KR101220027B1 - 고분자 전해질형 연료전지 시스템 및 그 운전방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 액상의 탄화수소계 연료를 자열개질(Autothermal Reforming; ATR) 방식을 이용하여 개질 가스를 생성하는 개질기와, 개질 가스의 황 성분을 제거하여 황성분이 제거된 개질 가스를 생성하는 탈황기와, 개질 가스에 포함된 저탄화수소 물질을 제거하는 후개질기와, 상기 후개질기의 하류에 제공되어 개질 가스에 포함된 일산화탄소를 촉매 반응을 통해 이산화탄소 및 수소로 전환하는 고온 수성 가스화 전환 반응기와, 상기 고온 수성 가스화 전환 반응기의 하류에 제공되어 개질 가스에 포함된 일산화탄소를 촉매 반응을 통해 이산화탄소 및 수소로 전환하는 저온 수성 가스화 전환 반응기와, 상기 저온 수성 가스화 전환 반응기의 하류에 제공되어 개질 가스에 포함된 일산화탄소를 산화시키는 선택적 산화 반응기와, 상기 선택적 산화 반응기로부터 개질 가스를 공급받아 전기를 생성하는 고분자 전해질형 연료전지 스택과, 상기 고분자 전해질형 연료전지 스택의 배기 가스를 연소시키는 연료극 배기 가스 연소기를 포함하는 고분자 전해질형 연료전지 시스템에 있어서, 상기 고온 수성 가스화 전환 반응기와 상기 저온 수성 가스화 전환 반응기의 사이에 제공되며, 상기 고분자 전해질형 연료전지 시스템의 정상상태 운전 전에는 개질 가스를 상기 연료극 배기 가스 연소기로 보내는 제1 밸브를 더 포함하는 고분자 전해질형 연료전지 시스템 및 그 운전방법에 관한 것이다.
고분자 전해질형 연료전지 시스템.

Description

고분자 전해질형 연료전지 시스템 및 그 운전방법{A SYSTEM FOR POLYELECTROLYTE TYPE FUEL CELL AND A METHOD FOR OPERATING THE SYSTEM}
본 발명은 고분자 전해질형 연료전지 시스템 및 그 운전방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 액상의 탄화수소계 연료를 자열개질 방식으로 개질하고, 고온 수성 가스화 전환 반응에 귀금속 계열의 촉매를 사용하여 시스템의 정상상태 운전 전에도 개질 가스의 유입이 가능하게 하는 고분자 전해질형 연료전지 시스템 및 그 운전방법에 관한 것이다.
연료전지는 수소와 산소의 전기화학 반응에 의해 화학에너지를 전기에너지로 변환시켜서 전기와 부산물인 물을 만들어 내는 발전시스템이다. 이러한 연료전지는 에너지효율이 우수하여 내연기관을 대체할 것으로 예상되며 세계적으로 활발히 연구, 개발이 진행되고 있다.
일반적으로 연료전지는 수소와 산소의 전기화학 반응에 의해 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 발전 시스템이다. 상기 수소는 순수한 수소를 직접 연료전지 시스템에 공급할 수도 있고, 메탄올, 에탄올, 천연가스 등과 같은 물질을 개질하여 수소를 공급할 수도 있다.
연료전지에 있어서 안정적인 수소 연료의 공급은 대단히 중요한데, 연료전지에 수소를 공급하는 방법으로는 수소 자체를 보관하는 방법도 초기에 제안되었으나 안전상의 이유로 이용이 쉽지 않고, 대부분 수소를 함유하는 연료를 개질하여 수소를 생산해 내는 연료개질법을 사용한다.
연료전지에서의 연료의 개질(fuel reforming)이란 원료로 제공되는 연료를 연료전지 스택에서 요구되는 연료로 전환하는 것을 의미한다.
연료개질법에 의한 수소 생산 방법으로는 자열개질(Autothermal Reforming; ATR), 부분산화개질(Partial Oxidation; POX) 및 수증기 개질(Steam Reforming; SR) 방법 등이 알려져 있다. 이중 수증기 개질법은 높은 수소 수득율을 이룰 수 있다는 장점으로 주로 사용되고 있으나, 수증기 개질 반응은 특성상 강한 흡열반응(endothermic reation)에 해당되어 외부로부터 열이 공급되어야 반응이 일어난다는 단점이 있다. 열을 공급하는 방법으로는 연소로(furnace)를 가열하여 외부 연소로부터 얻은 반응열을 반응기 주위로 흘려주어 열을 공급하는 방법이 주로 채택된다. 또한, 반응기 내부로 유입되는 개질용 탄화수소 가스의 입구 온도를 올리는 방법도 하나의 대안으로 모색되고 있다.
연료전지는 사용되는 전해질의 물질에 따라, 알카리형 연료전지(AFC), 인산형 연료전지(PAFC), 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC), 용융탄산염 연료전지(MCFC), 고체산화물 연료전지(SOFC)로 구분되는데, 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC)의 경우 가장 까다로운 연료처리가 필요하며, 고체산화물 연료전지(SOFC)의 경우 스택 안에서의 내부 개질만으로도 충분한 연료처리가 가능한 것으로 알려져 있다.
고분자 전해질형 연료전지(PRMFC)는 상온 또는 100℃이하에서 작동하고, 인산형 연료전지는 150~200℃에서, 용융탄산염형 연료전지(MCFC)는 600~700℃의 고온에서, 고체 산화물형 연료전지는 1000℃ 이상의 고온에서 작동된다. 이들 각각의 연료전지는 기본적으로 유사한 원리에 의해 작동되지만 사용되는 연료의 종류, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다.
이 중에서 고분자 전해질형 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell; PEMFC)는 메탄올, 에탄올, 천연가스 등 수소를 포함하는 물질을 개질하여 생성된 수소를 사용하며, 다른 연료전지에 비하여 출력 특성이 탁월하고 작동 온도가 낮을 뿐더러 빠른 시동 및 응답 특성을 가진다. 따라서 자동차와 같은 이동용 전원은 물론 주택이나 공공건물과 같은 분산용 전원 및 휴대용 전자기기와 같은 소형휴대기기용 전원 등으로 이용할 수 있어 그 응용범위가 넓은 장점이 있다.
기본적으로 고분자 전해질형 연료전지는 연료를 저장하는 연료용기, 연료를 개질하여 수소를 발생시키는 개질기 및 수소와 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 소정의 전압 및 전류를 발생시키는 전기 발생부를 포함한다. 전기 발생부는 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 단위 연료 전지를 포함하는데, 복수의 단위 연료 전지가 적층된 스택(stck)구조를 가질 수 있다.
고분자 전해질형 연료전지(PEMFC)에 있어서, 연료의 화학에너지는 전기에너지로 전환되는데, 전형적으로 사용되는 연료는 연료 프로세스(fuel process)에 의해 연료전지에 공급되는 수소 리치 가스(a hydrogen rich gas)이다. 하지만, 연료 프로세서로부터 공급되는 가스는 전환되지 않는 탄화수소, 물, 이산화탄소 그리고 일산화탄소를 더욱 포함한다. 특히, 일산화탄소는 스택(stack)에 해로운데, 이것은 연료전지에 의해 사용되는 불활성 금속 전극을 일산화탄소가 오염시켜서 전기생산량을 감소시키기 때문이다.
