KR101352219B1 - Ｍｃｆｃ 발전 시스템과 그 운전 방법 - Google Patents

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Abstract

통상의 발전 설비에 대해 부가하는 설비를 최소화하여 CO2의 대기 방출을 큰 폭으로 삭감하거나 실질적으로 방출하지 않고 동시에 높은 발전 효율 및 열회수 효율을 얻을 수 있고, 캐소드의 가스 조성을 조정함으로써 연료전지의 전압 및 출력을 어떤 범위에서 조정할 수 있고 열과 전기의 비율도 크게 변경할 수 있으며, 열전 가변 운전이 가능한 MCFC 발전 시스템과 그 운전 방법을 제공한다.
캐소드 가스 순환 계통을 가지며 캐소드 가스는 캐소드 가스 리사이클 블로어로 순환되고 있고 폐루프를 형성하고, 발전 반응에 의해 소비되는 산소는 산소 공급 플랜트로부터 보급되고 CO2는 리사이클 CO2로 보급된다. 또한 애노드 배기 내의 가연 성분을 산소로 연소하고 냉각하여 물을 제거한다. 그리고 애노드 배기 내의 연로 가스를 리사이클 사용한다.

Description

ＭＣＦＣ 발전 시스템과 그 운전 방법{MCFC POWER GENERATION SYSTEM AND METHOD FOR OPERATING SAME}
본 발명은 에너지 변환 장치의 분야에 속하며, 연료가스가 가진 화학 에너지를 직접 전기로 변환하는 연료전지에 관한 것이다. 특히 용융탄산염형 연료전지(MCFC)의 발전 효율을 높이고 CO2를 용이하게 회수하며, 열전가변 등의 운전을 가능하게 하고 캐소드 가스의 조성을 자유롭게 조정할 수 있게 시스템에 유연성을 주며, 그로 인해 에너지 자원의 유효한 이용이나 지구 환경의 개선에 공헌하는 MCFC-가스터빈 하이브리드 시스템과 그 운전 방법에 관한 것이다.
이하 본 출원에서 MCFC-가스터빈 하이브리드 시스템을 간단히 "MCFC 발전 시스템"이라 부른다.
도 3은 종래형 MCFC 발전 시스템(MCFC-가스터빈 하이브리드 시스템)의 전체 구성도이다.
도시가스 등 연료가스(FG)는 탈황기(1) 내의 탈황제(2)로 탈황된 후 연료 가습기(41)에 보내진다. 여기서 연료가스는 MCFC(12)의 캐소드 배기로 가열되는 과정에서 처리수(PW)가 분무·증발되고, 예열된 연료가스와 수증기의 혼합가스는 다음에 프리컨버터(9)로 유도된다. 이 때 사용되는 처리수는 공급수(W)를 수처리 장치(4)로 처리하고 처리수 탱크(5)를 통해 펌프(6)에 의해 연료 가습기(41)에 공급된다.
프리컨버터(9)는 일종의 개질기로, 내부에 개질 촉매(10)가 배치되어 있으나 가열원은 없고 스스로가 가지는 가스의 현열로 주로 에탄 이상의 중질 성분이 개질되고 메탄은 거의 개질되지 않는다. 프리컨버터(9)에서 나온 가스는 연료 가열기(11)에 의해 연료전지의 운전온도 가까이까지 가열되어 MCFC(12)에 공급된다. MCFC(12)는 내부 개질형으로 내부 개질기(38)가 연료전지에 장착되어 있다.
애노드(A)에서는 개질되어 생성된 H2와 CO 합계의 약 70%가 발전 반응(H2+CO3 2- → H2O+CO2+2e-)에 사용되지만, 나머지는 애노드 배기로서 촉매 연소기(14)로 유도된다. 여기서 애노드 배기는 가스터빈의 배기인 공기와 혼합되고 연소 촉매(15)에 의해 애노드 배기 내의 가연 성분이 연소되며, 온도가 상승한 연소가스는 고온 열교환기(16)에 의해 압축 공기(CA)와 열교환되고 온도가 내려간 연소가스는 캐소드(C)에 공급된다.
캐소드(C)에서는 발전 반응(CO2+1/2O2+2e- → CO3 2 -)에 의해 일부의 CO2와 산소가 소비되어 캐소드(C)로부터 배출된다. 캐소드 배기는 연료 가열기(11)에서 연료측에 열을 가한 후 저온 재생 열교환기(32)로 유도되어 압축 공기의 예열을 실시하고, 이어서 연료 가습기(41)에서 연료측에 열을 가하여 대기에 방출된다.
한편 가스터빈 발전기(27)는 압축기(28)와 터빈(29)과 발전기(30)가 1축으로 연결된 구성으로, 공기(AIR)는 필터(31)를 통해 압축기(28)로 압축되고 압축 공기(CA)는 저온 재생 열교환기(32)로 예열되며 이어서 고온 열교환기(16)로 소정의 온도까지 가열되어 터빈(29)으로 유도된다. 터빈(29)에서는 대기압 가까이까지 팽창하는 과정에서 일하여 배기는 촉매 연소기(14) 및 고온 열교환기(16)를 통해 캐소드에 공급된다. 가스터빈 발전기(27)에서는 터빈(29)의 출력에서 압축기(28)의 동력과 기계 손실을 뺀 축 출력이 발전기(30)에 전달됨으로써 연료전지의 배출열을 이용하여 교류 출력이 얻어진다.
이 시스템은 발전 효율이 높아 그만큼 CO2의 대기 방출량은 저감되지만, 외부로부터 공급되는 도시가스 등의 연료가스로부터 생성되는 CO2는 최종적으로 모두 캐소드 배기 내에 포함되어 대기에 방출된다. 또 MCFC(12)의 배출열을 가스터빈 발전기(27)로 회수하고 있기 때문에 캐소드 배기의 온도는 최종적으로 낮아지므로 그곳에서 증기를 회수할 수는 없다.
도 4는 연소 배기가스로부터 CO2를 분리 회수하는 장치의 구성도이다.
연소 배기가스(CG)는 흡수탑(42)의 하부에서 들어가 상부에서 배출될 때까지의 과정에서 흡수액(LAB)과 접촉되고, 연소 배기가스 내의 CO2는 흡수액(LAB) 내에 흡수된다. CO2를 흡수한 흡수액(RAB)은 펌프(43)로 승압되고 열교환기(44)로 예열된 후, 재생탑(45)의 상부에서 공급되고 낙하하는 과정에서 하부에서 상승해 오는 고온의 가스와 접촉되는 것에 의해 가열되어, 흡수되어 있던 CO2를 방출한다. 재생탑(45)의 하부에는 리보일러(46)가 장비되어 있어 열매체(HM)에 의해 흡수액이 가열되고 CO2나 수증기가 재생탑의 하부에서 상부를 향해 흘러 최종적으로 탑 정상으로부터 CO2 가스(CO2G)가 회수된다. CO2를 방출한 흡수액(LAB)은 펌프(47)로 승압되고 열교환기(44) 및 냉각기(48)로 냉각된 뒤 다시 흡수탑 상부로부터 공급된다.
상기 서술한 CO2 분리 회수 장치를 사용하면 연소 배기가스 내에 포함되는 CO2를 분리·회수할 수 있지만, 리보일러의 열원이나 펌프의 동력 등 에너지 소비가 크며 설비비도 고가이다.
또 본 발명에 관련된 선행기술로서 예를 들어 특허문헌 1, 2가 이미 개시되어 있다.
도 1은 특허문헌 1에 개시된 제3도이다. 이 도면에서 고체 산화물형 연료전지(SOFC)의 애노드 배기 내에 포함되는 가연 성분을 산소로 연소하면 연소가스가 CO2와 H2O가 되는 것을 이용하여 그것을 냉각해서 H2O를 분리하면 CO2를 쉽게 회수할 수 있는 것이 나타나 있다. 따라서 연료전지의 애노드 배기를 산소로 연소한 후 냉각해서 수분을 분리하면 CO2를 회수할 수 있다고 하는 것은 이 특허문헌 1에 의해 이미 공개되어 있다.
한편 모든 탄화수소는 산소로 연소하면 생성물은 이론적으로는 CO2와 H2O가 되는 것은 화학의 원리로 알려져 있다. 연료전지는 연료가스의 산화 공정이며 애노드 배기는 연료가스가 부분 산화된 상태이다. 연료전지에 공급하는 연료가스가 탄화수소 연료이거나 그것에서 도출된 연료가스라면 애노드 배기는 탄화수소 연료를 부분 산화한 것이다. 이것을 산소로 연소하고 냉각하여 물을 제거하면 CO2를 회수할 수 있다.
도 1의 경우 연료전지로서 SOFC를 이용하고 있다. SOFC의 전해질은 산소 이온 도전성을 가지고 있으므로 공기극(캐소드)에 공기를 공급해도 그 속의 산소만 연료극(애노드)으로 이동하고 애노드에서 수소와 반응해 전기가 발생하기 때문에, 애노드 배기 중에는 N2가 포함되는 일은 없다. 따라서 캐소드에는 산소가 아니라 공기를 공급할 수 있기 때문에 산소가 필요한 경우는 애노드 배기를 산소로 연소하기 위해서일 뿐이므로 산소의 소비량을 줄일 수 있다. 그러나 수소이온 도전성을 가지는 인산형 연료전지(PAFC)나 고체 고분자형 연료전지(PEFC)에서도 캐소드에 공기를 공급해도 애노드 배기 내에 질소는 포함되지 않아 애노드 배기를 산소로 연소하면 생성되는 것은 CO2와 H2O이며, 냉각해서 수분을 제거하면 CO2를 회수할 수 있다.
