KR102184354B1 - 촉매 연소기를 구비한 양방향 수전해 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 양방향 수전해 시스템에 관한 것으로, 일 실시예에 따르면, 수소극, 공기극 및 그 사이에 개재된 전해질로 구성되며 수전해 모드와 연료전지 모드 중 어느 하나의 모드에서 동작 가능한 양방향 수전해 연료전지; 상기 수소극에서 배출되는 제1 배출가스를 이송하는 제1 배출경로; 상기 공기극에서 배출되는 제2 배출가스를 이송하는 제2 배출경로; 상기 제1 배출가스의 일부를 공급받아 상기 제2 배출가스를 가열하는 촉매 연소기; 상기 촉매 연소기의 하류측에 설치되고 상기 공기극으로 공급하는 공기와 상기 제2 배출가스를 열교환하는 공기-배출가스간 열교환기;를 포함하는 양방향 수전해 시스템을 제공한다.

Description

촉매 연소기를 구비한 양방향 수전해 시스템 {Reversible solid oxide electrolysis system having catalyst combustor}
본 발명은 양방향 수전해 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 촉매 연소기를 이용하여 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: 한국 등록특허번호 제10-0776353호 (2007년 11월 07일 공고)
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 양방향 수전해 시스템의 열에너지를 효율적으로 활용하여 시스템 효율을 향상시키고 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 수전해 모드와 연료전지 모드 중 어느 하나의 모드에서 동작 가능한 양방향 수전해 연료전지; 상기 수소극에서 배출되는 제1 배출가스를 이송하는 제1 배출경로; 상기 공기극에서 배출되는 제2 배출가스를 이송하는 제2 배출경로; 상기 제1 배출가스의 일부를 공급받아 상기 제2 배출가스를 가열하는 촉매 연소기; 상기 촉매 연소기의 하류측에 설치되고 상기 공기극으로 공급하는 공기와 상기 제2 배출가스를 열교환하는 공기-배출가스간 열교환기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 수전해 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 수소극과 공기극을 구비한 양방향 수전해 연료전지를 이용하여 수전해 모드와 연료전지 모드에서 동작 가능한 양방향 수전해 시스템의 동작 방법으로서, 수소극으로 공급할 수소를 상기 수소극에서 배출되는 제1 배출가스와 열교환하는 단계; 제1 블로워 및 제1 블로워보다 대용량인 제2 블로워 중 하나를 통해 공기극으로 공급하는 공기를 상기 공기극에서 배출되는 제2 배출가스와 열교환하는 단계; 상기 제1 배출가스 중 일부를 분기유로를 통해 분기하여 상기 제2 배출가스로 합류시키는 단계; 및 제1 배출가스가 혼합된 제2 배출가스를 촉매 연소기를 이용하여 가열하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 수전해 시스템의 동작 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 수소극의 배출가스 중 일부를 촉매 연소기의 연료로 사용하여 공기극의 배출가스를 가열하도록 구성함으로써 공기극 배출가스의 온도를 더 높이고 더 많은 열에너지를 공기에 전달할 수 있으므로 공기극에 공급할 공기를 가열하기 위한 히터의 소비전력을 줄이고 시스템 효율을 향상시키는 효과를 얻을 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 연료전지의 수소극에서 배출되는 배출가스에서 물을 분리하여 외부로 배출하기 위해 배수 펌프를 설치하고 이 배수 펌프의 동작을 제어하여 연료전지의 수소극 입구와 공기극 입구의 압력차를 소정 범위 이하로 유지함으로써 연료전지를 안정적으로 운전하며, 연료전지 효율을 향상시키는 효과를 달성하였다.
도1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 양방향 수전해 시스템을 설명하기 위한 도면,
도2는 제1 실시예의 양방향 수전해 시스템의 수전해(SOEC) 모드를 설명하기 위한 도면,
도3은 제1 실시예의 양방향 수전해 시스템의 연료 전지(SOFC) 모드를 설명하기 위한 도면,
도4는 제2 실시예에 따른 양방향 수전해 시스템을 설명하기 위한 도면,
도5는 제2 실시예의 양방향 수전해 시스템의 수전해(SOEC) 모드를 설명하기 위한 도면,
도6은 제2 실시예의 양방향 수전해 시스템의 연료 전지(SOFC) 모드를 설명하기 위한 도면,
도7은 제3 실시예에 따른 양방향 수전해 시스템을 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 스팀 생성부(10), 양방향 수전해 연료전지(30), 히터(61,62) 등의 구성요소와 이 구성요소들 사이를 연결하는 다수의 유로, 그리고 유로에 배치된 다수의 열교환기, 블로워, 및 펌프로 구성될 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 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 모드(이하에서 "SOEC 모드"라고도 함)에서 수소극(31)은 외부로부터 스팀(H2O)을 공급받아 이로부터 수소(H2)를 생산한다. 즉 수소극(31)은 유로(L21)로부터 스팀(H2O)을 공급받아 수소(H2)를 생성하며, 이렇게 생성된 수소(H2) 및 수소로 변환되지 못한 스팀(H2O)이 포함된 가스를 유로(L41)를 통해 제1 배출가스로서 배출한다. 수전해 모드(이하에서 "SOFC 모드"라고도 함)에서 공기극(32)은 수소극(31)으로부터 산소(O2)를 전달받으며, 이렇게 전달받은 산소(O2)를 유로(L53)를 통해 외부로부터 공급된 공기를 이용하여 이송한다. 공기극(32)은 산소와 공기가 포함된 가스를 유로(L61)를 통해 제2 배출가스로서 배출한다.
연료전지 모드에서, 수소극(31)은 유로(L11)로부터 공급되는 수소 및 공기극(32)으로부터 전달받은 산소의 화학반응에 의해 물(스팀)을 생성하며, 이렇게 생성된 스팀 및 스팀으로 변환되지 못한 수소가 포함된 가스를 유로(L41)를 통해 배출가스로서 배출할 수 있다. 공기극(32)은 유로(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.
