KR20210088362A - 연료전지 시스템 및 그의 운전방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 개질기에서의 개질촉매의 탄소 침적을 감지하고 재생하는 연료전지 시스템 및 그 운전방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템은, 공급된 연료를 개질하여 수소를 생산하는 개질기; 상기 개질기 내부의 가스를 검출하는 가스센서; 상기 개질기 내부의 압력을 측정하는 압력센서; 상기 검출된 가스 중 미반응 메탄가스의 농도가 설정된 임계농도를 초과하고 상기 측정된 압력이 설정된 임계압력을 초과하면 상기 개질기의 개질촉매 탄소 침적으로 판단하는 제어부를 포함한다.

Description

연료전지 시스템 및 그의 운전방법{Fuel cell system and operating method thereof}
본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 특히 개질기에서의 개질촉매의 탄소 침적을 감지하고 재생하는 연료전지 시스템 및 그 운전방법에 관한 것이다.
연료의 연소 에너지를 열로 바꾸지 않고 직접 전기 에너지로 바꾸는 연료전지 시스템은 미래의 전력생산에서 유망한 기술 중 하나로 거론되고 있다. 이러한 연료전지 시스템은 크게 연료개질장치 및 연료전지스택을 포함한다.
연료개질장치에서는 탈황기에 의해 연료에 함유된 황 성분이 제거되고 개질기에서 탈황된 연료와 물을 반응시켜 수소를 생산한다. 이때, 이러한 반응을 위한 열은 버너에서 연료를 연소시켜서 발생된 열을 이용한다.
연료전지스택은 연료개질장치로부터 공급받은 수소와 외부에서 공급되는 산소의 전기화학반응을 통해 전력을 생산한다. 연료전지스택은 이러한 전기화학반응에 거쳐 반응 전후의 에너지 차를 전기에너지로 직접 변환하는 방법이다.
한국 공개특허공보 제10-2012-0071288호(선행문헌 1)에는 연료전지장치가 개시되어 있고, 일본 공개특허공보 특개2003-187832호(선행문헌 2)에는 연료전지 시스템이 개시되어 있다.
이러한 선행문헌 1 및 2에는 개질기에서 연료를 개질하고 연료전지스택에서 개질된 가스를 이용하여 전기화학반응에 의해 전기를 생성하는 연료전지장치 및 연료전지시스템이 개시된다.
하지만, 선행문헌 1 및 2를 비롯하여 종래의 연료전지장치 및 시스템은 개질기의 개질촉매의 탄소 침적을 감지하는 기술은 개시되지 않는다.
연료전지 시스템의 필수 구성인 개질기의 경우, 장시간 운전시 도시가스 내의 탄소가 개질촉매에 침적되어 개질촉매의 반응성이 떨어지고, 이로 인해 수소 발생량이 감소하고 미반응 메탄가스의 양이 증가하게 되는 문제점이 발생한다.
또한, 종래의 연료전지 시스템에서는 이러한 개질기의 개질촉매 탄소 침적에 대한 감지나 탄소 침적된 개질촉매의 재생운전 없이 개질기를 장시간 운전하게 되어 개질촉매의 회복이 어렵게 된다.
또한, 이 경우 수소 생산량 부족으로 연료전지스택에서의 전압강하를 초래하여 연료전지스택의 운전에 대한 신뢰성 문제가 발생하고 고가의 개질기의 교체주기가 짧아지는 문제점이 있다.
(선행문헌 1) 한국공개특허공보 제10-2012-0071288호 (선행문헌 2) 일본공개특허공보 특개2003-187832호
본 발명은 연료전지 시스템에서 개질기의 개질촉매에 탄소 성분이 침적되었는지를 감지하도록 하는 연료전지 시스템 및 그의 운전방법을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은 개질기에서 탄소가 침적된 개질촉매를 재생할 수 있는 연료전지 시스템 및 그의 운전방법을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은 개질기에서 특정온도에서의 스팀반응에 의해 개질촉매에 침적된 탄소를 제거하여 개질촉매를 재생시키는 연료전지 시스템 및 그의 운전방법을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은 개질기 내부의 가스를 검출하여 개질기의 재질촉매 재생여부를 판단할 수 있는 연료전지 시스템 및 그의 운전방법을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템은, 공급된 연료를 개질하여 수소를 생산하는 개질기; 상기 개질기 내부의 가스를 검출하는 가스센서; 상기 개질기 내부의 압력을 측정하는 압력센서; 상기 검출된 가스 중 미반응 메탄가스의 농도가 설정된 임계농도를 초과하고 상기 측정된 압력이 설정된 임계압력을 초과하면 상기 개질기의 개질촉매 탄소 침적으로 판단하는 제어부를 포함한다.
