KR20140081225A - 연료전지 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 연료전지 시스템은, 물과 연료를 공급받아 물을 기화시켜 연료를 가습하는 연료 가습부, 연료 가습부에 의해 가습된 연료를 개질하는 연료 개질부, 연료 개질부에 의해 개질된 연료를 공급받는 연료극과 공기극을 가지는 연료전지 스택부, 및 연료전지 스택부의 공기극으로부터 배기되는 공기극 배기가스 중의 물을 회수하는 물 회수부를 포함하며, 물 회수부에 의해 회수된 물은 다시 연료 가습부로 공급된다.

Description

연료전지 시스템 {FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 보다 적은 비용만으로도 전체 시스템의 효율을 향상시킬 수 있는 연료전지 시스템에 관한 것이다.
연료전지는 화학에너지를 전기화학반응에 의해 전기에너지로 직접 변환하는 장치이다. 다시 말해, 연료전지는 연료극에서의 수소산화반응과 공기극에서의 산소환원반응을 통해 화학에너지를 전기에너지로 직접 변환하는 장치이다. 이와 같이 화학에너지를 전기에너지로 직접 변환하기 위해 연료전지의 연료극으로 수소를, 그리고 연료전지의 공기극으로 공기(산소)를 공급할 필요가 있다. 이와 같이 전기에너지(즉, 전기)를 생산하는 연료전지는 용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell)가 대표적이다.
도 2를 참조하여 이하에서 용융탄산염 연료전지와 같은 고온형 연료전지에 대해 상술한다. 연료극(41)으로 공급되는 수소는 일반적으로 탄화수소를 개질하여 얻어진다. (탄화수소는 일반적으로 천연가스나 LPG와 같은 연료전지용 연료에 의해 공급된다.) 이와 같이 탄화수소를 수소로 개질하는 개질 반응은 물을 필요로 하는 반응이다. 그러나 액상의 물은 연료전지 스택 및 개질 촉매에 손상을 줄 수 있다. 따라서 개질 반응에는 기상의 물이 공급되어야 한다.
이와 같이 기상의 물을 공급하기 위해 가습 열교환기(10)가 사용된다. 가습 열교환기(10)는 물을 공급받은 다음에 이를 공기극(42)으로부터 배기되는 공기극 배기가스와 열교환을 시킨다. 공기극 배기가스는 높은 온도를 가지기 때문에 열교환을 통해 액상의 물을 기상의 물로 기화시킬 수 있다. 이와 같이 가습 열교환기(10)는 공기극 배기가스와의 열교환을 통해 액상의 물을 기상의 물로 만든다. 기상의 물은 가습 열교환기(10)에서 연료와 혼합된다. 이와 같이 가습 열교환기(10)에 의해 가습된 연료는 전개질기(20)에서 수소로 개질된다.
연료극(41)에 연료를 공급하는 것과 동일하게 공기극(42)에는 공기(산소)를 공급한다. 이와 같은 공기는 대기 중에서 얻을 수 있다. 그런데 공기는 공기극(42)으로 공급되기 전에 적당한 온도로 가열되는 것이 바람직하다. 이와 같은 가열을 위해 촉매 연소기(50)가 사용된다. 촉매 연소기(50)는 연료극(41)으로부터 배기되는 연료극 배기가스를 이용하여 공기를 가열한다. 모든 연료(수소)가 연료극(41)에서 반응을 하는 것은 아니다. 즉, 연료극 배기가스는 반응을 하지 않은 채로 배출되는 연료를 일부 포함한다. 촉매 연소기(50)는 이와 같은 연료를 이용하여 공기를 가열한다.
한편, 연료전지 시스템은 불순물을 포함하지 않는 물을 공급받을 필요가 있다. 불순물을 포함하는 물을 공급받으면 가습 열교환기(10) 및 전개질기(20)와 같은 구성이 손상을 입을 수 있기 때문이다. 이에 따라 가습 열교환기(10)로 공급되는 물은 수처리 장치(60, Water Treatment System)를 통해 매우 높은 순도로 정제될 필요가 있다. 그런데 수처리 장치(90)는 일반적으로 매우 고가이다. 그리고 수처리 장치(90)는 작동비용도 매우 고가이다. 뿐만 아니라 수처리 장치(90)는 물을 수처리하기 위해 에너지를 소모하기 때문에 수처리 장치(90)를 이용하면 전체 시스템의 효율도 저하될 수밖에 없다.
