KR102275617B1 - 수소 공급라인을 포함하는 복합발전 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 천연가스 공급관리소의 미활용 에너지를 회수하여 에너지 수요처로 공급하고, 공급관리소 인근지역과 연계하여 전력, 열, 수소, 천연가스 등 복합에너지를 공급하는 수소 공급라인을 포함하는 지역 거점형 복합발전 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따른 수소 공급라인을 포함하는 복합발전 시스템은, 천연가스를 개질반응시켜 수소를 포함하는 혼합가스를 생산하는 것과 동시에 생산된 수소를 연료로 사용하여 전력을 생산하는 연료전지 모듈; 상기 개질반응에 의해 생산된 혼합가스를 정제하여 고순도의 수소를 생산하는 수소 정제 장치; 상기 연료전지 모듈과 수소 정제 장치를 연결하며, 상기 혼합가스가 유동하는 수소 공급라인; 및 상기 수소 정제 장치 상류에 구비되며, 상기 수소 공급라인을 따라 유동하면서 응축된 액체를 혼합가스로부터 분리 배출시키기 위한 배수장치;를 포함하고, 상기 수소 공급라인은, 상기 배수장치를 중심으로 배수장치의 상류에서 상기 배수장치를 향해 하방 경사지고, 배수장치의 하류에서 상기 수소 정제 장치를 향해 상방 경사진 구조를 갖는 구배부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

수소 공급라인을 포함하는 복합발전 시스템 {Combination Power Generating System with Hydrogen Supply Line}
본 발명은, 천연가스 공급관리소의 미활용 에너지를 회수하여 에너지 수요처로 공급하고, 공급관리소 인근지역과 연계하여 전력, 열, 수소, 천연가스 등 복합에너지를 공급하는 수소 공급라인을 포함하는 지역 거점형 복합발전 시스템에 관한 것이다.
석탄, 석유 등 화석연료는 전통적인 에너지원으로서, 환경오염과 자연고갈 등의 문제를 수반하고 있고, 그 문제의 심각성은 나날이 커지고 있다. 전 세계적으로 환경오염 문제를 해결하고자 화석연료의 사용을 줄이기 위한 노력이 시행되고 있다. 화석연료의 사용비율이 가장 큰 분야는 전력 생산 분야이며, 우리나라의 전력 공급도 주로 화력 및 원자력 발전을 통해 이루어지고 있다.
이와 같이, 미래 에너지 전환 정책에 따른 에너지 패러다임의 변화로, 청정에너지, 신재생 에너지 등 복합에너지 기술 개발의 필요성이 더욱 커지고 있다.
이러한 종래의 연료전지, 열병합발전, 태양광 발전 등 친환경 발전사업은 단독으로 운영하는 경우 에너지 효율이 낮고 비용 측면에서도 비효율적이라는 단점이 존재한다.
한편, 전기차와 수소차의 충전 인프라 구축 역시 초기 투자 비용과 낮은 수익성으로 민간부분의 참여가 활성화되지 못하고 있는 실정이다.
충전인프라 시장은 크게 인프라 구축부문과 제반 서비스 부문으로 구성된다. 충전인프라 소유 사업모델로는, 레스토랑, 주유소, 극장, 쇼핑몰, 마트 등 주차장을 보유한 다중 이용시설의 소유주가 고객 서비스차원에서 제공하는 사례가 존재한다. 이들 사업모델의 특징은 전기차 및 수소차의 보급률이 둔화되거나, 신형 모델 지연으로 수익이 기대에 미치지 못하면, 사업모델이 제대로 작동되지 않아 투자비용 회수에 어려움이 있다.
따라서, 충전인프라 구축에는, 보급 초기 인프라 투자비용, 적은 수요, 낮은 이용률, 추가 자금 확보의 어려움 등 충전사업의 위험요소에 대응하기 위해 단순히 충전 서비스를 제공할 뿐 아니라 서비스 제공 구조를 다각화할 필요성이 있다.
한편, 천연가스는 다른 화석연료에 비해 오염물질 배출이 적은 에너지원 중 하나로서, 일반적으로 액체상태(LNG; Liquefied Natural Gas)로 저장 및 운반되며, 인수설비 및 공급설비를 보유하고 있는 인수기지에서 고압으로 기화된 후, 전국 각지에 산재하여 있는 공급관리소로부터 각 도시가스 수요처로 감압되어 공급된다.
국내 LNG 생산기지(인수기지)에서는 각 공급관리소에 약 60 내지 65 bar 압력으로 천연가스를 송출하고 있으며, 전국 지역 거점의 100여 개 이상의 공급관리소에서는 정압설비를 이용하여 각 발전소나 도시가스 공급소 등으로 필요한 압력으로 감압하여 공급하고 있다. 발전소용으로는 약 25 bar, 도시가스 공급용으로는 약 8.5 bar로 감압시킨다.
공급관리소에서는 감압밸브를 이용하여 고압의 천연가스를 감압시키는데, 이때 천연가스의 압력이 낮아짐에 따라 온도의 손실이 발생한다. 감압밸브에 의해 고압의 천연가스를 감압시키면 1kg/cm2당 온도가 약 0.6℃씩 낮아진다. 이 감압에 의한 온도 손실로 감압된 천연가스의 온도는 영하까지 낮아질 수 있으며, 이 경우 감압 이후 공정에서의 배관 및 기기 등의 결빙 문제가 발생할 수 있다.
이렇듯 천연가스를 감압시키면서 발생하는 천연가스의 냉열과 감압 에너지는 회수되지 않고 버려지는 미활용 에너지로 남아있었다. 전기 보일러 등을 감압밸브의 상류에 설치하여 감압 전 천연가스를 예열함으로써, 감압 후 천연가스의 온도가 적정 온도 이상을 유지하도록 하는 방법이 적용된 바 있지만, 전력 등 에너지원에 의한 예열은, 정전 시에 전원이 공급되지 않아 감압 설비의 정지 등을 실시하게 되어 천연가스를 안정적으로 공급할 수 없다.
한편, 위치, 화학, 열, 압력 등 다양한 형태의 에너지원을 원하는 또 다른 형태의 에너지원으로 변환하는 에너지 변환 기술 중, 열전발전 시스템은, 열에너지를 전기에너지로 변환시키는 에너지 변환 기술로서, 대표적으로는 연료전지 기술, 신재생에너지 기술, 감압발전 기술 등이 있다. 이러한 열전발전 시스템은, 무공해로 에너지 재생이 가능하고, 소음이 없으며, 기계적 접촉에 의한 부품마멸이 없어 시스템 수명이 길고 신뢰성이 높다는 장점이 있다. 또한, 유지비가 거의 들지 않고 에너지를 효율적으로 이용할 수 있기 때문에 각종 산업 폐열과 태양열 등의 자연에너지를 이용한 발전설비 개발이 시도되는 추세이다.
