KR102439950B1 - 암모니아 연료 적용 복합 연료전지 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 암모니아를 적용한 복합 연료전지 시스템은 고온형 연료전지와 저온형 연료전지로 나눌 수 있다. 고온형 연료전지는 고체산화물 연료전지(SOFC), 용융탄산염 연료전지(MCFC) 등의 작동온도가 600℃ 이상인 연료전지가 포함되며, 저온형 연료전지는 고분자전해질 연료전지(PEMFC), 인산형 연료전지(PAFC), 알카라인 연료전지(AFC) 등의 작동온도가 200℃이하인 연료전지가 포함된다. 본 발명의 암모니아를 적용한 복합 연료전지 시스템은 암모니아 공급부, 고온형 연료전지부, 저온형 연료전지부, 전력저장부, 전력이용부를 포함한다. 암모니아 연료, 및 공기가 고온형 연료전지로 공급되어 전력생산 후 배출되는 배가스가 전력수요량에 따라 저온형 연료전지의 발전모드 또는 수전해모드에 이용되는 것을 특징으로 하는 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, 고온형 연료전지와 저온형 연료전지를 연동하여 전력수요 상황에 맞추어 고온형 연료전지의 배가스를 저온형 연료전지의 발전모드 또는 수전해모드에 이용하는 저온형 연료전지의 전환 구동으로 전체 시스템의 발전 및 에너지효율이 향상될 수 있다.

Description

암모니아 연료 적용 복합 연료전지 시스템{AMMONIA BASED COMPLEX FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 암모니아를 적용한 복합 연료전지 시스템에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 암모니아 연료를 적용하여 고온형 연료전지와 저온형 연료전지를 연동하여 전력수요에 따라 저온형 연료전지를 발전모드 또는 수전해모드로 전환 구동함으로써 발전 및 에너지 효율을 향상시키는 시스템에 관한 것이다.
연료전지는 수소와 산소가 물이 되는 전기화학적 반응의 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시켜주는 장치로써 친환경적인 특성 및 고효율의 발전이 가능하기 때문에 최근 연구가 활발히 진행되고 있다.
연료전지는 전해질 및 작동온도에 따라 AFC, PAFC, PEMFC, MCFC, SOFC 등의 다양한 형태로 개발되고 있다.
연료전지의 연료로는 수소, 및 수소가 포함된 화합물이 사용될 수 있다. 이들 중에서도 암모니아는 수소와 질소로 이루어져 있는 화합물이어서 연료전지의 연료로 사용 시 물과 질소로 배출되기 때문에 LPG, LNG 천연가스 등의 탄소가 포함된 화합물보다 친환경적인 연료이며, 이에 따라 연료전지의 연료뿐만 아니라 수소 저장 물질로도 주목받고 있다.
그러나 암모니아의 분자 구조상 발생되는 수소의 농도는 최대 75%(질소 25%)이기 때문에 타연료에 비해 발전효율이 떨어지는 단점이 있다. 따라서 일부를 수소와 혼합하여 수소농도를 높여 발전효율을 향상시키는 방법도 고려되고 있다.
또한, 일반적으로 연료전지는 장치의 안정성을 위해 연료 이용률을 최대 80% 유지하여 사용되고 있으며 나머지 20%는 그대로 버려지기 때문에 효율 감소로 이어질 수 있으며, 이를 해결하기 위해 배출되는 잔류가스를 이용해 추가 열원으로 사용되거나 가스터빈 등의 추가 발전 장치에 적용하여 활용하려는 연구가 활발히 진행되고 있다.
한편, 통상적으로 고온형 연료전지의 원료는 효율 향상을 위해 순 수소가 아닌 LPG, LNG, 천연가스 등의 탄소성분이 포함된 화합물을 연료로 사용하며 이에 따라 배가스에 COx와 같은 탄소성분이 포함되게 된다. 탄소성분을 포함한 배가스는 환경규제의 영향을 받을 수 있으며, 특히 Pt 등의 귀금속 촉매를 사용하는 저온형 연료전지에 적용할 경우 탄소성분에 의한 저온형 연료전지의 성능 열화를 발생시키는 주요인으로 작용할 수 있다.
