KR20220042015A - Ammonia-based fuel cell system with continuous operation - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 암모니아를 연료전지의 연료로 사용하여 연료전지 모드, 수전해 모드, 또는 연료전지 및 수전해 모드에서 동작할 수 있는 암모니아 기반 양방향 연료전지 시스템에 관한 것이다. The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly, to an ammonia-based bidirectional fuel cell system that can be operated in a fuel cell mode, a water electrolysis mode, or a fuel cell and a water electrolysis mode using ammonia as a fuel for a fuel cell. it's about
최근 태양광이나 풍력과 같은 재생에너지를 이용한 발전 시스템에 대한 연구가 진행되고 있으며 특히 재생 에너지 발전설비로부터 전력수요량 이상의 여유전력이 발생하면 수전해 장치를 사용하여 수소를 생산하여 저장해 두었다가 발전량이 적을 경우 저장된 수소를 이용하여 연료전지에서 전력을 생산 및 공급할 수 있는 재생형(양방향) 연료전지 시스템이 연구되고 있다. Recently, research on power generation systems using renewable energy such as solar power or wind power is being conducted. In particular, when excess power is generated from renewable energy power generation facilities beyond the power demand, hydrogen is produced and stored using a water electrolysis device, and the amount of power generation is low. A regenerative (bidirectional) fuel cell system capable of producing and supplying electric power from a fuel cell using stored hydrogen is being researched.
종래 일반적인 양방향 연료전지 시스템은 수소를 이용하여 전기를 생산하거나 수소를 생성하여 저장한다. 수소는 무게대비 매우 높은 에너지 밀도를 가지고 있지만 부피대비 낮은 에너지 저장밀도를 갖기 때문에 적절한 방법으로 저장하여 부피대비 에너지 밀도를 높일 필요성이 제기된다. Conventional general bidirectional fuel cell systems generate electricity using hydrogen or generate and store hydrogen. Although hydrogen has a very high energy density to weight ratio, since it has a low energy storage density to volume ratio, it is necessary to store it in an appropriate way to increase the energy density to volume ratio.
이러한 이유로 최근 수소를 대신하여 암모니아를 사용하는 연료전지 시스템이 연구되고 있다. 암모니아는 액화가 용이하여 경제적인 수소 저장 및 공급 방법을 제공할 수 있다. 그러나 암모니아를 연료로 하여 연료전지를 구동할 경우 연료전지 배출가스에 질소가 포함되어 있는데 이 배출가스를 다시 재순환하여 연료전지에 넣을 경우 연료전지 구동이 원활하지 않게 되어 배출가스 재순환이 용이하지 않는 등 여러 문제가 있어 아직까지 효율적인 암모니아 기반의 연료전지 시스템이 제안되지 않고 있는 실정이다. For this reason, recently, a fuel cell system using ammonia instead of hydrogen has been studied. Ammonia can be easily liquefied, providing an economical method for storing and supplying hydrogen. However, when driving a fuel cell using ammonia as a fuel, nitrogen is contained in the fuel cell exhaust gas, and if this exhaust gas is recirculated and put into the fuel cell, the fuel cell operation is not smooth and the exhaust gas recirculation is not easy. Due to several problems, an efficient ammonia-based fuel cell system has not yet been proposed.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 암모니아를 연료로 하며 연료전지 모드와 수전해 모드 중 적어도 하나의 모드에서 연속운전이 가능한 암모니아 기반 연료전지 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide an ammonia-based fuel cell system that uses ammonia as a fuel and is capable of continuous operation in at least one of a fuel cell mode and a water electrolysis mode.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 연료전지 시스템으로서, 연료극, 공기극 및 그 사이에 개재된 전해질로 구성되며 연료전지 모드에서 동작 가능한 연료전지; 및 상기 연료전지의 연료극에서 배출되는 제1 배출가스로 상기 연료전지의 연료인 암모니아를 가열하는 제1 열교환기;를 포함하고, 제1 열교환기를 통과한 제1 배출가스 중의 수소를 상기 연료극으로 재공급하도록 구성된 연료전지 시스템을 제공한다. According to one embodiment of the present invention, there is provided a fuel cell system, comprising: a fuel cell comprising an anode, an air electrode, and an electrolyte interposed therebetween and operable in a fuel cell mode; and a first heat exchanger configured to heat ammonia, which is a fuel of the fuel cell, with the first exhaust gas discharged from the anode of the fuel cell, wherein hydrogen in the first exhaust gas that has passed through the first heat exchanger is recycled to the anode. A fuel cell system configured to supply is provided.