KR20160007821A - Direct carbon fuel cell system with high efficiency of fuel utilization - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a direct carbon fuel cell system and, more specifically, to a direct carbon fuel cell system which maximizes fuel efficiency of a direct carbon fuel cell. The direct carbon fuel cell system of the present invention comprises: a direct carbon fuel cell composed of an anode, a cathode, and an electrolyte; and a high-temperature-type fuel cell connected to the direct carbon fuel cell and using an unreacted material and a reaction byproduct discharged from the anode as fuel. According to the direct carbon fuel cell system of the present invention, extra electricity is produced by the high-temperature-type fuel cell by means of useful gases produced via operation of the direct carbon fuel cell. Thus, generation efficiency of the direct carbon fuel cell increases.

Description

우수한 연료 효율을 갖는 직접탄소 연료전지 시스템 {Direct carbon fuel cell system with high efficiency of fuel utilization} Technical Field [0001] The present invention relates to a direct carbon fuel cell system having excellent fuel efficiency,

본 발명은 직접탄소 연료전지 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 직접탄소 연료전지의 연료 효율을 극대화시키는 직접탄소 연료전지 시스템에 관한 것이다.
The present invention relates to a direct carbon fuel cell system, and more particularly, to a direct carbon fuel cell system that maximizes the fuel efficiency of a direct carbon fuel cell.

직접탄소 연료전지(DCFC, Direct Carbon Fuel Cell)는 탄소를 직접 연료로 이용하여 전기에너지를 생성하는 이론 효율 80% 이상의 고효율을 가진 신개념의 연료전지이다. 직접탄소 연료전지의 공기극(cathode)에서는 산소의 환원 반응이 일어나 산소 이온을 생성시키고, 생성된 산소 이온은 전해질을 통해 연료극(anode)으로 이동한 후 연료극(anode)에서 탄소 원자와 반응하여 이산화탄소를 생성시킨다. 이 단계에서 4개의 자유전자가 생성되어 발전이 이루어지며 이는 하기 화학식으로 나타내어질 수 있다.Direct carbon fuel cell (DCFC) is a new concept fuel cell with high efficiency of more than 80% theoretical efficiency which uses carbon as direct fuel to generate electric energy. At the cathode of a direct carbon fuel cell, a reduction reaction of oxygen occurs to generate oxygen ions. The generated oxygen ions move to the anode through the electrolyte, react with the carbon atoms at the anode, Respectively. At this stage, four free electrons are generated to generate electricity, which can be represented by the following formula.

연료극(anode) : C + 2O2 - -> CO2 + 4e- Anode: C + 2O 2 - -> CO 2 + 4e -

공기극(cathode) : O2 + 4e- -> 2O2 - Cathode: O 2 + 4e - -> 2O 2 -

전체 반응식 : C + O2 -> CO2 Overall Scheme: C + O 2 -> CO 2

직접탄소 연료전지는 세계적으로 풍부한 매장량을 가진 석탄을 연료로 이용하여 경제적이며, 연소시 SOx, NOx, PM 등과 같은 환경 오염물질의 방출이 적고, 탄소를 직접 이용한 화학반응이기 때문에 소음이 적으며 무공해라는 장점을 가지며, 동일한 이유로 개질기를 구비할 필요가 없어 비용을 절감시킬 수 있다.Direct carbon fuel cells are economical because they use coal with a wealth of reserves globally as a fuel, and they emit fewer environmental pollutants such as SOx, NOx, and PM during combustion, And it is not necessary to provide a reformer for the same reason, so that the cost can be reduced.

또한, 탄소와 산소를 직접 반응시켜 배출되는 이산화탄소를 농축 과정 필요 없이 포집할 수 있어 별도의 정화장치가 필요하지 않거나, 필요하더라도 기존의 정화장치에 비해 적은 비용으로 이용이 가능하며, 포집된 이산화탄소는 순수한 이산화탄소로, 이를 판매할 수도 있어 친환경적이며 경제적이다. In addition, since carbon dioxide can be directly reacted with carbon to capture carbon dioxide without the need for concentration process, a separate purification device is not necessary, or if necessary, it can be used at a lower cost than existing purification devices. It can be sold with pure carbon dioxide, which is environmentally friendly and economical.

직접탄소 연료전지는 용융탄산염 연료전지(MCFC, molten carbonate fuel cell)와 고체산화물 연료전지(SOFC, solid oxide fuel cell)의 기술을 바탕으로 기술적 접근이 시도되고 있으며, 구체적으로 용융탄산염 연료전지에 이용되는 용융탄산염을 전해질로 사용하는 DCFC는 비정질 탄소분말, 미분탄 및 각종 석탄 등의 다양한 탄소원을 파우더 또는 전해질과 섞어 슬러리 형태로 한 연료를 공급하고 전극은 카본 봉을 연료극(anode) 전극으로 직접 사용하는 경우가 대부분이다. Direct carbon fuel cells have been attempted with a technical approach based on the technology of molten carbonate fuel cell (MCFC) and solid oxide fuel cell (SOFC). Specifically, they are used for molten carbonate fuel cells DCFC, which uses a molten carbonate as an electrolyte, supplies various kinds of carbon sources such as amorphous carbon powder, pulverized coal and various coal mixed with a powder or an electrolyte to form a slurry form, and the electrode uses carbon rods directly as an anode electrode Most cases.

