KR102176558B1 - Thermal cascade system for fuel cell and management method thereof - Google Patents
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Abstract
연료전지용 열캐스캐이드 시스템 및 그 운영방법이 소개된다.
이 중에서 연료전지용 열캐스캐이드 시스템은, 연료 공급을 위한 연료 공급기와, 연료 공급기로부터 연료를 공급받아 연료가스를 생성하는 개질기와, 개질기에서 생성된 연료가스를 이용한 전기화학반응을 통해 기전력을 발생시키는 연료전지 스택과, 연료전지 스택에서 배출된 미반응 가스를 산화시키는 촉매 산화기와, 촉매 산화기에서 발생된 배가스를 이용하여 공기를 예열하고 예열된 공기를 연료전지 스택에 공급하는 공기 예열 유닛과, 촉매 산화기에서 발생된 배가스를 이용하여 스팀을 발생시키고 발생된 스팀을 개질기에 제공하는 스팀 발생기를 포함할 수 있다.A thermal cascade system for fuel cells and its operating method are introduced.
Among them, the thermal cascade system for fuel cells generates an electromotive force through an electrochemical reaction using a fuel supply for fuel supply, a reformer that receives fuel from the fuel supply to generate fuel gas, and fuel gas generated in the reformer. An air preheating unit that preheats air and supplies the preheated air to the fuel cell stack using exhaust gas generated from the fuel cell stack, a catalytic oxidizer that oxidizes the unreacted gas discharged from the fuel cell stack, and , It may include a steam generator that generates steam using the exhaust gas generated from the catalytic oxidizer and provides the generated steam to the reformer.
Description
본 발명은 연료전지용 열캐스캐이드 시스템 및 그 운영방법에 관한 것이다.The present invention relates to a thermal cascade system for a fuel cell and a method of operating the same.
연료전지는 전기화학반응을 통해 연료의 화학 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 장치로, 에너지 변화효율이 열기관에 비하여 월등히 높기 때문에 연료 소비와 오염물질 및 온실가스 배출을 크게 저감할 수 있는 것으로 알려져 있다.A fuel cell is a device that converts chemical energy of a fuel into electrical energy through an electrochemical reaction, and is known to significantly reduce fuel consumption, pollutants and greenhouse gas emissions because the energy change efficiency is far higher than that of a heat engine.
특히, 고체 산화물 연료전지(SOFC: Solid oxide fuel cell)는 다공성의 양극과 음극 및 두 개의 전극 사이에 치밀한 구조의 전해질로 구성되고, 양극에는 공기가 공급되고, 음극에는 수소 또는 연료가 공급된다. 이러한 단전지들을 연결재를 이용하여 상호 유기적인 연결을 통해 하나의 고체 산화물 연료전지 스택을 구성하므로, 전력 수요에 따라 수W에서 MW급까지 광범위하게 시스템을 구현할 수 있으며, 가정용에서부터 대규모 발전용으로 응용범위가 넓다. In particular, a solid oxide fuel cell (SOFC) is composed of a porous positive electrode and a negative electrode, and an electrolyte having a dense structure between the two electrodes, air is supplied to the positive electrode, and hydrogen or fuel is supplied to the negative electrode. Since these single cells form a single solid oxide fuel cell stack through organic connection with each other using a connecting material, the system can be implemented in a wide range from several W to MW according to power demand, and can be applied from home to large-scale power generation. The range is wide.
그런데 종래 연료전지의 경우, 열에너지 효율화 관점보다는 유지관리의 용이성을 우선하여, 개질기, 오프가스 산화기, 열교환기를 분리하여 시스템을 구성함으로써, 열손실이 증가되고, 외부 연료의 추가 공급 등으로 인해 에너지 효율성이 낮다. However, in the case of conventional fuel cells, by configuring the system by separating the reformer, off-gas oxidizer, and heat exchanger, prioritizing the ease of maintenance rather than the viewpoint of thermal energy efficiency, heat loss is increased, and energy is reduced due to additional supply of external fuel. The efficiency is low.
특히, 전지 스택의 용량 증대를 단위 스택의 추가 배열을 통해 진행하는 경우, 단위 스택이 배열되는 중심부 영역에 고온 적열이 발생되어 스택 운전 효율이 저하될 수 있다. In particular, when increasing the capacity of the battery stack through the additional arrangement of the unit stack, high-temperature red heat is generated in the central region in which the unit stack is arranged, so that the stack operation efficiency may decrease.
이에 다수 스택 배열에 따른 적열부 해소와 함께, 요소 시스템간에 열손실을 최소화하기 위한 공정 배열의 최적화가 요구되고 있다.Accordingly, there is a need to optimize a process arrangement to minimize heat loss between element systems as well as to eliminate red heat due to multiple stack arrangements.
