KR20110041674A - 연료전지 스택의 어노드오프가스 재순환 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지 스택의 어노드오프가스 재순환 장치에 관한 것으로, 스택(30)의 어노드오프가스(anode-off gas) 출구와 개질기(10)의 연료 및 물 공급배관(5)을 어노드오프가스 배출배관(40)으로 연결한다.

따라서, 어노드오프가스가 개질기(10)로 공급되어 잔류 수소가스가 재활용되고, 어노드오프가스에 포함된 포화수증기가 버너(20)의 연소에 악영향을 주지 않으므로 개질기 및 연료전지 시스템의 효율이 향상된다.

어노드오프가스, 스택오프가스, 잔류 수소가스 재활용

Description

연료전지 스택의 어노드오프가스 재순환 장치{anode-off gas recirculation apparatus of fuel cell stack}

본 발명은 연료전지 시스템에서 스택의 어노드오프가스를 재순환시켜 활용하는 연료전지 스택의 어노드오프가스 재순환 장치에 관한 것이다.

현재 국제적으로 에너지 자원 확보와 환경오염 해결에 관한 경쟁이 가속화됨에 따라 보다 안정적이고 친환경적인 에너지 시스템이 요구되고 있는 바, 이에 고효율이며 공해물질의 배출이 거의 없는 연료전지가 주목받고 있다.

연료전지 시스템은 도시가스(천연가스), LPG, 등유 등의 연료를 스택에서 사용할 수 있도록 변환하는 연료변환장치(fuel processor)와, 연료변환장치에서 변환된 가스를 이용하여 발전하는 상기 스택(stack)과, 스택에서 생산된 직류전류를 교류전류로 변환하는 전력변환장치(Power conditioning system)와, 상기 연료변환장치와 스택에서 발생하는 열을 회수하여 온수로 저장하고 필요에 따라 사용할 수 있도록 하는 코제너레이션장치(cogeneration system) 및 시스템의 기동, 운전 유지, 정지를 위해 구비되는 다양한 주변기기(BOP;Balance of Plant)로 구성된다.

상기 연료변환장치는 연료가스를 수증기와 반응시켜 수소를 생성하는 개질 기(reformer)와, 생성된 가스가 스택의 촉매에 피독을 일으키지 않도록 일산화탄소를 제거하는 쉬프트반응기(shift converter) 및 선택적산화반응기(remover=Prox reactor)를 포함하여 구성되는데, 상기 개질기, 쉬프트반응기, 선택적산화반응기를 모두 합하여 개질기로 통칭하기도 한다. 이후 언급되는 개질기는 상기 통칭적 의미의 개질기임을 밝혀 둔다.

도 1을 참조하여 종래의 스택 어노드오프가스의 재순환 장치에 대해 설명한다.

외부로부터 연료(천연가스;NG)와 물을 공급받은 개질기(10)는 일련의 개질반응, 쉬프트반응 및 선택적 산화반응을 통하여 천연가스를 개질가스(수소농후가스)로 변환하고, 그로부터 일산화탄소를 제거한다.

이때 상기 개질반응은 흡열반응으로서 원활한 개질반응의 유지을 위해서 외부로부터 열을 공급해주어야만 한다. 따라서, 개질기(10)는 버너(20)를 구비하여 연료(천연가스 ; 개질기(10)에 공급되는 것과 동종의 가스를 사용한다.)를 연소시켜 그 때 발생하는 연소열을 개질반응에 사용한다.

상기 개질기(10)에서 스택 요구 수준까지 일산화탄소가 정화된 개질가스는 스택(30)의 연료극(anode)으로 공급되고, 동시에 스택(30)의 공기극(cathode)으로는 공기가 공급된다.

상기 연료극에서 수소가 수소이온(H+)와 전자(e-)로 분해되고, 이들은 각각 전해질막과 외부도선을 통해 공기극(cathode)으로 이동하여 공기극으로 공급된 공기 중의 산소와 결합하여 물을 생성한다.

이때 상기 전자의 흐름에 의해 전류가 생성되고 물 생성반응에서 부수적으로 열이 발생하며, 상기 발생된 전류는 직류로서 상기 전력변환장치를 사용하여 교류로 전환하여 사용하게 된다.

또한, 상기 발생된 열은 열교환기를 사용하여 온수로 저장하고 필요에 따라 급탕 및 난방용으로 사용한다.

한편, 상기 스택(30)의 연료극으로 공급된 연료가스는 스택(30)을 통과하는 동안 일어나는 발전 반응에서 모두 사용되지 않는다.

