KR101032974B1 - Multi-steam power station using molten carbonate fuel cell - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A composite power generation system using a fuel cell is provided to improve a reforming performance of fuel gas by improving itself efficiency of a molten carbonate fuel cell system itself. CONSTITUTION: A composite power generation system using a fuel cell comprises: a fuel cell stack(100) which generates high temperature exhaust gas by causing electrochemical reaction by receiving desulfurized fuel gas; and a waste heat recycling unit(200) for recycling the heat of exhaust gas generating in a fuel cell stack to a composite power generation system. The waste heat recycling unit includes 3-way diverter damper(250) for flow guide of waste heat.

Description

연료전지를 이용한 복합 발전 시스템{MULTI-STEAM POWER STATION USING MOLTEN CARBONATE FUEL CELL}MULTI-STEAM POWER STATION USING MOLTEN CARBONATE FUEL CELL}

본 발명은 연료전지를 이용한 복합 발전 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고온형 연료전지인 용융탄산염 연료전지(MCFC: Molten Carbonate Fuel Cell)의 성능을 개선하여 복합화력발전 시스템과 연계함으로서 연료전지로부터 발생되는 폐열의 자원 재활용을 실현할 수 있도록 하는 연료전지를 이용한 복합 발전 시스템에 관한 것이다.
The present invention relates to a complex power generation system using a fuel cell, and more particularly, to improve the performance of a molten carbonate fuel cell (MCFC), which is a high-temperature fuel cell, from a fuel cell by linking with a combined cycle power generation system. The present invention relates to a complex power generation system using a fuel cell that enables the recycling of waste heat generated.

일반적으로, 연료전지는 전기화학 반응에 의해 반응물(수소와 산소)의 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 발전장치로서 환경 조화성이 우수하고 높은 발전효율이 기대되고 있다.In general, a fuel cell is a power generation device that converts chemical energy of reactants (hydrogen and oxygen) directly into electrical energy by an electrochemical reaction, and is excellent in environmental harmony and high power generation efficiency is expected.

이러한 연료전지는 저온형과 고온형으로 분류되며, 고온형의 대표적인 양태로는 용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell; MCFC)와 고체산화물 연료전지가 있다.Such fuel cells are classified into low temperature type and high temperature type, and representative examples of the high temperature type include a molten carbonate fuel cell (MCFC) and a solid oxide fuel cell.

상술한 고온형 연료전지의 특징을 간략히 살펴보면, MCFC의 경우는 천연가스, 석탄가스 등 다양한 연료의 사용이 가능하며 연소과정 없이 650℃내외의 고온에서 연료가 바로 전기로 바뀌는 전기화학 반응에 의하여 전기를 생산하는 방식이며, 고체산화물 연료전지의 경우는 천연가스, 석탄가스, 메탄올 등 다양한 연료사용과 1000℃ 이상의 고온에서 작동하므로 연료전지의 후단에서 발생하는 고온 고압의 스팀을 이용하여 복합발전이 가능하다.Looking at the characteristics of the high-temperature fuel cell described above briefly, MCFC can use a variety of fuels such as natural gas, coal gas, the electricity by the electrochemical reaction that the fuel is immediately converted to electricity at a high temperature of about 650 ℃ without the combustion process In the case of a solid oxide fuel cell, it is possible to use a variety of fuels such as natural gas, coal gas and methanol and operate at a high temperature of more than 1000 ° C, so that a complex power generation is possible using high temperature and high pressure steam generated at the rear of the fuel cell. Do.

또한, 연소과정이 없고 연료에서 전기로 직접 발전인 관계로 소음 및 대기오염 물질 배출이 적어 차세대 발전 방식으로 주목받고 있다.In addition, since there is no combustion process and direct generation from fuel to electricity, noise and air pollutant emissions are low, and thus, it is drawing attention as a next generation power generation method.

이러한 MCFC의 단위셀(unit cell)은, 전기화학 반응이 일어나는 애노드(anode) 및 캐소드(cathode), 연료가스와 산화제가스의 유로를 형성하는 분리판, 전하를 포집하는 집전판, 적층의 편의를 위해 시트의 형태로 제작되는 전해질판, 및 용융된 탄산염을 수용하는 매트릭스로 구성되며, 애노드로 연료가스를 공급하고 캐소드로는 산화제가스를 공급하면 각각의 전극에서 전기화학반응이 발생하여 직류전력이 얻어지게 된다.The MCFC unit cell includes an anode and a cathode in which electrochemical reactions occur, a separator forming a flow path between fuel gas and an oxidant gas, a current collector plate for collecting charges, and convenience of lamination. It consists of an electrolyte plate manufactured in the form of a sheet, and a matrix for receiving molten carbonate. When a fuel gas is supplied to the anode and an oxidant gas is supplied to the cathode, an electrochemical reaction occurs at each electrode, thereby providing direct current power. Will be obtained.

상기한 기술구성은 본 발명의 이해를 돕기 위한 배경기술로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 널리 알려진 종래기술을 의미하는 것은 아니다.
The above technical configuration is a background art for helping understanding of the present invention, and does not mean a conventional technology well known in the art.

기존 연료전지는 배기가스의 활용 효율이 낮아 에너지 낭비를 초래하는 문제점이 있다. 따라서, 이를 개선할 필요성이 요청된다.Existing fuel cells have a problem of causing energy waste due to low utilization efficiency of exhaust gas. Therefore, there is a need for improvement.

