KR20090124824A

KR20090124824A - 외부 개질형 용융탄산염 연료전지 시스템

Info

Publication number: KR20090124824A
Application number: KR1020080051242A
Authority: KR
Inventors: 김도형; 김범주; 이정현; 배윤미; 강승원; 임희천; 유근배
Original assignee: 한국전력공사
Priority date: 2008-05-30
Filing date: 2008-05-30
Publication date: 2009-12-03
Also published as: KR100961838B1

Abstract

본 발명은 외부 개질형 용융탄산염 연료전지 시스템에 관한 것이다.

이와 같은 본 발명은 개질 가스를 공급하는 개질 가스 공급 장치와, 상기 개질 가스 공급 장치의 개질 가스를 공급받아 개질 반응을 하는 개질 반응 장치와, 상기 개질 반응 장치에서 개질된 연료 가스를 공급받아 개질 반응하는 연료극/개질촉매와, 상기 연료극/개질촉매로 공급되는 연료 가스를 승온하는 열교환장치-Ⅰ를 포함하여 형성되는 것을 특징으로 한다.

Description

외부 개질형 용융탄산염 연료전지 시스템{EXTERNAL REFORMING TYPE MOLTEN CARBONATE FUEL CELL SYSTEM}

본 발명은 외부 개질형 용융탄산염 연료전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 외부 개질기에서 생산되는 연료가스 중 미반응된 탄화수소 성분을 이용하여 발전 효율을 향상시키는 것에 관한 것이다.

연료 전지란 탄화수소 등의 화학연료가 가지는 화학에너지를 전기에너지로 직접 변환시키는 장치이다. 이러한 연료 전지는 대부분 화학연료로 수소를 사용하고 있으며, 용융탄산염 연료전지와 같이 고온에서 사용되는 경우에는 개질기(Reformer)와 결합하여 탄화수소를 연료로 사용할 수 있다.

일반적으로, 용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell) 발전시스템은 천연가스, 석탄가스 등 다양한 연료의 사용이 가능하다. 용융탄산염 연료전지는 애노드의 수소산화반응과 캐소드의 산소환원반응의 전기화학 반응을 이용하여 연료가 가지고 있는 화학에너지를 연소과정 없이 섭씨 500도 이상의 고온에서 연료 가 전기로 바뀌는 전기화학 반응에 의하여 전기를 생산한다. 따라서 소음 및 대기오염을 줄일 수 있는 차세대 발전방식으로 주목받고 있다. 이러한 용융탄산염 연료전지는 크게 전기를 생산해 내는 스택 및 연료 공급 장치와 같은 기계적 주변장치, 그리고 DC/AC 변환장치와 같은 전기적 주변 장치로 구성된다. 여기서 개질기의 위치에 따라 연료전지 외부에서 탄화수소를 수소로 개질(Reforming)시켜 연료전지의 연료극에 공급하는 외부 개질형과, 연료전지 내부에서 직접 개질시켜 연료극에 공급하는 내부 개질형으로 구분된다.

외부 개질형 용융탄산염 연료전지 시스템은 외부 개질기에서 연료 가스인 수소를 공급받아 발전하는 방식으로, 외부 개질기에서 연료 가스인 수소를 생산하기 위해서는 필요한 열량을 공급해야만 했다. 이러한 열량 공급은 외부에서 메탄(CH₄) 등의 연료 공급에 의한 연소를 통해 이루어졌다. 따라서 발전 효율이 다른 발전시스템보다 상대적으로 낮은 단점이 있었다.

이를 해결하기 위해서 개질기에 필요한 열량을 공급하는 여러 방식이 발전되어 왔고 현재 개발 중에 있다. 예를 들면, 연료극 배가스를 활용하여 개질기에 열량을 공급하는 방식과 자열(Autothermal) 개질 반응을 이용하여 발전 효율을 높이는 방식으로 개발하고 있다. 하지만 아직 개발 중에 있거나 대형화 시스템에 적합하지 못한 단점이 있다.

