KR100674622B1 - Fuel cell power generation system - Google Patents

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KR100674622B1
KR100674622B1 KR1020050105652A KR20050105652A KR100674622B1 KR 100674622 B1 KR100674622 B1 KR 100674622B1 KR 1020050105652 A KR1020050105652 A KR 1020050105652A KR 20050105652 A KR20050105652 A KR 20050105652A KR 100674622 B1 KR100674622 B1 KR 100674622B1
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KR
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reformer
gas
fuel
fuel cell
cell stack
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KR1020050105652A
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최영재
전중환
김승구
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재단법인 포항산업과학연구원
한국전력공사
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Abstract

A fuel cell power generation system is provided to save an initial installation cost by reducing pipes and devices, to enhance a utilization efficiency of fuel, and to prevent emission of exhaust gas containing sulfur components. The fuel cell power generation system comprises: a desulfurizer(100) for removing sulfur from fuel gas; a reformer(110) for generating gas abundant in hydrogen from the desulfurized fuel gas; a fuel cell stack(120) that reacts hydrogen in the fuel gas reformed in the reformer(110) with oxygen and carbon dioxide in the air and generates electricity; and a steam generator(130) that generates water vapor to be supplied to the reformer(110). The fuel gas is desulfurized in the desulfurizer(100), and then introduced into a reformer catalyst layer(110a) and a reformer burner(110b) of the reformer(100). The fuel gas introduced into the reformer catalyst layer(110a) is mixed with water vapor generated in the steam generator(130). The resultant mixture is reacted in the catalyst layer(110a) of the reformer(110), followed by introducing the reacted gas into a fuel electrode(120a) of the fuel cell stack(120). Reformer burner combustion gas of the reformer(110) is introduced into an air electrode(120b) of the fuel cell stack(120). Fuel electrode exhaust gas of the fuel cell stack(120) is introduced into the reformer burner(110b) via the steam generator(130). Air electrode exhaust gas of the fuel cell stack(120) is re-introduced into the air electrode(120b) via the steam generator(130).

Description

연료전지 발전시스템{Fuel Cell power generation system}Fuel cell power generation system

도1은 종래 기술에 따르는 연료전지 발전시스템의 개략적인 구성도이고,1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell power generation system according to the prior art,

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따르는 연료전지 발전시스템의 개략적인 구성도이다.2 is a schematic diagram of a fuel cell power generation system according to an exemplary embodiment of the present invention.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings

100: 탈황기 110: 개질기100: desulfurizer 110: reformer

110a: 개질기 촉매층 110b: 개질기 버너110a: reformer catalyst layer 110b: reformer burner

120: 연료전지스택 120a: 연료극120: fuel cell stack 120a: anode

120b: 공기극 130: 증기발생기120b: air electrode 130: steam generator

140: 촉매연소기 150, 160: 기액분리기140: catalytic combustion 150, 160: gas-liquid separator

101, 111, 112, 113, 121, 122, 123, 151: 열교환기101, 111, 112, 113, 121, 122, 123, 151: heat exchanger

11, 12, 13, 211, 211a: 황함유 연료가스 공급배관11, 12, 13, 211, 211a: sulfur-containing fuel gas supply piping

211b: 탈황 연료가스211b: desulfurization fuel gas

14, 15, 16, 212, 213, 214: 개질기 연료가스 공급배관14, 15, 16, 212, 213, 214: reformer fuel gas supply piping

17, 18, 217, 218: 개질기 버너 연료가스 공급배관17, 18, 217, 218: reformer burner fuel gas supply piping

21, 22, 23, 24, 25, 26, 221, 222, 223, 224, 225: 물 공급배관21, 22, 23, 24, 25, 26, 221, 222, 223, 224, 225: water supply piping

27, 28, 29: 물 재순환 배관27, 28, 29: water recirculation piping

31, 231, 231a: 공기 공급배관31, 231, 231a: air supply piping

32, 232: 개질기 버너 공기 공급배관32, 232: reformer burner air supply piping

33, 34: 촉매연소기 공기 공급배관33, 34: catalytic combustion air supply pipe

41, 42, 241, 242: 연료극 가스 공급배관41, 42, 241, 242: anode gas supply piping

51, 52, 53, 54, 251, 252: 연료극 배기가스 배관51, 52, 53, 54, 251, 252: anode gas piping

61, 62, 63, 261, 262, 263: 공기극 가스 공급배관61, 62, 63, 261, 262, 263: cathode gas supply piping

71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 271, 272: 공기극 배기가스 배관71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 271, 272: cathode exhaust piping

81, 82, 83, 84, 281, 282, 283, 284: 개질기 버너 연소가스 배관81, 82, 83, 84, 281, 282, 283, 284: reformer burner flue gas piping

