KR101662671B1 - 불순물 원료화 구조를 가지는 연료전지 시스템 - Google Patents

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Abstract

불순물 원료화 구조를 가지는 연료전지 시스템이 개시된다. 연료전지 시스템에 있어서, 연료 가스를 공급받아 개질 연료를 생성하여 연료가스 이송관으로 배출하는 리포머; 상기 연료가스 이송관을 통해 유입되는 상기 개질 연료 중 수소 가스만을 선택적으로 통과시키고, 수소 가스 이외의 기체로서 암모니아를 포함하는 불순물은 차단시키는 분리막; 공기 및 상기 분리막을 통과한 수소 가스를 각각 공급받아 전기를 발생시키는 연료전지 스택; 및 상기 연료가스 이송관의 일측에 형성된 분기관을 통해 암모니아를 포함하는 불순물이 함유된 연료 가스를 공급받아 질소산화물을 제거하는 선택적 촉매탈질설비를 포함한다.

Description

불순물 원료화 구조를 가지는 연료전지 시스템{Fuel cell system having impurity reuse structure}
본 발명은 불순물 원료화 구조를 가지는 연료전지 시스템에 관한 것이다.
연료전지 시스템은 반응 가스로서 연료 가스와 산화제 가스를 전극 촉매층을 구비한 연료 전극 및 산화제 전극에 연속적으로 공급하고, 연료 가스가 가지는 에너지를 전기화학적 전기에너지로 변환하여 수송 차량 등에 동력을 공급하는 장치이다.
여기서, 주로 천연가스(NG, Natural Gas)인 연료 가스는 리포머(개질기, reformer)에 의해 개질(reformate) 연료로 생성되어 애노드(anode) 유입구를 통해 연료전지로 유입되고, 주로 공기인 산화제 가스는 캐소드(chathode) 유입구를 통해 연료 전지로 유입된다.
그러나 리포머에 의해 개질된 개질 연료는 일반적으로 오염 물질인 암모니아를 함유하며, 암모니아가 함유된 개질 연료가 연료 전지로 유입되는 경우 연료 전지의 성능을 저하시키는 원인이 된다.
따라서 개질 연료에서 암모니아 등 오염 물질을 제거하기 위한 시도들이 국제공개특허 WO 2010/126460(A fludized bed contaminat separator and water-control loop for a fuel reactant stream of a fuel cell), 미국특허 제4,801,356호(Removal of ammonia from fuel cell power plant water system) 등과 같이 다양하게 이루어지고 있다.
그러나 종래의 연료전지 시스템은 개질 연료에 포함된 불순물인 암모니아를 연료 전지의 성능을 저하시키는 순수한 오염 물질로 파악하여 이를 제거하기 위한 방안만을 제시하고 있는 한계가 있었다.
본 발명은 리포머에 의해 생성된 개질 연료에 포함된 불순물인 암모니아를 엔진 등의 배기 가스에 포함된 오염 물질인 질소 산화물(Nox)를 제거하기 위한 선택적 촉매탈질설비(SCR, Selective Catalytic Reduction)에 공급함으로써, 질소 산화물 제거를 위한 선택적 촉매탈질설비의 구조를 단순화하고, 또한 고효율의 친환경 연료전지 시스템을 구현할 수 있는 불순물 원료화 구조를 가지는 연료전지 시스템을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 이외의 목적들은 하기의 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 연료전지 시스템에 있어서, 연료 가스를 공급받아 개질(Reformate) 연료를 생성하여 연료가스 이송관으로 배출하는 리포머(Reformer); 상기 연료가스 이송관을 통해 유입되는 상기 개질 연료 중 수소 가스만을 선택적으로 통과시키고, 수소 가스 이외의 기체로서 암모니아를 포함하는 불순물은 차단시키는 분리막; 공기 및 상기 분리막을 통과한 수소 가스를 각각 공급받아 전기를 발생시키는 연료전지 스택; 및 상기 개질 연료의 이송 경로에서 상기 분리막의 전단 위치에 해당되는 상기 연료가스 이송관의 일측에 형성된 분기관을 통해 암모니아를 포함하는 불순물이 함유된 개질 연료를 공급받아 질소산화물을 제거하는 선택적 촉매탈질설비(SCR, Selective Catalytic Reduction)를 포함하되, 상기 분리막에 의해 암모니아를 포함하는 불순물의 이송이 차단되어, 상기 분기관을 통해 이송되는 개질 연료는 상기 리포머에 의해 생성된 개질 연료에 비해 상대적으로 높은 농도의 암모니아를 포함하는 불순물을 함유하는 연료전지 시스템이 제공된다.
