KR101429652B1 - 열 활용도가 향상된 고온형 연료전지 시스템 - Google Patents

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Abstract

고온형 연료전지 시스템이 개시된다. 상기 고온형 연료전지 시스템은, 연료전지와; 상기 연료전지에 수소를 공급하는 수소 공급부와; 상기 수소 공급부에 열원을 공급하는 열원 공급부와; 상기 연료전지에 공기를 공급하는 공기 공급부와; 상기 연료전지의 공기극 출구 가스를 저온의 제1 유체와 고온의 제2 유체로 분리하는 온도분리장치를 포함하며. 상기 제1 유체와 상기 제2 유체 중 적어도 하나는 상기 연료전지에 공급되는 공기를 예열하도록 상기 공기 공급부 측으로 공급된다.

Description

열 활용도가 향상된 고온형 연료전지 시스템{HIGH TEMPERATURE TYPE FUEL CELL SYSTEM WITH USE OF TEMPERATURE IMPROVED}
본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 더 상세하게는 열 활용도가 향상된 고온형 연료전지 시스템에 관한 것이다.
잘 알려진 바와 같이, 연료전지는, 연료와 산화제를 투입시켜 연료와 산화제의 전기화학적 반응을 통해 전력을 발생시키는 것으로서, 대표적으로 수소-산소 연료전지가 있다.
이러한 연료전지 중에서, 고온형 연료전지는 작동 범위가 고온이기 때문에 고가의 촉매없이 반응속도를 높일 수 있으며 연료전지 개념 중의 하나인 고유의 단순성을 효과적으로 이용할 수 있다.
통상 고온형 연료전지를 통해 전기를 생산하는 발전 시스템, 즉, 연료전지 시스템에서 기술적 한계로 인해 스택으로 공급되는 연료는 100% 반응하지 못하고, 대략 20%-40%에 해당되는 연료가 반응물과 함께 스택의 출구로 배출된다. 반응물과 혼합된 미연 연료는 수증기가 다량으로 함유되어있는 희박 연료이므로, 이를 직접 연소시켜 연료의 에너지 활용도를 높이기 어렵다.
이러한 연료의 에너지 활용도를 높이기 위한 하나의 방법으로, 미연 연료가 배출되는 부분에 연료를 추가하여 연소시키는 방법이 있다, 그러나 이 방법은 연료전지 시스템의 효율을 매우 떨어뜨리는 단점을 안고 있다.
또한, 상기 연료의 에너지 활용도를 높이기 위한 다른 방법으로, 연료전지 후단에 촉매를 이용한 반응기를 설치하여 미연연료를 연소시켜 그 폐열을 이용하여 효율을 올리는 방법이 있다. 특히, 고체 산화물 연료전지를 이요용하는 경우, 촉매 반응 후단 폐열을 활용하기 위해, 연료전지 하이브리드 시스템을 구성하는 예가 매우 빈번하다.
그러나, 종래의 기술만으로 폐열 활용을 통한 효율 향상 효과는 매우 작고 제한적이었다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 새롭게 제안된 폐열 활용 기술을 통해 효율을 더 향상시킨 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명은, 폐열 활용 기술을 통해 효율을 향상시키기 위해, 연료전지의 공기극 출구단에 온도분리장치를 설치하여, 고온 폐열을 증가시켜 터빈의 추가적인 발전량을 더 증가시키는 방식을 제안한다.
이러한 방식은, 최종적으로 시스템 밖으로 배출되는 폐열로부터 회수되는 에너지의 양을 증대시키는 것으로, 연료전지 시스템의 효율을 향상시킬 수 있다.
또한 본 발명은, 연료전지 하이브리드 시스템에서 터빈의 출력량을 증가시킴으로써 효율을 향상시킬 수 있다. 터빈의 추가발전량을 증대시키기 위해서는 터빈으로 유입되는 배기가스의 양을 고온으로 증대시켜야 한다.
이를 위해, 추가의 연소기를 설치하여 터빈의 입구온도 및 유량을 높여 출력을 증가시킴과 동시에, 화염 연소기에 공급되는 추가 연료량을 감소시키기 위해 보조 개질기를 설치한다.
이러한 보조 개질기의 역할은 수소 생산량을 분담하며, 연료전지 스택으로 안정적인 수소 공급이 이루어지도록 해준다.
따라서 본 발명에서는 추가 연소기를 통한 터빈 출력 증대 및 보조개질기를 통한 추가 공급연료량 감소시키는 방식을 통하여 연료전지 시스템의 효율을 향상시키는 방식을 제안한다.
