KR0175066B1 - 전기에너지의 발생 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

전기 에너지의 발생 방법 및 장치.

배기가스 열 교환기를 거쳐 나간 후 압측 유체를 수용하는 터어빈에 의해 구동되는 압축기 장치를 포함하는, 기체상 유체에 대한 개방회로에서 전기에너지를 발생하는 방법 및 장치가 제시되어 있으며, 이 방법 및 장치는 가스 터어빈에 의해 구동되는 동력 발생기를 추가 포함하는데, 그 회로에는 또한 외부 공급원으로부터 그의 양극에 천연가스를 저장하며, 그의 음극에는 압축기 장치에서 나오는 기체상 유체를 산화제로서 저장하는 연료쎌이 포함되며, 연료쎌 및 발생 장치에서 생기는 전력은 상기 방법 및 장치의 출력을 형성한다.

Description

전기에너지의 발생 방법 및 장치

제1도 내지 5도는 기체상 매질, 예를 들어 공기의 공급원(1)을 도시한 것이다.

제6도는 연료쎌이 저압압축기의 추가의 버너의 하류에 설치된 장치를 도시한 것이다.

산업계에 있어서는 최소는 환경오염으로써 높은 효율의 전기에너지를 발생하는 장치를 필요로 하고 있다. 지금까지 대략 35%의 열효율이 실제로 달성될 수 있는 내연기관 및 가스터어빈과 같은 다양한 기계장치들이 개발되어 왔으나, 이들은 유독성 배기물(특히, 배기가스 중의 NO 성분)을 방출시켜 여전히 우려되는 점이 있다. 본 발명의 목적은 이러한 두 가지의 문제점들, 즉 열효율과 유독성 배기물에 관하여 다소의 개선을 이룩한 방법 및 장치를 제공함에 있다.

이러한 관점에서 본 발명은, 개방된 회로로 적어도 하나의 압축기 장치를 먼저 통하고 그 다음에는 가스터어빈을 통해 배관(flue; 연도) 가스열 교환기를 빠져나가도록 순환되는 기체상 매질, 예를 들어 공기를 사용하는 전기에너지를 발생하기 위한 여러 가지 실시예에 따른 방법에 입각한다. 압축된 상태에 있는 상기 기체상 매질이, 압축기 장치에 결합된 하나 이상의 터빈(들)들 통해 에너지를 방출하면서 잇따라서 통과하게끔 적어도 한번 온도를 상승시키는 배관 가스열 교환기를 경유하여 순환되며, 회로 내에서의 가스 유동은 산화제(oxidizing agent)로서 연료쎌 안으로 들어가 연료(환원제: reducing agent)와 함께 가스터어빈의 기계에너지의 발생 이전에 또는 그 후에 상기 쎌에 전기에너지를 전달하는 것에 있어서 본 발명에 따른 특징이 구별된다.

본 발명의 방법은 다음의 여러 가지 특징을 제공한다:

사용되는 압축기 터어빈은 가스터어빈의 배기가스 또는 다른 연소과정에 의해서(지금까지 통상적인 것처럼) 동력이 공급되는 것이 아니라, 주로 압축공기 그 자체에 의해 공급되며, 이 압축공기는 배관 가스열 교환기에서 부가적으로 온도가 증가된 후에 그러한 목적에 사용된다.

비교적 저압 및 저온을 갖는 전술한 압축기 터어빈으로부터 발생하는 기체상 매질은 소정의 환원제(예을 들어 천연가스)와 함께, 연료쎌에서 연소가스(산화제)로서 사용된다.

이러한 기체상 매질(산화제)의 압력은 상기 환원재의 압력과 마찬가지로 연료쎌의 입구에서 낮으며, 이것은 본 시스템을 더욱 유연하게 만든다.

