KR101438110B1 - 복합발전시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따르는 복합발전시스템은, 석탄 및 산소를 공급받아 가스화기에서 합성가스를 생성한 뒤 메탄화 반응기를 거쳐 메탄을 합성하는 천연가스합성장치와, 상기 천연가스합성장치로부터 메탄을 포함하는 연료를 공급받아 전기에너지를 발생시키는 연료전지장치 및 상기 연료전지장치로부터 배출되는 유체를 이용하여 전기에너지를 생산하는 발전장치를 포함한다.

Description

복합발전시스템{COMBINED POWER GENERATION SYSTEM}
본 발명의 일실시예들은 천연가스합성장치와 연료전지장치를 복합적으로 구비하는 복합발전시스템에 관한 것이다.
천연가스합성장치는 합성 천연 가스(Synthetic Natural Gas, 이하, SNG라 한다)를 생산하는 장치로써, 석탄 및 유기성원료를 고온 고압으로 가스화 한 후 가스정제공정을 거쳐 합성가스 중의 CO와 H2를 1:3으로 합성하여 메탄이 주성분인 가스를 생산하는 공정을 구현하도록 형성된다. 합성된 합성천연가스는 대체에너지로서 여러 유기성 원료로부터 합성이 가능하다. 합성천연가스는 기존의 LNG 공급망을 그대로 사용할 수 있는 장점이 있으며 합성석유 및 합성화합물질의 원료로 사용될 수 있다.
그리고, 연료전지장치는 고효율의 청정에너지 전력생산 시스템으로 현재 관심을 받고 있다. 연료전지장치는 화학적 에너지를 직접적으로 전기 에너지로 전환시키는 발전 장치로서, 수소를 포함하고 있는 연료가 지속적으로 공급됨과 동시에 산소가 포함된 공기가 지속적으로 공급되어 상기 공급된 수소와 산소의 전기화학적 반응을 거쳐 반응 전후의 에너지 차를 전기 에너지로 직접 변환시킨다. 이와 같이 연료 전지는 연료와 산소가 지속적으로 공급되면서 지속적으로 전기 에너지를 발생시킬 수 있다.
따라서, 천연가스합성장치와 연료전지장치를 조합하여 보다 효율적인 발전 시스템을 구현하면서도 이산화탄소를 포집하여 연료전지장치에 공급하는 방안이 고려될 수 있다.
본 발명의 일 목적은 보다 효율적인 복합발전시스템을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 천연가스합성장치와 연료전지장치를 연계시킴으로써, 보다 높은 효율을 갖으며, 보다 높은 이산화탄소 포집율을 갖는 복합발전시스템을 제공하기 위한 것이다.
이와 같은 본 발명의 해결 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르는 복합발전시스템은, 석탄 및 산소를 공급받아 가스화기에서 합성가스를 생성한 뒤 메탄화 반응기를 거쳐 메탄을 합성하는 천연가스합성장치와, 상기 천연가스합성장치로부터 메탄을 포함하는 연료를 공급받아 전기에너지를 발생시키는 연료전지장치 및 상기 연료전지장치로부터 배출되는 유체를 이용하여 전기에너지를 생산하는 발전장치를 포함한다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 천연가스합성장치는, 상기 가스화기로부터 유입되는 유체를 이용하여 수성 가스 전이 반응(Water Gas Shift Reaction)을 통해 수소와 이산화탄소를 생성하는 제1 반응기와, 상기 제1 반응기로부터 배출되는 유체를 공급받아 물리 또는 화학적 분리를 통해 이산화 탄소와 황화합물을 분리하는 제2 반응기를 더 포함할 수 있다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 연료전지장치는 캐소드 전극과 애노드 전극을 더 포함하고, 상기 천연가스합성장치로부터 공급되는 연료는 상기 애노드 전극으로 공급될 수 있다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 애노드 전극으로부터 배출되는 미사용된 연료가 상기 제1 반응기로 유입될 수 있다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 제1 반응기와 제2 반응기를 거쳐 생성되는 이산화탄소가 상기 메탄화 반응기에서 메탄으로 전환되어 상기 애노드 전극으로 유입될 수 