KR102044766B1 - 안정적인 성능유지와 열효율이 향상된 고효율 연료전지시스템 - Google Patents

안정적인 성능유지와 열효율이 향상된 고효율 연료전지시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 안정적인 성능유지와 열효율이 향상된 고효율 연료전지시스템에 관한 것으로서, 95℃ 이하에서 작동하는 연료전지 스택 촉매 피독의 주원인인 일산화탄소를 개질 가스 내에서 효과적으로 완벽하게 제거하기 위하여 발열반응 특성을 갖는 선택산화 반응기의 정밀한 반응기 온도제어를 정밀하고 용이하게 유지할 수 있는 새로운 구조의 원통형 선택산화 반응기를 제공하고, 연료전지시스템 내부에서 발생하는 서로 다른 열원들과 열량들을 효과적으로 냉각, 회수할 목적으로, 탄화수소계 원료(LNG, LPG 등)를 수소가 풍부하게 함유된 개질가스(Reformate gas)로 개질하는 연료처리장치; 상기 연료처리장치의 고순도 수소와 산소의 전기화학반응에 의해 직류전력을 생산하며, 막전극접합체와 상기 막전극접합체의 양측에 배치되는 분리판을 포함하는 단위셀이 복수개 적층된 연료전지 스택; 상기 연료전지 스택에서 생산된 직류전력을 교류전력으로 변환하는 전력변환장치; 상기 연료전지스택에 공기를 공급하게 연결되는 공기공급장치; 상기 연료처리장치와 연료전지스택을 냉각하는 냉각장치; 상기 연료전지스택과 연료처리장치에서 발생하는 폐열을 회수하는 열회수장치; 상기 연료처리장치의 선택산화 반응기에 연료전지스택 냉각수 탱크와 연결된 배관과 열회수 열교환기 배관을 통하여 발생하는 열량에 비례하여 냉각 순환유량을 제어하는제어기;를 포함한다.

Description

안정적인 성능유지와 열효율이 향상된 고효율 연료전지시스템{ High Efficiency Fuel Cell System Improved Thermal Efficiency and Performance of the Maintenance}
본 발명은 안정적인 성능유지와 열효율이 향상된 고효율 연료전지시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수소와 산소의 전기화학반응으로 직류 전력을 생산하는 연료전지스택 성능에 결정적인 역할을 수행하는 연료처리장치 선택산화 반응기의 균일한 온도유지로 일산화탄소를 완벽히 제거하여 연료전지스택 촉매의 피독 현상을 없앨 수 있으며, 연료전지스택 및 연료처리장치에서 발생하는 서로 다른 온도의 열원들과 열량을 효과적으로 회수 할 수 있는 안정적인 성능유지와 열효율이 향상된 고효율 연료전지시스템에 관한 것이다.
연료전지(fuel cell)는 연료가스와 산화제가스의 전기화학반응을 통해 화학에너지를 전기에너지로 직접 변환시켜 주는 에너지 변환장치이다.
수소를 연료로 사용하는 연료전지에 있어서, 연료전지시스템의 연료처리장치에서 탄화수소계열의 연료를 개질(reforming)하여 수소를 생산한 후 이를 연료전지스택으로 공급하는 방법을 사용하고 있다.
그러나 탄화수소를 개질시킨 개질가스 내 일산화탄소는 연료전지 스택의 백금 촉매를 피독 시킴으로, 일산화탄소 농도를 최대한 낮출 수 있는 안정적인 제거 방법이 필요하다.
종래의 연료전지시스템 내의 연료처리장치는 탄화수소계열의 원료와 물을 600℃ ~ 700℃ 온도 범위에서 수소가 풍부한 개질가스로 변환하는 수증기개질(steam reforming) 반응기와 상기 반응 중에 생성되는 0.5 ~ 5% 일산화탄소를 200℃ ~ 350℃ 온도 범위에서 제거하는 수성가스전환(water gas shift) 반응기와 제거되고 남은 0.5%이하의 일산화탄소에 산소를 공급하여 이산화탄소로 변환하는 선택산화(preferential oxidation) 반응기 및 버너부로 구성되며, 연료전지 스택과 연료처리장치에서 발생하는 열원을 회수하는 열회수장치를 구성하여 전기와 온수를 생산하는 연료전지시스템이다.
하지만, 연료전지 스택의 촉매를 피독시키는 일산화탄소를 제거하기 위해서 연료처리장치의 선택산화 반응기는 개질 가스와 공기를 혼합한 후 일산화탄소 선택도가 높은 촉매를 이용하여 110℃ ~ 200℃ 온도 범위에서 개질가스로부터 일산화탄소를 제거해야 한다.
선택 산화 반응은 발열 반응이기 때문에 연료처리장치 용량이 증가할수록 균일한 반응 온도를 유지하는 것이 어려워, 온도에 민감한 반응이 일어나는 선택산화 반응기에서는 온도 범위에 따라 일산화탄소 제거 성능이 크게 저하되기 때문에 온도를 일정 범위 내로 유지하는 방법이 필요하다.
선택산화 반응기에서의 일산화탄소 저감 반응을 간략히 나타내면 다음과 같다.
[반응식 1]
CO + 1/2O2 ⇔ CO2
H2 + 1/2O2 ⇔ H2O
위의 반응식 1에서 알 수 있듯이, 선택산화 반응에는 개질가스에 함유된 일산화탄소를 선택적으로 산화 반응시키기 위해 산소가 필요하므로 외부의 공기가 개질가스와 함께 공급된다.
또한, 연료전지시스템에서 발생하는 열원들의 온도와 열량이 각 부분에서 전부 상이하여 외부온도나 공급되는 냉각수의 온도에 따라 연료전지시스템의 열효율과 발전효율에 커다란 영향을 미칠 수 있어, 안정적으로 열을 회수하는 방법에 대한 필요성이 대두되었다.
