KR20110037316A - 탄소 수증기 개질장치를 포함한 연료전지 열병합 발전 시스템 - Google Patents

탄소 수증기 개질장치를 포함한 연료전지 열병합 발전 시스템 Download PDF

Info

Publication number
KR20110037316A
KR20110037316A KR1020090094710A KR20090094710A KR20110037316A KR 20110037316 A KR20110037316 A KR 20110037316A KR 1020090094710 A KR1020090094710 A KR 1020090094710A KR 20090094710 A KR20090094710 A KR 20090094710A KR 20110037316 A KR20110037316 A KR 20110037316A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
carbon
fuel cell
steam reformer
hydrogen
carbon monoxide
Prior art date
Application number
KR1020090094710A
Other languages
English (en)
Other versions
KR101133543B1 (ko
Inventor
이충곤
허호
Original Assignee
한밭대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한밭대학교 산학협력단 filed Critical 한밭대학교 산학협력단
Priority to KR1020090094710A priority Critical patent/KR101133543B1/ko
Publication of KR20110037316A publication Critical patent/KR20110037316A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101133543B1 publication Critical patent/KR101133543B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0612—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
    • H01M8/0618—Reforming processes, e.g. autothermal, partial oxidation or steam reforming
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04014—Heat exchange using gaseous fluids; Heat exchange by combustion of reactants
    • H01M8/04022—Heating by combustion
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04097—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with recycling of the reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0662—Treatment of gaseous reactants or gaseous residues, e.g. cleaning
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/14—Fuel cells with fused electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M2008/1293—Fuel cells with solid oxide electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/14—Fuel cells with fused electrolytes
    • H01M2008/147—Fuel cells with molten carbonates
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/40—Combination of fuel cells with other energy production systems
    • H01M2250/405—Cogeneration of heat or hot water
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

본 발명은 유기물을 탄화시켜 얻은 탄소를 수증기 및 공기로 개질함으로써 수소와 일산화탄소 혼합가스를 생성하는 탄소 수증기 개질장치와, 소량의 수소와 일산화탄소를 포함하는 가스를 연료로 사용하여도 높은 발전 효율을 나타내는 연료전지를 포함하여 구성된, 연료전지 열병합 발전 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 유기성 폐기물, 목질계 원료, 석유 정제 피치 등에 포함된 유기물을 탄화시켜 얻은 탄소를 수증기와 공기로 개질함으로써 생성된 수소와 일산화탄소 혼합가스를 증기 또는 가스터빈 발전이 아닌 연료전지에 이용할 수 있는, 고효율이면서도 친환경적인 연료전지 열병합 발전 시스템을 제공할 수 있다.
연료전지 열병합 발전 시스템, 연료전지, 탄소 수증기 개질장치, 탄화과정, 열병합

