KR20080005998A - 연료 전지 장치의 작동 방법 및 연료 전지 장치 - Google Patents

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슈테판 롤프
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씨에프씨 솔루션스 게엠베하
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Abstract

본 발명은 스택(1)으로 배치된 연료 전지(2)를 구비한 연료 전지 장치를 작동시키기 위한 방법 그리고 상기와 같은 연료 전지 장치에 관한 것으로서, 연소성 가스는 연료 전지(2)와 열적으로 접촉된 상태에 있는 제 1 개질 유닛(4) 내에서, 연료 전지(2)로부터 열을 흡수하는 흡열 반응 중에 부분적으로 수소로 변환되어 상기 연료 전지(2)의 애노드에 공급된다. 본 발명에 따르면, 상기 제 1 개질 유닛(4) 내에서는 연료 전지(2) 내에서 필요한 것보다 더 많은 수소가 발생하여 제 2 개질 유닛(3)에 공급되며, 이 경우 상기 공급된 개질된 연소성 가스 내에 함유된 수소는 제 2 개질 유닛(3) 내에서 발열 역반응을 거치게 되며, 이때 생성되는 열은 상기 제 2 개질 유닛(3)의 냉각에 의해서 방출된다.

Description

연료 전지 장치의 작동 방법 및 연료 전지 장치 {PROCESS FOR OPERATING A FUEL CELL ARRANGEMENT AND FUEL CELL ARRANGEMENT}
본 발명은 청구항 1의 전제부에 따른 연료 전지 장치를 작동시키기 위한 방법 그리고 청구항 6의 전제부에 기재된 바와 같은 연료 전지 장치에 관한 것이다.
스택의 형태로 배치된 연료 전지를 구비한 연료 전지 장치, 특히 용융 탄산염 연료 전지(MCFC)를 구비한 연료 전지 장치의 파워 밀도는 다른 무엇보다도 가능한 냉각 파워에 의해서, 즉 상기 연료 전지 스택의 작동 중에 상기 연료 전지 스택으로부터 방출될 수 있는 열의 양에 의해서 제한된다. 출력 밀도가 증가함에 따라 각 연료 전지 내에서 생성되는 열량도 증가하고, 상기 열량이 더 이상 충분한 정도로 방출될 수 없다면, 상기 출력 밀도의 추가의 상승은 더 이상 불가능하다.
연료 전지 내에서 반응하는 연소성 가스를 내부 개질 작용을 이용하여 처리하는 방식이 공지되어 있다. 이 경우에는 예를 들어 천연 가스 내에 존재하는 메탄이 수증기의 존재하에서, 촉매 증기 개질 작용 중에 반응하여 수소 그리고 일산화탄소 및 이산화탄소로 변환된다:
CH4 + H2O <---> CO + 3H2,
CO + H2O <---> CO2 + H2.
이와 같은 반응은 직접적인 또는 간접적인 내부 개질의 형태로 이루어질 수 있다. 연료 전지 자체의 애노드 공간 내에서 반응이 이루어지는 직접적인 내부 개질과 달리, 상기 간접적인 내부 개질은 애노드와 열적으로 접촉된 상태에 있는, 하지만 상기 애노드로부터 분리된 개질 유닛 내에서 이루어진다. 상기 간접적인 내부 개질은 "Molten carbonate fuel cell with indirect internal reforming", Journal of Power Sources, 52 (1994), pp. 41-47에 기재된 설명의 대상이다.
2004년에 에얼랑엔 지방에 제출된 에얼랑엔-뉘른베르크 대학 공학부 소속 로베르트 라인펠더의 박사 학위 논문 "산화 세라믹 연료 전지의 애노드에서 메탄-증기-개질 및 시프트-반응을 위한 반응 동역학적 조사(Reaktionskinetische Untersuchungen zur Methan-Dampf-Reformierung und Shift-Reaktion an Anoden oxidkeramischer Brennstoffzellen)"에도 한 프로세스가 기술되어 있는데, 상기 프로세스에서는 전술한 두 가지 반응들이 진행되며, 두 가지 반응들 중에서 제 1 반응으로 언급되는 메탄-증기-개질은 강한 흡열 방식으로 진행되는 반면, 제 2 반응으로 불리는 시프트-반응에서는 열이 발생한다.
