KR20170002142A - 고온가스에 의하여 가열되는 고체산화물 연료전지 시스템 - Google Patents

고온가스에 의하여 가열되는 고체산화물 연료전지 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 고온가스에 의하여 가열되는 고체산화물 연료전지 시스템은 고온박스, 상기 고온박스 내부에 배치되는 부품으로 구성되는 부품부, 상기 부품 중 발전을 위하여 고온을 필요로 하는 부품으로 구성되는 고온부, 상기 고온박스의 내부 공간 중 상기 부품부가 차지하는 공간 외의 공간인 공간부 및 상기 고온부를 포함하는 상기 부품부에 고온가스를 공급하는 열원을 포함한다. 상기 고온가스는 부품부를 통하여 상기 고온부를 가열하고, 상기 가열에 의하여 온도가 작동온도까지 상승되거나 작동온도가 유지된다.
이에 의하면, 고온박스 내부 전체 아닌 고온박스 내부의 부품을 가열하고 단열함으로써, 고온박스의 가열 부피가 감소되고, 시스템의 열효율이 증가되는 고온가스에 의하여 가열되는 고체산화물 연료전지 시스템을 제공할 수 있다.

Description

고온가스에 의하여 가열되는 고체산화물 연료전지 시스템{SOLID OXIDE FUEL CELL SYSTEM HEATED BY HIGH TEMPERATURE GAS}
본 발명은 고온가스에 의하여 가열되는 고체산화물 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고온가스에 의하여 고체산화물 연료전지 시스템의 고온박스 내부 전체가 아닌 고온박스 내부의 부품을 가열함으로써, 고온박스의 가열 부피가 감소되고, 시스템의 열효율이 증가되는 고온가스에 의하여 가열되는 고체산화물 연료전지 시스템에 관한 것이다.
우리가 현재 사용하고 있는 전기에너지는 주로 화력발전 및 원자력 발전에 의하고 얻어지고 있으며, 그 외에 소량의 전기에너지가 수력 및 기타 발전에 의하여 얻어지고 있다.
화력발전은 석탄 등의 화석 연료를 연소시키는 것이므로, 화력발전에 의하는 경우 다량의 이산화탄소가 필연적으로 발생되고, 그 외에 일산화탄소, 황산화물 또는 질소산화물 등의 공해물질이 대기 중에 배출되게 된다.
또한, 원자력의 발전의 경우에도 원자력 사용 후에 생성되는 방사능 폐기물을 안전하게 저장 또는 처리하여야 하고, 이를 위하여 많은 비용과 수고를 들여야 하므로, 환경오염 측면에서 화력발전의 경우와 크게 다르지 않는 상황이다.
이러한 상황에서, 환경오염 또는 지구 온난화 등의 문제를 해결하기 위하여 다양한 신재생에너지(Renewable Energy)를 활용한 CO2 절감 및 에너지 효율향상 기술 개발을 통한 환경 보호가 범국가적으로 추진되고 있는 실정이다.
특히, 2012년부터 시행된 신재생에너지 공급의무화제도(RPS)는 일정규모 이상의 발전사업자에게 총 발전량 중 일정량 이상을 신재생에너지 전력으로 공급하도록 의무화하는 제로도서, 연료전지 발전 시스템에 높은 가중치를 주어 보급의 활성화가 추진되고 있다.
연료전지란 연료가 가지고 있는 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 장치로서, 일반적으로 천연가스, 메탄올, 가솔린 등의 연료를 개질하여 얻은 개질가스 중의 수소와 공기 중의 산소를 스택(stack)의 연료극(anode)과 공기극(cathode)에서 전기화학 반응시켜 전기를 생산하는 발전시스템을 말한다.
이 때 각 극에서의 반응식과 총 반응식은 다음과 같다.
연료극(anode) : 2H2 + 2O2 - → 2H2O + 4e-
공기극(cathode) : O2 + 4e- → 2O2 -
총 반응식 : 2H2 + O2 → 2H2O
즉, 궁극적으로 연료전지는 수소를 연료로 사용하며 물 외의 다른 부산물이 없으므로 매우 친환경적이라는 장점이 있다.
또한, 연료전지는 비교적 단순한 에너지 변환과정에 의하여 화학에너지로부터 전기에너지를 얻을 수 있으므로 매우 고효율적인 발전방법이라는 장점을 가진다.
