KR101954969B1 - 기체 생산 설비 및 기체 생산 방법 - Google Patents

기체 생산 설비 및 기체 생산 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 기체 생산 설비 및 이를 이용하는 기체 생산 과정에 관한 것이다. 구체적으로 본 발명의 일 실시예에 따르면, 기체 생산 설비는 연료 전지 장치로부터 공급받은 미반응 수소를 연소시키는 연소기; 및 상기 연소기에서 발생하여 외부로 배출되는 연소 가스를 공급받고, 상기 연소기에 가열 대상 액체를 공급하는 사이클 장치를 포함할 수 있다. 또한, 상기 사이클 장치는, 외부로부터 가열 대상 액체를 공급받고, 작동 유체를 응축시키는 응축기; 상기 응축기에 의해 응축된 작동 유체를 가압하는 압축기; 상기 연소 가스를 이용하여 상기 압축기에서 압축된 상기 작동 유체를 가열시키는 열교환기; 및 상기 열교환기로부터 공급된 상기 작동 유체에 의해 회전되는 터빈을 포함할 수 있다.

Description

기체 생산 설비 및 기체 생산 방법{INSTALLATION FOR PRODUCING GAS AND METHOD FOR PRODUCING GAS}
본 발명은 기체 생산 설비 및 기체 생산 방법에 관한 것이다.
연료 전지 장치는 연료 가스를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 생산한다. 이러한 연료 전지 장치에는 반응 가스로서 연료 가스와 산화제 가스를 전극 촉매층을 구비한 연료 전극 및 산화제 전극에 연속적으로 공급함으로써 연료 가스를 반응시킨다.
이러한 연료 전지 장치에서 사용되는 연료 가스로 수소가 많이 사용되고 있으며, 최근에는 원유의 정제 과정이나 가성소다 업계 등에서 부산물로 생산되는 부생수소를 연료 전지 장치의 연료 가스로 하여 전기 에너지를 생산하는 방안도 연구되고 있다.
일반적으로, 연료 전지 장치에 사용되는 수소는 반응에서 요구되는 수소의 1.1~ 2배까지 공급한다. 이처럼 수소가 과공급 됨으로써 연료 전지 장치는 전기를 생산하기에 필요한 수소를 충분히 공급받을 수 있고, 많은 양의 전기를 생산할 수 있게 된다. 또한, 과공급으로 인하여 반응하지 못하고 연료 전지 장치의 외부로 빠져나온 수소는 다시 리턴되어 연료 전지 장치로 다시 주입된다.
그러나, 배출된 수소를 리턴하기 위해 리사이클 블로워(recycle blower)와 같은 수소 이송장치가 사용되고, 이러한 리사이클 블로워가 잦은 고장을 일으킨다는 문제가 있다. 또한, 연료 전지 장치의 외부로 빠져나온 미반응 수소는 연료 전지 장치의 운전 온도와 거의 동일한 고온이므로, 미반응 수소가 가지는 열에너지가 효율적으로 활용되지 못한다는 문제가 있다.
한편, 인산형 연료 전지(PAFC, Phosphoric Acid Fuel Cell)와 같이 발전용으로 많이 사용되는 연료 전지 장치는 180℃~ 220℃ 정도의 운전 온도를 가지며, 이러한 연료 전지 장치의 운전으로 인해 발생되는 폐열은 단지 60℃~ 100℃ 정도의 온수에 불과하였다. 이러한 온수는 가정이나 건물에서 사용될 수 있으나, 대부분의 공장에서는 온수보다는 고온, 고압의 스팀(120~ 160℃, 6~ 10bar 이하)이 더 많이 사용되고 있다. 따라서, 연료 전지 장치의 폐열을 활용하여 스팀을 생산할 수 있다면 연료 전지 장치의 경제성이 더욱 증가될 수 있다.