(0001) 대한민국 등록특허 제10-1127004호 (0002) 대한민국 등록특허 제10-0981517호
본 발명은 95℃이하에서 작동하는 연료전지 스택 촉매 피독의 주원인인 일산화탄소를 개질 가스 내에서 효과적으로 완벽하게 제거하기 위하여 발열반응 특성을 갖는 선택산화 반응기의 정밀한 반응기 온도 제어를 정밀하고 용이하게 유지할 수 있는 새로운 구조의 원통형 선택산화 반응기를 제공하고, 연료전지스택 및 연료처리장치 내부에서 발생하는 서로 다른 열원들과 열량들을 효과적으로 냉각, 회수시킬 수 있는데 그 목적이 있다.
본 발명은 연료처리장치의 선택산화 반응기의 안정적인 성능 유지를 위하여 발생하는 열량만큼 냉각하기 위해 연료전지스택 냉각수 탱크와 연결된 배관을 통하여 선택산화 반응기에서 발생하는 열량에 비례하여 냉각 순환유량을 제어하는 냉각장치를 구성하여 열회수장치에서 폐열을 회수할 수 있는데, 그 목적이 있다.
본 발명은 연료처리장치의 선택산화 반응기 온도를 정밀 제어하기 위해, 개질가스 통로로 사용되는 다수 개의 원형관들의 주위 공간에 스테인레스 울(wool), 니켈메쉬, 니켈폼 등을 충진하여 간접방식으로 냉각수를 순환시켜 선택산화 반응기 온도를 정밀 제어하여 일산화탄소를 완벽하게 제거하여 안정적인 성능유지와 열효율이 향상된 고효율 연료전지시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 연료전지스택과 연료처리장치에서 발생하는 서로 다른 온도의 열원들과 열량을 효과적으로 회수 할 수 있는데, 그 목적이 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 수단으로 본 발명은 탄화수소계 원료(LNG, LPG)를 수소가 풍부하게 함유된 개질가스(Reformate gas)로 개질하는 연료처리장치; 상기 연료처리장치의 고순도 수소와 산소의 전기화학반응에 의해 직류전력을 생산하며, 막전극접합체와 상기 막전극접합체의 양측에 배치되는 분리판을 포함하는 단위셀이 복수개 적층된 연료전지 스택; 상기 연료전지 스택에서 생산된 직류전력을 교류전력으로 변환하는 전력변환장치; 상기 연료전지스택에 공기를 공급하게 연결되는 공기공급장치; 상기 연료전지스택 및 연료처리장치에서 발생하는 폐열을 회수하는 열회수장치; 상기 연료처리장치의 선택산화 반응기에 연료전지스택 냉각수 탱크와 연결된 배관과 열교환기와 연결된 배관을 통하여 발생하는 열량에 비례하여 냉각 순환유량을 제어하는 제어기;를 포함한다.
상기 연료처리장치는 수증기개질(steam reforming) 반응기와, 개질가스의 일산화탄소를 제거하는 수성가스전환(water gas shift) 반응기와, 선택산화(preferential oxidation) 반응기 및 버너부를 포함하며, 상기 선택산화 반응기는 개질가스의 통로가 다수 개의 원형 관들로 구성되며 연료전지스택 냉각수와 연결된 순환 배관을 구비한다.
상기 제어기는 선택산화 반응기의 냉각수 배관과 연료전지스택의 냉각수 배관 및 열교환기의 순환배관 구조를 통해 하나의 냉각수 탱크에서 제 1 및 제 2 냉각펌프의 유량을 조절하며, 서로 다른 열량을 갖는 연료전지스택과 연료처리장치의 선택산화 반응기의 온도를 제어하도록 상기 연료전지스택과 연료처리장치의 선택산화 반응기의 온도센서로부터 획득된 값을 입력받아 제어부로 전송하는 입력부; 상기 연료전지스택과 연료처리장치의 선택산화 반응기에 대한 적정 온도범위를 설정하는 설정부; 상기 제어부로부터 전송된 온도센서의 입력값과 설정부의 설정 온도를 비교하는 비교부; 상기 비교부의 비교 결과값을 연산하여 제어부로 전송하는 연산부; 상기 연산부의 결과에 따라 냉각수 또는 물 순환유량을 제어하도록 제어신호를 발생하는 구동부; 및 이들 각 부를 통합 제어하는 제어부;를 더 포함한다.
상기 선택산화 반응기 내부에는 개질가스의 통로 역할을 하는 원형관(701)이 다수개로 구성되어 있으며, 선택산화 촉매(702)로 충진된 원형관 내부, 다수의 원형관들과 상기 원형관들의 주위 공간에 연료전지스택 냉각수가 순환할 수 있는 열교환부(703)로 구성되어 있으며, 제2냉각펌프(302)를 통해 선택산화 반응기로 공급된 뒤 열교환부(703)를 지나 열교환기(304)로 이동하는 연료전지스택 냉각수를 포함한다.
내부가 촉매(702)로 충진된 다수의 원형관(701)들과 상기 원형관들의 주위 공간에 스테인레스 울, 니켈메쉬, 니켈폼 중 한 종류 또는 한 종류 이상으로 혼합된 충진재(704)를 충진한 1차 열교환부(705)와, 연료전지스택 냉각수가 순환할 수 있는 환형 2차 열교환부(706)로 구성되는 선택산화 반응기 내부와, 제2냉각펌프(302)를 통해 선택산화 반응기로 공급된 뒤 2차 열교환부(706)를 순환한 후 열교환기(304)로 이동하는 연료전지 스택 냉각수를 더 포함한다.
