KR20100083027A - 고체산화물 연료전지 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고체산화물 연료전지 시스템에 관한 것으로, 상세하게는 액상의 탄화수소계 원료를 공급받아 수소-리치(rich)한 개질 가스를 생성하는 개질기; 개질기 외벽에 부착되어 개질기를 초기 발화온도까지 승온시키는 가열기; 상기 개질기에서 배출된 개질 가스를 공급받아 황성분을 제거하여 연료가스를 생성하는 탈황기; 공기 및 상기 탈황기에서 배출된 연료가스의 온도를 상승시키는 복합 열교환기; 상기 복합열교환기에서 승온된 연료가스를 연료극가스 유입구로 공급받고 상기 복합열교환기에서 승온된 공기를 공기극 가스 유입구로 공급받아 전기를 생성하는 고체산화물 연료전지 스택; 및 상기 고체산화물 연료전지스택에서 배출된 공기극 및 연료극의 배출가스를 공급받아 연소시켜 연소가스를 생성하는 촉매연소기;를 포함하여 구성되며, 상기 복합열교환기는 상기 연소가스와 상기 연료가스 및 공기의 열교환이 이루어지며, 상기 고체산화물 연료전지 스택, 개질기, 가열기, 탈황기, 촉매연소기 및 복합 열교환기는 하나의 핫 박스(hot box)내에 구비된 고체산화물 연료전지 시스템에 관한 것이다.
고체산화물 연료전지 시스템, 개질기, 촉매연소기, 열교환기, 핫 박스

Description

고체산화물 연료전지 시스템{Solid Oxide Fuel Cell System}
본 발명은 개질기, 열교환기, 촉매연소기 및 고체산화물 연료전지 스택을 포함하여 구성된 고체산화물 연료전지 시스템에 관한 것으로, 상세하게는 시스템의 소형화 및 경량화가 가능하고, 최소의 열공급으로 고체산화물 연료전지 시스템의 초기 구동이 가능하며, 열적 자립 운전이 가능한 고체산화물 연료전지 시스템에 관한 것이다.
산업발전 및 인구증가에 따라 전 세계적으로 에너지 수요가 급증하고 있는 추세이나, 주 에너지원인 석유/천연가스등은 약 2020년을 기점으로 그 생산량이 점차 감소할 것으로 예측되고 있다. 이러한 화석연료의 고갈과 함께 환경을 오염시키지 않는 대체 청정 에너지원에 대한 연구 개발이 시급한 실정이다.
1997년 온실가스 감축을 위한 교토의정서가 채택되어 우리나라를 비롯한 119 개국이 비준하였고, 온실가스 배출량 감축의 의무화 및 온실가스 감축 의무 부담이 진행되고 있다.
태양열, 풍력, 수소에너지등의 다양한 천연 자원을 에너지원으로 사용하는 기술이 연구 개발되고 있으나, 1) 기존 화력발전과는 달리 연소과정이나 기계적 일이 필요 없는 직접 발전 방식으로 열역학적인 제한(Carnot 효율)을 받지 않으며 40∼60%로 발전효율이 높고, 정격 출력의 25∼100%의 넓은 부하범위에서도 거의 일정한 효율을 갖는 점, 2)대기오염 물질인 질소화합물(NOx), 황화합물(SOx)등을 배출하지 않고, CO2 배출량을 30%이상 감소시킬 수 있으며, 작동 소음/진동 또한 극히 미미한 환경 친화적인 에너지 기술인 점, 3)분산형 전력생산 방식이 가능하여 가정이나 산업현장에서 직접 전기를 생산, 공급할 수 있는 시스템으로 송전/배전이 불필요하다는 점, 4) 100㎾~수십㎿급 규모의 중대형 발전 시스템 분야, 1㎾~10㎾급 규모의 가정용 소형발전 시스템 및 자동차 보조동력원용, 수W∼수㎾급 규모의 이동전원용등 발전 용량을 용이하게 조절 가능한 점등에 의해 고체산화물 연료전지(SOFC; solid oxide fuel cell) 기술이 대체 청정 에너지로 각광받고 있다.
고체산화물 연료전지는 연료기체가 소유하고 있는 화학에너지를 전기화학반응에 의해 직접 전기에너지로 변환시키는 에너지 변환 장치이다. 고체산화물 연료전지의 전기화학반응을 보면, 연료극에서는 수소가 전자를 내어놓고 전해질을 통해 이동해온 산소이온과 만나 물과 열을 생성시키며, 연료극에서 생성된 전자는 외부회로를 통해 직류전류를 만들면서 공기극으로 이동하고, 공기극에서 산소와 만나 산소이온이 되고 생성된 이온은 전해질을 통해 연료극으로 이동하게 된다.
연료극/전해질/공기극의 연료전지 기본 단위 셀 하나에서 얻어지는 전위차는 약 1V 정도이기 때문에, 연료전지를 동력원으로 사용하기 위해서는 여러 개의 단위 셀을 직렬 및 병렬로 연결한 스택(stack)을 중심으로 연료전지시스템이 구성되고 있다.
통상적인 연료전지시스템은 전기를 생산하는 SOFC 스택(stack), 스택에 수소/탄화수소 및 산소를 공급하는 연료처리장치, SOFC 스택에서 생산된 DC 전력을 AC 전력으로 전환하는 전환시스템, SOFC에서 발생하는 열을 회수하는 배열회수 장치 등으로 구성된다.
연료전지는 사용되는 전해질의 물질에 따라, 알칼리형 연료전지(AFC), 인산형 연료전지(PAFC), 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC), 용융탄산염 연료전지(MCFC), 고체산화물 연료전지(SOFC)로 구분되는데, 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC)의 경우 가장 까다로운 연료처리가 필요하며, 고체산화물 연료전지(SOFC)의 경우 스택 안에서의 내부 개질만으로도 충분한 연료처리가 가능한 것으로 알려져 있다.
상세하게, 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC)의 경우, 천연가스에서 황성분을 제거하는 탈황 처리 이후, 수소를 발생시키는 개질(reforming)처리가 이루어지고, 개질반응 시 생성된 CO의 제거(water shift reaction) 및 선택 산화 반응이 더 수행된다. 이러한 CO 제거 단계를 통하여 CO의 농도를 100ppm 이하로 제어해야 하나, 고체산화물 연료전지(SOFC)의 경우, CO 자체도 연료로 사용 가능하므로, 탈황 이후 고체산화물 연료전지 스택 내에 구비된 촉매물질들을 이용한 내부 개질만으로 연료처리가 이루어 질 수 있다.
하기의 표 1은 연료전지 종류별 사용가능 연료, 전도 이온 물질, 연료 개질 방법, 해결해야 할 기술적 문제점들을 정리한 것이다.
(표 1)
연료전지 MCFC SOFC PAFC PEMFC DMFC
작동온도(℃) 550~700 600~1000 150~250 50~100 50~100
이온 CO3 2- O2- H+ H+ H+
가능연료 H2, CO H2, CO, 메탄 H2, 메탄올 H2 메탄올
외부 개질기 불필요 불필요 필요 필요 필요
문제점 부식, 휘산 고온열화,
안정성		 부식,
인산유출		 고비용,
저효율		 고비용,
메탄올 크로스오버
연료전지에서의 연료 개질(fuel reforming)이란 원료로 제공되는 연료를 연료전지 스택에서 요구되는 연료로 전환하는 것을 의미한다.
