KR101620237B1 - Complex fuel cell system - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a composite fuel cell system which includes: a polymeric electrolyte fuel cell having a first anode supplied with fuel and a first cathode supplied with air; and a melting carbonate fuel cell having a second anode supplied with fuel which is modified in a modifier used for modifying fuel, a second cathode supplied with air, and a catalyst combustor supplying heated air to the second cathode, wherein hydrogen released from the first anode is injected into the second anode. According to an embodiment of the present invention, generation efficiency of a whole system increases since the melting carbonate fuel cell and the polymeric electrolyte fuel cell are interlockely driven together.

Description

복합 연료전지 시스템{COMPLEX FUEL CELL SYSTEM}[0001] COMPLEX FUEL CELL SYSTEM [0002]

본 발명은 복합 연료전지 시스템에 관한 것으로, 상세하게는 용융 탄산염 연료전지와 연료전지와 고분자 전해질 연료전지가 결합되어 전기를 생산하는 복합 연료전지 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a composite fuel cell system, and more particularly, to a composite fuel cell system in which a molten carbonate fuel cell, a fuel cell, and a polymer electrolyte fuel cell are combined to produce electricity.

연료전지는 연료극에서의 수소산화반응과 공기극에서의 산소환원반응을 통해 화학에너지를 전기에너지로 직접 변환하는 장치이다. 연료전지의 일 실시예로써 용융탄산염 연료전지(MCFC: Molten Carbonate Fuel Cell)와 고분자 전해질 연료전지 PEMFC; Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)가 있다.A fuel cell is a device that directly converts chemical energy into electric energy through hydrogen oxidation reaction at the anode and oxygen reduction reaction at the cathode. As one example of the fuel cell, a molten carbonate fuel cell (MCFC) and a polymer electrolyte fuel cell PEMFC (Polymer Electrolyte Fuel Cell) Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell).

그런데, 종래의 용융 탄산염 연료전지는 연료극에 공급된 수소가 반응하지 않고 일부의 수소가 미반응 상태로 배출되며, 생성물질로 물이 배출되지만 연료극에서 배출되는 수소 및 물을 재사용하지 않고 버려지는 문제가 있었다. However, in the conventional molten carbonate fuel cell, the hydrogen supplied to the fuel electrode does not react, some hydrogen is discharged in an unreacted state, and water is discharged as a product, but the hydrogen and water discharged from the fuel electrode are not used .

상기와 같은 문제점 중 적어도 일부를 해결하기 위해 제안된 것으로 본 발명은 일측면으로서, 용융 탄산염 연료전지와 고분자 전해질 연료전지가 결합되는 복합 연료전지 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve at least some of the above problems, and it is an aspect of the present invention to provide a composite fuel cell system in which a molten carbonate fuel cell and a polymer electrolyte fuel cell are combined.

그리고, 본 발명의 일 측면으로서, 고분자 전해질 연료전지의 연료극에서 배출되는 가스를 물과 이산화탄소로 분리하여 각각 용융 탄산염 연료전지에서 활용할 수 있는 복합 연료전지 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.Another object of the present invention is to provide a composite fuel cell system capable of separating gas discharged from a fuel electrode of a polyelectrolyte fuel cell into water and carbon dioxide and utilizing the same in a molten carbonate fuel cell.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 일측면으로서, 연료를 공급받는 제1연료극과 공기를 공급받는 제1공기극을 가지는 고분자 전해질 연료전지와, 연료를 개질하는 개질기에서 개질된 연료를 공급받는 제2연료극과 공기를 공급받는 제2공기극과 상기 제2공기극으로 가열된 공기를 공급하는 촉매 연소기를 가지는 용융 탄산염 연료전지를 포함하고 상기 제1연료극에서 배출되는 수소는 상기 제2연료극으로 투입되는 것을 특징으로 하는 복합 연료전지 시스템을 제공한다. According to an aspect of the present invention, there is provided a fuel cell system comprising: a polymer electrolyte fuel cell having a first fuel electrode supplied with fuel and a first air electrode supplied with air, and a second fuel electrode supplied with a fuel reformed by the reformer, And a molten carbonate fuel cell having a second air electrode to which air is supplied and a catalytic combustor that supplies air heated to the second air electrode, and hydrogen discharged from the first fuel electrode is introduced into the second fuel electrode And a fuel cell system.

