KR102200468B1 - 분리형 용융탄산염형 연료전지 모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 분리형 용융탄산염형 연료전지 모듈에 관한 것으로, 연료전지 스택과, 상기 연료전지 스택을 보호하는 내부 베슬을 포함하는 복수의 스택 모듈(stack modules), 상기 복수의 스택 모듈에서 배출되는 애노드 오프가스의 잔여 연료를 산화시키고, 외부 공기와 연료를 예열 및 혼합한 캐소드 가스를 상기 복수의 스택 모듈로 공급하는 촉매연소기, 및 상기 복수의 스택 모듈과 상기 촉매연소기를 떠받치는 하부 플레이트를 포함하여 이루어지는 분리형 용융탄산염형 연료전지 모듈이 제공된다.

Description

분리형 용융탄산염형 연료전지 모듈{DETACHABLE MOLTEN CARBONATE FUEL CELL MODULE}
본 발명은 분리형 용융탄산염형 연료전지 모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 용융탄산염형 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC)가 복수개 탑재되며 안정적인 운전이 가능한 분리형 용융탄산염형 연료전지 모듈에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지는 수소와 산소가 가진 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환하는 전지를 말한다. 연료전지는 화학전지와 달리 반응물이 외부에서 연속적으로 공급되고 반응생성물이 외부로 배출된다. 연료전지의 가장 대표적 형태에는 수소-산소 연료전지가 있으며 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 공급받아 개질기를 통해 천연가스에 포함된 수소를 추출하고 이를 연료전지 스택에 공급한다. 연료전지 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 연료극(Anode)을 통과하고 산소는 공기극(Cathode)을 통과한다. 여기서 수소와 산소는 전기 화학적으로 반응하여 물과 열을 생성한다. 이때, 공기극에서 생성된 전하가 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 600℃의 고온에서 작동하는 연료전지를 용융탄산염형 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC)라 한다.
이하에서 설명할 용융탄산염형 연료전지 모듈은 한 개의 연료전지 스택에서 생산하는 전력의 한계로 인하여 단독으로 사용하지 않으며 경제성이나 발전량 등 여러가지 상황을 고려하여 적어도 4개 혹은 그 이상의 용융탄산염형 연료전지로 구성하는 것이 일반적이다.
도 1 은 종래 기술에 따른 용융탄산염형 연료전지 모듈을 설명하기 위한 도면이다.
도 1 을 참조하면, 용융탄산염형 연료전지 모듈은 4개의 연료전지 스택(10A, 10B, 10C, 10D), 공용 촉매연소기(20), 및 4개의 연료전지 스택(10A, 10B, 10C, 10D)과 공용 촉매연소기(20)를 감싸는 베슬(30)을 포함하여 하나의 모듈을 구성한다.
여기서, 4개의 연료전지 스택(10A, 10B, 10C, 10D)의 외측에는 하나로 일체화된 베슬(30)이 장착되며, 베슬(30)은 4개의 연료전지 스택(10A, 10B, 10C, 10D)에서 발생하는 열을 외부로 유출하지 않게 하고 이러한 내부 열 관리를 통해 4개의 연료전지 스택(110A, 110B, 110C, 110D)의 구동온도를 효율적으로 확보하기 위한 역할을 한다.
이렇게 하나의 완성된 용융탄산염형 연료전지 모듈은 가로, 세로, 높이 각각의 길이가 약 3m 내외로 통상의 1차선 도로폭을 넘어선 너비를 가지고 종종 그 높이가 높이 제한용 구조물을 넘기도 한다. 특히, 4개의 연료전지 스택(10A, 10B, 10C, 10D)은 기본적으로 항습 조건을 항상 유지해야 하기 때문에 하나의 완성된 용융탄산염형 연료전지 모듈을 베슬(30)과 분리하여 이동 후 현장에서 재조립하기 어려운 특성이 있다. 그래서 하나의 완성된 용융탄산염형 연료전지 모듈은 특수 이송 차량에 실어 현장까지 운반하고 있는 실정이다.
따라서, 하나의 완성된 용융탄산염형 연료전지 모듈을 설계하여 생산한 이후 설치하고자 하는 장소로 이동하는 과정에서 너비로 인해 도로 주변의 장애물이나 제한된 높이의 터널 등에 저촉되는 등 이동에 커다란 장애가 발생한다.
또한, 종래의 용융탄산염형 연료전지 모듈의 경우 만약 4개의 연료전지 스택(10A, 10B, 10C, 10D) 중 어느 하나에 고장이 발생하는 경우 베슬(30)을 개방하고 고장이 발생한 연료전지 스택에 대하여 수리 및 점검해야만 한다.
이때, 고장이 발생한 연료전지 스택을 수리 및 점검하기 위해서는 베슬(30)을 제거해야 하기 때문에 4개의 연료전지 스택(10A, 10B, 10C, 10D)은 모두 운전을 중지해야만 하며 고장이 발생한 부분을 해결하는 기간 동안 4개의 연료전지 스택(10A, 10B, 10C, 10D)에서의 전력 생산은 불가능하다.
