KR100817898B1 - 순산소연소를 이용한 연료전지 연계형 발전플랜트 - Google Patents

순산소연소를 이용한 연료전지 연계형 발전플랜트 Download PDF

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Abstract

본 발명은 순산소연소를 이용한 연료전지 연계형 발전플랜트에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 연료전지 시스템에서 발생되는 배기가스를 공급받아 증기를 배출하는 열교환기; 열교환기에서 배출된 증기를 순산소연소를 통해 재가열하는 순산소연소기; 순산소연소기에서 재가열된 증기를 받아 기계에너지를 발생시키는 터빈; 터빈에서 발생된 기계에너지를 받아 전기에너지로 변환하는 발전기; 터빈을 통과한 증기를 응축시키는 응축기; 및 응축기에서 발생된 물을 열교환기로 이송하는 급수펌프를 구비한다.
본 발명에 의하면 연료전지 시스템에서 배출되는 고온의 가스를 순산소연소를 통하여 재가열하므로 보다 효율적으로 고온의 증기를 얻을 수 있을 뿐 아니라, 기존 연료전지 시스템의 폐열만을 이용하므로 기존 시스템의 재설계가 필요하지 않다는 장점이 있다.
연료전지, HRSG, 재열, 순산소연소, 이산화탄소 회수

Description

순산소연소를 이용한 연료전지 연계형 발전플랜트{Fuel cell-linked power generation plant using pure oxygen combustion}
본 발명은 열효율을 높인 연료전지 연계형 발전플랜트에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 연료전지 시스템에서 배출되는 고온의 배출가스를 이용하여 연료전지 시스템의 효율을 높일 수 있을 뿐 아니라 순산소연소를 이용하여 열효율을 향상시킨 발전플랜트에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지란 연료의 산화에 의해서 생기는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 전지로서, 이러한 연료전지에서는 반응물이 외부에서 연속적으로 공급되어 반응생성물이 연속적으로 계의 바깥으로 제거된다는 특징이 있다.
연료전지는 화석연료, 액체연료, 기체연료 등 다양한 연료를 사용할 수 있는데, 작동온도에 따라 100℃ 미만의 저온형, 150~300℃정도의 중온형, 600℃이상의 고온형이 있으며, 전해질의 종류에 따라 인산형(PAFC), 용융탄산염형(MCFC), 고체산화물형(SODFC) 및 고체 고분자형(PEFC)등으로 구분이 가능하다.
일반적으로 수송용이나, 가정용발전기 등에는 저온형인 고체 고분자형을 적용하고, 대형 발전용으로는 고온형인 용융탄산염형 또는 고체산화물형을 적용한다.
종래에도 연료전지의 배출가스를 추가적으로 이용하는 방법이 고안되었다. 용융탄산염 연료전지 시스템이나 인산형 연료전지 시스템에서 배출되는 고온의 가스를 냉·난방 등에 이용함으로써 열을 효율적으로 이용하고자 하는 노력이 있었으나 이와 같은 경우에는 추가적인 발전을 하기는 어려웠기 때문에 추가적인 발전까지 할 수 있도록 다른 발전시스템과 연계하여 보다 효율적으로 이용할 필요성이 커지고 있다.
여러 발전시스템 중에서도 화력발전플랜트는 일반적으로 원유나 중유 등을 연료로 하여 보일러로 증기를 발생시킨 다음, 그 압력으로 터빈·발전기를 돌려 발전하여 전기 에너지로 바꾸어 사용하는 발전시스템으로서, 이런 화력발전플랜트에 적용되는 랭킨사이클(Rankine cycle)은 증기 사이클, 베이퍼 사이클이라고도 한다.
즉, 증기를 이용한 화력발전소에서는 급수펌프(단열압축), 보일러 및 과열기(등압가열), 터빈(단열팽창) 및 응축기(등압방열)의 각 요소에 의해 랭킨사이클이 실현되고 있다.
