KR101656957B1 - 용융탄산염 연료전지용 촉매흡착방지 시스템 - Google Patents

용융탄산염 연료전지용 촉매흡착방지 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 스택 내부 촉매연소기의 성능 개선 및 전해질 흡착 방지를 하기 위한 용융탄산염 연료전지용 촉매흡착방지 시스템 및 그 제작 방법에 관한 것이다.
상기 용융탄산염 연료전지용 촉매흡착방지 시스템은, 수소극과 산소극이 적층되는 스택부재와, 상기 스택부재의 수소극과 산소극을 연결하는 이동라인과, 상기 이동라인 중에 마련되어 수소극 배출가스의 미반응 연료가스를 연소하는 촉매 연소기와, 상기 이동라인 중에 상기 촉매 연소기의 상류측에 마련되는 플로우 덕트와, 상기 산소극으로부터 배출되는 산소극 배출가스 중 일부가 상기 플로우 덕트로 순환하도록 유도하는 순환라인을 포함하여, 상기 이동라인을 이동하는 수소극 배출가스와 상기 순환라인을 이동하는 산소극 배출가스는 상기 플로우 덕트에서 상호 열교환하고, 상기 플로우 덕트는 상기 수소극 배출가스가 상기 촉매 연소기로 유입되는 상기 촉매 연소기의 입구에 마련되며, 상기 순환라인을 흐르는 산소극 배출가스는 상기 플로우 덕트로 유입되는 산소극 배출가스와 상기 플로우 덕트에서 배출되는 산소극 배출가스의 압력차에 의해 순환할 수 있다.

Description

용융탄산염 연료전지용 촉매흡착방지 시스템{SYSTEM FOR PREVENTING ABSORPTION AT CATALYST IN MOLTEN CARBONATE FUEL CELL}
본 발명은 용융탄산염 연료전지용 촉매흡착방지 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 스택 내부 촉매연소기의 성능 개선 및 전해질 흡착 방지를 하기 위한 용융탄산염 연료전지용 촉매흡착방지 시스템 및 그 제작 방법에 관한 것이다.
연료 전지(Fuel cell)는 메탄올, 에탄올, 천연가스와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다.
이 중 용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC)는 650℃ 이상의 고온에서 운전되기 때문에 전기화학 반응속도가 빨라 전극 재료로 백금촉매 대신 니켈을 사용할 수 있으므로 경제성에서 유리할 뿐만 아니라, 저온형 연료전지의 백금 전극에 피독 물질로 작용하는 일산화탄소마저도 수성가스 전환 반응을 통하여 연료로 이용할 수 있다.
또한, 용융탄산염 연료전지는 니켈 전극의 특성으로 석탄가스, 천연가스, 메탄올, 바이오 매스 등 다양한 연료의 선택성을 제공한다.
그리고 용융탄산염 연료전지는 열회수 스팀 발전기(Heat Recovery Steam Generator) 등을 이용한 하부 싸이클(Bottoming Cycle)로 양질의 고온 폐열을 회수해 사용하면 전체 발전 시스템의 열효율을 60% 이상으로 증가시킬 수 있다.
이와 함께 용융탄산염 연료전지의 고온 운전 특성은 전기 화학 반응이 일어나는 연료전지 스택 내부에서 연료 개질(Reforming) 반응을 동시에 진행시키는 내부개질(Internal Reforming)형태의 채용이 가능하도록 하는 장점을 제공한다.
이러한 내부 개질형 용융탄산염 연료전지는 전기화학반응에서 발생하는 열을 별도의 외부 열교환기 없이 직접 흡열 반응인 개질반응에 이용하기 때문에, 외부개질형 용융탄산염 연료전지에 비해 전체 시스템의 열효율이 추가로 증가하는 동시에 시스템 구성이 간단해 지는 장점을 갖는다.
또한, 용융탄산염 연료전지는 소형 분산화 발전이 가능해 전기 사용량이 많은 대도시 가까이에 설치할 수 있어 송,배전 손실 또한 저감할 수 있다.
연료전지는 일반적으로 전력을 생산하는 스택과 스택의 운전에 필요한 구성기기의 복합체인 주변보조기기(Balance of Plant, BOP)로 구성된다.
일반적으로 연료전지 시스템은 주변보조기기를 통해 수소극인 연료전지 스택 수소극(anode)에 직접 수소를 공급하거나 탄화수소 계열의 연료를 스택 내부 혹은 주변보조기기에 장착된 개질기를 이용해 수소로 변환해 환원제로 공급되며, 산소극인 스택 캐소드(cathode)에는 주로 공기를 산화제로 공급한다.
