KR102232001B1 - Reversible solid oxide electrolysis system having heat recovery function using ejector and method for operating the same reversible solid oxide electrolysis system - 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 수소극으로 공급되는 수소와 상기 수소극에서 배출되는 제1 배출가스를 열교환하는 제1 열교환기; 스팀을 수소극에 공급하는 스팀 공급 유로 및 이 공급 유로에 형성된 분기유로; 및 상기 스팀 공급 유로에 배치된 이젝터;를 포함하는 양방향 수전해 시스템을 개시한다. The present invention relates to a two-way water electrolysis system, according to an embodiment, consisting of a hydrogen electrode, an air electrode, and an electrolyte interposed therebetween, and is capable of operating in any one of a water electrolysis mode and a fuel cell mode. battery; A first heat exchanger for exchanging the hydrogen supplied to the hydrogen electrode with the first exhaust gas discharged from the hydrogen electrode; A steam supply passage for supplying steam to the hydrogen electrode and a branch passage formed in the supply passage; And an ejector disposed in the steam supply passage.
Description
본 발명은 양방향 수전해 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이젝터를 이용하여 연료전지에서 배출되는 배출가스의 열에너지를 회수함으로써 시스템 효율을 향상시킬 수 있는 양방향 수전해 시스템에 관한 것이다. The present invention relates to a two-way water electrolysis system, and more particularly, to a two-way water electrolysis system capable of improving system efficiency by recovering heat energy of exhaust gas discharged from a fuel cell using an ejector.
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. Recently, research on a power generation system using renewable energy such as solar or wind power has been conducted. In the case of a power generation system using renewable energy, the electrical output varies depending on the natural environment, so when excess power exceeding the amount of power demand occurs, a study on a method of storing and using it is required. For example, when excess power is generated from the renewable energy generation facility, hydrogen is produced and stored using a water electrolysis device, and when the amount of power generated is low, a system capable of producing and supplying power from a fuel cell using the stored hydrogen is studied. Has become.
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. Reversible (bidirectional) water electrolysis systems based on high-temperature water electrolysis and fuel cell technology require an operating environment of 700°C or higher and a heat source to generate high-temperature water vapor. Therefore, it is necessary to improve the system efficiency by maintaining the operating environment of the water electrolysis system at a high temperature and effectively utilizing the exhaust heat discharged from the water electrolysis system.
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. The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a two-way water electrolysis system capable of improving system efficiency and increasing capacity by efficiently utilizing the thermal energy of a two-way water electrolysis system.
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 수소극으로 공급되는 수소와 상기 수소극에서 배출되는 제1 배출가스를 열교환하는 제1 열교환기; 스팀을 수소극에 공급하는 스팀 공급 유로 및 이 공급 유로에 형성된 분기유로; 및 상기 스팀 공급 유로에 배치된 이젝터;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 유로에 연결된 것을 특징으로 하는 양방향 수전해 시스템을 제공한다. According to an embodiment of the present invention, there is provided a two-way water electrolysis system, comprising: a two-way water electrolysis fuel cell comprising a hydrogen electrode, an air electrode, and an electrolyte interposed therebetween and operable in any one of a water electrolysis mode and a fuel cell mode; A first heat exchanger for exchanging the hydrogen supplied to the hydrogen electrode with the first exhaust gas discharged from the hydrogen electrode; A steam supply passage for supplying steam to the hydrogen electrode and a branch passage formed in the supply passage; And an ejector disposed in the steam supply passage, wherein a driving nozzle of the ejector is connected to an upstream side of the steam supply passage, and an injection nozzle of the ejector is connected to a downstream side of the steam supply passage, and the ejector It provides a two-way water electrolysis system, characterized in that the inlet of is connected to a feedback flow path branched from the discharge flow path of the first exhaust gas.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 수전해 모드와 연료전지 모드에서 동작 가능한 양방향 수전해 시스템의 동작 방법으로서, 상기 양방향 수전해 시스템은, 수소극, 공기극 및 그 사이에 개재된 전해질로 구성되며, 수전해 모드와 연료전지 모드 중 어느 하나의 모드에서 동작 가능한 양방향 수전해 연료전지; 및 스팀을 수소극에 공급하는 스팀 공급 유로 및 이 공급 유로에 형성된 분기유로; 및 상기 스팀 공급 유로에 배치된 이젝터;를 포함하고, 상기 양방향 수전해 시스템의 구동 방법은, 수전해 모드에서 상기 스팀 공급 유로을 통해 스팀을 수소극으로 공급하고 연료전지 모드에서 상기 이젝터를 우회하여 상기 분기유로를 통해 스팀을 수소극으로 공급하는 단계; 및 수전해 모드에서, 상기 수소극에서 배출되는 배출가스의 적어도 일부를 상기 이젝터를 통해 수소극으로 재공급하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 수전해 시스템의 동작 방법을 제공한다. According to an embodiment of the present invention, a method of operating a bidirectional water electrolysis system operable in a water electrolysis mode and a fuel cell mode, wherein the bidirectional water electrolysis system comprises a hydrogen electrode, an air electrode, and an electrolyte interposed therebetween, A bidirectional electrolysis fuel cell operable in any one of a water electrolysis mode and a fuel cell mode; And a steam supply passage for supplying steam to the hydrogen electrode and a branch passage formed in the supply passage. And an ejector disposed in the steam supply passage, wherein the driving method of the bidirectional water electrolysis system includes supplying steam to the hydrogen electrode through the steam supply passage in the water electrolysis mode and bypassing the ejector in the fuel cell mode. Supplying steam to the hydrogen electrode through a branch passage; And resupplying at least a part of the exhaust gas discharged from the hydrogen electrode to the hydrogen electrode through the ejector in the water electrolysis mode.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 수전해 모드에서 연료전지의 수소극에서 배출되는 배출가스 중 일부를 이젝터를 통해 수소극으로 재공급하도록 구성하고 연료전지 모드에서 배출가스의 일부를 재순환하여 수소극으로 재공급하도록 구성함으로써 시스템 효율을 향상시키는 효과를 달성하였다.According to an embodiment of the present invention, some of the exhaust gas discharged from the hydrogen electrode of the fuel cell in the water electrolysis mode is configured to be resupplied to the hydrogen electrode through an ejector, and a part of the exhaust gas is recycled to the hydrogen electrode in the fuel cell mode. By configuring to re-supply to the system, the effect of improving the system efficiency was achieved.
