KR20090059142A - 연료 전지 시스템 - Google Patents

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KR20090059142A
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조아킴 에이. 윈닝
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베에스 레포머 게엠베하
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Abstract

본 발명에 따른 연료 전지 시스템은 액체 및 기체 연료로부터 전력 및 열을 발생시키기 위하여 사용된다. 상기 시스템은, 리포머와, 그 작동 온도가 120℃이고 증발 덕트(2)에서 수증기를 발생하기 위하여 그 배출열이 사용되는 연료 전지 스택을 가진다. 상기 증발 덕트(2)는 냉각될 스택(1)과 직접적인 열 접촉할 수 있도록 정렬된다. 상기 증발 덕트(2)의 출구에 있는 압력 유지 디바이스에 의해 원하는 스택 온도를 발생하는 값으로 상기 덕트(2)의 압력이 세팅된다.
연료 전지 시스템, 액체, 전류, 열, 증발 채널, 리포머, 스택

Description

연료 전지 시스템{FUEL CELL SYSTEM}
액체 및 기체 연료로부터 전류 및 열로의 에너지 변환(conversion)을 위하여 연료 전지 시스템이 사용된다. 이러한 에너지 변환은, 연료 전지에서 선택된 전류 밀도에 따라서 화학 에너지를 전기 에너지로 변환하는 동안에, 50% 내지 60%의 효율로 연료 전지에서 조용히 이루어진다. 엔진 구동식(engine-driven) 전류 발생기의 장점은, 네트(net) 원격 전력 공급과 분산형(decentralized) 전력-열 커플링에 요구되는 바와 같이, 작은 출력의 경우에 kW 범위에서 특히 효과적이다. 따라서, 연료 전지 시스템을 발전시키는 작업은 세계적으로 이루어지고 있지만, 지금까지 시장에서 어떠한 돌파구도 없는 상태이다.
그 이유는 주로 매우 복잡한 완성 시스템으로 인한 높은 제조 가격이다. 상기 시스템은, 열교환기, 펌프, 밸브 및 자동적인 작동을 위한 전기 장치와 같은 주변 구성품은 물론, 리포머(reformer) 및 연료 전지 스택(stack)을 가지는 (소위 연료 처리기(fuel processor)를 사용하여)연료 처리를 포함한다.
폴리머 박막(polymer membrance)을 구비하고 대략 80℃ 이하의 온도에서 작동하도록 설계되는 PEM 연료 전지는, 리포메이트(reformate)를 ppm 범위까지 CO 미세-스크러빙(fine-scrubbing)을 요구하고, 캐소드 공기(cathode air)의 습도 조 절(humidification)을 위하여 비싼 수처리(water management)가 요구된다. 이러한 경우에, 상기 증기 리포머(steam reformer)용 처리수는 스택의 배출 열로써는 증발되지 않을 수 있는데, 왜냐 하면 증발을 위한 온도가 너무 낮기 때문이다.
WO 2005/084771 A2는 일체식 증발기를 가지는 컴팩트한(compact) 리포머를 기재하고 있다. 이것은 80%이하의 효율을 가지는 리포메이션(reformation)용으로 사용될 수 있다. 펌프, 블로워(blower) 및 전류 변환기(current transducer)과 같은 보조 조립체로 인한 전체 전력 발생의 10 내지 15%의 손실을 고려한 전체 시스템을 위한 전기 효율은 35 내지 40%가 된다.
현재 이용가능하고 120 내지 200℃의 온도에서 작동하는 (PEMEAS und Pat에 의하여 발행된) 고온 PEM 전지를 고려하면, 상기 CO 미세-스크러빙 및 수처리가 생략될 수 있고, 따라서 상기 프로세스의 상당한 간략화를 허용한다. 또한, 상기 스택의 배출 열은 상기 처리수의 증발용으로 사용될 수 있다.
