KR102243329B1 - 4중 결합 하이브리드 발전시스템 - Google Patents

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김동섭
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Abstract

본 발명은 외부에서 유입된 공기를 압축하여 압축공기를 생성하고, 그 압축공기로 터빈을 회전시켜 발전하는 터빈발전부와, 상기 터빈발전부에서 압축된 압축공기를 열교환으로 가열한 후, 가열된 압축공기를 공기극(캐소드)에서 환원시키면서 연료개질부에서 유출된 개질된 연료가스 중 일부를 유입하여 유입된 연료가스를 연료극(애노드)에서 산화시키는 화학 에너지로 발전하는 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell: SOFC) 발전부와, 상기 고체산화물 연료전지 발전부에서 배출된 미반응연료를 포함하는 배출가스 중 일부와, 상기 고체산화물 연료전지 발전부에서 배출된 공기 중 일부를 유입하여, 혼합 후 연소하여 이산화가스를 포함하는 연소가스를 배출하는 연료전지버너와, 상기 연료전지버너에 배출된 연소가스를 공기극(캐소드)에서 환원시키면서 연료개질부에서 유출된 개질된 연료가스 중 일부를 유입하여 유입된 연료가스를 연료극(애노드)에서 산화시키는 화학 에너지로 발전하는 용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell: MCFC) 발전부와, 상기 고체산화물 연료전지 발전부의 공기극에서 배출된 공기 중 일부를 유입하여, 유입된 그 공기 중에서 산소를 분리하고, 산소가 분리된 공기는 상기 터빈발전부의 터빈으로 배출하는 이온 이송 멤브레인(Ion Transport Membrane: ITM) 및 상기 터빈발전부와, 연소기에서 배출되는 가스에서 회수된 폐열로 발전하는 재생ORC(Organic Rankine cycle)발전부를 포함하여, 종래의 발전시스템보다 상대적으로 낮은 작동온도(850℃ 이하)로 운영 가능하므로, 발전에 필요한 에너지를 절감할 수 있고, 친환경적인 발전시스템을 구축할 수 있으며, 이온 이송 멤브레인을 역세척하는 연료전지의 배출가스를 연소시키고, 그 연소가스에서 이산화탄소를 액화시켜 저장하므로 종래보다 이산화탄소 저감이 크게 증대되는 4중 결합 하이브리드 발전시스템을 제공한다.

Description

4중 결합 하이브리드 발전시스템{Quadruple hybrid power generation system}
본 발명은 4중 결합 하이브리드 발전시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 압축공기로 터빈을 회전시키는 터빈발전부와, 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell: SOFC) 발전부와, 용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell: MCFC) 발전부와, 재생ORC(Organic Rankine cycle)발전부를 포함한 발전시스템을 구축하여, 종래 상대적으로 낮은 작동온도로 운영 가능한 4중 결합 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 유출하지 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, 이산화탄소는 지구온난화를 일으키는 온실가스에 해당한다. 현재 지구온난화를 방지하기 위해 이산화탄소의 유출량을 절감시키거나 이산화탄소를 포집할 수 있는 별도의 수단이 필요하다.
하지만, 상기 종래의 하이브리드 발전시스템은 이산화탄소와 같은 유해가스의 유출량을 절감시키거나 유출 자체를 방지할 수 있는 별도의 수단을 포함하지 않는다는 문제점을 안고 있다.
또한 이산화탄소의 유출을 감소시키기 위하여 재순환하는 구조를 구비하는 경우, 발전시스템의 발전 효율이 낮아지는 문제점을 안고 있었다.
