KR20150121905A - Solid oxide cell system and method for manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

The present invention provides a solid oxide cell system and a method for controlling the same wherein raw material gas, supplied to the solid oxide cell system, is efficiently pretreated or post-treated by using a catalyst-type heat exchanger. The solid oxide cell system includes: i) a first heat exchanger which receives hydrocarbon gas, carbon dioxide, and steam and converts hydrocarbon gas into a first carbon monoxide and a first hydrogen; ii) a second heat exchanger which is connected to the first heat exchanger, receives hydrocarbon gas, carbon dioxide firstly heated by the first heat exchanger, and steam, and converts the hydrocarbon gas into a second carbon monoxide and a second hydrogen; iii) a third heat exchanger which is connected to the second heat exchanger, receives hydrocarbon gas, carbon dioxide secondly heated by the second heat exchanger, and steam, and converts the hydrocarbon gas into a third carbon monoxide and a third hydrogen; and iv) a solid oxide cell which is connected to the third heat exchanger, receives carbon dioxide thirdly heated by the third heat exchanger and steam, and produces a fourth carbon monoxide and a fourth hydrogen.

Description

고체산화물셀 시스템 및 그 제어 방법 {SOLID OXIDE CELL SYSTEM AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}SOLID OXIDE CELL SYSTEM AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME

본 발명은 고체산화물셀 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 촉매형 열교환기를 이용하여 고체산화물셀 시스템에 공급되는 원료가스를 효율적으로 사전 처리 또는 후처리하는 고체산화물셀 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a solid oxide cell system and a control method thereof. More particularly, the present invention relates to a solid oxide cell system and a control method thereof that efficiently pre-treat or post-treat a source gas supplied to a solid oxide cell system using a catalytic heat exchanger.

석탄, 석유 등 화석에너지 사용에 따른 온실 효과로 인해 전세계적으로 자연재해의 대규모화, 해수면 상승, 어종 변화 등 많은 환경 문제가 발생하고 있다. 따라서 이산화탄소의 주 공급원인 기존 화석에너지 기반 발전소에서 배출되는 이산화탄소의 처리 및 활용기술에 대한 개발이 중요해지고 있다. 한편으로는, 고체산화물셀, 태양전지, 풍력에너지 등 이산화탄소 발생을 저감시킬 수 있는 신재생에너지에 대한 기술개발이 활발하게 이루어지고 있다.Due to the greenhouse effect caused by the use of fossil fuels such as coal and oil, many environmental problems such as large-scale natural disasters, rising sea level, and changes in fish species occur worldwide. Therefore, it is important to develop technologies for the treatment and utilization of carbon dioxide emitted from existing fossil energy-based power plants, which are the main sources of carbon dioxide. On the other hand, technologies for renewable energy that can reduce the generation of carbon dioxide, such as solid oxide cells, solar cells, and wind energy, have been actively developed.

이러한 신재생에너지 중에서 고체산화물셀에는 승온된 원료 가스가 공급된다. 즉, 원료 가스가 고온 상태를 유지해야 고체산화물셀내에서의 전기화학반응을 효율적으로 유지할 수 있다. 따라서 전기 에너지 등을 사용하여 원료 가스를 승온해야 하므로 공정 비용이 상승한다. 또한, 단순한 열교환기를 이용시 열적 집적화의 문제점이 발생한다. 나아가 고체산화물셀 시스템에서 제조되는 합성 가스의 수율도 낮아진다. Among these renewable energies, the heated raw material gas is supplied to the solid oxide cell. That is, the electrochemical reaction in the solid oxide cell can be efficiently maintained until the source gas is maintained at a high temperature. Therefore, the raw material gas must be heated by using electric energy or the like, so that the process cost is increased. Further, when using a simple heat exchanger, there arises a problem of thermal integration. Furthermore, the yield of the synthesis gas produced in the solid oxide cell system is also lowered.

촉매형 열교환기를 이용하여 고체산화물 시스템에 공급되는 원료가스를 효율적으로 사전 처리 또는 후처리하는 고체산화물셀 시스템을 제공하고자 한다. 또한, 전술한 고체산화물셀 시스템의 제어 방법을 제공하고자 한다.It is intended to provide a solid oxide cell system that efficiently pre-treats or post-treats a source gas supplied to a solid oxide system using a catalytic heat exchanger. It is also intended to provide a control method of the above-described solid oxide cell system.

본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물셀 시스템은 i) 탄화수소가스, 이산화탄소 및 스팀을 공급받고, 탄화수소가스를 제1 일산화탄소와 제1 수소로 변환시키는 제1 열교환기, ii) 제1 열교환기와 연결되고, 탄화수소가스와 제1 열교환기로부터 1차 가열된 이산화탄소 및 스팀을 공급받아 탄화수소가스를 제2 일산화탄소와 제2 수소로 변환시키는 제2 열교환기, iii) 제2 열교환기와 연결되고, 탄화수소가스와 제2 열교환기로부터 2차 가열된 이산화탄소 및 스팀을 공급받아 탄화수소가스를 제3 일산화탄소와 제3 수소로 변환시키는 제3 열교환기, 및 iv) 제3 열교환기와 연결되고, 제3 열교환기로부터 3차 가열된 이산화탄소 및 스팀을 공급받아 제4 일산화탄소와 제4 수소를 제조하는 고체산화물셀을 포함한다.A solid oxide cell system according to an embodiment of the present invention comprises: i) a first heat exchanger which is supplied with hydrocarbon gas, carbon dioxide and steam and converts the hydrocarbon gas into first carbon monoxide and first hydrogen, ii) a first heat exchanger Iii) a second heat exchanger connected to the second heat exchanger for converting the hydrocarbon gas into the second carbon monoxide and the second hydrogen by receiving carbon dioxide and steam heated by the first heat exchanger from the first heat exchanger, iii) Iv) a third heat exchanger connected to the third heat exchanger, wherein the third heat exchanger is connected to the third heat exchanger and the third heat exchanger is connected to the second heat exchanger, And a solid oxide cell that receives the heated carbon dioxide and steam to produce the fourth carbon monoxide and the fourth hydrogen.

고체산화물셀에 공급된 퍼징가스가 산소와 함께 고체산화물셀로부터 제1 열교환기, 제2 열교환기 및 제3 열교환기로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 열교환기에 공급될 수 있다. 제1 열교환기는 i) 탄화수소가스, 퍼징가스, 산소가 통과하는 제1 열교환용 튜브, 및 ii) 제1 열교환용 튜브의 내부에 상호 이격되어 설치되고, 로듐, 팔라듐 및 백금을 포함하는 복수의 제1 촉매 반응기들를 포함할 수 있다. 제1 열교환용 튜브의 외부에 이산화탄소 및 스팀이 흐를 수 있다. The purging gas supplied to the solid oxide cell may be supplied from the solid oxide cell together with oxygen to at least one heat exchanger selected from the group consisting of a first heat exchanger, a second heat exchanger and a third heat exchanger. Wherein the first heat exchanger comprises a first heat exchange tube, i) a first heat exchange tube through which the hydrocarbon gas, the purging gas and the oxygen pass, and ii) a second heat exchange tube which is spaced apart from the first heat exchange tube and comprises rhodium, palladium and platinum 1 < / RTI > catalytic reactors. Carbon dioxide and steam may flow to the outside of the first heat exchange tube.

