해질막-전극 접합체를 직렬로 연결하는 전도체의 역할을 동시에 수행한다. 바이폴라 플레이트에 의해 애노드 전극에는 수소가 공급되는 반면, 캐소드 전극에는 산소가 공급된다. 이 과정에서 애노드 전극에서는 수소의 산화 반응이 일어나게 되고, 캐소드 전극에서는 산소의 환원 반응이 일어나게 되며 이 때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기를 얻을 수 있다.The electricity generating unit refers to a unit cell composed of an electrolyte membrane_electrode assembly (MEA) and a bipolar plate, and generally has a stack in which several unit cells are stacked. The electrolyte membrane-electrode assembly has a structure in which a cathode electrode and an anode are attached with an electrolyte membrane interposed therebetween. The bipolar plate has a flow path formed on its surface to serve as a passage for supplying hydrogen and oxygen required for the reaction at the cathode electrode and the anode electrode of the electrolyte membrane-electrode assembly. In addition, the bipolar plate is made of a conductive material and simultaneously performs the role of a conductor connecting each electrolyte membrane-electrode assembly in series. Hydrogen is supplied to the anode electrode by the bipolar plate, while oxygen is supplied to the cathode electrode. In this process, an oxidation reaction of hydrogen occurs at the anode electrode, a reduction reaction of oxygen occurs at the cathode electrode, and electricity can be obtained due to the movement of electrons generated at this time.
상기 개질기는, 수소를 포함한 연료와 물의 혼합물을 개질 반응하여 전기발생부의 전기 생성에 필요한 수소가 풍부한 개질가스를 생성할 뿐만 아니라, 상기 개질가스에 포함되어 전기발생부의 촉매를 피독시키는 일산화탄소와 같은 유해 물질을 제거한다. 따라서 통상적으로 개질기는, 연료를 개질하여 수소가 풍부한 개질가스를 발생시키는 개질부와, 상기 개질가스에 포함된 일산화탄소를 제거하는 일산화탄소 제거부를 포함한다. 상기 개질부는 수증기 개질(Steam Reforming : SR), 부분 산화(Partial Oxidation :POx), 자열 반응(Autothermal Reaction : ATR) 등의 촉매 반응을 통해 연료를 수소가 풍부한 개질 가스로 전환한다. 상기 일산화탄소 제거부는 수성가스 전환(Water Gas Shift : WGS), 선택적 산화(Preferential CO Oxidation : PrOx) 등과 같은 촉매 반응 등을 통해 상기 수소가 풍부한 개질 가스로부터 일산화탄소를 제거한다.The reformer reforms and reacts a mixture of fuel and water, including hydrogen, to produce a reformed gas rich in hydrogen necessary for generating electricity of the electricity generating unit, as well as harmful substances such as carbon monoxide included in the reforming gas to poison the catalyst of the electricity generating unit. Remove the material. Therefore, the reformer typically includes a reforming unit for reforming fuel to generate a hydrogen-rich reforming gas and a carbon monoxide removing unit for removing carbon monoxide contained in the reforming gas. The reforming unit converts fuel into hydrogen-rich reforming gas through catalytic reactions such as steam reforming (SR), partial oxidation (POx), and autothermal reaction (ATR). The carbon monoxide removal unit removes carbon monoxide from the hydrogen-rich reformed gas through a catalytic reaction such as water gas shift (WGS) and selective oxidation (PrOx).
선택적 산화(PrOx) 반응기를 갖는 고분자 전해질형 연료전지 시스템은 공개특허 제2007-0040249호 등에 개시되어 있다. A polymer electrolyte fuel cell system having a selective oxidation (PrOx) reactor is disclosed in Korean Patent No. 2007-0040249 and the like.
상기 선택적 산화(PrOx) 반응기는 반응에 필요한 적정온도를 맞추기 위해 단독적으로 물이나 공기를 이용하며, 개질기(Reformer)용 버너는 시스템 내부 또는 외부의 공기를 그대로 흡입하여 상온(10~40℃ 전후)의 공기를 연소에 사용한다. The selective oxidation (PrOx) reactor uses water or air alone to adjust the appropriate temperature required for the reaction, the burner for the reformer (strainer) burns the air inside or outside the system as it is (at about 10 ~ 40 ℃) Air is used for combustion.
그런데, 종래 선택적 산화 반응기를 갖는 고분자 전해질형 연료전지 시스템에서는, 선택적 산화 반응기를 반응에 필요한 적정온도로 맞추기 위해 단독적으로 물이나 공기를 이용하며, 이를 위해 냉각수용 펌프 또는 공랭식 팬, 블로워 등을 사용해야 하며, 따라서 추가 구성기기 구동을 위한 동력이 필요하며, 이를 제어하기 위한 제어 포인트 및 배관이 증가하여 시스템 효율이 저하하고 원가가 상승한다는 문제점이 있었다.However, in the conventional polymer electrolyte fuel cell system having a selective oxidation reactor, water or air alone is used to adjust the selective oxidation reactor to an appropriate temperature required for the reaction. Therefore, power is required for driving additional components, and there are problems in that system efficiency is lowered and costs are increased due to an increase in control points and piping for controlling the components.
