KR102500327B1 - 연속운전이 가능한 암모니아 기반 연료전지 시스템 - Google Patents

연속운전이 가능한 암모니아 기반 연료전지 시스템 Download PDF

Info

Publication number
KR102500327B1
KR102500327B1 KR1020200125062A KR20200125062A KR102500327B1 KR 102500327 B1 KR102500327 B1 KR 102500327B1 KR 1020200125062 A KR1020200125062 A KR 1020200125062A KR 20200125062 A KR20200125062 A KR 20200125062A KR 102500327 B1 KR102500327 B1 KR 102500327B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
fuel cell
ammonia
heat exchanger
exhaust gas
cell system
Prior art date
Application number
KR1020200125062A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20220042015A (ko
Inventor
안국영
이동근
이영덕
김영상
잡반티엔
쿠엔
Original Assignee
한국기계연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국기계연구원 filed Critical 한국기계연구원
Priority to KR1020200125062A priority Critical patent/KR102500327B1/ko
Publication of KR20220042015A publication Critical patent/KR20220042015A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102500327B1 publication Critical patent/KR102500327B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/22—Fuel cells in which the fuel is based on materials comprising carbon or oxygen or hydrogen and other elements; Fuel cells in which the fuel is based on materials comprising only elements other than carbon, oxygen or hydrogen
    • H01M8/222—Fuel cells in which the fuel is based on compounds containing nitrogen, e.g. hydrazine, ammonia
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01C—AMMONIA; CYANOGEN; COMPOUNDS THEREOF
    • C01C1/00—Ammonia; Compounds thereof
    • C01C1/02—Preparation, purification or separation of ammonia
    • C01C1/04—Preparation of ammonia by synthesis in the gas phase
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04014—Heat exchange using gaseous fluids; Heat exchange by combustion of reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04097—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with recycling of the reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0662—Treatment of gaseous reactants or gaseous residues, e.g. cleaning
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/18—Regenerative fuel cells, e.g. redox flow batteries or secondary fuel cells
    • H01M8/184—Regeneration by electrochemical means
    • H01M8/186—Regeneration by electrochemical means by electrolytic decomposition of the electrolytic solution or the formed water product
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)

Abstract

본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로, 연료극, 공기극 및 그 사이에 개재된 전해질로 구성되며 연료전지 모드에서 동작 가능한 연료전지; 및 상기 연료전지의 연료극에서 배출되는 배출가스로 상기 연료전지의 연료인 암모니아를 가열하는 제1 열교환기;를 포함하고, 제1 열교환기를 통과한 배출가스 중의 수소를 상기 연료극으로 재공급하도록 구성된 연료전지 시스템을 제공한다.