따라서, 종래의 용융탄산염형 연료전지 모듈은 고장이 발생하는 경우 전력이 꼭 필요한 시점이라 하더라도 어떠한 전력도 생산하여 공급하지 못하는 문제점이 있다.
한편, 기존의 용융탄산염형 연료전지 모듈은 4개의 연료전지 스택(10A, 10B, 10C, 10D)의 구동온도를 확보하여 동작 효율을 높이기 위하여 공용 촉매연소기(20)에서 배출되는 캐소드 가스를 4개의 연료전지 스택(10A, 10B, 10C, 10D) 각각의 캐소드 인렛으로 바로 유입하지 않고 베슬(30) 내부로 배출한 후 유입하는 구조를 가지고 있다.
다시 말하면, 공용 촉매연소기(20)에서 배출되는 캐소드 가스는 특정 연료전지 스택의 캐소드 인렛으로 유입되는 것이 아니며, 이에 따라 4개의 연료전지 스택(10A, 10B, 10C, 10D)으로 유입되는 캐소드 가스의 유입량은 서로 다르게 된다. 그리고 그 결과 4개의 연료전지 스택(10A, 10B, 10C, 10D)은 서로 다른 전력 생산량을 가지기 때문에 전력 생산을 정교하게 제어하기 어려운 문제점을 가진다.
따라서, 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로 본 발명은 복수의 용융탄산염형 연료전지 스택 각각을 위한 내측 베슬을 구성하는 분리형 용융탄산염형 연료전지 모듈을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 복수의 용융탄산염형 연료전지 스택 중 일부에 고장이 발생하더라도 해당 용융탄산염형 연료전지 스택을 제외한 나머지 용융탄산염형 연료전지 스택에 대한 운전 중단 없이 고장에 대한 수리 및 점검이 가능한 분리형 용융탄산염형 연료전지 모듈을 제공하는데 다른 목적이 있다.
또한, 본 발명은 복수의 용융탄산염형 연료전지 스택 각각에 유입되는 캐소드 가스를 원하는 만큼 제어할 수 있는 분리형 용융탄산염형 연료전지 모듈을 제공하는데 또 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, 연료전지 스택과, 상기 연료전지 스택을 보호하는 내부 베슬을 포함하는 복수의 스택 모듈(stack modules); 상기 복수의 스택 모듈에서 배출되는 애노드 오프가스의 잔여 연료를 산화시키고, 외부 공기와 연료를 예열 및 혼합한 캐소드 가스를 상기 복수의 스택 모듈로 공급하는 촉매연소기; 및 상기 복수의 스택 모듈과 상기 촉매연소기를 떠받치는 하부 플레이트를 포함하여 이루어지는 분리형 용융탄산염형 연료전지 모듈을 제공한다.
본 발명에 있어서 상기 촉매연소기의 캐소드 가스는 상기 복수의 스택 모듈 각각의 캐소드 인렛으로 유입되고, 상기 복수의 스택 모듈 각각의 해당 내부 베슬 안에서 순환하는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서 상기 복수의 스택 모듈은 적어도 하나의 스택 모듈을 포함하는 복수의 그룹으로 구분되며, 상기 촉매연소기는 상기 그룹당 하나씩 구비되는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서 상기 그룹당 하나씩 구비되는 복수의 촉매연소기는, 각각 독립적으로 제어되는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서 상기 그룹당 하나씩 구비되는 복수의 촉매연소기는, 외부 공기와 연료가 유입되는 공기-연료 인렛을 함께 공유하는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서 상기 복수의 연료전지 유닛과 상기 촉매연소기를 보호하는 외부 베슬을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서 상기 하부 플레이트는, 복수의 조각 플레이트가 결합되어 형성되는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.
상기 본 발명의 목적들 및 다른 특징들을 달성하기 위한 본 발명의 다른 일 관점에 따르면, 연료전지 스택과, 상기 연료전지 스택을 보호하는 내부 베슬을 포함하는 복수의 스택 모듈(stack modules)과, 상기 복수의 스택 모듈에서 배출되는 애노드 오프가스의 잔여 연료를 산화시키고, 외부 공기와 연료를 예열 및 혼합한 캐소드 가스를 상기 복수의 스택 모듈로 공급하는 촉매연소기와, 상기 복수의 스택 모듈과 상기 촉매연소기를 떠받치는 하부 플레이트를 포함하는 용융탄산염 연료전지 시스템에서, 상기 복수의 스택 모듈 중 선택된 스택 모듈에서 캐소드 공급 배관과 애노드 배출 배관을 분리하는 단계; 상기 선택된 스택 모듈에서 내부 베슬을 제거하는 단계; 및 상기 하부 플레이트에서 상기 선택된 스택 모듈을 제거하는 단계를 포함하는 분리형 용융탄산염형 연료전지 모듈의 해체 방법을 제공한다.
