KR102441842B1 - Fuel cell generation system - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 연료전지 발전시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 탄소중립 연료인 암모니아로부터 수소를 분리하여 사용함으로써 이산화탄소 배출이 없는 연료전지 발전시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell power generation system, and more particularly, to a fuel cell power generation system that does not emit carbon dioxide by separating and using hydrogen from ammonia, which is a carbon-neutral fuel.
암모니아는 20℃, 0.857MPa에서 용이하게 액화하며, 액체 암모니아는 중량 수소 밀도가 17.8중량%로 매우 높고, 또한 체적 수소 밀도는 액체 수소의 1.5 내지 2.5배라고 하는 매우 우수한 수소 캐리어로 주목받고 있으며, 암모니아를 개질하여, 수소를 분리할 경우, 암모니아는 탄소중립 연료로서, 이산화탄소를 발생시키지 않는다.Ammonia easily liquefies at 20°C and 0.857 MPa, and liquid ammonia has a very high weight hydrogen density of 17.8% by weight, and a volumetric hydrogen density of 1.5 to 2.5 times that of liquid hydrogen, attracting attention as a very good hydrogen carrier, When hydrogen is separated by reforming ammonia, ammonia is a carbon-neutral fuel and does not generate carbon dioxide.
한편, 최근 들어, 화석연료의 사용에 따른 문제점을 해결하기 위하여 연료전지 발전시스템 개발이 활발히 진행되고 있다.On the other hand, recently, in order to solve the problems caused by the use of fossil fuels, fuel cell power generation systems are being actively developed.
연료전지는 LNG(Liquefied Natural Gas, LNG), LPG(liquefied petroleum gas, LPG), 메탄올(CH3OH), 에탄올(C2H5OH), 가솔린 등을 개질하여, 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소의 화학반응 에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 발전 시스템이다. 연료전지의 음극부에서는 산화제인 산소의 환원반응이 일어나며, 양극부에서는 연료인 수소의 산화반응이 일어나는데, 이러한 전기화학 반응을 통해 전기, 열, 물 등이 발생된다.The fuel cell reforms LNG (Liquefied Natural Gas, LNG), LPG (liquefied petroleum gas, LPG), methanol (CH 3 OH), ethanol (C 2 H 5 OH), gasoline, etc. It is a power generation system that directly converts the chemical reaction energy of oxygen into electrical energy. A reduction reaction of oxygen, which is an oxidizing agent, occurs in the cathode part of the fuel cell, and an oxidation reaction of hydrogen, a fuel, occurs in the anode part, and electricity, heat, water, etc. are generated through these electrochemical reactions.
그러나, 연료전지에 사용하기 위해서, LNG, LPG, 메탄올(CH3OH), 에탄올(C2H5OH), 가솔린 등을 개질하여 수소를 분리하면, 이산화탄소 발생을 야기함으로써, 궁극적으로 화석연료의 사용에 따른 문제점을 해결하지 못하게 된다.However, in order to use in fuel cells, when hydrogen is separated by reforming LNG, LPG, methanol (CH 3 OH), ethanol (C 2 H 5 OH), gasoline, etc., it causes carbon dioxide generation, ultimately resulting in the generation of fossil fuels. Problems associated with use cannot be solved.
이에 따라, 수소 캐리어로서 탄소중립 연료인 액화 암모니아를 적용한 이산화탄소 배출이 없는 연료전지 발전시스템이 요구되어 왔다.Accordingly, there has been a demand for a fuel cell power generation system that does not emit carbon dioxide to which liquefied ammonia, which is a carbon-neutral fuel, is applied as a hydrogen carrier.
본 발명의 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는 탄소중립 연료인 암모니아로부터 수소를 분리하여 사용함으로써 이산화탄소 배출이 없는 연료전지 발전시스템을 제공하는 것이다.The technical problem to be achieved by the spirit of the present invention is to provide a fuel cell power generation system that does not emit carbon dioxide by separating and using hydrogen from ammonia, which is a carbon-neutral fuel.
