KR-102960480-B1 - Polymer electrolyte membrane fuel cell system with improved durability and thermal efficiency

KR102960480B1KR 102960480 B1KR102960480 B1KR 102960480B1KR-102960480-B1

Abstract

본 발명은 내구성 및 열효율이 개선된 고분자 전해질막 연료전지 시스템에 있어서, 공기를 공급하는 공기공급부; 액화천연가스(liguefied natural gas, LNG) 또는 액화석유가스(liguefied petroleum gas, LPG)와 물을 반응시켜 수소(H 2 )를 포함하는 제1개질가스를 생성하는 개질부; 상기 개질부로부터 상기 제1개질가스를 공급받아 일산화탄소(CO)가 감소된 제2개질가스를 생산하는 선택적산화반응부; 상기 개질부와 상기 선택적산화반응부 사이에 설치되며, 상기 제1개질가스로부터 발생하는 열을 회수하여 상기 제1개질가스의 온도를 낮춰 상기 선택적산화반응부에 공급하는 개질열회수부; 상기 공기공급부로부터 공기를 공급받고, 상기 선택적산화반응부로부터 상기 제2개질가스를 공급받아 전기 및 열을 생산하는 스택부; 및 상기 스택부에서 발생하는 열을 회수 및 열교환이 가능하도록 상기 스택부와 연결된 스택열교환부;를 포함하는 것을 기술적 요지로 한다. 이에 의해 개질부와 선택적산화반응부를 분리 구성하고, 그 사이에 열교환기를 설치하여 선택적산화반응부로 공급되는 개질가스의 온도를 정밀하게 제어함으로써 일산화탄소 전환률을 향상시키고, 연료전지 시스템의 내구성과 열효율을 동시에 개선할 수 있게 된다.

Inventors

이성근
정재훈
박민국
정성문
김상민
박민지
박영민

Assignees

동아퓨얼셀주식회사

Dates

Publication Date: 20260506
Application Date: 20250709

Claims (3)

공기를 공급하는 공기공급부; 액화천연가스(liguefied natural gas, LNG) 또는 액화석유가스(liguefied petroleum gas, LPG)의 메탄(CH 4 )과 물(H 2 O)을 반응시켜 중간개질가스를 생성하는 수증기개질반응부와, 상기 수증기개질반응부로부터 상기 중간개질가스를 전달받아 일산화탄소와 물을 반응시켜 수소(H 2 )를 포함하는 제1개질가스를 생성하는 수성가스전이반응부를 포함하는 개질부; 상기 개질부로부터 상기 제1개질가스를 공급받아 일산화탄소(CO)의 농도가 10ppm 이하로 감소된 제2개질가스를 생산하는 선택적산화반응부; 상기 개질부와 상기 선택적산화반응부 사이에 설치되며, 상기 제1개질가스로부터 발생하는 열을 회수하여 상기 제1개질가스의 온도를 85 내지 90℃로 낮춰 상기 선택적산화반응부에 공급하는 개질열회수부; 상기 공기공급부로부터 공기를 공급받고, 상기 선택적산화반응부로부터 상기 제2개질가스를 공급받아 전기 및 열을 생산하는 스택부; 및 상기 스택부에서 발생하는 열을 회수 및 열교환이 가능하도록 상기 스택부와 연결된 스택열교환부;를 포함하며, 상기 선택적산화반응부는, 85 내지 90℃의 상기 제1개질가스를 공급받아 120 내지 150℃의 운전온도로 구동되고, 상기 개질열회수부는, 상기 개질부와 상기 선택적산화반응부 사이에 설치되는 열교환기와, 상기 열교환기에 연결되어 내부에 냉각수가 흐르는 상태에서 상기 제1개질가스의 열을 회수하여 온도가 증가한 냉각수를 외부에 공급하는 열회수유체라인과, 상기 열교환기와 상기 선택적산화반응부 사이에 설치되어 상기 제1개질가스의 온도를 감지하는 온도센서와, 상기 열회수유체라인에 공급되는 냉각수를 저장하는 열회수탱크와, 상기 열회수탱크에 설치되어 상기 온도센서의 신호에 의해 냉각수의 공급을 조절하는 열회수펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 내구성 및 열효율이 개선된 고분자 전해질막 연료전지 시스템.
삭제
삭제

