KR102500325B1 - Ammonia-based reversible fuel cell system - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로, 연료극, 공기극 및 그 사이에 개재된 전해질로 구성되며 연료전지 모드에서 동작 가능한 연료전지; 질소와 수소를 함유한 가스를 저장하는 가스 저장부; 및 상기 연료전지의 연료극으로 공급하는 암모니아를 상기 연료극에서 배출되는 배출가스로 가열하는 열교환기;를 포함하고, 상기 열교환기를 통과한 배출가스를 상기 가스 저장부에 저장하도록 구성된 연료전지 시스템을 제공한다. The present invention relates to a fuel cell system, comprising: a fuel cell composed of an anode, an air electrode, and an electrolyte interposed therebetween and operable in a fuel cell mode; a gas storage unit for storing gas containing nitrogen and hydrogen; and a heat exchanger for heating ammonia supplied to the fuel electrode of the fuel cell with exhaust gas discharged from the fuel electrode, and storing the exhaust gas passing through the heat exchanger in the gas storage unit. .

Description

암모니아 기반 양방향 연료전지 시스템 {Ammonia-based reversible fuel cell system} Ammonia-based reversible fuel cell system}

본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 암모니아를 연료전지의 연료로 사용하여 연료전지 모드, 수전해 모드, 또는 연료전지 및 수전해 모드에서 동작할 수 있는 암모니아 기반 양방향 연료전지 시스템에 관한 것이다. The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly, to an ammonia-based bi-directional fuel cell system capable of operating in a fuel cell mode, a water electrolysis mode, or a fuel cell and water electrolysis mode using ammonia as a fuel for the fuel cell. it's about

최근 태양광이나 풍력과 같은 재생에너지를 이용한 발전 시스템에 대한 연구가 진행되고 있으며 특히 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 재생형(양방향) 연료전지 시스템이 연구되고 있다. Recently, research on power generation systems using renewable energy such as solar power and wind power is being conducted. In particular, when surplus power exceeds the power demand from renewable energy generation facilities, hydrogen is produced and stored using a water electrolysis device, and when the amount of power generation is small A renewable (bidirectional) fuel cell system capable of generating and supplying power from a fuel cell using stored hydrogen is being studied.

종래 일반적인 양방향 연료전지 시스템은 수소를 이용하여 전기를 생산하거나 수소를 생성하여 저장한다. 수소는 무게대비 매우 높은 에너지 밀도를 가지고 있지만 부피대비 낮은 에너지 저장밀도를 갖기 때문에 적절한 방법으로 저장하여 부피대비 에너지 밀도를 높일 필요성이 제기된다. A conventional bidirectional fuel cell system uses hydrogen to generate electricity or to generate and store hydrogen. Hydrogen has a very high energy density by weight but a low energy storage density by volume, so there is a need to increase the energy density by volume by storing it in an appropriate way.

이러한 이유로 최근 수소를 대신하여 암모니아를 사용하는 연료전지 시스템이 연구되고 있다. 암모니아는 액화가 용이하여 경제적인 수소 저장 및 공급 방법을 제공할 수 있다. 그러나 암모니아를 연료로 하여 연료전지를 구동할 경우 연료전지 배출가스에 질소가 포함되어 있는데 이 배출가스를 다시 재순환하여 연료전지에 넣을 경우 연료전지 구동이 원활하지 않게 되어 배출가스 재순환이 용이하지 않는 등 여러 문제가 있어 아직까지 효율적인 암모니아 기반의 연료전지 시스템이 제안되지 않고 있는 실정이다. For this reason, a fuel cell system using ammonia instead of hydrogen has recently been studied. Ammonia can be easily liquefied, providing an economical hydrogen storage and supply method. However, when a fuel cell is driven using ammonia as a fuel, nitrogen is included in the exhaust gas of the fuel cell, and if this exhaust gas is recycled and put into the fuel cell, the fuel cell operation is not smooth, making it difficult to recirculate the exhaust gas. Due to various problems, an efficient ammonia-based fuel cell system has not yet been proposed.

특허문헌1: 대한민국 등록특허 제10-1340492호 (2013년 12월 11일 공고)Patent Document 1: Republic of Korea Patent Registration No. 10-1340492 (Announced on December 11, 2013)

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 암모니아를 연료로 하며 연료전지 모드와 수전해 모드 중 적어도 하나의 모드에서 암모니아 기반 연료전지 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다. The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide an ammonia-based fuel cell system in at least one mode of a fuel cell mode and a water electrolysis mode using ammonia as a fuel.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 연료전지 시스템으로서, 연료극, 공기극 및 그 사이에 개재된 전해질로 구성되며 연료전지 모드에서 동작 가능한 연료전지; 질소와 수소를 함유한 가스를 저장하는 가스 저장부; 및 상기 연료전지의 연료극으로 공급하는 암모니아를 상기 연료극에서 배출되는 배출가스로 가열하는 열교환기;를 포함하고, 상기 열교환기를 통과한 배출가스를 상기 가스 저장부에 저장하도록 구성된 연료전지 시스템을 제공한다. According to one embodiment of the present invention, a fuel cell system includes: a fuel cell composed of a fuel electrode, an air electrode, and an electrolyte interposed therebetween and operable in a fuel cell mode; a gas storage unit for storing gas containing nitrogen and hydrogen; and a heat exchanger for heating ammonia supplied to the fuel electrode of the fuel cell with exhaust gas discharged from the fuel electrode, and storing the exhaust gas passing through the heat exchanger in the gas storage unit. .

본 발명의 일 실시예에 따르면, 연료전지 시스템으로서, 연료극, 공기극 및 그 사이에 개재된 전해질로 구성되며 수전해 모드에서 동작 가능한 연료전지; 질소와 수소를 함유한 가스를 저장하는 가스 저장부; 및 상기 연료전지의 연료극에서 배출되는 배출가스 중의 수소 및 상기 가스 저장부로부터 공급받는 질소와 수소를 이용하여 암모니아를 생성하는 암모니아 합성장치;를 포함하는 연료전지 시스템을 제공한다. According to one embodiment of the present invention, a fuel cell system includes: a fuel cell composed of a fuel electrode, an air electrode, and an electrolyte interposed therebetween and operable in a water electrolysis mode; a gas storage unit for storing gas containing nitrogen and hydrogen; and an ammonia synthesizer for generating ammonia using hydrogen in exhaust gas discharged from the anode of the fuel cell and nitrogen and hydrogen supplied from the gas storage unit.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 암모니아를 연료로 하며 연료전지 모드와 수전해 모드 중 적어도 하나의 모드에서 동작가능한 암모니아 기반 연료전지 시스템을 제공할 수 있다. 본 발명의 연료전지 시스템은 양방향 연료전지 시스템으로 사용될 수 있으며 연료전지 모드에서 암모니아를 연료로 사용하여 전기를 생산하고 수전해 모드에서는 암모니아를 다시 생성하여 암모니아 저장부에 저장할 수 있으므로 연료전지 모드와 수전해 모드에서 연속적으로 동작할 수 있다. According to one embodiment of the present invention, it is possible to provide an ammonia-based fuel cell system that uses ammonia as a fuel and is operable in at least one of a fuel cell mode and a water electrolysis mode. The fuel cell system of the present invention can be used as a two-way fuel cell system, and generates electricity using ammonia as fuel in the fuel cell mode, and generates ammonia again in the water electrolysis mode and stores it in the ammonia storage unit. It can operate continuously in solution mode.