본 발명에 있어서 상기 촉매연소기의 캐소드 가스는 상기 복수의 스택 모듈 각각의 캐소드 인렛으로 유입되고, 상기 복수의 스택 모듈 각각의 해당 내부 베슬 안에서 순환하는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서 상기 복수의 스택 모듈은 적어도 하나의 스택 모듈을 포함하는 복수의 그룹으로 구분되며, 상기 촉매연소기는 상기 그룹당 하나씩 구비되는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서 상기 복수의 연료전지 유닛과 상기 촉매연소기를 에워싸서 보호하는 외부 베슬을 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서 상기 하부 플레이트는, 복수의 조각 플레이트가 결합되어 형성되는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.
상기 본 발명의 목적들 및 다른 특징들을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 일 관점에 따르면, 하부 플레이트의 상부면에 결합되며 전기화학반응을 통해 전류를 생성하기 위한 복수의 용융탄산염형 연료전지 스택; 외부에서 연료가스 및 공기를 공급받아 혼합 및 가열하여 상기 복수의 용융탄산염형 연료전지 스택에 공급되는 캐소드 가스를 생성하기 위한 촉매연소기; 상기 복수의 용융탄산염형 연료전지 스택 각각의 외측면과 예정된 간격 이격되어 상기 외측면을 감싸는 형상을 가지며, 상기 캐소드 가스를 상기 예정된 간격에 의해 형성되는 가스경로를 경유하여 상기 해당 용융탄산염형 연료전지의 캐소드 인렛으로 유입시키기 위한 복수의 내측 베슬; 및 상기 복수의 내측 베슬의 외측을 감싸는 형상을 가지며 시스템에서 발생하는 열에 대한 외부 유출을 막아주기 위한 외측 베슬을 포함하는 분리형 용융탄산염형 연료전지 모듈을 제공한다.
본 발명에 있어서 상기 복수의 용융탄산염형 연료전지 스택은 예정된 개수로 그룹핑되며, 상기 촉매연소기는 그룹핑된 개수에 대응하는 복수개의 촉매연소기를 포함하는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서 상기 복수개의 촉매연소기는 서로 인접하게 배치되는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서 상기 복수의 용융탄산염형 연료전지 스택은 예정된 개수로 그룹핑되며, 상기 하부 플레이트는 그룹핑된 개수에 대응하는 복수개의 하부 플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서 상기 연료가스 및 공기가 유입되는 주입구와 상기 복수개의 촉매연소기 사이에 배치되며, 상기 연료가스 및 공기를 상기 복수개의 촉매연소기 각각으로 분배하여 제공해주기 위한 분배장치를 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서 상기 촉매연소기에서 상기 복수의 용융탄산염형 연료전지 스택으로 배출되는 상기 캐소드 가스의 유량을 조절하기 위한 복수의 밸브를 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 분리형 용융탄산염형 연료전지 모듈은 다음과 같은 효과를 제공한다.
본 발명은 복수의 용융탄산염형 연료전지 스택 각각의 외측에 형성되는 가스경로를 통해 구동을 위한 균일한 온도분포를 확보할 수 있기 때문에 복수의 용융탄산염형 연료전지 스택 각각의 동작 효율을 높여줄 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 복수의 용융탄산염형 연료전지 스택 중 일부에 고장이 발생하더라도 고장이 발생한 용융탄산염형 연료전지 스택만 운전을 중단하고 이외 다른 용융탄산염형 연료전지 스택은 계속적인 운전이 가능하기 때문에 전력을 끊임없이 생산하여 안정적으로 공급할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 복수의 용융탄산염형 연료전지 스택에 유입되는 캐소드 가스의 유입량을 개별적으로 제어함으로써 시스템의 운전 제어 효율을 높여줄 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 하나의 용융탄산염형 연료전지와 하나의 내측 베슬이 서로 짝을 지어 분리가 가능하기 때문에 분리, 이동, 및 재설치가 용이한 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 종래 기술에 따른 분리형 용융탄산염형 연료전지 모듈을 설명하기 위한 도면이다.
도 2 는 본 발명의 실시예에 따른 분리형 용융탄산염형 연료전지 모듈을 설명하기 위한 도면.
도 3 은 본 발명의 다른 실시예에 따른 분리형 용융탄산염형 연료전지 모듈을 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 2 는 본 발명의 실시예에 따른 분리형 용융탄산염형 연료전지 모듈을 설명하기 위한 도면이다.
도 2 를 참조하면, 분리형 용융탄산염형 연료전지 모듈은 용융탄산염 연료전지 스택과 용융탄산염 연료전지 스택을 보호하는 내부 베슬을 포함하는 복수의 스택 모듈(stack modules); 복수의 스택 모듈에서 배출되는 애노드 오프가스의 잔여 연료를 산화시키고, 외부 공기와 연료를 예열 및 혼합한 캐소드 가스를 복수의 스택 모듈로 공급하는 촉매연소기, 및 복수의 스택 모듈과 촉매연소기를 떠받치는 하부 플레이트를 포함한다.
