KR20140032535A - 연료전지 시스템 - Google Patents

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KR20140032535A
KR20140032535A KR1020120095158A KR20120095158A KR20140032535A KR 20140032535 A KR20140032535 A KR 20140032535A KR 1020120095158 A KR1020120095158 A KR 1020120095158A KR 20120095158 A KR20120095158 A KR 20120095158A KR 20140032535 A KR20140032535 A KR 20140032535A
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combustion
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박근배
도현선
장민석
조택현
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삼성중공업 주식회사
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Abstract

연료전지 시스템에 관한 기술이 개시된다. 본 발명의 일 측면에 따르면, 연료공급기, 상기 연료공급기로부터 공급된 연료를 연소시키는 촉매연소기, 상기 촉매연소기에서 연소 시 발생하는 연소열을 열원으로 하여 연료를 개질하는 연료개질기, 상기 촉매연소기에서 연소 시 발생하는 연소열에 의해 예열되며, 개질된 연료를 반응시켜 전력을 생성하는 연료전지 스택을 포함하는, 연료전지 시스템이 제공된다.

Description

연료전지 시스템{Fuel cell system}
본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것이다.
연료전지는 연료개질기(MBOP), 스택모듈(Stack Module) 및 전력변환기(EBOP)로 구성된다. 연료개질기(MBOP)는 공기와 연료를 스택모듈에 공급하며, 스택모듈 내부에서는 공급된 공기 중의 산소와 연료로 공급된 수소 혹은 연료의 개질을 통하여 발생한 수소가 화학반응을 거쳐 전기, 물, 열을 발생시킨다. 발생된 전기는 전력변환기(EBOP)를 통하여 외부로 공급된다.
연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라, 상온 ~ 100℃ 이하에서 작동하는 고분자 전해질형 및 알카리형 연료전지, 150 ~ 200℃ 부근에서 작동하는 인산형 연료전지, 600 ~ 700℃의 고온에서 작동되는 용융탄산염 연료전지, 1,000℃ 이상의 고온에서 작동하는 고체 산화 연료전지로 분류된다.
이들 각 연료전지의 근본적인 원리는 같으나 연료의 종류, 운전 온도, 촉매 및 전해질의 종류가 상이하다. 이 중에서 용융탄산염 연료전지(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 연료전지에서 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 연료전지 스택의 연료극에 주입함으로써, 연료전지 스택 내에서 일어나는 수증기 개질 반응을 촉진한다.
한편, MCFC와 같은 고온용 연료전지는 600 ~ 700℃에서 작동하고, 사용 가능 연료의 범위가 넓으며 고온에서 작동하므로 저온 연료전지와 달리 상대적으로 가격이 저렴한 촉매를 사용할 수 있다는 장점이 있다. 이러한 장점으로 현재 발전용 연료전지뿐만 아니라 선박용 연료전지로도 주목을 받고 있다.
그러나 고온 연료전지는 연료전지 초기 기동을 위하여 추가적으로 에너지를 공급하여 연료전지를 가열하는 초기 단계가 필요하다. 종래는 이러한 초기 기동을 위하여 별도의 전기 히터를 부착하거나 일부 연료의 연소를 이용한 초기 가열 과정을 이용하고 있다.
이에, 연료전지의 초기 기동을 위하여 많은 에너지를 소모하고 있으며, 별도의 발열장치가 요구되므로 시스템 구성이 복잡하여 연료전지 시동 전에 예열 시간이 오래 걸리고, 즉각적인 구동이 어렵다는 문제점이 있다.
본 발명의 일 실시예는 연료전지의 초기 기동 시 요구되는 에너지를 감소시켜 외부 전력의 의존성을 낮춤으로써 독립적인 운전이 가능한 연료전지 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 연료공급기, 상기 연료공급기로부터 공급된 연료를 연소시키는 촉매연소기, 상기 촉매연소기에서 연소 시 발생하는 연소열을 열원으로 하여 연료를 개질하는 연료개질기, 상기 촉매연소기에서 연소 시 발생하는 연소열에 의해 예열되며, 개질된 연료를 반응시켜 전력을 생성하는 연료전지 스택을 포함하는, 연료전지 시스템이 제공된다.