또한 본 발명의 연료전지 시스템은 연료전지 모드 동작시 연료극 배출가스의 수소와 질소를 가스 저장부에 저장하고 수전해 모드 동작시 연료극 배출가스의 수소를 추출하고 가스 저장부의 가스와 혼합하여 암모니아 합성에 사용하므로 연료전지 모드와 수전해 모드 중 어느 모드에서 동작하더라도 연료극 배출가스를 버리지 않고 재사용함으로써 효율적인 시스템 운전을 할 수 있다. In addition, the fuel cell system of the present invention stores hydrogen and nitrogen from the anode exhaust gas in the gas storage unit in the fuel cell mode operation, and extracts hydrogen from the anode exhaust gas in the water electrolysis mode operation and mixes it with the gas in the gas storage unit to synthesize ammonia. Therefore, it is possible to operate the system efficiently by reusing the exhaust gas from the anode without discarding it, regardless of whether it operates in either the fuel cell mode or the water electrolysis mode.

도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템을 설명하기 위한 도면,
도2는 일 실시예의 연료전지 시스템의 연료전지 모드를 설명하기 위한 도면,
도3은 일 실시예의 연료전지 시스템의 수전해 모드를 설명하기 위한 도면이다. 1 is a diagram for explaining a fuel cell system according to an embodiment of the present invention;
2 is a diagram for explaining a fuel cell mode of a fuel cell system according to an embodiment;
3 is a diagram for explaining a water electrolysis mode of a fuel cell system according to an 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 in conjunction with 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 will be thorough and complete and the spirit of the present invention will be sufficiently conveyed to those skilled in the art.

본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "~를 포함한다", "~로 구성된다", 및/또는 "~로 이루어진다"라는 표현은 이 표현에 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.In this specification, singular forms also include plural forms unless specifically stated otherwise in a phrase. The expressions "comprising," "consisting of," and/or "consisting of" used in the specification do not exclude the presence or addition of one or more other components other than the components mentioned in the expression. .

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 specific embodiments below, a number of specific details have been prepared to more specifically describe the invention and aid understanding. However, the reader who has knowledge in this field enough to understand the present invention It can be recognized that it can be used without specific contents. In some cases, it is mentioned in advance that parts that are commonly known in describing the invention and are not greatly related to the invention are not described to prevent confusion in describing the present invention.

도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템을 설명하기 위한 도면이다. 1 is a diagram for explaining a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.

도면을 참조하면, 일 실시예에 따른 연료전지 시스템은 연료전지(10), 암모니아 저장부(20), 가스 저장부(30), 물 배출부(70), 암모니아 합성장치(80), 및 이 구성요소들 사이를 연결하는 다수의 유로, 블로워, 및 펌프 등으로 구성될 수 있다. Referring to the drawings, a fuel cell system according to an embodiment includes a fuel cell 10, an ammonia storage unit 20, a gas storage unit 30, a water discharge unit 70, an ammonia synthesizer 80, and It may be composed of a plurality of flow passages, blowers, and pumps connecting between components.

연료전지(10)는 연료극, 공기극 및 그 사이에 개재된 전해질로 구성되며 연료전지 모드와 수전해 모드 중 적어도 하나의 모드에서 동작할 수 있다. 연료전지(10)는 연료전지 모드에서 암모니아와 산소의 화학반응에 의해 전기와 물을 생성하고 수전해 모드에서 스팀과 전기에 의해 수소와 산소를 생성할 수 있다. 일 실시예에서 연료전지(10)는 연료전지 모드와 수전해 모드 모두에서 동작가능한 양방향 수전해 연료전지이다. 대안적 실시예에서 연료전지(10)는 양방향이 아닌 단방향 연료전지일 수 있고 이 경우 연료전지(10)는 연료전지 모드에서만 동작하거나 수전해 모드에서만 동작할 수 있다. The fuel cell 10 is composed of an anode, an air electrode, and an electrolyte interposed therebetween, and may operate in at least one of a fuel cell mode and a water electrolysis mode. The fuel cell 10 may generate electricity and water by a chemical reaction between ammonia and oxygen in a fuel cell mode and hydrogen and oxygen by steam and electricity in a water electrolysis mode. In one embodiment, the fuel cell 10 is a bi-directional water electrolysis fuel cell operable in both a fuel cell mode and a water electrolysis mode. In an alternative embodiment, the fuel cell 10 may be a unidirectional fuel cell rather than a bidirectional fuel cell, in which case the fuel cell 10 may operate only in a fuel cell mode or in a water electrolysis mode.

암모니아 저장부(20)는 연료전지(10)의 연료가 되는 암모니아(NH3)를 저장한다. 일 실시예에서 저장부(20)는 암모니아를 액체 상태로 저장할 수 있으며 예를 들어 10 bar 이상의 고압 상태로 암모니아 액체를 저장할 수 있다. The ammonia storage unit 20 stores ammonia (NH 3 ), which is a fuel of the fuel cell 10 . In one embodiment, the storage unit 20 may store ammonia in a liquid state, and may store ammonia liquid at a high pressure of 10 bar or more, for example.