따라서 본 발명에서는 연료전지에 암모니아 연료 적용하여 탄소성분이 없는 배가스를 활용하는 방법에 대해 제안하였으며 그 방법으로써 고온형 연료전지와 저온형 연료전지를 연동함으로써 에너지효율을 극대화 시키고자 한 것이다.
일반적으로 고체산화물 연료전지(SOFC), 용융탄산염 연료전지(MCFC) 등의 고온형 연료전지는 작동온도가 600도 이상의 고온이기 때문에 발전효율은 우수하나, 시동 시간이 길다. 또한, 작동의 ON/OFF에 대한 내구성 및 효율 저하 문제 등으로 작동이 일단 시작되면 OFF 하기가 어려운 시스템이다.
반면에 고분자전해질 연료전지(PEMFC), 인산형 연료전지(PAFC), 알카라인 연료전지(AFC) 등의 저온형 연료전지는 시동 시간이 짧고 작동의 ON/OFF가 용이한 장점이 있다. 이러한 장점에 의하여 저온형 연료전지는 발전/수전해 모드의 양방향 운전이 용이하다.
현재 국내의 전력수요는 계절 및 시간, 온도 환경 등에 따라 변하며 원자력, 화력, 태양력, 수력, 풍력 등의 발전시스템의 경우 지속적인 작동이 요구되는 시스템이므로 전력수요가 적은 상황 시에는 전력저장장치(ESS)의 용량 이상의 남은 전력은 버려지게 된다. 따라서 에너지 운영의 효율적인 관리가 필요하다.
특허문헌 1: 일본공개특허공보 제1993-332152호 특허문헌 2: 국내등록특허공보 제10-1122567호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로 본 발명은 일 측면으로서, 배가스에 탄소성분이 포함되지 않는 암모니아 연료가 적용된 고온형 연료전지와 저온형 연료전지가 결합되는 복합 연료전지 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
그리고, 본 발명의 또 다른 일 측면으로서, 저온형 연료전지가 전력수요 상황에 따라 발전모드 또는 수전해모드로 전환되어 전체 시스템의 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 복합 연료전지 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 암모니아 연료를 적용한 고온형 연료전지로부터 발생되는 탄소성분이 없는 배가스를 저온형 연료전지에 적용 및 활용하여 발전효율의 향상을 이루고, 또한 전력수요에 따라 저온형 연료전지를 발전모드 또는 수전해모드로 전환하여 전체 시스템의 에너지효율을 향상시키는 복합 연료전지 시스템을 제공한다.
구체적으로 상기 시스템은, 전력수요가 적을 때는 고온형 연료전지는 발전모드로, 저온형 연료전지는 수전해모드로 작동하고 [‘고온형 연료전지(발전모드)-저온형 연료전지(수전해모드)’], 전력수요가 많을 때는 고온형 연료전지와 저온형 연료전지가 모두 발전모드로 작동함으로써 [‘고온형 연료전지(발전모드)-저온형 연료전지(발전모드)’], 상황에 따라 저온형 연료전지를 유동적으로 발전모드 또는 수전해모드의 두 가지 모드를 작동시키는 시스템을 제공하고자 하는 것이다.
상기 시스템에서 전력수요가 적을 때는, 암모니아 연료가 공급되는 고온형 연료전지가 발전모드로 작동하여 발생된 전기는 전력저장장치(ESS)에 저장되고, 고온형 연료전지의 발전모드의 발전으로부터 발생 되는 많은 수분이 함유된 배가스는 저온형 연료전지에 공급되고, 또한 저온형 연료전지와도 연동되어 있는 전력저장장치(ESS)로부터 저온형 연료전지에 전기가 공급되어 저온형 연료전지가 수전해모드로 작동하여 수소가 발생된다. 이 발생된 수소는 다시 고온형 연료전지의 원료인 암모니아와 함께 혼합되어 고온형 연료전지에 공급됨으로써 고온형 연료전지의 발전효율을 향상시킨다.