즉 도 1의 경우 연료전지로는 SOFC를 사용하고 그 캐소드에는 공기(120)를 공기 예열기(110)로 예열한 예열 공기(130)를 공급하며 공기 예열기의 열원은 캐소드 배기이다. 또한 연료는 석탄(340)과 산소(350)를 석탄가스화로(310)에서 가스화하고 탈황기(320)로 탈황한 후, 메탄올 합성 촉매층(330)을 통과시켜 그 입구 및 출구에서 수증기를 첨가하고 촉매층을 나온 가스를 애노드(A)에 공급한다. 공급된 연료가스는 연료전지 내에서 내부 개질 반응을 일으키고 생성된 H2나 CO에 의해 발전 반응이 일어난다. 그 결과 애노드(A)로부터 배출되는 가스에 외부에서 산소를 투입하고 그것을 연소기(360)로 유도하고 그 연소가스를 열교환기(200)로 유도하여 그곳에서 물(220)을 증발시켜 그 증기를 연료의 개질용 증기로서 사용한다. 그리고 열교환기(200)로 냉각된 연소가스는 다음에 냉각기(230)로 유도되고 그곳에서 물을 분리하고 남은 가스를 CO2로서 회수한다. 회수한 물은 수증기를 발생시키기 위해 이용한다.
상기 서술한 특허문헌 1에서는 연료전지로서 SOFC만이 대상이며, MCFC에 대해서는 전혀 언급하지 않았다. 이것은 MCFC에서는 발전 원리가 달라 동일한 공정을 사용할 수 없기 때문이다.
한편 도 2는 특허문헌 2에 개시된 도 14에 상당하며 MCFC와 가스터빈과 증기 터빈의 하이브리드 시스템이다. 산화제는 공기가 아니라 산소를 사용하여 CO2 회수를 가능하게 한 시스템이다.
이 시스템의 연료전지는 MCFC이며, 애노드(407)에는 메탄올을 탱크로부터 공급하고 애노드 배기의 리사이클 가스와 혼합해 애노드에 공급하고 있다. 또한 캐소드(406)에는 애노드 배기를 산소로 연소한 연소가스와 가스터빈의 배기가 혼합되어 공급된다. 캐소드 배기는 증기 발생기(408)로 유도되어 증기가 발생한 후 냉각기(410)로 유도되어 수분이 분리된다. 증기 발생기에서 발생한 증기는 증기 터빈(409)으로 유도되어 증기 터빈을 구동해 발전한다. 또 냉각기(410)에서 수분이 분리된 캐소드 배기, 즉 CO2와 O2의 혼합가스는 가스터빈의 압축기(411)로 유도되고, 압축된 가스는 열교환기(413)로 가열되어 연소기(403)로 유도된다. 연소기(403)에는 메탄올과 산소가 공급되고 연소가스는 가스터빈에 공급되어 가스터빈에서 팽창하는 과정에서 일하여 발전한다. 가스터빈의 배기는 캐소드에 공급된다. 한편 애노드 배기는 연소기(412)로 유도되고 연소기에는 산소가 공급되어 애노드 배기 내의 가연 성분이 연소된다. 이 연소가스는 열교환기(413)에서 압축 가스에 열을 가한 후 2 계통으로 나뉘어 1 계통은 냉각기(414)에서 수분이 분리되어 CO2 가스가 회수된다. 다른 1 계통은 캐소드에 공급된다.
특허문헌 1: 일본 특허공개공보 평4-108호, "연소 장치" 특허문헌 2: 일본 특허공개공보 평11-26004호, "발전 시스템" 특허문헌 2에 개시된 시스템은 MCFC와 가스터빈과 증기 터빈의 조합으로 매우 복잡한 시스템이며, 서브시스템이 서로 영향을 주고 있어 운전이나 제어가 어렵고 특히 캐소드의 가스 조성을 자유롭게 변경하거나 할 수 없다. 이하에 특허문헌 2의 시스템에서 해결되지 않은 문제점을 상세하게 서술한다. (1)MCFC의 발전 반응은 이하와 같으며 수소 반응열의 절반 전후가 전기로 바뀌고 나머지가 열이 된다. 캐소드 반응: CO2+1/2O2+2e- → CO32- 애노드 반응: H2+CO32- → H2O+CO2+2e- 전체 반응: H2+1/2O2 → H2O 따라서 연료전지는 발전 반응에 따른 발열에 맞는 냉각이 필요하며, 외부 개질형 MCFC의 경우에는 캐소드 가스와 애노드 가스의 현열로 냉각하고 내부 개질형의 경우는 캐소드 가스, 애노드 가스의 현열뿐만 아니라 개질 반응에 의해서도 냉각하고 있다. 따라서 캐소드를 흐르는 가스의 유량과 입구, 출구의 온도는 연료전지의 열 균형에 의해 결정되어 버린다. 캐소드에는 가스터빈의 배기가 공급되고 캐소드 배기는 수분이 분리된 후 가스터빈의 압축기에 공급되고 메탄올과 산소가 첨가되며 연소가스는 가스터빈에 공급된다. 즉 캐소드와 가스터빈은 일체적이며 개별적으로 자유롭게 조정할 수는 없다. 캐소드를 흐르는 가스의 양과 캐소드의 입구, 출구의 온도를 연료전지의 열 균형이 잡히도록 유지하는 것은 상당히 어렵다. 한편 캐소드의 발전 반응에 의해 소비되는 CO2와 O2의 양에 일치하는 양이 외부에서 보급되어야 한다. CO2는 메탄올로부터, 그리고 애노드 배기를 산소로 연소한 가스의 리사이클에 의해 보급되고 있는데 이 양은 엄밀하게 발전 반응량에 일치해야 한다. 메탄올과 산소의 양은 캐소드 입구의 온도를 결정하는 동시에 CO2 균형도 결정하게 되므로 이 조건을 만족시키는 것은 상당히 어렵다. 그리고 캐소드 가스 순환계에는 퍼지 라인이 없기 때문에 메탄올에서 생성되는 CO2의 양이 발전 반응량을 초과할 수 없고 산소도 발전 반응에서 소비되는 이상의 양을 넣을 수 없으며, 애노드 배기의 연소가스에서 들어가는 CO2 및 O2의 양과 메탄올의 연소기에서 오는 CO2 및 O2의 합계가 항상 발전 반응에 의해 소비되는 양과 엄밀하게 일치하고 있어야 한다. 한편 메탄올의 연소에 의해 결정되는 가스터빈의 입구 온도로 가스터빈의 출구 온도, 즉 캐소드 입구 온도도 결정되므로 CO2 균형과는 별도로 메탄올 유량을 결정하는 요인이 존재한다. 이 조건들이 만족되는 조건에서만 연료전지와 가스터빈 양쪽을 운전할 수 있다. 그리고 발전 부하를 정격 100%에서 예를 들어 50%로 내리려고 하면 연료전지에서 생긴 발열은 절반 이하로 내려가고, 캐소드의 입구, 출구의 온도를 일정하게 하면 가스터빈을 흐르는 유량은 절반 이하로 해야 한다. 또 유량에 따라 가스터빈의 압력비도 변화하므로 캐소드 입구 온도를 일정하게 유지하기 위해서는 메탄올의 양, 즉 연소 온도를 유량에 대응하여 변경해야 한다. 한편 발전 반응에 의해 소비되는 CO2의 양은 절반 이하가 되므로 메탄올의 양도 절반 이하로 해야 한다. 이상과 같이 연료전지의 열 균형을 좌우하는 캐소드 가스의 순환량, 캐소드의 입구, 출구 온도 및 CO2 균형을 모두 만족시키면서 가스터빈과 연료전지를 모두 운전하고 그 부하도 자유롭게 변경하는 것은 매우 어렵다. (2)캐소드의 산화제로서 산소를 사용하는 경우에는 단순히 CO2만 회수할 수 있는 것뿐만 아니라 캐소드의 CO2나 O2의 분압을 높여 연료전지의 전압을 높일 수 있고, 그 결과 연료전지의 출력이 커지고 발전 효율도 향상된다. 이 메리트는 살려야 한다. 그러나 한편으로는 MCFC에서 니켈 단락이라고 하는 문제가 생기고, 캐소드의 CO2 분압을 높게 하면 연료전지의 수명이 짧아진다고 하는 문제가 있다. 니켈 단락이란 캐소드를 구성하고 있는 산화 니켈이 전해질 내에 이온의 형태로 녹아 나와(NiO+CO2 → Ni2++CO32-) 그것이 수소로 환원되고, 그 결과 전해질판 내에서 금속 니켈이 석출되는 현상(Ni2++H2+CO32- → Ni+H2O+CO2)을 말하며, 니켈의 석출량이 증가하면 절연체가 아니면 안 되는 전해질판의 애노드, 캐소드 사이가 도통되게 되어 연료전지로서는 치명적인 문제이다. 이 니켈 단락을 방지하면서 연료전지의 전압을 조금이라도 높이기 위해서는 캐소드의 가스 조성을 자유롭게 컨트롤할 수 있어야 하는데, 도 2에 개시된 시스템에서는 연료전지의 열 균형과 CO2 균형을 만족시키면서 캐소드의 CO2 및 O2 농도를 자유롭게 변경한다고 하는 것은 실질적으로 불가능하다고 생각된다. (3)애노드에는 연료로서 메탄올을 공급하고 있지만 개질에 필요한 증기는 외부에서 전혀 공급하지 않으며 모든 것을 애노드 배기의 리사이클에 의해 준비하고 있다. 애노드 배기에는 H2O 이외에 대량의 CO2가 포함되어 있어 CO2도 리사이클되므로 애노드의 수소 분압이 내려가고 그로 인해 연료전지의 전압이 내려가므로 발전 효율이 저하된다. 그리고 연료인 메탄올은 MCFC용뿐만 아니라 가스터빈용으로도 공급하지 않으면 운전할 수 없는 시스템으로, 발전 효율이 가장 높은 MCFC에만 연료를 공급하는 시스템과 비교해 발전 효율이 낮아진다. 특히 도 2에 개시된 시스템에는 기재된 바가 없지만, 산소를 공급하기 위해서는 산소 플랜트가 필요하고 그 산소 소비량도 연료전지용 메탄올과 가스터빈용 메탄올 양쪽을 연소하는 양이 필요하여 소비동력이 매우 커지는 것이 발전 효율을 떨어뜨리는 큰 요인이 된다. MCFC는 산소를 사용함으로써 발전 효율을 높일 수 있는 요인도 있지만, 가스터빈은 가스터빈을 흐르는 유량과 입구 온도와 압력비로 결정되므로 산소를 사용하는 메리트는 특별히 없기 때문에 가스터빈용에 상당하는 산소 플랜트의 소비동력은 발전 효율을 떨어뜨리는 요인이 된다. (4)도 2에 개시된 시스템에서는 열을 전혀 회수하지 않고 연료가 가진 에너지 중 그 가능한 한 대부분을 전력으로 변환하려고 하고 있어 이것은 대형 상용 발전 설비로서의 용도를 고려한 것이라 생각되지만, 열과 전력 모두를 요구하는 중소형 분산 전원에는 적합하지 않다. 그리고 분산 전원에서는 부하 변화도 요구되고 필요로 하는 열과 전기의 비율은 일정하지 않으며 이른바 열전가변 운전도 요구된다. 그러나 도 2는 시스템 전체가 일체적이며 부하 변화, 열전가변 운전, 캐소드 가스 조성의 조정 등을 하기 위한 시스템의 유연성이 부족하다고 생각된다.
