WO2020180082A1 - 양방향 수전해 시스템 및 이의 동작방법 - Google Patents

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이영덕
김영상
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Definitions

  • the present invention relates to a two-way water electrolysis system and a method of operation thereof, and more particularly, a two-way power receiving system capable of improving system efficiency by recovering heat energy of exhaust gas discharged from a fuel cell using a catalytic combustor or an ejector. It relates to a solution system and a method of operation thereof.
  • the reversible (bidirectional) water electrolysis system based on high temperature water electrolysis and fuel cell technology requires an operating environment of 700°C or higher and a heat source to generate high temperature water vapor. Therefore, it is necessary to improve system efficiency by maintaining the operating environment of the water electrolysis system at a high temperature and effectively utilizing the exhaust heat emitted from the water electrolysis system.
  • An object of the present invention is to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a two-way electrolysis system capable of improving system efficiency and increasing capacity by efficiently utilizing thermal energy.
  • Another object of the present invention is to provide a method of operating the bi-directional water electrolysis system.
  • a two-way water electrolysis system includes a two-way water electrolysis fuel cell, a first discharge path, a second discharge path, a catalytic combustor, and an air-exhaust gas heat exchanger.
  • the water electrolysis fuel cell is composed of a hydrogen electrode, an air electrode, and an electrolyte interposed therebetween, and can be operated in either a water electrolysis mode or a fuel cell mode.
  • the first discharge path conveys the first exhaust gas discharged from the hydrogen electrode.
  • the second discharge path conveys the second exhaust gas discharged from the cathode.
  • the catalytic combustor receives a portion of the first exhaust gas and heats the second exhaust gas.
  • the air-exhaust gas heat exchanger is installed on a downstream side of the catalytic combustor and heat-exchanges the air supplied to the cathode and the second exhaust gas.
  • the catalytic combustor may be configured to operate in a fuel cell mode without operating in a water electrolysis mode.
  • a heater for heating the air passing through the heat exchanger to a predetermined temperature may be further included, and the heater may be configured to operate in a water electrolysis mode and not operate in a fuel cell mode.
  • it may further include a first blower and a second blower connected in parallel to the air supply flow path for supplying air to the heat exchanger, the air supply amount of the second blower is greater than the air supply amount of the first blower ,
  • the first and second blowers may be configured to drive the first blower in a water electrolysis mode and drive the first blower or the second blower in a fuel cell mode.
  • a first heat exchanger for exchanging hydrogen supplied to the hydrogen electrode with the first exhaust gas a steam supply passage for supplying steam to the hydrogen electrode, and water discharge for removing water from the first exhaust gas
  • a pump installed in the water discharge passage of the water discharge unit to pump water to the outside, and a pressure difference between the inlet of the hydrogen electrode and the inlet of the air electrode is determined by controlling the operation of the pump. It can be kept within range.
  • it may further include a recirculation flow path for resupplying at least a portion of the gas passing through the water discharge to the hydrogen electrode as a recycle gas, and some of the gas passing through the water discharge in the water electrolysis mode is recycled. All of the gas that is supplied as gas and has passed through the water discharge unit in the fuel cell mode may be supplied as a recycle gas.
  • it may further include a second heat exchanger for heat exchange between the external supply water supplied from the outside and the first exhaust gas, the external supply water vaporized as steam in the second heat exchanger to the steam supply flow path. It can be configured to join.
  • a third heat exchanger installed in the recirculation flow path to exchange heat between the recirculation gas and the first exhaust gas, and a blower disposed downstream of the third heat exchanger in the recirculation flow path may be further included.
  • the ejector disposed in the steam supply passage, and a branch passage formed in the steam supply passage and bypassing the ejector may further include, and the drive nozzle of the ejector is located upstream of the steam supply passage. It is connected, the injection nozzle of the ejector may be connected to a downstream side of the steam supply passage, and the suction port of the ejector may be connected to a feedback passage branched from the discharge passage of the first exhaust gas.
  • steam in a water electrolysis mode, steam is supplied to the hydrogen electrode through the ejector and the recirculation flow path is closed, and in the fuel cell mode, steam is supplied to the hydrogen electrode through the branch flow channel, and the recirculation flow path is Can be opened.
  • a two-way water electrolysis system includes a two-way water electrolysis fuel cell, a first heat exchanger, a branch channel, and an ejector.
  • the bi-directional water electrolysis fuel cell is composed of a hydrogen electrode, an air electrode, and an electrolyte interposed therebetween, and can be operated in either a water electrolysis mode or a fuel cell mode.
  • the first heat exchanger heat-exchanges hydrogen supplied to the hydrogen electrode and first exhaust gas discharged from the hydrogen electrode.
  • the branch flow path is formed in a steam supply flow path for supplying steam to the hydrogen electrode and the supply flow path.
  • the ejector is disposed in the steam supply passage.
  • the drive nozzle of the ejector is connected to the upstream side of the steam supply flow path, the injection nozzle of the ejector is connected to the downstream side of the steam supply flow path, and the inlet of the ejector branched from the discharge flow path of the first exhaust gas. It is connected to the feedback channel.
  • a confluence point of the steam supply flow path and the hydrogen supply flow path for supplying hydrogen to the hydrogen electrode may be located between the first heat exchanger and the hydrogen electrode.
  • steam may be supplied to the hydrogen electrode through the steam supply passage in the water electrolysis mode, and steam may be supplied to the hydrogen electrode through the branch passage in the fuel cell mode.
  • a second heat exchanger for exchanging heat between the external supply water supplied from the outside and the first exhaust gas, and supplying external supply water vaporized as steam in the second heat exchanger to the drive nozzle side of the ejector Can be configured to
  • a water discharge unit disposed at a downstream side of the second heat exchanger to remove water from the first exhaust gas, and at least a part of the gas passing through the water discharge unit is resupplied to the hydrogen electrode as a recycle gas It may further include a recirculation flow path and a third heat exchanger installed in the recirculation flow path to exchange heat between the recycle gas and the first exhaust gas.
  • the recirculation flow path may be closed in a water electrolysis mode and open in a fuel cell mode.
  • a fourth heat exchanger installed between the second heat exchanger and the third heat exchanger may further include a fourth heat exchanger configured to exchange heat between the recycle gas and the first exhaust gas.
  • the pump further comprises a pump installed in the water discharge passage of the water discharge unit to pump water, and controls the pressure of hydrogen supplied through the hydrogen supply passage and the operation of the pump to prevent the inlet of the hydrogen electrode and The pressure difference between the inlets of the air electrode can be maintained within a predetermined range.
  • a first blower and a second blower connected in parallel to an air supply channel supplying air to the cathode, and air supplied to the cathode through the air supply channel and a second exhaust gas discharged from the cathode
  • a fifth heat exchanger for exchanging heat may be further included, and an air supply amount of the second blower may be greater than an air supply amount of the first blower.
  • the operation method of the bi-directional water electrolysis system is capable of operating in a water electrolysis mode and a fuel cell mode by using a bi-directional water electrolysis fuel cell having a hydrogen electrode and an air electrode,
  • Exchanging heat with the second exhaust gas discharged from the first exhaust gas branching some of the first exhaust gas through a branch passage to join the second exhaust gas, and the second exhaust gas mixed with the first exhaust gas And heating using a catalytic combustor.
  • branch flow path it is possible to control the branch flow path to be closed in a receiving mode and opened in a fuel cell mode.
  • separating water from the first exhaust gas heat-exchanged with hydrogen, discharging the water separated from the first exhaust gas to the outside using a drain pump, and the first from which water is removed Recirculating at least a portion of the exhaust gas as a recycle gas toward the hydrogen electrode may be further included.
  • the step of evaporating externally supplied water into steam by exchanging externally supplied water supplied from the outside with the first exhaust gas heat-exchanged with the hydrogen, and the external supply water vaporized by steam may further include the step of supplying to the hydrogen electrode.
  • the operation method of the bi-directional water electrolysis system according to another embodiment for another object of the present invention described above can be operated in a water electrolysis mode and a fuel cell mode by using a bi-directional water electrolysis fuel cell having a hydrogen electrode and an air electrode, Supplying steam to the hydrogen electrode through a steam supply passage in a water electrolysis mode, and supplying steam to the hydrogen electrode through a branch passage by bypassing an ejector disposed in the steam supply passage in a fuel cell mode, and water electrolysis In the mode, it includes the step of resupplying at least a part of the exhaust gas discharged from the hydrogen electrode to the hydrogen electrode through the ejector.
  • a confluence of the steam supply flow path and the hydrogen supply flow path for supplying hydrogen to the hydrogen electrode may be located between the first heat exchanger and the hydrogen electrode.
  • the step of vaporizing the externally supplied water into steam in a second heat exchanger for exchanging externally supplied water and the exhaust gas supplied from the outside, and vaporizing into steam in the second heat exchanger may further include the step of supplying the externally supplied water to the drive nozzle side of the ejector.
  • the step of removing water from the exhaust gas from a water discharge unit installed at a rear end of the first heat exchanger, and in a fuel cell mode, at least a portion of the gas passing through the water discharge unit is used as a recycle gas. It may further include the step of resupplying to the negative electrode.
  • a part of the exhaust gas of the hydrogen electrode is used as fuel for the catalytic combustor to heat the exhaust gas of the cathode, thereby increasing the temperature of the cathode exhaust gas and transferring more thermal energy to the air. It is possible to reduce power consumption of a heater for heating air to be supplied to the cathode and improve system efficiency.
  • a drain pump is installed to separate water from the exhaust gas discharged from the hydrogen electrode of the fuel cell and discharge it to the outside, and by controlling the operation of the drain pump, the pressure difference between the inlet of the hydrogen electrode and the inlet of the air electrode of the fuel cell is within a predetermined range By maintaining the value below, the fuel cell can be stably operated and the fuel cell efficiency can be improved.
  • the system is configured to resupply some of the exhaust gas discharged from the hydrogen electrode of the fuel cell to the hydrogen electrode through the ejector in the water electrolysis mode, and recirculate a part of the exhaust gas to the hydrogen electrode in the fuel cell mode. Efficiency can be improved.
  • FIG. 1 is a system schematic diagram for explaining a two-way electrolysis system according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a system schematic diagram for explaining a SOEC mode of the bidirectional water electrolysis system of FIG. 1.
  • FIG. 3 is a system schematic diagram for explaining a fuel cell (SOFC) mode of the bi-directional water electrolysis system of FIG. 1.
  • SOFC fuel cell
  • FIG. 4 is a system schematic diagram for explaining a two-way electrolysis system according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a system schematic diagram for explaining a SOEC mode of the two-way electrolysis system of FIG. 4.
  • FIG. 6 is a system schematic diagram for explaining a fuel cell (SOFC) mode of the bi-directional water electrolysis system of FIG. 4.
  • SOFC fuel cell
  • FIG. 7 is a system schematic diagram for explaining a two-way electrolysis system according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a system schematic diagram for explaining a bidirectional electrolysis system according to a fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a system schematic diagram for explaining a two-way electrolysis system according to a fifth embodiment.
  • FIG. 10 is a system schematic diagram for explaining a two-way electrolysis system according to a sixth embodiment.
  • blower 57 catalytic combustor
  • FIG. 1 is a system schematic diagram for explaining a two-way electrolysis system according to a first embodiment of the present invention.
  • the bi-directional water electrolysis system of the present embodiment includes components such as a steam generator 10, a bi-directional water electrolysis fuel cell 30, and heaters 61 and 62, and connecting the components. It may be composed of a plurality of flow paths, and a plurality of heat exchangers, blowers, and pumps arranged in the flow path.
  • the bidirectional water electrolysis fuel cell 30 is a water electrolysis mode that generates hydrogen and oxygen by steam and electricity supplied from the outside, and a fuel cell mode that generates electricity and water by a chemical reaction of hydrogen and oxygen supplied from the outside. It can operate in any one of the modes.
  • the bidirectional electrolytic fuel cell 30 may be implemented as an arbitrary fuel cell, such as a solid oxide fuel cell (SOFC) or a molten carbonate fuel cell (MCFC).
  • SOFC solid oxide fuel cell
  • MCFC molten carbonate fuel cell
  • SOFC solid oxide fuel cell
  • the bidirectional electrolytic fuel cell 30 may be composed of a hydrogen electrode 31, an air electrode 32, and an electrolyte interposed therebetween.
  • the hydrogen electrode 31 receives steam (H2O) from the outside and produces hydrogen (H2) therefrom. That is, the hydrogen electrode 31 generates hydrogen (H2) by receiving steam (H2O) from the flow path (L21), and the gas containing the generated hydrogen (H2) and the steam (H2O) that cannot be converted into hydrogen is passed through the flow path. It is discharged as the first exhaust gas through (L41).
  • the air electrode 32 receives oxygen (O2) from the hydrogen electrode 31, and transfers the oxygen (O2) received in this way using air supplied from the outside through the flow path L53.
  • the cathode 32 discharges a gas containing oxygen and air as a second exhaust gas through a flow path L61.
  • the hydrogen electrode 31 In the fuel cell mode (hereinafter referred to as "SOFC mode"), the hydrogen electrode 31 generates water (steam) by a chemical reaction of hydrogen supplied from the flow path L11 and oxygen delivered from the air electrode 32. , The steam generated in this way and the gas containing hydrogen that has not been converted into steam may be discharged as exhaust gas through the flow path L41.
  • the air electrode 32 receives air through the flow path L53 and transfers oxygen to the hydrogen electrode 31 through the electrolyte, and discharges nitrogen (N2) and air for the second time through the flow path L61. It can be discharged as a gas.
  • water (steam) and electricity are supplied to the fuel cell 30 in the water electrolysis mode, and hydrogen and oxygen are supplied to the fuel cell 30 in the fuel cell mode, but for the actual operation of the device, water electrolysis is supplied to aid the chemical reaction. It is preferable to supply a mixed gas of hydrogen and steam to the fuel cell 30 in each mode of the mode and the fuel cell mode.
  • the mixed gas of steam and hydrogen is supplied to the fuel cell 30 in a mass ratio of 80:1 (approximately 8.9:1 by volume) of steam and hydrogen, and in the fuel cell mode Since hydrogen is mainly required, hydrogen and steam may be mixed at a mass ratio of 3.6:1 (approximately 32:1 by volume) and supplied to the fuel cell 30.
  • the mixing ratio of hydrogen and steam in each of the water electrolysis mode and the fuel cell mode may vary depending on the specific embodiment.
  • a flow control valve can be installed to control the supply of hydrogen and/or steam.
  • hydrogen is supplied to the fuel cell 30 through the hydrogen supply flow path L11.
  • the hydrogen supply flow path L11 may be connected to, for example, a hydrogen storage tank (not shown). Hydrogen introduced into the hydrogen supply passage L11 may be heated in the first heat exchanger 41.
  • the first heat exchanger 41 is configured to cause heat exchange between the hydrogen gas supplied to the hydrogen electrode 31 of the fuel cell 30 and the exhaust gas discharged from the hydrogen electrode 31.
  • the hydrogen supplied to the hydrogen electrode 31 may be at room temperature or 35 to 45 degrees Celsius
  • the exhaust gas discharged from the hydrogen electrode 31 may be 700 to 750 degrees Celsius
  • the hydrogen electrode 31 Hydrogen supplied to the first heat exchanger 41 may be heated to, for example, approximately 650 degrees Celsius or higher.
  • the steam generator 10 connected to the steam supply flow path L21 may include, for example, a pump 11 and a boiler 12, and heat water supplied to the boiler 12 by the pump 11 to generate steam. Generate.
  • the boiler 12 may be implemented as a conventional combustion device or incineration device such as a waste solid fuel boiler system, a cogeneration system, a combined power generation system, and a waste incineration system.
