KR101165745B1 - High-temperature power generation fuel cell system using catalytically-assisted combustor - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지 스택의 배출가스를 촉매보조 연소기 내에서 1차 연소와 화염 연소인 2차 연소를 통해 완전 연소시킴으로써 귀금속 촉매를 다량 사용함으로써 발생할 수 있는 비용을 감소시키고 시스템의 내구성을 향상시키며, 연소 과정에서 발생하는 열을 재이용하여 연소 효율 및 시스템 전체의 발전 효율을 높일 수 있는 촉매보조 연소기를 구비하는 고온 발전용 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 연료 및 물을 공급받아 개질반응에 의해 수소를 생산하는 개질기와, 양극과 음극을 구비하고, 외부공기와 상기 개질기로부터 공급받은 수소를 이용하여 화학반응에 의해 전기 에너지를 생산하는 연료전지 스택과, 연소촉매가 구비되고 상기 연료전지 스택의 배출가스가 주입되어 촉매연소되는 제1연소실, 외부공기를 공급받아 상기 제1연소실에서 발생하는 열을 이용하여 가열하고 상기 제1연소실의 배출가스와 혼합하여 분사하는 가스분사노즐, 상기 가스분사노즐에서 분사된 가스가 화염연소되는 제2연소실을 포함하는 촉매보조 연소기와, 상기 촉매보조 연소기에서 발생하는 열을 이용하여 상기 개질기로 공급되는 연료 및 물을 가열하는 제1열교환기와, 상기 촉매보조 연소기에서 발생하는 열을 이용하여 상기 연료전지 스택으로 공급되는 외부공기를 가열하는 제2열교환기를 포함하는 것을 특징으로 한다.The present invention reduces the costs that can be incurred by using a large amount of noble metal catalyst by completely burning the exhaust gas of the fuel cell stack through the primary combustion in the catalytic auxiliary combustor and the secondary combustion which is the flame combustion and improves the durability of the system, The present invention relates to a fuel cell system for high temperature power generation having a catalytic auxiliary combustor capable of reusing heat generated in a combustion process to increase combustion efficiency and overall power generation efficiency of a system. A fuel cell stack having an anode and a cathode and producing electrical energy by chemical reaction using outside air and hydrogen supplied from the reformer; and a combustion catalyst, wherein the exhaust gas of the fuel cell stack A first combustion chamber injected and catalytically burned, and a second combustion chamber supplied with external air, And a second combustion chamber in which the gas injected from the gas injection nozzle is flame burned; and a catalyst-assisted combustor including a catalyst-assisted combustor which is heated by using heat generated and mixed with an exhaust gas of the first combustion chamber, A first heat exchanger for heating the fuel and water supplied to the reformer by using heat generated from the combustor, and a second heat exchanger for heating external air supplied to the fuel cell stack using heat generated in the catalytic auxiliary combustor And a group.

Description

촉매보조 연소기를 구비하는 고온 발전용 연료전지 시스템{HIGH-TEMPERATURE POWER GENERATION FUEL CELL SYSTEM USING CATALYTICALLY-ASSISTED COMBUSTOR}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a high-temperature power generation fuel cell system having a catalytic auxiliary combustor,

본 발명은 촉매보조 연소기를 구비하는 고온 발전용 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 스택의 배출가스를 촉매보조 연소기 내에서 1차 연소와 화염 연소인 2차 연소를 통해 완전 연소시킴으로써 귀금속 촉매를 다량 사용함으로써 발생할 수 있는 비용을 감소시키고 시스템의 내구성을 향상시키며, 연소 과정에서 발생하는 열을 재이용하여 연소 효율 및 시스템 전체의 발전 효율을 높일 수 있는 촉매보조 연소기를 구비하는 고온 발전용 연료전지 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a high-temperature power generation fuel cell system having a catalyst-assisted combustor, and more particularly, to a fuel cell system for a high-temperature power generation system in which exhaust gas from a fuel cell stack is completely burned through primary combustion and secondary combustion, There is provided a catalyst-assisted combustor capable of reducing the costs that can be incurred by using a large amount of noble metal catalyst, improving the durability of the system, reusing heat generated in the combustion process, To a fuel cell system.

연료전지는 천연 가스, 메탄올 등의 연료로부터 수소를 취득하여 대기 중의 산소와 반응시켜 전기를 만드는 발전 방식으로서, 화학 반응을 통해 연료가 가진 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 발전 시스템을 말한다. 기존 화력 발전 시스템에서 화석연료를 연소하여 얻은 열에너지를 기계에너지로 변환하고, 이를 다시 전기에너지로 변환하여 사용하였던 것에 비해 중간과정을 제거함으로써 이론상 효율이 대단히 높고, 화석연료의 연소로 인한 오염물질 발생을 줄일 수 있는 특성을 갖는다.A fuel cell is a power generation system that converts hydrogen from fuel such as natural gas or methanol into oxygen by reacting with oxygen in the atmosphere to convert the chemical energy of the fuel directly into electric energy through chemical reaction. In the existing thermal power generation system, the thermal energy obtained by burning the fossil fuel is converted into mechanical energy and then converted into electrical energy. However, the efficiency is very high in theory by eliminating the intermediate process, and the pollutant caused by the combustion of fossil fuel Can be reduced.

연료전지는 작동 온도에 따라 인산형 연료전지(PAFC : Phosporic Acid Fuel Cell), 고체고분자형 연료전지(PEFC : Polymer Electrolyte Fuel Cell) 등의 저온용 연료전지와 용융탄산염 연료전지(MCFC : molten carbonate fuel cell)나 고체산화물 연료전지(SOFC : solid oxide fuel cell) 등의 고온용 연료전지로 나눌 수 있다. 이 중 특히 고온용 연료전지는 고온에서의 빠른 반응속도로 인해 귀금속 전극이 필요하지 않아 경제적이고 , 다양한 연료 선택성을 제공하며, 발전효율을 증가시킬 수 있는 장점이 있어 최근 이에 관한 많은 연구가 이루어지고 있다.Fuel cells can be classified into low temperature fuel cells such as Phosphoric Acid Fuel Cell (PAFC), Polymer Electrolyte Fuel Cell (PEFC), and Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC) temperature fuel cell such as a solid oxide fuel cell (SOFC) or a high-temperature fuel cell. Among them, particularly, the fuel cell for high temperature is economical because it does not require a noble metal electrode due to its high reaction speed at a high temperature, provides various fuel selectivity, and has an advantage of increasing power generation efficiency. have.