본 발명은 상기 서술한 종래의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것이다. 즉 본 발명의 목적은 통상의 발전 설비에 대해 부가하는 설비를 최소화하여 CO2의 대기 방출을 큰 폭으로 삭감하거나 실질적으로 방출하지 않고 동시에 높은 발전 효율 및 열회수 효율을 얻을 수 있는 MCFC 발전 시스템과 그 운전 방법을 제공하는 것에 있다. 즉 본 발명의 목적은 실질적으로 CO2의 대기 방출이 없고 발전 효율 및 열회수 효율이 높은 MCFC 발전 시스템과 그 운전 방법을 제공하는 것에 있다. 본 발명의 목적은 또한 캐소드의 가스 조성을 조정함으로써 연료전지의 전압 및 출력을 어떤 범위에서 조정할 수 있고 열과 전기의 비율도 크게 변경할 수 있으며, 이른바 열전가변 운전이 가능한 MCFC 발전 시스템과 그 운전 방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명에 의하면, 애노드와 캐소드를 갖는 용융탄산염형 연료전지에 연료가스를 공급하는 연료가스 공급 계통을 포함하는 MCFC 발전 시스템으로서
상기 연료가스 공급 계통은, 프리컨버터로 전처리된 혼합가스를, 상기 연료전지의 애노드 배기에 의해 가열하여 상기 연료전지에 공급하는 연료 가열기와, 상기 연료 가열기 출구의 애노드 배기의 일부가 공급되어, 애노드 배기를 순환시키는 애노드 배기 순환 블로어와, 상기 애노드 배기 순환 블로어의 출구 가스와 상기 연료가스와 개질용 수증기를 혼합한 혼합가스가 공급되는 촉매층을 갖는 상기 프리컨버터를 구비하는 것을 특징으로 하는 MCFC 발전 시스템이 제공된다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 의하면, 상기 연료가스 공급 계통에 있어서, 상기 프리컨버터의 운전온도가 250~450℃ 범위가 되도록 상기 애노드 배기 순환 블로어의 출구에서 상기 프리컨버터에 공급되는 애노드 배기의 양이 제어되도록 했다.
또 본 발명에 의하면, 애노드와 캐소드를 갖는 용융탄산염형 연료전지의 캐소드 배기를 상기 연료전지의 캐소드 입구에 순환하는 캐소드 가스 순환 계통을 포함하는 MCFC발전 시스템으로서,
상기 캐소드 가스 순환 계통은 2 계통으로 나누어진 상기 연료전지의 캐소드 출구의 1 계통이 접속되는 퍼지 라인과, 2 계통으로 나누어진 상기 연료전지의 캐소드 출구의 다른 1 계통이 접속되는 체크 밸브와, 흡입측이 상기 체크 밸브의 하류에 접속되고, 토출측이 상기 연료전지의 캐소드 입구에 접속되어, 상기 캐소드 가스를 순환시키는 캐소드 가스 순환 블로어와, 상기 체크 밸브와 상기 캐소드 가스 순환 블로어 사이에 접속되어, 상기 캐소드 가스에 산소를 공급하는 산소 보급 라인과, 상기 체크 밸브와 상기 캐소드 가스 순환 블로어 사이에 접속되어, 상기 캐소드 가스에 CO2를 공급하는 CO2 보급 라인을 구비하는 것을 특징으로 하는 MCFC 발전 시스템이 제공된다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 의하면, 상기 캐소드 가스 순환 계통에 있어서, 상기 CO2 보급 라인에 CO2의 온도를 조절함으로써 상기 캐소드 가스에 산소와 CO2를 보급·혼합한 후의 상기 캐소드 가스의 캐소드 입구 온도를 조절가능한 열교환기를 구비하도록 했다.
또 본 발명에 의하면, 애노드와 캐소드를 갖는 용융탄산염형 연료전지의 애노드 배기 계통을 포함하는 MCFC 발전 시스템으로서,
상기 애노드 배기 계통은 애노드 배기로부터 에너지를 회수하는 에너지 회수 시스템을 포함하며, 상기 에너지 회수 시스템은, 상기 연료전지의 애노드 배기와 산소 공급 라인에서 보내진 산소와, 연소가스 리사이클 라인에서 보내진 리사이클 연소가스를 혼합하는 믹서와, 상기 믹서의 출구의 혼합가스가 유도되어, 상기 혼합가스에 포함되는 가연 성분을 산소로 연소하는 산화촉매를 갖는 촉매 산화기와, 상기 촉매 산화기를 나온 연소가스에 의해 압축 공기를 가열하는 열교환기와, 상기 열교환기를 나온 연소가스에 의해 리사이클 CO2를 가열하는 CO2 가열기와, 상기 CO2 가열기에서 나온 연소가스가 공급되어, 배출열을 회수하는 제1의 배출열 회수 보일러와, 상기 제1의 배출열 회수 보일러에서 나오는 냉각된 연소가스를 상기 믹서로 보내는 연소가스 리사이클 블로어를 구비하는 것을 특징으로 하는 MCFC 발전 시스템이 제공된다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 의하면, 1축으로 연결된 압축기와 터빈과 발전기를 갖는 가스터빈 발전기를 더 구비하고, 상기 촉매 산화기에서 보내진 고온 연소가스로부터 상기 열교환기를 통해 열을 받은 압축 공기가 상기 터빈에 공급된다.
또한 상기 터빈의 배기에 의해 상기 압축 공기를 가열하는 재생 열교환기와, 상기 재생 열교환기를 나온 상기 터빈의 배기가 유도되어 상기 터빈의 배기 열에 의해 증기를 발생하는 제2의 배출열 회수 보일러를 더 구비하고, 상기 제2의 배출열 회수 보일러에서 개질에 필요한 증기를 발생시키도록 상기 재생 열교환기의 출구 온도가 제어되도록 했다.
또 상기 촉매 산화기의 출구 온도를 일정하게 하기 위해 상기 연소가스 리사이클 블로어의 회전수가 제어되도록 했다.
또 상기 제1의 배출열 회수 보일러가 증발부와 급수 가열부를 가지며, 상기 제1의 배출열 회수 보일러의 상기 증발부의 출구와 상기 열교환기의 출구에 접속된 댐퍼를 더 구비하고, 상기 댐퍼가 상기 연소가스 리사이클 블로어에 공급하는 연소가스를 상기 제1의 배출열 회수 보일러의 상기 증발부로부터 공급할지, 상기 열교환기로부터 공급할지를 전환 가능하다.
또 본 발명에 의하면, 상기의 MCFC 발전 시스템을 운전하는 방법으로서, 연소가스의 리사이클 위치를 저온부에서 고온부로 전환하고 그에 따라 상기 열교환기를 통과하는 연소가스 유량을 증대시키고 상기 압축 공기에 부여하는 열량을 증대시킴으로써 상기 가스터빈 발전기의 출력을 증대시키고, 상기 제1의 배출열 회수 보일러에서의 증기 발생량을 저감시키는 것을 특징으로 하는 MCFC 발전 시스템의 운전 방법이 제공된다.
또 본 발명에 의하면, 상기 MCFC 발전 시스템을 운전하는 방법으로서, 상기 촉매 산화기 출구 온도의 설정치를 서서히 저하시킴으로써 상기 연소가스 리사이클 블로어의 순환 유량을 서서히 증대시켜 그에 따라 상기 촉매 산화기의 출구 온도를 낮추어 상기 열교환기를 통해 압축 공기에 부여되는 열량을 저감시켜 상기 가스터빈 발전기의 출력을 저감시키고, 상기 제1의 배출열 회수 보일러의 발생 증기량을 증대시키는 것을 특징으로 하는 MCFC 발전 시스템의 운전 방법이 제공된다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 의하면, 상기 가스터빈 발전기의 출력이 제로 부근일 때 개질용 수증기의 공급을 상기 가스터빈 발전기측의 상기 제2의 배출열 회수 보일러에서 연소가스측의 상기 제1의 배출열 회수 보일러로 전환하고, 이어서 상기 가스터빈 발전기를 정지시켜 상기 제1의 배출열 회수 보일러의 발생 증기량을 최대로 한다.
또 본 발명에 의하면, 상기의 MCFC 발전 시스템을 운전하는 방법으로서, 상기 연료전지의 경시적인 전압 열화에 대응하여 상기 캐소드 가스 순환 계통으로부터 상기 연료전지의 캐소드에 공급되는 캐소드 가스의 CO2 및 O2 농도를 전압 열화분만큼 높이는 것을 특징으로 하는 MCFC 발전 시스템의 운전 방법이 제공된다.
(1)상기 본 발명의 구성에 의하면, 캐소드 가스 순환 계통을 가지며, 캐소드 가스는 캐소드 가스 순환 블로어로 순환되고 있으며 폐루프를 형성하고, 발전 반응에 의해 소비되는 산소는 산소 공급 플랜트에서 보급되며 CO2는 리사이클 CO2로 보급되고 있으므로 캐소드 순환 가스는 그 양도 조성도 필요한 상태로 유지할 수 있어 기본적으로 캐소드 가스 순환계로부터는 배기가 없다. 따라서 실질적으로는 CO2를 대기 방출하지 않는 발전 설비 또는 최대한 저감시킨 발전 설비라고 할 수 있다.