본 발명은 상기와 같은 문제점들을 개선하기 위하여 안출된 것으로서, 고온형 연료전지인 MCFC 시스템의 자체 효율을 상승시켜 연료가스의 개질 성능을 향상시키고, 배출되는 중온의 열기를 화력발전 시스템에 연계하여 폐열의 재활용을 실현하고자 하는 연료전지를 이용한 복합 발전 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
The present invention has been made in order to improve the above problems, improve the self-efficiency of the high-temperature fuel cell MCFC system to improve the reforming performance of fuel gas, waste heat in conjunction with the heat of the medium temperature discharged thermal power generation system The purpose is to provide a complex power generation system using a fuel cell to realize the recycling of.

본 발명에 따른 연료전지를 이용한 복합 발전 시스템은: 탈황처리된 연료가스를 공급받아 전기 화학 반응을 일으킴으로서 고온의 배기가스를 발생시키는 연료전지스택, 및 이 연료전지스택에서 발생되는 배기가스의 열기를 복합 발전 계통으로 재활용하는 폐열재활용유닛을 포함한다.The combined cycle power generation system using a fuel cell according to the present invention comprises: a fuel cell stack that generates a high temperature exhaust gas by supplying a desulfurized fuel gas and causing an electrochemical reaction, and heat of exhaust gas generated in the fuel cell stack It includes a waste heat recycling unit for recycling to a complex power generation system.

상기 연료전지스택은, 공급되는 메탄가스에 열을 가해 이산화탄소와 수소로 개질하는 연료가열부, 상기 연료가열부를 거치면서 개질된 이산화탄소와 수소를 애노드측으로 공급받아 캐소드측으로부터 공급되는 산소를 함유하는 산화 가스와 작용을 일으킴으로서 전기 화학 반응에 의한 기전력을 얻는 연료전지, 상기 연료전지에서 배출되는 가스 중 미반응수소를 산화함으로써 잔류하는 물과 이산화탄소를 상기 연료전지 내부에서 전기 화학 반응을 위해 상기 캐소드측으로 공급 유도하는 촉매산화기, 및 상기 캐소드측으로부터 배출되는 고온의 가스를 상기 연료가열부 내부에서 개질 처리 과정에서 열교환하도록 안내하는 안내관부재를 포함한다.The fuel cell stack includes a fuel heating unit for modifying carbon dioxide and hydrogen by applying heat to the supplied methane gas, and an oxide containing oxygen supplied from the cathode side by receiving the modified carbon dioxide and hydrogen through the fuel heating unit to the anode side. A fuel cell which obtains electromotive force by an electrochemical reaction by acting with a gas, and water and carbon dioxide remaining by oxidizing unreacted hydrogen in the gas discharged from the fuel cell to the cathode side for electrochemical reaction inside the fuel cell. Catalytic oxidizer to guide the supply, and guide pipe member for guiding the heat exchanged from the cathode side of the hot gas during the reforming process inside the fuel heating unit.

상기 폐열재활용유닛은 상기 연료가열부 내부에서 개질 처리 과정에서 열교환한 후 중온 상태인 가스를 공급받아 재활용함이 바람직하다.The waste heat recycling unit is preferably recycled by receiving a gas in a medium temperature state after heat exchange in the reforming process in the fuel heating unit.

상기 폐열재활용유닛은, 상기 연료전지스택을 거치면서 남은 에이치투오(H2O)와 이산화탄소(CO2)로부터 중온의 열을 이용하여 전력을 생산하는 유기랭킨사이클, 및 상기 유기랭킨사이클에 의해 발생된 전력을 공급받아 재활용하는 발전계통부를 포함한다.The waste heat recycling unit is generated by the organic Rankine cycle, which generates electric power using medium temperature heat from H 2 O and carbon dioxide (CO 2 ) remaining through the fuel cell stack, and the organic Rankine cycle. It includes a power generation system for receiving and recycling the supplied power.

상기 폐열재활용유닛은, 상기 연료전지스택을 거치면서 남은 에이치투오(H2O)와 이산화탄소(CO2)로부터 중온의 열을 회수하는 열회수유닛, 및 상기 열회수유닛에 의해 회수된 열을 공급받아 재활용하는 복합화력보조증기계통부를 포함한다.The waste heat recycling unit is supplied with a heat recovery unit for recovering heat of medium temperature from H 2 O and carbon dioxide (CO 2 ) remaining through the fuel cell stack, and the heat recovered by the heat recovery unit is recycled. It includes a combined thermal power auxiliary machinery.

