KR101343376B1 - 촉매연소기 및 이를 구비한 연료전지 시스템 - Google Patents

Abstract

연료전지 시스템의 촉매연소기가 개시된다. 본 발명의 일 측면에 따른 연료전지 시스템의 촉매연소기는, 애노드 및 캐소드 전극에서 동일 전극 및/또는 전극 상호 간의 재순환을 수행하는 연료전지 시스템의 촉매연소기에 있어서, 별도의 신호에 의해 고온 및 고압의 스팀을 전해질이 침착된 정류기에 직접 분사하여 친수성 물질인 전해질을 직접 용해하여 제거한다.

Description

촉매연소기 및 이를 구비한 연료전지 시스템{CATALYTIC OXIDIZER AND FUEL CELL SYSTEM HAVING THE SAME}

본 발명은 촉매연소기에 관한 것으로서, 구체적으로는 연료전지의 운전 안정성을 향상하고 내구성을 증가할 수 있는 촉매연소기에 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 증가 시킬 수 있다. 이와 함께 용융탄산염 연료전지의 고온 운전 특성은 전기 화학 반응이 일어나는 연료전지 스택 내부에서 연료 개질(Reforming) 반응을 동시에 진행시키는 내부 개질(Internal Reforming)형태의 채용이 가능하도록 하는 장점을 제공한다. 이러한 내부 개질형 용융탄산염 연료전지는 전기화학반응에서 발생하는 열을 별도의 외부 열교환기 없이 직접 흡열반응인 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 설치 할 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 연료전지 스택 애노드(애노드)에 직접 수소를 공급하거나 탄화수소 계열의 연료를 스택 내부 혹은 주변보조기기에 장착된 개질기를 이용해 수소로 변환해 환원제로 공급되며, 산화극인 스택 캐소드(캐소드)에는 주로 공기를 산화제로 공급한다. 스택의 애노드 및 캐소드 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 애노드 반응에서는 이산화탄소가 생성되고, 캐소드의 반응에서는 이산화탄소를 소모하기 때문에, 시스템의 단순화 및 효율 극대화를 위해 캐소드 반응에 필요한 이산화탄소는 애노드 반응에서 생성된 이산화탄소를 캐소드로 재순환을 통해 공급하는 것이 일반적이다.

다만, 연료전지는 안정적인 운전을 위해 통상적으로 양론비에 비해 많은 양의 연료가 애노드측에 공급되기 때문에 배출가스 중에는 이산화탄소 외에 일정량의 미반응 연료성분 등이 존재하게 된다. 이를 제거하지 않고 캐소드측으로 재순환하는 경우 미반응연료 만큼 시스템 효율이 감소하게 되고, 캐소드측에서 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 애노드 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 않는 다는 장점을 가진다. 또한, 촉매연소기는 촉매 표면으로부터 가스로의 열전달이 화염연소에 비해 훨씬 더 안정적이라는 장점도 가진다.

애노드 배출가스 중에는 앞서 기술한 이산화탄소나 미반응 연료 가스 외에도 수분이나 전해질 입자와 같은 불순물이 포함될 수 있는데, 특히 전해질입자의 경우 점도가 높고 연료전지의 운전 온도 이하에서는 액상 혹은 고상으로 존재할 수 있다. 특히, 촉매연소기의 경우 캐소드로 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 침착 될 수 있는데, 침착된 전해질 입자는 유로를 막아 유동 불균일 및 차압증가를 초래하며, 정상적인 촉매 반응을 막아 연소 효율이 낮아지고 미반응 연료 성분이 캐소드로 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 침착 된다는 보장이 없다는 문제점이 있다.

또한, 대한민국 특허출원 제2007-7017366호는 특정 용해제(Solvent)를 촉매연소기 내부에 충전해 연료전지 시스템의 전체 점검 기간에 촉매연소기를 분리하지 않고 전해질을 제거하는 방안을 제시하고 있다. 일반적으로 용융탄산형 연료전지 스택에서 사용하는 전해질은 친수성이기 때문에 물로도 이를 제거할 수 있는 것으로 알려져 있어, 반드시 특정 용해제를 사용할 필요는 없으며, 이와 같은 방법은 촉매연소기를 분리 및 분해할 필요가 없어 간단하긴 하지만 역시 운전이 정지된 상태에서만 침착된 전해질의 제거가 가능하다는 한계를 가진다.

