KR102243330B1 - Quadruple hybrid power generation system - Google Patents

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KR102243330B1
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김동섭
안지호
조연우
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인하대학교 산학협력단
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Abstract

The present invention provides a quadruple-combined hybrid power generation system in which carbon dioxide is greatly reduced. The system of the present invention includes a gas turbine power generation unit, a solid oxide fuel cell (SOFC) power generation unit, a fuel cell burner, a molten carbonate fuel cell (MCFC) power generation unit, a regenerative organic rankine cycle (ORC) power generation unit, and a fuel collection unit.

Description

4중 결합 하이브리드 발전시스템{Quadruple hybrid power generation system}Quadruple hybrid power generation system

본 발명은 4중 결합 하이브리드 발전시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 가스터빈발전부와, 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.The present invention relates to a quadruple-coupled hybrid power generation system, and more particularly, a gas turbine power generation unit, a solid oxide fuel cell (SOFC) power generation unit, and a molten carbonate fuel cell (MCFC). ) A power generation unit and a power generation system including a regenerative ORC (Organic Rankine Cycle) power generation unit are constructed, and a quadruple-coupled hybrid power generation system capable of being operated at a relatively low operating temperature in the related art.

일반적으로 하이브리드 발전시스템이란 2개 이상의 발전설비를 이용한 복합발전 시스템을 의미한다. In general, a hybrid power generation system refers to a combined power generation system using two or more power generation facilities.

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.Such a hybrid power generation system includes a fuel cell that generates electricity through an electrochemical reaction of fuel, and a gas turbine including a turbine that generates power for power generation by passing gas compressed through a compressor.

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. Since a general heat engine undergoes several stages of energy conversion, it is difficult to achieve high efficiency. However, a hybrid power generation system using such a fuel cell can achieve high efficiency compared to a conventional heat engine through direct power generation through a chemical reaction.

또한 연료전지는 연소반응을 하지 않기 때문에 이론적으로 황산화물이나 질산화물, 그리고 미세먼지 같은 불필요한 물질을 유출하지 않는다는 장점이 있다.In addition, since the fuel cell does not undergo a combustion reaction, it theoretically has the advantage of not leaking unnecessary substances such as sulfur oxide, nitric oxide, and fine dust.

상기와 같은 연료전지/가스터빈 복합형 하이브리드 발전시스템과 관련된 것으로서, 대한민국 등록특허 제10-0771357호에서는, 고효율 연료전지/터빈 발전소에 관해 개시하고 있다.As related to the fuel cell/gas turbine hybrid power generation system as described above, Korean Patent Registration No. 10-0771357 discloses a high-efficiency fuel cell/turbine power plant.

이러한 종래의 하이브리드 발전시스템은 대기 중의 공기를 가스터빈으로 공급하여 전력을 생성하고, 연료전지로부터 발생된 이산화탄소를 대기 중으로 방출하는 오픈타입의 시스템으로 구성되어 있다.Such a conventional hybrid power generation system is composed of an open type system that generates electric power by supplying air in the atmosphere to a gas turbine and discharges carbon dioxide generated from a fuel cell into the atmosphere.

여기서, 이산화탄소는 지구온난화를 일으키는 온실가스에 해당한다. 현재 지구온난화를 방지하기 위해 이산화탄소의 유출량을 절감시키거나 이산화탄소를 포집할 수 있는 별도의 수단이 필요하다.Here, carbon dioxide corresponds to a greenhouse gas that causes global warming. At present, in order to prevent global warming, there is a need for a separate means to reduce the amount of outflow of carbon dioxide or to capture carbon dioxide.

하지만, 상기 종래의 하이브리드 발전시스템은 이산화탄소와 같은 유해가스의 유출량을 절감시키거나 유출 자체를 방지할 수 있는 별도의 수단을 포함하지 않는다는 문제점을 안고 있다.However, the conventional hybrid power generation system has a problem that it does not include a separate means for reducing the amount of outflow of harmful gases such as carbon dioxide or preventing the outflow itself.

또한, 이산화탄소의 유출을 감소시키기 위하여 재순환하는 구조를 구비하는 경우, 발전시스템의 발전 효율이 낮아지는 문제점을 안고 있었다.In addition, in the case of having a structure for recycling to reduce the outflow of carbon dioxide, there is a problem in that the power generation efficiency of the power generation system is lowered.

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, 연료전지의 배출가스에서 수소를 포집하여 가스터빈발전에 필요한 수소를 제공하면서, 이산화탄소를 액화시켜 저장하므로 이산화탄소 포집률의 향상으로 종래보다 이산화탄소 저감이 크게 증대되는 4중 결합 하이브리드 발전시스템을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.The present invention generates power using a solid oxide fuel cell (SOFC) and a molten carbonate fuel cell (MCFC), while generating power, while reducing the exhaust gas discharged from the solid oxide fuel cell and the molten carbonate fuel cell. Gas turbine power generation is performed by using the gas turbine power generation, and the exhaust gas discharged from the gas turbine power generation is used as a renewable energy source for renewable ORC (Organic Rankine Cycle) power generation, so it can be operated at a relatively lower operating temperature (850℃ or less) than the conventional power generation system. , Energy required for power generation can be reduced, an eco-friendly power generation system can be built, and hydrogen is collected from the exhaust gas of a fuel cell to provide hydrogen necessary for gas turbine power generation, while carbon dioxide is liquefied and stored. It is an object of the present invention to provide a quadruple-coupled hybrid power generation system in which carbon dioxide reduction is greatly increased compared to the prior art by improvement of

