KR101972433B1 - 연료전지 시스템 - Google Patents

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김영범
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Abstract

연료전지 시스템이 개시된다. 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 시스템은 연료를 공급받아 전기를 생산하는 연료전지; 연료전지로부터 발생되는 연소 배기가스가 유입되고, 유입되는 연소 배기가스를 순산소와 함께 연소시키는 혼합 연소기; 혼합 연소기 측으로 순산소를 공급시키는 순산소 공급기; 및 연료전지로부터 발생되는 연소 배기가스의 성분을 분석하고, 순산소 공급기로부터 혼합 연소기 측으로 공급되는 순산소의 공급 양을 조절시키는 가스 성분 분석기를 포함한다.

Description

연료전지 시스템{FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 물을 생성하는 수소와 산소의 반응을 통하여 화학에너지로부터 전기를 생산하는 친환경 에너지 변환장치인 연료전지 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지는 작동온도 및 전해질의 종류에 따라 용융탄산염 연료전지(MCFC), 고체산화물 연료전지(SOFC), 인산염 연료전지(PAFC), 알칼리 연료전지(AFC), 고분자전해질막 연료전지(PEMFC), 및 직접메탄올 연료전지(DMFC) 등으로 구분된다.
이러한 연료전지는 제1세대인 인산염 연료전지(PAFC: 1988~1992년)에서 제2세대인 용융탄산염 연료전지(MCFC: 1996~2001년)로 발전된 후, 제3세대인 고체산화물 연료전지(SOFC)로 발전되고 있다.
특히, 고체산화물 연료전지(SOFC)의 경우, 고온에서의 작동으로 인해 효율이 50%~60%로 가장 높고, 공해물질 및 소음이 발생하지 않으며, 이용 가능한 연료의 다양성, 구조적인 안정성 등의 이유를 들어 차세대 연료전지로 각광받고 있다.
그러나, 이러한 고체산화물 연료전지(SOFC)는 메탄을 연료로 사용할 경우, 반응으로 생성된 물 뿐만 아니라 이산화탄소, 미 반응한 메탄과 수소가 연료극 배기가스에 포함되는 단점이 내재되어 있다.
이와 같이 연료극 배기가스에 포함되는 메탄(CH4)과 이산화탄소(CO2)는 대표적인 온실 가스로 환경오염을 유발시키고 있으며, 미 반응된 메탄과 수소는 연료전지 시스템의 효율을 저하시키는 단점으로 나타난다.
이에 따라서, 환경오염물질의 배출을 줄여주면서도 시스템의 전체적인 효율을 상승시킬 수 있도록 친환경 연료전지 시스템에 대한 연구개발이 현재에도 활발하게 진행되고 있는 실정이다.
이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래 기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.
대한민국 공개특허공보 제2012-0109237(2012.10.18.)
본 발명의 실시 예는 연료전지의 작동 시, 순순하게 물과 이산화탄소만 포함된 연소 배기가스를 배출시키고, 배출되는 연소 배기가스의 연소에 따른 폐열을 회수할 수 있도록 된 연료전지 시스템을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명의 실시 예는 연소 배기가스 중에 포함된 물과 이산화탄소를 분리시키고, 분리되는 이산화탄소를 저장탱크를 통해 별도로 저장시킬 수 있도록 된 연료전지 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 시스템은 연료를 공급받아 전기를 생산하는 연료전지; 상기 연료전지로부터 발생되는 연소 배기가스가 유입되고, 유입되는 연소 배기가스를 순산소와 함께 연소시키는 혼합 연소기; 상기 혼합 연소기 측으로 순산소를 공급시키는 순산소 공급기; 및 상기 연료전지로부터 발생되는 연소 배기가스의 성분을 분석하고, 상기 순산소 공급기로부터 혼합 연소기 측으로 공급되는 순산소의 공급 양을 조절시키는 가스 성분 