KR101358095B1 - Fuel cell hybrid system - Google Patents

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KR101358095B1 KR1020110098313A KR20110098313A KR101358095B1 KR 101358095 B1 KR101358095 B1 KR 101358095B1 KR 1020110098313 A KR1020110098313 A KR 1020110098313A KR 20110098313 A KR20110098313 A KR 20110098313A KR 101358095 B1 KR101358095 B1 KR 101358095B1
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강상규
조주형
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한국기계연구원
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Abstract

본 발명은 전기를 생산하고 양극부에서 배출되는 배출가스를 효과적으로 활용할 수 있는 연료전지 하이브리드 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 산소와 이산화탄소가 반응해서 탄산이온이 발생되는 음극부와, 수소와 상기 음극부로부터 공급받은 탄산이온이 반응해서 물과 이산화탄소가 포함된 배출가스와 전기가 발생되는 양극부로 구성된 전기발생부와, 상기 양극부와 연통되어 유입되는 상기 배출가스를 냉각시키는 냉각부와, 상기 냉각부를 지나면서 냉각된 상기 배출가스를 공급받아서 동력을 발생시키는 엔진부와, 상기 엔진부에서 배출되는 이산화탄소를 상기 음극부로 공급하는 재순환부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 시스템을 제공한다. 따라서 본 발명에 의하면 발전 효율을 향상시킬 수 있고, 엔진부에서는 HCCI 엔진을 사용하므로 별도의 추가 연료 없이 연소가 가능하고, 공기 대신 산소를 공급하여 추가 연료 없이 엔진부를 작동시킬 수 있으며, 엔진부에서 배출되는 배기가스가 CO2와 H2O만으로 구성되도록 하여 CO2를 포집할 수 있다는 이점이 있다.The present invention relates to a fuel cell hybrid system that can generate electricity and effectively utilize the exhaust gas emitted from the anode. The present invention is an electricity generating unit consisting of a cathode portion in which oxygen and carbon dioxide reacts to generate carbonate ions, and a cathode portion in which water and carbon dioxide discharge gas and electricity are generated by reacting hydrogen and carbonate ions supplied from the cathode portion. And a cooling unit for cooling the exhaust gas flowing in communication with the anode part, an engine unit generating power by receiving the exhaust gas cooled while passing through the cooling unit, and carbon dioxide discharged from the engine unit. It provides a fuel cell hybrid system comprising a recirculation unit for supplying to the cathode. Therefore, according to the present invention, the power generation efficiency can be improved, and the engine unit uses the HCCI engine so that combustion can be performed without additional fuel, and the engine unit can be operated without supplying additional fuel by supplying oxygen instead of air. There is an advantage that it is possible to capture CO 2 by allowing the exhaust gas to be composed of only CO 2 and H 2 O.

Figure R1020110098313
Figure R1020110098313

Description

연료전지 하이브리드 시스템{FUEL CELL HYBRID SYSTEM}Fuel Cell Hybrid System {FUEL CELL HYBRID SYSTEM}

본 발명은 발전 시스템에 관한 것으로, 더 상세하게는 연료전지를 엔진과 조합해서 사용하여 보다 많은 전기를 발생시키는 연료전지 하이브리드 시스템에 관한 것이다.
The present invention relates to a power generation system, and more particularly, to a fuel cell hybrid system that generates more electricity by using a fuel cell in combination with an engine.

일반적으로 연료전지는 수소와 산소가 가진 화학적 에너지를 직접 전기 에너지로 변화시키는 전기화학적 장치로서 수소와 산소를 양극과 음극에 공급하여 연속적으로 전기를 생산하는 시스템을 말한다.Generally, a fuel cell is an electrochemical device that converts the chemical energy of hydrogen and oxygen into direct electrical energy. It is a system that continuously produces electricity by supplying hydrogen and oxygen to the anode and cathode.

이러한 연료전지의 일반적인 특성은, 연료가 전기화학적으로 반응하여 전기를 생산하는 과정에서 열이 발생하게 되므로 총 효율을 80%이상 높이는 고효율 발전이 가능하며, 기존의 화력 발전에 비해 효율이 높으므로 발전용 연료의 절감이 가능하고 열병합 발전도 가능하다. 또한, NOx와 CO2의 배출량이 석탄 화력 발전에 비하여 현저히 낮으며 소음도 매우 적어 공해 배출 요인이 거의 없는 무공해 에너지 기술이다.The general characteristic of these fuel cells is that the fuel is electrochemically reacted to generate heat in the process of generating electricity, so that high efficiency can be achieved by increasing the total efficiency by more than 80%, and the efficiency is higher than conventional thermal power generation. It is possible to save fuel and cogeneration. In addition, NOx and CO 2 emissions are significantly lower than coal-fired power plants, and noise is very low, which is a pollution-free energy technology with almost no pollutant emission factors.