본 발명에 따른 4중 결합 하이브리드 발전시스템은 외부에서 유입된 공기를 압축하여 압축공기를 생성하고, 그 압축공기와 함께 연료를 연소하여 발생한 연소가스로 터빈을 회전시켜 발전하는 가스터빈발전부와, 상기 가스터빈발전부에서 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 연료전지버너에서 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 가스터빈발전부에서 배출되는 연소가스에서 회수된 폐열로 발전하는 재생ORC(Organic Rankine cycle)발전부와, 상기 용융탄산염 연료전지 발전부에서 배출되는 미반응가스를 포함하는 배출가스 중 일부를 유입하여, 유입된 미반응가스를 포함하는 배출가스 중 연료인 수소를 포집하여 상기 가스터빈발전부로 제공하는 연료포집부와, 상기 가스터빈발전부에서 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 가스터빈발전부는 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 고체산화물 연료전지 발전부애서 배출된 공기 중 일부 및 상기 용융탄산염 연료전지 발전부에서 배출된 공기를 혼합하여 유입하고, 상기 용융탄산염 연료전지 발전부에서 배출된 미반응연료를 포함하는 배출가스 중 일부를 유입하여, 유입된 공기와 미반응연료를 포함하는 배출가스를 혼합 후 연소하여 연소가스를 배출하는 연소기와, 상기 압축기와 축 연결되고, 상기 연소기에서 배출된 고온고압의 연소가스가 터빈블레이드와 상응하여 회전력을 발생하는 가스터빈과, 상기 가스터빈의 배기부에 구비되어, 상기 가스터빈에서 배출되는 배기가스와, 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.The quadruple-coupled hybrid power generation system according to the present invention comprises a gas turbine power generation unit that generates compressed air by compressing air introduced from the outside, and rotates a turbine with combustion gas generated by burning fuel together with the compressed air to generate electricity, After heating the compressed air compressed in the gas turbine power generation unit by heat exchange, the heated compressed air is reduced at the cathode (cathode) and some of the reformed fuel gas flowing out of the fuel reforming unit is introduced and the introduced fuel gas is converted into the anode. A solid oxide fuel cell (SOFC) power generation unit that generates power with chemical energy oxidized at the (anode), some of the exhaust gases including unreacted fuel discharged from the solid oxide fuel cell power generation unit, and the A fuel cell burner that introduces some of the air discharged from the solid oxide fuel cell power generation unit, mixes and combusts to discharge combustion gas including dioxide gas, and the combustion gas discharged from the fuel cell burner at the cathode (cathode). A Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC) power generation unit that generates chemical energy by introducing some of the reformed fuel gas flowing out of the fuel reforming unit while reducing and oxidizing the introduced fuel gas at the anode (anode); Regeneration ORC (Organic Rankine Cycle) power generation unit that generates waste heat recovered from the combustion gas discharged from the gas turbine power generation unit, and some of the exhaust gases including unreacted gas discharged from the molten carbonate fuel cell power generation unit are introduced. Thus, from the fuel collection unit collecting hydrogen as fuel from the exhaust gas including the introduced unreacted gas and providing it to the gas turbine power generation unit, the compressed air flowing out from the gas turbine power generation unit and the molten carbonate fuel cell power generation unit. A first heat exchanger for exchanging discharged air with each other, and a second heat exchanger for exchanging compressed air discharged from the first heat exchanger and combustion gas discharged from the fuel cell burner, and the gas turbine generator An air filter that removes foreign substances from the air introduced from the air filter, and the air that has passed through the air filter is introduced to pressurize the air introduced by rotational force to high pressure The axial compressor, a first generator that is axially connected to the compressor and generates a rotational force generated by interlocking with the rotation of the compressor, and a portion of the air discharged from the solid oxide fuel cell power generation unit and the molten carbonate fuel cell power generation After mixing the air discharged from the unit and introducing it, some of the exhaust gas including the unreacted fuel discharged from the molten carbonate fuel cell power generation unit is introduced, and the introduced air and the exhaust gas including the unreacted fuel are mixed. A combustor for combusting and discharging combustion gas, a gas turbine axially connected to the compressor, and generating a rotational force corresponding to a turbine blade of high-temperature and high-pressure combustion gas discharged from the combustor, and provided in the exhaust of the gas turbine , A third heat exchanger for exchanging heat exchange between the exhaust gas discharged from the gas turbine and a fluid circulating the regenerative ORC generator, wherein the fuel reforming unit includes a desulfurization reactor for removing sulfur from the fuel introduced from the outside, and the desulfurization A fourth heat exchanger for exchanging some of the exhaust gas including the fuel discharged from the reactor and the unreacted fuel discharged from the molten carbonate fuel cell power generation unit with each other, and the fuel that has passed through the fourth heat exchanger is introduced, and the primary ( A high pressure) side gas nozzle is supplied, and some of the exhaust gas including unreacted gas discharged from the solid oxide fuel cell power generation unit is supplied to the secondary (low pressure) side gas nozzle, and the primary side gas and the secondary side gas are supplied. An ejector for mixing and exhausting, and a pre-reformer for introducing and reforming the fuel gas exhausted from the ejector and discharging it, and the regenerative ORC generator circulates an organic substance having an evaporation temperature lower than that of water, and the circulation line A steam turbine provided on a ship and generating a rotational force corresponding to a turbine blade by introducing a vapor phase-changed organic substance through heat exchange in the third heat exchanger, and the steam turbine axially connected to the steam turbine. A second generator that generates power by rotational force generated in connection with rotation, a condenser provided on the circulation line line and condensing vaporous organic matter discharged from the steam turbine and discharging it as a liquid organic material, and on the circulation line A pump provided in, and supplied to the third heat exchanger by introducing a liquid organic substance discharged from the condenser, a liquid organic substance provided on the circulation line and flowing into the third heat exchanger, and discharged from the steam turbine. And a fifth heat exchanger for exchanging the vapor phase organic matter with each other.

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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.At this time, it is preferable that the exhaust gas containing the unreacted fuel that has passed through the fourth heat exchanger according to the present invention is mixed with some of the reformed fuel discharged from the pre-reformed unit and supplied to the molten carbonate fuel cell power generation unit.

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또한, 본 발명에 따른 상기 연료포집부는 상기 용융탄산염 연료전지 발전부에서 배출되는 미반응가스를 포함하는 배출가스를 유입하여, 미반응가스를 포함하는 배출가스 중 일산화탄소와 수증기를 반응시켜, 수소와 이산화탄소로 변환하는 고온 수성가스 이동반응기와, 상기 고온 수성가스 이동반응기에서 배출되는 배출가스를 유입하여, 유입된 배출가스에서 미반응가스를 포함하는 배출가스 중 일산화탄소와 수증기를 반응시켜, 수소와 이산화탄소로 변환하는 저온 수성가스 이동반응기와, 상기 저온 수성가스 이동반응기에서 배출되는 배출가스에서 수분을 응축시키는 응축기와, 상기 저온 수성가스 이동반응기에서 배출된 배출가스 중 응축된 물을 분리하여 배출하는 분리탱크와, 상기 분리탱크에서 배출된 배출가스 중 수소를 분리하여 상기 연소기로 제공하는 가압 교대흡착유닛과, 상기 가압 교대흡착유닛에서 배출된 배출가스 중 이산화탄소를 포집하는 이산화탄소포집부를 포함한다.In addition, the fuel collecting unit according to the present invention introduces exhaust gas including unreacted gas discharged from the molten carbonate fuel cell power generation unit to react carbon monoxide and water vapor among exhaust gases including unreacted gas, A high-temperature water gas transfer reactor that converts to carbon dioxide, by introducing the exhaust gas discharged from the high-temperature water gas transfer reactor, and reacting carbon monoxide and water vapor among exhaust gases including unreacted gas from the introduced exhaust gas, hydrogen and carbon dioxide A low-temperature water gas transfer reactor that converts to, a condenser that condenses moisture from the exhaust gas discharged from the low-temperature water gas transfer reactor, and a separation that separates and discharges condensed water from the exhaust gas discharged from the low-temperature water gas transfer reactor. And a tank, a pressurized alternating adsorption unit for separating hydrogen from the exhaust gas discharged from the separating tank and providing it to the combustor, and a carbon dioxide collecting unit for collecting carbon dioxide from the exhaust gas discharged from the pressurized alternate adsorption unit.

