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KR102688537B1 - Electrode module and electrochemical system including the same - Google Patents

Electrode module and electrochemical system including the same Download PDF

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KR102688537B1
KR102688537B1 KR1020240016030A KR20240016030A KR102688537B1 KR 102688537 B1 KR102688537 B1 KR 102688537B1 KR 1020240016030 A KR1020240016030 A KR 1020240016030A KR 20240016030 A KR20240016030 A KR 20240016030A KR 102688537 B1 KR102688537 B1 KR 102688537B1
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KR
South Korea
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air
stack
fluid
fluid communication
recuperator
Prior art date
Application number
KR1020240016030A
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Korean (ko)
Inventor
김경준
크리스나다스싱
하균호
허연혁
Original Assignee
삼성이앤에이 주식회사
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Publication date
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Abstract

전극 모듈 및 이를 포함하는 전기화학 시스템이 개시된다. 개시된 전극 모듈은 제1 유체의 유입구, 상기 제1 유체의 유입구와 유체 연통된 복열기, 상기 복열기와 유체 연통된 전열기, 상기 전열기와 유체 연통된 제1 유체의 공급관, 상기 제1 유체의 공급관과 유체 연통된 스택 안착부, 상기 스택 안착부와 유체 연통된 제2 유체의 배출수단, 상기 복열기를 매개로 하여 상기 제2 유체의 배출수단과 유체 연통된 제2 유체의 배출구를 포함하고, 상기 복열기는 상기 제1 유체와 상기 제2 유체를 열교환시키도록 구성된다.An electrode module and an electrochemical system including the same are disclosed. The disclosed electrode module includes an inlet of a first fluid, a recuperator in fluid communication with the inlet of the first fluid, an electric heater in fluid communication with the recuperator, a supply pipe of the first fluid in fluid communication with the heater, and a supply pipe of the first fluid. It includes a stack seating portion in fluid communication with the stack seating portion, a second fluid discharge means in fluid communication with the stack seating portion, and a second fluid discharge port in fluid communication with the second fluid discharge means via the recuperator, The recuperator is configured to exchange heat between the first fluid and the second fluid.

Description

전극 모듈 및 이를 포함하는 전기화학 시스템{Electrode module and electrochemical system including the same}Electrode module and electrochemical system including the same}

전극 모듈 및 이를 포함하는 전기화학 시스템이 개시된다. 보다 상세하게는, 고체산화물 연료전지 또는 스택의 병렬 연결을 위한 매니폴드, 고온 운전 유지를 위한 고온 복열기 및 전열기를 모두 통합한 확장 가능형 전극 모듈 및 이를 포함하는 전기화학 시스템이 개시된다.An electrode module and an electrochemical system including the same are disclosed. More specifically, an expandable electrode module integrating a manifold for parallel connection of a solid oxide fuel cell or stack, a high-temperature recuperator for maintaining high-temperature operation, and an electric heater, and an electrochemical system including the same are disclosed.

기존 고온 연료전지용 핫박스(Hot Box)(이는 천연/도시가스 개질기와 버너 등을 포함함)는 다수의 상용화 사례가 있으나, 용량이 작고 개질기 및 버너가 포함되지 않는 순수 수소 연료전지 또는 수전해 용도로는 사용이 불가능하다는 문제점이 있었다.There are many commercialization cases of existing hot boxes for high-temperature fuel cells (which include natural/city gas reformers and burners, etc.), but they are used for pure hydrogen fuel cells or water electrolysis that have small capacities and do not include reformers and burners. There was a problem in that it was impossible to use.

현재 실증 단계에 적용하고 있는 고온스택의 용량은 3~10kW 수준으로, 저온스택의 용량 1MW~10MW 대비 수소 생산성이 현저히 떨어진다. 또한, 현재 실증 단계에 있는 고온수전해 핫박스의 용량은 국내의 경우 수십 kW 수준이고, 해외의 경우 수백 kW 수준으로서 상용화 수준에는 현저히 못 미친다.The capacity of the high-temperature stack currently being applied in the demonstration stage is 3 to 10 kW, and hydrogen productivity is significantly lower than that of the low-temperature stack, which has a capacity of 1 MW to 10 MW. In addition, the capacity of the high-temperature water electrolysis hot box currently in the demonstration stage is tens of kW domestically and hundreds kW overseas, which is significantly below the level of commercialization.

고온스택을 포함한 복열기 및 전열기는 550~800℃의 고온에서 운전되기 때문에 외기에 노출될 경우 열손실이 상당하여, 수소 생산 효율이 급격하게 떨어지게 된다. Since recuperators and electric heaters, including high-temperature stacks, operate at high temperatures of 550 to 800 degrees Celsius, heat loss is significant when exposed to outdoor air, and hydrogen production efficiency rapidly decreases.

또한, 현재 적용 중인 핫박스는 복열기, 전열기 및 고온 배관망을 단열재의 외부에 적용하는 경우가 많아 상용화 가능한 수준의 수소 생산 효율을 갖추고 있지 못하다.In addition, the hot boxes currently in use often apply recuperators, electric heaters, and high-temperature piping networks to the outside of the insulation, so they do not have a commercializable level of hydrogen production efficiency.

본 발명의 일 구현예는 고체산화물 연료전지 또는 스택의 병렬 연결을 위한 매니폴드, 고온 운전 유지를 위한 고온 복열기 및 전열기를 모두 통합한 확장 가능형 전극 모듈을 제공한다.One embodiment of the present invention provides an expandable electrode module that integrates a manifold for parallel connection of a solid oxide fuel cell or stack, a high-temperature recuperator for maintaining high-temperature operation, and an electric heater.

본 발명의 다른 구현예는 상기 전극 모듈을 포함하는 전기화학 시스템을 제공한다.Another embodiment of the present invention provides an electrochemical system including the electrode module.

본 발명의 일 측면은,One aspect of the present invention is,

제1 유체의 유입구;an inlet of a first fluid;

상기 제1 유체의 유입구와 유체 연통된 복열기;a recuperator in fluid communication with the inlet of the first fluid;

상기 복열기와 유체 연통된 전열기;an electric heater in fluid communication with the recuperator;

상기 전열기와 유체 연통된 제1 유체의 공급관; a supply pipe for a first fluid in fluid communication with the electric heater;

상기 제1 유체의 공급관과 유체 연통된 스택 안착부;a stack seating portion in fluid communication with the first fluid supply pipe;

상기 스택 안착부와 유체 연통된 제2 유체의 배출수단; 및a second fluid discharge means in fluid communication with the stack seating portion; and

상기 복열기를 매개로 하여 상기 제2 유체의 배출수단과 유체 연통된 제2 유체의 배출구를 포함하고,It includes a second fluid discharge port in fluid communication with the second fluid discharge means via the recuperator,

상기 복열기는 상기 제1 유체와 상기 제2 유체를 열교환시키도록 구성된 전극 모듈을 제공한다.The recuperator provides an electrode module configured to heat exchange the first fluid and the second fluid.

상기 제1 유체의 유입구와 상기 제2 유체의 배출구는 서로 유체적으로 분리되어 밀착되게 배치될 수 있다.The inlet of the first fluid and the outlet of the second fluid may be arranged to be fluidly separated from each other and be in close contact with each other.

상기 스택 안착부는 복수개이고, 이 경우 상기 복수개의 스택 안착부들은 좌우 대칭되게 배치된 제1 열의 스택 안착부들 및 제2 열의 스택 안착부들로 구분되고, 상기 제1 유체의 공급관은 상기 제1 열의 스택 안착들과 상기 제2 열의 스택 안착부들 사이에 한쌍이 병렬로 배치되고, 상기 제2 유체의 배출수단은 상기 제1 유체의 공급관을 기준으로 관찰할 때 상기 제1 열의 스택 안착부들의 외측과 상기 제2 열의 스택 안착부들의 외측에 하나씩 한쌍이 병렬로 배치될 수 있다.The stack seating portion is plural, and in this case, the plurality of stack seating portions are divided into a first row of stack seating portions and a second row of stack seating portions arranged left and right symmetrically, and the supply pipe of the first fluid is connected to the first row of stack seating portions. A pair of seats is disposed in parallel between the seats and the stack seats of the second row, and the discharge means for the second fluid is located on the outside of the stack seats of the first row and the A pair of stack seating parts in the second row may be arranged in parallel, one by one, on the outside.

본 발명의 다른 측면은,Another aspect of the present invention is,

상술한 전극 모듈; 및The electrode module described above; and

스택을 포함하는 전기화학 시스템을 제공한다.An electrochemical system comprising a stack is provided.

