KR101656676B1 - 고체산화물 연료전지 발전시스템 - Google Patents

고체산화물 연료전지 발전시스템 Download PDF

Info

Publication number
KR101656676B1
KR101656676B1 KR1020140186560A KR20140186560A KR101656676B1 KR 101656676 B1 KR101656676 B1 KR 101656676B1 KR 1020140186560 A KR1020140186560 A KR 1020140186560A KR 20140186560 A KR20140186560 A KR 20140186560A KR 101656676 B1 KR101656676 B1 KR 101656676B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
fuel
air
fuel cell
temperature
reformer
Prior art date
Application number
KR1020140186560A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20160077386A (ko
Inventor
최영재
Original Assignee
주식회사 포스코
포스코에너지 주식회사
재단법인 포항산업과학연구원
철강융합신기술연구조합
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 포스코, 포스코에너지 주식회사, 재단법인 포항산업과학연구원, 철강융합신기술연구조합 filed Critical 주식회사 포스코
Priority to KR1020140186560A priority Critical patent/KR101656676B1/ko
Publication of KR20160077386A publication Critical patent/KR20160077386A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101656676B1 publication Critical patent/KR101656676B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
    • H01M8/04328—Temperature; Ambient temperature of anode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
    • H01M8/04335—Temperature; Ambient temperature of cathode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04701—Temperature
    • H01M8/04723—Temperature of the coolant
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M2008/1293—Fuel cells with solid oxide electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/10—Fuel cells in stationary systems, e.g. emergency power source in plant
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/40—Combination of fuel cells with other energy production systems
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지 발전시스템은 열원부로부터 열에너지를 공급받는 가스냉각로; 연료와 공기의 화학반응을 통하여 전기에너지를 생산하는 연료전지부;를 포함하고, 상기 가스냉각로는, 열원부로부터 발생되는 열을 제공받는 냉각재가 이송되는 냉각재배관;을 포함하며, 상기 연료전지부는, 고체산화물을 전해질로 하고 공기와 연료를 공급받아 화학반응을 통하여 전기에너지를 생산하는 연료전지스택; 상기 연료전지스택에 공기를 공급하는 공기공급부; 및 상기 연료전지스택에 연료를 공급하는 연료공급부;를 포함하고, 상기 냉각재는 헬륨을 포함하며, 상기 냉각재배관은 상기 연료전지부에 연결되어 고온의 열에너지를 제공함으로써, 전력 생산의 효율을 기대할 수 있다.

