KR101936509B1 - 하이브리드 발전시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 연료를 반응시켜 생성된 반응물로부터 추출된 물질을 작동유체로 사용하는 것으로서, 공급받은 연료를 산화시켜 양이온과 전자를 발생시키는 연료극과, 상기 연료극으로부터 발생된 전자를 받아 음이온을 발생시키는 공기극과, 상기 연료극과 공기극 사이의 전기화학적 반응을 매개하는 전해질을 포함하며, 상기 양이온과 음이온의 전기화학적 반응을 통해 반응물과 전자를 생성하는 고온형 연료전지; 상기 고온형 연료전지의 공기극으로 연소가스를 공급하는 연소기; 상기 고온형 연료전지의 반응물로부터 추출된 작동유체를 공급받아 압축시키는 압축기와, 상기 압축기로부터 전달받은 작동유체를 내부로 통과시켜 발전을 위한 동력을 생성하며, 통과한 작동유체를 상기 고온형 연료전지로 공급하는 터빈을 포함하는 가스터빈; 및 상기 고온형 연료전지와 가스터빈의 사이에 설치되며, 상기 고온형 연료전지로부터 공급받은 반응물로부터 작동유체를 분리하여, 상기 작동유체를 상기 가스터빈의 압축기로 공급하는 순환장치를 포함하는 하이브리드 발전시스템을 제공한다.
본 발명에 따른 하이브리드 발전시스템에 의하면, 시스템을 반 밀폐형(semi-closed type)으로 설계함으로써, 시스템으로부터 유해가스가 배출되는 것을 원천적으로 차단할 수 있다.

Description

하이브리드 발전시스템{Hybrid power generation system}
본 발명은 하이브리드 발전시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 고온형 연료전지와 가스터빈을 이용하여 전력을 생성하는 하이브리드 발전시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 하이브리드 발전시스템이란 2개 이상의 발전설비를 이용한 복합발전 시스템을 의미한다. 이러한 하이브리드 발전시스템으로는, 연료의 전기화학적 반응을 통해 전기를 발생시키는 연료전지와, 압축기를 통해 압축시킨 가스를 통과시켜 발전을 위한 동력을 생성하는 터빈을 포함하는 가스터빈을 이용한 것이 있다.
일반적인 열기관은 여러 단계의 에너지 변환을 거치기 때문에, 고효율을 달성하기 어렵다. 그러나 이러한 연료전지를 이용한 하이브리드 발전시스템은, 화학 반응을 통한 직접적인 발전으로 기존의 열기관에 비해 높은 효율을 달성할 수 있다. 또한, 연료전지는 연소반응을 하지 않기 때문에, 이론적으로 황산화물이나 질산화물, 그리고 미세먼지 같은 불필요한 물질을 배출하지 않는다는 장점이 있다.
상기와 같은 연료전지/가스터빈 복합형 하이브리드 발전시스템과 관련된 것으로서, 대한민국 등록특허 제10-0771357호에서는, 고효율 연료전지/터빈 발전소에 관해 개시하고 있다.
이러한 종래의 하이브리드 발전시스템은, 대기 중의 공기를 가스터빈으로 공급하여 전력을 생성하고, 연료전지로부터 발생된 이산화탄소를 대기 중으로 방출하는 오픈타입의 시스템으로 구성되어 있다.
여기서, 이산화탄소 가스는 지구온난화를 일으키는 온실가스에 해당한다. 따라서 지구온난화를 방지하기 위해, 이산화탄소의 배출량을 절감시키거나 이산화탄소를 포집할 수 있는 별도의 수단이 필요하다.
하지만 상기 종래의 하이브리드 발전시스템은. 이산화탄소와 같은 유해가스의 배출량을 절감시키거나 배출 자체를 방지할 수 있는 별도의 수단을 포함하지 않는다는 문제점을 안고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로서, 이산화탄소와 같은 유해가스의 배출을 원천적으로 차단할 수 있는 하이브리드 시스템을 제공하는 데 목적이 있다.