(2)한편 애노드 배기 내의 가연 성분을 산소로 연소하고 냉각하여 물을 제거하면 CO2만 남고 그 일부는 캐소드에 리사이클되고 나머지는 고농도 CO2 가스로서 대부분 회수되기 때문에, 애노드로부터 CO2가 대기로 방출되는 일은 거의 없어진다.
(3)애노드 배기 내의 연료가스를 리사이클 사용함으로써 외부에서 공급하는 연료가스의 공급량을 줄일 수 있다.
또한 본 발명에서는 고온의 애노드 배기의 일부와 혼합하는 것에 의해 연료가스 및 개질용 수증기의 온도를 프리컨버터의 운전온도로까지 올릴 수 있어 연료 가습기가 불필요해진다.
그리고 애노드 배기 내에는 애노드의 발전 반응으로 생성된 수증기가 포함되어 있기 때문에 새로 공급하는 개질용 수증기의 양을 현저하게 저감시킬 수 있다.
(4)개질용 수증기의 공급량을 현저하게 저감시킬 수 있기 때문에 저온 재생 열교환기를 나온 터빈 배기로부터 저압의 수증기를 발생시키면 개질용 수증기의 공급은 여기에서만 준비할 수 있다.
한편 애노드 배기를 산소로 연소한 연소가스의 계통에서는 종래 필요했던 연료 가습기가 불필요해졌기 때문에 잉여 열량은 모두 고압 증기의 발생에 사용할 수 있어 회수 수증기량이 현저하게 증대되어 종합 열효율을 현저하게 높일 수 있다.
(5)본 발명의 MCFC는 내부 개질형이며 애노드 배기의 일부와 외부로부터 공급하는 도시가스 등의 연료가스를 혼합하고 개질용 수증기를 더해 하나의 개질 촉매층을 통과시킴으로써 개질 반응과 메탄화 반응을 동시에 진행시킬 수 있고, 흡열 반응과 발열 반응이 동시에 진행되기 때문에 서로 온도 변화가 완화되어 반응 온도를 목적으로 하는 온도로 유지하는 것이 용이해진다.
(6)가스터빈의 매체는 공기이며 배기에 의해 대기를 오염시키는 일 없다. 또 가스터빈을 운전하고 있을 때에는 전기 출력이 많아지지만 정지시키면 배출열 회수가 커지므로 열전비 가변 운전이 가능해진다.
(7)MCFC의 캐소드에 공급하는 산화제로서 공기가 아니라 산소를 공급하는 경우에는 단순히 CO2 를 회수할 수 있는 것뿐만 아니라 캐소드의 CO2 및 O2 농도를 높여 연료전지의 전압을 높일 수 있다. 이것에 의해 연료전지의 출력을 높여 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 특허문헌 1에 개시된 발전 시스템의 구성도이다.
도 2는 특허문헌 2에 개시된 발전 시스템의 구성도이다.
도 3은 종래형의 MCFC 발전 시스템의 전체 구성도이다.
도 4는 연소 배기가스로부터 CO2를 분리 회수하는 장치의 구성도이다.
도 5는 본 발명의 MCFC 발전 시스템의 전체 구성도이다.
도 6은 도 5의 캐소드 가스 순환 계통의 상세도이다.
도 7은 도 5의 연료가스 공급 계통의 상세도이다.
도 8은 도 5의 에너지 회수 시스템의 상세도이다.
도 9는 연소가스 리사이클량과 가스터빈의 입구 온도 및 출력의 관계도이다.
도 10은 전압 일정 운전시의 데이터이다.
이하에 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하면서 설명한다. 각 도면에 있어서 공통되는 부분에는 동일한 부호를 붙이고 중복 설명을 생략한다.
도 5는 본 발명의 MCFC 발전 시스템의 전체 구성도이다.
외부로부터 공급하는 도시가스 등의 연료가스(FG)는 탈황 장치(1) 내의 탈황제(2)로 탈황되고 필터(3)를 통해 프리컨버터(9)에 공급되는데, 그 도중에 애노드 배기의 일부가 고온인 상태로 혼합된다. 이어서 외부로부터 공급되는 도시가스 등의 연료가스에 맞는 개질용 수증기와 혼합되어 프리컨버터 내에 설치된 개질 촉매층(10)을 통과하는 과정에서 외부로부터 공급된 도시가스 등의 연료가스에 포함되는 에탄 이상의 중질 성분이 개질되는 동시에, 리사이클되는 애노드 배기가스 내의 H2, CO, CO2는 반대로 메탄화 반응을 일으킨다.
외부로부터 공급되는 도시가스 등의 연료가스와 애노드 배기의 일부와 개질용 수증기의 혼합 순서는 도 5에 기재된 것과 동일하거나 애노드 배기의 일부와 개질용 수증기를 혼합한 후에 도시가스 등과 혼합함으로써 드레인의 발생을 방지하는 것이 바람직한데, 혼합 장소는 도 5에서는 배관에서 혼합하도록 기재하고 있지만 배관 도중에 믹서를 설치하는 방법이나 프리컨버터 내에서 혼합하는 방법이 있으며, 어느 방법으로든 도 5는 이들 중 한 예를 나타내고 있는 것에 지나지 않는다.
프리컨버터에서 나온 가스는 연료 가열기(11)로 유도되고 애노드 배기에 의해 연료전지의 운전온도보다 약간 낮은 온도까지 가열되어 연료전지(12)에 공급된다. 연료전지(12)는 내부 개질형 MCFC로 개질기(38)가 연료전지 내부에 장착되어 있으며 연료가스는 연료전지 내에서 개질되어 MCFC의 연료가 되는 H2나 CO가 생성된다.
도 3에 나타낸 종래형의 MCFC-가스터빈 하이브리드 시스템에서는 생성된 H2+CO의 약 70% 정도가 발전 반응(H2+CO3 2 - → H2O+CO2+2e-)에서 소비되고 나머지는 애노드 배기로서 촉매 연소기에서 가연 성분이 연소되지만, 본 발명에서는 애노드 배기의 일부를 리사이클하고 있으므로 연료이용률을 80% 이상으로까지 높일 수 있으며, 그로 인해 외부로부터 공급되는 도시가스 등의 연료가스 및 개질용 수증기의 공급량을 줄일 수 있다.
어쨌든 연료가스 내의 H2나 CO의 일부는 발전 반응에서 소비되고 나머지는 애노드 배기로서 연료전지로부터 배출된다. 연료전지에서는 직류의 전기가 발생하므로 이것을 인버터(37)를 이용해 교류로 변경하여 출력한다.
애노드 배기는 연료 가열기(11)로 프리컨버터 출구 가스에 열을 가한 후 일부는 애노드 배기 순환 블로어(8)로 승압되어 외부로부터 공급되는 도시가스 등의 연료가스와 혼합된다. 나머지는 믹서(13)로 산소 및 리사이클 연소가스(RCG)와 혼합되어 촉매 연소기(14)로 유도된다.
촉매 연소기(14)에는 연소 촉매층(15)이 형성되어 있으며, 이것에 의해 애노드 배기 내의 가연 성분은 연소된다. 촉매 연소기(14)에서 나온 연소가스는 고온 열교환기(16)로 유도되어 압축 공기(CA)를 터빈 입구 온도까지 가열한다. 이어서 CO2 가열기(17)로 리사이클 CO2인 RCO2에 열을 가하여 배출열 회수 보일러(18)로 유도한다. 배출열 회수 보일러(18)는 증발부(EVA)와 급수 가열부(ECO)로 구성되어 있으며 열원은 같은 연소가스이지만 리사이클 연소가스(RCG)는 배출열 회수 보일러(18)의 증발부의 출구에서 분기되므로, 증발부와 급수 가열부에서는 연소가스의 유량이 다르다.
또한 도 5에서는 연소가스를 리사이클하는 위치를 배출열 회수 보일러의 증발부 출구로 하고 있지만 CO2 가열기(17)의 출구 또는 고온 열교환기(16)의 출구로 하는 것도 가능하고, 리사이클 위치가 고온이 될수록 발전 효율은 높아지지만 배출열 회수 효율은 내려가므로 각각의 특징을 가지고 있다.
리사이클 연소가스는 연소가스 리사이클 블로어(19)로 승압되어 믹서(13)에 보내진다. 도 5에서는 산소 라인 상에서 혼합하도록 기재하고 있지만 애노드 배기와 산소와 리사이클 연소가스의 혼합은 믹서(13)로 실행하는 방법이나 그 외의 방법이 있으며, 도 5는 특정하는 의미로 작성한 것은 아니다.
배출열 회수 보일러(18)의 급수 가열부에서 나온 연소가스는 쿨러(20)로 냉각되고 KO 드럼(21)에서 응축수가 분리된다. KO 드럼(21)에서 나온 가스는 거의 CO2 가스라고 할 수 있는 것인데, 필요에 따라 온도를 더 낮추어 수분을 제거하는 제습 시스템(22)으로 유도된다. 제습 시스템(22)은 냉동기(23), 열교환기(24), KO 드럼(25)으로 구성되어 있다.
KO 드럼(25)에서 나온 CO2 가스는 CO2 농도가 95% 정도로까지 높여져 있다. 그 일부는 CO2 리사이클 블로어(26)에 의해 승압되고 CO2 가열기(17)로 예열된 후 캐소드 가스 순환계에 보급된다. 나머지 CO2 가스는 고농도인 상태로 고농도 CO2 회수 장치(70)에 의해 회수되어 대기로는 거의 방출되지 않는다.
한편 캐소드 가스 순환계는 캐소드 가스 순환 블로어(36)로 순환되는 폐사이클을 형성하고 있으며 캐소드의 발전 반응(CO2+1/2O2+2e- → CO3 2 -)에 의해 소비되는 산소는 산소 공급 플랜트(33)에서 보급된다. 도 5에서 산소 공급 플랜트(33)는 공기 압축기(34)와 분리 장치(35)의 구성으로 되어 있지만 산소 공급 플랜트에는 PSA(Pressure Swing Adsorber), 액화 분리 등 몇 종의 방식이 있으며, 본 발명은 산소 공급 플랜트의 상세를 특정하는 것은 아니다.
