KR101596721B1 - 연료전지, 이를 포함한 복합발전시스템 및 복합발전방법 - Google Patents

연료전지, 이를 포함한 복합발전시스템 및 복합발전방법 Download PDF

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Abstract

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 종래의 문제를 해결하기 위한 것으로서, 복합발전시스템의 전체 발전 효율을 향상시킨 복합발전시스템, 연료전지 및 복합발전방법을 제공하는 데 있다.
전술한 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명은 연료 가스가 일정 압력이 되도록 정압하는 연료공급 시스템을 포함하는 복합발전시스템에 있어서, 가열된 작동 유체를 이용하여 발전하는 유기랭킨사이클 발전시스템을 포함하되, 상기 유기랭킨사이클 발전시스템은, 상기 작동 유체가 상기 연료공급 시스템의 연료 가스와 상호 열 교환하여 상기 작동 유체를 냉각하거나, 상기 연료공급 시스템의 상기 연료 가스를 가열하는 복합발전시스템을 제공한다.
이상의 본 발명에 따른 연료전지, 이를 포함한 복합발전시스템 및 복합발전방법은 복합발전시스템의 전체 발전 효율을 향상시킬 수 있고, 이와 동시에, 발전 효율은 연료공급 시스템의 수요처에서의 가스 사용량 변화에 의한 영향을 줄일 수 있다.

Description

연료전지, 이를 포함한 복합발전시스템 및 복합발전방법{FUEL CELL, COMBINED GENERATION SYSTEM AND METHOD COMPRISING THE SAME}
본 발명은 연료전지, 이를 포함한 복합발전시스템 및 복합발전방법에 관한 발명으로서, 보다 구체적으로 연료공급 시스템을 이용한 복합발전시스템, 연료전지 및 발전방법에 관한 발명이다.
연료전지(Fuel Cell)는 연료와 산화제를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시키는 장치로서, 일반적인 전지와는 다르게 연료를 소모하여 전력을 생산한다.
이러한 연료전지는 용융탄산염 연료전지(MCFC; Molten Carbonate Fuel Cell), 고분자전해질 연료전지(PEMFC; Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cel), 고체산화물 연료전지(SOFC; Solid Oxide Fuel Cell), 직접메탄올 연료전지(DMFC; Direct Methanol Fuel Cell), 직접에탄올 연료전지(DEFC; Direct Ethanol Fuel Cell) 및 인산형 연료전지(PAFC; Phosphoric Acid Fuel Cell) 등 다양한 종류의 형태를 가질 수 있다.
현재, 이 중 가장 상용화된 연료전지는 용융탄산염 연료전지(MCFC)로서, 이하의 본 명세서에서는 특별한 언급이 없는 이상 MCFC를 기준으로 설명하기로 하나, 본 발명의 범위를 이에 한정하고자 하는 의도가 아님을 미리 밝혀둔다.
MCFC에 대해 자세히 살펴보면, MCFC는 탄화수소를 연료로 하는 연료전지로서, 일반적으로 연료극(anode), 공기극(cathod), 매트릭스(matrix)을 포함하되, 각 구성요소에는 전해질이 함침(含浸)되어 있다. 이러한 MCFC의 연료극에는 천연가스(natural gas)의 개질 반응을 통해 생성된 수소 연료가스가 주입되고, 공기극에는 이산화탄소와 함께 산소가 공급되어, 공기극에서는 카보네이트 이온(CO3 2 -)을 생성하게 된다. 공기극에서 생성된 카보네이트 이온은 연료극과 공기극 사이에 위치하는 매트릭스의 전해질을 통하여 공기극에서 연료극으로 이동하며, 연료극에서 생성된 전자는 외부 회로를 경유하게 된다. 이때, 전해질은 평상시에는 고체 상태로 존재하다가 연료전지가 정상 운전될 경우에는 약 650℃까지 온도가 상승하여 전해질은 액화된다.
연료전지가 운전 중 배출되는 가스는 고온의 가스로 열 에너지를 포함하고 있으나 일반적으로 버려지게 된다. 도 1은 종래 연료공급 시스템과 연료전지가 연결된 복합발전시스템을 나타낸 도면이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 내부개질형 MCFC(10)는 연료공급 시스템으로부터 연료가스인 천연가스(20)를 공급받는다.
여기서, 연료공급 시스템은 연료 가스를 사용하여 동력을 발생시키는 엔진이나, 전력을 발생시키는 수단인 발전 수단 등에 상기 연료 가스를 공급하는 수단으로서, 연료 가스를 공급하는 각종 설비나 연료 탱크 등과 같이, 외부로부터 공급된 고압의 천연가스(20)를 엔진이나 발전 수단 혹은 가정이나 공장 등의 수요처(24)에서 요구하는 압력으로 낮춰 공급해주는 시스템이다. 이하의 본 명세서에서는 특별한 언급이 없는 이상, 연료공급 시스템의 일 예로서, 외부로부터 공급된 고압의 천연가스(20)를 연료전지(10)에 공급해 주는 수단을 기준으로 설명하기로 하나, 본 발명의 범위를 이에 한정하고자 하는 의도가 아님을 미리 밝혀둔다.
한편, 연료공급 시스템은 바람직하게, 터보 팽창기(turbo expander)(21)를 포함할 수 있다. 연료공급 시스템은 정압장치(pressure regulator)(미도시)를 통해 고압 천연가스(20)를 수요처에 공급하기 위해 강제 감압할 수 있으나, 상기 정압장치를 통한 강제 감압시 버려지는 압력에너지를 회수하기 위해, 상기 정압장치를 대신하여 고압의 천연 가스를 연료전지(10)에 요구되는 소정의 압력으로 감압할 때 발생하는 압력 에너지를 이용하여 발전하는 터보 팽창기(21)를 포함하는 것이 바람직하다. 즉, 터보 팽창기(21)의 발전 동작에 관한 구체적인 일 예로서, 고압의 연료 가스는 터빈블레이드를 회전시키고, 터빈블레이드에 연결된 기어 박스(22)를 통해 발전기에 회전에너지를 전달함으로써, 압력 에너지를 전기 에너지로 변환시킬 수 있다.
한편, 연료전지(10)가 내부개질형 MCFC의 경우에는, 연료극(11)에서 일어나는 하기 반응식 1과 같은 발열 반응에 대응하여 시스템의 안정성을 향상시키기 위해, 내부개질부(13)를 이용하여, 하기 반응식 2와 같은 흡열 반응을 일으키도록 할 수 있다.
[반응식 1]
Figure 112013066591184-pat00001
[반응식 2]
Figure 112013066591184-pat00002
이렇게, 내부개질부(13)에 의한 상기 반응식 2와 같은 반응을 유도하기 위해, 제2 혼합부(25)는 정압된 천연가스에 펌프(16)를 통해 공급된 정제수(50)를 혼합하여 연료극에 공급할 수 있다.
