KR101744504B1 - 고체산화물연료전지시스템의 급속 시동 장치 및 이를 이용한 고체산화물연료전지시스템의 급속 시동 방법 - Google Patents

고체산화물연료전지시스템의 급속 시동 장치 및 이를 이용한 고체산화물연료전지시스템의 급속 시동 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 종래 고체산화물연료전지를 구동시키는 구동온도까지의 가열 시간을 단축할 수 있는 고체산화물연료전지시스템의 급속 시동 장치 및 이를 이용한 고체산화물연료전지시스템의 급속 시동 방법에 관한 것으로, 본 발명에 의한 고체산화물연료전지시스템의 급속 시동 장치는 연료가 저장되는 연료부(100), 상기 연료를 개질시켜 개질가스를 생성하는 개질부(200), 상기 개질부(200)로부터 상기 개질가스를 공급받는 연료극(310), 공기를 공급받는 공기극(320) 및 상기 연료극(310)과 공기극(320) 사이에 위치하여 수소와 산소를 이용해 물과 전기를 생성하는 전해질층(330)을 포함하는 고체산화물 연료전지(300), 상기 고체산화물 연료전지(300)로부터 생성되는 전기로 구동되는 구동부(400), 상기 고체산화물 연료전지(300)로부터 생성되는 물을 저장하는 물탱크(500), 과산화수소 또는 과산화수소 수용액이 저장되는 과산화수소탱크(600), 상기 과산화수소탱크(600)로부터 과산화수소 또는 과산화수소 수용액을 공급받고, 촉매를 이용해 과산화수소를 분해 시켜 생성된 고온의 수증기와 산소를 상기 공기극(320)으로 공급하는 촉매부(700) 및 상기 공기극(320)으로 공기를 공급하는 공기공급부(900)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

고체산화물연료전지시스템의 급속 시동 장치 및 이를 이용한 고체산화물연료전지시스템의 급속 시동 방법{Rapid-start apparatus for solid oxide fuel cell system and rapid-start method for solid oxide fuel cell system using thereof}
본 발명은 고체산화물연료전지시스템의 급속 시동 장치 및 이를 이용한 고체산화물연료전지시스템의 급속 시동 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 종래 고체산화물연료전지시스템을 구동시키는 구동온도까지의 가열 시간을 단축할 수 있는 고체산화물연료전지시스템의 급속 시동 장치 및 이를 이용한 고체산화물연료전지시스템의 급속 시동 방법에 관한 것이다.
최근, 석유 및 천연가스 등의 기존 에너지 자원의 고갈 우려가 대두되고, 친환경적인 자원에 대한 요구가 높아짐에 따라, 새로운 대체에너지의 일환으로 연료전지(Fuel Cell)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 연료전지란 물의 전기분해 역반응을 활용하는 친환경 에너지원으로, 다양한 종류의 연료전지가 개발되어 있으며, 그 중 하나로 고체산화물 연료전지(Solid, Oxide Fuel Cell, SOFC)가 있다.
도 1은 고체산화물 연료전지 시스템의 개략적인 원리를 도시한 것으로써, 도 1을 참고하여 고체산화물 연료전지의 구성 및 원리를 간략히 설명하면, 전해질 역할을 하는 고체산화물을 중심으로 일측에 연료인 수소가스가 공급되는 연료극(cathode)이 위치하고, 타측에 공기가 공급되는 공기극(anode)이 위치하여, 공기극에서 산소의 환원 반응에 의해 생성된 산소 이온이 전해질을 통해 연료극으로 이동해 연료극에 공급된 수소와 반응함으로써 물과 전류를 발생시킨다.
일반적으로 고체산화물 연료전지 시스템은 고온(섭씨 500~800도)에서 작동하기 때문에 다른 연료전지보다 전기효율이 높으며, 수소 이외의 다양한 연료의 사용이 가능하고, 일산화탄소 등에 대한 피독 현상이 없으며, 모든 구성요소가 고체로 이루어져 다른 연료전지에 비해 구조가 간단하고, 전해질의 손실, 보충 및 부식의 문제가 없는 장점이 있어 중량의 한계를 가진 시스템 또는 장치에 활용하기 유리하다.