도시한 실시예에서 암모니아 저장부(20)는 공급유로(L1)를 통해 암모니아를 연료전지(10)로 공급한다. 연료전지(10)로 공급되는 암모니아는 제1 열교환기(61)에서 가열되고 기화되어 연료전지(10)의 연료극(11)으로 공급될 수 있다. 제1 열교환기(61)는 연료전지(10)의 연료극(11)에서 배출유로(L2)로 배출되는 배출가스와 연료전지(10)의 연료극(11)으로 공급되는 암모니아 사이에 열교환이 일어나도록 구성된다. In the illustrated embodiment, the ammonia storage unit 20 supplies ammonia to the fuel cell 10 through the supply passage L1. Ammonia supplied to the fuel cell 10 may be heated and vaporized in the first heat exchanger 61 and supplied to the fuel electrode 11 of the fuel cell 10 . The first heat exchanger 61 is configured to allow heat exchange between the exhaust gas discharged from the fuel electrode 11 of the fuel cell 10 to the discharge passage L2 and ammonia supplied to the fuel electrode 11 of the fuel cell 10. It consists of

대안적 실시예에서 연료전지 시스템은 제2 열교환기(62)를 더 포함할 수 있다. 제2 열교환기(62)는 암모니아를 연료전지(10)로 공급하는 공급경로(L1) 상에서 제1 열교환기(61)의 상류측에 배치되며 배출유로(L2)에서 분기된 제1 분기유로(L3)로 이송되는 연료극 배출가스로 암모니아를 가열할 수 있다. In an alternative embodiment, the fuel cell system may further include a second heat exchanger 62 . The second heat exchanger 62 is disposed on the upstream side of the first heat exchanger 61 on the supply path L1 for supplying ammonia to the fuel cell 10, and the first branched flow path branched from the discharge flow path L2 ( Ammonia can be heated by the anode exhaust gas transported to L3).

대안적 실시예에서 연료전지 시스템은 터빈(40)을 더 포함할 수 있다. 터빈(40)은 공급경로(L1) 상에서 제1 열교환기(61)와 제2 열교환기(62) 사이에 배치될 수 있고, 제2 열교환기(62)에서 기화된 고압의 암모니아 가스의 에너지를 이용하여 터빈(40)에서 역학적 에너지를 생성할 수 있다.In an alternative embodiment, the fuel cell system may further include a turbine 40. Turbine 40 may be disposed between the first heat exchanger 61 and the second heat exchanger 62 on the supply path (L1), the energy of the high-pressure ammonia gas vaporized in the second heat exchanger (62) It is possible to generate mechanical energy in the turbine 40 by using.

수전해 모드에서 연료전지 시스템은 물 공급유로(L7)를 통해 스팀을 연료전지(10)에 공급할 수 있다. 예를 들어 펌프(91)에 의해 외부로부터 물을 공급받고 이 물을 가열하여 스팀을 생성한 후 공급유로(L7,L1)를 통해 스팀을 연료전지(10)로 공급할 수 있다. 도시한 실시예에서, 물을 가열하고 기화시키기 위해 암모니아 합성장치(80)에서 발생하는 열를 사용할 수 있다. 즉 물 공급유로(L7)를 통해 이송되는 물을 암모니아 합성장치(80)의 동작시 발생하는 고온의 열에너지를 이용하여 기화시키고 그 후 공급유로(L1)를 통해 스팀을 연료극(11)으로 공급할 수 있다. 대안적 실시예에서 연료전지 시스템(10)은 시스템 내 다른 열원을 이용하여 물을 스팀으로 기화시킬 수도 있다. In the water electrolysis mode, the fuel cell system may supply steam to the fuel cell 10 through the water supply passage L7. For example, after water is supplied from the outside by the pump 91 and steam is generated by heating the water, the steam may be supplied to the fuel cell 10 through the supply passages L7 and L1. In the illustrated embodiment, heat generated in the ammonia synthesizer 80 may be used to heat and vaporize water. That is, water transported through the water supply passage L7 is vaporized using high-temperature thermal energy generated during the operation of the ammonia synthesizer 80, and then steam can be supplied to the fuel electrode 11 through the supply passage L1. there is. In an alternative embodiment, the fuel cell system 10 may vaporize water into steam using another heat source within the system.

연료전지 시스템이 수전해 모드에서 동작할 경우 많은 양의 물(스팀)이 필요하기 때문에, 일 실시예에서 연료전지 시스템은 물 공급유로(L7) 외에 시스템 외부로부터 물이나 스팀을 공급받는 추가 공급유로를 더 포함할 수 있다. 도시한 실시예의 경우 연료전지 시스템은 제1 및 제2 추가 공급유로(L8, L9)를 더 포함하며 필요에 따라 제1 및 제2 추가 공급유로(L8,L9) 중 적어도 하나를 이용하여 스팀을 연료전지(10)로 추가로 공급할 수 있다. Since a large amount of water (steam) is required when the fuel cell system operates in the water electrolysis mode, in one embodiment, the fuel cell system has an additional supply passage for receiving water or steam from the outside of the system in addition to the water supply passage L7. may further include. In the illustrated embodiment, the fuel cell system further includes first and second additional supply passages L8 and L9, and steam is supplied by using at least one of the first and second additional supply passages L8 and L9 as needed. It can be additionally supplied to the fuel cell 10 .

연료전지(10)의 연료극(11)에서 배출되는 연료극 배출가스는 배출유로(L2)를 따라 이송되어 제1 열교환기(61)를 통과하며, 제1 열교환기(61)에서 연료극 배출가스는 공급유로(L1)를 통해 연료극(11)으로 공급되는 암모니아에 열에너지를 전달하여 암모니아를 가열하거나 기화시킨다. 일 실시예에서 물을 공급하는 추가 공급유로(L8)가 설치된 경우 배출유로(L2)에 제3 열교환기(63)가 설치될 수 있고, 연료극 배출가스는 제3 열교환기(63)에서 추가 공급유로(L8)의 물을 가열할 수 있다. The anode exhaust gas discharged from the anode 11 of the fuel cell 10 is transported along the discharge passage L2 and passes through the first heat exchanger 61, and the anode exhaust gas is supplied from the first heat exchanger 61. Thermal energy is transferred to ammonia supplied to the fuel electrode 11 through the flow path L1 to heat or vaporize the ammonia. In one embodiment, when the additional supply passage L8 for supplying water is installed, the third heat exchanger 63 may be installed in the discharge passage L2, and the anode exhaust gas is additionally supplied from the third heat exchanger 63. Water in the flow path L8 can be heated.