개질기는 연료와 물의 혼합물을 개질 반응에 의해 수소가 풍부한 개질 가스로 전환할 뿐만 아니라, 개질가스에 포함되어 연료 전지의 촉매를 피독시키는 일산화탄소를 제거한다. 따라서 통상적인 개질기는 연료를 개질하여 수소가 풍부한 개질가스를 발생시키는 개질반응부와, 이러한 개질 가스에 혼합된 일산화탄소를 제거하는 일산화탄소 제거부를 포함할 수 있다. 개질반응부는 수증기 개질(SR), 부분 산화(POX), 자열 개질 반응(ATR) 등의 촉매 반응을 통해 연료를 수소가 풍부한 개질 가스로 전환함은 앞서 설명한 바와 같다.
일산화탄소 제거부는 수성가스 전환(Water Gas Shift; WGS), 선택적 산화(Preferential CO Oxidation; PROX) 등과 같은 촉매 반응 또는 분리막을 이용한 수소의 정제 등을 통해 상기 개질 가스에 포함된 일산화탄소를 제거한다.
상기 촉매 반응들은 소정의 촉매 활성 온도 상태에서 일어날 수 있고, 이를 위하여 통상적으로 개질기에 별도의 열원부를 설치하여 개질기에 열원을 공급한다. 상기 수증기 개질 촉매반응은 통상 600~800℃의 고온의 촉매 활성 온도를 필요로 하기 때문에, 예열시간이 많이 필요하고 따라서 초기 가동시간이 길다는 단점이 있다. 하지만 수증기 개질 반응을 통해 생산된 수소는 순도가 높고 일산화탄소 등 불순물이 적게 포함되는 장점이 있다.
반면에 자열개질 촉매반응은 연료가 연소하며 반응하기 때문에 연소 중에 발생하는 열을 이용할 수 있어, 예열시간이 짧고 초기 기동 시간이 짧은 장점이 있다. 하지만 자열개질 촉매반응을 통해 생성되는 수소는 순도가 낮고 일산화탄소 등의 불순물이 많이 포함되는 단점이 있다.
따라서 초기 기동시에는 상기 자열개질 촉매반응을 수행하여 비록 생산되는 수소의 순도는 낮지만 예열시간을 최대한 단축할 수 있고, 개질기가 충분히 예열이 된 후에는 상기 수증기 개질 촉매반응을 수행하여 순도가 높은 수소를 생산할 수 있는 개질기가 필요하다.
자열개질을 이용하여 개질 가스를 생성하는 시스템에서는 연료와 함께 수증기 및 산소가 함께 공급되기 때문에, 고온 수성 가스화 전환 반응에 사용되는 촉매가 산소 공급 상황에 의해 내산화성이 떨어지는 경우에는, 정상상태에 도달되기 전에 촉매 산화가 발생하게 되는 문제점이 있어 촉매 이용이 어려운 문제점이 있다.
따라서 본 발명에서는 고온 수성 가스화 전환 반응에 사용되는 촉매를 LSCR 및 SBCR의 귀금속 촉매를 사용하여 산소 공급 상황에 의해 환원처리가 요구되지 않아 정상상태 운전 전에도 가스 유입이 가능한 고분자 전해질형 연료전지 시스템을 제공하고자 한다.
또한, 저온 수성 가스화 전환 반응 및 선택적 산화반응에서는 일반 상용 촉매의 사용이 가능하도록, 고온 수성 가스화 전환 반응과 저온 수성 가스화 전환 반응 사이에 개질 가스의 흐름을 제어할 수 있는 밸브를 설치하여, 정상상태 운전 전에는 개질 가스를 연료극 배기 가스 연소기로 직접 이송시켜 연소시킴으로서, 저온 수성 가스화 전환 반응 및 선택적 산화 반응에 사용하는 촉매의 밀봉 상태를 유지시켜 촉매 안정성을 향상시키는 고분자 전해질형 연료전지 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명은 상기의 과제를 해결하기 위해 다음과 같은 과제 해결 수단을 제공하고 있다.
본 발명은 고분자 전해질형 연료전지 시스템을 제공하는데, 이의 일실시예는, 액상의 탄화수소계 연료를 자열개질(Autothermal Reforming; ATR) 방식을 이용하여 개질 가스를 생성하는 개질기(60)와, 개질 가스의 황 성분을 제거하여 황성분이 제거된 개질 가스를 생성하는 탈황기(61)와, 개질 가스에 포함된 저탄화수소 물질을 제거하는 후개질기(62)와, 상기 후개질기(62)의 하류에 제공되어 개질 가스에 포함된 일산화탄소를 촉매 반응을 통해 이산화탄소와 수소로 전환하는 고온 수성 가스화 전환 반응기(63)와, 상기 고온 수성 가스화 전환 반응기(63)의 하류에 제공되어 개질 가스에 포함된 일산화탄소를 촉매 반응을 통해 이산화탄소와 수소로 전환하는 저온 수성 가스화 전환 반응기(64)와, 상기 저온 수성 가스화 전환 반응기(64)의 하류에 제공되어 개질 가스에 포함된 일산화탄소를 산화시키는 선택적 산화 반응기(65)와, 상기 선택적 산화 반응기(65)로부터 개질 가스를 공급받아 전기를 생성하는 고분자 전해질형 연료전지 스택(66)과, 상기 고분자 전해질형 연료전지 스택(66)의 배기 가스를 연소시키는 연료극 배기 가스 연소기(67)를 포함하는 고분자 전해질형 연료전지 시스템이고, 상기 고온 수성 가스화 전환 반응기(63)와 상기 저온 수성 가스화 전환 반응기(64)의 사이에 제공되며, 상기 고분자 전해질형 연료전지 시스템의 정상상태 운전 전에는 개질 가스를 상기 연료극 배기 가스 연소기(67)로 보내는 제1 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 선택적 산화 반응기(65)와 상기 고분자 전해질형 연료전지 스택(66) 사이에 제공되며, 상기 고분자 전해질형 연료전지 시스템의 정상상태 운전 전에는 상기 고분자 전해질형 연료전지 스택(66)으로 공급되는 개질 가스의 흐름을 차단시키는 효과 및 대기상황과의 단절을 통한 상기 저온 수성 가스화 전환 반응기(64)와 상기 선택적 산화 반응기(65) 내 촉매들의 산화현상을 막을 수 있는 제2 밸브(69)를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의한 고분자 전해질형 연료전지 시스템의 다른 실시예는, 액상의 탄화수소계 연료를 자열개질(Autothermal Reforming; ATR) 방식을 이용하여 개질 가스를 생성하는 개질기(60)와, 개질 가스의 황 성분을 제거하여 황성분이 제거된 개질 가스를 생성하는 탈황기(61)와, 개질 가스에 포함된 저탄화수소 물질을 제거하는 후개질기(62)와, 상기 후개질기(62)의 하류에 제공되어 개질 가스에 포함된 일산화탄소를 촉매 반응을 통해 이산화탄소 및 수소로 전환하는 고온 수성 가스화 전환 반응기(63)와, 상기 고온 수성 가스화 전환 반응기(63)의 하류에 제공되어 개질 가스에 포함된 일산화탄소를 촉매 반응을 통해 이산화탄소 및 수소로 전환하는 저온 수성 가스화 전환 반응기(64)와, 상기 저온 수성 가스화 전환 반응기(64)로부터 개질 가스를 공급받아 전기를 생성하는 고분자 전해질형 연료전지 스택(66)과, 상기 고분자 전해질형 연료전지 스택(66)의 배기 가스를 연소시키는 연료극 배기 가스 연소기(67)를 포함하는 고분자 전해질형 연료전지 시스템이고, 상기 고온 수성 가스화 전환 반응기(63)와 상기 저온 수성 가스화 전환 반응기(64)의 사이에 제공되며, 상기 고분자 전해질형 연료전지 시스템의 정상상태 운전 전에는 개질 가스를 상기 연료극 배기 가스 연소기(67)로 보내는 제1 밸브(68)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 저온 수성 가스화 전환 반응기(64)와 상기 고분자 전해질형 연료전지 스택(66) 사이에 제공되며, 상기 고분자 전해질형 연료전지 시스템의 정상상태 운전 전에는 상기 고분자 전해질형 연료전지 스택(66)으로 공급되는 개질 가스의 흐름을 차단시키는 효과 및 대기상황과의 단절을 통한 상기 저온 수성 가스화 전환 반응기(64) 내 촉매의 산화현상을 막을 수 있는 제2 밸브(69)를 더 포함할 수 있다.
