KR20140118957A - 연료 전지 시스템 및 그 제어 방법 - Google Patents

연료 전지 시스템 및 그 제어 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20140118957A
KR20140118957A KR1020140111687A KR20140111687A KR20140118957A KR 20140118957 A KR20140118957 A KR 20140118957A KR 1020140111687 A KR1020140111687 A KR 1020140111687A KR 20140111687 A KR20140111687 A KR 20140111687A KR 20140118957 A KR20140118957 A KR 20140118957A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
fuel cell
fuel
cell system
heat
unit
Prior art date
Application number
KR1020140111687A
Other languages
English (en)
Other versions
KR101489643B1 (ko
Inventor
김성훈
윤좌문
이기풍
장인갑
이태원
Original Assignee
두산중공업 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 두산중공업 주식회사 filed Critical 두산중공업 주식회사
Priority to KR20140111687A priority Critical patent/KR101489643B1/ko
Publication of KR20140118957A publication Critical patent/KR20140118957A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101489643B1 publication Critical patent/KR101489643B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04014—Heat exchange using gaseous fluids; Heat exchange by combustion of reactants
    • H01M8/04022—Heating by combustion
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04268—Heating of fuel cells during the start-up of the fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0438—Pressure; Ambient pressure; Flow
    • H01M8/04395—Pressure; Ambient pressure; Flow of cathode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H01M8/04753—Pressure; Flow of fuel cell reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H01M8/04761—Pressure; Flow of fuel cell exhausts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/08—Fuel cells with aqueous electrolytes
    • H01M8/083—Alkaline fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

본 명세서는 연료 전지 시스템의 안정성 및 성능향상, 운전성(열 수요를 추종할 수 있음)을 향상시킬 수 있는 연료 전지 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것으로서, 본 명세서의 실시예에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 연료 전지 시스템의 폐열을 회수하는 폐열 회수부와; 상기 폐열 회수부에 연결되고, 상기 폐열 회수부에 열을 공급하는 히팅 유니트를 더 포함하며, 상기 히팅 유니트에서 발생한 배출 가스는 상기 연료 전지의 캐소드에 유입될 수 있다.

