KR101667460B1 - 연료전지와 내연 엔진의 복합 시스템 - Google Patents

연료전지와 내연 엔진의 복합 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료 공급부에서 공급된 연료를 개질하는 연료 개질부와, 상기 연료 개질부에 의해 개질된 연료를 공급받는 연료극과 공기를 공급받는 공기극을 가지는 연료전지 스택부와, 공기를 가열하여 상기 공기극으로 가열된 공기를 공급하는 촉매 연소기를 포함하는 연료전지부 및, 상기 연료 공급부에서 공급되는 연료를 연소하여 구동되는 내연 엔진부를 포함하고, 상기 연료전지부와 상기 내연 엔진부가 연동되어 구동되거나 각각 독립적으로 구동 가능하게 구비되는 것을 특징으로 하는 연료전지와 내연 엔진의 복합 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 연료전지와 내연 엔진이 연동되어 구동시 내연 엔진부의 출력이 연료전지부의 출력에 의해 제한되지 않고 내연 엔진부에서 발생할 수 있는 맥동을 최소화 시킬 수 있다.

Description

연료전지와 내연 엔진의 복합 시스템{HYBRID SYSTEM CONSISTING FUEL CELL AND INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 연료전지와 내연 엔진의 복합 시스템에 관한 것으로, 상세하게는 연료전지와 내연 엔진이 결합되어 전기를 생산하는 연료전지와 내연 엔진의 복합 시스템에 관한 것이다.
연료전지는 연료극에서의 수소산화반응과 공기극에서의 산소환원반응을 통해 화학에너지를 전기에너지로 직접 변환하는 장치이다. 연료전지의 일 실시예로써 용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell)는 연료극에 수소가 주입되고, 공기극에 이산화탄소와 산소가 주입되어 화학반응에 의해 전기를 생산한다.
그런데, 종래의 용융 탄산염 연료전지에서는 연료극에 주입된 수소가스 중 일부가 연료전지에서 반응하지 않고 배출되어 효율이 떨어지는 문제가 있었다.
상기와 같은 문제점 중 적어도 일부를 해결하기 위해 제안된 것으로 본 발명은 일측면으로서, 연료전지와 내연 엔진을 결합하여 발전 시스템 효율이 향상되는 연료전지와 내연 엔진의 복합 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일측면으로서, 연료전지와 내연 엔진이 연동되어 구동될 뿐만 아니라, 서로 분리되어 각각 구동될 수 있는 연료전지와 내연 엔진의 복합 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일측면으로서, 연료전지와 내연 엔진이 연동되어 구동시 내연 엔진부의 출력이 연료전지부의 출력에 의해 제한되지 않고 내연 엔진부에서 발생할 수 있는 연료의 맥동을 최소화 시킬 수 있는 연료전지와 내연 엔진의 복합 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 일측면으로서, 연료 공급부에서 공급된 연료를 개질하는 연료 개질부와, 상기 연료 개질부에 의해 개질된 연료를 공급받는 연료극과 공기를 공급받는 공기극을 가지는 연료전지 스택부와, 공기를 가열하여 상기 공기극으로 가열된 공기를 공급하는 촉매 연소기를 포함하는 연료전지부 및, 상기 연료 공급부에서 공급되는 연료를 연소하여 구동되는 내연 엔진부를 포함하고, 상기 연료전지부와 상기 내연 엔진부가 연동되어 구동되거나 각각 독립적으로 구동 가능하게 구비되는 것을 특징으로 하는 연료전지와 내연 엔진의 복합 시스템을 제공한다.
이상에서와 같이 본 발명의 일 실시예에 따르면, 연료전지를 단독으로 사용하는 것에 비해 발전 시스템 효율이 향상되는 연료전지와 내연 엔진의 복합 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 내연 엔진에서 배출되는 배기가스를 연료전지의 공기극에 공급하며, 상기 연료극에서 배출되는 가스는 내연 엔진으로 공급되어 내연 엔진을 구동할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 연료전지와 내연 엔진이 연동하여 구동할 뿐만 아니라, 독립적으로 각각 전기를 생산할 수 있는 효과를 제공한다.
