KR20140029035A - 연료전지 시스템 및 그 작동 방법 - Google Patents

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Abstract

전력 생산이 중단되는 비상 상태에서의 연료전지 시스템이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템은, 연료를 수소연료로 개질하는 연료개질기와, 상기 수소연료 및 공기를 공급받아 전력을 생산하는 제 1 연료 전지 스택과, 상기 제 1 연료 전지 스택에서의 전력 생산이 중단되는 비상 상태를 감지하는 감지기와, 상기 비상 상태에서 상기 제 1 연료 전지 스택으로 공급되는 수소연료를 공급받아 연소시키는 버너를 포함할 수 있다.

Description

연료전지 시스템 및 그 작동 방법{Fuel cell system and operating method there of}
본 발명은 전력 생산이 중단되는 비상 상태에서의 연료전지 시스템 및 그 작동 방법에 관한 것이다.
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 산소이온은 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 또는 병렬로 연결한 스택(Stack)을 중심으로 연료전지 시스템이 구성되고 있다.
통상적인 연료전지 시스템은 전기를 생산하는 연료전지 스택(Stack), 연료전지 스택에 수소/탄화수소 및 산소를 공급하는 연료처리장치, 연료전지 스택에서 생산된 DC 전력을 AC 전력으로 전환하는 전환시스템, 연료전지 스택에서 발생되는 열을 회수하는 배열회수장치 등으로 구성된다.
연료전지는 사용되는 전해질의 물질에 따라, 알칼리형 연료전지(AFC), 인산형 연료전지(PAFC), 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC), 용융탄산염 연료전지(MCFC), 고체산화물 연료전지(SOFC)로 구분된다.
한편, LNG를 주연료로 하여 개질반응을 통하여 수소를 공급하는 용융탄산염 연료전지(MCFC)는 고온형 연료전지로써 선박에 탑재하여 전력을 공급하는 보조전원으로 가장 적합하다.
고온형 연료전지에는 용융탄산염 연료전지(MCFC), 고체산화물 연료전지(SOFC)가 있는데 600도 ~ 1000도에서 작동하게 된다. 이러한 고온형 연료전지가 선박에서 구동되기 위해서는 고온의 온도를 유지해야 한다. 이러한 작동 조건은 ON/OFF를 쉽게 할 수 없게 되는 제약이 된다.
한편, 선박은 독립된 전원장치로 해상에서 운항하므로, 전원이 순간적으로 공급되지 않는 긴급상황이 발생할 가능성이 있다. 이러한 상태를 블랙아웃(Black out, 비상정지) 상태라 한다. 기존 선박의 시스템에서는 이러한 블랙아웃 상태에서 비상용 발전기(Emergency Generator)를 이용하여 전력을 생산하였다. 마찬가지로 연료전지가 설치되는 선박에서도 블랙아웃 상태에서 전력을 생산할 수 있는 긴급전력공급장치가 필요하다.
본 발명의 일 실시예는 비상 상태에서 구현되는 연료전지 시스템에서 연료 전지 스택을 단시간 내에 구동할 수 있는 연료전지 시스템 및 그 작동 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 연료를 수소연료로 개질하는 연료개질기와, 상기 수소연료 및 공기를 공급받아 전력을 생산하는 제 1 연료 전지 스택과, 상기 제 1 연료 전지 스택에서의 전력 생산이 중단되는 비상 상태를 감지하는 감지기와, 상기 비상 상태에서 상기 제 1 연료 전지 스택으로 공급되는 수소연료를 공급받아 연소시키는 버너를 포함하는 연료전지 시스템이 제공된다.
상기 버너에 의하여 연소된 수소연료로부터 발생된 배가스와 열 교환하고, 상기 열 교환으로 발생된 열을 상기 연료개질기로 공급하는 열교환기를 포함할 수 있다.
상기 제 1 연료 전지 스택이 전력을 생산할 때 발생된 반응열 중 일부가 상기 열교환기로 공급될 수 있다.
상기 감지기는 상기 전력이 생산되지 않은 경우를 상기 비상 상태로 감지하여 상기 연료개질기로 비상신호를 전달할 수 있다.