상기 선택산화 촉매로 충진된 원형관(701) 내부에서는 촉매(702)에 의한 반응가스의 발열반응이 진행되고 원형관의 온도가 상승하게 되며, 발열반응을 통해 발생된 열은 1차 열교환을 통해 충진재(704)가 충진된 1차 열교환부(705)로 이동하여 반응기의 반응온도가 정밀하게 유지되며, 상기 1차 열교환부로 이동한 열은 2차 열교환을 통해 연료전지스택 냉각수가 채워진 2차 열교환부(706)로 이동하여 1차 열교환부의 온도를 안정적으로 유지한다.
상기 열회수장치는 연료전지스택에서 발생하는 폐열을 회수하는 제 1 냉각펌프(301), 열교환기(304)와, 선택산화 반응기를 냉각하는 제 2 냉각펌프(302)와, 연료처리장치에서 발생하는 폐열을 회수하는 제 3 냉각펌프(601), 복수의 열교환기들(306, 307, 308, 309)과, 온수저장탱크(305)의 물을 열교환기(304)로 공급한 후 연료전지스택과 선택산화 반응기에서 회수된 열원을 온수저장탱크(305)로 이송시켜 축열시키는 제 4 냉각펌프(602)와, 제 5 냉각펌프(603) 및 공랭식열교환기(604)로 구성되는 것을 더 포함한다.
상기 열회수장치에 있어서, 연료전지 스택에서 사용되지 않은 가스(anode off gas)를 연료처리장치 버너로 공급하기 전에 가스에 포함된 수분을 제거하기 위해 가스의 열을 회수하는 제 1열교환기(306)와, 200℃ ~ 350℃ 온도 범위에서 일산화탄소를 제거하는 수성가스전환(water gas shift) 반응기에서 나온 가스가 110 ~ 200℃ 정도의 온도 범위에서 작동하는 선택산화 반응기로 유입되기 전 가스의 열을 회수하는 제 2열교환기(307)와, 110 ~ 200℃ 정도의 온도 범위에서 일산화탄소를 제거하는 선택산화 반응기에서 나온 가스가 95℃ 이하의 온도 범위에서 전기화학반응을 통해 직류전력을 생산하는 연료전지스택으로 유입되기 전 가스의 열을 회수하는 제 3열교환기(308)와, 연료전지스택에서 전기화학반응으로 전력생산 시 공급되는 공기 중, 소모되지 않아 배출되는 잉여 공기와 버너에서 배출되는 배기가스의 열을 회수하는 제 4열교환기(309)를 더 포함한다.
상기 제 1열교환기(306)부터 제 4열교환기(309)까지는 하나의 배관을 통하여 순서대로 연결된 구성을 더 포함하는 안정적인 성능유지와 열효율이 향상된다.
상기 온수저장탱크(305)의 물을 제 1열교환기(306)로 공급하여 제 4 열교환기(309)까지 순환시켜 폐열을 회수한 후 다시 온수저장탱크(305)로 열원을 축열하는 제 3냉각펌프(601)를 더 포함한다.
상기 온수저장탱크(305)의 물을 제 4냉각펌프(602)를 통해 열교환기(304)로 공급한 후 연료전지스택과 선택산화 반응기에서 회수된 열원을 온수저장탱크(305)로 이송시켜 축열하는 역할을 하는 과정에서 연료전지스택과 선택산화 반응기에서 회수된 열원에 의해 냉각수의 온도가 올라가면 그에 비례하여 제 4냉각펌프(602)의 유량 제어를 통해 냉각수의 열을 효과적으로 회수하는 제 4냉각펌프(602)를 포함한다.
상기 온수저장탱크의 하단부로부터 제 3 및 제 4냉각펌프들로 공급되는 물을 공랭식열교환기를 이용하여 폐열을 외부로 방출하고 냉각된 물을 제 3 및 제 4냉각펌프들에 공급하는 제 5 냉각펌프를 더 포함한다.
연료전지시스템의 정상적인 작동을 위해 각 열교환기에서 요구되는 열교환 열량은 제 1열교환기(306)로부터 제 4열교환기(309)로 갈수록 감소하므로 각 열교환기의 열량에 비례하여 열을 회수하는 물이 순환하는 배관의 순서를 배치하여 하나의 배관을 통해 서로 다른 열원들과 열량들을 효과적으로 냉각, 회수한다.
본 발명에 의하면, 수소와 산소의 전기화학반응으로 직류 전력을 생산하는 연료전지시스템에서 탄화수소계열의 원료(LNG,LPG등)를 사용 시에 필연적으로 발생하는 일산화탄소를 효과적으로 완벽하게 제거하여 안정적인 연료전지스택 성능을 유지시킬 수 있는 현저한 효과가 있다.
또한, 본 발명은 선택산화 반응기에서 발생하는 열원 회수뿐만 아니라, 연료전지스택과 연료처리장치에서 발생하는 서로 다른 온도의 열원들과 열량을 열회수장치의 냉각수 및 물의 온도에 관계없이 효과적으로 회수 할 수 있도록 냉각라인들을 구성하여 고효율 연료전지시스템을 안정적이며 효율적으로 운영 및 유지할 수 있다.
또한, 본 발명은 95℃이하에서 작동하는 연료전지 스택 촉매 피독의 주원인인 일산화탄소를 개질 가스 내에서 효과적으로 완벽하게 제거하기 위하여 발열반응 특성을 갖는 선택산화 반응기의 정밀한 반응기 온도 제어를 정밀하고 용이하게 유지할 수 있는 새로운 구조의 원통형 선택산화 반응기를 제공하고, 연료전지스택 및 연료처리장치에서 발생하는 서로 다른 열원들과 열량들을 효과적으로 냉각, 회수시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 연료전지시스템의 안정적인 성능 유지와 연료처리장치에서 발생할 수 있는 일산화탄소 연료전지 촉매 피독 문제를 제거할 수 있으므로 연료전지시스템 내구성과 열효율을 획기적으로 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 안정적인 성능유지와 열효율이 향상된 고효율 연료전지시스템의 개략적인 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 제 1실시형태에 관한 연료전지시스템 선택산화 반응기의 유량제어에 대한 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 제 2실시형태에 관한 연료전지시스템 선택산화 반응기의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 제 3실시형태에 관한 연료전지시스템 선택산화 반응기 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 제 3실시형태에 관한 연료전지시스템의 선택산화 반응기의 열교환에 대한 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.