본 발명은 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell: SOFC) 및 용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell: MCFC)를 이용하여 전력을 발전하면서 고체산화물 연료전지 및 용융탄산염 연료전지에서 배출된 배출가스를 이용하여 가스터빈발전을 하며, 그 가스터빈발전에서 배출하는 배기를 재생에너지원으로 재생ORC(Organic Rankine cycle)발전하여, 종래의 발전시스템보다 상대적으로 낮은 작동온도(850℃ 이하)로 운영 가능하므로, 발전에 필요한 에너지를 절감할 수 있고, 친환경적인 발전시스템을 구축할 수 있으며, 이온 이송 멤브레인을 역세척하는 연료전지의 배출가스를 연소시키고, 그 연소가스에서 이산화탄소를 액화시켜 저장하므로, 이산화탄소 포집률의 향상으로 종래보다 이산화탄소 저감이 크게 증대되는 4중 결합 하이브리드 발전시스템을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명에 따른 4중 결합 하이브리드 발전시스템은 외부에서 유입된 공기를 압축하여 압축공기를 생성하고, 그 압축공기로 터빈을 회전시켜 발전하는 터빈발전부와, 상기 터빈발전부에서 압축된 압축공기를 열교환으로 가열한 후, 가열된 압축공기를 공기극(캐소드)에서 환원시키면서 연료개질부에서 유출된 개질된 연료가스 중 일부를 유입하여 유입된 연료가스를 연료극(애노드)에서 산화시키는 화학 에너지로 발전하는 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell: SOFC) 발전부와, 상기 고체산화물 연료전지 발전부에서 배출된 미반응연료를 포함하는 배출가스 중 일부와, 상기 고체산화물 연료전지 발전부에서 배출된 공기 중 일부를 유입하여, 혼합 후 연소하여 이산화가스를 포함하는 연소가스를 배출하는 연료전지버너와, 상기 연료전지버너에 배출된 연소가스를 공기극(캐소드)에서 환원시키면서 연료개질부에서 유출된 개질된 연료가스 중 일부를 유입하여 유입된 연료가스를 연료극(애노드)에서 산화시키는 화학 에너지로 발전하는 용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell: MCFC) 발전부와, 상기 고체산화물 연료전지 발전부의 공기극에서 배출된 공기 중 일부를 유입하여, 유입된 그 공기 중에서 산소를 분리하고, 산소가 분리된 공기는 상기 터빈발전부의 터빈으로 배출하는 이온 이송 멤브레인(Ion Transport Membrane: ITM)과, 상기 터빈발전부와, 연소기에서 배출되는 가스에서 회수된 폐열로 발전하는 재생ORC(Organic Rankine cycle)발전부와, 상기 터빈발전부에서 유출되는 압축공기와 상기 용융탄산염 연료전지 발전부에서 배출되는 공기를 서로 교환시키는 제1열교환기, 및 상기 제1열교환기에서 유출되는 압축공기와 상기 연료전지버너에서 배출되는 연소가스를 서로 교환시키는 제2열교환기를 포함하고, 상기 터빈발전부는 외부에서 유입되는 공기에서 이물질을 제거하는 에어필터와, 상기 에어필터를 통과한 공기를 유입하여 회전력으로 유입한 공기를 고압으로 압축하는 압축기와, 상기 압축기와 축 연결되고, 상기 압축기의 회전으로 연동하여 발생하는 회전력으로 발전하는 제1발전기와, 상기 압축기와 축 연결되고, 상기 제1열교환기를 통과한 상기 용융탄산염 연료전지 발전부의 배출 공기가 터빈블레이드와 상응하여 회전력을 발생하는 제1터빈과, 상기 제1터빈의 배기부에 구비되어, 상기 제1터빈에서 배출되는 배기가스 및 상기 연소기의 연소가스와, 상기 재생ORC발전부를 순환하는 유체를 서로 열교환시키는 제3열교환기를 포함하며, 상기 연료개질부는 외부에서 유입된 연료에서 황을 제거하는 탈황반응기와, 상기 탈황반응기에서 배출된 연료와 상기 용융탄산염 연료전지 발전부에서 배출된 미반응연료를 포함하는 배출가스 중 일부를 서로 열교환시키는 제4열교환기와, 상기 제4열교환기를 통과한 연료를 유입하여, 1차(고압)측 가스노즐로 공급하고, 상기 고체산화물 연료전지 발전부에서 배출된 미반응가스를 포함하는 배출가스 중 일부를 2차(저압)측 가스노즐로 공급하여, 1차측 가스와 2차측 가스를 혼합하여 배기하는 이젝터와, 상기 이젝터에서 배기된 연료가스를 유입하여 개질한 후 배출하는 선개질부를 포함하고, 상기 재생ORC발전부는 물보다 증발온도가 낮은 유기물을 순환시키는 순환라인과, 상기 순환라인 선상에 구비되고, 상기 제3열교환기에서 열교환으로 상변화된 증기상의 유기물을 유입하여 증기상의 유기물이 터빈블레이드와 상응하여 회전력을 발생하는 증기터빈과, 상기 증기터빈과 축 연결되고, 상기 증기터빈의 회전으로 연동하여 발생하는 회전력으로 발전하는 제2발전기와, 상기 순환라인 선상에 구비되고, 상기 증기터빈에서 배출된 증기 상의 유기물을 응축하여 액상의 유기물로 배출하는 응축기와, 상기 순환라인 선상에 구비되고, 상기 응축기에서 배출되는 액상의 유기물을 유입하여 상기 제3열교환기로 송출하는 펌프와, 상기 순환라인 선상에 구비되고, 상기 제3열교환기로 유입되는 액상유기물과, 상기 증기터빈에서 배출된 증기 상의 유기물을 서로 열교환시키는 제5열교환기를 포함한다.
삭제
삭제
삭제
이때 본 발명에 따른 상기 제4열교환기를 통과한 미반응연료를 포함하는 배출가스는 상기 선개질부에서 배출된 개질된 연료 중 일부와 혼합되어, 상기 용융탄산염 연료전지 발전부로 공급하는 것이 바람직하다.