  • the bidirectional water electrolysis system includes a water supply flow path L31 that receives water (hereinafter referred to as “external supply water”) from outside the system, and a pump 15 and a second heat exchanger installed in the flow path L31. 42).
  • the second heat exchanger 42 is configured to cause heat exchange between the external supply water supplied to the flow path L31 and the exhaust gas discharged from the hydrogen electrode 31, and when viewed from the flow of the exhaust gas, the first heat exchanger ( 41) can be arranged on the downstream side.
  • the externally supplied water is, for example, a temperature between room temperature and 45 degrees Celsius
  • the exhaust gas supplied to the second heat exchanger 42 may be between 600 and 700 degrees Celsius
  • the externally supplied water is the second heat exchanger. It can be vaporized at 42 and heated to, for example, 600 degrees Celsius or higher.
  • the high-temperature steam vaporized in the second heat exchanger 42 joins the steam supply flow path L21 and then is supplied to the hydrogen electrode 31 along the flow paths L21 and L12.
  • the exhaust gas of the discharge flow path L41 maintains high temperature even after passing through the first heat exchanger 41 and the third heat exchanger 43 to be described later.
  • the exhaust gas passing through the third heat exchanger 43 may be 600 degrees Celsius or more, but according to the present embodiment, the exhaust gas of the discharge passage L41 is externally supplied from the second heat exchanger 42 Since water is heated, the exhaust gas that has passed through the third heat exchanger 43 can be cooled to, for example, between 100°C and 150°C, and the waste heat recovery rate of the exhaust gas can be further increased.
  • the steam supply flow path L21 merges with the hydrogen supply flow path L11, and a mixed gas of hydrogen and steam is supplied to the hydrogen electrode 31 of the fuel cell 30 along the mixed gas supply flow path L12.
  • the confluence of the steam supply flow path L21 and the hydrogen supply flow path L11 is a downstream side of the first heat exchanger 41, that is, with the first heat exchanger 41, as viewed from the viewpoint of the hydrogen supply flow path L11. It is located between the hydrogen electrodes (31). Therefore, the high-temperature exhaust gas discharged from the hydrogen electrode 31 only needs to be heated in the first heat exchanger 41 without reheating the steam already heated to the high temperature, so compared to heating a mixed gas of hydrogen and steam, hydrogen Can be heated to a higher temperature.
  • the bidirectional water electrolysis system may further include a first heater 61.
  • the first heater 61 is disposed on the mixed gas supply flow path L12 adjacent to the inlet side of the hydrogen electrode 31.
  • the first heater 61 may heat the temperature of the mixed gas of hydrogen and steam to a predetermined temperature range so that the fuel cell 30 can operate in the electrolysis mode and the fuel cell mode with optimum efficiency.
  • the first heater 61 may heat the temperature of the mixture gas of hydrogen and steam in a range between 650 degrees Celsius and 750 degrees Celsius.
  • one or more temperature sensors are installed inside or at the front or rear end of the first heater 61 to measure the temperature of the mixed gas and heat the mixed gas based thereon.
  • the bi-directional water electrolysis system includes an air supply flow path L53 for supplying air from the outside to the cathode 32 and an air-exhaust gas heat exchanger 53 disposed in the flow path L53.
  • the heat exchanger 53 exchanges heat between the air conveyed to the cathode 32 through the air supply channel 53 and the exhaust gas discharged from the cathode 32 and transferred to the exhaust channel L61.
  • a second heater 62 may be installed in the air supply passage 53.
  • the second heater 62 is disposed on the air supply flow path L53 adjacent to the cathode 32 to heat air to a predetermined temperature range so that the fuel cell 30 can operate with optimum efficiency.
  • the heat exchanger 53 heats the air at room temperature to approximately 650 to 700 degrees Celsius, and then, the second heater 62 heats the air to 700 to 750 degrees Celsius, and then to the cathode 32 Can supply.
  • first branch flow path L51 and the second branch flow path L52 arranged in parallel with each other on the upstream side of the air supply flow path L53 are connected, and the first branch flow path L51 and L52 is connected to each other.
  • the blower 51 and the second blower 52 are installed.
  • the second branch flow path L52 is configured to transport a larger amount of air than the first branch flow path L51.
  • the pipe of the second branch flow path L52 has a larger diameter than the pipe of the first branch flow path L51, and the second blower 52 can supply more air than the first blower 51. Is composed.
  • the second blower 52 has an air supply amount that is 5 to 15 times larger than that of the first blower 51.
  • the exhaust gas discharged from the hydrogen electrode 31 of the fuel cell 30 is discharged to the outside along the discharge flow path L41.
  • a branch flow path L46 for transferring some of the exhaust gas from the hydrogen electrode discharge flow path L41 to the air electrode discharge flow path L61, and a catalytic combustor installed at the confluence of the branch flow path L46 and the discharge flow path L61 ( 57) may be further included.
  • the catalytic combustor 57 is configured such that the exhaust gas discharged from the cathode 32 and the hydrogen electrode exhaust gas branched through the branch flow path L46 pass through a carrier carrying a metal or metal oxide catalyst.
  • a small amount of hydrogen among the exhaust gases emitted from the hydrogen electrode 31 functions as fuel in the catalytic combustor 57 to heat the air discharged from the cathode 32, and the exhaust gas of the cathode 32
  • the temperature of can be increased by about 20 to 30 degrees.
  • the catalytic combustor 57 when there is no catalytic combustor 57, when the temperature of the exhaust gas discharged from the cathode 32 is approximately 750 degrees Celsius, when the catalytic combustor 57 is installed as in this embodiment, it passes through the catalytic combustor 57.
  • the off-gas can be heated to approximately 770 to 780 degrees Celsius.
  • the second heater 62 since the additionally heated exhaust gas can transfer more heat energy from the air-exhaust gas heat exchanger 53 to the air in the air flow path L53, the second heater 62 does not need to be operated. Meanwhile, the above-described temperature values are exemplary, and the temperature increase range may vary according to specific embodiments of the invention.
  • the catalytic combustor 57 may be used in the fuel cell mode requiring a large amount of air, and the catalytic combustor 57 may not be used in the electrolytic mode.
  • an on-off valve (not shown) may be installed on the branch passage L46, and the branch passage L46 may be opened in the fuel cell mode, and the branch passage L46 may be closed in the water electrolysis mode.
  • the remaining exhaust gas discharged from the hydrogen electrode 31 but not branched to the branch flow path L46 passes through the first heat exchanger 41 to the third heat exchanger 43 sequentially along the discharge flow path L41. Is transported.
  • the exhaust gas from the first heat exchanger 41 transfers thermal energy to hydrogen supplied to the hydrogen electrode 31 through the hydrogen supply flow path L11 to heat the hydrogen.
  • the exhaust gas from the second heat exchanger 42 heats water by transferring thermal energy to water supplied from the outside through the water supply flow path L13.
  • the exhaust gas passing through the second heat exchanger 42 is transferred to the water discharge unit.
  • the water discharge unit is a device for separating and discharging water in the exhaust gas, and in this embodiment, the water discharge unit passes through the condenser 71 and the drain 72 and passes through the condenser 71 and the drain 72, a pump installed on the circulation channel L70 of the refrigerant, and a cooling device. And the like.
  • Water of the exhaust gas is condensed in the condenser 71, and the condensed water is discharged from the drain 72 to the outside through water discharge passages L42 and L43.
  • the remaining uncondensed gas components i.e., hydrogen and uncondensed steam
  • a blower 73, a compressor 74, a hydrogen separator 75, etc. Each can be processed/stored.
  • the water discharging unit shown in the drawings shows an exemplary configuration, and a method of separating and discharging water from the exhaust gas and extracting hydrogen and a specific device configuration may vary.
  • the gas that passes through the drain 72 and is transferred to the flow path L45 is branched through the recirculation flow path L44.
  • the recirculation flow path L44 is connected to the hydrogen supply path L11, and thus the gas branched through the recirculation flow path L44 may be resupplied to the hydrogen electrode 31 as a recycle gas.
  • a second heat exchanger 42 and a blower 45 may be installed in the recirculation passage L44.
  • the third heat exchanger 43 and the blower 45 are sequentially installed in the upstream to downstream direction of the recirculation flow path L44.
  • the third heat exchanger 43 heats the recycle gas by exchanging heat between the exhaust gas of the discharge flow path L41 and the recycle gas of the recycle flow path L44.
  • the third heat exchanger 43 may be a small heat exchanger installed for the purpose of increasing the temperature of the recycle gas so that condensation does not occur in the recycle gas.
  • the recirculation gas branched into the recirculation flow path L44 is a gas in a saturated state, and if even a little condensation occurs depending on the environment of the recirculation flow path L44, the apparatus such as the blower 45 at the rear stage may be damaged.
  • durability of the blower 45 may be a problem.
  • a small third heat exchanger 43 is installed at the front end (upstream side) of the blower 45 to slightly increase the temperature of the recirculation gas and then transfer to the blower 45.
  • the temperature of the recycle gas raised by the third heat exchanger 43 may vary according to the flow rate of the recycle gas, and, for example, the temperature of the recycle gas rises in a range between approximately 5 degrees and 30 degrees.
  • the recycle gas that has passed through the third heat exchanger 43 and the blower 45 in turn joins the hydrogen supply flow path L11 and is heated to a high temperature in the first heat exchanger 41 together with the hydrogen gas, and then the fuel cell 30 It can be supplied to the hydrogen electrode 31 of.
  • the bi-directional water electrolysis system may further include a drain pump 77 installed in the water discharge passage L43.
  • the pump 77 forcibly pumps water discharged from the drain 72 along the flow path L42 and discharges it to the outside.
  • the drainage pump 77 is installed in the water discharge passage L43, first, the pressure difference between the inlet of the hydrogen electrode 31 and the inlet of the air electrode 32 of the fuel cell 30 is eliminated or reduced to a predetermined range to be maintained. I can.
  • the air electrode 32 In comparison, since devices such as a plurality of flow paths and heat exchangers are installed on the inlet and outlet sides of the hydrogen electrode 31, the pressure of the hydrogen electrode 31 is higher. However, as in this embodiment, when the pump 77 is driven, the suction force of the pump 77 acts on the hydrogen electrode 31 along the discharge flow path L41 of the hydrogen electrode 31, Inlet pressure can be lowered.
  • the pressure on the inlet side of the hydrogen electrode 31 and the air electrode 32 can be kept the same or almost the same within a predetermined range, so that the system can be operated stably and the efficiency is improved. You can increase it.
  • the capacity of a pump or blower (not shown) for transferring hydrogen along the hydrogen supply flow path L11 to the hydrogen electrode 31 may be reduced, and the discharge flow path L41 ) Even when the internal pressure is lowered than the atmospheric pressure as a whole, since water is forcibly discharged by the pump 77, it is possible to prevent the water from flowing back into the discharge passage L41.
  • FIG. 2 is a system schematic diagram for explaining a SOEC mode of the bidirectional water electrolysis system of FIG. 1.
  • the flow path used in the electrolysis mode is indicated by a thick line in the drawing.
  • steam generated by the steam generating unit 10 in the water electrolysis mode is supplied through a steam supply flow path L21, and at the same time, externally supplied water is also supplied through a water supply flow path L31.
  • the externally supplied water vaporizes in the second heat exchanger 42 and becomes high-temperature steam, then joins the steam supply flow path L21, and the mixed steam is supplied to the hydrogen electrode 31 through the flow paths L21 and L12. .
  • the first exhaust gas composed of hydrogen and steam is discharged from the hydrogen electrode 31 through the discharge passage L41, and the second exhaust gas composed of oxygen and air is discharged from the cathode 32.
  • the exhaust gas is discharged through the discharge flow path L61.
  • the first exhaust gas discharged to the discharge passage L41 is the first heat exchanger 41, the second heat exchanger 42, and the third heat exchanger ( 43) is sequentially passed, and the downstream recirculation gas, the external supply water, and the upstream recirculation gas are sequentially heated and then transferred to the water discharge unit.
  • the steam of the first exhaust gas is condensed in the water discharge part and discharged to the outside along the water discharge channel L43, and some of the mixed gas of hydrogen and uncondensed steam is a recycle gas, and a hydrogen electrode ( 31), and the rest of the mixed gas is transported along the discharge flow path L45 and processed separately.
  • the flow rate ratio of the mixed gas branching into each of the recirculation passage L44 and the discharge passage L45 may vary depending on the specific embodiment, for example, the recirculation passage L44 and discharge in a ratio of 1:3 to 1:5, respectively. It may be branched into the flow path L45.
  • FIG. 3 is a system schematic diagram for explaining a fuel cell (SOFC) mode of the bi-directional water electrolysis system of FIG. 1.
  • SOFC fuel cell
  • Hydrogen is heated by heat exchange with the exhaust gas of the discharge flow path L41 in the first heat exchanger 41, and then mixed with steam, and then the mixed gas of steam and hydrogen is transferred to the hydrogen electrode 31 through the mixing flow path L12. Is supplied.
  • the second blower 52 operates and the first blower 51 does not operate to supply air to the cathode 32.
  • both the first and second blowers 51 and 52 may operate.
  • the catalytic combustor 57 can be used in the fuel cell mode.
  • a small amount of hydrogen among the exhaust gas discharged from the hydrogen electrode 31 is branched into the branch flow path L46 and supplied to the catalytic combustor 57, and functions as fuel in the catalytic combustor 57 to reduce the air discharged from the cathode 32.
  • the temperature of the exhaust gas of the cathode 32 may be increased by approximately 20 to 30 degrees.
  • the exhaust gas temperature discharged from the cathode 32 is approximately 750 degrees Celsius
  • the exhaust gas passing through the catalytic combustor 57 is It can be heated to approximately 770 to 780 degrees Celsius, and since the additionally heated exhaust gas can transfer more heat energy from the air-exhaust gas heat exchanger 53 to the air in the air flow path L53, the second heater ( 62) does not have to be operated.
  • the above-described temperature values are exemplary and the temperature rise range may be variously changed.
  • the exhaust gas discharged from the hydrogen electrode 31 heats the recycle gas in the first heat exchanger 41 and the third heat exchanger 43, and then is transferred to the water discharge unit, and the steam is condensed from the exhaust gas to flow into the water discharge flow.
  • the mixed gas of hydrogen and uncondensed steam, which is discharged to the outside along L43, is re-supplied to the hydrogen electrode 31 along the recirculation flow path L44 as a recycle gas.
  • the inlet pressures of the hydrogen electrode 31 and the air electrode 32 are kept the same or almost the same within a predetermined range.
  • the system can be operated stably and system efficiency can be increased, and by installing the third heat exchanger 43 on the upstream side of the blower 45 of the recirculation flow path L44, the condensation of steam in the recirculation flow path L44 Damage to the blower 45 can be prevented.
  • FIG. 4 is a system schematic diagram for explaining a two-way electrolysis system according to a second embodiment of the present invention.
  • the two-way water electrolysis system of this embodiment further includes an ejector 20 installed in the steam supply flow path L21 and a branch flow path L22 branching from the steam supply flow path, and a pump (77 in FIG. 1) in the water discharge flow path L43. Except that) is omitted, since it is substantially the same as the bidirectional water electrolysis system according to the first embodiment described with reference to FIG. 1, the same reference numerals are used for the same components, and duplicate descriptions are omitted. .
  • the steam supply flow path L21 includes a branch flow path L22. That is, as shown in FIG. 4, the branch flow path L22 is configured to diverge from the steam supply flow path L21 and then join the flow path L21 again.
