KR101296819B1

KR101296819B1 - Coal gas molten fuel cell system

Info

Publication number: KR101296819B1
Application number: KR1020110111371A
Authority: KR
Inventors: 김도형; 김범주; 이태희; 임희천; 김미영
Original assignee: 한국전력공사
Priority date: 2011-10-28
Filing date: 2011-10-28
Publication date: 2013-08-14
Also published as: KR20130046789A

Abstract

석탄 가스 연료 전지 시스템이 제공된다. 석탄 가스 연료 전지 시스템은, 연료극으로 연료 가스를 공급하는 연료 가스 통로, 공기극으로 산화제 가스를 공급하는 산화제 가스 통로 및 상기 연료 가스 통로와 산화제 가스 통로 사이에 위치하며, 냉각용 질소가 공급되는 냉각용 질소 통로를 포함하는 스택 냉각용 분리판, 상기 스택 냉각용 분리판을 포함하는 스택을 포함한다.A coal gas fuel cell system is provided. The coal gas fuel cell system includes a fuel gas passage for supplying fuel gas to an anode, an oxidant gas passage for supplying an oxidant gas to the cathode, and a fuel gas passage and an oxidant gas passage for cooling. A stack cooling separator comprising a nitrogen passage, and a stack including the stack cooling separator.

Description

Coal gas fuel cell system {COAL GAS MOLTEN FUEL CELL SYSTEM}

본 발명은 석탄 가스 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 석탄 가스를 연료로 하는 용융탄산염 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
The present invention relates to a coal gas fuel cell system, and more particularly, to a molten carbonate fuel cell system using coal gas as a fuel.

최근 기후 온난화에 현상으로 인해, 친환경성과 고효율 특성을 가지는 연료 전지가 중요한 기술 중 하나로 각광을 받고 있다.Recently, due to the phenomenon of climate warming, fuel cells having environmentally friendly and high efficiency characteristics have been spotlighted as one of important technologies.

특히 용융탄산염 연료 전지(이하, ‘MCFC’라 칭함)는 연료 전지 중에서 가장 큰 규모로 개발되고 있고, 기 개발된 제품은 상업화 운전 중에 있다.In particular, molten carbonate fuel cells (hereinafter referred to as "MCFC") is the largest development of fuel cells, and the developed products are in commercial operation.

연료 전지 시스템에서, 연료 에너지의 일부분은 전기 에너지로 전환되고, 나머지 부분의 에너지는 대부분 열 에너지로 전환된다.In a fuel cell system, a portion of the fuel energy is converted to electrical energy and the energy of the remaining portion is mostly converted to thermal energy.

이러한 열 에너지의 전환에 의해 스택 내부의 온도 상승이 일어난다.This conversion of thermal energy causes a temperature rise inside the stack.

MCFC의 경우, 이러한 온도 상승에 의해 스택 내부에 고온부가 형성되는데, 이 고온부의 온도는 약 700℃ 이하로 유지되는 것이 바람직하다.In the case of MCFC, a high temperature portion is formed inside the stack by such a temperature rise, and the temperature of the high temperature portion is preferably maintained at about 700 ° C or lower.

이 허용 온도 이상의 고온부가 형성되면 전극의 미세 구조 변화, 부식 및 전해질 증발 등 현상이 일어남으로써 스택의 수명에 직접적인 영향을 주게 된다.If a high temperature portion above this allowable temperature is formed, a phenomenon such as a change in the microstructure of the electrode, corrosion, and evaporation of the electrolyte may occur, which directly affects the life of the stack.

따라서, 상용화를 위한 스택의 목표 수명 시간을 달성하기 위해서는 반드시 고온부의 온도 제어가 이루어져야만 한다.Therefore, in order to achieve the target life time of the stack for commercialization, temperature control of the hot portion must be made.

이에, 미국등록특허 제5,170,562호(Reforming unit for fuel cell stack), 제5,660,941호(Catalyst assembly for internal reforming fuel cell) 및 제6,200,696호(Internal reforming fuel cell assembly with simplified fuel feed)에서, 내부 개질 반응을 이용하여 MCFC 스택 고온부의 온도를 제어하는 기술을 제시하였다.Therefore, in US Patent Nos. 5,170,562 (Reforming unit for fuel cell stack), 5,660,941 (Catalyst assembly for internal reforming fuel cell) and 6,200,696 (Internal reforming fuel cell assembly with simplified fuel feed), the internal reforming reaction A technique for controlling the temperature of the MCFC stack high temperature part is proposed.