Description

고체산화물 연료전지 발전시스템{ELECTRIC POWER GENERATION SYSTEM OF SOLID OXIDE FUEL CELL}
본 발명은 고체산화물 연료전지 발전시스템으로서, 가스냉각로에서 발생되는 고온의 열에너지를 고체산화물 연료전지에 이용하여 발전 효율을 개선시키는 고체산화물 연료전지 발전시스템에 관한 것이다.
원자로의 일종인 가스냉각로(gas cooled reactor)는 속중성자를 핵반응에 이용하므로 흑연 등을 감속재로 사용하며 헬륨 등을 냉각재로 사용한다. 가스냉각로의 특징으로서 일반적인 원자로에 비하여 고온의 열을 이용할 수 있다는 점이 있다. 한국형 원자로인 가압경수로의 경우 약 300℃ 온도의 열을 제공받아 스팀터빈을 가동하여 전기를 생산하는 방식이나, 가스냉각로의 경우 약 900℃ 온도의 열을 제공받을 수 있다.
이와 같이 가스냉각로는 고온의 열에너지를 제공할 수 있으므로, 스팀터빈을 가동하여 전력을 생산하는 방식뿐만 아니라 고온의 열을 이용하여 수소를 생산하는데 이용되기도 한다. 생산된 수소는 다시 연료전지 및 수소엔진 등에 이용된다.
그러나, 가스냉각로를 이용하여 수소를 생산하고 생산된 수소를 이용하는 방식은 여러 변환을 거치게 됨에 따라 에너지 효율이 낮아지는 단점이 있다.
특허문헌: US 8132410
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 가스냉각로에서 발생되는 고온의 열에너지를 이용하여 전력을 생산하는 고체산화물 연료전지 발전시스템을 제공하는 데에 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예는 다음과 같은 고체산화물 연료전지 발전시스템을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지 발전시스템은, 열원부로부터 열에너지를 공급받는 가스냉각로; 연료와 공기의 화학반응을 통하여 전기에너지를 생산하는 연료전지부;를 포함하고, 상기 가스냉각로는, 열원부로부터 발생되는 열을 제공받는 냉각재가 이송되는 냉각재배관;을 포함하며, 상기 연료전지부는, 고체산화물을 전해질로 하고 공기와 연료를 공급받아 화학반응을 통하여 전기에너지를 생산하는 연료전지스택; 상기 연료전지스택에 공기를 공급하는 공기공급부; 및 상기 연료전지스택에 연료를 공급하는 연료공급부;를 포함하고, 상기 냉각재는 헬륨을 포함하며, 상기 냉각재배관은 상기 연료전지부에 연결되어 고온의 열에너지를 제공한다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지 발전시스템은, 상기 연료전지스택에 공급되는 연료와 공기의 온도를 조절하는 제어부;를 포함할 수 있다.
또한 상기 공기공급부는, 공기를 가열하여 상기 연료전지스택에 고온의 공기를 제공하는 공기가열부;를 포함하고, 상기 냉각재배관은, 상기 공기가열부에 연결되어 상기 공기가열부에 고온의 열에너지를 제공할 수 있다.
또한 상기 공기가열부는, 상기 연료전지스택에 공급되는 공기의 온도를 측정하는 공기온도센서; 및 공기를 가열하기 위하여 연결된 냉각재배관의 냉각재 유량을 조절하는 공기가열밸브;를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 공기온도센서에서 측정된 공기의 온도에 따라 상기 공기가열밸브를 조절할 수 있다.
또한 상기 연료공급부는, 연료를 가열하여 상기 연료전지스택에 고온의 연료를 제공하는 연료가열부;를 포함하고, 상기 냉각재배관은, 상기 연료가열부에 연결되어 상기 연료가열부에 고온의 열에너지를 제공할 수 있다.
또한 상기 연료가열부는, 상기 연료전지스택에 공급되는 연료의 온도를 측정하는 연료온도센서; 및 연료를 가열하기 위하여 연결된 냉각재배관의 냉각재 유량을 조절하는 연료가열밸브;를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 연료온도센서에서 측정된 연료의 온도에 따라 연료가열밸브를 조절할 수 있다.
또한 상기 연료공급부는, 연료가스와 수증기를 연료로 변환하여 연료를 상기 연료가열부에 제공하는 개질기;를 포함하며, 상기 냉각재배관은, 상기 개질기에 연결되어 상기 개질기에 고온의 열에너지를 제공할 수 있다.
또한 상기 개질기는, 연료가스와 수증기로부터 연료가 생성되는 화학반응에 필요한 분위기 온도를 측정하는 개질기온도센서; 및 분위기 온도를 형성시키기 위해 연결된 냉각재배관의 냉각재 유량을 조절하는 개질기가열밸브;를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 개질기온도센서에서 측정된 분위기 온도에 따라 개질기가열밸브를 조절할 수 있다.
또한 상기 연료공급부는, 액체상태의 물을 수증기로 변환하여 상기 개질기에 제공하는 수증기공급부;를 포함하고, 상기 냉각재배관은, 상기 수증기공급부에 연결되어 고온의 열에너지를 제공할 수 있다.
