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WO2025116350A1 - 고체산화물 연료전지 재순환 시스템 - Google Patents

고체산화물 연료전지 재순환 시스템 Download PDF

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WO2025116350A1
WO2025116350A1 PCT/KR2024/017683 KR2024017683W WO2025116350A1 WO 2025116350 A1 WO2025116350 A1 WO 2025116350A1 KR 2024017683 W KR2024017683 W KR 2024017683W WO 2025116350 A1 WO2025116350 A1 WO 2025116350A1
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WO
WIPO (PCT)
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solid oxide
fuel cell
oxide fuel
air
recirculation system
Prior art date
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Pending
Application number
PCT/KR2024/017683
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English (en)
French (fr)
Inventor
박진영
이동근
배용균
김영상
안국영
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Korea Institute of Machinery and Materials KIMM
Original Assignee
Korea Institute of Machinery and Materials KIMM
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Korea Institute of Machinery and Materials KIMM filed Critical Korea Institute of Machinery and Materials KIMM
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    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a solid oxide fuel cell recirculation system using an electrochemical hydrogen pump that uses a proton exchange membrane and operates at a temperature of 100°C or less, and more specifically, to a solid oxide fuel cell recirculation system using an electrochemical hydrogen pump that separates only hydrogen from a mixed gas of nitrogen and hydrogen generated by decomposing ammonia and selectively recirculates the separated hydrogen to improve the overall efficiency of the system and the concentration of hydrogen in the fuel.
  • the solid oxide fuel cell (SOFC) system one of the various fuel cell systems for using ammonia as fuel for hydrogen, operates in a high temperature range of over 600°C and is known to have the highest efficiency among various fuel cell systems. Since it can generate power using various fuels such as H2 , CH4 , CO, and NH series, a lot of research has been conducted on it recently.
  • SOFC solid oxide fuel cell
  • solid oxide fuel cell systems report a maximum fuel utilization rate of about 80%, and the remaining 20% or so of the fuel is structured to be discarded without reacting.
  • the maximum utilization rate is lower than 80%, so in order to improve the efficiency of the system, a structure is required to recirculate the fuel that is discharged without reacting.
  • the method of recirculating fuel using a blower has problems such as low fuel efficiency, such as it being difficult to determine the amount of fuel recirculation, and the inability to separate nitrogen and hydrogen, which results in nitrogen, an unnecessary reaction product, being recirculated and reacting with hydrogen, which reduces the hydrogen yield and hydrogen concentration.
  • a solid oxide fuel cell recirculation system using an electrochemical hydrogen pump may include: a solid oxide fuel cell cell which receives ammonia and air and converts them into a reaction product and exhaust gas including nitrogen, hydrogen, and water vapor; an ammonia supply unit which supplies the ammonia to the solid oxide fuel cell cell; an air supply unit which supplies the air to the solid oxide fuel cell cell; and an electrochemical hydrogen pump which separates only hydrogen from the reaction product of the solid oxide fuel cell cell and resupplies the hydrogen to the solid oxide fuel cell cell.
  • an electrochemical hydrogen pump EHP
  • EHP electrochemical hydrogen pump
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a solid oxide fuel cell recirculation system using an electrochemical hydrogen pump according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing a process of separating hydrogen from ammonia exhaust gas mixed with nitrogen and hydrogen in a solid oxide fuel cell recirculation system using an electrochemical hydrogen pump according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing a solid oxide fuel cell recirculation system using an electrochemical hydrogen pump according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing a process in which external air is introduced into a heating section and heated, and then the heated air is mixed with exhaust gas discharged from a solid oxide fuel cell and heat is exchanged in an air heat exchanger in a solid oxide fuel cell recirculation system using an electrochemical hydrogen pump according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing a solid oxide fuel cell recirculation system using an electrochemical hydrogen pump according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing a process in which nitrogen or nitrogen and hydrogen discharged from an electrochemical hydrogen pump are introduced into a heating section and heated, and then the heated nitrogen or nitrogen and hydrogen are mixed with exhaust gas discharged from a solid oxide fuel cell and heat is exchanged in an air heat exchanger in a solid oxide fuel cell recirculation system using an electrochemical hydrogen pump according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a schematic diagram showing a process in which, in a solid oxide fuel cell recirculation system using an electrochemical hydrogen pump according to a fourth embodiment of the present invention, external air and nitrogen or nitrogen and hydrogen discharged from an electrochemical hydrogen pump are introduced into a heating section, mixed and heated, and then the heated mixed gas is mixed with exhaust gas discharged from a solid oxide fuel cell and heat is exchanged in an air heat exchanger.
  • a solid oxide fuel cell recirculation system may include: a solid oxide fuel cell cell which receives ammonia and air, generates electricity through an electrochemical reaction, and discharges a reaction product including nitrogen, hydrogen, and water vapor and an exhaust gas which is air with a reduced oxygen concentration; an ammonia supply unit which supplies the ammonia to the solid oxide fuel cell cell; an air supply unit which supplies the air to the solid oxide fuel cell cell; and an electrochemical hydrogen pump which separates only hydrogen from the reaction product of the solid oxide fuel cell cell and resupplies the hydrogen to the solid oxide fuel cell cell.
  • the solid oxide fuel cell recirculation system may further include a fuel heat exchanger that heat-exchanges the high temperature reaction product discharged after reaction in the solid oxide fuel cell cell with the ammonia supplied to the solid oxide fuel cell cell; an air heat exchanger that heat-exchanges the high temperature exhaust gas discharged after reaction in the solid oxide fuel cell cell with the air supplied to the solid oxide fuel cell cell; and a condenser that condenses the reaction product heat-exchanged through the fuel heat exchanger.
  • a fuel heat exchanger that heat-exchanges the high temperature reaction product discharged after reaction in the solid oxide fuel cell cell with the ammonia supplied to the solid oxide fuel cell cell
  • an air heat exchanger that heat-exchanges the high temperature exhaust gas discharged after reaction in the solid oxide fuel cell cell with the air supplied to the solid oxide fuel cell cell
  • a condenser that condenses the reaction product heat-exchanged through the fuel heat exchanger.
  • the condensing unit may include a cooling heat exchanger that condenses the water vapor through heat exchange with the reaction product supplied through the fuel heat exchanger, and a drain unit that discharges the condensed water through the cooling heat exchanger to the outside.
  • the electrochemical hydrogen pump can separate hydrogen from a mixed gas containing nitrogen and hydrogen, and selectively mix the separated hydrogen with ammonia supplied from the ammonia supply unit to the fuel heat exchanger.
  • the electrochemical hydrogen pump can control the amount of hydrogen separated from the mixed gas by controlling the current load.
  • the solid oxide fuel cell recirculation system may further include a heating unit that increases the temperature of the air supplied from the air supply unit.
  • the heating unit may be either a burner or a catalytic converter.
  • the heating unit can heat the exhaust gas discharged from the solid oxide fuel cell cell.
  • the heating unit can draw in outside air to heat it, and mix the heated outside air with the exhaust gas to heat the exhaust gas.
  • the heating unit can receive nitrogen from which hydrogen has been removed from the electrochemical hydrogen pump.
  • the ammonia supply unit may be provided with a fuel blower on one side for supplying the ammonia to the solid oxide fuel cell.
  • the air supply unit may be provided with an air blower on one side for supplying the air to the solid oxide fuel cell cell.
  • the electrochemical hydrogen pump can be operated at a temperature of 50°C to 100°C.
  • the solid oxide fuel cell recirculation system may further include a control unit that controls the operations of the solid oxide fuel cell, the ammonia supply unit, the air supply unit, and the electrochemical hydrogen pump.
  • control unit can control the amount of hydrogen separated by controlling the amount of current load applied to the electrochemical hydrogen pump.
  • Fig. 1 is a schematic diagram showing a solid oxide fuel cell recirculation system using an electrochemical hydrogen pump according to a first embodiment of the present invention.
  • Fig. 2 is a schematic diagram showing a process of separating hydrogen from ammonia exhaust gas mixed with nitrogen and hydrogen in a solid oxide fuel cell recirculation system using an electrochemical hydrogen pump according to a first embodiment of the present invention.
  • a solid oxide fuel cell recirculation system (1a) using an electrochemical hydrogen pump may include an ammonia supply unit (10), an air supply unit (20), a solid oxide fuel cell cell (30), a fuel heat exchanger (40), an air heat exchanger (50), a condenser unit (60), an electrochemical hydrogen pump (70), a piping assembly (not shown), and a control unit (not shown).
  • the ammonia supply unit (10) is for supplying ammonia (NH 3 ) as fuel to the solid oxide fuel cell cell (30), and can be provided at the tip of the solid oxide fuel cell recirculation system (1a) using the electrochemical hydrogen pump according to the present embodiment.
  • a valve for supplying ammonia may be mounted between the ammonia supply unit (10) and the solid oxide fuel cell cell (30).
  • the ammonia supply unit (10) may be heated and/or pressurized, and accordingly, ammonia in the ammonia supply unit (10) may be supplied to or stopped from being supplied to the solid oxide fuel cell cell (30) by the operation of the valve.
  • a fuel blower (11) may be installed between the ammonia supply unit (10) and the solid oxide fuel cell cell (30) to supply ammonia from the ammonia supply unit (10) to the solid oxide fuel cell cell (30).
  • the air supply unit (20) is for supplying air to the solid oxide fuel cell cell (30) and can be provided at the tip of the solid oxide fuel cell recirculation system (1a) using the electrochemical hydrogen pump according to the present embodiment.
  • the air supplied to the solid oxide fuel cell (30) through the air supply unit (20) refers to air and oxygen, and can react with ammonia supplied through the ammonia supply unit (10) in the solid oxide fuel cell (30) to generate reaction products such as nitrogen, hydrogen, water vapor, and exhaust gas.
  • a valve for controlling the supply operation of air may be positioned between the air supply unit (20) and the solid oxide fuel cell cell (30).
  • an air blower (21) may be installed between the air supply unit (20) and the solid oxide fuel cell cell (30) to supply air from the air supply unit (20) to the solid oxide fuel cell cell (30).
  • a solid oxide fuel cell (SOFC: Solid Oxide Fuel Cell, 30) can receive ammonia and air as fuel from an ammonia supply unit (10) and an air supply unit (20) and produce electricity through an electrochemical reaction.
  • the supplied ammonia generates nitrogen and hydrogen through reforming, and water vapor can be discharged through the electrochemical reaction of the solid oxide fuel cell (30).
  • the air supplied from the air supply unit (20) has a reduced oxygen concentration and is discharged from the solid oxide fuel cell (30).
  • reaction products nitrogen and hydrogen generated by reforming ammonia and water vapor generated by electrochemical reaction of a solid oxide fuel cell cell (30) are all referred to as reaction products, and air with reduced oxygen concentration discharged from a solid oxide fuel cell cell (30) is referred to as exhaust gas.