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 제3 실시예에 따른 양방향 수전해 시스템을 설명하기 위한 도면이다. 1 is a view for explaining a two-way electrolysis system according to a first embodiment of the present invention;
2 is a diagram for explaining a water electrolysis (SOEC) mode of the bidirectional water electrolysis system of the first embodiment;
3 is a view for explaining a fuel cell (SOFC) mode of the bi-directional water electrolysis system of the first embodiment;
4 is a view for explaining a two-way electrolysis system according to a second embodiment;
5 is a diagram for explaining a two-way electrolysis system according to a third embodiment.
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.The above objects, other objects, features, and advantages of the present invention will be easily understood through the following preferred embodiments related to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. Rather, the embodiments introduced herein are provided so that the disclosed content may be thorough and complete, and the spirit of the present invention may be sufficiently conveyed to those skilled in the art.
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.In this specification, the singular form also includes the plural form unless specifically stated in the phrase. As used in the specification, "comprise" and/or "comprising" does not exclude the presence or addition of one or more other components.
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. Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In describing the specific embodiments below, a number of specific contents have been prepared to explain the invention in more detail and to aid understanding. However, readers who have knowledge in this field enough to understand the present invention It can be recognized that it can be used without specific content. In some cases, it is mentioned in advance that parts that are commonly known in describing the invention and are not significantly related to the invention are not described in order to avoid confusion in describing the invention.
도1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 양방향 수전해 시스템을 설명하기 위한 도면이다. 1 is a diagram for explaining a two-way electrolysis system according to a first embodiment of the present invention.
도면을 참조하면, 제1 실시예의 양방향 수전해 시스템은 스팀 생성부(10), 이젝터(20), 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. Referring to the drawings, the two-way water electrolysis system of the first embodiment includes components such as a
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. The bi-directional water
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. In one embodiment, the bi-directional water
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 및/또는 L31)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 모드에서 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. In one embodiment, the bi-directional water
연료전지 모드(이하에서 "SOFC 모드"라고도 함)에서, 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. In the fuel cell mode (hereinafter referred to as “SOFC mode”), the
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 연료전비 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,L22,L31) 중 적어도 하나의 유로에 블로워, 펌프, 및/또는 유량제어밸브를 설치하여 수소 및/또는 스팀의 공급량을 조절할 수 있다. In theory, water (steam) and electricity are supplied to the
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 섭씨 650도 이상 가열될 수 있다. In the illustrated embodiment, hydrogen is supplied to the
도시한 실시예에서 스팀은 제1 스팀 공급 유로(L21) 및 제2 스팀 공급 유로(L31)를 통해 연료전지(30)에 공급된다. 제1 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. In the illustrated embodiment, steam is supplied to the
제1 스팀 공급 유로(L21)는 분기 유로(L22)를 포함한다. 도시한 것처럼 분기 유로(L22)는 제1 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 제1 스팀 유로(L21)에도 개폐밸브가 설치될 수 있고, 밸브의 제어에 의해 스팀이 제1 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. The first steam supply passage L21 includes a branch passage L22. As shown, the branch flow path L22 is configured to diverge from the first steam supply flow path L21 and then join the flow path L21 again. An on-off
일 실시예에서 양방향 수전해 시스템은 제1 스팀 공급 유로(L21)에 배치된 이젝터(20)를 포함한다. 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 제1 스팀 공급 유로(L21)의 상류측에 연결되고 분사노즐은 제1 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. In one embodiment, the bidirectional water electrolysis system includes an
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. In general, in the water electrolysis mode, the volume ratio of steam and hydrogen injected into the
