WO2021230562A1 - 암모니아 기반 고체산화물 연료전지(sofc) 시스템 - Google Patents

암모니아 기반 고체산화물 연료전지(sofc) 시스템 Download PDF

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WO2021230562A1
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fuel cell
ammonia
heat exchanger
fuel
sofc
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이경진
정석용
김영래
조병옥
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(주)원익머트리얼즈
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Definitions

  • the present invention relates to a solid oxide fuel cell (SOFC) system based on ammonia, and more particularly, to a system for generating electricity by supplying ammonia as a fuel to a high-temperature solid oxide fuel cell (SOFC) system. will be.
  • SOFC solid oxide fuel cell
  • Fuel cells which are devices that directly convert the chemical energy of an electrochemical reaction in which hydrogen and oxygen become water, into electrical energy, are being actively researched in recent years because of their eco-friendly characteristics and high-efficiency power generation.
  • AFC alkaline fuel cell
  • PAFC phosphoric acid fuel cell
  • PEMFC polymer electrolyte fuel cell
  • MCFC molten carbonate fuel cell
  • SOFC solid oxide fuel cell
  • a solid oxide fuel cell uses a ceramic having ion conductivity as an electrolyte, and is a fuel cell operated in a high temperature environment of about 500 to 1000°C, and has the advantage of having the highest efficiency among the fuel cells indicates.
  • the fuel used in the solid oxide fuel cell may be not only hydrogen, but also a CH-based gas may be used for hydroreformation of a reformer installed in a solid oxide fuel cell (SOFC) system.
  • ammonia which is another fuel for fuel cells
  • ammonia can be hydrogenated and reformed including nitrogen and hydrogen, and when applied to fuel cells, no polluting gases such as COx are generated, and it is easy to store in a liquid form, so it is easier to store than hydrogen. and high transfer efficiency.
  • the ammonia-based solid oxide fuel cell (SOFC) system of the present invention enables efficient thermal management for high-temperature operation of the solid oxide fuel cell (SOFC) through the optimization of the configuration and the operation method of the solid oxide fuel cell (SOFC) system.
  • SOFC solid oxide fuel cell
  • ammonia supplied as a fuel to a high-temperature solid oxide fuel cell (SOFC) is reformed into hydrogen and applied to the SOFC system, thereby maximizing the efficiency of the SOFC system.
  • the present invention provides an ammonia-based solid oxide fuel cell (SOFC) capable of high-temperature thermal management for the operation of a solid oxide fuel cell (SOFC), which has high economic efficiency due to its low fuel price, convenient use, and excellent energy storage efficiency. ) to provide a system and a method of operating the system.
  • SOFC ammonia-based solid oxide fuel cell
  • a low-temperature unit including a device related to the supply and discharge of water and fuel; and a high-temperature section including devices related to power generation, temperature increase, thermal management, and gas treatment
  • the low-temperature section includes an inert gas supply device (1), a combustible fuel supply device (2), an ammonia fuel supply device (3), and water
  • a supply device (4), an air supply device (5) for a stack, an air supply device (6) for a burner, an exhaust gas treatment device (7), and a discharged hot water treatment device (8) are included
  • the high temperature part includes a heat exchanger 1 5 (9), a vaporizer (10), a burner (11), a reactor (12), and provides an ammonia-based solid oxide fuel cell (SOFC) system, characterized in that it comprises a fuel cell stack (13).
  • SOFC solid oxide fuel cell
  • the present invention also provides a method of operating an ammonia-based solid oxide fuel cell (SOFC) system including four steps of changing the system configuration as follows for efficient thermal management of high temperature, which is the operating temperature of a solid oxide fuel cell (SOFC). do.
  • SOFC solid oxide fuel cell
  • Purge (purge) step using inert gas in the supply piping line and parts area of combustible and ammonia fuel;
  • a low-temperature heating step of allowing the combustible fuel to flow through the fuel supply pipe line and thereby supply an initial heat source by burning in a burner;
  • - 3rd step a high temperature raising step in which steam supply is started so that carbon deposition is prevented in the reactor and fuel cell stack in the fuel supply piping line and the reforming reaction of the combustible fuel can proceed;
  • - 4th stage The operation stage of the solid oxide fuel cell (SOFC) system in which electric current is applied by converting the combustible fuel of the fuel supply pipe line into ammonia fuel.
  • SOFC solid oxide fuel cell
  • the ammonia-based solid oxide fuel cell (SOFC) system of the present invention does not require a separate expensive facility compared to the existing hydrogen or CH-based fuel-based system, and is very economical due to its excellent energy storage efficiency, and also a solid oxide fuel cell (SOFC) system. Not only has the advantage of being able to manage high-temperature heat for the operation of the device, but also has the advantage of having great utility in the field of new and renewable energy.
  • FIG. 1 schematically shows the overall configuration of an ammonia-based solid oxide fuel cell (SOFC) system of the present invention.
  • SOFC solid oxide fuel cell
  • FIG. 2 is a first step of the operation method of the ammonia-based solid oxide fuel cell (SOFC) system of the present invention, 'a fuel supply pipe line for combustible and ammonia fuel and a configuration connected to the pipe line to purge with an inert gas' inert It schematically shows the gas flow of the gas and the flow of air supplied from the air supply device 5 for the stack in the first step.
  • SOFC solid oxide fuel cell
  • combustible fuel which is a second step, of the operation method of the ammonia-based solid oxide fuel cell (SOFC) system of the present invention, flows through the fuel supply pipe line and burns in a burner to supply an initial heat source. It schematically shows the gas flow of combustible fuel in
  • FIG 4 is a view showing the third step of the operation method of the ammonia-based solid oxide fuel cell (SOFC) system of the present invention is to prevent carbon deposition in the reactor and fuel cell stack in the fuel supply piping line, so that the reforming reaction of the combustible fuel can proceed. It schematically shows the gas flow in the high-temperature rising stage where steam supply is started.
  • SOFC solid oxide fuel cell
  • FIG. 5 is a diagram illustrating the generation of electricity by converting the combustible fuel of the fuel supply pipeline line, which is the fourth step of the operation method of the ammonia-based solid oxide fuel cell (SOFC) system of the present invention, into ammonia fuel, that is, applying an electric current. It schematically shows the flow of ammonia fuel in the operation phase of a solid oxide fuel cell (SOFC) system.
  • SOFC solid oxide fuel cell
  • FIG. 6 is a view showing the structure of a 3-way valve for separating water from the exhaust gas generated in the fuel supply piping line in the third step, the high temperature raising step, into hot water.
  • a stack means a solid oxide fuel cell stack
  • an operating temperature means a temperature at which the solid oxide fuel cell can perform a normal reaction. It means a temperature at which a normal electrochemical reaction that generates electricity by receiving a supply can be performed.
  • the ammonia-based solid oxide fuel cell (SOFC) system of the present invention is characterized in that a heat source generated by supplying a combustible fuel to a burner device and igniting it is circulated to increase the temperature to the operating temperature of the stack.
  • SOFC solid oxide fuel cell
  • ammonia fuel is supplied through a fuel supply piping line separate from the supply piping line of the combustible fuel, and is supplied in a liquid phase to the reactor in a gas phase through a vaporizer.
  • ammonia fuel is gaseous, it may be supplied by connecting a valve to the fuel supply pipe line of combustible fuel.
  • the vaporizer in which the vaporization reaction of the supplied ammonia is made is characterized in that it is arranged integrally with the burner to maximize the heat transfer efficiency to the vaporizer by the hot gas generated after passing through the stack.
  • the reactor in which the hydrogenation reforming reaction of the supplied ammonia is made is characterized in that it is arranged integrally with the heat exchanger 1 through which the hot gas generated after passing through the stack passes, thereby maximizing the heat transfer efficiency from the heat exchanger 1 to the reactor.
  • the structure of the ammonia-based solid oxide fuel cell (SOFC) system includes (a) a low-temperature part; and (b) a high-temperature unit; and, including, a control unit for controlling the operation of a solid oxide fuel cell (SOFC) system, and an inverter for processing generated electricity, are omitted.
  • SOFC solid oxide fuel cell
  • the low-temperature section includes devices related to the supply and discharge of water or fuel, and includes an inert gas supply device (1), a combustible fuel supply device (2), an ammonia supply device (3), a water supply device (4) , an air supply unit 5 for a stack, an air supply unit 6 for a burner, an exhaust gas treatment device 7 , and a discharged hot water treatment device 8 , and the like.
  • the inert gas supplied from the inert gas supply device 1 may be ammonia gas, a combustible fuel gas, and an inert gas that does not react with metal at high temperatures such as Ar, N2, He, and the like.
  • the supply device may be a flow pump, MFC, or the like capable of controlling the flow rate of the inert gas, and in addition, may be a conventional supply device used in the art.
  • the combustible fuel supply device 2 is a device for supplying combustible fuel necessary to increase the temperature of the system by igniting combustible fuel in a burner, and is a flow pump, MFC, etc. that can control the flow rate of combustible fuel. It may be a conventional feeder.
  • combustible fuel combustible gases such as hydrogen, propane, and methane-based gas that can be ignited by an ignition device by reacting with air may be used.
  • Ammonia supplied from the ammonia supply device 3 has a purity of 99% or more, or contains 90% or less of moisture, such as in a wastewater septic tank, and may be in liquid or gaseous form (a vaporizer may not be necessary in the case of a gaseous phase) ), the supply device is also a flow pump, MFC, etc. that can control the flow rate of the supplied ammonia, and may be a conventional supply device used in the art.