  • the solid oxide fuel cell (30) has a general configuration, so it is briefly described below.
  • a solid oxide fuel cell (30) includes an ion conducting membrane (not shown) that allows oxygen ions to move, an anode electrode (31) and a cathode electrode (33) provided on one side and the other side of the ion conducting membrane, and may be a stack in which the ion conducting membrane, the anode electrode (31), and the cathode electrode (33) are formed in layers.
  • Ammonia supplied from an ammonia supply unit (10) is reformed (decomposed) into hydrogen and nitrogen in a solid oxide fuel cell (30) stack, and the decomposed hydrogen can react with oxygen ions at an anode electrode (31) to generate electricity and water vapor.
  • Oxygen supplied from the air supply unit (20) moves from the cathode electrode (33) to the anode electrode (31) through the ion conducting membrane, and then reacts with hydrogen decomposed from ammonia to generate electricity and water vapor.
  • the fuel heat exchanger (40) and the air heat exchanger (50) can recover heat from the high-temperature reaction products and exhaust gas generated by the solid oxide fuel cell (30) operating at high temperature.
  • the fuel heat exchanger (40) can be connected to the anode electrode (31) side of the solid oxide fuel cell (30), and the air heat exchanger (50) can be connected to the cathode electrode (33) side of the solid oxide fuel cell (30).
  • the fuel heat exchanger (40) can recover heat from reaction products such as nitrogen, hydrogen, and water vapor that are discharged after reaction in the solid oxide fuel cell (30) but whose temperature has increased due to the reaction.
  • the fuel heat exchanger (40) can increase the temperature of ammonia supplied to the solid oxide fuel cell (30) to a predetermined level through heat exchange between the high-temperature reaction product discharged from the solid oxide fuel cell (30) and the ammonia supplied from the ammonia supply unit (10).
  • a fuel heat exchanger (40) may be provided between the ammonia supply unit (10) and the solid oxide fuel cell (30), but is not limited thereto.
  • the air heat exchanger (50) can recover heat from exhaust gas such as flue gas that is discharged after reaction in the solid oxide fuel cell (30) but whose temperature has increased due to the reaction.
  • the air heat exchanger (50) can raise the air supplied to the solid oxide fuel cell cell (30) to a predetermined temperature through heat exchange between the high-temperature exhaust gas discharged from the solid oxide fuel cell cell (30) and the air supplied from the air supply unit (20).
  • An air heat exchanger (50) may be provided between the air supply unit (20) and the solid oxide fuel cell (30), but is not limited thereto.
  • the condenser (60) can condense the reaction product whose temperature has dropped after heat exchange through the fuel heat exchanger (40). Since the maximum fuel utilization rate of the solid oxide fuel cell (30) is about 80%, the reaction product including nitrogen, hydrogen, and water vapor discharged from the anode electrode (31) can be condensed, and the water generated by the condensation can be recovered and discharged, thereby increasing the partial pressure of hydrogen and nitrogen.
  • the condensation unit (60) may include a cooling heat exchanger (61) for cooling and condensing the reaction product, and a drain unit (63) for draining and discharging the condensed water through the cooling heat exchanger (61).
  • the cooling heat exchanger (60) can supply cold water having a predetermined temperature from the outside and lower the reaction product, which has been lowered to a predetermined temperature through the fuel heat exchanger (40), to a predetermined temperature again.
  • the electrochemical hydrogen pump (EHP: Electrochemical Hydrogen Compressor, 70) can separate and extract only hydrogen from various gas mixtures using electrochemical reactions.
  • the electrochemical hydrogen pump (70) can separate only hydrogen from the reaction product of the solid oxide fuel cell cell (30) and re-supply it to the solid oxide fuel cell cell (30). Specifically, the electrochemical hydrogen pump (70) can separate only hydrogen from a mixed gas containing nitrogen and hydrogen by using a proton exchange membrane. Meanwhile, when the proton exchange membrane is wetted with water, it can be conductive and have excellent performance. Therefore, the electrochemical hydrogen pump (70) can be driven at a temperature of 100°C or lower so that water is not vaporized under atmospheric pressure. However, when the operating temperature of the electrochemical hydrogen pump (70) drops below 50°C, the resistance to the movement of hydrogen ions increases, which can decrease the operating efficiency of the electrochemical hydrogen pump (70). Therefore, the operating temperature of the electrochemical hydrogen pump (70) can be 50°C or higher and 100°C or lower. However, under pressure, it can be operated at temperatures higher than 100°C as long as the water does not vaporize.
  • An electrochemical hydrogen pump (70) can pump and discharge only hydrogen from a mixed gas containing nitrogen and hydrogen through a condenser (60) at low power.
  • the electrochemical hydrogen pump (70) is proportional to the applied current load and the pumping amount of hydrogen, a desired amount of hydrogen can be recirculated by controlling the current load, and control can be easier than with a conventional blower (not shown).
  • an immediate reaction speed can be achieved by controlling the current load, so that the amount of hydrogen separated from a mixture of nitrogen and hydrogen can be quickly controlled.
  • the electrochemical hydrogen pump (70) can selectively control the amount of hydrogen separated from a mixture of nitrogen and hydrogen by controlling the current load, and can also control the amount of hydrogen recirculation and the recirculation flow rate by controlling the current load.
  • the piping assembly may include an eleventh piping line (L11) connecting an ammonia supply unit (10) and a fuel heat exchanger (40), a twelfth piping line (L12) connecting the fuel heat exchanger (40) and a solid oxide fuel cell cell (30), a thirteenth piping line (L13) connecting the solid oxide fuel cell cell (30) and the fuel heat exchanger (40), a fourteenth piping line (L14) connecting the fuel heat exchanger (40) and a condenser (50), a fifteenth piping line (L15) connecting the condenser (60) and an electrochemical hydrogen pump (70), a sixteenth piping line (L16) connecting the electrochemical hydrogen pump (70) and the eleventh piping line (L11), and a seventeenth piping line (L17) connected to the electrochemical hydrogen pump (70) to discharge nitrogen.
  • an eleventh piping line (L11) connecting an ammonia supply unit (10) and a fuel heat exchanger (40)
  • the 11th pipeline (L11) connects the ammonia supply unit (10) and the fuel heat exchanger (40), and can supply ammonia supplied as fuel from the ammonia supply unit (10) to the fuel heat exchanger (40).
  • the 12th pipeline (L12) can connect a fuel heat exchanger (40) and a solid oxide fuel cell (30).
  • the 13th pipeline (L13) connects a solid oxide fuel cell (30) and a fuel heat exchanger (40), and can supply a high-temperature reaction product containing nitrogen, hydrogen, and water vapor, which is discharged after reaction in the solid oxide fuel cell (30), to the fuel heat exchanger (40).
  • the high temperature reaction product supplied from the solid oxide fuel cell cell (30) to the fuel heat exchanger (40) through the 13th pipeline line (L13) and the ammonia supplied from the ammonia supply unit (10) to the fuel heat exchanger (40) through the 11th pipeline line (L11) exchange heat with each other in the fuel heat exchanger (40), and the ammonia whose temperature has increased through the heat exchange can be supplied to the anode electrode (31) of the solid oxide fuel cell cell (30).
  • the 14th pipeline (L14) connects the fuel heat exchanger (40) and the condenser (60), and can supply the reaction product whose temperature has been lowered after heat exchange with ammonia in the fuel heat exchanger (40) to the condenser (60).
  • a cooling heat exchanger (61) and a drain section (63) of a condenser section (60) can be installed in the 14th pipeline (L14).
  • the 15th pipeline (L15) connects the condenser (60) and the electrochemical hydrogen pump (70), and can supply a mixed gas of nitrogen and hydrogen with moisture removed through the condenser (60) to the electrochemical hydrogen pump (70).
  • the 16th pipeline (L16) connects the electrochemical hydrogen pump (70) and the 11th pipeline (L11), and can supply hydrogen separated from the electrochemical hydrogen pump (70) to the 11th pipeline (L11).
  • a first mixer (13) can be installed at the connection point between the 11th pipeline line (L11) and the 16th pipeline line (L16), and the first mixer (13) can mix hydrogen supplied from an electrochemical hydrogen pump (70) through the 16th pipeline line (L16) with ammonia supplied from an ammonia supply unit (10) to a solid oxide fuel cell (30) through the 11th pipeline line (L11).
  • the 17th pipeline (L17) is connected to one side of an electrochemical hydrogen pump (70) and can discharge nitrogen separated from the electrochemical hydrogen pump (70).
  • the 17th pipeline (L17) is connected to one side of an electrochemical hydrogen pump (70) and can discharge a mixed gas containing nitrogen and some hydrogen.
  • the piping assembly may include a 21st piping line (L21) connecting the air supply unit (20) and the air heat exchanger (50), a 22nd piping line (L22) connecting the air heat exchanger (20) and the solid oxide fuel cell cell (30), a 23rd piping line (L23) connecting the solid oxide fuel cell cell (30) and the air heat exchanger (50), and a 24th piping line (L24) connected to the air heat exchanger (50) to discharge the reacted exhaust gas.
  • the 21st pipeline (L21) connects the air supply unit (20) and the air heat exchanger (50), and can supply air supplied from the air supply unit (20) to the air heat exchanger (50).
  • the 22nd pipeline (L22) can connect the air heat exchanger (20) and the solid oxide fuel cell (30).
  • the 23rd pipeline (L23) connects the solid oxide fuel cell cell (30) and the air heat exchanger (50), and can supply the exhaust gas discharged after reaction in the solid oxide fuel cell cell (30) to the air heat exchanger (50).
  • the high-temperature exhaust gas supplied from the solid oxide fuel cell cell (30) to the air heat exchanger (50) through the 23rd pipeline line (L23) and the air supplied from the air supply unit (20) to the air heat exchanger (50) through the 21st pipeline line (L21) exchange heat with each other in the air heat exchanger (50), and the air whose temperature has increased through the heat exchange can be supplied to the cathode electrode (33) of the solid oxide fuel cell cell (30).
  • the 24th pipeline (L24) is connected to an air heat exchanger (50) and can discharge exhaust gas whose temperature has been lowered after heat exchange with air supplied to a solid oxide fuel cell (30) through the air heat exchanger (50).
  • the control unit is connected to the ammonia supply unit (10) and can control the flow rate of ammonia supplied to the solid oxide fuel cell cell (30) through the ammonia supply unit (10).
  • the control unit is connected to the air supply unit (20) and can control the flow rate of air supplied to the solid oxide fuel cell cell (30) through the air supply unit (20).
  • the control unit can be controllably connected to the solid oxide fuel cell cell (30).
  • the control unit can be controllably connected to the electrochemical hydrogen pump (70). Specifically, the control unit can control the amount of current load applied to the electrochemical hydrogen pump (70) to control the amount of hydrogen separated from a mixed gas containing nitrogen and hydrogen through the electrochemical hydrogen pump (70).