본 발명에 따른 4중 결합 하이브리드 발전시스템에 의해 나타나는 효과는 다음과 같다.The effects exhibited by the quadruple-coupled hybrid power generation system according to the present invention are as follows.

첫째, 종래의 발전시스템보다 상대적으로 낮은 작동온도(850℃ 이하)로 운영 가능하므로, 발전에 필요한 에너지를 절감할 수 있는 효과를 가진다.First, since it can be operated at a relatively lower operating temperature (850° C. or less) than a conventional power generation system, it has the effect of reducing energy required for power generation.

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.Second, while generating power using Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) and Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC), the exhaust gas emitted from the solid oxide fuel cell and molten carbonate fuel cell is used. As a result, gas turbine power generation is carried out, and the exhaust from the gas turbine power generation is used as a renewable energy source for renewable ORC (Organic Rankine Cycle) power generation, so that the power generation efficiency can be operated with more than 78%, and an eco-friendly power generation system can be established. .

셋째, 연료전지의 배출가스에서 수소를 포집하여 가스터빈발전에 필요한 수소를 제공하면서, 이산화탄소를 액화시켜 저장하므로 이산화탄소 포집률의 향상으로 종래보다 이산화탄소 저감이 크게 증대되는 효과를 가진다.Third, since hydrogen is collected from the exhaust gas of the fuel cell to provide hydrogen required for gas turbine power generation, and carbon dioxide is liquefied and stored, carbon dioxide reduction is greatly increased than before by improving the carbon dioxide capture rate.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 4중 결합 하이브리드 발전시스템을 보인 예시도이다.1 is an exemplary view showing a quadruple-coupled hybrid power generation system according to an embodiment of the present invention.

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.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Prior to this, terms or words used in the specification and claims should not be construed as being limited to their usual or dictionary meanings, and the inventors appropriately explain the concept of terms in order to explain their own invention in the best way. Based on the principle that it can be defined, it should be interpreted as a meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention.

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.Therefore, the embodiments described in the present specification and the configurations shown in the drawings are only the most preferred embodiments of the present invention, and do not represent all the technical ideas of the present invention. It should be understood that there may be variations.

본 발명은 가스터빈발전부와, 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.The present invention relates to a gas turbine power generation unit, a solid oxide fuel cell (SOFC) power generation unit, a molten carbonate fuel cell (MCFC) power generation unit, and a renewable ORC (Organic Rankine cycle) power generation unit. By constructing a power generation system including, it relates to a quadruple-coupled hybrid power generation system capable of operating at a relatively lower operating temperature (850° C. or less) than a conventional power generation system, and will be described in more detail with reference to the drawings.

도 1을 참조한 본 발명의 일 실시 예에 따른 4중 결합 하이브리드 발전시스템은 가스터빈발전부(100)와, 고체산화물 연료전지 발전부(200)와, 연료전지버너(300)와, 용융탄산염 연료전지 발전부(400), 및 재생ORC발전부(500)를 포함하는데, 먼저 상기 가스터빈발전부(100)는 외부에서 유입된 공기를 압축하여 압축공기를 생성하고, 그 압축공기와 함께 연료를 연소하여 발생한 연소가스로 터빈을 회전시켜 발전한다.The quadruple-coupled hybrid power generation system according to an embodiment of the present invention with reference to FIG. 1 includes a gas turbine power generation unit 100, a solid oxide fuel cell power generation unit 200, a fuel cell burner 300, and a molten carbonate fuel. It includes a battery power generation unit 400, and a regenerative ORC power generation unit 500. First, the gas turbine power generation unit 100 generates compressed air by compressing the air introduced from the outside, and consumes fuel together with the compressed air. The combustion gas generated by combustion is used to rotate the turbine to generate power.

이때 상기 가스터빈발전부(100)는 에어필터(110), 압축기(120), 제1발전기(130), 연소기(140), 가스터빈(150), 및 제3열교환기(160)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.At this time, the gas turbine generator 100 includes an air filter 110, a compressor 120, a first generator 130, a combustor 140, a gas turbine 150, and a third heat exchanger 160. Looking at this in more detail, the air filter 110 removes foreign substances from the air introduced from the outside, and the compressor 120 introduces the air that has passed through the air filter 110 to reduce the high pressure of the air introduced by rotational force. To compress.

그리고 상기 압축기(120)는 제1발전기(130) 및 가스터빈(150)와 축 연결되는데, 상기 제1발전기(130)는 상기 압축기(120)와 축 연결되어, 상기 압축기(120)의 회전으로 연동하여 발생하는 회전력으로 발전하고, 상기 가스터빈(150)은 상기 압축기(120)와 축 연결되어, 연소기(140)에서 배출된 고온고압의 연소가스가 터빈블레이드와 상응하여 회전력을 발생한다.And the compressor 120 is axially connected to the first generator 130 and the gas turbine 150, the first generator 130 is axially connected to the compressor 120, the rotation of the compressor 120 The gas turbine 150 is axially connected to the compressor 120, and the high-temperature and high-pressure combustion gas discharged from the combustor 140 generates a rotational force corresponding to the turbine blade.

따라서 상기 가스터빈(150)에 상기 압축기(120)가 축 연결되고, 상기 압축기(120)에 제1발전기(130)가 축 연결되어, 상기 가스터빈(150)에서 연소가스가 터빈블레이드와 상응하여 상기 가스터빈(150)이 회전하면 그에 연동하여 상기 압축기(120) 및 제1발전기(130)가 회전하여 그 회전력으로 공기를 압축하거나, 발전하게 된다.Therefore, the compressor 120 is axially connected to the gas turbine 150, and the first generator 130 is axially connected to the compressor 120, so that the combustion gas in the gas turbine 150 corresponds to the turbine blade. When the gas turbine 150 rotates, the compressor 120 and the first generator 130 rotate in connection therewith to compress air or generate electricity using the rotational force.