  • the water supplied from the water supply device 4 is in the form of a liquid or gaseous phase, and when supplying gaseous water, additional components necessary for the gaseous phase of water may be further provided, and these components are conventional used in the art. It may be in the configuration.
  • the device of the water supply device 4 may be a flow pump, an MFC, or the like, and may be a conventional supply device used in the art.
  • the air supplied from the air supply device for the stack (5) and the air supply device for the burner (6) is air containing oxygen with an oxygen partial pressure of 0.2 or more, and the devices include a flow pump, MFC, Air blowers, etc.
  • the air supplied from the air supply unit 5 for the stack and passed through the stack may be recycled as a heat source of the stack through the heat exchanger 3 .
  • the exhaust gas treatment device 7 is a place for processing gases, water vapor, and air discharged through a fuel supply related piping line and an air supply related piping line, each of which is separated from the exhaust gas processing device 7 . It may be processed using a device, or it may be processed using the same processing device. Specifically, the fuel exhaust gas and water vapor passing through the burner 11 in the fuel supply piping line pass through the heat exchanger 2 and the heat exchanger 5 to lower the temperature, and then the fuel exhaust gas 3 installed in the exhaust gas treatment device 7 The hot water discharged to the outside through the -way valve (refer to the valve in Fig.
  • the discharge hot water treatment device 8 is discharged to the discharge hot water treatment device 8 through the 3-way valve, and to the discharged hot water treatment device 8
  • the discharged hot water can be used for other purposes.
  • the high-temperature air that has passed through the stack of the air supply pipe line and the heat exchanger 3 is discharged from the exhaust gas treatment device 7 through the heat exchanger 4 to the outside, or with the air discharge line of the exhaust gas treatment device 7 . It can be recycled by connecting the air supply device 6 for the burner (not shown).
  • the discharged hot water treatment device 8 is a place where the hot water in which the water used to cool the high-temperature fuel gas generated in the operating situation of the system of the present invention is converted through the heat exchanger 4 and the heat exchanger 5 is discharged, and This is where water vapor mixed with the fuel exhaust gas generated from the burner of the fuel supply pipe line is converted through heat exchangers 2 and 5, and hot water is discharged through the 3-way valve installed in the exhaust gas treatment device (7).
  • the hot water discharged to the discharged hot water treatment device 8 may be utilized for other purposes.
  • the high temperature section includes devices related to power generation, temperature increase, thermal management, and gas treatment, and includes heat exchangers 1 to 5 (9), vaporizer (10), burner (11), reactor (12), and fuel cell stack (13) is included.
  • heat exchangers 1 to 5 are devices for efficient thermal management of high-temperature parts, and according to each location and operating temperature range, shell & tube, double pipe type, flat plate A plate type or the like may be used.
  • the respective operating temperature ranges of the heat exchangers 1 to 5 are RT to 800°C for heat exchanger 1, RT to 650°C for heat exchanger 2, RT to 800°C for heat exchanger 3, and RT to 400°C for heat exchanger 4, Heat exchanger 5 is RT to 400°C.
  • the vaporizer 10 is a device having a working temperature range RT ⁇ 700 °C for causing a phase transformation of liquid ammonia into gaseous ammonia. Ammonia converted into the gas is supplied to the reactor, and the phase change is performed at 400° C. or higher.
  • the burner 11 is a device having an operating temperature range of RT to 900° C., and is used as a device for generating a heat source to reach the operating temperature from the initial stage of the system, and is an ignition device necessary for ignition of combustible fuel, and combustibility for combustion. It includes a fuel unit and an oxygen supply unit, and has a heat exchanger shape and a structure capable of uniform heat distribution.
  • the reactor 12 is a device with a working temperature range of RT to 800° C. that decomposes the supplied combustible fuel and ammonia fuel to convert it into hydrogen, and has a heat exchanger type structure, wherein the structure is a catalyst filled in a certain area. may be of the form.
  • the catalyst metals and metal oxides including Co, Mo, Ni, Ru, Cs, etc. having catalytic activity may be used, and the hydrogenation conversion rate may be changed according to temperature, and the composition and characteristics of the catalyst.
  • the reactor 12 may be used for suppressing carbon deposition in the stack by causing a reforming reaction by a catalyst and steam when a CH-based combustible fuel is supplied in step 3, which is a high temperature raising step, by having a steam supply unit.
  • the fuel cell stack 13 includes a cathode and an anode region, and is a device having a working temperature range of RT to 1000° C. for converting a chemical reaction into electric power.
  • the stack may be in a form in which cells composed of electrodes and electrolytes made of a metal/ceramic material are stacked in multiple layers, and a stack that produces 1W to 5kW or more of power according to the cell area and the number of stacks may be used.
  • the Water Trap 14 is a device for removing water from exhaust gas generated after power generation in the fuel cell stack 13, and the operating temperature range is RT to 900°C.
  • Another method of operating an ammonia-based solid oxide fuel cell (SOFC) system according to the present invention is characterized in that it includes the following first to fourth operating steps for the purpose of generating electric power by supplying ammonia, and FIGS. 5 is shown.
  • SOFC solid oxide fuel cell
  • the temperature of each device in each stage is not fixed within the stage, and may be gradually increased or decreased within a certain range.
  • the first step is an initial purge step of system operation at room temperature.
  • the supply of air to the stack may also be performed, or the supply of air may be made in the following second step.
  • the purge is to remove residual oxygen and impurities that can react with the fuel supply piping line and the material of each component connected to the piping line, and the fuel gas remaining in each component and being supplied, using an inert gas.
  • the flow of the inert gas is indicated by a solid line in FIG. 2, and the supply amount and time for which the purge gas, that is, the inert gas is supplied to the fuel supply pipe line, may vary depending on the length of the pipe and the capacity of the internal device. .
  • the flow of the inert gas is supplied from the inert gas supply device 1 to the fuel supply piping line from the inert gas supply device 1 at room temperature, and the reactor 12 and the fuel cell stack 13 through the vaporizer 10.
  • the anode area passes in the order of the Water Trap 14 , passes through the heat exchanger 1 , the burner 11 , the heat exchanger 2 , and the heat exchanger 5 and then is discharged through the exhaust gas treatment device 7 .
  • the air supply to the stack is indicated by a long broken line in FIG. 2 , and air is supplied from the air supply device 5 for the stack to the air supply pipe line at room temperature, so that the heat exchanger 2, the heat exchanger 3, and the fuel cell stack 13 ), and then passes through the heat exchanger 3 again, passes through the heat exchanger 4, and is discharged through the exhaust gas treatment device 7 .
  • the second step is a low temperature temperature raising step, in which the system is initially heated using a heat source obtained by igniting the combustible fuel supplied from the combustible fuel supply device 2 in a burner.
  • the fluid flow of combustible fuel is shown in Figure 3 It is indicated by a solid line, and the combustible fuel supplied from the combustible fuel supply device 2 passes through the stack and is ignited in the burner to transfer the heat source to the carburetor, and the temperature of the stack and the internal components of the system is increased according to continuous gas circulation.
  • the combustible fuel supplied to the fuel supply pipe line from the combustible fuel supply device 2 at room temperature is the vaporizer 10 , the reactor 12 , the anode region of the fuel cell stack 13 , and the water trap 14 . It passes in this order, and moves to the burner 11 through the heat exchanger 1 . At this time, the air supplied to the air supply pipe line from the burner air supply device 6 or the exhaust gas treatment device 7 is supplied to the burner 11 as well.
  • the combustible fuel and air supplied to the burner are ignited by an ignition device of the burner to increase the gas temperature of the burner 11 .
  • the heated gas transfers heat to the carburetor 10, and heat is transferred back to the combustible fuel continuously supplied from the combustible fuel supply device 2 to the carburetor to which the heat is applied, so that the temperature of the combustible fuel is raised to 400° C. or higher do.
  • the heated combustible fuel passes in the order of the reactor 12 following the vaporizer 10, the anode region of the fuel cell stack 13, and the Water Trap 14 to raise the temperature of the heat exchanger 1 to 200° C. or more.
  • the gas heated by the ignition in the burner 11 passes through the heat exchanger 2 to raise the temperature of the air supplied from the stack air supply unit 5 to 200° C. or higher, and the gas that has passed through the heat exchanger 2 is converted into a heat exchanger. Passing through 5, it is discharged to the exhaust gas treatment device (7).
  • the air supplied from the air supply device 5 for the stack to the air supply pipe line receives the heat source of the heat exchanger 2 and is heated to 200° C. or higher, and this 200° C. or higher
  • the heated air moves to the cathode region of the fuel cell stack 13 through the heat exchanger 3 , and then moves to the heat exchanger 3 again.
  • the air temperature during the movement is maintained at least 150° C. or higher.
  • the air that has moved back to the heat exchanger 3 may be recycled as a heat source to the stack, and may be discharged to the exhaust gas processing device 7 through the heat exchanger 4 or connected to the burner air supply device 6 to the burner ( 11) can be recycled as air for use.
  • the heat source generated from the burner circulates to increase the temperature of the entire system, and the supply of combustible fuel is maintained until the air that has passed through the heat exchanger 4 is heated to 100° C. or higher.
  • the third step is a high temperature raising step, which is a step for raising the system to an operable high temperature, and is a step of raising the temperature of the system to an operable high temperature following the low temperature raising step of the second step.
  • the third step is illustrated in FIG. 4 , and specifically, the combustible fuel supplied from the combustible fuel supply device 2 to the fuel supply pipe line is heated by the second step to the carburetor 10 , the reactor 12 , the fuel Through the anode region of the battery stack 13 , it passes in the order of the Water Trap 14 , passes through the heat exchanger 1 and moves to the burner 11 . At this time, the air that is connected to the burner air supply device 6 or the exhaust gas treatment device 7 and is supplied to the air supply pipe line is supplied to the burner 11 together.