본 발명은 우선, 더 높은 전기에너지 효율이 달성되고, 종래에 가능했던 것보다도 더 잘 이론적 CARNOT 싸이클에 근접되어질 수 있는 동작 과정을 가능케 한다. 다음으로, 이러한 열회로(이것은 CARNOT 법칙의 제한을 받는다)는 이러한 제한을 받지 않는 적어도 55-70%의 열효율 달성이 가능한 전기화학 시스템을 1,000℃ 정도에서도 조절 가능한 온도로써 구현한다. 여기에 추가할 수 있는 사실은 상기 제안된 방법에 있어서, 예를 들어 연소기에서 활용될 수 있는 소위 사용된 연료(환원제)에서 얻을수 있는 소정의 칼로리값이 항상 존재한다는 것이다. 또한, 연소기를 통과한 후 가스터어빈에 들어가는 기체-공기 혼합물은 환경상 유해하지는 않다. 특히, 매우 소량의 유독성 NO₂배기가스(50g/GJ)만이 연료가스에서 생성될 수 있다. 연료쎌의 촉매에 의한 전환 공정으로 어떠한 유독성 산물도 생성되지 않으며, 제안된 신규의 방법은 실질적으로 환경을 오염시키지 않는다. 환경오염을 감소시키는 또 다른 방법은 동력부에 대한 순효율 35%에서 본 발명의 신규방법의 거의 55 내지 70%까지 열효율을 증가시키는데 있다. 그러므로, 선행 기술과 비교하여, 동량의 전기에너지를 발생시키는데 연료가 거의 절반 밖에 필요치 않다. 따라서, 그에 상응하게 CO2가 감소된다. 연료쎌은 전기에너지를 전달하여, 또한 고온 가스를 발생하는 이중 기능을 갖는다. 본 발명은 또한 상기 언급한 방법을 수행하기 위한 장치, 따라서 적어도 하나의 터어빈에 결합된 압축기 장치를 포함하며, 출력 샤프트가 장치되고, 계속해서 배관가스열 교환기가 후속되는 가스 터어빈(동력 터어빈)을 추가로 포함하는 다수의 기계 부품을 사용한 가스 스트림에 의해 전기에너지를 발생하는 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 상기 장치는 가스 스티림의 개방회로를 이루도록 상기 부품을 상호 연결하는데 특징이 있으며, 가스 스트림의 압력은 먼저 압축기 장치에서 상승되고, 그다음 배관가스열 교환기에서 온도 또한 상승된 후에, 경우에 따라 연소실을 경유한 가스 스트림은 계속해서 압축기 터어빈(들)으로 순환되며, 최종적으로 가스 스트림은 약간 과도한 압력으로 가스 터어빈을 향해 유동되나, 산화제로서 가스터어빈의 상류로 우선 통하거나 잇따라 하류로 통하여 회로내에 마련된 연료쎌을 빠져 나간후에 그렇게 유동된다.

상기 쎌을 적용함으로써, 동일한 공기 스트림으로 효율의 추가 증가가 이루어질 수 있으며 연소실에서 연료 소모가 다소 줄어들 수 있다. 그러한 효과는 연소실의 열량을 증가시키는 쎌의 폐열에 기인한다. 고온 연료쎌(예; 고체 산화물 연료전지 SOFC, 1000℃)을 적용할 때, 가스터어빈의 연소실은 거의 불필요해진다. 연료쎌에서 나오는 직류는 직류로서 직접 사용할 수 있거나 교류로 전환시킨후에 사용할 수 있다. 세 번째로 가능한 방법은 가스터어빈의 전기 발생장치에 직류를 공급하는 것이다.

바로 이전에 언급한 장치는, 그 자체가 공지된 터어빈 부품을 포함하는데, 그 결과 높은 효율로 인해 대기중의 CO2 오염이 내연기관, 보일러-스트림 터어빈 장치, 및 통상의 가스 터어빈을 갖는 모터와 같은 기존의 기계장치와 관련하여 절반 정도로 감소되는 장치를 조립하고자 산업상 이미 개발된 부품을 사용할 수 있다. NO% 방출의 감소는 50%이상 이룩할 수 있다. 이와 관련하여, 가열 및 동력장치(전체-에너지 개념)에 사용할 경우 환경 오염 제거 가능성에 대해서는 아직 고려되고 있지 않다.