Description

탄소 수증기 개질장치를 포함한 연료전지 열병합 발전 시스템{FUEL CELL COMBINED POWER SYSTEM COMPRISING CARBON STEAM REFORMER}
본 발명은 탄소 수증기 개질장치를 포함한 연료전지 열병합 발전 시스템에 관한 것이며, 보다 상세하게는 유기성 폐기물, 목질계 원료, 석유 정제 피치 등에 포함된 유기물을 탄화시켜 얻은 탄소를 수증기와 공기로 개질함으로써 생성된 수소 및 일산화탄소 혼합가스를 용융탄산염형 연료전지(MCFC) 또는 고체산화물 연료전지(SOFC) 등의 연료전지에 공급하여 연료로 사용할 수 있는 연료전지 열병합 발전 시스템에 관한 것이다.
최근 고효율이고 환경 친화적인 연료전지가 새로운 전기에너지원으로 각광받고 있다. 연료전지는 연료의 공급에 의해 지속적으로 발전하는 특성을 가지는 것으로서, 연료로서는 주로 수소를 사용하고, 공기 중의 산소를 이용하여 수소의 산화 및 산소의 환원과정을 통해 물을 발생시키며 발전하는 시스템이다.
특히, 용융탄산염형 연료전지(MCFC)와 같은 연료전지는 탄산염으로 된 전해 질이 고온에서 용융상태로 되어 전극반응을 일으키기 때문에 600℃ 이상의 고온에서 발전하는 시스템으로서, 수소의 산화 및 산소의 환원에 고가의 귀금속 촉매가 필요하지 않다. 따라서 일산화탄소와 같은 피독성 가스 이용이 용이하여, 수소와 일산화탄소의 혼합가스를 연료로 이용할 수도 있고 고온의 폐열도 이용할 수 있어 효율이 높다.
또한, 고체산화물 연료전지(SOFC)는 산소이온 전달성의 지르코니아를 전해질로 사용하며, 전극은 니켈산화물 및 전도성 세라믹을 사용하므로 700℃ 이상의 고온에서의 발전이 가능하며, 수소와 일산화탄소의 혼합물을 연료로 사용할 수 있다.
이러한 연료전지에 사용되는 연료로서는 메탄이 주성분인 천연가스를 하기 화학식 1과 같이 수증기로 개질하여 수소와 일산화탄소로 전환하여 사용하고 있다.
CH4 + H2O = 3H2 + CO
그러나 천연가스는 전량 수입에 의존하는 국내 현실을 감안할 때 경제성 확보문제가 대두될 수 있다. 또한 석탄가스화 가스를 사용하여 발전이 가능하나, 국내에서의 석탄 가스화 기술은 아직 성숙되지 않은 단계로서 사용하기까지는 시간이 필요한 실정이다.
본 발명의 목적은 모든 유기물이 가지고 있는 탄소성분을 효과적으로 이용하기 위하여, 유기물의 탄화과정을 통해 수득된 탄소를 수증기 및 공기로 개질하여 수소와 일산화탄소 혼합가스를 생성할 수 있는 탄소 수증기 개질장치와, 소량의 수소와 일산화탄소를 포함하는 상기 혼합가스를 연료로 사용하여도 발전 효율이 높은 연료전지를 포함하여 구성된, 고효율을 나타내면서도 친환경적인 연료전지 열병합 발전 시스템을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은,
탄소를 수증기와 공기로 개질하여 수소 및 일산화탄소 혼합가스를 생성시키는 탄소 수증기 개질장치;
상기 탄소 수증기 개질장치로부터 생성된 수소 및 일산화탄소 혼합가스로부터 분진을 제거하기 위한 분진제거기;
상기 분진제거기를 통해 분진이 제거된 수소 및 일산화탄소 혼합가스를 애노드로부터 공급받아 전기를 생산하는 연료전지; 및
상기 연료전지의 애노드로부터 배출되는 미반응된 수소와 일산화탄소를 연료촉매를 사용하여 공기와 함께 산화시키는 촉매반응기를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 수증기 개질장치를 포함한 연료전지 열병합 발전 시스템을 제공한다.
본 발명자들은 모든 유기물이 가지고 있는 탄소성분을 효과적으로 이용할 수 있는 연료전지 열병합 발전 시스템에 관하여 연구하였다. 그 결과, 유기성 폐기물, 목질계 원료, 석유 정제 피치 등에 포함된 유기물을 탄화시켜 얻은 탄소를 수증기와 공기로 개질함으로써 생성된 수소 및 일산화탄소 혼합가스를 용융탄산염형 연료전지(MCFC) 또는 고체산화물 연료전지(SOFC) 등의 연료전지에 공급하여 연료로 사용할 수 있는 연료전지 열병합 발전 시스템을 개발하였다.
본 발명의 한 실시형태에 있어서, 상기 탄소 수증기 개질장치는 연속 공급이 가능한 탄소 공급장치로부터 탄소를 공급받는다. 그리고 700℃ 이상의 분위기 하에서 탄소를 수증기와 공기로 개질함으로써 수소 및 일산화탄소 혼합가스를 생성할 수 있다.
이때 탄소 수증기 개질장치에 공급되는 탄소는 유기성 폐기물, 목질계 원료 또는 석유 정제 피치를 탄화시켜 수득된 탄소일 수 있다.
또 본 발명의 연료전지 열병합 발전 시스템은 상기 탄소 수증기 개질장치가 700℃ 이상의 분위기를 유지할 수 있도록 탄소 수증기 개질장치를 가열하는 가열기를 더 포함할 수 있다.