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 연료전지 시스템으로서, 연료극, 공기극 및 그 사이에 개재된 전해질로 구성되며 수전해 모드에서 동작 가능한 연료전지; 상기 연료전지의 연료극에서 배출되는 제1 배출가스로 상기 연료전지의 연료인 암모니아를 가열하는 제1 열교환기; 및 제1 열교환기를 통과한 제1 배출가스 중의 수소 및 외부로부터 공급받는 질소를 이용하여 암모니아를 생성하는 암모니아 합성장치;를 포함하는 연료전지 시스템을 제공한다. According to an embodiment of the present invention, there is provided a fuel cell system, comprising: a fuel cell comprising an anode, an air electrode, and an electrolyte interposed therebetween and operable in a water electrolysis mode; a first heat exchanger for heating ammonia, which is a fuel of the fuel cell, with a first exhaust gas discharged from the anode of the fuel cell; and an ammonia synthesizing device for generating ammonia using hydrogen in the first exhaust gas that has passed through the first heat exchanger and nitrogen supplied from the outside; provides a fuel cell system including a.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 암모니아를 연료로 하며 연료전지 모드와 수전해 모드 중 적어도 하나의 모드에서 동작가능한 암모니아 기반 연료전지 시스템을 제공할 수 있다. 본 발명의 연료전지 시스템은 양방향 연료전지 시스템으로 사용될 수 있으며 연료전지 모드에서 암모니아를 연료로 사용하여 전기를 생산하고 수전해 모드에서는 암모니아를 다시 생성하여 암모니아 저장부에 저장할 수 있으므로 연료전지 모드와 수전해 모드에서 연속적으로 동작할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, it is possible to provide an ammonia-based fuel cell system that uses ammonia as a fuel and is operable in at least one of a fuel cell mode and a water electrolysis mode. The fuel cell system of the present invention can be used as a bidirectional fuel cell system, and in the fuel cell mode, ammonia is used as a fuel to produce electricity, and in the water electrolysis mode, ammonia can be regenerated and stored in the ammonia storage unit. It can operate continuously in solution mode.
또한 본 발명의 연료전지 시스템은 연료전지 모드 동작시 연료극 배출가스의 수소를 추출하여 연료전지로 재공급하며 수전해 모드 동작시 연료극 배출가스의 수소를 추출하여 암모니아 합성에 사용하므로 연료전지 모드와 수전해 모드 중 어느 모드에서 동작하더라도 배출가스 중의 수소를 버리지 않고 재사용함으로써 효율적인 시스템 운전을 할 수 있다. In addition, the fuel cell system of the present invention extracts hydrogen from the anode exhaust gas during fuel cell mode operation and supplies it back to the fuel cell, and during water electrolysis mode operation, extracts hydrogen from the anode exhaust gas and uses it for ammonia synthesis. Efficient system operation is possible by reusing hydrogen in exhaust gas without throwing away even if it operates in any mode of the solution mode.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템을 설명하기 위한 도면,
도2는 일 실시예의 연료전지 시스템의 연료전지 모드를 설명하기 위한 도면,
도3은 일 실시예의 연료전지 시스템의 수전해 모드를 설명하기 위한 도면이다.1 is a view for explaining a fuel cell system according to an embodiment of the present invention;
2 is a view for explaining a fuel cell mode of a fuel cell system according to an embodiment;
3 is a view for explaining a water electrolysis mode of a fuel cell system according to an embodiment.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.The above objects, other objects, features and advantages of the present invention will be easily understood through the following preferred embodiments in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. Rather, the embodiments introduced herein are provided so that the disclosed subject matter may be thorough and complete, and that the spirit of the present invention may be sufficiently conveyed to those skilled in the art.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "~를 포함한다", "~로 구성된다", 및/또는 "~로 이루어진다"라는 표현은 이 표현에 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.In this specification, the singular also includes the plural unless specifically stated otherwise in the phrase. As used herein, the expressions “comprises”, “consists of”, and/or “consists of” do not exclude the presence or addition of one or more other components other than those recited in the expression. .