제1 혼합부(14)는 송풍기(17)를 이용하여 외부로부터 공급된 공기(40)와 가열부(18)에 의해 가열된 공기 및 스택의 연료극에서 배출되는 부생가스를 혼합하여, 혼합된 가스를 공기극에 공급한다. 이때, 공기극에 공기와 함께 이산화탄소를 공기극에 공급하기 위해, 공기가 선택적으로 산화부(15)를 통하도록 할 수 있다. 여기서, 제1 혼합부(14)는 일 예로서, 미국 특허 제6,902,840호에서 나타낸 벤츄리(venturi) 타입의 혼합기가 사용될 수 있으나 특별히 한정하지 않고, 이에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
한편, 연료전지(10)의 운전에 의해 공기극(12)에서 고온의 가스가 배출되며, 배출된 고온의 가스는, 도 1에 도시한 바와 같이, 열 교환기(19)를 통해 연료극에 공급되는 연료를 가열하고, 나머지는 전부 버려지게 되는 문제가 있다(도면부호 30 참조). 이와 같은 문제는, 연료공급 시스템의 터보 팽창기(21)가 정상적으로 동작하기 위해 요구되는 가스의 유동 조건(flow condition)이 터보 팽창기(21)의 동작 조건(operating range)을 만족하여야 하는데, 연료공급 시스템은 수요처의 사용량 변화에 따라 가스의 흐름 변동(fluctuate)이 커서, 터보 팽창기(21) 및 연료전지(10)에 의한 최적의 발전 효율을 설계하기 어렵기 때문에 발생하게 된다.
다시 말해, 연료전지(10) 및 터보 팽창기(21)에 의한 발전 효율을 향상시키되, 발전 효율이 연료공급 시스템의 수요처에서의 가스 사용량 변화에 따라 불규칙하게 변동하는 현상을 방지하는 기술이 절실한 실정이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 전술한 바와 같은 종래의 문제를 해결하기 위한 것으로서, 복합발전시스템의 전체 발전 효율을 향상시킨 복합발전시스템, 연료전지 및 복합발전방법을 제공하는 데 있다.
전술한 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명은 연료 가스가 일정 압력이 되도록 정압하는 연료공급 시스템을 포함하는 복합발전시스템에 있어서, 가열된 작동 유체를 이용하여 발전하는 유기랭킨사이클 발전시스템을 포함하되, 상기 유기랭킨사이클 발전시스템은, 상기 작동 유체가 상기 연료공급 시스템의 연료 가스와 상호 열 교환하여 상기 작동 유체를 냉각하거나, 상기 연료공급 시스템의 상기 연료 가스를 가열하는 복합발전시스템을 제공한다.
바람직하게, 상기 연료공급 시스템은 상기 연료 가스를 사용하여 동력을 발생시키거나, 전력을 발생시키는 수단의 폐열을 이용하여, 상기 연료 가스를 가열할 수 있다.
바람직하게, 상기 유기랭킨사이클 발전시스템은 상기 작동 유체 가열시 상기 연료 가스를 사용하여 동력을 발생시키거나, 전력을 발생시키는 수단의 폐열을 이용할 수 있다. 이때, 상기 연료전지 시스템은 상기 작동 유체의 종류에 따라 상기 유기랭킨사이클 발전시스템에 상기 폐열을 통한 열 에너지 공급을 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 연료전지를 포함한 연료전지 시스템 및 상기 연료전지 시스템에 공급되는 연료 가스가 일정 압력이 되도록 정압하는 연료공급 시스템을 포함하되, 상기 연료공급 시스템은, 상기 연료 가스를 상기 연료전지의 배기 가스로부터 열 에너지를 공급받아 가열하는 복합발전시스템을 제공한다.
바람직하게, 본 발명에 따른 복합발전시스템은 가열된 작동 유체를 이용하여 발전하는 유기랭킨사이클 발전시스템을 더 포함하되, 상기 연료공급 시스템은 상기 연료 가스를 상기 작동 유체로부터 열 에너지를 공급받아 가열할 수 있다. 이때, 상기 유기랭킨사이클 발전시스템은 상기 연료전지의 배기 가스로부터 열 에너지를 공급받아 상기 작동 유체를 가열할 수 있다.
바람직하게, 상기 연료전지 시스템은 상기 작동 유체의 종류에 따라 상기 유기랭킨사이클 발전시스템에 상기 배기 가스를 통한 열 에너지 공급을 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
상기 연료전지 시스템은, 상기 연료 가스에 포함된 탄소에 대한 증기의 비율을 조절하여 상기 연료전지에 공급하는 가습부를 포함한 경우, 상기 연료공급 시스템은, 상기 가습부에서 배출되는 폐열을 이용하여, 상기 연료 가스를 가열할 수 있고, 또한, 상기 제어부는 상기 작동 유체의 종류에 따라 상기 가습부에 상기 배기 가스를 통한 열 에너지 공급을 제어할 수 있다. 상기 제어부는 상기 작동 유체의 종류에 따라 상기 유기랭킨사이클 발전시스템에 공급되는 열 에너지와 상기 가습부에 공급되는 열 에너지가 일정 비율이 되도록 공급을 제어할 수 있고, 상기 가습부는 배출하는 고온의 가스를 상기 유기랭킨사이클 발전시스템에 공급할 수 있다.
구체적으로, 상기 제어부는 상기 유기랭킨사이클 발전시스템이 톨루엔 혹은 프로리놀85을 작동 유체로 사용하는 경우, 상기 유기랭킨사이클 발전시스템에 공급되는 열 에너지와 상기 가습부에 공급되는 열 에너지가 일정 비율이 되도록 공급을 제어할 수 있고, 상기 유기랭킨사이클 발전시스템이 할로겐화 탄화수소계 화합물 혹은 이소부탄을 작동 유체로 사용하는 경우, 상기 가습부에 상기 배기 가스를 통한 열 에너지를 공급하되, 상기 가습부는, 배출하는 고열의 가스를 상기 유기랭킨사이클 발전시스템에 공급할 수 있다.
한편, 상기 연료공급 시스템은 고압의 상기 연료 가스를 감압할 때 발생하는 압력 에너지를 이용하여 발전하는 제1 발전부를 포함하거나, 상기 일정 압력의 연료 가스를 연소시켜 발생하는 열 에너지로 발전하는 제2 발전부를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 연료공급 시스템으로부터 공급받은 정압의 연료 가스를 이용하는 연료전지에 있어서, 상기 연료전지는, 배기 가스에 포함된 열 에너지를 유기랭킨사이클 발전시스템에 공급하여 작동 유체를 가열하고, 상기 유기랭킨사이클 발전시스템은 상기 연료공급 시스템의 상기 연료 가스와 열 교환하여, 상기 작동 유체를 냉각하거나, 상기 연료공급 시스템의 상기 연료 가스를 가열하는 연료전지를 제공한다.
또한, 본 발명은 연료공급 시스템으로부터 공급받은 정압의 연료 가스를 이용하는 연료전지에 있어서, 상기 연료공급 시스템은, 상기 연료 가스를 상기 연료전지의 배기 가스로부터 열 에너지를 공급받아 가열하는 연료전지를 제공한다.
또한, 본 발명은 연료공급 시스템으로부터 공급받은 정압의 연료 가스를 이용하는 연료전지에 있어서, 상기 연료전지는, 배기 가스에 포함된 열 에너지를 유기랭킨사이클 발전시스템에 공급하여 작동 유체를 가열하는 것을 특징으로 하되, 상기 연료전지는, 상기 작동 유체의 종류에 따라 상기 유기랭킨사이클 발전시스템에 상기 배기 가스를 통한 열 에너지 공급을 제어하는 제어부를 포함하는 연료전지를 제공한다.