본 발명의 실시예들은 연료전지 스택의 화학 반응열과 미반응 가스를 외부 공기의 예열, 스팀 생산 및 연료 개질에 재 이용하여 열에너지의 효율적인 활용이 가능한 연료전지용 열캐스캐이드 시스템 및 그 운영방법을 제공하고자 한다.Embodiments of the present invention provide a thermal cascade system for a fuel cell capable of efficient use of thermal energy by reusing the heat of chemical reaction and unreacted gas of a fuel cell stack for preheating of external air, steam production, and fuel reforming, and a method of operating the same. I want to.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 열캐스캐이드 시스템은, 연료 공급을 위한 연료 공급기; 상기 연료 공급기로부터 연료를 공급받아 연료가스를 생성하는 개질기; 상기 개질기에서 생성된 연료가스를 이용한 전기화학반응을 통해 기전력을 발생시키는 연료전지 스택; 상기 연료전지 스택에서 배출된 미반응 가스를 산화시키는 촉매 산화기; 상기 촉매 산화기에서 발생된 배가스를 이용하여 공기를 예열하고, 예열된 공기를 상기 연료전지 스택에 공급하는 공기 예열 유닛; 및 상기 촉매 산화기에서 발생된 배가스를 이용하여 스팀을 발생시키고, 발생된 스팀을 상기 개질기에 제공하는 스팀 발생기를 포함할 수 있다.A thermal cascade system for a fuel cell according to an embodiment of the present invention for achieving the above object includes: a fuel supply for supplying fuel; A reformer that receives fuel from the fuel supplier and generates fuel gas; A fuel cell stack generating electromotive force through an electrochemical reaction using the fuel gas generated in the reformer; A catalytic oxidizer for oxidizing unreacted gas discharged from the fuel cell stack; An air preheating unit that preheats air using exhaust gas generated from the catalytic oxidizer and supplies the preheated air to the fuel cell stack; And a steam generator that generates steam using the exhaust gas generated from the catalytic oxidizer and provides the generated steam to the reformer.
이때, 본 발명은 상기 연료 공급기와 상기 개질기 사이에 위치되고, 압력 차이를 이용하여 상기 연료 공급기의 상기 연료 및 상기 스팀 발생기의 상기 스팀을 공급받아 상기 개질기에 제공하는 이젝터를 더 포함할 수 있다.In this case, the present invention may further include an ejector positioned between the fuel supplier and the reformer and receiving the fuel from the fuel supplier and the steam from the steam generator using a pressure difference and providing the fuel to the reformer.
또한, 본 발명은 상기 연료 공급기의 연료를 상기 촉매 산화기로 바이패스하는 연료 바이패스를 더 포함할 수 있다.In addition, the present invention may further include a fuel bypass for bypassing the fuel of the fuel supplier to the catalytic oxidizer.
또한, 본 발명은 상기 공기 예열 유닛에서 예열된 공기를 상기 촉매 산화기로 바이패스하는 공기 바이패스를 더 포함할 수 있다.In addition, the present invention may further include an air bypass for bypassing the air preheated in the air preheating unit to the catalytic oxidizer.
또한, 본 발명은 상기 연료전지 스택에서 배출된 미반응 가스를 상기 이젝터로 피드백하기 위한 미반응가스 루프를 더 포함할 수 있다.In addition, the present invention may further include an unreacted gas loop for feeding back unreacted gas discharged from the fuel cell stack to the ejector.
또한, 상기 공기 예열 유닛은 외부에서 공급된 공기를 상기 촉매 산화기의 배가스로 예열하는 잠열 회수기; 및 상기 잠열 회수기에서 예열된 공기를 상기 촉매 산화기의 배가스를 이용하여 재 예열한 후, 상기 연료전지 스택에 공급하는 공기 예열기를 포함할 수 있다.In addition, the air preheating unit may include a latent heat recovery device for preheating the air supplied from the outside to exhaust gas of the catalytic oxidizer; And an air preheater for re-preheating the air preheated in the latent heat recovery device using exhaust gas of the catalytic oxidizer and then supplying the air to the fuel cell stack.
또한, 상기 연료전지 스택은 상기 촉매 산화기를 중심으로 이격 배치되는 복수의 전지 스택; 상기 개질기로부터 상기 연료가스를 제공받은 메인 매니폴드; 상기 메인 매니폴드 내 상기 연료가스를 복수의 상기 전지 스택에 공급하기 위해, 상기 메인 매니폴드와 복수의 상기 전지 스택 사이를 연결하는 복수의 서브 매니폴드; 및 복수의 상기 서브 매니폴드와 상기 촉매 산화기를 연결하는 연결 매니폴드를 포함할 수 있다.In addition, the fuel cell stack may include a plurality of battery stacks spaced apart from each other around the catalytic oxidizer; A main manifold receiving the fuel gas from the reformer; A plurality of sub-manifolds connecting between the main manifold and the plurality of battery stacks to supply the fuel gas in the main manifold to the plurality of battery stacks; And a connection manifold connecting the plurality of sub-manifolds and the catalytic oxidizer.
또한, 상기 메인 매니폴드는 고리 형태로 제공되고, 복수의 상기 서브 매니폴드가 원주방향을 따라 상면에서 이격 배치될 수 있다.In addition, the main manifold may be provided in a ring shape, and a plurality of the sub-manifolds may be spaced apart from the upper surface along the circumferential direction.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 열캐스캐이드 시스템의 운영방법은, 연료 공급기에서 연료를 공급하는 단계; 연료 공급기에서 공급된 연료를 이용하여 개질기에서 연료가스를 생성하는 단계; 연료가스를 이용한 전기화학반응을 통해 연료전지 스택에서 기전력을 발생시키는 단계; 연료전지 스택에서 배출된 미반응 가스를 촉매 산화기에서 산화시키는 단계; 촉매 산화기에서 발생된 배가스를 이용하여 공기를 예열한 후, 예열된 공기를 연료전지 스택에 공급하는 단계; 및 촉매 산화기에서 발생된 배가스를 이용하여 스팀을 발생시킨 후, 발생된 스팀을 개질기에 제공하는 단계를 포함할 수 있다. A method of operating a thermal cascade system for a fuel cell according to an embodiment of the present invention includes: supplying fuel from a fuel supply; Generating fuel gas in a reformer using fuel supplied from a fuel supplier; Generating electromotive force in a fuel cell stack through an electrochemical reaction using fuel gas; Oxidizing the unreacted gas discharged from the fuel cell stack in a catalytic oxidizer; Preheating air using exhaust gas generated from the catalytic oxidizer, and then supplying the preheated air to the fuel cell stack; And generating steam using the exhaust gas generated in the catalytic oxidizer, and then providing the generated steam to the reformer.