있다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 제2 반응기로부터 배출되는 이산화탄소가 상기 캐소드 전극으로 공급될 수 있다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 가스화기에 산소를 공급하는 산소 공급부를 더 포함하고, 상기 산소 공급부는 적어도 일부의 산소를 상기 캐소드 전극에 공급할 수 있다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 캐소드 전극에서 배출되는 유체에서 물과 이산화탄소를 분리하도록 상기 캐소드 전극에 연결되는 응축기를 더 포함할 수 있다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 발전장치는, 상기 스택부로부터 배출되는 유체를 압축하는 압축기와, 상기 압축기를 통과하는 유체를 산화시키는 산화기와, 상기 산화기로부터 배출되는 가스를 이용하여 발전하는 터빈을 포함할 수 있다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 터빈으로부터 배출되는 가스의 배열을 흡수하도록 상기 터빈과 연결되는 배열 회수기를 더 포함할 수 있다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 관련된 복합발전시스템은 천연가스합성장치와 연료전지장치를 복합적으로 형성함으로써, 설비비 및 운영비 절감과 CO2 포집이 가능하다.
또 다른 예에 의하면, 석탄화력발전에서 배출되는 이산화탄소의 회수를 위해 연료전지장치를 이용함으로써 이산화탄소 회수 장치의 규모와 설치 비용 및 운영비용을 줄일 수 있다.
그리고, 석탄화력발전에서 배출되는 이산화탄소의 회수를 위해 연료전지장치를 이용함으로써 이산화탄소 회수 장치의 규모 및 소모동력을 줄일 수 있다.
도 1과 도 2는 본 발명의 일실시예와 관련된 천연가스합성장치의 반응 프로세스 및 장치의 개념도.
도 3은 본 발명과 관련된 연료전지장치의 개념도.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 실시예들에 따르는 복합발전시스템의 개념도들.
이하, 본 발명에 관련된 복합발전시스템에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일·유사한 구성에 대해서는 동일·유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
도 1과 도 2는 본 발명의 일실시예와 관련된 천연가스합성장치의 반응 프로세스 및 장치의 개념도이다.
도 1에 도시된 바와 같이 천연가스합성장치(100)는 저가의 석탄을 고온, 고압에서 가스화(CO + H2)한 후, 이를 정제하여 합성천연가스, 합성석유, 또는 전력을 생산하는 청정석탄 연료화 기술이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 전처리된 원재료(Raw Material)가 가스화기(110)에서 산소와 만나 섭씨 1400도 내외에서 합성 가스인 수소 (H2), 일산화탄소 (CO)를 생산하고, 부산물로 이산화탄소 (CO2), 메탄 (CH4), 황화수소 (H2S), 회분(Ash) 등을 생성한다.
이 고온의 가스는 합성가스냉각부(120)를 통하여 열 회수 후 가스정제부(130)를 통해 먼지, 황 및 수은 등의 오염가스를 제거하는 가스 정제공정을 거친다. 오염가스 정제공정을 거치면 수소, 일산화탄소, 이산화탄소, 메탄, 황화수소를 주성분으로 포함하는 합성가스를 생성하게 되고, 이러한 조성을 갖는 합성가스는 수성 가스 전이 반응을 하도록 형성되는 제1 반응기(140)로 유입된다.
그리고, 제1 반응기(140)로 유입된 합성 가스는 수성 가스 전이 반응(Water Gas Shift Reaction: CO + H2O → CO2 + H2)을 통해 H2와 CO2를 생성하고, 이후 다시 Rectisol 반응기(이하, 제2 반응기라고 한다)로 유입되고, 제2 반응기(150)는 물리, 화학적 분리를 통해 CO2 및 황성분을 분리한다. 여기서, 분리된 CO2는 압축하여 지중으로 매설할 수 있다.
