KR101721237B1 - Solid oxide fuel cell system heated by externel hear source - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 외부열원에 의하여 가열되는 고체산화물 연료전지 시스템은 고온박스; 상기 고온박스 내부에 배치되는 버너, 열교환기 및 스택; 및 상기 고온박스 외부에 배치되는 외부열원;을 포함한다. 상기 외부열원에 의한 가열공기는 상기 버너 또는 열교환기에 공급된다. 상기 스택에 공급되는 가스는 상기 열교환기에 공급되어 상기 가열공기와 열 교환에 의하여 가열된다. 상기 스택은 상기 가열된 가스에 의하여 가열된다.
이에 의하면, 외부열원에 의한 가열공기에 의하여 스택을 시스템의 작동온도 또는 작동온도 이하의 일정 온도까지 가열함으로써, 급격한 온도 변화에 의한 스택의 손상 및 고온박스 전체의 가열에 의한 열효율 저하를 방지할 수 있는 고체산화물 연료전지 시스템을 제공할 수 있다.A solid oxide fuel cell system heated by an external heat source according to an embodiment of the present invention includes a high temperature box; A burner, a heat exchanger, and a stack disposed inside the high temperature box; And an external heat source disposed outside the high temperature box. The heated air by the external heat source is supplied to the burner or the heat exchanger. The gas supplied to the stack is supplied to the heat exchanger and heated by heat exchange with the heated air. The stack is heated by the heated gas.
According to this, by heating the stack to a certain temperature below the operating temperature or operating temperature of the system by the heated air by the external heat source, it is possible to prevent damage to the stack due to abrupt temperature change and decrease in thermal efficiency due to heating of the entire high- A solid oxide fuel cell system can be provided.

Description

외부열원에 의하여 가열되는 고체산화물 연료전지 시스템{SOLID OXIDE FUEL CELL SYSTEM HEATED BY EXTERNEL HEAR SOURCE}SOLID OXIDE FUEL CELL SYSTEM HEATED BY EXTERNAL HEAR SOURCE BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001]

본 발명은 외부열원에 의하여 가열되는 고체산화물 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 외부열원에 의한 가열공기에 의하여 스택을 시스템의 작동온도 또는 작동온도 이하의 일정 온도까지 가열함으로써, 급격한 온도 변화에 의한 스택의 손상 및 고온박스 전체의 가열에 의한 열효율 저하를 방지할 수 있는 고체산화물 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.The present invention relates to a solid oxide fuel cell system which is heated by an external heat source, and more particularly to a solid oxide fuel cell system which is heated by an external heat source to a predetermined temperature below an operating temperature or an operating temperature of the system, And to provide a solid oxide fuel cell system capable of preventing thermal damage due to damage to the stack due to heating of the high temperature box and heating of the entire high temperature box.

우리가 현재 사용하고 있는 전기에너지는 주로 화력발전 및 원자력 발전에 의하고 얻어지고 있으며, 그 외에 소량의 전기에너지가 수력 및 기타 발전에 의하여 얻어지고 있다.The electrical energy that we are currently using is mainly derived from thermal power generation and nuclear power generation. In addition, a small amount of electric energy is obtained by hydroelectric power generation and other power generation.

화력발전은 석탄 등의 화석 연료를 연소시키는 것이므로, 화력발전에 의하는 경우 다량의 이산화탄소가 필연적으로 발생되고, 그 외에 일산화탄소, 황산화물 또는 질소산화물 등의 공해물질이 대기 중에 배출되게 된다.Since thermal power generation burns fossil fuels such as coal, a large amount of carbon dioxide is inevitably generated by thermal power generation, and other pollutants such as carbon monoxide, sulfur oxides, and nitrogen oxides are discharged to the atmosphere.

또한, 원자력의 발전의 경우에도 원자력 사용 후에 생성되는 방사능 폐기물을 안전하게 저장 또는 처리하여야 하고, 이를 위하여 많은 비용과 수고를 들여야 하므로, 환경오염 측면에서 화력발전의 경우와 크게 다르지 않는 상황이다.Also, in the case of nuclear power generation, the radioactive waste generated after the use of nuclear energy must be safely stored or treated, and the cost and effort must be paid for it. Therefore, environmental pollution is not significantly different from the case of thermal power generation.

이러한 상황에서, 환경오염 또는 지구 온난화 등의 문제를 해결하기 위하여 다양한 신재생에너지(Renewable Energy)를 활용한 CO2 절감 및 에너지 효율향상 기술 개발을 통한 환경 보호가 범국가적으로 추진되고 있는 실정이다. In this situation, in order to solve problems such as environmental pollution or global warming, environment protection is being promoted nationwide through development of CO 2 reduction and energy efficiency improvement technology utilizing various renewable energy.

특히, 2012년부터 시행된 신재생에너지 공급의무화제도(RPS)는 일정규모 이상의 발전사업자에게 총 발전량 중 일정량 이상을 신재생에너지 전력으로 공급하도록 의무화하는 제로도서, 연료전지 발전 시스템에 높은 가중치를 주어 보급의 활성화가 추진되고 있다.In particular, the RPS (Mandatory Renewable Energy System), which was enforced in 2012, gives a high weight to the zero book and fuel cell power generation system, which obliges power generation companies with a certain size or more to supply more than a certain amount of total power generation with renewable energy. Promotion of the diffusion is being promoted.

연료전지란 연료가 가지고 있는 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 장치로서, 일반적으로 천연가스, 메탄올, 가솔린 등의 연료를 개질하여 얻은 개질가스 중의 수소와 공기 중의 산소를 스택(stack)의 연료극(anode)과 공기극(cathode)에서 전기화학 반응시켜 전기를 생산하는 발전시스템을 말한다.A fuel cell is a device that converts the chemical energy of a fuel into electrical energy. Generally, hydrogen in a reformed gas obtained by reforming a fuel such as natural gas, methanol, or gasoline, and oxygen in the air, ) And the cathode (electrochemical reaction at the cathode) to generate electricity.

이 때 각 극에서의 반응식과 총 반응식은 다음과 같다.Here, the reaction formula and the total reaction formula at each pole are as follows.

연료극(anode) : 2H2 + 2O2 - → 2H2O + 4e- Anode anode: 2H 2 + 2O 2 - > 2H 2 O + 4e -

공기극(cathode) : O2 + 4e- → 2O2 - Cathode: O 2 + 4e - → 2O 2 -

총 반응식 : 2H2 + O2 → 2H2OTotal reaction: 2H 2 + O 2 → 2H 2 O

즉, 궁극적으로 연료전지는 수소를 연료로 사용하며 물 외의 다른 부산물이 없으므로 매우 친환경적이라는 장점이 있다.That is, ultimately, fuel cells use hydrogen as a fuel, and there is no other by-product other than water, which is advantageous in that it is very environmentally friendly.

또한, 연료전지는 비교적 단순한 에너지 변환과정에 의하여 화학에너지로부터 전기에너지를 얻을 수 있으므로 매우 고효율적인 발전방법이라는 장점을 가진다.In addition, the fuel cell has a merit of being a highly efficient power generation method because electric energy can be obtained from chemical energy by a relatively simple energy conversion process.

연료전지에는 전해질 및 전극의 종류에 따라 고분자 전해질 연료전지(PEMFC), 직접 메탄올 연료전지(DMFC), 인산형 연료전지(PAFC), 용융탄산염 연료전지(MCFC), 고체산화물 연료전지(SOFC), 알칼리형 연료전지(AFC) 등이 있으며, 최근에는 상대적으로 개질기 부분이 단순화될 수 있고, 일산화탄소에 대한 피독 등의 문제가 없어 다양한 연료가 사용되어질 수 있으며, 고온에서 운전되기 때문에 고가의 촉매 의존도가 다른 연료전지에 비하여 낮은 고체산화물 연료전지가 주목 받고 있다.Fuel cells can be classified into a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC), a direct methanol fuel cell (DMFC), a phosphoric acid fuel cell (PAFC), a molten carbonate fuel cell (MCFC), a solid oxide fuel cell (SOFC) Alkaline fuel cells (AFC). In recent years, the reformer portion can be relatively simplified, there is no problem of poisoning with carbon monoxide, and various fuels can be used. Since the fuel is operated at a high temperature, Low solid oxide fuel cells are attracting attention as compared to other fuel cells.

한편, 고체산화물 연료전지의 경우 상기한 바와 같이 매우 고온에서 운전되며, 특히 고체산화물 연료전지의 고온박스(hot box)는 발전을 위하여 매우 높은 온도로 가열되어야 한다.On the other hand, the solid oxide fuel cell is operated at a very high temperature as described above. In particular, the hot box of the solid oxide fuel cell must be heated to a very high temperature for power generation.

이에, 종래에는 고온박스의 온도를 시스템의 작동온도까지 상승시키기 위하여 고온박스 내부 전체를 가열하는 방법이 일반적으로 사용되어 왔다.Conventionally, in order to raise the temperature of the high-temperature box to the operating temperature of the system, a method of heating the entire high-temperature box has been generally used.