이때, 본 발명은 상기 연료를 연료 공급기에 공급하는 단계 이후, 연료 공급기의 연료를 촉매 산화기로 바이패스하는 단계를 더 포함할 수 있다.At this time, the present invention may further include the step of bypassing the fuel of the fuel supplier to the catalytic oxidizer after the step of supplying the fuel to the fuel supplier.
또한, 본 발명은 상기 촉매 산화기에서 산화시키는 단계 이후, 촉매 산화기에서 발생된 배가스를 이용하여 공기를 예열한 후, 예열된 공기를 촉매 산화기로 바이패스하는 단계를 더 포함할 수 있다.In addition, the present invention may further include preheating air using exhaust gas generated from the catalytic oxidizer after oxidizing in the catalytic oxidizer, and then bypassing the preheated air to the catalytic oxidizer.
또한, 본 발명은 상기 연료전지 스택에서 기전력을 발생하는 단계 이후, 연료전지 스택에서 배출된 미반응 가스를 개질기로 피드백하는 단계를 더 포함할 수 있다.In addition, the present invention may further include a step of feeding back unreacted gas discharged from the fuel cell stack to a reformer after generating electromotive force in the fuel cell stack.
본 발명의 실시예들은 요소공정을 열에너지 생산 및 분배에 최적화함으로써, 시스템의 열손실을 최소화할 수 있고, 열에너지 효율성을 향상시킬 수 있다는 이점이 있다.Embodiments of the present invention have the advantage of minimizing heat loss of the system and improving thermal energy efficiency by optimizing the urea process for heat energy production and distribution.
또한, 본 발명의 실시예들은 연료전지 스택에서 발생된 미반응 가스의 산화열을 개질기의 연료 개질에 필요한 흡열반응으로 이용함으로써, 외부 열원의 공급 없이도, 개질기에서의 연료 개질이 가능하다는 이점이 있다. 이를 통해, 공정 에너지 효율을 향상시킬 수 있고, 시스템의 장치가 컴팩트될 수 있다.In addition, embodiments of the present invention have the advantage that fuel reforming in the reformer is possible without supplying an external heat source by using the heat of oxidation of the unreacted gas generated in the fuel cell stack as an endothermic reaction required for fuel reforming in the reformer. . Through this, process energy efficiency can be improved, and the device of the system can be compact.
또한, 본 발명의 실시예들은 요소공정 배치의 최적화를 통해, 연료전지 스택의 다수개 배열시, 전지 스택의 중심부에서 발생되는 적열 문제를 해소할 수 있다는 이점이 있다.In addition, embodiments of the present invention have the advantage of solving the problem of red heat occurring in the center of the battery stack when a plurality of fuel cell stacks are arranged through the optimization of the element process arrangement.
또한, 본 발명의 실시예들은 무동력을 통해 고온의 오프 가스를 재순화시킬 수 있으므로, 고온 열에너지를 연료 예열에 직접 활용이 가능하고, 스팀과 완전 혼합이 가능하다는 이점이 있다. In addition, the embodiments of the present invention have the advantage that high-temperature off-gas can be repurified through non-powered power, so that high-temperature thermal energy can be directly utilized for fuel preheating and can be completely mixed with steam.
도 1은 본 발명에 따른 연료전지용 열캐스캐이드 시스템을 나타내는 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 연료전지용 열캐스캐이드 시스템을 도시한 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 연료전지용 열캐스캐이드 시스템을 도시한 결합 사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 연료전지용 열캐스캐이드 시스템의 운영방법을 나타내는 블록도이다. 1 is a block diagram showing a thermal cascade system for a fuel cell according to the present invention.
2 is an exploded perspective view showing a thermal cascade system for a fuel cell according to the present invention.
3 is a combined perspective view showing a thermal cascade system for a fuel cell according to the present invention.
4 is a block diagram showing a method of operating a thermal cascade system for a fuel cell according to the present invention.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 구성 및 작용에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 설명은 특허 청구 가능한 본 발명의 여러 측면(aspects) 중 하나이며, 하기의 설명은 본 발명에 대한 상세한 기술의 일부를 이룰 수 있다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어 공지된 구성 또는 기능에 관한 구체적인 설명은 본 발명을 명료하게 하기 위해 생략할 수 있다.Hereinafter, a configuration and operation according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The following description is one of several aspects of the invention that are claimable, and the following description may form part of the detailed description of the invention. However, in describing the present invention, detailed descriptions of known configurations or functions may be omitted to clarify the present invention.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예들을 포함할 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 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.Since the present invention can make various changes and include various embodiments, specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in the detailed description. However, this is not intended to limit the present invention to a specific embodiment, it is to be understood to include all changes, equivalents, or substitutes included in the spirit and scope of the present invention.