또한 상기 수증기공급부는, 상기 개질기에 제공되는 수증기의 유량을 측정하는 수증기유량센서; 및 물을 수증기로 변환하기 위해 연결된 냉각재배관의 냉각재 유량을 조절하는 수증기공급부가열밸브;를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 수증기유량센서에서 측정된 수증기의 유량에 따라 수증기공급부가열밸브를 조절할 수 있다.
본 발명에 따른 고체산화물 연료전지 발전시스템의 일 실시예는, 위와 같은 구성을 통해, 발전 효율이 개선된 고체산화물 연료전지 발전시스템을 제공하는 효과를 가진다.
도 1은 종전 기술로서 고체산화물 연료전지를 이용한 발전시스템을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지 발전시스템을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지 발전시스템에서 제어부와 열에너지를 공급받는 구성요소 간의 관계를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 공기가열부를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료가열부를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 개질기를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 수증기공급부를 나타낸 도면이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명의 구체적인 실시예에 대하여 설명하도록 한다.
도 1은 종전 기술로서 고체산화물 연료전지를 이용한 발전시스템을 나타낸 도면이며, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지 발전시스템을 나타낸 도면이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지 발전시스템에서 제어부와 열에너지를 공급받는 구성요소 간의 관계를 나타낸 도면이다. 도 4 내지 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 공기가열부, 연료가열부, 개질기 및 수증기공급부를 각각 나타낸 도면이다.
고체산화물 연료전지는 고체산화물을 전해질로 하는 연료전지로서, 600℃ 이상의 고온에서 연료와 공기의 화학반응이 일어나는 점이 특징이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 종전의 고체산화물 연료전지를 이용한 발전시스템은 고온의 화학반응 조건을 제공하기 위하여 연료가스를 연소한다.
이에 반하여 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지 발전시스템은, 가스냉각로에서 발생되는 고온의 열에너지를 이용함으로써, 고온의 열에너지를 공급하기 위한 연소기를 가동할 필요가 없으므로 연료가스를 절약할 수 있다. 그리고 가스냉각로를 이용하여 천연가스 등의 연료가스를 연료로 개질하여 바로 사용하므로 시스템 구성에 있어서 유리하다. 고체산화물을 전해질로 하는 연료전지는, 효율이 60% 이상으로 알려져 있으며 전력 생산시 발생되는 폐열을 이용하는 경우 80%까지 가능하므로, 열기관(heat engine)의 효율이 40% 수준임에 비추어 전력 생산에 있어서 효율성이 기대된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지 발전시스템은 열원부로부터 열에너지를 공급받는 가스냉각로(100); 연료와 공기의 화학반응을 통하여 전기에너지를 생산하는 연료전지부(200);를 포함하고, 상기 가스냉각로(100)는, 열원부로부터 발생되는 열을 제공받는 냉각재가 이송되는 냉각재배관(110);을 포함하며, 상기 연료전지부는(200), 고체산화물을 전해질로 하고 공기와 연료를 공급받아 화학반응을 통하여 전기에너지를 생산하는 연료전지스택(300); 상기 연료전지스택(300)에 공기를 공급하는 공기공급부(400); 및 상기 연료전지스택(300)에 연료를 공급하는 연료공급부(500);를 포함하고, 상기 냉각재배관(110)은 상기 연료전지부(200)에 연결되어 고온의 열에너지를 제공한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지 발전시스템은 상기 가스냉각로(100)와 상기 연료전지부(200)로 구성될 수 있다. 상기 가스냉각로(100)는 상기 연료전지부(200)에서 필요한 고온의 열에너지를 제공하며, 상기 연료전지부(200)는 공기, 연료가스 및 물을 이용하여 고온의 환경에서 화학반응을 통해 전력을 생산한다. 도 2에 도시된 탈황기(540)는 황(sulfur)이 포함된 연료가스에서 황을 제거하는 기능을 한다. 