Description

연료 전지 시스템 및 그 제어 방법{FUEL CELL SYSTEM AND CONTROL METHOD THEREOF}
본 명세서는 연료 전지 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 연료전지는 수소와 산소를 이용하여 물과 전기를 생성하게 된다. 연료전지의 작동 원리는 애노드(Anode)에서 수소가 이온화되면서 전자를 발생하고, 그 발생한 전자는 중간의 전해질을 거쳐 캐소드(Cathode)로 이동하게 된다. 상기 전자가 이동하는 과정에서 전기 에너지가 발생한다. 수소와 공기가 반응해 물이 생성되는 이 반응은 발열 반응으로 전기에너지 외에도 열과 물을 얻을 수 있다.
반면, 연료전지의 연료로 쓰이는 수소는 그 자체로 얻기는 어렵기 때문에 수소화합물을 개질하여 이용한다. 즉, 연료전지의 연료로서 탄소와 수소의 화합물인 화석연료가 사용된다. 종래 기술에 따른 연료전지는 한국 특허 출원번호 10-2006-0117082에도 개시되어 있다.
본 명세서는 연료 전지 시스템의 안정성 및 성능향상, 운전성(열 수요를 추종할 수 있음)을 향상시킬 수 있는 연료 전지 시스템 및 그 제어 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 명세서의 실시예에 따른 연료 전지 시스템은, 연료 전지와, 상기 연료 전지와 전력 계통 사이에 연결된 주변장치를 포함하는 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 연료 전지 시스템의 폐열을 회수하는 폐열 회수부와; 상기 폐열 회수부에 연결되고, 상기 폐열 회수부에 열을 공급하는 히팅 유니트를 더 포함하며, 상기 히팅 유니트에서 발생한 배출 가스는 상기 연료 전지의 캐소드에 유입될 수 있다.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 히팅 유니트는 가스 버너 타입의 히팅 유니트일 수 있다.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 히팅 유니트는 탄화수소계열의 연료를 사용하는 히팅 유니트일 수 있다.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 히팅 유니트는 상기 폐열 회수부에 공급할 열을 발생할 때 생성되는 이산화탄소를 상기 연료전지의 캐소드에 공급함으로써 상기 연료전지의 캐소드로 유입되는 이산화탄소의 분압을 증가시킬 수 있다.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 연료 전지 시스템에서 열원이 부족할 때 연료이용률을 감소시킴으로써 연료 전지의 애노드의 수소 분압을 증가시키는 연료 공급부와; 상기 증가된 수소 분압으로 인해 미반응된 연료를 열 에너지로 변환하는 촉매 연소기와; 상기 촉매 연소기의 열 에너지를 회수하고, 상기 회수된 열 에너지를 상기 열원이 부족한 수요처에 공급하는 열 회수부를 더 포함할 수 있다.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 열 회수부에 공기를 공급하는 공기 공급부와; 상기 수요처에서 열이 부족할 때, 상기 열 회수부에서 상기 수요처로 공급되는 열이 증가하도록 상기 열 회수부에 공급되는 공기 공급량을 상기 공기 공급부를 통해 감소시키는 제어부를 더 포함할 수 있다.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 연료 공급부는, 상기 연료 전지 시스템에서 열이 부족할 때 연료이용률을 감소시킴으로써 수소로 개질될 연료량을 증가시키고, 여기서, 상기 증가된 연료량에 의해 개질된 수소로 인해 상기 연료 전지의 애노드 측의 수소 분압은 증가될 수 있다.
본 명세서의 실시예에 따른 연료 전지 시스템은, 연료 전지와, 상기 연료 전지와 전력 계통 사이에 연결된 주변장치를 포함하는 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 연료 전지 시스템에서 열원이 부족할 때 연료이용률을 감소시킴으로써 연료 전지의 애노드의 수소 분압을 증가시키는 연료 공급부와; 상기 증가된 수소 분압으로 인해 미반응된 연료를 열 에너지로 변환하는 촉매 연소기와; 상기 촉매 연소기의 열 에너지를 회수하고, 상기 회수된 열 에너지를 열이 부족한 수요처에 공급하는 열 회수부를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 연료 전지 시스템 및 그 제어 방법은, 연료 전지 시스템(또는 연료 전지 열 병합 시스템)의 폐열 회수부에 가스 버너 타입의 히팅 유니트(Heating unit)를 연결하고, 그 히팅 유니트(Heating unit)를 통해 폐열 회수부에서 부족한 열을 폐열 회수부에 공급하고, 히팅 유니트(Heating unit)에서 발생한 