KR20030072908A - 연료전지의 열 활용 시스템 및 그 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지의 열 활용 시스템 및 그 제어방법에 관한 것으로서, 공급되는 연료로부터 수소를 생성하는 개질기와, 전해질을 사이에 두고 양쪽에 각각 양극과 음극이 배치됨과 아울러 그 중 양극에는 상기 개질기에서 발생된 수소 또는 수소를 함유한 연료가 공급되는 반면 음극에는 산소 또는 산소를 함유한 산화제가 공급되어 수소와 산소의 전기 화학적 반응에 의해 전기와 열을 발생시키는 스택이 구비되어 구성된 연료전지시스템에 있어서, 상기 연료전지시스템에는 상기 연료전지시스템에서 발생된 배기가스를 안내하고 상기 배기가스를 활용하여 물을 가열하는 온수발생부가 장착된 배기라인이 구비되어 구성됨으로써, 연료전지의 에너지 활용도를 높일 수 있도록 한 것이다.

Description

연료전지의 열 활용 시스템 및 그 제어방법{HEATING SYSTEM FOR FUEL CELL AND CONTROL METHOD THEREOF}

본 발명은 연료전지의 열 활용 시스템 및 그 제어방법에 관한 것으로서, 개질기의 배기가스를 활용하여 난방 및 온수공급을 시행하거나, 수분공급부를 작동시켜 개질기 및 스택에 수분을 공급하는 연료전지의 열 활용 시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.

일반적인 연료전지는 연료가 가지고 있는 에너지를 전기적 에너지로 직접 변환시키는 장치로서 통상 스택(stack)의 내부에 고분자 전해질막을 사이에 두고 다공질인 양극(anode)과 음극(cathode)을 부착하여 양극(산화전극 또는 연료극)에는 수소 또는 수소를 함유하는 연료가스를 공급하는 반면 음극(환원전극 또는 공기극)에는 산소를 함유하는 산화가스를 공급한다. 이 과정에서 양극에서는 연료인 수소의 전기화학적 산화가 일어나고 음극에서는 산화제인 산소의 전기화학적 환원이 일어나며 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기와 열을 함께 얻을 수 있다.

이러한 연료전지는 스택의 전해질막이 건조해지면 수소이온(H⁺)의 전도도가 떨어지거나 전해질막이 수축되면서 막과 전극의 접촉저항이 증가하여 스택의 성능이 저하할 우려가 있으므로 통상 스택으로의 연료 또는 공기공급 시 항상 물을 수증기 형태로 만들어 함께 공급하고 있었다.

또한, 상기 스택에 수소를 공급하는 개질기는 공급받은 연료가 개질기의 내부에 형성된 반응로에 유입되면, 그 반응로에 채워진 연료에 수증기 및 산소가 공급됨과 아울러 상기 개질기의 버너가 작동되어 개질 반응이 진행되고, 이 개질 반응을 통해 생성된 수소가 상기 스택에 공급되며, 이때 상기 개질기의 반응메커니즘을 좀더 자세히 설명하면 다음과 같다.

CH₄+ H₂O ?? CO + 3H₂------ (식1)

CO + H₂O ?? CO₂+ H₂------ (식2)

상기 식1의 반응식에서 보는 바와 같이 메탄(LNG의 주성분)을 상기 개질기로 공급하면, 공급된 메탄은 수소를 발생시키기 위한 연료와, 상기 반응식이 성립되기 위한 조건인 600도 이상의 고온상태를 이루기 위해 상기 개질기 내부에 장착된 버너를 작동시키기 위한 연료로 나뉘어져 공급되며, 상기 수소를 발생시키기 위한 연료와 반응하는 물(H₂O) 역시 고온의 기체로 공급된다.

상기 식1의 반응식에서 생성된 일산화탄소(CO)는 상기 연료전지 촉매의 활성을 저하시켜 성능을 감소시키는 원인이 되므로 이를 제거해야 되며, 이를 제거하는 과정은 식2의 반응식에서 보는 바와 같이 일산화탄소(CO)와 물(H₂O)을 반응시켜 상기 일산화탄소(CO)를 제거하고, 수소(H₂)를 생성한다.

또한, 상기 식2의 반응식은 800도 정도에서 1차반응을 시키고, 200도 정도에서 2차반응을 시키며, 상기 개질기 내부의 온도를 상승시키는 버너에서 발생된 열은 개질 반응 후 고온의 연소열을 함유한 상태의 배기가스로 외부에 방출된다.

