KR101408139B1 - 연료전지를 이용한 이산화탄소 회수 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 발전소에서 배출되는 연도가스가 공급되는 공기극과 수소가스가 공급되는 연료극을 구비하는 용융탄산염 연료전지와, 상기 연료극의 배출가스를 연소하여 이산화탄소를 농축하고 상기 배출가스를 이산화탄소와 물로 전환하도록 이루어지는 순산소촉매산화기와, 상기 순산소촉매산화기에서 발생하는 열을 회수하도록 형성되는 열회수장치와, 상기 배출가스 중 수분을 분리시키며 이산화탄소를 회수하도록 이루어지는 기액분리기와, 상기 기액분리기와 연결되고 회수된 이산화탄소를 저장하도록 형성되는 이산화탄소저장조, 및 상기 이산화탄소저장조와 연결되며 상기 순산소촉매산화기의 온도 제어를 위하여 회수된 이산화탄소의 일부를 상기 순산소촉매산화기로 공급하도록 이루어지는 유량조절기를 포함하는 연료전지를 이용한 이산화탄소 회수 시스템을 제공한다.

Description

연료전지를 이용한 이산화탄소 회수 시스템{CARBON DIOXIDE COLLECTING SYSTEM USING FUEL CELL}
본 발명은 발전소에서 배출되는 연도가스에 포함된 이산화탄소를 회수하기 위한 이산화탄소 회수 시스템에 관한 것이다.
발전소에서 배출되는 연도가스는 다량의 이산화탄소를 포함한다. 상기 이산화탄소는 대표적인 온실 가스로서 지구 온난화 및 이에 따른 기후 변화에 영향을 미친다.
연도가스에 포함된 이산화탄소를 제거하기 위해 여러 가지 방법이 제안되고 있다. 그러나 이산화탄소를 처리하는 과정은 연도가스 내의 이산화탄소의 농도가 낮기 때문에 비용면에서 효과적이지 못하다.
한편, 용융탄산염 연료전지(MCFC: Molten Carbonate Fuel Cell)는 탄화수소연료에 저장된 화학에너지를 전기화학적 반응에 의해 전기에너지로 직접 변환하는 장치이다. 용융탄산염 연료전지는 연료극(anode), 공기극(cathode) 및 매트릭스(matrix)를 포함하며, 각 구성요소에는 전해질이 함침되어 있다.
연료극에는 천연가스 또는 수소가 풍부한 연료가스가 주입되고, 공기극에는 산소가 이산화탄소와 함께 공급되어 카보네이트 이온(CO3 2 -)을 만든다. 공기극에서 생성된 카보네이트 이온은 연료극과 공기극 사이에 위치하는 매트릭스의 전해질을 통하여 공기극에서 연료극으로 이동하며, 연료극에서 생성된 전자는 외부회로를 경유하여 전기를 생산하게 된다. 이때, 전해질은 평상시에는 고체 상태로 존재하다가 연료전지 시스템이 정상 운전될 경우에는 약 650℃까지 온도가 상승하여 액화된다.
본 발명은 발전소에서 배출되는 연도가스에 포함된 이산화탄소를 회수하며, 이를 위한 소요 동력 및 장치의 규모가 최소화된 이산화탄소 회수 시스템을 제안하기 위한 것이다.
이와 같은 본 발명의 해결 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르는 연료전지를 이용한 이산화탄소 회수 시스템은 발전소에서 배출되는 연도가스가 공급되는 공기극과 수소가스가 공급되는 연료극을 구비하는 용융탄산염 연료전지와, 상기 연료극의 배출가스를 연소하여 이산화탄소를 농축하고 상기 배출가스를 이산화탄소와 물로 전환하도록 이루어지는 순산소촉매산화기와, 상기 순산소촉매산화기에서 발생하는 열을 회수하도록 형성되는 열회수장치와, 상기 배출가스 중 수분을 분리시키며 이산화탄소를 회수하도록 이루어지는 기액분리기와, 상기 기액분리기와 연결되고 회수된 이산화탄소를 저장하도록 형성되는 이산화탄소저장조, 및 상기 이산화탄소저장조와 연결되며 상기 순산소촉매산화기의 온도 제어를 위하여 회수된 이산화탄소의 일부를 상기 순산소촉매산화기로 공급하도록 이루어지는 유량조절기를 포함한다.
본 발명과 관련된 일 예에 따르면, 상기 연료전지를 이용한 이산화탄소 회수 시스템은 안정적인 산소 공급 및 고농도의 이산화탄소 농축을 위해 상기 공기극 및 상기 순산소촉매산화기 각각에 순산소를 공급하도록 이루어지는 순산소공급장치를 더 포함한다. 상기 연도가스와 상기 순산소는 상기 공기극에 혼합되어 공급되거나 별도로 공급될 수 있다.