상기 시스템에서 전력수요가 많을 때는 암모니아 연료가 공급되는 고온형 연료전지가 발전모드로 작동하여 발생된 전지는 전력저장장치(ESS)에 저장되고, 상기 고온형 연료전지의 발전으로부터 발생되는 미반응 수소가 함유된 배가스가 저온형 연료전지에 공급되어 상기 배가스 중의 미반응 수소가 연료로 작용하여 발전모드로 작동되어 상기의 전력저장장치(ESS)에 추가로 전기가 공급되어 원활한 전력 공급이 이루어지게 된다.
본 발명의 암모니아 연료 적용 고온형 연료전지와 저온형 연료전지의 복합 연료전지 시스템은 기존의 시스템 대비 에너지효율이 우수하여 매우 경제적이다. 또한, 에너지의 저장 및 사용이 매우 편리하므로 신재생에너지 분야에서 활용도가 매우 큰 효과를 가진다.
도 1은 본 발명의 암모니아 연료 적용 고온형 연료전지와 저온형 연료전지의 복합 연료전지 시스템의 전체적인 구성을 모식적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 전력수요가 적을 때의 단계인 고온형 연료전지(발전모드)-저온형 연료전지(수전해모드) 상태로써, 본 발명의 암모니아 연료 적용 고온형 연료전지와 저온형 연료전지의 복합 연료전지 시스템의 각 구성에서의 가스 및 전력 흐름을 모식적으로 도시한 것이다.
도 3는 본 발명의 전력수요가 많을 때의 단계인 고온형 연료전지(발전모드)-저온형 연료전지(발전모드) 상태로써, 본 발명의 암모니아 연료 적용 고온형 연료전지와 저온형 연료전지의 복합 연료전지 시스템의 각 구성에서의 가스 및 전력 흐름을 모식적으로 도시한 것이다.
본 발명의 암모니아 연료 적용 고온형 연료전지와 저온형 연료전지의 복합 연료전지 시스템은, 발전 연료로써 암모니아를 사용하고 전력수요 상황에 따라, 즉 전력수요가 적을 때의 고온형 연료전지(발전모드)-저온형 연료전지(수전해모드)와 전력수요가 많을 때의 고온형 연료전지(발전모드)-저온형 연료전지(발전모드)로 전환되는 방식을 특징으로 한다.
암모니아는 고온형 연료전지에 적용 시 COx와 같은 탄소성분이 없는 배가스가 배출되어 저온형 연료전지에 추가장치 없이 적용 가능하며, 또한 저온형 연료전지가 수전해모드로 작동 시 발생 되는 수소가 상기 고온형 연료전지의 원료인 암모니아와 혼합되어 고온형 연료전지에 공급됨으로써 고온형 연료전지의 발전효율이 향상되기 때문에 전체 시스템의 에너지효율을 극대화 시킬 수 있는 것이다.
고온형 연료전지에 암모니아 연료를 사용하였을 경우 수소의 최대 분압은 0.75이고, 이에 따라 통상적으로 고온형 연료전지의 최대 발전효율이 55% 정도로 탄소함유의 기존 연료 (60%~)에 비해 떨어진다.
본 발명의 시스템은, 고온형 연료전지의 발전효율을 크게 향상시키기 위한 구성으로, 고온형 연료전지에 연동된 저온형 연료전지의 수전해모드로부터 발생된 수소를 고온형 연료전지에 공급되는 암모니아 연료에 혼합하여 사용하는 구성을 포함하는 것이다. 이러한 저온형 연료전지의 수전해모드를 통한 수소의 발생을 위하여는 전기의 공급이 필요하며, 이 필요 전기는 초기 고온형 연료전지의 발전을 통해 생산되어 전력저장장치에 저장된 전기를 저온형 연료전지의 수전해에 필요한 전력으로 공급하는 방식이다.
