WO2016003011A1 - 우수한 연료 효율을 갖는 직접탄소 연료전지 시스템 - Google Patents

우수한 연료 효율을 갖는 직접탄소 연료전지 시스템 Download PDF

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carbon fuel
direct
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송신애
황준영
김기영
강경태
이준균
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한국생산기술연구원
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Definitions

  • the present invention relates to a direct carbon fuel cell system, and more particularly, to a direct carbon fuel cell system for maximizing the fuel efficiency of a direct carbon fuel cell.
  • Direct Carbon Fuel Cell is a new concept of fuel cell with high efficiency over 80% of theoretical efficiency that generates electric energy by using carbon as direct fuel.
  • Oxygen reduction reaction occurs in the cathode of the direct carbon fuel cell to generate oxygen ions, and the generated oxygen ions move to the anode through the electrolyte and react with carbon atoms at the anode to produce carbon dioxide.
  • Direct carbon fuel cell is economical by using coal with rich reserves as fuel in the world, and emits less environmental pollutants such as SOx, NOx, PM during combustion, and it is low noise and pollution-free because it is a chemical reaction using carbon directly. It has the advantage that it is not necessary to have a reformer for the same reason can reduce the cost.
  • carbon dioxide emitted by directly reacting carbon and oxygen can be collected without the need for a concentration process, and thus, a separate purification device is not required, or even if necessary, it can be used at a lower cost than a conventional purification device. Pure carbon dioxide, which can be sold, is environmentally friendly and economical.
  • the direct carbon fuel cell is attempting a technical approach based on the technology of molten carbonate fuel cell (MCFC) and solid oxide fuel cell (SOFC), and specifically used in molten carbonate fuel cell DCFC, which uses molten carbonate as an electrolyte, supplies fuel in the form of slurry by mixing various carbon sources such as amorphous carbon powder, pulverized coal, and various coals with powder or electrolyte, and the electrode directly uses carbon rod as an anode electrode. This is most often the case.
  • MCFC molten carbonate fuel cell
  • SOFC solid oxide fuel cell
  • the direct carbon fuel cell based on a solid oxide fuel cell has a merit that there is no problem of material corrosion, electrolyte loss and replenishment using a solid electrolyte (YSZ, GDC, SDC) as a button cell type DCFC.
  • YSZ, GDC, SDC solid electrolyte
  • Ni-YSZ cermet, Cu-YSZ cermet, samarium (Sm) doped cerium oxide (CeO2), and the like are mainly used as anode electrodes.
  • An object of the present invention is to provide a high-temperature fuel cell (solid oxide fuel cell or molten carbonate fuel cell) at the bottom of a direct carbon fuel cell using carbon as a direct fuel to use the gas generated from the direct carbon fuel cell as fuel.
  • the present invention provides a high-efficiency direct carbon fuel cell system that can generate electricity through an electrochemical reaction of a high temperature fuel cell.
  • It includes a direct carbon fuel cell composed of an anode, a cathode and an electrolyte, and a high temperature fuel cell connected to the direct carbon fuel cell and using unreacted substances and reaction by-products discharged from the anode as fuel.
  • a direct carbon fuel cell composed of an anode, a cathode and an electrolyte
  • a high temperature fuel cell connected to the direct carbon fuel cell and using unreacted substances and reaction by-products discharged from the anode as fuel.
  • the fuel of the direct carbon fuel cell may be selected from the group consisting of carbon, coal, wood, and biomass.
  • a molten carbonate fuel cell may be used as the high temperature fuel cell.
  • the molten carbonate fuel cell may use a fuel electrode composed of porous nickel (Ni).
  • a solid oxide fuel cell may be used as the high temperature fuel cell.
  • NiO / YSZ cermet mixed with nickel oxide (NiO) and yttria stabilized zirconia (YSZ) may be used.
  • the direct carbon fuel cell system may further include a filter that separates the solid fuel and the gaseous fuel connected to an outlet of the direct carbon fuel cell anode.
  • the direct carbon fuel cell system may further include a monitoring device connected to an outlet of the direct carbon fuel cell, and the monitoring device may monitor a concentration of gas discharged from an anode of the direct carbon fuel cell. .
  • the gas discharged from the outlet may be one or more gaseous substances selected from the group consisting of H 2, CO, CO 2 and H 2 O.
  • the direct carbon fuel cell system may further include a control device, and the control device may adjust the concentration of the gas according to the monitoring result of the monitoring device, and further inject gas components insufficient for this purpose.
  • the direct carbon fuel cell system may further include a gas storage unit storing one or more gases selected from H 2, CO, CO 2 and H 2 O controlled by the control device.