본 발명에 따른 연료전지 발전시스템은 본 발명에 따른 연료전지 발전시스템은 암모니아를 열분해하는 암모니아 개질기(320), 상기 암모니아 개질기(320)에서 배출되는 미분해 암모니아, 수소 및 질소를 포함하는 고온의 혼합가스를 냉각시키는 냉각기(380), 상기 냉각기로부터 냉각된 상기 혼합가스에서 상기 미분해 암모니아를 흡착하는 암모니아 흡착기(330), 상기 암모니아 흡착기(330)를 통해 상기 미분해 암모니아가 흡착된 상기 혼합가스로부터 상기 질소를 흡착하는 질소 흡착기(340), 및 상기 암모니아로부터 분해된 상기 수소를 이용하여 전력을 생산하는 연료 전지부(360)를 포함하고, 상기 암모니아 흡착기(330)는 상기 암모니아 개질기(320)에서 배출되는 상기 고온의 혼합가스를 통해 재생된다.In the fuel cell power generation system according to the present invention, the fuel cell power generation system according to the present invention is an
또한, 상기 냉각기(380)는 공냉식, 수냉식 및 별도의 냉매를 사용하는 방식 중 어느 하나의 방식을 사용할 수 있다. In addition, the
또한, 상기 암모니아 흡착기(330)는 가열 교대 흡착기로서, 서로 이격되어 위치하는 제1 튜브(331) 및 제2 튜브(332), 상기 제1 튜브(331) 및 상기 제2 튜브(332) 각각의 내부로 연결되는 제1 튜브관(333), 그리고 상기 제1 튜브(331) 및 상기 제2 튜브(332) 각각의 외부면과 접촉하거나 연결되어 열교환이 가능하도록 연결되는 제2 튜브관(334)을 포함할 수 있다.In addition, the
또한, 상기 제1 튜브(331) 및 상기 제2 튜브(332)는 상기 제1 튜브관(333)을 통해 상기 제1 튜브(331) 및 상기 제2 튜브(332)의 내부로 번갈아 투입되는 상기 혼합가스에서 상기 미분해 암모니아를 흡착하고, 상기 제1 튜브(331) 및 상기 제2 튜브(332)는 상기 제2 튜브관(334)을 통해 상기 제1 튜브(331) 및 상기 제2 튜브(332)의 외부면과 접촉하거나 연결되어 상기 혼합가스와 번갈아 열교환되어 재생될 수 있다.In addition, the
또한, 상기 제2 튜브관(334)은 상기 암모니아 개질기(320)와 연결되는 전단 제2 튜브관(3341), 그리고 상기 냉각기(380)와 연결되는 후단 제2 튜브관(3342)을 포함할 수 있다.In addition, the
또한, 상기 암모니아 개질기(320)에서 상기 전단 제2 튜브관(3341)을 통해 상기 암모니아 흡착기(330)로 공급되는 상기 혼합가스는 상기 제1 튜브(331) 또는 상기 제2 튜브(332)와 열교환하여 상기 제1 튜브(331) 또는 상기 제2 튜브(332)를 재생시키고 상기 후단 제2 튜브관(3342)를 통해 상기 냉각기(380)로 공급될 수 있다.In addition, the mixed gas supplied from the
또한, 상기 후단 제2 튜브관(3342)를 통해 상기 냉각기(380)로 공급되는 상기 혼합가스는 상기 냉각기(380)에서 냉각될 수 있다.In addition, the mixed gas supplied to the
또한, 상기 제1 튜브관(333)은 상기 냉각기(380)와 연결되는 전단 제1 튜브관(3331)을 포함하고, 상기 냉각기(380)로부터 배출되는 상기 혼합가스는 상기 전단 제1 튜브관(3331)을 통해 상기 제1 튜브(331) 또는 상기 제2 튜브(332) 내부로 공급되어 상기 제1 튜브(331) 또는 상기 제2 튜브(332)에서 상기 미분해 암모니아가 흡착될 수 있다.In addition, the
또한, 상기 제1 튜브관(333)은 상기 질소를 흡착하는 상기 질소 흡착기(340)와 연결되는 후단 제1 튜브관(3332)을 더 포함하고, 상기 혼합가스에 포함되는 상기 수소 및 상기 질소는 상기 후단 제1 튜브관(3332)를 통해 상기 질소 흡착기(340)로 공급되어 상기 질소가 흡착되어 상기 수소 및 상기 질소가 분리될 수 있다.In addition, the
또한, 상기 연료 전지부(360)는 상기 질소 흡착기(340)에서 분리된 상기 수소가 연료로 공급될 수 있다.In addition, the fuel cell unit 360 may supply the hydrogen separated in the nitrogen adsorber 340 as a fuel.
또한, 상기 연료 전지부(360)에서 미반응된 수소는 상기 질소 흡착기(340)로부터 분리되어 상기 연료 전지부(360)로 공급되는 상기 수소와 합류될 수 있다.In addition, unreacted hydrogen in the fuel cell unit 360 may be separated from the
또한, 상기 질소 흡착기(340)에서 흡착된 질소와 미분리된 일부 상기 수소를 연소시키는 연소기(350)를 더 포함할 수 있다.In addition, the
또한, 상기 암모니아 개질기(320) 전단에 구비되어 액화 암모니아를 저장하는 암모니아 저장 탱크(370), 그리고 상기 암모니아 저장 탱크(370)로부터의 상기 액화 암모니아를 기화시켜 상기 암모니아 개질기(320)로 공급하는 기화기(310)를 더 포함할 수 있다.In addition, an
또한, 상기 연소기(350)로부터 배출되는 고온의 연소 생성물은, 상기 암모니아 개질기(320) 및 상기 기화기(310)로 순차 공급되어 열교환될 수 있다.In addition, the high-temperature combustion product discharged from the
또한, 상기 혼합가스는 상기 제1 튜브(331) 또는 상기 제2 튜브(332)와 열교환하여 상기 제1 튜브(331) 또는 상기 제2 튜브(332)를 재생시키고, 상기 제1 튜브(331) 또는 상기 제2 튜브(332)의 재생에 의해 탈착된 암모니아를 상기 암모니아 개질기(320)의 전단으로 합류시킬 수 있다.In addition, the mixed gas exchanges heat with the
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 발전시스템은 연료 탄소중립 연료인 암모니아로부터 수소를 분리하여 사용함으로써 이산화탄소 배출이 없는 연료전지 발전시스템을 제공할 수 있다.The fuel cell power generation system according to an embodiment of the present invention can provide a fuel cell power generation system that does not emit carbon dioxide by separating and using hydrogen from ammonia, which is a fuel carbon-neutral fuel.
또한, 암모니아 흡착기를 가열 교대 흡착기(Thermal Swing Adsorption, TSA)를 적용하여, 암모니아 흡착기를 재생할 경우, 재생을 위한 열원을 암모니아 개질기로부터의 고온의 혼합가스를 사용함으로써, 전체적인 에너지 소모를 줄이고, 추가적인 열원을 제공하기 위한 장비가 필요하지 않으므로 비용을 절감할 수 있다.In addition, when the ammonia adsorber is regenerated by applying a thermal swing adsorption (TSA) to the ammonia adsorber, by using the high-temperature mixed gas from the ammonia reformer as a heat source for regeneration, the overall energy consumption is reduced, and an additional heat source As no equipment is required to provide
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 발전시스템의 개략적인 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 발전시스템의 암모니아 흡착기의 구체적 도면이다.