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다. 아래의 특정 실시예를 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는 데 있어 혼돈을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다. Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In describing the specific embodiments below, various specific contents have been prepared to more specifically explain and help understanding of the invention. However, readers with enough knowledge in this field to understand the present invention It can be recognized that it can be used without specific content. In some cases, it is mentioned in advance that parts which are commonly known in describing the invention and which are not largely related to the invention are not described in order to avoid confusion in describing the present invention.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템을 설명하기 위한 도면이다. 1 is a view for explaining a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
도면을 참조하면, 일 실시예에 따른 연료전지 시스템은 암모니아 저장부(10), 연료전지(20), 복수개의 열교환기(31~35), 물 배출부(40), 암모니아 합성장치(60), 터빈(70), 가스 추출부(80), 및 이 구성요소들 사이를 연결하는 다수의 유로, 블로워, 및 펌프 등으로 구성될 수 있다. Referring to the drawings, the fuel cell system according to an embodiment includes an
암모니아 저장부(10)는 연료전지(20)의 연료가 되는 암모니아(NH3)를 저장한다. 일 실시예에서 저장부(10)는 암모니아를 액체 상태로 저장할 수 있으며 예를 들어 10 bar 이상의 고압 상태로 암모니아 액체를 저장할 수 있다. The
연료전지(20)는 연료극, 공기극 및 그 사이에 개재된 전해질로 구성되며 연료전지 모드와 수전해 모드 중 적어도 하나의 모드에서 동작할 수 있다. 연료전지(20)는 연료전지 모드에서 암모니아와 산소의 화학반응에 의해 전기와 물을 생성하고 수전해 모드에서 스팀과 전기에 의해 수소와 산소를 생성할 수 있다. 일 실시예에서 연료전지(20)는 연료전지 모드와 수전해 모드 모두에서 동작가능한 양방향 수전해 연료전지이다. 대안적 실시예에서 연료전지(20)는 양방향이 아닌 단방향 연료전지일 수 있고 이 경우 연료전지(20)는 연료전지 모드에서만 동작하거나 수전해 모드에서만 동작할 수 있다. The
도시한 실시예에서 암모니아는 암모니아 저장부(10)로부터 공급유로(L1)을 통해 연료전지(20)로 공급된다. 연료전지(20)로 공급되는 암모니아는 제1 열교환기(31)에서 기화되어 연료전지(20)의 연료극(21)으로 공급될 수 있다. 제1 열교환기(31)는 연료전지(20)의 연료극(21)에서 배출되는 배출가스와 연료전지(20)의 연료극(21)으로 공급되는 암모니아 사이에 열교환이 일어나도록 구성된다. In the illustrated embodiment, ammonia is supplied from the
대안적 실시예에서 연료전지 시스템은 제2 열교환기(32)를 더 포함할 수 있다. 제2 열교환기(32,32')는 암모니아를 연료전지(20))로 공급하는 공급경로(L1) 상에서 제1 열교환기(31)의 상류측에 배치되며 연료전지의 연료극 배출가스로 암모니아를 기화시킬 수 있다. 도면에서 제2 열교환기가 2개(32,32')인 것처럼 도시하였지만 이는 도면을 간략히 표현하기 위한 것이며, 제2 열교환기(32,32')가 연료극 배출가스와 공급유로(L1)의 암모니아 사이의 열교환을 하는 하나의 구성요소로 구현될 수 있음을 이해할 것이다. In an alternative embodiment, the fuel cell system may further include a
