KR101276677B1 - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 탄화수소 계열의 연료와 물 및 공기를 이용하여 수소를 생산하도록 형성되며 개질반응을 일으키는 자열개질반응기와 상기 자열개질반응기에서 생성되는 일산화탄소를 감소시키는 고온수성가스전환반응기 사이에 배치되는 제1열교환기 및 상기 고온수성가스전환반응기와 상기 고온수성가스전환반응기보다 낮은 작동온도를 갖는 저온수성가스전환반응기 사이에 배치되는 제2열교환기를 구비하는 연료개질기, 및 복수의 밸브를 통하여 물펌프로부터 상기 제1 및 제2열교환기로 공급되는 물의 유량을 개별적으로 제어하도록 형성되는 밸브 어셈블리를 포함하는 연료전지 시스템을 제공한다.The present invention is formed to produce hydrogen using a hydrocarbon-based fuel, water and air, and is disposed between an autothermal reforming reactor that causes a reforming reaction and a hot water gas shift reactor that reduces carbon monoxide generated in the autothermal reforming reactor. A fuel reformer having a heat exchanger and a second heat exchanger disposed between the hot water gas shift reactor and a cold water gas shift reactor having a lower operating temperature than the hot water gas shift reactor, and a plurality of valves from the water pump. It provides a fuel cell system including a valve assembly that is configured to individually control the flow rate of water supplied to the first and second heat exchanger.
Description
본 발명은 연료개질기를 구비하는 연료전지 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell system having a fuel reformer.
연료전지 시스템에서 사용하는 연료개질기는 천연가스, 메탄, 가솔린, 디젤 등과 같은 탄화수소 계열의 연료로부터 수소를 생산하는 장치를 말한다. 연료개질기에서 생성된 수소는 연료전지로 공급되고, 공급된 수소는 연료전지 스택에서 공기 중에 산소와 반응하여 전기를 발생시킨다.The fuel reformer used in the fuel cell system refers to a device for producing hydrogen from hydrocarbon-based fuels such as natural gas, methane, gasoline, and diesel. Hydrogen generated in the fuel reformer is supplied to the fuel cell, and the supplied hydrogen reacts with oxygen in the air in the fuel cell stack to generate electricity.
연료개질기에는 크게 반응 방법에 따라 수증기개질, 부분산화개질, 자열개질 방법으로 구분할 수 있다. 수증기개질은 탄화수소 계열의 연료와 물을 반응기에 공급하여 촉매 반응을 일으키는 방식으로 흡열반응이다. 따라서 외부에서 추가적인 열을 공급해야만 반응기의 온도가 유지될 수 있다. 부분산화개질은 탄화수소 계열의 연료와 공기를 반응기에 공급하여 촉매반응을 일으키는 방식으로 발열반응이다. 따라서 외부의 냉각장치를 통해 열을 제거해 주어야 반응기 온도를 유지시킬 수 있다. 자열개질은 수증기개질과 부분산화개질의 혼합 방식으로 탄화수소계열 연료, 물, 공기를 함께 반응기에 공급하여 촉매반응을 일으키는 방식이다. 따라서 촉매반응으로 발생하는 열은 물과 공기의 양으로 제어할 수 있으므로 설계자가 원하는 온도에서 반응기를 운전할 수 있다.Fuel reformers can be classified into steam reforming, partial oxidation reforming, and autothermal reforming depending on the reaction method. Steam reforming is an endothermic reaction in which a hydrocarbon-based fuel and water are fed to a reactor to cause a catalytic reaction. Therefore, the temperature of the reactor can be maintained only by supplying additional heat from the outside. Partial oxidation reforming is an exothermic reaction in which a hydrocarbon-based fuel and air are supplied to a reactor to cause a catalytic reaction. Therefore, the heat must be removed through an external cooling system to maintain the reactor temperature. Autothermal reforming is a method of mixing the steam reforming and the partial oxidation reforming and catalyzing the reaction by supplying hydrocarbon-based fuel, water and air together to the reactor. Therefore, the heat generated by the catalytic reaction can be controlled by the amount of water and air, so the designer can operate the reactor at the desired temperature.
