KR20220057717A - 암모니아 기반 연료전지 시스템 모듈 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 암모니아 연료를 적용한 고체산화물 연료전지 장치는 판상의 방폭 설비와, 상기 방폭 설비의 소정의 전방 영역에 적어도 일부가 노출되도록 매립되며 암모니아를 저장하는 암모니아 저장소와, 상기 암모니아 저장소의 후방에 소정 간격 이격되어 상기 방폭 설비의 상면에 배치되며 상기 암모니아를 기화시키는 기화기 모듈과, 상기 기화기 모듈의 후면에 배치되며 상기 기화된 암모니아를 개질하여 수소 및 질소로 분해하는 개질기 모듈과, 상기 개질기 모듈의 후면에 배치되며 상기 개질기 모듈로부터 상기 수소, 상기 질소 및 미반응 암모니아를 포함하는 혼합 가스를 복수의 파워모듈에 공급하는 연료분배 모듈과, 상기 연료공급분배장치를 둘러싸도록 배치되어 상기 혼합 가스를 상기 연료분배 모듈로부터 공급받는 복수의 파워모듈을 포함한다.
Description
본 발명은 연료전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 암모니아 연료를 적용한 고체산화물 연료전지 시스템 모듈에 관한 것이다.
연료전지는 친환경 전력 공급장치로서 차세대 청정에너지 발전 시스템 중의 하나로 각광 받고 있다. 연료전지 시스템은 연료전지의 셀이 적층하여 형성된 스택 들의 연결된 구조이고, 이들 스택이 전력의 출력을 조절한다. 이러한 연료전지 스택의 출력 조절 기능으로 연료전지 시스템은 전자기기 등에 전력을 공급하기 위한 소형 전원으로서의 용도뿐만 아니라, 이동용 전원, 주택이나 공공건물 등에 전력을 공급하기 위한 발전소 역할로 사용될 수 있다.
연료전지 시스템은 높은 전력을 출력할 수 있는 대용량의 연료전지 시스템을 구성하기 위하여 일반적으로 모듈화하여 그 용량 규모를 변화시킬 수 있으며, 연료전지 시스템 모듈은 연료전지 시스템 각각의 구성부품들을 모듈화하고, 이들을 간단하게 조립하여 하우징화된 장치를 말한다.
이러한 연료전지 시스템 모듈의 출력을 결정하는 요소는 각각의 연료전지 스택에 연료, 및 공기의 공급 원활성이다. 각 스택에서의 연료, 및 공기의 공급이 상이할 경우에는 연료, 및 공기의 공급이 적은 스택에서 뽑아낼 수 있는 최대 전력이 낮아져 전체 연료전지 시스템 모듈의 성능이 떨어지는 문제가 발생 된다.
또한, 여러 개의 스택 중 하나라도 성능에 이상이 발생하는 경우, 그 스택을 편리하고 빠르게 교체하거나 수정해야 할 필요가 있으며, 그리고 연료전지 시스템 모듈은 이동용 전원, 주택이나 공공건물 등에 전력을 공급하기 위한 발전소 역할로 사용될 수 있어 설치 공간의 문제가 발생할 수 있으므로, 연료전지 시스템의 각 구성부품 모듈은 가능한 단순화하는 것이 필요하다.
한편, 종래의 연료전지 시스템 모듈에서는 주로 탄화수소를 원료로 하여 연료전지 시스템 모듈의 작동 시, 이산화탄소 등의 공해 물질 발생 문제점이 있으나, 이러한 문제점을 해결하기 위한 암모니아를 연료로 적용한 고체산화물 연료전지(SOFC) 시스템 모듈은 아직까지 연구가 활발히 진행되지 않아서 설치 모듈에 대한 개발이 진부한 상황이다.
본 발명의 목적은 최대한 적은 공간의 활용이 가능하면서도 단순한 설치 구성을 가짐으로써 유지보수가 용이하며, 빠른 설치 시간 및 저렴한 설치비용으로 적용이 가능한 암모니아 연료용 고체산화물 연료전지 시스템 모듈을 제공함에 있다.
상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 암모니아 연료를 적용한 고체산화물 연료전지 시스템 모듈은,
판상의 방폭 설비;와, 상기 방폭 설비의 소정의 전방 영역에 적어도 일부가 노출되도록 매립되며 암모니아를 저장하는 암모니아 저장소;와, 상기 암모니아 저장소의 후방에 소정 간격 이격되어 상기 방폭 설비의 상면에 배치되며 상기 암모니아를 기화시키는 기화기 모듈;과, 상기 기화기 모듈의 후면에 배치되며 상기 기화된 암모니아를 개질하여 수소 및 질소로 분해하는 개질기 모듈;과, 상기 개질기 모듈의 후면에 배치되며 상기 개질기 모듈로부터 상기 수소, 상기 질소 및 미반응 암모니아를 포함하는 혼합 가스를 복수의 파워모듈에 공급하는 연료분배 모듈;과, 상기 연료공급분배장치를 둘러싸도록 배치되어 상기 혼합 가스를 상기 연료분배 모듈로부터 공급받는 복수의 파워모듈;을 포함한다.
상기 고체산화물 연료전지 시스템 모듈의 기화기 모듈은 공기공급 모듈과 복합화되어 형성되며, 상기 개질기 모듈로부터 분해된 수소를 공급받아 공급받은 수소를 연소시켜 작동온도로 승온시키기 위한 열원을 생성하는 버너 모듈을 더 포함한다.
상기 고체산화물 연료전지 시스템 모듈은, 또한 상기 고체산화물 연료전지 시스템 모듈의 시동 시에 상기 파워모듈에서 배출된 미반응 수소를 발화원료가 되도록 상기 버너 모듈에 공급하며, 상기 장치의 작동 시에 상기 파워모듈로부터 배출된 반응 후의 수증기와 질소의 혼합 가스를 공급받고, 열교환기 모듈을 통해 상기 개질기 모듈 및 공기라인 모듈에 열을 전달하는 연료배기라인 모듈을 더 포함한다.