상기와 같은 저온형 연료전지 수전해모드의 작동 모드는 전력의 효율적인 운영을 위해 전력수요가 적을 때만 진행되며, 전력저장장치의 일부 전력을 공급받은 저온형 연료전지의 수전해모드로부터 생산된 수소가 고온형 연료전지의 암모니아 연료와 혼합되어 공급되는 것이다.
또한, 본 발명의 시스템은, 전력수요가 많을 때는 고온형 연료전지와 동일하게 저온형 연료전지도 발전모드로 전환되고, 이때의 저온형 연료전지의 연료는 고온형 연료전지로부터 나온 배가스에 포함된 미반응 수소를 연료로 사용하여 발전하는 것이며, 이 발전은 고온형 연료전지의 발전에 추가되는 발전으로서 많은 전력수요를 위하여 전력저장장치로 이동 저장된다.
본 발명의 복합 연료전지 시스템은, 상기와 같이 두 가지 시스템을 복합화하여 발전효율을 극대화시킴과 동시에 전력수요의 상황에 따라 저온형 연료전지의 발전모드와 수전해모드 간의 유동적인 전환을 이루어 전체 시스템의 에너지효율을 크게 향상시킬 수 있는 것이다.
아래에서는 본 발명의 암모니아 연료 적용 복합 연료전지 시스템, 구체적으로 암모니아 연료 적용 고온형 연료전지와 저온형 연료전지의 복합 연료전지 시스템을 효율적으로 작동시키기 위한 구성 및 운전 방법에 관하여 설명한다. 이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 구성을 상세기술한다.
도 1에 모식적으로 도시된 바와 같이, 본 발명의 암모니아 연료 적용 고온형 연료전지와 저온형 연료전지의 복합 연료전지 시스템의 구성은 공기 공급장치(1), 암모니아 공급장치(2), 고온형 연료전지(3), 저온형 연료전지(4), 전력저장장치(5), 전기 응용장치(6), Water Trap(7), 및 배출 배가스 활용장치(8)를 포함한다. 또한. 상기 시스템은 필요에 따라 다른 장치구성을 포함할 수 있다.
공기 공급장치(1)
공기 공급장치(1)는 고온형 연료전지(3)의 내부 스택에 있는 공기극에 산소를 포함하는 공기를 공급하는 장치이다.
암모니아 공급장치(2)
암모니아 공급장치(2)는 고온형 연료전지(3)의 내부 스택에 있는 연료극에 액체 또는 기체상의 암모니아를 공급하는 장치이다.
고온형 연료전지(3)
고온형 연료전지(3)는 고체산화물 연료전지(SOFC), 용융탄산염 연료전지(MCFC) 등의 작동온도가 600℃ 이상인 연료전지 시스템이며 공기 공급장치(1), 및 암모니아 공급장치(2)로부터 각각 공급된 공기, 및 암모니아 또는 암모니아 개질 수소를 이용하여 전기를 발생시키고, 상기 발생된 전기는 전력저장장치(5)에 저장된다. 또한, 상기 연료전지 시스템 내부에는 열교환 시스템이 포함되어 있어 배출가스는 200도 이하의 온도로 냉각된 후 배출된다.
저온형 연료전지(4)
저온형 연료전지(4)는 고분자전해질 연료전지(PEMFC), 인산형 연료전지(PAFC), 알카라인 연료전지(AFC), 또는 이들의 혼합형태 등의 작동온도가 200℃ 이하인 연료전지 시스템으로서, 고온형 연료전지(3)의 연료극 및 공기극에서 배출된 미반응 수소 및 미반응 산소를 이용하여 발전이 이루어지는 발전모드 또는 고온형 연료전지의 산물인 수증기를 가수분해하여 수소를 발생시키는 수전해모드로 전환될 수 있다.