즉, 천연가스합성장치(100)는 유입된 유체를 이용하여 수성 가스 전이 반응(Water Gas Shift Reaction)을 통해 H2와 CO2를 생성하는 제1 반응기(140)와, 물리, 화학적 분리를 통해 CO2 및 황성분을 분리하는 제2 반응기(150)를 포함한다.
제2 반응기(150)는 메탄화 반응기(160)에 연결된다. 메탄화 반응기(160)는 제2 반응기(150)로부터 유입되는 일산화탄소와 수소를 이용하여 메탄을 생성하고, 이를 압축하여 연료전지장치(200)로 공급할 수 있다. 또한 비록 도시되지는 않았지만, 천연가스합성장치(100)로부터 생성된 메탄을 이용할 수 있도록 천연가스합성장치(100)와 발전유닛이 서로 연계될 수 있다.
메탄화 반응기(160)에서 일어나는 메탄화 공정은 합성가스 중의 수소와, 이산화탄소 및 일산화탄소를 반응시켜 메탄으로 변성하는 공정으로 하기의 (i) 및/또는 (ii)의 반응을 거친다.
CO + 3H2 → CH4 + H2O (i)
CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O (ii)
메탄화 반응은 본 발명의 석탄가스화 복합발전 연계형 연료전지 시스템에 메탄을 포함하는 연료극가스를 공급하기 위한 목적을 달성할 수 있는 한 어떠한 조건하에서 이루어져도 무관하나, 메탄화 반응은 발열반응이기 때문에 반응온도를 낮게 하면 일산화탄소의 평형농도가 낮아지는 반면 반응속도 역시 느려지기 때문에 반응 온도로서 100 내지 400℃, 200 내지 350℃ 또는 250 내지 300℃ 중 어느 하나의 범위에서 이루어질 수 있다.
상기 메탄화 반응은 니켈계 메탄화촉매, 철계 메탄화촉매 및 루테늄계 메탄화촉매로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 메탄화촉매를 이용하여 이루어질 수 있다.
이와 같이, 천연가스합성장치(100)는 저가의 석탄을 이용하여, 메탄과 산소 및 재활용가능한 열원이 생산되므로, 이를 합성 천연 가스 장치에 연료전지 모듈을 통합시키는 경우 보다 우수한 효율을 갖는 복합 발전 플랜트를 제작할 수 있다.
도 3은 본 발명과 관련된 연료전지장치(200)의 개념도이다.
연료 전지의 종류는 인산형 연료전지(Phosphoric Acid Fuel Cell), 알칼리 연료전지(Alkaline Fuel Cell), 고분자 전해질 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell), 용융 탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell), 고체 산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell), 직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell) 등 다양하다. 상기한 바와 같은 연료 전지 종류들은 연료적으로 같은 원리에 의해 작동하지만, 사용되는 연료의 종류, 운전 온도, 촉매 등에 따라 분류된다.
이중에서 특히, 용융 탄산염 연료전지 (molten carbonate fuel cell, MCFC)는 650 ℃ 이상의 고온에서 운전되기 때문에 전기화학 반응속도가 빨라 전극 재료로 백금촉매 대신 니켈을 사용할 수 있으므로 경제성에서 유리할 뿐만 아니라, 저온형 연료전지의 백금 전극에 피독 물질로 작용하는 일산화탄소마저도 수성가스 전환 반응을 통하여 연료로 이용할 수 있다.
또한 니켈 전극을 사용할 경우, 석탄가스, 천연가스, 메탄올, 바이오 매스 등 다양한 연료를 사용할 수 있다는 장점이 있다.
그리고 열회수 스팀 발생기(Heat Recovery Steam Generator)을 이용한 버터밍 사이클(Bottoming Cycle)을 적용할 경우, 양질의 고온 폐열을 회수해 사용하면 전체 발전 시스템의 열효율을 60% 이상으로 증가시킬 수 있다.
이와 함께 용융 탄산염 연료전지는 고온에서 운전되기 때문에, 전기 화학 반응이 일어나는 연료전지 스택 내부에서 연료 개질(Reforming) 반응을 동시에 진행시키는 내부 개질(Internal Reforming)형태의 채용이 가능하다는 장점이 있다.
