KR101440192B1 - The air fuel inflow fuel cell system of the turbocharger - Google Patents

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Abstract

본 발명은 공기 연료 유입 연료전지 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 애노드 오프가스 순환시키고 이를 이용하여 터보차저를 구동시켜 공기와 연료를 압축하여 공급하는 터보차저 방식의 공기 연료 유입 연료전지 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 연소기(6)와 연료전지(1)를 포함하는 공기 연료 유입 연료전지 시스템에 있어서, 상기 연료전지의 애노드(2)에서 배출되는 고온의 애노드 오프 가스를 이용하여 물공급부(21)로부터 공급되는 물을 고압의 수증기로 변환시켜주는 제 1 열교환기(22); 상기 제 1 열교환기(22)를 통과한 수증기를 에너지원으로 하여 구동되는 터빈(24); 상기 터빈(24)과 동일축으로 연결되어 상기 연료전지의 캐소드(3)로 공급되는 공기를 압축시켜서 보내주는 제 1 압축기(25); 상기 터빈(24)과 동일축으로 연결되어 상기 연료전지의 애노드(2)로 공급되는 천연가스를 압축시켜서 보내주는 제 2 압축기(26);를 포함하는 것을 특징으로 하는 터보차저 방식의 공기 연료 유입 연료전지 시스템을 제공한다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to an air fuel inflow fuel cell system, and more particularly, to an air fuel inflow fuel cell system in which a turbocharger is circulated by anode- will be. The present invention relates to an air fuel inflow fuel cell system comprising a combustor (6) and a fuel cell (1), characterized in that the high-temperature anode off-gas discharged from the anode (2) A first heat exchanger (22) for converting the supplied water into high pressure steam; A turbine (24) driven by steam passing through the first heat exchanger (22) as an energy source; A first compressor (25) connected to the turbine (24) on the same axis to compress and deliver the air supplied to the cathode (3) of the fuel cell; And a second compressor (26) connected to the turbine (24) on the same axis to compress and deliver the natural gas supplied to the anode (2) of the fuel cell Thereby providing a fuel cell system.

Description

터보차저 방식의 공기 연료 유입 연료전지 시스템{THE AIR FUEL INFLOW FUEL CELL SYSTEM OF THE TURBOCHARGER}FIELD OF THE INVENTION [0001] The present invention relates to a fuel cell system,

본 발명은 공기 연료 유입 연료전지 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 애노드 오프가스 순환시키고 이를 이용하여 터보차저를 구동시켜 공기와 연료를 압축하여 공급하는 터보차저 방식의 공기 연료 유입 연료전지 시스템에 관한 것이다.
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to an air fuel inflow fuel cell system, and more particularly, to an air fuel inflow fuel cell system in which a turbocharger is circulated by anode- will be.

일반적으로 연료전지는 수소와 산소가 가진 화학적 에너지를 직접 전기 에너지로 변화시키는 전기화학적 장치로서 수소와 산소를 양극과 음극에 공급하여 연속적으로 전기를 생산하는 시스템을 말한다.Generally, a fuel cell is an electrochemical device that converts the chemical energy of hydrogen and oxygen into direct electrical energy. It is a system that continuously produces electricity by supplying hydrogen and oxygen to the anode and cathode.

이러한 연료 전지의 일반적인 특성은, 연료가 전기화학적으로 반응하여 전기를 생산하는 과정에서 열이 발생하게 되므로 총 효율을 80%이상 높이는 고효율 발전이 가능하며, 기존의 화력 발전에 비해 효율이 높으므로 발전용 연료의 절감이 가능하고 열병합 발전도 가능하다. 또한, NOx와 CO2의 배출량이 석탄 화력 발전에 비하여 현저히 낮으며 소음도 매우 적어 공해 배출 요인이 거의 없는 무공해 에너지 기술이다.The general characteristic of such a fuel cell is that the fuel is electrochemically reacted to generate electricity in the process of generating electricity, so that it is possible to generate high efficiency by increasing the total efficiency by 80% or more and is more efficient than the existing thermal power generation It is possible to reduce fuel consumption and also to generate cogeneration. In addition, NOx and CO 2 emissions are significantly lower than coal-fired power plants, and noise is very low, which is a pollution-free energy technology with almost no pollutant emission factors.