그러나 연료전지에서 배출되는 가스를 이용하여 스팀을 제조하고 일반적인 스팀터빈을 연결하여 사용하는 경우에는 추가적인 발전량이 크지 않다는 점에서 문제가 있었으며, 가스터빈을 연계하여 하이브리드 시스템을 구성할 수도 있으나 이와 같은 기술 구성은 난이도가 높아서 개발하는데 어려운 점이 있었다.
기존의 연료전지 시스템은 고효율 시스템이기는 하지만, 경쟁기술에 보다 높은 우위를 점하기 위해서 타동력기관과의 하이브리드 시스템 개발에 대한 필요성이 증가하고 있다.
가스터빈을 연계한 경우, 보다 높은 효율을 얻을 수 있으나 기존 연료전지 시스템 내부를 재설계해야 하는 어려움이 있고, 연료전지와 가스터빈의 연계운전이 매우 복잡하다는 문제점이 있다.
이에 기존 연료전지 시스템 내부의 재설계가 요구되고 있었는데, 상기 연료전지 시스템에서 배출되는 고온의 가스를 열 공급원으로 제공받는 경우 발전효율의 측면에서 보다 큰 효과를 얻을 수 있기 때문에 이러한 화력발전플랜트와 연료전지 시스템을 연계하여 보다 고효율을 나타내는 발전플랜트의 개발에 대한 필요성은 더욱 커지고 있는 실정이다.
본 발명은 상술한 기술개발의 필요성에 따라 창출된 것으로, 연료전지 시스템과 연계하여 연료전지 시스템에서 발생된 고온의 배출가스의 열을 회수하여 발전플랜트의 열공급원으로 이용함으로써 고효율의 순산소연소를 이용한 연료전지 연계형 발전플랜트를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 순산소연소기를 구비하여 고온의 증기를 직접 가열함으로써 열효율을 높이고, 발생된 이산화탄소를 회수할 수 있는 순산소연소를 이용한 연료전지 연계형 발전플랜트를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 순산소연소를 이용한 연료전지 연계형 발전플랜트는, 연료전지 시스템에서 발생되는 배기가스를 공급받아 증기를 배출하는 열교환기; 상기 열교환기에서 배출된 증기를 순산소연소를 통해 재가열하는 순산소연소기; 상기 순산소연소기에서 재가열된 증기를 받아 기계에너지를 발생시키는 터빈; 상기 터빈에서 발생된 기계에너지를 받아 전기에너지로 변환하는 발전기; 상기 터빈을 통과한 증기를 응축시키는 응축기; 및 상기 응축기에서 발생된 물을 상기 열교환기로 이송하는 급수펌프를 구비한다.
여기서, 상기 응축기와 상기 급수펌프의 사이에 마련되어, 상기 응축기에서 발생된 이산화탄소를 회수하는 회수펌프를 더 구비할 수 있다.
또한, 상기 순산소연소기는 내부에서 화석연료, 질소가 포함되지 않은 부생 가스 또는 공정부산물에서 선택된 어느 하나와 순수 산소만을 산화제로 이용하여 순산소연소하는 것이 바람직하다.
아울러, 상기 순산소연소기는 증기, 산소 및 연료가 주입되는 다수의 노즐이 구비된 입구부; 및 상기 입구부를 통해 주입되는 증기를 제외한 나머지 증기가 측면에 형성된 주입구를 통해 주입되도록 형성된 본체부를 구비하는 것일 수 있다.
뿐만 아니라, 상기 열교환기에서 배출된 증기는 연료전지 배출가스의 온도와 유량에 따라 적절하게 설계되어야 하는데, 일반적인 용융탄산염 연료전지 시스템의 경우 터빈입구압력이 5~15bar, 터빈입구온도가 400~500℃, 터빈출구압력이 0.05~0.1bar인 것이 바람직하다.
상술한 바와 같은 본 발명의 순산소연소를 이용한 연료전지 연계형 발전플랜트는,
첫째, 연료전지 시스템에서 배출되는 고온의 배출가스를 활용하여 고효율의 발전플랜트를 제공할 수 있다는 장점이 있다.
둘째, 순산소연소를 적용한 터빈발전시스템을 이용하므로 기존 시스템과 독립적인 시스템 구성이 가능하며, 소량의 추가연료만을 공급하여 발전효율을 높일 수 있으며, 추가된 연료만큼 배출된 고농도의 이산화탄소를 회수할 수 있다는 장점이 있다.
