KR100623942B1 - 용융탄산염 연료 전지 시스템 - Google Patents

용융탄산염 연료 전지 시스템 Download PDF

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안국영
이영덕
이상민
김한석
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한국기계연구원
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Abstract

본 발명에 따르면, 연료 및 물을 공급하는 공급부; 이 공급부로부터 연료와 물을 공급받아 화학반응에 의하여 연료와 물을 수소로 변환시키는 개질기; 이 개질기로부터 수소를 공급받는 양극부(anode); 이 양극부에서 배출된 가스를 연소시켜 열을 발생시키며, 열을 개질기로 전달하는 연소기; 이 연소기로부터 공기를 공급받는 음극부(cathode); 양극부와 음극부를 포함하며 개질기로부터 공급된 수소와 상기 연소기로부터 공급된 공기에 포함된 산소의 화학반응에 의하여 전기 에너지를 발생시키는 전기발생부; 압축기로부터 압축되어 공급된 공기를 음극부로부터 회수된 열을 이용하여 가열하는 공기 열교환기; 공기 열교환기에서 열교환이 이루어진 열을 회수하여 개질기에 공급되는 연료와 물을 가열하는 연료 열교환기; 및 압축기로부터 공급받아 열교환이 이루어져 가열된 압축 공기에 의하여 동력을 발생시키며 연소기에 공기를 공급하는 공기터빈을 포함하는 용융탄산염 연료 전지 시스템이 제공된다. 이와 같은 용융탄산염 연료전지 시스템에 의하면, 시스템의 안정성을 향상시켜주며, 시스템으로부터 발생하는 열의 효율성을 향상시켜주게 된다.
연료전지, 용융탄산염, 열교환기, 열 회수, 안정성, 시동, 터빈, 효율

Description

용융탄산염 연료 전지 시스템{System for molten carbonate fuel cells}
도 1은 종래 용융탄산염 연료 전지 시스템의 구성을 나타낸 블록도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 용융탄산염 연료 전지 시스템의 구성을 나타낸 블록도,
도 3은 도 2에 도시한 사방밸브를 개략적으로 나타낸 구성도이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
100...용융탄산염 연료 전지 시스템 110...공급부
120...개질기 130...전기발생부
140...연소기 150...공기 열교환기
160...연료 열교환기 170...사방밸브
180...공기터빈 190...제2열교환기
본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 시스템의 안정성과 효율을 향상시킨 용융탄산염(Molten carbonate fuel cell : MCFC) 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 연료 전지는 수소와 산소가 가진 화학적 에너지를 직접 전기 에너지로 변화시키는 전기화학적 장치로서 수소와 산소를 양극과 음극에 공급하여 연속적으로 전기를 생산하는 시스템을 말한다.
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.
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.
연료 전지 시스템은 수소를 함유한 일반연료(LPG, LNG, 메탄, 석탄가스, 메탄올 등)로부터 연료 전지에 요구되는 다량의 수소를 포함하는 가스로 변환하는 연료 개질 장치, 연료 개질 장치에서 들어오는 수소와 공기 중의 산소로 직류 전기와 물 및 부산물인 열을 발생시키는 연료 전지 본체, 그리고 연료 전지에서 나오는 직류를 교류로 전환하는 전력 전환 장치로 구성된다.
또한, 연료 전지 반응에서 발생하는 반응열과 연료 개질 과정에서 나오는 폐 열 등을 이용하는 장치가 부수적으로 필요하다.
이러한 연료 전지는 작동 온도와 전해질의 형태에 따라 알카리형(AFC), 인산염형(PAFC), 용융탄산염(MCFC), 고체산화물형(SOFC) 및 고분자전해질형(PEMFC) 등으로 구분되는데, 이와 같은 연료 전지 시스템 중 용융탄산염 연료 전지 시스템은 그 동작온도가 600℃이상에서 700℃이하이며, 특히 600℃이상의 동작온도로 작동하는 용융탄산염 연료 전지는 중·대용량 전력용으로 사용된다.
그리고 수소가 주성분인 연료가스와 산소와 이산화탄소로 구성된 산화제가 각각 연료극과 공기극으로 공급되면 연료 전지는 전기와 열 및 물을 생산한다.