상기 촉매연소기는 상기 연료전지 스택이 상기 전력을 생성할 수 있는 온도로 승온될 때까지 상기 연료를 연소시킬 수 있다.
이때, 상기 연료개질기는 상기 연료를 개질하여 개질가스를 생성하는 개질부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 개질가스는 상기 연료전지 스택으로 공급되되, 상기 연소열에 의해 상기 연료전지 스택이 예열된 후, 상기 개질가스가 상기 연료전지 스택으로 공급될 수 있다.
또한, 상기 연소열은 상기 예비개질부, 상기 개질부 및 상기 연료전지 스택에 순차적으로 공급되거나 상기 예비개질부, 상기 개질부 및 상기 연료전지 스택으로 각각 분기 공급되어, 상기 예비개질부 및 상기 개질부에 상기 열원을 제공 및 상기 연료전지 스택을 예열할 수 있다.
또한, 상기 연료전지 스택에서 전력을 생성할 때, 반응하지 않은 미반응 개질가스가 상기 촉매연소기로 공급될 수 있다.
또한, 상기 촉매연소기에서 상기 미반응 개질가스를 연소시키고, 연소 시 발생하는 연소열을 상기 예비개질부, 상기 개질부 및 상기 연료전지 스택 중 적어도 어느 하나로 공급할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템은 촉매연소기에서 발생한 열로 연료전지를 예열함으로써 연료전지 초기 기동 시 필요한 에너지와 예열시간을 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템에서 연료개질기의 예비개질부를 나타낸 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템에서 촉매연소기를 나타낸 구성도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 운전 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. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템에서 연료개질기(100)의 예비개질부(110)를 나타낸 구성도이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템에서 촉매연소기(200)를 나타낸 구성도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템은 선박에 구비될 수 있는 것으로서, 고온형 연료전지 시스템의 초기 기동 시 촉매연소기(200)에서 발생된 연소열을 활용하여 연료개질기(100) 및 연료전지 스택(300)에 필요한 열을 제공하는 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 연료공급기(50), 촉매연소기(200), 연료개질기(100), 연료전지 스택(300) 및 전력변환기(EBOP)(400)를 포함할 수 있다.
보다 상세하게, 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 연료공급기(50)는 촉매연소기(200)에 연료를 공급한다.
여기에서, 연료는 LNG, 디젤, 바이오 가스 등 일 수 있으며, 선박에 응용되는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템에서는 LNG가 주 연료로 사용될 수 있다. 하기에서는 연료를 LNG로 기술하지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
그리고, 연료공급기(50)는 초기 시동을 위하여 반응 연료를 공급할 수 있는 메탄 탱크, LNG 가스 탱크일 수 있다.
특히, 선박이 LNG 운반선인 경우, BOG(Boil Off Gas)를 연료로 사용할 수 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 촉매연소기(200)는 연료공급기(50)로부터 공급된 연료를 연소하여 연소열을 발생시킨다.
이때, 촉매연소기(200)에서의 연소과정에 의하여 발생한 연소열은 약 800도로 승온될 수 있다.
고온형 연료전지 스택의 경우, 그 구동을 위하여 반드시 고온을 유지해야 하는 작동 조건이 요구되는데, 상기의 촉매연소기(200)에서 발생된 연소열은 후술되는 연료전지 스택(300)을 예열하기에 충분한 온도일 수 있다.
이에, 촉매연소기(200)에서 발생된 연소열을 연료전지 스택(300)으로 공급하여, 연료전지 스택(300)을 예열할 수 있다.
또한, 후술되는 연료개질기(100)로 연소열을 공급가능하여, 연료개질기(100)에서 연료를 공급받아서 연료전지 스택(300)에 요구되는 형태로 개질할 때, 필요한 열을 제공할 수도 있다.