도 6는 본 발명의 연료전지 시스템에서 발생하는 폐열을 회수하는 열회수장치의 개략적인 구성을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 연료전지 시스템에서 냉각 순환유량을 제어하는 제어기 구성을 나타낸 도면이다.
본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다.
본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다.
따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어 표현될 수 있다. 각 도면에서 동일한 부재는 동일한 참조부호로 도시한 경우가 있음을 유의하여야 한다. 또한, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략된다.
도 1은 본 발명의 안정적인 성능유지와 열효율이 향상된 고효율 연료전지시스템의 개략적인 구성을 나타낸 도면으로, 본 발명은 고효율 연료전지시스템은 탄화수소계 원료(LNG, LPG)를 수소가 풍부하게 함유된 개질가스(Reformate gas)로 개질하는 연료처리장치(100); 상기 연료처리장치의 고순도 수소와 산소의 전기화학반응에 의해 직류전력을 생산하며, 막전극접합체와 상기 막전극접합체의 양측에 배치되는 분리판을 포함하는 단위셀이 복수개 적층된 연료전지 스택(200); 상기 연료전지 스택에서 생산된 직류전력을 교류전력으로 변환하는 전력변환장치(400); 상기 연료전지스택에 공기를 공급하게 연결되는 공기공급장치; 상기 연료처리장치의 선택산화 반응기에 연료전지스택 냉각수 탱크(300)와 연결된 배관과 열회수 열교환기 배관을 통하여 발생하는 열량에 비례하여 냉각 순환유량을 제어하는 제어기(500); 상기 연료전지스택 및 연료처리장치에서 발생하는 폐열을 회수하는 열회수장치;를 포함하여 이루어진다.
상기 연료처리장치(100)는 탄화수소 계열의 발전원료(LNG, LPG))에 물을 첨가하여 수소가 많은 가스로 개질하는 장치로서, 수증기개질(steam reforming) 반응기와, 개질가스의 일산화탄소를 제거하는 수성가스전환(water gas shift) 반응기와, 선택산화(preferential oxidation) 반응기 및 버너부를 포함한다.
상기 수증기개질(SR) 반응기에 탄화수소계열의 원료(LNG, LPG 등)를 공급할 때, 부취제 성분인 황성분을 제거하기 위한 탈황기(101), 압력센서(102), 연료 부스팅 펌프(104), 솔레노이드밸브가 구성되며, 수증기개질 반응기에 물을 공급하기 위한 정량수펌프(303)와, 버너부로 원료를 공급하기 위한 유량제어장치(103) 등으로 구성된다.
상기 연료처리장치(100) 및 연료전지스택(200)에 공기를 공급할 때, 개질기 버너펌프(202), 선택산화(PROX) 펌프(203), 스택 공기펌프(204) 등으로 구성된다.
상기 열회수장치에서, 연료전지스택에서 발생하는 폐열을 회수하는 제 1 냉각펌프(301), 열교환기(304)와, 온수저장탱크(305)와, 열회수장치의 온수저장탱크 축열이 완료되면, 축적된 폐열을 방출하기 위한 제 5 냉각펌프(603) 및 공랭식열교환기(604)로 이루어진다.
상기 탄화수소 계열의 연료 공급에 있어서, 탄화수소 계열의 원료의 이동경로는 발전원료라인으로부터 탈황기(101)로 공급된 후 연료 부스팅 펌프(104)를 통해 연료처리장치로(100)로 이동한다. 그리고 연료처리장치 내에서 수증기개질(SR) 반응기, 수성가스전환(WGS) 반응기 및 선택산화(Prox) 반응기를 차례로 거쳐 수소가 많은 가스로 개질된 연료는 연료전지스택(200)으로 공급된다.
상기 연료처리장치(100) 및 연료전지스택(200)에 공기 공급에 있어서, 공기의 이동경로는 공기라인으로부터 일부는 개질기 버너 펌프(202)를 거쳐 연료를 점화하는 버너부로 공급되고, 일부는 선택산화 펌프(203)를 거쳐 일산화탄소를 제거하는 선택산화 반응기로 공급되고, 나머지 일부는 스택공기펌프(204)를 거쳐 전기화학반응이 일어나는 연료전지스택(200)으로 공급된다.
상기 열회수장치에 있어서, 냉각수의 이동경로는 일 예로 냉각수 탱크(300)에서 제1냉각펌프(301)를 통해 연료전지스택(200)으로 공급된 후 열교환기(304)로 이동하며, 열교환기(304)에서 폐열을 방출한 냉각수는 다시 냉각수 탱크로 순환하는 것으로 구성된다. 또한, 냉각수의 폐열을 회수한 물이 저장된 온수저장탱크의 축열이 완료되면, 제 5 냉각펌프는 공랭식 열교환기를 이용하여 폐열을 외부로 방출하고 냉각된 물을 열교환기(304)와 온수저장탱크(305)로 다시 순환시킨다.
도 2는 본 발명의 제 1실시형태에 관한 연료전지시스템 선택산화 반응기의 유량제어에 대한 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.
