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KR100802283B1 - 연료극 배출가스의 재순환 방식을 적용한 연료전지 발전장치 - Google Patents

연료극 배출가스의 재순환 방식을 적용한 연료전지 발전장치 Download PDF

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KR100802283B1
KR100802283B1 KR1020060084043A KR20060084043A KR100802283B1 KR 100802283 B1 KR100802283 B1 KR 100802283B1 KR 1020060084043 A KR1020060084043 A KR 1020060084043A KR 20060084043 A KR20060084043 A KR 20060084043A KR 100802283 B1 KR100802283 B1 KR 100802283B1
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KR
South Korea
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fuel
stack
exhaust gas
anode
line
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KR1020060084043A
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문길호
이태원
이기풍
김윤성
유정석
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두산중공업 주식회사
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Priority to JP2007124959A priority patent/JP2008060065A/ja
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Abstract

본 발명은 천연가스 등 탄화수소 계열의 물질을 수소로 전환하는 개질기가 스택 내부에 포함되어 있는 내부 개질형 용융탄산염 연료전지에 관한 것이다. 본 발명에서는, 내부 개질형 용융탄산염 연료전지 발전장치에 있어서, 탄화수소 계열의 연료를 수소와 이산화탄소로 개질하는 개질기가 그의 내부에 포함되어 있으며 연료 전지 반응에 의해 전력을 생산하는 스택(1); 상기 스택(1)의 연료극에 공급되는 연료를 혼합하는 혼합기(3); 상기 혼합기(3)와 상기 스택(1) 사이에 배치되어서 상기 혼합기(3)로부터 상기 스택(1)의 연료극으로 공급되는 연료의 일부를 수소와 이산화탄소로 미리 개질하고, 이 개질된 연료를 상기 스택(1)의 연료극으로 보내는 초기 개질기(2); 상기 스택(1)의 연료극으로부터 배출되는 배출 가스를 연소시켜 상기 스택(1)의 공기극에 필요한 열과 이산화탄소를 공급하는 연소기(4); 및 상기 스택(1)과 상기 연소기(4) 사이의 연료극 배출가스 라인(11)으로부터 분기되어 상기 혼합기(3)와 스택(1) 사이의 연료 공급 라인(10)으로 접속되는 배출가스 재순환 라인(12)을 포함하며, 상기 스택(1)의 연료극에서 전지 반응을 마치고 상기 연료극 배출가스 라인(11)으로 배출되는 배출가스의 일부가 상기 배출가스 재순환 라인(12)을 통해 상기 연료 공급 라인(10)으로 다시 보내져서 연료 공급 라인(10)을 통과하는 연료와 혼합되어 상기 스택(1)의 연료극으로 재유입되어 스택(1) 내에서의 전지 반응에 필요한 연료로서 재사용되는 것을 특징으로 하는 연료극 배출가스의 재순환 방식을 적용한 연료전지 발전장치가 제공된다.
연료전지, 스택, 연료극, 배출가스, 재순환

Description

연료극 배출가스의 재순환 방식을 적용한 연료전지 발전장치{Fuel cell power system with recycle process of anode exhaust gas}
도 1은 종래의 연료전지 발전장치의 구성을 보여주는 계통도이다.
도 2는 본 발명에 따른 연료극 배출가스의 재순환 방식을 적용한 연료전지 발전장치의 구성을 보여주는 계통도이다.
본 발명은 천연가스 등 탄화수소 계열의 물질을 수소로 전환하는 개질기가 스택 내부에 포함되어 있는 내부 개질형 용융탄산염 연료전지에 관한 것으로서, 특히 스택의 연료극에서 배출되는 미반응 가스와 스팀의 일부를 연료극 연료로 재활용함으로써 연료와 스팀의 사용량 및 그의 공급 계통의 규모를 줄여 경제성을 향상시킴과 더불어 발전 효율을 향상시킬 수 있는 연료극 배출가스의 재순환 방식을 적용한 연료전지 발전장치에 관한 것이다.
연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라, 상온 ~ 100℃ 이하에서 작동하 는 고분자 전해질형 및 알카리형 연료전지, 150 ~ 200℃ 부근에서 작동하는 인산형 연료전지, 600 ~ 700℃의 고온에서 작동되는 용융탄산염 연료전지, 1,000℃ 이상의 고온에서 작동하는 고체 산화 연료전지로 분류되며, 이들 각 연료전지의 근본적인 원리는 같으나 연료의 종류, 운전 온도, 촉매 및 전해질의 종류가 상이하다.