본 발명의 일 측면에 따라 열 활용도가 향상된 고온형 연료전지 시스템이 제공된다. 상기 고온형 연료전지 시스템은, 연료전지와; 상기 연료전지에 수소를 공급하는 수소 공급부와; 상기 수소 공급부에 열원을 공급하는 열원 공급부와; 상기 연료전지에 공기를 공급하는 공기 공급부와; 상기 연료전지의 공기극 출구 가스를 저온의 제1 유체와 고온의 제2 유체로 분리하는 온도분리장치를 포함하며, 상기 제1 유체와 상기 제2 유체 중 적어도 하나는 상기 연료전지에 공급되는 공기를 예열하도록 상기 공기 공급부 측으로 공급된다.
일 실시예에 따라, 상기 열원 공급부는 화염 연소기와 촉매 연소기를 포함하고, 상기 수소 공급부는 상기 화염 연소기로부터 열원을 공급받는 주 개질기와 상기 촉매 연소기로부터 열원을 공급받는 보조 개질기를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 고온형 연료전지 시스템은 상기 열원 공급부로부터의 배기가스를 받아 추가 발전을 수행하는 터빈을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 공기공급부는 상기 연료전지의 공기 입구단을 향하여 차례로 제1 열교환기 및 제2 열교환기를 포함하고, 상기 제1 유체는 상기 터빈 출구 가스와 합쳐진 후 상기 제1 열교환기를 통과하여 상기 공기를 1차 예열하고, 상기 제2 유체는 상기 제2 열교환기를 통과하여 상기 1차 예열을 마친 공기를 2차 예열할 수 있다.
일 실시예에 따라 상기 공기 공급부는 상기 연료전지의 공기극 출구로부터 나온 출구 가스가 통과하여, 상기 2차 예열을 마친 공기를 가열하는 제3 열교환기를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 공기극 출구 가스는 3방향 밸브를 통해 상기 열원 공급부 측과 상기 온도분리장치 측으로 분리되어 흐를 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 온도분리장치는 저압에서 사용 가능한 볼텍스 튜브를 구비할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 연료전지 시스템은, 연료전지와; 상기 연료전지에 공기를 공급하는 공기 공급부와; 외부 연료를 사용하여 작동하는 화염 연소기와; 상기 연료전지의 연료극 출구라인을 통해 받은 연료극 출구 가스를 연료로 사용하여 작동하는 촉매 연소기와; 상기 화염 연소기로부터 열원을 공급받아 수소를 생산해 상기 연료전지에 공급하는 주 개질기와; 상기 촉매 연소기로부터 열원을 공급받아 수소를 생산해 상기 연료전지에 공급하는 보조 개질기를 포함한다.
일 실시예에 따라, 상기 화염 연소기와 상기 촉매 연소기로부터 배기가스를 받아 추가 발전을 수행하는 가스 터빈을 더 포함할 수 있다. 또한 상기 연료전지의 공기극 출구 가스를 저온의 제1 유체와 고온의 제2 유체로 분리하는 온도분리장치를 포함하며, 상기 제1 유체는 상기 가스 터빈의 출구 가스와 합쳐진 후 상기 공기 공급부 측의 제1 열교환기에서 상기 공기를 1차 예열하고, 상기 제2 유체는 상기 제1 열교환기를 거친 공기를 2차 예열할 수 있다.
본 발명에 따르면, 온도분리장치와 그와 연계되는 열교환기를 이용하여, 연료전지 시스템 박으로 배출되는 배기가스로부터의 열을 충분히 회수할 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면, 온도분리장치 등 간단한 부가 장치만으로도 연료전지 시스템의 효율을 크게 향상할 수 있다. 또한, 본 발명에 따르며, 외부 개질형 연료전지의 전기 효율을 극대화 시킬 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면, 연료전지 시스템 내의 열 활용도가 증가되어 열효율을 향상 시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 적용에 따라 다음과 같은 다양한 효과를 가질 수 있는 바, 고온형 연료전지 시스템 내의 폐열 활용도 개선할 수 있고, 볼텍스 튜브를 갖춘 온도분리장치를 통해 저압용에서 사용 가능하며, 연료전지 하이브리드 시스템에서 가스 터빈의 출력을 증대시킬 수 있으며, 보조 개질기를 이용함으로써 수소 생산량 분담의 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템을 설명하기 위한 구성도이고,
도 2는 도 1에 도시된 연료전지 시스템의 온도분리장치 및 이를 이용한 폐열 활용 구조를 설명하기 위한 블록 구성도이고,
도 3은 도 1에 도시된 연료전지 시스템은 열원공급부 및 수소공급부를 포함하는 주요 구성들을 설명하기 위한 블록 구성도이다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 다음에 소개되는 실시예는 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위한 예로서 제공되는 것이다. 따라서 본 발명은 이하 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템을 설명하기 위한 구성도이고, 도 2는 도 1에 도시된 연료전지 시스템의 온도분리장치 및 이를 이용한 폐열 활용 구조를 설명하기 위한 블록 구성도이고, 도 3은 도 1에 도시된 연료전지 시스템은 열원공급부 및 수소공급부를 포함하는 주요 구성들을 설명하기 위한 블록 구성도이다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템은 연료전지(2)와, 상기 연료 전지(2) 측으로 수소를 공급하는 수소 공급부(3a, 3b)와, 상기 수소 공급부(3a, 3b)에 열원을 제공하는 열원 공급부(4a, 4b)를 포함한다.