상기 두 가지의 실시예에서 상기 고온 수성 가스화 전환 반응기(63)에 사용되는 촉매는 귀금속 계열의 촉매인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 고분자 전해질형 연료전지 시스템의 운전방법을 제공하는데, 그 일실시예는, 액상의 탄화수소계 연료를 자열개질(Autothermal Reforming; ATR) 방식을 이용하여 개질 가스를 생성하는 개질기(60)와, 개질 가스에 포함된 황 성분을 제거하는 탈황기(61)와, 개질 가스에 포함된 저탄화수소 물질을 촉매 반응을 통해 수소 및 메탄으로 변환하는 후개질기(62)와, 상기 후개질기(62)의 하류에 제공되어 개질 가스 내의 일산화탄소를 수성 가스화 전환 반응을 통해 이산화탄소 및 수소로 전환시키는 고온 수성 가스화 전환 반응기(63)와, 상기 고온 수성 가스화 전환 반응기(63)의 하류에 제공되어 개질 가스 내의 일산화탄소를 수성 가스화 전환 반응을 통해 이산화탄소 및 수소로 전환시키는 저온 수성 가스화 전환 반응기(64)와, 상기 저온 수성 가스화 전환 반응기(64)의 하류에 제공되어 개질 가스에 포함된 일산화탄소를 산화시키는 선택적 산화 반응기(65)와, 상기 선택적 산화 반응기(65)로부터 개질 가스를 공급받아 전기를 생성하는 고분자 전해질형 연료전지 스택(66)과, 상기 고분자 전해질형 연료전지 스택(66)의 배기 가스를 연소시키는 연료극 배기 가스 연소기(67)와, 상기 고온 수성 가스화 전환 반응기(63)와 상기 저온 수성 가스화 전환 반응기(64)의 사이에 제공되어, 선택적으로 개질 가스를 상기 연료극 배기 가스 연소기(67)로 이송 가능한 제1 밸브(68)를 포함하는 고분자 전해질형 연료전지 시스템의 운전방법이며, 상기 고분자 전해질형 연료전지 시스템의 정상상태 운전 전에는 상기 제1 밸브(68)를 통해 개질 가스의 상기 저온 수성 가스화 전환 반응기(64)로의 유입을 차단하고, 개질 가스를 상기 연료극 배기 가스 연소기(67)로 이송하여 연소시키는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 고분자 전해질형 연료전지 시스템은, 상기 선택적 산화 반응기(65)와 상기 고분자 전해질형 연료전지 스택(66) 사이에 제공되는 제2 밸브를 더 포함하고, 상기 고분자 전해질형 연료전지 시스템의 정상상태 운전 전에는 상기 제2 밸브(69)를 차단하여 개질 가스가 상기 고분자 전해질형 연료전지 스택(66)으로 유입되는 것을 차단하는 것과 더불어, 대기상황과의 단절을 통해 상기 저온 수성 가스화 전환 반응기(64)와 상기 선택적 산화 반응기(65) 내 촉매들의 산화현상을 막는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 고분자 전해질형 연료전지 시스템의 운전방법의 다른 실시예는, 액상의 탄화수소계 연료를 자열개질(Autothermal Reforming; ATR) 방식을 이용하여 개질 가스를 생성하는 개질기(60)와, 개질 가스에 포함된 황 성분을 제거하는 탈황기(61)와, 개질 가스에 포함된 저탄화수소 물질을 촉매 반응을 통해 수소 및 메탄으로 변환하는 후개질기(62)와, 상기 후개질기(62)의 하류에 제공되어 개질 가스 내의 일산화탄소를 수성 가스화 전환 반응을 통해 이산화탄소 및 수소로 전환시키는 고온 수성 가스화 전환 반응기(63)와, 상기 고온 수성 가스화 전환 반응기(63)의 하류에 제공되어 개질 가스 내의 일산화탄소를 수성 가스화 전환 반응을 통해 이산화탄소 및 수소로 전환시키는 저온 수성 가스화 전환 반응기(64)와, 상기 저온 수성 가스화 전환 반응기(64)로부터 개질 가스를 공급받아 전기를 생성하는 고분자 전해질형 연료전지 스택(66)과, 상기 고분자 전해질형 연료전지 스택(66)의 배기 가스를 연소시키는 연료극 배기 가스 연소기(67)와, 상기 고온 수성 가스화 전환 반응기(63)와 상기 저온 수성 가스화 전환 반응기(64)의 사이에 제공되어, 선택적으로 개질 가스를 상기 연료극 배기 가스 연소기(67)로 이송 가능한 제1 밸브(68)를 포함하는 고분자 전해질형 연료전지 시스템의 운전방법이며, 상기 고분자 전해질형 연료전지 시스템의 정상상태 운전 전에는 상기 제1 밸브(68)를 통해 개질 가스의 상기 저온 수성 가스화 전환 반응기(64)로의 유입을 차단하고, 개질 가스를 상기 연료극 배기 가스 연소기(67)로 이송하여 연소시키는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 고분자 전해질형 연료전지 시스템은, 상기 저온 수성 가스화 전환 반응기(64)와 상기 고분자 전해질형 연료전지 스택(66) 사이에 제공되는 제2 밸브를 더 포함하고, 상기 고분자 전해질형 연료전지 시스템의 정상상태 운전 전에는 상기 제2 밸브(69)를 차단하여 개질 가스가 상기 고분자 전해질형 연료전지 스택(66)으로 유입되는 것을 차단하는 것과 더불어, 대기상황과의 단절을 통해 상기 저온 수성 가스화 전환 반응기(64) 내 촉매의 산화현상을 막을 수 있는 것을 특징으로 한다.
상기 두 가지의 실시예에서, 상기 고온 수성 가스화 전환 반응기(63)에 사용되는 촉매는 귀금속 계열의 촉매인 것을 특징으로 한다.
본 발명에서는 고온 수성 가스화 전환 반응에 사용되는 촉매를 LSCR 및 SBCR의 귀금속 촉매를 사용하여 산소 공급 상황에 의해 환원처리가 요구되지 않아 정상상태 운전 전에도 가스 유입이 가능한 고분자 전해질형 연료전지 시스템을 제공하는 효과가 있다.
또한, 저온 수성 가스화 전환 반응 및 선택적 산화반응에서는 일반 상용 촉매의 사용이 가능하도록, 고온 수성 가스화 전환 반응과 저온 수성 가스화 전환 반응 사이에 개질 가스의 흐름을 제어할 수 있는 밸브를 설치하여, 정상상태 운전 전에는 개질 가스를 연료극 배기 가스 연소기로 직접 이송시켜 연소시킴으로서, 저온 수성 가스화 전환 반응 및 선택적 산화 반응에 사용하는 촉매의 밀봉 상태를 유지시켜 촉매 안정성을 향상시키는 고분자 전해질형 연료전지 시스템을 제공하는 효과가 있다.
