KR101912209B1 - An intergrated solid-oxide-fuel-cell power generation system - Google Patents
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Abstract
본 발명은 합성가스 및 예열된 공기를 공급받아 전기화학 반응에 의하여 전기에너지를 생산하는 스택; 상기 스택의 후단부와 연결되며, 연료가스와 공기의 혼합가스를 개질하여 상기 합성가스를 생산하며, 상기 스택에 상기 합성가스를 공급하는 개질기; 및 상기 스택과 상기 개질기를 내장하는 캐비티를 구비하며, 상기 스택으로부터 미반응 합성가스와 미반응 공기를 공급받아 연소시키는 후단연소기를 포함하며, 상기 스택과 상기 개질기 및 상기 후단연소기는 일체를 형성하는 것을 특징으로 하여, 스택과 개질기가 후단 연소기에 의하여 둘러싸이는 일체형으로 설계됨으로써 급속 기동이 가능하며 연료전지 발전효율의 향상을 도모할 수 있도록 하는 일체형 고체산화물연료전지 발전시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a stack for producing electrical energy by receiving synthesis gas and preheated air and by electrochemical reaction; A reformer connected to a rear end of the stack for producing the synthesis gas by reforming a mixed gas of fuel gas and air and supplying the synthesis gas to the stack; And a post-stage combustor having a cavity containing the stack and the reformer and supplying unreacted synthesis gas and unreacted air from the stack and burning the stack, wherein the stack, the reformer, and the rear stage combustor form an integral body The present invention relates to an integrated solid oxide fuel cell power generation system capable of rapid start and improved fuel cell power generation efficiency by designing a stack and a reformer as a unitary structure surrounded by a rear end combustor.
Description
본 발명은 일체형 고체산화물연료전지 발전시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 스택과 개질기가 후단 연소기에 의하여 둘러싸이는 일체형으로 설계됨으로써 급속 기동이 가능하며 연료전지 발전효율의 향상을 도모할 수 있도록 하는 일체형 고체산화물연료전지 발전시스템에 관한 것이다.The present invention relates to an integrated solid oxide fuel cell power generation system, and more particularly, to an integrated solid oxide fuel cell power generation system in which a stack and a reformer are integrally formed by being surrounded by a rear end combustor, To a solid oxide fuel cell power generation system.
연료전지는 무공해 전력 공급장치로서 차세대 청정 에너지 발전 시스템 중의 하나로 각광받고 있다.Fuel cells are regarded as one of next-generation clean energy generation systems as pollution-free power supply devices.
연료전지를 이용한 발전 시스템은 대형 건물의 자가발전기, 전기자동차 전원, 이동 전원(portable power supply) 등으로 이용될 수 있고, 천연 가스, 도시 가스, 나프타, 메탄올, 폐기물 가스 등 다양한 연료를 사용할 수 있는 장점이 있다.The fuel cell-based power generation system can be used in a large-scale building such as an autogenerator, an electric vehicle power source, a portable power supply, etc., and can use various fuels such as natural gas, city gas, naphtha, methanol, There are advantages.
연료전지는 근본적으로 같은 원리에 의해 작동되며, 사용되는 전해질(electrolyte)에 따라 용융탄산염 연료전지(MCFC), 고체산화물 연료전지(SOFC), 고분자 전해질 연료전지(PEFC), 인산형 연료전지(PAFC), 알칼리 연료전지(AFC) 등으로 구분된다.Fuel cells are fundamentally operated on the same principle and can be used in accordance with the electrolyte used such as a molten carbonate fuel cell (MCFC), a solid oxide fuel cell (SOFC), a polymer electrolyte fuel cell (PEFC), a phosphoric acid fuel cell (PAFC ), And alkali fuel cells (AFC).
전술한 연료전지들 가운데 고분자 전해질 연료전지는 사용되는 연료에 따라 고분자 전해질막 연료전지(polymer electrolyte membrane fuel cell or proton exchange membrane fuel cell, PEMFC)와 직접 메탄올형 연료전지(direct methanol fuel cell, DMFC)로 구분된다.Among the above-described fuel cells, the polymer electrolyte fuel cell is classified into a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) and a direct methanol fuel cell (DMFC) according to the fuel used. Respectively.
고분자 전해질막 연료전지는 고체 고분자를 전해질로 사용하기 때문에 전해질에 의한 부식이나 증발의 위험이 없으며, 단위면적당 높은 전류밀도를 얻을 수 있다.Polymer Electrolyte Membrane Fuel cells use a solid polymer as an electrolyte, so there is no risk of corrosion or evaporation by the electrolyte and a high current density per unit area can be obtained.
