KR102457726B1 - 연료전지의 오프가스 연소 시스템 - Google Patents

연료전지의 오프가스 연소 시스템 Download PDF

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Abstract

연료전지의 오프가스 연소 시스템이 개시된다. 본 발명의 연료전지의 오프가스 연소 시스템은, 수소와 산소의 전기 화학 반응에 의해 전기를 발생시키는 연료전지 스택; 상기 연료전지 스택으로 수소를 포함한 연료를 공급하는 연료공급부; 상기 연료전지 스택으로 공기를 공급하는 압축기; 상기 압축기에서 압축되어 상기 연료전지 스택으로 공급될 공기를 가열하는 공기가열부; 및 상기 연료전지 스택에서 배출되는 오프가스를 연소시키는 연소이젝터:를 포함하되, 상기 연소이젝터에서는 상기 연료전지 스택에서 배출되는 미반응 연료를 포함하는 오프가스를 동작유체(motive gas)로 하여 공기를 흡입하고 미반응 연료를 연소시키는 것을 특징으로 한다.

Description

연료전지의 오프가스 연소 시스템{Off-gas Combustion System For SOFC}
본 발명은 연료전지의 오프가스 연소 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료전지 스택에서 배출되는 오프가스를 연소시키는 연소이젝터를 구비하고, 연료전지 스택에서 배출되는 미반응 연료를 포함하는 오프가스를 동작유체(motive gas)로 하여 공기를 흡입하여 미반응 연료를 연소시키는 연료전지의 오프가스 연소 시스템에 관한 것이다.
연료전지는 전기화학 반응에 의해 반응물(수소와 산소)의 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 발전장치로서 환경 조화성이 우수하고 높은 발전효율이 기대된다.
이러한 연료전지는 저온형과 고온형으로 분류되며, 고온형의 대표적인 예로는 용융탄산염 연료전지(MCFC)와 고체산화물 연료전지(SOFC)가 있다.
고온형 연료전지의 특징을 간략히 살펴보면, MCFC의 경우 천연가스, 석탄가스 등 다양한 연료의 사용이 가능하며, 연소과정 없이 650℃ 내외의 고온에서 연료를 바로 전기로 바꾸는 전기화학 반응에 의하여 전기를 생산하는 방식이다.
이러한 MCFC의 단위셀(unit cell)은, 전기화학 반응이 일어나는 애노드(anode) 및 캐소드(cathode)와, 연료가스와 산화제 가스의 유로를 형성하는 분리판과, 전하를 포집하는 집전판과, 적층의 편의를 위해 시트의 형태로 제작되는 전해질판과, 용융된 탄산염을 수용하는 매트릭스로 구성되며, 애노드로 연료가스를 공급하고 캐소드로 산화제 가스를 공급하면 각각의 전극에서 전기 화학 반응이 발생하여 직류 전력이 얻어지게 된다.
고체산화물 연료전지의 경우는 천연가스, 석탄가스, 메탄올 등 다양한 연료를 사용할 수 있고, 1000℃ 이상의 고온에서 작동하므로 연료전지의 후단에서 발생하는 고온 고압의 스팀을 이용하여 복합발전이 가능하며, 연소과정이 없고 연료에서 전기로 직접 발전되는 관계로 소음 및 대기오염 물질 배출이 적어 차세대 발전 방식으로 주목받고 있다.
고체산화물 연료전지의 경우 연료전지에서의 전기화학 반응 후 배출되는 오프가스 중에 불완전 연소된 다량의 미반응 연료가 포함된다.
이러한 미반응 연료를 포함한 고온의 오프가스를 그대로 배출하면 연료와 에너지를 낭비하게 되므로, 오프가스를 재순환시키거나 연소기를 구비하고 오프가스를 연소기에 공급하여 연소시키는 방식으로 연료 이용률을 높이고 있다.
그런데 이러한 연소기의 경우 불완전 연소가 자주 발생하고 연소온도가 낮아짐에 따라 효율이 감소하고, 연소기의 구조가 복잡하며 연소기 구동을 위한 별도의 장치가 필요하여 관련 장치 부피가 커지는 문제가 있다.
본 발명은 이러한 문제를 해결하여 연료전지에서 배출되는 오프가스 중의 미반응 연료를 효과적으로 추가 연소시켜 연료 이용률을 높이면서, 장치 구성을 간소화하고 연료전지 시스템의 효율을 높일 수 있는 방안을 제안하고자 한다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 수소와 산소의 전기 화학 반응에 의해 전기를 발생시키는 연료전지 스택;
상기 연료전지 스택으로 수소를 포함한 연료를 공급하는 연료공급부;
상기 연료전지 스택으로 공기를 공급하는 압축기;
