KR102669492B1 - 순산소 및 이산화탄소 입력의 고체산화물 연료전지 - Google Patents
순산소 및 이산화탄소 입력의 고체산화물 연료전지 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 고체 산화물 연료전지에 공기 대신 산소와 이산화탄소가 혼합된 가스를 공급하여 연료극의 배가스에서 질소산화물이 포함되는 것을 방지하고, 이산화탄소가 혼합된 가스를 통해 연료극의 배가스에 이산화탄소의 비중을 높여 이산화탄소의 분리 효율을 증대시킬 수 있는 이산화탄소를 재순환하는 고체산화물 연료전지에 관한 것이다.
Description
본 발명은 순산소 및 이산화탄소 입력의 고체산화물 연료전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 공기 대신 순산소와 이산화탄소를 입력 받음으로써 환경에 유해한 질소산화물의 발생을 원천적으로 차단하고 이산화탄소를 포집함에 있어 공기에 포함된 산소와 이산화탄소 외의 다른 조성물을 처리하기 위한 후처리 설비를 필요로 하지 않으며 보다 높은 효율로 이산화탄소를 포집할 수 있는 고체산화물 연료전지에 관한 것이다.
고체산화물 연료전지(solid oxide fuel cell; 이하 ‘SOFC’라고도 부름)는 고체 세라믹을 전해질로 700℃ ~ 1000℃의 높은 온도에서 운전하는 방식의 연료 전지로서 발전 효율이 다른 방식의 연료전지에 비해 상대적으로 높고 전해질 손실이 거의 없으며 전지의 부식 문제가 없는 장점을 가진다.
고체산화물 연료전지는 단위 전지와 분리판으로 이루어진 전기 생성 유닛이 복수로 적층된 구조이며 단위 전지는 전해질을 기준으로 양쪽면에 각각 공기극과 연료극이 배치된다.
공기극에 산소를 공급하고 연료극에 수소를 공급하면, 공기극에서 산소의 환원 반응으로 생성된 산소 이온이 전해질막을 지나 연료극으로 이동한 후 연료극에 공급된 수소와 반응하여 물이 생성된다. 이때 연료극에서 생성된 전자가 공기극으로 전달되어 소모되는 과정에서 외부 회로로 전자가 흐르며, 단위 전지는 이러한 전자 흐름을 이용하여 전기 에너지를 생산한다.
SOFC에서 발생하는 이산화탄소는 별도의 포집 과정을 거치지 않고 대기로 배출되기도 한다. 그러나 대기 중 이산화탄소의 비중이 높아지면 온실효과 및 기후변화에 의한 해양생태계에 부작용을 유발하기 때문에 SOFC에서 배출되는 이산화탄소의 포집 기술이 요구되고 있다.
연료전지에서 생성되는 배기물로부터 이산화탄소를 포집하는 기술로 대한민국공개특허 제10-2018-0026395호가 있다. 종래의 기술은 연료전지의 공기극에 공기를 유입하는데 공기중에 포함된 질소(N2)성분에 의해 연소가스 중에 포함된 이산화탄소 농도가 낮아지게 되고, 이로 인해 이산화탄소 포집 과정에서 질소를 제거하기 위한 별도의 처리 장비가 구비되어야 하는 단점이 있다.
또한, 종래기술은 연료극 배가스 중 미반응 연료인 H2와 CO와 공기극의 배가스의 질소, 산소 등이 연소반응을 일으켜 연소가스를 생성하게 되는데, 이중 높은 질소 함량에 따라 전체 유량이 증가하고, 이산화탄소가 희석되어 포집 효율이 상대적으로 낮다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제 중 하나는 이산화탄소의 포집을 용이하게하는 고체산화물 연료전지 기술을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제 중 다른 하나는 공기에 포함된 산소와 이산화탄소 외의 다른 조성물을 처리하기 위한 후처리 설비를 요구하지 않는 고체산화물 연료전지 기술을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제 중 다른 하나는 스택에서 출력되는 배가스에서 이산화탄소의 농도 또는 비중을 높임으로써 보다 높은 효율로 이산화탄소를 포집할 수 있는 고체산화물 연료전지 기술을 제공하는 것이다.
본 발명은 전술한 과제의 해결 수단 중 하나로, 입력단의 순산소와 이산화탄소를 가열하는 제1 열교환기(heat exchanger_1); 순산소 버너(oxy-burner)의 배가스와 열교환 되는 제2 열교환기(heat exchanger_2) 상기 제2 열교환기에서 가열된 연료를 공급받고 배가스를 상기 순산소 버너에 보내는 연료극(anode)과, 상기 제1 열교환기에서 가열된 순산소와 이산화탄소를 공급받고 배가스를 상기 순산소 버너에 보내는 공기극(cathode)을 포함하는 스택(stack); 및 상기 제1 열교환기 및 제2 열교환기 중 적어도 하나에서 열교환된 순산소 버너 배가스로부터 수분을 분리하는 기수분리기(water separator)를 포함하는 고체산화물 연료전지을 제안한다.
