KR101844282B1 - 연료전지유닛과 연계된 가스 처리 장치 - Google Patents

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Abstract

연료전지유닛과 연계된 가스 처리 장치가 개시된다. 본 발명의 일 측면에 따른 연료전지유닛과 연계된 가스 처리 장치는 개질부와 연료전지를 포함하는 연료전지유닛, 천연가스와 흡수제를 반응시켜 천연가스 내 수분을 제거하고, 수분이 제거된 천연가스를 배출하는 흡수탑, 흡수탑에서 사용되는 흡수제를 공급, 회수 및 재생하는 재생탑, 연료전지유닛에서 발생하는 폐열을 회수하여 재생탑으로 공급하는 제1 열교환기 및 흡수탑에서 배출되는 천연가스를 연료전지유닛으로 공급하는 제1 가스공급라인을 포함한다.

Description

연료전지유닛과 연계된 가스 처리 장치{APPARATUS FOR TREATING GAS COMBINED WITH FUEL CELL UNIT}
본 발명은 연료전지유닛과 연계된 가스 처리 장치에 관한 것이다.
해상에서 천연가스를 채취하여 이를 액화한 뒤 저장 및 운반하기 위해서는 일련의 공정을 거쳐야 한다. 즉, 가스정(gas well)에서 올라오는 유체에는 가스(gas)와 액체(liquid) 상태의 불순물이 혼합되어 있고, 이는 세퍼레이터(separator)를 통과함으로써 가스와 액체로 분리될 수 있다.
세퍼레이터로부터 배출되는 가스에는 산성가스와 수분 등의 불순물이 함유되어 있고, 가스 내에 포함된 산성가스와 수분을 순차적으로 제거함으로써 가스의 처리 공정이 완료될 수 있다.
한편, 연료전지는 수소 가스와 공기중의 산소의 산화환원 반응을 통하여 전기를 생산하는 친환경 발전 장치로, 연료전지의 반응과정에서 배출되는 열을 회수하면 연료전지 자체의 효율을 증대시킬 수 있을 뿐만 아니라 회수된 열을 다른 장치의 구동에도 사용할 수 있다.
공개특허공보 10-2013-0104263호 (2013. 09. 25. 공개)
본 발명의 실시예들은, 구동에 필요한 에너지를 절감하는 동시에 연료전지의 효율을 향상시킬 수 있는 연료전지유닛과 연계된 가스 처리 장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 개질부와 연료전지를 포함하는 연료전지유닛, 천연가스와 흡수제를 반응시켜 천연가스 내 수분을 제거하고, 수분이 제거된 천연가스를 배출하는 흡수탑, 흡수탑에서 사용되는 흡수제를 공급, 회수 및 재생하는 재생탑, 연료전지유닛에서 발생하는 폐열을 회수하여 재생탑으로 공급하는 제1 열교환기 및 흡수탑에서 배출되는 천연가스를 연료전지유닛으로 공급하는 제1 가스공급라인을 포함하는 연료전지유닛과 연계된 가스 처리 장치가 제공된다.
여기서, 개질부는 연료를 개질하는 개질기 및 개질기에 필요한 열을 생성하는 버너를 포함하고, 제1 가스공급라인은 흡수탑에서 배출되는 천연가스를 개질기 및 버너로 각각 공급하는 제1 보조공급라인 및 제2 보조공급라인을 포함할 수 있다.
흡수탑에서 배출되는 천연가스를 감압시켜 개질기로 공급하도록 제1 보조공급라인에 설치되는 감압밸브를 더 포함할 수 있다.
감압밸브를 통과한 천연가스를 가열하여 개질기로 공급하도록 감압밸브와 개질기의 사이에 설치되는 히터 및 재생탑에서 흡수탑으로 공급되는 흡수제에 포함된 열을 회수하여 히터에 공급하는 제2 열교환기를 더 포함할 수 있다.
그리고, 재생탑에서 배출되는 증기를 개질부로 공급하는 증기공급라인을 더 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 개질부와 연료전지를 포함하는 연료전지유닛, 수분을 흡착하는 흡착제가 내부에 각각 충전되고, 천연가스 내 수분을 제거하는 제습 공정과 흡착제의 재생 공정이 교대로 진행되는 제1 및 제2 반응기, 흡착제를 재생하도록 제1 및 제2 반응기에 재생가스를 공급하는 재생가스공급라인, 연료전지유닛에서 발생하는 폐열을 회수하여 재생가스를 가열하도록 재생가스공급라인에 설치되는 제3 열교환기, 제1 및 제2 반응기에서 배출되는 천연가스를 연료전지유닛으로 공급하는 제2 가스공급라인을 포함하는 연료전지유닛과 연계된 가스 처리 장치가 제공된다.