분석기를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 시스템에 있어서, 상기 연료전지는 메탄을 연료로 하는 고체산화물 연료전지(SOFC:Solid Oxide Fuel Cell)로 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 시스템에 있어서, 상기 순산소 공급기는 순산소 탱크 및 심냉법, 흡착법, 막분리법, 및 흡수법 중 어느 하나를 이용하여 순산소를 생산할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 시스템에 있어서, 상기 연소 배기가스는 상기 연료전지의 연료극 배기가스로 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 시스템에 있어서, 상기 가스 성분 분석기는 연소 배기가스 내에 포함된 메탄, 수소, 및 일산화탄소 중 적어도 어느 하나의 양을 분석할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 시스템은 상기 혼합 연소기로부터 발생되는 열을 회수하고, 회수된 열을 상기 연료전지 측으로 공급시키는 열교환기를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 시스템은 상기 혼합 연소기로부터 발생되는 열을 회수하고, 열을 필요로 하는 외부 장치 측으로 회수된 열을 공급시키는 열교환기; 를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 시스템은 상기 혼합 연소기로부터 배출되는 배기 연소가스를 공급받아 배기 연소가스에 포함된 물과 이산화탄소를 분리시키는 응축기를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 시스템은 상기 응축기로부터 분리되는 이산화탄소를 저장하는 이산화탄소 저장탱크를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 시스템은 상기 응축기로부터 이산화탄소를 이산화탄소 저장탱크 측으로 포집시키는 포집수단을 더 포함할 수 있다.
상기 포집수단은 블로어 또는 펌프로 이루어질 수 있다.
본 발명의 실시 예는 연료전지의 작동 시 순수하게 물과 이산화탄소만 포함된 연소 배기가스를 배출시킬 수 있고, 배출되는 연소 배기가스의 연소 시 발생되는 폐열을 회수하여 별도로 사용함에 따라 전체적인 시스템의 효율을 상승시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예는 연소 배기가스 중에 포함된 물과 이산화탄소를 분리시키고, 분리된 이산화탄소를 저장탱크를 통해 별도로 저장시켜 환경오염물질의 배출을 최소화시킬 수 있다.
그 외에 본 발명의 실시 예로 인해 얻을 수 있거나 예측되는 효과에 대해서는 본 발명의 실시 예에 대한 상세한 설명에서 직접적 또는 암시적으로 개시하도록 한다. 즉, 본 발명의 실시 예에 따라 예측되는 다양한 효과에 대해서는 후술될 상세한 설명 내에서 개시될 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 시스템의 구성도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 시스템의 변형된 예를 보이는 구성도이다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
단, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.
단, 본 발명의 실시 예를 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호를 부여하여 설명한다.
그리고 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명의 실시 예는 고온에서의 작동으로 인해 효율이 50%~60%로 가장 높고, 공해물질 및 소음이 발생하지 않으며, 이용 가능한 연료의 다양성, 구조적인 안정성 등의 이유를 들어 차세대 연료전지로 각광받고 있는 고체산화물 연료전지(SOFC)를 포함하는 연료전지 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 실시 예를 설명함에 있어서, 고체산화물 연료전지(SOFC:Solid Oxide Fuel Cell)는 주지된 바와 같은 구성을 갖는 것으로, 설명의 편의상 세부적인 구성은 생략하기로 한다.
