KR101925290B1 - 열회수를 통한 고효율 양방향 수전해 시스템 - Google Patents

열회수를 통한 고효율 양방향 수전해 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 양방향 수전해 시스템에 관한 것으로, 일 실시예에 따르면, 양방향 수전해 시스템으로서, 수소극, 공기극 및 그 사이에 개재된 전해질로 구성되며, 외부에서 공급되는 스팀과 전기에 의해 수소 및 산소를 생성하는 수전해 모드 및 외부에서 공급되는 수소와 산소의 화학반응에 의해 전기와 물을 생성하는 연료전지 모드 중 어느 하나의 모드에서 작동 가능한 양방향 수전해 연료전지; 상기 수소극으로 공급되는 수소 및 스팀과 상기 수소극에서 배출되는 제1 배출가스를 열교환하는 제1 열교환기; 상기 공기극으로 공급될 공기를 각각 이송하는 제1 공기유로와 제2 공기유로; 상기 공기극에서 배출되는 제2 배출가스를 제1 분기유로와 제2 분기유로로 분기하는 분기부; 상기 제1 공기유로로 이송되는 공기와 상기 제1 분기유로로 이송되는 제2 배출가스를 열교환하는 제2 열교환기; 및 상기 제2 공기유로로 이송되는 공기와 상기 제2 분기유로로 이송되는 제2 배출가스를 열교환하는 제3 열교환기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 수전해 시스템을 제공한다.

Description

열회수를 통한 고효율 양방향 수전해 시스템 {Reversible solid oxide electrolysis system using heat recovery}
본 발명은 양방향 수전해 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료전지에서 배출되는 배출가스의 열에너지를 회수함으로써 시스템 효율을 향상시킬 수 있는 양방향 수전해 시스템에 관한 것이다.
최근 태양광이나 풍력과 같은 재생에너지를 이용한 발전 시스템에 대한 연구가 진행되고 있다. 재생에너지를 이용한 발전 시스템의 경우 자연환경에 따라 전기출력이 변동되므로 전력수요량 이상의 여유전력이 발생하는 경우 이를 저장하고 이용하는 방법에 대한 연구가 필요하다. 예를 들어 재생 에너지 발전설비로부터 전력수요량 이상의 여유전력이 발생하면 수전해 장치를 사용하여 수소를 생산하여 저장해 두었다가 발전량이 적을 경우 저장된 수소를 이용하여 연료전지에서 전력을 생산 및 공급할 수 있는 시스템이 연구되고 있다.
고온형 수전해 및 연료전지 기술을 기반으로 한 가역(양방향) 수전해 시스템은 700℃ 이상의 작동환경 및 고온의 수증기를 만들어주기 위한 열원을 요구하고 있다. 따라서 수전해 시스템의 작동환경을 고온으로 유지하고 수전해 시스템에서 배출되는 배출열을 효과적으로 활용함으로써 시스템 효율을 향상시킬 필요가 있다.
특허문헌1: 대한민국 등록특허번호 제10-0776353호 (2007년 11월 07일 공고)
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 폐기물에너지 기반의 신재생 에너지에서 생산된 전기 및 폐열을 효율적으로 활용할 수 있으며 대용량화가 가능한 양방향 수전해 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 양방향 수전해 시스템으로서, 수소극, 공기극 및 그 사이에 개재된 전해질로 구성되며, 외부에서 공급되는 스팀과 전기에 의해 수소 및 산소를 생성하는 수전해 모드 및 외부에서 공급되는 수소와 산소의 화학반응에 의해 전기와 물을 생성하는 연료전지 모드 중 어느 하나의 모드에서 작동 가능한 양방향 수전해 연료전지; 상기 수소극으로 공급되는 수소 및 스팀과 상기 수소극에서 배출되는 제1 배출가스를 열교환하는 제1 열교환기; 상기 공기극으로 공급될 공기를 각각 이송하는 제1 공기유로와 제2 공기유로; 상기 공기극에서 배출되는 제2 배출가스를 제1 분기유로와 제2 분기유로로 분기하는 분기부; 상기 제1 공기유로로 이송되는 공기와 상기 제1 분기유로로 이송되는 제2 배출가스를 열교환하는 제2 열교환기; 및 상기 제2 공기유로로 이송되는 공기와 상기 제2 분기유로로 이송되는 제2 배출가스를 열교환하는 제3 열교환기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 수전해 시스템을 제공한다.
일 실시예에서, 외부에서 공급되는 외부공급 물과 상기 제1 배출가스를 열교환하는 제4 열교환기; 및 상기 외부공급 물과 상기 제2 배출가스를 열교환하는 제5 열교환기;를 더 포함하고, 상기 외부공급 물이 상기 제4 열교환기와 제5 열교환기를 통과한 후 상기 수소극으로 공급될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 열교환기 또는 제4 열교환기를 통과한 제1 배출가스의 일부를 분기하여 상기 수소극으로 재공급하도록 구성된 재공급 유로; 및 상기 재공급 유로 상에 배치된 블로워;를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제2 열교환기를 통과한 제2 배출가스와 상기 외부공급 물을 열교환하는 제6 열교환기를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제2 열교환기를 통과한 제2 배출가스와 상기 재공급 유로로 이송되는 제1 배출가스를 열교환하는 제7 열교환기를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 상술한 양방향 수전해 시스템을 이용하여 발전을 행하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 양방향 수전해 시스템을 이용한 발전 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 연료전지에서 배출되는 배출가스의 열에너지를 이용하여 스팀을 생성하고 수전해 모드에서 이 스팀을 연료전지에 공급하도록 구성함으로써 시스템 효율을 향상시키는 효과를 달성하였다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 수전해 모드와 연료전지 모드에 따라 필요로 하는 공기량을 조절하도록 유로를 설계하고 개폐밸브를 배치함으로써 시스템 효율을 향상시킴과 동시에 장치의 설치 및 유지에 따른 작업을 용이하게 하고 비용을 절감할 수 있는 효과를 가진다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 연료전지의 수소극에서 배출되는 배출가스 중 일부를 수소극으로 재공급하도록 구성함으로써 시스템 효율을 한층 더 향상시키는 효과를 달성하였다.