그리고, 고분자 전해질막 연료전지는 다른 종류의 연료전지에 비해 출력 특성이 월등히 높고 작동 온도가 낮다.The polymer electrolyte membrane fuel cell has significantly higher output characteristics and lower operating temperatures than other types of fuel cells.
따라서, 고분자 전해질막 연료전지는 자동차 등에 전력을 공급하기 위한 이동용 전원, 주택이나 공공건물 등에 전력을 공급하기 위한 분산용 전원 및 전자기기 등에 전력을 공급하기 위한 소형 전원으로서 그것의 연구가 활발히 추진되고 있다.Accordingly, the polymer electrolyte membrane fuel cell is actively promoted as a mobile power source for supplying electric power to automobiles, a power source for dispersion for supplying electric power to houses and public buildings, and a small power source for supplying electric power to electronic devices and the like have.
그리고, 직접 메탄올형 연료전지는 연료 개질기를 사용하지 않고 메탄올과 같은 액상연료를 직접 이용하며 100℃ 미만의 작동온도에서 운전되므로 휴대용이나 소형 전원으로 적합하다는 장점이 있다.The direct methanol type fuel cell has an advantage that it is suitable as a portable or small-sized power source because it operates at an operating temperature of less than 100 캜 without directly using a fuel reformer and directly using a liquid fuel such as methanol.
한편, 고체산화물 연료전지는 다른 연료전지와 비교하여 구조가 간단하고 직접 내부 개질을 통한 연료 공급이 용이하며, 고온의 가스를 배출하기 때문에 열복합 발전이 가능한 이점이 있어 최근 큰 주목을 받고 있다.On the other hand, the solid oxide fuel cell has a structure that is simple compared with other fuel cells, it is easy to supply fuel through direct internal reforming and discharges a high temperature gas, so that it has attracted great attention recently because it has an advantage of thermal hybrid power generation.
일반적으로 등록특허 제10-1205538호의 "고체 산화물 연료 전지 시스템"과 같은 것은 열교환기(heat exchanger), 개질기(reformer), 스택(stack), 연소기(burner) 등으로 구성될 수 있다.In general, the "solid oxide fuel cell system" of the Japanese Patent No. 10-1205538 can be composed of a heat exchanger, a reformer, a stack, a burner, and the like.
상기 종래의 고체산화물연료전지 발전시스템은 수소 가스 연료를 직접 사용하지 않고, 탄화수소 연료가 개질기(reformer)를 통과하고, 상기 개질기에 의하여 개질된 합성가스(syngas)를 이용하여 스택을 운전할 수 있다.In the conventional solid oxide fuel cell power generation system, the hydrocarbon fuel passes through a reformer without operating the hydrogen gas fuel directly, and the stack can be operated using a syngas modified by the reformer.
상기 열교환기를 통과하면서 공기는 예열될 수 있고, 예열된 공기는 직접 스택의 공기극으로 공급되고, 상기 개질기로부터 공급되는 합성가스는 스택의 연료극으로 공급되어 스택 내부에서 전기화학적 반응에 의하여 전기가 생산될 수 있다.The air can be preheated while passing through the heat exchanger, the preheated air is directly supplied to the air electrode of the stack, the synthesis gas supplied from the reformer is supplied to the fuel electrode of the stack, and electricity is produced in the stack by electrochemical reaction .
스택의 연료극으로부터 배출되는 미반응 합성가스와 스택의 공기극으로부터 배출되는 미반응 공기는 스택 후단에 연결 설치되어 있는 후단연소기에서 혼합되어 연소될 수 있고, 상기 연소된 고온의 연소가스는 열교환기를 거쳐 발전시스템 외부로 배출될 수 있다.Unreacted synthesis gas discharged from the fuel electrode of the stack and unreacted air discharged from the air electrode of the stack can be mixed and combusted in a rear end combustor connected to the rear end of the stack, and the burned high temperature combustion gas passes through a heat exchanger And can be discharged outside the system.
상기 고체 산화물 연료 전지 시스템은 높은 전력을 출력할 수 있는 연료전지 시스템을 구성하기 위하여 일반적으로 개질기, 스택, 연소기, 열교환기 순으로 각 요소 부품들이 분리되어 순차적으로 연결되어 시스템을 구성하고 있다. In order to constitute a fuel cell system capable of outputting high power, the solid oxide fuel cell system generally comprises a reformer, a stack, a combustor, and a heat exchanger in that order.
이와 같은 경우에는 개질기, 스택, 연소기, 열교환기 간에 서로 간접적으로 열교환이 일어나기 때문에 연료전지 스택을 고온의 운전조건까지 승온 시키는데 오랜 시간이 소요되고, 시스템의 열효율도 낮다.In this case, heat exchange occurs indirectly between the reformer, the stack, the combustor, and the heat exchanger, so it takes a long time to raise the temperature of the fuel cell stack to the high temperature operating condition, and the thermal efficiency of the system is also low.