본 실시예에 있어서, 상기 열원 공급부(4a, 4b)는 화염 연소기(4a)와 촉매 연소기(4b)를 포함하며, 상기 수소 공급부(3a, 3b)는, 상기 화염 연소기(4a)로부터 열원을 공급받아 수소를 생산하고 이를 상기 연료전지(2)에 공급하는 주 개질기(3a)와, 상기 촉매 연소기(4b)로부터 열원을 공급받아 이를 상기 연료전지(2)에 공급하는 보조 개질기(3b)를 포함한다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템은 열원공급부에 포함된 화염 연소기(4a)와 상기 촉매 연소기(4b)의 배기가스를 받아 추가 발전을 수행하는 터빈(6)을 포함한다. 터빈(6)으로 유입되는 배기가스의 입구온도 및 유량을 증가시킴으로써, 터빈(6)의 출력량이 증가된다. 화염 연소기(4a)에 더하여 촉매 연소기(4b)를 두는 것, 그리고, 이하 자세히 설명되는 온도분리장치는 터빈(6)의 입구 온도 및/또는 유량 증가에 기여할 수 있다.
또한 상기 연료전지 시스템은, 상기 연료전지(2)의 공기극 출구단과 연결된 공기극 출구라인(101)과, 상기 연료전지(2)에 공기를 공급하는 공기 공급라인(102)과, 상기 연료전지(2)의 연료극 출구단과 연결된 연료극 출구라인(103)과, 상기 주 개질기(3a) 및 상기 보조 개질기(3b)로부터의 수소를 상기 연료전지(2)에 공급하기 위한 수소 공급라인(104)을 포함한다.
또한, 상기 연료전지 시스템은, 상기 공기 공급라인(102)을 통해 상기 연료전지(2)에 공기를 공급하도록 공기 압축기(20)를 포함하며, 상기 공기 압축기(102)로부터 상기 연료전지(2)를 향해 상기 공기 공급라인(102)에는 공기 공급측 제1 열교환기(21), 공기 공급측 제2 열교환기(22), 공기 공급측 제3 열교환기(23)가 차례로 설치된다. 상기 공기 공급라인(102) 및 이에 설치된 여러 요소(20, 21, 22, 23)이 특정 온도 범위의 공기를 연료전지(2)에 공급하는 공기 공급부를 구성한다.
또한, 본 실시예에 따른 연료전지 시스템은 상기 연료전지(2)의 공기극 출구단과 연결된 공기극 출구라인(101)에 설치된 온도분리장치(5)를 포함하며, 상기 온도분리장치(5)는 상기 연료전지(2)의 스택으로 공급되는 상온의 공기를 예열하는데 이용된다. 상기 온도분리장치(5)를 연료전지 시스템 내에 적용함으로써, 상기 연료전지 시스템 공정에 필요한 열을 보다 효과적으로 활용할 수 있게 된다.
상기 온도분리장치(5)는, 추가적인 동력장치 없이 자체 구비된 볼텍스 튜브(vortex tube)에 의해, 공기극 출구 가스를 각각 다른 온도의 두 개의 유체 흐름으로 분리해내는 간단한 장치로서, 분리되는 두 개의 유체 흐름 중 한쪽은 저온의 제1유체가 되고, 다른 한 쪽은 고온의 제2 유체가 된다. 여기에서, 저온과 고온은 상대적으로 높고 낮은 온도를 의미한다는 점에 유의한다.
상기 온도분리장치(5)에 의해 분리된 저온의 제1 유체는 터빈(6)의 출구 가스와 합쳐진 후, 상온의 공기를 일차적으로 예열하기 위해, 공기 공급측 제1 열교환기(22)를 통과한다.