대안적 실시예에서 연료전지 시스템은 터빈(70)을 더 포함할 수 있다. 터빈(70)은 공급경로(L1) 상에서 제1 열교환기(31)와 제2 열교환기(32) 사이에 배치될 수 있고, 제2 열교환기(32)에서 기화된 고압의 암모니아 가스의 에너지를 이용하여 터빈(70)에서 역학적 일을 생성할 수 있다.In an alternative embodiment, the fuel cell system may further include a
스팀은 공급유로(L4,L5)를 통해 연료전지(20)에 공급된다. 예를 들어 펌프(91)에 의해 외부로부터 물을 공급받고 이 물을 가열하여 스팀을 생성한 후 공급유로(L5,L1)를 통해 스팀을 연료전지(20)로 공급할 수 있다. 이 때 물을 기화시키기 위해 도시한 실시예와 같이 암모니아 합성장치(60)를 사용한다. 즉 암모니아 합성장치(60)에서 발생하는 고온의 열에너지를 이용하여 물을 기화시킬 수 있다. 대안적 실시예에서 연료전지 시스템(20)은 시스템 내 다른 열원을 이용하여 물을 스팀으로 기화시킬 수도 있다. Steam is supplied to the
연료전지 시스템이 수전해 모드에서 동작할 경우 많은 양의 물(스팀)이 필요하기 때문에, 일 실시예에서 연료전지 시스템은 공급유로(L4,L5) 외에 시스템 외부로부터 물이나 스팀을 공급받는 추가 공급유로를 더 포함할 수 있다. 도시한 실시예의 경우 연료전지 시스템은 제1 내지 제3 추가 공급유로(L11,L12,L13)를 더 포함하며 필요에 따라 제1 내지 제3 추가 공급유로(L11,L12,L13) 중 적어도 하나를 이용하여 스팀을 연료전지(20)로 추가로 공급할 수 있다. Since a large amount of water (steam) is required when the fuel cell system operates in the water electrolysis mode, in one embodiment, the fuel cell system receives additional supply of water or steam supplied from outside the system in addition to the supply passages L4 and L5. It may include more Euros. In the case of the illustrated embodiment, the fuel cell system further includes first to third additional supply passages L11, L12, and L13, and if necessary, at least one of the first to third additional supply passages L11, L12, and L13. Steam may be additionally supplied to the
연료전지(20)의 연료극(21)에서 배출되는 연료극 배출가스는 배출유로(L2)를 따라 이송되어 제1 열교환기(31), 제2 열교환기(32), 및 제3 열교환기(33)를 순차적으로 통과한다. 제1 열교환기(31)에서 배출가스는 공급유로(L1)를 통해 연료극(21)으로 공급되는 암모니아에 열에너지를 전달하여 암모니아를 가열하거나 기화시킨다. 제2 열교환기(32)에서도 연료극 배출가스는 암모니아를 가열하거나 기화시킬 수 있다. 제3 열교환기(33)에서 연료극 배출가스는 제2 추가 공급유로(L12)를 통해 외부에서 공급되는 물에 열에너지를 전달하여 물을 가열할 수 있다. The anode exhaust gas discharged from the
일 실시예에서 연료전지 시스템은 재순환 유로(L10) 및 이에 설치된 블로워(93)를 더 포함할 수 있고, 제1 내지 제3 열교환기(31,31,33)를 통과한 연료극 배출가스 중 일부가 재순환 유로(L10)를 통해 연료극(21)으로 재공급된다. 예를 들어 수전해 모드에서 동작하는 경우 연료극(21)에서 수소와 물(스팀)이 연료극 배출가스로서 배출되며 이 배출가스 중 일부를 재순환 유로(L10)로 분기함으로써 배출가스 중의 수소를 연료극(21)으로 재공급할 수 있다. In an embodiment, the fuel cell system may further include a recirculation flow path L10 and a
제1 내지 제3 열교환기(31,32,33)를 통과하며 냉각된 연료극 배출가스는 물 배출부(40)로 이송된다. 물 배출부(40)는 배출가스 중의 물을 분리하여 배출하는 장치이며 예를 들어 응축기, 드레인, 및 응축기를 통과하며 순환하는 냉매의 순환 유로 상에 설치된 펌프, 냉각장치 등으로 구성될 수 있으며 이러한 물 배출부의 구체적 구성은 공지기술이므로 설명을 생략한다. 물 배출부(40)를 통과한 연료극 배출가스는 배출유로(L2)를 따라 이송되어 압축기(50) 및 암모니아 합성장치(60)로 순차적으로 공급될 수 있다. 압축기(50)는 연료극 배출가스를 예컨대 10 bar 내지 20 bar의 압력으로 압축하고 이렇게 압축된 배출가스를 암모니아 합성장치(60)로 공급한다. 다만 상기 압력의 수치는 예시적인 것이며, 본 발명의 구체적 실시 형태에 따라 압력이 달라질 수 있다.The anode exhaust gas cooled while passing through the first to