제2 열교환기는 i) 탄화수소가스, 퍼징가스, 산소가 통과하는 제2 열교환용 튜브, 및 ii) 제2 열교환용 튜브의 내부에 상호 이격되어 설치되고, 루테늄, 이리듐 및 니켈을 포함하는 복수의 제2 촉매 반응기들을 포함할 수 있다. 제2 열교환용 튜브의 외부에 이산화탄소 및 스팀이 흐르고, 제2 열교환용 튜브의 내부 온도는 제1 열교환용 튜브의 내부 온도보다 높게 유지되도록 적용될 수 있다. 제3 열교환기는 i) 탄화수소가스, 퍼징가스, 산소가 통과하는 제3 열교환용 튜브, 및 ii) 제3 열교환용 튜브의 내부에 상호 이격되어 설치되고, 루테늄, 이리듐 및 니켈을 포함하는 복수의 제3 촉매 반응기들을 포함할 수 있다. 제3 열교환용 튜브의 외부에 이산화탄소 및 스팀이 흐르고, 제3 열교환용 튜브의 내부 온도는 제2 열교환용 튜브의 내부 온도보다 높게 유지되도록 적용될 수 있다. 제4 일산화탄소와 제4 수소로부터 제조된 합성 가스를 분기하여 제1 열교환기, 제2 열교환기 및 제3 열교환기에 각각 탄화수소가스로서 공급할 수 있다.The second heat exchanger may include a first heat exchange tube and a second heat exchange tube, the first heat exchange tube and the second heat exchange tube being disposed to be spaced apart from each other in the interior of the second heat exchange tube, the first heat exchange tube being made of a hydrocarbon gas, a purging gas, 2 catalytic reactors. Carbon dioxide and steam may flow to the outside of the second heat exchange tube and the internal temperature of the second heat exchange tube may be maintained to be higher than the internal temperature of the first heat exchange tube. The third heat exchanger may include a first heat exchanger tube and a second heat exchanger tube, the first heat exchanger tube and the second heat exchanger tube being separated from each other by i) a hydrocarbon gas, a purging gas, 3 catalytic reactors. Carbon dioxide and steam may flow to the outside of the third heat exchange tube and the internal temperature of the third heat exchange tube may be maintained to be higher than the internal temperature of the second heat exchange tube. The synthesis gas produced from the fourth carbon monoxide and the fourth hydrogen may be branched and supplied as the hydrocarbon gas to the first heat exchanger, the second heat exchanger and the third heat exchanger, respectively.

본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물셀 시스템의 제어 방법은, i) 제1 열교환기에 탄화수소가스, 이산화탄소 및 스팀을 공급하는 단계, ii) 제1 열교환기에서 탄화수소가스를 제1 일산화탄소 및 제1 수소로 변환하고, 이산화탄소 및 스팀을 1차 가열하는 단계, iii) 탄화수소가스와 1차 가열된 이산화탄소 및 스팀을 제1 열교환기와 연결된 제2 열교환기에 공급하는 단계, iv) 제2 열교환기에서 탄화수소가스를 제2 일산화탄소 및 제2 수소로 변환하고, 1차 가열된 이산화탄소 및 스팀을 2차 가열하는 단계, v) 탄화수소가스와 2차 가열된 이산화탄소 및 스팀을 제2 열교환기와 연결된 제3 열교환기에 공급하는 단계, vi) 제3 열교환기에서 탄화수소가스를 제3 일산화탄소 및 제3 수소로 변환하고, 2차 가열된 이산화탄소 및 스팀을 3차 가열하는 단계, vii) 3차 가열된 이산화탄소 및 스팀을 제3 열교환기와 연결된 고체산화물셀에 공급하는 단계, 및 viii) 고체산화물셀이 3차 가열된 이산화탄소 및 스팀으로부터 제4 일산화탄소 및 제4 수소를 생성하는 단계를 포함한다.A method of controlling a solid oxide cell system in accordance with an embodiment of the present invention includes the steps of i) supplying hydrocarbon gas, carbon dioxide, and steam to a first heat exchanger, ii) supplying hydrocarbon gas to a first heat exchanger, And iii) supplying the hydrocarbon gas and the first heated carbon dioxide and steam to a second heat exchanger connected to the first heat exchanger, iv) introducing the hydrocarbon gas into the second heat exchanger in the second heat exchanger, To the second carbon monoxide and the second hydrogen, secondarily heating the first heated carbon dioxide and steam, v) supplying the hydrocarbon gas and the second heated carbon dioxide and steam to the third heat exchanger connected to the second heat exchanger Vi) converting the hydrocarbon gas into third carbon monoxide and third hydrogen in the third heat exchanger, and thirdly heating the secondarily heated carbon dioxide and steam, vii) Carbon dioxide and steam to the solid oxide cell connected to the third heat exchanger, and viii) the solid oxide cell producing fourth carbon monoxide and the fourth hydrogen from the third heated carbon dioxide and steam.

본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물셀 시스템의 제어 방법은, i) 고체산화물셀에 포함된 복수의 유닛들 중 하나 이상의 유닛의 작동을 정지하는 단계, ii) 고체산화물셀에 퍼징 가스를 공급하는 단계, 및 iii) 고체산화물셀을 통과한 퍼징 가스를 제1 열교환기, 제2 열교환기 및 제3 열교환기에 열교환용으로 공급하는 단계를 더 포함할 수 있다. 제4 일산화탄소 및 제4 수소의 양의 합은 제3 일산화탄소 및 제3 수소의 양의 합보다 크고, 제3 일산화탄소 및 제3 수소의 양의 합은 제2 일산화탄소 및 제2 수소의 양의 합보다 크며, 제2 일산화탄소 및 제2 수소의 양의 합은 제1 일산화탄소 및 제1 수소의 양의 합보다 클 수 있다. A method of controlling a solid oxide cell system according to an embodiment of the present invention includes the steps of: i) stopping at least one of a plurality of units included in a solid oxide cell, ii) supplying a purging gas to the solid oxide cell And iii) supplying the purging gas passed through the solid oxide cell to the first heat exchanger, the second heat exchanger and the third heat exchanger for heat exchange. The sum of the amounts of the fourth carbon monoxide and the fourth hydrogen is greater than the sum of the amounts of the third carbon monoxide and the third hydrogen and the sum of the amounts of the third carbon monoxide and the third hydrogen is greater than the sum of the amounts of the second carbon monoxide and the second hydrogen And the sum of the amounts of the second carbon monoxide and the second hydrogen may be greater than the sum of the amounts of the first carbon monoxide and the first hydrogen.

이산화탄소 및 스팀을 1차 가열하는 단계에서, 제1 열교환기는 로듐, 팔라듐 및 백금을 포함하는 제1 촉매 반응기를 포함하고, 제1 촉매 반응기에 의해 탄화수소가스가 제1 일산화탄소와 제1 수소로 변환될 수 있다. 이산화탄소 및 스팀을 2차 가열하는 단계에서, 제2 열교환기는 루테늄, 이리듐 및 니켈을 포함하는 제2 촉매 반응기를 포함하고, 제2 촉매 반응기에 의해 탄화수소가스가 제2 일산화탄소와 제2 수소로 변환될 수 있다. 이산화탄소 및 스팀을 3차 가열하는 단계에서, 제3 열교환기는 루테늄, 이리듐 및 니켈을 포함하는 제3 촉매 반응기를 포함하고, 제3 촉매 반응기에 의해 탄화수소가스가 제3 일산화탄소와 제3 수소로 변환될 수 있다. 제4 일산화탄소 및 제4 수소로부터 제조한 합성 가스를 분기하여 탄화수소가스로서 제1 열교환기, 제2 열교환기 및 제3 열교환기에 각각 공급할 수 있다.In the first step of heating carbon dioxide and steam, the first heat exchanger includes a first catalytic reactor comprising rhodium, palladium and platinum, and the hydrocarbon gas is converted into the first carbon monoxide and the first hydrogen by the first catalytic reactor . In the second heating of carbon dioxide and steam, the second heat exchanger comprises a second catalytic reactor comprising ruthenium, iridium and nickel, and the hydrocarbon gas is converted by the second catalytic reactor into the second carbon monoxide and the second hydrogen . The third heat exchanger comprises a third catalytic reactor comprising ruthenium, iridium and nickel, wherein the hydrocarbon gas is converted into third carbon monoxide and third hydrogen by a third catalytic reactor . The synthesis gas produced from the fourth carbon monoxide and the fourth hydrogen can be branched and supplied as the hydrocarbon gas to the first heat exchanger, the second heat exchanger and the third heat exchanger, respectively.

촉매형 열교환기와 탄화수소가스를 연료로 이용하여 고체산화물셀 시스템의 원료 가스의 온도를 상승시킬 수 있다. 또한, 고체산화물셀 시스템에서 제조되는 합성 가스의 수율을 크게 높일 수 있다.The temperature of the raw material gas in the solid oxide cell system can be increased by using the catalytic heat exchanger and the hydrocarbon gas as the fuel. In addition, the yield of the synthesis gas produced in the solid oxide cell system can be greatly increased.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 고체산화물셀 시스템의 개략적인 도면이다.
도 2는 도 1의 제1 열교환기에 포함된 열교환 튜브의 개략적인 단면도이다.
도 3은 도 1의 고체산화물셀 시스템에 포함된 고체산화물셀의 개략적인 사시도이다.1 is a schematic diagram of a solid oxide cell system according to a first embodiment of the present invention.
2 is a schematic cross-sectional view of a heat exchange tube included in the first heat exchanger of FIG.
3 is a schematic perspective view of a solid oxide cell included in the solid oxide cell system of FIG.

