연료전지 열병합 발전시스템

연료전지 열병합 발전시스템

기술분야

본 발명은 전기화학반응에 의해 전력을 생산하여 전력수요지에 공급하며 전력생산과정에서 발생되는 열을 회수하여 전력수요지에 공급하는 연료전지 열병합 발전시스템에 관한 것이다.

배경기술

고분자 전해질 연료전지는 수소이온 교환특성을 갖는 고분자막을 전해질로 사용하는 연료전지로서, 수소를 함유한 연료가스와 산소를 함유한 공기를 사용하여 전기화학반응을 일으켜 전기 및 열을 발생시킨다. 이런 고분자전해질 연료전지는 빠른 시동능력이 있으며, 소형화할 수 있어 이동용 전원, 자동차용 전원, 가정용 열병합 발전 시스템 등 다양한 분야에서 널리 사용되고 있다. 이 때, 연료전지를 이용한 열병합 발전 시스템은 물 또는 메탄올, 에탄올, 천연 가스 등 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소를 포함하는 공기를 전기 화학반응을 통해서 분해하고, 이 과정에서 발생되는 전자들을 직접 전기 에너지로 변화시키는 발전 시스템이다. 

연료전지를 이용한 발전 시스템은 기본적으로 연료를 저장하는 연료탱크, 연료를 이송하는 연료 펌핑기, 시스템 내의 열관리를 위한 냉각 모듈, 전기에너지의 관리를 위한 전력 모듈 및 열과 전기 에너지를 발생시키는 연료전지 스택을 구비한다. 개질기는 연료 펌핑기의 동작을 통해 연료 탱크에 저장된 연료 및 물을 공급받고, 연료 및 물을 수증기 개질반응(Steam Reforming), 부분 산화(Partial Oxidation), 자열 개질 반응(Autothermal Reforming), 직접분해법(Direct Cracking), 플라즈마 촉매개질법(Plasma Catalytic Reforming), 흡착부 과반응 개질법(Sorption Enhanced Reaction Process) 등의 방법을 통해 상기한 연료를 수소가 풍부한 개질 가스로 전환한다. 그리고 개질기에서 생성된 개질가스에는 일산화탄소 등과 같은 유해물질이 포함되어 있는 바, 개질기는 유해물질을 정화하여 연료전지 스택으로 공급한다.

한편, 연료전지 스택은 애노드 전극과 캐소드 전극을 구비하며, 개질기로부터 공급받은 수소 기체가 애노드 전극으로 주입되고, 외부 공기로부터 공급받은 산소는 캐소드 전극으로 주입된다. 

이에 따라, 애노드 전극에서는 수소 기체의 산화반응이 일어나고, 캐소드 전극에서는 산소의 환원반응이 일어난다. 결국, 스택에는 기체의 산화 및 환원반응으로 인해 소정의 물과 전자들이 발생하고, 전자의 이동으로 전기에너지가 생성된다. 또한, 산화 및 환원반응으로 인해 스택에는 소정의 열에너지가 발생되는데, 이러한 열에너지는 화학반응으로 생성된 물 또는 스택 냉각유체에 인가된다.

종래기술인 한국등록특허 제0807875의 연료전지 열병합 발전시스템은, 수소와 산소의 전기화학반응에 의해 전력을 생산하는 연료전지 스택에 발전원료를 개질하여 수소가 함유된 개질가스를 공급하는 연료전지 스택에서 필요한 산소를 공급하는 공기 공급 장치, 연료전지 스택을 일정 온도로 유지시키는 냉각장치, 연료전지스택에서 생산된 전력을 이용하여 시스템의 기동, 정지, 발전상태 유지 동작, 제어기능을 수행하는 다수의 주변장치(Balance of Plants) 및 냉각장치에 연결되면서 열 교환을 통해 회수되는 열을 온수로 저장하는 물탱크를 포함하여 구성된다.

종래기술은 연료전지 스택에서 발생하는 전력과 연료전지스택의 전력생산과정에서 발생하는 열을 난방용 온수로 저장하여 전력수요지로 공급할 수 있으나, 여름철에는 전력수요지로 난방용 온수를 공급할 필요가 없으므로 난방용 온수가 물탱크에 그대로 방치되어 식어버리게 되어 열원이 버려지게 되는 문제점이 있다. 또한 종래의 연료전지 열병합 발전시스템은 사용자 및 전력수요지의 용도 특성상 전력만 대부분 사용하는 경우, 시스템 효율이 낮은 문제점이 있다.

이에 따라, 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 다양한 연료전지 열병합 발전시스템의 개발이 필요한 실정이다.

해결하려는 과제

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로 연료전지 스택에서 발생하는 열을 전력으로 변환하여 전력수요지로 공급해 열이 버려지는 것을 방지할 수 있는 연료전지 열병합 발전시스템을 제공하려는 것이다. 또한 시스템 효율을 극대화 할 수 있는 연료전지 열병합 발전시스템을 제공하고자 한다.

발명의 효과

본 발명에 따른 연료전지 열병합 발전시스템은 연료전지 스택에서 발생하는 열을 흡열한 냉각유체의 열을 흡열하는 고온부와 외부공기와 접촉되는 저온부를 포함하여, 고온부와 저온부의 온도 차이에 의해 전력을 생산하는 열전모듈이 구성됨으로써, 연료전지 스택에서 발생하는 열을 용이하게 냉각할 수 있고 연료전지 스택에서 발생하는 열을 전력으로 변환하여 전력수요지에 최대한 공급할 수 있는 효과가 있다.

또한 본 발명에 따른 연료전지 열병합 발전시스템은 외부로부터 공급되는 연료와 물을 개질반응을 통해 수소가스를 추출하여 연료전지 스택으로 공급하고, 개질 과정에서 발생하는 고온의 폐가스를 열전모듈의 고온부로 공급하는 개질기와 압축수소와 메탄올을 연료전지스택으로 공급하고, 연료 공급 과정에서 발생하는 고온의 열을 상기 고온부로 공급하는 연료공급기가 구성됨으로써, 열전모듈의 고온부와 저온부의 온도 차이가 증가되어 열전모듈의 전력 생산량이 증가되는 효과가 있다. 특히 본 발명에 따른 연료전지 열병합 발전시스템은 연료전지 스택과 개질기와 연료공급기 이외에 기타 요소들에서 발생하는 모든 열을 회수하여 고온부로 공급하는 열 회수기가 구성되어 열전모듈의 고온부와 저온부의 온도 차이가 더욱 증가되어 열전모듈의 전력 생산량이 더욱 증가되는 효과가 있다.

* 본 내용은 지면상의 이유로 재편집되었습니다.

* 특허정보검색서비스 www.kipris.or.kr

※ 출처 : EngNews (산업포탈 여기에) - 연료전지 열병합 발전시스템