여기서, 개질부는 연료를 개질하는 개질기 및 개질기에 필요한 열을 생성하는 버너를 포함하고, 제2 가스공급라인은 제1 및 제2 반응기에서 배출되는 천연가스를 개질기 및 버너로 각각 공급하는 제3 보조공급라인 및 제4 보조공급라인을 포함할 수 있다.
제1 및 제2 반응기에서 배출되는 천연가스를 감압시켜 개질기로 공급하도록 제3 보조공급라인에 설치되는 감압밸브를 더 포함할 수 있다.
제1 및 제2 반응기에서 배출되는 재생가스와의 열교환을 통해 공기를 가열하는 제4 열교환기 및 제4 열교환기에 의해서 가열된 공기를 연료전지로 공급하는 공기공급라인을 더 포함할 수 있다.
그리고, 제1 및 제2 반응기에서 배출되는 재생가스에 포함된 수증기를 응축수로 응축시키는 응축기 및 응축수를 개질부로 공급하는 응축수공급라인을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 연료전지유닛에서 발생하는 폐열을 회수하여 흡수제 또는 흡착제의 재생 에너지원으로 사용하고, 수분이 제거된 천연가스를 연료전지유닛으로 공급하여 연료로 사용할 수 있으므로, 구동에 필요한 에너지를 절감하는 동시에 연료전지의 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지유닛과 연계된 가스 처리 장치의 구성을 간략하게 나타내는 도면.
도 2는 도 1에 도시된 연료전지유닛과 연계된 가스 처리 장치의 구성을 상세하게 나타내는 도면.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지유닛과 연계된 가스 처리 장치의 구성을 상세하게 나타내는 도면.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서 전체에서, "상에"라 함은 대상 부분의 위 또는 아래에 위치함을 의미하는 것이며, 반드시 중력 방향을 기준으로 상 측에 위치하는 것을 의미하는 것이 아니다.
또한, 결합이라 함은, 각 구성 요소 간의 접촉 관계에 있어, 각 구성 요소 간에 물리적으로 직접 접촉되는 경우만을 뜻하는 것이 아니라, 다른 구성이 각 구성 요소 사이에 개재되어, 그 다른 구성에 구성 요소가 각각 접촉되어 있는 경우까지 포괄하는 개념으로 사용하도록 한다.
또한, 이하 사용되는 제1, 제2 등과 같은 용어는 동일 또는 상응하는 구성 요소들을 구별하기 위한 식별 기호에 불과하며, 동일 또는 상응하는 구성 요소들이 제1, 제2 등의 용어에 의하여 한정되는 것은 아니다.
도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
이하, 본 발명에 따른 연료전지유닛과 연계된 가스 처리 장치의 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지유닛과 연계된 가스 처리 장치의 구성을 간략하게 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 연료전지유닛과 연계된 가스 처리 장치(10)는 천연가스로부터 수분을 제거하는 수분 제거 유닛(30)과 연료의 반응으로 생성되는 화학에너지를 전기에너지로 변환시키는 연료전지유닛(20)을 포함하고, 수분 제거 유닛(30)과 연료전지유닛(20)은 서로 연계되어 열 또는 연료 등을 교환할 수 있다.
수분 제거 유닛(30)은 제습 공정(S1) 및 재생 공정(S2)을 통하여 천연가스로부터 수분을 제거하고, 천연가스 내 수분을 흡수 또는 흡착한 물질을 재생하여 제습 공정(S1)에 재 이용할 수 있다.
가스정(gas well)에서 채취된 천연가스에는 황화수소 또는 이산화탄소 등을 함유하는 산성가스와 수분 등의 불순물이 포함되어 있다. 천연가스는 산성가스 및 수분 등의 불순물을 제거하도록 일련의 가스 처리 공정을 거치며, 수분 제거 유닛(30)은 산성가스가 제거된 천연가스로부터 수분을 제거하여 배출하는 공정을 실시한다.
연료전지유닛(20)은 수소와 공기중의 산소의 결합 반응에 의해 발전을 수행하고, 연료전지유닛(20)은 개질부와 연료전지를 포함할 수 있으며, 연료전지는 애노드(anode)와 캐소드(cathode) 및 전해질로 구성될 수 있다.
