KR20130065607A - Fuel cell system and method for operating the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 독립 청구항의 전제부에 따른 연료전지 시스템, 그것의 작동 방법 및 용도에 관한 것이다. The present invention relates to a fuel cell system according to the preamble of the independent claim, a method of operation and use thereof.
전류 제공시 CO2 방출의 감소 가능성으로 인해 연료전지 시스템은 향후 이용에 중요한 역할을 한다. 이는 열병합(CHP) 분야에서도 마찬가지이며, 이 경우 연료전지 시스템은 전류 외에 열을 발생시킨다. 상기 연료전지 시스템은 예컨대 세라믹 전지, 650 - 1000℃의 고온에서 작동되는 소위 고체 산화물 연료전지(SOFC)에 기초하여 형성된다.CO 2 at current supply Due to the potential for reduced emissions, fuel cell systems play an important role in future use. The same is true in the field of cogeneration (CHP), where the fuel cell system generates heat in addition to the current. The fuel cell system is formed for example on the basis of a ceramic cell, a so-called solid oxide fuel cell (SOFC) operating at high temperatures of 650-1000 ° C.
상기와 같은 열병합 연료전지 시스템은 예컨대 천연가스와 같은 연료에 포함된 화학적 에너지를 전류 또는 열로 변환한다. 이는 연료전지 스택 내에서 화학 반응중에 이루어지고, 이 경우 환원제로서 연료는 예컨대 공기에 포함된 산소인 산화제와 반응한다. 연료전지 스택은 애노드 영역과 캐소드 영역으로 나뉘고, 상기 영역들은 전해질에 의해 서로 분리된다. 전류 및 열과 관련한 에너지 생성은 실질적으로 다음에 설명된 화학 반응을 통해 이루어진다. Such a cogeneration fuel cell system converts chemical energy contained in a fuel such as natural gas into current or heat. This is done during a chemical reaction in the fuel cell stack, in which case the fuel as a reducing agent reacts with an oxidant, for example oxygen contained in air. The fuel cell stack is divided into an anode region and a cathode region, which regions are separated from each other by an electrolyte. Energy generation in relation to current and heat is substantially achieved through the chemical reactions described below.
애노드측: Anode side:
캐소드측: Cathode side:
통상적인 천연가스는 대부분 알칸으로 이루어진다. 방정식(1) 및 (2)으로 표시되는 전술한 반응은 추출물로서 수소 또는 일산화탄소의 존재가 전제된다. 따라서 열병합 연료전지 시스템에 공급되는 천연가스의 예비 처리가 필요하다. 이러한 변환은 부분적으로 연료전지 스택 자체 내에서도 직접 일어나지만, 대부분은 열병합 연료전지 시스템에서 전방에 연결된 반응기, 즉 하기에 설명되는 개질 반응을 실시하는 소위 개질기에 의해 실행되고, 상기 개질 반응은 기본적으로 연료전지 스택 자체 내에서도 SOFC-연료전지 스택의 애노드 표면에서 이루어질 수 있다. Common natural gas consists mostly of alkanes. The aforementioned reactions represented by equations (1) and (2) are presupposed in the presence of hydrogen or carbon monoxide as extract. Therefore, pretreatment of natural gas supplied to the cogeneration fuel cell system is required. This conversion takes place directly in part within the fuel cell stack itself, but most of it is carried out by a reactor connected forward in the cogeneration fuel cell system, a so-called reformer which carries out the reforming reaction described below, which is basically a fuel Even within the cell stack itself, it can be made at the anode surface of the SOFC-fuel cell stack.
증기-메탄 개질: Steam-methane reforming:
수성가스 전환 반응: Water gas shift reaction:
개질 반응(3)과 (4)를 위해 추출물로서 물도 필요로 하는 것을 알 수 있다. 기본적으로 물의 존재하에 어떠한 종류의 연료이든 수소와 일산화탄소로 변환하는 것을 증기-개질(steam reforming)이라고 한다. It can be seen that water is also required as the extract for the reforming reactions (3) and (4). Basically, converting any kind of fuel into hydrogen and carbon monoxide in the presence of water is called steam reforming.
연료전지 시스템의 일반적인 작동 방식은 연료전지 스택에 이론적으로 필요한 것보다 더 많은 양의 연료를 제공하는 것이 목표이다. 따라서 연료전지 스택의 품질은 연료전지 자체에서 사용되는 연료량 대 연료전지 스택에 공급된 연료의 전체량의 비에 준한다. 상기 비율을 연료 이용률(FU)이라고 한다. 연료전지 스택의 제조업자는 연료전지 스택의 특성화를 위해 상한값 FUmax를 지정한다. 상기 상한가는 일반적인 SOFC-연료전지 스택에서 65 내지 85%이다. 이론적으로 실제 연료 이용률(FU)은 다음과 같이 얻어진다:주어진 전류 I에 대해 필요한 전자 몰 유동이 주어진다.The general mode of operation of a fuel cell system aims to provide more fuel than is theoretically required for the fuel cell stack. Therefore, the quality of the fuel cell stack is based on the ratio of the amount of fuel used in the fuel cell itself to the total amount of fuel supplied to the fuel cell stack. This ratio is called fuel utilization (FU). The manufacturer of the fuel cell stack assigns an upper limit FU max for the characterization of the fuel cell stack. The upper limit is 65 to 85% in a typical SOFC-fuel cell stack. Theoretically, the actual fuel utilization (FU) is obtained as follows: For the given current I, the required electron molar flow is given.