도 3은 도 2의 암모니아 흡착기에서 제1 튜브가 미분해 암모니아를 흡착하고, 제2 튜브가 재생되는 상태를 설명하는 도면이다.
도 4는 도 2의 암모니아 흡착기에서 제2 튜브가 미분해 암모니아를 흡착하고, 제1 튜브가 재생되는 상태를 설명하는 도면이다.1 is a schematic diagram of a fuel cell power generation system according to an embodiment of the present invention.
2 is a detailed view of an ammonia adsorber of a fuel cell power generation system according to an embodiment of the present invention.
3 is a view for explaining a state in which the first tube adsorbs undecomposed ammonia in the ammonia adsorber of FIG. 2 and the second tube is regenerated.
4 is a view for explaining a state in which the second tube adsorbs undecomposed ammonia in the ammonia adsorber of FIG. 2 and the first tube is regenerated.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, embodiments of the present invention will be described in detail so that those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can easily implement them. The present invention may be embodied in many different forms and is not limited to the embodiments described herein.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 발전시스템의 개략적인 도면이다.1 is a schematic diagram of a fuel cell power generation system according to an embodiment of the present invention.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 발전시스템(100)은 암모니아를 열분해하는 암모니아 개질기(320), 암모니아 개질기(320)에서 배출되는 미분해 암모니아, 수소 및 질소를 포함하는 고온의 혼합가스를 냉각시키는 냉각기(380), 냉각기(380)로부터 냉각된 혼합가스에서 미분해 암모니아를 흡착하는 암모니아 흡착기(330), 및 암모니아로부터 분해된 수소를 이용하여 전력을 생산하는 연료 전지부(360)를 포함하고, 암모니아 흡착기(330)는 암모니아 개질기(320)에서 배출되는 고온의 혼합가스를 통해 재생됨으로써, 암모니아 흡착기의 재생을 위한 열원으로서 암모니아 개질기로부터의 고온의 혼합가스를 사용하여, 전체적인 에너지 소모를 줄이고, 추가적인 열원을 제공하기 위한 장비가 필요하지 않으므로 비용을 절감할 수 있는 연료전지 발전시스템을 제공하는 것을 요지로 한다.1, the fuel cell
또한, 연료전지 발전시스템(100)는 기화기(Vaporizer)(310), 질소 흡착기(340), 연소기(Combustor)(350), 그리고 연료 전지부(360)를 포함할 수 있다.Also, the fuel cell
기화기(310)는 액체 상태의 암모니아(L-NH3)를 기체 상태의 암모니아(G-NH3)로 만들 수 있다. 이때, 열원으로서 후술하는 바와 같이 연소기(350)로부터 배출되는 고온의 연소 생성물을 활용할 수 있다. 연료전지 발전시스템(100)는 액체 상태의 암모니아(L-NH3)를 저장하기 위한 암모니아 저장 탱크(370)를 더 포함할 수 있다. The
암모니아 저장탱크(370)는 액체 상태의 암모니아를 저장할 수 있는 탱크로서, 멤브레인형 탱크이거나 또는 독립형 탱크일 수 있으며, 독립형 탱크일 경우 IMO type A, IMO type B, 또는 IMO type C의 저장 탱크일 수 있다. 그러나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 다양한 구조의 저장 탱크가 가능하다.The
또한, 도시하지 않았으나, 암모니아 저장탱크(370) 내부에는 액체 상태의 암모니아를 기화기(310)로 공급하기 위한 공급펌프가 설치될 수 있다. 공급펌프는 액체 상태의 암모니아에 설치되는 수중 펌프(submerged pump) 또는 딥웰펌프(deep well pump)일 수 있다.Also, although not shown, a supply pump for supplying liquid ammonia to the
암모니아 개질기(Reformer)(320)는 기화기(310)에서 생성된 기체 상태의 암모니아(G-NH3)를 개질할 수 있다. 즉, 암모니아 개질기(320)는 기화기(310)를 통과한 기체 상태의 암모니아(G-NH3)를 고온에서 열분해(cracking reformer)를 통해 수소(H2) 및 질소(N2)로 분해할 수 있다. 이 때, 분해되지 않은 미분해 암모니아(NH3)가 발생할 수 있다. 이때, 열원으로서 후술하는 바와 같이 연소기(350)로부터 배출되는 고온의 연소 생성물을 활용할 수 있다.The ammonia reformer (Reformer) 320 may reform gaseous ammonia (G-NH 3 ) generated in the