그러나, 상기와 같이 구성된 종래의 연료전지에 있어서는 상기 연료전지에서 배출되는 배기가스에 함유된 고온의 연소열이 외부로 그대로 방출되어 그 열을 활용하지 못함으로써 에너지가 낭비되는 문제점이 있다.

상기와 같은 문제점을 감안하여 안출한 본 발명의 목적은 연료전지시스템에서 방출되는 배기가스에 포함된 열을 활용함으로써, 에너지의 활용도를 높이는 연료전지의 열 활용 시스템 및 그 제어방법을 제공함에 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예인 연료전지의 열 활용 시스템을 도시한 블록 다이어그램,

도 2는 도 1의 연료전지의 열 활용 시스템 제어방법 및 실행되는 과정을 도시한 흐름도.

**도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명**

1 : 개질기 2 : 스택

3 : 연료전지시스템 4 : 배기라인

10 : 온수발생부 11 : 물탱크

11a : 온도센서 11b : 레벨게이지

12 : 온수순환로 13 : 열교환기

14 : 상수보충로 14a : 개폐밸브

15 : 펌프

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 연료전지의 열 활용 시스템은 공급되는 연료로부터 수소를 생성하는 개질기와, 전해질을 사이에 두고 양쪽에 각각 양극과 음극이 배치됨과 아울러 그 중 양극에는 상기 개질기에서 발생된 수소 또는 수소를 함유한 연료가 공급되는 반면 음극에는 산소 또는 산소를 함유한 산화제가 공급되어 수소와 산소의 전기화학적 반응에 의해 전기와 열을 발생시키는 스택이 구비되어 구성된 연료전지시스템에 있어서, 상기 연료전지시스템에는 상기 연료전지시스템에서 발생된 배기가스를 안내하고 상기 배기가스를 활용하여 물을 가열하는 온수발생부가 장착된 배기라인이 구비되어 구성된다.

또한, 연료전지의 열 활용 시스템 제어방법은 물탱크에 장착된 온도센서로 상기 물탱크에 저장된 물의 온도를 측정하여 설정온도 이상인지 아닌지를 판단하는 판단단계와, 상기 판단단계에서 상기 물의 온도가 설정온도 이상이고, 상기 물탱크에 저장된 유량 또한 설정유량 이상일 시, 상기 물탱크에 보충수 공급 및 상기 물탱크에 저장된 물의 가열을 중단하는 제 1단계와, 상기 판단단계에서 상기 물의 온도가 설정온도 이상이고, 상기 물탱크에 저장된 유량은 설정유량 이상이 아닐 시, 상기 물탱크에 보충수가 공급되는 것을 중단함과 동시에 상기 물탱크에 저장된 물을 가열하는 제 2단계와, 상기 판단단계에서 상기 물의 온도가 설정온도 이상이 아니고, 상기 물탱크에 저장된 유량은 설정유량 이상일 시, 상기 물탱크에 보충수가 공급되는 것을 중단함과 동시에 상기 물탱크에 저장된 물을 가열하는 제 3단계와, 상기 판단단계에서 상기 물의 온도가 설정온도 이상이 아니고, 상기 물탱크에 저장된 유량 또한 설정유량 이상이 아닐 시, 상기 물탱크에 가열된 보충수를 공급함과 동시에 상기 물탱크에 저장된 물의 가열을 중단하는 제 4단계를 포함하여 진행된다.

이하 본 발명의 일 실시예인 연료전지의 열 활용 시스템 및 그 제어방법을 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 일 실시예인 연료전지의 열 활용 시스템을 도시한 블록 다이어그램으로써, 도 1에 도시한 바와 같이 연료전지의 열 활용 시스템은 가솔린이나 여타의 탄화수소(LNG, LPG, CH₃OH...)계열의 연료가 채워져 있는 연료탱크에 연결되어 공급되는 연료로부터 수소를 생성하는 개질기(Reformer)(1)와, 상기 개질기(1)에 연결되어 상기 개질기(1)로부터 생성된 수소의 산화반응 및 별도로 공급되는 산소의 환원반응이 동시에 일어나면서 전기와 열이 함께 발생되는 스택(Stack)(2) 등이 구비되어 구성된 연료전지시스템(3)과, 상기연료전지시스템(3)에서 발생된 배기가스를 안내하고 상기 배기가스를 활용하여 물을 가열하는 온수발생부(10)가 장착된 배기라인(4)으로 구성된다.