이론적으로 수전해 모드에서는 연료전지(30)에 물(스팀)과 전기를 공급하고 연료전지 모드에서는 연료전지(30)에 수소와 산소를 공급하지만 실제 장치의 동작을 위해서는 화학반응을 돕기 위해 수전해 모드와 연료전지 모드의 각 모드에서 수소와 스팀의 혼합가스를 연료전지(30)에 공급하는 것이 바람직하다. 다만 수전해 모드에서는 스팀이 주로 필요하기 때문에 스팀과 수소를 예컨대 80:1의 질량비(대략 8.9:1의 부피비)로 스팀과 수소의 혼합 가스를 연료전지(30)로 공급하고 연료전지 모드에서는 수소가 주로 필요하기 때문에 수소와 스팀을 예컨대 3.6:1의 질량비(대략 32:1의 부피비)로 혼합하여 연료전지(30)에 공급할 수 있다. 이 경우 수전해 모드와 연료전지 모드의 각각에서 수소와 스팀의 혼합 비율은 구체적 실시 형태에 따라 달라질 수 있음은 물론이다. 또한 각 모드에 따라 수소와 스팀의 혼합비를 다르게 조정하여 공급하기 위해, 도면에 도시하지 않았지만 예컨대 수소 공급 유로(L11)나 스팀 공급 유로(L21) 중 적어도 하나의 유로에 블로워, 펌프, 및/또는 유량제어밸브를 설치하여 수소 및/또는 스팀의 공급량을 조절할 수 있다.
도시한 실시예에서 수소는 수소 공급 유로(L11)을 통해 연료전지(30)로 공급된다. 수소 공급 유로(L11)는 예컨대 수소저장탱크(도시 생략)에 연결될 수 있다. 수소 공급 유로(L11)로 유입된 수소는 제1 열교환기(41)에서 가열될 수 있다. 제1 열교환기(41)는 연료전지(30)의 수소극(31)으로 공급되는 수소 가스와 수소극(31)에서 배출되는 배출가스의 사이의 열교환이 일어나도록 구성된다. 일 실시예에서 수소극(31)으로 공급되는 수소는 예를 들어 상온 또는 섭씨 35도 내지 45도이고 수소극(31)에서 배출되는 배출가스는 섭씨 700도 내지 750도일 수 있고, 이 경우 수소극(31)으로 공급되는 수소가 제1 열교환기(41)에서 예컨대 대략 섭씨 650도 또는 그 이상으로 가열될 수 있다.
스팀은 스팀 공급 유로(L21)를 통해 연료전지(30)에 공급된다. 스팀 공급 유로(L21)에 연결된 스팀 생성부(10)는 예컨대 펌프(11)와 보일러(12)를 구비할 수 있고, 펌프(11)에 의해 보일러(12)로 공급된 물을 가열하여 스팀을 생성한다. 일 실시예에서 보일러(12)는 폐기물 고형연료 보일러 시스템, 열병합 발전 시스템, 복합발전 시스템, 폐기물 소각 시스템 등 기존의 연소장치나 소각장치로 구현될 수 있다.
도시한 실시예에서 양방향 수전해 시스템은 시스템 외부로부터 물(이하 “외부공급 물”이라 함)을 공급받는 물 공급 유로(L31) 및 이 유로(L31)에 설치된 펌프(15)와 제2 열교환기(42)를 더 포함한다.
제2 열교환기(42)는 유로(L31)로 공급되는 외부공급 물과 수소극(31)에서 배출되는 배출가스 사이의 열교환이 일어나도록 구성되며, 배출가스의 흐름에서 볼 때 제1 열교환기(41)의 하류측에 배치된다. 일 실시예에서 외부공급 물은 예를 들어 상온 내지 45도 사이의 온도이고 제2 열교환기(42)로 공급되는 배출가스는 섭씨 600도 내지 700도 사이일 수 있고, 이 경우 외부공급 물은 제2 열교환기(42)에서 기화되고 예컨대 섭씨 600도 이상으로 가열될 수 있다. 제2 열교환기(42)에서 기화된 고온의 스팀은 스팀 공급 유로(L21)에 합류한 후 유로(L21,L12)를 따라 수소극(31)으로 공급된다.
이와 같이 외부에서 물을 공급받는 물 공급 유로(L31)와 제2 열교환기(42)를 더 포함하면 수소극에서 배출되는 배출가스의 폐열 회수율을 높이는 이점이 있다. 물 공급 유로(L31)와 제2 열교환기(42)가 없다면 배출 유로(L41)의 배출가스가 제1 열교환기(41) 및 후술하는 제3 열교환기(43)를 통과한 이후에도 고온을 유지하며 예컨대 수전해 모드에서 제3 열교환기(43)를 통과한 배기가스가 섭씨 600도 이상인 경우도 있지만, 도1의 실시예에 따르면 배출 유로(L41)의 배출가스가 제2 열교환기(42)에서 외부공급 물을 가열하기 때문에 제3 열교환기(43)를 통과한 배기가스가 예컨대 섭씨 100도 내지 150도 사이까지 냉각될 수 있고 배출가스의 폐열 회수율을 그만큼 더 높일 수 있다.
스팀 공급 유로(L21)는 수소 공급 유로(L11)와 합류하며, 수소와 스팀의 혼합 가스가 혼합가스 공급 유로(L12)를 따라 연료전지(30)의 수소극(31)에 공급된다. 이 때 스팀 공급 유로(L21)와 수소 공급 유로(L11)의 합류점이 수소 공급 유로(L11) 관점에서 볼 때 제1 열교환기(41)의 하류측, 즉 제1 열교환기(41)와 수소극(31) 사이에 위치한다. 따라서 수소극(31)에서 배출되는 고온의 배출가스는 이미 고온으로 가열된 스팀을 재가열 하지 않고 제1 열교환기(41)에서 수소만 가열하면 되므로, 수소와 스팀의 혼합 가스를 가열하는 것에 비해 수소를 더 고온으로 가열할 수 있다.
일 실시예에서 양방향 수전해 시스템은 제1 히터(61)를 더 포함할 수 있다. 제1 히터(61)는 수소극(31)의 입구측에 인접하여 혼합가스 공급 유로(L12) 상에 배치된다. 제1 히터(61)는 연료전지(30)가 최적의 효율로 수전해 모드와 연료전지 모드에서 동작할 수 있도록 수소와 스팀의 혼합가스의 온도를 소정 온도 범위로 가열할 수 있다. 일 실시예에서 제1 히터(61)는 수소와 스팀의 혼합가스의 온도를 섭씨 650도 내지 750도 사이의 범위로 가열할 수 있다. 또한 도면에 도시하지 않았지만, 이러한 온도 제어를 위해 제1 히터(61)의 내부 또는 전단이나 후단에 하나 이상의 온도센서가 설치되어 혼합가스의 온도를 측정하고 이에 기초하여 혼합가스를 가열할 수 있다.