또한, 암모니아 개질기(320)는 보다 낮은 온도에서 암모니아 개질을 할 수 있도록, 암모니아 분해 촉매를 포함할 수 있다. 암모니아 분해 촉매로서는, 암모니아 분해 반응에 촉매활성을 갖는 것이라면 특별히 제한되지 않으나, 예를 들면, 비금속계 변이 금속, 희토류계 물질, 귀금속계 물질를 조성으로서 포함하는 촉매를 들 수 있으며, 전술한 촉매들은 높은 비표면적을 갖는 담체에 담지해서 이용할 수 있다.In addition, the
냉각기(380)는 암모니아 흡착기(330)에서 암모니아 개질기(320)부터의 고온의 미분해 암모니아를 흡착하기 위해서 미분해 암모니아를 약 40℃ 이하, 바람직하게는 대기 온도 수준으로 냉각시킬 수 있다. 냉각기(380)의 냉각방식은 특별히 제한되지 않으나, 예를들면, 공냉식, 수냉식 또는 별도의 냉매를 사용하는 방식일 수 있다. The cooler 380 may cool the undecomposed ammonia to about 40° C. or less, preferably to an ambient temperature level in order to adsorb the undecomposed ammonia at high temperature from the
암모니아 흡착기(330)는 암모니아 개질기(320)에서 배출되는 미분해 암모니아(NH3)를 흡착할 수 있다. 이러한 암모니아 흡착기(330)는 온도 변동 흡착기 또는 가열 교대 흡착기(Thermal Swing Adsorption, TSA)일 수 있다. 가열 교대 흡착기는 불순물을 흡착시킨 후 포화가 되면 열을 가하여 흡착기를 재생시키는 구조를 가질 수 있다. The
암모니아 흡착기(330)의 암모니아 흡착 재료로서는, 미분해 암모니아를 흡착할 수 있고 포화 상태에서는 재생이 가능한 것이라면 특별히 제한되지 않으나, 바람직하게는, 제올라이트, 활성탄, 알루미나, 및 실리카 중 어느 하나를 포함하는 흡착 재료이거나, 이들의 복합 산화물일 수 있다.The ammonia adsorption material of the
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 발전시스템의 암모니아 흡착기의 구체적 도면이고, 도 3은 도 2의 암모니아 흡착기에서 제1 튜브가 미분해 암모니아를 흡착하고, 제2 튜브가 재생되는 상태를 설명하는 도면이며, 도 4는 도 2의 암모니아 흡착기에서 제2 튜브가 미분해 암모니아를 흡착하고, 제1 튜브가 재생되는 상태를 설명하는 도면이다.2 is a detailed view of an ammonia adsorber of a fuel cell power generation system according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a state in which the first tube adsorbs undecomposed ammonia and the second tube is regenerated in the ammonia adsorber of FIG. FIG. 4 is a view for explaining a state in which the second tube adsorbs undecomposed ammonia in the ammonia adsorber of FIG. 2 and the first tube is regenerated.
도 2에 도시된 바와 같이, 암모니아 흡착기(330)는 서로 이격되어 위치하는 제1 튜브(331) 및 제2 튜브(332), 제1 튜브(331) 및 제2 튜브(332) 각각의 내부로 연결되는 제1 튜브관(333), 제1 튜브(331) 및 제2 튜브(332) 각각의 외부면과 접촉하거나 연결되어 열교환 공정을 진행하는 제2 튜브관(334), 제1 튜브관(333)에 설치되는 제1 밸브(335), 그리고 제2 튜브관(334)에 설치되는 제2 밸브(336)를 포함할 수 있다.As shown in FIG. 2 , the
제1 튜브관(333)은 냉각기(380)와 연결되는 전단 제1 튜브관(3331), 그리고 후단의 질소 흡착기(340)와 연결되는 후단 제1 튜브관(3332)을 포함할 수 있다. 그리고, 제2 튜브관(334)은 암모니아 개질기(320)와 연결되는 전단 제2 튜브관(3341), 그리고 냉각기(380)와 연결되는 후단 제2 튜브관(3342)을 포함할 수 있다. The
제1 튜브(331) 및 제2 튜브(332)는 제1 튜브관(333)을 통해 제1 튜브(331) 및 제2 튜브(332)의 내부로 번갈아 투입되는 미분해 암모니아를 흡착할 수 있다. 또한, 제1 튜브(331) 및 제2 튜브(332)는 제2 튜브관(334)을 통해 제1 튜브(331) 및 제2 튜브(332)의 외부면과 접촉하거나 연결되어 번갈아 열교환됨으로써, 미분해 암모니아, 소수, 그리고 질소를 포함하는 고온의 혼합가스에 의해 재생될 수 있다.The
이에 대해 이하에서 도 3 및 도 4를 참고로 하여 상세히 설명한다.This will be described in detail below with reference to FIGS. 3 and 4 .