본 발명은, 연료를 반응시켜 생성된 반응물로부터 추출된 물질을 작동유체로 사용하는 것으로서, 공급받은 연료를 산화시켜 양이온과 전자를 발생시키는 연료극과, 상기 연료극으로부터 발생된 전자를 받아 음이온을 발생시키는 공기극과, 상기 연료극과 공기극 사이의 전기화학적 반응을 매개하는 전해질을 포함하며, 상기 양이온과 음이온의 전기화학적 반응을 통해 반응물과 전자를 생성하는 고온형 연료전지; 상기 고온형 연료전지의 공기극으로 연소가스를 공급하는 연소기; 상기 고온형 연료전지의 반응물로부터 추출된 작동유체를 공급받아 압축시키는 압축기와, 상기 압축기로부터 전달받은 작동유체를 내부로 통과시켜 발전을 위한 동력을 생성하며, 통과한 작동유체를 상기 고온형 연료전지로 공급하는 터빈을 포함하는 가스터빈; 및 상기 고온형 연료전지와 가스터빈의 사이에 설치되며, 상기 고온형 연료전지로부터 공급받은 반응물로부터 작동유체를 분리하여, 상기 작동유체를 상기 가스터빈의 압축기로 공급하는 순환장치를 포함하는 하이브리드 발전시스템을 제공한다.
상기 하이브리드 발전시스템은, 일 측이 상기 고온형 연료전지의 연료극과 연통하고 타 측이 상기 연소기와 연통하도록 설치되며, 상기 고온형 연료전지의 연료극에서 산화반응을 하지 않은 연료를 상기 연소기로 공급하는 블로어를 더 포함할 수 있다.
상기 하이브리드 발전시스템은, 일단이 상기 가스터빈의 터빈과 연통하고 타단이 상기 연소기와 연통하도록 설치되며, 상기 가스터빈의 터빈을 통과한 작동유체를 상기 연소기로 공급하는 공급관과, 상기 연소기로 산소를 공급하는 산소공급장치와, 일단이 상기 연소기와 연통하고 타단이 상기 고온형 연료전지의 공기극과 연통하도록 설치되며, 상기 연소기의 연소반응에 의해 생성된 연소가스와, 상기 가스터빈으로부터 공급받은 작동유체의 혼합물을 상기 고온형 연료전지의 공기극으로 공급하는 토출관을 더 포함할 수 있다.
상기 순환장치는, 상기 고온형 연료전지로부터 토출된 반응물을 냉각시켜 반응물 중에 포함된 수증기를 물로 응축시키는 응축기와, 상기 응축기로부터 전달받은 반응물로부터 응축된 물을 분리시키는 분리기와, 상기 분리기로부터 전달받은 유체에 포함된 수증기를 다단에 걸쳐서 물로 응축시켜 분리하는 다단분리유닛과, 상기 분리기와 다단분리유닛 사이에 설치되며, 상기 분리기로부터 전달받은 유체를 상기 가스터빈의 압축기 또는 상기 다단분리유닛으로 선택적으로 공급하도록 작동하는 3방밸브와, 상기 다단분리유닛으로부터 작동유체를 공급받아 저장하는 저장탱크를 포함할 수 있다.
상기 가스터빈은, 상기 압축기와 터빈 사이에 설치되며, 상기 압축기로부터 토출된 작동유체를 상기 고온형 연료전지로부터 토출된 반응물과 열교환시키는 1차열교환기와, 상기 1차열교환기와 터빈 사이에 설치되며, 상기 1차열교환기를 통과한 작동유체를 상기 연소기로부터 토출된 연소가스와 열교환시켜 상기 터빈으로 전달하는 2차열교환기를 더 포함할 수 있다.
상기 고온형 연료전지는, 용융탄산염 연료전지(MCFC;Molten carbonate fuel cell)이며, 상기 작동유체는, 이산화탄소일 수 있다.
상기 하이브리드 발전시스템은, 상기 고온형 연료전지의 연료극으로 공급되는 연료 중 메탄을 제외한 성분들을 수증기와 반응시켜, 수소와 일산화탄소로 변환시키는 1차개질기와, 상기 고온형 연료전지의 내부에 설치되며, 상기 고온형 연료전지로부터 공급받은 열을 이용하여, 상기 1차개질기로부터 공급받은 물질을 수소와 일산화탄소로 변환시켜 상기 고온형 연료전지의 연료극으로 공급하는 2차개질기를 더 포함할 수 있다.
상기 하이브리드 발전시스템은, 상기 1차개질기로 연료를 공급하는 연료공급장치와, 물을 내부에 저장하는 물탱크와, 상기 물탱크로부터 토출된 물을 상기 고온형 연료전지로부터 토출된 반응물과 열교환시켜 수증기를 발생시키는 증발기를 포함하며, 상기 1차개질기로 수증기를 공급하는 증기공급장치를 더 포함할 수 있다.
