KR20140026862A - 연료 전지 시스템 및 그 작동 방법 - Google Patents

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도현선
장민석
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Abstract

연료 전지 시스템이 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템은, 외부 전력을 사용하는 제 1 공기 공급부와, 제 1 공기 공급부와 연결되고, 전력을 생산하는 연료 전지 스택과, 연료 전지 스택에서 생산된 전력을 부하에 공급하는 전력 변환부와, 부하에 공급하고 남은 잉여 전력을 전력 변환부로부터 공급 받고, 연료 전지 스택과 연결된 제 2 공기 공급부를 포함하되, 제 1 및 제 2 공기 공급부 중 어느 하나에 의해 연료 전지 스택에 공기가 공급될 수 있다.

Description

연료 전지 시스템 및 그 작동 방법{FUEL CELL SYSTEM AND METHOD OF OPERATING THE SAME}
본 발명은 연료 전지 시스템 및 연료 전지 시스템의 작동 방법에 관한 것이다.
일반적으로 연료 전지 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이 연료공급부(MBOP, 10), 연료 전지 스택(40) 및 전력변환부(EBOP, 50)로 구성된다. 연료공급부는 공기와 연료를 연료 전지 스택에 공급하며, 연료 전지 스택 내부에서는 공급된 공기 중의 산소와 연료로 공급된 수소 혹은 연료의 개질을 통하여 발생한 수소가 화학반응을 거쳐 전기, 물, 열을 발생시킨다. 발생된 전기는 전력변환부를 통하여 외부로 공급된다.
연료 전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라, 상온 ~ 100℃ 이하에서 작동하는 고분자 전해질형 및 알카리형 연료 전지, 150 ~ 200℃ 부근에서 작동하는 인산형 연료 전지, 600 ~ 700℃의 고온에서 작동되는 용융탄산염 연료 전지, 1,000℃ 이상의 고온에서 작동하는 고체 산화 연료 전지로 분류된다.
이들 각 연료 전지의 근본적인 원리는 같으나 연료의 종류, 운전 온도, 촉매 및 전해질의 종류가 상이하다. 이 중에서 용융탄산염 연료 전지(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC)는 반응에 필요한 수소를 스택 내부에서 제조하는 내부 개질형과 반응에 필요한 수소를 스택 외부에서 제조하는 외부 개질형으로 구분된다.
내부 개질형 용융탄산염 연료 전지에서 연료극(Anode)에 주입되는 연료 가스는 천연가스와 같은 탄화수소 화합물을 사용하는데, 통상적으로는 연료 가스 중 C2 이상의 탄화수소 화합물을 먼저 초기 개질기(Pre??reformer)를 이용하여 수소로 전환시켜 전체 연료가스의 수소 농도를 2% 이상으로 유지하게 하여 수증기와 함께 연료 전지 스택의 연료극에 주입함으로써, 연료 전지 스택 내에서 일어나는 수증기 개질 반응을 촉진한다.
한편, MCFC와 같은 고온용 연료 전지는 600 ~ 700℃에서 작동하고, 사용 가능 연료의 범위가 넓으며 고온에서 작동하므로 저온 연료 전지와 달리 상대적으로 가격이 저렴한 촉매를 사용할 수 있다는 장점이 있다. 이러한 장점으로 현재 발전용 연료 전지뿐만 아니라 선박용 연료 전지로도 주목을 받고 있다.
그러나, 연료 전지 시스템은 전력을 필요로 하는 부하의 용량에 관계없이 일정한 전력을 생산한다. 따라서, 연료 전지 시스템에서 생산된 전력이 부하에서 소모되는 전력보다 많은 경우, 잉여 전력의 처리가 문제된다.
종래에는 이러한 잉여 전력을 열에너지로 변환하여 잉여 전력을 단순히 열로 소모하는 과정을 거치는데, 이와 같은 연료 전지 시스템의 잉여 전력 처리는 비효율적인 문제점이 있었다.
본 발명의 일 실시예는 잉여 전력을 효율적으로 처리할 수 있는 연료 전지 시스템 및 그 작동 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 외부 전력을 사용하는 제 1 공기 공급부와, 상기 제 1 공기 공급부와 연결되고, 전력을 생산하는 연료 전지 스택과, 상기 연료 전지 스택에서 생산된 전력을 부하에 공급하는 전력 변환부와, 상기 부하에 공급하고 남은 잉여 전력을 상기 전력 변환부로부터 공급 받고, 상기 연료 전지 스택과 연결된 제 2 공기 공급부를 포함하되, 상기 제 1 및 제 2 공기 공급부 중 어느 하나에 의해 상기 연료 전지 스택에 공기가 공급되는, 연료 전지 시스템이 제공된다.
이 때, 상기 제 2 공기 공급부는 상기 잉여 전력을 사용하여 공기를 압축하는 압축기 및 상기 압축기에 의해 압축된 공기를 저장하는 압축공기 저장탱크를 포함할 수 있다.
이 때, 상기 제 1 및 제 2 공기 공급부 중 어느 하나로부터 상기 연료 전지 스택에 공기가 공급되도록 조절하는 조절 밸브를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템은 잉여 전력을 연료 전지 스택에 공기를 공급하는 공기 공급부에 사용함으로써 연료 전지 시스템의 효율을 높일 수 있다.