연료전지에는 전해질 및 전극의 종류에 따라 고분자 전해질 연료전지(PEMFC), 직접 메탄올 연료전지(DMFC), 인산형 연료전지(PAFC), 용융탄산염 연료전지(MCFC), 고체산화물 연료전지(SOFC), 알칼리형 연료전지(AFC) 등이 있으며, 최근에는 상대적으로 개질기 부분이 단순화될 수 있고, 일산화탄소에 대한 피독 등의 문제가 없어 다양한 연료가 사용되어질 수 있으며, 고온에서 운전되기 때문에 고가의 촉매 의존도가 다른 연료전지에 비하여 낮은 고체산화물 연료전지가 주목 받고 있다.
한편, 고체산화물 연료전지의 경우 상기한 바와 같이 매우 고온에서 운전되며, 특히 고체산화물 연료전지의 고온박스(hot box)는 발전을 위하여 매우 높은 온도로 가열되어야 한다.
이에, 종래에는 고온박스의 온도를 시스템의 작동온도까지 상승시키거나 그 작동온도를 유지하기 위하여 고온박스 내부 전체를 가열하는 방법이 일반적으로 사용되어 왔다.
그러나, 고온박스 내부 전체를 가열하는 경우, 고온을 필요로 하지 않는 고온박스 내부의 빈 공간까지도 가열하여야 하므로, 가열 시 많은 열이 필요할 뿐만 아니라, 가열 시 고온박스의 온도 상승 속도가 느리며, 그 결과 시스템 전체의 효율이 떨어지는 문제가 있었다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 고온가스에 의하여 고체산화물 연료전지 시스템의 고온박스 내부 전체 아닌 고온박스 내부의 부품을 가열함으로써, 고온박스의 가열 부피가 감소되고, 시스템의 열효율이 증가되는 고온가스에 의하여 가열되는 고체산화물 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.
전술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 고온가스에 의하여 가열되는 고체산화물 연료전지 시스템은 고온박스; 상기 고온박스 내부에 배치되는 부품으로 구성되는 부품부; 상기 부품 중 발전을 위하여 고온을 필요로 하는 부품으로 구성되는 고온부; 상기 고온박스의 내부 공간 중 상기 부품부가 차지하는 공간 외의 공간인 공간부; 및 상기 고온부를 포함하는 상기 부품부에 고온가스를 공급하는 열원; 을 포함하며, 상기 고온가스는 부품부를 통하여 상기 고온부를 가열하고, 상기 가열에 의하여 온도가 작동온도까지 상승되거나 작동온도가 유지되는 것을 특징으로 한다.
상기 열원은 상기 상기 고온박스 내부에 배치되는 버너이고, 상기 고온가스는 상기 버너의 연소가스일 수 있다.
상기 열원은 상기 고온박스 외부에 배치되는 전기히터이고, 상기 고온가스는 상기 전기히터에 의한 고온의 공기일 수 있다.
상기 공간부에는 단열재가 배치되며, 상기 단열재에 의하여 상기 부품부와 상기 고온박스 사이가 단열되는 것일 수 있다.
상기 단열재는 상기 부품부의 형상에 대응되도록 가공된 단열재 또는 분말 형태의 단열재일 수 있다.
상기 고온부는 열교환형 개질기를 포함하며, 상기 열교환형 개질기는 상기 고온가스에 의하여 가열되는 것일 수 있다.
상기 고온부는 스택을 포함하고, 상기 스택에 공급되는 연료 또는 수증기는 상기 부품부에서 상기 고온가스와의 열 교환에 의하여 가열되며, 상기 스택은 상기 열 교환한 연료 또는 수증기에 의하여 가열되는 것일 수 있다.
상기 부품부는 열교환형 개질기를 포함하고, 상기 고온가스는 상기 열교환형 개질기에 공급되며, 상기 연료 또는 수증기는 상기 열교환형 개질기에 의하여 거쳐 가열되는 것일 수 있다.
상기 고온부는 스택을 포함하고, 상기 스택에 공급되는 공기는 상기 부품부에서 상기 고온가스와의 열 교환에 의하여 가열되며, 상기 스택은 상기 열 교환한 공기에 의하여 가열되는 것일 수 있다.
상기 부품부는 공기 예열기를 포함할 수 있다.
상기 부품부는 상기 스택의 연료극 배출가스 냉각기를 더 포함하고, 상기 공기는 순차적으로 상기 연료극 배출가스 냉각기 및 상기 공기 예열기를 거쳐 가열되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고온가스에 의하여 가열되는 고체산화물 연료전지 시스템에 의하면, 고온가스에 의하여 고체산화물 연료전지 시스템의 고온박스 내부 전체 아닌 고온박스 내부의 부품을 가열함으로써, 고온박스의 가열 부피가 감소되고, 시스템의 열효율이 증가되는 고온가스에 의하여 가열되는 고체산화물 연료전지 시스템을 제공할 수 있다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 고온가스에 의하여 가열되는 고체산화물 연료전지 시스템의 개념도이다.