또한, 고체산화물 연료전지를 기반으로 한 직접탄소 연료전지의 경우 버튼셀 형식의 DCFC로서 고체 전해질(YSZ, GDC, SDC)을 사용하여 재료의 부식 및 전해질 손실, 보충 문제가 없는 장점이 있으며, 전극은 주로 Ni-YSZ cermet, Cu-YSZ cermet, 사마륨(Sm) 도핑된 산화세륨(CeO2) 등이 연료극(anode) 전극으로 사용된다.In addition, direct carbon fuel cells based on solid oxide fuel cells have advantages in that they do not suffer from material corrosion, electrolyte loss and replenishment by using solid electrolyte (YSZ, GDC, SDC) as a button cell type DCFC, Is mainly used as an anode electrode such as Ni-YSZ cermet, Cu-YSZ cermet, and samarium (Ce) doped with Sm.

직접탄소 연료전지의 다양한 장점에도 불구하고 지금까지 개발된 직접탄소 연료전지는 불연속적인 연료공급 문제와 제한적인 삼상계면(전극, 연료, 전해질이 동시에 접촉하는 지점)의 형성으로 활성도 저하 문제의 한계를 가지고 있으며, 직접탄소 연료전지의 탄소원인 석탄 내에 다량 존재하는 휘발분(탄화수소류, 수소, 일산화탄소, 이산화탄소 등)은 제대로 반응하지 못하고 그대로 버려지는 문제가 있다.
Despite the various advantages of direct carbon fuel cells, the direct carbon fuel cell developed so far has limited the problem of discontinuous fuel supply problem and the problem of degradation due to formation of limited three phase interface (point where electrode, fuel and electrolyte contact simultaneously) Volatiles (hydrocarbons, hydrogen, carbon monoxide, carbon dioxide, etc.) present in large quantities in coal, which is a carbon source of a direct carbon fuel cell, are not properly reacted and discarded.

본 발명의 목적은 탄소를 직접 연료로 이용하는 직접탄소 연료전지의 하단에 고온형 연료전지(고체산화물 연료전지 또는 용융탄산염 연료전지)를 구비하여 상기 직접탄소 연료전지로부터 발생되는 가스를 연료로 이용하여 고온형 연료전지의 전기화학반응을 통해 추가로 전기를 생산할 수 있는 고효율의 직접탄소 연료전지 시스템을 제공하는 데 있다.
An object of the present invention is to provide a direct carbon fuel cell using carbon as a direct fuel and a high temperature type fuel cell (solid oxide fuel cell or molten carbonate fuel cell) at the lower end thereof, The present invention provides a high-efficiency direct carbon fuel cell system capable of further producing electricity through an electrochemical reaction of a high temperature type fuel cell.

연료극(anode), 공기극(cathode) 및 전해질로 구성된 직접탄소 연료전지와 상기 직접탄소 연료전지에 연결되어 상기 연료극(anode)에서 배출되는 미반응물 및 반응부산물을 연료로 사용하는 고온형 연료전지를 포함하는 직접탄소 연료전지 시스템을 제공한다.A direct carbon fuel cell composed of an anode, a cathode and an electrolyte, and a high temperature type fuel cell connected to the direct carbon fuel cell and using unreacted substances and reaction by-products discharged from the anode as a fuel To provide a direct carbon fuel cell system.

상기 직접탄소 연료전지의 연료는 탄소, 석탄, 우드 및 바이오매스로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.The fuel of the direct carbon fuel cell may be selected from the group consisting of carbon, coal, wood and biomass.

상기 고온형 연료전지로는 용융탄산염 연료전지가 사용될 수 있다.As the high temperature type fuel cell, a molten carbonate fuel cell can be used.

상기 용융탄산염 연료전지는 다공성의 니켈(Ni)로 구성된 연료극을 사용할 수 있다.The molten carbonate fuel cell may use a fuel electrode composed of porous nickel (Ni).

상기 고온형 연료전지로는 고체산화물 연료전지가 사용될 수 있다.As the high temperature type fuel cell, a solid oxide fuel cell may be used.

상기 고체산화물 연료전지의 연료극으로는 니켈 옥사이드(NiO)와 이트리아 안정화된 지르코니아(YSZ)가 혼합된 NiO/YSZ 서메트로 형성된 물질이 사용될 수 있다.As the anode of the solid oxide fuel cell, a material formed by NiO / YSZ tetramethyl mixed with nickel oxide (NiO) and yttria-stabilized zirconia (YSZ) may be used.

상기 직접탄소 연료전지 시스템은 상기 직접탄소 연료전지 연료극(anode)의 배출구에 연결된 고체 연료와 기체 연료를 분리하는 필터를 더 포함할 수 있다.The direct carbon fuel cell system may further include a filter for separating the gaseous fuel from the solid fuel connected to the outlet of the direct carbon fuel cell anode.

상기 직접탄소 연료전지 시스템은 상기 직접탄소 연료전지의 배출구에 연결된 모니터링 장치를 더 포함할 수 있으며, 상기 모니터링 장치는 상기 직접탄소 연료전지의 연료극(anode)에서 배출된 가스의 농도를 모니터링할 수 있다.The direct carbon fuel cell system may further include a monitoring device coupled to an outlet of the direct carbon fuel cell, the monitoring device being capable of monitoring the concentration of the gas discharged from the anode of the direct carbon fuel cell .

