KR102695335B1 - 직접수소 연료전지 시스템 - Google Patents

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Abstract

연료전지 스택; 상기 연료전지 스택과 연결되며, 상기 연료전지 스택으로부터 애노드 오프 가스를 공급받아 이를 연소시키는 애노드 오프가스 촉매연소기(ATO, anode tailgas oxidizer); 상기 캐소드로 공급되는 공기를 가열하기 위한 열교환기; 상기 애노드로 외부의 수소를 공급하기 위한 제 1 수소 공급라인; 및 상기 제 1 수소 공급라인에 연결되어 상기 애노드 오프 가스의 수소를 재순환하기 위한 수소 재순환 라인을; 을 포함하는 것을 특징으로 하는, 직접수소 연료전지 시스템이 제공된다.

Description

직접수소 연료전지 시스템{Direct hydrogen fuel cell system}
본 발명은 직접수소 연료전지 시스템 운전방식에 관한 것으로. 보다 상세하게는 수소 재순환을 이용하여 효율을 향상시킨 직접수소 연료전지 시스템에 관한 것이다.
기존의 고체 산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell 이하 SOFC)는 고체산화물을 촉매 반응을 통해 고온에서 개질 하여 전기 에너지 및 열 에너지로 변환, 전기를 생산하는 발전 시스템이다.
통상 연료전지로 공급되는 수소는 시스템 내의 개질기를 통해 개질반응을 거쳐 공급받거나, 외부로부터 직접 공급받을 수 있다. 수소를 외부로부터 직접 공급받아 전력을 생산하는 시스템의 경우, 수소를 효과적으로 활용하는 것이 매우 중요한데, 특히 수소를 포함하는 애노드 오프 가스를 효과적으로 재순환하여, 이를 연료로 재활용하는 연료전지 시스템의 개발은 여전히 필요한 상황이다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 수소를 효과적으로 재활용하는 직접수소 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 연료전지 스택; 상기 연료전지 스택과 연결되며, 상기 연료전지 스택으로부터 애노드 오프 가스를 공급받아 이를 연소시키는 애노드 오프가스 촉매연소기(ATO, anode tailgas oxidizer);상기 캐소드로 공급되는 공기를 가열하기 위한 열교환기;상기 애노드로 외부의 수소를 공급하기 위한 제 1 수소 공급라인; 및 상기 제 1 수소 공급라인에 연결되어 상기 애노드 오프 가스의 수소를 재순환하기 위한 수소 재순환 라인; 을 포함하는 것을 특징으로 하는, 직접수소 연료전지 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 수소 재순환 연료전지 시스템은 수소공급제어부를 더 포함하며, 여기에서 상기 수소공급제어부는 상기 스택으로부터의 애노드 오프 가스의 수소를 상기 애노드 오프가스 촉매연소기(ATO, anode tailgas oxidizer)로 공급하거나. 또는 수소 재순환 라인을 통하여 제 1 수소 공급라인으로 공급하는 것을 결정한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 수소공급제어부는 상기 스택의 온도가 기설정된 제 1 온도 이하인 경우, 상기 스택으로부터의 애노드 오프 가스를 상기 애노드 오프가스 촉매연소기(ATO, anode tailgas oxidizer)로 공급하여 연소시키며, 이로써 상기 연소시 발생한 열량으로 상기 캐소드로 공급되는 공기를 가열시킨다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 애노드 오프가스 촉매연소기(ATO, anode tailgas oxidizer)에서 발생된 열은 캐소드 공기 공급라인에 설치된 열교환기를 거쳐 상기 캐소드로 공급되는 공기를 가열한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 수소공급제어부는 상기 스택의 온도가 기설정된 제 2 온도 이상인 경우, 상기 스택으로부터의 애노드 오프 가스를 상기 수소 재순환 라인을 통하여 상기 제 1 수소 공급라인에 공급하여 재순환한다.
본 발명의 일 실시예에서, 수소 재순환 라인을 통하여 재순환된 수소가 공급된 제 1 수소 공급라인은 상기 애노드 오프 가스를 냉각시키기 위한 열교환기와 연결되며, 이로써 상기 제 1 수소 공급라인의 수소는 다시 상기 열교환기에서 승온되어 상기 스택으로 공급된다.
본 발명은 프리히터를 사용하여 스택의 안정적인 온도상승을 진행되며 스택의 운전조건에 따라 애노드-오프가스 (AOG, Anode Off Gas 이하 AOG)로부터 선택적으로 수소를 재순환 또는 촉매연소기(ATO, Anode Tailgas Oxidizer 이하 ATO)를 사용하여 연료 또는 열원으로 활용한다.
AOG의 수소를 재활용하여 우수한 전기효율을 갖는 시스템의 구현과 수소를 제거 하기 위한 ATO는 수소를 제거할 뿐만 아니라, 열을 발생시켜 시스템에 열을 공급하는 작용을 하여 우수한 열효율을 갖는 직접수소 연료전지 시스템의 구현이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 직접수소 연료전지 시스템 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시된 시스템에서 본 발명의 일 실시예에 따른 수소공급제어부에 의한 수소 재순환 단계를 설명하는 단계도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 전체 공정 플로우 다이어그램이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템의 운전단계별 플로우차트이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명을 상세하게 설명하기 전에, 본 명세서에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 무조건 한정하여 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 발명자가 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해서 각종 용어의 개념을 적절하게 정의하여 사용할 수 있다.
