KR20230037300A - 연료전지 시스템 - Google Patents

연료전지 시스템 Download PDF

Info

Publication number
KR20230037300A
KR20230037300A KR1020210120462A KR20210120462A KR20230037300A KR 20230037300 A KR20230037300 A KR 20230037300A KR 1020210120462 A KR1020210120462 A KR 1020210120462A KR 20210120462 A KR20210120462 A KR 20210120462A KR 20230037300 A KR20230037300 A KR 20230037300A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
fuel cell
reformer
ammonia
hot water
air
Prior art date
Application number
KR1020210120462A
Other languages
English (en)
Inventor
박창권
Original Assignee
에이치에스디엔진 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 에이치에스디엔진 주식회사 filed Critical 에이치에스디엔진 주식회사
Priority to KR1020210120462A priority Critical patent/KR20230037300A/ko
Publication of KR20230037300A publication Critical patent/KR20230037300A/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04014—Heat exchange using gaseous fluids; Heat exchange by combustion of reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04014—Heat exchange using gaseous fluids; Heat exchange by combustion of reactants
    • H01M8/04022—Heating by combustion
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04052—Storage of heat in the fuel cell system
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04097—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with recycling of the reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04858—Electric variables
    • H01M8/04925—Power, energy, capacity or load
    • H01M8/0494—Power, energy, capacity or load of fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0662—Treatment of gaseous reactants or gaseous residues, e.g. cleaning
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/40—Combination of fuel cells with other energy production systems
    • H01M2250/405—Cogeneration of heat or hot water
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템은 암모니아를 공급받아 수소와 질소를 생성하는 개질기와, 상기 개질기로부터 수소를 공급받아 전력을 생산하는 연료전지와, 상기 연료전지에서 배출된 미반응된 수소를 상기 개질기에 공급되는 암모니아와 혼합하는 가스 혼합기, 그리고 상기 연료전지에서 생성된 전력을 관리하는 전력 관리 장치를 포함한다.