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 고온가스에 의하여 가열되는 고체산화물 연료전지 시스템의 고온박스 내에서의 열 전달 상태를 보인 도면이다.
상기와 같은 본 발명의 특징들에 대한 이해를 돕기 위하여, 이하 첨부도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 고온가스에 의하여 가열되는 고체산화물 연료전지 시스템에 대하여 보다 상세하게 설명하도록 한다.
이하, 설명되는 실시예들은 본 발명의 기술적인 특징을 이해시키기에 가장 적합한 실시예들을 기초로 하여 설명될 것이며, 설명되는 실시예들에 의해 본 발명의 기술적인 특징이 제한되는 것이 아니라, 이하 설명되는 실시예들과 같이 본 발명이 구현될 수 있다는 것을 예시하는 것이다. 따라서, 본 발명은 아래 설명된 실시예들을 통해 본 발명의 기술 범위 내에서 다양한 변형 실시가 가능하며, 이러한 변형 실시예는 본 발명의 기술 범위 내에 속한다 할 것이다. 그리고, 이하 설명되는 실시예의 이해를 돕기 위하여 첨부된 도면에 기재된 부호에 있어서, 각 실시예에서 동일한 작용을 하게 되는 구성요소 중 관련된 구성요소는 동일 또는 연장 선상의 숫자로 표기하였다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 고온가스에 의하여 가열되는 고체산화물 연료전지 시스템의 개념도이다.
도 1 을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 고온가스에 의하여 가열되는 고체산화물 연료전지 시스템은 고온박스(100), 부품부(200), 고온부(210), 공간부(110) 및 열원(300)을 포함한다.
상기 고온박스(100)는 일반적으로 연료전지 시스템에 적용되는 부품 중 고온에서 운전되는 부품의 작동 온도 유지를 위한 단열을 제공하고, 열 손실을 최소화하여 시스템 효율을 향상시킨다.
상기 부품부(200)는 고온박스 내부에 배치되는 부품으로 구성된다.
상기 고온부(210)는 상기 부품부의 부품 중 발전을 위하여 고온을 필요로 하는 부품으로 구성된다.
상기 공간부(110)는 상기 고온박스(100)의 내부 공간 중 상기 부품부(200)가 차지하는 공간 외의 공간을 의미한다.
상기 열원(300)은 상기 고온부(210)를 포함하는 상기 부품부(200)에 고온가스를 공급한다.
상기 열원(300)은 상기 고온부(210)를 포함하는 상기 부품부(200)에만 고온가스를 공급하며, 상기 공간부(110)에는 상기 고온가스가 공급되지 않는다.
상기 고온가스의 공급에 의하여, 발전을 위하여 고온을 필요로 하는 상기 고온부(210)가 가열될 수 있다.
또한, 상기 가열에 의하여 본 발명에 따른 고온가스에 의하여 가열되는 고체산화물 연료전지 시스템의 온도가 작동온도까지 상승되거나 작동온도가 유지될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 열원(300)은 상기 고온박스(100) 내부에 배치되는 버너일 수 있으며, 상기 고온가스는 상기 버너의 연소가스일 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 상기 열원(300)은 상기 고온박스(100) 외부에 배치되는 전기히터일 수 있고, 상기 고온가스는 상기 전기히터에 의한 고온의 공기일 수 있다.
본 발명에 따른 고온가스에 의하여 가열되는 고체산화물 연료전지 시스템에 의하면, 상기 고온가스는 상기 부품부(200)에만 공급되게 되며, 상기 부품부(200)에의 공급을 통하여 상기 고온부(210)만을 직접 또는 간접적으로 가열하게 된다.
즉, 상기 고온가스는 상기 고온박스(100)의 내부 전체 또는 상기 공간부(110)를 직접 또는 간접적으로 가열하는 것이 아니며, 상기 고온부(210)만을 직접 또는 간접적으로 가열하게 된다.
상기 직접 가열이란 상기 고온부가 상기 고온가스와 직접 열 교환하여 가열되는 것을 의미하며, 상기 간접 가열이란 상기 고온부가 상기 고온가스와 열 교환한 열 매체에 의하여 가열되는 것을 의미한다.
상기 열 매체는 의도된 열 매체에 한하며, 상기 의도된 열 매체는 발전을 위하여 스택(220)에 공급되는 연료, 수증기 또는 공기일 수 있고, 이에 대하여는 후술하도록 한다.