그러나, 고온박스 내부 전체를 가열하는 경우, 고온을 필요로 하지 않는 고온박스 내부의 빈 공간까지도 가열하여야 하므로, 가열 시 많은 열이 필요할 뿐만 아니라, 가열 시 고온박스의 온도 상승 속도가 느리며, 그 결과 시스템 전체의 효율이 떨어지는 문제가 있었다.However, when the whole of the high temperature box is heated, it is required to heat up to the empty space inside the high temperature box which does not require a high temperature. Therefore, not only a lot of heat is required for heating but also the temperature rising rate of the high temperature box is slow. There has been a problem that efficiency of the entire system is deteriorated.

또한, 고온박스의 온도를 시스템의 작동온도까지 상승시키기 위하여, 버너의 연소가스에 의하여 직접 또는 열매체를 통하여 간접적으로 고온박스 내부의 스택을 집중 가열시키는 방법이 있을 수 있는데, 이러한 경우 급격한 온도 변화에 의하여 상기 스택이 손상될 수 있는 문제가 있을 수 있다.In order to raise the temperature of the high-temperature box to the operating temperature of the system, there may be a method in which the stack inside the high-temperature box is indirectly heated by the combustion gas of the burner directly or through the heating medium. There may be a problem that the stack may be damaged.

즉, 상기 급격한 온도 변화에 의하여, 스택을 구성하는 단전지와 단전지 사이의 온도차, 단전지의 가스 입구와 출구 사이의 온도차, 또는 단전지를 구성하는 연료극, 전해질 및 공기극 사이의 온도차 등이 유발될 수 있으며, 이러한 온도차에 의하여 스택에 균열 또는 층분리 등이 발생될 수 있다.That is, due to the abrupt temperature change, the temperature difference between the unit cell and the unit cell constituting the stack, the temperature difference between the gas inlet and outlet of the unit cell, or the temperature difference between the fuel electrode, the electrolyte and the air electrode constituting the unit cell Such a temperature difference may cause cracks or layer separation in the stack.

또한, 급격한 온도 변화에 의한 국부적인 고온은 스택을 산화시킬 뿐만 아니라, 이러한 산화는 부피 팽창을 동반하여 스택에 균열이 발생될 수 있다.In addition, localized high temperatures due to abrupt temperature changes not only oxidize the stack, but also this oxidation may cause cracks in the stack accompanied by volume expansion.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 외부열원에 의한 가열공기에 의하여 스택을 시스템의 작동온도 또는 작동온도 이하의 일정 온도까지 가열함으로써, 급격한 온도 변화에 의한 스택의 손상 및 고온박스 전체의 가열에 의한 열효율 저하를 방지할 수 있는 고체산화물 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to solve the above problems and to provide a method and apparatus for heating a stack by heating air by an external heat source to a certain temperature below an operating temperature or an operating temperature of the system, And it is an object of the present invention to provide a solid oxide fuel cell system capable of preventing a decrease in thermal efficiency due to heating of the entire high temperature box.

전술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 외부열원에 의하여 가열되는 고체산화물 연료전지 시스템은 고온박스; 상기 고온박스 내부에 배치되는 버너, 열교환기 및 스택; 및 상기 고온박스 외부에 배치되는 외부열원;을 포함하고, 상기 외부열원에 의한 가열공기는 상기 버너 또는 열교환기에 공급되며, 상기 스택에 공급되는 가스는 상기 열교환기에 공급되어 상기 가열공기와 열 교환에 의하여 가열되고, 상기 스택은 상기 가열된 가스에 의하여 가열되는 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a solid oxide fuel cell system which is heated by an external heat source. A burner, a heat exchanger, and a stack disposed inside the high temperature box; And an external heat source disposed outside the high temperature box, wherein the heated air generated by the external heat source is supplied to the burner or the heat exchanger, and the gas supplied to the stack is supplied to the heat exchanger to perform heat exchange with the heated air And the stack is heated by the heated gas.

상기 외부열원은 전기히터일 수 있다.The external heat source may be an electric heater.

상기 가열공기의 온도 또는 유량의 제어에 의하여 급격한 온도 변화에 의한 상기 스택의 손상이 방지될 수 있다.Damage to the stack due to abrupt temperature change can be prevented by controlling the temperature or the flow rate of the heated air.

상기 열교환기는 열교환형 개질기를 포함하며, 상기 열교환형 개질기는 상기 가열공기에 의하여 가열될 수 있다.The heat exchanger includes a heat exchange type reformer, and the heat exchange type reformer can be heated by the heated air.

상기 가열공기는 상기 버너에 공급되며, 상기 버너 내부의 온도는 상기 가열공기의 공급에 의하여 연소용 연료의 자연발화온도에 도달하고, 상기 버너에는 상기 연소용 연료가 공급되며, 상기 버너는 상기 자연발화온도 및 상기 연소용 연료에 의하여 점화될 수 있다.Wherein the heated air is supplied to the burner, the temperature inside the burner reaches a spontaneous ignition temperature of the combustion fuel by the supply of the heated air, the combustion fuel is supplied to the burner, Ignition temperature, and the combustion fuel.

상기 가열공기는 순차적으로 상기 버너 및 상기 열교환기에 공급될 수 있다.The heated air may be sequentially supplied to the burner and the heat exchanger.

상기 스택의 온도가 소정의 온도에 도달한 경우에, 상기 버너는 연소용 연료 및 점화장치에 의하여 점화되어 연소가스를 발생시키고, 상기 연소가스는 상기 열교환기에 공급되며, 상기 스택에 공급되는 가스는 상기 열교환기에 공급되어 상기 연소가스와 열 교환에 의하여 가열되고, 상기 소정의 온도는 상기 버너 연소가스의 제어에 의하여 급격한 온도 변화에 따른 상기 스택 손상의 방지가 가능한 온도일 수 있다.When the temperature of the stack reaches a predetermined temperature, the burner is ignited by a combustion fuel and an ignition device to generate a combustion gas, the combustion gas is supplied to the heat exchanger, and the gas supplied to the stack And the heat is supplied to the heat exchanger and is heated by heat exchange with the combustion gas. The predetermined temperature may be a temperature at which the stack damage can be prevented due to a sudden temperature change by the control of the burner combustion gas.

상기 스택에 공급되는 가스는 연료 또는 수증기를 포함하고, 상기 열교환기는 열교환형 개질기를 포함하며, 상기 가열공기는 상기 열교환형 개질기에 공급되며, 상기 연료 또는 수증기는 상기 열교환형 개질기에 공급되어 상기 가열공기와 열 교환에 의하여 가열될 수 있다.Wherein the gas supplied to the stack includes fuel or water vapor, the heat exchanger includes a heat exchange reformer, the heated air is supplied to the heat exchange reformer, and the fuel or steam is supplied to the heat exchange reformer, Can be heated by heat exchange with air.

상기 스택에 공급되는 가스는 공기를 포함하고, 상기 열교환기는 공기 예열기를 포함하며, 상기 가열공기는 상기 공기 예열기에 공급되고, 상기 공기는 상기 공기 예열기에 공급되어 상기 가열공기와 열 교환에 의하여 가열될 수 있다.Wherein the gas supplied to the stack comprises air, the heat exchanger includes an air preheater, the heated air is supplied to the air preheater, the air is supplied to the air preheater and heated by heat exchange with the heated air .

상기 고체산화물 연료전지 시스템은 상기 고온박스 내부에 배치되는 연료극 배출가스 냉각기를 더 포함하고, 상기 스택의 연료극 배출가스는 상기 연료극 배출가스 냉각기에 공급되며, 상기 공기는 순차적으로 상기 연료극 배출가스 냉각기 및 상기 공기 예열기에 공급되어 상기 연료극 배출가스 및 상기 가열공기와 열교환에 의하여 가열될 수 있다.The solid oxide fuel cell system further includes a fuel electrode outlet gas cooler disposed within the high temperature box, wherein the fuel electrode outlet gas of the stack is supplied to the fuel electrode outlet gas cooler, the air sequentially passing through the fuel electrode outlet gas cooler And may be supplied to the air preheater and heated by heat exchange with the fuel electrode exhaust gas and the heated air.

본 발명의 일 실시예에 따른 외부열원에 의하여 가열되는 고체산화물 연료전지 시스템에 의하면, 외부열원에 의한 가열공기에 의하여 스택을 시스템의 작동온도 또는 작동온도 이하의 일정 온도까지 가열함으로써, 급격한 온도 변화에 의한 스택의 손상 및 고온박스 전체의 가열에 의한 열효율 저하를 방지할 수 있는 고체산화물 연료전지 시스템을 제공할 수 있다.According to the solid oxide fuel cell system of the present invention, the stack is heated to a certain temperature below the operating temperature or the operating temperature of the system by the heated air generated by the external heat source, It is possible to provide a solid oxide fuel cell system capable of preventing the damage of the stack by heat and the reduction of thermal efficiency due to the heating of the entire high-temperature box.