부연하자면, 기본적으로, 고체산화물 연료전지의 동작을 좌우하는 기본적인 최소단위를 셀(cell)이라고 정의한다. 여기서, 셀은 애노드 전극과 캐소드 전극으로 구성된 한 쌍의 전극과 한 쌍의 전극 사이에 존재하는 전해질로 구성된다.
이때, 애노드 전극에는 수소, 일산화탄소, 메탄 등의 연료가 공급되어 산화반응이 일어나고, 캐소드 전극에는 공기가 공급되어 환원반응이 일어나며, 전해질은 산소이온을 캐소드 전극에서 애노드 전극으로 이동시킨다.
연료로 메탄을 사용하는 경우, 구체적인 전극 반응은 다음과 같다.
애노드 전극: CH4 + 4O2 - → 2H2O + CO2 + 8e
캐소드 전극: 2O2 + 8e → 4O2 -
한편, 애노드 전극은 0%에서 60%의 지르코니아 가루를 포함한 산화니켈분을 소결한 재료(니켈/YSZ cermet)를 사용할 수 있다.
또한, 캐소드 전극은 페로브스카이트형 산화물을 사용할 수 있고, 특히 전자전도성이 높은 란탄스트론튬 망가나이드(LS0 .84 Sr0 .16) MnO3을 사용하는 것이 바람직하다.
그리고, 전해질은 지르코니아(ZrO2)에 이트리아(Y2O3)를 3%에서 10% 정도 녹인 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)를 사용할 수 있다. 여기서, YSZ는 4가 지르코늄 이온의 일부가 3가의 이트리움 이온으로 대치되어 있으므로 이트리움 이온 2개당 1개의 산소이온 구멍이 내부에 발생하고, 고온에서는 이 구멍을 통하여 산소이온이 이동하게 된다.
고체산화물 연료전지에는 상술한 애노드 전극, 캐소드 전극, 및 전해질 이외에 인터커넥터를 더 포함할 수 있다.
여기서, 인터커넥터는 다수의 셀을 직렬 접속하는 것으로, 연료와 공기를 격리시키는 세퍼레이터 역할도 동시에 수행할 수 있다. 특히, 인터커넥터는 평판형 셀의 경우 연료와 공기를 격리시키는 기능이 강조되어 세퍼레이터로 호징되는 경향이 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 시스템의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 시스템(1)은 연료전지(10), 연료 공급기(20), 혼합 연소기(30), 순산소 공급기(40), 가스 성분 분석기(50), 열교환기(60), 응축기(70), 이산화탄소 저장탱크(80), 및 포집수단(90)을 포함한다.
상기 연료전지(10)는 연료 공급기(20)로부터 연료를 공급받아 전술한 바와 같이 전기 에너지를 생성한다.
이때, 연료 전지(10)는 연료 공급기(20)로부터 메탄을 연료로 공급받아 전기 에너지를 생성하는 고체산화물 연료전지(SOFC:Solid Oxide Fuel Cell)로 이루어질 수 있다.
상기 혼합 연소기(30:mixing combustor)는 연료전지(10)의 일측에 설치되어 연료전지(10)로부터 발생되는 연소 배기가스가 유입되고, 유입되는 연소 배기가스를 상기 순산소 공급기(40)로부터 순산소를 공급받아 순산소와 함께 연소시킨다.
이때, 상기 혼합 연소기(30) 측으로 유입되는 연소 배기가스는 연료전지(10)의 연료극 배기가스가 공급될 수 있으며, 연료극 배기가스의 성분은 다음과 같다.
상기 혼합 연소기(30) 측으로 공급되는 연료극 배기가스로는 CH4, H2(미반응 가스), CO, CO2 (개질 생성물), H2O (연료전지 반응 생성물)가 있으며, 혼합 연소기에서 일어나는 반응식은 아래와 같다.
i) CH4 + 2O2 ---> CO2 + 2H2O
ii) 2H2 + O2 ---> 2H2O
iii) 2CO + O2 ---> 2CO2
위의 반응을 통하여 연료극 배기가스는 혼합 연소기(30)에서 연소된 후, 이산화탄소(CO2)와 물(H2O)만 존재하게 된다.
상기 순산소 공급기(40)는 혼합 연소기(30)의 일측에 설치되어 혼합 연소기(30) 측으로 순산소를 공급시킨다.