특히, 열전발전 효과를 응용한 감압발전 기술은 현재 산업 분야에 응용되고는 있으나, 수송 분야 등 다양한 분야로 확대 적용 시도가 필요하다.
또한, 에너지 변환 기술의 핵심은 에너지 변환 효율을 높이는 것으로서, 에너지를 전환하는 장치의 효율성을 높이는 방안을 고려해야 한다.
따라서, 본 발명은, 상술한 문제점을 해결하고자, 천연가스 공급관리소를 기반으로 하여 복합에너지를 공급하며, 수소 공급라인을 포함하는, 지역 거점형 통합에너지플랫폼 기반 복합발전 시스템을 제공하고자 하는 것을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 의하면, 천연가스를 개질반응시켜 수소를 포함하는 혼합가스를 생산하는 것과 동시에 생산된 수소를 연료로 사용하여 전력을 생산하는 연료전지 모듈; 상기 개질반응에 의해 생산된 혼합가스를 정제하여 고순도의 수소를 생산하는 수소 정제 장치; 상기 연료전지 모듈과 수소 정제 장치를 연결하며, 상기 혼합가스가 유동하는 수소 공급라인; 및 상기 수소 정제 장치 상류에 구비되며, 상기 수소 공급라인을 따라 유동하면서 응축된 액체를 혼합가스로부터 분리 배출시키기 위한 배수장치;를 포함하고, 상기 수소 공급라인은, 상기 배수장치를 중심으로 배수장치의 상류에서 상기 배수장치를 향해 하방 경사지고, 배수장치의 하류에서 상기 수소 정제 장치를 향해 상방 경사진 구조를 갖는 구배부;를 포함하는, 수소 공급라인을 포함하는 복합발전 시스템이 제공된다.
바람직하게는, 상기 배수장치 상류의 수소 공급라인에 구비되며, 상기 혼합가스를 냉각시켜 상기 혼합가스에 포함된 수분을 응축시키는 혼합가스 냉각기; 및 상기 혼합가스 냉각기에 의해 응축된 수분을 혼합가스로부터 기액분리하는 혼합가스 분리기;를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 하방 경사 및 상방 경사의 배관구배는 1/100일 수 있다.
바람직하게는, 상기 배수장치의 상부에 구비되며 상기 액체 상태의 수분이 분리된 기체 상태의 혼합가스가 상기 배수장치 하류의 수소 공급라인으로 배출되도록 하는 가스 배출구; 및 상기 배수장치의 하부에 구비되며, 상기 분리된 액체 상태의 수분이 배출되도록하는 드레인 라인;을 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 드레인 라인에 구비되며, 상기 배수장치의 수위 측정값이 설정값에 도달하면 개방되어 상기 배수장치로부터 액상을 배출시키는 드레인 밸브;를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 드레인 라인에 구비되며, 고압의 건조 공기가 드레인 라인으로 공급되어 상기 액체를 배출시키도록 하는 니들밸브;를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 배수장치를 중심으로, 상기 배수장치 하류의 수소 공급라인의 구경은 상기 배수장치 상류의 수소 공급라인의 구경의 2배일 수 있다.
바람직하게는, 고압 천연가스 공급처로부터 공급받은 고압의 천연가스를 수요처의 요구 압력까지 감압시켜 가스 수요처로 공급하면서, 기체의 감압에 의해 발생한 에너지로 전력을 생산하는 감압발전 모듈;을 더 포함하고, 상기 연료전지 모듈은, 상기 감압된 천연가스를 개질하여 수소를 생산할 수 있다.
바람직하게는, 상기 수소 정제 장치에서 생산된 고순도 수소를 수소차에 충전해주는 수소 충전기; 및 상기 감압발전 모듈 및 연료전지 모듈에서 생산된 전기를 전기차에 충전해주는 전기 충전기;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 수소 공급라인을 포함하는 복합발전 시스템은, 기존의 추출 방식이 아닌, 최초로 발전과 수소 생산이 동시에 가능한 연료전지 모듈을 제공하고, 연료전지에서 생성된 수소를 고순도로 정제하는 수소 정제 장치를 포함함으로써 복합발전 시스템 및 수소 보급에 기여할 수 있다.
또한, 기존의 수소 추출 방식은 수소차의 수요가 적은 경우, 운전 중지 기간이 길다는 단점이 있었으나, 본 발명에 따르면, 수요가 적은 경우에도 연료전지 발전을 통하여 전력을 생산하고 판매할 수 있다.
또한, 연료전지 모듈의 연속운전 및 정제가 가능하여, 수소 충전이 연속적으로 가능하고, 생산된 전력 및 수소를 판매함으로써 복합발전 시스템의 경제성을 확보할 수 있다.
또한, 연료전지 모듈에서 생성된 수소가 수소 정제기로 이송되는 동안 생성되는 응축수를 드레인시켜 처리하고, 배관에 구배를 형성함으로써 배관 내 음압이 발생하여 응축수가 정상적으로 드레인되지 않는 문제 및 외부 공기가 배관 내로 유입되는 문제를 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 복합발전 시스템은, 기존의 공급관리소의 미활용 에너지를 활용하여, 다양한 발전원 및 열원 공급원을 통합 운영하여, 자립도가 높은 복합에너지 망을 정립할 수 있다.
또한, 중앙급전방식에 따르면, 발전소로부터 수요지로의 원거리 송/배전에 따른 설비 문제와 전력 손실 문제, 빈번한 에너지 전환 등으로 인해 비효율적이었으나, 본 발명에 따르면, 복합에너지 공급 거점을 확보함으로써, 에너지 공급원과 수요처를 단거리로 융합하고, 부하추종에 따른 효율적 에너지 공급이 가능하다.
또한, 지역별 분산전원을 구축함으로써, 1차 에너지원의 에너지 전환을 통해 에너지 수요처에서 필요한 전력, 냉온열, 수소, 천연가스 등 다양한 에너지를 공급할 수 있어, 에너지 자립율을 향상시킬 수 있고, 간헐성, 편재성에 따른 신재생에너지 발전 특성에 따라 천연가스와의 공정 연계를 통해 시스템 간 시너지를 통해 융합공정 효율을 개선할 수 있다.
또한, 에너지 공급원과 수요처 간의 비대칭성으로 인해 에너지 공급원이 밀집된 지역의 환경오염이 극심한 문제를 해결할 수 있다.