암모니아 합성장치(60)는 연료극 배출가스를 이용하여 암모니아를 생성할 수 있고, 암모니아 합성장치(60)에서 생성된 암모니아는 유로(L3)를 따라 암모니아 저장부(10)로 이송되어 저장된다. 일 실시예에서 암모니아 합성장치(60)는 수소(H2)와 질소(N2)를 공급받아 이로부터 암모니아(NH3)를 생성하는 하버-보쉬 반응기(Haber-Bosch reactor)일 수 있으나 이에 한정되지 않으며 연료극 배출가스를 이용하여 암모니아를 합성할 수 있는 임의의 합성장치일 수 있다. The
한편 물 배출부(40)에서 배출된 연료극 배출가스는 유로(L6)를 통해 가스 추출부(80)와 연통하도록 구성된다. 가스 추출부(80)는 공급받은 가스에서 질소를 추출할 수 있으며 예컨대 압력전환흡착기(PSA)로 구현될 수 있다. 연료전지 모드에서 가스 추출부(80)는 유로(L6)를 통해 연료극 배출가스를 공급받아 질소와 수소로 분리하며 여기서 분리된 수소를 유로(L7)를 통해 연료극(21)으로 재공급할 수 있다. 수전해 모드에서 가스 추출부(80)는 공기를 공급받아 질소를 분리하고 분리된 질소를 유로(L6)를 통해 연료극 배출유로(L2)로 공급할 수 있다. Meanwhile, the anode exhaust gas discharged from the
일 실시예에서 하나의 가스 추출부(80)가 위와 같이 연료전지 모드와 수전해 모드에서 동작할 수 있다. 대안적 실시예에서 가스 추출부(80)가 서로 상이한 종류의 복수개의 PSA 장치로 구성될 수 있고 각 모드에 따라 어느 하나의 PSA 장치가 동작할 수 있다. 예컨대 가스 추출부(80)를 수소 추출용 PSA 장치와 질소 추출용 PSA 장치 및 이 둘 사이의 유로를 전환하는 밸브 등으로 구성하고 모드 변환에 따라 수소 추출용 PSA 장치와 질소 추출용 PSA 장치가 번갈아 동작하도록 구성할 수도 있다. In one embodiment, one
일 실시예에서 연료전지 시스템은 외부의 공기를 연료전지의 공기극(22)으로 공급하는 공기 공급유로(L9) 및 이 유로에 설치된 하나 이상의 블로워(92) 및 제4 열교환기(34)를 포함한다. 연료전지(20)의 공기극(22)에서 배출되는 공기극 배출가스는 제4 열교환기(34)를 통과하여 배출유로(L8)를 통해 외부로 배출되며, 이 때 제4 열교환기(34)는 공기 공급유로(L9)를 따라 공기극(22)으로 이송되는 공기와 공기극(22)에서 배출되어 배출유로(L8)를 따라 이송되는 공기극 배출가스 사이를 열교환한다. In one embodiment, the fuel cell system includes an air supply passage L9 for supplying external air to the
일 실시예에서 배출유로(L8) 상에서 제4 열교환기(34)의 하류측에 제5 열교환기(35)가 더 설치될 수 있고, 제5 열교환기(35)에서 공기극 배출가스는 제1 추가 공급유로(L11)를 따라 공급되는 물을 가열하여 기화시킬 수 있다. 그 외에도 대안적 실시예에서 제5 열교환기(35)에서 배출되는 열을 추가로 이용할 수 있다. 예컨대, 제4 열교환기(34)에서 공기를 가열한 공기극 배출가스는 제5 열교환기(35) 또는 다른 추가의 열교환기를 통해 연료 공급유로(L1)나 물 공급유로(L4)의 연료나 물을 기화하는데 추가로 사용할 수 있다. In an embodiment, a
이제 도2와 도3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 연료전지 모드와 수전해 모드에서의 동작을 각각 설명하기로 한다. Now, an operation in the fuel cell mode and the water electrolysis mode of the fuel cell system according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 2 and 3 , respectively.
도2는 일 실시예의 연료전지 시스템의 연료전지 모드의 동작 상태를 나타낸다. 도2에서 연료전지 모드에서 사용되는 유로를 굵은 선으로 표시하였다. 2 shows an operation state in a fuel cell mode of a fuel cell system according to an exemplary embodiment. In FIG. 2, a flow path used in the fuel cell mode is indicated by a thick line.