  • the direct carbon fuel cell system may further include a separator for separating solid fuel and gaseous fuel at an outlet of the direct carbon fuel cell anode.
  • the solid fuel separated from the separator may be recycled and reused as a raw material of the direct carbon fuel cell.
  • the direct carbon fuel cell system may further include a device using waste heat generated from the direct carbon fuel cell and a high temperature fuel cell.
  • the apparatus using the waste heat recovers the generated waste heat and preheats raw materials.
  • Pre-heating device, cogeneration device, hot water generator, heating device can be selected from the group consisting of.
  • the generation efficiency of the direct carbon fuel cell can be improved by generating additional electricity through the high temperature fuel cell using useful gases generated as a result of the operation of the direct carbon fuel cell.
  • FIG. 1 is a view of a direct carbon fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a view of a direct carbon fuel cell system according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram of a direct carbon fuel cell system according to another embodiment of the present invention.
  • the gas from the anode outlet of a direct carbon fuel cell (DCFC) using carbon as a raw material is injected into the anode of a high temperature fuel cell as it is, and the secondary power is generated. Power generation efficiency can be improved.
  • DCFC direct carbon fuel cell
  • 1 relates to a direct carbon fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
  • the direct carbon fuel cell system 10 includes a direct carbon fuel cell 100, a high temperature fuel cell 150, and the direct carbon fuel cell 100 and the above to increase the efficiency of a fuel cell. And a filter 121 connected to the high temperature fuel cell 150.
  • Direct carbon fuel cell 100 is a device for converting the chemical energy of carbon to electrochemical energy using carbon as a direct fuel, unlike the conventional fuel cell is limited to Carno cycle efficiency It doesn't work.
  • the direct carbon fuel cell 100 that may be used in an embodiment of the present invention includes a fuel supply device, a fuel electrode 101 receiving carbon fuel from a fuel supply device, and a cathode 103 receiving oxygen. ), A porous separator for separating an anode 101 and a cathode 103 and an electrolyte 105, and a stack in which a plurality of unit cells are stacked using the unit cell as one unit cell.
  • a direct carbon fuel cell in the form of a stack can also be used.
  • the fuel supplied to the anode 101 through the fuel supply device of the direct carbon fuel cell 100 may be used alone or in combination of various carbon-containing solid fuels such as carbon, coal, coke, wood, biomass and biofuel.
  • various carbon-containing solid fuels such as carbon, coal, coke, wood, biomass and biofuel.
  • the present invention is not limited thereto, and the fuel supply method may be applied to both the conventional batch process method and the continuous process method.
  • Materials that may be used as the electrolyte 105 of the direct carbon fuel cell 100 may include molten hydroxides, molten carbonates and solid oxides such as sodium hydroxide, potassium hydroxide, lithium hydroxide, and combinations thereof, but are not limited thereto. It doesn't happen.
  • the direct carbon fuel cell 100 is preferably operated at 600 °C to 900 °C conditions, it is more preferably operated at 700 °C to 800 °C.
  • the high temperature fuel cell 150 may be selected from a molten carbonate fuel cell (MCFC) and a solid oxide fuel cell (SOFC).
  • MCFC molten carbonate fuel cell
  • SOFC solid oxide fuel cell
  • the molten carbonate fuel cell (MCFC) that can be used as the high temperature fuel cell 150 according to an embodiment of the present invention is porous nickel, nickel-aluminum alloy, nickel-chromium alloy and nickel-
  • the anode 151 and the nickel oxide (NiO) cathode 153 selected from the group consisting of an aluminum-chromium alloy and a carbon rod may be used as the electrode material.
  • Molten carbonate may be used as the electrolyte 155 of the molten carbonate fuel cell (MCFC), and it is particularly preferable to use Li 2 CO 3 and K 2 CO 3 as electrolytes.
  • the molten carbonate fuel cell is preferably operated at 550 °C to 800 °C, more preferably at 600 °C to 750 °C.
  • a fuel obtained by mixing various carbon sources such as amorphous carbon powder, pulverized coal and various coals with a powder or an electrolyte may be used as a slurry.
  • a molten carbonate fuel cell reforms the fuel in the slurry form to produce hydrogen and carbon dioxide, and then supplies it to the anode of the fuel cell, and directly supplies the slurry fuel to reform the fuel in the fuel cell.
  • the fuel supplied from the direct carbon fuel cell (DCFC) to the molten carbonate fuel cell is supplied in the form of hydrogen, carbon dioxide, and carbon monoxide, it is not necessary to provide a separate reformer. .
  • DCFC direct carbon fuel cell
  • Solid oxide fuel cell that can be used as another high-temperature fuel cell 151 according to an embodiment of the present invention may use a structure of one stack of cylindrical, flat plate type, It is recommended that the operating temperature is 900 ° C to 1100 ° C, and particularly preferably 950 ° C to 1050 ° C.