상기 비상 상태에서 상기 버너로 공급되는 상기 수소연료 중 일부를 공급받으며, 상기 버너에서 상기 수소연료를 연소할 때 발생된 연소열로 예열되는 제 2 연료 전지 스택을 더 포함할 수 있다.
상기 제 2 연료 전지 스택은 상기 제 1 연료 전지 스택에서 전력을 생산할 때 상기 제 1 연료 전지 스택에 발생된 반응열 중 일부를 공급받을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템 및 그 작동 방법을 이용하면 스택에서 전력 생산이 중단되는 비상 상태 시에도 연료전지 시스템을 원활히 구동할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 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 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구성도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템은 선박에 구비될 수 있는 것으로서, 연료전지 스택에서의 전력 생산이 중단되는 비상 상태 시에도 단 시간 내에 비상전력을 생산할 수 있도록 하는 연료전지 시스템에 관한 것이다.
이때, '선박'은 수상을 항해하는 구조물을 의미하는 것으로 한정되지 않으며, 수상을 항해하는 구조물뿐만 아니라, 수상에서 부유하며 작업을 수행하는 FLNG(LNG-FPSO, 부유식 액화천연가스 생산/저장/하역 설비)와 같은 해상 구조물을 아울러 지칭한다. 본 발명의 일 실시형태의 선박은 예를 들어, LNGC (Liquefied Natural Gas Carrier, 액화천연가스 운반선) 또는 FLNG일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템은 연료개질기(100), 감지기(미도시), 제 1 연료 전지 스택(200), 버너(300) 및 열교환기(500)를 포함할 수 있다.
보다 상세하게, 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 연료개질기(100)는 연료를 공급받아 후술되는 제 1 연료 전지 스택(200)에서 요구되는 형태인, 수소연료로 개질할 수 있다.
여기에서, 연료는 LNG, 디젤, 바이오 가스 등이 있으며, 하기에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템이 선박에 응용되는 것으로 가정하여 연료를 LNG로 설명하나 LNG에 한정되는 것은 아니다
이때, 연료개질기(100)에서 연료를 개질하기 전에, 연료를 먼저 1차 개질하는 예비개질기를 포함할 수도 있다.
예비개질기(미도시)를 포함하는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템에서의 개질 과정을 보다 상세히 설명하면, LNG는 약 90%의 메탄과 약 10%의 긴 사슬 탄화수소(long chain hydrocarbon)로 구성될 수 있으며, 예비개질기(미도시)는 이러한 긴 사슬 탄화수소를 메탄으로 1차 개질하고, 연료개질기(100)에서는 메탄을 다시 수소로 2차 개질하도록 한다.
한편, 상기와 같이 연료개질기(100)를 통해 개질된 수소연료는 연료전지 시스템이 정상 구동 시 제 1 연료 전지 스택(200)으로 공급될 수 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 제 1 연료 전지 스택(200)은 연료전지 시스템이 정상 구동 시에, 공급된 수소연료를 이용하여 전력을 생산하고, 생산된 전력은 전력변환기(EBOP)(600)에서 ADC 변환되어 외부에 공급되도록 한다.
이때, 제 1 연료 전지 스택(200)이 전력을 생산하는 과정을 보다 상세히 설명하면, 제 1 연료 전지 스택(200)은 음극에 수소연료, 양극에 공기를 공급받아 전기화학적 반응에 의해 전력을 생성한다.
H2 + 0.5O2 + CO2 -> H20 + CO2 + Heat
제 1 연료 전지 스택(200)은 연료 전지 셀이 적층되어 있는 구조로서, 한 개의 연료 전지 셀은 예를 들어, 약 1Vdc를 발생시키며, 연료 전지 셀이 적층되는 개수에 따라 원하는 양의 전력을 생산할 수 있다.
이때, 제 1 연료 전지 스택(200)이 전력을 생산하는 과정은 열을 발생시키는 발열반응으로서, 전력을 생산할 때 발생하는 반응열 중 일부를 도 1에서와 같이, 후술되는 열교환기(500)로 재공급 할 수 있다.