상기 압축기에서 압축되어 상기 연료전지 스택으로 공급될 공기를 가열하는 공기가열부; 및
상기 연료전지 스택에서 배출되는 오프가스를 연소시키는 연소이젝터:를 포함하되,
상기 연소이젝터에서는 상기 연료전지 스택에서 배출되는 미반응 연료를 포함하는 오프가스를 동작유체(motive gas)로 하여 공기를 흡입하고 미반응 연료를 연소시키는 것을 특징으로 하는 연료전지의 오프가스 연소 시스템이 제공된다.
바람직하게는 상기 공기가열부는, 상기 압축기로부터 공기를 공급받아 가열하는 제1 열교환기; 및 상기 제1 열교환기에서 가열된 공기를 추가 가열하여 상기 연료전지 스택으로 공급하는 제2 열교환기:를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 연료전지 스택의 애노드 오프가스가 상기 연소이젝터의 동작유체로 공급되어 상기 연소이젝터의 노즐을 지나면서, 상기 연료전지 스택의 캐소드 오프가스가 상기 연소이젝터로 흡입되어 상기 애노드 오프가스와 혼합되면서 미반응 연료가 연소될 수 있다.
바람직하게는, 상기 연료전지 스택의 애노드 오프가스는 상기 제2 열교환기의 열원으로 사용된 후 상기 연소이젝터의 동작유체로 공급되고, 상기 연소이젝터에서 미반응 연료의 연소로 생성된 연소가스는 상기 제1 열교환기의 열원으로 공급될 수 있다.
바람직하게는, 상기 연료공급부를 통해 연료전지 스택으로 공급되는 연료는 수소 및 일산화탄소를 포함하는 Syngas일 수 있다.
바람직하게는, 상기 연료공급부를 통해 연료전지 스택으로 공급되는 연료는 메탄이며 상기 연료공급부는 메탄을 수소와 이산화탄소로 개질하여 상기 연료전지 스택으로 공급하는 개질기를 포함하고, 상기 연료전지 스택의 캐소드 오프가스는 상기 개질기의 열원으로 사용된 후 상기 연소이젝터로 흡입될 수 있다.
본 발명에서는 연료전지 스택에서 배출되는 오프가스를 연소시키는 연소이젝터를 구비하고, 연료전지 스택에서 배출되는 미반응 연료를 포함하는 오프가스를 동작유체(motive gas)로 하여 공기를 흡입하여 미반응 연료를 연소시킬 수 있도록 한다.
특히 연소이젝터를 채용하여 오프가스를 동작유체로 이용함으로써 공기 흡입을 위한 별도 장치를 요하지 않아 장치 구성을 간소화하고, 별도 장치 운전에 따른 동력 사용을 줄일 수 있다.
또한, 간단한 구조로 제작이 간편하고 비용을 낮추면서, 연료와 공기의 혼합 균일성을 높여 불완전 연소 비중을 줄일 수 있어, 열효율 및 연료 이용률을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지의 오프가스 연소 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지의 오프가스 연소 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 3은 제1 및 제2 실시예 시스템에 적용되는 연소이젝터 구조를 개략적으로 도시한다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1에는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지의 오프가스 연소 시스템을 개략적으로 도시하였고, 도 2에는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지의 오프가스 연소 시스템을, 도 3에는 제1 및 제2 실시예 시스템에 적용되는 연소이젝터 구조를 개략적으로 도시하였다.
도 1에 도시된 제1 실시예 시스템은 연료전지의 연료로 수소 및 일산화탄소를 포함하는 Syngas를 공급하는 시스템이고, 도 2의 제2 실시예 시스템은 메탄을 연료로 공급하는 시스템이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 본 실시예들의 연료전지의 오프가스 연소 시스템은, 수소와 산소의 전기 화학 반응에 의해 전기를 발생시키는 연료전지 스택(100), 연료전지 스택으로 수소를 포함한 연료를 공급하는 연료공급부(200A, 200B), 연료전지 스택으로 공기를 공급하는 압축기(300), 압축기에서 압축되어 상기 연료전지 스택으로 공급될 공기를 가열하는 공기가열부(310, 320), 연료전지 스택에서 배출되는 오프가스를 연소시키는 연소이젝터(400)를 포함한다.