  • control unit can selectively supply hydrogen separated from nitrogen through the electrochemical hydrogen pump (70) to ammonia supplied to the solid oxide fuel cell (30) by controlling the current load applied to the electrochemical hydrogen pump (70).
  • the control unit may further include a sensor for measuring the concentration of ammonia supplied as fuel and the concentration of reaction products such as hydrogen, nitrogen, water vapor and exhaust gas by reacting ammonia.
  • the sensor may be installed in the piping assembly to measure each concentration and then transmit it to the control unit.
  • Ammonia is supplied from the ammonia supply unit (10) to the solid oxide fuel cell cell (30) through the 11th pipeline line (L11) and the 12th pipeline line (L12).
  • a fuel blower (11) provided between the ammonia supply unit (10) and the solid oxide fuel cell cell (30) is driven to supply ammonia from the ammonia supply unit (10) to the solid oxide fuel cell cell (30).
  • Air is supplied to the solid oxide fuel cell cell (30) through the 21st pipeline line (L21) and the 22nd pipeline line (L22) from the air supply unit (20).
  • the first air blower (21) provided between the air supply unit (20) and the solid oxide fuel cell cell (30) is driven to supply air from the air supply unit (20) to the solid oxide fuel cell cell (30).
  • Ammonia and air supplied to the solid oxide fuel cell cell (30) ionize oxygen at the cathode electrode (33) of the solid oxide fuel cell cell (30), and the ionized oxygen ions move through an ion conducting membrane and then react with hydrogen reformed from ammonia at the anode electrode (31) to generate reaction products including electricity and water vapor.
  • the reaction products may include hydrogen unreacted with oxygen ions, nitrogen reformed from ammonia, and water vapor generated by the reaction of hydrogen and oxygen ions.
  • the reaction product generated at the anode electrode (31) of the solid oxide fuel cell (30) is supplied to the fuel heat exchanger (40) through the 13th pipeline line (L13), and the high temperature reaction product supplied to the fuel heat exchanger (40) undergoes heat exchange with ammonia supplied to the fuel heat exchanger (40) from the ammonia supply unit (10) through the 11th pipeline line (L11), and then is supplied to the condenser (60) through the 14th pipeline line (L14).
  • Ammonia whose temperature has increased after heat exchange with the high-temperature reaction product in the fuel heat exchanger (40), is supplied to the solid oxide fuel cell (30) and decomposed into hydrogen and nitrogen.
  • the reaction product supplied to the condenser (60) is cooled and condensed through the cooling heat exchanger (61), and at this time, the water vapor is condensed into water and discharged through the drain section (63).
  • a mixed gas containing nitrogen and hydrogen from which moisture has been discharged through a condenser (60) is supplied to an electrochemical hydrogen pump (70) through a 15th pipeline (L15), and a proton exchange membrane of the electrochemical hydrogen pump (70) is used and operated at a temperature of 50°C to 100°C to separate only hydrogen from the mixed gas.
  • the separated hydrogen is supplied to the 11th pipeline line (L11) through the 16th pipeline line (L16), and is supplied to the first mixer (13) provided at the connection between the 11th pipeline line (L11) and the 16th pipeline line (L16).
  • ammonia supplied from the ammonia supply unit (10) to the solid oxide fuel cell cell (30) is supplied to the first mixer (13).
  • heat is exchanged with the high-temperature reaction product in the fuel heat exchanger (40), and the hydrogen and ammonia, whose temperature has increased through the heat exchange, are supplied to the solid oxide fuel cell cell (30) through the 12th pipeline line (L12).
  • Nitrogen separated through the electrochemical hydrogen pump (70) is discharged to the outside through the 17th pipeline (L17).
  • the exhaust gas generated at the cathode electrode (33) of the solid oxide fuel cell (30) is supplied to the air heat exchanger (50) through the 23rd pipeline line (L23), and the high-temperature exhaust gas supplied to the air heat exchanger (50) undergoes heat exchange with the air supplied to the air heat exchanger (50) from the air supply unit (20) through the 21st pipeline line (L21) and is then discharged (Vent) through the 24th pipeline line (L24).
  • ammonia and air supplied to the solid oxide fuel cell cell (30) are discharged from the solid oxide fuel cell cell (30), but are heat-exchanged with the reaction products and exhaust gas whose temperature has increased, and then are supplied to the solid oxide fuel cell cell (30) again after being raised to a predetermined temperature, thereby enabling the solid oxide fuel cell cell (30) to be operated in accordance with temperature conditions under high temperatures.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing a solid oxide fuel cell recirculation system using an electrochemical hydrogen pump according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing a process in which external air is introduced into a heating unit and heated, and then the heated air is mixed with exhaust gas discharged from a solid oxide fuel cell and heat is exchanged in an air heat exchanger in a solid oxide fuel cell recirculation system using an electrochemical hydrogen pump according to a second embodiment of the present invention.
  • the solid oxide fuel cell recirculation system using an electrochemical hydrogen pump according to the second embodiment of the present invention has the same structure as the solid oxide fuel cell recirculation system using an electrochemical hydrogen pump according to the first embodiment described above, except for the heating unit and the structure of the heating unit, and therefore, a duplicate description of the same configuration will be omitted.
  • a solid oxide fuel cell recirculation system (1b) using an electrochemical hydrogen pump according to the second embodiment of the present invention may include a heating unit (80).
  • the heating unit (80) is intended to further increase the temperature of the high-temperature exhaust gas discharged from the solid oxide fuel cell cell (30). By heating the exhaust gas discharged after reaction in the solid oxide fuel cell cell (30) once again to increase the temperature of the exhaust gas, the temperature of the air supplied from the air supply unit (20) to the air heat exchanger (50) and then exchanged with the exhaust gas can be further increased.
  • the heating unit (80) may be either a burner or a catalytic converter and may be connected to the air heat exchanger (50). Specifically, the heating unit (80) may be connected to the 23rd pipe line (L23) connecting the solid oxide fuel cell (30) and the air heat exchanger (50) through the 25th pipe line (L25). Accordingly, the 25th pipe line (L25) may connect the heating unit (80) and the 23rd pipe line (L23).
  • the heating unit (80) may be provided with a 26th pipe line (L26) on one side to introduce external air into the heating unit (80).
  • the 26th pipe line (L26) may be installed with a second air blower (81) for sucking external air into the heating unit (80). Accordingly, the second air blower (81) can forcibly introduce external air into the heating unit (80).
  • a second mixer (23) may be installed at the connection between the 23rd pipeline line (L23) and the 25th pipeline line (L25) to mix the exhaust gas flowing into the air heat exchanger (50) from the solid oxide fuel cell (30) through the 23rd pipeline line (L23) with the air heated through the heating unit (80) and then flowing into the air heat exchanger (50) through the 25th pipeline line (L25).
  • the second mixer (23) is provided at the connection between the 23rd pipeline line (L23) and the 25th pipeline line (L25), and the mixed gas can be supplied to the air heat exchanger (50) through the second mixer (23).
  • the heating unit (80) forcibly sucks in outside air through the second air blower (81), supplies it into the heating unit (80) through the 26th pipe line (L26), heats the sucked air, and supplies it to the second mixer (23) through the 25th pipe line (L25) to mix it with the exhaust gas discharged from the solid oxide fuel cell (30), thereby further increasing the temperature of the mixed gas supplied to the air heat exchanger (50).
  • the temperature of the external air heated through the heating unit (80) can be formed higher than the temperature of the exhaust gas discharged from the solid oxide fuel cell cell (30).
  • nitrogen from which hydrogen is separated through an electrochemical hydrogen pump (70) can be discharged to the outside through the 17th pipeline (L17).
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing a solid oxide fuel cell recirculation system using an electrochemical hydrogen pump according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing a process in which nitrogen or nitrogen and hydrogen discharged from an electrochemical hydrogen pump are introduced into a heating unit and heated, and then the heated nitrogen or nitrogen and hydrogen are mixed with exhaust gas discharged from a solid oxide fuel cell and heat is exchanged in an air heat exchanger in a solid oxide fuel cell recirculation system using an electrochemical hydrogen pump according to a third embodiment of the present invention.
  • the solid oxide fuel cell recirculation system using an electrochemical hydrogen pump according to the third embodiment of the present invention has the same structure as the solid oxide fuel cell recirculation system using an electrochemical hydrogen pump according to the second embodiment, except for the structure in which the electrochemical hydrogen pump is connected to the heating unit. Therefore, a duplicate description of the same configuration will be omitted.
  • the heating unit (80) of the solid oxide fuel cell recirculation system (1c) using an electrochemical hydrogen pump according to the third embodiment of the present invention has one side connected to the 17th pipeline line (L17) of the electrochemical hydrogen pump (70) so as to be supplied with nitrogen from which hydrogen has been removed from the electrochemical hydrogen pump (70).
  • heating unit (80) is connected to one side of the 17th pipeline (L17) connected to the electrochemical hydrogen pump (70) to discharge nitrogen from the electrochemical hydrogen pump (70) so that a mixed gas containing nitrogen and hydrogen can be supplied from the electrochemical hydrogen pump (70).
  • the heating unit (80) receives nitrogen from which hydrogen has been removed or a mixed gas containing nitrogen and hydrogen from an electrochemical hydrogen pump (70), heats it, and then supplies the heated nitrogen or nitrogen and hydrogen to a second mixer (23), and after being mixed with the exhaust gas supplied from a solid oxide fuel cell (30) through the second mixer (23), it can be supplied to an air heat exchanger (50).
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing a solid oxide fuel cell recirculation system using an electrochemical hydrogen pump according to a fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a schematic diagram showing a process in which external air and nitrogen or nitrogen and hydrogen discharged from an electrochemical hydrogen pump according to a fourth embodiment of the present invention are introduced into a heating unit, mixed and heated, and then the heated mixed gas is mixed with the exhaust gas discharged from a solid oxide fuel cell and heat is exchanged in an air heat exchanger.
  • a solid oxide fuel cell recirculation system using an electrochemical hydrogen pump according to the fourth embodiment of the present invention is configured to include the second and third embodiments, and thus, a duplicate description of the same configuration will be omitted.
  • the heating unit (80) of the solid oxide fuel cell recirculation system (1d) using an electrochemical hydrogen pump receives external air through the 26th pipeline line (L26), receives nitrogen from which hydrogen has been removed from the electrochemical hydrogen pump (70) through the 17th pipeline line (L17), and then mixes the supplied gas with external air to heat it, supplies the heated gas to the second mixer (23), and then mixes the exhaust gas supplied from the solid oxide fuel cell (30) through the second mixer (23), and then supplies it to the air heat exchanger (50).
  • the second air blower (81) can be driven to forcibly suck and supply nitrogen or a mixed gas containing nitrogen and hydrogen from the electrochemical hydrogen pump (70) to the heating unit.