본 발명의 목적은 제조 가격을 낮추고 보다 안전한 자동적인 작동을 제공하기 위하여 고온 전지를 기초로 하여서 전체 프로세스를 보다 간략하게 하는 것이다. 이렇게 함으로써, 전체 시스템의 전기 효율은 35 내지 40%의 레벨, 가능하다면 더 높은 비율 아래로 떨어지지 않는다.
상기 목적은 본 발명의 청구항 1의 특징에 따른 연료 전지 시스템에 의해서 성취된다.
상기 고온 스택 및 양호하게는 상기 시프트 스테이지(shift stage) 또는 시프트 반응기(shift reactor)는 증발 채널(evaporation channel)과 직접 접촉하여서 냉각되고, 스팀 압력의 도움으로 자동 온도 조절되게(thermostatically) 제어된다. 따라서, 적어도 상기 스택의 배출열 및, 선택적으로 상기 시프트 반응기의 배출열이 사용되고, 따라서 효율을 향상시킨다.
상기 장치의 크기 및 복잡성은 감소한다. 상기 스택 및 리포머에 부가하여서, 몇몇 밸브 및 핏팅(fitting)은 물론 기본적으로 단지 공기 블로워, 물 펌프, 응축기(condenser)가 요구된다. 분리식의 가열 스팀 발생기는 불필요하게 된다.
프로세스 제어 및 프로세스 모니터링은 특히 간단하게 된다. 단지 상기 리포머의 온도를 위해서 단지 하나의 제어 회로만이 있게 된다. 연료, 공기 및 물의 질량 흐름(mass flow)에 대해서, 개략적인 비례 제어(roughly proportional control)면 충분하다.
전체 시스템을 위한 전기 효율은 종래 기술의 시스템보다 더 크다. 스팀 발생기와 조합하여서, 40%이상의 전기 효율을 성취하는 것이 가능하고, 오토써믹 리포머(autothermic reformer)를 사용함으로써, 35%까지 올릴 수 있다. 상기 2가지 모두의 경우에, 전류 및 열의 전체 효율은 대략 100%이다.
도면들은 본 발명의 예시적인 실시예를 도시한다. 이 도면들은 상세한 설명을 보충하고자 하는 의도이다.
도 1은 본 발명에 따른 시스템의 예시적인 실시예를 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 시스템의 변경된 실시예를 도시하는 도면이다.
도 1에 따른 실시예
전기 에너지 발생을 위하여, 연료 전지 스택(1)이 제공되고, 상기 스택은 100℃이상의 온도, 양호하게는 대략 120℃에서 작동한다. 리포머용 증기는 스택(1)의 배출열에 의해서 발생되고, 상기 스택은 원하는 온도에서 상기 증기 압력에 의해 자동 온도 조절되게 제어된다. 이러한 점은 증발 채널(2), 예를 들면 상기 스택(1)위에 직접 정렬된 튜브 코일로 형성되는 하나(또는 그 이상)의 증발기 튜브 형태로 된 증발 채널(2)에 의해서 성취되거나, 물론 상기 발생되는 증발기의 출구에서 압력 유지 밸브(16)에 의해서도 성취된다. 가장 간단한 경우, 예를 들면 일정한 출력의 경우, 상기 압력 밸브는 조정가능한 밸브이다. 부하를 변경시키는 경우, 상기 밸브는, 예를 들면 스프링 편향식(spring-biased) 압력 유지 밸브이다. 대안적으로, 상기 구성된 압력 유지 디바이스는 또한 전자 제어기를 가지는 제어된 밸브로 될 수 있다.
상기 스택 온도의 자동적인 제어가 습증기 영역(wet steam region)에서 상기 증기 압력을 거쳐서만 작동하게 되는 한, 상기 증발 채널(2)에 공급하도록 제공되는 펌프(8)는 상기 증발기, 즉 증발 냉각에 필요한 증발 채널(2) 내로 보다 많은 물을 공급한다. 물/증기 혼합물이 형성된다. 과잉의 물은 상기 압력 유지 밸브(16)의 하류부에 위치되는 분리기(seperator)(15)에서 분리된다. 상기 분리기(15)에서 분리된 물은 버퍼 컨테이너(buffer container)(9)로 복귀된다.
