KR101710924B1 - A fuel cell system operable at low temperatures - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 저온 상태에서 동작하여 수소를 이용하여 전기를 발생시키는 연료 전지 시스템에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명에 따른 연료전지 시스템은 상기 연료전지 시스템의 가동에 근거하여 공급된 연료 및 산소를 촉매 연소하고, 상기 촉매 연소에 의하여 생성된 물을 물 공급부에 공급하는 촉매 연소기, 상기 물 공급부에 축적된 물이 기 설정된 양 이상이 되면, 상기 물 공급부로부터 물을 공급받아 연료와 함께 증발시키는 연료 증발기 및 상기 연료 증발기에 의하여 증발된 물 및 연료를 개질하여 수소를 생성하는 개질기를 포함하고, 상기 연료전지 시스템이 특정 온도 이하에서 가동되는 경우, 상기 연료전지 시스템이 가동되기 이전에 상기 물 공급부는 비어있는 상태인 것을 특징으로 한다.The present invention relates to a fuel cell system that operates in a low temperature state and generates electricity using hydrogen. More specifically, the fuel cell system according to the present invention includes a catalytic combustor for catalytically burning fuel and oxygen supplied based on the operation of the fuel cell system, and supplying water produced by the catalytic combustion to the water supply section, A fuel evaporator that receives water from the water supply unit and evaporates together with the fuel when the amount of water accumulated in the supply unit becomes a predetermined amount or more, and a reformer that reforms water and fuel vaporized by the fuel evaporator to generate hydrogen And the water supply unit is in an empty state before the fuel cell system is operated when the fuel cell system is operated at a specific temperature or below.

Description

저온 환경에서 동작하는 연료전지 시스템{A FUEL CELL SYSTEM OPERABLE AT LOW TEMPERATURES}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a fuel cell system operating in a low-

본 발명은 촉매 연소기를 적용하여 영하 조건에서 동파되지 않고 작동할 수 있는 연료전지 시스템에 관한 것이다. The present invention relates to a fuel cell system that can operate without freezing under subzero conditions by applying a catalytic combustor.

수소(H2)는 우주에 존재하는 가장 가벼운 기체로서, 에너지로 사용 시 물만을 배출하는 청정 무공해 에너지인 동시에 최근 이슈가 되고 있는 온실가스인 이산화탄소를 배출하지 않는 순환형 에너지이다. 그런데 대부분 물(H2O)과 석탄, 석유 그리고 가스 등 탄화수소(hydrocarbons)의 구성물질로서 존재하며, 수소 자체로는 지구상에 거의 존재하지 않는다. 따라서 수소는 탄화수소의 개질 또는 물의 전기분해를 통해 얻어지는 2차 에너지원이라 할 수 있다. 즉 수소는 물의 전기분해, 탄화수소 연료의 개질, 바이오매스 가스화 그리고 화학공장의 부산물을 통하여 생산될 수 있다. 태양광, 풍력, 수력 등의 재생에너지원에서 얻어지는 전기를 이용한 물의 전기분해를 통해 수소를 생산하는 것이 가장 이상적이지만, 현재는 기술 및 경제성 문제 때문에 탄화수소 연료의 수증기 개질을 통하여 수소를 생산하는 것이 일반적이며, 천연가스 수증기 개질에 의한 수소 생산이 전체 생산량의 약 50%를 차지한다. 특히, 화학공정 등에 필요한 수소를 제외한 순수 수소 제조 목적의 원료로는 천연가스 비중이 약 90%에 이를 정도로 천연가스 수증기 개질에 의한 수소생산이 매우 중요하다.Hydrogen (H 2 ) is the cleanest, non-polluting energy that releases water only when it is used as energy. It is also a circulating energy that does not emit carbon dioxide, a greenhouse gas that is a recent issue. However, most of it exists as a constituent of water (H 2 O) and hydrocarbons such as coal, oil and gas, and hydrogen is hardly present on the earth as hydrogen itself. Therefore, hydrogen is a secondary energy source obtained by reforming hydrocarbons or electrolyzing water. Hydrogen can be produced through electrolysis of water, reforming of hydrocarbon fuels, biomass gasification and by-products of chemical plants. It is ideal to produce hydrogen through electrolysis of water using electricity obtained from renewable energy sources such as solar power, wind power, and water power. However, it is now common to produce hydrogen through steam reforming of hydrocarbon fuel due to technical and economical problems. , And hydrogen production by natural gas steam reforming accounts for about 50% of the total production. In particular, hydrogen production by natural gas steam reforming is very important as a raw material for producing pure hydrogen except for hydrogen required for chemical processes, such that the specific gravity of natural gas is about 90%.