따라서 본 발명은 위와 같은 문제들을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 과제는 보다 적은 비용만으로도 전체 시스템의 효율을 향상시킬 수 있는 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템은, 물과 연료를 공급받아 물을 기화시켜 연료를 가습하는 연료 가습부, 연료 가습부에 의해 가습된 연료를 개질하는 연료 개질부, 연료 개질부에 의해 개질된 연료를 공급받는 연료극과 공기극을 가지는 연료전지 스택부, 및 연료전지 스택부의 공기극으로부터 배기되는 공기극 배기가스 중의 물을 회수하는 물 회수부를 포함하며, 물 회수부에 의해 회수된 물은 다시 연료 가습부로 공급된다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템은 연료전지 스택부의 공기극으로부터 배기되는 공기극 배기가스 중의 물을 회수하여 이를 다시 연료 가습부로 공급하기 때문에 수처리 장치의 작동으로 인해 소모되는 에너지나 작동비용을 줄일 수 있어 보다 적은 비용만으로도 전체 시스템의 효율을 향상시킬 수 있다는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템을 개념적으로 도시하고 있는 개념도
도 2는 종래기술에 따른 연료전지 시스템을 개념적으로 도시하고 있는 개념도
이하에서는 첨부의 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명이 이하의 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템을 개념적으로 도시하고 있는 개념도이다. 도 1에서 도시하고 있는 것과 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템은 연료 가습부(110), 연료 개질부(120), 연료전지 스택부(140) 및 물 회수부(160)를 포함한다.
연료 가습부(110)는 기상의 물로 연료전지용 연료를 가습(加濕)하는 구성이다. 이를 위해 연료 가습부(110)는 액상의 물을 공급받은 다음에 이를 공기극(142)으로부터 배기되는 공기극 배기가스와 열교환을 시켜 기상의 물로 기화시킨다. (즉, 연료 가습부는 일종의 열교환기이다.) 연료 가습부(110)는 물과 연료의 혼합물을 공급받는다. 또는 연료 가습부(110)의 내부에서 물과 연료가 혼합된다. 따라서 물이 기화되면 연료는 자연스럽게 기상의 물로 가습된다.
이와 같은 가습에 더해서 연료 가습부(110)는 연료의 온도도 높인다. 즉, 물이 공기극 배기가스와의 열교환을 통해 기화되는 것과 동일하게 연료는 연료 가습부(110)의 내부에서 공기극 배기가스와의 열교환을 통해 가온(加溫)된다. 참고로, 연료 가습부(110)는 가습 열교환기(Humidifying Heat Exchanger)일 수 있다.
연료 가습부(110)에 의해 가습된 연료는 연료 개질부(120)로 공급되어 일부가 수소로 개질된다. 이를 위해 연료 개질부(120)는 내부에 개질 촉매를 구비한다. 그런데 연료를 수소로 개질하는 개질 반응은 흡열 반응이다. 따라서 연료 개질부(120)는 열을 공급받을 필요가 있다. 이와 같이 열을 공급받기 위해 연료 개질부(120)는 히터를 사용할 수 있다. 그러나 히터를 사용하면 히터에서 소모하는 에너지로 인해 전체 시스템의 효율이 떨어진다는 문제가 있다.
따라서 히터를 사용하는 것보다 연료 개질부(120)로 공급되는 연료의 온도를 높이는 것이 더 바람직하다. 연료 개질부(120)로 공급되는 연료의 온도가 충분히 높으면 히터를 사용하지 않더라도 (또는 히터를 적게 사용하더라도) 개질 반응에 필요한 열을 연료로부터 공급받을 수 있기 때문이다. 참고로, 연료 개질부(120)는 도 1에서 도시하고 있는 것과 같이 연료전지 스택부(140)의 외부에 구비되는 전개질기(Pre-Reformer)일 수 있다. 또는 연료 개질부는 연료전지 스택부(140)의 내부에 구비되는 내부개질기(Internal Reformer)일 수 있다.
연료 개질부(120)에 의해 개질된 연료는 도 1에서 도시하고 있는 것과 같이 열교환기(130)에 의해 가열된 다음에 연료전지 스택부(140)의 연료극(141)으로 공급된다. 연료전지 스택부(140)는 연료극(141)과 공기극(142)으로 이루어지는 단위 전지가 적층된 것이다. 연료전지 스택부(140)는 연료극(141)에서 일어나는 수소산화반응과 공기극(142)에서 일어나는 산소환원반응을 통해 전기를 생산한다. 연료전지 스택부(140)에서 일어나는 반응을 정리하면 다음과 같다.