이와 더불어 모듈화에 의한 건설 기간의 단축, 설비 용량의 증감이 가능하고 입지 선정이 용이하다. 따라서 도심지역 또는 건물 내 설치가 가능하여 경제적으로 에너지를 공급할 수 있으며, 천연가스, 도시가스, 메탄올, 폐기물 가스 등 다양한 연료를 사용할 수 있으므로 기존의 화력 발전을 대체하고, 분산 전원용 발전소, 열병합 발전소, 무공해 자동차 전원 등에 적용될 수 있다.In addition, it is possible to shorten the construction period by modularization, to increase or decrease the capacity of the facility, and to easily select the location. Therefore, it is possible to supply energy economically because it can be installed in an urban area or a building, and it is possible to use various fuels such as natural gas, city gas, methanol, waste gas, And can be applied to pollution-free automobile power supply and the like.

종래 방식에 의한 공기 연료 유입 연료전지 시스템에서는 천연가스와 공기의 공급을 위해서 블로워를 이용하였는데, 두 개의 블로워를 가동시키기 때문에 전체 시스템의 효율이 떨어지는 문제점이 있다.In the conventional air fuel inflow fuel cell system, a blower is used to supply natural gas and air. However, since two blowers are operated, the efficiency of the entire system is deteriorated.

또한, 개질기에서의 개질반응을 위해서 고온, 고압 조건을 만족시켜야 하는데, 종래의 블로워를 가동시켜서는 이와 같은 조건을 만족시키기 어렵고, 별도의 열교환기를 운영해야 하는 문제점도 있다.
Further, in order to perform the reforming reaction in the reformer, high-temperature and high-pressure conditions must be satisfied. However, when the conventional blower is operated, it is difficult to satisfy such conditions and a separate heat exchanger must be operated.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 연료전지의 애노드에서 배출되는 고온의 애노드 오프 가스를 이용하여 별도의 물공급부로부터 공급받은 물을 고압의 수증기로 전환한 후 터빈에 공급함으로서 터빈과 동일축으로 연결된 압축기들에 의해서 천연가스와 공기를 효과적으로 연료전지에 공급할 수 있도록 하는 터보차저 방식의 공기 연료 유입 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to provide a fuel cell system which converts hot water supplied from a separate water supply unit into high- And to supply the natural gas and air to the fuel cell by the compressors connected to the same turbine with the turbine by supplying the natural gas and the air to the fuel cell.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 연소기(6)와 연료전지(1)를 포함하는 공기 연료 유입 연료전지 시스템에 있어서, 상기 연료전지의 애노드(2)에서 배출되는 고온의 애노드 오프가스를 이용하여 물공급부(21)로부터 공급되는 물을 고압의 수증기로 변환시켜주는 제 1 열교환기(22); 상기 제 1 열교환기(22)를 통과한 수증기를 에너지원으로 하여 구동되는 터빈(24); 상기 터빈(24)과 동일축으로 연결되어 상기 연료전지의 캐소드(3)로 공급되는 공기를 압축시켜서 보내주는 제 1 압축기(25);를 포함하는 것을 특징으로 하는 터보차저 방식의 공기 연료 유입 연료전지 시스템을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides an air fuel inflow fuel cell system including a combustor (6) and a fuel cell (1), wherein the high temperature anode off gas discharged from the anode (2) A first heat exchanger 22 for converting the water supplied from the water supply unit 21 into high-pressure steam using the first heat exchanger 22; A turbine (24) driven by steam passing through the first heat exchanger (22) as an energy source; And a first compressor (25) connected to the turbine (24) on the same axis to compress and deliver the air supplied to the cathode (3) of the fuel cell. Battery system.

또한, 상기 연료전지의 애노드(2)에서 배출되는 고온의 애노드 오프가스를 이용하여 물공급부(21)로부터 공급되는 물을 고압의 수증기로 변환시켜주는 제 1 열교환기(22); 상기 제 1 열교환기(22)를 통과한 수증기를 에너지원으로 하여 구동되는 터빈(24); 상기 터빈(24)과 동일축으로 연결되어 상기 연료전지의 애노드(2)로 공급되는 천연가스를 압축시켜서 보내주는 제 2 압축기(26);를 포함하는 것을 특징으로 하는 터보차저 방식의 공기 연료 유입 연료전지 시스템을 제공한다.A first heat exchanger 22 for converting water supplied from the water supply unit 21 into high pressure steam using a high temperature anode off gas discharged from the anode 2 of the fuel cell; A turbine (24) driven by steam passing through the first heat exchanger (22) as an energy source; And a second compressor (26) connected to the turbine (24) on the same axis to compress and deliver the natural gas supplied to the anode (2) of the fuel cell Thereby providing a fuel cell system.

