KR20230120479A - 냉각 성능이 향상된 수소 연료전지 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 측면에 따른 연료전지 시스템은 연료가 유입되는 애노드 전극과 산화제가 유입되는 캐소드 전극을 포함하는 연료전지, 상기 연료전지에 연결되어 연료를 공급하는 연료 공급 유로, 상기 연료전지에 연결되어 산화제를 공급하는 산화제 공급 유로, 및 상기 연료 전지에 연결되어 상기 애노드 전극에서 배출되는 애노드 오프가스를 재순환시키는 재순환 유로를 포함하고, 상기 재순환 유로에는 상기 연료전지의 냉각을 위한 냉각기체가 공급되는 냉각기체 공급 유로가 연결될 수 있다.
Description
본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로 보다 상세하게는 냉각성능이 향상된 연료전지 시스템에 관한 것이다.
연료전지의 종류에는 600
이상의 고온에서 작동하는 용융 탄산염형 연료전지(MCFC, Molten Carbonate Fuel Cells) 및 고체 산화물형 연료전지(SOFC, Solid Oxide Fuel Cells)와 200
이하의 비교적 저온에서 작동하는 인산형 연료전지(PAFC, Phosphoric Acid Fuel Cells), 고분자 전해질형 연료전지(PEFC, Polymer Electrolyte Fuel Cells) 등이 있다.
그 외에도 수소를 연료로 사용하는 고분자 전해질 연료전지와 달리 메탄올을 연료로 사용하는 직접 메탄올 연료전지(DMFC, Direct Methanol Fuel Cells) 등이 있다.
고체 산화물 연료전지(solid oxide fuel cell; SOFC)는 단위 전지와 분리판으로 이루어진 전기 생성 유닛이 복수개 적층된 구조로 이루어진다. 단위 전지는 전해질막과, 전해질막의 일면에 위치하는 애노드 전극과 전해질막의 다른 일면에 위치하는 캐소드 전극을 포함한다.
캐소드 전극에 산소를 공급하고 애노드 전극에 수소를 공급하면, 캐소드 전극에서 산소의 환원 반응으로 생성된 산소 이온이 전해질막을 지나 애노드 전극으로 이동한 후 공급된 수소와 반응하여 물이 생성된다. 이때 캐소드 전극에서 생성된 전자가 애노드 전극으로 전달되어 소모되는 과정에서 외부 회로로 전자가 흐르며, 단위 전지는 이러한 전자 흐름을 이용하여 전기 에너지를 생산한다.
1개의 단위 전지가 생산하는 전기에너지의 양은 매우 제한적이기 때문에 공업적으로 응용하기에는 부족하다. 이에 연료전지는 단위 전지를 전기적으로 직렬 연결이 되도록 복수로 적층하여 스택(stack)을 형성한다.
분리판은 단위 전지를 적층하여 스택을 형성함에 있어서, 이웃하는 단위 전지의 양측에 배치된다. 이에 분리판은 연료전지 스택에서 단위 전지를 물리적으로 분리시키고, 수소 및 산소를 공급하며, 연료극과 공기극을 전기적으로 연결하는 역할을 하게 된다. 이에 분리판은 단위 전지와 접하는 각 면에 공기극으로 산소를 공급하기 위한 유로와 연료극으로 수소를 공급하기 위한 유로를 형성한다.
연료전지의 충전과 방전으로 연료전지의 내부에서 많은 열이 발생한다. 연료로서 메탄가스를 주성분으로 하는 천연가스를 사용하면 메탄가스의 개질반응이 열을 흡수하므로 연료전지의 온도가 균일하게 유지되지만, 연료로서 수소를 사용하면 연료전지의 온도가 지속적으로 증가하는 문제가 있다.
종래에는 연료전지의 냉각을 위해서 공기의 공급량을 증가시켰으나, 공기의 공급량을 증가시키면 블로워의 구동으로 소모되는 전력이 낭비되므로 연료전지의 발전효율이 저하되는 문제가 있다.