특히, 종래의 고체 산화물 연료 전지 시스템은 각 구성부 간의 연결 배관 등으로 인하여 설치 공간의 손실이 크며, 공간 활용 측면에서 비효율적인 문제도 있었던 것이다.Particularly, in the conventional solid oxide fuel cell system, there is a problem that installation space is largely lost due to connection piping between respective components, and inefficiency in terms of space utilization.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 발명된 것으로, 연결 배관 등 설치 공간의 로스를 가져오는 불필요한 부재를 없애고 장치 전체를 일체화하여 급속 운전을 도모하고 열 효율 향상을 도모할 수 있도록 하는 일체형 고체산화물연료전지 발전시스템을 제공하기 위한 것이다.Disclosure of the Invention The present invention has been made in order to solve the above problems, and it is an object of the present invention to provide an integral solid body which eliminates unnecessary members that lead to a loss of installation space such as a connection pipe, Oxide fuel cell power generation system.
그리고, 본 발명은 장치 전체의 컴팩트화 구현을 통한 공간 활용도를 증대시킬 수 있도록 하는 일체형 고체산화물연료전지 발전시스템을 제공하기 위한 것이다.In addition, the present invention provides an integrated solid oxide fuel cell power generation system capable of increasing space utilization through compact implementation of the entire apparatus.
또한, 본 발명은 허니콤, 펠렛, 또는 비드 충진층 형상으로 구성되는 연료 개질 촉매 미디어로 이루어진 개질기를 스택의 하부 연료공급 매니폴드에 구비함으로써 스택과 함께 개질기 또한 후단연소기에 의하여 둘러싸이게 됨으로써 개질기의 초기 작동을 위한 외부 전력 공급에 의한 점화기를 이용하지 않고 후단연소기의 열을 활용하여 개질 발화를 시킬 수 있는 일체형 고체산화물연료전지 발전시스템을 제공하기 위한 것이다.Further, the present invention provides a reformer composed of a fuel reforming catalyst medium in the form of a honeycomb, pellet, or bead filler layer in the lower fuel supply manifold of the stack, so that the reformer is surrounded by the stack and the rear end combustor, The present invention provides an integrated solid oxide fuel cell power generation system capable of performing reformulated ignition by utilizing the heat of a rear end combustor without using an igniter by an external power supply for an initial operation.
본 발명이 해결하고자 하는 다양한 과제들은 이상에서 언급한 과제들에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The various problems to be solved by the present invention are not limited to the above-mentioned problems, and other problems not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 합성가스 및 예열된 공기를 공급받아 전기화학 반응에 의하여 전기에너지를 생산하는 스택; 상기 스택의 후단부와 연결되며, 연료가스와 공기의 혼합가스를 개질하여 상기 합성가스를 생산하며, 상기 스택에 상기 합성가스를 공급하는 개질기; 및 상기 스택과 상기 개질기를 내장하는 캐비티를 구비하며, 상기 스택으로부터 미반응 합성가스와 미반응 공기를 공급받아 연소시키는 후단연소기를 포함하며, 상기 스택과 상기 개질기 및 상기 후단연소기는 일체를 형성하는 것을 특징으로 하는 일체형 고체산화물연료전지 발전시스템을 제공할 수 있다.According to an aspect of the present invention, there is provided a fuel cell stack including: a stack for supplying electrical energy to an electrochemical reaction by supplying syngas and preheated air; A reformer connected to a rear end of the stack for producing the synthesis gas by reforming a mixed gas of fuel gas and air and supplying the synthesis gas to the stack; And a post-stage combustor having a cavity containing the stack and the reformer and supplying unreacted synthesis gas and unreacted air from the stack and burning the stack, wherein the stack, the reformer, and the rear stage combustor form an integral body The solid oxide fuel cell power generation system according to the present invention can provide an integrated solid oxide fuel cell power generation system.
여기서, 상기 개질기의 후단부와 상기 후단연소기와 연결되며, 상기 후단연소기로부터 배출되는 배기가스로부터 열을 회수하여 상기 스택으로 공급되는 공기를 예열시키는 열교환기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.The heat exchanger further includes a heat exchanger connected to the rear end of the reformer and the rear end combustor, for recovering heat from the exhaust gas discharged from the rear end combustor and preheating the air supplied to the stack.
이때, 상기 스택의 후단부에 구비되어 상기 열교환기와 상호 연결되는 것으로, 상기 개질기를 내장하는 스택 하부 매니폴드를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.In this case, the stacked lower manifold may include a stacked lower manifold that is provided at a rear end of the stack and is interconnected with the heat exchanger.