91, 291: 이산화탄소 공급배관91, 291: carbon dioxide supply piping

본 발명은 연료전지 발전시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 배관 및 장치를 줄이는 것에 의해 설치 면적을 줄여 초기 설치비용을 절감시키고, 연료의 이용효율을 높여 운영비를 절감시키며, 황성분을 포함하는 배기가스의 방출을 차단하는 것에 의해 환경오염을 줄일 수 있도록 하는 연료전지 발전시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell power generation system, and more particularly, to reduce the installation area by reducing the piping and the device, to reduce the initial installation cost, to increase the fuel utilization efficiency to reduce the operating cost, exhaust gas containing sulfur components The present invention relates to a fuel cell power generation system capable of reducing environmental pollution by blocking emissions.

일반적으로 용융탄산염 연료전지 발전시스템은 천연가스, 석탄가스 등 다양한 연료의 사용이 가능하며 연소과정 없이 650℃의 고온에서 연료가 바로 전기로 바뀌는 전기화학 반응에 의하여 전기를 생산한다. 따라서, 연소과정이 없고 연료에서 전기를 직접 생산하기 때문에 소음 및 대기오염 물질 배출이 적어 차세대 발전 방식으로 주목받고 있다.In general, molten carbonate fuel cell power generation systems can use various fuels such as natural gas and coal gas, and produce electricity by an electrochemical reaction in which fuel is directly converted to electricity at a high temperature of 650 ° C. without a combustion process. Therefore, since there is no combustion process and electricity is directly produced from fuel, noise and air pollutant emission is low, and thus, it is attracting attention as a next generation power generation method.

도 1은 종래 기술의 용융탄산염 연료전지 발전시스템의 구성을 나타내는 도면으로서, 도 1에 도시된 바와 같이 종래 기술의 용융탄산염 연료전지 발전시스템은 연료가스인 천연가스에서 황을 제거하기 위한 탈황기(100), 연료가스에서 수소가 풍부한 가스를 발생시키는 개질기(110), 개질기(110)에서 발생한 연료가스의 수소와 공기중의 산소 및 이산화탄소를 반응시켜 발전하는 용융탄산염 연료전지스택(120), 수소가 풍부한 가스로의 개질에 필요한 수증기를 얻기 위한 증기발생기(130), 연료극(120a)과 공기극(120b) 배기가스에서 물을 분리하기 위한 기액분리기(150, 160), 연료극 배기가스 및 공기극 배기가스를 연소하여 재순환시키기 위한 촉매연소기(140) 및 열 이용효율을 높이기 위한 열교환기(101, 111, 112, 113, 121, 122, 123, 151)들로 구성되는 것이 일반적이다.1 is a view showing the configuration of a molten carbonate fuel cell power generation system of the prior art, the molten carbonate fuel cell power generation system of the prior art as shown in Figure 1 is a desulfurizer for removing sulfur from the natural gas fuel gas ( 100, a reformer 110 for generating a hydrogen-rich gas from the fuel gas, a molten carbonate fuel cell stack 120 for generating power by reacting hydrogen of the fuel gas generated in the reformer 110 with oxygen and carbon dioxide in the air, hydrogen Steam generator 130 for obtaining water vapor necessary for reforming the gas-rich gas, gas-liquid separators 150 and 160 for separating water from the exhaust gas of the anode 120a and the cathode 120b, anode exhaust gas and cathode exhaust gas. It is generally composed of a catalytic combustor 140 for combustion and recirculation and heat exchangers 101, 111, 112, 113, 121, 122, 123, and 151 for improving heat utilization efficiency.

상술한 구성을 가지는 종래 기술의 용융탄산염 연료전지 발전시스템은 용융탄산염 연료전지스택(120) 내에서 정해진 부하에 의하여 연료 및 공기의 이용효율이 정해지며 반응하지 않고 남은 배기가스를 효율적으로 처리하는 방법을 중심으로 시스템이 구성되었다.In the prior art molten carbonate fuel cell power generation system having the above-described configuration, the utilization efficiency of fuel and air is determined by a predetermined load in the molten carbonate fuel cell stack 120, and a method of efficiently treating the remaining exhaust gas without reacting. The system was organized around.