(특허문헌 0001) 한국공개특허 제2020-0117958호
본 발명은 냉각 성능이 향상될 뿐만 아니라, 효율이 향상된 연료전지 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따른 연료전지 시스템은 연료가 유입되는 애노드 전극과 산화제가 유입되는 캐소드 전극을 포함하는 연료전지, 상기 연료전지에 연결되어 연료를 공급하는 연료 공급 유로, 상기 연료전지에 연결되어 산화제를 공급하는 산화제 공급 유로, 및 상기 연료 전지에 연결되어 상기 애노드 전극에서 배출되는 애노드 오프가스를 재순환시키는 재순환 유로를 포함하고, 상기 재순환 유로에는 상기 연료전지의 냉각을 위한 냉각기체가 공급되는 냉각기체 공급 유로가 연결될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 연료 공급 유로에는 상기 애노드 오프가스와 상기 연료를 열교환하는 연료 열교환기가 설치될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 재순환 유로는 연료전지와 상기 연료 열교환기를 연결하는 제1 재순환 유로와 상기 연료 열교환기와 상기 연료 공급 유로에 연결되어 오프가스를 연료 공급 유로에 공급하는 제2 재순환 유로를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 냉각기체 유로는 상기 제2 재순환 유로에 연결될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 제2 재순환 유로에는 상기 오프가스에 포함된 수분을 제거하는 콘덴서가 설치될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 제2 재순환 유로에는 상기 오프가스를 가압하여 상기 연료 공급 유로로 이동시키는 오프가스 압축기가 설치될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 제2 재순환 유로에는 애노드 오프가스에서 수소를 제외한 기체를 분리하여 배출하는 수소 분리 장치가 설치될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 연료와 상기 냉각기체는 수소로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 연료는 수소로 이루어지고, 상기 냉각기체는 불활성 기체로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 연료는 수소가스로 이루어지고, 상기 냉각기체는 메탄가스로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 연료 공급 유로에는 상기 연료를 가압하여 상기 연료전지로 공급하는 연료 압축기가 설치되고, 상기 연료 압축기는 상기 연료전지의 온도에 비례하여 연료의 공급 압력 또는 공급량을 증가시킬 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 연료전지 시스템의 구동 방법은 연료전지에 연료 및 산화제를 공급하는 공급 단계, 연료 및 산화제를 이용하여 전기를 생산하는 발전 단계, 상기 연료전지에서 배출되는 애노드 오프가스를 재순환 유로로 공급하여 오프가스를 재순환시켜서 연료 공급 유로로 이동시키는 재순환 단계, 및 상기 재순환 유로에 냉각기체를 공급하는 냉각기체 공급 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 재순환 단계는 상기 애노드 오프가스를 연료 열교환기로 이동시켜서 연료를 가열하는 연료 가열 단계와 상기 애노드 오프가스에서 수분을 제거하는 응축 단계와 수분이 제거된 상기 애노드 오프가스를 연료 공급 유로로 가압하여 공급하는 오프가스 가압 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 재순환 단계는 상기 애노드 오프가스에서 수소를 제외한 불순물 기체를 제거하는 수소 분리 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 냉각기체 공급 단계는 상기 연료전지에 설치된 온도센서를 이용하여 상기 연료전지 내부의 온도를 측정하는 온도 측정 단계, 측정된 온도와 기준 온도를 비교하는 온도 비교 단계, 측정된 온도가 기준온도가 높은 경우에 냉각기체를 상기 재순환 유로로 분사하는 냉각기체 분사 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 냉각기체 공급 단계는 상기 연료전지의 온도에 비례하여 연료의 공급 압력 또는 공급량을 증가시킬 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명의 일 측면에 따르면, 재순환 유로에 냉각기체 공급 유로가 연결되므로 냉각기체에 의하여 연료전지가 효율적으로 냉각될 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구동 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 시스템을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구동 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 시스템을 도시한 도면이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이 때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다.
이하, 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템에 대해서 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템을 도시한 블록도이다.