한편 발전 반응에 의해 소비되는 CO2에 대해서는 이미 기재한 바와 같이 애노드 배기를 산소로 연소하고 냉각·제습한 리사이클 CO2를 예열한 후 캐소드 가스 순환계에 보급한다. 캐소드 가스의 온도는 연료전지에서의 발전 반응에 수반되는 발열로 인해 입구보다 출구 온도가 높아지지만, 상온 가까이의 산소와 250∼450℃로 예열한 리사이클 CO2의 혼합에 의해 입구 온도로 조절할 수 있다. 이 온도 제어는 CO2 가열기(17)의 출구 온도를 제어하는 것에 의해 제어한다.
이상이 본 발명의 MCFC 발전 설비 부분의 기본 구성인데 본 발명은 여기에 공기를 작동 매체로 하는 가스터빈 발전기가 부가되어 있다.
필터(31)를 통해 공기는 가스터빈 발전기(27)의 압축기(28)로 유도되고 압축된 공기(CA)는 재생 열교환기(32)로 터빈(29)의 배기에 의해 먼저 가열되고 이어서 고온 열교환기(16)에 의해 애노드 배기의 연소가스(CG)와 열교환되며 터빈 입구 온도까지 온도상승된 압축 공기는 터빈(29)으로 유도된다. 터빈(29)에서 대기압 가까이의 압력까지 팽창하는 과정에서 일하여 발전기(30)에 의해 교류 출력으로서 추출된다. 또 터빈 배기는 재생 열교환기(32)로 유도되어 그 곳에서 압축 공기에 열을 가하고 이어서 배출열 회수 보일러(7)로 유도된다. 배출열 회수 보일러(7)에서는 개질에 필요한 저압 증기가 발생되고 배출열 회수 보일러에서 나온 터빈 배기는 대기에 방출된다.
이상이 본 발명의 기본 시스템 구성이지만, 각 서브시스템의 상세한 사항에 대해서는 후술하는 도 6∼도 10을 사용하여 그 구성, 용도, 효과 등에 대해 설명한다.
상기 서술한 본 발명의 MCFC 발전 시스템은 아래와 같은 효과를 가진다.
(1)캐소드 가스는 캐소드 가스 순환 블로어로 순환되고 있으며 폐루프를 형성하고 있다. 발전 반응(CO2+1/2O2+2e- → CO3 2 -)에 의해 소비되는 산소는 산소 공급 플랜트에서 보급되고 CO2는 리사이클 CO2로 보급되고 있으므로, 캐소드 순환 가스는 그 양도 조성도 필요한 상태로 유지할 수 있어 기본적으로 캐소드 가스 순환계로부터는 배기가 없다. 단, 보급하는 산소나 CO2에 불순물이 포함되어 있는 경우에는 일정한 퍼지가 필요하다. 그러나 산소에 포함되는 질소나 CO2에 포함되는 H2O의 양은 적고 이 CO2의 일부는 캐소드에 리사이클되고 나머지는 고농도 CO2 가스로서 대부분 회수되기 때문에, 애노드로부터 CO2가 대기로 방출되는 일은 거의 없어진다.
(2)한편 캐소드에서 생성된 탄산 이온(CO3 2 -)은 전해질 내를 통과하여 애노드에 도달해 애노드의 발전 반응(H2+CO3 2 - → H2O+CO2+2e-)에 의해 애노드에서 CO2가 생성된다. 애노드 배기 중에는 CH4, H2, CO, CO2, H2O가 포함되어 있지만, 가연 성분을 산소로 연소하면 CO2와 H2O가 되고 냉각해서 물을 제거하면 CO2만 남게 된다. 단, 산소 중에 질소가 포함되어 있는 경우에는 CO2 안에 미량의 질소가 포함되며 산소가 과잉 도입된 경우에는 미량의 산소도 포함된다. 그리고 CO2는 냉각해서 수분을 제거해도 완전하게는 제거할 수 없는 점에서 CO2 안에는 미량의 질소, 산소, 수증기 등이 포함되게 되는데, 이 불순물은 리사이클하는 경우에도 회수하는 경우에도 특별히 해가 되지는 않는다. 이 CO2의 일부를 회수하고 나머지는 캐소드에 리사이클하므로 애노드로부터 CO2가 대기로 방출되는 것은 제로이다.
(3)또 도 3의 종래 시스템에서는 애노드 배기 중에는 아직 연료가스가 30% 가까이 남아 있고 그 전량을 공기로 연소하여 그 열을 가스터빈의 열원으로서 동력 회수함으로써 시스템 전체로서의 발전 효율을 높이고 있었다.
본 발명에서는 애노드 배기의 일부를 리사이클하고 외부로부터 공급하는 도시가스 등의 연료가스 및 개질용 수증기와 혼합하여 애노드 배기 내의 연료가스를 리사이클 사용함으로써 외부로부터 공급하는 연료가스의 공급량을 줄일 수 있다.
또 도 3의 종래 시스템에서는 외부로부터 공급하는 도시가스 등 연료가스의 예열과 개질용 수증기의 발생 및 그 예열을 위해 연료 가습기가 필요했지만, 본 발명에서는 고온의 애노드 배기의 일부와 혼합하는 것에 의해 연료가스 및 개질용 수증기의 온도를 프리컨버터의 운전온도로까지 올릴 수 있으므로 연료 가습기가 필요 없어진다.
그리고 애노드 배기 내에는 애노드의 발전 반응으로 생성된 수증기가 포함되어 있기 때문에 새로 공급하는 개질용 수증기의 양을 현저하게 저감시킬 수 있다. 외부로부터 공급하는 도시가스 등 연료가스가 줄어들고 있는 것도 개질용 수증기의 공급량을 저감시킬 수 있는 요인으로 되어 있다.
(4)도 5에 나타내는 본 발명의 시스템으로 애노드 배기의 일부를 리사이클하지 않는 경우를 생각해 보면, 저온 재생 열교환기에서 나온 터빈 배기는 온도도 낮아 열원으로서 거의 유효 이용할 수 없었지만 애노드 배기의 일부를 리사이클하는 것에 의해 개질용 수증기의 공급량을 현저하게 저감시킬 수 있었기 때문에, 저온 재생 열교환기에서 나온 터빈 배기로부터 저압의 수증기를 발생시키면 개질용 수증기의 공급은 여기에서만 준비할 수 있게 되었다.
한편 애노드 배기를 산소로 연소한 연소가스의 계통에서는 종래 필요했던 연료 가습기가 필요 없어졌기 때문에 잉여 열량은 모두 고압 증기의 발생에 사용할 수 있어 회수 수증기량이 현저하게 증대했다. 이 고압 수증기는 도 5에 나타내는 본 발명의 시스템 밖에서 사용할 수 있으므로 종합 열효율이 현저하게 높아졌다.
(5)본 발명의 MCFC는 내부 개질형으로 연료전지의 냉각을 위해 흡열 반응인 개질 반응(CH4+H2O → CO+3H2)을 이용하고 있다. 따라서 연료전지에 공급하는 연료가스 내의 메탄 농도가 높은 것이 바람직하다. 그러나 애노드 배기 내의 주성분은 H2, CO, CO2, H2O로 메탄은 거의 포함되지 않는다. 따라서 개질 반응의 역반응인 메탄화 반응(CO2+4H2 → CH4+2H2O)을 진행시킬 필요가 있다.
이 반응은 동일한 개질 촉매로 온도를 조정하여 달성할 수 있지만, 메탄화 반응은 발열 반응에서 애노드 배기의 일부를 단독으로 메탄화시키면 온도가 너무 올라가 평형상 메탄 농도가 높아지지 않을 뿐만 아니라, 온도가 너무 높아지면 촉매를 열화시켜 버린다. 한편 외부로부터 공급하는 도시가스 등의 연료가스에는 메탄 말고도 에탄, 프로판, 부탄 등이 포함되어 있어 개질 온도가 낮은 경우는 에탄 이상의 중질 성분은 거의 개질되지만 메탄은 거의 개질되지 않는다. 이 개질 반응은 흡열 반응이며 단독으로 진행하기 위해서는 미리 예열할 필요가 있다.
따라서 애노드 배기의 일부와 외부로부터 공급하는 도시가스 등의 연료가스를 혼합하고 개질용 수증기를 더해 하나의 개질 촉매층에 통과시킴으로써 개질 반응과 메탄화 반응을 동시에 진행시킬 수 있고, 흡열 반응과 발열 반응이 동시에 진행되기 때문에 온도 변화가 서로 완화되어 반응 온도를 목적으로 하는 온도로 유지하는 것이 용이해진다. 이 과정에서 가스의 예열이나 반응기의 냉각과 같은 조작은 불필요하다.
외부로부터 공급하는 도시가스 등의 연료가스는 상온이며 이것과 포화 수증기를 혼합하면 드레인이 발생하므로, 고온 애노드 배기의 일부와 연료가스를 혼합한 후 수증기를 혼합하거나 고온 애노드 배기의 일부와 수증기를 혼합한 후 연료가스를 혼합함으로써 드레인이 발생하는 일 없이 혼합할 수 있다.
(6)가스터빈의 매체는 공기라서 배기에 의해 대기를 오염시키는 일은 없고 MCFC 발전 시스템으로부터 열교환기를 통해 열을 받고 있을 뿐이므로, 가스터빈이 정지되어도 MCFC 발전 시스템의 운전은 계속할 수 있다. 따라서 가스터빈을 운전하고 있을 때는 전기 출력이 많아지지만 정지시키면 배출열 회수가 커지므로 열전비 가변 운전이 가능해진다. 이 전환의 과정으로서 연소가스의 리사이클량을 늘리고 촉매 산화기 출구 온도를 내림으로써 고온 열교환기의 교환 열량을 줄이고 가스터빈의 출력을 내리는 동시에 배출열 회수 보일러에서의 증기 발생량을 늘릴 수 있어 그 최종 형태가 가스터빈의 정지이다. 이 상세한 사항에 대해서는 실시예 내에서 기술한다.