도면을 참조하면, 연료전지 모드에서 연료 공급유로(L1)를 통해 암모니아 가스가 연료전지(20)로 공급된다. 예를 들어 액체 대략 11bar 상태로 저장부(10)에 저장된 액체 암모니아가 공급유로(L1)를 따라 이송되어 제2 열교환기(32)에서 기화될 수 있다. 기화된 고압의 암모니아 가스는 터빈(70)에서 소정의 역학적 에너지를 생성하는데 사용될 수 있고, 터빈(70)을 통과한 암모니아 가스는 제1 열교환기(31)에서 추가 가열된 후 연료전지(20)의 연료극(21)으로 공급될 수 있다. 대안적 실시예에서 터빈(70)과 제2 열교환기(32)가 생략될 수 있고, 이 경우 액체 암모니아는 제1 열교환기(31)에서 기화된 후 연료전지(20)로 공급된다. Referring to the drawings, ammonia gas is supplied to the
한편 공기 공급유로(L9)의 블로워(92)가 동작하여 외부 공기를 연료전지(20)의 공기극(22)으로 공급한다. 공기 공급유로(L9)로 이송되는 공기는 제4 열교환기(34)에서 가열된 후 공기극(22)으로 주입될 수 있다. Meanwhile, the
연료전지 모드에서 연료전지(20)의 연료극(21)은 암모니아 가스와 공기(산소)의 화학반응에 의해 수소, 질소, 및 물(스팀)을 생성하고 이를 배출유로(L2)를 통해 연료극 배출가스로서 배출하며, 공기극(22)에서는 질소 및 반응하지 않은 공기를 배출유로(L8)를 통해 공기극 배출가스로서 배출한다. In the fuel cell mode, the
연료극(21)에서 배출되는 연료극 배출가스는 제1 및 제2 열교환기(31,32)를 순차적으로 통과하며 공급유로(L1)의 암모니아를 가열하고 기화시킨다. 그 후 물 배출부(40)에서 물이 제거되고 이에 따라 연료극 배출가스는 수소와 질소가 주성분이 된다. 연료극 배출가스는 유로(L6)를 따라 가스 추출부(80)로 공급되고, 가스 추출부(80)는 수소와 질소를 분리한다. 분리된 질소는 외부로 배출될 수 있고 분리된 수소는 유로(L7)를 통해 암모니아 공급유로(L1)에 합류할 수 있고 이에 따라 연료극(21)으로 재공급 된다. 따라서 본 발명의 실시예에 의하면, 연료전지 모드에서 연료극 배출가스 중 수소를 추출하여 연료전지(20)로 재공급할 수 있으므로 연료전지(20)에서 반응되지 않고 배출되는 수소를 최소화할 수 있다. The anode exhaust gas discharged from the
도3은 일 실시예의 연료전지 시스템의 수전해 모드의 동작 상태를 나타낸다. 수전해 모드에서 사용되는 유로를 도3에 굵은 선으로 표시하였다. 3 shows an operation state of a water electrolysis mode of a fuel cell system according to an exemplary embodiment. The flow path used in the water electrolysis mode is indicated by a thick line in FIG. 3 .
도면을 참조하면, 수전해 모드에서 물 공급유로(L4)를 통해 물을 시스템 내로 이송하고 이송된 물을 암모니아 합성장치(60)의 열을 이용하여 스팀으로 기화시킨다. 기화된 스팀은 유로(L5)를 따라 공급유로(L1)에 합류한 뒤 연료전지(20)의 연료극(21)으로 공급된다. 이 때 암모니아 저장부(10)와 공급유로(L1) 사이는 밸브 등의 수단에 의해 폐쇄되어 있으므로 스팀만 연료극(21)으로 공급할 수 있다. 수전해 모드에서는 스팀이 많이 필요하므로, 상황에 따라 제1 내지 제3 추가 공급유로(L11,L12,L13)를 통해 스팀을 받을 수도 있다. 또한 공기 공급유로(L9)를 통해 공기를 공기극(22)으로 공급한다. Referring to the drawings, in the water electrolysis mode, water is transferred into the system through the water supply passage L4 and the transferred water is vaporized into steam using the heat of the
연료전지(20)에서 수전해 반응이 일어남에 따라 연료극(21)으로부터 수소와 스팀으로 이루어진 연료극 배출가스가 배출 유로(L2)를 통해 배출되고 공기극(22)으로부터도 공기극 배출가스가 배출 유로(L8)를 통해 배출된다. As the water electrolysis reaction occurs in the
배출유로(L2)로 배출되는 연료극 배출가스는 제1 열교환기(31)와 제3 열교환기(33)를 순차적으로 통과하며 연료전지로 공급될 물 또는 스팀을 가열하고 그 후 물 배출부(40)로 이송된다. 물 배출부(40)로 이송되기 전 연료극 배출가스의 일부가 재순환 유로(L10)로 분기된다. 수전해 모드에서도 연료극(21)에 소량의 수소를 공급할 필요가 있는데, 재순환 유로(L10)를 통해 배출가스 중 일부를 분기하여 재순환함으로써 배출가스 중의 수소를 연료극(21)으로 공급할 수 있으므로 별도의 수소 공급을 하지 않아도 되는 이점이 있다. The anode exhaust gas discharged to the discharge passage L2 sequentially passes through the
연료극 배출가스는 수소와 스팀이 주성분이므로 물 배출부(40)에서 스팀이 응축되어 제거되면 연료극 배출가스는 수소가 주성분인 가스가 되며 그 후 압축기(50)로 공급된다. 한편 공기를 가스 추출부(80)로 공급하여 질소를 추출할 수 있고 추출된 질소가 유로(L6)를 통해 물 배출부(40) 하류측의 배출유로(L2)에 합류하며, 따라서 수소와 질소를 주성분으로 하는 혼합 가스가 압축기(50)에 공급된다. 압축기(50)는 이 혼합 가스를 압축한 후 암모니아 합성장치(60)로 공급하고, 암모니아 합성장치(60)는 공급받은 수소와 질소의 혼합 가스를 이용하여 암모니아를 생성한다. Since the anode exhaust gas is mainly composed of hydrogen and steam, when steam is condensed and removed in the