고체산화물 연료전지 시스템을 사용하기 위해서는 정지상태의 고체산화물 연료전지를 작동온도까지 가열시켜야 한다. 종래 고체산화물 연료전지를 가열하는 방식은 연료개질기에서 생성된 고온의 개질가스를 연료극에 공급하거나, 고체산화물 연료전지를 별도의 연소버너로 가열하는 방식이었는데, 이러한 가열 방식은 고체산화물 연료전지를 작동온도까지 가열하는데 까지 오랜 시간이 걸리고, 연료를 개질시 발생하는 탄화수소(Hydrocarbon)가 연료전지에 침적되어 내구성이 감소하는 문제점이 있었다.
종래 고체산화물 연료전지 시스템에 관한 특허는 한국등록특허 제10-1466881호("액체 수소를 이용하는 무인 항공기 동력 공급장치", 2014.12.01.)에 개시되어 있다.
한국등록특허 제10-1466881호("액체 수소를 이용하는 무인 항공기 동력 공급장치", 2014.12.01.)
따라서 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로써, 본 발명의 목적은 고체산화물 연료전지 시스템의 시동시간을 급격하게 감소시킬 수 있는 고체산화물연료전지시스템의 급속 시동 장치 및 이를 이용한 고체산화물연료전지시스템의 급속 시동 방법을 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명에 의한 고체산화물연료전지시스템의 급속 시동 장치는, 항공기에 사용되는 고체산화물연료전지시스템의 급속 시동 장치에 있어서, 연료가 저장되는 연료부(100), 상기 연료를 ATR(Auto Thermal Reforming)방식으로 개질시켜 개질가스를 생성하는 개질부(200), 상기 개질부(200)로부터 상기 개질가스를 공급받는 연료극(310), 공기를 공급받는 공기극(320) 및 상기 연료극(310)과 공기극(320) 사이에 위치하여 수소와 산소를 이용해 물과 전기를 생성하는 전해질층(330)을 포함하는 고체산화물 연료전지(300), 상기 고체산화물 연료전지(300)로부터 생성되는 전기로 구동되는 구동부(400), 상기 고체산화물 연료전지(300)로부터 생성되는 물을 저장하는 물탱크(500), 과산화수소 또는 과산화수소 수용액이 저장되는 과산화수소탱크(600), 상기 과산화수소탱크(600)로부터 과산화수소 또는 과산화수소 수용액을 공급받고, 촉매를 이용해 과산화수소를 분해 시켜 생성된 고온의 수증기와 산소를 상기 공기극(320)으로 공급하는 촉매부(700), 상기 공기극(320)으로 공기를 공급하는 공기공급부(900), 제어부(800) 및 제어수단을 를 포함하되, 상기 물탱크(500)는 상기 촉매부(700)와 연결되어 상기 물탱크(500)에 저장된 물을 상기 촉매부(700)에 공급하여 상기 고체산화물 연료전지(300)에서 생성되는 물을 재활용 하고, 상기 제어부(800)는 상기 물탱크(500) 및 과산화수소탱크(600)에서 각각 공급받는 물과 과산화수소 또는 과산화수소 수용액을 혼합하여 상기 촉매부(700)로 보내는 과산화수소 수용액의 농도를 조절하며, 상기 촉매부(700)는 상기 개질부(200)와 연결되어 과산화수소 분해반응에 의해 생성된 고온의 수증기 및 산소를 상기 개질부(200)로 공급하고, 상기 제어수단은 상기 연료부(100)에서 개질부(200)로 공급되는 연료 대비 상기 촉매부(700)에서 생성되어 상기 개질부(200)로 공급되는 고온의 수증기 및 산소 비율을 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 물탱크(500)는 상기 촉매부(700)와 연결되어 물을 상기 촉매부(700)로 공급하며, 상기 고체산화물연료전지의 급속 시동 장치는 상기 물탱크(500) 및 과산화수소탱크(600)에서 각각 공급받는 물과 과산화수소 또는 과산화수소 수용액을 혼합하여 상기 촉매부(700)로 보내는 제어부(800)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어부(800)는 상기 고체산화물 연료전지(300)에 설치되어 상기 고체산화물 연료전지(300)의 온도를 전송하는 온도측정부를 포함하며, 상기 온도측정부에서 전송된 상기 고체산화물 연료전지(300)의 온도를 기준으로 혼합되는 과산화수소 수용액의 농도를 조절하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 