이와 더불어 모듈화에 의한 건설 기간의 단축, 설비 용량의 증감이 가능하고 입지 선정이 용이하다. 따라서 도심지역 또는 건물 내 설치가 가능하여 경제적으로 에너지를 공급할 수 있으며, 천연가스, 도시가스, 메탄올, 폐기물 가스 등 다양한 연료를 사용할 수 있으므로 기존의 화력 발전을 대체하고, 분산 전원용 발전소, 열병합 발전소, 무공해 자동차 전원 등에 적용될 수 있다.In addition, it is possible to shorten the construction period by modularization, to increase or decrease the capacity of the facility, and to easily select the location. Therefore, it is possible to supply energy economically because it can be installed in an urban area or a building, and it is possible to use various fuels such as natural gas, city gas, methanol, waste gas, And can be applied to pollution-free automobile power supply and the like.

연료전지는 도 1에 도시된 바와 같이, 산소와 이산화탄소가 반응해서 탄산이온을 발생시키는 음극부(11)와, 수소와 탄산이온이 반응해서 전기와 배출가스를 생성하는 양극부(12)로 구성된 연료전지(10)가 포함되어 있다.As shown in FIG. 1, the fuel cell includes a cathode portion 11 that reacts with oxygen and carbon dioxide to generate carbonate ions, and an anode portion 12 that reacts with hydrogen and carbonate ions to generate electricity and exhaust gas. A fuel cell 10 is included.

그러나, 종래의 연료전지는 양극부(12)에서 배출되는 배출가스를 적절하게 활용하지 못하여 효율이 저하되는 문제가 있었다.
However, the conventional fuel cell has a problem that the efficiency is lowered because it does not properly utilize the exhaust gas discharged from the anode portion 12.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 전기를 생산하고 배출되는 배출가스를 효과적으로 활용할 수 있도록 구성된 연료전지 하이브리드 시스템을 제공하는 것이다.
The present invention has been proposed to solve the above problems, an object of the present invention is to provide a fuel cell hybrid system configured to effectively utilize the exhaust gas to produce electricity and discharged.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 산소와 이산화탄소가 반응해서 탄산이온이 발생되는 음극부와, 수소와 상기 음극부로부터 공급받은 탄산이온이 반응해서 물과 이산화탄소가 포함된 배출가스와 전기가 발생되는 양극부로 구성된 전기발생부와, 상기 양극부와 연통되어 유입되는 상기 배출가스를 냉각시키는 냉각부와, 상기 냉각부를 지나면서 냉각된 상기 배출가스를 공급받아서 동력을 발생시키는 엔진부와, 상기 엔진부에서 배출되는 이산화탄소를 상기 음극부로 공급하는 재순환부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 시스템을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a negative electrode portion in which oxygen and carbon dioxide react to generate a carbonate ion, and a discharge gas containing electricity and water and carbon dioxide reacts with hydrogen and a carbonate ion supplied from the negative electrode portion. An electric generator comprising an anode part to be generated, a cooling part for cooling the exhaust gas introduced into and in communication with the anode part, an engine part receiving the exhaust gas cooled while passing through the cooling part, and generating power; It provides a fuel cell hybrid system comprising a recirculation unit for supplying carbon dioxide discharged from the engine unit to the cathode portion.

상기 냉각부에서 전달되는 배출가스와 외부로부터 공급되는 공기를 혼합하여 상기 엔진부로 공급하도록 혼합부가 더 포함되는 것이 바람직하다.Preferably, the mixing unit is further included to mix the exhaust gas delivered from the cooling unit with the air supplied from the outside to supply the engine unit.

상기 혼합부 내부에는 배출가스와 공기가 혼합되어 흐르는 나선형 내부유로가 형성될 수 있다.Inside the mixing unit may be formed a spiral internal flow path through which the exhaust gas and air is mixed.

상기 혼합부는 스테틱 믹서(static mixer)일 수 있다.The mixing unit may be a static mixer.

상기 혼합부는 외부 공기에 의하여 진공압이 형성되는 이젝터일 수도 있다.The mixing unit may be an ejector in which a vacuum pressure is formed by external air.

상기 엔진부는 HCCI(Homogeneous Charge Compression Ignition) 엔진인 것이 바람직하다.The engine unit is preferably a HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition) engine.

상기 재순환부에는 공급되는 이산화탄소의 양을 조절 가능하도록 조절밸브가 구비되는 것이 더욱 바람직하다.More preferably, the recirculation unit is provided with a control valve to control the amount of carbon dioxide supplied.

상기 엔진부에 산소 공급이 가능하도록 공기분리부재가 구비될 수 있다.
An air separation member may be provided to enable oxygen supply to the engine unit.