상기 배출구에서 배출된 가스는 H2, CO, CO2 및 H2O로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 기상 물질일 수 있다.The gas discharged from the outlet may be one or more gaseous materials selected from the group consisting of H2, CO, CO2, and H2O.

상기 직접탄소 연료전지 시스템은 컨트롤 장치를 더 포함할 수 있으며, 상기 컨트롤 장치는 상기 모니터링 장치의 모니터링 결과에 따라 가스의 농도를 조절할 수 있고, 이를 위해 부족한 가스 성분을 더 주입할 수 있다.The direct carbon fuel cell system may further include a control device, which can adjust the concentration of the gas according to the monitoring result of the monitoring device, and can further inject the insufficient gas component.

상기 직접탄소 연료전지 시스템은 상기 컨트롤 장치에 의해 제어되는 H2, CO, CO2 및 H2O에서 선택된 하나 이상의 가스를 저장하는 가스 저장부를 더 포함할 수 있다.The direct carbon fuel cell system may further include a gas storage unit for storing at least one gas selected from H2, CO, CO2, and H2O controlled by the control apparatus.

상기 직접탄소 연료전지 시스템은 상기 직접탄소 연료전지 연료극(anode)의 배출구에 고체 연료와 기체 연료를 분리하는 세퍼레이터를 더 포함할 수 있다.The direct carbon fuel cell system may further include a separator for separating the solid fuel and the gaseous fuel from the outlet of the direct carbon fuel cell anode.

상기 세퍼레이터에서 분리된 상기 고체 연료는 리사이클되어 상기 직접탄소 연료전지의 원료로 재이용될 수 있다.The solid fuel separated from the separator can be recycled and reused as a raw material for the direct carbon fuel cell.

상기 직접탄소 연료전지 시스템은 상기 직접탄소 연료전지 및 고온형 연료전지에서 발생하는 폐열을 이용하는 장치를 추가로 더 포함할 수 있으며, 상기 폐열을 이용하는 장치로는 발생된 폐열을 회수하여 원료를 미리 히팅 시키는 pre-heating 장치, 열병합발전 장치, 온수 발생 장치, 난방 장치로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
The direct carbon fuel cell system may further include an apparatus using waste heat generated in the direct carbon fuel cell and the high temperature type fuel cell. In the apparatus using the waste heat, the waste heat generated is recovered, A preheating device, a cogeneration device, a hot water generator, and a heating device.

본 발명의 직접탄소 연료전지 시스템에 따르면, 직접탄소 연료전지의 운전 결과 생성되는 유용한 가스들을 이용하여 고온형 연료전지를 통해 추가적인 전기를 생성함으로써 직접탄소 연료전지의 발전 효율을 높일 수 있다.
According to the direct carbon fuel cell system of the present invention, it is possible to increase the power generation efficiency of a direct carbon fuel cell by generating additional electricity through a high temperature type fuel cell using useful gases generated as a result of operation of the direct carbon fuel cell.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 직접탄소 연료전지 시스템에 관한 도면이다.
도 2는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 직접탄소 연료전지 시스템에 관한 도면이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 직접탄소 연료전지 시스템에 관한 도면이다.1 is a diagram of a direct carbon fuel cell system in accordance with an embodiment of the present invention.
2 is a diagram of a direct carbon fuel cell system in accordance with another embodiment of the present invention.
3 is a diagram of a direct carbon fuel cell system in accordance with another embodiment of the present invention.

본 발명에 따른 탄소를 직접 원료로 사용하는 직접탄소 연료전지 및 상기 직접탄소 연료전지의 아웃렛(Outlet)에서 배출된 미반응물 빛 반응부산물로 생성된 탄화수소류, 수소, 일산화탄소를 연료로 사용하는 고온형 연료전지를 포함하는 직접탄소 연료전지 시스템을 첨부한 도면을 참고로 이하에 설명한다.A direct carbon fuel cell using carbon as a direct raw material according to the present invention and a high temperature type fuel cell using hydrocarbons, hydrogen, and carbon monoxide generated as unreacted light reaction by-products discharged from an outlet of the direct carbon fuel cell A direct carbon fuel cell system including a fuel cell will be described below with reference to the accompanying drawings.

본 발명에 따른 직접탄소 연료전지 시스템은 탄소를 원료로 사용하는 직접탄소 연료전지(DCFC)의 연료극 배출구에서 나오는 가스를 그대로 고온형 연료전지의 연료극으로 주입 후 2차로 발전을 하여 직접탄소 연료전지의 발전 효율을 높일 수 있다.The direct carbon fuel cell system according to the present invention is a direct carbon fuel cell system in which a gas discharged from a fuel electrode outlet of a direct carbon fuel cell (DCFC) using carbon as a raw material is directly injected into a fuel electrode of a high temperature type fuel cell, The power generation efficiency can be increased.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 직접탄소 연료전지 시스템에 관한 것이다.1 illustrates a direct carbon fuel cell system in accordance with an embodiment of the present invention.