스택의 수소극 및 산소극 두 전극에서 발생하는 공급 가스와 촉매 사이의 이온화 반응과 이온이 생성된 전극에서 상대 전극으로 이온을 전달시키는 전해질에 의해 공급되는 반응가스가 가진 화학적 에너지는 전기에너지로 변환된다.
연료전지 발전 시스템은 효율을 증가시키기 위해 동일 전극간 혹은 다른 전극과 리싸이클(Recycle) 및/또는 재순환(Recirculation)(이하, "재순환"이라 표기함)을 수행한다.
특히 용융탄산염 연료전지의 경우 수소극 반응에서는 이산화탄소가 생성되고, 산소극의 반응에서는 이산화탄소를 소모하기 때문에, 시스템의 단순화 및 효율 극대화를 위해 산소극 반응에 필요한 이산화탄소는 수소극 반응에서 생성된 이산화탄소를 산소극으로 재순환을 통해 공급하는 것이 일반적이다.
다만, 연료전지는 안정적인 운전을 위해 통상적으로 양론비에 비해 많은 양의 연료가 수소극측에 공급되기 때문에 배출가스 중에는 이산화탄소 외에 일정량의 미반응 연료성분 등이 존재하게 된다.
이를 제거하지 않고 산소극측으로 재순환하는 경우 미반응연료 만큼 시스템 효율이 감소하게 되고, 산소극측에서 환원 가스와 미반응 연료가스가 전해질을 통하지 않고 직접 반응해 스택 전압이 크게 감소하게 된다.
또한, 이와 같은 직접 반응이 크고 빠른 경우 스택 내부에서 연소가 발생할 수도 있다.
이를 막기 위해 수소극 배출가스 중의 미반응 연료 성분은 반드시 재순환 전에 제거되어야 하는데, 이를 촉매연소기가 담당한다.
촉매연소기는 촉매를 이용해 미반응 연료가스와 유입되는 산화제가스를 산화 반응시켜 열을 발생시킨다.
이 열은 유입되는 산화제 가스의 온도를 연료전지 스택의 운전온도까지 승온하는데 활용된다.
특히, 촉매연소기는 일반적인 화염 연소기에 비해 가연범위가 넓어 농도가 낮은 미반응 연료 성분을 안정적으로 산화시켜 제거할 수 있으며, 연소 온도가 상대적으로 낮아 질소산화물 등 고온의 화염 연소에서 발생하는 전극 및 촉매 피독 물질 및 유해 배출가스를 생성하지 않는다는 장점을 가진다.
또한, 촉매연소기는 촉매 표면으로부터 가스로의 열전달이 화염연소에 비해 훨씬 더 안정적이라는 장점도 가진다.
수소극 배출가스 중에는 앞서 기술한 이산화탄소나 미반응 연료 가스 외에도 수분이나 전해질입자와 같은 불순물이 포함될 수 있는데, 특히 전해질입자의 경우 점도가 높고 연료전지의 운전 온도 이하에서는 액상 혹은 고상으로 존재할 수 있다.
특히, 촉매연소기의 경우 산소극으로 공급되는 상대적으로 온도가 낮은 가스와의 혼합이 일어나고, 유로가 좁은 촉매나 필터(Filter)가 존재하기 때문에 전해질 입자의 침착이 발생하기 쉬운 조건을 가지고 있다.
유입되는 맑은 공기(Fresh Air)에 의해 온도가 낮아진 혼합기중 전해질 입자가 허니컴(Honeycomb) 등 다공질인 촉매연소기용 촉매에 쉽게 침착될 수 있는데, 침착된 전해질 입자는 유로를 막아 유동 불균일 및 차압증가를 초래하며, 정상적인 촉매 반응을 막아 연소 효율이 낮아지고 미반응 연료 성분이 산소극으로 유입되는 문제를 발생시킨다.
차압의 증가 및 연소 효율의 감소는 연료전지 시스템 전체의 운전에 큰 악영향을 미치게 되고, 유동 불균일로 인해 촉매의 일부분으로 많은 양의 반응가스가 집중되는 경우 핫스팟(Hot Spot)이 형성되어 촉매에 영구적인 성능 손실을 초래할 수 있다.