상기 식에서, nc는 연료전지 스택 내 전지의 개수이고, F는 패러데이 상수이다. 전류는 연료전지 스택 내의 연료가 전기 화학적 반응(1)과 (2)를 가능하게 하기 위해 충분한 전자를 제공할 때 생성된다. 제공되는 전자의 개수는 다음과 같이 계산된다:Where n c is the number of cells in the fuel cell stack and F is a Faraday constant. Current is generated when the fuel in the fuel cell stack provides enough electrons to enable the electrochemical reactions (1) and (2). The number of electrons provided is calculated as follows:
상기 식에서, NG는 천연가스 몰 유동이고, xi , NG는 연료인 천연가스(NG) 내 성분 i의 몰 양이고, Ne -j는 천연가스 내 성분 i의 원자가이다. e_, IST 와 e_ moeglich 사이의 비는 연료 이용률(FU)을 제공한다. In this formula, NG is the molar flow of natural gas, x i , NG is the molar amount of component i in natural gas (NG) that is the fuel, and N e -j is the valence of component i in natural gas. e_, with IST The ratio between e_ moeglich gives the fuel utilization (FU).
(1-FU)와 곱해진 총연료 유동으로 특징지어지는, 연료전지 스택 내에서 사용되지 않은 연료는 일반적으로 연료전지 스택에 유동 방향으로 하류에 있는 후연소 장치에서 연소된다. 얻어진 에너지는 열교환기를 통해 연료전지 스택, 개질 반응기 및/또는 반응에 필요한 추출물인 천연가스, 공기, 물에 공급된다. Unused fuel in the fuel cell stack, characterized by the total fuel flow multiplied by (1-FU), is generally combusted in the post-combustion apparatus downstream in the flow direction to the fuel cell stack. The energy obtained is supplied to a fuel cell stack, reforming reactor and / or natural gas, air and water via heat exchangers.
천연가스는 메탄 외에도 에탄, 부탄 또는 프로판 같은 더 무거운 알칸도 포함한다. 연료전지 스택 내에서 상기 분자들의 개질은 연료전지 스택을 손상시킬 수 있다. 일반적으로 상기 알칸의 개질은 연료전지 스택 이전에 예비 개질기에서 이루어진다:In addition to methane, natural gas contains heavier alkanes such as ethane, butane or propane. The modification of the molecules in the fuel cell stack can damage the fuel cell stack. Typically the reforming of the alkanes takes place in a preliminary reformer prior to the fuel cell stack:
에탄 개질 반응: Ethane reforming reaction:
프로판 개질 반응: Propane modification reaction:
부탄 개질 반응: Butane Modification Reaction:
알칸 CnH2n +2의 일반적인 개질 반응은 다음과 같다:The general reforming reaction of alkanes C n H 2n +2 is as follows:
일반적인 개질 반응: Common reforming reactions:
전술한 화학 반응은 증기 개질을 나타내고, 이 경우 물은 수소 및 일산화탄소를 생성하기 위해 알칸과 반응한다. 알칸은 대안으로서 산소에 의해서도 개질될 수 있다. 이는 부분 산화(POX)라고 한다. 메탄의 경우 화학 반응은 다음과 같다:The chemical reactions described above indicate steam reforming, in which water reacts with alkanes to produce hydrogen and carbon monoxide. Alkanes may alternatively be modified by oxygen as well. This is called partial oxidation (POX). For methane the chemical reaction is:
부분적인 메탄 개질 반응 Partial methane reforming reaction
일반적인 부분 알칸 개질 반응은 다음과 같다:Typical partial alkanes reforming reactions are as follows:
부분적인 알칸 개질 반응 Partial alkane modification reaction
개질 반응 유형에 따라 예비 개질기 이전에 공기 또는 물이 공급되어야 한다.Depending on the type of reforming reaction, air or water must be supplied before the preliminary reformer.
또한, 연료전지 시스템의 효과적인 작동을 위해, 개질기에서는 물론 연료전지 스택에서 개질 반응이 이루어지는 동안 탄소 침전이 이루어지지 않는 것이 보장되어야 한다. 이를 위해, 예비 개질기 또는 연료전지 스택에 연료 혼합물이 제공되고, 상기 연료 혼합물은 산소 함량 대 탄소 함량의 비 또는 O/C 비 또는 산소 대 탄소 비와 관련해서 정해진 한계치를 갖는다. O/C 비는 다음과 같이 규정된다:In addition, for effective operation of the fuel cell system, it should be ensured that no carbon precipitation takes place during the reforming reaction in the reformer as well as in the fuel cell stack. To this end, a fuel mixture is provided in a preliminary reformer or fuel cell stack, which has defined limits in relation to the oxygen to carbon ratio or the O / C ratio or the oxygen to carbon ratio. The O / C ratio is specified as follows:
상기 식에서, o는 O-원자 몰 유동이고, c는 C-원자 몰 유동이다. 예비 개질기 이전에 임계적 O/C-값의 미달시 탄소 침전의 위험이 있다. 즉: O/Ckrit = F(T)이다. 일반적으로 안전한 시스템 작동을 위해서는 다음 식이 성립한다: O/Ckrit = 1.8.In this formula, o is O-atomic mole flow, c is the C-atomic mole flow. There is a risk of carbon precipitation if the critical O / C-value is below the preliminary reformer. That is: O / C krit = F (T). In general, the following equation holds for safe system operation: O / C krit = 1.8.