이상에서와 같이 본 발명의 일 실시예에 따르면, 용융 탄산염 연료전지와 고분자 전해질 연료전지를 연동하여 구동함으로써 전체 시스템의 발전효율이 향상될 수 있다.As described above, according to one embodiment of the present invention, the power generation efficiency of the entire system can be improved by operating the molten carbonate fuel cell and the polymer electrolyte fuel cell in conjunction with each other.

본 발명의 일 실시예에 따르면 고분자 전해질 연료전지에서 배출되는 수소와 물을 재사용하여 발전효율을 향상시킬 수 있는 복합 연료전지 시스템을 제공할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, a composite fuel cell system capable of improving power generation efficiency by reusing hydrogen and water discharged from a polymer electrolyte fuel cell can be provided.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 미반응 수소를 재사용 함으로써 전체적인 혼합가스의 반응성이 향상되며, 개질반응의 반응물질로 메탄과 물의 양이 감소하기 때문에 배관의 크기를 소형화 할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the reactivity of the entire mixed gas is improved by reusing the unreacted hydrogen, and the amount of methane and water as the reaction material of the reforming reaction is reduced, so that the size of the piping can be reduced.

또한, 고분자 전해질 연료전지에서 배출되는 물은 상온보다 높은 온도로 배출되기 때문에 개질기에서 추가적인 에너지 투입없이 개질반응에 이용할 수 있어 발전효율이 향상될 수 있다.In addition, since the water discharged from the polymer electrolyte fuel cell is discharged at a temperature higher than room temperature, the reformer can be used for the reforming reaction without additional energy input, so that the power generation efficiency can be improved.

또한, 용융 탄산염 연료전지에서 배출되는 고온의 배가스를 열원이 필요한 추가적인 시스템(배열회수보일러(HRSG), Turbine 등) 에 활용할 수 있어 전체적인 열 효율이 향상될 수 있다.In addition, the high temperature exhaust gas discharged from the molten carbonate fuel cell can be used for an additional system (heat recovery source, HRSG, Turbine, etc.) requiring a heat source, thereby improving the overall thermal efficiency.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 복합 연료전지 시스템의 간략도이다.1 is a schematic view of a composite fuel cell system according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면에 따라 본 발명을 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

먼저, 이하에서 설명되는 실시예들은 본 발명인 복합 연료전지 시스템(100)을 이해시키는데 적합한 실시예들이다. 다만, 본 발명이 이하에서 설명되는 실시예에 한정하여 적용되거나 설명되는 실시예에 의해 본 발명의 기술적 특징이 제한되는 것은 아니며, 본 발명의 기술범위에서 다양한 변형 실시가 가능하다.
First, the embodiments described below are suitable for understanding the composite fuel cell system 100 of the present invention. It should be understood, however, that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, is intended to cover various modifications and equivalent arrangements included within the spirit and scope of the appended claims.

본 발명의 일 실시예에 의한 복합 연료전지 시스템(100)은 고분자 전해질 연료전지(110)와 용융 탄산염 연료전지(120)가 연결되어 있다.The composite fuel cell system 100 according to an embodiment of the present invention is connected to the polymer electrolyte fuel cell 110 and the molten carbonate fuel cell 120.