그러나, 이 기술은 탄화수소를 연료로 사용해야만 하며, 이는 다른 연료에 비해 비용적인 측면의 부담이 매우 커서 경제적이지 못하다는 문제점이 있었다.However, this technique has to use hydrocarbons as fuel, which has a problem that it is not economical because the cost burden is very large compared to other fuels.

또한, 한국등록특허 제10-0259214호(용융탄산염 연료 전지의 전해질 첨가 방법)에서는 스택 고온부를 제어하기 위해서 공기극 가스를 과량 공급하는 기술을 제시하였다.In addition, Korean Patent No. 10-0259214 (electrolyte addition method of molten carbonate fuel cell) has proposed a technique for supplying an excessive amount of the cathode gas in order to control the high temperature portion of the stack.

그러나, 이 기술은 과량의 공기극 가스를 사용하기 위해서 가압 시스템을 필요로 하는데, 가압 시스템은 복잡한 구성과 운전의 어려움에 의해 현재까지 많은 문제점이 지적되고 있는 실정이다.
However, this technique requires a pressurization system in order to use an excess amount of cathode gas, which has been pointed out with many problems until now due to the complicated configuration and difficulty of operation.

한국등록특허 제10-0259214호, ‘용융탄산염 연료 전지의 전해질 첨가 방법’Korean Patent No. 10-0259214, 'Method of adding electrolyte to molten carbonate fuel cell'

상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 기존의 값 비싼 천연 가스를 연료로 사용하는 용융탄산염 연료 전지와 달리, 경제적인 석탄을 연료로 사용하는 용융탄산염 연료 전지 시스템을 제공한다.In order to solve the above-mentioned problems of the prior art, the present invention provides a molten carbonate fuel cell system using economical coal as a fuel, unlike conventional molten carbonate fuel cells using expensive natural gas as a fuel.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
The objects of the present invention are not limited to the above-mentioned objects, and other objects not mentioned can be clearly understood from the following description.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따른 연료 전지 시스템은, 연료극으로 연료 가스를 공급하는 연료 가스 통로, 공기극으로 산화제 가스를 공급하는 산화제 가스 통로 및 상기 연료 가스 통로와 산화제 가스 통로 사이에 위치하며, 냉각용 질소가 공급되는 냉각용 질소 통로를 포함하는 스택 냉각용 분리판, 상기 스택 냉각용 분리판을 포함하는 스택을 포함한다.In order to achieve the above object, a fuel cell system according to an aspect of the present invention, the fuel gas passage for supplying fuel gas to the anode, the oxidant gas passage for supplying the oxidant gas to the cathode and between the fuel gas passage and the oxidant gas passage Located in, and comprising a stack for cooling the stack comprising a cooling nitrogen passage to which the cooling nitrogen is supplied, the stack comprising a stack for cooling the stack.

본 발명의 일 측면에서, 상기 연료 가스는 석탄 가스 및 부생 수소 중 어느 하나를 포함한다.In one aspect of the present invention, the fuel gas includes any one of coal gas and by-product hydrogen.

또한, 본 발명의 일 측면에서, 상기 연료극 및 공기극은 각 전극을 통해 전기 화학 반응에 참여하며, 상기 냉각용 질소는 상기 전기 화학 반응에 참여하지 않고 열 전달 매체로 이용된다.In addition, in one aspect of the present invention, the fuel electrode and the air electrode participate in an electrochemical reaction through each electrode, and the cooling nitrogen is used as a heat transfer medium without participating in the electrochemical reaction.

또한, 본 발명의 일 측면에서, 상기 냉각용 질소의 온도는 상기 연료극 및 공기극의 온도를 기준으로 미리 정해진 범위 내에서 설정된다.In addition, in one aspect of the present invention, the temperature of the cooling nitrogen is set within a predetermined range based on the temperature of the fuel electrode and the air electrode.

또한, 본 발명의 일 측면에서, 상기 연료 전지 시스템은 압축된 공기로부터 산소와 질소를 분리하여, 상기 분리된 산소를 상기 공기극에, 상기 분리된 질소를 상기 스택 냉각용 분리판에 공급하는 공기 분리기를 더 포함한다.In addition, in one aspect of the present invention, the fuel cell system separates oxygen and nitrogen from the compressed air, the air separator for supplying the separated oxygen to the cathode, the separated nitrogen to the stack cooling separator plate. It further includes.

또한, 본 발명의 일 측면에서, 상기 분리된 산소는 열 교환기를 지난 공기극 배가스와 혼합된다.In addition, in one aspect of the invention, the separated oxygen is mixed with the cathode exhaust gas passing through the heat exchanger.