어느 부분이 다른 부분의 "위에" 있다고 언급하는 경우, 이는 바로 다른 부분의 위에 있을 수 있거나 그 사이에 다른 부분이 수반될 수 있다. 대조적으로 어느 부분이 다른 부분의 "바로 위에" 있다고 언급하는 경우, 그 사이에 다른 부분이 개재되지 않는다.If any part is referred to as being "on" another part, it may be directly on the other part or may be accompanied by another part therebetween. In contrast, when referring to a part being "directly above" another part, no other part is interposed therebetween.

여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to limit the invention. The singular forms as used herein include plural forms as long as the phrases do not expressly express the opposite meaning thereto. Means that a particular feature, region, integer, step, operation, element and / or component is specified, and that other specific features, regions, integers, steps, operations, elements, components, and / And the like.

"아래", "위" 등의 상대적인 공간을 나타내는 용어는 도면에서 도시된 한 부분의 다른 부분에 대한 관계를 좀더 쉽게 설명하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 용어들은 도면에서 의도한 의미와 함께 사용중인 장치의 다른 의미나 동작을 포함하도록 의도된다. Terms representing relative space, such as "below "," above ", and the like, may be used to more easily describe the relationship to another portion of a portion shown in the figures. These terms are intended to include other meanings or acts of the apparatus in use, as well as intended meanings in the drawings.

예를 들면, 도면 중의 장치를 뒤집으면, 다른 부분들의 "아래"에 있는 것으로 설명된 어느 부분들은 다른 부분들의 "위"에 있는 것으로 설명된다. 따라서 "아래"라는 예시적인 용어는 위와 아래 방향을 전부 포함한다. 장치는 90˚ 회전 또는 다른 각도로 회전할 수 있고, 상대적인 공간을 나타내는 용어도 이에 따라서 해석된다.For example, when inverting a device in the figures, certain portions that are described as being "below" other portions are described as being "above " other portions. Thus, an exemplary term "below" includes both up and down directions. The device can be rotated by 90 degrees or rotated at different angles, and terms indicating relative space are interpreted accordingly.

다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms including technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Commonly used predefined terms are further interpreted as having a meaning consistent with the relevant technical literature and the present disclosure, and are not to be construed as ideal or very formal meanings unless defined otherwise.

이하에서 사용하는 "고체산화물셀(solid oxide cell, SOC)"이라는 용어는 고체산화물의 전기화학반응을 통하여 전기적 또는 화학적 에너지를 생산하는 모든 장치들을 의미한다. 따라서, 고체산화물셀은 연료전지 등의 전기 에너지를 생산하는 장치뿐만 아니라 전기화학셀 등 전기화학반응을 통하여 연료가스 등의 화학 에너지를 생산하는 장치를 모두 포함하는 것으로 해석된다.As used herein, the term "solid oxide cell " (SOC) refers to any device that produces electrical or chemical energy through an electrochemical reaction of a solid oxide. Therefore, the solid oxide cell is interpreted to include not only devices that produce electrical energy such as fuel cells but also devices that produce chemical energy such as fuel gas through electrochemical reactions such as electrochemical cells.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily carry out the present invention. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 고체산화물셀 시스템(100)의 구조를 개략적으로 나타낸다. 도 1의 고체산화물셀 시스템(100)의 구조는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 고체산화물셀 시스템(100)의 구조를 다른 형태로도 변형할 수 있다.Figure 1 schematically shows the structure of a solid oxide cell system 100 according to a first embodiment of the present invention. The structure of the solid oxide cell system 100 of FIG. 1 is merely for illustrating the present invention, and the present invention is not limited thereto. Thus, the structure of the solid oxide cell system 100 can be modified to other forms.

도 1에 도시한 바와 같이, 고체산화물셀 시스템(100)은 고체산화물셀(10)과 제1 열교환기(20), 제2 열교환기(30), 및 제3 열교환기(40)를 포함한다. 이외에, 고체산화물셀 시스템(100)은 필요에 따라 다른 기기들을 더 포함할 수 있다.1, a solid oxide cell system 100 includes a solid oxide cell 10 and a first heat exchanger 20, a second heat exchanger 30, and a third heat exchanger 40 . In addition, the solid oxide cell system 100 may further include other devices as needed.

제1 열교환기(20)는 탄화수소가스, 퍼징가스, 산소, 이산화탄소 및 스팀을 공급받는다. 그리고 제1 열교환기(20)는 일산화탄소, 수소, 이산화탄소 및 스팀을 배출한다. 제1 열교환기(20)는 탄화수소가스를 제1 일산화탄소와 제1 수소로 변환시키고, 이산화탄소 및 스팀을 1차 가열하여 제2 열교환기(30)에 공급한다. 제1 열교환기(20)의 추가적인 열원으로는 다양한 매체들을 이용할 수 있다. 외부의 별개 열원을 이용하여 제1 열교환기(20)를 통과하는 탄화수소가스, 이산화탄소 및 스팀을 추가적으로 가열할 수 있다.The first heat exchanger (20) is supplied with hydrocarbon gas, purging gas, oxygen, carbon dioxide and steam. The first heat exchanger 20 discharges carbon monoxide, hydrogen, carbon dioxide, and steam. The first heat exchanger 20 converts the hydrocarbon gas into the first carbon monoxide and the first hydrogen, firstly heats the carbon dioxide and the steam, and supplies the carbon dioxide and the steam to the second heat exchanger 30. As the additional heat source of the first heat exchanger 20, various media can be used. The hydrocarbon gas, carbon dioxide, and steam passing through the first heat exchanger 20 can be additionally heated using an external separate heat source.

한편, 도 1에 도시한 바와 같이, 고체산화물셀(10)을 통과한 퍼징가스의 열을 이용하여 제1 열교환기(20)를 가열할 수도 있다. 특히, 도 1에는 도시하지 않았지만, 고체산화물셀(10)을 통과한 퍼징가스에는 고체산화물셀(10)에 잔존한 연료 성분이 포함되어 있을 수 있으므로, 이를 연소시켜서 더욱 고온으로 가열할 수 있다. 이 경우, 퍼징가스는 산화되므로, 산소와 함께 제1 열교환기(20)에 공급된다. 퍼징가스로는 예를 들면 질소를 사용할 수 있다. On the other hand, as shown in Fig. 1, the first heat exchanger 20 can also be heated by using the heat of the purging gas that has passed through the solid oxide cell 10. [ Particularly, although not shown in FIG. 1, the purging gas passing through the solid oxide cell 10 may contain the fuel component remaining in the solid oxide cell 10, so that it can be burned and heated to a higher temperature. In this case, since the purging gas is oxidized, it is supplied to the first heat exchanger 20 together with oxygen. As the purging gas, for example, nitrogen can be used.

