KR102148377B1 - 용융탄산염형 연료전지와 고체산화물 수전해전지를 구비하는 융복합 시스템 - Google Patents

용융탄산염형 연료전지와 고체산화물 수전해전지를 구비하는 융복합 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 용융탄산염형 연료전지와 고체산화물 수전해전지를 구비하는 융복합 시스템에 관한 것으로, 공기극으로 피드백된 산소를 제공받고 연료극으로 수소를 제공받아 화학반응을 통해 전류를 생성하는 용융탄산염형 연료전지, 및 상기 용융탄산염형 연료전지의 출력단에서 배출되는 가스를 제공받아 물의 전기분해를 통해 상기 피드백된 산소를 생성하기 위한 고체산화물 수전해전지를 포함하는 용융탄산염형 연료전지와 고체산화물 수전해전지를 구비하는 융복합 시스템이 제공된다.

Description

용융탄산염형 연료전지와 고체산화물 수전해전지를 구비하는 융복합 시스템{A CONVERGENCE SYSTEM INCLUDING MOLTEN CARBONATE FUEL CELL AND SOLID OXIDE ELECTROLYSIS CELL}
본 발명은 용융탄산염형 연료전지와 고체산화물 수전해전지를 구비하는 융복합 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 용융탄산염형 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC)와 고체산화물 수전해전지(Solid Oxide Electrolysis Cell, SOEC)가 서로 유기적인 관계로 구동할 수 있는 용융탄산염형 연료전지와 고체산화물 수전해전지를 구비하는 융복합 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지는 산화에 의해서 생기는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 전지를 말한다. 연료전지는 화학전지와 달리 반응물이 외부에서 연속적으로 공급되고 반응생성물이 외부에서 제거된다. 연료전지의 가장 대표적 형태에는 수소-산소 연료전지가 있고 이 연료전지는 동작온도에 따라 고온형 연료전지와 저온형 연료전지로 나뉜다.
한편, 가정용 및 산업용 연료전지 시스템은 일반적으로 전력과 열을 동시에 생산하는 열병합 발전을 특징으로 한다. 이러한 연료전지 시스템은 천연가스를 연료로 이용하며 개질기에서 천연가스에 포함된 수소를 추출하여 연료전지의 스택에 공급한다. 연료전지의 스택은 전기화학반응에 의해 수소로부터 전기를 생산하며 발전과정에서 발생하는 폐열은 열회수장치로 회수하여 축열조에 저장한 후 보조보일러 등을 통해 난방 또는 온수를 위한 열원으로 사용된다.
이하, 연료전지의 간단한 작동원리를 설명하기로 한다.
천연가스로부터 추출된 수소는 연료전지의 양극(Anode)을 통과하고 산소는 음극(Cathode)을 통과한다. 수소와 산소는 전기 화학적으로 반응하여 물과 열을 생성한다. 이때, 전자가 전해질을 통과하면서 전극에는 직류전류가 흐르게 되며, 직류전류는 직류 전동기의 동력으로 사용되거나 전력변환기에 의해 교류전류로 바꾸어 사용된다. 연료전지에서 발생된 열은 증기를 발생시키거나 냉난방 열로 사용될 수 있으며, 사용되지 않을 경우에는 배기열로 배출된다.
이러한 연료전지는 전해질의 종류에 따라 구분되는데, 전해질로 용융탄산염을 사용하고 통상 650℃의 고온에서 작동하는 연료전지를 용융탄산염형 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC)라 한다.
이러한 용융탄산염형 연료전지는 가정용/건물용/차량용으로 사용하는 고분자 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)에 비해 효율이 높고, 장시간 운전 성능이 좋아 발전용으로 사용하고 있다. 또한, 용융탄산염형 연료전지는 설비규모 대비 대용량 출력이 가능하고, 수명도 다른 연료전지들에 비해 길기 때문에 선박의 구동원으로 사용하기 위한 연구가 다양하게 이루어지고 있다.
본 발명은 용융탄산염형 연료전지와 고체산화물 수전해전지를 유기적으로 결합하여 구동시 필요한 연료와 구동 후 발생한 부산물을 순환하여 서로 사용할 수 있는 용융탄산염형 연료전지와 고체산화물 수전해전지를 구비하는 융복합 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 시스템 동작에 필요한 구성을 최적화하여 시스템의 규모 및 시스템에서 소모하는 전력을 최소화하는데 다른 목적이 있다.