보통 우리나라에서 사용하는 천연가스의 경우, 부취제로 황화합물인 TBM 11ppm과 THT 27ppm이 함유되어 있다 황화합물은 개질반응용 촉매를 피독 시키기 때문에 반드시 사전에 제거해야 한다. 또한, 탈황된 천연가스는 개질기에서 수증기 개질반응에 의하여 수소와 일산화탄소로 구성된 합성가스로 전환된다. 이때, 경우에 따라 예비개질기(pre-reformer)가 사용될 수도 있다. 예비개질기는 저온 수증기 개질기라 할 수 있으며, 탄화수소 중 함유되어있는 C2 +의 탄화수소를 수증기 개질시켜 합성가스로 만들고 약5% 정도 메탄을 수증기 개질에 의하여 합성가스를 만드는 역할을 한다. Natural gas used in Korea usually contains 11ppm of TBM and 27ppm of THT, which are sulfur compounds. As sulfur compounds poison the reforming catalyst, they must be removed in advance. In addition, the desulfurized natural gas is converted into a synthesis gas composed of hydrogen and carbon monoxide by a steam reforming reaction in a reformer. At this time, a pre-reformer may be used in some cases. The preliminary reformer is a low-temperature steam reformer. It reforms C 2 + hydrocarbons contained in hydrocarbons into steam to reform the synthesis gas, and produces steam by modifying steam to about 5%.

예비개질기내에서 요구되는 흡열반응열은 그다지 크지 않기 때문에 단열 반응기를 사용하며 반응물들의 온도는 열교환을 통하여 약450℃ 정도로 조절한다. 예비개질기에 사용하는 촉매는 Ni의 함량이약50% 정도로 높은 촉매를 사용한다. 또한, 개질기는 대부분의 탄화수소가 수증기와 반응하여 수소가 풍부한 합성가스가 생산되는 수소 생산 핵심 공정이다. 이때, 수증기 개질반응은 강한 흡열반응으로서 이에 필요한 열을 버너로부터 공급해야한다. Since the endothermic reaction heat required in the preheater is not so large, an adiabatic reactor is used and the temperature of the reactants is adjusted to about 450 ° C. by heat exchange. The catalyst used in the preliminary reformer uses a catalyst having a Ni content of about 50% or so. In addition, the reformer is a core hydrogen production process in which most hydrocarbons react with water vapor to produce hydrogen-rich syngas. At this time, the steam reforming reaction is a strong endothermic reaction and the necessary heat must be supplied from the burner.

메탄올이나 탄화수소 등을 연료로 사용하는 연료전지의 경우, 수증기개질기(steam reformer)에 유기연료와 물을 함께 투입하여 개질함으로써 수소를 제조하며, 이를 연료전지스택으로 이송하고, 스택에서의 산화환원반응에 의해 전기가 발생된다.In the case of a fuel cell using methanol or hydrocarbons as a fuel, hydrogen is produced by introducing an organic fuel and water into a steam reformer, and the hydrogen is transferred to the fuel cell stack. Electricity is generated.

그런데, 온도가 물이 어는점 이하로 낮아지는 조건에서는 물이 어는 관계로, 개질기에 물을 투입할 수 없기 때문에, 기존에는 연료전지 장치 전체를 단열하고 히터를 설치하는 방법을 채택하였으며, 히터로 전기히터를 사용할 경우 배터리의 용량이 커짐으로 인하여 전체 시스템의 부피가 커지고 무게가 무거워져 이동이 불가능해지는 단점이 있다. 또한, 연료전지는 저온에서 효율이 현저히 저하되거나 또는 작동할 수 없는 경우가 발생되는 문제점이 있다. However, since water can not be supplied under the condition that the temperature is lower than the freezing point of water, water can not be supplied to the reformer. Thus, in the past, a method of inserting heaters and installing the heaters has been adopted. When the heater is used, the capacity of the battery is increased and the volume of the whole system becomes large, and the weight becomes heavy, which makes it impossible to move. In addition, the fuel cell has a problem that the efficiency is remarkably lowered at low temperature or the fuel cell can not operate.

이에, 본 발명의 일 목적은 저온 상태에서 가동 시 수증기 개질에 필요한 물과 상기 가동을 위한 열을 공급할 수 있는 촉매 연소기를 포함하는 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.Accordingly, it is an object of the present invention to provide a fuel cell system including a catalytic combustor capable of supplying water required for steam reforming and heat for operation during operation in a low temperature state.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지 시스템은 수소를 이용하여 전기를 발생시키고, 상기 연료전지 시스템의 가동에 근거하여 공급된 연료 및 산소를 촉매 연소하고, 상기 촉매 연소에 의하여 생성된 물을 물 공급부에 공급하는 촉매 연소기, 상기 물 공급부에 축적된 물이 기 설정된 양 이상이 되면, 상기 물 공급부로부터 물을 공급받아 연료와 함께 증발시키는 연료 증발기 및 상기 연료 증발기에 의하여 증발된 물 및 연료를 개질하여 수소를 생성하는 개질기를 포함하고, 상기 연료전지 시스템이 특정 온도 이하에서 가동되는 경우, 상기 연료전지 시스템이 가동되기 이전에 상기 물 공급부는 비어있는 상태일 수 있다.According to an aspect of the present invention, there is provided a fuel cell system including: a fuel cell system that generates electricity using hydrogen, catalytically burns supplied fuel and oxygen based on operation of the fuel cell system, A fuel evaporator for supplying water from the water supply unit and evaporating the water together with the fuel, and a water evaporator for evaporating the water and the fuel evaporated by the fuel evaporator when the water accumulated in the water supply unit becomes equal to or more than a predetermined amount, Wherein the water supply unit may be in an empty state before the fuel cell system is operated when the fuel cell system is operated at a temperature lower than a predetermined temperature.