도 1은 통상적인 고분자 전해질형 연료전지 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 블록도.
도 2는 본 발명에 의한 고분자 전해질형 연료전지 시스템의 구성도.
도 3은 본 발명에 의한 고분자 전해질형 연료전지 시스템의 다른 실시예의 구성도.
도 4는 본 발명에 의한 고분자 전해질형 연료전지 시스템이 정상상태에 도달하기 전의 작동 흐름도.
도 5는 본 발명에 의한 고분자 전해질형 연료전지 시스템이 정상상태에 도달한 후의 작동 흐름도.
도 6은 본 발명에 의한 고분자 전해질형 연료전지 시스템이 정상상태에 도달한 후의 작동 흐름도.
도 7은 본 발명에 사용하는 수성 가스화 전환 반응에 사용되는 촉매의 성능 시험도.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 구체적으로 살펴보기로 한다.
다만, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 용어가 동일하더라도 표시하는 부분이 상이하면 도면 부호가 일치하지 않음을 미리 말해두는 바이다.
그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 설정된 용어들로서 이는 실험자 및 측정자와 같은 사용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 명세서에서 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달되도록 하기 위해 제시되는 예로서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.
도 1은 통상적인 고분자 전해질형 연료 전지 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다. 이 도면을 참조하여 통상적인 고분자 전해질형 연료 전지 시스템의 구성을 설명하면, 연료와 산소를 이용하여 전자기기 등에 전기 에너지를 제공하는 발전 시스템으로서 구성된다.
이는 수소와 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 연료 전지(10)와, 연료를 개질하여 수소를 발생시키고 이 수소를 연료 전지로 공급하는 개질기(20)와, 이 개질기(20)로 연료를 공급하는 연료 공급 유닛(30)과, 연료 전지(10)로 산소를 공급하는 산소 공급 유닛(50)을 포함하여 구성된다.
이 연료전지(10)는 언급된 바와 같이 고분자 전해질형 연료 전지로서, 수소와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키는 최소 단위의 전기 발생부(11)를 구비한다. 이 전기 발생부(11)는 통상적인 막-전극 어셈블리(Membrne-Electrode Assembly; MEA)를 중심에 두고 이의 양면에 세퍼레이터(seperator 또는 바이폴라 플레이트)를 밀착 배치하여 구성될 수 있다.
따라서 본 실시예에서는 전기 발생부(11)를 복수로 구비하고, 이들을 연속적으로 적층함으로써 전기 발생부(11)의 집합체 구조에 의한 스택(stack)을 형성할 수 있다. 이와 같은 연료 전지(10)의 구성은 통상적인 고분자 전해질형 연료 전지의 구성으로 이루어질 수 있으므로 본 명세서에서 그 자세한 설명은 생략하기로 한다.
개질기(20)는 열 에너지에 의한 개질 반응 예를 들어, 수증기 개질, 부분 산화 또는 자열 반응 등의 촉매 반응을 통해 상기 연료로부터 수소를 발생시키는 통상적인 개질기 구조로 이루어진다.
개질기(20)로 연료를 공급하는 연료 공급 유닛(30)은 연료를 저장하는 연료 탱크(31)와, 이 연료 탱크(31)와 연결 설치되어 연료 탱크(31)에 저장된 연료를 배출시키기 위한 연료 펌프(33)를 포함한다.
연료 전지(10)로 산소를 공급하기 위한 산소 공급 유닛(50)은 통상적인 파이프 라인에 의해 연료 전지(10)와 연결 설치되는 것이다.
본 발명에 의해 개시되는 연료 개질 시스템은 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC)의 셀 또는 스텍에 연료를 공급하기 위한 개질 시스템으로, 바람직하게는 액상의 탄화수소계 연료를 그 개질 대상으로 한다. 다만, 기상의 탄화수소계 연료의 경우에도 적용이 가능하다.
이러한 연료 전지 시스템에 있어서 상기 연료라 함은, 메탄올, 에탄올, 또는 천연 가스 등과 같이 수소를 함유한 액체 또는 기체의 연료를 포함할 수 있다. 그러나 본 실시예에서 설명하는 이하의 연료는 편의상 액체로 이루어진 연료를 의미한다.
도 2는 본 발명에 의한 고분자 전해질형 연료전지 시스템의 구성도를 나타낸다. 구체적으로 본 발명에 의한 고분자 전해질형 연료전지 시스템의 일실시예는, 액상의 탄화수소계 연료를 자열개질(Autothermal Reforming; ATR) 방식을 이용하여 개질 가스를 생성하는 개질기(60)와, 개질 가스의 황 성분을 제거하여 황성분이 제거된 개질 가스를 생성하는 탈황기(61)와, 개질 가스에 포함된 저탄화수소 물질을 제거하는 후개질기(62)와, 상기 후개질기(62)의 하류에 제공되어 개질 가스에 포함된 일산화탄소를 촉매 반응을 통해 이산화탄소 및 수소로 전환하는 고온 수성 가스화 전환 반응기(63)와, 상기 고온 수성 가스화 전환 반응기(63)의 하류에 제공되어 개질 가스에 포함된 일산화탄소를 촉매 반응을 통해 이산화탄소 및 수소로 전환하는 저온 수성 가스화 전환 반응기(64)와, 상기 저온 수성 가스화 전환 반응기(64)의 하류에 제공되어 개질 가스에 포함된 일산화탄소를 산화시키는 선택적 산화 반응기(65)와, 상기 선택적 산화 반응기(65)로부터 개질 가스를 공급받아 전기를 생성하는 고분자 전해질형 연료전지 스택(66)과, 상기 고분자 전해질형 연료전지 스택(66)의 배기 가스를 연소시키는 연료극 배기 가스 연소기(67)를 포함한다.
이때 상기 고온 수성 가스화 전환 반응기(63)와 상기 저온 수성 가스화 전환 반응기(64)의 사이에 제공되며, 상기 고분자 전해질형 연료전지 시스템의 정상상태 운전 전에는 개질 가스를 상기 연료극 배기 가스 연소기(67)로 보내는 제1 밸브(68)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 액상의 탄화수소계 연료를 개질하는 것으로서, 연료와 물, 공기를 함께 공급하여 자연발화시키는 자열개질을 이용하는 것이 바람직하다.
일반적으로 개질기(60)를 작동 온도로 승온시킨 후, 개질기(60)가 개질 반응을 정상적으로 수행하도록 하여 개질 가스를 생성한다. 레스트(rest) 상태에 있는 개질기(60)는 외부 열원을 이용하여 1차 승온이 이루어 진 후에 자연발화에 의해 작동 온도까지 자열 승온된다.
개질기(60)가 작동 온도까지 승온된 후에는 정상적인 탄화수소계 연료의 개질 반응이 연속적으로 수행되어 수소-리치한 개질 가스가 생성된다.
자열개질 촉매반응은 연료가 연소하며 반응하기 때문에 연소 중에 발생하는 열을 이용할 수 있어, 예열시간이 짧고 초기 기동 시간이 짧은 장점이 있다. 하지만, 자열개질 촉매반응을 통해 생성되는 수소는 순도가 낮고 일산화탄소 등의 불순물을 많이 포함하는 단점이 있다.
