KR101336670B1 - 터보차저 방식의 애노드 오프 가스 재순환 연료전지 시스템 - Google Patents

터보차저 방식의 애노드 오프 가스 재순환 연료전지 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 애노드 오프 가스 재순환 연료전지 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 터보차저 방식의 애노드 오프 가스 재순환 연료전지 시스템에 관한 것이다.
본 발명은 연료전지의 효율을 높이기 위한 애노드 오프 가스 재순환 연료전지 시스템에 있어서, 애노드의 출구 측에 연결되어 애노드 오프 가스를 배출하는 배출유로(130); 상기 배출유로(130)에서 분기되는 애노드 오프 가스 재순환 유로(140); 구동 유체로 수증기를 사용하기 위해 물을 공급하는 물공급부(150); 상기 재순환 유로(140)와 연결되고, 고온의 애노드 오프 가스를 이용하여 상기 물공급부(150)로 공급되는 물을 고압의 수증기로 변환시켜주는 제 1 열교환기(160); 상기 고압의 수증기를 에너지원으로 하여 구동되는 터빈(201); 상기 터빈(201)과 동일축으로 연결되어 애노드 오프 가스를 개질기(400)로 보내주는 압축기(202);를 포함하는 것을 특징으로 하는 애노드 오프 가스 재순환 연료전지 시스템을 제공한다. 따라서 본 발명에 의하면 블로워를 사용하지 않고도 연료전지의 효율을 높일 수 있다는 이점이 있다.

Description

터보차저 방식의 애노드 오프 가스 재순환 연료전지 시스템{ANODE OFF GAS RECIRCULATION SYSTEM WITH TURBOCHARGER MECHANISM}
본 발명은 애노드 오프 가스 재순환 연료전지 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 터보차저 방식의 애노드 오프 가스 재순환 연료전지 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지는 수소와 산소가 가진 화학적 에너지를 직접 전기 에너지로 변화시키는 전기화학적 장치로서 수소와 산소를 양극과 음극에 공급하여 연속적으로 전기를 생산하는 시스템을 말한다.
이러한 연료 전지의 일반적인 특성은, 연료가 전기화학적으로 반응하여 전기를 생산하는 과정에서 열이 발생하게 되므로 총 효율을 80%이상 높이는 고효율 발전이 가능하며, 기존의 화력 발전에 비해 효율이 높으므로 발전용 연료의 절감이 가능하고 열병합 발전도 가능하다. 또한, NOx와 CO2의 배출량이 석탄 화력 발전에 비하여 현저히 낮으며 소음도 매우 적어 공해 배출 요인이 거의 없는 무공해 에너지 기술이다.
이와 더불어 모듈화에 의한 건설 기간의 단축, 설비 용량의 증감이 가능하고 입지 선정이 용이하다. 따라서 도심지역 또는 건물 내 설치가 가능하여 경제적으로 에너지를 공급할 수 있으며, 천연가스, 도시가스, 메탄올, 폐기물 가스 등 다양한 연료를 사용할 수 있으므로 기존의 화력 발전을 대체하고, 분산 전원용 발전소, 열병합 발전소, 무공해 자동차 전원 등에 적용될 수 있다.
연료전지에서 효율을 높이기 위한 방법으로는 애노드에서의 연료 이용률을 높이는 것이 있는데, 종래 애노드 오프 가스 재순환 연료전지 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이, 재순환 블로워를 이용하여 애노드에서 반응하고 남은 가스(Anode off-gas)를 재순환시켜 연료 이용률을 높이고 있다. 그러나 이 경우 재순환되는 가스 온도가 800~900℃로 높아 블로워의 내구성에 문제가 있다.
또한, 고온에서도 문제없이 사용될 수 있도록 하기 위해서 블로어의 구조뿐만 아니라 재료의 선택에서도 상당한 제한이 존재하는 문제가 있어 이에 대한 개선이 필요한 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 공급되는 물을 열교환에 의해 수증기로 전환한 후 터빈에 공급함으로서 터빈과 동일축으로 연결된 압축기에 의해서 애노드 오프 가스를 효과적으로 재활용할 수 있도록 하는 애노드 오프 가스 재순환 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 연료전지의 효율을 높이기 위한 애노드 오프 가스 재순환 연료전지 시스템에 있어서, 애노드의 출구 측에 연결되어 애노드 오프 가스를 배출하는 배출유로(130); 상기 배출유로(130)에서 분기되는 애노드 오프 가스 재순환 유로(140); 구동 유체로 수증기를 사용하기 위해 물을 공급하는 물공급부(150); 상기 재순환 유로(140)와 연결되고, 고온의 애노드 오프 가스를 이용하여 상기 물공급부(150)로 공급되는 물을 고압의 수증기로 변환시켜주는 제 1 열교환기(160); 상기 고압의 수증기를 에너지원으로 하여 구동되는 터빈(201); 상기 터빈(201)과 동일축으로 연결되어 애노드 오프 가스를 개질기(400)로 보내주는 압축기(202);를 포함하는 것을 특징으로 하는 애노드 오프 가스 재순환 연료전지 시스템을 제공한다.