  • An on-off valve 13 may be installed in the branch flow path L22, and although not shown in the drawing, an on-off valve may be installed in the steam supply flow path L21, and steam is supplied to the steam supply flow path L21 by the control of the valve. It is possible to control the flow to one of the branch flow path (L22). Alternatively, the steam flow may be controlled by installing a three-way valve at the branch point where the branch flow path L22 is branched.
  • the ejector 20 is installed in the steam supply passage L21 and is disposed in parallel with the branch passage L22. That is, the steam from the steam generating unit 10 is transferred to the hydrogen electrode 31 through the ejector 20 or bypassed the ejector 20 and transferred to the hydrogen electrode 31 through the branch flow path L22.
  • the ejector 20 is a device that mixes fluids using a Venturi effect, and injects a fluid to be mixed into a venturi tube whose diameter gradually decreases and then expands.
  • the input end of the ejector 20 is referred to as a driving nozzle
  • the output end is a diffuser nozzle
  • the injection port for inputting the fluid to be mixed is referred to as a suction port
  • the ejector 20 Of the drive nozzle is connected to the upstream side of the steam supply passage L21, the injection nozzle is connected to the downstream side of the steam supply passage L21, and the suction port is connected to the feedback passage L47.
  • the feedback flow path L47 is a flow path branched from the discharge flow path L41 through which the exhaust gas of the hydrogen electrode 31 flows.
  • the volume ratio of steam and hydrogen injected into the hydrogen electrode 31 is approximately 9:1, and the exhaust gas discharged from the hydrogen electrode 31 has a large hydrogen content, so it is through the feedback flow path L47.
  • the pressure or flow rate of the steam supplied to the drive nozzle of the ejector 20 that is, transferred to the flow path L21
  • the amount of exhaust gas recirculated to the feedback flow path L47 can be adjusted.
  • FIG. 5 is a system schematic diagram for explaining a SOEC mode of the two-way electrolysis system of FIG. 4.
  • a flow path indicated by a thick line in FIG. 5 is a flow path used in the electrolysis mode.
  • steam is supplied through the steam supply flow path L21 in the water electrolysis mode, and externally supplied water is supplied through the water supply flow path L31 to evaporate into steam in the second heat exchanger 42. It joins the steam supply flow path L21.
  • the mixed steam passes through the ejector 20, and at this time, some of the exhaust gas discharged along the discharge passage L41 flows into the ejector 20 through the feedback passage L47 and is mixed with the steam.
  • the mixed gas is supplied to the hydrogen electrode 31 of the fuel cell 30 along the flow path L12. Since a relatively small amount of air is required in the electrolysis mode, the first blower 51 operates and the second blower 52 does not operate to supply air to the cathode 32 of the fuel cell 30.
  • the first exhaust gas composed of hydrogen and steam is discharged from the hydrogen electrode 31 through the discharge passage L41, and the second exhaust gas composed of oxygen and air is discharged from the cathode 32.
  • the exhaust gas is discharged through the discharge flow path L61.
  • the catalytic combustor 57 may not be used, and a part of the first exhaust gas discharged to the discharge flow path L41 is branched from the feedback flow path L47 and supplied to the inlet of the ejector 20, and the rest The exhaust gas passes through the first heat exchanger 41 without heat exchange, and heat energy is transferred from the second heat exchanger 42 to external supply water.
  • the recirculation flow path L44 is closed in the water electrolysis mode, so that the exhaust gas of the discharge flow path L41 passes through the third heat exchanger 43 without heat exchange and is transferred to the water discharge part. Steam is condensed in the water discharge unit and discharged to the outside along the water discharge flow path L43, and hydrogen and uncondensed steam are transferred along the flow path L45 to be treated separately.
  • FIG. 6 is a system schematic diagram for explaining a fuel cell (SOFC) mode of the bi-directional water electrolysis system of FIG. 4.
  • a flow path indicated by a thick line in FIG. 6 is a flow path used in the fuel cell mode.
  • the catalytic combustor 57 operates in the fuel cell mode. Some of the exhaust gas discharged from the hydrogen electrode 31 is supplied to the catalytic combustor 57 through the branch flow path L46 to become fuel for the catalytic combustor and heat the air discharged from the cathode 32.
  • the catalytic combustor 57 can raise the temperature of the exhaust gas of the cathode 32 by approximately 20 to 30 degrees, and the additionally heated exhaust gas is air flow path L53 in the air-exhaust gas heat exchanger 53 Since more heat energy can be transmitted to the air of the second heater 62, it is not necessary to operate the second heater 62.
  • the first exhaust gas consisting of steam and hydrogen is discharged from the hydrogen electrode 31 through the discharge flow path L41, and is converted into nitrogen and air from the cathode 32.
  • the formed second exhaust gas is discharged through the discharge passage L61.
  • the first exhaust gas heats hydrogen while passing through the first heat exchanger 41.
  • the first exhaust gas passes through the second heat exchanger 42 without heat exchange, and heats the recycle gas by heat exchange with the recycle gas in the third heat exchanger 43. Thereafter, the first exhaust gas is transferred to the water discharge unit, and the steam is condensed and discharged to the outside along the water discharge channel L43, and hydrogen and uncondensed steam are recycled gas as the hydrogen electrode 31 along the recycle channel L44. Is resupplied.
  • the water electrolysis mode since only a small amount of hydrogen is required in the water electrolysis mode, it is configured to use hydrogen contained in the exhaust gas fed back through the feedback flow path L47 so that there is no need to supply hydrogen from the outside through the hydrogen supply flow path L11. Since a relatively small amount of air is required, only the first blower 51, which is a small blower, is driven to supply air. In the fuel cell mode, the exhaust gas is resupplied through the recirculation passage L44 instead of the feedback passage L47, thereby minimizing hydrogen discarded without reacting in the fuel cell 30.
  • FIG. 7 is a system schematic diagram for explaining a two-way electrolysis system according to a third embodiment of the present invention.
  • the two-way water electrolysis system of the present embodiment includes both the ejector 20 and the drain pump 77, and the two-way water electrolysis system of the first embodiment described with reference to FIG. 1 and FIG. 4 It is substantially the same as the bidirectional electrolysis system in the second embodiment described above.
  • the ejector 20 is installed in the steam supply flow path L21, and the branch flow path L22 bypassing the ejector 20 is connected to the ejector 20 in parallel.
  • the drainage pump 77 is installed in the water discharge passage L43, and the water discharged from the drain 72 along the passage L42 is forcibly pumped and discharged to the outside. have.
  • the effect of the installation of the ejector 20 and the drainage pump 77 has been described above and thus will be omitted.
  • FIG. 8 is a system schematic diagram for explaining a bidirectional electrolysis system according to a fourth embodiment of the present invention.
  • the catalytic combustor 57 is omitted, and the branch flow path L46 connected to the catalytic combustor 57 is omitted. It is substantially the same as a water electrolysis system. Accordingly, the same reference numerals are used for the same components, and duplicate descriptions are omitted.
  • the exhaust gas discharged from the hydrogen electrode 31 of the fuel cell 30 is discharged to the outside along the discharge flow path L41.
  • the first heat exchanger 41 and the second heat exchanger 42 are sequentially installed along the discharge flow path L41, and the exhaust gas from the first heat exchanger 41 passes through the hydrogen supply flow path L11. Heat energy is transferred to hydrogen supplied to the hydrogen electrode 31 through heat to heat the hydrogen, and the exhaust gas from the second heat exchanger 42 vaporizes and heats externally supplied water supplied through the second steam supply flow path L31. It is as already explained.
  • the exhaust gas transferred along the discharge flow path L41 is transferred to the water discharge unit, and the subsequent discharge is as described above.
  • the air electrode 32 receives air through the flow path L53 and transfers oxygen to the hydrogen electrode 31 through the electrolyte, and discharges nitrogen (N2) and air as a second exhaust gas through the flow path L61. can do.
  • the first exhaust gas composed of hydrogen and steam is discharged from the hydrogen electrode 31 through the discharge flow path L41, and is discharged from the air electrode 32.
  • the second exhaust gas composed of oxygen and air is discharged through the discharge passage L61.
  • the first exhaust gas composed of steam and hydrogen is discharged from the hydrogen electrode 31 through the discharge flow path L41, and
  • the second exhaust gas composed of nitrogen and air is discharged from 32 through the discharge flow path L61.
  • FIG. 9 is a system schematic diagram for explaining a two-way electrolysis system according to a fifth embodiment.
  • the two-way water electrolysis system of the present embodiment is the two-way water electrolysis system of the fourth embodiment described with reference to FIG. 8, except that the fourth heat exchanger 44 is additionally installed in the recirculation flow path L44. Substantially the same. Accordingly, the same reference numerals are used for the same components, and duplicate descriptions are omitted.
  • the fourth heat exchanger 44 serves to heat the recycle gas by exchanging heat between the recycle gas and the first exhaust gas. From the viewpoint of the recirculation flow path L44, the fourth heat exchanger 44 is located on the downstream side of the blower 45, and the fourth heat exchanger 44 is the second heat exchanger from the viewpoint of the discharge flow path L41. It is located between (42) and the third heat exchanger (43).
  • the third heat exchanger 43 is a small heat exchanger that increases the temperature of the recycle gas by 5 to 20 degrees Celsius, and the fourth heat exchanger 44 heats the recycle gas by at least 200 degrees Celsius or more.
  • the third heat exchanger 43 heats the recycle gas to 40 to 60 degrees Celsius to prevent condensation of the recycle gas and
  • the heat exchanger 44 may heat the recycle gas between 250 degrees Celsius and 300 degrees Celsius.
  • FIG. 10 is a system schematic diagram for explaining a two-way electrolysis system according to a sixth embodiment.
  • the two-way water electrolysis system of the present embodiment is substantially similar to the two-way water electrolysis system of the fourth embodiment described with reference to FIG. 8, except that a pump 77 is additionally installed in the water discharge passage L43. same. Accordingly, the same reference numerals are used for the same components, and duplicate descriptions are omitted.
  • the pump 77 forcibly pumps water discharged from the drain 72 along the flow path L42 to discharge it to the outside.
  • the pressure difference between the inlet of the hydrogen electrode 31 and the inlet of the air electrode 32 of the fuel cell 30 may be eliminated or reduced to a predetermined range to be maintained.
  • the suction force of the pump 77 acts on the hydrogen electrode 31 along the discharge flow path L41 of the hydrogen electrode 31, Inlet pressure can be lowered. Therefore, by controlling the operation of the pump 77, the pressure on the inlet side of the hydrogen electrode 31 and the air electrode 32 can be kept the same or almost the same within a predetermined range, so that the system can be operated stably and the efficiency is improved. You can increase it.
  • the capacity of a pump or blower (not shown) for transferring hydrogen along the hydrogen supply flow path L11 to the hydrogen electrode 31 may be reduced, and the discharge flow path L41 ) Even when the internal pressure is lowered than the atmospheric pressure as a whole, since water is forcibly discharged by the pump 77, it is possible to prevent the water from flowing back into the discharge passage L41.
  • an appropriate mixture of hydrogen and steam is supplied to the fuel cell according to the water electrolysis mode of the bidirectional water electrolysis system and the operation mode of the fuel cell mode, and exhaust discharged from the fuel cell.
  • the system efficiency in the electrolysis mode can be defined as follows.
  • ⁇ 1 is the efficiency defined as the energy produced compared to the input energy
  • the denominator represents the amount of heat of waste supplied to the boiler 12 and the electric energy supplied to the fuel cell 30 by renewable energy
  • the numerator is As the heat quantity of hydrogen generated in the fuel cell 30, it indicates how much hydrogen is generated.
  • ⁇ 2 is the denominator of ⁇ 1 minus the amount of waste heat.
  • ⁇ 3 is exergy efficiency, which reflects the quantity and quality of energy at the same time.
  • the efficiency in the fuel cell mode of the bidirectional electrolysis system can be defined as follows.
  • the fourth embodiment was 83.87%, the fifth embodiment 83.84%, and the sixth embodiment.
  • Example showed an efficiency of 83.78%.
  • the exergy efficiency of the conventional general electrolysis mode is 70 to 75%, it can be seen that the system efficiency is improved when the bidirectional electrolysis system is configured in the present embodiments.
  • a part of the exhaust gas of the hydrogen electrode is used as fuel for the catalytic combustor to heat the exhaust gas of the cathode, thereby increasing the temperature of the cathode exhaust gas and transferring more thermal energy to the air. Therefore, it is possible to reduce the power consumption of the heater for heating the air to be supplied to the cathode and improve the system efficiency.
  • a drain pump is installed to separate water from the exhaust gas discharged from the hydrogen electrode of the fuel cell and discharge it to the outside, and by controlling the operation of the drain pump, the pressure difference between the inlet of the hydrogen electrode and the inlet of the air electrode of the fuel cell is within a predetermined range By maintaining the value below, the fuel cell can be stably operated and the fuel cell efficiency can be improved.
  • the system is configured to resupply some of the exhaust gas discharged from the hydrogen electrode of the fuel cell to the hydrogen electrode through the ejector in the water electrolysis mode, and recirculate a part of the exhaust gas to the hydrogen electrode in the fuel cell mode. Efficiency can be improved.

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Abstract

양방향 수전해 시스템 및 이의 동작방법에서, 상기 양방향 수전해 시스템은 양방향 수전해 연료전지, 제1 배출경로, 제2 배출경로, 촉매 연소기 및 공기-배출가스간 열교환기를 포함한다. 상기 수전해 연료전지는 수소극, 공기극 및 그 사이에 개재된 전해질로 구성되며 수전해 모드와 연료전지 모드 중 어느 하나의 모드에서 동작 가능하다. 상기 제1 배출경로는 상기 수소극에서 배출되는 제1 배출가스를 이송한다. 상기 제2 배출경로는 상기 공기극에서 배출되는 제2 배출가스를 이송한다. 상기 촉매연소기는 상기 제1 배출가스의 일부를 공급받아 상기 제2 배출가스를 가열한다. 상기 공기-배출가스간 열교환기는 상기 촉매 연소기의 하류측에 설치되고 상기 공기극으로 공급하는 공기와 상기 제2 배출가스를 열교환한다.

Description

양방향 수전해 시스템 및 이의 동작방법
본 발명은 양방향 수전해 시스템 및 이의 동작방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 촉매 연소기를 이용하거나, 이젝터를 이용하여 연료전지에서 배출되는 배출가스의 열에너지를 회수하여 시스템 효율을 향상시킬 수 있는 양방향 수전해 시스템 및 이의 동작방법에 관한 것이다.
최근 태양광이나 풍력과 같은 재생에너지를 이용한 발전 시스템에 대한 연구가 진행되고 있다. 재생에너지를 이용한 발전 시스템의 경우 자연환경에 따라 전기출력이 변동되므로 전력수요량 이상의 여유전력이 발생하는 경우 이를 저장하고 이용하는 방법에 대한 연구가 필요하다. 예를 들어 재생 에너지 발전설비로부터 전력수요량 이상의 여유전력이 발생하면 수전해 장치를 사용하여 수소를 생산하여 저장해 두었다가 발전량이 적을 경우 저장된 수소를 이용하여 연료전지에서 전력을 생산 및 공급할 수 있는 시스템이 연구되고 있다.
고온형 수전해 및 연료전지 기술을 기반으로 한 가역(양방향) 수전해 시스템은 700℃ 이상의 작동환경 및 고온의 수증기를 만들어주기 위한 열원을 요구하고 있다. 따라서 수전해 시스템의 작동환경을 고온으로 유지하고 수전해 시스템에서 배출되는 배출열을 효과적으로 활용함으로써 시스템 효율을 향상시킬 필요가 있다.