(1) 개질기 CH4 + 2H20 → C02 + 4H2
(2) 연료극 4H2 + 4C03 2- → 4H20 +4CO2
(3) 공기극 4CO2 + 202 → 4CO3 2-
(4) 전체 CH4 + 202 + 2H20 → CO2 + 4H20
이와 같이 연료전지 스택부(140)에 일어나는 반응은 이산화탄소와 물을 생성시킨다. 여기서 물은 기상이다. 즉, 연료전지 스택부(140)의 공기극(142)으로부터 배기되는 공기극 배기가스는 기상의 물을 포함한다. 본 실시예에 따른 연료전지 시스템은 물 회수부(160)를 통해 이러한 기상의 물을 회수한다. 이하에서 물 회수부(160)에 대해 보다 상술한다.
공기극 배기가스는 매우 고온이다. 따라서 공기극 배기가스로부터 열을 회수하는 것은 매우 바람직한 것이다. 예를 들어, 공기극 배기가스를 열매체와 열교환을 시켜 열매체의 온도를 높인 다음에 이 열매체를 사용자에게 공급할 수도 있다. 또는 공기극 배기가스를 작동유체(열매체의 일종이다)와 열교환을 시킨 다음에 이 작동유체로 유기 랭킨 사이클(Organic Rankine Cycle)을 구동시킬 수도 있다.
그런데 이와 같은 열교환은 공기극 배기가스의 온도를 떨어뜨린다. 이와 같이 공기극 배기가스의 온도가 떨어지면 공기극 배기가스 중의 기상의 물이 응축될 수 있다. 물 회수부(160)는 이와 같이 응축되는 물을 회수한다. 즉, 물 회수부(160)는 공기극 배기가스로부터 열을 회수하는 중에 공기극 배기가스로부터 응축되는 물을 회수한다. 다시 말해, 물 회수부(160)는 공기극 배기가스를 열매체와 열교환을 시켜 공기극 배기가스 중의 기상의 물이 응측될 때까지 공기극 배기가스를 냉각한다.
이와 같이 회수된 물은 다시 연료 가습부(110)로 공급된다. (이때 물의 공급은 도면부호 180의 저장 탱크를 거쳐서 이루어질 수도 있다.) 본 실시예에 따른 연료전지 시스템은 이와 같이 공기극 배기가스로부터 물을 회수하여 이를 다시 연료 가습부(110)로 공급한다. 따라서 본 실시예에 따른 연료전지 시스템은 수처리 장치(90)의 부담을 줄일 수 있다. 이와 같이 수처리 장치(90)의 부담이 줄어든다는 것은 수처리 장치(90)의 작동이 적어진다는 것을 의미한다. 따라서 본 실시예에 따른 연료전지 시스템은 수처리 장치(90)에서 소모되는 에너지를 줄여 전체 시스템의 효율을 향상시킬 수 있다. 또한 본 실시예에 따른 연료전지 시스템은 수처리 장치(90)의 작동에 따라 소모되는 비용도 줄일 수 있다. 수처리 장치(90)의 부담이 줄어들기 때문에 수처리 장치(90)의 설계용량을 줄일 수 있으며, 이에 따라 전체 시스템의 제작원가를 줄일 수 있다는 것도 당연하다.
그리고 본 실시예에 따른 연료전지 시스템은 연료 가습부(110)의 부담도 줄일 수 있다. 연료 가습부(110)는 열교환을 통해 물을 기화시키고 연료를 가온시킨다. 연료 개질부(120)로 높은 온도의 연료를 공급하는 것이 바람직하다는 것은 앞서 살펴본 바와 같다. 그러나 연료의 온도를 충분히 높이려면 연료 가습부(110)에서 더 많은 열교환이 일어나야 한다. 그런데 물 회수부(160)에서 회수된 물은 기상의 물이 응축된 것이기 때문에 온도가 매우 높다. (물론 일반적으로 100℃ 이하일 것이다.) 따라서 물 회수부(160)에서 회수된 물을 연료 가습부(110)로 공급하면 그만큼 연료 가습부(110)에서 부담하여야 하는 열교환을 줄일 수 있다. 즉, 본 실시예에 따른 연료전지 시스템은 연료 가습부(110)의 부담도 줄일 수 있다.