도시한 바와 같이 직류전력을 생산하는 연료전지스택(200)과, 탄화수소 계열의 발전원료(LNG, LPG))에 물을 첨가하여 수소가 많은 가스로 개질하는 연료처리장치(100)와, 연료처리장치(100) 내의 수증기개질(SR) 반응기와, 개질가스의 일산화탄소를 제거하는 수성가스전환(WGS) 반응기와, 선택산화(Prox) 반응기 및 버너부와, 냉각수탱크(300) 등으로 구성된다.
또한, 연료전지스택에서 발생하는 폐열을 회수하는 제 1 냉각펌프(301)와, 선택산화 반응기를 냉각하는 제 2 냉각펌프(302)로 구성되며, 선택산화 반응기 냉각수 배관이 연료전지스택 냉각수 배관 및 열교환기(304)와 순환배관 구조를 구비하는 것을 특징으로 한다. 또한 도시하지 않았지만 공기펌프들, 가스펌프 및 솔레노이드밸브, 온도센서, 압력센서와 같은 각 종 BOPs(balance of plants)와 제어기(500) 등으로 구성되는 것을 포함한다.
상기 선택산화 반응기의 온도제어에 있어서, 연료전지스택(200)은 수소와 산소의 전기화학반응을 통해 직류전력과 열을 생산하는 기능을 수행한다. 제 1냉각펌프(301)는 냉각수 탱크(300)의 냉각수를 연료전지스택으로 순환시키고, 제 2냉각펌프(302)는 냉각수 탱크(300)의 냉각수를 연료처리장치의 선택산화 반응기로 순환시키는 기능을 수행한다. 열교환기(304)는 연료전지스택 또는 선택산화 반응기를 순환한 냉각수와의 열교환을 통해 폐열을 회수하는 기능을 수행한다. 도시하지는 않았지만 온도센서들은 선택산화 반응기 내부 온도 또는 선택산화 반응기에서 반응이 완료되어 연료전지스택으로 공급되는 개질가스의 온도를 측정하는 기능을 수행한다. 제어기(500)는 온도센서들에서 측정된 온도 값과 설정된 값을 비교하여 제 2 냉각펌프(302)의 유량을 제어함으로써, 선택산화 반응기의 온도를 조절하는 기능을 수행하는 것을 포함한다.
선택산화 반응기의 온도제어 방법의 일 예로, 선택산화 반응기 내에서 발열반응인 일산화탄소제거 반응이 시작되어 반응기 내부 온도가 상승하면 온도센서가 이를 감지하게 되고 제어기(500)는 이 측정 값을 설정 값과 비교한 후 제 2냉각펌프의 유량을 조절하여 반응기의 온도를 정밀하고 일정하게 유지시키게 된다.
또한, 본 발명은 선택산화 반응기 냉각수 배관과 연료전지스택(200) 냉각수 배관 및 열교환기(304)와 순환배관 구조를 통해 하나의 냉각수 탱크에서 제 1 및 제 2 냉각펌프의 유량을 조절함으로써, 서로 다른 열량을 갖는 연료전지스택(200)과 연료처리장치(100)내 선택산화 반응기의 온도를 안정적이고 정밀하게 제어할 수 있다.
상기 선택산화(Prox) 반응기는 개질가스의 통로가 다수 개의 원형관(701)들로 구성되며 연료전지스택 및 냉각수 탱크와 연결된 순환 배관을 구비한다.
본 발명의 다른 측면에서는 연료처리장치의 선택산화 반응기에서 연료전지스택(200) 및 냉각수 탱크(300)와 연결된 배관과 열교환기(304)의 배관을 통하여 발생하는 열량에 비례하여 제어기(500)가 냉각 순환유량을 제어하여 일정한 온도를 유지하게 한다.
도 3은 본 발명의 제 2실시형태에 관한 연료전지시스템 선택산화 반응기의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다. 상기 선택산화 반응기 내부에는 개질가스의 통로 역할을 하는 원형관(701)이 다수개로 구성되어 있으며, 선택산화 촉매(702)로 충진된 원형관 내부, 다수의 원형관들과 상기 원형관들의 주위 공간에 연료전지스택 냉각수가 순환할 수 있는 열교환부(703)로 구성되어 있으며, 제2냉각펌프(302)를 통해 선택산화 반응기로 공급된 뒤 열교환부(703)를 지나 열교환기(304)로 이동하는 것을 특징으로 한다.
도 4는 본 발명의 제 3실시형태에 관한 연료전지시스템 선택산화 반응기 개략적인 구성을 나타내는 도면이다. 상기 선택산화 반응기 내부에는 내부가 촉매(702)로 충진된 다수의 원형관(701)들과 상기 원형관들의 주위 공간에 스테인레스 울, 니켈메쉬, 니켈폼 중 한 종류 또는 한 종류 이상으로 혼합된 충진재(704)를 충진한 1차 열교환부(705)와, 연료전지스택 냉각수가 순환할 수 있는 환형 2차 열교환부(706)로 구성되는 선택산화 반응기 내부와, 제2냉각펌프(302)를 통해 선택산화 반응기로 공급된 뒤 2차 열교환부(706)를 순환한 후 열교환기(304)로 이동하는 것을 특징으로 한다.
도 5는 본 발명의 제 3실시형태에 관한 연료전지시스템의 선택산화 반응기의 열교환에 대한 개략적인 구성을 나타내는 도면이다. 상기 선택산화 반응기 내 열교환 방법에 있어서, 선택산화 촉매로 충진된 원형관(701) 내부에서는 촉매(702)에 의한 반응가스의 발열반응이 진행되고 원형관의 온도가 상승하게 되며, 발열반응을 통해 발생된 열은 1차 열교환을 통해 충진재(704)가 충진된 1차 열교환부(705)로 이동하여 반응기의 반응온도가 정밀하게 유지되며, 상기 1차 열교환부로 이동한 열은 2차 열교환을 통해 연료전지스택 냉각수가 채워진 2차 열교환부(706)로 이동하여 1차 열교환부의 온도를 안정적으로 유지한다.