따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 침착된 전해질을 제거함으로써 연료전지의 운전 안정성을 향상하고 내구성을 증가할 수 있는 촉매연소기를 제공하고자 한다.

본 발명의 다른 목적들은 이하에 서술되는 바람직한 실시예를 통하여 보다 명확해질 것이다.

본 발명의 일 측면에 따른 연료전지 시스템의 촉매연소기는, 애노드 및 캐소드 전극에서 동일 전극 및/또는 전극 상호 간의 재순환을 수행하는 연료전지 시스템의 촉매연소기에 있어서, 별도의 신호에 의해 고온 및 고압의 스팀을 전해질이 침착된 정류기에 직접 분사하여 친수성 물질인 전해질을 직접 용해하여 제거한다.

본 발명에 따른 촉매연소기는 다음과 같은 특징들을 하나 또는 그 이상 구비할 수 있다. 예를 들면, 스팀은 탄화수소 계열의 수소 개질을 위한 수성 반응에 이용되는 스팀의 일부이거나 또는 별도의 증기발생기로부터 공급되는 것일 수 있다.

촉매연소기에 전송되는 신호는 촉매연소기의 전후단에 대한 차압 신호일 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따른 연료전지 시스템의 촉매연소기는, 애노드 및 캐소드 전극에서 동일 전극 또는 전극 상호 간의 재순환을 수행하는 연료전지 시스템의 촉매연소기에 있어서, 촉매로 유입되는 혼합 기체의 유동을 균일화 하고 불순물을 제거하는 정류기를 포함하고, 정류기는 일정 수준 이상의 차압이 감지되는 경우 전류가 인가되어 침착된 전해질을 제거하게 된다.

본 발명에 따른 촉매연소기는 다음과 같은 특징들을 하나 또는 그 이상 구비할 수 있다. 예를 들면, 정류기에 공급되는 전류는 스택에서 발생한 전기 에너지 또는 외부에서 별도로 공급되는 전기 에너지일 수 있다.

본 발명은 침착된 전해질을 제거함으로써 연료전지의 운전 안정성을 향상하고 내구성을 증가할 수 있는 촉매연소기를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매연소기에 대한 개략도.
도 2는 도 1의 촉매연소기의 정류기에 대한 확대도.
도 3은 도 1의 촉매연소기의 촉매에 대한 확대 단면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매연소기 정류기의 개략도.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어 도면 부호에 상관없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매연소기(100)의 개략도이고, 도 2 및 도 3은 도 1의 촉매연소기(100)에 포함된 정류기(102) 및 촉매(103)에 대한 확대 도면이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 애노드 배출가스는 블로워(Blower)나 이젝터(Ejector)와 같은 장치(미도시)에 의해 애노드로 재순환 되거나 캐소드로 재순환 된다. 이중 캐소드로 재순환되는 미반응 연료성분을 포함한 애노드 배출가스는 유입배관(101)을 통해 산화제 가스와 함께 혼합되어 촉매(103)로 공급된다.

촉매(103)는 반응가스와의 접촉면적을 극대화하기 확대 단면(103')과 허니컴 형상을 가진다. 애노드 배출가스와 캐소드 가스 혼합 기체는 유입배관(101)의 내부 혹은 별도의 혼합장치(미도시)를 통해 혼합되어 정류기(102)에 공급된다.

정류기(102)는 촉매(103)로 유입되는 혼합 기체의 유동을 균일화해 촉매 이용률을 극대화하고 핫스팟을 막는 동시에 전해질 입자와 같은 불순물을 제거하는 일종의 필터와 같은 기능을 수행한다. 정류기(102)는 촉매(103')과 같은 허니컴 형태 일 수 있고, 102'와 같이 촉매(103)와 동일한 단면적을 가지는 일종의 다공판으로 구성될 수 있다. 정류기(102)는 촉매연소기(100)와 같이 고온 내구성을 가지는 금속 물질로 구성되며, 가공된 많은 홀(104)은 약간의 차압을 형성해 촉매(103)로 공급되는 혼합기체의 유동을 균일화 하여 혼합가스가 촉매(103)의 전 면적에 대해 균일하게 도달하게 한다.