도 1을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 연료전지 시스템(101)은 연료전지(100), 연료 공급 유로(121), 산화제 공급 유로(123), 재순환 유로(124), 캐소드 배출 유로(126), 냉각기체 공급 유로(150)를 포함할 수 있다.
연료전지(100)는 애노드 전극(110), 캐소드 전극(120), 및 분리판을 포함하는 고온형 연료전지로 이루어진다. 본 실시예에 따른 연료전지(100)는 고체 산화물형 연료전지로 이루어질 수 있다.
연료전지(100)의 애노드 전극(110)에는 연료가 공급되며, 캐소드 전극(120)에는 산화제가 공급되는데, 연료는 수소 가스로 이루어지고, 산화제는 공기로 이루어질 수 있다.
연료 공급 유로(121)는 연료전지(100)에 연료를 공급하며, 연료는 수소가스로 이루어질 수 있다. 연료 공급 유로(121)는 연료가 저장되는 연료 저장부와 연료전지(100)를 연결할 수 있다.
재순환 유로(124)는 애노드 전극(110)과 연결되어 연료전지에서 반응 후에 배출되는 애노드 오프가스를 이동시킨다. 애노드 오프가스는 반응 후에 잔류하는 수소 및 수분을 포함할 수 있다. 재순환 유로(124)는 연료전지(100)와 연료 공급 유로(121)를 연결하여 애노드 오프가스를 연료 공급 유로(121)로 전달하여 재순환시킨다.
재순환 유로(124)는 연료 열교환기(142)를 거쳐서 연료 공급 유로(121)와 연결되는데, 재순환 유로(124)는 연료전지(100)와 연료 열교환기(142)를 연결하는 제1 재순환 유로(125)와 연료 열교환기(142)와 연료 공급 유로(121)를 연결하는 제2 재순환 유로(127)를 포함할 수 있다.
연료 열교환기(142)는 재순환 유로(124)와 연료 공급 유로(121)에 연결되어 애노드 오프가스의 열을 이용하여 연료전지에 공급되는 연료를 가열한다. 제2 재순환 유로(127)에는 애노드 오프가스에 포함된 수분을 제거하는 콘덴서(135)와 오프가스 압축기(136)가 설치될 수 있다. 콘덴서(135)는 열교환을 통해서 애노드 오프가스에 포함된 수분을 제거하며, 수분이 제거된 애노드 오프가스가 연료 공급 유로(121)로 전달된다. 오프가스 압축기(136)는 오프가스를 가압하여 연료 공급 유로(121)로 이동시킨다.
한편, 연료 공급 유로(121)에는 연료의 공급 압력을 상승시키기 위한 연료 압축기(131)가 설치될 수 있다. 연료 압축기(131)는 축류 압축기 또는 원심형 압축기로 이루어질 수 있다. 연료 압축기(131)는 연료전지(100)의 온도에 비례하여 연료의 공급 압력 또는 공급량을 증가시킬 수 있다. 이에 따라 연료 공급 유로(121)를 통해서 연료전지(100)로 공급되는 연료 및 냉각기체의 유량이 증가할 수 있다.
제2 재순환 유로(127)에는 제2 재순환 유로(127)에 냉각기체를 공급하는 냉각기체 공급 유로(150)가 연결될 수 있다. 냉각기체 공급 유로(150)는 연료전지(100)의 온도가 기 설정된 온도보다 높은 경우에 제2 재순환 유로(127)에 연료전지의 냉각을 위한 냉각기체를 공급할 수 있다.
여기서 냉각기체는 수소로 이루어질 수 있다. 종래에는 연료전지(100)의 냉각을 위해서 블로워(132)를 이용하여 공기를 과량으로 공급하는 방법을 사용하였다. 그러나, 이 경우에는 연료전지(100)에서 생산된 전력을 블로워(132)에서 과도하게 소비하므로 연료전지의 효율이 저하되는 문제가 발생한다.
수소는 비열이 14.95kj/kgK로 비교적 높기 때문에 비교적 적은 양의 수소를 이용하여 큰 냉각효과를 얻을 수 있다. 예를 들어, 공기로 냉각을 수행하는 경우에는 블로워에서 10.55kW/h의 전력을 소모한다면, 애노드 오프가스를 재순환하면서 냉각기체로서 수소를 공급할 경우에는 블로워에서 3.47kW/h의 전력을 소모하는 것으로 나타났다.