Description

연속운전이 가능한 암모니아 기반 연료전지 시스템 {Ammonia-based fuel cell system with continuous operation}
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.
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.
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.
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.
특허문헌1: 대한민국 등록특허 제10-1340492호 (2013년 12월 11일 공고)
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 암모니아를 연료로 하며 연료전지 모드와 수전해 모드 중 적어도 하나의 모드에서 연속운전이 가능한 암모니아 기반 연료전지 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 연료전지 시스템으로서, 연료극, 공기극 및 그 사이에 개재된 전해질로 구성되며 연료전지 모드에서 동작 가능한 연료전지; 및 상기 연료전지의 연료극에서 배출되는 배출가스로 상기 연료전지의 연료인 암모니아를 가열하는 제1 열교환기;를 포함하고, 제1 열교환기를 통과한 배출가스 중의 수소를 상기 연료극으로 재공급하도록 구성된 연료전지 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 연료전지 시스템으로서, 연료극, 공기극 및 그 사이에 개재된 전해질로 구성되며 수전해 모드에서 동작 가능한 연료전지; 상기 연료전지의 연료극에서 배출되는 배출가스로 상기 연료전지의 연료인 암모니아를 가열하는 제1 열교환기; 및 제1 열교환기를 통과한 배출가스 중의 수소 및 외부로부터 공급받는 질소를 이용하여 암모니아를 생성하는 암모니아 합성장치;를 포함하는 연료전지 시스템을 제공한다.
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.
또한 본 발명의 연료전지 시스템은 연료전지 모드 동작시 연료극 배출가스의 수소를 추출하여 연료전지로 재공급하며 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.
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.
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.
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.
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.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도면을 참조하면, 일 실시예에 따른 연료전지 시스템은 암모니아 저장부(10), 연료전지(20), 복수개의 열교환기(31~35), 물 배출부(40), 암모니아 합성장치(60), 터빈(70), 가스 추출부(80), 및 이 구성요소들 사이를 연결하는 다수의 유로, 블로워, 및 펌프 등으로 구성될 수 있다.
암모니아 저장부(10)는 연료전지(20)의 연료가 되는 암모니아(NH3)를 저장한다. 일 실시예에서 저장부(10)는 암모니아를 액체 상태로 저장할 수 있으며 예를 들어 10 bar 이상의 고압 상태로 암모니아 액체를 저장할 수 있다.
연료전지(20)는 연료극, 공기극 및 그 사이에 개재된 전해질로 구성되며 연료전지 모드와 수전해 모드 중 적어도 하나의 모드에서 동작할 수 있다. 연료전지(20)는 연료전지 모드에서 암모니아와 산소의 화학반응에 의해 전기와 물을 생성하고 수전해 모드에서 스팀과 전기에 의해 수소와 산소를 생성할 수 있다. 일 실시예에서 연료전지(20)는 연료전지 모드와 수전해 모드 모두에서 동작가능한 양방향 수전해 연료전지이다. 대안적 실시예에서 연료전지(20)는 양방향이 아닌 단방향 연료전지일 수 있고 이 경우 연료전지(20)는 연료전지 모드에서만 동작하거나 수전해 모드에서만 동작할 수 있다.
도시한 실시예에서 암모니아는 암모니아 저장부(10)로부터 공급유로(L1)을 통해 연료전지(20)로 공급된다. 연료전지(20)로 공급되는 암모니아는 제1 열교환기(31)에서 기화되어 연료전지(20)의 연료극(21)으로 공급될 수 있다. 제1 열교환기(31)는 연료전지(20)의 연료극(21)에서 배출되는 배출가스와 연료전지(20)의 연료극(21)으로 공급되는 암모니아 사이에 열교환이 일어나도록 구성된다.