상기 폐열재활용유닛은 폐열의 흐름 안내를 위한 3방전환댐퍼를 포함하는 것을 특징으로 한다.
The waste heat recycling unit is characterized in that it comprises a three-way switching damper for guiding the flow of waste heat.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지를 이용한 복합 발전 시스템은 종래 기술과 달리 고온형 연료전지인 MCFC 시스템의 자체 효율을 상승시켜 연료가스의 개질 성능을 향상시키고, 배출되는 중온의 열기를 화력발전 시스템에 연계하여 폐열의 재활용을 실현할 수 있다.
As described above, the complex power generation system using the fuel cell according to the present invention, unlike the prior art, increases the self-efficiency of the MCFC system, which is a high-temperature fuel cell, improves the reforming performance of the fuel gas, and removes the hot air discharged. The waste heat can be recycled in conjunction with the thermal power plant.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지를 이용한 복합 발전 시스템의 블럭도이다.1 is a block diagram of a combined cycle power generation system using a fuel cell according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 연료전지를 이용한 복합 발전 시스템의 실시예를 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described an embodiment of a combined cycle power system using a fuel cell according to the present invention. In this process, the thickness of the lines or the size of the components shown in the drawings may be exaggerated for clarity and convenience of description. In addition, the terms described below are defined in consideration of the functions of the present invention, which may vary depending on the intention or custom of the user, the operator. Therefore, definitions of these terms should be made based on the contents throughout this specification.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지를 이용한 복합 발전 시스템의 블럭도이다.1 is a block diagram of a combined cycle power generation system using a fuel cell according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지를 이용한 복합 발전 시스템은 연료전지스택(100) 및 폐열재활용유닛(200)을 포함한다.Referring to FIG. 1, a complex power generation system using a fuel cell according to an embodiment of the present invention includes a fuel cell stack 100 and a waste heat recycling unit 200.

연료전지스택(100)은 외부로부터 연료가스를 공급받아 이 연료가스에 전기 화학 반응을 일으킴으로서 고온의 배기가스를 발생시키는 역할을 한다.The fuel cell stack 100 receives fuel gas from the outside and generates an exhaust gas of high temperature by causing an electrochemical reaction to the fuel gas.

특히, 연료가스는 메탄(CH4)으로 함이 바람직하다.In particular, the fuel gas is preferably methane (CH 4 ).

아울러, 도시하지는 않았지만, 연료전지스택(100)으로 공급되는 메탄가스는 최종 배기시 탈황처리되고, 공기(H2O)와 이산화탄소(CO2)로 개질될 수 있도록 일련의 전처리 과정을 거치게 된다.In addition, although not shown, the methane gas supplied to the fuel cell stack 100 is subjected to a series of pretreatment processes to be desulfurized at the final exhaust and reformed into air (H 2 O) and carbon dioxide (CO 2 ).

즉, 최초 천연가스인 연료가스는 탈황처리기에 의해 탈황 처리된 후 공급되는 물(순수)과 혼합되어 습분연료로 상변화하게 된다.That is, the fuel gas, which is the first natural gas, is mixed with water (pure water) supplied after being desulfurized by a desulfurization treatment machine to change into a moist fuel.

이 후, 습분연료는 개질되며 메탄을 제외한 고 탄화수소(Hydrocarbon)가 제거된다.After this, the moist fuel is reformed and high hydrocarbons (except methane) are removed.

따라서, 천연가스로부터 메탄가스로 개질된 연료가스는 연료전지스택(100)으로 공급된다.Therefore, the fuel gas reformed from natural gas into methane gas is supplied to the fuel cell stack 100.

이에 따라, 천연가스인 연료가스가 연료전지스택(100)으로 공급되기 전에 탈황 처리됨에 따라 연료전지스택(100)을 거친 후 배기시 공기오염을 방지하게 되고, 물과 혼합되어 메탄가스로 충분히 개질됨에 따라 연료전지스택(100)의 성능을 향상시킬 수 있게 된다.Accordingly, as the fuel gas, which is natural gas, is desulfurized before being supplied to the fuel cell stack 100, the fuel gas stack 100 passes through the fuel cell stack 100 to prevent air pollution during exhaust, and is mixed with water to be sufficiently reformed into methane gas. As a result, the performance of the fuel cell stack 100 may be improved.

한편, 폐열재활용유닛(200)은 연료전지스택(100)에서 배기되는 배기가스의 열기를 복합 발전 계통으로 재활용하는 역할을 한다.On the other hand, the waste heat recycling unit 200 serves to recycle the heat of the exhaust gas exhausted from the fuel cell stack 100 in a complex power generation system.

이때, 연료가스는 연료전지스택(100)으로 공급되기 전인 전(前)처리단계에서 탈황 처리되기 때문에 연료전지스택(100)으로부터 배기되는 배기가스의 재활용이 가능하게 된다.At this time, since the fuel gas is desulfurized in a pretreatment step before being supplied to the fuel cell stack 100, it is possible to recycle the exhaust gas exhausted from the fuel cell stack 100.

특히, 연료전지스택(100)은 연료가열부(110), 연료전지(120), 촉매산화기(130) 및 안내관부재(140)를 포함한다.In particular, the fuel cell stack 100 includes a fuel heating unit 110, a fuel cell 120, a catalytic oxidizer 130, and a guide tube member 140.

연료가열부(FSH:Fuel Super Heater,110)는, 상술한 바와 같이, 외부의 전(前)처리단계에서 습분연료를 개질한 상태인 고 탄화수소(Hydrocarbon)를 제외한 메탄가스를 공급받아 열을 가함으로서 이산화탄소와 수소로 개질하는 역할을 한다.The fuel heating unit (FSH: Fuel Super Heater, 110), as described above, receives heat from the methane gas other than the high hydrocarbon (Hydrocarbon) in the state of reforming the moist fuel in the external pre-treatment step to apply heat As a function of reforming carbon dioxide and hydrogen.