분기유로(L22)가 제1 스팀 공급 유로(L21)에 합류한 후 제1 스팀 공급 유로(L21)는 수소 공급 유로(L11)와 합류하며, 수소와 스팀의 혼합 가스는 혼합가스 공급 유로(L12)를 따라 연료전지(30)의 수소극(31)에 공급된다. 이 때 제1 스팀 공급 유로(L21)와 수소 공급 유로(L11)의 합류점이 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 할 필요없이 제1 열교환기(41)에서 수소만 가열하면 되므로, 수소와 스팀의 혼합 가스를 가열하는 것에 비해 수소를 더 고온으로 가열할 수 있다. After the branch passage L22 joins the first steam supply passage L21, the first steam supply passage L21 merges with the hydrogen supply passage L11, and the mixed gas of hydrogen and steam is a mixed gas supply passage L12. ) Is supplied to the
본 발명의 양방향 수전해 시스템은 제2 스팀 공급 유로(L31)를 더 포함할 수 있다. 하나 이상의 펌프(15) 및 제2 열교환기(42)가 제2 스팀 공급 유로(L31)에 설치된다. 펌프(15)는 펌프(15)에 의해 시스템 외부로부터 물(이하 "외부공급 물"이라 함)이 제2 열교환기(42)로 공급되고 제2 열교환기(42)는 외부공급 물을 가열한다. The bidirectional water electrolysis system of the present invention may further include a second steam supply passage L31. At least one
일 실시예에서 제2 열교환기(42)는 이 외부공급 물과 수소극(31)에서 배출되는 배출가스의 사이의 열교환이 일어나도록 구성되며, 배출가스의 흐름에서 볼 때 제1 열교환기(41)의 하류측에 배치된다. 일 실시예에서 외부공급 물은 예를 들어 상온 또는 섭씨 35도 내지 45도이고 제2 열교환기(42)로 공급되는 배출가스는 섭씨 700도 내지 750도일 수 있고, 이 경우 제2 열교환기(42)에서 배출되는 (외부공급 물이 기화된) 스팀은 예컨대 섭씨 600도 이상으로 가열될 수 있다. In one embodiment, the
제2 스팀 공급 유로(31)는 이젝터(20) 전단에서 제1 스팀 공급 유로(L21)에 합류하도록 구성된다. 따라서 제2 열교환기(42)에서 배출되는 스팀은 제1 스팀 공급 유로(L21)의 스팀과 혼합된 후 이젝터(20)의 구동노즐 측으로 주입된다. The second
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. In one embodiment, the bidirectional water electrolysis system may further include a
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. In one embodiment, the bidirectional water electrolysis system includes an air supply flow path L53 for supplying air from the outside to the
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. A
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. In the illustrated embodiment, the first branch flow path L51 and the second branch flow path L52 arranged in parallel with each other on the upstream side of the air supply flow path L53 are connected, and the first branch flow paths L51 and L52 are connected to each other. The
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. In the water electrolysis mode, a lot of water (steam) and electricity are required, and a relatively small amount of air is required, and in the fuel cell mode, a large amount of hydrogen and oxygen (air) is required, so the amount of air supplied must be large. Therefore, in one embodiment, only the
한편 연료전지(30)의 수소극(31)에서 배출되는 배출가스는 배출 유로(L41)를 따라 외부로 배출된다. 일 실시예에서 배출 유로(L41)를 따라 순차적으로 제1 열교환기(41) 및 제2 열교환기(42)가 각각 설치된다. 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 제2 스팀 공급 유로(L31)를 통해 공급되는 외부공급 물을 기화시키고 가열한다. Meanwhile, the exhaust gas discharged from the
배출 유로(L41)를 따라 이송되는 배출가스는 물 배출부로 이송된다. 물 배출부는 배출가스 중의 물을 분리하여 배출하는 장치이며, 도시한 실시예에서 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 처리될 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. The exhaust gas conveyed along the exhaust flow path L41 is conveyed to the water discharging unit. The water discharge unit is a device for separating and discharging water in the exhaust gas, and in the illustrated embodiment, a pump installed on the circulation passage L70 of the refrigerant circulating through the
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. In one embodiment of the present invention, at least a portion of the gas that passes through the
예를 들어 연료전지 모드에서, 유로(L45)의 가스 중 적어도 일부를 재순환 유로(L44)로 재순환시켜 수소극(31)에 재공급하고 수전해 모드에서는 재순환 유로(L44)를 폐쇄하도록 구성할 수 있다. 이를 위해 예컨대 재순환 유로(L44)의 분기점에 삼방밸브를 설치하거나 재순환 유로(L44) 상의 임의의 지점에 개폐밸브를 설치하여 제어할 수 있다. For example, in the fuel cell mode, at least a part of the gas in the flow path L45 is recirculated to the recirculation flow path L44 to be resupplied to the
도시한 실시예에서 재순환 유로(L44)에 제3 열교환기(43)와 블로워(45)가 설치될 수 있다. 바람직하게는, 재순환 유로(L44)의 상류에서 하류 방향으로 제3 열교환기(43)와 블로워(45)가 순차적으로 설치된다. In the illustrated embodiment, a
제3 열교환기(43)는 배출 유로(L41)의 배출가스와 재순환 유로(L44)의 재순환 가스 사이를 열교환하여 재순환 가스의 온도를 상승시킨다. 일 실시예에서 제3 열교환기(43)는 재순환 가스의 온도를 상승하여 재순환 가스에 응결이 발생하지 않도록 하는 소형 열교환기이다. 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 소형 열교환기(43)를 설치하여 재순환 가스 온도를 약간 상승시킨 후 블로워(45)로 이송되도록 한다. 일 실시예에서 제3 열교환기(43)에 의해 재순환 가스의 온도가 5도 내지 25도 사이의 범위에서 상승하도록 한다. The
이와 같이 제3 열교환기(43)와 블로워(45)를 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. As described above, the recycle gas that has passed through the
이제 도2와 도3을 참조하여 제1 실시예의 양방향 수전해 시스템의 수전해 모드와 연료전지 모드의 동작을 각각 설명하기로 한다. Now with reference to Figs. 2 and 3, the operation of the electrolysis mode and the fuel cell mode of the bidirectional electrolysis system of the first embodiment will be described, respectively.