프라운호퍼-인스티투트 퓌어 졸라레 에네르기지스테메(ISE; 태양 광 에너지 시스템을 위한 프라운호퍼-연구소)의 공학 박사 페터 휘프너의 논문 "연료 전지용 수소를 발생하기 위한 탄화수소의 개질(Reformierung von Kohlenwasserstoffen zur Wasserstofferzeugung fuer Brennstoffzellen)"에는, 마찬가지로 탄화수소를 수증기와 화합하여 수소 및 일산화탄소로 증기 개질하는 방식 그리고 부분적 산화 프로세스, 즉 근사화학량론(substoichiometric) 연소 프로세스 및 앞에서 언급된 두 가지 방법들의 조합으로서의 자열(autothermal) 개질 프로세스가 기술되어 있다.
연료 전지용 연료를 처리하기 위한 개질 반응들은 포르슝스페어반트 존넨에네르기(태양 에너지 연구 협회) "테멘 98/99"에 개재된 루트비히 외리쎈 등의 논문 "파워와 열이 결합된 연료 전지 - 미래를 위한 에너지 선택인가?(Brennstoffzellen in der Kraft-Waerme-Kopplung - eine Energieoption fuer die Zukunft?)"에도 기술되어 있다.
촉매 수증기 개질에 의해서 더 많은 탄화수소를 포함하는 연료를 자열 개질하기 위한 프로세스는 또한 EP 0 989 094 A2호에도 기술되어 있다. 상기 간행물에서 탄화수소를 포함하는 연료는 우선 촉매를 포함하는 반응기를 통과하고, 그곳에서 수증기의 존재하에 더 많은 탄화수소가 제거되거나 또는 감소되며, 그 다음에 자열 개질기 내부로 전달된 후에 그곳에서 형성되는, 수소 및 일산화탄소가 풍부한 가스화 가스(product gas)가 배출된다.
마지막으로, JP 6325783호에는 용융 탄산염 연료 전지 시스템 내에서 이루어지는 내부 개질이 기술되어 있는데, 상기 간행물에서는 열교환기로서 형성된 예비 개질기(prereformer)가 제공되었으며, 상기 예비 개질기 내에서는 연료 전지 배기 가스와 2 이상의 탄소 숫자를 갖는 탄화수소 간 열교환 중에, 다시 말해 연료 전지를 떠나는 배기 가스의 열이 상기 공급된 연소성 가스로 전달되는 도중에 증기 개질 반응이 이루어진다. 이 경우 부탄과 같은 탄화수소 또는 개질된 가스의 부피가 메탄을 개질하는 경우보다 확연하게 더 큰 다른 가벼운 탄화수소들이 연소성 가스로서 사용될 수 있다.
본 발명의 과제는, 출력 밀도가 더 높은 연료 전지를 작동시킬 수 있는, 연 료 전지 장치를 작동시키기 위한 개선된 방법을 제시하는 것이다. 또한 본 발명에 의해서는, 더 높은 출력 밀도를 갖는 연료 전지가 작동될 수 있는 연료 전지 장치가 제공되어야만 한다.
방법과 관련된 상기 과제는 청구항 1의 특징들을 갖는 방법에 의해서 해결된다.
장치와 관련된 상기 과제는 청구항 6의 특징들을 갖는 연료 전지 장치에 의해서 해결된다.
본 발명의 각각의 바람직한 실시예들 및 개선예들은 종속 청구항들에 기재되어 있다.
본 발명에 따라 스택으로 배치된 연료 전지를 구비한 연료 전지 장치를 작동시키기 위한 방법이 제시되며, 이 방법에서 연소성 가스는 연료 전지와 열적으로 접촉된 상태에 있는 제 1 개질 유닛 내에서 연료 전지로부터 열을 흡수하는 흡열 반응 중에 부분적으로 수소로 변환되어 상기 연료 전지의 애노드에 공급된다. 본 발명에 따르면, 상기 제 1 개질 유닛 내에서는 연료 전지 내에서 반응할 수 있거나 혹은 필요한 것보다 더 많은 수소가 발생하며, 상기 수소를 함유하는 개질된 연소성 가스의 일부분은 상기 제 1 개질 유닛으로부터 배출되어 제 2 개질 유닛에 공급되며, 이 경우 상기 공급된 개질된 연소성 가스 내에 함유된 수소는 제 2 개질 유닛 내에서 발열 역반응을 거치게 되며, 이때 생성되는 열은 상기 제 2 개질 유닛의 냉각에 의해서 방출된다.
