KR20240003528A - Solid oxide fuel cell-internal combustion engine hybrid system powered by ammonia - Google Patents

Solid oxide fuel cell-internal combustion engine hybrid system powered by ammonia Download PDF

Info

Publication number
KR20240003528A
KR20240003528A KR1020220081204A KR20220081204A KR20240003528A KR 20240003528 A KR20240003528 A KR 20240003528A KR 1020220081204 A KR1020220081204 A KR 1020220081204A KR 20220081204 A KR20220081204 A KR 20220081204A KR 20240003528 A KR20240003528 A KR 20240003528A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
fuel cell
solid oxide
internal combustion
oxide fuel
combustion engine
Prior art date
Application number
KR1020220081204A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
최원재
박민경
Original Assignee
이화여자대학교 산학협력단
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 이화여자대학교 산학협력단 filed Critical 이화여자대학교 산학협력단
Priority to KR1020220081204A priority Critical patent/KR20240003528A/en
Publication of KR20240003528A publication Critical patent/KR20240003528A/en

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/22Fuel cells in which the fuel is based on materials comprising carbon or oxygen or hydrogen and other elements; Fuel cells in which the fuel is based on materials comprising only elements other than carbon, oxygen or hydrogen
    • H01M8/222Fuel cells in which the fuel is based on compounds containing nitrogen, e.g. hydrazine, ammonia
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02BINTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B3/00Engines characterised by air compression and subsequent fuel addition
    • F02B3/02Engines characterised by air compression and subsequent fuel addition with positive ignition
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02BINTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B3/00Engines characterised by air compression and subsequent fuel addition
    • F02B3/06Engines characterised by air compression and subsequent fuel addition with compression ignition
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02MSUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M21/00Apparatus for supplying engines with non-liquid fuels, e.g. gaseous fuels stored in liquid form
    • F02M21/02Apparatus for supplying engines with non-liquid fuels, e.g. gaseous fuels stored in liquid form for gaseous fuels
    • F02M21/0203Apparatus for supplying engines with non-liquid fuels, e.g. gaseous fuels stored in liquid form for gaseous fuels characterised by the type of gaseous fuel
    • F02M21/0206Non-hydrocarbon fuels, e.g. hydrogen, ammonia or carbon monoxide
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04014Heat exchange using gaseous fluids; Heat exchange by combustion of reactants
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0662Treatment of gaseous reactants or gaseous residues, e.g. cleaning
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M2008/1293Fuel cells with solid oxide electrolytes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/40Combination of fuel cells with other energy production systems
    • H01M2250/407Combination of fuel cells with mechanical energy generators

Abstract

본원은 암모니아로 운전되는 고체 산화물 연료전지-내연기관 하이브리드 시스템에 관한 것이다.This application relates to a solid oxide fuel cell-internal combustion engine hybrid system running on ammonia.

Description

암모니아로 운전되는 고체 산화물 연료전지-내연기관 하이브리드 시스템{SOLID OXIDE FUEL CELL-INTERNAL COMBUSTION ENGINE HYBRID SYSTEM POWERED BY AMMONIA}Solid oxide fuel cell-internal combustion engine hybrid system driven by ammonia {SOLID OXIDE FUEL CELL-INTERNAL COMBUSTION ENGINE HYBRID SYSTEM POWERED BY AMMONIA}

본원은 암모니아로 운전되는 고체 산화물 연료전지-내연기관 하이브리드 시스템에 관한 것이다.This application relates to a solid oxide fuel cell-internal combustion engine hybrid system running on ammonia.

인류 문명의 발달과 함께 기후변화는 더욱 심각해지고 있다. 국제해사기구(international maritime organization; IMO)에 따르면, 선박의 총 온실가스(greenhouse gas; GHG) 배출량은 연간 1억 톤 이상으로서, 전 세계 온실가스 배출량의 2.9%를 차지한다. IMO는 글로벌 CO2 감축 목표를 달성하기 위하여 2008 년 대비 2050 년까지 연간 GHG 배출량을 50% 줄이는 것을 목표로 하고 있다.Climate change is becoming more serious with the development of human civilization. According to the International Maritime Organization (IMO), total greenhouse gas (GHG) emissions from ships are more than 100 million tons per year, accounting for 2.9% of global greenhouse gas emissions. IMO aims to reduce annual GHG emissions by 50% by 2050 compared to 2008 to achieve the global CO2 reduction goal.

수소를 연료로써 사용하면 산화 과정에서 탄소를 생성하지 않기 때문에 온실가스 배출량을 현저하게 감소시킬 수 있으나, 수소는 대부분의 온도 및 압력에서 기체 상태이기 때문에 기존의 액체 연료에 비해 저장 및 운반이 용이하지 않다.Using hydrogen as a fuel can significantly reduce greenhouse gas emissions because it does not produce carbon during the oxidation process. However, because hydrogen is in a gaseous state at most temperatures and pressures, it is not easy to store and transport compared to existing liquid fuels. not.

암모니아(NH3)는 유망한 수소 운반체 중 하나로서, 비교적 낮은 압력에서 쉽게 압축되어 액체가 될 수 있다. 암모니아는 탄소가 없고 분자당 3 개의 수소를 가지고 있어 소량의 암모니아에 많은 양의 수소를 저장할 수 있다. 또한, 암모니아는 비료를 생산하는데 사용되기 때문에 생산 시설과 운반체 등의 기반 시설이 이미 갖춰져 있어 대규모 기반 시설 투자가 필요하지 않다.Ammonia (NH 3 ) is one of the promising hydrogen carriers, as it can be easily compressed into a liquid at relatively low pressure. Ammonia has no carbon and has three hydrogens per molecule, so a large amount of hydrogen can be stored in a small amount of ammonia. In addition, because ammonia is used to produce fertilizer, large-scale infrastructure investment is not necessary as the infrastructure such as production facilities and transport vehicles are already in place.

따라서, 연료 전지와 함께 암모니아를 사용하는 것은 해상 운송을 위한 미래 연료 및 선박 추진 시스템으로 고려되고 있다. 현재 양성자 교환 막 연료전지(proton-exchange membrane fuel cell; PEMFC)가 널리 연구되고 있으나, PEMFC의 작동 온도는 최대 210℃에 불과한 반면, 암모니아 분해는 최소 377℃가 필요하기 때문에 PEMFC는 암모니아를 분해할 수 없다는 단점이 있다. 반면, 고체 산화물 연료 전지(solid oxide fuel cells; SOFC)는 암모니아 분해 온도보다 높은 온도에서 작동하므로 SOFC를 암모니아와 함께 사용할 수 있으며, 친환경 선박용 추진 시스템으로서 활용할 수 있다.Therefore, the use of ammonia with fuel cells is being considered as a future fuel and ship propulsion system for maritime transportation. Currently, proton-exchange membrane fuel cells (PEMFC) are being widely studied, but the operating temperature of PEMFC is only up to 210℃, while ammonia decomposition requires at least 377℃, so PEMFC is not capable of decomposing ammonia. The downside is that it cannot be done. On the other hand, solid oxide fuel cells (SOFC) operate at a temperature higher than the decomposition temperature of ammonia, so SOFC can be used with ammonia and can be used as an eco-friendly marine propulsion system.