표 1과 같이 백금계 촉매를 사용하는 저온 연료전지인 PAFC, PEMFC, DMFC의 경우, 촉매의 열화를 방지하기 위해 외부 개질기를 이용하여 개질 가스 중의 CO 농도를 낮추고 억제할 필요가 있으나, 니켈계를 촉매로 사용하는 MCFC나 SOFC와 같은 고온형 연료전지에서는 CO를 연료로 사용할 수 있기 때문에 CO 제거공정이 필요 없으며, 스택 내 니켈을 함유하는 연료극에서 개질 반응을 일으킬 수 있으므로(내부 개질), 외부 개질기가 불필요한 것으로 알려져 있다.
상세하게, 탄화수소계 연료의 개질은 니켈 촉매를 이용한 수증기 개질이 통상적이다. 즉, 니켈 촉매하에 탄화수소계 가스를 수증기와 반응시켜 CO와 H2가 생성되는 개질 반응이며, 이러한 개질 반응은 흡열 반응이기 때문에 외부로부터 열 공급이 필요하다.
이러한 수증기 개질 이외에 탄화수소계 연료와 산소를 반응시켜 CO와 H2를 생성하는 부분산화 개질, 수증기 개질과 부분산화 개질을 조합한 자동 열 개질이 사용될 수 있다.
이후, 백금계 촉매를 전극 촉매로 사용하는 저온형 연료전지의 경우, 다시 수증기를 CO와 반응시켜 CO2로 산화시키는 이동 반응(shift reaction)이 수행된다.
이후, 필요에 따라, CO 농도를 10ppm 이하까지 감소시키기 위해, 수소 농도가 높은 분위기 중에서 CO를 선택적으로 산화시키는 선택 산화반응이 수행된다.
상술한 바와 같이, SOFC나 MCFC는 니켈계 연료극이 사용되고 고온에서 작동되는 연료전지이므로 일산화탄소가 연료로 사용이 가능할 뿐만 아니라 연료극에서의 내부개질(internal reforming)에 의한 탄화수소의 사용도 가능하므로, 연료 중 황성분을 제거하기 위한 탈황기(desulfurizer)와 예비개질기(pre-reformer)만으로도 SOFC를 위한 연료개질기가 구성되는 것이 통상적이다.
이때, 연료로, 액체 탄화수소계를 사용하는 경우, 이러한 예비개질기 및 스택 내 내부개질 만으로 충분한 개질 효율을 얻을 수 없어, 탈황기 및 개질기로 SOFC를 위한 연료개질기가 구성되는 것이 통상적이나, 고온에서 작동하는 SOFC의 특성상 수소에 함유된 일산화탄소 및 메탄 또한 연료로 사용가능하여 그 개질 요건이 엄격하지 않은 것이 일반적이다.
외부 개질기가 구비되는 종래의 SOFC 시스템으로 일본 공개특허 제2006-351293호에는 액체연료를 탈황하는 탈황기, 액체 연료와 물로부터 개질용 연료를 만드는 기화기, 개질용 연료로부터 수소 리치(H2-rich)한 가스를 생성하는 개질기 및 고체 전해질 SOFC 셀을 포함하는 SOFC 시스템이 제안된 바 있다.
일본 공개특허 제2006-351292호에는 탄화수소 원료를 탈황하는 탈황장치, 탈황된 탄화수소 원료를 수소 리치(H2-rich)한 가스로 만드는 개질기 및 고체 전해질 SOFC 셀을 포함하는 SOFC 시스템으로, 특히, 탈황장치가 황 화합물을 제거하는 탈황기, 탈황된 탄화수소 원료를 저장하는 탈황 원료 탱크 및 탈황 원료 탱크로부터 탈황기로 유통한 반환 유로를 포함하여 구성된 시스템이 제안된 바 있다.
미국 공개특허 제2007-0092766호는 연료 처리 장치에 관한 것으로, 액상 원료를 일부 탈황시키는 액상 탈황기, 액상 탈황기에 의해 부분 탈황된 액상 원료를 기화/이송시키는 연료이동장치, 기화된 원료를 탈황시키는 기상 탈황기 및 수소 리치(H2-rich)한 가스로 만드는 개질기를 포함하여 구성된 연료처리 장치가 제안된 바 있다.
상술한 내부 개질 방식과 외부의 개질기를 통하는 외부 개질 방식 중, 내부 개질 방식을 사용할 경우, 별도의 개질기를 구성할 필요가 없고 스택에서 발생하는 열을 사용하기 때문에 시스템의 효율 측면에서 우수하다. 그러나 충분한 사회적 인프라와 높은 수소 밀도를 갖는 디젤과 같은 운반이 용이한 탄화수소 연료에 적용하기에는 내부 개질방식은 시스템의 안정성 측면에서 어려운 점이 많다. 따라서, 다양한 측면에서 우수성이 증명된 디젤의 경우 외부 개질방식의 채용이 불가피하다.
SOFC 시스템의 안정적인 작동을 위하여 연료개질기 및 연료전지는 고온의 작동온도로 유지하는 것이 매우 중요하며, 이를 위해 시스템 내부의 적절한 구성요소 배치가 필요하다. 이와 더불어 연료전지 시스템의 전체적인 효율을 높이기 위해 열적 자립 운전이 가능하며 초기 구동시 소요되는 외부 에너지를 최소화할 수 있는 시스템이 필요하다.
그러나, 종래의 연료개질기를 포함하는 연료전지 시스템의 설계에 있어서는 각 개별적인 구성품들의 효율을 높이는 방안은 다양하게 연구되고 제안되었으나, 시스템 세부 구성장치의 전체적인 배치와 관련되어 연구된 것은 전무하다고 할 수 있다.
또한, SOFC 시스템의 초기 구동을 위해 줄열과 같은 막대한 외부 에너지를 이용하여 각 구성품들을 실질적인 작동 온도까지 가열하는 것이 일반적이며, SOFC 스택 내부에서 반응하지 않은 연료는 밖으로 배출되어 폐기되는 경우가 일반적인데, 이로 인하여 시스템 전체적인 효율은 감소한다.
상술한 문제점들을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 최소한의 열량으로 초기 구동이 가능하고, 초기 구동 이후, 열적 자립 운전 및 전체 시스템과 각 구성요소의 온도조절이 가능하며, 시스템 자체의 열이용성이 매우 높으며, 시스템의 소형화, 경량화가 가능하고, 시스템 구축비용이 절감된 고체산화물 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 고체산화물 연료전지 시스템은 액상의 탄화수소계 원료를 공급받아 수소-리치(rich)한 개질 가스를 생성하는 개질기; 개질기 외벽에 부착되어 개질기를 초기 발화온도까지 승온시키는 가열기; 상기 개질기에서 배출된 개질 가스를 공급받아 황성분을 제거하여 연료가스를 생성하는 탈황기; 공기 및 상기 탈황기에서 배출된 연료가스의 온도를 상승시키는 복합열교환기; 상기 복합열교환기에서 승온된 연료가스를 연료극가스 유입구로 공급받고 상기 복합열교환기에서 승온된 공기를 공기극가스 유입구로 공급받아 전기를 생성하는 고체산화물 연료전지 스택; 및 상기 고체산화물 연료전지스택에서 배출된 공기극 및 연료극의 배출가스를 공급받아 연소시켜 연소가스를 생성하는 촉매연소기; 를 포함하여 구성되며, 상기 복합열교환기는 상기 연소가스;와 상기 연료가스 및 공기;의 열교환이 이루어지며, 상기 고체산화물 연료전지 스택, 개질기, 가열기, 탈황기, 촉매연소기 및 복합 열 교환기는 하나의 핫 박스(hot box)내에 구비된 특징이 있다.