이 중에서 용융탄산염 연료전지(Molten Carbon Fuel Cell: MCFC)는, 반응에 필요한 수소를 스택 내부에서 제조하는 내부 개질기형과, 반응에 필요한 수소를 스택 외부에서 제조하는 외부 개질기형으로 구분된다.
내부 개질기형 융용탄산염 연료전지에서 연료극(Anode)에 주입되는 연료 가스는 천연가스와 같은 탄화수소 화합물을 사용하는데, 통상적으로는 연료 가스 중 C2 이상의 탄화수소 화합물을 먼저 초기 개질기(Pre-reformer)를 이용하여 수소로 전환시켜 전체 연료가스의 수소 농도를 2% 이상을 유지하게 하여 스팀과 함께 스택의 연료극에 주입함으로써, 스택 내에서 일어나는 수증기 개질 반응을 촉진한다.
이와 같은 내부 개질기형 용융탄산염 전지를 이용한 종래의 발전장치가 첨부 도면 도 1에 도시되어 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 내부 개질기형 용융탄산염 연료전지를 이용한 발전장치는, 천연가스(NG)와 스팀(Steam)으로 이루어진 연료는 각각의 공급원으로부터 압송되어 혼합기(3)에서 충분히 혼합된 후 초기 개질기(2)로 보내진다. 상기 스팀의 주입량은 주입되는 탄소의 2 ~ 5배가 주입된다. 초기 개질기(2)에서는 탄화수소 화합물이 일부 개질 되어 수소 농도가 3 ~ 20%를 유지하게 된다. 또한, 스택에 주입되는 연료의 유량은 필요한 반응이 충분히 일어날 수 있도록 하기 위하여 통상적으로는 이론적인 반응 유량보다 120 ~ 150% 과잉으로 공급한다.
스택(1)의 연료전지 반응 이후, 연료극에서 배출되는 가스는 상기와 같이 과잉으로 주입된 여분의 수소, 그리고 반응 이후 생성된 이산화탄소(CO2)와 스팀을 포함하고 있다. 이러한 연료극 배출가스는 연소기(4)에 주입하여 수소를 연소시켜 필요한 열을 회수하고 배출가스 중에 포함된 이산화탄소는 다시 스택(1)의 공기극(Cathode)으로 보내 반응에 활용한다. 공기극에서 필요한 산소는 공기주입 팬(5)을 통하여 유입되는 공기로부터 얻어지며, 이 공기는 연소기(4)를 통과하면서 필요한 온도가 된다. 또한, 경우에 따라 공기극에서 배출되는 가스의 일부는 공기극 순환팬(6)을 통하여 다시 스택(1)의 공기극으로 보내지고, 이러한 공기극 배출 가스의 폐열이 스택(1) 내부에서의 발전반응을 위한 열원으로 재사용된다.
상기와 같이 반응을 마치고 스택(1)의 연료극으로부터 배출되는 배출 가스에는 다량의 미반응 수소가 함유되어 있는데도 불구하고, 종래에는 배출가스를 연소기(4)에서 연소시켜 공기극에 필요한 열과 이산화탄소를 공급하는 용도로만 사용하는 실정이었다. 따라서, 많은 양의 천연가스와 스팀을 공급하여야 하고, 그에 따라 연료의 낭비가 심하고, 천연가스와 스팀을 공급하기 위한 설비의 규모가 커지며, 그에 따라 시스템 전체적인 효율도 떨어지는 폐단이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 실정을 감안하여 개발된 것이다.