배기 가스로 연료전지의 캐소드로 유입되는 이산화탄소의 분압을 증가시킴으로써 연료전지 셀(예를 들면, 용융 탄산염 연료전지(MCFC, Molten Carbon Fuel Cell)의 셀)의 성능을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 연료 전지 시스템 및 그 제어 방법은, 상기 연료 전지 시스템 운영 중 열 공급 수요처에 열이 부족할 때, 연료 전지의 연료이용률을 제어하여 열교환량을 증가시킴으로써, 열 공급 수요처에서 부족한 열을 공급할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예들을 설명하기 위한 연료 전지 시스템을 나타낸 도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 나타낸 도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 나타낸 도이다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 나타낸 도이다.
본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 본 명세서에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 기술적인 용어가 본 발명의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 잘못된 기술적 용어일 때에는, 당업자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대체되어 이해되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에서 사용되는 일반적인 용어는 사전에 정의되어 있는 바에 따라, 또는 전후 문맥상에 따라 해석되어야 하며, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 발명의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 발명의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.
도 1은 본 발명의 실시예들을 설명하기 위한 연료 전지 시스템을 나타낸 도이다.
상기 연료 전지 시스템은, 연료(예를 들면, 산소 및 연료 가스(예를 들면, 천연가스, 수소, 탄화수소화합물 등))를 반응시켜 직류 전원(DC)을 발생하는 연료 전지(102)와, 상기 연료 전지(102)와 전력 계통 사이에 연결된 주변장치(BOP:Balance of Plant)를 포함한다.
전력 변환부(PCS: Power Conditioning System)(103)는 상기 연료 전지(102)에 연결되고, 상기 직류 전원을 교류 전원(AC)으로 변환하고, 그 변환된 교류 전원을 상기 전력 계통에 인가한다.
제어부(104)는 상기 전력 계통에 이상이 발생할 때 상기 전력 계통과 상기 전력 변환부(103)와의 연결을 차단하고, 상기 연료 전지(102)에서 발생한 전력의 일부를 상기 주변 장치(BOP:Balance of Plant)에 포함된 히터(예를 들면, 연료 전지의 캐소드 히터(160) 및/또는 연료 전지의 애노드 히터(170))에 인가한다. 또한, 상기 제어부(104)는 상기 공기 공급부(130)의 공기 유량 및/또는 연료 공급부(180)의 스팀량을 제어한다.
상기 연료 전지 시스템은, 연료 전지 애노드(Anode)에 연결된 믹서(Mixer)(110)와; 상기 믹서(110)와 연료 전지 캐소드(Cathode) 사이에 연결된 촉매 연소기(120)와; 상기 촉매 연소기의 전단 및 후단의 온도를 검출하는 온도 검출부(150)와; 상기 공급된 공기의 유량을 상기 믹서 및 상기 촉매 연소기에 분배하는 공기 유량 분배기(140)를 포함한다.
상기 제어부(104)는, 상기 검출된 온도를 근거로, 상기 믹서(110) 및 상기 촉매 연소기(120)에 인가될 공기 유량을 증가 또는 감소시키기 위한 상기 제어 신호를 발생하고, 그 발생한 제어 신호를 상기 공기 유량 분배기(140)에 출력한다.
상기 온도 검출부(150)는, 상기 촉매 연소기(120)의 전단(입구)의 온도를 검출하는 제1 온도 검출기(T1)와; 상기 촉매 연소기(120)의 후단(출구)의 온도를 검출하는 제2 온도 검출기(T2), 상기 연료 전지의 캐소드 측의 온도를 검출하는 제3 온도 검출기(T3), 상기 연료 전지의 애노드 측의 온도를 검출하는 제4 온도 검출기(도시 되지 않음)을 포함할 수 있다.
상기 연료 전지 시스템은, 상기 공기 공급부(130)에서 출력되는 메인 공기 유량을 검출하고, 그 메인 공기 유량에 대응하는 값을 상기 제어부(104)에 출력하는 제1 공기 유량계(Flow Transmitter, FT)(FT1)와; 상기 믹서(110)에 인가되는 제1 공기 유량을 검출하고, 그 제1 공기 유량에 대응하는 값을 상기 제어부(104)에 출력하는 제2 공기 유량계(Flow Transmitter, FT)(FT2)를 포함할 수 있다.
