KR101416909B1 - 연료 전지 시스템과 그 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 명세서는 수소 및 전력을 생산할 수 있는 연료 전지 시스템과 그 제어 방법에 관한 것으로서, 본 명세서의 실시예에 따른 연료 전지 시스템은, 연료를 이용하여 전력을 생산하는 연료 전지와; 상기 연료 전지 내에 설치되고, 상기 연료를 개질하여 수소를 발생하고, 상기 발생한 수소를 상기 연료 전지에 공급하는 수소 발생기와; 상기 연료전지의 애노드로부터 배출되는 배출가스를 물과 반응시켜 수소 및 이산화탄소를 생성하는 수성가스 전환 반응기와; 상기 수성가스 전환 반응기에 의해 생성된 수소 및 이산화탄소를 서로 분리함으로써 상기 수소를 포집하는 수소 분리기를 포함할 수 있다.

Description

연료 전지 시스템과 그 제어 방법{FUEL CELL SYSTEM AND CONTROL METHOD THEREOF}
본 명세서는 연료 전지 시스템과 그 제어 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 연료전지는 수소와 산소를 이용하여 물과 전기를 생성하게 된다. 연료전지의 작동 원리는 애노드(Anode)에서 수소가 이온화되면서 전자를 발생하고, 그 발생한 전자는 중간의 전해질을 거쳐 캐소드(Cathode)로 이동하게 된다. 상기 전자가 이동하는 과정에서 전기 에너지가 발생한다. 수소와 공기가 반응해 물이 생성되는 이 반응은 발열 반응으로 전기에너지 외에도 열과 물을 얻을 수 있다.
반면, 연료전지의 연료로 쓰이는 수소는 그 자체로 얻기는 어렵기 때문에 수소화합물을 개질하여 이용한다. 즉, 연료전지의 연료로서 탄소와 수소의 화합물인 화석연료가 사용된다. 종래 기술에 따른 연료전지는 한국 특허 출원번호 10-2006-0117082에도 개시되어 있다.
본 명세서는 수소 및 전력을 생산할 수 있는 연료 전지 시스템과 그 제어 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 명세서의 실시예에 따른 연료 전지 시스템은, 연료를 이용하여 전력을 생산하는 연료 전지와; 상기 연료 전지 내에 설치되고, 상기 연료를 개질하여 수소를 발생하고, 상기 발생한 수소를 상기 연료 전지에 공급하는 수소 발생기와; 상기 연료전지의 애노드로부터 배출되는 배출가스를 물과 반응시켜 수소 및 이산화탄소를 생성하는 수성가스 전환 반응기와; 상기 수성가스 전환 반응기에 의해 생성된 수소 및 이산화탄소를 서로 분리함으로써 상기 수소를 포집하는 수소 분리기를 포함할 수 있다.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 연료 전지는 용융탄산염 연료전지일 수 있다.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 수소 수요부의 수소 수요 상태를 모니터링하고, 상기 수소 수요부에서 수소가 부족하면 연료이용률을 낮춤으로써 상기 수소 발생기에 연료를 공급하는 제어부를 포함할 수 있다.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 제어부는, 상기 수소 발생기에 상기 연료가 공급되면 공기 공급부를 통해 상기 연료 전지에 공급되는 공기 유량을 제어함으로써, 상기 수소 발생기에서 상기 연료를 개질할 때 요구되는 열을 공급할 수 있다.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 제어부는, 상기 수소 발생기에서 상기 연료를 개질할 때 요구되는 열을 공급하기 위해, 상기 수소 발생기에 상기 연료가 공급되면 공기 공급부를 통해 상기 연료 전지에 공급되는 공기 유량을 감소시킴으로써 상기 연료 전지에서 발생하는 열을 증가시키며, 여기서, 상기 증가된 열은 상기 연료 전지 내에 설치된 상기 수소 발생기에 공급될 수 있다.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 수소 분리기는, 상기 분리된 이산화탄소로 상기 연료 전지의 캐소드에 유입되는 이산화탄소의 분압을 증가시킬 수 있다.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 제어부는, 상기 연료이용률을 낮춤으로써 상기 연료전지의 애노드에서 미반응되는 연료양을 증가시킴으로써 상기 애노드의 수소 분압을 증가시킬 수 있다.