고온(예를 들어 650℃ 미만)의 애노드 배출가스는 촉매연소기 유입배관(101)에서 상대적으로 온도가 낮은 캐소드 가스와 혼합되어 그 조성이 균일해 지는 반면 온도가 낮아진다. 혼합 가스의 온도가 특정온도(예를 들어 350℃) 이하로 낮아지는 경우 애노드 배출가스에 포함된 전해질 입자는 상변화를 일으켜 액상 또는 고체상태로 정류기(102')에 가공된 홀(104)에 침착 된다. 전해질 입자에 의해 침착된 홀(105)은 더 이상 혼합가스가 통과할 수 없어 유동 불균일을 초래하게 되며, 이는 촉매이용률을 감소시키고 유동이 일정 영역에 집중되는 경우 촉매에 Hot Spot을 형성해 영구적인 손상을 가하게 된다.

본 발명은 전해질 입자가 친수성이기 때문에 물로 용해할 수 있다는 점, 그리고 일정 온도 이상에서는 다시 기화한다는 점을 이용해 다음과 같은 실시 예들을 이용해 촉매연소기 내부에 침착된 전해질 입자를 제거하는 방법을 제시한다.

도 1에 도시한 본 발명에 의한 촉매연소기(100)는 스팀을 공급할 수 있는 포트(106)를 구비하고 있다. 용융탄산염 연료전지와 같은 내부 개질형 연료전지의 경우 연료로 공급되는 천연 가스(Natural Gas) 등의 개질을 위해 고온의 스팀(Steam)을 공급하는데, 전해질 입자의 침착으로 압력계(107, 108)에 일정 이상의 차압이 감지되는 경우 이 중 일부의 스팀을 포트(106)을 통해 정류기(102)에 분사한다. 촉매연소기(100)에 공급되는 혼합기체에 비해 고온 고압인 스팀은 경우 정류기(102)에 가공된 홀(104)에 침착된 전해질 입자를 용해해 제거할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매연소기의 정류기(102')를 예시하는 도면이다.

촉매연소기(100)의 압력계(107, 108) 등을 통해 일정 수준 이상의 차압이 감지되는 경우, 정류기(102')에 설치된 단자(202)를 통해 일정한 전류가 인가된다. 정류기(102')의 외측에는 촉매연소기(100)로부터 정류기(102')를 절연하기 위한 절연재(203)가 설치되어 있어, 전류가 인가되는 경우 정류기(102')의 온도는 상승하게 된다. 정류기(102')의 온도 상승에 따라 전해질이 침착된 홀(201)의 온도가 증가하게 되며, 전해질 입자의 기화온도 이상으로 상승하면 침착된 전해질은 점차 기화되어 홀로부터 제거된다. 이때 공급되는 전류는 외부 또는 연료전지 스택에서 발생한 전류를 활용할 수 있다.

상기에서는 본 발명의 일 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

100: 촉매연소기 101: 유입배관
102: 연소기 103: 촉매
104: 홀 105: 침착된 홀
106: 포트 107, 108: 압력계
202: 단자 203: 절연재

Claims (8)

1. 애노드 및 캐소드 전극에서 동일 전극 또는 전극 상호 간의 재순환을 수행하는 연료전지 시스템의 촉매연소기에 있어서,
   촉매로 유입되는 혼합 기체의 유동을 균일화하고 불순물을 제거하는 정류기; 및
   상기 정류기에 스팀을 공급할 수 있는 포트;를 포함하고,
   별도의 신호에 의해 상기 혼합 기체에 비하여 고온 및 고압인 스팀을 상기 포트를 통해 전해질이 침착된 상기 정류기에 직접 분사하여 친수성 물질인 전해질을 직접 용해해 제거하고,
   상기 스팀은 탄화수소 계열의 수소 개질을 위한 수성 반응에 이용되는 스팀의 일부 또는 별도의 증기발생기로부터 공급되는 것을 특징으로 하는 촉매연소기.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 신호는 촉매연소기의 전후단에 대한 차압 신호인 것을 특징으로 하는 촉매연소기.
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 제1항 또는 제4항의 촉매연소기를 포함하는 연료전지 시스템.

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