대한민국등록특허공보 제10-2254196호.Republic of Korea Patent Publication No. 10-2254196.

본원은 암모니아로 운전되는 고체 산화물 연료전지-내연기관 하이브리드 시스템을 제공하고자 한다.Our aim is to provide a solid oxide fuel cell-internal combustion engine hybrid system that runs on ammonia.

그러나, 본원이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the problem to be solved by the present application is not limited to the problems mentioned above, and other problems not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the description below.

본원의 일 측면은, 애노드 및 캐소드를 포함하는 고체 산화물 연료전지; 외부 분해기; 내연기관 및 열교환기를 포함하는, 고체 산화물 연료전지-내연기관 하이브리드 시스템으로서, 상기 외부 분해기는 암모니아를 수소 및 질소로 분해하여 상기 고체 산화물 연료전지의 애노드로 공급하는 것이고, 상기 내연기관은 상기 고체 산화물 연료전지의 애노드 오프 가스를 공급받아 구동되는 것인, 고체 산화물 연료전지-내연기관 하이브리드 시스템을 제공한다.One aspect of the present disclosure is a solid oxide fuel cell including an anode and a cathode; external digester; A solid oxide fuel cell-internal combustion engine hybrid system including an internal combustion engine and a heat exchanger, wherein the external decomposition unit decomposes ammonia into hydrogen and nitrogen and supplies it to the anode of the solid oxide fuel cell, and the internal combustion engine decomposes ammonia into hydrogen and nitrogen and supplies it to the anode of the solid oxide fuel cell. A solid oxide fuel cell-internal combustion engine hybrid system, which is driven by receiving an anode off gas of a fuel cell, is provided.

본원의 구현예들에 따른 고체 산화물 연료전지는 암모니아 분해 온도보다 높은 온도에서 작동하여, 암모니아와 함께 사용될 수 있다.The solid oxide fuel cell according to embodiments of the present disclosure operates at a temperature higher than the ammonia decomposition temperature and can be used with ammonia.

본원의 구현예들에 따른 고체 산화물 연료전지-내연기관 하이브리드 시스템은 연료로써 암모니아를 사용하여 온실가스를 배출량을 현저하게 감소시킬 수 있다.The solid oxide fuel cell-internal combustion engine hybrid system according to embodiments of the present application can significantly reduce greenhouse gas emissions by using ammonia as a fuel.

본원의 구현예들에 따른 고체 산화물 연료전지-내연기관 하이브리드 시스템은 고체 산화물 연료전지의 애노드 오프 가스를 내연기관의 연료로서 사용하여 추가 전력을 생산할 수 있다.The solid oxide fuel cell-internal combustion engine hybrid system according to embodiments of the present disclosure can produce additional power by using the anode off gas of the solid oxide fuel cell as fuel for the internal combustion engine.

본원의 구현예들에 따른 고체 산화물 연료전지-내연기관 하이브리드 시스템은 내연기관을 포함함으로써, 고체 산화물 연료전지 독립형 시스템이 출력할 수 있는 에너지의 약 1/3에 해당하는 추가 전력을 생산할 수 있다.By including an internal combustion engine, the solid oxide fuel cell-internal combustion engine hybrid system according to embodiments of the present disclosure can produce additional power equivalent to about 1/3 of the energy that a solid oxide fuel cell stand-alone system can output.

본원의 구현예들에 따른 고체 산화물 연료전지-내연기관 하이브리드 시스템은 고체 산화물 연료전지 독립형 시스템과 비교하여 시스템 효율을 최대 20%까지 향상시킬 수 있다.The solid oxide fuel cell-internal combustion engine hybrid system according to embodiments of the present disclosure can improve system efficiency by up to 20% compared to a solid oxide fuel cell stand-alone system.

고체 산화물 연료전지의 연료이용률(fuel utilization factor; UF)이 낮은 경우에도, 본원의 구현예들에 따른 고체 산화물 연료전지-내연기관 하이브리드 시스템의 효율은 유지되거나 또는 적게 감소할 수 있다.Even when the fuel utilization factor (UF) of the solid oxide fuel cell is low, the efficiency of the solid oxide fuel cell-internal combustion engine hybrid system according to embodiments of the present disclosure may be maintained or slightly reduced.

본원의 구현예들에 따른 고체 산화물 연료전지-내연기관 하이브리드 시스템은 선박용 추진 시스템에 활용될 수 있다.The solid oxide fuel cell-internal combustion engine hybrid system according to the embodiments of the present application can be used in a marine propulsion system.

도 1은, 본원의 일 구현예에 있어서, 고체 산화물 연료전지-내연기관 하이브리드 시스템을 나타내는 개략도이다.
도 2는, 본원의 일 구현예에 있어서, 암모니아를 연료로서 사용하는 고체 산화물 연료전지의 성능 시뮬레이션 그래프이다.
도 3은, 본원의 일 구현예에 있어서, 내연기관의 크랭크각도(crack angle degree; CAD)에 따른 내연기관 실린더 내 압력을 나타낸 그래프이다.
도 4는, 본원의 일 구현예에 있어서, 고체 산화물 연료전지의 연료 이용률(fuel utilization factor; UF)에 따른 고체 산화물 연료전지-내연기관 하이브리드 시스템의 효율성을 나타내는 그래프이다.
도 5는, 본원의 일 구현예에 있어서, 연료 이용률에 따른 고체 산화물 연료전지-내연기관 하이브리드 시스템의 전력을 나타내는 그래프이다.
도 6은, 본원의 일 구현예에 있어서, 외부 분해기에 애노드 오프 가스의 열을 제공하지 않고, 추가적인 가열기구를 이용하여 열을 제공하는 고체 산화물 연료전지-내연기관 하이브리드 시스템을 나타내는 개략도이다.
1 is a schematic diagram showing a solid oxide fuel cell-internal combustion engine hybrid system, according to an embodiment of the present application.
Figure 2 is a performance simulation graph of a solid oxide fuel cell using ammonia as fuel, according to an embodiment of the present application.
Figure 3 is a graph showing the pressure within the cylinder of an internal combustion engine according to the crank angle (crack angle degree; CAD) of the internal combustion engine, according to an embodiment of the present application.
FIG. 4 is a graph showing the efficiency of a solid oxide fuel cell-internal combustion engine hybrid system according to the fuel utilization factor (UF) of the solid oxide fuel cell, according to an embodiment of the present application.
FIG. 5 is a graph showing the power of a solid oxide fuel cell-internal combustion engine hybrid system according to fuel utilization rate, according to an embodiment of the present application.
FIG. 6 is a schematic diagram showing a solid oxide fuel cell-internal combustion engine hybrid system that provides heat using an additional heating device without providing heat from an anode off gas to an external decomposer, according to an embodiment of the present application.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 구현예 및 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예 및 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다. Hereinafter, with reference to the attached drawings, implementation examples and embodiments of the present invention will be described in detail so that those skilled in the art can easily implement the present invention. However, the present application may be implemented in various different forms and is not limited to the implementation examples and examples described herein. In order to clearly explain the present invention in the drawings, parts that are not related to the description are omitted, and similar parts are given similar reference numerals throughout the specification.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. Throughout this specification, when a part is said to be “connected” to another part, this includes not only the case where it is “directly connected,” but also the case where it is “electrically connected” with another element in between. do.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.Throughout this specification, when a member is said to be located “on” another member, this includes not only the case where the member is in contact with the other member, but also the case where another member exists between the two members.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Throughout the specification of the present application, when a part “includes” a certain element, this means that it may further include other elements rather than excluding other elements, unless specifically stated to the contrary.