전기와 열 및 물을 생산하는 용융탄산염 연료 전지는 환경친화성 및 열병합 발전으로 대표되는 장점을 가져 병원, 호텔, 아파트 단지 등에 직접 설치하는 현장설치형 및 분산배치형 발전에서부터 기존 대형 화력 발전이나 원자력 발전을 대체하는 중앙집중형 발전에 이르기까지 다양하게 적용된다.
상기에서 살펴본 바와 같은 종래 용융탄산염 연료 전지 시스템은 도 1에 도시한 바와 같이 연료 및 물을 공급하는 공급부(10), 상기 공급부(10)로부터 연료와 물을 공급받아 화학반응에 의하여 상기 연료와 물을 수소로 변환시키는 개질기(20), 양극부(41)와 음극부(42)로 이루어지며 상기 개질기(20)로부터 수소를 공급받고 연소기(30)로부터 공기를 공급받아 전기 에너지를 발생시키는 전기발생부(40), 상기 전기발생부(40)에서 배출된 가스를 연소시켜 열을 발생시키는 연소기(30), 압축기(50)로부터 압축되어 공급된 공기와 상기 공급부(10)로부터 공급되는 연료와 물을 가열하는 열교환기(60)와 상기 압축공기를 한번 더 가열하는 열교 환기(61), 및 압축 공기에 의하여 동력을 발생시키며 연소기(30)에 공기를 공급하는 공기터빈(70)으로 구성된다.
상기와 같이 구성된 종래 용융탄산염 연료 전지 시스템은 공기터빈(70) 출구의 공기를 직접적으로 연소기(30)에 공급하게 되는데, 이와 같이 공기터빈(70)으로부터 배출되는 열을 직접 연소기(30)에 공급하게 되면, 연소기(30)에서 전기발생부(40)로 공급하는 공기는 상당히 불안정한 온도와 압력을 갖게 된다. 즉, 전기발생부(40)는 압력에 매우 민감하여 초기 시동을 비롯한 운전시 압력변동의 우려가 있어 안정적인 작동에 어려움이 있다.
특히, 시동 및 부하운전시에는 이러한 현상이 더욱 두드러져 운전 및 제어에 각별히 주의해야 하며, 전체적인 시스템이 압력 및 온도에 민감함으로 안정성이 떨어지게 된다.
또한, 연소기(30)에 공급되는 가연성 가스와 공기터빈(70) 출구의 공기 혼합은 공기터빈(70)의 출구로 배출되는 공기의 양과 압력 등에 따라 조절하는 것이 어려운 문제점을 갖는다.
더욱이, 전기발생부(40)로부터 발생한 열로 연료, 물 및 압축공기를 가열함에 있어서 전체 시스템의 열효율을 극대화할 수 있는 구성이 요구된다.
본 발명은 상기의 문제점 및 필요성에 의하여 창출된 것으로서, 안정성 및 열효율을 향상시킨 용융탄산염 연료 전지 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 본 발명의 실시예 에 의하여 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 청구 범위에 나타낸 수단 및 조합에 의해 실현될 수 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 용융탄산염 연료 전지 시스템은 연료 및 물을 공급하는 공급부; 상기 공급부로부터 연료와 물을 공급받아 화학반응에 의하여 상기 연료와 물을 수소로 변환시키는 개질기; 상기 개질기로부터 수소를 공급받는 양극부(anode); 상기 양극부에서 배출된 가스를 연소시켜 열을 발생시키며, 상기 열을 상기 개질기로 전달하는 연소기; 상기 연소기로부터 공기를 공급받는 음극부(cathode); 상기 양극부와 상기 음극부를 포함하며 상기 개질기로부터 공급된 수소와 상기 연소기로부터 공급된 공기에 포함된 산소의 화학반응에 의하여 전기 에너지를 발생시키는 전기발생부; 압축기로부터 압축되어 공급된 공기를 상기 음극부로부터 회수된 열을 이용하여 가열하는 공기 열교환기; 상기 공기 열교환기에서 열교환이 이루어진 열을 회수하여 상기 개질기에 공급되는 연료와 물을 가열하는 연료 열교환기; 및 상기 압축기로부터 공급받아 열교환이 이루어져 가열된 압축 공기에 의하여 동력을 발생시키며 연소기에 공기를 공급하는 공기터빈을 포함한다.
