KR101133543B1 - Fuel cell combined power system comprising carbon steam reformer - Google Patents

Fuel cell combined power system comprising carbon steam reformer Download PDF

Info

Publication number
KR101133543B1
KR101133543B1 KR1020090094710A KR20090094710A KR101133543B1 KR 101133543 B1 KR101133543 B1 KR 101133543B1 KR 1020090094710 A KR1020090094710 A KR 1020090094710A KR 20090094710 A KR20090094710 A KR 20090094710A KR 101133543 B1 KR101133543 B1 KR 101133543B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
carbon
fuel cell
steam reformer
hydrogen
carbon monoxide
Prior art date
Application number
KR1020090094710A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20110037316A (en
Inventor
이충곤
허호
Original Assignee
한밭대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한밭대학교 산학협력단 filed Critical 한밭대학교 산학협력단
Priority to KR1020090094710A priority Critical patent/KR101133543B1/en
Publication of KR20110037316A publication Critical patent/KR20110037316A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR101133543B1 publication Critical patent/KR101133543B1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0612Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
    • H01M8/0618Reforming processes, e.g. autothermal, partial oxidation or steam reforming
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04014Heat exchange using gaseous fluids; Heat exchange by combustion of reactants
    • H01M8/04022Heating by combustion
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04097Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with recycling of the reactants
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0662Treatment of gaseous reactants or gaseous residues, e.g. cleaning
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/14Fuel cells with fused electrolytes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M2008/1293Fuel cells with solid oxide electrolytes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/14Fuel cells with fused electrolytes
    • H01M2008/147Fuel cells with molten carbonates
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/40Combination of fuel cells with other energy production systems
    • H01M2250/405Cogeneration of heat or hot water
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

본 발명은 유기물을 탄화시켜 얻은 탄소를 수증기 및 공기로 개질함으로써 수소와 일산화탄소 혼합가스를 생성하는 탄소 수증기 개질장치와, 소량의 수소와 일산화탄소를 포함하는 가스를 연료로 사용하여도 높은 발전 효율을 나타내는 연료전지를 포함하여 구성된, 연료전지 열병합 발전 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 유기성 폐기물, 목질계 원료, 석유 정제 피치 등에 포함된 유기물을 탄화시켜 얻은 탄소를 수증기와 공기로 개질함으로써 생성된 수소와 일산화탄소 혼합가스를 증기 또는 가스터빈 발전이 아닌 연료전지에 이용할 수 있는, 고효율이면서도 친환경적인 연료전지 열병합 발전 시스템을 제공할 수 있다.The present invention exhibits high power generation efficiency even when a carbon vapor reforming apparatus for producing a mixed gas of hydrogen and carbon monoxide by reforming carbon obtained by carbonizing organic matters with steam and air, and a gas containing a small amount of hydrogen and carbon monoxide as fuel. A fuel cell cogeneration system, including a fuel cell, is provided. According to the present invention, a mixture of hydrogen and carbon monoxide generated by reforming carbon obtained by carbonizing organic matter contained in organic waste, wood-based raw materials, petroleum refining pitch etc. with water vapor and air can be used in a fuel cell instead of steam or gas turbine power generation. In addition, the fuel cell cogeneration system can be provided with high efficiency and eco-friendliness.

연료전지 열병합 발전 시스템, 연료전지, 탄소 수증기 개질장치, 탄화과정, 열병합 Fuel Cell Cogeneration System, Fuel Cell, Carbon Steam Reformer, Carbonization Process, Cogeneration

Description

탄소 수증기 개질장치를 포함한 연료전지 열병합 발전 시스템{FUEL CELL COMBINED POWER SYSTEM COMPRISING CARBON STEAM REFORMER}Fuel cell cogeneration system with carbon steam reformer {FUEL CELL COMBINED POWER SYSTEM COMPRISING CARBON STEAM REFORMER}

본 발명은 탄소 수증기 개질장치를 포함한 연료전지 열병합 발전 시스템에 관한 것이며, 보다 상세하게는 유기성 폐기물, 목질계 원료, 석유 정제 피치 등에 포함된 유기물을 탄화시켜 얻은 탄소를 수증기와 공기로 개질함으로써 생성된 수소 및 일산화탄소 혼합가스를 용융탄산염형 연료전지(MCFC) 또는 고체산화물 연료전지(SOFC) 등의 연료전지에 공급하여 연료로 사용할 수 있는 연료전지 열병합 발전 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell cogeneration system including a carbon steam reformer, and more particularly, by reforming carbon obtained by carbonizing organic matter contained in organic waste, wood based raw materials, petroleum refining pitch, etc. with steam and air. The present invention relates to a fuel cell cogeneration system capable of supplying hydrogen and carbon monoxide mixed gas to a fuel cell such as a molten carbonate fuel cell (MCFC) or a solid oxide fuel cell (SOFC) to be used as a fuel.

최근 고효율이고 환경 친화적인 연료전지가 새로운 전기에너지원으로 각광받고 있다. 연료전지는 연료의 공급에 의해 지속적으로 발전하는 특성을 가지는 것으로서, 연료로서는 주로 수소를 사용하고, 공기 중의 산소를 이용하여 수소의 산화 및 산소의 환원과정을 통해 물을 발생시키며 발전하는 시스템이다.Recently, high efficiency and environmentally friendly fuel cells have been spotlighted as new electric energy sources. A fuel cell has a characteristic of continuously generating power by supplying fuel. The fuel cell mainly uses hydrogen as a fuel and generates water by generating water through oxidation of hydrogen and reduction of oxygen using oxygen in the air.

특히, 용융탄산염형 연료전지(MCFC)와 같은 연료전지는 탄산염으로 된 전해 질이 고온에서 용융상태로 되어 전극반응을 일으키기 때문에 600℃ 이상의 고온에서 발전하는 시스템으로서, 수소의 산화 및 산소의 환원에 고가의 귀금속 촉매가 필요하지 않다. 따라서 일산화탄소와 같은 피독성 가스 이용이 용이하여, 수소와 일산화탄소의 혼합가스를 연료로 이용할 수도 있고 고온의 폐열도 이용할 수 있어 효율이 높다.In particular, a fuel cell such as a molten carbonate fuel cell (MCFC) is a system that generates electricity at a temperature of 600 ° C. or higher because the electrolyte made of carbonate becomes molten at a high temperature to cause an electrode reaction. No expensive precious metal catalysts are needed. Therefore, it is easy to use a poisonous gas such as carbon monoxide, and a mixed gas of hydrogen and carbon monoxide can be used as a fuel, and high-temperature waste heat can also be used, so the efficiency is high.

또한, 고체산화물 연료전지(SOFC)는 산소이온 전달성의 지르코니아를 전해질로 사용하며, 전극은 니켈산화물 및 전도성 세라믹을 사용하므로 700℃ 이상의 고온에서의 발전이 가능하며, 수소와 일산화탄소의 혼합물을 연료로 사용할 수 있다.In addition, solid oxide fuel cell (SOFC) uses oxygen ion transfer zirconia as electrolyte, and the electrode uses nickel oxide and conductive ceramic, so it is possible to generate power at high temperature above 700 ℃, and the mixture of hydrogen and carbon monoxide as fuel Can be used.

이러한 연료전지에 사용되는 연료로서는 메탄이 주성분인 천연가스를 하기 화학식 1과 같이 수증기로 개질하여 수소와 일산화탄소로 전환하여 사용하고 있다.As a fuel used in such a fuel cell, natural gas mainly composed of methane is reformed into water vapor as shown in Chemical Formula 1, and converted to hydrogen and carbon monoxide.