상기 제어부는, 상기 메탄가스의 농도가 상기 임계농도를 초과하고 상기 측정된 압력이 상기 임계압력을 초과하면서 상기 메탄가스의 농도가 설정범위 이상으로 증가하는 경우 상기 개질촉매 탄소 침적으로 판단한다.
상기 제어부는, 상기 메탄가스의 농도가 상기 임계농도를 초과하고 상기 측정된 압력이 상기 임계압력을 초과하면서 상기 측정된 압력이 설정범위 이상으로 증가하는 경우 상기 개질촉매 탄소 침적으로 판단한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템은, 공급된 연료를 개질하여 수소를 생산하는 개질기; 상기 개질기의 온도를 조절하는 버너; 상기 개질기로 스팀을 공급하는 스팀공급부; 상기 개질기 내부의 가스를 검출하는 가스센서; 상기 개질기 내부의 압력을 측정하는 압력센서; 상기 개질기 내부의 온도를 측정하는 온도센서; 상기 개질기의 개질촉매 탄소 침적으로 판단되면 상기 개질기의 내부온도가 설정온도 범위가 되도록 상기 버너를 제어하고 상기 설정온도 범위가 되면 상기 개질기로 스팀이 공급되도록 상기 스팀공급부를 제어하는 제어부를 포함한다.
상기 연료전지 시스템은 상기 스팀공급부에서 상기 스팀을 상기 개질기로 공급하기 위한 스팀공급배관에 설치되며 상기 스팀의 흐름을 제어하는 스팀제어밸브를 더 포함한다.
상기 제어부는 상기 개질기 내부의 온도가 650~700℃를 유지하도록 상기 버너를 제어한다. 이때, 상기 제어부는 상기 개질기의 내부온도가 700℃를 초과하면 상기 버너를 오프시키고 상기 내부온도가 650℃ 미만이면 상기 버너를 온시킨다.
상기 제어부는, 상기 스팀 공급 후 상기 가스센서에 의해 검출되는 가스 중 CO2 농도가 설정된 기준농도보다 크면 상기 개질기의 개질촉매 재생되는 것으로 판단한다.
상기 제어부는, 상기 스팀 공급 후 상기 가스센서에 의해 검출되는 가스 중 H2 및 CO2 농도를 비교하여 H2 농도가 2×CO2 농도보다 크면 상기 개질기의 개질촉매의 재산화 반응이 일어나는 것으로 판단한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 운전방법은, 개질기에서 연료를 개질하여 수소를 생산하는 단계; 상기 개질기 내부의 가스를 검출하는 단계; 상기 개질기 내부의 압력을 측정하는 단계; 상기 검출된 가스 중 미반응 메탄가스의 농도가 설정된 임계농도를 초과하고 상기 측정된 압력이 설정된 임계압력을 초과하면 상기 개질기의 개질촉매 탄소 침적으로 판단하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템의 운전방법은, 개질기에서 연료를 개질하여 수소를 생산하는 단계; 상기 개질기의 개질촉매 탄소 침적인지를 판단하는 단계; 상기 개질촉매의 탄소 침적으로 판단되면 상기 개질기의 내부온도를 설정온도 범위가 되도록 상기 버너를 제어하는 단계; 상기 설정온도 범위가 되면 상기 개질기 내부로 스팀을 공급하는 단계를 포함한다.
상기 개질촉매의 탄소 침적인지를 판단하는 단계는, 상기 개질기 내부의 가스를 검출하는 단계; 상기 개질기 내부의 압력을 측정하는 단계; 상기 검출된 가스 중 미반응 메탄가스의 농도가 설정된 임계농도를 초과하고 상기 측정된 압력이 설정된 임계압력을 초과하면 상기 개질기의 개질촉매 탄소 침적으로 판단하는 단계를 포함한다.
상기 버너를 제어하는 단계는, 상기 개질기의 내부온도가 설정된 제1임계온도를 초과하면 상기 버너를 오프시키고 상기 내부온도가 제2임계온도 미만이면 상기 버너를 온시켜 상기 내부온도가 상기 설정온도 범위를 유지하도록 한다.