이에 따라, 촉매연소기(200)에서 발생한 연소열은 도 1에서와 같이, 후술되는 연료개질기(100)와 연료전지 스택(300)으로 공급되어 연료개질기(100)에 개질 시 요구되는 열원을 제공할 수도 있고, 연료전지 스택(300)을 예열하는데 사용될 수도 있다.
더욱 상세하게, 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 초기 기동 시 적은 전력에 의하여 연료공급기(50)가 가동된다.
연료공급기(50)로부터 연료가 촉매연소기(200)로 공급되면, 촉매연소기(200)에서는 이를 연소시켜 열을 생성한다.
이때, 발생된 연소열은 도 1에 도시된 바와 같이, 연료개질기(100)와 연료전지 스택으로 공급될 수 있다.
그리고, 촉매연소기(200)에서 연료의 연소 후 배기가스가 생성되는 경우, 배기가스는 정화 후 외부로 배출될 수 있다.
초기 기동 시, 촉매연소기(200)로부터 발생된 연소열은 열원으로 사용하지 않는 종래 기술에 따른 연료전지 시스템의 경우, 연료전지 스택(300)을 운용온도로 예열하기 위하여 전기히터 등을 설치하였었는데, 이러한 경우 외부 전력에 대한 의존도가 매우 높은 문제점이 있었다.
한편, '초기 기동'은 연료 전지 시스템의 시동 초기를 의미하는 것뿐만 아니라, 연료 전지 시스템이 전력을 정상상태로 출력하다 전력 생산을 멈춘 후, 다시 전력을 생산하기 위해 연료 전지 시스템을 heat-up시키기 위한 시점을 포괄하는 의미로 정의될 수 있다.
또한, 연료개질기(100)에서 연료를 개질 시에도 마찬가지로 열을 흡수하는 반응이기 때문에 외부전력을 사용하여야 하였다.
반면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템에 의하면, 외부전력을 이용한 전기히터 등을 설치할 필요가 없기 때문에 연료공급기(50)를 가동할 수 있는 최소한의 전력 만 공급된다면 초기 기동이 가능해진다.
이에 따라, 외부 전력에 대한 의존도가 거의 없고, 전력 수급이 어려운 비상 상태인 경우에도 운용될 수 있다.
이때, 촉매연소기(200)로부터 발생한 연소열은 연료개질기(100)와 연료전지 스택(300)에 순차적으로 공급되거나 각각 분기 공급될 수 있다.
순차적으로 공급되는 경우, 연료개질기(100)에서 연료가 개질된 후, 개질된 연료가 연료전지 스택(300)으로 공급되는 것이므로 연료개질기(100)에 연소열을 먼저 공급할 수 있다.
그리고, 연료가 개질되는 도중, 연료전지 스택(300)으로 연소열을 공급하여 연료전지 스택(300) 예열되도록 하며, 개질이 완료된 연료가 연료전지 스택(300)으로 공급되도록 할 수 있다.
한편, 촉매연소기(200)에는 배기가스를 정화할 수 있는 배기가스 정화부가 부가될 수도 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 연료개질기(100)는 촉매연소기(200)로부터 발생된 연소열에 의해 연료를 개질하여 후술되는 연료전지 스택(300)으로 공급한다.
이때, 연료개질기(100)는 개질부(120)를 포함하여 연료를 개질함으로써 수소와 같은 개질가스를 생성할 수 있다.
여기에서, 개질부(120)는 연료전지 스택(300)의 외부에 위치할 수도 있고, MCFC(Molten Carbonate Fuel Cell, 용융탄산염 연료전지)에서와 같이 연료전지 스택(300)의 내부에 위치할 수도 있다.
또한, 연료개질기(100)는 개질부(120)에서 연료가 개질되기 전에, 연료를 먼저 1차 개질하는 예비개질부(110)를 포함할 수도 있다.
보다 상세히, LNG는 약 90%의 메탄과 약 10%의 긴 사슬 탄화수소(long chain hydrocarbon)로 구성될 수 있으며, 예비개질부(110)에서는 이러한 긴 사슬 탄화수소를 메탄으로 1차 개질하고, 개질부(120)에서는 메탄을 다시 수소로 2차 개질할 수 있다.
