KR102378796B1 - 열배터리 연계 가역 고체산화물 전지 시스템 및 그 구동방법 - Google Patents

열배터리 연계 가역 고체산화물 전지 시스템 및 그 구동방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예는 연료전지 모드 구동 시 발생된 열을 저장하여, 연료전지 모드 구동 시 예열에 필요한 열 또는 수전해 모드 구동 시의 흡열 반응에 필요한 열로 공급하는 것에 의해 전력, 수소 및 산소 생산 효율을 현저히 향상시키기 위해, 전기화학적 발전 또는 수전해를 선택적으로 수행하는 SOC(Solid Oxide Cell, 고체산화물 전지)부; 상기 SOC부로 연료전지 모드 구동을 위한 연료를 공급하는 연료공급부; 상기 SOC부에서 배출되는 배출가스를 산화시킨 후 고온가스로 배출하는 산화부; 상기 산화부에서 배출되는 고온가스를 유입 받은 후 열저장물질을 이용해 열을 저장한 후 상기 SOC부로 연료전지 모드 구동 시의 예열을 위한 열 또는 수전해 모드 시의 수증기를 공급하는 열배터리부; 및 상기 SOC부의 수전해 모드 구동에 필요한 수증기 공급을 위한 수전해수를 저장하는 수전해수 저장부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 가역 고체산화물 전지 시스템 시스템을 제공한다.

Description

열배터리 연계 가역 고체산화물 전지 시스템 및 그 구동방법{Reversible solid oxide cell system conjunction with thermal battery and the operating method thereof}
본 발명은 고체산화물 셀(Solid Oxide Cell)을 이용한 발전 및 수전해에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 연료전지 모드 구동 시 발생된 열을 저장하여, 연료전지 모드 구동 시 예열에 필요한 열 또는 수전해 모드 구동 시의 흡열 반응에 필요한 열로 공급하는 것에 의해 전력, 수소 및 산소 생산 효율을 현저히 향상시킨 열배터리 연계 가역 고체산화물 전지 시스템 및 그 구동방법에 관한 것이다.
SOFC(고체산화물 연료전지: Solid Oxide Fuel Cell)는 용융탄산염 연료전지 (MCFC)와 마찬가지로 연료로서 수소와 탄화수소 또는 등록특허 제10-2045056 호에 개시된 바와 같이 액화천연가스 등을 자유롭게 연료로 사용할 수 있고 작동온도가 연료전지 중 가장 높은 600~1,000℃에 이른다.
이러한 SOFC는 공기극(양극)의 산소가 공급된 전자에 의해 이온화된 후 전해질을 통해 연료극(음극)으로 이동한 후 수소와 화학반응을 통해 대량의 열과 전자를 방출하면서 물을 생성하는 반응을 수행하여 방출된 전자에 의한 전류에 의해 발전을 수행한다.
이에 반해 SOEC(고체산화물 수전해전지: Solid Oxide Electrolysis Cell)는 약 750℃에서 연료극으로 공급된 수증기가 흡열 반응에 의해 수소와 산소 이온으로 분해된 후, 산소 이온이 공기극(양극)으로 이동하여 전자를 방출하면서 결합하여 산소를 발생시키는 SOFC의 역 반응인 수전해 반응을 수행하여 수소와 산소를 생산한다.
상술한 연료전지(SOFC) 모드와 수전해(SOEC) 모드는 가역적 반응 과정으로서, 고체산화물 전지(Solid Oxide Cell)를 적용하여 연료전지 모드 또는 수전해 모드로 선택적으로 동작시킬 수 있도록 구성되기도 한다.
이러한 가역 고체산화물 전지 시스템을 600~1,000
Figure 112020054892060-pat00001
가 필요한 연료전지(SOFC) 모드로 동작시키는 경우 시동을 위해 예열을 수행해야 하고, 이에 따라, 가역 고체산화물 전지 시스템의 시동 예열에 에너지 및 시간이 많이 소요된다. 또한, 상기 가역 고체산화물 전지 시스템을 수전해(SOEC) 모드로 동작시키는 경우 흡열반응을 수행하는 수전해 동작을 위해 많은 열 에너지를 필요로 한다.