본 발명의 일 실시예에 따른 직접탄소 연료전지 시스템(10)은 연료전지의 효율을 높이기 위해 직접탄소 연료전지(100), 고온형 연료전지(150) 및 상기 직접탄소 연료전지(100)와 상기 고온형 연료전지(150)에 연결된 필터(121)를 포함한다.The direct carbon fuel cell system 10 according to an embodiment of the present invention includes a direct carbon fuel cell 100, a high temperature type fuel cell 150, and the direct carbon fuel cell 100 to increase the efficiency of the fuel cell. And a filter 121 connected to the high temperature type fuel cell 150.

본 발명의 일 실시예에 따른 직접탄소 연료전지(100)는 탄소를 직접 연료로 이용하여 탄소가 가진 화학에너지를 전기화학적 에너지로 변환시키는 장치로, 기존의 연료전지와는 다르게 카르노 사이클 효율에 제한되지 않는다.The direct carbon fuel cell 100 according to an embodiment of the present invention converts carbon chemical energy into electrochemical energy by using carbon directly as a fuel. Unlike the conventional fuel cell, It does not.

예시적으로 본 발명의 일 실시예에 이용될 수 있는 직접탄소 연료전지(100)는 연료 공급장치, 연료 공급장치에서 탄소 연료를 공급받는 연료극(101), 산소를 공급받는 공기극(cathode)(103), 연료극(anode)(101)과 공기극(cathode)(103)을 분리하는 다공성 분리막 및 전해질(105)로 구성되어질 수 있으며, 상기 구성을 하나의 단위셀로 하여 여러개의 단위셀을 적층한 스택(stack)형태의 직접탄소 연료전지를 이용할 수도 있다.Illustratively, the direct carbon fuel cell 100, which may be used in an embodiment of the present invention, includes a fuel supply device, a fuel electrode 101 that receives carbon fuel in the fuel supply device, a cathode 103 A porous separator for separating the anode 101 and the cathode 103 from each other and an electrolyte 105. The stack may be formed by stacking a plurality of unit cells using the above- a direct carbon fuel cell in the form of a stack may be used.

상기 직접탄소 연료전지(100)의 연료 공급장치를 통해 연료극(101)으로 공급되어지는 연료는 탄소, 석탄, 코크스, 우드, 바이오 매스 및 바이오 연료 등 다양한 탄소 함유 고체 연료를 단독으로 혹은 조합하여 사용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 연료 공급 방식 또한 기존의 회분식(batch process) 방법 및 연속식(continuous process) 방법 모두 적용 가능하다.The fuel supplied to the fuel electrode 101 through the fuel supply device of the direct carbon fuel cell 100 may be used alone or in combination with various carbon-containing solid fuels such as carbon, coal, coke, wood, biomass, and biofuel But the fuel supply method is applicable to both the conventional batch process method and the continuous process method.

상기 직접탄소 연료전지(100)의 전해질(105)로 이용될 수 있는 물질은 수산화 나트륨, 수산화 칼륨, 수산화 리튬, 및 이들의 조합과 같은 용융 수산화물, 용융 탄산염 및 고체 산화물이 포함될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.Materials that may be utilized as the electrolyte 105 of the direct carbon fuel cell 100 include molten hydroxides, molten carbonate and solid oxides such as sodium hydroxide, potassium hydroxide, lithium hydroxide, and combinations thereof, It is not.

상기 직접탄소 연료전지(100)는 600℃ 내지 900℃의 조건에서 조업되는 것이 바람직하며, 700℃ 내지 800℃에서 조업되는 것이 더욱 바람직하다.The direct carbon fuel cell 100 is preferably operated at a temperature of 600 ° C to 900 ° C and more preferably at a temperature of 700 ° C to 800 ° C.

본 발명의 일 실시예에 따른 고온형 연료전지(150)는 용융탄산염 연료전지(MCFC, molten carbonate fuel cell)와 고체산화물 연료전지(SOFC, solid oxide fuel cell)에서 선택되어질 수 있다.The high temperature type fuel cell 150 according to an embodiment of the present invention may be selected from a molten carbonate fuel cell (MCFC) and a solid oxide fuel cell (SOFC).

본 발명의 일 실시예에 따른 고온형 연료전지(150)로 이용될 수 있는 상기 용융탄산염 연료전지(MCFC, molten carbonate fuel cell)는 다공성의 니켈, 니켈-알루미늄 합금, 니켈-크롬 합금 및 니켈-알루미늄-크롬 합금 및 카본 봉으로 이루어진 군에서 선택된 연료극(151)과 니켈옥사이드(NiO) 공기극(153)을 전극 재료로 사용할 수 있다.The molten carbonate fuel cell (MCFC), which can be used as the high-temperature type fuel cell 150 according to an embodiment of the present invention, is made of a porous nickel, a nickel-aluminum alloy, a nickel- A fuel electrode 151 and a nickel oxide (NiO) air electrode 153 selected from the group consisting of an aluminum-chromium alloy and a carbon rod can be used as an electrode material.

상기 용융탄산염 연료전지(MCFC, molten carbonate fuel cell)의 전해질(155)로는 용융 탄산염이 사용될 수 있으며, 특히 Li2CO3와 K2CO3을 전해질을 사용하는 것이 바람직하다.As the electrolyte 155 of the molten carbonate fuel cell (MCFC), a molten carbonate may be used, and Li2CO3 and K2CO3 are preferably used as an electrolyte.