본 명세서의 실시예에 따른 연료 전지 시스템과 그 제어 방법은, 전력 생산만을 담당하는 연료전지 시스템의 연료전지에 수소발생기(내부 개질기)를 내장하고, WGS(Water Gas Shift Reactor, 수성가스 전환 반응기) 및 PSA(Pressure Swing Adsorption) 공정을 통해 수소를 생산할 수 있고, 기존 연료전지 운영에 비해 높은 셀 성능(효율 증가)을 유도할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 제어 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 나타낸 구성도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 제어 방법을 나타낸 흐름도이다.
본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 본 명세서에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 기술적인 용어가 본 발명의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 잘못된 기술적 용어일 때에는, 당업자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대체되어 이해되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에서 사용되는 일반적인 용어는 사전에 정의되어 있는 바에 따라, 또는 전후 문맥상에 따라 해석되어야 하며, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 발명의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 발명의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.
이하에서는, 전력 생산만을 담당하는 연료전지 시스템의 연료전지에 수소발생기(내부 개질기)를 내장하고, WGS(Water Gas Shift Reactor, 수성가스 전환 반응기) 및 PSA(Pressure Swing Adsorption) 공정을 통해 수소를 생산할 수 있는 연료 전지 시스템 및 그 제어 방법을 도 1 내지 도 2를 참조하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 나타낸 구성도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템은, 연료 전지(예를 들면, 용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC))(11)와; 상기 연료 전지(11)에 설치되고, 연료를 개질하여 수소를 발생하고, 그 발생한 수소를 상기 연료 전지(연료 전지의 애노드)에 출력하는 수소 발생기(예를 들면, 연료전지 내에 설치된 개질기)(11a)와; 상기 연료전지(11)의 애노드로부터 배출되는 배출가스(미반응된 잉여 수소를 포함)를 물과 반응시켜 수소 및 이산화탄소를 생성하는 반응기(Water Gas Shift reactor, WGS)(13)와; 상기 반응기(13)에 의해 생성된 수소 및 이산화탄소를 서로 분리함으로써 상기 수소를 포집하는 수소 분리기(16)를 포함한다.
상기 용융탄산염 연료전지(11)의 배출가스는 상기 용융탄산염 연료전지(11)의 애노드 오프 가스(Anode Off Gas, AOG)(예를 들면, MCFC의 애노드 극과 캐소드 극 중에서 애노드 극에서 배출되는 가스)를 의미한다.
상기 MCFC(11)의 애노드 오프 가스는 일부 미반응된 연료(H2, NG는 극미량)와 기타 가스를 포함할 수 있다. 상기 수성가스 전환 반응기(13)는 상기 애노드 오프 가스에 포함된 "CO"를 CO+H2O->CO2+H2 반응을 통해 제거함으로써 수소의 순도를 형상시킨다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템은, BOP(Balance Of Plant)(10), 제1 배열 회수기(배출 열 회수기)(12), 제2 배열 회수기(14), 드레인 라인(Drain Line)(15), 연료 제어기(또는 유량 조절기)(17), 온도 조절 장치(도시하지 않음)를 더 포함할 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구성을 도 1을 참조하여 설명한다.
먼저, 상기 BOP(Balance Of Plant)(10)는 연료를 용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC)(11)에 공급한다. 상기 BOP(10)는 연료 전지(11)를 작동시키기 위한 주변 기기로서, 연료 전지(11)에 연료 및 공기를 공급하는 펌프 등을 포함할 수 있다.
상기 MCFC(11)는 상기 제어부(19)의 제어 신호에 따라 상기 연료를 이용하여 전력을 생산한다. 상기 MCFC(11)로부터 배출되는 가스는 상기 MCFC(11)의 연료 이용률에 따라 미반응된 연료를 포함한다.
