KR101363365B1 - 연료전지 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로, 연료전지와 개질기를 수용하는 핫박스와, 초기 구동시 핫박스의 온도를 반응온도로 가열하는 스타트 버너와, 상기 스타트 버너의 열 또는 배기가스의 열을 이용하여 흡기되는 외부 공기를 가열하여 상기 연료전지로 공급하는 제1열교환부와, 상기 배기가스의 열을 이용하여 스팀을 발생시켜 공급하며, 온도가 낮아진 상기 배기가스로 연료전지를 냉각시켜 상기 반응온도를 유지하는 제2열교환부를 포함한다. 본 발명은 초기 작동시 외부 공기를 가열하는 수단을 마련하고, 이후 배기가스를 이용하여 흡기되는 외부 공기를 지속적으로 가열하여 공급하여, 외부 공기 유입에 따른 핫박스 내부 온도의 변화를 방지함으로써, 핫박스의 온도를 반응온도로 유지하여 발전 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.

Description

연료전지 시스템{Fuel cell system}
본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 상온의 외부공기가 핫박스 내부로 직접 공급되어 핫박스의 온도에 영향을 주어 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있는 연료전지 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 인류가 사용하고 있는 에너지 중 대부분은 화석연료로부터 얻고 있다. 그러나 이러한 화석연료의 사용은 대기오염 및 산성비, 지구 온난화 등의 환경에 심각한 악영향을 미치고 있으며, 에너지 효율도 낮은 등의 문제점이 있었다.
이러한 화석연료의 사용에 따른 문제점을 해결하기 위하여 최근에는 연료전지 시스템이 개발되고 있다. 이러한 연료전지는 통상의 2차 전지와는 다르게 음극에 연료인 수소가스나 탄화수소를 공급하고, 양극에는 산소를 공급하여 전기를 발생시키는 구조를 갖는다.
즉, 연료전지는 명칭은 전지이지만 실제로는 전기를 발생시키는 발전장치로 볼 수 있다. 기본적으로 연료전지는 연료를 연소시키지 않고 수소와 산소를 전기 화학적 반응을 일으키고, 그 반응 전후의 에너지 차이를 전기에너지로 변환하는 방법을 사용한다.
연료전지는 NOx와 SOx등 환경을 오염시키는 가스가 발생되지 않으며 소음과 진동이 없는 시스템으로서 열효율이 전기발전량과 열회수량을 합하여 80% 이상인 크린 발전 시스템이라 할 수 있다.
이러한 연료전지의 수소와 산소의 반응은 발열반응으로서, 열이 발생하게 된다. 한편 연료전지는 사용되는 전해질로서 인산이 주로 사용되고 있으며, 이러한 인산형 연료전지의 운전온도는 약 200℃로 알려져 있다. 이는 인산 전해질이 허용하는 최대 온도이며, 연료전지가 반응온도인 200℃에서 가장 수소와 산소의 반응이 원활하게 일어나는 것으로 알려져 있으나, 그 수소와 산소의 발열반응에 의하여 열이 발생하게 됨으로써, 수소와 산소의 반응이 원활하게 되지 않아 효율이 낮아질 수 있다. 따라서 연료전지를 냉각시키는 냉각구조가 필수적으로 요구되고 있다.
또한 연료전지의 다른 예로서 전해질은 낮은 용융점을 가지는 탄화리튬과 탄화포타슘의 혼합물을 사용하는 용해 탄산염형 연료전지가 있으며, 용해 탄산염형 연료전지의 운전온도는 약 650℃이며 이러한 운전온도를 유지하기 위한 핫박스가 설치된다.
이와 같은 연료전지의 효율과 밀접한 관계가 있는 운전온도의 유지와 발전효율을 높이기 위해서 다양한 연료전지 시스템이 제안되었다.