마찬가지로, 상기 온도분리장치(5)에서 분리된 고온 유체는, 상기 공기 공급측 제1 열교환기(21)에 1차 예열된 공기를 2차적으로 예열하기 위해, 공기 공급측 제2 열교환기(22)를 통과한다.
상기 연료전지(2)의 공기극 출구로부터 나와 상기 공기극 출구라인(101)을 흐르는 공기극 출구 가스는, 상기 공기 공급측 제3 열교환기(23)을 통과하면서, 공기극 입구측 유입공기를 최종적으로 예열한다(스택의 작동온도 대비로 150-180℃ 이하까지). 그 뒤에, 상기 공기극 출구 가스는 3방향 밸브(101a)를 통해 분리되어 연소기(4a, 4b) 측과 온도분리장치(5)측으로 각각 분리되어 공급이 이루어진다. 또한, 연소기(4a, 4b)으로 공급되는 출구 가스는 또 다른 3방향 밸브(101b)에 의해 화염 연소기(4a) 측과 촉매 연소기(4b) 측으로 나뉘어 공급된다.
이때, 전자(前者)의 3방향 밸브(101a)에서 분리되는 비율은, 연소기(4a, 4b)측으로의 공급되는 공기량의 경우, 연소 시의 당량비에 따라 결정이 되고, 이를 제외한 나머지가 온도분리장치(5)로 흐르게 된다.
상기 연료전지 시스템의 운전시, 상기 온도분리장치(5)를 통해 분리되는 온도 차이가 유입되는 유체 온도 대비 각 출구단의 온도 차이가 △T=50℃로 작동된다고 가정하였을 경우, 연소기(4a, 4b) 측으로의 공기 공급 온도가 약 20℃이 이상 높게 공급되는 효과를 얻을 수 있다. 이러한 영향은 연소기(4a, 4b)를 통해 시스템에서 사용할 수 있는 폐열의 활용 범위를 증가 시킨 결과이다.
다시 말해, 촉매를 사용하는 촉매 연소기의 경우에 있어서, 반응기로부터 최대의 열을 얻어내기 위하여 필요한 연소용 공기량도 당량비에 따라 다르며, 연소촉매의 내구성과 연소촉매의 최고 사용온도를 고려하였을 때 연소촉매의 최고온도가 850℃를 가능한 넘어가지 못하도록 공급 공기량을 조절하여 작동온도를 맞추게 된다. 통상 촉매 연소기의 작동온도를 이렇게 설정하는 이유는 이 온도값 이상에서는 Pd계열 촉매와 촉매지지체의 상 변태로 인하여 표면 화학반응에 필요한 내부 표면적이 격감되어 촉매의 활성이 감소하기 때문이다.
즉, 촉매 연소기로 유입되는 공기의 온도가 높을수록 촉매 연소기의 작동온도를 850℃로 유지하기 위해 더 많은 공기가 유입되게 된다. 따라서 연소기를 통해 배출되는 고온의 배기가스의 유량이 증가되어 터빈의 출력을 증가시키게 된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 전술한 것과 같이, 주 개질기(3a) 외에, 보조 개질기(3b)를 더 적용하여, 화염 연소기(4a)로 공급되는 연료량을 감소시킨다. 상기 화염 연소기(4a)는 외부로부터, 더 구체적으로는, 연료 압축기(31)과 펌프(32)에 의해 공급되는 물_연료 혼합 연료를 사용하여 작동되어, 상기 주 개질기(3a)로 열원을 제공하는데, 이때, 전술한 보조 개질기(3b)를 더 둠으로써, 상기 보조 개질기(4b)가 상기 연료전지(2)에서 필요로 하는 수소 생산을 분담할 수 있게 된다. 이러한 구성을 통해서, 상기 주 개질기(3a)는 상기 화염 연소기(4a)로부터 필요로 하는 열원의 양이 감소되며, 따라서, 화염 연소기(4a)에 대한 추가 연료 공급량 또한 감소된다.
상기 촉매 연소기(4b)는 연료극 출구라인(103)을 통해 받은 연료극 출구 가스를 연료로 사용하여 작동하며, 상기 보조 개질기(3b)는 상기 촉매 연소기(4b)로부터 열원을 공급받는다.
상기 보조 개질기(3b)에서 생산된 수소는 상기 주 개질기(3a)에서 생산된 수소와 합쳐져, 상기 수소 공급라인(104)을 통해 상기 연료전지(2)의 연료극으로 공급된다.
