KR101282578B1 - 복수의 가열수단을 구비한 개질기 및 이를 이용한 연료전지시스템 - Google Patents

복수의 가열수단을 구비한 개질기 및 이를 이용한 연료전지시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 개질기의 온도를 정밀하게 제어할 수 있는 복수의 가열수단을 구비한 개질기 및 이를 이용한 연료전지 시스템에 관한 것으로, 본 발명에 따른 연료전지 시스템은 수소와 산소를 이용한 전기화학반응을 통해 발전하는 전기발생부와, 상기 전기발생부에 공기 중에 포함된 상기 산소를 공급하는 펌프와, 상기 전기발생부에 상기 수소를 공급하는 개질기와, 상기 개질기에 물을 공급하는 물용기와, 상기 개질기에 수소를 함유한 개질연료와 가연성의 연소연료를 공급하는 연료용기를 포함하며, 상기 개질기는, 열에너지를 공급받아 촉매를 통해 상기 개질연료를 수소로 개질하는 개질반응부와, 상기 연소연료를 연소시켜 발생하는 열을 상기 개질반응부에 공급하는 열원부와, 전기에너지를 이용한 열선의 발열작용을 통해 상기 개질반응부에 열을 공급하는 보조열원부를 포함하는 것을 특징으로 하기 때문에, 전기에너지를 이용하는 열선이 내장된 보조열원부를 이용하여 개질기의 개질반응부의 온도를 정밀하게 유지할 수 있어서 개질반응부의 촉매가 바람직한 개질 반응 온도에서 효율적으로 반응하기 때문에 충분한 양 및 고순도의 수소가 개질반응부를 통해 생성되어 보다 고효율의 연료전지 시스템의 구현이 가능하다.
연료전지, 개질기, 수증기개질, 전열

Description

복수의 가열수단을 구비한 개질기 및 이를 이용한 연료전지 시스템{reformer with double heater and fuel cell system using the same}
도 1은 본 발명에 따른 개질기를 이용한 연료전지 시스템을 나타낸 개략도,
도 2는 본 발명에 따른 개질기의 개질반응부의 온도를 시간에 따라 나타낸 그래프.
<도면의 주요 부호에 대한 설명>
110 : 물용기 120 : 연료용기
140 : 개질기 141 : 개질반응부
142 : 열원부 143 : 보조열원부
144 : 열선 145 : 제어부
146 : 온도검출기 150 : 전기발생부
본 발명은 개질기 및 이를 이용한 연료전지 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 개질기의 온도를 정밀하게 제어할 수 있는 복수의 가열수단을 구비한 개질기 및 이를 이용한 연료전지 시스템에 관한 것이다.
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 수소함유물질을 개질하여 수소를 공급할 수도 있다. 상기 산소는 순수한 산소를 직접 연료전지 시스템에 공급할 수도 있고, 공기 펌프 등을 이용하여 통상의 공기에 포함된 산소를 공급할 수도 있다.
이러한 연료전지는 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 각각의 연료전지는 기본적으로 유사한 원리에 의해 작동되지만 사용되는 연료의 종류, 촉매, 전해질막 등이 서로 다르다.
이 중에서 고분자 전해질형 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC)는 개질연료로써 사용되는 메탄올, 에탄올, 천연가스 등의 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 수소와 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 소정의 전압 및 전류를 발생시키는 전기 발생부, 상기 수소를 공급하기 위 하여 개질연료를 개질하여 수소를 발생시키는 개질기, 개질연료를 저장하는 연료용기를 포함한다. 전기 발생부는 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 단위 연료 전지를 포함하는데, 복수의 단위 연료 전지가 적층된 스택(stack)구조를 가질 수도 있다.
개질기는 촉매를 이용한 개질 반응에 의해 개질 연료를 수소가 풍부한 개질 가스로 전환하는 개질반응부와, 흡열반응인 상기 개질 반응에 필요한 열을 공급하는 연소반응부로 구성된다. 또한 개질기에는 상기 개질가스에 포함되어 연료전지의 촉매를 피독시키는 일산화탄소를 제거하는 일산화탄소 제거부가 더욱 포함될 수도 있다.