본 실시예에 따른 연료전지유닛과 연계된 가스 처리 장치(10)는 다수의 공급라인과 다수의 열교환기(40)를 포함할 수 있으며, 다수의 공급라인은 수분 제거 유닛(30)과 연료전지유닛(20)에 각각 결합되어 수분 제거 유닛(30)과 연료전지유닛(20)이 서로 연료 등을 교환할 수 있도록 유로를 제공하고, 수분 제거 유닛(30)과 연료전지유닛(20)은 다수의 열교환기(40)를 통하여 열에너지를 교환할 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 연료전지유닛과 연계된 가스 처리 장치의 구성을 상세하게 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하여 본 실시예에 따른 연료전지유닛과 연계된 가스 처리 장치(1000)의 세부 구성을 구체적으로 살펴보면, 본 실시예에 따른 연료전지유닛과 연계된 가스 처리 장치(1000)는 연료전지유닛(1100), 흡수탑(1200), 재생탑(1300), 제1 열교환기(1400) 및 제1 가스공급라인(1500)을 포함한다.
연료전지유닛(1100)은 앞서 설명한 바 대로, 연료의 전기화학 반응에 의해서 전기를 생산하는 친환경 발전장치이며, 본 실시예에 따른 연료전지유닛(1100)은 수소와 산소의 화학반응을 일으키는 스택(Stack)의 화학물질 조성에 따라 고체고분자형(PEFC), 인산형(PAFC), 용융탄산염형(MCFC), 고체산화물형(SOFC) 중 하나일 수 있다.
연료전지유닛(1100)은 개질부(1110)와 연료전지(1120)를 포함할 수 있으며, 개질부(1110)에서 개질된 연료는 연료전지(1120)로 공급되어 산화환원 반응을 일으키고, 이러한 반응의 결과 연료의 화학에너지는 전기에너지로 변환될 수 있다. 도시되지는 않았으나, 연료전지유닛(1100)에는 가스배출라인이 결합되어 반응의 결과로 생성된 가스 또는 반응에 참여하지 못한 미반응 가스 등이 배출될 수 있다.
흡수탑(1200)은 천연가스의 제습 공정이 이루어지는 부분으로, 천연가스와 흡수제를 반응시켜 천연가스 내 수분을 제거하고, 수분이 제거된 상태의 천연가스를 흡수탑(1200)의 외부로 배출한다. 즉, 흡수탑(1200)은 수분을 포함하는 천연가스와 수분을 흡수하는 흡수제의 반응이 일어나는 장소를 제공한다.
흡수탑(1200)의 일측에는 수분을 포함하는 천연가스가 유입되는 천연가스 유입구가 형성되고, 가스정에서 채취된 천연가스가 기체와 액체를 분리하는 세퍼레이터(separator) 및 천연가스 내 산성가스를 제거하는 산성가스 제거 유닛을 순차적으로 통과한 후, 흡수탑(1200)의 내부로 유입되도록 천연가스 유입구에는 천연가스 유입라인(1210)이 결합된다.
흡수탑(1200)의 다른 일측에는 반응이 완료되어 수분을 흡수한 상태의 흡수제가 배출되는 흡수제 배출구가 형성되고, 흡수제 배출구에는 흡수제 배출라인(1320)이 결합된다. 이때, 흡수탑(1200)에서 사용되는 흡수제는 트리에틸렌글리콜(Tri Ethylene Glycol)일 수 있다.
흡수탑(1200)의 내부로 유입된 수분을 포함하는 천연가스는 흡수탑(1200)의 내부로 공급된 흡수제와 반응을 일으키고, 이러한 반응을 통하여 흡수제는 흡수탑(1200)의 내부로 유입된 천연가스로부터 수분을 흡수할 수 있다. 수분이 제거된 상태의 천연가스는 흡수탑(1200)에 형성된 천연가스 배출구를 통하여 흡수탑(1200)의 외부로 배출된다.
흡수제는 흡수탑(1200)의 내부에서 수분을 포함하는 천연가스와 반응하여 수분을 흡수하며, 반응이 완료된 흡수제는 흡수탑(1200)의 외부로 배출되어 재생된 후 다시 흡수탑(1200)으로 공급되어 재사용될 수 있다.
재생탑(1300)은 수분을 흡수한 흡수제의 재생 공정이 이루어지는 곳으로, 흡수탑(1200)에서 사용되는 흡수제를 재생할 뿐만 아니라 재생된 흡수제를 흡수탑(1200)으로 공급하고, 흡수탑(1200)에서 반응이 완료된 흡수제를 회수하여 재생한다.
즉, 흡수제는 재생탑(1300)에서 재생되어 흡수탑(1200)으로 공급되고, 흡수탑(1200)에서 사용이 완료된 흡수제는 재생탑(1300)으로 이송되어 재생되므로 흡수제는 흡수탑(1200)과 재생탑(1300) 사이를 순환할 수 있고, 이로써 천연가스 내 수분 제거 반응은 연속적으로 이루어질 수 있다
재생탑(1300)의 일측에는 재생이 완료된 흡수제를 외부로 토출하는 흡수제 토출구가 형성되고, 흡수제 토출구에는 흡수제 공급라인(1310)이 결합되어 재생탑(1300)의 외부로 토출된 흡수제는 흡수제 공급라인(1310)을 통하여 흡수탑(1200)으로 공급될 수 있다.