우선, 복수의 스택 모듈 중 하나의 스택 모듈은 용융탄산염 연료전지 스택과 내부 베슬을 구성한다. 다시 말하면, 제1 용융탄산염형 연료전지 스택(100A)과 제1 내부 베슬(300A)이 하나의 스택 모듈을 구성하고, 제2 용융탄산염형 연료전지 스택(100B)과 제2 내부 베슬(300B), 제3 용융탄산염형 연료전지 스택(100C)과 제3 내부 베슬(300C), 제4 용융탄산염형 연료전지 스택(100D)과 제4 내부 베슬(300D)이 각각 하나의 스택 모듈을 구성한다.
복수의 스택 모듈 각각에 포함되는 제1 내지 제4 용융탄산염형 연료전지 스택(100A, 100B, 100C, 100D)은 전해질로 용융탄산염을 사용하여 전류를 생성하기 위한 구성이다. 여기서, 제1 내지 제4 용융탄산염형 연료전지 스택(100A, 100B, 100C, 100D)은 제1 내지 제4 복수의 용융탄산염형 연료전지 스택(100A, 100B, 100C, 100D)과 촉매연소기(200)를 떠받치는 하부 플레이트(P)의 상부면을 기준으로 각 모서리쪽에 배치된다.
다음으로, 촉매연소기(200)는 제1 내지 제4 복수의 용융탄산염형 연료전지 스택(100A, 100B, 100C, 100D)에서 배출되는 애노드 오프가스의 잔여 연료를 산화시키고, 공기-연료 인렛(I)를 통해 외부에서 연료가스(Fuel) 및 공기(Air)를 공급받아 예열 및 혼합한 캐소드 가스를 생성한다. 그리고 이렇게 생성된 캐소드 가스는 제1 내지 제4 복수의 용융탄산염형 연료전지 스택(100A, 100B, 100C, 100D) 각각의 캐소드 인렛으로 공급된다. 여기서, 촉매연소기(200)는 가스 혼합하기 위한 믹서(Mixer)와 가스 흐름을 위한 이젝터(Eductor)와 가스 예열을 위한 연소기(air gas Oxidizer) 등을 포함한 구성일 수 있다.
이하, 설명의 편의를 위하여 제1 용융탄산염형 연료전지 스택(100A)과 제1 내측 베슬(300A)을 포함하는 스택 모듈을 대표로 설명하기로 한다.
제1 내측 베슬(300A)은 제1 용융탄산염형 연료전지 스택(100A)의 외측면과 예정된 간격 이격되어 제1 용융탄산염형 연료전지 스택(100A)의 외측면을 감싸는 형상을 가진다. 따라서, 제1 용융탄산염형 연료전지 스택(100A)과 제1 내측 베슬(300A) 사이에는 가스경로(U1)가 형성된다.
그래서 위에서 설명한 촉매연소기(200)에서 생성된 캐소드 가스는 이 가스경로(U1)를 따라 제1 내부 베슬(300A) 안에서 순환하며 제1 용융탄산염형 연료전지 스택(100A)의 캐소드 인렛으로 유입된다. 도 1 에서는 이 가스경로(U1)를 순환하는 캐소드 가스의 흐름(H)을 화살표로 도시하였으며, 촉매연소기(200)에서 배출된 캐소드 가스는 가스경로(U1)를 경유하고 이후 제1 용융탄산염형 연료전지 스택(100A)의 캐소드 인렛으로 유입되는 것을 볼 수 있다.
이어서, 제1 용융탄산염형 연료전지 스택(100A)의 캐소드 인렛으로 유입된 캐소드 가스는 화학반응을 통해 전류를 생성한 이후 캐소드 출력단으로 배출되고 이렇게 배출된 캐소드 오프가스(CO1)는 제1 아웃렛(E1)을 통해 외부로 배출된다.
제2 용융탄산염형 연료전지 스택(100B)과 제3 용융탄산염형 연료전지 스택(100C)과 제4 용융탄산염형 연료전지 스택(100D) 각각으로 유입되는 캐소드 가스의 흐름은 별도로 도시하지 않았지만 위에서 설명한 제1 용융탄산염형 연료전지 스택(100A)에 유입되는 캐소드 가스의 흐름과 마찬가지로 각각 해당하는 용융탄산염형 연료전지 스택의 외측면에 형성되는 가스경로(U2, U3, U4)를 경유한 후 해당하는 용융탄산염형 연료전지 스택의 캐소드 인렛으로 유입되는 것이 가능하다.
참고로, 제1 용융탄산염형 연료전지 스택(100A)과 제4 용융탄산염형 연료전지 스택(100D)의 캐소드 오프가스(CO1)는 제1 아웃렛(E1)을 통해 외부로 배출되며, 제2 용융탄산염형 연료전지 스택(100B)과 제3 용융탄산염형 연료전지 스택(100C)의 캐소드 오프가스(CO2)는 제2 아웃렛(E2)을 통해 외부로 배출된다.