CH4 + H2O = 3H2 + COCH 4 + H 2 O = 3H 2 + CO

그러나 천연가스는 전량 수입에 의존하는 국내 현실을 감안할 때 경제성 확보문제가 대두될 수 있다. 또한 석탄가스화 가스를 사용하여 발전이 가능하나, 국내에서의 석탄 가스화 기술은 아직 성숙되지 않은 단계로서 사용하기까지는 시간이 필요한 실정이다.However, considering domestic realities that depend on imports of natural gas, economic problems may arise. In addition, it is possible to generate power using coal gasification gas, but domestic coal gasification technology is a situation that has not yet matured, it takes time to use.

본 발명의 목적은 모든 유기물이 가지고 있는 탄소성분을 효과적으로 이용하기 위하여, 유기물의 탄화과정을 통해 수득된 탄소를 수증기 및 공기로 개질하여 수소와 일산화탄소 혼합가스를 생성할 수 있는 탄소 수증기 개질장치와, 소량의 수소와 일산화탄소를 포함하는 상기 혼합가스를 연료로 사용하여도 발전 효율이 높은 연료전지를 포함하여 구성된, 고효율을 나타내면서도 친환경적인 연료전지 열병합 발전 시스템을 제공하는데 있다.An object of the present invention is to improve the effective use of the carbon components of all organic matter, the carbon vapor reforming apparatus that can produce a mixture of hydrogen and carbon monoxide by reforming the carbon obtained through the carbonization process of the organic matter with steam and air, The present invention provides a fuel cell cogeneration system that exhibits high efficiency and is environmentally friendly, including a fuel cell having high power generation efficiency even when the mixed gas containing a small amount of hydrogen and carbon monoxide is used as a fuel.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은,In order to achieve the above object,

탄소를 수증기와 공기로 개질하여 수소 및 일산화탄소 혼합가스를 생성시키는 탄소 수증기 개질장치;A carbon steam reformer for reforming carbon into steam and air to produce a hydrogen and carbon monoxide mixed gas;

상기 탄소 수증기 개질장치로부터 생성된 수소 및 일산화탄소 혼합가스로부터 분진을 제거하기 위한 분진제거기;A dust remover for removing dust from the hydrogen and carbon monoxide mixed gas generated from the carbon steam reformer;

상기 분진제거기를 통해 분진이 제거된 수소 및 일산화탄소 혼합가스를 애노드로부터 공급받아 전기를 생산하는 연료전지; 및A fuel cell generating electricity by receiving a mixture of hydrogen and carbon monoxide in which dust is removed through the dust remover from an anode; And

상기 연료전지의 애노드로부터 배출되는 미반응된 수소와 일산화탄소를 연료촉매를 사용하여 공기와 함께 산화시키는 촉매반응기를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 수증기 개질장치를 포함한 연료전지 열병합 발전 시스템을 제공한다.Provided is a fuel cell cogeneration system including a catalytic steam reformer comprising a catalytic reactor for oxidizing unreacted hydrogen and carbon monoxide discharged from an anode of the fuel cell together with air using a fuel catalyst.

본 발명자들은 모든 유기물이 가지고 있는 탄소성분을 효과적으로 이용할 수 있는 연료전지 열병합 발전 시스템에 관하여 연구하였다. 그 결과, 유기성 폐기물, 목질계 원료, 석유 정제 피치 등에 포함된 유기물을 탄화시켜 얻은 탄소를 수증기와 공기로 개질함으로써 생성된 수소 및 일산화탄소 혼합가스를 용융탄산염형 연료전지(MCFC) 또는 고체산화물 연료전지(SOFC) 등의 연료전지에 공급하여 연료로 사용할 수 있는 연료전지 열병합 발전 시스템을 개발하였다.The present inventors have studied a fuel cell cogeneration system that can effectively use the carbon component of all organic materials. As a result, a mixture of hydrogen and carbon monoxide produced by carbonizing organic matter contained in organic waste, wood-based raw materials, petroleum refining pitch, etc. with water vapor and air is used as a molten carbonate fuel cell (MCFC) or a solid oxide fuel cell. We have developed a fuel cell cogeneration system that can be used as fuel by supplying fuel cells such as SOFC.

본 발명의 한 실시형태에 있어서, 상기 탄소 수증기 개질장치는 연속 공급이 가능한 탄소 공급장치로부터 탄소를 공급받는다. 그리고 700℃ 이상의 분위기 하에서 탄소를 수증기와 공기로 개질함으로써 수소 및 일산화탄소 혼합가스를 생성할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the carbon steam reformer receives carbon from a carbon feeder capable of a continuous supply. In addition, the mixture of hydrogen and carbon monoxide may be generated by reforming carbon into steam and air under an atmosphere of 700 ° C. or higher.

이때 탄소 수증기 개질장치에 공급되는 탄소는 유기성 폐기물, 목질계 원료 또는 석유 정제 피치를 탄화시켜 수득된 탄소일 수 있다.In this case, the carbon supplied to the carbon steam reformer may be carbon obtained by carbonizing organic waste, wood-based raw materials or petroleum refining pitch.

또 본 발명의 연료전지 열병합 발전 시스템은 상기 탄소 수증기 개질장치가 700℃ 이상의 분위기를 유지할 수 있도록 탄소 수증기 개질장치를 가열하는 가열기를 더 포함할 수 있다. In addition, the fuel cell cogeneration system of the present invention may further include a heater for heating the carbon steam reformer so that the carbon steam reformer maintains an atmosphere of 700 ° C or more.

상기 연료전지로는 소량의 수소 및 일산화탄소를 포함하는 혼합가스를 사용하여도 발전 효율이 높은 용융탄산염형 연료전지 또는 고체산화물 연료전지를 사용할 수 있다.The fuel cell may be a molten carbonate fuel cell or a solid oxide fuel cell having high power generation efficiency even when a mixed gas containing a small amount of hydrogen and carbon monoxide is used.

촉매반응기는 상기 연료전지의 애노드로부터 배출되는 미반응 수소와 일산화탄소를 연소촉매를 사용하여 공기와 함께 산화시켜 열 및 배출가스를 발생시킬 수 있다. 이로부터 발생된 열 및 배출가스는 탄소 수증기 개질장치를 가열하는 가열기로 회수되어 재활용될 수 있다.The catalytic reactor may oxidize unreacted hydrogen and carbon monoxide discharged from the anode of the fuel cell together with air using a combustion catalyst to generate heat and exhaust gas. The heat and exhaust gases generated therefrom can be recovered and recycled to a heater that heats the carbon steam reformer.

한편 본 발명에서는 아래와 같은 단계로 이루어지는 탄소 수증기 개질장치 및 연료전지를 사용한 열병합 발전방법을 제공한다. On the other hand, the present invention provides a cogeneration method using a carbon steam reformer and a fuel cell comprising the following steps.

탄소를 수증기와 공기로 개질하여 수소 및 일산화탄소 혼합가스를 생성시키는 단계(단계 1);Reforming carbon with steam and air to produce hydrogen and carbon monoxide mixed gas (step 1);

상기 수소 및 일산화탄소 혼합가스로부터 분진을 제거하는 단계(단계 2); 및Removing dust from the hydrogen and carbon monoxide mixed gas (step 2); And

상기 분진이 제거된 수소 및 일산화탄소 혼합가스를 공급받아 연료전지로부터 전기를 생성하는 단계(단계 3).Generating electricity from a fuel cell by receiving the hydrogen and carbon monoxide mixed gas from which the dust is removed (step 3).

이하 각 단계를 설명한다. Each step will be described below.

우선, 탄소를 수증기와 공기로 개질하여 수소 및 일산화탄소 혼합가스를 생성시킨다(단계 1). 단계 1에서 탄소로는 유기성 폐기물, 목질계 원료, 석유 정제 피치 등에 포함된 유기물에 대하여 탄화과정을 수행하여 수득된 탄소를 사용할 수 있다.First, carbon is reformed with steam and air to produce hydrogen and carbon monoxide mixed gas (step 1). In step 1, carbon may be used as carbon obtained by performing a carbonization process on organic materials included in organic waste, wood-based raw materials, petroleum refining pitch, and the like.