자열개질, 수증기개질, 부분산화개질 방법에 의해서 개질된 생성물에는 다량의 일산화탄소가 포함되어 있다. 고분자 전해질 연료전지 경우에는 전극막집합체(MEA: Membrane Electrolyte Assembly)에 다량의 백금 촉매가 사용되므로 일산화탄소가 유입되면 촉매가 피독된다. 촉매가 피독되면 연료전지 스택의 성능은 급격히 떨어진다. 따라서 연료개질기에서 개질된 생성물에는 일산화탄소가 ppm 단위 이하로 유지되어야 하므로, 자열개질반응기, 수증기개질반응기 또는 부분산화개질반응기 이후에는 일산화탄소를 감소시키기 위한 추가적인 반응기인 고온수성가스전환(HTS: High Temperature water gas Shift)반응기, 저온수성가스전환(LTS: Low Temperature water gas Shift)반응기, 선택적산화(PrOx: Preferential Oxidation)반응기가 필요하다. 그러나 고온형 고분자 전해질 연료전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell), 융융 탄산염 연료전지(MCFC: Molten Carbonated Fuel Cell), 고체 산화물 연료전지(SOFC: Solid Oxide Fuel Cell)의 경우에는 섭씨 150도 이상의 온도에서 동작하므로 선택적산화반응기가 불필요할 수도 있다.Products modified by autothermal reforming, steam reforming, and partial oxidation reforming contain large amounts of carbon monoxide. In the case of a polymer electrolyte fuel cell, since a large amount of platinum catalyst is used in an electrode membrane assembly (MEA), the catalyst is poisoned when carbon monoxide is introduced. When the catalyst is poisoned, the performance of the fuel cell stack drops drastically. Therefore, the carbon reformed product in the fuel reformer should be kept at a ppm or less unit, so after the autothermal reformer, steam reformer or partial oxidation reformer, an additional reactor for reducing carbon monoxide (HTS) is used. gas shift reactors, low temperature water gas shift (LTS) reactors, and Preferential Oxidation (PrOx) reactors are required. However, in the case of high temperature polymer electrolyte fuel cells (PEMFC), molten carbonate fuel cells (MCFC), and solid oxide fuel cells (SOFC), temperatures of more than 150 degrees Celsius It may be unnecessary to use a selective oxidation reactor because
앞서 설명하였듯이 자열개질 반응이 일어나기 위해서는 탄화수소 계열의 연료와 함께 물과 공기가 필요하다. 반응기 공급되는 연료, 물, 공기는 연료 대비 물의 비율인 SCR(Steam to Carbon Ratio)과 연료 대비 공기의 비율인 OCR(Oxygen to Carbon Ratio)로 표현될 수 있다. 자열개질반응기가 원하는 온도에서 일정한 온도를 유지하면서 다량의 수소를 생산하기 위해서는 최적의 SCR과 OCR이 요구된다. 보통 공기는 블로어를 통해 요구되는 공기량만큼 공급된다. 또한 물은 펌프를 통해 원하는 양만큼 공급될 수 있다. 자열개질기 최적의 반응온도는 연료에 따라 다르겠지만, 대체로 섭씨 650~850도 에서 운전되며, 탄화수소계열의 연료는 촉매 반응에 의해 다량의 수소와 소량의 일산화탄소, 이산화탄소 등으로 구성된 반응물로 분해된다.As described above, autothermal reforming reactions require water and air together with hydrocarbon-based fuels. The fuel, water, and air supplied to the reactor may be expressed as a steam to carbon ratio (SCR), which is a ratio of water to fuel, and an oxygen to carbon ratio (OCR), which is a ratio of air to fuel. Optimum SCR and OCR are required for the autothermal reforming reactor to produce a large amount of hydrogen while maintaining a constant temperature at a desired temperature. Normally air is supplied through the blower to the required amount of air. Water can also be supplied in the desired amount via a pump. The optimum reaction temperature of autothermal reformer varies depending on the fuel, but it is generally operated at 650 ~ 850 degrees Celsius, and hydrocarbon-based fuel is decomposed into reactants composed of a large amount of hydrogen, a small amount of carbon monoxide and carbon dioxide by catalytic reaction.
연료개질기의 효율을 증가시키기 위해서는 각 반응기 사이에서 불필요하게 버려지는 열을 연료개질기에 공급되는 공기와 물의 매체를 통해 에너지를 회수하여야 한다. 보통 물은 공기에 비하여 비열이 크기 때문에 열교환기의 2차 유체로서 많이 사용된다.In order to increase the efficiency of the fuel reformer, it is necessary to recover the energy through the medium of air and water supplied to the fuel reformer to dissipate unnecessary heat between the reactors. Usually, water is used as a secondary fluid of a heat exchanger because it has a higher specific heat than air.
연료개질기의 설계에 있어서, 자열개질반응기에 공급되는 물과 공기의 공급 경로, 즉 물과 공기가 열교환기를 거쳐 가는 경로가 중요한 변수 중에 하나이다. 이와 관련된 특허와 논문도 많이 제안된 바 있다.In the design of the fuel reformer, the path of water and air supplied to the autothermal reforming reactor, that is, the path of water and air passing through the heat exchanger, is one of the important variables. Many patents and papers have been proposed.
그러나 대부분의 연료개질기의 경우에는 반응기 사이에 장착되는 열교환기들은 물과 공기 배관을 통하여 열적으로 직렬로 연결되어 있다. 이러한 연결 구조 때문에 각 반응기의 입구온도를 동시에 만족하기가 어려웠다. 모든 열교환기의 온도 제어점은 링크되어 있으므로 한쪽 반응기의 온도를 맞추기 위하여 열교환기에 공급되는 유량을 변화시키면 나머지 열교환기에 공급되는 유량도 변화하기 때문에 반응기 온도를 단독 제어 하기가 어려웠다. 특히, 블로어나 펌프에서 순간적으로 발생하는 오작동이 발생할 경우 일정온도를 유지하는 제어 알고리즘을 적용하기가 난해하였다. 또한 외부 대기의 온도가 변화하게 되면, 자열개질 반응기에 공급되는 물과 공기의 온도도 변화하기 때문에 각 반응기의 온도 역시 변화될 수 밖에 없었다. 이와 같이, 반응기의 온도를 제대로 제어하지 못하면 연료개질기의 생성물 중 수소와 일산화탄소 농도가 변화하여 연료전지 스택에 수소를 공급할 수 없는 상황이 발생할 수 있다.However, in most fuel reformers, the heat exchangers mounted between the reactors are thermally connected in series via water and air piping. Because of this connection structure, it was difficult to simultaneously satisfy the inlet temperature of each reactor. Since the temperature control points of all the heat exchangers were linked, it was difficult to control the reactor temperature alone because changing the flow rate supplied to the heat exchanger to change the temperature of one reactor changed the flow rate to the other heat exchanger. In particular, it is difficult to apply a control algorithm that maintains a constant temperature in the event of a malfunction in the blower or pump. In addition, when the temperature of the external atmosphere changes, the temperature of each reactor also had to change because the temperature of water and air supplied to the autothermal reforming reactor also changed. As such, when the temperature of the reactor is not properly controlled, a situation in which hydrogen and carbon monoxide concentrations in the product of the fuel reformer are changed may not supply hydrogen to the fuel cell stack.