Description

연료전지 시스템{FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것이다.
연료전지는 연료극에서의 수소 산화 반응과 공기극에서의 산소 환원 반응을 통해 화학 에너지를 전기 에너지로 직접 변환하는 장치이다. 이러한 연료전지는 화석연료를 전기 에너지로 변환시키는 과정에서 이산화탄소의 배출을 기존의 발전 방식에 비해 획기적으로 낮을 수 있다는 장점이 있다.
하지만, 연료전지도 탄화 수소 연료(hydrocarbon fuel)를 사용하여 전력을 생산하는 것은 마찬가지이다. 따라서, 연료전지가 전력을 생산하는 과정에서 화석연료(CnHn)를 공급받아 수소와 일산화탄소를 생성하기 때문에 이산화탄소(CO2)가 생성되는 것은 필연적이다.
따라서, 국제해사기구(IMO)의 환경규제 적용을 받는 선박에 연료전지가 사용될 경우, 연료전지가 전력을 생산하는 과정에서 발생되는 이산화탄소도 규제의 대상이 되는 문제점이 있다.
본 발명의 실시예는 전력을 생산하는 과정에서 이산화탄소를 배출하지 않은 연료전지 시스템을 제공한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 연료전지 시스템은 암모니아를 공급받아 수소와 질소를 생성하는 개질기와, 상기 개질기로부터 수소를 공급받아 전력을 생산하는 연료전지와, 상기 연료전지에서 배출된 미반응된 수소를 상기 개질기에 공급되는 암모니아와 혼합하는 가스 혼합기, 그리고 상기 연료전지에서 생성된 전력을 관리하는 전력 관리 장치를 포함한다.
상기 연료전지는 상기 개질기로부터 수소를 공급받는 연료극과, 공기를 공급받는 공기극, 그리고 상기 연료극과 상기 공기극 사이에 개재된 전해질을 포함할 수 있다.
상기한 연료전지 시스템은 상기 연료전지의 상기 연료극에서 배출된 미반응된 수소를 압축시켜 상기 가스 혼합기에 공급하는 제1 압축기를 더 포함할 수 있다.
상기한 연료전지 시스템은 상기 개질기에 암모니아를 공급하는 암모니아 공급부와, 상기 암모니아 공급부가 상기 개질기에 공급하는 암모니아를 연소시키는 버너, 그리고 상기 버너에 공기를 공급하는 공기 공급부를 더 포함할 수 있다.
상기한 연료전지 시스템은 상기 암모니아 공급부가 공급하는 암모니아를 상기 가스 혼합기와 상기 버너를 차례로 거쳐 상기 개질기로 공급하는 제1 암모니아 공급 유로와, 상기 암모니아 공급부가 공급하는 암모니아를 상기 가스 혼합기와 상기 버너를 우회하여 상기 개질기로 공급하는 제2 암모니아 공급 유로를 더 포함할 수 있다.
상기한 연료전지 시스템은 상기 제2 암모니아 공급 유로 상에 설치되어 상기 암모니아 공급부가 상기 개질기에 공급하는 암모니아를 상기 연료전지의 상기 연료극에서 배출된 미반응된 수소와 열교환시키는 제1 열교환기를 더 포함할 수 있다.
상기한 연료전지 시스템은 상기 제2 암모니아 공급 유로 상에 설치되어 상기 암모니아 공급부가 상기 개질기에 공급하는 암모니아를 상기 개질기에서 배출된 배출 가스와 열교환시키는 제2 열교환기를 더 포함할 수 있다.
상기한 연료전지 시스템은 상기 연료전지의 상기 공기극에 공기를 공급하는 제2 압축기와, 상기 개질기에서 배출된 배출 가스를 상기 제2 압축기가 상기 연료전지의 상기 공기극에 공급하는 공기와 열교환시키는 제3 열교환기를 더 포함할 수 있다.
상기한 연료전지 시스템은 상기 연료전지의 상기 공기극에서 배출된 미반응된 공기를 상기 제2 압축기가 상기 연료전지의 상기 공기극에 공급하는 공기와 열교환시키는 제4 열교환기를 더 포함할 수 있다.
상기한 연료전지 시스템은 상기 제3 열교환기를 거친 상기 개질기에서 배출된 배출 가스와 상기 제4 열교환기를 거친 상기 연료전지의 상기 공기극에서 배출된 미반응된 공기로부터 열에너지를 회수하여 저장하는 열 회수 장치를 더 포함할 수 있다.
상기 열 회수 장치는 온수를 저장하는 온수 탱크와, 상기 온수 탱크에 저장된 온수를 순환시키는 온수 순환 펌프와, 상기 온수 순환 펌프와 상기 온수 탱크를 연결하는 온수 순환 유로와, 상기 온수 순환 유로를 순환하는 온수를 상기 제3 열교환기를 거친 상기 개질기에서 배출된 배출 가스와 열교환시키는 제1 열회수부, 그리고 상기 온수 순환 유로를 순환하는 온수를 상기 제4 열교환기를 거친 상기 연료전지의 상기 공기극에서 배출된 미반응된 공기와 열교환시키는 제2 열회수부를 포함할 수 있다.
상기한 연료전지 시스템은 상기 개질기 및 상기 연료전지를 내부에 수용하여 열 에너지를 보전하는 핫박스를 더 포함할 수 있다.