먼저, 고분자 전해질 연료전지(PEFC; Polymer Electrolyte Fuel Cell)(110)는 연료를 공급받는 제1연료극(ANODE)(111)과 공기를 공급받는 제1공기극(CATHODE)(112)을 포함하고, 상기 제1연료극(111)과 상기 제1공기극(112)은 아래와 같은 화학반응이 일어나 전기를 생산한다.First, a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) 110 includes a first anode (ANODE) 111 for receiving a fuel and a first cathode (CATHODE) 112 for receiving air, The first fuel electrode 111 and the first air electrode 112 undergo the following chemical reaction to produce electricity.

(1) 제1연료극(111): H2 → 2H++e- (1) a first anode (111): H 2 → 2H + + e -

(2) 제1공기극(112): 1/2O2+H+-> H2O+2e- (2) First air electrode 112: 1 / 2O 2 + H + -> H 2 O + 2e -

즉, 상기 제1연료극(111)에서는 투입된 수소가 수소이온와 전자으로 분해되고, 상기 제1공기극(112)에서는 투입된 산소와 수소이온이 반응하여 액체 상태인 물과 이온이 생성되어 전기가 생성된다.That is, in the first fuel electrode 111, the introduced hydrogen is decomposed into hydrogen ions and electrons. In the first air electrode 112, oxygen and hydrogen ions react with each other to generate water and ions in the liquid state to generate electricity.

그리고, 융융 탄산염 연료전지(MCFC: Molten Carbonate Fuel Cell)(120)는 제2연료극(121)과 제2공기극(122)을 포함하고, 상기 제2연료극(121)과 상기 제2공기극(122)에서는 아래와 같은 화학반응이 일어나 전기를 생산한다.The molten carbonate fuel cell (MCFC) 120 includes a second fuel electrode 121 and a second air electrode 122, and the second fuel electrode 121 and the second air electrode 122, The following chemical reaction takes place to produce electricity.

(3) 제2연료극: H2 + C03 2 - → H20 + CO2 + e- (3) Second fuel electrode: H 2 + CO 3 2 - → H 2 0 + CO 2 + e -

(4) 제2공기극: CO2 + 1/202 + 2e-→ CO3 2 - (4) Second air electrode: CO 2 + 1/20 2 + 2e - → CO 3 2 -

즉, 상기 제2연료극(121)에서는 투입된 수소가 탄산이온과 반응하여 고온상태의 물과 이산화탄소 및 전자가 생성되고, 투입된 수소중 일부는 반응하지 않고 미반응 상태로 배기된다.That is, in the second fuel electrode 121, the introduced hydrogen reacts with carbonate ions to generate water, carbon dioxide, and electrons at a high temperature, and some of the introduced hydrogen is not reacted and is discharged in an unreacted state.

그리고, 제2공기극(122)에는 이산화탄소와 산소가 투입되고 상기 연료극에서 생성된 전자와 반응하여 상기 제2연료극(121)으로 투입되는 탄산 이온이 생성되어 이러한 반응에 의해 전자가 이동함으로써 전기가 생산된다.Carbon dioxide and oxygen are introduced into the second air electrode 122, and carbonic ions introduced into the second fuel electrode 121 are generated by reacting with electrons generated in the fuel electrode. As a result, electrons are moved by the reaction, do.

그리고, 상기 용융 탄산염 연료전지(120)에서 연료극에 수소를 투입하기 위해, 연료 공급부(125)에서 공급받은 일 예로 메탄과 같은 연료를 개질기(124)에서 수소로 전환하는 아래와 같은 메탄화 반응이 일어난다.In order to inject hydrogen into the fuel electrode from the molten carbonate fuel cell 120, the following methanation reaction for converting a fuel such as methane supplied from the fuel supply unit 125 into hydrogen from the reformer 124 occurs .

(3) CH4 + H20 -> CO + 3H2 (3) CH 4 + H 2 O -> CO + 3H 2

본 발명의 일 실시예에 의한 고분자 전해질 연료전지(110)는 상기 제1공기극(112)에서 생성물질인 액체상태인 물과, 사기 제1공기극(112)으로 투입된 산소가 반응하지 않고 혼합된 상태로 배출된다.In the polymer electrolyte fuel cell 110 according to an embodiment of the present invention, water in a liquid state, which is a product of the first air electrode 112, and oxygen introduced into the first air electrode 112 do not react with each other .