상기 공간부(110)에는 단열재(미도시)가 배치될 수 있으며, 상기 단열재(미도시)에 의하여 상기 부품부(200)와 상기 고온박스(100)가 단열될 수 있다.
상기 단열재(미도시)는 상기 부품부(200)의 형상에 대응되도록 가공되는 단열재일 수 있다.
즉, 상기 단열재(미도시)는 상기 부품부(200)의 외면 및 상기 고온박스(100)의 내면과 맞닿을 수 있는 형상으로 가공되어 상기 공간부(110)를 메우는 것 일 수 있다.
또한, 상기 단열재(미도시)는 분말 형태의 단열재일 수 있으며, 상기 공간부(110)는 상기 분말 형태의 단열재에 의하여 메워지는 것일 수 있다.
상기 고온부(210)를 직접 또는 간접적으로 가열하는 경우에는, 상기 고온박스(100) 내부 전체를 가열하는 경우와 비교하여, 고온가스에 의한 가열 부피가 감소되어 연료전지 시스템의 열효율이 증가될 수 있다.
또한, 상기 공간부(110)에 단열재가 배치되는 경우에는, 상기 부품부(200)의 각 부품이 부품별 독립된 온도분포를 가지는 경우에 있어 각 부품별 온도제어가 용이한 효과가 있으며, 열복사 등에 의하여 상기 부품부(200) 외부 즉, 상기 공간부(110)에 열이 방출되는 것이 방지되어 열효율이 증가될 수 있다.
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 고온가스에 의하여 가열되는 고체산화물 연료전지 시스템의 고온박스 내에서의 열 전달 상태를 보인 도면이다.
도 2 를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 부품부(200)는 스택(220), 열교환형 개질기(230) 또는 각종 열교환기를 포함할 수 있다.
또한, 상기 부품부(200)는 상기 스택(220), 열교환형 개질기(230) 또는 각종 열교환기에 공급되는 기체의 이동통로인 각종 배관을 포함할 수 있다.
상기 열교환기는 열교환형 개질기(230), 공기 예열기(240) 또는 연료극 배출가스 냉각기(270)를 포함할 수 있다.
상기 배관은 연소가스 배관(cp), 연료/수증기 배관(fsp), 공기 배관(ap), 연료극 배출가스 배관(aop), 공기극 배출가스 배관(cop), 연소용 연료 배관(cfp) 또는 연소용 공기 배관(cap)을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고온부(210)는 상기 스택(220)을 포함할 수 있으며, 상기 스택(220)에 공급되기 위한 수소를 개질하는 경우에 있어 상기 열교환형 개질기(230)를 포함할 수 있다.
이하, 고온가스에 의한 상기 열교환형 개질기(230)의 가열 및 상기 스택(220)을 가열하기 위한 열 매체(연료, 공기 또는 수증기)의 가열에 대하여 설명하도록 한다.
한편, 상기 고온부(210)의 온도가 본 발명에 따른 시스템 소정의 작동온도에 도달하기 전에는 상기 열 매체는 상기 스택(220)의 온도를 상승시키기 위한 것에 해당하나, 상기 작동온도에 도달한 후에는 상기 열 매체는 상기 스택(220)의 온도 유지 및 상기 스택(220)에서의 발전에 이용되는 것임을 밝혀두도록 한다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 열원(300)은 고온부(210)를 포함하는 부품부(200)에 고온가스를 공급하고, 상기 고온가스는 상기 부품부(200)를 통하여 상기 고온부(210)를 가열한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 열원(300)는 버너(310) 또는 전기히터(미도시)일 수 있으며, 상기 버너(310) 또는 상기 전기히터(미도시)는 각각 고온박스(100) 내부 또는 외부에 배치될 수 있다.
상기 열원(300)이 버너(310)인 경우, 상기 버너(310)는 스택(220)에서의 배출가스 또는 별도의 연소용 연료 및 연소용 공기를 공급받아 연소가스를 발생시키는 것일 수 있다.
상기 열원이 전기히터(미도시)인 경우, 상기 전기히터(미도시)는 고온의 공기를 발생시키는 것일 수 있다.
이하, 상기 열원이 상기 버너(310)인 실시예에 대하여 설명하나, 상기 버너(310)에서의 연소와 관련된 내용을 제외하고는 상기 버너(310)의 연소가스는 전기히터(미도시)의 고온의 공기도 포함하는 것으로 본다.
발생된 상기 연소가스는 제 1 연소가스 배관(cp1)을 따라 상기 열교환형 개질기(230)에 최초로 공급될 수 있다.
상기 열교환형 개질기(230)에 공급된 상기 연소가스는 상기 고온박스(100) 내부에서 가장 고온의 상태에 있게 된다.