삭제
또한, 본 발명에 따른 상기 이온 이송 멤브레인은 상기 용융탄산염 연료전지 발전부에서 배출된 미반응가스를 포함하는 배출가스 중 일부를 스위프가스로 유입하여, 여과된 여과 산소를 포함하는 리치가스를 연소기로 배출하는 것이 바람직하다.
이때 본 발명에 따른 상기 연소기의 연소가스가 유동하는 배출라인 선상에 구비되어, 상기 연소기에서 배출되는 연소가스와, 상기 이온 이송 멤브레인으로 유입되는 상기 용융탄산염 연료전지 발전부의 미반응가스를 포함하는 배출가스를 서로 열교환시키는 제6열교환기를 포함한다.
그리고 본 발명에 따른 4중 결합 하이브리드 발전시스템은 상기 연소기의 연소가스가 유동하는 배출라인 선상에 구비되어, 상기 연소기에 배출된 연소가스를 터빈블레이드와 상응하여 회전력을 발생하고, 그 회전력으로 연소가스 중 이산화탄소를 팽창시키는 팽창기와, 상기 팽창기와 축 연결되고, 상기 팽창기의 회전으로 연동하여 발생하는 회전력으로 발전하는 제3발전기와, 상기 연소기의 연소가스가 유동하는 배출라인 선상에 구비되어, 상기 제3열교환기를 통과한 연소가스 중 이산화탄소를 포집하는 이산화탄소포집부를 포함한다.
본 발명에 따른 4중 결합 하이브리드 발전시스템에 의해 나타나는 효과는 다음과 같다.
첫째, 종래의 발전시스템보다 상대적으로 낮은 작동온도(850℃ 이하)로 운영 가능하므로, 발전에 필요한 에너지를 절감할 수 있는 효과를 가진다.
둘째, 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell: SOFC) 및 용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell: MCFC)를 이용하여 전력을 발전하면서 고체산화물 연료전지 및 용융탄산염 연료전지에서 배출된 배출가스를 이용하여 가스터빈발전을 하며, 그 가스터빈발전에서 배출하는 배기를 재생에너지원으로 재생ORC(Organic Rankine cycle)발전하므로, 발전효율이 78% 이상으로 운영가능하고, 친환경적인 발전시스템을 구축할 수 있다.
셋째, 이온 이송 멤브레인으로 유입되어, 분리한 산소를 역세척한 연료전지의 배출가스를 연소시키고, 그 연소가스에서 이산화탄소를 액화시켜 저장하므로, 이산화탄소 포집률의 향상으로 종래보다 이산화탄소 저감이 크게 증대되는 효과를 가진다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 4중 결합 하이브리드 발전시스템을 보인 예시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어서 이들은 대체할 수 있는 균등한 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명은 압축공기로 터빈을 회전시키는 터빈발전부와, 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell: SOFC) 발전부와, 용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell: MCFC) 발전부와, 재생ORC(Organic Rankine cycle)발전부를 포함한 발전시스템을 구축하여, 종래의 발전시스템보다 상대적으로 낮은 작동온도(850℃ 이하)로 운영 가능한 4중 결합 하이브리드 발전시스템에 관한 것으로, 도면을 참조하여 더욱 상세하게 살펴보면 다음과 같다.
도 1을 참조한 본 발명의 일 실시 예에 따른 4중 결합 하이브리드 발전시스템은 터빈발전부(100)와, 고체산화물 연료전지 발전부(200)와, 연료전지버너(300)와, 용융탄산염 연료전지 발전부(400), 이온 이송 멤브레인(Ion Transport Membrane: ITM)(500), 및 재생ORC발전부(600)를 포함하는데, 먼저 상기 터빈발전부(100)는 외부에서 유입된 공기를 압축하여 압축공기를 생성하고, 그 압축공기로 터빈을 회전시켜 발전한다.
이때 상기 터빈발전부(100)는 에어필터(110), 압축기(120), 제1발전기(130), 제1터빈(140), 및 제3열교환기(150)를 포함하는데 이를 보다 상세하게 살펴보면, 상기 에어필터(110)는 외부에서 유입되는 공기에서 이물질을 제거하고, 상기 압축기(120)는 상기 에어필터(110)를 통과한 공기를 유입하여 회전력으로 유입한 공기를 고압으로 압축한다.
그리고 상기 압축기(120)는 제1발전기(130) 및 제1터빈(140)과 축 연결되는데, 상기 제1발전기(130)는 상기 압축기(120)와 축 연결되어, 상기 압축기(120)의 회전으로 연동하여 발생하는 회전력으로 발전하고, 상기 제1터빈(140)은 상기 압축기(120)와 축 연결되어, 제1열교환기(160)를 통과한 상기 용융탄산염 연료전지 발전부(400)의 배출 공기가 터빈블레이드와 상응하여 회전력을 발생한다.