또한, 상기 기화기 모듈을 통과한 암모니아 가스가 개질기 모듈을 통과하여 개질되고 파워모듈에 공급 되기 전에 개질된 수소 및 미반응 암모니아의 일부가 버너모듈에 공급되어 발화원료가 될 수 있다.
상기 버너 모듈에서 수소와 미반응 암모니아의 연소로 인해 발생된 배출 가스는 수증기와 소량의 NOx 유해가스가 포함될 수 있기 때문에 워터 트랩(Water Trap)을 통해 수분을 제거한 후, 상기 공기라인 모듈에 제공되며, 상기 공기라인 모듈에 공급되는 공기와 혼합되어 상기 파워모듈로 공급되며, 상기 파워모듈로 공급된 배출 가스는 상기 파워모듈의 스택의 전기화학반응으로 NOx 유해가스가 함께 제거되는 것을 특징으로 한다.
상기 고체산화물 연료전지 시스템 모듈은, 상기 버너 모듈 상에 적층되어 배치되어 고온의 공기를 공급하는 공기공급 모듈과;과 상기 공기공급 모듈의 후면에 배치되며 상기 공기공급 모듈에서 공급되는 공기를 전달하는 공기라인 모듈; 그리고 상기 공기라인 모듈의 후면의 상기 연료분배 모듈과 상기 방폭설비 사이에 배치되며, 상기 공기라인 모듈을 통해 전달되는 공기를 둘러싸인 복수의 파월 모듈의 각각의 스택에 공기가 균일한 양으로 공급되도록 분배하는 공기분배 모듈;을 더 포함한다.
상기 고체산화물 연료전지 시스템 모듈은 모듈 사이의 연결 배관이 상기 방폭설비의 내부에 형성되며 암모니아의 이동 경로인 암모니아 라인;과, 공기의 이동 경로인 공기 라인;을 더 포함한다.
상기 파워모듈은, 상기 파워모듈의 하면에 돌출되어 형성된 연료, 및 공기가 유입되거나 유출되는 수형 입출구;와, 상기 파워모듈의 하면에 상기 파워모듈이 이동하도록 형성되는 복수의 바퀴;를 포함한다.
상기 파워모듈은, 또한 2 이상의 층으로 형성되며, 각 층에 형성되는 4각 판상의 매니폴더;와, 상기 매니폴더에 의해 구분되는 층과 층 사이를 관통하는 중앙 배관;과, 상기 매니폴더 상에 상기 중앙 배관을 둘러싸도록 배치되는 적어도 2개의 스택;과, 상기 중앙 배관의 각 층의 영역에서 방사형으로 돌출되어 각 층에 형성된 상기 스택에 연결되어 연결된 스택에 상기 중앙 배관을 통해 공급되는 연료를 공급하는 연료분배배관;과, 상기 매니폴더의 모서리 중 적어도 하나의 모서리 부분에 상층의 매니폴더와 하층의 매니폴더를 연결하여 형성되며, 상기 매니폴더를 통해 복수의 스택 각각의 공기 극 입구에 공급되도록 공기를 공급하는 공기분배배관;과, 상기 매니폴더의 모서리 중 적어도 하나의 모서리 부분에 상층의 매니폴더와 하층의 매니폴더를 연결하여 형성되며, 복수의 스택 각각의 스택 출구에서 매니폴더를 통해 배출되는 배출 가스를 바닥의 배관으로 배출하는 배출연결라인;을 포함한다.
상기 방폭설비는, 상기 방폭설비의 상면에 돌출되어 연료, 및 공기가 유입되거나 유출되는 암형 입출구 및 상기 방폭설비의 상면에 형성되어 상기 바퀴를 통해 상기 파워모듈이 이동하여 상기 수형 입출구가 상기 암형 입출구에 결합되도록 상기 바퀴를 가이드하는 레일;을 포함한다.
본 발명의 암모니아 연료를 적용한 고체산화물 연료전지 시스템 모듈은 암모니아 연료의 특성을 반영하여 최대한 적은 공간의 활용이 가능하면서도 단순한 설치 구성을 가지도록 하여 유지보수가 용이하다.
더욱이, 본 발명은 빠른 설치 시간 및 저렴한 설치비용으로 적용이 가능하기 때문에 매우 경제적이다.
또한, 시동 시의 열원을 탄화수소 계열의 가연성 가스를 사용하지 않기 때문에 온실가스의 발생이 없으며 에너지의 저장 및 사용이 매우 편리하므로 신재생에너지 분야에서 활용도가 매우 클 것으로 예상된다.
도 1은 본 발명의 암모니아 연료 적용 고체산화물 연료전지 시스템 모듈의 상부에서 바라본 구성을 모식적으로 도시한 평면도이다.
도 2는 본 발명의 암모니아 연료 적용 고체산화물 연료전지 시스템 모듈의 좌측면에서 바라본 구성을 모식적으로 도시한 좌측면도이다.
도 3은 본 발명의 암모니아 연료 적용 고체산화물 연료전지 시스템 모듈의 우측면에서 바라본 구성을 모식적으로 도시한 우측면도이다.
도 4는 본 발명의 암모니아 연료 적용 고체산화물 연료전지 시스템 모듈의 전면 및 후면 각각에서 바라본 구성을 모식적으로 도시한 전면도 및 후면도이다.
도 5는 본 발명의 암모니아 연료 적용 고체산화물 연료전지 시스템 모듈의 하부에서 바라본 구성을 모식적으로 도시한 하부면도이다.
도 6은 본 발명의 암모니아 연료 적용 고체산화물 연료전지 시스템 모듈의 첫 번째 세로단면을 모식적으로 도시한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 암모니아 연료 적용 고체산화물 연료전지 시스템 모듈의 두 번째 세로단면을 모식적으로 도시한 단면도이다.