상기 스택에 의해 발생되는 증기의 양은 상기 스택에서 변환되는 전력에 비례하고(따라서 또한 상기 발생되는 전력에 비례하는), 대략 5의 증기/탄소(steam/carbon)(S/C)의 비를 발생시킨다. 3의 일반적 비와 비교하여서 높은 증기 초과는 프로세스 안전에 긍정적으로 영향을 미치고, 효율에 부정적인 영향을 주는 것은 아니다.
상기 물의 증발은 상기 스택(1)이 최소 온도를 가지는 것을 요구한다. 따라서, 상기 스택(1)은 양호하게는 대기 모드(standby mode)에서 그 온도로 유지된다. 이러한 점은 상기 스택이 히터(4)와 함께 정렬되는 진공 절연된 용기(vacuum-insulated vessel)(3)에 의하여 성취된다.
리포메이션(reformation)에 뒤따라서, 상기 리포메이트(reformate)의 CO 성분은 8 내지 12 부피%로부터 대략 1 부피%로 상기 고온 스택에서 내려가야만 하고, 이러한 점은 대략 200℃의 온도 범위에서 촉매에 발열성 시프트 반응(exothermic shift reaction)에 의해 성취된다. 일반적으로, 상기 시프트 반응기는 리포머의 일체식 부분이다(WO 2005/084771를 참조). 본 발명은 이러한 원리로부터 시작하는 것이다. 상기 온도 범위는 스택(1)의 온도 범위와 중첩된다. 상기 온도 범위는 예를 들면 160° 내지 200°이다. 따라서, 상기 증발 채널(6)과 소통하는 시프트 반응기(5)가 상기 스택(1)의 열 컨테이너(thermo container)내로 구성되는 것이 바람직하다. 이러한 방법에서, 대기 모드에 있는 상기 히터(4)로써 작동 온도에서 작동할 준비가 될 수 있다. 또한, 상기 증발기 튜브(증발 채널)(2 및 6)는 일련으로 연결될 수 있으므로, 물/증기는 이들을 통하여 연속적으로 흐를 수 있다.
증기 제트 펌프(17)는 상기 펌프에 공급하기 위하여 상기 압력 유지 밸브(16)에 연결될 수 있다. 상기 펌프를 사용하고, 또한 상기 펌프의 흡입 커넥터에 연결되는 밸브(14)를 거쳐서, 연료가 들어오고, 따라서 연료 펌프는 불필요하게 된다. 상기 증기 제트 펌프는 이것의 출구에서 증기/연료 혼합물을 배출시킨다. 상기 혼합물은 열교환기(20)를 거쳐서 리포머(23)에 공급되고, 여기에서 더욱더 가열된다. 상기 열교환기(20)는 발생되는 리포메이트의 열에 의해서 가열된다.
도 1에 따른 증기 리포머를 참조하면, 다음의 구성품들이 열적으로 절연된 용기(21)내에 위치된다:
- 간접적으로 가열되고 촉매로 충전되는 리포밍 반응기(reforming reactor)(23).
- 열적인 NOX 형성을 피하기 위하여 무화염 산화(flameless oxidation)(FLOX)의 원리에 따라서 적절하게 작동하는 연소실(24).
- 상기 제트 펌프(17)에 의하여 배출되는 연료/증기 혼합물이 미리 가열되고, 양호하게는 바깥쪽으로 흐르는 리포메이트와 반대방향으로 흐르게(counter-current) 되어 있는 열교환기(20).
- 양호하게는 상기 연소실(24)의 배출 가스와 반대방향으로 흐르는, 블로워(13)에 의하여 운반되는 연소 공기와, 상기 연료 전지(1)의 잔류 가스로 필수적으로 구성되는 가열 가스를 미리 가열하기 위하여 사용되는 열교환기(19).