그런데, 본 발명의 일 실시예에 의한 복합 연료전지 시스템(100)은 혼합된 액체상태인 물과 산소를 분리하여 사용하기 위해, 액체와 기체를 분리하는 기수 분리기(130)를 포함할 수 있다. 그런데 상기 기수 분리기(130)는 액체와 기체를 분리하는 한 다양한 공지의 실시예가 채용될 수 있다. Meanwhile, the composite fuel cell system 100 according to an embodiment of the present invention may include a water separator 130 for separating liquid and gas for separately using water and oxygen in a mixed liquid state. However, the water separator 130 may employ various well-known embodiments as long as it separates the liquid and the gas.

그래서, 본 발명의 일 실시예에 의한 복합 연료전지 시스템(100)은 상기 기수 분리기(130)에서 분리된 물이 개질기(124)로 투입되어 메탄화반응에 이용된다. 이때, 상기 제2공기극(122)에서 배출되는 물은 상온보다 고온, 일 예로 50℃ 이상의 온도로 배출되어 상기 개질기(124)로 유입시에, 메탄화 반응에서 추가적으로 반응물질인 물을 가열하는데 사용되는 열 에너지를 절감할 수 있어 전체 시스템(100)의 에너지 소모를 최소화시킬 수 있다.Therefore, in the composite fuel cell system 100 according to the embodiment of the present invention, water separated from the water separator 130 is introduced into the reformer 124 and used for the methanation reaction. At this time, the water discharged from the second air electrode 122 is discharged at a temperature higher than normal temperature, for example, 50 ° C or more, and is used to heat water as a reaction material in the methanation reaction, The energy consumption of the entire system 100 can be minimized.

그리고, 상기 기수 분리기(130)에서 분리된 산소는 상기 제2공기극(122)에 가열된 공기를 공급하는 촉매 연소기(123)로 투입되어 이산화탄소를 생성하는 연소반응에 이용될 수 있다. The oxygen separated from the water separator 130 may be used in a combustion reaction in which carbon dioxide is generated by being introduced into the catalytic combustor 123 for supplying heated air to the second air electrode 122.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 복합 연료전지 시스템(100)은 상기 고분자 전해질 연료전지(110)의 제1연료극(111)에 투입된 수소 중 반응하지 않고 배출되는 미반응 수소를 상기 용융 탄산염 연료극의 제2연료극(121)에 투입하여 반응물질로 사용할 수 있다.In addition, the composite fuel cell system 100 according to an embodiment of the present invention may further include unreacted hydrogen discharged from the hydrogen injected into the first fuel electrode 111 of the polymer electrolyte fuel cell 110, The second fuel electrode 121 may be used as a reaction material.

그래서, 상기 고분자 전해질 연료전지(110)에서 배출되는 잔여 수소와 산소를 를 재사용함으로써 시스템(100) 전체의 발전효율을 향상시킬 수 있다.Therefore, by reusing the remaining hydrogen and oxygen discharged from the polymer electrolyte fuel cell 110, the power generation efficiency of the entire system 100 can be improved.

한편, 본 발명의 일 실시예에 의한 용융 탄산염 연료전지(120)는 상기 제2연료극(121)에서 반응하지 않고 배출되는 수소가 상기 촉매 연소기(123)로 투입되어 연소반응에서 재사용될 수 있다. 그래서 시스템(100) 전체의 발전효율을 더욱 향상시킬 수 있다. Meanwhile, in the molten carbonate fuel cell 120 according to an embodiment of the present invention, hydrogen discharged without reacting in the second fuel electrode 121 may be supplied to the catalytic combustor 123 and reused in the combustion reaction. Therefore, the power generation efficiency of the entire system 100 can be further improved.