또한, 상기 용융탄산염 연료 전지 시스템은 상기 연소기에 공기를 공급하는 송풍기; 및 상기 연소기에 상기 공기터빈과 상기 송풍기 중 어느 하나에 의하여 선택적으로 공기가 공급될 수 있도록 제어하는 사방밸브를 더 포함하며, 시스템의 초기 시동시에는 송풍기에 의하여 상기 연소기에 공기를 공급하고, 시스템이 정상상태를 유지하며 가동될 경우에는 공기터빈에 의하여 상기 연소기에 공기를 공급하도 록 상기 사방밸브를 제어하는 제어부를 더 포함하는 것이 바람직하다.
더욱이, 상기 용융탄산염 연료 전지 시스템은 상기 연소기로부터 발생하는 열을 회수하여 상기 공기 열교환기에서 가열된 공기를 재가열하는 제2열교환기를 더 포함하는 것이 바람직하다.
게다가, 상기 연소기는, 압력이 있는 기체 또는 액체를 노즐로부터 분사시키는 이젝터(ejector)를 포함하며, 상기 양극부로부터 공급받은 가스와 상기 공기터빈 또는 상기 송풍기로부터 공급받은 공기를 상기 이젝터(ejector)에 의하여 혼합하는 것이 바람직하다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 용융탄산염 연료 전지 시스템의 구성을 나타낸 블록도이다.
도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 용융탄산염 연료 전지 시스템(100)은 공급부(110); 개질기(120); 양극부(132)와 음극부(134)를 포함하는 전기발생부(130); 연소기(140); 공기 열교환기(150); 연료 열교환기(160); 송풍기(162); 사방밸브(170); 제어기(172); 및 제2열교환기(190)를 포함한다.
상기 공급부(110)는 상기 용융탄산염 연료 전지 시스템(100)에 요구되는 연료와 물을 공급하는 장치로서, 천연가스, 메탄올, 석탄 및 석유 등과 같은 연료를 공급하게 된다.
상기 개질기(120)는 상기 공급부(110)로부터 공급받은 연료와 물을 이용하여 수소를 발생시키는 장치로서, 상기 공급부(110)로부터 연료와 물을 공급받아 수소를 발생시키고 하기에 설명할 전기발생부(130)의 양극부(132)에 요구되는 수소를 공급하는 역할을 하는 것이다.
상기 전기발생부(130)는 양극부(132)와 음극부(134)를 포함하며, 상기 개질기(120)로부터 수소를 공급받고, 하기에 설명할 연소기(140)로부터 공급되는 산소를 공급받아 전기를 발생시키는 장치로서, 전기를 발생하는 원리는 다음과 같다.
상기 전기발생부(130)는 양극부(132)와 음극부(134) 그리고 두 전극 사이에 위치하는 전해질로 이루어져 있으며, 상기 양극부(132)에 수소가 공급되고, 상기 양극부(132)에서 수소가 탄산염 이온과 반응하여 이산화탄소와 물을 생성한다.
반응에서 생성된 전자는 외부회로를 거쳐 전류를 발생시키게 되며, 상기 음극부(134)에서는 공급된 산소와 이산화탄소가 반응하여 탄산염 이온을 생성하게 되며, 생성된 탄산염이온은 전해질을 통하여 양극부(132)로 이동하게 된다.
상기 연소기(140)는 상기 전기발생부(130)의 양극부(132)로부터 배출되는 가연성 가스를 공급받고, 하기에 설명할 송풍기(162) 또는 공기터빈(180)으로부터 선택적으로 공기를 공급받아 연소시키는 장치로서, 고온의 열을 방출하게 된다.
따라서, 상기 연소기(140)에서 발생하는 고온의 열을 포함한 산소와 이산화탄소를 상기 전기발생부(130)의 음극부(134)로 공급하게 되며, 상기 연소기(140)에서 발생한 열의 일부는 상기 개질기(120)로 공급되어, 상기 개질기(120)에 필요한 열을 공급하는 것이다.
여기서, 상기 연소기(140)는 압력이 있는 기체 또는 액체를 노즐로부터 분사시키는 이젝터(ejector)를 포함하여, 상기 양극부(132)로부터 공급받은 가연성 가스와 상기 공기터빈(180) 또는 상기 송풍기(162)로부터 공급받은 공기를 상기 이젝터에 의하여 혼합할 수 있는데 이와 같은 구성에 의하여 압력차에 의한 기체의 불안정을 해소하는 것이 가능해진다.
상기 연소기(140)에서 발생한 열은 상기 전기발생부(130)의 음극부(134)로 전달되는 사이에 구비되는 제2열교환기(190)에 의하여 수집될 수 있으며, 상기 전기발생부(130)의 음극부(134)로부터 배출된 열은 공기 열교환기(150)와 연료 열교환기(160)를 거쳐 최종적으로 배출되는 것이다.