또한, 본 발명의 일 측면에서, 상기 연료 전지 시스템은 상기 분리된 산소와 공기극 배가스가 혼합된 가스를 상기 공기극의 입구 가스 온도로 증가시키는 촉매 연소기를 더 포함한다.In addition, in one aspect of the invention, the fuel cell system further includes a catalytic combustor for increasing the gas in which the separated oxygen and the cathode exhaust gas is mixed to the inlet gas temperature of the cathode.

또한, 본 발명의 일 측면에서, 상기 연료 전지 시스템은 상기 촉매 연소기의 온도를 제어하는 공기극 순환 블로워를 더 포함한다.In addition, in one aspect of the present invention, the fuel cell system further includes a cathode circulation blower for controlling the temperature of the catalytic combustor.

또한, 본 발명의 일 측면에서, 상기 공기극 순환 블로워는 상기 공기극 가스를 상기 공기 분리기로부터 분리된 산소와 혼합하여 상기 공기극 가스를 순환시키되, 상기 공기극 가스는 열 교환기를 거쳐 연료극 가스와 열 교환된다.In addition, in one aspect of the present invention, the cathode circulation blower circulates the cathode gas by mixing the cathode gas with oxygen separated from the air separator, and the cathode gas is heat exchanged with the anode gas through a heat exchanger.

또한, 본 발명의 일 측면에서, 공기극 순환 블로워는 상기 공기극 순환 블로워의 용량을 증대시킴으로써 상기 공기 분리기의 용량을 감소시킨다.In addition, in one aspect of the invention, the cathode circulation blower reduces the capacity of the air separator by increasing the capacity of the cathode circulation blower.

또한, 본 발명의 일 측면에서, 상기 분리된 질소는 상기 냉각용 질소로서, 상기 스택 냉각용 분리판의 배가스와 제 1 열 교환기를 통해 제 1 차 열 교환되며, 상기 스택 냉각용 분리판의 배가스와 제 2 열 교환기를 통해 제 2 차 열 교환된 후 상기 스택 냉각용 분리판으로 유입된다.In addition, in one aspect of the present invention, the separated nitrogen is the cooling nitrogen, the first heat exchange through the first heat exchanger and the exhaust gas of the stack cooling separator, the exhaust gas of the stack cooling separator And second heat exchange through a second heat exchanger and then flow into the stack cooling separator.

또한, 본 발명의 일 측면에서, 상기 연료 전지 시스템은 상기 스택을 나온 질소 배가스를 상기 공기 분리기로부터 분리된 질소와 혼합하여 상기 질소 배가스를 순환시키는 질소 순환 블로워를 더 포함한다.In addition, in one aspect of the present invention, the fuel cell system further includes a nitrogen circulation blower for circulating the nitrogen exhaust gas by mixing nitrogen exhaust gas exiting the stack with nitrogen separated from the air separator.

또한, 본 발명의 일 측면에서, 상기 질소 순환 블로워는 상기 질소 순환 블로워의 용량을 증대시킴으로써 상기 공기 분리기의 용량을 감소시킨다.Further, in one aspect of the present invention, the nitrogen circulation blower reduces the capacity of the air separator by increasing the capacity of the nitrogen circulation blower.

상기 목적을 달성하기 위한 구체적인 사항들은 첨부된 도면과 함께 상세하게 후술된 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The above and other objects, features and advantages of the present invention will be more apparent from the following detailed description taken in conjunction with the accompanying drawings, in which: FIG.

그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라, 서로 다른 다양한 형태로 구성될 수 있으며, 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as being limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art. It is provided to fully inform the owner of the scope of the invention.

전술한 본 발명의 석탄 가스 연료 전지 시스템의 과제 해결 수단 중 하나에 의하면, 탄화수소 제조기와 같은 부차적인 장치 없이 석탄 가스를 직접 연료로 사용함과 동시에, 스택 내부의 고온부의 온도를 제한 온도 영역 이하로 제어할 수 있다.According to one of the problem solving means of the coal gas fuel cell system of the present invention described above, the coal gas is directly used as a fuel without a secondary device such as a hydrocarbon maker, and the temperature of the high temperature portion inside the stack is controlled to be below a limit temperature range. can do.