암모니아 합성장치(60)에서 생성된 암모니아는 유로(L3)를 따라 암모니아 저장부(10)로 공급되어 저장되고, 또한 암모니아 합성장치(60)의 동작시 발생하는 고온의 열을 이용하여 물 공급유로(L4)의 물을 가열하여 기화시킬 수 있다. Ammonia generated in the
이와 같이 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 수전해 모드에서는 연료전지(20)에서 배출되는 연료극 배출가스 중 일부를 재순환시켜 수소를 연료전지로 공급할 수 있어 수소 공급을 위한 별도의 경로를 마련하지 않아도 되는 이점이 있고 연료극 배출가스에서 추출한 수소에 질소를 혼합한 후 암모니아를 생성할 수 있다.As described above, in the water electrolysis mode of the fuel cell system according to the present invention, hydrogen can be supplied to the fuel cell by recirculating some of the anode exhaust gas discharged from the
따라서 본 발명의 연료전지 시스템이 양방향 연료전지 시스템으로 사용되는 경우 연료전지 모드에서 암모니아를 연료로 사용하여 전기를 생산하고 수전해 모드에서는 암모니아를 다시 생성하여 암모니아 저장부(10)에 저장할 수 있으므로 연료전지 모드와 수전해 모드를 번갈아가며 연속적으로 동작할 수 있는 양방향 연료전지 시스템을 구현할 수 있다. Therefore, when the fuel cell system of the present invention is used as a bidirectional fuel cell system, electricity is generated by using ammonia as a fuel in the fuel cell mode, and ammonia can be regenerated and stored in the
또한 수소 재순환 관점에서 볼 때 연료전지 모드 동작시 연료극 배출가스의 수소를 추출하여 연료전지로 재공급하며 수전해 모드 동작시 연료극 배출가스의 수소를 추출하여 암모니아 합성에 사용하므로 연료전지 모드와 수전해 모드 중 어느 모드에서 동작하더라도 배출가스 중의 수소를 버리지 않고 재사용함으로써 효율적인 시스템 운전을 할 수 있다. In addition, from the perspective of hydrogen recirculation, when operating in fuel cell mode, hydrogen from anode exhaust gas is extracted and re-supplied to the fuel cell. During water electrolysis mode, hydrogen from anode exhaust gas is extracted and used for ammonia synthesis. Efficient system operation is possible by reusing hydrogen in exhaust gas without throwing away even if it operates in any of the modes.
이상과 같이 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 명세서의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능함을 이해할 수 있다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다. As described above, those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can understand that various modifications and variations are possible from the description of this specification. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments and should be defined by the claims described below as well as the claims and equivalents.
10: 암모니아 저장부
20: 연료전지
31~35: 열교환기
40: 물 배출부
50: 압축기
60: 암모니아 합성장치
70: 터빈
80: 가스 추출부10: ammonia storage unit 20: fuel cell
31 to 35: heat exchanger 40: water outlet
50: compressor 60: ammonia synthesis device
70: turbine 80: gas extraction unit
Claims (9)
연료극, 공기극 및 그 사이에 개재된 전해질로 구성되며 연료전지 모드에서 동작 가능한 연료전지; 및
상기 연료전지의 연료극으로 공급하는 암모니아를 상기 연료극에서 배출되는 배출가스로 상기 연료전지의 연료인 암모니아를 가열하는 제1 열교환기;를 포함하고,
제1 열교환기를 통과한 배출가스 중의 수소를 상기 연료극으로 재공급하도록 구성된 것인, 연료전지 시스템. A fuel cell system comprising:
a fuel cell comprising an anode, a cathode, and an electrolyte interposed therebetween and capable of operating in a fuel cell mode; and
a first heat exchanger configured to heat ammonia, which is a fuel of the fuel cell, by using ammonia supplied to the anode of the fuel cell as exhaust gas discharged from the anode; and
and re-supply hydrogen in the exhaust gas that has passed through the first heat exchanger to the anode.
