KR101358688B1 - 연료전지 시스템 및 그 운전방법 - Google Patents

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Abstract

연료탱크로부터 공급되는 연료를 3-WAY 밸브를 통해 개질기와 상기 개질기의 온도를 높이는 버너에 순차적으로 공급하는 연료전지 시스템을 이용한 연료전지 시스템의 운전방법에 있어서, 상기 연료탱크로부터 상기 버너에 연료를 공급하고 상기 버너에서 1차 연소하는 단계; 상기 버너에 의해 상기 개질기의 온도가 개질 반응 온도에 도달하면 상기 3-WAY 밸브를 이용하여 연료 공급 방향을 상기 개질기로 전환하는 단계; 상기 연료탱크로부터 상기 개질기로 연료전지 스택에서 사용되는 수소가스의 생성에 필요한 연료 이상의 과량의 연료를 공급하는 단계; 상기 개질기에서 생성된 수소가스는 상기 연료전지 스택에서 사용되어 전기를 발생시키는 단계; 및 상기 연료전지 스택에서 사용되고 남은 여분의 수소가스가 상기 버너로 공급되고 상기 버너에서 2차 연소하는 단계를 포함하는 연료전지 운전방법은 연료변환기의 버너와 개질기에 연료를 공급하는 연료공급 장치를 하나로 구성함으로써, 연료 파이프 및 펌프 등을 구비할 필요가 없어 연료전지 시스템의 단가를 낮출 수 있으며, 전체 시스템의 크기를 축소할 수 있는 효과가 있다.

Description

연료전지 시스템 및 그 운전방법 {Fuel-cell system and operation method thereof}
본 발명은 연료탱크로부터 개질기 및 버너에 연료를 순차적으로 공급하고 연료전지 스택에서 사용되고 남은 여분의 수소를 다시 버너의 연료로 사용함으로써, 연료전지 시스템을 크기를 줄이고 단가를 낮출 수 있는 연료전지 시스템 및 그 운전방법에 관한 것이다.
연료 전지(Fuel Cell)는 메탄올, 에탄올, 천연 가스와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와, 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 발전 시스템이다.
이러한 연료 전지 시스템은 일반적으로, 스택(stack), 개질기(Reformer) 및 연료 탱크 등을 구비한다. 스택은 다수의 단위 셀로 이루어진 전기 발생 집합체를 형성하며, 수소가스와 공기를 공급받는다. 그러면 스택에서는 상기 수소가스 중의 수소와 공기 중에 함유된 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시킨다. 스택에서는 각각의 단위 셀에서 반응하고 남은 수소가스와 공기 및 수소와 산소의 결합 반응에 의해 생성되는 수분을 함유한 가스를 배출시킨다.
개질기는 연료를 개질하여 수소가스를 발생시키고 이 수소가스를 스택으로 공급하는 장치이다. 연료탱크 내의 연료를 개질기로 공급하고, 이 개질기에서 연료를 개질하여 수소가스를 발생시킨다.
개질 반응은 열 에너지에 의한 화학 촉매 반응을 통해 수소를 함유한 연료로부터 수소가스를 발생시키며, 이때 필요한 열 에너지를 공급하기 위해 도 1에 도시된 바와 같이 개질기(3)로 소정 온도 범위의 열 에너지를 제공하는 버너(5)를 구비한다.
이러한 버너(5)는 공기와 함께 연료를 연소시켜 열 에너지를 발생시키고 이 열이 개질기(3)의 촉매 반응을 위한 열 에너지로 이용된다. 종래의 연료 전지 시스템은 연료탱크(1)로부터 별도의 통로를 통해 개질기(3)와 버너(5)에 각각 연료를 공급한다.