  • NiO / YSZ cermet which is a mixture of nickel oxide (NiO) and yttria stabilized zirconia (YSZ) is generally used, and Cu-YSZ cermet and samarium (Sm) doped are used.
  • Cerium oxide (CeO 2) may also be used, but is not limited thereto.
  • strontium (Sr) doped lanthanum manganite (LSM) having a perovskite structure may be used, and strontium (Sr) and iron (Fe) doped LaCoO 3 may be used, but is not limited thereto. no.
  • Yttria stabilized zirconia YSZ
  • GDC gadolinium doped ceria
  • the filter 121 is connected to the outlet of the direct carbon fuel cell (DCFC) so that solid fuel such as coal is present inside the direct carbon fuel cell (DCFC) and passes only gaseous fuel.
  • the gaseous fuel passing through the filter 121 is injected into the anode of the high temperature fuel cell to generate secondary power, thereby increasing power generation efficiency of the direct carbon fuel cell system.
  • the filter 121 has a function of separating the solid and gas, and can be used regardless of the type, if it is composed of a material that is not affected by the operating temperature of the direct carbon fuel cell.
  • the direct carbon fuel cell system 10 may further include a device using waste heat generated from the direct carbon fuel cell and the high temperature fuel cell.
  • a device using waste heat generated from the direct carbon fuel cell and the high temperature fuel cell may be selected from the group consisting of a pre-heating device for recovering the generated waste heat to heat the raw material in advance, a cogeneration device for generating power by turning a turbine using the waste heat, a hot water generator and a heating device.
  • the direct carbon fuel cell system 20 includes a direct carbon fuel cell 100 and a high temperature fuel cell 150 to increase the efficiency of the fuel cell.
  • the separator further includes a separator 123 connected to the high temperature fuel cell to separate the solid fuel and the gaseous fuel.
  • the direct carbon fuel cell system 20 includes a separator 123 connected to the outlet of the anode 101 of the direct carbon fuel cell (DCFC) in order to minimize unreacted materials.
  • DCFC direct carbon fuel cell
  • the solid fuel separated by the separator 123 is returned to the anode 101 of the direct carbon fuel cell (DCFC) through a recycling process and reused as the fuel of the direct carbon fuel cell, and the remaining separated gaseous fuel is used as a high temperature type.
  • the fuel cell is sent to the fuel electrode 151 of the fuel cell to generate secondary power.
  • the direct carbon fuel cell system 20 may further include a device using waste heat generated from the direct carbon fuel cell and the high temperature fuel cell. Since it is the same as the waste heat utilization apparatus described in Embodiment 1, the following description is omitted.
  • Direct carbon fuel cell system 30 is a direct carbon fuel cell (DCFC) 100, a high-temperature type fuel cell 150 and a filter 121 connected to the anode outlet of the direct carbon fuel cell,
  • the monitoring device 127 and the control device 129 may be further included, and the monitoring device 127 and the control device 129 may maximize the efficiency of the high temperature fuel cell.
  • the monitoring device 127 monitors the composition and the concentration of the gas in order to maintain a constant gas concentration of the anode of the high-temperature fuel cell
  • the control device 129 is the composition and concentration of the gas measured by the monitoring device As a reference, additional insufficient gas may be injected.
  • the direct carbon fuel cell system may further include a gas storage unit storing one or more gases selected from H 2, CO, CO 2 and H 2 O controlled by the control device.
  • the direct carbon fuel cell system 30 may further include a device using waste heat generated from the direct carbon fuel cell and the high temperature fuel cell, and may be used. Since the same as the waste heat using apparatus described in the embodiment of Figure 1 will be omitted below.

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Abstract

본 발명은 직접탄소 연료전지 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 직접탄소 연료전지의 연료 효율을 극대화시키는 직접탄소 연료전지 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 직접탄소 연료전지 시스템은 연료극(anode), 공기극(cathode) 및 전해질로 구성된 직접탄소 연료전지와 상기 직접탄소 연료전지에 연결되어 상기 연료극(anode)에서 배출되는 미반응물 및 반응 부산물을 연료로 사용하는 고온형 연료전지를 포함한다. 본 발명의 직접탄소 연료전지 시스템에 따르면, 직접탄소 연료전지의 운전 결과 생성되는 유용한 가스들을 이용하여 고온형 연료전지를 통해 추가적인 전기를 생성함으로써 직접탄소 연료전지의 발전 효율을 높일 수 있다.