  • the combustible fuel and air supplied to the burner are ignited by an ignition device of the burner to increase the gas temperature of the burner 11 .
  • the heated gas transfers heat back to the carburetor 10, and the heat is transferred back to the combustible fuel continuously supplied from the combustible fuel supply device 2 to the carburetor to which the heat is applied, so that the temperature of the combustible fuel is 600° C. or higher. is heated
  • the heated combustible fuel passes in the order of the reactor 12 following the vaporizer 10, the anode region of the fuel cell stack 13, and the Water Trap 14, and the temperature of the heat exchanger 1 is raised to 600° C. or higher. .
  • the gas heated by ignition in the burner 11 passes through the heat exchanger 2 to raise the temperature of the air supplied from the air supply device 5 for the stack to 550° C. or higher, and the ignition temperature is increased through the heat exchanger 2
  • the gas is discharged to the exhaust gas treatment device 7 through the heat exchanger 5 .
  • the air supplied from the air supply device 5 for the stack to the air supply pipe line receives the heat source of the heat exchanger 2 and is heated to 550° C. or higher, and this 550° C. or higher
  • the heated air moves to the cathode region of the fuel cell stack 13 through the heat exchanger 3 , and then moves to the heat exchanger 3 again.
  • the (air) temperature of the heat exchanger 3 is 600° C. or higher, and the (air) temperature of the cathode region of the fuel cell stack 13 is 550° C. or higher.
  • the air re-moved to the heat exchanger 3 is recycled as a heat source in the cathode region of the fuel cell stack 13 , or discharged to the exhaust gas treatment device 7 through the heat exchanger 4 , or an air supply device for a burner 6 ) and can be recycled as air for the burner 11 .
  • the (air) temperature of the heat exchanger 4 is 200 °C or more.
  • the catalyst material in the reactor 12 or the fuel cell stack 13 Carbon deposition may occur on the surface of a metal material such as a pipe including an anode electrode material.
  • the fluid flow of the supplied water is indicated by a broken line in FIG. 4 , and the water supplied from the water supply device 4 is converted into water vapor (steam) through the heat exchanger 4 and is supplied to the reactor 12 .
  • water from the water supply device 4 is supplied to the heat exchanger 4 that has reached 100° C. or higher, which is the steam (steam) generation temperature, and the generated water vapor is supplied to the reactor 12 .
  • the heat source generated from the burner circulates to raise the temperature of the entire system to a high temperature, and the gas supply is maintained until the temperature of the fuel cell stack 13 is raised to 550° C. or higher.
  • the fourth step is an operation step for generating power in the system.
  • the temperature of each component in the fourth stage is gradually increased through the thermal cycle of the system according to the amount of power generation of the stack, that is, the amount of applied current, and as mentioned above, the amount of applied current is gradually increased to the final target amount for the stability of the stack .
  • the final hourly power generation during operation is operated in the region of 70 to 80% of the maximum limit power generation amount of the stack for stability.
  • the supply of the combustible fuel to the fuel supply pipe line is stopped, and the supply of ammonia is switched to the supply of ammonia through the ammonia supply device 3 .
  • the supplied ammonia is vaporized through the vaporizer 10 in a liquid phase and decomposed into hydrogen and nitrogen in the reactor 12 .
  • the decomposed mixed gas is supplied to the anode region of the fuel cell stack 13 to be used as fuel for power generation.
  • water vapor (steam) is not supplied to the reactor 12. Instead, water in the water supply device 4 is used for efficient thermal management of exhaust gas of the fuel cell stack. is passed through the heat exchangers 4 and 5 to utilize the hot water generated therefrom.
  • the operation step of the fourth step is specifically, when the temperature of the fuel cell stack 13 is raised to 550° C. or higher due to the temperature increasing action of the second step and the third step, the fuel supply pipe line of the combustible fuel supply device 2 The supply of the combustible fuel is cut off, and instead the ammonia fuel of the ammonia supply device 3 is supplied.
  • the supplied ammonia is vaporized through the vaporizer 10 heated to 600° C. or higher, and moves to the reactor 12 heated to 600° C. or higher.
  • the moved vaporized ammonia is decomposed into hydrogen and nitrogen by the catalyst of the reactor 12 and is used as a working fuel for electricity production through a chemical reaction in the anode region of the fuel cell stack 13 .
  • the temperature of the stack may be raised to 700° C. or higher.
  • the temperature of the gas inside the stack is increased due to the heat of chemical reaction generated during the operation of the chemical reaction in the anode region of the fuel cell stack 13, and the heated exhaust gas after such operation is heated to 700° C. or more and passes through the heat exchanger 1 to the burner. Moving to (11), the heat is transferred to the vaporizer (10). At this time, the temperature of the burner 11 is 500° C. or higher. This is because, in the fourth step, the air supply from the air supply device 6 for the burner is cut off, so that ignition does not occur in the burner 11 .
  • the unreacted gas including moisture discharged after operation in the stack is removed from moisture through the water trap 14 and moves to the burner 11 through the heat exchanger 1 heated to 650° C. or higher. At this time, the temperature of the burner 11 is 500° C. or higher.
  • the air supply device 6 for the burner is cut off, and as the concentration of hydrogen decreases during the operation of the stack, the ignition of the burner is also stopped.
  • the exhaust gas after operation of the high-temperature fuel cell that has passed through the burner 11 passes through the heat exchanger 2 to maintain the air supplied from the air supply device 5 for the stack at 450° C. or higher.
  • the exhaust gas after operation of the fuel cell that has passed through the heat exchanger 2 passes through the heat exchanger 5 and is discharged to the exhaust gas treatment device 7 .
  • the air supplied from the air supply unit 5 for the stack is heated to 450 ° C or higher by receiving the heat source of the heat exchanger 2, and the fuel cell stack ( 13) moves in the order of the cathode region.
  • oxygen in the air is consumed and discharged in the form of nitrogen gas having a low oxygen partial pressure, and at the same time, some heat of chemical reaction generated in the anode region is absorbed and discharged.
  • the air exhaust gas in the form of nitrogen gas as described above is supplied as a heat source to the air supplied to the stack through the heat exchanger 3 again, or is discharged to the exhaust gas treatment device 7 through the heat exchanger 4 at 200° C. or higher.
  • the water supply device 4 is switched in the direction through the heat exchanger 4 and the heat exchanger 5, and the exhaust gas temperature of the fuel supply pipe line and the air supply pipe line It has a function of lowering the temperature, and the water that has absorbed the heat can be used as hot water.
  • inert gas, combustible fuel, water, and ammonia are supplied through one supply pipe line in the first to fourth stage operation methods as described above, and the system This has the advantage of being concise.
  • the ammonia-based solid oxide fuel cell (SOFC) system of the present invention enables efficient thermal management for high-temperature operation of the solid oxide fuel cell (SOFC) through the optimization of the configuration and the operation method of the solid oxide fuel cell (SOFC) system. According to such high-temperature thermal management, ammonia supplied as fuel to a high-temperature solid oxide fuel cell (SOFC) is reformed into hydrogen and applied to the SOFC system, thereby maximizing the efficiency of the SOFC system, thereby contributing to the electricity production industry.

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Abstract

본 발명의 암모니아 기반의 고체산화물 연료전지(SOFC) 시스템은, 구성의 최적화 및 이를 통한 고체산화물 연료전지(SOFC) 시스템 운전 방법을 통하여 고체산화물 연료전지(SOFC)의 고온 작동을 위한 효율적인 열관리가 가능하며, 이러한 고온의 열관리에 따라 고온의 고체산화물 연료전지(SOFC)에 연료로 공급된 암모니아가 수소로 개질되어 SOFC 시스템에 적용됨으로써 SOFC 시스템의 효율성을 극대화 시키는 것을 특징으로 한다.

Description

암모니아 기반 고체산화물 연료전지(SOFC) 시스템
본 발명은, 암모니아를 기반으로 하는 고체산화물 연료전지(SOFC) 시스템에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 고온의 고체산화물 연료전지(SOFC) 시스템에 암모니아를 연료로 공급하여 전기를 발생시키는 시스템에 관한 것이다.
수소와 산소가 물이 되는 전기화학적 반응의 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시켜주는 장치인 연료전지는 친환경적인 특성 및 고효율의 발전이 가능하여 최근 연구가 활발히 진행되고 있다.
연료전지는 전해질 및 작동온도에 따라 알카라인 연료전지(AFC), 인산형 연료전지(PAFC), 고분자전해질 연료전지(PEMFC), 용융탄산염 연료전지(MCFC), 고체산화물 연료전지(SOFC) 등의 다양한 형태로 개발되고 있다.
이들 중에서 고체산화물 연료전지(SOFC)는 이온 전도성을 가지는 세라믹을 전해질로 사용하며, 약 500~1000℃ 정도의 고온의 환경에서 작동되는 연료전지로써, 상기의 연료전지 중 가장 높은 효율을 가지는 장점을 나타낸다.
상기 고체산화물 연료전지(SOFC)에 사용되는 연료는 수소뿐만 아니라, CH 계열 가스도 고체산화물 연료전지(SOFC) 시스템 내부에 설치되는 개질기의 수소화 개질로 사용될 수 있다.
그러나, 상기 수소 연료는 기체상으로 보관 및 이송되기 때문에 가스 가압장치, 고압용기, 수소저장재 등의 별도의 많은 설비가 필요하게 되는 단점이 있다. 또한, 천연가스 등의 CH계열의 연료를 개질하여 사용할 경우 기존 발전 시스템보다는 적은 양이지만 COx의 공해가스가 생성될 수 있다.