상기 MCFC(11)는 상기 배출가스를 제1 배열 회수기(12)에 출력한다.
상기 제1 배열 회수기(12)는 상기 배출 가스의 열을 회수하고, 그 열 회수 후 배출된 가스를 수성가스 전환 반응기(13)에 출력한다.
상기 수성가스 전환 반응기(13)는 상기 연료전지(11)의 애노드로부터 배출되는 배출가스(미반응된 잉여 수소를 포함)를 물과 반응시켜 수소 및 이산화탄소를 생성하고, 그 생성한 수소 및 이산화탄소를 상기 수소 분리기(16)에 출력한다. 예를 들면, 상기 수성가스 전환 반응기(13)는 상기 배출된 가스를 수성가스 전환 반응을 통해 순도 높은 수소 가스를 발생시키고, 그 발생한 수소 가스(이산화탄소 포함)를 상기 수소 분리기(16)에 출력한다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템은 상기 수성가스 전환 반응기(13)와 상기 수소 분리기(16) 사이에 연결된 제2 배열 회수기(14)를 더 포함할 수 있으며, 상기 제2 배열 회수기(14)는 상기 수성가스 전환 반응기(13)로부터 배출 된 가스(예를 들면, 수소 및 이산화탄소)의 열을 회수하여 상기 수소 분리기(16)에 출력할 수 있다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템은 배열 회수에 따른 응축수를 배출하기 위한 드레인 라인(15)를 더 포함할 수 있다.
상기 수소 분리기(16)는 상기 수성가스 전환 반응기(13)에 의해 생성된 수소 및 이산화탄소를 서로 분리함으로써 상기 수소를 포집(저장)하고, 그 포집한 수소를 연료로서 수소 스테이션, 연료 전지(예를 들면, 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC) 등)등과 같은 수소 수요부(19)에 출력한다. 상기 수소 분리기(16)는 상기 제어부(18)의 제어 신호에 따라 상기 수소를 연로로서 상기 수소 스테이션, 연료 전지(예를 들면, 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC) 등)에 출력할 수도 있다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템은 상기 수소 분리기(16)에 연결된 연료 제어기(17)를 더 포함할 수 있으며, 상기 연료 제어기(17)는 상기 제어부(18)의 제어 신호에 따라 상기 수소 스테이션, 연료 전지 등에 공급되는 연료의 양을 제어할 수 있다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 수성가스 전환 반응기(13)에 설치되고, 상기 수성가스 전환 반응기(13) 내의 가스 온도를 미리 설정된 온도로 유지하기 위한 온도 조절 장치(도시하지 않음)를 더 포함할 수 있다.
상기 제어부(18)는 상기 MCFC(11)에 의해 발생한 전력을 그리드(Grid)에 공급한다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 제어 방법을 나타낸 흐름도이다.
먼저, 상기 제어부(18)는 상기 연료 제어기(17)에 연결된 상기 수소 스테이션, 연료 전지 등의 수소 수요 상태를 실시간 모니터링한다(S11).
상기 제어부(18)는 상기 모니터링 결과를 근거로 상기 수소 스테이션, 연료 전지 등에서 수소가 부족하면(수소 저장량보다 수소 수요가 더 크면)(S12) 상기 수소 발생기(11a)에 연료를 공급하여 상기 수소 발생기(11a)를 통해 수소를 생성한다(S13). 예를 들면, 상기 수소 스테이션, 연료 전지 등에서 수소가 부족하면(수소 저장량보다 수소 수요가 더 크면) 상기 수소 발생기(11a)에 상기 연료전지(11)가 전기생산을 위해 필요로 하는 연료(Natural Gas)보다 과량으로 연료를 공급하여 발전에 필요한 수소량보다 과량으로 수소가 생산되도록 유도한다. 상기 제어부(18)는 상기 수소 발생기(11a)에 과량의 연료를 공급하기 위해 연료이용률을 낮출 수 있다.