또한, 재생탑(1300)의 다른 일측에는 흡수제 유입구가 형성되고, 흡수제 유입구에는 흡수제 배출라인(1320)이 결합되어 흡수탑(1200)으로부터 배출되는 흡수제가 재생탑(1300)의 내부로 유입될 수 있다.
즉, 재생탑(1300)의 외부로 토출된 흡수제는 흡수제 공급라인(1310)을 따라 흡수탑(1200)으로 공급되고, 흡수탑(1200)의 내부에서 반응이 완료되어 수분을 흡수한 흡수제는 흡수탑(1200)의 외부로 배출되어 흡수제 배출라인(1320)을 따라 재생탑(1300)으로 유입되며, 재생탑(1300)에서 재생된 흡수제는 다시 흡수탑(1200)으로 공급된다.
흡수제는 흡수제에 열을 가함으로써 재생될 수 있다. 수분을 흡수한 흡수제에 열을 가함으로써 흡수제로부터 수분을 분리할 수 있고, 흡수제로부터 분리된 수분은 재생탑(1300)에 형성된 증기 배출구를 통하여 재생탑(1300)의 외부로 배출되고, 수분이 제거된 흡수제는 다시 흡수탑(1200)으로 공급될 수 있다.
제1 열교환기(1400)는 흡수제를 재생하는데 필요한 열 에너지를 재생탑(1300)에 공급한다. 즉, 제1 열교환기(1400)는 연료전지유닛(1100)에서 발생하는 폐열(H1)을 회수하여 재생탑(1300)으로 공급할 수 있고, 재생탑(1300)은 연료전지유닛(1100)으로부터 공급된 열에너지를 이용하여 구동될 수 있다.
연료전지유닛(1100)에서 회수 가능한 폐열(H1)의 종류는 다양할 수 있다. 예를 들면, 연료전지유닛(1100) 중 연료전지(1120)의 스택에서 발생하는 배기가스에 포함된 열을 회수하여 재생탑(1300)에 공급할 수 있으며, 연료전지(1120)의 스택에 부착된 냉각 모듈에서 발생하는 열을 회수하여 연료전지유닛(1100)의 폐열(H1)로 활용할 수도 있고, 연료전지유닛(1100)의 개질부(1110)에서 발생하는 열을 회수하여 재생탑(1300)에 공급할 수도 있다.
또한, 제1 열교환기(1400)에 의해서 회수된 열을 재생탑(1300)으로 공급하는 방식은 다양할 수 있다. 예를 들면, 재생탑(1300)에 사용되는 스팀과 연료전지유닛(1100)의 폐열(H1)을 제1 열교환기(1400)에 통과시킴으로써 연료전지유닛(1100)의 폐열(H1)이 재생탑(1300)에 사용되는 스팀으로 이동하여 스팀을 가열하는 방식이 있을 수 있으며, 물을 스팀으로 만드는 리보일러(1340, reboiler)를 추가로 설치하여 제1 열교환기(1400)에 의해서 회수된 열을 리보일러(1340)의 열원으로 사용하는 방식을 택할 수도 있다.
제1 가스공급라인(1500)은 수분이 제거되어 흡수탑(1200)에서 배출되는 천연가스를 연료전지유닛(1100)으로 공급하도록 흡수탑(1200)과 연료전지유닛(1100)을 연결한다. 즉, 흡수탑(1200)에 형성된 천연가스 배출구를 통하여 흡수탑(1200)의 외부로 배출된 천연가스는 연료전지유닛(1100)으로 공급되어 연료전지유닛(1100)에 필요한 연료로 사용될 수 있다.
연료전지유닛(1100)으로 공급된 천연가스는 개질부(1110)를 통하여 연료전지(1120)에 필요한 적절한 형태(수소 가스)로 변환되거나, 개질부(1110)를 제외한 연료전지유닛(1100)의 다양한 구성에 공급되어 각 구성에 필요한 연료로 사용될 수 있다.
흡수탑(1200)과 재생탑(1300)을 포함하는 수분 제거 유닛은 연료전지유닛(1100)에 필요한 연료가스를 공급할 수 있고, 연료전지유닛(1100)은 수분 제거 유닛 중 재생탑(1300)의 구동에 필요한 열 에너지를 제공할 수 있다. 수분 제거 유닛과 연료전지유닛(1100)은 각각 독립적으로 구동될 수 있는 장치이지만, 수분 제거 유닛과 연료전지유닛(1100)은 서로 연계되어 열 또는 연료를 교환할 수 있으며, 이로써 연료전지유닛과 연계된 가스 처리 장치(1000) 전체의 효율은 증대될 수 있다.