본 발명의 목적은 스택의 연료극에서 배출되는 미반응 가스와 스팀의 일부를 스택의 연료극 연료로 재활용함으로써 연료와 스팀의 사용량 및 그의 공급 계통의 규모를 줄여 경제성을 향상시킴과 더불어 발전 효율을 향상시킬 수 있도록 한 연료극 배출가스의 재순환 방식을 적용한 연료전지 발전장치를 제공하는 것에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 연료극 배출가스의 재순환 방식을 적용한 연료전지 발전장치는, 탄화수소 계열의 연료를 수소와 이산화탄소로 개질하는 개질기가 그의 내부에 포함되어 있으며 연료 전지 반응에 의해 전력을 생산하는 스택; 상기 스택의 연료극에 공급되는 연료를 혼합하는 혼합기; 상기 혼합기와 상기 스택 사이에 배치되어서 상기 혼합기로부터 상기 스택의 연료극으로 공급되는 연료의 일부를 수소와 이산화탄소로 미리 개질하고, 이 개질된 연료를 상기 스택의 연료극으로 보내는 초기 개질기; 상기 스택의 연료극으로부터 배출되는 배출 가스를 연소시켜 상기 스택의 공기극에 필요한 열과 이산화탄소를 공급하는 연소기; 및 상기 스택과 상기 연소기 사이의 연료극 배출가스 라인으로부터 분기되어 상기 혼합기와 스택 사이의 연료 공급 라인으로 접속되는 배출가스 재순환 라인을 포함하며, 상기 스택의 연료극에서 전지 반응을 마치고 상기 연료극 배출가스 라인으로 배출되는 배출가스의 일부가 상기 배출가스 재순환 라인을 통해 상기 연료 공급 라인으로 다시 보내져서 연료 공급 라인을 통과하는 연료와 혼합되어 상기 스택의 연료극으로 재유입되어 스택 내에서의 전지 반응에 필요한 연료로서 재사용되도록 한 것을 특징으로 한다.
상기한 본 발명의 연료극 배출가스의 재순환 방식을 적용한 연료전지 발전장치에 있어서, 상기 배출가스 재순환 라인은 상기 초기 개질기의 앞쪽의 연료 공급 라인에 접속되는 것이 바람직하다.
상기한 본 발명의 연료극 배출가스의 재순환 방식을 적용한 연료전지 발전장치에 있어서, 상기 배출가스 재순환 라인과 상기 연료 공급 라인의 접속부에는 상기 배출가스 재순환 라인 측의 배출가스를 상기 연료 공급 라인으로 방출하기 위한 배출가스 방출기가 설치되는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 배출가스 방출기는 벤추리형 이젝터로 이루어져, 상기 벤추리형 이젝터를 지나가는 연료가스의 유속에 따라 배출가스 재순환 라인에 생성되는 부압에 의해 상기 배출가스가 상기 연료 공급 라인으로 자동으로 흡인되도록 하는 것이 바람직하다.
이와는 달리, 상기 배출가스 방출기는 고온용 순환팬으로 이루어져, 상기 고온용 순환팬에 의해 상기 배출가스 재순환 라인의 배출가스가 상기 연료 공급 라인으로 강제 공급되도록 할 수도 있다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
첨부 도면 도 2에는 본 발명에 따른 연료극 배출가스의 재순환 방식을 적용한 내부 개질형 연료전지 발전장치의 구성을 보여주는 계통도가 도시되어 있다. 도 1과 동일한 구성 요소에 대하여는 동일한 부호를 부여하여 설명한다.
도 2에 도시된 것과 같이, 본 발명에 따른 연료극 배출가스의 재순환 방식을 적용한 연료전지 발전장치는, 내부 개질기형 용융탄산염 연료전지 발전장치에서 스택(1)에서 전지 반응을 마치고 배출되는 배출가스의 일부를 연료극으로 다시 순환 시켜 배출가스 미반응 수소를 전지 반응에 재사용하도록 한 것이다.
내부 개질형 용융탄산염 연료전지 발전장치는, 연료전지 반응에 의해 전력을 생산하는 스택(1)과, 상기 스택(1)의 연료극에 공급되는 연료를 혼합하는 혼합기(3)와, 상기 혼합기(3)와 상기 스택 사이에 배치되어서 상기 혼합기(3)로부터 상기 스택(1)으로 공급되는 연료를 일부 개질하는 초기 개질기(2)와, 상기 스택(1)의 연료극으로부터 배출되는 배출 가스를 연소시켜 상기 스택(1)의 공기극에 필요한 열과 이산화탄소를 공급하는 연소기(4)를 포함한다.
여기서, 상기 혼합기(3)로부터 초기 개질기(2) 및 스택(1)을 연결하는 라인은 연료 공급 라인(10)이고, 상기 스택(1)으로부터 상기 연소기(4)로 연결되는 라인은 배출가스 라인(11)이다.
본 발명은, 이와 같은 연료전지 발전장치에 있어서, 상기 스택(1)과 상기 연소기(4) 사이의 배출가스 라인(11)으로부터 배출가스 재순환 라인(12)이 분기되고, 분기된 배출가스 재순환 라인(12)은 상기 혼합기(3)와 스택(1) 사이의 연료 공급 라인에 접속된 구성을 가진다. 이러한 본 발명은 상기 스택(1)의 연료극에서 반응을 마치고 배출되는 배출가스의 일부가 상기 혼합기(3)와 상기 스택(1) 사이의 연료 공급 라인(10)을 지나는 연료와 혼합되어 상기 스택(1)의 연료극으로 재유입되도록 한 것이다.