본 발명은 연료개질기 내의 각 반응기의 온도를 독립적으로 제어할 수 있는 연료전지 시스템을 제공하는 데에 그 목적이 있다.It is an object of the present invention to provide a fuel cell system capable of independently controlling the temperature of each reactor in a fuel reformer.
상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명의 일 실시예와 관련된 연료전지 시스템은, 탄화수소 계열의 연료와 물 및 공기를 이용하여 수소를 생산하도록 형성되며 개질반응을 일으키는 자열개질반응기와 상기 자열개질반응기에서 생성되는 일산화탄소를 감소시키는 고온수성가스전환반응기 사이에 배치되는 제1열교환기 및 상기 고온수성가스전환반응기와 상기 고온수성가스전환반응기보다 낮은 작동온도를 갖는 저온수성가스전환반응기 사이에 배치되는 제2열교환기를 구비하는 연료개질기, 및 복수의 밸브를 통하여 물펌프로부터 상기 제1 및 제2열교환기로 공급되는 물의 유량을 개별적으로 제어하도록 형성되는 밸브 어셈블리를 포함한다.The fuel cell system according to an embodiment of the present invention for realizing the above object, in the autothermal reforming reactor and the autothermal reforming reactor is formed to produce hydrogen using a hydrocarbon-based fuel, water and air A first heat exchanger disposed between the high temperature water gas shift reactor and a second low temperature water gas shift reactor having a lower operating temperature than the high temperature water gas shift reactor. A fuel reformer having a heat exchanger, and a valve assembly configured to individually control the flow rates of water supplied from the water pump to the first and second heat exchangers through a plurality of valves.
아울러, 상기 연료전지 시스템은, 상기 연료개질기에서 생성되는 수소와 공기 중의 산소를 이용하여 전기를 발생시키도록 형성되는 연료전지 스택과, 상기 연료전지 스택에서 반응하지 못하고 남은 연료를 연소시키도록 형성되는 ATO(Anode Tail-gas Oxidizer), 및 블로어로부터 공급되는 공기와 상기 제1 및 제2열교환기를 거쳐 승온된 수증기 및 상기 밸브 어셈블리를 통하여 상기 연료개질기의 외부로 우회시킨 물이 혼합된 반응물을 상기 ATO를 통과한 가스와 열교환시키며 승온된 상기 반응물이 상기 연료개질기로 공급되도록 구성되는 제3열교환기를 더 포함할 수 있다.In addition, the fuel cell system includes a fuel cell stack configured to generate electricity using hydrogen generated in the fuel reformer and oxygen in air, and a fuel cell stack configured to burn fuel remaining unreacted in the fuel cell stack. ATO (Anode Tail-gas Oxidizer), and the reactant is a mixture of the air supplied from the blower, the water vapor heated up through the first and second heat exchanger and the water bypassed to the outside of the fuel reformer through the valve assembly The heat exchanger may further include a third heat exchanger configured to supply heat to the fuel reformer while heat-exchanging with the gas passed through.
본 발명과 관련된 일 예에 따르면, 상기 연료전지 시스템은, 상기 자열개질반응기와 상기 고온수성가스전환반응기 및 상기 저온수성가스전환반응기의 온도를 각각 제어하기 위하여 상기 복수의 밸브 각각의 개폐를 제어하는 제어부를 더 포함한다.According to an example related to the present invention, the fuel cell system may control opening and closing of each of the plurality of valves to control temperatures of the autothermal reforming reactor, the high temperature water gas shift reactor, and the low temperature water gas shift reactor, respectively. It further comprises a control unit.
상기 연료전지 시스템은, 상기 고온수성가스전환반응기와 상기 저온수성가스전환반응기의 입구에 각각 설치되어 온도를 감지하도록 형성되는 온도감지센서를 더 포함할 수 있으며, 상기 제어부는 상기 온도감지센서에서 측정된 온도를 이용하여 상기 복수의 밸브의 개폐를 제어하도록 형성될 수 있다.The fuel cell system may further include a temperature sensor installed at each inlet of the high temperature water gas shift reactor and the low temperature water gas shift reactor to sense a temperature, and the control unit measures the temperature sensor. It can be formed to control the opening and closing of the plurality of valves using the temperature.
또한, 상기 제어부는 상기 연료개질기의 외부로 우회시킨 물을 버퍼로 하여 제어하도록 형성될 수 있다.The controller may be configured to control the water bypassed to the outside of the fuel reformer as a buffer.
본 발명과 관련된 다른 일 예에 따르면, 상기 연료전지 시스템은, 상기 자열개질반응기와 상기 제1열교환기 사이에 배치되어 황을 제거하도록 형성되는 탈황기, 및 상기 자열개질반응기와 상기 탈황기 사이에 배치되고 상기 밸브 어셈블리에 의하여 공급되는 물의 유량이 제어되는 제4열교환기를 더 포함한다.According to another example related to the present invention, the fuel cell system includes a desulfurizer disposed between the autothermal reformer and the first heat exchanger to remove sulfur, and between the autothermal reformer and the desulfurizer. And a fourth heat exchanger disposed and controlled to control the flow rate of the water supplied by the valve assembly.