일 실시예에서 양방향 수전해 시스템은 외부로부터 공기를 공기극(32)으로 공급하는 공기 공급 유로(L53) 및 이 유로(L53)에 배치된 공기-배출가스간 열교환기(53)를 포함한다. 열교환기(53)는 공기 공급 유로(53)를 통해 공기극(32)으로 이송되는 공기와 공기극(32)에서 배출되어 배출 유로(L61)로 이송되는 배출가스 사이를 열교환 한다.
공기 공급 유로(53)에 제2 히터(62)가 설치될 수 있다. 제2 히터(62)는 공기극(32)에 인접하게 공기 공급 유로(L53) 상에 배치되어, 연료전지(30)가 최적의 효율로 동작할 수 있도록 공기를 소정 온도 범위로 가열할 수 있다. 일 실시예에서 열교환기(53)가 상온의 공기를 대략 섭씨 650도 내지 700도로 가열하고 그 후 제2 히터(62)가 이 공기를 섭씨 700도 내지 750도로 가열한 후 공기극(32)으로 공급할 수 있다.
도시한 실시예에서, 공기 공급 유로(L53)의 상류측에 서로 병렬로 배치된 제1 분기 유로(L51)와 제2 분기 유로(L52)가 연결되고 각 분기 유로(L51,L52)에 제1 블로워(51)와 제2 블로워(52)가 설치된다. 제2 분기 유로(L52)는 제1 분기 유로(L51)에 비해 더 많은 양의 공기를 이송하도록 구성된다. 예를 들어 제2 분기 유로(L52)의 배관이 제1 분기 유로(L51)의 배관 보다 더 큰 직경을 가지며 제2 블로워(52)가 제1 블로워(51)에 비해 더 많은 공기를 공급할 수 있도록 구성된다. 일 실시예에서 제2 블로워(52)가 제1 블로워(51) 보다 5 내지 15배 큰 공기 공급량을 가진다.
수전해 모드의 경우 물(스팀)과 전기가 많이 필요하고 공기는 상대적으로 적은 양이 필요하며 연료전지 모드에서는 수소와 산소(공기)가 많이 필요하므로 공기 공급량이 많아야 한다. 따라서 일 실시예에서, 수전해 모드에서 제1 블로워(51)만 구동하고 제2 블로워(52)는 구동하지 않으며 연료전지 모드에서는 제2 블로워(52)만 구동하고 제1 블로워(51)는 구동하지 않는다. 대안적 실시예에서, 연료전지 모드에서 제1 및 제2 블로워(51,52)가 모두 구동할 수도 있다.
연료전지(30)의 수소극(31)에서 배출되는 배출가스는 배출 유로(L41)를 따라 외부로 배출된다. 이 때 수소극 배출 유로(L41)의 배출가스 중 일부를 공기극 배출 유로(L61)로 이송하는 분기 유로(L46) 및 이 분기 유로(L46)와 배출 유로(L61)의 합류지점에 설치된 촉매 연소기(57)를 더 포함할 수 있다.
촉매 연소기(57)는 금속 또는 금속산화물의 촉매를 담지한 담체를 공기극(32)에서 배출되는 배출가스 및 분기 유로(L46)를 통해 분기된 수소극 배출가스가 통과하도록 구성된다.
연료전지 모드의 경우, 수소극(31)에서 배출되는 배출가스 중 소량의 수소가 촉매 연소기(57)에서 연료로 기능하여 공기극(32)에서 배출되는 공기를 가열하고, 공기극(32)의 배출가스의 온도를 대략 20도 내지 30도 상승시킬 수 있다. 예를 들어 촉매 연소기(57)가 없는 제1 내지 제3 실시예에서 공기극(32)에서 배출되는 배출가스 온도가 대략 섭씨 750도인 경우, 제4 실시예와 같이 촉매 연소기(57)를 설치하면 촉매 연소기(57)를 통과한 배출가스가 대략 섭씨 770도 내지 780도까지 가열될 수 있고, 이렇게 추가적으로 가열된 배출가스가 공기-배출가스간 열교환기(53)에서 공기 유로(L53)의 공기에 더 많은 열에너지를 전달할 수 있으므로 제2 히터(62)를 동작시키지 않아도 된다. 한편 상술한 온도 수치는 예시적인 것이며 발명의 구체적 실시 형태에 따라 온도 상승 범위가 달라질 수 있다.
일 실시예에서 대량의 공기가 필요한 연료전지 모드에서 촉매 연소기(57)를 사용하고 수전해 모드에서는 촉매 연소기(57)를 사용하지 않아도 된다. 이를 위해 예컨대 분기 유로(L46) 상에 개폐밸브(도시 생략)를 설치하고 연료전지 모드에서 분기 유로(L46)를 개방하고 수전해 모드에서 분기 유로(L46)를 폐쇄하도록 제어 할 수 있다.
한편, 수소극(31)에서 배출되되 분기 유로(L46)로 분기되지 않은 나머지 배출 가스는 배출 유로(L41)를 따라 순차적으로 제1 열교환기(41) 내지 제3 열교환기(43)를 통과하며 이송된다. 제1 열교환기(41)에서 배출가스는 수소 공급 유로(L11)를 통해 수소극(31)으로 공급되는 수소에 열에너지를 전달하여 수소를 가열한다. 제2 열교환기(42)에서 배출가스는 물 공급 유로(L13)를 통해 외부에서 공급되는 물에 열에너지를 전달하여 물을 가열한다.
제2 열교환기(42)를 통과한 배출 가스는 물 배출부로 이송된다. 물 배출부는 배출가스 중의 물을 분리하여 배출하는 장치이며, 도시한 실시예에서 물 배출부는 응축기(71)와 드레인(72) 및 응축기(71)를 통과하며 순환하는 냉매의 순환 유로(L70) 상에 설치된 펌프, 냉각장치 등을 포함할 수 있다. 응축기(71)에서 배출가스의 물이 응축되고 응축된 물은 드레인(72)에서 물 배출유로(L42,L43)를 통해 외부로 배출된다. 응축되지 않은 나머지 가스 성분(즉, 수소 및 응축되지 않은 스팀)은 유로(L45)를 따라 이송되고 블로워(73), 압축기(74), 수소 분리기(75) 등을 거쳐 수소와 스팀으로 분리된 후 각각 처리/저장될 수 있다. 도면에 도시한 물 배출부는 공지 기술의 하나의 예시적인 구성을 나타낸 것이며, 본 발명의 실시 형태에 따라 배출가스에서 물을 분리하여 배출하고 수소를 추출하는 방식이나 구체적 장치 구성이 달라질 수 있음은 물론이다.