따라서 상기 제1터빈(140)에 상기 압축기(120)가 축 연결되고, 상기 압축기(120)에 제1발전기(130)가 축 연결되어, 상기 제1터빈(140)에서 상기 용융탄산염 연료전지 발전부(400)의 배출 공기가 터빈블레이드와 상응하여 상기 제1터빈(140)이 회전하면 그에 연동하여 상기 압축기(120) 및 제1발전기(130)가 회전하여 그 회전력으로 공기를 압축하거나, 발전하게 된다.
또한, 상기 제1터빈(140)의 배기부에는 제3열교환기(150)를 구비하는데, 상기 제3열교환기(150)는 상기 제1터빈(140)에서 배출되는 고온의 배기와, 재생ORC발전부(500)를 순환하는 유체(물보다 증발온도가 낮은 유기물: 톨루엔 등)를 서로 열교환 시킨다.
따라서 상기 제1터빈(140)에서 배출되는 배기와, 재생ORC발전부(500)를 순환하는 유체의 열교환으로 상기 제1터빈(140)에서 배출되는 배기의 폐열을 회수하여 상기 재생ORC발전부(500)에서 이를 이용하여 발전하게 된다.
여기서 상기 재생ORC발전부(500)를 보다 상세하게 살펴보면, 상기 재생ORC발전부(500)는 물보다 증발온도가 낮은 유기물을 증기상으로 변환하여 그 증기상의 유기물로 증기터빈을 회전시켜 발전하는 것으로, 상기 재생ORC발전부(500)는 물보다 증발온도가 낮은 유기물(톨루엔 등)을 순환시키는 순환라인(501)과, 증기터빈(510)과, 제2발전기(520)와, 응축기(530)와, 펌프(540)와, 제5열교환기(550)를 포함한다.
먼저, 상기 증기터빈(510)은 상기 순환라인(501) 상에 구비되어, 상기 제3열교환기(160)에서 열교환으로 액상에서 증기상으로 상변화된 증기상의 유기물을 유입하여 증기상의 유기물이 터빈블레이드와 상응하여 회전력을 발생한다.
이때 상기 제2발전기(520)는 상기 증기터빈(510)과 축 연결되어, 상기 증기터빈(510)의 회전에 연동하여 발생하는 회전력으로 발전한다.
상기 증기터빈(510)에서 배출된 증기상의 유기물은 응축기(530)로 유입되는데, 상기 응축기(530)는 상기 순환라인(501) 상에 구비되어, 상기 증기터빈(510)에서 배출된 증기 상의 유기물을 응축하여 액상의 유기물로 배출한다.
상기 응축기(530)에서 배출되는 액상으로 유기물은 상기 순환라인(501) 상에 구비된 펌프(540)에 의해 상기 제3열교환기(160)로 송출된다.
따라서 상기 재생ORC발전부(500)의 순환라인(501)은 물보다 증발온도가 낮은 유기물이 증기터빈(510), 응축기(530), 펌프(540), 제3열교환기(160)에서 다시 증기터빈(510) 순으로 순환할 수 안내한다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 재생ORC발전부(500)에는 제5열교환기(550)를 더 포함하는데, 상기 제5열교환기(550)는 상기 순환라인(501) 중 상기 제3열교환기(160)의 유입단측 순환라인(501)과, 상기 증기터빈(510)의 배출단측 순환라인(501)이 서로 중첩되는 지점에 구비되어, 상기 제3열교환기(160)로 유입되는 액상유기물과, 상기 증기터빈(510)에서 배출된 증기 상의 유기물을 서로 열교환 시켜, 상기 제3열교환기(160)로 유입되는 액상유기물을 선 가열하는 것이 바람직하다.
그리고 본 발명의 실시 예에 따른 상기 터빈발전부(100)의 압축기(120)에서 배출된 압축 공기는 압축에어라인을 따라 고체산화물 연료전지 발전부(200)로 제공되는데, 상기 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell: SOFC) 발전부(200)는 상기 터빈발전부(100)의 압축기(120)에서 압축된 압축공기를 바로 유입하지 않고, 열교환으로 가열된 압축공기를 유입하여 공기극(캐소드)에서 환원시키면서 연료개질부(600)에서 배출된 개질된 연료가스 중 일부를 유입하여 유입된 연료가스를 연료극(애노드)에서 산화시키는 화학 에너지로 발전한다.
이때 상기 고체산화물 연료전지 발전부(200)는 상기 터빈발전부(100)와 공기가 유동하는 압축에어라인으로 연결되어, 상기 터빈발전부(100)의 압축기(120)에서 압축된 압축공기를 유입하고, 상기 연료개질부(600)의 연료라인과 연결되어, 상기 연료개질부(600)를 통해 개질된 연료를 유입하며, 통상의 고체산화물 연료전지와 같이 연료를 산화시켜 수소를 탄화수소-하이드로카본으로 만드는데, 전해질은 산소이온을 투과시킬 수 있는 고체산화물인 세라믹 조밀층을 사용하는 것이 바람직하고, 연료극(애노드) 및 공기극(캐소드)은 다공성 전극으로 구성하는 것이 바람직하다.