도 1은 종래 제시된 고온 발전용 연료전지 시스템의 개략도이다. 고온 발전용 연료전지 시스템은 개질기(reformer), 스택(stack), 연소기, 기타 주변장치로 구성된다.1 is a schematic diagram of a conventionally proposed high temperature power generation fuel cell system. The fuel cell system for high temperature power generation consists of a reformer, a stack, a combustor, and other peripherals.

스택의 양극(anode)에는 개질기를 거쳐 수소를 함유한 연료가 공급된다. 양극에서 개질된 연료의 50~70%가 반응하므로 양극 배출가스에는 개질과정에서 발생하는 H2, CO, CH4 등의 미반응 연료성분이 포함된다. 다만, 반응과정에서 발생하는 CO2, H2O 등이 다량 존재함으로써 연료 중 가연성분의 농도가 매우 낮아지게 된다. The anode of the stack is fed with fuel containing hydrogen through a reformer. The anode exhaust gas contains unreacted fuel components such as H 2 , CO, and CH 4 that are generated during the reforming process because 50 to 70% of the reformed fuel is reacted at the anode. However, the presence of a large amount of CO 2 , H 2 O, etc. generated during the reaction leads to a very low concentration of combustible components in the fuel.

배출가스 중에 반응 성분의 비율이 낮기 때문에 이를 완전연소시키기 위한 방안으로는 추가적으로 연료를 공급하는 방법과 촉매연소기를 사용하는 방법이 있다. 그러나 추가연료의 사용은 시스템 효율의 저하를 야기시킬 수 있으므로 희박조건에서도 반응성이 뛰어난 촉매연소기(catalytic combustor)가 널리 사용된다.Since the ratio of the reaction components in the exhaust gas is low, there are a method of supplying fuel additionally and a method of using a catalytic combustor as a method for completely burning it. However, the use of additional fuels may lead to a decrease in system efficiency, so catalytic combustors with excellent reactivity under lean conditions are widely used.

그러나 촉매연소기에서는 반응성을 높이기 위하여 백금(Pt), 팔라듐(Pd) 등의 귀금속 촉매가 사용되므로 가격이 비싼 단점이 있다.However, since the catalytic combustor uses a noble metal catalyst such as platinum (Pt) and palladium (Pd) in order to increase the reactivity, it is disadvantageous in that it is expensive.

또한, 연소촉매의 특성상 촉매층의 온도가 촉매의 내구 온도 이상으로 올라가면 촉매에 손상이 발생하게 되어 사용수명이 감소하게 되는 문제점이 있었다.Also, when the temperature of the catalyst layer rises above the endurance temperature of the catalyst due to the characteristics of the combustion catalyst, there is a problem that the catalyst is damaged and the service life is shortened.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로 연료전지 스택의 배출가스를 촉매연소만으로 완전연소시키는 경우 발생하는 비용을 절감할 수 있는 촉매보조 연소기를 구비하는 고온 발전용 연료전지 시스템을 제공하는 데에 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems and it is an object of the present invention to provide a fuel cell system for high temperature power generation having a catalyst-assisted combustor capable of reducing the cost incurred in completely burning exhaust gas of a fuel cell stack only by catalytic combustion It has its purpose.

또한, 촉매층의 온도가 촉매의 내구 온도 이상으로 올라가지 않도록 하여 내구성을 향상시킬 수 있는 촉매보조 연소기를 구비하는 고온 발전용 고효율 연료전지 시스템을 제공하는 데에 그 목적이 있다.Another object of the present invention is to provide a high-efficiency fuel cell system for high-temperature power generation, which is equipped with a catalyst-assisted combustor capable of improving the durability by preventing the temperature of the catalyst layer from exceeding the durability temperature of the catalyst.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 촉매보조 연소기를 구비하는 고온 발전용 연료전지 시스템은 연료 및 물을 공급받아 개질반응에 의해 수소를 생산하는 개질기와, 양극과 음극을 구비하고, 외부공기와 상기 개질기로부터 공급받은 수소를 이용하여 화학반응에 의해 전기 에너지를 생산하는 연료전지 스택과, 연소촉매가 수용되고 외부공기와 상기 양극의 배출가스가 주입되어 촉매연소되는 제1연소실, 외부공기를 공급받아 상기 제1연소실에서 발생하는 열을 이용하여 가열하고 상기 제1연소실의 배출가스와 혼합하여 분사하는 가스분사노즐, 상기 가스분사노즐에서 분사된 가스가 화염연소되는 제2연소실을 포함하는 촉매보조 연소기를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to accomplish the above object, the present invention provides a high-temperature power generation fuel cell system including a catalytic auxiliary combustor according to the present invention, comprising: a reformer for generating hydrogen by supplying fuel and water by a reforming reaction; A first combustion chamber in which a combustion catalyst is accommodated and external air and an exhaust gas of the anode are injected to be catalytically burned; And a second combustion chamber in which the gas injected from the gas injection nozzle is flame-burned, the catalyst-assisted combustor comprising: a gas-injection nozzle for heating by using heat generated from the first combustion chamber and mixing with the exhaust gas of the first combustion chamber, And a control unit.