한편, 상기 제2공기극에서 배출되는 고온(일 실시예로 650도)의 배기가스는 배열회수보일러 또는 터빈과 같은 장치(150)를 추가적으로 구동시키는데 이용되어 전체 시스템의 효율을 향상시킬 수 있다.On the other hand, the high temperature exhaust gas (eg, 650 ° C.) exhausted from the second air electrode may be used to further drive the apparatus 150, such as an arrangement recovery boiler or turbine, to improve the efficiency of the overall system.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 복합 연료전지 시스템(100)은 상기 제1공기극(112) 및 상기 촉매 연소기(123)에 외부공기를 공급하는 블로우어(140)를 더 포함할 수 있다.
The composite fuel cell system 100 may further include a blower 140 for supplying external air to the first air electrode 112 and the catalytic combustor 123.

그리고, 본 발명은 지금까지 특정한 실시예에 관하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허 청구범위에 의해 마련되는 본 발명의 정신이나 분야를 벗어나지 않는 한도 내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변화될 수 있다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가지는 자는 용이하게 알 수 있음을 밝혀두고자 한다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to specific embodiments thereof, it will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the following claims It will be understood by those skilled in the art that the present invention can be easily understood by those skilled in the art.

100: 복합 연료전지 시스템 110: 고분자 전해질 연료전지
111: 제1연료극 112: 제1공기극
120: 용융 탄산염 연료전지 121: 제2연료극
122: 제2공기극 123: 촉매 연소기
124: 개질기 125: 연료 공급부
130: 기액 분리기 140: 블로우어
150: 배열회수 보일러, 터빈100: Composite fuel cell system 110: Polymer electrolyte fuel cell
111: first anode 112: first cathode
120: Molten carbonate fuel cell 121: Second anode
122: second air electrode 123: catalytic combustor
124: reformer 125: fuel supply unit
130: gas-liquid separator 140: blower
150: Sequence recovery boiler, turbine

Claims (5)

연료를 공급받는 제1연료극과 공기를 공급받는 제1공기극을 가지는 고분자 전해질 연료전지; 및
연료를 개질하는 개질기에서 개질된 연료를 공급받는 제2연료극과 공기를 공급받는 제2공기극과, 상기 제2공기극으로 가열된 공기를 공급하는 촉매 연소기를 가지는 용융 탄산염 연료전지;를 포함하고,
상기 제1연료극에서 배출되는 수소는 상기 제2연료극으로 투입되는 것을 특징으로 하는 복합 연료전지 시스템.A polymer electrolyte fuel cell having a first fuel electrode supplied with fuel and a first air electrode supplied with air; And
A molten carbonate fuel cell having a second fuel electrode supplied with reformed fuel in a reformer for reforming fuel and a second air electrode supplied with air and a catalytic combustor supplying air heated to the second air electrode,
And hydrogen discharged from the first fuel electrode is injected into the second fuel electrode. 제1항에 있어서,
상기 제1공기극에서 배출되는 가스에서 물과 산소를 분리하는 기액 분리기;를 포함하는 복합 연료전지 시스템.The method according to claim 1,
And a gas-liquid separator for separating water and oxygen from the gas discharged from the first air electrode. 제2항에 있어서,
상기 기액분리기에서 배출된 산소는 상기 촉매 연소기에 유입되는 것을 특징으로 하는 복합 연료전지 시스템.3. The method of claim 2,
And the oxygen discharged from the gas-liquid separator flows into the catalytic combustor. 제3항에 있어서,
상기 기액분리기에서 배출된 물은 상기 개질기로 유입되는 것을 특징으로 하는 복합 연료전지 시스템.The method of claim 3,
And the water discharged from the gas-liquid separator flows into the reformer. 제4항에 있어서,
상기 제2연료극에서 배출되는 수소는 상기 촉매 연소기에 투입되는 것을 특징으로 하는 복합 연료전지 시스템.
5. The method of claim 4,
And hydrogen discharged from the second fuel electrode is injected into the catalytic combustor.
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