도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 외부열원에 의하여 가열되는 고체산화물 연료전지 시스템의 개념도이다.
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 외부열원에 의하여 가열되는 고체산화물 연료전지 시스템의 고온박스 내에서의 열 전달 상태를 보인 도면이다.1 is a conceptual diagram of a solid oxide fuel cell system that is heated by an external heat source according to an embodiment of the present invention.
2 is a view showing a heat transfer state in a high temperature box of a solid oxide fuel cell system heated by an external heat source according to an embodiment of the present invention.

상기와 같은 본 발명의 특징들에 대한 이해를 돕기 위하여, 이하 첨부도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 외부열원에 의하여 가열되는 고체산화물 연료전지 시스템에 대하여 보다 상세하게 설명하도록 한다.In order to facilitate understanding of the features of the present invention as described above, a solid oxide fuel cell system that is heated by an external heat source according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

이하, 설명되는 실시예들은 본 발명의 기술적인 특징을 이해시키기에 가장 적합한 실시예들을 기초로 하여 설명될 것이며, 설명되는 실시예들에 의해 본 발명의 기술적인 특징이 제한되는 것이 아니라, 이하 설명되는 실시예들과 같이 본 발명이 구현될 수 있다는 것을 예시하는 것이다. 따라서, 본 발명은 아래 설명된 실시예들을 통해 본 발명의 기술 범위 내에서 다양한 변형 실시가 가능하며, 이러한 변형 실시예는 본 발명의 기술 범위 내에 속한다 할 것이다. 그리고, 이하 설명되는 실시예의 이해를 돕기 위하여 첨부된 도면에 기재된 부호에 있어서, 각 실시예에서 동일한 작용을 하게 되는 구성요소 중 관련된 구성요소는 동일 또는 연장 선상의 숫자로 표기하였다.Hereinafter, exemplary embodiments will be described on the basis of embodiments best suited for understanding the technical characteristics of the present invention, and the technical features of the present invention are not limited by the illustrated embodiments, And that the present invention may be implemented with other embodiments. Therefore, it is intended that the present invention covers the modifications and variations of this invention provided they come within the scope of the appended claims and their equivalents. In order to facilitate an understanding of the embodiments described below, in the reference numerals shown in the accompanying drawings, among the constituent elements which perform the same function in the respective embodiments, the related constituent elements are indicated by the same or an extension line number.

도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 외부열원에 의하여 가열되는 고체산화물 연료전지 시스템의 개념도이다.1 is a conceptual diagram of a solid oxide fuel cell system that is heated by an external heat source according to an embodiment of the present invention.

도 1 을 참조하면 본 발명의 일 실시예에 따른 외부열원에 의하여 가열되는 고체산화물 연료전지 시스템은 고온박스(100), 버너(300), 열교환기(200), 스택(400) 및 외부열원을 포함한다.Referring to FIG. 1, a solid oxide fuel cell system to be heated by an external heat source according to an embodiment of the present invention includes a high temperature box 100, a burner 300, a heat exchanger 200, a stack 400, .

상기 고온박스(100)는 일반적으로 연료전지 시스템에 적용되는 부품 중 고온에서 운전되는 부품의 작동 온도 유지를 위한 단열을 제공하고, 열 손실을 최소화하여 시스템 효율을 향상시킨다.The high temperature box 100 generally provides insulation for maintaining the operating temperature of components operating at high temperatures among the components applied to the fuel cell system and minimizes heat loss to improve system efficiency.

상기 고온 박스(100) 내부에는 버너(300), 열교환기(200) 및 스택(400)이 배치된다.A burner 300, a heat exchanger 200, and a stack 400 are disposed in the high temperature box 100.

상기 고온박스(100) 외부에는 외부열원이 배치된다.An external heat source is disposed outside the high temperature box (100).

상기 외부열원은 공기를 가열하여 가열공기를 발생시키고, 이후 설명할 상기 버너(300)의 연소가스와 달리 저온 영역에서 상기 가열공기의 온도 제어가 가능한 열원일 수 있다.The external heat source may be a heat source that generates heated air by heating the air and can control the temperature of the heated air in a low temperature region, unlike the combustion gas of the burner 300 described later.

상기 외부열원은 전기히터(500)일 수 있다.The external heat source may be an electric heater 500.

상기 외부열원, 특히 전기히터(500)는 상기 외부열원, 특히 전기히터로 공급되는 공기를 가열하여 가열공기를 발생시킨다.The external heat source, particularly the electric heater 500, heats the external heat source, particularly the air supplied to the electric heater, to generate heated air.

상기 가열공기는 상기 열교환기(200)에 공급되거나, 상기 버너(300)를 거쳐 상기 열교환기(200)에 공급된다.The heated air is supplied to the heat exchanger 200 or the heat exchanger 200 through the burner 300.

상기 열교환기(200)에 공급된 가열공기는 상기 스택(400)에 공급되는 가스, 즉 스택 공급가스와 열 교환한 후 상기 고온박스(100) 외부로 배출된다.The heated air supplied to the heat exchanger 200 is heat-exchanged with the gas supplied to the stack 400, that is, the stack supply gas, and then is discharged to the outside of the high temperature box 100.

상기 열 교환에 의하여, 상기 가열공기는 냉각되고, 상기 스택 공급가스는 가열된다.By the heat exchange, the heated air is cooled and the stack supply gas is heated.

상기 가열된 스택 공급가스는 스택(400)에 공급되며, 상기 스택(400)은 상기 가열된 스택 공급가스에 의하여 가열된다.The heated stack feed gas is supplied to a stack 400, which is heated by the heated stack feed gas.

상기 가열에 의하여 상기 스택(400)의 온도는 고체산화물 연료전지 시스템의 작동에 필요한 온도까지 상승할 수 있다.By the heating, the temperature of the stack 400 may rise to a temperature necessary for operation of the solid oxide fuel cell system.

상기 작동에 필요한 온도까지 상승하게 되면, 상기 가스는 상기 스택(400)의 발전에 이용될 수 있다.When the temperature is raised to a temperature required for the operation, the gas can be used for power generation of the stack 400.

상기 스택 공급가스 또는 가열된 스택 공급가스는 연료, 공기 또는 수증기일 수 있다.The stack supply gas or the heated stack supply gas may be fuel, air or water vapor.

상기 가열공기는 외부열원, 특히 전기히터(500)에 의하여 발생하는 것이므로, 상기 외부열원, 특히 전기히터(500)의 제어에 의하여 상기 가열공기의 온도 또는 유량 또한 제어될 수 있다.Since the heated air is generated by an external heat source, particularly the electric heater 500, the temperature or flow rate of the heated air can also be controlled by the control of the external heat source, particularly the electric heater 500.

따라서, 상기 가열공기의 온도는 비교적 저온에서부터 매우 고온의 온도일 수 있다.Thus, the temperature of the heated air can be from a relatively low temperature to a very high temperature.

상기 가열공기의 온도에 따라 상기 스택 공급가스의 온도도 조절될 수 있다.The temperature of the stack supply gas may also be adjusted according to the temperature of the heated air.

즉, 상기 스택 공급가스의 온도도 비교적 저온에서부터 매우 고온의 온도일 수 있다.That is, the temperature of the stack supply gas may be a temperature ranging from a relatively low temperature to a very high temperature.

한편, 상기 스택(400)의 온도를 상온에서 고체산화물 연료전지 시스템의 작동에 필요한 온도까지 상승시키는 경우에 있어서, 상기 버너(300)에 의한 고온의 연소가스로 상기 스택(400)에 공급되는 가스를 가열하여 상기 스택(400)을 가열시키는 경우에는 급격한 온도 변화에 의하여 상기 스택(400)이 손상될 수 있다.When the temperature of the stack 400 is raised to a temperature required for operation of the solid oxide fuel cell system at room temperature, the gas supplied to the stack 400 as a high-temperature combustion gas by the burner 300 The stack 400 may be damaged due to an abrupt temperature change when the stack 400 is heated.

즉, 상기 급격한 온도 변화에 의하여, 상기 스택(400)을 구성하는 단전지와 단전지 사이의 온도차, 단전지의 가스 입구와 출구 사이의 온도차, 또는 상기 단전지를 구성하는 연료극, 전해질 및 공기극 사이의 온도차 등이 유발될 수 있으며, 상기 온도차에 의하여 스택(400)에 균열 또는 층분리 등이 발생될 수 있다.That is, due to the abrupt temperature change, the temperature difference between the unit cell and the unit cell constituting the stack 400, the temperature difference between the gas inlet and the outlet of the unit cell, or the temperature difference between the unit cell and the electrolyte electrode constituting the unit cell, A temperature difference or the like may be generated, and cracks, layer separation, or the like may be generated in the stack 400 due to the temperature difference.