본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. As used herein, the terms “about,” “substantially,” and the like are used to mean at or close to a numerical value when manufacturing and material tolerances inherent in the stated meaning are presented, and to aid understanding of the present application. It is used to prevent unscrupulous infringers from unfairly exploiting disclosures in which precise or absolute figures are mentioned.

본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 “~ 하는 단계” 또는 “~의 단계”는 “~를 위한 단계”를 의미하지 않는다.The terms “step of” or “step of” as used throughout the specification herein do not mean “step for.”

본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합(들)"의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.Throughout this specification, the term "combination(s) thereof" included in the Markushi format expression means a mixture or combination of one or more selected from the group consisting of the components described in the Markushi format expression, It means containing one or more selected from the group consisting of the above components.

본원 명세서 전체에서, "A 및/또는 B"의 기재는, "A 또는 B, 또는 A 및 B"를 의미한다.Throughout this specification, description of “A and/or B” means “A or B, or A and B.”

이하, 본원의 구현예를 상세히 설명하였으나, 본원이 이에 제한되지 않을 수 있다.Hereinafter, embodiments of the present application have been described in detail, but the present application may not be limited thereto.

본원의 일 측면은, 애노드 및 캐소드를 포함하는 고체 산화물 연료전지; 외부 분해기; 내연기관 및 열교환기를 포함하는, 고체 산화물 연료전지-내연기관 하이브리드 시스템으로서, 상기 외부 분해기는 암모니아를 수소 및 질소로 분해하여 상기 고체 산화물 연료전지의 애노드로 공급하는 것이고, 상기 내연기관은 상기 고체 산화물 연료전지의 애노드 오프 가스를 공급받아 구동되는 것인, 고체 산화물 연료전지-내연기관 하이브리드 시스템을 제공한다.One aspect of the present disclosure is a solid oxide fuel cell including an anode and a cathode; external digester; A solid oxide fuel cell-internal combustion engine hybrid system including an internal combustion engine and a heat exchanger, wherein the external decomposition unit decomposes ammonia into hydrogen and nitrogen and supplies it to the anode of the solid oxide fuel cell, and the internal combustion engine decomposes ammonia into hydrogen and nitrogen and supplies it to the anode of the solid oxide fuel cell. A solid oxide fuel cell-internal combustion engine hybrid system, which is driven by receiving an anode off gas of a fuel cell, is provided.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 고체 산화물 연료전지-내연기관 하이브리드 시스템은 밸브, 펌프, 및 블로워에서 선택되는 하나 이상을 추가 포함할 수 있다.In one embodiment of the present application, the solid oxide fuel cell-internal combustion engine hybrid system may further include one or more selected from valves, pumps, and blowers.