여기서, 개질기에서의 개질반응을 촉진하고 스택의 반응성을 향상시키기 위하여 상기 촉매보조 연소기에서 발생하는 열을 이용하여 상기 개질기로 공급되는 연료 및 물을 가열하는 제1열교환기, 혹은 상기 촉매보조 연소기에서 발생하는 열을 이용하여 상기 연료전지 스택으로 공급되는 외부공기를 가열하는 제2열교환기를 더 포함하는 것이 바람직하다.Here, in order to promote the reforming reaction in the reformer and improve the reactivity of the stack, a first heat exchanger that heats the fuel and water supplied to the reformer using heat generated in the catalyst auxiliary combustor, or a first heat exchanger And a second heat exchanger for heating external air supplied to the fuel cell stack using heat generated by the second heat exchanger.

또한, 연료전지 시스템의 발전효율을 높이기 위하여 시스템에 가스터빈을 설치하는 것이 바람직하다. 이 때, 가스터빈은 연료전지 스택으로 공급되는 외부공기를 가압하는 압축기와 촉매보조 연소기의 배출가스로 구동되는 터빈, 터빈으로부터 전기를 발생시킬 수 있는 발전기로 구성된다.In addition, it is desirable to install a gas turbine in the system in order to increase the power generation efficiency of the fuel cell system. At this time, the gas turbine is composed of a compressor which pressurizes the outside air supplied to the fuel cell stack, a turbine which is driven by the exhaust gas of the catalytic auxiliary combustor, and a generator which can generate electricity from the turbine.

아울러, 촉매보조 연소기의 제1연소실에서 1차연소를 마치고 배출공을 통해 빠져나온 배출가스와 공기공급관으로부터 공급된 외부공기의 혼합을 촉진하기 위해 상기 촉매보조 연소기는 상기 가스분사노즐에 공급되는 외부공기가 난류를 형성하도록 하는 스월(swirl)부를 더 포함하는 것이 바람직하다.In order to promote the mixing of the exhaust gas exiting through the exhaust hole and the external air supplied from the air supply pipe after completing the primary combustion in the first combustion chamber of the catalytic combustion combustor, It is preferable that the swirl unit further includes a swirl unit for generating a turbulent flow.

본 발명에 따르면, 촉매보조 연소기의 1차연소에 의해 발생한 열을 이용하여 공기공급관을 통해 공급되는 공기를 가열하고, 예열된 공기와 1차연소 배출가스를 혼합하여 2차연소를 시키므로 연소효율을 높여 완전 연소가 가능하게 한다.According to the present invention, since the air supplied through the air supply pipe is heated by using the heat generated by the primary combustion of the catalytic auxiliary combustor, and the preheated air and the primary effluent gas are mixed to perform the secondary combustion, .

아울러, 1차, 2차 2단계의 연소과정을 이용함으로써 촉매연소기를 단독으로 사용할 때보다 과잉공기량을 감소시킬 수 있으므로 공기를 주입하는 데 드는 설비나 압축기의 용량을 감소시키고, 결과적으로 시스템 전체의 효율이 향상되는 효과가 있다.In addition, by using the combustion process of the first stage and the second stage, the amount of excess air can be reduced more than when the catalytic combustor is used alone, so that the capacity of the equipment or the compressor to inject air can be reduced, The efficiency is improved.

또한, 1차연소에 의해 발생한 열이 공기공급관을 통해 공급되는 공기와 열교환되고, 1차연소 및 2차연소에 의해 촉매보조 연소기에서 발생한 열이 개질기에 공급되는 연료, 물 및 연료전지 스택에 공급되는 공기와 열교환되도록 함으로써 시스템의 열효율이 향상된다. 또한, 1차연소용 공기량을 조절함으로써 촉매가 내구 온도 이상으로 올라가지 않도록 유지시킬 수 있어 열손상을 방지하므로 시스템의 내구성이 향상된다.Further, the heat generated by the primary combustion is heat-exchanged with the air supplied through the air supply pipe, and the heat generated in the catalytic auxiliary combustor by the primary and secondary combustion causes the fuel, water and air supplied to the fuel cell stack The thermal efficiency of the system is improved by allowing heat exchange. Further, by controlling the amount of air for the primary combustion, the catalyst can be kept from rising above the durability temperature, thereby preventing thermal damage, thereby improving the durability of the system.

또한, 연료전지 스택의 배출가스를 연소시키는 데에 사용되는 촉매량을 줄일 수 있으므로 귀금속 촉매를 다량 사용함으로써 발생할 수 있는 비용을 절감할 수 있다.In addition, since the amount of catalyst used to burn out the exhaust gas of the fuel cell stack can be reduced, the cost that can be incurred by using a large amount of the noble metal catalyst can be reduced.

여기서, 촉매보조 연소기의 배출가스로 구동되는 가스터빈에 의해 전기를 생산하고 연료전지 스택에 외부공기를 가압하여 공급하는 압축기를 구동함으로써 추가적인 전력 공급 없이 시스템의 발전효율을 높일 수 있는 장점이 있다.Here, there is an advantage that power generation efficiency can be increased without additional power supply by driving the compressor which generates electricity by the gas turbine driven by the exhaust gas of the catalytic auxiliary combustor and pressurizes and supplies the external air to the fuel cell stack.

뿐만 아니라, 촉매보조 연소기 내에서 1차연소를 마친 배출가스와 스월부를 통과하여 난류로 변환된 공기를 혼합시킴으로써 미반응 연료성분과 공기가 쉽게 섞이도록 하여 2차연소를 돕는다.In addition, in the catalytic-assisted combustor, the unburned fuel and air are mixed easily by mixing the exhaust gas that has passed through the primary combustion and the turbulent air passing through the swirl part, thereby assisting secondary combustion.