상기 개질기 내부로 스팀을 공급하는 단계 이후에, 상기 개질기 내부의 가스를 검출하는 단계; 상기 검출된 가스 중 CO2 농도와 설정된 기준농도를 비교하는 단계; 상기 비고에서 상기 CO2 농도가 상기 기준농도보다 크면 상기 개질촉매의 재생이 진행되는 것으로 판단하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 개질기 내부로 스팀을 공급하는 단계 이후에, 상기 개질기 내부의 가스를 검출하는 단계; 상기 검출된 가스 중 H2 농도와 CO2 농도를 비교하는 단계; 상기 비교에서 H2 농도가 2×CO2 농도보다 크면 상기 스팀의 공급을 중단하는 단계를 더 포함할 수도 있다.
상기 설정온도 범위는 650~700℃인 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면 개질기에 포함된 개질촉매에 탄소가 침적되었는지를 감지할 수 있어 연료전지 시스템의 성능저하를 막을 수 있다.
본 발명에 의하면 개질기의 탄소 침적 여부를 감지하여 조치를 취함으로써 개질기에서의 수소생산량 감소를 막을 수 있다.
본 발명에 의하면 개질기의 내부온도를 최적의 설정온도 범위로 유지하여 개질기로 스팀을 공급함으로써 개질촉매의 재생을 효유적으로 진행할 수 있고, 이로써 연료전지 시스템의 신뢰성을 확보할 수 있다.
본 발명에 의하면 개질기의 개질촉매를 재생함으로써 개질기의 수명을 증가시킬 수 있고 교체주기를 늘릴 수 있다.
본 발명에 의하면 개질기 내부의 가스 농도의 정보만으로 개질촉매의 재생여부를 판단할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 개략적인 구성도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 개질기의 개질촉매 탄소 침적을 감지하는 연료전지 시스템의 운전방법을 설명하는 흐름도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 개질기의 개질촉매 재생을 위한 연료전지 시스템의 운전방법을 설명하는 흐름도.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템에서 개질기의 개질촉매 재산화 과정을 설명하는 흐름도.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 개질기의 개질촉매 재생과정에서 발생하는 수소와 이산화탄소의 농도를 나타낸 예시적인 그래프.
이하, 본 발명의 일부 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세히 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 실시 예의 구성요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 또 다른 구성요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템은 탈황기(110)에 의해 연료에 포함된 황 성분이 제거되는 탈황과정이 진행된다. 탈황된 연료는 개질기(120)로 공급(유입)된다.
개질기(120)는 공급된 연료를 개질하여 수소를 생성하고, 그 생성된 수소를 연료전지스택(140)으로 공급한다. 개질기(120)는 연료와 물이 반응하여 수소를 생성한다.
개질기(120)에서 연료와 물이 반응하는데 필요한 열은 버너(130)에 의해 제공된다. 버너(130)는 연료를 연소시켜서 열을 발생시키고, 이와 같이 발생된 열을 개질기(120)로 공급함으로써 연료와 물의 반응이 원활하게 진행되도록 한다. 연료의 연소 후 배기가스는 외부로 배출된다.
개질기(120)의 내부온도는 버너(130)의 구동에 의해 조절될 수 있다. 즉, 버너(130)를 온시키면 연료를 연소하여 열을 발생시켜 개질기(120)로 공급함으로써 개질기(120)의 내부온도는 상승한다. 반대로 버터(130)를 오프시키면 개질기(120)로 열이 공급되지 않기 때문에 개질기(120)의 내부온도는 하강한다.
버너(130)의 구동은 제어부(도시되지 않음)에 의해 제어될 수 있다. 제어부는 연료전지 시스템의 전반적인 동작을 제어한다.
연료전지스택(140)은 애노드와 캐소드, 그리고 애노드와 캐소드 사이에 배치되어 이온을 이동시키는 전해질을 포함한다. 개질기(120)로부터 애노드에 공급되는 수소와 캐소드에 공급되는 공기에 포함된 산소가 전기화학반응함으로써 전기가 생성된다.
도면에는 하나의 연료전지를 도시하지만, 실제로는 개별 연료전지가 수십 내지 수백개 배열되어 스택(stack) 형태로 형성한다. 연료전지 및 연료전지스택(140)의 구조 및 특징은 공지기술이므로 상세한 설명은 생략한다.