  • the second air blower (81) can be driven to forcibly suck in outside air and supply it into the heating unit (80) through the 26th pipe line (L26).
  • the heating unit (80) can receive external air and mix and heat nitrogen or gas containing nitrogen and hydrogen discharged through an electrochemical hydrogen pump (70), and then mix this with the exhaust gas discharged from the solid oxide fuel cell (30) and supply it to the air heat exchanger (50).
  • the solid oxide fuel cell cell (30) can be operated to meet the temperature conditions under high temperatures.
  • the supply of gas or air to the heater can be selectively controlled, such as by supplying nitrogen or nitrogen and hydrogen to the heater (80) through an electrochemical hydrogen pump (70), heating it, and then supplying it to the air heat exchanger (50), or by sucking in external air, supplying it to the heater (80), heating it, and then supplying it to the air heat exchanger (50).
  • nitrogen from which hydrogen is separated can be discharged to the outside through the 17th pipeline (L17) through an electrochemical hydrogen pump (70) before or after heating the air. That is, nitrogen separated from the mixed gas can be discharged through the 17th pipeline (L17) from the electrochemical hydrogen pump (70), and through a heater (80) connected to the 17th pipeline (L17) and a 26th pipeline (L26) connected to the heater (80).
  • the heater (80) can be kept in the OFF state and the nitrogen separated through the electrochemical hydrogen pump (70) can be discharged to the outside while passing through the 17th pipeline (L17), the heater (80), and the 26th pipeline (L26) sequentially.
  • the heater (80) can serve as a passage for discharging nitrogen to the outside.
  • the second air blower (81) can forcibly suck nitrogen discharged from the electrochemical hydrogen pump (70) through the 17th pipe line (L17) into the heater (80) and then discharge the nitrogen to the outside through the 26th pipe line (L26).
  • the pipeline according to the present invention may be provided with at least one valve (not shown) for controlling the flow rate of the fluid.
  • the solid oxide fuel cell recirculation system (1a, 1b, 1c, 1d) using an electrochemical hydrogen pump according to the present invention can utilize existing solid oxide fuel cell cells whose durability and performance have been reduced to some extent due to use for a certain period of time, thereby reducing the overall device cost.
  • the electrochemical hydrogen pump (70) applied to the solid oxide fuel cell recirculation system (1a, 1b, 1c, 1d) using the electrochemical hydrogen pump according to one embodiment of the present invention does not require oxygen reduction reaction because oxygen does not participate in the reaction, and thus, the use of existing solid oxide fuel cell cells in which performance degradation and loss occur due to the oxygen reduction reaction is possible.

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학 수소펌프를 이용한 고체산화물 연료전지 재순환 시스템은, 암모니아 및 에어를 공급받아 전기화학반응을 통해 전기를 생산하고, 질소, 수소 및 수증기를 포함하는 반응 생성물과 산소농도가 저감된 공기인 배출가스를 배출하는 고체산화물 연료전지셀; 상기 암모니아를 상기 고체산화물 연료전지셀로 공급하는 암모니아 공급부; 상기 에어를 상기 고체산화물 연료전지셀로 공급하는 에어 공급부; 및 상기 고체산화물 연료전지셀의 상기 반응 생성물에서 수소만을 분리하여 상기 고체산화물 연료전지셀로 재공급하는 전기화학 수소펌프;를 포함할 수 있다.

Description

고체산화물 연료전지 재순환 시스템
본 발명은 양이온 교환막(Proton Exchange Membrane)을 사용하며 100℃ 이하의 온도에서 운전되는 전기화학 수소펌프를 이용한 고체산화물 연료전지 재순환 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 암모니아를 분해하여 생성된 질소와 수소의 혼합가스에서 수소만을 분리하고, 분리된 수소를 선택적으로 재순환시켜 시스템 전체 효율 및 연료 중 수소의 농도를 향상시킬 수 있는 전기화학 수소펌프를 이용한 고체산화물 연료전지 재순환 시스템에 관한 것이다.
최근 들어, 수소 가스를 이용하여 에너지를 생산하는 친환경 수소 연료 생산에 대한 연구가 증가하고 있다.
종래의 석탄 및 석유 등 에너지원의 경우 이산화탄소를 포함하는 반면에, 수소 가스는 이산화탄소를 전혀 포함하지 않고 대부분이 물로 전환되기 때문에, 에너지원으로 사용된 후 불필요한 부산물이 생성되지 않는다.
또한, 물로 전환 시에 큰 에너지를 발생시킬 수 있어 수소 가스를 이용하여 에너지를 생산하는 방법은 친환경적이고 이상적인 에너지원을 생산할 수 있어 관련 기술에 대한 관심이 증가되고 있는 실정이다.
한편, 수소를 에너지원으로 사용하기 위하여 수소 가스를 생산하는 방법 중 수소 캐리어로 암모니아(NH3)를 사용하는 방법이 주목받고 있다.
암모니아를 수소의 연료로 사용하기 위한 다양한 연료전지셀 시스템 중 하나인 고체산화물 연료전지셀(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC) 시스템은 600℃ 이상의 고온 영역에서 운전되며, 여러 연료전지셀 시스템 중 가장 효율을 높은 것으로 알려져 있으며, H2, CH4, CO, NH 계열 등의 여러 연료로 발전이 가능하기 때문에 최근 들어 많은 연구가 진행되고 있는 실정이다.
일반적으로, 고체산화물 연료전지셀 시스템은 연료의 최대 이용률을 80% 정도로 보고 있으며, 나머지 20% 정도의 연료는 반응되지 않고 버려지는 구조이며, 고체산화물 연료전지셀 시스템을 통해 암모니아에서 수소를 생산하는 경우, 최대 이용률은 80%보다 낮기 때문에, 시스템의 효율을 향상시키기 위해서는, 반응하지 못하고 배출되는 연료를 재순환시키는 구조가 요구된다.
이를 위하여, 종래의 고체산화물 연료전지셀 시스템은 블로어(Blower)를 이용하여 반응하지 못하고 배출되는 연료를 재순환하여 암모니아에서 수소를 생산하였다.
그러나, 블로어를 이용한 연료의 재순환 방식은 연료의 재순환량을 파악하기 어렵고, 질소와 수소를 분리할 수 없어 불필요한 반응 생성물인 질소가 수소와 함께 재순환되어 반응함으로써 수소의 수득률 저하 및 수소 농도의 저하가 발생되는 등 연료의 효율이 낮다는 문제가 있다.
또한, 질소가 수소와 함께 재순환되어 연료가 유동하는 배관라인에 유량이 커져 차압이 증가하고, 수소의 농도를 희석시켜 고체산화물 연료전지셀의 성능을 저하시키며, 이에 따라 시스템 전체의 효율을 감소시키는 문제가 있다.
따라서, 불필요한 질소의 재순환 및 이에 따라 배관라인의 차압이 증가를 방지하고, 질소에서 수소를 분리한 후 분리된 수소만을 재순환시켜 연료 효율을 향상시키는 방법이 요구되고 있는 실정이다.
상기한 바와 같은 기술적 배경을 바탕으로, 본 발명은 고체산화물 연료전지셀 시스템에 양이온 교환막(Proton Exchange Membrane)을 사용하며 100℃ 이하의 온도에서 운전되는 전기화학 수소펌프(EHP, Electrochemical Hydrogen Pump)를 적용하여 암모니아를 분해하여 생성된 질소와 수소의 혼합가스에서 수소만을 분리하고, 분리된 수소를 선택적으로 재순환시켜 불필요하게 발생되는 질소로 인해 배관라인 상에 발생될 수 있는 차압을 감소시키며, 연료 중 수소의 농도를 향상시켜 전체 효율을 증대시킬 수 있는 전기화학 수소펌프를 이용한 고체산화물 연료전지 재순환 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학 수소펌프를 이용한 고체산화물 연료전지 재순환 시스템은, 암모니아 및 에어를 공급받아 질소, 수소 및 수증기를 포함하는 반응 생성물과 배출가스로 변환하는 고체산화물 연료전지셀; 상기 암모니아를 상기 고체산화물 연료전지셀로 공급하는 암모니아 공급부; 상기 에어를 상기 고체산화물 연료전지셀로 공급하는 에어 공급부; 및 상기 고체산화물 연료전지셀의 상기 반응 생성물에서 수소만을 분리하여 상기 고체산화물 연료전지셀로 재공급하는 전기화학 수소펌프;를 포함할 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명에 따르면, 고체산화물 연료전지셀 시스템에 전기화학 수소펌프(EHP, Electrochemical Hydrogen Pump)를 적용하여 질소와 수소가 혼합된 혼합가스에서 수소를 분리한 후 분리된 수소만을 선택적으로 재순환시켜 수소의 농도를 향상시키고, 불필요한 질소의 순환에 따른 차압의 증가를 방지하여 열 교환 손실을 저감시킴으로써 고체산화물 연료전지셀의 용량을 향상시켜 고체산화물 연료전지셀 시스템의 전체 효율을 증대시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 의한 전기화학 수소펌프를 이용한 고체산화물 연료전지 재순환 시스템을 나타내는 계통도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 의한 전기화학 수소펌프를 이용한 고체산화물 연료전지 재순환 시스템에서 질소와 수소가 혼합된 암모니아 배출가스에서 수소를 분리하는 과정을 나타내는 계통도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 의한 전기화학 수소펌프를 이용한 고체산화물 연료전지 재순환 시스템을 나타내는 계통도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 의한 전기화학 수소펌프를 이용한 고체산화물 연료전지 재순환 시스템에서 외부의 에어가 가열부로 유입되어 가열된 후 가열된 에어가 고체산화물 연료전지셀에서 배출된 배출가스와 혼합되어 에어 열 교환기에서 열 교환되는 과정을 나타내는 계통도이다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 의한 전기화학 수소펌프를 이용한 고체산화물 연료전지 재순환 시스템을 나타내는 계통도이다.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 의한 전기화학 수소펌프를 이용한 고체산화물 연료전지 재순환 시스템에서 전기화학 수소펌프에서 배출되는 질소 또는 질소와 수소가 가열부로 유입되어 가열된 후 가열된 질소 또는 질소와 수소가 고체산화물 연료전지셀에서 배출된 배출가스와 혼합되어 에어 열 교환기에서 열 교환되는 과정을 나타내는 계통도이다.
도 7은 본 발명의 제4 실시예에 의한 전기화학 수소펌프를 이용한 고체산화물 연료전지 재순환 시스템을 나타내는 계통도이다.