본 발명의 일측면으로서, 연료전지와 내연 엔진이 연동되어 구동시 내연 엔진부의 출력이 연료전지부의 출력에 의해 제한되지 않고 내연 엔진부에서 발생할 수 있는 맥동을 최소화 시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 연료전지와 내연엔진의 복합 시스템의 간략도이다.
도 2는 연료전지만 구동하는 본 발명의 일 실시예에 의한 연료전지와 내연엔진의 복합 시스템의 간략도이다.
도 3는 내연엔진만 구동하는 본 발명의 일 실시예에 의한 연료전지와 내연엔진의 복합 시스템의 간략도이다.
도 4는 다른 실시예에 의한 연료전지와 내연엔진의 복합 시스템의 간략도이다.
이하, 첨부된 도면에 따라 본 발명을 상세하게 설명한다.
먼저, 이하에서 설명되는 실시예들은 본 발명인 연료전지와 내연 엔진의 복합 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.
본 발명의 일 실시예에 의한 연료전지와 내연 엔진의 복합 시스템(100)은, 공기극(114)과 연료극(113)을 포함하는 연료전지부(110)와 공급되는 연료를 연소부에서 연소시켜 구동하는 내연 엔진부(120)를 포함하고, 상기 연료전지부(110)와 상기 내연 엔진부(120)는 서로 연동하여 구동되거나, 각각 독립적으로 구동될 수 있다.
먼저, 상기 연료전지부(110)는 일 실시예로 용융 탄산염 연료전지가 이에 해당 될 수 있고, 이하 용융 탄산염 연료전지를 일 실시예로 설명한다.
용융 탄산염 연료전지는 연료극(ANODE)(113)과 공기극(CATHODE)(114)을 포함하고, 상기 연료극(113)과 공기극(114)에서는 아래와 같은 화학반응이 일어나 전기를 생산한다.
(1) 연료극(113) 4H2 + 4C03 2- → 4H20 +4CO2 + 8e-
(2) 공기극(114) 4CO2 + 202 +8e-→ 4CO3 2-
즉, 상기 연료극(113)에서는 투입된 수소가 탄산이온과 반응하여 고온상태의 물과 이산화탄소 및 전자가 생성되고, 투입된 수소중 일부가 반응하지 않고 미반응 상태로 배기된다.
그리고, 공기극(114)에는 이산화탄소와 산소가 투입되고 상기 연료극(113)에서 생성된 전자와 반응하여 상기 연료극(113)으로 투입되는 탄산 이온이 생성되어 이러한 반응에 의해 전자가 이동함으로써 전기가 생산된다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 연료전지부(110)는 상기 공기극(114)으로 고온 상태의 이산화탄소를 투입하기 위해 촉매 연소기(115)를 포함할 수 있다. 상기 촉매 연소기(115)에서는 펌프(P1, P2)를 통해 유입된 공기에 포함된 산소 및 이산화탄소를 설정된 온도로 승온시킨 후 상기 공기극(114)으로 유입시킨다.
그리고, 상기 촉매 연소기(115)에서는 연료극(113)에 투입된 수소 중에서 반응하지 않고 연료극(113) 외부로 배출되는 미반응 수소가 유입되어 연소반응이 일어날 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 연료전지부(110)는 미반응 수소와 함께 상기 연료극(113)에서 배출되는 고온 상태의 물(증기)과 이산화탄소가 상기 촉매 연소기(115)에 투입될 수 있다.
한편 상기 공기극(114)에서 가스의 상기 촉매 연소기(115)로 투입을 조절하기 위해 상기 연료극(113)과 상기 촉매 연소기(115)를 연결하는 도관에 밸브(V)가 구비될 수 있다.
그리고, 본 발명의 일 실시예에 의한 연료전지부(110)는, 상기 연료극(113), 공기극(114)이 복수개가 교대로 적층되어 연료전지 스택부(112)를 형성할 수 있다.
한편, 연료극(113)에 수소를 공급하기 위해 연료 개질부(111)에서 메탄과 같은 연료를 수소로 전환하는 아래와 같은 개질반응이 일어난다.
(3) 연료 개질부(111) CH4 + 2H20 → C02 + 4H2
즉, 연료 개질부(111)에서는 메탄과 같은 화학 연료를 가습부(116)에서 공급된 물을 반응시켜 수소를 생산하고, 상기 연료 개질부(111)에서 생산된 수소는 상기 연료극(113)에 공급된다.