도 1은 종래의 연료 전지 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 작동 방법을 나타낸 흐름도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구성도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템은 생산된 전력 중 남은 잉여 전력을 연료 전지 스택(400)에 필요한 공기를 공급하는 데 사용하는 시스템에 관한 것으로, 연료 공급부(100), 연료 전지 스택(400), 전력 변환부(500), 제 1 공기 공급부(200), 제 2 공기 공급부(300)를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템은 수소 및 공기를 연료 전지 스택으로 공급하는 구성, 연료 전지 스택에서 전력을 생성하는 구성, 그리고 연료 전지 스택에서 생성된 전력을 변환하는 구성 등은 일반적으로 공지되어 있는 연료 전지 시스템의 구성과 동일하게 구성될 수 있는 바, 이에 대한 구체적인 설명은 생략하도록 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 연료 공급부(100)는 공급되는 연료를 가공하고, 후술되는 연료 전지 스택(400)에 가공된 연료를 공급한다.
여기에서, 연료는 LNG, 디젤, 바이오 가스 등이 있으며, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템에서는 LNG가 주 연료로 사용될 수 있다. 하기에서는 연료를 LNG로 기술하지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
이 때, 연료의 가공이라 함은 연료를 개질(reforming)하는 과정으로써, 예를 들어, 메탄(CH4) 가스에서 수소(H)와 탄소(C)를 분리시키는 과정이다. 이를 위해 연료 공급부(100)는 예비 개질부(110) 및 개질부(130)를 포함하며, 공급되는 연료를 개질하여 수소와 같은 개질가스를 생성할 수 있다.
도 2를 참조하면, 예비 개질부(110)는 먼저 연료를 1차 개질한다. 보다 상세히, 공급되는 연료인 LNG는 약 90%의 메탄과 약 10%의 긴 사슬 탄화수소(long chain hydrocarbon)로 구성되는데, 예비 개질부(110)는 LNG를 물과 촉매 반응시켜 약 30%의 수소와 약 70%의 메탄으로 분해한다.
그리고 나서, 수소와 메탄은 개질부(130)로 주입되며, 개질부(130)에서는 2차 개질하여 후술되는 연료 전지 스택(400)의 연료로 요구되는 형태인 개질가스, 즉 수소 연료를 생성한다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 연료 전지 스택(400)은 개질부(130)에서 2차 개질된 수소 연료를 공급받는다.
이 때, 연료 전지 스택(400)은 음극에 개질가스, 양극에 후술할 제 1 또는 제 2 공기 공급부(200, 300)에 의해 공기를 공급받아 전기 화학 반응에 의해 전력을 생성한다.
연료 전지 스택(400)은 연료 전지 셀이 적층되어 있는 구조로서, 한 개의 연료 전지 셀은, 예를 들어 약 1Vdc를 발생시킬 수 있으며, 연료 전지 셀이 적층되는 개수에 따라 생산 전력이 달라질 수 있다.
이 때, 연료 전지 스택(400)은 직류 전력을 생산한다. 따라서, 연료 전지 스택(400)에 의해 생산된 전력을 부하(600)에 필요한 교류 전력으로 변환하기 위해 후술할 전력 변환부(500)로 공급한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 전력 변환부(500)는 전술한 바와 같이 연료 전지 스택(400)에 의해 생산된 직류 전력을 교류 전력을 변환한다. 그리고, 전력 변환부(500)는 공급된 직류 전력을 교류 전력으로 변환할 뿐만 아니라, 부하(600)에서 요구하는 적절한 크기의 전압으로 변압한다.
한편, 연료 전지 시스템은 시스템 특성상 전력을 필요로 하는 부하(600)의 용량에 관계없이 일정한 전력을 생산한다. 즉, 연료 전지 시스템은 부하가 필요로 하는 용량보다 많은 전력, 즉 잉여 전력이 발생되는 경우가 빈번히 발생할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에서는 잉여 전력을 활용하기 위해 제 2 공기 공급부(300)가 설치될 수 있다.
제 2 공기 공급부(300)의 설명에 앞서, 연료 전지 스택(400)에 필요한 공기를 공급하는 제 1 공기 공급부(200)에 대해 먼저 설명하기로 한다.
도 2를 참조하면, 제 1 공기 공급부(200)는 전술한 바와 같이 연료 전지 스택(400)에서 전력을 생산하기 위해 필요한 공기를 공급한다.
이 때, 제 1 공기 공급부(200)는 연료 전지 스택(400) 내부로 상온 상압의 공기를 공급한다. 이러한 제 1 공기 공급부(200)는 연료 전지 시스템에서 생산되지 않는 외부 전력이 사용될 수 있다.
따라서, 연료 전지 시스템에서 전력을 생산하는데 필요한 소비 전력을 최소화하며, 연료 전지 시스템의 잉여 전력을 활용하기 위해 제 2 공기 공급부(300)가 도입될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제 2 공기 공급부(300)는 부하(600)에 공급하고 남은 잉여 전력을 전력 변환부(500)으로부터 공급받아, 이를 사용하여 연료 전지 스택(400)에 공기를 공급할 수 있다.
도 2를 참조하면, 제 2 공기 공급부(300)는 압축기(330) 및 압축공기 저장탱크(310)를 포함할 수 있다.
이 때, 압축기(330)는 전력 변환부로부터 공급된 잉여 전력을 공급받아 압축공기 저장탱크(310)에 저장할 공기를 압축한다. 그리고, 압축기(330)는 전력 변환부로부터 교류 전력을 공급받아 사용한다.
또한, 압축공기 저장탱크(310)는 압축기(330)를 통해 압축된 공기를 저장한다. 이러한 압축공기 저장탱크(310)는 압축 공기 형태로 공기를 저장한 후, 연료 전지 스택(400)에서 공기를 필요로 하는 경우 공급할 수 있다.