그리고 상기 연소기(140)는 고체산화물 연료전지 발전부(200)와 공기가 유동하는 공기라인으로 연결되고, 용융탄산염 연료전지 발전부(400)와 공기가 유동하는 공기라인 및 연료가 유동하는 연료라인으로 각각 연결되어, 상기 고체산화물 연료전지 발전부(200)에서 배출된 공기 중 일부 및 상기 용융탄산염 연료전지 발전부(400)에서 배출된 공기를 혼합하여 유입하고, 상기 용융탄산염 연료전지 발전부(400)에서 배출된 미반응연료를 포함하는 배출가스 중 일부를 유입하여, 유입된 공기와 미반응연료를 포함하는 배출가스를 혼합 후 연소하여 고온고압의 연소가스를 배출한다. And the combustor 140 is connected to the solid oxide fuel cell power generation unit 200 and an air line through which air flows, and the molten carbonate fuel cell power generation unit 400 and an air line through which air flows and a fuel line through which fuel flows. Are respectively connected to, mixing and introducing some of the air discharged from the solid oxide fuel cell power generation unit 200 and the air discharged from the molten carbonate fuel cell power generation unit 400, and the molten carbonate fuel cell power generation unit ( Part of the exhaust gas including the unreacted fuel discharged from 400) is introduced, and the inflowed air and the exhaust gas including the unreacted fuel are mixed and then combusted to discharge high-temperature and high-pressure combustion gas.

이때 상기 연소기(140)에서 배출되는 고온고압의 연소가스는 상기 가스터빈(150)으로 제공으로 상기 가스터빈(150)이 회전력을 발생하게 한다.At this time, the high-temperature and high-pressure combustion gas discharged from the combustor 140 is provided to the gas turbine 150 so that the gas turbine 150 generates a rotational force.

또한, 상기 가스터빈(150)의 배기부에는 제3열교환기(160)를 구비하는데, 상기 제3열교환기(160)는 상기 가스터빈(150)에서 배출되는 고온의 배기가스와, 재생ORC발전부(500)를 순환하는 유체(물보다 증발온도가 낮은 유기물: 톨루엔 등)를 서로 열교환 시킨다.In addition, a third heat exchanger 160 is provided at the exhaust part of the gas turbine 150, wherein the third heat exchanger 160 includes high-temperature exhaust gas discharged from the gas turbine 150 and regenerative ORC power generation. The fluids circulating in the part 500 (organic substances having an evaporation temperature lower than that of water: toluene, etc.) are exchanged with each other.

따라서 상기 가스터빈(150)에서 배출되는 배기가스와, 재생ORC발전부(500)를 순환하는 유체의 열교환으로 상기 가스터빈(150)에서 배출되는 배기가스의 폐열을 회수하여 상기 재생ORC발전부(500)에서 이를 이용하여 발전하게 된다.Therefore, the waste heat of the exhaust gas discharged from the gas turbine 150 is recovered by heat exchange between the exhaust gas discharged from the gas turbine 150 and the fluid circulating in the regenerative ORC power generating unit 500, and the regenerative ORC power generating unit ( 500) will be used to develop.

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.Herein, looking at the regeneration ORC power generation unit 500 in more detail, the regeneration ORC power generation unit 500 converts an organic substance having an evaporation temperature lower than water into a vapor phase and rotates the steam turbine with the vapor phase organic substance to generate power. , The regenerative ORC generator 500 includes a circulation line 501 for circulating organic matter (toluene, etc.) having an evaporation temperature lower than water, a steam turbine 510, a second generator 520, and a condenser 530. And, it includes a pump 540 and a fifth heat exchanger (550).

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.First, the steam turbine 510 is provided on the circulation line 501 and introduces a vapor phase-changed organic substance from a liquid phase to a vapor phase by heat exchange in the third heat exchanger 160 so that the vapor phase organic substance is converted into a turbine blade. It generates a rotational force corresponding to.

이때 상기 제2발전기(520)는 상기 증기터빈(510)과 축 연결되어, 상기 증기터빈(510)의 회전에 연동하여 발생하는 회전력으로 발전한다.At this time, the second generator 520 is axially connected to the steam turbine 510 to generate power with a rotational force generated in association with the rotation of the steam turbine 510.

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.Vapor-like organic matter discharged from the steam turbine 510 flows into a condenser 530, the condenser 530 is provided on the circulation line 501, and the vapor-like organic matter discharged from the steam turbine 510 Is condensed and discharged as liquid organic matter.

상기 응축기(530)에서 배출되는 액상으로 유기물은 상기 순환라인(501) 상에 구비된 펌프(540)에 의해 상기 제3열교환기(160)로 송출된다.As a liquid discharged from the condenser 530, the organic matter is sent to the third heat exchanger 160 by the pump 540 provided on the circulation line 501.

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. Therefore, in the circulation line 501 of the regenerative ORC generator 500, the organic matter having an evaporation temperature lower than that of water is vaporized again from the steam turbine 510, the condenser 530, the pump 540, and the third heat exchanger 160. It guides the turbine 510 to be circulated in order.

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.In addition, the regenerative ORC generator 500 according to an embodiment of the present invention further includes a fifth heat exchanger 550, wherein the fifth heat exchanger 550 includes the third heat exchanger among the circulation lines 501. Liquid organic matter is provided at a point where the circulation line 501 at the inlet end of the unit 160 and the circulation line 501 at the discharge end of the steam turbine 510 overlap each other, and flows into the third heat exchanger 160 And, it is preferable to heat-exchange the organic matter in the vapor phase discharged from the steam turbine 510 with each other to preheat the liquid organic matter flowing into the third heat exchanger 160.

그리고 상기 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell: SOFC) 발전부(200)는 상기 가스터빈발전부(100)에서 압축된 압축공기를 열교환으로 가열한 후, 고온으로 가열된 압축공기를 공기극(캐소드)에서 환원시키면서 연료개질부(600)에서 배출된 개질된 연료가스 중 일부를 유입하여 유입된 연료가스를 연료극(애노드)에서 산화시키는 화학 에너지로 발전한다.In addition, the solid oxide fuel cell (SOFC) power generation unit 200 heats the compressed air compressed in the gas turbine power generation unit 100 by heat exchange, and then heats the compressed air heated to a high temperature into a cathode (cathode). ) While reducing in the fuel reformer 600, some of the reformed fuel gas discharged from the fuel reformer 600 is introduced to generate chemical energy that oxidizes the introduced fuel gas at the anode (anode).

이때 상기 고체산화물 연료전지 발전부(200)는 상기 가스터빈발전부(100)와 공기가 유동하는 공기라인으로 연결되어, 상기 가스터빈발전부(100)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.At this time, the solid oxide fuel cell power generation unit 200 is connected to the gas turbine power generation unit 100 through an air line through which air flows, and introduces the compressed air compressed by the gas turbine power generation unit 100, and the fuel It is connected to the fuel line of the reforming part 600, and the reformed fuel is introduced through the fuel reforming part 600, and the fuel is oxidized like a normal solid oxide fuel cell to make hydrogen into a hydrocarbon-hydrocarbon. It is preferable to use a ceramic dense layer, which is a solid oxide capable of permeating silver oxygen ions, and the anode (anode) and the cathode (cathode) are preferably composed of porous electrodes.