본 발명에 따른 연료전지 시스템에 의하면 다음과 같은 효과가 있다.According to the fuel cell system according to the present invention has the following effects.

첫째, 양극부에서 배출되는 배출가스를 활용해서 엔진부를 가동하여 동력이나 전력 생산이 가능하도록 함으로써 발전 효율을 향상시킬 수 있다는 이점이 있다.First, there is an advantage that the power generation efficiency can be improved by enabling the engine unit to operate by using the exhaust gas discharged from the anode to enable power or power production.

둘째, 엔진부에서는 HCCI 엔진을 사용하므로 양극부에서 배출되는 배출가스와 같이 발열량이 낮은 연료가 사용되는 경우에도 별도의 추가 연료 없이 연소가 가능하다는 이점이 있다.Second, since the HCCI engine is used in the engine unit, even if a fuel having a low calorific value such as exhaust gas discharged from the anode unit is used, combustion can be performed without additional fuel.

셋째, 운전조건에 따라 배출되는 배출가스의 농도가 너무 희박하여 발열량이 낮은 경우에는 공기 대신 산소를 공급함으로써 추가 연료 없이 엔진부를 작동시킬 수 있다는 이점이 있다.Third, when the concentration of the exhaust gas discharged according to the operating conditions is too thin and the heat generation amount is low, there is an advantage that the engine unit can be operated without additional fuel by supplying oxygen instead of air.

넷째, 공기 대신 산소를 엔진부에 공급하는 경우 엔진부에서 배출되는 배기가스가 CO2와 H2O만으로 구성되도록 하여 CO2를 포집할 수 있다는 이점이 있다.
Fourth, when oxygen is supplied to the engine unit instead of air, there is an advantage that the exhaust gas discharged from the engine unit is configured to consist of only CO 2 and H 2 O to capture CO 2 .

도 1은 종래 연료전지 하이브리드 시스템을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 연료전지 하이브리드 시스템을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 혼합부의 일 실시예를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 혼합부의 다른 실시예를 도시한 도면이다.1 illustrates a conventional fuel cell hybrid system.
2 is a view showing a fuel cell hybrid system according to the present invention.
3 is a view showing an embodiment of the mixing unit according to the present invention.
4 is a view showing another embodiment of the mixing unit according to the present invention.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 연료전지 하이브리드 시스템의 실시예를 상세히 설명한다.Hereinafter, an embodiment of a fuel cell hybrid system according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 2는 본 발명에 따른 연료전지 하이브리드 시스템의 구성도이다.2 is a block diagram of a fuel cell hybrid system according to the present invention.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서는 산소와 이산화탄소가 반응해서 탄산이온이 발생되는 음극부(Cathode)(110)와, 수소와 음극부로부터 공급받은 탄산이온이 반응해서 물과 이산화탄소가 포함된 배출가스와 전기가 발생되는 양극부(Anode)(120)로 구성된 전기발생부(100)와, 양극부(120)와 연통되어 유입되는 배출가스를 냉각시키는 냉각부(200)와, 냉각부(200)를 지나면서 냉각된 배출가스를 공급받아서 동력을 발생시키는 엔진부(300)와, 엔진부(300)에서 배출되는 이산화탄소를 음극부(110)로 공급하는 재순환부(400)를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 시스템을 제공한다.As shown in FIG. 2, in the present embodiment, a cathode (Cathode) 110 in which oxygen and carbon dioxide react to generate a carbonate ion, and a carbonate supplied from hydrogen and the cathode react to include water and carbon dioxide. Electricity generation unit 100 consisting of an anode (120) to generate a discharge gas and electricity generated, a cooling unit 200 for cooling the exhaust gas flowing in communication with the anode 120, and a cooling unit An engine unit 300 for generating power by receiving the exhaust gas cooled while passing through the 200, and a recycling unit 400 for supplying carbon dioxide discharged from the engine unit 300 to the cathode unit 110. A fuel cell hybrid system is provided.

음극부(110)에서는 산소와 이산화탄소가 반응해서 탄산이온이 발생하게 된다.In the cathode part 110, oxygen and carbon dioxide react to generate carbonate ions.