본 발명의 해결과제는 이상에서 언급한 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 본 발명의 목적들 및 다른 특징들을 달성하기 위한 본 발명의 일 관점에 따르면, 공기극으로 피드백된 산소를 제공받고 연료극으로 수소를 제공받아 화학반응을 통해 전류를 생성하는 용융탄산염형 연료전지; 및 상기 용융탄산염형 연료전지의 출력단에서 배출되는 가스를 제공받아 물의 전기분해를 통해 상기 피드백된 산소를 생성하고 이를 상기 용융탄산염형 연료전지에 제공하기 위한 고체산화물 수전해전지를 포함하는 용융탄산염형 연료전지와 고체산화물 수전해전지를 구비하는 융복합 시스템이 제공된다.
본 발명에 있어서 상기 용융탄산염형 연료전지의 연료극 출력단에서 배출되는 가스를 필터링하기 위한 제1 필터; 및 상기 제1 필터에서 배출되는 가스의 양을 조절하여 상기 고체산화물 수전해전지의 연료극으로 전달하기 위한 제1 밸브를 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서 상기 고체산화물 수전해전지에서 배출되는 가스를 가열하기 위한 가열기를 더 포함하며, 상기 가열기는 상기 제1 밸브에서 제공되는 미반응 수소를 연료로 가열동작을 수행하는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서 상기 고체산화물 수전해전지의 열 관리를 위한 핫박스; 상기 용융탄산염형 연료전지의 공기극 출력단에서 배출되는 가스를 필터링하기 위한 제2 필터; 및 상기 제2 필터에서 배출되는 가스의 양을 조절하여 상기 핫박스와 상기 고체산화물 수전해전지의 공기극으로 전달하기 위한 제2 밸브를 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서 상기 핫박스와 상기 용융탄산염형 연료전지 사이에 구성되며, 상기 핫박스에서 배출되는 가스와 열교환이 이루어지고 상기 용융탄산염형 연료전지의 상기 연료극으로 상기 수소를 제공하기 위한 개질변환부를 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서 상기 개질변환유닛은, 상기 용융탄산염형 연료전지에서 배출되는 가스를 이용하여 개질된 연료가스를 예정된 온도로 예열하기 위한 히터; 상기 히터에서 배출되는 가스와 상기 핫박스에서 배출되는 가스를 이용하여 열교환을 통해 천연가스를 가열하기 위한 열 교환기; 및 상기 열교환기에서 배출되는 가스의 수소 비율을 조절하기 위한 개질기를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서 상기 제2 밸브는 상기 제2 필터에서 배출되는 가스 중 일부를 상기 열 교환기로 제공하는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서 상기 고체산화물 수전해전지에서 배출되는 수소를 압축하기 위한 압축기를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 본 발명의 목적들 및 다른 특징들을 달성하기 위한 본 발명의 다른 관점에 따르면, 공기극으로 피드백된 산소를 제공받고 연료극으로 수소를 제공받아 화학반응을 통해 전류를 생성하는 용융탄산염형 연료전지; 상기 용융탄산염형 연료전지에서 배출되는 가스 및 외기를 가열하기 위한 공용 히터부; 및 상기 공용 히터부에서 배출되는 가스를 제공받아 물의 전기분해를 통해 상기 피드백된 산소를 생성하고 이를 상기 용융탄산염형 연료전지에 제공하기 위한 고체산화물 수전해전지를 포함하는 용융탄산염형 연료전지와 고체산화물 수전해전지를 구비하는 융복합 시스템이 제공된다.
본 발명에 있어서 상기 공용 히터부는, 상기 용융탄산염형 연료전지에서 배출되는 가스를 가열하기 위한 제1 히터; 상기 외기를 가열하기 위한 제2 히터; 및 상기 제1 및 제2 히터에 열을 공급하기 위한 공용 열원을 포함하되, 상기 제1 히터와 상기 제2 히터는 서로 인접하게 배치되거나 격벽에 의하여 서로 구획되는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서 상기 고체산화물 수전해전지의 연료극에서 배출되는 수소를 압축하기 위한 압축기를 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서 상기 용융탄산염형 연료전지의 연료극 출력단에서 배출되는 가스를 필터링하기 위한 제1 필터; 및 상기 제1 필터에서 배출되는 가스의 양을 조절하여 상기 공용 히터부로 전달하기 위한 제1 밸브를 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서 상기 공용 히터부에서 배출되는 가스를 가열하기 위한 가열기를 더 포함하며, 상기 가열기는 상기 제1 밸브에서 제공되는 미반응 수소를 연료로 가열동작을 수행하는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서 상기 고체산화물 수전해전지의 열 관리를 위한 핫박스; 상기 용융탄산염형 연료전지의 공기극 출력단에서 배출되는 가스를 필터링하기 위한 제2 필터; 및 상기 제2 필터에서 배출되는 가스의 양을 조절하여 상기 핫박스와 상기 고체산화물 수전해전지의 공기극으로 전달하기 위한 제2 밸브를 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서 상기 핫박스와 상기 용융탄산염형 연료전지 사이에 구성되며, 상기 핫박스에서 배출되는 가스와 열교환이 이루어지고 상기 용융탄산염형 연료전지의 상기 연료극으로 상기 수소를 제공하기 위한 개질변환부를 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서 상기 개질변환유닛은, 상기 용융탄산염형 연료전지에서 배출되는 가스를 이용하여 개질된 연료가스를 예정된 온도로 예열하기 위한 제3 히터; 상기 제3 히터에서 배출되는 가스와 상기 핫박스에서 배출되는 가스를 이용하여 열교환을 통해 천연가스를 가열하기 위한 열 교환기; 및 상기 열 교환기에서 배출되는 가스의 수소 비율을 조절하기 위한 개질기를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서 상기 제2 밸브는 상기 제2 필터에서 배출되는 가스 중 일부를 상기 열 교환기로 제공하는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서 상기 고체산화물 수전해전지에서 배출되는 상기 피드백된 산소는 상기 가열기를 바이패스하여 상기 용융탄산염형 연료전지로 직접 전달되는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 용융탄산염형 연료전지와 고체산화물 수전해전지를 구비하는 융복합 시스템은 다음과 같은 효과를 제공한다.