상기 저온형 연료전지(4)는 운전방식에 따라 발전모드 또는 수전해모드로 운전이 가능하다. 발전모드는 고온형 연료전지의 연료극 배가스에 포함된 수소 가스가 전극에서 수소 이온으로 변환되어 전해질을 통해 반대 전극으로 이동하고, 상기 이동한 수소는 고온 연료전지의 공기극 배가스로부터 상기 반대 전극으로 공급되는 산소와 반응하여 물이 생성될 때 발생하는 에너지를 전력으로 변환하여 전기가 생산되는 방식이며, 수전해모드는 전력저장장치(5)의 전력을 저온형 연료전지(4)에 인가함에 따라 저온형 연료전지(4)의 전극에서 물이 수소 이온과 산소 이온으로 분리되어 수소이온만 전해질을 통해 반대 전극으로 이동하여 수소가 생산되는 방식이다.
저온형 연료전지(4)는 고온형 연료전지와 달리 시동시간이 짧기 때문에 작동의 ON/OFF 및 상기와 같은 발전모드 또는 수전해모드로의 전환이 용이하다.
본 발명 상기 복합 연료전지 시스템에서, 저온형 연료전지(4)는 전력수요가 많을 때는 발전모드로 작동하여 고온형 연료전지(3)에서 배출된 미반응의 산소(공기극 배가스에 포함)와 수소(연료극 배가스에 포함)를 이용하여 전기를 발생시키고 발생된 전기는 전력저장장치(5)에 저장된다.
반면에 전력수요가 적을 때는 수전해모드로 작동하여 고온형 연료전지(3)에서 배출된 미반응의 산소(공기극 배가스에 포함)는 외부로 배출됨으로써 저온형 연료전지로의 유입이 차단되고, 고온형 연료전지(3)에서의 산소와 수소의 반응물인 물이 연료극 배가스에 포함되어 저온형 연료전지(4)에 공급된다. 이 공급된 물의 분해(수전해) 후 생성된 수소 이온은 반대 전극으로 이동하면서 전자를 받아 수소로 변환되어 수소가 생성된다. 이 생성된 수소는 다시 Water trap(7)을 거쳐 수분이 제거되어 고온형 연료전지(3)에 공급된다. 상기 수전해의 물 분해에 필요한 전력은 전력저장장치(5)에서 공급받는다.
전력저장장치(5)
전력저장장치(5)는 충,방전이 가능한 이차전지의 모듈로 구성되어 있으며 고온형 연료전지(3)와 저온형 연료전지(4)에서 발생된 전기를 저장하는 장치이다. 저장된 전기는 주로 전기 응용장치(6)로 소모되며 전력수요가 적을 때는 전력저장장치(5)에 저장된 전기의 일부가 저온형 연료전지의 수전해모드에 소모될 수 있다.
전기 응용장치(6)
전기 응용장치(6)는 전력저장장치(5)에 저장된 전기를 활용하는 장치이며 자동차용, 가정용, 산업용 등의 전기로 구동되는 모든 장치가 포함된다.
Water Trap(7)
Water Trap(7)은 저온형 연료전지(4)의 수전해모드에서 발생된 수소를 고온형 연료전지(3)에 공급하기 위해서 상기 수소가 공급될 때, 상기 수소에 포함된 미량의 수분을 제거하기 위한 장치이다.
배출 배가스 활용장치(8)
배출 배가스 활용장치(8)는 본 발명의 고온형 연료전지 및 저온형 연료전지의 배가스에 포함된 수소, 산소, 수증기, 질소에서 수증기를 분리하여 온수로 활용하거나 잔류 수소, 산소를 연소시켜 시스템의 추가 열원 등으로 활용될 수 있도록 하는 장치이다. 상기 장치는 또한 상기 배가스를 외부로 배출하는 통로로 사용된다.