따라서 가역 고체산화물 전지 시스템을 이용한 발전 또는 수전해에 필요한 열 에너지를 재생 에너지의 잉여 전력을 사용하여 에너지 소모를 줄이고자 하는 노력이 기울여져 왔다.
그러나 잉여 재생에너지가 항상 제공되는 것이 아니므로 가역 고체산화물 전지 시스템을 이용한 발전 또는 수전해 구동을 위한 필요 에너지의 수급이 용이하지 않은 문제점이 있다.
이럼에도 불구하고, 가역 고체산화물 전지 시스템의 연료 전지 모드의 구동 시 발생하는 열이 겨울철에는 난방 등으로 재사용되나, 여름철 등에는 난방의 필요가 없이 버려지는 등으로 효율적으로 회수되어 재사용되지 못하는 문제점 또한 갖는다.
또한, 상술한 SOFC의 경우 수소에 비해 저가인 탄화수소를 연료가스로 사용하는 경우, 일산화탄소(CO) 등이 부차적으로 발생하게 되어 소량이기는 하나 인체에 유해한 가스를 배출할 수 있는 문제점을 가진다. 이에 따라, 배기되는 가스를 최소화하거나 없애는 것이 SOFC의 발전 효율의 향상 및 공해방지 측면에서 유리하다.
대한민국 등록특허 제10-2045958
따라서 본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 발열 반응을 수행하는 연료전지 모드로 동작하여 발전을 수행하는 경우 생성된 열을 저장하여, 흡열 반응을 수행하는 수전해 모드 동작 시 또는 연료전지 모드 구동을 위한 예열 시 열 에너지를 제공하는 것에 의해, 발전, 수소와 산소 및 이산화탄소의 생산을 가역적이고 효율적으로 수행할 수 있도록 하는 열배터리 연계 가역 고체산화물 전지 시스템 및 그 구동방법을 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.
또한, 본원 발명은 연료전지 모드로 구동되는 경우 저가의 CH4 등의 탄화수소를 연료로 사용하고 생성된 열을 열배터리를 통해 저장하며, 생성된 배출가스를 촉매산화 반응시켜 이산화탄소와 물로 변환한 후, 이산화탄소를 저장하여 사용하고, 물은 수전해 모드 시 수전해를 위한 수증기로 공급하도록 하는 것에 의해 배출가스를 최소화하거나 없도록 하고 연료 비용을 절감시킬 수 있도록 하는 열배터리 연계 가역 고체산화물 전지 시스템 및 그 구동방법을 제공하는 것을 다른 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.
상술한 본 발명의 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예는,
전기화학적 발전 또는 수전해를 선택적으로 수행하는 SOC(Solid Oxide Cell, 고체산화물 전지)부;
상기 SOC부로 연료전지 모드 구동을 위한 연료를 공급하는 연료공급부;
상기 SOC부에서 배출되는 배출가스를 산화시킨 후 고온가스로 배출하는 산화부;
상기 산화부에서 배출되는 고온가스를 유입 받은 후 열저장물질을 이용해 열을 저장한 후 상기 SOC부로 연료전지 모드 구동 시의 예열을 위한 열 또는 수전해 모드 시의 수증기를 공급하는 열배터리부; 및
상기 SOC부의 수전해 모드 구동에 필요한 수증기 공급을 위한 수전해수를 저장하는 수전해수 저장부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 가역 고체산화물 전지 시스템을 제공한다.