본 발명과 관련된 다른 일 예에 따르면, 회수된 이산화탄소는 상기 순산소촉매산화기로 직접 또는 상기 연료극의 상기 배출가스와 혼합되어 공급된다.
본 발명과 관련된 다른 일 예에 따르면, 상기 열회수장치를 통해 회수되는 열은 상기 연료극에 공급되는 상기 수소가스의 생성을 위한 연료개질기의 작동에 이용된다.
상기와 같은 구성의 본 발명에 의하면, 용융탄산염 연료전지는 발전소에 연결되어 연도가스에 포함된 이산화탄소를 회수하도록 이루어지므로 이산화탄소의 회수를 위한 소요 동력 및 장치의 규모가 최소화될 수 있다.
또한, 유량조절기는 회수된 이산화탄소의 일부를 순산소촉매산화기에 공급하여 온도를 제어하도록 이루어지는바, 용융탄산염 연료전지의 효율 및 안정성이 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 용융탄산염 연료전지를 이용한 이산화탄소 회수 시스템을 보인 개념도.
이하, 본 발명에 관련된 연료전지를 이용한 이산화탄소 회수 시스템에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 용융탄산염 연료전지(110)를 이용한 이산화탄소 회수 시스템(100)을 보인 개념도이다.
도 1을 참조하면, 이산화탄소 회수 시스템(100)은 발전소에 용융탄산염 연료전지(110)가 연결되고, 용융탄산염 연료전지(110)에서 일어나는 화학 반응을 이용하여 연도가스에 포함된 이산화탄소를 회수하도록 이루어진다.
구체적으로, 용융탄산염 연료전지(110)는 연료극(anode, 111), 공기극(cathode, 112) 및 매트릭스(matrix, 113)를 포함하며, 각 구성요소에는 전해질이 함침되어 있다.
연료극(111)에는 수소가스가 공급되고, 공기극(112)에는 발전소에서 배출되는 연도가스가 공급된다. 수소가스는 수소가 충분히 포함된 천연가스 또는 연료가스가 될 수 있으며, 수소의 발생을 위해 연료개질기(fuel reformer)가 이용될 수 있다. 공기극(112)에는 산소를 포함하는 공기 또는 보다 안정적인 산소 공급을 위해 순산소공급장치(170)로부터 순산소가 공급될 수 있다.
공기극(112)에서는 연도가스에 포함된 이산화탄소와 산소의 화학반응으로 카보네이트 이온(CO3 2 -)이 생성된다. 상기 카보네이트 이온은 연료극(111)과 공기극(112) 사이에 위치하는 매트릭스(113)의 전해질을 통하여 공기극(112)에서 연료극(111)으로 이동하며, 연료극(111)의 수소가스와의 화학반응을 통해 이산화탄소와 전자를 생성한다. 상기 전자는 외부회로를 경유하여 전기를 생산하게 된다.
이러한 전기화학적 반응에 따라 연료극(111) 출구의 배출가스에는 이산화탄소의 농도가 높아지고, 이산화탄소가 고갈된 연도가스는 공기극(112)을 빠져나가게 된다.
이산화탄소의 농도가 높아진 연료극(111)의 배출가스는 순산소촉매산화기(120)에 공급된다. 순산소촉매산화기(120)는 연료극(111)의 배출가스에서 반응하지 않은 수소 및 소량의 다른 가스를 연소하여 이산화탄소의 농도를 더욱 고농도로 농축하고, 상기 배출가스를 이산화탄소와 물로 전환한다.
순산소촉매산화기(120)는 공기촉매산화기를 이용하는 경우와는 달리, 탈수만을 이용하여 이산화탄소의 최종 처리가 가능하므로, 추가적인 이산화탄소 분리장치가 없이도 이산화탄소를 효율적으로 회수할 수 있다는 장점을 갖는다. 또한, 순산소촉매산화기(120)에는 보다 고농도의 이산화탄소 농축을 위하여 순산소공급장치(170)로부터 순산소가 공급될 수 있다.
순산소촉매산화기(120)를 통과한 배출가스는 열회수장치(130)를 통해 열이 회수된다. 열회수장치(130)를 통해 회수된 열은 연료극(111)에 공급되는 수소가스의 생성을 위한 연료개질기의 작동에 이용될 수 있다.
열이 회수된 배출가스는 기액분리기(140)를 통과하며, 배출가스 중 수분은 분리된다. 그 결과, 상기 배출가스에는 최종적으로 이산화탄소만 남게 되고, 상기 이산화탄소는 용이한 회수를 위하여 압축 또는 냉각 과정을 거치게 된다.