촉매부(700)는 상기 개질부(200)와 연결되며, 과산화수소 분해반응에 의해 생성된 고온의 수증기 및 산소를 상기 개질부(200)로 공급하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 고체산화물연료전지의 급속 시동 장치는 상기 개질부(200)에 공급되는 상기 촉매(700)에서 생성되는 고온의 수증기 및 산소의 양을 조절하는 제어수단을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 공기공급부(900)는 내부에 수용된 공기를 상기 물탱크(500)를 거쳐 상기 공기극(320)에 공급하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 고체산화물연료전지시스템의 급속 시동 방법은 상기한 고체산화물연료전지시스템의 급속 시동 장치를 이용하는 것으로, 상기 촉매부(700)에서 과산화수소 분해를 통해 생성된 고온의 수증기 및 산소를 상기 공기극(320)에 공급하고, 동시에 상기 공기공급부(900)에서 상기 공기극(320)에 공기를 공급하는 제1공급단계, 상기 개질부(200)를 통해 상기 연료부(100)에 저장된 연료를 개질시켜 개질가스를 생성하는 개질가스 생성단계 및 상기 개질가스 생성단계에서 생성된 개질가스를 상기 연료극(310)에 공급하는 제2공급단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 고체산화물연료전지시스템의 급속 시동 방법은 상기 제1공급단계 이전에 수행되며, 상기 물탱크(500)에 수용된 물과, 상기 과산화수소탱크(600)에 수용된 과산화수소 또는 과산화수소 수용액을 혼합하여 상기 촉매부(700)에 공급하는 제3공급단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제3공급단계는 상기 고체산화물 연료전지의 온도를 기준으로 혼합되는 과산화수소 수용액의 농도를 조절하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 고체산화물연료전지시스템의 급속 시동 방법은 상기 제1공급단계 이전에 수행되며, 상기 촉매부(700)에서 과산화수소 분해를 통해 생성된 고온의 수증기 및 산소를 상기 개질부(200)에 공급하는 제4공급단계를 더 포함한다.
상기한 바와 같은 본 발명에 의한 고체산화물연료전지시스템의 급속 시동 장치 및 방법에 의하면, 고온의 공기가 고체산화물 연료전지의 공기극으로 공급되기 때문에 고체산화물 연료전지를 작동온도(섭씨 500~800도)까지 가열하는데 걸리는 시간을 단축할 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명에 의하면, 과산화수소 분해과정에서 발생하는 고온의 수증기 및 산소를 본 발명의 화석연료를 개질하는 과정에 사용 가능하기 때문에, 시동과정에서 필요한 수증기, 산소, 공기 및 열을 공급하는 장치가 필요하지 않아 장치 자체를 간략화 할 수 있는 효과가 있고, 에너지효율이 개선되는 효과가 있다.
도 1은 고체산화물 연료전지 시스템의 원리 및 구성의 개략도.
도 2는 본 발명에 의한 제1실시예의 블록도.
도 3은 본 발명에 의한 제1실시예의 다른 블록도.
도 4는 본 발명에 의한 제2실시예의 블록도.
도 5는 본 발명에 의한 제3실시예의 블록도.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 고체산화물연료전지시스템의 급속 시동 장치의 다양한 실시예에 관하여 상세히 설명한다.
[제1실시예]
도 2는 본 발명에 의한 고체산화물연료전지시스템의 급속 시동 장치의 제1실시예를 도시한 것으로써, 도 2에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 고체산화물연료전지시스템의 급속 시동 장치의 제1실시예는, 연료부(100), 개질부(200), 고체산화물 연료전지(300), 구동부(400), 물탱크(500), 과산화수소탱크(600), 촉매부(700) 및 공기공급부(900)를 포함한다.
상기 연료부(100)는 본 발명에 사용되는 연료가 저장되는 구성이다. 상기 연료부(100)에 저장되는 연료는 천연가스, 프로판, 가솔린 또는 디젤 등의 다양한 연료가 될 수 있으나, 본 발명의 제1실시예에서는 수소를 사용한다.