따라서, 제1 내지 제4 복수의 용융탄산염형 연료전지 스택(100A, 100B, 100C, 100D)은 각각의 외측면을 순환하는 캐소드 가스로 인하여 운전에 필요한 구동온도를 손쉽게 확보 및 유지하는 것이 가능하며, 이는 곧 제1 내지 제4 복수의 용융탄산염형 연료전지 스택(100A, 100B, 100C, 100D)에 대한 균일한 온도분포를 통해 동작 효율을 높여줄 수 있음을 의미한다. 참고로, 제1 내지 제4 복수의 용융탄산염형 연료전지 스택(100A, 100B, 100C, 100D)는 고온에서 동작하며 이에 따라 안정적인 구동온도를 확보 및 유지하는 것은 매우 중요한 요인이다.
이어서 도 2 에서 볼 수 있듯이, 제1 용융탄산염형 연료전지 스택(100A)의 캐소드 인렛으로 유입되는 캐소드 가스는 촉매연소기(200)에서 배출된 이후 제1 내측 베슬(300A)에 의해 격리되며, 제2 내지 제3 용융탄산염형 연료전지 스택(100B, 100C, 100D) 각각의 캐소드 인렛으로 유입되는 캐소드 가스 역시 촉매연소기(200)에서 배출된 이후 각각 제2 내지 제4 내측 베슬(300B, 300C, 300D)에 의해 격리된다.
다시 말하면, 촉매연소기(200)에서 배출되는 제1 내지 제4 복수의 용융탄산염형 연료전지 스택(100A, 100B, 100C, 100D) 각각에 대응하는 캐소드 가스는 제1 내지 제4 내측 베슬(300A, 300B, 300C, 300D)의 구성에 의하여 해당하는 용융탄산염형 연료전지 스택의 캐소드 인렛으로만 유입될 뿐 이외 다른 용융탄산염형 연료전지 스택의 캐소드 인렛으로 유입되지 않는다.
따라서, 제1 내지 제4 복수의 용융탄산염형 연료전지 스택(100A, 100B, 100C, 100D) 각각의 캐소드 인렛으로 유입되는 캐소드 가스의 유입량은 촉매연소기(200)에서 배출한 배출량과 동일하며 이는 곧 촉매연소기(200)에서 배출되는 캐소드 가스의 배출량을 제어하여 제1 내지 제4 복수의 용융탄산염형 연료전지 스택(100A, 100B, 100C, 100D)에 유입되는 고온가스의 유입량을 원활히 제어할 수 있음을 의미한다.
마지막으로, 외측 베슬(400)은 제1 내지 제4 내측 베슬(300A, 300B, 300C, 300D)의 외측을 감싸는 형상을 가지며 시스템에서 발생하는 열이 외부로 유출되는 것을 막기 위한 구성이다. 외측 베슬(400)은 제1 내지 제4 복수의 용융탄산염형 연료전지 스택(100A, 100B, 100C, 100D)과 촉매연소기(200)를 보호하는 역할을 한다.
한편, 제1 내지 제4 복수의 용융탄산염형 연료전지 스택(100A, 100B, 100C, 100D) 각각은 제1 내지 제4 내측 베슬(300A, 300B, 300C, 300D) 각각과 서로 짝을 지어 외부와 분리가 가능하기 때문에 개별 구동이 가능하다.
따라서, 만약 제1 내지 제4 복수의 용융탄산염형 연료전지 스택(100A, 100B, 100C, 100D) 중 어느 하나에 고장이 발생하는 경우 고장이 발생한 용융탄산염형 연료전지 스택에 대한 운전을 중지하고 나머지 용융탄산염형 연료전지 스택에 대한 운전이 가능하다. 즉, 고장이 발생한 용융탄산염형 연료전지 스택 이외의 나머지 용융탄산염형 연료전지 스택은 계속적인 전력 생산이 가능하다.
다른 한편, 제1 내지 제4 복수의 용융탄산염형 연료전지 스택(100A, 100B, 100C, 100D) 각각은 제1 내지 제4 내측 베슬(300A, 300B, 300C, 300D)을 구비하고 있기 때문에 외측 베슬(400)을 제거하더라도 항습 조건을 유지하는 것이 가능하다. 따라서, 제1 용융탄산염형 연료전지 스택(100A)과 제1 내측 베슬(300A)을 하나의 모듈로 분리하더라도 항습 조건을 유지하는 것이 가능하며, 이는 곧 본 발명의 실시예에 따른 분리형 용융탄산염형 연료전지 모듈에 대한 분리, 이동, 재조립이 용이하다는 것을 의미한다.
이와 관련하여, 제1 내지 제4 복수의 용융탄산염형 연료전지 스택(100A, 100B, 100C, 100D) 각각과 제1 내지 제4 내측 베슬(300A, 300B, 300C, 300D) 각각이 스택 모듈로써 분리되었을 때 하부 플레이트(P) 역시 스택 모듈에 따라 조각으로 분리 결합이 가능하며, 이는 곧 본 발명의 실시예에 따른 분리형 용융탄산염형 연료전지 모듈에 대한 분리, 이동, 재조립이 용이하다는 것을 의미한다.