본 발명의 한 실시형태에 있어서, 단계 1에서는 탄소를 700℃ 이상의 탄소 수증기 개질장치 내에 공급한 후, 수증기와 공기를 사용하여 하기 화학식 2에 나타난 화학반응에 따라 개질함으로써 수소 및 일산화탄소 혼합가스로 전환할 수 있다.In one embodiment of the present invention, in step 1, the carbon is supplied into a carbon steam reformer at 700 ° C. or higher, and then converted to hydrogen and carbon monoxide mixed gas by reforming according to a chemical reaction represented by the following Chemical Formula 2 using steam and air. can do.

C + H2O = H2 + COC + H 2 O = H 2 + CO

상기 탄소를 수증기와 공기로 개질하여 수소 및 일산화탄소 혼합가스를 생성 시키는 단계는 탄산염의 존재 하에 수행되는 것이 더 높은 농도의 수소 및 일산화탄소를 함유한 혼합가스를 얻는 데 있어 바람직하다.The step of reforming the carbon with steam and air to produce a hydrogen and carbon monoxide mixed gas is preferably performed in the presence of carbonate to obtain a mixed gas containing a higher concentration of hydrogen and carbon monoxide.

상기 탄산염으로는 Li2CO3, Na2CO3 , K2CO3 등의 알칼리금속 탄산염을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.As the carbonate, Li 2 CO 3 , Na 2 CO 3 , K 2 CO 3 Alkali metal carbonates such as but may be used, but is not limited thereto.

다음으로, 상기 수소 및 일산화탄소 혼합가스로부터 분진을 제거한다(단계 2).Next, dust is removed from the hydrogen and carbon monoxide mixed gas (step 2).

탄소를 수증기와 공기로 개질하여 수소 및 일산화탄소 혼합가스를 생성시키는 과정에서는 상기 수소 및 일산화탄소 혼합가스에 분진이 혼합될 수 있으므로, 상기 수소 및 일산화탄소 혼합가스를 연료로 사용하는 연료전지에의 영향을 최소화할 수 있도록 상기 수소 및 일산화탄소 혼합가스로부터 분진을 제거하는 단계를 수행한다.In the process of reforming carbon into steam and air to produce hydrogen and carbon monoxide mixed gas, dust may be mixed with the hydrogen and carbon monoxide mixed gas, thereby minimizing the influence on the fuel cell using the hydrogen and carbon monoxide mixed gas as fuel. Removing dust from the hydrogen and carbon monoxide mixed gas so as to be carried out.

마지막으로, 상기 단계 2에서 분진이 제거된 수소 및 일산화탄소 혼합가스를 연료전지에 공급하여 전기를 생성한다(단계 3).Finally, the hydrogen and carbon monoxide mixed gas from which dust is removed in step 2 is supplied to the fuel cell to generate electricity (step 3).

이와 같이 상기 단계 3에서 연료전지에 수소 및 일산화탄소 합성가스를 공급하여 직류를 생성한 후, 직류를 교류로 변환하는 직류-교류 변환기를 통해 교류로 변환될 수 있다.As described above, after generating hydrogen by supplying hydrogen and carbon monoxide synthesis gas to the fuel cell in step 3, the alternating current may be converted into alternating current through a DC-AC converter.

또한, 본 발명의 열병합 발전방법은 상기 단계 3에서 연료전지를 통해 전기를 생성한 후, 연료로서 공급된 열분해 가스 중 미반응된 수소 및 일산화탄소를 회 수하여 촉매반응기를 통해 공기와 함께 산화시키는 단계를 더 포함할 수 있다.In addition, the cogeneration method of the present invention generates electricity through the fuel cell in step 3, and recovers unreacted hydrogen and carbon monoxide in the pyrolysis gas supplied as fuel to oxidize with air through the catalytic reactor. It may further include.

상기 촉매반응기를 통해 미반응된 수소 및 일산화탄소를 공기와 함께 산화시켜 열을 발생시킬 수 있으며, 이와 같이 발생된 열은 가연성 폐기물 건조장치로 회수되어 가연성 폐기물의 건조에 사용될 수 있다. 또한 촉매반응기에서의 산화과정에서 발생된 배출가스는 회수되어 연료전지의 캐소드에 공급됨으로써 전기화학 반응에 사용될 수 있다.Through the catalytic reactor, unreacted hydrogen and carbon monoxide may be oxidized together with air to generate heat, and the generated heat may be recovered by a flammable waste drying apparatus and used to dry flammable waste. In addition, the exhaust gas generated in the oxidation process in the catalytic reactor is recovered and supplied to the cathode of the fuel cell can be used for the electrochemical reaction.

본 발명은 유기성 폐기물, 목질계 원료, 석유 정제 피치 등에 포함된 유기물을 탄화시켜 얻은 탄소를 수증기와 공기로 개질함으로써 생성된 수소 및 일산화탄소 혼합가스를 증기 또는 가스터빈 발전이 아닌 연료전지에 이용할 수 있는, 고효율이면서도 친환경적인 연료전지 열병합 발전 시스템을 제공할 수 있다.The present invention can use the hydrogen and carbon monoxide mixed gas generated by reforming carbon obtained by carbonizing organic matter contained in organic waste, wood-based raw materials, petroleum refining pitch etc. with water vapor and air in fuel cells instead of steam or gas turbine power generation. In addition, the fuel cell cogeneration system can be provided with high efficiency and eco-friendliness.

이하 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 탄소 수증기 개질장치를 포함한 연료전지 열병합 발전 시스템에 대해 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다.Hereinafter, a fuel cell cogeneration system including a carbon steam reforming apparatus according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 탄소 수증기 개질장치를 포함한 연료전지 열병합 발전 시스템의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.1 is a view schematically showing the structure of a fuel cell cogeneration system including a carbon steam reformer of the present invention.

연료전지 열병합 발전 시스템(200)의 구성요소 중 탄소 수증기 개질장치(110)는 탄소를 수증기와 공기로 개질하여 수소 및 일산화탄소 혼합가스를 생성 하는 역할을 한다.Among the components of the fuel cell cogeneration system 200, the carbon steam reformer 110 serves to generate hydrogen and carbon monoxide mixed gas by reforming carbon into steam and air.

탄소 수증기 개질장치(110)는 탄소를 연속적으로 공급하는 탄소 공급장치(130)로부터 공급받은 탄소를 수증기 제조기(100)로부터 유입된 수증기 및 공기를 사용하여 개질함으로써 수소 및 일산화탄소 혼합가스로 전환시키며, 이와 같이 생성된 수소 및 일산화탄소 혼합가스는 연료전지에서 연료로 사용된다.The carbon steam reformer 110 converts the carbon supplied from the carbon supply device 130 that continuously supplies carbon into hydrogen and carbon monoxide mixed gas by reforming using steam and air introduced from the steam maker 100. The hydrogen and carbon monoxide mixed gas thus produced is used as fuel in a fuel cell.

탄소 수증기 개질장치(110)로부터 유입된 탄소를 수증기 및 공기를 사용하여 개질하기 위해서는 탄소 수증기 개질장치(100)의 내부 온도를 700℃ 이상의 온도로 유지하는 것이 바람직하며, 상기 탄소 수증기 개질장치(110)의 온도를 유지하기 위해서 본 발명은 탄소 수증기 개질장치(110)를 가열하기 위한 가열기(120)를 더 포함한다.In order to reform the carbon introduced from the carbon steam reformer 110 using steam and air, it is preferable to maintain the internal temperature of the carbon steam reformer 100 at a temperature of 700 ° C. or higher, and the carbon steam reformer 110. In order to maintain the temperature of the present invention), the present invention further includes a heater 120 for heating the carbon steam reformer 110.