본 발명의 또 다른 측면은,Another aspect of the present invention is,

스팀 유입구;steam inlet;

상기 스팀 유입구와 유체 연통된 연료극 복열기;an anode recuperator in fluid communication with the steam inlet;

상기 연료극 복열기와 유체 연통된 연료극 전열기;a fuel electrode heater in fluid communication with the fuel electrode recuperator;

상기 연료극 전열기와 유체 연통된 스팀 공급관; a steam supply pipe in fluid communication with the anode heater;

상기 스팀 공급관과 유체 연통된 연료극 스택 안착부;a fuel electrode stack seating portion in fluid communication with the steam supply pipe;

상기 연료극 스택 안착부와 유체 연통된 스팀 공급노즐;A steam supply nozzle in fluid communication with the anode stack seating portion;

상기 연료극 스택 안착부와 유체 연통된 수소 배출노즐;a hydrogen discharge nozzle in fluid communication with the anode stack seating portion;

상기 연료극 스택 안착부와 유체 연통된 수소 배출관; 및a hydrogen discharge pipe in fluid communication with the anode stack seating portion; and

상기 연료극 복열기를 매개로 하여 상기 수소 배출관과 유체 연통된 수소 배출구를 포함하고,It includes a hydrogen outlet in fluid communication with the hydrogen discharge pipe via the anode recuperator,

상기 연료극 복열기는 상기 스팀 유입구를 통해 유입된 스팀과 상기 수소 배출관에서 배출된 수소를 열교환시키도록 구성된 전극 모듈을 제공한다.The anode recuperator provides an electrode module configured to heat exchange steam introduced through the steam inlet and hydrogen discharged from the hydrogen discharge pipe.

상기 연료극 스택 안착부는 서로 유체적으로 분리된 스팀 공급 통로 및 수소 배출 통로를 포함하고, 상기 스팀 공급 통로는 상기 스팀 공급관과 스팀 공급노즐을 서로 연결하도록 구성되고, 상기 수소 배출 통로는 상기 수소 배출노즐과 상기 수소 배출관을 서로 연결하도록 구성될 수 있다.The anode stack seating portion includes a steam supply passage and a hydrogen discharge passage that are fluidically separated from each other, the steam supply passage is configured to connect the steam supply pipe and the steam supply nozzle, and the hydrogen discharge passage is configured to connect the steam supply pipe and the steam supply nozzle. and may be configured to connect the hydrogen discharge pipe to each other.

상기 스팀 공급노즐과 상기 수소 배출노즐은 각각 상기 연료극 스택 안착부의 상면에 배치될 수 있다.The steam supply nozzle and the hydrogen discharge nozzle may each be disposed on an upper surface of the anode stack seating portion.

본 발명의 또 다른 측면은,Another aspect of the present invention is,

외기 유입구;Outdoor air inlet;

상기 외기 유입구와 유체 연통된 공기극 복열기;an air cathode recuperator in fluid communication with the outside air inlet;

상기 공기극 복열기와 유체 연통된 공기극 전열기;an air cathode heater in fluid communication with the air cathode recuperator;

상기 공기극 전열기와 유체 연통된 외기 공급관; an external air supply pipe in fluid communication with the air electrode heater;

상기 외기 공급관과 유체 연통된 공기극 스택 안착부;an air electrode stack seating portion in fluid communication with the external air supply pipe;

상기 공기극 스택 안착부와 유체 연통된 배기통로; 및an exhaust passage in fluid communication with the air electrode stack seating portion; and

상기 공기극 복열기를 매개로 하여 상기 배기통로와 유체 연통된 배기구를 포함하고,An exhaust port in fluid communication with the exhaust passage via the air cathode recuperator,

상기 공기극 복열기는 상기 외기 유입구를 통해 유입된 외기와 상기 배기통로에서 배출된 배기를 열교환시키도록 구성된 전극 모듈을 제공한다.The air cathode recuperator provides an electrode module configured to heat exchange between outdoor air introduced through the outdoor air inlet and exhaust gas discharged from the exhaust passage.

상기 공기극 스택 안착부는 복수개이고, 이 경우 상기 전극 모듈은 상기 외기 공급관과 함께 상기 복수개의 공기극 스택 안착부를 개별적으로 구분하도록 구성된 복수개의 공기 가이드를 더 포함할 수 있다.The air electrode stack seating portion may be plural, and in this case, the electrode module may further include a plurality of air guides configured to individually separate the plurality of air electrode stack seating portions along with the external air supply pipe.

상기 전극 모듈은 서로 인접한 2개의 공기 가이드 사이에 배치된 압축로드를 더 포함할 수 있다.The electrode module may further include a compression rod disposed between two adjacent air guides.

본 발명의 또 다른 측면은,Another aspect of the present invention is,

상술한 전극 모듈을 포함하는 연료극 모듈;An anode module including the above-described electrode module;

상술한 또 다른 전극 모듈을 포함하는 공기극 모듈; 및An air electrode module including another electrode module described above; and

스택을 포함하는 전기화학 시스템을 제공한다.An electrochemical system comprising a stack is provided.

상기 공기극 모듈은 상기 연료극 모듈 위에 배치되고, 상기 전기화학 시스템은 상기 공기극 모듈의 일측면 및 타측면을 각각 덮도록 상기 연료극 모듈 위에 배치된 한쌍의 사이드 패널을 더 포함할 수 있다.The air electrode module is disposed on the fuel electrode module, and the electrochemical system may further include a pair of side panels disposed on the fuel electrode module to cover one side and the other side of the air electrode module, respectively.

상기 공기극 모듈은 상기 공기극 모듈과 상기 연료극 모듈을 모두 관통하도록 배치된 압축로드를 더 포함할 수 있다.The air electrode module may further include a compression rod disposed to penetrate both the air electrode module and the fuel electrode module.

상기 전기화학 시스템은 상기 압축로드의 상기 공기극 모듈측 일단부에 결합된 제1 너트, 상기 압축로드의 상기 연료극 모듈측 타단부에 결합된 스프링 및 상기 스프링을 압축시키도록 상기 압축로드의 타단부에 결합된 제2 너트를 더 포함할 수 있다.The electrochemical system includes a first nut coupled to one end of the compression rod on the air electrode module side, a spring coupled to the other end of the compression rod on the anode module side, and a first nut coupled to the other end of the compression rod on the anode module side to compress the spring. It may further include a coupled second nut.

상기 전기화학 시스템은 고체산화물 연료전지 시스템 또는 고체산화물 수전해 시스템일 수 있다.The electrochemical system may be a solid oxide fuel cell system or a solid oxide water electrolysis system.

본 발명의 일 구현예에 따른 전극 모듈 및 이를 포함하는 전기화학 시스템은 고효율 고체산화물 연료전지 또는 수전해 기술인 고온 고체산화물 연료전지 또는 수전해 시스템의 집적화를 이루어 고용량 고체산화물 연료전지 또는 수전해 시스템의 구축 비용을 크게 절감할 수 있으며, 집적화로 인한 단열 효과의 증대로 고체산화물 연료전지 또는 수전해 시스템의 열효율 또한 극대화할 수 있다. An electrode module and an electrochemical system including the same according to an embodiment of the present invention integrate a high-efficiency solid oxide fuel cell or a high-temperature solid oxide fuel cell or water electrolysis system, which is a water electrolysis technology, to provide a high-capacity solid oxide fuel cell or water electrolysis system. Construction costs can be greatly reduced, and the thermal efficiency of the solid oxide fuel cell or water electrolysis system can also be maximized by increasing the insulation effect due to integration.

또한, 본 발명의 일 구현예에 따른 전극 모듈은 플랫폼 형태로 제작되어 다수의 스택을 직렬 및/또는 병렬로 연결하거나 적층할 수 있다.Additionally, the electrode module according to one embodiment of the present invention is manufactured in a platform form and can connect or stack multiple stacks in series and/or parallel.

도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 전극 모듈로서 연료극 모듈을 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명의 구현예들에 따른 전극 모듈들로서 연료극 모듈과 공기극 모듈의 적층 구조체를 포함하는 전기화학 시스템의 평면도이다.
도 3은 본 발명의 구현예들에 따른 전극 모듈들로서 연료극 모듈과 공기극 모듈의 적층 구조체를 포함하는 전기화학 시스템의 사시도이다.
도 4는 도 3의 전기화학 시스템에 스택을 추가로 설치하여 도시한 도면이다.
도 5는 도 4의 전기화학 시스템의 일 측면도이다.
도 6은 도 5의 전기화학 시스템에서 연료극 집전체들, 버스바들 및 공기극 집전체들만을 발췌하여 도시한 도면이다.
도 7은 도 4의 전기화학 시스템에 사이드 패널을 추가로 설치하여 도시한 도면이다.
도 8은 도 7의 전기화학 시스템에 압축 플레이트를 추가로 설치하여 도시한 도면이다.
도 9는 도 8의 전기화학 시스템이 스택 압축 시스템으로 압축된 상태를 도시한 일 측면도이다.
도 10은 도 7의 전기화학 시스템에서 스택만을 제거한 상태를 도시한 도면으로서, 공기극 모듈에서의 유체의 흐름을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 도 10의 전기화학 시스템에서 공기 가이드 설치부를 확대하여 도시한 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 구현예에 따른 전기화학 시스템의 몇가지 연결방법을 나타낸 도면이다.
1 is a perspective view schematically showing an anode module as an electrode module according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a plan view of an electrochemical system including a stacked structure of an anode module and an air electrode module as electrode modules according to embodiments of the present invention.
Figure 3 is a perspective view of an electrochemical system including a stacked structure of an anode module and an air electrode module as electrode modules according to embodiments of the present invention.
FIG. 4 is a diagram illustrating an additional stack installed in the electrochemical system of FIG. 3.
Figure 5 is a side view of the electrochemical system of Figure 4.
FIG. 6 is a diagram illustrating only the anode current collectors, bus bars, and air electrode current collectors in the electrochemical system of FIG. 5.
FIG. 7 is a diagram illustrating an additional side panel installed in the electrochemical system of FIG. 4.
FIG. 8 is a diagram illustrating an additional compression plate installed in the electrochemical system of FIG. 7.
FIG. 9 is a side view showing the electrochemical system of FIG. 8 compressed with a stack compression system.
FIG. 10 is a diagram illustrating the electrochemical system of FIG. 7 with only the stack removed, and is a diagram for explaining the flow of fluid in the air electrode module.
FIG. 11 is an enlarged view of the air guide installation part in the electrochemical system of FIG. 10.
Figure 12 is a diagram showing several connection methods of an electrochemical system according to an embodiment of the present invention.