상기 연료전지 시스템은, 상기 저온수성가스전환반응기와 상기 연료전지 스택 사이에 배치되고 상기 밸브 어셈블리에 의하여 공급되는 물의 유량이 제어되는 제5열교환기를 더 포함할 수 있다.The fuel cell system may further include a fifth heat exchanger disposed between the low temperature water gas shift reactor and the fuel cell stack and configured to control a flow rate of water supplied by the valve assembly.
또한, 상기 연료전지 시스템은, 상기 제5열교환기와 상기 연료전지 스택 사이에 배치되는 선택적 산화반응기를 더 포함할 수 있다.The fuel cell system may further include a selective oxidation reactor disposed between the fifth heat exchanger and the fuel cell stack.
본 발명과 관련된 또 다른 일 예에 따르면, 상기 연료개질기는 상기 제3열교환기를 거쳐 승온된 반응물을 연료펌프로부터 공급되는 탄화수소 계열의 연료와 혼합시키도록 형성되는 혼합기를 더 구비한다.According to another example related to the present invention, the fuel reformer further includes a mixer configured to mix the reactant heated through the third heat exchanger with a hydrocarbon-based fuel supplied from a fuel pump.
아울러, 본 발명은, 탄화수소 계열의 연료와 물 및 공기를 이용하여 수소를 생산하도록 형성되며 순차적으로 연결되는 자열개질반응기와 제1열교환기와 고온수성가스전환반응기와 제2열교환기와 저온수성가스전환반응기 및 제3열교환기를 구비하는 연료개질기와, 상기 연료개질기에서 생성된 수소와 공기 중의 산소를 이용하여 전기를 발생시키도록 형성되는 연료전지 스택과, 상기 연료전지 스택에서 반응하지 못하고 남겨진 연료를 연소시키도록 형성되는 ATO(Anode Tail-gas Oxidizer)와, 복수의 밸브를 통하여 물펌프로부터 공급되는 물의 일부를 상기 제1 내지 제3열교환기로 각각 공급하고 나머지 일부를 상기 연료개질기의 외부로 우회시키도록 형성되는 밸브 어셈블리, 및 블로어로부터 공급되는 공기와 상기 제1 내지 제3열교환기를 거쳐 승온된 각각의 수증기 및 상기 연료개질기의 외부로 우회시킨 물이 혼합된 반응물을 상기 ATO에서 발생한 열과 열교환시키며 승온된 상기 반응물이 상기 연료개질기로 공급되도록 구성되는 제4열교환기를 포함하는 연료전지 시스템을 제안한다.In addition, the present invention is formed to produce hydrogen using a hydrocarbon-based fuel, water, and air, and are sequentially connected to the autothermal reforming reactor, the first heat exchanger and the high temperature water gas shift reactor, the second heat exchanger and the low temperature water gas shift reactor And a fuel reformer having a third heat exchanger, a fuel cell stack configured to generate electricity by using hydrogen generated in the fuel reformer and oxygen in air, and to burn fuel left unreacted in the fuel cell stack. ATO (Anode Tail-gas Oxidizer) and a portion of the water supplied from the water pump through a plurality of valves to each of the first to third heat exchangers are formed to bypass the rest of the fuel reformer A valve assembly, and each of which is heated up through the air supplied from the blower and the first to third heat exchangers. It proposes a water vapor and a fuel cell system in which the reactants are mixed outside the reaction water was bypassed to the fuel reformer with the heat generated in the heat exchange ATO sikimyeo elevated temperature comprising a fourth heat exchanger configured to be supplied to the fuel reformer.
또한, 상기한 과제를 실현하기 위하여 본 발명은, 탄화수소 계열의 연료와 물을 이용하여 수소를 생산하도록 형성되며 개질반응을 일으키는 수증기개질반응기와 상기 수증기개질반응기에서 생성되는 일산화탄소를 감소시키는 고온수성가스전환반응기 사이에 배치되는 제1열교환기 및 상기 고온수성가스전환반응기와 상기 고온수성가스전환반응기보다 낮은 작동온도를 갖는 저온수성가스전환반응기 사이에 배치되는 제2열교환기를 구비하는 연료개질기, 및 복수의 밸브를 통하여 물펌프로부터 상기 제1 및 제2열교환기로 공급되는 물의 유량을 개별적으로 제어하도록 형성되는 밸브 어셈블리를 포함하는 연료전지 시스템을 개시한다.In addition, in order to realize the above object, the present invention is formed to produce hydrogen using a hydrocarbon-based fuel and water, a high temperature water gas to reduce the carbon monoxide generated in the steam reforming reactor and the steam reforming reactor to cause a reforming reaction. A fuel reformer having a first heat exchanger disposed between a conversion reactor and a second heat exchanger disposed between the hot water gas conversion reactor and a low temperature water gas conversion reactor having a lower operating temperature than the hot water gas conversion reactor, and a plurality of Disclosed is a fuel cell system including a valve assembly configured to individually control a flow rate of water supplied from a water pump to the first and second heat exchangers through a valve of.