제1 열교환기(20)는 탄화수소가스를 일산화탄소와 수소로 변환시켜서 외부로 배출한다. 따라서 일산화탄소와 수소를 회수하여 합성가스의 제조에 사용할 수 있다. 또한, 제1 열교환기(20)에서 생성된 일산화탄소와 수소는 고체산화물셀(10)에서 생성된 일산화탄소 및 수소와 함께 합성가스 제조용 원료로 사용할 수 있다. 제1 열교환기(20)의 내부 온도는 200℃ 내지 400℃일 수 있다. 제1 열교환기(20)의 내부 온도가 너무 낮은 경우, 제1 열교환기(20)로 유입되는 원료 가스를 효율적으로 가열할 수 없다. 또한, 제1 열교환기(20)의 내부 온도가 너무 높은 경우, 제1 열교환기(20)의 내부 부식이 심해져서 제1 열교환기(20)의 내구성이 저하될 수 있다. 따라서 제1 열교환기(20)의 내부 온도를 전술한 범위로 조절한다. 도 1에 도시한 바와 같이, 제2 열교환기(30)는 제1 열교환기(20)에서 1차 가열된 이산화탄소 및 스팀을 공급받는다. 이를 위해 제2 열교환기(30)는 제1 열교환기(20)와 연결된다. 한편, 제2 열교환기(30)에도 제1 열교환기(20)와 동일하게 탄화수소가스가 공급된다. 따라서 전술한 제1 열교환기(20)와 동일하게 탄화수소가스를 일산화탄소와 수소로 변환시킬 수 있다. 제2 열교환기(20)는 추가적으로 별개의 열원을 사용하거나 퍼징가스를 고체산화물셀(10)로부터 공급받아 탄화수소가스를 다른 가스로 변환하거나 원료가스를 가열할 수 있다.The first heat exchanger 20 converts the hydrocarbon gas into carbon monoxide and hydrogen and discharges it to the outside. Therefore, carbon monoxide and hydrogen can be recovered and used for the synthesis gas production. In addition, the carbon monoxide and hydrogen generated in the first heat exchanger 20 can be used as raw materials for synthesis gas production together with carbon monoxide and hydrogen generated in the solid oxide cell 10. [ The internal temperature of the first heat exchanger 20 may be 200 ° C to 400 ° C. When the internal temperature of the first heat exchanger (20) is too low, the raw material gas flowing into the first heat exchanger (20) can not be efficiently heated. In addition, if the internal temperature of the first heat exchanger 20 is too high, the internal corrosion of the first heat exchanger 20 becomes severe and the durability of the first heat exchanger 20 may be reduced. Accordingly, the internal temperature of the first heat exchanger (20) is adjusted to the aforementioned range. As shown in FIG. 1, the second heat exchanger (30) is supplied with carbon dioxide and steam which are first heated by the first heat exchanger (20). For this purpose, the second heat exchanger (30) is connected to the first heat exchanger (20). On the other hand, hydrocarbon gas is supplied to the second heat exchanger (30) in the same manner as the first heat exchanger (20). Therefore, the hydrocarbon gas can be converted into carbon monoxide and hydrogen in the same manner as the first heat exchanger 20 described above. The second heat exchanger 20 can additionally use a separate heat source or can convert the hydrocarbon gas into another gas or heat the source gas by receiving the purging gas from the solid oxide cell 10. [

한편, 제2 열교환기(30)는 가열된 이산화탄소와 스팀을 공급받으므로, 제1 열교환기(20)에 비해 우수한 열적 효율을 가진다. 따라서 제2 열교환기(30)는 제1 열교환기(20)보다 많은 양의 일산화탄소와 수소를 생성할 수 있다. 생성된 일산화탄소와 수소는 고체산화물셀(10)처럼 합성 가스를 제조하기 위해 사용된다. 여기서, 제2 열교환기(30)의 내부 온도는 400℃ 내지 600℃ 일 수 있다. 제2 열교환기(30)의 내부 온도가 너무 낮은 경우, 제1 열교환기(20)의 내부 온도와 별다른 차이가 없어서 원료 가스를 효율적으로 승온시킬 수 없다. 또한, 제2 열교환기(30)의 내부 온도가 너무 높은 경우, 제2 열교환기(30)의 내부 부식이 심해져서 제2 열교환기(30)의 내구성이 저하될 수 있다. 따라서 제2 열교환기(30)의 내부 온도를 전술한 범위로 조절한다. 여기서, 제2 열교환기(30)의 내부 온도는 제1 열교환기(20)의 내부 온도보다 크다.Meanwhile, since the second heat exchanger 30 receives the heated carbon dioxide and steam, the second heat exchanger 30 has an excellent thermal efficiency as compared with the first heat exchanger 20. Therefore, the second heat exchanger (30) can generate more carbon monoxide and hydrogen than the first heat exchanger (20). The generated carbon monoxide and hydrogen are used to produce syngas like solid oxide cell 10. Here, the internal temperature of the second heat exchanger 30 may be 400 ° C to 600 ° C. When the internal temperature of the second heat exchanger (30) is too low, there is no difference between the internal temperature of the first heat exchanger (20) and the temperature of the raw material gas can not be raised efficiently. Also, if the internal temperature of the second heat exchanger (30) is too high, the internal corrosion of the second heat exchanger (30) becomes severe and the durability of the second heat exchanger (30) may be reduced. Accordingly, the internal temperature of the second heat exchanger 30 is adjusted to the above-mentioned range. Here, the internal temperature of the second heat exchanger (30) is larger than the internal temperature of the first heat exchanger (20).

제3 열교환기(40)는 제2 열교환기(30)로부터 2차 가열된 이산화탄소와 스팀을 공급받는다. 여기서, 이산화탄소와 스팀은 제2 열교환기(30)에서 2차 가열되므로, 1차 가열되어 제2 열교환기(30)에 공급되는 이산화탄소와 스팀에 비해 높은 열량을 가진다. 따라서 제3 열교환기(40)에서는 제2 열교환기(30)보다 많은 양의 일산화탄소와 수소를 제조할 수 있다. 한편, 외부 열원을 통하여 제3 열교환기(40)를 가열할 수 있지만, 도 1에 도시한 바와 같이 퍼징가스와 산소를 혼합하여 사용할 수 있다. 한편, 고체산화물셀(10)은 제3 열교환기(40)에서 3차 가열되어 높은 열량을 가지는 이산화탄소와 스팀을 공급받으므로, 제1 열교환기(20), 제2 열교환기(30) 및 제3 열교환기(40)에 비해 많은 양의 일산화탄소와 수소를 생성할 수 있다. 따라서 고체산화물셀(10)에서 생성된 일산화탄소와 수소를 이용하여 합성가스의 수율을 높일 수 있다.The third heat exchanger (40) is supplied with carbon dioxide and steam, which are secondarily heated, from the second heat exchanger (30). Since the carbon dioxide and the steam are secondarily heated in the second heat exchanger 30, the carbon dioxide and the steam have a higher amount of heat than the carbon dioxide and steam supplied to the second heat exchanger 30 by the first heat. Therefore, the third heat exchanger (40) can produce more carbon monoxide and hydrogen than the second heat exchanger (30). On the other hand, the third heat exchanger 40 can be heated through an external heat source, but as shown in FIG. 1, a mixture of purging gas and oxygen can be used. Since the solid oxide cell 10 is thirdly heated in the third heat exchanger 40 and is supplied with carbon dioxide and steam having a high heat amount, the first heat exchanger 20, the second heat exchanger 30, 3 heat exchanger 40 can generate a large amount of carbon monoxide and hydrogen. Therefore, the yield of the synthesis gas can be increased by using carbon monoxide and hydrogen generated in the solid oxide cell 10.

한편, 제3 열교환기(40)의 내부 온도는 600℃ 내지 800℃ 일 수 있다. 제3 열교환기(40)의 내부 온도가 너무 낮은 경우, 고체산화물셀(10)에 고온의 이산화탄소 및 스팀을 공급할 수 없으므로, 고체산화물셀(10)을 통하여 제조되는 합성 가스의 수율이 낮아진다. 또한, 제3 열교환기(40)의 내부 온도가 너무 높은 경우, 제3 열교환기(40)의 내부 부식이 심해져서 제4 열교환기(40)의 내구성이 저하될 수 있다. 따라서 제3 열교환기(40)의 내부 온도를 전술한 범위로 조절한다. 여기서, 제3 열교환기(40)의 내부 온도는 제2 열교환기(30)의 내부 온도보다 크다. 전술한 바와 같이. 제1 열교환기(20), 제2 열교환기(30) 및 제3 열교환기(40)는 상이한 온도 구간을 가지고 점차 가열된 이산화탄소와 스팀을 공급받으므로, 외부로부터의 열공급을 최대한 줄일 수 있다. 이와 같이, 제1 열교환기(20), 제2 열교환기(30) 및 제3 열교환기(40) 각각의 배기 가스와의 결합을 통해 열적 통합 제어를 좀더 용이하게 이룰 수 있다. 그리고 제1 열교환기(20), 제2 열교환기(30) 및 제3 열교환기(40) 내에서의 탄화수소가스의 부분 산화, 좀더 바람직하게는 메탄 가스 전환을 통하여 전반적인 고체산화물 시스템(100)의 반응물 수율을 크게 증대시킬 수 있다.On the other hand, the internal temperature of the third heat exchanger 40 may be 600 ° C to 800 ° C. If the internal temperature of the third heat exchanger 40 is too low, the high-temperature carbon dioxide and steam can not be supplied to the solid oxide cell 10, so that the yield of the synthesis gas produced through the solid oxide cell 10 is low. Also, if the internal temperature of the third heat exchanger (40) is too high, the internal corrosion of the third heat exchanger (40) becomes severe and the durability of the fourth heat exchanger (40) may be reduced. Accordingly, the internal temperature of the third heat exchanger (40) is adjusted to the above-mentioned range. Here, the internal temperature of the third heat exchanger (40) is larger than the internal temperature of the second heat exchanger (30). As described above. Since the first heat exchanger 20, the second heat exchanger 30 and the third heat exchanger 40 are supplied with the carbon dioxide and steam gradually heated at different temperature intervals, the heat supply from the outside can be minimized. In this manner, the thermal integration control can be more easily achieved through the coupling with the exhaust gas of each of the first heat exchanger 20, the second heat exchanger 30 and the third heat exchanger 40. And the partial oxidation of the hydrocarbon gas in the first heat exchanger 20, the second heat exchanger 30 and the third heat exchanger 40, more preferably the methane gas conversion, The yield of the reactants can be greatly increased.