상기 하이브리드 발전시스템은, 상기 고온형 연료전지의 연료극으로 공급된 수소와 일산화탄소는 각각 전자를 잃고 양이온화 되며, 상기 연소기로부터 상기 고온형 연료전지의 공기극으로 산소 및 이산화탄소가 공급되며, 상기 고온형 연료전지의 공기극에서 산소와 이산화탄소는 상기 고온형 연료전지의 연료극으로부터 배출된 전자를 받아 탄산이온을 형성하고, 수소 이온과 일산화탄소 이온은, 각각 상기 고온형 연료전지의 내부에서 탄산이온과 반응하여, 이산화탄소와 물로 이루어지는 반응물을 생성할 수 있다.
본 발명에 따른 하이브리드 발전시스템에 의하면, 시스템을 반 밀폐형(semi-closed type)으로 설계함으로써, 시스템으로부터 유해가스가 배출되는 것을 원천적으로 차단할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 발전시스템을 도시한 구조도이다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 발전시스템(100)은, 연료를 반응시켜 생성된 반응물로부터 추출된 물질을 작동유체로 사용하는 것으로서, 연료전지(110), 연소기(120), 가스터빈(130) 및 순환장치(140)를 포함한다. 상기 연료전지(110)는, 작동 온도에 따라 섭씨 500도 이하에서 작동하는 저온형 연료전지와 섭씨 500도 이상에서 작동하는 고온형 연료전지로 나뉘며, 그 중 고온형 연료전지의 예로는 용융탄산염 연료전지(MCFC;Molten carbonate fuel cell)와 고체산화물 연료전지(SOFC;Solid oxide fuel cell) 등이 있다. 이하부터 설명하게 될 연료전지(110)는 이러한 고온형 연료전지인 것으로 한다.
상기 연료전지(110)는, 내부에서 발생된 양이온과 음이온의 전기화학적 반응을 통해 반응물과 전자를 생성하는 것으로서, 연료극(111), 공기극(112) 및 전해질(113)을 포함한다.
상기 연료극(111)은, 연료전지(110)에서 산화반응이 일어나는 산화극(Anode)에 해당하는 것으로서, 공급받은 연료가 전자를 잃고 양이온화(Cationization)된다. 상기 공기극(112)은, 연료전지(110)에서 환원반응이 일어나는 환원극(Cathod)에 해당하는 것으로서, 후술하는 연소기(120)로부터 공급받은 연소가스가 상기 연료극(111)에서 발생된 전자를 받아서 음이온화(Anionization)된다.
상기 전해질(113)은, 물과 같은 용매에 녹아서 이온으로 해리되어 전류를 흐르게 하는 물질로서, 상기 연료극(111)과 공기극(112) 사이의 전기화학적 반응을 매개한다.
이때, 상기 전해질(113)은 용융탄산염으로 이루어진 것일 수 있다. 이 경우, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 발전시스템(100)에서 사용하는 연료전지(110)는 용융탄산염연료전지(MCFC;Molten carbonate fuel cell)가 되며, 이러한 하이브리드 발전시스템(100)을 순환하는 작동유체는 이산화탄소 가스가 된다. 상기 용융탄산염연료전지(110)에서 일어나는 전기화학적 반응에 대해서는 뒤에서 상세히 설명하도록 한다.
상기 연소기(120)는, 상기 연료전지(110)의 공기극(112)으로 연소가스를 공급한다.
더욱 상세하게는, 상기 연소기(120)는 상기 연료전지(110)의 연료극(111)에서 산화반응을 하지 않은 연료를 공급받는다. 그리고 공급받은 연료를 외부로부터 공급받은 산소로 연소시켜 연소가스를 발생시키게 된다.
또한, 상기 연소기(120)는 상기 가스터빈(130)을 통과한 이산화탄소를 상기 가스터빈(130)으로부터 공급받는다. 따라서 상기 연소기(120)는, 이러한 연소가스와 이산화탄소의 혼합물을 상기 연료전지(110)의 공기극(112)으로 공급하게 된다.
여기서, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 발전시스템(100)은, 블로어(121;Blower), 공급관(122), 산소공급장치(123) 및 토출관(124)을 포함할 수 있다.