본 발명의 일 실시예에서, 드레인(72)을 통과하여 유로(L45)로 이송되는 가스 중 적어도 일부가 재순환 유로(L44)를 통해 분기된다. 재순환 유로(L44)는 수소 공급 경로(L11)에 연결되어 있으며, 따라서 재순환 유로(L44)를 통해 분기된 가스는 재순환 가스로서 수소극(31)에 재공급 될 수 있다.
재순환 유로(L44)에 제2 열교환기(42)와 블로워(45)가 설치될 수 있다. 바람직하게는, 재순환 유로(L44)의 상류에서 하류 방향으로 제3 열교환기(43)와 블로워(45)가 순차적으로 설치된다.
제3 열교환기(43)는 배출 유로(L41)의 배출가스와 재순환 유로(L44)의 재순환 가스 사이를 열교환하여 재순환 가스를 가열한다. 일 실시예에서 제3 열교환기(43)는 재순환 가스의 온도를 상승하여 재순환 가스에 응결이 발생하지 않도록 할 목적으로 설치되는 소형 열교환기일 수 있다. 재순환 유로(L44)로 분기된 재순환 가스는 포화상태의 가스이며 재순환 유로(L44)의 환경에 따라 약간이라도 응결이 되면 후단의 블로워(45) 등 장치가 손상될 수 있다. 또한 제3 열교환기(43)에서 재순환 가스가 지나치게 고온으로 가열되는 경우에도 블로워(45)의 내구성이 문제가 될 수 있다. 따라서 본 발명의 바람직한 일 실시예에서 블로워(45)의 전단(상류측)에 소형의 제3 열교환기(43)를 설치하여 재순환 가스 온도를 약간 상승시킨 후 블로워(45)로 이송되도록 한다. 제3 열교환기(43)에 의해 상승하는 재순환 가스의 온도는 재순환 가스의 유량에 따라 달라질 수 있으며, 일 실시예에서 재순환 가스의 온도가 대략 5도 내지 30도 사이의 범위에서 상승하도록 한다.
제3 열교환기(43)와 블로워(45)를 차례로 통과한 재순환 가스는 수소 공급 유로(L11)에 합류하여 수소 가스와 함께 제1 열교환기(41)에서 고온으로 가열된 후 연료전지(30)의 수소극(31)으로 공급될 수 있다.
한편 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 양방향 수전해 시스템은 물 배출유로(L43)에 설치된 배수 펌프(77)를 더 포함할 수 있다. 펌프(77)는 드레인(72)에서 유로(L42)를 따라 배출되는 물을 강제로 펌핑하여 외부로 배출할 수 있다.
물 배출유로(L43)에 배수 펌프(77)를 설치하면, 첫째, 연료전지(30)의 수소극(31)의 입구와 공기극(32)의 입구의 압력 차이를 없애거나 소정 범위로 줄여서 유지시킬 수 있다. 연료전지(30)의 수소극(31)과 공기극(32)의 입구측의 압력 차이가 작을수록 연료전지 시스템을 안정적으로 운전할 수 있으며 효율이 높아질 수 있는데 일반적인 연료전지 시스템의 경우 공기극(32)에 비해 수소극(31)의 입구측과 출구측에 다수의 유로들과 열교환기 등의 장치들이 설치되기 때문에 수소극(31)의 압력이 더 높은 상태에 있다. 그러나 본 발명의 펌프(77)를 구동할 경우 펌프(77)의 흡입력이 수소극(31)의 배출 유로(L41)를 따라 수소극(31)에 작용하여 수소극(31)의 입구측 압력을 낮출 수 있다. 따라서 펌프(77)를 동작을 제어함으로써 수소극(31)과 공기극(32)의 입구측 압력을 서로 동일하게 또는 소정의 범위 내에서 거의 동일하게 유지시킬 수 있어 시스템을 안정적으로 운전할 수 있고 효율을 높일 수 있다.
또한 수소극(31)의 입구측 압력이 낮아진 만큼 수소 공급 유로(L11)를 따라 수소를 수소극(31)으로 이송하기 위한 펌프나 블로워(도시 생략)의 용량이 작아져도 되며, 배출 유로(L41) 내부의 압력이 전체적으로 낮아져서 대기압보다 낮아지는 경우에도 펌프(77)에 의해 물을 강제로 배출하기 때문에 물이 배출 유로(L41)로 역류하는 것을 방지할 수 있다.
이제 도2와 도3을 참조하여 제1 실시예의 양방향 수전해 시스템의 수전해 모드와 연료전지 모드의 동작을 각각 설명하기로 한다.
도2는 제1 실시예의 양방향 수전해 시스템의 수전해 모드의 동작 상태를 나타낸다. 수전해 모드에서 사용되는 유로를 도면에 굵은 선으로 표시하였다.
도면을 참조하면, 수전해 모드에서 스팀 생성부(10)에서 생성된 스팀이 스팀 공급 유로(L21)를 통해 공급되고, 이와 동시에 외부공급 물도 물 공급 유로(L31)를 통해 공급된다. 외부공급 물은 제2 열교환기(42)에서 기화되고 고온의 스팀이 된 후 스팀 공급 유로(L21)에 합류되고 이렇게 혼합된 스팀은 유로(L21,L12)를 통해 수소극(31)으로 공급된다.
수전해 모드에서는 소량의 수소만 필요하므로 수소 공급 유로(L11)를 통해 별도의 수소를 공급하지 않으나 초기 기동시에는 일부를 공급할 수도 있다. 또한 상대적으로 적은 양의 공기만 필요하므로 제1 블로워(51)가 작동하고 제2 블로워(52)는 작동하지 않는다.
연료전지(30)에서 수전해 반응이 일어남에 따라 수소극(31)으로부터 수소와 스팀으로 이루어진 제1 배출가스가 배출 유로(L41)를 통해 배출되고 공기극(32)으로부터 산소와 공기로 이루어진 제2 배출가스가 배출 유로(L61)를 통해 배출된다.