상기 용융탄산염 연료전지는 550℃ 내지 800℃에서 조업되는 것이 바람직하며, 600℃ 내지 750℃에서 조업되는 것이 더욱 바람직하다.The molten carbonate fuel cell is preferably operated at 550 ° C to 800 ° C, more preferably at 600 ° C to 750 ° C.

상기 용융탄산염 연료전지의 연료로는 비정질 탄소분말, 미분탄 및 각종 석탄 등의 다양한 탄소원을 파우더 또는 전해질과 섞어 슬러리 형태로 한 연료를 이용할 수 있다. 일반적인 용융탄산염 연료전지는 상기 슬러리 형태의 연료를 개질하여 수소와 이산화탄소를 생성한 후 이를 연료전지의 연료극에 공급하는 외부 개질형과, 상기 슬러리 형태의 연료를 바로 공급하여 연료전지 내부에서 개질시켜 연료극에 공급하는 내부 개질형으로 분류되나, 본 발명에서는 직접탄소 연료전지(DCFC)에서 용융탄산염 연료전지로 공급되는 연료가 수소, 이산화탄소, 일산화탄소의 형태로 공급되기 때문에 별도의 개질기를 구비할 필요가 없다.As the fuel of the molten carbonate fuel cell, various carbon sources such as amorphous carbon powder, pulverized coal and various coal may be mixed with a powder or an electrolyte to form a slurry. A typical molten carbonate fuel cell includes an external reforming type in which the slurry fuel is reformed to generate hydrogen and carbon dioxide and then supplied to the fuel electrode of the fuel cell, However, in the present invention, since the fuel supplied to the molten carbonate fuel cell in the direct carbon fuel cell (DCFC) is supplied in the form of hydrogen, carbon dioxide, and carbon monoxide, there is no need to provide a separate reformer .

본 발명의 일 실시예에 따른 또 다른 고온형 연료전지(151)로 이용될 수 있는 고체산화물 연료전지(SOFC, solid oxide fuel cell)는 원통형, 평판형 중 한 가지 스택의 구조를 사용할 수 있으며, 조업온도는 900℃ 내지 1100℃가 권장되고, 950℃ 내지 1050℃가 특히 바람직하다.A solid oxide fuel cell (SOFC), which can be used as another high temperature type fuel cell 151 according to an embodiment of the present invention, can use one stack structure of a cylinder type or a flat type, The operating temperature is preferably 900 ° C to 1100 ° C, and particularly preferably 950 ° C to 1050 ° C.

상기 고체산화물 연료전지의 연료극으로는 일반적으로 니켈옥사이드(NiO)와 이트리아 안정화된 지르코니아(YSZ)가 혼합된 서메트인 NiO/YSZ cermet가 사용되며, Cu-YSZ cermet, 사마륨(Sm) 도핑된 산화세륨(CeO2)도 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. As a fuel electrode of the solid oxide fuel cell, a cermet NiO / YSZ cermet mixed with nickel oxide (NiO) and yttria-stabilized zirconia (YSZ) is generally used, and Cu-YSZ cermet, samarium (Sm) Cerium oxide (CeO2) may also be used, but is not limited thereto.

상기 고체산화물 연료전지의 공기극으로는 perovskite 구조의 스트론튬(Sr) 도핑된 란탄 망가나이트(LSM)가 사용될 수 있고, 스트론튬(Sr) 및 철(Fe) 도핑된 LaCoO3도 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.As the cathode of the solid oxide fuel cell, strontium (Sr) -doped lanthanum manganite (LSM) of perovskite structure may be used, and strontium (Sr) and iron (Fe) -doped LaCoO 3 may also be used, no.

상기 고체산화물 연료전지의 전해질로는 이트리아 안정화된 지르코니아(YSZ), 가돌리늄 도핑된 세리아(GDC) 등이 이용될 수 있고, 이에 한정되는 것은 아니다.As the electrolyte of the solid oxide fuel cell, yttria-stabilized zirconia (YSZ), gadolinium-doped ceria (GDC), or the like may be used, but the present invention is not limited thereto.

본 발명의 일 실시예에 따른 필터(121)는 직접탄소 연료전지(DCFC)의 배출구에 연결되어 석탄 등의 고체 연료는 직접탄소 연료전지(DCFC) 내부에 존재하도록 하고, 기체 연료만 통과시킨다. 필터(121)를 통과한 기체 연료는 고온형 연료전지의 연료극으로 주입되어 2차 발전을 이루므로 직접탄소 연료전지 시스템의 발전 효율을 증가시킬 수 있다. The filter 121 according to an embodiment of the present invention is connected to the outlet of the direct carbon fuel cell (DCFC) so that the solid fuel such as coal exists directly in the carbon fuel cell (DCFC) and passes only the gaseous fuel. The gaseous fuel that has passed through the filter 121 is injected into the fuel electrode of the high-temperature type fuel cell to generate the secondary power, thereby directly increasing the power generation efficiency of the carbon fuel cell system.

이 때, 필터(121)는 고체와 기체를 분리할 수 있는 기능을 가지고, 직접탄소 연료전지의 조업온도에 영향을 받지 않는 물질로 구성된다면 종류에 구애되지 않고 사용 가능하다.At this time, the filter 121 has a function of separating solid and gas, and can be used regardless of the type if it is made of a substance which is not affected by the operating temperature of the direct carbon fuel cell.