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.Therefore, the air introduced into the solid oxide fuel cell power generation unit 200 becomes oxygen ions through a reduction reaction with electrons and moves into the solid oxide electrolyte, and the fuel introduced into the solid oxide fuel cell power generation unit 200 (Hydrogen) reacts with oxygen ions at the anode to discharge high heat and water, generates electricity through a reduction reaction of air and oxidation of fuel, and is discharged from the solid oxide fuel cell power generation unit 200. Exhaust gas and air including unreacted fuel are introduced into the fuel cell burner 300.

상기 연료전지버너(300)는 상기 고체산화물 연료전지 발전부(200)와 공기가 유동하는 공기라인과 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.The fuel cell burner 300 is connected to the solid oxide fuel cell power generation unit 200 through an air line through which air flows and a fuel line through which fuel flows, Some of the exhaust gas including the reaction fuel and some of the air discharged from the solid oxide fuel cell power generation unit 200 are introduced, mixed with each other, and then combusted to discharge combustion gas including dioxide gas.

이때 상기 고체산화물 연료전지 발전부(200)에서 배출된 공기는 분기되어, 그 중 일부는 상기 가스터빈발전부(100)의 연소기(140)로 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.At this time, the air discharged from the solid oxide fuel cell power generation unit 200 is branched, some of which flows into the combustor 140 of the gas turbine power generation unit 100, and a part of it into the fuel cell burner 300. The combustion gas is introduced and discharged from the fuel cell burner 300 is discharged to the molten carbonate fuel cell (MCFC) power generation unit 400.

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.The molten carbonate fuel cell power generation unit 400 reduces the combustion gas discharged from the fuel cell burner 300 at the cathode (cathode) and introduces a portion of the reformed fuel gas discharged from the fuel reforming unit. Is generated by chemical energy that oxidizes at the anode (anode).

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.At this time, the molten carbonate fuel cell power generation unit 400 is preferably connected to a gas line through which the fuel cell burner 300 and combustion gas flow, and the anode (anode) of the molten carbonate fuel cell power generation unit 400 is It is connected to the fuel line of the fuel reforming part 600, and the reformed fuel is introduced through the fuel reforming part 600, and the molten sodium carbonate or potassium carbonate is used as an electrolyte, such as a molten carbonate fuel cell, as an electrolyte, and carbonate ions. Is used as a charge carrier. Oxygen and carbon dioxide contained in the combustion gas supplied to the cathode (cathode) become carbonate ions by a reduction reaction, and the oxidation reaction of carbonate ions and hydrogen occurs at the anode (anode), resulting in water, carbon dioxide, and Electrons occur simultaneously, and the movement of electrons produces electricity.

여기서 본 발명의 일 실시 예에 따른 4중 결합 하이브리드 발전시스템은 상기 고체산화물 연료전지 발전부(200)로 공급되는 압축공기를 열교환으로 가열하기 위해 제1열교환기(170)와, 제2열교환기(180)를 포함하는데, 상기 제1열교환기(170)는 상기 가스터빈발전부(100)에서 상기 고체산화물 연료전지 발전부(200)로 연결된 공기라인 선상과, 상기 용융탄산염 연료전지 발전부(400)의 공기를 유출단측에서 상기 연소기(140)로 연결된 공기라인 선상에 구비되어, 상기 가스터빈발전부(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.Here, the quadruple-coupled hybrid power generation system according to an embodiment of the present invention includes a first heat exchanger 170 and a second heat exchanger to heat the compressed air supplied to the solid oxide fuel cell power generation unit 200 by heat exchange. 180, wherein the first heat exchanger 170 includes an air line line connected from the gas turbine generator 100 to the solid oxide fuel cell generator 200, and the molten carbonate fuel cell generator ( Compressed air discharged from the gas turbine generator 100 and air discharged from the molten carbonate fuel cell power generation unit 400 is provided on an air line line connected to the combustor 140 at the outlet side of the air 400) By exchanging heat with each other, the compressed air introduced into the solid oxide fuel cell power generation unit 200 is heated by the heat of the air discharged from the molten carbonate fuel cell power generation unit 400.

그리고 상기 제2열교환기(180)는 상기 가스터빈발전부(100)에서 상기 고체산화물 연료전지 발전부(200)로 연결된 공기라인 선상과, 상기 연료전지버너(300)에서 상기 용융탄산염 연료전지 발전부(400)로 연결된 가스라인 선상에 구비되어, 상기 제1열교환기에서 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.And the second heat exchanger 180 is on the air line connected to the solid oxide fuel cell power generation unit 200 from the gas turbine power generation unit 100, and the molten carbonate fuel cell power generation by the fuel cell burner 300 It is provided on the gas line connected to the part 400, and exchanges the compressed air discharged from the first heat exchanger and the combustion gas discharged from the fuel cell burner 300 with each other, and discharged from the fuel cell burner 300 The compressed air introduced into the solid oxide fuel cell power generation unit 200 is heated with the heat of the combustion gas.

따라서 상기한 제1열교환기(170) 및 제2열교환기(180)에 의해 상기 가스터빈발전부(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.Therefore, the compressed air supplied from the gas turbine generator 100 to the solid oxide fuel cell power generator 200 by the first heat exchanger 170 and the second heat exchanger 180 is primary and secondary. After being heated to a temperature of 850° C. or less by heat exchange of, it is supplied to the solid oxide fuel cell power generation unit 200.

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. And the fuel reforming unit 600 according to an embodiment of the present invention includes a desulfurization reactor 610, a fourth heat exchanger 620, an ejector 630, and a pre-reform unit 640, the desulfurization reactor 610 is operated at a low temperature and is discharged after removing sulfur from the fuel introduced from the outside.

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.At this time, the sulfur is removed and the discharged fuel is introduced into the fourth heat exchanger 620, the fourth heat exchanger 620 is the fuel discharged from the desulfurization reactor 610 and the molten carbonate fuel cell power generation unit 400 Some of the exhaust gases including the discharged unreacted fuel are heat-exchanged with each other, and the desulfurized fuel is heated with the heat of the exhaust gas including the unreacted fuel.

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. And the desulfurized fuel that has passed through the fourth heat exchanger 620 is introduced into the ejector 630, the ejector 630 supplies the introduced desulfurized fuel to the primary (high pressure) side gas nozzle, and the solid Some of the exhaust gas including unreacted gas discharged from the oxide fuel cell power generation unit 200 is supplied to the secondary (low pressure) side gas nozzle, and the primary side fuel and the secondary side gas are mixed and exhausted.

