KR20010056025A - 연료전지 발전시스템의 승온장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지 발전시스템의 승온장치에 관한 것으로, 공기를 소정압으로 압축하여 압축공기를 분출하는 압축기(101)와, 상기 분출된 압축공기중의 산소와 별도로 주입되는 가연성 연료 및 기 장착된 촉매에 의해 연소반응이 일어나며 그 배가스를 연료전지 스택(1)의 연료가스 유로(1a) 및 산화제가스 유로(1b)로 분출하는 촉매연소기(102)와, 연료가스 유로(1a) 및 산화제가스 유로(1b)를 통과한 배가스를 순환시켜 촉매연소기(102)로 재주입하는 순환블로어(105)를 포함하여, 가연성 연료를 촉매연소기에서 연소시켜 그 반응열을 이용하여 연료전지를 정상운전온도로 승온시키므로 그 초기 승온공정이 매우 간단하고 필요한 승온장치의 용량이 대폭으로 줄어드는 이점이 있다.

Description

연료전지 발전시스템의 승온장치{Apparatus of starting a fuel cell power generation system}

본 발명은 연료전지 발전시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 가연성 연료를 촉매연소기에서 연소시켜 그 반응열을 이용하여 연료전지를 정상운전온도로 승온시키며 촉매연소기의 배가스 온도를 조절하여 승온속도를 조절하도록 한 연료전지 발전시스템의 승온장치에 관한 것이다.

주지와 같이, 연료전지는 전기화학 반응에 의해 반응물(수소와 산소)의 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 발전장치로서 환경 조화성이 우수하고 높은 발전효율이 기대되고 있다.

특히, 연료전지 중에서 용융탄산염형 연료전지는 탄산염의 용융물을 전해질로 사용하여 작동온도가 650℃로 높기 때문에 전기화학 반응의 속도가 빨라 저온형 연료전지와는 달리 백금 등의 귀금속 촉매가 필요하지 않으며, 전기와 고온의 배열을 함께 이용할 경우 80% 이상의 열효율을 기대할 수 있어 석탄 가스화에 의한 복합 열병합 발전이 가능하다.

이러한 용융탄산염형 연료전지의 단위셀(unit cell)은, 전기화학 반응이 일어나는 연료극(anode) 및 산소극(cathode), 연료가스와 산화제가스의 유로를 형성하는 분리판, 전하를 포집하는 집전판과, 적층의 편의를 위해 시트의 형태로 제작되는 전해질판, 용융된 탄산염을 수용하는 매트릭스로 구성되며, 연료극으로 연료가스를 공급하고 산소극으로는 산화제가스를 공급하면 각각의 전극에서 전기화학반응이 발생하여 직류전력이 얻어진다. 이때 전지전체에서는 수소와 산소가 반응하여 물이 생성되는 반응이다.

이러한 단위셀의 전압은 정격방전시에 약 0.8V로 낮기 때문에 실제 발전에서는 기본 구성셀인 단위셀을 다수 적층하여 전압을 높이고, 셀 면적을 증가시켜 고출력화를 달성하게 된다. 이렇게 단위셀을 여러 단 적층한 것을 스택(stack)이라 부른다.

스택으로 조립된 연료전지는 연료전지 발전시스템에 장착하여 발전을 위한 초기운전에 임하게 되는데, 용융탄산염형 연료전지는 650℃에서 작동되고 정상부하 운전시 스택의 입구온도는 580∼600℃로 나타나며, 출구온도는 약 680℃로 나타난다.

따라서, 스택의 운전은 먼저 연료전지를 650℃이상의 온도조건으로 승온하여 유지하여야 하며 연료가스 및 산화제가스는 같은 속도로 승온이 이루어져야 하고 승온속도의 제어가 원활하게 이루어져야 한다. 그 이유는 전극 및 분리판의 제조물질이 열적 성질이 서로 다른 금속이고 또한 매트릭스는 열적 성질이 취약한 세라믹제로 구성되어 있기 때문이다.