두가지 유형의 연료쎌이 특히 본 발명에 따른 과정 및 장치에 사용하기에 적합한 것으로 지적된다. 제 1유형은 대략 650℃의 조작 온도를 갖는 일명 NCFC(용융 카보네이트 연료쎌)이다. 다른 유형은 대략 200℃의 조작 온도를 갖는 일명 PAFC(인산 연료쎌)이다. 고체 산화물 연료쎌(SOFC)을 사용할 수도 있으며, 그의 조작온도는 대략 1,000℃이다. 상기 유형에 대해서는 하기 문헌에 기술되어 있다:

1) H. A. Liebhafsky and B. J. Cairns

연료쎌 및 연료 배터리(Fuel Cells and fuel batteries)

[Wiley ＆ Son, New York(1968), Chapter 12, Pages 524-554]

2) A. J. Appleby and F. R. Foulkes,

연료쎌 안내서(Fuel Cell Hand book)

[Van Nostrand Reinholt, New York(1989)]

3) Supramanian Srinivasan,

Journal of the Blectrochemical Society,

136(2), February 1989, Pages 41C-48C.

개방회로에서 연료 쎌의 위치는 압축기 터어빈(CT)와 동력 터어빈(PT) 사이에 있는 것이 바람직하다. 보다 더 하류에, 가스 터어빈의 휠씬 위쪽에 있는 위치도 가능하다. 이에 대해서는 첨부된 도면에서 점선으로 나타내었다. 압축기 터어빈의 상류에 있는 위치 또한 가능하며 회로내에서 휠씬 더 전방에 있다.

또한 주목할 점은 WERTHEIM에게 허용된 미합중국 특허 제4,678,723호가 압축기장치를 구동시키는 터어빈에 기제상 매질을 전달하는 자동가열 개량기와 결합한 연산 연로쎌 PAFC에 관한 것이며, 연료쎌은 물의 적하에 의해 냉각되며 그의 출력을 증가시키기 위해 물안개를 주입한다는 점이다. 압축된 기체상 혼합물의 온도를 상승시키기 위한 배기 가스 열 교화기를 갖는 가스 터어빈은 존재하지 않는다.

이하에서는 첨부된 도면과 표를 이용하여 본 발명을 더 상세히 설명하고자 한다. 도면은 전기에너지를 발생하는 장치의 실시 예 몇가지를 제 1도 내지 제 6도에 도해한 것이다.

제 1도 내지 5도는 기체상 매질, 예를 들어 공기의 공급원(1)을 나타내는 것이다. 상기 매질은 압축기 장치(2)에서 시작되는 개방회로를 통하는데, 본 실시 예의 경우에 압축기 장치는 라인(3)에 의해 서로 연결된 저압 압축기(C1)과 고압 압축기(C2)로 구성된다. 그 연결 라인에는 규정 중간냉각기로서의 열 교환기(III)가 위치한다. 압축기장치(2)는 본 경우에 2개의 압축기용 단일 터어빈(CT)으로 구성된 압축기 터어빈(4)에 의해 구동괸다. 압축기 C1과 C2을 각각 개개의 터어빈으로 구동시킬 수도 있다.

개방회로안에는 라인(5)을 통해 전기에너지 발생용 가스터어빈(6; 동력터어빈 PT)에 연결된 배관 가스 열교환기(I)가 설비된다. 고압 압축기(C2)가 라인(7)을 통해 상기 배관가스 열교환기(I)에 연결되며, 그 안에서 가열된 기체상 매질은 제 1도, 2도 및 4도에 따른 태양에서, 라인(8)을 거쳐 압축기 터어빈(4)로 흘러 들어간다. 그 터어빈을 통과한 후, 온도가 감소된 기체상 매질은 도시된 태양에서 라인(9)을 거쳐, 연료쎌(10)의 음극에 그 매질, 즉 산화제를 공급할 목적으로 연료쎌(10)으로 흐른다. 그 다음에는, 온도가 약간 상승된 매질은 라인(11)을 거쳐 일명 연소기(12)로 흘러 들어가며, 그 연소기에는 또한 이하에서 더 설명되는 바와 같이 사용된 연료의 공급원(13)이 장치된다. 가스 터어빈(6)은 전기 발생장치(14)를 구동시킨다.