도 3 은 본 발명의 다른 실시예에 따른 분리형 용융탄산염형 연료전지 모듈을 설명하기 위한 도면으로서, 설명의 편의를 위하여 도 2 와 비교하여 다른 부분을 중심으로 설명하기로 한다.
도 3 을 참조하면, 분리형 용융탄산염형 연료전지 모듈은 도 2 와 마찬가지로 제1 내지 제4 복수의 용융탄산염형 연료전지 스택(100A, 100B, 100C, 100D)과, 제1 내지 제4 내측 베슬(300A, 300B, 300C, 300D), 및 외측 베슬(400)을 포함한다.
여기서, 4개의 제1 내지 제4 복수의 용융탄산염형 연료전지 스택(100A, 100B, 100C, 100D)은 예컨대 2개씩 그룹핑이 가능하며 설명의 편의를 위하여 제1 용융탄산염형 연료전지 스택(100A)과 제4 용융탄산염형 연료전지 스택(100D)이 제1 그룹을 형성하고 제2 용융탄산염형 연료전지 스택(100B)과 제3 용융탄산염형 연료전지 스택(100C)이 제2 그룹을 형성하여 설명하기로 한다.
이렇게 제1 내지 제4 복수의 용융탄산염형 연료전지 스택(100A, 100B, 100C, 100D)을 제1 그룹과 제2 그룹으로 나누어 구분하는 경우 도 2 의 실시예에 따른 촉매연소기(200)에 대응하여 도 3 의 실시예에서는 제1 그룹에 대응하는 제1 촉매연소기(200A)와 제2 그룹에 대응하는 제2 촉매연소기(200B)가 구비된다.
제1 촉매연소기(200A)는 제1 용융탄산염형 연료전지 스택(100A)과 제4 용융탄산염형 연료전지 스택(100D)에서 배출되는 애노드 오프가스의 잔여 연료를 산화시키고 외부에서 공급된 연료가스(Fuel) 및 공기(Air)를 예열 및 혼합한 캐소드 가스를 제1 용융탄산염형 연료전지 스택(100A)와 제4 용융탄산염형 연료전지 스택(100D)에 공급하기 위한 구성이고, 제2 촉매연소기(200B)는 제2 용융탄산염형 연료전지 스택(100B)과 제3 용융탄산염형 연료전지 스택(100C)에서 배출되는 애노드 오프가스의 잔여 연료를 산화시키고 외부에서 공급된 연료가스(Fuel) 및 공기(Air)를 예열 및 혼합한 캐소드 가스를 제2 용융탄산염형 연료전지 스택(100B)와 제3 용융탄산염형 연료전지 스택(100C)에 공급하기 위한 구성이다.
제1 촉매연소기(200A)는 제1 용융탄산염형 연료전지 스택(100A)와 제4 용융탄산염형 연료전지 스택(100D) 사이에 배치되고, 제2 촉매연소기(200B)는 제2 용융탄산염형 연료전지 스택(100B)와 제3 용융탄산염형 연료전지 스택(100C) 사이에 배치되며, 제1 촉매연소기(200A)와 제2 촉매연소기(220B)는 서로 인접하게 배치된다.
제1 촉매연소기(200A)와 제2 촉매연소기(220B)는 서로 인접하게 배치되는 이유는 제1 촉매연소기(200A)에서 연소산화 동작을 통해 발생하는 열과 제2 촉매연소기(220B)에서 연소산화 동작을 통해 발생하는 열을 서로 공유함으로써 제1 촉매연소기(200A)와 제2 촉매연소기(220B)의 열 효율을 높여주기 위함이다.
한편, 제1 촉매연소기(200A)와 제2 촉매연소기(200B)는 외부에서 공급된 연료가스(Fuel) 및 공기(Air)가 유입되는 공기-연료 인렛(I)을 함께 공유한다. 따라서, 도면에는 도시되지 않았지만 공기-연료 인렛(I)와 제1 및 제2 촉매연소기(200A, 200B) 사이에는 분배장치가 배치되며, 분배장치는 공기-연료 인렛(I)를 통해 유입되는 연료가스 및 공기를 제1 그룹에 대응하는 제1 촉매연소기(200A)와 제2 그룹에 대응하는 제2 촉매연소기(200B)로 분배하여 제공해주기 위한 역할을 한다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 분리형 용융탄산염형 연료전지 모듈은 위에서 설명하였듯이 연료 공급 및 조절, 열 관리 등을 제어하기 위한 기계적 구성 장치(Mechanical Balance of Plant, MBOP) 및 시스템 제어 및 전기적 신호 등을 관리하는 전기적 구성 장치(Electrical Balance of Plant, EBOP)를 구비한다.