도 2 및 3은 각각 전력수요가 작을 때와 많을 때의 본 발명 시스템의 가스 및 전력 흐름을 모식적으로 도시한 것이다. 이러한 도 2 및 3의 본 발명 시스템의 가스 및 전력 흐름은 암모니아 공급에 의한 전력 생산 및 에너지의 효율적인 관리을 위한 것이다.
도 2에 모식적으로 도시된 바와 같이, 본 발명의 암모니아 연료 적용 고온형 연료전지와 저온형 연료전지의 복합 연료전지 시스템에서 전력수요가 적을 경우는 저온형 연료전지(4)는 수전해모드로 작동하고, 이때 발생된 수소가 암모니아 공급장치(2)에서 공급된 암모니아와 혼합되어 연료로 사용됨으로써 고온형 연료전지(3)의 발전효율을 향상시킨다.
상세하게는 (b) 연료 라인은 암모니아 공급장치(2)에서 (b-1) 라인을 통해 암모니아가 공급되어 고온형 연료전지(3)의 전력생산 연료극 연료로 사용되고, 상기 사용에 따른 작동 후 고온형 연료전지(3)의 연료극에서 배출된 질소, 고온형 연료전지의 미반응 수소, 및 수증기는 (b-2) 라인을 통해 저온형 연료전지(4)의 연료극으로 공급된다. 상기 (b-2) 라인을 통하여 공급받은 질소, 고온형 연료전지의 미반응 수소, 및 수증기 중에서 상기 수증기 및 미반응 수소는 저온형 연료전지(4)에서의 수전해 반응으로 분해 및 이온화되어 수소 이온만이 전해질을 통해 저온형 연료전지(4)의 공기극으로 넘어가고, 이 수소 이온은 전극에서 전자를 받아 수소로 변환되어 (c-2) 라인으로 배출된다. (c-2) 라인으로 배출된 수소는 미량의 포함된 수분을 제거하기 위해 Water trap(7)을 거치고 (c-4) 라인을 통해 고온형 연료전지(3)의 연료극으로 공급되어 암모니아와 함께 연료로 사용된다. 상기 고온형 연료전지(3)에서 (b-2) 라인을 통해 저온형 연료전지(4)로 공급된 가스 중에서 질소, 연료극에서 분해되어 남은 산소, 미분해 수증기, 및 저온형 연료전지(4)에서의 미반응 수소는 (b-3) 라인을 통해 배출 배가스 활용장치(8)로 배출된다.
(c) 공기 라인은 공기 공급장치(1)에서 공기가 공급되어 (c-1) 라인을을 통해 고온형 연료전지(3)의 전력 생산을 위한 공기극 연료로 사용되고, 상기 사용에 따른 작동 후 고온형 연료전지(3)의 공기극에서 배출된 미반응 산소 및 질소는 (c-3) 라인을 통해 배출 배가스 활용장치(8)로 배출된다.
(a) 전력 라인은 고온형 연료전지(3)의 전기가 생성되고 (a-1) 라인을 통해 전력저장장치(5)에 저장됨과 동시에 (a-3) 라인을 통해 전기 응용장치(6)에 사용되며, 저장 전력의 일부가 (a-2) 라인을 통해 저온형 연료전지(4)의 수전해 반응에 필요한 전력으로 공급된다.
도 3에 모식적으로 도시된 바와 같이, 본 발명의 암모니아 연료 적용 고온형 연료전지와 저온형 연료전지의 복합 연료전지 시스템에서 전력수요가 많을 때는, 저온형 연료전지(4)는 발전모드로 작동하고, 이때 발생된 전기는 전력저장장치(5)에 고온형 연료전지(3)로부터 생산된 전력과 함께 저장되어 발전효율의 향상에 기여한다.