양극부(120)에서는 수소이온과 음극부(110)로부터 공급받은 탄산이온이 전기 화학적 산화반응을 통해 물과 이산화탄소가 포함된 배출가스와 전기가 발생하게 된다. 양극부(120)에 수소를 공급하기 위해 연료 개질 장치가 사용될 수 있으며, 연료 개질 장치는 수소를 함유한 일반연료(LPG, LNG, 메탄, 석탄가스, 메탄올 등)를 연료 전지에 요구되는 다량의 수소를 포함하는 가스로 변환시키는 역할을 한다. 또한, 전기발생부(100)에서 나오는 직류를 교류로 전환할 수 있도록 전력 전환 장치가 사용될 수 있다.In the anode part 120, hydrogen ions and carbonic acid ions supplied from the cathode part 110 generate electricity and an exhaust gas containing water and carbon dioxide through an electrochemical oxidation reaction. A fuel reformer may be used to supply hydrogen to the anode 120, and the fuel reformer may be configured to supply a large amount of fuel required for a fuel cell to contain general fuel (LPG, LNG, methane, coal gas, methanol, etc.) containing hydrogen. It converts to a gas containing hydrogen. In addition, a power conversion device may be used to convert a direct current from the electricity generating unit 100 into an alternating current.

전기발생부(100)는 음극부(110)와 양극부(120)로 구성되는, 두 전극의 합선을 방지하고 음극부(110)에서 양극부(120)로 탄산이온을 전달하는 통로 역할을 할 수 있도록 음극부(110)와 양극부(120) 사이에는 전해질 매트릭스가 구비될 수 있다.The electricity generating unit 100 is composed of a cathode 110 and an anode 120, to prevent a short circuit of the two electrodes and to serve as a passage for transferring the carbonate ions from the cathode 110 to the anode 120. An electrolyte matrix may be provided between the cathode 110 and the anode 120.

전술한 바와 같이, 종래 연료전지 하이브리드 시스템은 전기를 생산하고 배출되는 배출가스를 적절하게 활용하지 못하는 문제가 있었으나, 본 실시예에서는 양극부(120)에 배출되는 배출가스를 엔진부(300)에 공급해서 동력을 발생시키도록 구성함으로써 전체 시스템의 효율을 향상시키고 있다.As described above, the conventional fuel cell hybrid system has a problem in that it does not properly utilize the discharge gas to produce electricity and discharge, in this embodiment, the discharge gas discharged to the anode portion 120 to the engine unit 300 By providing power to generate power, the efficiency of the entire system is improved.

다만, 양극부(120)에서 배출되는 배출가스의 온도는 대략 650℃ 정도인데, 이러한 고온의 배출가스를 직접 엔진부(300)에 공급하게 되면 발전량이 작아지는 문제가 발생할 수 있다. 이는 한정된 크기를 갖는 엔진부(300) 연소실에 고온의 배출가스가 공급됨으로 인해 단위 체적당 연료량이 낮아지기 때문이다. 또한, 엔진부(300)의 내구성에 문제가 생길 수 있을 뿐만 아니라 엔진부(300) 내부에서의 점화 타이밍이 달라짐으로 인해 동력 발생이 원활하지 않은 문제도 있을 수 있다.However, the temperature of the exhaust gas discharged from the anode portion 120 is about 650 ° C., when the high-temperature exhaust gas is directly supplied to the engine 300, a problem may occur in that the amount of power generated is reduced. This is because the amount of fuel per unit volume is lowered because the high-temperature exhaust gas is supplied to the combustion chamber of the engine unit 300 having a limited size. In addition, the durability of the engine unit 300 may occur, as well as the generation of power may not be smooth due to the change in the ignition timing inside the engine unit 300.

본 실시예에서는 이러한 문제가 발생하지 않도록 배출가스가 냉각된 상태에서 엔진부(300)에 공급되도록 냉각부(200)가 구비된다. 따라서 양극부(120)에서 배출되는 배출가스는 냉각부(200)를 거치면서 냉각된 상태로 엔진부(300)에 공급된다.In this embodiment, the cooling unit 200 is provided to be supplied to the engine unit 300 in a state where the exhaust gas is cooled so that such a problem does not occur. Therefore, the exhaust gas discharged from the anode part 120 is supplied to the engine part 300 in a cooled state while passing through the cooling part 200.

엔진부(300)로 공급된 배출가스가 엔진부(300) 내부에서 점화되면서 발생하는 폭발력이 동력으로 전환되는데, 이러한 동력을 이용해서 제너레이터를 가동시킬 경우 추가적으로 전기를 생산할 수 있다는 이점이 있다.The explosive force generated while the exhaust gas supplied to the engine unit 300 is ignited in the engine unit 300 is converted into power, and there is an advantage in that electricity can be additionally generated when the generator is operated using this power.

본 실시예에서는 엔진부(300)에서 배출되는 이산화탄소를 음극부(110)에 공급 가능하도록 재순환부(400)가 구비되어 별도로 이산화탄소를 공급할 필요가 없다는 이점이 있다.
In this embodiment, the recirculation unit 400 is provided to supply the carbon dioxide discharged from the engine unit 300 to the cathode unit 110, so that it is not necessary to supply carbon dioxide separately.