본 발명은 용융탄산염형 연료전지와 고체산화물 수전해전지의 구동시 필요한 연료와 구동 후 발생한 부산물을 순환하여 사용함으로써 전력생산량 대비 필요로 하는 연료를 최소화할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 시스템 동작에 필요한 구성을 최적화하여 시스템의 규모 및 시스템에서 소모하는 전력을 최소화함으로써 용융탄산염형 연료전지와 고체산화물 수전해전지를 구비하는 융복합 시스템의 가격 경쟁력을 높여주고 유지관리 비용을 줄여줄 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 고체산화물 수전해전지의 공기극 출력단에서 생성된 고분압 산소가스를 용융탄산염형 연료전지의 공기극으로 공급함으로써 산소분압 증가로 인한 용융탄산염형 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 스탠바이 상태 이후 제2 히터를 가열하기 위한 추가 구성이나 별도의 제어가 필요하지 않기 때문에 시스템 규모를 줄이고 제어를 간단히 할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1 은 본 발명의 실시예에 따른 용융탄산염형 연료전지와 고체산화물 수전해전지를 구비하는 융복합 시스템을 설명하기 위한 도면.
도 2 는 본 발명의 다른 실시예에 따른 용융탄산염형 연료전지와 고체산화물 수전해전지를 구비하는 융복합 시스템을 설명하기 위한 도면.
본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
한편, 본 출원에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
단수의 표현은 문맥상 명백히 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
각 단계들에 있어 식별부호(예를 들어, a, b, c 등)는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.
여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.
도 1 은 본 발명의 실시예에 따른 용융탄산염형 연료전지와 고체산화물 수전해전지를 구비하는 융복합 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 1 을 참조하면, 용융탄산염형 연료전지와 고체산화물 수전해전지를 구비하는 융복합 시스템은 용융탄산염형 연료전지(10)와 고체산화물 수전해전지(30)를 포함한다.
우선, 용융탄산염형 연료전지(10)는 캐소드(cathode)인 공기극(CI1)으로 피드백된 산소를 제공받고, 애노드(anode)인 연료극(AI1)으로 수소를 제공받아 화학반응을 통해 전류를 생성한다.
이후 다시 설명하겠지만, 고체산화물 수전해전지(30)는 물에 대한 전기분해 동작을 통해 고온의 공기를 배출하는데, 이 고온의 공기에는 고분압의 산소가 포함되어 있으며 이 고온 고분압의 산소가 용융탄산염형 연료전지(10)의 공기극(CI1)으로 피드백된다.
아래 [표 1]은 용융탄산염형 연료전지(10)의 연료극 출력단(AO1)에서 배출되는 가스의 조성비율이다.
온도
(℃) 		조성(mole, %)
H2 CO CO2 H2O N2
600~620 9~11 4~6 40~46 39~43 0.1
[표 1]에서 볼 수 있듯이, 용융탄산염형 연료전지(10)는 산소와 수소의 화학반응을 통해 용융탄산염형 연료전지(10)의 연료극 출력단(AO1)으로 H2, CO, CO2, H2O를 배출한다. 이 부산물은 이후 설명하겠지만 고체산화물 수전해전지(30)의 연료극(CI2)에 제공된다.이어서, 아래 [표 2]은 용융탄산염형 연료전지(10)의 공기극 출력단(CO1)에서 배출되는 가스의 조성비율이다.