연료전지스택(140)에서의 수소와 산소의 전기화학반응은 발열반응이므로 연료전지스택(140)을 냉각하기 위한 냉각수가 공급될 수 있다.
또한, 개질기(120)로 스팀이 공급될 수 있다. 이를 위해 본 실시예에서 연료전지 시스템은 개질기(120)로 스팀을 공급하기 위한 스팀공급부(150)를 포함한다. 이러한 스팀공급부(150)는 물을 이용하여 스팀을 생성하는 스팀제너레이터와 생성된 스팀을 개질기(120)로 공급하는 스팀펌프를 포함할 수 있다.
스팀공급부(150)와 개질기(120) 사이에 스팀을 공급하기 위한 스팀배관(151)이 설치되고 스팀제너레이터에서 생성된 스팀은 스팀펌프에 의해 스팀배관(151)을 통해 개질기(120)로 공급된다.
스팀배관(151)에는 스팀공급부(150)에서 개질기(120)로 공급되는 스팀의 흐름을 제어하는 스팀제어밸브(160)가 설치된다.
스팀제어밸브(160)가 온(ON)되면 개방되어 스팀공급부(150)에서 배출되는 스팀이 개질기(120)로 공급되고, 반대로 오프(OFF)되면 폐쇄되어 개질기(120)로의 스팀 공급이 차단된다.
스팀제어밸브(160)의 온/오프는 제어부에 제어될 수 있다. 이때, 스팀제어밸브(160)는 제어부의 제어신호에 의해 개방의 정도가 조절될 수 있다. 즉, 스팀제어밸브(160)는 완전히 개방/폐쇄될 수도 있고 일부만 개방될 수도 있다. 이러한 개방의 정도는 제어부에서 출력되는 제어신호에 의해 결정될 수 있다.
이러한 스팀은 개질기(120)에 포함된 개질촉매에 침적된 탄소를 제거하는데 이용된다. 구체적으로, 개질기(120)를 장시간 운전하는 경우 연료에 함유된 탄소 성분이 개질촉매에 침적된다. 개질촉매에 탄소가 침적되면 개질촉매의 반응성이 저하되어 미반응 메탄가스의 양이 증가하며 수소 생산량이 감소하는 문제가 발생할 수 있다.
이에, 본 실시예에서는 스팀을 개질기(120)로 공급하여 개질촉매에 침적된 탄소 성분을 제거함으로써 개질기(120)의 재생시키는 것이다. 이러한 과정을 개질촉매 재생과정이라 한다.
개질촉매 재생과정에서는 스팀을 개질기(120)로 공급함에 따라 개질촉매에 침적된 탄소를 아래 식의 반응을 통해 탄소를 제거하도록 한다. 개질촉매의 재생으로 개질기(120)의 성능이 회복될 수 있다.
[화학식]
C + 2H2O → CO2 +2H2
이러한 화학식을 통해 탄소(C)와 스팀(2H2O)이 반응하여 이산화탄소(CO2)와 수소(2H2)로 전환된다. 이때, 이산화탄소 및/또는 수소의 농도 측정을 통해 재생과정의 진행여부를 확인할 수 있다. 본 실시예에서는 이산화탄소의 농도를 측정하여 탄소의 제거여부, 즉 개질촉매의 재생여부를 판단하도록 한다.
한편, 개질기(120)에는 내부의 가스를 검출하는 가스센서(11), 내부의 압력을 검출하는 압력센서(12) 및 내부의 온도를 측정하는 온도센서(13)가 설치될 수 있다. 가스센서(11)는 가스의 종류와 농도를 검출할 수 있도록 구성된다.
이들 각 센서(11~13)에서 검출된 가스, 압력, 온도의 정보는 제어부로 전송된다. 제어부는 이들 정보를 기초로 연료전지 시스템의 동작을 제어할 수 있다. 특히, 제어부는 이들 정보를 기초로 개질기(120), 버너(130), 스팀공급부(150)의 동작을 제어한다.
이러한 제어부는 연료전지 시스템의 전반적인 동작을 제어한다. 본 실시예에서 제어부는 개질기(120)가 운전되면 검출되는 내부의 가스농도와 압력을 이용하여 개질촉매의 탄소 침적 여부를 감지할 수 있다.
