WO2017222266A1 - 금속 코팅층이 형성된 고체산화물 연료전지 시스템 - Google Patents

금속 코팅층이 형성된 고체산화물 연료전지 시스템 Download PDF

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손승길
신석재
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    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a solid oxide fuel cell system having a metal coating layer, and more particularly, by forming a metal coating layer on a surface of a component or a pipe disposed in a high temperature box in a solid oxide fuel cell system.
  • the present invention relates to a solid oxide fuel cell system having a metal coating layer which prevents chromium volatilization.
  • the electrical energy we currently use is mainly obtained by thermal and nuclear power generation, and a small amount of electrical energy is obtained by hydropower and other power generation.
  • thermal power generation is to burn fossil fuels such as coal, a large amount of carbon dioxide is inevitably generated by thermal power generation, and other pollutants such as carbon monoxide, sulfur oxides, or nitrogen oxides are emitted to the atmosphere.
  • the Renewable Energy Supply Mandate which has been in force since 2012, is a system that mandates more than a certain amount of power generation to generate renewable energy from renewable energy sources. The promotion of spread is being promoted.
  • a fuel cell is a device that converts chemical energy contained in a fuel into electrical energy.
  • hydrogen in reformed gas obtained by reforming a fuel such as natural gas, methanol, gasoline, and oxygen in air are stacked in the anode of a stack.
  • reaction formula and total reaction formula at each pole are as follows.
  • fuel cells ultimately have the advantage of being very environmentally friendly because they use hydrogen as fuel and have no by-products other than water.
  • the fuel cell has the advantage of a very high-efficiency power generation method because it can obtain electrical energy from chemical energy by a relatively simple energy conversion process.
  • Fuel cells include polymer electrolyte fuel cells (PEMFC), direct methanol fuel cells (DMFC), phosphoric acid fuel cells (PAFC), molten carbonate fuel cells (MCFC), solid oxide fuel cells (SOFC),
  • PEMFC polymer electrolyte fuel cells
  • DMFC direct methanol fuel cells
  • PAFC phosphoric acid fuel cells
  • MCFC molten carbonate fuel cells
  • SOFC solid oxide fuel cells
  • AFC alkali type fuel cells
  • the high temperature box of the solid oxide fuel cell in particular, the solid oxide fuel cell is operated at a very high temperature, and inside the high temperature box, as well as the air flowing into the burner for stack or combustion for power generation, There is air from the inflow.
  • oxygen contained in air oxidizes components and pipes disposed in a high temperature box in a high temperature state, thereby lowering durability of a solid oxide fuel cell.
  • the devised box is operated at a very high temperature
  • the parts disposed therein must be made of a material having a very high heat resistance, and generally a high temperature material is expensive and difficult to process.
  • materials containing chromium which are relatively inexpensive and have high heat resistance, have been widely used as component materials in high temperature boxes.
  • chromium has a characteristic of volatilizing by high temperature and oxygen, and when volatilized chromium is introduced into the cathode of the stack, there is a problem of rapidly reducing the stack performance of the solid oxide fuel cell.
  • Patent Document 1 discloses an electrode coating technology for solving the above-mentioned problem of volatile chromium.
  • Patent Literature 1 uses expensive cobalt as an electrode and a coating material, which greatly increases the manufacturing cost and completely solves the problem of deterioration of the stack due to chromium volatilization even after applying the electrode coating technique. There was no problem.
  • the present invention was developed to solve such a conventional problem, by forming a metal coating layer having excellent high temperature durability on the surface of the parts and piping disposed inside the high temperature box of a solid oxide fuel cell chromium due to high temperature oxidation and high temperature Its main purpose is to provide a solid oxide fuel cell system having a metal coating layer which prevents volatilization.
  • Solid oxide fuel cell system formed with a metal coating layer of the present invention for achieving the above object, a high temperature box; A burner, a heat exchanger, and a stack disposed in the hot box; A plurality of pipes which are gas flow passages between the burner, the heat exchanger and the stack; And a metal coating layer formed on the surface of the burner, the heat exchanger, or the pipe to prevent oxidation due to high temperature or chromium volatilization due to high temperature.
  • the metal coating layer may be a metal material alloyed with one or two or more selected from the group consisting of nickel, cobalt, palladium, platinum and gold.
  • the metal material may be a material used for the electrode of the stack of the solid oxide fuel cell.
  • the metal coating layer may have a thickness of 2 to 20 ⁇ m.
  • the metal coating layer may be formed on the surface of the metal oxide layer.
  • the heat exchanger includes a heat exchanger reformer and an air preheater
  • the heat exchanger reformer is supplied with a heat exchange medium along the pipe
  • the air preheater is supplied with the combustion gas of the burner along the pipe, the metal coating layer
  • the metal coating layer is inside or outside the pipe from the heat exchange reformer to the heat exchange medium to the outside of the hot box and the pipe from the air preheater to the exhaust gas to the outside of the hot box. It can be formed on the surface.
  • the heat exchanger includes a heat exchanger reformer, the fuel or steam supplied to the stack is sequentially supplied to the heat exchanger reformer and the stack along the pipe, the metal coating layer is the fuel or water vapor therein It may be formed on the inner or outer surface of the pipe from the heat exchange reformer or heat exchange reformer to the stack.
  • the cathode exhaust gas discharged from the cathode of the stack is supplied to the burner, and the metal coating layer may be formed on the inner or outer surface of the pipe from the cathode of the stack to the burner in which the cathode exhaust gas exists. Can be.
  • the heat exchanger includes an anode exhaust gas cooler, the anode exhaust gas discharged from the anode of the stack is supplied to the anode exhaust gas cooler, and the metal coating layer is the anode of the stack in which the anode exhaust gas exists. It may be formed on the inner or outer surface of the pipe from to the anode exhaust gas cooler.
  • the pipe further includes a pipe for supplying the anode exhaust gas from the anode exhaust gas cooler to the burner, the anode exhaust gas is supplied to the burner along the pipe, the metal coating layer is the anode inside It may be formed on the inner or outer surface of the pipe up to a predetermined distance from the burner in which the exhaust gas is present.
  • the pipe further includes a pipe for supplying combustion air to the burner from the outside of the hot box, the combustion air is supplied to the burner along the pipe, the metal coating layer inside the combustion air It may be formed on the inner or outer surface of the pipe up to a predetermined distance from the burner present.
  • the heat exchanger includes an air preheater, and the air supplied to the stack is supplied to the air preheater and the stack along the pipe, and the metal coating layer is the air preheater or the air preheater in which the air is present. Can be formed on the inner surface of the pipe from the pipe to the stack.
  • the metal coating layer may be formed on the inner surface of the air preheater and the second air pipe, which is the only section in which the chromium volatilizes outside the stack in the solid oxide fuel cell system and the volatilized chromium may enter the cathode.
  • the heat exchanger includes an air preheater, and the air supplied to the stack is supplied to the air preheater and the stack along the pipe, and the metal coating layer is the air preheater or the air preheater in which the air is present. Can be formed on the outer surface of the pipe from the pipe to the stack.
  • the pipe further includes a pipe for supplying combustion air to the burner from the outside of the hot box, the combustion air is supplied to the burner along the pipe, the metal coating layer inside the combustion air
  • the metal coating layer may be formed on the inner or outer surface of the pipe up to a predetermined distance from the burner is present.
  • the pipe further includes a pipe for supplying fuel for combustion to the burner from the outside of the hot box, the fuel for combustion is supplied to the burner along the pipe, the metal coating layer therein the fuel for combustion It may be formed on the inner or outer surface of the pipe up to a predetermined distance from the burner present.
  • the solid oxide fuel cell system having the metal coating layer of the present invention configured as described above, by forming a metal coating layer on the parts and piping disposed inside the high temperature box to prevent oxidation by high temperature, in particular, chromium volatilization by high temperature, It is possible to improve the high temperature durability of the solid oxide fuel cell system and to prevent the stack performance from being rapidly degraded by volatilized chromium.
  • FIG. 1 is a view showing a solid oxide fuel cell system having a metal coating layer according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a view showing a connection state of components and piping in the high temperature box of a solid oxide fuel cell system having a metal coating layer according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a view showing a position of forming a metal coating layer for preventing high temperature oxidation in a solid oxide fuel cell system having a metal coating layer according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a view showing a position of forming a metal coating layer for preventing chromium volatilization in a solid oxide fuel cell stem having a metal coating layer according to an embodiment of the present invention.
  • the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but can be implemented in various forms, and only the embodiments are intended to complete the disclosure of the present invention, and are common in the art to which the present invention pertains. It is provided to fully inform those skilled in the art of the scope of the invention, which is to be defined only by the scope of the claims. For reference, in describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known function or configuration may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.
  • FIG. 1 is a view showing a solid oxide fuel cell system having a metal coating layer according to an embodiment of the present invention.
  • Solid oxide fuel cell system having a metal coating layer is largely a high temperature box, heat exchanger 200, burner 300, stack 400 and the heat exchanger 200, burner 300,
  • the stack 400 includes a plurality of pipes (see arrows in FIG. 1) which are gas flow passages between the stacks 400.
  • the high temperature box generally provides insulation to maintain the operating temperature of the component operated at a high temperature among components applied to the fuel cell system, and minimizes heat loss to improve the operating efficiency of the system.
  • This hot box is not explicitly shown in FIG. 1, but inside the hot parts such as the heat exchanger 200, the burner 300 and the stack 400 are disposed.
  • the stack 400 generates a direct current power source through an electrochemical reaction between hydrogen included in the supplied fuel and oxygen contained in the air.
  • the fuel supplied to the stack 400 is converted to hydrogen by a reformer, but is not shown in FIG. 1.
  • the solid oxide fuel cell system in which the metal coating layer is formed according to an embodiment of the present invention may include a heat exchanger reformer, and the reformer may be included in the heat exchanger 200, which will be described later. do.
  • the heat exchanger 200 heats the fuel and air supplied at room temperature from the outside of the hot box to a temperature suitable for supplying the stack 400. Fuel and air heated through the heat exchanger 200 are supplied to the stack 400. Power generation is performed by fuel and air supplied to the stack 400, and high-temperature exhaust gas discharged from the anode or the cathode of the stack 400 is supplied to the heat exchanger 200 or the burner 300.
  • the burner 300 may receive a separate combustion fuel or combustion air in addition to the high temperature exhaust gas.
  • the combustion fuel or combustion air may be directly supplied to the burner 300 or may be supplied to the burner 300 after being heated through the heat exchanger 200.
  • the hot combustion gas generated by combustion in the burner 300 is supplied to the heat exchanger 200, which is used to heat the fuel, air or water vapor supplied to the stack 400. To this end, the hot combustion gas is discharged to the outside of the hot box after the heat is recovered by the heat exchanger 200.
  • the heat exchanger 200, the burner 300, the stack 400, or the pipes connected to each other may be supplied with or flow hot fuel, combustion gas, or air. Therefore, the inside of the high temperature box is placed in a very high temperature state, the parts disposed inside the high temperature box is made of steel containing a predetermined amount of chromium in order to increase the heat resistance at high temperature.
  • oxidation by high temperature occurs when hot gas comes into contact with parts and piping, whereas chromium volatilization by high temperature is caused by The difference is that it occurs only when hot oxygen is touched.
  • the oxidation by the high temperature corrodes the components disposed in the high temperature box, thereby reducing the durability of the fuel cell system.
  • the volatilization of chromium due to the high temperature rapidly reduces the performance of the stack 400 when volatilized chromium is introduced into the stack 400.
  • the chromium introduced into the stack 400 contacts the electrodes of the stack, in particular, an air electrode having a perovskite structure
  • chemical reactions with the elements constituting the electrode may cause a porous reaction.