도2는 제1 실시예의 양방향 수전해 시스템의 수전해(SOEC) 모드의 동작 상태를 나타낸다. 도면에서 굵은 선으로 표시한 유로가 수전해 모드에서 사용되는 유로이다. Fig. 2 shows an operation state of a water electrolysis (SOEC) mode of the bidirectional water electrolysis system according to the first embodiment. A flow path indicated by a thick line in the drawing is a flow path used in the electrolysis mode.
도면을 참조하면, 수전해 모드에서 제1 스팀 공급 유로(L21)를 통해 스팀이 공급되고, 제2 스팀 공급 유로(L31)를 통해 외부공급 물이 공급되어 제2 열교환기(42)에서 스팀으로 기화되고 제1 스팀 공급 유로(L21)에 합류한다. 이렇게 혼합된 스팀은 유로(L12)를 통해 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. Referring to the drawings, in the water electrolysis mode, steam is supplied through the first steam supply flow path L21, and externally supplied water is supplied through the second steam supply flow path L31 to form steam from the
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. As the water electrolysis reaction takes place in the
배출 유로(L41)로 배출되는 제1 배출가스의 일부가 피드백 유로(L47)에서 분기되어 이젝터(20)의 흡입구로 공급되고, 스팀 공급 유로(L21)를 통해 이송되는 스팀과 혼합되어 수소극(31)으로 다시 공급된다. 피드백 유로(47)로 분기되지 않은 나머지 제1 배출가스는 열교환 없이 제1 열교환기(41)를 통과하고, 제2 열교환기(42)에서 외부공급 물과 열교환하여 외부공급 물을 기화시키고 가열한다. 도시한 실시예에서 재순환 유로(L44)가 수전해 모드에서 폐쇄되고 따라서 배출 유로(L41)의 제1 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. Part of the first exhaust gas discharged to the discharge flow path L41 is branched from the feedback flow path L47 and supplied to the inlet of the
도3은 제1 실시예의 양방향 수전해 시스템의 연료 전지(SOFC) 모드의 동작 상태를 나타낸다. 도면에서 굵은 선으로 표시한 유로가 연료전지 모드에서 사용되는 유로이다. Fig. 3 shows the operating state of the fuel cell (SOFC) mode of the bidirectional water electrolysis system of the first embodiment. The flow path indicated by the thick line in the drawing is the flow path used in the fuel cell mode.
도면을 참조하면, 연료전지 모드에서 수소 공급 유로(L11)를 통해 수소가 공급되고 제1 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 연료전지(30)의 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. Referring to the drawings, in the fuel cell mode, hydrogen is supplied through the hydrogen supply flow path L11 and a small amount of steam is supplied through the first steam supply flow path L21. Hydrogen is heated by heat exchange with the exhaust gas of the exhaust flow path L41 in the
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. As a chemical reaction between hydrogen and oxygen occurs in the
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. The first exhaust gas heats hydrogen while passing through the
이상과 같이 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, 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. As described above, according to the first embodiment, there is an advantage in that an appropriate mixed gas of hydrogen and steam can be supplied to the
이제 도4와 도5를 참조하여 각각 제2 및 제3 실시예에 따른 양방향 수전해 시스템을 설명하기로 한다. Now, a bidirectional electrolysis system according to the second and third embodiments will be described with reference to FIGS. 4 and 5, respectively.