이하에서는, 연료 전지 시스템(또는 연료 전지 열 병합 시스템)의 폐열 회수부에 가스 버너 타입의 히팅 유니트(Heating unit)를 연결하고, 그 히팅 유니트(Heating unit)를 통해 폐열 회수부에서 부족한 열을 폐열 회수부에 공급하고, 히팅 유니트(Heating unit)에서 발생한 이산화탄소(CO2)로 연료전지(102)의 캐소드로 유입되는 이산화탄소의 분압을 증가시킴으로써 연료전지 셀의 성능을 향상시킬 수 있는 연료 전지 시스템 및 그 제어 방법을 도 2를 참조하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 나타낸 도이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 연료전지 열병합 시스템의 폐열을 회수하는 폐열 회수부(202)와; 상기 폐열 회수부(202)에 연결되고, 상기 폐열 회수부(202)에 열을 공급하는 히팅 유니트(Heating unit)(201)를 포함하며, 상기 히팅 유니트(Heating unit)(201)에서 발생한 배출 가스(예를 들면, 이산화탄소)는 상기 연료 전지(102)의 캐소드에 유입된다. 상기 연료 전지(102)는 용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC)일 수 있다.
상기 제어부(104)는 상기 연료 전지 시스템 운영 중 상기 폐열 회수부(202)의 온도가 기준 온도보다 낮을 때 상기 히팅 유니트(Heating unit)(201)를 동작시킬 수 있으며, 이때 상기 히팅 유니트(Heating unit)(201)에서 발생한 열은 상기 폐열 회수부(202)에 공급된다.
*상기 히팅 유니트(Heating unit)(201)에서 발생한 배출 가스(예를 들면, 이산화탄소)로 인해 상기 연료 전지(102)의 캐소드에 유입되는 이산화탄소의 분압이 증가됨으로써 연료전지 셀의 성능이 향상된다.
상기 히팅 유니트(Heating unit)(201)(또는 Heating Unit Assembly)는 가스 버너 타입의 히팅 유니트(Heating unit)일 수 있다. 상기 히팅 유니트(Heating unit)(201)는 탄화수소계열의 연료를 사용할 수 있으며, 화석에너지를 열에너지로 짧은 변환 과정을 거치기 때문에 상대적으로 에너지 변환 효율에 유리하다. 열원의 필요량에 따라 연료를 조절하여 수요에 맞출 수 있으며, 상기 히팅 유니트(Heating unit)(201)의 배기 가스는 연료전지(102)의 캐소드로 유입된다.
상기 히팅 유니트(201)는, 열교환기와 조합될 수 있고, 히팅 유니트-열교환기의 조립체 일수도 있다. 상기 히팅 유니트-열교환기의 조립체는 히팅 유니트 내 연소반응이 직접 열교환기 가열을 통해 열교환을 할 수도 있고, 열매개체를 이용하여 열교환을 할 수도 있다. 상기 조립체는 열공급이 수요에 미치지 못할 경우 즉각적으로 가동되어 필요한 열원을 확보할 수 있다.
따라서, 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템 및 그 제어 방법은, 상기 히팅 유니트(Heating unit)(201)에서 발생된 CO2, SOx, NOx 등의 규제가스 배출 감소에도 유리하다. 또한, 상기 배기 가스를 상기 캐소드에서 이용할 경우 CO2의 분압을 증가시켜 연료전지의 성능 향상에도 기여할 수 있다.
따라서, 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템은, 연료 전지 시스템(또는 연료 전지 열 병합 시스템)의 폐열 회수부에 가스 버너 타입의 히팅 유니트(Heating unit)를 연결하고, 그 히팅 유니트(Heating unit)를 통해 폐열 회수부에서 부족한 열을 폐열 회수부에 공급하고, 히팅 유니트(Heating unit)에서 발생한 배기 가스로 연료전지(102)의 캐소드로 유입되는 이산화탄소의 분압을 증가시킴으로써 연료전지 셀(예를 들면, 용융 탄산염 연료전지(MCFC, Molten Carbon Fuel Cell)의 셀)의 성능을 향상시킬 수 있다.
이하에서는, 연료 전지의 애노드의 배출가스가 유입되는 촉매연소기(120) 후단에 연결된 열 회수부(301)를 통해 열을 회수하여 수요처(예를 들면, 폐열 회수부 등)에 열을 공급할 수 있는, 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 도 3을 참조하여 설명한다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 나타낸 도이다.