  • the perovskite electrode structure is rapidly damaged. Therefore, chromium volatilization due to high temperature is a problem that must be solved to maintain the performance of the fuel cell.
  • Patent Literature 1 the conventional technique of coating electrodes in a stack did not completely solve the problem of deterioration of the stack due to chromium volatilization.
  • the present invention solves this conventional problem, a detailed description thereof will be described later with reference to FIG.
  • the present invention effectively prevents oxidation due to high temperature and chromium volatilization due to high temperature by forming a metal coating layer on the surface of parts and pipes disposed inside the high temperature box.
  • This metal coating prevents oxidation and chromium volatilization by essentially blocking the metal material that makes up parts and piping from contacting hot gases.
  • the metal coating layer may be made of one or two or more alloyed metal materials selected from the group consisting of nickel, cobalt, palladium, platinum and gold.
  • the metal material has high heat resistance at high temperatures and does not easily undergo oxidation, and thus is used as a plating material for surface treatment.
  • Nickel (Ni) is a transition element belonging to the Group 10 4 cycle of the periodic table and is a silver-white strong luster metal material. The chemical reactivity is relatively small and more stable than iron, but when heated it reacts with oxygen or water vapor in the air to form an oxide protective film. Plating method using nickel or nickel alloy is one of the most used corrosion protection method in the industry.
  • Co is a silver gray metal material with ferromagnetic properties as a transition element belonging to the fourth group of Group 9 on the periodic table. It is less reactive than iron and does not react with gases such as hydrogen (H 2 ) and nitrogen (N 2 ) at high temperatures. However, when heated to a high temperature it reacts with oxygen to produce metal oxides such as Co 3 O 4 , CoO.
  • Palladium (Pd) is a transition element belonging to the 5th group of group 10 of the periodic table and is one of the platinum group metals having excellent ductility and malleability. Palladium alloys are widely used as plating materials because of excellent wear resistance and corrosion resistance, and react with oxygen at high temperatures to produce palladium oxide (PdO).
  • Platinum (Pt) is a transition element belonging to the Group 10 6 cycle of the periodic table and is a representative element of the platinum group metal. Platinum or platinum alloys are hard, almost noncorrosive and have very low chemical reactivity so that they are not oxidized at any temperature in air.
  • Gold is a transition element belonging to the Group 11 6 cycle of the periodic table and is one of the copper group elements including copper, silver and the like. Gold is one of the least chemically reactive solids and is used for surface plating because it remains intact without being corroded by air or water.
  • the metal may be formed by a high temperature oxidation reaction under an operating environment inside a hot box in contact with a gas at a high temperature even if the metal coating layer is formed and then used immediately without additional heat treatment.
  • a metal oxide layer may be formed on the surface of the coating layer.
  • the metal oxide layer is a ceramic material, which reduces the chemical reactivity of the surface of the metal coating layer to more effectively prevent the high temperature oxidation and chromium volatilization of devices and components disposed in the hot box.
  • the metal coating layer may be formed through electroplating or electroless plating.
  • This electroplating or electroless plating provides a more economical way than using the devices and components themselves placed in the hot box as expensive high temperature materials. Since electroplating may be difficult to coat inside parts or pipes, it is desirable to provide a plating cathode inside the parts or pipes during plating. Complex structures use electroless plating. In the case of a high temperature component in which a passivation is formed on a metal surface, surface pretreatment may be performed to increase deposition power of the negative electrode material.
  • Electroplating or electroless plating is a metal material deposited on the surface of the metal by chemical reaction or electrochemical reaction, so it can be used immediately without any heat treatment process required to form a ceramic coating layer including a binder, and the coating layer is thin. After work, tubing and fittings are possible.
  • the metal material may be formed of a material used as an electrode of a stack of a solid oxide fuel cell.
  • a representative example is nickel metal.
  • nickel (Ni), strontium (Sr), and magnesium (Mg) are used as electrode materials for solid oxide fuel cells. If the material of the metal coating layer is the same as the electrode material of the fuel cell, the coated material is a component. Even if it is separated from the pipe and introduced into the stack, chemical performance is not affected, and stack performance can be maintained.
  • the metal coating layer preferably has a thickness of 2 to 20 ⁇ m. If the thickness of the metal coating layer is less than 2 ⁇ m, there is a risk that all metal elements are consumed in the chemical reaction process at high temperature, and the coating material may be exposed to the outside. If the thickness of the metal coating layer exceeds 20 ⁇ m, cracks in the metal coating layer Hydrogen and oxygen in the air can reach the coating material and cause oxidation and chromium volatilization.
  • FIG. 2 is a view illustrating a connection state between components and piping in a high temperature box of a solid oxide fuel cell system having a metal coating layer according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a solid oxide fuel cell having a metal coating layer shown in
  • FIG. 4 is a view illustrating a formation position of a metal coating layer for preventing high temperature oxidation in a system
  • FIG. 4 is a view illustrating a formation position of a metal coating layer for preventing chromium volatilization in a solid oxide fuel cell system having a metal coating layer shown in FIG. 2. to be.
  • the heat exchanger 200, the burner 300, or the pipe in which the metal coating layer is formed is indicated by a solid line, and the portion where the metal coating layer is not formed is indicated by a broken line.
  • a burner is supplied with combustion fuel, combustion air, etc. to generate a high temperature combustion gas, and the combustion gas supply line supplies heat necessary to heat a portion by heat exchanged to a predetermined temperature in a solid oxide fuel cell system.
  • the heat exchanger 200 may include an air preheater 220.
  • the air preheater 220 heats the air supplied to the hot box and supplies it to the stack 400.
  • the burner 300 according to the present invention is disposed inside the hot box, and receives the exhaust gas from the stack 400 to generate hot combustion gas.
  • the combustion gas may be supplied to the air preheater 220 along a first combustion gas pipe cp1.
  • the combustion gas supplied to the air preheater 220 is heat-exchanged with the air supplied to the stack 400. Through heat exchange in the air preheater 220, the air is heated and the temperature of the combustion gas is lowered.
  • the combustion gas heat-exchanged in the air preheater 220 may be discharged to the outside of the hot box along the second combustion gas pipe (cp2).
  • the combustion gas is the burner 300, the air preheater 220 and the first combustion gas pipe (cp1) which is a pipe between them, and the pipe from the air preheater 220 until the combustion gas is discharged out of the hot box.
  • the second combustion gas pipe (cp2) is a high temperature enough to cause oxidation by the high temperature.
  • the heat of the combustion gas is transferred to the burner 300, the air preheater 220, the first combustion gas pipe (cp1) and the second combustion gas pipe (cp2), the burner 300, the air preheater 220 ),
  • the first combustion gas pipe (cp1) and the second combustion gas pipe (cp2) also have a temperature similar to the combustion gas.
  • the metal coating layer formed on the inner surface may be formed in direct contact with the combustion gas.
  • the outer surfaces of the burner 300, the air preheater 220, the first combustion gas pipe (cp1) and the second combustion gas pipe (cp2) are in contact with the air by the inflow of the outside atmosphere into the hot box. . Oxidation due to high temperature is also applied to the outer surfaces of the burner 300, the air preheater 220, the first combustion gas pipe cp1, and the second combustion gas pipe cp2 by contact with oxygen by the high temperature and air. May occur. Therefore, according to an embodiment of the present invention, as shown in FIG. 3, the outer surface of the burner 300, the air preheater 220, the first combustion gas pipe cp1, and the second combustion gas pipe cp2 may also be metal. A coating layer can be formed.
  • the fuel used for power generation in the stack 400 is supplied into the hot box, and the fuel may be in a room temperature state.
  • the fuel may be various fuels of hydrogen or hydrocarbon series such as natural gas (NG), liquefied natural gas (LNG), liquefied petroleum gas (LPG) or diesel.
  • the fuel supplied into the hot box may include water vapor or water by a separate supply device (not shown).
  • the fuel supplied into the hot box may be supplied to the heat exchange reformer 210 along the first fuel / steam pipe fsp1.
  • the fuel supplied to the heat exchange reformer 210 is heated by heat exchange with a high temperature heat exchange medium in the heat exchange reformer 210. At this time, when the fuel contains water other than water vapor, the water is phase-changed into water vapor.
  • the heat exchange reformer 210 reforms the fuel to generate hydrogen gas.
  • the heat exchange type reformer 210 may be formed with a pipe through which a separate heat exchange medium passes. That is, the heat exchange medium whose temperature is lowered in the heat exchange process in the pipe (hep1) and the heat exchange reformer 210 to which the heat exchange medium is supplied to the heat exchange reformer 210 is discharged from the heat exchange reformer 210 to the outside of the hot box.
  • Pipe to hep (hep2) may be included.
  • the hydrogen gas may be supplied to the anode 411 of the stack 400 along the second fuel / steam pipe (fsp2).
  • the stack 400 generally includes a plurality of single cells 410 connected in series or in parallel, and the unit cells 410 are formed between the porous anode 411 and the cathode 413 and therebetween. It is composed of a compact structure of the electrolyte 412 disposed.
  • Hydrogen (H 2 ) included in the hydrogen gas supplied to the fuel electrode 411 of the stack 400 reacts with oxygen ions O 2- conducted from the cathode 413 through the electrolyte 412, which is an ion conductor. .
  • oxygen ions O 2- conducted from the cathode 413 through the electrolyte 412, which is an ion conductor.
  • the electrons perform electrical work in the process of moving to the anode through an external circuit (not shown).
  • the gas discharged from the anode 411 after the reaction that is, the anode off gas is supplied to the burner 300 along the first anode exhaust gas pipe aop1 and the second anode exhaust gas pipe aop2. It may be used as fuel for combustion of the burner 300.
  • the reaction is an exothermic reaction that releases heat, the anode exhaust gas is discharged at a somewhat higher temperature than the hydrogen gas supplied to the anode 411.
  • the anode exhaust gas contains a large amount of water vapor. This large amount of water vapor may not be suitable for the anode exhaust gas to be used as fuel for the burner 300. The reason is that an increase in temperature due to combustion of the burner 300 may be limited due to steam, and particularly, when the burner 300 is a catalyst burner, steam may seriously affect the catalyst.
  • the anode exhaust gas as a fuel for combustion of the burner 300.
  • the steam can be removed by a variety of methods, it is preferable to condense and remove the water vapor by lowering the temperature of the anode exhaust gas in terms of the use of heat by heat recovery.
  • the heat exchanger 200 may include an anode exhaust gas cooler 250.
  • the anode exhaust gas cooler 250 serves to lower the temperature of the anode exhaust gas through heat exchange with another fuel or air.
  • the anode exhaust gas may be supplied to the anode exhaust gas cooler 250 along the first anode exhaust gas pipe aop1.
  • the anode exhaust gas supplied to the anode exhaust gas cooler 250 may pass through a heat exchanger (not shown) disposed outside the hot box while moving to the burner 300 along the second anode exhaust gas pipe aop2.
  • the anode exhaust gas may be further cooled by the heat exchanger (not shown) disposed outside the high temperature box, and the heat of the anode exhaust gas recovered by the heat exchanger (not shown) may be used for heating or hot water supply. .
  • a condenser (not shown) may be disposed in the second anode exhaust gas pipe aop2 passing outside the hot box, and water condensed by the temperature decrease may be discharged separately from the anode exhaust gas in the condenser (not shown). Can be. As a result, a large amount of water vapor included in the anode discharge gas may be removed, and the anode discharge gas may be used as a fuel for combustion of the burner 300 more effectively.
  • the fuel or the steam included in the fuel is heated in the heat exchange reformer 210, and thus exists in a high temperature state such that oxidation by high temperature may occur in the heat exchange reformer 210 and the second fuel / steam pipe fsp2. Done.