도 8은 본 발명의 암모니아 연료 적용 고체산화물 연료전지 시스템 모듈의 가로 단면을 모식적으로 도시한 단면도이다.
도 9는 본 발명의 암모니아 연료 적용 고체산화물 연료전지 시스템 모듈의 공급 가스 및 전력 라인의 흐름에 따른 구성을 모식적으로 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 시스템 모듈에 파워모듈의 탈부착 장치를 모식적으로 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 시스템 모듈의 파워모듈 내부 구성을 모식적으로 도시한 도면이다.
도 12는 본 발명의 시스템 모듈에서의 Case 1 및 2에 대한 상세한 가스 흐름 경로를 모식적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 암모니아 연료 적용 고체산화물 연료전지 시스템 모듈의 좌측면에서 바라본 구성을 모식적으로 도시한 좌측면도이다.
도 3은 본 발명의 암모니아 연료 적용 고체산화물 연료전지 시스템 모듈의 우측면에서 바라본 구성을 모식적으로 도시한 우측면도이다.
도 4는 본 발명의 암모니아 연료 적용 고체산화물 연료전지 시스템 모듈의 전면 및 후면 각각에서 바라본 구성을 모식적으로 도시한 전면도 및 후면도이다.
도 5는 본 발명의 암모니아 연료 적용 고체산화물 연료전지 시스템 모듈의 하부에서 바라본 구성을 모식적으로 도시한 하부면도이다.
도 6은 본 발명의 암모니아 연료 적용 고체산화물 연료전지 시스템 모듈의 첫 번째 세로단면을 모식적으로 도시한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 암모니아 연료 적용 고체산화물 연료전지 시스템 모듈의 두 번째 세로단면을 모식적으로 도시한 단면도이다.
도 8은 본 발명의 암모니아 연료 적용 고체산화물 연료전지 시스템 모듈의 가로 단면을 모식적으로 도시한 단면도이다.
도 9는 본 발명의 암모니아 연료 적용 고체산화물 연료전지 시스템 모듈의 공급 가스 및 전력 라인의 흐름에 따른 구성을 모식적으로 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 시스템 모듈에 파워모듈의 탈부착 장치를 모식적으로 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 시스템 모듈의 파워모듈 내부 구성을 모식적으로 도시한 도면이다.
도 12는 본 발명의 시스템 모듈에서의 Case 1 및 2에 대한 상세한 가스 흐름 경로를 모식적으로 도시한 것이다.
본 발명의 상세한 설명에 앞서, 이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시예에 불과할 뿐, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음을 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지의 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다.
본 발명의 암모니아 연료 적용 고체산화물 연료전지 시스템 모듈의 구성에 대해서 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 암모니아 연료 적용 고체산화물 연료전지 시스템 모듈의 상부에서 바라본 구성을 모식적으로 도시한 평면도이다.
도 2는 본 발명의 암모니아 연료 적용 고체산화물 연료전지 시스템 모듈의 좌측면에서 바라본 구성을 모식적으로 도시한 좌측면도이다.
도 3은 본 발명의 암모니아 연료 적용 고체산화물 연료전지 시스템 모듈의 우측면에서 바라본 구성을 모식적으로 도시한 우측면도이다.
도 4는 본 발명의 암모니아 연료 적용 고체산화물 연료전지 시스템 모듈의 전면 및 후면 각각에서 바라본 구성을 모식적으로 도시한 전면도 및 후면도이다.
도 5는 본 발명의 암모니아 연료 적용 고체산화물 연료전지 시스템 모듈의 하부에서 바라본 구성을 모식적으로 도시한 하부면도이다.
도 6은 본 발명의 암모니아 연료 적용 고체산화물 연료전지 시스템 모듈의 첫 번째 세로단면을 모식적으로 도시한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 암모니아 연료 적용 고체산화물 연료전지 시스템 모듈의 두 번째 세로단면을 모식적으로 도시한 단면도이다.
도 8은 본 발명의 암모니아 연료 적용 고체산화물 연료전지 시스템 모듈의 가로 단면을 모식적으로 도시한 단면도이다.
도 9는 본 발명의 암모니아 연료 적용 고체산화물 연료전지 시스템 모듈의 공급 가스 및 전력 라인의 흐름에 따른 구성을 모식적으로 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 의 시스템 모듈에 파월 모듈의 탈부착 장치를 모식적으로 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 시스템 모듈의 파워모듈 내부 구성을 모식적으로 도시한 도면이다.
도 12는 본 발명의 시스템 모듈에서의 Case 1 및 2에 대한 상세한 가스 흐름 경로를 모식적으로 도시한 것이다.
도 1 내지 도 10을 참조하면, 본 발명의 암모니아 연료 적용 고체산화물 연료전지 시스템 모듈은 파워모듈(1), 연료분배 모듈(2), 개질기 모듈(3), 열교환기 모듈(4), 공기분배 모듈(5), 공기라인 모듈(6), 버너 모듈(7), 연료배기라인 모듈(8), 공기공급 모듈(9), 전력제어 모듈(10), 퍼지(Purge)가스공급 모듈(11), 기화기 모듈(12), 암모니아 저장소(13), 하부 방폭설비(14), 배가스 라인(15)을 포함한다.
파워모듈(1)은 전력이 생산되는 연료전지 스택이 2 내지 20개가 서로 연결된 구성의 구조를 가지며, 스택은 애노드, 캐소드, 전해질로 이루어진 셀이 여러 장 적층되어 있고 공급된 가스가 연료극 영역만 통과하는 연료 가스 입출구;와 공기극 영역만 통과하는 공기 입출구 관;이 연결되는 형태를 가진다. 상기 스택에는 공기와 암모니아가 개질된 수소, 질소, 미반응 암모니아가 공급되어 고온에서 전기화학 반응으로 전력이 생산되어, 전력제어 모듈(10)의 전력저장장치에 저장된다. 또한, 각각의 파워모듈(1)은 장치의 유지보수가 용이하게 하기 위하여 탈부착이 가능한 구조를 가진다.