우선, 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 튜브(331)가 냉각기(380)와 연결된 전단 제1 튜브관(3331)을 통해 투입되는 미분해 암모니아, 수소, 그리고 질소를 포함하는 혼합가스 중에서 미분해 암모니아를 흡착하는 경우, 제2 튜브(332)는 암모니아 개질기(320)으로부터 전단 제2 튜브관(3341)을 통해 흐르는 고온의 미분해 암모니아, 수소, 그리고 질소를 포함하는 혼합가스와 열교환되어 재생될 수 있다. 이를 통해, 고온의 미분해 암모니아, 수소, 그리고 질소를 포함하는 혼합가스는 1차 냉각된다. 제2 튜브(332)는 이전 공정에서 미분해 암모니아를 흡착하여 포화된 상태에서 전단 제2 튜브관(3341)을 통해 흐르는 고온의 미분해 암모니아, 수소, 그리고 질소를 포함하는 혼합가스와 열교환하여 재생될 수 있다.First, as shown in FIG. 3 , the
한편, 미분해 암모니아가 제1 튜브(331)에 흡착되므로, 제1 튜브(331)에서는 수소 및 질소만이 배출되고, 제1 튜브(331)에서 배출된 수소 및 질소는 후단 제1 튜브관(3332)을 통해 질소 흡착기(340)로 투입될 수 있다. 그리고, 제2 튜브(332)를 재생시킨 고온의 미분해 암모니아, 수소, 그리고 질소를 포함하는 혼합가스는 후단 제2 튜브관(3342)를 통해 냉각기(380)에 투입되어 냉각될 수 있다. 이 때, 고온의 미분해 암모니아, 수소, 그리고 질소를 포함하는 혼합가스는 2차 냉각되어 대략 40도 이하, 바람직하게는 대기 온도 수준으로 될 수 있다. 따라서, 암모니아 흡착기(330)에서 미분해 암모니아를 흡착하기 용이한 상태가 된다. On the other hand, since undecomposed ammonia is adsorbed to the
다음으로, 도 4에 도시된 바와 같이, 냉각기(380)를 통과한 미분해 암모니아, 수소, 그리고 질소를 포함하는 혼합가스는 도 3에서 재생된 제2 튜브(332)에 전단 제1 튜브관(3331)을 통해 투입되어 미분해 암모니아가 제2 튜브(332)에서 흡착될 수 있다. 미분해 암모니아가 제2 튜브(332)에 흡착되므로, 제2 튜브(332)에서는 수소 및 질소만이 배출되고, 제2 튜브(332)에서 배출된 수소 및 질소는 후단 제1 튜브관(3332)을 통해 질소 흡착기(340)로 투입될 수 있다. 이 때, 제1 튜브(331)는 암모니아 개질기(320)로부터 전단 제2 튜브관(3341)을 통해 흐르는 고온의 미분해 암모니아, 수소, 그리고 질소를 포함하는 혼합가스로부터 열을 공급받아(열교환)되어 재생될 수 있다. 전술한 바와 같이 이 때, 고온의 미분해 암모니아, 수소 그리고 질소를 포함하는 혼합가스는 1차 냉각된다. 그리고, 제1 튜브(331)를 재생시킨 고온의 미분해 암모니아, 수소, 그리고 질소를 포함하는 혼합가스는 후단 제2 튜브관(3342)를 통해 냉각기(380)에 투입되어 냉각될 수 있다. 이 때, 고온의 미분해 암모니아, 수소, 그리고 질소를 포함하는 혼합가스는 2차 냉각되어 대략 40도 이하, 바람직하게는 대기 온도 수준으로 될 수 있다. 따라서, 암모니아 흡착기(330)에서 미분해 암모니아를 흡착하기 용이한 상태가 된다. Next, as shown in FIG. 4, the mixed gas containing undecomposed ammonia, hydrogen, and nitrogen that has passed through the cooler 380 is transferred to the
한편, 제1 튜브(331) 또는 제2 튜브(332)에 흡착된 암모니아가 재생 공정에서 탈착되면, 제1 송풍수단(210)을 거쳐 암모니아 개질기(320)의 전단으로 투입되어 재활용될 수 있다. 이때, 제1 송풍수단(210)은 블로워일 수 있다.On the other hand, when the ammonia adsorbed on the
제1 밸브(335)는 제1 튜브관(333)에 설치되어 제1 튜브관(333)을 통해 흐르는 미분해 암모니아를 포함하는 혼합가스의 양을 조절할 수 있다. 유사하게, 제2 밸브(336)는 제2 튜브관(334)에 설치되어 제2 튜브관(334)을 통해 흐르는 미분해 암모니아를 포함하는 혼합가스의 양을 조절할 수 있다. The
이와 같이, 제1 튜브(331)에서 재생 공정을 진행하는 경우, 제2 튜브(332)에서 흡착 공정을 진행하고, 다시 제1 튜브(331)에서 흡착 공정을 진행하는 경우, 제2 튜브(332)에서 재생 공정을 진행함으로써, 암모니아 흡착기(330)를 효율적으로 사용할 수 있다. As such, when the regeneration process is performed in the
본 실시예에서는 암모니아 흡착기(330)가 제1 튜브(331) 및 제2 튜브(332)만으로 이루어졌으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며 암모니아 흡착기(330)가 3개, 4개 혹은 그 이상의 튜브로 이루어지는 것도 가능하다.In this embodiment, the
이로 인해, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 발전시스템은 암모니아 흡착기를 가열 교대 흡착기(Thermal Swing Adsorption, TSA)를 적용하여, 암모니아 흡착기를 재생할 경우, 재생을 위한 열원을 암모니아 개질기로 부터의 고온의 혼합가스를 사용함으로써, 전체적인 에너지 소모를 줄이고, 추가적인 열원을 제공하기 위한 장비가 필요하지 않으므로 비용을 절감할 수 있다.For this reason, in the fuel cell power generation system according to an embodiment of the present invention, when the ammonia adsorber is regenerated by applying a thermal swing adsorption (TSA) to the ammonia adsorber, a heat source for regeneration is provided at a high temperature from the ammonia reformer. By using the mixed gas of
한편, 도 1에 도시된 바와 같이, 후단 제1 튜브관(3332)과 연결되는 질소 흡착기(340)는 암모니아 흡착기(330)에서 배출되는 질소를 흡착할 수 있다. 이러한 질소 흡착기(340)는 압력 변동 흡착기 또는 가압 교대 흡착기(Pressure Swing Adsorption, PSA)일 수 있다. 가압 교대 흡착기는 불순물을 흡착시킨 후 포화가 되면 압력을 감소시켜 흡착기를 재생시킨다. 질소 흡착기(340)에서 분리되지 않은 일부 수소 및 질소는 연소기(350)로 공급될 수 있다.Meanwhile, as shown in FIG. 1 , the
연소기(350)는 질소 흡착기(340)의 재생과정에서 배출되는 질소 및 일부 미분리 수소를 연소시켜 고온의 연소 생성물을 암모니아 개질기(320)의 열원으로 활용하고 다시 기화기(310)로 공급함으로써 고온의 연소 생성물의 열에너지를 활용할 수 있다. The
연소기(350)는 수소를 연소할 수 있는 것이라면 특별히 한정되지 않으며, 예를 들면, 내부에 연소 촉매를 포함하는 연소 반응 장치이거나, 또는 직접 연소 장치 등 일 수 있다.The