또한, 에너지 소모가 큰 공기 분리기의 용량을 줄이기 위하여 공기극 순환 블로워와 질소 순환 블로워의 용량을 증대시킴으로써, 에너지 소모량이 큰 공기 분리기의 용량을 상대적으로 줄여 시스템의 효율을 높일 수 있다.In addition, by increasing the capacity of the cathode circulation blower and the nitrogen circulation blower in order to reduce the capacity of the high energy consumption air separator, it is possible to increase the efficiency of the system by relatively reducing the capacity of the air separator with high energy consumption.

또한, 기존의 값 비싼 천연 가스를 연료로 사용하는 용융탄산염 연료 전지와 달리 경제성이 매우 높기 때문에 시장에 있어서 활용 가치가 높다.
In addition, unlike conventional molten carbonate fuel cells using expensive natural gas as a fuel, it is very useful in the market because of its high economic efficiency.

도 1은 기존의 천연 가스(탄화수소)를 연료로 하는 내부 개질용 용융탄산염 연료 전지 시스템의 구성을 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 석탄 가스 연료 전지 제어 시스템의 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 석탄 가스 연료 전지 제어 시스템의 구성을 도시한 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 스택 냉각용 분리판을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 스택 내부의 온도 그래프를 나타낸 도면이다.1 is a block diagram showing the configuration of a molten carbonate fuel cell system for internal reforming that uses a conventional natural gas (hydrocarbon) as a fuel.
2 is a conceptual diagram of a coal gas fuel cell control system according to an embodiment of the present invention.
3 is a block diagram showing the configuration of a coal gas fuel cell control system according to an embodiment of the present invention.
4 is a view illustrating a stack cooling separator according to an embodiment of the present invention.
5 is a diagram illustrating a temperature graph inside a stack according to an embodiment of the present invention.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 이를 상세한 설명을 통해 상세히 설명하고자 한다.While the present invention has been described in connection with certain exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, is intended to cover various modifications and similarities.

그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.It should be understood, however, that the invention is not intended to be limited to the particular embodiments, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention.

본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.In the drawings, parts irrelevant to the description are omitted in order to clearly describe the present invention, and like reference numerals designate like parts throughout the specification.

참고로, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 ‘연결’되어 있다고 할 때, 이는 ‘직접적으로 연결’되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 구성 요소를 사이에 두고 ‘간접적으로 연결’되어 있는 경우도 포함한다.For reference, in the specification, when a part is 'connected' to another part, it is not only 'directly connected' but also 'indirectly connected' with other components in between. It also includes the case.

또한 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 ‘포함’한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.In addition, when a part is said to "include" a certain component, it means that it may include other components, not to exclude other components unless specifically stated otherwise.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 설명하도록 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 기존의 천연 가스(탄화수소)를 연료로 하는 내부 개질용 용융탄산염 연료 전지 시스템의 구성을 도시한 블록도이다.1 is a block diagram showing the configuration of a molten carbonate fuel cell system for internal reforming that uses a conventional natural gas (hydrocarbon) as a fuel.

기존의 천연 가스(탄화수소)를 연료로 하는 내부 개질용 용융탄산염 연료 전지 시스템(100)은 탄화수소 계로 이루어진 천연 가스 외 석탄 가스 또는 부생 수소 등의 연료(101)가 공급되면 배관(102)을 통해 수성 가스 반응 장치(103), 즉, 일산화탄소와 물을 반응시켜 수소와 이산화탄소로 전환하는 반응을 거친 후, 수소 성분이 많은 가스가 배관(104)을 거쳐 탄화수소 제조기(105)로 들어가게 된다.The internally reformed molten carbonate fuel cell system 100 that uses existing natural gas (hydrocarbon) as a fuel is water-based through a pipe 102 when a fuel 101 such as coal gas or by-product hydrogen other than a natural gas composed of a hydrocarbon system is supplied. After the gas reaction device 103, that is, carbon monoxide and water are reacted to convert hydrogen and carbon dioxide, gas containing a large amount of hydrogen enters the hydrocarbon maker 105 via the pipe 104.

즉, 탄화수소 제조기(105)를 통해 탄화수소가 만들어지고, 이는 배관(106)을 통해 내부 개질용 용융탄산염 연료 전지(107)로 들어가 개질 반응 층에서 다시 수소를 만들어 전력을 생산하게 된다.That is, hydrocarbon is produced through the hydrocarbon maker 105, which enters the internal reforming molten carbonate fuel cell 107 through the piping 106 to produce hydrogen again in the reforming reaction layer to produce power.