  • the heat of the fuel or steam is transmitted to the heat exchange reformer 210 and the second fuel / steam pipe (fsp2), so that the heat exchange reformer 210 and the second fuel / steam pipe (fsp2) is also the fuel or It will have a temperature similar to water vapor.
  • a metal coating layer may be formed on the inner surfaces of the heat exchanger type reformer 210 and the second fuel / steam pipe fsp2.
  • the coating layer formed on the inner surface may be formed in direct contact with fuel or water vapor.
  • the outer surfaces of the heat exchange reformer 210 and the second fuel / steam pipe fsp2 are in contact with the air by the inflow of the outside atmosphere into the hot box. Oxidation due to high temperatures may also occur on the outer surfaces of the heat exchange type reformer 210 and the second fuel / steam pipe fsp2 by contact with oxygen by the high temperature and air. Therefore, according to an embodiment of the present invention, as shown in FIG. 3, a metal coating layer may be formed on the outer surfaces of the heat exchange type reformer 210 and the second fuel / steam pipe fsp2.
  • the metal coating layer when the metal coating layer is formed on the inner surface of the heat exchange reformer 210, less heat of the fuel or steam may be transferred to the outer surface of the heat exchange reformer 210. In other words, heat insulation by the metal coating layer is possible, and as a result, the temperature of the outer surface of the heat exchange type reformer 210 is lowered, so that less oxidation occurs due to the high temperature at the outer surface of the heat exchange reformer 210. It can have an effect.
  • the pipe (hep1) and the heat exchange medium to which the heat exchange medium is supplied to the heat exchange reformer 210 are connected to the heat exchange reformer 210.
  • the metal coating layer for preventing high temperature oxidation may also be formed in the pipe (hep2) from the discharge to the outside of the high temperature box.
  • the anode exhaust gas is present in a state where the oxidation of the high temperature in the first anode exhaust gas pipe aop1 is high enough to occur. Since the anode exhaust gas may also contain a small amount of oxygen, oxidation by high temperature may occur on the inner surface of the first anode exhaust gas pipe aop1. Therefore, according to an embodiment of the present invention, as shown in FIG. 3, a metal coating layer may be formed on an inner surface of the first anode exhaust gas pipe aop1.
  • the anode discharge gas is delivered to the first anode discharge gas pipe aop1, so that the first anode discharge gas pipe aop1 also has a temperature similar to the anode discharge gas.
  • the outer surface of the first anode exhaust gas pipe aop1 comes into contact with air caused by the inflow of the outside atmosphere into the hot box.
  • the high temperature and the contact with the coral by the air may cause oxidation by the high temperature on the outer surface of the first anode exhaust gas pipe aop1. Therefore, according to an embodiment of the present invention, as shown in FIG. 3, a metal coating layer may be formed on the outer surface of the first anode exhaust gas pipe aop1.
  • the temperature of the anode exhaust gas is lowered a lot so that the second anode exhaust gas pipe aop2 is supplied to the burner 300.
  • high temperature oxidation does not occur.
  • the burner 300 operates at a very high temperature, high temperature oxidation may occur due to indirect heating by the burner 300 on the inner surface of the second anode exhaust gas pipe aop2 up to a predetermined distance from the burner 300. It exists in a high temperature state enough.
  • the predetermined distance may be a distance to a point maintained at 400 ° C. or more, which is a representative temperature at which high temperature oxidation starts to occur.
  • anode exhaust gas may also contain a small amount of oxygen, oxidation due to high temperature may occur on the inner surface of the second anode exhaust gas pipe aop2 up to a predetermined distance from the burner 300. Therefore, according to one embodiment of the present invention, as shown in FIG. 3, a metal coating layer may be formed on the inner surface of the second anode discharge gas pipe aop2 up to a predetermined distance from the burner 300.
  • the outer surface of the second anode discharge gas pipe aop2 up to a predetermined distance from the burner 300 also comes into contact with air due to inflow of the outside atmosphere into the hot box.
  • oxidation by high temperature may occur on the outer surface of the second anode discharge gas pipe aop2 up to a predetermined distance from the burner 300. Therefore, according to an embodiment of the present invention, as shown in FIG. 3, a metal coating layer may be formed on the outer surface of the second anode discharge gas pipe aop2 up to a predetermined distance from the burner 300.
  • the air used for power generation in the stack 400 is supplied into the hot box, and the air may be at room temperature.
  • Air supplied into the hot box is supplied to the cathode 413 of the stack 400 along air pipes ap1 and ap2.
  • Oxygen of the air supplied to the cathode 413 is reduced to oxygen ions O 2- by an electrochemical reaction between the cathode 413 and the anode 411, and the oxygen ions O 2 ⁇ are ion conductors. It is conducted to the anode 411 through the electrolyte 412.
  • the air supplied to the cathode 413 should be heated to a predetermined temperature.
  • the air may be heated through the air preheater 220. That is, the air may be heated by heat exchange with the combustion gas in the air preheater 220.
  • Air supplied from the hot box to room temperature may be supplied to the air preheater 220 along the first air pipe ap1.
  • the air supplied to the air preheater 220 may be primarily heated by heat exchange with the combustion gas in the air preheater 220.
  • the primarily heated air may be supplied to the cathode 413 of the stack 400 along the second air pipe ap2.
  • the air supplied to the cathode 413 is used for power generation in the stack 400, and the cathode off gas discharged from the cathode 413 is burner along the cathode discharge gas pipes cop1 and cop2. 300 may be used to burn the burner.
  • the cathode exhaust gas is supplied to one or more heat exchangers 260 along the first cathode exhaust gas pipe cop1, and the cathode exhaust gas heat-exchanged in the heat exchanger 260 is a second electrode. It may be supplied to the burner 300 along the cathode exhaust gas pipe (cop2).
  • the heat exchanger 260 serves to adjust the hot cathode discharge gas to a temperature suitable for use in the burner 300.
  • the air is in a state of high temperature such that oxidation by high temperature may occur in the air preheater 220 and the second air pipe ap2.
  • the heat of the air is transferred to the air preheater 220 and the second air pipe (ap2), so that the air preheater 220 and the second air pipe (ap2) also has a temperature similar to the combustion gas.
  • a metal coating layer may be formed on the inner surfaces of the air preheater 220 and the second air pipe ap2.
  • the metal coating layer formed on the inner surface may be formed in direct contact with the air.
  • the air preheater 220 and the second air pipe ap2 correspond to only parts and pipes that pass in the process of supplying high temperature oxygen to the cathode 413.
  • contact with high temperature oxygen occurs at the inner surfaces of the air preheater 220 and the second air pipe ap2, so that chromium volatilization due to the high temperature occurs at the same time.
  • the inner surfaces of the air preheater 220 and the second air pipe ap2 correspond to the only section in which chromium volatilization occurs in the line leading to the cathode 413. Therefore, according to an embodiment of the present invention, as shown in FIG.
  • a metal coating layer for preventing chromium volatilization may be formed on the inner surfaces of the air preheater 220 and the second air pipe ap2.
  • the metal coating layer formed on the inner surface may be formed to directly contact the air.
  • the only section through which chromium volatilization occurs outside the stack 400 and the volatilized chromium may flow into the air electrode is an inner surface of the air preheater 220 and the second air pipe ap2.
  • the outer surfaces of the air preheater 220 and the second air pipe ap2 are in contact with the air by the inflow of the outside atmosphere into the hot box.
  • the high temperature and the contact with the oxygen by the air may cause oxidation by the high temperature on the outer surfaces of the air preheater 220 and the second air pipe (ap2). Therefore, according to an embodiment of the present invention, as shown in FIG. 3, a metal coating layer may be formed on the outer surfaces of the air preheater 220 and the second air pipe ap2.
  • the cathode exhaust gas is present in a state of high temperature enough to cause oxidation by the high temperature in the cathode exhaust gas pipes (cop1, cop2).
  • the heat of the cathode exhaust gas is transferred to the cathode exhaust gas pipes cop1 and cop2 so that the cathode exhaust gas pipes cop1 and cop2 also have a temperature similar to that of the cathode exhaust gas. Since a separate heat exchanger 260 is installed in the cathode exhaust gas pipe and is divided into the first cathode exhaust gas pipe cop1 and the second cathode exhaust gas pipe cop2, both of the cathode cathode gasses pass through the cathode gas. It has a temperature at which oxidation can occur.
  • a metal coating layer may be formed on the inner surface of the cathode exhaust gas pipes cop1 and cop2.
  • the outer surfaces of the cathode exhaust gas pipes cop1 and cop2 are in contact with the air by the inflow of the external atmosphere into the hot box.
  • the high temperature and the contact with the oxygen by the air may also be caused by the high temperature oxidation on the outer surface of the cathode exhaust gas pipes (cop1, cop2). Therefore, according to an embodiment of the present invention, as shown in FIG. 3, a metal coating layer may be formed on the outer surface of the cathode exhaust gas pipes cop1 and cop2.
  • the burner 300 is used for separate combustion in addition to the anode discharge gas (including fuel) discharged from the anode 411 of the stack 400 and the cathode discharge gas (including air) discharged from the cathode 413 of the stack 400. Fuel and combustion air may be supplied to generate combustion gas.
  • the fuel for combustion may be supplied to the burner 300 along the fuel pipe cfp1 for combustion.
  • combustion air may be supplied to the burner 300 along the combustion air pipe cap1.
  • the combustion gas inside the burner 300 is present in a high temperature state that can be oxidized by the high temperature, the heat of the combustion gas is burned to a predetermined distance from the burner 300 and the burner 300 It is also delivered to the fuel pipe cfp1 and the combustion air pipe cap1. Therefore, the combustion fuel pipe cfp1 and the combustion air pipe cap1 to the predetermined distance from the burner 300 also have a high temperature similar to that of the combustion gas.
  • a metal coating layer may be formed on the inner surfaces of the combustion fuel pipe cfp1 and the combustion air pipe cap1 up to a predetermined distance from the burner 300. Can be.
  • a metal coating layer may be formed on the outer surfaces of the combustion fuel pipe cfp1 and the combustion air pipe cap1 up to a predetermined distance from the burner 300. Can be.
  • the predetermined distance is a distance from the fuel pipe for combustion (cfp1) and the combustion air pipe (cap1) to a point where a temperature at which oxidation occurs due to high temperature by heat transfer by the combustion gas inside the burner 300 occurs.
  • it may be a distance to a point maintained at 400 ° C. or higher, which is a representative temperature at which high temperature oxidation starts to occur.
  • heat exchanger 210 heat exchange type reformer
  • air preheater 230 anode exhaust gas cooler
  • unit cell 411 anode

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Abstract

본 발명은 고체산화물 연료전지의 고온박스 내부에 배치되는 부품 및 배관의 표면에 고온 내구성이 우수한 금속 코팅층을 형성하여 고온에 의한 산화 및 고온에 의한 크롬 휘발을 방지해주는 금속 코팅층이 형성된 고체산화물 연료전지 시스템을 제공하는데 그 주된 목적이 있다. 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 금속 코팅층이 형성된 고체산화물 연료전지 시스템은, 고온박스; 상기 고온박스 내부에 배치되는 버너, 열교환기 및 스택; 상기 버너, 열교환기 및 스택 상호 간의 가스 이동통로인 복수개의 배관; 및 상기 버너, 열교환기 또는 배관의 표면에 형성되어 고온에 의한 산화 또는 고온에 의한 크롬 휘발을 방지해주는 금속 코팅층;을 포함한다.