일 실시예의 고체산화물 연료전지은, 공급수(water)를 가열하는 증기발생기(steam generator)와, 발생된 증기와 천연가스를 혼합하는 믹서(mixer)와, 천연가스-증기 혼합물로부터 연료(H2)를 생산하는 개질기(pre- reformer)를 더 포함하며, 순산소 버너의 배가스는, 상기 증기발생기, 제1 열교환기 및 제2 열교환기 중 적어도 하나에서 열교환될 수 있다.
일 실시예의 고체산화물 연료전지에서, 상기 기수분리기에서 분리된 응축수의 적어도 일부는 상기 연료전지의 공급수 입력단으로 재공급(recirculation)될 수 있다.
일 실시예의 고체산화물 연료전지에서, 상기 기수분리기에서 분리된 이산화탄소의 적어도 일부는 상기 연료전지의 공기극 입력단으로 재공급될 수 있다.
일 실시예의 고체산화물 연료전지은, 상기 기수분리기에서 분리된 이산화탄소의 적어도 일부를 상기 히터로 보내기 위한 배관라인에 배치되는 제1 제어밸브; 상기 스택의 공기극 배가스(cathode off-gass)의 온도를 감지하는 제1 온도센서; 및 상기 제1 온도센서의 측정값에 기초하여 제1 제어밸브의 개폐량을 조절하는 컨트롤러를 더 포함할 수 있다.
일 실시예의 고체산화물 연료전지은, 상기 기수분리기에서 분리된 이산화탄소의 적어도 일부를 상기 순산소 버너로 보내기 위한 배관라인에 배치되는 제2 제어밸브; 상기 순산소 버너의 출구 온도를 감지하는 제2 온도센서; 및 상기 제2 온도센서의 측정값에 기초하여 제2 제어밸브의 개폐량을 조절하는 컨트롤러를 더 포함할 수 있다.
일 실시예의 고체산화물 연료전지은, 순산소 공급기와 상기 히터를 연결하는 배관라인에 배치되는 제3 제어밸브; 상기 순산소 버너의 출구의 산소 농도를 측정하는 산소 센서; 및 상기 산소 센서의 측정값에 기초하여 제3 제어밸브의 개폐량을 조절하는 컨트롤러를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면 탄화수소 계열의 연료 사용에 따라 발생되는 이산화탄소를 원천적으로 분리하는 고체산화물 연료전지 기술이 제공된다.
본 발명의 실시예에 의하면 공기에 포함된 산소와 이산화탄소 외의 다른 조성물을 처리하기 위한 후처리 설비를 요구하지 않는 고체산화물 연료전지 기술이 제공된다.
본 발명의 실시예에 의하면 스택에서 출력되는 배가스에서 이산화탄소의 농도 또는 비중을 높임으로써 보다 높은 효율로 이산화탄소를 포집할 수 있는 고체산화물 연료전지 기술이 제공된다.
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 고체산화물 연료전지의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예 2에 따른 고체산화물 연료전지의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예 3에 따른 고체산화물 연료전지의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시예 4에 따른 고체산화물 연료전지의 구성도이다.
도 5는 본 발명의 실시예 5에 따른 고체산화물 연료전지의 제어 구성도이다.
도 6은 본 발명의 실시예 6에 따른 고체산화물 연료전지의 제어 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예 2에 따른 고체산화물 연료전지의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예 3에 따른 고체산화물 연료전지의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시예 4에 따른 고체산화물 연료전지의 구성도이다.
도 5는 본 발명의 실시예 5에 따른 고체산화물 연료전지의 제어 구성도이다.
도 6은 본 발명의 실시예 6에 따른 고체산화물 연료전지의 제어 구성도이다.
이하 본 발명의 몇 가지 실시예들을 도면을 이용하여 상세히 설명한다. 다만 이것은 본 발명을 어느 특정한 실시예에 대해 한정하려는 것이 아니며 본 발명의 기술적 사상을 포함하는 모든 변형(transformations), 균등물(equivalents) 및 대체물(substitutions)은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다.
본 명세서에서 어느 한 구성이 어떤 서브 구성을 "구비(have)" 또는 "포함(comprise)" 한다고 기재한 경우, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른(other) 구성을 제외하는 것이 아니라 다른 구성을 더 포함할 수도 있음을 의미한다.
본 명세서에서 “연결된다(connect)”라고 기재한 것은 두 개의 구성요소가 직접 연결됨을 의미할 수도 있지만 반드시 이에 한정될 것은 아니고 구성요소 사이에 배치된 하나 이상의 다른 구성요소를 경유하여 연결됨을 의미할 수도 있다.
본 발명의 모든 실시예에서 순산소라 함은 공기 중에 포함된 질소 외에 소량의 이산화탄소, 아르곤 등 비활성기체가 모두 제거된 순수한 산소(pure O2)일 수도 있고 또한, 산소 외 다른 조성물(특히 질소)의 함량이 미리 설정된 기준 이하로 포함된 산소 리치(O2 rich)를 의미할 수도 있다.
<실시예 1>
실시예 1은 별도의 개질 공정 없이 연료를 직접 공급받되 공기 대신 순산소와 이산화탄소를 입력 받는 고체산화물 연료전지에 관한 것이다.