이러한 내부 개질형 용융 탄산염 연료전지는 전기화학반응에서 발생하는 열을 별도의 외부 열교환기 없이 직접 흡열반응인 개질반응에 이용하기 때문에 외부개질형 용융 탄산염 연료전지 보다 열 유동을 효과적으로 제어할 수 있으므로, 전체 시스템의 열효율이 추가로 증가하는 동시에 시스템 구성이 간단해지는 장점을 갖는다.
연료전지장치(200)는 일정량의 연료를 공급하는 연료 공급부와 상기 연료 공급부의 연료를 공급받아 수소가스와 열을 포함하는 부산물을 발생시키는 개질기부(210)와 상기 개질기부(210)에서 발생되는 수소가스와 별도로 공급되는 산소의 전기화학반응으로 전기와 열을 발생시키는 스택부를 포함할 수 있다.
상기 개질기부(210)는 내부에 반응로와 버너를 포함할 수 있으며, 상기 스택부는 애노드 전극(220)과 전해질막(240) 그리고 캐소드 전극(230)을 포함하여 구성되는 단위 전지가 다수개 적층되어 이루어질 수 있다.
상기한 바와 같은 연료전지 모듈의 작동은 다음과 같다.
먼저, 상기 연료 공급부에서 액화천연가스(일명; LNG) 또는 메탄(CH4) 성분을 포함한 연료와 물을 상기 개질기부(210)에 공급하게 되면 그 개질기부(210)에서 수증기 개질 반응(Steam Reforming) 및 부분 산화 반응(Partial Oxida tion)이 복합적으로 일어나면서 수소가스와 반응열과 그리고 물을 포함하는 기타 부산물을 발생시키게 된다.
CH4 + 2H2O -> 4H2 + CO2
그리고 상기 스택부에서는 상기 개질기부(210)에서 공급되는 수소가스와 별도로 공급되는 산소가 전기화학반응을 일으켜 전기와 열과 물을 발생시키게 된다.
상기 스택부를 구성하는 단위 전지에서 발생되는 전기화학반응을 보다 상세하게 설명하면, 먼저 상기 수소가스(H2)가 애노드 전극(Anode; 연료극, 220)측에 공급되어 탄산 이온(CO3 2 -)과 전기 화학적 산화 반응이 일어나면서 물과 이산화탄소 및 전자(e-)를 생성한다.
H2 + CO3 2 - -> H2O + CO2 + 2e-
그리고, 캐소드 전극(Cathode; 일명, 공기극, 230)에서는 외부로부터 공급되는 산소와 이산화탄소 및 전자가 전기 화학적 환원 반응을 일으키면서 카보네이트 이온(CO3 2 -), 반응열 및 물을 발생시키게 된다. 캐소드 전극(230)에서 생성된 카보네이트 이온은 캐소드 전극(230)과 애노드 전극(220) 사이에 위치하는 전해질막(240)의 전해질을 통하여 캐소드 전극(230)에서 애노드 전극(220)으로 이동하며, 애노드 전극(220)에서 생성된 전자는 외부회로를 경유하여 이동하면서, 전자의 이동으로 전기에너지가 발생된다. 이때 전해질은 평상시에는 고체 상태로 존재하다가 연료전지 시스템이 정상 운전될 경우에는 약 650℃까지 온도가 상승하게 되어 전해질은 액화된다.
(1/2)O2 + CO2 + 2e- -> CO3 2 -
여기서, CO2는 전기화학 반응 메커니즘에 의하여 전해질을 통해 캐소드 전극(230)에서 애노드 전극(220)으로 이동되어 농축된다. 만약에 화력발전소(310)의 낮은 농도의 이산화탄소를 갖는 배가스를 연료전지장치(200)의 캐소드 전극(230)에 공급한다면, 화력발전소(310)의 배가스 중 이산화탄소가 선택적으로 위의 반응식에 따라 카보네이트가 되고, 애노드 전극(220)으로 이동시켜 이산화탄소의 농축이 가능하다. 이러한 농축정도는 화력발전소(310)에서 배출되는 이산화탄소 배출량의 최대 90%까지 가능하다.