또한, 급격한 온도 변화에 의한 국부적인 고온은 상기 스택(400)을 산화시킬 뿐만 아니라, 상기 산화는 부피 팽창을 동반하여 상기 스택(400)에 균열이 발생될 수 있다.In addition, localized high temperatures due to abrupt temperature changes not only oxidize the stack 400, but also the oxidation can be accompanied by volume expansion, resulting in cracks in the stack 400.

이러한 스택(400)의 손상은, 상기 버너(300)의 연소가스가 매우 고온이고, 저온 영역에서 상기 연소가스의 온도 제어가 매우 한정적이라는 점에서 기인한다.Such damage to the stack 400 is due to the fact that the combustion gas of the burner 300 is very hot and the temperature control of the combustion gas in the low temperature region is very limited.

즉, 상기 버너(300)는 연소에 의하여 고온의 연소가스를 발생시키고, 발생된 상기 연소가스는 일정한 온도 이하로 존재할 수 없어, 연소가스의 온도 제어가 한정적이기 때문이다. That is, the burner 300 generates a high-temperature combustion gas by combustion, and the generated combustion gas can not exist below a certain temperature, and the temperature control of the combustion gas is limited.

본 발명에 의하면, 상기한 바와 같이 저온에서부터 고온의 가열공기를 발생시킬 수 있는 외부열원, 특히 전기히터(500)에 의하여 상기 스택(400)을 가열하게 되므로 상기 스택(400)의 손상이 방지될 수 있다.According to the present invention, since the stack 400 is heated by an external heat source, particularly an electric heater 500, which can generate hot air from a low temperature to a high temperature as described above, damage to the stack 400 is prevented .

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 가열공기는 상기 버너(300)를 거쳐 상기 열교환기(200)에 공급될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the heated air may be supplied to the heat exchanger 200 via the burner 300.

상기 가열공기가 상기 버너(300)를 거치는 경우에 상기 버너(300) 내부의 온도도 상승하게 된다.When the heated air passes through the burner 300, the temperature inside the burner 300 also rises.

상기 온도 상승에 의하여 상기 버너(300) 내부의 온도는 상기 버너(300)의 연소용 연료의 자연발화온도에 도달할 수 있다.The temperature inside the burner 300 can reach the autoignition temperature of the combustion fuel of the burner 300 due to the temperature rise.

상기 자연발화온도란 가연성 물질을 점화하지 않고 공기 또는 산소 기류 중에서 가열할 때 자연적으로 발화하는 최저온도를 의미한다.The spontaneous ignition temperature refers to the minimum temperature at which ignition occurs spontaneously when the combustible material is ignited and heated in an air or oxygen stream.

따라서, 본 명세서에서 상기 자연발화온도 또는 상기 버너(300)에 공급되는 연소용 연료의 자연발화온도는 상기 연소용 연료를 점화하지 않고 상기 가열공기에 의하여 자연적으로 발화하는 최저온도를 의미하는 것으로 정의될 수 있다.Accordingly, in the present specification, the spontaneous ignition temperature or the spontaneous ignition temperature of the combustion fuel supplied to the burner 300 is defined as the minimum temperature at which the ignition is naturally ignited by the heated air without igniting the combustion fuel .

상기 버너(300) 내부의 온도가 상기 자연발화온도에 도달한 경우에는 상기 버너에 연소용 연료가 공급될 수 있다.When the temperature inside the burner 300 reaches the autoignition temperature, combustion fuel may be supplied to the burner.

상기 연소용 연료가 공급되는 때, 상기 버너(300) 내부의 온도는 상기 연소용 연료가 자연발화할 수 있는 온도에 도달되어 있으므로, 상기 연소용 연료는 별도의 점화장치 없이 자연발화할 수 있다.When the combustion fuel is supplied, the temperature of the inside of the burner 300 reaches a temperature at which the combustion fuel can self-ignite, so that the combustion fuel can spontaneously ignite without a separate ignition device.

상기 자연발화에 의한 연소가스의 열은 상기 가열공기의 열과 동일한 경로를 따라 상기 스택(400)에 공급될 수 있으며, 상기 연소가스에 의하여 스택(400)의 온도가 본 발명에 따른 시스템의 작동온도까지 상승되거나 상기 작동온도에 도달한 상기 스택(400)의 온도가 유지될 수 있다.The heat of the combustion gas due to the spontaneous ignition may be supplied to the stack 400 along the same path as the heated air and the temperature of the stack 400 may be controlled by the combustion gas to a temperature Or the temperature of the stack 400 reaching the operating temperature can be maintained.

상기 버너(300)의 연소가스는 상기 외부열원, 특히 전기히터(500)의 가열공기에 의하여 상기 스택(400)이 충분히 가열된 이후에 상기 스택(400)에 공급되므로, 상기 스택(400)은 상기 급격한 온도변화에 의한 손상을 받지 않을 수 있다.Since the combustion gas of the burner 300 is supplied to the stack 400 after the stack 400 is sufficiently heated by the external heat source, particularly the heated air of the electric heater 500, It may not be damaged by the abrupt temperature change.

상기 자연발화에 의하여 상기 버너(300)의 연소가스가 공급된 이후에는, 상기 외부열원, 특히 전기히터(500)에 의한 가열공기의 공급은 중단될 수 있고, 상기 연소가스에 의하여 상기 스택(400)이 가열되거나 스택(400)의 온도가 유지될 수 있다.After the combustion gas of the burner 300 is supplied by the spontaneous ignition, the supply of the heated air by the external heat source, in particular, the electric heater 500 may be stopped, May be heated or the temperature of the stack 400 may be maintained.

한편, 상기한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 고체산화물 연료전지는 상기 연소용 연료에 점화시키는 별도의 점화장치를 포함하지 않을 수도 있다.As described above, in the embodiment of the present invention, the solid oxide fuel cell may not include a separate ignition device for igniting the combustion fuel.

이에 의하여, 고체산화물 연료전지 시스템이 더욱 단순해질 수 있다,Thereby, the solid oxide fuel cell system can be further simplified,

또한, 상기 버너(300) 내부에 상기 별도의 점화장치가 배치되고 상기 점화장치가 고온에 노출되는 경우에, 상기 점화장치 측으로 상기 버너(300) 내부로 공급되는 가열공기 또는 연소용 연료가 유출될 가능성이 있는데, 상기 버너(300)가 상기 점화장치를 구비하지 않음에 의하여 상기 유출이 방지될 수 있다.Further, when the ignition device is disposed in the burner 300 and the ignition device is exposed to a high temperature, heated air or combustion fuel supplied into the burner 300 flows out to the ignition device side It is possible that the outflow can be prevented by the fact that the burner 300 does not have the ignition device.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 스택(400)의 온도가 소정의 온도에 도달한 경우에 상기 버너(300)를 점화장치에 의하여 점화시켜, 상기 버너(300)의 연소가스에 의하여 상기 스택(400)이 가열되거나 상기 스택(400)의 온도가 유지될 수 있는데, 이하 이에 대하여 설명하도록 한다.According to an embodiment of the present invention, when the temperature of the stack 400 reaches a predetermined temperature, the burner 300 is ignited by the ignition device, and the combustion gas of the burner 300 The stack 400 may be heated or the temperature of the stack 400 may be maintained.

상기한 바와 같이, 상기 가열공기의 공급에 의하여 상기 스택(400)은 가열될 수 있으며, 상기 스택(400)의 온도는 소정의 온도에 도달될 수 있다.As described above, the stack 400 can be heated by supplying the heated air, and the temperature of the stack 400 can reach a predetermined temperature.

상기 소정의 온도란, 상기 버너(300)의 연소가스의 제어에 의하여, 급격한 온도 변화에 따른 상기 스택(400) 손상의 방지가 가능한 온도로 정의될 수 있다.The predetermined temperature may be defined as a temperature at which the stack 400 can be prevented from being damaged due to a rapid temperature change by controlling the combustion gas of the burner 300.

상기 연소가스의 제어는 상기 연소가스의 온도 또는 유량 등의 제어일 수 있다.The control of the combustion gas may be control of the temperature or the flow rate of the combustion gas.

상기 가열공기의 공급에 의한 상기 스택(400)의 가열을 진행하는 경우에 있어서, 상기 스택(400)의 온도가 상기 소정의 온도에 도달하는 시점은 상기 버너(300) 내부의 온도가 상기 자연발화온도에 도달하는 시점과 다르거나 보다 먼저일 수 있다.When the temperature of the stack 400 reaches the predetermined temperature when heating the stack 400 by the supply of the heated air, the temperature inside the burner 300 is lower than the temperature of the spontaneous ignition It may be different from the point at which the temperature is reached or earlier.