더 나아가 이들 용어나 단어는 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 함을 알아야 한다.
즉, 본 명세서에서 사용된 용어는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기 위해서 사용되는 것일 뿐이고, 본 발명의 내용을 구체적으로 한정하려는 의도로 사용된 것이 아니다.
이들 용어는 본 발명의 여러 가지 가능성을 고려하여 정의된 용어임을 알아야 한다.
또한, 본 명세서에 있어서, 단수의 표현은 문맥상 명확하게 다른 의미로 지시하지 않는 이상, 복수의 표현을 포함할 수 있다.
또한, 유사하게 복수로 표현되어 있다고 하더라도 단수의 의미를 포함할 수 있음을 알아야 한다.
본 명세서의 전체에 걸쳐서 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소를 "포함"한다고 기재하는 경우에는, 특별히 반대되는 의미의 기재가 없는 한 임의의 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 임의의 다른 구성 요소를 더 포함할 수도 있다는 것을 의미할 수 있다.
더 나아가서, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소의 "내부에 존재하거나, 연결되어 설치된다"고 기재한 경우에는, 이 구성 요소가 다른 구성 요소와 직접적으로 연결되어 있거나 접촉하여 설치되어 있을 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 "AOG"는 Anode Off Gas를 의미하며, "ATO"는 촉매 연소기로 Anode Tailgas Oxidizer를 의미한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 직접수소 연료전지 시스템은 스택의 온도에 따라 AOG의 수소를 ATO를 통해 직접 열원으로 사용하거나, 또는 이를 재순환하여 스택으로 공급한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 직접수소 연료전지 시스템의 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 재순환 연료전지 시스템은, 연료전지 스택(100); 상기 연료전지 스택(100)과 연결되며, 상기 연료전지 스택으로부터 애노드 오프 가스를 공급받아 이를 연소시키는 애노드 오프가스 촉매연소기(ATO, anode tailgas oxidizer, 200); 상기 스택의 캐소드로 공급되는 공기를 가열하기 열교환기(300); 상기 스택의 애노드로 외부의 수소를 공급하기 위한 제 1 수소 공급라인(400); 및 상기 제 1 수소 공급라인에 연결되어 상기 애노드 오프 가스의 수소를 재순환하기 위한 수소 재순환 라인(500)을 포함한다.
본 발명은 특히 애노드 오프가스(AOG)의 수소를 스택의 온도에 따라 ATO로 공급하거나 또는 재순환하며, 이를 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 직접수소 연료전지 시스템은, 수소공급제어부(미도시)를 더 포함한다.
도 2는 도 1에 도시된 시스템에서 본 발명의 일 실시예에 따른 수소공급제어부에 의한 수소 재순환 단계를 설명하는 단계도이다.
도 2를 참조하면, 상기 수소공급제어부는 스택이 초기 운전온도(제 1 온도) 미만인 경우, 스택의 온도를 승온시키기 위하여, 애노드 오프가스(AOG)의 수소를 도 1의 애노드 오프가스 촉매연소기(ATO, anode tailgas oxidizer, 200)로 공급한다. 이후 애노드 오프가스 촉매연소기에서 발생된 열교환기(300)로 공급되어, 캐소드로 공급되는 공기를 승온시키게 된다
정상 운전온도(제 2온도)이상인 경우, 애노드 오프가스(AOG)의 수소를 수소 재순환 라인(500)을 통하여 외부수소 공급을 위한 제 1 수소공급라인(400)으로 공급한다. 즉, 정상 운전상태에서는 상기 스택으로부터 발생하며 충분히 승온된 캐소드 오프 가스(COG)가 상기 제 1 열교환기(300)로 공급되어 공기를 가열하게 된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 전체 공정 플로우 다이어그램이다.
도 3을 참조하면, 연료전지 스택(100)으로부터 발생한 캐소드 오프 가스(COG)는 제 1 열교환기(100)로 공급되어 캐소드 공기(Cathode Air)를 승온시켜, 스택의 온도를 상승시킨다.
본 발명의 일 실시예에서 AOG는 열교환를 거친 후 냉각된 후 분리되며 고온의 AOG가 유입되는 열교환기에서, 수소는 승온되어 스택으로 다시 들어가게 된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템의 운전단계별 플로우차트이다.
도 4를 참조하면, 먼저 스택의 온도를 프리히터를 통하여 제 1 온도까지 상승시킨다(S100). 특히 버너를 통하여 승온시키는 기존 공정 대비 미세한 승온 시간 조절과 시간 단축이 가능한데, 특히 초기 급격한 온도 상승의 경우 스택과 촉매 성능에 영향이 클 수 있으므로, 초기 히터를 통하여 미세하게 온도를 조절한다.
이후, 스택의 전력인출이 가능한 온도(제 2 온도)까지 스택을 상승시키며, 이때에는 상기 히터와 ATO를 함께 사용한다(S200). 이 단계에서 스택 후단에서 나오는 AOG의 수소는 ATO(촉매버너)를 통해 연소시킨다.
그 다음 단계는 수소 재순환 단계인데(S300), 이 단계는 전력인출을 시작하는 단계로 수소 양이 늘어난다.
이 단계에서는 전력인출을 하게 되면 ATO에서 수소를 연소시켜 발생하는 열량 없이도 열 평형을 이룰 수 있을 정도의 자체발열이 발생하며, AOG 일부분을 ATO가 아닌 스택으로 재순환 하여 수소 사용량을 줄이고, 재순환이 되지않는 잔여 수소는 ATO를 통해 연소된다. 즉, 이 단계에서는 AOG를 재순환 하여 연료를 사용하여 최소한의 ATO 연소와 스택의 자체 발열량으로 열의 평형을 맞출 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 스택의 운전조건에 따라 AOG의 수소를 재활용하여 우수한 전기효율을 갖는 시스템의 구현과 수소를 제거 하기 위한 ATO는 수소를 제거할 뿐만 아니라, 열을 발생시켜 시스템에 열을 공급하는 작용을 하여 우수한 열효율을 갖는 직접수소 연료전지 시스템의 구현이 가능하다.