상기한 연료전지 시스템은 상기 연료전지에서 생성된 전력을 직류에서 교류로 변환하여 상기 전력 관리 장치로 공급하는 전력 변환 장치를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 연료전지 시스템은 이산화탄소를 배출하지 않고도 효과적으로 전력을 생산할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템을 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1의 연료전지 시스템에 사용된 가스 혼합기를 나타낸 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도면들은 개략적이고 축척에 맞게 도시되지 않았다는 것을 일러둔다. 도면에 있는 부분들의 상대적인 치수 및 비율은 도면에서의 명확성 및 편의를 위해 그 크기에 있어 과장되거나 축소되어 도시되었으며 임의의 치수는 단지 예시적인 것이지 한정적인 것은 아니다. 그리고 둘 이상의 도면에 나타나는 동일한 구조물, 요소 또는 부품에는 동일한 참조 부호가 유사한 특징을 나타내기 위해 사용된다.
본 발명의 실시예는 본 발명의 이상적인 실시예를 구체적으로 나타낸다. 그 결과, 도해의 다양한 변형이 예상된다. 따라서 실시예는 도시한 영역의 특정 형태에 국한되지 않으며, 예를 들면 제조에 의한 형태의 변형도 포함한다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 모든 기술적 용어들 및 과학적 용어들은, 달리 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해되는 의미를 가진다. 본 명세서에 사용되는 모든 용어들은 본 발명을 더욱 명확히 설명하기 위한 목적으로 선택된 것이며 본 발명에 따른 권리범위를 제한하기 위해 선택된 것이 아니다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 '포함하는', '구비하는', '갖는' 등과 같은 표현은, 해당 표현이 포함되는 어구 또는 문장에서 달리 언급되지 않는 한, 다른 실시예를 포함할 가능성을 내포하는 개방형 용어(open-ended terms)로 이해되어야 한다.
또한, 본 명세서에서 기술된 단수형의 표현은 달리 언급하지 않는 한 복수형의 의미를 포함할 수 있으며, 이는 청구범위에 기재된 단수형의 표현에도 마찬가지로 적용된다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 '제1', '제2' 등의 표현들은 복수의 구성 요소들을 상호 구분하기 위해 사용되며, 해당 구성요소들의 순서 또는 중요도를 한정하는 것은 아니다.
이하, 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템(101)을 설명한다. 예를 들어, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템(101)은 선박에 전력을 공급하기 위해 사용될 수 있다.
도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템(101)은 개질기(200), 연료전지(300), 가스 혼합기(500), 및 전력 관리 장치(800)를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템(101)은 암모니아 공급부(280), 버너(250), 제1 압축기(681), 제2 압축기(682), 제1 열교환기(410), 제2 열교환기(420), 제3 열교환기(430), 제4 열교환기(440), 제1 암모니아 공급 유로(631), 제2 암모니아 공급 유로(632), 열 회수 장치(500), 핫박스(350), 및 전력 변환 장치(850)를 더 포함할 수 있다.
개질기(200)는 암모니아(NH3)를 공급받아 수소(H2)와 질소(N2)를 생산할 수 있다. 이때, 개질기(200)는 암모니아로 수소와 질소를 생산하기 위해 필요한 열 에너지를 함께 공급받기 위해 후술할 버너(250)에 의해 연소된 암모니아를 공급받을 수 있다.
암모니아 공급부(280)는 개질기(200)에 암모니아를 공급할 수 있다. 한편, 본 발명의 일 실시예에서, 암모니아 공급부(280)가 공급하는 암모니아는 후술할 제1 암모니아 공급 유로(631) 및 제2 암모니아 공급 유로(632)를 포함하는 2가지의 경로로 개질기(200)에 공급될 수 있다.
버너(250)는 암모니아 공급부(280)가 개질기(200)에 공급하는 암모니아를 연소시킬 수 있다. 이때, 버너(250)는 제1 암모니아 공급 유로(631) 상에 설치되어 암모니아 공급부(280)가 제1 암모니아 공급 유로(631)로 공급하는 암모니아를 연소시킬 수 있다. 이와 같이, 버너(250)는 암모니아를 연소시켜 개질기(200)에서 수소를 생산할 수 있는 분위기 온도까지 상승시키는 동시에 후술할 연료전지(300)도 승온을 시킬 수 있다.