도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템은, 연료 전지 시스템에서 열원이 부족할 때 연료 전지의 연료이용률을 감소시킴으로써 연료 전지의 애노드의 수소 분압을 증가시키는 연료 공급부(180)와; 상기 증가된 수소 분압으로 인해 상기 연료 전지에서 반응 후 남은 연료(미반응된 연료)를 열 에너지로 변환하는 촉매 연소기(120)와; 상기 촉매 연소기(120)의 열 에너지를 회수하고, 상기 회수된 열 에너지를 상기 열원이 부족한 수요처(예를 들면, 폐열 회수부 등)에 공급하는 열 회수부(301)를 포함한다. 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 연료 전지(102)는 용융탄산염 연료전지 (Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC), 고분자전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC), 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC), 직접메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell, DMFC), 직접에탄올 연료전지(Direct Ethanol Fuel Cell, DEFC), 인산형 연료전지(Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC) 중에서 어느 하나이거나 이들의 조합일 수 있다.
상기 제어부(104)는 상기 공기 공급부(130)를 제어하여 상기 열 회수부(301)에 공급되는 공기 공급량을 제어(예를 들면, 공기 공급량을 감소)함으로써 상기 열 회수부(301)가 상기 수요처(예를 들면, 폐열 회수부 등)에 공급할 수 있을 열을 더욱 증가시킬 수도 있다.
상기 연료 공급부(180)는 상기 연료 전지 시스템에서 열원이 부족할 때 연료이용률을 감소킴으로써 많은 양의 연료가 수소로 개질되도록 한다. 이때, 상기 개질된 수소로 인해 연료 전지의 애노드 측의 수소 분압이 증가된다. 예를 들면, 연료이용률(Uf) 0.7 수준에서는 열교환이 크게 요구되지 않으나 연료이용률을 감소시켜 운전하거나 이상거동 상황 발생시에는 공기 유량을 제어하여 열교환을 증가시킬 수 있다. 상기 열회수부(301)는 촉매연소기(120)와 분리되거나 혹은 일체형 일수 있다. 상기 연료이용률(UGas, UFuel)이란 필요 연료량 대비 공급된 연료량의 비를 의미한다. 연료전지 시스템 운영 시 스택의 안정된 운전과 출력유지 및 효율적인 연료전지 시스템 운영 등을 목적으로 연료이용률(UF, 필요 연료량/공급 연료량)을 도입한다(몰비 기준). 연료전지의 종류 및 특성에 따라 값이 다르며, "(1-UF) x 공급된 연료량"을 계산하게 되면 미반응된 연료의 양을 알 수 있다.
상기 연료이용률을 낮추게 되면(예, 0.7-->0.6) 애노드에서 미반응된 연료양이 증가하게 되며, 이는 애노드의 수소(H2) 분압을 증가시켜 연료전지 스택의 셀 성능 향상에 기여할 수 있다. 또한, 미반응된 연료의 양이 증가함에 따라 촉매연소기(120) 후단의 온도 또한 더욱 증가하게 되는데, 이는 열회수부(301)의 열교환량을 증가시킴으로써 운전에 적합한 온도범위를 유지할 수 있으며, 이는 수요처에 열 공급량 증가를 의미한다.
상기 촉매 연소기(120)는 상기 증가된 수소 분압으로 인해 미반응된 연료를 사용하여 열에너지를 발생한다.
상기 열 회수부(301)는 상기 촉매 연소기(120)에 의해 발생한 열 에너지를 회수하고, 상기 회수된 열 에너지를 상기 열원이 부족한 수요처(예를 들면, 폐열 회수부 등)에 공급한다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템은 촉매연소기(120)의 오프 가스(Off Gas)의 온도 제어를 할 수 있다. 상기 촉매연소기(120)의 후단에 연결된 열회수부(301)를 거친 가스는 연료 전지 스택의 캐소드로 유입되는데 촉매연소기 오프 가스의 온도를 제어할 수 있다는 의미는 연료 전지 스택의 온도를 조절할 수 있다는 점에서 연료 전지 시스템의 안정성 확보와 밀접한 연관이 있다.
연료 전지 스택의 온도는 상대적으로 유량이 많은 캐소드측의 영향을 많이 받으며, MCFC의 경우 통상 600~650도가 권장되고 있다.
비상 정지(Emergency Stop), 이상거동 발생 등으로 촉매연소기(120) 후단의 온도가 증가하면(미반응 연료에 의한 촉매연소기의 과도한 발열반응에 의해) 연료 전지 스택 전체의 온도상승을 유발하기 때문에 적정 운전온도를 넘어갈 경우 연료 전지 스택 내 전해질 손실(Loss)이 발생하거나 지지체의 크랙(Crack)에 의한 누출(Leakage)이 발생할 수 있으며, 연료 전지 스택 및 연료 전지 시스템 내의 촉매(Catalyst)의 열화소손, 감쇠비(Decay Ratio)를 증가, 성능 저하를 초래하게 된다. 또한, 촉매연소기(120) 전단이 250~350 도의 범위를 벗어날 경우 촉매연소기(120)의 원활한 촉매반응을 저하시킬 수 있다.