예를 들어, 등록특허 10-0787244호에는 발전원료의 효율적인 연소를 위하여 산소가 함유된 공기를 공급하는 공기공급장치를 포함하는 구성으로, 핫박스를 적정한 온도로 낮추기 위한 외부 공기의 유입이 이루어지도록 하는 이중 흡기 방식을 사용하고 있다.
구체적으로 상기 등록특허 10-0787244호에는 산소가 함유된 공기를 공급하기 위하여 일산화탄소를 제거하는 일산화탄소 제거기를 흡입통로에 연결한 구성에 대하여 언급하고 있다.
그러나 외기흡기통, 공기흡입구, 필터를 통해 공급된 직접 공기 공급압력 조절수단을 통해 연료처리장치 등으로 직접 공급하는 구성을 가지고 있으며, 이는 상온의 공기를 직접 공급하여 사용하기 때문에 핫박스 내부의 온도가 낮아지게 되는 현상이 발생할 수 있다.
이처럼 핫박스의 온도가 반응온도에 비해 낮아지는 경우 발전 효율이 낮아질 수 있는 문제점이 있었다.
상기와 같은 문제점을 감안한 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 흡기되는 외부공기에 의한 핫박스 내부 온도의 변화를 최소화할 수 있는 연료전지 시스템을 제공함에 있다.
또한 본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 흡기 라인을 단일화하여 시스템의 구조를 보다 단순화할 수 있는 연료전지 시스템을 제공함에 있다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명 연료전지 시스템은, 연료전지와 개질기를 수용하는 핫박스와, 초기 구동시 핫박스의 온도를 반응온도로 가열하는 스타트 버너와, 상기 스타트 버너의 열 또는 배기가스의 열을 이용하여 흡기되는 외부 공기를 가열하여 상기 연료전지로 공급하는 제1열교환부와, 상기 배기가스의 열을 이용하여 스팀을 발생시켜 공급하며, 온도가 낮아진 상기 배기가스로 연료전지를 냉각시켜 상기 반응온도를 유지하는 제2열교환부를 포함한다.
상기 개질기는 상기 스팀과 원료가스를 공급받아 수소 가스로 개질하는 개질부와, 상기 개질부를 가열하는 버너를 포함할 수 있다.
상기 버너는 상기 연료전지에서 반응 후 미반응된 수소 및 산소를 반응시키는 발열반응에 의해 상기 개질부를 가열할 수 있다.
상기 버너는 주버너와 보조버너로 이루어지며, 상기 미반응된 수소 및 산소가 상기 주버너와 상기 보조버너로 순차 공급되도록 하여 미반응 가스를 최소화할 수 있다.
상기 핫박스 내부를 감싸도록 마련됨과 아울러 상기 제1열교환부에 연결되어, 상기 스타트 버너의 열로 상기 핫박스를 반응온도로 가열함과 아울러 상기 제2열교환부의 배기가스로 상기 핫박스의 온도를 낮춰 반응온도를 유지하는 연소가스라인을 더 포함할 수 있다.
본 발명 연료전지 시스템은 초기 작동시 외부 공기를 가열하는 수단을 마련하고, 이후 배기가스를 이용하여 흡기되는 외부 공기를 지속적으로 가열하여 공급하여, 외부 공기 유입에 따른 핫박스 내부 온도의 변화를 방지함으로써, 핫박스의 온도를 반응온도로 유지하여 발전 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.
아울러 본 발명 연료전지 시스템은, 배기가스를 이용하여 원료가스를 개질하기 위한 스팀을 발생시킴과 아울러 연료전지에서 발생하는 열의 증가분을 해소하며, 유입되는 외부 공기를 가열할 수 있도록 구성하여 시스템 구성의 효율성을 높이고 구성을 단순화할 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명 연료전지 시스템은 흡기라인과 배기라인을 각각 단일화하여 시스템의 구성을 보다 단순화할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 시스템의 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 시스템의 결합관계 구성도이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 시스템의 블록 구성도이다.