이때, 상기 연료전지는 상기 연료 가스에 포함된 탄소에 대한 증기의 비율을 조절하여 상기 연료전지에 공급하는 가습부를 더 포함할 수 있고, 바람직하게 상기 연료공급 시스템은, 상기 가습부에서 배출되는 폐열을 이용하여, 상기 연료 가스를 가열할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 작동 유체의 종류에 따라 상기 유기랭킨사이클 발전시스템에 공급되는 열 에너지와 상기 가습부에 공급되는 열 에너지가 일정 비율이 되도록 공급을 제어할 수 있다.
구체적으로, 상기 제어부는, 상기 유기랭킨사이클 발전시스템이 톨루엔 혹은 프로리놀85을 작동 유체로 사용하는 경우, 상기 유기랭킨사이클 발전시스템에 공급되는 열 에너지와 상기 가습부에 공급되는 열 에너지가 일정 비율이 되도록 공급을 제어할 수 있고, 상기 유기랭킨사이클 발전시스템이 할로겐화 탄화수소계 화합물 혹은 이소부탄을 작동 유체로 사용하는 경우, 상기 가습부에 상기 배기 가스를 통한 열 에너지를 공급하되, 상기 가습부는, 배출하는 고열의 가스를 상기 유기랭킨사이클 발전시스템에 공급할 수 있다.
바람직하게 상기 유기랭킨사이클 발전시스템은, 상기 연료공급 시스템의 상기 연료 가스와 열 교환하여, 상기 작동 유체를 냉각하거나, 상기 연료공급 시스템의 상기 연료 가스를 가열할 수 있다.
또한, 본 발명은 연료공급 시스템이 연료 가스가 일정 압력이 되도록 정압하는 단계 및 유기랭킨사이클 발전시스템이 가열된 작동 유체를 이용하여 발전하고, 상기 작동 유체와 상기 연료공급 시스템의 연료 가스가 상호 열교환하는 단계를 포함하는 복합발전방법을 제공한다.
이때, 상기 연료공급 시스템은 상기 연료 가스를 이용하여 동력을 발생시키거나, 전력을 발생시키는 수단의 폐열을 이용하여, 상기 연료 가스를 가열하는 단계를 더 포함하거나, 상기 연료 가스를 이용하여 동력을 발생시키거나, 전력을 발생시키는 수단의 폐열을 이용하여, 상기 작동 유체를 가열하는 단계를 더 포함할 수 있다. 여기서, 작동 유체 가열시, 상기 연료전지 시스템은 상기 작동 유체의 종류에 따라 상기 유기랭킨사이클 발전시스템에 상기 배기 가스를 통한 열 에너지 공급을 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 연료공급 시스템이 연료전지 시스템에 공급되는 연료 가스가 일정 압력이 되도록 정압하는 단계 및 연료공급 시스템은 상기 연료 가스를 상기 연료전지 시스템이 포함한 연료전지의 배기 가스 또는 유기랭킨사이클 발전시스템의 작동 유체로부터 열 에너지를 공급받아 가열하는 단계를 포함하는 복합발전방법을 제공한다.
이때, 상기 유기랭킨사이클 발전시스템은 상기 연료전지 시스템이 포함한 연료전지의 배기 가스로부터 열 에너지를 공급받아 작동 유체를 가열하는 단계를 더 포함할 수 있고, 바람직하게는 상기 연료전지 시스템은 상기 작동 유체의 종류에 따라 상기 유기랭킨사이클 발전시스템에 상기 배기 가스를 통한 열 에너지 공급을 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다. 여기서, 상기 열 에너지 공급을 제어하는 단계는, 상기 연료전지 시스템은 상기 작동 유체의 종류에 따라 상기 유기랭킨사이클 발전시스템에 공급되는 열 에너지와 상기 연료 가스에 포함된 탄소에 대한 증기 비율을 조절하기 위한 가습부에 공급되는 열 에너지가 일정 비율이 되도록 공급을 제어할 수 있다.
이상의 본 발명에 따른 연료전지, 이를 포함한 복합발전시스템 및 복합발전방법은 복합발전시스템의 전체 발전 효율을 향상시킬 수 있고, 이와 동시에, 발전 효율은 연료공급 시스템의 수요처에서의 가스 사용량 변화에 의한 영향을 줄일 수 있다.
또한, 연료전지에서 배출되는 고온의 가스나, 엔진 등의 폐열을 유기랭킨사이클 발전시스템의 작동 유체를 가열시키는 데 활용함으로써, 열 소비 효율 및 전체 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 유기랭킨사이클 발전시스템의 작동 유체와 연료공급 시스템의 연료 가스 상호 간에 열 교환하여, 가열된 작동 유체를 냉각시킴과 동시에 연료공급 시스템의 연료 가스를 가열할 수 있다. 나아가, 연료공급 시스템의 연료 가스를 연료전지 또는 엔진 등의 폐열을 이용하여 가열할 수 있다.
도 1은 종래 연료공급 시스템과 내부개질형 MCFC가 연결된 복합발전시스템을 나타낸 도면이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지를 포함한 복합발전시스템의 구성을 나타낸 도면이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 복합발전방법을 흐름도로 나타낸 도면이다.
아래에는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구성될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙여 설명하기로 한다.
이하, 본 발명에서 실시하고자 하는 구체적인 기술내용에 대해 첨부도면을 참조하여 상세하고도 명확하게 설명하기로 한다.
제1 실시예
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지를 포함한 복합발전시스템의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 복합발전시스템(100)은 연료전지를 포함한 연료전지 시스템(110), 상기 연료전지 시스템(110)에 일정 압력의 연료 가스를 공급하는 연료공급 시스템(120) 및 연료전지 시스템(11)과 연료공급 시스템(일 예로, 정압 시스템(Pressure Reduction System))(120) 각각에 연결된 유기랭킨사이클 발전시스템(Organic Rankine Cycle)(130)을 포함한다.
여기서, 연료공급 시스템(120)이 연료전지 시스템(110)에 공급하는 "연료 가스"를 특별히 한정하지 않으나, 본 명세서에서는 일반적으로 연료전지 시스템(110)에 공급하는 "천연 가스"의 용어와 혼용하기로 한다.
이하, 각 구성에 대해 자세히 살펴보면, 연료전지 시스템(110)은 연료전지를 포함하여 전력을 생산하는 시스템이다.
본 발명의 연료전지 시스템(110)의 경우 다양하게 구성될 수 있으나, 일 예로서, 연료전지가 내부개질형 MCFC의 경우, 도 2에 도시한 바와 같이, 연료전지 시스템(110)은 가습부(118) 및 예비 개질부(119)를 포함할 수 있다.
먼저, 예비 개질부(119)는 연료공급 시스템(120)으로부터 제공받은 연료 가스, 일 예로서, 천연 가스에 포함된 고분자량 탄화수소(higher hydrocarbon) 즉, 탄소수 2 내지 100의 알칸 등을 메탄(CH4), 수소(H2) 등으로 변환하는 수단으로서, 주로 수소의 농도를 높이고, 일산화탄소의 농도를 낮추는 기능을 한다. 예비 개질부(119)에서 일어나는 예비 개질(pre-reforming)은 하기 반응식 3 내지 5로 나타낼 수 있으며, 여기서 반응식 3에 나타난 반응은 흡열 반응이고, 반응식 4 내지 5에 나타낸 반응은 발열 반응이다.