이에 따라 종래 기술의 연료전지 발전시스템은 연료극 배기가스(54) 및 공기극 배기가스(78)를 연소하여 재순환하기 위해 촉매연소기(140) 및 기액분리기(150, 160)를 설치하였기 때문에 촉매연소기(140) 및 기액분리기(150, 160)를 설치하기 위한 배관비 및 장치비가 발생하며, 설치시 넓은 공간이 필요하므로 초기 설치비용이 많이 든다는 문제점이 있다.Accordingly, the fuel cell power generation system according to the related art has the catalyst combustor 140 and the gas-liquid separators 150 and 160 installed to burn and recycle the anode exhaust gas 54 and the cathode exhaust gas 78. ) And the piping cost and equipment costs for installing the gas-liquid separator (150, 160), there is a problem that the initial installation cost is high because a large space is required for installation.

또한, 상술한 종래 기술의 연료전지 발전시스템은 탈황을 거치지 않은 연료가스를 개질기 버너의 연소가스로 사용하기 때문에 배기가스에 황성분이 포함되어 있어 개질기 버너의 배기가스를 연료전지스택의 공기극 연료가스로의 재사용하는 것이 불가능하여 황성분이 포함된 배기가스를 대기 중에 방출하여야 했기 때문에 환경을 오염시키는 문제점을 가진다.In addition, the above-described conventional fuel cell power generation system uses fuel gas that has not undergone desulfurization as the combustion gas of the reformer burner, and therefore, sulfur is included in the exhaust gas so that the exhaust gas of the reformer burner is converted into the cathode fuel gas of the fuel cell stack. Since it cannot be reused, it has a problem of polluting the environment because the exhaust gas containing sulfur components had to be released to the atmosphere.

또한, 상술한 종래 기술의 연료전지 발전시스템은 연료전지스택의 연료극 배기가스에 포함된 반응하지 않은 연료가스를 촉매연소기에서 연소시킨 후 연료전지스택의 공기극 연료가스로 재사용하도록 하고 있어, 연료극 배기가스에 존재하는 반응하지 않은 연료가스를 연소 소모하기 때문에 연료가스의 이용효율이 떨어져 연료비를 절감하지 못하게 되므로 연료비용에 의한 운영비가 과도하게 발생하는 문제점을 가진다.In addition, the above-described conventional fuel cell power generation system allows the unreacted fuel gas contained in the anode exhaust gas of the fuel cell stack to be burned in a catalytic combustor and reused as the cathode fuel gas of the fuel cell stack. Due to the combustion consumption of the unreacted fuel gas present in the fuel gas utilization efficiency is lowered to reduce the fuel cost, there is a problem that the operating cost due to the fuel cost is excessively generated.

따라서, 본원 발명은 상술한 종래 기술에서의 문제점을 해결하기 위한 것으 로서, 종래 기술의 연료전지 발전시스템과 달리 연료전지 발전시스템으로 유입되는 연료에 대한 탈황을 선 수행하는 것에 의해 개질기 버너에서 배출되는 이산화탄소가 풍부한 연소가스를 연료전지스택의 공기극 유입가스로 유입시키며, 개질기 촉매층에서 반응하지 않은 연료가스를 포함하는 배기가스를 개질기 버너의 연소가스로 재사용할 수 있도록 함으로써 연료 이용효율을 향상시키고, 또한 황을 포함하는 배기 가스의 방출을 제거함으로써 환경오염을 일으키지 않으며, 종래 기술에서와 같은 촉매연소기 및 기액분리기를 포함하는 부대 설비를 제거함으로써 발전시스템의 설치공간을 축소시키는 것에 의해 초기 설치비용을 감소시킬 수 있도록 하는 연료전지 발전시스템을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.Accordingly, the present invention is to solve the above-mentioned problems in the prior art, unlike the fuel cell power generation system of the prior art is discharged from the reformer burner by performing desulfurization on the fuel flowing into the fuel cell power generation system in advance. Increasing fuel efficiency by introducing combustion gas rich in carbon dioxide into the cathode inlet gas of the fuel cell stack, and reusing exhaust gas containing unreacted fuel gas in the reformer catalyst bed as combustion gas of the reformer burner. Eliminates emissions of sulfur containing sulfur and does not cause environmental pollution, and reduces initial installation costs by reducing the installation space of the power generation system by eliminating auxiliary equipment including catalytic combustion and gas-liquid separators as in the prior art Fuel cell power generation To provide a system for that purpose.