상기 개질부(200)는 상기 연료를 개질시켜 개질가스를 생성한다. 개질이란 화석연료를 촉매 반응시켜 수소를 포함한 개질가스로 전환하는 과정을 뜻하는 것으로, 상기 개질부(200)는 상기 연료부(100)로부터 연료를 공급받아, 이를 개질하여 개질가스를 생성하는 역할을 한다. 상기 개질부(200)에서 이루어지는 개질에는 몇몇 방식이 사용되는데, 대표적으로는 POX(Partial OXidation), SR(Steam Reforming) 및 ATR(Auto Thermal Reforming)이 있다.
상기 고체산화물 연료전지(300)는 직접적으로 전기를 생성하는 구성으로, 연료극(310), 공기극(320) 및 전해질층(330)을 포함한다.
상기 연료극(310)은 상기 개질부(200)로부터 상기 개질가스를 공급받고, 상기 공기극(320)은 공기를 공급받는다.
상기 연료극(310)과 공기극(320) 사이에 위치하는 상기 전해질층(330)은 상기 연료극(310)으로부터 공급받는 수소와, 상기 공기극(320)으로부터 공급받는 산소의 화학반응에 의해 전기와 물이 생성된다. 이때 상기 연료극(310), 공기극(320) 및 전해질층(330)을 포함하는 상기 고체산화물 연료전지(300)에서 전기가 생성되려면 작동온도(섭씨 500~800도)까지 가열되어야 하는데, 상기 개질부(200)에서 개질 과정을 거치며 고온으로 가열된 상기 개질가스에 의해서 상기 고체산화물 연료전지(300)가 가열된다.
상기 구동부(400)는 상기 고체산화물 연료전지(300)로부터 생성되는 전기로 구동된다. 즉 상기 구동부(400)는 본 발명에 의한 고체산화물연료전지시스템의 급속 시동 장치에 의해 생성되는 전기를 이용해 직접적으로 구동되는 구성으로, 본 발명이 항공기에 적용된다면 항공기를 운행하기 위한 각종 장치일 수 있다.
상기 물탱크(500)는 상기 고체산화물 연료전지(300)로부터 생성되는 물을 저장한다. 상기 물탱크(500) 내부에 수용되는 물은 별도의 제어에 의해 외부로 배출될 수 있다.
상기 과산화수소탱크(600)는 과산화수소 또는 과산화수소 수용액이 저장된다. 상기 과산화수소탱크(600) 내부에 저장되는 과산화수소 또는 과산화수소 수용액은 과산화수소의 분해반응을 위한 것이다. 과산화수소 또는 높은 농도의 과산화수소 수용액은 폭발 위험이 있는데, 상기 과산화수소탱크(600)는 폭발에 대비하여 견고한 구조로 형성될 수 있다. 상기 과산화수소 수용액은 높은 농도일수록 폭발 위험성이 높아지므로, 폭발이 일어나지 않도록 적절한 농도를 유지해야한다.
상기 촉매부(700)는 상기 과산화수소탱크(600)로부터 상기 과산화수소 수용액을 공급받고, 촉매를 이용해 과산화수소를 분해 반응시켜 확보된 고온의 수증기 및 산소를 상기 공기극(320)으로 공급한다. 과산화수소는 수증기 및 산소로 분해되는데, 이 과정에서 분해열이 발생하게 된다. 과산화수소 분해 과정에서 발생하는 분해열은 함께 발생하는 수증기 및 산소를 가열시키는데, 가열된 수증기 및 산소는 상기 공기극(320)으로 공급된다.
즉, 종래에는 상온의 공기와 고온의 수소가스가 고체산화물 연료전지에 공급되었다면, 본 발명에서는 고온의 수증기 및 산소와 고온의 수소가스가 함께 상기 고체산화물 연료전지(300)에 공급되기 때문에 상기 고체산화물 연료전지(300)가 높은 온도의 구동온도까지 가열되는데 걸리는 시간을 줄일 수 있는 효과가 있다.
상기 공기공급부(900)는 상기 공기극(320)으로 공기를 공급하는 구성으로, 종래의 고체산화물 연료전지 시스템에 포함되는 구서이다. 상기 공기공급부(900)에서 공급되는 공기는 별도의 가열 과정 없이 상온의 공기가 상기 공기극(320)으로 공급된다. 상기 공기공급부(900)에서 공급되는 공기는, 습도를 높이는 가습과정을 거친 후, 상기 공기극(320)에 공급될 수 있다.