Description

우수한 연료 효율을 갖는 직접탄소 연료전지 시스템
본 발명은 직접탄소 연료전지 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 직접탄소 연료전지의 연료 효율을 극대화시키는 직접탄소 연료전지 시스템에 관한 것이다.
직접탄소 연료전지(DCFC, Direct Carbon Fuel Cell)는 탄소를 직접 연료로 이용하여 전기에너지를 생성하는 이론 효율 80% 이상의 고효율을 가진 신개념의 연료전지이다. 직접탄소 연료전지의 공기극(cathode)에서는 산소의 환원 반응이 일어나 산소 이온을 생성시키고, 생성된 산소 이온은 전해질을 통해 연료극(anode)으로 이동한 후 연료극(anode)에서 탄소 원자와 반응하여 이산화탄소를 생성시킨다. 이 단계에서 4개의 자유전자가 생성되어 발전이 이루어지며 이는 하기 화학식으로 나타내어질 수 있다.
연료극(anode) : C + 2O2 - -> CO2 + 4e-
공기극(cathode) : O2 + 4e- -> 2O2 -
전체 반응식 : C + O2 -> CO2
직접탄소 연료전지는 세계적으로 풍부한 매장량을 가진 석탄을 연료로 이용하여 경제적이며, 연소시 SOx, NOx, PM 등과 같은 환경 오염물질의 방출이 적고, 탄소를 직접 이용한 화학반응이기 때문에 소음이 적으며 무공해라는 장점을 가지며, 동일한 이유로 개질기를 구비할 필요가 없어 비용을 절감시킬 수 있다.
또한, 탄소와 산소를 직접 반응시켜 배출되는 이산화탄소를 농축 과정 필요 없이 포집할 수 있어 별도의 정화장치가 필요하지 않거나, 필요하더라도 기존의 정화장치에 비해 적은 비용으로 이용이 가능하며, 포집된 이산화탄소는 순수한 이산화탄소로, 이를 판매할 수도 있어 친환경적이며 경제적이다.
직접탄소 연료전지는 용융탄산염 연료전지(MCFC, molten carbonate fuel cell)와 고체산화물 연료전지(SOFC, solid oxide fuel cell)의 기술을 바탕으로 기술적 접근이 시도되고 있으며, 구체적으로 용융탄산염 연료전지에 이용되는 용융탄산염을 전해질로 사용하는 DCFC는 비정질 탄소분말, 미분탄 및 각종 석탄 등의 다양한 탄소원을 파우더 또는 전해질과 섞어 슬러리 형태로 한 연료를 공급하고 전극은 카본 봉을 연료극(anode) 전극으로 직접 사용하는 경우가 대부분이다.
또한, 고체산화물 연료전지를 기반으로 한 직접탄소 연료전지의 경우 버튼셀 형식의 DCFC로서 고체 전해질(YSZ, GDC, SDC)을 사용하여 재료의 부식 및 전해질 손실, 보충 문제가 없는 장점이 있으며, 전극은 주로 Ni-YSZ cermet, Cu-YSZ cermet, 사마륨(Sm) 도핑된 산화세륨(CeO2) 등이 연료극(anode) 전극으로 사용된다.
직접탄소 연료전지의 다양한 장점에도 불구하고 지금까지 개발된 직접탄소 연료전지는 불연속적인 연료공급 문제와 제한적인 삼상계면(전극, 연료, 전해질이 동시에 접촉하는 지점)의 형성으로 활성도 저하 문제의 한계를 가지고 있으며, 직접탄소 연료전지의 탄소원인 석탄 내에 다량 존재하는 휘발분(탄화수소류, 수소, 일산화탄소, 이산화탄소 등)은 제대로 반응하지 못하고 그대로 버려지는 문제가 있다.
본 발명의 목적은 탄소를 직접 연료로 이용하는 직접탄소 연료전지의 하단에 고온형 연료전지(고체산화물 연료전지 또는 용융탄산염 연료전지)를 구비하여 상기 직접탄소 연료전지로부터 발생되는 가스를 연료로 이용하여 고온형 연료전지의 전기화학반응을 통해 추가로 전기를 생산할 수 있는 고효율의 직접탄소 연료전지 시스템을 제공하는 데 있다.
연료극(anode), 공기극(cathode) 및 전해질로 구성된 직접탄소 연료전지와 상기 직접탄소 연료전지에 연결되어 상기 연료극(anode)에서 배출되는 미반응물 및 반응부산물을 연료로 사용하는 고온형 연료전지를 포함하는 직접탄소 연료전지 시스템을 제공한다.
상기 직접탄소 연료전지의 연료는 탄소, 석탄, 우드 및 바이오매스로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
상기 고온형 연료전지로는 용융탄산염 연료전지가 사용될 수 있다.