이하, 본 발명의 일 구현예에 따른 전극 모듈 및 이를 포함하는 전기화학 시스템을 상세히 설명한다.Hereinafter, an electrode module and an electrochemical system including the same according to an embodiment of the present invention will be described in detail.

본 명세서에서, "외기"는 외기 유입구와 스택 사이에 존재하는 모든 공기를 의미하고, "배기"는 스택과 배기구 사이에 존재하는 모든 공기를 의미한다.In this specification, “outside air” refers to all air existing between the outside air inlet and the stack, and “exhaust” refers to all air existing between the stack and the exhaust port.

또한 본 명세서에서, "유체 연통(fluid communication)"이란 2개 이상의 부재가 이들 내부를 통해 유체가 흐를 수 있도록 연결된 것을 의미한다.Also, in this specification, “fluid communication” means that two or more members are connected so that fluid can flow through them.

또한 본 명세서에서, "유체적으로 분리된다(fluidly separated)"는 것은 2개 이상의 부재가 어느 한 부재로부터 다른 부재로 유체가 흐르지 않도록 구성된 것을 의미한다.Also, as used herein, “fluidly separated” means that two or more members are configured so that fluid does not flow from one member to the other member.

또한 본 명세서에서, "병렬로 배치된다"는 것은 2개 이상의 부재가 가상의 수직선을 기준으로 평활면들(가장 넓은 면들)이 서로 마주보도록 배치된다는 것을 의미한다.Also, in this specification, “arranged in parallel” means that two or more members are arranged so that their smooth surfaces (widest surfaces) face each other based on an imaginary vertical line.

또한 본 명세서에서, "직렬로 배치된다"는 것은 2개 이상의 부재가 일방향으로 연장되게 동일 직선상에 길이방향으로 나란히 배치된다는 것을 의미한다.Also, in this specification, “arranged in series” means that two or more members are arranged side by side in the longitudinal direction on the same straight line so as to extend in one direction.

또한 본 명세서에서, "상부"는 어떤 물체의 상대적으로 중력의 역방향에 위치한 부분을 의미하고, "하부"는 상기 물체의 상대적으로 중력의 순방향에 위치한 부분을 의미한다.Also, in this specification, “upper part” refers to a part of an object located relatively in the opposite direction of gravity, and “lower part” refers to a part of the object relatively located in the forward direction of gravity.

또한 본 명세서에서, "상면"은 어떤 물체를 상부에서 하부로 내려다 볼 때 보이는 면을 의미하고, "저면"은 상기 물체를 하부에서 상부로 올려다 볼 때 보이는 면을 의미한다.Also, in this specification, “top surface” means the surface visible when looking down at an object from the top to the bottom, and “bottom surface” means the surface visible when looking up the object from the bottom to the top.

본 발명의 일 구현예에 따른 전극 모듈은 제1 유체의 유입구, 복열기(recuperator), 전열기(electric heater), 제1 유체의 공급관, 스택 안착부, 제2 유체의 배출수단 및 제2 유체의 배출구를 포함한다.The electrode module according to one embodiment of the present invention includes an inlet of the first fluid, a recuperator, an electric heater, a supply pipe of the first fluid, a stack seating portion, a discharge means of the second fluid, and an electric heater of the second fluid. Includes outlet.

상기 복열기는 상기 제1 유체의 유입구와 유체 연통될 수 있다. The recuperator may be in fluid communication with the inlet of the first fluid.

또한, 상기 복열기는 상기 제1 유체와 상기 제2 유체를 열교환시키도록 구성될 수 있다.Additionally, the recuperator may be configured to exchange heat between the first fluid and the second fluid.

상기 전열기는 상기 복열기와 유체 연통될 수 있다.The electric heater may be in fluid communication with the recuperator.

상기 제1 유체의 공급관은 상기 전열기와 유체 연통될 수 있다.The supply pipe of the first fluid may be in fluid communication with the electric heater.

상기 스택 안착부는 상기 제1 유체의 공급관과 유체 연통될 수 있다.The stack seating portion may be in fluid communication with the supply pipe of the first fluid.

또한, 상기 스택 안착부는 복수개이고, 이 경우 상기 복수개의 스택 안착부들은 좌우 대칭되게 배치된 제1 열의 스택 안착부들 및 제2 열의 스택 안착부들로 구분될 수 있다.In addition, the stack seating portions may be plural, and in this case, the plurality of stack seating portions may be divided into a first row of stack seating portions and a second row of stack seating portions arranged left and right symmetrically.

상기 제1 열의 스택 안착부들 및 상기 제2 열의 스택 안착부들은 각각 일렬종대로 배치된 복수개의 스택 안착부를 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 제1 유체의 공급관은 상기 제1 열의 스택 안착부들과 상기 제2 열의 스택 안착부들 사이에 한쌍이 병렬로 배치될 수 있다. 또한 이 경우, 상기 제2 유체의 배출수단은 상기 제1 유체의 공급관을 기준으로 관찰할 때 상기 제1 열의 스택 안착부들의 외측과 상기 제2 열의 스택 안착부들의 외측에 하나씩 한쌍이 병렬로 배치될 수 있다.The stack seating units in the first row and the stack seating units in the second row may each include a plurality of stack seating units arranged in a row. In this case, a pair of supply pipes for the first fluid may be arranged in parallel between the stack seating parts in the first row and the stack seating parts in the second row. Also, in this case, the discharge means for the second fluid are arranged in parallel in pairs, one on the outside of the stack seating parts in the first row and the other on the outside of the stack seating parts in the second row, when observed with respect to the supply pipe of the first fluid. It can be.

상기 제2 유체의 배출수단은 상기 스택 안착부와 유체 연통될 수 있다.The second fluid discharge means may be in fluid communication with the stack seating portion.

또한, 상기 제2 유체의 배출구는 상기 복열기를 매개로 하여 상기 제2 유체의 배출수단과 유체 연통될 수 있다. 구체적으로, 상기 제2 유체의 배출구가 상기 복열기와 유체 연통되고 상기 복열기가 상기 제2 유체의 배출수단과 유체 연통됨으로써, 결과적으로 상기 제2 유체의 배출구가 상기 제2 유체의 배출수단과 유체 연통될 수 있다.Additionally, the outlet of the second fluid may be in fluid communication with the discharge means of the second fluid via the recuperator. Specifically, the outlet of the second fluid is in fluid communication with the recuperator and the recuperator is in fluid communication with the discharge means of the second fluid, so that the outlet of the second fluid is in fluid communication with the discharge means of the second fluid. There may be fluid communication.

상기 제1 유체의 유입구와 상기 제2 유체의 배출구는 서로 유체적으로 분리되어 밀착되게 배치될 수 있다.The inlet of the first fluid and the outlet of the second fluid may be arranged to be fluidly separated from each other and be in close contact with each other.

본 발명의 다른 구현예는 상술한 전극 모듈 및 스택을 포함하는 전기화학 시스템을 제공한다. Another embodiment of the present invention provides an electrochemical system including the electrode module and stack described above.

상기 전극 모듈은 고체산화물 연료전지 시스템 또는 고체산화물 수전해 시스템에 적용되는 전극 모듈일 수 있고, 상기 전기화학 시스템은 고체산화물 연료전지 시스템 또는 고체산화물 수전해 시스템일 수 있다. 이하에서는 도면을 참조하여 고체산화물 수전해 시스템에 적용되는 전극 모듈을 기준으로 상술한 전극 모듈을 상세히 설명하지만, 상술한 전극 모듈은 고체산화물 연료전지에도 실질적으로 동일한 방식으로 적용될 수 있으며, 이는 당해 기술분야의 통상의 기술자에게 자명한 사항이다.The electrode module may be an electrode module applied to a solid oxide fuel cell system or a solid oxide water electrolysis system, and the electrochemical system may be a solid oxide fuel cell system or a solid oxide water electrolysis system. Hereinafter, the above-described electrode module will be described in detail based on the electrode module applied to the solid oxide water electrolysis system with reference to the drawings, but the above-described electrode module can be applied to the solid oxide fuel cell in substantially the same way, which is related to the technology. This is self-evident to those skilled in the art.