또한, 상기 촉매 연소기는, 상기 촉매 연소에 의하여 이산화탄소를 더 생성하고, 상기 촉매 연소에 의하여 발생된 열을 이용하여 상기 물 및 이산화탄소를 가열하며, 상기 연료전지 시스템의 적어도 일부는, 상기 개질기의 작동 이전에 상기 가열된 물 및 이산화탄소의 순환에 의하여 예열될 수 있다.The catalytic combustor further generates carbon dioxide by the catalytic combustion and heats the water and carbon dioxide using heat generated by the catalytic combustion. At least a part of the fuel cell system is operated by the operation of the reformer May be preheated by circulation of the previously heated water and carbon dioxide.

또한, 상기 가열된 물 및 이산화탄소의 순환을 위한 배관을 더 포함하고, 상기 배관은, 상기 연료 증발기 및 개질기를 통과하도록 구성될 수 있다.Further, the apparatus may further include a pipe for circulating the heated water and carbon dioxide, and the pipe may be configured to pass through the fuel evaporator and the reformer.

또한, 상기 가열된 물은, 상기 연료전지 시스템의 적어도 일부를 순환한 이후 상기 연료 증발기로 공급되도록 상기 물 공급부로 회수될 수 있다.Further, the heated water may be recovered to the water supply unit to be supplied to the fuel evaporator after circulating at least a part of the fuel cell system.

또한, 상기 물 공급부는 드레인 배관을 더 포함하고, 상기 연료전지 시스템의 가동이 중지되는 것에 근거하여 상기 물 공급부에 포함된 물이 상기 드레인 배관을 통하여 외부로 배출될 수 있다.The water supply unit may further include a drain pipe, and water contained in the water supply unit may be discharged to the outside through the drain pipe based on the operation of the fuel cell system being stopped.

본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 시스템은 물 공급부에 물을 저장하지 않고, 저온 상태에서 가동되는 경우 촉매 연소기를 이용하여 수증기 개질에 필요한 물 및 열을 공급할 수 있다. 따라서, 물 공급부에 저장된 물이 어는 것을 방지할 수 있고 저온 상태에서 연료전지 시스템이 동파되는 문제를 극복할 수 있다. The fuel cell system according to the embodiment of the present invention can supply water and heat required for steam reforming by using a catalytic combustor when water is not stored in the water supply unit but is operated in a low temperature state. Therefore, it is possible to prevent the water stored in the water supply unit from freezing, and overcome the problem that the fuel cell system is frozen at a low temperature.

또한, 촉매 연소에 의하여 발생된 열을 활용하여 상기 연료전지 시스템의 적어도 일부가 작동되기 전 예열하는 바, 별도의 히팅(heating)시스템을 작동하지 않고도 상기 연료전지 시스템이 상기 예열에 의하여 원활하게 동작할 수 있기 때문에 에너지 소비 효율을 증가시킬 수 있는 장점이 있다. In addition, since the heat generated by the catalytic combustion is utilized to preheat the fuel cell system before at least a part of the fuel cell system is operated, the fuel cell system can be smoothly operated by the preheating without operating a separate heating system It is possible to increase the energy consumption efficiency.

도 1은 본 발명에 따른 연료전지 시스템이 저온상태에서 동작하는 방법에 관한 순서도이다.
도 2는 스타트 업(start-up) 단계에 대응되는 연료전지 시스템의 동작에 관한 블록도이다.
도 3은 연료 증발 단계에 대응되는 연료전지 시스템의 동작에 관한 블록도이다.
도 4는 개질 단계에 대응되는 연료전지 시스템의 동작에 관한 블록도이다. 1 is a flowchart illustrating a method of operating a fuel cell system according to the present invention at a low temperature state.
2 is a block diagram relating to the operation of the fuel cell system corresponding to the start-up step.
3 is a block diagram relating to the operation of the fuel cell system corresponding to the fuel evaporation step.
4 is a block diagram of the operation of the fuel cell system corresponding to the reforming step.

본 명세서에서는 서로 다른 실시 예라도 동일·유사한 구성에 대해서는 동일·유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음으로 갈음한다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "구성된다." 또는 "포함한다." 등의 용어는 명세서상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계를 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. In the present specification, the same or similar reference numerals are given to different embodiments in the same or similar configurations, and the description thereof is omitted for the first time. As used herein, the singular forms "a", "an" and "the" include plural referents unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, "comprises" Or "include." Should not be construed to encompass the various components or stages described in the specification, and some or all of the components or steps may not be included, or the additional components or steps And the like.

또한, 본 명세서에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 기술을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 기술의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.Further, the suffix "part" for a component used in the present specification is given or mixed in consideration of ease of specification, and does not have a meaning or role that is different from itself. Further, in the description of the technology disclosed in this specification, a detailed description of related arts will be omitted if it is determined that the gist of the technology disclosed in this specification may be obscured.