본 발명의 일 실시예에 의한 내연 엔진부(120)는, 흡입/압축/폭발/배기와 같은 행정 사이클 기관으로 구비될 수 있고, 상기 내연 엔진부(120)는 2행정 사이클 기관과 4행정 사이클 기관 모두 가능하다. 이 경우, 행정 사이클의 특성에 따라, 상기 내연 엔진부(120)는 유입되는 연료의 맥동에 의한 압력변화가 발생할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 연료전지와 내연 엔진의 복합 시스템(100)은 전술한 연료전지부(110)와 전술한 내연 엔진부(120)가 연동하여 구동되거나, 또는 각각 독립적으로 구동될 수 있다.
먼저, 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 연료전지와 내연 엔진의 복합 시스템(100)은 상기 연료전지부(110)와 상기 내연 엔진부(120)가 동일한 연료 공급부(160)와 연결되어, 상기 연료 공급부(160)를 통해 연료가 공급될 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에 의한 연료전지와 내연 엔진의 복합 시스템(100)은 상기 연료극(113)에서 반응하지 않고 배출되는 미반응 수소가스가 상기 내연 엔진부(120)로 투입되어 상기 내연 엔진부(120)를 구동하는 연료로 사용될 수 있다.
그런데, 본 발명의 일 실시예에 의한 연료전지와 내연 엔진의 복합 시스템(100)은 연료극(113)과 상기 내연 엔진부(120)의 중간에 설치되어 상기 연료극(113)과 상기 내연 엔진부(120)를 연결하는 압력 조정부(130)를 포함할 수 있다. 그리고, 상기 압력 조정부(130)는 상기 연료 공급부(160)와 연결되어 상기 연료 공급부(160)에서 공급되는 연료가 상기 압력 조정부(130)를 통해 상기 내연 엔진부(120)로 유입될 수 있다.
즉, 상기 연료전지부(110)가 구동시 상기 압력 조정부(130)에 상기 연료극(113)에서 미반응 수소가스가 유입되고, 상기 연료 공급부(160)에서 연료가 유입되는 경우 각각이 상기 압력 조정부(130)에서 혼합된 상태로 상기 내연 엔진부(120)로 투입된다.
그래서, 본 발명의 일 실시예에 의한 연료전지와 내연 엔진의 복합 시스템(100)은 상기 연료전지부(110)가 구동시 상기 연료극(113)에서 반응하지 않고 배출되는 수소가스를 상기 압력 조정부(130)를 통해 상기 내연 엔진부(120)를 구동하는 연료로 사용하여, 본 발명의 일 실시예에 의한 연료전지와 내연 엔진의 복합 시스템(100)은 상기 연료전지부(110)와 상기 내연 엔진부(120)가 연동되어 구동될 수 있다.
그리고, 본 발명의 일 실시예에 의한 연료전지와 내연 엔진의 복합 시스템(100)은 상기 연료전지부(110)와 상기 내연 엔진부(120)가 연동하여 구동시, 전술한 상기 내연 엔진부(120)는 흡입/압축/폭발/배기로 이루어지는 행정 특성상 연료의 맥동에 의한 압력변화가 발생하여 상기 연료전지부(110)에 영향을 미칠 수 있으나, 전술한 상기 압력 조정부(130) 상기 연료전지부(110)와 상기 내연 엔진부(120)와의 중간에서 완충역할을 하며 이러한 내연 엔진부(120)에 유입된 연료의 맥동에 의한 압력변화를 최소화시킬 수 있다.
그리고, 본 발명의 일 실시예에 의한 연료전지와 내연 엔진의 복합 시스템(100)은 상기 연료극(113)에서 배출되는 가스를 압축하고, 배출된 가스가 상기 압력 조정부(130)로 유입된 후 상기 연료극(113)으로 역류되는 것을 방지하기 위해, 상기 연료극(113)과 상기 압력 조정부(130) 사이에 압축기(140)를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 연료전지와 내연 엔진의 복합 시스템(100)은 상기 가스 엔진에서 배출되는 배기가스를 이용하여 구동하는 스팀 터빈부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 상기 스팀 터빈부는 상기 가스 엔진에서 배출되는 고온의 배기가스를 이용하여 터빈을 회전시키고 발전기를 구동하여 발전효율을 높일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 연료전지와 내연 엔진의 복합 시스템(100)은 상기 촉매 연소기(115)에 외부의 공기가 펌프(P1)를 통해 유입될 수 있고, 외부 공기가 상기 촉매 연소기(115)로 유입되는 경로에 열교환부(150)를 더 포함할 수 있다.