도 1은 종래 고온 발전용 연료전지 시스템의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 촉매보조 연소기를 구비하는 고온 발전용 연료전지 시스템의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 촉매보조 연소기를 구비하는 고온 발전용 연료전지 시스템의 촉매보조 연소기의 단면도이다.
도 4는 도 3의 촉매보조 연소기를 A-A'를 따라 절단한 단면을 나타낸 단면도이다.
도 5는 도 3의 촉매보조 연소기를 B-B'을 따라 절단한 단면을 나타낸 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 촉매보조 연소기를 구비하는 고온 발전용 연료전지 시스템의 개략도이다.
1 is a schematic diagram of a conventional high temperature power generation fuel cell system.
2 is a schematic view of a fuel cell system for high temperature power generation including a catalytic auxiliary combustor according to a first embodiment of the present invention.
3 is a cross-sectional view of a catalytic auxiliary combustor of a high temperature power generation fuel cell system having a catalytic auxiliary combustor according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view of the catalyst-assisted combustor of FIG. 3 taken along line A-A '.
FIG. 5 is a cross-sectional view of the catalyst-assisted combustor of FIG. 3 taken along line B-B '.
6 is a schematic view of a fuel cell system for high temperature power generation including a catalytic auxiliary combustor according to a second embodiment of the present invention.

이하, 본 발명의 제1실시예에 따른 촉매보조 연소기를 구비하는 고온 발전용 연료전지 시스템(100)을 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.Hereinafter, a high temperature power generation fuel cell system 100 having a catalyst auxiliary combustor according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 촉매보조 연소기를 구비하는 고온 발전용 연료전지 시스템의 개략도이고, 도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 촉매보조 연소기를 구비하는 고온 발전용 연료전지 시스템의 촉매보조 연소기의 단면도이며, 도 4는 도 3의 촉매보조 연소기를 A-A'를 따라 절단한 단면을 나타낸 단면도이고, 도 5는 도 3의 촉매보조 연소기를 B-B'을 따라 절단한 단면을 나타낸 단면도이다. 이하 도 2 내지 도 5를 참조하여 설명한다.2 is a schematic view of a high-temperature power generation fuel cell system including a catalytic auxiliary combustor according to a first embodiment of the present invention. FIG. 3 is a schematic view of a high- FIG. 4 is a cross-sectional view of the catalyst-assisted combustor of FIG. 3 taken along line A-A ', and FIG. 5 is a cross-sectional view of the catalyst-assisted combustor of FIG. 1 is a cross-sectional view showing a cut section. This will be described below with reference to Figs. 2 to 5. Fig.

본 실시예에 따른 촉매보조 연소기를 구비하는 고온 발전용 연료전지 시스템(100)은 개질기(200), 연료전지 스택(300), 촉매보조 연소기(400), 제1열교환기(500), 제2열교환기(600)를 를 포함한다.The high temperature power generation fuel cell system 100 including the catalytic auxiliary combustor according to the present embodiment includes a reformer 200, a fuel cell stack 300, a catalytic auxiliary combustor 400, a first heat exchanger 500, And a heat exchanger (600).

개질기(200)는 연료 및 물을 공급받아 개질반응에 의해 수소를 생성한다.The reformer 200 supplies fuel and water and generates hydrogen by a reforming reaction.

연료전지 스택(300)은 양극(anode)(310)과 음극(cathode)(320)을 구비하고, 외부공기와 개질기(200)로부터 공급받은 수소를 이용하여 화학반응에 의해 전기 에너지를 생산한다.The fuel cell stack 300 has an anode 310 and a cathode 320 and generates electrical energy by chemical reaction using external air and hydrogen supplied from the reformer 200.

촉매보조 연소기(400)는 연소촉매(411)가 수용되고, 외부공기와 연료전지 스택(300)의 배출가스가 주입되어 촉매연소되는 제1연소실(410), 제1연소실(410)의 배출가스와 가열된 외부공기를 혼합하여 분사하는 가스분사노즐(420), 상기 가스분사노즐(420)에서 분사된 가스가 화염연소되는 제2연소실(430)을 포함한다.The catalytic auxiliary combustor 400 includes a first combustion chamber 410 in which the combustion catalyst 411 is accommodated and external air and the exhaust gas of the fuel cell stack 300 are injected and catalytically burned, And a second combustion chamber 430 in which the gas injected from the gas injection nozzle 420 is flame burned. The gas injection nozzle 420 injects the mixed gas and the heated external air.

본 실시예에서는 제1연소실(410)은 연소촉매(411)를 수용하고 일단으로 연료전지 스택(300)의 배출가스가 주입되는 파이프부(413), 파이프부(413)의 타단에 결합하는 마개부(414), 파이프부(413)의 외주면에 형성되어 연소촉매(411)에서 연소된 배출가스가 빠져나가는 배출공(412)을 포함한다. The first combustion chamber 410 includes a pipe portion 413 for receiving the combustion catalyst 411 and one end to which the exhaust gas of the fuel cell stack 300 is injected, And a discharge hole 412 formed in the outer circumferential surface of the pipe portion 413 to discharge the combustion exhaust gas from the combustion catalyst 411.

파이프부(413)는 원통형으로 형성되어 내부에 연소촉매(411)가 구비되고, 배출공(412)은 연소촉매(411)가 수용된 영역과 마개부(414)의 사이의 파이프부(413)의 외주면에 복수개가 형성된다. 연소촉매(411)는 파이프부(413)의 내부에 복수개가 채워져 있으며 내구온도는 800 ~ 900℃ 정도이므로 그 이상의 열이 발생할 경우 손상이 발생할 수 있다. The pipe 413 is formed in a cylindrical shape so that the combustion catalyst 411 is provided therein and the discharge hole 412 is formed in the pipe 413 between the region where the combustion catalyst 411 is accommodated and the stopper 414 A plurality is formed on the outer circumferential surface. The combustion catalyst 411 is filled in the inside of the pipe portion 413 and the endurance temperature is about 800 to 900 DEG C, so that damage may occur when more heat is generated.