이를 막기 위해 촉매연소기의 전단에 불순물을 제거하기 위한 필터와 같은 수단을 구비하거나, 침착된 전해질을 제거해 연료전지용 촉매연소기의 운전, 즉 연료전지 시스템의 운전을 안정화하고 운전 시간을 연장하기 위한 다양한 아이디어가 제시되어 있다.
대한민국 공개특허 제2008-0033487호에서는 셀 밀도(Cell Density, 단위 면적 당의 허니컴 channel 수)가 다른 두 단의 촉매를 직렬 연결하는데, 상대적으로 앞쪽에 위치한 촉매의 셀 밀도를 더욱 낮도록 설계해 전해질 침착에 따르는 차압의 증가를 지연시킨다.
이 경우 후단 촉매의 셀 밀도가 매우 높아 전체 유동의 차압을 결정하기 때문에 전단 촉매에 침착되는 전해질 입자는 전체 차압에 큰 영향을 주지 않는다.
하지만 이는 전해질 침착에 의한 차압 증가를 일시적으로 지연시키는 것일 뿐 문제를 해결한 것이 아니며, 모든 전해질이 전단에 위치하는 촉매에 침착된다는 보장이 없다는 문제점이 있다.
따라서 본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 스택 내부 촉매 연소기의 성능 개선 및 전해질 흡착을 방지할 수 있는 용융탄산염 연료전지용 촉매흡착방지 시스템을 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 용융탄산염 연료전지용 촉매흡착방지 시스템은, 수소극과 산소극이 적층되는 스택부재와, 상기 스택부재의 수소극과 산소극을 연결하는 이동라인과, 상기 이동라인 중에 마련되어 수소극 배출가스의 미반응 연료가스를 연소하는 촉매 연소기와, 상기 이동라인 중에 상기 촉매 연소기의 상류측에 마련되는 플로우 덕트와, 상기 산소극으로부터 배출되는 산소극 배출가스 중 일부가 상기 플로우 덕트로 순환하도록 유도하는 순환라인을 포함하여, 상기 이동라인을 이동하는 수소극 배출가스와 상기 순환라인을 이동하는 산소극 배출가스는 상기 플로우 덕트에서 상호 열교환하고, 상기 플로우 덕트는 상기 수소극 배출가스가 상기 촉매 연소기로 유입되는 상기 촉매 연소기의 입구에 마련되며, 상기 순환라인을 흐르는 산소극 배출가스는 상기 플로우 덕트로 유입되는 산소극 배출가스와 상기 플로우 덕트에서 배출되는 산소극 배출가스의 압력차에 의해 순환할 수 있다.
상기 이동라인 중에 상기 촉매 연소기의 상류측에 마련되어 이동하는 상기 수소극 배출가스에 공기를 주입하는 공기공급부를 더 포함할 수 있다.
삭제
상기 플로우 덕트는 단면이 격자 모양의 튜브(tube)일 수 있다.
상기 순환라인은 산소극 배출가스 배출라인 중에 연통될 수 있다.
상기 순환라인은 상기 산소극 배출가스 배출라인으로부터 상기 플로우 덕트로 연통되어 산소극 배출가스를 상기 플로우 덕트 내부로 유도하는 인입 유도라인과 상기 플로우 덕트로부터 상기 산소극 배출가스 배출라인 중 상기 인입 유도라인의 하류측에 연통되어 산소극 배출가스를 상기 산소극 배출가스 배출라인으로 유도하는 배출 유도라인을 포함할 수 있다.
상기 순환라인을 흐르는 산소극 배출가스는 상기 인입 유도라인과 상기 배출 유도라인의 압력차에 의해 흐를 수 있다.
상술한 바와 같이 구성된 본 발명에 따른 용융탄산염 연료전지용 촉매흡착방지 시스템은 촉매 연소기의 성능을 개선하고 내구성을 향상시키는 효과가 있다.
상술한 바와 같이 구성된 본 발명에 따른 용융탄산염 연료전지용 촉매흡착방지 시스템은 산소극(cathode) 배출가스의 열에너지를 활용하므로 기존의 시스템을 유지하는 것이 가능한 장점이 있다.
상술한 바와 같이 구성된 본 발명에 따른 용융탄산염 연료전지용 촉매흡착방지 시스템은 촉매의 크기 및 구조를 단순화할 수 있어 원가를 절감하는 효과가 있다.