본 발명에 따른 연료전지 시스템은 연료를 개질하기 위하여 이용되는 물을 미리 저장해두지 않고, 상기 연료전지 시스템이 가동되면 연료 개질에 이용되는 물을 생성하여 공급할 수 있다. 따라서, 상기 시스템이 동파되거나 물의 어는점 이하의 저온에서 물이 얼지않도록 상기 시스템의 온도를 제어해야 하는 문제를 극복할 수 있다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명과 관련된 연료전지 시스템에 대하여 보다 구체적으로 설명하기로 한다.The fuel cell system according to the present invention can generate and supply water used for fuel reforming when the fuel cell system is operated without storing water used for reforming the fuel in advance. Thus, it is possible to overcome the problem of controlling the temperature of the system such that the system does not freeze or freeze at low temperatures below the freezing point of water. Hereinafter, a fuel cell system according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명에 따른 연료전지 시스템이 저온상태에서 동작하는 방법에 관한 순서도이고, 도 2, 도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 동작 순서 각각에 대응되는 연료전지 시스템의 블록도이다. FIG. 1 is a flowchart illustrating a method of operating a fuel cell system according to the present invention at a low temperature state, and FIGS. 2, 3, and 4 are flowcharts of a method of operating a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. .

먼저, 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 연료전지 시스템(1000)은 물 공급부(100), 연료 공급부(200), 산소 공급부(300), 촉매 연소기(400), 연료 증발기(500), 개질기(600) 및 연료 전기 스택(700)을 포함할 수 있다.1 and 2, a fuel cell system 1000 according to the present invention includes a water supply unit 100, a fuel supply unit 200, an oxygen supply unit 300, a catalytic combustor 400, a fuel evaporator 500 ), A reformer 600, and a fuel electrical stack 700.

저온 상태(예를 들면, 물의 어는 점과 같은 특정 온도 이하의 상태)에서 상기 연료전지 시스템(1000)이 가동되기 이전의 상기 물 공급부(100)는 비어있는 상태일 수 있다. 이후, 상기 연료전지 시스템(1000)이 가동되면 상기 촉매 연소기(400)에 의하여 상기 연료전지 시스템(1000)의 적어도 일부가 예열되는 스타트 업(start-up) 단계(S10)에 진입할 수 있다. The water supply unit 100 may be in an empty state before the fuel cell system 1000 is operated in a low-temperature state (for example, a state below a specific temperature such as a freezing point of water). Thereafter, when the fuel cell system 1000 is operated, the catalyst combustor 400 may enter a start-up step S10 in which at least a part of the fuel cell system 1000 is preheated.

보다 구체적으로, 상기 연료전지 시스템(1000)이 가동되면, 상기 가동에 근거하여 상기 연료 공급부(200) 및 산소 공급부(300)에 포함된 연료 및 산소가 상기 촉매 연소기(Catalytic Combustor)(400)로 공급될 수 있다. More specifically, when the fuel cell system 1000 is operated, fuel and oxygen contained in the fuel supply unit 200 and the oxygen supply unit 300 are supplied to the catalytic combustor 400 Can be supplied.

상기 연료 공급부(200)는 연료탱크를 포함하고, 상기 연료탱크와 상기 촉매 연소기(400)를 연결하는 제2 연료배관(220)을 통하여 상기 촉매 연소기(400)에 연료를 공급할 수 있다. 또한, 상기 연료 공급부(200)는 상기 연료탱크의 연료를 상기 촉매 연소기(400)로 공급해주기 위한 펌프를 포함할 수 있다.The fuel supply unit 200 may include a fuel tank and may supply fuel to the catalytic combustor 400 through a second fuel pipe 220 connecting the fuel tank and the catalytic combustor 400. The fuel supply unit 200 may include a pump for supplying the fuel in the fuel tank to the catalytic combustor 400.

또한, 상기 산소 공급부(300)는 산소탱크를 포함하고, 상기 산소탱크와 상기 촉매 연소기(400)를 연결하는 산소배관(310)을 통하여 상기 촉매 연소기(400)에 산소를 공급할 수 있다. 상기 산소배관(310) 상에는 기체의 흐름을 차단할 수 있는 밸브를 구비할 수 있으며, 상기 밸브는 솔레노이드 밸브에 의하여 원격으로 제어될 수 있다. 또는, 상기 산소 공급부(300)는 외부 공기를 흡입하는 블로어를 포함하고, 상기 블로어와 상기 촉매 연소기(400)를 연결하는 산소배관(310)을 통하여 외부 공기에 포함된 산소를 상기 촉매 연소기(400)에 공급할 수 있다.The oxygen supplying unit 300 may include an oxygen tank and may supply oxygen to the catalytic combustor 400 through an oxygen pipe 310 connecting the oxygen tank and the catalytic combustor 400. A valve capable of shutting off the flow of gas may be provided on the oxygen pipe 310, and the valve may be remotely controlled by a solenoid valve. Alternatively, the oxygen supplying unit 300 may include a blower for sucking outside air, and oxygen contained in the outside air may be supplied to the catalytic combustor 400 through an oxygen pipe 310 connecting the blower and the catalytic combustor 400 .

이와 같이, 상기 촉매 연소기(400)에 연료 및 산소가 공급되면, 상기 촉매 연소기(400)는 촉매를 이용하여 불꽃 없는 산화반응을 일으켜 상기 연료 및 산소를 완전 연소시킬 수 있다. 또한, 상기 촉매 연소에 의하여 물과 이산화탄소가 생성되고, 상기 촉매 연소에 따른 열이 발생될 수 있다. 예를 들어, 메탄올을 연료로 이용하는 경우, 화학식 1과 같은 반응을 이용한 진행이 가능하다. When the fuel and oxygen are supplied to the catalytic combustor 400, the catalytic combustor 400 may cause the catalytic combustor 400 to perform the oxidation reaction without using the catalyst to completely burn the fuel and the oxygen. Further, water and carbon dioxide are generated by the catalytic combustion, and heat due to the catalytic combustion can be generated. For example, when methanol is used as fuel, it is possible to carry out the reaction using the reaction represented by the general formula (1).