또한, 특히 연료전지 시스템의 작동시 생성되며, 효율 제한적으로 미연소 연료가스의 잔량과 더 많은 양의 수증기를 포함하는 연료전지의 애노드 배기가스를 적어도 부분적으로 재순환시키고, 거기에 포함된 가스 성분들을 연료전지 스택 내에서 재활용을 위해 공급할 수 있는 것이 공지되어 있다. In addition, at least partly the anode exhaust of the fuel cell, which is produced during operation of the fuel cell system and which contains a limited amount of unburned fuel gas and a greater amount of water vapor, is limited in efficiency, and the gas components contained therein It is known to be able to supply for recycling in a fuel cell stack.
이와 관련해서 예를 들어 DE10 2009 036 197 A1 호에는 애노드 재순환 영역에 센서를 생략하는 것을 가능하게 하는 제어 전자장치를 가진 연료전지 시스템이 개시되어 있다. 유사한 해결책은 예를 들어 DE 10 2006 071 614 A1, DE 10 2006 017 616 A1 및 DE 10 2006 017 617 A1 호에 개시되어 있고, 이 경우 애노드 영역에서 연료전지의 온도를 더 정확히 측정할 수 있기 위해, 예컨대 상기 간행물에 기술된 연료전지의 애노드 배출부 영역에 온도 센서가 배치된다.In this connection, for example, DE10 2009 036 197 A1 discloses a fuel cell system with control electronics which makes it possible to omit the sensor in the anode recycle zone. Similar solutions are disclosed, for example, in DE 10 2006 071 614 A1, DE 10 2006 017 616 A1 and DE 10 2006 017 617 A1, in which case in order to be able to more accurately measure the temperature of the fuel cell in the anode region, For example, a temperature sensor is arranged in the anode outlet region of the fuel cell described in the above publication.
DE 10 2006 029 451 A1호에는 다른 연료전지 시스템이 개시되어 있다; 이 연료전시 시스템은 온도 센서 외에 추가로 람다 센서를 포함하므로, 의도대로 애노드 배기가스의 람다값이 측정될 수 있다. Another fuel cell system is disclosed in
연료전지 시스템을 높은 정확도로 작동시킬 수 있는 다른 방법은 DE 11 2006 002 715 T5에 개시되어 있고, 이 경우 연료전지의 애노드에 접촉하는 가스 조성은 유동 센서 및 온도 센서에 의해 제어된다. 전술한 모든 해결책의 공통점은 비교적 복잡한 구조와 그에 따른 제어의 복잡성이다. Another way of operating the fuel cell system with high accuracy is disclosed in DE 11 2006 002 715 T5, in which case the gas composition in contact with the anode of the fuel cell is controlled by a flow sensor and a temperature sensor. Common to all the solutions described above is a relatively complex structure and hence the complexity of the control.
본 발명의 과제는 연료전지의 애노드 배기가스의 재순환 시스템을 포함하고, 간단하게 상기 재순환 시스템의 제어가 보장되는 연료전지 시스템을 제공하는 것이다. SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a fuel cell system including a recycling system of anode exhaust gas of a fuel cell, and in which control of the recycling system is simply guaranteed.
상기 과제는 바람직하게 독립 청구항의 특징들을 포함하는 연료전지 시스템 또는 그것의 작동 방법에 의해 해결된다. The problem is preferably solved by a fuel cell system or method of operation thereof comprising the features of the independent claims.
연료전지의 애노드 배기가스의 적어도 일부의 재순환을 위한 재순환 유닛의 제어는 연료전지의 간단하게 사용 가능한 특성값에 기초하여 이루어진다. 상기 특성값은 이 경우에 연료전지의 애노드 영역의 실제 온도, 연료전지의 애노드 영역에 공급될 연료가스에 관련되는 습도 및/또는 연료전지의 애노드 영역에 인가되는 전류이다. Control of the recirculation unit for recirculation of at least a portion of the anode exhaust of the fuel cell is made based on the simply available characteristic values of the fuel cell. The characteristic value in this case is the actual temperature of the anode region of the fuel cell, the humidity associated with the fuel gas to be supplied to the anode region of the fuel cell and / or the current applied to the anode region of the fuel cell.
제어는 연료가스 이용률 또는 소위 연료 이용률(FU) 및/또는 연료전지의 애노드 영역에 공급될 연료가스 내 실제 산소 대 탄소 비(O/C) 형태의 제어값을 검출함으로써 이루어진다. 연료 이용률 또는 FU는 연료전지의 애노드 영역에서 실제로 사용된 연료가스의 양 대 연료전지의 애노드 영역에 공급된 전체 연료가스의 비이다. 또한, 산소 대 탄소 비는 연료전지의 애노드 영역에 공급될 연료가스 내의 유리 및 결합된 산소 총량 대 유리 및 결합된 탄소 총량의 비이다. 이러한 비율은 특히 해당 연료가스에서 연료전지 시스템의 예비 개질기 앞부분에서 측정되고, 이 경우 산소 대 탄소비 O/C는 임계적 또는 최소 산소 대 탄소 비(O/Ckrit .)보다 커야 한다. Control is achieved by detecting fuel gas utilization or so-called fuel utilization (FU) and / or control values in the form of the actual oxygen to carbon ratio (O / C) in the fuel gas to be supplied to the anode region of the fuel cell. The fuel utilization, or FU, is the ratio of the amount of fuel gas actually used in the anode region of the fuel cell to the total fuel gas supplied to the anode region of the fuel cell. The oxygen to carbon ratio is also the ratio of the total amount of glass and combined oxygen to the total amount of glass and combined carbon in the fuel gas to be supplied to the anode region of the fuel cell. This ratio is especially measured at the front of the preliminary reformer of the fuel cell system in the fuel gas, in which case the oxygen to carbon ratio O / C must be greater than the critical or minimum oxygen to carbon ratio (O / C krit . ).