도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 전극 모듈로서 연료극 모듈(110)을 개략적으로 나타낸 사시도이다. 도 1에는 구성 및 작용이 동일한 2개의 연료극 모듈(110)이 서로 반대방향으로 배치되어 있는 것이다.Figure 1 is a perspective view schematically showing an anode module 110 as an electrode module according to an embodiment of the present invention. In Figure 1, two anode modules 110 with the same structure and function are arranged in opposite directions.

도 1을 참조하면, 연료극 모듈(110)은 스팀 유입구(111), 연료극 복열기(112), 연료극 전열기(113), 스팀 공급관(114), 연료극 스택 안착부(STS1), 스팀 공급노즐(N1), 수소 배출노즐(N2), 수소 배출관(116) 및 수소 배출구(117)를 포함한다. Referring to FIG. 1, the anode module 110 includes a steam inlet 111, an anode recuperator 112, an anode heater 113, a steam supply pipe 114, an anode stack seating portion (STS1), and a steam supply nozzle (N1). ), hydrogen discharge nozzle (N2), hydrogen discharge pipe 116, and hydrogen discharge port 117.

연료극 복열기(112)는 스팀 유입구(111)와 유체 연통될 수 있다.The anode recuperator 112 may be in fluid communication with the steam inlet 111.

또한, 연료극 복열기(112)는 스팀 유입구(111)를 통해 유입된 스팀과 수소 배출관(116)에서 배출된 수소를 열교환시키도록 구성될 수 있다. 구체적으로, 연료극 복열기(112)는 스팀 유입구(111)를 통해 유입된 스팀과 수소 배출관(116)에서 배출된 수소를 열교환시켜 상기 스팀을 가열시키고 상기 수소를 냉각시키도록 구성될 수 있다. 이에 따라, 스팀 유입구(111)를 통해 유입된 스팀과 수소 배출관(116)에서 배출된 수소 사이의 열교환을 통해 에너지 효율을 극대화할 수 있으며, 후술하는 단열재(200)의 외부로 고온의 유체를 토출시키지 않아 외기로 인한 열손실을 최소화할 수 있다.Additionally, the anode recuperator 112 may be configured to exchange heat between steam introduced through the steam inlet 111 and hydrogen discharged from the hydrogen discharge pipe 116. Specifically, the anode recuperator 112 may be configured to exchange heat between steam introduced through the steam inlet 111 and hydrogen discharged from the hydrogen discharge pipe 116 to heat the steam and cool the hydrogen. Accordingly, energy efficiency can be maximized through heat exchange between steam flowing in through the steam inlet 111 and hydrogen discharged from the hydrogen discharge pipe 116, and high-temperature fluid is discharged to the outside of the insulation material 200, which will be described later. By not doing so, heat loss due to outdoor air can be minimized.

연료극 전열기(113)는 연료극 복열기(112)와 유체 연통될 수 있다. 구체적으로, 연료극 전열기(113)는 연료극 복열기(112)를 통해 공급된 스팀을 추가로 가열하도록 구성될 수 있다. 보다 구체적으로, 연료극 전열기(113)는 연료극 복열기(112)의 말단에 내장되어 후술하는 스택(130)의 다양한 운전 조건(발열/중립/흡열)에서도 유체의 온도를 균일하게 유지시켜 스택(130)의 온도를 능동적으로 조절함으로써 스택(130)의 수명을 증가시킬 수 있다.The anode heater 113 may be in fluid communication with the anode recuperator 112. Specifically, the anode heater 113 may be configured to additionally heat steam supplied through the anode recuperator 112. More specifically, the anode heater 113 is built at the end of the anode recuperator 112 and maintains the temperature of the fluid uniformly even under various operating conditions (heating/neutrality/endothermic) of the stack 130, which will be described later, thereby maintaining the stack 130. ) The lifespan of the stack 130 can be increased by actively controlling the temperature.

스팀 공급관(114)은 연료극 전열기(113)와 유체 연통될 수 있다. 구체적으로, 스팀 공급관(114)은 연료극 전열기(113)를 통해 공급된 스팀을 연료극 스택 안착부(STS1)로 재공급하도록 구성될 수 있다.The steam supply pipe 114 may be in fluid communication with the anode heater 113. Specifically, the steam supply pipe 114 may be configured to re-supply steam supplied through the anode heater 113 to the anode stack seating portion (STS1).

연료극 스택 안착부(STS1)는 스팀 공급관(114)과 유체 연통될 수 있다.The anode stack seating portion STS1 may be in fluid communication with the steam supply pipe 114.

또한, 연료극 스택 안착부(STS1)는 복수개일 수 있다. 이 경우, 복수개의 연료극 스택 안착부들(STS1)은 좌우 대칭되게 배치된 제1 열의 연료극 스택 안착부들(STS1) 및 제2 열의 연료극 스택 안착부들(STS1)로 구분될 수 있다.Additionally, there may be a plurality of anode stack seating portions (STS1). In this case, the plurality of fuel electrode stack seating parts STS1 may be divided into a first row of fuel electrode stack seating parts STS1 and a second row of fuel electrode stack seating parts STS1 arranged symmetrically left and right.

제1 열의 연료극 스택 안착부들(STS1) 및 제2 열의 연료극 스택 안착부들(STS1)은 각각 일렬종대로 배치된 복수개의 연료극 스택 안착부들(STS1)을 포함할 수 있다. 이 경우, 스팀 공급관(114)은 제1 열의 연료극 스택 안착부들(STS1)과 제2 열의 연료극 스택 안착부들(STS1) 사이에 한쌍이 병렬로 배치될 수 있다. 또한 이 경우, 수소 배출관(116)은 스팀 공급관(114)을 기준으로 관찰할 때 제1 열의 연료극 스택 안착부들(STS1)의 외측과 제2 열의 연료극 스택 안착부들(STS1)의 외측에 하나씩 한쌍이 병렬로 배치될 수 있다.The first row of fuel electrode stack seating parts STS1 and the second row of fuel electrode stack seating parts STS1 may each include a plurality of fuel electrode stack seating parts STS1 arranged in a row. In this case, a pair of steam supply pipes 114 may be arranged in parallel between the anode stack seating parts STS1 in the first row and the anode stack seating parts STS1 in the second row. Also, in this case, the hydrogen discharge pipe 116 is located in pairs, one on the outside of the anode stack seating portions STS1 in the first row and the other on the outside of the anode stack seating portions STS1 in the second row when observed with the steam supply pipe 114 as the reference. Can be placed in parallel.

또한, 연료극 스택 안착부(STS1)는 서로 유체적으로 분리된 스팀 공급 통로(미도시) 및 수소 배출 통로(미도시)를 포함할 수 있다.Additionally, the anode stack seating portion STS1 may include a steam supply passage (not shown) and a hydrogen discharge passage (not shown) that are fluidically separated from each other.

상기 스팀 공급 통로는 스팀 공급관(114)과 스팀 공급노즐(N1)을 서로 연결하도록 구성될 수 있다. 따라서, 스팀 유입구(111)를 통해 연료극 모듈(110)로 공급된 스팀은 연료극 복열기(112), 연료극 전열기(113), 스팀 공급관(114), 및 연료극 스택 안착부(STS1)에 형성된 상기 스팀 공급 통로를 차례로 경유한 후 스팀 공급노즐(N1)을 통해 연료극 스택 안착부(STS1)의 상부에 배치된, 후술하는 스택(130)으로 공급될 수 있다(도 1의 실선 화살표 참조).The steam supply passage may be configured to connect the steam supply pipe 114 and the steam supply nozzle (N1) to each other. Therefore, the steam supplied to the anode module 110 through the steam inlet 111 is the steam formed in the anode recuperator 112, the anode heater 113, the steam supply pipe 114, and the anode stack seating portion STS1. After sequentially passing through the supply passage, it can be supplied to the stack 130, which will be described later, disposed on the upper part of the anode stack seating portion STS1 through the steam supply nozzle N1 (see solid arrow in FIG. 1).

상기 수소 배출 통로는 수소 배출노즐(N2)과 수소 배출관(116)을 서로 연결하도록 구성될 수 있다. 따라서, 후술하는 스택(130)에서 배출된 수소는 수소 배출노즐(N2)을 통해 연료극 스택 안착부(STS1)에 형성된 상기 수소 배출 통로, 수소 배출관(116) 및 연료극 복열기(112)를 차례로 경유한 후 수소 배출구(117)를 통해 연료극 모듈(110)의 외부로 배출될 수 있다(도 1의 점선 화살표 참조).The hydrogen discharge passage may be configured to connect the hydrogen discharge nozzle (N2) and the hydrogen discharge pipe 116 to each other. Therefore, the hydrogen discharged from the stack 130, which will be described later, passes through the hydrogen discharge nozzle N2 and sequentially through the hydrogen discharge passage formed in the anode stack seating portion STS1, the hydrogen discharge pipe 116, and the anode recuperator 112. Afterwards, the hydrogen can be discharged to the outside of the anode module 110 through the hydrogen outlet 117 (see the dotted arrow in FIG. 1).

