KR20140026866A - 연료전지 시스템 - Google Patents

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Abstract

연료전지 시스템이 개시된다. 연료전지 시스템은, 연료전지스택과, 연료전지스택에 전력 생산을 위한 산소 및 수소를 공급하는 개질기와, 연료전지스택에서 배출되는 배출 가스에 함유된 연료를 제거하고 연료가 제거된 배출 가스를 연료전지스택에 재공급하는 촉매 연소기와, 촉매 연소기의 고온의 열을 전달받아 개질기로 유입되는 유입 공기를 가열하는 히팅기와, 연료전지스택에 공기를 공급하는 에어 블로워와, 에어 블로워와 개질기 사이에 설치되어 연료전지스택에 공급되는 공기를 가열하는 공기 가열기를 포함한다.

Description

연료전지 시스템{FUEL CELL SYSTEM FOR IMPROVING EFFICIENCY OF FUEL CELL}
본 발명은 연료전지 시스템의 발전 효율의 향상이 가능한 연료전지 시스템 에 관한 것이다.
연료전지 시스템은 스택(stack)의 연료극과 공기극 사이에서 수소와 산소가 전기화학 반응하여 전기와 함께 물과 열이 생성되는 시스템으로서 그 종류에 따라 연료로부터 수소를 얻어내기 위한 개질기(reformer)를 갖는다.
개질기(reformer)는 디젤과 같은 액체 연료를 개질해야하는 경우 개질기로 유입되는 온도는 대략 섭씨 500도 정도를 유지하여야 한다. 개질기로 유입되는 디젤 연료의 온도를 높이기 위해 별도의 가열 장치를 추가 설치하여 개질기로 유입되는 온도를 높인다. 그러나 개질기의 전단에 디젤 연료의 온도를 높이기 위하여 별도의 가열 장치를 추가하는 것은 제조 원가 상승이 발생되는 문제점이 있다.
또한, 연료전지 스택에는 발전을 위한 공기가 에어 블로워의 작동으로 유입되는데, 연료전지 시스템을 선박에서 사용하는 경우, 염분이 포함된 공기가 연료전지로 유입되는 경우가 발생되어 염분에 의한 부식으로 설비 손상이 발생될 수 있는 문제점이 있다.
본 발명의 일 실시예는 연료전지 시스템이 염분에 의해 손상이 발생되는 것을 방지하고 발전 효율의 향상이 가능한 연료전지 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템은, 연료전지스택과, 연료전지스택에 전력 생산을 위한 산소 및 수소를 공급하는 개질기와, 연료전지스택에서 배출되는 배출 가스에 함유된 연료를 제거하고 연료가 제거된 배출 가스를 연료전지스택에 재공급하는 촉매 연소기와, 촉매 연소기의 고온의 열을 전달받아 개질기로 유입되는 유입 공기를 가열하는 히팅기와, 연료전지스택에 공기를 공급하는 에어 블로워와, 에어 블로워와 연료전지스택 사이에 설치되어 연료전지스택에 공급되는 공기를 가열하는 공기 가열기를 포함한다.
히팅기는, 촉매 연소기로부터 열을 전달받는 히팅 유로와, 히팅 유로를 통해 열을 전달받아 개질기로 유입되는 유입 공기를 가열하는 제1 히터를 포함할 수 있다.
공기 가열기는, 촉매 연소기로부터 열을 전달받는 가열 유로와, 가열 유로를 통해 열을 전달받아 에어 블로워를 통해 공급되는 공기를 가열하는 제2 히터를 포함할 수 있다.