그리고 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성요소들은 이와 같은 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 이 용어들은 하나의 구성요소들을 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결되어' 있다거나 '접속되어' 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 본 출원에서 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. Further, terms including ordinal numbers such as first and second may be used to describe various elements, but the corresponding elements are not limited by these terms. These terms are only used for the purpose of distinguishing one component from another. When a component is referred to as being'connected' or'connected' to another component, it is understood that it may be directly connected or connected to the other component, but other components may exist in the middle. Should be. The terms used in the present application are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise.
도 1은 본 발명에 따른 연료전지용 열캐스캐이드 시스템을 나타내는 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 연료전지용 열캐스캐이드 시스템을 도시한 분해 사시도이며, 도 3은 본 발명에 따른 연료전지용 열캐스캐이드 시스템을 도시한 결합 사시도이다. 1 is a block diagram showing a thermal cascade system for a fuel cell according to the present invention, FIG. 2 is an exploded perspective view showing a thermal cascade system for a fuel cell according to the present invention, and FIG. 3 is a fuel cell according to the present invention. It is a combined perspective view showing a thermal cascade system.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 열캐스캐이드 시스템(10)은, 연료 공급기(100), 이젝터(700), 개질기(200), 연료전지 스택(300), 촉매 산화기(400), 공기 예열 유닛(500) 및 스팀 발생기(600)를 포함할 수 있다.1 to 3, the fuel cell
구체적으로, 연료 공급기(100)는 연료를 이젝터(700)를 통해 개질기(200)에 제공할 수 있다. 이 연료 공급기(100)는 연료 공급탱크(미도시)로부터 연료를 공급받아 이젝터(700)에 연료를 제공하거나, 연료를 수용한 상태에서 배관을 통해 이젝터(700)에 연료를 제공할 수 있다.Specifically, the
본 실시예에서, 연료 공급기(100)를 통해 이젝터(700)로 공급되는 연료는, 탄화수소계 연료일 수 있으나, 이에 한정되지는 아니하며, 연료전기 스택을 통해 기전력의 발생이 가능한 다양한 종류의 연료가 사용될 수 있음은 물론이다.In this embodiment, the fuel supplied to the
이젝터(700)는 연료 공급기(100)와 개질기(200) 사이에 위치되어, 원료(연료, 스팀, 미반응 가스...)를 개질기(200)로 공급할 수 있다. 이젝터(700)는 내부에 벤츄리 구조를 제공함으로써, 별도의 구동장치 없이도, 압력 차이(일예로, 벤츄리 효과)를 이용하여 원료를 이동시킬 수 있다. The
이젝터(700)에는 연료 공급기(100)의 연료, 스팀 발생기(600)의 스팀 및 연료전지 스택(300)의 미반응 가스가 각각 유입될 수 있다. 이젝터(700)에 유입된 연료, 스팀 및 미반응 가스는, 개질기(200)로 공급될 수 있다.Fuel from the
개질기(200)는 연료 공급기(100)로부터 연료를 공급받아 연료가스를 생성할 수 있다. 이때, 연료가스는 연료, 스팀, 미반응 가스가 개질기(200)를 통해 가열 반응하여 생성된 수소 등이 포함한 가스로 이해될 수 있다. 예컨대, 개질기(200)는 연료, 스팀 및 미반응 가스를 가열 반응하여 연료가스를 생성할 수 있다. 개질기(200)에서 생성된 연료가스는 연료전지 스택(300)으로 공급될 수 있다.The
연료전지 스택(300)은 개질기(200)의 연료가스를 이용한 전기화학반응을 통해 기전력을 발생시킬 수 있다. 예컨대, 연료전지 스택(300)은 개질기(200)로부터 공급받은 연료가스 및 공기를 이용하여 전기화학반응을 일으켜 기전력을 발생시킬 수 있다. 이 연료전지 스택(300)에서 발생가능한 최대 전력값은 개질기(200)로부터 공급되는 수소의 양에 의해 영향을 받을 수 있다.The
연료전지 스택(300)은 전지 스택(310), 메인 매니폴드(320), 서브 매니폴드(330) 및 연결 매니폴드(340)를 포함할 수 있다. 여기서, 전지 스택(310)은 촉매 산화기(400)가 배치되는 소정 공간을 중심으로 이격 배치되는 복수로 제공될 수 있다. The
특히, 복수의 전지 스택(310)은 복수의 단위 스택 배열시, 복수의 전지 스택(310)의 중심부 영역(소정 공간)에는 촉매 산화기(400), 이젝터(700) 및 공기 예열 유닛(500) 및 스팀 발생기(600)가 배치될 수 있으므로, 단위 스택이 배열되는 중심부 영역에서 발생되는 고온 적열로 인한 스택 운전 효율의 저하를 방지할 수 있다. In particular, when a plurality of
메인 매니폴드(320)는 개질기(200)로부터 공급받은 연료가스를 복수의 서브 매니폴드(330)로 분배하여 제공할 수 있다. 이를 위해, 메인 매니폴드(320)는 고리 형태로 제공될 수 있고, 메인 매니폴드(320)의 상면에는 복수의 서브 매니폴드(330)가 원주방향을 따라 이격되게 배치될 수 있다.The