상기 블로어(121)는, 일 측이 상기 연료전지(110)의 연료극(111)과 연통하고 타 측이 상기 연소기(120)와 연통하도록 설치된다. 그리고 상기 블로어(121)는, 상기 연료전지(110)의 연료극(111)에서 산화반응을 하지 않은 연료를 상기 연소기(120)로 공급하게 된다.
상기 공급관(122)은, 일단이 후술할 가스터빈(130)의 터빈(132)과 연통하고 타단이 상기 연소기(120)와 연통하도록 설치되어, 상기 가스터빈(130)의 터빈(132)을 통과한 이산화탄소를 상기 연소기(120)로 공급하게 된다.
상기 산소공급장치(123)는, 상기 연소기(120)로 순수한 산소가스를 공급한다. 이때, 상기 산소공급장치(123)는 극저온 공기분리기(ASU;cryogenic Air separation unit)가 될 수 있다.
상기 토출관(124)은, 일단이 상기 연소기(120)와 연통하고 타단이 상기 연료전지(110)의 공기극(112)과 연통하도록 설치된다. 그리고 상기 토출관(124)은, 상기 연소기(120)의 연소반응에 의해 생성된 연소가스와, 상기 가스터빈(130)으로부터 공급받은 이산화탄소의 혼합물을 상기 연료전지(110)의 공기극(112)으로 공급하게 된다.
즉, 상기 연소기(120)는, 외부의 연료탱크로부터 연료를 공급받는 것이 아닌, 상기 연료전지(110)로부터 연소를 위한 연료를 공급받게 되며, 연소를 위한 산소는 상기 가스터빈(130)이 아닌 산소공급장치(123)로부터 공급받게 되는 것이다.
다만, 이는 어디까지나 본 발명의 일 실시예에 불과하며, 비록 도 1에는 도시하지 않았으나, 상기 연소기(120)가 외부의 연료탱크(미도시)로부터 연료를 공급받고, 상기 가스터빈(130)으로부터 산소를 공급받도록 본 발명이 실시될 수도 있다고 할 것이다.
상기 가스터빈(130)은, 압축기(131), 터빈(132), 1차열교환기(133) 및 2차열교환기(134)를 포함한다.
상기 압축기(131)는, 상기 연료전지(110)의 반응물로부터 추출된 이산화탄소를 공급받아 압축시킨다. 더욱 상세하게는, 상기 압축기(131)는 후술할 순환장치(140)의 3방밸브(143)로부터 이산화탄소를 공급받게 된다.
상기 터빈(132)은, 상기 압축기(131)로부터 전달받은 이산화탄소를 내부로 통과시켜, 내부에 존재하는 블레이드(미도시)가 회전하도록 한다. 그에 따라 상기 가스터빈(130)으로부터 발전을 위한 동력이 생성되도록 한다. 이렇게 상기 터빈(132)을 통과한 이산화탄소는, 전술한 바와 같이 상기 연소기(120)를 거쳐 상기 연료전지(110)로 공급되게 된다.
상기 1차열교환기(133)는, 상기 압축기(131)와 터빈(132) 사이에 설치되는 것으로서, 상기 압축기(131)로부터 토출된 이산화탄소를 상기 연료전지(110)로부터 토출된 반응물과 열교환시킨다.
상기 연료전지(110)의 반응물은 상기 연료전지(110)의 내부에서 전개된 전기화학적 반응에 의해 생성된 것으로서, 고온의 상태로 상기 연료전지(110)로부터 토출되게 된다. 따라서 상기 압축기(131)를 통과한 이산화탄소는 이러한 반응물로부터 열을 받아 온도가 상승하게 된다.
상기 2차열교환기(134)는, 상기 1차열교환기(133)와 터빈(132) 사이에 설치되는 것으로서, 상기 1차열교환기(133)를 통과한 이산화탄소를 상기 연소기(120)로부터 토출된 연소가스와 열교환시켜 상기 터빈(132)으로 전달한다.
상기 연소기(120)로부터 토출되는 연소가스는, 상기 연료전지(110)로부터 토출되는 반응물보다 온도가 높다. 따라서 상기 1차열교환기(133)에서 1차적으로 열 교환을 한 이산화탄소는, 상기 2차열교환기(134)를 통과하면서 2차적으로 연소가스와 열 교환을 함에 따라, 더욱더 고온인 상태로 상기 터빈(132)에 유입되게 된다.
이렇듯, 상기 1차열교환기(133)와 2차열교환기(134)는, 일반적인 가스터빈 엔진에 사용되는 가스터빈 연소기(Combustor)의 역할을 수행하게 된다.