제 1 개질 유닛으로부터 배출된 연소성 가스는 바람직하게 외부로부터 공급 되는 신선한 연소성 가스와 함께 제 2 개질 유닛에 공급된다.
제 1 개질 유닛 내에서 이루어지는 흡열 반응은 바람직하게 아래와 같은 반응들을 포함한다:
CH4 + H2O <---> CO + 3 H2 및
CO + H2O <---> CO2 + H2.
제 2 개질 유닛 내에서 이루어지는 발열 역반응은 아래와 같은 반응을 포함한다:
4 H2 + CO2 <---> CH4 + 2 H2O.
본 발명의 한 바람직한 실시예에 따르면, 상기 역반응의 조절은 제 2 개질 유닛 내에서 냉각 강도에 의해 온도를 조절함으로써 이루어진다.
또한 본 발명에 의해서는, 스택으로 배치된 연료 전지 그리고 상기 연료 전지와 열적으로 접촉된 상태에 있는 제 1 개질 유닛을 구비한 연료 전지 장치가 만들어지며, 이 경우 연소성 가스는 제 1 개질 유닛 내에서 연료 전지로부터 열을 흡수하는 흡열 반응 중에 부분적으로 수소로 변환되어 상기 연료 전지의 애노드에 공급된다. 본 발명에 따르면, 상기 제 1 개질 유닛은 연료 전지 내에서 반응할 수 있는 것보다 더 많은 수소를 발생시키기 위하여 제공되었고, 냉각 가능한 제 2 개질 유닛이 제공되었으며, 이 경우 수소를 함유하는 상기 개질된 연소성 가스의 일부분은 제 1 개질 유닛으로부터 배출되어 제 2 개질 유닛에 공급되며, 이 경우 상기 공급된 개질된 연소성 가스 내에 함유된 수소는 제 2 개질 유닛 내에서 발열 역반응을 거치게 되며, 이때 생성되는 열은 상기 제 2 개질 유닛의 냉각에 의해서 방 출된다.
바람직하게 상기 제 2 개질 유닛은 상기 제 1 개질 유닛으로부터 배출된 연소성 가스를 외부로부터 공급되는 신선한 연소성 가스와 함께 흡수하기 위한 예비 개질기이다.
바람직하게는, 상기 제 1 개질 유닛으로부터 배출된 연소성 가스를 제 2 개질 유닛으로 역 공급하기 위한 이송 장치가 제공되었다.
제 1 개질 유닛으로부터 배출된 연소성 가스를 제 2 개질 유닛으로 역 공급하기 위하여 제공된 이송 장치는 펌프 또는 사이드 채널 압축기(side channel compressor)일 수 있다.
본 발명의 한 바람직한 실시예에 따라, 냉각 강도에 의해 온도를 조절함으로써 역반응을 조절하기 위한 제 2 개질 장치가 제공되었다.
본 발명의 실시예는 도면을 참조하여 아래에서 상세하게 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 실시예의 개략적인 블록도이다.
도면에 도시된 연료 전지 장치는 스택(1)으로 배치된 다수의 연료 전지(2)를 포함하며, 도면에서는 개략적인 도시를 목적으로 다수의 연료 전지들 중에서 단 하나의 연료 전지만이 도시되어 있고, 상기 연료 전지들은 도면에서 화살표로 도시된 바와 같이 외부로부터 공급되는 연소성 가스 및 도면에는 그 공급 과정이 도시되어 있지 않은 산화 가스로부터 전류를 발생시키기 위해서 이용된다. 다수의 제 1 내부 개질 유닛(4)이 연료 전지(2)와 열적으로 접촉된 상태로 제공되었으며, 상기 다수의 개질 유닛들 중에서 도면에는 개략적인 도시를 목적으로 재차 단 하나의 개질 유닛만이 도시되어 있다. 상기 내부 개질 유닛(4) 내에서는 연소성 가스가 연료 전지(2)로부터 열을 흡수하는 흡열 반응 중에 부분적으로 수소로 변환된 다음에 상기 연료 전지(2)의 애노드로 공급된다. 연소성 가스는 예비 개질기(3)의 형태로 된 제 2 개질 유닛을 통해 내부 개질 유닛(4)에 공급되며, 상기 예비 개질기 내에서는 외부로부터 공급되는 연소성 가스가 우선 공지된 방식으로 메탄화 된다.