가열 유로를 선택적으로 개폐하는 개폐 밸브와, 에어 블로워를 통해 공급되는 공기에 염분의 량을 센싱하는 염분 센서와, 염분 센서의 센싱 신호를 전달받아 설정된 값 이상이면 개폐 밸브를 개방하여 촉매 연소기의 열을 제2 히터로 공급하도록 하도록 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
개질기의 전단에는 예비 개질가스를 배출하는 예비 개질기가 설치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 연료전지 시스템에 공급되는 공기에 염분이 포함될 경우 촉매 연소기의 고온의 열을 이용하여 공기를 가열하여 염분을 제거한 상태로 연료전지 스택에 공급하는 것이 가능하여, 염분에 의한 설비 손상이 발생되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 연료전지 시스템의 개질기에 공급되는 디젤 등의 액체 연료를 촉매 연소기의 고온의 열을 이용하여 섭씨 500도 정도로 가열한 상태로 공급하는 것이 가능하여 연료전지 시스템의 발전 효율의 향상이 가능하다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 작동 방법을 개략적으로 도시한 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 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)은, 연료전지스택(10)과, 연료전지스택(10)에 전력 생산을 위한 산소 및 수소를 공급하는 개질기(20)와, 연료전지스택(10)에서 배출되는 배출 가스에 함유된 연료를 제거하고 연료가 제거된 배출 가스를 연료전지스택(10)에 재공급하는 촉매 연소기(30)와, 촉매 연소기(30)의 고온의 열을 전달받아 개질기(20)로 유입되는 유입 공기를 가열하는 히팅기(40)와, 연료전지스택(10)에 공기를 공급하는 에어 블로워(50)와, 에어 블로워(50)와 개질기(20) 사이에 설치되어 연료전지스택(10)에 공급되는 공기를 가열하는 공기 가열기(60)를 포함한다.
연료전지스택(10)은 선박에 설치되어, 선박 구동을 위한 전력 공급원으로 사용된다. 연료전지스택(10)의 전단에는 개질기(20)가 설치된다.
개질기(20)는 연료전지스택(10)의 전단에서 연결되는 것으로서, 연료전지스택(10)의 발전을 위한 산소 및 수소를 공급한다. 본 실시예에서 개질기(20)의 전단에는 예비 개질기(21)가 설치될 수 있다.
예비 개질기(21)는, LNG 등의 고탄화 수소를 함유한 액체 연료를 개질하는 경우 한번에 개질하기 어렵기 때문에 개질기(20)에 연료가 투입되기 전에 예비 개질하여 예비 개질가스를 배출함으로써, 개질 작용을 보다 원활하게 하기 위한 것이다. 연료전지스택(10)에는 촉매 연소기(30)가 연결된다.
촉매 연소기(30)는 연료전지스택(10)으로부터 배출되는 배출 가스를 전달받아, 배출 가스에 포함된 연료를 제거한다. 촉매 연소기(30)에 의해 배출 가스에 포함된 연료를 제거하는 과정에서 고온의 열이 발생된다. 이러한 고온의 열은 후술하는 히팅기(40) 및 공기 가열기(60)로 전달된다.
히팅기(40)는 촉매 연소기(30)의 고온의 작동 열을 전달받아 개질기(20) 및 예비 개질기(21)로 유입되는 연료의 온도를 상승시킨다. 즉, 디젤과 같은 액체 연료를 개질해야 하는 경우에는 섭씨 500도 정도의 온도가 필요하며, 이 온도에 이르기 위해 촉매 연소기(30)의 고온의 작동열을 전달받음으로써 용이하게 디젤 액체 연료를 섭씨 500도 정도로 승온하는 것이 가능하다.
이러한 히팅기(40)는, 히팅 유로(41) 및 제1 히터(43)를 포함한다.
히팅 유로(41)는 촉매 연소기(30)로부터 열을 전달받도록 연결된다. 이를 위해 히팅 유로(41)의 일단은 촉매 연소기(30)에 연결되고 타단은 제1 히터(43)에 연결된다. 따라서, 촉매 연소기(30)의 작동에 의해 발생된 열은 히팅 유로(41)를 통하여 제1 히터(43)로 전달되는 것이 가능하다.
제1 히터(43)는 열교환기(23)와 예비 개질기(21)의 사이에 설치된다. 따라서, 히팅 유로(41)를 통해 전달된 고온의 열을 이용하여 제1 히터(43)를 통해 예비 개질기(21)로 유입되는 연료를 대략 섭씨 500도 정도로 승온시켜 공급될 수 있도록 한다.
한편, 연료전지스택(10)에는 에어 블로워(50)를 이용하여 공기가 공급된다. 연료전지스택(10)에 공기를 공급하는 것은 발전을 위해 이루어지는 것으로서 그 자세한 설명은 공지된 것으로서 생략한다. 그리고, 에어 블로워(50)와 연료전지스택(10)을 연결하는 공기 공급라인(11) 상에는 공기 가열기(60)가 설치된다.
공기 가열기(60)는 전술한 바와 같이, 공기 공급라인(11)에 설치되는 것으로서 연료전지스택(10)에 공급되는 공기를 가열한다.