이는 정상 상태(외부 유체유입구를 통해 물, 공기 또는 연료가 개질부로 공급되고 최종적으로 후개질기에서 후개질된 가스가 내부 유체배출구로 가스를 배출하는 과정이 연속적으로 수행되는 과정)에 도달하기까지는 배출 가스에 포함된 산소 등의 양에 따라 촉매 등에 큰 영향을 주어 운행에 많은 문제점을 야기케 된다.
따라서 개질 가스 내에 포함되어 있는 일산화탄소를 제거하는 추가 공정이 뒤따르는 것이 바람직하며, 이는 후술할 수성 가스화 전환 반응 또는 선택적 산화 반응이다.
탈황기(61)는 탈황 촉매가 구비되어, 황화합물의 촉매 흡착 반응이 수행된다. 탈황기(61)에 구비되는 탈황 촉매는 ZnO인 것이 바람직하다. 탈황 반응에 의해 발생하는 반응열에 의해, 외부 열이 공급되지 않는 상태에서 탈황 반응이 연속적으로 수행될 수 있다.
또한, 자열개질의 발열 반응 및 탈황 단계의 발열 반응에서 발생된 열을 이후 흡열 반응인 후개질 단계의 열원으로 사용할 수도 있다.
액상의 탄화수소계 연료를 자열 개질하는 경우에는, 개질 가스 내에 다수의 저탄화수소 물질들이 포함되어 있다. 후개질부(또는 후개질기)(62)는 황이 제거된 개질 가스에 함유된 C2~C5의 저 탄화수소화합물을 선택적으로 분해하여 수소 및 메탄으로 전환하는 단계이다.
연료전환(개질)이 힘든 액체 연료의 경우, 기상연료처럼 선개질만으로는 연료 전환이 매우 어려우며, 외부 개질기를 구비한다 하더라도 액체 연료 개질 시, 개질 생성 가스 내 다량의 미전환 탄화수소, C2~C5의 저 탄화수소 물질이 포함되어 연료전지의 안정성을 떨어뜨릴 수 있다.
따라서 C2~C5의 전 탄화수소 물질에 의한 성능 저감은 탄화수소계 액체 연료를 개질 대상 연료로 하는 고체산화물 연료 전지에서 더욱 심각한 문제를 야기하게 된다.
탄소수 C2~C5의 저 탄화수소 물질들은 에틸렌, 아세틸렌, 에탄, 프로필렌, 프로판 및 부탄을 포함하는데, C2~C5의 저 탄화수소 물질을 함유한 수소-리치 개질가스가 고분자 전해질형 연료전지 셀에 공급되는 경우, 고분자 전해질형 연료전지에 탄소 침적 현상이 발생함에 따라, 장기간 운전 시 고분자 전해질형 연료전지 시스템 자체의 운전 효율을 감소시키고, 장기 성능 및 안정성을 떨어뜨리게 된다.
따라서 수소-리치 개질가스에 포함된 미전환 탄화수소, C2~C5의 저 탄화수소 물질을 제거하는 후개질(post-reforming) 단계를 더 도입하여야 한다.
후개질기(62)는 전이금속, 귀금속, 또는 이들의 혼합물인 후개질 촉매가 구비되어 후개질 촉매에 의해 상기 C2~C5의 저 탄화수소화합물이 선택적으로 수소 및 메탄으로 분해되는 특징이 있다. 상세하게는 후개질 촉매 하에 후개질기(62)에 유입된 탈황된 개질 가스 내 포함된 수소 및 수증기와 C2~C5의 저 탄화수소화합물이 반응하여 C2~C5의 저 탄화수소화합물이 선택적으로 수소 및 메탄으로 분해되는 특징이 있다. 후개질 촉매 중 전이금속은 Ni, Mg 또는 이들의 혼합물인 것이 바람직하며, 후개질 촉매중 귀금속은 Pt, Rh, Pd, Ru, 또는 이들의 혼합물인 바람직하다.
후개질기(62)의 작동온도가 낮아짐에 따라 생성 가스 내 수소의 농도가 줄어들어 개질기 성능이 줄어들기 때문에 후개질기(62)의 온도는 300 내지 600℃로 유지되는 것이 바람직하다. 저 탄화수소 화합물이 300 내지 600℃의 온도로 유지되는 상태에서 완전히 제거되기 때문이다. 탈황 및 후개질 처리 후, 가스의 온도는 500℃의 고온인 것이 보통이다.
후개질부에서 개질된 수소 가스는 고온 수성 가스화 전환(High Temperature Water Gas Shift, HTS) 반응기, 저온 수성 가스화 전환(Low Temperature Water Gas Shift, HTS) 반응기, 및/또는 선택적 산화(Preferential Partial Oxidation, PROx) 반응기에 시리즈로 연결시켜 개질된 가스 중의 CO 농도를 저감시켜 고분자 전해질형 연료전지에 공급한다.
후개질기(62)의 하류에서는 개질 반응시 생성된 CO의 제거단계가 필요하다. 특히 CO는 고분자 전해질형 연료전지 내부에 문제를 일으키기 때문에 CO의 농도는 100ppm 이하로 제어되어야 한다.
이를 위해 촉매를 이용한 고온 수성 가스화 전환 반응기(63)가 후개질기(62)의 하류 부분에 제공되는 것이 바람직하다.
고온 수성 가스화 전환 반응기 내에서 일어나는 화학반응은 다음과 같다.
CO + H2O = CO2 + H2
촉매는 수소, 이산화탄소, 일산화탄소와 물을 함유하는 기체 혼합물 내의 일산화탄소량을 제거하거나 감소시키기 위한 전형적인 공정에 사용될 수 있다.
다만, 상용적으로 사용되는 촉매는 내산화성이 떨어지는데, 이러한 촉매를 사용하는 경우, 고분자 전해질형 연료전지 시스템이 정상상태에 도달하기 전에 고온 수성 가스화 전환 반응기(63)에 산소 공급량이 증가하게 되고, 촉매가 산화되어 촉매 이용에 많은 어려움이 있다.
이를 극복하기 위해 정상상태 전에는 후개질기(62)로부터 유입되는 개질 가스를 차단하여야 하나, 후개질기(62)를 통과한 개질 가스의 온도가 보통 500℃를 상회하기 때문에 이러한 온도에서 작동하는 밸브는 부피가 크고 고가여서 이용하기에 제한이 따른다.
따라서 본 발명에서는 정상상태 여부에 따라 개질 가스의 흐름을 차단하는 제1 밸브(68)를 고온 수성 가스화 전환 반응기(63)와 저온 수성 가스화 전환 반응기(64)의 사이에 두고, 고온 수성 가스화 전환 반응기(63)에 사용되는 촉매는 내산화성이 뛰어난 귀금속 촉매를 사용하는 것을 특징으로 한다.
다만, 고온 수성화 가스 전환 반응기(63)과 제 1밸브(68) 사이에 열교환기(70)가 제공되는 것이 바람직하다. 열교환기를 통해 가스의 온도 하강이 되면 제1 밸브(68)의 선택이 용이하다. 즉, 다소 낮은 온도에서 작동하는 제1 밸브(68)를 선택할 수 있는 장점이 있다.
고온 수성 가스화 전환 반응기(63)를 통과한 개질 가스의 경우에는 그 온도가 200℃ 정도로 저감되기 때문에 부피가 작고 저가인 밸브를 사용하는 것이 가능하게 되는 장점이 있다.