이와 달리, 연료전지의 또 다른 연료인 암모니아는 질소와 수소를 포함하여 수소화 개질이 가능할 뿐만 아니라, 연료전지에 적용 시 COx 등의 공해가스가 전혀 발생하지 않으며 액체상으로 저장도 용이하여, 수소보다 저장 및 이송 효율이 높은 장점이 있다.
그러나 현재까지는 암모니아를 고체산화물 연료전지(SOFC)에 적용 시, 고체산화물 연료전지(SOFC)의 고온작동환경을 위하여 전기로를 열원으로 하는 등의 연구단계에 머물러 있는 상황으로, 고체산화물 연료전지(SOFC)의 작동환경인 고온의 열관리가 이루어지는 효율적인 시스템은 확립되지 않아 이에 대한 개발이 절실한 상황이다.
본 발명의 암모니아 기반의 고체산화물 연료전지(SOFC) 시스템은, 구성의 최적화 및 이를 통한 고체산화물 연료전지(SOFC) 시스템 운전 방법을 통하여 고체산화물 연료전지(SOFC)의 고온 작동을 위한 효율적인 열관리가 가능하며, 이러한 고온의 열관리에 따라 고온의 고체산화물 연료전지(SOFC)에 연료로 공급된 암모니아가 수소로 개질되어 SOFC 시스템에 적용됨으로써 SOFC 시스템의 효율성을 극대화 시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명은, 연료 가격이 저렴하면서도 사용이 편리하고, 에너지 저장효율이 우수하여 높은 경제성을 가지며, 또한 고체산화물 연료전지(SOFC)의 작동을 위한 고온의 열관리가 가능한 암모니아 기반 고체산화물 연료전지(SOFC) 시스템 및 상기 시스템의 운전 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
위와 같은 목적을 위하여 본 발명은, 물 및 연료의 공급과 배출에 관련된 장치를 포함하는 저온부; 및 전력 발생, 승온, 열관리, 가스처리와 관련된 장치를 포함하는 고온부;를 포함하며, 상기 저온부에는 불활성 기체 공급장치(1), 가연성 연료 공급장치(2), 암모니아 연료 공급장치(3), 물 공급장치(4), 스택용 공기 공급장치(5), 버너용 공기 공급장치(6), 배출가스 처리장치(7), 및 배출 온수 처리장치(8)가 포함되고, 상기 고온부에는 열교환기 1~5(9), 기화기(10), 버너(11), 반응기(12), 및 연료전지 스택(13)을 포함하는 것을 특징으로 하는 암모니아 기반의 고체산화물 연료전지(SOFC) 시스템을 제공한다.
본 발명은 또한, 고체산화물 연료전지(SOFC)의 작동온도인 고온의 효율적인 열관리를 위한 하기와 같은 시스템 구성 변화의 4가지 단계를 포함하는 암모니아 기반 고체산화물 연료전지(SOFC) 시스템의 운전 방법을 제공한다.
- 제1단계: 가연성 및 암모니아 연료의 공급 배관라인 및 부품 영역의 불활성기체를 이용한 Purge(퍼지) 단계;
- 제2단계: 상기 가연성 연료가 상기 연료공급 배관라인을 흐르도록 하여 버너에서 연소함으로써 초기 열원을 공급할 수 있도록 하는 저온 승온 단계;
- 제3단계: 연료공급 배관라인 중의 반응기와 연료전지 스택에 탄소 침적을 방지하고, 가연성 연료의 개질반응이 진행될 수 있도록 스팀 공급이 시작되는 고온 승온 단계; 및
- 제4단계: 연료공급 배관라인의 가연성 연료를 암모니아 연료로 전환하여 전력의 생산이 이루어는, 즉 전류를 인가하는 고체산화물 연료전지(SOFC) 시스템의 작동단계.
본 발명의 암모니아 기반 고체산화물 연료전지(SOFC) 시스템은 기존의 수소 또는 CH 계열 연료 기반 시스템 대비 별도의 고가설비가 불필요하고, 에너지 저장효율이 우수하여 매우 경제적이고, 또한 고체산화물 연료전지(SOFC)의 작동을 위한 고온의 열관리가 가능한 장점이 있을 뿐만 아니라, 신재생에너지 분야에서의 큰 활용도를 가질 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 암모니아 기반 고체산화물 연료전지(SOFC) 시스템의 전체적인 구성을 모식적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 암모니아 기반 고체산화물 연료전지(SOFC) 시스템의 운전 방법 중 제1단계인 ‘가연성 및 암모니아 연료의 연료공급 배관라인 및 상기 배관 라인에 연결된 구성을 불활성기체로 Purge 단계’의 불활성기체의 가스 흐름 및 상기 제1단계에서의 스택용 공기 공급장치(5)에서 공급되는 공기의 흐름을 모식적으로 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 암모니아 기반 고체산화물 연료전지(SOFC) 시스템의 운전방법 중 제2단계인 가연성 연료가 상기 연료공급 배관라인을 흐르도록 하여 버너에서 연소함으로써 초기 열원을 공급할 수 있도록 하는 저온 승온 단계에서의 가연성 연료의 가스 흐름을 모식적으로 도시한 것이다
도 4는 본 발명의 암모니아 기반 고체산화물 연료전지(SOFC) 시스템의 운전 방법 중 제3단계인 연료공급 배관라인 중의 반응기와 연료전지 스택에 탄소침적을 방지하고, 가연성 연료의 개질반응이 진행될 수 있도록 스팀 공급이 시작되는 고온 승온 단계에서의 가스 흐름을 모식적으로 도시한 것이다
도 5는 본 발명의 본 발명의 암모니아 기반 고체산화물 연료전지(SOFC) 시스템의 운전 방법 중 제4단계인 연료공급 배관라인의 가연성 연료를 암모니아 연료로 전환하여 전력의 생산이 이루어지는, 즉 전류를 인가하는 고체산화물 연료전지(SOFC) 시스템의 작동단계 작동단계에서의 암모니아 연료의 흐름을 모식적으로 도시한 것이다
도 6은 상기 제3단계인 고온 승온 단계에서의 연료공급 배관라인에서 발생한 배출가스의 수분을 온수로 분리하기 위한 3-way valve의 구조를 도시한 것이다.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 암모니아 기반 고체산화물 연료전지(SOFC) 시스템의 구성 및 운전 방법을 상세히 설명한다.
다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위한 예로 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 또한, 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
이하 설명에서 사용되는 용어에 있어서 다른 정의가 없다면 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있으며, 또한 단수형은 특별히 문장에서 정의하지 않는 한 복수형도 포함된다.
본 명세서의 도면 및 이하의 설명에서 스택은 고체산화물 연료전지 스택을 의미하며, 작동온도는 고체산화물 연료전지가 정상적인 반응을 수행할 수 있는 온도를 의미하는 것으로 고체산화물 연료전지 스택이 연료, 및 공기를 공급받아 전기를 생성하는 정상적 전기화학 반응이 수행될 수 있는 온도를 의미한다. 또한, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐리게 할 수 있는 공지의 기능 및 구성 등에 대한 설명은 생략한다.
본 발명의 암모니아 기반 고체산화물 연료전지(SOFC) 시스템은, 가연성 연료를 버너장치에 공급하여 발화시켜 발생하는 열원을 순환하여 스택의 작동온도까지 승온시키는 것을 특징으로 한다.
상기 스택이 상기 작동온도에 도달 시, 암모니아 연료가 상기 가연성 연료의 공급 배관라인과는 별도의 다른 연료공급 배관라인을 통하여 공급되며, 액체상으로 공급되어 기화기를 통해 기체상으로 반응기에 공급되는 것을 특징으로 하며, 암모니아 연료가 기체상인 경우는 가연성 연료의 연료공급 배관라인에 밸브로 연결하여 공급할 수도 있다.
또한, 공급된 암모니아의 기화 반응이 이루어지는 기화기는 버너와 일체로 배열시켜, 스택을 거친 후에 발생하는 고온가스에 의한 기화기로의 열전달 효율성을 극대화 시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 공급된 암모니아의 수소화 개질 반응이 이루어지는 반응기는 스택을 거친 후에 발생하는 고온가스가 통과하는 열교환기 1과 일체로 배열시켜 열교환기 1로부터 반응기로의 열전달 효율성을 극대화 시키는 것을 특징으로 한다.
이하에서는 위와 같은 본 발명의 특징 등을 구현하기 위한 구성 및 운전 방법을 아래 첨부한 도면을 참조하여 상세히 기술한다.
본 발명에 따른 암모니아 기반 고체산화물 연료전지(SOFC) 시스템의 구성은 도 1에 모식적으로 나타내는 바와 같이, (a) 저온부; 및 (b) 고온부;를 포함하고, 고체산화물 연료전지(SOFC) 시스템의 운전을 제어하는 제어부, 및 발생 전기를 처리하는 인버터 등과 같은 공지의 구성 장치는 생략하였다.
(a) 저온부
(a) 저온부는, 물 또는 연료의 공급, 및 배출과 관련된 장치를 포함하며, 불활성기체 공급장치(1), 가연성 연료 공급장치(2), 암모니아 공급장치(3), 물 공급장치(4), 스택용 공기 공급장치(5), 버너용 공기 공급장치(6), 배출가스 처리장치(7), 및 배출 온수 처리장치(8) 등을 포함한다.