도 1을 참조하면 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 시스템은, 초기 동작시 핫박스(300)를 가열하는 스타트 버너(100)와, 상기 스타트 버너(100)의 열 또는 배기가스의 열로 외부 공기를 가열하여 핫박스(300) 내로 공급하는 제1열교환부(200)와, 상기 핫박스(300) 내에 위치하며 원료가스(NG)를 개질하는 개질기(400)와, 상기 핫박스(300) 내에서 상기 개질기(400)로부터 개질된 원료가스를 공급받음과 아울러 상기 제1열교환부(200)를 통해 가열된 외부 공기를 공급받아 촉매반응을 통해 발전하는 연료전지(500)와, 상기 연료전지(500)에서 미반응된 배기가스를 상기 개질기(400)를 통해 공급받아 그 미반응 배기가스의 현열을 이용하여 증기를 발생시켜 상기 원료가스(NG)와 함께 상기 개질기(400)에 공급함과 아울러 상기 열교환된 미반응 배기가스를 상기 제1열교환부(200)를 통해 외기로 배출하는 제2열교환부(600)를 포함하여 구성된다.
이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 바람직한 실시에에 따른 연료전지 시스템의 구성과 작용을 보다 상세히 설명한다.
먼저, 핫박스(300)는 반응온도를 유지하기 위하여 수용된 개질기(400)와 연료전지(500)를 외기와 차단하는 역할을 하는 것으로, 초기 운전에서도 발전 효율을 높이기 위해서는 반응온도로 예열이 요구된다.
이러한 핫박스(300)의 동작 조건을 만족시키기 위하여 초기 운전시에는 스타트 버너(100)를 사용하여 상기 핫박스(300)의 온도를 반응온도로 가열한다. 상기 연료전지(500)에서의 반응온도가 750℃라고 가정하면, 상기 스타트 버너(100)에 의해 가열된 공기를 상기 핫박스(300)로 공급하는 연소가스라인(110)이 마련되어 그 핫박스(300)의 온도를 750℃로 가열하게 된다.
이때 도 1에서는 설명의 편의를 위하여 상기 연소가스라인(110)이 핫박스(300)를 상하 관통하여 지나는 것으로 도시하였으나, 실제로는 연소가스라인(110)이 핫박스(300)의 내부에 감긴 구조이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 시스템의 결합관계 구성도이다.
도 2를 참조하면 상기 연소가스라인(110)은 핫박스(300)의 내측에서 상기 연료전지(500)의 외측면에서 소정 간격 이격되어 다수 회 감싸고 있는 구성임을 확인할 수 있다.
상기 도 2에서는 스타트 버너(100), 핫박스(300), 개질기(400) 및 연료전지(500)를 도시하였으며, 제1 및 제2열교환부(200,600)의 구성은 생략하였다.
핫박스(300)의 내측에 마련된 개질기(400)와 연료전지(500)는 상호 상하 배치된 구조이며, 이러한 구조에 의해 장치의 크기를 줄일 수 있다.
상기와 같이 스타트 버너(100)에 의해 핫박스(300)가 반응온도로 가열된 상태에서 상기 스타트 버너(100)는 운전이 정지된다.
상기 연소가스라인(110)은 제1열교환부(200)에 연결되어 있으며, 그 제1열교환부(200)에서 핫박스(300)로 공급되는 외부 공기를 열교환을 통해 가열하는 역할을 한다.
이는 상온의 외부 공기가 유입되는 경우 상기 핫박스(300) 내부 온도를 낮아질 수 있으며, 상기 외부 공기를 가열하여 공급되도록 함으로써, 핫박스(300) 내부 온도의 변화를 최소화할 수 있다.
따라서 반응효율의 저하, 즉 발전효율의 저하를 방지할 수 있으며, 전체적인 시스템의 온도 변화를 쉽게 예측하여 정확한 온도 범위에서 동작하도록 설계하기가 용이하게 된다.