이때 상기 이젝터(630)에서 배기된 연료가스는 선개질부(640)로 유입되어, 상기 선개질부(640)에서 유입된 연료가스를 유입하여 수소로 개질한 후 배출한다.At this time, the fuel gas exhausted from the ejector 630 is introduced into the pre-reform unit 640, and the fuel gas introduced through the pre-reform unit 640 is introduced, reformed into hydrogen, and then discharged.

여기서 상기 제4열교환기(620)를 통과한 미반응연료를 포함하는 배출가스는 상기 선개질부(640)에서 배출된 개질된 연료 중 일부와 혼합되어, 상기 용융탄산염 연료전지 발전부(400)로 공급하는 것이 바람직하다.Here, the exhaust gas including the unreacted fuel that has passed through the fourth heat exchanger 620 is mixed with some of the reformed fuel discharged from the pre-reform unit 640, and the molten carbonate fuel cell power generation unit 400 It is preferable to supply it.

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 4중 결합 하이브리드 발전시스템은 연료포집부(700)를 포함하는데, 상기 연료포집부(700)는 상기 용융탄산염 연료전지 발전부(400)에서 배출되는 미반응가스를 포함하는 배출가스 중 일부를 유입하여, 유입된 미반응가스를 포함하는 배출가스 중 연료인 수소를 포집하여 상기 가스터빈발전부(100)로 제공한다.In addition, the quadruple-coupled hybrid power generation system according to an embodiment of the present invention includes a fuel collection unit 700, wherein the fuel collection unit 700 is unreacted discharged from the molten carbonate fuel cell power generation unit 400. Some of the exhaust gas including gas is introduced, and hydrogen, which is fuel, is collected from the exhaust gas including the introduced unreacted gas and supplied to the gas turbine power generator 100.

이때 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료포집부(700)는 고온 수성가스 이동반응기(710), 저온 수성가스 이동반응기(720), 응축기(740), 분리탱크(750), 가압 교대흡착유닛(760), 산화탄소포집부(770)를 포함하는데, 먼저 상기 고온 수성가스 이동반응기(710)는 상기 용융탄산염 연료전지 발전부(400)와 배출가스가 유동하는 가스라인으로 연결되어, 상기 용융탄산염 연료전지 발전부(400)에서 배출되는 미반응가스를 포함하는 배출가스를 유입하여, 미반응가스를 포함하는 배출가스 중 일산화탄소와 수증기를 반응시켜, 수소와 이산화탄소로 변환하여 배출한다.At this time, the fuel collecting unit 700 according to an embodiment of the present invention includes a high-temperature water gas transfer reactor 710, a low-temperature water gas transfer reactor 720, a condenser 740, a separation tank 750, and a pressurized alternating adsorption unit ( 760), and includes a carbon oxide capture unit 770. First, the high-temperature water gas transfer reactor 710 is connected to the molten carbonate fuel cell power generation unit 400 through a gas line through which exhaust gas flows, and the molten carbonate Exhaust gas including unreacted gas discharged from the fuel cell power generation unit 400 is introduced to react carbon monoxide and water vapor among exhaust gases including unreacted gas, and converted into hydrogen and carbon dioxide and discharged.

그리고 상기 저온 수성가스 이동반응기(720)는 상기 고온 수성가스 이동반응기(710)와 배출가스가 유동하는 가스라인으로 연결되어, 상기 고온 수성가스 이동반응기(710)에서 배출되는 배출가스를 유입하여, 유입된 배출가스에서 미반응가스를 포함하는 배출가스 중 일산화탄소와 수증기를 반응시켜, 수소와 이산화탄소로 변환하는 배출한다.And the low-temperature water gas transfer reactor 720 is connected to the high-temperature water gas transfer reactor 710 and a gas line through which the exhaust gas flows, and introduces the exhaust gas discharged from the high-temperature water gas transfer reactor 710, Carbon monoxide and water vapor among the exhaust gases including unreacted gases are reacted from the introduced exhaust gas to convert them into hydrogen and carbon dioxide.

이때 상기 저온 수성가스 이동반응기(720)의 배출단측에는 응축기(740)를 구비하는데, 상기 응축기(740)는 상기 저온 수성가스 이동반응기에서 배출되는 배출가스에서 수분을 응축시킨다.At this time, a condenser 740 is provided at the discharge end of the low-temperature water gas transfer reactor 720, and the condenser 740 condenses moisture from the exhaust gas discharged from the low-temperature water gas transfer reactor.

상기 저온 수성가스 이동반응기(720)에서 배출된 배출가스는 분리탱크(750)로 유입되는데, 상기 분리탱크(750)는 상기 저온 수성가스 이동반응기(720)와 배출가스가 유동하는 가스라인으로 연결되어, 상기 저온 수성가스 이동반응기(720)에서 배출된 배출가스 중 응축된 물을 분리하여 배출한다.The exhaust gas discharged from the low-temperature water gas transfer reactor 720 flows into a separation tank 750, and the separation tank 750 is connected to the low-temperature water gas transfer reactor 720 and a gas line through which the exhaust gas flows. Thus, the condensed water is separated and discharged from the exhaust gas discharged from the low-temperature water gas transfer reactor 720.

그리고 상기 분리탱크(750)에서 배출된 배출가스는 가압 교대흡착유닛(760)로 유입되는데, 상기 가압 교대흡착유닛(760)은 상기 분리탱크(750)에서 배출된 배출가스 중 수소를 분리하여 상기 가스터빈발전부(100)의 연소기(140)로 제공한다.And the exhaust gas discharged from the separating tank 750 is introduced into the pressurized alternating adsorption unit 760, wherein the pressurized alternating adsorption unit 760 separates hydrogen from the exhaust gas discharged from the separating tank 750 It is provided to the combustor 140 of the gas turbine generator 100.

또한, 상기 가압 교대흡착유닛(760)에서 배출된 배출가스은 이산화탄소포집부오 유입되는데, 상기 이산화탄소포집부는 상기 가압 교대흡착유닛(760)에서 배출된 배출가스 중 이산화탄소를 포집한다.In addition, the exhaust gas discharged from the pressurized alternating adsorption unit 760 is introduced into a carbon dioxide collecting unit, and the carbon dioxide collecting unit collects carbon dioxide from the exhaust gas discharged from the pressurized alternating adsorption unit 760.

이때 상기 이산화탄소포집부(770)는 탄소분리유닛(771)과, 저장탱크(772)를 하는데, 상기 탄소분리유닛(771)은 가압 교대흡착유닛(760)에서 배출되는 가스를 유입하여 물과 이산화탄소로 분리하고, 상기 탄소분리유닛(771)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.At this time, the carbon dioxide collecting unit 770 serves as a carbon separation unit 771 and a storage tank 772, and the carbon separation unit 771 introduces the gas discharged from the pressurized alternating adsorption unit 760 to obtain water and carbon dioxide. And the carbon dioxide separated from water by the carbon separation unit 771 is stored in the carbon dioxide storage tank 762 after pressurization and condensation with high purity liquid carbon dioxide, and the water is physically separated using the temperature difference of condensation. Drain to the outside.