수전해 모드에서는 촉매 연소기(57)를 사용하지 않아도 되며, 배출 유로(L41)로 배출되는 제1 배출가스는 제1 열교환기(41), 제2 열교환기(42), 및 제3 열교환기(43)를 순차적으로 통과하며 하류측 재순환 가스, 외부공급 물, 및 상류측 재순환가스를 순차적으로 가열하고 그 후 물 배출부로 이송된다. 물 배출부에서 제1 배출가스의 스팀이 응축되어 물 배출유로(L43)를 따라 외부로 배출되고 수소 및 응축되지 않은 스팀의 혼합가스 중 일부는 재순환 가스로서 재순환 유로(L44)를 따라 수소극(31)으로 재공급되고 혼합가스의 나머지는 배출 유로(L45)를 따라 이송되어 각기 분리되어 처리된다.
재순환 유로(L44)와 배출유로(L45)의 각각으로 분기되는 혼합가스의 유량 비율은 구체적 실시 형태에 따라 달라질 수 있으며, 일 실시예에서 예컨대 1:3 내지 1:5의 비율로 각각 재순환 유로(L44)와 배출유로(L45)로 분기될 수 있다.
도3은 제1 실시예의 양방향 수전해 시스템의 연료전지 모드의 동작 상태를 나타낸다. 도면에서 수전해 모드에서 사용되는 유로를 굵은 선으로 표시하였다.
도면을 참조하면, 연료전지 모드에서 수소 공급 유로(L11)를 통해 수소가 공급되고 스팀 공급 유로(L21)를 통해 소량의 스팀이 공급된다. 소량의 스팀만 필요하므로 물 공급 유로(L31)에 의한 외부공급 물은 공급되지 않는다.
수소는 제1 열교환기(41)에서 배출 유로(L41)의 배출가스와 열교환하여 가열된 후 스팀과 혼합되고 그 후 혼합 유로(L12)를 통해 스팀과 수소의 혼합 가스가 수소극(31)으로 공급된다.
연료전지 모드에서는 상대적으로 많은 양의 공기가 필요하므로 공기극(32)에 공기를 공급하기 위해 제2 블로워(52)가 작동하고 제1 블로워(51)는 작동하지 않는다. 대안적 실시예에서 제1 및 제2 블로워(51,52)가 모두 작동할 수도 있다.
연료전지 모드에서 촉매 연소기(57)를 사용될 수 있다. 수소극(31)에서 배출되는 배출가스 중 소량의 수소가 분기 유로(L46)로 분기되어 촉매 연소기(57)로 공급되고 촉매 연소기(57)에서 연료로 기능하여 공기극(32)에서 배출되는 공기를 가열하고, 공기극(32)의 배출가스의 온도를 대략 20도 내지 30도 상승시킬 수 있다.
예를 들어 촉매 연소기(57)를 사용하지 않을 경우 공기극(32)에서 배출되는 배출가스 온도가 대략 섭씨 750도인 경우, 촉매 연소기(57)를 사용하면 촉매 연소기(57)를 통과한 배출가스가 대략 섭씨 770도 내지 780도까지 가열될 수 있고, 이렇게 추가적으로 가열된 배출가스가 공기-배출가스간 열교환기(53)에서 공기 유로(L53)의 공기에 더 많은 열에너지를 전달할 수 있으므로 제2 히터(62)를 동작하지 않아도 된다. 상술한 온도 수치는 예시적인 것이며 발명의 구체적 실시 형태에 따라 온도 상승 범위가 달라질 수 있음은 물론이다.
수소극(31)에서 배출되는 배출가스는 제1 열교환기(41)와 제3 열교환기(43)에서 재순환 가스를 가열하고 그 후 물 배출부로 이송되고, 배출가스에서 스팀이 응축되어 물 배출유로(L43)를 따라 외부로 배출되고 수소 및 응축되지 않은 스팀의 혼합가스는 재순환 가스로서 재순환 유로(L44)를 따라 수소극(31)으로 재공급된다.
이상과 같이 도1 내지 도3의 제1 실시예에 따르면 양방향 수전해 시스템의 각 동작 모드에 따라 적절한 수소와 스팀의 혼합가스를 연료전지(30)에 공급할 수 있는 이점이 있다. 예를 들어, 수전해 모드에서 수소는 소량만 필요하므로, 배출 유로(L41)로 배출되는 배출가스 중 일부를 재순환 유로(L44)로 분기하고 이 재순환 유로를 통해 피드백되는 재순환 가스에 함유된 수소를 이용하도록 구성하여 수소 공급 유로(L11)를 통해 외부에서 수소를 별도로 공급할 필요가 없도록 하였고 공기도 상대적으로 적은 양이 필요하므로 소형 블로워인 제1 블로워(51)만 구동하여 공기를 공급하도록 구성하였다. 연료전지 모드에서는 배출 유로(L41)로 배출되는 배출가스 중 응축된 물을 제외한 나머지 배출가스를 모두 재순환 유로(L44)를 통해 재순환 가스로서 재공급하도록 하여 연료전지(30)에서 반응되지 않고 버려지는 수소를 최소화할 수 있다.
또한 이 때 수전해 모드와 연료전지 모드의 각각에서 펌프(77)의 동작을 제어하여 수소극(31)과 공기극(32)의 입구측 압력을 서로 동일하게 또는 소정의 범위 내에서 거의 동일하게 유지함으로써 시스템을 안정적으로 운전하여 시스템 효율을 높일 수 있고, 재순환 유로(L44)의 블로워(45)의 상류측에 제3 열교환기(43)를 설치함으로써 재순환 유로(L44) 내에서 스팀의 응결에 의한 블로워(45)의 손상을 방지할 수 있다.
도4는 제2 실시예에 따른 양방향 수전해 시스템을 나타낸다.
제2 실시예의 양방향 수전해 시스템은 스팀 생성부(10), 양방향 수전해 연료전지(30), 히터(61,62) 등의 구성요소와 이 구성요소들 사이를 연결하는 다수의 유로, 및 유로에 배치된 다수의 열교환기, 블로워, 및 펌프로 구성되며 이들 구성요소는 제1 실시예(도1)의 각 구성요소와 동일 또는 유사하므로 설명을 생략한다.
도1의 제1 실시예와 비교할 때 제2 실시예의 시스템은 스팀 공급 유로(L21)에 설치되는 이젝터(20) 및 스팀 공급 유로에서 분기되는 분기유로(L22)를 더 포함하고 물 배출 유로(L43)에서 펌프(도1의 77)는 생략되었다.