그리고, 상기 스택은 원통형 고체산화물 연료전지의 단위전지들을 포함하며, 상기 단위전지들 각각의 후단부는, 상기 스택 및 상기 개질기를 내장한 상기 후단 연소기에 내장되는 스택 하부 매니폴드에 의하여 지지되고 고정되는 것을 특징으로 한다.In addition, the stack includes unit cells of a cylindrical solid oxide fuel cell, and a rear end of each of the unit cells is supported and fixed by a stack lower manifold embedded in the stack and the rear end combustor incorporating the reformer .
그리고, 상기 개질기는 상기 스택 하부 매니폴드에 내장되는 것을 특징으로 한다.Further, the reformer is embedded in the stack lower manifold.
그리고, 상기 개질기는, 다공성 매질 상에 연료 개질 촉매 나노분말이 담지된 연료 개질 촉매 미디어로 이루어지는 것을 특징으로 한다.The reformer is characterized by comprising a fuel reforming catalyst medium on which a fuel reforming catalyst nano powder is supported on a porous medium.
그리고, 상기 후단연소기는, 다공성 매질 상에 연료 개질 촉매 나노분말이 담지된 연료 개질 촉매 미디어로 이루어지는 것을 특징으로 한다.The rear end combustor is characterized by comprising a fuel reforming catalyst medium on which a fuel reforming catalyst nano powder is supported on a porous medium.
그리고, 상기 다공성 매질은 허니콤, 펠렛(fellet) 또는 비드(bead) 중 적어도 하나 이상인 것을 특징으로 한다.The porous medium may be at least one of a honeycomb, a pellet, or a bead.
그리고, 상기 연료 개질 촉매 나노분말은, 백금계 금속, CeO2. Pr6O11 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 한다.The fuel reforming catalyst nano powder may be a platinum metal, CeO2. Pr6O11, and a combination thereof.
또한, 상기 후단연소기에서 사용되는 상기 연료 개질 촉매 나노분말 중 상기 백금계 금속은, Pt, Pd, Ru 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the platinum-based metal among the fuel reforming catalyst nano-powders used in the subsequent stage combustor may include any one selected from the group consisting of Pt, Pd, Ru, and combinations thereof.
상기와 같은 구성의 본 발명에 따르면, 다음과 같은 효과를 도모할 수 있다.According to the present invention having the above-described configuration, the following effects can be achieved.
우선, 본 발명의 기술적 사상의 다양한 실시예들에 의한 일체형 고체산화물연료전지 발전시스템은 후단연소기 내부에 스택과 개질기를 위치시켜 스택, 개질기, 후단연소기를 일체화함으로써 후단연소기의 연소열을 직접 스택과 개질기에 전달할 수 있기 때문에 일체형 고체산화물연료전지 발전시스템의 전체 성능을 향상시킬 수 있다.In the integrated solid oxide fuel cell power generation system according to various embodiments of the technical idea of the present invention, the stack, the reformer, and the rear stage combustor are integrated by placing the stack and the reformer in the rear stage combustor, The overall performance of the integrated solid oxide fuel cell power generation system can be improved.
또한, 본 발명의 기술적 사상의 다양한 실시예들에 의한 일체형 고체산화물연료전지 발전시스템은 개질기를 후단연소기의 내부에 포함시킴으로써 후단연소기의 연소열을 이용하여 개질기의 초기 개질 반응이 일어날 수 있으므로, 개질기를 단독으로 분리하여 작동할 경우에 필요한 점화기가 사용되지 않기 때문에 일체형 고체산화물연료전지 발전시스템의 전체 성능을 향상시킬 수 있다.In the integrated solid oxide fuel cell power generation system according to various embodiments of the technical idea of the present invention, since the reformer is included in the interior of the downstream combustor, the initial reforming reaction of the reformer may occur using the heat of combustion of the downstream combustor, The overall performance of the integrated solid oxide fuel cell power generation system can be improved since the necessary igniter is not used when operating separately.
본 발명의 기술적 사상의 다양한 실시예들은, 구체적으로 언급되지 않은 다양한 효과를 제공할 수 있다는 것이 충분히 이해될 수 있을 것이다.It will be appreciated that various embodiments of the inventive concepts of the present invention can provide various effects not specifically mentioned.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 고체산화물연료전지 발전시스템의 전체적인 구조를 나타낸 개념도1 is a conceptual diagram illustrating the overall structure of an integrated solid oxide fuel cell power generation system according to an embodiment of the present invention;
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The advantages and features of the present invention, and how to accomplish them, will become apparent by reference to the embodiments described in detail below with reference to the accompanying drawings.