본 발명에 따른 고체산화물 연료전지 시스템은 상기 탄화수소계 원료를 상기 개질기에 공급하는 원료공급펌프; 물을 상기 개질기에 공급하는 물공급펌프; 상기 개질기에 공급되는 공기의 유량을 제어하는 공기공급용 MFC(Mass Flow Controller); 및 상기 고체산화물 연료전지 스택의 공기극 가스 유입구에 공급되는 공기의 유량을 제어하는 공기극용 MFC;를 더 포함하여 구성되며, 상기 개질기는 상기 가열기에 의해 발화온도로 가열 된 후, 상기 원료공급펌프 및 상기 공기공급용 MFC에 의해 상기 원료와 공기가 완전산화반응 조건으로 상기 개질기에 공급되어, 상기 공급된 원료-공기의 무점화 자연발화에 의해 개질기의 작동온도로 가열되는 특징이 있다.
상기 개질기가 작동온도로 가열된 후, 상기 연료전지스택이 가열되는데, 이때, 상기 고체산화물 연료전지스택은 상기 복합열교환기에서 배출된 고온의 연료가스 및 공기에 의해 반응온도로 가열되는 특징이 있다.
본 발명에 따른 고체산화물 연료전지 시스템은 상기 연료전지스택의 연료극 가스 유입구 전단에 제 1 벤트 벨브(vent valve)가 더 구비되어, 상기 제 1 벤트 벨브에 의해 상기 고체산화물 연료전지 스택으로 공급되는 상기 연료 가스의 유량이 제어되는 특징이 있다.
본 발명에 따른 고체산화물 연료전지 시스템은 상기 고체산화물 연료전지 스택의 연료극 가스 배출구 후단에 제2 벤트 벨브(vent valve)가 더 구비되어, 상기 제2 벤트 벨브에 의해 상기 촉매연소기로 공급되는 고체산화물 연료전지 스택의 연 료극에서 배출되는 배출가스의 유량이 제어되는 특징이 있다.
상기 개질기는 분무 노즐을 더 포함하여 구성되며, 상기 분무 노즐을 통해 상기 원료 및 공기가 상기 개질기 내로 혼합 분무되는 특징이 있으며, 상기 개질기에 공급되는 물은 일 끝단이 상기 물공급펌프와 연결되고 타 끝단이 상기 개질기와 연결된 물공급관을 통해 공급되며, 상기 물은 상기 물공급관과 상기 개질기 외벽이 접촉된 접촉면에서의 열교환에 의해 수증기로 상기 개질기 유입되는 특징이 있다.
상기 복합 열교환기에서 배출된 연소가스는 연소가스가 배기되는 배기관을 통해 상기 개질기, 상기 탈황기, 상기 촉매연소기, 상기 핫박스, 또는 이들의 조합과 열교환되는 특징이 있다.
상기 개질기, 탈황기, 촉매연소기 및 고체산화물연료전지 스택 각각의 온도는 상기 개질기에 공급되는 원료의 유량을 제어하는 상기 원료공급펌프; 상기 고체산화물 연료전지 스택의 공기극 가스 유입구에 공급되는 공기의 유량을 제어하는 공기극용 MFC; 상기 고체산화물 연료전지 스택에 공급되는 연료 가스의 유량을 제어하는 제1 벤트 벨브 및 상기 촉매연소기로 공급되는 연료극 배출가스의 유량을 제어하는 제2 벤트 밸브에 의해 제어되는 특징이 있다.
이에 의해 상기 핫박스 내부 온도 또한 상기 개질기에 공급되는 원료의 유량을 제어하는 상기 원료공급펌프; 상기 고체산화물 연료전지 스택의 공기극 가스 유입구에 공급되는 공기의 유량을 제어하는 공기극용 MFC; 상기 고체산화물 연료전지 스택에 공급되는 연료 가스의 유량을 제어하는 제1 벤트 벨브 및 상기 촉매연소기로 공급되는 연료극 배출가스의 유량을 제어하는 제2 벤트 밸브에 의해 제어되는 특징이 있다.
본 발명에 따른 고체산화물 연료전지 시스템은 최소한의 열량으로 초기 구동이 가능하고, 초기 구동 이후, 열적 자립 운전 및 전체 시스템과 각 구성요소의 온도조절이 가능하며, 시스템 자체의 열이용성이 매우 높으며, 시스템의 소형화, 경량화가 가능하고, 절감된 시스템 구축비용을 갖는 장점이 있다.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 고체산화물 연료전지 시스템을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 또한 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
도 1에 도시한 바와 같이 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지 시스템은 액상의 탄화수소계 원료를 개질하여 수소-리치(rich)한 개질 가스를 생성하는 개질 기(10); 개질기 외벽에 부착되어 개질기를 승온시키는 가열기(10'); 개질 가스에서 황성분을 제거하여 황이 제거된 개질가스를 생성하는 탈황기(20); 황이 제거된 개질가스 및 공기를 연료로 전기를 생성하는 고체산화물 연료전지 스택(40); 상기 고체산화물 연료전지 스택(40)에서 배출된 연료극의 배출가스(배출구 An(out)) 및 공기극의 배출가스(배출구 Ca(out))를 연소하여 연소가스를 생성하는 촉매연소기(50); 및 상기 연소가스와 상기 고체산화물연료전지 스택(40)에 공급되는 황이 제거된 개질가스 및 공기의 열교환이 수행되는 복합 열교환기(30);를 포함하여 구성되는 특징이 있다.
본 발명에 따른 고체산화물 연료전지 시스템은 개질기를 승온시키는 가열기(10')를 제외하고는 시스템의 초기 구동 및 정상 운전을 위해 외부 에너지가 따로 소모되지 않는 시스템이며, 고체산화물 연료전지 시스템에 사용되는 원료인 탄화수소계 원료 및 공기의 화학 반응 에너지 및 복합 열교환기(30)에 의한 상기 화학 반응 에너지의 열교환을 이용하여 시스템의 초기 구동 및 정상 운전이 가능한 특징이 있다.
본 발명에 따른 고체산화물 연료전지 시스템은 전기를 공급받아 줄열(joule 열)을 발생하여 개질기(10)를 가열하는 가열기(10')가 구비되며, 상기 개질기(10) 후단과 복합 열교환기(30) 전단에 탈황기(20)가 구비되는 특징이 있다.