상기 가열된 외부 공기는 산소를 포함하고 있으며, 그 산소를 포함하며 가열된 외부 공기는 상기 핫박스(300) 내부로 흡기되어 연료전지(500)의 양극(510)으로 공급된다.
상기 연료전지(500)의 음극(520)에는 수소가 공급되어 수소와 산소의 반응에 의해 발전을 하게 된다. 이와 같이 음극(520)에 수소를 공급하기 위하여 개질기(400)를 사용한다.
상기 개질기(400)는 개질부(420)와, 주버너(410) 및 보조버너(430)로 구성되어 있으며, 개질부(420)에서는 원료가스(NG)와 제2열교환부(600)의 스팀을 공급받아 개질하여 수소가스를 연료전지(500)측으로 공급한다.
상기 개질기(400)는 필요에 따라 일산화탄소를 산화시켜 제거하는 기능을 포함할 수 있다. 상기 개질기(400)의 개질부(420)에서 일어나는 개질반응은 흡열반응이며 이러한 개질반응을 지속하기 위해서는 지속적인 열의 공급이 필요하다.
이와 같은 열을 공급하기 위하여 주버너(410)와 보조버너(430)로 개질부(420)를 가열을 하게 된다.
상기 주버너(410)와 보조버너(430)는 촉매 버너이며, 연료전지(500)에서 배출되는 미반응가스에서 수소와 산소를 반응시키는 발열반응에 의해 발생되는 800 내지 900℃의 열로 상기 개질부(420)를 가열하여 개질반응이 일어나도록 한다.
이처럼 개질된 원료가스(NG)는 앞서 설명한 바와 같이 상기 연료전지(500)의 음극(520)으로 공급된다.
상기 연료전지(500)의 음극(520)에 수소가 공급되고, 양극(510)에 산소가 공급되어 전기적인 반응을 하게 되어 발전을 하게 된다. 이와 같은 산소와 수소의 반응은 발열반응이며, 따라서 연료전지(500) 및 핫박스(300) 내부 온도가 상승하게 된다.
이러한 핫박스(300)의 내부 온도 및 연료전지(500)의 온도 상승은 다시 연료전지(500)의 발전 효율을 저하시키는 원인이 되기 때문에 이를 반응온도로 냉각시켜 유지할 필요가 있으며, 이러한 냉각과정은 이후에 보다 상세하게 설명한다.
상기 연료전지(500)의 내에서 산소와 수소가 반응하여 발전을 하고, 그 반응과는 무관한 다른 가스 또는 미반응된 산소와 수소 및 그 산소와 수소가 혼합된 수증기는 상기 양극(510)과 음극(520)의 타측인 연결관(530)을 통해 배출된다.
상기 배기가스가 배출되는 연결관(530)은 주버너(410)와 보조버너(430)에 순차 연결되어 있으며, 주버너(410)와 보조버너(430)에 상기 미반응된 산소와 수소가 순차 공급되어 산소와 수소가 반응하는 발열반응이 일어나게 된다.
이때 발생하는 열은 앞서 언급한 바와 같이 800 내지 900℃가 되며 상기 개질부(420)에 공급하여 원료가스(NG)와 스팀의 혼합가스를 수소가스로 개질되도록 한다.
상기 개질부(420)를 가열하는 버너를 주버너(410)와 보조버너(430)로 분리 구성한 것은 배기가스의 산소와 수소를 단계적으로 반응시켜 미반응 가스의 배출을 최소화하기 위한 것이다.
그 다음, 상기 보조버너(430)에서 배출되는 배기가스는 상기 핫박스(300)의 외부로 배기관(440)을 통해 배출된다.
상기 배기관(440)을 통해 배출되는 배기가스는 상기 주버너(410)와 보조버너(430)에서 가열된 것으로 반응온도에 가까운 온도이며, 이 배기가스는 제2열교환부(600)에 공급되어 외부에서 공급되는 물과 열교환된다.