도4는 제2 실시예에 따른 양방향 수전해 시스템을 나타낸다. 도면을 참조하면, 제2 실시예의 양방향 수전해 시스템은 스팀 생성부(10), 이젝터(20), 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 실시예의 각 구성요소와 동일 또는 유사하므로 설명을 생략한다.4 shows a two-way electrolysis system according to a second embodiment. Referring to the drawings, the two-way water electrolysis system of the second embodiment includes components such as a
도1의 제1 실시예와 비교할 때 제2 실시예의 시스템은 재순환 유로(L44)에 설치된 제4 열교환기(44)를 더 포함하는 점에서만 차이가 있다. 제4 열교환기(44)는 재순환 가스와 제1 배출가스 사이를 열교환하여 재순환 가스를 가열하는 역할을 한다. 재순환 유로(L44)의 관점에서 볼 때 제4 열교환기(44)는 블로워(45)의 하류측에 위치하며 배출유로(L41)의 관점에서 볼 때 제4 열교환기(44)는 제2 열교환기(42)와 제3 열교환기(43) 사이에 위치한다. Compared with the first embodiment of Fig. 1, the system of the second embodiment is different only in that it further includes a
제2 실시예에서 제3 열교환기(43)는 소형 열교환기로서 재순환 가스의 온도를 섭씨 5도 내지 20도 상승시키고 제4 열교환기(44)는 재순환 가스를 적어도 섭씨 200도 이상 가열시킬 수 있다. 예를 들어 재순환 유로(L44)로 분기된 재순환 가스가 섭씨 30도 내지 40도인 경우, 제3 열교환기(43)는 재순환 가스를 섭씨 40도 내지 60도로 가열하여 재순환 가스의 응결을 방지하고 제4 열교환기(44)는 재순환 가스를 섭씨 250도 내지 300도 사이로 가열할 수 있다. In the second embodiment, the
이 실시예에 따르면 제1 열교환기(41)에서 배출되는 배출가스의 열에너지를 제4 열교환기(44)에서 한번 더 이용하여 재순환 가스를 가열하기 때문에 폐열 회수가 가능하다. 또한 제4 열교환기(44)에서 한번 가열된 재순환 가스가 수소와 혼합한 뒤 제1 열교환기(41)에서 다시 가열되기 때문에 제1 실시예에 비해 혼합 가스 유로(L12)를 흐르는 혼합 가스의 온도를 더 높일 수 있는 이점이 있다. According to this embodiment, since the heat energy of the exhaust gas discharged from the
도5는 제3 실시예에 따른 양방향 수전해 시스템을 나타낸다. 도면을 참조하면, 제3 실시예의 양방향 수전해 시스템은 스팀 생성부(10), 이젝터(20), 양방향 수전해 연료전지(30), 히터(61,62) 등의 구성요소와 이 구성요소들 사이를 연결하는 연결하는 다수의 유로, 및 유로에 배치된 다수의 열교환기, 블로워, 및 펌프로 구성되며 이들 구성요소는 제1 실시예의 각 구성요소와 동일 또는 유사하므로 설명을 생략한다. 5 shows a two-way electrolysis system according to a third embodiment. Referring to the drawings, the two-way water electrolysis system of the third embodiment includes components such as a
도1의 제1 실시예와 비교할 때 제3 실시예의 시스템은 물 배출유로(L43)에 설치된 펌프(77)를 더 포함하는 점에서 차이가 있다. 펌프(77)는 드레인(72)에서 유로(L42)를 따라 배출되는 물을 강제로 펌핑하여 외부로 배출할 수 있다. Compared with the first embodiment of Fig. 1, the system of the third embodiment is different in that it further includes a
이러한 제3 실시예에 따르면, 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. According to this third embodiment, first, the pressure difference between the inlet of the
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. In addition, as the inlet pressure of the
이상 상술한 본 발명의 실시예들에 따르면 양방향 수전해 시스템의 수전해 모드와 연료전지 모드의 각 동작 모드에 따라 적절한 수소와 스팀의 혼합가스를 연료전지에 공급하고 연료전지에서 배출되는 배출가스의 폐열을 적절히 활용하여 재사용함으로써 시스템 효율을 향상시키는 이점이 있다. According to the embodiments of the present invention described above, an appropriate mixture of hydrogen and steam is supplied to the fuel cell according to each operation mode of the two-way water electrolysis system and the fuel cell mode, and the exhaust gas discharged from the fuel cell is reduced. There is an advantage of improving system efficiency by properly utilizing and reusing waste heat.
일반적으로 양방향 수전해 시스템에서 수전해 모드에서의 시스템 효율은 아래와 같이 정의될 수 있다. In general, in a two-way electrolysis system, the system efficiency in the electrolysis mode can be defined as follows.
위 수식에서 η1은 투입된 에너지 대비 생산된 에너지로 정의되는 효율로서, 분모는 보일러(12)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. In the above formula, η1 is the efficiency defined as the energy produced compared to the input energy, and the denominator represents the amount of heat of waste supplied to the
위의 수식들과 유사하게, 양방향 수전해 시스템의 연료전지 모드에서의 효율은 아래와 같이 정의될 수 있다. Similar to the above equations, the efficiency in the fuel cell mode of the bidirectional electrolysis system can be defined as follows.
