KR101364934B1 - 에너지 효율을 증대시킨 연료전지 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 에너지 효율을 증대시킨 연료전지 장치에 관한 것으로, 연료가스 내 황 성분을 제거하는 탈황부, 상기 탈황부로부터 공급받은 연료가스를 개질반응 시키는 개질부, 상기 개질부로부터 공급받은 연료가스를 수성전이 반응시키는 CO변성부 및 상기 CO변성부로부터 공급받은 연료가스 내 CO를 제거하는 선택산화부를 포함하고, 상기 개질부로부터 발생되는 배기가스를 처리하는 배기가스 후처리부가 상기 선택산화부와 인접하여 설치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 배기가스 후처리부와 선택산화부가 통합 설계되어, 연료전지 시스템을 소형화할 수 있으며, 또한, 연료전지의 배기가스 후처리부의 예열을 위해 필요한 에너지원을 별도로 둘 필요가 없어, 연료전지 시스템의 효율을 증대하는 장점이 있다.

Description

에너지 효율을 증대시킨 연료전지 장치{Apparatus Enhancing Fuel Efficiency}
본 발명은 연료전지 장치에 관한 것으로, 보다 자세하게는 배기가스 후처리부와 선택산화부를 인접 설계하여 에너지 효율을 증대시킨 연료전지 장치에 관한 것이다.
연료전지는 연료가 가진 화학에너지를 화학반응에 의해 직접 전기에너지로 바꾸는 장치로서, 연료가 공급되는 한 계속해서 전기를 만들어낼 수 있는 일종의 발전장치이다. 즉, 단위 셀의 캐소드(Cathode)에 산소를 포함한 공기가, 애노드(Anode)에 연료인 수소가스가 각각 공급되면, 그 사이의 전해질막을 통해 물 전기분해의 역반응이 진행되면서 전기가 생성된다. 그런데 이러한 단위 셀 하나에서 발생하는 전기는 유용하게 사용될 만큼 그 전압이 높지 않기 때문에, 여러 개의 단위 셀을 직렬로 연결한 스택(Stack)의 형태로 사용하는 것이 일반적이다.
이러한 스택의 애노드에 수소가스를 공급하기 위한 연료원(Fuel source)으로는 천연가스와 같은 탄화수소 계열 물질이 이용되며, 연료처리장치에서 이 연료원으로부터 수소가스를 추출하여 스택에 공급하게 된다. 즉, 탄화수소 계열의 연료원을 연료처리장치에서 물과 반응시켜 수소가스를 추출한 후 그것을 스택의 애노드에 공급해서 전기생성 반응에 사용되게 하는 것이다.
도 1은 종래 연료전지 장치의 구성을 나타낸 블록도이며, 종래의 연료전지 장치는 탈황부(110), 개질부(120), CO변성부(130), 선택산화부(140) 및 배기가스 후처리부(160)로 구성된다.
종래의 연료전지 장치의 동작을 살펴보면, 일차적으로 탈황부(110)가 천연가스의 황을 제거하고, 개질부(120)가 황이 제거된 연료를, 버너에서 공급되는 열을 이용해 수증기 개질 반응을 진행하여 다량의 수소와 일산화탄소로 변환한다. 이후 CO변성부(130)가 개질 반응을 통해 생성된 개질가스를 수성전이 반응을 거쳐 다량의 수소와 약 1% 가량의 CO가 포함된 개질가스로 전환하고, 선택산화부(140)는 개질가스에 포함된 CO를 5ppm 이하로 제거한다. 그리고 배기가스 후처리부(160)는 개질부 외부에 장착되어 개질부 배기가스 내에 포함된 CO를 제거한다.
이처럼 연료전지에서 전기생성 반응을 일으키려면 수소가스를 생성하는 개질 반응이 필수적이며, 본 개질 반응을 일으키는 데 필요한 열량을 공급하기 위해서 버너를 사용한다.
개질부의 버너에서 배출되는 배기가스 내에 CO가 포함되며 또한, 개질 반응에 필요한 충분한 열량이 공급된 이후인 정격 운영 상태에서도, 개질부 온도 조절을 위한 연소가 필요하며 이로 인해 CO가 다량 발생한다.