또한, 공기로 냉각을 수행하는 경우에는 연료 공급을 위하여 0.72kW/h의 전력을 소모한다면, 애노드 오프가스를 재순환하면서 냉각기체로서 수소를 공급할 경우에는 1.219kW/h의 전력을 소모하는 것으로 나타났다.
즉, 애노드 오프가스를 재순환하면서 냉각기체를 공급하고, 연료를 과량으로 공급하는 것이 공기로 냉각하는 경우에 비하여 전력소모가 현저히 낮으며, 이에 따라 공기로 냉각을 수행하는 경우에 비하여 애노드 오프가스를 재순환하면서 냉각기체로서 수소를 공급할 경우에는 연료전지 시스템의 효율이 32% 정도 증가하였다. 이는 블로워(132)에서 전력 소모량이 감소하고, 연료 밀도가 증가하여 전력소모는 감소하면서 스택에서 생산되는 전력량은 증가하였기 때문이다.
한편, 냉각기체는 질소, 헬륨, 등의 불활성 기체로 이루어질 수 있다. 냉각기체는 불활성 기체 중에서 비교적 단위몰당 열용량이 큰 기체로 이루어지는 것이 냉각 효율 향상에 유리하다. 냉각기체가 불활성 기체로 이루어지면 연료 밀도가 낮아지는 단점은 있으나, 수소보다 비열이 높은 기체가 공급되므로 냉각효율이 향상되며, 연료 공급 압력을 높여서 연료 밀도의 감소를 보완할 수 있다.
또한, 냉각기체는 메탄가스로 이루어질 수 있으며, 특히 천연가스로 이루어질 수 있다. 액화된 천연가스를 기화시키면 온도가 매운 낮은 천연가스가 형성되므로 온도가 매우 낮은 천연가스를 이용하여 연료전지(100)를 냉각할 수 있다.
냉각기체가 메탄가스로 이루어지는 경우에는 연료전지(100)가 직접내부개질 방식으로 메탄을 개질하여 발전에 사용할 수 있으며, 이 경우, 메탄의 개질시에 연료전지의 열이 흡수되므로 연료전지의 온도가 낮아질 수 있다. 또한 냉각기체는 메탄이 개질된 개질가스로 이루어질 수도 있다. 연료전지(100)는 수소를 메인 연료로서 사용하면서 온도가 과도하게 높아지면 메탄을 공급받을 수 있다.
한편, 산화제 공급 유로(123)는 연료전지와 연결되어 연료전지로 공기를 공급한다. 본 실시예에서는 산화제가 공기인 것으로 예시하고 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 산화제는 산소로 이루어질 수도 있다. 산화제 공급 유로(123)에는 산화제를 압축하여 공급하는 블로워(132)가 설치될 수 있다.
캐소드 배출 유로(126)는 캐소드 전극(120)과 연결되어 캐소드 전극(120)에서 반응 후에 남은 잔류 기체를 배출한다. 산화제 공급 유로(123)에는 연료전지(100)로 유입되는 산화제를 가열하는 산화제 열교환기(141)가 설치되며, 캐소드 배출 유로(126)는 산화제 열교환기(141)로 잔류 기체를 공급한다. 이에 따라 연료전지(100)로 공급되는 산화제는 캐소드 배출 유로(126)에서 배출되는 잔류 기체에 의하여 가열될 수 있다.
연료의 흐름에 대해서 살펴보면, 연료는 연료 열교환기(142)에서 가열되어 애노드 전극(110)으로 공급되고, 반응 후에 배출되는 애노드 오프가스는 재순환 유로(124)를 통해서 연료 열교환기(142)로 공급된다. 연료 열교환기(142)에서 배출되는 애노드 오프가스는 콘덴서(135)와 오프가스 압축기(136)를 거쳐서 연료 공급 유로(121)로 이동한다.