또한, 상기 압축기(202)를 통한 애노드 오프 가스와 천연가스 공급유로(20)에서 공급되는 천연가스를 혼합시켜주는 믹서기(600)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 1 열교환기(160)로 물을 공급해 주는 물공급부(150)에 유량을 조절할 수 있도록 하는 제 1 밸브(170)가 더 구비되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 배출유로(130)로부터 분기되는 상기 재순환 유로(140)에 재순환되는 유량 및 압력을 조정하기 위한 제 2 밸브(180)가 더 구비되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 재순환 유로(140)를 통해 이동하지 않은 애노드 오프 가스를 이용하여 촉매 연소기(300)를 가동시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 촉매 연소기(300)의 연소후 배기 가스를 이용하여 개질기(200)로 공급되는 천연가스를 300℃로 승온시켜 주는 제 2 열교환기(310)가 더 구비되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 터빈(201)을 통과한 고압의 수증기를 이용하여 공기와 천연가스를 승온시키기 위한 제 4 열교환기(320)가 더 구비되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 터보차저 방식의 애노드 오프 가스 재순환 연료전지 시스템에 따르면 블로워를 생략할 수 있어서 구조가 간단하며 고장이 거의 없는 이점이 있다.
또한, 애노드 오프 가스 재순환에 필요한 별도의 동력원이 불필요함으로 여기에 소요되는 비용과 별도의 장치 및 공간을 절약할 수 있다는 이점이 있다.
도 1은 종래의 블로워를 이용한 애노드 오프 가스 재순환 연료전지 시스템의 사이클을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 터보차저 방식의 애노드 오프 가스 재순환 연료전지 시스템의 사이클을 도시한 도면이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 의한 터보차저 방식의 애노드 오프 가스 재순환 연료전지 시스템의 바람직한 실시예들을 자세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 종래의 블로워를 이용한 애노드 오프 가스 재순환 연료전지 시스템의 사이클을 도시하고 있다. 도 1을 참조하면, 블로워를 이용한 애노드 오프 가스 재순환 연료전지 시스템은 크게, 연료전지(100), 애노드 오프 가스 재순환 유로(140), 고온의 애노드 오프 가스를 온도 강하시켜주는 열교환기(210), 블로워(220), 개질기(400) 및 촉매연소기(300)로 구성된다.
우선, 공기(Air)의 순환 과정을 살펴보면, 공기는 공기 공급유로(10)를 따라서 이동하다가 제 3 열교환기(122)를 거쳐서 연료전지(100)의 캐소드(120)로 공급된다. 반응되고 남은 캐소드 오프 가스는 다시 제 3 열교환기(122)를 통과하는데 이때 공기 공급유로(10)를 따라서 이동하는 공기를 승온 시키는 역할을 하고 촉매연소기(300)로 공급된다.
다음으로, 천연가스(CH4)는 천연가스 공급유로(20)를 따라서 이동하다 제 2 열교환기(310)에서 촉매연소기(300)에서 배출되는 배기가스와 열교환을 하여 가스의 온도를 300℃로 승온시킨다. 승온된 가스는 개질기(400)로 공급되고, 개질기에서 개질된 연료가스를 다시 연료전지(100)의 애노드(110)에 공급한다. 공급된 연료가스는 애노드(110)에서 반응하고, 미반응된 애노드 오프 가스는 배출유로(130)로 배출된다. 여기서 배출된 애노드 오프 가스의 일부는 촉매연소기(300)로 이동하고, 일부는 재순환 유로(140)를 따라서 이동하게 된다. 재순환 유로(140)는 고온의 애노드 오프 가스를 1차로 온도 강하를 시켜주는 열교환기(210)를 통과하고, 다시 블로워(220)를 통해서 개질기(400)로 강제적으로 순환을 시키게 된다. 순환된 애노드 오프 가스를 다시 개질기에서 순수한 연료가스로 개질하여 연료전지(100)로 공급시켜서 효율을 상승시키는 시스템이다.