또한, 본 발명에 따르는 연료전지장치(200)(용융탄산염 연료전지)는 천연가스 개질 방법에 따라 내부개질형과 외부개질형으로 구분될 수 있는데, 특히 내부개질에 의한 연료전환 방법을 사용함으로써, 촉매를 전지 내부에 설치한뒤, 개질하여 외부에 별도의 개질기를 설치할 필요 없이 천연가스를 직접연료로 사용할 수 있다. 그리고, 발전 중 스택부에서 발생하는 열은 개질반응에 이용되어 별도의 스택 냉각을 위한 장치 설치가 필요 없어 시스템을 단순화할 수 있다.
제1 실시예
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따르는 복합발전시스템의 개념도이다.
도 4를 참조하면, 연료전지장치(200)는 천연가스합성장치(100)로부터 수소를 공급받도록 연결(공급라인 181 -> 공급라인 252)된다. 보다 자세하게는 메탄화 반응기(160)에서 생성된 메탄은 개질기부(210, 도 3 참고)로 공급되고, 개질기부(210)는 화학반응을 통해 수소와 이산화탄소를 형성하고, 개질기부(210)에서 생성된 수소는 연료전지장치(200)의 애노드 전극(220)에 공급된다.
애노드 전극(220)에서는 앞서 살펴본 바와 같이, 수소(H2)가 공급되어 탄산 이온(CO3 2 -)과 전기 화학적 산화 반응이 일어나면서 물과 이산화탄소 및 전자(e-)를 생성한다.
여기서, 애노드 전극(220)의 배출라인(251)을 통해, 혼합가스 중 일부가 산화기(201)로 공급될 수 있다.
그리고, 제2 반응기(150)에서 배출되는 이산화탄소는 각각 공급라인(151, 152)들을 통해 배출되는데, 그 중 어느 하나의 공급라인(152)은 공기 공급부(101)와 함께 산화기(201)에 산소와 이산화탄소를 공급하도록 형성될 수 있다.
산화기(201)에서 공급라인(254)을 통해 공급되는 산소와 이산화탄소는 연료전지장치의 캐소드 전극(230)에 공급된다. 그리고, 캐소드 전극(230)에 공급되는 산소와 이산화탄소 및 전자가 전기 화학적 환원 반응을 일으키면서 카보네이트 이온(CO3 2-), 반응열 및 물을 발생시키게 된다. 캐소드 전극(230)의 배출라인(253)은 열교환기(Heat Exchanger)를 거치는데, 열교환기를 통해, 애노드 전극(220)에 공급되는 연료가 가열될 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따르는 복합발전시스템은 천연가스합성장치(100)에 연료전지장치(200)를 통합시켜 연료전지장치(200)를 구성하는 선개질기나 탈황기가 불필요하다. 또한, 캐소드 전극에 메탄화 반응기로부터 배출되는 CO2를 추가 공급할 수 있으므로, 연료 전지 모듈의 효율을 향상시킬 수 있다. 이 때, 메탄화 반응기(160)에 공급되는 Gas 성분의 부피비는 각각 H2(0.7%), CO(0.05%), CO2(21.3%), CH4(75.9%), C2(0.05%), N2(2.0%)가 되는 것이 바람직하다.
제2 실시예
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따르는 복합발전시스템의 개념도이다.
도 5를 참조하면, 연료전지장치(1200)는 천연가스합성장치(1100)로부터 수소를 공급받도록 연결(공급라인 1181 -> 공급라인 1252)된다. 보다 자세하게는 메탄화 반응기(1160)에서 생성된 메탄은 개질기부(1210)로 공급되고, 개질기부(1210)는 화학반응을 통해 수소와 이산화탄소를 형성하고, 개질기부(1210)에서 생성된 수소는 연료전지장치(1200)의 애노드 전극(1220)에 공급된다.