도1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 양방향 수전해 시스템을 설명하기 위한 도면,
도2는 제1 실시예의 양방향 수전해 시스템의 고체 산화물 수전해 전지(SOEC) 모드를 설명하기 위한 도면,
도3은 제1 실시예의 양방향 수전해 시스템의 고체 산화물 연료 전지(SOFC) 모드를 설명하기 위한 도면,
도4는 제2 실시예에 따른 양방향 수전해 시스템을 설명하기 위한 도면,
도5는 제3 실시예에 따른 양방향 수전해 시스템을 설명하기 위한 도면,
도6은 제4 실시예에 따른 양방향 수전해 시스템을 설명하기 위한 도면,
도7은 제5 실시예에 따른 양방향 수전해 시스템을 설명하기 위한 도면, 그리고,
도8은 제1 내지 제5 실시예의 시스템 효율을 설명하기 위한 도면이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprise)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다. 아래의 특정 실시예를 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는 데 있어 혼돈을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.
도1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 양방향 수전해 시스템을 설명하기 위한 도면이다. 도면을 참조하면, 제1 실시예의 양방향 수전해 시스템은 수소 저장장치(10), 보일러(20), 양방향 수전해 연료전지(30), 히터(61,62), 수소 추출부(70), 및 이들 구성요소 사이를 연결하는 다수의 유로와 열교환기를 포함할 수 있다.
수소 저장장치(10)는 양방향 수전해 연료전지(30)가 수전해 모드로 동작할 때 발생된 수소를 저장하거나 또는 양방향 수전해 연료전지(30)가 연료전지 모드로 동작할 때 양방향 수전해 시스템에 수소를 공급할 수 있다.
수소 저장장치(10)는 예컨대 액체수소 저장 방식 등 공지의 수소 저장 방식에 의해 수소를 저장할 수 있다. 수소 저장장치(10)에 저장된 수소는 예를 들어 양방향 수전해 연료전지(30)가 연료전지 모드일 때 연료전지(30)에 수소를 공급하거나 또는 다른 외부의 연료전지의 원료로 사용될 수 있다. 도시한 일 실시예에서 수소 저장장치(10)는 유로(L11 및 L31)를 통해 수소를 연료전지(30)로 공급할 수 있고, 연료전지(30)에서 생성된 수소는 유로(L73)를 통해 수소 저장장치(10)로 이송되어 저장될 수 있다.
보일러(20)는 유로(L21)를 통해 공급되는 물을 가열하여 스팀(steam)을 생성하는 장치이다. 일 실시예에서 보일러(20)는 폐기물 고형연료 보일러 시스템, 열병합 발전 시스템, 복합발전 시스템, 폐기물 소각 시스템 등 기존의 연소장치나 소각장치로 구현될 수 있다. 도시한 실시예에서 보일러(20)를 통과한 스팀은 유로(L22 및 L31)를 통해 연료전지(30)로 공급될 수 있다.
이론적으로 수전해 모드에서는 연료전지(30)에 물(스팀)과 전기가 필요하고 연료전지 모드에서는 수소와 산소가 필요하지만, 실제 장치의 구현시에는 화학반응을 돕기 위해 수소와 스팀의 혼합가스를 연료전지(30)에 공급하는 것이 바람직하다. 즉 도시한 것처럼 수소 저장장치(10)에서 공급되는 수소와 보일러(20)를 통과한 스팀을 유로(L31)에서 혼합하여 양방향 수전해 연료전지(30)로 공급할 수 있다. 다만, 수전해 모드에서는 스팀이 주로 필요하기 때문에 스팀과 수소의 질량비를 예컨대 9:1 내지 8:2 정도의 비율로 하여 스팀과 수소의 혼합 가스를 연료전지(30)로 공급한다. 경우에 따라서 스팀과 수소의 질량비가 5:5도 될 수 있으며, 스팀과 수소의 질량비는 구체적 실시 형태에 따라 달라질 수 있다. 한편 연료전지 모드에서는 수소가 주로 필요하기 때문에 수소와 스팀의 질량비를 예컨대 10:1 정도가 되도록 하여 연료전지(30)에 공급할 수 있으며, 이 경우에도 수소와 스팀의 질량비는 구체적 실시 형태에 따라 달라질 수 있다.
이와 같이 각 모드에 따라 수소와 스팀의 혼합비를 다르게 조정하여 공급하기 위해, 도면에 도시하지 않았지만, 예컨대 하나 이상의 유량제어밸브가 유로(L11, L22) 중 적어도 하나에 설치되어 수소 및/또는 스팀의 공급량을 조절할 수 있다.