상기 연료전지 시스템은, 상기 암모니아를 포함하는 불순물이 함유된 개질 연료를 공급받고 물을 이용하여 상기 암모니아를 제거하는 스크러버(Scrubber); 및 상기 분기관에 개재(介在)되어, 상기 암모니아를 포함하는 불순물이 함유된 개질 연료가 상기 선택적 촉매탈질설비 및 상기 스크러버 중 하나 이상으로 공급되도록 경로를 설정하는 경로 설정부를 더 포함할 수 있다.
상기 물을 공급받기 위해 상기 스크러버는 상기 연료전지 스택의 캐소드 배출관에 연결될 수 있다.
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 리포머에 의해 생성된 개질 연료에 포함된 불순물인 암모니아를 엔진 등의 배기 가스에 포함된 오염 물질인 질소 산화물(Nox)를 제거하기 위한 선택적 촉매탈질설비(SCR)에 공급함으로써, 질소 산화물 제거를 위한 선택적 촉매탈질설비의 구조를 단순화하고, 또한 고효율의 친환경 연료전지 시스템을 구현할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래기술에 따른 연료전지 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 도면.
도 2와 3 각각은 본 발명의 각 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 도면.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 명세서에 기재된 "…부", "…유닛", "…모듈", "…기" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
또한, 각 도면을 참조하여 설명하는 실시예의 구성 요소가 해당 실시예에만 제한적으로 적용되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상이 유지되는 범위 내에서 다른 실시예에 포함되도록 구현될 수 있으며, 또한 별도의 설명이 생략될지라도 복수의 실시예가 통합된 하나의 실시예로 다시 구현될 수도 있음은 당연하다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일하거나 관련된 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 종래기술에 따른 연료전지 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 연료전지 시스템은 리포머(Reformer)(110), 제거기(120) 및 연료전지 스택(130)를 포함할 수 있다.
리포머(110)는 예를 들어 천연가스(NG) 등과 같은 연료 가스를 공급받아 개질 연료를 생성한다.
리포머(110)는 예를 들어 600 내지 700도의 고온에서 개질 반응을 수행하여 연료 가스를 수소 가스(H2)로 변환시킨다. 여기서, 개질 연료는 수소를 주성분으로 하되, 낮은 수준의 암모니아(NH3)가 함유되도록 생성된다.
그러나 암모니아를 함유하는 개질 연료가 연료전지 스택(130)으로 공급되면 연료전지 스택(130)의 장기 안정성을 저해하게 되므로, 개질 연료에 함유된 암모니아는 제거기(120)에 의해 제거되어 순수한 수소만 연료전지 스택(130)에 공급된다.
제거기(120)의 구성은 예를 들어 국제공개특허 WO 2010/126460, 미국특허 제4,801,356호 등에 다양하게 개시되어 있으며, 일반적으로 개질 연료로부터 암모니아를 용해시키는 암모니아 용해매체 등을 구비하는 스크러버(scrubber) 등으로 구현되고 있다.
제거기(120)에 의해 암모니아가 제거된 개질 연료는 애노드 유입구(140)를 통해 연료전지 스택(130)으로 유입되고, 공기는 캐소드 유입구(145)를 통해 연료전지 스택(130)으로 유입된다.
연료전지 스택(130)에는 연료 가스(즉, 수소 가스)와 공기의 산화/환원 반응을 유도하여 전기 에너지를 발생시키는 복수의 전기 생성부가 구비된다.
예를 들어 전기를 발생시키는 단위 셀로 구현될 수 있는 각각의 전기 생성부는, 수소 가스와 공기 중의 산소를 산화/환원시키는 막-전극 어셈블리(MEA, Membrane Electrode Assembly) 및, 수소 가스와 공기를 막-전극 어셈블리로 공급하기 위한 세퍼레이터(separator)(또는 바이폴라 플레이트)를 포함한다.
전기 생성부는 막-전극 어셈블리를 중심에 두고 그 양측에 세퍼레이터가 각각 배치된 구조를 가지도록 형성되고, 막-전극 어셈블리는 중앙에 배치된 전해질막과 전해질막의 일측에 배치된 캐소드 전극과 전해질막의 타측에 배치된 애노드 전극을 포함하여 구성된다.