상기 구성들을 구체적으로 보면, 상기 불활성기체 공급장치(1)에서 공급되는 불활성기체는 Ar, N2, He 등의 고온에서 암모니아 가스, 가연성 연료가스 및 금속과 반응하지 않는 불활성 가스가 사용될 수 있으며, 상기 공급장치는 불활성기체의 유량을 제어할 수 있는 유량펌프, MFC 등이고, 이외에도 당업계에서 사용되는 통상적인 공급장치 일 수 있다.
상기 가연성 연료 공급장치(2)는 가연성 연료를 버너에서 발화시켜 시스템을 승온시키는데 필요한 가연성 연료를 공급하는 장치로서 가연성 연료의 유량을 제어할 수 있는 유량펌프, MFC 등이며, 이외에도 당업계에서 사용되는 통상적인 공급장치 일 수 있다. 상기 가연성 연료는 공기와 반응하여 점화장치에 의한 발화가 가능한 수소, 프로판 및 메탄계열 가스 등의 가연성 가스가 사용될 수 있다.
상기 암모니아 공급장치(3)에서 공급되는 암모니아는 순도 99% 이상이거나, 폐수 정화조와 같이 수분이 90% 이하 포함된 것 등으로서, 액상 또는 기상일 수 있으며(기상인 경우는 기화기가 불필요할 수 있음), 상기 공급장치도 공급되는 암모니아의 유량을 제어할 수 있는 유량펌프, MFC 등이며, 이외에도 당업계에서 사용되는 통상적인 공급장치 일 수 있다.
상기 물 공급장치(4)에서 공급되는 물은 액상 또는 기상의 형태이며, 기상의 물을 공급하는 경우, 물의 기상에 필요한 별도의 구성들을 더 구비할 수 있고, 이러한 구성들은 당업계에서 사용되는 통상적인 구성일 수 있다. 또한, 물 공급장치(4)의 장치는 유량펌프, MFC 등이고, 이외에도 당업계에서 사용되는 통상적인 공급장치 일 수 있다.
상기 스택용 공기 공급장치(5) 및 버너용 공기 공급장치(6)에서 공급되는 공기는 산소 분압 0.2 이상의 산소가 포함된 공기이며, 상기 장치들은 공기의 유량을 측정할 수 있는 유량펌프, MFC, Air Blower 등이다. 또한, 스택용 공기 공급장치(5)로부터 공급되어 스택을 통과한 후의 공기는 열교환기 3을 거쳐 스택의 열원으로 재활용될 수 있다.
상기 배출가스 처리장치(7)는 연료공급 관련 배관라인과 공기공급 관련 배관라인을 통하여 배출되는 가스들, 수증기, 및 공기를 처리하는 곳이고, 이들 각각은 배출가스 처리장치(7)에서 분리된 장치를 이용하여 처리하거나, 또는 같은 처리장치를 이용하여 처리할 수 있다. 구체적으로는, 연료공급 배관라인 중의 버너(11)를 통과하는 연료 배출가스 및 수증기는 열교환기 2 및 열교환기 5를 거쳐 온도를 낮춘 후, 연료 배출가스는 배출가스 처리장치(7)에 설치된 3-way valve(도 6의 밸브 참조)를 통하여 외부로 배출되고, 수증기로부터 전환된 온수는 상기 3-way valve를 통하여 배출 온수 처리장치(8)로 배출되고, 이 배출 온수 처리장치(8)에 배출된 온수는 다른 용도로 활용될 수 있다. 또한, 공기공급 배관라인의 스택 및 열교환기 3을 통과한 고온의 공기는 열교환기 4를 거쳐 배출가스 처리장치(7)에서 외부로 배출되거나, 또는 배출가스 처리장치(7)의 공기 배출라인과 버너용 공기 공급장치(6)를 연결하여 재활용될 수 있다(도면 미도시).
상기 배출 온수 처리장치(8)는, 본 발명 시스템의 작동상황에서 발생된 고온의 연료가스를 냉각하기 위하여 사용되는 물이 열교환기 4 및 열교환기 5를 거쳐서 전환되는 온수가 배출되는 곳이며, 또한 연료공급 배관라인의 버너로부터 발생한 연료 배기가스에 혼합된 수증기가 열교환기 2 및 열교환기 5를 거쳐 전환되는 온수가 배출가스 처리장치(7)에 설치된 3-way valve를 통하여 배출되는 곳이다. 이 배출 온수 처리장치(8)에 배출된 온수는 다른 용도로 활용될 수 있다.
(b) 고온부
(b) 고온부는, 전력 발생, 승온, 열관리, 가스처리와 관련된 장치를 포함하며, 열교환기 1~5(9), 기화기(10), 버너(11), 반응기(12), 및 연료전지 스택(13)을 포함한다.
상기 구성들을 구체적으로 보면, 열교환기 1~5(9)는 고온부의 효율적인 열관리를 위한 장치이며, 각각의 위치 및 사용온도 범위에 따라 원통다관식(Shell&Tube), 이중관식(Double Pipe Type), 평판형(Plate Type) 등이 사용될 수 있다.
상기 열교환기 1~5의 각 사용온도 범위는, 열교환기 1은 RT ~ 800℃, 열교환기 2는 RT ~ 650℃, 열교환기 3은 RT ~ 800℃, 열교환기 4는 RT ~ 400℃이고, 열교환기 5는 RT ~ 400℃이다.
상기 기화기(10)는 액상의 암모니아를 기체 암모니아로 상변환을 일으키는 사용온도 범위 RT ~ 700℃를 갖는 장치이다. 상기 기체로 변환된 암모니아가 반응기에 공급되며, 상기 상변환은 400℃ 이상에서 이루어진다.
상기 버너(11)는 사용온도 범위 RT ~ 900℃를 갖는 장치로서, 시스템을 초기부터 작동온도까지 도달시키기 위한 열원을 발생시키는 장치로 사용되며, 가연성 연료의 발화에 필요한 점화장치, 연소를 위한 가연성 연료부, 및 산소 공급부를 포함하며, 내부에는 열교환기 형태 및 균일한 열 분배가 가능한 구조로 갖는다.
상기 반응기(12)는 공급되는 가연성 연료 및 암모니아 연료를 분해하여 수소로 전환하는 사용온도 범위 RT ~ 800℃의 장치이며, 열교환기 형태의 구조를 가지고, 상기 구조는 일정 영역에 촉매가 충진 되어있는 형태로 구성될 수 있다. 상기 촉매는 촉매 활성을 가지는 Co, Mo, Ni, Ru, Cs 등을 포함하는 금속 및 금속산화물이 사용될 수 있으며, 수소화 전환율은 온도, 및 촉매의 조성과 특성에 따라 변화될 수 있다. 또한, 반응기(12)는 스팀 공급부를 구비하여 고온 승온 단계인 3단계에서 CH 계열의 가연성 연료공급 시 촉매와 스팀에 의한 개질 반응을 일으켜 스택의 탄소침적을 억제하는 용도로도 쓰일 수 있다.
상기 연료전지 스택(13)은 캐소드와 애노드 영역을 포함하며, 화학반응을 전력으로 전환하는 사용온도 범위 RT ~ 1000℃의 장치이다. 상기 스택은 금속/세라믹 소재의 전극과 전해질로 구성된 셀이 다층으로 적층되어 있는 형태일 수 있으며, 셀 면적 및 적층 수에 따라 1W~5kW 이상의 전력을 생산하는 스택이 사용될 수 있다.
상기 Water Trap(14)은 연료전지 스택(13)에서 전력 생산 후에 발생하는 배출가스의 물을 제거하는 장치이고, 사용온도 범위는 RT ~ 900℃이다.
또 다른 본 발명에 따른 암모니아 기반 고체산화물 연료전지(SOFC) 시스템의 운전 방법은, 암모니아 공급에 의한 전력 발생을 목적으로 하기 제1~4단계의 운전 단계를 포함하는 것을 특징으로 하며, 도 2 내지 5에 나타내었다.
각 단계에서의 각각의 장치 온도는 단계 내에서 고정되는 것이 아니며, 일정 범위 내에서 점차적으로 상승 또는 하강될 수 있다.
상승의 경우는 버너 발화, 유동 가스량의 증가, 반응기 스팀 차단 시, 스택의 전기화학 반응 시 인가 전류량 상승(스택의 안정성을 위해 발전량을 목표량까지 점차적으로 증가시켜야 하며 발전량이 커짐에 따라 전기화학 반응량도 증가하는 것이므로 발열량도 점차적으로 증가하게 됨)의 정도 등의 열원이 추가되면 시스템 전체의 열평형이 이루어질 때까지 연속적으로 진행되며, 하강의 경우도 마찬가지로 스팀 공급 시, 연료공급 장치의 변경 시(가연성 연료 -> 암모니아 연료 전환) 등의 상황에 따라 발생될 수 있다.
상기 제1 단계는 상온에서의 시스템 운전 초기 Purge 단계이며, 이때 스택으로의 공기의 공급도 같이 이루어지거나, 또는 공기의 공급은 다음의 제2 단계에서 이루어질 수 있다.
상기 Purge는 연료공급 배관라인과 상기 배관라인에 연결된 각 구성의 소재, 및 상기 각 구성에 잔류하여 공급되는 연료가스와 반응할 수 있는 잔류 산소와 불순물을 불활성기체를 이용하여 제거하기 위한 것이다.
상기 불활성기체의 흐름은 도 2에서 실선으로 표기되어 있으며, Purge(퍼지)용 가스, 즉 불활성기체가 연료공급 배관라인에 공급되는 공급량 및 시간은 배관의 길이, 내부 장치의 용량에 따라 달라질 수 있다.