온도
(℃) 		조성(mole, %)
CO2 H2O N2 O2
360~380 4~5 17~20 66~69 8~10
[표 2]에서 볼 수 있듯이, 용융탄산염형 연료전지(10)의 공기극 출력단(CO1)은 산소와 수소의 화학반응을 통해 CO2, H2O, N2, O2를 부산물로 배출한다. 이 부산물은 이후 다시 설명하겠지만, 고체산화물 수전해전지(30)와 핫박스(31)에 제공된다.한편, 용융탄산염형 연료전지(10)와 고체산화물 수전해전지(30) 사이에는 가스를 필터링하여 원하는 구성으로 전달하기 위한 전달부(20)를 포함한다.
전달부(20)는 용융탄산염형 연료전지(10)의 연료극 출력단(AO1)에서 배출되는 가스를 필터링하기 위한 제1 필터(21)와, 제1 필터(21)에서 배출되는 가스의 양을 조절하여 고체산화물 수전해전지(30)의 연료극(CI2)으로 전달하기 위한 제1 밸브(22)와, 용융탄산염형 연료전지(10)의 공기극 출력단(CO1)에서 배출되는 가스를 필터링하기 위한 제2 필터(23), 및 제2 필터(23)에서 배출되는 가스의 양을 조절하여 고체산화물 수전해전지(30)의 공기극(AI2)과 핫박스(31)로 전달하기 위한 제2 밸브(24)를 포함한다.
여기서, 제1 밸브(22)는 제1 필터(21)에서 배출되는 가스 중 미반응 수소를 이후 설명할 가열기(40)의 연료로써 제공하고, 제2 밸브(24)는 제2 필터(23)에서 배출되는 가스 중 일부를 이후 설명할 열교환기(62)의 열원으로써 제공한다.
다음으로, 고체산화물 수전해전지(30)는 제1 밸브(22)에서 배출되는 가스를 고체산화물 수전해전지(30)의 연료극(CI2)으로 제공받아 물의 전기분해를 통해 고온 고분압의 산소를 생성한다. [표 1]에 기재되어 있듯이, 고체산화물 수전해전지(30)로 제공되는 가스의 조성비는 대략 H2O가 40%, CO2가 40%, H2가 10%가 되며 이는 고체산화물 수전해전지(30)가 물의 전기분해를 할 수 있는 충분한 범위에 포함되며, 이를 통해 본 발명의 실시예에서는 고체산화물 수전해전지(30)에 연료를 제공하기 위한 추가적인 구성이 필요 없다. 즉, 연료 제공을 위한 구성을 최소화하는 것이 가능하다.
이어서, 고체산화물 수전해전지(30)는 핫박스(31)를 포함하고 있으며, 핫박스(31)는 제2 밸브(24)에서 배출되는 가스를 이용하여 고체산화물 수전해전지(30)의 운전온도를 관리한다. [표 2]에 기재되어 있듯이 용융탄산염형 연료전지(10)의 공기극 출력단(CO1)으로 배출되는 가스의 온도는 360~380℃로써 고체산화물 수전해전지(30)의 핫박스(31)는 이 고온의 가스를 이용하여 물을 전기분해하는 데 있어서 최적의 운전온도를 조성해 주는 것이 가능하다.
이어서, 고체산화물 수전해전지(30)는 물에 대한 전기분해를 통해 고온 고분압의 산소를 고체산화물 수전해전지(30)의 공기극 출력단(AO2)으로 배출하고, H2, CO, H2O를 고체산화물 수전해전지(30)의 연료극 출력단(CO2)으로 배출한다.
다음으로, 가열기(40)는 용융탄산염형 연료전지(10)의 공기극(CI1)으로 공급되는 피드백된 산소의 온도를 용융탄산염형 연료전지(10)에서의 반응효율이 최적화되도록 가열하기 위한 구성으로서 제1 밸브(22)에서 제공되는 미반응 수소를 연료로써 사용하며 고체산화물 수전해전지(30)의 공기극 출력단(AO2)에서 배출되는 가스와 더불어 외기(OA)를 추가적으로 제공받는다.
다음으로, 압축기(50)는 고체산화물 수전해전지(30)의 연료극 출력단(CO2)에서 배출되는 가스를 압축하기 위한 구성으로서 이렇게 압축된 가스는 후단에 설치되는 수소탱크 등에 제공될 수 있다.
참고로, 도면에는 도시되지 않았지만, 압축기(50)에서 압축된 수소는 고체산화물 수전해전지(30)의 연료극으로 전달될 수 있으며 이를 통해 고체산화물 수전해전지(30)가 전기분해 동작을 수행하는데 있어서 최적의 가스 조성비를 확보하는 것이 가능하다.