본 실시예에 따른 연료전지유닛(1100)의 개질부(1110)는 연료를 개질하는 개질기(1112) 및 개질기(1112)에 필요한 열을 생성하는 버너(1114)를 포함할 수 있다. 이때, 제1 가스공급라인(1500)은 흡수탑(1200)에서 배출되는 천연가스를 개질기(1112) 및 버너(1114)로 각각 공급하는 제1 보조공급라인(1510) 및 제2 보조공급라인(1520)을 포함할 수 있다.
제1 보조공급라인(1510)은 제1 가스공급라인(1500)으로부터 분기되어 개질기(1112)로 연결되며, 흡수탑(1200)에서 배출된 천연가스 중 일부는 제1 보조공급라인(1510)을 통하여 개질기(1112)로 공급될 수 있다. 개질기(1112)로 공급된 천연가스는 수소 가스의 형태로 변환되어 연료전지(1120)로 공급될 수 있다.
제2 보조공급라인(1520)은 제1 가스공급라인(1500)으로부터 분기되어 개질부(1110)의 버너(1114)로 연결되며, 흡수탑(1200)에서 배출된 천연가스 중 일부는 제2 보조공급라인(1520)을 통하여 개질부(1110)의 버너(1114)로 공급될 수 있다. 버너(1114)로 공급된 천연가스는 버너(1114) 자체의 연료로 사용될 수 있다.
한편, 제1 가스공급라인(1500)과 제1 보조공급라인(1510) 및 제2 보조공급라인(1520) 사이에는 안전밸브(1530)가 설치될 수 있다. 안전밸브(1530)는 제1 가스공급라인(1500)에서 제1 보조공급라인(1510) 또는 제2 보조공급라인(1520)으로 흐르는 가스의 유량을 제어할 수 있으며, 각 라인에 흐르는 가스의 압력이 기준 값 이상으로 측정되는 경우, 제1 및 제2 보조공급라인(1510 및 1520)으로의 흐름을 차단하고 외부배출라인(1540)으로 천연가스를 보낼 수 있다. 외부배출라인(1540)을 통하여 배출되는 천연가스는 플래어 시스템으로 유입되어 연소될 수 있다.
본 실시예에 따른 연료전지유닛과 연계된 가스 처리 장치(1000)는 감압밸브(1700), 히터(1800), 제2 열교환기(1330) 및 가습기(1900)를 더 포함할 수 있다.
감압밸브(1700)는 흡수탑(1200)에서 배출되는 천연가스를 감압시켜 개질기(1112)로 공급하도록 제1 보조공급라인(1510)에 설치된다. 감압밸브(1700)는 줄톰슨(Joule-Thomson)밸브 또는 오리피스(Orifice) 등으로 구성될 수 있다.
흡수탑(1200)에서 배출되는 천연가스의 압력은 개질기(1112)의 구동 압력보다 높을 수 있고, 높은 압력을 가지는 천연가스를 개질기(1112)로 바로 공급하는 것은 부적합하므로, 흡수탑(1200)에서 배출되는 천연가스는 감압밸브(1700)를 통하여 감압된 후 개질기(1112)로 공급된다.
히터(1800)는 감압밸브(1700)를 통과한 천연가스를 개질기(1112)의 구동 온도에 맞춰 가열하여 개질기(1112)로 공급하도록 감압밸브(1700)와 개질기(1112)의 사이에 설치된다. 개질기(1112)로 공급되는 천연가스의 온도를 개질기(1112)의 구동 온도에 맞춰 가열하여 공급함으로써, 개질기(1112)의 개질 효율을 향상시킬 수 있다.
제2 열교환기(1330)는 재생탑(1300)에서 흡수탑(1200)으로 공급되는 흡수제에 포함된 열(H3)을 회수하여 히터(1800)에 공급하고, 히터(1800)는 제2 열교환기(1330)에 의해서 공급되는 열(H3)을 구동 에너지로 사용하므로, 별도의 열 에너지 공급원을 설치할 필요가 없다.
재생탑(1300)으로부터 토출되는 흡수제는 재생 과정에서 흡수제로 공급된 열로 인하여 고온의 상태를 유지한다. 제2 열교환기(1330)는 재생탑(1300)으로부터 토출되는 흡수제에 포함된 열(H3)을 회수하여 히터(1800)로 공급할 수 있다. 또한, 버너(1114)로부터 배출되는 버너배기가스에 포함된 열(H4)을 회수하여 히터(1800)로 공급하도록 별도의 버너열교환기(1810)를 추가로 설치할 수도 있다.