애노드 전극(1220)에서는 앞서 살펴본 바와 같이, 수소(H2)가 공급되어 탄산 이온(CO3 2 -)과 전기 화학적 산화 반응이 일어나면서 물과 이산화탄소 및 전자(e-)를 생성한다.
제2 반응기(1150)에서 배출되는 이산화탄소는 공급라인(1151)을 통해 캐소드 전극(1230)에 공급된다. 그리고, 산소 공급부(1104)에서 공급되는 산소는 산소 공급라인(1105)을 통해 캐소드 전극(1230)에 공급된다. 그리고, 캐소드 전극에서 배출되는 배가스 중 이산화탄소와 물을 분리하기 위하여 응축기가 캐소드 전극에 연결된다. 응축기와 캐소드 전극 사이에는 열교환기가 배치될 수 있다.
그리고, 응축기(1102)로부터 배출되는 이산화탄소 중 일부는 분리되어 공급라인(1103)을 통해 캐소드 전극(1230)에 공급된다.
이로 인해 추가적인 분리 작업없이 연료전지장치에 의한 CO2 포집이 가능하므로, 캐소드 전극의 CO2분압을 상승시켜 스택부의 성능 향상을 가져오고, 이로 인해 전력 생산 성능 효율이 상승할 수 있다.
또한, 애노드 전극(1220)으로부터 배출라인(1251)을 통해 배출되는 미사용된 연료를 포함하는 유체는 SNG 생산 공정의 제1 반응기(1140)로 재순환 공급되어 수성 가스 전이 반응을 추가적으로 일으켜 전체 효율 향상을 도모할 수 있다.
즉, 애노드 전극(1220)으로부터 배출라인(1251)을 통해 배출되는 미사용된 연료로서 H2와 CO가 제1 반응기(1140)로 공급되어, 수성 가스 전이 반응(Water Gas Shift Reaction)을 일으킨다.
이로 인해, 전체적인 전력 생산효율을 극대화시킬 수 있다.
본 발명의 제2 실시예에 따르는 복합발전시스템은, 애노드 전극(1220)으로부터 배출되는 미사용된 연료가 제1 반응기(1140)로 유입되고, 제1 반응기(1140)와 제2 반응기(1150)를 거쳐 생성되는 CO2가 캐소드 전극(1230)으로 유입되어 N2를 제외한 순 CO2와 O2를 스택부에 공급한다. 그리고, 메탄화 반응기(1160)를 거쳐 생성된 메탄과 H2가 스택부의 애노드 전극(1220)에 공급되어 전체적인 전력 생산 효율을 높일 수 있다.
제3 실시예
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따르는 복합발전시스템의 개념도이다.
도 6을 참조하면, 연료전지장치(2200)는 천연가스합성장치(2100)로부터 수소를 공급받도록 연결(공급라인 2181 -> 공급라인 2252)된다. 보다 자세하게는 메탄화 반응기(2160)에서 생성된 메탄은 개질기부(2210)로 공급되고, 개질기부(2210)는 화학반응을 통해 수소와 이산화탄소를 형성하고, 개질기부(2210)에서 생성된 수소는 연료전지장치(2200)의 애노드 전극(2220)에 공급된다.
애노드 전극(2220)에서는 앞서 살펴본 바와 같이, 수소(H2)가 공급되어 탄산 이온(CO3 2 -)과 전기 화학적 산화 반응이 일어나면서 물과 이산화탄소 및 전자(e-)를 생성한다.
제2 반응기(2150)에서 배출되는 이산화탄소는 공급라인(2151)을 통해 캐소드 전극(2230)에 공급된다. 그리고, 산소 공급부(2104)에서 공급되는 산소는 산소 공급라인(2105)을 통해 캐소드 전극(2230)에 공급된다. 또한, 응축기(2102)로부터 배출되는 이산화탄소 중 일부는 분리되어 공급라인(2103)을 통해 캐소드 전극(2230)에 공급된다.