본 발명의 일 실시예에 따른 상기 직접탄소 연료전지 시스템(10)은 상기 직접탄소 연료전지 및 고온형 연료전지에서 발생하는 폐열을 이용하는 장치를 추가로 더 포함할 수 있다. 예시로, 발생된 폐열을 회수하여 원료를 미리 히팅 시키는 pre-heating 장치, 폐열을 이용해 터빈을 돌려 발전을 하는 열병합발전 장치, 온수 발생 장치 및 난방 장치로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.The direct carbon fuel cell system 10 according to an embodiment of the present invention may further include an apparatus using waste heat generated in the direct carbon fuel cell and the high temperature type fuel cell. For example, it can be selected from the group consisting of a pre-heating device for recovering the generated waste heat to preheat the raw material, a cogeneration device for generating power by rotating the turbine using waste heat, a hot water generator, and a heating device.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 직접탄소 연료전지 시스템에 관한 것이다. 2 is a direct carbon fuel cell system in accordance with an embodiment of the present invention.

본 발명의 일 실시예에 따른 직접탄소 연료전지 시스템(20)은 연료전지의 효율을 높이기 위해 직접탄소 연료전지(100) 및 고온형 연료전지(150)를 포함하며, 상기 직접탄소 연료전지와 상기 고온형 연료전지에 연결되어 고체 연료와 기체 연료를 분리할 수 있는 세퍼레이터(123)를 더 포함한다.The direct carbon fuel cell system 20 according to an embodiment of the present invention includes a direct carbon fuel cell 100 and a high temperature type fuel cell 150 to increase the efficiency of the fuel cell, And a separator 123 connected to the high temperature type fuel cell and capable of separating the solid fuel and the gaseous fuel.

본 발명의 일 실시예에 따른 직접탄소 연료전지 및 고온형 연료전지는 도 1의 실시예에서 설명한 직접탄소 연료전지 및 고온형 연료전지와 동일하므로 이하 설명은 생략한다.The direct carbon fuel cell and the high temperature type fuel cell according to an embodiment of the present invention are the same as the direct carbon fuel cell and the high temperature type fuel cell described in the embodiment of FIG.

본 발명의 일 실시예에 따른 직접탄소 연료전지 시스템(20)은 미반응 물질을 최소화하기 위해 직접탄소 연료전지(DCFC)의 연료극(101) 배출구에 연결된 세퍼레이터(123)를 포함한다. The direct carbon fuel cell system 20 according to one embodiment of the present invention includes a separator 123 connected to the anode 101 outlet of a direct carbon fuel cell (DCFC) to minimize unreacted material.

상기 세퍼레이터(123)에 의해 분리된 고체 연료는 리사이클 과정을 통해 직접탄소 연료전지(DCFC)의 연료극(101)으로 돌려보내져 직접탄소 연료전지의 연료로 재이용 되고, 나머지 분리된 기체 연료는 그대로 고온형 연료전지의 연료극(151)으로 보내져 2차로 발전을 이룬다.The solid fuel separated by the separator 123 is directly returned to the fuel electrode 101 of the carbon fuel cell (DCFC) through the recycle process and directly reused as the fuel of the carbon fuel cell, And is sent to the fuel electrode 151 of the fuel cell to generate electricity two times.

본 발명의 일 실시예에 따른 상기 직접탄소 연료전지 시스템(20)은 상기 직접탄소 연료전지 및 고온형 연료전지에서 발생하는 폐열을 이용하는 장치를 추가로 더 포함할 수 있으며, 상기 폐열 이용 장치는 도 1의 실시예에서 설명한 폐열 이용 장치와 동일하므로 이하 설명은 생략한다.The direct carbon fuel cell system 20 according to an embodiment of the present invention may further include an apparatus using waste heat generated in the direct carbon fuel cell and the high temperature type fuel cell, 1, the following description is omitted.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 직접탄소 연료전지 시스템에 관한 것이다.Figure 3 is a direct carbon fuel cell system in accordance with one embodiment of the present invention.

본 발명의 일 실시예에 따른 직접탄소 연료전지 시스템(30)은 직접탄소 연료전지(DCFC)(100), 고온형 연료전지(150) 및 직접탄소 연료전지의 연료극 배출구에 연결된 필터(121), 모니터링 장치(127) 및 컨트롤 장치(129)를 더 포함할 수 있으며, 상기 모니터링 장치(127)와 상기 컨트롤 장치(129)를 통해 고온형 연료전지의 효율을 극대화시킬 수 있다.The direct carbon fuel cell system 30 according to an embodiment of the present invention includes a direct carbon fuel cell (DCFC) 100, a high temperature type fuel cell 150, a filter 121 connected to a fuel electrode outlet of a direct carbon fuel cell, A monitoring device 127 and a control device 129. The efficiency of the high temperature type fuel cell can be maximized through the monitoring device 127 and the control device 129. [

본 발명의 일 실시예에 따른 직접탄소 연료전지 및 고온형 연료전지는 도 1의 실시예에서 설명한 직접탄소 연료전지 및 고온형 연료전지와 동일하므로 이하 설명은 생략한다.The direct carbon fuel cell and the high temperature type fuel cell according to an embodiment of the present invention are the same as the direct carbon fuel cell and the high temperature type fuel cell described in the embodiment of FIG.