상기 파워모듈(1)의 탈부착 장치(AD)가 도 10에 도시되었다. 도 10의 (가)에 도시된 바와 같이, 탈부착 장치(AD)의 바닥에 바퀴(Caster)가 부착되어 있으며 바퀴를 레일 위에 맞물린 후에 기울어진 영역까지 밀어 넣으면 탈부착 장치의 바닥에 돌출된 연료 및 공기 입출구(G1)가 도 10의 (나)에 도시된 바와 같이, 시스템의 윗면에 돌출된 연결라인(L1)과 맞물리게 되며 체결에 의해 연결부가 실링(Sealing)되는 형태를 가지게 된다. 또한, 장치의 장착 후 고정을 위해 걸쇠, 조임틀 등의 고정 장치가 추가 될 수 있다.
이와 같이 파월 모듈(1)은, 파워 모듈(1)의 하면에 돌출되어 형성된 연료 및 공기가 유입되거나 유출되는 수형 입출구(G1);와, 파워 모듈(1)의 하면에 파워 모듈(1)이 이동하도록 형성되는 복수의 바퀴;를 포함한다.
이에 대응하여 하부 방폭 설비(14)는, 상기 방폭 설비(14)의 상면에 돌출되어 형성된 연료와 공기의 유입, 및 유출을 위한 암형 입출구(L1); 및 방폭 설비(14)의 상면에 형성되어 바퀴(W1)를 통한 파워 모듈(1)의 이동으로 수형 입출구(G1)가 암형 입출구(L1)에 결합되도록 바퀴(W1)를 가이드하는 레일(R1);을 포함한다.
도 10의 (다)에 도시된 바와 같이, 파워모듈(1)의 연료 가스 및 공기 입출구(G1)는 횡방향으로 밀어 넣었을 때 4개가 모두 맞물릴 수 있도록 지그재그의 배치를 가지는 특징이 있으며 고온의 가스가 열손실 없이 이동하기 위한 체결부에 단열 커버가 추가될 수 있다.
파워모듈(1)은 도 11에 도시된 바와 같이, 2층 이상의 구조를 가지며, 한 층에 2개 이상의 스택이 배열되며 있으며 연료는 중앙 배관(11-1) 및 연료분배배관(11-1-1)을 통해 동일한 층에서는 방사형 그리고 층과 층 사이는 수직형으로 공급된다.
공기는 배관(11-4)을 통해 층 형태의 매니폴더(11-2)를 지나 각각 스택의 공기극 입구(11-5)로 분배 또는 층간 수직형으로 공급된다. 각각의 스택에서 나오는 배출 가스는 스택 출구(11-6)에서 매니폴더(11-2)를 지나 배출연결라인(11-7)을 통해 바닥의 배관으로 배출된다. 각 구성요소의 형태는 유지하되 대칭적인 배치 방향은 체결 용이성에 따라 변경될 수 있다.
연료분배 모듈(2)은 방사형으로 배치되는 복수의 파워모듈(1)의 중앙부에 위치하여 복수의 파워모듈(1) 각각에 연료인 미반응 암모니아 및 개질된 수소, 질소를 포함하는 혼합 가스가 균일한 양으로 공급되도록 분배시킨다.
개질기 모듈(3)은 기화기 모듈(12)에서 공급된 암모니아 가스를 수소와 질소로 분해하고, 이 분해된 수소와 질소가스가 연료분배 모듈(2)을 거쳐 파워모듈(1)에 공급되어, 파워모듈(1)의 작동 시에 전기화학 반응 효율을 향상시키고 이에 따른 파워모듈(1)의 발전효율을 향상시키거나 파워모듈에 전달하는 연료의 일부를 버너 모듈(7)에 공급하여 연소열로 추가열원을 공급하도록 하기 위한 장치이다.
개질기 모듈(3)에는 효율적인 분해를 위한 촉매 소재가 포함되어 있으며 암모니아 분해 온도 이상의 환경으로 만들어주기 위해 전기 발열체 또는 가열히터를 구비할 수 있다.
개질기 모듈(3)의 열원은 초기에는 전기 발열체 또는 가열 히터 장치로 공급한다.
또한, 개질기 모듈(3)에서 분해된 개질 수소 및 미반응 암모니아 일부는 버너 모듈(7)로 공급되어 버너 모듈(7)이 수소 및 암모니아 연소를 통해 추가 열원으로 사용되도록 하여 고온의 환경에서 작동하는 파워모듈의 작동에 필요한 열원으로 공급한다.
열교환기 모듈(4)은 개질기 모듈(3) 상에 적층되어 형성된다. 열교환기 모듈(4)은, 초기 시동 또는 작동 시의 파워모듈(1)에 작동 온도 유지 및 효율적인 열관리를 위하여 공기라인 모듈(6), 개질기 모듈(3), 연료배기라인 모듈(8)이 복합화되어 있는 구조이며, 내부에 상기 3가지 영역, 즉 공기라인 모듈(6), 개질기 모듈(3), 연료배기라인 모듈(8)이 분리되는 쉘엔튜브 형태의 열교환기 형태에 개질기 챔버가 결합되어 있는 구조이다.
파워모듈(1)의 초기 시동 시, 열교환기 모듈(4)은 개질기 모듈(3)의 외부에 포함되어 있을 수 있는 전기 히터가 파워모듈의 작동 온도 환경으로 도달할 때까지 온도를 상승시키고, 또한 파워모듈(1)의 작동 시에는 파워모듈(1)의 작동 시 스택의 발열에 의해 발생하는 고온의 배출 가스를 상기 연료배기라인 모듈(8)에 공급하여 열원을 순환시켜주기 위한 열교환 장치이다.