관련 선행기술로는 대한민국 등록특허 제10-0776353호가 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 열에너지를 효율적으로 활용하여 시스템 효율을 향상시키고 대용량화가 가능한 양방향 수전해 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 상기 양방향 수전해 시스템의 동작방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 본 발명의 목적을 위한 일 실시예에 의한 양방향 수전해 시스템은, 양방향 수전해 연료전지, 제1 배출경로, 제2 배출경로, 촉매 연소기 및 공기-배출가스간 열교환기를 포함한다. 상기 수전해 연료전지는 수소극, 공기극 및 그 사이에 개재된 전해질로 구성되며 수전해 모드와 연료전지 모드 중 어느 하나의 모드에서 동작 가능하다. 상기 제1 배출경로는 상기 수소극에서 배출되는 제1 배출가스를 이송한다. 상기 제2 배출경로는 상기 공기극에서 배출되는 제2 배출가스를 이송한다. 상기 촉매연소기는 상기 제1 배출가스의 일부를 공급받아 상기 제2 배출가스를 가열한다. 상기 공기-배출가스간 열교환기는 상기 촉매 연소기의 하류측에 설치되고 상기 공기극으로 공급하는 공기와 상기 제2 배출가스를 열교환한다.
일 실시예에서, 상기 촉매 연소기가 수전해 모드에서 동작하지 않고 연료전지 모드에서 동작하도록 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 열교환기를 통과한 공기를 소정 온도까지 가열하는 히터를 더 포함하고, 상기 히터는 수전해 모드에서 동작하고 연료전지 모드에서 동작하지 않도록 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 공기를 상기 열교환기로 공급하는 공기 공급 유로에 병렬로 연결된 제1 블로워 및 제2 블로워를 더 포함할 수 있으며, 상기 제2 블로워의 공기 공급량이 상기 제1 블로워의 공기 공급량보다 크고, 상기 제1 및 제2 블로워들 중 수전해 모드에서 상기 제1 블로워를 구동하고 연료전지 모드에서 상기 제1 블로워 또는 상기 제2 블로워를 구동하도록 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 수소극으로 공급되는 수소와 상기 제1 배출가스를 열교환하는 제1 열교환기, 스팀을 상기 수소극에 공급하는 스팀 공급 유로, 상기 제1 배출가스에서 물을 제거하는 물 배출부, 및 상기 물 배출부의 물 배출유로에 설치되어 물을 외부로 펌핑하는 펌프를 더 포함할 수 있으며, 상기 펌프의 동작을 제어하여 상기 수소극의 입구와 상기 공기극의 입구 사이의 압력 차이를 소정 범위 내로 유지시킬 수 있다.
일 실시예에서, 상기 물 배출부를 통과한 가스 중 적어도 일부를 재순환 가스로서 상기 수소극으로 재공급하는 재순환 유로를 더 포함할 수 있으며, 수전해 모드에서 상기 물 배출부를 통과한 가스 중 일부가 재순환 가스로 공급되고, 연료전지 모드에서 상기 물 배출부를 통과한 가스의 전부가 재순환 가스로 공급될 수 있다.
일 실시예에서, 외부에서 공급되는 외부공급 물과 상기 제1 배출가스를 열교환하는 제2 열교환기를 더 포함할 수 있으며, 상기 제2 열교환기에서 스팀으로 기화된 외부공급 물을 상기 스팀 공급 유로에 합류시키도록 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 재순환 유로에 설치되며 상기 재순환 가스와 제1 배출가스 사이를 열교환하는 제3 열교환기, 및 상기 재순환 유로에서 상기 제3 열교환기의 하류에 배치되는 블로워를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 스팀 공급 유로에 배치된 이젝터, 및 상기 스팀 공급 유로에 형성되며 상기 이젝터를 우회하는 분기유로를 더 포함할 수 있으며, 상기 이젝터의 구동노즐이 상기 스팀 공급 유로의 상류측에 연결되고, 상기 이젝터의 분사노즐이 상기 스팀 공급 유로의 하류측에 연결되고, 상기 이젝터의 흡입구가 상기 제1 배출가스의 배출 유로에서 분기된 피드백 유로에 연결될 수 있다.
일 실시예에서, 수전해 모드에서 스팀이 상기 이젝터를 통과하여 상기 수소극으로 공급되고 상기 재순환 유로가 폐쇄되고, 연료전지 모드에서 스팀이 상기 분기유로를 통해 상기 수소극에 공급되고 상기 재순환 유로가 개방될 수 있다.
상기한 본 발명의 목적을 위한 다른 실시예에 의한 양방향 수전해 시스템은, 양방향 수전해 연료전지, 제1 열교환기, 분기유로 및 이젝터를 포함한다. 상기 양방향 수전해 연료전지는 수소극, 공기극 및 그 사이에 개재된 전해질로 구성되며 수전해 모드와 연료전지 모드 중 어느 하나의 모드에서 동작 가능하다. 상기 제1 열교환기는 상기 수소극으로 공급되는 수소와 상기 수소극에서 배출되는 제1 배출가스를 열교환한다. 상기 분기유로는 스팀을 수소극에 공급하는 스팀 공급 유로 및 이 공급 유로에 형성된다. 상기 이젝터는 상기 스팀 공급 유로에 배치된다. 상기 이젝터의 구동노즐이 상기 스팀 공급 유로의 상류측에 연결되고, 상기 이젝터의 분사노즐이 상기 스팀 공급 유로의 하류측에 연결되고, 상기 이젝터의 흡입구가 상기 제1 배출가스의 배출 유로에서 분기된 피드백 유로에 연결된다.
일 실시예에서, 상기 스팀 공급 유로와 수소를 상기 수소극에 공급하는 수소 공급 유로의 합류점이 상기 제1 열교환기와 상기 수소극 사이에 위치할 수 있다.
일 실시예에서, 수전해 모드에서 스팀이 상기 스팀 공급 유로를 통해 상기 수소극으로 공급되고 연료전지 모드에서 스팀이 상기 분기유로를 통해 상기 수소극에 공급될 수 있다.
일 실시예에서, 외부에서 공급되는 외부공급 물과 상기 제1 배출가스를 열교환하는 제2 열교환기를 더 포함하고, 상기 제2 열교환기에서 스팀으로 기화된 외부공급 물을 상기 이젝터의 구동노즐 측으로 공급하도록 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제2 열교환기의 하류측에 배치되며 상기 제1 배출가스에서 물을 제거하는 물 배출부, 상기 물 배출부를 통과한 가스 중 적어도 일부를 재순환 가스로서 상기 수소극으로 재공급하는 재순환 유로, 및 상기 재순환 유로에 설치되며 상기 재순환 가스와 제1 배출가스 사이를 열교환하는 제3 열교환기를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 재순환 유로가 수전해 모드에서 폐쇄되고 연료전지 모드에서 개방될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제2 열교환기와 상기 제3 열교환기 사이에 설치되며 상기 재순환 가스와 상기 제1 배출가스 사이를 열교환하는 제4 열교환기를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 물 배출부의 물 배출유로에 설치되어 물을 펌핑하는 펌프를 더 포함하고, 상기 수소 공급 유로를 통해 공급하는 수소의 압력과 상기 펌프의 동작을 제어하여 상기 수소극의 입구와 상기 공기극의 입구 사이의 압력 차이를 소정 범위 내로 유지시킬 수 있다.
일 실시예에서, 상기 공기극으로 공기를 공급하는 공기 공급 유로에 병렬로 연결된 제1 블로워 및 제2 블로워, 및 상기 공기 공급 유로를 통해 상기 공기극으로 공급되는 공기와 상기 공기극에서 배출되는 제2 배출가스를 열교환하는 제5 열교환기를 더 포함하고, 상기 제2 블로워의 공기 공급량이 제1 블로워의 공기 공급량보다 클 수 있다.
상기한 본 발명의 다른 목적을 위한 일 실시예에 의한 양방향 수전해 시스템의 동작방법은, 수소극과 공기극을 구비한 양방향 수전해 연료전지를 이용하여 수전해 모드와 연료전지 모드에서 동작 가능하고, 상기 수소극으로 공급되는 수소를 상기 수소극에서 배출되는 제1 배출가스와 열교환하는 단계, 제1 블로워 및 상기 제1 블로워보다 대용량인 제2 블로워 중 하나를 통해 상기 공기극으로 공급하는 공기를 상기 공기극에서 배출되는 제2 배출가스와 열교환하는 단계, 상기 제1 배출가스 중 일부를 분기유로를 통해 분기하여 상기 제2 배출가스로 합류시키는 단계, 및 상기 제1 배출가스가 혼합된 상기 제2 배출가스를 촉매 연소기를 이용하여 가열하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 분기유로를 수전해 모드에서 폐쇄하고 연료전지 모드에서 개방하도록 제어할 수 있다.
일 실시예에서, 수소와 열교환된 상기 제1 배출가스에서 물을 분리하는 단계, 상기 제1 배출가스에서 분리된 물을 배수 펌프를 이용하여 외부로 배출하는 단계, 및 물이 제거된 상기 제1 배출가스의 적어도 일부를 재순환 가스로서 상기 수소극 측을 향해 재순환시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 수전해 모드에서, 외부에서 공급되는 외부공급 물을 상기 수소와 열교환된 상기 제1 배출가스와 열교환하여 외부공급 물을 스팀으로 기화시키는 단계, 및 스팀으로 기화된 외부공급 물을 상기 수소극으로 공급하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기한 본 발명의 다른 목적을 위한 다른 실시예에 의한 양방향 수전해 시스템의 동작방법은, 수소극과 공기극을 구비한 양방향 수전해 연료전지를 이용하여 수전해 모드와 연료전지 모드에서 동작 가능하고, 수전해 모드에서 스팀 공급 유로를 통해 스팀을 상기 수소극으로 공급하고, 연료전지 모드에서 상기 스팀 공급 유로에 배치된 이젝터를 우회하여 분기유로를 통해 스팀을 상기 수소극으로 공급하는 단계, 및 수전해 모드에서, 상기 수소극에서 배출되는 배출가스의 적어도 일부를 상기 이젝터를 통해 상기 수소극으로 재공급하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 연료전지 모드에서, 상기 수소극으로 공급되는 수소와 상기 수소극에서 배출되는 배출가스를 열교환하는 제1 열교환기에서 상기 수소극으로 공급되는 수소를 가열하는 단계를 더 포함하고, 상기 스팀 공급 유로와 수소를 상기 수소극에 공급하는 수소 공급 유로의 합류점이 상기 제1 열교환기와 상기 수소극 사이에 위치할 수 있다.
일 실시예에서, 수전해 모드에서, 외부에서 공급되는 외부공급 물과 상기 배출가스를 열교환하는 제2 열교환기에서 상기 외부공급 물을 스팀으로 기화시키는 단계, 및 상기 제2 열교환기에서 스팀으로 기화된 외부공급 물을 상기 이젝터의 구동노즐 측으로 공급하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 열교환기의 후단에 설치된 물 배출부에서 상기 배출가스 중의 물을 제거하는 단계, 및 연료전지 모드에서, 상기 물 배출부를 통과한 가스 중 적어도 일부를 재순환 가스로서 상기 수소극으로 재공급하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 수소극의 배출가스 중 일부를 촉매 연소기의 연료로 사용하여 공기극의 배출가스를 가열하도록 구성함으로써 공기극 배출가스의 온도를 더 높이고 더 많은 열에너지를 공기에 전달할 수 있으므로 공기극에 공급할 공기를 가열하기 위한 히터의 소비전력을 줄이고 시스템 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 연료전지의 수소극에서 배출되는 배출가스에서 물을 분리하여 외부로 배출하기 위해 배수 펌프를 설치하고 이 배수 펌프의 동작을 제어하여 연료전지의 수소극 입구와 공기극 입구의 압력차를 소정 범위 이하로 유지함으로써 연료전지를 안정적으로 운전하며, 연료전지 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 수전해 모드에서 연료전지의 수소극에서 배출되는 배출가스 중 일부를 이젝터를 통해 수소극으로 재공급하도록 구성하고 연료전지 모드에서 배출가스의 일부를 재순환하여 수소극으로 재공급하도록 구성함으로써 시스템 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 양방향 수전해 시스템을 설명하기 위한 시스템 모식도이다.
도 2는 도 1의 상기 양방향 수전해 시스템의 수전해(SOEC) 모드를 설명하기 위한 시스템 모식도이다.
도 3은 도 1의 상기 양방향 수전해 시스템의 연료 전지(SOFC) 모드를 설명하기 위한 시스템 모식도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 양방향 수전해 시스템을 설명하기 위한 시스템 모식도이다.
도 5는 도 4의 양방향 수전해 시스템의 수전해(SOEC) 모드를 설명하기 위한 시스템 모식도이다.
도 6은 도 4의 양방향 수전해 시스템의 연료 전지(SOFC) 모드를 설명하기 위한 시스템 모식도이다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 양방향 수전해 시스템을 설명하기 위한 시스템 모식도이다.
도 8은 본 발명의 제4 실시예에 따른 양방향 수전해 시스템을 설명하기 위한 시스템 모식도이다.
도 9는 제5 실시예에 따른 양방향 수전해 시스템을 설명하기 위한 시스템 모식도이다.
도 10은 제6 실시예에 따른 양방향 수전해 시스템을 설명하기 위한 시스템 모식도이다.
* 부호의 설명
10 : 스팀 생성부 20 : 이젝터
30 : 양방향 수전해 연료전지 41, 42, 43, 53 : 열교환기
45, 51, 52, 73 : 블로워 57 : 촉매 연소기
61, 62 : 히터 77 : 배수 펌프
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprise)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다. 아래의 특정 실시예를 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는 데 있어 혼돈을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 양방향 수전해 시스템을 설명하기 위한 시스템 모식도이다.
도 1을을 참조하면, 본 실시예의 양방향 수전해 시스템은 스팀 생성부(10), 양방향 수전해 연료전지(30), 히터(61, 62) 등의 구성요소와 이 구성요소들 사이를 연결하는 다수의 유로, 그리고 유로에 배치된 다수의 열교환기, 블로워, 및 펌프로 구성될 수 있다.
양방향 수전해 연료전지(30)는 외부에서 공급되는 스팀과 전기에 의해 수소와 산소를 생성하는 수전해 모드, 및 외부에서 공급되는 수소와 산소의 화학반응에 의해 전기와 물을 생성하는 연료전지 모드 중 어느 하나의 모드에서 동작할 수 있다.
양방향 수전해 연료전지(30)는 예컨대 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell; SOFC) 또는 용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell; MCFC) 등 임의의 연료전지로 구현될 수 있다. 설명의 편의를 위해 이하에서는 양방향 수전해 연료전지(30)가 고체산화물 연료전지(SOFC)로 구현된 것으로 전제하고 설명하기로 한다.
양방향 수전해 연료전지(30)는 수소극(31), 공기극(32) 및 그 사이에 개재된 전해질로 구성될 수 있다.
수전해 모드(이하에서 "SOEC 모드"라고도 함)에서 수소극(31)은 외부로부터 스팀(H2O)을 공급받아 이로부터 수소(H2)를 생산한다. 즉 수소극(31)은 유로(L21)로부터 스팀(H2O)을 공급받아 수소(H2)를 생성하며, 이렇게 생성된 수소(H2) 및 수소로 변환되지 못한 스팀(H2O)이 포함된 가스를 유로(L41)를 통해 제1 배출가스로서 배출한다.
수전해 모드에서 공기극(32)은 수소극(31)으로부터 산소(O2)를 전달받으며, 이렇게 전달받은 산소(O2)를 유로(L53)를 통해 외부로부터 공급된 공기를 이용하여 이송한다. 공기극(32)은 산소와 공기가 포함된 가스를 유로(L61)를 통해 제2 배출가스로서 배출한다.