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예비 개질부(119)는 전술한 바와 같이, 연료전지가 내부 개질형인 경우에 연료가 주입되는 연료전지의 전단에 위치하여, 주(主) 개질기에 대한 부담을 줄이고, 주(主) 개질 촉매의 비활성화를 방지하여 에너지 효율을 증대시킬 수 있다. 이때, 예비 개질부(119)의 개질 촉매는 니켈(Ni), 루테늄(Ru) 또는 로듐(Rh) 계열의 촉매 등이 사용될 수 있으나, 활성이 높은 니켈 계열의 촉매를 사용하는 것이 바람직하다.
한편, 연료전지 시스템(110)은 연료전지의 연료극 입구에 가습부(118)를 더 포함할 수 있다.
가습부(118)는 연료공급 시스템(120)에서 공급된 천연 가스의 공급 유량에 따라 물(H2O) 또는 스팀(steam)의 공급을 조절하여, 연료전지에 공급되는 연료의 스팀/탄소(S:C)의 비율을 일정하게 유지한다.
가습부(118)가 스팀/탄소 비율이 유지된 연료를 연료전지에 제공할 때, 연료전지의 작동 온도가 고온이기 때문에, 연료전지의 효율성 측면에서 연료를 가열하여 공급하는 것이 바람직하고, 이때, 연료전지에 공급되는 연료를 가열하기 위해 연료전지(보다 자세하게는 공기극)에서 배출되는 고온의 가스를 열원으로 활용할 수 있다(도 2 참조).
도 2의 예에서 보듯, 가습부(118)는 연료전지 공기극에서 배출되는 고온의 가스를 스팀 생성의 열원으로 활용할 수 있다.
한편, 전술한 바와 같이, 가습부(118)가 연료전지에 제공하는 연료는 일 실시예에 따라 예비 개질부(119)를 통해 제공되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템(110)은 연료전지에서 배출된 고온의 배기 가스를 유기랭킨사이클 발전시스템(130), 가습부(118) 및/또는 연료공급 시스템(120)에 제공하여, 발전 시스템 전체의 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
연료전지 시스템(110)은 상기와 같은 구성 이외에도, 도 2에 도시한 바와 같이, 외부로부터 공급된 공기(40)를 공기극에 원활하게 공급하기 위한 송풍기(117)와, 공기와 함께 이산화탄소를 공기극으로 공급하기 위해 공기를 연소하기 위한 산화부(115)를 더 포함할 수 있고, 또한, 외부로부터 공급된 정제수(50)를 가습부(118)에 원활하게 공급하기 위해 펌프(116)를 더 포함할 수 있다.
연료공급 시스템(120)은 연료 가스를 사용하여 동력을 발생시키는 엔진이나, 전력을 발생시키는 수단인 발전 수단 등에 상기 연료 가스를 공급하는 수단으로서, 연료 가스를 공급하는 각종 설비나 연료 탱크 등과 같이, 외부로부터 공급된 고압의 천연가스(20)를 엔진이나 발전 수단 혹은 가정이나 공장 등의 수요처(24)에서 요구하는 압력으로 감압하여 공급해주는 시스템이다. 전술한 바와 같이, 본 명세서에서는 특별한 언급이 없는 이상, 연료공급 시스템의 일 예로서, 외부로부터 공급된 고압의 천연가스(20)를 연료전지(10)에 공급해 주는 수단을 기준으로 설명하기로 하나, 본 발명의 범위를 이에 한정하고자 하는 의도가 아님을 미리 밝혀둔다.
여기서, 연료공급 시스템(120)이 정압하기 위해 외부로부터 공급받는 고압의 연료 가스는 일반적으로 상온이다. 상온의 연료 가스는 유기랭킨사이클 발전시스템(130)에서 터빈을 작동시킨 작동 유체보다 온도가 상대적으로 낮기 때문에, 본 발명은 유기랭킨사이클 발전시스템(130)의 작동 유체와 연료공급 시스템(120)의 연료 가스 간에 상호 열 교환하여, 연료공급 시스템(120)의 연료 가스는 유기랭킨사이클 발전시스템(130)의 작동 유체에 냉각열을 제공하도록 하고, 유기랭킨사이클 발전시스템(130)의 가열된 작동 유체는 연료공급 시스템(120)의 연료 가스에 열 에너지를 제공하도록 한다. 이와 같이 유기랭킨사이클 발전시스템(130)와 연료공급 시스템(120) 간의 관계에 대한 구체적인 설명은 이하에서 자세히 설명하기로 한다.
한편, 연료공급 시스템(120)은 일반적으로 고압의 연료 가스를 정압하기 위해 정압장치(미도시)를 포함할 수 있으나, 상기 정압장치를 대신하여 고압의 연료 가스를 감압할 때 버려지는 압력 에너지를 이용하여 발전하는 제1 발전부(121)를 더 포함하는 것이 바람직하다. 폐압 에너지를 활용함으로써, 미활용 에너지를 효율적으로 회수할 수 있기 때문이다.
제1 발전부(121)는, 일 예로서, 터보 팽창기(turbo expander)일 수 있다. 터보 팽창기는 내부로 유입되는 고압의 가스에 의해 터빈 블레이드를 회전시켜 전력을 생산함과 동시에, 고압의 가스를 감압팽창시킬 수 있고, 이때, 터보 팽창기는 수요처에서 요구하는 소정의 압력으로 정압하도록 감압력을 높이기 위해 정압장치(미도시)를 직렬로 더 추가할 수 있다.
또한, 연료공급 시스템(120)은 제2 발전부(122)를 더 포함할 수 있다. 제2 발전부(122)는 수요처로 공급하기 위해 정압된 연료 가스를 이용하여 전력을 생산하는 수단으로서, 일 예로, 일정 압력의 연료 가스를 연소시켜 발생하는 에너지를 활용하는 보일러(boiler)일 수 있다.
제2 발전부(122)는 수요처의 가스 사용량 변화에 영향을 받지 않고, 전체 발전 시스템이 일정하게 전력을 생산하도록 하기 위해, 수요처의 가스 사용량 변화에 따라 추가적으로 전력을 생산하거나 특히 연료전지가 정상적인 운전을 하지 못하는 경우에 보충적으로 전력을 생산토록 운전 제어되는 것이 바람직하다.
이렇게, 연료공급 시스템(120)은 제1 발전부(121) 및/또는 정압장치(미도시)를 통해 정압된 연료가스를 선박, 차량 혹은 연료전지 시스템(110)의 연료로 공급하거나, 각종 수요처(24) 등에 공급할 수 있다.
일반적인 랭킨사이클(rankine cycle) 발전시스템은 증발기를 통과하면서 고압이 된 증기가 터빈(turbine)을 회전시킴으로써 발생되는 축동력을 전기에너지로 변환시키는 시스템이다. 그러나 일반적인 랭킨사이클은 작동 유체(working fluid)로서 물을 사용하고 있으며, 작동 유체가 물인 경우, 고온의 열원에 대해서는 효율적이지만, 열원 온도가 중저온(70 ~ 400℃)일 경우에는 시스템 효율이 저하되므로, 작동 유체로서 유기혼합물(organic compund)을 사용한 유기랭킨사이클 발전시스템(ORC; Organic Rankine Cycle)을 적용하는 것이 바람직하다.
유기랭킨사이클 발전시스템(130)은 도 2에 도시한 바와 같이, 터빈(131), 응축기(133), 펌프(134) 및 열 회수기(135)를 포함할 수 있고, 열효율 향상을 위하여 재생기(132)가 터빈 출구와 열 회수기(135) 입구에 더 포함하는 것이 바람직하다.