이처럼, 탄화수소를 연료로 하지 않는 부생 수소 또는 석탄 가스화기의 수소 등의 연료에 있어서, 기존 내부 개질용 용융탄산염 연료 전지 시스템(100)은 부차적인 수성 가스 반응 장치(103)와 탄화수소 제조기(105) 등의 장치를 필요로 하고, 연료 전환에 있어서, ‘수소 -> 메탄 -> 수소’라는 불필요한 전환 반응을 하게 된다.As described above, in a fuel such as by-product hydrogen that does not use hydrocarbon as a fuel or hydrogen of a coal gasifier, the existing internal reforming molten carbonate fuel cell system 100 is a secondary water gas reaction device 103 and a hydrocarbon maker 105. In the fuel conversion, an unnecessary conversion reaction such as 'hydrogen-> methane-> hydrogen' is performed.

이는, 내부 개질용 용융탄산염 연료 전지가 스택 내부의 개질 반응 층에서 전력 생산 시 발생하는 스택의 발열량을 흡수하여 메탄-수소 전환 개질 반응을 일으키고, 이러한 반응에 의한 발열량 흡수에 의해 스택 고온부의 온도 상승을 억제하는 방법이다.This means that the internal reforming molten carbonate fuel cell absorbs the calorific value of the stack generated during power generation in the reforming reaction layer inside the stack, causing a methane-hydrogen conversion reforming reaction, and the temperature rise of the stack high temperature portion is caused by the calorific absorption by the reaction. It is a way to suppress.

이러한 방법은 연료가 반드시 탄화수소 성분으로 구성되어야 하며, 이는 연료의 다양성 측면에서 분명한 제한적 요소가 된다.This method requires that the fuel consist of hydrocarbon components, which is a definite limiting factor in terms of fuel diversity.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 석탄 가스 연료 전지 제어 시스템의 개념도이다.2 is a conceptual diagram of a coal gas fuel cell control system according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 일 실시예에 따른 석탄 가스 연료 전지 제어 시스템(200)은 석탄 가스 또는 부생 수소 등의 연료가 배관(202)을 통해 직접적으로 용융탄산염 연료 전지(203)로 공급되어 전력을 생산할 수 있다.In the coal gas fuel cell control system 200 according to an embodiment of the present invention, fuel such as coal gas or by-product hydrogen may be supplied directly to the molten carbonate fuel cell 203 through a pipe 202 to produce electric power. .

또한, 석탄 가스화기 시스템 등의 내부 단위 기기 중 하나인 공기 분리기를 통해 산소와 질소를 분리하여 연료를 공급받을 수 있다.In addition, the fuel may be supplied by separating oxygen and nitrogen through an air separator, which is one of internal unit devices such as a coal gasifier system.

이 경우, 앞서 설명한, 기존의 천연 가스(탄화수소)를 연료로 하는 내부 개질용 용융탄산염 연료 전지 시스템(100)과는 달리, 수성 가스 반응 장치(103)와 탄화수소 제조기(105)를 필요로 하지 않음으로써, 수소를 탄화수소로 전환하는 공정은 생략될 수 있어, 시스템의 효율을 높일 수 있다.In this case, unlike the above-described internal reforming molten carbonate fuel cell system 100 that uses natural gas (hydrocarbon) as a fuel, the water gas reaction device 103 and the hydrocarbon maker 105 are not required. As a result, the step of converting hydrogen to hydrocarbon can be omitted, thereby increasing the efficiency of the system.

이하, 도 3을 참조하여 도 2에 도시된 구성 요소들의 동작을 상세히 설명하도록 한다.Hereinafter, the operation of the components shown in FIG. 2 will be described in detail with reference to FIG. 3.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 석탄 가스 연료 전지 제어 시스템의 구성을 도시한 블록도이다.3 is a block diagram showing the configuration of a coal gas fuel cell control system according to an embodiment of the present invention.

각 구성 요소의 동작을 설명하면, 먼저, 석탄 가스 또는 산업용 부생 수소 등의 연료 공급 장치(301)로부터 공급되는 연료와, 물 공급 장치(302)로부터 공급되는 물이 연료/물 혼합기(303)에서 혼합된다.Referring to the operation of each component, first, the fuel supplied from the fuel supply device 301 such as coal gas or industrial by-product hydrogen, and the water supplied from the water supply device 302 are supplied from the fuel / water mixer 303. Are mixed.

이때, 물 공급 장치(302)로부터 공급되는 물의 양은 연료의 특성에 따라 공급될 수 있다.In this case, the amount of water supplied from the water supply device 302 may be supplied according to the characteristics of the fuel.