위 수식에 따라 본 발명의 제1 내지 제3 실시예의 수전해 모드에서의 엑서지 효율(η3)을 계산한 결과 제1 실시예는 83.87%, 제2 실시예는 83.84%, 그리고 제3 실시예는 83.78%의 효율을 나타내었다. 종래의 일반적인 수전해 모드의 엑서지 효율이 70 내지 75%인 것을 감안할 때 본 발명과 같이 양방향 수전해 시스템을 구성할 경우 시스템 효율이 향상됨을 알 수 있다. As a result of calculating the exergy efficiency (η3) in the water electrolysis mode of the first to third embodiments of the present invention according to the above equation, the first embodiment is 83.87%, the second embodiment is 83.84%, and the third embodiment. Showed an efficiency of 83.78%. Considering that the exergy efficiency of the conventional general electrolysis mode is 70 to 75%, it can be seen that the system efficiency is improved when the bidirectional electrolysis system is configured as in the present invention.
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. As described above, those of ordinary skill in the field to which the present invention pertains can understand that various modifications and variations are possible from the description of this specification. Therefore, the scope of the present invention is limited to the described embodiments and should not be defined, and should be defined by the claims to be described later, as well as those equivalent to the claims.
10: 스팀 생성부
20: 이젝터
30: 양방향 수전해 연료전지
41, 42, 43, 44, 53: 열교환기
61,62: 히터 10: steam generator
20: ejector
30: two-way electrolysis fuel cell
41, 42, 43, 44, 53: heat exchanger
61,62: heater
Claims (17)
수소극, 공기극 및 그 사이에 개재된 전해질로 구성되며 수전해 모드와 연료전지 모드 중 어느 하나의 모드에서 동작 가능한 양방향 수전해 연료전지(30);
상기 수소극으로 공급되는 수소와 상기 수소극에서 배출되는 제1 배출가스를 열교환하는 제1 열교환기(41);
스팀을 수소극에 공급하는 스팀 공급 유로(L21) 및 이 공급 유로에 형성된 분기유로(L22); 및
상기 스팀 공급 유로(L21)에 배치된 이젝터(20);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 연결되며,
수전해 모드에서 스팀이 상기 스팀 공급 유로(L21)를 통해 수소극으로 공급되고 연료전지 모드에서 스팀이 상기 분기유로(L22)를 통해 수소극에 공급되는 것을 특징으로 하는 양방향 수전해 시스템. As a two-way electrolysis system,
A two-way electrolysis fuel cell 30 composed of a hydrogen electrode, an air electrode, and an electrolyte interposed therebetween and operable in either a water electrolysis mode or a fuel cell mode;
A first heat exchanger (41) for exchanging the hydrogen supplied to the hydrogen electrode and the first exhaust gas discharged from the hydrogen electrode;
A steam supply passage L21 for supplying steam to the hydrogen electrode and a branch passage L22 formed in the supply passage; And
Includes; an ejector 20 disposed in the steam supply passage L21,
The drive nozzle of the ejector is connected to the upstream side of the steam supply flow path, the injection nozzle of the ejector is connected to the downstream side of the steam supply flow path, and the inlet of the ejector branched from the discharge flow path of the first exhaust gas. It is connected to the feedback flow path (L47),
In the water electrolysis mode, steam is supplied to the hydrogen electrode through the steam supply passage (L21), and in the fuel cell mode, steam is supplied to the hydrogen electrode through the branch passage (L22).
상기 스팀 공급 유로(L21)와 수소를 수소극에 공급하는 수소 공급 유로(L11)의 합류점이 상기 제1 열교환기(41)와 수소극 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 양방향 수전해 시스템. The method of claim 1,
A two-way water electrolysis system, characterized in that a junction of the steam supply flow path L21 and the hydrogen supply flow path L11 for supplying hydrogen to the hydrogen electrode is located between the first heat exchanger 41 and the hydrogen electrode.
외부에서 공급되는 외부공급 물을 수전해 모드에서 상기 스팀 공급 유로(L21)측으로 공급하는 추가의 스팀 공급 유로(L31)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 수전해 시스템. The method of claim 2,
A two-way water electrolysis system further comprising an additional steam supply flow path L31 for supplying externally supplied water supplied from the outside to the steam supply flow path L21 side in a water electrolysis mode.
외부에서 공급되는 외부공급 물과 상기 제1 배출가스를 열교환하는 제2 열교환기(42);를 더 포함하고,
상기 제2 열교환기(42)에서 스팀으로 기화된 외부공급 물을 상기 이젝터의 구동노즐 측으로 공급하도록 구성된 것을 특징으로 하는 양방향 수전해 시스템. The method of claim 2,
A second heat exchanger 42 for exchanging heat exchange between the externally supplied water supplied from the outside and the first exhaust gas; further comprising,
Bi-directional water electrolysis system, characterized in that configured to supply externally supplied water vaporized as steam in the second heat exchanger (42) to the drive nozzle side of the ejector.