상술한 바와 같이, 상기 블로워를 이용하는 시스템은 고온의 애노드 오프 가스를 1차로 온도 강하시키는 열교환기(210)가 별도로 필요하게 되고, 고온으로 인해서 블로워의 내구성 및 블로워의 강제 구동을 위해서 별도의 동력원을 소모하게 되는 문제점이 발생된다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해서 안출된 것으로서, 도 2는 터보차저 방식의 애노드 오프 가스 재순환 연료전지 시스템의 사이클을 나타낸 것이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서는 애노드의 출구 측에 연결되어 애노드 오프 가스를 배출하는 배출유로(130)와, 배출유로(130)에서 분기되는 애노드 오프 가스 재순환 유로(140)와, 구동 유체로 수증기를 사용하기 위해 물을 공급하는 물공급부(150)와, 재순환 유로(140)와 연결되고, 고온의 애노드 오프 가스를 이용하여 물공급부(150)로 공급되는 물을 고압의 수증기로 변환시켜주는 제 1 열교환기(160);와 고압의 수증기를 에너지원으로 하여 구동되는 터빈(201);과 터빈(201)과 동일축으로 연결되어 애노드 오프 가스를 개질기(400)로 보내주는 압축기(202);를 포함하는 것을 특징으로 하는 애노드 오프 가스 재순환 연료전지 시스템을 제공한다.
우선, 공기(Air)의 순환 과정을 살펴보면, 공기는 공기 공급유로(10)를 따라서 이동하다가 제 3 열교환기(122)를 거쳐서 연료전지(100)의 캐소드(120)로 공급된다. 반응되고 남은 캐소드 오프 가스는 캐소드 오프 가스 배출유로(121)를 따라 이동하다 제 3 열교환기(122)를 통과하는데 이때 공기 공급유로(10)를 따라서 이동하는 공기를 승온 시키는 역할을 하고 촉매연소기(300)로 공급된다.
다음으로, 천연가스(CH4)는 천연가스 공급유로(20)를 따라서 이동하다 제 2 열교환기(310)에서 촉매연소기(300)에서 배출되는 배기가스와 열교환을 하여 가스의 온도를 300℃로 승온시킨다. 승온된 가스는 개질기(400)로 공급되고, 개질기에서 개질된 연료가스를 다시 연료전지(100)의 애노드(110)에 공급한다. 공급된 연료가스는 애노드(110)에서 반응하고, 미반응된 애노드 오프 가스는 배출유로(130)로 배출된다. 여기서 배출된 애노드 오프 가스의 일부는 촉매연소기(300)로 이동하고, 일부는 재순환 유로(140)를 따라서 이동하게 된다. 재순환 유로(140)는 고온의 애노드 오프 가스를 이용하여 물공급부(150)를 통해서 공급되는 물을 제 1 열교환기(160)를 통과시켜 수증기로 전환한 후 이를 에너지원으로 하여 터빈(201)을 구동하고, 터빈(201)과 동일축에 연결되는 압축기(202)를 구동시켜서 애노드 오프 가스를 재순환 할 수 있게 된다.
터빈(201)을 구동시킨 후 수증기는 공기와 연료가스를 승온 시키기 위한 제 4 열교환기(320)를 통과시킬 수도 있고, 다른 용도로 사용될 수도 있다. 개질기로 공급되는 연료가스의 온도가 통상 300℃인 것을 고려해 볼 때, 열교환기를 통해서 별도의 에너지원 없이도 이와 같은 온도에 쉽게 도달할 수 있게 되는 이점이 있다. 따라서, 열교환기를 통과시키게 되면 기존의 시스템에 비해서 고온의 공기 및 연료가스를 공급할 수 있게 되어서 전체적으로 시스템 효율을 상승시킬 수 있게 된다.
전술한 바와 같이, 종래의 애노드 오프 가스 재순환 연료전지 시스템은 재순환되는 가스 온도가 800~900℃로 높아 블로워의 내구성에 문제가 있었으나, 블로워 대신 터보차저 방식을 이용함으로서 블로워를 가동시키기 위한 동력을 절약할 수 있다. 또한, 고온의 애노드 오프 가스를 열교환하여 터빈의 구동유체로 고압의 수증기를 자체적으로 만들어 낼 수 있어 전체 시스템의 효율을 향상시킬 수 있다. 그리고, 고압의 수증기를 애노드 오프 가스와 분리시켜서 공급함으로써 연료효율을 높일 수 있는 이점도 있다.