유기랭킨사이클 발전시스템(130)의 사이클의 각 과정을 간략하게 살펴보면, 펌프(134)에서의 압축 과정, 열 회수기(135)에서의 흡열 과정, 터빈(131)에서의 팽창 과정 및 응축기(133)에서의 방열 과정으로 구성될 수 있다.
터빈(131) 출구에서 과열(superheated) 상태의 작동 유체는 응축기(133)를 통해 응축되어 포화(saturated) 액상으로 되고, 펌프(134)에 의해 압축된다. 이후, 펌프(134)에 의해 압축된 과냉(subcooled) 상태의 작동 유체는 열 회수기(135)에서 연료전지 시스템(110)으로부터 공급된 열원과의 열 교환을 통해 포화증발온도에 도달한 후 기상으로 증발하게 된다. 열 회수기(135) 출구에서의 포화증기 작동 유체는 터빈(131)에서 팽창됨으로써 발생하는 일(expansion work)은 기계적 에너지로 변환되어, 터빈과 연결된 발전기에 의해 전력이 생산된다. 다시, 터빈(131) 출구에서의 작동 유체는 과열 상태로 응축기(133)로 유입되어, 응축되는 과정을 반복하는 과정의 사이클을 형성하게 된다.
이때, 재생기(132)는 터빈(131)의 출구 및 열 회수기(135)의 입구에 설치되어, 터빈(131) 출구의 과열 상태의 작동 유체와 열 회수기(135) 입구의 과냉 상태의 작동 유체가 서로 열 교환되도록 함으로써, 열 회수기(135)로 들어가는 작동 유체의 온도를 상승시킴과 동시에 응축기(133)로 들어가는 작동 유체의 온도를 감소시켜, 유기랭킨사이클 발전시스템(130)의 효율을 향상시킬 수 있다. 터빈(131)에서 팽창된 과열 상태의 작동 유체는 열 회수기(135) 입구의 과냉 상태의 작동 유체보다 높은 온도로 유지되기 때문이다.
또한, 냉각팬(136)은 재생기(132)와 응축기(133) 사이에서 작동 유체가 흐르는 채널과 병렬적으로 설치되어, 과열 상태의 작동 유체가 응축기(133)로 유입될 때 온도를 하강시킬 수 있다. 이때, 도 2에 도시한 바와 같이, 냉각팬(136)의 입구에서 작동 유체의 유입 여부 및 유입 정도를 제어하기 위한 밸브(valve)가 더 포함될 수 있다.
본 발명에 따른 유기랭킨사이클 발전시스템(130)은 연료공급 시스템(120) 및/또는 연료전지 시스템(110)과 연결되어, 연료전지의 배기 가스로부터 열 에너지를 공급받아 열 회수기(135)를 통해 작동 유체를 가열하거나, 응축기(133)에서 상온의 고압 천연 가스와 열 교환하여 과열 상태의 작동 유체를 방열하여 응축시킬 수 있다.
이와 같이, 연료전지 시스템(110)에서 배출되는 고온의 가스를 이용하여 작동 유체를 가열하고, 상기 가열된 작동 유체를 연료공급 시스템(120)의 연료 가스를 이용하여 냉각함으로써, 복합발전시스템의 전체 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
이와 동시에, 유기랭킨사이클 발전시스템(130)을 활용하여 추가적으로 전력을 생산하거나 보충적으로 전력을 생산토록 함으로써, 연료공급 시스템(120)의 수요처에서 가스 사용량 변화에 의한 영향을 줄일 수 있다.
가장 바람직하게는, 유기랭킨사이클 발전시스템(130)이 연료전지 시스템(110) 및 연료공급 시스템(120)과 모두 연결되어, 연료전지의 배기 가스를 이용하여 작동 유체를 가열함과 동시에, 가열된 작동 유체를 냉각시 연료공급 시스템(120)의 연료 가스를 이용할 수도 있다.
이하에서, 연료전지 시스템(110), 유기랭킨사이클 발전시스템(130) 및 연료공급 시스템(120) 간의 상호 관계를 자세히 설명하기로 한다.
제2 실시예
우선, 연료전지 시스템(110)과 유기랭킨사이클 발전시스템(130)이 상호 작용하는 과정을 자세히 살펴보기로 한다.
전술한 바와 같이, 연료전지 시스템(110)의 연료전지는 고온의 배기 가스, 보다 구체적으로는 공기극에서 배출되는 가스에 포함된 열 에너지를 유기랭킨사이클 발전시스템(130)의 작동 유체에 제공하여 가열하되, 열 교환은 유기랭킨사이클 발전시스템(130)의 열 회수기(135)가 수행하는 것이 바람직하다.
이때, 제어부(미도시)는 유기랭킨사이클 발전시스템(130)의 작동 유체 종류에 따라 연료전지에서 배출되는 고온의 배기 가스를 통해 제공하는 열 에너지 공급을 제어할 수 있다. 구체적으로, 제어부는 연료전지 시스템(110)으로부터 유기랭킨사이클 발전시스템(130)으로 열 에너지 공급 여부 또는 공급 정도를 제어할 수 있고, 이와 함께 열 에너지 공급 경로 또는 공급 대상을 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 제어부는 연료전지에서 배출된 고온의 배기 가스에 포함된 열 에너지가 유기랭킨사이클 발전시스템(130)의 작동 유체 및/또는 가습부(118)에 제공되도록 제어할 수 있다.
즉, 유기랭킨사이클 발전시스템(130)의 작동 유체 종류에 따라, 즉, 작동 유체가 높은 작동 온도를 가진 경우, 도 2에 도시한 바와 같이, 제어부는 연료전지에서 배출되는 고온의 배기 가스가 포함한 열 에너지를 유기랭킨사이클 발전시스템(130)의 열 회수기(135) 및 가습부(118) 각각에 제공하되, 소정의 비율을 유지하도록 공급을 제어할 수 있다.
구체적으로, 유기랭킨사이클 발전시스템(130)의 작동 유체가 톨루엔 혹은 프로리놀85인 경우에는, 상기 작동 유체의 작동 온도(혹은 안정 온도)가 약 200℃ 이상이기 때문에, 제어부는 연료전지에서 배출되는 고온의 배기 가스에 포함된 열 에너지를 유기랭킨사이클 발전시스템(130)에 공급을 제어하되, 이때, 유기랭킨사이클 발전시스템(130)에 공급되는 열 에너지와 가습부(118)에 공급되는 열 에너지가 일정 비율이 되도록 공급을 제어하여, 가습부(118)를 통해 연료전지에 제공하는 연료를 동시에 가열하는 것이 바람직하다. 이때, 유기랭킨사이클 발전시스템(130)에 공급되는 열 에너지와 가습부(118)에 공급되는 열 에너지가 6:4의 비율로 공급하는 것이 바람직하되, 작동 유체의 종류 또는 외부의 환경적 요인에 따라 최적의 비율로 설정될 수 있음은 물론이다.
한편, 유기랭킨사이클 발전시스템(130)의 작동 유체가 낮은 작동 온도를 가진 경우, 도 3에 도시한 바와 같이, 제어부는 연료전지에서 배출되는 고온의 배기 가스가 포함한 열 에너지를 유기랭킨사이클 발전시스템(130)의 열 회수기(135)에 제공하도록 제어할 수 있다.