상기 가열기(120)는 석탄, 석유, 가스 등의 연료를 연소하여 발생되는 열로 탄소 수증기 개질장치(110)를 가열한다. 또 하기에서 상술할 촉매반응기(170)로부터 회수된 열을 재활용하여 탄소 수증기 개질장치(110)를 가열할 수도 있다.The heater 120 heats the carbon steam reformer 110 with heat generated by burning fuel such as coal, oil, and gas. In addition, the carbon vapor reformer 110 may be heated by recycling the heat recovered from the catalytic reactor 170 to be described later.

탄소 수증기 개질장치(110)로부터 유입된 탄소를 수증기 및 공기를 사용하여 개질하는 과정은 탄산염의 존재 하에 이루어지는 것이, 더 높은 농도의 수소 및 일산화탄소를 함유한 혼합가스를 수득하는데 있어 바람직하다(하기 시험예 1 참조).The process of reforming the carbon introduced from the carbon steam reformer 110 by using steam and air is preferably performed in the presence of carbonate to obtain a mixed gas containing a higher concentration of hydrogen and carbon monoxide (the following test). See example 1).

상기 탄산염으로는 Li2CO3, Na2CO3 , K2CO3 등의 알칼리금속 탄산염을 사용하나, 이에 한정되는 것은 아니다.As the carbonate, Li 2 CO 3 , Na 2 CO 3 , K 2 CO 3 Although alkali metal carbonates, such as these, are used, it is not limited to this.

목질계 원료, 석유 정제 피치, 유기성 폐기물 등을 탄화시켜 수득한 탄소를 700℃ 이상의 고온에서 알칼리 금속탄산염을 포함한 탄소 수증기 개질장치 내부에 공급한 후, 상기 탄소 수증기 개질장치에 수증기와 함께 공기를 공급하면 수소농도 약 40%, 일산화탄소 약 9%를 포함하는 혼합가스가 발생한다. 이러한 조성의 가스는 용융탄산염형 연료전지(MCFC) 또는 고체산화물 연료전지(SOFC)에서 통상의 수소농도의 연료와 유사한 발전특성을 가지고 있으므로 고효율의 발전이 가능하다.The carbon obtained by carbonizing wood-based raw materials, petroleum refining pitch, organic waste, etc. is supplied into a carbon steam reformer including alkali metal carbonate at a temperature of 700 ° C. or higher, and then air is supplied to the carbon steam reformer together with steam. A mixed gas containing about 40% hydrogen concentration and about 9% carbon monoxide is generated. The gas having such a composition has power generation characteristics similar to those of a hydrogen concentration fuel in a molten carbonate fuel cell (MCFC) or a solid oxide fuel cell (SOFC), thereby enabling high efficiency power generation.

탄소 수증기 개질장치(110)로부터 유입된 탄소를 수증기 및 공기를 사용하여 개질함으로써 수득된 수소 및 일산화탄소 혼합가스는 개질과정에서 분진을 포함한다. 수소 및 일산화탄소 혼합가스에 포함된 분진은 연료전지에 공급될 경우 발전효율을 저하시킨다. 따라서 수소 및 일산화탄소 혼합가스에 포함된 분진을 제거하기 위해 수소 및 일산화탄소 혼합가스는 분진제거기(140)로 유입된다.The hydrogen and carbon monoxide mixed gas obtained by reforming carbon introduced from the carbon steam reformer 110 using steam and air includes dust in the reforming process. Dust contained in a mixture of hydrogen and carbon monoxide reduces power generation efficiency when supplied to a fuel cell. Therefore, the hydrogen and carbon monoxide mixed gas is introduced into the dust remover 140 to remove dust contained in the hydrogen and carbon monoxide mixed gas.

분진제거기(140)는 혼합가스로부터 분진을 제거할 수 있는 필터, 예를 들어, 다공성 세라믹필터, 금속제 필터 등을 포함하여 구성될 수 있다.The dust remover 140 may include a filter capable of removing dust from the mixed gas, for example, a porous ceramic filter, a metal filter, or the like.

상술한 바와 같이 분진제거기(140)를 통해 분진이 제거된 수소 및 일산화탄소 혼합가스는 연료전지(160)의 애노드(162)에 연료로서 공급되어 발전에 사용된다.As described above, the hydrogen and carbon monoxide mixed gas from which dust is removed through the dust remover 140 is supplied as fuel to the anode 162 of the fuel cell 160 and used for power generation.

본 실시예에서 사용되는 연료전지(160)는 용융탄산염형 연료전지(MCFC) 또는 고체산화물 연료전지(SOFC)를 사용하는데, 보통 사용되는 용융탄산염형 연료전지(MCFC) 또는 고체산화물 연료전지(SOFC)를 제한 없이 사용할 수 있다.The fuel cell 160 used in the present embodiment uses a molten carbonate fuel cell (MCFC) or a solid oxide fuel cell (SOFC), and a commonly used molten carbonate fuel cell (MCFC) or a solid oxide fuel cell (SOFC) is used. ) Can be used without limitation.

용융탄산염형 연료전지(MCFC)는 수소 및 일산화탄소의 산화 및 산소의 환원 반응을 원활히 진행하기 위해 넓은 표면적의 다공성 전극을 사용한다. 이 두 전극 사이의 세라믹 다공체에 함침된 용융탄산염이 주로 수소로 구성된 연료와 산소로 구성된 산화제의 직접 접촉을 막아준다. 또한 공기극(캐소드)에서 생성된 카보네이트 이온(CO3 2 -)이 연료극(애노드)으로 이동하는 통로의 역할을 수행한다.The molten carbonate fuel cell (MCFC) uses a porous electrode having a large surface area to smoothly proceed with oxidation of hydrogen and carbon monoxide and reduction of oxygen. The molten carbonate impregnated in the ceramic porous body between the two electrodes prevents direct contact between the fuel mainly composed of hydrogen and the oxidant composed of oxygen. In addition, the carbonate ions (CO 3 2 ) generated in the cathode (cathode) serve as a passage for moving to the anode (anode).

용융탄산염형 연료전지(MCFC)는 고온에서 작동하는 연료전지로서 전극반응 속도가 충분히 빨라 폐기물로부터 발생될 것으로 생각되는 소량의 수소와 일산화탄소 혼합가스에 대해서도 일반적인 수소연료와 거의 동일한 전압-전류 및 전류-파워 특성을 나타낸다. Molten carbonate fuel cell (MCFC) is a fuel cell that operates at high temperature, and the voltage-current and current- Power characteristics are shown.

또한 고체산화물 연료전지(SOFC)는 수소 및 일산화탄소의 산화가 산화니켈로부터 출발한 니켈 금속에서 이루어지고, 산소의 환원은 전도성 세라믹에 의해 이루어진다. 또 산소이온 전도성 지르코니아 등의 전해질이 연료극인 애노드와 공기극인 캐소드 사이에 배치되어 수소나 일산화탄소가 산소와 화학반응하는 것을 막아주기도 한다. In addition, the solid oxide fuel cell (SOFC) is made of nickel metal, in which oxidation of hydrogen and carbon monoxide starts from nickel oxide, and reduction of oxygen is performed by a conductive ceramic. In addition, an electrolyte such as an oxygen ion conductive zirconia is disposed between the anode, which is the fuel electrode, and the cathode, which is the air electrode, to prevent hydrogen or carbon monoxide from chemically reacting with oxygen.