더욱이, 고체산화물셀(10)에서 제조된 일산화탄소와 수소로부터 합성 가스를 제조한 후 합성 가스 일부를 분기하여 제1 열교환기(20), 제2 열교환기(30) 및 제3 열교환기(40)에 각각 탄화수소가스로서 공급할 수 있으므로, 에너지 효율면에서 바람직하다. 예를 들면, 고체산화물셀(10)에서 생산되는 합성 가스의 10vol% 내지 20vol%를 각 열교환기에 유입되는 탄화수소가스로서 사용할 수 있다. 탄화수소가스의 양이 너무 많은 경우, 에너지 효율면에서 바람직하지 않으며, 탄화수소가스의 양이 너무 적은 경우, 열교환기의 작동 효율이 저하될 수 있다. 제1 열교환기(20), 제2 열교환기(30) 및 제3 열교환기(40)는 고부가가치 산물인 산소를 분리하지 않고 합성물 형태로 바로 이용할 수 있는 이점이 있다.Further, after the synthesis gas is produced from the carbon monoxide and hydrogen produced in the solid oxide cell 10, a part of the synthesis gas is branched into the first heat exchanger 20, the second heat exchanger 30 and the third heat exchanger 40, Respectively, which is preferable in terms of energy efficiency. For example, 10 vol% to 20 vol% of the synthesis gas produced in the solid oxide cell 10 can be used as the hydrocarbon gas introduced into each heat exchanger. If the amount of the hydrocarbon gas is too large, it is not preferable from the viewpoint of energy efficiency, and if the amount of the hydrocarbon gas is too small, the operating efficiency of the heat exchanger may be lowered. The first heat exchanger 20, the second heat exchanger 30 and the third heat exchanger 40 are advantageous in that the high value-added product oxygen can be directly used in a composite form without being separated.

도 2는 도 1의 제1 열교환기(20)에 포함된 열교환 튜브(201)의 단면 구조를 개략적으로 나타낸다. 도 2의 열교환 튜브(201)의 단면 구조는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 열교환 튜브(201)의 구조를 다른 형태로도 변형할 수 있다.2 schematically shows a sectional structure of the heat exchange tube 201 included in the first heat exchanger 20 of FIG. The cross-sectional structure of the heat exchange tube 201 of FIG. 2 is only for illustrating the present invention, and the present invention is not limited thereto. Therefore, the structure of the heat exchange tube 201 can be modified in other forms.

도 2에 도시한 바와 같이, 제1 열교환기(20)는 열교환용 튜브(201)와 촉매 반응기들(203)을 포함한다. 도 2에는 편의상 설명을 위하여 열교환용 튜브(201)를 하나만 도시하였지만 실제로는 복수의 열교환용 튜브들(201)이 다발 형태로 상호 이격되어 설치된다. 열교환용 튜브(201)의 내부에는 탄화수소가스, 퍼징가스, 산소 등이 도 2의 화살표 방향을 따라 흐른다. 탄화수소가스로는 예를 들면 메탄을 사용할 수 있다. 즉, 하기의 화학식 1과 같이 열교환용 튜브(201)의 내부로 도입된 메탄가스, 퍼징가스 및 산소는 촉매를 이용한 화학적 반응에 의해 일산화탄소 및 수소로 변환되어 배출되고, 이러한 발열 반응에 의해 생성되는 열은 이산화탄소 및 스팀을 가열한다. As shown in FIG. 2, the first heat exchanger 20 includes a heat exchange tube 201 and catalytic reactors 203. In FIG. 2, only one heat exchange tube 201 is illustrated for the sake of convenience, but in practice, a plurality of heat exchange tubes 201 are installed in the form of a bundle. A hydrocarbon gas, a purging gas, oxygen, and the like flow in the heat exchange tube 201 in the direction of the arrow in Fig. As the hydrocarbon gas, for example, methane may be used. That is, the methane gas, the purging gas and the oxygen introduced into the heat exchange tube 201 are converted into carbon monoxide and hydrogen by a chemical reaction using a catalyst and discharged as shown in the following chemical formula 1, Heat heats carbon dioxide and steam.

[화학식 1][Chemical Formula 1]

CxHy + x/2O2 → xCO + y/2H2 C x H y + x / 2O 2 - > xCO + y / 2H 2

열교환용 튜브(201)의 외부에는 이산화탄소와 스팀이 흐르고 있으므로, 열교환용 튜브(201)의 내부에서 전달되는 열을이용하여 가열할 수 있다. 한편, 상호 이격된 촉매 반응기들(203)에 담지된 촉매는 탄화수소가스의 화학적 반응에 의해 원료 가스로의 변환을 촉진시킨다. 여기서, 촉매로는 로듐, 팔라듐 및 백금 등을 사용할 수 있다. 이들 촉매들은 비교적 저온에서도 원료 가스의 화학 반응을 촉진시킨다. 특히, 로듐, 팔라듐 및 백금은 모두 백금족 원소로서 융점이 높고 비중이 크며 부식이 잘 되지 않고, 화학적으로 비활성 특성을 가진다. 따라서 제1 열교환기(20)에 사용하기에 적합하다.Since carbon dioxide and steam are flowing outside the heat exchange tube 201, the heat can be heated using the heat transferred from the inside of the heat exchange tube 201. On the other hand, the catalyst supported on the mutually spaced catalytic reactors 203 facilitates the conversion into the raw gas by the chemical reaction of the hydrocarbon gas. As the catalyst, rhodium, palladium, platinum and the like can be used. These catalysts accelerate the chemical reaction of the feed gas even at relatively low temperatures. Particularly, rhodium, palladium and platinum are all platinum group elements having a high melting point, a large specific gravity, a poor corrosion resistance, and chemical inertness. And is therefore suitable for use in the first heat exchanger (20).

도 2에 도시한 바와 같이, 열교환용 튜브(201)의 외부를 흐르는 이산화탄소와 스팀은 열교환용 튜브(201)의 내부를 흐르는 탄화수소가스, 퍼징 가스 및 산소와 서로 반대 방향으로 흐른다. 그 결과, 열전달 효율을 균일하면서 크게 높일 수 있다. 퍼징 가스는 먼저 고체산화물셀(10)에 포함된 복수의 유닛들 중 특정 유닛의 작동을 정지시킨 후에 그 내부를 퍼징하기 위해 고체산화물셀(10)에 공급할 수 있다. 여기서, 특정 유닛의 수는 하나 이상일 수 있다. 고체산화물셀(10)은 복수의 유닛들이 함께 결합되어 스택을 형성한다. 고체산화물셀(10)을 통과한 퍼징 가스는 제1 열교환기(10), 제2 열교환기(20) 및 제3 열교환기(30)에 열교환용으로 공급된다. 따라서 퍼징 가스를 이용하여 제1 열교환기(10), 제2 열교환기(20) 및 제3 열교환기(30)를 통과하는 탄화수소가스, 이산화탄소 및 스팀을 적절한 온도로 가열할 수 있다.As shown in FIG. 2, the carbon dioxide and steam flowing outside the heat exchange tube 201 flow in opposite directions to the hydrocarbon gas, the purging gas, and oxygen flowing in the heat exchange tube 201. As a result, the heat transfer efficiency can be increased uniformly. The purging gas may first be supplied to the solid oxide cell 10 to purgate the interior of the solid oxide cell 10 after stopping the operation of the specific unit among the plurality of units included in the solid oxide cell 10. [ Here, the number of specific units may be one or more. The solid oxide cell 10 has a plurality of units joined together to form a stack. The purging gas that has passed through the solid oxide cell 10 is supplied to the first heat exchanger 10, the second heat exchanger 20, and the third heat exchanger 30 for heat exchange. Therefore, the hydrocarbon gas, carbon dioxide, and steam passing through the first heat exchanger 10, the second heat exchanger 20, and the third heat exchanger 30 can be heated to an appropriate temperature by using the purging gas.