상기 연료는 천연가스 또는 수소 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 수전해수 저장부는,
상기 열배터리부로부터 배출되는 냉각된 물을 공급받아 수전해수로 저장하고, 수전해 모드 구동 시 상기 열배터리부의 저장된 열을 이용하여 상기 수전해수를 수증기로 변환시킨 후 상기 SOC부로 공급하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 산화부는,
상기 SOC부에서 배출된 배출가스를 촉매산화 반응시켜 수증기와 이산화탄소로 변환시켜 배출하는 촉매산화부(Catalytic oxidizer)로 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 산화부는,
상기 SOC부에서 배출된 배출가스와 상기 수전해부로부터 생성된 산소를 공급받아 촉매산화 반응시켜 수증기와 이산화탄소로 변환시켜 배출하는 촉매산화부(Catalytic oxidizer)로 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 가역 고체산화물 전지 시스템은,
상기 SOC부의 수전해 모드 구동에 의해 생성된 수소를 공급받아 저장하는 수소저장부;를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 수소저장부는,
상기 SOC부의 연료전지 모드 구동 시 상기 연료공급부로 수소를 연료로 공급하도록 연결 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 가역 고체산화물 전지 시스템은,
상기 SOC부의 연료전지 모드 구동에 의해 상기 산화부에서 생성된 이산화탄소(CO2)를 공급받아 저장하도록 상기 열배터리부의 배기 측에 연결 설치되는 이산화탄소 저장부;를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 가역 고체산화물 전지 시스템은,
상기 SOC부의 수전해 모드 구동에 의해 생성된 산소를 공급받아 저장하는 산소저장부;를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 가역 고체산화물 전지 시스템은,
상기 SOC부의 연료전지 모드 구동 시 생성된 배출 가스를 수증기와 이산화탄소로 변환하여 분리 저장하고, 상기 SOC부의 수전해 모드 구동 시 생성된 수소와 산소를 저장하여 최종 배출 가스를 배출하지 않도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 가역 고체산화물 전지 시스템은,
상기 SOC부의 연료전지 모드 구동 시 생성된 배출 가스를 수증기와 이산화탄소로 변환하여 분리 저장하고, 상기 SOC부의 수전해 모드 구동 시 생성된 수소와 산소를 저장하여 최종 배출 가스를 배출하지 않도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
상술한 본 발명의 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 실시예는,
연료공급부, SOC(Solid Oxide Cell, 고체산화물 전지)부, 산화부, 열배터리부 및 수전해수 저장부;를 포함하는 가역 고체산화물 전지 시스템의 구동 방법에 있어서,
상기 SOC부가 상기 연료공급부로부터 연료를 공급받아 연료전지 모드로 구동하여 발전을 수행하는 연료전지 모드 구동 단계;
상기 산화부가 상기 연료전지 모드 구동에 의해 상기 SOC부에서 배출되는 배출 가스를 공급 받아 산화시켜 고온의 수증기와 이산화탄소를 생성하는 배출가스 산화 단계; 및
상기 열배터리부가 상기 산화부로부터 상기 고온의 수증기와 이산화탄소를 공급 받아 열을 저장하고 냉각된 물과 이산화탄소를 배출하는 열배터리 열 저장 단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 가역 고체산화물 전지 시스템 구동 방법을 제공한다.
상기 연료전지 모드 구동 단계는,
상기 연료가 천연가스 또는 수소 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 연료전지 모드 구동 단계는,
상기 SOC부가 상기 연료전지 수전해 복합 시스템의 수전해 모드 구동에 의해 생산된 수소를 연료로 재공급 받아 연료전지 모드로 구동하는 단계인 것을 특징으로 한다.
상기 가역 고체산화물 전지 시스템 구동 방법은,
상기 SOC부가 상기 열배터리부로부터 수증기와 열을 공급 받아 수전해 모드로 구동하는 수전해 모드 구동 단계; 및
상기 SOC부의 상기 수전해 모드 구동에 의해 생성된 수소와 산소를 저장하는 수소 및 산소 저장 단계;를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상술한 본 발명의 실시예들은 가역 고체산화물 전지 시스템이 연료전지 모드로 구동 시 발생되는 고열을 열배터리부를 통해 축열하여 차후 연료전지 모드 구동 시의 예열 에너지 또는 수전해 모드 구동 시의 흡열 에너지로 공급하는 것에 의해 연료전지 모드 또는 수전해 모드 구동의 효율을 최대화 하는 효과를 제공한다.
또한, 본 발명의 실시예들은 잉여 재생에너지의 부족 시에도 열배터리부에 축적된 열에너지를 이용하여 연료전지 모드 구동에 의해 발전 또는 수전해 모드 구동에 의한 수소와 산소의 생산을 수행할 수 있도록 하는 효과를 제공한다.