상술한 바와 같이 구성된 본 발명에 따른 용융탄산염 연료전지용 촉매흡착방지 시스템은 높은 수두차를 이용한 유체의 흐름을 통해 추가적인 동력원이 필요 없는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 용융탄산염 연료전지용 촉매흡착방지 시스템을 개략적으로 도시한 시스템도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 용융탄산염 연료전지용 촉매흡착방지 시스템에서 플로우 덕트를 좌측 단면에서 도시한 좌측 단면도이다.
이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 용융탄산염 연료전지용 촉매흡착방지 시스템을 개략적으로 도시한 시스템도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 용융탄산염 연료전지용 촉매흡착방지 시스템(1)은 수소극(anode; 11)과 산소극(cathode; 13)이 적층되는 스택부재(10), 상기 스택부재(10)의 수소극(11)으로부터 산소극(13)으로 수소극 배출가스를 안내하는 이동라인(20), 상기 이동라인(20) 중에 마련되어 수소극 배출가스의 미반응 연료가스를 연소하는 촉매 연소기(30), 상기 이동라인(20) 중에 상기 수소극 배출가스가 상기 촉매 연소기(30)로 유입되는 상기 촉매 연소기(30)의 입구에 마련되는 플로우 덕트(40) 및 상기 산소극(13)으로부터 배출되는 산소극 배출가스 중 일부가 상기 플로우 덕트(40)로 순환하도록 유도하는 순환라인(50)을 포함한다.
수소극 배출가스는 메탄(CH4) + 수소(H2) + 이산화탄소(CO2) + 물(H20)의 상태로 스택부재(10)의 수소극(11)을 통과하여 배출된다.
이렇게 수소극(11)을 통과한 수소극 배출가스는 이동라인(20) 중에 수소극(11)의 하류측에 연결된 공기공급부(60)에 의해 공급되는 공기와 혼합되어 메탄(CH4) + 수소(H2) + 이산화탄소(CO2) + 물(H20) + 산소(O2) + 질소(N2) 가 되며 온도는 195℃ ~ 205℃를 이룬다.
그리고 공기와 혼합된 수소극 배출가스는 이동라인(20) 중에 공기공급부(60)의 하류측에 마련된 촉매연소기(30)를 통과하게 되는데, 이때 수소극 배출가스는 촉매연소기(30)의 입구에 마련된 플로우 덕트(40)를 통과하게 된다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 용융탄산염 연료전지용 촉매흡착방지 시스템에서 플로우 덕트를 좌측 단면에서 도시한 좌측 단면도이다.
도 2를 참조하여, 플로우 덕트(40)는 단면에서 보아 격자 모양의 튜브(tube) 형상으로 플로우 덕트(40)의 일단에는 산소극 배출가스를 플로우 덕트(40)의 내부로 유도하는 인입 유도라인(51)이 연통하고 플로우 덕트(40)의 타단에는 플로우 덕트(40)의 내부를 통과한 산소극 배출가스를 스택부재(10)의 산소극 배출가스 배출라인(70)으로 유도하는 배출 유도라인(53)이 연통한다.
여기서 플로우 덕트(40)로 유입되어 흐르는 산소극 배출가스의 온도는 645℃ ~ 655℃의 고온을 이룬다.
그리고 이렇게 고온의 열에너지를 갖는 산소극 배출가스는 플로우 덕트(40)를 통과하는 수소극 배출가스에 포함된 전해질입자가 용융상태가 되도록 가열시키는 역할을 한다.
여기서 플로우 덕트(40)의 단면이 격자 모양의 튜브 형상을 형성함에 따라 플로우 덕트(40)를 통해 흐르는 산소극 배출가스가 플로우 덕트(40)와 접하는 대면적을 증가시켜 산소극 배출가스의 고온의 온도를 플로우 덕트(40)에 고르게 전달되게 함에 따라 수소극 배출가스와의 열교환 효율을 극대하여 수소극 배출가스에 포함된 전해질입자를 고르게 용융상태로 만들 수 있게 한다.
이렇게 플로우 덕트(40)와의 열교환을 통하여 용융상태로 된 전해질입자는 촉매 연소기(30)의 촉매를 지나갈 수 있다.
그리고 일단 반응을 하는 촉매로 유입된다면 촉매의 반응온도로 하여금 전해질입자는 기상 혹은 액상에 가까운 상태가 되기 때문에 촉매에 흡착되지 않고 이산화탄소(CO2) + 수소(H2) + 산소(O2) + 질소(N2) 가 되어 스택부재(10)의 산소극(13)으로 이동하게 된다.