다른 해결책으로서, 도면에는 가스터이빈(6)의 하류에 있는 연료쎌(10)의 위치를 점선으로 나타내었다. 연결 배관은 상응하는 방식으로 적용해야 한다. 이 변형장치에 대하여 본 발명의 더 상세한 설명을 적용한다. 연료쎌의 그러한 위치에 따른 특정 잇점은 다음과 같다:

- 압력 조절이 용이함.

- 열교환기(II)의 제거가 가능함.

제 1도 내지 4도에 따라 선택된 구조에 있어서, 연료쎌(10)은 상기 유형의 MCFC(응용 카보네이트 연료쎌)을 취한다. 상기 쎌은 대략 55%의 전기 효율을 가지며, 양그에는 연료 공급원(15), 즉 수소함량이 많은 기체와 같은 환원제가 제공된다. 그러나, 주목할 점은 내부 개량 변형 장치에 있어서, 천연가스를 연료로 직접 사용할 수도 있다는 점이다. 상기 연료쎌(10)의 최종산물로서, 단자(16)에서 직류가 발생된다.

3개의 다른 열교환기(II, Ⅳ 및 Ⅴ)를 도면에 도시할 수 있음도 지적된다. 열 교환기(II)는 배관 가스열 교환기(I)의 배출라인(17)에 있는 마지막 부분에 놓여지며 그러한 방식으로 개방회로의 말단에 있는 가열부를 추가로 이용한다. 열 교환기 (Ⅳ; 제1도)는 잠금 밸브(19)의 도움으로 켜고 끌 수 있다. 상기 잠금 밸브의 한 위치에서, 가스스트림은 압축기 터어빈(4)에서부터 나와 라인(9)를 거쳐 연료쎌(10) 안으로 직접 들어간다. 상기 잠금밸브의 다른 위치에서는, 상기 가스스트림 또는 그 일부가 가스스트림의 가열 또는 냉각을 목적으로 열교환기(Ⅳ)를 통과한다. 이 과정은 때때로 필요해질 수 있다. 열 교환기(Ⅴ)는 라인(15)을 통해 이송된 연료를 가열시키는 역할을 한다.

FCMC-셀을 적용한 경우에, 음극의 급속장치에는 충분량의 CO2를 갖는 공기가 포함되어야 한다. 그러한 상황하에, 시스템내에 CO2를 재 순환시키는 방법이 최상의 해결책임은 명백하다. 그 방법은 일명 선택성 분리 기술을 적용하여, 예를 들면 라인(5), (17) 또는 (18)에 막(30)을 삽입하므로써 실시할 수 있다. 불활성기체의 비율을 증가시키기 위해, 결국은 물을 분리한 후에 라인(18)의 증가를 열 교환기(II)의 뒤로 재 순환한다. 제 1도내지 4도에서는 조절밸브(23) 및 열교환기(Ⅵ)으로 구성된 분기배관(18`)을 상기 재 순환 과정의 대표 배선도로 나타내었다. 추가의 배관과 같은 다른 유형의 연료를 사용하지 않는 경우에 대해서는 제 5도 및 6도를 참조하여 이해하여야 할 것이다.

원심분리형 압축기(24)는 연료의 분무에 적용된다.

제 2도는 가능하다면 사용된 연료쎌(10)의 양극에서 라인(13)을 거쳐 나오는 상기 언급한 사용된 연료의 도움으로 기체상 매질을 추가로 가열할 목적으로 가스터어빈(6)으로 가는 라인(11)의 분기라인(11`)에 있는 보조버너(20)을 도시한 것이다. 상기 기체상 사용된 연료는 예를 들어 H2 15%와 CO2, H20 및 N2를 함유하며, 상당한 가열력이 여전히 이용 가능하다. 또한, 상기 사용된 연료는 상당한 온도를 갖는다. 그 결과, 상기 기체는 연소기(12) 또는 보조버너(20: 제2 내지 4도)에서 사용할 수 있거나, 연료제조 부분으로 되돌려 보낼 수 있다. 정화장치(21)이 라인(15)에 보통 사용된다. 연소기(12)에는 라인(13)의 사용된 연료에서 나오는 H2과량이 존재할 수 있다. 그러므로 완전 연소를 이루기 위해 1차 압축기C1으로 부터 라인(22)를 거쳐 추가의 공기가 공급될 수 있다. 또한, 연료(다른 것들 중에서: 사용된 연료)의 일부를 사용하여 라인(15)를 거쳐 들어가는 연료상태를 개선시킬 수 있다(예를 들면 증기-개량에 의해). CO2 일부를 양극에 재 순환시킴에 따라, 배관(18`)를 거쳐 나가는 유체의 흐름은 크게 감소한다.