통상적으로, 고체 산화물 연료전지는 애노드, 캐소드 및 전해질을 포함하며, 수소 및 산소의 화학반응에 의해 전기를 생성할 수 있다.Typically, a solid oxide fuel cell includes an anode, a cathode, and an electrolyte, and can generate electricity through a chemical reaction of hydrogen and oxygen.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 고체 산화물 연료전지의 애노드는 통상적으로 사용되는 고체 산화물 연료전지의 애노드의 소재를 포함하는 것일 수 있으며, 비제한적인 예로서, 니켈 및 이트리아 안정화 지르코니아(Ni/YSZ), 니켈 및 가돌리늄 도핑된 세리아(Ni/GDC), 구리 및 세리아(Cu-Ceria)와 같은 서멧(cermet) 및 페로브스카이트(perovskite)에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.In one embodiment of the present application, the anode of the solid oxide fuel cell may include a commonly used anode material of the solid oxide fuel cell, and as a non-limiting example, nickel and yttria stabilized zirconia (Ni/ YSZ), nickel and gadolinium doped ceria (Ni/GDC), copper and ceria (Cu-Ceria), and may include one or more selected from cermet and perovskite. It may not be limited.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 고체 산화물 연료전지의 캐소드는 통상적으로 사용되는 고체 산화물 연료전지의 캐소드의 소재를 포함하는 것일 수 있으며, 비제한적인 예로서, 란탄 스트론튬 코발트 산화물(lanthanum strontium cobalt oxide; LSC), 란탄 스트론튬 코발트 철 산화물(lanthanum strontium cobalt ferrite; LSCF), 및 란탄 스트론튬 망가나이트(lanthanum strontium manganite; LSM)에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.In one embodiment of the present application, the cathode of the solid oxide fuel cell may include a commonly used cathode material of the solid oxide fuel cell, and as a non-limiting example, lanthanum strontium cobalt oxide. ; LSC), lanthanum strontium cobalt ferrite (LSCF), and lanthanum strontium manganite (LSM), but may not be limited thereto.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 고체 산화물 연료전지의 전해질은 통상적으로 사용되는 고체 산화물 연료전지의 전해질일 수 있으며, 비제한적인 예로서, 지르코니아 (ZrO2)계 산화물, 세리아 (CeO2)계 산화물, 및 희토류 금속 산화물로 치환된 란타늄-스트론튬-가돌리늄-마그네슘 산화물(LSGM)일 수 있다. 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 고체 산화물 연료전지의 전해질은 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ), 스칸디아(scandia, Sc2O3) 안정화 지르코니아(scandia stabilized zirconia; ScSZ) 및 가돌리늄(Gd)이 도핑된 세리아(gadolinium doped ceria; GDC)에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.In one embodiment of the present application, the electrolyte of the solid oxide fuel cell may be a commonly used electrolyte of the solid oxide fuel cell, and as a non-limiting example, zirconia (ZrO 2 )-based oxide, ceria (CeO 2 )-based electrolyte. oxide, and lanthanum-strontium-gadolinium-magnesium oxide (LSGM) substituted with a rare earth metal oxide. In one embodiment of the present application, the electrolyte of the solid oxide fuel cell is doped with yttria stabilized zirconia (YSZ), scandia (Sc 2 O 3 ) stabilized zirconia (ScSZ), and gadolinium (Gd). It may include one or more selected from ceria (gadolinium doped ceria; GDC), but may not be limited thereto.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 고체 산화물 연료전지는 캐소드 측에서 고온의 공기를 공급받고, 애노드 측에서 수소를 주성분으로 하는 연료가스를 공급받을 수 있다. 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 캐소드에 공급된 산소는 전자와 반응하여 산소 이온(O2-)이 생성될 수 있다. 상기 산소 이온은 전해질을 통하여 상기 애노드로 이동하여 수소와 반응하여 열, 물 및 전기를 생성할 수 있다.In one embodiment of the present application, the solid oxide fuel cell may be supplied with high-temperature air from the cathode side and may be supplied with fuel gas containing hydrogen as a main component from the anode side. In one embodiment of the present application, oxygen supplied to the cathode may react with electrons to generate oxygen ions (O 2- ). The oxygen ions can move to the anode through the electrolyte and react with hydrogen to generate heat, water, and electricity.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 외부 분해기는 상기 고체 산화물 연료전지의 애노드 및 상기 내연기관과 연결되는 것일 수 있다. In one embodiment of the present application, the external decomposer may be connected to the anode of the solid oxide fuel cell and the internal combustion engine.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 외부 분해기는 상기 고체 산화물 연료전지의 애노드 오프 가스의 열을 이용하여 암모니아를 수소 및 질소로 분해하는 것일 수 있다. In one embodiment of the present application, the external decomposition unit may decompose ammonia into hydrogen and nitrogen using the heat of the anode off gas of the solid oxide fuel cell.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 외부 분해기는 추가적으로 별도의 가열기구의 열을 이용하여 암모니아를 수소 및 질소로 분해하는 것일 수 있다. 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 별도의 가열기구는 암모니아 및 공기를 이용하여 열을 생산하는 것일 수 있다.In one embodiment of the present application, the external decomposition unit may additionally decompose ammonia into hydrogen and nitrogen using heat from a separate heating device. In one embodiment of the present application, the separate heating device may produce heat using ammonia and air.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 열교환기는 상기 고체 산화물 연료전지의 캐소드와 연결되는 것일 수 있다. In one embodiment of the present application, the heat exchanger may be connected to the cathode of the solid oxide fuel cell.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 열교환기는 상기 고체 산화물 연료전지의 캐소드 오프 가스의 열을 이용하여 외부 공기를 예열하는 것일 수 있다.In one embodiment of the present application, the heat exchanger may preheat external air using the heat of the cathode off gas of the solid oxide fuel cell.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 열교환기는 상기 고체 산화물 연료전지-내연기관 하이브리드 시스템의 배기가스를 배출하는 것일 수 있다.In one embodiment of the present application, the heat exchanger may discharge exhaust gas of the solid oxide fuel cell-internal combustion engine hybrid system.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 고체 산화물 연료전지-내연기관 하이브리드 시스템에 포함되는 상기 내연기관은 본 발명에 적용 또는 호환될 수 있는 것이면 제한없이 사용될 수 있다. In one embodiment of the present application, the internal combustion engine included in the solid oxide fuel cell-internal combustion engine hybrid system may be used without limitation as long as it is applicable to or compatible with the present invention.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 내연기관은 상기 고체 산화물 연료전지의 애노드 오프가스 및 공기를 공급받아 구동되는 것일 수 있다.In one embodiment of the present application, the internal combustion engine may be driven by receiving anode off gas and air from the solid oxide fuel cell.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 고체 산화물 연료전지의 애노드 오프 가스는 희석된 가스일 수 있다. In one embodiment of the present application, the anode off gas of the solid oxide fuel cell may be a diluted gas.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 내연기관의 연소 방식은 예혼합 압축착화 방식(homogeneous charge compression ignition; HCCI), 반응성 제어 압축착화 방식(reactivity controlled compression ignition; RCCI), 스파크의 도움을 받는 압축착화 방식(spark assisted compression ignition; SACI), 스파크 점화 방식 및 압축 점화 방식에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다. 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 희석된 가스를 적절하게 연소하기 위하여, 상기 내연기관의 연소 방식은 예혼합 압축착화 방식, 반응성 제어 압축착화 방식 및 스파크의 도움을 받는 압축착화 방식에서 선택되는 하나 이상인 것일 수 있다.In one embodiment of the present application, the combustion method of the internal combustion engine is premixed charge compression ignition (HCCI), reactivity controlled compression ignition (RCCI), and spark-assisted compression ignition. It may include one or more selected from a spark assisted compression ignition (SACI) method, a spark ignition method, and a compression ignition method. In one embodiment of the present application, in order to properly combust the diluted gas, the combustion method of the internal combustion engine is one selected from a premixed compression ignition method, a reactivity-controlled compression ignition method, and a spark-assisted compression ignition method. It may be more than that.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 내연기관은 구동축이 회전함으로써 전력을 생산하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. In one embodiment of the present application, the internal combustion engine may produce power by rotating a drive shaft, but may not be limited thereto.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 내연기관은 발전기 및/또는 컨버터를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.In one embodiment of the present application, the internal combustion engine may include a generator and/or a converter, but may not be limited thereto.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 내연기관은 약 100 kW 내지 약 2,500 kW의 전력을 생산하는 것일 수 있다. 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 내연기관은 약 100 kW 내지 약 2,500 kW, 약 100 kW 내지 약 2,400 kW, 약 100 kW 내지 약 2,300 kW, 약 100 kW 내지 약 2,200 kW, 약 100 kW 내지 약 2,100 kW, 약 200 kW 내지 약 2,500 kW, 약 200 kW 내지 약 2,400 kW, 약 200 kW 내지 약 2,300 kW, 약 200 kW 내지 약 2,200 kW, 약 200 kW 내지 약 2,100 kW, 약 300 kW 내지 약 2,500 kW, 약 300 kW 내지 약 2,400 kW, 약 300 kW 내지 약 2,300 kW, 약 300 kW 내지 약 2,200 kW, 약 300 kW 내지 약 2,100 kW, 약 400 kW 내지 약 2,500 kW, 약 400 kW 내지 약 2,400 kW, 약 400 kW 내지 약 2,300 kW, 약 400 kW 내지 약 2,200 kW 또는 약 400 kW 내지 약 2,100 kW의 전력을 생산하는 것일 수 있다.In one embodiment of the present application, the internal combustion engine may produce power of about 100 kW to about 2,500 kW. In one embodiment of the present application, the internal combustion engine has a power of about 100 kW to about 2,500 kW, about 100 kW to about 2,400 kW, about 100 kW to about 2,300 kW, about 100 kW to about 2,200 kW, about 100 kW to about 2,100 kW, from about 200 kW to about 2,500 kW, from about 200 kW to about 2,400 kW, from about 200 kW to about 2,300 kW, from about 200 kW to about 2,200 kW, from about 200 kW to about 2,100 kW, from about 300 kW to about 2,500 kW, About 300 kW to about 2,400 kW, about 300 kW to about 2,300 kW, about 300 kW to about 2,200 kW, about 300 kW to about 2,100 kW, about 400 kW to about 2,500 kW, about 400 kW to about 2,400 kW, about 400 It may produce power from kW to about 2,300 kW, from about 400 kW to about 2,200 kW, or from about 400 kW to about 2,100 kW.