연료 전지부(360)는 수소를 연료로 사용하는 고온형 연료전지인 고체 산화물 연료 전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)일 수 있다. 고체 산화물 연료 전지는 연료 기체가 가진 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 바꾸는 에너지 변환 전지를 말한다. 연료 전지부(360)는 질소 흡착기(340)에서 분리된 수소를 공급받아 전력을 생산할 수 있다. The fuel cell unit 360 may be a solid oxide fuel cell (Solid Oxide Fuel Cell, SOFC), which is a high-temperature fuel cell using hydrogen as a fuel. The solid oxide fuel cell refers to an energy conversion cell that directly converts chemical energy of fuel gas into electrical energy. The fuel cell unit 360 may receive hydrogen separated from the
참고로, 연료 전지부(360)는, 수소의 산화반응이 일어나는 양극부와 산소의 환원반응이 일어나는 음극부, 및 양극부에서 수소의 산화반응에 의해 생성된 전자가 음극부로 이동하도록 양극부와 음극부를 연결하는 도선을 포함할 수 있고, 양극부와 음극부 사이는 전해질로 채워져 있으며, 수소의 산화반응에 의해 생성된 수소 양이온은 전해질을 통해 음극부로 이동하게 된다. 이때, 수소의 산화를 촉진하는 산화촉매를 추가로 사용할 수도 있다.For reference, the fuel cell unit 360 includes an anode section where the oxidation reaction of hydrogen occurs, a cathode section where the reduction reaction of oxygen occurs, and an anode section so that electrons generated by the oxidation reaction of hydrogen in the anode section move to the cathode section. It may include a conducting wire connecting the anode part, the anode part and the cathode part are filled with an electrolyte, and hydrogen cations generated by the oxidation reaction of hydrogen move to the cathode part through the electrolyte. In this case, an oxidation catalyst that promotes the oxidation of hydrogen may be additionally used.
연료 전지부(360)의 형태는, 전술한 예에 한정되는 것은 아니며, 연료 전지부(360)에 사용되는 각종 물질, 예를 들면 양극부 및 음극부를 구성하는 물질, 전해질 및 촉매의 종류 등은 특별히 한정되지 않는다.The shape of the fuel cell unit 360 is not limited to the above-described example, and various materials used in the fuel cell unit 360, for example, materials constituting the positive and negative electrodes, the types of electrolytes and catalysts, etc. It is not particularly limited.
한편, 연료 전지부(360)의 음극부로 가압된 공기를 투입하기 위한 압축기(230)가 구비될 수 있다.Meanwhile, a
또한, 연료 전지부(360)에서의 전기화학적 반응에 의해 고온의 가스가 발생하게 되며, 이러한 고온의 가스는 연소기(350)로 공급될 수 있다.In addition, a high-temperature gas is generated by the electrochemical reaction in the fuel cell unit 360 , and the high-temperature gas may be supplied to the
또한, 연료 전지부(360)에서 미반응된 일부 수소와, 전기화학적 반응의 결과물인 수증기의 일부는 제2 송풍수단(220)을 통해 연료 전지부(360)로 재투입될 수 있고, 이때 제2 송풍수단(220)은 블로워일 수 있다.In addition, some unreacted hydrogen in the fuel cell unit 360 and a portion of water vapor as a result of the electrochemical reaction may be reintroduced into the fuel cell unit 360 through the second blowing means 220 , at this time 2 The blowing means 220 may be a blower.
이와 같이, 암모니아 저장 탱크(370)로부터 공급되는 액체 상태의 암모니아(L-NH3)를 이용하여 수소를 생산하고, 이렇게 생산된 수소를 이용하여 전력을 생산하여 연료전지 발전시스템의 각종 수요처에 사용할 수 있어, 이산화탄소 배출이 없는 연료전지 발전시스템을 제공할 수 있으며, 암모니아의 개질 과정에서 발생하는 고온의 미분해 암모니아, 수소, 그리고 질소를 포함하는 고온의 혼합가스를 활용하여 암모니아 흡착기(330)를 재생하여, 전체적인 에너지 소모를 줄이고, 추가적인 열원을 제공하기 위한 장비가 필요하지 않으므로 비용을 절감할 수 있다.In this way, hydrogen is produced using liquid ammonia (L-NH 3 ) supplied from the
이상, 본 발명을 도면에 도시된 실시예를 참조하여 설명하였다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명과 균등한 범위에 속하는 다양한 변형예 또는 다른 실시예가 가능하다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호범위는 이어지는 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.In the above, the present invention has been described with reference to the embodiments shown in the drawings. However, the present invention is not limited thereto, and various modifications or other embodiments within the scope equivalent to the present invention are possible by those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains. Accordingly, the true protection scope of the present invention should be defined by the following claims.