일 실시예에서 연료전지 시스템은 공급유로(L1)와 배출유로(L2) 사이를 연결하는 재순환 유로(L21) 및 이에 설치된 블로워(93)를 더 포함할 수 있다. 도시한 실시예에서, 제1 열교환기(61)와 제3 열교환기(63)를 통과한 연료극 배출가스 중 일부를 재순환 유로(L21)를 통해 연료극(11)으로 재공급 할 수 있다. 예를 들어 연료전지 시스템이 수전해 모드에서 동작하는 경우 연료극(11)에서 수소와 물(스팀)이 연료극 배출가스로서 배출되며 이 배출가스 중 일부를 재순환 유로(L21)로 분기함으로써 배출가스 중의 수소를 연료극(11)으로 재공급 할 수 있다. In one embodiment, the fuel cell system may further include a recirculation flow path L21 connecting between the supply flow path L1 and the discharge flow path L2 and a blower 93 installed therein. In the illustrated embodiment, some of the anode exhaust gas passing through the first heat exchanger 61 and the third heat exchanger 63 may be re-supplied to the anode 11 through the recirculation passage L21. For example, when the fuel cell system operates in the water electrolysis mode, hydrogen and water (steam) are discharged from the fuel electrode 11 as fuel electrode exhaust gas, and some of the exhaust gas is branched into the recirculation flow path L21 to hydrogen in the exhaust gas. may be re-supplied to the fuel electrode 11.

제1 및 제3 열교환기(61,63)를 통과하며 냉각된 연료극 배출가스는 물 배출부(70)로 이송된다. 물 배출부(70)는 배출가스 중의 물을 분리하여 배출하는 장치이며 예를 들어 응축기, 드레인, 및 응축기를 통과하며 순환하는 냉매의 순환 유로 상에 설치된 펌프, 냉각장치 등으로 구성될 수 있으며 이러한 물 배출부의 구체적 구성은 공지기술이므로 설명을 생략한다. The anode exhaust gas cooled while passing through the first and third heat exchangers 61 and 63 is transported to the water discharge unit 70 . The water discharge unit 70 is a device that separates and discharges water from exhaust gas, and may include, for example, a condenser, a drain, and a pump installed on a circulation path of a refrigerant that circulates through the condenser, a cooling device, and the like. Since the specific configuration of the water discharge unit is a well-known technology, description thereof will be omitted.

물 배출부(70)의 하류측에서 배출유로(L2)는 제1 분기유로(L3)와 제2 분기유로(L4)로 분기된다. 본 발명의 연료전지 시스템이 양방향 시스템인 경우 연료전지 모드와 수전해 모드에 따라 연료극 배출가스가 제1 분기유로(L3)와 제2 분기유로(L4) 중 어느 한쪽으로 이송되도록 구성할 수 있다. 이러한 분기 동작을 위해, 도면에 도시하지 않았지만 예컨대 하나 이상의 개폐밸브나 3방밸브 등이 분기점이나 제1 및 제2 분기유로(L3,L4) 상에 설치될 수 있다. On the downstream side of the water discharge unit 70, the discharge passage L2 is branched into a first branch passage L3 and a second branch passage L4. When the fuel cell system of the present invention is a bidirectional system, the anode exhaust gas may be transported to one of the first branch passage L3 and the second branch passage L4 according to the fuel cell mode and the water electrolysis mode. For this branching operation, although not shown in the drawing, for example, one or more on-off valves or three-way valves may be installed on the branching points or the first and second branching passages L3 and L4.

일 실시예에서, 연료전지 시스템이 연료전지 모드에서 동작하는 경우 제2 분기유로(L4)가 폐쇄되고 연료극 배출가스가 제1 분기유로(L3)를 통해 이송된다. 제1 분기유로(L3)에는 제2 열교환기(62)가 설치될 수 있고, 제2 열교환기(62)에서 연료극 배출가스는 암모니아 저장부(20)에서 이송되는 암모니아를 가열하여 기화시킬 수 있다. In one embodiment, when the fuel cell system operates in the fuel cell mode, the second branch passage L4 is closed and the anode exhaust gas is transported through the first branch passage L3. A second heat exchanger 62 may be installed in the first branch passage L3, and in the second heat exchanger 62, the ammonia discharged from the anode may heat and vaporize ammonia transported from the ammonia storage unit 20. .

제2 열교환기(62)를 통과한 연료극 배출가스는 제1 압축기(51)로 공급될 수 있다. 제1 압축기(51)는 연료극 배출가스를 예컨대 5 bar의 압력으로 압축한다. 일 실시예에서 연료전지 시스템이 터빈(40)을 포함하는 경우, 터빈(40)에서 생성한 역학적 에너지를 제1 압축기(51)의 구동에 사용할 수 있다. 대안적 실시예에서, 터빈(40)에서 생성한 역학적 에너지로 전기 에너지를 생산할 수 있으며, 생산된 전기로 연료전지 시스템의 주변보조기기(BOP)를 구동하거나 연료전지 시스템 외부로 전기를 공급할 수도 있다. The anode exhaust gas passing through the second heat exchanger 62 may be supplied to the first compressor 51 . The first compressor 51 compresses the anode exhaust gas to a pressure of, for example, 5 bar. In one embodiment, when the fuel cell system includes the turbine 40 , mechanical energy generated by the turbine 40 may be used to drive the first compressor 51 . In an alternative embodiment, mechanical energy generated by the turbine 40 may be used to generate electrical energy, and the generated electricity may be used to drive peripheral auxiliary equipment (BOP) of the fuel cell system or to supply electricity to the outside of the fuel cell system. .

제1 압축기(51)에서 압축된 배출가스는 가스 저장부(30)로 공급되어 저장된다. 연료전지 모드에서 제1 분기유로(L3)로 이송되는 연료극 배출가스는 질소(N2)와 수소(H2)를 주성분으로 함유한 가스이며 따라서 가스 저장부(30)는 질소와 수소의 혼합가스를 저장할 수 있다. The exhaust gas compressed by the first compressor 51 is supplied to and stored in the gas storage unit 30 . In the fuel cell mode, the anode exhaust gas transported to the first branch passage L3 is a gas containing nitrogen (N2) and hydrogen (H2) as main components, and thus the gas storage unit 30 stores a mixed gas of nitrogen and hydrogen. can

일 실시예에서, 연료전지 시스템이 수전해 모드에서 동작하는 경우 제1 분기유로(L3)가 폐쇄되고 연료극 배출가스는 제2 분기유로(L4)를 통해 제2 압축기(52)와 암모니아 합성장치(80)로 순차적으로 공급된다. 제2 압축기(52)는 연료극 배출가스를 암모니아 합성장치(80)에서 요구하는 압력으로 압축할 수 있다. 예를 들어 암모니아 합성장치(80)는 10bar 내지 180bar 사이에서 동작하는 장치일 수 있고 제2 압축기(52)는 연료극 배출가스를 암모니아 합성에 필요한 압력까지 압축할 수 있다. In one embodiment, when the fuel cell system operates in the water electrolysis mode, the first branch passage L3 is closed and the anode exhaust gas passes through the second branch passage L4 to the second compressor 52 and the ammonia synthesizer ( 80) are sequentially supplied. The second compressor 52 may compress the anode exhaust gas to a pressure required by the ammonia synthesizer 80 . For example, the ammonia synthesizer 80 may operate between 10 bar and 180 bar, and the second compressor 52 may compress the anode exhaust gas to a pressure required for ammonia synthesis.