따라서 상기 고체산화물 연료전지 발전부(200)로 유입된 공기는 산소가 전자와의 환원 반응으로 산소이온이 되어 고체산화물 전해질 내부로 이동하고, 상기 고체산화물 연료전지 발전부(200)로 유입된 연료(수소)는 연료극에서 산소이온과 산화 반응하여 고열과 물을 배출하게 되고, 공기의 환원 반응 및 연료의 산화 반응을 통해 전기를 생산하게 되며, 상기 고체산화물 연료전지 발전부(200)에서 배출되는 미반응연료를 포함하는 배출가스 및 공기는 연료전지버너(300)로 유입된다.
상기 연료전지버너(300)는 상기 고체산화물 연료전지 발전부(200)와 공기가 유동하는 에어라인과 연료가 유동하는 연료라인으로 연결되어, 상기 고체산화물 연료전지 발전부(200)에서 배출된 미반응연료를 포함하는 배출가스 중 일부와, 상기 고체산화물 연료전지 발전부(200)에서 배출된 공기 중 일부를 유입하여, 서로 혼합 후 연소하여 이산화가스를 포함하는 연소가스를 배출한다.
이때 상기 고체산화물 연료전지 발전부(200)에서 배출된 공기는 분기되어, 그 중 일부는 이온 이송 멤브레인(710)으로 유입되고, 일부는 상기 연료전지버너(300)로 유입되며, 상기 연료전지버너(300)에서 배출된 연소가스는 상기 용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell: MCFC) 발전부(400)로 배출된다.
상기 용융탄산염 연료전지 발전부(400)는 상기 연료전지버너(300)에 배출된 연소가스를 공기극(캐소드)에서 환원시키면서 연료개질부에서 유출된 개질된 연료가스 중 일부를 유입하여 유입된 연료가스를 연료극(애노드)에서 산화시키는 화학 에너지로 발전한다.
이때 상기 용융탄산염 연료전지 발전부(400)는 상기 연료전지버너(300)와 연소가스가 유동하는 가스라인과 연결되는 것이 바람직하고, 상기 용융탄산염 연료전지 발전부(400)의 연료극(애노드)은 상기 연료개질부(600)의 연료라인과 연결되어, 상기 연료개질부(600)를 통해 개질된 연료를 유입하며, 통산의 용융탄산염 연료전지와 같이 용융된 탄산나트륨 또는 탄산칼륨을 전해질로, 탄산이온을 전하 운반체로 사용하는데, 공기극(캐소드)으로 공급된 연소가스에 포함된 산소 및 이산화탄소가 환원 반응에 의해 탄산이온이 되고, 연료극(애노드)에서는 탄산이온과 수소의 산화반응이 이루어져 물과 이산화탄소 그리고 전자가 동시에 발생하며, 전자의 이동으로 전기를 생산한다.
여기서 본 발명의 일 실시 예에 따른 4중 결합 하이브리드 발전시스템은 상기 고체산화물 연료전지 발전부(200)로 공급되는 압축공기를 열교환으로 가열하기 위해 제1열교환기(160)와, 제2열교환기(170)를 포함하는데, 상기 제1열교환기(160)는 상기 터빈발전부(100)에서 상기 고체산화물 연료전지 발전부(200)를 연결한 에어라인 선상과, 상기 용융탄산염 연료전지 발전부(400) 공기극의 배출단에서 상기 터빈발전부(100)의 제1터빈(140)을 연결한 에어라인 선상에 구비되어, 상기 터빈발전부(100)에서 유출되는 압축공기와 상기 용융탄산염 연료전지 발전부(400)에서 배출되는 공기를 서로 열교환 시켜, 상기 용융탄산염 연료전지 발전부(400)에서 배출되는 공기가 가진 열로, 상기 고체산화물 연료전지 발전부(200)로 유입되는 압축공기를 가열한다.
그리고 상기 제2열교환기(170)는 상기 터빈발전부(100)에서 상기 고체산화물 연료전지 발전부(200)를 연결한 에어라인 선상과, 상기 연료전지버너(300)에서 상기 용융탄산염 연료전지 발전부(400)를 연결한 가스라인 선상에 구비되어, 상기 제1열교환기(160)에서 유출되는 압축공기와 상기 연료전지버너(300)에서 배출되는 연소가스를 서로 열교환 시켜, 상기 연료전지버너(300)에서 배출되는 연소가스가 가진 열로, 상기 고체산화물 연료전지 발전부(200)로 유입되는 압축공기를 가열한다.