고온 수성 가스화 전환 반응기(63)에 사용되는 촉매는 La0.8Sr0.2Cr0.95Ru0.05O3-x(본 명세서에서 LSCR라 칭함) 및 Sm0 .8Ba0 .2Cr0 .95Ru0 .05O3 -x(본 명세서 SBCR이라 칭함)인 것이 바람직하다. 본 촉매는 귀금속 계열의 촉매로서 내산화성이 뛰어나기 때문에 정상상태 전이라도 별도의 환원처리가 요구되지 않고 사용될 수 있는 장점이 있다.
도 7은 상기 촉매의 성능 시험을 나타낸 그래프이다. 내산화성이 뛰어난 결과를 확인할 수 있다.
고온 수성 가스화 전환 반응기(63)의 하류에는 제1 밸브(68) 및 저온 수성 가스화 전환 반응기(64)가 직렬로 제공된다. 저온 수성 가스화 전환 반응기(64)는 시스템이 정상상태 운전 전에는 제1 밸브(68)에 의해 개질 가스의 유입이 차단되므로, 고가의 귀금속 계열의 촉매를 사용할 필요는 없다.
선택적 산화 반응기(65)는 일산화탄소를 선택적으로 산화하여 순수한 수소를 보다 효과적으로 얻을 수 있게 한다. 선택적 산화 반응기의 내부에서 일어나는 화학 반응은 다음과 같다.
2CO + O2 = 2CO2
선택적 산화 반응기(65)에서도 저온 수성 가스화 전환 반응기(64)와 마찬가지로 고가의 귀금속 계열의 촉매를 사용할 필요는 없다.
상기 선택적 산화 반응기(65)와 상기 고분자 전해질형 연료전지 스택(66) 사이에는 상기 고분자 전해질형 연료전지 시스템의 정상상태 운전 전에 상기 고분자 전해질형 연료전지 스택(66)으로 공급되는 개질 가스의 흐름을 차단시키는 제2 밸브(69)를 더 포함하는 것이 바람직하며, 제1 밸브(68) 및 제2 밸브(69)를 통해 시스템의 정상상태 운전 전에는 LTS 촉매 및 PROx 촉매의 밀봉 유지가 용이하다는 장점이 있다.
즉, 상기 고분자 전해질형 연료전지 시스템의 정상상태 운전 전에는 상기 제2 밸브(69)를 차단하여 개질 가스가 상기 고분자 전해질형 연료전지 스택(66)으로 유입되는 것을 차단하는 것과 더불어, 대기상황과의 단절을 통해 상기 저온 수성 가스화 전환 반응기(64) 및 상기 선택적 산화 반응기(65) 내 촉매의 산화현상을 막을 수 있는 것을 특징으로 한다.
정상상태 운전이 가능한 시점에서 폐쇄되어 있던 밸브를 해제하게 되면 고분자 전해질형 연료전지를 안정적으로 운전할 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 다른 실시예로서, 액상의 탄화수소계 연료를 자열개질(Autothermal Reforming; ATR) 방식을 이용하여 개질 가스를 생성하는 개질기(60)와, 개질 가스의 황 성분을 제거하여 황성분이 제거된 개질 가스를 생성하는 탈황기(61)와, 개질 가스에 포함된 저탄화수소 물질을 제거하는 후개질기(62)와, 상기 후개질기(62)의 하류에 제공되어 개질 가스에 포함된 일산화탄소를 촉매 반응을 통해 이산화탄소 및 수소로 전환하는 고온 수성 가스화 전환 반응기(63)와, 상기 고온 수성 가스화 전환 반응기(63)의 하류에 제공되어 개질 가스에 포함된 일산화탄소를 촉매 반응을 통해 이산화탄소 및 수소로 전환하는 저온 수성 가스화 전환 반응기(64)와, 상기 선택적 산화 반응기(65)로부터 개질 가스를 공급받아 전기를 생성하는 고분자 전해질형 연료전지 스택(66)과, 상기 고분자 전해질형 연료전지 스택(66)의 배기 가스를 연소시키는 연료극 배기 가스 연소기(67)를 포함하는 고분자 전해질형 연료전지 시스템이고, 상기 고온 수성 가스화 전환 반응기(63)와 상기 저온 수성 가스화 전환 반응기(64)의 사이에 제공되며, 상기 고분자 전해질형 연료전지 시스템의 정상상태 운전 전에는 개질 가스를 상기 연료극 배기 가스 연소기(67)로 보내는 제1 밸브(68)를 더 포함하는 것을 제공할 수 있다.
이는 앞에서 설명한 실시예와 비교할 때, 선택적 산화 반응기(66)의 유무의 차이만 있을 뿐 전체적인 흐름은 유사하므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명은 액상의 탄화수소계 연료를 자열개질(Autothermal Reforming; ATR) 방식을 이용하여 개질 가스를 생성하는 개질기(60)와, 개질 가스에 포함된 황 성분을 제거하는 탈황기(61)와, 개질 가스에 포함된 저탄화수소 물질을 촉매 반응을 통해 수소 및 메탄으로 변환하는 후개질기(62)와, 상기 후개질기(62)의 하류에 제공되어 개질 가스 내의 일산화탄소를 수성 가스화 전환 반응을 통해 이산화탄소 및 수소로 전환시키는 고온 수성 가스화 전환 반응기(63)와, 상기 고온 수성 가스화 전환 반응기(63)의 하류에 제공되어 개질 가스 내의 일산화탄소를 수성 가스화 전환 반응을 통해 이산화탄소 및 수소로 전환시키는 저온 수성 가스화 전환 반응기(64)와, 상기 저온 수성 가스화 전환 반응기(64)의 하류에 제공되어 개질 가스에 포함된 일산화탄소를 산화시키는 선택적 산화 반응기(65)와, 상기 선택적 산화 반응기(65)로부터 개질 가스를 공급받아 전기를 생성하는 고분자 전해질형 연료전지 스택(66)과, 상기 고분자 전해질형 연료전지 스택(66)의 배기 가스를 연소시키는 연료극 배기 가스 연소기(67)와, 상기 고온 수성 가스화 전환 반응기(63)와 상기 저온 수성 가스화 전환 반응기(64)의 사이에 제공되어, 선택적으로 개질 가스를 상기 연료극 배기 가스 연소기(67)로 이송 가능한 제1 밸브(68)를 포함하는 고분자 전해질형 연료전지 시스템의 운전방법을 제공할 수 있다. 이 경우, 상기 고분자 전해질형 연료전지 시스템의 정상상태 운전 전에는 상기 제1 밸브(68)를 통해 개질 가스의 상기 저온 수성 가스화 전환 반응기(64)로의 유입을 차단하고, 개질 가스를 상기 연료극 배기 가스 연소기(67)로 이송하여 연소시키는 것을 특징으로 한다.
즉, 시스템의 정상상태 운전 전에는 고온 수성 가스화 전환 반응기(63)에서 나온 개질 가스를 연료극 배기 가스 연소기(67)로 이송시켜 연소시킴으로써, 저온 수성 가스화 전환 반응기(64)로의 개질 가스의 유입을 차단한다.
도 4는 시스템이 정상상태 운전 전인 경우 그 흐름을 보여주는 흐름도이다.