이와 관련하여 본 발명의 실시예에 따른 분리형 용융탄산염형 연료전지 모듈은 제1 및 제2 촉매연소기(200A, 200B) 각각에서 제1 내지 제4 복수의 용융탄산염형 연료전지 스택(100A, 100B, 100C, 100D)으로 배출되는 캐소드 가스의 유량을 독립적으로 조절하기 위한 복수의 밸브(도면에 도시되지 않음)를 포함하며 복수의 밸브는 기계적 구성 장치와 전기적 구성 장치의 제어에 따라 제어될 수 있다.
여기서, 복수의 밸브는 제1 촉매연소기(200A)에서 제1 용융탄산염형 연료전지 스택(100A)과 제4 용융탄산염형 연료전지 스택(100D)으로 캐소드 가스가 배출되는 배관 각각에 배치되며, 또한 제2 촉매연소기(200B)에서 제2 용융탄산염형 연료전지 스택(100B)과 제3 용융탄산염형 연료전지 스택(100C)으로 캐소드 가스가 배출되는 배관 각각에 배치된다.
다시 말하면, 기계적 구성 장치와 전기적 구성 장치는 복수의 밸브를 제어하여 제1 내지 제4 복수의 용융탄산염형 연료전지 스택(100A, 100B, 100C, 100D) 각각으로 유입되는 캐소드 가스의 유입량을 제어할 수 있으며, 이는 곧 제1 내지 제4 복수의 용융탄산염형 연료전지 스택(100A, 100B, 100C, 100D) 각각의 전력 생산량을 독립적으로 제어할 수 있음을 의미한다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 분리형 용융탄산염형 연료전지 모듈은 생산하고자 하는 총 전력 생산량에 따라 제1 내지 제4 복수의 용융탄산염형 연료전지 스택(100A, 100B, 100C, 100D) 각각에 대한 캐소드 가스의 유입량을 제어하는 것이 가능하며, 만약 제1 내지 제4 복수의 용융탄산염형 연료전지 스택(100A, 100B, 100C, 100D) 중 어느 하나에 고장이 발생하거나 다른 이유에 의하여 전력 생산량이 초과 또는 미달하더라도 다른 용융탄산염형 연료전지 스택에 대한 캐소드 가스 유입량을 제어하여 총 전력 생산량을 안정적으로 확보하는 것이 가능하다.
한편, 위에서 설명한 바와 같이, 제1 내지 제4 복수의 용융탄산염형 연료전지 스택(100A, 100B, 100C, 100D) 각각과 제1 내지 제4 내측 베슬(300A, 300B, 300C, 300D) 각각으로 구성된 스택 모듈은 서로 독립적으로 운전이 가능하며, 이에 따른 분리 해체가 가능하다.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 분리형 용융탄산염형 연료전지 모듈은 복수의 스택 모듈 중 선택된 스택 모듈에서 캐소드 공급 배관과 애노드 배출 배관을 분리하는 단계, 선택된 스택 모듈에서 내부 베슬을 제거하는 단계, 및 하부 플레이트에서 선택된 스택 모듈을 제거하는 단계, 촉매연소기를 제거하는 단계, 복수의 연료전지 유닛과 상기 촉매연소기를 에워싸서 보호하는 외부 베슬을 제거하는 단계, 및 하부 플레이트를 구성하는 복수의 조각 플레이트를 제거하는 단계를 통해 해체가 가능하다.
이하 도 2 를 참조하여 분리형 용융탄산염형 연료전지 모듈의 해체 방법에 대하여 살펴보기로 한다.
우선, 제1 내지 제4 복수의 용융탄산염형 연료전지 스택(100A, 100B, 100C, 100D) 각각에 대응하는 스택 모듈 중 해체하고자 하는 스택 모듈에서 캐소드 가스가 이동하는 캐소드 공급 배관과 애노드 가스가 이동하는 애노드 배출 배관을 분리한다. 설명의 편의를 위하여, 이하 제1 용융탄산염형 연료전지 스택(100A)에 대응하는 스택 모듈을 해체한다고 가정하기로 한다.
즉, 제1 용융탄산염형 연료전지 스택(100A)에 대응하는 캐소드 공급 배관과 애노드 배출 배관을 분리한다. 이후, 제1 내부 베슬(300A)을 제거하고, 하부 플레이트(P)에서 제1 용융탄산염형 연료전지 스택(100A)과 촉매연소기(200)를 제거한다. 그리고, 제1 내지 제4 복수의 용융탄산염형 연료전지 스택(100A, 100B, 100C, 100D)과 제1 내지 제4 내부 베슬(300A, 300B, 300C, 300D)과 촉매연소기(200)를 에워싸서 보호하는 외부 베슬(400)을 제거하고, 마지막으로 하부 플레이트(P)를 구성하는 복수의 조각 플레이트를 분리 및 제거함으로써 분리형 용융탄산염형 연료전지 모듈의 해체가 가능하다.