Description

금속 코팅층이 형성된 고체산화물 연료전지 시스템
본 발명은 금속 코팅층이 형성된 고체산화물 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고체산화물 연료전지 시스템 중에서 고온박스 내에 배치되는 부품 내지 배관의 표면에 금속 코팅층을 형성함으로써 고온에 의한 산화 또는 고온에 의한 크롬 휘발을 방지해주는 금속 코팅층이 형성된 고체산화물 연료전지 시스템에 관한 것이다.
우리가 현재 사용하고 있는 전기 에너지는 주로 화력 발전 및 원자력 발전에 의하여 얻어지고 있으며, 그 외에 소량의 전기 에너지가 수력 및 기타 발전에 의하여 얻어지고 있다.
화력 발전은 석탄 등의 화석 연료를 연소시키는 것이므로, 화력발전에 의하는 경우 다량의 이산화탄소가 필연적으로 발생되고, 그 외에 일산화탄소, 황산화물 또는 질소산화물 등의 공해물질이 대기 중에 배출되게 된다.
또한, 원자력 발전의 경우에도 원자력 사용 후에 생성되는 방사능 폐기물을 안전하게 저장 또는 처리하여야 하고, 이를 위하여 많은 비용과 수고를 들여야 하므로, 환경오염 측면에서 화력 발전의 경우와 크게 다르지 않는 상황이다.
이러한 상황에서, 환경오염 또는 지구 온난화 등의 문제를 해결하기 위하여 다양한 신재생에너지(Renewable Energy)를 활용한 CO2 절감 및 에너지 효율 향상 기술 개발을 통한 환경보호가 범국가적으로 추진되고 있는 실정이다.
특히, 2012년부터 시행된 신재생에너지 공급의무화제도(RPS)는 일정 규모 이상의 발전 사업자에게 총 발전량 중 일정량 이상을 신재생에너지 전력으로 공급하도록 의무화하는 제도로서, 연료전지 발전 시스템에 높은 가중치를 주어 보급의 활성화가 추진되고 있다.
연료전지란 연료가 가지고 있는 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 장치로서, 일반적으로 천연가스, 메탄올, 가솔린 등의 연료를 개질하여 얻은 개질가스 중의 수소와 공기 중의 산소를 스택(Stack)의 연료극(anode)과 공기극(Cathode)에서 전기화학 반응시켜 전기를 생산하는 발전시스템을 말한다.
이 때, 각 극에서의 반응식과 총 반응식은 다음과 같다.
연료극(anode) : 2H2 + 2O2- → 2H20 +4e-
공기극(Cathode) : O2 + 4e- → 2O2-
총 반응식 : 2H2 + O2 → 2H2O
즉, 궁극적으로 연료전지는 수소를 연료로 사용하여 물 외의 다른 부산물이 없으므로 매우 친환경적이라는 장점이 있다.
또한, 연료전지는 비교적 단순한 에너지 변환과정에 의하여 화학에너지로부터 전기에너지를 얻을 수 있으므로 매우 고효율적인 발전방법이라는 장점을 가진다.
연료전지에는 전해질 및 전극의 종류에 따라 고분자 전해질 연료전지(PEMFC), 직접 메탄올 연료전지(DMFC), 인산형 연료전지(PAFC), 용융탄산염 연료전지(MCFC), 고체산화물 연료전지(SOFC), 알칼리형 연료전지(AFC) 등이 있으며, 최근에는 상대적으로 개질기 부분이 단순화될 수 있고, 일산화탄소에 대한 피독 등의 문제가 없어 다양한 연료가 사용되어질 수 있으며, 고온에서 운전되기 때문에 고가의 촉매 의존도가 다른 연료전지에 비하여 낮은 고체산화물 연료전지가 주목받고 있다.
한편, 상기한 바와 같이 고체산화물 연료전지 특히, 고체산화물 연료전지의 고온박스는 매우 고온에서 운전되며, 또한 고온박스 내부에는 발전을 위하여 스택 또는 연소를 위하여 버너에 유입되는 공기뿐만 아니라, 외부 대기의 유입에 의한 공기가 존재하게 된다.
종래에는 공기에 포함된 산소가 고온 상태에서 고온박스 내부에 배치되는 부품 및 배관을 산화시켜 고체산화물 연료전지의 내구성을 저하시키는 문제가 있었다.
한편, 고안박스는 매우 고온에서 운전되므로, 내부에 배치되는 부품은 열저항성이 매우 강한 소재에 의하여 제작되어야 하는데, 일반적으로 고온용 소재는 고가이고 가공이 어려운 문제가 있다. 이러한 이유 때문에, 비교적 저렴하고 열저항성이 강한 크롬을 포함한 소재가 고온박스 내부의 부품 소재로 널리 사용되고 있다.
그러나, 크롬은 고온 및 산소에 의하여 휘발하는 성격을 가지고 있으며, 휘발된 크롬이 스택의 공기극에 유입되는 경우 고체산화물 연료전지의 스택의 성능을 급격히 감소시키는 문제가 있었다.
대한민국 등록특허 제10-0917610호(발명의 명칭: 고체산화물 연료전지 금속연결재의 코팅방법)(특허문헌 1)에는 상술한 크롬 휘발의 문제점을 해결하기 위한 전극 코팅 기술이 개시되어 있다. 이 전극 코팅 기술은 코발트를 애노드로 하고 금속연결재를 캐소드로 하며, 상온의 코발트 도금용액에서 평균전류밀도(Ia)를 설정하고, 최대전류밀도(Ip)와 전류인가시간(Ton) 및 전류차단시간(Toff)을 Ia = Ip × Ton / (Ton+Toff)을 기준으로 조절하여 펄스도금을 실시하는 것이다. 이에 의하면, 전기전도성과 크롬 휘발 억제 특성이 우수하며 미세균열 및 미세기공의 발생이 최소화되는 코팅 표면을 갖는 금속연결재를 얻을 수 있어, 고체산화물 연료전지의 성능 향상을 도모할 수 있다.
그러나, 특허문헌 1의 전극 코팅 기술은 고가의 코발트를 전극 및 코팅재료로 사용하기 때문에 제조 비용이 크게 증가할 뿐만 아니라, 이 전극 코팅 기술을 적용한 후에도 크롬 휘발에 의한 스택의 성능 저하 문제가 완전히 해결되지 못하는 문제가 있었다.
본 발명은 이러한 종래의 문제점을 해결하기 위해 개발된 것으로서, 고체산화물 연료전지의 고온박스 내부에 배치되는 부품 및 배관의 표면에 고온 내구성이 우수한 금속 코팅층을 형성하여 고온에 의한 산화 및 고온에 의한 크롬 휘발을 방지해주는 금속 코팅층이 형성된 고체산화물 연료전지 시스템을 제공하는데 그 주된 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 금속 코팅층이 형성된 고체산화물 연료전지 시스템은, 고온박스; 상기 고온박스 내부에 배치되는 버너, 열교환기 및 스택; 상기 버너, 열교환기 및 스택 상호 간의 가스 이동통로인 복수개의 배관; 및 상기 버너, 열교환기 또는 배관의 표면에 형성되어 고온에 의한 산화 또는 고온에 의한 크롬 휘발을 방지해주는 금속 코팅층;을 포함한다.
또한, 상기 금속 코팅층은 니켈, 코발트, 팔라듐, 백금 및 금으로 구성된 그룹으로부터 선택된 하나 또는 둘 이상이 합금된 금속 소재로 될 수 있다.
또한, 상기 금속 소재는 고체산화물 연료전지의 스택의 전극에 사용되는 소재일 수 있다.
또한, 상기 금속 코팅층은 그 두께가 2 ~ 20㎛ 으로 형성할 수 있다.
또한, 상기 금속 코팅층은 그 표면에 금속 산화물층이 형성될 수 있다.
한편, 상기 열교환기는 열교환형 개질기 및 공기 예열기를 포함하고, 상기 열교환형 개질기에는 상기 배관을 따라 열교환 매체가 공급되며, 상기 공기 예열기에는 상기 배관을 따라 상기 버너의 연소가스가 공급되며, 상기 금속 코팅층은 내부에 상기 열교환 매체 또는 연소가스가 존재하는 상기 버너, 상기 열교환형 개질기, 상기 공기 예열기, 상기 열교환 매체가 상기 열교환형 개질기로 공급되는 배관 및 상기 버너로부터 상기 공기 예열기까지의 배관의 외부 또는 내부 표면에 형성될 수 있다.
또한, 상기 금속 코팅층은 상기 열교환형 개질기로부터 상기 열교환 매체가 상기 고온박스의 외부로 배출되기까지의 배관 및 상기 공기 예열기로부터 상기 연소가스가 상기 고온박스의 외부로 배출되기까지의 배관의 내부 또는 외부 표면에 형성될 수 있다.
또한, 상기 열교환기는 열교환형 개질기를 포함하고, 상기 스택에 공급되는 연료 또는 수증기는 상기 배관을 따라 열교환형 개질기 및 상기 스택에 순차적으로 공급되며, 상기 금속 코팅층은 내부에 상기 연료 또는 수증기가 존재하는 상기 열교환형 개질기 또는 열교환형 개질기로부터 상기 스택까지의 배관의 내부 또는 외부 표면에 형성될 수 있다.
또한, 상기 스택의 공기극으로부터 배출되는 공기극 배출가스는 상기 버너에 공급되고, 상기 금속 코팅층은 내부에 상기 공기극 배출가스가 존재하는 상기 스택의 공기극으로부터 상기 버너까지의 배관의 내부 또는 외부 표면에 형성될 수 있다.
또한, 상기 열교환기는 연료극 배출가스 냉각기를 포함하고, 상기 스택의 연료극으로부터 배출되는 연료극 배출가스는 상기 연료극 배출가스 냉각기로 공급되고, 상기 금속 코팅층은 내부에 상기 연료극 배출가스가 존재하는 상기 스택의 연료극으로부터 상기 연료극 배출가스 냉각기까지의 배관의 내부 또는 외부 표면에 형성될 수 있다.
또한, 상기 배관은 상기 연료극 배출가스 냉각기로부터 상기 버너로 상기 연료극 배출가스를 공급하는 배관을 더 포함하고, 상기 연료극 배출가스는 상기 배관을 따라 상기 버너에 공급되며, 상기 금속 코팅층은 내부에 상기 연료극 배출가스가 존재하는 상기 버너로부터 소정의 거리까지의 상기 배관의 내부 또는 외부 표면에 형성될 수 있다.
또한, 상기 배관은 상기 고온박스 외부로부터 상기 버너에 연소용 공기를 공급하는 배관을 더 포함하고, 상기 연소용 공기는 상기 배관을 따라 상기 버너에 공급되며, 상기 금속 코팅층은 내부에 상기 연소용 공기가 존재하는 상기 버너로부터 소정의 거리까지의 상기 배관의 내부 또는 외부 표면에 형성될 수 있다.
또한, 상기 열교환기는 공기 예열기를 포함하고, 상기 스택에 공급되는 공기는 상기 배관을 따라 상기 공기 예열기 및 상기 스택에 공급되며, 상기 금속 코팅층은 내부에 상기 공기가 존재하는 상기 공기 예열기 또는 상기 공기 예열기로부터 상기 스택까지의 배관의 내부 표면에 형성될 수 있다. 이 금속 코팅층은 고체산화물 연료전지 시스템 중 스택의 외부에서 크롬 휘발이 발생하고 이 휘발된 크롬이 공기극으로 유입될 수 있는 유일한 구간인 상기 공기 예열기 및 제2 공기 배관의 내부 표면에 형성될 수 있다.
또한, 상기 열교환기는 공기 예열기를 포함하고, 상기 스택에 공급되는 공기는 상기 배관을 따라 상기 공기 예열기 및 상기 스택에 공급되며, 상기 금속 코팅층은 내부에 상기 공기가 존재하는 상기 공기 예열기 또는 상기 공기 예열기로부터 상기 스택까지의 배관의 외부 표면에 형성될 수 있다.