도 1은 실시예 1에 따른 고체산화물 연료전지(100)의 구성을 도시한다.
도 1에서 보듯, 본 실시예의 연료전지(100)는 제1 열교환기(110), 순산소 버너(120), 제2 열교환기(130), 스택(140) 및 기수분리기(150)를 포함할 수 있다.
고체산화물 연료전지(100)는 연료의 산화반응에 의해 화학에너지를 전기에너지로 직접 변환하는 장치이다. 그 중 고체산화물 연료전지(100)는 고온(600 ~ 1000 ℃)에서만 산소 이온 전도성을 가지는 세라믹을 전해질로 사용한다. 전해질의 양면은 다공성의 연료극(anode) 및 공기극(cathode)을 포함하여 하나의 셀을 구성한다. 연료극(anode) 및 공기극(cathode)에는 각각 연료와 산화제가 공급된다. 연료극에서는 연료의 개질 반응으로 생성된 수소의 산화반응이 일어나고 공기극에서는 산소의 환원반응이 일어난다. 전해질은 산소 이온을 공기극에서 연료극으로 이동시킨다. 산소 이온은 연료극에서 수소와 반응하여 물을 생성한다. 이 때 수소-산소 반응의 반응 엔탈피(heat of reaction)에 의해 전기와 열이 생성된다.
고체산화물 연료전지(100)는 순수한 수소를 직접 연료로 사용할 수도 있고, 액화프로판가스(LPG), 파이프라인 운송 천연가스(PNG), 압축천연가스(CNG) 및 탄화수소 계열의 연료 연료를 개질하여 얻어진 수소를 연료로 사용할 수도 있다.
본 실시예에서 고체산화물 연료전지(100)는 개질기를 미포함하기 때문에 순수한 수소를 직접 연료로 사용하는 것이 바람직하다.
제1 열교환기(110)(Heat exchanger_1)는 입력단으로 순산소(O2)와 이산화탄소(CO2)를 공급받아 가열한다.
제1 열교환기(110)는 가열된 순산소 및 이산화탄소를 스택의 공기극으로 공급한다. 참고로, 열교환기에서 가열된 순산소는 스택(140)의 연료극에서 반응 물질로 사용되고 또한, 순산소 버너(120)에서 산화제로 사용된다.
제1 열교환기(110)는 순산소 버너(120)의 배가스(연소가스)를 열교환하여 얻은 열에너지로 순산소 및 이산화탄소를 가열할 수도 있다.
이후 공정에서 제1 열교환기(110)에서 열교환된 순산소 버너(120)의 배가스(연소가스)는 기수분리기(210)에서 이산화탄소가 분리되고, 분리된 이산화탄소는 제1 열교환기(110), 순산소 버너(120)로 재순환되거나, 외부로 배출된다.
순산소 버너(120)는 제1 열교환기(110)로부터 입력받은 순산소(02)를 산화제로 이용하여 스택(140)의 배가스를 연소시킨다.
예컨대, 연료극 출구(142)를 통해 나오는 배가스는 생성물인 CO2와 미반응연료인 H2, CO를 포함하는데 H2, CO와 같은 미반응연료를 포함하는 배가스는 순산소 버너(120)에서 혼합가스에 포함된 순산소와 함께 연소되는 과정에서 CO는 CO2가 되고, H2는 H2O가 된다. 이로 인해, 순산소 버너(120)의 배가스에는 CO2와 H2O만 남게 된다.
즉, 순산소 버너(120)에서 순산소를 산화제로 스택(140)의 연료극 배가스를 연소시키면 배가스에 포함된 조성물은 이산화탄소와 물을 제외한 다른 조성물들이 대부분 연소되어 이산화탄소와 물의 농도가 높아진다.
또한, 스택(140)은 제1 열교환기(110)로부터 이산화탄소를 입력받기 때문에 스택(140)의 연료극 배가스가 연소된 순산소 버너(120)의 연소가스에는 이산화탄소의 비중(농도)이 높아져 이후 단계에서 이산화탄소의 분리 효율을 높일 수 있다.
또한, 스택(140)에는 공기 대신에 순산소와 이산화탄소가 공급되기 때문에 스택(140)의 공기극 출구를 통해 나오는 배가스에는 N2가 포함되지 않는다. 이로 인해 스택(140)의 연료극 배가스 및 순산소 버너(120)의 배가스에는 질소산화물이 존재하지 않기 때문에 질소산화물을 제거하기 위한 별도의 후속 장치가 필요하지 않다. 또한, 순산소 버너(120)의 연소 생성물에 질소산화물이 포함되지 않으면 배기 흐름의 부피가 작아지고 이로 인해 처리 장비의 크기를 줄이고 효율성을 높일 수 있다.
제2 열교환기(130)(Heat exchanger_2)는 입력된 연료(즉, 수소)를 적정 온도로 예열하고 예열된 수소를 스택(140)의 연료극 입력(141)에 공급한다. 예컨대, 제2 열교환기(130)는 순산소 버너(120)에서 배출된 연소가스를 열교환하여 얻은 열에너지로 수소를 예열할 수도 있다. 제2 열교환기(130)에서 열교환된 배가스는 기수분리기(210)로 공급된다.