가습기(1900)는 감압밸브(1700) 및 히터(1800)를 순차적으로 지난 천연가스의 습도를 높이기 위하여 히터(1800)와 개질기(1112) 사이에 설치되는 구성으로, 개질에 필요한 물을 미리 천연가스에 포함시킴으로써 연료의 개질 효율을 향상시킬 수 있다. 이때, 가습에 필요한 수분은 재생탑(1300)으로부터 배출되는 증기에서 얻을 수 있으며, 이를 위하여 재생탑(1300)과 가습기(1900)를 연결하는 수분공급라인(1910)이 추가로 설치될 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 연료전지유닛과 연계된 가스 처리 장치(1000)는 재생탑(1300)에서 배출되는 증기를 개질부(1110)로 공급하는 증기공급라인(1600)을 더 포함할 수 있으며, 증기공급라인(1600)은 재생탑(1300)에 형성된 증기 배출구 및 개질부(1110)를 연결한다. 증기공급라인(1600)을 통하여 개질부(1110)로 공급되는 증기는 연료의 개질에 필요한 용수로 사용될 수 있다.
본 실시예에 따른 연료전지유닛과 연계된 가스 처리 장치(1000)는 연료전지유닛(1100)에서 발생한 폐열(H1)을 회수하여 재생탑(1300)의 구동에 필요한 에너지로 공급할 수 있다. 이때, 연료전지유닛(1100)에서 회수 가능한 폐열(H1)은 앞서 예시한 바 이외에, 개질부(1110)의 버너(1114)에서 발생한 버너배기가스에 포함된 배기열(H2)일 수 있다. 버너배기가스에 포함된 열(H2)을 회수하도록 별도의 열교환기(1350)가 추가로 설치될 수 있다.
또한, 연료전지유닛(1100)의 개질부(1110)를 통과한 연료는 연료전지(1120)로 공급되기 전, 연료전지(1120)의 구동 온도에 맞게 냉각 과정을 거치며, 개질부(1110)를 통과한 연료를 냉각시키면서 발생한 열은 연료전지유닛(1100)에서 회수 가능한 폐열(H1)이 될 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지유닛과 연계된 가스 처리 장치의 구성을 상세하게 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 연료전지유닛과 연계된 가스 처리 장치(2000)는 연료전지유닛(2100), 제1 반응기(2200), 제2 반응기(2300), 재생가스공급라인(2400), 제3 열교환기(2500) 및 제2 가스공급라인(2600)을 포함한다.
여기서는 도 1 및 도 2를 참조하여 상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지유닛과 연계된 가스 처리 장치와 중복되는 설명은 생략한다.
본 실시예에 따른 연료전지유닛과 연계된 가스 처리 장치(2000)는 앞선 실시예와 비교하여, 천연가스로부터 수분을 제거하는 제습 공정 및 수분을 흡착한 흡착제의 재생 공정이 진행되는 수분 제거 유닛의 구성이 상이하다.
구체적으로, 본 실시예에 따른 수분 제거 유닛은 수분을 흡착하는 흡착제가 내부에 각각 충전되고, 천연가스 내 수분을 제거하는 제습 공정과 흡착제의 재생 공정이 교대로 진행되는 제1 및 제2 반응기(2200 및 2300)와 흡착제를 재생하도록 제1 및 제2 반응기(2200 및 2300)에 재생가스를 공급하는 재생가스공급라인(2400)을 포함한다.
제1 및 제2 반응기(2200 및 2300)의 내부에는 고체 형태의 흡착제가 수용되고, 수분을 포함하는 천연가스는 제1 및 제2 반응기(2200 및 2300) 중 어느 하나를 통과한다. 예를 들어, 수분을 포함하는 천연가스가 제1 반응기(2200)를 통과하면, 제1 반응기(2200) 내부에 충전된 흡착제는 천연가스에 포함된 수분을 흡착하고, 수분이 제거된 천연가스는 제1 반응기(2200)의 외부로 배출된다.
제1 반응기(2200)의 내부에 충전된 흡착제가 더 이상 수분을 흡착할 수 없는 상태에 도달하면, 수분을 포함하는 천연가스는 제2 반응기(2300)를 통과하도록 제2 반응기(2300)로 유입되고, 제1 반응기(2200)의 내부에 충전된 흡착제를 재생하도록 제1 반응기(2200)로 재생가스를 유입시킨다.
이와 같이, 제1 및 제2 반응기(2200 및 2300)는 천연가스 내 수분을 제거하는 제습 공정과 흡착제의 제생 공정이 교대로 진행된다.
한편, 제1 및 제2 반응기(2200 및 2300)에 천연가스를 선택적으로 유입시키도록 제1 및 제2 반응기(2200 및 2300)에는 천연가스 유입라인(2210 및 2310)이 각각 결합되고, 수분이 제거된 천연가스를 제1 및 제2 반응기(2200 및 2300)의 외부로 배출하도록 천연가스 배출라인(2230 및 2330)이 각각 결합된다.