또한, 본 발명의 실시예들은 연료전지 모드 구동 시에 저가의 CH4 등의 탄화수소를 연료로 사용하고, 수전해 모드 구동에 의해 고가의 수소를 생산하는 것에 의해 고부가가치 발전 및 수소 생산 시스템을 구성할 수 있도록 한다.
또한, 본 발명의 실시예들은 연료전지 모드에서 발생된 가스를 수전해수와 이산화탄소로 변환하여 분리 저장하는 것에 의해 배출가스를 최소화하거나 배출되지 않도록 하여 환경 오염을 방지하는 효과를 제공한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예의 열배터리 연계 가역 고체산화물 전지 시스템의 기능 블록 구성도.
도 2는 연료전지 모드 구동 시의 발열 및 수전해 모드 구동 시의 흡열 반응을 나타내는 도면.
도 3은 본 발명의 다른 실시예의 열배터리 연계 가역 고체산화물 전지 시스템의 구동 방법의 처리과정을 나타내는 도면.
하기에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명은 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명의 실시예를 나타내는 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예의 열배터리 연계 가역 고체산화물 전지 시스템(1)의 기능 블록 구성도이고, 도 2는 연료전지 모드 구동 시의 발열 반응 및 수전해 모드 구동 시의 흡열 반응을 나타내는 도면이다.
도 1과 같이, 상기 가역 고체산화물 전지 시스템(1)은, 연료전지 모드와 수전해 모드를 선택적 가역적으로 수행하도록 구성되는 SOC부(10), 상기 SOC부(10)로 연료전지 구동을 위한 천연가스, 수소 등의 연료를 공급하는 천연가스 공급망(natural gas pipeline system) 등의 연료가스공급망(2) 또는 수소저장부(8) 등에서 연료를 공급받도록 구성되는 연료공급부(20), 연료전지 모드로 구동된 상기 SOC부(10)에서 배출된 배출 가스를 산화시키는 산화부(30), 상기 산화부(30)에서 배출되는 고온의 배출 가스에 포함된 열을 저장하고, 수전해 모드 구동을 위한 고온의 수증기와 열을 상기 SOC부(10)로 공급하는 열배터리부(40), 상기 열배터리부(40)에서 냉각되어 생성된 물을 수전해수로 저장하고, 상기 SOC부(10)가 수전해 모드로 구동 시 상기 열배터리부(40)의 열을 이용하여 저장된 수전해수를 수증기로 변환하여 공급하는 수전해수 저장부(50), 상기 열배터리부(40)에서 분리된 배출된 이산화탄소를 저장하는 이산화탄소 저장부(4), 상기 SOC부(10)의 수전해 모드 구동 시 생성된 산소와 수소를 각각 저장하는 산소저장부(6)와 수소저장부(8) 및 상기 SOC부(10)의 연료전지 모드 또는 수전해 모드 구동 시 선택적으로 잉여 재생에너지를 상기 SOC부(10)로 공급하는 잉여 재생에너지 공급부(60)를 포함하여 구성될 수 있다. 상기 잉여 재생에너지는 태양열, 풍력, 수력, 조력 등을 이용해 생성된 신 재생에너지, 폐열을 이용한 재생에너지 등에서 잉여되는 에너지이다.
상기 연료가스공급망(2)은 상기 SOC부(10)가 연료전지 모드로 구동되는 경우 상기 연료공급부(20)에 연료를 공급하도록 구성된다. 이때, 공급되는 연료는 수소 또는 천연가스 등의 탄화수소 가스일 수 있다. 또한, 상기 연료 중 수소는 상기 수소저장부(8)로부터 공급받도록 구성될 수도 있다.
상기 이산화탄소저장부(4)는 상기 열배터리부(40)에서 열 저장 후 냉각되어 분리 배출되는 이산화탄소를 공급받아 저장하도록 구성된다.
상기 산소저장부(6)는 상기 SOC부(10)에서 수전해 모드 구동에 의해 생성된 산소를 공급 받아 저장하도록 구성된다.