또한, 전술한 바와 같이, 고체산화물셀(10)에 포함된 특정 유닛의 작동이 정지되는 동안 제1 열교환기(10), 제2 열교환기(20) 및 제3 열교환기(30)에 퍼징 가스를 공급하여 제1 열교환기(10), 제2 열교환기(20) 및 제3 열교환기(30)로부터 일산화탄소와 수소를 생성할 수 있으므로, 공정 측면에서 매우 효율적이다. 그리고 제1 열교환기(10), 제2 열교환기(20) 및 제3 열교환기(30)를 차례로 통과하면서 점차 가열된 고열량의 이산화탄소와 스팀을 고체산화물셀(10)에 공급할 수 있으므로, 고체산화물셀(10)에서 다량의 일산화탄소와 수소를 제조할 수 있다.Further, as described above, the first heat exchanger 10, the second heat exchanger 20, and the third heat exchanger 30 are supplied with the purging gas 10 while the operation of the specific unit contained in the solid oxide cell 10 is stopped. Can generate carbon monoxide and hydrogen from the first heat exchanger (10), the second heat exchanger (20) and the third heat exchanger (30). The high-temperature carbon dioxide and steam, which are gradually heated while sequentially passing through the first heat exchanger 10, the second heat exchanger 20 and the third heat exchanger 30, can be supplied to the solid oxide cell 10, A large amount of carbon monoxide and hydrogen can be produced in the cell 10.

한편, 도 2에는 도시하지 않았지만, 제2 열교환기(30)와 제3 열교환기(40)도 제1 열교환기(20)와 동일한 구조를 가진다. 즉, 제2 열교환기(30)와 제3 열교환기(40)도 각각 열교환용 튜브(미도시)와 촉매 반응기들(미도시)를 포함한다. 단, 제2 열교환기(30)와 제3 열교환기(40)의 촉매 반응기들은 촉매로서 루테늄, 이리듐 및 니켈을 포함한다. 루테늄과 이리듐은 백금족 원소로서 융점이 높고 비중이 크며 부식이 잘 되지 않고, 화학적으로 비활성 특성을 가진다. 루테늄은 수소화 반응 및 산화 반응의 촉매로서 주로 사용되고, 일산화탄소에 대한 내성 피독 특성을 가진다. 또한, 이리듐은 화학 반응에서 탁월한 촉매특성을 나타낸다. 그리고 니켈은 탄화수소 특히 메탄을 부분 산화하기 위해 효과적인 역할을 한다. 따라서 루테늄, 이리듐 및 니켈을 이용한 촉매 반응을 통하여 제2 열교환기(30)와 제3 열교환기(40)에서 각각 탄화수소로부터 일산화탄소와 수소를 빠르게 생성할 수 있다. 또한, 이산화탄소와 스팀을 적절한 온도로 가열할 수 있다.Although not shown in FIG. 2, the second heat exchanger 30 and the third heat exchanger 40 have the same structure as the first heat exchanger 20. That is, the second heat exchanger 30 and the third heat exchanger 40 also each include a heat exchange tube (not shown) and catalytic reactors (not shown). However, the catalytic reactors of the second heat exchanger 30 and the third heat exchanger 40 include ruthenium, iridium and nickel as catalysts. Ruthenium and iridium are platinum group elements with high melting point, high specific gravity, poor corrosion and chemical inertness. Ruthenium is mainly used as a catalyst for hydrogenation reaction and oxidation reaction, and has resistance poisoning property against carbon monoxide. In addition, iridium exhibits excellent catalytic properties in chemical reactions. And nickel plays an effective role in partially oxidizing hydrocarbons, especially methane. Therefore, carbon monoxide and hydrogen can be rapidly produced from the hydrocarbons in the second heat exchanger 30 and the third heat exchanger 40 through the catalytic reaction using ruthenium, iridium and nickel, respectively. In addition, carbon dioxide and steam can be heated to a suitable temperature.

여기서, 제2 열교환기의 열교환기용 튜브의 내부 온도는 제1 열교환기의 열교환기용 튜브(201)의 내부 온도보다 높다. 그리고 제3 열교환기의 열교환기용 튜브의 내부 온도는 제2 열교환기의 열교환기용 튜브의 내부 온도보다 높다. 그 결과, 원료가스인이산화탄소와 스팀이 흐르는 방향과 반대 방향으로 탄화수소가스, 퍼징가스, 산소를 공급하여 열교환 효율을 높일 수 있다.Here, the internal temperature of the heat exchanger tube of the second heat exchanger is higher than the internal temperature of the heat exchanger tube 201 of the first heat exchanger. And the internal temperature of the heat exchanger tube of the third heat exchanger is higher than the internal temperature of the heat exchanger tube of the second heat exchanger. As a result, the heat exchange efficiency can be increased by supplying the hydrocarbon gas, the purging gas and the oxygen in the direction opposite to the direction of the flow of the carbon dioxide gas and the steam as the raw material gas.

도 3은 도 1의 고체산화물셀 시스템(100)에 포함된 고체산화물셀(10)의 사시도를 개략적으로 나타내고, 도 3의 확대원에는 셀유닛(105)의 단면 구조를 확대하여 나타낸다. 도 3의 고체산화물셀(10)의 구조는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 도 3의 고체산화물셀(10)의 구조를 다른 형태로도 변형할 수 있다.Fig. 3 schematically shows a perspective view of the solid oxide cell 10 included in the solid oxide cell system 100 of Fig. 1, and the cross-sectional structure of the cell unit 105 is shown in an enlarged scale in Fig. The structure of the solid oxide cell 10 of FIG. 3 is merely for illustrating the present invention, and the present invention is not limited thereto. Therefore, the structure of the solid oxide cell 10 of FIG. 3 can be modified in other forms.

도 3에 도시한 바와 같이, 고체산화물셀(10)은 밀봉재(101), 접속자(interconnect)(103) 및 셀유닛(105)을 포함한다. 이외에, 필요에 따라 고체산화물셀(10)은 다른 부품들을 더 포함할 수 있다.3, the solid oxide cell 10 includes a sealing member 101, an interconnect 103, and a cell unit 105. [ In addition, the solid oxide cell 10 may further include other components as needed.

셀유닛(105)에는 이산화탄소와 스팀 등이 유입되어 수소와 일산화탄소 등의 연료로 변환된 후 외부로 배출된다. 한편, 이산화탄소와 스팀이 셀유닛(105)에 잔류 가스로 잔존하는 경우, 셀유닛(105)의 작동 성능이 저하될 수 있다. 따라서 고체산화물셀(10)의 작동을 정지한 후 고체산화물셀(10)에 퍼징 가스를 공급한다. 퍼징 가스는 셀유닛(105)의 잔류 가스들을 제거한다. 또한, 퍼징 가스는 고체산화물셀(10)을 통과하여 제1 열교환기(20), 제2 열교환기(30) 및 제3 열교환기(40)에 각각 공급되어 제1 열교환기(20), 제2 열교환기(30) 및 제3 열교환기(40)를 통과하는 원료 가스와의 열교환에 의해 원료 가스를 가열한다.Carbon dioxide, steam, and the like are introduced into the cell unit 105 to be converted into fuel such as hydrogen and carbon monoxide, and then discharged to the outside. On the other hand, when carbon dioxide and steam remain in the cell unit 105 as residual gas, the operating performance of the cell unit 105 may be deteriorated. Thus, after the operation of the solid oxide cell 10 is stopped, the solid oxide cell 10 is supplied with the purging gas. The purging gas removes residual gases from the cell unit 105. The purging gas is supplied to the first heat exchanger 20, the second heat exchanger 30 and the third heat exchanger 40 through the solid oxide cell 10 to be supplied to the first heat exchanger 20, 2 heat exchanger (30) and the third heat exchanger (40) to heat the raw material gas.