또한, 수소 충전소와 전기 충전소 인프라를 저비용 고효율로 구축할 수 있어 수소차, 전기차 보급 촉진에 기여할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합발전 시스템을 간단하게 도시한 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 복합발전 시스템 중에서, 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 연료전지부 및 혼합가스 처리 수단을 보다 구체적으로 설명하기 위한 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 공급라인의 구배부를 보다 구체적으로 설명하기 위한 구성도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 구배부의 배수장치를 보다 구체적으로 설명하기 위한 구성도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 수분 제거 성능을 HYSYS 프로그램을 활용하여 시뮬레이션 한 결과를 나타낸 도면이다.
본 발명의 동작상 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부도면 및 첨부도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 각 도면의 구성요소들에 대해 참조부호를 부가함에 있어 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표기되었음에 유의하여야 한다.
하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
이하, 도 1 내지 도 5를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 공급 라인을 포함하는 복합발전 시스템을 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 복합발전 시스템은, 천연가스 생산기지로부터 이송된 고압의 천연가스를 연료로 사용하여 적어도 두 종류 이상의 에너지를 생산하는 에너지 공급부(ES) 및 에너지 공급부(ES)에서 생산된 에너지를 공급받아 직접 사용하거나 또는 각 수요처에서 필요로 하는 종류의 형태로 에너지를 공급해주는 에너지 수요부(ER)로 구성된다.
또한, 본 실시예의 복합발전 시스템은, 어느 하나 이상의 에너지 수요 단지(800)와 연계하여 구비될 수 있다.
본 실시예에서 에너지 수요 단지(800)는, 아파트와 같은 주거시설이 밀집되어 있는 주거용 단지, 편의점, 마트 등 생활편의시설이 밀집되어 있는 상업용 단지, 사무실, 병원 등 사무 또는 산업 시설이 밀집되어 있는 산업용 단지, 산업 플랜트, 발전 플랜트 등 공업 시설이 밀집되어 있는 공업용 단지, 주거, 상업, 산업 및 공업 시설 중 어느 둘 이상이 복합적으로 밀집되어 있는 복합 단지 등 에너지 수용가를 의미할 수 있다.
본 실시예의 에너지 공급부(ES)는, 천연가스 생산기지로부터 이송된 고압의 천연가스를 천연가스 수요처에서 요구하는 압력까지 감압시켜 천연가스 수요처로 일정한 압력으로 공급하면서 전력을 생산하는 감압발전 모듈(100) 및 감압발전 모듈(100)에서 감압된 저압의 천연가스를 연료로 사용하여 수소, 전력 및 열을 생산하는 연료전지 모듈(200)을 포함한다.
본 실시예의 감압발전 모듈(100)은, 고압가스 라인(GL1)을 따라 천연가스 생산기지로부터 이송된 고압의 천연가스를 감압시키기 전에 예열시키는 예열기(110) 및 예열기(110)에서 예열된 고압의 천연가스를 천연가스 수요처에서 요구하는 압력까지 감압시키고, 천연가스를 감압시키면서 감압에너지를 전기에너지로 전환하는 터보팽창-발전기(TEG; Turbo Expander Generator)(120)를 포함한다.
본 실시예의 감압발전 모듈(100)은, 천연가스의 감압 시 팽창현상에서 발생하는 운동에너지를 터빈을 통해 기계에너지로 변환하여 전력을 생산한다.
천연가스는 공급과정에서 높은 압력을 수용가 사용 압력으로 감압하여, 균등한 압력의 양질의 가스를 공급하는 정압과정이 필수로 요구된다. 기존의 공급관리소의 정압시설은 정압밸브(팽창밸브)를 이용하여 고압의 천연가스를 수용가 사용 압력으로 감압시켜 공급하는 기능을 담당한다. 이때, 감압과정에서 발생하는 압력차 에너지는 폐압으로 버려졌다.
그러나 본 실시에에 따르면, 단독 또는 정압밸브와 병렬로 구비되는 터보팽창-발전기(120)를 구비하여, 감압과정에서 발생하는 압력차를 활용하여 전기를 생산함으로써, 폐압을 전력을 생산하는 에너지원으로 활용한다.
기체를 팽창시키는 수단으로서, 단열팽창시 기체의 온도가 낮아지는 줄-톰슨 효과(Joule-Thomson effect)를 이용하여 팽창밸브를 이용하여 천연가스를 도시가스로 감압시키는 경우에는, 비용이 저렴하고 공간을 적게 차지하며 온도 강하가 적다는 점에서는 장점이 있으나, 감압에너지를 회수할 수 없다는 단점이 있다.
본 실시예의 터보팽창-발전기(120)는, 등엔트로피 과정에 의해 유체가 팽창하는 팽창기일 수 있다. 본 실시예의 감압발전 모듈(100)은, 예열기(110)와 터보팽창-발전기(120)를 포함할 수 있다.
또한, 본 실시예의 감압발전 모듈(100)은 기존의 공급관리소에 이미 설치되어 있는 정압밸브(팽창밸브)에 터보팽창-발전기(120)를 병렬로 구비하고, 예열기(110)에 열병합발전 모듈(300) 및/또는 연료전지 모듈(200)로부터의 배열이 이송되도록 하는 라인을 연결하여 이루어질 수도 있을 것이다.
본 실시예에서 고압가스 라인(GL1)을 통해 감압발전 모듈(100)로 이송되는 천연가스의 압력은 60 bar 내지 65 bar, 바람직하게는 약 55 bar일 수 있다. 또한, 감압발전 모듈(100)에서 감압된 천연가스의 압력, 즉, 감압 목표 압력은 천연가스 수요처에 따라서 다르기는 하나 약 25 bar 또는 약 8.5 bar 또는 약 5 bar 또는 약 1 bar일 수 있다.
예를 들어, 55 bar의 고압 천연가스를 터보팽창-발전기(120)를 이용하여 8.5 bar까지 감압시키면, 천연가스의 온도는 영하까지 낮아질 수 있으며, 터보팽창-발전기(120) 이후 공정의 배관, 장치 등에 저온 손상을 일으킬 수 있다.
따라서, 본 실시예에 따르면, 터보팽창-발전기(120)의 상류에서 감압시킬 고압 천연가스를, 감압 후 온도가 설정온도 이상이 되도록 가열하기 위한 예열기(110)를 구비한다. 여기서 설정온도는 예를 들어 0℃를 초과하는 온도 또는 천연가스 수요처(400)에서 요구하는 조건의 온도일 수 있다.
정압설비에서 팽창기는 비용이 고가이고 실제 적용 시 투자 대비 전력 생산량이 적어 경제성이 낮다는 평가를 받고 있다. 그러나 본 실시예에 따르면, 폐열을 회수하여 천연가스를 예열하고, 천연가스의 감압에너지를 회수하면서도 다양한 발전원과 연계하여 저비용으로 전력 생산량을 증대시킬 수 있으므로, 경제성이 낮다는 단점을 극복할 수 있다.