상기 수소저장부(8)는 상기 SOC부(10)에서 수전해 모드 구동에 의해 생성된 수소를 공급 받아 저장하도록 구성된다. 상기 수조저장부(8)에 저장된 수소는 연료공급부(20)로 재공급되거나 별도로 판매될 수 있다.
상기 SOC부(10)는, 연료전지 모드와 수전해 모드로 가역적 선택적으로 구동되도록 구성될 수 있다. 이를 위해, 상기 SOC부(10)는
산소가 전자에 의해 산소 이온으로 환원되는 공기극(양극)과 연료가 전자를 방출하며 산화되며 물을 생성하는 연료극(음극) 및 환원된 산소 이온이 이동하는 전해질을 포함하는 고체산화물 연료전지 셀(SOFC, Solid Oxide Fuel Cell)들을 포함하여 연료전지 모드로 구동하는 SOFC 스택과 상기 SOFC들이 역 반응을 수행하여 연료극(음극)으로 공급된 고온의 수증기를 수소와 산호 이온으로 분리한 후 전해질을 통해 이동된 산소 이온이 공기극(양극)에서 산소로 변환되어 수소와 산소를 생산하는 수전해 모드 구동을 수행하도록 구성되는 고체산화물 수전해 전지(SOEC, Solid Oxide Electrolysis Cell) 스택들을 각각 구비하도록 구성될 수 있다. 이와 달리, 상기 SOC부(10)는 SOFC들로 구성된 스택들을 연료전지 모드 또는 수전해 모드로 가역적으로 동작하도록 구성될 수도 있다.
상기 구성의 SOC부(10)는 연료전지 모드로 구동하는 경우, 연료로서 수소 또는 탄화수소 가스를 공급 받아 도 2의 발열 반응을 포함하는 연료와 공기(산소)의 화학 반응을 수행하는 것에 의해 전기를 생산한다. 그리고 수전해 모드로 구동하는 경우에는 상기 수전해수 저장부(50)와 열배터리부(40)로부터 고온의 수증기와 열에너지를 공급 받아 도 2의 흡열 반응을 포함하는 수전해 반응을 수행하여 공급된 수증기를 수전해하여 수소와 산소를 생성한다. 상술한 구동을 수행하는 상기 SOC부(10)는 연료전지 모드 구동에 의해 생성된 순수한 물을 상기 수전해수 저장부(50)로 공급하도록 배관으로 연결 구성되어 생성된 물을 수전해수로 저장한다. 이때 상기 SOC부(10)에서 수전해수 저장부(40)로 공급되는 물은 수전해 시 순수 산소 및 수소 생산을 위해 순수한 물로 여과 또는 정수 처리될 수 있다.
상기 산화부(30)는 상기 SOC부(10)에서 배출된 수증기와 수소 및 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2) 등을 포함하는 탄화수소 가스를 공급 받은 후 촉매 산화 반응을 수행하여 탄화수소 가스를 이산화탄소를 변환하여 고온의 수증기와 이산화탄소를 배출하는 촉매산화부(Catalytic oxidizer)로 구성된다. 이때, 상기 산화부(30)는 촉매 산화 반응의 수행을 위해 상기 산소저장부(6)로부터 산소를 공급받도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 산화부(30)는 상기 SOC부(10)에서 배출된 수증기와 수소 및 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2) 등을 포함하는 탄화수소 가스와 상기 수전해부로부터 생성된 산소를 공급받은 후 상기 촉매산화부에 의해 촉매 산화 반응을 수행하여 탄화수소 가스를 이산화탄소를 변환하여 고온의 수증기와 이산화탄소를 배출하도록 구성될 수도 있다.