그러나 용융탄산염형 연료전지(MCFC) 또는 고체산화물 연료전지(SOFC)가 하나의 단위전지로 사용되는 경우 이론 기전력이 약 1V로서 낮아 실제 사용하기에는 부적절하다. 따라서 이러한 단위전지를 전도체인 분리판을 통하여 적층하여 전기적으로 직렬 연결하여 적층수의 조절에 의해 목적하는 용량의 발전시스템으로 구성하여 사용한다.However, when a molten carbonate fuel cell (MCFC) or a solid oxide fuel cell (SOFC) is used as one unit cell, the theoretical electromotive force is about 1V, which is not suitable for practical use. Therefore, the unit cells are laminated through a separator, which is a conductor, electrically connected in series, and used as a power generation system having a desired capacity by controlling the number of stacked cells.

즉 용융탄산염형 연료전지(MCFC) 또는 고체산화물 연료전지(SOFC) 단위전지는 한 쌍의 다공질 전극판(연료극 및 공기극)과 이들 사이에 존재하는 전해질판으로 구성되나, 이들 단위전지는 전도성의 분리판을 매개하여 적층된다. 분리판은 각 단위전지간의 전기적인 접속을 제공함과 동시에 연료극인 애노드에 연료가스의 유로와 공기극인 캐소드에 산화제가스의 유로를 제공한다.That is, a molten carbonate fuel cell (MCFC) or a solid oxide fuel cell (SOFC) unit cell is composed of a pair of porous electrode plates (fuel electrode and air electrode) and an electrolyte plate present therebetween. Laminated via the plate. The separator provides electrical connection between the unit cells and provides a flow path of fuel gas to the anode, the anode, and a flow path of oxidant gas to the cathode, the cathode.

상술한 바와 같이, 본 실시예에서 사용하는 용융탄산염형 연료전지(MCFC) 또는 고체산화물 연료전지(SOFC)는 적층구조의 연료전지이다. 용융탄산염형 연료전지(MCFC) 또는 고체산화물 연료전지(SOFC)에는 반응가스의 분배 및 회수기능을 가지는 매니폴드를 설치함으로써 반응에 필요한 가스가 입구 매니폴드를 통해 공급되고, 공기극 및 연료극 반응을 거친 후에 반대편 매니폴드를 통해 외부로 배출시킨다. As described above, the molten carbonate fuel cell (MCFC) or the solid oxide fuel cell (SOFC) used in this embodiment is a fuel cell having a stacked structure. The molten carbonate fuel cell (MCFC) or the solid oxide fuel cell (SOFC) is provided with a manifold having a function of distributing and recovering the reaction gas so that the gas required for the reaction is supplied through the inlet manifold, Later it is discharged through the opposite manifold.

본 실시예의 탄소 수증기 개질장치를 포함하는 연료전지 열병합 발전 시스템(200)은 연료전지(160)의 애노드(162)로부터 배출되는 미반응된 수소와 일산화탄소를 연소촉매를 사용하여 공기와 함께 산화시키는 촉매반응기(170)를 포함한다.The fuel cell cogeneration system 200 including the carbon steam reformer of the present embodiment is a catalyst for oxidizing unreacted hydrogen and carbon monoxide discharged from the anode 162 of the fuel cell 160 with air using a combustion catalyst. Reactor 170.

촉매반응기(170)는 미반응된 수소와 일산화탄소를 연소시키는 반응장치이다. 촉매반응기(170)는 연소기 내부에 연소촉매를 설치하여 연료전지(160)의 애노드(162)로부터 배출되는 미반응된 소량의 수소와 일산화탄소를 포함하는 가스를 공기와 함께 공급하여 산화시켜 열을 발생시킨다. 따라서 촉매반응기(170)에서 배출되는 가스는 공기와 수증기 및 이산화탄소가 주성분으로 구성되어 있다.The catalytic reactor 170 is a reactor for burning unreacted hydrogen and carbon monoxide. The catalytic reactor 170 generates a heat by installing a combustion catalyst inside the combustor and supplying a small amount of unreacted hydrogen and carbon monoxide discharged from the anode 162 of the fuel cell 160 together with air to oxidize it to generate heat. Let's do it. Therefore, the gas discharged from the catalytic reactor 170 is composed of air, water vapor, and carbon dioxide as a main component.

촉매반응기(170)에서 미반응된 수소와 일산화탄소를 공기와 함께 산화시킴으 로써 발생되는 열은 열교환기(150)로 회수되어 연료전지(160)의 애노드(162)에 공급되는 수소 및 일산화탄소 혼합가스를 예열하는 데 사용된다. 또는 가열기(120)로 회수되어 탄소 수증기 개질장치(110)를 가열하는 데에도 사용된다.Heat generated by oxidizing unreacted hydrogen and carbon monoxide together with air in the catalytic reactor 170 is recovered by the heat exchanger 150 to supply a mixture of hydrogen and carbon monoxide supplied to the anode 162 of the fuel cell 160. Used to preheat. Alternatively, it is recovered to the heater 120 and used to heat the carbon steam reformer 110.

공기, 수증기, 이산화탄소 등을 포함하는 촉매반응기(170)로부터의 배출가스는 연료전지(160)의 캐소드(161)에 공급되어 공기 중의 산소성분에 의해 전기화학 반응에 사용된 후 잉여가스는 출구를 통해 배출된다. 또한, 출구를 통해 배출된 가스는 가열기(120)로 회수되어 탄소 수증기 개질장치(110)의 가열에 사용된다.Exhaust gas from the catalytic reactor 170 including air, water vapor, carbon dioxide, etc. is supplied to the cathode 161 of the fuel cell 160 and used for the electrochemical reaction by oxygen components in the air, and the surplus gas exits the outlet. Is discharged through. In addition, the gas discharged through the outlet is recovered to the heater 120 and used for heating the carbon steam reformer 110.

본 발명에 따른 연료전지 열병합 발전 시스템(200)은 분진제거기(140)와 연료전지(160) 사이에 배치되어, 분진제거기(140)를 거쳐 공급되는 수소 및 일산화탄소 혼합가스의 온도를 유지하는 열교환기(150)를 더 포함할 수 있다. The fuel cell cogeneration system 200 according to the present invention is disposed between the dust remover 140 and the fuel cell 160 to maintain a temperature of the hydrogen and carbon monoxide mixed gas supplied through the dust remover 140. 150 may be further included.

상기 열교환기(150)는 분진제거기(140)로부터 공급되는 상기 혼합가스의 온도를 반응에 적절한 온도로 유지하여 연료전지(160)에 공급한다.The heat exchanger 150 maintains the temperature of the mixed gas supplied from the dust remover 140 at a temperature suitable for the reaction and supplies it to the fuel cell 160.

또한, 연료전지 열병합 발전 시스템(200)은 연료전지(160)로부터 발생된 직류를 교류로 변환시키는 직류-교류 변환기(180)를 더 포함한다.In addition, the fuel cell cogeneration system 200 further includes a DC-AC converter 180 for converting the DC generated from the fuel cell 160 into AC.

이하, 상술한 연료전지 열병합 발전 시스템(200)을 통해 이루어진 실험을 구체적으로 설명한다. Hereinafter, an experiment made through the fuel cell cogeneration system 200 described above will be described in detail.