내부 개질 유닛(4)은 연료 전지(2) 내에서 반응할 수 있는 것보다 더 많은 수소를 발생시키기 위해서 제공되었다. 예비 개질기(3)는 냉각 가능하다. 수소를 함유하는 상기 개질된 연소성 가스의 일부분은 상기 내부 개질 유닛(4)으로부터 배출되어 예비 개질기(3)로 공급되며, 이 경우 상기 공급된 개질된 연소성 가스 내에 함유된 수소는 예비 개질기(3) 내에서 발열 역반응을 거치게 되고, 이때 생성되는 열은 상기 예비 개질기(3)의 냉각에 의해서 방출된다. 다시 말해, 상기 예비 개질기(3)는 도면에 도시된 실시예의 경우에는 상기 내부 개질 유닛(4)으로부터 배출된 연소성 가스를 외부로부터 공급되는 신선한 연소성 가스와 함께 흡수할 목적으로 제공되었다.
제 1 개질 유닛(4)으로부터 배출된 연소성 가스를 제 2 개질 유닛(3)으로 역 공급하기 위하여 이송 장치(5)가 제공되었으며, 상기 이송 장치는 예를 들어 펌프 또는 사이드 채널 압축기일 수 있다.
냉각 가능한 예비 개질기(3)는 냉각 강도에 의해 온도를 조절함으로써 역반응의 강도 및 진행 상태를 조절하기 위하여, 즉 그 내부에서 반응을 일으킨 가스들의 조성을 조절하기 위하여 제공되었다.
본 발명에 따른 방법의 경우에, 내부 개질 유닛(4) 내에서는 연료 전지(2) 내에서 반응할 수 있는 것보다 더 많은 수소가 발생하며, 상기 수소를 함유하는 개질된 연소성 가스의 일부분은 상기 내부 개질 유닛(4)으로부터 배출되어 예비 개질기(3)로 역 공급된다. 이때 상기 역 공급된 개질된 연소성 가스를 포함하는 수소는 예비 개질기(3) 내에서 발열 역반응을 거치게 되며, 이때 생성되는 열은 상기 예비 개질기(3)의 냉각에 의해서 방출된다. 상기 내부 개질 유닛(4) 내에서 이루어지는 흡열 반응에 의해 연료 전지(2)로부터 열이 제거되고, 그럼으로써 상기 연료 전지가 냉각되며, 그 다음에 상기 열은 예비 개질기(3) 내에서 이루어지는 발열 프로세스에 의한 상기 예비 개질기의 냉각에 의해서 방출된다. 이와 같은 방식으로 연료 전지 스택(1)의 효과적인 냉각이 이루어지며, 상기 냉각은 연료 전지(2) 내에서 반응된 에너지의 출력 밀도를 높일 수 있다.
내부 개질 유닛(4)으로부터 배출된 연소성 가스는 외부로부터 공급되는 신선한 연소성 가스와 함께 예비 개질기(3)에 공급된다.
내부 개질 유닛(4) 내에서 이루어지는 흡열 반응은 아래와 같은 반응들을 포함할 수 있다:
CH4 + H2O <---> CO + 3H2 및
CO + H2O <---> CO2 + H2.
예비 개질기(3) 내에서 이루어지는 발열 역반응은 아래와 같은 반응을 포함할 수 있다:
4 H2 + CO2 <---> CH4 + 2H20.
예비 개질기(3) 내에서 이루어지는 역반응의 조절, 즉 상기 역반응의 강도 및 진행 과정 그리고 상기 예비 개질기 내에서 반응을 일으키는 가스들의 조성의 조절은 냉각 강도에 의한 온도 조절에 의해서 이루어진다.