예를 들어, 연료의 성분이 수소, 이산화탄소 및 물을 포함하고, 이들의 조성비가 용융탄산염 연료 전지 스택(310)의 연료극(311) 가스 성분에 충족된다면, 물 공급 장치(302)로부터의 물 공급은 필요치 않을 수 있다.For example, if the components of the fuel include hydrogen, carbon dioxide, and water, and their composition ratios meet the anode 311 gas component of the molten carbonate fuel cell stack 310, the water supply from the water supply device 302 May not be necessary.

만일, 연료의 성분 중에 일정 부분이 탄화수소 성분을 포함하는 경우, 그에 해당하는 비율 만큼의 물의 양이 물 공급 장치(302)로부터 공급될 수 있다.If a portion of the fuel component comprises a hydrocarbon component, an amount of water corresponding to the ratio may be supplied from the water supply device 302.

연료/물 혼합기(303)를 나온 연료/물 혼합물은 열 교환기/개질 반응기(304)를 지나 열 교환기(350)를 통해 스택(310)읠 연료극(311)의 연소 가스로 들어가게 된다.The fuel / water mixture exiting the fuel / water mixer 303 passes through the heat exchanger / reformation reactor 304 and enters the combustion gas of the stack 310 읠 fuel electrode 311 via the heat exchanger 350.

열 교환기/개질 반응기(304)의 경우 연료극(311)의 배가스와 열 교환이 이루어지고, 이러한 열 교환을 통해 연료 가스에 포함되어 있는 일정 부분의 탄화 수소 성분이 스팀 개질 반응을 일으켜 수소와 일산화탄소(또는, 이산화탄소)로 전환하게 된다.In the heat exchanger / reformer reactor 304, heat exchange is performed with the exhaust gas of the anode 311, and a portion of the hydrocarbon components included in the fuel gas causes the steam reforming reaction to generate hydrogen and carbon monoxide ( Or carbon dioxide).

이 연료 가스는 공기극(313)의 배가스와 열 교환기(350)를 거쳐 열 교환함으로써 연료극(311) 입구 가스 온도 조건인 550℃ 이상을 유지하며 스택(310)의 연료극(311)에 공급될 수 있다.The fuel gas may be supplied to the anode 311 of the stack 310 while maintaining a temperature of 550 ° C. or more, which is a temperature condition of the inlet gas of the anode 311, by heat exchanging the exhaust gas of the cathode 313 through the heat exchanger 350. .

공기극(313)의 반응에 필요로 하는 산소의 경우, 공기 압축기(320)를 통해 공기 분리기(330)를 거친 후 공급될 수 있다.Oxygen required for the reaction of the cathode 313 may be supplied after passing through the air separator 330 through the air compressor 320.

공기 분리기(330)를 통해 분리된 산소(331)는 열 교환기(350)를 지난 공기극 배가스와 혼합될 수 있다(333).The oxygen 331 separated through the air separator 330 may be mixed with the cathode exhaust gas passing through the heat exchanger 350 (333).

이 혼합 가스는 촉매 연소기(340)에 들어가 연료극(311) 배가스의 잔존 수소 및 일산화탄소 성분을 연소시킴으로써 공기극(313) 입구 가스 온도로 승온할 수 있다.The mixed gas can be heated to the temperature of the inlet gas of the cathode 313 by entering the catalytic combustor 340 and burning the remaining hydrogen and carbon monoxide component of the exhaust gas of the anode 311.

이때, 공기극 순환 블로워(351)는 수소 착화 운전 범위와 공기극(313) 입구 온도를 조절하여 촉매 연소기(340)의 온도를 제어할 수 있다.At this time, the cathode circulation blower 351 may control the temperature of the catalytic combustor 340 by adjusting the hydrogen ignition operation range and the cathode 313 inlet temperature.

또한, 공기극 순환 블로워(351)의 용량을 증대시키는 경우, 에너지 소비가 큰 공기 분리기(330)의 용량을 줄일 수 있으므로, 전체적인 시스템의 효율을 증가시킬 수 있다.In addition, when the capacity of the cathode circulation blower 351 is increased, the capacity of the air separator 330 with high energy consumption can be reduced, thereby increasing the efficiency of the overall system.

스택(310)을 나온 공기극 가스는 열 교환기(350)를 거쳐 연료극(311) 가스와 열 교환을 한 후, 공기극 순환 블로워(351)를 통해 공기 분리기(330)에서 생산된 산소와 혼합되어 촉매 연소기(340)를 거쳐 공기극(313)으로 다시 공급될 수 있다.The cathode gas exiting the stack 310 is exchanged with the anode 311 gas through the heat exchanger 350 and then mixed with oxygen produced in the air separator 330 through the cathode circulation blower 351 to combust the catalytic combustor. It may be supplied back to the cathode 313 via the 340.