상기 열교환형 개질기(230)에 공급된 상기 연소가스는 상기 열교환형 개질기(230)를 가열하게 된다.
또한, 상기 열교환형 개질기(230)에서 상기 연소가스는 상기 스택(220)을 가열하기 위한 열매체인 연료 또는 수증기와 열 교환하게 된다.
열교환형 개질기(230)에서의 상기 열 교환에 의하여, 상기 연료 또는 수증기는 가열되게 되고 상기 연소가스의 온도는 보다 낮아지게 된다.
상기 열교환형 개질기(230)에서 열교환한 상기 연소가스는 제 2 연소가스 배관(cp2)를 따라 상기 공기 예열기(240)에 공급될 수 있다.
상기 공기 예열기(240)에 공급된 상기 연소가스는 스택(220)을 가열하기 위한 열매체인 공기와 열 교환하게 된다.
공기 예열기(240)에서의 상기 열 교환에 의하여, 상기 공기는 가열되게 되고 상기 연소가스의 온도는 보다 낮아지게 된다.
상기 공기 예열기(240)에서 열 교환한 상기 연소가스는 제 3 연소가스 배관(cp3)을 따라 상기 고온박스(100) 외부로 배출될 수 있다.
요컨대, 상기 버너(310)의 연소가스는 상기 열교환형 개질기(230) 및 상기 공기 예열기(240)에 순차적으로 공급될 수 있다.
상기 연소가스의 공급에 의하여, 상기 열교환형 개질기(230)가 가열되며, 상기 스택(220)을 가열하기 위한 열 매체인 연료, 공기 또는 수증기가 가열되게 된다.
상기 연소가스의 온도는 상기 열교환형 개질기(230) 및 상기 공기 예열기(240)를 거치며 점차 낮아지게 된다.
이하, 상기 스택(220) 특히, 상기 스택(220)의 연료극(222)의 가열에 대하여 설명하도록 한다.
상기 스택(220)은 상기 연소가스와 열 교환한 열 매체인 연료 또는 수증기에 의하여 가열될 수 있다.
상기 연료는 천연가스(NG), 액화천연가스(LNG), 액화석유가스(LPG) 또는 디젤 등 수소 또는 탄화수소 계열의 다양한 연료일 수 있다.
상기 고온박스(100) 내로 공급되는 연료는 별도의 공급장치(미도시)에 의하여 수증기를 포함할 수 있으며, 상기 고온박스(100)에 공급되는 연료에 포함되는 상기 수증기는 물의 상태일 수 있다.
상기 고온박스(100) 내로 공급되는 연료는 제 1 연료/수증기 배관(fsp1)을 따라 상기 열교환형 개질기(230)에 공급될 수 있다.
상기 열교환형 개질기(230)에 공급된 연료는 상기 열교환형 개질기(230)에서 상기 버너의 연소가스와 열 교환함으로써 가열된다.
상기 수증기가 물의 상태인 경우, 상기 물은 상기 가열에 의하여 상기 수증기로 상변화할 수 있다.
상기 가열된 연료는 제 2 연료/수증기 배관(fsp2)을 따라 상기 스택(220)의 연료극(222)에 공급될 수 있다.
상기 가열된 연료의 공급에 의하여 상기 스택(220), 특히 상기 스택(220)의 연료극(222)이 가열될 수 있다.
한편, 상기 고온부(210)의 온도가 본 발명에 따른 시스템 소정의 작동온도에 도달한 경우에는, 열교환형 개질기(230)에 공급된 연료는 상기 연소가스와 열 교환함으로써 가열되는 것 외에, 상기 열교환형 개질기(230)에 의하여 수소가스로 개질되며, 상기 수소가스는 고온의 상태로 존재하게 된다.
상기 수소가스는 제 2 연료/수증기 배관(fsp2)을 따라 상기 스택(220)의 연료극(222)에 공급될 수 있다.
상기 수소가스의 공급에 의하여 상기 스택(220), 특히 상기 스택(220)의 연료극(222)은 본 발명에 따른 시스템의 작동온도를 유지할 수 있다.
또한, 상기 수소가스는 상기 스택(220)에서의 발전에도 이용되게 된다.
상기 스택(220)은 일반적으로 직렬 또는 병렬 연결되는 다수개의 단전지(Single Cell)로 이루어지며, 상기 단전지는 다공성의 연료극(222) 및 공기극(224)과 그 사이에 배치되는 치밀한 구조의 전해질(223)로 구성된다.