이때, 상기 순산소 공급기(40)는 순산소 탱크 및 심냉법, 흡착법, 막분리법, 및 흡수법 중 어느 하나를 이용하여 순산소를 생산하고, 생산된 순산소를 혼합 연소기(30) 측으로 공급시킬 수 있다.
부연하자면, 이러한 순산소 공급기(40)는 혼합 연소기(30)에 일반 공기대신 순산소를 공급시킴에 따라, 일반 공기와 달리 질소가 포함되어 있지 않기 때문에 100%연소가 가능하고, 질소산화물이 배출되는 것을 방지시킬 수 있다.
상기 가스 성분 분석기(50)는 연료전지(10)와 혼합 연소기(30) 사이에 설치되어 연료전지(10)로부터 발생되는 연소 배기가스의 성분을 분석하고, 순산소 공급기(40)로부터 혼합 연소기(30) 측으로 공급되는 순산소의 양을 조절한다.
이러한 가스 성분 분석기(50)는 가스 크로마토그래피(gas-chromatography) 분석법을 통해 연료전지(10)의 연소 배기가스 내에 포함된 메탄, 수소, 및 일산화탄소의 양을 분석할 수 있다.
부연하자면, 상기 가스 크로마토그래피(gas-chromatography)는 크게 나누어 기체-고체 크로마토그래피와 기체-액체 크로마토그래피가 있고, 각각 흡착법 및 분배법이라고도 불린다. 컬럼 충전제로서 전자는 흡착제를 이용하여 주로 가스체 시료의 분석에 사용되고, 후자는 비활성 운반체에 끓는점이 높은 액체(고정상 액체)를 넣은 것을 이용하여 주로 액체 시료의 분석에 사용된다.
그리고 가스 크로마토그래피의 장치를 가스 크로마토그래프라고 부르고 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 가스 성분 분석기(50)는 순산소 연소 과정에서 일어나는 반응을 위한 성분들을 분석하게 되는데, 배기가스 내의 CH4, H2, CO의 양 혹은 비율을 분석하여 반응에 필요한 정확한 순산소의 양을 조절한다.(각 반응마다 다른 화학당량을 가지고 있기 때문에 그를 계산하여 필요한 순산소의 양을 구함)
이때, 상기 혼합 연소기(30) 측으로 순산소의 양이 과잉으로 들어가게 되면 H2O, CO2, O2의 배기가스가 나오게 되므로 포집 가스 내의 CO2 농도가 줄어들게 되고, 부족하게 되면 CH4, H2, CO가 순산소 연소 후 배출되는 연소 배기가스에 포함되는 문제점이 발생될 수 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 가스 성분 분석기(50)는 연소 배기가스의 성분 분석 및 순산소 공급기(40)의 순산소 공급량을 제어하는 과정을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 열교환기(60:Heat Exchanger)는 연료전지(10)와 혼합 연소기(30) 사이에 설치되어 혼합 연소기(30)로부터 발생되는 열을 회수하고, 회수된 열을 연료전지(10) 또는 열을 필요로 하는 외부 장치 측으로 공급시킨다.
여기서, 상기 연료전지(10) 측으로 공급되는 열은 연료전지(10)의 구동온도를 유지시키는데 사용될 수 있고, 열을 필요로 하는 외부 장치로는 생활온수를 공급시키는 온수 공급기 등을 예로 들 수 있다.
이러한 열교환기(60)는 다양한 형태로 이루어질 수 있는 것으로, 어느 특정한 형태의 열교환기(60)에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 다관식 열교환기, 이중관식 열교환기, 및 코일식 열교환기 등과 다양한 모든 형태의 열교환기(60)가 적용될 수 있다.
한편, 상기 열교환기(60)는 연료전지(20)에만 열을 공급시키는 형태와, 외부 장치에만 열을 공급시키는 형태로 이루어질 수 있으며, 이들 모두 즉, 연료전지(20)와 외부 장치 모두에게 열을 공급시키는 형태로도 이루어질 수 있다.
상기 응축기(70:Condenser)는 혼합 연소기(30)로부터 배출되는 배기 연소가스를 공급받고, 공급받는 배기 연소가스 내에 포함된 물과 이산화탄소를 분리시킨다.
이러한 응축기(70)는 배기 연소가스의 열을 상온의 공기 또는 냉각수 중으로 방출하여 응축 액화시키면서 물과 이산화탄소를 분리 및 배출시킨다.
상기 이산화탄소 저장탱크(80)는 응축기(70)의 일측에 설치되어 응축기(70)로부터 분리되어 배출되는 이산화탄소를 저장한다.