상기 모니터링 장치(127)는 고온형 연료전지의 연료극의 가스 농도를 일정하게 유지하기 위하여 가스의 성분 및 농도를 모니터링하며, 상기 컨트롤 장치(129)는 상기 모니터링 장치에서 측정된 상기 가스의 성분 및 농도를 참고로 하여 추가로 부족한 성분의 가스를 주입할 수 있다. The monitoring device 127 monitors the composition and concentration of the gas to keep the gas concentration of the fuel electrode of the high temperature type fuel cell constant, and the control device 129 monitors the composition and concentration of the gas measured by the monitoring device It is possible to inject a gas of a further insufficient component with reference to FIG.

이를 위하여 상기 직접탄소 연료전지 시스템은 상기 컨트롤 장치에 의해 제어되는 H2, CO, CO2 및 H2O에서 선택된 하나 이상의 가스를 저장하는 가스 저장부를 더 포함할 수 있다.To this end, the direct carbon fuel cell system may further comprise a gas reservoir for storing one or more gases selected from H2, CO, CO2 and H2O controlled by the control device.

본 발명의 일 실시예에 따른 상기 직접탄소 연료전지 시스템(30)은 상기 직접탄소 연료전지 및 고온형 연료전지에서 발생하는 폐열을 이용하는 장치를 추가로 더 포함할 수 있으며, 사용될 수 있는 폐열 이용 장치는 도 1의 실시예에서 설명한 폐열 이용 장치와 동일하므로 이하 설명은 생략한다.The direct carbon fuel cell system 30 according to an embodiment of the present invention may further include an apparatus using waste heat generated in the direct carbon fuel cell and the high temperature type fuel cell, Is the same as the waste heat utilization apparatus described in the embodiment of FIG. 1, so that the description thereof will be omitted.

이상에서 본 발명에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 설명하였으나, 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이고 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. In addition, it is a matter of course that various modifications and variations are possible without departing from the scope of the technical idea of the present invention by anyone having ordinary skill in the art.

100 : 직접탄소 연료전지 101 : 연료극
103 : 공기극 105 : 전해질
121 : 필터 123 : 세퍼레이터
127 : 모니터링장치 129 : 컨트롤장치
150 : 고온형 연료전지 151 : 연료극
153 : 공기극 155 : 전해질100: direct carbon fuel cell 101: anode
103: cathode 105: electrolyte
121: Filter 123: Separator
127: Monitoring device 129: Control device
150: High temperature type fuel cell 151: Anode
153: air electrode 155: electrolyte

Claims (20)