셋째, 내부에 증기를 분기하여 주입하도록 형성되어 특정 부분의 과열을 방지하고 보다 안전하게 순산소연소가 일어날 수 있도록 구비된 순산소연소기를 사용 한다는 장점이 있다.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 도 1 내지 도 4를 참고하여 본 발명의 일 실시예에 따른 순산소연소를 이용한 연료전지 연계형 발전플랜트를 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 순산소연소를 이용한 연료전지 연계형 발전플랜트(100)를 나타낸 개략도이다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 순산소연소를 이용한 연료전지 연계형 발전플랜트(100)는 연료전지시스템(110), 열교환기(120), 순산소연소기(130), 터빈(140), 발전기(150), 응축기(160), 급수펌프(170) 및 회수펌프(180)를 포함한다.
상기 연료전지시스템(110)은 연료의 산화에 의하여 생기는 화학에너지를 직 접 전기에너지로 변환하는 시스템으로서, 이러한 시스템을 통하여 고온의 가스가 계의 외부로 배출된다.
상기 연료전지시스템(110)으로는 전해질의 종류에 따라 인산형(PAFC), 용융탄산염형(MCFC), 고체 전해질형(SODFC) 및 고체 고분자형(PEFC) 등 다양한 시스템이 사용될 수 있으며, 본 발명의 일 실시예에 따른 순산소연소를 이용한 연료전지 연계형 발전플랜트(100)에서는 용융탄산염형(MCFC)을 연료전지시스템(110)으로 사용하였다.
상기 연료전지시스템(110)에서는 370℃정도의 고온가스를 배출하고, 상기 고온가스를 본 발명의 일 실시예에 따른 순산소연소를 이용한 연료전지 연계형 발전플랜트(100)에 적용하여 사용하게 된다.
상기 고온가스는 상기 열교환기(120)에 의하여 회수되어 고온의 증기를 발생시킨다.
상기 열교환기(120)로는 HRSG(Heat Recovery Steam Generator)를 사용할 수 있는데, 상기 HRSG는 증기발생기(steam generator), 화학플랜트(chemical plant), 제강(steel making) 및 소각시스템(incinerator system) 등의 산업플랜트분야에서 활용되는 열교환기로서 가스터빈 배출가스의 여열을 회수하여 발전용 및 공정용 증기를 발생시키는 폐열회수장치이다.
즉, 상기 연료전지시스템(110)으로부터 발생된 배출가스의 여열을 상기 열교환기(120)에서 회수하여 고온·고압의 증기를 발생시킨다.
상기 열교환기(120)에서 발생된 고온·고압의 증기는 순산소연소기(130)로 주입되어 순산소연소를 통하여 재가열되어 보다 고온의 증기로 상기 터빈(140)으로 배출된다.
이때, 상기 순산소연소기(130)는 내부에서 화석연료, 질소가 포함되지 않은 부생가스 또는 공정부산물에서 선택된 어느 하나와 순수 산소만을 산화제로 이용하여 순산소연소하는 것이 바람직하다.
상기 화석연료로는 일반적인 고체, 액체, 기체 형태의 화석연료를 모두 포함할 수 있으며, 질소가 포함되어 있지 않은 부생가스 또는 소화조가스가 상기 공정부산물로 사용될 수 있다.
여기서, 도 2는 도 1에 나타낸 순산소연소를 이용한 연료전지 연계형 발전플랜트(100)에서 메탄을 연료로 공급하여 순산소연소가 일어나는 경우의 반응식을 나타낸 것이다.
도 2를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 순산소연소를 이용한 연료전지 연계형 발전플랜트(100)에서 순산소연소기(130)의 내부에는 증기와 함께 산소와 메탄이 공급되고, 상기 산소와 메탄 간의 순산소연소를 통한 연소가스 중에는 이산화탄소와 수증기만 존재하게 된다.
다만, 이는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 불과하므로 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 목적에 따라 산소와 함께 순산소 연소반응을 일으킬 수 있는 다양한 종류의 화석연료들이 포함될 수 있다.