한편, 이러한 감압발전 모듈을 단일형 발전시설로 운용할 경우 예열비가 큰 비용요소로 작용한다. 정압밸브나 터보팽창기에 의해 가스가 팽창되면, 가스 온도 손실이 발생하므로, 정압밸브나 터포팽창기의 출구 온도를 일정 수준으로 유지시키려면 예열(preheating)이 요구된다. 일반적으로, 정압밸브에 의한 감압에 비해 터보팽창기를 이용한 감압에 더 많은 예열이 필요하고, 감압비가 높을수록 온도 손실도 더 커지게 된다. 터보팽창-발전기(120)에 의해 생산할 수 있는 전기량은 감압비와 가스 유량에 의해 결정되므로, 최상의 효율과 최적 운전을 위해서는 감압비와 유량이 중요 변수가 된다.
본 실시예에 따르면, 후술할 연료전지 모듈(200) 및/또는 열병합발전 모듈(300)에서 생성된 폐열을 터보팽창기의 예열로 전환하여 활용함으로써, 복합발전 시스템 내 복합발전 효율을 증대시킬 수 있다.
예를 들어, 제1 열원라인(QL1)을 통해 예열기(110)로 이송된 연료전지 모듈(200)의 폐열에 의해 고압의 천연가스는 가열되고, 폐열은 냉각되어 배출될 수 있다.
본 실시예에 따르면, 연료전지 모듈(200) 및/또는 열병합발전 모듈(300)에서 생성된 열에너지를 회수하여 예열원으로 활용함으로써, 에너지 절감, 환경개선 및 연료 다원화에 의한 폐자원 활용성을 증대에 기여할 수 있다.
예열기(110)에서 냉각된 폐열은 외부로 배출되거나 또는 에너지 수요부(ER)로 이송되어 냉난방 등에 필요한 열원으로 사용될 수 있다.
본 실시예에서 천연가스 수요처(400)는, 도시가스 공급소인 지구 정압기, 지역 정압기일 수 있다. 즉, 본 실시예의 감압발전 모듈(100)에서 감압된 천연가스는 천연가스 수요처(400)와, 에너지 수요 단지(800)와, 연료전지 모듈(200)과, 열병합발전 모듈(300)로 공급될 수 있다.
한편, 감압발전 모듈(100)에서 생산된 전력은, 전력 수요처로 이송된다.
본 실시예의 전력 수요처는, 본 실시예에 따른 복합발전 시스템 내에서 에너지를 생산 및 공급하기 위해 필요한 각종 설비를 포함하고, 전기 충전기(400), 전력 거래소(미도시), 전력 저장장치(710) 및 에너지 수요 단지(800)를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 실시예의 감압발전 모듈(100)은 물론 후술할 연료전지 모듈(200), 열병합발전 모듈(300) 및 기타 에너지 생산 모듈(900)에서 생산된 전력은, 전력 수요처로 직접 공급될 수도 있고, 전력 분배부(700)를 통해 전력 수요처로 분배 공급될 수 있다.
본 실시예에 따른 복합발전 시스템은, 2차 발전원으로서 연료전지 모듈(200)을 포함한다.
본 실시예에 따른 연료전지 모듈(200)은, 감압발전 모듈(100)에서 감압된 저압 천연가스를 연료로 사용하여 수소, 전력 및 열을 생산하는 제1 연료전지부(210)와, 감압발전 모듈(100)에서 감압된 저압 천연가스 또는 제1 연료전지부(210)에서 생산된 수소를 연료로 사용하여 전력 및 열을 생산하는 제2 연료전지부(220)를 포함한다.
연료전지는 LNG 등 연료와 공기의 화학에너지를 전기화학적 반응에 의해 전기에너지 및 열로 전환하는 친환경 분산발전원이다. 별도의 연소과정이 없어 온실가스 배출이 없고 친환경적이며, 전기와 동시에 열을 생산하므로 난방과 전기를 동시에 공급할 수 있는 특성이 있다. 또한, 주요 도심지에 설치 가능한 분산형 전원 특성으로, 대형 연료전지를 통해 건물의 분산형 전지나 발전용 전지로 사용가능하다. 특히, 천연가스 중에 수소를 연료로 하여 전력을 생산하고, 수소는 전기화학적으로 산소와 반응하여 물을 생산하면서 전극에 전류를 발생시키며, 전자가 전해질을 통과하면서 직류전력과 열이 생성된다.
본 실시예의 연료전지 모듈(200)은, 천연가스(화석연료)를 직접 개질하여 사용하거나, 개질한 수소를 이용하는 형태로서, 태양광 등 신재생에너지와의 하이브리드 또는 전기를 이용해 물분해를 통해 생산되는 수소를 이용하는 방식으로 활용할 수 있다.
감압발전 모듈(100)에서 감압된 저압 천연가스 중 일부는 제2 저압가스 라인(GL3)을 통해 연료전지 모듈(200)로 이송된다.
본 실시예의 제1 연료전지부(210)는, 제2 저압가스 라인(GL3)을 통해 이송된 천연가스, 즉 메탄(CH4)을 개질반응시켜 수소를 생산하는 개질기(미도시) 및 개질기에서 생산된 수소를 고순도로 정제하는 수소 정제 장치(213)를 포함할 수 있다.
제1 연료전지부(210)에서 생산된 수소는, 제2 수소라인(HL2)을 통해 에너지 수요부(ER)의 수소 충전기(500)로 이송된다. 또한, 제1 연료전지부(210)에서 생산된 수소는 제1 수소라인(HL1)을 통해 제2 연료전지부(220)로도 공급될 수 있다.
제1 연료전지부(210)에서 생산된 전력은, 감압발전 모듈(100)에서 생산된 전력과 마찬가지로 전력 수요처로 직접 공급되거나 또는 전력 분배부(700)를 통해 전력 수요처로 분배 공급될 수도 있다.
본 실시예에 따른 제1 연료전지부(210) 및 제2 연료전지부(220)는, 인산형 연료전지(PAFC; Phosphoric Acid Fuel Cell)일 수 있다.
또는, 제2 연료전지부(220)의 연료전지는, 고체산화물 연료전지(SOFC; Solid Oxide Fuel Cell)일 수 있다. 고체산화물 연료전지는 발전 효율이 높으며, 수소 뿐만 아니라 천연가스도 연료로 사용할 수 있다. 따라서, 수소와 천연가스 공급 및 가격 변동에 유연하게 대처할 수 있다.
본 실시예의 제2 연료전지부(220)에서는 전력과 열만이 생산된다.
제2 연료전지부(220)에서 생산된 전력은, 감압발전 모듈(100)에서 생산된 전력과 마찬가지로 전력 수요처로 직접 공급되거나 또는 전력 분배부(700)를 통해 전력 수요처로 분배 공급될 수도 있다.