도 2에는 상기 공기공급부(900)가 직접적으로 상기 공기극(320)으로 공기를 공급하지만, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 가습과정은 상기 물탱크(500)를 이용할 수 있다. 즉, 상기 공기공급부(900)에서 상기 공기극(320)으로 직접 공기가 공급되지 않고, 상기 공기공급부(900)가 상기 물탱크(500)와 연결되어, 내부에 수용된 공기를 상기 물탱크(500)로 공급한 후 상기 물탱크(500)는 이 공기를 상기 공기극(320)으로 공급하는 방식이다.
[제2실시예]
도 4는 본 발명에 의한 고체산화물연료전지시스템의 급속 시동 장치의 제2실시예를 도시한 것이다. 먼저 설명한 제1실시예와 제2실시예가 다른 구성은 물탱크(500), 과산화수소탱크(600), 촉매부(700)의 연결 관계와, 제어부(800)가 추가된다는 점으로, 이를 제외한 다른 모든 구성은 제1실시예와 제2실시예가 동일하므로, 상기 물탱크(500), 과산화수소탱크(600), 촉매부(700) 및 제어부(800)에 대해서만 설명한다.
도 4에 도시된 상기 물탱크(500)는 상기 촉매부(700)와 연결되어 내부에 수용된 물을 상기 촉매부(700)로 공급한다. 즉, 도 4에 도시된 바와 같이 본 발명의 제2실시예는 상기 촉매부(700)에 상기 물탱크(500)와 과산화수소탱크(600)가 병렬로 연결되어 있는 구조이다. 상기 촉매부(700)가 상기 물탱크(500) 및 과산화수소탱크(600)와 병렬로 연결되는 것은, 상기 물탱크(500)에서 공급되는 물과 상기 과산화수소탱크(600)에서 공급되는 과산화수소 또는 과산화수소 수용액을 혼합하면, 상기 촉매부(700) 내부에서 촉매반응이 일어나는 과산화수소 또는 과산화수소 수용액의 농도를 조절할 수 있기 때문이다. 과산화수소 수용액은 농도와 과산화수소분해과정에서 발생하는 분해열은 서로 비례하는데, 따라서 사용자는 물탱크(500)와 과산화수소탱크(600)에서 공급되는 물과 과산화수소 또는 과산화수소 수용액의 공급량을 조절하여, 상기 촉매부(700)를 통해 상기 공기극(320)으로 공급되는 공기의 온도를 조절할 수 있다. 이때, 물과 과산화수소의 혼합비율은 상기 고체산화물 연료전지(300) 내부의 온도를 기준으로 결정할 수 있다. 즉, 상기 고체산화물 연료전지(300)의 온도가 피드백 신호가 되는 것이다.
이를 위해 도 4에 도시된 바와 같이 상기 물탱크(500)와 과산화수소탱크(600)는 양방향밸브(10)를 통해 서로 연결되어 상기 양방향밸브(10)로 내부에 수용된 유체를 각각 공급하고, 상기 양방향밸브(10)에서 혼합된 과산화수소 수용액은 상기 촉매부(700)로 공급된다. 상기 양방향밸브(10)는 상기 제어부(800)에 의해 제어되며, 상기 제어부(800)는 상기 양방향밸브(10)를 제어하여 상기 물탱크(500)와 과산화수소탱크(600)에서 배출되는 유체의 양을 각각 조절해 상기 촉매부(700)로 공급되는 과산화수소 수용액의 농도를 조절하며, 이를 통해 상기 촉매부(700)에서 상기 공기극(320)으로 공급되는 공기의 온도를 조절할 수 있다. 또한, 상기 제어부(800)는 상기 고체산화물 연료전지(300)의 온도를 기준으로 상기 양방향밸브(10)에서 혼합되는 과산화수소 수용액의 농도를 조절할 수 있는데, 상기 고체산화물 연료전지(300)의 온도를 측정하기 위해 상기 고체산화물 연료전지(300)에 설치되어 상기 고체산화물 연료전지(300)의 온도를 상기 제어부(800)로 전송하는 온도측정부(미도시)를 포함한다.