이러한 흐름의 관계가 최대 전력 생산 시 준평형 상태를 이루게 되면, 공기극 가스의 일정 부분이 대기로 배기될 수 있다.If this flow relationship is quasi-equilibrium at maximum power production, a portion of the cathode gas may be exhausted to the atmosphere.

한편, 스택 냉각용 질소(332)는 공기 분리기(330)를 통해 공급될 수 있다. 스택 냉각용 질소(332)는 열 교환기(371)를 거친 후 열 교환기(370)를 통해 스택(310) 내부의 스택 냉각용 분리판(312)로 유입된다.Meanwhile, the stack cooling nitrogen 332 may be supplied through the air separator 330. The stack cooling nitrogen 332 passes through the heat exchanger 371 and then flows into the stack cooling separator 312 inside the stack 310 through the heat exchanger 370.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 스택 냉각용 분리판을 도시한 도면이다.4 is a view illustrating a stack cooling separator according to an embodiment of the present invention.

연료극 가스(401) 유료와 공기극 가스(403) 유로 사이로 냉각용 질소(402) 유로가 존재한다.A cooling nitrogen 402 flow path exists between the charge of the anode gas 401 and the flow path of the cathode gas 403.

연료극과 공기극이 각각의 전극을 통해 전기 화학 반응에 참여하고, 반면에 냉각용 질소는 전기 화학 반응에 대한 참여 없이 단순 열전달 매체로만 작동될 수 있다.The anode and the cathode take part in the electrochemical reaction through their respective electrodes, while the cooling nitrogen can only be operated as a simple heat transfer medium without participating in the electrochemical reaction.

이때, 스택의 온도 제어를 위해 스택 냉각용 분리판(312)의 입구 온도를 연료극(311)과 공기극(313)의 가스 온도에 비해 상당히 낮추게 되면, 온도 차이에 의한 열적 손상을 입을 수 있다.In this case, when the inlet temperature of the stack cooling separator 312 is significantly lower than the gas temperatures of the anode 311 and the cathode 313 for temperature control of the stack, thermal damage may occur due to a temperature difference.

따라서, 스택 냉각용 질소의 온도는 연료극(311)과 공기극(313)의 온도와 비슷하게 설정되어야 한다.Therefore, the temperature of the stack cooling nitrogen should be set to be similar to the temperatures of the anode 311 and the cathode 313.

이를 위해, 스택 냉각용 질소(332)는 스택 냉각용 분리판(312)의 배가스와 열 교환기(371)를 통해 일차적으로 열 교환을 한 후, 다시 스택 냉각용 분리판(312)의 배가스와 열 교환기(370)를 통해 이차적으로 열 교환을 하여 스택 냉각용 분리판(312)으로 유입될 수 있다.To this end, the stack cooling nitrogen 332 is primarily heat exchanged through the exhaust gas of the stack cooling separator 312 and the heat exchanger 371, and then again the exhaust gas and heat of the stack cooling separator 312. Secondary heat exchange through the exchanger 370 may be introduced into the stack cooling separator 312.

또한, 공기극에 공급되는 산소(331)의 경우와 마찬가지로, 에너지 소모가 큰 공기 분리기(330)의 용량을 줄이기 위해 질소 순환 블로워(372)를 증대시킴으로써 전체적인 시스템의 효율을 증가시킬 수 있다.In addition, as in the case of the oxygen 331 supplied to the cathode, the efficiency of the overall system can be increased by increasing the nitrogen circulation blower 372 to reduce the capacity of the air separator 330, which consumes a lot of energy.

따라서, 기존의 내부 개질 또는 다량의 공기극 가스에 의한 가압 시스템 구성 등으로 해결되던 스택 내부의 고온부 온도 제어를 도 3에 도시된 시스템의 구성 및 도 4에 도시된 분리판에 의해 제어할 수 있다.Therefore, the high temperature part temperature control inside the stack, which has been solved by the existing internal reforming or the configuration of a pressurized system by a large amount of cathode gas, can be controlled by the configuration of the system shown in FIG. 3 and the separator shown in FIG. 4.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 스택 내부의 온도 그래프를 나타낸 도면이다.5 is a diagram illustrating a temperature graph inside a stack according to an embodiment of the present invention.