한편, 연료전지 모듈(200)에서는 반응에 의해 필연적으로 배열이 발생하게 되는데, 이때, 연료전지 모듈(200)로부터 배출되는 폐열은 약 150℃일 수 있다.
종래의 연료전지 발전의 경우, 발전시설을 단일형으로 운영할 경우 발전과정에서 나오는 배열은 버려지고 있었다.
그러나, 본 실시예에 따르면, 연료전지 모듈(200)에서 발생된 열은, 제1 열원라인(QL1)을 통해 예열기(110)로 이송되어, 고압 천연가스를 예열하는 열원으로 사용될 수 있다. 또한, 연료전지 모듈(200)에서 발생된 열은 제2 열원라인(QL2)을 통해 이송되어 에너지 수요부(ER)의 열원 수요처, 예를 들어 에너지 수요 단지(800)에서 냉난방용 열원으로 사용될 수도 있다. 또는, 제1 연료전지부(210)에서 천연가스의 개질을 위한 증기를 발생시키는 열원으로 사용될 수 있다.
본 실시예의 연료전지 모듈(200)은, 전력 수요처의 전력 수요량과, 감압발전 모듈(100)의 열원 수요량과, 수소 충전기(500)의 수소 수요량에 따라서 가동률이 제어될 수 있다.
연료전지 모듈(200)의 수소 생산량이 지속적으로 유지될 수 있다면, 수소 충전기(500)의 가동률도 높아지므로, 본 실시예에 따르면, 연료전지 모듈(200)의 높은 가동률을 이용한 연속운전을 통해, 수소 충전기(500)에서 수소 연료차로의 안정적인 수소 연료 공급이 가능하다.
도 2를 참조하면, 본 실시예의 연료전지 모듈(200)의 제1 연료전지부(210)는, 개질기(reformer) 및 양극(anode)과 음극(cathode)으로 구성되는 전지부를 포함한다.
본 실시예의 개질기에서는 천연가스의 개질반응이 일어나 수소를 포함하는 혼합가스가 생성된다. 생성된 혼합가스는 양극(anode)에서 전력 생산 반응에 참여할 수 있고, 전력 생산 반응에 참여하고 남은 혼합가스는 수소 충전기(500)로 공급되어 수소차의 연료로 공급된다.
예를 들어, 전력 생산 부하가 작은 경우에는, 전력 생산 반응에 참여하고 남은 혼합가스에는 수소가 많이 포함되어 있으므로, 수소 정제 장치(213)로 공급하여, 수소차 충전에 사용할 수 있다.
또한, 본 실시예의 수소 정제 장치(213)는, 제1 연료전지부(210)에서 생성된 혼합가스 중에서 전력 생산에 참여하지 않는 나머지 혼합가스를 정제하여 고순도의 수소를 생산하여 수소 충전기(500)에 공급한다.
제1 연료전지부(210)에서 생성된 수소를 포함하는 혼합가스는, 제1 연료전지부(210)로부터 수소 정제 장치(213)를 연결하며, 수소 기체를 포함하는 혼합가스가 제1 연료전지부(210)로부터 수소 정제 장치(213)까지 이송되도록 하는 배관라인인 수소 공급라인을 따라 유동한다.
본 실시예의 수소 정제 장치(213)는, PSA(Pressure Swing Adsorption) 타입으로서, 혼합가스에 포함되어 있는 수분 등의 이물질과 수소 기체를 분리하여 고순도의 수소를 생성할 수 있다.
수소 정제 장치(213)에서 생성된 고순도의 수소 기체는 수소 충전기(500)로 이송되고, 수소 정제 장치(213)에서 분리된 수분이나 미반응 물질(메탄 및 수소 등) 등의 유효물질 즉, 회수가스는, 수소 정제 장치(213)와 제1 연료전지부(210)를 연결하는 배관인 회수라인(도면부호 미부여)을 통해 제1 연료전지부(210)로 공급될 수 있다.
본 실시예의 수소 공급라인의 구경은 약 2 내지 5인치, 바람직하게는 4인치일 수 있고, 그 길이는 약 20 내지 30 m일 수 있다. 또한, 제1 연료전지부(210)로부터 배출되는 혼합가스의 압력은 약 5 내지 10 kPa(G)일 수 있다.
본 실시예의 회수라인의 구경은 약 1 내지 3인치, 바람직하게는 2인치일 수 있고, 그 길이는 약 20 내지 30m일 수 있다. 또한, 회수라인을 통해 수소 정제 장치(213)로부터 제1 연료전지부(210)로 회수되는 회수가스의 압력은 약 20 내지 30 kPa(G)일 수 있다.
한편, 수소 공급라인을 통해 수소 정제 장치(213)로 공급되는 혼합가스의 온도는 약 100 내지 200℃, 바람직하게는 약 140℃일 수 있다.
제1 연료전지부(210)로부터 배출되는 혼합가스에는 다량의 수분이 증기상태로 포함되어 있으며, 수소 정제 장치(213)로 공급되기 전에 혼합가스에 포함되어 있는 수분의 대부분은 제거되어야만 한다.
약 140℃의 혼합가스에 포함된 증기는 수소 공급라인을 따라 유동하면서 응축될 수 있고, 응축된 액상의 수분이 혼합가스와 함께 수소 정제 장치(213)로 유입되면, 수소 정제 장치(213)에 구비되는 흡착제와 수분이 결합하여 수소 정제 성능을 저하시킨다. 따라서, 혼합가스가 수소 정제 장치(213)로 유입되기 전에, 혼합가스에 포함된 수분을 반드시 제거해야 한다.
본 실시예에 따르면, 혼합가스에 포함된 수분을 제거하기 위한 수분 제거 수단으로서, 개질된 가스(reformed gas), 즉, 수소 기체를 포함하는 혼합가스를 냉각시켜 혼합가스에 포함된 수분을 응축시키는 혼합가스 냉각기(211)와, 혼합가스 냉각기(211)에서 냉각된 혼합가스로부터 수분을 제거하는 혼합가스 분리기(212)가 제1 연료전지부(210)와 수소 정제 장치(213) 사이의 수소 공급라인 상에 구비될 수 있다.
본 실시예에 따르면, 전력 생산 반응에 참여하고 남은 나머지 혼합가스는 수소 공급라인을 따라 혼합가스 냉각기(211)로 이송되고, 혼합가스 냉각기(211)에서 냉각된 후, 혼합가스 분리기(212)에서 수분이 걸러진 다음 수소 정제 장치(213)로 이송될 수 있다.