가스분사노즐(420)은 외부공기를 공급하는 공기공급관(421), 상기 제1연소실(410)의 상기 연소촉매(411)가 수용된 영역을 감싸고 상기 제1연소실(410)에서 발생하는 열에 의하여 상기 공기공급관(421)에서 공급된 외부공기가 가열되는 가열부(422), 상기 배출공(412)을 감싸고 상기 배출공(412)을 빠져나온 배출가스와 상기 가열부(422)를 통과한 외부공기와 혼합되는 혼합부(423), 상기 혼합부(423)를 통과한 가스가 상기 제2연소실(430)로 주입되는 분사공(424), 외부공기가 배출공(412)을 빠져나온 배출가스와 혼합되기 전에 난류를 형성하도록 하는 스월(swirl)부(425)를 포함한다.The gas injection nozzle 420 surrounds an area where the combustion catalyst 411 of the first combustion chamber 410 is accommodated and generates heat by the heat generated in the first combustion chamber 410, A heating unit 422 for heating the outside air supplied from the air supply pipe 421 and a heating unit 422 for heating the outside air passing through the heating unit 422 and the exhaust gas passing through the exhaust hole 412, A mixing hole 423 in which the gas passing through the mixing portion 423 is injected into the second combustion chamber 430 and a discharge hole 424 in which the outside air is discharged from the discharge hole 412 And a swirl portion 425 for forming a turbulent flow before mixing.

가열부(422)는 상기 원통형의 파이프부(413)를 감싸도록 원통형으로 형성되므로 링 형상으로 이루어진다. 제1연소실(410)에서 발생한 열이 파이프부(413)의 벽면을 통하여 가열부(422)를 통과하는 외부공기를 충분히 가열하도록 가열부(422)는 파이프부(413)를 이중으로 감싸는 구조를 갖는다. The heating portion 422 is formed in a ring shape so as to surround the cylindrical pipe portion 413. The heating section 422 is configured to double the pipe section 413 so that the heat generated in the first combustion chamber 410 sufficiently heats the external air passing through the heating section 422 through the wall surface of the pipe section 413 .

본 실시예에서는 스월부(425)는 스월부(425)를 통과하여 난류화된 외부공기가 불규칙적인 유동이 최대화된 상태에서 배출공(412)을 빠져나온 배출가스와 혼합될 수 있도록 가열부(422)의 안쪽에서 배출공(412)에 이르기 바로 전 영역에 형성된다. 스월부(425)는 링 형상의 가열부(422)를 따라 형성된 선회날개부의 형상을 취하였으나, 이외에도 외부공기에 난류를 발생시킬 수 있는 형상이면 어떠한 것이든 가능하다.In the present embodiment, the swage portion 425 is formed so that the external air, which has passed through the swirl portion 425 and is turbulent, is mixed with the exhaust gas exiting the discharge hole 412 in a state where the irregular flow is maximized 422 to the discharge hole 412 in the region immediately preceding the discharge hole 412. Although the swage portion 425 takes the shape of the swirl portion formed along the ring-shaped heating portion 422, it can be any shape as long as it can generate turbulence in the outside air.

제1열교환기(500)와 제2열교환기(600)는 각각 촉매보조 연소기(400)에서 발생한 열을 이용하여 개질기(200)로 공급되는 연료 및 물과, 연료전지 스택(300) 및 촉매보조 연소기(400)로 공급되는 외부공기를 가열한다.The first heat exchanger 500 and the second heat exchanger 600 are connected to the fuel and water supplied to the reformer 200 using the heat generated in the catalyst auxiliary combustor 400, And heats the external air supplied to the combustor 400.

이하, 본 발명의 제1실시예에 따른 촉매보조 연소기를 구비하는 고온 발전용 연료전지 시스템(100)의 동작을 설명한다.Hereinafter, the operation of the high temperature power generation fuel cell system 100 having the catalyst auxiliary combustor according to the first embodiment of the present invention will be described.

연료 및 물을 공급받은 개질기(200)는 CH4 + H2O → CO + 3H2 의 개질반응에 의하여 수소를 생성한다.The reformer 200, which has been supplied with the fuel and the water, converts CH 4 + H 2 O - > CO + 3H 2 To produce hydrogen.

일반적으로 연료전지 스택(300)의 양극(310)에서는 수소의 산화가 일어나 전자가 발생하게 되는데, 개질기(200)를 사용함으로써 메탄, 프로판 등 수소 성분을 함유한 연료가스를 개질하여 수소를 얻을 수 있으므로 다양한 종류의 가스를 연료로 사용할 수 있다.Generally, in the anode 310 of the fuel cell stack 300, hydrogen is oxidized and electrons are generated. By using the reformer 200, a fuel gas containing a hydrogen component such as methane or propane is reformed to obtain hydrogen Therefore, various kinds of gas can be used as fuel.

개질기(200)에서 생성된 수소는 연료전지 스택(300)의 양극(310)으로 이동하여 용융탄산염 연료전지의 경우 H2 + CO3 2 - → H2O + CO2 + 2e-, 고체산화물 연료전지의 경우 H2 + O2 - → H2O + 2e- 의 화학반응을 통해 전자를 생성한다.The hydrogen generated in the reformer 200 moves to the anode 310 of the fuel cell stack 300 and is supplied to the anode 310 of the fuel cell stack 300 as H 2 + CO 3 2 - > H 2 O + CO 2 + 2e - In the case of a battery, electrons are generated through a chemical reaction of H 2 + O 2 - → H 2 O + 2e - .

연료전지 스택(300)의 음극(320)에서는 공급받은 외부공기에 포함된 산소를 이용하여 용융탄산염 연료전지의 경우 1/2 O2 + CO2 + 2e- → CO3 2 - 의 반응을 통해 다시 수소의 산화에 이용되는 탄산이온이 생성되며, 고체산화물 연료전지의 경우 1/2 O2 + 2e- → O2 - 의 화학반응을 통해 산소이온이 생성되어 전해질을 통해 이동한다.In the cathode 320 of the fuel cell stack 300, the oxygen contained in the supplied external air is used for the molten carbonate fuel cell to react again by the reaction of 1/2 O 2 + CO 2 + 2 e - → CO 3 2 - In the case of a solid oxide fuel cell, oxygen ions are generated through a chemical reaction of ½ O 2 + 2e - → O 2 - and transferred through the electrolyte.