도 3에 도시한 바와 같이, 복수의 고체산화물셀들(10)을 z축 방향으로 적층하여 대용량의 스택을 구성하도록 접속자(103)를 이용한다. 접속자(103)는 셀유닛(105)의 상부에 부착되는 상부 접속자와 셀유닛(105)의 하부에 부착되는 하부 접속자를 포함한다. 또한, z축 방향으로 적층된 접속자들(103)을 부착하여 스택을 구성하도록 밀봉재(101)를 도포하여 접속자들(103)을 상호 연결한다. 밀봉재(101)는 접속자들(103)과 셀유닛(105)을 부착하기 위해서 사용한다. 밀봉재(101)는 연료와 공기가 서로 혼합되지 않도록 기밀 역할을 수행한다.As shown in Fig. 3, the interconnector 103 is used to stack a plurality of solid oxide cells 10 in the z-axis direction to form a large-capacity stack. The connecter 103 includes an upper connector attached to the upper portion of the cell unit 105 and a lower connector attached to the lower portion of the cell unit 105. [ Also, the joining members 103 are attached by applying the sealing material 101 to form the stack by attaching the joining members 103 stacked in the z-axis direction. The sealing member 101 is used for attaching the joining members 103 and the cell unit 105. The sealing member 101 performs a hermetic function so that fuel and air are not mixed with each other.

도 3의 확대원에 도시한 바와 같이, 셀유닛(105)은 공기극(1051), 전해질(1053) 및 연료극(1055) 등의 부품들을 포함한다. 이들 부품들은 상호 차례로 적층된다. 공기극(510)과 연료극(1055)은 지지체를 포함할 수 있다. 예를 들면, 셀유닛(105)을 전기분해 등 전기적 에너지 및 화학적 에너지의 상호 교환을 위해 사용할 수 있다. 연료극(105)에는 이산화탄소 및 스팀 등의 연료가스가 공급될 수 있고, 공기극(101)에는 산소가 공급될 수 있다. 이 때, 전해질은 산소 이온의 이동이 용이하고 전극 소재와의 화학반응을 최소화할 수 있는 물질을 사용할 수 있다. 한편, 연료극(1055)은 촉매를 포함할 수 있다. 연료극(1055)으로 공급된 이산화탄소와 스팀은 각각 셀유닛(105)에서 분해되어 일산화탄소와 수소로 변환된 후 외부로 배출된다.3, the cell unit 105 includes components such as an air electrode 1051, an electrolyte 1053, and a fuel electrode 1055. [ These parts are stacked one after the other. The air electrode 510 and the fuel electrode 1055 may include a support. For example, the cell unit 105 can be used for interchange of electrical energy and chemical energy, such as electrolysis. Fuel gas such as carbon dioxide and steam can be supplied to the fuel electrode 105, and oxygen can be supplied to the air electrode 101. At this time, the electrolyte can use a substance that can easily transfer oxygen ions and minimize the chemical reaction with the electrode material. On the other hand, the anode 1055 may include a catalyst. The carbon dioxide and steam supplied to the fuel electrode 1055 are decomposed in the cell unit 105, respectively, and are converted into carbon monoxide and hydrogen, and then discharged to the outside.

본 발명을 앞서 기재한 바에 따라 설명하였지만, 다음에 기재하는 특허청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한, 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에 종사하는 자들은 쉽게 이해할 것이다.It will be understood by those skilled in the art that various changes and modifications may be made without departing from the spirit and scope of the following claims.

10. 고체산화물셀
20, 30, 40. 열교환기
100. 고체산화물셀 시스템
101. 밀봉재
103. 접속자
105. 셀유닛
201. 열교환용 튜브
203. 촉매 반응기10. Solid oxide cell
20, 30, 40. Heat exchanger
100. Solid oxide cell system
101. Seal material
103. Connecter
105. Cell unit
201. Heat exchange tubes
203. Catalytic reactor

Claims (13)