상기 개질 반응에는 수증기 개질 반응(Steam Reforming : SR), 부분 산화 반응(Partial Oxidation : POX), 자열 개질 반응(Autothermal Reaction : ATR) 등이 포함된다. 이러한 개질 반응에 사용되는 촉매는 Cu/ZnO계 촉매 등을 포함할 수 있는데, 이러한 촉매는 열에 민감하여 반응시 온도에 따라 효율에 큰 차이가 있을 수 있다. 따라서 상기 연소반응부를 통해 상기 개질반응부로 공급되는 열은 정밀하게 제어되어야 한다.
그런데 상기 개질반응에 필요한 반응 온도는 약 500~ 700도 가량으로, 이를 위해 상기 연소반응부에서는 주로 발열량이 큰 연소연료를 연소시켜 열을 공급한다. 이 때 상기 개질 반응 온도 부근에서 연소반응부의 온도를 일정하게 유지하기 위해 상기 연소연료의 연소반응을 온오프를 하게 되면, 연소연료의 큰 발열량으로 인하여 온도구배가 크게 되어 연소반응부는 일정한 온도를 유지하는 것이 어렵게 된다. 그러면 연소반응부를 통해 열을 공급받는 개질반응부도 일정한 반응온도를 유지할 수 없게 되어 촉매의 효율이 떨어진다. 이에 따라 수소의 생산량이 줄어들게 되고, 전체적인 연료전지 시스템의 효율이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 고려하여 도출된 것으로, 본 발명의 목적은 개질기의 온도를 정밀하게 제어할 수 있는 복수의 가열수단을 구비한 개질기 및 이를 이용한 연료전지 시스템에 관한 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 개질기는 열에너지를 공급받아 촉매를 통해 수소를 함유한 개질연료를 수소로 개질하는 개질반응부와, 가연성의 연소연료를 연소시켜 발생하는 열을 상기 개질반응부에 공급하는 열원부와, 전기에너지를 이용한 열선의 발열작용을 통해 상기 개질반응부에 열을 공급하는 보조열원부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 개질기는 상기 보조열원부의 상기 열선에 공급되는 상기 전기에너지의 양을 제어하는 제어부와 상기 개질반응부의 온도를 검출하는 온도검출기를 더 포함할 수 있다. 상기 제어부는 상기 온도검출기에서 측정된 상기 개질반응부의 온도가 적절한 개질반응온도보다 낮을 때에는 상기 열원부를 이용하여 상기 개질반응부를 가열하고, 상기 개질반응부의 온도가 적절한 촉매온도보다 높을 때에는 상기 보조열원부를 이용하여 상기 개질반응부를 가열할 수 있다. 상기 개질반응부는 수증기 개질 촉매 반응이 일어날 수 있고, 상기 개질 연료 및 상기 연소연료로 부탄을 사 용할 수 있다.
한편 본 발명에 따른 연료전지 시스템은, 수소와 산소를 이용한 전기화학반응을 통해 발전하는 전기발생부와, 상기 전기발생부에 공기 중에 포함된 상기 산소를 공급하는 펌프와, 상기 전기발생부에 상기 수소를 공급하는 개질기와, 상기 개질기에 물을 공급하는 물용기와, 상기 개질기에 수소를 함유한 개질연료와 가연성의 연소연료를 공급하는 연료용기를 포함하며, 상기 개질기는, 열에너지를 공급받아 촉매를 통해 상기 개질연료를 수소로 개질하는 개질반응부와, 상기 연소연료를 연소시켜 발생하는 열을 상기 개질반응부에 공급하는 열원부와, 전기에너지를 이용한 열선의 발열작용을 통해 상기 개질반응부에 열을 공급하는 보조열원부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 연료전지 시스템은 고분자 전해질형 연료전지 시스템일 수 있다.