연료전지 모드(이하에서 "SOFC 모드"라고도 함)에서, 수소극(31)은 유로(L11)로부터 공급되는 수소 및 공기극(32)으로부터 전달받은 산소의 화학반응에 의해 물(스팀)을 생성하며, 이렇게 생성된 스팀 및 스팀으로 변환되지 못한 수소가 포함된 가스를 유로(L41)를 통해 배출가스로서 배출할 수 있다.
연료전지 모드에서, 공기극(32)은 유로(L53)에 의해 공기를 공급받고 전해질을 통해 산소를 수소극(31)으로 전달하며, 질소(N2)와 공기를 유로(L61)를 통해 제2 배출가스로서 배출할 수 있다.
이론적으로 수전해 모드에서는 연료전지(30)에 물(스팀)과 전기를 공급하고 연료전지 모드에서는 연료전지(30)에 수소와 산소를 공급하지만 실제 장치의 동작을 위해서는 화학반응을 돕기 위해 수전해 모드와 연료전지 모드의 각 모드에서 수소와 스팀의 혼합가스를 연료전지(30)에 공급하는 것이 바람직하다.
다만 수전해 모드에서는 스팀이 주로 필요하기 때문에 스팀과 수소를 예컨대 80:1의 질량비(대략 8.9:1의 부피비)로 스팀과 수소의 혼합 가스를 연료전지(30)로 공급하고, 연료전지 모드에서는 수소가 주로 필요하기 때문에 수소와 스팀을 예컨대 3.6:1의 질량비(대략 32:1의 부피비)로 혼합하여 연료전지(30)에 공급할 수 있다.
이 경우 수전해 모드와 연료전지 모드의 각각에서 수소와 스팀의 혼합 비율은 구체적 실시 형태에 따라 달라질 수 있음은 물론이다. 또한 각 모드에 따라 수소와 스팀의 혼합비를 다르게 조정하여 공급하기 위해, 도면에 도시하지 않았지만 예컨대 수소 공급 유로(L11)나 스팀 공급 유로(L21) 중 적어도 하나의 유로에 블로워, 펌프, 및/또는 유량제어밸브를 설치하여 수소 및/또는 스팀의 공급량을 조절할 수 있다.
본 실시예에서 수소는 수소 공급 유로(L11)를 통해 연료전지(30)로 공급된다. 수소 공급 유로(L11)는 예컨대 수소저장탱크(도시 생략)에 연결될 수 있다. 수소 공급 유로(L11)로 유입된 수소는 제1 열교환기(41)에서 가열될 수 있다.
제1 열교환기(41)는 연료전지(30)의 수소극(31)으로 공급되는 수소 가스와 수소극(31)에서 배출되는 배출가스의 사이의 열교환이 일어나도록 구성된다. 이 경우, 수소극(31)으로 공급되는 수소는 예를 들어 상온 또는 섭씨 35도 내지 45도이고 수소극(31)에서 배출되는 배출가스는 섭씨 700도 내지 750도일 수 있고, 수소극(31)으로 공급되는 수소가 제1 열교환기(41)에서 예컨대 대략 섭씨 650도 또는 그 이상으로 가열될 수 있다.
스팀은 스팀 공급 유로(L21)를 통해 연료전지(30)에 공급된다. 스팀 공급 유로(L21)에 연결된 스팀 생성부(10)는 예컨대 펌프(11)와 보일러(12)를 구비할 수 있고, 펌프(11)에 의해 보일러(12)로 공급된 물을 가열하여 스팀을 생성한다. 이 경우, 보일러(12)는 폐기물 고형연료 보일러 시스템, 열병합 발전 시스템, 복합발전 시스템, 폐기물 소각 시스템 등 기존의 연소장치나 소각장치로 구현될 수 있다.
본 실시예에서 양방향 수전해 시스템은 시스템 외부로부터 물(이하 “외부공급 물”이라 함)을 공급받는 물 공급 유로(L31) 및 이 유로(L31)에 설치된 펌프(15)와 제2 열교환기(42)를 더 포함한다.
제2 열교환기(42)는 유로(L31)로 공급되는 외부공급 물과 수소극(31)에서 배출되는 배출가스 사이의 열교환이 일어나도록 구성되며, 배출가스의 흐름에서 볼 때 제1 열교환기(41)의 하류측에 배치될 수 있다.
이 경우, 외부공급 물은 예를 들어 상온 내지 45도 사이의 온도이고 제2 열교환기(42)로 공급되는 배출가스는 섭씨 600도 내지 700도 사이일 수 있고, 외부공급 물은 제2 열교환기(42)에서 기화되고 예컨대 섭씨 600도 이상으로 가열될 수 있다. 제2 열교환기(42)에서 기화된 고온의 스팀은 스팀 공급 유로(L21)에 합류한 후 유로(L21,L12)를 따라 수소극(31)으로 공급된다.
이와 같이 외부에서 물을 공급받는 물 공급 유로(L31)와 제2 열교환기(42)를 더 포함하면 수소극에서 배출되는 배출가스의 폐열 회수율을 높이는 이점이 있다.
물 공급 유로(L31)와 제2 열교환기(42)가 없다면 배출 유로(L41)의 배출가스가 제1 열교환기(41) 및 후술하는 제3 열교환기(43)를 통과한 이후에도 고온을 유지하며 예컨대 수전해 모드에서 제3 열교환기(43)를 통과한 배기가스가 섭씨 600도 이상인 경우도 있지만, 본 실시예에 따르면 배출 유로(L41)의 배출가스가 제2 열교환기(42)에서 외부공급 물을 가열하기 때문에 제3 열교환기(43)를 통과한 배기가스가 예컨대 섭씨 100도 내지 150도 사이까지 냉각될 수 있고 배출가스의 폐열 회수율을 그만큼 더 높일 수 있다.
스팀 공급 유로(L21)는 수소 공급 유로(L11)와 합류하며, 수소와 스팀의 혼합 가스가 혼합가스 공급 유로(L12)를 따라 연료전지(30)의 수소극(31)에 공급된다.
이 때 스팀 공급 유로(L21)와 수소 공급 유로(L11)의 합류점이, 수소 공급 유로(L11) 관점에서 볼 때, 제1 열교환기(41)의 하류측, 즉 제1 열교환기(41)와 수소극(31) 사이에 위치한다. 따라서 수소극(31)에서 배출되는 고온의 배출가스는 이미 고온으로 가열된 스팀을 재가열 하지 않고 제1 열교환기(41)에서 수소만 가열하면 되므로, 수소와 스팀의 혼합 가스를 가열하는 것에 비해 수소를 더 고온으로 가열할 수 있다.
본 실시예에서 양방향 수전해 시스템은 제1 히터(61)를 더 포함할 수 있다. 제1 히터(61)는 수소극(31)의 입구측에 인접하여 혼합가스 공급 유로(L12) 상에 배치된다. 제1 히터(61)는 연료전지(30)가 최적의 효율로 수전해 모드와 연료전지 모드에서 동작할 수 있도록 수소와 스팀의 혼합가스의 온도를 소정 온도 범위로 가열할 수 있다. 예를 들어, 제1 히터(61)는 수소와 스팀의 혼합가스의 온도를 섭씨 650도 내지 750도 사이의 범위로 가열할 수 있다. 또한 도면에 도시하지 않았지만, 이러한 온도 제어를 위해 제1 히터(61)의 내부 또는 전단이나 후단에 하나 이상의 온도센서가 설치되어 혼합가스의 온도를 측정하고 이에 기초하여 혼합가스를 가열할 수 있다.
본 실시예에서 양방향 수전해 시스템은 외부로부터 공기를 공기극(32)으로 공급하는 공기 공급 유로(L53) 및 이 유로(L53)에 배치된 공기-배출가스간 열교환기(53)를 포함한다. 열교환기(53)는 공기 공급 유로(53)를 통해 공기극(32)으로 이송되는 공기와 공기극(32)에서 배출되어 배출 유로(L61)로 이송되는 배출가스 사이를 열교환 한다.
공기 공급 유로(53)에 제2 히터(62)가 설치될 수 있다. 제2 히터(62)는 공기극(32)에 인접하게 공기 공급 유로(L53) 상에 배치되어, 연료전지(30)가 최적의 효율로 동작할 수 있도록 공기를 소정 온도 범위로 가열할 수 있다. 예를 들어, 열교환기(53)가 상온의 공기를 대략 섭씨 650도 내지 700도로 가열하고, 그 후 제2 히터(62)가 이 공기를 섭씨 700도 내지 750도로 가열한 후 공기극(32)으로 공급할 수 있다.
본 실시예에서, 공기 공급 유로(L53)의 상류측에 서로 병렬로 배치된 제1 분기 유로(L51)와 제2 분기 유로(L52)가 연결되고, 각 분기 유로(L51,L52)에 제1 블로워(51)와 제2 블로워(52)가 설치된다.
제2 분기 유로(L52)는 제1 분기 유로(L51)에 비해 더 많은 양의 공기를 이송하도록 구성된다. 예를 들어 제2 분기 유로(L52)의 배관이 제1 분기 유로(L51)의 배관 보다 더 큰 직경을 가지며 제2 블로워(52)가 제1 블로워(51)에 비해 더 많은 공기를 공급할 수 있도록 구성된다. 이 경우, 제2 블로워(52)가 제1 블로워(51) 보다 5 내지 15배 큰 공기 공급량을 가진다.
수전해 모드의 경우 물(스팀)과 전기가 많이 필요하고 공기는 상대적으로 적은 양이 필요하며, 연료전지 모드에서는 수소와 산소(공기)가 많이 필요하므로 공기 공급량이 많아야 한다. 따라서, 수전해 모드에서 제1 블로워(51)만 구동하고 제2 블로워(52)는 구동하지 않으며 연료전지 모드에서는 제2 블로워(52)만 구동하고 제1 블로워(51)는 구동하지 않는다. 이와 달리, 연료전지 모드에서 제1 및 제2 블로워(51, 52)가 모두 구동할 수도 있다.
연료전지(30)의 수소극(31)에서 배출되는 배출가스는 배출 유로(L41)를 따라 외부로 배출된다. 이 때 수소극 배출 유로(L41)의 배출가스 중 일부를 공기극 배출 유로(L61)로 이송하는 분기 유로(L46) 및 이 분기 유로(L46)와 배출 유로(L61)의 합류지점에 설치된 촉매 연소기(57)를 더 포함할 수 있다.
촉매 연소기(57)는 금속 또는 금속산화물의 촉매를 담지한 담체를 공기극(32)에서 배출되는 배출가스 및 분기 유로(L46)를 통해 분기된 수소극 배출가스가 통과하도록 구성된다.
연료전지 모드의 경우, 수소극(31)에서 배출되는 배출가스 중 소량의 수소가 촉매 연소기(57)에서 연료로 기능하여 공기극(32)에서 배출되는 공기를 가열하고, 공기극(32)의 배출가스의 온도를 대략 20도 내지 30도 상승시킬 수 있다.
예를 들어 촉매 연소기(57)가 없는 경우, 공기극(32)에서 배출되는 배출가스 온도가 대략 섭씨 750도인 경우, 본 실시예와 같이 촉매 연소기(57)를 설치하면 촉매 연소기(57)를 통과한 배출가스가 대략 섭씨 770도 내지 780도까지 가열될 수 있다.
즉, 이렇게 추가적으로 가열된 배출가스가 공기-배출가스간 열교환기(53)에서 공기 유로(L53)의 공기에 더 많은 열에너지를 전달할 수 있으므로 제2 히터(62)를 동작시키지 않아도 된다. 한편 상술한 온도 수치는 예시적인 것이며 발명의 구체적 실시 형태에 따라 온도 상승 범위가 달라질 수 있다.
본 실시예에서 대량의 공기가 필요한 연료전지 모드에서는 촉매 연소기(57)를 사용하고, 수전해 모드에서는 촉매 연소기(57)를 사용하지 않아도 된다. 이를 위해 예컨대 분기 유로(L46) 상에 개폐밸브(도시 생략)를 설치하고 연료전지 모드에서 분기 유로(L46)를 개방하고 수전해 모드에서 분기 유로(L46)를 폐쇄하도록 제어 할 수 있다.
한편, 수소극(31)에서 배출되되 분기 유로(L46)로 분기되지 않은 나머지 배출 가스는 배출 유로(L41)를 따라 순차적으로 제1 열교환기(41) 내지 제3 열교환기(43)를 통과하며 이송된다. 제1 열교환기(41)에서 배출가스는 수소 공급 유로(L11)를 통해 수소극(31)으로 공급되는 수소에 열에너지를 전달하여 수소를 가열한다. 제2 열교환기(42)에서 배출가스는 물 공급 유로(L13)를 통해 외부에서 공급되는 물에 열에너지를 전달하여 물을 가열한다.
제2 열교환기(42)를 통과한 배출 가스는 물 배출부로 이송된다. 물 배출부는 배출가스 중의 물을 분리하여 배출하는 장치이며, 본 실시예에서 물 배출부는 응축기(71)와 드레인(72)을 통과하며 순환하는 냉매의 순환 유로(L70) 상에 설치된 펌프, 냉각장치 등을 포함할 수 있다.
응축기(71)에서 배출가스의 물이 응축되고 응축된 물은 드레인(72)에서 물 배출유로(L42, L43)를 통해 외부로 배출된다. 응축되지 않은 나머지 가스 성분(즉, 수소 및 응축되지 않은 스팀)은 유로(L45)를 따라 이송되고 블로워(73), 압축기(74), 수소 분리기(75) 등을 거쳐 수소와 스팀으로 분리된 후 각각 처리/저장될 수 있다.
도면에 도시한 물 배출부는 예시적인 구성을 나타낸 것이며, 배출가스에서 물을 분리하여 배출하고 수소를 추출하는 방식이나 구체적 장치 구성이 달라질 수 있음은 물론이다.
본 실시예에서, 드레인(72)을 통과하여 유로(L45)로 이송되는 가스 중 적어도 일부가 재순환 유로(L44)를 통해 분기된다. 재순환 유로(L44)는 수소 공급 경로(L11)에 연결되어 있으며, 따라서 재순환 유로(L44)를 통해 분기된 가스는 재순환 가스로서 수소극(31)에 재공급 될 수 있다.
재순환 유로(L44)에 제2 열교환기(42)와 블로워(45)가 설치될 수 있다. 이 경우, 재순환 유로(L44)의 상류에서 하류 방향으로 제3 열교환기(43)와 블로워(45)가 순차적으로 설치된다.
제3 열교환기(43)는 배출 유로(L41)의 배출가스와 재순환 유로(L44)의 재순환 가스 사이를 열교환하여 재순환 가스를 가열한다. 본 실시예에서 제3 열교환기(43)는 재순환 가스의 온도를 상승하여 재순환 가스에 응결이 발생하지 않도록 할 목적으로 설치되는 소형 열교환기일 수 있다. 재순환 유로(L44)로 분기된 재순환 가스는 포화상태의 가스이며 재순환 유로(L44)의 환경에 따라 약간이라도 응결이 되면 후단의 블로워(45) 등 장치가 손상될 수 있다. 또한 제3 열교환기(43)에서 재순환 가스가 지나치게 고온으로 가열되는 경우에도 블로워(45)의 내구성이 문제가 될 수 있다.
따라서 본 실시예에서 블로워(45)의 전단(상류측)에 소형의 제3 열교환기(43)를 설치하여 재순환 가스 온도를 약간 상승시킨 후 블로워(45)로 이송되도록 한다. 제3 열교환기(43)에 의해 상승하는 재순환 가스의 온도는 재순환 가스의 유량에 따라 달라질 수 있으며, 예를 들어, 재순환 가스의 온도가 대략 5도 내지 30도 사이의 범위에서 상승하도록 한다.