구체적으로, 개질기(120)의 장시간 운전으로 인해 개질촉매에 탄소가 침적되면 개질촉매의 반응성이 저하되어 반응하지 못한 미반응 메탄가스가 증가하고, 이로써 내부의 압력이 상승하게 된다. 따라서, 가스센서(11)에서 검출되는 메탄가스의 농도와 압력센서(12)에 의해 측정된 압력이 증가하게 된다.
이에 제어부는 검출된 미반응 메탄가스의 농도가 임계농도를 초과하고 측정된 압력이 임계압력을 초과하게 되면 개질촉매의 탄소 침적으로 판단할 수 있다.
일 실시예에서 제어부는 미반응 메탄가스의 농도가 임계농도를 초과하고 측정압력이 임계압력을 초과하면서 메탄가스의 농도가 설정범위 이상으로 증가하는 경우 개질촉매 탄소 침적으로 판단할 수 있다.
또한, 다른 실시예에서 제어부는 미반응 메탄가스의 농도가 임계농도를 초과하고 측정압력이 임계압력을 초과하면서 측정압력이 설정범위 이상으로 증가하는 경우 개질촉매 탄소 침적으로 판단할 수도 있다.
또한, 또 다른 실시예에서 제어부는 검출된 미반응 메탄가스의 농도와 측정압력의 증가율이 설정된 기준치를 초과하는 경우에도 개질촉매의 탄소 침적으로 판단할 수 있다. 이는 개질기(120)가 정상적으로 운전되는 경우 메탄가스와 압력은 정상치를 유지하지만, 개질촉매에 탄소 침적이 발생하면 메탄가스의 농도와 압력은 급격히 증가하게 되고 이러한 증가율을 확인하여 탄소 침적 여부를 판단할 수 있는 것이다.
본 실시예에서는 일례로 미반응 메탄가스의 농도가 5% 이상 증가하고 압력이 20㎪ 이상 증가하면 탄소 침적으로 판단할 수 있다. 물론, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 개질기(120)의 특성, 연료의 상태 등 많은 요인에 따라 임계농도, 임계압력, 증가율 등은 변경될 수 있다.
한편, 본 발명의 연료전지 시스템에서는 스팀을 개질기(120)로 공급하여 개질촉매를 재생하는 과정에서 개질기(120) 내부의 온도관리가 매우 중요하다. 개질기(120)의 내부온도는 버너(130)에 의해 관리될 수 있다.
개질기(120)로 공급된 스팀과 탄소의 반응을 위한 최적의 온도를 유지하기 위해 제어부는 버너(130)를 온/오프시킬 수 있다. 즉, 제어부는 최적의 온도를 유지하기 위해 개질기(120)의 내부온도가 관리상한선인 제1임계온도를 초과하게 되면 버너(130)를 오프시켜 내부온도를 감소시키고, 내부온도가 관리하한선인 제2임계온도 미만으로 떨어지면 버너(130)를 온시켜 내부온도를 증가시킨다.
이와 같이 버너(130)의 온/오프를 통해 개질기(120)의 내부온도가 제1임계온도와 제2임계온도 사이에서 유지되도록 한다.
본 실시예에서는 탄소와 스팀 간에 최적의 반응을 위해 650~700℃의 설정온도 범위를 유지하도록 한다.
또한, 제어부는 상술한 바와 같이 스팀과 탄소 간의 반응으로 발생되는 이산화탄소의 농도를 기초로 개질촉매의 재생여부를 판단할 수 있다. 즉, 개질기(120)로 스팀이 공급된 후 가스센서(11)에서 검출되는 이산화탄소의 농도가 기준농도 이상이면 개질촉매의 재생이 진행되는 것으로 판단하는 것이다.
이때, 상술한 바와 같이 650~700℃의 최적 설정온도에서 스팀공급에 의해 탄소가 제거될 수 있으나, 개질촉매는 니켈(Ni), 백금(Pt) 등과 같은 금속성분이므로 내부온도가 750℃ 이상이거나 장시간(예: 10시간 이상) 스팀을 공급하는 경우 스팀이 산화제로 작용하여 개질촉매의 재산화를 유발할 우려가 있다.
따라서, 개질기(120)에서는 스팀공급을 통해 개질촉매에 침적된 탄소를 제거하면서도 개질촉매가 재산화되는 것을 방지할 필요가 있다.