그래서, 상기 열교환부(150)에서는 가스 엔진에서 배출된 배기가스와 상기 촉매 연소기(115)로 유입되는 공기와 열교환이 이루어져 공기의 온도가 상승한 상태로 상기 촉매 연소기(115)로 유입된다. 그래서 고온 상태로 공기가 유입되어 상기 촉매 연소기(115)는 상대적으로 적은 연료를 연소시켜 설정된 온도의 이산화탄소와 산소를 상기 공기극(114)에 유입시킬 수 있다.
그리고, 본 발명의 일 실시예에 의한 연료전지와 내연 엔진의 복합 시스템(100)은 상기 연료전지부(110)와 상기 가스 엔진이 서로 연동되지 않고 독립적으로 구동될 수 있다.
먼저, 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 연료전지와 내연 엔진의 복합 시스템(100)은 상기 연료전지부(110)만 독립적으로 구동될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 연료 공급부(160)는 상기 압력 조정부(130)와 상기 연료극(113)과 연결되어, 상기 연료 공급부(160)에서 공급되는 연료는 분기되어 상기 압력 조정부(130)와 상기 연료극(113)에 공급된다.
그리고, 상기 압력 조정부(130)와 상기 연료 공급부(160) 사이와, 상기 연료극(113)과 상기 압력공급부 사이의 도관에 각각 밸브(V)가 구비되어 밸브의 개폐에 따라, 상기 압력 조정부(130)와 상기 연료극(113)에 선택적으로 연료가 공급될 수 있다.
그래서, 본 발명의 일 실시예에 의한 연료전지와 내연 엔진의 복합 시스템(100)에서 상기 연료전지부(110)만 구동하는 경우는, 상기 압력 조정부(130)와 상기 연료 공급부(160) 사이의 밸브를 폐쇄시켜 상기 연료극(113)에만 연료가 공급되도록 함으로써 상기 내연 엔진부(120)는 구동하지 않고 상기 연료전지부(110)만 구동시킬 수 있다.
이 경우, 상기 연료극(113)에서 배출되는 미반응 수소가스가 상기 압력 조정부(130)로 유입되는 것을 방지하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 의한 연료전지와 내연 엔진의 복합 시스템(100)은 상기 연료극(113)과 상기 압력 조정부(130)를 연결하는 도관에 밸브를 설치하고, 밸브를 폐쇄시켜 상기 압력 조정부(130)를 통해 상기 내연 엔진부(120)로 미반응 수소가 유입되는 것을 차단할 수 있다.
또한, 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 연료전지와 내연 엔진의 복합 시스템(100)은 상기 내연 엔진부(120)만 독립적으로 구동할 수 있다. 이를 위해, 상기 연료극(113)으로 연료가 공급되는 것을 차단하고, 상기 압력 조정부(130)에만 연료가 공급되도록 상기 연료 공급부(160)와 상기 압력 조정부(130) 사이의 밸브를 열고 상기 연료 저장조와 상기 연료극(113) 사이의 밸브를 폐쇄한다. 그 결과 상기 연료전지부(110)는 구동이 정지되고, 상기 내연 엔진부(120)만 독립적으로 구동될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 연료전지와 내연 엔진의 복합 시스템(100)은 선박에 적용될 수 있다. 도 4를 참조하면, 선박의 주동력원 엔진(120)과 보조 동력원 엔진(121) 중 일부는 본 발명의 일 실시예에 의한 연료 공급부(160)와 직접 연결되어 상기 연료 공급부(160)로부터 연료를 공급받아 구동될 수 있고, 나머지 일부 엔진은 전술한 본 발명의 일 실시예에 내연 엔진부(120)와 같이 상기 연료전지부(110)와 연동되어 구동되거나 독립적으로 구동될 수 있다. 한편, 선박의 주동력원 엔진(120)과 보조 동력원 엔진(121)은 보조 연료공급부(161)를 통해 연소를 계속 공급받을 수도 있다.