상세하게는 상기 불활성기체의 흐름은, 상온에서 불활성기체 공급장치(1)로부터 Purge용 가스가 연료공급 배관라인으로 공급되고, 기화기(10)를 거쳐 반응기(12), 연료전지 스택(13)의 애노드 영역, Water Trap(14)의 순서로 지나가며, 열교환기 1, 버너(11), 열교환기 2, 및 열교환기 5를 통과한 후 배출가스 처리장치(7)를 통하여 배출된다.
상기 스택으로의 공기공급은 도 2에서 긴 파선으로 표기되어 있으며, 상온에서 스택용 공기 공급장치(5)로부터 공기가 공기공급 배관라인으로 공급되어 열교환기 2, 열교환기 3, 연료전지 스택(13)의 캐소드 영역 순으로 이동한 후, 다시 열교환기 3을 통과하여 열교환기 4를 지나 배출가스 처리장치(7)를 통하여 배출된다.
상기 제2 단계는 저온 승온 단계로, 가연성 연료 공급장치(2)로부터 공급된 가연성 연료가 버너에서 발화되어 얻어지는 열원을 이용하여 시스템을 초기 승온시키는 단계이다.
가연성 연료의 유체 흐름은 도면 3에 실선으로 나타내고 있으며, 가연성 연료 공급장치(2)에서 공급되는 가연성 연료는 스택을 지난 후 버너에서 발화되어 기화기로 열원을 전달하게 되고, 연속적인 가스 순환에 따라 스택 및 시스템 내부 구성 장치의 온도를 상승시키게 된다.
상세하게는, 상온에서 가연성 연료 공급장치(2)로부터 연료공급 배관라인에 공급된 가연성 연료는 기화기(10), 반응기(12), 연료전지 스택(13)의 애노드 영역, Water Trap(14)의 순서로 지나가며, 열교환기 1을 거쳐 버너(11)로 이동한다. 이때 버너(11)에는 버너용 공기 공급장치(6) 또는 배출가스 처리 장치(7)로부터 공기공급 배관라인에 공급된 공기가 같이 공급된다.
상기 버너에 공급된 가연성 연료, 및 공기는 버너의 점화장치에 의해 발화되어 버너(11)의 가스 온도를 승온시킨다. 상기 승온된 가스는 기화기(10)에 열을 전달하고, 상기 열이 가해진 기화기에 가연성 연료 공급장치(2)로부터 계속 공급된 가연성 연료로 다시 열이 전달되어 가연성 연료의 온도가 400℃ 이상으로 승온된다. 상기 승온된 가연성 연료는 기화기(10) 다음으로 이어지는 반응기(12), 연료전지 스택(13)의 애노드 영역, Water Trap(14) 순으로 지나가며 열교환기 1의 온도를 200℃ 이상으로 승온시킨다.
한편, 상기 버너(11)에서 상기 발화로 승온된 가스는 열교환기 2를 거치며 스택용 공기 공급장치(5)에서 공급되는 공기를 200℃ 이상으로 승온시키고, 열교환기 2를 거친 상기 가스는 열교환기 5를 지나 배출가스 처리장치(7)로 배출된다.
상기 승온된 공기의 흐름과 관련하여 더욱 구체적으로는, 스택용 공기 공급장치(5)에서 공기공급 배관라인으로 공급된 공기가 열교환기 2의 열원을 받아 200℃ 이상으로 승온되고, 이 200℃ 이상으로 승온된 공기는 열교환기 3을 거쳐 연료전지 스택(13)의 캐소드 영역으로 이동하고, 다시 열교환기 3으로 이동한다. 상기 이동하는 동안의 공기 온도는 적어도 150℃ 이상으로 유지된다.
상기 다시 열교환기 3으로 이동한 공기는 스택에 열원으로 재활용될 수 있으며, 또한 열교환기 4를 거쳐 배출가스 처리장치(7)로 배출되거나, 또는 버너용 공기 공급장치(6)로 연결되어 버너(11)용 공기로 재활용될 수 있다.
상기와 같이 버너에서 발생된 열원이 순환하여 전체 시스템의 온도를 승온시키게 되며, 열교환기 4를 통과한 공기가 100℃ 이상으로 승온 될 때까지 가연성 연료의 공급을 유지한다.
상기 제3 단계는 고온 승온 단계로서 시스템을 고온의 작동 가능 온도로 상승시키기 위한 단계이고, 상기 제2 단계의 저온 승온 단계에 이어 시스템의 온도를 작동 가능한 고온으로 승온하는 단계이다.
상기 제3 단계는 도 4에서 도시하고 있으며, 구체적으로 가연성 연료 공급장치(2)에서 연료공급 배관라인으로 공급된 가연성 연료는 제2 단계에 의하여 승온된 기화기(10), 반응기(12), 연료전지 스택(13)의 애노드 영역을 거쳐, Water Trap(14)의 순서로 지나가며, 열교환기 1을 통과하여 버너(11)로 이동한다. 이때 버너용 공기 공급장치(6) 또는 배출가스 처리장치(7)에 연결되어 공기공급 배관라인에 공급되는 공기가 버너(11)에 같이 공급된다.
상기 버너에 공급된 가연성 연료, 및 공기는 버너의 점화장치에 의해 발화되어 버너(11)의 가스 온도를 승온시킨다.
상기 승온된 가스는 기화기(10)에 다시 열을 전달하고, 상기 열이 가해진 기화기에 가연성 연료 공급장치(2)로부터 계속 공급된 가연성 연료에 다시 열이 전달되어 가연성 연료의 온도가 600℃ 이상으로 승온된다. 상기 승온된 가연성 연료는 기화기(10) 다음으로 이어지는 반응기(12), 연료전지 스택(13)의 애노드 영역, Water Trap(14) 순으로 지나가며, 열교환기 1의 온도를 600℃ 이상으로 승온시킨다.
한편, 상기 버너(11)에서의 발화로 승온된 가스는 열교환기 2를 거치며 스택용 공기 공급장치(5)에서 공급되는 공기를 550℃ 이상으로 승온시키고, 열교환기 2를 거친 상기의 발화 승온된 가스는 열교환기 5를 지나 배출가스 처리장치(7)로 배출된다.
상기 승온된 공기의 흐름과 관련하여 더욱 구체적으로는, 스택용 공기 공급장치(5)에서 공기공급 배관라인으로 공급된 공기가 열교환기 2의 열원을 받아 550℃ 이상으로 승온되고, 이 550℃ 이상으로 승온된 공기는 열교환기 3을 거쳐 연료전지 스택(13)의 캐소드 영역으로 이동하며, 다시 열교환기 3으로 이동한다.
이때 상기 열교환기 3의 (공기) 온도는 600℃ 이상이고, 상기 연료전지 스택(13)의 캐소드 영역의 (공기) 온도는 550℃ 이상이다.
상기 열교환기 3으로 재이동한 공기는, 연료전지 스택(13)의 캐소드 영역의 열원으로 재활용되거나, 또는 열교환기 4를 지나 배출가스 처리장치(7)로 배출되거나, 버너용 공기 공급장치(6)로 연결되어 버너(11)용 공기로 재활용될 수 있다. 이때 상기 열교환기 4의 (공기) 온도는 200℃ 이상이다.
한편, 상기 제2 단계에 의한 열원의 순환에 따라 본 발명 시스템의 내부 온도가 일정 이상 상승하게 되면 CH 계열을 가연성 연료로 사용하게 되는 경우, 반응기(12) 내의 촉매 소재나 연료전지 스택(13)의 연료극 전극 소재를 포함한 배관 등의 금속 재질 표면에 탄소침적이 발생할 수 있게 된다.
따라서 이를 방지하기 위해 제3 단계에서는 추가로 물을 공급해주어야 한다. 공급되는 물의 유체 흐름은 도 4에서 파선으로 나타내고 있으며, 물 공급장치(4)에서 공급된 물이 열교환기 4를 거치면서 수증기(스팀)로 전환되어 반응기(12)에 공급되는 것이다.
구체적으로는 상기 제2 단계에서 수증기(스팀) 발생 온도인 100℃ 이상으로 도달된 열교환기 4에 물 공급장치(4)의 물이 공급되어 생성되는 수증기를 반응기(12)에 공급하는 것이다.
상기와 같이 가연성 연료와 같이 반응기(12)에 수증기를 공급함으로써 가연성 연료와 수증기에 의한 수소화 개질 반응을 발생시켜 스택 등에 탄소침적을 방지하게 되고, 이와 더불어 수소화 개질에 의한 수소의 연소로 승온에 도움을 주게된다.
상기와 같이 버너에서 발생된 열원이 순환하여 전체 시스템의 온도를 고온으로 승온시키는 것이며, 연료전지 스택(13)의 온도가 550℃ 이상으로 승온될 때까지 가스공급을 유지한다.
상기 제4 단계는 시스템에서 전력을 발생시키는 작동단계이다.
제4 단계의 각 부품의 온도는 스택의 발전량, 즉 인가 전류량에 따라 시스템의 열순환을 통해 점차적으로 상승하며, 상기에서 언급한 것과 같이 인가 전류량은 스택의 안정성을 위해 점차적으로 최종 목표량까지 상승시킨다. 일반적으로 작동 시의 최종 시간당의 발전량은 안정성을 위해 스택의 최대 한계 발전량의 70~80%의 영역에서 작동시킨다.