따라서, 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 연료 전지 시스템 운영 중 열 공급 수요처에 열이 부족할 때, 연료 전지의 연료이용률을 제어하여 열교환량을 증가시킴으로써, 열 공급 수요처에서 부족한 열을 공급할 수 있다. 또한, 연료 전지 시스템의 안정성 및 성능향상, 운전성(열 수요를 추종할 수 있음)을 향상시킬 수 있다.
이하에서는, 히팅 유니트(Heating unit)를 통해 열 공급 수요처(예를 들면, 폐열 회수부 등)에 열을 공급하고, 연료 전지의 애노드의 배출가스가 유입되는 촉매연소기(120) 후단에 연결된 열 회수부(301)를 통해 열을 회수하여 상기 수요처에 열을 공급할 수 있는, 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 도 4를 참조하여 설명한다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 나타낸 도이다.
도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 연료전지 열병합 시스템의 폐열을 회수하는 폐열 회수부(202)와; 상기 폐열 회수부(202)에 연결되고, 상기 폐열 회수부(202)에 열을 공급하는 히팅 유니트(Heating unit)(201)와; 상기 연료 전지 시스템에서 열원이 부족할 때 연료 전지의 연료이용률을 감소시킴으로써 연료 전지의 애노드의 수소 분압을 증가시키는 연료 공급부(180)와; 상기 증가된 수소 분압으로 인해 미반응된 연료를 열 에너지로 변환하는 촉매 연소기(120)와; 상기 촉매 연소기(120)의 열 에너지를 회수하고, 상기 회수된 열 에너지를 상기 열원이 부족한 수요처(예를 들면, 폐열 회수부 등)에 공급하는 열 회수부(301)를 포함하며, 상기 히팅 유니트(Heating unit)(201)에서 발생한 배출 가스(예를 들면, 이산화탄소)는 상기 연료 전지(102)의 캐소드에 유입된다.
상기 제어부(104)는 상기 연료 전지 시스템 운영 중 상기 폐열 회수부(202)의 온도가 기준 온도보다 낮을 때 상기 히팅 유니트(Heating unit)(201)를 동작시킬 수 있으며, 이때 상기 히팅 유니트(Heating unit)(201)에서 발생한 열은 상기 폐열 회수부(202)에 공급된다.
상기 히팅 유니트(Heating unit)(201)에서 발생한 배출 가스(예를 들면, 이산화탄소)로 인해 상기 연료 전지(102)의 캐소드에 유입되는 이산화탄소의 분압이 증가됨으로써 연료전지 셀의 성능이 향상된다.
상기 제어부(104)는 상기 공기 공급부(130)를 제어하여 상기 열 회수부(301)에 공급되는 공기 공급량을 제어함으로써 상기 열 회수부(301)가 상기 수요처(예를 들면, 폐열 회수부 등)에 공급할 수 있을 열을 더욱 증가시킬 수도 있다.
상기 연료 공급부(180)는 상기 연료 전지 시스템에서 열원이 부족할 때 연료이용률을 감소킴으로써 선개질기(도시되지 않음)를 통해 많은 양의 연료를 수소로 개질시킨다. 이때, 상기 개질된 수소로 인해 연료 전지의 애노드 측의 수소 분압이 증가된다.
상기 촉매 연소기(120)는 상기 증가된 수소 분압으로 인해 미반응된 연료를 사용하여 열에너지를 발생한다.
상기 열 회수부(301)는 상기 촉매 연소기(120)에 의해 발생한 열 에너지를 회수하고, 상기 회수된 열 에너지를 상기 열원이 부족한 수요처(예를 들면, 폐열 회수부 등)에 공급한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 연료 전지 시스템 및 그 제어 방법은, 연료 전지 시스템(또는 연료 전지 열 병합 시스템)의 폐열 회수부에 가스 버너 타입의 히팅 유니트(Heating unit)를 연결하고, 그 히팅 유니트(Heating unit)를 통해 폐열 회수부에서 부족한 열을 폐열 회수부에 공급하고, 히팅 유니트(Heating unit)에서 발생한 배기 가스로 연료전지(102)의 캐소드로 유입되는 이산화탄소의 분압을 증가시킴으로써 연료전지 셀(예를 들면, 용융 탄산염 연료전지(MCFC, Molten Carbon Fuel Cell)의 셀)의 성능을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 연료 전지 시스템 및 그 제어 방법은, 상기 연료 전지 시스템 운영 중 열 공급 수요처에 열이 부족할 때, 연료 전지의 연료이용률을 제어하여 열교환량을 증가시킴으로써, 열 공급 수요처에서 부족한 열을 공급할 수 있다.
본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
102: 연료 전지 180: 연료 공급부
202: 폐열 회수부 301: 열 회수부