공기 공급부(260)는 버너(250)에 공기를 공급할 수 있다.
연료전지(300)는 개질기(200)로부터 수소를 공급받아 전력을 생산할 수 있다. 예를 들어, 연료전지(300)는 고온형 연료전지인 고체산화물 연료전지(SOFC; Solid Oxide Fuel Cell) 또는 용융탄산염 연료전지(MCFC; Molten Carbonate Fuel Cell)일 수 있다. 여기서, 고체산화물 연료전지(SOFC)는 전해질로 산소 이온 또는 수소 이온을 통과시킬 수 있는 고체산화물을 이용할 수 있으며, 용융탄산염 연료전지(MCFC)는 전해질로 용융탄산염을 이용할 수 있다.
하지만, 본 발명의 일 실시예가 이에 한정되는 것은 아니며, 연료전지(300)는 저온형 연료전지인 고분자 전해질 연료전지(PEFC; Polymer Electrolyte Fuel Cell)일 수도 있다. 여기서, 고분자 전해질 연료전지(PEFC)는 전해질로 고분자 이온 교환막을 이용할 수 있다. 그리고 저온형 연료전지는 복수개로 구성되어 하나의 저온형 연료전지 스택 그룹을 형성할 수 있다.
구체적으로, 연료전지(300)는 개질기(200)로부터 수소를 공급받는 연료극(310)과, 산소를 포함한 공기를 공급받는 공기극(320), 그리고 연료극(310)과 공기극(320) 사이에 개재된 전해질(320)을 포함할 수 있다. 여기서, 전해질(330)은 산소 이온 또는 수소 이온을 통과시킬 수 있는 고체산화물이거나 용융탄산염일 수 있으며, 고분자 이온 교환막일 수도 있다. 이와 같은 전해질(330)에서 생성된 전력은 후술할 전력 관리 장치(800)에서 관리될 수 있다.
가스 혼합기(700)는 연료전지(300)의 연료극(310)에서 배출된 미반응된 수소를 개질기(200)에 공급되는 암모니아와 혼합할 수 있다.
구체적으로, 가스 혼합기(700)는 제1 암모니아 공급 유로(631) 상에서 버너(250)와 암모니아 공급부(280) 사이에 마련될 수 있다. 그리고 가스 혼합기(700)는, 도 2에 도시한 바와 같이, 연료전지(300)의 연료극(310)에서 배출된 미반응된 수소를 암모니아 공급부(280)가 공급하는 암모니아와 혼합할 수 있다.
제1 압축기(681)는 연료전지(300)의 연료극(310)에서 배출된 미반응된 수소를 압축시켜 가스 혼합기(700)로 공급할 수 있다.
제2 압축기(682)는 연료전지(300)의 공기극(320)에 산소가 포함된 공기를 공급할 수 있다.
제1 암모니아 공급 유로(631)는 암모니아 공급부(280)가 공급하는 암모니아를 가스 혼합기(700)와 버너(250)를 차례로 거쳐 개질기(200)로 공급할 수 있다.
제2 암모니아 공급 유로(632)는 암모니아 공급부(280)가 공급하는 암모니아를 가스 혼합기(700)와 버너(250)를 우회하여 개질기(200)로 공급할 수 있다. 그리고 제2 암모니아 공급 유로(632)는 후술할 제1 열교환기(410)와 제2 열교환기(420)을 거치게 된다.
제1 열교환기(410)는 제2 암모니아 공급 유로(632) 상에 설치되어 암모니아 공급부(280)가 제2 암모니아 공급 유로(632)를 통해 개질기(200)에 공급하는 암모니아를 연료전지(300)의 연료극(310)에서 배출된 미반응된 수소와 열교환시킬 수 있다. 즉, 제1 열교환기(410)는 암모니아 공급부(280)가 개질기(200)에 공급하는 암모니아의 온도를 승온시켜 개질기(200)에 공급되는 암모니아에 의해 개질기(200)의 온도가 낮아지는 것을 억제 또는 최소화할 수 있다.
제2 열교환기(420)는 제2 암모니아 공급 유로(632) 상에 설치되어 암모니아 공급부(280)가 제2 암모니아 공급 유로(632)를 통해 개질기(200)에 공급하는 암모니아를 개질기(200)에서 배출된 배출 가스와 열교환시킬 수 있다. 즉, 제2 열교환기(420)도 암모니아 공급부(280)가 개질기(200)에 공급하는 암모니아의 온도를 승온시켜 개질기(200)에 공급되는 암모니아에 의해 개질기(200)의 온도가 낮아지는 것을 억제 또는 최소화할 수 있다.
제3 열교환기(430)는 개질기(200)에서 배출된 배출 가스를 제2 압축기(682)가 연료전지(300)의 공기극(320)에 공급하는 공기와 열교환시킬 수 있다. 즉, 제3 열교환기(430)는 제2 압축기(682)가 연료전지(300)의 공기극(320)에 공급하는 공기의 온도를 승온시켜 연료전지(300)에 공급되는 공기에 의해 연료전지(300)의 온도가 낮아지는 것을 억제 또는 최소화할 수 있다.