상기 순환장치(140)는, 상기 연료전지(110)와 가스터빈(130) 사이에 설치되는 것으로서, 상기 연료전지(110)로부터 공급받은 반응물로부터 이산화탄소를 분리하여, 상기 이산화탄소를 상기 가스터빈(130)의 압축기(131)로 공급한다.
더욱 상세하게는, 상기 순환장치(140)는 응축기(141), 분리기(142), 3방밸브(143), 다단분리유닛(144;Multi-stage separation unit) 및 저장탱크(145)를 포함할 수 있다.
상기 응축기(141)는, 상기 연료전지(110)로부터 토출된 반응물을 냉각시켜, 반응물 중에 포함된 수증기를 물로 응축시킨다. 상기 분리기(142)는, 상기 응축기(141)로부터 전달받은 반응물로부터 응축된 물을 분리시킨다.
상기 3방밸브(143)는, 상기 분리기(142)와 다단분리유닛(144) 사이에 설치되며, 상기 분리기(142)로부터 전달받은 유체를 상기 가스터빈(130)의 압축기(131) 또는 상기 다단분리유닛(144)으로 선택적으로 공급하도록 작동한다.
더욱 상세하게는, 후술할 연료공급장치(150)와 증기공급장치(160)를 통해 1차개질기(170)로 공급되는 연료와 수증기의 양에 비하여, 상기 가스터빈(130)의 압축기(131)로 공급되는 유체의 양이 과도하게 많은 경우, 상기 3방밸브(143)는 상기 분리기(142)로부터 전달받은 유체를 상기 다단분리유닛(144)으로 공급하도록 작동한다. 이에 따라 상기 3방밸브(143)는, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 발전시스템(100)을 순환하는 유체의 양을 조절하게 된다.
상기 다단분리유닛(144)은, 상기 3방밸브(143)로부터 전달받은 유체에 포함된 수증기를, 다단에 걸쳐서 물로 응축시켜 분리한다.
이러한 상기 다단분리유닛(144)의 예로는, 이산화탄소 분리기(CSU;Carbon dioxide separation unit)가 있을 수 있다. 상기 이산화탄소 분리기는, 이산화탄소와 물의 응축온도 차이를 이용하여 세 차례의 가압 및 응축과정을 거쳐 이산화탄소와 수분을 분리하는 것으로서, 최종적으로 액화된 이산화탄소를 얻는 장치이다.
상기 저장탱크(145)는, 상기 다단분리유닛(144)으로부터 액화된 이산화탄소를 공급받아 내부에 저장하게 된다. 이때, 도 1에는 도시하지 않았으나, 상기 저장탱크(145)에 저장된 이산화탄소를 상기 가스터빈(130)의 압축기(131)로 공급하도록 본 발명을 실시할 수도 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 발전시스템(100)은, 연료공급장치(150), 증기공급장치(160), 1차개질기(170) 및 2차개질기(180)를 더 포함할 수 있다.
상기 연료공급장치(150)는, 상기 1차개질기(170)로 연료를 공급한다. 이때, 공급되는 연료는, 메탄, 에탄, 프로판, 부탄 등을 함유한 천연가스일 수 있다.
상기 증기공급장치(160)는, 상기 1차개질기(170)로 수증기를 공급한다.
여기서, 상기 증기공급장치(160)는, 물탱크(161) 및 증발기(162)를 포함할 수 있다. 상기 물탱크(161)는 내부에 물을 저장한다. 상기 증발기(162)는 상기 물탱크(161)로부터 토출된 물을 상기 연료전지(110)로부터 토출된 반응물과 열교환시켜서, 상기 물이 증발되어 수증기가 되도록 한다. 이에 따라 수증기가 상기 1차개질기(170)로 공급되도록 한다.
또한, 상기 증기공급장치(160)는, 필터(163)를 더 포함할 수 있다. 상기 필터(163)는 상기 물탱크(161)와 증발기(162) 사이에 설치되는 것으로서, 상기 물탱크(161)를 통과한 물 속에 포함된 이물질을 걸러낸다. 이에 따라 천연가스와 수증기를 제외한 다른 물질이 상기 1차개질기(170)로 유입되는 것을 방지할 수 있다.