도 4 및 도 5에서와 같이, 본 발명의 또 다른 측면에서는 연료처리장치의 선택산화 반응기 내에, 다수 개의 개질가스 통로인 원형 관들의 주위 공간에 스테인레스 울(wool), 니켈메쉬, 니켈폼 등을 충진하여 간접방식으로 냉각수를 순환시켜 선택산화 반응기 온도를 제어하는 것이다.
도 6는 본 발명의 연료전지 시스템에서 발생하는 폐열을 회수하는 열회수장치의 개략적인 구성을 나타낸 도면이다.
상기 열회수장치는 연료전지스택에서 발생하는 폐열을 회수하는 제 1 냉각펌프(301), 열교환기(304)와, 선택산화 반응기를 냉각하는 제 2 냉각펌프(302)와, 연료처리장치에서 발생하는 폐열을 회수하는 제 3 냉각펌프(601), 복수의 열교환기들(306, 307, 308, 309)과, 제 4 냉각펌프(602)와, 제 5 냉각펌프(603) 및 공랭식열교환기(604)로 이루어진다.
상기 열회수장치에 있어서, 연료전지스택 및 선택산화 반응기의 열회수장치는 도 1 및 도 2의 주된 구성요소와 동일한 구조로 이루어지므로 동일한 구조에 대한 중복된 설명은 생략한다.
상기 열회수장치에서, 제 1열교환기(306)는 연료전지 스택에서 사용되지 않은 가스(anode off gas)를 연료처리장치 버너로 공급하기 전에 가스에 포함된 수분을 제거하기 위해 가스의 열을 회수한다.
제 2열교환기(307)는 200℃ ~ 350℃ 온도 범위에서 일산화탄소를 제거하는 수성가스전환(water gas shift) 반응기에서 나온 가스가 110 ~ 200℃ 정도의 온도 범위에서 작동하는 선택산화 반응기로 유입되기 전 가스의 열을 회수한다.
제 3열교환기(308)는 110 ~ 200℃ 정도의 온도 범위에서 일산화탄소를 제거하는 선택산화 반응기에서 나온 가스가 95℃ 이하의 온도 범위에서 전기화학반응을 통해 직류전력을 생산하는 연료전지스택으로 유입되기 전 가스의 열을 회수하는 역할을 한다.
제 4열교환기(309)는 연료전지스택에서 전기화학반응으로 전력생산 시 공급되는 공기 중, 소모되지 않아 배출되는 잉여 공기와 버너에서 배출되는 배기가스의 열을 회수한다.
상기 제 1열교환기(306)부터 제 4열교환기(309)까지는 하나의 배관을 통하여 순서대로 연결되어 있으며, 제 3냉각펌프(601)는 온수저장탱크(305)의 물을 제 1 열교환기(306)로 공급하여 제 4 열교환기(309)까지 순환시켜 폐열을 회수한 후 다시 온수저장탱크(305)로 열원을 축열할 수 있도록 한다.
연료전지시스템의 정상적인 작동을 위해 각 열교환기에서 요구되는 열교환 열량은 제 1열교환기(306)로부터 제 4열교환기(309)로 갈수록 감소하므로 각 열교환기의 열량에 비례하여 열을 회수하는 물이 순환하는 배관의 순서를 배치하여 하나의 배관을 통해 서로 다른 열원들과 열량들을 효과적으로 냉각, 회수 할 수 있다.
제 4냉각펌프(602)는 온수저장탱크(305)의 물을 열교환기(304)로 공급한 후 연료전지스택과 선택산화 반응기에서 회수된 열원을 온수저장탱크(305)로 이송시켜 축열하는 역할을 하는 과정에서 연료전지스택과 선택산화 반응기에서 회수된 열원에 의해 냉각수의 온도가 올라가면 그에 비례하여 제 4냉각펌프(602)의 유량 제어를 통해 회수된 열원을 효과적으로 처리함으로써, 냉각수의 적정 온도를 유지할 수 있다.
제 5 냉각펌프는 온수저장탱크(305)의 하단부로부터 제 3 및 제 4냉각펌프(601, 602)로 공급되는 물을 공랭식열교환기를 이용하여 폐열을 외부로 방출하고 냉각된 물을 제 3 및 제 4냉각펌프(601, 602)로 공급한다.
즉, 상기 열회수장치는 제 1냉각펌프(301) 및 제 2냉각펌프(302)로 냉각수 탱크(300)의 냉각수를 순환시켜 연료전지스택(200)과 선택산화 반응기의 폐열을 회수할 수 있으며, 제 3냉각펌프(601)로 온수저장탱크(305)의 물을 순환시켜 연료처리장치의 폐열을 회수할 수 있고, 제 4냉각펌프(602)로 온수저장탱크(305)의 물을 순환시켜 열교환기(305)에서 냉각수의 열을 회수할 수 있도록 하며, 제 5냉각펌프로 온수저장탱크(305)의 폐열을 제거 할 수 있다.