구체적으로, 유기랭킨사이클 발전시스템(130)의 작동 유체가 프레온 계열의 냉매(R-11, R-113, R-114)나 메탄, 에탄, 프로판(propane) 등의 할로겐화 탄화수소계 화합물 혹은 이소부탄(iso-butane)인 경우에는, 상기 작동 유체의 작동 온도가 약 200℃ 정도의 낮은 온도로 제한되기 때문에, 제어부는 연료전지에서 배출되는 고온의 배기 가스에 포함된 열 에너지가 가습부(118)에 공급되도록 제어하고, 가습부(118)가 배출하는 고온의 가스를 유기랭킨사이클 발전시스템(130)에 간접적으로 공급하도록 하는 것이 바람직하다.
제3 실시예
다음으로, 유기랭킨사이클 발전시스템(130)과 연료공급 시스템(120)이 상호 작용하는 과정을 자세히 살펴보기로 한다.
전술한 바와 같이, 유기랭킨사이클 발전시스템(130)의 가열된 작동 유체를 냉각시키기 위해, 터빈(131)을 통과한 과열 상태의 작동 유체와 연료공급 시스템(120)에서 외부로부터 공급되는 고압의 연료 가스와 열 교환하되, 과열 상태의 작동 유체를 응축시키기 위한 응축기(133)에서 열 교환이 이루어지는 것이 바람직하다. 즉, 유기랭킨사이클 발전시스템(130)의 과열 상태의 작동 유체는 연료공급 시스템(120)에서 상온의 고압 연료 가스에 열 에너지를 제공할 수 있고, 연료공급 시스템(120)에서 상온의 연료 가스는 상대적으로 온도가 높은 유기랭킨사이클 발전시스템(130)의 작동 유체에 냉기를 제공할 수 있다. 이때, 재생기(132)를 통과한 과열 상태의 작동 유체의 온도는 상온보다 높은 약 30 ~ 80℃의 온도를 갖기 때문이다.
한편, 연료공급 시스템(120)에서 외부로부터 공급된 상온의 천연 가스는 가열되는 것이 필요하다. 왜냐하면, 제1 발전부(121)가 터보 팽창기인 경우, 터보 팽창기에서 천연 가스가 감압 팽창시 응축되어 형성되는 액적(droplet)에 의해 발생하는 배관 부식 등의 각종 문제를 해소하기 위함이다.
따라서, 연료공급 시스템(120)에서 외부로부터 공급된 상온의 천연 가스는 유기랭킨사이클 발전시스템(130)의 응축기(133)를 통해 작동 유체와 열 교환하여 1차 가열될 수 있고, 추가로 연료전지 시스템(110)의 연료전지에서 배출되는 고온의 가스를 이용하거나, 연료 가스를 사용하여 동력을 발생시키는 엔진의 폐열 등을 이용하여, 열 교환기(123) 등을 통해 2차 가열될 수 있다.
연료전지의 배기 가스를 이용하여 천연 가스 가열시, 연료전지에서 배출되는 고온의 가스에 포함된 열 에너지를 이용하는 경우, 직접 열 교환기(123)를 통해 천연 가스를 가열할 수 있으나, 가습부(118)를 거쳐 가습부(118)에서 배출되는 폐열을 이용하여 열 교환기(123)를 통해 천연 가스를 가열할 수도 있다.
이외에도, 유기랭킨사이클 발전시스템(130)의 열 회수기(135)에서 배출되는 폐열 및 연료공급 시스템(120)이 제2 발전부(122)를 포함하는 경우 제2 발전부(122)에서 배출되는 패열 중 어느 하나 혹은 이들의 조합을 이용하여, 열 교환기(123) 등을 통해 연료공급 시스템(120)은 천연 가스를 가열할 수 있다.
복합발전방법
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 복합발전방법을 흐름도로 나타낸 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 복합발전방법은 도 4a에 도시한 바와 같이, 연료공급 시스템이 연료 가스를 정압하는 단계(S100) 및 유기랭킨사이클 발전시스템이 작동 유체와 상기 연료 가스를 열 교환하는 단계(S300)를 포함한다.
이하, 각 단계에 대해 도 2 및 3을 참조하여 자세히 살펴보기로 하되, 앞선 연료전지 및 연료전지를 포함한 복합발전시스템에 대한 설명과 중복되는 부분은 그에 갈음하고, 자세한 설명은 생략하기로 한다.
우선, 연료공급 시스템(120)이 연료전지에 공급하는 연료 가스가 일정 압력이 되도록 정압한다(S100).
이때, 연료공급 시스템(120)이 정압시 고압의 연료 가스를 수요처가 요구하는 압력으로 감압하기 위해, 일반적인 감압장치를 사용할 수도 있으나, 바람직하게 터보 팽창기를 사용하여 정압과 동시에 이에 연결된 발전 수단을 통해 전력을 생산하도록 할 수 있다.
다음으로, 유기랭킨사이클 발전시스템(130)이 가열된 작동 유체를 이용하여 발전하고, 작동 유체와 연료공급 시스템(120)의 연료 가스가 상호 열 교환하도록 한다(S300).
연료공급 시스템(120)이 외부로부터 공급받는 상온의 고압 연료 가스는 유기랭킨사이클 발전시스템(130)에서 터빈을 작동시킨 작동 유체보다 온도가 상대적으로 낮기 때문에, 유기랭킨사이클 발전시스템(130)의 작동 유체를 냉각하기 위해 연료공급 시스템(120)의 연료 가스를 이용하고, 반대로 제1 발전부(121)가 터보 팽창기인 경우에는 터보 팽창기에서 연료 가스가 감압 팽창시 응축되어 형성되는 액적에 의해 발생하는 배관 부식 등의 문제를 해결하기 위해 상기 연료공급 시스템(120)의 연료 가스를 가열하여, 전체 시스템의 열 효율을 향상시킬 수 있다.
이때, 연료공급 시스템(120)의 연료 가스를 가열하기 위해, 연료전지 시스템(110)의 연료전지에서 배출되는 고온의 가스를 이용하거나, 연료 가스를 사용하여 동력을 발생시키는 선박이나 차량 등의 엔진 등의 폐열을 이용할 수 있다. 연료공급 시스템(120)이 천연 가스를 가열시, 연료전지에서 배출되는 고온의 가스에 포함된 열 에너지를 이용하는 경우, 연료전지의 배기 가스를 직접 이용할 수 있으나, 가습부(118)에서 배출되는 폐열을 이용할 수도 있다. 이외에도, 유기랭킨사이클 발전시스템(130)의 열 회수기(135)에서 배출되는 폐열 및 연료공급 시스템(120)이 제2 발전부(122)를 포함하는 경우 제2 발전부(122)에서 배출되는 패열 중 어느 하나 혹은 이들의 조합을 이용할 수 있다.
본 발명에 따른 복합발전방법은, 바람직하게, 연료전지의 배기 가스로 유기랭킨사이클 발전시스템의 작동 유체를 가열하는 단계(S200)를 더 포함할 수 있다. 유기랭킨사이블 발전시스템의 작동 유체를 가열하는 경우도 마찬가지로, 연료전지 시스템(110)의 연료전지에서 배출되는 고온의 가스를 이용하거나, 연료 가스를 사용하여 동력을 발생시키는 선박이나 차량 등의 엔진 등의 폐열을 이용할 수 있다.