한편, 상기 연료공급장치(150)와 증기공급장치(160)로부터 토출된 천연가스와 수증기는, 상기 1차개질기(170)로 유입되기 전, 미리 균일하게 혼합된 상태에서 상기 1차개질기(170)로 유입될 수 있다. 이에 따라 후술할 상기 천연가스와 수증기 사이의 개질 반응이 보다 효율적으로 발생되도록 할 수 있다.
또한, 상기 연료전지(110)로부터 토출된 반응물은, 상기 물탱크(161)로부터 토출된 물 뿐만이 아니라, 상기 1차개질기(170)로부터 토출된 물질과 열교환하고, 상기 연료공급장치(150)로부터 토출된 천연가스와도 열교환하도록, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 발전시스템(100)이 설계될 수 있다.
즉, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 연료전지(110)로부터 토출된 반응물이, 차례로, 상기 1차개질기(170)로부터 토출된 물질과 열교환하며, 상기 물탱크(161)로부터 토출된 물과 열교환하고, 상기 연료공급장치(150)로부터 토출된 천연가스와 열교환한 후, 상기 순환장치(140)로 공급되도록 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 발전시스템(100)을 설계할 수 있는 것이다.
이 경우, 상기 순환장치(140)로 유입되는 반응물의 온도를 감소시킬 수 있으며, 상기 순환장치(140)는 반응물 속에 포함된 수증기를 보다 더 용이하게 응축시킬 수 있게 된다.
상기 1차개질기(170)는, 상기 연료공급장치(150)로부터 공급받은 천연가스 중 메탄을 제외한 성분들을 수증기와 반응시켜, 수소 가스와 일산화탄소 가스로 변환시키는 1차 개질반응을 수행한다. 이때, 상기 1차개질기(170)는, 상기 연료전지(110)의 외부에 설치되는 것이 바람직하나, 후술하는 2차개질기(180)와 같이, 상기 연료전지(110)의 내부에 설치되어, 상기 연료전지(110)로부터 발생하는 열을 받아 상기 개질반응에 이용할 수도 있다.
상기 2차개질기(180)는, 상기 연료전지(110)의 내부에 설치되는 것으로서, 상기 연료전지(110)로부터 공급받은 열을 이용하여, 상기 1차개질기(170)로부터 공급받은 물질을 수소 가스와 일산화탄소 가스로 변환시킨다. 그리고 이와 같이 변환된 수소 가스와 일산화탄소 가스를 상기 연료전지(110)의 연료극(111)으로 공급한다.
즉, 상기 2차개질기(180)는, 상기 1차개질기(170)에서 생성된 수소 가스와 일산화탄소 가스를 반응시키는 것이 아니라, 상기 1차개질기(170)에서 반응하지 않은 메탄을 포함한 천연가스와 수증기를 반응시켜, 2차적으로 수소 가스와 일산화탄소 가스를 생성하는 2차 개질반응을 수행하는 것으로 볼 수 있다.
다만, 상기 2차개질기(180)에서도 개질반응을 하지 않은 천연가스가 있을 수 있다. 이는, 상기 연료전지(110)의 연료극(111)에서 산화반응을 하지 않은 수소 가스와 일산화탄소 가스와 함께, 상술한 연소기(120)로 공급된다. 따라서 이러한 천연가스, 수소가스 및 일산화탄소 가스가 각각 상기 산소공급장치(123)로부터 공급된 산소와 함께 상기 연소기(120)에서 연소반응을 하게 된다.
이하, 상기 연료전지(110)의 내부에서 이루어지는 전기화학적 반응에 대해서 상세히 설명하면, 우선, 상기 2차개질기(180)로부터 토출된 수소 가스와 일산화탄소 가스는, 상기 연료전지(110)의 연료극(111)으로 공급된다. 또한, 상기 연소기(120)로부터 상기 연료전지(110)의 공기극(112)으로 산소 가스와 이산화탄소 가스가 공급된다.
상기 산소공급장치(123)는, 상기 연소기(120)로 유입된 연료를 완전히 연소시킬 수 있을 정도로 충분한 양의 산소를 상기 연소기(120)로 공급한다. 따라서 상기 연소기(120)로부터 상기 연료전지(110)의 공기극(112)으로 공급되는 산소 가스는, 상기 산소공급장치(123)에서 공급된 산소 가스인 것이 된다.
다만, 상기 연소기(120)에서도 불완전 연소가 일어남에 따라, 탄화수소 등의 연소가스가 생성될 수도 있다. 이는 상기 연료전지(110) 내부에서 일어나는 전기화학적 반응과는 무관하므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략하도록 한다.