상기 연료이용률(UF)이란 필요 연료량 대비 공급된 연료량의 비를 의미한다. 연료전지 시스템 운영 시 스택의 안정된 운전과 출력유지 및 효율적인 연료전지 시스템 운영 등을 목적으로 연료이용률(UF, 필요 연료량/공급 연료량)을 도입한다(몰비 기준). 연료전지의 종류 및 특성에 따라 값이 다르며, "(1-UF) x 공급된 연료량"을 계산하게 되면 미반응된 연료의 양을 알 수 있다. 상기 연료이용률을 낮추게 되면(예, 0.7-->0.6) 애노드에서 미반응된 연료양이 증가하게 되며, 이는 애노드의 수소(H2) 분압을 증가시켜 연료전지 스택의 셀 성능 향상에 기여할 수 있다.
상기 수소 발생기(11a)는 상기 생성한 수소를 상기 연료 전지(11)의 애노드에 공급한다(S14). 상기 수소 발생기(11a)에서 수소를 생성하기 하기 위해 필요한 열은 상기 연료 전지(11)의 스택 내부의 전기화학 반응 시의 발열반응으로 충당될 수 있다. 또한, 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 수소 발생기(11a)에서 수소를 생성하기 하기 위해 필요한 열을 공급하는 히터(도시되지 않음)를 더 포함할 수 있다. 상기 제어부(18)는, 상기 수소 발생기(11a)가 상기 수소를 생산할 때 상기 연료 전지(11)에 공급되는 공기 유량을 제어(예를 들면, 공기 공급부(도시되지 않음)의 공기 유량을 감소시킴)함으로써 상기 연료 전지(11)에서 발생하는 열을 증가시키고, 그 증가된 열을 상기 수소 발생기(11a)에 공급할 수도 있다.
상기 수성가스 전환 반응기(13)는 상기 연료전지(11)의 애노드로부터 배출되는 배출가스(미반응된 잉여 수소를 포함)를 물과 반응시켜 수소 및 이산화탄소를 생성하고, 상기 수소 및 이산화탄소를 수소 분리기(16)를 공급한다(S15).
상기 수소 분리기(16)는 상기 수성가스 전환 반응기(13)에 의해 생성된 수소 및 이산화탄소를 서로 분리함으로써 상기 수소를 포집한다(S16). 예를 들면, 상기 수소 분리기(16)는 수소 및 이산화탄소의 흡착속도의 차이를 이용하여 분리하는 것으로서, 고압에서 흡착제를 이용하여 물리적으로 수소를 흡착을 시킨 후 다시 저압으로 수소를 포집하는 공정으로 고순도의 수소를 포집하는 상기 PSA 공정을 이용할 수 있다.
상기 수소 분리기(16)는 상기 포집한 수소를 상기 수소 스테이션, 연료 전지 등에 공급한다.
이하에서는, 전력 생산만을 담당하는 연료전지 시스템의 연료전지에 수소발생기(내부 개질기)를 내장하고, WGS(Water Gas Shift Reactor, 수성가스 전환 반응기) 및 PSA(Pressure Swing Adsorption) 공정을 통해 수소를 생산할 수 있고, 기존 연료전지 운영에 비해 높은 셀 성능(효율 증가)을 유도할 수 있는 연료 전지 시스템 및 그 제어 방법을 도 3 내지 도 4를 참조하여 설명한다. 이하에서는, 도 1과 동일한 구성 요소에 대한 설명은 생략한다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 나타낸 구성도이다.