따라서 상기한 제1열교환기(160) 및 제2열교환기(170)에 의해 상기 터빈발전부(100)에서 상기 고체산화물 연료전지 발전부(200)로 공급되는 압축공기는 1차, 2차의 열교환으로 850℃ 이하의 온도로 가열된 후, 상기 고체산화물 연료전지 발전부(200)로 공급된다.
그리고 본 발명의 일 실시 예에 따른 상기 연료개질부(600)는 탈황반응기(610), 제4열교환기(620), 이젝터(630), 및 선개질부(640)를 포함하는데, 상기 탈황반응기(610)는 저온에서 운영되는 것으로, 외부에서 유입된 연료에서 황을 제거한 후 배출한다.
이때 황이 제거되어 배출된 연료는 제4열교환기(620)로 유입되는데, 상기 제4열교환기(620)는 상기 탈황반응기(610)에서 배출된 연료와 상기 용융탄산염 연료전지 발전부(400)에서 배출된 미반응연료를 포함하는 배출가스 중 일부를 서로 열교환 시켜, 미반응연료를 포함하는 배출가스가 가진 열로 탈황된 연료를 가열한다.
그리고 상기 제4열교환기(620)를 통과한 탈황된 연료는 이젝터(630)로 유입되는데, 상기 이젝터(630)는 유입한 탈황된 연료를 1차(고압)측 가스노즐로 공급하고, 상기 고체산화물 연료전지 발전부(200)에서 배출된 미반응가스를 포함하는 배출가스 중 일부를 2차(저압)측 가스노즐로 공급하여, 1차측 연료와 2차측 가스를 혼합하여 배기한다.
이때 상기 이젝터(630)에서 배기된 연료가스는 선개질부(640)로 유입되어, 상기 선개질부(640)에서 유입된 연료가스를 유입하여 수소로 개질한 후 배출한다.
여기서 상기 제4열교환기(620)를 통과한 미반응연료를 포함하는 배출가스는 블로워(621)에 의해 송출되고, 상기 선개질부(640)에서 배출된 개질된 연료 중 일부와 혼합되어, 상기 용융탄산염 연료전지 발전부(400)의 애노드측으로 공급되는 것이 바람직하다.
더불어 본 발명의 일 실시 예에 따른 4중 결합 하이브리드 발전시스템은 이온 이송 멤브레인(Ion Transport Membrane: ITM)(710)을 포함하는데, 상기 이온 이송 멤브레인(710)은 상기 고체산화물 연료전지 발전부(200)와 공기와 유동하는 에어라인으로 연결되어, 상기 고체산화물 연료전지 발전부(200)의 공기극에서 배출된 공기 중 일부를 유입하여, 유입된 그 공기 중에서 산소를 분리하고, 산소가 분리된 공기는 상기 터빈발전부(100)의 제1터빈(120)으로 배출한다.
여기서 상기 이온 이송 멤브레인(710)은 역세정을 위해 상기 용융탄산염 연료전지 발전부(400)의 연료극과 가스가 유동하는 가스라인으로 연결되어, 상기 용융탄산염 연료전지 발전부(400)에서 배출된 미반응가스를 포함하는 배출가스 중 일부를 스위프가스로 유입하여, 여과된 여과 산소를 포함하는 리치가스를 연소기(720)로 배출한다.
상기 연소기(720)는 상기 이온 이송 멤브레인(710)과 가스가 유동하는 가스라인으로 연결되어, 상기 이온 이송 멤브레인(710)에서 배출된 여과 산소가 포함된 리치가스를 유입하고, 유입된 리키가스를 연소하여 고온의 연소가스를 배출하는데, 상기 연소기(720)에서 배출되는 고온의 연소가스는 팽창기(740)로 제공되어 상기 팽창기(740)가 회전력을 발생하게 한다.
이때 상기 연소기(720)의 연소가스가 유동하는 배출라인 선상에는 제6열교환기(730)를 구비하는데, 상기 제6열교환기(730)는 상기 연소기(720)에서 배출되는 연소가스와, 상기 이온 이송 멤브레인(710)으로 유입되는 상기 용융탄산염 연료전지 발전부(400)의 미반응가스를 포함하는 배출가스를 서로 열교환 시켜, 미반응가스를 포함하는 배출가스를 가열한다.
가열된 미반응가스를 포함하는 배출가스는 팽창기(740)로 제공되는데, 상기 팽창기(740)는 상기 연소기(720)의 연소가스가 유동하는 배출라인 선상에 구비되어, 상기 연소기(720)에 배출된 연소가스를 터빈블레이드와 상응하여 회전력을 발생하고, 그 회전력으로 연소가스 중 이산화탄소를 팽창시킨다.
이때 상기 팽창기(740)는 제3발전기(750)와 축 연결하는데, 상기 제3발전기(750)는 상기 팽창기(740)의 회전으로 연동하여 발생하는 회전력으로 발전한다.