이처럼 개질 반응을 일으키는 단계와 정격 운영 단계에서 과량의 CO가 스택에 들어가면 전극이 피독되어 연료전지의 성능이 급격히 떨어질 수 있으며 인체에 유해하기 때문에 배기가스 내에서 CO를 제거해야 한다.
일반적인 배기가스 후처리부는 개질부 외부에 장착하기 때문에 전체적으로 연료전지 시스템이 복잡해지고, 시스템의 크기가 커진다. 또한, 배기가스 후처리부를 예열하기 위해 별도의 에너지가 소모되며, 예열을 위해 각종 전기 설비 장치가 추가되는 문제점이 있다.
이에 일본공개특허 제2011-136866호는 연료전지 시스템의 효율을 향상시키기 위해 배기가스의 열을 이용하여 선택산화부를 예열한다는 점에 대해서 언급하고 있으나 배기가스 후처리부를 여전히 개질부 외부에 장착하여 전체적으로 시스템이 커지는 문제점을 해결하지 못하며, 또한, 배기가스 후처리부와 선택산화부가 인접하여 열교환 하지 않아 에너지 효율성을 극대화하지 못하는 문제점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 개질부 외부에 장착되는 배기가스 후처리부와 선택산화부를 인접하게 통합 설계하여 연료전지 시스템을 소형화하며, 연료전지 내부의 열 회수 설계를 통해 배기가스 후처리부의 예열에 필요한 에너지로 활용하여, 전체적으로 시스템의 에너지 효율을 증대시킨 연료전지 장치를 제공하는 것이다.
이러한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 연료전지 장치는 연료가스 내 황 성분을 제거하는 탈황부, 상기 탈황부로부터 공급받은 연료가스를 개질반응 시키는 개질부, 상기 개질부로부터 공급받은 연료가스를 수성전이 반응시키는 CO변성부 및 상기 CO변성부로부터 공급받은 연료가스 내 CO를 제거하는 선택산화부를 포함하는 연료처리장치; 및 상기 연료처리장치로부터 발생되는 연료가스를 이용하여 전기를 발생시키는 연료전지 스택을 포함하되, 버너로부터 발생되는 배기가스를 처리하는 배기가스 후처리부가 상기 선택산화부와 인접하여 설치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 연료전지스택의 캐소드에 공급하기 위한 캐소드 에어(Cathode Air) 또는 상기 캐소드에서 출력된 캐소드 오프 가스(Cathode Off Gas)의 비율을 조절하여 상기 선택산화부에 공급할 수 있는 조절부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 선택산화부 및 배기가스 후처리부의 외측에 인접하여 배치된 한 쌍의 냉각예열부가 상기 선택산화부 또는 배기가스 후처리부의 촉매반응에 의해 발생된 열을 회수할 수 있다.
또한, 상기 냉각예열부는 상기 선택산화부 및 배기가스 후처리부의 외측에 병렬로 인접할 수 있다.
또한, 상기 선택산화부 및 상기 배기가스 후처리부를 상기 개질부의 내부 또는 외부에 장착할 수 있다.
본 발명에 의하면, 배기가스 후처리부와 선택산화부가 통합 설계되어, 연료전지 시스템을 소형화할 수 있으며, 연료전지의 배기가스 후처리부 예열을 위해 별도의 에너지원을 둘 필요가 없어, 연료전지 시스템의 효율을 증대시킬 수 있다.
도 1은 종래 연료전지 장치의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 장치를 나타낸 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 장치의 CO제거모듈 내 열교환을 나타낸 개념도이다.
도 4a 및 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 캐소드 오프 가스 및 캐소드 에어의 흐름을 나타낸 것이다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 장치를 설명하기 위해 제공되는 블록도이다.
도 2를 참고하면, 본 발명에 따른 연료전지 장치는 탈황부(210), 개질부(220), 열교환부(231, 233), CO변성부(240), CO제거모듈(250) 및 연료전지 스택(260)을 포함할 수 있다.