본 실시예에서는 도 2에 도시된 바와 같이, 냉각부(200)와 엔진부(300) 사이에 혼합부(500)가 구비된다. 이러한 혼합부(500)는 냉각부(200)에서 전달되는 배출가스와 외부로부터 공급되는 공기를 혼합해서 엔진부(300)에 공급하는 하는 역할을 한다. 이와 같이 배출가스와 공기를 미리 혼합해서 엔진부(300)에 공급하면 연소 시 매연의 생성을 줄일 수 있다는 이점이 있다.
In this embodiment, as shown in FIG. 2, the mixing unit 500 is provided between the cooling unit 200 and the engine unit 300. The mixing unit 500 serves to mix the exhaust gas delivered from the cooling unit 200 and the air supplied from the outside to supply the engine unit 300. In this way, when the exhaust gas and air are mixed in advance and supplied to the engine unit 300, there is an advantage in that the generation of soot is reduced during combustion.

혼합부(500)를 통해 배출가스와 공기는 미리 혼합된 상태로 엔진부(300)에 공급되는데, 이러한 배출가스와 공기의 혼합기가 점화되었을 때 형성되는 화염을 예혼합 화염이라 한다. 화염의 두께는 화염 전체의 공간과 비교하면 대부분의 경우 매우 얇아서 면으로 취급하는데, 이것을 화염면이라 하며, 화염면이 연소되지 않은 혼합기 중을 전파하는 것을 화염전파라 한다. 혼합기에 있어서 화염전파가 가능한 것은 혼합기 중의 배출가스와 공기의 혼합비율이 일정 범위 이내에 있는 경우에만 가능하기 때문에 배출가스와 공기의 비율을 유지하며 균일하게 혼합하는 것이 매우 중요하다.Exhaust gas and air are supplied to the engine unit 300 in a pre-mixed state through the mixing unit 500. The flame formed when the mixture of the exhaust gas and air is ignited is called a premixed flame. The thickness of the flame is very thin in most cases compared to the space of the flame and is treated as a cotton. This is called the flame surface, and the propagation of the flame surface in the uncombusted mixer is called flame propagation. Flame propagation in the mixer is possible only when the mixing ratio of the exhaust gas and air in the mixer is within a certain range, so it is very important to mix the gas uniformly while maintaining the ratio of the exhaust gas and air.

본 실시예에서는 배출가스와 공기가 균일하게 혼합되도록 혼합부(500) 내부에 나선형의 내부유로를 형성한다. 냉각부(200)에서 전달되는 배출가스와 외부에서 공급되는 공기는 나선형의 내부유로를 따라 이동하면서 균일하게 혼합된다.
In this embodiment, a spiral internal flow path is formed in the mixing part 500 to uniformly mix the exhaust gas and the air. The exhaust gas delivered from the cooling unit 200 and the air supplied from the outside are uniformly mixed while moving along the spiral inner channel.

도 3은 본 발명에 따른 혼합부의 일 실시예를 도시한 도면이다.3 is a view showing an embodiment of the mixing unit according to the present invention.

본 실시예에서는 배출가스와 공기가 균일하게 혼합되도록 혼합부(500)로서 스테틱 믹서(static mixer)가 사용될 수 있다. 스테틱 믹서는 도 3에 도시된 바와 같이, 유체의 진행방향을 따라 180° 비틀어진 단위마디가 복수 개 연결되어 있으며, 이웃하는 단위마디는 90° 만큼 회전된 상태로 연결된다.In this embodiment, a static mixer may be used as the mixing unit 500 to uniformly mix the exhaust gas and the air. In the static mixer, as shown in FIG. 3, a plurality of unit nodes twisted by 180 ° along the traveling direction of the fluid are connected, and the neighboring unit nodes are connected by being rotated by 90 °.

스테틱 믹서의 경우 별도의 구동부가 없이도 유입되는 기체가 균일하게 혼합되도록 유로가 형성되어 있다. 구동부가 없으므로 소음, 진동이 발생하지 않는다.
In the case of the static mixer, a flow path is formed to uniformly mix the gas introduced therein without a separate driving unit. Since there is no driving part, noise and vibration are not generated.

도 4는 본 발명에 따른 혼합부의 다른 실시예를 도시한 도면이다.4 is a view showing another embodiment of the mixing unit according to the present invention.