여기서 상기 팽창기(740)에서 배출되는 고온의 배기는 상기 제3열교환기(150)를 통과하면서 상기 제1터빈(140)에서 배출되는 고온의 배기와 함께 상기 재생ORC발전부(500)를 순환하는 유체를 열교환으로 가열한다.
그리고 상기 연소기(720)의 연소가스가 유동하는 배출라인 선상에는 이산화탄소포집부(760)를 구비하는데, 상기 이산화탄소포집부(760)는 상기 제3열교환기(150)를 통과한 연소가스 중 이산화탄소를 포집한다.
이때 상기 이산화탄소포집부(760)는 탄소분리유닛(761)과, 저장탱크(762)를 하는데, 상기 탄소분리유닛(761)은 팽창기(740)에서 배출되는 가스를 유입하여 물과 이산화탄소로 분리하고, 상기 탄소분리유닛(761)에 의해 물과 분리되는 이산화탄소는 고순도의 액체 이산화탄소로 가압 및 응축 후에 이산화탄소저장탱크(762)에 저장되며, 물은 응축의 온도 차이를 사용하여 물리적으로 분리된 외부로 배수한다.
따라서 상기한 본 발명의 일 실시 예에 따른 4중 결합 하이브리드 발전시스템은 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell: SOFC) 및 용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell: MCFC)를 이용하여 전력을 발전하면서 고체산화물 연료전지 및 용융탄산염 연료전지에서 배출된 배출가스를 이용하여 가스터빈발전을 하며, 그 가스터빈발전에서 배출하는 배기를 재생에너지원으로 재생ORC(Organic Rankine cycle)발전하므로, 종래의 발전시스템보다 상대적으로 낮은 작동온도(850℃ 이하)로 운영 가능하고, 발전에 필요한 에너지를 절감할 수 있어, 발전효율이 78% 이상으로 운영 가능해지며, 친환경적인 발전시스템을 구축할 수 있고, 이온 이송 멤브레인을 역세척하는 연료전지의 배출가스를 연소시키며, 그 연소가스에서 이산화탄소를 액화시켜 저장하므로 종래보다 이산화탄소 저감이 크게 증대된다.
본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100: 터빈발전부 110: 에어필터
120: 압축기 130: 제1발전기
140: 제1터빈 150: 제3열교환기
160: 제1열교환기 170: 제2열교환기
200: 고체산화물 연료전지 발전부 300: 연료전지버너
400: 용융탄산염 연료전지 발전부 500: 재생ORC발전부
501: 순환라인 510: 증기터빈
520: 제2발전기 530: 응축기
540: 펌프 550: 제5열교환기
600: 연료개질부 610: 탈황반응기
620: 제4열교환기 630: 이젝터
640: 선개질부 710: 이온 이송 멤브레인
720: 연소기 730: 제6열교환기
740: 팽창기 750: 제3발전기
760: 이산화탄소포집부 761: 탄소분리유닛
762: 이산화탄소저장탱크

Claims (9)

  1. 외부에서 유입된 공기를 압축하여 압축공기를 생성하고, 그 압축공기로 터빈을 회전시켜 발전하는 터빈발전부;
    상기 터빈발전부에서 압축된 압축공기를 열교환으로 가열한 후, 가열된 압축공기를 공기극(캐소드)에서 환원시키면서 연료개질부에서 유출된 개질된 연료가스 중 일부를 유입하여 유입된 연료가스를 연료극(애노드)에서 산화시키는 화학 에너지로 발전하는 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell: SOFC) 발전부;
    상기 고체산화물 연료전지 발전부에서 배출된 미반응연료를 포함하는 배출가스 중 일부와, 상기 고체산화물 연료전지 발전부에서 배출된 공기 중 일부를 유입하여, 혼합 후 연소하여 이산화가스를 포함하는 연소가스를 배출하는 연료전지버너;
    상기 연료전지버너에 배출된 연소가스를 공기극(캐소드)에서 환원시키면서 연료개질부에서 유출된 개질된 연료가스 중 일부를 유입하여 유입된 연료가스를 연료극(애노드)에서 산화시키는 화학 에너지로 발전하는 용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell: MCFC) 발전부;
    상기 고체산화물 연료전지 발전부의 공기극에서 배출된 공기 중 일부를 유입하여, 유입된 그 공기 중에서 산소를 분리하고, 산소가 분리된 공기는 상기 터빈발전부의 터빈으로 배출하는 이온 이송 멤브레인(Ion Transport Membrane: ITM);
    상기 터빈발전부와, 연소기에서 배출되는 가스에서 회수된 폐열로 발전하는 재생ORC(Organic Rankine cycle)발전부;