게다가, 본 실시예에 따른 연료전지 시스템은, 화염 연소기(4a)에 더하여 촉매 연소기(4b)를 추가로 작동시키기 때문에, 터빈(6)으로 유입되는 배기가스의 유량 및 온도를 높일 수가 있다. 따라서, 두 개의 연소기(4a, 4b)를 통하여 터빈(6)의 출력을 증대시킴으로써, 연료전지 시스템의 열효율이 20%이상이 향상되며, 일반 화염 연소기(4a)만을 이용하는 연료전지 시스템에 비해, 보조 개질기(3b)를 적용함으로써 추가연료량을 16% 정도 감소시킬 수 있다.
2: 연료전지 3a: 주 개질기
3b: 보조 개질기 4a: 화염 연소기
4b: 촉매 연소기 5: 온도분리장치
6: 터빈 20: 공기 압축기
21: 제1 열교환기 22: 제2 열교환기
23: 제3 열교환기 101: 공기극 출구라인
102: 공기 공급라인 103: 연료극 출구라인
104: 수소 공급라인 31: 연료 압축기
32: 펌프

Claims (10)

  1. 연료전지;
    상기 연료전지에 수소를 공급하는 수소 공급부;
    상기 수소 공급부에 열원을 공급하는 열원 공급부;
    상기 연료전지에 공기를 공급하는 공기 공급부; 및
    상기 연료전지의 공기극 출구 가스를 저온의 제1 유체와 고온의 제2 유체로 분리하는 온도분리장치를 포함하며,
    상기 제1 유체와 상기 제2 유체 중 적어도 하나는 상기 연료전지에 공급되는 공기를 예열하도록 상기 공기 공급부 측으로 공급되고
    상기 공기극 출구가스는 3방향 밸브를 통해 상기 열원 공급부 측과 상기 온도분리장치 측으로 분리되어 흐르는 것을 특징으로 하는 고온형 연료전지 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 열원 공급부는 화염 연소기와 촉매 연소기를 포함하고,
    상기 수소 공급부는 상기 화염 연소기로부터 열원을 공급받는 주 개질기와 상기 촉매 연소기로부터 열원을 공급받는 보조 개질기를 포함하는 것을 특징으로 하는 고온형 연료전지 시스템.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 열원 공급부로부터의 배기가스를 받아 추가 발전을 수행하는 터빈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고온형 연료전지 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 공기공급부는 상기 연료전지의 공기 입구단을 향하여 차례로 제1 열교환기 및 제2 열교환기를 포함하고,
    상기 제1 유체는 상기 터빈 출구 가스와 합쳐진 후 상기 제1 열교환기를 통과하여 상기 공기를 1차 예열하고,
    상기 제2 유체는 상기 제2 열교환기를 통과하여 상기 1차 예열을 마친 공기를 2차 예열하는 것을 특징으로 하는 고온형 연료전지 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 공기 공급부는 상기 연료전지의 공기극 출구로부터 나온 출구 가스가 통과하여, 상기 2차 예열을 마친 공기를 가열하는 제3 열교환기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고온형 연료전지 시스템.
  6. 삭제
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 온도분리장치는 볼텍스 튜브를 구비한 것을 특징으로 하는 고온형 연료전지 시스템.
  8. 연료전지;
    상기 연료전지에 공기를 공급하는 공기 공급부;
    외부 연료를 사용하여 작동하는 화염 연소기;
    상기 연료전지의 연료극 출구라인을 통해 받은 연료극 출구 가스를 연료로 사용하여 작동하는 촉매 연소기;
    상기 화염 연소기로부터 열원을 공급받아 수소를 생산해 상기 연료전지에 공급하는 주 개질기; 및
    상기 촉매 연소기로부터 열원을 공급받아 수소를 생산해 상기 연료전지에 공급하는 보조 개질기를 포함하는 고온형 연료전지 시스템.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 화염 연소기와 상기 촉매 연소기로부터 배기가스를 받아 추가 발전을 수행하는 가스 터빈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고온형 연료전지 시스템.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 연료전지의 공기극 출구 가스를 저온의 제1 유체와 고온의 제2 유체로 분리하는 온도분리장치를 포함하며, 상기 제1 유체는 상기 가스 터빈의 출구 가스와 합쳐진 후 상기 공기 공급부 측의 제1 열교환기에서 상기 공기를 1차 예열하고, 상기 제2 유체는 상기 제1 열교환기를 거친 공기를 2차 예열하는 것을 특징으로 하는 고온형 연료전지 시스템.
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