한편, 혼합가스에 포함된 수분을 제거하기 위한 혼합가스 냉각기(211)와 혼합가스 분리기(212)를 수소 정제 장치(213)의 상류에 구비하더라도, 수분이 완벽히 제거되지 않고 수소 공급라인을 따라 유동하는 혼합가스에 여전히 남아있을 수 있다. 따라서, 수소 공급라인에는 이송 중 응축된 액상의 증기를 배출시키기 위한 드레인 라인(미도시)이 수분 제거 수단의 하류에 구비된다.
그러나, 본 발명의 발명자들은, 수소 공급라인에 혼합가스 냉각기(211), 혼합가스 분리기(212) 및 드레인 라인과 같은 수분 제거 수단을 구비하더라도, 액상의 증기에 의해 수소 공급라인이 막히는 현상이 여전히 발생하는 문제를 인식하였다.
또한, 본 발명의 발명자들은 이러한 문제가 수소 정제 장치(213)로 이송되는 혼합가스의 압력이 5 내지 10 kPa(G)로 낮은데다가 수분이 응축됨에 따라 압력이 더 낮아져 수소 공급라인 내부에 음압이 걸리는 경우가 발생하기 때문임을 발견하였다.
이와 같이 수소 공급라인 상에 음압이 발생하면, 혼합가스가 역류하는 등 수소 정제 장치(213) 측으로 정상적으로 이송되지 못함은 물론, 외부 공기가 드레인 라인(DP)을 통해 수소 공급라인으로 유입되며, 따라서 응축된 수분이 드레인 라인(DP)으로 원활히 배출되지 못하게 된다.
따라서, 본 실시예에 따르면, 혼합가스 분리기(212)의 하류에 구배부(GR)를 구비할 수 있다.
도 4를 참조하면, 수소 공급라인을 통해 유동하는 혼합가스에 포함된 액상의 수분을 외부로 드레인 시키는 배수장치(WR)를 구비하고, 본 실시예의 구배부(GR)는, 배수장치(WR)를 중심으로 배수장치(WR)의 상류, 즉 배수장치(WR)와 혼합가스 분리기(212) 사이에서는 수소 공급라인이 배수장치(WR)를 향해 하방경사를 가지며, 배수장치(WR)의 하류, 즉 배수장치(WR)와 수소 정제 장치(213) 사이에서는 수소 공급라인이 수소 정제 장치(213)를 향해 상방경사를 가지도록 하는 구조를 의미한다.
본 실시예의 수소 공급라인의 경사의 정도 즉, 배관구배(pipe grade)는 약 1/100일 수 있다.
본 실시예의 배수장치(WR)는, 기액혼합 상태의 혼합가스로부터 액체 상태의 수분을 분리하는 녹아웃 드럼일 수 있다.
본 실시예의 배수장치(WR)의 상부에는 액체 상태의 수분이 분리된 기체 상태의 혼합가스가 배수장치(WR) 하류의 수소 공급라인으로 배출되도록 하는 가스 배출구가 구비된다.
이와 같이 가스 배출구를 수소 공급라인과 연결함으로써 압력을 동일하게 유지시켜, 음압 발생 시 외부 공기가 드레인 라인을 통해 수소 공급라인으로 인입되지 않도록 할 수 있다.
또한, 가스 배출구에는, 가스 배출구를 통해 배출되는 혼합가스에 미스트 상태의 수분이 함께 배출되지 않도록 걸러내는 파인 필터(fine filter)(도면부호 미부여)가 구비될 수 있다.
또한, 배수장치(WR)의 하부에는 분리된 액체 상태의 수분이 배출되는 드레인 라인이 구비되며, 드레인 라인에는 드레인 라인의 개폐 제어를 위한 밸브인 드레인 밸브(drain port)(DP)가 구비될 수 있다.
배수장치(WR)에는 수소 공급라인을 통해 혼합가스가 이동하면서 발생되는 응축수가 저장되며, 배수장치(WR)에 저장된 응축수의 수위가 미리 설정한 설정값에 도달하면, 드레인 밸브(DP)가 개방되어 배수장치(WR)로부터 액체가 드레인되도록 구성될 수 있다.
본 실시예의 배수장치(WR)는 경사를 갖는 구배부(GR)의 가장 낮은 위치, 즉 지면과 가장 가까운 위치에 구비될 수 있다.
또한, 배수장치(WR)를 중심으로, 배수장치(WR) 하류의 수소 공급라인의 구경은 배수장치(WR) 상류의 수소 공급라인의 구경의 약 2배 이상일 수 있다.
예를 들어, 배수장치(WR) 상류의 수소 공급라인의 구경은 4인치, 배수장치(WR) 하류의 수소 공급라인의 구경은 약 8인치일 수 있다.
또한, 드레인 라인에는 니들밸브(NV)가 구비될 수 있다. 니들밸브(NV)의 개폐제어에 의해 고압의 건조 공기가 드레인 라인으로 공급되도록 함으로써, 응축수가 원활히 배출되도록 할 수도 있다.
예를 들어, 드레인 라인으로 공급되는 건조 공기의 압력은 약 80 내지 120 psi일 수 있다.
이와 같이, 배수장치(WR)를 중심으로 경사지도록 구비되는 구배부(GR)를 이용하여, 혼합가스에 포함된 수분을 제거함으로써, 수소 정제 장치(213)의 상류에서 수분의 대부분을 제거할 수 있다.
도 5를 참조하면, 본 발명자들이 HYSYS 시뮬레이션을 통해 분석한 결과, 약 0.0081 mol의 극소량의 수분이 배수장치(WR)의 하류에서도 남아있는 경우도 있었으나 이 정도 극소량의 수분은 수소 정제 장치(213)에 기본적으로 장착되는 수분 제거제를 통하여 제거될 수 있는 정도이므로, 최종적으로는 고순도의 수소를 제조할 수 있다.
한편, 도면에 도시되어 있지는 않지만, 본 실시예의 제1 연료전지부(210)에서 발생된 혼합가스의 압력은 5 내지 10 kPa(G)로 수소 정제 장치(213)의 운전 압력보다 낮기 때문에, 수소 정제 장치(213)에서 요구하는 압력까지 혼합가스를 압축하는 압축기(미도시)를 더 포함할 수 있으며, 상기의 시뮬레이션 분석은 압축기도 고려하여 해석하였다.
한편, 본 실시예의 에너지 수요부(ER)는, 에너지 공급부(ES)로부터 천연가스를 공급받는 천연가스 수요처(400), 에너지 공급부(ES)로부터 수소를 공급받는 수소 수요처(500), 에너지 공급부(ES)로부터 전력을 공급받는 전력 수요처(600, 700), 에너지 공급부(ES)로부터 천연가스, 수소, 전력 및 열원을 공급받는 에너지 수요 단지(800), 에너지 공급부(ES)로부터 천연가스를 공급받아 전력을 생산하는 열병합발전 모듈(300) 및 신재생 에너지를 이용하여 전력을 생산하는 기타 에너지 생산 모듈(900) 중 어느 하나 이상을 포함한다.