상기 열배터리부(40)는 내부에 물과 글리콜 혼합물, 용융염(molten salt) 등의 상변화물질 또는 이외의 열저장 물질이 탑재되어 상기 산화부(30)에서 배출되는 고온의 수증기 및 이산화탄소를 유입 받은 후 상변화물질의 열 흡수에 의한 상변화에 의해 열을 저장하고 냉각된 수증기 또는 물 및 이산화탄소를 배출하도록 구성된다. 상기 열배터리부(40)는 또한, 저장된 열을 차후 상기 SOC부(10)의 연료전지 모드 구동 시의 예열을 위한 열 또는 수전해 모드 구동 시의 수증기를 공급을 위한 열 및 흡열 반응을 위한 열로 공급하도록 구성된다. 이때, 상기 열배터리부(40)에서 배출되는 순수한 수증기 또는 물과 이산화탄소는 서로 분리되어, 수증기 또는 물은 수전해수 저장부(50)로 공급되어 저장되며, 이산화탄소는 이산화탄소저장부(4)로 공급되어 저장된다.
상술한 구성의 본 발명의 실시예의 가역 고체산화물 전지 시스템(1)은, 상기 SOC부(10)의 연료전지 모드 구동 시 생성된 배출 가스를 수증기와 이산화탄소로 변환하여 분리 저장하고, 상기 SOC부(10)의 수전해 모드 구동 시 생성된 수소와 산소를 저장하여 최종 배출 가스를 배출하지 않도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예의 열배터리 연계 가역 고체산화물 전지 시스템에 의한 열배터리 연계 가역 고체산화물 전지 시스템 구동 방법의 처리과정을 나타내는 도면이다.
도 3과 같이, 상기 가역 고체산화물 전지 시스템 구동 방법은, 이산화탄소저장부(4), 산소저장부(6), 수소저장부(8), SOC(Solid Oxide Cell, 고체산화물 전지)부(10), 연료공급부(20), 산화부(30), 열배터리부(40), 수전해수 저장부(50)를 포함하여 구성되어 연료가스공급망(2)에 연결되는 가역 고체산화물 전지 시스템(1)에 의해 수행되는, 연료전지 모드 구동 단계(S10), 배출가스 산화 단계(S20) 및 열배터리 열 저장 단계(S30)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 연료전지 모드 구동 단계(S10)는, 상기 SOC부(10)가 상기 연료공급부(20)의 연료를 공급받아 연료전지 모드로 구동하여 발전을 수행하는 구동을 수행하는 단계이다. 상기 과정에서 상기 SOC부(10)는 상기 열배터리부(40)로부터 열을 공급받아 연료전지 모드로 구동하기 위한 예열이 수행될 수 있다. 그리고 상기 연료공급부(10)로부터 공급되는 연료는 수소 또는 메탄(CH4) 등의 탄환수소 가스일 수 있다. 상기 연료로서 수소가 공급되는 경우 상기 수소는 상기 SOC부(10)가 수전해 모드 구동에 의해 생산되어 상기 수소저장부(8)에 저장된 수소가 연료로서 재공급될 수 있다.
상기 연료전지 구동 단계(S10)의 연료는 천연가스 또는 수소 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 배출가스 산화 단계(S20)는 상기 산화부(30)가 상기 연료전지 모드 구동에 의해 상기 SOC부(10)에서 배출되는 배출 가스를 공급 받아 산화시켜 고온의 수증기와 이산화탄소를 생성하는 단계이다. 이때, 상기 SOC부(10)에서 생성되는 배출가스는 수소, 산소, 수증기, 이산화탄소, 일산화 탄소 등을 포함한다. 상기 산화부(30)는 상기 배출가스 산화 단계(S20)를 수행하여 상기 산소 저장부(6)로부터 산소를 공급받은 후 촉매 반응을 수행하여 배출 가스에 포함된 탄화가스를 이산화탄소를 변환하여 배출하게 된다.
상기 열배터리 열 저장 단계(S30)는 상기 열배터리부(40)가 상기 산화부(30)로부터 상기 고온의 수증기와 이산화탄소를 공급 받아 상변화물질의 상변화 등에 의한 열저장 등의 열저장물질의 열저장변환에 의해 열을 저장하고, 냉각된 물과 이산화탄소를 배출하는 단계이다. 이때 상기 냉각된 물은 분리되어 상기 수전해수 저장부(50)로 공급되어 저장되고, 상기 이산화탄소는 분리되어 상기 이산화탄소 저장부(4)로 공급되어 저장된다.