본 실시예의 탄소 수증기 개질장치에 Li2CO3 62 몰% 및 K2CO3 38 몰%로 혼합한 알칼리금속 탄산염 20g의 존재 하에서 일반적으로 구할 수 있는 활성탄인 탄소 20g을 투입하여 800℃의 온도에서 공기를 0.200 l/min의 유량으로 그리고 수증기 0.265 l/min을 공급하여 개질하였다. 그 결과 발생된 가스의 농도 및 유량을 하기 표 1에 나타내었다. 또한, 본 발명의 탄소 수증기 개질장치에서 상기 탄산염이 존재하지 않은 상태에서 탄소 20g을 투입하여 800℃의 온도에서 공기를 0.200 l/min의 유량으로, 그리고 수증기 0.265 l/min을 공급하여 개질한 후 발생된 가스의 농도 및 유량을 하기 표 1에 나타내었다.In the carbon steam reformer of this embodiment, 20 g of activated carbon, which is generally available carbon, is added in the presence of 20 g of an alkali metal carbonate mixed with 62 mol% of Li 2 CO 3 and 38 mol% of K 2 CO 3 , at a temperature of 800 ° C. The air was reformed at a flow rate of 0.200 l / min and supplied with 0.265 l / min of water vapor. The resulting gas concentrations and flow rates are shown in Table 1 below. In addition, in the carbon steam reformer of the present invention, 20 g of carbon is added in the absence of the carbonate and reformed by supplying air at a flow rate of 0.200 l / min at a temperature of 800 ° C. and 0.265 l / min of steam. The concentration and flow rate of the generated gas are shown in Table 1 below.

이상의 과정에 의해 탄소를 수증기와 800℃의 온도에서 용융탄산염이 존재하는 조건에서 수소와 일산화탄소로 개질한 후 용융탄산염 연료전지에 공급하여 하기 화학식 3 및 화학식 4에 표시된 반응으로 전기를 생성하였다.By the above process, carbon was reformed into hydrogen and carbon monoxide in the presence of molten carbonate at a temperature of water vapor and 800 ° C., and then supplied to a molten carbonate fuel cell to generate electricity by the reactions shown in the following Chemical Formulas 3 and 4.

애노드 (연료극) H2 + CO3 2 - → H2O + CO2 + 2e- An anode (fuel electrode) H 2 + CO 3 2 - → H 2 O + CO 2 + 2e -

캐소드 (공기극) 1/2O2 + CO2 + 2e- → CO3 2 - Cathode (air electrode) 1 / 2O 2 + CO 2 + 2e - → CO 3 2 -

도 2는 예로 고온의 용융탄산염형 연료전지에서 통상의 수소연료 (H2 fuel, H2:CO2:H2O=69%:17%:14%)를 사용하는 수소연료전지와 실시 예의 조성에서 수증기를 14.0% 포함한 탄소 수증기 개질 가스 (C gas, H2:CO:CO2:N2:H2O =34.3%:7.6%:22.8%;21.3%:14.0%)에 대한 100 cm2급의 단위전지에서의 전류에 따른 전압 및 파워 특성을 나타내는 그래프이다. 도 2에서 알 수 있듯이 본 발명의 실시예에 따라 탄소 수증기 개질 가스를 용융탄산염 연료전지에 공급하여 발전하는 경우 통상의 수소연지에 비해 약간 낮은 전압-전류 특성을 보이고, 전력 측면에서도 통상의 수소연료에 비해 약 2% 낮은 성능을 보여 통상의 수소연지와 유사한 발전 특성을 보임을 알 수 있다. 2 is a hydrogen fuel cell using a conventional hydrogen fuel (H 2 fuel, H 2 : CO 2 : H 2 O = 69%: 17%: 14%) in a high temperature molten carbonate fuel cell as an example and the composition of the embodiment Steam reforming gas containing 14.0% water vapor in C gas, H 2 : CO: CO 2 : N 2 : H 2 O = 34.3%: 7.6%: 22.8%; 21.3%: 14.0%) is a graph showing the voltage and power characteristics according to the current in a 100 cm 2 unit cell. As can be seen in Figure 2 when the carbon steam reforming gas is supplied to the molten carbonate fuel cell according to the embodiment of the present invention to generate electricity, it shows a slightly lower voltage-current characteristics compared to the conventional hydrogen fuel cell, the conventional hydrogen fuel in terms of power It shows about 2% lower performance than that of conventional hydrogen fuel cell, which shows similar power generation characteristics.

발생기체 성분Gas component 탄소 (20g) + [Li2CO3 (62 몰%) + K2CO3 (38 몰%)] (20g)Carbon (20 g) + [Li 2 CO 3 (62 mol%) + K 2 CO 3 (38 mol%)] (20 g) 탄소 (20g)Carbon (20g) 농도 (부피 %)Concentration (% by volume) 유량 (l/min)Flow rate (l / min) 농도 (부피 %)Concentration (% by volume) 유량 (l/min)Flow rate (l / min) H2 H 2 34.3%34.3% 0.2560.256 19.7%19.7% 0.0930.093 N2 N 2 21.3%21.3% 0.1600.160 34%34% 0.1600.160 COCO 7.6%7.6% 0.0560.056 3.4%3.4% 0.0160.016 CO2 CO 2 22.8%22.8% 0.1720.172 28.9%28.9% 0.1360.136 H20H 2 0 14.0%14.0% 0.1050.105 14.0%14.0% 0.0660.066

표 1에 나타난 바와 같이, 탄소를 수증기 및 공기를 사용하여 개질하는 과정에서 탄소만 사용한 경우에 비해, 혼합탄산염과 탄소를 같이 사용하는 경우 수소 및 일산화탄소 발생량이 대략 2배 정도 증가함을 알 수 있다. 또한 탄소와 혼합탄산염을 사용하여 탄소를 개질하는 경우 탄소가 일산화탄소로 전환된 후 상기 혼합탄산염은 거의 소모 없이 회수될 수 있는 것으로 실험을 통하여 관찰되었다. 이로부터 탄소 수증기 개질장치에 대하여 탄산염의 보충량을 최소로 유지하며 탄소의 연속공급에 의해 연속발전이 가능함을 예상할 수 있다.As shown in Table 1, it can be seen that the amount of hydrogen and carbon monoxide generated is approximately doubled when the mixed carbonate and carbon are used together compared to the case where only carbon is used in the process of reforming carbon using steam and air. . In addition, when carbon was modified using carbon and mixed carbonates, it was observed through experiments that the mixed carbonates could be recovered with little consumption after carbon was converted to carbon monoxide. From this, it can be expected that continuous generation of carbon can be achieved by supplying carbon continuously with a minimum amount of carbonate supplementation to the carbon steam reformer.

이상 본 발명을 바람직한 실시예를 통해 설명하였으나, 이러한 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정도 첨부된 특허청구범위에 속하는 것으로 이해되어야 할 것이다.While the present invention has been described through the preferred embodiments, it is apparent to those skilled in the art that various changes and modifications are possible only within the scope and spirit of the present invention, which are merely illustrative of the present invention. It should also be understood that it belongs to the appended claims.

도 1은 본 발명의 탄소 수증기 개질장치를 포함한 연료전지 열병합 발전 시스템의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.1 is a view schematically showing the structure of a fuel cell cogeneration system including a carbon steam reformer of the present invention.

도 2는 고온의 용융탄산염형 연료전지에서 통상의 수소연료 (H2 fuel, H2:CO2:H2O=69%:17%:14%)를 사용하는 수소연료전지와 실시 예의 조성에서 수증기를 14.0% 포함한 탄소 수증기 개질 가스 (C gas, H2:CO:CO2:N2:H2O =34.3%:7.6%:22.8%;21.3%:14.0%)에 대한 100 cm2급의 단위전지에서의 전류에 따른 전압 및 파워 특성을 나타내는 그래프이다.FIG. 2 shows a hydrogen fuel cell using conventional hydrogen fuel (H 2 fuel, H 2 : CO 2 : H 2 O = 69%: 17%: 14%) in a high temperature molten carbonate fuel cell, and the composition of the embodiment. Carbon steam reforming gas containing 14.0% water vapor (C gas, H 2 : CO: CO 2 : N 2 : H 2 O = 34.3%: 7.6%: 22.8%; 21.3%: 14.0%) is a graph showing the voltage and power characteristics according to the current in a 100 cm 2 unit cell.