본 실시예의 수소 수요처(500)는, 수소를 연료로 사용하는 수소 연료차량으로 수소 연료를 충전해줄 수 있는 수소 충전기(500)일 수 있다. 도 1에는 한 대의 수소 충전기(500)만이 구비되는 것처럼 도시되어 있지만, 수소 충전기(500)는 1대 이상 설치될 수 있다.
또한, 본 실시예의 수소 충전기(500)는 탈부착 및 이동이 용이한 패키지 형태일 수 있고, 제2 수소라인(HL2)을 통해 에너지 공급부(ES)로부터 수소를 공급받는 온 사이트(on-site) 방식의 수소 충전기(500)일 수 있다.
본 실시예의 전력 수요처는, 에너지 공급부(ES)의 감압발전 모듈(100), 연료전지 모듈(200), 에너지 수요부(ER)의 열병합발전 모듈(300) 및 기타 에너지 생산 모듈(900)에서 생산된 전력을 이송받아 저장하거나 각 수요처로 분배하여 공급해주는 전력 분배부(700), 잉여 전력은 저장하고, 전력 피크 때에는 저장된 전력을 각 수요처로 공급하는 전력 저장장치(710) 및 전기차로 전력을 충전해줄 수 있는 전기 충전기(600)를 포함할 수 있다.
도 1에는 한 대의 전기 충전기(600)만이 구비되는 것처럼 도시되어 있지만, 전기 충전기(600)는 1대 이상 설치될 수 있으며, 본 실시예에서는 3대의 급속 전기 충전기(600)가 설치되는 것을 예로 들어 설명하기로 한다.
본 실시예의 열병합발전 모듈(300)은, 감압발전 모듈(100)에서 감압된 저압 천연가스를 제3 저압가스 라인(GL4)을 통해 이송받아, 저압 천연가스를 연료로 하여 전력과 열원을 생산할 수 있다.
열병합발전은, 1차 에너지원인 천연가스로부터 전기를 생산한 후, 이 과정에서 발생한 폐열을 유효에너지로 활용하는 에너지 공급 시스템으로서, 하나의 에너지원으로부터 열과 전력을 동시에 발생시켜, 용도별로 공급하여, 에너지 이용 효율을 극대화시킬 수 있다. 산업체, 건물, 지역 냉난방, 산업단지 대상 집단 에너지 공급방식의 주요 열원설비로 활용되어 열과 전기를 생산한다.
본 실시예의 열병합발전 모듈(300)은, 천연가스를 연소시켜 발생하는 배기가스를 작동유체로 하여 전력을 생산하는 가스터빈(미도시), 가스터빈으로부터 배출되는 폐열로 스팀을 생산하는 폐열보일러(미도시) 및 폐열보일러에서 생산된 스팀을 작동유체로 하여 전력을 생산하는 스팀터빈(미도시)을 포함할 수 있다.
본 실시예의 열병합발전 모듈(300)은 전기 발생 후 발생하는 추기열과 배열을, 생산공정 열 또는 냉난방 방식의 열원으로 사용하는 증기터빈 방식일 수 있다.
열병합발전 모듈(300)의 운전방식은 열부하 추종운전, 가스터빈 단독운전, 전기부하 추종운전, 최대열부하 추종운전 및 혼합운전로 분류되는 총 5가지 모드로 운전될 수 있다.
열병합발전 모듈(300)에서 생산된 전력은 전력 수요처로 직접 공급되거나 또는 전력 분배부(700)를 통해 전력 수요처로 분배 공급될 수 있다.
본 실시예의 열병합발전 모듈(300)로부터 배출되는 폐열은 감압발전 모듈(100)의 예열기(110)로 공급될 수도 있고, 연료전지 모듈(200)의 제1 연료전지부(210)로 공급될 수도 있을 것이다. 또는, 제3 열원라인(QL3)을 통해 열원 수요처, 즉 본 실시예서 에너지 수요 단지(800)로 공급될 수 있다.
열병합발전 모듈(300)로부터 배출되는 열원은, 천연가스를 연소시켜 발생하는 배기가스, 폐열보일러에서 생산된 스팀, 가스터빈을 구동시킨 후 배출되는 가스터빈 배기가스 또는 스팀터빈을 구동시킨 후 배출되는 스팀터빈 응축수일 수 있다.
종래의 화력발전소 등에서는 열병합발전은 단일형 발전시설로 운영할 경우, 발전과정에서 나오는 폐열은 버려지게 된다. 즉, 천연가스 투입 에너지의 1/3 정도만 전력으로 회수되고 나머지 2/3 정도는 복수기를 통해 버려지는 실정이었다.
그러나, 본 실시예와 같이 집단 에너지 공급 시설에 열병합발전을 조합한 경우, 손실열을 냉난방열로 활용함으로써, 에너지 이용효율을 87%까지 극대화시킬 수 있으며, 복합발전에 의해 열병합발전 모듈(300)의 폐열을 감압발전 모듈(100) 또는 열원 수요처로 보낼 수 있으므로, 운전비용을 절감할 수 있다.
본 실시예의 열병합발전 모듈(300)는, 에너지를 생산하는 에너지 공급부(ES)로서의 역할을 수행하지만, 감압발전 모듈(100)을 안전하게 운영하기 위하여, 에너지 수요부(ER)에 배치된다.
본 실시예의 기타 에너지 생산 모듈(900)는, 태양광 에너지, 풍력 발전 등 신재생 에너지 발전원일 수 있다.
기타 에너지 생산 모듈(900)에서 생산된 전력은 전력 수요처로 직접 공급되거나 또는 전력 분배부(700)를 통해 전력 수요처로 분배 공급될 수 있다.
본 실시예에서 생산된 천연가스, 전력, 수소, 열원 등의 에너지는 에너지 수요부(ER)에서 사용될 수 있을 뿐 아니라, 에너지 공급부(ES)에서 장치를 구동시키기 위해 필요한 에너지로도 사용될 수 있다.
상술한 바와 같이 본 실시예에 따른 복합발전 시스템은, 감압발전 모듈(100), 연료전지 모듈(200), 열병합발전 모듈(300) 및 기타 에너지 생산 모듈(900) 등 적어도 3개 이상의 발전원을 포함하며, 천연가스, 수소, 열원, 전력 등 적어도 2종 이상의 에너지원을 생산할 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 복합발전 시스템은, 제어센터(CR)를 더 포함할 수 있다. 제어센터(CR)는 본 실시예의 복합발전 시스템에 포함되는 각 장치들의 가동여부와 부하를 제어할 수 있고, 에너지 수요처의 수요량 변동에 따라 에너지 생산량을 제어할 수 있으며, 생산된 에너지를, 해당 에너지를 필요로 하는 수요처로 적절하게 분배하여 공급하고 각 수요처로의 에너지 공급량을 제어하는 수단일 수 있다.