상술한 목적을 달성하기 위한 본원 발명의 연료전지 발전시스템은,The fuel cell power generation system of the present invention for achieving the above object,

연료가스인 천연가스에서 황을 제거하는 탈황기와, 연료가스에서 수소가 풍부한 가스를 발생시키는 개질기와, 개질기에서 발생한 개질된 연료가스에 포함된 수소와 공기 중의 산소 및 이산화탄소를 반응시켜 발전하는 연료전지스택과, 상기 개질기로 공급하기 위한 수증기를 생성하는 증기발생기를 구비하고,Desulfurizer to remove sulfur from natural gas, fuel gas, reformer to generate hydrogen-rich gas from fuel gas, and fuel cell generated by reacting hydrogen contained in reformed fuel gas generated from reformer with oxygen and carbon dioxide in air A stack and a steam generator for producing steam for feeding to said reformer,

상기 연료가스는 상기 탈황기에 의해 선 탈황이 수행된 후 상기 개질기의 개질기 촉매층과 개질기 버너에 유입되고, 상기 증기발생기에서 발생된 수증기와 상기 탈황기로부터 유입된 연료가스가 혼합되어 상기 개질기의 촉매층에서 반응 후의 반응가스는 상기 연료전지스택의 연료극으로 유입되며, 상기 연료전지스택의 연료 극 배기가스는 상기 증기발생기를 경유하여 상기 개질기 버너로 유입되며, 상기 연료전지스택의 공기극 배기가스는 상기 증기발생기를 경유하여 상기 공기극으로 재유입되도록 배관에 의해 연결 구성되는 것을 특징으로 한다.The fuel gas is introduced into the reformer catalyst layer and the reformer burner of the reformer after pre-sulfurization is performed by the desulfurizer, and the steam generated from the steam generator and the fuel gas introduced from the desulfurizer are mixed in the catalyst layer of the reformer. The reaction gas after the reaction flows into the anode of the fuel cell stack, the fuel exhaust gas of the fuel cell stack flows into the reformer burner via the steam generator, and the cathode exhaust gas of the fuel cell stack is the steam generator. It is characterized in that the connection is configured by the pipe to be re-introduced into the cathode via.

상기 탈황기로 연료가스를 공급하는 황함유 연료가스 공급배관과 상기 개질기 유입연료가스를 공급하는 개질기 연료가스 공급배관 각각에는 상기 개질기 버너 연소가스 배관에 의해 열을 공급받는 열교환기가 구비되는 것을 특징으로 한다.A sulfur-containing fuel gas supply pipe for supplying fuel gas to the desulfurizer and a reformer fuel gas supply pipe for supplying the reformer inlet fuel gas are each provided with a heat exchanger receiving heat by the reformer burner combustion gas pipe. .

상기 연료전지스택의 연료극과 공기극은 배출되는 배기가스가 상기 증기발생기에 열을 공급하도록 상기 증기발생기와 배관 연결 구성되는 것을 특징으로 한다.The anode and the cathode of the fuel cell stack are configured to be connected to the steam generator so that the exhaust gas is supplied with heat to the steam generator.

상기 공기극 배기가스는 외부 유입공기와 이산화탄소 및 상기 개질기 버너 연소가스와 혼합된 후 혼합된 가스를 유도하는 공기극 가스 공급 배관에 의해 상기 공기극으로 유입되는 것을 특징으로 한다.The cathode exhaust gas is introduced into the cathode by a cathode gas supply pipe for inducing mixed gas after mixing with external inlet air, carbon dioxide, and the reformer burner combustion gas.

상기 공기극 가스 공급배관과 상기 증기발생기의 수증기를 상기 개질기로 유입하는 물 공급배관에는 상기 공기극 가스의 열을 상기 수증기로 공급하기 위한 열교환기가 구비되는 것을 특징으로 한다.The air supply pipe for introducing the cathode gas supply pipe and the steam of the steam generator to the reformer is provided with a heat exchanger for supplying the heat of the cathode gas to the steam.

상기 연료전지스택은 용융탄산염 연료전지스택인 것을 특징으로 한다.The fuel cell stack is characterized in that the molten carbonate fuel cell stack.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본원발명을 더욱 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.

도 2는 본원 발명의 일 실시 예에 따르는 연료전지 발전시스템의 개략적인 구성도이다.2 is a schematic configuration diagram of a fuel cell power generation system according to an embodiment of the present invention.

도 2에 도시된 바와 같이 본원 발명의 일 실시 예에 따르는 연료전지 발전시스템은 탈황기(100), 개질기(110), 용융탄산염 연료전지스택(120), 증기발생기(130) 및 열교환기(101, 111, 112, 113, 151)와 상기 각 구성을 연결하는 배관들(211~ 291)로 구성된다.As shown in FIG. 2, a fuel cell power generation system according to an exemplary embodiment of the present invention includes a desulfurizer 100, a reformer 110, a molten carbonate fuel cell stack 120, a steam generator 130, and a heat exchanger 101. , 111, 112, 113, and 151 and pipes 211 to 291 connecting the above components.

상기 탈황기(desulfurizer)(100)는 연료가스인 천연가스 내에 존재하는 황 성분을 제거한다.The desulfurizer 100 removes sulfur components present in natural gas which is fuel gas.