여기서 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료포집부에는 제1냉각열교환기(711)와, 제2냉각열교환기(721)와, 제3냉각열교환기(730)와, 냉각유체가 상기 제1냉각열교환기(711), 제2냉각열교환기(721), 제3냉각열교환기(730)를 순환하도록 연결한 냉각수순환라인(800)을 더 포함하는데, 상기 제1냉각열교환기(711)는 상기 고온 수성가스 이동반응기(710)의 유입측 선상에 배치되어, 상기 용융탄산염 연료전지 발전부(400)에서 상기 고온 수성가스 이동반응기(710)로 유입되는 배출가스를 열교환으로 냉각한다.Here, in the fuel collecting unit according to an embodiment of the present invention, the first cooling heat exchanger 711, the second cooling heat exchanger 721, the third cooling heat exchanger 730, and the cooling fluid It further includes a cooling water circulation line 800 connected to circulate the heat exchanger 711, the second cooling heat exchanger 721, and the third cooling heat exchanger 730, the first cooling heat exchanger 711 It is disposed on the inlet side of the high-temperature water gas transfer reactor 710 to cool the exhaust gas flowing from the molten carbonate fuel cell power generation unit 400 to the high-temperature water gas transfer reactor 710 by heat exchange.

이때 상기 냉각수순환라인(800)은 상기 제1냉각열교환기(711)를 통과한 냉각수가 제3열교환기(160)를 통해 열교환되도록 하는 상기 가스터빈(150)에서 배출되는 고온의 배기와 함께 상기 재생ORC발전부(500)를 순환하는 유체를 열교환으로 가열한다. At this time, the cooling water circulation line 800 includes the high-temperature exhaust discharged from the gas turbine 150 so that the cooling water that has passed through the first cooling heat exchanger 711 is heat-exchanged through the third heat exchanger 160. The fluid circulating in the regenerative ORC generator 500 is heated by heat exchange.

그리고 상기 제2냉각열교환기(721)는 상기 고온 수성가스 이동반응기(710)의 유출측과, 상기 저온 수성가스 이동반응기(720)의 유입측을 연결한 선상에 배치되어, 상기 고온 수성가스 이동반응기(710)에서 배출되어, 상기 저온 수성가스 이동반응기(720)로 유입되는 배출유체를 열교환으로 냉각한다.And the second cooling heat exchanger 721 is disposed on a line connecting the outlet side of the high-temperature water gas transfer reactor 710 and the inlet side of the low-temperature water gas transfer reactor 720 to move the high-temperature water gas The exhaust fluid discharged from the reactor 710 and introduced into the low-temperature water gas transfer reactor 720 is cooled by heat exchange.

또한, 상기 제3냉각열교환기(730)는 상기 저온 수성가스 이동반응기(720)의 유출측 선상에 배치되어, 상기 저온 수성가스 이동반응기(720)에서 배출되는 배출가스를 열교환으로 냉각한다. In addition, the third cooling heat exchanger 730 is disposed on the outlet side of the low-temperature water gas transfer reactor 720 to cool the exhaust gas discharged from the low-temperature water gas transfer reactor 720 by heat exchange.

따라서 상기 제1냉각열교환기(711), 제2냉각열교환기(721), 제3냉각열교환기(730)에서 회수된 폐열은 상기 제3열교환기(160)를 통해 상기 가스터빈(150)에서 배출되는 고온의 배기와 함께 상기 재생ORC발전부(500)를 순환하는 유체를 열교환으로 가열한다. Therefore, the waste heat recovered from the first cooling heat exchanger 711, the second cooling heat exchanger 721, and the third cooling heat exchanger 730 is transferred from the gas turbine 150 through the third heat exchanger 160. The fluid circulating in the regenerative ORC generator 500 together with the discharged high-temperature exhaust is heated by heat exchange.

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.The present invention has been described with reference to the embodiments shown in the drawings, but these are only exemplary, and those of ordinary skill in the art will appreciate that various modifications and equivalent other embodiments are possible therefrom. Therefore, the true technical protection scope of the present invention should be determined by the technical spirit of the appended claims.

100: 가스터빈발전부 110: 에어필터
120: 압축기 130: 제1발전기
140: 연소기 150: 가스터빈
160: 제3열교환기 170: 제1열교환기
180: 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: 선개질부100: gas turbine generator 110: air filter
120: compressor 130: first generator
140: combustor 150: gas turbine
160: third heat exchanger 170: first heat exchanger
180: second heat exchanger 200: solid oxide fuel cell power generation unit
300: fuel cell burner 400: molten carbonate fuel cell power generation unit
500: regenerative ORC power generation unit 501: circulation line
510: steam turbine 520: second generator
530: condenser 540: pump
550: fifth heat exchanger 600: fuel reforming unit
610: desulfurization reactor 620: fourth heat exchanger
630: ejector 640: line modification unit

Claims (7)