연료전지의 애노드 영역 내부의 온도는 하나의 온도 센서에 의해 측정될 수 있기 때문에 또는 연료전지의 애노드 영역에 공급될 연료가스에 관련된 절대 습도는 하나의 습도 센서에 의해 측정될 수 있기 때문에, 이러한 방식으로 하나의 센서에 의해 연료전지를 위한 재순환 유닛의 제어가 구현될 수 있다. 연료전지에 인가되는 전류에 대해서도 마찬가지이며, 상기 전류는 하나의 전류 센서에 의해 측정될 수 있다. This is because the temperature inside the anode region of the fuel cell can be measured by one temperature sensor or because the absolute humidity associated with the fuel gas to be supplied to the anode region of the fuel cell can be measured by one humidity sensor. As a result, the control of the recirculation unit for the fuel cell can be implemented by one sensor. The same applies to the current applied to the fuel cell, and the current can be measured by one current sensor.
본 발명의 다른 바람직한 실시예들은 종속 청구항의 대상이다. Other preferred embodiments of the invention are subject of the dependent claims.
재순환 유닛을 통해 연료전지의 애노드 영역에 재공급된 애노드 배기가스의 양은 연료전지의 애노드 영역의 실제 온도에 기초하여, 연료전지에 인가되는 실제 전류에 기초하여 및 연료가스 조성이 공지된 경우 실제 연료전지에 공급된 연료가스의 양에 기초하여 제어되는 것이 바람직한데, 그 이유는 상기 측정값은 간단하게 검출되고 트래킹될 수 있기 때문이다. The amount of anode exhaust re-supplied to the anode region of the fuel cell via the recirculation unit is based on the actual temperature of the anode region of the fuel cell, based on the actual current applied to the fuel cell and, if the fuel gas composition is known, the actual fuel It is desirable to be controlled based on the amount of fuel gas supplied to the cell since the measured value can be simply detected and tracked.
상기 실시예는, 연료전지의 애노드 영역에서 배출된 애노드 배기가스의 가스 조성은 실질적으로 애노드 영역의 온도, 연료전지에 인가되는 전류, 연료전지의 애노드에 공급된 연료가스의 양 및 상수로서 간주되는 연료가스의 가스 조성의 함수라는 사실에 기초한다. 애노드 배기가스의 조성이 공지되면, 연료전지의 애노드 영역에 다시 제공되는 재순화된 또는 재공급된 애노드 배기가스의 양이 최적화될 수 있는데, 그 이유는 연료전지의 애노드 영역에 제공되는 연료가스 혼합물의 조성은 새 연료가스와 재순환된 애노드 배기가스의 혼합물로서 정확히 조절될 수 있기 때문이다. In the above embodiment, the gas composition of the anode exhaust gas discharged from the anode region of the fuel cell is substantially regarded as the temperature of the anode region, the current applied to the fuel cell, the amount of fuel gas supplied to the anode of the fuel cell, and the constant. It is based on the fact that it is a function of the gas composition of the fuel gas. If the composition of the anode exhaust is known, the amount of recycled or replenished anode exhaust which is provided back to the anode region of the fuel cell can be optimized because the fuel gas mixture provided to the anode region of the fuel cell This is because the composition of can be precisely controlled as a mixture of fresh fuel gas and recycled anode exhaust.
본 발명의 다른 바람직한 실시예는, 연료전지에 공급될 연료가스 혼합물에 관련되는 절대 습도에 기초하여 그리고 연료전지에 인가되는 전류 및 연료전지에 공급된 연료가스의 체적 유량에 기초하여 연료전지 시스템의 재순환 유닛을 제어하는 것이다. 이 실시예는, 연료전지 시스템의 애노드 영역에서 배출되는 애노드 배기가스의 가스 조성이 연료전지 시스템에 공급된 연료가스의 절대 습도, 실제로 연료전지에 인가되는 전류 및 실제로 연료전지에 공급된 연료가스의 체적 유동의 함수라는 사실을 이용한다. 또한, 상기 가스 조성은 연료전지 시스템에 공급된 연료가스의 배출부 가스 조성에 의존하고, 상기 배출부 가스 조성은 거의 상수로서 간주될 수 있다. 이렇게 계산된 애노드 배기가스의 실제 조성은, 재순환된 애노드 배기가스의 체적 유동을 연료전지에 새 연료가스와 재순환된 애노드 배기가스로 이루어진 최적화된 연료가스 혼합물이 제공되도록 설정하기 위해 재순환 유닛의 제어에 의해 이용된다.Another preferred embodiment of the present invention relates to a fuel cell system based on absolute humidity associated with a fuel gas mixture to be supplied to the fuel cell and based on the current applied to the fuel cell and the volume flow rate of the fuel gas supplied to the fuel cell. To control the recycling unit. This embodiment shows that the gas composition of the anode exhaust gas discharged from the anode region of the fuel cell system is characterized by the absolute humidity of the fuel gas supplied to the fuel cell system, the current actually applied to the fuel cell and the fuel gas actually supplied to the fuel cell. Take advantage of the fact that it is a function of volumetric flow. Further, the gas composition depends on the discharge gas composition of the fuel gas supplied to the fuel cell system, and the discharge gas composition can be regarded as almost constant. The actual composition of the anode exhaust thus calculated is subject to the control of the recycle unit to set the volume flow of the recycled anode exhaust to provide the fuel cell with an optimized fuel gas mixture of fresh fuel and recycled anode exhaust. Used by.