Description

내구성 및 열효율이 개선된 고분자 전해질막 연료전지 시스템{Polymer electrolyte membrane fuel cell system with improved durability and thermal efficiency} 본 발명은 내구성 및 열효율이 개선된 고분자 전해질막 연료전지 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 개질부와 선택적산화반응부를 분리 구성하고, 그 사이에 열교환기를 설치하여 선택적산화반응부로 공급되는 개질가스의 온도를 정밀하게 제어함으로써 일산화탄소 전환률을 향상시키고, 내구성과 열효율을 동시에 개선할 수 있는 내구성 및 열효율이 개선된 고분자 전해질막 연료전지 시스템에 관한 것이다. 연료전지(fuel cell)는 연료가 산화하며 생성되는 화학에너지를 공기 중의 산소와 전기화학적인 방법으로 결합하여 물, 전기 및 열을 생산하는 것으로, 직접 발전 방식으로 이루어진 발전장치에 해당한다. 즉, 이차전지 등과 같은 기존의 전지는 에너지 저장장치로써 저장된 화학물질을 소모하면서 전기를 공급하는 원리이지만, 연료전지의 경우 수소와 산소를 외부에서 공급받아 전기를 발생시키는 원리이다. 이러한 연료전지는 직접 발전 방식이기 때문에 에너지 변환 효율이 높고 연소과정이 없어 오염물질 발생이나 소음, 진동 등 공해요인도 기존의 전지에 비해 적다는 이점이 있다. 이와 같은 연료전지를 적용한 연료전지 발전시스템은 개질기(reformer), 스택(stack), 전력변환기(inverter), 주변보조기기(BOP: balance of plant) 등으로 구성되어 있다. 이 중 개질기는 화학연료로부터 수소를 포함한 개질가스를 발생시키는 장치이고, 스택은 원하는 전기출력을 얻기 위해 단위전지를 수십 장에서 수백 장까지 직렬로 쌓아올린 본체이며, 전력변환기는 연료전지에서 나오는 직류전원을 우리가 사용하는 교류로 변환시키는 장치이다. 일반적으로 건물에 적용되는 건물용 고분자 전해질막 연료전지 시스템의 경우, 천연가스(liguefied natural gas, LNG) 등 탄화수소 연료의 개질을 통해 수소를 생산하여 이를 공급하게 된다. 여기서 천연가스 개질의 경우 수증기 개질반응, 수성가스 전이반응, 선택적 산화반응과 같이 3가지의 반응이 일어나게 되며, 그 중 천연가스의 수증기 개질반응과 수성가스 전이반응을 거치게 되면 0.5부피% 정도의 일산화탄소(CO)를 포함하는 개질가스를 얻을 수 있게 된다. 이때 개질가스는 이후 스택의 백금촉매를 비활성화 하여 일산화탄소를 10ppm 이하로 제거한 상태로 공급해야 하며, 이에 개질가스 내의 일산화탄소 제거를 위해 선택적 산화반응기를 추가로 설치하게 된다. 선택적 산화반응기는 반응 온도가 매우 중요한데, 일반적으로 120 내지 150℃의 반응온도 조건에서 일산화탄소 전환과 관련하여 높은 선택도를 가진다. 하지만 선택적 산화반응기의 경우 강한 발열 반응으로 인해 온도 제어가 불안정하여 과열로 인한 촉매 열화, 과냉으로 인한 반응 불완전 등의 문제가 있다. 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고분자 전해질막 연료전지 시스템의 구성도이고, 도 2는 개질열회수부를 설치하지 않은 연료전지 시스템의 온도를 나타낸 그래프이고, 도 3은 개질열회수부를 설치한 연료전지 시스템의 온도를 나타낸 그래프이다. 