승온공정은 주로 전기식 가스예열기 및 용융탄산염형 연료전지 스택에 장착된 전기식 가열판을 통하여 이루어지며, 융용탄산염형 연료전지 발전시스템의 용량이 커질수록 예열기 및 가열판에 대한 비용이 커진다.

도 1은 종래 기술에 따른 연료전지 발전시스템의 가스 흐름도로서, 미국특허제4820594호에 의해 공지된 기술에 따른 것이다. 도면 중 참조부호 1은 연료전지 스택, 1a는 연료가스 유로, 1b는 산화제가스 유로, 2는 개질부와 연소부로 나누어진 개질기, 3은 연소기, 4는 가스터빈, 5는 압축기, 6은 열교환기, 7은 연료극 송풍기, 8은 산소극 송풍기, 9는 폐열보일러이다.

전술한 바와 같은 종래의 연료전지 발전시스템은, 연료전지를 정상운전온도로 승온시키는 공정이 매우 복잡하고, 초기 승온시 개질기로부터 연료전지 반응가스를 주입하므로 스택의 부식 우려가 높았으며, 연료전지에서 수소와 산소가 반응하여 생성되는 물 관리의 어려움이 따랐다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안한 것으로서, 그 목적하는 바는 가연성 연료를 촉매연소기에서 연소시켜 그 반응열을 이용하여 연료전지를 정상운전온도로 승온시키며 촉매연소기의 배가스 온도를 조절하여 승온속도를 조절하도록 하는 데 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 연료전지 발전시스템의 가스 흐름도.

도 2는 본 발명에 따른 연료전지 발전시스템 승온장치의 가스 흐름도.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

1 : 연료전지 스택 1a : 연료가스 유로

1b : 산화제가스 유로 101 : 압축기

102 : 촉매연소기 103 : 공기량조절밸브

104 : 연료량조절밸브 105 : 순환블로어

106 : 순환량조절밸브 107 : 가스량조절밸브

108 : 차압조절밸브 109 : 배출량조절밸브

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지 발전시스템의 승온장치는, 연료전지 스택에 연료가스 유로를 통해 연료가스를 공급하고 산화제가스 유로를 통해 산화제가스를 공급하여 각각의 전극에서 발생하는 전기화학반응으로 직류전력을 얻는 연료전지 발전시스템에 있어서:

공기를 소정압으로 압축하여 압축공기를 분출하는 압축기와, 상기 분출된 압축공기중의 산소와 별도로 주입되는 가연성 연료 및 기 장착된 촉매에 의해 연소반응이 일어나는 촉매연소기를 포함하며;

상기 촉매연소기에서 분출되는 고온의 배가스를 상기 연료가스 유로 및 산화제가스 유로로 공급하여 상기 연소반응의 반응열에 의해 상기 연료전지 스택의 온도가 승온되게 한다.

본 발명의 실시예로는 다수개가 존재할 수 있으며, 이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명에 따른 연료전지 발전시스템 승온장치의 가스 흐름도이다.