다음으로, 상기 연료전지(110)의 연료극(111)으로 공급된 수소가스와 일산화탄소 가스는, 각각 전자를 잃고 수소이온과 일산화탄소 이온이 된다. 또한, 상기 연료전지(110)의 공기극(112)으로 공급된 산소가스와 이산화탄소 가스는, 상기 연료극(111)에서 배출된 전자를 받아 탄산이온이 된다.
이렇게 발생한 수소이온과 일산화탄소 이온이, 각각 상기 연료전지(110)의 내부에서 탄산이온과 반응하여, 이산화탄소와 물로 이루어지는 반응물과, 전자를 발생시키게 된다.
이하부터는, 상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 발전시스템(100)의 작동 전반에 대해 설명한다.
연료공급장치(150)와 증기공급장치(160)로부터 각각 토출된 천연가스와 증기는, 1차개질기(170)와 2차개질기(180)를 거치면서 수소가스와 일산화탄소 가스가 되고, 이는 연료전지(110)의 연료극(111)으로 공급된다.
순환장치(140)로부터 토출된 이산화탄소 가스는 가스터빈(130)을 통과하여 가스터빈(130)과 연결된 발전기로부터 전력이 생성되도록 하며, 가스터빈(130)을 통과한 이산화탄소 가스는 산소공급장치(123)로부터 토출된 산소가스와 함께 연소기(120)로 공급된다.
그리고 연료전지(110)의 연료극(111)에서 반응되지 않은 연료를 공급받은 연소기(120)는, 공급받은 연료와 산소를 연소시켜 이산화탄소 가스를 생성하고, 가스터빈(130)으로부터 공급받은 이산화탄소 가스와 연소반응에 의해 생성된 이산화탄소 가스를, 연소반응에 참가하지 않은 산소가스와 함께 연료전지(110)의 공기극(112)으로 공급한다.
연료전지(110)의 연료극(111)으로 공급된 수소가스와 일산화탄소 가스는 각각 전자를 잃고 수소이온과 일산화탄소 이온이 되며, 연료전지(110)의 공기극(112)으로 공급된 산소가스와 이산화탄소 가스는 전자를 얻어 탄산이온이 된다. 그리고 이들은 이온반응을 통해 물과 이산화탄소가 되며, 전자를 발생시키게 된다.
이렇게 연료전지(110)로부터 발생된 물과 이산화탄소는 순환장치(140)로 공급되고, 순환장치(140)에서 물로부터 분리된 이산화탄소 중 일부는 저장탱크(145)에 저장되고 나머지는 가스터빈(130)으로 다시 공급된다. 그리고 천연가스와 수증기 역시 연료공급장치(150)와 증기공급장치(161)를 통해 각각 1차개질기(170)로 다시 공급되게 되며, 상술한 과정이 다시 반복되게 된다.
이에 따라 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 발전시스템(100)은, 반 밀페형(semi-closed type) 구조의 시스템이 되며, 이산화탄소와 같은 유해가스의 배출에 따라 발생할 수 있는 환경적 문제를 원천적으로 차단할 수 있게 된다.
100 : 하이브리드 발전시스템 110 : 연료전지
120 : 연소기 130 : 가스터빈
140 : 순환장치

Claims (9)

  1. 연료를 반응시켜 생성된 반응물로부터 추출된 물질을 작동유체로 사용하는 하이브리드 발전시스템에 있어서,
    공급받은 연료를 산화시켜 양이온과 전자를 발생시키는 연료극과, 상기 연료극으로부터 발생된 전자를 받아 음이온을 발생시키는 공기극과, 상기 연료극과 공기극 사이의 전기화학적 반응을 매개하는 전해질을 포함하며, 상기 양이온과 음이온의 전기화학적 반응을 통해 반응물과 전자를 생성하는 고온형 연료전지;
    상기 고온형 연료전지의 공기극으로 연소가스를 공급하는 연소기;
    상기 고온형 연료전지의 반응물로부터 추출된 작동유체를 공급받아 압축시키는 압축기와, 상기 압축기로부터 전달받은 작동유체를 내부로 통과시켜 발전을 위한 동력을 생성하며, 통과한 작동유체를 상기 고온형 연료전지로 공급하는 터빈을 포함하는 가스터빈; 및
    상기 고온형 연료전지와 가스터빈의 사이에 설치되며, 상기 고온형 연료전지로부터 공급받은 반응물로부터 작동유체를 분리하여, 상기 작동유체를 상기 가스터빈의 압축기로 공급하는 순환장치를 포함하되,
    상기 순환장치는,
    상기 고온형 연료전지로부터 토출된 반응물을 냉각시켜 반응물 중에 포함된 수증기를 물로 응축시키는 응축기와,