촉매보조 연소기(400)는 상기 연료전지 스택 양극(310)의 배출가스를 완전연소시키는 역할을 한다. 스택 양극(310)의 배출가스에는 개질기에서 개질과정을 거쳐 발생하는 H2, CO 와 개질반응에 참여하지 못하고 남은 CH4 등의 미반응 연료성분이 포함된다. 다만 반응과정에서 CO2, H2O 등이 생성되기 때문에 전체 배출가스 중 가연성분의 농도는 매우 낮다.The catalyst auxiliary combustor 400 serves to completely burn off the exhaust gas of the anode 310 of the fuel cell stack. The exhaust gas of the stack anode 310 includes H 2 , And unreacted fuel components such as CO and remaining CH 4 that have not participated in the reforming reaction. However, since CO 2 and H 2 O are generated in the reaction process, the concentration of combustible components in the total exhaust gas is very low.

연소촉매(411)는 반응성이 뛰어나므로 배출가스 중 가연성분의 농도가 낮더라도 이를 연소시킬 수 있다. 스택 양극(310)의 배출가스가 외부공기와 함께 제1연소실(410)의 파이프부(413)로 주입되면 파이프부(413)에 내부에 연소촉매(411)가 채워진 영역을 통과하며 촉매연소가 이루어진다. Since the combustion catalyst 411 is excellent in reactivity, even if the concentration of the combustible component in the exhaust gas is low, it can be combusted. When the exhaust gas of the stack anode 310 is injected into the pipe section 413 of the first combustion chamber 410 together with the outside air, the exhaust gas passes through the region where the combustion catalyst 411 is filled in the pipe section 413, .

파이프부(413)의 일단이 마개부(414)에 의해 폐쇄되어 있으므로 연소촉매(411)가 채워진 영역을 통과한 가스는 배출공(412)을 통해 가스분사노즐(420)로 빠져나온다.Since the one end of the pipe portion 413 is closed by the stopper portion 414, the gas that has passed through the region filled with the combustion catalyst 411 escapes to the gas injection nozzle 420 through the exhaust hole 412.

가스분사노즐(420)에는 공기공급관(421)을 통해 외부공기가 주입된다. 주입된 외부공기는 파이프부(411)의 촉매가 수용된 영역을 이중으로 감싸는 가열부(422)의 유로를 통과하게 된다. 1차 연소 과정에서 연소촉매(412)에 발생한 열은 파이프부(411)로 전달되고, 이는 다시 파이프부(411)에 접촉하며 유동하는 외부공기에 전달된다. 파이프부(411)와 외부공기 사이에 열교환이 이루어지면서 다시 온도가 높은 파이프부(411)는 냉각되고, 상대적으로 온도가 낮은 외부공기는 온도가 상승한다. 이와 같이, 촉매연소에 의해 연소촉매(412)에 발생한 열이 가열부(422)를 통해 외부공기에 전달되고 연소촉매(412)가 냉각됨에 따라 촉매가 과열되어 열손상을 입게 되는 위험을 방지할 수 있다.External air is injected into the gas injection nozzle 420 through the air supply pipe 421. The injected outside air passes through the channel of the heating unit 422 which doubly surrounds the region where the catalyst of the pipe unit 411 is accommodated. Heat generated in the combustion catalyst 412 in the primary combustion process is transferred to the pipe section 411, which in turn contacts the pipe section 411 and is transferred to the flowing external air. Heat exchange occurs between the pipe section 411 and the outside air, and the pipe section 411 having a high temperature is cooled again, and the temperature of the outside air having a relatively low temperature rises. As described above, the risk that the heat generated in the combustion catalyst 412 by the catalytic combustion is transferred to the outside air through the heating portion 422 and the combustion catalyst 412 is cooled, .

또한, 열교환에 의해 연소촉매(412)의 온도가 내구 온도 이하로 유지될 수 있으므로 연소촉매(412)의 온도가 지나치게 상승하는 것을 방지하기 위하여 필요한 과잉공기량을 감소시킬 수 있다. 일반적인 촉매연소기를 사용한 경우 과잉공기율은 300~400% 정도이나, 본 발명에 따른 촉매보조 연소기(400)를 사용할 경우 약 120% 정도의 과잉공기량으로도 완전 연소가 가능하다. 이는 공기주입에 필요한 설비 및 후술할 압축기(700)의 용량을 감소시키게 되어 결과적으로 시스템 전체의 효율 향상을 가져온다.Also, since the temperature of the combustion catalyst 412 can be kept below the durability temperature by the heat exchange, the amount of excess air necessary for preventing the temperature of the combustion catalyst 412 from rising excessively can be reduced. When the general catalytic combustor is used, the excess air ratio is about 300 to 400%. However, when the catalytic combustor 400 according to the present invention is used, complete combustion can be performed even with an excess air amount of about 120%. This reduces the facilities required for air injection and the capacity of the compressor 700 to be described later, resulting in an improvement in efficiency of the entire system.

가열된 외부공기와 1차 연소를 마치고 배출공(413)을 빠져나온 배출가스는 혼합부(423)에서 혼합되어 제2연소실로 보내어진다. 여기서 외부공기는 혼합부(423)에 이르기 전에 스월부(425)를 통과하면서 난류로 변환된다. 외부공기의 난류 강도를 증가시킴으로써 배출가스와의 혼합을 촉진할 수 있고, 이는 미반응 연료성분과 공기에 포함된 산소가 쉽게 섞이도록 함으로써 제2연소실(430)에서의 2차 연소를 돕는다.The exhaust gas that has exited through the exhaust hole 413 after the first combustion with the heated outside air is mixed in the mixing portion 423 and is sent to the second combustion chamber. Here, the outside air is converted into turbulent flow through the swirling section 425 before reaching the mixing section 423. By increasing the turbulence intensity of the outside air, mixing with the exhaust gas can be promoted, which facilitates secondary combustion in the second combustion chamber 430 by allowing the unreacted fuel component and the oxygen contained in the air to easily mix.