(7)MCFC의 캐소드에 공급하는 산화제로서 공기가 아니라 산소를 공급하는 경우에는 단순히 CO2를 회수할 수 있는 것 뿐만 아니라 캐소드의 CO2 및 O2 농도를 높임으로써 연료전지의 전압을 높일 수 있다. 이것에 의해 연료전지의 출력을 높여 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
그러나 한편으로는 MCFC에는 니켈 단락이라고 하는 문제가 있어 캐소드의 CO2 분압을 높게 하면 연료전지의 수명이 짧아진다고 하는 문제가 있다. 니켈 단락이란 캐소드를 구성하고 있는 산화 니켈이 전해질 내에 이온의 형태로 녹아 나와(NiO+CO2 → Ni2 ++CO3 2 -) 그것이 수소로 환원되고, 그 결과 전해질판 내에서 금속 니켈이 석출하는 현상(Ni2 ++H2+CO3 2 - → Ni+H2O+CO2)을 말하며, 니켈의 석출량이 증가하면 절연체가 아니면 안 되는 전해질판의 애노드, 캐소드 사이가 도통되게 되어 연료전지로서는 치명적인 문제이다.
이것을 방지하면서 연료전지의 전압을 조금이라도 높이기 위해서는 캐소드의 가스 조성을 자유롭게 컨트롤할 수 있어야 하는데, 본 발명의 캐소드 가스 순환 계통은 다른 서브시스템과는 완전하게 독립된 폐루프이며 캐소드의 가스 조성을 자유롭게 조정할 수 있음과 동시에 가스 조성의 변화가 다른 서브시스템에 영향을 주는 일도 없다.
연료전지의 전압이 높아지면 연료전지에서의 발열이 줄어들어 연료전지의 냉각은 그만큼 적어도 되지만, 캐소드의 순환 가스량은 블로어의 회전수를 변경하는 것에 의해 용이하게 증감시킬 수 있으므로 연료전지의 열 균형을 생각해도 캐소드 가스의 CO2 및 O2 농도를 니켈 단락을 고려하면서 용이하고 정확하게 조정할 수 있다. 이것에 대해서는 실시예 내에서 상세하게 기술한다.
실시예 1
도 6은 도 5의 캐소드 가스 순환 계통의 부분만큼 추출하여 상세하게 기술한 것이다.
캐소드의 발전 반응(CO2+1/2O2+2e- → CO3 2-) 및 퍼지에 의해 소비되는 CO2 및 O2를 보급해 줄 필요가 있다. 반응량은 연료전지의 직류 전류에서 산출할 수 있고, 퍼지량은 유량 조절 밸브(53)로 확인할 수 있다. O2는 MCFC 발전 플랜트의 외부에 형성된 산소 플랜트로부터 유량 조절 밸브(51)에 의해 제어되고 상온 부근의 온도로 공급된다. CO2는 애노드 배기를 산소로 연소하고 냉각해서 수분을 뺀 리사이클 CO2(RCO2)를 유량 조절 밸브(52)로 유량 제어하여 CO2 가열기(49)에 형성된 온도 조절 밸브(40)로 온도를 제어한 후 캐소드 가스 순환 계통에 보급된다. 캐소드를 통과하는 가스는 발전 반응에 수반되는 발열에 의해 입구보다 출구의 온도가 높아지므로, CO2와 O2의 보급·혼합에 의해 입구 온도로 되돌리도록 제어된다. 혼합 후의 가스를 캐소드 가스 순환 블로어로 단열 압축한 상태의 온도가 캐소드 입구 온도가 되도록 리사이클 CO2의 보급 온도를 CO2 가열기로 조정한다. 캐소드 가스 순환 블로어는 캐소드 출구 가스 온도가 일정해지도록 순환량을 제어한다.
한편 보급하는 CO2 및 O2에는 모두 불순 가스가 포함되어 있으므로 퍼지가 필요해져 캐소드 순환 계통의 캐소드 출구를 2 계통으로 나누어 1 계통을 유량 제어 밸브(53)를 장비한 퍼지 라인에 접속하고 다른 1 계통을 체크 밸브(54)에 접속하고 이 체크 밸브(54)의 하류에 CO2 및 O2의 보급 라인을 접속하는 구성으로 한다.
본 발명의 캐소드 가스 순환 계통은 캐소드의 가스 조성을 자유롭게 변경할 수 있고 연료전지의 발열 정도에 따라 순환량을 자유롭게 증감시킬 수 있다. 또 그로 인해 다른 서브시스템에 영향을 주는 일도 없다.
하나의 실시예로서 본 발명의 캐소드 가스 조성을 변경했을 때의 플랜트 성능을 표 1에 나타낸다.
표 1의 CO2 및 O2 농도는 최고 농도를 의미하는 것은 아니고 니켈 단락의 영향을 고려한 농도이며, 그럼에도 발전 효율이 5% 향상되어 있다. 또 고농도에서의 운전은 발전 효율을 높이고 싶을 때만 하면 되며, 표준 운전 조건으로 용이하게 되돌릴 수도 있다.
캐소드 가스 조성이 플랜트 성능에 미치는 영향
표준 운전 조건 고출력 운전 조건
캐소드 입구 CO2[mol%]
O2[mol%]		 12
10		 30
20
스택 AC 출력[kW] 2453 2557
가스터빈 출력[kW] 370 360
소내 동력[kW] 470 474 산소플랜트 포함
송전단 전력[kW] 2353 2443
연소유량[Nm3/h] 422 395
발전효율[LHV%] 50 55
열회수율[%] 13 6
실시예 2
모든 연료전지는 운전 시간과 함께 전압이 열화되어 간다. 일반적으로는 셀 전압이 10% 열화되었을 때를 연료전지의 수명으로 하고 있다. 1년간 운전 시간을 8000시간으로 가정하고 연료전지의 수명을 5년간 40000시간으로 하면 반년에 1%씩 열화되게 되며, 연료전지의 전압에 비례해 연료전지의 출력도 발전 효율도 반년에 1%씩 저하하게 된다. 그러나 본 발명에서는 이 연료전지의 열화에 따라 캐소드의 CO2 및 O2 농도를 서서히 높여 갈 수 있고 이것에 의해 연료전지의 전압을 항상 일정하게 유지할 수 있다.
도 10은 전압 일정 운전시의 데이터이다. 이 도면은 표준 운전 조건과 동일한 성능을 5년간 유지하기 위한 캐소드의 CO2 및 O2 농도 변화의 일례를 나타낸 것으로, 이렇게 운전하여 연료전지의 수명 사이에 상대적으로 평균 5%의 연료전지 출력 및 발전 효율을 향상시킬 수 있다. 이 운전 방법에서는 캐소드의 CO2 분압이 매우 높은 기간은 짧아 니켈 단락에 도달하는 금속 니켈의 누적 석출량이 억제되므로, 니켈 단락을 억제하면서 발전 효율을 높이는 한 가지 운전 방법이다.
실시예 3
도 7은 도 5의 연료가스 공급 계통만 추출한 상세도로, 애노드 출구는 연료 가열기(11)에 접속되어 있고 애노드 배기를 열원으로 하여 프리컨버터(9)의 출구 가스를 연료전지의 운전온도 가까이까지 가열한다. 이것에 의해 온도가 내려간 애노드 배기를 2 계통으로 나누어 1 계통을 애노드 배기 순환 블로어에 접속하고 그 블로어 출구 가스를 외부로부터 공급하는 도시가스 등의 연료가스와 혼합한다. 도시가스 등의 연료가스는 유량 조절 밸브(56)에 의해 유량이 조절되어 공급된다. 이어서 이 도시가스 등을 개질하기 위한 증기와 혼합된다. 증기는 유량 조절 밸브(57)에 의해 유량이 조절되어 공급된다.
도 7에서는 이 혼합들은 배관 내에서 이루어진다고 기재되어 있지만 믹서를 형성하여 혼합하는 방법이나 프리컨버터(9)의 내부에서 혼합하는 방법이 있으며 본 발명에서는 이 혼합 방법은 특정되어 있지 않다.
이 혼합가스는 다음에 프리컨버터(9)의 개질 촉매층(10)으로 유도된다. 여기서 도시가스 중 에탄 이상의 중질 성분은 개질되고 애노드 리사이클 가스 내의 CO, CO2, H2O는 메탄화 반응을 일으킨다. 개질 반응은 흡열 반응이고 메탄화 반응은 발열 반응이며, 이 2개의 반응이 동시에 일어나서 온도 변화를 서로 억제하는 효과가 있어 프리컨버터의 운전온도를 원하는 온도로 유지하는 것이 용이해진다.
또 도 7의 MCFC는 내부 개질형이며 연료전지의 냉각에 흡열 반응인 개질 반응(CH4+H2O → CO+3H2)을 이용하고 있으므로 프리컨버터 출구 가스는 메탄 농도가 높은 것이 바람직하고, 프리컨버터의 촉매층 출구 온도가 250∼450℃의 범위에 들어가도록 온도 컨트롤러(58)에 의해 도시가스 등의 유량 및 개질용 증기의 유량에 따라 애노드 배기 순환 블로어에 장비된 속도 컨트롤러(39)로 리사이클량을 제어한다.
본 발명의 연료 공급 계통의 구성 요건은 애노드 출구와 연료 가열기를 접속하여 애노드 배기의 온도를 내리는 것, 그 온도가 내려간 애노드 배기의 라인을 2 계통으로 나누어 그 1 계통을 애노드 배기 순환 블로어에 접속하는 것, 애노드 배기 순환 블로어의 출구 가스와 도시가스 등의 연료가스와 개질용 수증기를 혼합하는 것에 의해 프리컨버터에 대한 공급 가스 온도까지 열교환기를 사용하지 않고 온도 조절을 하는 것, 이어서 열원을 가지지 않는 프리컨버터의 개질 촉매층에 혼합가스를 유도하는 것, 프리컨버터 출구 가스의 메탄 농도가 높아지도록 프리컨버터의 운전온도는 250∼450℃의 범위인 것, 이 목적을 달성하기 위해 애노드 배기의 리사이클률은 약 20∼40%의 범위인 것이다.