대안적 실시예에서 연료전지 시스템은 제2 열교환기(32)를 더 포함할 수 있다. 제2 열교환기(32,32')는 암모니아를 연료전지(20))로 공급하는 공급경로(L1) 상에서 제1 열교환기(31)의 상류측에 배치되며 연료전지의 연료극 배출가스로 암모니아를 기화시킬 수 있다. 도면에서 제2 열교환기가 2개(32,32')인 것처럼 도시하였지만 이는 도면을 간략히 표현하기 위한 것이며, 제2 열교환기(32,32')가 연료극 배출가스와 공급유로(L1)의 암모니아 사이의 열교환을 하는 하나의 구성요소로 구현될 수 있음을 이해할 것이다.
대안적 실시예에서 연료전지 시스템은 터빈(70)을 더 포함할 수 있다. 터빈(70)은 공급경로(L1) 상에서 제1 열교환기(31)와 제2 열교환기(32) 사이에 배치될 수 있고, 제2 열교환기(32)에서 기화된 고압의 암모니아 가스의 에너지를 이용하여 터빈(70)에서 역학적 일을 생성할 수 있다.
스팀은 공급유로(L4,L5)를 통해 연료전지(20)에 공급된다. 예를 들어 펌프(91)에 의해 외부로부터 물을 공급받고 이 물을 가열하여 스팀을 생성한 후 공급유로(L5,L1)를 통해 스팀을 연료전지(20)로 공급할 수 있다. 이 때 물을 기화시키기 위해 도시한 실시예와 같이 암모니아 합성장치(60)를 사용한다. 즉 암모니아 합성장치(60)에서 발생하는 고온의 열에너지를 이용하여 물을 기화시킬 수 있다. 대안적 실시예에서 연료전지 시스템(20)은 시스템 내 다른 열원을 이용하여 물을 스팀으로 기화시킬 수도 있다.
연료전지 시스템이 수전해 모드에서 동작할 경우 많은 양의 물(스팀)이 필요하기 때문에, 일 실시예에서 연료전지 시스템은 공급유로(L4,L5) 외에 시스템 외부로부터 물이나 스팀을 공급받는 추가 공급유로를 더 포함할 수 있다. 도시한 실시예의 경우 연료전지 시스템은 제1 내지 제3 추가 공급유로(L11,L12,L13)를 더 포함하며 필요에 따라 제1 내지 제3 추가 공급유로(L11,L12,L13) 중 적어도 하나를 이용하여 스팀을 연료전지(20)로 추가로 공급할 수 있다.
연료전지(20)의 연료극(21)에서 배출되는 연료극 배출가스는 배출유로(L2)를 따라 이송되어 제1 열교환기(31), 제2 열교환기(32), 및 제3 열교환기(33)를 순차적으로 통과한다. 제1 열교환기(31)에서 배출가스는 공급유로(L1)를 통해 연료극(21)으로 공급되는 암모니아에 열에너지를 전달하여 암모니아를 가열하거나 기화시킨다. 제2 열교환기(32)에서도 연료극 배출가스는 암모니아를 가열하거나 기화시킬 수 있다. 제3 열교환기(33)에서 연료극 배출가스는 제2 추가 공급유로(L12)를 통해 외부에서 공급되는 물에 열에너지를 전달하여 물을 가열할 수 있다.
일 실시예에서 연료전지 시스템은 재순환 유로(L10) 및 이에 설치된 블로워(93)를 더 포함할 수 있고, 제1 내지 제3 열교환기(31,31,33)를 통과한 연료극 배출가스 중 일부가 재순환 유로(L10)를 통해 연료극(21)으로 재공급된다. 예를 들어 수전해 모드에서 동작하는 경우 연료극(21)에서 수소와 물(스팀)이 연료극 배출가스로서 배출되며 이 배출가스 중 일부를 재순환 유로(L10)로 분기함으로써 배출가스 중의 수소를 연료극(21)으로 재공급할 수 있다.
제1 내지 제3 열교환기(31,32,33)를 통과하며 냉각된 연료극 배출가스는 물 배출부(40)로 이송된다. 물 배출부(40)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. 물 배출부(40)를 통과한 연료극 배출가스는 배출유로(L2)를 따라 이송되어 압축기(50) 및 암모니아 합성장치(60)로 순차적으로 공급될 수 있다. 압축기(50)는 연료극 배출가스를 예컨대 10 bar 내지 20 bar의 압력으로 압축하고 이렇게 압축된 배출가스를 암모니아 합성장치(60)로 공급한다. 다만 상기 압력의 수치는 예시적인 것이며, 본 발명의 구체적 실시 형태에 따라 압력이 달라질 수 있다.
암모니아 합성장치(60)는 연료극 배출가스를 이용하여 암모니아를 생성할 수 있고, 암모니아 합성장치(60)에서 생성된 암모니아는 유로(L3)를 따라 암모니아 저장부(10)로 이송되어 저장된다. 일 실시예에서 암모니아 합성장치(60)는 수소(H2)와 질소(N2)를 공급받아 이로부터 암모니아(NH3)를 생성하는 하버-보쉬 반응기(Haber-Bosch reactor)일 수 있으나 이에 한정되지 않으며 연료극 배출가스를 이용하여 암모니아를 합성할 수 있는 임의의 합성장치일 수 있다.