이에 본 실시예에서는 개질촉매의 재생과정에서 발생되는 이산화탄소의 농도와 수소의 농도를 비교하여 개질촉매의 재산화여부를 판단하도록 한다. 구체적으로 제어부는 가스센서(11)에 의해 검출되는 이산화탄소의 농도 및 수소의 농도를 비교하여 H2의 농도가 2×이산화탄소(CO2)의 농도보다 크면 개질촉매의 재산화 반응이 일어나는 것으로 판단하여 스팀공급을 중단할 수 있다.
제어부는 개질촉매의 탄소 침적여부와 재생과정의 결과를 사용자가 알 수 있도록 알림을 발생할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 개질기의 개질촉매 탄소 침적여부를 감지하는 운전방법을 설명하는 흐름도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 개질기의 개질촉매 탄소 침적을 감지하는 운전방법에서는 가스센서(11) 및 압력센서(12)에 의해 개질기(120) 내부의 가스 중 미반응 메탄가스의 농도와 압력을 측정한다(S101).
제어부는 측정된 메탄가스의 농도가 설정된 임계농도를 초과하고 측정압력이 설정된 임계압력을 초과하는지를 판단한다(S103,S105).
미반응 메탄가스 농도가 임계농도를 초과하고 측정압력이 임계압력을 초과하면 개질기(120)의 개질촉매에 탄소 침적이 발생한 것으로 판단하고(S107), 사용자에게 알림을 발생한다(S109).
이와 같이 본 발명에서는 개질촉매에 탄소 침적이 발생하면 개질기(120) 내부의 미반응 메탄가스의 농도가 증가하면서 동시에 내부압력이 증가하므로, 메탄가스의 농도와 압력이 일정값 이상인지를 확인하여 개질촉매의 탄소 침적 여부를 판단하는 것이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 개질기의 개질촉매 재생을 위한 운전방법을 설명하는 흐름도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 개질기의 개질촉매 재생을 위한 운전방법에서는 탄소 침적이 발생한 개질촉매를 재생하는 과정을 포함한다.
개질기(120)의 개질촉매에 탄소 침적이 발생하면 스팀을 공급하여 탄소를 제거하되, 스팀을 공급하기 전에 스팀과 탄소의 반응을 위한 최적의 온도로 설정하기 위한 작업이 선행된다.
즉, 상기와 같은 과정을 통해 개질기(120)의 개질촉매에 탄소 침적이 발생한 것으로 판단되면(S201), 최적의 설정온도범위(예:650~700℃)를 유지하도록 버너(130)를 동작시킨다.
구체적으로, 온도센서(13)에 의해 측정되는 개질기(120)의 내부온도가 상한치인 제1임계온도(예:700℃)를 초과하면 버너(130)를 오프시켜(S205), 내부온도가 제1임계온도 이하가 될 때까지 내부온도를 감소시킨다.
그리고, 온도센서(13)에 의해 측정되는 내부온도가 하한치인 제2임계온도(예:650℃) 미만이면(S207), 버너(130)를 온시켜(S209), 내부온도가 제2임계온도 이상이 될 때까지 내부온도를 상승시킨다.
이러한 과정을 통해 개질기(120)의 내부온도를 상기 설정온도 범위를 유지하도록 한다. 이러한 온도관리는 상술한 바와 스팀과 탄소 간의 반응으로 탄소를 제거하면서도 개질촉매의 재산화를 방지하기 위한 것이다.
이후에, 개질기(120)의 내부온도가 상기 설정온도 범위가 되면 제어부는 스팀제어밸브(160)를 개방하여 스팀공급부(150)에서 스팀이 개질기(120)로 공급되도록 한다(S211).
이와 같이 개질촉매가 탄소 침적으로 판단된 상태에서 스팀을 개질기(120)로 공급하면 상기 화학식에 따른 반응으로 탄소가 제거되는 개질촉매의 재생과정이 진행된다. 이때, 탄소와 스팀의 반응으로 이산화탄소와 수소가 생성된다.