연료극(anode), 공기극(cathode) 및 전해질로 구성된 직접탄소 연료전지;와
상기 직접탄소 연료전지에 연결되어 상기 연료극(anode)에서 배출되는 미반응물 및 반응 부산물을 연료로 사용하는 고온형 연료전지를 포함하는 직접탄소 연료전지 시스템
A direct carbon fuel cell composed of an anode, a cathode and an electrolyte;
A direct carbon fuel cell system including a high temperature type fuel cell which is connected to the direct carbon fuel cell and uses unreacted substances discharged from the anode and reaction byproducts as fuel,
청구항 제1항에 있어서,
상기 연료극(anode)의 배출구에 고체 연료를 필터링하는 필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 직접탄소 연료전지 시스템
The method according to claim 1,
Further comprising a filter for filtering the solid fuel at the outlet of the anode (anode)
청구항 제1항에 있어서,
상기 직접탄소 연료전지의 연료는 탄소, 석탄, 우드 및 바이오매스에서 선택되는 것을 특징으로 하는 직접탄소 연료전지 시스템
The method according to claim 1,
Wherein the direct carbon fuel cell fuel is selected from carbon, coal, wood, and biomass.
청구항 제1항에 있어서,
상기 고온형 연료전지는 용융탄산염 연료전지인 것을 특징으로 하는 직접탄소 연료전지 시스템
The method according to claim 1,
Wherein the high temperature type fuel cell is a molten carbonate fuel cell
청구항 제4항에 있어서,
상기 용융탄산염 연료전지의 연료극은 다공성의 니켈, 니켈-알루미늄 합금, 니켈-크롬 합금 및 니켈-알루미늄-크롬 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 직접탄소 연료전지 시스템
The method according to claim 4,
Wherein the fuel electrode of the molten carbonate fuel cell is selected from the group consisting of porous nickel, nickel-aluminum alloy, nickel-chromium alloy and nickel-aluminum-chromium alloy.
청구항 제1항에 있어서,
상기 고온형 연료전지는 고체산화물 연료전지인 것을 특징으로 하는 직접탄소 연료전지 시스템
The method according to claim 1,
Wherein the high temperature type fuel cell is a solid oxide fuel cell.
청구항 제6항에 있어서,
상기 고체산화물 연료전지의 연료극은 니켈 옥사이드(NiO)와 이트리아 안정화된 지르코니아(YSZ)가 혼합된 NiO/YSZ 서메트로 형성된 연료극인 것을 특징으로 하는 직접탄소 연료전지 시스템
The method according to claim 6,
Wherein the anode of the solid oxide fuel cell is a fuel electrode formed of NiO / YSZ tetramethyl mixed with nickel oxide (NiO) and yttria-stabilized zirconia (YSZ)
청구항 제1항에 있어서,
상기 직접탄소 연료전지 또는 상기 고체산화물 연료전지에서 발생하는 폐열을 이용하는 장치를 추가로 더 포함하는 것을 특징으로 하는 직접탄소 연료전지 시스템
The method according to claim 1,
Further comprising a device utilizing waste heat generated in the direct carbon fuel cell or the solid oxide fuel cell
연료극(anode), 공기극(cathode) 및 전해질로 구성된 직접탄소 연료전지;
상기 연료극(anode)의 배출구에 연결된 고체 연료와 기체 연료를 분리하는 세퍼레이터; 및
상기 세퍼레이터를 통과한 기상의 미반응물 빛 반응부산물을 연료로 사용하는 고온형 연료전지를 포함하는 직접탄소 연료전지 시스템
A direct carbon fuel cell composed of an anode, a cathode and an electrolyte;
A separator for separating the solid fuel and the gaseous fuel connected to the outlet of the anode; And
A direct carbon fuel cell system including a high temperature type fuel cell using gaseous unreacted light reaction by-
청구항 제9항에 있어서,
상기 세퍼레이터에서 분리된 상기 고체 연료가 리사이클 되어 다시 상기 직접탄소 연료전지의 원료로 이용되는 것을 특징으로 하는 직접탄소 연료전지 시스템
The method according to claim 9,
Wherein the solid fuel separated from the separator is recycled and used as a raw material for the direct carbon fuel cell.
청구항 제9항에 있어서,
상기 직접탄소 연료전지의 연료는 탄소, 석탄, 우드 및 바이오매스에서 선택되는 것을 특징으로 하는 직접탄소 연료전지 시스템
The method according to claim 9,
Wherein the direct carbon fuel cell fuel is selected from carbon, coal, wood, and biomass.
청구항 제9항에 있어서,
상기 고온형 연료전지는 용융탄산염 연료전지 및 고체산화물 연료전지에서 선택되는 직접탄소 연료전지 시스템
The method according to claim 9,
The high temperature type fuel cell is a direct carbon fuel cell system selected from a molten carbonate fuel cell and a solid oxide fuel cell
청구항 제9항에 있어서,
상기 직접탄소 연료전지 또는 상기 고체산화물 연료전지에서 발생하는 폐열을 이용하는 장치를 추가로 더 포함하는 것을 특징으로 하는 직접탄소 연료전지 시스템
The method according to claim 9,
Further comprising a device utilizing waste heat generated in the direct carbon fuel cell or the solid oxide fuel cell
연료극(anode), 공기극(cathode) 및 전해질로 구성된 직접탄소 연료전지;
상기 연료극(anode)의 배출구에 연결된 고체 연료를 필터링하는 필터;
상기 필터를 통과한 가스의 성분과 농도를 모니터링하는 모니터링 장치; 및
상기 필터를 통과한 가스를 연료로 사용하는 고온형 연료전지를 포함하는 직접탄소 연료전지 시스템
A direct carbon fuel cell composed of an anode, a cathode and an electrolyte;
A filter for filtering the solid fuel connected to the outlet of the anode;
A monitoring device for monitoring the composition and concentration of the gas passing through the filter; And
A direct carbon fuel cell system including a high temperature type fuel cell using gas passing through the filter as fuel
청구항 제14항에 있어서,
상기 필터를 통과한 가스는 H2, CO, CO2 및 H2O에서 선택된 하나 이상의 가스인 것을 특징으로 하는 직접탄소 연료전지 시스템
The method of claim 14,
Wherein the gas passing through the filter is at least one gas selected from H2, CO, CO2 and H2O.
청구항 제14항에 있어서,
상기 모니터링 장치에 연결되어 상기 가스 농도를 조절하기 위해 추가로 가스를 주입할 수 있는 컨트롤 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 직접탄소 연료전지 시스템
The method of claim 14,
Further comprising a control device coupled to the monitoring device and capable of further injecting gas to regulate the gas concentration,
청구항 제16항에 있어서,
상기 컨트롤 장치에 의해 제어되는 H2, CO, CO2 및 H2O에서 선택된 하나 이상의 가스를 저장하는 가스 저장부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 직접탄소 연료전지 시스템
The method of claim 16,
Further comprising a gas reservoir for storing at least one gas selected from H2, CO, CO2 and H2O controlled by said control device
청구항 제14항에 있어서,
상기 직접탄소 연료전지의 연료는 탄소, 석탄, 우드 및 바이오매스에서 선택되는 것을 특징으로 하는 직접탄소 연료전지 시스템
The method of claim 14,
Wherein the direct carbon fuel cell fuel is selected from carbon, coal, wood, and biomass.
청구항 제14항에 있어서,
상기 고온형 연료전지는 용융탄산염 연료전지 및 고체산화물 연료전지에서 선택되는 직접탄소 연료전지 시스템
The method of claim 14,
The high temperature type fuel cell is a direct carbon fuel cell system selected from a molten carbonate fuel cell and a solid oxide fuel cell
청구항 제14항에 있어서,
상기 직접탄소 연료전지 또는 상기 고온형 연료전지에서 발생하는 폐열을 이용하는 장치를 추가로 더 포함하는 것을 특징으로 하는 직접탄소 연료전지 시스템The method of claim 14,
Further comprising a device utilizing waste heat generated in said direct carbon fuel cell or said high temperature type fuel cell
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