또한, 스팀 공급노즐(N1)과 수소 배출노즐(N2)은 각각 연료극 스택 안착부(STS1)의 상면에 배치될 수 있다. 예를 들어, 연료극 스택 안착부(STS1)의 상면에 스팀 공급노즐(N1)의 열과 수소 배출노즐(N2)의 열이 교대로 배치될 수 있다.Additionally, the steam supply nozzle (N1) and the hydrogen discharge nozzle (N2) may each be disposed on the upper surface of the anode stack seating portion (STS1). For example, a row of steam supply nozzles (N1) and a row of hydrogen discharge nozzles (N2) may be alternately arranged on the upper surface of the anode stack seating portion (STS1).

또한, 연료극 모듈(110)은 복수개의 다리(118)를 더 포함할 수 있다.Additionally, the anode module 110 may further include a plurality of legs 118.

도 2는 본 발명의 구현예들에 따른 전극 모듈들로서 연료극 모듈(110)과 공기극 모듈(120)의 적층 구조체를 포함하는 전기화학 시스템(100)의 평면도이고, 도 3은 본 발명의 구현예들에 따른 전극 모듈들로서 연료극 모듈(110)과 공기극 모듈(120)의 적층 구조체를 포함하는 전기화학 시스템(100)의 사시도이다. 도 2 및 도 3에는 구성 및 작용이 동일한 2개의 적층 구조체(즉, 연료극 모듈(110)과 공기극 모듈(120)의 적층 구조체)가 서로 반대방향으로 배치되어 있는 것이다.FIG. 2 is a plan view of an electrochemical system 100 including a stacked structure of an anode module 110 and an air electrode module 120 as electrode modules according to embodiments of the present invention, and FIG. 3 is a plan view of embodiments of the present invention. This is a perspective view of the electrochemical system 100 including a stacked structure of the anode module 110 and the cathode module 120 as electrode modules according to . In Figures 2 and 3, two stacked structures (i.e., stacked structures of the anode module 110 and the air electrode module 120) with the same structure and function are arranged in opposite directions.

도 2 및 도 3을 참조하면, 공기극 모듈(120)은 연료극 모듈(110) 위에 배치될 수 있다. Referring to FIGS. 2 and 3 , the air electrode module 120 may be disposed on the fuel electrode module 110 .

또한, 공기극 모듈(120)은 외기 유입구(121), 공기극 복열기(122), 공기극 전열기(123), 외기 공급관(124), 공기극 스택 안착부(STS2), 배기통로(126) 및 배기구(127)를 포함한다.In addition, the air electrode module 120 includes an external air inlet 121, an air electrode recuperator 122, an air electrode heater 123, an external air supply pipe 124, an air electrode stack seating part (STS2), an exhaust passage 126, and an exhaust port 127. ) includes.

공기극 복열기(122)는 외기 유입구(121)와 유체 연통될 수 있다.The air cathode recuperator 122 may be in fluid communication with the outside air inlet 121.

또한, 공기극 복열기(122)는 외기 유입구(121)를 통해 유입된 외기와 배기통로(126)에서 배출된 배기를 열교환시키도록 구성될 수 있다. 구체적으로, 공기극 복열기(122)는 외기 유입구(121)를 통해 유입된 외기와 배기통로(126)에서 배출된 배기를 열교환시켜 상기 외기를 가열시키고 상기 배기를 냉각시키도록 구성될 수 있다. 이에 따라, 외기 유입구(121)를 통해 유입된 외기와 배기통로(126)에서 배출된 배기 사이의 열교환을 통해 에너지 효율을 극대화할 수 있으며, 후술하는 단열재(200)의 외부로 고온의 유체를 토출시키지 않아 외기로 인한 열손실을 최소화할 수 있다.Additionally, the air cathode recuperator 122 may be configured to exchange heat between outdoor air introduced through the outdoor air inlet 121 and exhaust gas discharged from the exhaust passage 126. Specifically, the air cathode recuperator 122 may be configured to heat the outdoor air and cool the exhaust gas by exchanging heat between the outdoor air introduced through the outdoor air inlet 121 and the exhaust gas discharged from the exhaust passage 126. Accordingly, energy efficiency can be maximized through heat exchange between outside air introduced through the outside air inlet 121 and exhaust discharged from the exhaust passage 126, and high-temperature fluid is discharged to the outside of the insulation material 200, which will be described later. By not doing so, heat loss due to outdoor air can be minimized.

공기극 전열기(123)는 공기극 복열기(122)와 유체 연통될 수 있다. 구체적으로, 공기극 전열기(123)는 공기극 복열기(122)를 통해 공급된 외기를 추가로 가열하도록 구성될 수 있다. 보다 구체적으로, 공기극 전열기(123)는 공기극 복열기(122))의 말단에 내장되어 후술하는 스택(130)의 다양한 운전 조건(발열/중립/흡열)에서도 유체의 온도를 균일하게 유지시켜 스택(130)의 온도를 능동적으로 조절함으로써 스택(130)의 수명을 증가시킬 수 있다.The air cathode heater 123 may be in fluid communication with the air cathode recuperator 122. Specifically, the air electrode heater 123 may be configured to additionally heat the outdoor air supplied through the air electrode recuperator 122. More specifically, the air cathode heater 123 is built at the end of the air cathode recuperator 122 and maintains the temperature of the fluid uniformly even under various operating conditions (heating/neutrality/endothermic) of the stack 130, which will be described later. The lifespan of the stack 130 can be increased by actively controlling the temperature of the stack 130.

외기 공급관(124)은 공기극 전열기(123)와 유체 연통될 수 있다. 구체적으로, 외기 공급관(124)은 공기극 전열기(123)를 통해 공급된 외기를 공기극 스택 안착부(STS2)로 재공급하도록 구성될 수 있다.The outside air supply pipe 124 may be in fluid communication with the air electrode heater 123. Specifically, the outside air supply pipe 124 may be configured to re-supply outside air supplied through the air electrode heater 123 to the air electrode stack seating portion (STS2).

공기극 스택 안착부(STS2)는 외기 공급관(124)과 유체 연통될 수 있다.The air electrode stack seating portion STS2 may be in fluid communication with the external air supply pipe 124.

또한, 공기극 스택 안착부(STS2)는 복수개일 수 있다. 이 경우, 개개의 공기극 스택 안착부(STS2)는 후술하는 복수개의 공기 가이드들(125)과 외기 공급관(124)으로 둘러싸인 내부 공간으로서, 후술하는 스택(130)을 하나씩 수용하도록 구성될 수 있다.Additionally, there may be a plurality of air electrode stack seating units (STS2). In this case, each air electrode stack seating portion (STS2) is an internal space surrounded by a plurality of air guides 125 and an external air supply pipe 124, which will be described later, and may be configured to accommodate stacks 130, which will be described later, one by one.

또한, 공기극 모듈(120)은 복수개의 공기 가이드들(125)을 포함할 수 있다. 이러한 복수개의 공기 가이드들(125)은 외기 공급관(124)과 함께 복수개의 공기극 스택 안착부들(STS2)을 개별적으로 구분하도록 구성될 수 있다. 이에 따라, 공기극 스택 안착부들(STS2)은 좌우 대칭되게 배치된 제1 열의 공기극 스택 안착부들(STS2) 및 제2 열의 공기극 스택 안착부들(STS2)로 구분될 수 있다. 또한, 복수개의 공기 가이드들(125)은 외기를 복수개의 공기극 스택 안착부(STS2)에 균등하게 분배하는 역할을 수행한다.Additionally, the air gap module 120 may include a plurality of air guides 125. These plurality of air guides 125 may be configured to individually separate the plurality of air electrode stack seating portions STS2 together with the external air supply pipe 124. Accordingly, the air electrode stack seating parts STS2 may be divided into a first row of air electrode stack seating parts STS2 and a second row of air electrode stack seating parts STS2 arranged symmetrically left and right. Additionally, the plurality of air guides 125 serve to evenly distribute outdoor air to the plurality of air electrode stack seating parts STS2.

제1 열의 공기극 스택 안착부들(STS2) 및 제2 열의 공기극 스택 안착부들(STS2)은 각각 일렬종대로 배치된 복수개의 공기극 스택 안착부들(STS2)을 포함할 수 있다. 이 경우, 외기 공급관(124)은 제1 열의 공기극 스택 안착부들(STS2)과 제2 열의 공기극 스택 안착부들(STS2) 사이에 한쌍이 병렬로 배치될 수 있다. 또한 이 경우, 배기통로(126)는 외기 공급관(124)을 기준으로 관찰할 때 제1 열의 공기극 스택 안착부들(STS2)의 외측과 제2 열의 공기극 스택 안착부들(STS2)의 외측에 하나씩 한쌍이 병렬로 배치될 수 있다. The first row of air electrode stack seating parts STS2 and the second row of air electrode stack seating parts STS2 may each include a plurality of air electrode stack seating parts STS2 arranged in a row. In this case, a pair of external air supply pipes 124 may be arranged in parallel between the air electrode stack seating parts STS2 in the first row and the air electrode stack seating parts STS2 in the second row. Also, in this case, the exhaust passage 126 has a pair of exhaust passages 126, one on the outside of the air electrode stack seating parts STS2 in the first row and the other on the outside of the air electrode stack seating parts STS2 in the second row when observed from the outside air supply pipe 124. Can be placed in parallel.