이하, 본 발명을 명확히 하기 위한 바람직한 실시한 예를 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명하도록 한다. 도면상에서 동일한 참조부호는 동일하거나 유사한 구성요소를 가리킨다. 또한 도면상에 나타나는 각 구성요소의 형상 및 각 구성요소간의 크기의 비는 설명의 편의상 임의로 나타낼 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 개질기(140)를 이용한 연료전지 시스템을 나타낸 개략도이다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템에 있어서 개질연료라 함은, 수소를 함유하며 촉매를 이용한 개질작용을 통해 수소로 개질되는 연료를 의미하며, 예를 들면 메탄올, 부탄, 천연가스 등을 포함한다. 또한 연소연료라 함은 연소를 통한 발열작 용을 통해 상기 개질작용에 열원을 공급하는 가연성의 연료를 의미하며, 예를 들면 천연가스, 부탄 등을 포함한다. 한편 부탄 연료를 상기 개질연료 및 상기 연소연료로 사용하는 경우, 부탄 연료 용기의 노즐을 개방하면 기화된 연료가 저절로 연료용기 외부로 방출되기 때문에 별도의 연료 공급 장치 없이 상기 개질연료 및 상기 연소연료를 공급할 수 있고, 연소열이 높아 상기 개질반응에 필요한 열원을 충분히 공급가능한 장점이 있다. 이하에서는 설명의 편의상, 전술한 바와 같이 부탄을 상기 개질연료와 상기 연소연료를 동시에 사용하는 것으로 설명한다. 하지만 이에 한정하지 않고 상기 개질연료 및 상기 연소연료를 이종으로 사용할 수 있음은 당연하다. 이 때에는 상기 개질연료는 수소를 함유한 물질이 될 수 있고 상기 연소연료는 발열량이 큰 가연성의 물질이 될 수 있다. 한편, 본 발명에 따른 연료전지 시스템에 사용되는 산화제는 별도의 저장수단에 저장된 순수 산소 또는 산소함유공기를 사용할 수 있지만 이하에서는 통상의 공기에 포함된 산소를 사용한다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 연료전지 시스템은 물용기(110), 연료용기(120), 개질기(140), 전기발생부(150), 제1펌프(131), 제2펌프(132), 제3펌프(133), 제1밸브(134), 제2밸브(135)로 구성된다. 또한 개질기(140)는 개질반응부(141), 열원부(142), 보조열원부(143), 열선(144), 제어부(145) 및 온도검출기(146)로 구성된다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템은 고분자 전해질형 연료전지로서, 개질기(140)를 통해 상기 개질 연료로부터 수소를 발생시키고, 전기발생부(150)에서 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시킨다.
개질기(140)의 개질반응부(141)에는 물탱크(110)에 저장된 물과 개질연료로써 연료용기(120)에 저장된 상기 부탄이 공급된다. 물탱크(110)에 저장된 물은 제1펌프(131)의 구동력을 이용하여 공급되고, 연료용기(120)에 저장된 상기 개질 연료는 제1밸브(134)의 개도를 조절함으로서 공급된다. 개질반응부(141)는 수증기 개질 촉매 반응을 통해 물과 혼합된 상기 개질 연료를 개질하여 수소 가스를 생성한다. 상기 수증기 개질 촉매 반응식은 하기의 반응식 1과 같다.
수증기개질 촉매반응 : n-C4H10 ＋ 8H2O → 4CO2 ＋ 13H2 H298 = 485.3 KJ/mol
개질반응부(141)에는 온도검출기(146)가 설치되어 개질반응부(141)의 온도를 검출한다.
개질기(140)의 개질반응부(141)의 일측에는 열원부(142)가 접하여 설치된다. 열원부(142)에는 통상의 공기에 포함된 산소가 산화제로써 공급되고, 연료용기(120)에 저장된 상기 부탄이 상기 연소연료로써 공급된다. 산소는 제2펌프(132)의 구동력을 이용하여 공급되고, 상기 연소연료는 제2밸브(135)의 개도를 조절함으로써 공급된다. 열원부(142)는 상기 연소연료의 연소반응을 통해 열을 생성하며, 열원부(142)에 접하여 설치된 개질반응부(141)에 상기 열을 제공한다. 상기 부탄 연소 반응식은 각각 하기의 반응식 2와 같다.
부탄 연소반응 : n-C4H10 ＋ 6.5O2 → 4CO2 ＋ 5H2O H298 = -2658.5 KJ/mol
개질기(140)의 개질반응부(141)의 타측에는 보조열원부(143)가 접하여 설치된다. 보조열원부(143)는 열선(144)이 내장되며, 열선(144)은 전기에너지에 의해 발열작용을 한다. 열선(144)은 보조열원부(143)의 전체에 설치될 수도 있고, 열원부(142)에 의해 상대적으로 가열되는 양이 적은 개질반응부(141)의 부위에 대응하는 위치에 선택적으로 설치될 수도 있다. 제어부(145)는 개질반응부(141)에 설치된 온도검출기(146)의 신호에 따라 열선(144)에 공급하는 전기에너지의 양을 제어함으로써 열선(144)의 발열량을 제어한다. 또한 제어부(145)는 개질반응부(141)에 설치된 온도검출기(146)의 신호에 따라 제2밸브(135) 및 제2펌프(132)의 구동을 제어한다.