스택(140)은 연료극 입력(141)(anode input) 및 연료극 출력(142)(anode output)이 구비된 연료극(anode)과 공기극 입력(143)(cathode input) 및 공기극 출력(144)(cathode output)이 구비된 공기극(cathode)을 포함한다.
스택(140)은 제1 열교환기(110)에서 가열된 순산소 및 이산화탄소를 공기극으로 입력받고, 제2 열교환기(130)에서 가열된 수소를 연료극으로 입력받는다.
예컨대, 공기극에는 600 ~ 700 ℃ 정도로 예열 된 순산소 및 이산화탄소가 공급된다. 공기극에서 생성된 산소 이온은 전해질을 통해 연료극으로 이동하고, 연료극의 삼상계면(triple-phase boundary)에서 H2와 O2의 전기화학반응이 일어나며, 이 반응을 통해 전기가 발생한다.
스택(140)의 연료극 출력(142)를 통해 나오는 배가스는 생성물인 CO2와 미반응연료인 H2, CO를 포함한다. 연료극 출력(142)의 배가스에 포함된 H2, CO는 순산소 버너(120)에서 순산소에 함께 연소된다. 그리고 스택(140)의 배가스가 순산소 버너(120)에서 순산소(산화제)와 함께 연소되는 과정에서 CO는 CO2가 되고, H2는 H2O가 된다. 이로 인해, 순산소 버너(120)의 배가스에는 CO2와 H2O만 남게 되어 수분 및 이산화탄소의 분리 효율을 높일 수 있다.
스택(140)에서 배출된 고온의 배가스는 순산소 버너(120)에서 연소되고, 그 연소가스는 제2 열교환기(130) 및 제1 열교환기(110)로 공급되어 열교환을 하고 기수분리기(210)로 유입된다. 기수분리기(210)로 유입된 배가스는 수분과 이산화탄소가 분리되고, 분리된 이산화탄소 중 일부는 제1 열교환기(110) 및 순산소 버너(120)로 재순환되고, 나머지 일부는 외부로 배출될 수 있다.
기수분리기(150)(water separator)는 순산소 버너(120)의 연소가스에서 수분을 포집(또는 응축)하여 이산화탄소를 분리한다.
예컨대, 순산소 버너(120)의 배가스는 H2, CO와 같은 미반응연료가 순산소와 함께 연소되면서 이산화탄소(CO2) 및 수분(H2O)으로 조성되어 있으며, 기수분리기(150)는 이산화탄소 및 수분으로 조성된 순산소 버너(120)의 배가스에서 수분을 응축시켜 수분과 이산화탄소를 분리한다. 기수분리기(150)는 분리된 수분을 미리 설치된 워터탱크(미도시)로 공급한다.
참고로, 기수분리기(150)는 원심식 기수분리기 또는 반전식 기수분리기를 채택할 수도 있다. 원심식 기수분리기는 사이클론 세퍼레이터에서 증기를 선회 운동시키고 그 원심력에 의해 수분을 분리시킨다. 반전식 기수분리기는 증기의 진행 방향을 배플판 등에 의해 급변시켜 수분을 분리시킨다.
기수분리기(150)로 유입된 순산소 버너(120)의 배가스는 수분과 이산화탄소로 분리되고, 분리된 이산화탄소 중 일부는 제1 열교환기(110) 및 순산소 버너(120)로 재순환되며, 나머지 일부는 외부로 배출될 수 있다
기수분리기(150)에서 제1 열교환기(110) 및 순산소 버너(120)로 재순환된 이산화탄소는 순산소 버너(120) 내의 이산화탄소 비중을 높여 이산화탄소의 분리 효율을 높이기 위함이다.
또한, 순산소 버너(120)의 이론공연비 조건에서의 연소 온도는 단열 화염온도에 가까울 정도로 매우 높기 때문에 온도 제어가 필요한데, 기수분리기(150)로부터 순산소 버너(120)로 재순환되는 이산화탄소는 제1 열교환기(110) 및 제2 열교환기(130)에서 열이 회수되기 때문에 저온의 상태일 수 있으며, 그 저온의 이산화탄소를 이용하여 순산소 버너(120)의 연소실 온도 제어 용으로 사용할 수도 있다.
본 실시예의 고체산화물 연료전지(100)는 제1 분배기(D1), 제2 분배기(D2), 제1 혼합기(C1), 제2 혼합기(C2) 및 제3 혼합기(C3)를 더 포함할 수 있다.
제1 분배기(D1)는 순산소 버너(120)에서 출력된 고온의 배가스(연소가스)를 제2 열교환기(130) 및 제1 열교환기(110)로 분기한다. 제2 열교환기(130) 및 제1 열교환기(110)는 제1 분배기(D1)로부터 공급받은 고온의 배가스를 이용하여 열교환한다.
제2 분배기(D2)는 기수분리기(150)에서 분기된 이산화탄소 중 일부를 제1 열교환기(110) 및 순산소 버너(120)로 공급하여 재순환 시키고, 나머지 일부는 외부로 배출시킨다.