본 실시예에서는 배출가스와 공기가 균일하게 혼합되도록 혼합부(500)로서 이젝터가 사용될 수 있다. 이젝터에는 도 4에 도시된 바와 같이, 오목하게 함몰된 부분이 형성된다. 외부에서 공급되는 공기가 이젝터로 공급되어 함몰된 부분을 지나가게 되면 단면적이 좁아지면서 공기의 속도가 증가하게 되고, 공기의 속도가 증가하면 베르누이의 법칙에 의해 압력은 감소하게 된다. 외부 공기의 압력이 낮아지면 배출가스가 이젝터 내부로 유입되고, 배출가스는 이러한 공기와 혼합되면서 엔진부(300) 공급된다.
In this embodiment, the ejector may be used as the mixing unit 500 to uniformly mix the exhaust gas and the air. The ejector is formed with a concave recessed portion, as shown in FIG. When the air supplied from the outside passes through the recessed part of the ejector, the cross-sectional area becomes narrower and the speed of the air increases, and as the air speed increases, the pressure decreases by Bernoulli's law. When the pressure of the outside air is lowered, the exhaust gas is introduced into the ejector, and the exhaust gas is supplied to the engine unit 300 while being mixed with the air.

엔진부(300)로는 HCCI(Homogeneous Charge Compression Ignition) 엔진을 사용하는 것이 바람직하다.As the engine unit 300, it is preferable to use a Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI) engine.

디젤 엔진은 보통 20:1 정도의 고압에 액체연료를 안개처럼 뿌려서 자체 폭발을 유도한다. 이는 경유를 비롯한 디젤연료들은 400~500℃의 온도에서 자체 폭발을 일으키기 때문에 가능한 것이며, 자체 폭발을 일으키면 골고루 동시에 폭발을 하게 되기 때문에 연료의 연소율이 높아지고 결과적으로는 연비가 좋아지는 효과가 있다.Diesel engines usually spray liquid fuel at a high pressure of about 20: 1 to induce self-explosion. This is because diesel fuels including diesel fuel can self-detonate at a temperature of 400 to 500 ° C., and if self-explosion occurs, they will explode at the same time, resulting in an increased fuel burning rate and consequently an improved fuel economy.

하지만, 본 실시예에 따른 양극부(120)에서 배출되는 배출가스의 농도가 디젤 엔진에 사용되는 액체연료의 농도보다 낮으며, 배출가스가 가스 상태이기 때문에 고압으로 압축해서 분사하는 것이 용이하지 않기 때문에 디젤 엔진을 사용하는데 문제가 있다.However, the concentration of the exhaust gas discharged from the anode portion 120 according to the present embodiment is lower than the concentration of the liquid fuel used in the diesel engine, and since the exhaust gas is in a gas state, it is not easy to compress and spray at high pressure. Therefore, there is a problem in using a diesel engine.

물론 배출가스를 고압으로 압축할 수는 있으나, 이와 같은 경우 별도의 장비가 사용되므로 구성이 복잡해지고, 시스템 효율이 저하되는 추가적인 문제가 발생할 수 있다.Of course, it is possible to compress the exhaust gas to a high pressure, but in this case, since a separate equipment is used, the configuration is complicated, and further problems may occur that the system efficiency is reduced.

전술한 이유로, 공기와 연료를 섞은 혼합기에 점화장치가 불꽃을 터뜨려 폭발시키는 가솔린 엔진을 사용할 수도 있지만, 가솔린 엔진을 사용할 경우 수소와 일산화탄소의 비율이 낮은 배출가스만으로는 점화가 어렵기 때문에 추가 연료를 투입해야 하는 단점이 있다. 추가 연료 투입은 곧 시스템 전체의 효율 저하를 의미하는 것이기 때문이다.For the reasons stated above, it is possible to use a gasoline engine that ignites an explosive device in a mixture of air and fuel, but when the gasoline engine is used, it is difficult to ignite only with a low amount of hydrogen and carbon monoxide There is a drawback to doing so. This is because the addition of additional fuel means a decrease in efficiency of the entire system.

이에 본 실시예에서는 엔진부(300)로서 HCCI 엔진을 사용한다. HCCI 엔진은 가솔린 엔진과 디젤 엔진의 장점만을 갖는 엔진으로서, 수소와 일산화탄소의 비율이 낮은 경우에도 점화가 가능하기 때문에 효과적인 동력 생산이 가능하며, 수소와 일산화탄소의 비율이 낮기 때문에 연소 온도가 낮아져 질소 산화물의 생성을 예방할 수 있다는 이점이 있다.
In this embodiment, the HCCI engine is used as the engine unit 300. The HCCI engine has the advantages of gasoline and diesel engines, and it can ignite even when the ratio of hydrogen and carbon monoxide is low, thus enabling effective power production. There is an advantage that can prevent the generation of.

양극부(120)에서 배출되는 고온의 배출가스가 엔진부(300)에 공급되면 엔진부(300)의 내구성이 저하되는 문제가 생길 수 있다. 따라서 고온의 배출가스는 냉각부(200)를 거치면서 어느 정도 냉각되는 것이 바람직하다.When the high temperature exhaust gas discharged from the anode part 120 is supplied to the engine part 300, the durability of the engine part 300 may decrease. Therefore, the hot exhaust gas is preferably cooled to some extent while passing through the cooling unit 200.