본 발명의 특히 바람직한 실시예에 따라, 연료전지 시스템의 재순환 유닛을 제어하기 위해 측정값으로서 연료전지에 인가되는 전류만 이용된다. 이러한 방법은, 재순환 유닛에 의해 연료전지의 애노드 영역에 재공급된 애노드 배기가스의 체적 유동이 설정 산소 대 탄소 비 또는 설정 연료 이용률 및 실제로 연료전지에 인가되는 전류 및 상수로서 간주되는 연료전지 시스템에 공급된 연료가스의 조성의 함수라는 사실에 기초한다. 또한, 연료전지 시스템에 공급된 새 연료가스의 체적 유동은 설정 산소 대 탄소 비 또는 설정 연료가스 이용률, 실제로 연료전지 내에서 흐르는 전류 및 상수로서 간주될 수 있는 연료가스의 조성의 함수이다. 따라서 설정 산소 대 탄소 비, 설정 연료가스 이용률 및 연료전지 시스템에 공급된 연료가스의 조성은 상수로서 간주될 수 있고, 재순환된 애노드 배기가스의 체적 유동은 연료전지에 인가되는 전류의 함수로서 제어된다. 이 실시예는 기술적으로 특히 간단하게 실시될 수 있다. According to a particularly preferred embodiment of the present invention, only the current applied to the fuel cell is used as a measure to control the recirculation unit of the fuel cell system. This method applies to a fuel cell system in which the volumetric flow of anode exhaust gas resupplied to the anode region of the fuel cell by the recirculation unit is regarded as the set oxygen to carbon ratio or set fuel utilization and the current and constant actually applied to the fuel cell. It is based on the fact that it is a function of the composition of the fuel gas supplied. In addition, the volumetric flow of fresh fuel gas supplied to the fuel cell system is a function of the set oxygen to carbon ratio or set fuel gas utilization, the current actually flowing in the fuel cell and the composition of the fuel gas that can be regarded as a constant. Thus the set oxygen to carbon ratio, set fuel gas utilization and the composition of the fuel gas supplied to the fuel cell system can be regarded as constants, and the volumetric flow of recycled anode exhaust gas is controlled as a function of the current applied to the fuel cell. . This embodiment can be implemented particularly technically simply.
본 발명의 실시예는 도면에 도시되고 하기에서 설명된다.Embodiments of the invention are shown in the drawings and described below.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료전지 시스템의 개략도.
도 2는 도 1에 따른 연료전지 시스템의 부분으로서 연료전지의 개략도.
도 3은 도 1에 따른 연료전지 시스템의 제 1 실시예에 따른 재순환 유닛의 개략도.
도 4는 도 1에 따른 연료전지 시스템의 제 2 실시예에 따른 재순환 유닛의 개략도.
도 5는 도 1에 따른 연료전지 시스템의 제 3 실시예에 따른 재순환 유닛의 개략도.1 is a schematic diagram of a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention;
2 shows a schematic view of a fuel cell as part of the fuel cell system according to FIG. 1;
3 is a schematic view of a recirculation unit according to a first embodiment of the fuel cell system according to FIG. 1;
4 is a schematic view of a recirculation unit according to a second embodiment of the fuel cell system according to FIG. 1;
5 is a schematic view of a recirculation unit according to a third embodiment of the fuel cell system according to FIG. 1;
도 1에는 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 바람직한 실시예가 도시된다. 연료전지 시스템(10)은 연료전지(12)를 포함하고, 상기 연료전지에는 예컨대 천연가스 NG, 수소 또는 메탄올과 같은 연료가 압축기(14)를 통해 공급된다. 연료인 천연가스 NG는 연료전지 시스템(10)에서 예컨대 체적 유동 NG에 의해 연료전지(12)에 공급된다. 연료인 천연가스 NG는 천연가스 조성 Xi , NG를 갖는다. 천연가스는 일반적으로 안전상의 이유로 냄새가 나는 황화합물을 포함하기 때문에, 연료전지 시스템(10)은 추가로 바람직하게 탈황 유닛(16)을 포함한다. 상기 탈황 유닛은 연료전지(12)에서 사용되는 촉매제의 황에 의한 중독을 예방한다. 1 shows a preferred embodiment of a fuel cell system according to the invention. The