본원의 일 구현예에 있어서, 고체 산화물 연료전지 독립형 시스템과 비교하여 시스템 효율은 약 10% 이상, 약 15% 이상 또는 약 20% 이상 향상되는 것일 수 있다.In one embodiment of the present application, compared to a solid oxide fuel cell stand-alone system, system efficiency may be improved by about 10% or more, about 15% or more, or about 20% or more.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 내연기관은 암모니아 및 외부 공기가 추가 공급되어 추가 전력을 생산하는 것일 수 있다.In one embodiment of the present application, the internal combustion engine may produce additional power by additionally supplying ammonia and external air.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 고체 산화물 연료전지-내연기관 하이브리드 시스템은 선박용 추진 시스템에 사용되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.In one embodiment of the present application, the solid oxide fuel cell-internal combustion engine hybrid system may be used in a marine propulsion system, but may not be limited thereto.

이하, 본원에 대하여 실시예를 이용하여 좀더 구체적으로 설명하지만, 하기 실시예는 본원의 이해를 돕기 위하여 예시하는 것일 뿐, 본원의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present application will be described in more detail using examples. However, the following examples are merely illustrative to aid understanding of the present application, and the content of the present application is not limited to the following examples.

[실시예][Example]

1. 고체 산화물 연료전지-내연기관 하이브리드 시스템 (도 1)1. Solid oxide fuel cell-internal combustion engine hybrid system (Figure 1)

고체 산화물 연료전지-내연기관 하이브리드 시스템은 고체 산화물 연료전지(solid oxide fuel cell; SOFC), 외부 분해기(external cracker), 열교환기 (HEX) 및 내연기관(internal combustion engine; ICE)을 포함한다. 도 1을 참조하여 설명하면, 스트림(stream) 1은 암모니아 연료로서, 외부 분해기에 공급되어 N2 및 H2로 분해된다. SOFC의 애노드 오프 가스(anode off gas) (스트림 3)는 외부 분해기에서의 암모니아의 분해를 위한 열을 공급한다. 외부 분해기를 거친 후, 스트림 2는 SOFC의 애노드로 이동하고, 스트림 4는 공기(스트림 5)와 함께 내연기관으로 이동한다. 스트림 5에 존재하는 H2는 내연기관에서 추가 동력을 생성하는 데 활용된다. 외부 공기 (스트림 8)는 열교환기를 거쳐 SOFC의 캐소드로 이동한다. 이때, 캐소드 오프 가스(cathode off gas)(스트림 10)는 열교환기에 공급되어 상기 캐소드 오프 가스의 열로 외부 공기를 예열한다.The solid oxide fuel cell-internal combustion engine hybrid system includes a solid oxide fuel cell (SOFC), an external cracker, a heat exchanger (HEX), and an internal combustion engine (ICE). When explained with reference to FIG. 1, stream 1 is ammonia fuel, which is supplied to an external decomposer and decomposed into N 2 and H 2 . The SOFC's anode off gas (stream 3) supplies heat for the decomposition of ammonia in an external digester. After passing through the external digester, stream 2 goes to the anode of the SOFC, and stream 4 goes to the internal combustion engine together with air (stream 5). The H 2 present in stream 5 is utilized to generate additional power in the internal combustion engine. Outside air (stream 8) passes through a heat exchanger to the cathode of the SOFC. At this time, cathode off gas (stream 10) is supplied to the heat exchanger to preheat the outside air with the heat of the cathode off gas.

본 실시예에서, 매트랩(MATLAB) 및 칸테라(Cantera) 열역학적 도구 상자를 이용하여 시뮬레이션 모델을 개발하였으며, GRI 3.0 메커니즘을 이용하여 열역학적 특성을 계산하였다.In this example, a simulation model was developed using MATLAB and Cantera thermodynamic toolbox, and thermodynamic properties were calculated using the GRI 3.0 mechanism.

2. 고체 산화물 연료전지-내연기관 하이브리드 시스템 구성요소2. Solid oxide fuel cell-internal combustion engine hybrid system components

2.1 고체 산화물 연료전지(SOFC)2.1 Solid Oxide Fuel Cell (SOFC)

0D SOFC 모델은 주어진 온도 및 압력에서 애노드 오프 가스의 조성 및 발전량을 결정하기 위하여 개발되었다. 네른스트(Nernst) 전압, 활성화 손실, 저항 손실 및 농도 손실을 고려하여 전기화학적 모델을 구성하였으며, 하기 식 1을 이용하여 계산하였다.The 0D SOFC model was developed to determine the composition and power generation of the anode off gas at a given temperature and pressure. An electrochemical model was constructed considering Nernst voltage, activation loss, resistance loss, and concentration loss, and was calculated using Equation 1 below.

[식 1][Equation 1]

도 2를 참조하면, SOFC 모델이 암모니아 연료를 사용하는 SOFC의 성능을 적절하게 시뮬레이션 하는지 확인하기 위하여 선행 논문 'Cinti, G., Discepoli, G., Sisani, E., & Desideri, U. (2016), "SOFC operating with ammonia: Stack test and system analysis", International Journal of Hydrogen Energy,41(31), 13583-13590.'의 실험 결과로서 모델을 검증하였다. 도 2를 참조하면, 다양한 온도에서 순수한 NH3 및 H2/N2 조건에서, 실험 결과 및 모델이 일치하는 것을 확인할 수 있다.Referring to Figure 2, in order to confirm that the SOFC model appropriately simulates the performance of SOFC using ammonia fuel, a previous paper 'Cinti, G., Discepoli, G., Sisani, E., & Desideri, U. (2016) ), "SOFC operating with ammonia: Stack test and system analysis", International Journal of Hydrogen Energy, 41(31), 13583-13590.' The model was verified with experimental results. Referring to Figure 2, it can be seen that the experimental results and the model are consistent under pure NH 3 and H 2 /N 2 conditions at various temperatures.

본 실시예에서, SOFC의 동작온도는 1023.15 K으로 고정되어 있는 것으로 가정하였다. 하기 표 1은 본 실시예에 사용된 SOFC 셀의 사양을 나타낸다.In this example, the operating temperature of the SOFC was assumed to be fixed at 1023.15 K. Table 1 below shows the specifications of the SOFC cell used in this example.