도 8은 본 발명의 제4 실시예에 의한 전기화학 수소펌프를 이용한 고체산화물 연료전지 재순환 시스템에서 외부의 에어 및 전기화학 수소펌프에서 배출되는 질소 또는 질소와 수소가 가열부로 유입되어 혼합 및 가열된 후 가열된 혼합가스가 고체산화물 연료전지셀에서 배출된 배출가스와 혼합되어 에어 열 교환기에서 열 교환되는 과정을 나타내는 계통도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지 재순환 시스템은 암모니아 및 에어를 공급받아 전기화학반응을 통해 전기를 생산하고, 질소, 수소 및 수증기를 포함하는 반응 생성물과 산소농도가 저감된 공기인 배출가스를 배출하는 고체산화물 연료전지셀; 상기 암모니아를 상기 고체산화물 연료전지셀로 공급하는 암모니아 공급부; 상기 에어를 상기 고체산화물 연료전지셀로 공급하는 에어 공급부; 및 상기 고체산화물 연료전지셀의 상기 반응 생성물에서 수소만을 분리하여 상기 고체산화물 연료전지셀로 재공급하는 전기화학 수소펌프;를 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 고체산화물 연료전지 재순환 시스템은, 상기 고체산화물 연료전지셀에서 반응 후 배출되는 고온의 상기 반응 생성물을 상기 고체산화물 연료전지셀로 공급되는 상기 암모니아와 열 교환시키는 연료 열 교환기; 상기 고체산화물 연료전지셀에서 반응 후 배출되는 고온의 상기 배출가스를 상기 고체산화물 연료전지셀로 공급되는 상기 에어와 열 교환시키는 에어 열 교환기; 및 상기 연료 열 교환기를 통해 열 교환된 상기 반응 생성물을 응축하는 응축부;를 더 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 응축부는 상기 연료 열 교환기를 통해 공급되는 상기 반응 생성물과 열 교환을 통해 상기 수증기를 응축시키는 냉각 열 교환기, 및 상기 냉각 열 교환기를 통해 응축된 물을 외부로 배출하는 드레인부를 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 전기화학 수소펌프는 상기 질소와 상기 수소가 혼합된 혼합가스에서 상기 수소를 분리하고, 분리된 상기 수소를 선택적으로 상기 암모니아 공급부에서 상기 연료 열 교환기로 공급되는 상기 암모니아에 혼합할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 전기화학 수소펌프는 전류부하량을 제어하여 상기 혼합가스에서 분리되는 수소량을 조절할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 고체산화물 연료전지 재순환 시스템은 상기 에어 공급부에서 공급되는 상기 에어의 온도를 상승시키는 가열부를 더 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 가열부는 버너 또는 촉매변환기 중 어느 하나일 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 가열부는 상기 고체산화물 연료전지셀에서 배출되는 상기 배출가스를 가열할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 가열부는 외기를 흡입하여 가열하고, 가열된 상기 외기를 상기 배출가스와 혼합하여 상기 배출가스를 가열할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 가열부는 상기 전기화학 수소펌프로부터 상기 수소가 제거된 상기 질소를 공급받을 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 암모니아 공급부는 일측에 상기 암모니아를 상기 고체산화물 연료전지셀로 공급하기 위한 연료 블로어가 구비될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 에어 공급부는 일측에 상기 에어를 상기 고체산화물 연료전지셀로 공급하기 위한 에어 블로어가 구비될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 전기화학 수소펌프는 50℃ 내지 100℃의 온도에서 운전될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 고체산화물 연료전지 재순환 시스템은, 상기 고체산화물 연료전지셀, 상기 암모니아 공급부, 상기 에어 공급부 및 상기 전기화학 수소펌프의 동작을 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 제어부는 상기 전기화학 수소펌프에 인가되는 전류부하량의 제어를 통해 상기 수소의 분리량을 제어할 수 있다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다.
이하에서는, 본 발명의 제1 실시예에 따른 전기화학 수소펌프를 이용한 고체산화물 연료전지 재순환 시스템에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 의한 전기화학 수소펌프를 이용한 고체산화물 연료전지 재순환 시스템을 나타내는 계통도이다. 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 의한 전기화학 수소펌프를 이용한 고체산화물 연료전지 재순환 시스템에서 질소와 수소가 혼합된 암모니아 배출가스에서 수소를 분리하는 과정을 나타내는 계통도이다.
도 1을 참조하여 설명하면, 본 발명에 의한 전기화학 수소펌프를 이용한 고체산화물 연료전지 재순환 시스템(1a)은 암모니아 공급부(10), 에어 공급부(20), 고체산화물 연료전지셀(30), 연료 열 교환기(40), 에어 열 교환기(50), 응축부(60), 전기화학 수소펌프(70), 배관 어셈블리(미도시) 및 제어부(미도시)를 포함할 수 있다.
암모니아 공급부(10)는 연료로서 암모니아(NH3)를 고체산화물 연료전지셀(30)로 공급하기 위한 것으로서, 본 실시예에 의한 전기화학 수소펌프를 이용한 고체산화물 연료전지 재순환 시스템(1a)의 선단에 구비될 수 있다.
여기서, 암모니아 공급부(10)와 고체산화물 연료전지셀(30)의 사이에는 암모니아의 공급을 위한 밸브가 장착될 수 있다. 암모니아 공급부(10)는 가열 및/또는 가압상태를 가질 수 있고, 이에 따라 밸브의 동작에 의해 암모니아 공급부(10) 내의 암모니아는 고체산화물 연료전지셀(30)로 공급되거나 중단될 수 있다.
선택적 실시예로, 암모니아 공급부(10)와 고체산화물 연료전지셀(30)의 사이에는 암모니아 공급부(10)의 암모니아를 고체산화물 연료전지셀(30)로 공급하기 위한 연료 블로어(11)가 설치될 수 있다.
에어 공급부(20)는 에어를 고체산화물 연료전지셀(30)로 공급하기 위한 것으로서, 본 실시예에 의한 전기화학 수소펌프를 이용한 고체산화물 연료전지 재순환 시스템(1a)의 선단에 구비될 수 있다.
여기서, 에어 공급부(20)를 통해 고체산화물 연료전지셀(30)로 공급되는 에어는 공기, 산소를 의미하는 것으로서, 고체산화물 연료전지셀(30)에서 암모니아 공급부(10)를 통해 공급되는 암모니아와 반응하여 질소, 수소, 수증기 및 배출 가스 등의 반응 생성물을 생성할 수 있다.
에어 공급부(20)와 고체산화물 연료전지셀(30)의 사이에는 에어의 공급 동작을 제어하기 위한 밸브가 위치할 수 있다. 선택적 실시예로,, 에어 공급부(20)와 고체산화물 연료전지셀(30)의 사이에는 에어 공급부(20)의 에어를 고체산화물 연료전지셀(30)로 공급하기 위한 에어 블로어(21)가 설치될 수 있다.
고체산화물 연료전지셀(SOFC : Solid Oxide Fuel Cell, 30)은 암모니아 공급부(10) 및 에어 공급부(20)로부터 연로로서 암모니아와 에어를 공급받아 전기화학적반응을 통해 전기를 생산할 수 있다. 또한, 공급된 암모니아는 개질로 인하여 질소와 수소를 생성하며, 고체산화물 연료전지셀(30)의 전기화학적반응을 통해 수증기가 배출될 수 있다. 또한, 에어 공급부(20)에서 공급된 에어는 산소의 농도가 저감되어 고체산화물 연료전지셀(30)로부터 배출된다.
이하에서는, 암모니아의 개질로 생성된 질소와 수소, 고체산화물 연료전지셀(30)의 전기화학적반응에 의해 생성된 수증기를 모두 지칭하여 반응 생성물이라 하며, 고체산화물 연료전지셀(30)로부터 배출되는 산소의 농도가 저감된 공기를 배출가스라고 지칭한다.
여기서, 고체산화물 연료전지셀(30)은 일반적인 구성이므로, 이하에서는 간략하게 설명한다.
고체산화물 연료전지셀(30)은 산소 이온을 이동시켜주는 이온 전도막(미도시)과 이온 전도막의 일측과 타측에 구비되는 애노드(Anode) 전극(31)과 캐소드(Cathod) 전극(33)을 포함하고, 이온 전도막과 애노드 전극(31)과 캐소드 전극(33)이 적층 형성된 스택일 수 있다.
암모니아 공급부(10)로부터 공급된 암모니아는 고체산화물 연료전지셀(30) 스택에서 수소와 질소로 개질(분해)되고, 분해된 수소는 애노드 전극(31)에서 산소 이온과 반응하여 전기와 수증기를 생성할 수 있다.
에어 공급부(20)로부터 공급된 산소는 캐소드 전극(33)에서 遑* 桎 渭 兼맺 ?헥, 이온 전도막을 통해 애노드 전극(31)으로 이동한 후, 암모니아로부터 분해된 수소와 반응하여 전기와 수증기를 생성한다.
한편, 연료 열 교환기(40) 및 에어 열 교환기(50)는 고온에서 작동하는 고체산화물 연료전지셀(30)을 통해 생성된 고온의 반응 생성물 및 배출가스로부터 열을 회수할 수 있다.
연료 열 교환기(40)는 고체산화물 연료전지셀(30)의 애노드 전극(31) 측에 연결될 수 있고, 에어 열 교환기(50)는 고체산화물 연료전지셀(30)의 캐소드 전극(33) 측에 연결될 수 있다.
연료 열 교환기(40)는 고체산화물 연료전지셀(30)에서 반응 후 배출되되, 반응으로 인해 온도가 상승한 질소, 수소 및 수증기 등의 반응 생성물로부터 열을 회수할 수 있다.
구체적으로, 연료 열 교환기(40)는 고체산화물 연료전지셀(30)에서 배출되는 고온의 반응 생성물과 암모니아 공급부(10)에서 공급되는 암모니아와의 열 교환을 통해 고체산화물 연료전지셀(30)로 공급되는 암모니아를 소정의 온도를 상승시킬 수 있다.
연료 열 교환기(40)는 암모니아 공급부(10)와 고체산화물 연료전지셀(30)의 사이에 구비될 수 있으나, 이에 한정하지 아니한다.
에어 열 교환기(50)는 고체산화물 연료전지셀(30)에서 반응 후 배출되되, 반응으로 인해 온도가 상승한 배가스(flue gas) 등의 배출가스로부터 열을 회수할 수 있다.
구체적으로, 에어 열 교환기(50)는 고체산화물 연료전지셀(30)에서 배출되는 고온의 배출가스와 에어 공급부(20)에서 공급되는 에어와의 열 교환을 통해 고체산화물 연료전지셀(30)로 공급되는 에어를 소정의 온도로 상승시킬 수 있다.
에어 열 교환기(50)는 에어 공급부(20)와 고체산화물 연료전지셀(30)의 사이에 구비될 수 있으나, 이에 한정하지 아니한다.
응축부(60)는 연료 열 교환기(40)를 통해 열 교환된 후 온도가 하강한 반응 생성물을 응축할 수 있다. 고체산화물 연료전지셀(30)의 최대 연료 이용률은 80% 정도이므로, 애노드 전극(31)에서 배출되는 질소, 수소 및 수증기를 포함하는 반응 생성물을 응축시키고, 응축으로 인해 발생된 물을 회수하여 배출함으로써 수소와 질소의 분압을 상승시킬 수 있다.