또한, 상기 배관은 상기 고온박스 외부로부터 상기 버너에 연소용 공기를 공급하는 배관을 더 포함하고, 상기 연소용 공기는 상기 배관을 따라 상기 버너에 공급되며, 상기 금속 코팅층은 내부에 상기 연소용 공기가 존재하는 상기 버너로부터 소정의 거리까지의 상기 배관의 내부 또는 외부 표면에 형성되는 것을 특징으로 하는 금속 코팅층이 형성될 수 있다.
또한, 상기 배관은 상기 고온박스 외부로부터 상기 버너에 연소용 연료를 공급하는 배관을 더 포함하고, 상기 연소용 연료는 상기 배관을 따라 상기 버너에 공급되며, 상기 금속 코팅층은 내부에 상기 연소용 연료가 존재하는 상기 버너로부터 소정의 거리까지의 상기 배관의 내부 또는 외부 표면에 형성될 수 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 금속 코팅층이 형성된 고체산화물 연료전지 시스템에 따르면, 고온박스의 내부에 배치되는 부품 및 배관에 금속 코팅층을 형성하여 고온에 의한 산화, 특히 고온에 의한 크롬 휘발을 방지함으로써, 고체산화물 연료전지 시스템의 고온 내구성을 향상시키고, 휘발된 크롬에 의해 스택의 성능이 급격히 저하되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 금속 코팅층으로 사용되는 금속 소재를 스택의 전극으로 사용되는 금속 소재와 동일한 것을 사용함으로써, 코팅된 물질이 부품 및 배관에서 이탈되어 스택 내로 유입되더라도 화학적으로 영향을 미치지 않아 스택 성능을 유지할 수 있도록 해준다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 코팅층이 형성된 고체산화물 연료전지 시스템을 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 코팅층이 형성된 고체산화물 연료전지 시스템의 고온박스 내 부품 및 배관 연결상태를 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 코팅층이 형성된 고체산화물 연료전지 시스템에서 고온 산화를 방지하기 위한 금속 코팅층의 형성 위치를 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 코팅층이 형성된 고체산화물 연료전지 스템에서 크롬 휘발을 방지하기 위한 금속 코팅층의 형성 위치를 나타낸 도면.
이하에서 첨부된 도면을 참조로 본 발명에 따른 금속 코팅층이 형성된 고체산화물 연료전지 시스템의 일 실시예를 보다 상세히 설명한다.
그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 참고로, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 코팅층이 형성된 고체산화물 연료전지 시스템을 나타낸 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 금속 코팅층이 형성된 고체산화물 연료전지 시스템은 크게 고온박스, 열교환기(200), 버너(300), 스택(400) 및 상기 열교환기(200), 버너(300), 스택(400) 상호간의 가스 이동통로인 복수개의 배관(도 1의 화살표 참조)을 포함한다.
상기 고온박스는 일반적으로 연료전지 시스템에 적용되는 부품 중 고온에서 운전되는 부품의 작동 온도를 유지하기 위한 단열을 제공하고, 열 손실을 최소화하여 시스템의 작동 효율을 향상시킨다. 이 고온박스는 도 1에 명시적으로 도시되어 있지는 않지만, 그 내부에 열교환기(200), 버너(300) 및 스택(400)과 같은 고온 부품들이 배치된다.
상기 스택(400)은 공급되는 연료에 포함된 수소와 대기 중의 공기에 포함된 산소의 전기화학 반응을 통해 직류전원을 발생시킨다. 상기 스택(400)에 공급되는 연료는 개질기에 의해 수소로 변환되나 도 1에서는 도시를 생략하였다.
본 발명의 일 실시예에 따른 금속 코팅층이 형성된 고체산화물 연료전지 시스템은 열교환형 개질기를 포함할 수 있으며, 이 개질기는 상기 열교환기(200)에 포함될 수 있는 바, 이에 대한 상세한 설명은 후술하기로 한다.
상기 열교환기(200)는 고온박스 외부에서 상온으로 공급되는 연료 및 공기를 상기 스택(400)에 공급되기에 적합한 온도로 가열한다. 이 열교환기(200)를 통하여 가열된 연료 및 공기는 스택(400)에 공급된다. 상기 스택(400)에 공급되는 연료 및 공기에 의하여 발전이 이루어지며, 스택(400)의 연료극 또는 공기극에서 배출되는 고온의 배출가스는 열교환기(200) 또는 버너(300)로 공급되게 된다.
상기 버너(300)는 상기 고온의 배출가스 이외에도 별도의 연소용 연료 또는 연소용 공기를 공급받을 수 있다. 상기 연소용 연료 또는 연소용 공기는 버너(300)에 직접 공급될 수도 있고, 열교환기(200)를 거쳐서 가열된 후에 버너(300)에 공급될 수 있다. 상기 버너(300)에서 연소에 의하여 발생하는 고온의 연소가스는 열교환기(200)에 공급되며, 이 고온의 연소가스는 스택(400)에 공급되는 연료, 공기 또는 수증기를 가열하는데 사용된다. 이를 위해, 상기 고온의 연소가스는 열교환기(200)에 의해 열이 회수된 후에 고온박스의 외부로 배출된다.
상기한 바와 같이, 상기 열교환기(200), 버너(300), 스택(400) 또는 이들 상호 간에 연결된 배관에는 고온의 연료, 연소가스 또는 공기가 공급되거나 흐르게 된다. 따라서, 상기 고온박스 내부는 매우 고온의 상태에 놓이게 되며, 상기 고온박스 내부에 배치되는 부품은 고온에서의 열저항성을 높이기 위하여 소정 량의 크롬이 함유된 강재로 제작된다.
상기 고온박스 내부에는 상기 스택(400)에 공급되거나 버너(300)의 연소를 위하여 공급되는 공기뿐만 아니라, 외부 대기의 유입에 의한 공기가 존재하게 된다. 상기 고온상태 및 공기에 포함된 산소의 존재는, 상기 고온박스 내부에 배치되는 부품들로 하여금 고온에 의한 산화를 일으키게 하며, 크롬을 함유한 부품들로 하여금 고온에 의한 크롬 휘발을 일으키게 한다.
상기 고온에 의한 산화 및 고온에 의한 크롬 휘발의 발생 메카니즘은 동일하지 않으며, 특히 고온에 의한 산화는 부품 및 배관에 고온의 기체가 닿을 때 발생하는 것인데 반해, 고온에 의한 크롬 휘발은 부품 및 배관에 고온의 산소가 닿을 때에만 발생한다는 점에서 차이가 있다.
상기 고온에 의한 산화는 고온박스 내부에 배치되는 부품을 부식시켜 연료전지 시스템의 내구성을 저하시킨다. 상기 고온에 의한 크롬 휘발은 휘발된 크롬이 스택(400)의 내부로 유입되는 경우에 있어 상기 스택(400)의 성능을 급격히 감소시키게 된다. 보다 상세히 설명하면, 스택(400)의 내부로 유입된 크롬이 스택의 전극, 특히 그 중에서 페로브스카이트(Perovskite) 구조를 가지는 공기극에 접촉하는 경우에는 전극을 이루는 원소와 화학반응을 일으켜 다공성의 페로브스카이트 전극 구조를 급격하게 손상시키게 된다. 따라서, 고온에 의한 크롬 휘발은 연료전지의 성능을 유지하기 위해 반드시 해결하여야 하는 문제이다.
그러나, 특허문헌 1과 같이 종래에 스택 내의 전극을 코팅하는 기술만으로는 크롬 휘발에 의한 스택의 성능 저하 문제를 완전히 해결하지 못하였음은 상술한 바와 같다. 본 발명은 이러한 종래의 문제점을 해결한 것인바, 이에 대한 상세한 설명은 도 4를 참조로 후술하기로 한다.
본 발명은 고온박스 내부에 배치된 부품 및 배관의 표면에 금속 코팅층을 형성함으로써 고온에 의한 산화 및 고온에 의한 크롬 휘발을 효과적으로 방지한 것이다. 이 금속 코팅층은 부품 및 배관을 이루는 금속 소재가 고온의 기체와 접촉하는 것을 근본적으로 차단함으로써 산화 및 크롬 휘발을 방지해준다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 금속 코팅층은 니켈, 코발트, 팔라듐, 백금 및 금으로 구성된 그룹으로부터 선택된 하나 또는 둘 이상이 합금된 금속 소재로 구성될 수 있다. 상기 금속 소재는 고온에서 열저항성이 높고 산화 반응이 잘 일어나지 않아 표면처리용 도금 소재로 많이 사용된다.
니켈(Ni)은 주기율표 상 10족 4주기에 속하는 전이원소로서 은백색의 강한 광택을 가진 금속 소재이다. 화학 반응성이 비교적 작고 철보다 안정하나, 가열하면 공기 중의 산소 또는 수증기와 반응하여 산화물 보호 피막을 형성한다. 니켈 또는 니켈 합금을 이용한 도금 방법은 산업 분야에서 가장 많이 사용되는 부식 방지방법 중 하나이다.
코발트(Co)는 주기율표 상 9족 4주기에 속하는 전이원소로서 강자성을 가진 은회색의 금속 소재이다. 반응성이 철보다 낮고 고온에서 수소(H2), 질소(N2) 등의 기체와는 반응하지 않는다. 다만, 고온으로 가열하면 산소와 반응하여 Co3O4, CoO와 같은 금속 산화물을 생성한다.
팔라듐(Pd)은 주기율표 상 10족 5주기에 속하는 전이원소로서 연성과 전성이 우수한 백금족 금속 중 하나이다. 팔라듐 합금은 내마모성과 내부식성이 우수하여 도금 재료로 많이 사용되며, 고온에서 산소와 반응하여 팔라듐 산화물(PdO)을 생성한다.
백금(Pt)은 주기율표 상 10족 6주기에 속하는 전이원소로서 백금족 금속의 대표 원소이다. 백금 또는 백금 합금은 단단하고 부식성이 거의 없으며 화학 반응성이 매우 작아 공기 중에서는 여하한 온도에서 산화되지 아니한다.
금(Au)은 주기율표 상 11족 6주기에 속하는 전이원소로서 구리, 은 등을 포하는 구리족 원소 중 하나이다. 금은 화학 반응성이 가장 작은 고체 원소 중 하나이므로 공기나 물에 의해 부식되지 않고 원래의 상태를 유지하므로 표면 도금용으로 사용된다.
상술한 바와 같이, 니켈, 코발트, 팔라듐과 같은 일부 금속 소재의 경우 상기 금속 코팅층을 형성한 다음 별도의 열처리 없이 곧바로 사용하더라도 고온에서 기체와 접촉하는 고온박스 내부의 작동환경하에서 고온 산화 반응에 의해 금속 코팅층의 표면에 금속 산화물층이 형성될 수 있다. 이 금속 산화물층은 세라믹 재질로서 금속 코팅층의 표면의 화학반응성을 감소시켜 고온박스 내에 배치되는 장치 및 부품의 고온 산화 및 크롬 휘발 현상을 더욱 효과적으로 방지해준다.
또한, 상기 금속 코팅층은 전기 도금이나 무전해 도금을 통해 형성될 수 있다. 이 전기 도금이나 무전해 도금은 고온박스 내에 배치되는 장치 및 부품 자체를 고가의 고온용 소재로 사용하는 것보다 매우 경제적인 방법을 제공한다. 전기 도금은 부품이나 배관의 내부에 코팅이 어려울 수 있으므로 도금 시에 부품이나 배관의 내부에 도금 음극을 설치하는 것이 바람직하다. 구조가 복잡한 부품은 무전해 도금을 사용한다. 금속 표면에 부동태가 형성되는 고온 부품의 경우에는 음극 물질의 증착력을 높이기 위하여 표면 전처리를 할 수도 있다.