제4 열교환기(440)는 연료전지(300)의 공기극(320)에서 배출된 미반응된 공기를 제2 압축기(682)가 연료전지(300)의 공기극(320)에 공급하는 공기와 열교환시킬 수 있다. 즉, 제4 열교환기(440)도 제2 압축기(682)가 연료전지(300)의 공기극(320)에 공급하는 공기의 온도를 승온시켜 연료전지(300)에 공급되는 공기에 의해 연료전지(300)의 온도가 낮아지는 것을 억제 또는 최소화할 수 있다.
열 회수 장치(500)는 제3 열교환기(430)를 거친 개질기(200)에서 배출된 배출 가스와 제4 열교환기(440)를 거친 연료전지(300)의 공기극(320)에서 배출된 미반응된 공기로부터 열에너지를 회수하여 저장할 수 있다. 이때, 열 회수 장치(500)는 온수로 열에너지를 저장할 수 있으며, 온수가 필요한 곳에 이를 공급할 수 있다.
구체적으로, 열 회수 장치(500)는 온수를 저장하는 온수 탱크(550)와, 온수 탱크(550)에 저장된 온수를 순환시키는 온수 순환 펌프(580)와, 온수 순환 펌프(580)와 온수 탱크(550)를 연결하는 온수 순환 유로(560)와, 온수 순환 유로(560)를 순환하는 온수를 제3 열교환기(430)를 거친 개질기(200)에서 배출된 배출 가스와 열교환시키는 제1 열회수부(510), 그리고 온수 순환 유로(560)를 순환하는 온수를 제4 열교환기(440)를 거친 연료전지(300)의 공기극(320)에서 배출된 미반응된 공기와 열교환시키는 제2 열회수부(520)를 포함할 수 있다.
핫박스(hot box, 350)는 개질기(200) 및 연료전지(300)를 내부에 수용하여 열 에너지를 보전할 수 있다. 이와 같이, 핫박스(350)를 통해 개질기(200)와 연료전지(300)가 안정적이고 효율적으로 고온 상태를 유지할 수 있게 된다.
전력 변환 장치(inverter)(850)는 연료전지(300)에서 생성된 전력을 직류에서 교류로 변환하여 후술할 전력 관리 장치(800)로 공급하거나 전기를 필요로 하는 각종 전기 장치(900)로 공급할 수 있다.
전력 관리 장치(800)는 연료전지(300)에서 생성된 전력을 관리할 수 있다. 예를 들어, 전력 관리 장치(800)는 전기 에너지 저장부를 포함할 수 있으며, 전력 변환 장치(850)로부터 전력을 공급받아 저장하거나 저당된 전력을 각종 전기 장치(900)로 공급할 수 있다.
이와 같은 구성에 의하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템(101)은 이산화탄소를 배출하지 않고도 효과적으로 전력을 생산할 수 있다. 구체적으로, 연료전지 시스템(101)은 암모니아를 연료로 사용함으로써 이산화탄소를 배출하지 않고 전력을 생산할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템(101)은 초기 구동 시에는 버너(250)를 가동하여 개질기(200)와 연료전지(300)의 온도를 승온시키게 된다. 즉, 연료전지(300)의 작동 온도에 도달할 때까지 버너(250)는 계속 열에너지를 공급하게 된다. 이후 연료전지(300)의 작동 온도에 도달하고, 제1 열교환기(410), 제2 열교환기(420), 제3 열교환기(430), 및 제4 열교환기(440)를 통해 연료전지 시스템(101)의 열평형이 안정적으로 유지되면 버너(250)의 가동률을 감소시키거나 버너(250)의 가동을 중단시킬 수도 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템(101)은 연료전지(300)의 연료극(310)에서 미반응된 수소를 가스 혼합기(700)를 통해 암모니아 공급부(280)가 공급하는 암모니아와 혼합하여 버너(250)에서 연소시킴으로써 인화성 물질을 외부로 배출하지 않는 안전 장치의 기능도 갖게 된다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명은 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
101: 연료전지 시스템
200: 개질기
250: 버너
260: 공기 공급부
280: 암모니아 공급부
300: 연료전지
310: 연료극
320: 공기극
330: 전해질
410: 제1 열교환기
420: 제2 열교환기
430: 제3 열교환기
440: 제4 열교환기
500: 열 회수 장치
510: 제1 열회수부
520: 제2 열회수부
550: 온수 탱크
560: 온수 순환 유로
580: 온수 순환 펌프
631: 제1 암모니아 공급 유로
632: 제2 암모니아 공급 유로
681: 제1 압축기
682: 제2 압축기
700: 가스 혼합기
800: 전력 관리 장치
850: 전력 변환 장치