상기 용융탄산염 연료전지는 다공성의 니켈(Ni)로 구성된 연료극을 사용할 수 있다.
상기 고온형 연료전지로는 고체산화물 연료전지가 사용될 수 있다.
상기 고체산화물 연료전지의 연료극으로는 니켈 옥사이드(NiO)와 이트리아 안정화된 지르코니아(YSZ)가 혼합된 NiO/YSZ 서메트로 형성된 물질이 사용될 수 있다.
상기 직접탄소 연료전지 시스템은 상기 직접탄소 연료전지 연료극(anode)의 배출구에 연결된 고체 연료와 기체 연료를 분리하는 필터를 더 포함할 수 있다.
상기 직접탄소 연료전지 시스템은 상기 직접탄소 연료전지의 배출구에 연결된 모니터링 장치를 더 포함할 수 있으며, 상기 모니터링 장치는 상기 직접탄소 연료전지의 연료극(anode)에서 배출된 가스의 농도를 모니터링할 수 있다.
상기 배출구에서 배출된 가스는 H2, CO, CO2 및 H2O로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 기상 물질일 수 있다.
상기 직접탄소 연료전지 시스템은 컨트롤 장치를 더 포함할 수 있으며, 상기 컨트롤 장치는 상기 모니터링 장치의 모니터링 결과에 따라 가스의 농도를 조절할 수 있고, 이를 위해 부족한 가스 성분을 더 주입할 수 있다.
상기 직접탄소 연료전지 시스템은 상기 컨트롤 장치에 의해 제어되는 H2, CO, CO2 및 H2O에서 선택된 하나 이상의 가스를 저장하는 가스 저장부를 더 포함할 수 있다.
상기 직접탄소 연료전지 시스템은 상기 직접탄소 연료전지 연료극(anode)의 배출구에 고체 연료와 기체 연료를 분리하는 세퍼레이터를 더 포함할 수 있다.
상기 세퍼레이터에서 분리된 상기 고체 연료는 리사이클되어 상기 직접탄소 연료전지의 원료로 재이용될 수 있다.
상기 직접탄소 연료전지 시스템은 상기 직접탄소 연료전지 및 고온형 연료전지에서 발생하는 폐열을 이용하는 장치를 추가로 더 포함할 수 있으며, 상기 폐열을 이용하는 장치로는 발생된 폐열을 회수하여 원료를 미리 히팅 시키는 pre-heating 장치, 열병합발전 장치, 온수 발생 장치, 난방 장치로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
본 발명의 직접탄소 연료전지 시스템에 따르면, 직접탄소 연료전지의 운전 결과 생성되는 유용한 가스들을 이용하여 고온형 연료전지를 통해 추가적인 전기를 생성함으로써 직접탄소 연료전지의 발전 효율을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 직접탄소 연료전지 시스템에 관한 도면이다.
도 2는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 직접탄소 연료전지 시스템에 관한 도면이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 직접탄소 연료전지 시스템에 관한 도면이다.
본 발명에 따른 탄소를 직접 원료로 사용하는 직접탄소 연료전지 및 상기 직접탄소 연료전지의 아웃렛(Outlet)에서 배출된 미반응물 빛 반응부산물로 생성된 탄화수소류, 수소, 일산화탄소를 연료로 사용하는 고온형 연료전지를 포함하는 직접탄소 연료전지 시스템을 첨부한 도면을 참고로 이하에 설명한다.
본 발명에 따른 직접탄소 연료전지 시스템은 탄소를 원료로 사용하는 직접탄소 연료전지(DCFC)의 연료극 배출구에서 나오는 가스를 그대로 고온형 연료전지의 연료극으로 주입 후 2차로 발전을 하여 직접탄소 연료전지의 발전 효율을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 직접탄소 연료전지 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 직접탄소 연료전지 시스템(10)은 연료전지의 효율을 높이기 위해 직접탄소 연료전지(100), 고온형 연료전지(150) 및 상기 직접탄소 연료전지(100)와 상기 고온형 연료전지(150)에 연결된 필터(121)를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 직접탄소 연료전지(100)는 탄소를 직접 연료로 이용하여 탄소가 가진 화학에너지를 전기화학적 에너지로 변환시키는 장치로, 기존의 연료전지와는 다르게 카르노 사이클 효율에 제한되지 않는다.
예시적으로 본 발명의 일 실시예에 이용될 수 있는 직접탄소 연료전지(100)는 연료 공급장치, 연료 공급장치에서 탄소 연료를 공급받는 연료극(101), 산소를 공급받는 공기극(cathode)(103), 연료극(anode)(101)과 공기극(cathode)(103)을 분리하는 다공성 분리막 및 전해질(105)로 구성되어질 수 있으며, 상기 구성을 하나의 단위셀로 하여 여러개의 단위셀을 적층한 스택(stack)형태의 직접탄소 연료전지를 이용할 수도 있다.