제1 열교환기를 통과한 제1 배출가스에서 물을 분리하는 물 배출부; 및
상기 배출가스에서 질소와 수소를 분리하는 가스 추출부;를 더 포함하는 것인, 연료전지 시스템. The method of claim 1,
a water discharge unit for separating water from the first exhaust gas that has passed through the first heat exchanger; and
The fuel cell system further comprising a; gas extraction unit for separating nitrogen and hydrogen from the exhaust gas.
암모니아를 상기 연료전지로 공급하는 공급경로에서 제1 열교환기의 상류측에 배치되며 배출가스로 암모니아를 기화시키는 제2 열교환기; 및
상기 공급경로에서 제1 열교환기와 제2 열교환기 사이에 배치된 터빈;을 더 포함하는 것인, 연료전지 시스템. 3. The method of claim 2,
a second heat exchanger disposed upstream of the first heat exchanger in a supply path for supplying ammonia to the fuel cell and vaporizing ammonia as exhaust gas; and
The fuel cell system of claim 1 , further comprising a turbine disposed between the first heat exchanger and the second heat exchanger in the supply path.
상기 연료전지의 공기극에서 배출되는 배출가스로 상기 연료전지에 공급할 공기를 가열하는 열교환기를 더 포함하는 것인, 연료전지 시스템. The method of claim 1,
The fuel cell system, further comprising a heat exchanger for heating the air to be supplied to the fuel cell with the exhaust gas discharged from the cathode of the fuel cell.
연료극, 공기극 및 그 사이에 개재된 전해질로 구성되며 수전해 모드에서 동작 가능한 연료전지;
상기 연료전지의 연료극으로 공급하는 물을 상기 연료극에서 배출되는 배출가스로 가열하는 제1 열교환기; 및
제1 열교환기를 통과한 배출가스 중의 수소 및 외부로부터 공급받는 질소를 이용하여 암모니아를 생성하는 암모니아 합성장치;를 포함하는 것인, 연료전지 시스템. A fuel cell system comprising:
a fuel cell comprising an anode, a cathode, and an electrolyte interposed therebetween and capable of operating in a water electrolysis mode;
a first heat exchanger for heating water supplied to the anode of the fuel cell with exhaust gas discharged from the anode; and
An ammonia synthesizing device for generating ammonia using hydrogen in the exhaust gas that has passed through the first heat exchanger and nitrogen supplied from the outside; the fuel cell system comprising a.
제1 열교환기를 통과한 배출가스에서 물을 분리하는 물 배출부를 더 포함하는 것인, 연료전지 시스템. 6. The method of claim 5,
The fuel cell system, further comprising a water discharge unit for separating water from the exhaust gas that has passed through the first heat exchanger.
상기 물 배출부와 상기 암모니아 합성장치 사이에 배치된 압축기를 더 포함하고,
상기 압축기에서 상기 배출가스 중의 수소 및 상기 질소를 압축한 후 상기 암모니아 합성장치로 공급하도록 구성된 것인, 연료전지 시스템. 7. The method of claim 6,
Further comprising a compressor disposed between the water discharge unit and the ammonia synthesis device,
The fuel cell system is configured to compress hydrogen and the nitrogen in the exhaust gas in the compressor and then supply it to the ammonia synthesis device.
상기 연료전지가 연료전지 모드에서도 동작 가능하도록 구성되고,
상기 연료전지 시스템이 연료전지 모드에서 동작하는 경우, 상기 암모니아 합성장치에서 생성된 암모니아를 제1 열교환기측으로 공급하도록 구성된 것인, 연료전지 시스템. 6. The method of claim 5,
The fuel cell is configured to be operable even in a fuel cell mode,
and supplying ammonia generated in the ammonia synthesis device to the first heat exchanger side when the fuel cell system operates in the fuel cell mode.
상기 연료전지 시스템이 연료전지 모드에서 동작하는 경우, 제1 열교환기를 통과한 배출가스 중의 수소를 제1 열교환기측으로 공급하고 상기 암모니아 합성장치로 공급하지 않도록 구성된 것인, 연료전지 시스템. 9. The method of claim 8,
When the fuel cell system operates in the fuel cell mode, hydrogen in the exhaust gas that has passed through the first heat exchanger is supplied to the first heat exchanger and is not supplied to the ammonia synthesis device.
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