더욱이 본 실시예에 따른 연료전지 시스템은 백연(白煙)현상도 줄일 수 있다. 공기극 배기가스는 과량의 수분을 포함하는 고온의 가스다. 따라서 공기극 배기가스가 그대로 배기되면 백연현상이 일어난다. 이와 같이 백연현상이 일어나면 연료전지 시스템이 혐오시설로 오인될 여지가 있다. 그러나 본 실시예에 따른 연료전지 시스템은 미리 공기극 배기가스 중의 수분을 회수하기 때문에 백연현상을 줄일 수 있다.
한편, 공기극(142)으로부터 배기되는 공기극 배기가스는 약간의 불순물을 포함할 수 있다. 그런데 이와 같은 불순물은 연료 가습부(110)에 침착되어 연료 가습부(110)의 열교환 효율을 떨어뜨리거나 개질 촉매의 성능을 감소시킨다. 따라서 불순물은 미리 제거되는 것이 바람직하다. 이를 위해 본 실시예에 따른 연료전지 시스템은 공기극 배기가스 중의 불순물을 필터링하는 불순물 필터부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 공기극 배기가스는 불순물 필터부에 의해 불순물이 제거된 다음에 연료 가습부(110)로 공급된다.
그런데 불순물 필터부에 의해 불순물이 제거되더라도 경우에 따라 공기극 배기가스는 약간의 불순물을 여전히 포함할 수 있다. 이에 따라 물 회수부(160)에서 회수된 물도 경우에 따라 약간의 불순물을 포함할 수 있다. 그러나 불순물을 포함한 물이 연료 가습부(110)로 공급되는 것은 바람직하지 않다.
이에 따라 본 실시예에 따른 연료전지 시스템은 물 회수부(160)에 의해 회수된 물의 전도도를 측정하는 전도도 측정부(170)를 더 포함할 수 있다. 물에 불순물이 많을수록 물의 전도도는 높아지므로 전도도 측정부(170)에 의해 측정된 전도도가 소정값 이상이면 물 회수부(160)에 의해 회수된 물을 연료 가습부(110)로 공급하지 않는 것이 바람직하다. 여기서 소정값은 연료전지 시스템의 사양에 따라 달라질 수 있다.
또는 본 실시예에 따른 연료전지 시스템은 물 회수부(160)에 의해 회수된 물 중의 불순물을 필터링하는 불순물 필터부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 이와 같이 불순물 필터부를 더 포함하면 물 회수부(160)에 의해 회수된 물에 불순물이 포함되어 있더라도 불순물을 제거한 채로 물을 연료 가습부(110)로 공급할 수 있다.
110: 연료 가습부 120: 연료 개질부
130: 열교환기 140: 연료전지 스택부
141: 연료극 142: 공기극
160: 물 회수부 170: 전도도 측정부

Claims (9)

  1. 물과 연료를 공급받아 상기 물을 기화시켜 상기 연료를 가습하는 연료 가습부;
    상기 연료 가습부에 의해 가습된 연료를 개질하는 연료 개질부;
    상기 연료 개질부에 의해 개질된 연료를 공급받는 연료극과 공기극을 가지는 연료전지 스택부; 및
    상기 연료전지 스택부의 공기극으로부터 배기되는 공기극 배기가스 중의 물을 회수하는 물 회수부를 포함하며,
    상기 물 회수부에 의해 회수된 물은 다시 연료 가습부로 공급되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 연료 가습부는 상기 공기극 배기가스를 공급받아 상기 공기극 배기가스와의 열교환을 통해 상기 물을 기화시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 공기극 배기가스 중의 불순물을 필터링하는 불순물 필터부를 더 포함하고, 상기 연료 가습부는 상기 불순물 필터부에 의해 필터링된 공기극 배기가스를 공급받는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 연료 개질부는 상기 연료전지 스택부의 외부에 구비되는 전개질기인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 물 회수부는 상기 공기극 배기가스로부터 열을 회수하는 중에 상기 공기극 배기가스로부터 응축되는 물을 회수하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 물 회수부는 상기 공기극 배기가스를 열매체와 열교환을 시켜 상기 공기극 배기가스로부터 열을 회수하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 물 회수부에 의해 회수된 물의 전도도를 측정하는 전도도 측정부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 전도도 측정부에 의해 측정된 전도도가 소정값 이상이면 상기 물 회수부에 의해 회수된 물을 상기 연료 가습부로 공급하지 않는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 물 회수부에 의해 회수된 물 중의 불순물을 필터링하는 불순물 필터부를 더 포함하고, 상기 물 회수부에 의해 회수된 물은 상기 불순물 필터링부에 의해 필터링된 다음에 상기 연료 가습부로 공급되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
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