제1 혼합기(C1)는 외부에서 공급된 순산소 및 이산화탄소를 합류시킨 뒤 제1 열교환기(110)로 공급한다.
제2 혼합기(C2)는 제1 혼합기(C1)의 순산소 및 이산화탄소와 제2 분배기(D2)의 이산화탄소를 합류시켜 제1 열교환기(110)로 공급한다.
제3 혼합기(C3)는 제2 열교환기(130) 및 제1 열교환기(110)에서 열교환된 연소가스를 합류시켜 기수분리기(150)로 공급한다.
<실시예 2>
실시예 2는 천연가스를 개질한 연료를 공급받되 공기 대신 순산소와 이산화탄소를 입력 받는 고체산화물 연료전지(100) 시스템에 관한 것이다.
도 2는 실시예 2에 따른 고체산화물 연료전지의 구성을 도시한다.
도 2에서 보듯, 본 실시예의 연료전지(100)는 제1 열교환기(110), 순산소 버너(120), 제2 열교환기(130), 스택(140), 기수분리기(150), 증기발생기(160), 믹서(170) 및 개질기(180)를 포함한다.
실시예 2의 제1 열교환기(110), 순산소 버너(120), 제2 열교환기(130), 스택(140) 및 기수분리기(150)는 실시예 1의 제1 열교환기(110), 순산소 버너(120), 제2 열교환기(130), 스택(140) 및 기수분리기(150)와 동일하므로 중복된 설명을 생략한다.
증기발생기(160)(steam generator)는 외부에서 공급된 물을 가열시켜 증기로 변환시킨다. 참고로, 증기발생기(160)는 펌프(10)을 통해 가압 물을 공급받을 수 있다.
증기발생기(160)는 순산소 버너(120)의 배가스(연소가스)를 열교환하여 얻은 열에너지를 통해 물을 가열할 수도 있다. 증기발생기(160)는 단상인 물의 상태에서 물과 증기의 2상이 존재하는 상태를 지나 단상인 과열증기 상태로 변화시킨다.
믹서(mixer)(122)는 외부로부터 입력된 연료(천연가스)를 증기발생기(160)에서 발생된 증기와 혼합시킨다. 여기서, 천연가스는 액화천연가스(LNG), 액화프로판가스(LPG), 파이프라인 운송 천연가스(PNG), 압축천연가스(CNG)를 포함할 수 있다.
개질기(180)는 천연가스-증기 혼합물로부터 연료(H2)를 생산한다.
개질기(180)는 믹서(122)로부터 공급받은 혼합물을 수증기와 함께 CH4, CO, H2로 개질하고 600 ~ 700℃ 정도 예열한 뒤 스택(140)의 연료극으로 공급한다.
믹서(170)의 앞단에는 탈황기(190)가 더 구비될 수 있다. 탈황기(190)는 탄화수소 계열의 연료(LNG, LPG, Biogas 등)에서 황 성분을 제거한 뒤 믹서(170)로 공급한다.
개질기(180)의 촉매로는 Ni-based 촉매가 이용되며 400 ~ 550 ℃에서 운전된다. 개질기(180)는 반응원료(또는 연료) 내에 포함된 C2+ 탄화수소를 CH4, CO, H2 등으로 분해시켜 고급 탄화수소의 개질에 따른 촉매층에서의 코크 생성(또는 탄소 침적)을 억제하는 역할을 한다. 코크 생성은 수증기의 양과 관계가 있으며 steam-to-carbon 비(S/C)에 의해 결정된다. S/C의 값이 너무 낮으면 코크가 생성될 가능성이 높아진다.
개질기(180)에서 1차적으로 개질된 연료(reformate fuel)는 스택(140)의 연료극에서 내부 개질 반응(direct internal reforming), 즉 수증기-메탄 개질(steam methane reforming) 반응 및 수성 가스 전환(water-gas shift) 반응을 통해 H2로 전환된다.
예컨대, 개질기(180)는 수증기 메탄 개질(steam methane reofrming), 부분 산화법(partial oxidation reaction), 자연개질법(auto-themal reforming) 중 하나를 채택할 수 있다.
수증기 메탄 개질은 700~1,100 ℃에서 증기를 메탄(또는 천연가스)과 혼합하여 촉매 반응기에서 3 bar,a ~ 25 bar,a 압력으로 반응한다. 전체 화학반응은 흡열반응으로 열을 전달하기 위한 장치가 필요하고 후단에 수소로 전환을 촉진시키는 촉매 층이 구비될 수 있다.
부분 산화법은 천연가스를 물과 이산화탄소로 산화하는데 필요한 산소량보다 적은 양의 산소를 공급하여 수소와 일산화탄소 그리고 이산화탄소 등을 생산한다. 부분 산화법은 발영반응으로 열 공급이 필요 없어 에너지 효율이 좋고 반응속도가 빠지만 수소 생산 수율이 낮을 수 있다.
자연개질방법은 수증기 개질 흡열반응에 필요한 열을 부분산화 발열반응에서 자체 공급하여 수소를 개질한다.