상기 스택(220)의 연료극(222)에 공급되는 수소가스에 포함되는 수소(H2)는 상기 공기극(224)으로부터 이온 전도체인 상기 전해질(223)을 통하여 전도된 산소이온(O2-)과 반응한다.
상기 반응에 의하여 전자, 물(H2O) 및 열이 방출되며, 상기 전자는 외부 회로(미도시)를 통하여 양극으로 이동하는 과정에서 전기적 일을 실행하게 되는 것이다.
상기 반응은 열을 방출시키는 발열반응이므로, 상기 스택(220), 특히 상기 스택(220)의 연료극(222)은 더욱 용이하게 상기 작동온도를 유지할 수 있다.
상기 반응 후 상기 연료극(222)으로부터 배출되는 가스, 즉 연료극 배출가스는 제 1 및 제 2 연료극 배출가스 배관(aop1, aop2)을 따라 버너(310)에 공급되어 상기 버너(310)의 연소를 위한 연료로 이용될 수 있다.
한편, 상기 반응은 열을 방출시키는 발열반응이므로, 상기 연료극 배출가스는 상기 연료극(222)에 공급되는 수소가스 보다 다소 높은 온도로 배출되게 된다.
또한, 상기 반응을 물(H2O)을 방출시키는 반응이므로, 상기 연료극 배출가스에는 다량의 수증기가 포함되게 된다.
상기 다량의 수증기는 상기 연료극 배출가스가 상기 버너(310)의 연료로 이용되기에 적합하지 않을 수 있다.
그 이유는, 상기 수증기에 의하여 상기 버너(310)의 연소에 의한 온도 증가가 한정적일 수 있으며, 특히 상기 버너(310)가 촉매버너인 경우에 상기 수증기가 촉매에 심각한 손상을 줄 수 있기 때문이다.
따라서 상기 수증기를 제거한 후에 상기 연료극 배출가스를 상기 버너(310)의 연소를 위한 연료로 이용하는 것이 바람직하다.
상기 수증기는 다양한 방법에 의하여 제거될 수 있으나, 열의 회수에 의한 열의 이용 측면에서 상기 연료극 배출가스의 온도를 낮추어 상기 수증기를 응축 제거함이 바람직하다.
상기한 바와 같이, 연료극 배출가스의 열을 회수하여 이용하고 상기 연료극 배출가스의 온도를 낮추기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 부품부(200)는 연료극 배출가스의 열을 고온박스(100)에 공급되는 공기에 전달하는 연료극 배출가스 냉각기(270)를 더 포함할 수 있다.
연료극 배출가스 냉각기(270)를 더 포함하는 경우, 상기 연료극 배출가스는 제 1 연료극 배출가스 배관(aop1)을 따라 상기 연료극 배출가스 냉각기(270)에 공급될 수 있다.
상기 연료극 배출가스 냉각기(270)에 공급된 상기 연료극 배출가스는 제 1 공기 배관(ap1)을 따라 고온박스(100)에 공급되는 공기와 열 교환함으로써 온도가 보다 낮아질 수 있다.
보다 냉각된 상기 연료극 배출가스는 제 2 연료극 배출가스 배관(aop2)을 따라 상기 버너(310)로 이동하면서 고온박스(100) 외부에 배치되는 열교환기(미도시)를 거칠 수 있다.
고온박스(100) 외부에 배치되는 상기 열교환기(미도시)에 의하여 상기 연료극 배출가스는 더욱 냉각될 수 있으며, 상기 열교환기(미도시)에 의하여 회수된 상기 연료극 배출가스의 열은 난방 또는 온수 공급 등에 이용될 수 있다.
상기 고온박스(100) 외부를 지나는 상기 제 2 연료극 배출가스 배관(aop2)에는 응축기(미도시)가 배치될 수 있으며, 온도 저하에 의하여 응축된 물은 상기 응축기(미도시)에서 상기 연료극 배출가스로부터 분리 배출될 수 있다.
이에 의하여, 상기 연료극 배출가스에 포함되는 다량의 수증기는 제거될 수 있으며, 상기 연료극 배출가스는 보다 효과적으로 상기 버너(310)의 연소를 위한 연료로 이용될 수 있다.
이하, 상기 스택(220) 특히, 상기 스택(220)의 공기극(224)의 가열에 대하여 설명하도록 한다.
상기 스택(220)은 상기 연소가스와 열 교환한 열 매체인 공기에 의하여 가열될 수 있다.
상기 공기는 공기 배관(ap1, apa2, ap3)을 따라 상기 스택(220)에 공급될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 부품부(200)는 공기 예열기(240)를 포함할 수 있다.