탈황부(210)는 연료인 천연가스 등에 존재한 황 성분을 제거하는 역할을 한다. 가정에서 사용하는 도시가스는 누출 시 사용자가 알 수 있도록 미량의 황이 포함되어 있는데, 이는 연료전지 내 촉매의 성능을 감소시키는바, 탈황부(210)가 상온흡착제 또는 수첨탈황기를 이용하여 황을 제거한다.
개질부(220)는 전기를 생산하는 데 필요한 수소를 대량 포함하는 가스를 생성하다. 더욱 상세하게는, 황이 제거된 천연가스 등 연료를 수분과 함께 개질부에 주입하고, 버너를 통해 열을 공급하면, 개질부(220)는 수증기 개질 반응을 일으켜, 연료를 다량의 수소와 이산화탄소 및 일산화탄소가 포함된 개질가스로 전환시킨다.
열교환부(231, 233)는 더워진 용수를 일정온도로 식히고, 개질수를 수증기 형태로 변환시키기 위해 예열하는 역할 등을 하는 장치로, 당업자에게 알려진 구성인바 본 명세서에서는 상세한 설명은 생략한다.
CO변성부(240)는 개질가스 내 존재하는 일산화탄소의 양을 일차적으로 줄이는 역할을 한다. 즉, 개질 반응을 통해 생성된 개질가스는 대략 10~15%의 일산화탄소가 포함되어 있다. 일산화탄소는 냄새가 없고, 눈에 보이지 않는 독성이 있는 가스로 인체에 치명적이므로, 연료전지 외부로 다량 배출할 수 없다. 그러므로 CO변성부(240)는 일산화탄소와 수분(H2O)을 반응시켜 이산화탄소와 수소로 전환시키는 수성전이 반응을 통해, 다량의 수소 및 약 1%가량의 일산화탄소가 포함된 개질가스를 출력한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 장치의 CO제거모듈(250)을 나타낸 것으로, CO제거모듈(250)은 선택산화부(257), 배기가스 후처리부(255), 및 한 쌍의 냉각예열부를 포함하며, 일산화탄소를 제거한다.
먼저, 선택산화부(257)는 CO변성부(240)에서 제거되고 남은 일산화탄소를 처리하는 역할을 한다. 즉, 개질가스에 포함된 일산화탄소는 스택의 성능을 저하시키므로 일산화탄소를 10ppm 미만으로 제거하기 위해, 개질가스 내 포함된 일산화탄소를 공기 중의 산소와 반응시켜 일산화탄소를 제거한다.
다음으로, 배기가스 후처리부(255)는 버너를 이용한 연소 시 발생되는 배기가스 내 CO를 제거하는 역할을 한다. 즉, 개질부(220)는 개질 반응에 필요한 열량을 공급받기 위해 버너를 사용하며, 이 버너를 이용하여 연소하는 동안 발생하는 배기가스에는 일산화탄소가 과다하게 포함될 수 있다. 배기가스 후처리부(255)는 이러한 배기가스 내 존재하는 일산화탄소를 촉매 산화 반응(CO+O2->CO2)을 통해 일산화탄소를 저감시킨다. 배기가스 후처리부(255)의 촉매 산화 반응은 당업자에게 알려진 사항이므로 본 명세서에서는 그 설명을 생략한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 장치에서는, 선택산화부(257)와 배기가스 후처리부(255)가 인접하게 병렬로 배치되어, 각각의 내부 촉매 반응에 의해 발생하는 열을 상호 전달할 수 있어 촉매반응에 필요한 온도를 유지할 수 있다.
선택산화부(257)와 배기가스 후처리부(255)의 인접 형태는 병렬 형태로 제한되지 않으며, 선택산화부(257)와 배기가스 후처리부(255) 사이의 열교환이 활발하게 일어날 수 있는 다양한 형태가 될 수 있다. 예컨대, 선택산화부(257)와 배기가스 후처리부(255)는, 선택산화부(257)와 배기가스 후처리부(255) 사이의 열교환이 활발히 일어나도록, 웨이브 형태의 인접 면을 갖도록 형성될 수도 있다.