공기분배 모듈(5)은 연료분배 모듈(2)의 하부에 형성된다. 이에 따라, 연료분배 모듈(2)과 마찬가지로 복수의 파워모듈(1)이 공기분배 모듈(5)을 둘러싸도록 배치된다. 공기분배 모듈(5)은 둘러싸인 복수의 파워모듈(1)의 각각의 스택에 공기가 균일한 양으로 공급되도록 분배한다.
공기라인 모듈(6)은 열교환기 모듈(4), 개질기 모듈(3), 연료배기라인 모듈(8)과 함께 복합화된 구조를 가진다. 즉, 방폭설비(14) 상에 하부에서 상부로 순차로 연료배기라인 모듈(8), 개질기 모듈(3), 열교환기 모듈(4) 및 공기라인 모듈(6)이 순차로 적층된 형태로 형성된다.
복합화된 공기라인 모듈(6)은, 시동 시의 개질기 모듈(3) 외부에 결합된 전기 히터의 열원과 그리고 작동 시의 연료배기라인 모듈(8)에 공급된 열원의 열순환 효과로 열원을 공급받아 예열된 공기가 파워모듈(1)의 스택으로 공급되도록 하기 위한 장치이다.
버너 모듈(7)은 점화에 필요한 이그나이터가 포함되어 있으며, 암모니아 저장소(13)로부터 공급되는 암모니아의 개질기(3)에 의해 개질로 생산된 수소 및 미반응 암모니아의 일부가 공급되어 발화연료로 사용되어 작동한다.
버너 모듈(7)은, 파워모듈의 시동 시 전기히터에 의해 개질기 모듈(3)에서의 암모니아가 수소로 분해되는 시점 이후에 상기의 개질 수소의 공급으로 수소 연소에 의해 점화되어 열원을 공급하며 암모니아 연료전지인 파워모듈(1)이 작동온도 이하로 감온되지 않도록 파워모듈의 스택 작동온도로 유지시켜 주는 열원으로 사용되는 장치이다.
발화에 필요한 산소는 스택의 공기극 배가스 라인이 연결되어 공급되며, 버너 모듈(7)은 공기공급 모듈(9) 및 기화기 모듈(12)과 함께 복합화되어 발화에 의한 열원을 전달해준다. 즉, 방폭설비(14) 상에 하부에서 상부로 순차로 기화기 모듈(12), 버너 모듈(7) 및 공기공급 모듈(9)이 순차로 적층된 형태로 형성된다.
연료배기라인 모듈(8)은 시스템 시동 시 파워모듈(1)에서 배출된 미반응 수소, 질소, 미반응 암모니아가 흐르고, 파월 모듈(1)의 작동 시에는 반응 후의 수증기와 질소, 미반응 수소의 혼합 가스가 흐르는 라인이다. 또한, 파월 모듈(1)의 작동 시에는 열교환기 모듈(4)을 통해 상기와 같이 복합화되어 있는 개질기 모듈(3), 공기라인 모듈(6)에 열을 전달해주며 파워 모듈(1)의 시동 시에는 버너 모듈(7)로 공급되어 발화원료를 전달해주는 장치이다.
공기공급 모듈(9)은 파워모듈(1)의 스택으로 공기를 공급하기 위한 장치이며, 공기라인 모듈(6)을 통하여 공급되어 시스템 시동 시에는 개질기 모듈(3)의 외부에 결합되어 있는 전기 히터의 열원으로, 그리고 암모니아 개질 반응 시작 이후에는 버너 모듈(7)의 열원을 전달받아 고온의 공기를 공기 분배 모듈(5)을 통해 파워모듈(1)에 공급하게 된다.
전력제어 모듈(10)은, 파워모듈(1)에서 생산된 전력을 제어 및 저장할 수 있는 인버터 장치, 전력저장장치 및 시스템의 전반적인 상황을 제어할 수 기판(E-BOP)이 포함된 모듈이며 저장된 전력은 각종 전기 응용장치에 공급되어 소비된다.
퍼지가스공급 모듈(11)은 초기 연료라인의 내부 불순물 가스를 제거하거나 시스템 운전 종료 및 위험 상황에서 연료라인에 포함된 가연성 가스의 제거 및 스택의 보호를 위해 퍼지(Purge) 가스를 공급하는 장치이다. 퍼지 가스는 불활성 기체인 질소, 아르곤, 헬륨 등이 사용될 수 있다.
기화기 모듈(12)은 암모니아 저장소(13)에 저장된 액화 암모니아가 공급되어 기화시켜 일정량의 암모니아 가스를 개질기 모듈(3)로 공급시켜주는 장치이다. 기화된 암모니아 가스는 개질기 모듈(3)에서 수소와 질소로 분해되어 파워모듈(1)의 연료로 공급된다.
기화기 모듈(12)의 구조는 공기공급 모듈(9)과 버너 모듈(7)이 복합화 된 구조이며, 상기 개질기 모듈(3)과 유사하게 버너 챔버와 쉘앤튜브형 열교환기가 결합되어 있는 형태를 가진다.
즉, 공기공급 모듈(9)의 공기공급장치에서 공급된 공기가 상기 쉘앤튜브 형태의 열교환기에 튜브 내부를 통과하며, 그 튜브 외부의 지그재그로 배치된 판(쉘) 사이에 암모니아가 공급되며 다시 버너 모듈(7)의 버너 챔버 내부의 튜브를 통과하여 튜브 외부에서 수소와 배출 공기의 발화에 의해 생성된 열원을 받아 기화되어 개질기 모듈(3)로 전달된다. 상기 버너 챔버 내부의 암모니아가 통과하는 튜브는 버너의 열원을 효율적으로 공급받기 위해 구불구불한 형태가 될 수 있다.
암모니아 저장소(13)는 암모니아 연료를 공급하기 위하여 액화 형태로 저장되어 기화기 모듈(12)로 액화 암모니아를 공급해주는 장치이다.