특히 연소이젝터에서는 연료전지 스택에서 배출되는 미반응 연료를 포함하는 오프가스를 동작유체(motive gas)로 하여 공기를 흡입하여 미반응 연료를 연소시키는 것을 특징으로 한다.
공기가열부는, 압축기로부터 공기를 공급받아 가열하는 제1 열교환기(310)와, 제1 열교환기에서 가열된 공기를 추가 가열하여 연료전지 스택으로 공급하는 제2 열교환기(320)를 포함한다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 압축기(300) 또는 송풍기를 거친 공기는 제1 열교환기(310)와 제2 열교환기(320)를 거쳐 가열된 후 연료전지 스택(100)으로 공급된다.
도 1의 제1 실시예 시스템에서는 수소 및 일산화탄소를 포함하는 Syngas가 연료공급부(200A)를 통해 연료전지 스택으로 공급된다.
도 2의 제2 실시예 시스템에서는 메탄이 연료공급부(200B)를 거쳐 연료전지 스택에 공급되며, 연료공급부는 천연가스를 가습시키는 가습기(210)와, 천연가스를 수소와 이산화탄소로 개질시키는 개질기(220) 등을 포함할 수 있다. 개질기는, 증발가스를 수소와 이산화탄소로 개질시키는 역할을 한다. 보다 구체적으로 메탄가스는 공급되는 물(순수)과 가습기에서 혼합되어 습분 연료로 상변환되고 개질기에서 열에 의해 이산화탄소와 수소로 개질되어 연료전지 스택으로 공급된다.
연료전지 스택(100)에서는 전기화학 반응에 의해 반응물(수소와 산소)의 화학에너지를 전기에너지로 변환시킨다.
연료전지 스택에서는, 개질된 수소와 일산화탄소 또는 이산화탄소를 애노드(anode)측으로 공급받고 압축기 및 공기가열부를 거쳐 공급되는 산소를 포함하는 공기를 캐소드(cathode)측으로 공급받아 전기 화학 반응을 일으켜 전기를 얻는다.
즉, 수소를 함유하는 애노드 측의 연료 가스와 산소를 함유하는 캐소드 측의 산화 가스의 산화 환원 반응에 의해 전기를 얻고, 연료전지에서 생성된 전기는 전력변환장치(500)를 거쳐 장치 외부로 공급된다.
한편, 연료전지 스택에서는 800℃ 이상의 고온 고압의 오프가스, 배기가 배출되는데, 본 실시예들에서는 이를 연소이젝터(400)로 보내 이젝터의 동작유체로 활용하여 산소를 포함한 캐소드 오프가스를 흡입하여 이젝터 내에서 미반응 연료와 산소가 고르게 혼합되면서 추가 연소될 수 있도록 한다.
도 1의 제1 실시예에서는 연료전지 스택의 캐소드 오프가스가 바로 연소이젝터(400)로 흡입되며, 도2의 제2 실시예에서는 연료전지 스택의 캐소드 오프가스가 먼저 연료공급부의 개질기(220)에 공급되어 메탄 개질을 위한 열원으로 사용 후 연소이젝터(400)로 흡입된다.
연료전지 스택의 애노드 오프가스는 제2 열교환기(320)로 공급되어 공기 가열을 위한 열원으로 사용된 후 연소이젝터(400)의 동작유체로 공급된다.
도 3에 도시된 연소이젝터(400)의 구조를 간략히 살펴보면 애노드 오프가스가 연소이젝터의 노즐(410) 입구, 즉 Primary 입구에 동작유체로 공급되고(M), 출구가 좁아지는 형태의 노즐(410)을 지나게 되면서 노즐 주위의 압력이 낮아진다. 그에 따라 캐소드 오프가스가 연소이젝터의 Secondary 입구(420)를 통해 노즐 쪽으로 흡입되고(L), 노즐 출구 쪽의 믹싱 덕트 구간(430)을 지나면서 캐소드 오프가스와 애노드 오프가스가 균일하게 혼합되어 연소이젝터 출구 쪽의 연소부(440)에서 연소된다.
연소이젝터(400)에서 미반응 연료가 연소되면서 생성된 연소가스는 제1 열교환기(310)에 공기 가열을 위한 열원으로 공급될 수 있다.
이와 같이 본 실시예들에서는 연소이젝터를 구비하고 오프가스를 동작유체로 이용함으로써 공기 흡입을 위한 별도 장치를 요하지 않아 장치 구성을 간소화하여 컴팩트한 시스템을 구현할 수 있고, 별도 장치 운전에 따른 동력 사용을 줄일 수 있다.
또한, 연소기 대신 간단한 구조의 이젝터 방식을 채용하여 제작이 간편하고 장치 고장의 위험을 낮추어 설치 및 유지 보수 등의 비용을 절감하고, 미반응 연료와 공기의 혼합 균일성을 높여 불완전 연소 비중을 줄이며, 연료 이용률을 높이고 연료전지의 효율을 높일 수 있다.
이와 같이 본 발명은 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
100: 연료전지 스택
200A, 200B: 연료공급부
300: 압축기
310: 제1 열교환기
320: 제2 열교환기
400: 연소이젝터
500: 전력변환장치