상기 가스냉각로(100)는 상기 연료전지부(200)에 고온의 열에너지를 전달하며, 상기 냉각재배관(110)은 상기 연료전지부(200)에 연결되어 냉각재로부터 상기 연료전지부(200)로의 열 전달이 이루어지도록 한다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지 발전시스템은 상기 연료전지스택(300)에 공급되는 연료와 공기의 온도를 조절하는 제어부(600);를 포함할 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이 상기 제어부(600)는 상기 공기공급부(400) 및 상기 연료공급부(500)에 연결되어 상기 연료전지스택(300)에 공급되는 연료와 공기의 온도를 조절할 수 있다. 앞서 기술된 바와 같이, 연료와 공기가 상기 연료전지스택(300)에서 화학반응을 하며 전력이 발생하게 되는데, 이와 같은 화학반응은 600℃ 이상의 고온 환경에서 발생하게 되므로 고온의 열에너지가 요구되므로 화학반응을 위한 온도의 관리가 중요하다. 상기 제어부(600)는 상기 연료전지스택(300)에 공급되는 연료와 공기의 온도를 조절함으로써 연료와 공기 사이의 화학반응이 용이하도록 한다.
또한 상기 공기공급부(400)는, 공기를 가열하여 상기 연료전지스택(300)에 고온의 공기를 제공하는 공기가열부(410);를 포함하고, 상기 냉각재배관(110)은, 상기 공기가열부(410)에 연결되어 상기 공기가열부(410)에 고온의 열에너지를 제공할 수 있다.
또한 상기 공기가열부(410)는, 상기 연료전지스택(300)에 공급되는 공기의 온도를 측정하는 공기온도센서(411); 및 공기를 가열하기 위하여 연결된 냉각재배관(110)의 냉각재 유량을 조절하는 공기가열밸브(412);를 포함하고, 상기 제어부(600)는, 상기 공기온도센서(411)에서 측정된 공기의 온도에 따라 상기 공기가열밸브(412)를 조절할 수 있다.
도 2 및 4에 도시되는 바와 같이, 상기 공기가열부(410)는 상기 냉각재배관(110)과 연결되어 공기에 열에너지를 공급하여 공기의 온도를 올릴 수 있다. 상기 공기온도센서(411)는 열에너지를 공급받아 온도가 상승하여 상기 연료전지스택(300)에 공급될 공기의 온도를 계측할 수 있으며, 상기 제어부(600)는 계측된 공기의 온도에 따라 상기 공기가열밸브(412)를 조절하여 상기 연료전지스택(300)에 공급될 공기의 온도를 제어할 수 있게 된다. 상기 제어부(600)가 상기 연료전지스택(300)에 공급되는 공기의 온도를 제어하는 방식으로서 PID(proportional-integral-derivative) 및 적응제어(adaptive control)방식 등이 고려될 수 있다. 이 때 상기 공기가열부(410)를 통과하는 공기의 유량이 고려될 수 있다.
또한 상기 연료공급부는(500), 연료를 가열하여 상기 연료전지스택(300)에 고온의 연료를 제공하는 연료가열부(510);를 포함하고, 상기 냉각재배관(110)은, 상기 연료가열부(510)에 연결되어 상기 연료가열부(510)에 고온의 열에너지를 제공할 수 있다.
또한 상기 연료가열부(510)는, 상기 연료전지스택(300)에 공급되는 연료의 온도를 측정하는 연료온도센서(511); 및 연료를 가열하기 위하여 연결된 냉각재배관(110)의 냉각재 유량을 조절하는 연료가열밸브(512);를 포함하고, 상기 제어부(600)는, 상기 연료온도센서(511)에서 측정된 연료의 온도에 따라 상기 연료가열밸브(512)를 조절할 수 있다.
도 2 및 5에 도시되는 바와 같이, 상기 연료공급부(500)는 상기 연료가열부(510)를 포함할 수 있고, 상기 연료가열부(510)는 상기 연료전지스택(300)에 공급될 연료를 가열하여 연료의 온도를 높일 수 있다. 상기 연료전지스택(300)에서 일어나는 화학반응은 600℃ 이상의 고온이 요구되므로 상기 연료가열부(510)는 연료를 가열하는 기능을 한다. 상기 연료가열부(510)에는 상기 냉각재배관(110)이 연결되어 냉각재배관(110)으로부터 고온의 열에너지를 공급받게 되며, 상기 연료가열부(510)는 상기 연료온도센서(511)와 상기 연료가열밸브(512)를 구비하여 상기 연료전지스택(300)에 공급되는 연료의 온도를 일정하게 유지하도록 하고, 상기 제어부(600)는 측정된 연료의 온도로부터 상기 연료가열밸브(512)를 조절할 수 있다. 상기 제어부(600)가 상기 연료전지스택(300)에 공급되는 연료의 온도를 제어하는 방식으로 PID(proportional-integral-derivative) 및 적응제어(adaptive control)방식 등이 고려될 수 있다. 이 때 상기 연료가열부(510)를 통과하는 연료의 유량이 고려될 수 있다.
또한 상기 연료공급부(500)는, 연료가스와 수증기를 연료로 변환하여 연료를 상기 연료가열부(510)에 제공하는 개질기(520);를 포함하며, 상기 냉각재배관(110)은, 상기 개질기(520)에 연결되어 상기 개질기(520)에 고온의 열에너지를 제공할 수 있다.