전기 도금이나 무전해 도금은 금속 표면에 화학반응 또는 전기 화학반응을 통해 금속 소재를 증착시킨 것이므로 바인더를 포함하는 세라믹 코팅층을 형성하기 위해 필요하던 별도의 열처리 공정 없이 곧바로 사용할 수 있고, 코팅층이 얇아서 코팅 작업 이후에 튜빙, 피팅이 가능하다.
상기 금속 소재는 고체산화물 연료전지의 스택의 전극으로 사용되는 소재로 구성할 수도 있다. 대표적인 예가 니켈 금속이다. 고체산화물 연료전지의 전극 소재로서 현재 니켈(Ni), 스트론튬(Sr), 마그네슘(Mg) 등이 많이 사용되는데, 금속 코팅층의 소재를 연료전지의 전극 소재와 동일한 것으로 사용하면, 코팅된 물질이 부품 및 배관에서 이탈되어 스택 내로 유입되더라도 화학적으로 영향을 미치지 않아 스택 성능을 유지할 수 있다.
상기 금속 코팅층은 그 두께가 2 ~ 20㎛ 인 것이 바람직하다. 금속 코팅층의 두께가 2㎛ 미만이 되면 고온에서의 화학반응 과정에서 금속 원소가 모두 소모되어 피코팅재가 외부로 노출될 염려가 있으며, 금속 코팅층의 두께가 20㎛를 초과하게 되면 금속 코팅층에 균열이 발생하여 공기 중의 수소, 산소가 피코팅재까지 도달하여 산화 및 크롬 휘발을 유발할 수 있게 된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 코팅층이 형성된 고체산화물 연료전지 시스템의 고온박스 내 부품 및 배관 연결상태를 나타낸 도면이고, 도 3은 도 2에 도시된 금속 코팅층이 형성된 고체산화물 연료전지 시스템에서 고온 산화를 방지하기 위한 금속 코팅층의 형성 위치를 나타낸 도면이며, 도 4는 도 2에 도시된 금속 코팅층이 형성된 고체산화물 연료전지 시스템에서 크롬 휘발을 방지하기 위한 금속 코팅층의 형성 위치를 나타낸 도면이다.
도 3 및 도 4에서 금속 코팅층이 형성되는 열교환기(200), 버너(300) 또는 배관은 실선으로 표시하였고, 금속 코팅층이 형성되지 않는 부분은 파선으로 표시하였다.
먼저, 버너가 연소용 연료, 연소용 공기 등을 공급받아 고온의 연소가스를 생성하고 이를 고체산화물 연료전지 시스템 내에서 일정 온도 이상으로 가열되어야 부분에 열교환을 통해 필요한 열을 공급하는 연소가스 공급라인에 대해 설명한다.
이 연소가스 공급라인을 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기(200)는 공기 예열기(220)를 포함할 수 있다. 이 공기 예열기(220)는 상기 고온박스에 공급되는 공기를 가열하여 스택(400)에 공급한다.
본 발명에 따른 버너(300)는 고온박스 내부에 배치되며, 스택(400)에서의 배출가스를 공급받아 고온의 연소가스를 발생시킨다. 상기 연소가스는 제1 연소가스 배관(cp1)을 따라 상기 공기 예열기(220)에 공급될 수 있다. 이 공기 예열기(220)에 공급된 연소가스는 스택(400)에 공급되는 공기와 열교환하게 된다. 상기 공기 예열기(220)에서의 열교환을 통해 공기는 가열되고 연소가스의 온도는 낮아지게 된다. 상기 공기 예열기(220)에서 열교환된 연소가스는 제2 연소가스 배관(cp2)을 따라 고온박스의 외부로 배출될 수 있다.
상술한 연소가스 공급라인에 있어서, 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 코팅층의 형성에 대하여 설명한다.
상기 연소가스는 상기 버너(300), 공기 예열기(220) 및 이들 사이의 배관인 제1 연소가스 배관(cp1)과, 상기 공기 예열기(220)로부터 연소가스가 고온박스 외부로 배출되기까지의 배관인 제2 연소가스 배관(cp2)에서 고온에 의한 산화가 일어날 수 있을 정도의 고온의 상태로 존재하게 된다.
또한, 상기 연소가스의 열은 버너(300), 공기 예열기(220), 제1 연소가스 배관(cp1) 및 제2 연소가스 배관(cp2)에 전달되어, 상기 버너(300), 공기 예열기(220), 제1 연소가스 배관(cp1) 및 제2 연소가스 배관(cp2)도 상기 연소가스와 유사한 온도를 가지게 된다.
상기 연소가스는 다량의 산소를 포함하고 있으므로, 상기 버너(300), 공기 예열기(220), 제1 연소가스 배관(cp1) 및 제2 연소가스 배관(cp2)의 내부 표면에서 고온에 의한 산화가 발생할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 도 3에서 보듯이 상기 버너(300), 공기 예열기(220), 제1 연소가스 배관(cp1) 및 제2 연소가스 배관(cp2)의 내부 표면에 금속 코팅층이 형성될 수 있다. 이 내부 표면에 형성되는 금속 코팅층은 연소가스와 직접 접하도록 형성될 수 있다.
또한, 상기 버너(300), 공기 예열기(220), 제1 연소가스 배관(cp1) 및 제2 연소가스 배관(cp2)의 외부 표면은 상기 고온박스 내로 외부 대기의 유입에 의한 공기와 접촉하게 된다. 상기 고온 및 공기에 의한 산소와의 접촉에 의하여 상기 버너(300), 공기 예열기(220), 제1 연소가스 배관(cp1) 및 제2 연소가스 배관(cp2)의 외부 표면에도 고온에 의한 산화가 발생할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 도 3에서 보듯이 상기 버너(300), 공기 예열기(220), 제1 연소가스 배관(cp1) 및 제2 연소가스 배관(cp2)의 외부 표면에도 금속 코팅층이 형성될 수 있다.
다음으로, 고온박스 내로 연료를 공급하고, 이 연료가 상기 열교환형 개질기(210)를 통해 개질되어 생성된 수소 기체를 상기 스택(400)의 연료극으로 공급하는 연료가스 공급라인에 대해 설명한다.
상기 스택(400)에서의 발전에 이용되는 연료는 상기 고온박스 내로 공급되며, 상기 연료는 상온의 상태일 수 있다. 상기 연료는 천연가스(NG), 액화천연가스(LNG), 액화석유가스(LPG) 또는 디젤 등 수소 또는 탄화수소 계열의 다양한 연료일 수 있다. 상기 고온박스 내로 공급되는 연료는 별도의 공급장치(미도시)에 의하여 수증기 또는 물을 포함할 수 있다.
상기 고온박스 내로 공급되는 연료는 제1 연료/수증기 배관(fsp1)을 따라 열교환형 개질기(210)에 공급될 수 있다. 상기 열교환형 개질기(210)에 공급된 연료는 상기 열교환형 개질기(210)에서 고온의 열교환 매체와 열교환함으로써 가열된다. 이 때, 상기 연료에 수증기가 아닌 물이 포함되는 경우, 상기 물은 수증기로 상변화하게 된다. 상기 열교환형 개질기(210)는 상기 연료를 개질하여 수소가스를 발생시킨다.
이를 위해 상기 열교환형 개질기(210)에는 별도의 열교환 매체가 통과하는 배관이 형성될 수 있다. 즉, 상기 열교환 매체가 열교환형 개질기(210)로 공급되는 배관(hep1) 및 열교환형 개질기(210)에서의 열교환 과정에서 온도가 낮아진 열교환 매체가 열교환형 개질기(210)로부터 고온박스의 외부로 배출되기까지의 배관(hep2)을 포함할 수 있다.
한편, 상기 수소가스는 제2 연료/수증기 배관(fsp2)을 따라 상기 스택(400)의 연료극(411)에 공급될 수 있다. 상기 스택(400)은 일반적으로 직렬 또는 병렬 연결되는 복수개의 단전지(Single Cell)(410)로 이루어지며, 상기 단전지(410)는 다공성의 연료극(411) 및 공기극(413)과 그 사이에 배치되는 치밀한 구조의 전해질(412)로 구성된다.
상기 스택(400)의 연료극(411)에 공급되는 수소가스에 포함되는 수소(H2)는 공기극(413)으로부터 이온 전도체인 전해질(412)을 통하여 전도된 산소이온(O2-)과 반응한다. 이러한 반응에 의하여, 전자, 물(H2O) 및 열이 방출되면, 상기 전자는 외부 회로(미도시)를 통하여 양극으로 이동하는 과정에서 전기적 일을 실행하게 된다.
상기 반응 후 연료극(411)으로부터 배출되는 가스, 즉 연료극 배출가스(Anode off gas)는 제1 연료극 배출가스 배관(aop1) 및 제2 연료극 배출가스 배관(aop2)을 따라 버너(300)에 공급되어 상기 버너(300)의 연소를 위한 연료로 이용될 수 있다. 상술한 바와 같이, 상기 반응은 열을 방출시키는 발열반응이므로, 상기 연료극 배출가스는 상기 연료극(411)에 공급되는 수소가스보다 다소 높은 온도로 배출되게 된다.
또한, 상기 반응은 물(H2O)을 방출시키는 반응이므로, 상기 연료극 배출가스에는 다량의 수증기가 포함되게 된다. 이 다량의 수증기는 연료극 배출가스가 버너(300)의 연료로 이용되기에 적합하지 않을 수 있다. 그 이유는, 수증기에 의하여 버너(300)의 연소에 의한 온도 증가가 한정적일 수 있으며, 특히 상기 버너(300)가 촉매버너인 경우에는 수증기가 촉매에 심각한 영향을 줄 수 있기 때문이다.
따라서, 상기 수증기를 제거한 후에 연료극 배출가스를 버너(300)의 연소를위한 연료로 이용하는 것이 바람직하다. 상기 수증기는 다양한 방법에 의하여 제거될 수 있으나, 열의 회수에 의한 열의 이용 측면에서 연료극 배출가스의 온도를 낮추어 수증기를 응축 제거하는 것이 바람직하다.
상기한 바와 같이, 연료극 배출가스의 열을 회수하여 이용하고 연료극 배출가스의 온도를 낮추기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기(200)는 연료극 배출가스 냉각기(250)를 포함할 수 있다. 이 연료극 배출가스 냉각기(250)는 다른 연료 또는 공기 등과의 열교환을 통해 연료극 배출가스의 온도를 낮추는 역할을 한다. 상기 연료극 배출가스 냉각기(250)를 포함하는 경우, 상기 연료극 배출가스는 제1 연료극 배출가스 배관(aop1)을 따라 연료극 배출가스 냉각기(250)에 공급될 수 있다.
상기 연료극 배출가스 냉각기(250)에 공급된 연료극 배출가스는 제2 연료극 배출가스 배관(aop2)을 따라 버너(300)로 이동하면서 고온박스 외부에 배치되는 열교환기(미도시)를 거칠 수 있다. 고온박스 외부에 배치되는 상기 열교환기(미도시)에 의하여 연료극 배출가스는 더욱 냉각될 수 있으며, 열교환기(미도시)에 의하여 회수된 연료극 배출가스의 열은 난방 또는 온수 공급 등에 이용될 수 있다.
상기 고온박스 외부를 지나는 제2 연료극 배출가스 배관(aop2)에는 응축기(미도시)가 배치될 수 있으며, 온도 저하에 의하여 응축된 물은 상기 응축기(미도시)에서 상기 연료극 배출가스로부터 분리 배출될 수 있다. 이에 의하여, 상기 연료극 배출가스에 포함되는 다량의 수증기는 제거될 수 있으며, 상기 연료극 배출가스는 보다 효과적으로 버너(300)의 연소를 위한 연료로 사용될 수 있다.