이러한 이산화탄소 저장탱크(80)는 하나 이상으로 설치될 수 있으며, 내부에 저장되는 이산화탄소의 양과, 내부 압력, 및 온도 등을 체크하는 각종 센서 및 게이지 등이 함께 설치될 수 있다.
상기 포집수단(90)은 응축기(70)와 이산화탄소 저장탱크(80) 사이에 하나 이상으로 설치되어 응축기(70)로부터 이산화탄소를 이산화탄소 저장탱크(80) 측으로 포집시킨다.
이러한 포집수단은 어느 특정한 형태에 한정되는 것이 아니라, 작동에 따라 응축기(70)로부터 이산화탄소를 이산화탄소 저장탱크(80) 측으로 포집시킬 수 있는 모든 형태로 이루어질 수 있는 것이다.
예를 들어, 상기 포집수단(90)은 날개차 또는 로터의 회전 운동에 의해 기체를 압송하여 일정한 압력비와 토출 압력을 가지는 송풍기인 블로어(blower)로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 포집수단(90)은 압력작용에 의하여 액체나 기체의 유체를 관을 통해서 수송하거나 저압의 용기 속에 있는 유체를 관을 통하여 고압의 용기 속으로 압송하는 장치인 펌프(pump) 등으로 이루어질 수도 있는 것이다.
이하, 상기한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 시스템(1)의 작동을 전술한 도 1을 참조하여 설명하기로 한다.
전술한 도 1을 참조하면, 먼저, 상기 연료전지(10)는 연료 공급기(20)를 통해 메탄의 연료를 공급받아 전기 에너지를 생성한다. 그리고 전기 에너지를 생성하면서 발생되는 연료극의 연소 배기가스는 가스 성분 분석기(50)를 거쳐 혼합 연소기(30) 측으로 공급되어 순산소와 함께 연소된다.
이때, 상기 혼합 연소기(30)에서 발생되는 폐열(waste heat)을 열교환기(60)가 회수하고, 회수된 폐열을 연료전지(10)의 구동온도 유지 또는 생활온수를 가열시키는데 사용한다.
이후, 상기 혼합 연소기(30)를 통해 연소되는 연소 배기가스 내에 포함된 물과 이산화탄소를 응축기(70)가 분리시키고, 분리되는 이산화탄소는 포집수단(90)을 통해 이산화탄소 저장탱크(80)로 포집되면서 고농도로 저장된다.
이러한 일련의 과정을 통해, 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 시스템(1)은 순수하게 물과 이산화탄소만 포함된 연소 배기가스를 배출시킬 수 있고, 연소 배기가스의 연소 시 발생되는 폐열을 회수하여 별도로 사용함에 따라 연료전지 시스템(1)의 전체적인 효율을 상승시킬 수 있다.
또한, 연소 배기가스 중에 포함된 물과 이산화탄소를 분리시키고, 분리되는 이산화탄소를 이산화탄소 저장탱크(80)를 통해 별도로 저장시켜 환경오염물질의 배출을 최소화시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 시스템의 변형된 예를 도 2와 도 3을 참조하여 설명하기로 한다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 시스템의 변형된 예를 보이는 구성도이다.
먼저, 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 시스템(1)은 전술한 연료전지 시스템(1)과 동일한 구성과 작동을 갖는다. 다만, 가스 성분 분석기(50)가 삭제된 구성을 가질 수 있고, 도 3에서 도시한 바와 같이 열교환기(60)가 삭제되는 구성을 가질 수도 있다.
이와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 시스템(1)은 설치되는 장소나 목적, 및 설치환경, 제작단가 등에 따라 얼마든지 다양한 형태로 변형이 가능한 것이다.
이상으로 본 발명의 하나의 실시 예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시 예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.
1: 연료전지 시스템 10: 연료전지
20: 연료 공급기 30: 혼합 연소기
40: 순산소 공급기 50: 가스 성분 분석기
60: 열교환기 70: 응축기
80: 이산화탄소 저장탱크 90: 포집수단