하부 방폭설비(14)는 모듈 사이를 연결하는 배관들이 집적되어 지나가는 공간을 밀폐시킨 장치이며 가스 누출 시 폭발 위험성을 방지하기 위한 방폭설비와 열 손실의 최소화를 위한 단열 설비 구조로 구성되어 있다. 또한, 배가스 배출구가 포함될 수 있다.
배가스 라인(15)은 버너 모듈(7) 및 연료배기라인 모듈(8)에서 배출된 가스가 시스템 배출구로 최종 배출되도록 연결되며, 열교환을 통한 온수 장치가 포함될 수 있다.
다음으로, 본 발명의 암모니아 연료 적용 고체산화물 연료전지 시스템 모듈의 (a) 연료라인 흐름, (b) 퍼지 가스 라인 흐름, (c) 공기 라인 흐름, (d) 전력 라인 흐름에 대하여 설명하기로 한다.
도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 암모니아 연료 적용 고체산화물 연료전지 시스템 모듈의 연료 라인 흐름은 공급 가스의 버너 활용 방식에 따라 다른 흐름을 가지며 최종적으로는 암모니아 연료 공급에 따른 전력 생산의 흐름을 따른다.
이러한 연료 라인 흐름은 도 9의 (a)에 도시된 바와 같다.
(a) 연료 라인 흐름은 제1 케이스(Case 1) 및 제2 케이스(Case 1)로 구분될 수 있다.
도 9의 (a)의 제1 케이스(Case 1)를 참조하면, 시스템 시동 시는 암모니아 저장소(13)에서 암모니아가 공급되어 기화기 모듈(12)로 공급되고 기화된 암모니아 가스는 개질기 모듈(3)로 공급되어 개질기 내의 촉매와 개질기 모듈에 결합되어 있는 전기히터의 열원에 의해 수소와 질소로 분해된다.
분해된 수소와 질소 및 미반응 암모니아를 포함하는 혼합 가스는 연료분배 모듈(2)에 의해 방사형으로 각각의 파워모듈(1)에 공급되며 스택의 전극 촉매에 의한 추가 개질 분해되어 발생된 수소, 및 질소의 배출된 가스는 연료배기라인 모듈(8)을 지나 버너 모듈(7)에 공급되어 발화되고, 이 발화로 버너 모듈(7)에서 발생된 열원은 공기공급 모듈(9)의 초기 가스 예열 및 기화기 모듈(12)용으로 공급된다.
상기 버너 모듈(7)에서 발화 후의 배출 가스는 배가스 라인(15)을 통해 배출된다.
파워모듈 작동 시는, 파워모듈(1)에서 발전을 위한 전기화학 반응이 발생하고 연료인 수소가 소모되며 배출된 가스가 버너 모듈(7)에서의 점화 조건이 되지 않기 때문에 버너 모듈(7)은 소화(宵火)되고, 파워모듈에서 반응하고 나온 수증기, 미반응 수소 및 질소의 잔류가스는 버너 모듈(7)을 통과하여 배출된다.
버너 모듈(7)의 작동온도는 스택의 자체 발열 및 개질기 모듈(3)에 장착되어 있는 전기히터를 통해 유지된다. 버너 모듈(7)을 통과하여 배출되는 잔류가스는 배가스 라인(15)을 통해 배출된다.
도 9의 (a)의 제2 케이스(Case 2)를 참조하면, 시스템 시동 시에는 암모니아 저장소(13)에서 암모니아가 공급되어 기화기 모듈(12)로 공급되고 기화된 암모니아 가스는 개질기 모듈(3)로 공급되어 개질기 모듈(3) 내의 촉매와 열에 의해 수소와 질소로 분해된다.
분해된 수소와 질소 및 미반응 암모니아의 일부는 버너 모듈(7)에 공급되어 발화되고 버너 모듈(7)에서 발생된 열원은 공기공급 모듈(9)의 초기 가스 예열 및 기화기 모듈(12)용으로 공급된다.
버너 모듈(7)에서 연소 반응을 거친 배출 가스는 H2O, 질소, NOx의 혼합 가스로 워터 트랩(Water Trap)을 통해 수분을 제거한 후, 상기 공기라인 모듈(6)에 제공되며, 공기라인 모듈(6)에 연결되어 공급되는 공기와 혼합되어 파워모듈(1)로 공급된다. 이에 따라, 해당 배출 가스에 포함된 소량의 NOx는 상기 파워모듈(1)의 스택의 전기화학반응으로 제거된다.
파워 모듈 작동 시는, 암모니아는 기화기 모듈(12)에서 개질기 모듈(3) 및 연료분배 모듈(2)에 분할되어 공급된다.
이에 따라, 암모니아는 연료분배 모듈(2)로부터 파워모듈(1)에 발전 연료로 공급되어 사용될 뿐만 아니라, 개질기 모듈(3)로부터 버너 모듈(7)에 공급되어 점화원으로 동시에 사용된다.
따라서 제1 케이스(Case 1)와 달리 제2 케이스(Case 2)의 경우, 버너 모듈(7)이 지속적으로 열원을 공급하기 때문에 스택의 작동온도 유지를 위한 전기히터의 추가적인 열원이 요구되지 않는다.
연료분배 모듈(2)에 분할 공급된 암모니아는 파워모듈(1)에서 발전을 위한 전기화학 반응에 사용되고, 연료인 수소가 소모되어 배출된 가스는 연료배기라인 모듈(8)에서 열교환 후에 배가스 라인(15)을 통해 배출된다.
퍼지 가스 라인 흐름은 도 9의 (b)에 도시된 바와 같다. 도 9의 (b)를 참조하면, 퍼지가스공급 모듈(11)에서 불활성 기체인 질소, 아르곤, 헬륨 등의 퍼지 가스가 공급되어 개질기 모듈(3), 연료분배 모듈(2) 순으로 이동한 후에 각각의 파워모듈(1)에 공급되고 연료배기라인 모듈(8), 버너 모듈(7), 배가스 라인(15) 순으로 흐르면서 각각의 지나는 장치 내부의 불순물 가스를 제거해준다.