그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예로 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이다.However, the present invention is not limited to the embodiments described below, but may be embodied in various other forms.
본 명세서에서 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.The present embodiments are provided so that the disclosure of the present invention is thoroughly disclosed and that those skilled in the art will fully understand the scope of the present invention.
그리고 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.And the present invention is only defined by the scope of the claims.
따라서, 몇몇 실시예에서, 잘 알려진 구성 요소, 잘 알려진 동작 및 잘 알려진 기술들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적으로 설명되지 않는다.Thus, in some embodiments, well known components, well known operations, and well-known techniques are not specifically described to avoid an undesirable interpretation of the present invention.
또한, 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭하고, 본 명세서에서 사용된(언급된) 용어들은 실시예를 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.In addition, throughout the specification, like reference numerals refer to like elements, and the terms (mentioned) used herein are intended to illustrate the embodiments and not to limit the invention.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함하며, '포함(또는, 구비)한다'로 언급된 구성 요소 및 동작은 하나 이상의 다른 구성요소 및 동작의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.In this specification, the singular forms include plural forms unless the context clearly dictates otherwise, and the constituents and acts referred to as " comprising (or having) " do not exclude the presence or addition of one or more other constituents and actions .
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다.Unless defined otherwise, all terms (including technical and scientific terms) used herein may be used in a sense commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs.
또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.Also, commonly used predefined terms are not ideally or excessively interpreted unless they are defined.
이하, 첨부된 도면을 참고로 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 고체산화물연료전지 발전시스템의 전체적인 구조를 나타낸 개념도이다.1 is a conceptual diagram showing the overall structure of an integrated solid oxide fuel cell power generation system according to an embodiment of the present invention.
본 발명에서는 도 1과 같이 스택(1), 개질기(2), 후단연소기(3)를 하나의 모듈로 일체화된 구조를 제안한다.1, the present invention proposes a structure in which the stack 1, the reformer 2, and the rear end combustor 3 are integrated into one module.
본 발명은 수소 가스를 직접 사용하지 않고, 탄화수소 연료를 고체산화물연료전지 발전시스템에 포함되어 있는 개질기(2)를 통과시키며, 개질기(2)를 통과하여 개질반응에 의하여 생산된 합성가스를 이용하여 스택(1)을 운전할 수 있다.In the present invention, the hydrocarbon fuel is passed through the reformer 2 included in the solid oxide fuel cell power generation system without using the hydrogen gas directly, and the synthesis gas is supplied through the reformer 2 and produced by the reforming reaction The stack 1 can be operated.
고체산화물연료전지 발전시스템의 작동 시, 열교환기(4)는 후단연소기(3)로부터 전달된 고온의 연소 배기가스로부터 열교환에 의하여 열 회수를 실행하고, 회수된 열은 시스템으로 공급되는 공기에 전달될 수 있다.In operation of the solid oxide fuel cell power generation system, the heat exchanger 4 performs heat recovery by heat exchange from the hot combustion exhaust gas delivered from the downstream combustor 3, and the recovered heat is transferred to the air supplied to the system .
여기서, 스택(1)은 원통형 고체산화물 연료전지의 단위전지(7)들을 포함하며, 단위전지(7)들 각각의 후단부는, 스택(1) 및 개질기(2)를 내장한 후단연소기(3)에 내장되는 스택 하부 매니폴드(10)에 의하여 지지되고 고정되는 것이다.The stack 1 includes unit cells 7 of a cylindrical solid oxide fuel cell and the rear end of each of the unit cells 7 is connected to a rear end combustor 3 containing a stack 1 and a reformer 2, And is supported and fixed by the stack lower manifold 10 embedded in the stack lower manifold 10.
개질기(2)는 스택 하부 매니폴드(10) 내부에 설치되고, 후단연소기(3)는 개질기(2)와 스택(1)을 둘러싸는 구조로 제작된다.The reformer 2 is installed inside the stack lower manifold 10 and the rear stage combustor 3 is constructed by surrounding the reformer 2 and the stack 1.
개질기(2)는 화학적으로 수소를 함유하는 연료(LPG, LNG, 메탄, 석탄가스, 메탄올 등)로부터 연료전지 스택(1)이 요구하는 수소를 많이 포함하는 가스로 변환하는 장치이다.The reformer 2 is an apparatus for chemically converting hydrogen-containing fuel (LPG, LNG, methane, coal gas, methanol, etc.) into a gas containing a large amount of hydrogen required by the fuel cell stack 1.
이러한 개질기(2)는 스택(1)의 용량에 상응하는 연료를 개질할 수 있는 크기로 설계 제작될 수 있다.The reformer 2 can be designed and manufactured to have a size capable of reforming the fuel corresponding to the capacity of the stack 1.