또한, 상기 연료전지의 애노드(2)에서 배출되는 고온의 애노드 오프가스를 이용하여 물공급부(21)로부터 공급되는 물을 고압의 수증기로 변환시켜주는 제 1 열교환기(22); 상기 제 1 열교환기(22)를 통과한 수증기를 에너지원으로 하여 구동되는 터빈(24); 상기 터빈(24)과 동일축으로 연결되어 상기 연료전지의 캐소드(3)로 공급되는 공기를 압축시켜서 보내주는 제 1 압축기(25); 상기 터빈(24)과 동일축으로 연결되어 상기 연료전지의 애노드(2)로 공급되는 천연가스를 압축시켜서 보내주는 제 2 압축기(26);를 포함하는 것을 특징으로 하는 터보차저 방식의 공기 연료 유입 연료전지 시스템을 제공한다.A first heat exchanger 22 for converting water supplied from the water supply unit 21 into high pressure steam using a high temperature anode off gas discharged from the anode 2 of the fuel cell; A turbine (24) driven by steam passing through the first heat exchanger (22) as an energy source; A first compressor (25) connected to the turbine (24) on the same axis to compress and deliver the air supplied to the cathode (3) of the fuel cell; And a second compressor (26) connected to the turbine (24) on the same axis to compress and deliver the natural gas supplied to the anode (2) of the fuel cell Thereby providing a fuel cell system.

또한, 상기 제 1 열교환기(22)와 상기 터빈(24)사이에 배치되며, 상기 연소기(6)에서 배출되는 배기가스를 이용하여 상기 제 1 열교환기(22)를 통과한 수증기를 승온시키는 제 2 열교환기(23);를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.The first heat exchanger 22 and the turbine 24 are connected to each other by an exhaust gas discharged from the combustor 6 to increase the temperature of the steam passing through the first heat exchanger 22. [ 2 heat exchanger (23).

또한, 상기 제 1 열교환기(22)로 물을 공급해 주는 물공급부(21)에 유량을 조절할 수 있도록 하는 밸브가 더 구비되는 것을 특징으로 한다.In addition, the water supply unit 21 for supplying water to the first heat exchanger 22 may further include a valve for controlling the flow rate.

또한, 상기 터빈(24)을 통과한 수증기를 이용하여 공기와 천연가스를 승온 시켜주는 열교환기를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.
The turbine 24 may further include a heat exchanger for raising the temperature of air and natural gas by using the steam that has passed through the turbine 24.

본 발명에 따른 터보차저 방식의 공기 연료 유입 연료전지 시스템에 따르면 공기 및 연료 공급을 위해서 블로워를 사용할 필요가 없어서, 전체 시스템 구조가 간단해지며, 전체 시스템 효율이 상승하는 효과가 있다.According to the turbo charger type air fuel inflow fuel cell system according to the present invention, there is no need to use a blower for supplying air and fuel, so that the overall system structure is simplified and the overall system efficiency is increased.

또한, 개질기로 공급되는 천연가스를 압축하여 공급할 수 있어 별도의 고압과정을 거치지 않고도 바로 개질반응을 실시할 수 있는 이점이 있다.
In addition, since the natural gas supplied to the reformer can be compressed and supplied, there is an advantage that the reforming reaction can be performed immediately without a separate high-pressure process.

도 1은 종래 방식에 의한 공기 연료 유입 연료전지 시스템의 사이클을 도시한 도면이다.
도 2 내지 4는 본 발명에 따른 일실시예에 따른 터보차저 방식의 공기 연료 유입 연료전지 시스템의 사이클을 도시한 도면이다.1 is a view showing a cycle of an air fuel inflow fuel cell system according to a conventional method.
2 to 4 are views showing a cycle of a turbo charger type air fuel inflow fuel cell system according to an embodiment of the present invention.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 의한 터보차저 방식의 공기 연료 유입 연료전지 시스템의 바람직한 실시예들을 자세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of a turbocharged air fuel inflow fuel cell system according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the drawings, the same reference numerals are used to designate the same or similar components throughout the drawings. In the following description of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear.