또한, 제1 및 제2 반응기(2200 및 2300)에 재생가스를 선택적으로 유입시키도록 제1 및 제2 반응기(2200 및 2300)에는 재생가스 유입라인(2220 및 2320)이 각각 결합되고, 흡착제로부터 수분을 흡수한 재생 가스를 제1 및 제2 반응기(2200 및 2300)의 외부로 배출하도록 재생가스 배출라인(2240 및 2340)이 각각 결합된다.
제1 및 제2 반응기(2200 및 2300)에 각각 결합된 재생가스 유입라인(2220 및 2320)은 재생가스공급라인(2400)으로부터 분지되어 형성된다. 각 라인에 설치된 밸브를 통하여 재생가스의 선택적 유입이 가능하다.
재생가스는 제1 및 제2 반응기(2200 및 2300)로 유입되어 제1 및 제2 반응기(2200 및 2300)의 내부에 충전된 흡착제로부터 수분을 흡수하도록 고온의 상태로 제1 및 제2 반응기(2200 및 2300)로 유입된다. 이에 따라, 재생가스는 제1 및 제2 반응기(2200 및 2300)로 유입되기 전, 가열 과정을 필요로 한다.
제3 열교환기(2500)는 연료전지유닛(2100)에서 발생하는 폐열(H1)을 회수하여 재생가스를 가열하도록 재생가스공급라인(2400)에 설치된다. 즉, 재생가스는 제1 및 제2 반응기(2200 및 2300)로 유입되기 전 제3 열교환기(2500)를 통과하면서 연료전지유닛(2100)에서 발생하는 폐열(H1)로부터 열을 전달받아 고온의 상태로 변환될 수 있다.
제2 가스공급라인(2600)은 수분이 제거되어 제1 및 제2 반응기(2200 및 2300)에서 배출되는 천연가스를 연료전지유닛(2100)으로 공급하도록 제1 및 제2 반응기(2200 및 2300)와 연료전지유닛(2100)을 연결한다. 즉, 제1 및 제2 반응기(2200 및 2300)에 각각 결합된 천연가스 배출라인(2230 및 2330)은 제2 가스공급라인(2600)과 결합될 수 있다.
연료전지유닛(2100)으로 공급된 천연가스는 개질부(2110)를 통하여 연료전지(2120)에 필요한 적절한 형태(수소 가스)로 변환되거나, 개질부(2110)를 제외한 연료전지유닛(2100)의 다양한 구성에 공급되어 각 구성에 필요한 연료로 사용될 수 있다.
이로써 본 실시예에 따른 연료전지유닛과 연계된 가스 처리 장치(2000)는 재생가스를 가열하기 위한 별도의 가열 설비를 설치할 필요가 없으며, 연료전지유닛(2100)의 폐열(H1)을 이용하여 재생가스를 가열하므로, 장치 전체의 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 제1 및 제2 반응기(2200 및 2300)에서 배출되는 천연가스를 연료전지유닛(2100)의 연료로 공급하므로, 별도의 연료 공급 설비를 설치할 필요가 없다.
도 2를 참조하여 설명한 연료전지유닛과 연계된 가스 처리 장치와 유사하게, 본 실시예에 따른 연료전지유닛(2100)의 개질부(2110)는 연료를 개질하는 개질기(2112) 및 개질기(2112)에 필요한 열을 생성하는 버너(2114)를 포함할 수 있다. 이때, 제2 가스공급라인(2600)은 제1 및 제2 반응기(2200 및 2300)에서 배출되는 천연가스를 개질기(2112) 및 버너(2114)로 각각 공급하는 제3 보조공급라인(2610) 및 제4 보조공급라인(2620)을 포함할 수 있다.
또한, 앞선 실시예와 유사하게, 본 실시예에 따른 연료전지유닛과 연계된 가스 처리 장치(2000)는 감압밸브(2700), 히터(2710), 버너열교환기(2715) 및 가습기(2720)를 더 포함할 수 있다.
감압밸브(2700)는 제1 및 제2 반응기(2200 및 2300)에서 배출되는 천연가스를 감압시켜 개질기(2112)로 공급하도록 제3 보조공급라인(2610)에 설치되고, 감압밸브(2700)를 통과한 천연가스는 히터(2710) 및 가습기(2720)를 통과하여 개질기(2112)로 공급될 수 있다. 이때, 히터(2710)의 열원으로는 개질부(2110)의 버너(2114)로부터 배출되는 버너배기가스에 포함된 열(H2)을 버너열교환기(2715)를 통하여 회수하여 사용할 수도 있다.