본 실시예에 따른 냉각부(200)에서는 경우에 따라 배출가스에 포함된 수증기가 응결되는 온도까지 배출가스를 냉각시킬 수도 있다.In the cooling unit 200 according to the present exemplary embodiment, the exhaust gas may be cooled to a temperature at which water vapor contained in the exhaust gas condenses.

양극부(120)에서 배출되는 배출가스의 성분을 살펴보면, 이산화탄소와 수증기가 약 90% 정도를 차지하고, 수소와 일산화탄소가 나머지 약 10% 정도를 차지하는데, 이와 같이 수소와 일산화탄소의 비율이 낮으면 엔진부(300) 내에서 용이하게 점화되지 않는 문제가 발생할 수 있다.Looking at the components of the exhaust gas discharged from the anode portion 120, carbon dioxide and water vapor occupies about 90%, hydrogen and carbon monoxide occupies about 10%, such as the low ratio of hydrogen and carbon monoxide engine Problems that do not easily ignite in the part 300 may occur.

하지만 본 실시예와 같이, 배출가스에 포함된 수증기가 응결되도록 배출가스를 냉각시키면 배출가스에 포함된 수증기가 제거되어 단위 체적당 수소와 일산화탄소의 비율이 증가됨으로써 용이하게 점화될 수 있다.
However, as in the present embodiment, when the exhaust gas is cooled to condense the water vapor contained in the exhaust gas, the water vapor contained in the exhaust gas is removed, so that the ratio of hydrogen and carbon monoxide per unit volume increases, so that it can be easily ignited.

재순환부(400)에는 조절밸브(410)가 구비되는 것이 바람직하다. 음극부(110)로 공급되는 이산화탄소의 양을 조절하기 위함이다. 또한, 재순환부(400)에는 엔진 배기가스로부터 미연소 탄소, CO, NOx 등을 분리하기 위한 별도의 분리장치(미도시)가 구비되는 것이 바람직하다. 엔진 배기가스에는 이산화탄소 외에도 상기한 다양한 종류의 유해물질이 포함되어 있는데, 이러한 유해물질이 음극부(110)에 공급되면 발전 효율이 저하되거나 내구성에 문제가 될 수 있기 때문이다.
Recirculation unit 400 is preferably provided with a control valve (410). This is to control the amount of carbon dioxide supplied to the cathode 110. In addition, the recirculation unit 400 is preferably provided with a separate separator (not shown) for separating the unburned carbon, CO, NOx and the like from the engine exhaust gas. In addition to carbon dioxide, the engine exhaust gas contains various kinds of harmful substances described above, because when such harmful substances are supplied to the cathode 110, power generation efficiency may be lowered or durability may be a problem.

본 실시예에 따른 엔진부(300)에 외부 공기로부터 산소를 분리하여 공급하는 것도 가능하다. 이를 위해 외부 공기를 질소와 산소로 분리할 수 있는 공기분리부재(510)가 구비되는 것이 바람직하다. 공기분리부재(510)는 공기냉각 액화분리공정(cryogenic air separation)을 사용할 수 있다. 이러한 방법은 공기를 액화(liquefaction) 및 정류(rectification)의 물리적 과정을 통하여 산소와 질소의 비등점(boiling point, bp) 차이로 분리탑(distillation column)에서 분리한다. 즉, 공기냉각 액화분리공정은 질소(끊는점 -195.8℃)와 산소(끊는점 -183℃)의 끊는점 차이를 이용하는 방법이다.It is also possible to separate and supply oxygen to the engine unit 300 according to the present embodiment from the outside air. To this end, it is preferable that an air separation member 510 capable of separating external air into nitrogen and oxygen is provided. The air separation member 510 may use an air cooled liquefaction separation process (cryogenic air separation). This method separates air in a distillation column by the difference in boiling point (bp) of oxygen and nitrogen through the physical process of liquefaction and rectification. That is, the air-cooled liquefaction separation process is a method of using the difference between the break point between nitrogen (break point -195.8 ℃) and oxygen (break point -183 ℃).

이와 같이 공기분리부재(510)를 통해 엔진부(300)에 산소를 공급하면 운전조건에 따라 배출되는 배출가스의 농도가 너무 희박하여 발열량이 낮은 경우에도 공기 대신 산소가 공급됨으로써 추가 연료 없이 엔진부(300)를 작동시킬 수 있다는 이점이 있다.In this way, when oxygen is supplied to the engine unit 300 through the air separation member 510, the concentration of the exhaust gas discharged according to the operating conditions is too lean, so that oxygen is supplied instead of air even when the calorific value is low. There is an advantage that the 300 can be operated.