이하, 본 발명의 기술적 사상을 첨부된 도면을 사용하여 더욱 구체적으로 설명한다. 첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 더욱 구체적으로 설명하기 위하여 도시한 일예에 불과하므로 본 발명의 기술적 사상이 첨부된 도면의 형태에 한정되는 것은 아니다. 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고분자 전해질막 연료전지 시스템의 구성도이고, 도 2는 개질열회수부를 설치하지 않은 연료전지 시스템의 온도를 나타낸 그래프이고, 도 3은 개질열회수부를 설치한 연료전지 시스템의 온도를 나타낸 그래프이다. 본 발명의 실시예에 따른 내구성 및 열효율이 개선된 고분자 전해질막 연료전지 시스템(10)은, 도 1에 도시된 바와 같이 공기공급부(100), 개질부(200), 선택적산화반응부(300), 개질열회수부(400), 스택부(500), 전력변환부(미도시), 스택열교환부(600) 및 제어부(700)를 포함한다. 먼저 공기공급부(100)는, 공기를 공급하는 구성으로, 후술할 개질부(200)에 버너용 공기를 공급하고, 또한 후술할 선택적산화반응부(300) 및 스택부(500)에도 공기를 공급하는 역할을 한다. 상세하게는 공기공급부(100)를 통해 개질부(200)에는 버너 연소용 공기가 공급되며, 선택적산화반응부(300) 및 스택부(500)에는 반응물로써 공기가 공급되는 것이다. 이러한 공기공급부(100)는 개질부(200)에 공기를 공급함에 의해 공기 내에 존재하는 산소와 개질부(200)로부터 공급되는 수소 간의 반응을 통해 스택부(500)에서 전기 및 열을 생산하게 되는 것이다. 개질부(200)는, 액화천연가스(liguefied natural gas, LNG) 또는 액화석유가스(liguefied petroleum gas, LPG)와 물을 반응시켜 수소를 포함하는 제1개질가스를 생성하는 구성에 해당한다. 여기서 제1개질가스는 수소가 주 성분으로 이루어진 가스를 의미하며, 상세하게는 수소(H2) 약 78부피%, 이산화탄소(CO2) 약 20부피%, 메탄(CH4) 약 1.5부피%, 소량의 질소(N2) 및 소량의 일산화탄소(CO)를 포함하도록 개질되는 가스를 의미한다. 이러한 개질부(200)는 외부로부터 LNG 또는 LPG를 공급받아 제1개질가스로 전환시키고, 전환된 제1개질가스를 후술할 선택적산화반응부(300)에 공급하는 역할을 한다. 이때 개질부(200)는 온도가 높은 스팀 형태의 물과 LNG 또는 LPG를 반응시켜 제1개질가스로 전환시키게 되며, 이 과정 중 발생할 수 있는 열은 후술할 개질열회수부(400)에 전달될 수 있다. 여기서 LNG는 도시가스에 해당될 수 있으나 이에 한정되지는 않는다. 이와 같은 개질부(200)는 수증기개질반응부(미도시) 및 수성가스전이반응부(미도시)를 포함한다. 수증기개질반응부(steam reforming, SR)는, 액화천연가스 또는 액화석유가스의 메탄과 물을 반응시켜 중간개질가스를 생성하는 구성으로, 상세하게는 메탄 1mol과 물 1mol을 반응시켜 수소 3mol을 생성하는 것으로, 수소 수율이 가장 높은 중간개질가스를 생산하는 반응에 해당한다. 이는 하기의 화학식 1 및 화학식 2를 통해 수소의 생성이 이루어지며, 반응을 통해 생성되는 중간개질가스는 LNG 또는 LPG에 비해 이산화탄소가 약 10부피%, 일산화탄소가 약 10부피% 증가한 상태가 된다. [화학식 1] CH4 + H2O → CO + 3H2, △H = + 49.7 kcal/mol [화학식 2] CO + H2O → CO2 + H2, △H = - 10kal/mol 이와 같이 수증기개질반응부에서 일어나는 반응은 강한 흡열반응이기 때문에 지속적으로 열을 공급해야 하며, 또한 물을 스팀화하여 공급해야 하기 때문에 많은 열을 필요로 한다. 