또한 상기 개질기(520)는, 연료가스와 수증기로부터 연료가 생성되는 화학반응에 필요한 분위기 온도를 측정하는 개질기온도센서(521); 및 분위기 온도를 형성시키기 위해 연결된 냉각재배관(110)의 냉각재 유량을 조절하는 개질기가열밸브(522);를 포함하고, 상기 제어부(600)는, 상기 개질기온도센서(521)에서 측정된 분위기 온도에 따라 개질기가열밸브(512)를 조절할 수 있다.
도 2 및 6에 도시되는 바와 같이, 상기 연료공급부(500)는 상기 개질기(520)를 포함할 수 있으며 상기 개질기(520)에 상기 냉각재배관(110)이 연결되어 고온의 열에너지가 제공될 수 있다. 그리고 상기 개질기(520)는, 연료가스와 수증기가 화학반응이 일어나도록 하여 연료로 변환되도록 한다. 여기서 상기 개질기(520)는 메탄이 주성분인 천연가스를 연료가스로 사용할 수 있으며 이 경우 천연가스에는 황(sulfur) 성분이 포함될 수 있으므로 도 2에 도시된 바와 같이 탈황기(540)를 이용하여 황 성분을 제거한 후에 사용할 수 있다. 상기 개질기(520)는 메탄 등이 주성분인 연료가스를 수소(hydrogen)로 변환하며, 연료가스를 모두 수소로 변환하거나 부분적으로 수소로 변환할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지 발전시스템에서 상기 개질기(520)는 연료가스를 모두 수소로 변환하는 개질기(reformer)와 연료가스의 일 부분을 수소로 변환하는 부분개질기(pre-reformer)를 포함한다.
상기 개질기(520)에서 연료를 생산하기 위해 필요한 분위기 온도는 200 내지 700℃로 알려져 있다. 상기 개질기(520)는 상기 분위기 온도를 제공하기 위하여 상기 냉각재배관(110)에 연결되어 고온의 열에너지를 제공받는다. 상기 개질기(520)는 상기 개질기온도센서(521)를 포함함으로써 화학반응에 필요한 분위기 온도를 측정하고, 측정된 분위기 온도에 따라 상기 제어부(600)는 상기 개질기가열밸브(522)를 조절하여 분위기 온도를 제어한다. 상기 제어부(600)가 분위기 온도를 제어하는 방식으로 PID(proportional-integral-derivative) 및 적응제어(adaptive control)방식 등이 고려될 수 있다. 이 때 상기 개질기(520)를 통과하는 연료의 유량이 고려될 수 있다.
또한 상기 연료공급부(500)는, 액체상태의 물을 수증기로 변환하여 상기 개질기(520)에 제공하는 수증기공급부(530);를 포함하고, 상기 냉각재배관(110)은, 상기 수증기공급부(530)에 연결되어 고온의 열에너지를 제공할 수 있다.
또한 상기 수증기공급부(530)는, 상기 개질기(520)에 제공되는 수증기(530)의 유량을 측정하는 수증기유량센서(531); 및 물을 수증기로 변환하기 위해 연결된 냉각재배관(110)의 냉각재 유량을 조절하는 수증기공급부가열밸브(532);를 포함하고, 상기 제어부(600)는, 상기 수증기유량센서(531)에서 측정된 수증기의 유량에 따라 수증기공급부가열밸브(532)를 조절할 수 있다.
도 2 및 7에 도시되는 바와 같이, 상기 연료공급부(500)는 상기 수증기공급부(530)를 포함할 수 있으며 상기 냉각재배관(110)에 연결되어 고온의 열에너지를 공급받을 수 있다. 그리고 상기 수증기공급부(530)는, 상기 수증기유량센서(531)를 포함하여 상기 개질기(520)에 제공되는 수증기의 유량을 계측할 수 있다. 수증기의 온도는 1기압에서 100℃로 일정하므로 상기 개질기(520)에 제공되는 수증기의 유량을 계측함으로써 계측된 수증기의 유량에 따라 상기 수증기공급부가열밸브(532)를 조절하여 상기 개질기(520)로 유입되는 수증기의 유량을 제어할 수 있다. 상기 제어부(600)는 계측된 수증기의 유량에 따라 상기 개질기(520)로 유입되는 수증기의 유량을 제어할 수 있으며, 상기 제어부(600)가 상기 개질기(520)로 유입되는 수증기의 유량를 제어하는 방식으로 PID(proportional-integral-derivative) 및 적응제어(adaptive control)방식 등이 고려될 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형 가능함은 물론이다.
100: 가스냉각로 110: 냉각재배관
200: 연료전지부 300: 연료전지스택
400: 공기공급부 410: 공기가열부
411: 공기온도센서 412: 공기가열밸브
420: 송풍기 500: 연료공급부
510: 연료가열부 511: 연료온도센서
512: 연료가열밸브 520: 개질기
521: 개질기온도센서 522: 개질기가열밸브
530: 수증기공급부 531: 수증기유량센서
532: 수증기공급부가열밸브 600: 제어부