상세하게는 액상의 탄화수소계 원료를 공급받아 수소-리치(rich)한 개질 가스를 생성하는 개질기(10) 및 개질기 외벽에 부착되어 개질기를 초기 발화온도까지 승온시키는 가열기(10')가 구비되며, 개질기(10)의 후단에 상기 개질기(10)에서 배 출된 개질 가스를 공급받아 황성분을 제거하여 연료가스를 생성하는 탈황기(20)가 구비된다.
고체산화물 연료전지스택(40)에 공급될 공기 및 상기 탈황기(20)에서 배출된 연료가스는 복합 열교환기(30)를 거쳐 고체산화물 연료전지 스택(40)에 공급되는데, 이때, 상기 복합 열교환기(30)는 촉매연소기(50)에서 생성, 배출된 고온의 연소가스를 공급받아 상기 연소가스;와 상기 공기 및 상기 연료 가스;와의 열교환이 수행된다.
상기 복합 열교환기(30)는 단일한 열교환기이며, 고온의 연소가스와 공기, 고온의 연소가스와 연료가스의 열교환이 동시에 수행되는 특징이 있다.
상기 고체산화물 연료전지 스택(40)은 상기 복합열교환기(30)에서 승온된 연료가스를 연료극 가스 유입구(An(in))로 공급받고 상기 복합열교환기(30)에서 승온된 공기를 공기극 가스 유입구(Ca(in))로 공급받아 전기를 생성한다.
상기 고체산화물 연료전지스택(40)은 연료극 가스 배출구(An(out))를 통해 상기 연료극 가스 유입구(An(in))를 통해 유입된 연료가스(전기화학적 반응이 수행된 연료 가스 및 전기화학적 반응이 수행되지 않은 미반응 연료가스 포함)를 배출하며, 공기극 가스 배출구(Ca(out))를 통해 상기 공기극 가스 유입구(Ca(in))를 통해 유입된 공기(전기화학적 반응이 수행된 공기 및 전기화학적 반응이 수행되지 않은 미반응 공기를 포함)를 배출한다.
상기 고체산화물 연료전지스택(40)은 상기 복합 열교환기(30)에서 승온된 고온의 연료가스 및 공기를 공급받아 정상적인 전기화학적 반응에 의해 전기가 생성 되는 반응 온도(고체산화물 연료전지의 작동 온도)까지 승온되게 되며, 이러한 고체산화물 연료전지스택(40)의 승온과정 중 상기 연료극 가스 배출구(An(out)) 및 공기극 가스 배출구(Ca(out))에서는 미반응 연료가스 및 미반응 공기가 각각 배출되며, 이후, 상기 복합 열교환기(30)에서 가열된 연료가스 및 공기에 의해 정상적인 작동 온도까지 승온된 고체산화물 연료전지스택(40)은 상기 연료극 가스 배출구(An(out)) 및 공기극 가스 배출구(Ca(out))를 통해 정상적 전기화학 반응 후의 연료가스 및 공기를 각각 배출한다.
이하, 공기극 배출가스는 고체산화물 연료전지스택(40)의 정상 운전 여부와 관계없이 공기극 가스 배출구(Ca(out))를 통해 배출되는 가스를 의미하며, 연료극 배출가스는 고체산화물 연료전지스택(40)의 정상 운전 여부와 관계없이 연료극 가스 배출구(An(out))를 통해 배출되는 가스를 의미한다.
상기 촉매연소기(50)는 상기 공기극 배출가스 및 연료극의 배출가스를 공급받아 연소시켜 고온의 연소가스를 생성하는데, 상기 촉매연소기(50)에서 생성된 연소가스는 복합 열교환기(30)로 공급되어 개질 가스 및 공기와 열교환된다.
바람직하게, 상기 고체산화물 연료전지 시스템을 구성하는 상기 고체산화물 연료전지 스택(40), 개질기(10), 가열기(10'), 탈황기(20), 촉매연소기(50) 및 복합 열교환기(30)는 하나의 핫 박스(hot box, 60)내에 구비되며, 상기 핫 박스는 단열 세라믹 재료로 구성될 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지 시스템 구성도의 다른 예로, 도 1을 기반으로 상술한 시스템을 기반으로, 상기 탄화수소계 원료(원료)를 상기 개질 기(10)에 공급하는 원료공급펌프(14); 물을 상기 개질기에 공급하는 물공급펌프(15); 상기 개질기에 공급되는 공기의 유량을 제어하는 공기공급용 MFC(Mass Flow Controller, 11, 12)); 상기 고체산화물 연료전지 스택(40)의 공기극 가스 유입구(Ca(in))에 공급되는 공기의 유량을 제어하는 공기극용 MFC(13); 상기 고체산화물 연료전지 스택(40)의 연료극 가스 유입구(An(in)) 전단에 구비되어 고체산화물 연료전지 스택(40)으로 공급되는 상기 연료 가스의 유량을 제어하는 벤트 벨브(vent valve, 17, 제1 벤트벨브); 및 공기 및 원료를 혼합 분무하여 개질기로 공급하는 분무 노즐(16)이 더 구비된 것이 바람직하다.
상기 공기는 압축된 상태로 봄베(bombe)에 저장되어 상기 봄베 내의 압력에 의해 별도의 공급 펌프 없이 공급 가능하며, 상기 공기의 유량을 제어하는 MFC(11~13)는 각각 개질기(10)로 원료 및 공기를 혼합 분무하는 분무 노즐(16)로 공급되는 공기의 유량을 제어하는 MFC(11), 분무 노즐(16)과 독립적으로 개질기(10)에 공급되는 공기의 유량을 제어하는 MFC(12) 및 복합열교환기(30)에 공급되는 공기의 유량을 제어하는 MFC(13)로 구성된 것이 바람직하다.
상기 분무 노즐(16)로 공급되는 공기의 유량을 제어하는 MFC(11)는 분무 노즐(16)을 통해 액상의 연료를 미립화하기 위한 공기와 연료의 혼합량을 제어함과 동시에 액상 연료 개질 반응에 필요한 공기 양을 일부 담당한다. 상기 분무 노즐(16)과 독립적으로 개질기(10)에 공급되는 공기의 유량을 제어하는 MFC(12)는 분무 노즐(16)에 공급되는 공기 양에 추가적으로 개질 반응에 필요한 공기 양을 개질기(10)에 공급하는 역할을 주목적으로 한다.
도 2와 같이 복합 열교환기(30)에 공급되는 공기는 고온의 연소가스와 열교환을 거쳐 고체산화물 연료전지 스택(40)으로 공급되므로, 상기 복합 열교환기(30)에 공급되는 공기의 유량을 제어하는 MFC(13)는 공기극 가스 유입구(Ca(in))로 공급되는 공기의 유량을 제어하게 된다.
상기 액상의 탄화수소계 원료는 원료공급펌프(14)를 통해 개질기(10)로 공급되는데, 상기 분무노즐(16)을 통해 공기와 혼합되어 개질기(10)로 분무된다.
상기 물은 상기 물공급펌프(15)를 통해 상기 개질기(10)로 공급되는데, 도면에 도시하지 않았으나, 일 끝단이 상기 물공급펌프(15)와 연결되고 타 끝단이 상기 개질기와 연결된 물공급관을 통해 공급되며, 상기 물공급펌프(15)에 의해 공급되는 물은 상기 물공급관과 상기 개질기(10) 외벽이 접촉된 접촉면에서의 열교환에 의해 수증기로 상기 개질기(10)에 유입되는 것이 바람직하다.