도 5에서, A는 기존 2개의 가스 통로로 구성된 온도 그래프를 나타내며, B는 본 발명의 구성에 의한 스택 내부의 온도 그래프를 나타낸다.In Fig. 5, A represents a temperature graph composed of two existing gas passages, and B represents a temperature graph inside the stack according to the configuration of the present invention.

도 5의 그래프를 통해서, 본 발명의 B가 기존의 A와 비교하여 약 80℃ 정도 고온부의 온도가 낮아졌음을 알 수 있다.Through the graph of Figure 5, it can be seen that the temperature of the high temperature portion of about 80 ℃ B of the present invention compared to the conventional A.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.The foregoing description is merely illustrative of the technical idea of the present invention, and various changes and modifications may be made by those skilled in the art without departing from the essential characteristics of the present invention.

따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다.Therefore, the embodiments disclosed in the present invention are intended to illustrate rather than limit the scope of the present invention, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments.

본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
The scope of protection of the present invention should be construed according to the following claims, and all technical ideas falling within the scope of the same shall be construed as falling within the scope of the present invention.

301 : 연료 공급 장치
302 : 물 공급 장치
303 : 연료/물 혼합기
304 : 열 교환기/개질 반응기
310 : 스택
311 : 연료극
312 : 스택 냉각용 분리판
313 : 공기극
320 : 공기 압축기
330 : 공기 분리기
331 : 산소
332 : 스택 냉각용 질소
333 : 산소(331)가 열 교환기(350)를 지난 공기극 배가스와 혼합됨
340 : 촉매 연소기
350 : 열 교환기
351 : 공기극 순환 블로워
370 : 열 교환기
371 : 열 교환기
372 : 질소 순환 블로워301: Fuel Supply Unit
302: water supply
303: Fuel / Water Mixer
304: heat exchanger / reforming reactor
310: stack
311: fuel electrode
312: stack cooling plate
313: air electrode
320: air compressor
330: air separator
331: oxygen
332: nitrogen for stack cooling
333: Oxygen 331 is mixed with the cathode exhaust gas passing through the heat exchanger 350
340: catalytic combustor
350: heat exchanger
351: air cathode circulation blower
370: heat exchanger
371: heat exchanger
372: nitrogen circulation blower

Claims

In a fuel cell system,
A fuel gas passage for supplying fuel gas to the anode,
An oxidant gas passage for supplying an oxidant gas to the cathode; and
A stack cooling separator located between the fuel gas passage and the oxidant gas passage and including a cooling nitrogen passage to which cooling nitrogen is supplied;
A stack comprising the stack plate for cooling the stack,
Including an air separator for separating the oxygen and nitrogen from the compressed air, supplying the separated oxygen to the air electrode and the separated nitrogen to the stack cooling separator,
The separated oxygen is mixed with cathode exhaust gas passing through a heat exchanger.

The method of claim 1,
The fuel gas includes any one of coal gas and by-product hydrogen.

The method of claim 1,
Wherein the anode and the cathode participate in an electrochemical reaction through each electrode, and the cooling nitrogen is used as a heat transfer medium without participating in the electrochemical reaction.

The method of claim 1,
The temperature of the cooling nitrogen is set within a predetermined range based on the temperature of the anode and the cathode.

delete

The method of claim 1,
Catalytic combustor for increasing the gas mixed with the separated oxygen and the cathode exhaust gas to the inlet gas temperature of the cathode
Further comprising a fuel cell system.

The method of claim 7, wherein
Air cathode circulation blower to control the temperature of the catalytic combustor
Further comprising a fuel cell system.

The method of claim 8,
The cathode circulation blower is configured to circulate the cathode gas by mixing the cathode gas with oxygen separated from the air separator, wherein the cathode gas is heat exchanged with the anode gas through a heat exchanger.

The method of claim 8,
A cathode circulation blower reduces the capacity of the air separator by increasing the capacity of the cathode circulation blower.

The method of claim 1,
The separated nitrogen is the cooling nitrogen, and is first heat exchanged through the exhaust gas of the stack cooling separator and the first heat exchanger, and the second nitrogen through the exhaust gas of the stack cooling separator and the second heat exchanger. The fuel cell system, which is introduced into the stack cooling separator after the heat exchange.

The method of claim 1,
A nitrogen circulating blower for circulating the nitrogen exhaust gas by mixing nitrogen exhaust gas from the stack with nitrogen separated from the air separator.
Further comprising a fuel cell system.

13. The method of claim 12,
The nitrogen circulation blower reduces the capacity of the air separator by increasing the capacity of the nitrogen circulation blower.