상기 연소기(140)로 공급되는 공기의 흐름을 살펴보면, 외부로부터 유입된 공기는 상기 압축기(102)를 통하여 압축되어 상기 공기 열교환기(150)를 거치면서 상기 공기 열교환기(150)에 수집된 열에 의하여 가열된다. 이 후 가열된 공기는 상기 연소기(140)로부터 수집된 열에 의하여 제2열교환기(190)를 거치면서 재가열되 는 것이다.
상기와 같이 압축되고 가열된 공기는 공기터빈(180)에 공급되어 상기 공기터빈(180)이 동력을 발생하도록 하며, 상기 공기터빈(180)에서 발생한 동력은 압축기(102)에 전달되어 상기 압축기(102)를 구동시키는 모터(104)의 동력을 보완해주게 되고, 상기 공기터빈(180)에 공급된 후 배출되는 공기는 상기 연소기(140)로 공급되는 것이다.
여기서 공기터빈(180)에서 발생된 동력은 압축기(102)를 구동시키는 모터(104)의 동력을 보완하고도 남을 만큼의 동력이 발생하게 되므로, 상기 공기터빈(180)에는 상기 모터(104) 이외의 별도의 제너레이터(106)를 추가적으로 장착하여 공기터빈(180)의 동력을 이용하여 전기를 발생시키는 구성을 채용하는 것이 가능하다.
그러나, 상기 공기터빈(180)으로부터 상기 연소기(140)로 공급되는 공기는 그 압력이 불안정하며, 상기 연소기(140)를 거쳐 압력에 민감한 상기 전기발생부(130)로 공급되면, 시스템이 불안정해지며, 특히 초기 시동시에 문제가 발생할 수 있다. 또한, 상기 공기 압력의 불안정을 해소하기 위해서는 압력을 조절하는 제어장치가 더 요구되므로 시스템이 복잡해지게 되는 것이다.
따라서, 본 발명의 실시예에서는 별도의 송풍기(162)를 구비하여 상기 연소기(140)에 안정적으로 공기를 공급할 수 있으며, 상기 공기터빈(180)과 상기 송풍기(162)로부터 선택적으로 공기를 공급받기 위하여 사방밸브(170)가 구비되는 것이 바람직하다.
도 3에 도시한 바와 같이, 상기 사방밸브(170)는 두 개의 유입구(174a,174b)와 두 개의 유출구(176a,174b)가 형성된 밸브로서, 입력되는 제어 신호에 따라 공기의 경로를 변경하여 각각의 유입구(174a,174b)를 각각의 유출구(176b,176b)를 선택적으로 연결시켜준다.
이하에서는, 상기 두 개의 유입구(174a,174b)를 제1유입구(174a), 제2유입구(174b)라 하며, 두 개의 유출구(176a, 176b)를 제1유출구(176a), 제2유출구(176b)라 한다.
상기 제1유입구(174a)는 상기 공기터빈(180)과 연결되며, 상기 제2유입구(174b)는 상기 송풍기(162)와 각각 연결되고, 제1유출구(176a)는 상기 연소기(140)와 연결되며, 제2유출구(176b)는 상기 송풍기(162) 또는 상기 공기터빈(180)으로부터 유입된 공기가 배출되는 역할을 하게 된다.
즉, 입력되는 제어 신호에 따라, 제1유입구(174a)와 제1유출구(176a)가 연결되며, 제2유입구(174b)와 제2유출구(176b)가 연결되는 방식과 제1유입구(174a)와 제2유출구(176b)가 연결되며, 제2유입구(174b)와 제1유출구(176a)여 연결되는 방식의 두 가지의 공기 경로를 형성하여, 상기 송풍기(162)와 상기 공기터빈(180)으로부터 상기 연소기(140)에 공기가 선택적으로 공급할 수 있게 되는 것이다.
상기 사방밸브(170)는 시스템의 초기 시동 및 운행 중 안정성을 감지하여 제어할 수 있는 제어부(172)가 연결되며, 상기 제어부(172)에서 상기 사방밸브(170)로 제어 신호를 전송하여 상기 공기터빈(180) 및 상기 송풍기(162)에 의하여 선택적으로 상기 연소기(140)에 공기를 공급하는 것이다.