이를 위해, 상기 물공급관은 상기 개질기(10) 외벽과 열교환이 용이한 금속, 바람직하게는 스테인레스 스틸로 구성되며, 상기 물공급관과 상기 개질기(10)의 접촉 면적을 넓히기 위해, 상기 물공급관이 상기 개질기(10) 외벽을 둘러싼 형태가 바람직하다.
도 3 내지 도 4는 최소의 열량으로 초기 구동이 가능하며, 열적 자립이 가능한 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지 시스템의 특징을 도시한 도면으로, 상기 도 4는 도 3의 연장된 도면이다.
도 3 내지 도 4에서 핫 박스(60) 내의 장치중 붉은색으로 표시된 장치는 정상 상태에 이르지 못한 가열 상태(승온 상태)를 의미하는 것이며, 핫 박스(60) 외 부의 붉은 색으로 표시된 장치는 동작을 하는 중이나, 정상적인 운전 상태가 아닌 상태로 동작함을 의미하며, 푸른색으로 표시된 장치는 정상적 작동 중인 상태를 의미하는 것이며, 붉은색 화살표는 비 정상적인 상태의 유체를 의미하며, 푸른색 화살표는 정상적인 상태의 유체를 의미한다.
상기 정상적 상태는 개질기를 거쳐 개질된 가스, 탈황기를 거쳐 황이 제거된 가스, 열교환기를 거쳐 가열된 가스, 고체산화물 연료전지를 거쳐 전기화학적 반응이 일어난 후의 배출가스, 개질 반응이 수행되는 개질기, 탈황반응이 수행되는 탈황기, 열교환이 수행되는 복합열교환기, 전기를 생성하는 고체산화물 연료전지등을 의미하여, 상기 비정상적 상태는 상술한 정상적 상태가 아닌 장치의 상태 및 유체의 상태를 의미한다.
도 3(a)에 도시한 바와 같이 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지 시스템의 상기 개질기(10)는 상기 가열기(10')에 의해 200 내지 250℃(1차 승온온도 또는 초기 발화온도)로 1차 승온되는 특징이 있으며, 상기 가열기(10')에 의해 초기 발화온도로 가열 된 후, 도 3(b)와 같이 상기 원료공급펌프(14) 및 상기 공기공급용 MFC(11, 12)에 의해 상기 원료와 공기가 완전산화반응 조건으로 상기 개질기(10)에 공급되어, 상기 공급된 원료-공기의 무점화 (가열선과 같이 발화를 트리거링(triggering) 시키는 외부 장치에 의한 점화가 아닌) 자연발화에 의해 개질기가 작동온도로 가열되는 특징이 있다.
상기 완전산화반응 조건은 개질기에 공급되는 탄화수소계 연료가 공기(공기중 산소)와 반응하여 완전 연소되는 조건으로 상세하게는 하기의 식 (1)과 같은 반 응이 일어나도록 공기를 과급한다.
CnHm+(n+m/4)O2=nCO2+(m/2)H2O ---- 식(1)
(상기 n, m은 각각 1 이상의 자연수임)
상기 가열기(10')에 의해 초기 발화 온도로 가열된 개질기(10)에 완전산화반응 조건으로 공급된 탄화수소계 연료 및 공기는 촉매의 도움 없이 무점화 자연발화되어 탄화수소계 연료의 연소열에 의해 개질기의 작동 온도까지 2차 승온된다.
무점화 자연발화에 의해 개질기(10)가 작동 온도까지 승온되면, 도 3(c)와 같이 개질기(10)에서는 탄화수소계 원료를 수소-리치 가스로 개질하는 개질 반응이 정상적으로 수행되며, 개질기(10)에서는 개질 가스가 배출된다.
이때, 도 3(a) 및 도 3(b)에 도시한 바와 같이 상기 개질기(10)에 탄화수소계 원료 및 공기를 공급하는 시점은 상기 1차 승온이 완료된 후이며, 상기 개질기(10)에 탄화수소계 원료 및 공기가 공급되어 자연발화가 일어나면 상기 외부 열원(가열기, 10')을 이용한 개질기(10)의 가열은 중단된다.
상세하게 탄화수소계 원료의 자연 발화에 의해 개질기(10)가 작동 온도까지 승온 되면, 정상적인 개질이 수행될 수 있는데, 탄화수소계 원료를 수소-리치한 개질 가스로 개질하기 위해, 완전산화반응 조건으로 공급되던 탄화수소계 원료 및 공기의 공급을 개질 조건으로 바꿔 공급한다.
상세하게 개질기(10)가 정상적인 개질 반응이 수행될 수 있는 작동 온도(500 내지 600℃)까지 승온되면, 개질기(10)에 자열개질 조건의 반응물인 탄화수소계 연 료, 공기 및 물을 공급한다. 탄화수소계 연료 및 물의 공급량은 각각 원료공급펌프(14) 및 물공급펌프(15)에 의해 조절 될 수 있으며, 상기 원료공급펌프(14)와 개질기(10) 사이 및 상기 물공급펌프(15)와 개질기(10) 사이에 유량조절 밸브가 각각 더 구비되어 조절될 수 있음은 물론이다.
자연 발화에 의해 정상 운전 온도로 승온된 개질기(10)에 통상의 개질 조건(자열개질반응조건)으로 반응물(탄화수소계 연료, 공기 및 물)을 공급하여 수소-리치의 개질 가스를 얻을 수 있는데, 일 예로, 개질 조건의 반응물 공급은 SH Yoon, IY Kang, JM Bae. "Effects of ethylene on carbon formation in diesel autothermal reforming"(J of Power Sources, 2008(33), 4780-4788)을 참고하여 수행될 수 있다. 이때, 반응물의 공급 비율(탄화수소계 연료, 공기 및 물의 공급비율)은 자열개질 반응 온도를 유지하며 지속적인 반응이 일어날 수 있는 조건으로 공급하는 것이 바람직하다.
실질적인 예로, H2O/C=2, O2/C=0.68, GHSV=12,500의 조건으로 반응물을 개질기에 공급하여 개질 반응이 지속적으로 일어나 자열 개질 반응에서 발생하는 반응열에 의해 개질기의 온도가 유지되게 할 수 있으나, 이는 일 예일 뿐이며, 통상의 자열개질을 위한 반응물 공급 비율에서 적절히 조절 될 수 있음은 물론이다.
바람직하게 개질기(10)에 공급되는 반응물을 완전산화반응 조건에서 자열개질반응 조건으로 변환할 때, 유지되고 있던 완전산화반응 조건에서 자열개질반응 조건으로 물을 공급한 후 공기의 유량을 조절하고 마지막으로 연료의 유량을 조절 한다. 이는 반응물의 공급 비율 변환시 탄소침적을 억제하기 위함이며, 이를 위해 상술한 반응물의 공급 변환 순서뿐만 아니라, 변환(transient) 시간, 과도기 단계의 유지시간등 또한 적화되는 것이 바람직하다.