양방향 수전해 연료전지(30)는 외부에서 공급되는 스팀과 전기에 의해 수소와 산소를 생성하는 수전해 모드 및 외부에서 공급되는 수소와 산소의 화학반응에 의해 전기와 물을 생성하는 연료전지 모드 중 어느 하나의 모드에서 동작할 수 있다.
일 실시예에서 양방향 수전해 연료전지(30)는 예컨대 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell; SOFC) 또는 용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell; MCFC) 등 공지의 임의의 연료전지로 구현될 수 있다. 설명의 편의를 위해 본 명세서에서는 양방향 수전해 연료전지(30)가 고체산화물 연료전지(SOFC)로 구현된 것으로 전제하고 설명하기로 한다.
일 실시예에서 양방향 수전해 연료전지(30)는 수소극(31), 공기극(32) 및 그 사이에 개재된 전해질로 구성될 수 있다.
수전해 모드에서, 수소극(31)은 외부로부터 스팀(H2O)을 공급받아 이로부터 수소(H2)를 생산한다. 즉 수소극(31)은 유로(L31)로부터 공급되는 스팀(H2O)으로부터 수소(H2)를 생성하며, 이렇게 생성된 수소(H2) 및 미처 수소로 변환되지 못한 스팀(H2O)이 포함된 가스를 유로(L41)를 통해 제1 배출가스로서 배출한다. 수전해 모드에서 공기극(32)은 수소극(31)으로부터 산소(O2)를 전달받으며, 이렇게 전달받은 산소(O2)를 유로(L511,L521,L53)를 통해 외부로부터 공급된 공기를 이용하여 이송한다. 공기극(32)은 산소와 공기가 포함된 가스를 유로(L61)를 통해 제2 배출가스로서 배출한다.
연료전지 모드의 경우, 수소극(31)은 유로(L31)로부터 공급되는 수소 및 공기극(32)으로부터 전달받은 산소의 화학반응에 의해 물(스팀)을 생성하며, 이렇게 생성된 스팀 및 미처 스팀으로 변환되지 못한 수소가 포함된 가스를 유로(L41)를 통해 제1 배출가스로서 배출할 수 있다. 연료전지 모드에서 공기극(32)은 유로(L512,L522,L53)에 의해 공기를 공급받고 전해질을 통해 산소를 수소극(31)으로 전달하며, 질소(N2)와 공기를 유로(L61)를 통해 제2 배출가스로서 배출할 수 있다.
연료전지(30)의 수소극(31)에서 배출되는 제1 배출가스의 유로 상에 제1 열교환기(41)가 설치될 수 있다. 제1 열교환기(41)는 유로(L31)를 통해 수소극(31)으로 공급되는 수소 및 스팀의 혼합 가스와 수소극(31)에서 배출되는 제1 배출가스를 열교환하여 혼합 가스를 가열한다. 제1 열교환기(41)를 통과한 제1 배출가스는 수소 추출부(70)로 이송될 수 있다.
도시한 실시예의 양방향 수전해 시스템은 외부로부터 공기를 공기극(32)에 공급하기 위해 두 갈래의 공기유로를 포함할 수 있다. 제1 공기유로는 유로(L511,L521)로 구성되고, 제2 공기유로는 유로(L512,L522)로 구성된다. 제2 공기 유로(L512,L522)는 제1 공기 유로(L511,L521)에 비해 더 많은 양의 공기를 이송할 수 있도록 구성된다. 예컨대 제2 공기 유로를 구성하는 배관이 제1 공기 유로를 구성하는 배관보다 더 큰 직경을 가질 수 있다. 따라서 연료전지(30)에 적은 양의 공기가 필요하면 제1 공기 유로로만 공기를 이송하고 많은 양의 공기가 필요하면 제1 및 제2 공기 유로를 모두 이용하든지 또는 제2 공기 유로만 이용하여 공기를 이송할 수 있다. 제1 및 제2 공기유로는 제3 공기유로(L53)에서 혼합되어 공기극(32)에 공급된다.
제1 공기 유로(L511,L521)의 임의의 위치에 제1 개폐밸브(571)가 설치될 수 있고, 제2 공기 유로(L512,L522)의 임의의 위치에 제2 개폐밸브(572)가 설치될 수 있다. 제1 개폐밸브(571)는 제1 공기 유로(L511,L521)를 개방하거나 폐쇄할 수 있고, 제2 개폐밸브(572)는 제2 공기 유로(L512,L522)를 개방하거나 폐쇄할 수 있다. 수전해 모드의 경우 물(스팀)과 전기가 많이 필요하고 공기는 상대적으로 적은 양이 필요하고, 연료전지 모드에서는 수소와 산소(공기)가 많이 필요하므로 공기 공급량이 많아야 한다. 따라서 일 실시예에서, 수전해 모드에서 제1 개폐밸브(571)가 제1 공기 유로를 개방하고 제2 개폐밸브(572)가 제2 공기 유로를 폐쇄하도록 동작하고, 연료전지 모드에서 제1 개폐밸브(571)가 제1 공기 유로를 폐쇄하고 제2 개폐밸브(572)가 제2 공기 유로를 개방하도록 동작할 수 있다. 대안적 실시예에서, 연료전지 모드에서, 제1 및 제2 개폐밸브(571,572)가 제1 및 제2 공기 유로를 모두 개방하도록 동작할 수도 있다.