본 발명은 이와 같은 종래 기술의 결점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 개질기의 작동 온도를 조절하여 발전 효율을 높인 외부개질형 용융탄산염 연료전지를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 개질 가스를 공급하는 개질 가스 공급 장치와, 상기 개질 가스 공급 장치의 개질 가스를 공급받아 개질 반응을 하는 개질 반응 장치와, 상기 개질 반응 장치에서 개질된 연료 가스를 공급받아 개질 반응하는 연료극/개질촉매와, 상기 연료극/개질촉매로 공급되는 연료 가스를 승온하는 열교환장치-Ⅰ를 포함하는 것이 제공된다.

본 발명에 따른 외부개질형 용융탄산염 연료전지 시스템은 전력 생산에 따른 스택 내부의 발열량을 개질 반응에 이용함으로써 스택 발열량 제거를 위한 과량의 공기 유량을 줄일 수 있다.

따라서 공기 공급 장치의 전력 소모량을 상대적으로 낮출 수 있는 장점이 있어 발전 효율을 향상시키는 효과가 있다.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 외부개질형 용융탄산염 연료전지 시스템을 나타낸 블록도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 외부개질형 용융탄산염 연료전지 시스템은 개질 반응장치(10), 개질 가스 공급장치(20), 열 공급장치(30), 연료극/개질촉매(51), 전해질/지지체(52), 공기극(55), 공기공급장치(70), 연료극 배가스 처리장치(60), 전력변환장치(80), 열교환 장치-I(40), 열교환 장치-II(90)로 구성될 수 있다.

상기 개질 가스 공급 장치(20)는 연료전지 발전 시스템의 구동에 필요한 연료인 천연가스, 바이오 가스등과 같은 개질 가스를 공급해주는 역할을 한다. 여기서 개질 가스는 탄화수소 성분을 포함하는 가스이다.

상기 열 공급장치(30)는 내부 공간을 갖는 관형 또는 원통형 구조로 형성되어 개질 반응에 필요한 열을 공급해줄 수 있다. 열 공급장치(30)에 유입되는 연료를 산화촉매로 산화시켜 열을 발생시키고, 발생된 열을 효과적으로 공급해준다.

상기 개질 반응 장치(10)는 개질 가스 공급 장치(20)로부터 개질 가스를 공급받는다. 그리고 열 공급 장치(30)로부터 개질 반응에 필요한 열을 공급받아 개질 반응을 하여 스택(50)에 연료가스를 공급한다. 여기서 스택(50)에 공급되는 연료가스는 수소 성분을 포함한 연료가스이다.

상기 열교환 장치-I(40)는 개질 반응 장치(10)로부터 생성된 연료가스의 온도가 스택(50) 운전 온도인 580^oC ~ 620^oC 영역보다 낮은 경우에 온도를 승온시켜 스택(50)에 공급한다.

상기 스택(Stack)(50)은 원하는 전기출력을 얻기 위해 단위전지를 수십 장 직렬로 쌓아올린 형태이다. 스택(50)은 연료극/개질촉매(51), 전해질/지지체(52) 및 공기극(55)으로 구성될 수 있다. 따라서 스택(50)은 개질 반응 장치(10)로부터 공급받은 수소 가스와 산화제 가스를 이용하여 전기, 열 및 물을 생성한다.

상기 연료극/개질촉매(51)는 개질 반응 장치(10)에서 나온 수소, 이산화탄소, 메탄, 스팀 등을 공급받아 스택(50) 내부의 높은 열을 이용하여 개질 촉매에 의해 개질 반응을 한다.

따라서 산화촉매반응과 개질 촉매반응 등을 통해 수소가스를 축출하며, 연료극인 양극에 공급된 수소는 수소 이온과 전자로 분리된다.

상기 전해질/지지체(52)는 개질 반응장치(10)에서 생성된 수소와 전해질/지지체(52)의 탄산염과 전기화학반응을 한다.