즉, 외부의 전(前)처리단계에서 P1의 경로를 통해 연료가열부(110)로 공급된 연료는 가열되며 이산화탄소와 수소(CO2+4H2)로 개질된 후 P2의 경로를 통해 애노드(Anode,122)에 공급된다.That is, in the external pretreatment step, the fuel supplied to the fuel heating unit 110 through the path of P1 is heated and reformed into carbon dioxide and hydrogen (CO 2 + 4H 2 ), and then the anode ( Anode 122 is supplied.

그리고, 연료전지(120)는 연료가열부(110)를 거치면서 개질된 이산화탄소와 수소를 애노드(122)측으로 공급받아 캐소드(Cathode,124)측으로부터 공급되는 산소를 함유하는 산화 가스와 작용을 일으킴으로서 전기 화학 반응에 의한 기전력을 얻는 역할을 한다.In addition, the fuel cell 120 receives the modified carbon dioxide and hydrogen while passing through the fuel heating unit 110 to the anode 122, and causes an operation with the oxidizing gas containing oxygen supplied from the cathode (124) side. As a function of obtaining the electromotive force by the electrochemical reaction.

다시 말해서, 연료전지(120)의 애노드(122)측은 적어도 수소를 함유하는 연료 가스를 공급받고, 연료전지(120)의 캐소드(124)측은 적어도 산소를 함유하는 산화 가스의 공급을 받는다.In other words, the anode 122 side of the fuel cell 120 is supplied with a fuel gas containing at least hydrogen, and the cathode 124 side of the fuel cell 120 is supplied with an oxidizing gas containing at least oxygen.

아울러, 이 수소를 함유하는 연료 가스와 산소를 함유하는 산화 가스는 상호 전기 화학 반응에 의해서 기전력을 얻게 된다.In addition, the hydrogen-containing fuel gas and the oxygen-containing oxidizing gas obtain electromotive force by mutual electrochemical reaction.

더욱 상세히, 도시하지는 않았지만, 연료전지(120)가 전류를 공급받게 되면, 애노드(122)측과 캐소드(124)측 사이에서는 온도상승에 따라 탄산염이 녹으면서 발생한 CO3 -2 탄산이온은 애노드(122)측으로 이동하게 된다.In more detail, although not shown, when the fuel cell 120 is supplied with current, the CO 3 -2 carbonate generated by melting the carbonate according to the temperature rise between the anode 122 side and the cathode 124 side is an anode ( 122).

그리고, 애노드(122)측으로 이동한 CO3 -2 수소와 반응하여 물(H2O)과 이산화탄소(CO2) 및 전자(2e-)를 생성하게 된다.Then, it reacts with CO 3 -2 hydrogen moved to the anode 122 to generate water (H 2 O), carbon dioxide (CO 2 ), and electrons (2e − ).

이 후, 전자(2e-)는 외부회로를 통해 전기를 생산하고 캐소드(124)측으로 이동하게 된다.Thereafter, the electrons 2e - produce electricity through an external circuit and move to the cathode 124 side.

이때, 캐소드(124)측으로 이동한 전자(2e-), 산소(1/2O2), 이산화탄소(CO2)가 반응하여 탄산이온(CO3 -2)을 형성하여 전해질로 공급하게 된다.At this time, the electron (2e -) moved to the cathode side 124 to the oxygen (1 / 2O 2), carbon dioxide (CO 2) the reaction is supplied to the electrolyte to form a carbonate ion (CO 3 -2).

즉, 애노드(122)측에서는 연료 가스가 물(H2O-증기상태)과 이산화탄소(CO2)로 개질된 후 P3의 경로를 통해 이동하게 된다.That is, on the anode 122 side, the fuel gas is reformed into water (H 2 O-vapor state) and carbon dioxide (CO 2 ), and then moves through the path of P3.

이때, 애노드(122)측에서 배출되는 연료 가스는 연료전지(120) 내부에서 미반응된 수소를 포함하게 된다.At this time, the fuel gas discharged from the anode 122 includes unreacted hydrogen in the fuel cell 120.

특히, 연료전지(120)는 메인 발전기(도시하지 않음)의 충분한 워밍업을 위해 배기되는 가스(증기)의 온도를 설정치까지 올리기 위해 다수 개(n) 필요하게 된다. In particular, the fuel cell 120 needs a plurality n to raise the temperature of the exhaust gas (steam) to a set value for sufficient warm-up of the main generator (not shown).

그래서, n개 각각의 애노드(122)측에서 물(H2O-증기상태)과 이산화탄소(CO2)로 개질된 연료 가스는 혼합부(150)에 일시적으로 모여 서로 혼합됨이 바람직하다. Therefore, the fuel gas modified with water (H 2 O-vapor state) and carbon dioxide (CO 2 ) at each of the n anodes 122 is temporarily collected in the mixing unit 150 and mixed with each other.

즉, 각각의 애노드(122)측에서 물(H2O-증기상태)과 이산화탄소(CO2)로 개질된 연료 가스 및 미반응수소가스는 대응되는 P3의 경로를 통해 혼합부(150)로 공급된다. That is, the fuel gas and the unreacted hydrogen gas reformed with water (H 2 O-vapor state) and carbon dioxide (CO 2 ) at each anode 122 are supplied to the mixing unit 150 through the corresponding P3 path. do.