상기와 같은 구성의 연료전지 시스템은 기존의 연료개질기 구조 대비 반응기의 온도를 효과적으로 유지할 수 있을 뿐만 아니라, 반응물의 온도도 효과적으로 높일 수 있다는 장점이 있다. 또한, 만약 블로어 및 펌프 오작동에 따른 외란에 의해서 SCR 또는 OCR이 변화하거나, 여름, 겨울 등과 같은 외부온도 조건에 변화가 있다 하더라도, 본 특허에서 제안한 연료전지 시스템에 의하여 반응기의 온도가 일정하게 유지될 수 있다. 뿐만 아니라, 동시에 효과적으로 열을 회수할 수 있으므로 연료전지 시스템의 효율 상승도 기대할 수 있다.The fuel cell system configured as described above has the advantage that it can effectively maintain the temperature of the reactor compared to the conventional fuel reformer structure, and also effectively increase the temperature of the reactants. In addition, even if the SCR or OCR changes due to disturbance due to blower and pump malfunction, or changes in external temperature conditions such as summer and winter, the temperature of the reactor may be kept constant by the fuel cell system proposed in the present patent. Can be. In addition, since heat can be effectively recovered at the same time, an increase in efficiency of the fuel cell system can be expected.
특히 본 발명에 의하면, 연료개질기의 부하추종, 시동, 정지 등과 같은 동적 운전 시 효과적으로 반응기의 온도를 제어할 수 있으므로, 연료개질기의 높은 안정성 및 운용성이 기대될 수 있다.In particular, according to the present invention, since the temperature of the reactor can be effectively controlled during dynamic operation such as load tracking, starting, stopping, etc. of the fuel reformer, high stability and operability of the fuel reformer can be expected.
도 1은 본 발명과 관련된 연료전지 시스템의 일 예를 보인 개념도.
도 2는 본 발명과 관련된 연료전지 시스템의 다른 일 예를 보인 개념도.1 is a conceptual diagram showing an example of a fuel cell system related to the present invention.
2 is a conceptual view showing another example of a fuel cell system related to the present invention.
이하, 본 발명에 관련된 연료전지 시스템에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, a fuel cell system according to the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.
본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일·유사한 구성에 대해서는 동일·유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다.In the present specification, the same or similar reference numerals are given to different embodiments in the same or similar configurations. As used herein, the singular forms "a", "an" and "the" include plural forms unless the context clearly indicates otherwise.
도 1은 본 발명과 관련된 연료전지 시스템(100)의 일 예를 보인 개념도이다.1 is a conceptual diagram illustrating an example of a
도 1을 참조하면, 연료전지 시스템(100)에 대한 구성 및 작동은 다음과 같다.Referring to FIG. 1, the configuration and operation of the
연료펌프(110) 및 물펌프(120)는 각각 연료개질기(140)에 탄화수소 계열의 연료(11) 및 물(12)을 공급하도록 이루어진다. 본 도면에서는 이에 더하여 블로어(130)가 연료개질기(140)에 공기(13)를 공급하도록 이루어져, 연료개질기(140)가 자열개질 반응을 일으킬 수 있도록 구성된 것을 보이고 있다.The
연료개질기(140)는 연료(11), 물(12) 및 공기[13, 공기(13)는 연료개질기(140)가 수증기개질 반응을 일으키도록 구성된 경우 제외될 수 있다]를 공급받아 수소가 풍부한 생성물(14)을 만들도록 형성된다. 연료개질기(140)는 순차적으로 연결되는 개질반응기(142), 제1열교환기(190a), 고온수성가스전환반응기(144), 제2열교환기(190b) 및 저온수성가스전환반응기(145)를 구비한다. 본 도면에서는 개질반응기(142)가 자열개질반응기(ATR: Auto-Thermal Reformer)로 구성된 것을 보이고 있다. 그러나 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 개질반응기(142)는 수증기개질반응기(SR: Steam Reformer)로 구성될 수도 있다.The
자열개질반응기(142)의 후단에 설치되는 고온수성가스전환반응기(144)는 자열개질반응 후에 생성된 일산화탄소를 물과 반응시켜 수소와 이산화탄소로 변환시켜주는 반응기로서, 보통 자열개질반응기(142)보다 약 섭씨 100~200도 정도 낮은 온도에서 운전된다. 따라서, 자열개질반응기(142)와 고온수성가스전환반응기(144) 사이에는 열을 회수하면서 고온수성가스전환반응기(144)가 동작되는 입구온도를 맞출 수 있도록 제1열교환기(190a)가 설치된다. 제1열교환기(190a)의 2차측에는 물이 공급되어 원하는 고온수성가스전환반응기(144)의 입구온도를 만족시킬 수 있도록 이루어지며, 자열개질반응기(142) 후단에서 제거되는 열로 물을 증발시킬 수 있도록 형성된다.The hot water