공기극(32)에서 생성되는 제2 배출가스는 유로(L61)를 통해 배출된다. 유로(L61)에는 제2 배출가스의 경로를 분기하는 분기부(59)가 설치되고, 분기부(59)는 제2 배출가스를 두 갈래, 즉 제1 분기 유로와 제2 분기 유로로 분기한다. 필요에 따라 분기부(59)는 각 분기 유로로 분기되는 제2 배출가스의 양을 조절할 수 있는 기능을 포함할 수 있고, 대안적으로, 각 분기 유로 중 적어도 하나에 개폐밸브를 설치할 수도 있다. 도시한 실시예에서는 제1 분기 유로 상에 제1 개폐밸브(56)를 설치하고 제2 분기 유로 상에 제2 개폐밸브(58)를 설치하였다.
도시한 실시예에서, 공기극(32)에서 배출되는 제2 배출가스의 경로 상에 제2 열교환기(51)와 제3 열교환기(52)가 설치된다. 제2 열교환기(51)는 제1 공기 유로(L511)로 이송되는 공기와 제1 분기 유로로 이송되는 제2 배출가스를 열교환하여 공기를 가열할 수 있다. 제2 열교환기(51)를 통과한 제2 배출가스는 외부로 배출될 수 있으며, 대안적 실시예에서, 다른 유체와 추가적인 열교환을 한 뒤 외부로 배출될 수도 있다. 제3 열교환기(52)는 제2 공기 유로(L512)로 이송되는 공기와 제2 분기 유로로 이송되는 제2 배출가스를 열교환하여 공기를 가열할 수 있다. 제3 열교환기(52)를 통과한 제2 배출가스는 곧바로 외부로 배출될 수 있으며, 대안적 실시예에서 다른 유체와 열교환 한 뒤 외부로 배출될 수도 있다.
일 실시예에서 양방향 수전해 시스템은 히터(61,62)를 더 포함한다. 제1 히터(61)는 수소와 스팀의 혼합가스를 수소극(31)으로 이송하는 유로(L31) 상에 배치되고 제2 히터(62)는 공기를 공기극(32)으로 이송하는 유로(L53) 상에 배치될 수 있다. 제1 및 제2 히터(61,62)는, 양방향 수전해 연료전지(30)가 최적의 효율로 수전해 모드 및 연료전지 모드에서 동작할 수 있도록 수소와 스팀의 혼합가스의 온도 및 공기의 온도를 소정 온도범위로 가열할 수 있다.
일 실시예에서 제1 히터(61)와 제2 히터(62)는 수소와 스팀의 온도 및 공기의 온도를 각각 650℃ 내지 750℃ 내의 범위로 가열할 수 있다. 또한 도면에 도시하지 않았지만, 이러한 온도 제어를 위해 히터(61,62)의 각각의 내부 또는 전단이나 후단에 하나 이상의 온도센서가 설치되어 수소와 스팀의 혼합가스의 온도 및 공기 온도를 측정할 수 있을 것이다.
제1 열교환기(41)를 통과한 제1 배출가스는 수소 추출부(70)로 이송되고, 수소 추출부(70)에서 수소가 추출되어 유로(L73)를 통해 수소 저장장치(10)로 이송된다. 일 실시예에서 수소 추출부(70)는 응축기(71), 드레인부(72), 압축기(73) 등을 포함할 수 있다. 제1 배출가스는 수소와 물(스팀)로 구성되어 있으며, 응축기(71)에서 응축된 후 물은 드레인부(72)에서 배출되고 나머지 성분(즉 수소 및 배출되지 않은 잔여 물)이 압축기(73)에서 압축된다.
이러한 응축, 물 배출, 및 압축의 과정을 복수회(예컨대 5회) 반복하면 물이 거의 배출되고 수소만 남겨지며, 유로(L73)를 통해 수소를 수소 저장장치(10)에 이송하여 저장할 수 있다. 추출된 수소의 적어도 일부는 유로(L71)를 통해 수소극(31)으로 재공급할 수도 있다. 예를 들어, 수전해 모드에서, 추출된 수소의 적어도 일부를 유로(L73)를 통해 수소 저장장치(10)로 공급하고, 연료전지 모드에서, 추출된 수소의 적어도 일부를 유로(L71)를 통해 수소극(31)으로 재공급하도록 구성할 수 있다. 도면에 도시한 수소 추출부(70)는 공지기술의 하나의 예시적인 구성을 나타낸 것이며, 본 발명의 실시 형태에 따라 수소를 추출하는 방식이나 구체적 장치구성이 달라질 수 있음은 물론이다.
이제 도2와 도3을 참조하여, 제1 실시예의 양방향 수전해 시스템의 수전해 모드 동작 및 연료전지 모드 동작을 각각 설명하기로 한다.
도2는 제1 실시예의 양방향 수전해 시스템의 고체 산화물 수전해 전지(SOEC) 모드의 동작 상태를 나타낸다. 도면에서 굵은 선으로 표시한 유로가 수전해 모드에서 사용되는 유로이다.
도면을 참조하면, 수소 공급용 유로(L11)와 스팀 공급용 유로(L22)로부터 각각 수소와 스팀이 이송되어 유로(L31)를 통해 연료전지(30)의 수소극(31)으로 공급된다. 수전해 모드에서 제2 개폐밸브(572)에 의해 제2 공기 유로(L512,L522)는 폐쇄되고 제1 공기 유로(L511,L521)를 통해서만 공기가 공기극(32)로 공급된다.