그리고, 각각의 애노드(122)측에서 배기되는 미반응수소가스는 연소시킴으로써 완전 연소를 유도함이 바람직하다. In addition, it is preferable to induce complete combustion by burning unreacted hydrogen gas exhausted from each anode 122 side.

따라서, 촉매산화기(Catalytic Oxidizer,130)는 연료전지(120)에서 배출되는 가스 중 미반응수소를 산화함으로써 완전 산화하여 물과 이산화탄소 상태로 변환하고, 이를 연료전지(120) 내부에서 전기 화학 반응을 위해 캐소드(124)측으로 공급 유도하는 역할을 한다.Therefore, the catalytic oxidizer (130) is completely oxidized by oxidizing unreacted hydrogen in the gas discharged from the fuel cell 120, and converted to water and carbon dioxide state, and electrochemical reaction inside the fuel cell 120 It serves to guide the supply to the cathode 124 side for.

다시 말해서, 각각의 애노드(122)측에서 P3의 경로를 통해 배출되는 물(H2O-증기상태)과 이산화탄소(CO2)로 개질된 연료 가스 및 미반응수소가스는 혼합부(150)에서 혼합된 상태로, 미반응수소가스는 P4의 경로를 통해 촉매산화기(130)로 유입되어 연소된다.In other words, the fuel gas and the unreacted hydrogen gas reformed into water (H 2 O-vapor state) and carbon dioxide (CO 2 ) discharged through the path of P3 at each anode 122 side are mixed in the mixing unit 150. In a mixed state, unreacted hydrogen gas is introduced into the catalytic oxidizer 130 through the path of P4 and combusted.

그래서, 촉매산화기(130)에서 배출되는 연료 가스는 에이치투오(H2O-기체상태)와 이산화탄소(CO2)로 이루어지게 된다.Thus, the fuel gas discharged from the catalytic oxidizer 130 will be written into H2O (H 2 O- gaseous) and carbon dioxide (CO 2).

한편, 촉매산화기(130)에서 미반응수소가스가 충분히 연소되기 위해서는 촉매산화기(130) 내부에 산소를 더 공급하고, 열을 가함이 바람직하다.Meanwhile, in order to sufficiently burn the unreacted hydrogen gas in the catalytic oxidizer 130, it is preferable to further supply oxygen to the inside of the catalytic oxidizer 130 and apply heat.

일례로써, 혼합부(150)는 미반응수소의 산화 촉매를 위해 가열된 공기를 공급받음이 바람직하다.As an example, the mixing unit 150 is preferably supplied with heated air for the oxidation catalyst of the unreacted hydrogen.

따라서, 혼합부(150)에 일시 저장되는 미반응수소는 가열된 후 P4의 경로를 통과하면서 개질되며 산소와 화학 반응을 일으키게 된다.Therefore, unreacted hydrogen temporarily stored in the mixing unit 150 is heated and reformed while passing through the path of P4 to cause a chemical reaction with oxygen.

또한, 촉매산화기(130)에서 개질되어 에이치투오(H2O-기체상태)와 이산화탄소(CO2)로 이루어진 연료 가스는 P5의 경로를 통해 각각의 캐소드(124) 내부로 공급된다.In addition, the reforming catalyst in the oxidizer 130 H2O gas fuel consisting of (H 2 O- gaseous) and carbon dioxide (CO 2) is supplied into each of the cathode 124 via the path P5.

이 캐소드(124) 내부로 공급된 연료 가스는 캐소드(124)에서 배기되는 580℃ 내외의 고온의 배기가스를 이용하여 공급받아 일부 개질된 연료, 수소 및 물을 가열하여 애노드(122)에 공급하도록 화학 반응을 일으키게 된다. The fuel gas supplied into the cathode 124 is supplied using the exhaust gas having a high temperature of about 580 ° C. exhausted from the cathode 124 to heat the partially reformed fuel, hydrogen, and water to supply the anode 122. It causes a chemical reaction.

또한, 연료전지(120) 특히 각 캐소드(124)에서는 화학 반응을 일으키고 남은 에이치투오(H2O-기체상태)와 이산화탄소(CO2)가 고온으로 배기된다.In addition, in the fuel cell 120, particularly in each cathode 124, the H 2 O-gas state and carbon dioxide (CO 2 ) remaining after the chemical reaction are exhausted to a high temperature.

이 배기되는 남은 에이치투오(H2O-증기상태)와 이산화탄소(CO2)는 안내관부재(140)에 유동하며 전(前)처리단계에서 유동하는 가스와 열교환된 후 중저온의 습증기 상태로 변환 유도된다.The wet steam in the rest state of the exhaust H2O is (H 2 O- vapor) and carbon dioxide (CO 2), after the flow in the guide pipe member 140 and exchanges heat with the gas flowing around the (前) processing step on low to medium Transformation is induced.

다시 말해서, 안내관부재(140)는 캐소드(124)에서 배기되는 1050~1100℃ 정도의 고온의 배기가스를 연료가열부(110)로 이송 안내하는 역할을 한다.In other words, the guide tube member 140 serves to transfer the high temperature exhaust gas of about 1050 to 1100 ° C. exhausted from the cathode 124 to the fuel heating unit 110.