본 발명의 실시예들은 상술한 문제를 해결하고자 발명된 것으로서, 연료 전지 장치에서 배출되는 미반응 수소를 이용하여 스팀과 같은 기체를 생산할 수 있는 기체 생산 장치 및 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 연료 전지 장치로부터 공급받은 미반응 수소를 연소시키는 연소기; 및 상기 연소기로부터 배출되는 연소 가스를 공급받고, 상기 연소기에 가열 대상 액체를 공급하며, 내부에 작동 유체가 순환되는 사이클 장치를 포함하고, 상기 사이클 장치는, 외부로부터 가열 대상 액체를 공급받고, 상기 작동 유체를 응축시키는 응축기; 상기 응축기에 의해 응축된 상기 작동 유체를 가압하는 압축기; 상기 연소 가스를 이용하여 상기 압축기에서 압축된 상기 작동 유체를 가열시키는 열교환기; 및 상기 열교환기로부터 공급된 상기 작동 유체에 의해 회전되는 터빈을 포함하는, 기체 생산 설비가 제공될 수 있다. .
또한, 상기 연소기는, 외부로부터 유입되는 연소용 공기를 이용하여 상기 미반응 수소를 연소시키고, 상기 미반응 수소의 연소로 발생된 열을 이용하여 상기 응축기를 거친 가열 대상 액체를 가열시키는, 기체 생산 설비가 제공될 수 있다. .
또한, 상기 연료 전지 장치로부터 배출되는 배기 가스를 공급받고, 상기 배기 가스의 열을 이용하여, 상기 연소기에 공급되기 전의 상기 연소용 공기를 가열시키는 예열기를 더 포함하는, 기체 생산 설비가 제공될 수 있다. .
또한, 상기 연소기는 상기 미반응 수소의 양보다 10배 이상 20배 이하로 많은 양의 상기 연소용 공기를 이용하여 상기 미반응 수소를 연소시키는, 기체 생산 설비가 제공될 수 있다. .
또한, 상기 연료 전지 장치로부터 배출되는 상기 미반응 수소는 60℃이상 200℃이하의 온도로 상기 연소기로 공급되는, 기체 생산 설비가 제공될 수 있다.
또한, 상기 연소기는 촉매가 담지되는 촉매 수용부를 포함하는, 기체 생산 설비가 제공될 수 있다.
연료 전지 장치로부터 공급받은 미반응 수소를 연소기에서 연소시키는 연소 단계; 외부로부터 공급받은 가열 대상 액체와의 열교환을 통해 작동 유체를 응축시키는 응축 단계; 상기 응축단계에서 응축된 상기 작동 유체를 가압하는 압축 단계; 상기 연소 단계에서 가열된 공기를 이용하여 상기 압축 단계에서 압축된 상기 작동 유체를 가열시키는 열교환 단계; 및 상기 열교환 단계에서 가열된 작동 유체로 터빈을 회전시켜서 전력을 생산하는 전력 생산 단계를 포함하는, 기체 생산 단계가 제공될 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 연료 전지 장치로부터 배출되는 미반응 수소를 이용하여 스팀과 같은 기체를 생산할 수 있다는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 기체 생산 설비를 나타내는 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 기체 생산 방법을 나타내는 순서도이다.
이하에서는 본 발명의 사상을 구현하기 위한 구체적인 실시예에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.
아울러 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
이하, 도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 기체 생산 설비의 구성을 설명한다.
도 1을 참조하면, 연료 전지 장치(10)와 수소 공급소(20)의 사이의 수소 통로(21)를 통하여 연료 전지 장치(10)는 수소 공급소(20)로부터 개질반응을 거친 수소를 공급받을 수 있다. 또한, 연료 전지 장치(10)로 공급되는 수소의 양은 수소 통로(21) 상에 구비된 유량 제어 밸브(22) 및 유량계(23)에 의해 조절될 수 있다. 이러한 연료 전지 장치(10)는 공급받은 수소의 전기화학 반응을 통해 전기 및 열을 생산할 수 있다.