한편, 연료전지유닛(2100)은 연료로 수소뿐만 아니라 공기를 필요로 하고, 연료전지유닛(2100)으로 공급되는 공기를 연료전지유닛(2100)의 구동 온도에 맞춰 공급하는 것은 연료전지유닛(2100)의 효율을 향상시킬 수 있는 방안 중 하나이다.
이에 따라, 본 실시예에 따른 연료전지유닛과 연계된 가스 처리 장치(2000)는 제1 및 제2 반응기(2200 및 2300)에서 배출되는 재생가스와의 열교환을 통해 공기를 가열하는 제4 열교환기(2800) 및 제4 열교환기(2800)에 의해서 가열된 공기를 연료전지(2120)로 공급하는 공기공급라인(2850)을 더 포함할 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 연료전지유닛과 연계된 가스 처리 장치(2000)는 제1 및 제2 반응기(2200 및 2300)에서 배출되는 재생가스에 포함된 수증기를 응축수로 응축시키는 응축기(2900) 및 응축수를 개질부(2110)로 공급하는 응축수공급라인(2950)을 더 포함할 수 있으며, 응축수공급라인(2950)을 통하여 개질부(2110)로 공급된 응축수는 연료의 개질에 필요한 물로 사용될 수 있다.
이상, 본 발명의 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
10, 1000, 2000: 연료전지유닛과 연계된 가스 처리 장치
20, 1100, 2100: 연료전지유닛 30: 수분 제거 유닛
40: 열교환기 1110, 2110: 개질부
1112, 2112: 개질기 1114, 2114: 버너
1120, 2120: 연료전지 1200: 흡수탑
1210: 천연가스 유입라인 1300: 재생탑
1310: 흡수제 공급라인 1320: 흡수제 배출라인
1330: 제2 열교환기 1340: 리보일러
1350: 열교환기 1400: 제1 열교환기
1500: 제1 가스공급라인 1510: 제1 보조공급라인
1520: 제2 보조공급라인 1530: 안전밸브
1540: 외부배출라인 1600: 증기공급라인
1700, 2700: 감압밸브 1800, 2710: 히터
1810, 2715: 버너열교환기 1900, 2720: 가습기
2200: 제1 반응기 2210, 2310: 천연가스 유입라인
2220, 2320: 재생가스 유입라인 2230, 2330: 천연가스 배출라인
2240, 2340: 재생가스 배출라인 2300: 제2 반응기
2400: 재생가스공급라인 2500: 제3 열교환기
2600: 제2 가스공급라인 2610: 제3 보조공급라인
2620: 제4 보조공급라인 2800: 제4 열교환기
2850: 공기공급라인 2900: 응축기
2950: 응축수공급라인

Claims (10)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 개질부와 연료전지를 포함하는 연료전지유닛;
    수분을 흡착하는 흡착제가 내부에 각각 충전되고, 천연가스 내 수분을 제거하는 제습 공정과 상기 흡착제의 재생 공정이 교대로 진행되는 제1 및 제2 반응기;
    상기 흡착제를 재생하도록 상기 제1 및 제2 반응기에 재생가스를 공급하는 재생가스공급라인;
    상기 연료전지유닛에서 발생하는 폐열을 회수하여 상기 재생가스를 가열하도록 상기 재생가스공급라인에 설치되는 제3 열교환기;
    상기 제1 및 제2 반응기에서 배출되는 천연가스를 상기 연료전지유닛으로 공급하는 제2 가스공급라인;
    상기 제1 및 제2 반응기에서 배출되는 재생가스와의 열교환을 통해 공기를 가열하는 제4 열교환기; 및
    상기 제4 열교환기에 의해서 가열된 공기를 상기 연료전지로 공급하는 공기공급라인;을 포함하는 연료전지유닛과 연계된 가스 처리 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 개질부는 연료를 개질하는 개질기 및 상기 개질기에 필요한 열을 생성하는 버너를 포함하고,
    상기 제2 가스공급라인은 상기 제1 및 제2 반응기에서 배출되는 천연가스를 상기 개질기 및 상기 버너로 각각 공급하는 제3 보조공급라인 및 제4 보조공급라인을 포함하는, 연료전지유닛과 연계된 가스 처리 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 반응기에서 배출되는 천연가스를 감압시켜 상기 개질기로 공급하도록 상기 제3 보조공급라인에 설치되는 감압밸브;를 더 포함하는 연료전지유닛과 연계된 가스 처리 장치.
  9. 삭제
  10. 제6항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 반응기에서 배출되는 재생가스에 포함된 수증기를 응축수로 응축시키는 응축기; 및
    상기 응축수를 상기 개질부로 공급하는 응축수공급라인;을 더 포함하는 연료전지유닛과 연계된 가스 처리 장치.
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