상기 제2 열교환기(42)의 하류측에 배치되며 상기 제1 배출가스에서 물을 제거하는 물 배출부;
상기 물 배출부를 통과한 가스 중 적어도 일부를 재순환 가스로서 상기 수소극으로 재공급하는 재순환 유로(L44);
상기 재순환 유로에 설치되며 상기 재순환 가스와 제1 배출가스 사이를 열교환하는 제3 열교환기(43);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 수전해 시스템. The method of claim 4,
A water discharge unit disposed downstream of the second heat exchanger 42 and configured to remove water from the first exhaust gas;
A recirculation passage (L44) for resupplying at least a portion of the gas passing through the water discharge unit as recirculation gas to the hydrogen electrode;
And a third heat exchanger (43) installed in the recirculation passage and exchanging heat between the recirculation gas and the first exhaust gas.
상기 재순환 유로(L44)가 수전해 모드에서 폐쇄되고 연료전지 모드에서 개방되는 것을 특징으로 하는 양방향 수전해 시스템. The method of claim 5,
The two-way water electrolysis system, characterized in that the recirculation passage (L44) is closed in a water electrolysis mode and opened in a fuel cell mode.
상기 제3 열교환기(43)에 의해 상기 재순환 가스의 온도를 5도 내지 20도 상승시키는 것을 특징으로 하는 양방향 수전해 시스템. The method of claim 6,
Bi-directional water electrolysis system, characterized in that the temperature of the recycle gas is raised by 5 to 20 degrees by the third heat exchanger (43).
상기 제2 열교환기(42)와 제3 열교환기(43) 사이에 설치되며 상기 재순환 가스와 제1 배출가스 사이를 열교환하는 제4 열교환기(44);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 수전해 시스템. The method of claim 6,
A fourth heat exchanger (44) installed between the second heat exchanger (42) and the third heat exchanger (43) and configured to exchange heat between the recycle gas and the first exhaust gas; Sea system.
상기 물 배출부의 물 배출유로(L43)에 설치되어 물을 펌핑하는 펌프(77)를 더 포함하고,
상기 수소 공급 유로(L11)를 통해 공급하는 수소의 압력과 상기 펌프(77)의 동작을 제어하여 수소극의 입구와 공기극의 입구 사이의 압력 차이를 소정 범위 내로 유지시키는 것을 특징으로 하는 양방향 수전해 시스템. The method of claim 6,
Further comprising a pump 77 installed in the water discharge passage (L43) of the water discharge unit to pump water,
Bi-directional water electrolysis, characterized in that the pressure difference between the inlet of the hydrogen electrode and the inlet of the air electrode is maintained within a predetermined range by controlling the pressure of hydrogen supplied through the hydrogen supply channel L11 and the operation of the pump 77 system.
상기 공기극으로 공기를 공급하는 공기 공급 유로(L53)에 병렬로 연결된 제1 블로워(51) 및 제2 블로워(52); 및
상기 공기 공급 유로(L53)를 통해 공기극으로 공급되는 공기와 상기 공기극에서 배출되는 제2 배출가스를 열교환하는 제5 열교환기(53);를 더 포함하고,
상기 제2 블로워의 공기 공급량이 제1 블로워의 공기 공급량보다 5 내지 15배 큰 것을 특징으로 하는 양방향 수전해 시스템. The method of claim 8,
A first blower 51 and a second blower 52 connected in parallel to an air supply passage L53 supplying air to the cathode; And
A fifth heat exchanger (53) for exchanging heat between the air supplied to the cathode through the air supply passage (L53) and the second exhaust gas discharged from the cathode; further comprising,
Two-way water electrolysis system, characterized in that the air supply amount of the second blower is 5 to 15 times larger than the air supply amount of the first blower.
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. The method of claim 10,
And driving the first blower in a water electrolysis mode among the first and second blowers and driving the second blower in a fuel cell mode.
상기 양방향 수전해 시스템은,
수소극, 공기극 및 그 사이에 개재된 전해질로 구성되며, 수전해 모드와 연료전지 모드 중 어느 하나의 모드에서 동작 가능한 양방향 수전해 연료전지(30); 및
스팀을 수소극에 공급하는 스팀 공급 유로(L21) 및 이 공급 유로에 형성된 분기유로(L22); 및
상기 스팀 공급 유로(L21)에 배치된 이젝터(20);를 포함하고,
상기 양방향 수전해 시스템의 구동 방법은,
수전해 모드에서 상기 스팀 공급 유로(L21)을 통해 스팀을 수소극으로 공급하고 연료전지 모드에서 상기 이젝터를 우회하여 상기 분기유로(L22)를 통해 스팀을 수소극으로 공급하는 단계; 및
수전해 모드에서, 상기 수소극에서 배출되는 배출가스의 적어도 일부를 상기 이젝터를 통해 수소극으로 재공급하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 수전해 시스템의 동작 방법. As an operation method of a two-way electrolysis system capable of operating in a water electrolysis mode and a fuel cell mode,
The bi-directional water electrolysis system,
A two-way electrolysis fuel cell 30 composed of a hydrogen electrode, an air electrode, and an electrolyte interposed therebetween and operable in any one of a water electrolysis mode and a fuel cell mode; And
A steam supply passage L21 for supplying steam to the hydrogen electrode and a branch passage L22 formed in the supply passage; And
Includes; an ejector 20 disposed in the steam supply passage L21,
The driving method of the bidirectional water electrolysis system,
Supplying steam to the hydrogen electrode through the steam supply passage L21 in the water electrolysis mode and bypassing the ejector in the fuel cell mode to supply steam to the hydrogen electrode through the branch passage L22; And
In the water electrolysis mode, the step of resupplying at least a part of the exhaust gas discharged from the hydrogen electrode to the hydrogen electrode through the ejector; The method of operating a two-way water electrolysis system comprising a.