이때, 무점화 자연발화에 의해 작동 온도(500 내지 600℃)까지 승온되어 개질 반응을 수행하는 개질기(10)는 연료, 공기 및 수증기에 의한 자열 개질 반응 시 발생하는 반응열에 의해 온도가 유지되어, 별도의 외부 열을 공급하지 않더라도 지속적인 개질 반응이 수행되게 된다.
이후, 도 3(c)에 도시한 바와 같이 개질기(10)는 정상적인 개질 반응을 수행하며 상기 개질 반응 조건의 반응물을 공급받아 수소-리치의 개질 가스를 생성하고, 상기 개질기(10)에 의해 생성된 개질가스는 탈황기(20)에 공급되게 된다.
이때, 상기 탈황기(20)에 공급된 고온의 개질 가스에 의해 탈황기(20)가 가열된다. 상세하게, 초기 탈황기(20)는 개질 가스의 자체 열에 의해 가열되기 시작하며, 탈황기(20)가 가열됨에 따라, 개질기(10)에서 배출된 개질 가스 자체 열과 함께 황화합물과 ZnO를 포함하는 탈황촉매 사이의 촉매 흡착 발열 반응에 의해 발생하는 반응열에 의해 가열 및 정상적인 탈황 반응이 수행되는 온도(300 내지 500℃)로 유지된다. 따라서, 탈황기(20)의 가열을 위한 별도의 가열 장치가 불필요하며 외부 열이 소모되지 않는다.
상기 개질기(10)의 정상 개질 반응에 의해 탈황기(20)에 공급된 개질 가스는 탈황기(20)에서 탈황 반응 여/부와 무관하게 탈황기(20)를 거쳐 배출되는데, 탈황기(20)를 거쳐 배출되는 개질가스 및 공기극용 MFC(13)에 의한 공기가 복합열교환 기(30)에 공급된다.
상세하게, 상기 탈황기(20)가 개질 가스 및 탈황 반응의 반응열에 의해 정상운전 온도로 승온되는 과정에서는 미 탈황 개질 가스 또는 부분 탈황 개질 가스가 상기 복합열교환기(30)에 공급되며, 탈황기(20)가 정상 운전 온도로 운전되는 과정에서는 탈황된 개질 가스가 상기 복합열교환기(30)에 공급되게 된다. 이하, 탈황기(20)에서 배출되어 복합 열교환기(30)에 공급되는 가스 또한 개질 가스로 통칭한다.
초기 시스템의 구동시, 복합 열교환기(30)에 고온의 연소가스가 공급되지 않기 때문에, 탈황기(20)에서 복합열교환기(30)로 공급된 개질가스 및 공기는 온도의 변화 없이 고체산화물 연료전지 스택(40)으로 공급되고, 도 4(d)에 도시한 바와 같이, 상온(저온)의 고체산화물 연료전지 스택(40)을 바이패스(by-pass)한 개질 가스 및 공기가 촉매연소기(50)로 공급된다.
고체산화물 연료전지 스택(40)에서 배출되는 연료극 배출가스 및 공기극 배출가스는 상기 촉매연소기(50)에서 무점화 자연발화되어 연소되게 된다.
상기 촉매연소기(50)는 팔라듐 또는 백금(Pd, Pt)을 포함하는 귀금속 촉매가 구비되며, 별도의 외부 열원을 공급받지 않고, 상기 촉매연소기(50)에 유입된 배출가스는 상기 귀금속 촉매하에서 상기 연료극 배출가스의 자체 열에 의해 무점화 자연발화되어 고온의 연소가스를 생성한다.
이는 개질기(10)의 온도에 의해 일정 온도로 가열된 개질가스가 탈황기(20) 및 복합열교환기(30)를 거쳐 고체산화물 연료전지 스택(40)에 공급된 후, 낮은 스 택(40) 온도에 의해 바이패스되어 촉매연소기(50)로 유입됨에 따라, 귀금속 촉매하에서 개질가스 자체의 열에 의해 공기와 반응하여 자연발화되어 고온의 연소가스가 생성되는 것이다.
비록 도 2 내지 도 4에서는 상기 탈황기에서 배출된 개질가스가 고체산화물 연료전지 스택(40)을 바이패스하여 상기 촉매연소기(50)으로 공급되는 일 예를 도시하였으나, 본 발명의 고체산화물 연료전지 시스템은 초기 촉매 연소기의 자연발화를 보다 용이하게 수행하기 위하여 상기 탈황기(20)의 가스 배출구 후단과 상기 촉매연소기(50)의 가스 유입구 및 상기 고체산화물 연료전지 스택(40)의 연료극 가스 유입구(An(in))를 연결하여 상기 탈황기(20)에서 배출된 개질가스가 상기 촉매연소기(50) 또는 상기 고체산화물 연료전지 스택으로 선택적으로 공급되게 하는 쓰리 웨이 밸브(three way valve)를 더 구비하여, 구동 초기 촉매연소기(50)의 자연발화 전에는 상기 쓰리 웨이 밸브를 통해 상기 탈황기(20)에서 배출된 개질 가스가 상기 고체산화물 연료전지 스택(40)을 거치지 않고, 곧바로 상기 촉매연소기(50)로 공급되는 특징이 있다.
이때, 탈황기(20)에서 배출된 개질 가스 자체 열에 의해 상기 촉매연소기(50)가 자연발화한 후에는 상술한 바와 같이 상기 쓰리 웨이 밸브를 통해 상기 탈황기(20)에서 상기 촉매연소기(50)로의 직접적인 개질가스의 공급을 중단하고, 상술한 바와 유사하게 상기 고체산화물연료전지 스택(40)을 바이패스한 개질 가스가 상기 촉매연소기(50)로 공급되는 것이 바람직하다.
도 4(d)에 도시한 바와 같이 고온의 연소 가스를 공급받은 복합 열교환 기(30)는 탈황기(20)를 거친 개질 가스 및 공기극용 MFC(13)에 의해 공급된 공기를 가열하는 열교환이 수행되며, 도 4(e)에 도시한 바와 같이 복합열교환기(30)에 의해 가열된 고온의 개질 가스 및 고온의 공기는 고체산화물 연료전지 스택(40)을 정상적인 반응 온도(600 내지 800℃)까지 가열하게 된다.
복합열교환기(30)에 의해 상기 연소가스와 열교환된 고온의 개질가스 및 고온의 공기는 고체산화물 연료전지 스택(40)을 승온시키고, 고체산화물 연료전지 스택(40)이 승온되는 동안, 개질기(10)는 연료, 공기 및 수증기에 의한 자열 개질 반응인 발열 반응을 통해 작동 온도(500 내지 600℃의 온도 시점에서 완전산화조건에서 개질조건으로 원료공급을 전환함에 따라 700 내지 900 ℃의 온도를 유지하게 됨)까지 승온·유지되며, 개질 가스의 열에 의해 탈황기(20)의 정상 작동 온도(300 내지 500℃)까지 승온된 탈황기(20)는 정상적인 황화물과 ZnO 탈황촉매와의 촉매 흡착 반응 시 발생하는 반응열에 의해 온도가 유지되어, 별도의 외부 열을 공급하지 않더라도 지속적인 탈황 반응이 수행되게 된다.