상기 공기 예열기(240)를 포함하는 경우, 상기 공기는 제 1 및 제 2 공기 배관(ap1, ap2)을 따라 상기 공기 예열기(240)에 공급될 수 있다.
상기 공기 예열기(240)에 공급된 공기는 연소가스와 열 교환함으로써 가열될 수 있다.
상기 공기의 보다 효율적인 가열를 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 부품부(200)는 상기한 바와 같이 연료극 배출가스 냉각기(270)를 더 포함할 수 있다.
상기 연료극 배출가스 냉각기(270)를 더 포함하는 경우, 상기 공기는 제 1 공기 배관(ap1)을 따라 상기 연료극 배출가스 냉각기(270)에 공급될 수 있다.
상기 연료극 배출가스 냉각기(270)에 공급된 공기는 상기 연료극 배출가스와 열 교환함으로써 가열될 수 있다.
상기 연료극 배출가스와 열 교환한 공기는 제 2 공기 배관(ap2)을 따라 상기 공기 예열기(240)에 공급될 수 있으며, 상기한 바와 같이, 상기 공기 예열기(240)에서 상기 연소가스와 열 교환함으로써 더욱 가열될 수 있다.
이때, 상기 연료극 배출가스 냉각기(270)에서의 가열은 상기 공기예열기(240)에서의 가열에 대하여 보조적일 수 있다.
실험적으로, 상기 공기 예열기(240)에서의 연소가스의 온도가 상기 연료극 배출가스 냉각기(270)에서의 연료극 배출가스의 온도 보다 높게 측정된다.
따라서, 상기 공기는 순차적으로 연료극 배출가스 냉각기(270) 및 공기 예열기(240)를 지나는 것이 바람직할 수 있다.
상기 공기 예열기(240), 또는 상기 연료극 배출가스 냉각기(270) 및 상기 공기 예열기(240)에서 가열된 공기는 제 3 공기 배관(ap3)을 따라 상기 스택(220)의 공기극(224)에 공급될 수 있다.
이에 의하여, 상기 스택(220), 특히 상기 스택(220)의 공기극(224)이 가열될 수 있다.
한편, 상기 고온부(210)의 온도가 본 발명에 따른 시스템 소정의 작동온도에 도달한 경우에는, 상기 스택(220)의 공기극(224)에 공급된 공기는 상기 스택(220), 특히 상기 스택(220)의 공기극(224)의 작동온도 유지 및 상기 스택(220)에서의 발전에 이용되게 된다.
상기 공기가 발전에 이용되는 경우, 상기 공기극(224)에 공급된 공기 내에 포함된 산소는 상기 공기극(224)과 상기 연료극(222)의 전기화학반응에 의하여 산소이온(O2-)으로 환원된다.
상기 산소이온(O2 -)은 이온 전도체인 전해질(223)을 통하여 상기 연료극(222)으로 전도되며, 상기 전도된 상기 산소이온(O2 -)은 상기 연료극(224)의 수소(H2)와 반응함으로써 발전이 이루어지게 된다.
한편, 상기 스택(220)에 공급되어 상기 공기극(413)의 가열 또는 상기 스택(220)에서의 발전에 이용된 공기는 공기극 배출가스 배관(cop1)을 따라 버너(310)에 공급되어 상기 버너의 연소에 이용될 수 있다.
본 발명에 따른 열원(300)이 버너(310)인 경우, 상기 버너(310)는 상기 스택(220)의 연료극(222) 및 공기극(224)에서의 배출가스, 즉 상기 스택(220)에서의 배출가스 외에 별도의 연소용 연료 및 연소용 공기를 공급받아 연소가스를 발생시키는 것일 수 있다.
상기 연소용 연료 및 상기 연소용 공기는 특히 본 발명에 따른 시스템의 온도를 작동온도까지 상승시키는 경우에 있어 상기 버너(310)의 연소의 위한 발화 및 연소에 사용될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 시스템의 온도가 작동온도까지 상승한 이후에도, 본 발명에 따른 시스템은 상기 연소용 연료 및 상기 연소용 공기의 공급에 의하여 더욱 다량 또는 고온의 연소가스를 발생시키는 것일 수 있다.
이는, 계절, 낮과 밤 또는 지역 등에 따라 본 발명에 따른 시스템 외부의 온도는 변하게 되며, 외부의 온도에 따라 고온박스(100)에 공급되는 열매체인 연료, 공기 또는 물의 온도가 변할 수 있기 때문이다.
상기 연소용 연료 및 연소용 공기가 상기 버너(310)에 공급되는 경우, 연소용 연료 배관(cfp1) 및 연소용 공기 배관(cap1)을 따라 각각 상기 연소용 연료 및 연소용 공기가 상기 버너(310)에 공급될 수 있다.