Claims (10)

  1. 열원부로부터 열에너지를 공급받는 가스냉각로;
    연료와 공기의 화학반응을 통하여 전기에너지를 생산하는 연료전지부;를 포함하고,
    상기 가스냉각로는, 열원부로부터 발생되는 열을 제공받는 냉각재가 이송되는 냉각재배관;을 포함하며,
    상기 연료전지부는,
    고체산화물을 전해질로 하고 공기와 연료를 공급받아 화학반응을 통하여 전기에너지를 생산하는 연료전지스택;
    상기 연료전지스택에 공기를 공급하는 공기공급부; 및
    상기 연료전지스택에 연료를 공급하는 연료공급부;를 포함하고,
    상기 냉각재는 헬륨을 포함하며,
    상기 냉각재배관은 상기 연료전지부에 연결되어 고온의 열에너지를 제공하는 고체산화물 연료전지 발전시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지스택에 공급되는 연료와 공기의 온도를 조절하는 제어부;를 포함하는 고체산화물 연료전지 발전시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 공기공급부는,
    공기를 가열하여 상기 연료전지스택에 고온의 공기를 제공하는 공기가열부;를 포함하고,
    상기 냉각재배관은, 상기 공기가열부에 연결되어 상기 공기가열부에 고온의 열에너지를 제공하는 고체산화물 연료전지 발전시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 공기가열부는,
    상기 연료전지스택에 공급되는 공기의 온도를 측정하는 공기온도센서; 및
    공기를 가열하기 위하여 연결된 냉각재배관의 냉각재 유량을 조절하는 공기가열밸브;를 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 공기온도센서에서 측정된 공기의 온도에 따라 상기 공기가열밸브를 조절하는 고체산화물 연료전지 발전시스템.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 연료공급부는,
    연료를 가열하여 상기 연료전지스택에 고온의 연료를 제공하는 연료가열부;를 포함하고,
    상기 냉각재배관은, 상기 연료가열부에 연결되어 상기 연료가열부에 고온의 열에너지를 제공하는 고체산화물 연료전지 발전시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 연료가열부는,
    상기 연료전지스택에 공급되는 연료의 온도를 측정하는 연료온도센서; 및
    연료를 가열하기 위하여 연결된 냉각재배관의 냉각재 유량을 조절하는 연료가열밸브;를 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 연료온도센서에서 측정된 연료의 온도에 따라 상기 연료가열밸브를 조절하는 고체산화물 연료전지 발전시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 연료공급부는,
    연료가스와 수증기를 연료로 변환하여 연료를 상기 연료가열부에 제공하는 개질기;를 포함하며,
    상기 냉각재배관은, 상기 개질기에 연결되어 상기 개질기에 고온의 열에너지를 제공하는 고체산화물 연료전지 발전시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 개질기는,
    연료가스와 수증기로부터 연료가 생성되는 화학반응에 필요한 분위기 온도를 측정하는 개질기온도센서; 및
    분위기 온도를 형성시키기 위해 연결된 냉각재배관의 냉각재 유량을 조절하는 개질기가열밸브;를 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 개질기온도센서에서 측정된 분위기 온도에 따라 개질기가열밸브를 조절하는 고체산화물 연료전지 발전시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 연료공급부는,
    액체상태의 물을 수증기로 변환하여 상기 개질기에 제공하는 수증기공급부;를 포함하고,
    상기 냉각재배관은, 상기 수증기공급부에 연결되어 고온의 열에너지를 제공하는 고체산화물 연료전지 발전시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 수증기공급부는,
    상기 개질기에 제공되는 수증기의 유량을 측정하는 수증기유량센서; 및
    물을 수증기로 변환하기 위해 연결된 냉각재배관의 냉각재 유량을 조절하는 수증기공급부가열밸브;를 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 수증기유량센서에서 측정된 수증기의 유량에 따라 수증기공급부가열밸브를 조절하는 고체산화물 연료전지 발전시스템.
KR1020140186560A 2014-12-22 2014-12-22 고체산화물 연료전지 발전시스템 KR101656676B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020140186560A KR101656676B1 (ko) 2014-12-22 2014-12-22 고체산화물 연료전지 발전시스템