여기에서, 예비개질부(110) 및 개질부(120)에는 촉매연소기(200)로부터 발생된 연소열이 순차적으로 공급되거나 각각 분기 공급되며, 예비개질부(110) 및 개질부(120)는 연소열을 이용하여 연료를 1차 개질 및 개질할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템에서 연료개질기(100)의 예비개질부(110)에서의 1차 개질을 도 2를 참조하여 살펴보면 다음과 같다. 촉매반응기(111)에 촉매가 채워지고 고온의 LNG와 Steam이 주입되면, 주입된 LNG는 물과의 촉매반응에 의해 약 30%의 수소와 약 70%의 메탄으로 분해된다
이때, 이러한 1차 개질 과정은 흡열반응으로서, 초기 LNG와 Steam은 약 400도의 온도로 주입되나 반응 후에 수소와 메탄 등은 약 320도로 감온된다.
그리고 나서, 수소와 메탄은 개질부(120)로 주입되며, 개질부(120)에서는 메탄을 2차 개질하여 후술되는 연료전지 스택(300)의 연료로써 요구되는 형태인 개질가스, 즉 수소연료를 생성한다.
예비개질부(110)에서 LNG가 1차 개질된 후, 개질부(120)에서 2차 개질된 수소연료는 도 1에서와 같이, 연료전지 스택(300)으로 공급된다.
이때, 연료전지 스택(300)은 개질가스를 공급받기 전에 촉매연소기(200)로부터 발생된 연소열에 의해 예열된 상태이다.
보다 상세하게, 연료전지 스택(300)은 음극에 개질가스, 양극에 공기를 공급받아 전기화학적 반응에 의해 전력을 생성한다.
H2 + 0.5O2 + CO2 -> H20 + CO2 + Heat
연료전지 스택(300)은 연료전지 셀이 적층되어 있는 구조로서, 한 개의 연료전지 셀은 예를 들어, 약 1Vdc를 발생시키며, 연료전지 셀이 적층되는 개수에 따라 원하는 양의 전력을 생산할 수 있다.
이때, 연료전지 스택(300)은 고온에서 운전되므로 발생하는 CO2를 재사용하기 위하여 도 3과 같이 촉매연소기(200)에서 음극 배기가스를 양극으로 순환시켜 연료전지 스택(300)으로 재주입할 수 있는데, 그 과정에서 음극에서 나오는 미반응 수소연료가 양극으로 함께 주입되면 안되므로, 촉매연소기(200)에서 이를 연소하여 제거할 수 있다.
여기에서, 촉매연소기(200)에서 미반응 수소연료를 연소할 때 발생하는 연소열은 예비개질부(110), 개질부(120), 연료전지 스택(300)으로 공급되어, 고온형 연료전지 시스템에서 요구되는 연료전지 스택(300)의 예열 및 주변 장비의 열원으로 사용될 수 있다.
그리고, 연료전지 스택(300)에서 생산된 전력은 도 1에서와 같이 전력변환기(400)에서 ADC 변환되어 외부로 공급되게 된다.
이하에서는 도 1 내지 도 3의 구성을 토대로 하여 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 운전 방법을 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 운전 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 4를 참조하여 그 구체적 흐름을 설명하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 운전 방법은 연료공급기(50)가 촉매연소기(200)로 연료를 공급(S100)하는 과정에 의해 시작된다.
촉매연소기(200)에 연료가 공급되면, 촉매연소기(200)가 상기 연료를 연소시키고(S200), 연소 시 발생한 연소열을 연료개질기(100) 및 연료전지 스택(300)으로 공급한다(S300).
S300에서 연소열은 연료개질기(100) 및 연료전지 스택(300)으로 공급되어, 연료개질기(100)에 열원으로 작용하고, 연료전지 스택(300)을 예열하는 데 사용될 수 있다.
연료개질기(100)에 연소열이 공급되면, 연료개질기(100)는 연소열을 열원으로 하여 연료를 개질하고, 개질된 연료를 연료전지 스택(300)으로 공급한다(S400).