외부에서 유입된 공기를 압축하여 압축공기를 생성하고, 그 압축공기와 함께 연료를 연소하여 발생한 연소가스로 터빈을 회전시켜 발전하는 가스터빈발전부;
상기 가스터빈발전부에서 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 연료전지버너에서 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 가스터빈발전부에서 배출되는 연소가스에서 회수된 폐열로 발전하는 재생ORC(Organic Rankine cycle)발전부;
상기 용융탄산염 연료전지 발전부에서 배출되는 미반응가스를 포함하는 배출가스 중 일부를 유입하여, 유입된 미반응가스를 포함하는 배출가스 중 연료인 수소를 포집하여 상기 가스터빈발전부로 제공하는 연료포집부;
상기 가스터빈발전부에서 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 가스터빈발전부는
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 고체산화물 연료전지 발전부애서 배출된 공기 중 일부 및 상기 용융탄산염 연료전지 발전부에서 배출된 공기를 혼합하여 유입하고, 상기 용융탄산염 연료전지 발전부에서 배출된 미반응연료를 포함하는 배출가스 중 일부를 유입하여, 유입된 공기와 미반응연료를 포함하는 배출가스를 혼합 후 연소하여 연소가스를 배출하는 연소기와;
상기 압축기와 축 연결되고, 상기 연소기에서 배출된 고온고압의 연소가스가 터빈블레이드와 상응하여 회전력을 발생하는 가스터빈과;
상기 가스터빈의 배기부에 구비되어, 상기 가스터빈에서 배출되는 배기가스와, 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.
A gas turbine generator for generating compressed air by compressing air introduced from the outside, and rotating a turbine with combustion gas generated by burning fuel together with the compressed air to generate electricity;
After heating the compressed air compressed in the gas turbine power generation unit by heat exchange, the heated compressed air is reduced at the cathode (cathode) and some of the reformed fuel gas flowing out of the fuel reforming unit is introduced and the introduced fuel gas is converted into the anode. Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) power generation unit that generates power with chemical energy oxidized at the (anode);
Combustion gas including gaseous dioxide by introducing some of the exhaust gas including unreacted fuel discharged from the solid oxide fuel cell power generation unit and some of the air discharged from the solid oxide fuel cell power generation unit, mixing and combusting A fuel cell burner for discharging;
While reducing the combustion gas discharged from the fuel cell burner at the cathode (cathode), a portion of the reformed fuel gas discharged from the fuel reforming unit is introduced to generate chemical energy that oxidizes the introduced fuel gas at the anode (anode). Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC) power generation unit;
A regenerative ORC (Organic Rankine Cycle) power generation unit that generates power with waste heat recovered from the combustion gas discharged from the gas turbine power generation unit;
Fuel collection provided to the gas turbine generator by introducing some of the exhaust gas including the unreacted gas discharged from the molten carbonate fuel cell power generation unit, collecting hydrogen, which is fuel, from the exhaust gas including the introduced unreacted gas part;
A first heat exchanger for exchanging compressed air discharged from the gas turbine power generation unit and air discharged from the molten carbonate fuel cell power generation unit; And
Including; a second heat exchanger for exchanging the compressed air discharged from the first heat exchanger and the combustion gas discharged from the fuel cell burner with each other,
The gas turbine power generation unit
An air filter for removing foreign substances from air introduced from the outside;
A compressor for introducing air that has passed through the air filter and compressing the air introduced by rotational force to a high pressure;
A first generator that is axially connected to the compressor and generates power with a rotational force generated by interlocking with the rotation of the compressor;
Some of the air discharged from the solid oxide fuel cell power generation unit and the air discharged from the molten carbonate fuel cell power generation unit are mixed and introduced, and among the exhaust gases including unreacted fuel discharged from the molten carbonate fuel cell power generation unit A combustor for discharging combustion gas by mixing and combusting exhaust gas including the introduced air and unreacted fuel by introducing a part;
A gas turbine axially connected to the compressor and generating a rotational force in correspondence with the high-temperature and high-pressure combustion gas discharged from the combustor corresponding to the turbine blade;
And a third heat exchanger provided in the exhaust part of the gas turbine and configured to exchange heat exchange between the exhaust gas discharged from the gas turbine and the fluid circulating in the regenerative ORC generator, and
The fuel reforming unit
A desulfurization reactor for removing sulfur from the fuel introduced from the outside;
A fourth heat exchanger for exchanging heat between the fuel discharged from the desulfurization reactor and some of the exhaust gas including unreacted fuel discharged from the molten carbonate fuel cell power generation unit;
The fuel that has passed through the fourth heat exchanger is introduced and supplied to a gas nozzle on the primary (high pressure) side, and some of the exhaust gas including unreacted gas discharged from the solid oxide fuel cell power generation unit is secondary (low pressure) An ejector that is supplied to a side gas nozzle to mix and exhaust the primary side gas and the secondary side gas;
Including; a line reforming unit for introducing and reforming the fuel gas exhausted from the ejector and discharging the
The regenerative ORC generator
A circulation line for circulating organic matter having an evaporation temperature lower than that of water;
A steam turbine provided on the line of the circulation line and generating a rotational force in correspondence with the turbine blade by introducing the vapor phase organic substances phase-changed by heat exchange in the third heat exchanger;
A second generator axially connected to the steam turbine and generating power with a rotational force generated by interlocking with the rotation of the steam turbine;
A condenser provided on the line of the circulation line and configured to condense the organic matter in the vapor phase discharged from the steam turbine and discharge it as a liquid organic matter;
A pump provided on the line of the circulation line for introducing a liquid organic substance discharged from the condenser and sending it to the third heat exchanger;
A quadruple-coupled hybrid power generation system comprising a fifth heat exchanger provided on the circulation line line and configured to exchange heat between liquid organic matter flowing into the third heat exchanger and vaporized organic matter discharged from the steam turbine.
 삭제delete 삭제delete 삭제delete 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.
The method according to claim 1,
The exhaust gas including the unreacted fuel that has passed through the fourth heat exchanger is mixed with some of the reformed fuel discharged from the pre-reformed unit and supplied to the molten carbonate fuel cell power generation unit.
 삭제delete 청구항 1에 있어서,
상기 연료포집부는
상기 용융탄산염 연료전지 발전부에서 배출되는 미반응가스를 포함하는 배출가스를 유입하여, 미반응가스를 포함하는 배출가스 중 일산화탄소와 수증기를 반응시켜, 수소와 이산화탄소로 변환하는 고온 수성가스 이동반응기와;
상기 고온 수성가스 이동반응기에서 배출되는 배출가스를 유입하여, 유입된 배출가스에서 미반응가스를 포함하는 배출가스 중 일산화탄소와 수증기를 반응시켜, 수소와 이산화탄소로 변환하는 저온 수성가스 이동반응기와;
상기 저온 수성가스 이동반응기에서 배출되는 배출가스에서 수분을 응축시키는 응축기와;
상기 저온 수성가스 이동반응기에서 배출된 배출가스 중 응축된 물을 분리하여 배출하는 분리탱크와;
상기 분리탱크에서 배출된 배출가스 중 수소를 분리하여 상기 연소기로 제공하는 가압 교대흡착유닛과;
상기 가압 교대흡착유닛에서 배출된 배출가스 중 이산화탄소를 포집하는 이산화탄소포집부를 포함하는 4중 결합 하이브리드 발전시스템.The method according to claim 1,
The fuel collecting unit
A high-temperature water gas transfer reactor for converting into hydrogen and carbon dioxide by introducing exhaust gas including unreacted gas discharged from the molten carbonate fuel cell power generation unit and reacting carbon monoxide and water vapor among exhaust gases including unreacted gas. ;
A low-temperature water gas transfer reactor for introducing exhaust gas discharged from the high-temperature water gas transfer reactor and reacting carbon monoxide and water vapor among exhaust gases including unreacted gas from the introduced exhaust gas to convert it into hydrogen and carbon dioxide;
A condenser for condensing moisture in the exhaust gas discharged from the low-temperature water gas transfer reactor;
A separation tank for separating and discharging condensed water from the exhaust gas discharged from the low-temperature water gas transfer reactor;
A pressurized alternating adsorption unit for separating hydrogen from the exhaust gas discharged from the separation tank and providing it to the combustor;
A quadruple-coupled hybrid power generation system comprising a carbon dioxide collecting unit that collects carbon dioxide from the exhaust gas discharged from the pressurized alternate adsorption unit.
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