암모니아 합성장치(80)는 연료극 배출가스를 이용하여 암모니아를 생성한다. 일 실시예에서 암모니아 합성장치(80)는 수소(H2)와 질소(N2)를 공급받아 이로부터 암모니아(NH3)를 생성하는 하버-보쉬 반응기(Haber-Bosch reactor)이다. 그러나 암모니아 합성장치(80)는 이러한 하버-보쉬 반응기에 한정되지 않으며 연료극 배출가스를 이용하여 암모니아를 합성할 수 있는 임의의 합성장치일 수 있다. 암모니아 합성장치(80)에서 생성된 암모니아는 제2 분기유로(L4)를 따라 암모니아 저장부(20)로 이송되어 저장된다.The ammonia synthesizer 80 generates ammonia using the anode exhaust gas. In one embodiment, the ammonia synthesizer 80 is a Haber-Bosch reactor that receives hydrogen (H2) and nitrogen (N2) and generates ammonia (NH3) therefrom. However, the ammonia synthesizer 80 is not limited to the Haber-Bosch reactor and may be any synthesizer capable of synthesizing ammonia using an anode exhaust gas. Ammonia generated in the ammonia synthesizer 80 is transported to and stored in the ammonia storage unit 20 along the second branch passage L4.

암모니아 합성장치(80)에서 암모니아를 합성하기 위해 수소와 질소가 필요한데 수전해 모드에서 배출유로(L2)와 제2 분기유로(L4)를 통해 이송되는 연료극 배출가스는 질소를 함유하고 있지 않으며, 본 발명의 일 실시예에서는 가스 저장부(30)에 저장된 질소 및 수소의 혼합 가스를 암모니아 합성장치(80)로 추가로 공급할 수 있다. 즉, 도면에 도시한 것처럼 가스 저장부(30)와 제2 분기유로(L4)를 가스 공급유로(L10)로 연결하여 질소와 수소의 혼합가스를 제2 분기유로(L4)로 이송한다. 이 때 가스 공급유로(L10) 상에 제3 압축기(53)를 설치하고 제3 압축기(53)에서 질소와 수소 혼합가스를 암모니아 합성에 필요한 압력으로 압축할 수 있다. Hydrogen and nitrogen are required to synthesize ammonia in the ammonia synthesizer 80, but the anode exhaust gas transported through the discharge passage L2 and the second branch passage L4 in the water electrolysis mode does not contain nitrogen. In one embodiment of the invention, the mixed gas of nitrogen and hydrogen stored in the gas storage unit 30 may be additionally supplied to the ammonia synthesizer 80. That is, as shown in the drawing, the gas storage unit 30 and the second branch passage L4 are connected to the gas supply passage L10 to transfer the mixed gas of nitrogen and hydrogen to the second branch passage L4. At this time, a third compressor 53 may be installed on the gas supply passage L10, and the third compressor 53 may compress the mixed gas of nitrogen and hydrogen to a pressure necessary for synthesizing ammonia.

일 실시예에서 연료전지 시스템은 외부의 공기를 연료전지의 공기극(12)으로 공급하는 공기 공급유로(L5) 및 이 유로에 설치된 하나 이상의 블로워(92) 및 제4 열교환기(64)를 포함한다. 연료전지(10)의 공기극(12)에서 배출되는 공기극 배출가스는 제4 열교환기(64)를 통과하여 배출유로(L6)를 통해 외부로 배출되며, 이 때 제4 열교환기(64)는 공기 공급유로(L5)를 따라 공기극(12)으로 이송되는 공기와 공기극(12)에서 배출되어 배출유로(L6)를 따라 이송되는 공기극 배출가스 사이를 열교환한다. In one embodiment, the fuel cell system includes an air supply passage L5 for supplying external air to the cathode 12 of the fuel cell, one or more blowers 92 and a fourth heat exchanger 64 installed in the passage. . The cathode exhaust gas discharged from the cathode 12 of the fuel cell 10 passes through the fourth heat exchanger 64 and is discharged to the outside through the discharge passage L6. At this time, the fourth heat exchanger 64 passes through the air Heat is exchanged between air transported to the cathode 12 along the supply passage L5 and cathode exhaust gas discharged from the cathode 12 and transported along the discharge passage L6.

일 실시예에서 배출유로(L6) 상에서 제4 열교환기(64)의 하류측에 제5 열교환기(65)가 더 설치될 수 있고, 제5 열교환기(65)에서 공기극 배출가스는 제2 추가 공급유로(L9)를 따라 공급되는 물을 가열하여 기화시킬 수 있다. 그 외에도 대안적 실시예에서 제4 열교환기(64)를 통과한 공기극 배출가스의 열을 추가로 이용할 수 있다. 예컨대, 제4 열교환기(64)를 통과한 공기극 배출가스는 제5 열교환기(65) 또는 다른 추가의 열교환기를 통해 연료 공급유로(L1)나 물 공급유로(L7)의 연료나 물을 기화하는데 추가로 사용할 수 있다. In one embodiment, a fifth heat exchanger 65 may be further installed downstream of the fourth heat exchanger 64 on the discharge passage L6, and the cathode exhaust gas from the fifth heat exchanger 65 is supplied with a second additional heat exchanger. Water supplied along the supply passage L9 may be heated and vaporized. In addition, in an alternative embodiment, heat of the cathode exhaust gas passing through the fourth heat exchanger 64 may be additionally used. For example, the cathode exhaust gas passing through the fourth heat exchanger 64 vaporizes fuel or water in the fuel supply passage L1 or water supply passage L7 through the fifth heat exchanger 65 or another additional heat exchanger. can be used additionally.

이제 도2와 도3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 연료전지 모드와 수전해 모드에서의 동작을 각각 설명하기로 한다. Now, with reference to FIGS. 2 and 3 , operations of the fuel cell system according to an embodiment of the present invention in a fuel cell mode and a water electrolysis mode will be described respectively.