Claims (13)

  1. 암모니아를 공급받아 수소와 질소를 생성하는 개질기;
    상기 개질기로부터 수소를 공급받아 전력을 생산하는 연료전지;
    상기 연료전지에서 배출된 미반응된 수소를 상기 개질기에 공급되는 암모니아와 혼합하는 가스 혼합기; 및
    상기 연료전지에서 생성된 전력을 관리하는 전력 관리 장치
    를 포함하는 연료전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지는,
    상기 개질기로부터 수소를 공급받는 연료극과;
    공기를 공급받는 공기극; 그리고
    상기 연료극과 상기 공기극 사이에 개재된 전해질
    을 포함하는 연료전지 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 연료전지의 상기 연료극에서 배출된 미반응된 수소를 압축시켜 상기 가스 혼합기에 공급하는 제1 압축기를 더 포함하는 연료전지 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 개질기에 암모니아를 공급하는 암모니아 공급부와;
    상기 암모니아 공급부가 상기 개질기에 공급하는 암모니아를 연소시키는 버너; 그리고
    상기 버너에 공기를 공급하는 공기 공급부
    를 더 포함하는 연료전지 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 암모니아 공급부가 공급하는 암모니아를 상기 가스 혼합기와 상기 버너를 차례로 거쳐 상기 개질기로 공급하는 제1 암모니아 공급 유로와;
    상기 암모니아 공급부가 공급하는 암모니아를 상기 가스 혼합기와 상기 버너를 우회하여 상기 개질기로 공급하는 제2 암모니아 공급 유로
    를 더 포함하는 연료전지 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2 암모니아 공급 유로 상에 설치되어 상기 암모니아 공급부가 상기 개질기에 공급하는 암모니아를 상기 연료전지의 상기 연료극에서 배출된 미반응된 수소와 열교환시키는 제1 열교환기를 더 포함하는 연료전지 시스템.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제2 암모니아 공급 유로 상에 설치되어 상기 암모니아 공급부가 상기 개질기에 공급하는 암모니아를 상기 개질기에서 배출된 배출 가스와 열교환시키는 제2 열교환기를 더 포함하는 연료전지 시스템.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 연료전지의 상기 공기극에 공기를 공급하는 제2 압축기와;
    상기 개질기에서 배출된 배출 가스를 상기 제2 압축기가 상기 연료전지의 상기 공기극에 공급하는 공기와 열교환시키는 제3 열교환기
    를 더 포함하는 연료전지 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 연료전지의 상기 공기극에서 배출된 미반응된 공기를 상기 제2 압축기가 상기 연료전지의 상기 공기극에 공급하는 공기와 열교환시키는 제4 열교환기를 더 포함하는 연료전지 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제3 열교환기를 거친 상기 개질기에서 배출된 배출 가스와 상기 제4 열교환기를 거친 상기 연료전지의 상기 공기극에서 배출된 미반응된 공기로부터 열에너지를 회수하여 저장하는 열 회수 장치를 더 포함하는 연료전지 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 열 회수 장치는,
    온수를 저장하는 온수 탱크와;
    상기 온수 탱크에 저장된 온수를 순환시키는 온수 순환 펌프와;
    상기 온수 순환 펌프와 상기 온수 탱크를 연결하는 온수 순환 유로와;
    상기 온수 순환 유로를 순환하는 온수를 상기 제3 열교환기를 거친 상기 개질기에서 배출된 배출 가스와 열교환시키는 제1 열회수부; 그리고
    상기 온수 순환 유로를 순환하는 온수를 상기 제4 열교환기를 거친 상기 연료전지의 상기 공기극에서 배출된 미반응된 공기와 열교환시키는 제2 열회수부
    를 포함하는 연료전지 시스템.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 개질기 및 상기 연료전지를 내부에 수용하여 열 에너지를 보전하는 핫박스를 더 포함하는 연료전지 시스템.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지에서 생성된 전력을 직류에서 교류로 변환하여 상기 전력 관리 장치로 공급하는 전력 변환 장치를 더 포함하는 연료전지 시스템.
KR1020210120462A 2021-09-09 2021-09-09 연료전지 시스템 KR20230037300A (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210120462A KR20230037300A (ko) 2021-09-09 2021-09-09 연료전지 시스템