이에, 제어부는 이산화탄소 또는 수소의 농도를 확인하여 개질촉매의 재생과정이 이루어지고 있는지를 확인할 수 있다. 본 실시예에서는 가스센서(11)에 의해 검출되는 이산화탄소의 농도가 설정된 기준농도보다 크면(S213), 개질촉매의 재생과정이 진행되는 것으로 판단하도록 한다(S215). 물론, 수소의 농도를 기초로 개질촉매의 재생과정을 판단할 수도 있다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템의 운전방법을 나타낸 흐름도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 연료전시 시스템에서는 개질기(120)에 스팀을 공급함으로써 개질촉매에 침적된 탄소를 제거할 수 있지만, 스팀이 산화제로 작용하여 금속성분의 개질촉매를 재산화시킬 수도 있다. 이에, 본 실시예에서는 스팀 공급으로 인해 개질촉매의 재산화를 감지할 수도 있다.
구체적으로, 상기와 같이 개질촉매의 재생과정을 위해 개질기(120)로 스팀을 공급한 후(S301), 개질기(120) 내부의 가스를 검출하여 수소의 농도와 이산화탄소의 농도를 비교한다(S303). 스팀과 탄소의 반응을 통해 개질촉매에 침적된 탄소를 제거하는 개질촉매 재생과정에서는 스팀과 탄소의 반응으로 이산화탄소와 수소가 생성되는데, 이들의 농도를 기초로 개질촉매의 재산화여부를 판단하는 것이다.
즉, 제어부는 H2의 농도가 2×CO2의 농도보다 크다면 개질촉매의 재산화가 일어나고 판단한다(S307). 개질촉매의 재산화가 감지되면 스팀공급을 중단하도록 한다(S309).
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 개질기의 개질촉매 재생과정에서 발생하는 수소와 이산화탄소의 농도를 나타낸 예시적인 그래프이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에서는 Ni촉매에 대하여 실험한 예를 도시한다. 개질기(12)의 Ni 촉매에 탄소가 침적된 상태에서 스팀이 개질기(120)로 공급되면 스팀과 탄소의 반응(스팀반응)으로 수소와 이산화탄소가 발생된다.
도면에서 알 수 있듯이 시간이 경과함에 따라 이산화탄소 농도는 완만하게 증가하지만, 수소 농도는 20분 이후에 급격히 증가한다.
수소 농도가 계속 증가하여 35분 시점에서 수소 농도가 이산화탄소의 농도보다 3배 정도로 높다. 이 시점 전에는 스팀반응으로 탄소가 제거되지만, 이 시점 이후에는 Ni과 H2O가 반응하여 NiO2 + H2가 되어 니켈촉매가 재산화하는 반응이 발생된다.
이에, 본 실시예에서는 촉매의 재산화 반응이 일어나는 시점을 수소와 이산화탄소의 농도를 비교하도록 하며, 촉매의 재산화 반응의 시작에 대한 마진을 주기 위해 H2의 농도가 CO2 농도의 2배보다 커지게 되면 촉매의 재산화 반응이 일어나는 것으로 판단하도록 한다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
11 : 가스센서 12 : 압력센서
13 : 온도센서 110 : 탈황기
120 : 개질기 130 : 버너
140 : 연료전지스택 150 : 스팀공급부
151 : 스팀공급배관 160 : 스팀제어밸브

Claims (16)

  1. 공급된 연료를 개질하여 수소를 생산하는 개질기;
    상기 개질기 내부의 가스를 검출하는 가스센서;
    상기 개질기 내부의 압력을 측정하는 압력센서;
    상기 검출된 가스 중 미반응 메탄가스의 농도가 설정된 임계농도를 초과하고 상기 측정된 압력이 설정된 임계압력을 초과하면 상기 개질기의 개질촉매 탄소 침적으로 판단하는 제어부를 포함하는 연료전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 메탄가스의 농도가 상기 임계농도를 초과하고 상기 측정된 압력이 상기 임계압력을 초과하면서 상기 메탄가스의 농도가 설정범위 이상으로 증가하는 경우 상기 개질촉매 탄소 침적으로 판단하는 연료전지 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 메탄가스의 농도가 상기 임계농도를 초과하고 상기 측정된 압력이 상기 임계압력을 초과하면서 상기 측정된 압력이 설정범위 이상으로 증가하는 경우 상기 개질촉매 탄소 침적으로 판단하는 연료전지 시스템.