상기 연소용 연료 및 연소용 공기의 공급에 의하여 상기 버너(310)는 더욱 다량 또는 고온의 연소가스를 발생시킬 수 있다.
100 : 고온박스
110 : 공간부
200 : 부품부
210 : 고온부
300 : 열원

Claims (11)

  1. 고온박스;
    상기 고온박스 내부에 배치되는 부품으로 구성되는 부품부;
    상기 부품 중 발전을 위하여 고온을 필요로 하는 부품으로 구성되는 고온부;
    상기 고온박스의 내부 공간 중 상기 부품부가 차지하는 공간 외의 공간인 공간부; 및
    상기 고온부를 포함하는 상기 부품부에 고온가스를 공급하는 열원;
    을 포함하며,
    상기 고온가스는 부품부를 통하여 상기 고온부를 가열하고,
    상기 가열에 의하여 온도가 작동온도까지 상승되거나 작동온도가 유지되는 고체산화물 연료전지 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 열원은 상기 고온박스 내부에 배치되는 버너이고,
    상기 고온가스는 상기 버너의 연소가스인 고체산화물 연료전지 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 열원은 상기 고온박스 외부에 배치되는 전기히터이고,
    상기 고온가스는 상기 전기히터에 의한 고온의 공기인 고체산화물 연료전지 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 공간부에는 단열재가 배치되며,
    상기 단열재에 의하여 상기 부품부의 부품과 부품 사이 또는 상기 부품부와 상기 고온박스 사이, 또는 상기 부품부의 부품과 부품사이 및 상기 부품부와 상기 고온박스 사이가 단열되는 고체산화물 연료전지 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 단열재는 상기 부품부의 형상에 대응되도록 가공된 단열재 또는 분말 형태의 단열재인 고체산화물 연료전지 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 고온부는 열교환형 개질기를 포함하며,
    상기 열교환형 개질기는 상기 고온가스에 의하여 가열되는 고체산화물 연료전지 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 고온부는 스택을 포함하고,
    상기 스택에 공급되는 연료 또는 수증기는 상기 부품부에서 상기 고온가스와의 열 교환에 의하여 가열되며,
    상기 스택은 상기 열 교환한 연료 또는 수증기에 의하여 가열되는 고체산화물 연료전지 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 부품부는 열교환형 개질기를 포함하고,
    상기 고온가스는 상기 열교환형 개질기에 공급되며,
    상기 연료 또는 수증기는 상기 열교환형 개질기에 의하여 가열되는 고체산화물 연료전지 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 고온부는 스택을 포함하고,
    상기 스택에 공급되는 공기는 상기 부품부에서 상기 고온가스와의 열 교환에 의하여 가열되며,
    상기 스택은 상기 열 교환한 공기에 의하여 가열되는 고체산화물 연료전지 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 부품부는 공기 예열기를 포함하는 고체산화물 연료전지 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 부품부는 상기 스택의 연료극 배출가스 냉각기를 더 포함하고,
    상기 공기는 순차적으로 상기 연료극 배출가스 냉각기 및 상기 공기 예열기를 거쳐 가열되는 고체산화물 연료전지 시스템.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019066207A1 (ko) * 2017-09-28 2019-04-04 주식회사 경동나비엔 이중 구조의 연료전지 박스 및 이를 이용한 연료전지 시스템
KR20190076665A (ko) * 2017-12-22 2019-07-02 포스코에너지 주식회사 연료전지 하이브리드 시스템
KR20200096342A (ko) 2019-02-01 2020-08-12 한양대학교 산학협력단 고체산화물 연료전지 및 이의 제조방법

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5870320B2 (ja) * 2013-04-11 2016-02-24 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 燃料電池システム
JP5783501B2 (ja) * 2014-05-15 2015-09-24 Toto株式会社 固体酸化物形燃料電池装置

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019066207A1 (ko) * 2017-09-28 2019-04-04 주식회사 경동나비엔 이중 구조의 연료전지 박스 및 이를 이용한 연료전지 시스템
KR20190036996A (ko) * 2017-09-28 2019-04-05 주식회사 경동나비엔 이중 구조의 연료전지 박스 및 이를 이용한 연료전지 시스템
KR20190076665A (ko) * 2017-12-22 2019-07-02 포스코에너지 주식회사 연료전지 하이브리드 시스템
KR20200096342A (ko) 2019-02-01 2020-08-12 한양대학교 산학협력단 고체산화물 연료전지 및 이의 제조방법

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