Figure 112015045512568-pat00001
Figure 112015045512568-pat00001

상기 촉매 연소기(400)는 상기 촉매 연소에 의하여 발생된 열을 이용하여, 상기 물 및 이산화탄소를 가열할 수 있다. 상기 가열된 물 및 이산화탄소는 열원으로서 상기 연료전지 시스템(1000)의 적어도 일부를 순환할 수 있다. 또한, 상기 가열된 물 및 이산화탄소의 순환으로 인하여, 저온상태에 있는 상기 연료전지 시스템(1000)의 적어도 일부는 상기 개질기(600)가 동작되기 이전에 예열될 수 있다. The catalytic combustor 400 may heat the water and the carbon dioxide using heat generated by the catalytic combustion. The heated water and carbon dioxide can circulate at least a portion of the fuel cell system 1000 as a heat source. Also, due to the circulation of the heated water and carbon dioxide, at least a portion of the fuel cell system 1000 in a low temperature state can be preheated before the reformer 600 is operated.

이를 위하여, 상기 연료전지 시스템(1000)의 적어도 일부에는 상기 가열된 물 및 이산화탄소가 순환될 수 있는 배관이 배치될 수 있다. 특히, 상기 배관은 상기 연료 증발기(500) 및 개질기(600)를 통과하도록 구성되어, 순환을 통하여 상기 연료 증발기(500) 및 개질기(600)에 열을 공급할 수 있다. 또한, 상기 연료전지 시스템(1000)의 적어도 일부를 순환한 물은 물회수용 배관(110)을 통하여 상기 물 공급부(100)로 보내질 수 있다. 이와는 달리, 상기 이산화탄소는 상기 연료전지 시스템(1000)의 적어도 일부를 순환한 뒤 외부로 배출될 수 있다.To this end, at least a portion of the fuel cell system 1000 may be provided with piping through which the heated water and carbon dioxide can circulate. In particular, the pipe is configured to pass through the fuel evaporator 500 and the reformer 600, and can supply heat to the fuel evaporator 500 and the reformer 600 through circulation. The water circulated through at least a part of the fuel cell system 1000 may be sent to the water supply unit 100 through the water reception pipe 110. Alternatively, the carbon dioxide may be circulated through at least a portion of the fuel cell system 1000 and then discharged to the outside.

따라서, 상기 연료 증발기(500) 및 개질기(600)에 사용되는 히터를 생략하거나 최소화할 수 있다. 여기에서, 상기 물 및 이산화탄소는 촉매 연소에 의하여 발생된 고온의 열에 의하여 가열되는 바, 상기 연료전지 시스템(1000)은 신속하게 예열될 수 있다. 또한, 상기 연료전지 시스템(1000)의 가동에 근거하여 저온 상태에서 동작하는 상기 연료전지 시스템(1000)을 예열함으로써, 별도의 히팅(heating)이나 온도 제어단계를 생략할 수 있기 때문에 에너지 소비 효율이 증가되는 효과가 있다.
Therefore, the heater used in the fuel evaporator 500 and the reformer 600 can be omitted or minimized. Here, the water and the carbon dioxide are heated by the high-temperature heat generated by the catalytic combustion, so that the fuel cell system 1000 can be quickly preheated. In addition, since the separate heating and temperature control steps can be omitted by preheating the fuel cell system 1000 operating in a low temperature state based on the operation of the fuel cell system 1000, .

이와 같이, 상기 스타트 업(start-up) 단계(S10)를 수행한 이후, 상기 연료전지 시스템(1000)은 상기 연료 증발기(500)를 이용하여 연료를 증발하는 단계(S20)를 진행할 수 있다.After the start-up step S10, the fuel cell system 1000 can perform the step S20 of evaporating the fuel using the fuel evaporator 500. [

즉, 도 1 및 도 3을 참조하면, 상기 연료 증발기(fuel vaporizer)(500)는 상기 물 공급부(100) 및 연료 공급부(200)로부터 물 및 연료를 공급받고, 액상의 물 및 연료를 기상의 물 및 연료로 증발시킬 수 있다. 1 and 3, the fuel vaporizer 500 receives water and fuel from the water supply unit 100 and the fuel supply unit 200, and supplies the liquid water and fuel to the vapor phase Water and fuel.

상술한 바와 같이, 상기 물 공급부(100)는 상기 연료전지 시스템(1000)이 가동되기 이전에 비어있던 상태에서, 상기 촉매 연소에 의하여 생성된 물을 공급받을 수 있다. 상기 물은 상기 연료전지 시스템(1000)의 적어도 일부를 순환하거나 혹은 순환하지 않은 상태로 상기 물 공급부(100)로 공급될 수 있다.As described above, the water supply unit 100 can be supplied with water generated by the catalytic combustion, in a state in which the water supply unit 100 is empty before the fuel cell system 1000 is operated. The water may be supplied to the water supply unit 100 in a state in which at least a part of the fuel cell system 1000 is circulated or not circulated.