한편, 고체산화물 수전해전지(30)의 핫박스(31)에서 배출되는 고온의 가스는 개질변환부(60)로 전달되어 열교환 동작에 사용된다.
개질변환부(60)는 핫박스(31)와 용융탄산염형 연료전지(10) 사이에 구성되며, 히터(61), 열교환기(62), 개질기(63) 로 구성된다.
여기서, 히터(61)는 용융탄산염형 연료전지(10)의 공기극 출력단(CO1)에서 배출되는 가스를 이용하여 개질된 연료가스를 예정된 온도로 예열하기 위한 구성이고, 열교환기(62)는 핫박스(31)에서 배출되는 가스와 히터(61)에서 배출되는 가스를 이용하여 열교환을 통해 천연가스(NG)와 H2O의 온도를 높여주기 위한 구성이고, 개질기(63)는 열교환기(62)에서 배출되는 가스의 수소 비율을 높게 조절하기 위한 구성이다. 개질기(63)에서 배출되는 가스는 다시 히터(61)로 전달되며 용융탄산염형 연료전지(10)의 연료극(AI1)으로 공급되는 수소의 온도를 최적화하는 것이 가능하다.
본 발명의 실시예에 따른 용융탄산염형 연료전지와 고체산화물 수전해전지를 구비하는 융복합 시스템은 용융탄산염형 연료전지(10)와 고체산화물 수전해전지(30)를 구비하며, 용융탄산염형 연료전지(10)에서 생성되는 부산물을 고체산화물 수전해전지(30)의 최적화된 연료로 제공하고, 고체산화물 수전해전지(30)에서 생성되는 부산물을 용융탄산염형 연료전지(10)의 연료극에 제공되는 수소의 온도를 높이기 위한 열원으로 제공하는 것이 가능하다.
도 2 는 본 발명의 다른 실시예에 따른 용융탄산염형 연료전지와 고체산화물 수전해전지를 구비하는 융복합 시스템을 설명하기 위한 도면이다. 도 2 의 실시예는 도 1 의 실시예와 비교하여 공용 히터부(300)가 추가된 것이 가장 큰 차이점이다.
도 2 를 참조하면, 용융탄산염형 연료전지와 고체산화물 수전해전지를 구비하는 융복합 시스템은 용융탄산염형 연료전지(100), 공용 히터부(300), 및 고체산화물 수전해전지(400)를 포함한다.
우선, 용융탄산염형 연료전지(100)는 캐소드인 공기극(CI1)으로 피드백된 산소를 제공받고, 애노드인 연료극(AI1)으로 수소를 제공받아 화학반응을 통해 전류를 생성한다.
이어서, 용융탄산염형 연료전지(100)와 고체산화물 수전해전지(400) 사이에는 가스를 필터링하여 원하는 구성으로 전달하기 위한 전달부(200)를 포함한다.
전달부(200)는 용융탄산염형 연료전지(100)의 연료극 출력단(AO)에서 배출되는 가스를 필터링하기 위한 제1 필터(210)와, 제1 필터(210)에서 배출되는 가스의 양을 조절하여 공용 히터부(300)로 전달하기 위한 제1 밸브(220)와, 용융탄산염형 연료전지(100)의 공기극 출력단(CO1)에서 배출되는 가스를 필터링하기 위한 제2 필터(230), 및 제2 필터(230)에서 배출되는 가스의 양을 조절하여 고체산화물 수전해전지(400)의 공기극(AI2)과 핫박스(410)로 전달하기 위한 제2 밸브(240)를 포함한다.
여기서, 제1 밸브(220)는 제1 필터(210)에서 배출되는 가스 중 미반응 수소를 이후 설명할 가열기(600)의 연료로써 제공하고, 제2 밸브(240)는 제2 필터(230)에서 배출되는 가스 중 일부를 이후 설명할 열교환기(830)의 열원으로써 제공한다.
다음으로, 공용 히터부(300)는 제1 밸브(220)에서 배출되는 가스를 예정된 온도로 가열하고 또한 피드백된 산소를 가열하기 위한 구성으로서 제1 히터(310)와 제2 히터(320)로 구성된다.
여기서, 제1 히터(310)는 제1 밸브(220)에서 배출되는 가스를 예정된 온도로 가열하기 위한 구성이고, 제2 히터(320)는 제3 밸브(500)를 통해 유입되는 외기(OA)를 예정된 온도로 가열하기 위한 구성이다.