활성화된 셀 면적 [m2]Activated cell area [m 2 ] 0.0080.008 애노드(anode) 두께 [m]Anode thickness [m] 500×10-6 500×10 -6 캐소드(cathode) 두께 [m]Cathode thickness [m] 50×10-6 50×10 -6 전해질 두께 [m]Electrolyte thickness [m] 20×10-6 20×10 -6 인터커넥트(interconnect) 두께 [m]Interconnect thickness [m] 180×10-6 180×10 -6 한 스택에 포함된 SOFC 셀 수Number of SOFC cells in one stack 8080 SOFC 스택 수Number of SOFC stacks 14001400

2.2 외부 분해기(external cracker)2.2 External cracker

외부 분해기는 역류 열교환기 방식으로서, 열교환기 유용도가 열교환량 및 암모니아 분해량을 계산하는데 사용되었다. 외부 분해기의 유용도는 내연기관의 작동에 필요한 흡기 가스 온도와 일치하도록 설정되었으며, 외부 분해기의 출구 스트림인 SOFC 애노드 입구 가스가 화학적 평형 상태에 있다고 가정하였다.The external decomposer is a countercurrent heat exchanger, and the heat exchanger usefulness was used to calculate the heat exchange amount and ammonia decomposition amount. The usability of the external cracker was set to match the intake gas temperature required for operation of the internal combustion engine, and it was assumed that the SOFC anode inlet gas, which is the outlet stream of the external cracker, was in chemical equilibrium.

2.3 내연기관(internal combustion engine)2.3 Internal combustion engine

내연기관은 질량, 에너지, 화학종 균형(species balances), 열 전달 및 화학 반응 속도론을 고려하여 구성되었다. 상당히 희석된 가스인 SOFC의 애노드 오프 가스의 적절한 연소를 위하여, 내연기관의 연소 방식으로서 HCCI(homogeneous charge compression ignition), RCCI(reactivity controlled compression ignition) 혹은 SACI(spark assisted compression ignition)가 사용되었다. 내연기관의 흡기압을 1 bar로 만들 수 있는 공기량을 추가한 것으로 가정하였다.Internal combustion engines are constructed taking into account mass, energy, species balances, heat transfer, and chemical reaction kinetics. For proper combustion of the anode off gas of SOFC, which is a significantly diluted gas, HCCI (homogeneous charge compression ignition), RCCI (reactivity controlled compression ignition), or SACI (spark assisted compression ignition) were used as combustion methods in internal combustion engines. It was assumed that an amount of air was added to make the intake pressure of the internal combustion engine 1 bar.

3. 시스템 크기3. System size

SOFC-ICE 하이브리드 시스템 크기는 선박을 운용할 수 있는 크기로 설정되었다. 본 실시예에서는 선박 엔진 MAN 51/60을 사용하였으며, 엔진 설계 사양은 하기 표 2로서 나타내었다.The size of the SOFC-ICE hybrid system was set to a size that can operate a ship. In this example, the marine engine MAN 51/60 was used, and the engine design specifications are shown in Table 2 below.

보어 (bore) [mm]bore [mm] 510510 스트로크 (stroke) [mm]Stroke [mm] 600600 속도 [rpm]speed [rpm] 500500 압축비compression ratio 1515 실린더cylinder 66

SOFC 시스템의 크기는 엔진(ICE)의 크기에 맞추어 결정하였으며, SOFC는 각각 80 개의 직렬 연결된 셀로 구성된 1400 개의 스택이 사용된 것으로 가정하였다. 엔진 흡기 가스의 압력은 1 기압에 근사하도록 스택 수를 결정하였다. 시스템에 유입되는 암모니아의 양은 0.421 kg/s로 고정되었으며, 이는 낮은 발열량 기준으로 7.83 MW에 해당한다.The size of the SOFC system was determined according to the size of the engine (ICE), and it was assumed that 1,400 SOFC stacks, each consisting of 80 serially connected cells, were used. The number of stacks was determined so that the pressure of the engine intake gas approximates 1 atm. The amount of ammonia entering the system was fixed at 0.421 kg/s, which corresponds to 7.83 MW based on low heating value.

4. 시뮬레이션 결과4. Simulation results

4.1 외부 분해기에 애노드 오프가스(anode off gas)를 공급하는 경우4.1 When supplying anode off gas to an external decomposer

하기 표 3은 기준점(reference point)에서 SOFC-ICE 하이브리드 시스템 및 SOFC 독립형 시스템(SOFC stand-alone system)을 비교한 값을 나타내었다. 연료 이용률(fuel utilization factor; UF)은 0.7 및 공기 이용률(air utilization factor)은 0.4를 기준으로 설정하였다.Table 3 below shows comparison values between the SOFC-ICE hybrid system and the SOFC stand-alone system at the reference point. The fuel utilization factor (UF) was set at 0.7 and the air utilization factor (UF) was set at 0.4.

SOFC-ICE 하이브리드 시스템SOFC-ICE hybrid system SOFC 독립형 시스템SOFC standalone system 시스템 전력 [kW]System power [kW] 47534753 36483648 시스템 효율[%]System efficiency [%] 60.5960.59 46.546.5 SOFC 전력 [kW]SOFC power [kW] 36483648 36483648 SOFC 효율 [%]SOFC efficiency [%] 46.546.5 46.546.5 ICE 전력 [kW]ICE power [kW] 11261126 -- ICE 효율 [%]ICE efficiency [%] 41.7541.75 -- 분해기 유용도Decomposer usefulness 0.750.75 0.850.85

상기 표 3을 참조하면, 기준점에서 SOFC의 출력의 약 1/3에 해당하는 양이 엔진에서 생성되었으며, 이로 인하여 SOFC 독립형 시스템에 비해 SOFC-ICE 하이브리드 시스템에 비하여 시스템의 효율성이 크게 향상되었다. 도 3은 크랭크각도(crank angle degree; CAD)에 따른 실린더 내 압력을 나타내었다. 도 3을 참조하여 설명하면, 엔진은 SOFC 애노드 오프 가스를 잘 연소하며, 최고 압력 타이밍은 상사점(top-dead center) 이후 5 CAD로 설정되었다.Referring to Table 3 above, at the baseline, an amount equivalent to about 1/3 of the output of the SOFC was generated by the engine, which significantly improved the efficiency of the system compared to the SOFC-ICE hybrid system compared to the SOFC stand-alone system. Figure 3 shows the pressure within the cylinder according to the crank angle (CAD). Referring to FIG. 3, the engine burns SOFC anode off gas well, and the peak pressure timing was set to 5 CAD after top-dead center.

하기 표 4는 기준점에서 작동하는 SOFC-ICE 하이브리드 시스템에 포함된 스트림의 온도, 압력, 질량 유량 및 몰 조성을 나타낸다.Table 4 below shows the temperature, pressure, mass flow rate and molar composition of the streams included in the SOFC-ICE hybrid system operating at baseline.