스팀 공급 유로(L21)는 분기 유로(L22)를 포함한다. 도시한 것처럼 분기 유로(L22)는 스팀 공급 유로(L21)에서 분기되었다가 다시 이 유로(L21)에 합류하도록 구성된다. 분기 유로(L22)에 개폐밸브(13)가 설치될 수 있고, 도면에 도시하지 않았지만 스팀 공급 유로(L21)에도 개폐밸브가 설치될 수 있고, 밸브의 제어에 의해 스팀이 스팀 공급 유로(L21)와 분기 유로(L22) 중 하나로 흐르도록 제어할 수 있다. 대안적으로, 분기 유로(L22)가 분기되는 분기점에 삼방밸브를 설치하여 스팀 흐름을 제어할 수도 있다.
이젝터(20)는 스팀 공급 유로(L21)에 설치되되 분기유로(L22)와 병렬로 배치한다. 즉 스팀 생성부(10)로부터의 스팀이 이젝터(20)를 통해 수소극(31)으로 이송되거나 이젝터(20)를 우회하여 분기유로(L22)를 통해 수소극(31)으로 이송된다.
이젝터(20)는 벤츄리(Venturi) 효과를 이용하여 유체를 혼합하는 장치로서, 배관의 직경이 서서히 줄어들다가 확대되는 벤츄리 관에 혼합대상의 유체를 주입한다. 일반적으로 이젝터(20)의 입력단을 구동노즐(motive nozzle), 출력단을 분사노즐(diffuser nozzle), 혼합대상 유체를 입력하는 주입구를 흡입구(suction port)라 칭하며, 도시한 일 실시예에서 이젝터(20)의 구동노즐은 스팀 공급 유로(L21)의 상류측에 연결되고 분사노즐은 스팀 공급 유로(L21)의 하류측에 연결되고 흡입구는 피드백 유로(L47)에 연결된다. 피드백 유로(L47)는 수소극(31)의 배출가스가 흐르는 배출 유로(L41)에서 분기되는 유로이다.
일반적으로 수전해 모드에서 수소극(31)으로 주입되는 스팀과 수소의 부피비가 대략 9:1 가량 되는데, 수소극(31)에서 배출되는 배출가스는 수소 함량이 많으므로 피드백 유로(L47)를 통해 배출가스 중 일부를 재순환시키면 수소 공급 유로(L11)를 통해 수소를 별도로 공급할 필요가 없다. 이 때, 이젝터(20)의 구동노즐로 공급되는(즉 유로(L21)로 이송되는) 스팀의 압력 또는 유량을 조정함으로써 피드백 유로(L47)로 재순환되는 배출가스의 양을 조절할 수 있다.
이제 도5와 도6을 참조하여 제2 실시예의 양방향 수전해 시스템의 수전해 모드와 연료전지 모드의 동작을 각각 설명하기로 한다.
도5는 제2 실시예의 양방향 수전해 시스템의 수전해(SOEC) 모드의 동작 상태를 나타낸다. 도면에서 굵은 선으로 표시한 유로가 수전해 모드에서 사용되는 유로이다.
도면을 참조하면, 수전해 모드에서 스팀 공급 유로(L21)를 통해 스팀이 공급되고, 물 공급 유로(L31)를 통해 외부공급 물이 공급되어 제2 열교환기(42)에서 스팀으로 기화된 후 스팀 공급 유로(L21)에 합류한다. 이렇게 혼합된 스팀은 이젝터(20)를 통과하고, 이 때 배출유로(L41)를 따라 배출되는 배출가스 중 일부가 피드백 유로(L47)를 통해 이젝터(20)로 유입되어 스팀과 혼합되고, 이렇게 혼합된 혼합 가스가 유로(L12)를 따라 연료전지(30)의 수소극(31)으로 공급된다. 수전해 모드에서는 상대적으로 적은 양의 공기가 필요하므로 연료전지(30)의 공기극(32)에 공기를 공급하기 위해 제1 블로워(51)가 작동하고 제2 블로워(52)는 작동하지 않는다.
연료전지(30)에서 수전해 반응이 일어남에 따라 수소극(31)으로부터 수소와 스팀으로 이루어진 제1 배출가스가 배출 유로(L41)를 통해 배출되고 공기극(32)으로부터 산소와 공기로 이루어진 제2 배출가스가 배출 유로(L61)를 통해 배출된다.
수전해 모드에서는 촉매 연소기(57)를 사용하지 않아도 되며, 배출 유로(L41)로 배출되는 제1 배출가스의 일부가 피드백 유로(L47)에서 분기되어 이젝터(20)의 흡입구로 공급되고, 나머지 배출가스는 열교환 없이 제1 열교환기(41)를 통과하고 제2 열교환기(42)에서 외부공급 물에 열에너지를 전달한다.
도시한 실시예에서 재순환 유로(L44)가 수전해 모드에서 폐쇄되고 따라서 배출 유로(L41)의 배출가스는 제3 열교환기(43)에서도 열교환 없이 통과하여 물 배출부로 이송된다. 물 배출부에서 스팀이 응축되어 물 배출유로(L43)를 따라 외부로 배출되고 수소 및 응축되지 않은 스팀은 유로(L45)를 따라 이송되어 각기 분리되어 처리된다.
도6은 제2 실시예의 양방향 수전해 시스템의 연료 전지(SOFC) 모드의 동작 상태를 나타낸다. 도면에서 굵은 선으로 표시한 유로가 연료전지 모드에서 사용되는 유로이다.
도면을 참조하면, 연료전지 모드에서 수소 공급 유로(L11)를 통해 수소가 공급되고 스팀 공급 유로(L21)를 통해 소량의 스팀이 공급된다. 수소는 제1 열교환기(41)에서 배출 유로(L41)의 배출가스와 열교환하여 가열된 후 수소극(31)으로 공급된다. 스팀은 분기 유로(L22)를 따라 이젝터(20)를 우회하여 이송된 후 수소와 합류하여 유로(L12)를 통해 수소극(31)에 공급된다. 연료전지 모드에서는 상대적으로 많은 양의 공기가 필요하므로 공기극(32)에 공기를 공급하기 위해 제2 블로워(52)가 작동하고 제1 블로워(51)는 작동하지 않는다. 대안적 실시예에서, 제1 및 제2 블로워(51,52)가 모두 작동할 수도 있다.