초기 구동 시에는 시스템으로 공급되는 연료 및 공기가 후단연소기(3)에서 점화기에 의하여 점화되어 스택(1)과 개질기(2)를 승온시킨다.During the initial operation, fuel and air supplied to the system are ignited by the igniter in the rear end combustor 3 to raise the temperature of the stack 1 and the reformer 2.
합성가스는, 개질기(2)에서 개질이 일어날 수 있는 온도 조건에 도달하게 되면 개질기(2)에서 일어나는 개질 현상에 의해 생산되어 스택(1)으로 공급된다.The synthesis gas is produced by the reforming phenomenon occurring in the reformer 2 and supplied to the stack 1 when the temperature condition at which the reforming can occur in the reformer 2 is reached.
스택(1)이 전기 생산이 가능한 온도 조건에 도달하게 되면 공급되는 합성가스와 공기를 이용하여 전기를 생산하게 된다.When the stack 1 reaches a temperature condition capable of producing electricity, electricity is produced using the supplied synthesis gas and air.
스택(1)에서 전기 생산에 사용되지 못하고 남은 미반응 합성가스와 미반응 공기는 스택(1)을 둘러싸고 있는 후단연소기(3)로 이송되어 연소되고, 연소된 고온의 배기가스는 열교환기(4)를 통하여 열 회수가 일어난 후 배기된다.The unreacted synthesis gas and unreacted air remaining unused in the electricity production in the stack 1 are transferred to the rear stage combustor 3 surrounding the stack 1 and burned. The exhausted high temperature exhaust gas is supplied to the heat exchanger 4 ), And then exhausted.
개질기(2)는 연료 개질 촉매의 나노분말들이 다공성 매질 상에 담지된 형상으로 구성될 수 있다.The reformer 2 may be configured such that nano powders of the fuel reforming catalyst are supported on a porous medium.
개질기(2)는 연료 개질 촉매의 비드(bead)들이 충진된 충진층(packed bed) 형상으로 구성될 수 있다.The reformer 2 may be configured in the form of a packed bed filled with beads of a fuel reforming catalyst.
연료 개질 촉매는 백금계 금속, CeO2, Pr6O11 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 무기 산화물, 강산 이온 및 담체를 포함할 수 있다.The fuel reforming catalyst may include any of inorganic oxides, strong acid ions, and a carrier selected from the group consisting of platinum-based metals, CeO 2 , Pr 6 O 11, and combinations thereof.
백금계 금속은 Pt, Pd, Ru 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 포함할 수 있다.The platinum-based metal may include any one selected from the group consisting of Pt, Pd, Ru, and combinations thereof.
담체는 Al2O3, TiO2 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 포함할 수 있다.The carrier may include any one selected from the group consisting of Al 2 O 3 , TiO 2, and combinations thereof.
다공성 매질들은 펠릿(pellet) 또는 허니콤(honey comb) 타입으로 구성될 수 있다.The porous media may be of the pellet or honeycomb type.
열교환기(4)는 가스 배관 등을 통해 후단연소기(3)와 접속되고, 블로워 또는 기타 공기공급장치(미도시)로부터 공급되는 공기를 예열시킬 수 있다.The heat exchanger 4 is connected to the rear end combustor 3 via a gas pipe or the like, and can preheat the air supplied from a blower or other air supply device (not shown).
개질기(2)는 열교환기(4)를 거치면서 예열되어 공급되는 공기를 스택(1)의 공기극에 공급될 수 있도록 구성할 수 있다.The reformer 2 can be configured to supply air preheated and supplied through the heat exchanger 4 to the air electrode of the stack 1.
개질기(2)는 공급되는 연료의 개질 촉매 반응, 예를 들어, 수증기 개질(Steam Reforming: SR) 촉매 반응 또는 촉매 부분산화(catalytic partial oxidation) 반응을 통해 연료로부터 수소를 발생시키는 개질 반응부(미도시)를 포함할 수 있다.The reformer 2 is a reforming unit for generating hydrogen from the fuel through a reforming catalytic reaction of the supplied fuel, for example, a steam reforming (SR) catalytic reaction or a catalytic partial oxidation reaction Time).
연료 개질 촉매는 개질기(2) 본체가 반응 기판으로 구성되는 경우 반응 기판의 채널의 내표면에 형성될 수 있고, 개질기(2) 본체가 용기 타입으로 이루어지는 경우 펠릿(pellet) 또는 허니콤(honey comb) 타입으로 형성되어 반응기 본체의 내부 공간에 충전될 수 있다.The fuel reforming catalyst may be formed on the inner surface of the channel of the reaction substrate when the main body of the reformer 2 is formed of a reactive substrate and may be formed of a pellet or a honeycomb ) Type and can be filled in the inner space of the reactor body.