고온수성가스전환반응기(144)의 후단에는 일산화탄소의 농도를 더 낮추기 위하여 보다 낮은 온도에서 고온수성가스전환반응기(144)와 동일한 기능을 수행하는 저온수성가스전환반응기(145)가 장착된다. 저온수성가스전환반응기(145)는 고온수성가스전환반응기(144)보다 작동온도가 낮기 때문에 고온수성가스전환반응기(144)와 저온수성가스전환반응기(145) 사이에도 열을 제거하기 위해서 제2열교환기(190b)가 설치된다. 앞선 제1열교환기(190a)와 같이, 고온수성가스전환반응기(144)의 후단에 연결되는 저온수성가스전환반응기(145)의 입구온도를 맞추기 위하여 제2열교환기(190b)의 2차측으로 물이 공급되도록 구성된다.The rear end of the high temperature water
제1 및 제2열교환기(190a, 190b)로 공급되는 물의 유량은 밸브 어셈블리(150)에 의하여 개별적으로 제어될 수 있다. 구체적으로, 밸브 어셈블리(150)는 복수의 밸브(151)의 개폐를 통하여, 물펌프(120)로부터 제1 및 제2열교환기(190a, 190b)로 공급되는 물의 유량을 개별적으로 제어하도록 형성된다. 예를 들어, 밸브 어셈블리(150)는 제1 및 제2열교환기(190a, 190b)와 각각 연결되는 플리퍼 밸브(flipper valve)로 구성되어, 기설정된 시간마다 각 열교환기(190a, 190b)와 대응되는 밸브가 개폐되도록 설정될 수 있다.Flow rates of the water supplied to the first and
밸브 어셈블리(150)는 물펌프(120)에서 공급되는 물(12)의 일부를 제1 및 제2열교환기(190a, 190b)로 공급하고, 다른 일부를 연료개질기(140)의 외부로 우회시키도록 형성될 수 있다.The
밸브 어셈블리(150)에는 제어부(160)가 연결된다. 제어부(160)는 복수의 밸브(151)의 개폐를 제어하여 자열개질반응기(142), 고온수성가스전환반응기(144) 및 저온수성가스전환반응기(145)의 온도를 각각 제어하도록 구성된다. 또한, 고온수성가스전환반응기(144)와 저온수성가스전환반응기(145)의 입구에는 온도감지센서(147)가 각각 설치되어 각 반응기 입구의 온도를 감지하도록 이루어지며, 제어부(160)는 온도감지센서(147)에서 측정된 온도를 이용하여 복수의 밸브(151)의 개폐를 제어하도록 형성될 수 있다.The
한편, 수소가 풍부한 생성물(14)은 연료전지 스택(170)의 연료극(171)에 공급된다. 이때, 스택용 블로어(172a)는 공기극(172)에 공기(15)를 공급하도록 이루어진다. 연료전지 스택(170)은 수소와 산소를 반응시켜 전기를 발생하도록 형성된다. 연료전지 스택(170)에서 전기화학반응을 하지 못한 나머지 연료(16)는 ATO(180, Anode Tail-gas Oxidizer)에서 연소되도록 구성된다.Meanwhile, the hydrogen-
ATO(180)에서 연소에 의해 고온으로 상승된 가스는 제3열교환기(190c)에 공급되며, 제3열교환기(190c)는 고온의 가스(17a)와 반응물(18a)이 열교환을 하도록 구성된다. 이때의 반응물(18a)은, 블로어(130)로부터 공급되는 공기(13)와 제1 및 제2열교환기(190a, 190b)를 거쳐 승온된 수증기 및 밸브 어셈블리(150)를 통하여 연료개질기(140)의 외부로 우회시킨 물이 혼합된 형태가 될 수 있다. 고온의 가스(17a)는 열교환 후 저온의 가스(17b)가 되어 대기로 배출되며, 승온된 반응물(18b)은 연료개질기(140)로 공급되도록 구성된다.The gas raised to high temperature by combustion in the ATO 180 is supplied to the
물펌프(120)를 통하여 공급되는 물(12)의 총량은 제1 및 제2열교환기(190a, 190b, 경우에 따라서 후술하는 제4 및/또는 제5열교환기(190d, 190e)까지 포함될 수 있다]로 공급되는 물의 양과 연료개질기(140)의 외부로 우회시킨 물의 양의 합으로 계산될 수 있다. 제어부(160)는 각 반응기의 온도를 제어하기 위하여 밸브 어셈블리(150)를 통해 연료개질기(140) 내부의 열교환기로 공급되는 물의 양을 집중적으로 제어하고, 물(12)의 총량을 유지하기 위하여 연료개질기(140)의 외부로 우회시킨 물을 버퍼로 하여 제어하도록 형성될 수 있다. 이러한 제어 전략을 만족하기 위해서는 연료개질기(140)의 외부로 우회시킨 물의 양이 “0”이 되지 않는 것이 중요하므로, 연료개질기(140) 내부의 각 열교환기를 열교환 면적이 최대가 되도록 제작하는 것이 바람직하다.The total amount of
필요에 따라, 자열개질반응기(142)와 제1열교환기(190a) 사이에는 탄화수소 계열의 연료(11)에 존재하는 황을 제거하도록 형성되는 탈황기(143, HDS: Hydrodesulfurization)가 설치될 수 있다. 또한, 자열개질반응기(142)와 탈황기(143) 사이에는 제4열교환기(190d)가 배치된다. 제4열교환기(190d)는 밸브 어셈블리(150)에 의하여 유량이 제어되는 물을 이용하여 탈황기(143)의 입구온도를 만족시킬 수 있도록 형성된다.If necessary, a desulfurizer 143 (HDS: Hydrodesulfurization) may be installed between the
또한, 저온수성가스전환반응기(145)의 후단에는 선택적산화반응기(146)가 추가로 설치될 수 있다. 선택적산화반응기(146)는 일산화탄소 농도를 10~100ppm 수준으로 낮추는 역할을 한다. 보통 선택적산화반응기(146)의 작동온도는 섭씨 80~220도 정도이다. 저온수성가스전환반응기(145)와 선택적산화반응기(146) 사이에는 동일한 목적으로 제5열교환기(190e)가 설치될 수 있다. 제5열교환기(190e)는 밸브 어셈블리(150)에 의해 공급되는 유량이 제어되는 물을 이용하여 선택적산화반응기(146)의 입구온도를 만족시키도록 이루어진다.In addition, a
한편, 자열개질반응기(142)의 전단에는 혼합기(141)가 설치될 수 있다. 제3열교환기(190c)를 거쳐 승온된 반응물(18b)은 혼합기(141)에서 연료펌프(110)로부터 공급되는 탄화수소 계열의 연료(11)와 혼합된 후, 자열개질반응기(142)로 공급된다.Meanwhile, the
도 2는 본 발명과 관련된 연료전지 시스템(200)의 다른 일 예를 보인 개념도이다.2 is a conceptual diagram illustrating another example of a
도 2를 도 1과 비교하면, 연료개질기(240)가 고온형 고분자 전해질 연료전지와 연결될 경우에는 일산화탄소를 10ppm 수준까지 제거할 필요가 없으므로 선택적산화반응기(146)가 필요 없다. 도 2는 선택적산화반응기(146)가 제거된 형태의 연료전지 시스템(200)에 대한 구성 예이다. 이들 구성이 제거되더라도 연료개질기(240)는 동일·유사하게 작동될 수 있다.Comparing FIG. 2 with FIG. 1, when the
한편, 연료개질기(240)가 융융 탄산염 연료전지, 고체 산화물 연료전지 등과 연결될 경우에는 더 높은 일산화탄소 농도를 허용하므로 고온수성가스전환반응기(244) 및 저온수성가스전환반응기(245)도 제거될 수 있다. 또한, 황이 충분히 제거된 탄화수소 계열의 연료(21)를 사용할 경우에는 탈황기(243)도 제거될 수 있다. 이 경우, 밸브 어셈블리(250)는 연료개질기(240) 내에 구비되는 복수의 반응기 사이 사이에 배치되는 열교환기에 각각 병렬로 연결되어, 열교환기로 공급되는 각각의 유량을 개별적으로 제어하도록 구성된다.On the other hand, when the