100: 연료전지 발전시스템 210: 제1 송풍수단
220: 제2 송풍수단 230: 압축기
310: 기화기 320: 암모니아 개질기
330: 암모니아 흡착기 340: 질소 흡착기
350: 연소기 360: 연료 전지부
370: 암모니아 저장 탱크 380: 냉각기100: fuel cell power generation system 210: first blowing means
220: second blowing means 230: compressor
310: vaporizer 320: ammonia reformer
330: ammonia adsorber 340: nitrogen adsorber
350: combustor 360: fuel cell unit
370: ammonia storage tank 380: cooler
Claims (15)
상기 암모니아 개질기(320)에서 배출되는 미분해 암모니아, 수소 및 질소를 포함하는 고온의 혼합가스를 냉각시키는 냉각기(380),
상기 냉각기(380)로부터 냉각된 상기 혼합가스에서 상기 미분해 암모니아를 흡착하는 암모니아 흡착기(330),
상기 암모니아 흡착기(330)를 통해 상기 미분해 암모니아가 흡착된 상기 혼합가스로부터 상기 질소를 흡착하는 질소 흡착기(340), 및
상기 암모니아로부터 분해된 상기 수소를 이용하여 전력을 생산하는 연료 전지부(360)를 포함하고,
상기 암모니아 흡착기(330)는 상기 암모니아 개질기(320)에서 배출되는 상기 고온의 혼합가스를 통해 재생되는, 연료전지 발전시스템.Ammonia reformer 320 for pyrolyzing ammonia,
A cooler 380 for cooling the high-temperature mixed gas containing undecomposed ammonia, hydrogen and nitrogen discharged from the ammonia reformer 320,
An ammonia adsorber 330 for adsorbing the undecomposed ammonia from the mixed gas cooled from the cooler 380;
A nitrogen adsorber 340 for adsorbing the nitrogen from the mixed gas to which the undecomposed ammonia is adsorbed through the ammonia adsorber 330, and
and a fuel cell unit 360 for generating electric power using the hydrogen decomposed from the ammonia,
The ammonia adsorber 330 is regenerated through the high-temperature mixed gas discharged from the ammonia reformer 320, a fuel cell power generation system.
상기 냉각기(380)는 공냉식, 수냉식 및 별도의 냉매를 사용하는 방식 중 어느 하나의 방식을 사용하는, 연료전지 발전시스템.The method of claim 1,
The cooler 380 uses any one of an air cooling type, a water cooling type, and a method using a separate refrigerant, a fuel cell power generation system.
상기 암모니아 흡착기(330)는 가열 교대 흡착기로서,
서로 이격되어 위치하는 제1 튜브(331) 및 제2 튜브(332),
상기 제1 튜브(331) 및 상기 제2 튜브(332) 각각의 내부로 연결되는 제1 튜브관(333), 그리고
상기 제1 튜브(331) 및 상기 제2 튜브(332) 각각의 외부면과 접촉하거나 연결되어 열교환이 가능하도록 연결되는 제2 튜브관(334)
을 포함하는, 연료전지 발전시스템.The method of claim 1,
The ammonia adsorber 330 is a heating alternating adsorber,
A first tube 331 and a second tube 332 positioned spaced apart from each other,
A first tube tube 333 connected to the inside of each of the first tube 331 and the second tube 332, and
A second tube tube 334 that is in contact with or connected to the outer surface of each of the first tube 331 and the second tube 332 to enable heat exchange.
Including, a fuel cell power generation system.
상기 제1 튜브(331) 및 상기 제2 튜브(332)는 상기 제1 튜브관(333)을 통해 상기 제1 튜브(331) 및 상기 제2 튜브(332)의 내부로 번갈아 투입되는 상기 혼합가스에서 상기 미분해 암모니아를 흡착하고,
상기 제1 튜브(331) 및 상기 제2 튜브(332)는 상기 제2 튜브관(334)을 통해 상기 제1 튜브(331) 및 상기 제2 튜브(332)의 외부면과 접촉하거나 연결되어 상기 혼합가스와 번갈아 열교환되어 재생되는, 연료전지 발전시스템.4. The method of claim 3,
The first tube 331 and the second tube 332 are the mixed gas alternately introduced into the first tube 331 and the second tube 332 through the first tube tube 333 . adsorbing the undecomposed ammonia in
The first tube 331 and the second tube 332 are in contact with or connected to the outer surfaces of the first tube 331 and the second tube 332 through the second tube tube 334 so that the A fuel cell power generation system that is regenerated by alternating heat exchange with the mixed gas.
상기 제2 튜브관(334)은 상기 암모니아 개질기(320)와 연결되는 전단 제2 튜브관(3341), 그리고 상기 냉각기(380)와 연결되는 후단 제2 튜브관(3342)을 포함하는, 연료전지 발전시스템.4. The method of claim 3,
The second tube tube 334 includes a front end second tube tube 3341 connected to the ammonia reformer 320 and a rear end second tube tube 3342 connected to the cooler 380, a fuel cell power generation system.
상기 암모니아 개질기(320)에서 상기 전단 제2 튜브관(3341)을 통해 상기 암모니아 흡착기(330)로 공급되는 상기 혼합가스는 상기 제1 튜브(331) 또는 상기 제2 튜브(332)와 열교환하여 상기 제1 튜브(331) 또는 상기 제2 튜브(332)를 재생시키고 상기 후단 제2 튜브관(3342)를 통해 상기 냉각기(380)로 공급되는, 연료전지 발전시스템.6. The method of claim 5,
The mixed gas supplied from the ammonia reformer 320 to the ammonia adsorber 330 through the front end second tube tube 3341 exchanges heat with the first tube 331 or the second tube 332 to The fuel cell power generation system, wherein the first tube (331) or the second tube (332) is regenerated and supplied to the cooler (380) through the second end tube (3342).