또한, 애노드(110)에서는 연료가스가 반응하고 남은 애노드 오프 가스를 배출유로(130)로 배출시킨다. 배출된 애노드 오프 가스는 제 2 밸브(180)에서 일부는 촉매연소기(300)로 공급되고, 촉매연소기(300)는 이를 이용하여 동력을 발생시키도록 구성함으로써 전체 시스템의 효율을 향상시킬 수 있다. 제 2 밸브(180)에서 재순환 유로(140)로 순환되는 애노드 오프 가스는 제 1 열교환기(160)를 거치고, 제 1 열교환기(160)에서는 물공급부(150)에서 공급되는 물을 수증기로 변환시킨다. 변환된 고압의 수증기가 터빈(201)을 구동시키고, 터빈(201)과 동일축에 위치하는 압축기(202)가 구동하면서 애노드 오프 가스를 재순환시키게 된다. 제 2 밸브(180)는 체크밸브기능을 구비하도록 형성됨으로써 애노드 오프 가스가 배출유로(130)로 역류하지 않도록 하는 작용을 한다. 제 2 밸브(180)는 촉매연소기(300)로 공급되는 애노드 오프 가스의 유량을 조절하는 기능 및 재순환 유로(140)로 순환되는 애노드 오프 가스의 유량을 조절하는 기능을 가진다.
물공급부(150)의 일단에 제 1 밸브(170)를 달아서 유량을 조절 할 수도 있다. 제 1 밸브(170)는 물공급부(150)와 제 1 열교환기(160)사이에 배치되어 유량 조절을 통해서 본 시스템의 효율을 조절할 수 있는 기능이 있다.
또한, 압축기(202)를 통과한 애노드 오프 가스는 개질기(400)로 직접 공급될 수도 있고, 믹서기(600)로 공급되어 기존의 연료가스 공급유로(20)에서 공급되는 연료가스와 혼합되어서 개질기(400)로 공급될 수도 있다. 믹서기(600)는 고온의 애노드 오프 가스와 기존의 연료가스를 혼합시켜서 개질기(400)로 공급되는 연료가스의 공급온도를 조절할 수 있는 기능도 포함하고 있다. 연료가스의 공급온도 조절로 전체적인 시스템 효율의 상승을 기대할 수 있다.
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. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래 청구범위에 의하여 해석되어야하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 연료전지 110: 애노드
120: 캐소드 130: 배출유로
140: 재순환 유로 150: 물공급부
160: 제 1 열교환기 170: 제 1 밸브
180: 제 2 밸브 201: 터빈
202: 압축기 300: 촉매연소기
320: 제 4 열교환기 400: 개질기
500: 탈황기 600: 믹서기

Claims (7)

  1. 연료전지의 효율을 높이기 위한 애노드 오프 가스 재순환 연료전지 시스템에 있어서,
    애노드의 출구 측에 연결되어 애노드 오프 가스를 배출하는 배출유로(130);
    상기 배출유로(130)에서 분기되는 애노드 오프 가스 재순환 유로(140);
    구동 유체로 수증기를 사용하기 위해 물을 공급하는 물공급부(150);
    상기 재순환 유로(140)와 연결되고, 고온의 애노드 오프 가스를 이용하여 상기 물공급부(150)로 공급되는 물을 고압의 수증기로 변환시켜주는 제 1 열교환기(160);
    상기 고압의 수증기를 에너지원으로 하여 구동되는 터빈(201);
    상기 터빈(201)과 동일축으로 연결되어 애노드 오프 가스를 개질기(400)로 보내주는 압축기(202);를 포함하는 것을 특징으로 하는 애노드 오프 가스 재순환 연료전지 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 압축기(202)를 통한 애노드 오프 가스와 천연가스 공급유로(20)에서 공급되는 천연가스를 혼합시켜주는 믹서기(600)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 애노드 오프 가스 재순환 연료전지 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 열교환기(160)로 물을 공급해 주는 물공급부(150)에 유량을 조절할 수 있도록 하는 제 1 밸브(170)가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 애노드 오프 가스 재순환 연료전지 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 배출유로(130)로부터 분기되는 상기 재순환 유로(140)에 재순환되는 유량 및 압력을 조정하기 위한 제 2 밸브(180)가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 애노드 오프 가스 재순환 연료전지 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 재순환 유로(140)를 통해 이동하지 않은 애노드 오프 가스를 이용하여 촉매 연소기(300)를 가동시키는 것을 특징으로 하는 애노드 오프 가스 재순환 연료전지 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 촉매 연소기(300)의 연소후 배기 가스를 이용하여 개질기(200)로 공급되는 천연가스를 300℃로 승온시켜 주는 제 2 열교환기(310)가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 애노드 오프 가스 재순환 연료전지 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 터빈(201)을 통과한 고압의 수증기를 이용하여 공기와 천연가스를 승온시키기 위한 제 4 열교환기(320)가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 애노드 오프 가스 재순환 연료전지 시스템.
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