이를 위하여, 응축부(60)는 반응 생성물을 냉각하여 응축시키는 냉각 열 교환기(61) 및 냉각 열 교환기(61)를 통해 응축된 물을 드레인하여 배출하기 위한 드레인부(63)를 포함할 수 있다.
냉각 열 교환기(60)는 외부에서 소정의 온도를 갖는 냉수가 공급되어 연료 열 교환기(40)를 통해 소정의 온도로 하강한 반응 생성물을 다시 한번 소정의 온도로 하강시킬 수 있다.
전기화학 수소펌프(EHP : Electrochemical Hydrogen Compressor, 70)는 전기화학적 반응을 이용해 다양한 혼합기체속에서 수소만을 분리 추출할 수 있다.
전기화학 수소펌프(70)는 고체산화물 연료전지셀(30)의 반응 생성물에서 수소만을 분리하여 고체산화물 연료전지셀(30)로 재공급할 수 있다. 구체적으로, 전기화학 수소펌프(70)는 양이온 교환막(Proton Exchange Membrane)을 사용하여 질소와 수소를 포함하는 혼합가스에서 수소만을 분리할 수 있다. 한편, 양이온 교환막(Proton Exchange Membrane)이 물에 젖은 상태에서는 전도성을 띄고 우수한 성능을 가질 수 있다. 따라서, 대기압 상태에서 물이 기화되지 않도록 전기화학 수소펌프(70)는 100℃ 이하의 온도에서 구동될 수 있다. 다만, 전기화학 수소펌프(70)의 작동 온도가 50℃ 아래로 내려가면, 수소 이온의 이동에 대한 저항이 커져 전기화학 수소펌프(70)의 동작 효율이 감소할 수 있다. 따라서, 전기화학 수소펌프(70)의 동작 온도는 50℃ 이상 100℃ 이하일 수 있다. 다만, 가압 상태에서는 물이 기화되지 않는 한, 100℃보다 더 높은 온도에서 구동될 수 있다.
전기화학 수소펌프(70)는 저전력으로 응축부(60)를 통해 질소 및 수소가 혼합된 혼합가스에서 수소만을 펌핑하여 배출할 수 있다.
여기서, 전기화학 수소펌프(70)는 인가되는 전류부하량과 수소의 펌핑량이 비례하기 때문에, 전류부하량의 제어를 통해 원하는 만큼의 수소를 재순환시킬 수 있으며, 기존 블로어(미도시)에 비하여 제어가 용이할 수 있다.
또한, 전류부하량의 제어를 통해 즉각적인 반응 속도를 구현할 수 있어 질소와 수소의 혼합가스에서 분리되는 수소의 양을 신속하게 제어할 수 있다.
따라서, 배관라인 내 연료로서 암모니아의 농도 및 전기화학 수소펌프(70)에서 배출되는 질소로 인해 배관의 차압이 변화하여도 쉽게 원하는 만큼의 수소를 재순환시킬 수 있다.
이렇게, 전기화학 수소펌프(70)는 전류부하량을 제어하여 질소와 수소의 혼합가스에서 분리되는 수소량을 선택적으로 제어할 수 있을 뿐만 아니라, 전류부하량의 제어를 통해 수소의 재순환량 및 재순환 유량의 제어가 가능할 수 있다.
배관 어셈블리는 암모니아 공급부(10)와 연료 열 교환기(40)를 연결하는 제11 배관라인(L11), 연료 열 교환기(40)와 고체산화물 연료전지셀(30)을 연결하는 제12 배관라인(L12), 고체산화물 연료전지셀(30)과 연료 열 교환기(40)를 연결하는 제13 배관라인(L13), 연료 열 교환기(40)와 응축부(50)를 연결하는 제14 배관라인(L14), 응축부(60)와 전기화학 수소펌프(70)를 연결하는 제15 배관라인(L15), 전기화학 수소펌프(70)와 제11 배관라인(L11)을 연결하는 제16 배관라인(L16) 및 전기화학 수소펌프(70)에 연결되어 질소를 배출하는 제17 배관라인(L17)을 포함할 수 있다.
구체적으로, 제11 배관라인(L11)은 암모니아 공급부(10)와 연료 열 교환기(40)를 연결하고, 암모니아 공급부(10)에서 연료로서 공급되는 암모니아를 연료 열 교환기(40)로 공급할 수 있다.
제12 배관라인(L12)은 연료 열 교환기(40)와 고체산화물 연료전지셀(30)를 연결할 수 있다.
제13 배관라인(L13)은 고체산화물 연료전지셀(30)과 연료 열 교환기(40)를 연결하고, 고체산화물 연료전지(30)에서 반응 후 배출되되, 질소, 수소 및 수증기를 포함하는 고온의 반응 생성물을 연료 열 교환기(40)로 공급할 수 있다.
따라서, 제13 배관라인(L13)을 통해 고체산화물 연료전지셀(30)에서 연료 열 교환기(40)로 공급되는 고온의 반응 생성물과 제11 배관라인(L11)을 통해 암모니아 공급부(10)에서 연료 열 교환기(40)로 공급되는 암모니아가 연료 열 교환기(40)에서 서로 열 교환하고, 열 교환되어 온도가 상승한 암모니아가 고체산화물 연료전지셀(30)의 애노드 전극(31)으로 공급될 수 있다.
제14 배관라인(L14)은 연료 열 교환기(40)와 응축부(60)를 연결하고, 연료 열 교환기(40)에서 암모니아와 열 교환한 후 온도가 하강한 반응 생성물을 응축부(60)로 공급할 수 있다.
제14 배관라인(L14)에는 응축부(60)의 냉각 열 교환기(61) 및 드레인부(63)가 설치될 수 있다.
제15 배관라인(L15)은 응축부(60)와 전기화학 수소펌프(70)를 연결하고, 응축부(60)를 통해 수분이 제거된 질소와 수소의 혼합가스를 전기화학 수소펌프(70)로 공급할 수 있다.
제16 배관라인(L16)은 전기화학 수소펌프(70)와 제11 배관라인(L11)을 연결하고, 전기화학 수소펌프(70)에서 분리된 수소를 제11 배관라인(L11)으로 공급할 수 있다.
여기서, 제11 배관라인(L11)과 제16 배관라인(L16)의 연결부에는 제1 혼합기(13)가 설치될 수 있으며, 제1 혼합기(13)는 제16 배관라인(L16)을 통해 전기화학 수소펌프(70)에서 공급되는 수소와 제11 배관라인(L11)을 통해 암모니아 공급부(10)에서 고체산화물 연료전지셀(30)로 공급되는 암모니아가 혼합될 수 있다.
제17 배관라인(L17)은 전기화학 수소펌프(70)의 일측에 연결되어 전기화학 수소펌프(70)에서 분리된 질소를 배출할 수 있다.
또한, 제17 배관라인(L17)은 전기화학 수소펌프(70)의 일측에 연결되어 질소와 수소 일부가 혼합된 혼합가스를 배출할 수 있다.
배관 어셈블리는 에어 공급부(20)와 에어 열 교환기(50)를 연결하는 제21 배관라인(L21), 에어 열 교환기(20)와 고체산화물 연료전지셀(30)을 연결하는 제22 배관라인(L22), 고체산화물 연료전지셀(30)과 에어 열 교환기(50)를 연결하는 제23 배관라인(L23) 및 에어 열 교환기(50)와 연결되어 반응한 배출가스를 배출하는 제24 배관라인(L24)을 포함할 수 있다.
구체적으로, 제21 배관라인(L21)은 에어 공급부(20)와 에어 열 교환기(50)를 연결하고, 에어 공급부(20)에서 공급되는 에어를 에어 열 교환기(50)로 공급할 수 있다.
제22 배관라인(L22)은 에어 열 교환기(20)와 고체산화물 연료전지셀(30)을 연결할 수 있다.
제23 배관라인(L23)은 고체산화물 연료전지셀(30)과 에어 열 교환기(50)를 연결하고, 고체산화물 연료전지셀(30)에서 반응 후 배출되는 배출가스를 에어 열 교환기(50)로 공급할 수 있다.
따라서, 제23 배관라인(L23)을 통해 고체산화물 연료전지셀(30)에서 에어 열 교환기(50)로 공급되는 고온의 배출가스와 제21 배관라인(L21)을 통해 에어 공급부(20)에서 에어 열 교환기(50)로 공급되는 에어가 에어 열 교환기(50)에서 서로 열 교환하고, 열 교환되어 온도가 상승한 에어가 고체산화물 연료전지셀(30)의 캐소드 전극(33)으로 공급될 수 있다.
제24 배관라인(L24)은 에어 열 교환기(50)에 연결되어 에어 열 교환기(50)를 통해 고체산화물 연료전지셀(30)로 공급되는 에어와 열 교환한 후 온도가 하강한 배출가스를 배출할 수 있다.
제어부는 암모니아 공급부(10)에 연결되어 암모니아 공급부(10)를 통해 고체산화물 연료전지셀(30)로 공급되는 암모니아의 유량을 제어할 수 있다.
제어부는 에어 공급부(20)에 연결되어 에어 공급부(20)를 통해 고체산화물 연료전지셀(30)로 공급되는 에어의 유량을 제어할 수 있다.
제어부는 고체산화물 연료전지셀(30)에 제어 가능하게 연결될 수 있다.
제어부는 전기화학 수소펌프(70)에 제어 가능하게 연결될 수 있다. 구체적으로 제어부는 전기화학 수소펌프(70)에 인가되는 전류부하량을 제어하여 전기화학 수소펌프(70)를 통해 질소와 수소를 포함하는 혼합가스에서 수소의 분리량을 제어할 수 있다.
또한, 제어부는 전기화학 수소펌프(70)에 인가되는 전류부하량을 제어하여 전기화학 수소펌프(70)를 통해 질소에서 분리된 수소를 고체산화물 연료전지셀(30)로 공급되는 암모니아에 선택적으로 공급할 수 있다.
제어부는 연료로서 공급되는 암모니아의 농도 및 암모니아를 반응시켜 수소, 질소, 수증기 및 배출가스 등의 반응 생성물의 농도를 측정하기 위한 센서를 더 구비할 수 있으며, 센서는 배관 어셈블리에 설치되어 각각의 농도를 측정한 후 제어부로 전송할 수 있다.
이하, 본 발명의 제1 실시예에 의한 전기화학 수소펌프를 이용한 고체산화물 연료전지 재순환 시스템을 통해 암모니아에서 수소를 생산하는 과정 및 질소와 수소를 포함하는 혼합가스에서 수소만을 분리하여 연료에 선택적으로 공급하는 과정을 도 2를 참조하여 설명한다.