상술한 구성의 본 발명의 실시예의 가역 고체산화물 전지 시스템 구동 방법은, 상기 SOC부(10)의 연료전지 모드 구동의 종료 후 또는 직접적인 수전해 모드 구동 시작 시 상기 SOC부(10)가 상기 열배터리부로부터 수증기와 열을 공급 받아 수전해 모드로 구동하는 수전해 모드 구동 단계(S40) 및 상기 SOC부의 상기 수전해 모드 구동에 의해 생성된 수소와 산소를 저장하는 수소 및 산소 저장 단계(S50)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
상술한 구성의 본 발명은 SOC부(10)의 연료전지 모드 구동 시 발생하는 열을 열배터리부(40)에 저장하고, 저장된 열을 SOC부(10)가 수전해 모드로 구동하는 때 사용하는 것에 의해 효율적인 운전을 가능하게 하고, 이로 인해, SOC부(10)의 연료전지 모드 구동 시의 라운드 트립 효율(roundtrip efficiency)이 70%에 가까울 수 있다.
또한, 본 발명은 연료전지 모드 구동 시 연료로 가격이 저렴한 메탄 가스를 사용하는 경우, 메탄 가스를 이용하여 초고효율로 발전을 수행하고, 또한 수전해 모드 구동시 잉여 재생에너지와 연계해서 고부가가치인 수소가스를 생산하여 경제성을 향상시킬 수 있다. 즉, 잉여 재생에너지가 남는 경우에는 연료전지 모드의 구동이 필요하지 않으므로, 잉여 재생에너지를 이용하여 수전해 모드로 구동함으로써 수소를 생산하는 것에 의해 생산된 수소를 외부로 판매할 수 있어 경제적 효용성을 크게 할 수 있다.
또한, 잉여 재생에너지가 남지 않는 경우에는 메탄 가스를 이용하여 연료전지 모드로 구동하여 발전을 수행하므로, 최고의 효율로 발전을 수행할 수 있게 된다.
또한, 일반적인 SOC를 이용한 수전해 시 PEMEC(proton exchange membrane electrolysis cell)와 AEC(Alkaline electrolysis cell)에 비해 운영 비용이 크게 소요되나, 본 발명은 수전해 모드의 구동을 연료전지 모드와 병행하여 수행하게 되므로, 전체 운영 비용을 PEMEC와 AEC에 비해 현저히 줄일 수 있게 된다.
또한, 잉여 재생에너지가 남는 경우, 연료전지 모드 구동에 의한 발전을 수행하지 않아도 되므로, 잉여 재생에너지 또는 열배터리부(40)의 축적될 열을 이용하여 수전해 모드 구동시키는 것에 의해 고가의 수소를 생산할 수 있도록 함으로써, 수소 생산비용을 절감시킴은 물론 전체적인 운영 비용을 현저히 줄일 수 있도록 한다.
상기에서 설명한 본 발명의 기술적 사상은 바람직한 실시예에서 구체적으로 기술되었으나, 상기 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술적 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
1: 열배터리 연계 발전 및 수전해 복합 시스템
2: 연료가스공급망
4: 이산화탄소 저장부
6: 산소저장부
8: 수소저장부
10: 연료전지-수전해부(SOC)
20: 연료공급부
30: 산화부
40: 열배터리부
50: 수전해수 저장부
60: 잉여 재생에너지 공급부

Claims (14)

  1. 전기화학적 발전 또는 수전해를 선택적으로 수행하는 SOC(Solid Oxide Cell, 고체산화물 전지)부;
    상기 SOC부로 연료전지 모드 구동을 위한 연료를 공급하는 연료공급부;
    상기 SOC부에서 배출되는 배출가스를 산화시킨 후 고온가스로 배출하는 산화부;
    상기 산화부에서 배출되는 고온가스를 유입 받은 후 열저장물질을 이용해 열을 저장한 후 상기 SOC부로 연료전지 모드 구동 시의 예열을 위한 열 또는 수전해 모드 시의 수증기를 공급하기 위한 열 에너지를 공급하는 열배터리부; 및
    상기 SOC부의 수전해 모드 구동에 필요한 수증기 공급을 위한 수전해수를 저장하는 수전해수 저장부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하고,
    상기 수전해수 저장부는, 상기 열배터리부로부터 배출되는 냉각된 물을 공급받아 수전해수로 저장하고, 수전해 모드 구동 시 상기 열배터리부의 저장된 열을 이용하여 상기 수전해수를 수증기로 변환시킨 후 상기 SOC부로 공급하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 가역 고체산화물 전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 연료는