도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료 전지 시스템은, 연료 전지(예를 들면, 용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC))(11)와; 상기 연료 전지(11)에 설치되고, 연료를 개질하여 수소를 발생하고, 그 발생한 수소를 상기 연료 전지(연료 전지의 애노드)에 출력하는 수소 발생기(예를 들면, 연료전지 내에 설치된 개질기)(11a)와; 상기 연료전지(11)의 애노드로부터 배출되는 배출가스(미반응된 잉여 수소를 포함)를 물과 반응시켜 수소 및 이산화탄소를 생성하는 반응기(Water Gas Shift reactor, WGS)(13)와; 상기 반응기(13)에 의해 생성된 수소 및 이산화탄소를 서로 분리함으로써 상기 수소를 포집하는 수소 분리기(16)를 포함하며, 상기 수소 분리기(16)는 상기 분리된 이산화탄소로 상기 연료 전지(11)의 캐소드에 유입되는 이산화탄소의 분압을 증가시킴으로써 연료전지 셀의 성능을 향상시킨다. 상기 PSA 공정에서 분리된 고순도의 이산화탄소는 연료전지(11)의 캐소드의 연료로 사용할 수 있는데, 물이 제거된 고순도의 이산화탄소에 의해 상기 연료 전지(11)의 캐소드에 유입되는 이산화탄소의 분압이 증가하게 되고, 이로 인해 상기 연료전지(11)의 셀의 성능이 향상된다. 또한, 상기 PSA 공정에서 분리된 고순도의 이산화탄소는 연료전지(11)의 캐소드의 연료로 사용할 수 있는데, 물이 제거된 고순도의 이산화탄소 및 상기 수소 발생기(11a)에서 필요한 열을 공급하기 위해 상기 낮아진 공기 공급량에 의해 상기 연료 전지(11)의 캐소드에 유입되는 이산화탄소의 분압은 더욱 증가하게 되고, 이로 인해 상기 연료전지(11)의 셀의 성능이 향상된다.
상기 용융탄산염 연료전지(11)의 배출가스는 상기 용융탄산염 연료전지(11)의 애노드 오프 가스(Anode Off Gas, AOG)(예를 들면, MCFC의 애노드 극과 캐소드 극 중에서 애노드 극에서 배출되는 가스)를 의미한다.
상기 MCFC(11)의 애노드 오프 가스는 일부 미반응된 연료(H2, NG는 극미량)와 기타 가스를 포함할 수 있다. 상기 수성가스 전환 반응기(13)는 상기 애노드 오프 가스에 포함된 "CO"를 CO+H2O->CO2+H2 반응을 통해 제거한다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템은, BOP(Balance Of Plant)(10), 제1 배열 회수기(배출 열 회수기)(12), 제2 배열 회수기(14), 드레인 라인(Drain Line)(15), 연료 제어기(또는 유량 조절기)(17), 온도 조절 장치(도시하지 않음)를 더 포함할 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 제어 방법을 도 3 내지 도 4를 참조하여 설명한다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 제어 방법을 나타낸 흐름도이다.
먼저, 상기 제어부(18)는 상기 연료 제어기(17)에 연결된 상기 수소 스테이션, 연료 전지 등의 수소 수요 상태를 실시간 모니터링한다(S21).
상기 제어부(18)는 상기 모니터링 결과를 근거로 상기 수소 스테이션, 연료 전지 등에서 수소가 부족하면(수소 저장량보다 수소 수요가 더 크면)(S22) 상기 수소 발생기(11a)에 연료를 공급하여 상기 수소 발생기(11a)를 통해 수소를 생성한다(S23). 예를 들면, 상기 수소 스테이션, 연료 전지 등에서 수소가 부족하면(수소 저장량보다 수소 수요가 더 크면) 상기 수소 발생기(11a)에 상기 연료전지(11)가 전기생산을 위해 필요로 하는 연료(Natural Gas)보다 과량으로 연료를 공급하여 발전에 필요한 수소량보다 과량으로 수소가 생산되도록 유도한다. 상기 제어부(18)는 상기 수소 발생기(11a)에 과량의 연료를 공급하기 위해 연료이용률을 낮출 수 있다.