상기 직접탄소 연료전지(100)의 연료 공급장치를 통해 연료극(101)으로 공급되어지는 연료는 탄소, 석탄, 코크스, 우드, 바이오 매스 및 바이오 연료 등 다양한 탄소 함유 고체 연료를 단독으로 혹은 조합하여 사용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 연료 공급 방식 또한 기존의 회분식(batch process) 방법 및 연속식(continuous process) 방법 모두 적용 가능하다.
상기 직접탄소 연료전지(100)의 전해질(105)로 이용될 수 있는 물질은 수산화 나트륨, 수산화 칼륨, 수산화 리튬, 및 이들의 조합과 같은 용융 수산화물, 용융 탄산염 및 고체 산화물이 포함될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 직접탄소 연료전지(100)는 600℃ 내지 900℃의 조건에서 조업되는 것이 바람직하며, 700℃ 내지 800℃에서 조업되는 것이 더욱 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고온형 연료전지(150)는 용융탄산염 연료전지(MCFC, molten carbonate fuel cell)와 고체산화물 연료전지(SOFC, solid oxide fuel cell)에서 선택되어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고온형 연료전지(150)로 이용될 수 있는 상기 용융탄산염 연료전지(MCFC, molten carbonate fuel cell)는 다공성의 니켈, 니켈-알루미늄 합금, 니켈-크롬 합금 및 니켈-알루미늄-크롬 합금 및 카본 봉으로 이루어진 군에서 선택된 연료극(151)과 니켈옥사이드(NiO) 공기극(153)을 전극 재료로 사용할 수 있다.
상기 용융탄산염 연료전지(MCFC, molten carbonate fuel cell)의 전해질(155)로는 용융 탄산염이 사용될 수 있으며, 특히 Li2CO3와 K2CO3을 전해질을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 용융탄산염 연료전지는 550℃ 내지 800℃에서 조업되는 것이 바람직하며, 600℃ 내지 750℃에서 조업되는 것이 더욱 바람직하다.
상기 용융탄산염 연료전지의 연료로는 비정질 탄소분말, 미분탄 및 각종 석탄 등의 다양한 탄소원을 파우더 또는 전해질과 섞어 슬러리 형태로 한 연료를 이용할 수 있다. 일반적인 용융탄산염 연료전지는 상기 슬러리 형태의 연료를 개질하여 수소와 이산화탄소를 생성한 후 이를 연료전지의 연료극에 공급하는 외부 개질형과, 상기 슬러리 형태의 연료를 바로 공급하여 연료전지 내부에서 개질시켜 연료극에 공급하는 내부 개질형으로 분류되나, 본 발명에서는 직접탄소 연료전지(DCFC)에서 용융탄산염 연료전지로 공급되는 연료가 수소, 이산화탄소, 일산화탄소의 형태로 공급되기 때문에 별도의 개질기를 구비할 필요가 없다.
본 발명의 일 실시예에 따른 또 다른 고온형 연료전지(151)로 이용될 수 있는 고체산화물 연료전지(SOFC, solid oxide fuel cell)는 원통형, 평판형 중 한 가지 스택의 구조를 사용할 수 있으며, 조업온도는 900℃ 내지 1100℃가 권장되고, 950℃ 내지 1050℃가 특히 바람직하다.
상기 고체산화물 연료전지의 연료극으로는 일반적으로 니켈옥사이드(NiO)와 이트리아 안정화된 지르코니아(YSZ)가 혼합된 서메트인 NiO/YSZ cermet가 사용되며, Cu-YSZ cermet, 사마륨(Sm) 도핑된 산화세륨(CeO2)도 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 고체산화물 연료전지의 공기극으로는 perovskite 구조의 스트론튬(Sr) 도핑된 란탄 망가나이트(LSM)가 사용될 수 있고, 스트론튬(Sr) 및 철(Fe) 도핑된 LaCoO3도 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 고체산화물 연료전지의 전해질로는 이트리아 안정화된 지르코니아(YSZ), 가돌리늄 도핑된 세리아(GDC) 등이 이용될 수 있고, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에 따른 필터(121)는 직접탄소 연료전지(DCFC)의 배출구에 연결되어 석탄 등의 고체 연료는 직접탄소 연료전지(DCFC) 내부에 존재하도록 하고, 기체 연료만 통과시킨다. 필터(121)를 통과한 기체 연료는 고온형 연료전지의 연료극으로 주입되어 2차 발전을 이루므로 직접탄소 연료전지 시스템의 발전 효율을 증가시킬 수 있다.