본 실시예의 개질기(180)가 수증기 메탄 개질을 채택할 경우 개질기(180)는 순산소 버너(110)에서 출력된 고온의 배가스를 통해 열교환하여 얻은 열에너지로 물을 증기로 기화시키는데 사용할 수 있다.
제1 분배기(D1)는 순산소 버너(120)에서 출력된 고온의 배가스(연소가스)를 제2 열교환기(130), 제1 열교환기(110) 및 증기발생기(160)로 분기한다. 제2 열교환기(130), 제1 열교환기(110) 및 증기발생기(160)는 제1 분배기(D1)로부터 공급받은 고온의 배가스를 이용하여 열교환한다.
제3 혼합기(C3)는 증기발생기(180), 제2 열교환기(130) 및 제1 열교환기(110)에서 열교환된 연소가스를 합류시켜 기수분리기(150)로 공급한다.
<실시예 3>
실시예 3은 공기 대신 순산소와 이산화탄소를 입력 받는 한편 스택의 배가스에서 분리해 낸 응축수를 공급수로 재활용하는 고체산화물 연료전지(100)에 관한 것이다.
도 3은 실시예 3에 따른 고체산화물 연료전지의 구성을 도시한다.
도 3에서 보듯, 본 실시예의 연료전지(100)는 제1 열교환기(110), 순산소 버너(120), 제2 열교환기(130), 스택(140), 기수분리기(150), 증기발생기(160), 믹서(170) 및 개질기(180)를 포함한다.
실시예 3의 제1 열교환기(110), 순산소 버너(120), 제2 열교환기(130), 스택(140), 기수분리기(150), 증기발생기(160), 믹서(170) 및 개질기(180)는 실시예 2의 제1 열교환기(110), 순산소 버너(120), 제2 열교환기(130), 스택(140), 기수분리기(150), 증기발생기(160), 믹서(170) 및 개질기(180)와 동일하므로 중복된 설명을 생략한다.
기수분리기(150)는 분리된 수분(즉, 응축수) 중 일부를 제3 분배기(D3)를 통해 연료전지(100)의 공급수 입력단(10)으로 재공급(recirculation)한다.
기수분리기(150)는 응축수 중 다른 일부를 외부로 배출하거나 미리 설치된 워터탱크(미도시)로 공급할 수도 있다.
공급수 입력단(10)으로 재공급된 응축수는 증기발생기(160)로 공급된다.
증기발생기(160)는 연료전지(100)의 최초 기동 시에는 외부에서 공급되는 공급수를 이용하지만, 연료전지(100)의 기동 중에는 기수분리기(210)로부터 공급받는 응축수를 이용하여 개질 공정을 수행할 수 있다. 또한 기수분리기(210)의 응축수 공급량이 일부 부족한 경우 외부의 공급수를 보충 받을 수 있다.
<실시예 4>
실시예 4는 공기 대신 순산소와 이산화탄소를 입력 받는 한편 스택의 배가스에서 분리해 낸 이산화탄소를 입력단의 이산화탄소를 재활용하는 고체산화물 연료전지에 관한 것이다.
도 4는 실시예 4에 따른 고체산화물 연료전지의 구성을 도시한다.
도 4에서 보듯, 실시예 4의 연료전지(100)는 제1 열교환기(110), 순산소 버너(120), 제2 열교환기(130), 스택(140), 기수분리기(150), 증기발생기(160), 믹서(170) 및 개질기(180)를 포함한다.
실시예 4의 제1 열교환기(110), 순산소 버너(120), 제2 열교환기(130), 스택(140), 기수분리기(150), 증기발생기(160), 믹서(170) 및 개질기(180)는 실시예 3의 제1 열교환기(110), 순산소 버너(120), 제2 열교환기(130), 스택(140), 기수분리기(150), 증기발생기(160), 믹서(170) 및 개질기(180)와 동일하므로 중복된 설명을 생략한다.
기수분리기(150)에서 분리된 이산화탄소는 제1 열교환기(110), 순산소 버너(120)로 재순환된다. 또한, 기수분리기(150)에서 분리된 이산화탄소는 공기극 입력단(C1)을 재공급(recirculation)될 수 있다.
제2 분배기(D2)는 기수분리기(150)에서 분기된 이산화탄소 중 일부를 제1 열교환기(110) 및 순산소 버너(120)로 공급하여 재순환 시키고, 나머지 일부를 제4 분배기(D4)로 배출시킨다.
제4 분배기(D4)는 제2 분배기(D2)로부터 기수분리기(150)의 이산화탄소를 공급받고, 공급받은 이산화탄소 중 일부를 이산화탄소 저장탱크로 공급하며, 다른 일부를 이산화탄소 입력단(20)으로 재순환시킨다. 이산화탄소 입력단(20)으로 입력된 제4 분배기(D4)의 이산화탄소는 제1 혼합기(C1)에서 외부의 순산소와 혼합되고, 제2 합류기(C2)를 경유하여 제1 열교환기(110)로 공급된다.
<실시예 5>
실시예 5는 공기 대신 순산소와 이산화탄소를 입력 받는 고체산화물 연료전지에서 스택의 배가스에서 분리해 낸 이산화탄소를 이용하여 순산소 버너의 동작 온도를 제어하는 기술에 관한 것이다.