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210120462A KR20230037300A (ko) 2021-09-09 2021-09-09 연료전지 시스템

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20230037300A true KR20230037300A (ko) 2023-03-16

Family

ID=85985363

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020210120462A KR20230037300A (ko) 2021-09-09 2021-09-09 연료전지 시스템

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20230037300A (ko)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6000346B2 (ja) 安全性ガスの必要を最小化するための方法及び装置
CN215578650U (zh) 使用氨气为燃料的固体氧化物燃料电池与质子交换膜燃料电池混合系统
KR100651270B1 (ko) 용융탄산염 연료전지 장치
US20050079395A1 (en) Integrated fuel cell hybrid power plant with controlled oxidant flow for combustion of spent fuel
JP2004207241A (ja) 空気及び燃料の流れを再循環させる燃料電池一体型ハイブリッド発電装置
JP2004204849A (ja) 冷却タービン一体型燃料電池ハイブリッド発電装置
EP2812941B1 (en) Method and arrangement for utilizing recirculation for high temperature fuel cell system
US8445155B2 (en) Complex power generation system and method for supplying heated water thereof
EP1808926A2 (en) Fuel Cell System
CN113506902A (zh) 使用氨气为燃料的固体氧化物燃料电池与质子交换膜燃料电池混合系统
US20140248547A1 (en) Method and arrangement for avoiding anode oxidation
KR101179390B1 (ko) 연료 전지 시스템
KR101978374B1 (ko) 다단 개질기 구조를 가지는 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템
KR102587217B1 (ko) 연료전지 시스템
KR101634816B1 (ko) 연료전지 시스템
CN117039042A (zh) 一种固体氧化物电池冷热电三联供系统及其方法
KR20230037300A (ko) 연료전지 시스템
KR102602831B1 (ko) 연료 전지 하이브리드 시스템
KR102439950B1 (ko) 암모니아 연료 적용 복합 연료전지 시스템
JP2004171802A (ja) 燃料電池システム
CN112164817A (zh) 一种固体氧化物燃料电池发电系统
KR102548739B1 (ko) 열효율이 우수한 연료전지 시스템
KR102457726B1 (ko) 연료전지의 오프가스 연소 시스템
KR20230030298A (ko) 연료전지 시스템
KR101397092B1 (ko) 발전 시스템