상기와 같은 구성의 연료전지 시스템은 기존의 연료개질기 구조 대비 반응기의 온도를 효과적으로 유지할 수 있을 뿐만 아니라, 반응물의 온도도 효과적으로 높일 수 있다는 장점이 있다. 또한, 만약 블로어 및 펌프 오작동에 따른 외란에 의해서 SCR 또는 OCR이 변화하거나, 여름, 겨울 등과 같은 외부온도 조건에 변화가 있다 하더라도, 본 특허에서 제안한 연료전지 시스템에 의하여 반응기의 온도가 일정하게 유지될 수 있다. 뿐만 아니라, 동시에 효과적으로 열을 회수할 수 있으므로 연료전지 시스템의 효율 상승도 기대할 수 있다.The fuel cell system configured as described above has the advantage that it can effectively maintain the temperature of the reactor compared to the conventional fuel reformer structure, and also effectively increase the temperature of the reactants. In addition, even if the SCR or OCR changes due to disturbance due to blower and pump malfunction, or changes in external temperature conditions such as summer and winter, the temperature of the reactor may be kept constant by the fuel cell system proposed in the present patent. Can be. In addition, since heat can be effectively recovered at the same time, an increase in efficiency of the fuel cell system can be expected.
특히 본 발명에 의하면, 연료개질기의 부하추종, 시동, 정지 등과 같은 동적 운전 시 효과적으로 반응기의 온도를 제어할 수 있으므로, 연료개질기의 높은 안정성 및 운용성이 기대될 수 있다.In particular, according to the present invention, since the temperature of the reactor can be effectively controlled during dynamic operation such as load tracking, starting, stopping, etc. of the fuel reformer, high stability and operability of the fuel reformer can be expected.
이상에서 설명한 연료전지 시스템은 위에서 설명된 실시예들의 방법과 구성에 한정되지 않는다. 본 발명은 기술사상이 보호되는 범위 이내에서 다양하게 응용될 수 있다.The fuel cell system described above is not limited to the method and configuration of the embodiments described above. The present invention can be applied variously within a range in which technical ideas are protected.
Claims (11)
복수의 밸브를 통하여 물펌프로부터 상기 제1 및 제2열교환기로 공급되는 물의 유량을 개별적으로 제어하도록 형성되는 밸브 어셈블리를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.The first heat exchanger is formed between a hydrocarbon-based fuel, water, and air to produce hydrogen, and is disposed between the autothermal reforming reactor causing the reforming reaction and the hot water gas shift reactor which reduces the carbon monoxide generated in the autothermal reforming reactor. And a second heat exchanger disposed between the high temperature water gas shift reactor and the low temperature water gas shift reactor having a lower operating temperature than the high temperature water gas shift reactor. And
And a valve assembly configured to individually control a flow rate of water supplied from the water pump to the first and second heat exchangers through a plurality of valves.
상기 연료개질기에서 생성되는 수소와 공기 중의 산소를 이용하여 전기를 발생시키도록 형성되는 연료전지 스택;
상기 연료전지 스택에서 반응하지 못하고 남은 연료를 연소시키도록 형성되는 ATO(Anode Tail-gas Oxidizer); 및
블로어로부터 공급되는 공기와 상기 제1 및 제2열교환기를 거쳐 승온된 수증기 및 상기 밸브 어셈블리를 통하여 상기 연료개질기의 외부로 우회시킨 물이 혼합된 반응물을 상기 ATO를 통과한 가스와 열교환시키며, 승온된 상기 반응물이 상기 연료개질기로 공급되도록 구성되는 제3열교환기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.The method of claim 1,
A fuel cell stack configured to generate electricity by using hydrogen generated in the fuel reformer and oxygen in air;
An anode tail-gas oxidizer (ATO) configured to combust remaining fuel that fails to react in the fuel cell stack; And
Heat-reacting a reactant mixed with air supplied from a blower, water vapor heated up through the first and second heat exchangers, and water bypassed to the fuel reformer through the valve assembly, with the gas passed through the ATO, And a third heat exchanger configured to supply the reactant to the fuel reformer.