그리고 복수의 서브 매니폴드(330)는 메인 매니폴드(320) 내 연료가스를 복수의 전지 스택(310)에 공급하기 위해, 메인 매니폴드(320)와 복수의 전지 스택(310) 사이를 연결할 수 있다. 연결 매니폴드(340)는 복수의 서브 매니폴드(330)와 촉매 산화기(400)를 연결할 수 있다.In addition, the plurality of
촉매 산화기(400)는 연료전지 스택(300)에서 배출된 미반응 가스를 산화시킬 수 있다. 이 촉매 산화기(400)는 미반응 가스를 산화시킬 수 있는 통상의 촉매 산화기에 대응되는 구성이므로, 이에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.The
공기 예열 유닛(500)은 배가스와 열교환이 가능한 열교환기로, 촉매 산화기(400)에서 발생된 배가스를 이용하여 공기를 예열할 수 있고, 예열된 공기를 연료전지 스택(300)에 공급할 수 있다.The
이러한 공기 예열 유닛(500)은 외부에서 공급된 공기를 촉매 산화기(400)의 배가스로 예열하는 잠열 회수기(510)와, 잠열 회수기(510)에서 예열된 공기를 촉매 산화기(400)의 배가스를 이용하여 재 예열한 후, 연료전지 스택(300)에 공급하는 공기 예열기(520)로 구성될 수 있다.The
스팀 발생기(600)는 공기 예열 유닛(500)과 유사하게 배가스와 열교환이 가능한 열교환기로, 촉매 산화기(400)에서 발생된 배가스를 이용하여 스팀을 발생시키고, 발생된 스팀을 개질기(200)에 제공할 수 있다.The
이들 잠열 회수기(510), 공기 예열기(520) 및 스팀 발생기(600)는, 연료전지 스택(300)의 중심부, 다시 말해 복수의 전지 스택(310)의 중심부 영역에 연속하여 배치되는 3단 복합 열교환기일 수 있다. These
이와 같이, 잠열 회수기(510), 공기 예열기(520) 및 스팀 발생기(600)는, 촉매 산화기(400)에서 발생된 배가스를 이용하여 공기를 예열함으로써, 시스템의 열손실을 최소화하는 동시에, 공정 에너지 효율을 향상시킬 수 있다. As such, the latent
한편, 연료 공급기(100)의 연료는 연료 바이패스(710)를 통해 촉매 산화기(400)로 바이패스될 수 있다. 연료 바이패스(710)는 연료 공급기(100)와 이젝터(700) 사이를 연결하는 배관과, 연료전지 스택(300)과 촉매 산화기(400)를 연결하는 배관 사이를 상호 연결할 수 있다. 이때, 연료를 촉매 산화기(400)로 바이패스하기 위해, 별도의 제어밸브가 사용될 수 있다.Meanwhile, the fuel of the
그리고 공기 예열 유닛(500)에서 예열된 공기는, 공기 바이패스(730)를 통해 촉매 산화기(400)로 바이패스될 수 있다. 공기 바이패스(730)는 공기 예열기(520)와 연료전지 스택(300)을 연결하는 배관과, 연료전지 스택(300)과 촉매 산화기(400)를 연결하는 배관 사이를 상호 연결할 수 있다. 이때, 공기를 촉매 산화기(400)로 바이패스하기 위해, 별도의 제어밸브가 사용될 수 있다.In addition, the air preheated in the
또한, 연료전지 스택(300)에서 배출된 미반응 가스는, 미반응가스 루프(720)를 통해 이젝터(700)로 피드백할 수 있다. 미반응가스 루프(720)는 연료전지 스택(300)과 촉매 산화기(400)를 연결하는 배관과 이젝터(700) 사이를 상호 연결할 수 있다. In addition, the unreacted gas discharged from the
도 4는 본 발명에 따른 연료전지용 열캐스캐이드 시스템의 운영방법을 나타내는 블록도이다. 4 is a block diagram showing a method of operating a thermal cascade system for a fuel cell according to the present invention.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 열캐스캐이드 시스템의 운영방법은, 연료 공급기에서 연료를 공급하는 단계(S100)와, 개질기에서 연료가스를 생성하는 단계(S200)와, 연료전지 스택에서 기전력을 발생하는 단계(S300)와, 촉매 산화기에서 산화시키는 단계(S400)와, 공기를 연료전지 스택에 공급하는 단계(S500)와, 스팀을 개질기에 제공하는 단계(S600)를 포함할 수 있다.As shown in Figure 4, the operating method of the thermal cascade system for a fuel cell according to an embodiment of the present invention, the step of supplying fuel from the fuel supply (S100) and the step of generating fuel gas in the reformer ( S200), generating electromotive force in the fuel cell stack (S300), oxidizing in the catalytic oxidizer (S400), supplying air to the fuel cell stack (S500), and providing steam to the reformer It may include a step (S600).
상기 연료 공급기에서 연료를 공급하는 단계(S100)는, 연료를 연료 공급기를 통해 이젝터로 공급한다. 이때, 연료는 탄화수소계 연료가 사용될 수 있다. 연료는 이젝터를 통해 개질기로 이동되지만, 연료 중에서 일부는 연료 바이패스를 통해 촉매 산화기로 선택적으로 이동될 수 있다. In the step of supplying fuel from the fuel supplier (S100), fuel is supplied to the ejector through the fuel supplier. At this time, the fuel may be a hydrocarbon-based fuel. The fuel is transferred to the reformer through an ejector, but some of the fuel can be selectively transferred to the catalytic oxidizer through a fuel bypass.