또한, 상기 물 공급부(100)는 물탱크, 상기 물탱크와 상기 연료 증발기(500)를 연결하는 물배관(120) 및 상기 물배관(120) 상에 구비되어 상기 물탱크의 물을 상기 연료 증발기(500)로 공급하는 펌프를 포함할 수 있다. 또한, 상기 물배관(120) 상에는 유로의 흐름을 차단할 수 있는 밸브가 구비될 수 있고, 상기 밸브는 솔레노이드 밸브에 의하여 원격으로 제어될 수 있다. 상기 물탱크는 저온 상태에서, 상기 촉매 연소에 의하여 가열된 물이 공급된 경우 온도 유지가 가능하도록 보온재 등으로 형성되는 것이 바람직하다.The water supply unit 100 includes a water tank, a water pipe 120 connecting the water tank and the fuel evaporator 500, and a water pipe 120 provided on the water pipe 120, And the pump 500 may be a pump. Also, on the water pipe 120, a valve capable of blocking the flow of the flow path may be provided, and the valve may be remotely controlled by the solenoid valve. It is preferable that the water tank is formed of a heat insulating material or the like so that the temperature can be maintained when water heated by the catalytic combustion is supplied at a low temperature.

상기 연료 공급부(200)는 상기 연료탱크에 포함된 연료를 상기 연료 증발기(500)에 공급하기 위한 제1 연료배관(210) 및 펌프를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 제1 연료배관(210) 및 제2 연료배관(220) 상의 유로의 흐름을 차단할 수 있도록 밸브를 더 구비할 수 있으며, 상기 밸브는 솔레노이드 밸브에 의하여 원격으로 제어될 수 있다.The fuel supply unit 200 may further include a first fuel pipe 210 and a pump for supplying the fuel contained in the fuel tank to the fuel evaporator 500. Further, a valve may be further provided to block the flow of the oil on the first fuel pipe 210 and the second fuel pipe 220, and the valve may be remotely controlled by a solenoid valve.

한편, 상기 연료 증발 단계(S20)는, 상기 스타트 업(start-up) 단계에서 발생된 물이 상기 물 공급부(100)의 물탱크에 기 설정된 양 이상으로 축적되면, 상기 물 공급부(100)로부터 상기 연료 증발기(500)에 물이 공급되는 것에 의하여 진행될 수 있다. 그리고, 상기 연료 증발기(500)는 상기 연료 공급부(200)로부터 공급받은 연료 및 상기 공급받은 물을 함께 증발시켜 기상의 물 및 연료를 생성할 수 있다. If the water generated in the start-up step is accumulated in the water tank of the water supply unit 100 at a predetermined amount or more, And then the water is supplied to the fuel evaporator 500. The fuel evaporator 500 may generate vapor and water by evaporating the fuel supplied from the fuel supply unit 200 and the supplied water together.

여기에서, 상기 연료 증발기(500)는 상기 촉매 연소에 의하여 가열된 물을 상기 물 공급부(100)를 통하여 제공받을 수 있다. 따라서, 저온 상태에서도 흡열 반응인 상기 연료 증발 단계(S20)는 상기 가열된 물로부터 열을 제공받을 수 있다.Here, the fuel evaporator 500 may receive water heated by the catalytic combustion through the water supply unit 100. Therefore, the fuel evaporation step (S20), which is an endothermic reaction even at a low temperature, can be supplied with heat from the heated water.

상기 연료 증발 단계(S20)는 예를 들어, 메탄올을 연료로 하는 경우, 상기 연료 증발 단계(S20)는 화학식 2와 같은 반응으로 진행될 수 있다. For example, when methanol is used as the fuel, the fuel evaporation step (S20) may be carried out in the same manner as in the chemical formula (2).

Figure 112015045512568-pat00002
Figure 112015045512568-pat00002

(여기에서, i는 액체상태, g는 기체상태를 나타낸다.)(Here, i represents a liquid state and g represents a gas state.)

한편, 이와는 다른 실시 예로, 상기 촉매 연소기(400)에 의하여 연료전지 시스템의 온도가 약 200~300℃만큼 충분히 히팅(heating)되면, 유기연료와 물의 혼합용액이 상기 연료증발기(500)로 공급될 수 있다. 즉, 상기 물 공급부(100) 및 연료 공급부(200) 각각으로부터 물 및 연료를 공급받지 않고, 상기 물 공급부(100)와 연료 공급부(200) 및 연료 증발기(500) 사이 물과 연료의 혼합용액을 만드는 혼합 용액부를 추가로 포함할 수 있다.
Meanwhile, in another embodiment, when the temperature of the fuel cell system is sufficiently heated by the catalytic combustor 400 to about 200 to 300 ° C, a mixed solution of the organic fuel and water is supplied to the fuel evaporator 500 . That is, a mixed solution of water and fuel is injected between the water supply unit 100, the fuel supply unit 200, and the fuel evaporator 500 without supplying water and fuel from the water supply unit 100 and the fuel supply unit 200, And a mixed solution portion for making a mixed solution.

이와 같이, 연료 증발 단계(S20)가 수행된 이후, 상기 연료 증발기(500)로부터 증발된 물 및 연료를 공급받아 상기 개질기(Reformer)(600)에서 수소를 생성할 수 있다. 여기에서, 상기 개질기는 수증기 개질기(Steam Reformer)일 수 있다.As described above, after the fuel evaporation step S20 is performed, water and fuel vaporized from the fuel evaporator 500 may be supplied to the reformer 600 to generate hydrogen. Here, the reformer may be a steam reformer.