상기 온수발생부(10)는 온도센서(11a) 및 레벨게이지(11b)가 장착되고 내부 수용공간에 물이 저장되는 물탱크(11)와, 상기 물탱크(11)에 연통되어 물탱크(11) 내의 물이 외부로 유동되는 온수순환로(12)와, 상기 온수순환로(12)의 일정부분을 수용하며 상기 배기라인(4)에 장착되어 상기 배기가스로 상기 온수순환로(12)의 물을 가열하는 열교환기(13)와, 상기 물탱크(11)에서 상기 열교환기(13)로 물이 공급되는 온수순환로(12)에 연통되어 개폐밸브(14a)에 의해 제어되며 물을 보충하는 상수보충로(14)로 구성되고, 상기 물탱크(11)와 상수보충로(14) 사이의 상기 온수순환로(12)에는 펌프(15)가 장착되어 상기 물탱크(11)에서 상기 온수순환로(12)에 물이 유입되는 것을 제어한다.

마찬가지로, 본 발명의 또 다른 실시예에서는 상기 상수보충로(14)에 장착되는 개폐밸브(14a) 대신에 펌프를 장착하여도 동일한 작용을 이룰 수 있다.

또한, 상기 온수순환로(12)에 장착되는 펌프(15)를 대신하여 개폐밸브를 장착하여도 동일한 작용을 이룰 수 있지만, 이때는 상기 물탱크(11)에서 물이 유출되는 유출구는 상기 물탱크(11)의 하측에 형성하고, 물이 유입되는 유입구는 상기 물탱크(11)의 상측에 설치하여 자연대류에 의해 물이 유동되도록 한다.

상기와 같이 구성된 연료전지의 열 활용시스템은 다음과 같은 작용효과와 시스템 제어방법을 갖는다.

상기 연료전지시스템은 가솔린이나 여타의 탄화수소(LNG, LPG, CH₃OH...)계열의 연료가 채워진 상기 연료탱크(미도시)에서 공급되는 연료액이 물과 공기가 혼합되면서 개질기(1)로 유입되고, 그 연료액의 일부는 상기 개질기(1)의 버너로 유입되어 연소되고, 나머지는 상기 개질기(1)의 반응로로 유입되어 탈황반응 및 개질 반응 그리고 수소정제반응을 거치면서 수소를 발생시키게 되고, 그 수소는 상기 스택(2)의 연료극으로 공급되어 공기극으로 공급되는 산소와 함께 전기화학적 반응을 거치면서 전기와 열을 발생시키게 되며, 이 중 전기는 전력변환기(미도시)를 거쳐 각각의 전기제품에 인가되면서 전원으로 사용된다.

이때, 상기 개질기(1)의 버너에서 발생된 연소열이 함유된 배기가스 및 상기 스택(2)에서 발생되는 배기가스 등으로 이루어진 상기 연료전지시스템의 배기가스를 활용하는 열 활용 시스템 및 그 제어방법은 도 2에 도시한 바와 같이 상기 물탱크(11)에 장착된 온도센서(11a)로 상기 물탱크(11)에 저장된 물의 온도(T)를 측정하여 설정온도(T₀) 이상인지 아닌지를 판단하는 판단단계와, 상기 판단단계에서 상기 물의 온도가 설정온도(T₀) 이상이고, 상기 물탱크(11)에 저장된 유량(L) 또한 설정유량(L₀) 이상일 시, 상기 물탱크(11)에 보충수 공급 및 상기 물탱크에 저장된 물의 가열 등을 중단하는 제 1단계와, 상기 판단단계에서 상기 물의 온도(T)가 설정온도(T₀) 이상이고, 상기 물탱크(11)에 저장된 유량(L)은 설정유량(L₀) 이상이 아닐 시, 상기 물탱크(11)에 보충수가 공급되는 것을 중단함과 동시에 상기 물탱크(11)에 저장된 물을 가열하는 제 2단계와, 상기 판단단계에서 상기 물의 온도(T)가 설정온도(T₀) 이상이 아니고, 상기 물탱크(11)에 저장된 유량(L)은 설정유량(L₀) 이상일 시, 상기 물탱크(11)에 보충수가 공급되는 것을 중단함과 동시에 상기 물탱크(11)에 저장된 물을 가열하는 제 3단계와, 상기 판단단계에서 상기 물의 온도(T)가 설정온도(T₀) 이상이 아니고, 상기 물탱크(11)에 저장된 유량(L) 또한 설정유량(L₀) 이상이 아닐 시, 상기 물탱크(11)에 가열된 보충수를 공급함과 동시에 상기 물탱크(11)에 저장된 물의 가열을 중단하는 제 4단계를 포함하여 진행된다.