연료 전지 장치(10)는 이러한 수소의 전기화학 반응을 위해 외부로부터 공기를 공급받을 수 있다. 또한, 연료 전지 장치(10)는 배기 통로(12)를 통해 반응 후의 공기를 외부로 배출시킬 수 있다. 또한, 연료 전지 장치(10)에서 반응하지 못한 수소(미반응 수소)는 수소 유로(101)를 통하여 연료 전지 장치(10)의 외부로 배출되어 기체 생산 설비(30)로 전달될 수 있다. 한편, 상기와 같은 연료 전지 장치(10), 수소 공급소(20) 및 기체 생산 설비(30)는 모두 선박에 장착될 수 있다.
이러한 미반응 수소의 질량은 연료 전지 장치(10)로 공급되는 수소의 질량의 대략 15~30%일 수 있고, 미반응 수소의 온도는 약 60℃ 이상 약 200℃ 이하일 수 있다. 한편, 연료 전지 장치(10)는 일 예로 연료 전지 스택일 수 있으나, 반드시 이에 제한되지 않는다. 이러한 연료 전지 장치(10)에서 배출된 미반응 수소는 기체 생산 설비(30)로 이송되므로, 이하에서는 기체 생산 설비(30)에 대해 설명한다.
기체 생산 설비(30)는 연소기(100), 사이클 장치(200)를 포함할 수 있다.
연소기(100)는 수소 유로(101)를 통하여 연료 전지 장치(10)와 연결되어 연료 전지 장치(10)로부터 미반응 수소를 공급받을 수 있다. 수소 유로(101)는 연료 전지 장치(10)로 수소를 리턴하거나, 다른 연료 전지 장치로 수소를 공급하지 않고 미반응 수소를 연소기(100)로 공급할 수 있다. 또한, 연소기(100)는 미반응 수소의 연소를 위해 연소기(100)는 공기 통로(102)을 통하여 외부로부터 연소용 공기를 공급받을 수 있으며, 액체 통로(103)를 통해 가열 대상 액체를 공급받을 수 있다.
연소기(100)에 공급된 미반응 수소(H2)는 약 60℃ 이상 약 200℃ 이하이고, 연소용 공기에 포함된 산소(O2)와 반응할 수 있다. 이러한 미반응 수소와 산소와의 연소 반응으로 인해 물이 생성된다. 또한, 연소기(100)에서의 연소 반응의 반응열은 약 900℃이상 1100℃이하일 수 있다. 이러한 연소기(100)는 액체 통로(103)와 기체 통로(104)를 연결하는 가열 통로(110)를 포함할 수 있으며, 연소 반응의 반응열에 의해 가열 통로(110)를 통과하는 가열 대상 액체가 가열될 수 있다.
또한, 연소기(100)는 버너와 같은 화염 연소기일 수 있다. 연소기(100)에서는 수소가 화염에 의해 외부로부터 공급되는 공기 중의 산소와 연소 반응하여 열을 발생시키고, 이러한 열에 의해 연소기(100) 내를 통과하는 가열 통로(110)를 통과하는 가열 대상 액체가 가열되어 기화될 수 있다.
한편, 기체 생산 설비(30)는 선박에 구비될 수 있으므로, 연소기(100)를 화염 연소기로 구성할 경우 선박이 기울어질 때 화염 연소기의 화염도 함께 기울어질 염려가 있다. 따라서, 이를 방지하고자 연소기(100)는 촉매 연소기로 구성할 수 있다. 이처럼 연소기(100)가 촉매 연소기로 구성될 경우, 연소기(100)는 촉매를 담지하는 촉매 수용부를 더 포함할 수 있다. 연소기(100)가 촉매 연소기로 구성될 경우, 연소기(100)를 통과하는 수소는 촉매 수용부에 담지된 촉매에 의해 외부로부터 공급되는 공기 중의 산소와 연소 반응(발열 반응)하게 된다. 이러한 촉매는 Pt, Pd 등일 수 있다.