Claims (10)

  1. 연소성 가스가 연료 전지(2)와 열적으로 접촉된 상태에 있는 제 1 개질 유닛(4) 내에서, 연료 전지(2)로부터 열을 흡수하는 흡열 반응 중에 부분적으로 수소로 변환되어 상기 연료 전지(2)의 애노드에 공급되는, 스택(1)으로 배치된 연료 전지(2)를 구비한 연료 전지 장치를 작동시키기 위한 방법에 있어서,
    상기 제 1 개질 유닛(4) 내에서는 연료 전지(2) 내에서 필요한 것보다 더 많은 수소가 발생하며,
    상기 수소를 함유하는 개질된 연소성 가스의 일부분은 제 1 개질 유닛(4)으로부터 배출되어 제 2 개질 유닛(3)에 공급되며, 상기 공급된 개질된 연소성 가스 내에 함유된 수소는 제 2 개질 유닛(3) 내에서 발열 역반응을 거치게 되며, 이때 생성되는 열은 상기 제 2 개질 유닛(3)의 냉각에 의해서 방출되는 것을 특징으로 하는,
    연료 전지 장치를 작동시키기 위한 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 개질 유닛(4)으로부터 배출된 연소성 가스는 외부로부터 공급되는 신선한 연소성 가스와 동시에 상기 제 2 개질 유닛(3)에 공급되는 것을 특징으로 하는,
    연료 전지 장치를 작동시키기 위한 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 개질 유닛(4) 내에서 이루어지는 흡열 반응이 아래와 같은 반응들
    CH4 + H2O <---> CO + 3 H2 및
    CO + H2O <---> CO2 + H2
    을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    연료 전지 장치를 작동시키기 위한 방법.
  4. 제 1 항, 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 제 2 개질 유닛(3) 내에서 이루어지는 발열 역반응이 아래와 같은 반응
    4 H2 + CO2 <---> CH4 + 2 H2O
    을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    연료 전지 장치를 작동시키기 위한 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 개질 유닛(3) 내에서 이루어지는 역반응의 조절은 냉각 강도에 의한 온도 조절에 의해서 이루어지는 것을 특징으로 하는,
    연료 전지 장치를 작동시키기 위한 방법.
  6. 스택(1)으로 배치된 연료 전지(2) 그리고 상기 연료 전지와 열적으로 접촉된 상태에 있는 제 1 개질 유닛을 구비하며, 연소성 가스가 상기 제 1 개질 유닛(4) 내에서 연료 전지(2)로부터 열을 흡수하는 흡열 반응 중에 부분적으로 수소로 변환되어 상기 연료 전지(2)의 애노드에 공급되는, 연료 전지 장치에 있어서,
    상기 제 1 개질 유닛(4)은 연료 전지(2) 내에서 필요한 것보다 더 많은 수소를 발생시키기 위하여 제공되었고, 냉각 가능한 제 2 개질 유닛(3)이 제공되었으며, 수소를 함유하는 상기 개질된 연소성 가스의 일부분은 상기 제 1 개질 유닛(4)으로부터 배출되어 상기 제 2 개질 유닛(3)에 공급되며, 상기 공급된 개질된 연소성 가스 내에 함유된 수소는 상기 제 2 개질 유닛(3) 내에서 발열 역반응을 거치게 되며, 이때 생성되는 열은 상기 제 2 개질 유닛(3)의 냉각에 의해서 방출되는 것을 특징으로 하는,
    연료 전지 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 2 개질 유닛(3)은 상기 제 1 개질 유닛(4)으로부터 배출된 연소성 가스를 외부로부터 공급되는 신선한 연소성 가스와 함께 흡수하기 위한 예비 개질기인 것을 특징으로 하는,
    연료 전지 장치.
  8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 개질 유닛(4)으로부터 배출된 연소성 가스를 상기 제 2 개질 유 닛(3)으로 역 공급하기 위한 이송 장치(5)가 제공된 것을 특징으로 하는,
    연료 전지 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 개질 유닛(4)으로부터 배출된 연소성 가스를 상기 제 2 개질 유닛(3)으로 역 공급하기 위하여 제공된 이송 장치(5)는 펌프 또는 사이드 채널 압축기(side channel compressor)인 것을 특징으로 하는,
    연료 전지 장치.
  10. 제 6 항, 제 7 항, 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
    상기 제 2 개질 장치(3)는 냉각 강도에 의해 온도를 조절함으로써 상기 역반응을 조절하기 위하여 제공된 것을 특징으로 하는,
    연료 전지 장치.
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