여기서, 상기 배출가스 재순환 라인(12)은, 도 2에 도시된 실시예와 같이, 상기 초기 개질기(2)의 도입측(앞쪽)의 연료 공급 라인(10)에 접속되도록 함으로써, 배출가스 중 미반응 수소와 함께 스택(1)의 전지 반응에서 얻어진 스팀의 온도를 초기 개질기(2)에서의 개질 반응에 사용할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 배출가스 재순환 라인과 상기 연료 공급 라인의 접속부에는, 상기 배출가스 재순환 라인(12) 측의 배출가스를 상기 연료 공급 라인(10)으로 방출하기 위한 배출가스 방출기(7)가 설치되어 있다.
상기 배출가스 방출기(7)는 상기 연료 공급 라인(10)과 상기 배출가스 재순환 라인(12) 사이에 압력차를 발생시키는 벤추리(venturi)형 이젝터(ejector)로 이루어질 수 있다. 그러면, 상기 벤추리형 이젝터를 지나가는 연료가스의 유속에 의해 상기 배출가스 재순환 라인(12)에는 부압(負壓)이 형성되고, 그에 의해 상기 배출가스가 상기 연료 공급 라인(10)으로 자동으로 흡인된다. 벤추리형 이젝터는 연료 공급 라인(10)의 연료의 압력이 통상적으로 3bar를 유지하므로 별도의 동력원 없이 초기에 유입되는 연료의 운동에너지를 활용하여 순환 동력을 얻을 수 있다.
한편, 상기 배출가스 방출기(70)로서는 상기한 벤추리형 이젝터 대신에 고온용 순환팬을 사용할 수도 있다. 이 경우에는 상기 고온용 순환팬에 의해 상기 배출가스 재순환 라인(12)의 배출가스가 상기 연료 공급 라인(10)으로 강제로 공급된다.
상기와 같이 이루어진 본 발명의 연료극 배출가스의 재순환 방식을 적용한 내부 개질기형 용융탄산염 연료전지 발전장치에 있어서, 천연가스와 스팀은 혼합기(3)에서 충분히 혼합하여 초기 개질기(2)로 보내진다. 여기서 필요한 스팀의 주입량은 주입되는 탄소의 2~5배를 주입한다. 상기 초기 개질기(2)에서는 수소 농도는 3~20%를 유지하도록 탄소화합물의 일부가 개질된다. 이와 같이 하여 만들어진 연료극측 연료는 스택(1)을 통과하면서 99%이상 수소로 전환되어 연료전지 반응에 참가하게 된다. 과잉으로 주입된 연료에 의해 연료극 배출가스에는 당연히 수소가 함유되어 있으며, 또한 연료전지 반응을 통해 생성된 스팀 및 이산화탄소가 포함되어 배출된다. 이렇게 배출되는 배출가스 중 40%이하를 상기 배출가스 재순환 라인(12)을 통하여 연료 공급 라인(10)으로 다시 보내 연료 공급 라인(10)을 통해 초기에 유입되는 천연가스와 스팀을 혼합하여 초기 개질기(2)에 유입되도록 설비를 만든다. 재순환되는 배출가스가 총 배출가스 유량의 40%이상이 되면 첨두 전압이 크게 감소하게 되고 스택(1) 부하가 증가하게 되므로 바람직하지가 않다.
아래의 [표 1]에는 본 발명을 통하여 얻어지는 시스템 성능 개선 효과를 측정하기 위하여 연료극 순환율에 따른 공정 모사 결과가 정리되어 있다.
순환율 0% 10% 25% 40%
연료절감률 0% 2.4% 6.1% 9.6
스팀절감률 0% 18.7% 46.4% 76.2
첨두전압(V) 0.815 0.811 0.803 0.795
상기 [표 1]을 통하여 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따라 스택(1)에서 배출되는 배출 가스 중의 수소와 스팀을 재사용하면, (가)배출되는 수소를 재사용함으로써 연료전지 발전장치 소비되는 연료량을 절감할 수 있고, (나)스택에서 생성된 스팀을 재사용함으로써 스팀의 낭비를 줄이고 스팀 발생기를 소형으로 전환할 수 있으며, (다)스팀 발생에 필요한 에너지 사용량도 절감할 수 있고, (라)배출가스의 온도에 의하여 새로 주입되는 연료의 초기 운전 온도를 추가 에너지 주입 없이 얻을 수 있는 장점이 있다.
