KR20230100695A - 연료전지 시스템 및 그 운전방법 - Google Patents

연료전지 시스템 및 그 운전방법 Download PDF

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Abstract

연료전지 시스템으로, 연료전지; 상기 연료전지의 애노드로 수소를 공급하기 위한 수소공급부; 상기 연료전지의 캐소드로 공기를 공급하기 위한 공기공급부 및 상기 캐소드로부터 공급되는 공기의 온도를 상승시키기 위한 촉매버너부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템이 제공된다.

Description

연료전지 시스템 및 그 운전방법{Fuel cell system and operating method thereof}
본 발명은 연료전지 시스템 및 그 운전방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 별도의 개질기와 개질반응 없이 애노드로 공급되는 수소를 연소시켜 연료전지를 가열하며, 이로써 시스템 크기 감소, 별도의 개질기 사용에 의한 공정제어의 어려움 해소, 그리고 경제적인 전력 생산이 가능한 연료전지 시스템 및 그 운전방법에 관한 것이다.
연료전지는 탄화수소 연료에 저장된 화학 에너지를 전기화학반응에 의해 전기 에너지로 직접 변환하는 장치이다. 즉, 연료전지는 연료극(anode)에서의 수소 산화반응과 공기극(cathode)에서의 산소 환원반응에 의해 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환하는 장치이다. 연료극에서의 산화반응을 위해서는 연료전지 스택의 내노드(연료극)에 연료(수소)를 공급하여야 하고, 캐소드(공기극)에서의 환원반응을 위해서는 연료전지 스택의 캐소드에 공기(산소)를 공급하여야 한다.
이러한 연료전지는 전해질의 종류에 따라 고분자 전해질 연료전지(PEMFC), 고체 산화물 연료전지(SOFC)로 나뉘는데, 각각의 발전용량과 크기는 모두 상이하다.
한편 전력수요인 부하에 따라 연료전지 운전방법을 제어하는 방법은 대한민국 등록특허 10-1275489호 등에 개시되어 있다. 하지만, 대부분의 연료전지는 화석연료로부터 수소를 생산하기 위한 개질기(reformer)를 사용하고 있으며, 이것은 시스템 크기 증가, 별도의 개질기 사용에 의한 공정제어의 어려움, 그리고 운전비용 증가 등의 비경제성을 유발한다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 시스템 내에서 별도의 개질반응을 사용하지 않고 수소를 직접 사용하여 연료전지로부터 전력을 생산할 수 있는 연료전지 시스템 및 그 운전방법을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 연료전지 시스템으로, 연료전지; 상기 연료전지의 애노드로 수소를 공급하기 위한 수소공급부; 상기 연료전지의 캐소드로 공기를 공급하기 위한 공기공급부; 및 상기 캐소드로부터 공급되는 공기의 온도를 상승시키기 위한 촉매버너부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 연료전지시스템은, 상기 연료전지를 거친 수소가 상기 촉매버너부로 주입되는 수소공급라인을 더 포함하며, 상기 촉매버너부는 상기 수소공급라인을 통하여 공급되는 수소를 연소시킨다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 연료전지시스템은, 상기 촉매버너부를 온오프시키는 제어부를 더 포함하며, 상기 제어부는 상기 연료전지의 캐소드로부터 배출되는 가스의 온도가 기설정된 온도를 초과하는 경우, 상기 촉매버너부를 오프시킨다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제어부는 상기 상기 연료전지의 캐소드로부터 배출되는 가스의 온도만으로 상기 촉매버너부를 제어한다.
본 발명은 상술한 연료전지 시스템 운전방법으로, 상기 수소공급부로부터 상기 연료전지에 공급된 후 애노드로부터 배출되는 수소를 상기 촉매버너부로 공급하는 단계; 상기 촉매버너부에서 상기 수소를 연소시키는 단계; 및 상기 연소 시 발생하는 열로 상기 캐소드로 공급되는 공기를 가열하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템 운전방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 연료전지의 온도가 기설정된 온도 이하인 경우, 상기 애노드로부터 배출되는 수소는 상기 촉매버너부로 전량 공급되어 연소된다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 연료전지의 온도가 기설정된 온도 이상인 경우, 상기 애노드로부터 배출되는 수소는 상기 애노드로 재공급되며, 상기 촉매버너부로 공급되지 않는다. 또한 상기 연료전지의 온도는 상기 캐소드로부터 배출되는 가스의 온도이며, 상기 연료전지 시스템 운전방법은, 별도의 수소생산을 위한 개질 단계를 포함하지 않는다.
본 발명에 따르면, 시스템 내에서 별도의 개질반응을 사용하지 않고 수소를 직접 사용하여 연료전지를 승온시켜, 전력을 생산할 수 있다. 따라서, 별도의 개질기 사용에 의한 공정제어의 어려움, 그리고 운전비용 증가 등의 비경제성을 해소할 수 있다. 더 나아가, 종래 고체산화물 연료전지)(SOFC) 시스템은 스택의 발열반응, 내부 개질 반응으로 시스템 온도를 제어할 수 있지만, 본 발명은 별도의 개질기를 사용하지 않으므로 시스템에서의 발열량을 확인하고 과발열시 출력조절 및 애노드 주입 가스의 입구 온도조절로 시스템 온도를 제어하며, 이로써 보다 효과적인 열관리가 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 부하 대응형 연료전지 시스템의 블록도이다.
도 2 내지 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 운전방법을 설명하는 도면이다.