상기와 같은 구성을 통하여, 본 발명에 따른 개질기(140)의 작용을 설명하면 다음과 같다.
개질기(140)를 시동할 때에는 개질반응부(141)의 온도를 신속하게 상승시켜야 하기 때문에, 발열량이 큰 열원부(142)를 이용하여 개질반응부(141)에 열을 제공한다. 이를 위해 제어부(145)에서 제2밸브(135)의 개도를 조절하고 제2펌프(132)를 구동하여 열원부(142)에 상기 연소가스와 산소를 공급하고, 상기 연소가스와 산소는 열원부(142)에서 연소된다. 이때 생성되는 열은 개질반응부(141)에 공급되고 개질반응부(141)의 온도는 지속적으로 상승한다. 한편 개질반응부(141)에 설치된 온도검출기(146)는 지속적으로 개질반응부(141)의 온도를 측정하고, 제어부(145)는 이에 대응하는 신호를 수신한다. 제어부(145)는 상기 신호를 통해 개질반응부(141)의 온도를 실시간으로 파악할 수 있다.
한편 개질반응부(141)의 온도가 적절한 개질 반응 온도에 도달하였을 때, 제어부(145)는 제2밸브(135)의 개도를 조절하고 제2펌프(132)의 구동을 중지하여 열원부(142)에 상기 연소가스 및 산소의 공급을 중지한다. 이와 동시에 제어부(145)는 보조열원부(143)의 열선(144)에 전기에너지를 공급하여 열선(144)이 발열하도록 한다. 제어부(145)는 열선(144)에 공급하는 전기에너지를 미세하게 조절할 수 있고, 열선(144)은 이러한 전기에너지에 대응하여 발열량이 미세하게 조절된다. 따라서 제어부(145)는 보조열원부(143)에서 개질반응부(141)로 공급되는 열의 양을 정밀하게 제어할 수 있기 때문에, 개질반응부(141)의 온도를 적절한 개질 반응 온도로 유지할 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 개질기(140)의 개질반응부(141)의 온도를 시간에 따라 나타낸 그래프이다.
도 2를 참조하면, 개질기(140)의 시동 후 개질반응부(141; 도 1 참조)의 온도가 적절한 개질 반응 온도(A)에 도달하기 전에는, 열원부(142; 도 1 참조)를 이용하여 개질반응부(141)를 가열한다. 개질반응부(141)의 온도가 적절한 개질 반응 온도(A)에 도달한 시간 (T) 이후에는 보조열원부(143)를 통해 개질반응부(141)를 가열한다. 보조열원부(143)는 발열량을 미세하게 제어할 수 있기 때문에 개질반응부(141)의 온도는 적절한 개질 반응 온도(A)의 부근에서 유지될 수 있다. 반면에 종래의 경우와 같이 시간(T) 이후에도 열원부(142)를 통해 개질반응부(141)를 가열하면, 점선으로 표시된 바와 같이 열원부(142)의 큰 발열량으로 인하여 개질반응부(141)의 온도를 정밀하게 제어하는 것이 어렵게 된다.
다시 도 1을 참조하면, 전기발생부(150)는 양측면을 이루는 애노드 전극(미도시) 및 캐소드 전극(미도시) 사이에 전해질막(미도시)이 개재된 전해질막-전극 접합체가 단위연료전지로서 구성된다. 개질기(140)에서 생성된 수소 가스는 애노드 전극에 공급되고, 통상의 공기 중에 포함된 산소는 캐소드 전극에 공급되며, 각각의 전극에서의 촉매에서 일어나는 전기화학 반응을 통해 전기를 생산한다. 전기발생부(150)에 공급되는 산소는 제3펌프(133)의 구동력을 이용하여 공급된다. 전기발생부(150)에서 일어나는 전기화학 반응을 반응식으로 나타내면 하기 반응식 3와 같다.