암모니아 공급부(10)에서 제11 배관라인(L11) 및 제12 배관라인(L12)을 통해 고체산화물 연료전지셀(30)로 암모니아를 공급한다.
여기서, 암모니아 공급부(10)와 고체산화물 연료전지셀(30)의 사이에 구비되는 연료 블로어(11)를 구동시켜 암모니아 공급부(10)의 암모니아를 고체산화물 연료전지셀(30)로 공급한다.
에어 공급부(20)에서 제21 배관라인(L21) 및 제22 배관라인(L22)을 통해 고체산화물 연료전지셀(30)로 에어를 공급한다.
여기서, 에어 공급부(20)와 고체산화물 연료전지셀(30)의 사이에 구비되는 제1 에어 블로어(21)를 구동시켜 에어 공급부(20)의 에어를 고체산화물 연료전지셀(30)로 공급한다.
고체산화물 연료전지셀(30)로 공급된 암모니아 및 에어는 고체산화물 연료전지셀(30)의 캐소드 전극(33)에서 산소를 이온화시키고, 이온화된 산소 이온은 이온 전도막을 통해 이동한 후 애노드 전극(31)에서 암모니아에서 개질된 수소와의 반응을 통해 전기와 수증기를 포함하는 반응 생성물을 생성한다. 반응 생성물은 산소 이온과 미반응한 수소, 암모니아로부터 개질된 질소 및 수소와 산소이온의 반응에 의해 생성된 수증기를 포함할 수 있다.
고체산화물 연료전지셀(30)의 애노드 전극(31)에서 생성된 반응 생성물은 제13 배관라인(L13)을 통해 연료 열 교환기(40)로 공급되고, 연료 열 교환기(40)로 공급된 고온의 반응 생성물은 제11 배관라인(L11)을 통해 암모니아 공급부(10)에서 연료 열 교환기(40)로 공급되는 암모니아와 열 교환 후 제14 배관라인(L14)을 통해 응축기(60)로 공급된다.
연료 열 교환기(40)에서 고온의 반응 생성물과 열 교환 후 온도가 상승한 암모니아는 고체산화물 연료전지셀(30)로 공급되어 수소와 질소로 분해된다.
상기한 과정은 반복적으로 수행하면서, 온도가 상승한 암모니아는 고체산화물 연료전지셀(30)로 공급되고, 온도가 하강한 반응 생성물은 응축부(60)로 공급된다.
응축부(60)로 공급된 반응 생성물은 냉각 열 교환기(61)를 통해 냉각되어 응축되고, 이때 수증기는 물로 응축되어 드레인부(63)를 통해 배출된다.
응축부(60)를 통해 수분이 배출된 질소와 수소를 포함하는 혼합가스는 제15 배관라인(L15)을 통해 전기화학 수소펌프(70)로 공급되고, 전기화학 수소펌프(70)의 양이온 교환막(Proton Exchange Membrane)을 사용하며 50℃ 내지 100℃의 온도에서 운전되어 혼합가스에서 수소만을 분리한다.
분리된 수소는 제16 배관라인(L16)을 통해 제11 배관라인(L11)으로 공급하되, 제11 배관라인(L11)과 제16 배관라인(L16)의 연결부에 구비되는 제1 혼합기(13)로 공급되고, 또한 암모니아 공급부(10)에서 고체산화물 연료전지셀(30)로 공급되는 암모니아가 제1 혼합기(13)로 공급되며, 제1 혼합기(13)에서 순수 수소와 암모니아가 혼합된 후 연료 열 교환기(40)에서 고온의 반응 생성물과 열 교환하고, 열 교환을 통해 온도가 상승한 수소와 암모니아는 제12 배관라인(L12)을 통해 고체산화물 연료전지셀(30)로 공급된다.
이렇게, 암모니아 공급부(10)에서 고체산화물 연료전지셀(30)로 공급되는 암모니아에 수소가 반복적으로 혼합됨으로써 전체적으로 수소의 농도를 향상시킬 수 있고, 그 결과 고체산화물 연료전지셀(30)의 전기화학적 반응효율이 향상될 수 있다.
전기화학 수소펌프(70)를 통해 분리된 질소는 제17 배관라인(L17)을 통해 외부로 배출된다.
한편, 고체산화물 연료전지셀(30)의 캐소드 전극(33)에서 생성된 배출가스는 제23 배관라인(L23)을 통해 에어 열 교환기(50)로 공급되고, 에어 열 교환기(50)로 공급된 고온의 배출가스는 제21 배관라인(L21)을 통해 에어 공급부(20)에서 에어 열 교환기(50)로 공급되는 에어와 열 교환 후 제24 배관라인(L24)을 통해 배출(Vent)된다.
이렇게, 고체산화물 연료전지셀(30)로 공급되는 암모니아 및 에어는 고체산화물 연료전지셀(30)에서 배출되되, 온도가 상승한 반응 생성물 및 배출가스와 열 교환되어 소정의 온도로 상승한 후 다시 고체산화물 연료전지셀(30)로 공급됨으로써 고체산화물 연료전지셀(30)을 고온 하의 온도조건에 부합하도록 운용할 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 제2 실시예에 따른 전기화학 수소펌프를 이용한 고체산화물 연료전지 재순환 시스템에 대하여 설명한다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 의한 전기화학 수소펌프를 이용한 고체산화물 연료전지 재순환 시스템을 나타내는 계통도이다. 도 4는 본 발명의 제2 실시예에 의한 전기화학 수소펌프를 이용한 고체산화물 연료전지 재순환 시스템에서 외부의 에어가 가열부로 유입되어 가열된 후 가열된 에어가 고체산화물 연료전지셀에서 배출된 배출가스와 혼합되어 에어 열 교환기에서 열 교환되는 과정을 나타내는 계통도이다.
본 발명의 제2 실시예에 의한 전기화학 수소펌프를 이용한 고체산화물 연료전지 재순환 시스템은 가열부 및 가열부의 구조를 제외하고는, 상기한 제1 실시예에 따른 전기화학 수소펌프를 이용한 고체산화물 연료전지 재순환 시스템과 동일한 구조이므로, 동일한 구성에 대한 중복 설명은 생략하기로 한다.
도 3 및 도 4를 참조하여 설명하면, 본 발명의 제2 실시예에 의한 전기화학 수소펌프를 이용한 고체산화물 연료전지 재순환 시스템(1b)은 가열부(80)를 포함할 수 있다.
가열부(80)는 고체산화물 연료전지셀(30)에서 배출되는 고온의 배출가스의 온도를 보다 상승시키기 위한 것으로서, 고체산화물 연료전지셀(30)에서 반응 후 배출되는 배출가스를 다시 한번 가열하여 배출가스의 온도를 상승시킴으로써 에어 공급부(20)에서 에어 열 교환기(50)로 공급된 후 배출가스와 열 교환하는 에어의 온도를 보다 상승시킬 수 있다.
가열부(80)는 버너 또는 촉매변환기 중 어느 하나일 수 있으며, 에어 열 교환기(50)와 연결될 수 있다.구체적으로, 가열부(80)는 고체산화물 연료전지셀(30)과 에어 열 교환기(50)를 연결하는 제23 배관라인(L23)에 제25 배관라인(L25)으로 연결될 수 있다. 따라서, 제25 배관라인(L25)은 가열부(80)와 제23 배관라인(L23)을 연결할 수 있다.
가열부(80)는 일측에 외부의 에어를 가열부(80) 내로 유입하기 위한 제26 배관라인(L26)이 구비될 수 있다.
이때, 제26 배관라인(L26)은 외부의 에어를 가열부(80) 내로 흡입시키기 위한 제2 에어 블로어(81)가 설치될 수 있다. 이에 따라, 제2 에어 블로어(81)는 외부의 에어를 가열부(80) 내에 강제로 유입시킬 수 있다.
여기서, 제23 배관라인(L23)과 제25 배관라인(L25)의 연결부에는 제23 배관라인(L23)을 통해 고체산화물 연료전지셀(30)에서 에어 열 교환기(50)로 유입되는 배출가스와 가열부(80)를 통해 가열된 후 제25 배관라인(L25)을 통해 에어 열 교환기(50)로 유입되는 에어를 혼합하기 위한 제2 혼합기(23)가 설치될 수 있다.
제2 혼합기(23)는 제23 배관라인(L23)과 제25 배관라인(L25)의 연결부에 구비되고, 제2 혼합기(23)를 통해 혼합된 가스를 에어 열 교환기(50)에 공급시킬 수 있다.
따라서, 가열부(80)는 제2 에어 블로어(81)를 통해 강제로 외기를 흡입하여 제26 배관라인(L26)을 통해 가열부(80) 내로 공급하고, 흡입된 에어를 가열한 후 제25 배관라인(L25)을 통해 제2 혼합기(23)로 공급하여 고체산화물 연료전지셀(30)에서 배출되는 배출가스와 혼합시켜 에어 열 교환기(50)로 공급되는 혼합가스의 온도를 보다 상승시킬 수 있다.
여기서, 가열부(80)를 통해 가열되는 외부의 에어의 온도는 고체산화물 연료전지셀(30)에서 배출되는 배출가스의 온도보다 높게 형성될 수 있다.
한편, 전기화학 수소펌프(70)를 통해 수소가 분리된 질소를 제17 배관라인(L17)을 통해 외부로 배출할 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 제3 실시예에 따른 전기화학 수소펌프를 이용한 고체산화물 연료전지 재순환 시스템에 대하여 설명한다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 의한 전기화학 수소펌프를 이용한 고체산화물 연료전지 재순환 시스템을 나타내는 계통도이다. 도 6은 본 발명의 제3 실시예에 의한 전기화학 수소펌프를 이용한 고체산화물 연료전지 재순환 시스템에서 전기화학 수소펌프에서 배출되는 질소 또는 질소와 수소가 가열부로 유입되어 가열된 후 가열된 질소 또는 질소와 수소가 고체산화물 연료전지셀에서 배출된 배출가스와 혼합되어 에어 열 교환기에서 열 교환되는 과정을 나타내는 계통도이다.
본 발명의 제3 실시예에 의한 전기화학 수소펌프를 이용한 고체산화물 연료전지 재순환 시스템은 전기화학 수소펌프가 가열부와 연결되는 구조를 제외하고는, 상기한 제2 실시예에 따른 전기화학 수소펌프를 이용한 고체산화물 연료전지 재순환 시스템과 동일한 구조이므로, 동일한 구성에 대한 중복 설명은 생략하기로 한다.
도 5 및 도 6을 참조하여 설명하면, 본 발명의 제3 실시예에 의한 전기화학 수소펌프를 이용한 고체산화물 연료전지 재순환 시스템(1c)의 가열부(80)는 전기화학 수소펌프(70)의 제17 배관라인(L17)에 일측이 연결되어 전기화학 수소펌프(70)로부터 수소가 제거된 질소를 공급받을 수 있다.