이러한 공기 가열기(60)는 가열 유로(61) 및 제2 히터(63)를 포함한다.
가열 유로(61)는 일단은 촉매 연소기(30)로 연결되고 타단은 제2 히터(63)를 포함한다. 따라서, 촉매 연소기(30)의 작동에 의해 발생된 고온의 열은 가열 유로(61)를 통하여 제2 히터(63)로 전달되는 것이 가능하다.
제2 히터(63)는 에어 블로워(50)와 연료전지스택(10) 사이의 공기 공급라인(11) 상에 설치된다. 따라서, 가열 유로(61)를 통해 전달된 고온의 열을 이용하여 제2 히터(63)를 통해 연료전지스택(10)으로 유입되는 공기를 가열한다.
이와 같이 공기 가열기(60)를 이용하여 연료전지스택(10)에 공급되는 공기를 가열하는 것은, 연료전지스택(10)에 공급되는 공기 중에 포함된 수분에 함유된 염분을 제거하기 위한 것이다. 즉, 연료전지스택(10)에 염분이 함유된 공기가 유입되면 설비 고장이 발생될 수 있다. 따라서, 공기 가열기(60)를 이용하여 공기에 포함된 수분을 제거한 상태로 연료전지스택(10)에 공기를 공급함으로써, 공기에 포함된 염분에 의하여 설비 고장이 발생되는 것을 방지할 수 있다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 효율 향상장치를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 1과 동일 참조 번호는 동일 기능의 동일 부재를 말한다. 이하에서 동일 참조 번호에 대해서는 그 자세한 설명을 생략한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 효율 향상장치(200)는, 가열 유로(61)를 선택적으로 개폐하는 개폐 밸브(110)와, 에어 블로워(50)를 통해 공급되는 공기에 염분의 량을 센싱하는 염분 센서(120)와, 염분 센서(120)의 센싱 신호를 전달받아 설정된 값 이상이면 개폐 밸브(110)를 개방하여 촉매 연소기(30)의 고온의 열을 제2 히터(63)로 선택적으로 공급하도록 하도록 제어하는 제어부(130)를 포함한다.
개폐 밸브(110)는 가열 유로(61)를 선택적으로 개폐하여, 제2 히터(63)로 이동되는 고온의 열이 선택적으로 공급되도록 한다. 이러한 개폐 밸브(110)는 비례제어 솔레노이드 밸브 등으로 설치될 수 있다. 개폐 밸브(110)의 개폐 여부는 제어부(130)의 제어 작동으로 이루어진다.
염분 센서(120)는 에어 블로워(50)를 통해 공급되는 공기에 포함된 염분의 량을 센싱한다. 염분 센서(120)를 통해 센싱된 신호는 제어부(130)로 전송된다.
제어부(130)는 염분 센서(120)를 통해 센싱된 신호를 전달받아 공기에 포함된 염분의 량이 기설정된 량 이하로 확인되면, 개폐 밸브(110)를 폐쇄하여 고온의 열이 제2 히터(63)로 전달되지 못하도록 한다. 본 실시예에서는 공기에 포함된 염분의 량이 전무할 경우에 개폐 밸브(110)를 페쇄하는 것을 예시적으로 설명한다. 이와 같이, 공기에 염분이 포함되지 않을 경우에 개폐 밸브(110)를 폐쇄하는 것은, 공기를 가열하여 염분을 제거하는 작용이 불필요함으로써 고온의 열이 제2 히터(63)로 공급되지 않도록 하는 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 작동 방법을 개략적으로 도시한 흐름도이다. 도 1 및 도 2와 동일 참조 번호는 동일 기능의 동일 부재를 말한다. 이하에서 동일 참조 번호에 대해서는 그 자세한 설명을 생략한다.
먼저, 연료전지스택(10)에 연결된 촉매 연소기(30)에서 발생되는 고온의 열을 이용하여 개질기(20)에 공급되는 연료를 가열한다(S10). 여기서 촉매 연소기(30)의 작동으로 배출 가스에 포함된 연료를 제거하는 과정에서 발생되는 고온의 열을 히팅기(40)로 공급하여, 연료를 가열하는 가열원으로 사용한다. 따라서 연료를 가열하기 위해 추가 설비를 더 포함하지 않고 효율적으로 연료를 가열할 수 있다. 연료의 가열은 디젤 등의 액체 연료를 사용하는 경우 섭씨 500도 정도로 가열한다. 이와 같이 디젤 연료를 섭씨 500도로 가열하는 것은 개질기에서 개질하는 작용이 보다 원활하게 이루어지게 하기 위한 것이다.