연료전지(30)에서 수전해 반응이 일어남에 따라 수소극(31)으로부터 수소와 스팀으로 이루어진 제1 배출가스가 배출되고 공기극(32)으로부터 산소와 공기로 이루어진 제2 배출가스가 배출된다. 제1 배출가스는 제1 열교환기(41)를 통과하면서 유로(L31)의 수소와 스팀의 혼합가스를 가열하고 그 후 수소 추출부(70)로 이송된다. 수소 추출부(70)는 제1 배출가스에서 수소를 추출하며 유로(L73)를 통해 수소를 수소 저장장치(10)로 이송할 수 있다.
한편 제2 배출가스는 분기부(59)에서 모두 제1 분기 유로로 이송되어 제2 열교환기(51)를 통과한다. 제2 열교환기(51)에서 제2 배출가스는 제1 공기유로(L511)로 이송되는 공기를 가열하고 그 후 외부로 배출될 수 있다.
도3은 제1 실시예의 양방향 수전해 시스템의 고체 산화물 연료 전지(SOFC) 모드의 동작 상태를 나타낸다. 도면에서 굵은 선으로 표시한 유로가 연료전지 모드에서 사용되는 유로이다.
도면을 참조하면, 연료전지 모드에서 수소가 수소 저장장치(10)로부터 배출되어 유로(L31)를 따라 연료전지(30)의 수소극(31)으로 공급된다. 이 때 보일러(20)를 통과한 소량의 스팀도 함께 수소극(31)에 주입될 수 있다. 연료전지 모드에서 제1 개폐밸브(571)와 제2 개폐밸브(572)의 동작에 의해 제1 공기 유로(L511,L521)는 폐쇄되고 제2 공기 유로(L512,L522)가 개방되고, 따라서 외부의 공기가 제2 공기 유로(L512,L522) 및 유로(L53)를 통해 공기극(32)으로 공급된다.
대안적 실시예에서, 제1 및 제2 개폐밸브(571,572)에 의해 제1 및 제2 공기 유로가 모두 개방될 수 있다. 이 경우, 제1 공기 유로와 제2 공기 유로로 이송된 공기는 유로(L53)에서 혼합되어 공기극(32)으로 공급된다.
연료전지(30)에서 수소와 산소의 화학반응이 일어남에 따라 수소극(31)으로부터 스팀과 수소로 이루어진 제1 배출가스가 배출되고 공기극(32)으로부터 질소와 공기로 이루어진 제2 배출가스가 배출된다. 제1 배출가스는 제1 열교환기(41)를 통과하면서 수소와 스팀의 혼합가스를 가열하고 그 후 수소 추출부(70)로 이송된다. 제1 배출가스의 대부분은 스팀으로 이루어져 있으며 수소 추출부(70)에서 스팀이 응축되어 물로 배출되고, 수소 추출부에서 추출된 수소는 재공급 경로(L71)를 통해 수소극(31)으로 다시 공급될 수 있다.
제2 배출가스는 유로(L61)를 통해 공기극(32)으로부터 배출된다. 일 실시예에서, 제1 개폐밸브(56)에 의해 제1 분기 유로를 폐쇄하고 제2 개폐밸브(58)에 의해 제2 분기 유로를 개방할 수 있고, 이에 따라 제2 배출가스는 분기부(59)에서 제2 분기 유로를 따라 이송된다. 제2 분기 유로로 분기된 제2 배출가스는 제3 열교환기(52)에서 제2 공기 유로(L512)로 이송되는 공기를 가열한 후 배출된다.
대안적 실시예에서, 제1 및 제2 개폐밸브(56,58)에 의해 제1 분기 유로와 제2 분기 유로를 모두 개방할 수도 있다. 이 경우 공기극(32)에서 배출되는 제2 배출가스는 분기부(59)에서 제1 분기 유로와 제2 분기 유로로 각각 분기될 수 있고, 제1 분기 유로로 분기된 제2 배출가스는 제2 열교환기(51)에서 제1 공기 유로(L511)로 이송되는 공기를 가열한 후 배출되고, 제2 분기 유로로 분기된 제2 배출가스는 제3 열교환기(52)에서 제2 공기 유로(L512)로 이송되는 공기를 가열한 후 배출될 수 있다.
이상과 같이 제1 실시예에 따르면 양방향 수전해 시스템의 각 동작 모드에 따른 적절한 수소와 스팀의 혼합가스를 연료전지(30)에 공급할 수 있는 이점이 있다. 또한 이 때 공기량을 제어하기 위한 개폐밸브(56, 571, 572, 58)를 고온으로 유지되는 핫박스(hot box)(100)의 외부에 배치할 수 있도록 유로(L521, L522, L53, 제1 및 제2 분기 유로 등)를 설계하였으므로, 개폐밸브(56, 571, 572, 58)가 고온에 노출되어 손상되는 것을 방지하고 장치의 설치 및 유지에 따른 작업을 용이하게 하고 비용을 절감할 수 있다.
도4는 제2 실시예에 따른 양방향 수전해 시스템을 나타낸다. 제2 실시예의 양방향 수전해 시스템은 수소 저장장치(10), 보일러(20), 양방향 수전해 연료전지(30), 히터(61,62), 및 수소 추출부(70)를 포함할 수 있으며 이들 구성요소의 구성과 기능은 상술한 제1 실시예와 동일 또는 유사하므로 상세한 설명은 생략한다.