자열 개질을 통하여 개질 가스를 생성하고(S41), 개질 가스에 포함된 황성분을 제거하고(S42), 개질 가스의 저탄화수소 물질을 제거하는 후개질 처리를 수행하고(S43), 500℃ 이상의 개질 가스를 귀금속 계열의 촉매를 사용하는 고온 수성 가스화 전환 반응기로 유입시킨다(S44). 다만, 개질 가스를 저온 수성 가스화 전환 반응기로 유입시키는 대신, 제1 밸브(68)를 이용하여 연료극 배기 가스 연소기로 이송시켜 연소시키는 작업을 수행한다(S45).
도 5는 시스템이 정상상태 운전에 도달한 경우의 그 흐름을 보여주는 흐름도이다.
자열 개질을 통하여 개질 가스를 생성하고(S51), 개질 가스에 포함된 황성분을 제거하고(S52), 개질 가스의 저탄화수소 물질을 제거하는 후개질 처리를 수행하고(S53), 500℃ 이상의 개질 가스를 귀금속 계열의 촉매를 사용하는 고온 수성 가스화 전환 반응기로 유입시킨다(S54). 이후, 제1 밸브(68)를 조작하여 개질 가스를 저온 수성 가스화 전환 반응기로 유입시키고(S55), 선택적 산화 반응을 통해 일산화탄소를 추가적으로 제거하고(S56), 일산화탄소가 제거된 개질 가스를 고분자 전해질형 연료전지로 공급하며(S57), 연료극에서의 배기 가스를 연료극 배기 가스 연소기로 이송하여 연소시킴으로서 전체 흐름이 끝나게 된다(S58).
본 발명에 의한 고분자 전해질형 연료전지 시스템의 운전방법의 다른 실시예로서, 액상의 탄화수소계 연료를 자열개질(Autothermal Reforming; ATR) 방식을 이용하여 개질 가스를 생성하는 개질기(60)와, 개질 가스에 포함된 황 성분을 제거하는 탈황기(61)와, 개질 가스에 포함된 저탄화수소 물질을 촉매 반응을 통해 수소 및 메탄으로 변환하는 후개질기(62)와, 상기 후개질기(62)의 하류에 제공되어 개질 가스 내의 일산화탄소를 수성 가스화 전환 반응을 통해 이산화탄소 및 수소로 전환시키는 고온 수성 가스화 전환 반응기(63)와, 상기 고온 수성 가스화 전환 반응기(63)의 하류에 제공되어 개질 가스 내의 일산화탄소를 수성 가스화 전환 반응을 통해 이산화탄소 및 수소로 전환시키는 저온 수성 가스화 전환 반응기(64)와, 상기 저온 수성 가스화 전환 반응기(64)로부터 개질 가스를 공급받아 전기를 생성하는 고분자 전해질형 연료전지 스택(66)과, 상기 고분자 전해질형 연료전지 스택(66)의 배기 가스를 연소시키는 연료극 배기 가스 연소기(67)와, 상기 고온 수성 가스화 전환 반응기(63)와 상기 저온 수성 가스화 전환 반응기(64)의 사이에 제공되어, 선택적으로 개질 가스를 상기 연료극 배기 가스 연소기(67)로 이송 가능한 제1 밸브(68)를 포함하는 고분자 전해질형 연료전지 시스템의 운전방법이며, 상기 고분자 전해질형 연료전지 시스템의 정상상태 운전 전에는 상기 제1 밸브(68)를 통해 개질 가스의 상기 저온 수성 가스화 전환 반응기(64)로의 유입을 차단하고, 개질 가스를 상기 연료극 배기 가스 연소기(67)로 이송하여 연소시키는 것을 특징으로 한다.
다만, 이는 앞에서 설명한 발명 중 선택적 산화 반응기를 제거한 것의 차이가 있을 뿐이므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.
도 6은 이러한 실시예의 흐름도로서 도 5와 유사하므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명은 상기와 같은 실시예에 의해 권리범위가 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적인 사상을 가지고 있다면 모두 본 발명의 권리범위에 해당된다고 볼 수 있으며, 본 발명은 특허청구범위에 의해 권리범위가 정해짐을 밝혀둔다.
60 : 개질기, 61 : 탈황기, 62 : 후개질부, 63 : 고온 수성 가스화 전환 반응기, 64 : 저온 수성 가스화 전환 반응기, 65 : 선택적 산화 반응기, 66 : 고분자 전해질형 연료전지, 67 : 연료극 배기 가스 연소기

Claims (10)

  1. 액상의 탄화수소계 연료를 자열개질(Autothermal Reforming; ATR) 방식을 이용하여 개질 가스를 생성하는 개질기(60)와,
    개질 가스의 황 성분을 제거하여 황성분이 제거된 개질 가스를 생성하는 탈황기(61)와,
    개질 가스에 포함된 저탄화수소 물질을 제거하는 후개질기(62)와,
    상기 후개질기(62)의 하류에 제공되어 개질 가스에 포함된 일산화탄소를 촉매 반응을 통해 이산화탄소 및 수소로 전환하는 고온 수성 가스화 전환 반응기(63)와,
    상기 고온 수성 가스화 전환 반응기(63)의 하류에 제공되어 개질 가스에 포함된 일산화탄소를 촉매 반응을 통해 이산화탄소 및 수소로 전환하는 저온 수성 가스화 전환 반응기(64)와,
    상기 저온 수성 가스화 전환 반응기(64)의 하류에 제공되어 개질 가스에 포함된 일산화탄소를 산화시키는 선택적 산화 반응기(65)와,
    상기 선택적 산화 반응기(65)로부터 개질 가스를 공급받아 전기를 생성하는 고분자 전해질형 연료전지 스택(66)과,
    상기 고분자 전해질형 연료전지 스택(66)의 배기 가스를 연소시키는 연료극 배기 가스 연소기(67)를 포함하는 고분자 전해질형 연료전지 시스템이고,
    상기 고온 수성 가스화 전환 반응기(63)와 상기 저온 수성 가스화 전환 반응기(64)의 사이에 제공되며, 상기 개질기(60)가 작동 온도로 도달하기 전에는 상기 고온 수성 가스화 전환 반응기(63)로부터 배출되는 개질 가스를 상기 연료극 배기 가스 연소기(67)로 보내는 제1 밸브(68)를 더 포함하는,
    고분자 전해질형 연료전지 시스템.