Claims (6)

  1. 수소와 산소의 전기 화학 반응에 의해 전기를 발생시키는 연료전지 스택;
    상기 연료전지 스택으로 수소를 포함한 연료를 공급하는 연료공급부;
    상기 연료전지 스택으로 공기를 공급하는 압축기;
    상기 압축기에서 압축되어 상기 연료전지 스택으로 공급될 공기를 가열하는 공기가열부; 및
    상기 연료전지 스택에서 배출되는 오프가스를 연소시키는 연소이젝터:를 포함하되,
    상기 공기가열부는, 상기 압축기로부터 공기를 공급받아 가열하는 제1 열교환기; 및 상기 제1 열교환기에서 가열된 공기를 추가 가열하여 상기 연료전지 스택으로 공급하는 제2 열교환기:를 포함하며,
    상기 연료전지 스택의 애노드 오프가스는 상기 제2 열교환기의 열원으로 사용된 후 상기 연소이젝터의 동작유체(motive gas)로 공급되고,
    상기 연소이젝터에서는 상기 연료전지 스택에서 배출되는 미반응 연료를 포함하는 오프가스를 동작유체로 하여 공기를 흡입하고 미반응 연료를 연소시키고,
    상기 연소이젝터에서 미반응 연료의 연소로 생성된 연소가스는 상기 제1 열교환기의 열원으로 공급되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 오프가스 연소 시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 연소이젝터는
    상기 애노드 오프가스가 입구에 동작유체로 공급되며 출구가 좁아지는 형태의 노즐;
    상기 노즐 출구 쪽에 마련되는 믹싱 덕트 구간; 및
    상기 믹싱 덕트 구간을 지나면서 혼합된 오프가스가 연소되는 연소부:를 포함하는 연료전지의 오프가스 연소 시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 연료전지 스택의 애노드 오프가스가 상기 연소이젝터의 동작유체로 공급되어 상기 연소이젝터의 노즐을 지나면서, 상기 연료전지 스택의 캐소드 오프가스가 상기 연소이젝터로 흡입되어 상기 애노드 오프가스와 혼합되면서 미반응 연료가 연소되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 오프가스 연소 시스템.
  4. 삭제
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 연료공급부를 통해 연료전지 스택으로 공급되는 연료는 수소 및 일산화탄소를 포함하는 Syngas인 것을 특징으로 하는 연료전지의 오프가스 연소 시스템.
  6. 제 3항에 있어서,
    상기 연료공급부를 통해 연료전지 스택으로 공급되는 연료는 메탄이며 상기 연료공급부는 메탄을 수소와 이산화탄소로 개질하여 상기 연료전지 스택으로 공급하는 개질기를 포함하고,
    상기 연료전지 스택의 캐소드 오프가스는 상기 개질기의 열원으로 사용된 후 상기 연소이젝터로 흡입되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 오프가스 연소 시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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