퍼지 가스는 초기 시동이나 위험 상황, 운전 종료 시에만 공급된다.
공기 라인 흐름은 도 9의 (c)에 도시된 바와 같다. 도 9의 (c)를 참조하면, 공기 라인 흐름은 공기공급 모듈(9)에서 공기가 공급되어 공기라인 모듈(6)에서 버너 모듈(7) 및 열교환기 모듈(4)에서 발생하는 열원을 받아 공기분배 모듈(5)을 통해 방사형으로 파워모듈(1)에 균일하게 분배된다.
한편, 파워모듈(1)에서 반응 후 배출된 고온 가스는 열교환기 모듈(4)을 거쳐 개질기 모듈(3) 및 공기라인 모듈(6)에 열원을 공급해주면서 버너 모듈(7)로 이동하고 수소연소의 산화제로 사용된다. 수소연소 후에 발생된 배기가스는 배가스 라인(15)을 거쳐 배출된다.
전력 라인 흐름은 도 9의 (d)에 도시된 바와 같다. 도 9의 (d)를 참조하면, 전력 라인 흐름은 파워모듈(1)에서 전기가 생성되고 전력 제어 모듈(10)에 저장됨과 동시에 저장 전력의 일부가 전기 응용장치로 공급된다.
이상 본 발명을 몇 가지 바람직한 실시예를 사용하여 설명하였으나, 이들 실시예는 예시적인 것이며 한정적인 것이 아니다. 이와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 사상과 첨부된 특허청구범위에 제시된 권리범위에서 벗어나지 않으면서 균등론에 따라 다양한 변화와 수정을 가할 수 있음을 이해할 것이다.
1: 파워모듈
2: 연료분배 모듈
3: 개질기 모듈
4: 열교환기 모듈
5: 공기분배 모듈
6: 공기라인 모듈
7: 버너 모듈
8: 연료배기라인 모듈
9: 공기공급 모듈
10: 전력제어 모듈
11: 퍼지가스공급 모듈
12: 기화기 모듈
13: 암모니아 저장소
14: 방폭설비
15: 배가스 라인
2: 연료분배 모듈
3: 개질기 모듈
4: 열교환기 모듈
5: 공기분배 모듈
6: 공기라인 모듈
7: 버너 모듈
8: 연료배기라인 모듈
9: 공기공급 모듈
10: 전력제어 모듈
11: 퍼지가스공급 모듈
12: 기화기 모듈
13: 암모니아 저장소
14: 방폭설비
15: 배가스 라인
Claims (13)
- 암모니아 연료 적용 고체산화물 연료전지 시스템 모듈에 있어서,
판상의 방폭설비;
상기 방폭설비의 소정의 전방 영역에 적어도 일부가 노출되도록 매립되며 암모니아를 저장하는 암모니아 저장소;
상기 암모니아 저장소의 후방에 소정 간격 이격되어 상기 방폭설비의 상면에 배치되며 상기 암모니아를 기화시키는 기화기 모듈;
상기 기화기 모듈의 후면에 배치되며 상기 기화된 암모니아를 개질하여 수소 및 질소로 분해하는 개질기 모듈;
상기 개질기 모듈의 후면에 배치되며 상기 개질기 모듈로부터 상기 수소, 상기 질소 및 잔류 암모니아를 포함하는 혼합 가스를 복수의 파워모듈에 공급하는 연료분배 모듈; 및
상기 연료공급분배장치를 둘러싸도록 배치되어 상기 혼합 가스를 상기 연료분배 모듈로부터 공급받는 복수의 파워모듈;
을 포함하는 것을 특징으로 하는,
암모니아 연료 적용 고체산화물 연료전지 시스템 모듈. - 제1항에 있어서,
상기 시스템 모듈은
상기 개질기 모듈로부터 분해된 수소를 공급받아 공급받은 수소를 연소시켜 작동온도로 승온시키기 위한 열원을 생성하는 버너 모듈;을 더 포함하며,
상기 기화기 모듈은 공기공급 모듈과 복합화되어 형성되는 것을 특징으로 하는,
암모니아 연료 적용 고체산화물 연료전지 시스템 모듈. - 제2항에 있어서,
상기 시스템 모듈은
상기 시스템의 시동 시, 상기 파워모듈에서 배출된 미반응 수소를 발화원료가 되도록 상기 버너 모듈에 공급하며,
상기 장치의 작동 시, 상기 파워모듈로부터 배출된 반응 후의 수증기와 질소의 혼합 가스를 공급받고, 열교환기 모듈을 통해 상기 개질기 모듈 및 공기라인 모듈에 열을 전달하는
연료배기라인 모듈;
을 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
암모니아 연료 적용 고체산화물 연료전지 시스템 모듈. - 제3항에 있어서,
상기 버너 모듈에서 미반응 암모니아의 연소로 인해 발생된 배출 가스는
워터 트랩(Water Trap)을 통해 수분을 제거한 후, 상기 공기라인 모듈에 제공되며,
상기 공기라인 모듈에 공급되는 공기와 혼합되어 상기 파워모듈로 공급되며,
상기 파워모듈로 공급된 배출 가스는 상기 파워모듈의 스택의 전기화학반응으로 제거되는 것을 특징으로 하는,
암모니아 연료 적용 고체산화물 연료전지 시스템 모듈. - 제2항에 있어서,
상기 시스템 모듈은
상기 버너 모듈 상에 적층되어 배치되어 고온의 공기를 공급하는 공기공급 모듈;
상기 공기공급 모듈의 후면에 배치되며 상기 공기공급 모델에 공급되는 공기를 전달하는 공기라인 모듈; 및
상기 공기라인 모듈의 후면의 상기 연료분배 모듈과 상기 방폭설비 사이에 배치되며, 상기 공기라인 모듈을 통해 전달되는 공기를 둘러싸인 복수의 파워모듈의 각각의 스택에 공기가 균일한 양으로 공급되도록 분배하는 공기분배 모듈;