도 5는 실시예 5에 따른 고체산화물 연료전지의 제어 구성도이다.
도 5에서 보듯, 실시예 5의 연료전지(100)는 제1 열교환기(110), 순산소 버너(120), 제2 열교환기(130), 스택(140), 기수분리기(150), 제1 제어밸브(V1), 제2 제어밸브(V2) 제1 온도 센서(T1), 제2 온도 센서(T2) 및 컨트롤러(미도시)를 포함한다. 그리고 연료전지(100)는 증기발생기(미도시), 믹서(미도시) 및 개질기(미도시)를 더 포함할 수도 있다.
실시예 5의 제1 열교환기(110), 순산소 버너(120), 제2 열교환기(130), 스택(140), 기수분리기(150), 증기발생기(미도시), 믹서(미도시) 및 개질기(미도시)는 실시예 4와 동일하므로 중복된 설명을 생략한다.
제1 온도 센서(T1)는 스택의 공기극 배가스(cathode off-gass)의 온도를 감지한다.
제2 온도 센서(T2)는 순산소 버너(120)의 출구 온도를 감지한다.
제1 제어밸브(V1)는 기수분리기(150)에서 분리된 이산화탄소의 적어도 일부를 제1 열교환기(110)로 보내기 위한 배관라인에 배치된다.
제2 제어밸브(V2)는 기수분리기(150)에서 분리된 이산화탄소의 적어도 일부를 순산소 버너(120)로 보내기 위한 배관라인에 배치된다.
컨트롤러(미도시)는 제1 온도센서(T1)의 측정값에 기초하여 제1 제어밸브(V1)의 개폐량을 조절한다. 또한, 컨트롤러는 제2 온도 센서(T2)의 측정값에 기초하여 제2 제어밸브(V2)의 개폐량을 조절한다.
기수분리기(150)에서 분리되어 제2 분배기(D2)를 통해 분기되는 이산화탄소 중 일부는 공기극 출구의 온도 제어 및 순산소 버너(120)의 온도 제어를 위해 공기극 출구 및 순산소 버너(120)로 공급될 수 있다.
예컨대, 공기극 출구의 배가스 및 순산소 버너(120)의 이론공연비 조건에서의 연소가스의 온도는 단열 화염온도에 가까울 정도로 매우 높기 때문에 온도 제어가 필요하다. 기수분리기(150)에서 분리되어 제2 분배기(D2)를 통해 분기되는 이산화탄소는 증기발생기(미도시), 제1 열교환기(110) 및 제2 열교환기(130)에서 열이 회수되기 때문에 저온의 상태일 수 있으며, 그 저온의 이산화탄소는 공기극 출구 및 순산소 버너(120)의 연소실 온도 제어 용으로 사용될 수 있다.
<실시예 6>
실시예 6은 공기 대신 순산소와 이산화탄소를 입력 받는 고체산화물 연료전지에서 순산소 버너(120) 출력단의 산소 농도에 기초하여 입력단의 순산소 공급량을 제어하는 기술에 관한 것이다.
도 6은 실시예 6에 따른 고체산화물 연료전지의 제어 구성도이다.
도 6에서 보듯, 실시예 6의 연료전지(100)는 제1 열교환기(110), 순산소 버너(120), 제2 열교환기(130), 스택(140), 기수분리기(150), 제1 제어밸브(V1), 제2 제어밸브(V2), 제3 제어밸브(V3), 제1 온도 센서(T1), 제2 온도 센서(T2), 산소 센서(S1) 및 컨트롤러(미도시)를 포함한다. 그리고 연료전지(100)는 증기발생기(미도시), 믹서(미도시) 및 개질기(미도시)를 더 포함할 수도 있다.
실시예 6의 제1 열교환기(110), 순산소 버너(120), 제2 열교환기(130), 스택(140), 기수분리기(150), 제1 제어밸브(V1), 제2 제어밸브(V2), 제1 온도 센서(T1), 제2 온도 센서(T2) 및 컨트롤러(미도시)는 실시예 5와 동일하므로 중복된 설명을 생략한다.
제3 제어밸브(V3)는 순산소 공급기(미도시)와 히터(110)를 연결하는 배관라인에 배치된다. 구체적으로 제3 제어밸브(V3)은 순산소가 공급되는 제1 합류기(V1)의 입력단에 연결된 배관라인에 배치된다.
산소 센서(S1)는 순산소 버너(120)의 출구의 산소 농도를 측정한다.
컨트롤러(미도시)는 산소 센서의 측정값에 기초하여 제3 제어밸브의 개폐량을 조절한다.
컨트롤러(미도시)는 산소 센서(S)로부터 순산소 버너(120)의 배가스(연소가스)에 포함된 산소량을 전송받고, 이론공연비(stoichiometric)에 기초하여 순산소 버너(120)로 공급해야 할 순산소량을 계산한다. 그리고 컨트롤러는 계산된 순산소량에 기초하여 제3밸브(V3)를 조절함으로써 외부의 순산소를 순산소 버너(120)로 공급한다.