[제3실시예]
도 5는 본 발명에 의한 고체산화물연료전지시스템의 급속 시동 장치의 제3실시예를 도시한 것이다. 제3실시예는 제2실시예에서 일부 구성이 변경된 것으로, 변경된 구성에 대해서만 설명하며 그 외의 구성은 제1실시예 및 제2실시예와 동일하다.
도 5에 도시된 바와 같이, 촉매부(700)는 개질부(200)와 연결되어, 상기 촉매부(700)에서 과산화수소 분해반응에 의해 생성된 고온의 수증기 및 산소를 상기 개질부(200)로 공급한다. 즉, 본 발명의 제3실시예는 상기 촉매부(700)에서 생성되는 고온의 수증기 및 산소를 연료의 개질 과정에서 활용할 수 있는 구성을 추가한 것이다. 이는 상기 개질부(200)에서 이루어지는 개질 방식의 특성 때문이며, 상기 개질부(200)에서 이루어지는 개질 방식은 제1실시예에서 설명한 것과 같이 POX, SR, ATR방식이 있지만 본 발명에서는 상기 ATR방식으로 한정한다.
상기 ATR방식은 발열공정과 흡열공정이 동시에 이루어지는 방식으로, 고온의 수증기와 산소가 필요한 방식이다. 즉, 상기 촉매부(700)에서 발생하는 고온의 수증기 및 산소를 활용할 수 있다.
이를 위해 상기 개질부(200)와 촉매부(700)는 별도의 배관을 통해 연결되어, 상기 촉매부(700)에서 발생하는 고온의 수증기 및 산소를 상기 개질부(200)에 공급할 수 있다. 상기 개질부(200)는 연료 대비 수증기 비율과 연료 대비 산소비율을 통해 ATR운전이 가능하다. 따라서 상기 연료부(100)에서 공급되는 연료의 양에 따라 상기 물탱크(500)의 물과 상기 과산화수소탱크(600)의 과산화수소 또는 과산화수소 수용액의 공급비율을 제어하여, 상기 개질부(200)의 연료대비 수증기 및 산소비율을 제어할 수 있다.이를 위한 별도의 제어수단(미도시)이 추가적으로 구비될 수 있으며, 상기 제어부(800)에서 이를 제어할 수 있다.
이와 같이 상기 촉매부(700)에서 발생하는 고온의 수증기 및 산소를 활용하면, 상기 개질기(200)의 시동에 필요한 에너지의 양을 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 상기 개질기(200)의 시동에 사용되는 시동장치(공기와 물의 공급을 위한 장치, 가열장치)가 필요하지 않아, 장치가 전체적으로 간략화 되고 에너지효율을 높일 수 있는 효과가 있다.
도 4 및 5에 도시된 상기 제2실시예 및 제3실시예에서 상기 공기공급부(900)는 상기 공기극(320)에 직접 공기를 공급한다. 그러나 이는 이에 한정하는 것이 아니며, 도 3에 도시된 바와 같이 제2실시예 및 제3실시예에도, 상기 공기공급부(900)가 상기 물탱크(500)를 통해 상기 공기극(320)에 연결되어, 상기 공기공급부(900)에서 공급되는 공기가 상기 물탱크(500)를 이용해 습도를 높이는 가습과정을 거친 후 상기 공기극(320)에 공급되는 실시예가 있을 수 있다.
이하 본 발명에 의한 고체산화물연료전지시스템의 급속 시동 장치를 이용한 고체산화물연료전지시스템의 급속 시동 방법에 관하여 상세히 설명한다. 이하 설명하는 고체산화물연료전지시스템의 급속 시동 장치의 구성은 먼저 설명한 고체산화물연료전지시스템의 급속 시동 장치의 구성과 동일한 구성이다.
본 발명에 의한 고체산화물연료전지시스템의 급속 시동 방법은 제1공급단계, 개질가스 생성단계 및 제2공급단계를 포함한다.