상기 개질기에서 연료가스를 생성하는 단계(S200)는, 연료 공급기에서 공급된 연료를 이용하여 개질기에서 연료가스를 생성한다. 개질기는 이젝터를 통해 공급받은 연료, 스팀 및 미반응 가스를 가열 반응하여 연료가스를 생성할 수 있다. 개질기에서 생성된 연료가스는 연료전지 스택으로 공급될 수 있다.In the step of generating fuel gas in the reformer (S200), fuel gas is generated in the reformer using the fuel supplied from the fuel supplier. The reformer may generate fuel gas by heating and reacting fuel, steam, and unreacted gas supplied through an ejector. The fuel gas generated by the reformer may be supplied to the fuel cell stack.
상기 연료전지 스택에서 기전력을 발생하는 단계(S300)는, 연료가스를 이용한 전기화학반응을 통해 연료전지 스택에서 기전력을 발생시킨다. 연료전지 스택에서 배출된 미반응 가스는 미반응가스 루프를 통해 개질기로 피드백될 수 있다.In the step of generating electromotive force in the fuel cell stack (S300), electromotive force is generated in the fuel cell stack through an electrochemical reaction using fuel gas. The unreacted gas discharged from the fuel cell stack may be fed back to the reformer through the unreacted gas loop.
상기 촉매 산화기에서 산화시키는 단계(S400)는, 연료전지 스택에서 배출된 미반응 가스를 촉매 산화기에서 산화시킨다. In the step of oxidizing in the catalytic oxidizer (S400), unreacted gas discharged from the fuel cell stack is oxidized in the catalytic oxidizer.
상기 공기를 연료전지 스택에 공급하는 단계(S500)는, 촉매 산화기에서 발생된 배가스를 이용하여 공기를 예열한 후, 예열된 공기를 연료전지 스택에 공급한다. 예컨대, 촉매 산화기에서 발생된 배가스는 공기 예열기 및 잠열 회수기에서 열교환을 통해 공기를 예열시킬 수 있다. 이때, 예열된 공기는 연료전지 스택으로 이동될 수 있다. In the step of supplying the air to the fuel cell stack (S500), air is preheated using exhaust gas generated from the catalytic oxidizer, and then the preheated air is supplied to the fuel cell stack. For example, exhaust gas generated from the catalytic oxidizer may preheat air through heat exchange in an air preheater and a latent heat recovery device. At this time, the preheated air may be moved to the fuel cell stack.
상기 스팀을 개질기에 제공하는 단계(S600)는, 촉매 산화기에서 발생된 배가스를 이용하여 스팀을 발생시킨 후, 발생된 스팀을 개질기에 제공한다. 예컨대, 촉매 산화기에서 발생된 배가스는 스팀 발생기에서 열교환을 통해 스팀을 발생시킬 수 있다. 이때, 발생된 스팀은 이젝터로 이동될 수 있다. In the step of providing the steam to the reformer (S600), steam is generated using exhaust gas generated from the catalytic oxidizer, and then the generated steam is provided to the reformer. For example, the exhaust gas generated in the catalytic oxidizer may generate steam through heat exchange in the steam generator. At this time, the generated steam may be moved to the ejector.
상술한 바와 같이, 본 발명은 요소공정을 열에너지 생산 및 분배에 최적화하여, 시스템의 열손실을 최소화하고 열에너지 효율성을 향상시킬 수 있고, 연료전지 스택에서 발생된 미반응 가스의 산화열을 개질기의 연료 개질에 필요한 흡열반응으로 이용할 수 있으므로, 외부 열원의 공급 없이도, 개질기에서의 연료 개질이 가능하고, 요소공정 배치의 최적화를 통해, 연료전지 스택의 다수개 배열시, 전지 스택의 중심부에서 발생되는 적열 문제를 해소할 수 있으며, 무동력을 통해 고온의 오프 가스를 재순화시킬 수 있으므로, 고온 열에너지를 연료 예열에 직접 활용이 가능하고, 스팀과 완전 혼합이 가능하다는 요소공정을 열에너지 생산 및 분배에 최적화함으로써, 시스템의 열손실을 최소화하고 열에너지 효율성을 향상시킬 수 있다는 이점이 있다.As described above, the present invention optimizes the urea process for the production and distribution of thermal energy, thereby minimizing the heat loss of the system and improving the thermal energy efficiency, and reducing the heat of oxidation of the unreacted gas generated in the fuel cell stack to the fuel of the reformer. Since it can be used as an endothermic reaction required for reforming, it is possible to reform the fuel in the reformer without supplying an external heat source, and through the optimization of the arrangement of the urea process, the red heat generated in the center of the battery stack when multiple fuel cell stacks are arranged. The problem can be solved, and high-temperature off-gas can be repurified through non-powered power, so high-temperature thermal energy can be used directly for fuel preheating, and by optimizing the element process that can be completely mixed with steam for the production and distribution of thermal energy. In addition, it has the advantage of minimizing the heat loss of the system and improving the heat energy efficiency.