제4 단계는 도 5에서 도시하고 있는 바와 같이, 연료공급 배관라인에 가연성 연료의 공급이 중단되고, 암모니아 공급장치(3)를 통한 암모니아의 공급으로 전환된다. 공급되는 암모니아는 액상으로 기화기(10)를 통해 기화되어 반응기(12)에서 수소와 질소로 분해된다. 분해된 혼합가스는 연료전지 스택(13)의 애노드 영역에 공급되어 전력 생산의 연료로 사용되게 된다. 또한, 암모니아 연료공급 시에는 상기의 탄소침적이 발생하지 않기 때문에 반응기(12)에는 수증기(스팀)를 공급하지 않으며, 대신 연료전지 스택의 배출가스의 효율적인 열관리를 위하여 물 공급장치(4)의 물을 열교환기 4 및 5에 통하게 하여 이로부터 생성되는 온수를 활용할 수 있다.
제4 단계의 작동단계는 상세하게는, 상기 제2 단계 및 제3 단계의 승온 작용으로 연료전지 스택(13)이 550℃ 이상으로 승온되면, 연료공급 배관라인으로 가연성 연료 공급장치(2)의 가연성 연료가 공급되는 것이 차단되고, 대신 암모니아 공급장치(3)의 암모니아 연료가 공급된다.
상기 공급된 암모니아는 600℃ 이상으로 승온된 기화기(10)를 거쳐 기화되고, 600℃ 이상으로 승온된 반응기(12)로 이동한다. 상기 이동된 기화 암모니아는 반응기(12)의 촉매에 의해 수소와 질소로 분해되어 연료전지 스택(13)의 애노드 영역에서 화학반응을 통한 전기 생산의 작동 연료로 사용된다. 이때 상기 스택의 온도는 700℃ 이상으로 승온될 수 있다.
연료전지 스택(13)의 애노드 영역에서의 화학반응의 작동 시 발생하는 화학반응 열로 인하여 스택 내부의 가스가 승온되며, 이러한 작동 후의 승온된 배출가스는 700℃ 이상으로 승온되어 열교환기 1을 거쳐 버너(11)로 이동하여 기화기(10)로 열이 전달되게 된다. 이때 버너(11)의 온도는 500℃ 이상이다. 이러한 온도는 제4 단계에서는 버너용 공기 공급장치(6)로부터의 공기공급이 차단되어 버너(11)에서 발화가 일어나지 않기 때문이다.
또한, 상기 스택에서의 작동 후 배출된 수분을 포함한 미반응 가스는 Water Trap(14)을 거쳐 수분이 제거되고, 650℃ 이상으로 승온되는 열교환기 1을 지나 버너(11)로 이동한다. 이때 버너(11)의 온도는 500℃ 이상이다.
이때 버너용 공기 공급장치(6)는 차단되며, 스택의 작동 시 수소의 농도가 감소함에 따라 버너의 발화 또한 정지된다.
또한, 상기 버너(11)를 거친 상기 고온의 연료전지 작동 후의 배출가스는 열교환기 2를 통과하여 스택용 공기 공급장치(5)에서 공급되는 공기를 450℃ 이상으로 유지시킨다. 열교환기 2를 거친 상기 연료전지 작동 후의 배출가스는 열교환기 5를 지나 배출가스 처리장치(7)로 배출된다.
한편, 스택용 공기 공급장치(5)에서 공급된 공기는 열교환기 2의 열원을 받아 450℃ 이상으로 승온되고, 700℃ 이상으로 승온되는 열교환기 3을 거쳐 550℃ 이상으로 승온된 연료전지 스택(13)의 캐소드 영역의 순서로 이동한다.
또한, 상기 공기는 스택의 화학반응 작동 시 상기 공기의 산소가 소모되어 낮은 산소분압을 갖는 질소가스 형태로 배출됨과 동시에 애노드 영역에서 발생된 화학반응 열을 일부 흡수하여 배출된다.
상기와 같은 질소가스 형태의 공기 배출가스는 다시 열교환기 3을 통과하여 스택으로 공급되는 공기에 열원으로 공급되거나, 200℃ 이상의 열교환기4를 지나 배출가스 처리장치(7)로 배출된다.
위에서 본 바와 같이 가연성 연료의 공급을 암모니아 연료의 공급으로 전환되면, 물 공급장치(4)는 열교환기 4 및 열교환기 5를 통하는 방향으로 전환되어 연료공급 배관라인 및 공기공급 배관라인의 배기가스 온도를 낮추는 기능을 하게 되며, 열을 흡수한 물은 온수로 활용될 수 있다.
본 발명의 암모니아 기반 고체산화형 연료전지(SOFC) 시스템은, 상기와 같은 제1 단계 내지 제4 단계 운전 방법으로 불활성기체, 가연성 연료, 물, 및 암모니아를 하나의 공급 배관라인으로 공급하여 상기 시스템이 간결해지는 장점이 있다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형실시가 가능하다.
<부호의 설명>
1. 불활성기체 공급장치
2. 가연성 연료 공급장치
3. 암모니아 공급장치
4. 물 공급장치
5. 스택용 공기 공급장치
6. 버너용 공기 공급장치
7. 배출가스 처리장치
8. 배출 온수 처리장치
9. 열교환기 1~5
10. 기화기
11. 버너
12. 반응기
13. 연료전지 스택
14. WT(water trap)
본 발명의 암모니아 기반의 고체산화물 연료전지(SOFC) 시스템은, 구성의 최적화 및 이를 통한 고체산화물 연료전지(SOFC) 시스템 운전 방법을 통하여 고체산화물 연료전지(SOFC)의 고온 작동을 위한 효율적인 열관리가 가능하며, 이러한 고온의 열관리에 따라 고온의 고체산화물 연료전지(SOFC)에 연료로 공급된 암모니아가 수소로 개질되어 SOFC 시스템에 적용됨으로써 SOFC 시스템의 효율성을 극대화시키는 것으로 전기생산 산업에 이바지 할 수 있다.

Claims (21)

  1. 물 또는 연료의 공급, 및 배출과 관련된 장치를 포함하는 저온부(a); 및 전력 발생, 승온, 열관리, 가스처리와 관련된 장치를 포함하는 고온부(b);를 포함하는 암모니아 기반 고체산화물 연료전지(SOFC) 시스템에 있어서,
    상기 저온부(a)는 불활성기체 공급장치(1), 가연성 연료 공급장치(2), 암모니아 공급장치(3), 물 공급장치(4), 스택용 공기 공급장치(5), 버너용 공기 공급장치(6), 배출가스 처리장치(7), 및 배출 온수 처리장치(8)를 포함하고,
    상기 고온부(b)는 열교환기 1~5(9), 기화기(10), 버너(11), 반응기(12), 연료전지 스택(13), 및 WT(water trap, 14)를 포함하며,
    상기 승온은, 상기 가연성 연료 공급장치(2)로부터의 가연성 연료와 공기를 버너(11)에 공급하여 발화시켜 발생하는 열원을 기화기(10), 반응기(12), 연료전지 스택(13)의 애노드 영역, 워터 트랩(14, water trap), 열교환기 1(9-1), 버너(11)의 순으로 순환시키는 단계를 포함하여 연료전지 스택(13)의 작동온도까지 상기 시스템을 승온시키는 것을 특징으로 하는, 암모니아 기반 고체산화물 연료전지(SOFC) 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 승온은, 상기 단계에 의하여 승온된 반응기(12)에 수증기를 공급하여 가연성 연료와 수증기에 의한 수소화 개질 반응을 발생시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 암모니아 기반 고체산화물 연료전지(SOFC) 시스템
  3. 제1항에 있어서,
    상기 공기는 버너용 공기 공급장치(6) 또는 배출가스 처리 장치(7)로부터 공급되는 것을 특징으로 하는, 암모니아 기반 고체산화물 연료전지 (SOFC) 시스템
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 불활성기체 공급장치(1)는 고온에서 암모니아 가스, 가연성 연료가스 및 금속과 반응하지 않는 Ar, N2, He의 불활성 가스를 공급하는 장치이고, 가연성 연료 공급장치(2)는 가연성 연료를 버너에서 발화시켜 시스템을 승온시키는데 필요한 연료를 공급하는 장치이며, 상기 가연성 연료는 공기와 반응하여 점화장치에 의한 발화가 가능한 수소, 프로판 및 메탄계열 가스의 가연성 가스이고, 상기 암모니아 공급장치(3)는 순도 99% 이상이거나, 폐수 정화조와 같이 수분이 90% 이하 포함된 액상 또는 기상의 암모니아를 공급하는 장치이며, 물 공급장치(4)는 반응기(12)에 수증기 또는 물을 공급하는 장치이고, 스택용 공기 공급장치(5) 및 버너용 공기 공급장치(6)는 각각 연료전지 스택(13)의 캐소드 영역 및 버너(11)에 산소 분압 0.2 이상의 산소포함 공기를 공급하는 장치이며, 배출가스 처리장치(7)는 연료공급 배관라인 및 공기공급 배관라인으로부터 배출되는 공기, 가스, 수증기를 처리하는 장치이고,
    상기 배출 온수 처리장치(8)는 상기 시스템의 작동상황에서 발생된 고온의 연료가스를 냉각하기 위하여 사용되는 물이 열교환기 4 및 열교환기 5를 거쳐서 전환되는 온수가 배출되는 장치인 것을 특징으로 하는, 암모니아 기반 고체산화물 연료전지(SOFC) 시스템
  5. 제4항에 있어서,
    상기 배출가스 처리장치(7)에는 3-way valve가 설치되며, 버너(11)를 통과하고 열교환기 2 및 열교환기 5를 거쳐 온도를 낮춘 연료 배출가스 및 수증기로부터 전환된 온수가 각각 상기 3-way valve 중 2개의 통로로 배출되는 것을 특징으로 하는, 암모니아 기반 고체산화물 연료전지(SOFC) 시스템