이와 같은 복수의 전기 생성부가 연속적으로 배치됨으로써 연료전지 스택(130)이 형성될 수 있고, 연료전지 스택(130)의 최외각에 각각 배치된 세퍼레이터는 엔드 플레이트로 기능한다.
연료전지 스택(130)은 작동시에 캐소드 전극에서 산소의 환원 반응을 통해 물이 생성되며, 애노드 전극에서는 미반응 수소 가스를 포함하는 고온의 배기가스가 생성된다.
따라서, 연료전지 스택(130)은 물 및/또는 미반응 공기를 배출하기 위한 캐소드 배출구(155)와 고온의 배기가스(예를 들어, 미반응 수소 가스)를 배출하기 위한 애노드 배출구(150)가 설치된다. 이때, 애노드 배출구(150)에는 미반응 수소 가스를 다시 애노드 유입구(140)를 통해 다시 연료전지 스택(130)으로 공급하기 위한 분기관이 연결될 수 있다.
도 2와 3 각각은 본 발명의 각 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
앞서 도 1을 참조하여 설명한 바와 같이, 종래기술에 따른 연료전지 시스템은 개질 연료에 포함되는 암모니아를 연료전지 스택(130)의 장기 안정성을 저해하는 원인으로 인식하여 이를 제거하는 구조로 구현되고 있다.
이에 비해, 후술되는 바와 같이 본 실시예에 따른 연료전지 시스템은 개질 연료에 함유된 암모니아가 선박 등에 구비된 엔진에서 배출되는 배기가스에 질소산화물(Nox)을 제거하기 위한 설비인 선택적 촉매탈질설비(SCR)(230)에 공급되도록 함으로써 별도의 암모니아 제공 설비를 갖추지 않더라도 질소산화물의 효과적인 제거가 가능한 특징을 가진다.
도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 연료전지 시스템은 리포머(110), 연료전지 스택(130), 분리막(210) 및 선택적 촉매탈질설비(220)를 포함할 수 있다.
리포머(110)는 예를 들어 천연가스(NG) 등과 같은 연료 가스를 공급받아 개질 연료를 생성한다. 리포머(110)에 의해 생성되는 개질 연료에는 낮은 수준의 암모니아(NH3)가 함유된다.
분리막(210)은 리포머(110)에 의해 생성되어 연료가스 이송관(250)을 통해 이송되는 개질 연료 중 수소 가스는 통과시키되, 암모니아 등의 불순물은 차단시키는 기체 분리막을 포함하여 구현될 수 있다. 예를 들어 온도, 압력, 기체의 속도차 조건 등을 이용하여 다양한 기체의 혼합 기체에서 수소 등과 같이 특정 기체만을 선택적으로 분리하는 기술은 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 사항이므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
분리막(210)에 의해 수소 가스만이 선택적으로 통과되는 경우, 분리막(210)의 후단(즉, 분리막(210)을 통과한 이후의 영역)에는 암모니아 등의 불순물이 제거된 순수한 수소 가스가 존재하며 앞서 설명한 바와 같이 애노드 유입구(140)를 통해 연료전지 스택(130)으로 유입되고, 캐소드 유입구(145)를 통해 연료전지 스택(130)으로 유입된 공기와의 산화/환원 반응에 의해 전기 에너지가 발생된다. 이때, 분리막(210)의 처리에 의해 고순도의 수소 가스가 연료전지 스택(130)에 공급될 수 있으므로 연료전지 스택의 효율이 증진될 수 있다.
이에 비해, 분리막(210)의 전단(즉, 분리막(210)을 통과하기 이전의 영역)의 연료가스 이송관(250)에는 분리막(210)을 통과하지 못한 암모니아 등 불순물이 존재하기 때문에, 리포머(110)에 의해 생성된 개질 연료에 비해 암모니아 등 불순물의 농도가 상대적으로 높아지게 된다.
연료가스 이송관(250)에는 암모니아 등 불순물 농도가 높은 개질 연료를 선택적 촉매탈질설비(220)로 이송하기 위한 분기관(260)이 형성된다.
분기관(260)의 직경은 연료가스 이송관(250)을 통해 이송되는 개질 연료 중 일부가 분기되어 선택적 촉매탈질설비(220)로 유입되며, 또한 선택적 촉매탈질설비(220)에서 질소 산화물을 제거하기 위해 필요한 양의 암모니아가 제공되도록 하는 크기로 결정될 수 있음은 당연하다.