이때, 유기랭킨사이클 발전시스템(130)이 작동 유체를 가열하는 경우, 작동 유체의 종류에 따라 상기 배기 가스를 통한 열 에너지 공급을 제어하는 단계(S300)를 더 포함할 수 있다.
유기랭킨사이클 발전시스템(130)에서 과냉 상태의 작동 유체를 가열하기 위한 열원으로 연료전지가 배출하는 배기 가스를 사용하는 것이 바람직하다. 유기랭킨사이클 발전시스템(130)이 열 회수기(135)를 포함하는 경우, 상기 열 회수기(135)를 통해 작동 유체와 연료전지의 배기 가스 간에 열 교환하여, 작동 유체를 가열함으로써, 터빈(131)에 공급되는 작동 유체를 포화 증기로 변환시킬 수 있다. 이러한 포화 증기 상태의 작동 유체는, 터빈(131)에 의해 팽창에 의한 일에 의해 기계적 에너지로 변환될 수 있다.
이때, 유기랭킨사이클 발전시스템(130)의 작동 유체의 종류에 따라, 제어부는 연료전지의 배기 가스에 포함된 열 에너지를 유기랭킨사이클 발전시스템(130)의 열 회수기(135)로의 공급을 제어할 수 있다. 제어부는 열 에너지 공급 여부 또는 공급 정도를 제어할 수 있고, 이와 함께 열 에너지 공급 경로 또는 공급 대상을 제어할 수 있다.
구체적으로, 유기랭킨사이클 발전시스템(130)의 작동 유체가 프레온 계열의 냉매나 메탄, 에탄, 프로판 등의 할로겐화 탄화수소계 화합물 혹은 이소부탄 등과 같이 작동 온도가 높은 경우에는 연료전지의 배기 가스에 포함된 열 에너지의 공급이 일부는 유기랭킨사이클 발전시스템(130)에 공급하도록 하고, 나머지 일부는 가습부(118)에 공급하여, 열 에너지의 소비 효율을 높이는 것이 바람직하다. 이때, 유기랭킨사이클 발전시스템(130)에 공급되는 열 에너지와 가습부(118)에 공급되는 열 에너지가 시스템 설계에 따라 일정 비율(바람직하게는 6:4의 비율)로 설정될 수 있다.
한편, 가습부(118) 및/또는 열 회수기(135)에서 배출되는 고온의 가스는 외부로 방출하지 않고, 바람직하게 연료공급 시스템(120)의 연료 가스를 가열하는 열로 활용하는 것이 바람직하다.
이와 달리, 유기랭킨사이클 발전시스템(130)의 작동 유체가 톨루엔, 프로리놀85 등과 같이 작동 온도가 낮은 경우에는 연료전지의 배기 가스에 포함된 열 에너지를 가습부(118)에 공급하고, 유기랭킨사이클 발전시스템(130)의 열교환기에서 작동 유체를 가열하기 위한 열원으로 가습부(118)에서 배출되는 가스를 이용하여, 연료전지의 배기 가스에 포함된 열 에너지를 유기랭킨사이클 발전시스템(130)에 간접적으로 제공할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 복합발전방법은 도 4b에 도시한 바와 같이, 연료공급 시스템이 연료 가스를 정압하는 단계(S100) 및 연료공급 시스템은 연료 가스를 가열하는 단계(S400)를 포함한다.
연료공급 시스템의 연료 가스 가열(S400)은 연료전지 시스템(110)이 포함한 연료전지의 배기 가스 또는 유기랭킨사이클 발전시스템(120)의 작동 유체로부터 열 에너지를 공급받아 가열한다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 복합발전방법은 상기 작동 유체를 가열하는 단계(S200) 및 연료전지의 배기 가스를 통한 열 에너지 공급을 제어하는 단계(S250)를 더 포함할 수 있다. 연료전지의 배기 가스를 통한 유기랭킨사이클 발전시스템(120)의 작동 유체에 열 에너지 공급을 제어하는 단계(S250)는 연료전지 시스템(110)은 유기랭킨사이클 발전시스템(130)의 작동 유체의 종류에 따라 유기랭킨사이클 발전시스템(130)에 공급되는 열 에너지와 연료 가스에 포함된 탄소에 대한 증기 비율을 조절하기 위한 가습부(118)에 공급되는 열 에너지가 일정 비율이 되도록 공급을 제어하는 것이 바람직하다.
각 단계에 대한 설명은 전술한 설명과 중복되므로, 그에 갈음한다.
이와 같이, 본 발명에 따른 복합발전방법은 복합발전시스템의 전체 발전 효율을 향상시킬 수 있고, 이와 동시에, 유기랭킨사이클 발전시스템(130)을 활용하여 추가적으로 전력을 생산하거나 보충적으로 전력을 생산토록 함으로써, 연료공급 시스템(120)의 수요처에서 가스 사용량 변화에 의한 영향을 줄일 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 바람직한 실시예들은 기술적 과제를 해결하기 위해 개시된 것으로, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 사상 및 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가 등이 가능할 것이며, 이러한 수정 변경 등은 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
10: 연료전지 11, 111: 연료극
12, 112: 공기극 13: 내부개질부
14: 제1 혼합부 15, 115: 산화부
16, 116: 펌프 17, 117: 송풍기
18: 가열부 19: 열 교환기
20: 고압 천연가스 21: 터보 팽창기
22: 기어박스 23: 발전기
24: 수요처 25: 제2 혼합부
100: 복합발전시스템 110: 연료전지 시스템
118: 가습부 119: 예비 개질부
120: 연료공급 시스템 121: 제1 발전부
122: 제2 발전부 123: 열 교환기
130: 유기랭킨사이클 발전시스템 131: 터빈
132: 재생기 133: 응축기
134: 펌프 135: 열 회수기
136: 냉각팬

Claims (34)

  1. 고압의 연료 가스가 일정 압력이 되도록 감압하는 연료공급 시스템; 가열된 작동 유체를 이용하여 발전하는 유기랭킨사이클 발전시스템; 및 연료전지를 포함한 연료전지 시스템을 포함하는 복합발전시스템에 있어서,
    상기 유기랭킨사이클 발전시스템은, 상기 작동 유체가 상기 연료공급 시스템의 연료 가스와 상호 열 교환하여 상기 작동 유체를 냉각하고 상기 연료공급 시스템의 연료 가스를 가열하고,
    상기 유기랭킨사이클 발전시스템은, 상기 연료전지의 배기 가스로부터 열 에너지를 공급받아 상기 작동 유체를 가열하며,
    상기 연료전지 시스템은, 상기 연료 가스에 포함된 탄소에 대한 증기의 비율을 조절하여 상기 연료전지에 공급하는 가습부;를 포함하고, 상기 연료공급 시스템은, 상기 가습부에서 배출되는 폐열을 이용하여 상기 연료 가스를 가열하는 것을 특징으로 하는 복합발전시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료공급 시스템은,
    상기 연료 가스를 사용하여 동력을 발생시키거나, 전력을 발생시키는 수단의 폐열을 이용하여, 상기 연료 가스를 가열하는 것을 특징으로 하는 복합발전시스템.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 유기랭킨사이클 발전시스템은,
    상기 작동 유체 가열시 상기 연료 가스를 사용하여 동력을 발생시키거나, 전력을 발생시키는 수단의 폐열을 이용하는 것을 특징으로 하는 복합발전시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    연료전지 시스템은,
    상기 작동 유체의 종류에 따라 상기 유기랭킨사이클 발전시스템에 상기 폐열을 통한 열 에너지 공급을 제어하는 제어부; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합발전시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    연료전지를 포함한 연료전지 시스템을 더 포함하되,
    상기 연료공급 시스템은, 상기 연료 가스를 상기 연료전지의 배기 가스로부터 열 에너지를 공급받아 가열하는 것을 특징으로 하는 복합발전시스템.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료전지 시스템은,