스트림stream 1One 22 33 44 55 66 77 88 99 1010 1111 온도
[K]
temperature
[K]
298298 459459 10731073 508508 298298 394394 736736 298298 891891 10731073 462462
압력
[bar]
enter
[bar]
1One 1One 1One 1One 1One 1One 1One 1One 1One 1One 1One
질량 유량
[kg/s]
mass flow rate
[kg/s]
0.420.42 0.420.42 0.840.84 0.840.84 1.21.2 2.032.03 2.032.03 6.386.38 6.386.38 5.965.96 5.965.96
조성Furtherance NH3 NH 3 1One 0.190.19 00 00 00 00 00 00 00 00 00 N2 N 2 00 0.20.2 0.250.25 0.250.25 0.790.79 0.440.44 0.50.5 0.790.79 0.790.79 0.840.84 0.840.84 H2 H 2 00 0.60.6 0.230.23 0.230.23 00 0.150.15 0.120.12 00 00 00 00 H2OH 2 O 00 00 0.520.52 0.520.52 00 0.340.34 0.290.29 00 00 00 00 O2 O 2 00 00 00 00 0.210.21 0.070.07 0.090.09 0.210.21 0.210.21 0.160.16 0.160.16

도 4 및 도 5는 0.5 내지 0.8 범위의 연료 이용률(UF)에서, SOFC, ICE 및 SOFC-ICE 하이브리드 시스템의 전력 및 효율성을 나타낸다. SOFC 독립형 시스템에 ICE를 추가하면 500 kW 내지 2,000 kW의 추가 전력을 생산할 수 있으며, 최대 20%까지 효율을 향상시킬 수 있음을 확인할 수 있다. UF가 증가할수록 SOFC의 전력은 증가하고 ICE의 전력은 감소한다. 따라서, 시스템 총 전력은 먼저 증가한 이후, UF가 증가함에 따라 감소한다. 도 4 및 도 5를 참조하면, 시스템 효율은 UF가 0.6일 때 가장 높으며, UF가 낮아도 효율이 많이 감소하지 않음을 확인할 수 있다.Figures 4 and 5 show the power and efficiency of SOFC, ICE and SOFC-ICE hybrid systems at fuel utilization factors (UF) ranging from 0.5 to 0.8. It has been shown that adding an ICE to a SOFC standalone system can produce between 500 kW and 2,000 kW of additional power and improve efficiency by up to 20%. As UF increases, the power of the SOFC increases and the power of the ICE decreases. Therefore, the total system power first increases and then decreases as UF increases. Referring to Figures 4 and 5, it can be seen that system efficiency is highest when UF is 0.6, and that efficiency does not decrease significantly even when UF is low.

4.2 외부 분해기에 애노드 오프가스(anode off gas)를 공급하지 않고, 별도로 열을 공급하는 경우4.2 When anode off gas is not supplied to the external decomposer and heat is supplied separately.

도 6은, 외부 분해기에 애노드 오프 가스의 열을 제공하지 않고, 별도의 가열기구를 이용하여 열을 제공하는 SOFC-ICE 하이브리드 시스템을 나타내었다. 여기서, SOFC의 애노드에서 생성된 오프가스는 외부 분해기를 통과하지 않고 내연기관으로 이동된다. 하기 표 5는, 외부 분해기에 애노드 오프가스를 공급하는 본원에 따른 하이브리드 시스템과 별도의 가열기구를 이용하여 열을 공급하는 하이브리드 시스템의 데이터를 비교한 값을 나타내었다.Figure 6 shows a SOFC-ICE hybrid system that does not provide heat from the anode off gas to an external decomposer, but provides heat using a separate heating device. Here, the off gas generated at the anode of the SOFC is moved to the internal combustion engine without passing through an external decomposition device. Table 5 below shows data comparing the data of the hybrid system according to the present application that supplies anode off-gas to an external decomposer and the hybrid system that supplies heat using a separate heating device.

추가 가열기구로 열 공급Heat supplied by additional heating appliances 애노드 오프가스 공급Anode off-gas supply 시스템 효율[%]System efficiency [%] 51.0351.03 60.9860.98 NH3 [kg/s]NH 3 [kg/s] 0.50390.5039 0.42170.4217 외부 분해기 [kW]External digester [kW] 1528.71528.7 1528.71528.7 SOFC 전력 [kW]SOFC power [kW] 3658.03658.0 3658.03658.0 내연기관 전력 [kW]Internal combustion engine power [kW] 1125.81125.8 1125.81125.8

상기 표 5를 참조하면, 애노드 오프가스의 열을 외부 분해기에 공급하지 않고 별도의 가열기구를 이용하여 열을 공급하는 경우, 본원에 따른 하이브리드 시스템 효율 대비 도 6에 따른 SOFC-ICE 하이브리드 시스템 효율은 약 10% 낮아지며, 0.0822 kg/s의 암모니아가 추가로 필요한 것을 확인할 수 있다.Referring to Table 5 above, when the heat of the anode off gas is not supplied to an external decomposer but is supplied using a separate heating device, the efficiency of the SOFC-ICE hybrid system according to FIG. 6 compared to the efficiency of the hybrid system according to the present invention is It is lowered by about 10%, and it can be seen that an additional 0.0822 kg/s of ammonia is required.

5. 결론5. Conclusion

본 실시예에서 암모니아를 연료로 사용하는 SOFC-ICE 하이브리드 시스템을 SOFC 및 ICE 의 0D 모델로 시뮬레이션하였으며, 2 개의 모델 모두 실험 데이터로 검증되었다. 또한, SOFC-ICE 하이브리드 시스템은 기준점에서 SOFC 독립형 시스템과 비교하여 상당한 양의 추가 전력을 생성하며 시스템 효율을 최대 20%까지 향상시킬 수 있음을 확인하였다.In this example, a SOFC-ICE hybrid system using ammonia as fuel was simulated with 0D models of SOFC and ICE, and both models were verified with experimental data. Additionally, it was confirmed that the SOFC-ICE hybrid system generates a significant amount of additional power compared to the SOFC standalone system at the baseline and can improve system efficiency by up to 20%.

전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수도 있다.The description of the present application described above is for illustrative purposes, and those skilled in the art will understand that the present application can be easily modified into other specific forms without changing its technical idea or essential features. Therefore, the embodiments described above should be understood in all respects as illustrative and not restrictive. For example, each component described as single may be implemented in a distributed manner, and similarly, components described as distributed may also be implemented in a combined form.

본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위, 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present application is indicated by the claims described below rather than the detailed description above, and all changes or modified forms derived from the meaning and scope of the claims and their equivalent concepts should be construed as being included in the scope of the present application. .