따라서, 연료극에서 배출된 가스 즉, 어노드오프가스(anode-off gas)에는 잔여 수소가스가 포함되어 있다.

따라서, 종래에는 어노드오프가스 배출배관(40)을 상기 버너(20)의 연료 및 공기 공급배관에 연결하여, 잔여 수소가스를 버너(20)의 연료로써 사용하였다.

따라서, 대기중으로 방출되던 수소를 재순환시켜 개질기(10)에 필요한 열을 발생시키는데 재활용함으로써 시스템의 효율 향상을 도모할 수 있었다.

그런데, 상기 스택의 연료가스인 개질가스에는 천연가스에 수증기를 가하고 촉매를 매개로 개질반응을 발생시켜 생성된 것으로 필연적으로 수증기가 포함되어 있다.

따라서, 상기한 바와 같이 어노드오프가스에도 다량의 수증기가 포함되어 있는데, 어노드오프가스가 상기 버너로 공급되어 연소될 때 상기 수증기는 원활한 연소를 방해할 뿐만 아니라 화염의 온도를 감소시키는 직접 요인으로도 작용한다.

따라서, 개질기의 반응온도를 유지하기 위해서 추가의 열량 공급(버너로 공급되는 천연가스의 양을 증가시켜야 함)이 필요하므로 개질기 및 연료전지 시스템 전체의 효율이 감소되는 문제점이 있었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 버너의 연료 소비량이 감소됨으로써 개질기 및 시스템 효율이 향상되도록 된 연료전지 스택의 어노드오프가스 재순환 장치를 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

연료가스를 개질하는 개질기와;

상기 개질기에 열량을 공급하는 버너와;

상기 개질기에서 배출된 개질가스와 공기를 이용하여 발전하는 스택과;

상기 스택의 어노드오프가스 출구와 상기 개질기의 연료 및 물 공급배관을 연결하는 어노드오프가스 배출배관을 포함한다.

또한, 상기 어노드오프가스 배출배관에 블로어가 설치된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 어노드오프가스 배출배관이 상기 개질기를 다수 회 감싸고 돈 후 상기 개질기의 연료 및 물 공급배관에 연결된 것을 특징으로 한다.

이상 설명한 바와 같은 본 발명에 따르면,

스택의 어노드오프가스를 개질기로 재 순환시켜 발전에 사용되지 않은 수소가스를 사용하므로 시스템 효율이 향상된다.

또한, 포화수증기를 포함한 어노드오프가스가 버너로 공급되지 않게 되어 포화수증기로 인해 버너의 효율이 저하되지 않으므로 버너의 연료 소비량이 감소되어 개질기 및 시스템 효율이 향상된다.

또한, 개질기로 공급되는 연료 및 물에 비하여 상대적으로 고온인 어노드오프가스가 개질기로 공급됨으로써 개질기의 유입온도가 향상되어 버너로 공급해야 할 추가 열량이 감소되어 개질기 및 시스템 효율이 향상된다.

또한, 어노드오프가스 배출배관이 개질기를 감싸는 상태로 설치되어 개질기의 폐열을 흡수하므로 시스템 효율이 향상되는 효과가 있다.

이하, 본 발명을 첨부된 예시도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 연료전지 스택의 어노드오프가스 재순환 장치의 구성 도이다.

본 발명은 연료를 개질하는 개질기(10)와, 상기 개질기(10)에 반응열을 공급하는 버너(20)와, 상기 개질기(10)에서 배출된 개질가스(수소농후가스)를 연료로 이용하여 공기와의 전기화학반응을 통해 전류와 열을 생성하는 스택(30)을 포함한다.

상기 개질기(10)는 천연가스(NG)와 물을 공급받아 수증기 개질반응을 통해 천연가스로부터 수소 성분을 분리해낸다.

이후, 개질기(10)에 포함된 쉬프트반응기와 프록스반응기에서 개질반응시 생성된 일산화탄소를 스택에 공급할 수 있는 정도로 제거한다.(일산화탄소는 스택의 촉매를 피독시키므로 10ppm 이하의 수준으로 제거되어야만 한다.)

상기 개질반응이 흡열반응이기 때문에 개질반응 온도를 유지하기 위해서는 개질기(10)로 지속적인 열 공급이 필요하다.

따라서, 상기 버너(20)에 천연가스와 공기를 공급하여 연소시킴으로써 개질기(10)로 필요한 열을 공급한다.

공급열량은 개질기(10)의 온도를 체크하면서 그에 따라 천연가스와 공기의 공급량을 적절히 조절함으로써 조정한다.