배기통로(126)는 후술하는 스택(130)과 사이드 패널(150) 사이의 내부 공간일 수 있다(도 2 내지 도 4, 도 7, 도 8 및 도 10 참조).The exhaust passage 126 may be an internal space between the stack 130 and the side panel 150, which will be described later (see FIGS. 2 to 4, 7, 8, and 10).

또한, 공기극 모듈(120)은 압축로드(compression rod)(128)를 더 포함할 수 있다. 이러한 압축로드(128)는 서로 인접한 2개의 공기 가이드(125) 사이에 배치되되, 연료극 모듈(110)과 공기극 모듈(120)을 모두 관통하도록 배치될 수 있다.Additionally, the air gap module 120 may further include a compression rod 128. This compression rod 128 is disposed between two adjacent air guides 125, and may be disposed to penetrate both the anode module 110 and the air electrode module 120.

도 4는 도 3의 전기화학 시스템(100)에 스택(130)을 추가로 설치하여 도시한 도면이다.FIG. 4 is a diagram illustrating a stack 130 additionally installed in the electrochemical system 100 of FIG. 3 .

도 4를 참조하면, 스택(130)은 연료극 모듈(110)의 연료극 스택 안착부(STS1), 복수개의 공기 가이드들(125) 및 외기 공급관(124)으로 둘러싸인 내부 공간에 안착될 수 있다. 결과적으로, 복수개의 스택들(130)은 n열종대(n은 1 이상의 정수)로 병렬로 배치될 수 있으며, 이론적으로 무한한 개수의 스택(130)이 배치될 수 있다. 이러한 스택(130)은 수전해 스택(https://en.wikipedia.org/wiki/Solid_oxide_electrolyzer_cell 참조)일 수 있다.Referring to FIG. 4 , the stack 130 may be seated in an internal space surrounded by the anode stack seating portion STS1, a plurality of air guides 125, and the external air supply pipe 124 of the anode module 110. As a result, a plurality of stacks 130 can be arranged in parallel in n columns (n is an integer of 1 or more), and theoretically an infinite number of stacks 130 can be arranged. This stack 130 may be a water electrolyzer stack (see https://en.wikipedia.org/wiki/Solid_oxide_electrolyzer_cell ).

도 5는 도 4의 전기화학 시스템(100)의 일 측면도이고, 도 6은 도 5의 전기화학 시스템(100)에서 연료극 집전체들(FCC), 버스바들(140) 및 공기극 집전체들(ACC)만을 발췌하여 도시한 도면이다.FIG. 5 is a side view of the electrochemical system 100 of FIG. 4, and FIG. 6 shows fuel electrode current collectors (FCC), bus bars 140, and air electrode current collectors (ACC) in the electrochemical system 100 of FIG. 5. ) is a drawing showing only excerpts.

도 5 및 도 6을 참조하면, 버스바들(140)은 공기극 모듈(120)의 설치 후 공기극 모듈(120)과의 간섭을 방지하기 위하여 공기극 집전체(ACC)와 연료극 집전체(FCC)를 "Z"자 형태로 전기적으로 연결시켜주는 역할을 수행한다.Referring to Figures 5 and 6, the bus bars 140 are connected to the air cathode current collector (ACC) and the fuel electrode current collector (FCC) to prevent interference with the air cathode module 120 after installation of the air cathode module 120. It serves to electrically connect in a “Z” shape.

도 7은 도 4의 전기화학 시스템(100)에 사이드 패널(150)을 추가로 설치하여 도시한 도면이다.FIG. 7 is a diagram showing a side panel 150 additionally installed in the electrochemical system 100 of FIG. 4 .

도 7에 도시된 바와 같이, 전기화학 시스템(100)은 사이드 패널(150)을 더 포함할 수 있다.As shown in FIG. 7, the electrochemical system 100 may further include a side panel 150.

사이드 패널(150)은 공기극 모듈(120)의 일측면 및 타측면을 각각 덮도록 연료극 모듈(110) 위에 배치될 수 있다. 이러한 사이드 패널(150)은 스택(130)의 내부를 외부와 차단하는 역할을 수행한다.The side panel 150 may be disposed on the anode module 110 to cover one side and the other side of the cathode module 120, respectively. This side panel 150 serves to block the inside of the stack 130 from the outside.

도 8은 도 7의 전기화학 시스템(100)에 압축 플레이트(160)를 추가로 설치하여 도시한 도면이다.FIG. 8 is a diagram illustrating an additional compression plate 160 installed in the electrochemical system 100 of FIG. 7 .

도 7과 함께 도 8을 참조하면, 압축 플레이트(160)는 스택(130)을 덮도록 배치될 수 있다. 이러한 압축 플레이트(160)는 전기화학 시스템(100)을 상하로 압축할 경우 스택(130)이 손상되는 것을 방지하는 역할을 수행한다.Referring to FIG. 8 along with FIG. 7 , the compression plate 160 may be arranged to cover the stack 130 . This compression plate 160 serves to prevent the stack 130 from being damaged when the electrochemical system 100 is compressed up and down.

도 9는 도 8의 전기화학 시스템(100)이 스택 압축 시스템(128, 160, NT1, SP, NT2 등)으로 압축된 상태를 도시한 일 측면도이다.FIG. 9 is a side view showing the electrochemical system 100 of FIG. 8 compressed with a stack compression system (128, 160, NT1, SP, NT2, etc.).

스택 압축 시스템(128, 160, NT1, SP, NT2 등)은 스택(130) 및 그 주변부의 밀봉을 위한 압축력을 제공하여, 고온 열팽창 또는 수축에도 스택(130)의 내구성을 유지시키는 역할을 수행한다.The stack compression system (128, 160, NT1, SP, NT2, etc.) provides compression force for sealing the stack 130 and its surroundings, and serves to maintain the durability of the stack 130 even during high-temperature thermal expansion or contraction. .

도 9를 참조하면, 전기화학 시스템(100)은 제1 너트(NT1), 스프링(SP) 및 제2 너트(NT2)를 더 포함할 수 있다.Referring to FIG. 9 , the electrochemical system 100 may further include a first nut (NT1), a spring (SP), and a second nut (NT2).

제1 너트(NT1)는 압축로드(128)의 공기극 모듈(120)측 일단부에 결합될 수 있다.The first nut NT1 may be coupled to one end of the compression rod 128 on the air gap module 120 side.

스프링(SP)은 연료극 모듈(110)측 타단부에 결합될 수 있다.The spring SP may be coupled to the other end of the anode module 110.

제2 너트(NT2)는 스프링(SP)을 압축시키도록 압축로드(128)의 타단부에 결합될 수 있다. The second nut NT2 may be coupled to the other end of the compression rod 128 to compress the spring SP.

구체적으로, 도 8의 전기화학 시스템(100)에서 연료극 모듈(110)과 공기극 모듈(120)을 정렬한 다음, 압축로드(128)의 상부에 와셔(미도시) 및 너트(NT1)를 차례로 체결하고, 압축로드(128)의 하부에 스프링(SP), 와셔(미도시) 및 너트(NT2)를 차례로 체결하여 전기화학 시스템(100)을 상하로 압축할 수 있다. 이와 같이 전기화학 시스템(100)을 적정 압축력으로 압축함으로써 스택(130)의 내부로부터 외부로 유체가 누출되는 것을 방지할 수 있다.Specifically, in the electrochemical system 100 of FIG. 8, the anode module 110 and the air electrode module 120 are aligned, and then a washer (not shown) and a nut (NT1) are sequentially fastened to the upper part of the compression rod 128. Then, the electrochemical system 100 can be compressed up and down by sequentially fastening a spring (SP), a washer (not shown), and a nut (NT2) to the lower part of the compression rod 128. In this way, by compressing the electrochemical system 100 with an appropriate compression force, leakage of fluid from the inside of the stack 130 to the outside can be prevented.

도 10은 도 7의 전기화학 시스템(100)에서 스택(130)만을 제거한 상태를 도시한 도면으로서, 공기극 모듈(120)에서의 유체의 흐름을 설명하기 위한 도면이다.FIG. 10 is a diagram illustrating the electrochemical system 100 of FIG. 7 with only the stack 130 removed, and is a diagram for explaining the flow of fluid in the air electrode module 120.

도 10을 참조하면, 외기 유입구(121)를 통해 공기극 모듈(120)로 공급된 외기는 공기극 복열기(122), 공기극 전열기(123), 외기 공급관(124) 및 공기극 스택 안착부(STS2)를 차례로 경유한 후 및 공기극 스택 안착부(STS2)에 안착된 스택(130)으로 공급될 수 있다(도 10의 실선 화살표 참조).Referring to FIG. 10, the outdoor air supplied to the air cathode module 120 through the outdoor air inlet 121 is connected to the air cathode recuperator 122, the air cathode heater 123, the outdoor air supply pipe 124, and the air cathode stack seating portion (STS2). After sequentially passing through, it can be supplied to the stack 130 seated on the cathode stack seating portion STS2 (see solid arrow in FIG. 10).