본 발명은 연료탱크로부터 개질기 및 버너에 연료를 순차적으로 공급하고 버너에 별도의 연료공급 없이 연료전지 스택에서 사용되고 남은 여분의 수소만을 다시 버너의 연료로 사용함으로써, 연료전지 시스템을 크기를 줄이고 단가를 낮출 수 있는 연료전지 시스템 및 그 운전방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 연료전지 시스템은 수소와 산소의 반응에 의하여 전기에너지를 발생시키는 단위셀이 적층된 연료전지 스택; 개질반응을 통해 연료로부터 수소가스를 발생시키고, 상기 수소가스를 상기 연료전지 스택에 공급하는 개질기; 상기 개질기 내부의 온도가 상기 개질반응이 일어날 수 있는 개질반응온도에 이르도록 상기 개질기에 열에너지를 공급하는 버너; 상기 개질기 및 상기 버너에 사용되는 연료를 저장하는 연료탱크; 상기 연료탱크로부터 상기 개질기 및 상기 버너에 연료파이프를 통해 연료를 공급하는 펌프; 상기 연료탱크로부터 상기 개질기와 상기 버너로 연결되는 상기 연료파이프의 분기점에 설치된 3-WAY 밸브; 상기 3-WAY 밸브 및 상기 펌프의 작동을 제어하는 제어부; 및 상기 연료전지 스택에서 사용되고 남은 여분의 수소가스를 상기 버너에 공급하는 수소가스 회수부를 포함한다.
이때, 상기 개질기 내부의 온도를 측정하는 온도센서를 더 포함하고, 상기 제어부는, 상기 온도센서로부터 온도 데이터를 수신받아 상기 개질기 내부의 온도가 개질반응온도에 도달하면, 상기 버너에 연결되는 연료파이프를 폐쇄하도록 상기 3-WAY 밸브를 제어하고, 상기 연료탱크로부터 상기 연료전지 스택에서 사용되는 수소량에 상응하는 연료량 이상의 과량의 연료를 공급하도록 상기 펌프를 제어한다.
또한, 상기 수소가스 회수부는, 상기 여분의 수소가스에 포함된 수분을 제거하는 수분제거부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 연료전지 시스템 운전방법은 연료탱크로부터 공급되는 연료를 3-WAY 밸브를 통해 개질기와 상기 개질기의 온도를 높이는 버너에 각각 순차적으로 공급하는 연료전지 시스템을 이용한 연료전지 운전 방법으로서, 상기 연료탱크로부터 상기 버너에 연료를 공급하고 상기 버너에서 1차 연소하는 단계; 상기 버너에 의해 상기 의 온도가 개질 반응 온도에 도달하면 상기 3-WAY 밸브를 이용하여 연료 공급 방향을 상기 개질기로 전환하는 단계; 연료전지 스택에서 사용되는 수소가스의 생성에 상응하는 연료량 이상의 과량의 연료를 상기 연료탱크로부터 상기 개질기로 공급하는 단계; 상기 개질기에서 생성된 수소가스는 상기 연료전지 스택에서 사용되어 전기를 발생시키는 단계; 및 상기 연료전지 스택에서 사용되고 남은 여분의 수소가스가 상기 버너로 공급되고 상기 버너에서 2차 연소하는 단계를 포함한다.
이때, 상기 2차 연소하는 단계는, 상기 여분의 수소가스가 상기 버너에서 연소하기 전에 상기 여분의 수소가스의 수증기를 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명은 연료변환기의 버너와 개질기에 연료를 공급하는 연료공급 장치를 하나로 구성함으로써, 연료 파이프 및 펌프 등을 구비할 필요가 없어 연료전지 시스템의 단가를 낮출 수 있으며, 전체 시스템의 크기를 축소할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 연료변환기 연료공급 시스템 구성도.
도 2는 본 발명의 일 측면에 따른 연료전지 시스템을 나타낸 개략적인 구성도.
도 3은 본 발명의 다른 측면에 따른 연료전지 시스템 운전방법을 나타낸 순서도.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 2는 본 발명의 일 측면에 따른 연료전지 시스템을 나타낸 개념도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 연료전지 시스템은 연료탱크(1), 버너(3), 개질기(5), 연료전지 스택(7), 수소가스 공급부(24), 수소가스 회수부(25) 및 연료가 공급되는 연료파이프(21, 22, 23)를 포함하며, 제1 연료파이프(21), 제2 연료파이프(22) 및 제3 연료파이프(23)의 사이에 3-WAY 밸브(10)가 개재된다. 또한, 본 발명은 개질기 내부온도를 측정하는 온도센서(35), 연료를 공급하는 펌프(33) 및 3-WAY 밸브(10)를 제어하는 제어부(30), 그리고 수분제거장치(26)를 포함한다.