기액분리기(140)에서 회수된 이산화탄소는 이산화탄소저장조(150)에 저장된다. 이산화탄소저장조(150)에는 유량조절기(160)가 연결되며, 유량조절기(160)는 순산소촉매산화기(120)의 온도 제어를 위하여 회수된 이산화탄소의 일부를 순산소촉매산화기(120)로 공급하도록 이루어진다.
상기 구조에 의하면, 순산소촉매산화기(120)를 냉각시켜 허용 온도를 넘지않도록 제어할 수 있으며, 허용 온도를 넘었을 경우 발생할 수 있는 촉매의 손상을 방지하고, 용융탄산염 연료전지(110)가 안정된 성능을 유지하도록 할 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 이산화탄소 회수 시스템(100)에는 순산소공급장치(170)가 구비되어 공기극(112) 및 순산소촉매산화기(120) 각각에 순산소를 공급하도록 이루어질 수 있다. 순산소공급장치(170)는 공기극(112)에 안정적인 산소를 공급하여 연도가스에 포함된 이산화탄소와의 화학반응을 통해 충분한 카보네이트 이온을 생성할 수 있으며, 순산소촉매산화기(120)에 충분한 산소를 공급하여 배출가스가 보다 고농도의 이산화탄소로 농축되도록 할 수 있다.
연도가스와 순산소는 공기극(112)에 혼합되어 공급되거나 별도로 공급될 수 있다. 또한, 회수된 이산화탄소는 순산소촉매산화기(120)로 직접 또는 연료극(111)의 배출가스와 혼합되어 공급될 수 있다.
상기와 같은 구성의 본 발명에 의하면, 용융탄산염 연료전지(110)는 발전소에 연결되어 연도가스에 포함된 이산화탄소를 회수하도록 이루어지므로 이산화탄소의 회수를 위한 소요 동력 및 장치의 규모가 최소화될 수 있다.
또한, 유량조절기(160)는 회수된 이산화탄소의 일부를 순산소촉매산화기(120)에 공급하여 온도를 제어하도록 이루어지는바, 용융탄산염 연료전지(110)의 효율 및 안정성이 향상될 수 있다.
이상에서 설명한 연료전지를 이용한 이산화탄소 회수 시스템은 위에서 설명된 실시예들의 구성과 방법에 한정되는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
이산화탄소 회수 시스템: 100 용융탄산염 연료전지: 110
연료극: 111 공기극: 112
매트릭스: 113 순산소촉매산화기: 120
열회수장치: 130 기액분리기: 140
이산화탄소저장조: 150 유량조절기: 160
순산소공급장치: 170

Claims (5)

  1. 발전소에서 배출되는 연도가스가 공급되는 공기극과 수소가스가 공급되는 연료극을 구비하는 용융탄산염 연료전지(MCFC: Molten Carbonate Fuel Cell);
    상기 연료극의 배출가스를 연소하여 이산화탄소를 농축하고, 상기 배출가스를 이산화탄소와 물로 전환하도록 이루어지는 순산소촉매산화기;
    상기 순산소촉매산화기에서 발생하는 열을 회수하도록 형성되는 열회수장치;
    상기 배출가스 중 수분을 분리시키며, 이산화탄소를 회수하도록 이루어지는 기액분리기;
    상기 기액분리기와 연결되고, 회수된 이산화탄소를 저장하도록 형성되는 이산화탄소저장조; 및
    상기 이산화탄소저장조와 연결되며, 상기 순산소촉매산화기의 온도 제어를 위하여 회수된 이산화탄소의 일부를 상기 순산소촉매산화기로 공급하도록 이루어지는 유량조절기를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지를 이용한 이산화탄소 회수 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    안정적인 산소 공급 및 고농도의 이산화탄소 농축을 위해 상기 공기극 및 상기 순산소촉매산화기 각각에 순산소를 공급하도록 이루어지는 순산소공급장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지를 이용한 이산화탄소 회수 시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 연도가스와 상기 순산소는 상기 공기극에 혼합되어 공급되거나 별도로 공급되는 것을 특징으로 하는 연료전지를 이용한 이산화탄소 회수 시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    회수된 이산화탄소는 상기 순산소촉매산화기로 직접 또는 상기 연료극의 상기 배출가스와 혼합되어 공급되는 것을 특징으로 하는 연료전지를 이용한 이산화탄소 회수 시스템.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 열회수장치를 통해 회수되는 열은 상기 연료극에 공급되는 상기 수소가스의 생성을 위한 연료개질기의 작동에 이용되는 것을 특징으로 하는 연료전지를 이용한 이산화탄소 회수 시스템.
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