제1 히터(310)와 제2 히터(320)는 하나의 공용 열원(도시되지 않음)을 포함하고 있으며, 이 공용 열원을 통해 제1 히터(310)와 제2 히터(320)는 열을 공급받아 가열 동작을 수행한다. 그리고 제1 히터(310)와 제2 히터(320)가 공용 열원을 사용하기 때문에 서로 인접하게 배치되거나 격벽에 의하여 서로 구획되는 구조를 가지는 것이 바람직하다. 제1 히터(310)와 제2 히터(320)의 동작 및 구조에 대해서는 아래에서 다시 설명하기로 한다.
다음으로, 고체산화물 수전해전지(400)는 공용 히터부(300)의 제1 히터(310)에서 배출되는 가스를 고체산화물 수전해전지(400)의 연료극(AI2)으로 제공받아 물의 전기분해를 통해 고온 고분압의 산소를 생성한다.
이어서, 고체산화물 수전해전지(400)는 핫박스(410)를 포함하고 있으며, 핫박스(410)는 제2 밸브(240)에서 배출되는 가스를 이용하여 고체산화물 수전해전지(400)의 운전온도를 관리한다.
이어서, 고체산화물 수전해전지(400)는 물의 전기분해를 통해 고온 고분압의 산소를 고체산화물 수전해전지(400)의 공기극 출력단(AO2)으로 배출하고, H2, CO, H2O를 고체산화물 수전해전지(400)의 연료극 출력단(CO2)으로 배출한다.
다음으로, 가열기(600)는 용융탄산염형 연료전지(100)의 공기극(CI1)으로 공급되는 피드백된 산소의 온도를 용융탄산염형 연료전지(100)에서의 반응효율이 최적화되도록 가열하기 위한 구성으로서 제1 밸브(220)에서 제공되는 미반응 수소를 연료로써 사용하며 고체산화물 수전해전지(400)의 공기극 출력단(AO2)에서 배출되는 가스와 더불어 외기(OA)를 가열한 제2 히터(320)에서 배출되는 가스를 추가적으로 제공받는다.
다음으로, 압축기(700)는 고체산화물 수전해전지(400)의 연료극 출력단(CO2)에서 배출되는 가스를 압축하기 위한 구성으로서 이렇게 압축된 가스는 후단에 설치되는 수소탱크 등에 제공될 수 있다.
참고로, 도면에는 도시되지 않았지만, 압축기(700)에서 압축된 수소는 제1 히터(310)로 제공될 수 있으며, 이를 통해 고체산화물 수전해전지(400)가 전기분해 동작을 수행하는데 있어서 최적의 가스 조성비를 확보하는 것이 가능하다.
한편, 고체산화물 수전해전지(400)의 핫박스(410)에서 배출되는 고온의 가스는 개질변환부(800)로 전달되어 열교환 동작에 사용된다.
개질변환부(800)는 핫박스(410)와 용융탄산염형 연료전지(100) 사이에 구성되며, 제3 히터(810), 열교환기(820), 개질기(830) 로 구성된다.
여기서, 제3 히터(810)는 용융탄산염형 연료전지(100)의 공기극 출력단(CO1)에서 배출되는 가스를 이용하여 개질된 연료가스를 예정된 온도로 예열하기 위한 구성이고, 열교환기(820)는 핫박스(410)에서 배출되는 가스와 제3 히터(810)에서 배출되는 가스를 이용하여 열교환을 통해 천연가스(NG)와 H2O의 온도를 높여주기 위한 구성이고, 개질기(830)는 열교환기(820)에서 배출되는 가스의 수소 비율을 높게 조절하기 위한 구성이다. 개질기(830)에서 배출되는 가스는 다시 제3 히터(810)로 전달되며 용융탄산염형 연료전지(100)의 연료극(AI1)으로 공급되는 수소의 온도를 최적화하는 것이 가능하다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 용융탄산염형 연료전지와 고체산화물 수전해전지를 구비하는 융복합 시스템은 용융탄산염형 연료전지(100)와 공용 히터부(300)와 고체산화물 수전해전지(400)를 구비하며, 용융탄산염형 연료전지(100)에서 생성되는 부산물을 고체산화물 수전해전지(400)의 최적화된 연료로 제공하고, 고체산화물 수전해전지(400)에서 생성되는 부산물을 용융탄산염형 연료전지(100)의 연료극에 제공되는 수소의 온도를 높이기 위한 열원으로 제공한다.
이하, 본 발명의 다른 실시예에 따른 용융탄산염형 연료전지와 고체산화물 수전해전지를 구비하는 융복합 시스템에 대한 운전동작을 살펴보기로 한다.