그래서, 이 고온의 배기가스는 연료가열부(110)를 통과하는 메탄가스와 열교환하며 이 메탄가스의 개질을 돕는 역할을 한다. 이 후, 고온의 배기가스는 중온으로 감온된다.Thus, the high temperature exhaust gas exchanges heat with the methane gas passing through the fuel heating unit 110 and serves to help reform the methane gas. Thereafter, the high temperature exhaust gas is reduced to medium temperature.

이때, 고온의 가스는 연료전지(120) 내부에서 화학반응을 일으키면서 남은 에이치투오(H2O-기체상태)와 이산화탄소(CO2)로 이루어진 배기가스이다. At this time, the high temperature gas is an exhaust gas composed of H 2 O (gas state) and carbon dioxide (CO 2 ) remaining while causing a chemical reaction in the fuel cell 120.

그래서, 연료전지(120)는 배기가스를 이용하여 메탄가스의 개질을 돕기 때문에 성능 향상을 실현할 수 있다. Therefore, since the fuel cell 120 assists in reforming methane gas using exhaust gas, performance improvement can be realized.

여기서, 안내관부재(140)는 재질과 형상 및 개수에 한정하지 않는다.Here, the guide tube member 140 is not limited to the material, shape and number.

한편, 폐열재활용유닛(200)은 연료가열부(110) 내부에서 개질 처리 과정에서 열교환한 후 중온 상태인 가스를 공급받아 재활용하는 역할을 한다.On the other hand, the waste heat recycling unit 200 serves to recycle and receive the gas in the medium temperature state after heat exchange in the reforming process in the fuel heating unit 110.

이에 따라, 폐열재활용유닛(200)은 폐열의 흐름 안내를 위한 3방전환댐퍼(250)를 포함한다.Accordingly, the waste heat recycling unit 200 includes a three-way switching damper 250 for guiding the flow of waste heat.

일례로, 폐열재활용유닛(200)은 유기랭킨사이클(210)과 발전계통부(220)를 포함한다.For example, the waste heat recycling unit 200 includes an organic Rankine cycle 210 and the power generation system 220.

유기랭킨사이클(ORC:Organic Rankine Cycle,210)은 연료전지스택(100) 특히, 연료가열부(110)를 거치며 메탄의 개질을 도운 후 감온되는 물(공기)과 이산화탄소로부터 중온의 열을 이용하여 전력을 생산하는 역할을 한다.ORC (Organic Rankine Cycle, 210) is a fuel cell stack 100, in particular through the fuel heating unit 110 to help the reforming of methane by using a medium temperature heat from the water (air) and carbon dioxide that is reduced in temperature It is responsible for producing electricity.

다시 말해서, 유기랭킨사이클(210)에는 캐소드(124)에 공급되고 남는 에이치투오(H2O-기체상태)와 이산화탄소(CO2)인 배기가스 일부가 경로 P7을 통해 입력받게 된다.In other words, the organic Rankine cycle 210 receives a portion of the exhaust gas, which is supplied to the cathode 124 and remains H 2 O-gas and carbon dioxide (CO 2 ), through the path P7.

따라서, 경로 P7은 연료전지스택(100)에서 발생되는 최소한의 폐열이며, 유기랭킨사이클(210)에는 이 폐열을 이용하여 소정의 전력을 생산하게 된다.Therefore, the path P7 is the minimum waste heat generated in the fuel cell stack 100, and the organic Rankine cycle 210 uses the waste heat to produce a predetermined power.

아울러, 발전계통부(220)는 유기랭킨사이클(210)에 의해 발생된 전력을 공급받아 발전소(기)의 발전에 재활용함을 의미한다.In addition, the power generation system 220 is supplied to the power generated by the organic Rankine cycle 210 means that it is recycled to the power generation (ki).

이 발전계통부(220)는 증기터빈 등 다양하게 적용 가능하다.The power generation system 220 can be applied to a variety of steam turbines.

특히, 발전계통부(220)에 사용된 후의 저온상태인 배기가스는 대기 중으로 방출되거나 재활용된다.In particular, the low temperature exhaust gas after being used in the power generation system unit 220 is discharged or recycled to the atmosphere.

한편, 예로서, 폐열재활용유닛(200)은 열회수유닛(230)과 복합화력보조증기계통부(240)를 포함한다.On the other hand, by way of example, waste heat recycling unit 200 includes a heat recovery unit 230 and the combined thermal power auxiliary machinery 240.

열회수유닛(HRU: Heater Recovery Unit,230)은 연료전지스택(100) 특히, 연료가열부(110)를 거치며 메탄의 개질을 도운 후 감온되는 남은 에이치투오(H2O-기체상태)와 이산화탄소(CO2)로부터 중온의 열을 회수하는 역할을 한다.Heat recovery unit (HRU) 230 is a fuel cell stack 100, in particular, the fuel heating unit 110, the remaining H2O (H 2 O-gas state) and carbon dioxide ( CO 2 ) to recover the heat of medium temperature.

다시 말해서, 열회수유닛(230)은 연료가열부(110)에서 배출되는 에이치투오(H2O-기체상태)와 이산화탄소(CO2)인 배기가스 일부를 P8의 경로를 통해 유입받아 증기가 나오도록 유입되어진 물을 가열하는 역할을 한다.In other words, the heat recovery unit 230 receives a portion of the exhaust gas, which is H 2 O-gas and carbon dioxide (CO 2 ) discharged from the fuel heating unit 110, through the path of P8 to allow steam to come out. It plays a role in heating the introduced water.