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열교환기 1~5(9)는 고온부의 효율적인 열관리를 위한 장치이며, 각각의 사용온도 범위가 열교환기 1은 RT ~ 800℃, 열교환기 2는 RT ~ 650℃, 열교환기 3은 RT ~ 800℃, 열교환기 4는 RT ~ 400℃이고, 열교환기 5는 RT ~ 400℃이며, 상기 기화기(10)는 공급되는 액상의 암모니아를 기체 암모니아로 상변환을 일으키는 사용온도 범위 RT ~ 700℃를 갖는 장치이고,
    상기 버너(11)는, 시스템을 초기부터 스택의 작동온도까지 시스템 승온을 위한 열원을 발생시키는 장치로, 사용온도 범위 RT ~ 900℃를 갖고, 가연성 연료의 발화에 필요한 점화장치, 연소를 위한 가연성 연료부, 및 산소 공급부를 포함하며, 내부에는 열교환기 형태와 균일한 열 분배가 가능한 구조로 갖는 장치이고, 상기 반응기(12)는, 가연성 연료 및 암모니아 연료를 분해하여 수소로의 전환하는 장치로, 일정 영역에 Co, Mo, Ni, Ru, Cs을 포함하는 금속 또는 금속산화물의 촉매가 충진되어 있으며,
    상기 연료전지 스택(13)은 캐소드와 애노드 영역을 포함하며, 금속/세라믹 소재의 전극과 전해질로 구성된 셀이 다층으로 적층되어 있는 형태일 수 있고, 1W~5kW 이상의 전력을 생산할 수 있는 스택이고,
    상기 WT(water trap, 14)은 연료전지 스택(13)에서 전력 생산 후에 발생하는 연료 배출가스의 물을 제거하는 장치인 것을 특징으로 하는, 암모니아 기반 고체산화물 연료전지(SOFC) 시스템
  7. 제2항에 있어서,
    상기 승온 후에는 가연성 연료와 공기의 공급은 중단되고, 암모니아가 기화기를 통하여 반응기에 기체상으로 공급되는 것을 특징으로 하는, 암모니아 기반 고체산화물 연료전지(SOFC) 시스템
  8. 제1항에 있어서,
    상기 기화기는, 스택을 거친 후에 발생하는 고온가스에 의한 기화기로의 열전달 효율성의 극대화를 위하여 버너와 일체로 배열시키는 것을 특징으로 하는, 암모니아 기반 고체산화물 연료전지(SOFC) 시스템
  9. 제1항에 있어서,
    상기 반응기와 열교환기 1은 일체로 배열시키는 것을 특징으로 하는, 암모니아 기반 고체산화물 연료전지(SOFC) 시스템
  10. 하기 4단계의 운전 단계를 포함하는 암모니아 기반 고체산화물 연료전지 (SOFC) 시스템
    - 제1단계: 가연성 및 암모니아 연료의 공급 배관라인 및 부품 영역의 불활성기체를 이용한 Purge(퍼지) 단계;
    - 제2단계: 상기 가연성 연료가 상기 연료공급 배관라인을 흐르도록 하여 버너에서 연소함으로써 초기 열원을 공급할 수 있도록 하는 저온 승온 단계;
    - 제3단계: 연료공급 배관라인 중의 반응기와 연료전지 스택에 탄소침적을 방지하고, 가연성 연료의 개질반응이 진행될 수 있도록 스팀 공급이 시작되는 고온 승온 단계; 및
    - 제4단계: 연료공급 배관라인의 가연성 연료를 암모니아 연료로 전환하여 전력의 생산이 이루어지는 고체산화물 연료전지(SOFC) 시스템의 작동단계.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 단계는, 상온에서 불활성기체 공급장치(1)로부터 Purge용 가스인 불활성기체가 연료공급 배관라인으로 공급되고, 기화기(10)를 거쳐 반응기(12), 연료전지 스택(13)의 애노드 영역, Water Trap(14)의 순서로 지나가며, 열교환기 1, 버너(11), 열교환기 2, 및 열교환기 5를 통과한 후 배출가스 처리장치(7)를 통하여 배출되는 것을 특징으로 하는, 암모니아 기반 고체산화물 연료전지(SOFC) 시스템
  12. 제10항에 있어서,
    상기 제1 단계가 이루어지는 동안, 스택으로의 공기공급이 이루어지며, 상기 공급되는 공기는 상온에서 스택용 공기 공급장치(5)로부터 공기 공급 배관라인으로 공급되어 열교환기 2, 열교환기 3, 연료전지 스택(13)의 캐소드 영역 순으로 이동한 후, 다시 열교환기 3을 통과하여 열교환기 4를 지나 배출가스 처리장치(7)를 통하여 배출되는 것을 특징으로 하는, 암모니아 기반 고체산화물 연료전지(SOFC) 시스템
  13. 제10항에 있어서,
    상기 제2 단계는, 상온에서 가연성 연료 공급장치(2)로부터 연료공급 배관라인에 공급된 가연성 연료가 기화기(10), 반응기(12), 연료전지 스택(13)의 애노드 영역, Water Trap(14)의 순서로 지나가며, 열교환기 1을 거쳐 버너(11)로 이동하고, 이때 버너(11)에는 버너용 공기 공급장치(6) 또는 배출가스 처리 장치(7)로부터 공기공급 배관라인에 공기가 같이 공급되는 것을 특징으로 하는, 암모니아 기반 고체산화물 연료전지(SOFC) 시스템
  14. 제10항에 있어서,
    상기 제3 단계는, 가연성 연료 공급장치(2)에서 연료공급 배관라인으로 공급된 가연성 연료가 제2 단계에 의하여 승온된 기화기(10), 반응기(12), 연료전지 스택(13)의 애노드 영역을 거쳐, Water Trap(14)의 순서로 지나가며, 열교환기 1을 통과하여 버너(11)로 이동하고, 이때 버너용 공기 공급장치(6) 또는 배출가스 처리장치(7)에 연결되어 공기공급 배관라인에 공급되는 공기가 버너(11)에 같이 공급되는 것을 특징으로 하는, 암모니아 기반 고체산화물 연료전지 (SOFC) 시스템
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서,
    상기 버너에 공급된 가연성 연료, 및 공기는 상기 버너의 점화장치에 의해 발화되어 버너(11)의 가스 온도를 승온시키고, 이 승온된 가스가 기화기(10)에 다시 열을 전달하여 가연성 연료 공급장치(2)로부터 계속 공급된 기화기의 가연성 연료에 다시 열이 전달되고, 이 승온된 가연성 연료가 반응기(12), 연료전지 스택(13)의 애노드 영역, Water Trap(14) 순으로 지나가며, 열교환기 1의 온도를 승온시키는 것을 특징으로 하는, 암모니아 기반 고체산화물 연료전지(SOFC) 시스템
  16. 제13항 또는 제14항에 있어서,
    상기 버너(11)의 발화로 승온된 가스는 열교환기 2를 거쳐 스택용 공기 공급장치(5)에서 공급되는 공기를 승온시킨 후 열교환기 5를 지나 배출가스 처리장치(7)로 배출되며, 상기 승온된 공기는 열교환기 3을 거쳐 연료전지 스택의 캐소드 영역으로 공급된 후 다시 열교환기 3을 통과하여 연료전지 스택에 열원으로 재사용되거나, 또는 열교환기 4를 거쳐 배출가스 처리장치(7)로 배출되는 것을 특징으로 하는, 암모니아 기반 고체산화물 연료전지(SOFC) 시스템
  17. 제14항에 있어서,
    상기 제3 단계는, 상기 반응기(12)에 수증기를 더 공급하는 것을 특징으로 하는, 암모니아 기반 고체산화물 연료전지(SOFC) 시스템
  18. 제17항에 있어서,
    상기 수증기는 상기 제2 단계인 저온 승온 단계에서 100℃ 이상으로 도달된 열교환기 4에 물 공급장치(4)의 물이 공급되어 생성되는 수증기인 것을 특징으로 하는, 암모니아 기반 고체산화물 연료전지(SOFC) 시스템
  19. 제10항에 있어서,
    상기 제4 단계는, 연료공급 배관라인에 가연성 연료의 공급이 중단되고, 암모니아 공급장치(3)를 통한 암모니아의 공급으로 전환되며, 상기 공급되는 암모니아는 액상으로 기화기(10)를 통해 기화되어 반응기(12)에서 수소와 질소로 분해되고, 분해된 혼합가스는 연료전지 스택(13)의 애노드 영역에 공급되어 전력 생산을 위한 화학반응의 연료로 사용되는 것을 특징으로 하는, 암모니아 기반 고체산화물 연료전지(SOFC) 시스템
  20. 제19항에 있어서,
    상기 제4 단계에는 반응기(12)에 수증기가 공급되지 않으며, 대신 연료전지 스택의 배출가스의 효율적인 열관리를 위하여 물 공급장치(4)의 물을 열교환기 4 및 5에 통하게 하는 것을 특징으로 하는, 암모니아 기반 고체산화물 연료전지(SOFC) 시스템
  21. 제19항에 있어서,
    상기 제4 단계에서 상기 화학반응으로 인한 스택의 고온의 배출가스는 버너, 및 열교환기 2를 거쳐 스택용 공기 공급장치(5)에서 공급되는 공기를 승온시킨 후 열교환기 5를 지나 배출가스 처리장치(7)로 배출되며, 상기 승온된 공기는 열교환기 3을 거쳐 연료전지 스택의 캐소드 영역으로 공급된 후 다시 열교환기 3을 통과하여 연료전지 스택에 열원으로 재사용되거나, 또는 열교환기 4를 거쳐 배출가스 처리장치(7)로 배출되는 것을 특징으로 하는, 암모니아 기반 고체산화물 연료전지(SOFC) 시스템
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