우선, 용융탄산염형 연료전지(100)은 공기극(CI1)으로 피드백된 산소와 연료극(AI1)에 제공되는 수소를 제공받아 화학반응을 통해 전류를 생성한다. 용융탄산염형 연료전지와 고체산화물 수전해전지를 구비하는 융복합 시스템의 최초 스탠바이 상태에서는 제2 히터(320)가 구동되며 고온의 산소를 용융탄산염형 연료전지(100)에 제공하는 것이 가능하다.
참고로, 스탠바이 상태 이후에는 용융탄산염형 연료전지(100)가 높은 열로 구동되고 있기 때문에 제2 히터(320)가 구동되지 않아도 되지만, 본 발명과 같이 제1 히터(310)와 제2 히터(320)가 서로 인접하게 배치되거나 격벽에 의하여 서로 구획되는 구조의 경우 제1 히터(310)와 제2 히터(320)가 공용 열원을 공유하여 사용하고 있기 때문에 제2 히터(320)를 가열하기 위한 추가 구성이나 별도의 제어가 필요하지 않다. 그리고 이는 용융탄산염형 연료전지와 고체산화물 수전해전지를 구비하는 융복합 시스템의 구조 및 제어를 최소화할 수 있음을 의미합니다.
한편, 용융탄산염형 연료전지(100)의 연료극 출력단(AO1)에서 배출된 가스는 전달부(200)를 통해 공용 히터부(300)의 제1 히터(310)로 전달되어 예정된 온도까지 가열된 이후 고체산화물 수전해전지(400)의 연료극(CI2)으로 전달되고, 용융탄산염형 연료전지(100)의 공기극 출력단(CO1)에서 배출된 가스는 전달부(200)로 통해 고체산화물 수전해전지(400)의 공기극(AI2)으로 전달된다.
그리고, 용융탄산염형 연료전지(100)의 공기극 출력단(CO1)에서 배출된 가스는 전달부(200)로 통해 고체산화물 수전해전지(400)의 핫박스(410)로 전달되어 고체산화물 수전해전지(400)의 운전온도를 관리하는데 사용된다.
한편, 고체산화물 수전해전지(400)는 물의 전기분해 동작을 수행하며, 고체산화물 수전해전지(400)에서 배출된 고온 고분압 산소는 가열기(600)에서 용융탄산염형 연료전지(100)의 반응효율을 높이기 위한 최적의 온도로 가열된 후 용융탄산염형 연료전지(100)의 공기극(CI1)으로 피드백된다. 여기서, 고체산화물 수전해전지(400)에서 배출되는 산소는 스탠바이 상태 이후 가열기(600)를 바이패스하여 용융탄산염형 연료전지(100)로 직접 전달되는 것도 가능하다.
이어서, 고체산화물 수전해전지(400)에서 배출되는 부산물은 압축기(700)와 열 교환기(820)로 전달된다. 압축기(700)는 이 부산물을 압축하여 후단에 설치되는 수소탱크로 전달하는 것이 가능하며, 도면에는 도시되지 않았지만, 제1 히터(310)로 피드백시켜 고체산화물 수전해전지(400)의 연료극(AI1)으로 제공되는 가스의 조성비를 최적화하는 것이 가능하다.
이어서, 열 교환기(820)는 이 부산물을 이용하여 천연가스(NG)와 열교환 동작을 수행한다. 그리고 열 교환기(820)를 거친 가스는 개질기(830)를 통해 수소 비율이 조절되고 제3 히터(810)를 통해 원하는 온도로 예열된 후 용융탄산염형 연료전지(100)의 연료극(AI1)으로 전달된다.
정리하면, 본 발명의 실시예에 따른 용융탄산염형 연료전지와 고체산화물 수전해전지를 구비하는 융복합 시스템은 용융탄산염형 연료전지(100)와 고체산화물 수전해전지(400)를 포함하여 연료와 부산물을 순환하여 사용함으로써 전력생산량 대비 필요로 하는 연료를 최소화할 수 있으며, 시스템 동작에 필요한 구성을 최적화하여 시스템의 규모 및 시스템에서 소모하는 전력을 최소화함으로써 용융탄산염형 연료전지와 고체산화물 수전해전지를 구비하는 융복합 시스템의 가격 경쟁력을 높여주고 유지관리 비용을 줄여주는 것이 가능하다. 특히, 고체산화물 수전해전지(400)에 연료를 공급하기 위한 추가적인 구성이 필요하지 않으며, 공용 히터부(300)의 구성을 통해 가열 동작에 필요한 구성만을 구비함으로써 시스템 규모를 최소화하는 것이 가능하다.