한편, 산화제의 흐름에 대해서 살펴보면 산화제는 산화제 열교환기(141)에서 가열되어 캐소드 전극(120)으로 공급되고, 반응 후에 배출되는 잔류 가스는 캐소드 배출 유로(126)를 통해서 산화제 열교환기(141)로 공급된다. 산화제 열교환기(141)에서 냉각된 잔류 가스는 외부로 배출될 수 있다.
이와 같이 본 실시예에 따르면 재순환 유로(124)에 의하여 애노드 오프가스가 재순환되어 연료 공급 유로(121)에 공급되고, 재순환 유로(124)에 냉각기체 공급 유로(150)가 연결되므로 연료전지(100)를 용이하게 냉각하고, 연료전지 시스템(101)의 효율이 향상될 수 있다.
이하에서는 본 발명의 제1 실시예에 따른 본 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구동 방법에 대해서 설명한다.
본 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구동 방법은 공급 단계(S101), 발전 단계(S102), 재순환 단계(S103), 냉각기체 공급 단계(S104)를 포함할 수 있다.
공급 단계(S101)는 연료전지(100)에 연료 및 산화제를 공급하며, 연료 공급 유로(121)를 통해서 애노드 전극(110)에 수소가스를 공급한다. 공급 단계(S101)는 산화제 공급 유로(123)를 통해서 공기를 캐소드 전극(120)에 공급한다.
공급 단계(S101)는 애노드 오프가스의 열을 이용하여 연료전지(100)에 공급되는 연료를 가열하여 공급한다. 또한, 공급 단계(S101)는 캐소드 배출 유로(126)에서 배출되는 잔류 기체를 이용하여 산화제를 가열하여 공급한다.
발전 단계(S102)는 연료 및 산화제를 이용하여 전기를 생산한다. 발전 단계(S102)는 연료전지의 내부에서 이온교환에 전기를 생산하며, 발전 단계(S102)에서 수소와 산소가 반응하여 물이 생성될 수 있다.
재순환 단계(S103)는 애노드 전극(110)에서 배출되는 애노드 오프가스를 재순환 유로(124)를 통해서 재순환시켜서 연료 공급 유로(121)에 공급한다. 재순환 단계(S103)는 애노드 오프가스를 연료 열교환기(142)로 이동시켜서 연료를 가열하는 연료 가열 단계와 애노드 오프가스에서 수분을 제거하는 응축 단계와 수분이 제거된 애노드 오프가스를 연료 공급 유로(121)로 가압하여 공급하는 오프가스 가압 단계를 포함할 수 있다.
냉각기체 공급 단계(S104)는 재순환 유로(124)에 냉각기체를 공급하여 연료와 함께 냉각기체를 연료전지(100)로 전달한다. 냉각기체 공급 단계(S104)에서 공급된 냉각기체는 연료전지(100)로 공급되어 연료전지 스택을 냉각할 수 있다.
냉각기체 공급 단계(S104)는 재순환 유로(124)에 냉각기체를 공급하여 애노드 오프가스와 냉각기체를 혼합한 후에, 연료 공급 유로(121)에 냉각기체와 애노드 오프가스를 공급하여 연료와 냉각기체와 애노드 오프가스를 혼합하여 연료전지로 전달한다. 냉각기체 공급 단계(S104)는 수소를 냉각기체로서 공급할 수 있다. 또한, 냉각기체 공급 단계(S104)는 불활성 가스를 가스를 냉각기체로서 공급할 수 있으며, 메탄을 냉각기체로서 공급할 수 있다.
냉각기체 공급 단계(S104)는 연료 압축기(131)를 이용하여 연료, 냉각기체, 애노드 오프가스를 가압하여 정상상태의 연료공급량보다 더 많은 과량의 기체를 연료전지(100)로 공급할 수 있다. 냉각기체 공급 단계(S104)는 연료전지(100)의 온도에 비례하여 연료의 공급 압력 또는 공급량을 증가시킬 수 있다.