2차 연소는 화염을 동반한 연소이다. 혼합부(423)에서 혼합된 가스가 분사공(424)을 통해 제2연소실(430)로 분사되어 2차연소가 이루어지는데, 혼합가스를 구성하는 외부공기를 예열시킴으로써 연소효율을 높일 수 있고, 반응을 촉진하여 완전 연소가 가능하게 한다. 이로써 1차 연소에서 연료전지 스택(300)의 배출가스를 연소시키는 데에 사용되는 연소촉매(412)의 양을 줄일 수 있으므로 귀금속 촉매를 다량 사용함으로서 발생할 수 있는 비용을 절감할 수 있다.Secondary combustion is burning accompanied by flame. The mixed gas in the mixing portion 423 is injected into the second combustion chamber 430 through the injection hole 424 to perform secondary combustion. The combustion efficiency can be increased by preheating the outside air constituting the mixed gas, Thereby enabling complete combustion. As a result, the amount of the combustion catalyst 412 used for burning the exhaust gas of the fuel cell stack 300 in the primary combustion can be reduced, so that it is possible to reduce the cost that can be incurred by using a large amount of the noble metal catalyst.

1차 연소 및 2차 연소를 통해 촉매보조 연소기(400)에서 발생한 열은 제1열교환기(500)를 통해 개질기(200)에 공급되는 연료와 물을 가열하는 데에 사용된다. 개질반응은 높은 흡열반응이므로 예열된 연료와 물을 사용함으로써 개질기(200)에서의 개질반응을 촉진할 수 있다.The heat generated in the catalytic auxiliary combustor 400 through the primary combustion and the secondary combustion is used to heat the fuel and water supplied to the reformer 200 through the first heat exchanger 500. Since the reforming reaction is a high endothermic reaction, the reforming reaction in the reformer 200 can be promoted by using the preheated fuel and water.

또한 제2열교환기(600)를 통해 연료전지 스택(300)과 촉매보조 연소기(400)에 공급되는 외부공기를 가열하는 데에도 사용된다. 예열된 외부공기는 연료전지 스택(300) 내부의 화학반응 및 촉매보조 연소기(400) 내부의 1차, 2차 연소의 반응성을 향상시킴으로써 시스템 전체의 열효율이 향상된다. And is also used to heat the outside air supplied to the fuel cell stack 300 and the catalytic auxiliary combustor 400 through the second heat exchanger 600. [ The preheated external air improves the thermal efficiency of the entire system by improving the reactivity of the chemical reaction inside the fuel cell stack 300 and the primary and secondary combustion inside the catalytic auxiliary combustor 400.

이하, 본 발명의 제2실시예에 따른 촉매보조 연소기를 구비하는 고온 발전용 연료전지 시스템(100)을 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 도 2 내지 도 5에 도시된 부재들과 동일한 부재번호에 의해 지정되는 부재들은 동일한 구성 및 기능을 가지므로 중복되는 부분에 대한 상세한 설명은 생략한다.Hereinafter, a high temperature power generation fuel cell system 100 having a catalyst auxiliary combustor according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. Members designated by the same reference numerals as those of the members shown in Figs. 2 to 5 have the same configuration and function, and therefore detailed description of the overlapping portions is omitted.

도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 촉매보조 연소기를 구비하는 고온 발전용 연료전지 시스템의 개략도이다. 이하 도 6을 참조하여 설명한다.6 is a schematic view of a fuel cell system for high temperature power generation including a catalytic auxiliary combustor according to a second embodiment of the present invention. This will be described below with reference to FIG.

본 실시예에 따른 촉매보조 연소기를 구비하는 고온 발전용 연료전지 시스템(100)은 전력을 생산할 수 있는 가스터빈 시스템을 포함한다. 가스터빈은 공기공급 가능한 압축기(700)와 배가스로 구동되는 터빈(800), 터빈(800)의 회전력으로 전기를 생산하는 발전기(900)로 구성된다.The high temperature power generation fuel cell system 100 having the catalyst auxiliary combustor according to the present embodiment includes a gas turbine system capable of generating electric power. The gas turbine is composed of an air supplyable compressor 700, a turbine 800 driven by an exhaust gas, and a generator 900 generating electricity by the rotational force of the turbine 800.

터빈(800)은 촉매보조 연소기(400)의 제2연소실(430)에서 2차 연소 후 발생한 고온의 배출가스로 구동된다. 터빈(800)의 회전력에 의해 구동되는 발전기(900)를 통해 추가적인 발전이 가능하며, 생산된 전력의 일부를 사용하여 구동되는 압축기(700)를 통해 연료전지 스택(300) 및 촉매보조 연소기(400)로 가압된 공기를 공급할 수 있으므로 외부공기의 공급을 위해 외부전력을 이용할 필요가 없게 되는 장점이 있다.The turbine 800 is driven by the high temperature exhaust gas generated after the secondary combustion in the second combustion chamber 430 of the catalytic auxiliary combustor 400. The fuel cell stack 300 and the catalytic auxiliary combustor 400 are connected to each other through a compressor 700 driven by a part of the generated electric power through a generator 900 driven by the rotational force of the turbine 800, So that there is no need to use external electric power for supplying external air.