도2는 일 실시예의 연료전지 시스템의 연료전지 모드의 동작 상태를 나타낸다. 도2에서 연료전지 모드에서 사용되는 유로를 굵은 선으로 표시하였다. 2 shows an operating state of a fuel cell mode of a fuel cell system according to an embodiment. In FIG. 2, the flow path used in the fuel cell mode is indicated by a thick line.

도면을 참조하면, 연료전지 모드에서 연료 공급유로(L1)를 통해 암모니아 가스가 연료전지(10)로 공급된다. 예를 들어 대략 11bar 상태로 암모니아 저장부(20)에 저장된 액체 암모니아가 공급유로(L1)를 따라 이송되어 제2 열교환기(62)와 제1 열교환기(61)를 순차적으로 거치며 기화될 수 있다. 이 때 제2 열교환기(62)에서 가열 또는 기화된 고압의 암모니아 가스는 터빈(40)에서 소정의 역학적 에너지를 생성하는데 사용될 수 있고, 터빈(40)을 통과한 암모니아 가스는 제1 열교환기(61)에서 추가 가열된 후 연료전지(10)의 연료극(11)으로 공급될 수 있다. 대안적 실시예에서 터빈(40)과 제2 열교환기(62)가 생략될 수 있고, 이 경우 액체 암모니아는 제1 열교환기(61)에서 기화된 후 연료전지(10)로 공급된다. Referring to the drawings, ammonia gas is supplied to the fuel cell 10 through the fuel supply passage L1 in the fuel cell mode. For example, liquid ammonia stored in the ammonia storage unit 20 at about 11 bar may be transported along the supply flow path L1 and vaporized while passing through the second heat exchanger 62 and the first heat exchanger 61 in sequence. . At this time, the high-pressure ammonia gas heated or vaporized in the second heat exchanger 62 can be used to generate a predetermined mechanical energy in the turbine 40, and the ammonia gas passing through the turbine 40 is transferred to the first heat exchanger ( After being additionally heated in 61), it can be supplied to the fuel electrode 11 of the fuel cell 10. In an alternative embodiment, the turbine 40 and the second heat exchanger 62 may be omitted, in which case the liquid ammonia is vaporized in the first heat exchanger 61 and then supplied to the fuel cell 10 .

한편 공기 공급유로(L5)의 블로워(92)가 동작하여 외부 공기를 연료전지(10)의 공기극(12)으로 공급한다. 공기 공급유로(L5)로 이송되는 공기는 제4 열교환기(64)에서 가열된 후 공기극(12)으로 주입될 수 있다. Meanwhile, the blower 92 of the air supply passage L5 operates to supply external air to the cathode 12 of the fuel cell 10 . The air transported through the air supply passage L5 may be heated in the fourth heat exchanger 64 and then injected into the cathode 12 .

연료전지 모드에서 연료전지(10)의 연료극(11)은 암모니아 가스와 공기(산소)의 화학반응에 의해 수소, 질소, 및 물(스팀)을 생성하고 이를 배출유로(L2)를 통해 연료극 배출가스로서 배출하며, 공기극(12)에서는 질소 및 반응하지 않은 공기를 배출유로(L6)를 통해 공기극 배출가스로서 배출한다. In the fuel cell mode, the anode 11 of the fuel cell 10 generates hydrogen, nitrogen, and water (steam) by a chemical reaction between ammonia gas and air (oxygen), and passes the anode exhaust gas through the discharge passage L2. In the cathode 12, nitrogen and unreacted air are discharged as cathode exhaust gas through the discharge passage L6.

연료극(11)에서 배출유로(L2)를 따라 배출되는 연료극 배출가스는 제1 열교환기(61)를 통과하며 공급유로(L1)의 암모니아를 가열하여 기화시키고, 그 후 물 배출부(70)에서 물이 제거되며 이에 따라 연료극 배출가스는 수소와 질소가 주성분이 된다. 연료극 배출가스는 제1 분기유로(L3)를 따라 제2 열교환기(62)로 공급되고, 제2 열교환기(62)에서 암모니아를 가열 또는 기화시킨다. 그 후 연료극 배출가스는 제1 압축기(51)에서 고압으로 압축된 후 가스 저장부(30)로 이송되어 저장될 수 있다. The anode exhaust gas discharged from the anode 11 along the discharge passage L2 passes through the first heat exchanger 61, heats and vaporizes ammonia in the supply passage L1, and then passes through the water outlet 70. Water is removed, and accordingly, the anode exhaust gas becomes hydrogen and nitrogen as main components. The anode exhaust gas is supplied to the second heat exchanger 62 along the first branch flow path L3, and ammonia is heated or vaporized in the second heat exchanger 62. Thereafter, the anode exhaust gas may be compressed to a high pressure in the first compressor 51 and then transported to the gas storage unit 30 to be stored.

도3은 일 실시예의 연료전지 시스템의 수전해 모드의 동작 상태를 나타낸다. 수전해 모드에서 사용되는 유로를 도3에 굵은 선으로 표시하였다. 3 shows an operating state in the water electrolysis mode of the fuel cell system according to an embodiment. A flow path used in the water electrolysis mode is indicated by a thick line in FIG. 3 .

도면을 참조하면, 수전해 모드에서 물 공급유로(L7)를 통해 물을 시스템 내로 이송한다. 이송된 물을 암모니아 합성장치(80)의 동작시 발생하는 고온의 열을 이용하여 스팀으로 기화시킨다. 기화된 스팀은 물 공급유로(L7)를 따라 공급유로(L1)에 합류한 뒤 연료전지(10)의 연료극(11)으로 공급된다. 이 때 암모니아 저장부(20)와 공급유로(L1) 사이는 밸브 등의 수단에 의해 폐쇄되어 있으므로 연료극(11)으로는 스팀만 공급할 수 있다. 수전해 모드에서는 스팀이 많이 필요하므로, 상황에 따라 제1 및 제2 추가 공급유로(L8,L9)를 통해 스팀을 받을 수도 있다. 또한 공기 공급유로(L5)를 통해 공기를 공기극(12)으로 공급한다. Referring to the drawing, water is transported into the system through the water supply passage L7 in the water electrolysis mode. The transported water is vaporized into steam using high-temperature heat generated during the operation of the ammonia synthesizer 80. The vaporized steam is supplied to the anode 11 of the fuel cell 10 after joining the supply passage L1 along the water supply passage L7. At this time, since the space between the ammonia storage unit 20 and the supply passage L1 is closed by means such as a valve, only steam can be supplied to the fuel electrode 11 . Since a lot of steam is required in the water electrolysis mode, steam may be received through the first and second additional supply channels L8 and L9 depending on circumstances. In addition, air is supplied to the cathode 12 through the air supply passage L5.