따라서 수증기개질반응부는 700 내지 800℃의 고온에서 구동이 이루어지게 된다. 수성가스전이반응부(water gas shift, WGS)는, 수증기개질반응부로부터 중간개질가스를 전달받아 일산화탄소와 물을 반응시켜 이산화탄소를 생성하는 구성으로, 하기의 화학식 3과 같이 발열반응이 일어나게 된다. [화학식 3] CO + H2O → CO2 + H2, △H = - 10kal/mol 즉, 수성가스전이반응부를 통해 일산화탄소 1mol과 물 1mol이 반응하여 이산화탄소로 전환될 수 있으며, 이를 통해 일산화탄소가 0.2 내지 1부피%로 이루어진 제1개질가스를 얻게 된다. 이때 수성가스전이반응부는 고온형일 경우 운전온도가 300 내지 400℃이고, 저온형일 경우 200 내지 300℃로 구동이 이루어지게 된다. 종래의 개질부는 수증기개질반응부, 수성가스전이반응부 및 선택적산화반응부가 모두 포함된 상태에서 개질가스의 생성이 이루어지나, 수증기개질반응부 및 수성가스전이반응부는 고온에서서 구동이 이루어지기 때문에 선택적산화반응부의 온도 제어가 불안정하다는 문제점이 있다. 따라서 본 발명에서는 개질부(200)로부터 선택적산화반응부(300)를 분리한다. 선택적산화반응부(preferential CO oxidation, PrOx, 300)는, 개질부(200)로부터 제1개질가스를 공급받아 일산화탄소가 감소된 제2개질가스를 생산하는 구성에 해당한다. 개질기(200)로부터 공급받은 제1개질가스는 일산화탄소가 0.2 내지 1부피%를 포함하고 있는데, 일산화탄소가 존재하게 되면 후술할 스택부(500)에 존재하는 백금촉매가 일산화탄소에 의해 피독되어 비가역적인 성능저하를 초래한다. 따라서 선택적산화반응부(300)를 통해 하기의 화학식 4 및 화학식 5의 반응을 발생시키며, 이를 통해 제1개질가스에 존재하는 일산화탄소의 농도를 10ppm 이하로 감소시킨 제2개질가스를 생성하게 된다. [화학식 4] CO + 1/2O2 → CO2, △H = - 67.6 kcal/mol [화학식 5] H2 + 1/2O2 → H2O, △H = - 68.3 kcal/mol 상세하게는 일산화탄소 1mol과 산소 1/2mol이 반응하여 이산화탄소로 전환되며, 이때 생성된 수소도 이후의 반응에 사용될 수 있다. 이와 같은 선택적산화반응부(300)는 수소 대신 일산화탄소만 선택적으로 반응하여 일산화탄소를 제거할 수 있게 되는 것이다. 이때 선택적산화반응부(300)의 운전온도는 120 내지 150℃로 구동이 이루어져야 하는데, 해당 운전온도는 일산화탄소 전환과 관련하여 높은 선택도를 가지는 온도에 해당한다. 만약 선택적산화반응부(300)의 운전온도가 150℃ 초과할 경우 온도 제어가 불안정하며 과열로 인한 촉매의 열화가 발생할 수 있고, 일산화탄소와 수소가 반응하여 메탄화반응(methanation reaction, MET)이 발생할 우려가 있다. 또한, 선택적산화반응부(300)의 운전온도가 120℃ 미만일 경우 과냉으로 인한 반응 불완전 등의 문제가 발생할 수 있다. 다만 선택적산화반응부(300) 내에서 일산화탄소를 제거하는 반응은 강한 발열반응이기 때문에 실질적으로 유입되는 제1개질가스의 온도는 그보다 더 낮아야 한다. 따라서 선택적산화반응부(300)