연료탱크(1)는 연료전지 스택(7)에서 이용될 수소를 생성하기 위해 수소를 함유한 메탄올, 에탄올 또는 천연가스 등과 같이 액상 또는 기체 상태로 이루어진 연료를 저장하는 용기이다.
펌프(33)는 연료를 연료탱크(1)로부터 개질기(5) 및 버너(3)에 공급하기 위해 압력을 가하는 장치이다. 본 발명은 연료탱크(1)로부터 버너(3)와 개질기(5)에 순차적으로 연료를 공급하므로 때에 따라 공급할 연료량이 달라지며, 펌프(33)의 작동은 후술할 제어부(30)가 제어한다.
개질기(5)는 연료탱크(1)로부터 공급받은 연료에서 수소를 분리하여 연료전지 스택(7)에 수소가스 공급부(24)를 통해 수소가스를 공급하는 장치이다. 개질기(5)는 제1 연료파이프(21) 및 제3 연료파이프(23)를 통해 연료탱크(1)와 연결되고, 수소가스 공급부(24)를 통해 연료전지 스택(7)과 연결된다.
버너(3)는 연료탱크(1)로부터 공급받은 연료의 연소반응이 일어나는 장소로서, 개질기(5) 내부의 온도가 개질반응이 일어날 수 있는 개질반응온도에 이르도록 개질기(5)에 연소반응에 의해 발생한 열에너지를 공급한다. 버너(3)는 연료탱크와 제1 연료파이프(21) 및 제2 연료파이프(22)를 통해 연결된다.
개질기(5)에 열을 전달하기 위해 버너(3)는 개질기(5)에 인접하거나, 버너(3)와 개질기(5) 사이에 열전달 물질이 개재된다.
연료는 연료탱크(1)에서 제1 연료파이프(21)를 통해 나와 제2 연료파이프(22)와 제3 연료파이프(23)로 나누어져 버너(3)와 개질기(5)로 이동하며, 3개의 연료파이프 분기점에 3-WAY 밸브(10)가 위치한다.
3-WAY 밸브(10)는 연료탱크(1)로부터 공급되는 연료를 버너(3) 또는 개질기(5) 중 어느 쪽에 공급하는지 여부에 따라 연료파이프(21,22,23)의 개폐를 담당하며, 이러한 3-WAY 밸브(10)의 작동은 후술할 제어부(30)가 제어한다.
3-WAY 밸브(10)를 구비한 구성은 연료가 연료탱크(1)로부터 개질기(5)와 버너(3)에 각각 분리되지 않고 순차적으로 공급된다는 점에서 도 1에 도시되었던 종래의 연료전지 시스템과 차이가 있다.
제어부(30)는 연료를 버너(3) 또는 개질기(5)에 공급할지 여부를 결정하여, 3-WAY 밸브(10)의 개폐를 제어한다. 또한, 연료가 공급되는 장치가 버너(3) 또는 개질기(5)인지 여부에 따라 연료탱크(1)로부터 공급되는 연료량을 제어하기 위해 펌프(33)의 작동을 제어한다.
이때, 3-WAY 밸브(10)의 개폐 시기와 펌프(33)의 출력 변화 시기를 결정하기위해, 개질기(5)의 내부 온도를 측정하는 온도센서(35)를 더 포함할 수 있다.
온도센서(35)에서 수집된 개질기(5) 내부 온도 데이터를 수신받아 개질기(5) 내부 온도가 개질반응온도 이상이 되는 경우 개질기(5) 측으로 연료를 공급하도록 3- WAY 밸브(10)를 제어한다. 이때, 연료의 공급처가 달라지므로 연료 공급량을 달리 해야하는 바, 제어부(30)는 펌프(33)의 출력도 변화시킨다.