분기관(260)에 의해 고농도의 암모니아가 함유된 개질 연료가 선택적 촉매탈질설비(220)로 공급되고 또한 리포머(110)로부터 저농도의 암모니아가 함유된 연료가스가 공급되기 때문에 연료가스 이송관(250) 내의 암모니아 농도는 소정의 임계치 이하로 유지될 수도 있을 것이다.
선택적 촉매탈질설비(220)는 통상의 개질 연료에 포함된 암모니아 농도보다 상대적으로 높은 암모니아 농도를 가지는 개질 연료를 유입받고, 개질 연료에 함유된 고농도의 암모니아가 촉매 내에서 배기가스에 포함된 질소산화물과 반응하여 인체에 무해한 질소와 물로 환원시키는 처리를 수행한다. 선택적 촉매탈질설비(220)가 암모니아를 이용하여 질소산화물을 환원 처리하는 방법은 당업자에게 자명한 사항이므로 이에 대한 설명은 생략한다.
또한 본 실시예에 따른 연료전지 시스템은 도 3에 도시된 바와 같이 스크러버(230) 및 경로 설정부(240)를 더 포함할 수도 있다.
즉, 스크러버(230)는 선택적 촉매탈질설비(220)가 구동될 필요가 없는 경우로서, 예를 들어 디젤 엔진(도시되지 않음) 등이 사용되지 않아 질소산화물이 포함된 배기가스의 처리가 필요하지 않고 연료전지 시스템만이 사용되는 경우 암모니아의 제거를 위해 예비적으로 구비될 수 있다.
일반적으로 스크러버(230)는 암모니아 등 물에 녹는 가스를 처리하는 장치이며, 본 실시예에 따른 스크러버(230)는 암모니아 등의 제거를 위해 연료전지 스택(130)의 작동시 캐소드 전극에서 산소의 환원 반응을 통해 생성된 물을 공급받아 이용할 수 있는 구조적 특징을 가진다.
경로 설정부(240)는 분기관(260)을 통해 공급되는 고농도의 암모니아가 함유된 개질 연료를 선택적 촉매탈질설비(220) 또는/및 스크러버(230)로 이송하기 위한 경로를 설정한다.
경로 설정부(240)가 디젤 엔진의 구동 여부, 질소 산화물의 처리 필요 여부 등을 참조하여 고농도의 암모니아가 함유된 개질 연료가 선택적 촉매탈질설비(220) 및 스크러버(230) 중 하나 이상으로 공급되도록 경로를 설정하는 방법 및 구조는 다양할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
110 : 리포머 120 : 제거기
130 : 연료전지 스택 140 : 애노드 유입구
145 : 캐소드 유입구 150 : 애노드 배출구
155 : 캐소드 배출구 210 : 분리막
220 : 선택적 촉매탈질설비 230 : 스크러버
240 : 경로 설정부

Claims (3)

  1. 연료전지 시스템에 있어서,
    연료 가스를 공급받아 개질(Reformate) 연료를 생성하여 연료가스 이송관으로 배출하는 리포머(Reformer);
    상기 연료가스 이송관을 통해 유입되는 상기 개질 연료 중 수소 가스만을 선택적으로 통과시키고, 수소 가스 이외의 기체인 암모니아를 포함하는 불순물은 차단시키는 분리막;
    공기 및 상기 분리막을 통과한 수소 가스를 각각 공급받아 전기를 발생시키는 연료전지 스택; 및
    상기 개질 연료의 이송 경로에서 상기 분리막의 전단 위치에 형성된 분기관을 통해 암모니아를 포함하는 불순물이 함유된 개질 연료를 공급받아 질소산화물을 제거하는 선택적 촉매탈질설비(SCR, Selective Catalytic Reduction)를 포함하되,
    상기 분기관을 통해 이송되는 개질 연료는 상기 리포머에 의해 생성된 개질 연료에 비해 상대적으로 높은 농도의 암모니아를 포함하는 불순물을 함유하는 연료전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 암모니아를 포함하는 불순물이 함유된 개질 연료를 공급받고 물을 이용하여 상기 암모니아를 제거하는 스크러버(Scrubber); 및
    상기 분기관에 개재(介在)되어, 상기 암모니아를 포함하는 불순물이 함유된 개질 연료가 상기 선택적 촉매탈질설비 및 상기 스크러버 중 하나 이상으로 공급되도록 경로를 설정하는 경로 설정부를 더 포함하는 연료전지 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 물을 공급받기 위해 상기 스크러버는 상기 연료전지 스택의 캐소드 배출관에 연결되는, 연료전지 시스템.
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