즉, 도 1 및 도 4를 참조하면, 상기 개질기(600)는 상기 연료 증발기(500)로부터 기체상태의 물 및 연료를 공급받을 수 있다. 또한, 상기 공급된 기상의 물 및 연료를 개질하여, 수소 및 이산화탄소를 생성할 수 있다. 예를 들어, 메탄올을 연료로 하는 경우, 화학식 3과 같은 반응에 따라 상기 개질 단계(S30)가 진행될 수 있다.That is, referring to FIGS. 1 and 4, the reformer 600 may receive gas and water from the fuel evaporator 500. In addition, the supplied gaseous water and fuel can be reformed to produce hydrogen and carbon dioxide. For example, when methanol is used as the fuel, the reforming step (S30) may proceed according to the reaction represented by the general formula (3).

Figure 112015045512568-pat00003
Figure 112015045512568-pat00003

여기에서, 상기 개질기(600)에 공급되는 수증기는 상기 촉매 연소기(400)로부터 생성된 물인 바, 별도의 개질기(600)의 원료가 없더라도 상기 촉매 연소에 의하여 생성된 물을 회수하여 이용할 수 있다. 따라서, 저온 상태에서 연료전지 시스템을 작동시키는 경우, 물 공급부(물탱크) 내에 저장된 물이 없어도 동작이 가능하며, 저온 상태에서 별도의 히팅(heating) 시스템을 구비하지 않더라도 동파를 방지할 수 있다. 또한, 상기 연료전지 시스템의 가동 시 물을 히팅(heating)하는 에너지를 절약할 수 있으며 저온상태에서 상기 연료전지 시스템의 작동 시간을 단축할 수 있는 효과가 있다.Here, the water vapor supplied to the reformer 600 is water generated from the catalytic combustor 400, so that water produced by the catalytic combustion can be recovered even if there is no raw material for the reformer 600. Therefore, when the fuel cell system is operated at a low temperature, it is possible to operate without water stored in the water supply unit (water tank), and it is possible to prevent the freezing of the fuel cell even if the heating system is not provided at a low temperature. In addition, energy for heating water during operation of the fuel cell system can be saved, and operation time of the fuel cell system can be shortened at a low temperature.

한편, 상기 촉매 연소기(400)는 상기 연료 증발기(500) 및 개질기(600)로부터 기 설정된 거리 이내에 인접하게 설치될 수 있다. 이 경우, 촉매 연소가 수행되면, 상기 촉매 연소기(400) 자체에서 발생되는 열을 열원으로 하여 상기 연료 증발기(500) 및 개질기(600)가 일정 온도 이상으로 유지될 수 있다. 즉, 상기 촉매 연소기(400) 자체가 히터로서의 역할을 하여 별도의 히터를 구비하지 않아도 되는 바, 상기 연료전지 시스템의 부피를 소형으로 경량화시킬 수 있는 효과도 있다.
Meanwhile, the catalytic combustor 400 may be installed adjacent to the fuel evaporator 500 and the reformer 600 within a predetermined distance. In this case, when the catalytic combustion is performed, the fuel evaporator 500 and the reformer 600 can be maintained at a predetermined temperature or more using heat generated in the catalytic combustor 400 itself as a heat source. That is, since the catalytic combustor 400 itself serves as a heater, it is not necessary to provide a separate heater, thereby reducing the size and weight of the fuel cell system.

이와 같이 상기 개질 단계(S30)에서 수소가 생성된 이후, 상기 수소는 상기 연료 전기 스택(700)으로 공급될 수 있다. 즉, 상기 개질 단계(S20) 이후에는 수소 공급 단계(S40)가 진행될 수 있다. 상기 연료 전지 스택(700)에서는 상기 공급받은 수소를 이용하여 산화환원반응을 진행하고, 이에 의하여 전기가 발생될 수 있다.After the hydrogen is generated in the reforming step S30, the hydrogen may be supplied to the fuel electric stack 700. [ That is, after the reforming step S20, the hydrogen supply step S40 may be performed. In the fuel cell stack 700, the supplied hydrogen is used to perform a redox reaction, whereby electricity can be generated.

수소 공급 단계(S40)가 진행된 이후, 상기 연료 전지 시스템(1000)의 가동이 중지되면, 상기 물 공급부(100)에 포함된 물이 모두 외부로 배출되는 드레인 단계(S50)가 진행될 수 있다. 이를 위하여, 상기 물 공급부(100)는 드레인 배관을 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 드레인 배관에 의하여, 상기 물 공급부(100)에 포함된 물은 상기 연료전지 시스템(1000)의 가동이 중지되는 것에 근거하여 외부로 배출될 수 있다. When the operation of the fuel cell system 1000 is stopped after the hydrogen supply step S40 is performed, a drain step S50 may be performed in which all the water contained in the water supply part 100 is discharged to the outside. For this, the water supply unit 100 may further include a drain pipe. Also, the water contained in the water supply unit 100 can be discharged to the outside by the drain piping based on the suspension of the operation of the fuel cell system 1000.