제3 열교환기(43)와 블로워(45)를 차례로 통과한 재순환 가스는 수소 공급 유로(L11)에 합류하여 수소 가스와 함께 제1 열교환기(41)에서 고온으로 가열된 후 연료전지(30)의 수소극(31)으로 공급될 수 있다.
한편 본 실시예에 따른 양방향 수전해 시스템은 물 배출유로(L43)에 설치된 배수 펌프(77)를 더 포함할 수 있다. 펌프(77)는 드레인(72)에서 유로(L42)를 따라 배출되는 물을 강제로 펌핑하여 외부로 배출할 수 있다.
물 배출유로(L43)에 배수 펌프(77)를 설치하면, 우선, 연료전지(30)의 수소극(31)의 입구와 공기극(32)의 입구의 압력 차이를 없애거나 소정 범위로 줄여서 유지시킬 수 있다.
연료전지(30)의 수소극(31)과 공기극(32)의 입구측의 압력 차이가 작을수록 연료전지 시스템을 안정적으로 운전할 수 있으며 효율이 높아질 수 있는데 일반적인 연료전지 시스템의 경우 공기극(32)에 비해 수소극(31)의 입구측과 출구측에 다수의 유로들과 열교환기 등의 장치들이 설치되기 때문에 수소극(31)의 압력이 더 높은 상태에 있다. 그러나 본 실시예에서와 같이, 펌프(77)를 구동할 경우 펌프(77)의 흡입력이 수소극(31)의 배출 유로(L41)를 따라 수소극(31)에 작용하여 수소극(31)의 입구측 압력을 낮출 수 있다.
따라서 펌프(77)를 동작을 제어함으로써 수소극(31)과 공기극(32)의 입구측 압력을 서로 동일하게 또는 소정의 범위 내에서 거의 동일하게 유지시킬 수 있어 시스템을 안정적으로 운전할 수 있고 효율을 높일 수 있다.
또한 수소극(31)의 입구측 압력이 낮아진 만큼 수소 공급 유로(L11)를 따라 수소를 수소극(31)으로 이송하기 위한 펌프나 블로워(도시 생략)의 용량이 작아져도 되며, 배출 유로(L41) 내부의 압력이 전체적으로 낮아져서 대기압보다 낮아지는 경우에도 펌프(77)에 의해 물을 강제로 배출하기 때문에 물이 배출 유로(L41)로 역류하는 것을 방지할 수 있다.
이하에서는, 도 2와 도 3을 참조하여 상기 제1 실시예의 양방향 수전해 시스템의 수전해 모드와 연료전지 모드의 동작을 각각 설명하기로 한다.
도 2는 도 1의 상기 양방향 수전해 시스템의 수전해(SOEC) 모드를 설명하기 위한 시스템 모식도이다. 도 2에서는, 수전해 모드에서 사용되는 유로를 도면에 굵은 선으로 표시하였다.
도 2를 참조하면, 수전해 모드에서 스팀 생성부(10)에서 생성된 스팀이 스팀 공급 유로(L21)를 통해 공급되고, 이와 동시에 외부공급 물도 물 공급 유로(L31)를 통해 공급된다. 외부공급 물은 제2 열교환기(42)에서 기화되고 고온의 스팀이 된 후 스팀 공급 유로(L21)에 합류되고 이렇게 혼합된 스팀은 유로(L21,L12)를 통해 수소극(31)으로 공급된다.
수전해 모드에서는 소량의 수소만 필요하므로 수소 공급 유로(L11)를 통해 별도의 수소를 공급하지 않으나 초기 기동시에는 일부를 공급할 수도 있다. 또한 상대적으로 적은 양의 공기만 필요하므로 제1 블로워(51)가 작동하고 제2 블로워(52)는 작동하지 않는다.
연료전지(30)에서 수전해 반응이 일어남에 따라 수소극(31)으로부터 수소와 스팀으로 이루어진 제1 배출가스가 배출 유로(L41)를 통해 배출되고 공기극(32)으로부터 산소와 공기로 이루어진 제2 배출가스가 배출 유로(L61)를 통해 배출된다.
수전해 모드에서는 촉매 연소기(57)를 사용하지 않아도 되며, 배출 유로(L41)로 배출되는 제1 배출가스는 제1 열교환기(41), 제2 열교환기(42), 및 제3 열교환기(43)를 순차적으로 통과하며 하류측 재순환 가스, 외부공급 물, 및 상류측 재순환가스를 순차적으로 가열하고 그 후 물 배출부로 이송된다. 물 배출부에서 제1 배출가스의 스팀이 응축되어 물 배출유로(L43)를 따라 외부로 배출되고 수소 및 응축되지 않은 스팀의 혼합가스 중 일부는 재순환 가스로서 재순환 유로(L44)를 따라 수소극(31)으로 재공급되고 혼합가스의 나머지는 배출 유로(L45)를 따라 이송되어 각기 분리되어 처리된다.
재순환 유로(L44)와 배출유로(L45)의 각각으로 분기되는 혼합가스의 유량 비율은 구체적 실시 형태에 따라 달라질 수 있으며, 예컨대 1:3 내지 1:5의 비율로 각각 재순환 유로(L44)와 배출유로(L45)로 분기될 수 있다.
도 3은 도 1의 상기 양방향 수전해 시스템의 연료 전지(SOFC) 모드를 설명하기 위한 시스템 모식도이다. 도 3에서 수전해 모드에서 사용되는 유로를 굵은 선으로 표시하였다.
도 3을 참조하면, 연료전지 모드에서 수소 공급 유로(L11)를 통해 수소가 공급되고 스팀 공급 유로(L21)를 통해 소량의 스팀이 공급된다. 소량의 스팀만 필요하므로 물 공급 유로(L31)에 의한 외부공급 물은 공급되지 않는다.
수소는 제1 열교환기(41)에서 배출 유로(L41)의 배출가스와 열교환하여 가열된 후 스팀과 혼합되고 그 후 혼합 유로(L12)를 통해 스팀과 수소의 혼합 가스가 수소극(31)으로 공급된다.
연료전지 모드에서는 상대적으로 많은 양의 공기가 필요하므로 공기극(32)에 공기를 공급하기 위해 제2 블로워(52)가 작동하고 제1 블로워(51)는 작동하지 않는다. 이와 달리, 제1 및 제2 블로워(51,52)가 모두 작동할 수도 있다.
연료전지 모드에서 촉매 연소기(57)를 사용될 수 있다. 수소극(31)에서 배출되는 배출가스 중 소량의 수소가 분기 유로(L46)로 분기되어 촉매 연소기(57)로 공급되고 촉매 연소기(57)에서 연료로 기능하여 공기극(32)에서 배출되는 공기를 가열하고, 공기극(32)의 배출가스의 온도를 대략 20도 내지 30도 상승시킬 수 있다.
예를 들어, 촉매 연소기(57)를 사용하지 않을 경우 공기극(32)에서 배출되는 배출가스 온도가 대략 섭씨 750도인 경우, 촉매 연소기(57)를 사용하면 촉매 연소기(57)를 통과한 배출가스가 대략 섭씨 770도 내지 780도까지 가열될 수 있고, 이렇게 추가적으로 가열된 배출가스가 공기-배출가스간 열교환기(53)에서 공기 유로(L53)의 공기에 더 많은 열에너지를 전달할 수 있으므로 제2 히터(62)를 동작하지 않아도 된다. 상술한 온도 수치는 예시적인 것이며 온도 상승 범위가 다양하게 변경될 수 있음은 물론이다.
수소극(31)에서 배출되는 배출가스는 제1 열교환기(41)와 제3 열교환기(43)에서 재순환 가스를 가열하고 그 후 물 배출부로 이송되고, 배출가스에서 스팀이 응축되어 물 배출유로(L43)를 따라 외부로 배출되고 수소 및 응축되지 않은 스팀의 혼합가스는 재순환 가스로서 재순환 유로(L44)를 따라 수소극(31)으로 재공급된다.
이상과 같이 도 1 내지 도 3의 상기 제1 실시예에 따르면 양방향 수전해 시스템의 각 동작 모드에 따라 적절한 수소와 스팀의 혼합가스를 연료전지(30)에 공급할 수 있는 이점이 있다.
예를 들어, 수전해 모드에서 수소는 소량만 필요하므로, 배출 유로(L41)로 배출되는 배출가스 중 일부를 재순환 유로(L44)로 분기하고 이 재순환 유로를 통해 피드백되는 재순환 가스에 함유된 수소를 이용하도록 구성하여 수소 공급 유로(L11)를 통해 외부에서 수소를 별도로 공급할 필요가 없도록 하였고, 공기도 상대적으로 적은 양이 필요하므로 소형 블로워인 제1 블로워(51)만 구동하여 공기를 공급하도록 구성하였다. 연료전지 모드에서는 배출 유로(L41)로 배출되는 배출가스 중 응축된 물을 제외한 나머지 배출가스를 모두 재순환 유로(L44)를 통해 재순환 가스로서 재공급하도록 하여 연료전지(30)에서 반응되지 않고 버려지는 수소를 최소화할 수 있다.
또한 이 때 수전해 모드와 연료전지 모드의 각각에서 펌프(77)의 동작을 제어하여 수소극(31)과 공기극(32)의 입구측 압력을 서로 동일하게 또는 소정의 범위 내에서 거의 동일하게 유지함으로써 시스템을 안정적으로 운전하여 시스템 효율을 높일 수 있고, 재순환 유로(L44)의 블로워(45)의 상류측에 제3 열교환기(43)를 설치함으로써 재순환 유로(L44) 내에서 스팀의 응결에 의한 블로워(45)의 손상을 방지할 수 있다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 양방향 수전해 시스템을 설명하기 위한 시스템 모식도이다.
본 실시예의 양방향 수전해 시스템은 스팀 공급 유로(L21)에 설치되는 이젝터(20) 및 스팀 공급 유로에서 분기되는 분기유로(L22)를 더 포함하고 물 배출 유로(L43)에서 펌프(도1의 77)가 생략되는 것을 제외하고는, 도 1을 참조하여 설명한 상기 제1 실시예에 의한 양방향 수전해 시스템과 실질적으로 동일하므로, 동일한 구성요소에 대하여는 동일한 참조번호를 사용하고, 중복되는 설명은 생략한다.
도 4를 참조하면, 본 실시예에서의 상기 앙??항 수전해 시스템에서, 스팀 공급 유로(L21)는 분기 유로(L22)를 포함한다. 즉, 도 4에 도시한 것처럼 분기 유로(L22)는 스팀 공급 유로(L21)에서 분기되었다가 다시 이 유로(L21)에 합류하도록 구성된다. 분기 유로(L22)에 개폐밸브(13)가 설치될 수 있고, 도면에 도시하지 않았지만 스팀 공급 유로(L21)에도 개폐밸브가 설치될 수 있고, 밸브의 제어에 의해 스팀이 스팀 공급 유로(L21)와 분기 유로(L22) 중 하나로 흐르도록 제어할 수 있다. 이와 달리, 분기 유로(L22)가 분기되는 분기점에 삼방밸브를 설치하여 스팀 흐름을 제어할 수도 있다.
이젝터(20)는 스팀 공급 유로(L21)에 설치되되 분기유로(L22)와 병렬로 배치한다. 즉 스팀 생성부(10)로부터의 스팀이 이젝터(20)를 통해 수소극(31)으로 이송되거나 이젝터(20)를 우회하여 분기유로(L22)를 통해 수소극(31)으로 이송된다.
이젝터(20)는 벤츄리(Venturi) 효과를 이용하여 유체를 혼합하는 장치로서, 배관의 직경이 서서히 줄어들다가 확대되는 벤츄리 관에 혼합대상의 유체를 주입한다. 일반적으로 이젝터(20)의 입력단을 구동노즐(motive nozzle), 출력단을 분사노즐(diffuser nozzle), 혼합대상 유체를 입력하는 주입구를 흡입구(suction port)라 칭하며, 도시한 본 실시예에서 이젝터(20)의 구동노즐은 스팀 공급 유로(L21)의 상류측에 연결되고 분사노즐은 스팀 공급 유로(L21)의 하류측에 연결되고 흡입구는 피드백 유로(L47)에 연결된다. 피드백 유로(L47)는 수소극(31)의 배출가스가 흐르는 배출 유로(L41)에서 분기되는 유로이다.
일반적으로 수전해 모드에서 수소극(31)으로 주입되는 스팀과 수소의 부피비가 대략 9:1 가량 되는데, 수소극(31)에서 배출되는 배출가스는 수소 함량이 많으므로 피드백 유로(L47)를 통해 배출가스 중 일부를 재순환시키면 수소 공급 유로(L11)를 통해 수소를 별도로 공급할 필요가 없다. 이 때, 이젝터(20)의 구동노즐로 공급되는(즉 유로(L21)로 이송되는) 스팀의 압력 또는 유량을 조정함으로써 피드백 유로(L47)로 재순환되는 배출가스의 양을 조절할 수 있다.
이하에서는, 도 5와 도 6을 참조하여 상기 제2 실시예의 양방향 수전해 시스템의 수전해 모드와 연료전지 모드의 동작을 각각 설명하기로 한다.
도 5는 도 4의 양방향 수전해 시스템의 수전해(SOEC) 모드를 설명하기 위한 시스템 모식도이다. 도 5에서 굵은 선으로 표시한 유로가 수전해 모드에서 사용되는 유로이다.
도 5를 참조하면, 수전해 모드에서 스팀 공급 유로(L21)를 통해 스팀이 공급되고, 물 공급 유로(L31)를 통해 외부공급 물이 공급되어 제2 열교환기(42)에서 스팀으로 기화된 후 스팀 공급 유로(L21)에 합류한다. 이렇게 혼합된 스팀은 이젝터(20)를 통과하고, 이 때 배출유로(L41)를 따라 배출되는 배출가스 중 일부가 피드백 유로(L47)를 통해 이젝터(20)로 유입되어 스팀과 혼합되고, 이렇게 혼합된 혼합 가스가 유로(L12)를 따라 연료전지(30)의 수소극(31)으로 공급된다. 수전해 모드에서는 상대적으로 적은 양의 공기가 필요하므로 연료전지(30)의 공기극(32)에 공기를 공급하기 위해 제1 블로워(51)가 작동하고 제2 블로워(52)는 작동하지 않는다.
연료전지(30)에서 수전해 반응이 일어남에 따라 수소극(31)으로부터 수소와 스팀으로 이루어진 제1 배출가스가 배출 유로(L41)를 통해 배출되고 공기극(32)으로부터 산소와 공기로 이루어진 제2 배출가스가 배출 유로(L61)를 통해 배출된다.
수전해 모드에서는 촉매 연소기(57)를 사용하지 않을 수 있으며, 배출 유로(L41)로 배출되는 제1 배출가스의 일부가 피드백 유로(L47)에서 분기되어 이젝터(20)의 흡입구로 공급되고, 나머지 배출가스는 열교환 없이 제1 열교환기(41)를 통과하고 제2 열교환기(42)에서 외부공급 물에 열에너지를 전달한다.
본 실시예에서 재순환 유로(L44)가 수전해 모드에서 폐쇄되고 따라서 배출 유로(L41)의 배출가스는 제3 열교환기(43)에서도 열교환 없이 통과하여 물 배출부로 이송된다. 물 배출부에서 스팀이 응축되어 물 배출유로(L43)를 따라 외부로 배출되고 수소 및 응축되지 않은 스팀은 유로(L45)를 따라 이송되어 각기 분리되어 처리된다.
도 6은 도 4의 양방향 수전해 시스템의 연료 전지(SOFC) 모드를 설명하기 위한 시스템 모식도이다. 도 6에서 굵은 선으로 표시한 유로가 연료전지 모드에서 사용되는 유로이다.