이때 제2열교환부(600)에서 배기가스와 열교환 된 물은 스팀 상태로 상 전환되며 앞서 설명한 바와 같이 상기 원료가스(NG)와 혼합되어 개질부(420)로 공급된다.
또한 상기 제2열교환부(600)에서 상기 물에 열을 빼앗긴 배기가스는 상기 연소가스라인(110)으로 공급되어 다시 핫박스(300) 내부로 공급된다. 상기 핫박스(300)의 내부로 공급된 배기가스는 제2열교환부(600)에서 온도가 낮아진 상태이며, 상기 연료전지(500)의 발열반응에 의해 발생된 핫박스(300) 내부 온도 상승분을 냉각시켜 핫박스(300)의 온도를 반응온도로 낮추게 된다.
따라서 그 핫박스(300)의 내부 온도는 반응온도를 지속적으로 유지할 수 있게 되며, 연료전지(500)의 수소와 산소의 반응이 원활하게 이루어져 발전 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있게 된다.
상기 핫박스(300)를 지난 상기 배기가스는 다시 제1열교환부(200)로 공급된다. 상기 핫박스(300)를 지나면서 상기 배기가스는 다시 가열된 상태가 되며, 제1열교환부(200)에서 유입되는 외부 공기와 열교환되어 그 외부 공기를 가열하게 된다.
따라서 앞서 설명한 바와 같이 외부 공기를 가열하여 핫박스(300) 내부로 공급하게 됨으로써, 핫박스(300)의 내부 온도가 상온의 외부 공기가 공급되어 변화되는 것을 방지할 수 있게 된다.
상기 외부 공기와 열교환된 배기가스는 외부로 배기된다.
이처럼 본 발명은 공급되는 외부공기를 가열하여, 상온의 외부 공기가 공급되었을 때 발생하는 핫박스(300) 내부 온도의 변화가 발생하지 않도록 함으로써, 발전 효율의 저하를 방지할 수 있을 뿐만 아니라 연료전지(500)의 발열반응에 따른 온도의 상승분을 배기가스를 사용하여 냉각시킬 수 있게 된다.
본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정, 변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.
100:스타트 버너 110:연소가스라인
200:제1열교환부 300:핫박스
400:개질기 410:주버너
420:개질부 430:보조버너
440:배기관 500:연료전지
510:양극 520:음극
530:연결관 600:제2열교환부

Claims (5)

  1. 연료전지와 개질기를 수용하는 핫박스;
    초기 구동시 핫박스의 온도를 반응온도로 가열하는 스타트 버너;
    상기 스타트 버너의 열 또는 배기가스의 열을 이용하여 흡기되는 외부 공기를 가열하여 상기 연료전지로 공급하는 제1열교환부;
    상기 배기가스의 열을 이용하여 스팀을 발생시켜 공급하며, 온도가 낮아진 상기 배기가스로 연료전지를 냉각시켜 상기 반응온도를 유지하는 제2열교환부; 및
    상기 핫박스 내부를 감싸도록 마련됨과 아울러 상기 제1열교환부에 연결되어, 상기 스타트 버너의 열로 상기 핫박스를 반응온도로 가열함과 아울러 상기 제2열교환부의 배기가스로 상기 핫박스의 온도를 낮춰 반응온도를 유지하는 연소가스라인을 포함하는 연료전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 개질기는,
    상기 스팀과 원료가스를 공급받아 수소 가스로 개질하는 개질부; 및
    상기 개질부를 가열하는 버너를 포함하는 연료전지 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 버너는,
    상기 연료전지에서 반응 후 미반응된 수소 및 산소를 반응시키는 발열반응에 의해 상기 개질부를 가열하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 버너는,
    주버너와 보조버너로 이루어지며, 상기 미반응된 수소 및 산소가 상기 주버너와 상기 보조버너로 순차 공급되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  5. 삭제
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