100 : 촉매보조 연속기를 구비하는 고온 발전용 연료전지 시스템
200 : 개질기 300 : 연료전지 스택
310 : 양극 320 : 음극
400 : 촉매보조 연소기 410 : 제1연소실
411 : 연소촉매 412 : 배출공
413 : 파이프부 414 : 마개부
420 : 가스분사노즐 421 : 공기공급관
422 : 가열부 423 : 혼합부
424 : 분사공 425 : 스월부
430 : 제2연소실 500 : 제1열교환기
600 : 제2열교환기 700 : 압축기
800 : 터빈 900 : 발전기
100: High-temperature power generation fuel cell system equipped with a catalyst auxiliary sequence
200: Reformer 300: Fuel cell stack
310: anode 320: cathode
400: catalytic auxiliary combustor 410: first combustion chamber
411: Combustion catalyst 412: Exhaust hole
413: pipe section 414:
420: gas injection nozzle 421: air supply pipe
422: heating section 423: mixing section
424: minute spray hole 425:
430: second combustion chamber 500: first heat exchanger
600: second heat exchanger 700: compressor
800: Turbine 900: Generator

Claims (6)

연료 및 물을 공급받아 개질반응에 의해 수소를 생산하는 개질기와;
양극과 음극을 구비하고, 외부공기와 상기 개질기로부터 공급받은 수소를 이용하여 화학반응에 의해 전기 에너지를 생산하는 연료전지 스택과;
연소촉매가 수용되고 외부공기와 상기 양극의 배출가스가 주입되어 촉매연소되는 제1연소실, 외부공기를 공급받아 상기 제1연소실에서 발생하는 열을 이용하여 가열하고 상기 제1연소실의 배출가스와 혼합하여 분사하는 가스분사노즐, 상기 가스분사노즐에서 분사된 가스가 화염연소되는 제2연소실을 포함하는 촉매보조 연소기를 포함하는 것을 특징으로 하는 촉매보조 연소기를 구비하는 고온 발전용 연료전지 시스템.
A reformer for generating hydrogen by a reforming reaction by supplying fuel and water;
A fuel cell stack having an anode and a cathode and producing electrical energy by chemical reaction using outside air and hydrogen supplied from the reformer;
A first combustion chamber in which the combustion catalyst is accommodated and the outside air and the exhaust gas of the anode are injected to be catalytically burned; heating using the heat generated in the first combustion chamber by receiving external air; And a second combustion chamber in which a gas injected from the gas injection nozzle is flame-ignited, wherein the catalyst-assisted combustor includes a catalyst-assisted combustor.
제1항에 있어서,
상기 촉매보조 연소기에서 발생하는 열을 이용하여 상기 개질기로 공급되는 연료 및 물을 가열하는 제1열교환기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 촉매보조 연소기를 구비하는 고온 발전용 연료전지 시스템.
The method according to claim 1,
Further comprising a first heat exchanger for heating the fuel and water supplied to the reformer using heat generated from the catalyst auxiliary combustor.
제1항에 있어서,
상기 촉매보조 연소기에서 발생하는 열을 이용하여 상기 연료전지 스택과 상기 촉매보조 연소기로 공급되는 외부공기를 가열하는 제2열교환기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 촉매보조 연소기를 구비하는 고온 발전용 연료전지 시스템.
The method according to claim 1,
Further comprising a second heat exchanger for heating external air supplied to the fuel cell stack and the catalytic auxiliary combustor by using heat generated from the catalytic auxiliary combustor. system.
제1항에 있어서,
상기 연료전지 스택으로 공급되는 외부공기를 가압하는 압축기와;
상기 촉매보조 연소기의 배출가스로 구동되는 터빈과;
상기 터빈으로부터 전기를 발생시킬 수 있는 발전기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 촉매보조 연소기를 구비하는 고온 발전용 연료전지 시스템.
The method according to claim 1,
A compressor for pressurizing the outside air supplied to the fuel cell stack;
A turbine driven by the exhaust gas of the catalytic auxiliary combustor;
Further comprising a generator capable of generating electricity from the turbine. ≪ Desc / Clms Page number 24 >
제1항에 있어서,
상기 가스분사노즐은 공급된 외부공기가 난류를 형성하도록 하는 스월(swirl)부를 포함하는 것을 특징으로 하는 촉매보조 연소기를 구비하는 고온 발전용 연료전지 시스템.
The method according to claim 1,
Wherein the gas injection nozzle includes a swirl portion for allowing the supplied external air to form a turbulent flow.
제1항에 있어서,
상기 제1연소실은 상기 연소촉매가 수용되고 일단으로 상기 연료전지 스택의 배출가스가 주입되는 파이프부, 상기 파이프부의 타단에 결합하는 마개부, 상기 파이프부의 외주면에 형성되어 상기 연소촉매에서 연소된 배출가스가 빠져나가는 배출공을 포함하고,
상기 가스분사노즐은 외부공기를 공급하는 공기공급관, 상기 제1연소실의 상기 연소촉매가 수용된 영역을 이중으로 감싸고 상기 공기공급관에서 공급된 외부공기가 가열되는 가열부, 상기 배출공을 감싸고 상기 배출공을 빠져나온 배출가스와 상기 가열부를 통과한 외부공기와 혼합되는 혼합부, 상기 혼합부를 통과한 가스가 상기 제2연소실로 주입되는 분사공을 포함하는 것을 특징으로 하는 촉매보조 연소기를 구비하는 고온 발전용 연료전지 시스템.
The method according to claim 1,
Wherein the first combustion chamber includes a pipe portion in which the combustion catalyst is accommodated and the exhaust gas of the fuel cell stack is injected as one end, a plug portion that is coupled to the other end of the pipe portion, And a discharge hole through which the gas escapes,
Wherein the gas injection nozzle comprises an air supply pipe for supplying external air, a heating unit for double-wrapping the area of the first combustion chamber accommodating the combustion catalyst and heating the external air supplied from the air supply pipe, And a spray hole into which the gas having passed through the mixing section is injected into the second combustion chamber. The high-temperature power generation apparatus according to claim 1, Fuel cell system.
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