수소 이온은 전해질층을 통해 공기극(55)으로 이동하고, 전자는 외부회로를 통해 공기극(55)으로 이동한다.

상기 연료극 배가스 처리장치(60)는 전해질/지지체(52)의 전기화학반응에 참여하지 않은 연료가스를 공급받는다.

상기 공기 공급장치(70)는 연료극 배가스 처리장치(60)의 연료극 배가스를 연소하기 위해 연료극 배가스 처리장치(60)에 공기를 공급한다.

상기 공기극(55)은 연료극 배가스 처리장치(60)를 거친 공기, 이산화탄소 등의 가스를 공급 받는다.

이러한 공기극(55)은 음극으로 산소와 이산화탄소가 만나 반응생성물인 탄산염을 생성한다. 그리고 공기극(55)을 통해 배기 되는 고온의 배가스는 열교환 장치-Ⅰ(40)를 통해 개질 반응 장치(10)에서 나오는 연료가스의 온도를 높여준다.

상기 전력변환장치(80)는 공기극(55)에서 생산된 직류(DC)전기를 공급받아 교류(AC)로 변환한다.

상기 열교환 장치-Ⅱ(90)는 열교환 장치-Ⅰ(40)에서 열교환된 공기를 공급받아 다시 한번 열교환 한다. 따라서 열교환 장치-Ⅱ(90)를 통해 회수된 열을 이용하여 온수 등을 공급하게 된다.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 온도 변화에 따른 개질 반응된 연료 가스량의 변화 그래프이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 변화에 따른 개질 반응에 필요한 열량과 발전 효율의 변화 그래프이다.

도 2와 도 3을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 외부 개질형 용융탄산염 연료전지 시스템의 발전 효율 증가 방법을 설명한다.

도 2는 개질 반응 장치(10)를 통해 생성되는 연료 가스량이 온도에 따라 변화하는 것을 나타낸다.

그래프의 기울기를 보면 외부 개질 반응 장치의 온도가 증가할수록 수 소(H₂)(140)와 일산화 탄소(Co)(120)는 연료가스량이 증가하고, 물(H₂O)(130)과 메탄(CH₄)(100)은 연료 가스량이 감소하게 된다. 그리고 이산화탄소(CO₂)(110)는 온도에 따른 연료가스량의 변화가 적음을 알 수 있다.

상대적으로 낮은 온도 영역인 섭씨 400도에서 섭씨 500도까지는 많은 메탄 (100)성분이 개질 되지 않고 배출하게 된다. 반면에 섭씨 700도 이상의 온도 영역에서는 대부분의 메탄(100)이 개질됨을 알 수 있다.

기존 외부 개질기의 작동 온도가 섭씨 700도 이상에서 개질 반응을 하는 이유는 이처럼 대부분의 메탄 성분을 개질 하기 위함이다.

도 3의 점선은 도 2의 개질 반응에 필요한 열량, 즉 열 공급 장치를 통해 공급되는 열량을 보여준다.

열 공급 장치의 작동 온도가 높을수록 개질 반응에 필요한 열량이 증가되는 것을 알 수 있다. 이렇게 필요한 많은 열량을 메탄 연소기와 같은 외부 열 공급 장치로부터 공급받기 때문에 발전효율은 낮아지게 된다. 따라서 발전효율을 높이기 위해서는 외부 열 공급 장치에서 공급하는 열량을 줄여야 한다.

도 3의 실선은 외부 열 공급 장치로부터 공급받는 열량을 고려하여 계산한 발전 효율을 나타낸다. 상대적인 저온 영역에서 발전 효율이 높음을 알 수 있다.

도 3에서 볼 수 있듯이 400^oC ~ 500^oC 온도 영역(B)에서 발전 효율이 크게 증가함을 알 수 있다. 이렇게 스택 운전 온도보다 낮은 가스의 온도는 스택에 들 어가기 전에 열교환 장치-I를 통해 용융탄산염 연료전지의 작동 온도에 맞춰 공급 하게된다. 그러면 도 2에서 볼 수 있듯이 외부 개질 반응 장치를 통해 공급되는 수소의 용량이 용융탄산염 연료전지 스택에서 필요한 수소의 용량보다 부족한 부분은 연료극/개질촉매의 촉매 반응을 이용하여 외부 개질 반응 장치에서 개질 반응하지 않은 메탄을 개질 하여 나머지 수소를 용융탄산염 연료전지의 스택에 공급하게 된다.