이 때, 제 2 공기 공급부(300)에 사용되는 압축기(330) 및 압축공기 저장탱크(310)는 공기를 압축 저장하는데 사용되는 공지된 다양한 압축기 및 저장탱크를 사용할 수 있는바, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템은 제 1 및 제 2 공기 공급부(200, 300) 중 어느 하나에 의해 연료 전지 스택(400)에 공기를 공급할 수 있다.
보다 상세히, 전력을 생산하는 연료 전지 스택(400)은 제 1 및 제 2 공급부(200, 300) 중 어느 하나로부터 공기를 공급받는다.
예를 들어, 연료 전지 시스템은 전력을 생산하는 초기에는 제 1 공기 공급부(200)가 외부 전력을 사용하여 연료 전지 스택(400)에 공기를 공급하게 된다.
그러나, 연료 전지 시스템이 가동된 후, 잉여 전력이 발생하게 되면 제 2 공기 공급부(300)는 전력 변환부(500)로부터 잉여 전력을 공급받아 압축공기 저장탱크(310)에 공기를 저장하게 된다.
이와 같이, 압축공기 저장탱크(310)에 저장된 공기가 존재하는 경우, 제 1 공기 공급부(200)에 의한 공기 공급을 차단하고 제 2 공기 공급부(300)에 의해 연료 전지 스택(400)에 공기를 공급한다.
이와 같이, 잉여 전력을 사용하여 제 2 공기 공급부(300)가 연료 전지 스택(400)에 공기를 공급함으로써, 제 1 공기 공급부(200)에 의한 외부 전력의 사용을 감소시킬 수 있다.
이 때, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템은 제 1 및 제 2 공기 공급부(200, 300)에 의한 연료 전지 스택(400)으로의 공기 공급을 조절하기 위해 조절 밸브(700)를 포함할 수 있다.
전술한 바와 같이, 조절 밸브(700)는 제 1 및 제 2 공기 공급부(200, 300) 중 어느 하나로부터 연료 전지 스택(400)에 공기가 공급되도록 조절할 수 있다. 즉, 조절 밸브(700)는 제 2 공기 공급부(300)의 압축공기 저장탱크(310)에 저장된 공기가 있는 경우 제 2 공기 공급부(300)에서 연료 전지 스택(400)으로 공기를 공급한다.
반면에, 제 2 공기 공급부(300)의 압축공기 저장탱크(310)에 저장된 공기가 없는 경우에는 제 1 공기 공급부(200)에서 연료 전지 스택(400)으로 공기가 공급되도록 조절한다.
이하에서는 도 2의 구성을 토대로 하여 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 작동 방법을 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 작동 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 3을 참조하여 그 구체적 흐름을 설명하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 작동 방법은 연료 전지 스택(400)에 연료 및 공기가 공급되는 과정(S100)에 의해 시작된다.
이 때, 연료 전지 스택(400)에는 연료 공급부(100)에 의해 연료가 공급된다. 이 때, 연료는 연료 전지 스택(400)에서 요구되는 형태로 변환된 연료를 의미한다.
그리고, 전술한 제 1 공기 공급부(200) 및 제 2 공기 공급부(300) 중 어느 하나에 의해 연료 전지 스택(400)에 공기가 공급될 수 있다.
연료 전지 스택(400)에 연료 및 공기가 공급되면, 연료 전지 스택(400)은 공급된 연료 및 공기를 전기 화학 반응시켜 전력을 생산하며, 생산된 전력을 전력 변환부(500)로 공급한다(S200).
이후, 전력 변환부(500)는 연료 전지 스택(400)으로부터 공급받은 전력을 부하(600)에서 요구되는 적절한 크기의 전압으로 변환한다. 이 때, 전력 변환부(500)는 연료 전지 스택(400)으로부터 공급된 직류 전력을 교류 전력으로 변환한다(S300).
한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 전력 변환부(500)는 부하(600)에 공급하고 남은 잉여 전력을 제 2 공기 공급부(300)에 공급한다(S400).
이 때, 제 2 공기 공급부(300)는 전술한 바와 같이 압축기(310) 및 압축공기 저장탱크(330)를 포함한다. 이 때, 압축기(310)는 잉여 전력을 사용하여 공기를 압축하며, 압축된 공기는 압축공기 저장탱크(330)에 저장된다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 외부 전력을 사용하는 제 1 공기 공급부(200) 또는 제 2 공기 공급부(300)의 압축공기 저장탱크(330)로부터 연료 전지 스택(400)에 공기가 공급될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템은, 전력 변환부(500)로부터 잉여 전력을 전달받아 제 2 공기 공급부(300)에 공기를 저장하고 이를 연료 전지 스택(400)에 공급함으로써, 외부 전력을 사용하는 제 1 공기 공급부(200)에 의한 전력 소모를 줄일 수 있어, 연료전지 시스템의 효율을 증가시킬 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 한정된 실시예와 도면을 통하여 설명되었으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재된 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
100: 연료 공급부 110: 예비 개질부
130: 개질부 200: 제 1 공기 공급부
300: 제 2 공기 공급부 310: 압축공기 저장탱크
330: 압축기 400: 연료 전지 스택
500: 전력 변환부 600: 부하