냉각예열부(251, 252)는 배기가스 후처리부(255) 및 선택산화부(257)의 양쪽에 인접하게 배치되어, 배기가스 후처리부(255) 및 선택산화부(257) 내의 촉매 반응이 원활하게 일어나도록 적정 온도를 유지시키는 역할을 한다.
더욱 상세하게, 선택산화부(257) 내의 PrOx 촉매는 80 ~150 ℃에서, 배기가스 후처리부(255) 내의 후처리촉매는 90~120℃에서 가장 활발하게 반응한다. 이에 냉각예열부는 배기가스 후처리부(255) 및 선택산화부(257)에서 촉매반응이 일어날 때 발생한 열을 미리 흡수하여, 차후 배기가스 후처리부(255) 및 선택산화부(257)가 촉매 반응을 위해 열이 필요한 경우 흡수한 열을 재공급하여 선택산화부 및 배기가스 후처리부의 촉매반응이 활발히 일어날 수 있도록 한다.
또한, 냉각예열부는 단순히 배기가스 후처리부(255) 및 선택산화부(257)로부터 열을 공급받는 것 외에도, 탈황부 등으로부터 고온의 가스를 공급받아 필요한 열을 저장할 수도 있다.
그리고 냉각예열부는 선택산화부(257) 및 배기가스 후처리부(255) 내의 온도가 너무 높아 촉매 반응의 활성이 떨어지는 경우, 선택산화부(257) 및 배기가스 후처리부(255)로부터 열을 흡수하여 적정 온도를 유지함으로써, 선택산화부(257) 및 배기가스 후처리부(255) 내 촉매 반응을 활성화시킨다.
도 3을 참조하여 더욱 상세하게 설명하면, 배기가스 후처리부(255)와 선택산화부(257)는 병렬로 인접하여 서로 열을 교환하며, 선택산화부(257)는 제1 냉각예열부(251)와, 배기가스 후처리부(255)는 제2 냉각예열부(252)와 인접하여 서로 열을 교환한다.
앞서 언급한 바와 같이, 도 3에 나타난 것처럼 CO제거모듈(250) 내 선택산화부(257), 배기가스 후처리부(255), 냉각예열부(251, 252) 간의 인접 형태는 병렬에 한정되지 않으며, 열을 효율적으로 교환할 수 있는 형태라면 타양한 형태로 구현될 수 있다.
이처럼 배기가스 후처리부(255), 선택산화부(251) 및 냉각예열부(251, 252)를 인접하게 설치하여, 전체적인 연료전지 장치의 크기를 줄이고, 상호 열교환을 통해 에너지를 절감할 수 있다.
다음으로, 연료전지 스택(260)은 수소를 공급받아 전기를 생산하는 것으로, 애노드(Anode)(261)와 캐소드(Cathode)(265)의 두 전극판 사이에 전해질을 채우고 애노드(261)에는 수소를 다량 포함한 가스를, 캐소드(265)에는 산소를 포함하는 공기를 공급하여 전기를 생성한다.
도 4a 및 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 캐소드 오프 가스 및 캐소드 에어의 흐름을 나타낸 것이다. 도 4a 및 4b을 참조하여, 본 발명의 특징을 더욱 자세히 설명한다.
일반적으로 배기가스 후처리기에는 버너의 배기가스만이 공급되나, 본 발명은 도 4a와 같이 버너의 배기가스뿐만 아니라 캐소드(265)를 통과하여 캐소드(265) 외부로 배출된 캐소드 오프 가스(Cathode Off Gas)도 배기가스 후처리기에 공급한다. 또한, 도 4b와 같이 배기가스 후처리부(255)에 캐소드 공기 공급부로부터 캐소드(265)를 거치지 않은 공기(이하 캐소드 에어라고 함)가 직접 공급된다.