상기 개질기(reformer)(110)는 연료가스를 개질하여 생성물인 수소와 부산물로 일산화탄소 및 이산화탄소를 발생시킨다.The reformer 110 reforms the fuel gas to generate carbon monoxide and carbon dioxide as hydrogen and byproducts.

상기 용융탄산염 연료전지스택(120)은 개질기(110)에서 발생한 수소와 공기중의 산소 및 이산화탄소를 반응시켜 전기를 발생시킨다.The molten carbonate fuel cell stack 120 generates electricity by reacting hydrogen generated in the reformer 110 with oxygen and carbon dioxide in the air.

상기 증기발생기(steam generator)(130)는 순수한 물을 공급받아 가열하여 수증기를 발생하는 장치이다.The steam generator 130 is a device that generates steam by receiving pure water and heating it.

상기 열교환기(heat exchanger)(101, 111, 112, 113, 151)는 뜨거운 배관과 차가운 배관 사이에 열교환을 시키는 장치로서, 여러 개의 관으로 구성되며, 관 외부는 원통형의 동체로 밀폐된 구조를 가진다.The heat exchanger (101, 111, 112, 113, 151) is a device for heat exchange between the hot pipes and cold pipes, consisting of a plurality of pipes, the outside of the pipe is a cylindrical body sealed structure Have

다음으로 도 2를 참조하여 본원 발명의 일 실시 예에 따르는 연료전지 발전시스템의 동작을 설명하면 다음과 같다.Next, the operation of the fuel cell power generation system according to an exemplary embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 2.

연료가스인 천연가스는 연료가스 공급배관(211, 211a)에 의해 공급되어 열교환기(112)에서 가열된 후 탈황기(100)를 거치면서 황성분이 제거된다. 황성분이 제거된 탈황 연료가스(211b)는 개질기 연료가스 공급배관(212)과 개질기 버너 연료가스 공급배관(217)을 통해 나뉘어 각각 개질기 촉매층(110a)와 개질기 버너(110b)로 유입된다. Natural gas, which is a fuel gas, is supplied by the fuel gas supply pipes 211 and 211a and heated in the heat exchanger 112, and then sulfur is removed while passing through the desulfurizer 100. The desulfurized fuel gas 211b from which the sulfur component is removed is divided through the reformer fuel gas supply pipe 212 and the reformer burner fuel gas supply pipe 217, respectively, and introduced into the reformer catalyst layer 110a and the reformer burner 110b.

황성분이 제거된 연료가스(211b)는 개질기 연료가스 공급배관(212)을 통해 열교환기(101, 111)로 유입되어 연료극 가스 공급배관(241)과 개질기 버너 연소가스 배관(281)과의 열교환에 의해 가열된다. 이때, 물 공급배관(221)에서 유입된 순수한 물은 증기발생기(130)에서 수증기로 변환된 후 물 공급배관(224)에 의해 열교환기(151)로 유입되어 공기극 가스 공급배관(262)과 열교환을 수행한 후 개질기 연료가스 공급배관(214)을 통해 유입되는 개질기 연료가스와 혼합되어 개질기(110)의 개질기 촉매층(110a)으로 유입된다. The sulfur gas is removed from the fuel gas (211b) is introduced into the heat exchanger (101, 111) through the reformer fuel gas supply pipe 212 to the heat exchange between the anode gas supply pipe 241 and the reformer burner combustion gas pipe (281). Heated by At this time, the pure water introduced from the water supply pipe 221 is converted into water vapor in the steam generator 130 and then introduced into the heat exchanger 151 by the water supply pipe 224 to exchange heat with the cathode gas supply pipe 262. After performing the mixture with the reformer fuel gas introduced through the reformer fuel gas supply pipe 214 is introduced into the reformer catalyst layer (110a) of the reformer (110).