애노드 전극 : H2 → 2H+ ＋ 2e-
캐소드 전극 : ½O2 ＋ 2H+ ＋ 2e- → H2O
전체반응식 : H2 ＋ ½O2 → H2O ＋ 전류 ＋ 열
상기 반응식 3을 참고하면, 상기 수소는 애노드 전극에서 수소이온 및 전자로 나뉘고, 애노드 전극에서 생성된 상기 수소이온은 전해질막을 통과하여 캐소드전극으로 이동한다. 상기 수소이온은 캐소드전극에서 산소와 반응하여 물을 생성하고 캐소드전극에서 생성된 상기 전자들은 화학반응의 자유에너지 변화와 함께 외부회로를 통해 이동한다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
예를 들면, 본 발명에 따른 개질기(100)의 개질반응부(141)에서는 수증기 개질 반응을 통해 수소 가스를 생성하는 것으로 설명하였지만 이에 한정하지 않고 부분산화개질반응, 자열개질반응 등을 통해 수소 가스를 생성할 수도 있음은 당연하다. 이 경우 열원부(142) 및 보조열원부(143)를 통해 가열되는 개질반응부(141)의 적절한 촉매 온도는 각각의 개질반응에 사용되는 촉매의 적절한 촉매온도에 따라 상이할 수 있다.
본 발명에 따른 개질기 및 이를 이용한 연료전지 시스템에 의하면, 전기에너지를 이용하는 열선이 내장된 보조열원부를 이용하여 개질기의 개질반응부의 온도를 정밀하게 유지할 수 있기 때문에, 개질반응부의 촉매가 바람직한 개질 반응 온도에서 효율적으로 반응할 수 있도록 한다. 그러면 충분한 양 및 고순도의 수소가 개질반응부를 통해 생성될 수 있기 때문에, 보다 고효율의 연료전지 시스템의 구현이 가능하다.

Claims (14)

  1. 열에너지를 공급받아 촉매를 통해 수소를 함유한 개질연료를 수소로 개질하는 개질반응부;
    가연성의 연소연료를 연소시켜 발생하는 열을 상기 개질반응부에 공급하는 열원부; 및
    전기에너지를 이용한 열선의 발열작용을 통해 상기 개질반응부에 열을 공급하는 보조열원부를 포함하고,
    상기 보조열원부의 상기 열선에 공급되는 상기 전기에너지의 양을 제어하는 제어부를 더 포함하며,
    상기 개질반응부의 온도를 검출하는 온도검출기를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 온도검출기에서 측정된 상기 개질반응부의 온도가 적절한 개질반응온도보다 낮을 때에는 상기 열원부를 이용하여 상기 개질반응부를 가열하고, 상기 개질반응부의 온도가 적절한 촉매온도보다 높을 때에는 상기 보조열원부를 이용하여 상기 개질반응부를 가열하는 것을 특징으로 하는 개질기.
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  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 개질반응부는 수증기 개질 촉매 반응이 일어나는 것을 특징으로 하는 개질기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 개질 연료 및 상기 연소연료로 부탄을 사용하는 것을 특징으로 하는 개질기.
  7. 수소와 산소를 이용한 전기화학반응을 통해 발전하는 전기발생부;
    상기 전기발생부에 공기 중에 포함된 상기 산소를 공급하는 펌프;
    상기 전기발생부에 상기 수소를 공급하는 개질기;
    상기 개질기에 물을 공급하는 물용기; 및
    상기 개질기에 수소를 함유한 개질연료와 가연성의 연소연료를 공급하는 연료용기를 포함하며,
    상기 개질기는,
    열에너지를 공급받아 촉매를 통해 상기 개질연료를 수소로 개질하는 개질반응부;
    상기 연소연료를 연소시켜 발생하는 열을 상기 개질반응부에 공급하는 열원부; 및
    전기에너지를 이용한 열선의 발열작용을 통해 상기 개질반응부에 열을 공급하는 보조열원부를 포함하고,
    상기 보조열원부의 상기 열선에 공급되는 상기 전기에너지의 양을 제어하는 제어부를 더 포함하며,
    상기 개질반응부의 온도를 검출하는 온도검출기를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 온도검출기에서 측정된 상기 개질반응부의 온도가 적절한 촉매온도보다 낮을 때에는 상기 열원부를 이용하여 상기 개질반응부를 가열하고, 상기 개질반응부의 온도가 적절한 촉매온도보다 높을 때에는 상기 보조열원부를 이용하여 상기 개질반응부를 가열하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제7항에 있어서,
    상기 개질반응부에서는 수증기 개질 촉매 반응이 일어나는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 연소연료는 탄화수소 계열 물질인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 개질연료 및 상기 연소연료로 부탄을 사용하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 연료전지 시스템은 고분자 전해질형 연료전지 시스템인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
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