상기 제1공급단계는 상기 촉매부(700)에서 과산화수소 분해를 통해 생성된 고온의 수증기 및 산소를 상기 공기극(320)에 공급하고, 동시에 상기 공기공급부(900)에서 상기 공기극(320)에 공기를 공급하는 단계이다. 즉 상기 제1공급단계는 종래의 고체산화물 연료전지 시스템에서 공기극에 단순히 공기를 공급하는 것에 그치지 않고, 과산화수소 분해를 통해 생성된 고온의 수증기 및 산소를 추가적으로 상기 공기극(320)에 공급하는 단계이다. 상기 고온의 수증기 및 산소를 통해, 상기 고체산화물 연료전지(300)의 온도를 높일 수 있다.
상기 개질가스 생성단계는 상기 개질부(200)를 통해 상기 연료부(100)에 저장된 연료를 개질시켜 개질가스를 생성하는 단계이다.
상기 제2공급단계는 상기 개질가스 생성단계에서 생성된 개질가스를 상기 연료극(310)에 공급하는 단계이다. 상기 개질가스 생성단계와 제2공급단계는 일반적인 고체산화물 연료전지 시스템에서 수소가스를 연료극에 공급하는 단계와 동일한 단계이다.
상기 제2공급단계는 상기 제1공급단계와 함께 이루어지며, 상기 제1공급단계와 제2공급단계를 통해 상기 고체산화물 연료전지(300)에서는 물과 전기가 만들어 지고, 이때 만들어지는 물은 상기 물탱크(500)에 저장된다.
본 발명은 상기 제1공급단계 이전에 수행되는 제3공급단계를 더 포함할 수 있다. 상기 제3공급단계는 상기 물탱크(500)에 수용된 물과, 상기 과산화수소탱크(600)에 수용된 과산화수소 또는 과산화수소 수용액을 혼합하여 상기 촉매부(700)에 공급하는 단계이다. 이때, 혼합되어 상기 촉매부(700)에 공급되는 과산화수소 수용액의 농도를 조절하면, 상기 촉매부(700)에서 생성되는 고온의 수증기 및 산소의 온도를 조절할 수 있다. 이는 과산화수소의 농도가 높을수록 고온의 분해열이 발생되기 때문이다.
사용자는 이를 이용하여 상기 촉매부(700)에서 상기 공기극(320)으로 공급되는 고온의 수증기 및 산소의 온도를 조절할 수 있는데, 이때 상기 고체산화물 연료전지(300)의 온도가 피드백 신호가 될 수 있다.
본 발명은 상기 제1공급단계 이전에 수행되는 제4공급단계를 더 포함할 수 있다. 상기 제4공급단계는 상기 촉매부(700)에서 과산화수소 분해를 통해 생성된 고온의 수증기 및 산소를 상기 개질부(200)에 공급하는 단계로써, 이는 상기 개질부(200)에서 일어나는 개질 과정이 상술한 ATR방식으로, 개질 과정 중 고온의 수증기 및 산소가 필요한 방식이기 때문이다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
10 : 양방향밸브
100 : 연료부
200 : 개질부
300 : 고체산화물 연료전지 310 : 연료극
320 : 공기극 330 : 전해질층
400 : 구동부
500 : 물탱크
600 : 과산화수소탱크
700 : 촉매부
800 : 제어부
900 : 공기공급부

Claims (10)

  1. 항공기에 사용되는 고체산화물연료전지시스템의 급속 시동 장치에 있어서,
    연료가 저장되는 연료부(100);
    상기 연료를 ATR(Auto Thermal Reforming)방식으로 개질시켜 개질가스를 생성하는 개질부(200);
    상기 개질부(200)로부터 상기 개질가스를 공급받는 연료극(310), 공기를 공급받는 공기극(320) 및 상기 연료극(310)과 공기극(320) 사이에 위치하여 수소와 산소를 이용해 물과 전기를 생성하는 전해질층(330)을 포함하는 고체산화물 연료전지(300);
    상기 고체산화물 연료전지(300)로부터 생성되는 전기로 구동되는 구동부(400);
    상기 고체산화물 연료전지(300)로부터 생성되는 물을 저장하는 물탱크(500);
    과산화수소 또는 과산화수소 수용액이 저장되는 과산화수소탱크(600);
    상기 과산화수소탱크(600)로부터 과산화수소 또는 과산화수소 수용액을 공급받고, 촉매를 이용해 과산화수소를 분해 시켜 생성된 고온의 수증기와 산소를 상기 공기극(320)으로 공급하는 촉매부(700);
    상기 공기극(320)으로 공기를 공급하는 공기공급부(900);
    제어부(800) 및 제어수단을
    를 포함하되,