한편 물 배출부(40)에서 배출된 연료극 배출가스는 유로(L6)를 통해 가스 추출부(80)와 연통하도록 구성된다. 가스 추출부(80)는 공급받은 가스에서 질소를 추출할 수 있으며 예컨대 압력전환흡착기(PSA)로 구현될 수 있다. 연료전지 모드에서 가스 추출부(80)는 유로(L6)를 통해 연료극 배출가스를 공급받아 질소와 수소로 분리하며 여기서 분리된 수소를 유로(L7)를 통해 연료극(21)으로 재공급할 수 있다. 수전해 모드에서 가스 추출부(80)는 공기를 공급받아 질소를 분리하고 분리된 질소를 유로(L6)를 통해 연료극 배출유로(L2)로 공급할 수 있다.
일 실시예에서 하나의 가스 추출부(80)가 위와 같이 연료전지 모드와 수전해 모드에서 동작할 수 있다. 대안적 실시예에서 가스 추출부(80)가 서로 상이한 종류의 복수개의 PSA 장치로 구성될 수 있고 각 모드에 따라 어느 하나의 PSA 장치가 동작할 수 있다. 예컨대 가스 추출부(80)를 수소 추출용 PSA 장치와 질소 추출용 PSA 장치 및 이 둘 사이의 유로를 전환하는 밸브 등으로 구성하고 모드 변환에 따라 수소 추출용 PSA 장치와 질소 추출용 PSA 장치가 번갈아 동작하도록 구성할 수도 있다.
일 실시예에서 연료전지 시스템은 외부의 공기를 연료전지의 공기극(22)으로 공급하는 공기 공급유로(L9) 및 이 유로에 설치된 하나 이상의 블로워(92) 및 제4 열교환기(34)를 포함한다. 연료전지(20)의 공기극(22)에서 배출되는 공기극 배출가스는 제4 열교환기(34)를 통과하여 배출유로(L8)를 통해 외부로 배출되며, 이 때 제4 열교환기(34)는 공기 공급유로(L9)를 따라 공기극(22)으로 이송되는 공기와 공기극(22)에서 배출되어 배출유로(L8)를 따라 이송되는 공기극 배출가스 사이를 열교환한다.
일 실시예에서 배출유로(L8) 상에서 제4 열교환기(34)의 하류측에 제5 열교환기(35)가 더 설치될 수 있고, 제5 열교환기(35)에서 공기극 배출가스는 제1 추가 공급유로(L11)를 따라 공급되는 물을 가열하여 기화시킬 수 있다. 그 외에도 대안적 실시예에서 제5 열교환기(35)에서 배출되는 열을 추가로 이용할 수 있다. 예컨대, 제4 열교환기(34)에서 공기를 가열한 공기극 배출가스는 제5 열교환기(35) 또는 다른 추가의 열교환기를 통해 연료 공급유로(L1)나 물 공급유로(L4)의 연료나 물을 기화하는데 추가로 사용할 수 있다.
이제 도2와 도3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 연료전지 모드와 수전해 모드에서의 동작을 각각 설명하기로 한다.
도2는 일 실시예의 연료전지 시스템의 연료전지 모드의 동작 상태를 나타낸다. 도2에서 연료전지 모드에서 사용되는 유로를 굵은 선으로 표시하였다.
도면을 참조하면, 연료전지 모드에서 연료 공급유로(L1)를 통해 암모니아 가스가 연료전지(20)로 공급된다. 예를 들어 액체 대략 11bar 상태로 저장부(10)에 저장된 액체 암모니아가 공급유로(L1)를 따라 이송되어 제2 열교환기(32)에서 기화될 수 있다. 기화된 고압의 암모니아 가스는 터빈(70)에서 소정의 역학적 에너지를 생성하는데 사용될 수 있고, 터빈(70)을 통과한 암모니아 가스는 제1 열교환기(31)에서 추가 가열된 후 연료전지(20)의 연료극(21)으로 공급될 수 있다. 대안적 실시예에서 터빈(70)과 제2 열교환기(32)가 생략될 수 있고, 이 경우 액체 암모니아는 제1 열교환기(31)에서 기화된 후 연료전지(20)로 공급된다.
한편 공기 공급유로(L9)의 블로워(92)가 동작하여 외부 공기를 연료전지(20)의 공기극(22)으로 공급한다. 공기 공급유로(L9)로 이송되는 공기는 제4 열교환기(34)에서 가열된 후 공기극(22)으로 주입될 수 있다.
연료전지 모드에서 연료전지(20)의 연료극(21)은 암모니아 가스와 공기(산소)의 화학반응에 의해 수소, 질소, 및 물(스팀)을 생성하고 이를 배출유로(L2)를 통해 연료극 배출가스로서 배출하며, 공기극(22)에서는 질소 및 반응하지 않은 공기를 배출유로(L8)를 통해 공기극 배출가스로서 배출한다.