본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 후단연소기(3)는 연료 개질 촉매층을 포함할 수 있다.The rear end combustor 3 according to one embodiment of the technical idea of the present invention may include a fuel reforming catalyst layer.
연료 개질 촉매층은 연료 개질 촉매 분말들이 다공성 매질 상에 담지된 구조나, 또는, 연료 개질 촉매 비드(bead)들이 충전된 충진층(packed bed) 구조로 형성될 수 있다. The fuel reforming catalyst layer may be formed of a structure in which the fuel reforming catalyst powders are supported on a porous medium or a packed bed structure in which fuel reforming catalyst beads are filled.
연료 개질 촉매는 백금계 금속, CeO2, Pr6O11 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 무기 산화물, 강산 이온 및 담체를 포함할 수 있다.The fuel reforming catalyst may include any of inorganic oxides, strong acid ions, and a carrier selected from the group consisting of platinum-based metals, CeO 2 , Pr 6 O 11, and combinations thereof.
백금계 금속은 Pt, Pd, Ru 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 바람직하게 사용할 수 있고, Pt 또는 Rh를 보다 바람직하게 사용할 수 있다. 강산 이온은 황산 이온, 인산 이온 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 바람직하게 사용할 수 있고, 황산 이온을 보다 바람직하게 사용할 수 있다.The platinum-based metal may be any one selected from the group consisting of Pt, Pd, Ru, and combinations thereof, and Pt or Rh may be more preferably used. The strong acid ion may be any one selected from the group consisting of a sulfate ion, a phosphate ion and a combination thereof, and a sulfate ion may be more preferably used.
담체는 Al2O3, TiO2 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 바람직하게 사용할 수 있고, Al2O3를 보다 바람직하게 사용할 수 있다.The carrier may be any one selected from the group consisting of Al 2 O 3 , TiO 2, and combinations thereof, and Al 2 O 3 may be more preferably used.
개질기(2)를 통과하면서 개질된 합성가스는 스택(1)의 연료극으로 공급될 수 있고, 열교환기(4)를 통과하면서 예열된 공기는 스택(1)의 공기극으로 공급되어, 스택(1) 내부에서 전기화학적 반응에 의하여 전기 에너지를 발생시킬 수 있다.The reformed synthesis gas passing through the reformer 2 can be supplied to the fuel electrode of the stack 1 and the preheated air passing through the heat exchanger 4 is supplied to the air electrode of the stack 1, The electric energy can be generated by the electrochemical reaction inside.
후단연소기(3)는 스택(1)의 후단에 위치하고, 미반응 합성가스와 미반응 공기가 혼합되어 연소될 수 있다.The rear end combustor 3 is located at the rear end of the stack 1, and unreacted synthesis gas and unreacted air are mixed and combusted.
연소된 고온의 배기가스는 열교환기(4)를 거쳐 시스템 외부로 배출될 수 있다.The burned high temperature exhaust gas can be discharged to the outside of the system via the heat exchanger 4. [
이상과 같이 본 발명은 스택과 개질기가 후단 연소기에 의하여 둘러싸이는 일체형으로 설계됨으로써 급속 기동이 가능하며 연료전지 발전효율의 향상을 도모할 수 있도록 하는 일체형 고체산화물연료전지 발전시스템을 제공하는 것을 기본적인 기술적 사상으로 하고 있음을 알 수 있다.As described above, the present invention provides a monolithic solid oxide fuel cell power generation system capable of rapid start-up and improvement of fuel cell power generation efficiency by designing the stack and the reformer as a unitary structure surrounded by a rear stage combustor. It is understood that it is thought.
그리고, 본 발명의 기본적인 기술적 사상의 범주 내에서 당해 업계 통상의 지식을 가진 자에게 있어서는 다른 많은 변형 및 응용 또한 가능함은 물론이다.It will be apparent to those skilled in the art that many other modifications and applications are possible within the scope of the basic technical idea of the present invention.