도 3은 도 1에 나타낸 순산소연소를 이용한 연료전지 연계형 발전플랜트의 순산소연소기를 나타낸 개략도이다.
도 3을 참고하면, 상기 순산소연소기(130)는 증기, 산소 및 화석연료가 주입되는 다수의 노즐이 구비된 입구부(131); 상기 입구부(131)를 통해 주입되는 증기를 제외한 나머지 증기가 측면에 형성된 주입구(133)를 통해 주입되도록 형성된 본체부(135)를 구비한다.
상기 입구부(131)에 구비된 다수의 노즐을 통하여 연료, 산소 및 수증기의 일부가 주입되고, 주입된 산소와 연료 간에 순산소연소반응이 이루어져 고온의 연소가스를 얻을 수 있다. 상기 고온의 연소가스와 상기 입구부(131)를 통해 주입된 증기가 혼합되어 원하는 온도의 연소가스를 얻을 수 있다.
즉, 상기 입구부(131)에 구비된 다수의 노즐을 통하여 증기 중 일부가 산소 및 화석연료와 함께 상기 순산소연소기(130)의 내부로 주입되기 때문에 산소와 화석연료 간의 순산소연소반응으로 인한 상기 입구부(131)의 과열현상을 방지할 수 있게 되며, 이에 따라 과열로 인한 질소산화물(NOx)의 생성도 방지할 수 있다.
또한, 다른 열교환기를 이용한 가열과는 다르게 증기가 상기 순산소연소기(130)로 직접 주입이 되어 상기 순산소연소기(130) 내에서 순산소연소반응을 통하여 직접 가열이 되므로 열전달이 더 잘 이루어져 열효율을 높일 수 있다는 장점이 있다.
즉, 공기를 사용하는 연소기를 설치하여 연소가스를 스팀과 혼합하는 경우 공기 중의 질소가 다량으로 유입되어 이산화탄소의 회수가 불가능하며 터빈출구에서 배출시켜야하는 불 응축가스의 양이 많아져 시스템에 불리하다는 문제점이 있는 반면에, 순산소연소기를 설치하는 경우 터빈후단에서 배출시켜야하는 불 응축가스 가 이산화탄소뿐이어서 배출시켜야 하는 양도 작고, 고농도의 이산화탄소로만 이루어져 있기 때문에 이산화탄소의 회수가 용이하다.
상기 순산소연소를 통해 배출된 연소가스와 증기의 혼합물은 상기 터빈(140)으로 공급되어 기계에너지를 발생시키고, 상기 발전기(150)는 상기 터빈(140)에 의해 발생된 기계에너지를 전기에너지로 변환한다.
이어서, 상기 터빈(140)을 통과한 상기 연소가스와 증기의 혼합물은 상기 응축기(160)로 주입되며, 이때 수증기는 응축되어 물이 되어 배출되어 버려지거나 상기 급수펌프(170)를 통하여 상기 열교환기(120)로 다시 회수되어 사용된다.
여기서, 상기 응축기(160)에서 응축되지 않은 이산화탄소는 물과 분리되어 상기 회수펌프(180)를 이용하여 회수하게 된다.
상기 응축기(160)는 상기 터빈(140)을 통과한 증기를 냉각수를 이용하여 응축시킨다. 상기 응축기(160)에 의해 증기는 다시 물로 응축된다.
상기 냉각수로는 해수를 이용하는 것이 바람직하나 본 발명의 순산소연소를 이용한 연료전지 연계형 발전플랜트는 해안가에만 설치되어야 하는 것은 아니므로 해수를 이용하기 어려운 지역에 있는 경우 다른 냉각수를 이용할 수 있으며, 나아가, 기타 본 발명의 목적에 따라 증기를 응축시키는데 사용될 수 있는 지열, 공기 등을 포함하는 모든 냉각수단을 이용하여 응축할 수 있다.
상기 회수펌프(180)는 진공펌프로 이루어진 것이 바람직하며, 회수펌프(180)에 의해 회수된 이산화탄소는 고농도의 것으로 다른 용도로 사용할 수 있다.