    천연가스 또는 수소 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 가역 고체산화물 전지 시스템.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 산화부는,
    상기 SOC부에서 배출된 배출가스를 촉매산화 반응시켜 수증기와 이산화탄소로 변환시켜 배출하는 촉매산화부(Catalytic oxidizer)로 구성되는 특징으로 하는 가역 고체산화물 전지 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 산화부는,
    상기 SOC부에서 배출된 배출가스와 상기 SOC부의 수전해 모드 구동에 의해 생성된 산소를 공급받아 촉매산화 반응시켜 수증기와 이산화탄소로 변환시켜 배출하는 촉매산화부로 구성되는 것을 특징으로 하는 가역 고체산화물 전지 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 SOC부의 수전해 모드 구동에 의해 생성된 수소를 공급받아 저장하는 수소저장부;를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 가역 고체산화물 전지 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 상기 수소저장부는,
    상기 SOC부의 연료전지 모드 구동 시 상기 연료공급부로 수소를 연료로 공급하도록 연결 구성되는 것을 특징으로 하는 가역 고체산화물 전지 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 SOC부의 연료전지 모드 구동에 의해 상기 산화부에서 생성된 이산화탄소(CO2)를 공급받아 저장하도록 상기 열배터리부의 배기 측에 연결 설치되는 이산화탄소 저장부;를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 가역 고체산화물 전지 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 SOC부의 수전해 모드 구동에 의해 생성된 산소를 공급받아 저장하는 산소저장부;를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 가역 고체산화물 전지 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 SOC부의 연료전지 모드 구동 시 생성된 배출 가스를 수증기와 이산화탄소로 변환하여 분리 저장하고, 상기 SOC부의 수전해 모드 구동 시 생성된 수소와 산소를 저장하여 최종 배출 가스를 배출하지 않도록 구성되는 것을 특징으로 하는 가역 고체산화물 전지 시스템.
  11. 제1항의 가역 고체산화물 전지 시스템의 구동 방법에 있어서,
    상기 SOC부가 상기 연료공급부로부터 연료를 공급받아 연료전지 모드로 구동하여 발전을 수행하는 연료전지 모드 구동 단계;
    상기 산화부가 상기 연료전지 모드 구동에 의해 상기 SOC부에서 배출되는 배출 가스를 공급 받아 산화시켜 고온의 수증기와 이산화탄소를 생성하는 배출가스 산화 단계; 및
    상기 열배터리부가 상기 산화부로부터 상기 고온의 수증기와 이산화탄소를 공급 받아 열을 저장하고 냉각된 물과 이산화탄소를 배출하는 열배터리 열 저장 단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 가역 고체산화물 전지 시스템 구동 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 연료전지 모드 구동 단계는,
    상기 연료가 천연가스 또는 수소 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 가역 고체산화물 전지 시스템 구동 방법.
  13. 제11항에 있어서, 상기 연료전지 모드 구동 단계는,
    상기 SOC부가 상기 가역 고체산화물 전지 시스템의 수전해 모드 구동에 의해 생산된 수소를 연료로 재공급 받아 연료전지 모드로 구동하는 단계인 것을 특징으로 하는 가역 고체산화물 전지 시스템 구동 방법.
  14. 제11항에 있어서,
    연료전지 모드 구동이 수행되지 않는 경우 상기 SOC부가 상기 열배터리부로부터 수증기와 열을 공급 받아 수전해 모드로 구동하는 수전해 모드 구동 단계; 및
    상기 SOC부의 상기 수전해 모드 구동에 의해 생성된 수소와 산소를 저장하는 수소 및 산소 저장 단계;를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 가역 고체산화물 전지 시스템 구동 방법.
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