또한, 제어기(500)를 이용하여 각 냉각펌프의 유량을 제어함으로써 냉각수 및 물의 온도에 상관없이 서로 다른 열원의 폐열을 회수함으로써 고효율 연료전지시스템을 제공할 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 상기 제어기(500)는 연료전지스택과 연료처리장치의 선택산화 반응기의 온도센서, 압력센서로부터 획득된 값을 입력받아 제어부로 전송하는 입력부; 상기 연료전지스택과 연료처리장치의 선택산화 반응기에 대한 적정 온도범위를 설정하는 설정부(520); 상기 제어부로부터 전송된 온도센서, 압력센서의 입력값과 설정부의 설정 온도를 비교하는 비교부(540); 상기 비교부의 비교 결과값을 연산하여 제어부로 전송하는 연산부(530); 상기 연산부의 결과에 따라 냉각 순환유량을 제어하도록 제어신호를 발생하는 구동부(550); 및 이들 각 부를 통합 제어하는 제어부(560)를 포함하며, 선택산화 반응기의 냉각수 배관과 연료전지스택의 냉각수 배관 및 열교환기(304)의 순환배관 구조를 통해 하나의 냉각수 탱크에서 제 1 및 제 2 냉각펌프의 유량을 조절하며, 서로 다른 열량을 갖는 연료전지스택과 연료처리장치의 선택산화 반응기의 온도를 설정값의 온도 범위 내로 유지하도록 제어한다.
본 발명은 연료전지스택 촉매 피독을 방지하기 위해, 일산화탄소를 제거하는 선택산화 반응기가 반응온도인 110~200℃ 정도인 것을 감안하면, 연료전지스택 냉각수를 활용하여 별도의 제 2냉각펌프(302)의 유량제어로 반응온도를 균일하게 유지할 수 있으며, 1차 열교환부(705)와 2차 열교환부(706)로 구성된 선택산화 반응기는 더욱 정밀한 반응온도를 제어할 수 있어, 연료처리장치에서 발생하는 일산화탄소를 완벽하게 제거할 수 있다.
또한, 연료전지스택 및 연료처리장치에서 발생하는 서로 다른 온도의 열원들과 열량을 냉각수 및 물 온도에 관계없이 효과적으로 회수 할 수 있다.
해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명에 의한 고효율 연료전지시스템을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음은 당연하다.
100 : 연료처리장치
200 : 연료전지스택
300 : 냉각수 탱크
- 301 : 제 1 냉각펌프 - 302 : 제 2 냉각펌프
- 303 : 정량수펌프 - 304 : 열교환기
- 305 : 온수저장탱크 - 306 : 제 1열교환기
- 307 : 제 2열교환기 - 308 : 제 3열교환기
- 309 : 제 4열교환기
400 : 전력변환기
500: 제어기
- 510 : 입력부 - 520 : 설정부
- 530 : 연산부 - 540 : 비교부
- 550 : 구동부 - 560 : 제어부
601 : 제 3냉각펌프
602 : 제 4냉각펌프
603 : 제 5냉각펌프

Claims (13)

  1. 탄화수소계 원료(LNG, LPG)를 수소가 풍부하게 함유된 개질가스(Reformate gas)로 개질하는 연료처리장치;
    상기 연료처리장치의 고순도 수소와 산소의 전기화학반응에 의해 직류전력을 생산하며, 막전극접합체와 상기 막전극접합체의 양측에 배치되는 분리판을 포함하는 단위셀이 복수개 적층된 연료전지 스택;
    상기 연료전지 스택에서 생산된 직류전력을 교류전력으로 변환하는 전력변환장치;
    상기 연료전지스택에 공기를 공급하게 연결되는 공기공급장치;
    상기 연료처리장치 및 연료전지스택에서 발생하는 폐열을 회수하는 열회수장치;
    상기 연료처리장치의 선택산화 반응기에 연료전지스택 냉각수 탱크와 연결된 배관과 열교환기와 연결된 배관을 통하여 발생하는 열량에 비례하여 냉각 순환유량을 제어하는 제어기;
    상기 제어기는 선택산화 반응기의 냉각수 배관과 연료전지스택의 냉각수 배관 및 열교환기의 순환배관 구조를 통해 하나의 냉각수 탱크에서 제 1 및 제 2 냉각펌프의 유량을 조절하며, 서로 다른 열량을 갖는 연료전지스택과 연료처리장치의 선택산화 반응기의 온도를 제어하도록 상기 연료전지스택과 연료처리장치의 선택산화 반응기의 온도센서로부터 획득된 값을 입력받아 제어부로 전송하는 입력부;
    상기 연료전지스택과 연료처리장치의 선택산화 반응기에 대한 적정 온도범위를 설정하는 설정부;
    상기 제어부로부터 전송된 온도센서의 입력값과 설정부의 설정 온도를 비교하는 비교부;
    상기 비교부의 비교 결과값을 연산하여 제어부로 전송하는 연산부;
    상기 연산부의 결과에 따라 냉각수 또는 물 순환유량을 제어하도록 제어신호를 발생하는 구동부; 및 이들 각 부를 통합 제어하는 제어부;를 더 포함하는 안정적인 성능유지와 열효율이 향상된 고효율 연료전지시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 연료처리장치는 수증기개질(steam reforming) 반응기와, 개질가스의 일산화탄소를 제거하는 수성가스전환(water gas shift) 반응기와, 선택산화(preferential oxidation) 반응기 및 버너부를 포함하며,
    상기 선택산화 반응기는 개질가스의 통로가 다수 개의 원형 관들로 구성되며 연료전지스택 냉각수와 연결된 순환 배관을 구비하는 것을 특징으로 하는 안정적인 성능유지와 열효율이 향상된 고효율 연료전지시스템.