그리고, 전력변환기(EBOP)(600)에서 ADC 변환하는 과정은 비교적 일반적인 사항이므로 설명을 생략하도록 한다.
한편, 정상 구동이라 함은 제 1 연료 전지 스택(200)에서 전력 생산이 원활하게 이루어지고 있는 상태를 일컫는 것으로서, 전력 생산이 중단된 상태를 비상 상태로 명명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 감지기(미도시)는 이러한 비상 상태를 감지하기 위해 구성된다.
이때, 감지기(미도시)는 제 1 연료 전지 스택(200)에서 생산된 전력이 전력변환기(EBOP)(600)로 송출되기 위한 송출 라인 상에 구비될 수 있으며, 전력이 생산되지 않은 경우를 비상 상태로 감지하여 비상신호를 연료개질기(100)로 전달하도록 한다.
감지기(미도시)로부터 비상 상태가 감지되어 감지신호가 연료개질기(100)로 전달되면, 연료개질기(100)가 버너(300) 및 후술되는 제 2 연료 전지 스택(400) 중 적어도 하나로 개질된 수소 연료를 공급한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 버너(300)는 감지기(미도시)에서 비상 상태가 감지된 경우, 정상 구동 시에 제 1 연료 전지 스택(200)으로 공급되던 수소연료를 공급받아 연소시킨다.
여기에서, 버너(300)가 수소연료를 연소시킬 때에는 배가스가 배출되는데, 배출된 배가스는 열교환기(500)로 공급될 수 있다.
보다 상세히, 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 열 교환기(500)는 버너(300)에 의하여 연소된 수소연료로부터 발생된 배가스와 열 교환하며, 상기 열 교환에 의해 열을 발생시켜 연료개질기(100)에서 연료 개질 시 필요한 열을 제공한다.
이를 위해, 상기 배가스와 열 교환하는 열교환부와 상기 열 교환으로 발생된 열을 연료개질기(100)로 공급하는 배관을 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템에서는 도 1에 도시된 바와 같이 제 2 연료 전지 스택(400)을 더 포함할 수 있다.
고온형 연료 전지 스택의 경우, 그 구동을 위하여 반드시 고온을 유지해야 하는 작동 조건이 요구되는데, 이러한 작동 조건으로 인해 부하추종성(Load Following Characteristic)이 낮아 운전 상의 제약이 따르는 문제점이 있다.
이에, 부하추종성이 낮은 고온형 연료전지 시스템을 선박에 적용할 때 가변적으로 전력생산량을 조절하기 위하여 연료전지 시스템을 다중(Multi)으로 구성하는 것이 유리하다.
그러나, 연료전지 시스템을 다중으로 설치하는 경우, 각 연료전지 스택으로 공급되는 연료의 개질에서부터 공급까지의 과정과 그 설비가 매우 복잡해지는 문제점이 있다.
또한, 개질된 연료에 포함된 수소나 메탄의 비율에 따라 연료 전지 스택에서의 전력 생산량이 달라지므로, 균일한 비율로 개질된 연료를 공급하지 못하는 경우, 연료전지 시스템을 다수 개로 구성하더라도 그 전력 생산량을 예측하기 어려운 문제점이 있다.
이에, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 제 2 연료 전지 스택(400)은 비상 상태에서 버너(300)가 수소연료를 연소시킬 때 발생된 연소열에 의해 예열될 수 있도록 구성된다.
그리고, 제 2 연료 전지 스택(400)이 연료개질기(100)로부터 개질된 수소연료를 공급받아 전력을 생산할 수 있도록 함으로써 설비를 간소화 할 수 있다.
또한, 정상 구동 시에 제 1 연료 전지 스택(200)으로 들어가던 수소연료를 비상 상태일 때 제 2 연료 전지 스택(400)으로 공급되도록 구성함으로써 균일한 비율의 수소연료를 제 1 연료 전지 스택(200) 및 제 2 연료 전지 스택(400)으로 공급할 수 있다.