한편, [표 1]에서는, 상기와 같은 연료의 조성 변화에 의해 첨두 전압이 약간 감소하나, 이에 비하여는 전술한 개선 효과가 월등하므로 발전율 감소는 무시할 수 있는 정도이며, 연료 특성에 따라 가장 경제적인 순환율을 설정할 수가 있다.
종래에는 연료극에서 배출되는 배출가스를 공기극에 필요한 열과 이산화탄소를 공급하는 용도로만 사용하였다.
그러나, 본 발명에 따른 연료극 배출가스의 재순환 방식을 적용한 연료전지 발전장치에 의하면, 연료극에서 배출되는 배출가스의 일부가 스택의 연료극으로 다시 유입됨으로써, 재순환되는 수소의 유량만큼 연료를 절감할 수 있고, 연료전지 반응을 통해 생성된 고온의 스팀을 초기 개질기에서 활용할 수 있어 공급되는 스팀 사용량을 절감할 수 있으며, 그에 따라 연료전지 발전장치의 경제성이 향상됨과 더불어 효율이 향상된다.

Claims (5)

  1. 내부 개질형 용융탄산염 연료전지 발전장치에 있어서,
    탄화수소 계열의 연료를 수소와 이산화탄소로 개질하는 개질기가 그의 내부에 포함되어 있으며 연료 전지 반응에 의해 전력을 생산하는 스택(1);
    상기 스택(1)의 연료극에 공급되는 연료를 혼합하는 혼합기(3);
    상기 혼합기(3)와 상기 스택(1) 사이에 배치되어서 상기 혼합기(3)로부터 상기 스택(1)의 연료극으로 공급되는 연료의 일부를 수소와 이산화탄소로 미리 개질하고, 이 개질된 연료를 상기 스택(1)의 연료극으로 보내는 초기 개질기(2);
    상기 스택(1)의 연료극으로부터 배출되는 배출 가스를 연소시켜 상기 스택(1)의 공기극에 필요한 열과 이산화탄소를 공급하는 연소기(4); 및
    상기 스택(1)과 상기 연소기(4) 사이의 연료극 배출가스 라인(11)으로부터 분기되어 상기 혼합기(3)와 스택(1) 사이의 연료 공급 라인(10)으로 접속되는 배출가스 재순환 라인(12)을 포함하며,
    상기 스택(1)의 연료극에서 전지 반응을 마치고 상기 연료극 배출가스 라인(11)으로 배출되는 배출가스의 일부가 상기 배출가스 재순환 라인(12)을 통해 상기 연료 공급 라인(10)으로 다시 보내져서 연료 공급 라인(10)을 통과하는 연료와 혼합되어 상기 스택(1)의 연료극으로 재유입되어 스택(1) 내에서의 전지 반응에 필요한 연료로서 재사용되는 것을 특징으로 하는 연료극 배출가스의 재순환 방식을 적용한 연료전지 발전장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배출가스 재순환 라인(12)은 상기 초기 개질기(2)의 도입측의 연료 공급 라인(10)에 접속되는 것을 특징으로 하는 연료극 배출가스의 재순환 방식을 적용한 연료전지 발전장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 배출가스 재순환 라인(12)과 상기 연료 공급 라인(10)의 접속부에는, 상기 배출가스 재순환 라인(12) 측의 배출가스를 상기 연료 공급 라인(10)으로 방출하기 위한 배출가스 방출기(7)가 설치되는 것을 특징으로 하는 연료극 배출가스의 재순환 방식을 적용한 연료전지 발전장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 배출가스 방출기(7)는 벤추리형 이젝터로 이루어져서, 상기 벤추리형 이젝터를 지나가는 연료가스의 유속에 따라 배출가스 재순환 라인(12)에 생성되는 부압에 의해 상기 배출가스가 상기 연료 공급 라인(10)으로 자동으로 흡인되는 것을 특징으로 하는 연료극 배출가스의 재순환 방식을 적용한 연료전지 발전장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 배출가스 방출기는 고온용 순환팬으로 이루어져서, 상기 고온용 순환팬에 의해 상기 배출가스 재순환 라인의 배출가스가 상기 연료 공급 라인으로 강제 공급되는 것을 특징으로 하는 연료극 배출가스의 재순환 방식을 적용한 연료전지 발전장치.
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