도 1은 종래 방식인 블로워에 의한 공기 연료 유입 연료전지 시스템을 도시하고 있다. 도 1을 참조하면, 블로워를 이용한 공기 연료 유입 연료전지 시스템은 애노드(2)와 캐소드(3)를 구비하는 연료전지(1), 애노드(2)로 수소를 공급하기 위한 개질기(4), 탈황기(5), 애노드 오프가스를 이용하는 연소기(6), 캐소드 오프가스를 이용해서 캐소드(3)로 유입되는 공기를 승온 시켜주는 캐소드-열교환기(7), 고온의 애노드 오프가스의 온도를 낮추어주는 애노드 오프가스-열교환기(8), 애노드 오프가스를 개질기(4)로 공급해주기 위한 애노드 오프가스-블로워(9), 연소기에서 배출되는 배기가스를 이용해서 개질기(4)로 공급되는 천연가스를 승온 시켜주는 연소기 배기가스-열교환기(10), 캐소드(3)로 공기를 공급해주기 위한 공기유로-블로워(11), 애노드(2)로 천연가스를 공급해주기 위한 천연가스유로-블로워(12)로 구성된다.1 shows an air fuel inflow fuel cell system using a conventional blower. 1, an air fuel inflow fuel cell system using a blower includes a fuel cell 1 having an anode 2 and a cathode 3, a reformer 4 for supplying hydrogen to the anode 2, A cathode-heat exchanger 7 for raising the temperature of the air introduced into the cathode 3 by using the cathode off-gas, a temperature-lowering means for lowering the temperature of the anode- An anode off gas-heat exchanger 8 for supplying an anode off gas to the reformer 4, an anode off gas-blower 9 for supplying an anode off gas to the reformer 4, A blower 11 for supplying air to the cathode 3; a natural gas flow-blower 12 for supplying natural gas to the anode 2; ).

공기(Air)의 순환 과정을 살펴보면, 공기는 공기유로-블로워(11)에 의해서 공기유로를 따라서 이동하다가 캐소드-열교환기(7)에서 캐소드(3)에서 배출되는 캐소드 오프가스를 이용하여 승온 된 후 캐소드(3)로 유입된다. 캐소드(3)로에서 반응후에 다시 캐소드-열교환기(7)를 거친 후에 연소기(6)로 공급된다.Air is circulated through the air flow path by the air flow-blower 11 and then heated by the cathode off-gas discharged from the cathode 3 in the cathode-heat exchanger 7 And then flows into the cathode 3. After the reaction in the cathode 3, is supplied to the combustor 6 after passing through the cathode-heat exchanger 7 again.

다음으로, 천연가스는 천연가스유로-블로워(12)에 의해서 천연가스유로를 따라서 이동하다가 연소기(6)에서 배출되는 배기가스를 이용하여 천연가스를 300℃로 승온 시켜주는 연소기 배기가스-열교환기(10)를 거친다. 승온된 천연가스는 탈황기(5)를 통과한 후 개질기(4)를 통과하여 개질반응 후에 애노드(2)에 공급된다. 공급된 연료가스는 애노드(2)에서 반응하고, 미반응된 애노드 오프가스는 배출유로로 배출된다. 여기서 배출된 애노드 오프가스의 일부는 연소기(6)로 이동하고, 일부는 재순환유로를 따라서 이동하게 된다. 재순환유로는 고온의 애노드 오프가스를 1차로 온도 강하를 시켜주는 애노드 오프가스-열교환기(8)를 통과하고, 다시 애노드 오프가스-블로워(9)를 통해서 개질기(4)로 강제적으로 순환을 시키게 된다.Next, the natural gas is moved along the natural gas flow path by the natural gas flow path-blower 12, and then is supplied to the combustor exhaust gas-heat exchanger (not shown) which raises the temperature of the natural gas to 300 ° C. by using the exhaust gas discharged from the combustor 6 (10). The heated natural gas passes through the desulfurizer 5, passes through the reformer 4, and is supplied to the anode 2 after the reforming reaction. The supplied fuel gas reacts at the anode 2, and the unreacted anode off-gas is discharged to the discharge passage. A part of the anode off-gas discharged here moves to the combustor 6, and a part thereof moves along the recirculating flow path. The recirculation flow passes through the anode off-gas-heat exchanger 8, which causes the first-order temperature drop of the anode off-gas at a high temperature, and is forcibly circulated to the reformer 4 through the anode off-gas- do.

상술한 바와 같이, 블로워를 이용해서 공기와 천연가스를 공급해주는 시스템은 고온의 애노드 오프가스를 1차로 온도 강하 시켜주는 애노드 오프가스-열교환기(8)가 별도로 필요하게 되고, 블로워의 강제 구동에 의해서 공기와 천연가스를 공급해주기 때문에 별도의 동력원을 소모하게 되는 문제점이 발생된다.As described above, in the system for supplying the air and the natural gas using the blower, the anode off gas-heat exchanger 8 for lowering the temperature of the anode off-gas at a high temperature is separately required, The air and the natural gas are supplied, and thus a separate power source is consumed.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해서 안출된 것으로서, 고온의 애노드 오프가스를 이용하여 터보차저 방식의 순환을 시키는 것을 특징으로 하고 있다.SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, the present invention has been made keeping in mind the above problems occurring in the prior art, and it is an object of the present invention to provide a turbo charger circulation system using a high temperature anode off gas.