도 4(e)에 도시한 바와 같이 고체산화물 연료전지 스택(40)은 복합열교환기(30)에 의해 가열되어 공기극 및 연료극 각각에 공급되는 고온의 개질가스 및 고온의 공기에 의해 점차적으로 승온되는데, 고체산화물 연료전지 스택(40)에 공급되는 개질 가스가 미반응 상태로 촉매연소기(50)로 공급되므로, 촉매연소기(50)에서 귀금속 촉매 하에서 자연발화시 발생하는 연소열은 고체산화물 연료전지 개질 가스의 공급량에 의해 제어된다.
따라서, 고체산화물 연료전기 스택(40)의 연료극 가스 유입구(An(in)) 전단 에 구비된 벤트 벨브(vent valve, 17, 제1 벤트벨브)를 이용하여, 상기 고체산화물 연료전지 스택(40)으로 공급되는 개질 가스(탈황기가 정상적으로 작동하는 경우 연료 가스)의 유량을 제어하고, 이러한 개질 가스(탈황기가 정상적으로 작동하는 경우 연료 가스)의 공급 유량 제어에 의해 고체산화물 연료전지 스택(40)을 바이 패스하여 촉매연소기(50)로 공급되는 개질 가스의 공급량(유량)을 제어하여 고체산화물 연료전지 스택(40)의 승온속도가 제어된다.
개질기(10)에 의한 개질가스 생성, 탈황기(20)에 의한 연료가스(황이 제거된 개질가스)의 생성, 연료가스(개질가스)와 연소가스와의 열교환, 공기와 연소가스와의 열교환, 열교환에 의해 가열된 고온의 연료가스(개질가스) 및 공기의 고체산화물 연료전지 스택(40)으로의 공급, 고온의 연료가스(개질가스) 및 공기에 의한 고체산화물 연료전지 스택(40)의 승온, 고체산화물 연료전지 스택(40)에서 배출되는 배출가스의 연소에 의한 고온의 연소가스 생성의 사이클이 반복되며, 고체산화물 연료전지 스택(40)이 반응 온도(600 내지 800℃)까지 지속적으로 승온된다.
도 4(f)에 도시한 바와 같이 고체산화물 연료전지 스택(40)이 반응 온도(600 내지 800℃)까지 승온되면 개질 가스에 함유된 수소, 일산화탄소, 메탄등과 공기중 산소와의 정상적인 전기화학반응이 일어나며 전기가 생성되어 고체산화물 연료전지 스택(및 시스템)이 정상 가동된다.
상술한 바와 같이 일정 온도가 승온 된 후, 발열반응에 의해 지속적인 개질 및 탈황 반응을 수행하는 개질기(10) 및 탈황기(20)가 구비되며, 고온의 연소가스와 고체산화물 연료전지스택(40)에 공급되는 연료가스(개질가스) 및 공기를 승온시 키는 복합 열교환기(30) 및 고체산화물 연료전지스택(40)에서 배출된 배출가스를 연소시켜 고온의 연소가스를 생성하는 촉매연소기(50)를 구비한 본 발명의 고체산화물 연료전지 시스템은 개질기(10)를 무점화 자연발화 온도까지 상승하는데 필요한 외부 열량을 제외하고는 시스템 자체(탄화수소계 원료 및 공기와 같은 물질을 포함함)의 에너지를 이용하여 초기 구동이 이루어지므로, 최소한의 열량으로 시스템의 초기 구동되는 장점이 있다.
도 3 내지 도 4의 초기 구동이 완료된 정상 구동 상태에서 본 발명에 고체산화물 연료전지 시스템은 열적 자립 운전이 가능하며, 고체산화물 연료전지 스택, 개질기, 촉매연소기 각각의 온도가 조절 가능한 특징이 있다.
상세하게는 상기 개질기(10)는 Pt, Rh, Ru, Pd, Au, 또는 이들의 혼합물인 귀금속 촉매 하에 자열개질을 통해 발열 반응이 수행되므로, 개질 반응시 발생하는 반응열에 의해 별도의 외부 열원 없이 지속적으로 개질이 가능하며, 상기 탈황기(20)는 개질기(10)의 후단에 구비되어 탈황 촉매, 바람직하게 ZnO 촉매 하에 황화합물의 촉매 흡착 반응의 발열 반응이 수행되므로, 탈황 반응시 발생하는 반응열에 의해 별도의 외부 열원 없이 지속적으로 탈황 가능하며, 상기 고체산화물 연료전지 스택(40) 또한 전기화학적 산화반응에 의한 반응열로 인해 별도의 외부 열원 없이 지속적으로 운전 가능하며, 상기 촉매연소기(50)는 고체산화물 연료전지 스택(40)의 연료극에서 반응하지 않은 연료가 존재할 경우 배출 가스 자체의 열에 의해 무점화 자연 발화가 수행되므로, 별도의 외부 열원없이 미반응 개질 가스가 배출될 때 정상적인 연소가 수행된다.
따라서, 본 발명의 고체산화물 연료전지 시스템은 정상 구동 후, 외부 열원 없이 열적 자립 운전이 가능한 특징이 있다.
이때, 시스템을 구성하는 고체산화물 연료전지 스택(40), 촉매연소기(50), 개질기(10), 탈황기(20) 각각의 온도를 제어할 수 있는데, 고체산화물 연료전지 스택(40)의 온도는 공기극용 MFC(13)를 이용하여 스택(40)에 유입되는 공기의 유량을 조절하여, 연료 가스의 공급량과는 무관하게 고체산화물 연료전지 스택(40)의 공기극의 산소에 의해 전기화학적인 산화반응에 의한 생성열을 제어하는 것이다.
즉, 고체산화물 연료전지 스택(40)의 온도가 너무 고온인 경우, 공기극용 MFC(13)를 이용하여 고체산화물 연료전지 스택(40)의 공기극에 공급되는 공기(산소)의 양을 줄여 고체산화물 연료전지 스택(40)의 발열량을 줄이는 것이다. 또한, 공기의 유량 조절과 더불어 밴트 밸브(17, 제1 벤트벨브)를 이용하여 고체산화물 연료전지 스택(40)에 유입되는 개질가스의 유량을 조절하여 고체산화물 연료전지 스택(40)의 온도를 제어할 수도 있다.
고체산화물 연료전지 시스템에 구비된 개질기(10) 및 탈황기(20)의 온도는 원료공급펌프(14)를 이용하여 개질기(10)에 유입되는 연료의 유량을 조절하여 조절한다. 개질기(10)에 유입되는 탄화수소계 원료의 유량에 따라 개질기(10)의 개질 반응에 의한 생성열이 제어되어, 개질기(10)의 온도가 조절 가능해지며, 개질기(10)에서 배출되는 개질 가스의 유량이 제어되어 탈황기(20)의 탈황 반응에 의한 생성열 또한 제어된다.
고체산화물 연료전지 시스템에 구비된 촉매 연소기(50)의 온도는 개질기(10) 에 유입되는 연료의 유량 및 스택(40)에 유입되는 공기의 유량을 조절하여 조절 가능하다. 보다 바람직하게는 원료공급펌프(14)에 의한 개질기(10)에 유입되는 연료의 유량, 밴트 벨브(17, 제1 벤트벨브)를 이용한 스택(40)에 유입되는 연료 가스의 유량 및 공기극용 MFC(13)에 의한 스택(40)에 공급되는 공기의 유량을 조절하여 촉매연소기(50)의 온도가 조절 가능하다.