이에 나타낸 바와 같이 본 발명의 승온장치는, 공기를 소정압으로 압축하여 압축공기를 분출하는 압축기(101)와, 상기 분출된 압축공기중의 산소와 별도로 주입되는 가연성 연료 및 기 장착된 촉매에 의해 연소반응이 일어나며 그 배가스를 연료전지 스택(1)의 연료가스 유로(1a) 및 산화제가스 유로(1b)로 분출하는 촉매연소기(102)와, 압축기(101)에서 촉매연소기(102)로 주입되는 압축공기량을 조절하기 위한 공기량조절밸브(103)와, 촉매연소기(102)로 주입되는 가연성 연료량을 조절하기 위한 연료량조절밸브(104)와, 연료가스 유로(1a) 및 산화제가스 유로(1b)를 통과한 배가스를 순환시켜 촉매연소기(102)로 재주입하는 순환블로어(105)와, 상기 배가스의 순환량을 조절하기 위한 순환량조절밸브(106)와, 외부로부터 촉매연소기(102)로 비활성가스를 주입하며 그 주입량을 조절 가능한 가스량조절밸브(107)와, 연료가스 유로(1a)와 산화제가스 유로(1b)로 공급되는 배가스의 유량비를 조절하기 위한 차압조절밸브(108)와, 연료가스 유로(1a) 및 산화제가스 유로(1b)를 통과한 배가스를 외부로 배출하며 그 배출량을 조절 가능한 배출량조절밸브(109)로 구성된다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 연료전지 발전시스템의 승온장치에 의해 수행되는 연료전지 스택의 승온과정은 다음과 같다.

먼저, 압축기(101)가 외부로부터 공기를 유입받아 소정압으로 압축하여 압축공기를 분출하면 공기량조절밸브(103)를 개방하여 촉매연소기(102)로 압축공기를 주입하며, 연료량조절밸브(104)를 개방하여 외부로부터 가연성 연료를 촉매연소기(102)로 공급한다. 여기서, 가연성 연료는 수소, 천연가스, LPG, 메탄올 등을 사용할 수 있다.

촉매연소기(102)에서는 압축공기중의 산소와 가연성 연료 및 촉매가 만나 연소반응이 일어나고 그 반응열에 의해 온도가 상승된 고온의 배가스는 연료가스 유로(1a) 및 산화제가스 유로(1b)를 통해 연료전지 스택(1)으로 공급되어 연료전지 스택(1)의 온도를 승온시킨다.

여기서, 촉매연소기(102)의 출구쪽 배가스의 온도를 조절하여 연료전지 스택(1)의 온도를 제어할 수 있으며, 이를 위한 방법은 여러 실시예로 나타난다.

제 1 실시예: 공기량조절밸브(103) 또는 연료량조절밸브(104)를 조절하여 촉매연소기(102)로 주입되는 연소가스 비율을 제어하면 촉매연소기(102)의 배가스 온도를 제어할 수 있다.

제 2 실시예: 연료전지 스택(1)의 연료가스 유로(1a) 및 산화제가스 유로(1b)를 통과한 배가스를 순환량조절밸브(106) 및 순환블로어(105)를 통하여 다시 촉매연소기(102)로 재주입하여 배가스 온도를 조절할 수 있다. 이 방법은 급격한 온도 조절보다는 다소 온건한 온도제어에 적당하다. 촉매연소기(102)의 배가스중 탄산가스 및 질소 등은 연소반응에 참여하지 않으므로 연소가스의 분압을 낮추어 연소반응을 지연시키는 역할을 하므로 배가스의 온도를 낮출 수 있는 것이다.

제 3 실시예: 연소반응시 급격한 연소반응속도에 의해 촉매연소기(102) 입구에서 가연성 연료에 의한 발화가 일어나 촉매연소기(102)의 배가스 온도가 급격히 상승하는 현상이 발생할 수 있다. 이때 비활성 가스를 외부로부터 촉매연소기(102)의 입구로 주입하면 급격한 연소온도의 상승을 막을 수 있다. 즉 가스량조절밸브(107)를 개방하여 고순도의 탄산가스(H₂CO₃가스)를 촉매연소기(102)의 입구로 주입하여 촉매연소기(102)의 배가스 온도를 조절한다.

또한, 연료전지 스택(1)의 온도가 약 450℃이상일 때 고체상태의 전해질이 용융되기 시작하여 운전온도인 650℃에서는 용융상태로 매트릭스(전해질 지지판)의 기공내에 존재하게 된다. 스택내에 탄산가스를 주입함으로서 전해질의 증발을 막을 수가 있다.