Claims (11)

  1. 연료를 공급받아 전기를 생산하는 연료전지;
    상기 연료전지로부터 발생되는 연소 배기가스가 유입되고, 유입되는 연소 배기가스를 순산소와 함께 연소시키는 혼합 연소기;
    상기 혼합 연소기 측으로 순산소를 공급하는 순산소 공급기;
    상기 연료전지로부터 발생되는 연소 배기가스의 성분을 가스 크로마토그래피 분석법으로 분석하고, 연소 배기가스 성분 분석을 바탕으로 상기 혼합 연소기에 필요한 순산소의 양을 계산하여 상기 순산소 공급기로부터 상기 혼합 연소기에 공급되는 순산소의 공급 양을 조절하는 가스 성분 분석기; 및
    상기 혼합 연소기로부터 발생되는 열을 회수하고, 회수된 열을 상기 연료전지와 무관한 외부장치로 공급하여 열을 사용하게 하는 열교환기;를 포함하고,
    상기 연소 배기가스는
    상기 연료전지의 연료극 배기가스로 이루어지며,
    상기 가스 성분 분석기는
    상기 연소 배기가스 내에 포함된 메탄, 수소, 및 일산화탄소 중 적어도 어느 하나의 양을 분석하는 연료전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지는
    메탄을 연료로 하는 고체산화물 연료전지(SOFC:Solid Oxide Fuel Cell)로 이루어지는 연료전지 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 순산소 공급기는
    순산소 탱크 및 심냉법, 흡착법, 막분리법, 및 흡수법 중 어느 하나를 이용하여 순산소를 생산하는 연료전지 시스템.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 혼합 연소기로부터 발생되는 열을 회수하고, 회수된 열을 상기 연료전지 측으로 공급시키는 열교환기; 를 더 포함하는 연료전지 시스템.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 혼합 연소기로부터 배출되는 배기 연소가스를 공급받아 배기 연소가스에 포함된 물과 이산화탄소를 분리시키는 응축기; 를 더 포함하는 연료전지 시스템.
  9. 제8항에 있어서.
    상기 응축기로부터 분리되는 이산화탄소를 저장하는 이산화탄소 저장탱크; 를 더 포함하는 연료전지 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 응축기로부터 이산화탄소를 이산화탄소 저장탱크 측으로 포집시키는 포집수단; 을 더 포함하는 연료전지 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 포집수단은
    블로어 또는 펌프로 이루어지는 연료전지 시스템.



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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20210147605A (ko) * 2020-05-29 2021-12-07 광주과학기술원 열배터리 연계 가역 고체산화물 전지 시스템 및 그 구동방법

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114976161A (zh) * 2022-07-15 2022-08-30 北京市燃气集团有限责任公司 一种零碳排放的供能方法

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007207561A (ja) * 2006-02-01 2007-08-16 Yokogawa Electric Corp 燃料電池及び燃料電池のガス分析装置

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH1126004A (ja) * 1997-07-02 1999-01-29 Toshiba Corp 発電システム
KR101223645B1 (ko) 2011-03-28 2013-01-17 부산대학교 산학협력단 천연가스를 연료로 사용하는 고체산화물 연료전지시스템

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007207561A (ja) * 2006-02-01 2007-08-16 Yokogawa Electric Corp 燃料電池及び燃料電池のガス分析装置

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20210147605A (ko) * 2020-05-29 2021-12-07 광주과학기술원 열배터리 연계 가역 고체산화물 전지 시스템 및 그 구동방법
KR102378796B1 (ko) * 2020-05-29 2022-03-29 광주과학기술원 열배터리 연계 가역 고체산화물 전지 시스템 및 그 구동방법

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