상세하게는 (b) 연료 라인은 암모니아 공급장치(2)에서 (b-1) 라인을 통해 암모니아가 공급되어 고온형 연료전지(3)의 전력생산을 위한 연료극 연료로 사용된다. 상기 사용으로 고온형 연료전지(3)의 연료극으로부터 배출된 질소, 고온형 연료전지(3)에서의 미반응 수소, 및 반응생성물의 수증기는 (b-2) 라인을 통해 저온형 연료전지(4)의 연료극으로 공급된다. 이때 공급된 고온형 연료전지(3)에서의 미반응 수소는 전기화학 반응으로 이온화되어 수소 이온만 전해질을 통해 저온형 연료전지(4)의 공기극으로 넘어간다.
한편, 상기 고온형 연료전지(3)에서 (b-2) 라인을 통해 저온형 연료전지(4)로 공급된 가스 중에서 질소, 저온형 연료전지(4)에서의 상기 전기화학 반응의 미반응 수소, 수증기는 (b-3) 라인을 통해 (8) 배출 배가스 활용장치로 배출된다.
(c) 공기 라인은 공기 공급장치(1)에서 공기가 공급되어 (c-1) 라인을 통해 고온형 연료전지(3)의 전력 생산을 위한 공기극 연료로 사용된다. 상기 사용에 따른 작동 후, 고온형 연료전지(3)의 공기극에서 배출된 미반응 산소 및 질소는 (c-3), (c-5) 라인을 통해 저온형 연료전지(4)의 공기극으로 공급된다. 상기 공급된 고온형 연료전지(3)의 미반응 산소는 상기 저온형 연료전지(4)의 연료극으로부터 전해질을 통해 넘어온 수소 이온과 함께 물을 생성하는 반응으로 추가 전력을 발생시킨다. 상기 저온형 연료전지(4)의 발전모드 작동 후 배출된 잔류 질소, 저온형 연료전지(4)에서의 미반응 산소, 수증기는 (c-2) 라인을 통해 배출되어 저온형 연료전지(4)의 연료극 배가스가 통과하는 (b-3) 라인과 연결되면서 (8) 배출 배가스 활용장치로 배출된다.
(a) 전력 라인은, 고온형 연료전지(3)에서 전기가 생성되고, 이 생성된 전기는 (a-1) 라인을 통해 전력저장장치(5)에 저장되어 (a-3) 라인을 통해 전기 응용장치(6)에서 사용되며, 상기 저온형 연료전지(4)에서 생성된 추가 전력도 (a-4) 라인을 통해 전력저장장치(5)에 저장되어 동일하게 전기 응용장치(6)에서 소비된다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다.
본 발명은, 충청북도에서 지원하고 ㈜원익머트리얼즈 단독으로 수행한 ‘수소·이차전지 소재부품 기술개발(R＆D) 지원사업’의 연구과제(과제명: 암모니아 기반 고체산화물 연료전지 전극 소재 및 셀 제조 기술개발, 과제번호: CBTP-B-20-04-R001, 연구 기간: 2020.04.01.~2020.10.31)의 결과이다.