또한, 개질기의 효율의 중요한 요소인 버너의 연소효율(단열 화염 온도/연료 발열량) 향상을 기대하기 어렵다는 문제점이 있었다.In addition, there is a problem that it is difficult to expect to improve the combustion efficiency (insulation flame temperature / fuel calorific value) of the burner, which is an important factor of the efficiency of the reformer.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은 별도의 공랭식 팬 또는 블로워가 불필요하며, 버너의 연소효율을 향상할 수 있는 고분자 전해질형 연료전지 시스템을 제공하는 데 있다.The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a polymer electrolyte fuel cell system capable of improving the combustion efficiency of a burner without the need for a separate air cooling fan or blower.
본 발명은, 수소를 포함한 연료와 물의 혼합물을 개질 반응하여 전기발생부의 전기 생성에 필요한 수소가 풍부한 개질가스를 생성하는 주개질기와, 상기 개질가스에 포함되어 전기발생부의 촉매를 피독시키는 일산화탄소와 같은 유해 물질을 제거하는 선택적 산화 반응기를 구비하되, 상기 주개질기는 개질반응이 원활하게 일어나도록 상기 주개질기에 공급되는 연료가스가 분기하여 유입되거나 상기 전기발생부에서 배출되는 미반응가스가 유입되어 연소되는 버너를 구비하고, 상기 선택 적 산화 반응기에서 배출되는 공기가 상기 버너의 연소공기로 공급되는 것을 특징으로 한다.The present invention relates to a main reformer for reforming a mixture of fuel and water, including hydrogen, to produce a hydrogen-rich reforming gas necessary for generating electricity of the electricity generating unit, and carbon monoxide included in the reforming gas to poison the catalyst of the electricity generating unit. It is provided with a selective oxidation reactor for removing harmful substances, the main reformer is a fuel gas supplied to the main reformer branched inflow or unreacted gas discharged from the electricity generating unit is introduced so that the reforming reaction occurs smoothly. The burner is provided, and the air discharged from the selective oxidation reactor is supplied to combustion air of the burner.
상기 선택적 산화 반응기의 공기 입구에는 이물질을 거르도록 필터가 설치되어 있다.A filter is installed at the air inlet of the selective oxidation reactor to filter foreign matter.
상기 선택적 산화 반응기에 공급되는 공기가 선택적 산화 반응기를 거치지 않고 상기 버너에 공급되도록 상기 선택적 산화 반응기의 입출구 관로에는 밸브에 의해 공기 흐름이 조정되는 공기분기라인이 설치되어 있다.The air inlet and outlet lines of the selective oxidation reactor are provided with an air branch line for adjusting the air flow by a valve so that the air supplied to the selective oxidation reactor is supplied to the burner without passing through the selective oxidation reactor.
본 발명에 의한 고분자 전해질형 연료전지 시스템에 의하면, 선택적 산화 반응기를 반응에 필요한 적정온도로 맞추기 위한 냉각수용 펌프 또는 공랭식 팬, 블로워 등이 불필요하여, 소모동력의 감소로 발전효율이 향상되고, 주개질기용 버너의 연소효율 향상으로 시스템 발전효율이 향상되며, 선택적 산화 반응기 냉각용 구성기기 및 배관축소로 원가를 절감하는 효과가 있다.According to the polymer electrolyte fuel cell system according to the present invention, there is no need for a cooling water pump, an air-cooled fan, a blower, etc. to adjust the selective oxidation reactor to an appropriate temperature necessary for the reaction, thereby improving power generation efficiency by reducing power consumption. Improved combustion efficiency of the reformer burner improves the system power generation efficiency, and reduces the cost by reducing components and piping for selective oxidation reactor cooling.
이하, 본 발명의 실시예에 대해 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도1은 본 발명의 제1실시예에 의한 고분자 전해질형 연료전지 시스템을 나타내는 구성도이다. 도시한 바와 같이, 고분자 전해질형 연료전지 시스템은 수소를 포함한 연료와 물의 혼합물을 개질 반응하여 전기발생부(110, 스택)의 전기 생성에 필요한 수소가 풍부한 개질가스를 생성하는 주개질기(120)와, 상기 개질가스에 포함되어 상기 전기발생부(110)의 촉매를 피독시키는 일산화탄소와 같은 유해 물질을 제거하는 선택적 산화 반응기(130)를 구비한다. 1 is a block diagram showing a polymer electrolyte fuel cell system according to a first embodiment of the present invention. As shown in the drawing, the polymer electrolyte fuel cell system reforms and reacts a mixture of fuel and water including hydrogen to generate a
상기 전기발생부(110, 스택)는 애노드와 캐소드를 포함하며, 도1에서는 캐소드를 흐르는 공기의 흐름은 표시되어 있지 않다.The electricity generator 110 (stack) includes an anode and a cathode, and the flow of air flowing through the cathode is not shown in FIG. 1.