또한, 스택(130)에서 배출된 배기는 공기극 스택 안착부(STS2), 배기통로(126) 및 공기극 복열기(122)를 차례로 경유한 후 배기구(127)를 통해 공기극 모듈(120)의 외부로 배출될 수 있다(도 10의 점선 화살표 참조).In addition, the exhaust discharged from the stack 130 sequentially passes through the air cathode stack seating part (STS2), the exhaust passage 126, and the air cathode recuperator 122, and then goes to the outside of the air cathode module 120 through the exhaust port 127. may be discharged (see dotted arrow in Figure 10).

도 11은 도 10의 전기화학 시스템(100)에서 공기 가이드 설치부를 확대하여 도시한 도면이다.FIG. 11 is an enlarged view of the air guide installation part in the electrochemical system 100 of FIG. 10.

도 11을 참조하면, 공기 가이드들(125)은 한쌍씩 짝을 이루어 복수쌍이 배치되고, 한쌍의 공기 가이드들(125) 사이의 공간에는 2개의 압축로드(128)가 배치될 수 있다. 또한, 압축로드(128)의 설치 공간을 확보하기 위하여 각각의 공기 가이드(125)는 굴곡부를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 11, the air guides 125 are arranged in pairs, and two compression rods 128 may be placed in the space between the pair of air guides 125. Additionally, in order to secure installation space for the compression rod 128, each air guide 125 may include a bent portion.

또한 비록 도면에는 도시되어 있지 않지만, 전기화학 시스템(100)은 스택(130)에 전력을 공급하기 위한 전력 케이블과 연결 단자, 그리고 스택(130)을 모니터링하기 위한 센싱 케이블과 연결 단자를 더 포함할 수 있다.In addition, although not shown in the drawing, the electrochemical system 100 may further include a power cable and connection terminal for supplying power to the stack 130, and a sensing cable and connection terminal for monitoring the stack 130. You can.

상기와 같은 구성을 갖는 본 발명의 일 구현예에 따른 연료극 모듈(110), 공기극 모듈(120) 및 전기화학 시스템(100)은 구성요소들의 집적화를 통해 열 항상성을 유지할 수 있으며, 스택들(130)간 균등한 연료 및 공기 분배를 위한 배관망을 갖추고 있다. 즉, 연료극 모듈(110), 공기극 모듈(120) 및 전기화학 시스템(100)은 고용량화 집적을 위해 구성요소들이 최대한 작은 공간 내에 배치되고, 단열재(200) 내에 탑재하기도 용이하도록 구성되어 있으며, 추후 산업화를 위해 2개 이상이 적층될 수 있는 형상을 갖는다.The anode module 110, the air electrode module 120, and the electrochemical system 100 according to an embodiment of the present invention having the above configuration can maintain thermal homeostasis through integration of the components, and the stacks 130 ) is equipped with a piping network for equal fuel and air distribution. That is, the anode module 110, the air electrode module 120, and the electrochemical system 100 are configured so that the components are arranged in as small a space as possible for high-capacity integration and are easy to mount within the insulation material 200, and are designed to be industrialized in the future. It has a shape that allows two or more pieces to be stacked.

도 12는 본 발명의 일 구현예에 따른 전기화학 시스템(100)의 몇가지 연결방법을 나타낸 도면이다. 도 12에서, 도면부호 "100"은 전기화학 시스템을 나타내고, "N"은 유체 유입구 및 유체 배출구와 같은 노즐을 나타내고, "200"은 단열재를 나타낸다.Figure 12 is a diagram showing several connection methods of the electrochemical system 100 according to an embodiment of the present invention. In Figure 12, reference numeral "100" represents the electrochemical system, "N" represents nozzles such as fluid inlet and fluid outlet, and "200" represents thermal insulation.

도 12의 (a)를 참조하면, 단열재(200)로 둘러싸인 한쌍의 전기화학 시스템들(100)은 노즐들(N)이 가장 멀리 위치하도록 서로 반대방향으로 직렬로 연결되어 있다. 여기서, 단열재(200)는 전기화학 시스템(100)을 감싸 외기로 인한 전기화학 시스템(100)의 열손실과 스택(130)의 열충격을 최소화할 수 있다.Referring to (a) of FIG. 12, a pair of electrochemical systems 100 surrounded by an insulating material 200 are connected in series in opposite directions so that the nozzles N are located farthest from each other. Here, the insulation material 200 can cover the electrochemical system 100 to minimize heat loss of the electrochemical system 100 and thermal shock of the stack 130 due to external air.

도 12의 (b)를 참조하면, 단열재(200)로 둘러싸인 한쌍의 전기화학 시스템들(100)은 병렬로 연결되어 있다. Referring to (b) of FIG. 12, a pair of electrochemical systems 100 surrounded by an insulating material 200 are connected in parallel.

도 12의 (c)를 참조하면, 단열재(200)로 둘러싸인 한쌍의 전기화학 시스템들(100)은 노즐들(N)이 가장 가까이 위치하도록 서로 반대방향으로 직렬로 연결되어 있다. Referring to (c) of FIG. 12, a pair of electrochemical systems 100 surrounded by an insulating material 200 are connected in series in opposite directions so that the nozzles N are located closest to each other.

도 12의 (d)를 참조하면, 단열재(200)로 둘러싸인 한쌍의 전기화학 시스템들(100)이 노즐들(N)을 공유하도록 서로 반대방향으로 직렬로 연결되어 있다. Referring to (d) of FIG. 12, a pair of electrochemical systems 100 surrounded by an insulating material 200 are connected in series in opposite directions to share nozzles N.

상술한 전기화학 시스템(100)은 고체산화물 연료전지 시스템 또는 고체산화물 수전해 시스템일 수 있다.The electrochemical system 100 described above may be a solid oxide fuel cell system or a solid oxide water electrolysis system.

본 발명은 도면을 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 구현예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다. The present invention has been described with reference to the drawings, but these are merely illustrative examples, and those skilled in the art will understand that various modifications and equivalent implementations can be made therefrom. Therefore, the true scope of technical protection of the present invention should be determined by the technical spirit of the attached patent claims.

100: 전기화학 시스템 110: 연료극 모듈
111: 스팀 유입구 112: 연료극 복열기
113: 연료극 전열기 114: 스팀 공급관
115: 스택 연결부 116: 수소 배출관
117: 수소 배출구 118: 다리
120: 공기극 모듈 121: 외기 유입구
122: 공기극 복열기 123: 공기극 전열기
124: 외기 공급관 125: 공기 가이드
126: 배기통로 127: 배기구
128: 압축로드 130: 스택
140: 버스바 150: 사이드 패널
160: 압축 플레이트 200: 단열재
STS1, STS2: 스택 안착부 N1: 수소 공급노즐
N2: 수소 배출노즐 NT1, NT2: 너트
N: 노즐 SP: 스프링
ACC: 공기극 집전체 FCC: 연료극 집전체
100: electrochemical system 110: anode module
111: Steam inlet 112: Fuel electrode recuperator
113: fuel electrode heater 114: steam supply pipe
115: stack connection 116: hydrogen discharge pipe
117: hydrogen outlet 118: leg
120: air electrode module 121: outdoor air inlet
122: Air cathode recuperator 123: Air cathode heater
124: External air supply pipe 125: Air guide
126: exhaust passage 127: exhaust port
128: compression rod 130: stack
140: bus bar 150: side panel
160: Compression plate 200: Insulation material
STS1, STS2: Stack seat N1: Hydrogen supply nozzle
N2: Hydrogen discharge nozzle NT1, NT2: Nut
N: Nozzle SP: Spring
ACC: Air electrode current collector FCC: Fuel electrode current collector

Claims (15)