Claims (6)

  1. 히터가 구비된 연료전지 스택;
    상기 연료전지 스택과 연결되며, 상기 연료전지 스택으로부터 애노드 오프 가스를 공급받아 이를 연소시키는 애노드 오프가스 촉매연소기(ATO, anode tailgas oxidizer);
    상기 연료전지 스택의 캐소드로 공급되는 공기를 가열하기 위한 열교환기;
    상기 연료전지 스택의 애노드로 외부의 수소를 공급하기 위한 제 1 수소 공급라인; 및
    상기 제 1 수소 공급라인에 연결되어 상기 애노드 오프 가스의 수소를 재순환하기 위한 수소 재순환 라인; 을 포함하는 직접수소 연료전지 시스템를 포함하는 직접수소 연료전지 시스템의 운전 방법으로,
    상기 히터를 통하여 상기 스택의 온도를 제 1 온도까지 상승시키는 단계;
    상기 히터와 애노드 오프가스 촉매연소기를 동시에 사용하여 상기 스택의 온도를 상기 제 1 온도를 초과하는 제 2 온도까지 상승시키는 단계; 및
    상기 스택으로부터 전력인출을 시작하는 단계를 포함하며,
    여기에서 상기 전력인출을 시작하는 단계에서, 상기 애노드 오프가스 일부는 스택으로 재순환하여 스택에서 연소되며, 재순환이 되지않는 나머지 애노드 오프가스는 상기 애노드 오프가스 촉매연소기에서 연소되는 것을 특징으로 하는 직접수소 연료전지 시스템의 운전 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 수소 재순환 연료전지 시스템은 수소공급제어부를 더 포함하며, 여기에서 상기 수소공급제어부는 상기 스택으로부터의 애노드 오프 가스의 수소를 상기 애노드 오프가스 촉매연소기(ATO, anode tailgas oxidizer)로 공급하거나, 또는 수소 재순환 라인을 통하여 제 1 수소 공급라인으로 공급하는 것을 결정하는 것을 특징으로 하는, 직접수소 연료전지 시스템의 운전 방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 수소공급제어부는 상기 스택의 온도가 상기 제 1 온도 이하인 경우, 상기 스택으로부터의 애노드 오프 가스를 상기 애노드 오프가스 촉매연소기(ATO, anode tailgas oxidizer)로 공급하여 연소시키며, 이로써 상기 연소시 발생한 열량으로 상기 캐소드로 공급되는 공기를 가열시키는 것을 특징으로 하는, 직접수소 연료전지 시스템의 운전 방법.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 애노드 오프가스 촉매연소기(ATO, anode tailgas oxidizer)에서 발생된 열은 캐소드 공기 공급라인에 설치된 열교환기를 거쳐 상기 캐소드로 공급되는 공기를 가열하는 것을 특징을 하는, 직접수소 연료전지 시스템의 운전 방법.
  5. 삭제
  6. 제 1항에 있어서,
    수소 재순환 라인을 을 통하여 재순환된 수소가 공급된 제 1 수소 공급라인은 상기 애노드 오프 가스를 냉각시키기 위한 열교환기와 연결되며, 이로써 상기 제 1 수소 공급라인의 수소는 다시 상기 열교환기에서 승온되어 상기 스택으로 공급되는 것을 특징으로 하는 직접수소 연료전지 시스템의 운전 방법.
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