이 때, 필터(121)는 고체와 기체를 분리할 수 있는 기능을 가지고, 직접탄소 연료전지의 조업온도에 영향을 받지 않는 물질로 구성된다면 종류에 구애되지 않고 사용 가능하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 직접탄소 연료전지 시스템(10)은 상기 직접탄소 연료전지 및 고온형 연료전지에서 발생하는 폐열을 이용하는 장치를 추가로 더 포함할 수 있다. 예시로, 발생된 폐열을 회수하여 원료를 미리 히팅 시키는 pre-heating 장치, 폐열을 이용해 터빈을 돌려 발전을 하는 열병합발전 장치, 온수 발생 장치 및 난방 장치로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 직접탄소 연료전지 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 직접탄소 연료전지 시스템(20)은 연료전지의 효율을 높이기 위해 직접탄소 연료전지(100) 및 고온형 연료전지(150)를 포함하며, 상기 직접탄소 연료전지와 상기 고온형 연료전지에 연결되어 고체 연료와 기체 연료를 분리할 수 있는 세퍼레이터(123)를 더 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 직접탄소 연료전지 및 고온형 연료전지는 도 1의 실시예에서 설명한 직접탄소 연료전지 및 고온형 연료전지와 동일하므로 이하 설명은 생략한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 직접탄소 연료전지 시스템(20)은 미반응 물질을 최소화하기 위해 직접탄소 연료전지(DCFC)의 연료극(101) 배출구에 연결된 세퍼레이터(123)를 포함한다.
상기 세퍼레이터(123)에 의해 분리된 고체 연료는 리사이클 과정을 통해 직접탄소 연료전지(DCFC)의 연료극(101)으로 돌려보내져 직접탄소 연료전지의 연료로 재이용 되고, 나머지 분리된 기체 연료는 그대로 고온형 연료전지의 연료극(151)으로 보내져 2차로 발전을 이룬다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 직접탄소 연료전지 시스템(20)은 상기 직접탄소 연료전지 및 고온형 연료전지에서 발생하는 폐열을 이용하는 장치를 추가로 더 포함할 수 있으며, 상기 폐열 이용 장치는 도 1의 실시예에서 설명한 폐열 이용 장치와 동일하므로 이하 설명은 생략한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 직접탄소 연료전지 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 직접탄소 연료전지 시스템(30)은 직접탄소 연료전지(DCFC)(100), 고온형 연료전지(150) 및 직접탄소 연료전지의 연료극 배출구에 연결된 필터(121), 모니터링 장치(127) 및 컨트롤 장치(129)를 더 포함할 수 있으며, 상기 모니터링 장치(127)와 상기 컨트롤 장치(129)를 통해 고온형 연료전지의 효율을 극대화시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 직접탄소 연료전지 및 고온형 연료전지는 도 1의 실시예에서 설명한 직접탄소 연료전지 및 고온형 연료전지와 동일하므로 이하 설명은 생략한다.
상기 모니터링 장치(127)는 고온형 연료전지의 연료극의 가스 농도를 일정하게 유지하기 위하여 가스의 성분 및 농도를 모니터링하며, 상기 컨트롤 장치(129)는 상기 모니터링 장치에서 측정된 상기 가스의 성분 및 농도를 참고로 하여 추가로 부족한 성분의 가스를 주입할 수 있다.
이를 위하여 상기 직접탄소 연료전지 시스템은 상기 컨트롤 장치에 의해 제어되는 H2, CO, CO2 및 H2O에서 선택된 하나 이상의 가스를 저장하는 가스 저장부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 직접탄소 연료전지 시스템(30)은 상기 직접탄소 연료전지 및 고온형 연료전지에서 발생하는 폐열을 이용하는 장치를 추가로 더 포함할 수 있으며, 사용될 수 있는 폐열 이용 장치는 도 1의 실시예에서 설명한 폐열 이용 장치와 동일하므로 이하 설명은 생략한다.