제1 유체의 유입구;
상기 제1 유체의 유입구와 유체 연통된 복열기;
상기 복열기와 유체 연통된 전열기;
상기 전열기와 유체 연통된 제1 유체의 공급관;
상기 제1 유체의 공급관과 유체 연통된 스택 안착부;
상기 스택 안착부와 유체 연통된 제2 유체의 배출수단; 및
상기 복열기를 매개로 하여 상기 제2 유체의 배출수단과 유체 연통된 제2 유체의 배출구를 포함하고,
상기 복열기는 상기 제1 유체와 상기 제2 유체를 열교환시키도록 구성되고,
상기 스택 안착부는 복수개이고, 이 경우 상기 복수개의 스택 안착부들은 좌우 대칭되게 배치된 제1 열의 스택 안착부들 및 제2 열의 스택 안착부들로 구분되고, 상기 제1 유체의 공급관은 상기 제1 열의 스택 안착부들과 상기 제2 열의 스택 안착부들 사이에 한쌍이 병렬로 배치되고, 상기 제2 유체의 배출수단은 상기 제1 유체의 공급관을 기준으로 관찰할 때 상기 제1 열의 스택 안착부들의 외측과 상기 제2 열의 스택 안착부들의 외측에 하나씩 한쌍이 병렬로 배치된 전극 모듈.
an inlet of a first fluid;
a recuperator in fluid communication with the inlet of the first fluid;
an electric heater in fluid communication with the recuperator;
a supply pipe for a first fluid in fluid communication with the electric heater;
a stack seating portion in fluid communication with the first fluid supply pipe;
a second fluid discharge means in fluid communication with the stack seating portion; and
It includes a second fluid discharge port in fluid communication with the second fluid discharge means via the recuperator,
The recuperator is configured to exchange heat between the first fluid and the second fluid,
The stack seating portion is plural, and in this case, the plurality of stack seating portions are divided into a first row of stack seating portions and a second row of stack seating portions arranged left and right symmetrically, and the supply pipe of the first fluid is connected to the first row of stack seating portions. A pair of seating parts is disposed in parallel between the stack seating parts of the second row, and the discharge means for the second fluid is disposed on the outside of the stack seating parts in the first row when observed with respect to the supply pipe of the first fluid. A pair of electrode modules arranged in parallel on the outside of the second row of stack seating parts.
제1항에 있어서,
상기 제1 유체의 유입구와 상기 제2 유체의 배출구는 서로 유체적으로 분리되어 밀착되게 배치된 전극 모듈.
According to paragraph 1,
An electrode module in which the inlet of the first fluid and the outlet of the second fluid are fluidically separated from each other and arranged in close contact.
삭제delete 제1항 또는 제2항에 따른 전극 모듈; 및
스택을 포함하는 전기화학 시스템.
Electrode module according to claim 1 or 2; and
Electrochemical system comprising a stack.
스팀 유입구;
상기 스팀 유입구와 유체 연통된 연료극 복열기;
상기 연료극 복열기와 유체 연통된 연료극 전열기;
상기 연료극 전열기와 유체 연통된 스팀 공급관;
상기 스팀 공급관과 유체 연통된 연료극 스택 안착부;
상기 연료극 스택 안착부와 유체 연통된 스팀 공급노즐;
상기 연료극 스택 안착부와 유체 연통된 수소 배출노즐;
상기 연료극 스택 안착부와 유체 연통된 수소 배출관; 및
상기 연료극 복열기를 매개로 하여 상기 수소 배출관과 유체 연통된 수소 배출구를 포함하고,
상기 연료극 복열기는 상기 스팀 유입구를 통해 유입된 스팀과 상기 수소 배출관에서 배출된 수소를 열교환시키도록 구성된 전극 모듈.
steam inlet;
an anode recuperator in fluid communication with the steam inlet;
a fuel electrode heater in fluid communication with the fuel electrode recuperator;
A steam supply pipe in fluid communication with the anode heater;
a fuel electrode stack seating portion in fluid communication with the steam supply pipe;
A steam supply nozzle in fluid communication with the anode stack seating portion;
a hydrogen discharge nozzle in fluid communication with the anode stack seating portion;
a hydrogen discharge pipe in fluid communication with the anode stack seating portion; and
It includes a hydrogen outlet in fluid communication with the hydrogen discharge pipe via the anode recuperator,
The anode recuperator is an electrode module configured to heat exchange steam introduced through the steam inlet and hydrogen discharged from the hydrogen discharge pipe.
제5항에 있어서,
상기 연료극 스택 안착부는 서로 유체적으로 분리된 스팀 공급 통로 및 수소 배출 통로를 포함하고, 상기 스팀 공급 통로는 상기 스팀 공급관과 스팀 공급노즐을 서로 연결하도록 구성되고, 상기 수소 배출 통로는 상기 수소 배출노즐과 상기 수소 배출관을 서로 연결하도록 구성된 스팀 공급 통로를 포함하는 전극 모듈.
According to clause 5,
The anode stack seating portion includes a steam supply passage and a hydrogen discharge passage that are fluidically separated from each other, the steam supply passage is configured to connect the steam supply pipe and the steam supply nozzle, and the hydrogen discharge passage is configured to connect the steam supply pipe and the steam supply nozzle. and a steam supply passage configured to connect the hydrogen discharge pipe to each other.
제6항에 있어서,
상기 스팀 공급노즐과 상기 수소 배출노즐은 각각 상기 연료극 스택 안착부의 상면에 배치된 전극 모듈.
According to clause 6,
The steam supply nozzle and the hydrogen discharge nozzle are each disposed on an upper surface of the anode stack seating portion.
외기 유입구;
상기 외기 유입구와 유체 연통된 공기극 복열기;
상기 공기극 복열기와 유체 연통된 공기극 전열기;
상기 공기극 전열기와 유체 연통된 외기 공급관;
상기 외기 공급관과 유체 연통된 공기극 스택 안착부;
상기 공기극 스택 안착부와 유체 연통된 배기통로; 및
상기 공기극 복열기를 매개로 하여 상기 배기통로와 유체 연통된 배기구를 포함하고,
상기 공기극 복열기는 상기 외기 유입구를 통해 유입된 외기와 상기 배기통로에서 배출된 배기를 열교환시키도록 구성되고,
상기 공기극 스택 안착부는 복수개이고, 이 경우 상기 복수개의 공기극 스택 안착부들은 좌우 대칭되게 배치된 제1 열의 공기극 스택 안착부들 및 제2 열의 공기극 스택 안착부들로 구분되고, 상기 외기 공급관은 상기 제1 열의 공기극 스택 안착부들과 상기 제2 열의 공기극 스택 안착부들 사이에 한쌍이 병렬로 배치되고, 상기 배기통로는 상기 외기 공급관을 기준으로 관찰할 때 상기 제1 열의 공기극 스택 안착부들의 외측과 상기 제2 열의 공기극 스택 안착부들의 외측에 하나씩 한쌍이 병렬로 배치된 전극 모듈.
Outdoor air inlet;
an air cathode recuperator in fluid communication with the outside air inlet;
an air cathode heater in fluid communication with the air cathode recuperator;
an external air supply pipe in fluid communication with the air electrode heater;
an air electrode stack seating portion in fluid communication with the external air supply pipe;
an exhaust passage in fluid communication with the air electrode stack seating portion; and
An exhaust port in fluid communication with the exhaust passage via the air cathode recuperator,
The air cathode recuperator is configured to heat exchange between outdoor air introduced through the outdoor air inlet and exhaust gas discharged from the exhaust passage,
There are a plurality of air electrode stack seating units. In this case, the plurality of air electrode stack seating units are divided into a first row of air electrode stack seating units and a second row of air electrode stack seating units arranged left and right symmetrically, and the external air supply pipe is located in the first row. A pair of air electrode stack seating parts is disposed in parallel between the air electrode stack seating parts and the second row of air electrode stack seating parts, and the exhaust passage is located on the outside of the air electrode stack seating parts in the first row and the second row when observed from the outside air supply pipe. A pair of electrode modules arranged in parallel on the outside of the air electrode stack seating parts.
제8항에 있어서,
상기 외기 공급관과 함께 상기 복수개의 공기극 스택 안착부를 개별적으로 구분하도록 구성된 복수개의 공기 가이드를 더 포함하는 전극 모듈.
According to clause 8,
The electrode module further includes a plurality of air guides configured to individually separate the plurality of air electrode stack seating portions along with the external air supply pipe.
제9항에 있어서,
서로 인접한 2개의 공기 가이드 사이에 배치된 압축로드를 더 포함하는 전극 모듈.
According to clause 9,
An electrode module further comprising a compression rod disposed between two air guides adjacent to each other.
제5항에 따른 전극 모듈을 포함하는 연료극 모듈;
제8항에 따른 전극 모듈을 포함하는 공기극 모듈; 및
스택을 포함하는 전기화학 시스템.
An anode module including the electrode module according to claim 5;
An air electrode module including the electrode module according to claim 8; and
Electrochemical system comprising a stack.
제11항에 있어서,
상기 공기극 모듈은 상기 연료극 모듈 위에 배치되고, 상기 공기극 모듈의 일측면 및 타측면을 각각 덮도록 상기 연료극 모듈 위에 배치된 한쌍의 사이드 패널을 더 포함하는 전기화학 시스템.
According to clause 11,
The air electrode module is disposed on the fuel electrode module, and further includes a pair of side panels disposed on the fuel electrode module to cover one side and the other side of the air electrode module, respectively.
제12항에 있어서,
상기 공기극 모듈은 상기 공기극 모듈과 상기 연료극 모듈을 모두 관통하도록 배치된 압축로드를 더 포함하는 전기화학 시스템.
According to clause 12,
The air electrode module further includes a compression rod disposed to penetrate both the air electrode module and the fuel electrode module.
제13항에 있어서,
상기 압축로드의 상기 공기극 모듈측 일단부에 결합된 제1 너트, 상기 압축로드의 상기 연료극 모듈측 타단부에 결합된 스프링 및 상기 스프링을 압축시키도록 상기 압축로드의 타단부에 결합된 제2 너트를 더 포함하는 전기화학 시스템.
According to clause 13,
A first nut coupled to one end of the compression rod on the air electrode module side, a spring coupled to the other end of the compression rod on the fuel electrode module side, and a second nut coupled to the other end of the compression rod to compress the spring. An electrochemical system further comprising:
제11항에 있어서,
상기 전기화학 시스템은 고체산화물 연료전지 시스템 또는 고체산화물 수전해 시스템인 전기화학 시스템.
According to clause 11,
The electrochemical system is an electrochemical system that is a solid oxide fuel cell system or a solid oxide water electrolysis system.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2018195377A (en) * 2017-05-12 2018-12-06 三菱日立パワーシステムズ株式会社 Fuel battery and composite power generation system
KR20240010322A (en) * 2022-07-15 2024-01-23 주식회사 엘지에너지솔루션 Battery pack

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