여기서, 본 발명의 일 실시예에 따른 순산소연소를 이용한 연료전지 연계형 발전플랜트(100)의 운전조건은 연료전지 배출가스의 온도와 유량에 따라 적절하게 설계되어야 하는데, 일반적인 용융탄산염 연료전지 시스템의 경우 터빈입구압력이 5~15bar, 터빈입구온도가 400~500℃, 터빈출구압력이 0.05~0.1bar인 것이 바람직하다.
연료전지에서 배출되는 가스의 온도는 일반적으로 200~370℃ 정도의 조건이므로 이러한 온도조건에서 스팀을 발생시킬 수 있는 압력은 5~15bar 정도가 적절하며, 터빈입구온도의 경우, 500℃보다 높은 스팀의 경우는 일반적인 발전용 스팀터빈을 적용하지 못하고 고가의 가스터빈용 터빈을 적용해야 하는 문제점이 있다.
또한 터빈출구압력은 응축기의 조건에 따라서 다르게 설계되어야 하는데, 0.05~0.1bar 정도에서 설계하는 것이 효율, 운전 및 제작의 측면에서 유리하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 순산소를 이용한 연료전지 연계형 발전플랜트(100)를 이용할 경우, 연료전지의 운전과 터빈의 운전이 분리되어 운전이 단순화되며, 기존 연료전지 시스템의 폐열만을 이용하므로 기존 시스템의 재설계가 필요하지 않다는 장점이 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 순산소연소를 이용한 연료전지 연계형 발전플랜트를 나타낸 개략도이고,
도 2는 도 1에 나타낸 순산소연소기를 구비한 발전플랜트에서 메탄을 연료로 공급하여 순산소연소가 일어나는 경우의 반응식을 나타낸 것이고,
도 3은 도 1에 나타낸 순산소연소를 이용한 연료전지 연계형 발전플랜트의 순산소연소기를 나타낸 개략도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100 : 순산소연소를 이용한 연료전지 연계형 발전플랜트
110 : 연료전지시스템 120 : 열교환기
130 : 순산소연소기 131 : 입구부
133 : 주입구 135 : 본체부
140 : 터빈 150 : 발전기
160 : 응축기 170 : 급수펌프
180 : 회수펌프

Claims (5)

  1. 연료전지 시스템에서 발생되는 배기가스를 공급받아 증기를 배출하는 열교환기;
    상기 열교환기에서 배출된 증기를 순산소연소를 통해 재가열하는 순산소연소기;
    상기 순산소연소기에서 재가열된 증기를 받아 기계에너지를 발생시키는 터빈;
    상기 터빈에서 발생된 기계에너지를 받아 전기에너지로 변환하는 발전기;
    상기 터빈을 통과한 증기를 응축시키는 응축기; 및
    상기 응축기에서 발생된 물을 상기 열교환기로 이송하는 급수펌프를 구비하는 순산소연소를 이용한 연료전지 연계형 발전플랜트.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 응축기와 상기 급수펌프의 사이에 마련되어, 상기 응축기에서 발생된 이산화탄소를 회수하는 회수펌프를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 순산소연소를 이용한 연료전지 연계형 발전플랜트.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 순산소연소기는 내부에서 화석연료, 질소가 포함되지 않은 부생가스 또 는 공정부산물에서 선택된 어느 하나와 순수 산소만을 산화제로 이용하여 순산소연소하는 것을 특징으로 하는 순산소연소를 이용한 연료전지 연계형 발전플랜트.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 순산소연소기는,
    증기, 산소 및 연료가 주입되는 다수의 노즐이 구비된 입구부; 및 상기 입구부를 통해 주입되는 증기를 제외한 나머지 증기가 측면에 형성된 주입구를 통해 주입되도록 형성된 본체부를 구비하는 것을 특징으로 하는 순산소연소를 이용한 연료전지 연계형 발전플랜트.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 열교환기에서 배출된 증기는 압력이 5~15bar 이고,
    상기 터빈은 입구온도가 400~500℃이고, 출구압력이 0.05~0.1bar인 것을 특징으로 하는 순산소연소를 이용한 연료전지 연계형 발전플랜트.
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