    상기 작동 유체의 종류에 따라 상기 유기랭킨사이클 발전시스템에 상기 배기 가스를 통한 열 에너지 공급을 제어하는 제어부;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합발전시스템.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 작동 유체의 종류에 따라 상기 가습부에 상기 배기 가스를 통한 열 에너지 공급을 제어하는 것을 특징으로 하는 복합발전시스템.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 작동 유체의 종류에 따라 상기 유기랭킨사이클 발전시스템에 공급되는 열 에너지와 상기 가습부에 공급되는 열 에너지가 일정 비율이 되도록 공급을 제어하는 것을 특징으로 하는 복합발전시스템.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 가습부는,
    배출하는 고온의 가스를 상기 유기랭킨사이클 발전시스템에 공급하는 것을 특징으로 하는 복합발전시스템.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 유기랭킨사이클 발전시스템이 톨루엔 혹은 프로리놀85을 작동 유체로 사용하는 경우, 상기 유기랭킨사이클 발전시스템에 공급되는 열 에너지와 상기 가습부에 공급되는 열 에너지가 일정 비율이 되도록 공급을 제어하는 것을 특징으로 하는 복합발전시스템.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 유기랭킨사이클 발전시스템이 할로겐화 탄화수소계 화합물 혹은 이소부탄을 작동 유체로 사용하는 경우, 상기 가습부에 상기 배기 가스를 통한 열 에너지를 공급하되,
    상기 가습부는, 배출하는 고열의 가스를 상기 유기랭킨사이클 발전시스템에 공급하는 것을 특징으로 하는 복합발전시스템.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료공급 시스템은,
    고압의 상기 연료 가스를 감압할 때 발생하는 압력 에너지를 이용하여 발전하는 제1 발전부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합발전시스템.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료공급 시스템은,
    상기 일정 압력의 연료 가스를 연소시켜 발생하는 열 에너지로 발전하는 제2 발전부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합발전시스템.
  18. 고압의 연료 가스가 일정 압력이 되도록 감압하는 연료공급 시스템으로부터 공급받은 정압의 연료 가스를 이용하는 연료전지에 있어서,
    상기 연료전지는, 배기 가스에 포함된 열 에너지를 유기랭킨사이클 발전시스템에 공급하여 작동 유체를 가열하고,
    상기 유기랭킨사이클 발전시스템은, 상기 연료공급 시스템의 상기 연료 가스와 열 교환하여, 상기 작동 유체를 냉각하고 상기 연료공급 시스템의 상기 연료 가스를 가열하고,
    상기 연료전지는, 상기 연료 가스에 포함된 탄소에 대한 증기의 비율을 조절하여 상기 연료전지에 공급하는 가습부;를 포함하고, 상기 연료공급 시스템은, 상기 가습부에서 배출되는 폐열을 이용하여 상기 연료 가스를 가열하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 연료공급 시스템은, 상기 연료 가스를 상기 연료전지의 배기 가스로부터 열 에너지를 공급받아 가열하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 연료전지는, 배기 가스에 포함된 열 에너지를 유기랭킨사이클 발전시스템에 공급하여 작동 유체를 가열하는 것을 특징으로 하되,
    상기 연료전지는,
    상기 작동 유체의 종류에 따라 상기 유기랭킨사이클 발전시스템에 상기 배기 가스를 통한 열 에너지 공급을 제어하는 제어부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  21. 삭제
  22. 삭제
  23. 제 20 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 작동 유체의 종류에 따라 상기 유기랭킨사이클 발전시스템에 공급되는 열 에너지와 상기 가습부에 공급되는 열 에너지가 일정 비율이 되도록 공급을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  24. 제 20 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 유기랭킨사이클 발전시스템이 톨루엔 혹은 프로리놀85을 작동 유체로 사용하는 경우, 상기 유기랭킨사이클 발전시스템에 공급되는 열 에너지와 상기 가습부에 공급되는 열 에너지가 일정 비율이 되도록 공급을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  25. 제 20 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 유기랭킨사이클 발전시스템이 할로겐화 탄화수소계 화합물 혹은 이소부탄을 작동 유체로 사용하는 경우, 상기 가습부에 상기 배기 가스를 통한 열 에너지를 공급하되,
    상기 가습부는, 배출하는 고열의 가스를 상기 유기랭킨사이클 발전시스템에 공급하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  26. 삭제
  27. 고압의 연료 가스가 일정 압력이 되도록 감압하는 연료공급 시스템이 연료 가스가 일정 압력이 되도록 정압하는 단계; 유기랭킨사이클 발전시스템이 연료전지 시스템이 포함한 연료전지의 배기 가스로부터 열 에너지를 공급받아 작동 유체를 가열하는 단계; 및 유기랭킨사이클 발전시스템이 가열된 작동 유체를 이용하여 발전하고, 상기 작동 유체와 상기 연료공급 시스템의 연료 가스가 상호 열교환하여, 상기 작동 유체를 냉각하고 상기 연료공급 시스템의 연료 가스를 가열하는 단계;를 포함하고,
    상기 연료전지 시스템은, 상기 연료 가스에 포함된 탄소에 대한 증기의 비율을 조절하여 상기 연료전지에 공급하는 가습부에서 배출되는 폐열을 이용하여 상기 연료 가스를 가열하는 것을 특징으로 하는 복합발전방법.
  28. 제 27 항에 있어서,
    상기 연료공급 시스템은 상기 연료 가스를 이용하여 동력을 발생시키거나, 전력을 발생시키는 수단의 폐열을 이용하여, 상기 연료 가스를 가열하는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합발전방법.
  29. 제 27 항에 있어서,
    유기랭킨사이클 발전시스템은 상기 연료 가스를 이용하여 동력을 발생시키거나, 전력을 발생시키는 수단의 폐열을 이용하여, 상기 작동 유체를 가열하는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합발전방법.
  30. 삭제
  31. 제 27 항에 있어서,
    상기 연료공급 시스템은 상기 연료 가스를 상기 연료전지 시스템이 포함한 연료전지의 배기 가스로부터 열 에너지를 공급받아 가열하는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합발전방법.
  32. 삭제
  33. 제 27 항에 있어서,
    상기 연료전지 시스템은 상기 작동 유체의 종류에 따라 상기 유기랭킨사이클 발전시스템에 상기 배기 가스를 통한 열 에너지 공급을 제어하는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합발전방법.
  34. 제 33 항에 있어서,
    상기 열 에너지 공급을 제어하는 단계는,
    상기 연료전지 시스템은 상기 작동 유체의 종류에 따라 상기 유기랭킨사이클 발전시스템에 공급되는 열 에너지와 상기 연료 가스에 포함된 탄소에 대한 증기 비율을 조절하기 위한 가습부에 공급되는 열 에너지가 일정 비율이 되도록 공급을 제어하는 것을 특징으로 하는 복합발전방법.
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