상기 스택(400)의 온도가 상기 소정의 온도에 도달한 경우에, 상기 버너(300)에는 연소용 연료가 공급될 수 있다.When the temperature of the stack 400 reaches the predetermined temperature, the burner 300 may be supplied with fuel for combustion.

상기 연소용 연료가 공급되면, 상기 버너(300)는 상기 연소용 연료 및 별도의 점화장치(미도시)에 의하여 점화되어 연소가스를 발생시킬 수 있다.When the combustion fuel is supplied, the burner 300 may be ignited by the combustion fuel and a separate ignition device (not shown) to generate combustion gas.

상기 연소가스 열은 상기 가열공기의 열과 동일한 경로를 따라 상기 스택(400)에 공급될 수 있으며, 스택(400)의 온도가 본 발명에 따른 시스템의 작동온도까지 상승되거나 상기 작동온도에 도달한 상기 스택(400)의 온도가 유지될 수 있다.The combustion gas heat may be supplied to the stack 400 along the same path as the heated air and the temperature of the stack 400 may be increased to the operating temperature of the system according to the present invention, The temperature of the stack 400 can be maintained.

상기 연소가스가 발생된 이후에는, 상기 외부열원, 특히 전기히터(500)에 의한 가열공기의 공급은 중단될 수 있다.After the combustion gas is generated, the supply of the heated air by the external heat source, in particular, the electric heater 500 may be stopped.

따라서, 외부열원, 특히 전기히터(500)에 의한 가열공기의 발생이 최소화되어 전력의 소비 등이 감소될 수 있다.Therefore, the generation of the heated air by the external heat source, in particular, the electric heater 500 is minimized, so that the power consumption and the like can be reduced.

또한, 상기 실시예에 의하는 경우, 급격한 온도 변화에 따른 스택(400)의 손상이 방지될 수 있다.In addition, according to the embodiment, damage to the stack 400 due to abrupt temperature change can be prevented.

그 이유는, 상기한 바와 같이 저온 영역에서는 상기 연소가스의 온도 제어가 매우 한정적이나, 일정 온도 이상의 고온 영역에서는 상기 스택(400)의 손상이 방지될 수 있을 정도의 저온으로 상기 연소가스의 공급이 가능하기 때문이다.The reason for this is that although the temperature control of the combustion gas is very limited in the low temperature region as described above, the supply of the combustion gas to the low temperature to such an extent that damage to the stack 400 can be prevented in a high- This is possible.

도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 외부열원에 의하여 가열되는 고체산화물 연료전지 시스템의 고온박스 내에서의 열 전달 상태를 보인 도면이다.2 is a view showing a heat transfer state in a high temperature box of a solid oxide fuel cell system heated by an external heat source according to an embodiment of the present invention.

도 2 를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기(200)는 열교환형 개질기(210) 또는 공기 예열기(220) 를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 2, the heat exchanger 200 according to an embodiment of the present invention may include a heat exchange reformer 210 or an air preheater 220.

또한, 상기한 바와 같이, 상기 스택(400)에 공급되는 가스는 연료, 공기 또는 수증기 일 수 있다.Further, as described above, the gas supplied to the stack 400 may be fuel, air, or water vapor.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 외부열원, 특히 전기히터(500)의 가열공기에 의한 상기 스택(400)에 공급되는 가스, 즉 스택 공급가스의 가열에 대하여 설명하도록 한다.Hereinafter, the heating of the gas supplied to the stack 400 by the heated air of the external heat source, in particular, the electric heater 500, that is, the stack supply gas according to an embodiment of the present invention will be described.

상기 외부열원, 특히 전기히터(500)는 상기 외부열원, 특히 전기히터(500)로 공급되는 공기를 가열하여 가열공기를 발생시킨다.The external heat source, particularly the electric heater 500, heats the external heat source, particularly the air supplied to the electric heater 500, to generate heated air.

상기 가열공기는 가열공기 배관(hap1)을 따라 상기 버너(300) 또는 제 1 연소가스 배관(cp1)에 공급될 수 있다.The heated air may be supplied to the burner 300 or the first combustion gas pipe cp1 along the heating air pipe hap1.

상기 가열공기는 제 1 연소가스 배관(cp1)을 따라 상기 열교환형 개질기(210)에 공급될 수 있다.The heated air may be supplied to the heat exchange reformer 210 along the first combustion gas pipe cp1.

상기 열교환형 개질기(210)에 공급된 상기 가열공기는 상기 고온박스(100) 내부에서 가장 고온의 상태에 있게 된다.The heated air supplied to the heat exchange reformer 210 is in a state of the highest temperature inside the high temperature box 100.

상기 열교환형 개질기(210)에 공급된 상기 가열공기는 상기 열교환형 개질기(210)를 가열하게 된다.The heated air supplied to the heat exchange reformer 210 heats the heat exchange reformer 210.

일반적으로, 개질기는 스택으로 공급되는 연료를 수소(H2)로 개질하여 스택에 공급하는 장치인데, 상기 개질을 위하여는 상기 개질기의 온도가 소정 온도 이상의 고온일 것을 요하기 때문이다. Generally, the reformer reforms the fuel supplied to the stack with hydrogen (H 2 ) and supplies the reformed gas to the stack. In order to perform the reforming, the temperature of the reformer needs to be higher than a predetermined temperature.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 열교환형 개질기(210)는 상기 가열공기에 의하여 소정 온도 이상으로 가열되는 것일 수 있다.Therefore, according to one embodiment of the present invention, the heat exchanger 210 may be heated to a predetermined temperature or higher by the heated air.

또한, 상기 열교환형 개질기(210)에서 상기 가열공기는 상기 스택(400)에 공급되는 연료 또는 수증기, 즉 스택 공급연료 또는 스택 공급수증기와 열 교환하게 된다.Further, in the heat exchange reformer 210, the heated air is heat-exchanged with the fuel or water vapor supplied to the stack 400, that is, the stack supply fuel or the stack supply water vapor.

열교환형 개질기(210)에서의 상기 열 교환에 의하여, 상기 스택 공급연료 또는 스택 공급수증기는 가열되게 되고 상기 가열공기의 온도는 보다 낮아지게 된다.By the heat exchange in the heat exchange reformer 210, the stack feed fuel or stack feed water vapor is heated and the temperature of the heated air becomes lower.

상기 열교환형 개질기(210)에서 열 교환한 상기 가열공기는 제 2 연소가스 배관(cp2)를 따라 상기 공기 예열기(220)에 공급될 수 있다.The heated air heat exchanged in the heat exchange reformer 210 may be supplied to the air preheater 220 along the second combustion gas pipe cp2.

상기 공기 예열기(220)에 공급된 상기 가열공기는 스택(400)에 공급되는 공기, 즉 스택 공급공기와 열 교환하게 된다.The heated air supplied to the air preheater 220 exchanges heat with the air supplied to the stack 400, that is, the stack supply air.

공기 예열기(220)에서의 상기 열 교환에 의하여, 상기 스택 공급공기는 가열되게 되고 상기 가열공기의 온도는 보다 낮아지게 된다.By the heat exchange in the air preheater 220, the stack supply air is heated and the temperature of the heated air becomes lower.

상기 공기 예열기(220)에서 열 교환한 상기 가열공기는 제 3 연소가스 배관(cp3)을 따라 상기 고온박스(100) 외부로 배출될 수 있다.The heated air heat exchanged in the air preheater 220 may be discharged to the outside of the high temperature box 100 along the third combustion gas pipe cp3.

요컨대, 상기 외부열원, 특히 전기히터(500)의 가열공기는 상기 열교환형 개질기(210) 및 상기 공기 예열기(220)에 순차적으로 공급될 수 있다.That is, the external heat source, in particular, the heated air of the electric heater 500 may be sequentially supplied to the heat exchanger 210 and the air preheater 220.

상기 가열공기의 공급에 의하여, 상기 열교환형 개질기(210)가 가열되며, 상기 열교환형 개질기(210) 또는 상기 공기 예열기(220)에서 상기 스택 공급연료, 스택 공급공기 또는 스택 공급수증기가 가열되게 된다.By the supply of the heated air, the heat exchange reformer 210 is heated and the stack supply fuel, the stack supply air or the stack supply water vapor is heated in the heat exchange reformer 210 or the air preheater 220 .

상기 가열공기의 온도는 상기 열교환형 개질기(210) 및 상기 공기 예열기(220)를 거치며 점차 낮아지게 된다.The temperature of the heated air gradually decreases through the heat exchanger 210 and the air preheater 220.

이하, 상기 스택(400) 특히, 상기 스택(400)의 연료극(411)의 가열에 대하여 설명하도록 한다.Hereinafter, the heating of the stack 400, particularly, the fuel electrode 411 of the stack 400 will be described.

상기 스택(400)은 상기 가열공기와 열 교환한 상기 스택(400)에 공급되는 연료 또는 수증기, 즉 스택 공급연료 또는 스택 공급수증기에 의하여 가열될 수 있다.The stack 400 may be heated by fuel or steam supplied to the stack 400 that has been heat exchanged with the heated air, i.e., stacked fuel or stacked feedwater.