그리고, 복합화력보조증기계통부(240)는 열회수유닛(230)에 의해 회수된 열을 공급받아 화력발전에 재활용함을 의미한다.In addition, the combined thermal auxiliary auxiliary machinery unit 240 means that the heat recovered by the heat recovery unit 230 is recycled to thermal power generation.

여기서, 복합화력보조증기계통부(240)는 보조증기보일러 등 다양하게 적용 가능하다.Here, the combined thermal auxiliary auxiliary machinery 240 may be applied in various ways, such as auxiliary steam boiler.

따라서, 열회수유닛(230)은 연료가열부(110)로부터 배기되는 배기가스를 이용하여 물을 가열하고, 발생되는 증기를 복합화력보조증기계통부(240)에 공급한다.Therefore, the heat recovery unit 230 heats the water using the exhaust gas exhausted from the fuel heating unit 110, and supplies the generated steam to the combined cycle power auxiliary cylinder unit 240.

특히, 복합화력보조증기계통부(240)란 냉난방에 따른 소용량의 저온증기가 필요한 경우의 증기계통을 칭하는 것이다.In particular, the combined thermal auxiliary steam machine 240 refers to a steam system when a small amount of low-temperature steam is required for cooling and heating.

한편, 도시한 바와 같이, 폐열재활용유닛(200)은 발전계통부(220)에 연결되는 유기랭킨사이클(210)과 복합화력보조증기계통부(240)에 연결되는 열회수유닛(230)을 함께 구비함이 바람직하다.On the other hand, as shown, the waste heat recycling unit 200 is provided with a heat recovery unit 230 is connected to the organic Rankine cycle 210 and the combined thermal power auxiliary machinery unit 240 connected to the power generation system 220. It is preferable to.

이는, 연료가열부(110)로부터 배기되는 중온의 배기가스(H2O+CO2)의 활용분야를 다양하게 하기 위함이다.This is to diversify the field of utilization of the medium temperature exhaust gas (H 2 O + CO 2 ) exhausted from the fuel heating unit (110).

물론, 폐열재활용유닛(200)은 중온의 배기가스(H2O+CO2)를 긴급 배기할 수도 있다.Of course, the waste heat recycling unit 200 may also exhaust the exhaust gas (H 2 O + CO 2 ) of the medium temperature.

이때, P8의 경로와 P9의 경로 및 P10의 경로는 3방전환댐퍼(3way diverter damper,250)를 구비한다.At this time, the path of P8, the path of P9 and the path of P10 is provided with a three-way diverter damper (250).

이에 따라, P7의 경로를 통해 이동하는 중온의 배기가스(H2O+CO2)는 수동제어 또는 자동제어로써 3방전환댐퍼(250)에 의해 P8의 경로를 거치면서 유기랭킨사이클(210)을 통해 소정의 전력을 생산하는데 재활용되고, 이 전력은 발전계통부(220)를 통해 발전소(기)의 발전에 재활용된다.Accordingly, the middle temperature exhaust gas (H 2 O + CO 2 ) moving through the path of P7 is an organic Rankine cycle 210 while passing through the path of P8 by the three-way switching damper 250 by manual control or automatic control. Recycled to produce a predetermined power through, the power is recycled to the generation of power plants (power) through the power generation system 220.

또한, P7의 경로를 통해 이동하는 중온의 배기가스(H2O+CO2)는 수동제어 또는 자동제어로써 3방전환댐퍼(250)에 의해 P9의 경로를 거치면서 배기부(260)를 통해 바로 배기된다.In addition, the medium temperature exhaust gas (H 2 O + CO 2 ) moving through the path of P7 through the exhaust unit 260 while passing through the path of P9 by the three-way damper 250 by manual control or automatic control. Exhaust immediately.

여기서, 배기부(260)는 연통 등으로 한다.Here, the exhaust unit 260 is in communication.

아울러, P7의 경로를 통해 이동하는 중온의 배기가스(H2O+CO2)는 수동제어 또는 자동제어로써 3방전환댐퍼(250)에 의해 P10의 경로를 거치면서 열회수유닛(230)을 통해 중온의 열을 회수되며, 이 열로써 발생되는 증기를 복합화력보조증기계통부(240)에 공급되어 재활용된다.In addition, the medium temperature exhaust gas (H 2 O + CO 2 ) moving through the path of P7 through the heat recovery unit 230 while passing through the path of P10 by the three-way switching damper 250 by manual control or automatic control. The heat of the middle temperature is recovered, and the steam generated as the heat is supplied to the combined cycle power auxiliary machinery section 240 and recycled.

따라서, 연료전지스택(100)의 동작을 위해 발생되는 열로 인해 외부로 유출되는 배기가스는 일련의 순환 과정을 통해 연료의 낭비와 폐열의 낭비를 억제할 수 있어 최대한의 열효율과 전력생산의 증대가 실현 가능하게 된다.Therefore, the exhaust gas flowing out to the outside due to the heat generated for the operation of the fuel cell stack 100 can suppress the waste of fuel and waste heat through a series of circulation processes, thereby increasing the maximum thermal efficiency and power production. It becomes possible.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.Although the present invention has been described with reference to the embodiments shown in the drawings, this is merely exemplary, and those skilled in the art to which the art belongs can make various modifications and other equivalent embodiments therefrom. I will understand. Therefore, the true technical protection scope of the present invention will be defined by the claims below.