연료극(21)에서 배출되는 연료극 배출가스는 제1 및 제2 열교환기(31,32)를 순차적으로 통과하며 공급유로(L1)의 암모니아를 가열하고 기화시킨다. 그 후 물 배출부(40)에서 물이 제거되고 이에 따라 연료극 배출가스는 수소와 질소가 주성분이 된다. 연료극 배출가스는 유로(L6)를 따라 가스 추출부(80)로 공급되고, 가스 추출부(80)는 수소와 질소를 분리한다. 분리된 질소는 외부로 배출될 수 있고 분리된 수소는 유로(L7)를 통해 암모니아 공급유로(L1)에 합류할 수 있고 이에 따라 연료극(21)으로 재공급 된다. 따라서 본 발명의 실시예에 의하면, 연료전지 모드에서 연료극 배출가스 중 수소를 추출하여 연료전지(20)로 재공급할 수 있으므로 연료전지(20)에서 반응되지 않고 배출되는 수소를 최소화할 수 있다.
도3은 일 실시예의 연료전지 시스템의 수전해 모드의 동작 상태를 나타낸다. 수전해 모드에서 사용되는 유로를 도3에 굵은 선으로 표시하였다.
도면을 참조하면, 수전해 모드에서 물 공급유로(L4)를 통해 물을 시스템 내로 이송하고 이송된 물을 암모니아 합성장치(60)의 열을 이용하여 스팀으로 기화시킨다. 기화된 스팀은 유로(L5)를 따라 공급유로(L1)에 합류한 뒤 연료전지(20)의 연료극(21)으로 공급된다. 이 때 암모니아 저장부(10)와 공급유로(L1) 사이는 밸브 등의 수단에 의해 폐쇄되어 있으므로 스팀만 연료극(21)으로 공급할 수 있다. 수전해 모드에서는 스팀이 많이 필요하므로, 상황에 따라 제1 내지 제3 추가 공급유로(L11,L12,L13)를 통해 스팀을 받을 수도 있다. 또한 공기 공급유로(L9)를 통해 공기를 공기극(22)으로 공급한다.
연료전지(20)에서 수전해 반응이 일어남에 따라 연료극(21)으로부터 수소와 스팀으로 이루어진 연료극 배출가스가 배출 유로(L2)를 통해 배출되고 공기극(22)으로부터도 공기극 배출가스가 배출 유로(L8)를 통해 배출된다.
배출유로(L2)로 배출되는 연료극 배출가스는 제1 열교환기(31)와 제3 열교환기(33)를 순차적으로 통과하며 연료전지로 공급될 물 또는 스팀을 가열하고 그 후 물 배출부(40)로 이송된다. 물 배출부(40)로 이송되기 전 연료극 배출가스의 일부가 재순환 유로(L10)로 분기된다. 수전해 모드에서도 연료극(21)에 소량의 수소를 공급할 필요가 있는데, 재순환 유로(L10)를 통해 배출가스 중 일부를 분기하여 재순환함으로써 배출가스 중의 수소를 연료극(21)으로 공급할 수 있으므로 별도의 수소 공급을 하지 않아도 되는 이점이 있다.
연료극 배출가스는 수소와 스팀이 주성분이므로 물 배출부(40)에서 스팀이 응축되어 제거되면 연료극 배출가스는 수소가 주성분인 가스가 되며 그 후 압축기(50)로 공급된다. 한편 공기를 가스 추출부(80)로 공급하여 질소를 추출할 수 있고 추출된 질소가 유로(L6)를 통해 물 배출부(40) 하류측의 배출유로(L2)에 합류하며, 따라서 수소와 질소를 주성분으로 하는 혼합 가스가 압축기(50)에 공급된다. 압축기(50)는 이 혼합 가스를 압축한 후 암모니아 합성장치(60)로 공급하고, 암모니아 합성장치(60)는 공급받은 수소와 질소의 혼합 가스를 이용하여 암모니아를 생성한다.
암모니아 합성장치(60)에서 생성된 암모니아는 유로(L3)를 따라 암모니아 저장부(10)로 공급되어 저장되고, 또한 암모니아 합성장치(60)의 동작시 발생하는 고온의 열을 이용하여 물 공급유로(L4)의 물을 가열하여 기화시킬 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 수전해 모드에서는 연료전지(20)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 질소를 혼합한 후 암모니아를 생성할 수 있다.
따라서 본 발명의 연료전지 시스템이 양방향 연료전지 시스템으로 사용되는 경우 연료전지 모드에서 암모니아를 연료로 사용하여 전기를 생산하고 수전해 모드에서는 암모니아를 다시 생성하여 암모니아 저장부(10)에 저장할 수 있으므로 연료전지 모드와 수전해 모드를 번갈아가며 연속적으로 동작할 수 있는 양방향 연료전지 시스템을 구현할 수 있다.
또한 수소 재순환 관점에서 볼 때 연료전지 모드 동작시 연료극 배출가스의 수소를 추출하여 연료전지로 재공급하며 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.
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.
10: 암모니아 저장부 20: 연료전지
31~35: 열교환기 40: 물 배출부
50: 압축기 60: 암모니아 합성장치
70: 터빈 80: 가스 추출부