연료전지 스택(7)은 개질기(5)로부터 수소가스 공급부(24)를 통해 수소가스를 공급받고 별도의 라인(미도시)을 통해 산소가스를 공급받는다. 수소가스와 산소가스의 전기화학반응을 통해 전기에너지를 발생시킨다. 연료전지 스택(7)은 양극과 음극 그리고 그 사이에 개재된 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode Assembly: MEA)로 이루어진 단위셀이 여러개 적층되어 있는 구조로, 각 단위셀에서 산소가스와 수소가스가 반응한다.
수소가스 회수부(25)는 연료전지 스택(7)에서 반응하고 남은 여분의 수소가스를 버너(3)로 공급하는 장치로서, 연료전지 스택(7)과 버너(3) 사이에 개재된다. 이때, 수소가스의 흐름을 제어하는 밸브(미도시) 또는 펌프(미도시)를 더 포함할 수 있다.
한편, 연료전지 스택(7)에서 반응 결과 수분이 발생하므로 수증기를 제거하기 위해 수소가스 회수부(25)는 수분제거부(26)를 더 포함할 수 있다. 수분제거부(26)의 예로 가스의 온도를 낮춰 수증기를 응축시켜 분리하는 장치 또는 수분을 흡수하는 물질을 포함하는 수분제거 필터 등을 들 수 있다.
이하에서는 도 2에 도시된 연료탱크로부터 공급되는 연료를 3-WAY 밸브(10)를 통해 개질기(5)와 버너(3)에 순차적으로 공급하는 연료전지 시스템의 운전방법에 대해 도 3의 순서도를 참고하여 설명한다. 전술한 장치에서 설명한 내용과 중복되는 내용은 생략한다.
먼저 연료탱크(1)로부터 버너(3)에 연료를 공급하고 버너(3)에서 1차 연소한다(S100). 개질기(5)에서 개질 반응이 일어나기 전에, 버너(3)에서 열을 발생시켜 개질기(5)에서 수소를 발생하기 위한 화학 촉매 반응을 위한 열 에너지를 공급한다. 1차 연소는 연료탱크(1)로부터 공급된 연료의 연소 반응을 의미하며, 1차 연소에 필요한 연료를 공급하기 위해 3-WAY 밸브(10)는 제1 연료파이프(21)와 제2 연료파이프(22)를 연결하고 개질기(5)로 연결되는 제3 연료 파이프(23)는 차단한다.
다음으로 1차 연소에 의해 온도가 충분히 올라가 개질 반응 온도에 도달하면 3-WAY 밸브(10)를 이용하여 연료 공급 방향을 개질기(5)로 전환한다(S200). 개질 반응 온도는 개질 반응에 이용되는 촉매와 연료 등에 따라 달라질 수 있으며, 실험적으로는 LNG(액체천연가스)를 이용하였을 때 약 600℃에 도달시 개질 반응 온도에 도달한 것으로 판단하고 3-WAY 밸브(10)의 방향을 제1 연료파이프(21)와 제3 연료파이프(23)가 연결되도록 전환하였다.
3-WAY 밸브(10)의 방향을 변환한 후에 연료탱크(1)로부터 개질기(5)로 연료전지 스택(7)에서 사용되는 수소가스에 상응하는 연료량 이상의 과량의 연료를 공급한다(S300).
연료전지 스택(7)을 통과한 수소가스의 잔여분이 다시 버너(3)에 공급되기 위해서는 수소와 산소의 전기화학반응에 이용되는 수소량보다 과량의 수소가스가 연료전지 스택(7)에 공급되어야 한다.
즉, 개질기에서 과량의 수소가스 발생을 위해서는 과량의 연료가 필요한바, 3-WAY 밸브(10)의 방향을 변환한 후에 개질기(5)로 공급하는 연료는 통상의 수소가스의 생성에 필요한 연료량보다 과량으로 공급한다.