제 3도에서 시스템을 열역학적으로 개선시키고자, 보조 버너(20)이 라인(8)에서 보다 높은 압력수준(예를 들명 885kPa, 8.85bar와 같은)으로 올리고, 압축기터어빈(4)의 상류에 있는 공기를 예를 들어 850℃까지 가열하는데 사용된다. 그로 인해, 상기터어빈의 하부온도는 필요에 따라 MCFC연료 전지에 의해 예를 들어 620℃가 된다. 동시에, 압력은 예를 들어 290kPA(=2.93 바아)까지 감소된다. 사용된 연료의 일부를 보다 높은 압력 수준으로 올리기 위해, 압축기(24)에는 기체를 677℃에서 30℃로 저하시키는 추가의 냉각기(28)을 설치하는 것이 필요하다.

제 4도에 따른 장치에 있어서, 연료쎌(10)은 회로의 고압 부분(대략 900kPa)에 설치된다. 연료쎌(10)의 양극에서 나오는 사용된 연료 일부는 라인(13)을 거쳐, 연료쎌(10)의 음극에서 나오는 산화제 스트립의 라인(8`)에 있는 보조 버너(20)으로 들어간다.

제 5도에 따른 장치에 있어서 연료쎌(10)은 PAFC(인산 연료전지)로 구성된다. 이 전지는 회로의 저압 부분에, 즉 압축기 터어빈(4)의 라인(9)에 놓여진다. 상기 터어빈의 출구온도(예를 들면 470℃)는 냉각기(Ⅶ)에 의해 200℃로 저하되어야 한다. 실질적으로, 열교환기 (Ⅴ) 및 (Ⅶ)은 둘다 한 장치에 결합된다. PAFC가 내부에서 개질하지 않기 때문에, 라인(15)를 통해 들어가는 연료는 수소함량이 높은 기체이어야 한다. 제 6도에 있어서, 연료쎌(10)은 저압 압축기C1의 하류 및 온도를 137℃에서 200℃로 상승시키기 위한 추가의 버너(29)의 하류에 있는 회로에 설치된다.

주목해야 할 점은, 상기 유형의 MCFC 또는 PAFC의 연료전지를 사용하는 대신에, 유형 SOFC(고체 산화물 연료전지)를 사용하는 방법도 가능하다는 점이다. 알칼리성 연료전지 AFC 및 중합체 연료전지 SPFC 또는 SPBFC와 같은 저온 연료전지를 관류식 열교환기(I)의 하류에 있는 비교적 냉각된 소비 라인(17, 18)에서는 물론, 압축기 및 중간 냉각기 근처의 비교적 냉각된 라인에 사용될 수 있다. 상기 언급한 연료쎌에 관한 설명은 상기 편람에서 찾아볼 수 있다.

상기 회로에는 회로의 특정부분을 위하여, 또는 연소실(12)에 연료를 주입하기 위해 압력증가를 목적으로 하나 이상의 원심분리형 압축기(24)가 포함돈다. 그러한 원심분리혀 압축기는 상기 장치의 변형장치 모두에 필요한 것은 아니다.

상기 장치는 클러치(26)을 통해 압축기 장치(2)에 연결된 모터(25)에 의해 시동된다. 이들 압축기는 작동 속도의 대략 20%에 달한다. 그 다음 연소기(12) 내부에 있는 점화 플러그(이는 도시되어 있지 않음)을 써서 연소기 노즐(도시되어 있지 않음)을 발화시킨다. 라인(27)은 연료 공금을 제공한다. 발생장치(G)가 주관(mains)에 맞추어지고, 그에 따라 터빈(6)의 온도가 증가된다.