연료전지(20)에서 수전해 반응이 일어남에 따라 연료극(11)으로부터 수소와 스팀으로 이루어진 연료극 배출가스가 배출유로(L2)를 통해 배출되고 공기극(12)으로부터도 공기극 배출가스가 배출 유로(L6)를 통해 배출된다. As the water electrolysis reaction occurs in the fuel cell 20, the anode exhaust gas composed of hydrogen and steam is discharged from the anode 11 through the discharge passage L2, and the cathode exhaust gas is also discharged from the cathode 12 through the discharge passage L6. ) is released through

배출유로(L2)로 배출되는 연료극 배출가스는 제1 열교환기(61)와 제3 열교환기(63)를 순차적으로 통과하며 연료전지로 공급될 물 또는 스팀을 가열하고 그 후 물 배출부(70)로 이송된다. 물 배출부(70)로 이송되기 전 연료극 배출가스의 일부가 재순환 유로(L21)로 분기될 수 있다. 수전해 모드에서도 연료극(11)에 소량의 수소를 공급할 필요가 있는데, 재순환 유로(L21)를 통해 배출가스 중 일부를 분기하여 재순환함으로써 배출가스 중의 수소를 연료극(11)으로 공급할 수 있으므로 별도의 수소 공급을 하지 않아도 되는 이점이 있다. 일 실시예에서 재순환 유로(L21)는 제1 열교환기(61)와 제3 열교환기(63) 사이에 연결될 수도 있고 물 배출부(70) 하류측에 연결될 수도 있다. The anode exhaust gas discharged through the discharge passage L2 sequentially passes through the first heat exchanger 61 and the third heat exchanger 63, heats water or steam to be supplied to the fuel cell, and then the water discharge unit 70 ) is transferred to A portion of the anode exhaust gas before being transported to the water discharge unit 70 may be branched into the recirculation flow path L21. Even in the water electrolysis mode, it is necessary to supply a small amount of hydrogen to the anode 11. By branching and recirculating some of the exhaust gas through the recirculation passage L21, hydrogen in the exhaust gas can be supplied to the anode 11, so that separate hydrogen It has the advantage of not having to supply it. In one embodiment, the recirculation passage L21 may be connected between the first heat exchanger 61 and the third heat exchanger 63 or may be connected to the downstream side of the water outlet 70.

수전해 모드에서 연료극 배출가스는 수소와 스팀이 주성분이므로 물 배출부(70)에서 스팀이 응축되어 제거되면 연료극 배출가스는 수소가 주성분인 가스가 되며 그 후 제2 분기유로(L4)를 따라 제2 압축기(52)로 공급된다. 한편 가스 저장부(30)에 저장된 질소 및 수소의 혼합 가스를 제3 압축기(53)에서 압축한 후 가스 공급유로(L10)를 통해 제2 분기유로(L4)로 공급할 수 있고, 따라서 수소와 질소를 주성분으로 하는 고압의 혼합 가스를 제2 분기유로(L4)를 통해 암모니아 합성장치(80)로 공급할 수 있다. In the water electrolysis mode, since the main components of the anode exhaust gas are hydrogen and steam, when steam is condensed and removed from the water discharge unit 70, the anode exhaust gas becomes a gas mainly composed of hydrogen, and then is removed along the second branch passage L4. 2 is supplied to the compressor (52). Meanwhile, after compressing the mixed gas of nitrogen and hydrogen stored in the gas storage unit 30 in the third compressor 53, it can be supplied to the second branch passage L4 through the gas supply passage L10, and thus hydrogen and nitrogen. A high-pressure mixed gas containing as a main component may be supplied to the ammonia synthesizer 80 through the second branch passage L4.

암모니아 합성장치(80)는 공급받은 고압의 수소와 질소의 혼합 가스를 이용하여 암모니아를 생성하고, 생성된 암모니아는 제2 분기유로(L4)를 따라 암모니아 저장부(20)로 공급되어 저장된다.The ammonia synthesizer 80 generates ammonia using the supplied high-pressure hydrogen and nitrogen mixed gas, and the generated ammonia is supplied to the ammonia storage unit 20 along the second branch passage L4 and stored therein.

이와 같이 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 수전해 모드에서는 연료전지(10)에서 배출되는 연료극 배출가스 중 일부를 재순환시켜 수소를 연료전지로 공급할 수 있어 수소 공급을 위한 별도의 경로를 마련하지 않아도 되는 이점이 있고 연료극 배출가스에서 추출한 수소에 가스 저장부(30)의 질소와 수소 가스를 혼합한 후 암모니아 합성장치(80)에서 암모니아를 생성하고 이를 암모니아 저장부(20)에 저장할 수 있다.As such, in the water electrolysis mode of the fuel cell system according to the present invention, some of the anode exhaust gas discharged from the fuel cell 10 can be recycled to supply hydrogen to the fuel cell, which eliminates the need to prepare a separate path for supplying hydrogen. There is an advantage, and after mixing nitrogen and hydrogen gas in the gas storage unit 30 with hydrogen extracted from the anode exhaust gas, ammonia can be generated in the ammonia synthesizer 80 and stored in the ammonia storage unit 20.

따라서 본 발명의 연료전지 시스템이 양방향 연료전지 시스템으로 사용되는 경우 연료전지 모드에서 암모니아 저장부(20)의 암모니아를 연료로 사용하여 전기를 생산하고 수소와 질소의 혼합가스를 가스 저장부(30)에 저장하며 수전해 모드에서는 가스 저장부(30)의 가스를 사용하여 암모니아를 생성하고 암모니아 저장부(10)에 저장할 수 있으므로 연료전지 모드와 수전해 모드를 번갈아가며 연속적으로 동작할 수 있는 양방향 연료전지 시스템을 구현할 수 있다. Therefore, when the fuel cell system of the present invention is used as a bi-directional fuel cell system, electricity is produced by using ammonia in the ammonia storage unit 20 as fuel in the fuel cell mode, and a mixed gas of hydrogen and nitrogen is used in the gas storage unit 30. In the water electrolysis mode, ammonia can be generated using the gas of the gas storage unit 30 and stored in the ammonia storage unit 10, so that the fuel cell mode and the water electrolysis mode can be operated alternately and continuously. A battery system can be implemented.