또한, 본 실시예의 복합발전 시스템은, 동일한 연료를 사용하여 열과 전기를 동시에 생산한다. 또한, 배열 회수 및 폐열 활용으로 손실되는 에너지를 회수하여 재활용함으로서, 대체설비인 보일러와 발전기의 개별 효율을 능가할 수 있다.
한편, 감압발전, 열병합발전, 연료전지, 태양광 발전 등 다양한 발전시설들은, 단독으로 운영할 때 그 효율이 낮으므로, 다양한 에너지원을 사용 목적별로 발전조합을 적절하게 구성하여 최적 발전이 가능하도록 설계하는 것이 효율적인 복합발전 운영 시스템의 핵심 사항이라 할 수 있다.
상술한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 기존의 수소 추출방식이 아닌 발전과 수소생산이 동시에 가능한 연료전지 모듈(200) 및 수소 정제 수단을 구비함으로써, 수소 보급사업에 기여할 수 있다.
그 뿐 아니라, 기존의 수소 추출방식의 경우에는 수소차 충전 수요가 적은 경우 운전을 중지해야만 하는 단점이 있었으나, 본 실시예에 따르면, 수소차 충전 수요가 적은 경우에도 발전을 통해 전력의 생산 및 매전이 가능하므로 연속운전 및 고순도 수소 정제 기술을 통해 고품질 수소 충전이 가능하고, 전력 생산으로 경제성도 확보할 수 있어 기존 수소 충전소의 치명적인 단점을 해소할 수 있다.
또한, 수소 공급라인의 배관 구배 및 배수장치를 구비하여 혼합가스에 포함된 수분을 완벽하게 제거하여 수소 정제 장치의 안전성을 확보하고, 수소 공급라인에 음압이 발생하더라도 원활하게 혼합가스를 수소 정제 장치로 이송할 수 있다.
본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정 또는 변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.
ES : 에너지 공급부
100 : 감압발전 모듈 200 : 연료전지 모듈
110, 110a, 110b : 예열기 210 : 제1 연료전지부
120, 120a, 120b : 터보팽창-발전기 220 : 제2 연료전지부
130 : 예열 가스히터
ER : 에너지 수요부
300 : 열병합발전 모듈 700 : 전력 분배부
400 : 천연가스 수요처 710 : 전력 저장 장치
500 : 수소 충전기 800 : 에너지 수요 단지
600 : 전기 충전기 900 : 기타 에너지 생성부
CR : 제어센터
GL1 : 고압가스 라인 GL2 : 제1 저압가스 라인
GL3 : 제2 저압가스 라인 GL4 : 제3 저압가스 라인
HL1 : 제1 수소라인 HL2 : 제2 수소라인
EL1 : 제1 전력라인 EL2 : 제2 전력라인
EL3 : 제3 전력라인 EL4 : 제4 전력라인
QL1 : 제1 열원라인 QL2 : 제2 열원라인
QL3 : 제3 열원라인
211 : 혼합가스 냉각기 212 : 혼합가스 분리기
213 : 수소 정제 장치
GR : 구배부 WR : 배수장치

Claims (9)

  1. 천연가스를 개질반응시켜 수소를 포함하는 혼합가스를 생산하는 것과 동시에 생산된 수소를 연료로 사용하여 전력을 생산하는 연료전지 모듈;
    상기 개질반응에 의해 생산된 혼합가스를 정제하여 고순도의 수소를 생산하는 수소 정제 장치;
    상기 연료전지 모듈과 수소 정제 장치를 연결하며, 상기 혼합가스가 유동하는 수소 공급라인; 및
    상기 수소 정제 장치 상류에 구비되며, 상기 수소 공급라인을 따라 유동하면서 응축된 액체를 혼합가스로부터 분리 배출시키기 위한 배수장치;를 포함하고,
    상기 수소 공급라인은, 상기 배수장치를 중심으로 배수장치의 상류에서 상기 배수장치를 향해 하방 경사지고, 배수장치의 하류에서 상기 수소 정제 장치를 향해 상방 경사진 구조를 갖는 구배부;를 포함하며,
    상기 배수장치를 중심으로, 상기 배수장치 하류의 수소 공급라인의 구경은 상기 배수장치 상류의 수소 공급라인의 구경의 2배인, 수소 공급라인을 포함하는 복합발전 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 배수장치 상류의 수소 공급라인에 구비되며,
    상기 혼합가스를 냉각시켜 상기 혼합가스에 포함된 수분을 응축시키는 혼합가스 냉각기; 및
    상기 혼합가스 냉각기에 의해 응축된 수분을 혼합가스로부터 기액분리하는 혼합가스 분리기;를 더 포함하는, 수소 공급라인을 포함하는 복합발전 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 하방 경사 및 상방 경사의 배관구배는 1/100인, 수소 공급라인을 포함하는 복합발전 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 배수장치의 상부에 구비되며 상기 액체가 분리된 기체 상태의 혼합가스가 상기 배수장치 하류의 수소 공급라인으로 배출되도록 하는 가스 배출구; 및
    상기 배수장치의 하부에 구비되며, 상기 분리된 액체 상태의 수분이 배출되도록하는 드레인 라인;을 더 포함하는, 수소 공급라인을 포함하는 복합발전 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 드레인 라인에 구비되며, 상기 배수장치의 수위 측정값이 설정값에 도달하면 개방되어 상기 배수장치로부터 액상을 배출시키는 드레인 밸브;를 더 포함하는, 수소 공급라인을 포함하는 복합발전 시스템.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 드레인 라인에 구비되며, 고압의 건조 공기가 드레인 라인으로 공급되어 상기 액체를 배출시키도록 하는 니들밸브;를 더 포함하는, 수소 공급라인을 포함하는 복합발전 시스템.
  7. 삭제
  8. 청구항 1에 있어서,
    고압 천연가스 공급처로부터 공급받은 고압의 천연가스를 수요처의 요구 압력까지 감압시켜 가스 수요처로 공급하면서, 기체의 감압에 의해 발생한 에너지로 전력을 생산하는 감압발전 모듈;을 더 포함하고,
    상기 연료전지 모듈은, 상기 감압된 천연가스를 개질하여 수소를 생산하는, 수소 공급라인을 포함하는 복합발전 시스템.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 수소 정제 장치에서 생산된 고순도 수소를 수소차에 충전해주는 수소 충전기; 및
    상기 감압발전 모듈 및 연료전지 모듈에서 생산된 전기를 전기차에 충전해주는 전기 충전기;를 더 포함하는, 수소 공급라인을 포함하는 복합발전 시스템.
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