Claims (1)

  1. 연료 전지와, 상기 연료 전지와 전력 계통 사이에 연결된 주변장치를 포함하는 연료 전지 시스템에 있어서,
    상기 연료 전지 시스템에서 열원이 부족할 때 연료이용률을 감소시킴으로써 연료 전지의 애노드의 수소 분압을 증가시키는 연료 공급부와;
    상기 증가된 수소 분압으로 인해 미반응된 연료를 열 에너지로 변환하는 촉매 연소기와;
    상기 촉매 연소기의 열 에너지를 회수하고, 상기 회수된 열 에너지를 열이 부족한 수요처에 공급하는 열 회수부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
KR20140111687A 2014-08-26 2014-08-26 연료 전지 시스템 및 그 제어 방법 KR101489643B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR20140111687A KR101489643B1 (ko) 2014-08-26 2014-08-26 연료 전지 시스템 및 그 제어 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR20140111687A KR101489643B1 (ko) 2014-08-26 2014-08-26 연료 전지 시스템 및 그 제어 방법

Related Parent Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020120148623A Division KR101451839B1 (ko) 2012-12-18 2012-12-18 연료 전지 시스템 및 그 제어 방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20140118957A true KR20140118957A (ko) 2014-10-08
KR101489643B1 KR101489643B1 (ko) 2015-02-04

Family

ID=51991540

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR20140111687A KR101489643B1 (ko) 2014-08-26 2014-08-26 연료 전지 시스템 및 그 제어 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101489643B1 (ko)

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3882761B2 (ja) * 2003-02-19 2007-02-21 日産自動車株式会社 燃料電池システム
JP4681277B2 (ja) 2004-11-11 2011-05-11 三菱重工業株式会社 燃料電池システム
JP2006309982A (ja) 2005-04-26 2006-11-09 Idemitsu Kosan Co Ltd 固体酸化物形燃料電池システム
JP5327693B2 (ja) * 2008-03-19 2013-10-30 Ｔｏｔｏ株式会社 燃料電池システム

Also Published As

Publication number Publication date
KR101489643B1 (ko) 2015-02-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10892506B2 (en) Fuel cell system and operating method thereof
EP3182493B1 (en) Fuel cell system, operating method thereof and fuel cell power plant
US9601792B2 (en) Fuel cell system and method for driving same
JP5939142B2 (ja) 燃料電池発電システム
JP2023145251A (ja) 燃料電池システム
JP5922443B2 (ja) 高温型燃料電池を有するガスタービンコンバインド発電システムおよびその運転方法
AU2010361352B2 (en) Co-flow / counter-flow fuel cell or electrolysis cell
JP2008140686A (ja) 燃料電池発電装置およびその制御方法
JP5048870B2 (ja) 燃料電池システム及びその運転方法
KR101489643B1 (ko) 연료 전지 시스템 및 그 제어 방법
KR101451839B1 (ko) 연료 전지 시스템 및 그 제어 방법
JP7029122B2 (ja) 燃料電池システム
JP6171169B2 (ja) 燃料電池コージェネレーションシステム
JP2004171802A (ja) 燃料電池システム
JP5253705B2 (ja) 燃料電池システム
KR20160139492A (ko) 냉각 장치를 갖는 분산발전용 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템
KR101690636B1 (ko) 분산발전용 연료전지―엔진 하이브리드 발전시스템 비상 정지 운전 방법
KR101439671B1 (ko) 가열통합형 연료전지 모듈
KR101336671B1 (ko) 이젝터를 이용한 애노드 오프 가스 재순환 연료전지 시스템
KR101080311B1 (ko) 분리형 보조 버너를 갖는 연료전지시스템 및 이의 운전 방법
KR100623942B1 (ko) 용융탄산염 연료 전지 시스템
KR101690634B1 (ko) 분산발전용 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템 구성 및 제어 방법
JP2007026998A (ja) 溶融炭酸塩型燃料電池発電装置の燃料電池温度制御方法及び装置
KR101463437B1 (ko) 연료 전지 시스템의 전원 제어 장치 및 그 방법
CN217589004U (zh) 一种含热量回收功能的sofc系统

Legal Events

Date Code Title Description
A107 Divisional application of patent
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20171204

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20190102

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20200102

Year of fee payment: 6