  2. 액상의 탄화수소계 연료를 자열개질(Autothermal Reforming; ATR) 방식을 이용하여 개질 가스를 생성하는 개질기(60)와,
    개질 가스의 황 성분을 제거하여 황성분이 제거된 개질 가스를 생성하는 탈황기(61)와,
    개질 가스에 포함된 저탄화수소 물질을 제거하는 후개질기(62)와,
    상기 후개질기(62)의 하류에 제공되어 개질 가스에 포함된 일산화탄소를 촉매 반응을 통해 이산화탄소 및 수소로 전환하는 고온 수성 가스화 전환 반응기(63)와,
    상기 고온 수성 가스화 전환 반응기(63)의 하류에 제공되어 개질 가스에 포함된 일산화탄소를 촉매 반응을 통해 이산화탄소 및 수소로 전환하는 저온 수성 가스화 전환 반응기(64)와,
    상기 저온 수성 가스화 전환 반응기(64)로부터 개질 가스를 공급받아 전기를 생성하는 고분자 전해질형 연료전지 스택(66)과,
    상기 고분자 전해질형 연료전지 스택(66)의 배기 가스를 연소시키는 연료극 배기 가스 연소기(67)를 포함하는 고분자 전해질형 연료전지 시스템이고,
    상기 고온 수성 가스화 전환 반응기(63)와 상기 저온 수성 가스화 전환 반응기(64)의 사이에 제공되며, 상기 개질기(60)가 작동 온도로 도달하기 전에는 개질 가스를 상기 연료극 배기 가스 연소기(67)로 보내는 제1 밸브(68)를 더 포함하는,
    고분자 전해질형 연료전지 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 선택적 산화 반응기(65)와 상기 고분자 전해질형 연료전지 스택(66) 사이에 제공되며, 상기 개질기(60)가 작동 온도로 도달하기 전에는 상기 고분자 전해질형 연료전지 스택(66)으로 공급되는 개질 가스의 흐름을 차단시키는 효과 및 대기상황과의 단절을 통한 상기 저온 수성 가스화 전환 반응기(64)와 상기 선택적 산화 반응기(65) 내 촉매들의 산화현상을 막을 수 있는 제2 밸브(69)를 더 포함하는,
    고분자 전해질형 연료전지 시스템.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 저온 수성 가스화 전환 반응기(64)와 상기 고분자 전해질형 연료전지 스택(66) 사이에 제공되며, 상기 개질기(60)가 작동 온도로 도달하기 전에는 상기 고분자 전해질형 연료전지 스택(66)으로 공급되는 개질 가스의 흐름을 차단시키는 효과 및 대기상황과의 단절을 통한 상기 저온 수성 가스화 전환 반응기(64) 내 촉매의 산화현상을 막을 수 있는 제2 밸브(69)를 더 포함하는,
    고분자 전해질형 연료전지 시스템.
  5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 고온 수성 가스화 전환 반응기(63)에 사용되는 촉매는 귀금속 계열의 촉매인,
    고분자 전해질형 연료전지 시스템.
  6. 액상의 탄화수소계 연료를 자열개질(Autothermal Reforming; ATR) 방식을 이용하여 개질 가스를 생성하는 개질기(60)와, 개질 가스에 포함된 황 성분을 제거하는 탈황기(61)와, 개질 가스에 포함된 저탄화수소 물질을 촉매 반응을 통해 수소 및 메탄으로 변환하는 후개질기(62)와, 상기 후개질기(62)의 하류에 제공되어 개질 가스 내의 일산화탄소를 수성 가스화 전환 반응을 통해 이산화탄소 및 수소로 전환시키는 고온 수성 가스화 전환 반응기(63)와, 상기 고온 수성 가스화 전환 반응기(63)의 하류에 제공되어 개질 가스 내의 일산화탄소를 수성 가스화 전환 반응을 통해 이산화탄소 및 수소로 전환시키는 저온 수성 가스화 전환 반응기(64)와, 상기 저온 수성 가스화 전환 반응기(64)의 하류에 제공되어 개질 가스에 포함된 일산화탄소를 산화시키는 선택적 산화 반응기(65)와, 상기 선택적 산화 반응기(65)로부터 개질 가스를 공급받아 전기를 생성하는 고분자 전해질형 연료전지 스택(66)과, 상기 고분자 전해질형 연료전지 스택(66)의 배기 가스를 연소시키는 연료극 배기 가스 연소기(67)와, 상기 고온 수성 가스화 전환 반응기(63)와 상기 저온 수성 가스화 전환 반응기(64)의 사이에 제공되어, 선택적으로 개질 가스를 상기 연료극 배기 가스 연소기(67)로 이송 가능한 제1 밸브(68)를 포함하는 고분자 전해질형 연료전지 시스템의 운전방법이며,
    상기 개질기(60)가 작동 온도로 도달하기 전에는 상기 제1 밸브(68)를 통해 개질 가스의 상기 저온 수성 가스화 전환 반응기(64)로의 유입을 차단하고, 개질 가스를 상기 연료극 배기 가스 연소기(67)로 이송하여 연소시키는 것을 특징으로 하는,
    고분자 전해질형 연료전지 시스템의 운전방법.
  7. 액상의 탄화수소계 연료를 자열개질(Autothermal Reforming; ATR) 방식을 이용하여 개질 가스를 생성하는 개질기(60)와, 개질 가스에 포함된 황 성분을 제거하는 탈황기(61)와, 개질 가스에 포함된 저탄화수소 물질을 촉매 반응을 통해 수소 및 메탄으로 변환하는 후개질기(62)와, 상기 후개질기(62)의 하류에 제공되어 개질 가스 내의 일산화탄소를 수성 가스화 전환 반응을 통해 이산화탄소 및 수소로 전환시키는 고온 수성 가스화 전환 반응기(63)와, 상기 고온 수성 가스화 전환 반응기(63)의 하류에 제공되어 개질 가스 내의 일산화탄소를 수성 가스화 전환 반응을 통해 이산화탄소 및 수소로 전환시키는 저온 수성 가스화 전환 반응기(64)와, 상기 저온 수성 가스화 전환 반응기(64)로부터 개질 가스를 공급받아 전기를 생성하는 고분자 전해질형 연료전지 스택(66)과, 상기 고분자 전해질형 연료전지 스택(66)의 배기 가스를 연소시키는 연료극 배기 가스 연소기(67)와, 상기 고온 수성 가스화 전환 반응기(63)와 상기 저온 수성 가스화 전환 반응기(64)의 사이에 제공되어, 선택적으로 개질 가스를 상기 연료극 배기 가스 연소기(67)로 이송 가능한 제1 밸브(68)를 포함하는 고분자 전해질형 연료전지 시스템의 운전방법이며,
    상기 개질기(60)가 작동 온도로 도달하기 전에는 상기 제1 밸브(68)를 통해 개질 가스의 상기 저온 수성 가스화 전환 반응기(64)로의 유입을 차단하고, 개질 가스를 상기 연료극 배기 가스 연소기(67)로 이송하여 연소시키는 것을 특징으로 하는,
    고분자 전해질형 연료전지 시스템의 운전방법.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 고분자 전해질형 연료전지 시스템은, 상기 선택적 산화 반응기(65)와 상기 고분자 전해질형 연료전지 스택(66) 사이에 제공되는 제2 밸브를 더 포함하고,
    상기 개질기(60)가 작동 온도로 도달하기 전에는 상기 제2 밸브(69)를 차단하여 개질 가스가 상기 고분자 전해질형 연료전지 스택(66)으로 유입되는 것을 차단하는 것과 더불어, 대기상황과의 단절을 통해 상기 저온 수성 가스화 전환 반응기(64)와 상기 선택적 산화 반응기(65) 내 촉매들의 산화현상을 막는 것을 특징으로 하는,
    고분자 전해질형 연료전지 시스템의 운전방법.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 고분자 전해질형 연료전지 시스템은, 상기 저온 수성 가스화 전환 반응기(64)와 상기 고분자 전해질형 연료전지 스택(66) 사이에 제공되는 제2 밸브를 더 포함하고,
    상기 개질기(60)가 작동 온도로 도달하기 전에는 상기 제2 밸브(69)를 차단하여 개질 가스가 상기 고분자 전해질형 연료전지 스택(66)으로 유입되는 것을 차단하는 것과 더불어, 대기상황과의 단절을 통해 상기 저온 수성 가스화 전환 반응기(64) 내 촉매의 산화현상을 막을 수 있는 것을 특징으로 하는,
    고분자 전해질형 연료전지 시스템의 운전방법.
  10. 청구항 6 또는 청구항 7에 있어서,
    상기 고온 수성 가스화 전환 반응기(63)에 사용되는 촉매는 귀금속 계열의 촉매인,
    고분자 전해질형 연료전지 시스템의 운전방법.
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