개질기(110)로 유입된 수증기와 개질기 연료가스는 개질기(110)의 개질기 촉매층(110a)에서 반응하여 수소가 주성분인 연료극 공급가스로 바뀐다. 연료극 공급가스는 연료극 공급가스 배관(241)을 통해 열교환기(101)로 유입되어 개질기 연료가스 공급배관(212)과 열교환 후 용융탄산염 연료전지스택(120)의 연료극(120a)으로 유입된다. 이때, 상기 용융탄산염 연료전지스택(120)의 연료극(120a)에서 반응하고 난 후 미 반응된 연료극 배기가스는 연료극 배기가스 배관(241, 242)를 통해 증기발생기(130)로 유입되어 열교환을 수행한 후 개질기 버너 연료가스 공급배관(217)으로 유입되는 탈황 연료가스(211b)와 공기 공급배관(231)과 개질기 버너 공기 공급배관(232)를 통해 외부에서 공급된 공기와 함께 개질기 버너(110b)로 공급되어 수소, 일산화탄소, 메탄 등이 모두 연소하여 이산화탄소가 풍부한 가스(개질기 버너 연소가스)로 변한다.Water vapor introduced into the reformer 110 and the reformer fuel gas are reacted in the reformer catalyst layer 110a of the reformer 110 to be changed into a cathode supply gas in which hydrogen is a main component. The anode supply gas is introduced into the heat exchanger 101 through the anode supply gas pipe 241, and then flows into the anode 120a of the molten carbonate fuel cell stack 120 after heat exchange with the reformer fuel gas supply pipe 212. In this case, after reacting at the anode 120a of the molten carbonate fuel cell stack 120, unreacted anode exhaust gas flows into the steam generator 130 through the anode exhaust gas pipes 241 and 242 to perform heat exchange. The reformer burner 110b together with the air supplied from the outside through the desulfurized fuel gas 211b and the air supply pipe 231 and the reformer burner air supply pipe 232 introduced into the reformer burner fuel gas supply pipe 217. Hydrogen, carbon monoxide, and methane are all burned and converted into a carbon dioxide rich gas (reformer burner combustion gas).

상기 개질기 버너(110b)에서 연소된 후 배출되는 개질기 버너 연소가스는 개질기 버너 연소가스 배관(281, 282, 283)을 통해 열교환기(111, 112, 113)로 공급된 후 개질기 연료가스 공급배관(213), 연료가스 공급배관(211) 및 물 공급배관(222)과 열교환을 수행한 후 개질기 버너 연소가스 배관(284)에 의해 이송되어 공기극 배기가스 배관(271)을 통해 유입되는 공기극 배기가스와 혼합된 후 공기극 가스 공급배관(261)으로 재순환된다.The reformer burner combustion gas discharged after being burned by the reformer burner 110b is supplied to the heat exchangers 111, 112, and 113 through the reformer burner combustion gas pipes 281, 282, and 283, and then the reformer fuel gas supply pipe ( 213 and the cathode exhaust gas which is exchanged with the fuel gas supply pipe 211 and the water supply pipe 222 and then transferred by the reformer burner combustion gas pipe 284 and introduced through the cathode exhaust gas pipe 271. After mixing, the gas is recycled to the cathode gas supply pipe 261.

외부에서 공급된 공기는 공기 공급배관(231, 231a)을 통해 이산화탄소 공급배관(291)에서 유입되는 이산화탄소 및 공기극 가스 공급배관(261)을 통해 유입되는 공기극 배기가스와 혼합되어 산소 및 이산화탄소가 풍부한 공기극 공급가스가 된 후 공기극 공급가스 배관(262)을 통해 열교환기(151)로 유입되어 가열된 후 용융탄산염 연료전지스택(120)의 공기극(120b)으로 유입된다. 이때, 상기 용융탄산염 연료전지스택(120)의 공기극(120a)에서 반응하고 난 후 미반응된 공기극 배기가스는 공기극 배기가스 배관(271)을 통해 증기발생기(130)로 유입되어 열교환을 수행한 후 개질기 버너 연소가스 배관(284)을 통해 유입되는 개질기 버너 연소가스와 혼합된 후 공기극 가스 공급배관(261)으로 재순환된다.The air supplied from the outside is mixed with carbon dioxide and cathode gas flowing through the cathode gas supply pipe 261 introduced from the carbon dioxide supply pipe 291 through the air supply pipes 231 and 231 a to enrich the oxygen and carbon dioxide. After the supply gas is introduced into the heat exchanger 151 through the cathode supply gas pipe 262 and heated, it is introduced into the cathode 120b of the molten carbonate fuel cell stack 120. At this time, after reacting at the cathode 120a of the molten carbonate fuel cell stack 120, unreacted cathode exhaust gas is introduced into the steam generator 130 through the cathode exhaust gas pipe 271 to perform heat exchange. After mixing with the reformer burner flue gas introduced through the reformer burner flue gas pipe 284, it is recycled to the cathode gas supply pipe 261.