상기 스택(30)은 각 셀에 연료극(anode)과 공기극(cathode)을 구비하며, 상기 연료극에 개질기(10)에서 배출된 개질가스(수소농후가스)가 공급되고, 상기 공기극에 외부로부터 공기가 공급된다.

따라서, 전해질막을 매개로 전술한 바와 같은 전기화학반응이 진행되어 전류 가 생성되고 더불어 열이 발생된다.

본 발명은 상기와 같은 구성에 있어서, 상기 스택(30)의 어노드오프가스 배출구와 상기 개질기(10)의 연료 및 물 공급배관(5)이 어노드오프가스 배출배관(40)으로 연결된 것을 특징으로 한다.

따라서, 스택(30)의 수소이용률에 따라 사용되고 남은 잔여 수소가스와 개질되지 않은 미량의 천연가스가 포함된 어노드오프가스가 상기 어노드오프가스 배출배관(40)을 통해서 상기 개질기(10)의 연료 및 물 공급배관(5)으로 유입되고, 이어 연료(천연가스) 및 물과 혼합되어 상기 개질기(10)로 공급된다.

상기 개질기(10)는 원래 개질반응에 필요한 물을 공급받아 수증기화하는 것이므로 상기 어노드오프가스에 수증기가 포함되어 있는 것이 아무런 문제를 발생시키지 않는다.

오히려, 상기 어노드오프가스는 스택(30)에서 배출될 때 스택의 발열에 의해 고온으로 가열된 상태로 배출되므로 개질기(10)에 유입되는 연료 및 물과 혼합되어 이들의 개질기 유입온도를 증가시키는 역할을 한다.

따라서, 개질기(10)에서 개질반응의 개시와 유지를 위하여 상기 버너(20)로부터 개질기(10)로 공급되는 열량이 덜 필요하게 된다.

따라서, 상기 버너(20)로 연료(천연가스)를 덜 공급해도 되므로 결국 버너(20)의 연료 소비량이 감소되어 개질기의 효율이 증가된다.

따라서, 개질기를 포함한 연료전지 시스템 전체의 효율이 향상된다.

한편, 도시된 바와 같이 상기 어노드오프가스 배출배관(40)에 블로어(50)를 설치할 수 있다.

상기 블로어(50)는 스택(30)의 연료극 출구로부터 배출되는 어노드오프가스를 흡입하여 상기 개질기의 연료 및 물 공급배관(5)으로 강제 송풍한다.

따라서, 스택(30)의 어노드오프가스 배출이 보다 원활히 이루어질 뿐만 아니라, 어노드오프가스가 개질기(10)로 원활하게 공급되므로 개질기(10)의 효율 향상에 일조하게 된다.

한편, 도 3과 같이, 상기 어노드오프가스 배출배관(40)은 블로어(50)로부터 개질기의 연료 및 물 공급배관(5)으로 직접 연결되지 않고, 상기 개질기(10)를 다수 회 감싸고 돈 후에 개질기의 연료 및 물 공급배관(5)에 연결된다.

이와 같이 하면, 개질기(10)로부터 방출되는 폐열이 어노드오프가스에 흡수되므로 어노드오프가스가 보다 높은 온도로 개질기(10)로 유입되게 되며, 이는 유입온도 향상과 개질기의 폐열 이용의 두 측면에서 개질기 및 시스템 효율의 향상 요인이 된다.

도 1은 종래 기술에 따른 연료전지 시스템의 구성도,

도 2는 본 발명에 따른 스택의 어노드오프가스 재순환 장치가 적용된 연료전지 시스템의 구성도,

도 3은 본 발명의 다른 실시예를 도시한 도면이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

5 : 연료 및 공기 공급배관 10 : 개질기

20 : 버너 30 : 스택

40 : 어노드오프가스 배출배관

Claims (3)

1. 연료가스를 개질하는 개질기와;

   상기 개질기에 열량을 공급하는 버너와;

   상기 개질기에서 배출된 개질가스와 공기를 이용하여 발전하는 스택과;

   상기 스택의 어노드오프가스 출구와 상기 개질기의 연료 및 물 공급배관을 연결하는 어노드오프가스 배출배관;

   을 포함하는 연료전지 스택의 어노드오프가스 재순환 장치.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 어노드오프가스 배출배관에 블로어가 설치된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 어노드오프가스 재순환 장치.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 어노드오프가스 배출배관이 상기 개질기를 다수 회 감싸고 돈 후 상기 개질기의 연료 및 물 공급배관에 연결된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 어노드오프가스 재순환 장치.

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