[실시예 1][Example 1]

도 2는 본 발명에 따른 실시예 1을 나타낸 것 캐소드(3)로 공급되는 공기유로에 터보차저를 달아서 공기를 공급시켜주는 구성이다.FIG. 2 shows a first embodiment according to the present invention. In FIG. 2, a turbocharger is attached to an air passage supplied to the cathode 3 to supply air.

연료전지의 애노드(2)에서 배출되는 고온(800~900℃)의 애노드 오프가스를 이용하여 물공급부(21)로부터 공급되는 물을 고압의 수증기로 변환시켜주는 제 1 열교환기(22)와, 제 1 열교환기(22)를 통과한 수증기를 에너지원으로 하여 구동되는 터빈(24)과, 터빈(24)과 동일축으로 연결되어 연료전지의 캐소드(3)로 공급되는 공기를 압축시켜서 보내주는 제 1 압축기(25)를 포함하고 있다.A first heat exchanger 22 for converting water supplied from the water supply unit 21 into high-pressure steam using an anode off-gas at a high temperature (800 to 900 ° C) discharged from the anode 2 of the fuel cell, A turbine 24 driven by water vapor having passed through the first heat exchanger 22 as an energy source and a compressor 24 connected to the turbine 24 in the same axis to compress air supplied to the cathode 3 of the fuel cell, And a first compressor (25).

필요에 따라서는 제 1 열교환기(22)를 통과한 수증기를 좀 더 승온 시켜주기 위해서 연소기(6)에서 배출되는 배기가스를 이용하는 제 2 열교환기(23)를 통과시킨 후에 터빈(24)을 구동시킬 수도 있다.The steam is passed through the second heat exchanger 23 using the exhaust gas discharged from the combustor 6 to further increase the temperature of the steam passing through the first heat exchanger 22 and then the turbine 24 is driven .

공기공급을 위해서 종래 방식과는 달리 터보차저를 이용함으로써 압축된 공기를 캐소드(3)로 공급할 수 있어 시스템 효율을 상승시킬수도 있고, 공기공급을 위한 블로워를 사용할 필요가 없어서, 시스템 구성이 간단해지고, 별도의 동력소모도 없어지는바, 전체적으로 시스템 효율을 상승시킬 수 있게 된다.Unlike the conventional system for supplying air, compressed air can be supplied to the cathode 3 by using a turbo charger, thereby increasing the system efficiency and eliminating the need to use a blower for air supply, As a result, the system efficiency can be increased as a whole.

실시예 1에서는 터빈(24)을 구동시킨 후 수증기는 공기와 천연가스를 승온 시키기 위한 별도의 열교환기(미도시)를 통과시킬 수도 있고, 다른 용도로 사용될 수도 있다. 개질기(4)로 공급되는 천연가스의 온도가 통상 300℃인 것을 고려해 볼 때, 열교환기를 통해서 별도의 에너지원 없이도 이와 같은 온도에 쉽게 도달할 수 있게 되는 이점이 있다. 따라서, 열교환기를 통과시키게 되면 기존의 시스템에 비해서 고온의 공기 및 연료가스를 공급할 수 있게 되어서 전체적으로 시스템 효율을 상승시킬 수 있게 된다.In Embodiment 1, after driving the turbine 24, steam may pass through a separate heat exchanger (not shown) for raising the temperature of air and natural gas, or may be used for other purposes. Considering that the temperature of the natural gas supplied to the reformer 4 is typically 300 ° C, the temperature can be easily reached without a separate energy source through the heat exchanger. Therefore, by passing through the heat exchanger, the high-temperature air and the fuel gas can be supplied as compared with the conventional system, and the system efficiency can be increased as a whole.

[실시예 2] [Example 2]

도 3은 본 발명에 따른 실시예 2를 나타낸 것 애노드(2)로 공급되는 천연가스유로에 터보차저를 달아서 천연가스를 공급시켜주는 구성이다.3 shows a second embodiment according to the present invention in which a turbocharger is attached to a natural gas channel supplied to the anode 2 to supply natural gas.