이상에서 본 발명에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 설명하였으나, 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이고 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims (20)

  1. 연료극(anode), 공기극(cathode) 및 전해질로 구성된 직접탄소 연료전지;와
    상기 직접탄소 연료전지에 연결되어 상기 연료극(anode)에서 배출되는 미반응물 및 반응 부산물을 연료로 사용하는 고온형 연료전지를 포함하는 직접탄소 연료전지 시스템
  2. 청구항 제1항에 있어서,
    상기 연료극(anode)의 배출구에 고체 연료를 필터링하는 필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 직접탄소 연료전지 시스템
  3. 청구항 제1항에 있어서,
    상기 직접탄소 연료전지의 연료는 탄소, 석탄, 우드 및 바이오매스에서 선택되는 것을 특징으로 하는 직접탄소 연료전지 시스템
  4. 청구항 제1항에 있어서,
    상기 고온형 연료전지는 용융탄산염 연료전지인 것을 특징으로 하는 직접탄소 연료전지 시스템
  5. 청구항 제4항에 있어서,
    상기 용융탄산염 연료전지의 연료극은 다공성의 니켈, 니켈-알루미늄 합금, 니켈-크롬 합금 및 니켈-알루미늄-크롬 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 직접탄소 연료전지 시스템
  6. 청구항 제1항에 있어서,
    상기 고온형 연료전지는 고체산화물 연료전지인 것을 특징으로 하는 직접탄소 연료전지 시스템
  7. 청구항 제6항에 있어서,
    상기 고체산화물 연료전지의 연료극은 니켈 옥사이드(NiO)와 이트리아 안정화된 지르코니아(YSZ)가 혼합된 NiO/YSZ 서메트로 형성된 연료극인 것을 특징으로 하는 직접탄소 연료전지 시스템
  8. 청구항 제1항에 있어서,
    상기 직접탄소 연료전지 또는 상기 고체산화물 연료전지에서 발생하는 폐열을 이용하는 장치를 추가로 더 포함하는 것을 특징으로 하는 직접탄소 연료전지 시스템
  9. 연료극(anode), 공기극(cathode) 및 전해질로 구성된 직접탄소 연료전지;
    상기 연료극(anode)의 배출구에 연결된 고체 연료와 기체 연료를 분리하는 세퍼레이터; 및
    상기 세퍼레이터를 통과한 기상의 미반응물 빛 반응부산물을 연료로 사용하는 고온형 연료전지를 포함하는 직접탄소 연료전지 시스템
  10. 청구항 제9항에 있어서,
    상기 세퍼레이터에서 분리된 상기 고체 연료가 리사이클 되어 다시 상기 직접탄소 연료전지의 원료로 이용되는 것을 특징으로 하는 직접탄소 연료전지 시스템
  11. 청구항 제9항에 있어서,
    상기 직접탄소 연료전지의 연료는 탄소, 석탄, 우드 및 바이오매스에서 선택되는 것을 특징으로 하는 직접탄소 연료전지 시스템
  12. 청구항 제9항에 있어서,
    상기 고온형 연료전지는 용융탄산염 연료전지 및 고체산화물 연료전지에서 선택되는 직접탄소 연료전지 시스템
  13. 청구항 제9항에 있어서,
    상기 직접탄소 연료전지 또는 상기 고체산화물 연료전지에서 발생하는 폐열을 이용하는 장치를 추가로 더 포함하는 것을 특징으로 하는 직접탄소 연료전지 시스템
  14. 연료극(anode), 공기극(cathode) 및 전해질로 구성된 직접탄소 연료전지;
    상기 연료극(anode)의 배출구에 연결된 고체 연료를 필터링하는 필터;
    상기 필터를 통과한 가스의 성분과 농도를 모니터링하는 모니터링 장치; 및
    상기 필터를 통과한 가스를 연료로 사용하는 고온형 연료전지를 포함하는 직접탄소 연료전지 시스템
  15. 청구항 제14항에 있어서,
    상기 필터를 통과한 가스는 H2, CO, CO2 및 H2O에서 선택된 하나 이상의 가스인 것을 특징으로 하는 직접탄소 연료전지 시스템
  16. 청구항 제14항에 있어서,
    상기 모니터링 장치에 연결되어 상기 가스 농도를 조절하기 위해 추가로 가스를 주입할 수 있는 컨트롤 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 직접탄소 연료전지 시스템
  17. 청구항 제16항에 있어서,
    상기 컨트롤 장치에 의해 제어되는 H2, CO, CO2 및 H2O에서 선택된 하나 이상의 가스를 저장하는 가스 저장부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 직접탄소 연료전지 시스템
  18. 청구항 제14항에 있어서,
    상기 직접탄소 연료전지의 연료는 탄소, 석탄, 우드 및 바이오매스에서 선택되는 것을 특징으로 하는 직접탄소 연료전지 시스템
  19. 청구항 제14항에 있어서,
    상기 고온형 연료전지는 용융탄산염 연료전지 및 고체산화물 연료전지에서 선택되는 직접탄소 연료전지 시스템
  20. 청구항 제14항에 있어서,
    상기 직접탄소 연료전지 또는 상기 고온형 연료전지에서 발생하는 폐열을 이용하는 장치를 추가로 더 포함하는 것을 특징으로 하는 직접탄소 연료전지 시스템
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