상기 연료이용률(UGas, UFuel)이란 필요 연료량 대비 공급된 연료량의 비를 의미한다. 연료전지 시스템 운영 시 스택의 안정된 운전과 출력유지 및 효율적인 연료전지 시스템 운영 등을 목적으로 연료이용률(UF, 필요 연료량/공급 연료량)을 도입한다(몰비 기준). 연료전지의 종류 및 특성에 따라 값이 다르며, "(1-UF) x 공급된 연료량"을 계산하게 되면 미반응된 연료의 양을 알 수 있다. 상기 연료이용률을 낮추게 되면(예, 0.7-->0.6) 애노드에서 미반응된 연료양이 증가하게 되며, 이는 애노드의 수소(H2) 분압을 증가시켜 연료전지 스택의 셀 성능 향상에 기여할 수 있다.
상기 수소 발생기(11a)는 상기 생성한 수소를 상기 연료 전지(11)의 애노드에 공급한다(S24). 상기 수소 발생기(11a)에서 수소를 생성하기 하기 위해 필요한 열은 상기 연료 전지(11)의 스택 내부의 전기화학 반응 시의 발열반응으로 충당될 수 있다. 또한, 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 수소 발생기(11a)에서 수소를 생성하기 하기 위해 필요한 열을 공급하는 히터(도시되지 않음)를 더 포함할 수 있다. 상기 제어부(18)는, 상기 수소 발생기(11a)가 상기 수소를 생산할 때 상기 연료 전지(11)에 공급되는 공기 유량을 제어(예를 들면, 공기 공급부(도시되지 않음)의 공기 유량을 감소시킴)함으로써 상기 연료 전지(11)에서 발생하는 열을 증가시키고, 그 증가된 열을 상기 수소 발생기(11a)에 공급할 수도 있다.
상기 수성가스 전환 반응기(13)는 상기 연료전지(11)의 애노드로부터 배출되는 배출가스(미반응된 잉여 수소를 포함)를 물과 반응시켜 수소 및 이산화탄소를 생성하고, 상기 수소 및 이산화탄소를 수소 분리기(16)를 공급한다(S25).
상기 수소 분리기(16)는 상기 수성가스 전환 반응기(13)에 의해 생성된 수소 및 이산화탄소를 서로 분리함으로써 상기 수소를 포집한다(S26). 예를 들면, 상기 수소 분리기(16)는 수소 및 이산화탄소의 흡착속도의 차이를 이용하여 분리하는 것으로서, 고압에서 흡착제를 이용하여 물리적으로 수소를 흡착을 시킨 후 다시 저압으로 수소를 포집하는 공정으로 고순도의 수소를 포집하는 상기 PSA 공정을 이용할 수 있다.
상기 수소 분리기(16)는 상기 포집한 수소를 상기 수소 스테이션, 연료 전지 등에 공급한다.
상기 수소 분리기(16)는 상기 분리된 이산화탄소를 상기 연료 전지(11)의 캐소드에 공급한다(S27). 예를 들면, 상기 수소 분리기(16)는 상기 분리된 이산화탄소로 상기 연료 전지(11)의 캐소드에 유입되는 이산화탄소의 분압을 증가시킴으로써 연료전지 셀의 성능을 향상시킨다. 상기 PSA 공정에서 분리된 고순도의 이산화탄소는 연료전지(11)의 캐소드의 연료로 사용할 수 있는데, 물이 제거된 고순도의 이산화탄소에 의해 상기 연료 전지(11)의 캐소드에 유입되는 이산화탄소의 분압이 증가하게 되고, 이로 인해 상기 연료전지(11)의 셀의 성능이 향상된다. 또한, 상기 PSA 공정에서 분리된 고순도의 이산화탄소는 연료전지(11)의 캐소드의 연료로 사용할 수 있는데, 물이 제거된 고순도의 이산화탄소 및 상기 수소 발생기(11a)에서 필요한 열을 공급하기 위해 상기 낮아진 공기 공급량에 의해 상기 연료 전지(11)의 캐소드에 유입되는 이산화탄소의 분압은 더욱 증가하게 되고, 이로 인해 상기 연료전지(11)의 셀의 성능이 향상된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템과 그 제어 방법은, 전력 생산만을 담당하는 연료전지 시스템의 연료전지에 수소발생기(내부 개질기)를 내장하고, WGS(Water Gas Shift Reactor, 수성가스 전환 반응기) 및 PSA(Pressure Swing Adsorption) 공정을 통해 수소를 생산할 수 있고, 기존 연료전지 운영에 비해 높은 셀 성능(효율 증가)을 유도할 수 있다.