  4. 공급된 연료를 개질하여 수소를 생산하는 개질기;
    상기 개질기의 온도를 조절하는 버너;
    상기 개질기로 스팀을 공급하는 스팀공급부;
    상기 개질기 내부의 가스를 검출하는 가스센서;
    상기 개질기 내부의 압력을 측정하는 압력센서;
    상기 개질기 내부의 온도를 측정하는 온도센서;
    상기 개질기의 개질촉매 탄소 침적으로 판단되면 상기 개질기의 내부온도가 설정온도 범위가 되도록 상기 버너를 제어하고 상기 설정온도 범위가 되면 상기 개질기로 스팀이 공급되도록 상기 스팀공급부를 제어하는 제어부를 포함하는 연료전지 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 스팀공급부에서 상기 스팀을 상기 개질기로 공급하기 위한 스팀공급배관에 설치되며 상기 스팀의 흐름을 제어하는 스팀제어밸브를 더 포함하는 연료전지 시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 개질기 내부의 온도가 650~700℃로 유지되도록 상기 버너를 제어하는 연료전지 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 개질기의 내부온도가 700℃를 초과하면 상기 버너를 오프시키고 상기 내부온도가 650℃ 미만이면 상기 버너를 온시키는 연료전지 시스템.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 스팀 공급 후 상기 가스센서에 의해 검출되는 가스 중 CO2 농도가 설정된 기준농도보다 크면 상기 개질기의 개질촉매 재생되는 것으로 판단하는 연료전지 시스템.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 스팀 공급 후 상기 가스센서에 의해 검출되는 가스 중 H2 및 CO2 농도를 비교하여 H2 농도가 2×CO2 농도보다 크면 상기 개질기의 개질촉매의 재산화 반응이 일어나는 것으로 판단하는 연료전지 시스템.
  10. 개질기에서 연료를 개질하여 수소를 생산하는 단계;
    상기 개질기 내부의 가스를 검출하는 단계;
    상기 개질기 내부의 압력을 측정하는 단계;
    상기 검출된 가스 중 미반응 메탄가스의 농도가 설정된 임계농도를 초과하고 상기 측정된 압력이 설정된 임계압력을 초과하면 상기 개질기의 개질촉매 탄소 침적으로 판단하는 단계를 포함하는 연료전지 시스템의 운전방법.
  11. 개질기에서 연료를 개질하여 수소를 생산하는 단계;
    상기 개질기의 개질촉매 탄소 침적인지를 판단하는 단계;
    상기 개질촉매의 탄소 침적으로 판단되면 상기 개질기의 내부온도를 설정온도 범위가 되도록 상기 버너를 제어하는 단계;
    상기 설정온도 범위가 되면 상기 개질기 내부로 스팀을 공급하는 단계를 포함하는 연료전지 시스템의 운전방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 개질촉매의 탄소 침적인지를 판단하는 단계는,
    상기 개질기 내부의 가스를 검출하는 단계;
    상기 개질기 내부의 압력을 측정하는 단계;
    상기 검출된 가스 중 미반응 메탄가스의 농도가 설정된 임계농도를 초과하고 상기 측정된 압력이 설정된 임계압력을 초과하면 상기 개질기의 개질촉매 탄소 침적으로 판단하는 단계를 포함하는 연료전지 시스템의 운전방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 버너를 제어하는 단계는,
    상기 개질기의 내부온도가 설정된 제1임계온도를 초과하면 상기 버너를 오프시키고 상기 내부온도가 제2임계온도 미만이면 상기 버너를 온시켜 상기 내부온도가 상기 설정온도 범위를 유지하도록 하는 연료전지 시스템의 운전방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 개질기 내부로 스팀을 공급하는 단계 이후에,
    상기 개질기 내부의 가스를 검출하는 단계;
    상기 검출된 가스 중 CO2 농도와 설정된 기준농도를 비교하는 단계;
    상기 비고에서 상기 CO2 농도가 상기 기준농도보다 크면 상기 개질촉매의 재생이 진행되는 것으로 판단하는 단계를 더 포함하는 연료전지 시스템의 운전방법.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 개질기 내부로 스팀을 공급하는 단계 이후에,
    상기 개질기 내부의 가스를 검출하는 단계;
    상기 검출된 가스 중 H2 농도와 CO2 농도를 비교하는 단계;
    상기 비교에서 H2 농도가 2×CO2 농도보다 크면 상기 스팀의 공급을 중단하는 단계를 더 포함하는 연료전지 시스템의 운전방법.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 설정온도 범위는 650~700℃인 연료전지 시스템의 운전방법.
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