또한, 공기 대신 산소를 엔진부(300)에 공급함으로써 엔진부(300)에서 배출되는 배기가스가 CO2와 H2O만으로 구성되도록 하여 CO2를 포집할 수 있다는 이점도 있다.In addition, by supplying oxygen to the engine unit 300 instead of air, there is also an advantage that the exhaust gas discharged from the engine unit 300 is composed of only CO 2 and H 2 O to collect CO 2 .

공기분리부재(510)를 통해 분리된 산소는 혼합부(500)에 공급되어 배출가스와 혼합될 수도 있다.
Oxygen separated through the air separation member 510 may be supplied to the mixing unit 500 and mixed with the exhaust gas.

이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
As mentioned above, although this invention was demonstrated in detail using the preferable Example, the scope of the present invention is not limited to a specific Example and should be interpreted by the attached Claim. It will also be appreciated that many modifications and variations will be apparent to those skilled in the art without departing from the scope of the present invention.

10 : 연료전지 11 : 음극부
12 : 양극부
100 : 전기발생부 110 : 음극부
120 : 양극부 200 : 냉각부
300 : 엔진부 400 : 재순환부
410 : 조절밸브 500 : 혼합부
510 : 공기분리부재10 fuel cell 11 cathode portion
12: anode part
100: electricity generating unit 110: cathode
120: anode portion 200: cooling portion
300: engine 400: recirculation unit
410: control valve 500: mixing section
510: air separation member

Claims (8)

산소와 이산화탄소가 분리 공급되어 반응해서 탄산이온이 발생되는 음극부(110)와, 수소와 상기 음극부(110)로부터 공급받은 탄산이온이 반응해서 물과 이산화탄소가 포함된 배출가스와 전기가 발생되는 양극부(120)로 구성된 전기발생부(100);
상기 양극부(120)와 연통되어 유입되는 상기 배출가스를 냉각시키는 냉각부(200);
상기 냉각부(200)를 지나면서 냉각된 상기 배출가스를 공급받아서 동력을 발생시키는 HCCI엔진(300);
상기 HCCI엔진(300)에 산소 공급을 가능하게 하는 공기분리부재(510);
상기 HCCI엔진(300)에서 배출되는 이산화탄소를 상기 음극부(110)로 공급하기 위하여 엔진 배기가스내 이산화탄소를 제외한 유해가스를 분리하는 분리장치가 구비되는 재순환부(400); 및
상기 냉각부(200)에서 전달되는 배출가스와 외부로부터 공급되는 공기를 혼합하여 상기 HCCI엔진(300)으로 공급하는 혼합부(500);
를 포함하여 이루어져 별도의 추가 연료공급 없이 HCCI엔진을 가동시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 시스템.Oxygen and carbon dioxide is separated and supplied to react the negative electrode portion 110 to generate carbonate ions, hydrogen and carbonic acid ions supplied from the negative electrode portion 110 to react with the discharge gas and electricity containing water and carbon dioxide is generated An electricity generating unit 100 composed of an anode unit 120;
Cooling unit 200 for cooling the exhaust gas flowing in communication with the anode portion 120;
An HCCI engine (300) generating power by receiving the exhaust gas cooled while passing through the cooling unit (200);
An air separation member 510 for supplying oxygen to the HCCI engine 300;
Recirculation unit 400 is provided with a separation device for separating the harmful gas other than the carbon dioxide in the engine exhaust gas to supply the carbon dioxide discharged from the HCCI engine 300 to the cathode 110; And
A mixing unit 500 for mixing the exhaust gas delivered from the cooling unit 200 and air supplied from the outside to supply the HCCI engine 300;
Fuel cell hybrid system, characterized in that for operating the HCCI engine without additional fuel supply. 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 혼합부(500) 내부에는 배출가스와 공기가 혼합되어 흐르는 나선형 내부유로가 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 시스템.The method of claim 1,
A fuel cell hybrid system, characterized in that the spiral inside the flow path is formed by mixing the discharge gas and air in the mixing unit 500. 제1항에 있어서,
상기 혼합부(500)는 스테틱 믹서(static mixer)인 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 시스템.The method of claim 1,
The mixing unit 500 is a fuel cell hybrid system, characterized in that the static mixer (static mixer). 제1항에 있어서,
상기 혼합부(500)는 외부 공기에 의하여 진공압이 형성되는 이젝터인 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 시스템.The method of claim 1,
The mixing unit 500 is a fuel cell hybrid system, characterized in that the ejector is a vacuum pressure is formed by the outside air. 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 재순환부(400)에는 공급되는 이산화탄소의 양을 조절 가능하도록 조절밸브(410)가 구비되는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 시스템.The method of claim 1,
The recirculation unit 400 is a fuel cell hybrid system, characterized in that provided with a control valve (410) to adjust the amount of carbon dioxide supplied. 삭제delete
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