본 발명의 실시예에 따른 분리형 용융탄산염형 연료전지 모듈은 이와 같은 해체가 가능하며, 이를 통해 분리형 용융탄산염형 연료전지 모듈에 대한 이동의 편리함 및 재조립의 용이성을 높여줄 수 있다.
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.
100A, 100B, 100C, 100D : 제1 내지 제4 복수의 용융탄산염형 연료전지 스택
200 : 촉매연소기
300A, 300B, 300C, 300D : 제1 내지 제4 내측 베슬
400 : 외측 베슬

Claims (12)

  1. 연료전지 스택과, 상기 연료전지 스택을 보호하는 내부 베슬을 포함하는 복수의 스택 모듈(stack modules);
    상기 복수의 스택 모듈에서 배출되는 애노드 오프가스의 잔여 연료를 산화시키고, 외부 공기와 연료를 예열 및 혼합한 캐소드 가스를 상기 복수의 스택 모듈로 공급하는 촉매연소기; 및
    상기 복수의 스택 모듈과 상기 촉매연소기를 떠받치는 하부 플레이트를 포함하여 이루어지는 분리형 용융탄산염형 연료전지 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 촉매연소기의 캐소드 가스는 상기 복수의 스택 모듈 각각의 캐소드 인렛으로 유입되고, 상기 복수의 스택 모듈 각각의 해당 내부 베슬 안에서 순환하는 것을 특징으로 하는 분리형 용융탄산염형 연료전지 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 스택 모듈은 적어도 하나의 스택 모듈을 포함하는 복수의 그룹으로 구분되며,
    상기 촉매연소기는 상기 그룹당 하나씩 구비되는 것을 특징으로 하는 분리형 용융탄산염형 연료전지 모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 그룹당 하나씩 구비되는 복수의 촉매연소기는, 각각 독립적으로 제어되는 것을 특징으로 하는 분리형 용융탄산염형 연료전지 모듈.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 그룹당 하나씩 구비되는 복수의 촉매연소기는, 외부 공기와 연료가 유입되는 공기-연료 인렛을 함께 공유하는 것을 특징으로 하는 분리형 용융탄산염형 연료전지 모듈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 연료전지 유닛과 상기 촉매연소기를 보호하는 외부 베슬을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 분리형 용융탄산염형 연료전지 모듈.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 하부 플레이트는, 복수의 조각 플레이트가 결합되어 형성되는 것을 특징으로 하는 분리형 용융탄산염형 연료전지 모듈.
  8. 연료전지 스택과, 상기 연료전지 스택을 보호하는 내부 베슬을 포함하는 복수의 스택 모듈(stack modules)과, 상기 복수의 스택 모듈에서 배출되는 애노드 오프가스의 잔여 연료를 산화시키고, 외부 공기와 연료를 예열 및 혼합한 캐소드 가스를 상기 복수의 스택 모듈로 공급하는 촉매연소기와, 상기 복수의 스택 모듈과 상기 촉매연소기를 떠받치는 하부 플레이트를 포함하는 용융탄산염 연료전지 시스템에서,
    상기 복수의 스택 모듈 중 선택된 스택 모듈에서 캐소드 공급 배관과 애노드 배출 배관을 분리하는 단계;
    상기 선택된 스택 모듈에서 내부 베슬을 제거하는 단계; 및
    상기 하부 플레이트에서 상기 선택된 스택 모듈을 제거하는 단계
    를 포함하는 분리형 용융탄산염형 연료전지 모듈의 해체 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 촉매연소기의 캐소드 가스는 상기 복수의 스택 모듈 각각의 캐소드 인렛으로 유입되고, 상기 복수의 스택 모듈 각각의 해당 내부 베슬 안에서 순환하는 것을 특징으로 하는 분리형 용융탄산염형 연료전지 모듈의 해체 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 복수의 스택 모듈은 적어도 하나의 스택 모듈을 포함하는 복수의 그룹으로 구분되며,
    상기 촉매연소기는 상기 그룹당 하나씩 구비되는 것을 특징으로 하는 분리형 용융탄산염형 연료전지 모듈의 해체 방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 복수의 연료전지 유닛과 상기 촉매연소기를 에워싸서 보호하는 외부 베슬을 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 분리형 용융탄산염형 연료전지 모듈의 해체 방법.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 하부 플레이트는, 복수의 조각 플레이트가 결합되어 형성되는 것을 특징으로 하는 분리형 용융탄산염형 연료전지 모듈의 해체 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008071712A (ja) * 2006-09-15 2008-03-27 Toto Ltd 燃料電池セル体、燃料電池セルユニット、燃料電池セルスタック及びそれらを含む燃料電池
KR20120008272A (ko) * 2010-07-16 2012-01-30 삼성에스디아이 주식회사 번들형 인터커넥터 및 이를 구비한 연료전지
KR20180076284A (ko) * 2016-12-27 2018-07-05 한국세라믹기술원 운전 중 개별 교체가 가능한 단위전지모듈을 포함하는 연료전지 및 고온 수전해용 스택 모듈

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