또한, 가열부(80)는 전기화학 수소펌프(70)에서 질소를 배출하기 위하여 전기화학 수소펌프(70)에 연결되는 제17 배관라인(L17)의 일측에 연결되어 전기화학 수소펌프(70)로부터 질소와 수소가 포함된 혼합가스를 공급받을 수 있다.
이렇게, 가열부(80)는 전기화학 수소펌프(70)에서 수소가 제거된 질소 또는 질소와 수소가 포함된 혼합가스를 공급받아 가열한 후 가열된 질소 또는 질소와 수소를 제2 혼합기(23)로 공급하고, 제2 혼합기(23)를 통해 고체산화물 연료전지셀(30)에서 공급된 배출가스와 혼합된 후 에어 열 교환기(50)로 공급될 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 제4 실시예에 따른 전기화학 수소펌프를 이용한 고체산화물 연료전지 재순환 시스템에 대하여 설명한다.
도 7은 본 발명의 제4 실시예에 의한 전기화학 수소펌프를 이용한 고체산화물 연료전지 재순환 시스템을 나타내는 계통도이다. 도 8은 본 발명의 제4 실시예에 의한 전기화학 수소펌프를 이용한 고체산화물 연료전지 재순환 시스템에서 외부의 에어 및 전기화학 수소펌프에서 배출되는 질소 또는 질소와 수소가 가열부로 유입되어 혼합 및 가열된 후 가열된 혼합가스가 고체산화물 연료전지셀에서 배출된 배출가스와 혼합되어 에어 열 교환기에서 열 교환되는 과정을 나타내는 계통도이다.
본 발명의 제4 실시예에 의한 전기화학 수소펌프를 이용한 고체산화물 연료전지 재순환 시스템은 제2 실시예 및 제3 실시예를 포함하는 구성으로서, 동일한 구성에 대한 중복 설명은 생략하기로 한다.
도 7 및 도 8을 참조하여 설명하면, 본 발명의 제4 실시예에 의한 전기화학 수소펌프를 이용한 고체산화물 연료전지 재순환 시스템(1d)의 가열부(80)는 제26 배관라인(L26)을 통해 외부의 에어를 공급받고, 제17 배관라인(L17)을 통해 전기화학 수소펌프(70)에서 수소가 제거된 질소, 질소와 수소가 포함된 혼합가스를 공급받은 후 공급받은 가스와 외부의 에어를 혼합하여 가열하고, 가열된 가스를 제2 혼합기(23)로 공급한 후 제2 혼합기(23)를 통해 고체산화물 연료전지셀(30)에서 공급된 배출가스와 혼합된 후 에어 열 교환기(50)로 공급될 수 있다.
이때, 제2 에어 블로어(81)를 구동시켜 전기화학 수소펌프(70)의 질소 또는 질소와 수소가 포함된 혼합가스를 가열부로 강제 흡입하여 공급할 수 있다.
또한, 제2 에어 블로어(81)를 구동시켜 강제로 외기를 흡입하여 제26 배관라인(L26)을 통해 가열부(80) 내로 공급할 수 있다.
이렇게, 가열부(80)는 외부의 에어를 공급받음과 함께, 전기화학 수소펌프(70)를 통해 배출되는 질소 또는 질소와 수소가 포함된 가스를 혼합하여 가열한 후 이를 고체산화물 연료전지셀(30)에서 배출되는 배출가스와 혼합하여 에어 열 교환기(50)로 공급할 수 있다.
따라서, 에어 공급부(20)에서 고체산화물 연료전지셀(30)로 공급되는 에어의 온도를 기존 대비 현저히 상승시킴으로써 고체산화물 연료전지셀(30)을 고온 하의 온도조건에 부합하도록 운용할 수 있다.
한편, 현장의 요구에 따라 전기화학 수소펌프(70)를 통해 질소 또는 질소와 수소를 가열기(80)로 공급하여 가열한 후 이를 에어 열 교환기(50)에 공급하거나, 외부의 에어를 흡입하여 가열기(80)로 공급한 후 가열하여 이를 에어 열 교환기(50)에 공급하는 등 가열기로 가스 또는 에어의 공급을 선택적으로 조절할 수 있다.
만약, 외부의 에어를 흡입하여 가열기(80)로 공급한 후 가열하여 이를 에어 열 교환기(50)에 공급하는 경우, 에어의 가열 전 또는 후에 전기화학 수소펌프(70)를 통해 수소가 분리된 질소를 제17 배관라인(L17)을 통해 외부로 배출할 수 있다. 즉, 전기화학 수소펌프(70)에서 제17 배관라인(L17)을 통해 배출되되, 제17 배관라인(L17)에 연결되는 가열기(80) 및 가열기(80)에 연결되는 제26 배관라인(L26)을 통해 혼합가스에서 분리된 질소를 배출할 수 있다.
또한, 현장 상황에 따라 에어 교환기(50)의 온도를 고체산화물 연료전지셀(30)에서 배출되는 배출가스의 온도 이상으로 상승시킬 필요가 없을 경우, 가열기(80)는 오프(OFF) 상태로 유지한 후 전기화학 수소펌프(70)를 통해 분리된 질소가 제17 배관라인(L17), 가열기(80) 및 제26 배관라인(L26)을 순차적으로 통과되면서 외부로 배출되도록 할 수 있다.
이때에는, 가열기(80)는 질소를 외부로 배출하기 위한 통로 역할을 수행할 수 있다.
또한, 제2 에어 블로어(81)는 제17 배관라인(L17)을 통해 전기화학 수소펌프(70)에서 배출되는 질소를 가열기(80)로 강제 흡입한 후 제26 배관라인(L26)을 통해 질소를 외부로 배출할 수 있다.
여기서, 본 발명에 의한 배관라인에는 유체의 유량을 제어하기 위한 밸브(미도시)가 적어도 하나 이상으로 구비될 수 있다.
한편, 본 발명에 의한 전기화학 수소펌프를 이용한 고체산화물 연료전지 재순환 시스템(1a, 1b, 1c, 1d)은 일정 기간 사용으로 인해 내구성 및 성능이 일정 부분 저하된 기존 고체산화물 연료전지셀의 활용이 가능하여, 전체 장치비용을 절감할 수 있다.
즉, 고체산화물 연료전지셀에서 성능 저하 및 손실이 발생하는 이유는 대부분 산소환원 반응(Oxygen Reduction Reaction)에 기인하나, 본 발명의 일 실시예에 의한 전기화학 수소펌프를 이용한 고체산화물 연료전지 재순환 시스템(1a, 1b, 1c, 1d)에 적용되는 전기화학 수소펌프(70)는 산소가 반응에 참여하지 않기 때문에, 산소환원 반응이 요구되지 않으며, 이에 따라 산소환원 반응으로 인해 성능 저하 및 손실이 발생한 기존 고체산화물 연료전지셀의 사용이 가능하다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한, 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.

Claims (15)

  1. 암모니아 및 에어를 공급받아 전기화학반응을 통해 전기를 생산하고, 질소, 수소 및 수증기를 포함하는 반응 생성물과 산소농도가 저감된 공기인 배출가스를 배출하는 고체산화물 연료전지셀;
    상기 암모니아를 상기 고체산화물 연료전지셀로 공급하는 암모니아 공급부;
    상기 에어를 상기 고체산화물 연료전지셀로 공급하는 에어 공급부; 및
    상기 고체산화물 연료전지셀의 상기 반응 생성물에서 수소만을 분리하여 상기 고체산화물 연료전지셀로 재공급하는 전기화학 수소펌프;를 포함하는 고체산화물 연료전지 재순환 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고체산화물 연료전지 재순환 시스템은,
    상기 고체산화물 연료전지셀에서 반응 후 배출되는 고온의 상기 반응 생성물을 상기 고체산화물 연료전지셀로 공급되는 상기 암모니아와 열 교환시키는 연료 열 교환기;
    상기 고체산화물 연료전지셀에서 반응 후 배출되는 고온의 상기 배출가스를 상기 고체산화물 연료전지셀로 공급되는 상기 에어와 열 교환시키는 에어 열 교환기; 및
    상기 연료 열 교환기를 통해 열 교환된 상기 반응 생성물을 응축하는 응축부;를 더 포함하는 고체산화물 연료전지 재순환 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 응축부는 상기 연료 열 교환기를 통해 공급되는 상기 반응 생성물과 열 교환을 통해 상기 수증기를 응축시키는 냉각 열 교환기, 및 상기 냉각 열 교환기를 통해 응축된 물을 외부로 배출하는 드레인부를 포함하는 고체산화물 연료전지 재순환 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 전기화학 수소펌프는 상기 질소와 상기 수소가 혼합된 혼합가스에서 상기 수소를 분리하고, 분리된 상기 수소를 선택적으로 상기 암모니아 공급부에서 상기 연료 열 교환기로 공급되는 상기 암모니아에 혼합하는 고체산화물 연료전지 재순환 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 전기화학 수소펌프는 전류부하량을 제어하여 상기 혼합가스에서 분리되는 수소량을 조절하는 고체산화물 연료전지 재순환 시스템.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 고체산화물 연료전지 재순환 시스템은 상기 에어 공급부에서 공급되는 상기 에어의 온도를 상승시키는 가열부를 더 포함하는 고체산화물 연료전지 재순환 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 가열부는 버너 또는 촉매변환기 중 어느 하나인 고체산화물 연료전지 재순환 시스템.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 가열부는 상기 고체산화물 연료전지셀에서 배출되는 상기 배출가스를 가열하는 고체산화물 연료전지 재순환 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 가열부는 외기를 흡입하여 가열하고, 가열된 상기 외기를 상기 배출가스와 혼합하여 상기 배출가스를 가열하는 고체산화물 연료전지 재순환 시스템.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 가열부는 상기 전기화학 수소펌프로부터 상기 수소가 제거된 상기 질소를 공급받는 고체산화물 연료전지 재순환 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 암모니아 공급부는 일측에 상기 암모니아를 상기 고체산화물 연료전지셀로 공급하기 위한 연료 블로어가 구비된 고체산화물 연료전지 재순환 시스템.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 에어 공급부는 일측에 상기 에어를 상기 고체산화물 연료전지셀로 공급하기 위한 에어 블로어가 구비된 고체산화물 연료전지 재순환 시스템.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 전기화학 수소펌프는 50℃ 내지 100℃의 온도에서 운전되는 고체산화물 연료전지 재순환 시스템.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 고체산화물 연료전지 재순환 시스템은, 상기 고체산화물 연료전지셀, 상기 암모니아 공급부, 상기 에어 공급부 및 상기 전기화학 수소펌프의 동작을 제어하는 제어부를 더 포함하는 고체산화물 연료전지 재순환 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 전기화학 수소펌프에 인가되는 전류부하량의 제어를 통해 상기 수소의 분리량을 제어하는 고체산화물 연료전지 재순환 시스템.
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