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

200: 연료전지 열병합 발전 시스템 100: 수증기 제조기200: fuel cell cogeneration system 100: steam generator

110: 탄소 수증기 개질장치 120: 가열기110: carbon steam reformer 120: burner

130: 탄소 공급장치 140: 분진제거기130: carbon supply 140: dust removal

150: 열교환기 160: 연료전지 150: heat exchanger 160: fuel cell

161: 애노드 162: 캐소드161: anode 162: cathode

170: 촉매반응기 180: 직류-교류 변환기170: catalytic reactor 180: DC-AC converter

Claims (21)

탄소를 수증기와 공기로 개질하여 수소 및 일산화탄소 혼합가스를 생성시키는 탄소 수증기 개질장치;A carbon steam reformer for reforming carbon into steam and air to produce a hydrogen and carbon monoxide mixed gas; 상기 탄소 수증기 개질장치로부터 생성된 수소 및 일산화탄소 혼합가스로부터 분진을 제거하기 위한 분진제거기;A dust remover for removing dust from the hydrogen and carbon monoxide mixed gas generated from the carbon steam reformer; 상기 분진제거기를 통해 분진이 제거된 수소 및 일산화탄소 혼합가스를 애노드로부터 공급받아 전기를 생산하는 연료전지; 및A fuel cell generating electricity by receiving a mixture of hydrogen and carbon monoxide in which dust is removed through the dust remover from an anode; And 상기 연료전지의 애노드로부터 배출되는 미반응된 수소와 일산화탄소를 연료촉매를 사용하여 공기와 함께 산화시키는 촉매반응기를 포함하며,It includes a catalytic reactor for oxidizing the unreacted hydrogen and carbon monoxide discharged from the anode of the fuel cell with air using a fuel catalyst, 상기 촉매반응기는 상기 연료전지의 애노드로부터 배출되는 미반응된 수소와 일산화탄소를 연소촉매를 사용하여 공기와 함께 산화시켜 열 및 배출가스를 발생시키고,The catalytic reactor generates heat and exhaust gas by oxidizing unreacted hydrogen and carbon monoxide discharged from the anode of the fuel cell with air using a combustion catalyst. 상기 촉매반응기에서 발생된 배출가스가 상기 연료전지의 캐소드에 공급되어 전기화학 반응에 사용되는 것을 특징으로 하는 탄소 수증기 개질장치를 포함한 연료전지 열병합 발전 시스템.A fuel cell cogeneration system including a carbon steam reformer, wherein the exhaust gas generated from the catalytic reactor is supplied to a cathode of the fuel cell and used for an electrochemical reaction. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 탄소 수증기 개질장치가 탄소 공급장치와 연결되어 탄소를 공급받아 700℃ 이상의 분위기 하에서 탄소를 수증기와 공기로 개질함으로써 수소 및 일산화탄소 혼합가스를 공급받는 것을 특징으로 하는 탄소 수증기 개질장치를 포함한 연료전지 열병합 발전 시스템.The carbon steam reformer is connected to a carbon supply device and is supplied with carbon to reform the carbon into steam and air under an atmosphere of 700 ° C. or higher to supply hydrogen and carbon monoxide mixed gas. Power generation system. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 탄소 수증기 개질장치가 내부에 탄산염을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 수증기 개질장치를 포함한 연료전지 열병합 발전 시스템.A fuel cell cogeneration system including a carbon steam reformer, wherein the carbon steam reformer includes a carbonate therein. 청구항 3에 있어서,The method of claim 3, 상기 탄산염이 알칼리금속 탄산염인 것을 특징으로 하는 탄소 수증기 개질장치를 포함한 연료전지 열병합 발전 시스템.A fuel cell cogeneration system including a carbon steam reformer, wherein the carbonate is an alkali metal carbonate. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 탄소 수증기 개질장치에 공급되는 탄소가 유기성 폐기물, 목질계 원료 또는 석유 정제 피치를 탄화시켜 수득된 탄소인 것을 특징으로 하는 탄소 수증기 개질장치를 포함한 연료전지 열병합 발전 시스템.A fuel cell cogeneration system comprising a carbon steam reformer, wherein the carbon supplied to the carbon steam reformer is carbon obtained by carbonizing an organic waste, wood-based raw material, or petroleum refining pitch. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 탄소 수증기 개질장치가 700℃ 이상의 분위기를 유지할 수 있도록 탄소 수증기 개질장치를 가열하는 가열기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 수증기 개질장치를 포함한 연료전지 열병합 발전 시스템.And a heater for heating the carbon steam reformer such that the carbon steam reformer maintains an atmosphere of 700 ° C. or higher. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 탄소 수증기 개질장치에 수증기를 공급하는 수증기 제조장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 수증기 개질장치를 포함한 연료전지 열병합 발전 시스템.A fuel cell cogeneration system including a carbon steam reformer, further comprising a steam producing apparatus for supplying steam to the carbon steam reformer. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 연료전지는 용융탄산염형 연료전지 또는 고체산화물 연료전지인 것을 특징으로 하는 탄소 수증기 개질장치를 포함한 연료전지 열병합 발전 시스템.The fuel cell cogeneration system including a carbon steam reformer, characterized in that the molten carbonate fuel cell or solid oxide fuel cell. 삭제delete 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 촉매반응기에서 발생된 열이 회수되어 탄소 수증기 개질장치를 가열하는 가열기에 공급되는 것을 특징으로 하는 탄소 수증기 개질장치를 포함한 연료전지 열병합 발전 시스템.A fuel cell cogeneration system including a carbon steam reformer, wherein the heat generated from the catalytic reactor is recovered and supplied to a heater for heating the carbon steam reformer. 삭제delete 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 촉매반응기에서 발생된 배출가스가 상기 연료전지의 캐소드에 공급되어 전기화학 반응에 사용된 후, 가열기로 회수되어 탄소 수증기 개질장치의 가열에 사용되는 것을 특징으로 하는 탄소 수증기 개질장치를 포함한 연료전지 열병합 발전 시스템.A fuel cell including a carbon steam reformer, wherein the exhaust gas generated from the catalytic reactor is supplied to a cathode of the fuel cell and used for an electrochemical reaction, and then recovered by a heater to be used for heating a carbon steam reformer. Cogeneration system. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 분진제거기와 연료전지 사이에 배치되어, 분진제거기를 거쳐 연료전지로 공급되는 수소 및 일산화탄소 혼합가스의 온도를 유지할 수 있게 하는 열교환기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 수증기 개질장치를 포함한 연료전지 열병합 발전 시스템.A fuel cell cogeneration system including a carbon steam reformer, the heat exchanger disposed between the dust remover and the fuel cell to maintain a temperature of the hydrogen and carbon monoxide mixed gas supplied to the fuel cell through the dust remover. Power generation system. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 연료전지로부터 발생된 직류를 교류로 변환시키는 직류-교류 변환기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 수증기 개질장치를 포함한 연료전지 열병합 발전 시스템.And a direct current (AC) -AC converter for converting direct current generated from the fuel cell into alternating current. 탄소를 수증기와 공기로 개질하여 수소 및 일산화탄소 혼합가스를 생성시키는 단계(단계 1);Reforming carbon with steam and air to produce hydrogen and carbon monoxide mixed gas (step 1); 상기 수소 및 일산화탄소 혼합가스로부터 분진을 제거하는 단계(단계 2); 및Removing dust from the hydrogen and carbon monoxide mixed gas (step 2); And 상기 분진이 제거된 수소 및 일산화탄소 혼합가스를 공급받아 연료전지로부터 전기를 생성하는 단계(단계 3)를 포함하며,Receiving the dust-removed hydrogen and carbon monoxide mixed gas to generate electricity from a fuel cell (step 3); 상기 단계 3에서 수소 및 일산화탄소 혼합가스를 공급받아 연료전지로부터 전기를 생성한 후, 미반응된 수소와 일산화탄소를 촉매반응기를 사용하여 공기와 함께 산화시켜 열 및 배출가스를 발생시키는 단계를 더 포함하고,Generating electricity from a fuel cell by receiving a mixture of hydrogen and carbon monoxide in step 3, and then oxidizing unreacted hydrogen and carbon monoxide together with air using a catalytic reactor to generate heat and exhaust gas; , 상기 촉매반응기에서 발생된 배출가스가 상기 연료전지의 캐소드에 공급되어 전기화학 반응에 사용되는 것을 특징으로 하는 탄소 수증기 개질장치 및 연료전지를 사용한 열병합 발전방법.A co-generation system using a carbon steam reformer and a fuel cell, wherein the exhaust gas generated from the catalytic reactor is supplied to a cathode of the fuel cell and used for an electrochemical reaction. 청구항 15에 있어서,16. The method of claim 15, 상기 탄소를 수증기와 공기로 개질하는 단계 1은 700 ℃ 이상의 분위기에서 탄산염을 포함한 탄소 수증기 개질장치 내에서 수행되는 것을 특징으로 하는 탄소 수증기 개질장치 및 연료전지를 사용한 열병합 발전방법.Step 1 of reforming the carbon into steam and air is a carbon steam reformer and a cogeneration method using a fuel cell, characterized in that carried out in a carbon steam reformer including carbonate in an atmosphere of 700 ℃ or more. 청구항 15에 있어서,16. The method of claim 15, 상기 단계 3에서는 사용하는 연료전지는 용융탄산염형 연료전지 또는 고체산화물 연료전지인 것을 특징으로 하는 탄소 수증기 개질장치 및 연료전지를 사용한 열병합 발전방법.In step 3, the fuel cell used is a molten carbonate fuel cell or a solid oxide fuel cell, characterized in that the carbon steam reforming device and the cogeneration method using the fuel cell. 삭제delete 청구항 15에 있어서,16. The method of claim 15, 상기 촉매반응기에서 발생된 열은 회수되어 탄소 수증기 개질장치를 가열하기 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 탄소 수증기 개질장치 및 연료전지를 사용한 열병합 발전방법.Heat generated in the catalytic reactor is recovered to be used to heat the carbon steam reforming unit, characterized in that the carbon steam reformer and the cogeneration method using a fuel cell. 삭제delete 청구항 15에 있어서,16. The method of claim 15, 상기 촉매반응기에서 발생된 배출가스가 상기 연료전지의 캐소드에 공급되어 전기화학 반응에 사용된 후, 가열기로 회수되어 탄소 수증기 개질장치의 가열에 사용되는 것을 특징으로 하는 탄소 수증기 개질장치 및 연료전지를 사용한 열병합 발전방법.The exhaust gas generated from the catalytic reactor is supplied to the cathode of the fuel cell and used in the electrochemical reaction, and then recovered by a heater to be used for heating the carbon steam reformer and the fuel cell. Cogeneration method used.
KR1020090094710A 2009-10-06 2009-10-06 Fuel cell combined power system comprising carbon steam reformer KR101133543B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020090094710A KR101133543B1 (en) 2009-10-06 2009-10-06 Fuel cell combined power system comprising carbon steam reformer