    상기 물탱크(500)는 상기 촉매부(700)와 연결되어 상기 물탱크(500)에 저장된 물을 상기 촉매부(700)에 공급하여 상기 고체산화물 연료전지(300)에서 생성되는 물을 재활용 하고, 상기 제어부(800)는 상기 물탱크(500) 및 과산화수소탱크(600)에서 각각 공급받는 물과 과산화수소 또는 과산화수소 수용액을 혼합하여 상기 촉매부(700)로 보내는 과산화수소 수용액의 농도를 조절하며,
    상기 촉매부(700)는 상기 개질부(200)와 연결되어 과산화수소 분해반응에 의해 생성된 고온의 수증기 및 산소를 상기 개질부(200)로 공급하고,
    상기 제어수단은 상기 연료부(100)에서 개질부(200)로 공급되는 연료 대비 상기 촉매부(700)에서 생성되어 상기 개질부(200)로 공급되는 고온의 수증기 및 산소의 비율을 제어하는 것을 특징으로 하는 고체산화물연료전지시스템의 급속 시동 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서, 상기 제어부(800)는
    상기 고체산화물 연료전지(300)에 설치되어 상기 고체산화물 연료전지(300)의 온도를 전송하는 온도측정부를 포함하며,
    상기 온도측정부에서 전송된 상기 고체산화물 연료전지(300)의 온도를 기준으로 혼합되는 과산화수소 수용액의 농도를 조절하는 것을 특징으로 하는 고체산화물연료전지시스템의 급속 시동 장치.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1항에 있어서, 상기 공기공급부(900)는
    내부에 수용된 공기를 상기 물탱크(500)를 거쳐 상기 공기극(320)에 공급하는 것을 특징으로 하는 고체산화물연료전지시스템의 급속 시동 장치.
  7. 제 1항, 제3항, 제6항 중 어느 한 항의 고체산화물연료전지시스템의 급속 시동 장치를 이용한 고체산화물연료전지시스템의 급속 시동 방법에 있어서,
    상기 촉매부(700)에서 과산화수소 분해를 통해 생성된 고온의 수증기 및 산소를 상기 공기극(320)에 공급하고, 동시에 상기 공기공급부(900)에서 상기 공기극(320)에 공기를 공급하는 제1공급단계;
    상기 개질부(200)를 통해 상기 연료부(100)에 저장된 연료를 개질시켜 개질가스를 생성하는 개질가스 생성단계; 및
    상기 개질가스 생성단계에서 생성된 개질가스를 상기 연료극(310)에 공급하는 제2공급단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물연료전지시스템의 급속 시동 방법.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 고체산화물연료전지시스템의 급속 시동 방법은
    상기 제1공급단계 이전에 수행되며, 상기 물탱크(500)에 수용된 물과, 상기 과산화수소탱크(600)에 수용된 과산화수소 또는 과산화수소 수용액을 혼합하여 상기 촉매부(700)에 공급하는 제3공급단계
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물연료전지시스템의 급속 시동 방법.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 제3공급단계는
    상기 고체산화물 연료전지의 온도를 기준으로 혼합되는 과산화수소 수용액의 농도를 조절하는 것을 특징으로 하는 고체산화물연료전지시스템의 급속 시동 방법.
  10. 제 7항에 있어서, 상기 고체산화물연료전지시스템의 급속 시동 방법은
    상기 제1공급단계 이전에 수행되며, 상기 촉매부(700)에서 과산화수소 분해를 통해 생성된 고온의 수증기 및 산소를 상기 개질부(200)에 공급하는 제4공급단계
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물연료전지시스템의 급속 시동 방법.

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2006093157A (ja) * 2000-03-23 2006-04-06 Sanyo Electric Co Ltd 固体高分子型燃料電池システム
JP5342001B2 (ja) * 2008-08-27 2013-11-13 アライアント・テクシステムズ・インコーポレーテッド 発電及び電源用の水素及び酸素を製造するための方法及びシステム

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