1. 공기 공급장치, 2. 암모니아 공급장치, 3. 고온형 연료전지, 4. 배가스 배출장치, 5. 전력저장장치, 6. 전기 응용장치, 7. Water Trap, 8. 배출 배가스 활용장치

Claims (8)

  1. 공기 공급장치; 암모니아 공급장치; 고온형 연료전지; 저온형 연료전지; 전력저장장치; 전기 응용장치;를 포함하는 암모니아 연료 적용 복합 연료전지 시스템에 있어서,
    상기 공기 공급장치는 상기 고온형 연료전지의 내부에 있는 공기극에 산소를 포함하는 공기를 공급하는 장치이고,
    상기 암모니아 공급장치는 상기 고온형 연료전지의 내부에 있는 연료극에 액체 또는 기체상의 암모니아, 또는 암모니아 개질 수소를 공급하는 장치이며,
    상기 고온형 연료장치는 상기 공기 공급장치에서 공급된 공기, 및 상기 암모니아 공급장치에서 공급된 암모니아 또는 암모니아 개질 수소를 이용하여 전기를 발생하는 것으로서 작동온도가 600℃ 이상인 장치이고,
    상기 저온형 연료전지는 전력 필요 수급 정도에 따라 발전모드 또는 수전해모드의 전환이 이루어지는 장치로서, 작동온도가 200℃ 이하인 연료전지 장치이며,
    상기 전력저장장치는 충, 방전이 가능한 이차전지의 모듈로 구성되어 있으며, 상기 고온형 연료전지, 또는 상기 고온형 연료전지 및 저온형 연료전지로부터 발생된 전기를 저장하는 장치이고,
    상기 전기 응용장치는 상기 전력저장장치에 저장된 전기를 활용하는 장치이며,
    상기 저온형 연료전지의 발전모드는 상기 고온형 연료전지의 작동 후에 연료극에서 배출된 미반응 수소와 고온형 연료전지의 공기극에서 배출된 미반응 산소를 이용하여 저온형 연료전지에서도 추가로 전력을 생산하는 모드이고,
    상기 저온형 연료전지의 수전해모드는, 상기 고온형 연료전지의 작동 후에 연료극에서 배출된 수증기가 전력이 인가된 저온형 연료전지의 전극에서 수소 이온과 산소 이온으로 분리되고, 상기 수소 이온만이 전해질을 통해 반대 전극으로 이동하면서 전자를 받아 수소로 변환되어 수소가 생산되는 모드이며, 상기 인가되는 전력은 상기 전력저장장치로부터 인가되며,
    상기 저온형 연료전지의 발전모드 및 수전해모드는 각각 전력수요가 많은 경우 및 전력수요가 적은 경우에 이루어지는 것을 특징으로 하는, 암모니아 연료 적용 복합 연료전지 시스템
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 전력수요가 많은 경우는 고온형 연료전지 및 저온형 연료전지는 모두 발전모드를 이루고, 전력수요가 적은 경우는 고온형 연료전지는 발전모드를, 그리고 저온형 연료전지는 수전해모드를 이루는 것을 특징으로 하는, 암모니아 연료 적용 복합 연료전지 시스템
  5. 청구항 1에 있어서,
    Water Trap, 및 배출 배가스 활용장치를 더 포함하며,
    상기 Water Trap은 상기 저온형 연료장치의 수전해모드로부터 발생되는 수소에 포함된 물을 제거하기 위한 장치이며,
    상기 배출 배가스 활용장치는 상기 고온형 연료전지 및/또는 저온형 연료전지로부터 배출되는 수소, 산소, 수증기, 질소를 포함하는 배가스를 분리하여 온수로 사용하거나, 또는 상기 수소, 산소를 연소시켜 시스템의 추가 열원으로 활용하는 장치인 것을 특징으로 하는, 암모니아 연료 적용 복합 연료전지 시스템
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 고온형 연료장치는 고체산화물 연료전지(SOFC), 또는 용융탄산염 연료전지(MCFC)인 것을 특징으로 하는, 암모니아 연료 적용 복합 연료전지 시스템
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 고온형 연료장치는 연료로서 상기 암모니아 공급장치에서 암모니아 또는 암모니아 개질 수소에 더하여 수전해모드로부터 생산되는 수소를 이용하는 것을 특징으로 하는, 암모니아 연료 적용 복합 연료전지 시스템
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 저온형 연료장치는 고분자전해질 연료전지(PEMFC), 인산형 연료전지(PAFC), 알카라인 연료전지(AFC), 또는 이들의 혼합형태인 것을 특징으로 하는, 암모니아 연료 적용 복합 연료전지 시스템
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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