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020090094710A KR101133543B1 (en) 2009-10-06 2009-10-06 Fuel cell combined power system comprising carbon steam reformer

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20110037316A KR20110037316A (en) 2011-04-13
KR101133543B1 true KR101133543B1 (en) 2012-04-05

Family

ID=44044814

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020090094710A KR101133543B1 (en) 2009-10-06 2009-10-06 Fuel cell combined power system comprising carbon steam reformer

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101133543B1 (en)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2013012246A2 (en) * 2011-07-18 2013-01-24 Tes Co., Ltd Power generating apparatus using effluent gases exhausted from process chamber
KR102000664B1 (en) * 2017-09-13 2019-07-16 한국에너지기술연구원 Apparatus for producing hydrogen gas through steam reforming reaction of organic and method for producing hydrogen gas using the same
KR102596138B1 (en) * 2023-06-01 2023-11-01 주식회사 젯트 Solid oxide fuel cell system through comprising high temperature reverting resource recovery apparatus, waste heat recovery heat exchange generator, hot-water supply unit and synthesis gas generation unit comprised thereof

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002216831A (en) 2001-01-24 2002-08-02 Matsushita Electric Ind Co Ltd Fuel cell power generation system
KR100533298B1 (en) * 2002-09-30 2005-12-05 가부시끼가이샤 도시바 Fuel cell system
JP2008528708A (en) 2005-01-18 2008-07-31 エンクエスト パワー コーポレーション Method for steam reforming of carbonaceous feedstock
KR100887137B1 (en) * 2008-06-12 2009-03-04 김현영 Method and apparatus of gasification under integrated pyrolysis-reformer system(iprs)

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002216831A (en) 2001-01-24 2002-08-02 Matsushita Electric Ind Co Ltd Fuel cell power generation system
KR100533298B1 (en) * 2002-09-30 2005-12-05 가부시끼가이샤 도시바 Fuel cell system
JP2008528708A (en) 2005-01-18 2008-07-31 エンクエスト パワー コーポレーション Method for steam reforming of carbonaceous feedstock
KR100887137B1 (en) * 2008-06-12 2009-03-04 김현영 Method and apparatus of gasification under integrated pyrolysis-reformer system(iprs)

Also Published As

Publication number Publication date
KR20110037316A (en) 2011-04-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101939687B1 (en) Reformer-electrolyzer-purifier(rep) assembly for hydrogen production, systems incorporating same and method of producing hydrogen
KR100961838B1 (en) External reforming type molten carbonate fuel cell system
US20050112425A1 (en) Fuel cell for hydrogen production, electricity generation and co-production
CN215578650U (en) Solid oxide fuel cell and proton exchange membrane fuel cell hybrid system using ammonia gas as fuel
KR101992798B1 (en) Energy storage using REP with engine
JP2007538379A5 (en)
KR20150079444A (en) Solid-oxide fuel cell systems
JP2007128680A (en) Fuel cell system
JP2014519177A (en) Hybrid system of fuel cell and reciprocating gasoline / diesel engine
US9257713B2 (en) Solid oxide fuel cell system equipped with carbon monoxide generator using ultraclean coal or graphite
KR20110032532A (en) Fuel cell combined power system using waste gasification process
CN113506902A (en) Solid oxide fuel cell and proton exchange membrane fuel cell hybrid system using ammonia gas as fuel
KR101133543B1 (en) Fuel cell combined power system comprising carbon steam reformer
JP3644667B2 (en) Fuel cell power generator
JP2004171802A (en) Fuel cell system
JP2007200709A (en) Solid oxide fuel cell stack and its operation method
KR20020056123A (en) Humidifier for fuel cell
KR100987824B1 (en) Start-up protocol of Self-sustained Solid Oxide Fuel Cell System
Rai et al. Fuel Cell Utilization for Energy Storage
JP3837662B2 (en) FUEL CELL POWER GENERATOR AND METHOD OF OPERATING FUEL CELL POWER GENERATOR
CN113471492B (en) Fuel cell power generation system and power generation method using solid waste synthesis gas
JP3872006B2 (en) Fuel cell power generation system
KR102555437B1 (en) Hybrid system based on soe-sofc-ccs
JPH0665060B2 (en) Molten carbonate fuel cell power generation system
JP2003178790A (en) Fuel cell power generation system

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20150303

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20160318

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20170303

Year of fee payment: 6

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20180305

Year of fee payment: 7

LAPS Lapse due to unpaid annual fee