천연가스 NG는 연료전지(12)에서 전기화학적 반응에 직접적으로 이용되지 않기 때문에, 연료전지 시스템(10)은 예를 들어 예비 개질기(18)를 포함하고, 상기 개질기 내에서 천연가스에 포함된 알칸의 개질이 이루어진다. 이는 예를 들어 물을 첨가하는 증기 개질 반응의 형태로 이루어질 수 있다. 그러나 산소를 이용한 부분 산화(POX) 형태의 개질 반응도 가능하다. 연료인 천연가스 NG의 공급 경로에 예컨대 습도 센서(20)가 통합되고, 상기 센서는 바람직하게 탈황 유닛(16)과 예비 개질기(18) 사이의 천연가스 공급 경로에 배치된다. 습도 센서(20)에 의해 연료 전지에 공급될 천연가스 NG 형태의 연료의 절대 습도 aH가 측정될 수 있다. Since natural gas NG is not directly used for the electrochemical reaction in the
연료전지(12)에서 이루어지는 연료의 전기화학적 산화를 위해 산소도 필요하기 때문에, 연료전지 시스템(10)은 연료전지(12)에 공기 공급을 위한 압축기(22)를 포함한다. 연료전지(12)에서 전기화학 반응시 발생하는 배기가스는 예컨대 연소장치(24)에 공급되고 열 발생을 위해 이용된다. 연소장치(24)의 배기가스는 예컨대 배기가스 라인(26)을 통해 연료전지 시스템(10)에서 배출된다. 연소장치(24)에 의해 발생된 연소열은 예컨대 높은 온도에서 작동하는 연료전지 시스템(10)의 구성 요소, 예컨대 연료전지(12) 또는 예비 개질기(18)의 가열에 이용된다.Since oxygen is also needed for the electrochemical oxidation of the fuel in the
일반적으로 연료전지 시스템(10)의 연료전지(12)는 초과량의 연료가스로 작동되기 때문에, 연료전지(12)에서 배출된 애노드 배기가스 라인(28) 내의 애노드 배기가스는 반응할 수 있는 탄화수소 또는 수소의 상당 부분을 포함한다. 상기 연료 성분들은 재순환 경로(30)를 통해 연료전지(12)의 연료 공급부(32)에 재공급될 수 있다. 연료전지(12)의 재순환된 애노드 배기가스의 양은 예를 들어 재순환 경로(30)에 통합된 압축기(34) 또는 애노드 배기가스 라인(28)에 통합되고 도시되지 않은 적절한 3-방향 밸브에 의해 제어된다. 압축기(34)는 대안으로서 연료 공급부(32) 또는 애노드 배기가스 라인(28)에도 통합될 수 있다.In general, since the
애노드 배기가스의 부분적인 재순환에 의해 유동 방향으로 볼 때 연료 공급부(32) 내로 이어지는 재순환 경로(30)의 유입부 이후의 연료 공급부(32)에서 특징적인 산소 대 탄소 비 O/C가 조절된다. 이는 특히 유동 방향으로 볼 때 개질기(18) 전방에 배치된 연료 공급부에서 측정 또는 조절될 수 있다. Partial recirculation of the anode exhaust gas regulates the characteristic oxygen to carbon ratio O / C at the
연료전지(12)의 작동을 특징짓는 변수들은 연료전지(12)의 애노드 영역 내의 온도 Tan 및 연료 이용률(FU) 외에도 연료 전지(12)에 인가되는 직류 I가 있고, 상기 직류는 예컨대 DC/AC 변환기(36)에 제공된다. 결과되는 교류 AC는 연료전지 시스템(10)의 내부 및 외부의 전기 부하에 공급될 수 있다. 또한, 연료전지 시스템(10)은 특히 증가된 온도에서 작동되는 연료 전지 시스템(10)의 구성 요소들을 보호하고 열 절연하기 위해 하우징(40)을 포함한다. Variables characterizing the operation of the
도 2에는 도 1에 따른 연료전지 시스템의 부분으로서 연료전지 구조를 개략적으로 도시한다. 동일한 도면부호는 도 1에서와 동일한 부분을 나타낸다.FIG. 2 schematically shows a fuel cell structure as part of the fuel cell system according to FIG. 1. Like reference numerals denote the same parts as in FIG.
연료전지(12)는 바람직하게 650 내지 1000 ℃의 작동 범위를 갖는 소위 고온 연료전지로서 구현된다. 상기 연료전지는 특히 대기 산소의 캐소드 환원이 이루어지는 캐소드 영역(60)과 탄화수소, 일산화탄소 및 수소의 애노드 산화가 이루어지는 애노드 영역(62)을 포함한다. 캐소드 영역(60)은 캐소드(64)를 포함하고, 애노드 영역은 애노드(66)를 포함한다. 캐소드(64)는 예를 들어 란타늄 망간 산화물을 포함하고, 상기 란타늄 망간 산화물은 에컨대 이트륨 안정화된 지르코니아에 담지된다. 애노드 영역(62)과 캐소드 영역(60)은 이온 전달 전해질(68)을 통해 서로 접촉하고, 이 경우 전해질(68)은 예컨대 이리튬 안정화된 지르코니아로 구현된다. 캐소드(64)와 애노드(66) 사이에 인가되는 전류는 예를 들어 전기 부하(70)를 통해 소모된다. The
도 3에는 재순환 경로 영역에서 도 1에 따른 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 부분이 도시된다. 동일한 도면부호는 도 1 및 도 2에서와 동일한 부분을 나타낸다. 3 shows a part of the fuel cell system according to the invention according to FIG. 1 in the recirculation path region. Like reference numerals denote the same parts as in FIGS. 1 and 2.