전해질이 모두 용융상태로 되는 고온에서 연료전지의 운전 중 가장 중요한 것은 연료전지 스택(1)내 가스 기밀을 위한 차압조절이다. 본 발명에서는 차압조절밸브(108)를 조절하여 연료가스 유로(1a) 및 산화제가스 유로(1b)로 공급되는 배가스의 유량비를 조절하여 차압조절이 가능하다.

상기와 같은 승온과정에 의하여 연료전지 스택(1)의 온도가 탄산염의 용융이 끝나는 500℃이상에 도달되면 서서히 개질기(도시 생략됨)를 기동하여 촉매연소기(102)의 배가스 대신에 연료가스 유로(1a)에 개질가스를 주입하여 발전을 시작한다.

상술한 바와 같이 본 발명은, 가연성 연료를 촉매연소기에서 연소시켜 그 반응열을 이용하여 연료전지를 정상운전온도로 승온시키므로 그 초기 승온공정이 매우 간단하고 필요한 승온장치의 용량이 대폭으로 줄어든다.

또한, 촉매연소기는 정상운전시 연료가스 유로를 통과한 배가스로부터 연료전지 스택의 산소극에 필요한 탄산가스를 회수할 수 있으므로 시스템의 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (7)

1. 연료전지 스택에 연료가스 유로를 통해 연료가스를 공급하고 산화제가스 유로를 통해 산화제가스를 공급하여 각각의 전극에서 발생하는 전기화학반응으로 직류전력을 얻는 연료전지 발전시스템에 있어서:

   공기를 소정압으로 압축하여 압축공기를 분출하는 압축기와, 상기 분출된 압축공기중의 산소와 별도로 주입되는 가연성 연료 및 기 장착된 촉매에 의해 연소반응이 일어나는 촉매연소기를 포함하며;

   상기 촉매연소기에서 분출되는 고온의 배가스를 상기 연료가스 유로 및 산화제가스 유로로 공급하여 상기 연소반응의 반응열에 의해 상기 연료전지 스택의 온도가 승온되게 하는 연료전지 발전시스템의 승온장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 가연성 연료로는 수소, 천연가스, LPG, 메탄올 등을 사용하는 것을 특징으로 하는 연료전지 발전시스템의 승온장치.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 압축기에서 상기 촉매연소기로 주입되는 압축공기량을 조절하기 위한공기량조절밸브와, 상기 촉매연소기로 주입되는 가연성 연료량을 조절하기 위한 연료량조절밸브를 더 포함하며;

   상기 공기량조절밸브 또는 연료량조절밸브를 조절하여 연소가스의 비율을 조절하여 상기 연료전지 스택의 온도를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 발전시스템의 승온장치.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 연료가스 유로 및 산화제가스 유로를 통과한 상기 배가스를 순환시켜 상기 촉매연소기로 재주입하는 순환블로어와, 상기 배가스의 순환량을 조절하기 위한 순환량조절밸브를 더 포함하며;

   상기 순환량의 조절을 통해 상기 배가스의 온도를 조절하여 상기 연료전지 스택의 온도를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 발전시스템의 승온장치.
5. 제 1 항에 있어서,

   외부로부터 상기 촉매연소기로 비활성가스를 주입하며 그 주입량을 조절 가능한 가스량조절밸브를 더 포함하며;

   상기 주입량의 조절을 통해 상기 촉매연소기의 입구에서 상기 가연성 연료의 발화를 방지하는 것을 특징으로 하는 연료전지 발전시스템의 승온장치.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 비활성가스로는 탄산가스를 사용하는 것을 특징으로 하는 연료전지 발전시스템의 승온장치.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 연료가스 유로와 산화제가스 유로로 공급되는 상기 배가스의 유량비를 조절하기 위한 차압조절밸브를 더 포함하며;

   상기 유량비의 조절을 통해 상기 연료전지 스택내의 가스 기밀을 유지하는 것을 특징으로 하는 연료전지 발전시스템의 승온장치.