높은 효율의 반대방향 흐름(counter-current) 장치가 상기 열교환기(19 및 20)용으로 사용된다면, 상기 리포머의 효율은 약 90%이상이고, 따라서 저온 스택용 의 일체식 증발기를 가지는 리포머의 경우보다 10% 더 높게 된다.
상기 리포메이트는 상기 시프트 반응기(5)내로 향하고, 그 다음 상기 스택(1)으로 향하게 된다. 상기 스택으로부터 배출되는 잔류 가스는 상기 리포메이트의 에너지 성분의 15 내지 25%를 여전히 포함한다. 이러한 점은 상기 리포메이트를 가열하기에 아주 충분하지는 않는데, 왜냐하면 상기 리포메이트는 상기 밸브(18)를 거쳐서 상기 연소실(24)로 복귀될 수 있기 때문이다.
상기 연소실(24)의 배출 가스와, 상기 스택(1)의 배출 공기는 상기 물 회로를 폐쇄하기 위하여 상기 응축기(11)에서 응축 온도로 냉각된다. 이러한 점은 낮은 가열값(소위 가열값 작동(heating value operation))에 대하여 대략 100%인 전류 및 열용 시스템의 전체 효율을 발생시킨다. 열 출력을 이용하기 (tapping) 위하여, 예를 들면 빌딩을 가열하기 위하여 사용될 수 있는 가열 언커플러(heat uncoupler)가 상기 응축기(11)에 연결된다.
상기 제어기 디바이스(25)를 구비한 전체 시스템의 자동적인 제어는 특히 간단하다. 상기 시스템이 캐리어(carrier)로서 전류 또는 열과 작동하는지에 따라서, 대략 비례하여 다음의 것을 변화하도록 전류 탭핑(7) 또는 가열 언커플링(12)의 신호가 사용된다.
- 밸브(14)에 의한 연료 공급
- 상기 블로워(13)에 의한 공기, 및/또는
- 상기 펌프(8)에 의한 물의 양.
상기 질량 흐름의 정확한 비는 프로세스의 안전성을 손상하지 않는데, 왜냐 하면 물이 과잉으로 운반되기 때문이고, 이와 유사하게 공기수(air number)도 결정적인 것이 아니다. 상기 시스템의 전기 효율은 단지 영향을 적게 받을 뿐이다. 또한, 상기 배출 가스가 응축하기 위하여 냉각되지 않기 때문에, 전체 효율은 매우 양호하게 된다.
온도 센서(22)와 상기 증기 리포머의 온도 제어는 상기 밸브(18)를 포함하는 단지 요구되는 제어 회로이다.
도 2에 따른 실시예
또한, 오토써믹 리포머를 가지는 본 발명에 따른 연료 전지 시스템을 연결하는 것이 가능하다. 기본적으로 동일한 도면부호를 사용하여서, 이전의 설명이 적용가능하다. 또한, 다음의 것이 적용가능하다. 연료의 오토써믹 리포메이션은 증기 리포메이션에 비하여 다음과 같은 몇몇 장점을 가진다.
- 간접적인 열 전달이 없기 때문에 컴팩한 디자인
- 짧은 시동 시간
- 연료, 예를 들면 오일과 같은 보다 높은(보다 긴 사슬(longer chain)) 탄화수소를 가질지라도 탄소가 없는 작동(carbonless operation)
그러나, 15 내지 25%의 에너지 함량을 가지는 스택(1)의 잔류 가스가 리포메이션을 위하여 사용될 수 없다는 단점이 있다. 동일한 크기에 있어, 전기 효율이 떨어진다. 그러나, 작동이 응축 모드에서 발생되기 때문에, 전체 효율은 100%로 남아 있게 된다.
도 2의 설명은 다음과 같은 차이점이 있을 뿐, 도 1에 대응된다.