또한, 본 발명의 실시예들은 연료전지 스택에서 발생된 미반응 가스의 산화열을 개질기의 연료 개질에 필요한 흡열반응으로 이용할 수 있으므로, 외부 열원의 공급 없이도, 개질기에서의 연료 개질이 가능하다. 결국, 공정 에너지 효율을 향상시킬 수 있고, 시스템의 장치가 컴팩트될 수 있다는 이점이 있다.In addition, in the embodiments of the present invention, since the heat of oxidation of the unreacted gas generated in the fuel cell stack can be used as an endothermic reaction required for fuel reforming of the reformer, fuel reforming in the reformer is possible without supplying an external heat source. Consequently, there is an advantage that process energy efficiency can be improved, and the device of the system can be compact.
또한, 본 발명의 실시예들은 요소공정 배치의 최적화를 통해, 연료전지 스택의 다수개 배열시, 중심부에서 발생되는 적열 문제를 해소할 수 있다는 이점이 있다.In addition, embodiments of the present invention have the advantage of solving the problem of red heat occurring in the center when a plurality of fuel cell stacks are arranged through optimization of the element process arrangement.
또한, 본 발명의 실시예들은 무동력을 통해 고온의 오프 가스를 재순화시킬 수 있으므로, 고온 열에너지를 연료 예열에 직접 활용이 가능하고, 스팀과 완전 혼합이 가능하다는 이점이 있다. 등의 우수한 장점을 갖는다.In addition, the embodiments of the present invention have the advantage that high-temperature off-gas can be repurified through non-powered power, so that high-temperature thermal energy can be directly utilized for fuel preheating and can be completely mixed with steam. And has excellent advantages.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어 당업자는 각 구성요소의 재질, 크기 등을 적용 분야에 따라 변경하거나, 실시형태들을 조합 또는 치환하여 본 발명의 실시예에 명확하게 개시되지 않은 형태로 실시할 수 있으나, 이 역시 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것으로 한정적인 것으로 이해해서는 안 되며, 이러한 변형된 실시예는 본 발명의 특허청구범위에 기재된 기술사상에 포함된다고 하여야 할 것이다.Although the embodiments of the present invention have been described with reference to the accompanying drawings, those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can be implemented in other specific forms without changing the technical spirit or essential features. You can understand. For example, a person skilled in the art may change the material, size, etc. of each component according to the field of application, or combine or substitute embodiments to implement it in a form that is not clearly disclosed in the embodiments of the present invention. It does not go beyond the scope of Therefore, the embodiments described above are illustrative in all respects and should not be understood as limiting, and it should be said that these modified embodiments are included in the technical idea described in the claims of the present invention.
100 :연료 공급기 200 :개질기
300 :연료전지 스택 310 :전지 스택
320 :메인 매니폴드 330 :서브 매니폴드
400 :촉매 산화기 500 :공기 예열 유닛
600 :스팀 발생기 700 :이젝터
710 :연료 바이패스 720 :미반응가스 루프
730 :공기 바이패스 100: fuel supply 200: reformer
300: fuel cell stack 310: battery stack
320: main manifold 330: sub manifold
400: catalytic oxidizer 500: air preheating unit
600: steam generator 700: ejector
710: fuel bypass 720: unreacted gas loop
730: air bypass
Claims (12)
상기 연료 공급기로부터 연료를 공급받아 연료가스를 생성하는 개질기;
상기 개질기에서 생성된 연료가스를 이용한 전기화학반응을 통해 기전력을 발생시키는 연료전지 스택;
상기 연료전지 스택에서 배출된 미반응 가스를 산화시키는 촉매 산화기;
상기 촉매 산화기에서 발생된 배가스를 이용하여 공기를 예열하고, 예열된 공기를 상기 연료전지 스택에 공급하는 공기 예열 유닛;
상기 촉매 산화기에서 발생된 배가스를 이용하여 스팀을 발생시키고, 발생된 스팀을 상기 개질기에 제공하는 스팀 발생기;
상기 연료 공급기와 상기 개질기 사이에 위치되고, 압력 차이를 이용하여 상기 연료 공급기의 상기 연료 및 상기 스팀 발생기의 상기 스팀을 공급받아 상기 개질기에 제공하는 이젝터;
상기 연료 공급기의 연료를 상기 촉매 산화기로 바이패스하는 연료 바이패스; 및
상기 공기 예열 유닛에서 예열된 공기를 상기 촉매 산화기로 바이패스하는 공기 바이패스를 포함하고,
상기 공기 예열 유닛은
외부에서 공급된 공기를 상기 촉매 산화기의 배가스로 예열하는 잠열 회수기; 및
상기 잠열 회수기에서 예열된 공기를 상기 촉매 산화기의 배가스를 이용하여 재 예열한 후, 상기 연료전지 스택에 공급하는 공기 예열기를 포함하며,
상기 개질기, 상기 공기 예열기, 상기 스팀 발생기 및 상기 잠열 회수기는, 상기 촉매 산화기에서 발생된 배가스에 의해 연속적으로 열교환되는 연료전지용 열캐스캐이드 시스템.A fuel feeder for fuel supply;
A reformer that receives fuel from the fuel supplier and generates fuel gas;
A fuel cell stack generating electromotive force through an electrochemical reaction using the fuel gas generated in the reformer;
A catalytic oxidizer for oxidizing unreacted gas discharged from the fuel cell stack;
An air preheating unit that preheats air using exhaust gas generated from the catalytic oxidizer and supplies the preheated air to the fuel cell stack;
A steam generator for generating steam using exhaust gas generated from the catalytic oxidizer and providing the generated steam to the reformer;
An ejector positioned between the fuel supplier and the reformer, receiving the fuel from the fuel supplier and the steam from the steam generator using a pressure difference and providing the fuel to the reformer;
A fuel bypass for bypassing the fuel of the fuel supplier to the catalytic oxidizer; And
An air bypass for bypassing the air preheated in the air preheating unit to the catalytic oxidizer,
The air preheating unit
A latent heat recovery device for preheating the air supplied from the outside to exhaust gas of the catalytic oxidizer; And
An air preheater for re-preheating the air preheated in the latent heat recovery device using exhaust gas of the catalytic oxidizer and then supplying the air to the fuel cell stack,
The reformer, the air preheater, the steam generator, and the latent heat recoverer are heat-exchanged continuously by exhaust gas generated from the catalytic oxidizer.