상기 연료는 천연가스(NG), 액화천연가스(LNG), 액화석유가스(LPG) 또는 디젤 등 수소 또는 탄화수소 계열의 다양한 연료일 수 있다.The fuel may be a variety of fuels, such as natural gas (NG), liquefied natural gas (LNG), liquefied petroleum gas (LPG) or diesel, hydrogen or hydrocarbon series.

상기 고온박스(100) 내로 공급되는 스택 공급연료는 별도의 공급장치(미도시)에 의하여 수증기, 즉 스택 공급수증기를 포함할 수 있으며, 상기 스택 공급수증기는 물의 상태일 수 있다.The stack supply fuel supplied into the high temperature box 100 may include water vapor, that is, stack supply water vapor, by a separate supply device (not shown), and the stack supply water vapor may be in the state of water.

상기 고온박스(100) 내로 공급되는 스택 공급연료는 제 1 연료/수증기 배관(fsp1)을 따라 상기 열교환형 개질기(210)에 공급될 수 있다.The stack supply fuel supplied into the high temperature box 100 may be supplied to the heat exchange reformer 210 along the first fuel / steam pipe fsp1.

상기 열교환형 개질기(210)에 공급된 스택 공급연료는 상기 열교환형 개질기(210)에서 상기 전기히터(500)의 가열공기와 열 교환함으로써 가열된다.The stack supply fuel supplied to the heat exchange reformer 210 is heated by heat exchange with the heated air of the electric heater 500 in the heat exchange reformer 210.

상기 스택 공급수증기가 물의 상태인 경우, 상기 물은 상기 가열에 의하여 수증기로 상변화할 수 있다.If the stacked water vapor is in a state of water, the water may be phase-changed to water vapor by the heating.

상기 가열된 연료는 제 2 연료/수증기 배관(fsp2)을 따라 상기 스택(400)의 연료극(411)에 공급될 수 있다.The heated fuel may be supplied to the fuel electrode 411 of the stack 400 along with the second fuel / steam pipe fsp2.

상기 가열된 스택 공급연료의 공급에 의하여 상기 스택(400), 특히 상기 스택(400)의 연료극(411)이 가열될 수 있다.By supplying the heated stacking fuel, the stack 400, particularly the fuel electrode 411 of the stack 400, can be heated.

상기 스택 공급연료는 상기 연료극(411)을 가열한 후 제 1 및 제 2 연료극 배출가스 배관(aop1, aop2)을 따라 상기 버너(300)로 이동하여 상기 버너(300)의 연소에 이용될 수 있다.The stack supply fuel may be used to burn the burner 300 after heating the fuel electrode 411 and then moving to the burner 300 along the first and second fuel electrode discharge gas pipes aop1 and aop2 .

한편, 본 발명에 따른 시스템이 소정의 작동온도에 도달한 경우에는, 열교환형 개질기(210)에 공급되는 스택 공급연료는 상기 열교환형 개질기(210)에 의하여 수소가스로 개질되며, 상기 수소가스는 고온의 상태로 존재하게 된다.When the system according to the present invention reaches a predetermined operating temperature, the stack supply fuel supplied to the heat exchange reformer 210 is reformed into hydrogen gas by the heat exchange reformer 210, And is present at a high temperature.

상기 수소가스는 제 2 연료/수증기 배관(fsp2)을 따라 상기 스택(400)의 연료극(411)에 공급될 수 있다.The hydrogen gas may be supplied to the fuel electrode 411 of the stack 400 along the second fuel / steam pipe fsp2.

상기 수소가스의 공급에 의하여 상기 스택(400), 특히 상기 스택(400)의 연료극(411)은 본 발명에 따른 시스템의 작동온도를 유지할 수 있다.By supplying the hydrogen gas, the stack 400, particularly the fuel electrode 411 of the stack 400, can maintain the operating temperature of the system according to the present invention.

또한, 상기 수소가스는 상기 스택(400)에서의 발전에도 이용되게 된다.In addition, the hydrogen gas is also used for power generation in the stack 400.

상기 스택(400)은 일반적으로 직렬 또는 병렬 연결되는 다수개의 단전지(Single Cell)로 이루어지며, 상기 단전지는 다공성의 연료극(411) 및 공기극(413)과 그 사이에 배치되는 치밀한 구조의 전해질(412)로 구성된다.The stack 400 generally comprises a plurality of single cells connected in series or parallel. The unit cell has a porous anode 411 and an air cathode 413 and a dense electrolyte 412).

상기 스택(400)의 연료극(411)에 공급되는 수소가스에 포함되는 수소(H2)는 상기 공기극(413)으로부터 이온 전도체인 상기 전해질(412)을 통하여 전도된 산소이온(O2-)과 반응한다.The hydrogen (H 2 ) contained in the hydrogen gas supplied to the fuel electrode 411 of the stack 400 is supplied from the air electrode 413 to the oxygen ions O 2- through the electrolyte 412, And reacts.

상기 반응에 의하여 전자, 물(H2O) 및 열이 방출되며, 상기 전자는 외부 회로(미도시)를 통하여 양극으로 이동하는 과정에서 전기적 일을 실행하게 되는 것이다.The electrons, water (H 2 O), and heat are emitted by the reaction, and the electrons are electrically operated in the process of moving to the anode through an external circuit (not shown).

상기 반응은 열을 방출시키는 발열반응이므로, 상기 스택(400), 특히 상기 스택(400)의 연료극(411)은 더욱 용이하게 상기 작동온도를 유지할 수 있다.Since the reaction is an exothermic reaction that releases heat, the fuel electrode 411 of the stack 400, particularly, the stack 400 can more easily maintain the operating temperature.

상기 반응 후 상기 연료극(411)으로부터 배출되는 가스, 즉 연료극 배출가스는 제 1 및 제 2 연료극 배출가스 배관(aop1, aop2)을 따라 버너(300)에 공급되어 상기 버너(300)의 연소를 위한 연료로 이용될 수 있다.The gas discharged from the fuel electrode 411 after the reaction is supplied to the burner 300 along the first and second fuel electrode discharge gas pipes aop1 and aop2 so as to burn the burner 300 It can be used as fuel.

한편, 상기 반응은 열을 방출시키는 발열반응이므로, 상기 연료극 배출가스는 상기 연료극(411)에 공급되는 수소가스 보다 다소 높은 온도로 배출되게 된다.Meanwhile, since the reaction is an exothermic reaction that releases heat, the anode discharge gas is discharged at a temperature somewhat higher than the hydrogen gas supplied to the anode 411.

또한, 상기 반응은 물(H2O)을 방출시키는 반응이므로, 상기 연료극 배출가스에는 다량의 수증기가 포함되게 된다.Further, since the reaction is a reaction to release water (H 2 O), the fuel electrode exhaust gas contains a large amount of water vapor.

상기 다량의 수증기는 상기 연료극 배출가스가 상기 버너(300)의 연료로 이용되기에 적합하지 않을 수 있다.The large amount of water vapor may not be suitable for the fuel electrode exhaust gas to be used as the fuel of the burner 300. [

그 이유는, 상기 수증기에 의하여 상기 버너(300)의 연소에 의한 온도 증가가 한정적일 수 있으며, 특히 상기 버너(300)가 촉매버너인 경우에 상기 수증기가 촉매에 심각한 손상을 줄 수 있기 때문이다.This is because the temperature increase due to the burning of the burner 300 by the steam may be limited, and the steam may seriously damage the catalyst, particularly when the burner 300 is a catalytic burner .

따라서, 상기 수증기를 제거한 후에 상기 연료극 배출가스를 상기 버너(300)의 연소를 위한 연료로 이용하는 것이 바람직하다.Therefore, it is preferable to use the fuel electrode exhaust gas as the fuel for burning the burner 300 after removing the water vapor.

상기 수증기는 다양한 방법에 의하여 제거될 수 있으나, 열의 회수에 의한 열의 이용 측면에서 상기 연료극 배출가스의 온도를 낮추어 상기 수증기를 응축 제거함이 바람직하다.The steam may be removed by various methods, but it is preferable that the steam is condensed and removed by lowering the temperature of the fuel electrode exhaust gas in terms of utilization of heat by the recovery of heat.

또한, 본 발명에 따른 시스템이 소정의 작동온도에 도달하기 전인 경우에는 상기한 바와 같이, 상기 스택(400)의 연료극(411)으로부터 스택 공급연료가 배출되는데, 배출되는 상기 스택 공급연료의 온도도 비교적 고온이므로, 상기 스택 공급연료의 열도 회수하여 이용함이 바람직하다.In addition, when the system according to the present invention reaches the predetermined operating temperature, the stack supply fuel is discharged from the fuel electrode 411 of the stack 400 as described above, and the temperature of the stack supply fuel discharged Since it is relatively high temperature, it is preferable that the stack supply fuel is also recovered.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지 시스템은 고온박스 내부에 배치되는 연료극 배출가스 냉각기(240)를 더 포함할 수 있다.Accordingly, the solid oxide fuel cell system according to an embodiment of the present invention may further include a fuel electrode discharge gas cooler 240 disposed inside the high temperature box.