제2 실시예의 양방향 수전해 시스템은 시스템 외부로부터 물을 공급받아 이 물(이하 "외부공급 물"이라 함)을 가열하여 스팀으로 만든 후 경로(L31)를 통해 수소극(31)으로 공급하는 구성을 더 포함한다. 이를 위해, 도시한 실시예에서, 외부공급 물을 시스템 내로 이송하는 유로(L81, L83), 외부공급 물을 제1 배출가스와 열교환하는 제4 열교환기(42), 및 외부공급 물을 제2 배출가스와 열교환하는 제5 열교환기(53)를 더 포함할 수 있다.
제4 열교환기(42)는 연료전지(30)의 수소극(31)에서 배출되는 제1 배출가스의 유로 상에 설치될 수 있다. 도시한 실시예에서 제4 열교환기(42)는 유로(L41) 상에서 제1 열교환기(41)의 하류측에 배치될 수 있으며, 외부공급 물과 제1 배출가스 사이를 열교환하여 외부공급 물을 가열한다.
제5 열교환기(53)는 연료전지(30)의 공기극(32)에서 배출되는 제2 배출가스의 유로 상에 설치될 수 있다. 도시한 실시예에서 제5 열교환기(53)는 제1 분기 유로 상에서 제2 열교환기(51)의 하류측에 배치될 수 있으며, 외부공급 물과 제2 배출가스 사이를 열교환하여 외부공급 물을 가열한다.
유로(L81)를 통해 이송되는 외부공급 물은 제4 열교환기(42)와 제5 열교환기(53)를 순차적으로 통과하면서 가열되어 예컨대 섭씨 300도 이상의 고온의 스팀이 될 수 있고, 그 후 수소극(31)으로 공급될 수 있다. 스팀 상태의 외부공급 물은 유로(L83)를 통해 혼합가스 이송용 유로(L31)에 합류함으로써 수소극(31)으로 공급될 수 있다. 대안적 실시예에서, 유로(L83)가 수소 이송용 유로(L11)에 연결되거나 또는 스팀 이송용 유로(L22)에 연결되도록 구성할 수도 있다.
또한 도시한 실시예에서는 제1 배출가스가 제1 열교환기(41)와 제4 열교환기(42)를 순차적으로 통과하고 제1 분기 유로로 이송되는 제2 배출가스가 제2 열교환기(51)와 제5 열교환기(53)를 순차적으로 통과하는 것으로 구성하였지만, 대안적 실시예에서 제1 배출가스 또는 제2 배출가스의 열교환기 통과 순서가 달라질 수 있다. 예를 들어 제1 배출가스가 제4 열교환기(42)를 먼저 통과한 후(즉, 외부공급 물과의 열교환을 먼저 수행한 후) 제1 열교환기(41)를 통과하도록 유로를 구성할 수 있고, 제2 배출가스의 경우에도 제5 열교환기(53)를 먼저 통과한 후(즉, 외부공급 물과의 열교환을 먼저 수행한 후) 제2 열교환기(51)를 통과하도록 구성할 수 있다. 또한, 외부공급 물의 경우에도, 제5 열교환기(53)를 먼저 통과한 후(즉, 제2 배출가스와의 열교환을 먼저 행한 후) 제4 열교환기(42)를 통과하도록 구성할 수도 있다.
상술한 제2 실시예의 양방향 수전해 시스템에서 유로(L22)(또는 유로(L11 또는 L31))에 합류하는 스팀 상태의 외부공급 물의 온도가 연료전지(30)에 공급되기에 충분히 높지 않을 수 있고 따라서 유로(L31)를 따라 수소극(31)에 공급되는 혼합가스의 온도가 낮아질 수도 있지만, 혼합가스가 수소극(31)에 이송되기 직전 제1 히터(61)에 의해 가열할 수 있기 때문에 수소극(31)에 최적의 온도 조건의 혼합가스를 주입할 수 있다. 이 때 제1 히터(61)의 가열을 위해 추가의 열에너지가 소비되지만, 제1 배출가스와 제2 배출가스의 폐열을 이용해서 외부공급 물을 가열하고 스팀으로 만들어 이를 연료전지(30)에 주입하기 때문에 시스템 전체적으로는 더 높은 효율을 갖게 된다.
도5는 제3 실시예에 따른 양방향 수전해 시스템을 나타낸다. 제3 실시예의 양방향 수전해 시스템은 수소 저장장치(10), 보일러(20), 양방향 수전해 연료전지(30), 히터(61,62), 수소 추출부(70), 및 외부공급 물의 경로(L81, L83)를 포함할 수 있으며 이들 구성요소의 구성과 기능은 상술한 제2 실시예와 동일 또는 유사하므로 상세한 설명은 생략한다. 다만 제3 실시예에 따른 양방향 수전해 시스템은 재공급 유로(L91, L92) 및 이 유로상에 배치된 블로워(blower)(90)를 포함하는 점에서 제2 실시예와 상이하다.
제3 실시예에서 재공급 유로(L91, L92)는 제1 배출가스를 배출하는 유로(L43)와 혼합 가스를 연료전지(30)로 공급하는 유로(L31) 사이를 연결하도록 배치되고, 이 재공급 유로 상에 블로워(90)가 설치된다. 이 구성에 따르면, 제4 열교환기(42)를 통과한 제1 배출가스의 일부가 재공급 유로(L91, L92)로 분기되어 수소극(31)으로 재공급될 수 있다.