연료전지의 애노드(2)에서 배출되는 고온(800~900℃)의 애노드 오프가스를 이용하여 물공급부(21)로부터 공급되는 물을 고압의 수증기로 변환시켜주는 제 1 열교환기(22)와, 제 1 열교환기(22)를 통과한 수증기를 에너지원으로 하여 구동되는 터빈(24)과, 터빈(24)과 동일축으로 연결되어 개질기(4)로 공급되는 천연가스를 압축시켜서 보내주는 제 2 압축기(26)를 포함하고 있다.A first heat exchanger 22 for converting water supplied from the water supply unit 21 into high-pressure steam using an anode off-gas at a high temperature (800 to 900 ° C) discharged from the anode 2 of the fuel cell, A turbine 24 that is driven by using water vapor having passed through the first heat exchanger 22 as an energy source and a second compressor 23 which is connected to the turbine 24 coaxially and compresses the natural gas supplied to the reformer 4, And a compressor (26).

필요에 따라서는 제 1 열교환기(22)를 통과한 수증기를 좀 더 승온 시켜주기 위해서 연소기(6)에서 배출되는 배기가스를 이용하는 제 2 열교환기(23)를 통과시킨 후에 터빈(24)을 구동시킬 수도 있다.The steam is passed through the second heat exchanger 23 using the exhaust gas discharged from the combustor 6 to further increase the temperature of the steam passing through the first heat exchanger 22 and then the turbine 24 is driven .

천연가스 공급을 위해서 종래 방식과는 달리 터보차저를 이용함으로써 압축된 천연가스를 개질기(4)로 공급할 수 있어 시스템 효율을 상승시킬수도 있고, 천연가스공급을 위한 블로워를 사용할 필요가 없어서, 시스템 구성이 간단해지고, 별도의 동력소모도 없어지는바, 전체적으로 시스템 효율을 상승시킬 수 있게 된다.The compressed natural gas can be supplied to the reformer 4 by using the turbo charger in order to supply the natural gas, so that the efficiency of the system can be increased and there is no need to use the blower for supplying the natural gas, So that the system efficiency can be increased as a whole.

실시예 2에서는 터빈(24)을 구동시킨 후 수증기는 공기와 천연가스를 승온 시키기 위한 별도의 열교환기(미도시)를 통과시킬 수도 있고, 다른 용도로 사용될 수도 있다. 개질기(4)로 공급되는 천연가스의 온도가 통상 300℃인 것을 고려해 볼 때, 열교환기를 통해서 별도의 에너지원 없이도 이와 같은 온도에 쉽게 도달할 수 있게 되는 이점이 있다. 따라서, 열교환기를 통과시키게 되면 기존의 시스템에 비해서 고온의 공기 및 연료가스를 공급할 수 있게 되어서 전체적으로 시스템 효율을 상승시킬 수 있게 된다.In the second embodiment, after the turbine 24 is driven, steam may pass through a separate heat exchanger (not shown) for raising the temperature of air and natural gas, or may be used for other purposes. Considering that the temperature of the natural gas supplied to the reformer 4 is typically 300 ° C, the temperature can be easily reached without a separate energy source through the heat exchanger. Therefore, by passing through the heat exchanger, the high-temperature air and the fuel gas can be supplied as compared with the conventional system, and the system efficiency can be increased as a whole.

[실시예 3] [Example 3]

도 4는 본 발명에 따른 실시예 3을 나타낸 것 애노드(2)로 공급되는 천연가스유로 및 캐소드(3)로 공급되는 공기유로에 터보차저를 달아서 천연가스를 공급시켜주는 구성이다.4 shows a third embodiment according to the present invention in which a turbo charger is attached to a natural gas channel supplied to the anode 2 and an air channel supplied to the cathode 3 to supply natural gas.

연료전지의 애노드(2)에서 배출되는 고온(800~900℃)의 애노드 오프가스를 이용하여 물공급부(21)로부터 공급되는 물을 고압의 수증기로 변환시켜주는 제 1 열교환기(22)와, 제 1 열교환기(22)를 통과한 수증기를 에너지원으로 하여 구동되는 터빈(24)과, 터빈(24)과 동일축으로 연결되어 연료전지의 캐소드(3)로 공급되는 공기를 압축시켜서 보내주는 제 1 압축기(25)와, 터빈(24)과 동일축으로 연결되어 개질기(4)로 공급되는 천연가스를 압축시켜서 보내주는 제 2 압축기(26)를 포함하고 있다.A first heat exchanger 22 for converting water supplied from the water supply unit 21 into high-pressure steam using an anode off-gas at a high temperature (800 to 900 ° C) discharged from the anode 2 of the fuel cell, A turbine 24 driven by water vapor having passed through the first heat exchanger 22 as an energy source and a compressor 24 connected to the turbine 24 in the same axis to compress air supplied to the cathode 3 of the fuel cell, A first compressor 25 and a second compressor 26 connected to the turbine 24 coaxially and for compressing and delivering the natural gas supplied to the reformer 4.