상기 연료극 배출가스 냉각기(240)는 스택(400)으로부터 배출되는 상기 스택 공급연료 또는 상기 연료극 배출가스의 열을 고온박스(100)에 공급되는 스택 공급공기에 전달하게 된다.The fuel electrode discharge gas cooler 240 transfers the heat of the stack supply fuel or the anode discharge gas discharged from the stack 400 to the stack supply air supplied to the high temperature box 100.

연료극 배출가스 냉각기(240)를 더 포함하는 경우, 스택(400)으로부터 배출되는 상기 스택 공급연료 또는 상기 연료극 배출가스는 제 1 연료극 배출가스 배관(aop1)을 따라 상기 연료극 배출가스 냉각기(240)에 공급될 수 있다.The stack supply fuel or the fuel electrode exhaust gas discharged from the stack 400 may be supplied to the anode discharge gas cooler 240 along the first anode discharge gas pipe aop1 Can be supplied.

상기 연료극 배출가스 냉각기(240)에 공급된 상기 스택 공급연료 또는 상기 연료극 배출가스는 제 1 공기 배관(ap1)을 따라 고온박스(100)에 공급되는 스택 공급공기와 열 교환함으로써 온도가 보다 낮아질 수 있다.The stack supply fuel or the fuel electrode discharge gas supplied to the fuel electrode discharge gas cooler 240 may be lowered in temperature by heat exchange with the stack supply air supplied to the hot box 100 along the first air pipe ap1 have.

보다 냉각된 상기 스택 공급연료 또는 상기 연료극 배출가스는 제 2 연료극 배출가스 배관(aop2)을 따라 상기 버너(310)로 이동하면서 고온박스(100) 외부에 배치되는 열교환기(미도시)를 거칠 수 있다.The cooled stack fuel supply fuel or the fuel electrode exhaust gas flows through the second fuel electrode discharge gas pipe aop2 to the burner 310 and passes through a heat exchanger (not shown) disposed outside the high temperature box 100 have.

고온박스(100) 외부에 배치되는 상기 열교환기(미도시)에 의하여 상기 스택 공급연료 또는 상기 연료극 배출가스는 더욱 냉각될 수 있으며, 상기 열교환기(미도시)에 의하여 회수된 스택(400)으로부터 배출되는 상기 스택 공급연료 또는 상기 연료극 배출가스, 특히 상기 연료극 배출가스의 열은 난방 또는 온수 공급 등에 이용될 수 있다.The stack supply fuel or the fuel electrode discharge gas may be further cooled by the heat exchanger (not shown) disposed outside the high temperature box 100 and may be cooled from the stack 400 recovered by the heat exchanger The stack supply fuel or the fuel electrode discharge gas discharged, particularly the heat of the fuel electrode discharge gas, may be used for heating, hot water supply, or the like.

상기 고온박스(100) 외부를 지나는 상기 제 2 연료극 배출가스 배관(aop2)에는 응축기(미도시)가 배치될 수 있으며, 온도 저하에 의하여 응축된 물은 상기 응축기(미도시)에서 상기 연료극 배출가스로부터 분리 배출될 수 있다. A condenser (not shown) may be disposed in the second anode discharge gas pipe (aop2) passing through the outside of the high temperature box (100), and water condensed by the temperature lowering may be discharged from the condenser (not shown) Respectively.

이에 의하여, 상기 연료극 배출가스에 포함되는 다량의 수증기는 제거될 수 있으며, 상기 연료극 배출가스는 보다 효과적으로 상기 버너(310)의 연소를 위한 연료로 이용될 수 있다.Accordingly, a large amount of water vapor contained in the fuel electrode discharge gas can be removed, and the fuel electrode discharge gas can be more effectively used as fuel for burning the burner 310.

이하, 상기 스택(400) 특히, 상기 스택(400)의 공기극(413)의 가열에 대하여 설명하도록 한다.Hereinafter, heating of the air electrode 413 of the stack 400, particularly, the stack 400 will be described.

상기 스택(400)은 상기 가열가스와 스택 공급공기에 의하여 가열될 수 있다.The stack 400 may be heated by the heating gas and the stack supply air.

상기 스택 공급공기는 공기 배관(ap1, ap2, ap3)을 따라 상기 스택(400)에 공급될 수 있다.The stack supply air may be supplied to the stack 400 along the air pipes ap1, ap2, ap3.

본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기(200)는 공기 예열기(220)를 포함할 수 있다.The heat exchanger 200 according to an embodiment of the present invention may include an air preheater 220.

상기 공기 예열기(220)를 포함하는 경우, 상기 스택 공급공기는 제 1 및 제 2 공기 배관(ap1, ap2)을 따라 상기 공기 예열기(220)에 공급될 수 있다.When the air preheater 220 is included, the stack supply air may be supplied to the air preheater 220 along the first and second air pipes ap1 and ap2.

상기 공기 예열기(220)에 공급된 스택 공급공기는 가열공기와 열 교환함으로써 가열될 수 있다. The stack supply air supplied to the air preheater 220 can be heated by heat exchange with the heated air.

상기 스택 공급공기의 보다 효율적인 가열를 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지 시스템은 상기한 바와 같이 연료극 배출가스 냉각기(240)를 더 포함할 수 있다.In order to more efficiently heat the stack supply air, the solid oxide fuel cell system according to an embodiment of the present invention may further include the anode exhaust gas cooler 240 as described above.

상기 연료극 배출가스 냉각기(240)를 더 포함하는 경우, 상기 스택 공급공기는 제 1 공기 배관(ap1)을 따라 상기 연료극 배출가스 냉각기(240)에 공급될 수 있다.The stack supply air may be supplied to the fuel electrode discharge gas cooler 240 along the first air pipe ap1 when the fuel electrode discharge gas cooler 240 is further included.

상기 연료극 배출가스 냉각기(240)에 공급된 스택 공급공기는 스택(400)으로부터 배출된 상기 스택 공급공기 또는 상기 연료극 배출가스와 열 교환함으로써 가열될 수 있다.The stack supply air supplied to the anode discharge gas cooler 240 may be heated by heat exchange with the stack supply air discharged from the stack 400 or the anode discharge gas.

상기 스택 공급공기 또는 상기 연료극 배출가스와 열 교환한 스택 공급공기는 제 2 공기 배관(ap2)을 따라 상기 공기 예열기(220)에 공급될 수 있으며, 상기한 바와 같이, 상기 공기 예열기(220)에서 상기 가열공기와 열 교환함으로써 더욱 가열될 수 있다.The stack supply air or the stack supply air heat exchanged with the fuel electrode discharge gas may be supplied to the air preheater 220 along the second air pipe ap2. As described above, the air preheater 220 And can be further heated by heat exchange with the heated air.

이때, 상기 연료극 배출가스 냉각기(240)에서의 가열은 상기 공기예열기(220)에서의 가열에 대하여 보조적일 수 있다.At this time, the heating in the anode outlet gas cooler 240 may be auxiliary to the heating in the air preheater 220.

상기 공기 예열기(220)에서의 가열가스의 온도가 상기 연료극 배출가스 냉각기(240)에서의 상기 스택 공급공기 또는 연료극 배출가스의 온도 보다 높을 수 있다. The temperature of the heating gas in the air preheater 220 may be higher than the temperature of the stack supply air or the anode discharge gas in the anode discharge gas cooler 240.

따라서, 상기 스택 공급공기는 순차적으로 연료극 배출가스 냉각기(240) 및 공기 예열기(220)를 지나는 것이 바람직할 수 있다.Accordingly, it may be desirable to pass the stack feed air sequentially through the anode outlet gas cooler 240 and the air preheater 220.

상기 공기 예열기(220), 또는 상기 연료극 배출가스 냉각기(240) 및 상기 공기 예열기(220)에서 가열된 공기는 제 3 공기 배관(ap3)을 따라 상기 스택(400)의 공기극(413)에 공급될 수 있다.The air heated in the air preheater 220 or in the fuel electrode exhaust gas cooler 240 and the air preheater 220 is supplied to the air electrode 413 of the stack 400 along the third air pipe ap3 .

이에 의하여, 상기 스택(400), 특히 상기 스택(400)의 공기극(413)이 가열될 수 있다.In this way, the stack 400, particularly the air electrode 413 of the stack 400, can be heated.

상기 스택 공급공기는 상기 공기극(411)을 가열한 후 공기극 배출가스 배관(cop1)을 따라 상기 버너(300)로 이동하여 상기 버너(300)의 연소에 이용될 수 있다. The stack supply air may be used for burning the burner 300 after heating the air electrode 411 and then moving to the burner 300 along the air electrode discharge gas pipe cop1.