Claims (10)

애노드 및 캐소드를 포함하는 고체 산화물 연료전지; 외부 분해기; 내연기관 및 열교환기
를 포함하는, 고체 산화물 연료전지-내연기관 하이브리드 시스템으로서,
상기 외부 분해기는 암모니아를 수소 및 질소로 분해하여 상기 고체 산화물 연료전지의 애노드로 공급하는 것이고,
상기 내연기관은 상기 고체 산화물 연료전지의 애노드 오프 가스를 공급받아 구동되는 것인,
고체 산화물 연료전지-내연기관 하이브리드 시스템.
A solid oxide fuel cell including an anode and a cathode; external digester; Internal combustion engines and heat exchangers
A solid oxide fuel cell-internal combustion engine hybrid system comprising,
The external decomposer decomposes ammonia into hydrogen and nitrogen and supplies it to the anode of the solid oxide fuel cell,
The internal combustion engine is driven by receiving an anode off gas of the solid oxide fuel cell,
Solid oxide fuel cell-internal combustion engine hybrid system.
제 1 항에 있어서,
상기 외부 분해기는 상기 고체 산화물 연료전지의 애노드 및 상기 내연기관과 연결되는 것인, 고체 산화물 연료전지-내연기관 하이브리드 시스템.
According to claim 1,
The external decomposer is connected to the anode of the solid oxide fuel cell and the internal combustion engine.
제 1 항에 있어서,
상기 외부 분해기는 상기 고체 산화물 연료전지의 애노드 오프 가스의 열을 이용하여 암모니아를 수소 및 질소로 분해하는 것인, 고체 산화물 연료전지-내연기관 하이브리드 시스템.
According to claim 1,
The external decomposition unit decomposes ammonia into hydrogen and nitrogen using heat from the anode off gas of the solid oxide fuel cell.
제 1 항에 있어서,
상기 열교환기는 상기 고체 산화물 연료전지의 캐소드와 연결되는 것인, 고체 산화물 연료전지-내연기관 하이브리드 시스템.
According to claim 1,
A solid oxide fuel cell-internal combustion engine hybrid system, wherein the heat exchanger is connected to the cathode of the solid oxide fuel cell.
제 1 항에 있어서,
상기 열교환기는 상기 고체 산화물 연료전지의 캐소드 오프 가스의 열을 이용하여 외부 공기를 예열하는 것인, 고체 산화물 연료전지-내연기관 하이브리드 시스템.
According to claim 1,
The heat exchanger is a solid oxide fuel cell-internal combustion engine hybrid system that uses heat from the cathode off gas of the solid oxide fuel cell to preheat external air.
제 1 항에 있어서,
상기 내연기관의 연소 방식은 예혼합 압축착화 방식, 반응성 제어 압축착화 방식, 스파크의 도움을 받는 압축착화 방식, 스파크 점화 방식 및 압축 점화 방식에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것인, 고체 산화물 연료전지-내연기관 하이브리드 시스템.
According to claim 1,
The combustion method of the internal combustion engine includes one or more selected from the group consisting of a premixed compression ignition method, a reactivity-controlled compression ignition method, a compression ignition method assisted by a spark, a spark ignition method, and a compression ignition method. -Internal combustion engine hybrid system.
제 1 항에 있어서,
상기 내연기관은 100 kW 내지 2,500 kW의 전력을 생산하는 것인, 고체 산화물 연료전지-내연기관 하이브리드 시스템.
According to claim 1,
A solid oxide fuel cell-internal combustion engine hybrid system in which the internal combustion engine produces power of 100 kW to 2,500 kW.
제 1 항에 있어서,
고체 산화물 연료전지 독립형 시스템과 비교하여 시스템 효율은 10% 이상 향상되는 것인, 고체 산화물 연료전지-내연기관 하이브리드 시스템.
According to claim 1,
A solid oxide fuel cell-internal combustion engine hybrid system in which system efficiency is improved by more than 10% compared to a solid oxide fuel cell stand-alone system.
제 1 항에 있어서,
상기 내연기관은 암모니아 및 외부 공기가 추가 공급되어 추가 전력을 생산하는 것인, 고체 산화물 연료전지-내연기관 하이브리드 시스템.
According to claim 1,
A solid oxide fuel cell-internal combustion engine hybrid system in which the internal combustion engine produces additional power by additionally supplying ammonia and external air.
제 1 항에 있어서,
선박용 추진 시스템에 사용되는 것인, 고체 산화물 연료전지-내연기관 하이브리드 시스템.
According to claim 1,
A solid oxide fuel cell-internal combustion engine hybrid system used in marine propulsion systems.
KR1020220081204A 2022-07-01 2022-07-01 Solid oxide fuel cell-internal combustion engine hybrid system powered by ammonia KR20240003528A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020220081204A KR20240003528A (en) 2022-07-01 2022-07-01 Solid oxide fuel cell-internal combustion engine hybrid system powered by ammonia

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020220081204A KR20240003528A (en) 2022-07-01 2022-07-01 Solid oxide fuel cell-internal combustion engine hybrid system powered by ammonia

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20240003528A true KR20240003528A (en) 2024-01-09

Family

ID=89538408

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020220081204A KR20240003528A (en) 2022-07-01 2022-07-01 Solid oxide fuel cell-internal combustion engine hybrid system powered by ammonia

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20240003528A (en)

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102254196B1 (en) 2020-05-15 2021-05-20 (주)원익머트리얼즈 Ammonia based solid oxide fuel cell system

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102254196B1 (en) 2020-05-15 2021-05-20 (주)원익머트리얼즈 Ammonia based solid oxide fuel cell system

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Rathore et al. Direct ammonia solid-oxide fuel cells: A review of progress and prospects
Afif et al. Ammonia-fed fuel cells: a comprehensive review
CN113540541B (en) SOFC (solid oxide Fuel cell) using ammonia water as fuel, and cascade power generation system and operation method thereof
Harvey et al. Gas turbine cycles with solid oxide fuel cells—part I: improved gas turbine power plant efficiency by use of recycled exhaust gases and fuel cell technology
US7410713B2 (en) Integrated fuel cell hybrid power plant with re-circulated air and fuel flow
US7276306B2 (en) System for the co-production of electricity and hydrogen
US20040121207A1 (en) Cooled turbine integrated fuel cell hybrid power plant
US20060068248A1 (en) High efficiency system for low cost conversion of fuel to vehicle hydrogen
CA2642014A1 (en) Single chamber type solid oxide fuel cell
Henke et al. Construction of a 30kw SOFC gas turbine hybrid power plant
KR20230071089A (en) Electrochemical cell system including system recycle and cathode exhaust cooler
US11145880B2 (en) High efficiency solid oxide fuel cell—internal combustion engine hybrid power system
KR101291115B1 (en) Fuel cell generating system and ship having the same
Braun et al. Development of a novel high efficiency, low cost hybrid SOFC/internal combustion engine power generator
KR20240003528A (en) Solid oxide fuel cell-internal combustion engine hybrid system powered by ammonia
Gechev et al. Popular fuel cell types-a brief review
Rashad et al. Hydrogen in fuel cells: an overview of promotions and demotions
KR20230154824A (en) Method for producing gaseous fuel
US8367263B2 (en) Fuel cell, fuel cell apparatus, vehicle and co-generation system including the same and fuel cell operation method
JP2006310128A (en) System and method for supplying cover gas
Gechev et al. Model-based study of the influence of selected parameters on the performance of a low-powered SOFC
CN115763883B (en) Zero-carbon-emission solid oxide fuel cell power generation system integrated with oxygen permeable membrane
CN219441225U (en) System for utilize green hydrogen system ammonia to realize flue gas denitration
KR102562483B1 (en) Cell for ammonia synthesis comprising oxygen ion conducting solid oxide electrolysis and a method of producing ammonia using thereof
Borkar SOLID OXIDE FUEL CELLS