대안적 실시예에서, 제1 열교환기(41)와 제4 열교환기(42) 사이에서 재공급 유로(L91, L92)가 분기될 수 있다. 또 다른 대안적 실시예에서, 재공급 유로(L92)가 수소를 공급하는 유로(L11) 또는 스팀을 공급하는 유로(L22)에 합류하도록 구성될 수도 있다.
일 실시예에서, 블로워(90)는 수전해 모드에서 동작하고 연료전지 모드에서 동작하지 않을 수 있다. 일반적으로 수전해 모드에서 수소극(31)으로 주입되는 스팀과 수소의 비율이 대략 9:1 가량 되는데, 수소극(31)에서 배출되는 제1 배출가스는 수소 함량이 많으므로, 상술한 것처럼 재공급 유로(L91, L92)를 통해 제1 배출가스 중 일부를 재순환시키면 수소 저장장치(10)에서 공급할 수소 공급량을 감소시킬 수 있다. 이 때, 재순환하는 양을 조절하기 위해 블로워(90)의 출력을 제어하거나 재공급 유로 상에 별도의 유량제어밸브를 설치할 수 있고, 이를 제어하여 수소극(31)으로 공급되는 혼합 가스 내의 스팀과 수소와 스팀의 비율을 9:1로 조절할 수 있다.
도6은 제4 실시예에 따른 양방향 수전해 시스템을 나타낸다. 제4 실시예는 제3 실시예와 거의 동일하며, 다만 제6 열교환기(54)를 더 포함하는 점에서 차이가 있다. 제4 실시예에 따르면, 제6 열교환기(54)는 제5 열교환기(53)를 통과한 제2 배출가스와 외부공급 물을 열교환하도록 구성된다. 이에 따라 외부공급 물이 제6 열교환기(54), 제4 열교환기(42), 및 제5 열교환기(53)를 순차적으로 통과한 후 수소극(31)으로 공급될 수 있다.
도7은 제5 실시예에 따른 양방향 수전해 시스템을 나타낸다. 제5 실시예는 제3 실시예와 거의 동일하며, 다만 제7 열교환기(55)를 더 포함하는 점에서 차이가 있다. 제5 실시예에 따르면, 제7 열교환기(55)는 제5 열교환기(53)를 통과한 제2 배출가스와 재공급 유로(L92)로 이송되는 제1 배출가스를 열교환 하도록 구성된다. 이에 따라, 분기부(59)에서 제1 분기 유로로 이송되는 제2 배출가스는 제2 열교환기(51), 제5 열교환기(53), 및 제7 열교환기(55)를 순차적으로 통과하며 열에너지를 전달한 후 외부로 배출된다. 재공급 유로(L91, L92)로 이송되는 제1 배출가스는 제7 열교환기(55)에서 가열된 후 수소극(31)으로 공급되기 때문에 히터(61)에서 사용되는 열에너지를 줄일 수 있다.
도8은 상술한 제1 내지 제5 실시예의 시스템 효율을 나타내는 그래프이다.
일반적으로 양방향 수전해 시스템에서 수전해 모드에서의 시스템 효율은 아래와 같이 정의될 수 있다.
Figure 112017090097344-pat00001
위 수식에서 η1은 투입된 에너지 대비 생산된 에너지로 정의되는 효율로서, 분모는 보일러(20)에 공급되는 폐기물의 열량과 신재생 에너지에 의해 연료전지(30)에 공급되는 전기에너지를 나타내고, 분자는 연료전지(30)에서 생성되는 수소의 열량으로서 얼마만큼의 수소가 생성되는지를 나타낸다. η2는 η1의 분모에서 폐기물 열량을 제외한 것이다. η3은 엑서지(exergy) 효율로서, 에너지의 양과 질을 동시에 반영한 효율이다.
위의 수식들과 유사하게, 양방향 수전해 시스템의 연료전지 모드에서의 효율은 아래와 같이 정의될 수 있다.
Figure 112017090097344-pat00002
도8은 수전해 모드에서의 엑서지 효율(η3)을 나타내는 그래프로서, 도면에서 X축은 연료전지 중의 수소 농도를 나타내고 Y축은 엑서지 효율(η3)을 나타낸다.
도8의 그래프에 따르면 효율이 가장 낮게 나타난 제1 실시예의 경우에도 대략 73%의 엑서지 효율을 가짐을 알 수 있다. 또한 제1 실시예와 비교할 때, 제1 배출가스와 제2 배출가스의 폐열을 이용하여 외부공급 물을 가열하여 스팀을 생성하고 이 생성된 스팀을 수소극(31)으로 주입하는 구성을 포함한 제2 내지 제5 실시예가 제1 실시예에 비해 더 높은 효율을 갖는 것으로 나왔다. 또한 제2 내지 제5 실시예 중에서는 제3 내지 제5 실시예의 효율이 더 높게 나타냈다. 즉 블로워(90)를 이용하여 제1 배출가스의 일부를 수소극(31)으로 재공급 하도록 구성함으로써 효율이 한층 더 증가했음을 확인하였다.