도 6을 참조하면, 연료전지 모드에서 수소 공급 유로(L11)를 통해 수소가 공급되고 스팀 공급 유로(L21)를 통해 소량의 스팀이 공급된다. 수소는 제1 열교환기(41)에서 배출 유로(L41)의 배출가스와 열교환하여 가열된 후 수소극(31)으로 공급된다. 스팀은 분기 유로(L22)를 따라 이젝터(20)를 우회하여 이송된 후 수소와 합류하여 유로(L12)를 통해 수소극(31)에 공급된다. 연료전지 모드에서는 상대적으로 많은 양의 공기가 필요하므로 공기극(32)에 공기를 공급하기 위해 제2 블로워(52)가 작동하고 제1 블로워(51)는 작동하지 않는다. 이와 달리, 제1 및 제2 블로워(51, 52)가 모두 작동할 수도 있다.
본 실시예에서 연료전지 모드에서 촉매 연소기(57)가 동작한다. 수소극(31)에서 배출되는 배출가스 중 일부가 분기유로(L46)를 통해 촉매 연소기(57)로 공급되어 촉매 연소기의 연료가 되고 공기극(32)에서 배출되는 공기를 가열한다. 촉매 연소기(57)는 공기극(32)의 배출가스의 온도를 대략 20도 내지 30도 상승시킬 수 있으며, 이렇게 추가적으로 가열된 배출가스가 공기-배출가스간 열교환기(53)에서 공기 유로(L53)의 공기에 더 많은 열에너지를 전달할 수 있으므로 제2 히터(62)를 동작시키지 않아도 된다.
연료전지(30)에서 수소와 산소의 화학반응이 일어남에 따라 수소극(31)으로부터 스팀과 수소로 이루어진 제1 배출가스가 배출 유로(L41)를 통해 배출되고 공기극(32)으로부터 질소와 공기로 이루어진 제2 배출가스가 배출 유로(L61)를 통해 배출된다.
제1 배출가스는 제1 열교환기(41)를 통과하면서 수소를 가열한다. 연료전지 모드에서는 외부공급 물이 공급되지 않으므로 제1 배출가스는 열교환 없이 제2 열교환기(42)를 통과하고 제3 열교환기(43)에서 재순환 가스와 열교환하여 재순환 가스를 가열한다. 그 후 제1 배출가스는 물 배출부로 이송되고 스팀이 응축되어 물 배출유로(L43)를 따라 외부로 배출되고 수소 및 응축되지 않은 스팀은 재순환 가스로서 재순환 유로(L44)를 따라 수소극(31)으로 재공급된다.
이상과 같이 상기 제2 실시예에 따르면 양방향 수전해 시스템의 각 동작 모드에 따라 적절한 수소와 스팀의 혼합가스를 연료전지(30)에 공급할 수 있는 이점이 있다.
예를 들어, 수전해 모드에서 수소는 소량만 필요하므로 피드백 유로(L47)를 통해 피드백되는 배출가스에 함유된 수소를 이용하도록 구성하여 수소 공급 유로(L11)를 통해 외부에서 수소를 공급할 필요가 없도록 하였고 공기도 상대적으로 적은 양이 필요하므로 소형 블로워인 제1 블로워(51)만 구동하여 공기를 공급하도록 구성하였다. 연료전지 모드에서는 피드백 유로(L47)가 아니라 재순환 유로(L44)를 통해 배출가스를 재공급하도록 하여 연료전지(30)에서 반응되지 않고 버려지는 수소를 최소화할 수 있다. 또한 이 때 이젝터(20)를 우회하여 스팀을 공급하도록 구성하여 이젝터(20)가 스팀의 흐름을 방해하는 것을 방지할 수 있고, 재순환 유로(L44)의 블로워(45)의 상류측에 제3 열교환기(43)를 설치함으로써 블로워(45)의 손상을 방지할 수 있다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 양방향 수전해 시스템을 설명하기 위한 시스템 모식도이다.
본 실시예의 양방향 수전해 시스템은 이젝터(20)와 배수 펌프(77)를 모두 포함하는 것을 제외하고는, 도 1을 참조하여 설명한 상기 제1 실시예에서의 양방향 수전해 시스템과, 도 4를 참조하여 설명한 상기 제2 실시예에서의 양방향 수전해 시스템과 실질적으로 동일하다.
즉, 상기 제2 실시예와 유사하게, 이젝터(20)가 스팀 공급 유로(L21)에 설치되고 이젝터(20)를 우회하는 분기유로(L22)가 이젝터(20)에 병렬로 연결된다.
또한, 상기 제1 실시예와 유사하게, 배수 펌프(77)가 물 배출유로(L43)에 설치되고 드레인(72)에서 유로(L42)를 따라 배출되는 물을 강제로 펌핑하여 외부로 배출할 수 있다. 이젝터(20) 및 배수 펌프(77)의 설치에 따른 효과는 위에서 상술하였으므로 생략한다.
기타, 본 실시예에서의 상기 양방향 수전해 시스템의 구성은 앞서 설명한 바와 실질적으로 동일하므로, 중복되는 설명은 이를 생략한다.
도 8은 본 발명의 제4 실시예에 따른 양방향 수전해 시스템을 설명하기 위한 시스템 모식도이다.
본 실시예의 양방향 수전해 시스템은 촉매 연소기(57)가 생략되고 이에 따라 촉매 연소기(57)와 연결되는 분기 유로(L46)가 생략되는 것을 제외하고는, 도 4를 참조하여 설명한 제3 실시예의 양방향 수전해 시스템과 실질적으로 동일하다. 이에 따라, 동일한 구성요소에 대하여는 동일한 참조번호를 사용하고, 중복되는 설명은 이를 생략한다.
즉, 도 8을 참조하면, 본 실시예에서의 상기 양방향 수전해 시스템에서는, 연료전지(30)의 수소극(31)에서 배출되는 배출가스는 배출 유로(L41)를 따라 외부로 배출된다. 이 경우, 배출 유로(L41)를 따라 순차적으로 제1 열교환기(41) 및 제2 열교환기(42)가 각각 설치되고, 제1 열교환기(41)에서 배출가스는 수소 공급 유로(L11)를 통해 수소극(31)으로 공급되는 수소에 열에너지를 전달하여 수소를 가열하며, 제2 열교환기(42)에서 배출가스는 제2 스팀 공급 유로(L31)를 통해 공급되는 외부공급 물을 기화시키고 가열하는 것은 이미 설명한 바와 같다.
또한, 배출 유로(L41)를 따라 이송되는 배출가스는 물 배출부로 이송되며, 이 후의 배출은 앞서 설명한 바와 같다.
한편, 공기극(32)은 유로(L53)에 의해 공기를 공급받고 전해질을 통해 산소를 수소극(31)으로 전달하며, 질소(N2)와 공기를 유로(L61)를 통해 제2 배출가스로서 배출할 수 있다.
즉, 수전해 모드에서는, 연료전지(30)에서 수전해 반응이 일어남에 따라 수소극(31)으로부터 수소와 스팀으로 이루어진 제1 배출가스가 배출 유로(L41)를 통해 배출되고 공기극(32)으로부터 산소와 공기로 이루어진 제2 배출가스가 배출 유로(L61)를 통해 배출된다.
이와 달리, 연료전지 모드에서는, 연료전지(30)에서 수소와 산소의 화학반응이 일어남에 따라 수소극(31)으로부터 스팀과 수소로 이루어진 제1 배출가스가 배출 유로(L41)를 통해 배출되고 공기극(32)으로부터 질소와 공기로 이루어진 제2 배출가스가 배출 유로(L61)를 통해 배출된다.
도 9는 제5 실시예에 따른 양방향 수전해 시스템을 설명하기 위한 시스템 모식도이다.
본 실시예서의 양방향 수전해 시스템은 재순환 유로(L44)에 제4 열교환기(44)가 추가로 설치되는 것을 제외하고는, 도 8을 참조하여 설명한 상기 제4 실시예에서의 양방향 수전해 시스템과 실질적으로 동일하다. 이에 따라, 동일한 구성요소에 대하여는 동일한 참조번호를 사용하고, 중복되는 설명은 이를 생략한다.
도 9를 참조하면, 본 실시예에서의 상기 양방향 수전해 시스템에서는, 제4 열교환기(44)는 재순환 가스와 제1 배출가스 사이를 열교환하여 재순환 가스를 가열하는 역할을 한다. 재순환 유로(L44)의 관점에서 볼 때 제4 열교환기(44)는 블로워(45)의 하류측에 위치하며 배출유로(L41)의 관점에서 볼 때 제4 열교환기(44)는 제2 열교환기(42)와 제3 열교환기(43) 사이에 위치한다.
본 실시예에서 제3 열교환기(43)는 소형 열교환기로서 재순환 가스의 온도를 섭씨 5도 내지 20도 상승시키고 제4 열교환기(44)는 재순환 가스를 적어도 섭씨 200도 이상 가열시킬 수 있다. 예를 들어 재순환 유로(L44)로 분기된 재순환 가스가 섭씨 30도 내지 40도인 경우, 제3 열교환기(43)는 재순환 가스를 섭씨 40도 내지 60도로 가열하여 재순환 가스의 응결을 방지하고 제4 열교환기(44)는 재순환 가스를 섭씨 250도 내지 300도 사이로 가열할 수 있다.
이상과 같이, 제1 열교환기(41)에서 배출되는 배출가스의 열에너지를 제4 열교환기(44)에서 한번 더 이용하여 재순환 가스를 가열하기 때문에 폐열 회수가 가능하다. 또한 제4 열교환기(44)에서 한번 가열된 재순환 가스가 수소와 혼합한 뒤 제1 열교환기(41)에서 다시 가열되기 때문에 제4 실시예에 비해 혼합 가스 유로(L12)를 흐르는 혼합 가스의 온도를 더 높일 수 있는 이점이 있다.
도 10은 제6 실시예에 따른 양방향 수전해 시스템을 설명하기 위한 시스템 모식도이다.
본 실시예서의 양방향 수전해 시스템은 물 배출유로(L43)에 펌프(77)가 추가로 설치되는 것을 제외하고는, 도 8을 참조하여 설명한 상기 제4 실시예에서의 양방향 수전해 시스템과 실질적으로 동일하다. 이에 따라, 동일한 구성요소에 대하여는 동일한 참조번호를 사용하고, 중복되는 설명은 이를 생략한다.
도 10을 참조하면, 본 실시예에서의 상기 양방향 수전해 시스템에서는, 펌프(77)는 드레인(72)에서 유로(L42)를 따라 배출되는 물을 강제로 펌핑하여 외부로 배출할 수 있다.
이러한 본 실시예에 따르면, 첫째, 연료전지(30)의 수소극(31)의 입구와 공기극(32)의 입구의 압력 차이를 없애거나 소정 범위로 줄여서 유지시킬 수 있다.
연료전지(30)의 수소극(31)과 공기극(32)의 입구측의 압력 차이가 작을수록 연료전지 시스템을 안정적으로 운전할 수 있으며 효율이 높아질 수 있는데 일반적인 연료전지 시스템의 경우 공기극(32)에 비해 수소극(31)의 입구측과 출구측에 다수의 유로들과 열교환기 등의 장치들이 설치되기 때문에 수소극(31)의 압력이 더 높은 상태에 있다.
그러나 본 실시예에서와 같이, 펌프(77)를 구동할 경우 펌프(77)의 흡입력이 수소극(31)의 배출 유로(L41)를 따라 수소극(31)에 작용하여 수소극(31)의 입구측 압력을 낮출 수 있다. 따라서 펌프(77)를 동작을 제어함으로써 수소극(31)과 공기극(32)의 입구측 압력을 서로 동일하게 또는 소정의 범위 내에서 거의 동일하게 유지시킬 수 있어 시스템을 안정적으로 운전할 수 있고 효율을 높일 수 있다.
또한 수소극(31)의 입구측 압력이 낮아진 만큼 수소 공급 유로(L11)를 따라 수소를 수소극(31)으로 이송하기 위한 펌프나 블로워(도시 생략)의 용량이 작아져도 되며, 배출 유로(L41) 내부의 압력이 전체적으로 낮아져서 대기압보다 낮아지는 경우에도 펌프(77)에 의해 물을 강제로 배출하기 때문에 물이 배출 유로(L41)로 역류하는 것을 방지할 수 있다.
한편, 이상 상술한 본 발명의 실시예들에 따르면 양방향 수전해 시스템의 수전해 모드와 연료전지 모드의 각 동작 모드에 따라 적절한 수소와 스팀의 혼합가스를 연료전지에 공급하고 연료전지에서 배출되는 배출가스의 폐열을 적절히 활용하여 재사용함으로써 시스템 효율을 향상시키는 이점이 있다.
일반적으로 양방향 수전해 시스템에서 수전해 모드에서의 시스템 효율은 아래와 같이 정의될 수 있다.
Figure PCTKR2020002990-appb-I000001
위 수식에서 η1은 투입된 에너지 대비 생산된 에너지로 정의되는 효율로서, 분모는 보일러(12)에 공급되는 폐기물의 열량과 신재생 에너지에 의해 연료전지(30)에 공급되는 전기에너지를 나타내고, 분자는 연료전지(30)에서 생성되는 수소의 열량으로서 얼마만큼의 수소가 생성되는지를 나타낸다. η2는 η1의 분모에서 폐기물 열량을 제외한 것이다. η3은 엑서지(exergy) 효율로서, 에너지의 양과 질을 동시에 반영한 효율이다.
위의 수식들과 유사하게, 양방향 수전해 시스템의 연료전지 모드에서의 효율은 아래와 같이 정의될 수 있다.
Figure PCTKR2020002990-appb-I000002
위 수식에 따라 본 발명에서의 제4 내지 제6 실시예들의 수전해 모드에서의 엑서지 효율(η3)을 계산한 결과 제4 실시예는 83.87%, 제5 실시예는 83.84%, 그리고 제6 실시예는 83.78%의 효율을 나타내었다. 종래의 일반적인 수전해 모드의 엑서지 효율이 70 내지 75%인 것을 감안할 때 본 실시예들에서의 양방향 수전해 시스템을 구성할 경우 시스템 효율이 향상됨을 알 수 있다.
이상에서 설명한 발명의 실시예들에 의하면, 수소극의 배출가스 중 일부를 촉매 연소기의 연료로 사용하여 공기극의 배출가스를 가열하도록 구성함으로써 공기극 배출가스의 온도를 더 높이고 더 많은 열에너지를 공기에 전달할 수 있으므로 공기극에 공급할 공기를 가열하기 위한 히터의 소비전력을 줄이고 시스템 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 연료전지의 수소극에서 배출되는 배출가스에서 물을 분리하여 외부로 배출하기 위해 배수 펌프를 설치하고 이 배수 펌프의 동작을 제어하여 연료전지의 수소극 입구와 공기극 입구의 압력차를 소정 범위 이하로 유지함으로써 연료전지를 안정적으로 운전하며, 연료전지 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 수전해 모드에서 연료전지의 수소극에서 배출되는 배출가스 중 일부를 이젝터를 통해 수소극으로 재공급하도록 구성하고 연료전지 모드에서 배출가스의 일부를 재순환하여 수소극으로 재공급하도록 구성함으로써 시스템 효율을 향상시킬 수 있다.