상기 후단 제2 튜브관(3342)를 통해 상기 냉각기(380)로 공급되는 상기 혼합가스는 상기 냉각기(380)에서 냉각되는, 연료전지 발전시스템.7. The method of claim 6,
The mixed gas supplied to the cooler (380) through the second end tube (3342) is cooled in the cooler (380).
상기 제1 튜브관(333)은 상기 냉각기(380)와 연결되는 전단 제1 튜브관(3331)을 포함하고,
상기 냉각기(380)로부터 배출되는 상기 혼합가스는 상기 전단 제1 튜브관(3331)을 통해 상기 제1 튜브(331) 또는 상기 제2 튜브(332) 내부로 공급되어 상기 제1 튜브(331) 또는 상기 제2 튜브(332)에서 상기 미분해 암모니아가 흡착되는, 연료전지 발전시스템.8. The method of claim 7,
The first tube tube 333 includes a front end first tube tube 3331 connected to the cooler 380,
The mixed gas discharged from the cooler 380 is supplied into the first tube 331 or the second tube 332 through the front end first tube tube 3331 to the first tube 331 or In the second tube (332), the undecomposed ammonia is adsorbed, a fuel cell power generation system.
상기 제1 튜브관(333)은 상기 질소를 흡착하는 상기 질소 흡착기(340)와 연결되는 후단 제1 튜브관(3332)을 더 포함하고,
상기 혼합가스에 포함되는 상기 수소 및 상기 질소는 상기 후단 제1 튜브관(3332)를 통해 상기 질소 흡착기(340)로 공급되어 상기 질소가 흡착되어 상기 수소 및 상기 질소가 분리되는, 연료전지 발전시스템.9. The method of claim 8,
The first tube tube 333 further includes a rear end first tube tube 3332 connected to the nitrogen adsorber 340 for adsorbing the nitrogen,
The hydrogen and the nitrogen included in the mixed gas are supplied to the nitrogen adsorber 340 through the first tube pipe 3332 at the rear end, and the nitrogen is adsorbed to separate the hydrogen and the nitrogen. .
상기 연료 전지부(360)는
상기 질소 흡착기(340)에서 분리된 상기 수소가 연료로 공급되는, 연료전지 발전시스템.10. The method of claim 9,
The fuel cell unit 360 is
The hydrogen separated in the nitrogen adsorber (340) is supplied as a fuel, a fuel cell power generation system.
상기 연료 전지부(360)에서 미반응된 수소는 상기 질소 흡착기(340)로부터 분리되어 상기 연료 전지부(360)로 공급되는 상기 수소와 합류되는, 연료전지 발전시스템.11. The method of claim 10,
The unreacted hydrogen in the fuel cell unit (360) is separated from the nitrogen adsorber (340) and merges with the hydrogen supplied to the fuel cell unit (360).
상기 질소 흡착기(340)에서 흡착된 질소와 미분리된 일부 상기 수소를 연소시키는 연소기(350)를 더 포함하는, 연료전지 발전시스템.11. The method of claim 10,
The fuel cell power generation system further comprising a combustor (350) for burning the nitrogen adsorbed by the nitrogen adsorber (340) and a portion of the hydrogen that has not been separated.
상기 암모니아 개질기(320) 전단에 구비되어 액화 암모니아를 저장하는 암모니아 저장 탱크(370), 그리고 상기 암모니아 저장 탱크(370)로부터의 상기 액화 암모니아를 기화시켜 상기 암모니아 개질기(320)로 공급하는 기화기(310)를 더 포함하는, 연료전지 발전시스템.13. The method of claim 12,
An ammonia storage tank 370 provided in front of the ammonia reformer 320 to store liquefied ammonia, and a vaporizer 310 that vaporizes the liquefied ammonia from the ammonia storage tank 370 and supplies it to the ammonia reformer 320 . ) further comprising, a fuel cell power generation system.
상기 연소기(350)로부터 배출되는 고온의 연소 생성물은, 상기 암모니아 개질기(320) 및 상기 기화기(310)로 순차 공급되어 열교환되는, 연료전지 발전시스템.14. The method of claim 13,
The high-temperature combustion product discharged from the combustor 350 is sequentially supplied to the ammonia reformer 320 and the vaporizer 310 to exchange heat.
상기 혼합가스는 상기 제1 튜브(331) 또는 상기 제2 튜브(332)와 열교환하여 상기 제1 튜브(331) 또는 상기 제2 튜브(332)를 재생시키고,
상기 제1 튜브(331) 또는 상기 제2 튜브(332)의 재생에 의해 탈착된 암모니아를 상기 암모니아 개질기(320)의 전단으로 합류시키는, 연료전지 발전시스템.7. The method of claim 6,
The mixed gas is heat-exchanged with the first tube 331 or the second tube 332 to regenerate the first tube 331 or the second tube 332,
A fuel cell power generation system in which ammonia desorbed by regeneration of the first tube (331) or the second tube (332) is joined to the front end of the ammonia reformer (320).
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KR (1) | KR102441842B1 (en) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2019053855A (en) * | 2017-09-13 | 2019-04-04 | 株式会社豊田自動織機 | Fuel cell system |
KR20210007791A (en) | 2019-07-11 | 2021-01-20 | 한국조선해양 주식회사 | Fuel cell system and marine structure having the same |
KR20210010030A (en) * | 2019-07-19 | 2021-01-27 | 대우조선해양 주식회사 | Fuel cell hydrogen supply system of underwater moving body using dehydrogenation reaction of ammonia and underwater moving body having the same |
-
2021
- 2021-03-17 KR KR1020210034646A patent/KR102441842B1/en active IP Right Grant
Patent Citations (3)
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