본 명세서에서 설명되는 실시 예와 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 예시적으로 설명하는 것에 불과하다. 따라서, 본 명세서에 개시된 실시 예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아님은 자명하다. 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시 예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10 : 용융탄산염형 연료전지 20 : 전달부
30 : 고체산화물 수전해전지 40 : 가열기
50 : 압축기 60 : 개질변환부

Claims (18)

  1. 공기극으로 산소를 제공받고 연료극으로 수소를 제공받아 화학반응을 통해 전류를 생성하는 용융탄산염형 연료전지;
    상기 용융탄산염형 연료전지의 연료극 배출 가스를 전기분해하여 산소와 수소를 생성하는 고체산화물 수전해전지;
    상기 용융탄산염형 연료전지의 공기극 배출 가스로부터 열을 제공 받는 상기 고체산화물 수전해전지의 핫박스; 및
    상기 핫박스와 상기 용융탄산염형 연료전지 사이에 구성되며, 상기 핫박스에서 배출되는 가스와 열교환이 이루어지고, 천연가스를 개질하여 상기 용융탄산염형 연료전지의 연료극으로 수소를 제공하는 개질변환부
    를 포함하는 용융탄산염형 연료전지와 고체산화물 수전해전지를 구비하는 융복합 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 개질변환부는,
    상기 용융탄산염형 연료전지에서 배출되는 가스를 이용하여 개질된 연료가스를 예정된 온도로 예열하기 위한 히터;
    상기 히터에서 배출되는 가스와 상기 핫박스에서 배출되는 가스를 이용하여 열교환을 통해 천연가스를 가열하기 위한 열 교환기; 및
    상기 열교환기에서 배출되는 가스의 수소 비율을 조절하기 위한 개질기를 포함하는
    용융탄산염형 연료전지와 고체산화물 수전해전지를 구비하는 융복합 시스템.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 고체산화물 수전해전지에서 배출되는 수소를 압축하기 위한 압축기를 더 포함하는
    용융탄산염형 연료전지와 고체산화물 수전해전지를 구비하는 융복합 시스템.
  9. 공기극으로 산소를 제공받고 연료극으로 수소를 제공받아 화학반응을 통해 전류를 생성하는 용융탄산염형 연료전지;
    상기 용융탄산염형 연료전지의 연료극 배출 가스 및 외기를 가열하는 공용 히터부;
    상기 공용 히터부를 경유한 상기 용융탄산염형 연료전지의 연료극 배출 가스를 전기분해하여 산소와 수소를 생성하는 고체산화물 수전해전지;
    상기 용융탄산염형 연료전지의 공기극 배출 가스로부터 열을 제공 받는 상기 고체산화물 수전해전지의 핫박스; 및
    상기 핫박스와 상기 용융탄산염형 연료전지 사이에 구성되며, 상기 핫박스에서 배출되는 가스와 열교환이 이루어지고, 천연가스를 개질하여 상기 용융탄산염형 연료전지의 연료극으로 수소를 제공하는 개질변환부
    를 포함하는 용융탄산염형 연료전지와 고체산화물 수전해전지를 구비하는 융복합 시스템.
  10. 삭제
  11. 제9항에 있어서,
    상기 고체산화물 수전해전지의 연료극에서 배출되는 수소를 압축하기 위한 압축기를 더 포함하는
    용융탄산염형 연료전지와 고체산화물 수전해전지를 구비하는 융복합 시스템.
  12. 삭제
  13. 제9항에 있어서,
    상기 공용 히터부에서 배출되는 가스를 가열하기 위한 가열기를 더 포함하며,
    상기 가열기는 상기 용융탄산염형 연료전지의 연료극 배출 가스에 포함된 미반응 수소를 연료로 가열동작을 수행하는 것을 특징으로 하는 용융탄산염형 연료전지와 고체산화물 수전해전지를 구비하는 융복합 시스템.
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 제9항에 있어서,
    상기 개질변환부는,
    상기 용융탄산염형 연료전지에서 배출되는 가스를 이용하여 개질된 연료가스를 예정된 온도로 예열하기 위한 제3 히터;
    상기 제3 히터에서 배출되는 가스와 상기 핫박스에서 배출되는 가스를 이용하여 열교환을 통해 천연가스를 가열하기 위한 열 교환기; 및
    상기 열 교환기에서 배출되는 가스의 수소 비율을 조절하기 위한 개질기를 포함하는
    용융탄산염형 연료전지와 고체산화물 수전해전지를 구비하는 융복합 시스템.
  17. 삭제
  18. 제13항에 있어서,
    상기 고체산화물 수전해전지에서 배출되는 산소는 상기 가열기를 바이패스하여 상기 용융탄산염형 연료전지로 직접 전달되는 것을 특징으로 하는 용융탄산염형 연료전지와 고체산화물 수전해전지를 구비하는 융복합 시스템.
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