상기 제 1단계는 상기 물탱크(11)에 장착된 레벨게이지(11b)로 상기 물탱크(11)에 저장된 물의 유량(L)을 측정하고, 설정유량(L₀) 이상인지, 아닌지를 판단하는 단계와, 상기 물탱크(11)의 유량(L)이 설정유량(L₀) 이상일 시, 상기 물탱크(11)에 연통된 온수순환로(12)에 장착된 상기 펌프(15)의 작동을 중지하여 물이 유입되는 것을 중단함과 동시에, 상기 온수순환로(12)에 연통된 상수보충로(14)의 개폐밸브(14a)를 닫아 보충수가 공급되는 것을 중단하는 단계로 진행된다.

상기 제 2단계, 또는 제 4단계는 상기 물탱크(11)에 장착된 레벨게이지(11b)로 상기 물탱크(11)에 저장된 물의 유량(L)을 측정하고, 설정유량(L₀) 이상인지, 아닌지를 판단하는 단계와, 상기 물탱크의 유량(L)이 설정유량(L₀) 이상이 아닐시, 상기 물탱크(11)에 연통된 온수순환로(12)에 장착된 상기 펌프(15)의 작동을 중지하여 물이 유입되는 것을 중단함과 동시에, 상기 온수순환로(12)에 연통된 상수보충로(14)의 개폐밸브(14a)를 열어 보충수가 상기 온수순환로(12)에 공급되고, 상기 열교환기(13)에 의해 가열된 후, 상기 물탱크(11)에 보충되는 단계로 진행된다.

상기 제 3단계는 상기 물탱크(11)에 장착된 레벨게이지(11b)로 상기 물탱크(11)에 저장된 물의 유량(L)을 측정하고, 설정유량(L₀) 이상인지, 아닌지를 판단하는 단계와, 상기 물탱크(11)의 유량(L)이 설정유량(L₀) 이상일 시, 상기 온수순환로(12)에 연통된 상수보충로(14)의 개폐밸브(14a)를 닫아 보충수가 공급되는 것을 중단함과 동시에, 상기 펌프(15)를 작동시켜 상기 물탱크(11)에 연통된 온수순환로(12)를 통해 물이 유입되고, 상기 온수순환로(12)에 장착된 열교환기(13)에 의하여 그 물이 가열된 후, 상기 물탱크(11)로 재 유입되는 단계로 진행된다.

이와 같이 본 발명에 의한 연료전지의 열 활용 시스템 및 그 제어방법은 상기 개질기 및 스택 등이 구비되어 구성된 연료전지시스템에서 발생되는 열이 함유된 배기가스를 활용하여 상기 물탱크에 저장된 물을 가열하여 난방 및 온수를 사용함으로써, 연료전지의 에너지 활용도를 높이도록 한 것이다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 의한 연료전지의 열 활용 시스템 및 그 제어방법은 전기와 열을 생성하는 스택 및 상기 스택에 수소를 공급하는 개질기 등에서 발생되는 배기가스를 활용하여 온수발생부의 열교환기를 작동시키고, 상기 열교환기의 작동에 의해 온수탱크에 저장된 물을 가열하여 난방 및 온수를 사용함으로써, 상기 연료전지시스템의 에너지 활용도를 높이는 효과가 있다.

Claims (12)

1. 공급되는 연료로부터 수소를 생성하는 개질기와, 전해질을 사이에 두고 양쪽에 각각 양극과 음극이 배치됨과 아울러 그 중 양극에는 상기 개질기에서 발생된 수소 또는 수소를 함유한 연료가 공급되는 반면 음극에는 산소 또는 산소를 함유한 산화제가 공급되어 수소와 산소의 전기화학적 반응에 의해 전기와 열을 발생시키는 스택이 구비되어 구성된 연료전지시스템에 있어서,

   상기 연료전지시스템에는 상기 연료전지시스템에서 발생된 배기가스를 안내하고 상기 배기가스를 활용하여 물을 가열하는 온수발생부가 장착된 배기라인이 구비되어 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 열 활용 시스템.
2. 제 1항에 있어서, 상기 온수발생부는 온도센서 및 레벨게이지가 장착된 물탱크와,