탄화수소가스, 이산화탄소 및 스팀을 공급받고, 상기 탄화수소가스를 제1 일산화탄소와 제1 수소로 변환시키는 제1 열교환기,
상기 제1 열교환기와 연결되고, 상기 탄화수소가스와 상기 제1 열교환기로부터 1차 가열된 이산화탄소 및 스팀을 공급받아 상기 탄화수소가스를 제2 일산화탄소와 제2 수소로 변환시키는 제2 열교환기,
상기 제2 열교환기와 연결되고, 상기 탄화수소가스와 상기 제2 열교환기로부터 2차 가열된 이산화탄소 및 스팀을 공급받아 상기 탄화수소가스를 제3 일산화탄소와 제3 수소로 변환시키는 제3 열교환기, 및
상기 제3 열교환기와 연결되고, 상기 제3 열교환기로부터 3차 가열된 이산화탄소 및 스팀을 공급받아 제4 일산화탄소와 제4 수소를 제조하는 고체산화물셀
을 포함하는 고체산화물셀 시스템.A first heat exchanger which is supplied with hydrocarbon gas, carbon dioxide and steam, converts the hydrocarbon gas into first carbon monoxide and first hydrogen,
A second heat exchanger connected to the first heat exchanger and adapted to receive the hydrocarbon gas and the first heated carbon dioxide and steam from the first heat exchanger to convert the hydrocarbon gas into second carbon monoxide and second hydrogen,
A third heat exchanger connected to the second heat exchanger and adapted to receive the hydrocarbon gas and carbon dioxide and steam secondarily heated from the second heat exchanger to convert the hydrocarbon gas into third carbon monoxide and third hydrogen,
A solid oxide cell connected to the third heat exchanger and producing fourth carbon monoxide and fourth hydrogen by receiving carbon dioxide and steam heated from the third heat exchanger,
≪ / RTI > 제1항에 있어서,
상기 고체산화물셀에 공급된 퍼징가스가 산소와 함께 상기 고체산화물셀로부터 상기 제1 열교환기, 상기 제2 열교환기 및 상기 제3 열교환기로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 열교환기에 공급되는 고체산화물셀 시스템.The method according to claim 1,
Wherein the purging gas supplied to the solid oxide cell is supplied from the solid oxide cell together with oxygen to at least one heat exchanger selected from the group consisting of the first heat exchanger, the second heat exchanger and the third heat exchanger. 제1항에 있어서,
상기 제1 열교환기는
상기 탄화수소가스, 상기 퍼징가스, 상기 산소가 통과하는 제1 열교환용 튜브, 및
상기 제1 열교환용 튜브의 내부에 상호 이격되어 설치되고, 로듐, 팔라듐 및 백금을 포함하는 복수의 제1 촉매 반응기들
를 포함하고,
상기 제1 열교환용 튜브의 외부에 상기 이산화탄소 및 상기 스팀이 흐르는 고체산화물셀 시스템.The method according to claim 1,
The first heat exchanger
Wherein the hydrocarbon gas, the purging gas, the first heat exchange tube through which the oxygen passes,
A plurality of first catalytic reactors spaced apart from each other in the first heat exchange tube and containing rhodium, palladium and platinum,
Lt; / RTI >
And the carbon dioxide and the steam flow outside the first heat exchange tube. 제3항에 있어서,
상기 제2 열교환기는
상기 탄화수소가스, 상기 퍼징가스, 상기 산소가 통과하는 제2 열교환용 튜브, 및
상기 제2 열교환용 튜브의 내부에 상호 이격되어 설치되고, 루테늄, 이리듐 및 니켈을 포함하는 복수의 제2 촉매 반응기들
을 포함하고,
상기 제2 열교환용 튜브의 외부에 상기 이산화탄소 및 상기 스팀이 흐르고, 상기 제2 열교환용 튜브의 내부 온도는 상기 제1 열교환용 튜브의 내부 온도보다 높게 유지되도록 적용된 고체산화물셀 시스템.The method of claim 3,
The second heat exchanger
The hydrocarbon gas, the purging gas, the second heat exchange tube through which the oxygen passes, and
A plurality of second catalytic reactors spaced apart from each other inside the second heat exchange tube and comprising ruthenium, iridium and nickel,
/ RTI >
Wherein the carbon dioxide and the steam flow outside the second heat exchange tube and the internal temperature of the second heat exchange tube is maintained higher than the internal temperature of the first heat exchange tube. 제4항에 있어서,
상기 제3 열교환기는
상기 탄화수소가스, 상기 퍼징가스, 상기 산소가 통과하는 제3 열교환용 튜브, 및
상기 제3 열교환용 튜브의 내부에 상호 이격되어 설치되고, 루테늄, 이리듐 및 니켈을 포함하는 복수의 제3 촉매 반응기들
을 포함하고,
상기 제3 열교환용 튜브의 외부에 상기 이산화탄소 및 상기 스팀이 흐르고, 상기 제3 열교환용 튜브의 내부 온도는 상기 제2 열교환용 튜브의 내부 온도보다 높게 유지되도록 적용된 고체산화물셀 시스템.5. The method of claim 4,
The third heat exchanger
The hydrocarbon gas, the purging gas, the third heat exchange tube through which the oxygen passes, and
A plurality of third catalytic reactors spaced apart from each other in the third heat exchange tube and containing ruthenium, iridium and nickel,
/ RTI >
Wherein the carbon dioxide and the steam flow outside the third heat exchange tube and the internal temperature of the third heat exchange tube is maintained higher than the internal temperature of the second heat exchange tube. 제1항에 있어서,
상기 제4 일산화탄소와 상기 제4 수소로부터 제조된 합성 가스를 분기하여 상기 제1 열교환기, 상기 제2 열교환기 및 상기 제3 열교환기에 각각 상기 탄화수소가스로서 공급하는 고체산화물셀 시스템.The method according to claim 1,
The synthesis gas produced from the fourth carbon monoxide and the fourth hydrogen is branched and supplied as the hydrocarbon gas to the first heat exchanger, the second heat exchanger and the third heat exchanger, respectively. 제1 열교환기에 탄화수소가스, 이산화탄소 및 스팀을 공급하는 단계,
상기 제1 열교환기에서 상기 탄화수소가스를 제1 일산화탄소 및 제1 수소로 변환하고, 상기 이산화탄소 및 상기 스팀을 1차 가열하는 단계,
상기 탄화수소가스와 상기 1차 가열된 이산화탄소 및 스팀을 상기 제1 열교환기와 연결된 제2 열교환기에 공급하는 단계,
상기 제2 열교환기에서 상기 탄화수소가스를 제2 일산화탄소 및 제2 수소로 변환하고, 상기 1차 가열된 이산화탄소 및 상기 스팀을 2차 가열하는 단계,
상기 탄화수소가스와 상기 2차 가열된 이산화탄소 및 스팀을 상기 제2 열교환기와 연결된 제3 열교환기에 공급하는 단계,
상기 제3 열교환기에서 상기 탄화수소가스를 제3 일산화탄소 및 제3 수소로 변환하고, 상기 2차 가열된 이산화탄소 및 상기 스팀을 3차 가열하는 단계,
상기 3차 가열된 이산화탄소 및 스팀을 상기 제3 열교환기와 연결된 고체산화물셀에 공급하는 단계, 및
상기 고체산화물셀이 상기 3차 가열된 이산화탄소 및 스팀으로부터 제4 일산화탄소 및 제4 수소를 생성하는 단계
를 포함하는 고체산화물셀 시스템의 제어 방법.Supplying hydrocarbon gas, carbon dioxide and steam to the first heat exchanger,
Converting the hydrocarbon gas into the first carbon monoxide and the first hydrogen in the first heat exchanger, first heating the carbon dioxide and the steam,
Supplying the hydrocarbon gas, the first heated carbon dioxide and steam to a second heat exchanger connected to the first heat exchanger,
Converting the hydrocarbon gas into the second carbon monoxide and the second hydrogen in the second heat exchanger, secondarily heating the first heated carbon dioxide and the steam,
Supplying the hydrocarbon gas, the secondarily heated carbon dioxide and steam to a third heat exchanger connected to the second heat exchanger,
Converting the hydrocarbon gas into third carbon monoxide and third hydrogen in the third heat exchanger, tertiary heating the second heated carbon dioxide and the steam,
Supplying the third heated carbon dioxide and steam to the solid oxide cell connected to the third heat exchanger, and
Wherein said solid oxide cell produces fourth carbon monoxide and fourth hydrogen from said tertiary heated carbon dioxide and steam
≪ / RTI > 제7항에 있어서,
상기 고체산화물셀에 포함된 복수의 유닛들 중 하나 이상의 유닛의 작동을 정지하는 단계,
상기 고체산화물셀에 퍼징 가스를 공급하는 단계, 및
상기 고체산화물셀을 통과한 상기 퍼징 가스를 상기 제1 열교환기, 상기 제2 열교환기 및 상기 제3 열교환기에 열교환용으로 공급하는 단계
를 더 포함하는 고체산화물셀 시스템의 제어 방법.8. The method of claim 7,
Stopping at least one of the plurality of units included in the solid oxide cell,
Supplying a purging gas to the solid oxide cell, and
Supplying the purging gas passed through the solid oxide cell to the first heat exchanger, the second heat exchanger and the third heat exchanger for heat exchange
≪ / RTI > 제8항에 있어서,
상기 제4 일산화탄소 및 제4 수소의 양의 합은 상기 제3 일산화탄소 및 제3 수소의 양의 합보다 크고, 상기 제3 일산화탄소 및 제3 수소의 양의 합은 상기 제2 일산화탄소 및 제2 수소의 양의 합보다 크며, 상기 제2 일산화탄소 및 제2 수소의 양의 합은 상기 제1 일산화탄소 및 제1 수소의 양의 합보다 큰 고체산화물셀 시스템의 제어 방법.9. The method of claim 8,
Wherein the sum of the amounts of the fourth carbon monoxide and the fourth hydrogen is greater than the sum of the amounts of the third carbon monoxide and the third hydrogen and the sum of the amounts of the third carbon monoxide and the third hydrogen is greater than the sum of the amounts of the third carbon monoxide and the third hydrogen, Wherein the sum of the amounts of the second carbon monoxide and the second hydrogen is greater than the sum of the amounts of the first carbon monoxide and the first hydrogen. 제7항에 있어서,
상기 이산화탄소 및 상기 스팀을 1차 가열하는 단계에서, 상기 제1 열교환기는 로듐, 팔라듐 및 백금을 포함하는 제1 촉매 반응기를 포함하고, 상기 제1 촉매 반응기에 의해 상기 탄화수소가스가 상기 제1 일산화탄소와 상기 제1 수소로 변환되는 고체산화물셀 시스템의 제어 방법.8. The method of claim 7,
Wherein the first heat exchanger comprises a first catalytic reactor comprising rhodium, palladium and platinum, wherein the first catalytic reactor allows the hydrocarbon gas to flow through the first carbon monoxide and the first carbon monoxide, Wherein the first hydrogen is converted into the first hydrogen. 제10항에 있어서,
상기 이산화탄소 및 상기 스팀을 2차 가열하는 단계에서, 상기 제2 열교환기는 루테늄, 이리듐 및 니켈을 포함하는 제2 촉매 반응기를 포함하고, 상기 제2 촉매 반응기에 의해 상기 탄화수소가스가 상기 제2 일산화탄소와 상기 제2 수소로 변환되는 고체산화물셀 시스템의 제어 방법.11. The method of claim 10,
Wherein the second heat exchanger comprises a second catalytic reactor comprising ruthenium, iridium and nickel, wherein the hydrocarbon gas is passed through the second catalytic reactor to the second carbon monoxide and the second catalytic reactor, Wherein the second hydrogen is converted into the second hydrogen. 제11항에 있어서,
상기 이산화탄소 및 상기 스팀을 3차 가열하는 단계에서, 상기 제3 열교환기는 루테늄, 이리듐 및 니켈을 포함하는 제3 촉매 반응기를 포함하고, 상기 제3 촉매 반응기에 의해 상기 탄화수소가스가 상기 제3 일산화탄소와 상기 제3 수소로 변환되는 고체산화물셀 시스템의 제어 방법.12. The method of claim 11,
Wherein the third heat exchanger comprises a third catalytic reactor comprising ruthenium, iridium and nickel, wherein the third catalytic reactor causes the hydrocarbon gas to flow through the third carbon monoxide and the third catalytic reactor, And converting the third hydrogen into the third hydrogen. 제7항에 있어서,
상기 제4 일산화탄소 및 상기 제4 수소로부터 제조한 합성 가스를 분기하여 상기 탄화수소가스로서 상기 제1 열교환기, 상기 제2 열교환기 및 상기 제3 열교환기에 각각 공급하는 고체산화물셀 시스템의 제어 방법.8. The method of claim 7,
The synthesis gas produced from the fourth carbon monoxide and the fourth hydrogen is branched and supplied as the hydrocarbon gas to the first heat exchanger, the second heat exchanger and the third heat exchanger, respectively.
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