연료전지 시스템(10)은 재순환 경로(30)를 포함하고, 상기 재순환 경로에 의해 연료전지(12)의 애노드 영역(62)에서 배출된 애노드 배기가스가 재순환될 수 있다. The
압축기(34)의 제어는 바람직하게 도시되지 않은 적절한 제어장치에 의해 이루어지고, 바람직하게 연료 공급부(32)에서 최적의 조성의 혼합물이 연료전지(12)의 애노드 영역(62)에 공급되도록 재순환 경로(30)를 통해 연료 공급부(32)에 공급된 애노드 배기가스 recy 양이 최적화되는 방식으로 상기 압축기의 제어가 최적화된다. The control of the
애노드(66) 이후의 가스 조성 xi은 4개의 변수에만 의존한다. 즉, 천연가스 몰 유동 NG, 원래의 천연가스 조성 xi , NG, 연료전지(12)에 인가되는 직류 I 및 연료전지(12)의 애노드(66)의 온도 Tan.The gas composition x i after the
xi의 계산은 개질 반응(11)과 수성가스 전환 반응의 열역학적 평형과 관련된다:The calculation of x i relates to the thermodynamic equilibrium of the reforming reaction (11) and the water gas shift reaction:
수성가스 전환 반응 Water gas shift reaction
계산은 하기 식에 의해 설명될 수 있다:The calculation can be explained by the formula:
연료전지(12)의 애노드(66)의 온도가 충분히 높다는 전제하에(Tan > 700℃), 화학 반응(11)이 완전한 것으로 간주될 수 있다: 모든 알칸은 완전히 개질된다. 이러한 경우에 반응(11)과 (15)의 평형을 분석적으로 달성하여 가스 조성 xi 을 계산할 수 있다. 즉, 가스 조성 xi은 상호 작용의 방법에 의해서는 계산되지 않는다. Assuming that the temperature of the
가스 조성 xi을 계산하기 위한 다른 방법은, 연료전지(12)의 애노드 영역(62)에 공급될 연료의 절대 습도 aH를 예컨대 습도 센서(20)를 이용하여 측정하는 것이다. 이러한 변형예는 도 4에서 상세히 설명된다. 동일한 도면부호는 도 1 내지 도 3에서와 동일한 부분을 나타낸다. Another method for calculating the gas composition x i is to measure the absolute humidity aH of the fuel to be supplied to the
애노드 배기가스 라인(28)의 애노드 배기가스의 절대 습도 aH 및 C-원자, O-원자 및 H-원자의 물질 수지에 대해 얻어진 정보는 애노드 배기가스 내의 가스 조성xi의 완전한 분석적 계산을 가능하게 한다:The information obtained on the absolute humidity aH and C-atoms, O-atoms and H-atomic mass balances of the anode exhaust gas of the
가스 조성xi을 계산한 후에, 변수 O/C 및 FU를 다음과 같이 계산할 수 있다:After calculating the gas composition x i , the variables O / C and FU can be calculated as follows:
상기 식에서, nc는 스택 내 전지의 개수이고, F는 페러데이 상수이고, Ne -,i는 성분의 원자가이고, Ni ,C는 성분 i 내의 C-원자의 개수이다. 또한, xCO, xCO2, xH2, xH2O는 재순환 경로(30) 내의 일산화탄소, 이산화탄소, 수소 또는 물의 몰분율이다. 방정식 체계 (18)과 (19)는 recy와 NG에 따라 답이 얻어진다:Where n c is the number of cells in the stack, F is a Faraday constant, N e , i is the valence of the component, and N i , C is the number of C-atoms in component i. In addition, x CO , x CO 2 , x H 2 , and x H 2 O are mole fractions of carbon monoxide, carbon dioxide, hydrogen or water in the
따라서 연료전지에 공급될 천연가스 NG의 양과 재순활될 애노드 배기가스 recy의 양은 제 1 방법에 따라 바람직하게 애노드(66)의 온도에 기초하여서만 또는 제 2 방법에 따라 바람직하게 연료전지(12)에 공급될 연료 혼합물 내의 습도 aH에 기초하여서만 검출될 수 있고, 이 경우 연료 혼합물은 바람직하게 측정 위치에서 재순환된 애노드 배기가스의 적어도 일부를 포함한다. Therefore, natural gas to be supplied to the fuel cell Amount of NG and anode exhaust to be recycled can only be detected the amount of recy hayeoseo first method in preferably, the
전술한 2개의 방법은 연료전지에 공급될 천연가스 NG의 양 또는 재순환될 애노드 배기가스 recy 양의 제어를 위해 애노드(66) 영역에서 온도 Tan의 측정 또는 유동 방향으로 볼 때 연료전지(12)의 애노드 영역(62) 앞의 연료 공급부(32) 내의 절대 습도 aH의 측정을 전제로 하기 때문에, 변수 O/C와 FU는 연료전지에 공급될 천연가스 NG 의 양 또는 재순환될 애노드 배기가스 recy의 양을 계산하기 위한 보조 변수로서 검출될 수 있다. The two methods described above provide natural gas to be supplied to a fuel cell. Amount of NG or anode exhaust to be recycled For the control of the amount of recy, assuming the measurement of the temperature T an in the
하기에서 설명되는 제 3 방법은 바람직하게 변수 O/C와 FU를 검출하기 위한 상기 2개의 측정 방법을 생략한다. 연료전지에 인가되는 직류 I의 검출만이 이용된다. 상기 변형예는 도 5에서 상세히 설명된다. 동일한 도면부호는 도 1 내지 도 4에서와 동일한 부분을 나타낸다. The third method described below preferably omits the two measurement methods for detecting the variables O / C and FU. Only detection of the direct current I applied to the fuel cell is used. The modification is described in detail in FIG. 5. Like reference numerals denote the same parts as in FIGS. 1 to 4.