이상과 같이 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 명세서의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능함을 이해할 수 있다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
10: 수소 저장장치
20: 히터
30: 양방향 수전해 연료전지
41, 42, 51, 52, 53, 54, 55: 열교환기
61,62: 히터
70: 수소 추출부
90: 블로워

Claims (17)

  1. 양방향 수전해 시스템으로서,
    수소극, 공기극 및 그 사이에 개재된 전해질로 구성되며, 외부에서 공급되는 스팀과 전기에 의해 수소 및 산소를 생성하는 수전해 모드 및 외부에서 공급되는 수소와 산소의 화학반응에 의해 전기와 물을 생성하는 연료전지 모드 중 어느 하나의 모드에서 작동 가능한 양방향 수전해 연료전지(30);
    상기 수소극으로 공급되는 수소 및 스팀과 상기 수소극에서 배출되는 제1 배출가스를 열교환하는 제1 열교환기(41);
    상기 공기극으로 공급될 공기를 각각 이송하는 제1 공기유로(L511)와 제2 공기유로(L512);
    상기 공기극에서 배출되는 제2 배출가스를 제1 분기유로와 제2 분기유로로 분기하는 분기부(59);
    상기 제1 공기유로로 이송되는 공기와 상기 제1 분기유로로 이송되는 제2 배출가스를 열교환하는 제2 열교환기(51); 및
    상기 제2 공기유로로 이송되는 공기와 상기 제2 분기유로로 이송되는 제2 배출가스를 열교환하는 제3 열교환기(52);를 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 수전해 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 공기유로를 개폐해는 개폐밸브(572)를 더 포함하고,
    상기 개폐밸브는 연료전지 모드에서 상기 제2 공기유로를 개방하고 수전해 모드에서 상기 제2 공기유로를 폐쇄하도록 동작하는 것을 특징으로 하는 양방향 수전해 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 공기유로를 개폐하는 개폐밸브(571)를 더 포함하고,
    상기 개폐밸브는 수전해 모드에서 상기 제1 공기유로를 개방하고 연료전지 모드에서 상기 제1 공기유로를 폐쇄하도록 동작하는 것을 특징으로 하는 양방향 수전해 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 수소극으로 수소와 스팀을 공급하는 유로상에 배치된 제1 히터(61); 및
    상기 공기극으로 공기를 공급하는 유로상에 배치된 제2 히터(62);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 수전해 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제1 히터와 제2 히터는 수소와 스팀의 온도 및 공기의 온도를 각각 650℃ 내지 750℃ 내의 범위로 가열하는 것을 특징으로 하는 양방향 수전해 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 배출가스로부터 수소를 추출하는 수소 추출부(70);를 더 포함하고,
    상기 수소 추출부(70)는, 수전해 모드에서, 추출된 수소의 적어도 일부를 수소 저장장치로 공급하고, 연료전지 모드에서, 추출된 수소의 적어도 일부를 상기 수소극으로 재공급 하도록 구성된 것을 특징으로 하는 양방향 수전해 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 양방향 수전해 연료전지(30)가 고체산화물 연료전지(SOFC) 및 용융탄산염 연료전지(MCFC) 중 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 수전해 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 수소극으로 공급되는 스팀은, 폐기물 연소장치(20)에서 발생하는 열에 의해 물을 가열함으로써 생성되는 것을 특징으로 하는 양방향 수전해 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    외부에서 공급되는 외부공급 물과 상기 제1 배출가스를 열교환하는 제4 열교환기(42); 및
    상기 외부공급 물과 상기 제2 배출가스를 열교환하는 제5 열교환기(53);를 더 포함하고,
    상기 외부공급 물이 상기 제4 열교환기(42)와 제5 열교환기(53)를 통과한 후 상기 수소극으로 공급되도록 구성된 것을 특징으로 하는 양방향 수전해 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제2 열교환기(51)를 통과한 제2 배출가스가 상기 제5 열교환기(53)에서 상기 외부공급 물과 열교환되는 것을 특징으로 하는 양방향 수전해 시스템.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 제1 열교환기(41) 또는 제4 열교환기(42)를 통과한 제1 배출가스의 일부를 분기하여 상기 수소극으로 재공급하도록 구성된 재공급 유로(L91, L92); 및
    상기 재공급 유로 상에 배치된 블로워(90);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 수전해 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 블로워가 수전해 모드에서 동작하고 연료전지 모드에서 동작하지 않는 것을 특징으로 하는 양방향 수전해 시스템.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 제5 열교환기(53)를 통과한 제2 배출가스와 상기 외부공급 물을 열교환하는 제6 열교환기(54)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 수전해 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 외부공급 물이 상기 제6 열교환기(54), 제4 열교환기(42), 및 제5 열교환기(53)를 순차적으로 통과한 후 상기 수소극으로 공급되도록 구성된 것을 특징으로 하는 양방향 수전해 시스템.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 제2 열교환기(51)를 통과한 제2 배출가스와 상기 재공급 유로로 이송되는 제1 배출가스를 열교환하는 제7 열교환기(55)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 수전해 시스템.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 제1 분기유로로 이송되는 제2 배출가스가 상기 제2 열교환기(51), 제5 열교환기(53), 및 제7 열교환기(55)를 순차적으로 통과하는 것을 특징으로 하는 양방향 수전해 시스템.
  17. 청구항 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 기재된 양방향 수전해 시스템을 이용하여 발전을 행하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 양방향 수전해 시스템을 이용한 발전 방법.
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