상기 오토써믹 리포머는 바깥쪽으로 흐르는 리포메이트를 가지고 상기 증기/연료 혼합물 및 공기를 미리 가열하기 위한 반응실(26)과 열교환기(27)를 포함한다. 상기 반응실(26)에서의 온도는 상기 센서(22) 및 공기 밸브(28)에 의해 제어된다. 상기 스택 냉각기에 의해서 운반되는 과잉의 증기는, 특히 서로 다른 연료(오일 등)가 사용될 때에 프로세스 안전에 공헌하게 된다. 상기 리포머의 효율은 열교환기(27)가 높은 효율의 반대 방향 장치일 때에 90% 이상이 된다. 상기 스택에서 반응하지 않는 잔류 가스는 제 2 연소실(29)에서 공기와 연소하게 되고, 그 다음 상기 응축기(11) 내로 운반된다.
가장 중요한 장점은 다음과 같다:
- 고온의 스택 및, 상기 시프트 스테이지는 증기 압력의 도움에 의해서 상기 증발 채널과 직접 접촉하여 자동 온도 조절가능하게 제어된다.
- 상기 장치의 크기는 감소된다. 상기 스택 및 리포머에 부가하여서, 단지, 공기 블로워, 물 펌프, 응축기, 몇몇 밸브 및 핏팅이 요구된다.
- 프로세스 제어 및 프로세스 모니터링은 특히 간단하다. 상기 리포머의 온도용으로 단지 하나의 제어 회로만이 있다. 개략적인 비례 제어는 연료, 공기 및 물의 질량 흐름용으로 충분하다.
상기 전체 시스템의 전기 효율은 종래기술의 시스템에서보다 더 높게 된다. 상기 증기 리포머와 조합하여서, 40%이상의 전기 효율이 성취될 수 있고, 오토써믹 리포머에서는 35%이상이 된다. 상기 2가지 경우에, 전류 및 열용의 전체 효율은 대략 100%이다.
리포메이션을 성취하기 위하여, 상기 증기/연료 비, 소위 증기/탄소비 또는 S/C비는, 예를 들면 증기 리포메이션을 고려하여서 대략 S/C=3에서 제어되어야만 한다. 출력과 관계없이, 연료 전지는 에너지, 즉, 전류와 배출열의 대략 반의 에너지를 공급한다. 상기 배출열이 증기 발생을 위하여 사용된다면, 대략 5의 S/C비가 발생된다. 실질적으로, 이것은 요구되는 것 이상이지만, 질량 흐름을 측정하고 제어할 필요는 없다.
따라서, 예를 들면, 상기 스택 온도는 10바아(bar)의 증기 압력과, 대략 160℃ 내지 180℃의 온도에서, 즉 출력에 관계없이 자동 온도 조절가능하게 제어된다. 이러한 점은 간단한 압력 유지 밸브에 의해서 성취될 수 있다.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템은 액체 및 기체 연료로부터 전류 및 열을 발생시키기 위하여 사용된다. 상기 시스템은, 리포머 및, 120℃이상의 작동 온도를 가지며 상기 증발 채널(2)에서 증기 발생을 위하여 사용되는 배출열을 제공하는 연료 전지 스택을 포함한다. 상기 증발 채널(2)은 냉각될 상기 스택(1)과 직접적인 열접촉을 할 수 있도록 정렬된다. 상기 증발 채널(2)의 출구에서의 압력 유지 디바이스는 원하는 스택 온도가 되는 값으로 상기 채널의 압력을 조정할 수 있도록 배치된다.