애노드 배기를 리사이클하는 경우와 하지 않는 경우의 성능 비교를 표 2에 나타낸다. 발전 효율은 변함없지만 열회수율이 크게 향상된다.
또 애노드 리사이클률을 변경해도 플랜트 전체로서의 발전 효율은 크게 변화하지 않지만, 개개의 요인은 여러 가지로 변화하고 있다. 애노드 리사이클률을 올리면 도시가스 공급량은 줄어들고 공급하는 개질용 증기량이 줄어들며 연료전지의 전압은 내려가고, 따라서 연료전지의 출력도 내려가고 가스터빈의 출력도 내려가고 소내 동력도 내려간다. 이 변동 요인들은 플랜트의 운전 조건을 변경하는 효과가 있으며, 예를 들어 캐소드의 CO2 및 O2 농도를 높이면 연료전지의 전압이 높아져 연료전지의 발열이 줄어들므로 조건에 따라서는 연료전지가 과도하게 냉각되는 상태도 발생하게 되지만, 이 때에는 애노드의 리사이클률을 올림으로써 연료전지의 전압을 낮추고 그 대신 도시가스 공급량도 내림으로써 발전 효율을 유지하면서 연료전지의 열 균형을 잡을 수 있다. 그 외에 구성 기기의 사양을 조정하는데 있어서도 유효하다.
애노드 리사이클 성능에 미치는 영향
리사이클 없음 리사이클 20%
스택 AC 출력[kW] 2538 2453
가스터빈 출력[kW] 464 370
소내 동력[kW] 488 470
송전단 출력[kW] 2514 2353
연소유량[Nm3/h] 450 422
발전효율[LHV%] 50 50
열회수율[%] 8 13
S/C 2 1.44
프리컨버터 입구 온도(℃) 375 257
프리컨버터 출구 온도(℃) 300 320
프리컨버터 출구 가스 유량[kgmol/h] 조성[%] 유량[kgmol/h] 조성[%]
CH4 21.10 29.49 21.77 24.18
H2 5.92 8.28 3.19 3.54
CO 0.01 0.01 0.05 0.06
CO2 2.30 3.22 21.21 23.56
H2O 42.20 59.00 43.80 48.65
실시예 4
도 8은 도 5에서의 애노드 배기를 산소로 연소시켜 각종 열교환기를 통해 그 연소열을 유효하게 이용하는 에너지 회수 시스템을 추출하여 그것을 상세하게 나타낸 도면이다.
애노드 배기(AEG)는 믹서(13)에서 산소(OXG) 및 리사이클 연소가스(RCG)와 혼합된다. 애노드 배기 내 가연 성분의 양은 연료공급량, 연료이용률, 연료전지의 직류 전류 등에서 산출할 수 있으므로 그것에 기초하여 필요 산소량을 산출하고 유량 조절 밸브(59)에 의해 제어되고 공급된다. 한편 한 번 냉각된 연소가스(RCG)는 연소가스 리사이클 블로어에 의해 믹서에 리사이클된다. 단순히 애노드 배기를 산소로 연소하면 온도가 너무 높아지므로 저온의 연소가스를 리사이클함으로써 촉매 연소기의 출구 온도를 조절할 수 있도록 배려되어 있다.
애노드 배기와 산소와 리사이클 연소가스의 혼합가스는 촉매 연소기(14)의 연소 촉매로 애노드 배기 내의 가연성 가스가 연소되어 온도가 상승한다. 연소가스 리사이클 블로어의 속도 컨트롤러(61)는 촉매 연소기의 출구 온도를 설정치에 맞게 유량 제어한다. 이 설정치는 필요에 따라 변경된다.
촉매 연소기(14)에서 나온 연소가스는 먼저 고온 열교환기(16)에서 압축 공기에 열을 준 다음 CO2 가열기로 리사이클 CO2에 열을 주고 이어서 배출열 회수 보일러(18)로 증기를 발생시킨다.
표준 운전 조건에서는 배출열 회수 보일러의 증발부(EVA)에서 나왔을 때 연소가스는 리사이클된다. 나머지 연소가스는 배출열 회수 보일러의 급수 가열부(ECO)에 보내진다.
한편 고출력 운전 모드에서는 연소가스의 리사이클은 고온 열교환기(16)의 출구에서부터 시작된다. 이 전환은 댐퍼(62)의 개방도를 저온측에서 고온측으로 서서히 전환해 가면서 실시한다. 동시에 촉매 연소기 출구 온도를 설정치로 유지하도록 연소가스 리사이클 블로어의 유량이 증대된다. 따라서 고온 열교환기(16)를 통과하는 연소가스의 양이 증대하여 압축 공기에 가하는 열량이 증대한다. 이 때 가스터빈 발전기의 속도 컨트롤러(64)에 의해 가스터빈의 공기량을 증대시킨다. 그 결과, 가스터빈은 출력이 증대되지만 배출열 회수 보일러로 가는 열량은 그만큼 저감되므로 증기 발생량은 저감된다.
표 3에 표준 운전 조건과 고출력 운전 모드의 비교를 나타낸다. 고출력 운전 모드로 하면 발전 효율은 2포인트 향상되지만 열회수율은 반대로 6포인트 저하된다. 어떠한 운전 모드가 바람직한지는 그 때의 열 수요와 전력 수요의 균형으로 결정된다.
표준 운전과 고출력 운전의 비교
표준 운전 고출력 운전
스택 AC 출력[kW] 2453 2453
가스터빈 출력[kW] 370 461
소내 동력[kW] 470 470
송전단 출력[kW] 2353 2444
연소유량[Nm3/h] 422 422
발전효율[LHV%] 50 52
열회수율[%] 13 7
한편 공기를 작동 매체로 하는 가스터빈은 필터(31)를 통해 공기가 압축기로 압축되고 재생 열교환기(32)에서 터빈 배기와 열교환된다. 이 재생 열교환기에서는 터빈 배기측의 출구 온도를 제어하고 있으며, 배출열 회수 보일러(7)로 항상 개질에 필요한 저압 증기를 발생시킬 수 있도록 제어된다. 따라서 압축 공기의 재생 열교환기 출구 온도는 운전 조건에 따라 일정해지지는 않고 그만큼은 고온 열교환기(16)로 조정되는 시스템이다.
고온 열교환기로 온도가 상승된 압축 공기는 터빈으로 유도되고 그곳에서 대기압 가까이까지 팽창하는 과정에서 일하여 발전기(30)에 의해 교류 출력이 얻어진다. 이 가스터빈은 연료전지의 배출열을 회수해 발전하는 것으로 MCFC측의 부하로 배출열의 양도 변경되므로, 발전기는 모터/제네레이터로 하고 회전수 가변으로 하며 연료전지의 운전 상태에 맞추어 공기 유량도 변경할 수 있도록 배려하고 있다.
실시예 5
도 8의 에너지 회수 시스템을 이용함으로써 열전 가변 운전이 가능하다. 전기 출력을 최대로 하는 조건은 상기한 바와 같으며, 연소가스의 리사이클 위치를 고온 열교환기 출구로 전환하는 운전 모드이다. 한편 열회수를 최대로 하는 운전 방법은 이하에 서술하는 바와 같다.
연소가스의 리사이클 위치는 배출열 회수 보일러의 증발부에서 나온 곳으로 하고, 그 상태에서 촉매 산화기의 출구 온도의 설정치를 서서히 낮춘다. 그로 인해 연소가스 리사이클 블로어의 유량이 증가한다. 촉매 산화기의 출구 온도가 내려가면 고온 열교환기(16)를 통해 압축 공기에 가해지는 열량이 줄어들어 가스터빈 입구 온도는 내려간다. 이에 따라 가스터빈 출력은 내려간다. 한편 그 과정에서 CO2 가열기로 리사이클 CO2를 가열하는 열량은 변함없기 때문에 가스터빈에 가하는 열이 줄어든 만큼만 배출열 회수 보일러에서의 증발량이 증가한다.
연소가스 리사이클량과 가스터빈의 입구 온도 및 출력의 관계가 도 9에 나타나 있다. 촉매 연소기 출구 온도가 어떤 온도 이하가 되면 가스터빈의 출력은 제로가 된다. 이 시점에서 개질용 증기의 공급을 가스터빈측의 배출열 회수 보일러에서 연소가스측의 배출열 회수 보일러로 전환하고 가스터빈을 정지시킨다. 가스터빈을 정지시키면 표준 운전시에 가스터빈에 들어가 있던 열은 모두 연소가스측의 배출열 회수 보일러에 들어가게 되므로 열회수량은 최대가 된다. 표준 운전과 열회수를 최대로 했을 때의 비교를 표 4에 나타낸다.
표준 운전과 열회수 최대 운전의 비교
표준 운전 열회수 최대
스택 AC 출력[kW] 2453 2453
가스터빈 출력[kW] 370 0
소내 동력[kW] 470 490
송전단 출력[kW] 2353 1963
연소유량[Nm3/h] 422 422
발전효율[LHV%] 50 41
열회수율[%] 13 31
본 발명은 상기 서술한 실시형태에 한정되지 않으며 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 여러 가지 변경을 더할 수 있는 것은 물론이다.