상기 주개질기(120)는 원료가스와 수증기의 혼합물(이하, '연료가스'라 한다)를 수증기 개질촉매의 존재하에 수증기 개질하여 수소가 풍부한 개질연료를 생성하는 개질기 본체(121)와, 개질반응이 원활하게 일어나도록 상기 전기발생부(110)에서 배출되는 미반응가스가 유입되어 연소하는 버너(122)를 구비한다. The
상기 주개질기(120)에서 개질된 연료가스는 상기 선택적 산화 반응기(130)를 통해 일산화탄소등이 제거되어 상기 전기발생부(110, 스택)에 공급된다. 상기 선택적 산화 반응기(130)에는 외부의 유입공기가 유입하여 상기 주개질기(120)에서 1차로 개질된 연료가스(개질연료)를 냉각시키게 되는데, 상기 개질연료를 냉각한 후 상기 선택적 산화 반응기(130)에서 배출되는 공기는 상기 버너(122)의 연소공기로 공급된다.The fuel gas reformed by the
상기 선택적 산화 반응기(130)의 공기 입구측에는 이물질을 거르는 필터(140)가 설치되어 있다. 그리고, 상기 선택적 산화 반응기(130)에 공급되는 공기가 선택적 산화 반응기(130)를 거치지 않고 상기 버너(122)에 공급되도록 상기 선택적 산화 반응기의 입출구 관로에는 밸브(150)에 의해 공기 흐름이 조정되는 공기분기라인(La)이 설치되어 있다. 상기 필터(140)는 상기 공기분기라인(La)의 분기부 후에 설치되어 있다. At the air inlet side of the
이와 같이 구성된 본 발명에 의한 연료전지 시스템에서, 상기 연료가스는 도 시하지 않은 연료가스 공급장치를 통해 상기 주개질기(120)에 공급되어 1차로 개질된 후 상기 선택적 산화 반응기(130)를 거치면서 일산화탄소등이 제거된 다음, 전기발생부(110)에 공급된다. 상기 전기발생부(110)에서 배출되는 미반응가스는 상기 버너(122)에 순환되어 연소된다.In the fuel cell system according to the present invention configured as described above, the fuel gas is supplied to the
도2는 본 발명의 제2실시예에 의한 고분자 전해질형 연료전지 시스템을 나타내는 구성도이다. 본 실시예에서는 주개질기(220)에 공급되는 연료가스도 연료분기라인(Lf)을 통하여 분기하여 버너(222)에 공급되며, 선택적 산화 반응기(230)의 입구에 설치되는 필터(240)는 공기분기라인(La) 이전에 설치되어 있다. 나머지 구성은 본 발명의 제1실시예와 동일하다. 부호 210은 전기발생부를 나타내고, 부호 250은 밸브를 나타낸다. 2 is a block diagram showing a polymer electrolyte fuel cell system according to a second embodiment of the present invention. In this embodiment, the fuel gas supplied to the
이와 같이 구성된 본 발명에 의한 고분자 전해질형 연료전지 시스템에 의하면, 시스템 운전이 진행되면서 선택적 산화 반응에 의해 반응기의 온도가 상승하므로 버너에 높은 온도(80~100℃)의 연소공기 공급이 가능하다. According to the polymer electrolyte fuel cell system according to the present invention configured as described above, since the temperature of the reactor is increased by the selective oxidation reaction as the system operation proceeds, it is possible to supply combustion air at a high temperature (80-100 ° C.) to the burner.
이때 선택적 산화 반응기의 냉각을 위한 추가적인 구성기기는 필요치 않으며 정격의 연소공기 유량만으로 반응기냉각을 수행한다. 버너의 단열 화염 온도는 반응물의 엔탈피에 비례하므로 연소공기의 온도가 높을수록 화염온도가 높아져 연소효율이 향상되며, 개질효율 및 발전효율도 증가하게 된다. 그리고, 상기 밸브(150)(250)를 조절하여 반응기가 적절한 반응온도를 유지하도록 한다.At this time, no additional components for cooling the selective oxidation reactor are required, and the reactor cooling is performed only at the rated combustion air flow rate. Since the adiabatic flame temperature of the burner is proportional to the enthalpy of the reactants, the higher the combustion air temperature is, the higher the flame temperature is, the combustion efficiency is improved, and the reforming efficiency and power generation efficiency are also increased. In addition, the
도1은 본 발명의 제1실시예에 의한 고분자 전해질형 연료전지 시스템을 나타내는 구성도,1 is a block diagram showing a polymer electrolyte fuel cell system according to a first embodiment of the present invention;
도2는 본 발명의 제2실시예에 의한 고분자 전해질형 연료전지 시스템을 나타내는 구성도이다.2 is a block diagram showing a polymer electrolyte fuel cell system according to a second embodiment of the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
110, 210 : 전기발생부 120, 220 : 주개질기110, 210:
122, 222 : 버너 130, 230 : 선택적 산화 반응기122, 222:
140, 240 : 필터 150, 250 : 밸브140, 240:
La : 공기분기라인 Lf : 연료분기라인La: Air branch line Lf: Fuel branch line
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