Claims (9)

  1. 연료전지 시스템으로서,
    연료극, 공기극 및 그 사이에 개재된 전해질로 구성되며 연료전지 모드와 수전해 모드 중 하나의 모드에서 동작 가능한 연료전지; 및
    상기 연료극에서 배출되는 배출가스로 상기 연료전지의 연료극으로 공급되는 암모니아 또는 물을 가열하는 제1 열교환기;
    상기 제1 열교환기를 통과한 배출가스 중의 수소 및 외부로부터 공급받는 질소를 이용하여 암모니아를 생성하는 암모니아 합성장치;를 포함하고,
    상기 제1 열교환기를 통과한 배출가스 중의 수소를 상기 연료극으로 재공급하도록 구성되고,
    물을 상기 암모니아 합성장치로 공급하여 상기 암모니아 합성장치에서 발생된 열을 이용하여 물을 기화시키고, 기화된 물을 연료전지로 공급하는 것인, 연료전지 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 열교환기를 통과한 배출가스에서 물을 분리하는 물 배출부; 및
    상기 배출가스에서 질소와 수소를 분리하는 가스 추출부;를 더 포함하는 것인, 연료전지 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    암모니아를 상기 연료전지로 공급하는 공급경로에서 상기 제1 열교환기의 상류측에 배치되며 배출가스로 암모니아를 기화시키는 제2 열교환기; 및
    상기 공급경로에서 상기 제1 열교환기와 상기 제2 열교환기 사이에 배치된 터빈;을 더 포함하는 것인, 연료전지 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료전지의 공기극에서 배출되는 배출가스로 상기 연료전지에 공급할 공기를 가열하는 열교환기를 더 포함하는 것인, 연료전지 시스템.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 물 배출부와 상기 암모니아 합성장치 사이에 배치된 압축기를 더 포함하고,
    상기 압축기에서 상기 배출가스 중의 수소 및 상기 질소를 압축한 후 상기 암모니아 합성장치로 공급하도록 구성된 것인, 연료전지 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료전지 시스템이 연료전지 모드에서 동작하는 경우, 상기 암모니아 합성장치에서 생성된 암모니아를 제1 열교환기측으로 공급하도록 구성된 것인, 연료전지 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 연료전지 시스템이 연료전지 모드에서 동작하는 경우, 제1 열교환기를 통과한 배출가스 중의 수소를 제1 열교환기측으로 공급하고 상기 암모니아 합성장치로 공급하지 않도록 구성된 것인, 연료전지 시스템.
KR1020200125062A 2020-09-25 2020-09-25 연속운전이 가능한 암모니아 기반 연료전지 시스템 KR102500327B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200125062A KR102500327B1 (ko) 2020-09-25 2020-09-25 연속운전이 가능한 암모니아 기반 연료전지 시스템