연소기(100)는 이러한 반응열을 이용하여 내부로 유입된 가열 대상 액체를 가열하여 기체를 생산할 수 있다. 여기서 가열 대상 액체는 물이고, 가열된 기체는 스팀일 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 연소기(100)에서 생산된 기체는 기체 통로(104)를 통하여 외부로 배출된다. 이러한 기체는 120~ 160℃의 온도를 가지며, 6~10bar의 압력을 가질 수 있다. 이러한 기체는 온수에 비하여 상대적으로 고온, 고압이므로, 다양한 분야에 사용될 수 있으며, 높은 가격에 판매될 수 있다.
연소기(100)에서 미반응 수소(H2)와 산소(O2)의 연소 반응 결과, O2, N2를 포함하는 고온의 연소 가스가 발생될 수 있다. 고온의 연소 가스는 후술하는 연소기(100)와 사이클 장치(200) 사이에 구비되는 배출 통로(105)를 통하여 사이클 장치(200)의 열교환기(230)에 공급되어 사이클 장치(200)의 작동 유체를 가열시킬 수 있다. 또한, 연소기(100)에서는 미반응 수소(H2)와 산소(O2) 간의 연소 반응으로 물(H2O)이 생성될 수 있으며, 이러한 물은 별도의 배수구를 배출 통로(105)를 통하여 연소 가스와 함께 외부로 배출될 수 있다. 이처럼, 배출된 연소 가스와 물은 사이클 장치(200)에 공급될 수 있으므로, 이하에서는 사이클 장치(200)에 대하여 설명한다.
사이클 장치(200)는 응축기(210), 압축기(220), 열교환기(230) 및 터빈(240)을 포함할 수 있고, 이들 사이에 작동 유체가 순환하도록 구성되는 작동 유체 순환로(250)를 포함할 수 있다. 또한, 이러한 사이클 장치(200)는 랭킨 사이클일 수 있으며, 유기 매체가 작동 유체로 사용될 수 있다.
응축기(210)는 작동 유체 순환로(250) 및 액체 통로(103)와 연결되고, 외부로부터 유입되는 가열 대상 액체와 작동 유체 순환로(250)로부터 유입되는 작동 유체가 열교환하도록 구성될 수 있다. 다시 말해, 가열 대상 액체는 작동 유체로부터 열을 전달받아 가열되는 한편, 작동 유체는 가열 대상 액체로부터 열을 빼앗겨 냉각된다. 압축기(220)는 응축기(210)에서 응축된 작동 유체를 공급받아 고압으로 압축시킨다.
열교환기(230)는 압축기(220)에서 압축된 고압의 작동 유체를 공급받고 연소기(100)로부터 배출되는 연소 가스를 공급받으며, 작동 유체와 연소 가스가 서로 열교환하도록 구성될 수 있다. 열교환기(230)에서 작동 유체는 연소 가스로부터 열을 공급받아 가열되는 한편, 연소 가스는 작동 유체에 의해 냉각될 수 있다. 열교환기(230)를 거쳐 냉각된 연소 가스는 외부로 배출될 수 있다. 터빈(240)은 열교환기(230)로부터 배출된 작동 유체를 회전동력으로 이용하여 에너지를 발생시킨다. 터빈(240)을 거친 작동 유체는 다시 응축기(210)로 유입된다.
한편, 연소기(100)에 공급되는 연소용 공기는 예열기(300)에서 미리 가열될 수 있다. 예열기(300)는 연소용 공기를 공급하는 공기 통로(102)에 연결되고 연소기(100)보다 상류에 연결되고, 연료 전지 장치(10)로부터 배출되는 배기 가스를 공급받을 수 있다. 연소기(100)로 공급되는 연소용 공기는 예열기(300)에 유입되는 배기 가스에 의해 가열될 수 있다.
또한, 연소기(100)에 공급되는 가열 대상 액체는 연소기(100)에서 연소되기 전에 응축기(210)에 의해 미리 가열될 수 있다. 연소기(100)는 액체 통로(103)를 통해서 응축기(210)와 연결되며, 액체 통로(103)를 통해서 응축기(210)로부터 가열 대상 액체를 공급받을 수 있다.
이하에서는 도 2를 참조하여 이러한 기체 생산 설비(30)를 이용하여 기체를 생산하는 과정에 대하여 설명한다.