캐소드(265) 앞단에 배치된 쓰리웨이밸브(Three Way Valve)와 같은 조절부(270)가 캐소드 오프 가스 및 캐소드 에어 중 배기가스 후처리부(255)에 공급될 기체를 선택한다. 더욱 상세하게, 조절부(270)는 개도량을 변경하여, 연료전지 운영 환경에 적합하게 캐소드 에어와 캐소드 오프 가스 간의 비율을 조절하여 선택산화부(257)에 공급한다.
예를 들어, 연료전지 시동 초기에는 예열 부족 등으로 연료전지 시스템이 전체적으로 정상 동작을 하지 않으므로 개질가스를 연료전지 스택(260)에 인가하지 않고 버너 쪽으로 순환시킨다. 이런 경우 조절부(270)를 조정하여, 캐소드 에어를 캐소드에 공급하지 않고 대신 캐소드 에어를 배기가스 후처리부(255)에 공급하여, 배기가스 후처리부(255)의 산화 반응을 촉진시킬 수 있다.
그리고 연료전지가 정상 작동하는 경우, 조절부(270)를 조절하여, 캐소드 오프 가스를 배기가스 후처리부(255)에 공급하며, 이를 통해 배기가스 후처리부(255)의 산화 반응을 촉진시키고, 일산화탄소를 희석 및 촉매 화학반응으로 제거하여 배기가스 내 일산화탄소의 비율을 낮출 수 있다.
이처럼 조절부(270)를 통해, 연료전지 시동 초기나 전기 생성이 불필요한 경우 등 다양한 사용환경에 따라 배기가스 후처리부(255)에 기체를 선택적으로 공급하여 일산화탄소를 저감할 수 있다.
이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지에 의하면, 연료전지 시스템을 소형화할 수 있으며, 연료전지의 배기가스 후처리부(255) 예열을 위해 별도의 에너지원을 둘 필요가 없어, 연료전지 시스템의 효율을 증대시킬 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
210: 탈황부 220: 개질부
231, 233: 열교환부 240: CO변성부
250: CO제거모듈 251: 제1 냉각예열부
252: 제2 냉각예열부 255: 배기가스 후처리부
257: 선택산화부 260: 연료전지 스택
261: 애노드(ANODE) 263: 냉각수(COOLANT)
265: 캐소드(CATHODE) 270: 조절부

Claims (5)

  1. 연료가스 내 황 성분을 제거하는 탈황부;
    상기 탈황부로부터 공급받은 연료가스를 개질반응 시키는 개질부;
    상기 개질부로부터 공급받은 연료가스를 수성전이 반응시키는 CO변성부;
    상기 CO변성부로부터 공급받은 연료가스 내 CO를 제거하는 선택산화부;
    상기 개질부로부터 발생되는 배기가스를 처리하는 배기가스 후처리부; 및
    연료전지의 캐소드에 공급하기 위한 캐소드 에어(Cathode Air) 또는 상기 캐소드에서 출력된 캐소드 오프 가스(Cathode Off Gas)의 비율을 조절하여 상기 배기가스 후처리부에 공급할 수 있는 조절부;
    를 포함하는 연료전지 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 선택산화부 및 상기 배기가스 후처리부의 외측에 인접하여 배치된 한 쌍의 냉각예열부가 상기 선택산화부 또는 상기 배기가스 후처리부의 촉매반응에 의해 발생된 열을 회수하는 것을 특징으로 하는 연료전지 장치.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 냉각예열부는 상기 선택산화부 및 상기 배기가스 후처리부의 외측에 병렬로 인접하는 것을 특징으로 하는 연료전지 장치.
  5. 제3 항에 있어서,
    상기 선택산화부 및 상기 배기가스 후처리부를 상기 개질부의 내부 또는 외부에 장착하고 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 장치.



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KR20050022349A (ko) * 2003-08-25 2005-03-07 마츠시타 덴끼 산교 가부시키가이샤 고체 고분자형 연료 전지 시스템 및 그 운전 방법
KR20080043181A (ko) * 2006-11-13 2008-05-16 삼성에스디아이 주식회사 Ｃｏ 쉬프트기의 온도조절 기능이 구비된 연료처리장치 및그 운영방법
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