상술한 바와 같은 구조를 가지는 본원 발명의 연료전지 발전시스템은 개질기 촉매층(110a)과 개질기 버너(110b)로 유입되는 연료에 대하여 우선적으로 탈황을 수행하여 공급하는 것에 의해 반응하지 않은 연료에 황성분이 포함되지 않게 된다. 따라서 개질기 버너(110b)의 CO2가 풍부한 배기 가스는 연료전지스택(120)의 공기극(120b)으로 유입시켜 재활용할 수 있게 된다. 따라서 본원 발명은 종래 기술에서와 같이 연료전지스택(120)의 공기극(120b)으로 유입되는 가스에 CO2를 풍부하게 하기 위해 촉매반응을 일으키는 촉매연소기(140)를 필요로 하지 않는다.In the fuel cell power generation system of the present invention having the structure as described above, sulfur components are included in the fuel that has not reacted by preferentially desulfurizing and supplying the fuel introduced into the reformer catalyst layer 110a and the reformer burner 110b. Will not be. Therefore, the exhaust gas rich in CO 2 of the reformer burner 110b flows into the cathode 120b of the fuel cell stack 120 to be recycled. Therefore, the present invention does not require a catalytic combustion device 140 for causing a catalytic reaction to enrich CO 2 in the gas flowing into the cathode 120b of the fuel cell stack 120 as in the prior art.

그리고 개질기 버너 연소가스는 고온을 유지하기 때문에 개질기(110)의 개질기 촉매층(110a)에서 수소를 생성하기 위하여 연료(LNG 등)와 반응하도록 유입되는 수증기의 온도 유지를 위한 열교환기(151)의 열원으로 사용함으로써 에너지 이용효율이 향상된다.Since the reformer burner combustion gas maintains a high temperature, the heat source of the heat exchanger 151 for maintaining the temperature of steam introduced to react with fuel (LNG, etc.) to generate hydrogen in the reformer catalyst layer 110a of the reformer 110. By using it, the energy utilization efficiency is improved.

연료전지스택(120)의 경우 연료전지스택(120)의 연료극(120a)에서 배출되는 미반응 연료가스를 포함하는 연료극 배기가스 또한 미리 탈황과정을 거치는 것에 의해 황을 포함하지 않게 되므로 이를 개질기 버너(110b)의 연소 가스로 유입하여 재사용할 수 있도록 함으로써 연료의 이용효율을 향상시킬 수 있다.In the case of the fuel cell stack 120, since the anode exhaust gas including the unreacted fuel gas discharged from the anode 120a of the fuel cell stack 120 also does not contain sulfur by undergoing a desulfurization process in advance, the reformer burner ( The utilization efficiency of the fuel can be improved by allowing the fuel to flow into the combustion gas of 110b) and reusing it.

그리고 연료전지스택(120)의 공기극(120b)의 공기극 배기가스는 별도의 기액 분리기를 거치는 과정 없이 곧바로 외부에서 유입되는 공기와 CO2와 혼합된 후 개질기(110)의 개질기 촉매층(110a)로 유입되는 수증기의 가열을 위한 열을 공급한 후 공기극으로 다시 유입되어 재사용됨으로써 수증기 발생을 위한 에너지 이용효율을 향상시킨다.The cathode exhaust gas of the cathode 120b of the fuel cell stack 120 is directly mixed with air and CO 2 introduced from the outside without passing through a separate gas-liquid separator and then introduced into the reformer catalyst layer 110a of the reformer 110. After supplying heat for the heating of the steam to be re-introduced into the air electrode and reused to improve the energy utilization efficiency for steam generation.

상술한 바와 같은 본원 발명은, 사용 연료에 대하여 탈황을 우선적으로 실시함으로써 개질기 버너의 이산화 탄소가 풍부한 배기 가스를 연료전지스택의 공기극의 유입가스로 재사용하도록 구성하는 것에 의해 촉매연소기와 기액분리기의 구성없이도 원활하게 전기를 생산할 수 있도록 함으로써 연료전지 발전시스템의 배관 및 장치를 줄일 수 있고, 이에 따라 설치 공간이 작아짐으로써 초기 설치비용을 절감할 수 있도록 하는 효과를 제공한다.The present invention as described above is configured to regenerate the carbon dioxide-rich exhaust gas of the reformer burner as the inflow gas of the cathode of the fuel cell stack by preferentially performing desulfurization on the fuel used to constitute the catalytic combustion and gas-liquid separator. It is possible to reduce the piping and equipment of the fuel cell power generation system by allowing the electricity to be produced smoothly without any, and thus, the installation space is reduced, thereby reducing the initial installation cost.

또한, 상술한 본원 발명은 연료전지스택의 연료극에서 배출되는 반응하지 않은 연료가스가 포함된 연료극 배기가스를 개질기 버너의 연소 연료로 재사용할 수 있도록 함으로써 연료 이용 효율을 향상시키며, 이에 따라 연료비를 절감할 수 있도록 하여 운영비용을 감소시키는 효과를 제공한다.In addition, the present invention described above improves fuel utilization efficiency by allowing the anode exhaust gas containing the unreacted fuel gas discharged from the anode of the fuel cell stack to be reused as combustion fuel of the reformer burner, thereby reducing fuel costs. It provides the effect of reducing operating costs.