   상기 물탱크에 연통되어 물탱크내의 물이 외부로 유동되는 온수순환로와,

   상기 온수순환로의 일정부분을 수용하며 상기 배기라인에 장착되어 상기 배기가스로 상기 온수순환로의 물을 가열하는 열교환기와,

   상기 물탱크에서 상기 열교환기로 물이 공급되는 온수순환로에 연통되어 물을 보충하는 상수보충로가 구비되어 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 열 활용 시스템.
3. 제 2항에 있어서, 상기 온수순환로는 상기 연료탱크와 상수보충로가 연통되는 상기 온수순환로의 중간부분에 장착되어 물의 흐름을 개폐하는 개폐기가 포함되어 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 열 활용 시스템.
4. 제 2항에 있어서, 상기 연료탱크와 상수보충로가 장착되는 사이 구간의 상기 온수순환로에 장착되어 물의 흐름을 개폐하는 개폐기가 포함되어 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 열 활용 시스템.
5. 제 3항 또는 제 4항에 있어서, 상기 개폐기는 펌프인 것을 특징으로 하는 연료전지의 열 활용 시스템.
6. 제 3항 또는 제 4항에 있어서, 상기 개폐기는 개폐밸브인 것을 특징으로 하는 연료전지의 열 활용 시스템.
7. 물탱크에 장착된 온도센서로 상기 물탱크에 저장된 물의 온도를 측정하여 설정온도 이상인지 아닌지를 판단하는 판단단계와,

   상기 판단단계에서 상기 물의 온도가 설정온도 이상이고, 상기 물탱크에 저장된 유량 또한 설정유량 이상일 시, 상기 물탱크에 보충수 공급 및 상기 물탱크에 저장된 물의 가열을 중단하는 제 1단계와,

   상기 판단단계에서 상기 물의 온도가 설정온도 이상이고, 상기 물탱크에 저장된 유량은 설정유량 이상이 아닐 시, 상기 물탱크에 보충수가 공급되는 것을 중단함과 동시에 상기 물탱크에 저장된 물을 가열하는 제 2단계와,

   상기 판단단계에서 상기 물의 온도가 설정온도 이상이 아니고, 상기 물탱크에 저장된 유량은 설정유량 이상일 시, 상기 물탱크에 보충수가 공급되는 것을 중단함과 동시에 상기 물탱크에 저장된 물을 가열하는 제 3단계와,

   상기 판단단계에서 상기 물의 온도가 설정온도 이상이 아니고, 상기 물탱크에 저장된 유량 또한 설정유량 이상이 아닐 시, 상기 물탱크에 가열된 보충수를 공급함과 동시에 상기 물탱크에 저장된 물의 가열을 중단하는 제 4단계를 포함하여 진행되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 열 활용열 활용 제어방법.
8. 제 7항에 있어서, 상기 제 1단계는 상기 물탱크에 장착된 레벨게이지로 상기 물탱크에 저장된 물의 유량을 측정하고, 설정유량 이상인지, 아닌지를 판단하는 단계와,

   상기 물탱크의 유량이 설정유량 이상일 시, 상기 물탱크에 연통된 온수순환로를 통해 물이 유입되는 것을 중단함과 동시에, 상기 온수순환로에 연통된 상수보충로를 통해 보충수가 공급되는 것을 중단하는 단계로 진행되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 열 활용 시스템 제어방법.
9. 제 7항에 있어서, 상기 제 2단계, 또는 제 4단계는 상기 물탱크에 장착된 레벨게이지로 상기 물탱크에 저장된 물의 유량을 측정하고, 설정유량 이상인지, 아닌지를 판단하는 단계와,

   상기 물탱크의 유량이 설정유량 이상이 아닐시, 상기 물탱크에 연통된 온수순환로를 통해 물이 유입되는 것을 중단함과 동시에, 상기 상수보충로를 통해 공급된 보충수가 상기 온수순환로에 장착된 열교환기에 의하여 가열된 후, 상기 물탱크에 보충되는 단계로 진행되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 열 활용 시스템 제어방법.
10. 제 7항에 있어서, 상기 제 3단계는 상기 물탱크에 장착된 레벨게이지로 상기 물탱크에 저장된 물의 유량을 측정하고, 설정유량 이상인지, 아닌지를 판단하는 단계와,

    상기 물탱크의 유량이 설정유량 이상일 시, 상기 상수보충로를 통해 보충수가 공급되는 것을 중단함과 동시에, 상기 물탱크에 연통된 온수순환로를 통해 물이 유입되고, 상기 온수순환로에 장착된 열교환기에 의하여 가열된 후, 상기 물탱크로 재유입되는 단계로 진행되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 열 활용 시스템 제어방법.
11. 제 8항 내지 제 10항중 어느 한 항에 있어서, 상기 물탱크의 물이 상기 온수순환로에 유입되는 것은 펌프 또는 개폐밸브에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 열 활용 시스템 제어방법.
12. 제 8항내지 제 10항중 어느 한 항에 있어서, 상기 상수보충로를 통해 보충수가 공급되는 것은 펌프 또는 개폐밸브에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 열 활용 시스템 제어방법.