필요에 따라서는 제 1 열교환기(22)를 통과한 수증기를 좀 더 승온 시켜주기 위해서 연소기(6)에서 배출되는 배기가스를 이용하는 제 2 열교환기(23)를 통과시킨 후에 터빈(24)을 구동시킬 수도 있다.The steam is passed through the second heat exchanger 23 using the exhaust gas discharged from the combustor 6 to further increase the temperature of the steam passing through the first heat exchanger 22 and then the turbine 24 is driven .

본 실시예는 실시예 1과 2에 기재된 내용을 결합시킨 것으로서 공기와 천연가스를 모두 압축시켜서 공급할 수 있게 되어 실시예 1과 2 보다도 좀 더 높은 시스템 효율을 달성할 수 있다.This embodiment is a combination of the contents described in Embodiments 1 and 2, and it is possible to supply both air and natural gas in a compressed state, thereby achieving higher system efficiency than Embodiments 1 and 2.

또한, 물공급부(21)에 별도의 밸브(미도시)를 달아서 터빈으로 유입되는 수증기의 유량을 조절 할 수도 있다. 밸브는 유량조절을 통해서 본 시스템의 효율을 조정할 수 있는 기능이 있다.In addition, a separate valve (not shown) may be attached to the water supply unit 21 to control the flow rate of water vapor flowing into the turbine. The valve has the function to adjust the efficiency of the system through the flow control.

전술한 바와 같이, 종래의 블로워를 이용한 공기 연료 유입 연료전지 시스템은 공기와 천연가스의 공급을 위해서 별도의 블로워를 가동시켜야 하고, 천연가스의 경우 개질기로 공급되기 위해서는 고온, 고압의 상태를 유지 시켜주기 위해서 별도의 열교환기가 필요하게 되었으나, 본 발명에 따른 터보차저 방식의 공기 연료 유입 연료전지 시스템을 도입하게 되면, 연료전지의 애노드에서 배출되는 애노드 오프가스를 잉요하여 터보차저를 작동시킬수 있게 되어 전체 시스템의 효율을 향상시킬 수 있게 된다.
As described above, in the air fuel inflow fuel cell system using the conventional blower, a separate blower must be operated to supply air and natural gas. In the case of natural gas, a high temperature and a high pressure state are maintained However, when the turbo charger type air fuel inflow fuel cell system according to the present invention is introduced, the anode off gas discharged from the anode of the fuel cell can be used to operate the turbocharger, The efficiency of the system can be improved.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래 청구범위에 의하여 해석되어야하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
The foregoing description is merely illustrative of the technical idea of the present invention and various changes and modifications may be made by those skilled in the art without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the embodiments disclosed in the present invention are intended to illustrate rather than limit the scope of the present invention, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments. The scope of protection of the present invention should be construed according to the following claims, and all technical ideas within the scope of equivalents should be construed as falling within the scope of the present invention.

1: 연료전지 2: 애노드
3: 캐소드 4: 개질기
5: 탈황기 6: 연소기
7: 캐소드-열교환기 8: 애노드 오프가스-열교환기
9: 애노드 오프가스-블로워 10: 연소기 배기가스-열교환기
11: 공기유로-블로워 12: 천연가스유로-블로워
21: 물공급부 22: 제 1 열교환기
23: 제 2 열교환기 24: 터빈
25: 제 1 압축기 26: 제 2 압축기1: fuel cell 2: anode
3: cathode 4: reformer
5: Desulfurizer 6: Combustor
7: cathode-heat exchanger 8: anode off-gas-heat exchanger
9: anode off gas-blower 10: combustor exhaust gas-heat exchanger
11: Air flow-blower 12: Natural gas flow-blower
21: water supply unit 22: first heat exchanger
23: second heat exchanger 24: turbine
25: first compressor 26: second compressor

Claims (6)