예컨대, 순산소 버너(120)의 배가스(또는 연소실내 가스)에 산소량이 기준치보다 낮으면 순산소 버너(120)의 연소실에서 완전 연소가 이루어질 수 없으므로, 제1밸브(V1)를 조절하여 순산소 버너(120)로 공급되는 산소량을 증가시킨다.
이상에서는 본 발명에 관한 몇 가지 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 고체산화물 연료전지
110: 제1 열교환기
120: 순산소 버너
130: 제2 열교환기
140: 스택
150: 기수분리기
160: 증기발생기
170: 믹서
180: 개질기
110: 제1 열교환기
120: 순산소 버너
130: 제2 열교환기
140: 스택
150: 기수분리기
160: 증기발생기
170: 믹서
180: 개질기
Claims (7)
- 공기로부터 산소 이외의 다른 조성물을 제거한 가스(이하 '순산소')와 이산화탄소를 예열하는 제1 열교환기;
순산소 버너의 배가스로 연료를 예열하는 제2 열교환기;
입력단으로 상기 제2 열교환기에 의해 예열된 연료를 공급받고 출력단의 배가스를 상기 순산소 버너에 보내는 연료극과, 입력단으로 상기 제1 열교환기에 의해 예열된 순산소와 이산화탄소를 공급받고 출력단의 배가스를 상기 순산소 버너에 보내는 공기극을 포함하는 스택; 및
상기 제1 열교환기 및 제2 열교환기 중 적어도 하나에서 열교환된 순산소 버너 배가스로부터 수분을 분리하는 기수분리기를 포함하고,
상기 기수분리기에서 분리된 이산화탄소의 적어도 일부는 상기 순산소 버너로 재순환되는 것을 특징으로 하는
순산소 및 이산화탄소 입력의 고체산화물 연료전지. - 제1항에 있어서,
공급수(water)를 가열하는 증기발생기(steam generator)와, 발생된 증기와 천연가스를 혼합하는 믹서(mixer)와, 천연가스-증기 혼합물로부터 연료(H2)를 생산하는 개질기(pre- reformer)를 더 포함하며,
상기 순산소 버너의 배가스는, 상기 증기발생기, 제1 열교환기 및 제2 열교환기 중 적어도 하나에서 열교환되는 것을 특징으로 하는 순산소 및 이산화탄소 입력의 고체산화물 연료전지. - 제2항에 있어서,
상기 기수분리기에서 분리된 응축수의 적어도 일부는 상기 연료전지의 공급수 입력단으로 재공급되는 것을 특징으로 하는 순산소 및 이산화탄소 입력의 고체산화물 연료전지. - 제1항에 있어서,
상기 기수분리기에서 분리된 이산화탄소의 적어도 일부는 상기 연료전지의 공기극 입력단으로 재공급되는 것을 특징으로 하는 순산소 및 이산화탄소 입력의 고체산화물 연료전지. - 제1항에 있어서,
상기 기수분리기에서 분리된 이산화탄소의 적어도 일부를 상기 제1 열교환기로 보내기 위한 배관라인에 배치되는 제1 제어밸브;
상기 스택의 공기극 배가스의 온도를 감지하는 제1 온도센서; 및
상기 제1 온도센서의 측정값에 기초하여 제1 제어밸브의 개폐량을 조절하는 컨트롤러를 더 포함하는 순산소 및 이산화탄소 입력의 고체산화물 연료전지. - 제1항에 있어서,
상기 기수분리기에서 분리된 이산화탄소의 적어도 일부를 상기 순산소 버너로 보내기 위한 배관라인에 배치되는 제2 제어밸브;
상기 순산소 버너의 출구 온도를 감지하는 제2 온도센서; 및
상기 제2 온도센서의 측정값에 기초하여 제2 제어밸브의 개폐량을 조절하는 컨트롤러를 더 포함하는 순산소 및 이산화탄소 입력의 고체산화물 연료전지. - 제1항에 있어서,
순산소 공급기와 상기 열교환기를 연결하는 배관라인에 배치되는 제3 제어밸브;
상기 순산소 버너의 출구의 산소 농도를 측정하는 산소 센서; 및
상기 산소 센서의 측정값에 기초하여 제3 제어밸브의 개폐량을 조절하는 컨트롤러를 더 포함하는 순산소 및 이산화탄소 입력의 고체산화물 연료전지.
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|---|---|---|---|
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|---|---|
| KR20240055618A KR20240055618A (ko) | 2024-04-29 |
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| KR1020230046118A KR102669492B1 (ko) | 2022-10-20 | 2023-04-07 | 순산소 및 이산화탄소 입력의 고체산화물 연료전지 |
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|---|---|---|---|---|
| JP2012104464A (ja) * | 2010-11-09 | 2012-05-31 | Inst Nuclear Energy Research Rocaec | 固体酸化物燃料電池を利用した二酸化炭素エネルギー変換循環方法及びその装置 |
| JP2020030890A (ja) * | 2018-08-20 | 2020-02-27 | 東京瓦斯株式会社 | 二酸化炭素回収型燃料電池発電システム |
Family Cites Families (1)
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