상기 내연 엔진부(120)는 일 실시예로써, DUAL FUEL 엔진이 이에 해당될 수 있고, 이 경우 상기 연료공급부(160)에서는 상기 내연 엔진부(120)에 가스 연료를 공급하고 상기 보조 연료 공급부(161)에서는 상기 내연 엔진부(120)에 액체 연료를 공급할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 연료전지와 내연 엔진의 복합 시스템은 상기 연료전지부(110)에서 배출되는 수소를 상기 내연 엔진부(120)에 투입하여 상기 내연 엔진부(120)가 디젤엔진인 경우 발생하는 질소산화물을 저감시킬 수 있다.
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.
100: 연료전지와 내연 엔진의 복합 시스템
110: 연료전지부 111: 연료 개질부
112: 연료전지 스택부 113: 연료극
114: 공기극 115: 촉매 연소기
116: 가습부 120: 내연 엔진부
121: 보조 엔진부 130: 압력 조정부
140: 압축기 150: 열교환부
160: 연료 공급부 161: 보충 연료 공급부
170: 공기 공급부 180: 물 공급부

Claims (9)

  1. 연료를 공급하는 연료 공급부;
    상기 연료 공급부에서 공급된 연료를 개질하는 연료 개질부와, 상기 연료 개질부에 의해 개질된 연료를 공급받는 연료극과 공기를 공급받는 공기극을 가지는 연료전지 스택부와, 공기를 가열하여 상기 공기극으로 가열된 공기를 공급하는 촉매 연소기를 포함하는 연료전지부;
    상기 연료 공급부에서 공급되는 연료를 연소하여 구동되는 내연 엔진부; 및
    상기 연료극에서 배출된 가스와 상기 연료 공급부에서 공급된 연료를 혼합하여 상기 내연 엔진부로 배출하는 압력 조정부;
    를 포함하고, 상기 연료전지부와 상기 내연 엔진부는 서로 연동되어 구동 가능하고, 또한 각각 독립적으로 구동 가능하며,
    상기 연료전지부만 독립적으로 구동될 때, 상기 연료 공급부의 연료는 상기 연료전지부로만 공급되고, 상기 연료극에서 배출된 가스는 상기 압력 조정부로 공급되지 않고, 상기 촉매 연소기로 공급되며,
    상기 내연 엔진부만 독립적으로 구동될 때, 상기 연료 공급부의 연료는 상기 내연 엔진부로만 공급되는 연료전지와 내연 엔진의 복합 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 내연 엔진부는 흡입/압축/폭발/배기 과정을 통해 구동되는 행정 사이클 기관인 것을 특징으로 하는 연료전지와 내연 엔진의 복합 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 연료 공급부에서 공급되는 연료는 분기되어 상기 압력 조정부와 상기 연료극에 공급되는 것을 특징으로 하는 연료전지와 내연 엔진의 복합 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 연료 공급부는,
    선택적으로 상기 압력 조정부를 통해 상기 내연 엔진부에 연료를 공급하고 상기 연료극으로 연료를 공급하여, 상기 연료전지부와 상기 내연 엔진부가 연동되어 구동되거나 각각 독립적으로 구동되는 것을 특징으로 하는 연료전지와 내연 엔진의 복합 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 연료극에서 배출되는 가스가 상기 압력 조정부로 유입되기 전에 압축되도록 압축기;를 더 포함하는 연료전지와 내연 엔진의 복합 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 내연 엔진부에서 배출되는 가스는 상기 촉매 연소기로 유입되는 것을 특징으로 하는 연료전지와 내연 엔진의 복합 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 촉매 연소기로 공급되는 공기와 상기 내연 엔진부에서 배출되는 공기가 열교환하도록 열교환부를 더 포함하는 연료전지와 내연 엔진의 복합 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 열교환부를 통과한 가스가 상기 촉매 연소기로 유입되는 것을 특징으로 하는 연료전지와 내연 엔진의 복합 시스템.
  9. 삭제
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2002081331A (ja) * 2000-06-26 2002-03-22 Toyota Motor Corp ハイブリッド式駆動源を備える移動体
US20100242453A1 (en) * 2006-05-31 2010-09-30 Johnston Darrin A Fuel cell/engine hybrid power system

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