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020140186560A KR101656676B1 (ko) 2014-12-22 2014-12-22 고체산화물 연료전지 발전시스템

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20160077386A KR20160077386A (ko) 2016-07-04
KR101656676B1 true KR101656676B1 (ko) 2016-09-13

Family

ID=56500842

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020140186560A KR101656676B1 (ko) 2014-12-22 2014-12-22 고체산화물 연료전지 발전시스템

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101656676B1 (ko)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004020037A (ja) * 2002-06-14 2004-01-22 Yasuyoshi Kato 原子炉プラントの排熱利用複合システム
JP2009179541A (ja) * 2008-01-31 2009-08-13 Tokyo Gas Co Ltd 固体酸化物形燃料電池−水素製造システム

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004020037A (ja) * 2002-06-14 2004-01-22 Yasuyoshi Kato 原子炉プラントの排熱利用複合システム
JP2009179541A (ja) * 2008-01-31 2009-08-13 Tokyo Gas Co Ltd 固体酸化物形燃料電池−水素製造システム

Also Published As

Publication number Publication date
KR20160077386A (ko) 2016-07-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101352198B1 (ko) 연료전지 하이브리드 시스템
CN109860660B (zh) 一种高效固体氧化物燃料电池系统
WO2012102253A1 (ja) 燃料電池発電システム及び燃料電池発電システムの制御方法
KR101568067B1 (ko) 연료전지 하이브리드 시스템
JP2016183840A (ja) 発電設備
WO2011014056A4 (en) Solid oxide fuel cell system with integral gas turbine and thermophotovoltaic thermal energy converters
KR20070088992A (ko) 연료전지 복합발전시스템
JP2007066551A (ja) 燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法
EP3477751A1 (en) Fuel cell system comprising heat exchanger using anode gas or anode exhaust gas
JP2016072251A (ja) 燃料電池装置
CN102810686A (zh) 一种醇水发电设备及方法
US20190148743A1 (en) Fuel cell system including heat exchanger using burner off-gas
KR101656676B1 (ko) 고체산화물 연료전지 발전시스템
KR101634816B1 (ko) 연료전지 시스템
JP6356481B2 (ja) 燃料電池システム
JP2008066307A (ja) 燃料電池−ガスタービン発電設備
CN105992838B (zh) 利用过量热进行电化学反应的系统
US11867092B2 (en) System having a combustion power plant and an electrolysis unit, and method for operating a system of this type
KR101439671B1 (ko) 가열통합형 연료전지 모듈
JP4590872B2 (ja) 燃料電池発電装置の運転方法
JP5688777B2 (ja) 複合発電設備
JP2007026998A (ja) 溶融炭酸塩型燃料電池発電装置の燃料電池温度制御方法及び装置
KR102258808B1 (ko) 발전시스템
KR101083109B1 (ko) 합성가스 생산 장치
KR20140081123A (ko) 고효율 연료전지 모듈

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20190904

Year of fee payment: 4