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 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
11: 연료전지 13: 수성가스 전환 반응기
16: 수소 분리기

Claims (7)

  1. 연료를 이용하여 전력을 생산하는 연료 전지와;
    상기 연료 전지 내에 설치되고, 상기 연료를 개질하여 수소를 발생하고, 상기 발생한 수소를 상기 연료 전지에 공급하는 수소 발생기와;
    상기 연료전지의 애노드로부터 배출되는 배출가스를 물과 반응시켜 수소 및 이산화탄소를 생성하는 수성가스 전환 반응기와;
    상기 수성가스 전환 반응기에 의해 생성된 수소 및 이산화탄소를 서로 분리함으로써 상기 수소를 포집하는 수소 분리기를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 연료 전지는 용융탄산염 연료전지인 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    수소 수요부의 수소 수요 상태를 모니터링하고, 상기 수소 수요부에서 수소가 부족하면 연료이용률을 낮춤으로써 상기 수소 발생기에 연료를 공급하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 수소 발생기에 상기 연료가 공급되면 공기 공급부를 통해 상기 연료 전지에 공급되는 공기 유량을 제어함으로써, 상기 수소 발생기에서 상기 연료를 개질할 때 요구되는 열을 공급하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  5. 제3항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 수소 발생기에서 상기 연료를 개질할 때 요구되는 열을 공급하기 위해, 상기 수소 발생기에 상기 연료가 공급되면 공기 공급부를 통해 상기 연료 전지에 공급되는 공기 유량을 감소시킴으로써 상기 연료 전지에서 발생하는 열을 증가시키며, 여기서, 상기 증가된 열은 상기 연료 전지 내에 설치된 상기 수소 발생기에 공급되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 수소 분리기는,
    상기 분리된 이산화탄소로 상기 연료 전지의 캐소드에 유입되는 이산화탄소의 분압을 증가시키는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  7. 제3항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 연료이용률을 낮춤으로써 상기 연료전지의 애노드에서 미반응되는 연료양을 증가시킴으로써 상기 애노드의 수소 분압을 증가시키는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2024132065A1 (en) * 2022-12-19 2024-06-27 Blue World Technologies Holding ApS Fuel cell system with separation of hydrogen gas from anode exhaust gas and method of its operation as well as use thereof

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20110064723A (ko) * 2009-12-08 2011-06-15 삼성중공업 주식회사 연료전지 발전시스템용 부하추종 장치 및 그 방법
KR20110094966A (ko) * 2010-02-18 2011-08-24 삼성전자주식회사 수소 발생 방법 및 이를 이용하는 연료전지
KR20120131524A (ko) * 2011-05-25 2012-12-05 삼성중공업 주식회사 연료 전지 시스템 및 이를 구비한 선박과 연료 전지시스템 가동방법
KR20130062744A (ko) * 2011-12-05 2013-06-13 두산중공업 주식회사 연료 전지 시스템과 그 구동 방법

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20110064723A (ko) * 2009-12-08 2011-06-15 삼성중공업 주식회사 연료전지 발전시스템용 부하추종 장치 및 그 방법
KR20110094966A (ko) * 2010-02-18 2011-08-24 삼성전자주식회사 수소 발생 방법 및 이를 이용하는 연료전지
KR20120131524A (ko) * 2011-05-25 2012-12-05 삼성중공업 주식회사 연료 전지 시스템 및 이를 구비한 선박과 연료 전지시스템 가동방법
KR20130062744A (ko) * 2011-12-05 2013-06-13 두산중공업 주식회사 연료 전지 시스템과 그 구동 방법

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2024132065A1 (en) * 2022-12-19 2024-06-27 Blue World Technologies Holding ApS Fuel cell system with separation of hydrogen gas from anode exhaust gas and method of its operation as well as use thereof

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