연료전지 모드에서, 수소극으로 공급되는 수소와 수소극에서 배출되는 배출가스를 열교환하는 제1 열교환기(41)에서 상기 수소극으로 공급되는 수소를 가열하는 단계를 더 포함하고,
이 때 상기 스팀 공급 유로(L21)와 수소를 수소극에 공급하는 수소 공급 유로(L11)의 합류점이 상기 제1 열교환기(41)와 수소극 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 양방향 수전해 시스템의 동작 방법. The method of claim 12,
In the fuel cell mode, the step of heating the hydrogen supplied to the hydrogen electrode in the first heat exchanger 41 for exchanging the hydrogen supplied to the hydrogen electrode and the exhaust gas discharged from the hydrogen electrode,
At this time, the confluence of the steam supply flow path L21 and the hydrogen supply flow path L11 for supplying hydrogen to the hydrogen electrode is located between the first heat exchanger 41 and the hydrogen electrode. How it works.
외부에서 공급되는 외부공급 물과 상기 배출가스를 열교환하는 제2 열교환기(42)에서 상기 외부공급 물을 스팀으로 기화시키는 단계; 및
상기 제2 열교환기(42)에서 스팀으로 기화된 외부공급 물을 상기 이젝터의 구동노즐 측으로 공급하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 수전해 시스템의 동작 방법. The method of claim 13, wherein in the hydroelectrolysis mode,
Vaporizing the externally supplied water into steam in a second heat exchanger (42) that heat-exchanges the externally supplied water and the exhaust gas supplied from the outside; And
Supplying externally supplied water vaporized as steam in the second heat exchanger (42) to the drive nozzle of the ejector.
상기 제1 열교환기(41)의 후단에 설치된 물 배출부에서 상기 배출가스 중의 물을 제거하는 단계; 및
연료전지 모드에서, 상기 물 배출부를 통과한 가스 중 적어도 일부를 재순환 가스로서 상기 수소극으로 재공급하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 수전해 시스템의 동작 방법. The method of claim 14,
Removing water in the exhaust gas from a water outlet installed at a rear end of the first heat exchanger (41); And
In the fuel cell mode, the step of resupplying at least a portion of the gas that has passed through the water discharge unit as a recycle gas to the hydrogen electrode; the method of operating a two-way water electrolysis system further comprising a.
상기 양방향 수전해 시스템이, 상기 재순환 가스를 수소극으로 재공급하는 재순환 유로(L44)에 상류측에서 하류측으로 순차적으로 설치된 제3 열교환기(43), 블로워(45), 및 제4 열교환기(44)를 더 포함하고
상기 제3 열교환기(43)는 재순환 가스와 배출가스 사이를 열교환하여 재순환 가스를 섭씨 5도 내지 20도 가열시키고, 상기 제4 열교환기(44)는 재순환 가스와 배출가스 사이를 열교환하여 재순환 가스를 적어도 섭씨 200도 이상 가열시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 양방향 수전해 시스템의 동작 방법. The method of claim 15,
The bi-directional water electrolysis system is a third heat exchanger 43, a blower 45, and a fourth heat exchanger that are sequentially installed from an upstream side to a downstream side in a recycling flow path L44 for resupplying the recycle gas to the hydrogen electrode. 44) and
The third heat exchanger 43 heats the recycle gas by heat exchange between the recycle gas and the exhaust gas to heat the recycle gas to 5 to 20 degrees Celsius, and the fourth heat exchanger 44 exchanges heat between the recycle gas and the exhaust gas. Method of operating a two-way electrolysis system, characterized in that configured to heat at least 200 degrees Celsius or more.
상기 양방향 수전해 시스템이, 상기 물 배출부의 물 배출유로(L43)에 설치되어 물을 외부로 펌핑하는 펌프(77)를 더 포함하고,
상기 방법이, 상기 수소 공급 유로(L11)를 통해 공급하는 수소의 압력과 상기 펌프(77)의 동작을 제어하여 수소극의 입구와 공기극의 입구 사이의 압력 차이를 소정 범위 내로 유지시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 수전해 시스템의 동작 방법. The method of claim 15,
The bidirectional water electrolysis system further includes a pump 77 installed in the water discharge passage L43 of the water discharge unit to pump water to the outside,
The method further includes controlling the pressure of hydrogen supplied through the hydrogen supply passage L11 and the operation of the pump 77 to maintain a pressure difference between the inlet of the hydrogen electrode and the inlet of the air electrode within a predetermined range. Method of operating a two-way electrolysis system comprising a.
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