도 5는 상술한 연료전지 시스템의 운전방법을 설명하는 단계도이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하기로 한다. 그러나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 발명의 기술적 사상은 청구범위에 의해 결정되며, 이하의 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 효율적으로 설명하기 위한 일 수단일 뿐이다.
본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위하여, 시스템 내에서 별도의 개질반응을 사용하지 않고 수소를 직접 사용하여 연료전지를 승온시켜, 전력을 생산할 수 있는 시스템과 운전방법을 제공한다. 즉, 본 발명은 연료전지를 승온시키기 위한 촉매버너부에 공급되는 연료로 수소를 사용하며, 이때 연료전지 스택으로 들어가는 수소를 회기시켜 촉매버너부로 공급한다. 이후 연료전지 스택이 기설정된 운전온도 에 도달(예를 들어 캐소드 배출가스: 650℃)하는 경우, 촉매버너부의 가동을 중단하고 시스템 자체 열회수로 연료전지를 운전한다.
즉, 고체산화물 연료전지(SOFC) 시스템의 경우 높은 온도에서 작동되기 때문에 초기 승온의 시간이 오래 걸리는데, 이를 위하여 촉매를 사용하는 촉매버너부로 연료전지를 가열하게 된다. 하지만, 본 발명은 이러한 촉매버너부로 수소를 연소시키는 방식의 촉매연소기를 사용하였으며, 또한 너에 수소를 공급하는 방식은 따로 버너측에 수소 저장 등과 같은 공급시스템을 사용하지 않고 연료전지 스택으로 공급된 후 배출되는 수소를 직접 사용한다. 이로써 시스템 크기 감소, 공정제어의 용이함 등을 효과를 기대할 수 있다.
이하 도면을 이용하여 본 발명에 따른 부하 대응형 연료전지 시스템을 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 부하 대응형 연료전지 시스템의 블록도이다.
도 1을 참조하면, 상기 시스템은 연료전지(100); 상기 연료전지의 애노드에 수소를 공급하기 위한 저장장치 및 공급라인을 포함하는 수소공급부(200); 상기 연료전지의 캐소드에 공기를 공급하기 위한 공기공급부(300); 그리고 상기 연료전지를 가열하기 위한 촉매버너부(400)를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 시스템은, 상기 연료전지를 거친 후 애노드로부터 배출되는 수소를 상기 촉매버너부로 주입되는 수소공급라인(410)을 더 포함하며, 상기 촉매버너부(400)는 상기 수소공급라인(410)을 통하여 공급되는 수소를 연소시킨다. 또한 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템은, 상기 촉매버너부를 온오프시키는 제어부(420)를 더 포함할 수 있으며, 상기 촉매버너부의 온오프는 상기 연료전지의 캐소드로부터 배출되는 가스의 온도가 기설정된 온도를 초과하는 경우, 상기 촉매버너부를 오프시킨다.
도 2 내지 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 운전방법을 설명하는 도면이다.
도 2를 참조하면, 먼저 전력생산이 요구되나 연료전지의 온도가 기설정된 온도 미만(예를 들어 COG(Cathod Out Gas)가 650℃ 미만인 경우)인 경우, 수소공급부(200)로부터 공급되는 수소는 연료전지(100)의 애노드를 거친 후, 바로 촉매버너부(400)로 공급되어 촉매버너부 내에서 연소되어 이를 가열하게 된다.
도 3을 참조하면, 연료전지의 온도가 기설정된 온도, 즉 전력을 생산할 수 있는 수준의 온도가 되는 경우, 연료전지(100)에서 전력이 생산되며, 이때 일어나나는 발열반응으로 연료전지의 온도는 상승한다. 즉, COG(Cathod Out Gas)의 온도 상승에 따라 상기 촉매버너부(400)로부터 공급받아야 하는 열량이 결정되며, 그 결정된 열량에 따라 촉매버너부(400)에 공급되어야 하는 수소의 양이 결정된다.
도 4를 참조하면, 연료전지의 온도가 정격온도에 도달하는 경우, 상기 촉매버너부(400)는 오프되어 운전을 하지 않게 되며, 애노드로부터 배출되는 수소는 다시 애노드로 재공급되어 재순환된다.
도 5는 상술한 연료전지 시스템의 운전방법을 설명하는 단계도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 운전방법은, 상기 수소공급부로부터 상기 연료전지에 공급된 후 애노드로부터 배출되는 수소를 상기 촉매버너부로 공급하는 단계; 상기 촉매버너부에서 상기 수소를 연소시키는 단계; 상기 연소 시 발생하는 열로 상기 캐소드로 공급되는 공기를 가열하는 단계;를 포함한다.
도 2에서와 같이 상기 연료전지의 온도가 기설정된 온도 이하인 경우, 상기 애노드로부터 배출되는 수소는 상기 촉매버너부로 전량 공급되어 연소된다. 하지만, 연료전지에서의 발열반응에 따라 연료전지의 온도가 상승하는 경우, 상기 촉매버너부에 대한 수소공급량은 감소될 수 있다.
또한 상기 연료전지의 온도가 기설정된 온도 이상인 경우, 상기 애노드로부터 배출되는 수소는 상기 애노드로 재공급되며, 상기 촉매버너부로 공급되지 않는다. 이것은 도 4에서 설명한 바와 같이 소위 연료전지의 정격온도에 도달하는 경우라면 별도의 외부 열원이 필요하지 않으므로 촉매버너부로 수소는 더 이상 공급되지 않는다.
따라서, 본 발명에 따른 상기 연료전지 시스템 운전방법은, 별도의 수소생산을 위한 개질 단계를 포함하지 않으며, 이로써 시스템 전체 크기 감소, 공정제어 용이, 별도의 개질기 운전에 따른 비용 증가 등의 문제를 모두 해결할 수 있다.
도 6 및 7은 본 발명에 따른 시스템과 그 운전방법을 설명하는 PFD이다.
도 6 및 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템에서는 다수의 열교환기(HEX)와 밸브가 사용되나, 이는 모두 도 1 내지 5에서 설명하는 시스템에 속한다.
도 6을 참조하면, 시동시에는 연료전지 온도 승온시 수소연료의 100%를 버너로 공급한다.
도 7을 참조하면, 승온 완료 후 정격운전시에는 버너 운전을 중지하고, 이때 애노드로 잔여수소 100%를 리싸이클하게 된다.