을 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
암모니아 연료 적용 고체산화물 연료전지 시스템 모듈. - 제1항에 있어서,
상기 시스템 모듈은
상기 방폭설비의 내부에서 모듈 사이의 연결배관으로 형성되며 암모니아의 이동 경로인 암모니아 라인; 및
상기 방폭설비의 내부에 형성되며 공기의 이동 경로인 공기 라인;
을 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
암모니아 연료 적용 고체산화물 연료전지 시스템 모듈. - 제1항에 있어서,
상기 파워모듈은
상기 파워모듈의 하면에 돌출되어 형성된 연료 및 공기가 유입되거나 유출되는 수형 입출구;와, 상기 파워모듈의 하면에 상기 파워모듈이 이동하도록 형성되는 복수의 바퀴;를 포함하며,
상기 방폭설비는
상기 방폭설비의 상면에 돌출되어 연료, 및 공기가 유입되거나 유출되는 암형 입출구; 및
상기 방폭설비의 상면에 형성되어 상기 바퀴를 통해 상기 파월 모듈이 이동하여 상기 수형 입출구가 상기 암형 입출구에 결합되도록 상기 바퀴를 가이드하는 레일;
을 포함하는 것을 특징으로 하는,
암모니아 연료 적용 고체산화물 연료전지 시스템 모듈. - 제1항에 있어서,
상기 파워모듈은
2 이상의 층으로 형성되며,
각 층에 형성되는 4각 판상의 매니폴더;와,
상기 매니폴더에 의해 구분되는 층과 층 사이를 관통하는 중앙 배관;과,
상기 매니폴더 상에 상기 중앙 배관을 둘러싸도록 배치되는 적어도 2개의 스택;과,
상기 중앙 배관의 각 층의 영역에서 방사형으로 돌출되어 각 층에 형성된 상기 스택에 연결되어 연결된 스택에 상기 중앙 배관을 통해 공급되는 연료를 공급하는 연료분배배관;과,
상기 매니폴더의 모서리 중 적어도 하나의 모서리 부분에 상층의 매니폴더와 하층의 매니폴더를 연결하여 형성되며, 상기 매니폴더를 통해 복수의 스택 각각의 공기극 입구에 공급되도록 공기를 공급하는 공기분배배관; 및
상기 매니폴더의 모서리 중 적어도 하나의 모서리 부분에 상층의 매니폴더와 하층의 매니폴더를 연결하여 형성되며, 복수의 스택 각각의 스택 출구에서 매니폴더를 통해 배출되는 배출 가스를 바닥의 배관으로 배출하는 배출연결라인;
을 포함하는 것을 특징으로 하는,
암모니아 연료 적용고체산화물 연료전지 장치. - (a) 연료라인 흐름, (b) 퍼지 가스 라인 흐름, (c) 공기 라인 흐름, 및 (d) 전력 라인 흐름을 포함하는 암모니아 연료 적용 고체산화물 연료전지 시스템 모듈에 있어서,
상기 (a) 연료라인 흐름은,
암모니아 저장소(13),
상기 저장소로부터 암모니아가 공급되는 기화기 모듈(12),
상기 기화기 모듈에서 기화된 암모니아 가스가 수소 및 질소로 분해 개질되는 개질기 모듈(3),
상기 분해 개질된 수소와 질소, 및 미반응의 암모니아의 혼합가스의 연료 공급에 관여하는 연료분배 모듈(2),
상기 연료분배 모듈(2)로부터 상기 혼합가스의 연료를 공급받는 파워 모듈(1), 상기 파워 모듈의 배기가스인 수소 및 질소의 배기를 위한 연료배기라인 모듈(8),
상기 수소 및 질소의 배기가스로 발화되는 버너 모듈(7),
상기 발화 후의 배출 가스가 배출되는 배가스 라인(15)의 순서로 흐르는 것을 특징으로 하는,
암모니아 연료 적용 고체산화물 연료전지 시스템 모듈 - 제9항에 있어서,
상기 (a) 연료라인 흐름은, 암모니아 저장소(13);, 기화기 모듈(12);, 개질기 모듈(3) 또는 연료분배 모듈(2);의 순서로 흐르고,
상기 개질기 모듈(3)의 순서에서는 상기 개질기 모듈(3) 이후, 버너 모듈(7), 워터 트랩, 공기라인 모듈(6)의 순서로 흐르며,
상기 연료분배 모듈(2)의 순서에서는 상기 연료분배 모듈(2) 이후, 파워 모듈(1), 연료배기라인 모듈(8), 배가스 라인(15)의 순서로 흐르는 것을 특징으로 하는,
암모니아 연료 적용 고체산화물 연료전지 시스템 모듈 - 제9항에 있어서,
(b) 퍼지 가스 라인 흐름은 암모니아 저장소(13), 기화기 모듈(12), 개질기 모듈(3), 연료분배 모듈(2), 파워 모듈(1), 연료배기라인 모듈(8), 버너 모듈(7), 배가스 라인(15)의 순서로 흐르는 것을 특징으로 하는,
암모니아 연료 적용 고체산화물 연료전지 시스템 모듈 - 제9항에 있어서,
(c) 공기 라인 흐름은 공기공급 모듈(9), 공기라인 모듈(6), 공기분배 모듈(5), 파워 모듈(1), 열교환기 모듈(4), 버너 모듈(7), 배가스 라인(15)의 순서로 흐르는 것을 특징으로 하는,
암모니아 연료 적용 고체산화물 연료전지 시스템 모듈 - 제9항에 있어서,
(d) 전력 라인 흐름은 파워 모듈(1), 전력 제어 모듈(10)의 순서로 흐르는 것을 특징으로 하는,
암모니아 연료 적용 고체산화물 연료전지 시스템 모듈
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