이러한 연료가스 공급라인에 있어서, 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 코팅층의 형성에 대하여 설명한다.
상기 연료 또는 연료에 포함되는 수증기는 열교환형 개질기(210)에서 가열됨으로써, 열교환형 개질기(210) 및 제2 연료/수증기 배관(fsp2)에서 고온에 의한 산화가 일어날 수 있을 정도의 고온 상태로 존재하게 된다. 또한, 상기 연료 또는 수증기의 열은 열교환형 개질기(210) 및 제2 연료/수증기 배관(fsp2)에 전달되어, 상기 열교환형 개질기(210) 및 제2 연료/수증기 배관(fsp2)도 상기 연료 또는 수증기와 유사한 온도를 가지게 된다.
상기 연료 또는 수증기도 미량의 산소를 포함할 수 있으므로, 상기 열교환형 개질기(210) 및 제2 연료/수증기 배관(fsp2)의 내부 표면에서 고온에 의한 산화가 발생할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 도 3에서 보듯이 상기 열교환기형 개질기(210) 및 제2 연료/수증기 배관(fsp2)의 내부 표면에 금속 코팅층이 형성될 수 있다. 상기 내부 표면에 형성되는 코팅층은 연료 또는 수증기와 직접 접하도록 형성될 수 있다.
또한, 상기 열교환형 개질기(210) 및 제2 연료/수증기 배관(fsp2)의 외부 표면은 상기 고온박스 내로 외부 대기의 유입에 의한 공기와 접촉하게 된다. 상기 고온 및 공기에 의한 산소와의 접촉에 의하여 상기 열교환형 개질기(210) 및 제2 연료/수증기 배관(fsp2)의 외부 표면에도 고온에 의한 산화가 발생할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 도 3에 도시된 바와 같이 상기 열교환형 개질기(210) 및 제2 연료/수증기 배관(fsp2)의 외부 표면에 금속 코팅층이 형성될 수 있다.
상술한 바와 같이, 상기 열교환형 개질기(210)의 내부 표면에 금속 코팅층이 형성되는 경우에는, 상기 연료 또는 수증기의 열이 열교환형 개질기(210)의 외부 표면에 보다 적게 전달될 수 있다. 다시 말해, 상기 금속 코팅층에 의한 단열이 가능하고, 그 결과 열교환형 개질기(210)의 외부 표면의 온도가 보다 낮아지게 되어 열교환형 개질기(210)의 외부 표면에서의 고온에 의한 산화를 보다 적게 발생시키는 효과가 있을 수 있다.
또한, 상기 열교환 매체는 열교환형 개질기(210)의 통과 전후로 고온의 상태를 유지하므로, 이 열교환 매체가 상기 열교환형 개질기(210)로 공급되는 배관(hep1) 및 열교환 매체가 상기 열교환형 개질기(210)로부터 고온박스의 외부로 배출되기까지의 배관(hep2)에도 고온 산화를 방지하기 위한 금속 코팅층이 형성될 수 있다.
한편, 상기 연료극 배출가스는 상기 제1 연료극 배출가스 배관(aop1)에서 고온에 의한 산화가 일어날 수 있을 정도의 고온의 상태로 존재하게 된다. 상기 연료극 배출가스도 미량의 산소를 포함할 수 있으므로, 상기 제1 연료극 배출가스 배관(aop1)의 내부 표면에 고온에 의한 산화가 발생할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 도 3에서 보듯이 상기 제1 연료극 배출가스 배관(aop1)의 내부 표면에 금속 코팅층이 형성될 수 있다.
또한, 상기 연료극 배출가스는 상기 제1 연료극 배출가스 배관(aop1)에 전달되어, 상기 제1 연료극 배출가스 배관(aop1)도 연료극 배출가스와 유사한 온도를 가지게 된다. 상기 제1 연료극 배출가스 배관(aop1)의 외부 표면은 상기 고온박스 내로 외부 대기의 유입에 의한 공기와 접촉하게 된다. 상기 고온 및 공기에 의한 산호와의 접촉에 의하여 제1 연료극 배출가스 배관(aop1)의 외부 표면에는 고온에 의한 산화가 발생할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 도 3에서 보듯이 상기 제1 연료극 배출가스 배관(aop1)의 외부 표면에도 금속 코팅층이 형성될 수 있다.
또한, 상기 연료극 배출가스는 상기 연료극 배출가스 냉각기(250)를 통과한 후 또는 다른 열교환 장치를 추가로 통과한 후에는 온도가 많이 낮아져서 상기 버너(300)로 공급되는 제2 연료극 배출가스 배관(aop2) 내에서는 대체로 고온 산화가 발생하지 않는다. 그러나, 버너(300)가 매우 고온에서 작동하기 때문에 버너(300)로부터 소정 거리까지의 제2 연료극 배출가스 배관(aop2)의 내부 표면에서는 버너(300)에 의한 간접 가열로 인해 고온 산화가 일어날 수 있을 정도의 고온 상태로 존재하게 된다. 여기서, 상기 소정 거리는 고온 산화가 일어나기 시작하는 대표 온도인 400℃ 이상으로 유지되는 지점까지의 거리일 수 있다.
상기 연료극 배출가스도 미량의 산소를 포함할 수 있으므로, 상기 버너(300)로부터 소정 거리까지의 제2 연료극 배출가스 배관(aop2)의 내부 표면에도 고온에 의한 산화가 발생할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 도 3에서 보듯이 상기 버너(300)로부터 소정 거리까지의 제2 연료극 배출가스 배관(aop2)의 내부 표면에 금속 코팅층이 형성될 수 있다.
또한, 상기 버너(300)로부터 소정 거리까지의 상기 제2 연료극 배출가스 배관(aop2)의 외부 표면도 고온박스 내로 외부 대기의 유입에 의한 공기와 접촉하게 된다. 고온 및 공기에 의한 산소와의 접촉에 의하여 버너(300)로부터 소정 거리까지의 제2 연료극 배출가스 배관(aop2)의 외부 표면에도 고온에 의한 산화가 발생할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 도 3에서 보듯이 상기 버너(300)로부터 소정 거리까지의 제2 연료극 배출가스 배관(aop2)의 외부 표면에 금속 코팅층이 형성될 수 있다.
다음으로, 고온박스 내로 공기를 공급하고, 이 공기를 상기 공기 예열기(220)를 통해 가열한 후에, 상기 스택(400)의 공기극으로 공급하는 공기 공급라인에 대해 설명한다.
스택(400)에서의 발전에 이용되는 공기는 상기 고온박스 내로 공급되며, 상기 공기는 상온의 상태일 수 있다. 상기 고온박스 내로 공급되는 공기는 공기 배관(ap1, ap2)을 따라 상기 스택(400)의 공기극(413)에 공급된다. 상기 공기극(413)에 공급된 공기의 산소는 공기극(413)과 연료극(411)의 전기 화학반응에 의하여 산소이온(O2-)으로 환원되고, 상기 산소이온(O2-)은 이온 전도체인 전해질(412)을 통하여 연료극(411)으로 전도된다.
상기 공기극(413)에 공급되는 공기는 소정의 온도로 가열되어야 하는데, 상기한 바와 같이 상기 공기는 공기 예열기(220)를 통하여 가열될 수 있다. 즉, 상기 공기는 공기 예열기(220)에서 연소가스와 열교환함으로써 가열될 수 있다. 고온박스에서 상온으로 공급되는 공기는 제1 공기 배관(ap1)을 따라 공기 예열기(220)에 공급될 수 있다. 상기 공기 예열기(220)에 공급된 공기는 공기 예열기(220)에서 연소가스와 열교환함으로써 1차적으로 가열될 수 있다. 상기 1차적으로 가열된 공기는 제2 공기 배관(ap2)을 따라 상기 스택(400)의 공기극(413)으로 공급될 수 있다.
상기 공기극(413)에 공급되는 공기는 스택(400)에서의 발전에 이용되며, 공기극(413)에서 배출되는 공기극 배출가스(Cathode off gas)는 공기극 배출가스 배관(cop1, cop2)을 따라 버너(300)에 공급되어 버너의 연소에 이용될 수 있다. 보다 상세하게 설명하면, 상기 공기극 배출가스는 제1 공기극 배출가스 배관(cop1)을 따라 하나 또는 둘 이상의 열교환기(260)로 공급되고, 이 열교환기(260)에서 열교환된 공기극 배출가스는 제2 공기극 배출가스 배관(cop2)을 따라 상기 버너(300)로 공급될 수 있다. 상기 열교환기(260)는 고온의 공기극 배출가스를 상기 버너(300)에서 사용하기에 적합한 온도로 조절해주는 역할을 한다.
이러한 공기 공급라인에 있어서, 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 코팅층의 형성에 대하여 설명한다.
상기 공기는 공기 예열기(220) 및 제2 공기 배관(ap2)에서 고온에 의한 산화가 일어날 수 있을 정도의 고온의 상태로 존재하게 된다. 또한, 상기 공기의 열은 공기 예열기(220) 및 제2 공기배관(ap2)에 전달되어, 상기 공기 예열기(220) 및 제2 공기 배관(ap2)도 연소가스와 유사한 온도를 가지게 된다.
상기 공기는 다량의 산소를 포함하고 있으므로, 상기 공기 예열기(220) 및 제2 공기 배관(ap2) 내부 표면에서 고온에 의한 산화가 발생할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 도 3에서 보듯이 공기 예열기(220) 및 제2 공기 배관(ap2) 내부 표면에 금속 코팅층이 형성될 수 있다. 이 때, 상기 내부 표면에 형성되는 금속 코팅층은 상기 공기와 직접 접하도록 형성될 수 있다.
더욱이, 상기 공기 예열기(220) 및 제2 공기 배관(ap2)은 고온의 산소가 공기극(413)으로 공급되는 과정에서 통과하는 유일한 부품 및 배관에 해당한다. 그 결과, 공기 예열기(220) 및 제2 공기 배관(ap2)의 내부 표면에서 고온의 산소와 접촉이 일어나므로 고온에 의한 크롬 휘발도 동시에 발생하게 된다. 즉, 공기 예열기(220) 및 제2 공기 배관(ap2)의 내부 표면은 공기극(413)으로 통하는 라인 중에서 크롬 휘발이 발생하는 유일한 구간에 해당한다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 도 4에서 보듯이 공기 예열기(220) 및 제2 공기 배관(ap2) 내부 표면에 크롬 휘발 방지를 위한 금속 코팅층이 형성될 수 있다. 이 때에도, 상기 내부 표면에 형성되는 금속 코팅층은 상기 공기와 직접 접하도록 형성될 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 특허문헌 1의 전극 코팅 기술을 적용한 후에도 크롬 휘발에 의한 스택의 성능 저하 문제가 완전히 해결되지 못하는 문제가 있었다. 그러나, 본 발명에 따르면 스택(400)의 외부에서 크롬 휘발이 발생하고 이 휘발된 크롬이 공기극으로 유입될 수 있는 유일한 구간이 상기 공기 예열기(220) 및 제2 공기 배관(ap2)의 내부 표면임을 확인하고, 이 내부 표면에 크롬 휘발 방지를 위한 금속 코팅층을 형성함으로써, 휘발된 크롬이 공기극으로 유입됨으로써 발생하던 스택의 성능 저하 문제를 해결한 것이다.