100: 연료전지스택 110: 연료가열부
120: 연료전지 122: 애노드
124: 캐소드 130: 촉매산화기
140: 안내관부재 150: 혼합부
200: 폐열재활용유닛 210: 유기랭킨사이클
220: 발전계통부 230: 열회수유닛
240: 복합화력보조증기계통부100: fuel cell stack 110: fuel heating unit
120: fuel cell 122: anode
124: cathode 130: catalytic oxidizer
140: guide tube member 150: mixing section
200: waste heat recycling unit 210: organic Rankine cycle
220: power generation unit 230: heat recovery unit
240: combined thermal auxiliary machinery

Claims (6)

탈황 처리된 연료가스를 공급받아 전기 화학 반응을 일으킴으로서 고온의 배기가스를 발생시키는 연료전지스택; 및
상기 연료전지스택에서 발생하는 배기가스의 열기를 복합 발전 계통으로 재활용하는 폐열재활용유닛을 포함하고,
상기 폐열재활용유닛은 폐열의 흐름 안내를 위한 3방전환댐퍼를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지를 이용한 복합 발전 시스템.
A fuel cell stack configured to receive a desulfurized fuel gas to generate an electrochemical reaction to generate a high temperature exhaust gas; And
A waste heat recycling unit for recycling the heat of the exhaust gas generated in the fuel cell stack in a complex power generation system,
The waste heat recycling unit comprises a three-way conversion damper for guiding the flow of waste heat.
제 1항에 있어서, 상기 연료전지스택은,
공급되는 메탄가스에 열을 가해 이산화탄소와 수소로 개질하는 연료가열부;
상기 연료가열부를 거치면서 개질된 이산화탄소와 수소를 애노드측으로 공급받아 캐소드측으로부터 공급되는 산소를 함유하는 산화 가스와 작용을 일으킴으로서 전기 화학 반응에 의한 기전력을 얻는 연료전지;
상기 연료전지에서 배출되는 가스 중 미반응수소를 산화함으로써 잔류하는 물과 이산화탄소를 상기 연료전지 내부에서 전기 화학 반응을 위해 상기 캐소드측으로 공급 유도하는 촉매산화기; 및
상기 캐소드측으로부터 배출되는 고온의 가스를 상기 연료가열부 내부에서 개질 처리 과정에서 열교환하도록 안내하는 안내관부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지를 이용한 복합 발전 시스템.
The method of claim 1, wherein the fuel cell stack,
A fuel heater for applying heat to the supplied methane gas to reform carbon dioxide and hydrogen;
A fuel cell which receives the modified carbon dioxide and hydrogen while passing through the fuel heating unit and acts with an oxidizing gas containing oxygen supplied from the cathode side to obtain an electromotive force by an electrochemical reaction;
A catalytic oxidizer for supplying residual water and carbon dioxide to the cathode for electrochemical reaction in the fuel cell by oxidizing unreacted hydrogen in the gas discharged from the fuel cell; And
And a guide tube member for guiding the high temperature gas discharged from the cathode side to exchange heat in the reforming process in the fuel heating unit.
제 2항에 있어서,
상기 폐열재활용유닛은 상기 연료가열부 내부에서 개질 처리 과정에서 열교환한 후 중온 상태인 가스를 공급받아 재활용하는 것을 특징으로 하는 연료전지를 이용한 복합 발전 시스템.
The method of claim 2,
The waste heat recycling unit is a complex power generation system using a fuel cell, characterized in that the heat exchange in the reforming process in the fuel heating unit after receiving the gas in the medium temperature state of recycling.
제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 폐열재활용유닛은,
상기 연료전지스택을 거치면서 남은 에이치투오(H2O)와 이산화탄소(CO2)로부터 중온의 열을 이용하여 전력을 생산하는 유기랭킨사이클; 및
상기 유기랭킨사이클에 의해 발생된 전력을 공급받아 재활용하는 발전계통부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지를 이용한 복합 발전 시스템.
The waste heat recycling unit according to any one of claims 1 to 3, wherein
An organic Rankine cycle which generates electric power using heat of medium temperature from H 2 O and carbon dioxide (CO 2 ) remaining through the fuel cell stack; And
And a power generation system for receiving and recycling power generated by the organic Rankine cycle.
제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 폐열재활용유닛은,
상기 연료전지스택을 거치면서 남은 에이치투오(H2O)와 이산화탄소(CO2)로부터 중온의 열을 회수하는 열회수유닛; 및
상기 열회수유닛에 의해 회수된 열을 공급받아 재활용하는 복합화력보조증기계통부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지를 이용한 복합 발전 시스템.
The waste heat recycling unit according to any one of claims 1 to 3, wherein
A heat recovery unit for recovering heat of medium temperature from H 2 O and carbon dioxide (CO 2 ) remaining through the fuel cell stack; And
And a combined cycle power auxiliary machinery section for receiving and recycling the heat recovered by the heat recovery unit.
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