한편으로는 연료 공급부(32) 내의 연료 혼합물의 조성과 다른 한편으로는 애노드 배기가스의 조성의 차이를 고려하는 애노드(66)에서 성분 반응의 물질 수지는 연료전지에 인가되는 직류 I 및 설정값 O/C와 FU에 의존하여 소정의 조절 변수 NG 또는 recy을 야기한다:On the one hand, the material resin of the component reaction at the
상기 식에서,Where
따라서 하기식이 주어진다:Thus the following equation is given:
상기 식에서, 연료전지(12)에 인가되는 직류 I는 유일한 측정 변수이다. In the above formula, the direct current I applied to the
따라서, 재순환 유닛 또는 재순활될 애노드 배기가스 recy의 양 또는 연료전지에 공급될 천연가스 NG의 양이 연료전지(12)의 애노드 영역(62)의 온도 Tan, 연료전지에 인가되는 전류 I 및 연료전지(12)의 애노드 영역(62)에 공급된 연료가스 양에 기초하여서만 제어되는 것이 가능해진다. Thus, the recycle unit or the anode exhaust to be recycled amount of recy or natural gas to be supplied to the fuel cell The amount of NG is controlled only based on the temperature T an of the
또한, 대안으로서 재순환 유닛, 재순환될 애노드 배기가스 recy의 양 또는 연료전지에 공급될 천연가스 NG의 양은 연료전지(12)의 애노드 영역(62)에 공급된 연료가스의 습도 aH, 연료전지(12)에 인가되는 전류 I 및 연료전지(12)의 애노드 영역(62)에 공급된 연료가스의 양에 기초하여서만 제어되는 것이 가능해진다.Also, as an alternative, a recirculation unit, anode exhaust to be recycled amount of recy or natural gas to be supplied to the fuel cell The amount of NG is the humidity aH of the fuel gas supplied to the
제 3 대안은, 재순환 유닛 또는 재순환될 애노드 배기가스 recy 의 양 또는 연료전지에 공급될 천연가스 NG의 양이 연료전지(12)에 인가되는 전류 I에 기초하여서만 제어되는 것이다. A third alternative is a recycle unit or anode exhaust to be recycled. amount of recy or natural gas to be supplied to the fuel cell The amount of NG is controlled only based on the current I applied to the
12 연료전지
30, 34 재순환 유닛
60 캐소드 영역12 fuel cells
30, 34 recirculation unit
60 cathode areas
Claims (8)
제어유닛이 제공되고, 상기 제어유닛에 의해 상기 재순환 유닛(30, 34)이 제어되고, 상기 재순환 유닛(30, 34)의 제어는 연료가스 이용률(FU)에 기초하여 및/또는 상기 애노드 영역(62)에 공급된 연료가스의 산소 대 탄소 비(O/C)에 기초하여 이루어지고, 이 경우 연료 이용률(FU)로서 상기 애노드 영역(62)에서 사용된 가스량 대 상기 애노드 영역(62)에 공급된 가스량의 비가 이용되고, 이 경우 산소 대 탄소 비(O/C)는 상기 연료전지(12)의 상기 애노드 영역(62)에 공급된 연료가스의 유리되어 결합된 총 산소 대 유리되어 결합된 총 탄소의 비가 이용되고, 상기 연료전지(12)의 상기 애노드 영역(62)에 공급된 연료가스의 연료가스 이용률(FU) 및/또 산소 대 탄소비(O/C)는 상기 연료전지(12)의 상기 애노드 영역(62)의 온도(Tan)에 기초하여, 상기 애노드 영역(62)에 공급된 연료가스에 해당하는 절대 습도(aH)에 기초하여 및/또는 상기 연료전지(12)에 인가되는 전류(I)에 기초하여 결정되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.A fuel cell system comprising a fuel cell 12, in particular a high temperature fuel cell, having an anode region 62, a cathode region 60, and a recirculation unit 30, 34, wherein fuel gas is supplied to the anode region 62. An anode exhaust gas is discharged, an oxygen-containing gas is supplied to the cathode region 60, a cathode exhaust gas is emitted, and an anode discharged from the anode region 62 of the fuel cell 12 by the recirculation unit In a fuel cell system in which at least a portion of exhaust gas can be resupplied to the anode region 62 of the fuel cell 12,
A control unit is provided, wherein the recirculation units 30, 34 are controlled by the control unit, and the control of the recirculation units 30, 34 is based on fuel gas utilization FU and / or the anode area ( Based on the oxygen to carbon ratio (O / C) of the fuel gas supplied to 62, in which case the amount of gas used in the anode region 62 to the anode region 62 as a fuel utilization rate (FU). The ratio of the amount of gas to be used is used, in which case the oxygen to carbon ratio (O / C) is the free and combined total oxygen to free and combined total of fuel gas supplied to the anode region 62 of the fuel cell 12. The ratio of carbon is used and the fuel gas utilization rate (FU) and / or the oxygen to carbon ratio (O / C) of the fuel gas supplied to the anode region 62 of the fuel cell 12 is determined by the fuel cell 12. and the basis of the temperature (T an) of the anode region 62, an open feed to the anode region 62 On the basis of the absolute humidity (aH) for the gas and / or fuel cell system, it characterized in that it is determined on the basis of the current (I) applied to the fuel cell 12.
상기 연료전지(12)의 애노드 영역(62)에서 배출된 애노드 배기가스가 상기 연료전지(12)의 연료 공급부(32)에 재공급되고, 재공급된 애노드 배기가스의 체적 유동은 상기 연료전지(12)의 상기 애노드 영역(62)의 온도(Tan)에 의존하여, 상기 연료전지(12)의 상기 애노드 영역(62)에 공급된 연료가스의 절대 습도(aH)에 의존하여 및/또는 상기 연료전지(12)에 인가되는 전류(I)에 의존하여 조절되는 것을 특징으로 하는 작동 방법.A method of operating a fuel cell system according to any one of claims 1 to 6,
The anode exhaust gas discharged from the anode region 62 of the fuel cell 12 is resupplied to the fuel supply part 32 of the fuel cell 12, and the volume flow of the anode exhaust gas supplied back is the fuel cell ( Depending on the temperature T an of the anode region 62 of 12), and / or depending on the absolute humidity aH of the fuel gas supplied to the anode region 62 of the fuel cell 12 And is controlled in dependence on the current (I) applied to the fuel cell (12).
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