한편, 산소극 배출가스 배출라인(70) 중에서 배출 유도라인(53)은 인입 유도라인(51)의 하류측에 연통되어 수두차 등에 의한 압력차에 의해 산소극 배출가스가 인입 유도라인(51)으로부터 배출 유도라인(53)으로 순환하여 흐르게 한다.
상술한 바와 같이 구성된 본 발명에 따른 용융탄산염 연료전지용 촉매흡착방지 시스템은 전해질이 촉매에 흡착되는 것을 방지함에 따라 촉매 연소기의 성능을 개선하고 내구성을 향상시키는 효과가 있고, 산소극(cathode) 배출가스의 열에너지를 활용하므로 추가적인 열원없이 기존의 시스템을 유지하는 것이 가능한 장점이 있고, 전해질입자가 촉매에 흡착되는 것을 방지할 수 있어 종래의 시스템에서 적용한 2 층의 촉매 구조가 필요없어 반응에 필요한 반응물을 재계산 후 촉매의 크기 및 구조를 단순화할 수 있어 종래에 비해 원가를 절감하는 효과가 있고, 높은 수두차를 이용한 유체의 흐름을 통해 추가적인 동력원이 필요 없는 장점이 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 용융탄산염 연료전지용 촉매흡착방지 시스템을 예시된 도면을 참고하여 설명하였으나, 본 발명은 이상에서 설명된 실시예와 도면에 의해 한정되지 않으며, 특허청구범위 내에서 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자들에 의해 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
1: 용융탄산염 연료전지용 촉매흡착방지 시스템
10: 스택부재
11: 수소극
13: 산소극
20: 이동라인
30: 촉매 연소기
40: 플로우 덕트
50: 순환라인
51: 인입 유도라인
53: 배출 유도라인
60: 공기공급부
70: 산소극 배출가스 배출라인

Claims (7)

  1. 수소극과 산소극이 적층되는 스택부재;
    상기 스택부재의 수소극과 산소극을 연결하는 이동라인;
    상기 이동라인 중에 마련되어 수소극 배출가스의 미반응 연료가스를 연소하는 촉매 연소기;
    상기 이동라인 중에 상기 촉매 연소기의 상류측에 마련되는 플로우 덕트; 및,
    상기 산소극으로부터 배출되는 산소극 배출가스 중 일부가 상기 플로우 덕트로 순환하도록 유도하는 순환라인을 포함하여,
    상기 이동라인을 이동하는 수소극 배출가스와 상기 순환라인을 이동하는 산소극 배출가스는 상기 플로우 덕트에서 상호 열교환하고,
    상기 플로우 덕트는 상기 수소극 배출가스가 상기 촉매 연소기로 유입되는 상기 촉매 연소기의 입구에 마련되며,
    상기 순환라인을 흐르는 산소극 배출가스는 상기 플로우 덕트로 유입되는 산소극 배출가스와 상기 플로우 덕트에서 배출되는 산소극 배출가스의 압력차에 의해 순환하는 용융탄산염 연료전지용 촉매흡착방지 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 이동라인 중에 상기 촉매 연소기의 상류측에 마련되어 이동하는 상기 수소극 배출가스에 공기를 주입하는 공기공급부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 용융탄산염 연료전지용 촉매흡착방지 시스템.
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 플로우 덕트는 단면이 격자 모양의 튜브(tube)인 것을 특징으로 하는 용융탄산염 연료전지용 촉매흡착방지 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 순환라인은 산소극 배출가스 배출라인 중에 연통되는 것을 특징으로 하는 용융탄산염 연료전지용 촉매흡착방지 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 순환라인은,
    상기 산소극 배출가스 배출라인으로부터 상기 플로우 덕트로 연통되어 산소극 배출가스를 상기 플로우 덕트 내부로 유도하는 인입 유도라인과
    상기 플로우 덕트로부터 상기 산소극 배출가스 배출라인 중 상기 인입 유도라인의 하류측에 연통되어 산소극 배출가스를 상기 산소극 배출가스 배출라인으로 유도하는 배출 유도라인을 포함하는 것을 특징으로 하는 용융탄산염 연료전지용 촉매흡착방지 시스템.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 순환라인을 흐르는 산소극 배출가스는 상기 인입 유도라인과 상기 배출 유도라인의 압력차에 의해 흐르는 것을 특징으로 하는 용융탄산염 연료전지용 촉매흡착방지 시스템.
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