KR-102960485-B1 - Polymer electrolyte membrane fuel cell system with improved heat recovery efficiency

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Abstract

본 발명은 열회수 효율이 향상된 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; 상기 스택부에서 발생하는 열을 회수 및 열교환이 가능하도록 구비된 냉각수열교환부; 및 상기 냉각수열교환부에 의해 가열된 초순수를 상기 스택부에 공급하는 초순수공급부;를 포함하는 것을 기술적 요지로 한다. 이에 의해 스택부로부터 배출되는 열을 회수하여 초순수를 가열할 수 있으며, 가열된 초순수를 다시 스택부에 공급하여 저전류밀도 및 고온에서 스택부의 운전이 가능한 효과를 얻을 수 있다.

Inventors

이성근
정재훈
최예준
정성문
박민지
박영민

Assignees

동아퓨얼셀주식회사

Dates

Publication Date: 20260506
Application Date: 20251024

Claims (3)

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; 상기 스택부에서 발생하는 열을 회수 및 열교환이 가능하도록 구비된 냉각수열교환부; 및 상기 냉각수열교환부에 의해 가열된 초순수를 상기 스택부에 공급하는 초순수공급부;를 포함하며, 상기 냉각수열교환부는, 냉각수가 저장된 냉각수탱크와, 상기 선택적산화반응부로부터 상기 스택부로 공급되는 제2개질가스와 상기 냉각수탱크로부터 공급되는 냉각수 간의 열교환이 이루어지는 제1열교환기와, 상기 스택부로부터 배출되어 상기 개질부로 공급되는 잔여가스와 상기 냉각수탱크로부터 공급되는 냉각수 간의 열교환이 이루어지는 제2열교환기와, 상기 스택부의 캐소드 후단에 설치되어 상기 캐소드로부터 발생하는 수증기와 상기 냉각수탱크로부터 공급되는 냉각수 간의 열교환이 이루어지는 제3열교환기와, 상기 제3열교환기에 의해 가열된 냉각수를 공급받아 상기 초순수공급부와 열교환하는 제4열교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 열회수 효율이 향상된 고분자 전해질막 연료전지 시스템.
삭제
제 1항에 있어서, 상기 스택부는, 0.25 내지 0.30A/㎠의 저전류밀도 조건 및 68 내지 73℃의 온도로 운전되는 것을 특징으로 하는 열회수 효율이 향상된 고분자 전해질막 연료전지 시스템.

Description

열회수 효율이 향상된 고분자 전해질막 연료전지 시스템{Polymer electrolyte membrane fuel cell system with improved heat recovery efficiency} 본 발명은 열회수 효율이 향상된 고분자 전해질막 연료전지 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 스택부로부터 배출되는 열을 회수하여 초순수를 가열할 수 있으며, 가열된 초순수를 다시 스택부에 공급하여 저전류밀도 및 고온에서 스택부의 운전이 가능한 열회수 효율이 향상된 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 연료전지 중 고분자전해질막 연료전지는 저온 운전이 가능하고 빠른 시동 특성으로 인해 건물용, 가정용 또는 분산형 발전 분야에서 널리 사용되고 있으며, 고분자전해질막 연료전지 발전시스템은 개질기(reformer), 스택(stack), 전력변환기(inverter), 주변보조기기(balance of plant, BOP) 등으로 구성된다. 고분자막 연료전지는 전류밀도가 높아짐에 따라 과전압이 증가하여 스택의 셀당 출력 전압이 감소하게 되며, 이로 인해 전기적 손실이 커져 전기효율이 낮아지는 경향이 있다. 반면, 전기화학 반응량이 증가함에 따라 생성되는 열이 많아져 열회수 측면에서는 효율이 높아진다는 특성이 있다. 다만, 전류밀도가 과도하게 높아질 경우 전해질막의 건조로 인한 성능 저하와 촉매의 열화가 발생하여 스택의 내구성이 저하되는 문제가 수반된다. 즉, 전기효율을 향상시키기 위해 전류밀도나 운전온도를 낮추면 열 발생량이 감소하여 열회수율이 저하되는 경우가 많아 두 효율을 동시에 만족시키는 조건을 찾기 어려운 한계가 존재한다. 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열회수 효율이 향상된 고분자 전해질막 연료전지 시스템의 구성도이고, 도 2는 종래기술에 따른 연료전지 시스템의 열효율 그래프이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 열효율 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 열회수 효율이 향상된 고분자 전해질막 연료전지 시스템의 구성도이고, 도 2는 종래기술에 따른 연료전지 시스템의 열효율 그래프이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 열효율 그래프이다. 본 발명의 실시예에 따른 열회수 효율이 향상된 고분자 전해질막 연료전지 시스템은, 도 1에 도시된 바와 같이 공기공급부(100), 개질부(200), 선택적산화반응부(300), 개질열회수부(400), 스택부(500), 냉각수열교환부(600) 및 초순수공급부(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 가장높은 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 감소된 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)로 유입되는 제1개질가스의 온도를 85 내지 90℃로 낮춰야 선택적산화반응부(300)에서 일산화탄소를 제거하는 효율이 최적화될 수 있다. 개질열회수부(400)는, 개질부(200)와 선택적산화반응부(300) 사이에 설치되며, 제1개질가스로부터 발생하는 열을 회수하여 제1개질가스의 온도를 낮춰 선택적산화반응부(300)에 공급하는 구성으로, 개질열교환기(410), 열회수유체라인(420), 온도센서(430), 열회수탱크(440), 유체펌프(450)를 포함한다. 개질열교환기(410)는, 개질부(200)와 선택적산화반응부(300) 사이에 설치되는 구성으로, 제1개질가스가 공급되는 개질가스라인(210)과 후술할 열회수유체라인(420