상기 이젝터는 압력 차이를 이용하여 원료를 이동시키기 위해, 내부에 벤츄리 구조를 제공하는 연료전지용 열캐스캐이드 시스템. The method of claim 1,
The ejector is a thermal cascade system for a fuel cell that provides a venturi structure therein to move raw materials using a pressure difference.
상기 연료전지 스택에서 배출된 미반응 가스를 상기 이젝터로 피드백하기 위한 미반응가스 루프를 더 포함하는 연료전지용 열캐스캐이드 시스템.The method of claim 1,
The thermal cascade system for a fuel cell further comprising an unreacted gas loop for feeding back unreacted gas discharged from the fuel cell stack to the ejector.
상기 연료전지 스택은
상기 촉매 산화기를 중심으로 이격 배치되는 복수의 전지 스택;
상기 개질기로부터 상기 연료가스를 제공받은 메인 매니폴드;
상기 메인 매니폴드 내 상기 연료가스를 복수의 상기 전지 스택에 공급하기 위해, 상기 메인 매니폴드와 복수의 상기 전지 스택 사이를 연결하는 복수의 서브 매니폴드; 및
복수의 상기 서브 매니폴드와 상기 촉매 산화기를 연결하는 연결 매니폴드를 포함하는 연료전지용 열캐스캐이드 시스템.The method of claim 1,
The fuel cell stack
A plurality of battery stacks spaced apart from each other around the catalytic oxidizer;
A main manifold receiving the fuel gas from the reformer;
A plurality of sub-manifolds connecting between the main manifold and the plurality of battery stacks to supply the fuel gas in the main manifold to the plurality of battery stacks; And
A thermal cascade system for a fuel cell comprising a connection manifold connecting the plurality of sub-manifolds and the catalytic oxidizer.
상기 메인 매니폴드는
고리 형태로 제공되고, 복수의 상기 서브 매니폴드가 원주방향을 따라 상면에서 이격 배치되는 연료전지용 열캐스캐이드 시스템.The method of claim 7,
The main manifold is
A thermal cascade system for a fuel cell provided in a ring shape and in which a plurality of the sub-manifolds are spaced apart from an upper surface along a circumferential direction.
연료 공급기의 연료를 촉매 산화기로 바이패스하는 단계;
연료 공급기에서 공급된 연료를 이용하여 개질기에서 연료가스를 생성하는 단계;
연료가스를 이용한 전기화학반응을 통해 연료전지 스택에서 기전력을 발생시키는 단계;
연료전지 스택에서 배출된 미반응 가스를 개질기로 피드백하는 단계;
연료전지 스택에서 배출된 미반응 가스를 촉매 산화기에서 산화시키는 단계;
촉매 산화기에서 발생된 배가스를 이용하여 공기를 예열한 후, 예열된 공기를 촉매 산화기로 바이패스하는 단계;
촉매 산화기에서 발생된 배가스를 이용하여 공기를 예열한 후, 예열된 공기를 연료전지 스택에 공급하는 단계; 및
촉매 산화기에서 발생된 배가스를 이용하여 스팀을 발생시킨 후, 발생된 스팀을 개질기에 제공하는 단계를 포함하고,
촉매 산화기에서 발생된 배가스는, 청구항 1에 따른 개질기, 공기 예열기, 스팀 발생기 및 잠열 회수기를 연속적으로 이동하면서 열교환되는 연료전지용 열캐스캐이드 시스템의 운영방법.Supplying fuel to the fuel supplier;
Bypassing the fuel of the fuel supplier to the catalytic oxidizer;
Generating fuel gas in a reformer using fuel supplied from a fuel supplier;
Generating electromotive force in a fuel cell stack through an electrochemical reaction using fuel gas;
Feeding back the unreacted gas discharged from the fuel cell stack to the reformer;
Oxidizing the unreacted gas discharged from the fuel cell stack in a catalytic oxidizer;
Preheating air using exhaust gas generated from the catalytic oxidizer, and then bypassing the preheated air to the catalytic oxidizer;
Preheating air using exhaust gas generated from the catalytic oxidizer, and then supplying the preheated air to the fuel cell stack; And
After generating steam using the exhaust gas generated from the catalytic oxidizer, comprising the step of providing the generated steam to the reformer,
The exhaust gas generated from the catalytic oxidizer is a method of operating a thermal cascade system for a fuel cell in which the reformer, the air preheater, the steam generator, and the latent heat recovery unit according to claim 1 are continuously moved to exchange heat.
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