일 실시예에서 연료전지 모드에서 촉매 연소기(57)가 동작한다. 수소극(31)에서 배출되는 배출가스 중 일부가 분기유로(L46)를 통해 촉매 연소기(57)로 공급되어 촉매 연소기의 연료가 되고 공기극(32)에서 배출되는 공기를 가열한다. 촉매 연소기(57)는 공기극(32)의 배출가스의 온도를 대략 20도 내지 30도 상승시킬 수 있으며, 이렇게 추가적으로 가열된 배출가스가 공기-배출가스간 열교환기(53)에서 공기 유로(L53)의 공기에 더 많은 열에너지를 전달할 수 있으므로 제2 히터(62)를 동작시키지 않아도 된다.
연료전지(30)에서 수소와 산소의 화학반응이 일어남에 따라 수소극(31)으로부터 스팀과 수소로 이루어진 제1 배출가스가 배출 유로(L41)를 통해 배출되고 공기극(32)으로부터 질소와 공기로 이루어진 제2 배출가스가 배출 유로(L61)를 통해 배출된다.
제1 배출가스는 제1 열교환기(41)를 통과하면서 수소를 가열한다. 연료전지 모드에서는 외부공급 물이 공급되지 않으므로 제1 배출가스는 열교환 없이 제2 열교환기(42)를 통과하고 제3 열교환기(43)에서 재순환 가스와 열교환하여 재순환 가스를 가열한다. 그 후 제1 배출가스는 물 배출부로 이송되고 스팀이 응축되어 물 배출유로(L43)를 따라 외부로 배출되고 수소 및 응축되지 않은 스팀은 재순환 가스로서 재순환 유로(L44)를 따라 수소극(31)으로 재공급된다.
이상과 같이 제2 실시예에 따르면 양방향 수전해 시스템의 각 동작 모드에 따라 적절한 수소와 스팀의 혼합가스를 연료전지(30)에 공급할 수 있는 이점이 있다. 예를 들어, 수전해 모드에서 수소는 소량만 필요하므로 피드백 유로(L47)를 통해 피드백되는 배출가스에 함유된 수소를 이용하도록 구성하여 수소 공급 유로(L11)를 통해 외부에서 수소를 공급할 필요가 없도록 하였고 공기도 상대적으로 적은 양이 필요하므로 소형 블로워인 제1 블로워(51)만 구동하여 공기를 공급하도록 구성하였다. 연료전지 모드에서는 피드백 유로(L47)가 아니라 재순환 유로(L44)를 통해 배출가스를 재공급하도록 하여 연료전지(30)에서 반응되지 않고 버려지는 수소를 최소화할 수 있다. 또한 이 때 이젝터(20)를 우회하여 스팀을 공급하도록 구성하여 이젝터(20)가 스팀의 흐름을 방해하는 것을 방지할 수 있고, 재순환 유로(L44)의 블로워(45)의 상류측에 제3 열교환기(43)를 설치함으로써 블로워(45)의 손상을 방지할 수 있다.
도7은 제3 실시예에 따른 양방향 수전해 시스템을 나타낸다.
도면을 참조하면, 제3 실시예의 양방향 수전해 시스템은 스팀 생성부(10), 양방향 수전해 연료전지(30), 히터(61,62) 등의 구성요소와 이 구성요소들 사이를 연결하는 다수의 유로, 및 유로에 배치된 다수의 열교환기, 블로워, 및 펌프로 구성되며 이들 구성요소는 제1 실시예(도1) 또는 제2 실시예(도4)의 각 구성요소와 동일 또는 유사하므로 설명을 생략한다.
제1 및 제2 실시예와 비교할 때 제3 실시예의 시스템은 이젝터(20)와 배수 펌프(77)를 모두 포함한다. 제2 실시예와 유사하게, 이젝터(20)가 스팀 공급 유로(L21)에 설치되고 이젝터(20)를 우회하는 분기유로(L22)가 이젝터(20)에 병렬로 연결된다. 또한 제1 실시예와 유사하게, 배수 펌프(77)가 물 배출유로(L43)에 설치되고 드레인(72)에서 유로(L42)를 따라 배출되는 물을 강제로 펌핑하여 외부로 배출할 수 있다. 이젝터(20) 및 배수 펌프(77)의 설치에 따른 효과는 위에서 상술하였으므로 생략한다.
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: 스팀 생성부
20: 이젝터
30: 양방향 수전해 연료전지
41, 42, 43, 53: 열교환기
45, 51,52, 73: 블로워
57: 촉매 연소기
61,62: 히터
77: 배수 펌프

Claims (17)

  1. 양방향 수전해 시스템으로서,
    수소극, 공기극 및 그 사이에 개재된 전해질로 구성되며 수전해 모드와 연료전지 모드 중 어느 하나의 모드에서 동작 가능한 양방향 수전해 연료전지(30);
    상기 수소극에서 배출되는 제1 배출가스를 이송하는 제1 배출경로(L41);
    상기 공기극에서 배출되는 제2 배출가스를 이송하는 제2 배출경로(L61);
    상기 제2 배출경로에 설치되고, 상기 제1 배출가스의 일부를 공급받아 상기 제2 배출가스를 가열하는 촉매 연소기(57);
    상기 촉매 연소기의 하류측에 설치되고 상기 공기극으로 공급하는 공기와 상기 제2 배출가스를 열교환하는 공기-배출가스간 열교환기(53); 및
    상기 열교환기(53)를 통과한 공기를 가열하는 히터(62);를 포함하고,
    연료전지 모드에서 동작할 때, 상기 열교환기에서, 상기 촉매연소기에 의해 가열된 제2 배출가스로 상기 공기극으로 공급할 공기를 가열함으로써 상기 히터의 소비전력을 감소시키는 것을 특징으로 하는 양방향 수전해 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 촉매 연소기가 수전해 모드에서 동작하지 않고 연료전지 모드에서 동작하도록 구성된 것을 특징으로 하는 양방향 수전해 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 히터는 수전해 모드에서 동작하고 연료전지 모드에서 동작하지 않도록 구성된 것을 특징으로 하는 양방향 수전해 시스템.