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200125062A KR102500327B1 (ko) 2020-09-25 2020-09-25 연속운전이 가능한 암모니아 기반 연료전지 시스템

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20220042015A KR20220042015A (ko) 2022-04-04
KR102500327B1 true KR102500327B1 (ko) 2023-02-16

Family

ID=81182756

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020200125062A KR102500327B1 (ko) 2020-09-25 2020-09-25 연속운전이 가능한 암모니아 기반 연료전지 시스템

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102500327B1 (ko)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR3135354A1 (fr) * 2022-05-06 2023-11-10 Technip Energies France Procédé de mise en œuvre d’une pile à combustible alimentée avec de l’ammoniac avec recyclage de dihydrogène et installation associée

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101925290B1 (ko) * 2017-09-15 2018-12-06 한국기계연구원 열회수를 통한 고효율 양방향 수전해 시스템
JP2019131454A (ja) * 2018-02-02 2019-08-08 永井　一弘 燃料電池車用燃料製造システム
JP2020098759A (ja) * 2018-12-17 2020-06-25 株式会社Ihi 燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101340492B1 (ko) 2012-09-13 2013-12-11 한국에너지기술연구원 암모니아 기반의 가역 연료전지 시스템 및 방법

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101925290B1 (ko) * 2017-09-15 2018-12-06 한국기계연구원 열회수를 통한 고효율 양방향 수전해 시스템
JP2019131454A (ja) * 2018-02-02 2019-08-08 永井　一弘 燃料電池車用燃料製造システム
JP2020098759A (ja) * 2018-12-17 2020-06-25 株式会社Ihi 燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転方法

Also Published As

Publication number Publication date
KR20220042015A (ko) 2022-04-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP7446372B2 (ja) 電解槽と結合された水素化物タンクを含む水の高温可逆電解用システム
KR101326105B1 (ko) 전기분해
US20240183310A1 (en) Raw material fluid treatment plant and raw material fluid treatment method
CA2043111C (en) Lng cryogenic power generation system using molten carbonate fuel cells
US8841041B2 (en) Integration of an organic rankine cycle with a fuel cell
EP2889943B1 (en) Fuel cell system using natural gas
CN113278992B (zh) 一种水蒸气涡轮增压的燃料电池电解槽系统及其工作方法
CN106252693A (zh) 电池系统
EP3869599A1 (en) Reversible water electrolysis system and method for operating same
KR102500283B1 (ko) 연료전지로부터 생성된 수소를 이용하여 부압의 발생을 방지하기 위한 양방향수전해 시스템
KR102500327B1 (ko) 연속운전이 가능한 암모니아 기반 연료전지 시스템
KR102232001B1 (ko) 이젝터에 의한 열회수 기능을 구비한 양방향 수전해 시스템 및 이의 동작 방법
KR102500325B1 (ko) 암모니아 기반 양방향 연료전지 시스템
JP4358338B2 (ja) 燃料電池複合発電プラントシステム
US7976693B2 (en) Hydrogen generation process with dual pressure multi stage electrolysis
KR102602831B1 (ko) 연료 전지 하이브리드 시스템
JPS61191824A (ja) 燃料電池発電冷暖房給湯装置
KR102184353B1 (ko) 연료전지 입구측 압력 조절 기능을 구비한 양방향 수전해 시스템
KR102184354B1 (ko) 촉매 연소기를 구비한 양방향 수전해 시스템
KR102646556B1 (ko) 증기 인젝션이 도입된 히트펌프를 이용한 액화수소 기화 시스템
KR102558636B1 (ko) 바이패스관이 도입된 히트펌프를 이용한 액화수소 기화 시스템
JP2002056879A (ja) 水電解装置−リン酸形燃料電池系発電システム
JPH04138671A (ja) 燃料電池
CN115976539A (zh) 基于无氮燃烧和二氧化碳循环的可再生能源利用系统
JPH0467573A (ja) 燃料電池発電システム

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right