    상기 응축기로부터 전달받은 반응물로부터 응축된 물을 분리시키는 분리기와,
    상기 분리기로부터 전달받은 유체에 포함된 수증기를 다단에 걸쳐서 물로 응축시켜 분리하는 다단분리유닛과,
    상기 분리기와 다단분리유닛 사이에 설치되며, 상기 분리기로부터 전달받은 유체를 상기 가스터빈의 압축기 또는 상기 다단분리유닛으로 선택적으로 공급하도록 작동하는 3방밸브와,
    상기 다단분리유닛으로부터 작동유체를 공급받아 저장하는 저장탱크를 포함하는 하이브리드 발전시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    일 측이 상기 고온형 연료전지의 연료극과 연통하고 타 측이 상기 연소기와 연통하도록 설치되며, 상기 고온형 연료전지의 연료극에서 산화반응을 하지 않은 연료를 상기 연소기로 공급하는 블로어를 더 포함하는 하이브리드 발전시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    일단이 상기 가스터빈의 터빈과 연통하고 타단이 상기 연소기와 연통하도록 설치되며, 상기 가스터빈의 터빈을 통과한 작동유체를 상기 연소기로 공급하는 공급관과,
    상기 연소기로 산소를 공급하는 산소공급장치와,
    일단이 상기 연소기와 연통하고 타단이 상기 고온형 연료전지의 공기극과 연통하도록 설치되며, 상기 연소기의 연소반응에 의해 생성된 연소가스와, 상기 가스터빈으로부터 공급받은 작동유체의 혼합물을 상기 고온형 연료전지의 공기극으로 공급하는 토출관을 더 포함하는 하이브리드 발전시스템.
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 가스터빈은,
    상기 압축기와 터빈 사이에 설치되며, 상기 압축기로부터 토출된 작동유체를 상기 고온형 연료전지로부터 토출된 반응물과 열교환시키는 1차열교환기와,
    상기 1차열교환기와 터빈 사이에 설치되며, 상기 1차열교환기를 통과한 작동유체를 상기 연소기로부터 토출된 연소가스와 열교환시켜 상기 터빈으로 전달하는 2차열교환기를 더 포함하는 하이브리드 발전시스템.
  6. 청구항 1, 청구항 2, 청구항 3, 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고온형 연료전지는, 용융탄산염 연료전지(MCFC;Molten carbonate fuel cell)이며,
    상기 작동유체는, 이산화탄소인 하이브리드 발전시스템.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 고온형 연료전지의 연료극으로 공급되는 연료 중 메탄을 제외한 성분들을 수증기와 반응시켜, 수소와 일산화탄소로 변환시키는 1차개질기와,
    상기 고온형 연료전지의 내부에 설치되며, 상기 고온형 연료전지로부터 공급받은 열을 이용하여, 상기 1차개질기로부터 공급받은 물질을 수소와 일산화탄소로 변환시켜 상기 고온형 연료전지의 연료극으로 공급하는 2차개질기를 더 포함하는 하이브리드 발전시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 1차개질기로 연료를 공급하는 연료공급장치와,
    물을 내부에 저장하는 물탱크와, 상기 물탱크로부터 토출된 물을 상기 고온형 연료전지로부터 토출된 반응물과 열교환시켜 수증기를 발생시키는 증발기를 포함하며, 상기 1차개질기로 수증기를 공급하는 증기공급장치를 더 포함하는 하이브리드 발전시스템.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 고온형 연료전지의 연료극으로 공급된 수소와 일산화탄소는 각각 전자를 잃고 양이온화 되며,
    상기 연소기로부터 상기 고온형 연료전지의 공기극으로 산소 및 이산화탄소가 공급되며, 상기 고온형 연료전지의 공기극에서 산소와 이산화탄소는 상기 고온형 연료전지의 연료극으로부터 배출된 전자를 받아 탄산이온을 형성하고,
    수소 이온과 일산화탄소 이온은, 각각 상기 고온형 연료전지의 내부에서 탄산이온과 반응하여, 이산화탄소와 물로 이루어지는 반응물을 생성하는 하이브리드 발전시스템.
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