이처럼, 상기 연료전지 시스템(1000)의 가동이 중지되면, 상기 물 공급부(100)에 저장된 물을 모두 외부로 배출함으로써, 저온 상태에서 상기 물이 어는 것을 방지할 수 있다. When the operation of the fuel cell system 1000 is stopped, all the water stored in the water supply unit 100 is discharged to the outside, so that the water can be prevented from freezing at a low temperature.

본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 시스템은 물 공급부에 물을 저장하지 않고, 저온 상태에서 가동되는 경우 촉매 연소기를 이용하여 수증기 개질에 필요한 물 및 열을 공급할 수 있다. 따라서, 물 공급부에 저장된 물이 어는 것을 방지할 수 있고 저온 상태에서 연료전지 시스템이 동파되는 문제를 극복할 수 있다. The fuel cell system according to the embodiment of the present invention can supply water and heat required for steam reforming by using a catalytic combustor when water is not stored in the water supply unit but is operated in a low temperature state. Therefore, it is possible to prevent the water stored in the water supply unit from freezing, and overcome the problem that the fuel cell system is frozen at a low temperature.

또한, 촉매 연소에 의하여 발생된 열을 활용하여 상기 연료전지 시스템의 적어도 일부가 작동되기 전 예열하는 바, 별도의 히팅(heating)시스템을 작동하지 않고도 상기 연료전지 시스템이 상기 예열에 의하여 원활하게 동작할 수 있기 때문에 에너지 소비 효율을 증가시킬 수 있는 장점이 있다. In addition, since the heat generated by the catalytic combustion is utilized to preheat the fuel cell system before at least a part of the fuel cell system is operated, the fuel cell system can be smoothly operated by the preheating without operating a separate heating system It is possible to increase the energy consumption efficiency.

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 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.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 appended claims. Therefore, the embodiments disclosed in the present invention are intended to illustrate rather than limit the scope of the present invention, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments. The scope of protection of the present invention should be construed according to the following claims, and all technical ideas within the scope of equivalents should be construed as falling within the scope of the present invention.

Claims (5)

수소를 이용하여 전기를 발생시키는 연료전지 시스템에 있어서,
보관된 물이 저온 상태에서 동결되지 않도록, 상기 연료전지 시스템의 가동이 정지된 상태에서는 비어있는 상태로 유지되는 물 공급부;
상기 연료전지 시스템의 가동에 근거하여 공급된 연료 및 산소를 촉매 연소하여 물과 이산화탄소를 생성하고, 생성된 물을 상기 물 공급부에 공급하는 촉매 연소기;
상기 물 공급부로부터 물을 공급받아 연료와 함께 증발시키는 연료 증발기; 및
상기 연료 증발기에 의하여 증발된 물 및 연료를 개질하여 수소를 생성하는 개질기를 포함하며,
상기 촉매 연소기는,
상기 공급된 연료 및 산소를 연소한 결과 생성된 물을 상기 물 공급부에 공급함으로써, 상기 연료 전지의 가동 전에 상기 물 공급부에 물이 없는 상태에서도 상기 연료 증발기에 물이 공급될 수 있도록 하고, 상기 촉매 연소에 의하여 발생된 열을 이용하여 상기 물 및 이산화탄소를 가열하며,
상기 연료전지 시스템의 적어도 일부는,
상기 개질기의 작동 이전에 상기 가열된 물 및 이산화탄소의 순환에 의하여 예열되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.1. A fuel cell system for generating electricity using hydrogen, comprising:
A water supply unit which is kept in an empty state when the fuel cell system is not operated so that the stored water is not frozen at a low temperature;
A catalytic combustor for generating water and carbon dioxide by catalytically burning the fuel and oxygen supplied based on the operation of the fuel cell system and supplying the generated water to the water supply unit;
A fuel evaporator that receives water from the water supply unit and evaporates the fuel together with the fuel; And
And a reformer for reforming water and fuel vaporized by the fuel evaporator to generate hydrogen,
The catalytic combustor includes:
Supplying water generated by burning the supplied fuel and oxygen to the water supply unit so that water can be supplied to the fuel evaporator even when the water supply unit is free of water before the fuel cell is operated, Heating the water and the carbon dioxide using heat generated by the combustion,
At least a portion of the fuel cell system,
Wherein the reformer is preheated by circulation of the heated water and carbon dioxide prior to operation of the reformer. 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 가열된 물 및 이산화탄소의 순환을 위한 배관을 더 포함하고,
상기 배관은, 상기 연료 증발기 및 개질기를 통과하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.The method according to claim 1,
Further comprising piping for circulating the heated water and carbon dioxide,
And the pipe is configured to pass through the fuel evaporator and the reformer. 제1항에 있어서,
상기 가열된 물은, 상기 연료전지 시스템의 적어도 일부를 순환한 이후 상기 연료 증발기로 공급되도록 상기 물 공급부로 회수되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.The method according to claim 1,
Wherein the heated water is recovered to the water supply unit to be supplied to the fuel evaporator after circulating at least a part of the fuel cell system. 제1항에 있어서,
상기 물 공급부는 드레인 배관을 더 포함하고,
상기 연료전지 시스템의 가동이 중지되는 것에 근거하여 상기 물 공급부에 포함된 물이 상기 드레인 배관을 통하여 외부로 배출되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
The method according to claim 1,
The water supply unit may further include a drain pipe,
And water contained in the water supply unit is discharged to the outside through the drain pipe on the basis that the operation of the fuel cell system is stopped.
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