이로 인해 추가적인 분리 작업없이 연료전지장치에 의한 CO2 포집이 가능하므로, 캐소드 전극의 CO2분압을 상승시켜 스택부의 성능 향상을 가져오고, 이로 인해 전력 생산 성능 효율이 상승할 수 있다.
그리고, 애노드 전극(2220)과 캐소드 전극(2230)의 배출라인들(2251, 2253)을 통해 배출되는 미반응 연료를 포함하는 유체는 압축기(2106)로 유입된다. 압축기(2106)를 통과한 유체는 산화기(2107)를 거치고 터빈(2108)을 통해 전력을 생산하게 된다.
터빈(2108)을 지난 고온의 기체는 배열 회수 장치(Heat Recovery Steam Generator, 109)를 거쳐 응축기(2102)에 공급된다. 응축기(2102)에 공급되는 유체는 응축되어 CO2와 H2O로 분리되고, 응축기(2102)로부터 배출되는 이산화탄소 중 일부는 분리되어 공급라인(2103)을 통해 캐소드 전극(2230)에 공급된다.
연료전지장치(2100)가 제1 발전장치라면, 압축기(2106), 산화기(2107) 및 터빈(2108)은 제2 발전장치가 된다. 그리고, 배열 회수기(2109)로부터 회수된 유체는 스팀 터빈을 구비하는 제3 발전 장치(미도시)로 공급될 수 있다. 이렇게 스택부를 구성하는 애노드 전극와 캐소드 전극으로부터 배출되는 유체는 제2 또는 제3 발전장치를 통해 추가적인 전력을 생산할 수 있다. 이로 인해, 전체 시스템의 효율을 높일 수 있다.
상기와 같이 설명된 복합발전시스템은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

Claims (10)

  1. 석탄 및 산소를 공급받아 가스화기에서 합성가스를 생성한 뒤 메탄화 반응기를 거쳐 메탄을 합성하는 천연가스합성장치;
    상기 천연가스합성장치로부터 메탄을 포함하는 연료를 공급받아 전기에너지를 발생시키는 내부개질형 용융탄산염 연료전지장치; 및
    상기 연료전지장치로부터 배출되는 유체를 이용하여 전기에너지를 생산하는 발전장치를 포함하고,
    상기 천연가스합성장치는,
    상기 가스화기로부터 유입되는 유체를 이용하여 수성 가스 전이 반응(Water Gas Shift Reaction)을 통해 수소와 이산화탄소를 생성하는 제1 반응기와,
    상기 제1 반응기로부터 배출되는 유체를 공급받아 물리 또는 화학적 분리를 통해 이산화 탄소와 황화합물을 분리하는 제2 반응기를 더 포함하며,
    상기 연료전지장치는 캐소드 전극과 애노드 전극을 포함하고,
    상기 애노드 전극으로부터 배출되는 미사용된 연료가 상기 제1 반응기로 유입되는 것을 특징으로 하는 복합발전시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 반응기와 제2 반응기를 거쳐 생성되는 이산화탄소가 상기 메탄화 반응기에서 메탄으로 전환되어 상기 연료전지장치로 유입되는 것을 특징으로 하는 복합발전시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2 반응기로부터 배출되는 이산화탄소가 상기 캐소드 전극으로 공급되는 것을 특징으로 하는 복합발전시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 가스화기에 산소를 공급하는 산소 공급부를 더 포함하고,
    상기 산소 공급부는 적어도 일부의 산소를 상기 캐소드 전극에 공급하는 것을 특징으로 하는 복합발전시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 캐소드 전극에서 배출되는 유체에서 물과 이산화탄소를 분리하도록 상기 캐소드 전극에 연결되는 응축기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합발전시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 발전장치는,
    상기 연료전지장치로부터 배출되는 유체를 압축하는 압축기와, 상기 압축기를 통과하는 유체를 산화시키는 산화기와, 상기 산화기로부터 배출되는 가스를 이용하여 발전하는 터빈을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합발전시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 터빈으로부터 배출되는 가스의 배열을 흡수하도록 상기 터빈과 연결되는 배열 회수기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합발전시스템.
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