  4. 제 2 항에 있어서,
    공기를 상기 열교환기(53)로 공급하는 공기 공급 유로(L53)에 병렬로 연결된 제1 블로워(51) 및 제2 블로워(52);를 더 포함하고,
    상기 제2 블로워의 공기 공급량이 제1 블로워의 공기 공급량보다 5 내지 15배 크고,
    상기 제1 및 제2 블로워 중 수전해 모드에서 상기 제1 블로워를 구동하고 연료전지 모드에서 상기 제2 블로워를 구동하도록 구성된 것을 특징으로 하는 양방향 수전해 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 수소극으로 공급되는 수소와 상기 제1 배출가스를 열교환하는 제1 열교환기(41);
    스팀을 수소극에 공급하는 스팀 공급 유로(L21);
    상기 제1 배출가스에서 물을 제거하는 물 배출부; 및
    상기 물 배출부의 물 배출유로(L43)에 설치되어 물을 외부로 펌핑하는 펌프(77);를 더 포함하고,
    상기 펌프(77)의 동작을 제어하여 상기 수소극의 입구와 공기극의 입구 사이의 압력 차이를 소정 범위 내로 유지시키는 것을 특징으로 하는 양방향 수전해 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 물 배출부를 통과한 가스 중 적어도 일부를 재순환 가스로서 상기 수소극으로 재공급하는 재순환 유로(L44);를 더 포함하고,
    수전해 모드에서 상기 물 배출부를 통과한 가스 중 일부가 재순환 가스로 공급되고 연료전지 모드에서 상기 물 배출부를 통과한 가스의 전부가 재순환 가스로 공급되는 것을 특징으로 하는 양방향 수전해 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    외부에서 공급되는 외부공급 물과 상기 제1 배출가스를 열교환하는 제2 열교환기(42);를 더 포함하고,
    상기 제2 열교환기(42)에서 스팀으로 기화된 외부공급 물을 상기 스팀 공급 유로(L21)에 합류시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 양방향 수전해 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 재순환 유로에 설치되며 상기 재순환 가스와 제1 배출가스 사이를 열교환하는 제3 열교환기(43); 및
    상기 재순환 유로에서 상기 제3 열교환기(43)의 하류에 배치되는 블로워(45);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 수전해 시스템.
  9. 제 6 항에 있어서,
    스팀 공급 유로(L21)에 배치된 이젝터(20); 및
    스팀 공급 유로(L21)에 형성되며 상기 이젝터를 우회하는 분기유로(L22);를 포함하고,
    상기 이젝터의 구동노즐이 상기 스팀 공급 유로의 상류측에 연결되고, 상기 이젝터의 분사노즐이 상기 스팀 공급 유로의 하류측에 연결되고, 상기 이젝터의 흡입구가 상기 제1 배출가스의 배출 유로에서 분기된 피드백 유로(L47)에 연결된 것을 특징으로 하는 양방향 수전해 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    수전해 모드에서 스팀이 상기 이젝터를 통과하여 수소극으로 공급되고 상기 재순환 유로가 폐쇄되고, 연료전지 모드에서 스팀이 상기 분기유로(L22)를 통해 수소극에 공급되고 상기 재순환 유로가 개방되는 것을 특징으로 하는 양방향 수전해 시스템.
  11. 수소극과 공기극을 구비한 양방향 수전해 연료전지를 이용하여 수전해 모드와 연료전지 모드에서 동작 가능한 양방향 수전해 시스템의 동작 방법으로서,
    수소극으로 공급할 수소를 상기 수소극에서 배출되는 제1 배출가스와 열교환하는 단계;
    공기극으로 공급하는 공기를 상기 공기극에서 배출되는 제2 배출가스와 열교환하는 단계;
    상기 제1 배출가스 중 일부를 분기유로를 통해 분기하여 제2 배출가스의 배출경로에 설치된 촉매연소기로 공급하는 단계; 및
    상기 촉매연소기에서 제1 배출가스를 연료로 하여 제2 배출가스를 가열하는 단계;를 포함하고,
    연료전지 모드에서 동작할 때, 상기 촉매연소기에서 제2 배출가스를 가열하고 이 가열된 제2 배출가스로 상기 공기극으로 공급할 공기를 가열함으로써, 상기 공기를 가열하기 위해 사용되는 히터의 소비전력을 감소시키는 것을 특징으로 하는 양방향 수전해 시스템의 동작 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 분기유로를 수전해 모드에서 폐쇄하고 연료전지 모드에서 개방하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 양방향 수전해 시스템의 동작 방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    수소와 열교환된 제1 배출가스에서 물을 분리하는 단계;
    제1 배출가스에서 분리된 물을 배수 펌프를 이용하여 외부로 배출하는 단계; 및
    물이 제거된 제1 배출가스의 적어도 일부를 재순환 가스로서 상기 수소극 측을 향해 재순환시키는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 수전해 시스템의 동작 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    물을 배출하는 상기 단계에서, 상기 배수 펌프의 동작을 제어하여 수소극의 입구와 공기극의 입구 사이의 압력 차이를 소정 범위 내로 유지시키는 것을 특징으로 하는 양방향 수전해 시스템의 동작 방법.
  15. 제 13 항에 있어서, 수전해 모드에서,
    외부에서 공급되는 외부공급 물을 상기 수소와 열교환된 제1 배출가스와 열교환하여 외부공급 물을 스팀으로 기화시키는 단계; 및
    스팀으로 기화된 외부공급 물을 상기 수소극으로 공급하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 수전해 시스템의 동작 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    양방향 수전해 시스템이 상기 재순환 가스를 재순환시키는 경로 상에 순차적으로 설치된 열교환기 및 블로워를 포함하고,
    상기 열교환기에서, 상기 외부공급 물과 열교환된 제1 배출가스와 상기 재순환 가스를 열교환하여 재순환 가스를 가열시키도록 구성된 것을 특징으로 하는, 양방향 수전해 시스템의 동작 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    양방향 수전해 시스템이, 스팀을 수소극으로 이송하는 스팀 공급 유로(L21)에 배치된 이젝터(20); 및 스팀 공급 유로(L21)에 형성되며 상기 이젝터를 우회하는 분기유로(L22);를 더 포함하고,
    수전해 모드에서 스팀을 상기 이젝터를 통과하여 수소극으로 공급하고 상기 재순환 가스를 수소극으로 재순환시키는 재순환 유로를 폐쇄하고, 연료전지 모드에서 스팀을 상기 이젝터를 우회하여 분기유로(L22)를 통해 수소극에 공급하고 상기 재순환 유로를 개방하는 것을 특징으로 하는 양방향 수전해 시스템의 동작 방법.
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