도 2를 참조하면, 수소는 수소 공급소(20)로부터 공급되어 연료 전지 장치(10)에서 에너지를 생산하기 위한 전기화학 반응을 거친다(연료 전지 반응 단계; S100). 이때, 연료 전지 장치(10)에 유입된 수소 중 약 15~30%는 전기화학 반응을 거치지 않고 연료 전지 장치(10)의 외부로 배출된다. 연료 전지 장치(10)에서 배출되는 미반응 수소는 외부로 배출되어 연소기(10)에 유입된다(미반응 수소 공급 단계; S200).
또한, 연료 전지 장치(10)에서 배출되는 배기 가스는 예열기(300)로 공급되고, 연소기(100)로 공급되는 연소용 공기를 가열시킨다(예열 단계; S300). 연료 전지 장치(10)에서 배출되는 미반응 수소는 예열기(300)로부터 공급되는 공기에 의해 연소된다(연소 단계; S400). 이러한 연소 단계(S400)는 연소기(100)에서 이루어지며, 연소기(100)로 공급되는 가열 대상 액체는 연소열에 의해 가열되어 기체로 변하게 된다. 한편, 연소기(100)에서의 미반응 수소의 연소로 인해 O2, N2를 포함하는 고온의 연소 가스가 발생한다. 이러한 연소 가스는 사이클 단계(S500)가 진행되는 사이클 장치(200)에 공급되므로, 이하에서는 사이클 단계(S500)에 대해 설명한다.
사이클 단계(S500)에서는 작동 유체가 응축 단계(S510), 압축 단계(S520), 열교환 단계(S530) 전력 생산 단계(S540)를 순환하며 흐른다. 응축기(210)에서 작동 유체는 외부에서 유입된 가열 대상 액체에 의해 저온으로 응축될 수 있다(응축 단계; S510). 또한, 응축 단계(S510)에서 작동 유체로부터 전달되는 열에 의해 가열 대상 액체의 온도는 상승한다.
응축 단계(S510)를 거친 작동 유체는 압축기(220)로 이송되고, 압축기(220)에 의해 고압으로 압축된다(압축 단계; S520). 압축 단계(S520)에서 압축된 작동 유체는 열교환기(230)로 이송되어, 연소 가스와 열교환한다(열교환 단계; S530). 상대적으로 고온인 연소 가스의 열은 작동 유체로 전달되고, 이로 인해 작동 유체는 가열될 수 있다. 냉각된 연소 가스는 외부로 배출되고, 가열된 작동 유체는 터빈(240)으로 전달된다. 열교환기(230)로부터 가열된 작동 유체는 터빈(240)을 가동시키고, 터빈(240)은 회전 동력으로 전력을 생산할 수 있다(전력 생산 단계; S540). 전력 생산 단계(S540)를 거친 작동 유체는 다시 응축 단계(S510)를 거치기 위해 응축기(210)로 공급될 수 있다.
이러한 기체 생산 설비(30) 및 이를 이용한 기체 생산 과정에 따르면, 연료 전지 장치로부터 배출되는 미반응 수소를 이용하여 스팀과 같은 기체를 효과적으로 생산할 수 있다는 이점이 있다.
한편, 이상 본 발명의 실시예에 따른 기체 생산 설비 및 기체 생산 방법을 구체적인 실시 형태로서 설명하였으나, 이는 예시에 불과한 것으로서, 본 발명은 이에 한정되지 않는 것이며, 본 명세서에 개시된 기초 사상에 따르는 최광의 범위를 갖는 것으로 해석되어야 한다. 당업자는 개시된 실시형태들을 조합/치환하여 적시되지 않은 형상의 패턴을 실시할 수 있으나, 이 역시 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 것이다. 이외에도 당업자는 본 명세서에 기초하여 개시된 실시형태를 용이하게 변경 또는 변형할 수 있으며, 이러한 변경 또는 변형도 본 발명의 권리범위에 속함은 명백하다.