Claims (3)

  1. 외부 전력을 사용하는 제 1 공기 공급부;
    상기 제 1 공기 공급부와 연결되고, 전력을 생산하는 연료 전지 스택;
    상기 연료 전지 스택에서 생산된 전력을 부하에 공급하는 전력 변환부;
    상기 부하에 공급하고 남은 잉여 전력을 상기 전력 변환부로부터 공급 받고, 상기 연료 전지 스택과 연결된 제 2 공기 공급부를 포함하되,
    상기 제 1 및 제 2 공기 공급부 중 어느 하나에 의해 상기 연료 전지 스택에 공기가 공급되는 연료 전지 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 공기 공급부는
    상기 잉여 전력을 사용하여 공기를 압축하는 압축기 및
    상기 압축기에 의해 압축된 공기를 저장하는 압축공기 저장탱크를 포함하는 연료 전지 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 공기 공급부 중 어느 하나로부터 상기 연료전지 스택에 공기가 공급되도록 조절하는 조절 밸브를 더 포함하는 연료 전지 시스템.
KR1020120092577A 2012-08-23 2012-08-23 연료 전지 시스템 및 그 작동 방법 KR20140026862A (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20180001041A (ko) * 2016-06-24 2018-01-04 비아이피 주식회사 하이브리드 orc 공기압축연동 발전시스템

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KR20180001041A (ko) * 2016-06-24 2018-01-04 비아이피 주식회사 하이브리드 orc 공기압축연동 발전시스템

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