상세하게는 촉매 연소기(50)에서는 고체산화물 연료전지 스택(40)의 연료극에서 배출되는 배출가스 내 미반응 수소, 일산화탄소, 메탄, 탄화수소물질등이 공기극에서 배출되는 배출가스 내 산소와 반응하여 연소되므로, 고체산화물 연료전지 스택(40)에 공급되는 연료 가스와 공기(산소)의 상대적 공급 유량비(ratio)를 제어하여 촉매연소기(50)의 온도를 제어할 수 있다.
또한, 도 2 내지 도 3에 도시한 바와 같이 상기 고체산화물 연료전지의 연료극 배출구(An(out)) 하단에 벤트 밸브(vent valve, 18, 제2 벤트 밸브)를 더 구비하여 상기 연료극 배출 가스 중 촉매연소기(50)에 유입되는 연료극 배출 가스의 유량을 제어하여 촉매연소기(50)의 온도를 조절할 수 있으며, 상기 벤트 밸브(제 2밴트벨브, 18)에 의해 스택(40)과 촉매연소기(50)의 온도를 독립적으로 조절할 수 있게 된다.
상술한 바와 같이 개질기(10), 탈황기(20), 촉매연소기(50), 및 고체산화물 연료전지 스택(40) 각각은 공기극용 MFC(13)에 의해 조절되는 공기의 유량, 벤트 벨브(17, 제1벤트 벨브)에 의해 조절되는 연료 가스의 유량, 원료공급펌프(14)에 의해 조절되는 탄화수소계 원료의 유량 및 벤트 벨브(18, 제2 벤트벨브)에 의해 조 절되는 연료극 배출가스의 공급 유량(촉매연소기로의 공급 유량)을 통해 제어되는 특징이 있다.
따라서, 핫 박스의 내부 온도 또한 공기극용 MFC(13)에 의해 조절되는 공기의 유량, 벤트 벨브(17, 제1벤트 벨브)에 의해 조절되는 연료 가스의 유량, 원료공급펌프(14)에 의해 조절되는 탄화수소계 원료의 유량, 및 벤트 벨브(18, 제2벤트 벨브)에 의해 조절되는 연료극 배출가스의 촉매연소기로의 공급 유량에 의해 조절되는 특징이 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 특정된 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지 시스템의 일 구성도이며,
도 2는 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지 시스템의 다른 구성도이며,
도 3은 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지 시스템의 초기 구동을 도시한 도면이며,
도 4는 도3의 도면과 연장된 도면이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
10 : 개질기 20 : 탈황기
30 : 복합 열교환기 40 : 고체산화물 연료전지 스택
50 : 촉매연소기 60 : 핫 박스(hot box)
10': 가열기

Claims (8)

  1. 액상의 탄화수소계 원료를 공급받아 수소-리치(rich)한 개질 가스를 생성하는 개질기;
    개질기 외벽에 부착되어 개질기를 초기 발화온도까지 승온시키는 가열기;
    상기 개질기에서 배출된 개질 가스를 공급받아 황성분을 제거하여 연료가스를 생성하는 탈황기;
    공기 및 상기 탈황기에서 배출된 연료가스의 온도를 상승시키는 복합열교환기;
    상기 복합열교환기에서 승온된 연료가스를 연료극가스 유입구로 공급받고, 상기 복합열교환기에서 승온된 공기를 공기극 가스 유입구로 공급받아 전기를 생성하는 고체산화물 연료전지 스택; 및
    상기 고체상기 고체산화물 연료전지스택에서 배출된 공기극 및 연료극의 배출가스를 공급받아 연소시켜 연소가스를 생성하는 촉매연소기;
    를 포함하여 구성되며,
    상기 복합열교환기는 상기 연소가스;와 상기 연료가스 및 공기;의 열교환이 이루어지며,
    상기 고체산화물 연료전지 스택, 개질기, 가열기, 탈황기, 촉매연소기 및 복합 열교환기는 하나의 핫 박스(hot box)내에 구비된 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 고체산화물 연료전지 시스템은 상기 탄화수소계 원료를 상기 개질기에 공급하는 원료공급펌프; 물을 상기 개질기에 공급하는 물공급펌프; 상기 개질기에 공급되는 공기의 유량을 제어하는 공기공급용 MFC(Mass Flow Controller); 및 상기 고체산화물 연료전지 스택의 공기극 가스 유입구에 공급되는 공기의 유량을 제어하는 공기극용 MFC;를 더 포함하여 구성되며,
    상기 개질기는 상기 가열기에 의해 발화온도로 가열 된 후, 상기 원료공급펌프 및 상기 공기공급용 MFC에 의해 상기 원료와 공기가 완전산화반응 조건으로 상기 개질기에 공급되어, 상기 공급된 원료-공기의 무점화 자연발화에 의해 개질기의 작동온도로 가열되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 고체산화물 연료전지스택은 상기 복합열교환기에서 배출된 고온의 연료가스 및 공기에 의해 반응온도로 가열되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 시스템.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 고체산화물 연료전지 시스템은 상기 고체산화물 연료전지 스택의 연료극 가스 유입구 전단에 제1 벤트 벨브(vent valve)가 더 구비되어, 상기 제1 벤트 벨브에 의해 상기 고체산화물 연료전지 스택으로 공급되는 상기 연료 가스의 유량이 제어되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 시스템.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 고체산화물 연료전지 시스템은 상기 고체산화물 연료전지 스택의 연료극 가스 배출구 후단에 제2 벤트 벨브(vent valve)가 더 구비되어, 상기 제2 벤트 벨브에 의해 상기 촉매연소기로 공급되는 고체산화물 연료전지 스택의 연료극에서 배출되는 배출가스의 유량이 제어되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 시스템.
  6. 제 2항에 있어서,
    상기 개질기는 분무 노즐을 더 포함하여 구성되며, 상기 분무 노즐을 통해 상기 원료 및 공기가 상기 개질기 내로 혼합 분무되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 시스템.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 개질기에 공급되는 물은 일 끝단이 상기 물공급펌프와 연결되고 타 끝단이 상기 개질기와 연결된 물공급관을 통해 공급되며,
    상기 물은 상기 물공급관과 상기 개질기 외벽이 접촉된 접촉면에서의 열교환에 의해 수증기로 상기 개질기 유입되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 시스템.
  8. 제 5항에 있어서,
    상기 개질기, 탈황기, 촉매연소기 및 고체산화물연료전지 스택 각각의 온도는 상기 개질기에 공급되는 원료의 유량을 제어하는 상기 원료공급펌프; 상기 고체산화물 연료전지 스택의 공기극 가스 유입구에 공급되는 공기의 유량을 제어하는 공기극용 MFC; 상기 고체산화물 연료전지 스택에 공급되는 연료 가스의 유량을 제어하는 제1 벤트 벨브 및 상기 촉매연소기로 공급되는 연료극 배출가스의 유량을 제어하는 제2 벤트 밸브에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 시스템.
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