한편, 상기 스택(400)의 온도가 본 발명에 따른 시스템 소정의 작동온도에 도달한 경우에는, 상기 스택(400)의 공기극(413)에 공급된 스택 공급공기는 상기 스택(400), 특히 상기 스택(400)의 공기극(413)의 작동온도 유지 및 상기 스택(400)에서의 발전에 이용되게 된다.When the temperature of the stack 400 reaches the predetermined operating temperature of the system according to the present invention, the stack supply air supplied to the air electrode 413 of the stack 400 is supplied to the stack 400, And is used to maintain the operating temperature of the air electrode 413 of the stack 400 and to generate electricity in the stack 400.

상기 스택 공급공기가 발전에 이용되는 경우, 상기 공기극(413)에 공급된 스택 공급공기 내에 포함된 산소는 상기 공기극(413)과 상기 연료극(411)의 전기화학반응에 의하여 산소이온(O2 -)으로 환원된다.If the stack feed air is used for power generation, the air electrode 413, a stacked supply of oxygen is the air electrode 413 and oxygen ions by the electrochemical reaction of the fuel electrode (411) (O contained in the air fed to the second- ).

상기 산소이온(O2 -)은 이온 전도체인 전해질(412)을 통하여 상기 연료극(411)으로 전도되며, 상기 전도된 상기 산소이온(O2 -)은 상기 연료극(411)의 수소(H2)와 반응함으로써 발전이 이루어지게 된다.The oxygen ions (O 2 -), through the electrolyte 412 of the ion conductor is conducted to the fuel electrode 411, the oxygen ion the conductive (O 2 -) is a hydrogen (H 2) of the fuel electrode 411 So that the power generation is achieved.

상기 공기극(413)의 작동온도 유지 또는 상기 스택(400)에서의 발전에 이용된 공기는 공기극 배출가스 배관(cop1)을 따라 버너(300)에 공급되어 상기 버너의 연소에 이용될 수 있다.The air used to maintain the operating temperature of the air electrode 413 or to generate electricity in the stack 400 may be supplied to the burner 300 along the air discharge gas pipe cop1 to be used for burning the burner.

100 : 고온박스
200 : 열교환기
300 : 버너
400 : 스택
500 : 전기히터100: High temperature box
200: heat exchanger
300: Burner
400: stack
500: Electric heater

Claims (10)

고온박스;
상기 고온박스 내부에 배치되는 버너, 열교환기 및 스택; 및
상기 고온박스 외부에 배치되는 외부열원;
을 포함하고,
상기 외부열원에 의한 가열공기는 상기 열교환기 또는 상기 버너를 거쳐 상기 열교환기에 공급되며,
상기 스택에 공급되는 가스는 상기 열교환기에 공급되어 상기 가열공기와 열 교환에 의하여 가열되고,
상기 스택은 상기 가열된 가스에 의하여 가열되고,
상기 버너가 연소용 연료의 자연발화온도 또는 상기 스택이 소정의 온도에 도달한 이후에, 상기 버너의 연소가스의 열이 상기 가열공기의 열과 동일한 경로를 따라 상기 스택에 공급되는 고체산화물 연료전지 시스템.High temperature box;
A burner, a heat exchanger, and a stack disposed inside the high temperature box; And
An external heat source disposed outside the high temperature box;
/ RTI >
The heated air by the external heat source is supplied to the heat exchanger through the heat exchanger or the burner,
The gas supplied to the stack is supplied to the heat exchanger and heated by heat exchange with the heated air,
The stack is heated by the heated gas,
Wherein the burner is fed to the stack along the same path as the heat of combustion air of the burner after the spontaneous ignition temperature of the combustion fuel or the stack reaches a predetermined temperature, . 제 1 항에 있어서,
상기 외부열원은 전기히터인 고체산화물 연료전지 시스템.The method according to claim 1,
Wherein the external heat source is an electric heater. 제 1 항에 있어서,
상기 가열공기의 온도 또는 유량의 제어에 의하여 급격한 온도 변화에 의한 상기 스택의 손상이 방지되는 고체산화물 연료 전지 시스템.The method according to claim 1,
Wherein damage to the stack due to abrupt temperature change is prevented by controlling the temperature or flow rate of the heated air. 제 1 항에 있어서,
상기 열교환기는 열교환형 개질기를 포함하며,
상기 열교환형 개질기는 상기 가열공기에 의하여 가열되는 고체산화물 연료전지 시스템.The method according to claim 1,
Wherein the heat exchanger includes a heat exchange reformer,
Wherein the heat exchanger type reformer is heated by the heated air. 제 1 항에 있어서,
상기 가열공기는 상기 버너에 공급되며,
상기 버너 내부의 온도는 상기 가열공기의 공급에 의하여 연소용 연료의 자연발화온도에 도달하고, 상기 버너에는 상기 연소용 연료가 공급되며,
상기 버너는 상기 자연발화온도 및 상기 연소용 연료에 의하여 점화되는 고체산화물 연료전지 시스템.The method according to claim 1,
The heated air is supplied to the burner,
The temperature inside the burner reaches the autoignition temperature of the combustion fuel by the supply of the heated air, the combustion fuel is supplied to the burner,
Wherein the burner is ignited by the spontaneous ignition temperature and the combustion fuel. 제 5 항에 있어서,
상기 가열공기는 순차적으로 상기 버너 및 상기 열교환기에 공급되는 고체산화물 연료전지 시스템.6. The method of claim 5,
And the heated air is sequentially supplied to the burner and the heat exchanger. 제 1 항에 있어서,
상기 스택의 온도가 소정의 온도에 도달한 경우에,
상기 버너는 연소용 연료 및 점화장치에 의하여 점화되어 연소가스를 발생시키고,
상기 연소가스는 상기 열교환기에 공급되며,
상기 스택에 공급되는 가스는 상기 열교환기에 공급되어 상기 연소가스와 열 교환에 의하여 가열되고,
상기 소정의 온도는 상기 버너 연소가스의 제어에 의하여 급격한 온도 변화에 따른 상기 스택 손상의 방지가 가능한 온도인 고체산화물 연료전지 시스템.The method according to claim 1,
When the temperature of the stack reaches a predetermined temperature,
The burner is ignited by a combustion fuel and an ignition device to generate a combustion gas,
The combustion gas is supplied to the heat exchanger,
The gas supplied to the stack is supplied to the heat exchanger and heated by heat exchange with the combustion gas,
Wherein the predetermined temperature is a temperature at which the stack damage can be prevented due to a sudden temperature change by controlling the burner combustion gas. 제 1 항에 있어서,
상기 스택에 공급되는 가스는 연료 또는 수증기를 포함하고,
상기 열교환기는 열교환형 개질기를 포함하며,
상기 가열공기는 상기 열교환형 개질기에 공급되며,
상기 연료 또는 수증기는 상기 열교환형 개질기에 공급되어 상기 가열공기와 열 교환에 의하여 가열되는 고체산화물 연료전지 시스템.The method according to claim 1,
Wherein the gas supplied to the stack comprises fuel or water vapor,
Wherein the heat exchanger includes a heat exchange reformer,
The heated air is supplied to the heat exchange reformer,
Wherein the fuel or water vapor is supplied to the heat exchange reformer and heated by heat exchange with the heated air. 제 1 항에 있어서,
상기 스택에 공급되는 가스는 공기를 포함하고, 상기 열교환기는 공기 예열기를 포함하며,
상기 가열공기는 상기 공기 예열기에 공급되고, 상기 공기는 상기 공기 예열기에 공급되어 상기 가열공기와 열 교환에 의하여 가열되는 고체산화물 연료전지 시스템.The method according to claim 1,
Wherein the gas supplied to the stack comprises air, the heat exchanger comprising an air preheater,
Wherein the heated air is supplied to the air preheater and the air is supplied to the air preheater and heated by heat exchange with the heated air. 제 9 항에 있어서,
상기 고체산화물 연료전지 시스템은 상기 고온박스 내부에 배치되는 연료극 배출가스 냉각기를 더 포함하고,
상기 스택의 연료극 배출가스는 상기 연료극 배출가스 냉각기에 공급되며,
상기 공기는 순차적으로 상기 연료극 배출가스 냉각기 및 상기 공기 예열기에 공급되어 상기 연료극 배출가스 및 상기 가열공기와 열교환에 의하여 가열되는 고체산화물 연료전지 시스템.

10. The method of claim 9,
The solid oxide fuel cell system further comprising a fuel electrode discharge gas cooler disposed within the high temperature box,
The fuel electrode discharge gas of the stack is supplied to the fuel electrode discharge gas cooler,
Wherein the air is sequentially supplied to the fuel electrode exhaust gas cooler and the air preheater and heated by heat exchange with the fuel electrode exhaust gas and the heated air.

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