Claims (9)

  1. 연료전지 시스템으로,
    연료전지;
    상기 연료전지의 애노드로 수소를 공급하기 위한 수소공급부;
    상기 연료전지의 캐소드로 공기를 공급하기 위한 공기공급부; 및
    상기 캐소드로부터 공급되는 공기의 온도를 상승시키기 위한 촉매버너부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 연료전지시스템은,
    상기 연료전지를 거친 수소가 상기 촉매버너부로 주입되는 수소공급라인을 더 포함하며, 상기 촉매버너부는 상기 수소공급라인을 통하여 공급되는 수소를 연소시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 연료전지시스템은,
    상기 촉매버너부를 온오프시키는 제어부를 더 포함하며, 상기 제어부는 상기 연료전지의 캐소드로부터 배출되는 가스의 온도가 기설정된 온도를 초과하는 경우, 상기 촉매버너부를 오프시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 상기 연료전지의 캐소드로부터 배출되는 가스의 온도만으로 상기 촉매버너부를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 따른 연료전지 시스템 운전방법으로,
    상기 수소공급부로부터 상기 연료전지에 공급된 후 애노드로부터 배출되는 수소를 상기 촉매버너부로 공급하는 단계;
    상기 촉매버너부에서 상기 수소를 연소시키는 단계;
    상기 연소 시 발생하는 열로 상기 캐소드로 공급되는 공기를 가열하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템 운전방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 연료전지의 온도가 기설정된 온도 이하인 경우, 상기 애노드로부터 배출되는 수소는 상기 촉매버너부로 전량 공급되어 연소되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템 운전방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 연료전지의 온도가 기설정된 온도 이상인 경우, 상기 애노드로부터 배출되는 수소는 상기 애노드로 재공급되며, 상기 촉매버너부로 공급되지 않는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템 운전방법.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 연료전지의 온도는 상기 캐소드로부터 배출되는 가스의 온도인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템 운전방법.
  9. 제 5항에 있어서,
    상기 연료전지 시스템 운전방법은, 별도의 수소생산을 위한 개질 단계를 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템 운전방법.


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