이에 따라, 시스템의 초기 시동시에는 안정적인 공기의 공급을 위하여 공기를 상기 송풍기(162)로부터 상기 연소기(140)에 공급하도록 상기 사방밸브(170)의 공기 경로가 설정되어 공기가 공급되며 상기 공기터빈(180)으로부터 공급된 공기는 상기 제2유출구(176b)를 통하여 배출하게 되는 것이다.
한편, 시스템이 안정 상태로 가동하게 되면 상기 제어부(172)로부터 상기 사방밸브(170)에 안정 상태의 제어 신호를 전송하게 되고 이에 따라 상기 사방밸브(170)의 공기 경로는 상기 공기터빈(180)으로부터 공급된 공기가 상기 연소기(140)로 공급되고, 상기 송풍기(162)가 오프(off) 상태가 될 때까지 상기 송풍기(162)로부터 공급된 공기는 상기 제2유출구(176b)로 배출되도록 설정되는 것이다.
따라서, 시스템의 안정 상태에 따라 상기 공기터빈(180)으로부터 배출되는 압축, 가열된 공기를 연소기(140)에서 연소에 사용하기 때문에 상기 연소기(140)의 열 효율성 및 안정성이 향상된다.
이 후, 시스템이 불안정한 상태가 되면, 상기 제어부(172)에서는 이를 감지하여 상기 사방밸브(170)에 시스템 불안정에 따른 제어 신호를 전송하고, 상기 사방밸브(170)는 상기 공기터빈(180)으로부터 공급된 공기를 배출하고, 상기 송풍기(162)로부터 공급받은 공기를 산기 연소기(140)에 공급하도록 경로를 변경하는 것이다.
여기서, 상기 송풍기(162)는 압력에 따라 1,000mmAq(Aqua) 미만인 저압용 팬과 1,000mmAq 내지 10,000mmAq의 고압용 팬 모두를 사용할 수 있음은 물론이고, 상 기 용융탄산염 연료 전지 시스템(100)의 필요 압력에 따라 선택적으로 장착될 수 있다.
한편, 상기 공기 열교환기(150) 및 상기 연료 열교환기(160)는 상기 전기발생부(130)의 음극부(134)로부터 회수된 열에 의하여 공기 및 연료를 가열함에 있어서, 상기 공기 열교환기(150)에서 먼저 상기 압축기(102)로부터 공급된 압축 공기를 가열하여 열 교환이 이루어지고 난 후에 수집된 열로 상기 공급부(110)로부터 공급된 연료와 물을 가열하여 열교환을 하게 된다.
따라서, 연료 및 물보다 고온의 열이 요구되는 60도 내지 100도의 압축공기를 상기 전기발생부(130)로부터 수집된 열에 의하여 먼저 열을 교환하고, 온도가 대략 20도 내지 30도인 상기 연료 및 물은 상기 압축 공기보다 고온의 열을 필요하지 않기 때문에 상기 압축공기를 가열한 후의 열로 열 교환을 하게 된다. 이에 따라 상기 음극부(134)로부터 수집된 열의 활용면에서 그 효율이 더욱 향상되는 것이다.
또한, 상기 용융탄산염 연료 전지 시스템(100)은 상기 압축기(102)에 동력을 공급하는 모터(104)를 별도로 구비하고, 상기 공기터빈(180)과 동일 축으로 연결하여 그 구성을 보단 간소화할 수도 있다.
따라서, 상기 공기터빈(180)이 상기 압축기(102)에 구비된 모터(104)와 동일축으로 구동되어 상기 공기터빈(180)에 별도의 모터가 필요하지 않게 되며, 상기 공기터빈(180)으로부터 발생한 동력을 상기 압축기(102)에 구비된 상기 모터(104)에 전달하여, 상기 모터(104)의 동력을 보완해주게 되며, 상기 공기터빈(180)으로 부터 발생한 동력을 별도의 제너레이터(106)와 연결하여 발전을 하는 구성이 이루어질 수 있음은 물론이다.