또한 수소 재순환 관점에서 볼 때 연료전지 모드 동작시 연료극 배출가스의 수소를 추출하여 가스 저장부(30)에 저장하며 수전해 모드 동작시 연료극 배출가스의 수소를 추출하여 암모니아 합성에 사용하므로 연료전지 모드와 수전해 모드 중 어느 모드에서 동작하더라도 배출가스 중의 수소를 버리지 않고 재사용함으로써 효율적인 시스템 운전을 할 수 있다. In addition, from the point of view of hydrogen recirculation, hydrogen from the anode exhaust gas is extracted and stored in the gas storage unit 30 during the fuel cell mode operation, and hydrogen from the anode exhaust gas is extracted and used for ammonia synthesis during the water electrolysis mode operation. Efficient system operation can be performed by reusing the hydrogen in the exhaust gas without discarding it even if it is operated in any mode of the electrolysis mode and the water electrolysis mode.

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 skilled in the art 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 should not be limited to the described embodiments and should not be defined, but should be defined by not only the claims to be described later, but also those equivalent to these claims.

10: 연료전지 20: 암모니아 저장부
30: 가스 저장부 40: 터빈
51~53: 압축기 61~65: 열교환기
70: 물 배출부 80: 암모니아 합성장치10: fuel cell 20: ammonia storage unit
30: gas storage unit 40: turbine
51 to 53: compressor 61 to 65: heat exchanger
70: water discharge unit 80: ammonia synthesizer

Claims (11)

연료전지 시스템으로서,
연료극, 공기극 및 그 사이에 개재된 전해질로 구성되며 연료전지 모드와 수전해 모드 중 어느 하나의 모드에서 동작 가능한 연료전지;
질소와 수소를 함유한 가스를 저장하는 가스 저장부; 및
상기 연료극에서 배출되는 배출가스로 상기 연료전지의 연료극으로 공급하는 암모니아 또는 물을 가열하는 열교환기;
상기 열교환기를 통과한 배출가스 중의 수소 및 외부로부터 공급받는 질소를 이용하여 암모니아를 생성하는 암모니아 합성장치;
를 포함하고,
상기 열교환기를 통과한 배출가스를 상기 가스 저장부에 저장하도록 구성되며,
물을 상기 암모니아 합성장치로 공급하여 상기 암모니아 합성장치에서 발생된 열을 이용하여 물을 기화시키고, 기화된 물을 상기 연료전지로 공급하는 것인, 연료전지 시스템.As a fuel cell system,
A fuel cell composed of an anode, an air electrode, and an electrolyte interposed therebetween and capable of operating in either a fuel cell mode or a water electrolysis mode;
a gas storage unit for storing gas containing nitrogen and hydrogen; and
a heat exchanger for heating ammonia or water supplied to the fuel electrode of the fuel cell with exhaust gas discharged from the fuel electrode;
an ammonia synthesizer for generating ammonia using hydrogen in the exhaust gas passing through the heat exchanger and nitrogen supplied from the outside;
including,
It is configured to store the exhaust gas passing through the heat exchanger in the gas storage unit,
The fuel cell system of supplying water to the ammonia synthesizer, vaporizing the water using heat generated in the ammonia synthesizer, and supplying the vaporized water to the fuel cell. 제 1 항에 있어서,
상기 열교환기를 통과한 배출가스에서 물을 분리하는 물 배출부를 더 포함하고,
상기 물 배출부를 통과한 배출가스를 상기 가스 저장부로 이송하도록 구성된 것인, 연료전지 시스템. According to claim 1,
Further comprising a water discharge unit for separating water from the exhaust gas passing through the heat exchanger,
The fuel cell system configured to transfer the exhaust gas passing through the water discharge unit to the gas storage unit. 제 2 항에 있어서,
상기 물 배출부와 상기 가스 저장부 사이에 배치된 압축기를 더 포함하고,
상기 압축기에서 상기 배출가스를 압축한 후 가스 저장부로 이송하도록 구성된 것인, 연료전지 시스템. According to claim 2,
Further comprising a compressor disposed between the water discharge unit and the gas storage unit,
The fuel cell system configured to compress the exhaust gas in the compressor and transfer it to a gas storage unit. 제 3 항에 있어서,
상기 연료극으로 암모니아를 공급하는 공급유로 상에 배치되어 암모니아를 이용하여 역학적 에너지를 생성하는 터빈을 더 포함하고,
상기 터빈에서 생성된 역학적 에너지로 상기 압축기를 구동하거나 또는 전기 에너지를 생산하도록 구성된 것인, 연료전지 시스템. According to claim 3,
Further comprising a turbine disposed on a supply passage for supplying ammonia to the fuel electrode to generate mechanical energy using ammonia;
The fuel cell system configured to drive the compressor or produce electrical energy with mechanical energy generated by the turbine. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제 2 항에 있어서,
상기 물 배출부와 상기 암모니아 합성장치 사이에 배치된 압축기를 더 포함하고,
상기 압축기에서 상기 배출가스를 압축한 후 상기 암모니아 합성장치로 이송하도록 구성된 것인, 연료전지 시스템. According to claim 2,
Further comprising a compressor disposed between the water discharge unit and the ammonia synthesizer,
The fuel cell system configured to compress the exhaust gas in the compressor and transfer it to the ammonia synthesizer. 제 2 항에 있어서,
상기 암모니아 합성장치에서 생성된 암모니아를 저장하는 암모니아 저장부를 더 포함하는 것인, 연료전지 시스템. According to claim 2,
The fuel cell system further comprising an ammonia storage unit for storing ammonia generated in the ammonia synthesizer. 제 9 항에 있어서,
상기 연료전지 시스템이 연료전지 모드에서 동작하는 경우, 상기 암모니아 저장부에 저장된 암모니아를 상기 연료전지의 연료극으로 공급하도록 구성된 것인, 연료전지 시스템. According to claim 9,
Wherein the fuel cell system is configured to supply ammonia stored in the ammonia storage unit to an anode of the fuel cell when the fuel cell system operates in a fuel cell mode. 제 10 항에 있어서,
상기 연료전지 시스템이 연료전지 모드에서 동작하는 경우, 상기 물 배출부를 통과한 배출가스를 상기 가스 저장부로 이송하도록 구성된 것인, 연료전지 시스템. According to claim 10,
Wherein the fuel cell system is configured to transport exhaust gas passing through the water discharge unit to the gas storage unit when the fuel cell system operates in a fuel cell mode.
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