이상과 같이 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 명세서의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능함을 이해할 수 있다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (27)

  1. 수소극, 공기극 및 그 사이에 개재된 전해질로 구성되며 수전해 모드와 연료전지 모드 중 어느 하나의 모드에서 동작 가능한 양방향 수전해 연료전지(30);
    상기 수소극에서 배출되는 제1 배출가스를 이송하는 제1 배출경로(L41);
    상기 공기극에서 배출되는 제2 배출가스를 이송하는 제2 배출경로(L61);
    상기 제1 배출가스의 일부를 공급받아 상기 제2 배출가스를 가열하는 촉매 연소기(57); 및
    상기 촉매 연소기의 하류측에 설치되고 상기 공기극으로 공급하는 공기와 상기 제2 배출가스를 열교환하는 공기-배출가스간 열교환기(53)를 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 수전해 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 촉매 연소기가 수전해 모드에서 동작하지 않고 연료전지 모드에서 동작하도록 구성된 것을 특징으로 하는 양방향 수전해 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 열교환기를 통과한 공기를 소정 온도까지 가열하는 히터를 더 포함하고,
    상기 히터는 수전해 모드에서 동작하고 연료전지 모드에서 동작하지 않도록 구성된 것을 특징으로 하는 양방향 수전해 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    공기를 상기 열교환기(53)로 공급하는 공기 공급 유로(L53)에 병렬로 연결된 제1 블로워(51) 및 제2 블로워(52)를 더 포함하고,
    상기 제2 블로워의 공기 공급량이 상기 제1 블로워의 공기 공급량보다 크고,
    상기 제1 및 제2 블로워들 중 수전해 모드에서 상기 제1 블로워를 구동하고 연료전지 모드에서 상기 제1 블로워 또는 상기 제2 블로워를 구동하도록 구성된 것을 특징으로 하는 양방향 수전해 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 수소극으로 공급되는 수소와 상기 제1 배출가스를 열교환하는 제1 열교환기(41);
    스팀을 상기 수소극에 공급하는 스팀 공급 유로(L21);
    상기 제1 배출가스에서 물을 제거하는 물 배출부; 및
    상기 물 배출부의 물 배출유로(L43)에 설치되어 물을 외부로 펌핑하는 펌프(77)를 더 포함하고,
    상기 펌프(77)의 동작을 제어하여 상기 수소극의 입구와 상기 공기극의 입구 사이의 압력 차이를 소정 범위 내로 유지시키는 것을 특징으로 하는 양방향 수전해 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 물 배출부를 통과한 가스 중 적어도 일부를 재순환 가스로서 상기 수소극으로 재공급하는 재순환 유로(L44)를 더 포함하고,
    수전해 모드에서 상기 물 배출부를 통과한 가스 중 일부가 재순환 가스로 공급되고, 연료전지 모드에서 상기 물 배출부를 통과한 가스의 전부가 재순환 가스로 공급되는 것을 특징으로 하는 양방향 수전해 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    외부에서 공급되는 외부공급 물과 상기 제1 배출가스를 열교환하는 제2 열교환기(42)를 더 포함하고,
    상기 제2 열교환기(42)에서 스팀으로 기화된 외부공급 물을 상기 스팀 공급 유로(L21)에 합류시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 양방향 수전해 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 재순환 유로에 설치되며 상기 재순환 가스와 제1 배출가스 사이를 열교환하는 제3 열교환기(43); 및
    상기 재순환 유로에서 상기 제3 열교환기(43)의 하류에 배치되는 블로워(45)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 수전해 시스템.
  9. 제 5 항에 있어서,
    상기 스팀 공급 유로(L21)에 배치된 이젝터(20); 및
    상기 스팀 공급 유로(L21)에 형성되며 상기 이젝터를 우회하는 분기유로(L22)를 더 포함하고,
    상기 이젝터의 구동노즐이 상기 스팀 공급 유로의 상류측에 연결되고, 상기 이젝터의 분사노즐이 상기 스팀 공급 유로의 하류측에 연결되고, 상기 이젝터의 흡입구가 상기 제1 배출가스의 배출 유로에서 분기된 피드백 유로(L47)에 연결된 것을 특징으로 하는 양방향 수전해 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    수전해 모드에서 스팀이 상기 이젝터를 통과하여 상기 수소극으로 공급되고 상기 재순환 유로가 폐쇄되고, 연료전지 모드에서 스팀이 상기 분기유로(L22)를 통해 상기 수소극에 공급되고 상기 재순환 유로가 개방되는 것을 특징으로 하는 양방향 수전해 시스템.
  11. 수소극, 공기극 및 그 사이에 개재된 전해질로 구성되며 수전해 모드와 연료전지 모드 중 어느 하나의 모드에서 동작 가능한 양방향 수전해 연료전지(30);
    상기 수소극으로 공급되는 수소와 상기 수소극에서 배출되는 제1 배출가스를 열교환하는 제1 열교환기(41);
    스팀을 수소극에 공급하는 스팀 공급 유로(L21) 및 이 공급 유로에 형성된 분기유로(L22); 및
    상기 스팀 공급 유로(L21)에 배치된 이젝터(20);를 포함하고,
    상기 이젝터의 구동노즐이 상기 스팀 공급 유로의 상류측에 연결되고, 상기 이젝터의 분사노즐이 상기 스팀 공급 유로의 하류측에 연결되고, 상기 이젝터의 흡입구가 상기 제1 배출가스의 배출 유로에서 분기된 피드백 유로(L47)에 연결된 것을 특징으로 하는 양방향 수전해 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 스팀 공급 유로(L21)와 수소를 상기 수소극에 공급하는 수소 공급 유로(L11)의 합류점이 상기 제1 열교환기(41)와 상기 수소극 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 양방향 수전해 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서,
    수전해 모드에서 스팀이 상기 스팀 공급 유로(L21)를 통해 상기 수소극으로 공급되고 연료전지 모드에서 스팀이 상기 분기유로(L22)를 통해 상기 수소극에 공급되는 것을 특징으로 하는 양방향 수전해 시스템.
  14. 제 12 항에 있어서,
    외부에서 공급되는 외부공급 물과 상기 제1 배출가스를 열교환하는 제2 열교환기(42)를 더 포함하고,
    상기 제2 열교환기(42)에서 스팀으로 기화된 외부공급 물을 상기 이젝터의 구동노즐 측으로 공급하도록 구성된 것을 특징으로 하는 양방향 수전해 시스템.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 제2 열교환기(42)의 하류측에 배치되며 상기 제1 배출가스에서 물을 제거하는 물 배출부;
    상기 물 배출부를 통과한 가스 중 적어도 일부를 재순환 가스로서 상기 수소극으로 재공급하는 재순환 유로(L44); 및
    상기 재순환 유로에 설치되며 상기 재순환 가스와 제1 배출가스 사이를 열교환하는 제3 열교환기(43)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 수전해 시스템.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 재순환 유로(L44)가 수전해 모드에서 폐쇄되고 연료전지 모드에서 개방되는 것을 특징으로 하는 양방향 수전해 시스템.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 제2 열교환기(42)와 상기 제3 열교환기(43) 사이에 설치되며 상기 재순환 가스와 상기 제1 배출가스 사이를 열교환하는 제4 열교환기(44)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 수전해 시스템.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 물 배출부의 물 배출유로(L43)에 설치되어 물을 펌핑하는 펌프(77)를 더 포함하고,
    상기 수소 공급 유로(L11)를 통해 공급하는 수소의 압력과 상기 펌프(77)의 동작을 제어하여 상기 수소극의 입구와 상기 공기극의 입구 사이의 압력 차이를 소정 범위 내로 유지시키는 것을 특징으로 하는 양방향 수전해 시스템.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 공기극으로 공기를 공급하는 공기 공급 유로(L53)에 병렬로 연결된 제1 블로워(51) 및 제2 블로워(52); 및
    상기 공기 공급 유로(L53)를 통해 상기 공기극으로 공급되는 공기와 상기 공기극에서 배출되는 제2 배출가스를 열교환하는 제5 열교환기(53)를 더 포함하고,
    상기 제2 블로워의 공기 공급량이 제1 블로워의 공기 공급량보다 큰 것을 특징으로 하는 양방향 수전해 시스템.
  20. 수소극과 공기극을 구비한 양방향 수전해 연료전지를 이용하여 수전해 모드와 연료전지 모드에서 동작 가능한 양방향 수전해 시스템의 동작 방법에서,
    상기 수소극으로 공급되는 수소를 상기 수소극에서 배출되는 제1 배출가스와 열교환하는 단계;
    제1 블로워 및 상기 제1 블로워보다 대용량인 제2 블로워 중 하나를 통해 상기 공기극으로 공급하는 공기를 상기 공기극에서 배출되는 제2 배출가스와 열교환하는 단계;
    상기 제1 배출가스 중 일부를 분기유로를 통해 분기하여 상기 제2 배출가스로 합류시키는 단계; 및
    상기 제1 배출가스가 혼합된 상기 제2 배출가스를 촉매 연소기를 이용하여 가열하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 수전해 시스템의 동작 방법.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 분기유로를 수전해 모드에서 폐쇄하고 연료전지 모드에서 개방하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 양방향 수전해 시스템의 동작 방법.
  22. 제 20 항에 있어서,
    수소와 열교환된 상기 제1 배출가스에서 물을 분리하는 단계;
    상기 제1 배출가스에서 분리된 물을 배수 펌프를 이용하여 외부로 배출하는 단계; 및
    물이 제거된 상기 제1 배출가스의 적어도 일부를 재순환 가스로서 상기 수소극 측을 향해 재순환시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 수전해 시스템의 동작 방법.
  23. 제 22 항에 있어서, 수전해 모드에서,
    외부에서 공급되는 외부공급 물을 상기 수소와 열교환된 상기 제1 배출가스와 열교환하여 외부공급 물을 스팀으로 기화시키는 단계; 및
    스팀으로 기화된 외부공급 물을 상기 수소극으로 공급하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 수전해 시스템의 동작 방법.
  24. 수소극과 공기극을 구비한 양방향 수전해 연료전지를 이용하여 수전해 모드와 연료전지 모드에서 동작 가능한 양방향 수전해 시스템의 동작 방법에서,
    수전해 모드에서 스팀 공급 유로(L21)를 통해 스팀을 상기 수소극으로 공급하고, 연료전지 모드에서 상기 스팀 공급 유로에 배치된 이젝터를 우회하여 분기유로(L22)를 통해 스팀을 상기 수소극으로 공급하는 단계; 및
    수전해 모드에서, 상기 수소극에서 배출되는 배출가스의 적어도 일부를 상기 이젝터를 통해 상기 수소극으로 재공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 수전해 시스템의 동작 방법.
  25. 제 24 항에 있어서,
    연료전지 모드에서, 상기 수소극으로 공급되는 수소와 상기 수소극에서 배출되는 배출가스를 열교환하는 제1 열교환기(41)에서 상기 수소극으로 공급되는 수소를 가열하는 단계를 더 포함하고,
    상기 스팀 공급 유로(L21)와 수소를 상기 수소극에 공급하는 수소 공급 유로(L11)의 합류점이 상기 제1 열교환기(41)와 상기 수소극 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 양방향 수전해 시스템의 동작 방법.
  26. 제 25 항에 있어서, 수전해 모드에서,
    외부에서 공급되는 외부공급 물과 상기 배출가스를 열교환하는 제2 열교환기(42)에서 상기 외부공급 물을 스팀으로 기화시키는 단계; 및
    상기 제2 열교환기(42)에서 스팀으로 기화된 외부공급 물을 상기 이젝터의 구동노즐 측으로 공급하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 수전해 시스템의 동작 방법.
  27. 제 24 항에 있어서,
    상기 제1 열교환기(41)의 후단에 설치된 물 배출부에서 상기 배출가스 중의 물을 제거하는 단계; 및
    연료전지 모드에서, 상기 물 배출부를 통과한 가스 중 적어도 일부를 재순환 가스로서 상기 수소극으로 재공급하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 수전해 시스템의 동작 방법.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113067014A (zh) * 2021-04-05 2021-07-02 武汉众宇动力系统科技有限公司 用于氢燃料电池的氢气循环供应方法
DE102021123184B3 (de) 2021-09-08 2023-02-09 Audi Aktiengesellschaft Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung
WO2023016998A1 (fr) * 2021-08-10 2023-02-16 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Système d'électrolyseur haute température optimisé par un module de récupération à circuit intermédiaire
FR3126128A1 (fr) * 2021-08-10 2023-02-17 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Système d’électrolyseur haute température optimisé par couplage à une pompe à chaleur et circuit intermédiaire

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100776353B1 (ko) 2006-10-31 2007-11-15 한국전력공사 수소에너지를 이용한 독립형 에너지 시스템
KR20140082241A (ko) * 2012-12-24 2014-07-02 포스코에너지 주식회사 배열을 활용한 스팀터빈 연계 고효율 연료전지 하이브리드 시스템
KR20170002143A (ko) * 2015-06-29 2017-01-06 주식회사 경동나비엔 외부열원에 의하여 가열되는 고체산화물 연료전지 시스템
KR20170085179A (ko) * 2016-01-13 2017-07-24 한국기계연구원 고효율 고온 연료전지 시스템
KR20180036859A (ko) * 2016-09-30 2018-04-10 한국기계연구원 신재생 에너지를 이용한 양방향 수전해/발전 시스템
KR101925290B1 (ko) * 2017-09-15 2018-12-06 한국기계연구원 열회수를 통한 고효율 양방향 수전해 시스템

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7422810B2 (en) * 2004-01-22 2008-09-09 Bloom Energy Corporation High temperature fuel cell system and method of operating same
US20150255813A1 (en) * 2012-10-03 2015-09-10 Konica Minolta, Inc. Secondary Battery Type Fuel Cell System
CN105580178B (zh) * 2013-09-23 2018-01-05 康维恩公司 用于高温电池系统的再循环设备及方法
WO2015169940A2 (en) * 2014-05-09 2015-11-12 Haldor Topsøe A/S Core unit in the shape of an integrated module for fuel cell based power generation and a process for operating said core unit

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100776353B1 (ko) 2006-10-31 2007-11-15 한국전력공사 수소에너지를 이용한 독립형 에너지 시스템
KR20140082241A (ko) * 2012-12-24 2014-07-02 포스코에너지 주식회사 배열을 활용한 스팀터빈 연계 고효율 연료전지 하이브리드 시스템
KR20170002143A (ko) * 2015-06-29 2017-01-06 주식회사 경동나비엔 외부열원에 의하여 가열되는 고체산화물 연료전지 시스템
KR20170085179A (ko) * 2016-01-13 2017-07-24 한국기계연구원 고효율 고온 연료전지 시스템
KR20180036859A (ko) * 2016-09-30 2018-04-10 한국기계연구원 신재생 에너지를 이용한 양방향 수전해/발전 시스템
KR101925290B1 (ko) * 2017-09-15 2018-12-06 한국기계연구원 열회수를 통한 고효율 양방향 수전해 시스템

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See also references of EP3866237A4

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113067014A (zh) * 2021-04-05 2021-07-02 武汉众宇动力系统科技有限公司 用于氢燃料电池的氢气循环供应方法
CN113067014B (zh) * 2021-04-05 2022-03-25 武汉众宇动力系统科技有限公司 用于氢燃料电池的氢气循环供应方法
CN114744243A (zh) * 2021-04-05 2022-07-12 武汉众宇动力系统科技有限公司 用于氢燃料电池的氢气循环供应方法
WO2023016998A1 (fr) * 2021-08-10 2023-02-16 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Système d'électrolyseur haute température optimisé par un module de récupération à circuit intermédiaire
FR3126129A1 (fr) * 2021-08-10 2023-02-17 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Système d’électrolyseur haute température optimisé par un module de récupération à circuit intermédiaire
FR3126128A1 (fr) * 2021-08-10 2023-02-17 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Système d’électrolyseur haute température optimisé par couplage à une pompe à chaleur et circuit intermédiaire
DE102021123184B3 (de) 2021-09-08 2023-02-09 Audi Aktiengesellschaft Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung

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