또한, 상기 공기 예열기(220) 및 제2 공기 배관(ap2)의 외부 표면은 상기 고온박스 내로 외부 대기의 유입에 의한 공기와 접촉하게 된다. 상기 고온 및 공기에 의한 산소와의 접촉에 의하여 상기 공기 예열기(220) 및 제2 공기 배관(ap2)의 외부 표면에도 고온에 의한 산화가 발생할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 도 3에서 보듯이 상기 공기 예열기(220) 및 제2 공기 배관(ap2)의 외부 표면에 금속 코팅층이 형성될 수 있다.
한편, 상기 공기극 배출가스는 공기극 배출가스 배관(cop1, cop2)에서 고온에 의한 산화가 일어날 수 있을 정도의 고온의 상태로 존재하게 된다. 또한, 상기 공기극 배출가스의 열은 공기극 배출가스 배관(cop1, cop2)에 전달되어, 상기 공기극 배출가스 배관(cop1, cop2)도 상기 공기극 배출가스와 유사한 온도를 가지게 된다. 공기극 배출가스 배관 중에 별도의 열교환기(260)가 설치되어 제1 공기극 배출가스 배관(cop1)과 제2 공기극 배출가스 배관(cop2)으로 구분되는 경우에도 양쪽 모두 고온의 공기극 배출가스가 통과하므로 고온 산화가 일어날 수 있는 온도를 가지게 된다.
상기 공기극 배출가스도 미량의 산소를 포함할 수 있으므로, 상기 공기극 배출가스 배관(cop1, cop2)의 내부 표면에 고온에 의한 산화가 발생할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 도 3에서 보듯이 상기 공기극 배출가스 배관(cop1, cop2)의 내부 표면에 금속 코팅층이 형성될 수 있다.
또한, 상기 공기극 배출가스 배관(cop1, cop2)의 외부 표면은 고온박스 내로 외부 대기의 유입에 의한 공기와 접촉하게 된다. 상기 고온 및 공기에 의한 산소와의 접촉에 의하여 공기극 배출가스 배관(cop1, cop2)의 외부 표면에도 고온에 의한 산화가 발생할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 도 3에서 보듯이 상기 공기극 배출가스 배관(cop1, cop2)의 외부 표면에 금속 코팅층이 형성될 수 있다.
마지막으로, 상기 고온박스의 버너(300)로 공급되는 연소용 연료 및 공기의 공급라인에 대해 설명한다.
상기 버너(300)는 스택(400)의 연료극(411)에서 배출되는 연료극 배출가스(연료 포함)와 스택(400)의 공기극(413)에서 배출되는 공기극 배출가스(공기 포함) 이외에도 별도의 연소용 연료 및 연소용 공기를 공급받아 연소가스를 발생시키는 것일 수 있다.
도 2를 참조하면, 연소용 연료 배관(cfp1)을 따라 연소용 연료가 버너(300)에 공급될 수 있다. 또한, 연소용 공기 배관(cap1)을 따라 연소용 공기가 버너(300)에 공급될 수 있다. 한편, 상기 버너(300) 내부의 연소가스는 고온에 의한 산화가 일어날 수 있을 정도의 고온 상태로 존재하게 되며, 이 연소가스의 열은 버너(300) 및 버너(300)로부터 소정 거리까지의 연소용 연료 배관(cfp1) 및 연소용 공기 배관(cap1)에도 전달된다. 따라서, 상기 버너(300)로부터 소정 거리까지의 연소용 연료 배관(cfp1) 및 연소용 공기 배관(cap1)도 상기 연소가스와 유사한 고온의 온도를 가지게 된다.
상기 연소용 연료 및 연소용 공기는 산소를 포함하므로, 상기 버너(300)로부터 소정 거리까지의 연소용 연료 배관(cfp1) 및 연소용 공기 배관(cap1)의 내부 표면에 고온에 의한 산화가 발생할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 도 3에서 보듯이 상기 버너(300)로부터 소정 거리까지의 연소용 연료 배관(cfp1) 및 연소용 공기 배관(cap1)의 내부 표면에 금속 코팅층이 형성될 수 있다.
또한, 상기 버너(300)로부터 소정 거리까지의 연소용 연료 배관(cfp1) 및 연소용 공기 배관(cap1)의 외부 표면도 고온박스 내로 외부 대기의 유입에 의한 공기와 접촉하게 된다. 상기 고온 및 공기에 의한 산소와의 접촉에 의하여 버너(300)로부터 소정 거리까지의 연소용 연료 배관(cfp1) 및 연소용 공기 배관(cap1)의 외부 표면에도 고온에 의한 산화가 발생할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 도 3에서 보듯이 상기 버너(300)로부터 소정 거리까지의 연소용 연료 배관(cfp1) 및 연소용 공기 배관(cap1)의 외부 표면에 금속 코팅층이 형성될 수 있다.
상기 소정의 거리는 연소용 연료 배관(cfp1) 및 연소용 공기 배관(cap1) 상에서 버너(300) 내부의 연소가스에 의한 열 전달에 의하여 고온에 의한 산화가 발생할 수 있는 온도에 도달하는 지점까지의 거리일 수 있다. 예를 들어, 고온 산화가 일어나기 시작하는 대표 온도인 400℃ 이상으로 유지되는 지점까지의 거리일 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적인 특징들이 변경되지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것으로 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
200: 열교환기 210: 열교환형 개질기
220: 공기 예열기 230: 연료극 배출가스 냉각기
300: 버너 400: 스택
410: 단전지 411: 연료극
412: 전해질 413: 공기극

Claims (15)

  1. 고온박스;
    상기 고온박스 내부에 배치되는 버너, 열교환기 및 스택;
    상기 버너, 열교환기 및 스택 상호 간의 가스 이동통로인 복수개의 배관; 및
    상기 버너, 열교환기 또는 배관의 표면에 형성되어 고온에 의한 산화 또는 고온에 의한 크롬 휘발을 방지해주는 금속 코팅층;을 포함하는 금속 코팅층이 형성된 고체산화물 연료전지 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 금속 코팅층은 니켈, 코발트, 팔라듐, 백금 및 금으로 구성된 그룹으로부터 선택된 하나 또는 둘 이상이 합금된 금속 소재로 된 것을 특징으로 하는 금속 코팅층이 형성된 고체산화물 연료전지 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 금속 소재는 고체산화물 연료전지의 스택의 전극에 사용되는 소재인 것을 특징으로 하는 금속 코팅층이 형성된 고체산화물 연료전지 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 금속 코팅층은 그 두께가 2 ~ 20㎛ 인 것을 특징으로 하는 금속 코팅층이 형성된 고체산화물 연료전지 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 금속 코팅층은 그 표면에 금속 산화물층이 형성되는 것을 특징으로 하는 금속 코팅층이 형성된 고체산화물 연료전지 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 열교환기는 열교환형 개질기 및 공기 예열기를 포함하고,
    상기 열교환형 개질기에는 상기 배관을 따라 열교환 매체가 공급되며,
    상기 공기 예열기에는 상기 배관을 따라 상기 버너의 연소가스가 공급되며,
    상기 금속 코팅층은 내부에 상기 열교환 매체 또는 연소가스가 존재하는 상기 버너, 상기 열교환형 개질기, 상기 공기 예열기, 상기 열교환 매체가 상기 열교환형 개질기로 공급되는 배관 및 상기 버너로부터 상기 공기 예열기까지의 배관의 외부 또는 내부 표면에 형성되는 것을 특징으로 하는 금속 코팅층이 형성된 고체산화물 연료전지 시스템.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 금속 코팅층은 상기 열교환형 개질기로부터 상기 열교환 매체가 상기 고온박스의 외부로 배출되기까지의 배관 및 상기 공기 예열기로부터 상기 연소가스가 상기 고온박스의 외부로 배출되기까지의 배관의 내부 또는 외부 표면에 형성되는 것을 특징으로 하는 금속 코팅층이 형성된 고체산화물 연료전지 시스템.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 열교환기는 열교환형 개질기를 포함하고,
    상기 스택에 공급되는 연료 또는 수증기는 상기 배관을 따라 열교환형 개질기 및 상기 스택에 순차적으로 공급되며,
    상기 금속 코팅층은 내부에 상기 연료 또는 수증기가 존재하는 상기 열교환형 개질기 또는 열교환형 개질기로부터 상기 스택까지의 배관의 내부 또는 외부 표면에 형성되는 것을 특징으로 하는 금속 코팅층이 형성된 고체산화물 연료전지 시스템.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 스택의 공기극으로부터 배출되는 공기극 배출가스는 상기 버너에 공급되고,
    상기 금속 코팅층은 내부에 상기 공기극 배출가스가 존재하는 상기 스택의 공기극으로부터 상기 버너까지의 배관의 내부 또는 외부 표면에 형성되는 것을 특징으로 하는 금속 코팅층이 형성된 고체산화물 연료전지 시스템.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 열교환기는 연료극 배출가스 냉각기를 포함하고,
    상기 스택의 연료극으로부터 배출되는 연료극 배출가스는 상기 연료극 배출가스 냉각기로 공급되고,
    상기 금속 코팅층은 내부에 상기 연료극 배출가스가 존재하는 상기 스택의 연료극으로부터 상기 연료극 배출가스 냉각기까지의 배관의 내부 또는 외부 표면에 형성되는 것을 특징으로 하는 금속 코팅층이 형성된 고체산화물 연료전지 시스템.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 배관은 상기 연료극 배출가스 냉각기로부터 상기 버너로 상기 연료극 배출가스를 공급하는 배관을 더 포함하고,
    상기 연료극 배출가스는 상기 배관을 따라 상기 버너에 공급되며,
    상기 금속 코팅층은 내부에 상기 연료극 배출가스가 존재하는 상기 버너로부터 소정의 거리까지의 상기 배관의 내부 또는 외부 표면에 형성되는 것을 특징으로 하는 금속 코팅층이 형성된 고체산화물 연료전지 시스템.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 열교환기는 공기 예열기를 포함하고,
    상기 스택에 공급되는 공기는 상기 배관을 따라 상기 공기 예열기 및 상기 스택에 공급되며,
    상기 금속 코팅층은 내부에 상기 공기가 존재하는 상기 공기 예열기 또는 상기 공기 예열기로부터 상기 스택까지의 배관의 내부 표면에 형성되는 것을 특징으로 하는 금속 코팅층이 형성된 고체산화물 연료전지 시스템.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 열교환기는 공기 예열기를 포함하고,
    상기 스택에 공급되는 공기는 상기 배관을 따라 상기 공기 예열기 및 상기 스택에 공급되며,
    상기 금속 코팅층은 내부에 상기 공기가 존재하는 상기 공기 예열기 또는 상기 공기 예열기로부터 상기 스택까지의 배관의 외부 표면에 형성되는 것을 특징으로 하는 금속 코팅층이 형성된 고체산화물 연료전지 시스템.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 배관은 상기 고온박스 외부로부터 상기 버너에 연소용 공기를 공급하는 배관을 더 포함하고,
    상기 연소용 공기는 상기 배관을 따라 상기 버너에 공급되며,
    상기 금속 코팅층은 내부에 상기 연소용 공기가 존재하는 상기 버너로부터 소정의 거리까지의 상기 배관의 내부 또는 외부 표면에 형성되는 것을 특징으로 하는 금속 코팅층이 형성된 고체산화물 연료전지 시스템.
  15. 청구항 1에 있어서,
    상기 배관은 상기 고온박스 외부로부터 상기 버너에 연소용 연료를 공급하는 배관을 더 포함하고,
    상기 연소용 연료는 상기 배관을 따라 상기 버너에 공급되며,
    상기 금속 코팅층은 내부에 상기 연소용 연료가 존재하는 상기 버너로부터 소정의 거리까지의 상기 배관의 내부 또는 외부 표면에 형성되는 것을 특징으로 하는 금속 코팅층이 형성된 고체산화물 연료전지 시스템.
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