연소기(6)와 연료전지(1)를 포함하는 공기 연료 유입 연료전지 시스템에 있어서,
상기 연료전지의 애노드(2)에서 배출되는 고온의 애노드 오프가스를 이용하여 물공급부(21)로부터 공급되는 물을 고압의 수증기로 변환시켜주는 제 1 열교환기(22);
상기 제 1 열교환기(22)를 통과한 수증기를 에너지원으로 하여 구동되는 터빈(24);
상기 터빈(24)과 동일축으로 연결되어 상기 연료전지의 캐소드(3)로 공급되는 공기를 압축시켜서 보내주는 제 1 압축기(25);를 포함하는 것을 특징으로 하는 터보차저 방식의 공기 연료 유입 연료전지 시스템.In an air fuel inflow fuel cell system including a combustor (6) and a fuel cell (1)
A first heat exchanger (22) for converting water supplied from a water supply unit (21) into high pressure steam using a high temperature anode off gas discharged from an anode (2) of the fuel cell;
A turbine (24) driven by steam passing through the first heat exchanger (22) as an energy source;
And a first compressor (25) connected to the turbine (24) on the same axis to compress and deliver the air supplied to the cathode (3) of the fuel cell. Battery system. 연소기(6)와 연료전지(1)를 포함하는 공기 연료 유입 연료전지 시스템에 있어서,
상기 연료전지의 애노드(2)에서 배출되는 고온의 애노드 오프가스를 이용하여 물공급부(21)로부터 공급되는 물을 고압의 수증기로 변환시켜주는 제 1 열교환기(22);
상기 제 1 열교환기(22)를 통과한 수증기를 에너지원으로 하여 구동되는 터빈(24);
상기 터빈(24)과 동일축으로 연결되어 상기 연료전지의 애노드(2)로 공급되는 천연가스를 압축시켜서 보내주는 제 2 압축기(26);를 포함하는 것을 특징으로 하는 터보차저 방식의 공기 연료 유입 연료전지 시스템.In an air fuel inflow fuel cell system including a combustor (6) and a fuel cell (1)
A first heat exchanger (22) for converting water supplied from a water supply unit (21) into high pressure steam using a high temperature anode off gas discharged from an anode (2) of the fuel cell;
A turbine (24) driven by steam passing through the first heat exchanger (22) as an energy source;
And a second compressor (26) connected to the turbine (24) on the same axis to compress and deliver the natural gas supplied to the anode (2) of the fuel cell Fuel cell system. 연소기(6)와 연료전지(1)를 포함하는 공기 연료 유입 연료전지 시스템에 있어서,
상기 연료전지의 애노드(2)에서 배출되는 고온의 애노드 오프가스를 이용하여 물공급부(21)로부터 공급되는 물을 고압의 수증기로 변환시켜주는 제 1 열교환기(22);
상기 제 1 열교환기(22)를 통과한 수증기를 에너지원으로 하여 구동되는 터빈(24);
상기 터빈(24)과 동일축으로 연결되어 상기 연료전지의 캐소드(3)로 공급되는 공기를 압축시켜서 보내주는 제 1 압축기(25);
상기 터빈(24)과 동일축으로 연결되어 상기 연료전지의 애노드(2)로 공급되는 천연가스를 압축시켜서 보내주는 제 2 압축기(26);를 포함하는 것을 특징으로 하는 터보차저 방식의 공기 연료 유입 연료전지 시스템.In an air fuel inflow fuel cell system including a combustor (6) and a fuel cell (1)
A first heat exchanger (22) for converting water supplied from a water supply unit (21) into high pressure steam using a high temperature anode off gas discharged from an anode (2) of the fuel cell;
A turbine (24) driven by steam passing through the first heat exchanger (22) as an energy source;
A first compressor (25) connected to the turbine (24) on the same axis to compress and deliver the air supplied to the cathode (3) of the fuel cell;
And a second compressor (26) connected to the turbine (24) on the same axis to compress and deliver the natural gas supplied to the anode (2) of the fuel cell Fuel cell system. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 제 1 열교환기(22)와 상기 터빈(24)사이에 배치되며,
상기 연소기(6)에서 배출되는 배기가스를 이용하여 상기 제 1 열교환기(22)를 통과한 수증기를 승온시키는 제 2 열교환기(23);를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 터보차저 방식의 공기 연료 유입 연료전지 시스템.4. The method according to any one of claims 1 to 3,
A first heat exchanger (22) disposed between the first heat exchanger (22) and the turbine (24)
And a second heat exchanger (23) for increasing the temperature of the steam passing through the first heat exchanger (22) by using the exhaust gas discharged from the combustor (6) Inflow fuel cell system. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 제 1 열교환기(22)로 물을 공급해 주는 물공급부(21)에 유량을 조절할 수 있도록 하는 밸브가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 터보차저 방식의 공기 연료 유입 연료전지 시스템.4. The method according to any one of claims 1 to 3,
Further comprising a valve for controlling the flow rate of the water supplied to the first heat exchanger (22) and the water supply unit (21) for supplying water to the first heat exchanger (22). 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 터빈(24)을 통과한 수증기를 이용하여 공기와 천연가스를 승온 시켜주는 열교환기를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 터보차저 방식의 공기 연료 유입 연료전지 시스템.4. The method according to any one of claims 1 to 3,
Further comprising a heat exchanger for raising the temperature of the natural gas and the air using the steam passing through the turbine (24).
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