또한, 상술한 본원 발명은 종래 기술에서와 달리 개질기 버너의 배기 가스를 대기 중에 방출하지 않고 재활용함으로써 환경오염을 현저히 줄일 수 있도록 하는 효과를 제공한다.In addition, the present invention described above provides an effect of remarkably reducing environmental pollution by recycling the exhaust gas of the reformer burner without releasing it to the atmosphere unlike in the prior art.

Claims (4)

연료가스의 황을 제거하는 탈황기와, 상기 탈황된 연료가스에서 수소가 풍부한 가스를 발생시키는 개질기와, 상기 개질기에서 개질된 연료가스의 수소와 공기 중의 산소 및 이산화탄소를 반응시켜 발전하는 연료전지스택과, 상기 개질기로 공급하기 위한 수증기를 생성하는 증기발생기를 구비하고,A desulfurizer for removing sulfur of fuel gas, a reformer for generating hydrogen-rich gas from the desulfurized fuel gas, a fuel cell stack for generating power by reacting hydrogen and oxygen and carbon dioxide in the air reformed in the reformer; It is provided with a steam generator for generating steam for supply to the reformer, 상기 연료가스는 상기 탈황기에 의해 선 탈황이 수행된 후 상기 개질기의 개질기 촉매층과 개질기 버너에 유입되고, 상기 증기발생기에서 발생된 수증기와 상기 개질기 촉매층으로 유입된 연료가스가 혼합되어 상기 개질기의 촉매층에서 반응된 후의 반응가스는 상기 연료전지스택의 연료극으로 유입되며, 상기 개질기의 개질기 버너 연소가스는 상기 연료전지스택의 공기극으로 유입되고, 상기 연료전지스택의 연료극 배기가스는 상기 증기발생기를 경유하여 상기 개질기 버너로 유입되며, 상기 연료전지스택의 공기극 배기가스는 상기 증기발생기를 경유하여 상기 공기극으로 재유입되도록 배관에 의해 연결 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 발전시스템.The fuel gas is introduced into the reformer catalyst layer and the reformer burner of the reformer after pre-sulfurization is performed by the desulfurizer, and the fuel gas introduced from the steam generator and the fuel gas introduced into the reformer catalyst layer are mixed in the catalyst layer of the reformer. After the reaction, the reaction gas flows into the anode of the fuel cell stack, the reformer burner combustion gas of the reformer flows into the cathode of the fuel cell stack, and the anode exhaust gas of the fuel cell stack passes through the steam generator. And a cathode exhaust gas of the fuel cell stack is connected by a pipe to be re-introduced into the cathode via the steam generator. 제 1항에 있어서, 상기 탈황기로 연료가스를 공급하는 황함유 연료가스 공급배관과 상기 개질기 유입연료가스를 공급하는 개질기 연료가스 공급배관 각각에는 상기 개질기 버너 연소가스 배관에 의해 열을 공급받는 열교환기가 구비되는 것을 특징으로 하는 연료전지 발전시스템.The heat exchanger of claim 1, wherein each of the sulfur-containing fuel gas supply pipe for supplying fuel gas to the desulfurizer and the reformer fuel gas supply pipe for supplying the reformer inlet fuel gas are heat supplied by the reformer burner combustion gas pipe. Fuel cell power generation system, characterized in that provided. 제 1항에 있어서, 상기 공기극 배기가스는 외부 유입공기와 이산화탄소 및 상기 개질기 버너 연소가스와 혼합된 후 혼합된 가스를 유도하는 공기극 가스 공급 배관에 의해 상기 공기극으로 유입되는 것을 특징으로 하는 연료전지 발전시스템. The fuel cell power generation system according to claim 1, wherein the cathode exhaust gas is introduced into the cathode by an anode gas supply pipe for inducing mixed gas after mixing with external inlet air, carbon dioxide, and the reformer burner combustion gas. system. 제 1항 또는 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공기극 배기가스를 유도하는 공기극 가스 공급배관과 상기 증기발생기의 수증기를 상기 개질기로 유입하는 물 공급배관에는 상기 공기극 가스의 열을 상기 수증기로 공급하기 위한 열교환기가 구비되는 것을 특징으로 하는 연료전지 발전시스템.4. The cathode gas supply pipe according to any one of claims 1 to 3, wherein the cathode gas supply pipe for inducing the cathode exhaust gas and the water supply pipe for introducing the steam of the steam generator to the reformer include heat of the cathode gas to the steam. A fuel cell power generation system, characterized in that a heat exchanger for supplying.
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