상기 자열개질반응기와 상기 고온수성가스전환반응기 및 상기 저온수성가스전환반응기의 온도를 각각 제어하기 위하여, 상기 복수의 밸브 각각의 개폐를 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.The method of claim 2,
And a control unit for controlling opening and closing of each of the plurality of valves to control temperatures of the autothermal reforming reactor, the high temperature water gas shift reactor, and the low temperature water gas shift reactor.
상기 고온수성가스전환반응기와 상기 저온수성가스전환반응기의 입구에 각각 설치되어 온도를 감지하도록 형성되는 온도감지센서를 더 포함하며,
상기 제어부는 상기 온도감지센서에서 측정된 온도를 이용하여 상기 복수의 밸브의 개폐를 제어하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.The method of claim 3,
Further comprising a temperature sensor is installed at the inlet of the high temperature water gas shift reactor and the low temperature water gas shift reactor to sense the temperature,
The control unit is configured to control the opening and closing of the plurality of valves using the temperature measured by the temperature sensor.
상기 제어부는 상기 연료개질기의 외부로 우회시킨 물을 버퍼로 하여 제어하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.The method of claim 3,
The control unit is a fuel cell system, characterized in that formed to control the water bypassed to the outside of the fuel reformer as a buffer.
상기 자열개질반응기와 상기 제1열교환기 사이에 배치되어 황을 제거하도록 형성되는 탈황기; 및
상기 자열개질반응기와 상기 탈황기 사이에 배치되고, 상기 밸브 어셈블리에 의하여 공급되는 물의 유량이 제어되는 제4열교환기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.The method of claim 2,
A desulfurizer disposed between the autothermal reformer and the first heat exchanger to remove sulfur; And
And a fourth heat exchanger disposed between the autothermal reforming reactor and the desulfurizer, the flow rate of the water supplied by the valve assembly being controlled.
상기 저온수성가스전환반응기와 상기 연료전지 스택 사이에 배치되고, 상기 밸브 어셈블리에 의하여 공급되는 물의 유량이 제어되는 제5열교환기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.The method according to claim 6,
And a fifth heat exchanger disposed between the low temperature water gas shift reactor and the fuel cell stack and configured to control a flow rate of water supplied by the valve assembly.
상기 제5열교환기와 상기 연료전지 스택 사이에 배치되는 선택적 산화반응기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.The method of claim 7, wherein
And a selective oxidation reactor disposed between the fifth heat exchanger and the fuel cell stack.
상기 연료개질기는 상기 제3열교환기를 거쳐 승온된 반응물을 연료펌프로부터 공급되는 탄화수소 계열의 연료와 혼합시키도록 형성되는 혼합기를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.The method of claim 2,
The fuel reformer further comprises a mixer configured to mix the reactant heated up through the third heat exchanger with a hydrocarbon-based fuel supplied from a fuel pump.
상기 연료개질기에서 생성된 수소와 공기 중의 산소를 이용하여 전기를 발생시키도록 형성되는 연료전지 스택;
상기 연료전지 스택에서 반응하지 못하고 남겨진 연료를 연소시키도록 형성되는 ATO(Anode Tail-gas Oxidizer);
복수의 밸브를 통하여, 물펌프로부터 공급되는 물의 일부를 상기 제1 내지 제3열교환기로 각각 공급하고 나머지 일부를 상기 연료개질기의 외부로 우회시키도록 형성되는 밸브 어셈블리; 및
블로어로부터 공급되는 공기와 상기 제1 내지 제3열교환기를 거쳐 승온된 각각의 수증기 및 상기 연료개질기의 외부로 우회시킨 물이 혼합된 반응물을 상기 ATO에서 발생한 열과 열교환시키며, 승온된 상기 반응물이 상기 연료개질기로 공급되도록 구성되는 제4열교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.It is formed to produce hydrogen using hydrocarbon-based fuel, water, and air, and is sequentially connected to the autothermal reforming reactor, the first heat exchanger, the high temperature water gas shift reactor, the second heat exchanger, the low temperature water gas shift reactor, and the third heat exchanger. Fuel reformer provided;
A fuel cell stack formed to generate electricity by using hydrogen generated in the fuel reformer and oxygen in air;
An anode tail-gas oxidizer (ATO) configured to burn fuel left unreacted in the fuel cell stack;
A valve assembly configured to supply a portion of the water supplied from the water pump to the first to third heat exchangers through a plurality of valves, and to bypass the remaining portion to the outside of the fuel reformer; And
Heat reactant mixed with air supplied from a blower and water vapor heated up through the first to third heat exchangers and water bypassed to the outside of the fuel reformer with heat generated in the ATO, and the heated reactant reacts with the fuel And a fourth heat exchanger configured to be supplied to the reformer.
복수의 밸브를 통하여 물펌프로부터 상기 제1 및 제2열교환기로 공급되는 물의 유량을 개별적으로 제어하도록 형성되는 밸브 어셈블리를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.The first heat exchanger is formed between a hydrocarbon-based fuel and water to produce hydrogen, and is disposed between a steam reforming reactor causing a reforming reaction and a high temperature water gas shift reactor for reducing carbon monoxide generated in the steam reforming reactor. A fuel reformer having a second heat exchanger disposed between the hot water gas shift reactor and the cold water gas shift reactor having a lower operating temperature than the hot water gas shift reactor; And
And a valve assembly configured to individually control a flow rate of water supplied from the water pump to the first and second heat exchangers through a plurality of valves.
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