상기 장치가 가열 및 동력부(전체 에너지계)의 일부를 형성할 수 있으며, 또한 라인(18)에서 나오는 기체가 온실에 공급되어 CO2 동화 작용을 상승시킬 수 있음이 지적된다.

단위 시간당 기류의 양, 각종 압축기 및 열교환기의 출입구에서의 온도 및 압력, 그리고 압축기 터어빈(4), 연료전지(10) 및 동력터어빈에서의 온도 및 압력에 관한 가상 장치의 여러값을 하기표에 나타내었다.

대표적인 시스템 효율값은 57%임.

Claims (10)

1. 개방회로에서 적어도 하나의 압축기 장치를 머저 통하고, 그 다음 가스터어빈을 통해 배관가스 열교환기를 빠져 나가도록 순환되는 기체상 매질을 이용한 전기 에너지 발생 방법에 있어서, 압축 상태의 상기 기체상 매질이 압축기 장치에 연결된 하나이상의 터어빈(들)을 통해 에너지를 방출하면서 잇따라서 통과하게끔 적어도 한번 온도를 상승시키는 배관가스 열교환기를 경유하여 순환되며, 이 때 회로내의 가스 유동은 산화제로서 연료쎌안으로 들어가, 연료(환원제)와 함께, 가스터어빈에서 기계에너지로 전개되기전이나 그 후에 상기 쎌에 전기 에너지를 전달함을 특징으로 하는 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 회로내의 가스 유동이 최적 효율을 위한 기체 온도 조정을 목적으로 하는 하나 이상의 다른 열교환기를 통과함을 특징으로 하는 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 가스 유동의 기체상 매질로서 공기가 사용됨을 특징으로 하며, 예를 들어 천연가스를 공급한 증기개량기로부터 나오는 수소함량이 많은 기체를 연료로서 연료쎌에 공급함을 또한 특징으로 하는 방법.
4. 제1항 내지 3항 중의 어느 한 항에 있어서, 연료쎌에서 발생된 직류를 가스터어빈에 연결된 전기 발생장치에 공급함을 특징으로 하는 방법.
5. 적어도 하나의 터어빈에 결합된 압축기 장치를 포함하며, 출력샤프트가 장치되어 있으며 계속해서 배관가스 열교환기가 후속되는 적어도 하나의 가스터어빈(동력 터어빈)을 추가로 포함하는, 다수의 기계 부품을 사용한 가스 스트림을 써서 전기에너지를 발생하는 장치에 있어서, 상기 부품의 상호 연결로써 상기 가스스트림의 개방된 회로를 형성하도록 한것으로서, 압축기 장치(2)에서 우선 가스의 압력이 증가되고, 그 다음 온도 또한 배관가스 열교환기(I)에서 상승된 후, 경우에 따라 연소실을 경유한 가스 스트림이 계속해서 압축기 터어빈(들)(4)을 거친 다음, 최종적으로 그 가스 스트림이 약간 과도한 압력하에 가스 터어빈(6)을 향해 유동되나, 산화제로서 상기 가스 터어빈의 상류를 먼저 지나거나 계속해서 하류를 지나 회로내에 설치된 연료쎌(10)을 빠져나감을 특징으로 하는 전기 제1항 내지 3항중의 어느 한항에 따른 방법을 수행하기 위한 장치.
6. 제5항에 있어서, 단일 유동식 원심분리형 가스 터어빈을 사용함을 특징으로 하는 장치.
7. 제5항에 있어서, 유형 MCSC(용융 카보네이트 연료쎌)의 연료쎌이 사용됨을 특징으로 하는 장치.
8. 제7항에 있어서, 연료쎌(10)의 양극이 천연가스의 공급원(14)에 연결됨을 특징으로 하는 장치.
9. 제5항에 있어서, 유형 PAFC(인산 연료쎌)의 연료쎌이 사용됨을 특징으로 하는 장치.
10. 제5항 내지 9항중의 어느 한 항에 있어서, 사용된 연료 저장용 연료쎌(10)의 양극에 있는 방전선(13)에 연결된 추가의 버너(20) 또는 연소기(12)가 회로내에 존재함을 특징으로 하는 장치.

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