1...스택
2...개질기
3...후단연소기
4...열교환기
5...점화기
6...분산판
7...단위전지
8...전극
9...절연튜브
10...스택 하부 매니폴드1 ... stack
2 ... reformer
3 ... rear end combustor
4 ... heat exchanger
5 ... igniter
6 ... dispersion plate
7 ... unit cell
8 ... electrode
9 ... insulation tube
10 ... stack bottom manifold
Claims (12)
상기 스택의 후단부와 연결되며, 연료가스와 공기의 혼합가스를 개질하여 상기 합성가스를 생산하며, 상기 스택에 상기 합성가스를 공급하는 개질기;
상기 스택과 상기 개질기를 내장하는 캐비티를 구비하며, 상기 스택으로부터 미반응 합성가스와 미반응 공기를 공급받아 연소시키는 후단연소기;
상기 개질기의 후단부와 상기 후단연소기와 연결되며, 상기 후단연소기로부터 배출되는 배기가스로부터 열을 회수하여 상기 스택으로 공급되는 공기를 예열시키는 열교환기; 및
상기 단위전지들 각각의 후단부를 지지하고 고정하며, 상기 후단 연소기에 내장되는 스택 하부 매니폴드를 포함하며,
상기 개질기는 상기 스택 하부 매니폴드 내부에 설치되고,
상기 후단연소기는 상기 스택과 상기 개질기를 둘러싸는 구조로 형성되며,
상기 스택과 상기 개질기 및 상기 후단연소기는 일체를 형성하는 것을 특징으로 하는 일체형 고체산화물연료전지 발전시스템.
A stack including unit cells of a cylindrical solid oxide fuel cell which is supplied with syngas and preheated air to produce electric energy by an electrochemical reaction;
A reformer connected to a rear end of the stack for producing the synthesis gas by reforming a mixed gas of fuel gas and air and supplying the synthesis gas to the stack;
A post-stage combustor having the stack and a cavity containing the reformer, the post-stage combustor supplying unreacted synthesis gas and unreacted air from the stack and burning the unreacted synthesis gas;
A heat exchanger connected to the rear end of the reformer and the rear end combustor, for recovering heat from the exhaust gas discharged from the rear end combustor to preheat the air supplied to the stack; And
And a stack lower manifold that supports and fixes the rear end of each of the unit cells and is embedded in the rear end combustor,
The reformer is installed inside the stack lower manifold,
Wherein the rear end combustor is formed to surround the stack and the reformer,
Wherein the stack, the reformer, and the downstream combustor form an integral body.
상기 개질기는,
다공성 매질 상에 연료 개질 촉매 나노분말이 담지된 연료 개질 촉매 미디어로 이루어지는 것을 특징으로 하는 일체형 고체산화물연료전지 발전시스템.
The method according to claim 1,
The reformer,
And a fuel reforming catalyst medium on which a fuel reforming catalyst nano powder is supported on a porous medium.
상기 다공성 매질은 허니콤, 펠렛(fellet) 또는 비드(bead) 중 적어도 하나 이상인 것을 특징으로 하는 일체형 고체산화물연료전지 발전시스템.
The method of claim 6,
Wherein the porous medium is at least one of a honeycomb, a pellet, or a bead.
상기 연료 개질 촉매 나노분말은,
백금계 금속, CeO2. Pr6O11 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 일체형 고체산화물연료전지 발전시스템.
The method of claim 6,
The fuel reforming catalyst nanopowder may include,
Platinum metal, CeO 2 . Pr 6 O 11, and combinations thereof. The system of any one of the preceding claims, further comprising:
상기 후단연소기는,
다공성 매질 상에 연료 개질 촉매 나노분말이 담지된 연료 개질 촉매 미디어로 이루어지는 것을 특징으로 하는 일체형 고체산화물연료전지 발전시스템.
The method according to claim 1,
The downstream-
And a fuel reforming catalyst medium on which a fuel reforming catalyst nano powder is supported on a porous medium.
상기 다공성 매질은 허니콤, 펠렛(fellet) 또는 비드(bead) 중 적어도 하나 이상인 것을 특징으로 하는 일체형 고체산화물연료전지 발전시스템.
The method of claim 9,
Wherein the porous medium is at least one of a honeycomb, a pellet, or a bead.
상기 연료 개질 촉매 나노분말은,
백금계 금속, CeO2. Pr6O11 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 일체형 고체산화물연료전지 발전시스템.
The method of claim 9,
The fuel reforming catalyst nanopowder may include,
Platinum metal, CeO 2 . Pr 6 O 11, and combinations thereof. The system of any one of the preceding claims, further comprising:
상기 백금계 금속은,
Pt, Pd, Ru 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 일체형 고체산화물연료전지 발전시스템.The method of claim 11,
The platinum-
Pt, Pd, Ru, and combinations thereof. 2. The solid oxide fuel cell power generation system of claim 1,
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| JP2015038863A (en) * | 2013-07-19 | 2015-02-26 | 日本特殊陶業株式会社 | Fuel cell |
| JP2016035874A (en) * | 2014-08-04 | 2016-03-17 | アイシン精機株式会社 | Solid oxide fuel battery stack, solid oxide fuel battery module and solid oxide fuel battery system |
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