다음으로, 상기 개질기(5)에서 생성된 수소가스는 상기 연료전지 스택(7)에서 사용되어 전기를 발생시킨다(S400). 개질기(5)로부터 공급된 수소가스는 연료전지 스택(7)에서 사용되는 양보다 많은 양이 공급되는 바, 그 중 일부만 연료전지 스택(7)에서 전기화학반응에 이용된다.
연료전지 스택(7)에서 사용되고 남은 여분의 수소가스는 연료전지 스택(7)을 빠져나와 버너(3)로 공급되고 버너(3)에서 2차 연소한다(S500). 여분의 수소가스는 수소가스 회수부(25)를 통해 버너(3)로 공급되고, 여분의 수소가스에는 미량의 연료도 포함되어 있다. 버너(3)에서는 수소가스 및 미량의 연료와 산소가 반응하여 연소하여 발생한 열 에너지를 개질기(5)에 공급한다. 이 반응을 2차 연소라고 한다.
1차 연소와 2차 연소 사이에 소화 현상이 발생할 수 있으나, 1차 연소와 2차 연소 간의 시간 차는 짧다. 따라서, 소화 현상이 발생하는 시간은 1분 이내로 매우 짧으므로, 개질기(5)의 온도 하강 폭은 크지 않다.
이때, 버너(3)로 공급되는 여분의 수소가스는 수소와 산소의 전기화학반응에 의해 생성된 수분이 포함될 수 있으므로, 여분의 수소가스가 버너(3)에서 연소하기 전에 여분의 수소가스의 수증기를 제거하고 버너(3)에 공급할 수 있다.
이때, 기액분리장치와 같이 가스의 온도를 낮춰 수증기를 응축시켜 분리하는 장치를 이용하여 수분을 제거할 수 있고, 수분을 흡수하는 물질을 포함하는 수분제거 필터를 통과시켜 수소가스내의 수분을 제거할 수 있다.
본 발명은 연료변환기의 버너와 개질기에 연료를 공급하는 연료공급 장치를 하나로 구성함으로써, 연료 파이프 및 펌프 등을 구비할 필요가 없어 연료전지 시스템의 단가를 낮출 수 있으며, 전체 시스템의 크기를 축소할 수 있는 효과가 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
1: 연료탱크 3: 버너
5: 개질기 7: 연료전지 스택
10: 3-WAY 밸브 21: 제1 연료파이프
22: 제2 연료파이프 23: 제3 연료파이프
24: 수소가스 공급부 25: 수소가스 회수부
26: 수분제거부 30: 제어부
33: 펌프 35: 온도센서

Claims (5)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 연료탱크로부터 공급되는 연료를 3-WAY 밸브를 통해 개질기와 상기 개질기의 온도를 높이는 버너에 순차적으로 공급하는 연료전지 시스템을 이용한 연료전지 운전 방법에 있어서,
    상기 연료탱크로부터 상기 버너에 연료를 공급하고 상기 버너에서 1차 연소하는 단계;
    상기 버너에 의해 상기 개질기의 온도가 개질 반응 온도에 도달하면 상기 3-WAY 밸브를 이용하여 연료 공급 방향을 상기 개질기로 전환하고, 버너로의 연료 공급을 중단하여 상기 버너에서의 1차 연소에 의한 개질기의 승온을 중단시키는 단계;
    상기 연료탱크로부터 개질기로 연료가 공급되는 동안 계속하여, 연료전지 스택에서 사용되는 수소가스의 생성에 필요량 이상의 과량의 연료를 상기 연료탱크로부터 상기 개질기로 공급하는 단계;
    상기 개질기에서 생성된 수소가스가 연료전지 스택으로 공급되어, 연료전지 스택에서의 사용량에 해당하는 부분이 상기 연료전지 스택에서 사용되어 전기를 발생시키는 단계; 및
    상기 연료전지 스택에서 사용되고 남은 여분의 수소가스가 상기 버너로 공급되고 상기 버너에서 2차 연소하여 개질기에 열에너지를 공급하는 단계를 포함하는 연료전지 시스템 운전방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 2차 연소하는 단계는,
    상기 여분의 수소가스가 상기 버너에서 연소하기 전에
    상기 여분의 수소가스의 수증기를 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템 운전방법.
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