한편, 제 2 연료 전지 스택(400)은 제 1 연료 전지 스택(200)과 반응열을 상호 교환할 수 있도록 구성될 수 있다.
정상 구동 시에는 제 1 연료 전지 스택(200)으로부터 제 2 연료 전지 스택(400)으로 반응열을 공급가능하고, 비상 상태 시에는 제 2 연료 전지 스택(400)으로부터 제 1 연료 전지 스택(200)으로 반응열을 공급 가능함으로써, 반응열에 의해 제 1 연료 전지 스택(200)과 제 2 연료 전지 스택(400)을 각각 예열할 수 있다.
이에 따라, 선박에 다중 연료전지 시스템을 설치 및 운영 가능하면서도, 균일한 연료를 공급할 수 있는 간소화된 연료전지 시스템을 실현 가능하다.
이하에서는 도 1의 구성을 토대로 하여 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 작동 방법을 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 작동 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 2를 참조하여 그 구체적 흐름을 설명하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 작동 방법은 감지기(미도시)가 제 1 연료 전지 스택(200)에서의 전력 생산이 중단되는 비상 상태를 감지하는 단계에 의해 개시된다(S100).
상기 S100 이전에 연료가 수소연료로 개질되는 과정을 수반할 수 있으며, 비상 상태가 감지되지 않은 경우, 즉 정상 구동 시에는 개질된 수소연료가 제 1 연료 전지 스택(200)으로 공급되어 공기와 함께 반응하여 전력을 생산한다.
이때, 전력을 생산할 때 발생된 반응열 중 일부는 열교환기(500)의 열교환부 및 제 2 연료 전지 스택(400) 중 적어도 어느 하나로 공급될 수 있다.
한편, S100에서 감지기(미도시)가 비상 상태를 감지하면, 버너(300)가 제 1 연료 전지 스택(200)으로 들어가는 수소연료를 공급받아 연소시키게 된다(S200).
이때, 버너(300)가 수소연료를 연소할 때 발생된 연소열이 제 2 연료 전지 스택(400)으로 공급될 수도 있다.
그리고, S200에서 버너(300)에 의하여 연소된 수소연료로부터 발생된 배가스가 열교환부에 공급되어 열 교환하고, 상기 열 교환으로 발생된 열을 배관을 통해 연료개질기(100)로 공급하여(S300), 개질에 필요한 열원으로 작용할 수도 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 : 연료개질기 200 : 제 1 연료 전지 스택
300 : 버너 400 : 제 2 연료 전지 스택
500 : 열교환기 600 : 전력변환기

Claims (6)

  1. 연료를 수소연료로 개질하는 연료개질기;
    상기 수소연료 및 공기를 공급받아 전력을 생산하는 제 1 연료 전지 스택;
    상기 제 1 연료 전지 스택에서의 전력 생산이 중단되는 비상 상태를 감지하는 감지기 및
    상기 비상 상태에서 상기 제 1 연료 전지 스택으로 공급되는 수소연료를 공급받아 연소시키는 버너
    를 포함하는 연료전지 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 버너에 의하여 연소된 수소연료로부터 발생된 배가스와 열 교환하고, 상기 열 교환으로 발생된 열을 상기 연료개질기로 공급하는 열교환기를 포함하는, 연료전지 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 연료 전지 스택이 전력을 생산할 때 발생된 반응열 중 일부가 상기 열교환기로 공급되는, 연료전지 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 감지기는 상기 전력이 생산되지 않은 경우를 상기 비상 상태로 감지하여 상기 연료개질기로 비상신호를 전달하는, 연료전지 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 비상 상태에서 상기 버너로 공급되는 상기 수소연료 중 일부를 공급받으며, 상기 버너에서 상기 수소연료를 연소할 때 발생된 연소열로 예열되는 제 2 연료 전지 스택을 더 포함하는, 연료전지 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 2 연료 전지 스택은 상기 제 1 연료 전지 스택에서 전력을 생산할 때 상기 제 1 연료 전지 스택에 발생된 반응열 중 일부를 공급받는 연료전지 시스템.
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