10: 연료 전지 장치 12: 배기 통로
20: 수소 공급소 21: 수소 통로
22: 유량 제어 밸브 23: 유량계
30: 기체 생산 설비 100: 연소기
101: 수소 유로 102: 공기 유로
103: 액체 통로 104: 기체 통로
105: 배출 통로 200: 사이클 장치
210: 응축기 220: 압축기
230: 열교환기 240: 터빈
250: 작동 유체 순환로 300: 예열기

Claims (7)

  1. 연료 전지 장치로부터 공급받은 미반응 수소를 연소시킴으로써 반응열을 발생시키는 연소기; 및
    상기 연소기로부터 배출되는 연소 가스를 공급받고, 상기 연소기에 가열 대상 액체를 공급하며, 내부에 작동 유체가 순환되는 사이클 장치를 포함하고,
    상기 사이클 장치는,
    외부로부터 가열 대상 액체를 공급받고, 상기 작동 유체를 응축시키는 응축기;
    상기 응축기에 의해 응축된 상기 작동 유체를 가압하는 압축기;
    상기 연소 가스를 이용하여 상기 압축기에서 압축된 상기 작동 유체를 가열시키는 열교환기; 및
    상기 열교환기로부터 공급된 상기 작동 유체에 의해 회전되는 터빈을 포함하고,
    상기 응축기는 상기 연소기에 공급되기 전의 상기 가열 대상 액체를 미리 가열시키도록 구성되고,
    상기 연소기는, 상기 응축기에서 미리 가열된 가열 대상 액체를 공급받고, 상기 미반응 수소를 연소시킬 때 발생하는 상기 반응열에 의해 상기 가열 대상 액체를 가열시켜, 상기 가열 대상 액체를 기체로 변화시키도록 구성되는,
    기체 생산 설비.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 연소기는,
    외부로부터 유입되는 연소용 공기를 이용하여 상기 미반응 수소를 연소시키는,
    기체 생산 설비.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 연료 전지 장치로부터 배출되는 배기 가스를 공급받고,
    상기 배기 가스의 열을 이용하여, 상기 연소기에 공급되기 전의 상기 연소용 공기를 가열시키는 예열기를 더 포함하는,
    기체 생산 설비.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 연소기는 상기 미반응 수소의 양보다 10배 이상 20배 이하로 많은 양의 상기 연소용 공기를 이용하여 상기 미반응 수소를 연소시키는,
    기체 생산 설비.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 전지 장치로부터 배출되는 상기 미반응 수소는 60℃이상 200℃이하의 온도로 상기 연소기로 공급되는,
    기체 생산 설비.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 연소기는 촉매가 담지되는 촉매 수용부를 포함하는,
    기체 생산 설비.
  7. 연료 전지 장치로부터 공급받은 미반응 수소를 연소기에서 연소시킴으로써, 상기 연소기에서 반응열을 발생시키는 연소 단계;
    응축기가 외부로부터 가열 대상 액체를 공급 받고, 상기 응축기에서 공급받은 상기 가열 대상 액체와 작동 유체 간의 열교환을 통해 작동 유체를 응축시키는 응축 단계;
    상기 응축 단계에서 응축된 상기 작동 유체를 가압하는 압축 단계;
    상기 연소 단계에서 가열된 공기를 이용하여 상기 압축 단계에서 압축된 상기 작동 유체를 가열시키는 열교환 단계; 및
    상기 열교환 단계에서 가열된 작동 유체로 터빈을 회전시켜서 전력을 생산하는 전력 생산 단계를 포함하고,
    상기 응축 단계에서는 상기 연소기에 공급되기 전의 상기 가열 대상 액체가 상기 응축기에 의해 미리 가열되고,
    상기 연소 단계에서는, 상기 응축 단계에서 미리 가열된 가열 대상 액체가 상기 연소기에 공급되고, 상기 연소기에 공급된 상기 가열 대상 액체는 상기 미반응 수소를 연소시킬 때 발생하는 상기 반응열에 의해 가열되고, 상기 반응열에 의해 상기 가열 대상 액체가 기체로 변화되는,
    기체 생산 방법.
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