상기에서 살펴본 바와 같은 본 발명의 용융탄산염 연료 전지 시스템(100)이 운행되는 과정을 간략히 살펴보면, 상기 공급부(110)에서 연료 및 물이 공급되고, 연료 열교환기(160)에서 가열되어 상기 개질기(120)로 공급된다. 상기 개질기(120)는 연료 및 물을 이용하여 수소를 발생시켜 상기 전기발생부(130)의 양극부(132)에 공급하게 된다. 상기 전기발생부(130)는 상기 연소기(140)로부터 산소가 포함된 공기를 공급받으며, 상기 수소와 상기 산소의 화학적 반응에 의하여 전기를 발생시키게 되는 것이다. 또한, 상기 압축기(102)로부터 압축되어 공급된 공기는 상기 공기 열교환기(150)에서 가열된 후 다시 제2열교환기(190)에서 가열되어 상기 공기터빈(180)으로 공급된다. 초기 시동시에는 상기 송풍기(162)로부터 상기 연소기(140)에 공기가 공급되며, 이 후에 상기 공기터빈(180)으로부터 배출된 공기가 상기 연소기(140)공급될 수 있는 것이다. 여기서 상기 연소기(140)로부터 발생한 열은 먼저 상기 제2열교환기(190)에 전달되고, 상기 전기발생부(130)의 음극부(134)를 거쳐 상기 공기 열교환기(150)에 전달되며, 다시 상기 연료 열교환기(160)를 거처 외부로 배출되는 것이다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
상술한 바와 같이 본 발명의 용융탄산염 연료 전지 시스템에 의하면, 별도의 송풍기를 구비하여 연소기에 공기를 공급하기 때문에 안정적인 시스템 운영이 가능하다.
또한, 전기발생부로부터 배출되는 열을 공기 열교환기에서 1차적인 열을 교환하고 연료 열교환기에서 2차적인 열을 교환함으로써, 열효율을 높일 수 있게 된다.
더욱이, 연소기로 공급되는 가연성 가스 및 공기의 혼합은 이젝터를 이용하여 혼합하기 때문에 안정적인 혼합이 가능하게 된다.
게다가, 연소기에 공급되는 공기는 송풍기와 공기터빈으로부터 선택적으로 공급받을 수 있는 시스템을 채용하여 시동의 불안정을 해소하게 되며, 공기 공급의 효율을 향상시켜 준다.

Claims (4)

  1. 연료 및 물을 공급하는 공급부;
    상기 공급부로부터 연료와 물을 공급받아 화학반응에 의하여 상기 연료와 물을 수소로 변환시키는 개질기;
    상기 개질기로부터 수소를 공급받는 양극부(anode);
    상기 양극부에서 배출된 가스를 연소시켜 열을 발생시키며, 상기 열을 상기 개질기로 전달하는 연소기;
    상기 연소기로부터 공기를 공급받는 음극부(cathode);
    상기 양극부와 상기 음극부를 포함하며 상기 개질기로부터 공급된 수소와 상기 연소기로부터 공급된 공기에 포함된 산소의 화학반응에 의하여 전기 에너지를 발생시키는 전기발생부;
    압축기로부터 압축되어 공급된 공기를 상기 음극부로부터 회수된 열을 이용하여 가열하는 공기 열교환기;
    상기 공기 열교환기에서 열교환이 이루어진 열을 회수하여 상기 개질기에 공급되는 연료와 물을 가열하는 연료 열교환기; 및
    상기 압축기로부터 공급받아 열교환이 이루어져 가열된 압축 공기에 의하여 동력을 발생시키며 연소기에 공기를 공급하는 공기터빈을 포함하는 것을 특징으로 하는 용융탄산염 연료 전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연소기에 공기를 공급하는 송풍기; 및
    상기 연소기에 상기 공기터빈과 상기 송풍기 중 어느 하나에 의하여 선택적으로 공기가 공급될 수 있도록 제어하는 사방밸브를 더 포함하며,
    시스템의 초기 시동시에는 송풍기에 의하여 상기 연소기에 공기를 공급하고, 시스템이 정상상태를 유지하며 가동될 경우에는 공기터빈에 의하여 상기 연소기에 공기를 공급하도록 상기 사방밸브를 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 용융탄산염 연료 전지 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 연소기로부터 발생하는 열을 회수하여 상기 공기 열교환기에서 가열된 공기를 재가열하는 제2열교환기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 용융탄산염 연료 전지 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 연소기는,
    압력이 있는 기체 또는 액체를 노즐로부터 분사시키는 이젝터(ejector)를 포함하며, 상기 양극부로부터 공급받은 가스와 상기 공기터빈 또는 상기 송풍기로부터 공급받은 공기를 상기 이젝터(ejector)에 의하여 혼합하는 것을 특징으로 하는 용융탄산염 연료 전지 시스템.
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