다음, 에어 블로워(50)에 의해 연료전지스택(10)에 공급되는 공기에 포함된 염분의 량을 확인한다(S120). S20 단계에서 공기에 포함된 염분의 량의 확인은 염분 센서(120)를 이용하여 확인한다. 즉, 연료전지 시스템을 선박에서 사용하는 경우 공기중에 포함된 수분에 염분이 함유될 수 있으며, 이러한 공기중의 염분의 량을 확인하는 것이다.
이어서, S20 단계에서 연료전지스택(10)에 포함된 공기에 포함된 염분의 량이 기설정값 이상인지 여부를 확인한다(S30). 여기서, 공기에 포함된 염분의 량은 설비를 손상시키지 않는 범위로 실험적으로 결정되는 것이다. 그러나 본 실시예에서는 공기 중에 염분이 포함되는 여부를 확인하는 것을 예시적으로 설명한다.
다음, S30 단계에서 공기 중에 염분이 기설정된 량 이상으로 확인되면 연료전지스택(10)으로 공급되는 공기를 가열하여 연료전지스택(10)에 공급한다(S40). 이와 같이 공기 가열기(60)를 이용하여 연료전지스택(10)에 공급되는 공기를 가열하는 것은, 연료전지스택(10)에 공급되는 공기 중에 포함된 염분을 제거하기 위한 것이다. 즉, 연료전지스택(10)에 염분이 함유된 공기가 유입되면 설비 고장이 발생될 수 있다. 따라서, 공기 가열기(60)를 이용하여 공기에 포함된 수분을 제거한 상태로 연료전지스택(10)에 공기를 공급함으로써, 설비 고장이 발생되는 것을 방지할 수 있다.
한편, S30 단계에서 공기에 포함된 염분량이 기설정된 량 이하로 확인되면, 공기 가열기(60)의 작동을 실시하지 않고 공기를 연료전지스택(10)에 공급한다(S50).
이상, 본 발명을 도면에 도시된 실시예를 참조하여 설명하였다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명과 균등한 범위에 속하는 다양한 변형예 또는 다른 실시예가 가능하다.
10...연료전지스택 11...공기 공급 라인
20...개질기 21...예비 개질기
30...촉매 연소기 40...히팅기
41...히팅 유로 43...제1 히터
50...에어 블로워 60...공기 가열기
61...가열 유로 63...제2 히터
110..개폐 밸브 120..염분 센서
130..제어부

Claims (4)

  1. 연료전지스택;
    상기 연료전지스택에 전력 생산을 위한 산소 및 수소를 공급하는 개질기;
    상기 연료전지스택에서 배출되는 배출 가스에 함유된 연료를 제거하고, 연료가 제거된 배출 가스를 상기 연료전지스택에 재공급하는 촉매 연소기;
    상기 촉매 연소기의 고온의 열을 전달받아 상기 개질기로 유입되는 유입 공기를 가열하는 히팅기;
    상기 연료전지스택에 공기를 공급하는 에어 블로워; 및
    상기 에어 블로워와 상기 연료전지스택 사이에 설치되어, 상기 연료전지스택에 공급되는 공기를 가열하는 공기 가열기;
    를 포함하는 연료전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 히팅기는,
    상기 촉매 연소기로부터 열을 전달받는 히팅 유로; 및
    상기 히팅 유로를 통해 열을 전달받아 상기 개질기로 유입되는 유입 공기를 가열하는 제1 히터;
    를 포함하는 연료전지 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 공기 가열기는,
    상기 촉매 연소기로부터 열을 전달받는 가열 유로; 및
    상기 가열 유로를 통해 열을 전달받아 상기 에어 블로워를 통해 공급되는 공기를 가열하는 제2 히터;
    를 포함하는 연료전지 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 가열 유로를 선택적으로 개폐하는 개폐 밸브;
    상기 에어 블로워를 통해 공급되는 공기에 포함된 염분의 량을 센싱하는 염분 센서;
    상기 염분 센서의 센싱 신호를 전달받아 설정된 값 이상이면 상기 개폐 밸브를 개방하여 상기 촉매 연소기의 열을 상기 제2 히터로 공급하도록 제어하는 제어부;를 더 포함하는 연료전지 시스템.
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