한편, 냉각기체 공급 단계(S104)는 연료전지(100)에 설치된 온도센서를 이용하여 연료전지 내부의 온도를 측정하는 온도 측정 단계, 측정된 온도와 기준 온도를 비교하는 온도 비교 단계, 측정된 온도가 기준온도가 높은 경우에 냉각기체를 재순환 유로(124)로 분사하는 냉각기체 분사 단계를 포함할 수 있다. 또한, 냉각기체 공급 단계(S104)는 온도와 관계없이 주기적으로 냉각기체를 공급할 수도 있다.
이하에서는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 시스템에 대해서 설명한다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 시스템을 도시한 구성도이다.
도 3을 참조하여 설명하면, 본 제2 실시예에 따른 연료전지 시스템(102)은 수소 분리 장치(137)를 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템과 동일한 구조로 이루어지므로 동일한 구성에 대한 중복 설명은 생략한다.
제2 재순환 유로(127)에는 애노드 오프가스에서 수소를 제외한 기체를 분리하여 배출시키는 수소 분리 장치(137)가 설치될 수 있다. 수소 분리 장치(137)는 애노드 오프가스에서 수소를 분리하여 제2 재순환 유로(127)로 이동시키고, 나머지 이산화탄소 등은 외부로 배출한다. 이와 같이 제2 재순환 유로(127)에 이물질 가스를 제거하는 수소 분리 장치(137)가 설치되면 애노드 오프가스를 재순환하더라도 연료분압이 낮아지는 것을 방지할 수 있다. 수소 분리 장치(137)는 멤브레인 타입으로 이루어지거나 PSA 공정으로 수소를 분리하는 장치로 이루어질 수 있다.
한편, 이하에서는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구동 방법에 대해서 설명한다.
본 제2 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구동 방법은 공급 단계, 발전 단계, 재순환 단계, 냉각기체 공급 단계를 포함할 수 있다.
본 제2 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구동 방법은 재순환 단계를 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구동 방법과 동일한 구조로 이루어지므로 동일한 구성에 대한 중복 설명은 생략한다.
재순환 단계는 애노드 전극에서 배출되는 애노드 오프가스를 재순환 유로를 통해서 재순환시켜서 연료 공급 유로로 공급한다. 재순환 단계는 애노드 오프가스를 연료 열교환기(142)로 이동시켜서 연료를 가열하는 연료 가열 단계와 애노드 오프가스에서 수분을 제거하는 응축 단계와 애노드 오프가스에서 수소를 제외한 불순물 기체를 제거하는 수소 분리 단계와 애노드 오프가스를 연료 공급 유로로 가압하여 공급하는 오프가스 가압 단계를 포함할 수 있다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
100: 연료전지
101, 102: 연료전지 시스템
110: 애노드 전극
120: 캐소드 전극
121: 연료 공급 유로
123: 산화제 공급 유로
124: 재순환 유로
126: 캐소드 배출 유로
131: 연료 압축기
132: 블로워
135: 콘덴서
136: 오프가스 압축기
137: 수소 분리 장치
141: 산화제 열교환기
142: 연료 열교환기
150: 냉각기체 공급 유로
101, 102: 연료전지 시스템
110: 애노드 전극
120: 캐소드 전극
121: 연료 공급 유로
123: 산화제 공급 유로
124: 재순환 유로
126: 캐소드 배출 유로
131: 연료 압축기
132: 블로워
135: 콘덴서
136: 오프가스 압축기
137: 수소 분리 장치
141: 산화제 열교환기
142: 연료 열교환기
150: 냉각기체 공급 유로
Claims (16)
- 연료가 유입되는 애노드 전극과 산화제가 유입되는 캐소드 전극을 포함하는 연료전지;
상기 연료전지에 연결되어 연료를 공급하는 연료 공급 유로;
상기 연료전지에 연결되어 산화제를 공급하는 산화제 공급 유로; 및
상기 연료 전지에 연결되어 상기 애노드 전극에서 배출되는 애노드 오프가스를 재순환시키는 재순환 유로;
를 포함하고,
상기 재순환 유로에는 상기 연료전지의 냉각을 위한 냉각기체가 공급되는 냉각기체 공급 유로가 연결된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 연료 공급 유로에는 상기 애노드 오프가스와 상기 연료를 열교환하는 연료 열교환기가 설치된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템. - 제2항에 있어서,
상기 재순환 유로는 연료전지와 상기 연료 열교환기를 연결하는 제1 재순환 유로와 상기 연료 열교환기와 상기 연료 공급 유로에 연결되어 오프가스를 연료 공급 유로에 공급하는 제2 재순환 유로를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템. - 제3항에 있어서,