따라서 기존 외부 개질 반응장치의 작동 온도인 700^oC ~ 900^oC 영역보다 낮은 400^oC ~ 500^oC 영역에서 개질 반응장치를 작동시킴으로써 발전효율을 증대시킬 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술 될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 변화에 따른 개질 반응된 연료 가스량의 변화 그래프이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 변화에 따른 개질 반응에 필요한 열량과 발전 효율의 변화 그래프이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>

10: 개질 반응 장치 20: 개질 가스 공급장치

30: 열 공급 장치 40: 열교환 장치-Ⅰ

50: 스택 51: 연료극/개질촉매

52: 전해질/지지체 55: 공기극

60: 연료극 배가스 처리장치 70: 공기 공급 장치

80: 전력 변환 장치 90: 열교환 장치-Ⅱ

Claims

개질 가스를 공급하는 개질 가스 공급 장치;

상기 개질 가스 공급 장치의 개질 가스를 공급받아 개질 반응을 하는 개질 반응 장치;

상기 개질 반응 장치에서 개질된 연료 가스를 공급받아 개질 반응하는 연료극/개질촉매;

상기 연료극/개질촉매로 공급되는 연료 가스를 승온하는 열교환장치-Ⅰ를 특징으로 하는 외부 개질형 용융탄산염 연료전지 시스템.
청구항 1에 있어서,

상기 개질 가스는 탄화수소 성분을 포함한 것을 특징으로 하는 외부 개질형 용융탄산염 연료전지 시스템.
청구항 1에 있어서,

상기 개질 반응 장치는 개질 가스를 수소성분을 포함한 연료 가스로 반응시키는 것을 특징으로 하는 외부 개질형 용융탄산염 연료전지 시스템.
청구항 1에 있어서,

상기 개질 반응 장치의 작동온도는 400℃ 내지 500℃인 것을 특징으로 하는 외부 개질형 용융탄산염 연료전지 시스템.
개질 가스를 공급하는 개질 가스 공급 장치;

상기 개질 가스 공급 장치의 개질 가스를 공급받아 개질 반응을 하는 개질 반응 장치;

상기 개질 반응 장치에서 개질된 연료 가스를 승온하는 열교환장치-Ⅰ;

상기 열교환장치-Ⅰ에서 승온된 연료 가스를 공급받아 개질 반응하는 연료극/개질 촉매;

상기 연료극/개질촉매에서 반응 후 남은 가스를 공급받는 연료극 배가스 처리장치;

상기 연료극 배가스 처리장치에 공기를 공급하는 공기 공급 장치;

상기 공기 공급 장치의 공기와 연료극 배가스 처리장치의 가스를 공급받는 공기극;

상기 공기극을 통해 배기되는 배가스를 공급 받는 열교환 장치-Ⅰ;

상기 열교환 장치-Ⅰ의 열을 회수하는 열교환 장치-Ⅱ를 특징으로 하는 외부 개질형 용융탄산염 연료전지 시스템.
청구항 4에 있어서,

상기 개질 가스는 탄화수소 성분을 포함한 것을 특징으로 하는 외부 개질형 용융탄산염 연료전지 시스템.
청구항 4에 있어서,

상기 개질 반응 장치는 개질 가스를 수소성분을 포함한 연료 가스로 반응시키는 것을 특징으로 하는 외부 개질형 용융탄산염 연료전지 시스템.
청구항 4에 있어서,

상기 개질 반응 장치의 작동온도는 400℃ 내지 500℃인 것을 특징으로 하는 외부 개질형 용융탄산염 연료전지 시스템.