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 선택산화 반응기의 내부에는 개질가스의 통로 역할을 하는 원형관(701)이 다수개로 구성되어 있으며, 선택산화 촉매(702)로 충진된 원형관 내부, 다수의 원형관들과 상기 원형관들의 주위 공간에 연료전지스택 냉각수가 순환할 수 있는 열교환부(703)로 구성되어 있으며, 제2냉각펌프(302)를 통해 선택산화 반응기로 공급된 뒤 열교환부(703)를 지나 열교환기(304)로 이동하는 연료전지스택 냉각수를 더 포함하는 안정적인 성능유지와 열효율이 향상된 고효율 연료전지시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    내부가 촉매(702)로 충진된 다수의 원형관(701)들과 상기 원형관들의 주위 공간에 스테인레스 울, 니켈메쉬, 니켈폼 중 한 종류 또는 한 종류 이상으로 혼합된 충진재(704)를 충진한 1차 열교환부(705)와, 연료전지스택 냉각수가 순환할 수 있는 환형 2차 열교환부(706)로 구성되는 선택산화 반응기 내부와, 제2냉각펌프(302)를 통해 선택산화 반응기로 공급된 뒤 2차 열교환부(706)를 순환한 후 열교환기(304)로 이동하는 연료전지스택 냉각수를 더 포함하는 안정적인 성능유지와 열효율이 향상된 고효율 연료전지시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 선택산화 촉매로 충진된 원형관(701) 내부에서는 촉매(702)에 의한 반응가스의 발열반응이 진행되고 원형관의 온도가 상승하게 되며, 발열반응을 통해 발생된 열은 1차 열교환을 통해 충진재(704)가 충진된 1차 열교환부로 이동하여 반응기의 반응온도가 정밀하게 유지되며,
    상기 1차 열교환부로 이동한 열은 2차 열교환을 통해 연료전지스택 냉각수가 채워진 2차 열교환부로 이동하여 1차 열교환부의 온도를 안정적으로 유지하는 것을 특징으로 하는 안정적인 성능유지와 열효율이 향상된 고효율 연료전지시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 열회수장치는 연료전지스택에서 발생하는 폐열을 회수하는 제 1 냉각펌프(301), 열교환기(304)와, 선택산화 반응기를 냉각하는 제 2 냉각펌프(302)와, 연료처리장치에서 발생하는 폐열을 회수하는 제 3 냉각펌프(601), 복수의 열교환기들(306, 307, 308, 309)과, 온수저장탱크(305)의 물을 열교환기(304)로 공급한 후 연료전지스택과 선택산화 반응기에서 회수된 열원을 온수저장탱크(305)로 이송시켜 축열시키는 제 4 냉각펌프(602)와, 제 5 냉각펌프(603) 및 공랭식열교환기(604)로 구성되는 것을 더 포함하는 안정적인 성능유지와 열효율이 향상된 고효율 연료전지시스템.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 열회수장치에서, 연료전지 스택에서 사용되지 않은 가스(anode off gas)를 연료처리장치 버너로 공급하기 전에 가스에 포함된 수분을 제거하기 위해 가스의 열을 회수하는 제 1열교환기(306)와, 200℃ ~ 350℃ 온도 범위에서 일산화탄소를 제거하는 수성가스전환(water gas shift) 반응기에서 나온 가스가 110 ~ 200℃ 정도의 온도 범위에서 작동하는 선택산화 반응기로 유입되기 전 가스의 열을 회수하는 제 2열교환기(307)와, 110 ~ 200℃ 정도의 온도 범위에서 일산화탄소를 제거하는 선택산화 반응기에서 나온 가스가 95℃ 이하의 온도 범위에서 전기화학반응을 통해 직류전력을 생산하는 연료전지스택으로 유입되기 전 가스의 열을 회수하는 제 3열교환기(308)와, 연료전지스택에서 전기화학반응으로 전력생산 시 공급되는 공기 중, 소모되지 않아 배출되는 잉여 공기와 버너에서 배출되는 배기가스의 열을 회수하는 제 4열교환기(309)를 더 포함하는 안정적인 성능유지와 열효율이 향상된 고효율 연료전지시스템.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 제 1열교환기(306)부터 제 4열교환기(309)까지는 하나의 배관을 통하여 순서대로 연결된 구성을 더 포함하는 안정적인 성능유지와 열효율이 향상된 고효율 연료전지시스템.
  10. 청구항 7에 있어서,
    상기 온수저장탱크(305)의 물을 제 1열교환기(306)로 공급하여 제 4 열교환기(309)까지 순환시켜 폐열을 회수한 후 다시 온수저장탱크(305)로 열원을 축열하는 제 3냉각펌프(601)를 더 포함하는 안정적인 성능유지와 열효율이 향상된 고효율 연료전지시스템.
  11. 청구항 7에 있어서,
    상기 온수저장탱크(305)의 물을 제 4냉각펌프(602)를 통해 열교환기(304)로 공급한 후 연료전지스택과 선택산화 반응기에서 회수된 열원을 온수저장탱크(305)로 이송시켜 축열하는 역할을 하는 과정에서 연료전지스택과 선택산화 반응기에서 회수된 열원에 의해 냉각수의 온도가 올라가면 그에 비례하여 제 4냉각펌프(602)의 유량 제어를 통해 냉각수의 열을 효과적으로 회수하는 제 4냉각펌프(602)를 더 포함하는 안정적인 성능유지와 열효율이 향상된 고효율 연료전지시스템.
  12. 청구항 7에 있어서,
    상기 온수저장탱크의 하단부로부터 제 3 및 제 4냉각펌프들로 공급되는 물을 공랭식열교환기를 이용하여 폐열을 외부로 방출하고 냉각된 물을 제 3 및 제 4냉각펌프들에 공급하는 제 5 냉각펌프를 더 포함하는 안정적인 성능유지와 열효율이 향상된 고효율 연료전지시스템.
  13. 청구항 8에 있어서,
    연료전지시스템의 정상적인 작동을 위해 각 열교환기에서 요구되는 열교환 열량은 제 1열교환기(306)로부터 제 4열교환기(309)로 갈수록 감소하므로 각 열교환기의 열량에 비례하여 열을 회수하는 물이 순환하는 배관의 순서를 배치하여 하나의 배관을 통해 서로 다른 열원들과 열량들을 효과적으로 냉각, 회수하는 구성을 더 포함하는 안정적인 성능유지와 열효율이 향상된 고효율 연료전지시스템.


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