    상기 터빈발전부에서 유출되는 압축공기와 상기 용융탄산염 연료전지 발전부에서 배출되는 공기를 서로 교환시키는 제1열교환기; 및
    상기 제1열교환기에서 유출되는 압축공기와 상기 연료전지버너에서 배출되는 연소가스를 서로 교환시키는 제2열교환기;를 포함하고,
    상기 터빈발전부는
    외부에서 유입되는 공기에서 이물질을 제거하는 에어필터와;
    상기 에어필터를 통과한 공기를 유입하여 회전력으로 유입한 공기를 고압으로 압축하는 압축기와;
    상기 압축기와 축 연결되고, 상기 압축기의 회전으로 연동하여 발생하는 회전력으로 발전하는 제1발전기와;
    상기 압축기와 축 연결되고, 상기 제1열교환기를 통과한 상기 용융탄산염 연료전지 발전부의 배출 공기가 터빈블레이드와 상응하여 회전력을 발생하는 제1터빈과;
    상기 제1터빈의 배기부에 구비되어, 상기 제1터빈에서 배출되는 배기가스 및 상기 연소기의 연소가스와, 상기 재생ORC발전부를 순환하는 유체를 서로 열교환시키는 제3열교환기;를 포함하며,
    상기 연료개질부는
    외부에서 유입된 연료에서 황을 제거하는 탈황반응기와;
    상기 탈황반응기에서 배출된 연료와 상기 용융탄산염 연료전지 발전부에서 배출된 미반응연료를 포함하는 배출가스 중 일부를 서로 열교환시키는 제4열교환기와;
    상기 제4열교환기를 통과한 연료를 유입하여, 1차(고압)측 가스노즐로 공급하고, 상기 고체산화물 연료전지 발전부에서 배출된 미반응가스를 포함하는 배출가스 중 일부를 2차(저압)측 가스노즐로 공급하여, 1차측 가스와 2차측 가스를 혼합하여 배기하는 이젝터와;
    상기 이젝터에서 배기된 연료가스를 유입하여 개질한 후 배출하는 선개질부;를 포함하고,
    상기 재생ORC발전부는
    물보다 증발온도가 낮은 유기물을 순환시키는 순환라인과;
    상기 순환라인 선상에 구비되고, 상기 제3열교환기에서 열교환으로 상변화된 증기상의 유기물을 유입하여 증기상의 유기물이 터빈블레이드와 상응하여 회전력을 발생하는 증기터빈과;
    상기 증기터빈과 축 연결되고, 상기 증기터빈의 회전으로 연동하여 발생하는 회전력으로 발전하는 제2발전기와;
    상기 순환라인 선상에 구비되고, 상기 증기터빈에서 배출된 증기 상의 유기물을 응축하여 액상의 유기물로 배출하는 응축기와;
    상기 순환라인 선상에 구비되고, 상기 응축기에서 배출되는 액상의 유기물을 유입하여 상기 제3열교환기로 송출하는 펌프와;
    상기 순환라인 선상에 구비되고, 상기 제3열교환기로 유입되는 액상유기물과, 상기 증기터빈에서 배출된 증기 상의 유기물을 서로 열교환시키는 제5열교환기를 포함하는 4중 결합 하이브리드 발전시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제4열교환기를 통과한 미반응연료를 포함하는 배출가스는 상기 선개질부에서 배출된 개질된 연료 중 일부와 혼합되어, 상기 용융탄산염 연료전지 발전부로 공급하는 4중 결합 하이브리드 발전시스템.
  6. 삭제
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 이온 이송 멤브레인은
    상기 용융탄산염 연료전지 발전부에서 배출된 미반응가스를 포함하는 배출가스 중 일부를 스위프가스로 유입하여, 여과된 여과 산소를 포함하는 리치가스를 연소기로 배출하는 4중 결합 하이브리드 발전시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 연소기의 연소가스가 유동하는 배출라인 선상에 구비되어,
    상기 연소기에서 배출되는 연소가스와, 상기 이온 이송 멤브레인으로 유입되는 상기 용융탄산염 연료전지 발전부의 미반응가스를 포함하는 배출가스를 서로 열교환시키는 제6열교환기를 포함하는 4중 결합 하이브리드 발전시스템.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 연소기의 연소가스가 유동하는 배출라인 선상에 구비되어, 상기 연소기에 배출된 연소가스를 터빈블레이드와 상응하여 회전력을 발생하고, 그 회전력으로 연소가스 중 이산화탄소를 팽창시키는 팽창기와;
    상기 팽창기와 축 연결되고, 상기 팽창기의 회전으로 연동하여 발생하는 회전력으로 발전하는 제3발전기와;
    상기 연소기의 연소가스가 유동하는 배출라인 선상에 구비되어, 상기 제3열교환기를 통과한 연소가스 중 이산화탄소를 포집하는 이산화탄소포집부를 포함하는 4중 결합 하이브리드 발전시스템.
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