A: 애노드 AEG: 애노드 배기 AIR: 공기
C: 캐소드 CA: 압축 공기 CG: 연소가스
CMP: 압축기 CO2G: CO2 가스 CO2R: 회수 CO2
DR: 드레인 ECO: 급수 가열부 EVA: 증발부
EXG: 배기 FG: 연료 G: 발전기 HM: 열매체
HPSTM: 고압 수증기 LAB: CO2를 방출한 흡수액
LPSTM: 저압 수증기 M: 모터 OXG: 산소
PW: 처리수 RAB: CO2를 흡수한 흡수액
RCG: 리사이클 연소가스 RCO2: 리사이클 CO2
SC: 속도 제어 T: 터빈 TC: 온도 제어 W: 공급수
1: 탈황기 2: 탈황제 3: 필터 4: 수처리 장치
5: 처리수 탱크 6: 펌프 7: 저압 증기용 배출열 회수 보일러
8: 애노드 배기 순환 블로어 9: 프리컨버터
10: 개질 촉매 11: 연료 가열기 12: MCFC
13: 믹서 14: 촉매 연소기 15: 연소 촉매
16: 고온 열교환기 17: CO2 가열기
18: 고압 증기 발생용 배출열 회수 보일러
19: 연소가스 리사이클 블로어
20: 냉각기 21: KO 드럼 22: 냉각·제습 시스템
23: 냉동기 24: 열교환기 25: KO 드럼
26: CO2 리사이클 블로어 27: 가스터빈 발전기
28: 압축기 29: 터빈 30: 발전기
31: 필터 32: 저온 재생 열교환기
33: 산소 공급 플랜트 34: 공기 압축기 35: 공기 분리 장치
36: 캐소드 가스 순환 블로어 37: 인버터
38: 내부 개질기 39: 속도 조절기
40: 온도 조절기 41: 연료 가습기
42: 흡수탑 43: 펌프 44: 열교환기
45: 재생탑 46: 리보일러 47: 펌프
48: 냉각기 49: CO2 가열기
50: 기동용 히터 51: 유량 조절 밸브 52: 유량 조절 밸브
53: 유량 조절 밸브 54: 체크 밸브 55: 속도 컨트롤러
56: 유량 조절 밸브 57: 유량 조절 밸브 58: 온도 컨트롤러
59: 유량 조절 밸브 60: 온도 컨트롤러
61: 속도 컨트롤러 62: 댐퍼 63: 온도 조절 밸브
70: 고농도 CO2 회수 장치
110: 공기 예열기 120: 공기 130: 예열 공기 150: SOFC
200: 열교환기 220: 물 230: 냉각기 240: 드레인
310: 석탄가스화로 320: 탈황기 330: 메탄올 합성기
340: 석탄 350: 산소
401: 연료전지(MCFC) 402: 가스터빈
403: 연소기 404: 산소 탱크 405: 메탄올 탱크
406: 캐소드 407: 애노드 408: 증기 발생기
409: 증기 터빈 410: 냉각기 411: 압축기
412: 연소기 413: 열교환기 414: 냉각기
415: CO2 회수 장치

Claims (13)

  1. 애노드, 캐소드 및 내부 개질기를 갖는 용융탄산염형 연료전지에 연료가스를 공급하는 연료가스 공급 계통을 포함하는 MCFC 발전 시스템으로서,
    상기 연료가스 공급 계통은,
    프리컨버터로 전처리된 혼합가스를, 상기 연료전지의 애노드 배기에 의해 가열하여 상기 연료전지의 상기 내부 개질기에 공급하는 연료 가열기와,
    상기 연료 가열기 출구의 애노드 배기의 일부가 공급되어, 애노드 배기를 순환시키는 애노드 배기 순환 블로어와,
    상기 애노드 배기 순환 블로어의 출구 가스와 상기 연료가스와 개질용 수증기를 혼합한 혼합가스가 공급되어 에탄 이상의 중질 성분의 개질 반응과 이산화탄소의 메탄화 반응을 동시에 진행하는 촉매층을 갖는 상기 프리컨버터를 구비하는 것을 특징으로 하는 MCFC 발전 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연료가스 공급 계통에 있어서,
    상기 프리컨버터의 운전온도가 250~450℃ 범위가 되도록
    상기 애노드 배기 순환 블로어의 출구에서 상기 프리컨버터에 공급되는 애노드 배기의 양이 제어되는 것을 특징으로 하는 MCFC 발전 시스템.
  3. 애노드와 캐소드를 갖는 용융탄산염형 연료전지의 캐소드 배기를 상기 연료전지의 캐소드 입구에 순환하는 캐소드 가스 순환 계통을 포함하는 MCFC발전 시스템으로서,
    상기 캐소드 가스 순환 계통은
    2 계통으로 나누어진 상기 연료전지의 캐소드 출구의 1 계통이 접속되는 퍼지 라인과,
    2 계통으로 나누어진 상기 연료전지의 캐소드 출구의 다른 1 계통이 접속되는 체크 밸브와,
    흡입측이 상기 체크 밸브의 하류에 접속되고, 토출측이 상기 연료전지의 캐소드 입구에 접속되어, 상기 캐소드 가스를 순환시키는 캐소드 가스 순환 블로어와,
    상기 체크 밸브와 상기 캐소드 가스 순환 블로어 사이에 접속되어, 상기 캐소드 가스에 산소를 공급하는 산소 보급 라인과,
    상기 체크 밸브와 상기 캐소드 가스 순환 블로어 사이에 접속되어, 상기 캐소드 가스에 CO2를 공급하는 CO2 보급 라인
    을 구비하는 것을 특징으로 하는 MCFC 발전 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 캐소드 가스 순환 계통에 있어서,
    상기 CO2 보급 라인에 CO2의 온도를 조절함으로써 상기 캐소드 가스에 산소와 CO2를 보급·혼합한 후의 상기 캐소드 가스의 캐소드 입구 온도를 조절가능한 열교환기를 구비하는 것을 특징으로 하는 MCFC 발전 시스템.
  5. 애노드와 캐소드를 갖는 용융탄산염형 연료전지의 애노드 배기 계통을 포함하는 MCFC 발전 시스템으로서,
    상기 애노드 배기 계통은 애노드 배기로부터 에너지를 회수하는 에너지 회수 시스템을 포함하며,
    상기 에너지 회수 시스템은,
    상기 연료전지의 애노드 배기와 산소 공급 라인에서 보내진 산소와, 연소가스 리사이클 라인에서 보내진 리사이클 연소가스를 혼합하는 믹서와,
    상기 믹서의 출구의 혼합가스가 유도되어, 상기 혼합가스에 포함되는 가연 성분을 산소로 연소하는 산화촉매를 갖는 촉매 산화기와,
    상기 촉매 산화기를 나온 연소가스에 의해 압축 공기를 가열하는 열교환기와,
    상기 열교환기를 나온 연소가스에 의해 리사이클 CO2를 가열하는 CO2 가열기와,
    상기 CO2 가열기에서 나온 연소가스가 공급되어, 배출열을 회수하는 제1의 배출열 회수 보일러와,
    상기 제1의 배출열 회수 보일러에서 나오는 냉각된 연소가스를 상기 믹서로 보내는 연소가스 리사이클 블로어
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 MCFC 발전 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    1축으로 연결된 압축기와 터빈과 발전기를 갖는 가스터빈 발전기를 더 구비하고,
    상기 촉매 산화기에서 보내진 고온 연소가스로부터 상기 열교환기를 통해 열을 받은 압축 공기가 상기 터빈에 공급되는 것을 특징으로 하는 MCFC 발전 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 터빈의 배기에 의해 상기 압축 공기를 가열하는 재생 열교환기와,
    상기 재생 열교환기를 나온 상기 터빈의 배기가 유도되어 상기 터빈의 배기 열에 의해 증기를 발생하는 제2의 배출열 회수 보일러를 더 구비하고,
    상기 제2의 배출열 회수 보일러에서 개질에 필요한 증기를 발생시키도록 상기 재생 열교환기의 출구 온도가 제어되는 것을 특징으로 하는 MCFC 발전 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 촉매 산화기의 출구 온도를 일정하게 하기 위해 상기 연소가스 리사이클 블로어의 회전수가 제어되는 것을 특징으로 하는 MCFC 발전 시스템.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 제1의 배출열 회수 보일러가 증발부와 급수 가열부를 가지며,
    상기 제1의 배출열 회수 보일러의 상기 증발부의 출구와 상기 열교환기의 출구에 접속된 댐퍼를 더 구비하고,
    상기 댐퍼가 상기 연소가스 리사이클 블로어에 공급하는 연소가스를 상기 제1의 배출열 회수 보일러의 상기 증발부로부터 공급할지, 상기 열교환기로부터 공급할지를 전환 가능한 것을 특징으로 하는 MCFC 발전 시스템.
  10. 제9항에 기재한 MCFC 발전 시스템을 운전하는 방법으로서, 연소가스의 리사이클 위치를 저온부에서 고온부로 전환하고 그에 따라 상기 열교환기를 통과하는 연소가스 유량을 증대시키고 상기 압축 공기에 부여하는 열량을 증대시킴으로써 상기 가스터빈 발전기의 출력을 증대시키고, 상기 제1의 배출열 회수 보일러에서의 증기 발생량을 저감시키는 것을 특징으로 하는 MCFC 발전 시스템의 운전 방법.
  11. 제8항에 기재한 MCFC 발전 시스템을 운전하는 방법으로서, 상기 촉매 산화기 출구 온도의 설정치를 서서히 저하시킴으로써 상기 연소가스 리사이클 블로어의 순환 유량을 서서히 증대시켜 그에 따라 상기 촉매 산화기의 출구 온도를 낮추어 상기 열교환기를 통해 압축 공기에 부여되는 열량을 저감시켜 상기 가스터빈 발전기의 출력을 저감시키고, 상기 제1의 배출열 회수 보일러의 발생 증기량을 증대시키는 것을 특징으로 하는 MCFC 발전 시스템의 운전 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 가스터빈 발전기의 출력이 제로 부근일 때 개질용 수증기의 공급을 상기 가스터빈 발전기측의 상기 제2의 배출열 회수 보일러에서 연소가스측의 상기 제1의 배출열 회수 보일러로 전환하고, 이어서 상기 가스터빈 발전기를 정지시켜 상기 제1의 배출열 회수 보일러의 발생 증기량을 최대로 하는 MCFC 발전 시스템의 운전 방법.
  13. 제3항에 기재한 MCFC 발전 시스템을 운전하는 방법으로서, 상기 연료전지의 경시적인 전압 열화에 대응하여 상기 캐소드 가스 순환 계통으로부터 상기 연료전지의 캐소드에 공급되는 캐소드 가스의 CO2 및 O2 농도를 전압 열화분만큼 높이는 것을 특징으로 하는 MCFC 발전 시스템의 운전 방법.
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