상기 냉각기체 유로는 상기 제2 재순환 유로에 연결된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템. - 제4항에 있어서,
상기 제2 재순환 유로에는 상기 오프가스에 포함된 수분을 제거하는 콘덴서가 설치된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템. - 제4항에 있어서,
상기 제2 재순환 유로에는 상기 오프가스를 가압하여 상기 연료 공급 유로로 이동시키는 오프가스 압축기가 설치된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템. - 제4항에 있어서,
상기 제2 재순환 유로에는 애노드 오프가스에서 수소를 제외한 기체를 분리하여 배출하는 수소 분리 장치가 설치된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 연료와 상기 냉각기체는 수소로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 연료는 수소로 이루어지고, 상기 냉각기체는 불활성 기체로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 연료는 수소가스로 이루어지고, 상기 냉각기체는 메탄가스로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 연료 공급 유로에는 상기 연료를 가압하여 상기 연료전지로 공급하는 연료 압축기가 설치되고, 상기 연료 압축기는 상기 연료전지의 온도에 비례하여 연료의 공급 압력 또는 공급량을 증가시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템. - 연료전지에 연료 및 산화제를 공급하는 공급 단계;
연료 및 산화제를 이용하여 전기를 생산하는 발전 단계;
상기 연료전지에서 배출되는 애노드 오프가스를 재순환 유로로 공급하여 오프가스를 재순환시켜서 연료 공급 유로로 이동시키는 재순환 단계;
상기 재순환 유로에 냉각기체를 공급하는 냉각기체 공급 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 구동 방법. - 제12항에 있어서,
상기 재순환 단계는 상기 애노드 오프가스를 연료 열교환기로 이동시켜서 연료를 가열하는 연료 가열 단계와 상기 애노드 오프가스에서 수분을 제거하는 응축 단계와 수분이 제거된 상기 애노드 오프가스를 연료 공급 유로로 가압하여 공급하는 오프가스 가압 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 구동 방법. - 제13항에 있어서,
상기 재순환 단계는 상기 애노드 오프가스에서 수소를 제외한 불순물 기체를 제거하는 수소 분리 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 구동 방법. - 제12항에 있어서,
상기 냉각기체 공급 단계는 상기 연료전지에 설치된 온도센서를 이용하여 상기 연료전지 내부의 온도를 측정하는 온도 측정 단계, 측정된 온도와 기준 온도를 비교하는 온도 비교 단계, 측정된 온도가 기준온도가 높은 경우에 냉각기체를 상기 재순환 유로로 분사하는 냉각기체 분사 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 구동 방법. - 제12항에 있어서,
상기 냉각기체 공급 단계는 상기 연료전지의 온도에 비례하여 연료의 공급 압력 또는 공급량을 증가시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 구동 방법.
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|---|---|---|---|
| KR1020220017097A KR20230120479A (ko) | 2022-02-09 | 2022-02-09 | 냉각 성능이 향상된 수소 연료전지 시스템 |
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| KR1020220017097A KR20230120479A (ko) | 2022-02-09 | 2022-02-09 | 냉각 성능이 향상된 수소 연료전지 시스템 |
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| KR (1) | KR20230120479A (ko) |
Citations (1)
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|---|---|---|---|---|
| KR20200117958A (ko) | 2020-10-05 | 2020-10-14 | 주식회사 엘지화학 | 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 |
-
2022
- 2022-02-09 KR KR1020220017097A patent/KR20230120479A/ko not_active Application Discontinuation
Patent Citations (1)
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