Claims (17)

  1. 액체 및 기체 연료로부터 전류 및 열을 발생시키기 위한 연료 전지 시스템로서, 상기 시스템은 리포머와, 120℃ 이상의 작동 온도를 가지며 증발 채널(2)에서 증기를 발생하기 위하여 사용되는 배출열을 제공하는 연료 전지 스택을 포함하는 연료 전지 시스템에 있어서,
    상기 증발 채널(2)은 냉각될 스택(1)과 직접적인 열접촉을 할 수 있도록 정렬되며,
    상기 증발 채널(2)의 출구에서 상기 압력 유지 디바이스는 원하는 스택 온도가 되는 값으로 상기 채널의 압력을 조정하기 위하여 배치되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 압력 유지 디바이스는 압력 유지 밸브(16)를 포함하고, 따라서 물 분리기(15)는 상기 압력 유지 밸브의 상류부에 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 스택(1)은 대기(standby) 히터(4)를 가지는 진공 절연된 용기(3)에서 자켓(jacket)되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 시프트 반응기(5)는 증기에 의해서 가열되거나 냉각되며, 상기 반응기는 증발 채널(6)과 열전달 소통되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 증발 채널(6)은 압력 유지 디바이스(16)에 의해서 온도 제어되는, 양호하게는 자동 온도 조절되게 제어되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 시프트 반응기(5)는 상기 진공 절연된 용기(3)에 수용되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 압력 유지 디바이스는 압력 유지 밸브(16)를 포함하고, 상기 압력 유지 밸브(16)의 하류부에서, 상기 리포머용 유체 취입을 위해 제트 펌프(17)가 정렬되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  8. 청구항 1에 있어서,
    제어기 디바이스(25)는, 필요시 비례 방식에 가깝게, 밸브(14)에 의한 연료, 블로워(13)에 의한 공기 및, 펌프(8)에 의한 물의 질량 흐름을 변경하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 리포머는 간접 가열을 가지는 증기 리포머(도 1)인 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 리포머는 오토써믹 리포머(도 2)인 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  11. 리포머와, 120℃이상의 작동 온도를 가지며 증기 발생을 위하여 사용되는 배출열을 제공하는 연료 전지 스택을 포함하여 유체 및 기체 연료로부터 전류 및 열을 발생시키기 위한 방법에 있어서,
    증발 채널(2)이 냉각될 상기 스택(1)과 직접적인 열접촉을 할 수 있도록 정렬되게 스택(1)이 냉각되며,
    상기 증발 채널(2)의 출구에서 압력 유지 디바이스는 원하는 스택 온도가 되는 값으로 상기 채널의 압력을 조정하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 유체 및 기체 연료로부터 전류 및 열 발생 방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 시프트 반응기(5)는 증기에 의해서 가열 또는 냉각되며, 상기 반응기는 증발 채널(6)과 열전달 소통되는 것을 특징으로 유체 및 기체 연료로부터 전류 및 열 발생 방법.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 증발 채널(6)은 압력 유지 디바이스(밸브)(16)에 의해서 온도 제어되는, 양호하게는 자동 온도 조절되게 제어되는 것을 특징으로 하는 유체 및 기체 연료로부터 전류 및 열 발생 방법.
  14. 청구항 11에 있어서,
    상기 발생된 증기는 제트 펌프에 의해서 상기 리포머용으로 연료와 혼합되는 것을 특징으로 하는 유체 및 기체 연료로부터 전류 및 열 발생 방법.
  15. 청구항 11에 있어서,
    제어기 디바이스(25)는, 필요시 비례 방식에 가깝게, 밸브(14)에 의한 연료, 블로워(13)에 의한 공기 및, 펌프(8)에 의한 물의 질량 흐름을 변경하는 것을 특징으로 하는 액체 및 기체 연료로부터 전류 및 열 발생 방법.
  16. 액체 및 기체 연료로부터 전류 및 열을 발생하기 위한 방법으로서,
    리포머 및 연료 전지 스택을 포함함으로써, 상기 증기/연료비(S/C비)는 상기 리포머의 증기 공급을 위하여 상기 스택 배출열을 사용함으로써 자동적으로 제어되거나 및/또는 조절되는 액체 및 기체 연료로부터 전류 및 열 발생 방법.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 스택 온도는 습증기(wet steam)의 온도를 제어함으로써 자동적으로 제어되는 것을 특징으로 하는 액체 및 기체 연료로부터 전류 및 열 발생 방법.
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