이를 위해, 연료개질기(100)는 예비개질부(110) 및 개질부(120) 중 적어도 하나를 포함하여 구성됨으로써 상기 개질 과정을 수행할 수 있다.
이때, 연료개질기(100)가 예비개질부(110) 및 개질부(120)로 구성되는 경우, 연소열은 예비개질부(110), 개질부(120)에 순차적으로 공급되거나 각각 분기 공급될 수 있다.
연료개질기(100)에 의해 연료전지 스택(300)에서 요구되는 형태로 개질된 연료가 상기 연료전지 스택(300)으로 공급되고, 연료전지 스택(300)에서는 이를 공급받아 전력을 생성하여 전력변환기(400)로 공급한다(S500).
이때, 개질된 연료가 공급되기 전, 연료전지 스택(300)은 연소열에 의해 예열된 상태이다.
여기에서, 연료전지 스택(300)에서 전력을 생성할 때 반응하지 않은 미반응 연료가 연료전지 스택(300)의 음극에서 유출될 수 있으며, 이러한 미반응 연료는 다시 연료전지 스택(300)의 양극으로 주입되면 안되므로, 이를 촉매연소기(200)로 공급하여 연소시킴으로써 제거하는 과정을 수행할 수 있다.
또한, 상기와 같은 연소 과정에서 발생하는 연소열을 예비개질부(110), 개질부(120), 연료전지 스택(300)으로 공급하는 과정을 수행함으로써 연료전지 스택(300)을 예열하거나 주변 장비의 열원으로 사용할 수도 있다.
한편, 전력변환기(400)로 공급된 전력은 상기 전력변환기(400)에서 ADC 변환되어 외부로 공급된다(S600). 이러한 ADC 변환은 비교적 일반적인 내용이므로 본 명세서에는 기술하지 않도록 한다.
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.
50 : 연료공급기 100 : 연료개질기
110 : 예비개질부 111 : 촉매반응기
120 : 개질부 200 : 촉매연소기
300 : 연료전지 스택 400 : 전력변환기

Claims (7)

  1. 연료공급기;
    상기 연료공급기로부터 공급된 연료를 연소시키는 촉매연소기;
    상기 촉매연소기에서 연소 시 발생하는 연소열을 열원으로 하여 연료를 개질하는 연료개질기;
    상기 촉매연소기에서 연소 시 발생하는 연소열에 의해 예열되며, 개질된 연료를 반응시켜 전력을 생성하는 연료전지 스택을 포함하는 연료전지 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 촉매연소기는 상기 연료전지 스택이 상기 전력을 생성할 수 있는 온도로 승온될 때까지 상기 연료를 연소시키는 연료전지 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료개질기는 상기 연료를 개질하여 개질가스를 생성하는 개질부를 포함하는, 연료전지 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 개질가스는 상기 연료전지 스택으로 공급되되,
    상기 연소열에 의해 상기 연료전지 스택이 예열된 후, 상기 개질가스가 상기 연료전지 스택으로 공급되는, 연료전지 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 연소열은 상기 예비개질부, 상기 개질부 및 상기 연료전지 스택에 순차적으로 공급되거나 상기 예비개질부, 상기 개질부 및 상기 연료전지 스택으로 각각 분기 공급되어, 상기 예비개질부 및 상기 개질부에 상기 열원을 제공 및 상기 연료전지 스택을 예열하는, 연료전지 시스템.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 연료전지 스택에서 전력을 생성할 때, 반응하지 않은 미반응 개질가스가 상기 촉매연소기로 공급되는, 연료전지 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 촉매연소기에서 상기 미반응 개질가스를 연소시키고, 연소 시 발생하는 연소열을 상기 예비개질부, 상기 개질부 및 상기 연료전지 스택 중 적어도 어느 하나로 공급하는, 연료전지 시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20160133285A (ko) * 2015-05-12 2016-11-22 국방과학연구소 저온 환경에서 동작하는 연료전지 시스템
WO2017204520A1 (ko) * 2016-05-24 2017-11-30 주식회사 미코 연료전지 시스템

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