상기 연료전지로는 소량의 수소 및 일산화탄소를 포함하는 혼합가스를 사용하여도 발전 효율이 높은 용융탄산염형 연료전지 또는 고체산화물 연료전지를 사용할 수 있다.
촉매반응기는 상기 연료전지의 애노드로부터 배출되는 미반응 수소와 일산화탄소를 연소촉매를 사용하여 공기와 함께 산화시켜 열 및 배출가스를 발생시킬 수 있다. 이로부터 발생된 열 및 배출가스는 탄소 수증기 개질장치를 가열하는 가열기로 회수되어 재활용될 수 있다.
한편 본 발명에서는 아래와 같은 단계로 이루어지는 탄소 수증기 개질장치 및 연료전지를 사용한 열병합 발전방법을 제공한다.
탄소를 수증기와 공기로 개질하여 수소 및 일산화탄소 혼합가스를 생성시키는 단계(단계 1);
상기 수소 및 일산화탄소 혼합가스로부터 분진을 제거하는 단계(단계 2); 및
상기 분진이 제거된 수소 및 일산화탄소 혼합가스를 공급받아 연료전지로부터 전기를 생성하는 단계(단계 3).
이하 각 단계를 설명한다.
우선, 탄소를 수증기와 공기로 개질하여 수소 및 일산화탄소 혼합가스를 생성시킨다(단계 1). 단계 1에서 탄소로는 유기성 폐기물, 목질계 원료, 석유 정제 피치 등에 포함된 유기물에 대하여 탄화과정을 수행하여 수득된 탄소를 사용할 수 있다.
본 발명의 한 실시형태에 있어서, 단계 1에서는 탄소를 700℃ 이상의 탄소 수증기 개질장치 내에 공급한 후, 수증기와 공기를 사용하여 하기 화학식 2에 나타난 화학반응에 따라 개질함으로써 수소 및 일산화탄소 혼합가스로 전환할 수 있다.
C + H2O = H2 + CO
상기 탄소를 수증기와 공기로 개질하여 수소 및 일산화탄소 혼합가스를 생성 시키는 단계는 탄산염의 존재 하에 수행되는 것이 더 높은 농도의 수소 및 일산화탄소를 함유한 혼합가스를 얻는 데 있어 바람직하다.
상기 탄산염으로는 Li2CO3, Na2CO3 , K2CO3 등의 알칼리금속 탄산염을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
다음으로, 상기 수소 및 일산화탄소 혼합가스로부터 분진을 제거한다(단계 2).
탄소를 수증기와 공기로 개질하여 수소 및 일산화탄소 혼합가스를 생성시키는 과정에서는 상기 수소 및 일산화탄소 혼합가스에 분진이 혼합될 수 있으므로, 상기 수소 및 일산화탄소 혼합가스를 연료로 사용하는 연료전지에의 영향을 최소화할 수 있도록 상기 수소 및 일산화탄소 혼합가스로부터 분진을 제거하는 단계를 수행한다.
마지막으로, 상기 단계 2에서 분진이 제거된 수소 및 일산화탄소 혼합가스를 연료전지에 공급하여 전기를 생성한다(단계 3).
이와 같이 상기 단계 3에서 연료전지에 수소 및 일산화탄소 합성가스를 공급하여 직류를 생성한 후, 직류를 교류로 변환하는 직류-교류 변환기를 통해 교류로 변환될 수 있다.
또한, 본 발명의 열병합 발전방법은 상기 단계 3에서 연료전지를 통해 전기를 생성한 후, 연료로서 공급된 열분해 가스 중 미반응된 수소 및 일산화탄소를 회 수하여 촉매반응기를 통해 공기와 함께 산화시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 촉매반응기를 통해 미반응된 수소 및 일산화탄소를 공기와 함께 산화시켜 열을 발생시킬 수 있으며, 이와 같이 발생된 열은 가연성 폐기물 건조장치로 회수되어 가연성 폐기물의 건조에 사용될 수 있다. 또한 촉매반응기에서의 산화과정에서 발생된 배출가스는 회수되어 연료전지의 캐소드에 공급됨으로써 전기화학 반응에 사용될 수 있다.
본 발명은 유기성 폐기물, 목질계 원료, 석유 정제 피치 등에 포함된 유기물을 탄화시켜 얻은 탄소를 수증기와 공기로 개질함으로써 생성된 수소 및 일산화탄소 혼합가스를 증기 또는 가스터빈 발전이 아닌 연료전지에 이용할 수 있는, 고효율이면서도 친환경적인 연료전지 열병합 발전 시스템을 제공할 수 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 탄소 수증기 개질장치를 포함한 연료전지 열병합 발전 시스템에 대해 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 탄소 수증기 개질장치를 포함한 연료전지 열병합 발전 시스템의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
연료전지 열병합 발전 시스템(200)의 구성요소 중 탄소 수증기 개질장치(110)는 탄소를 수증기와 공기로 개질하여 수소 및 일산화탄소 혼합가스를 생성 하는 역할을 한다.
탄소 수증기 개질장치(110)는 탄소를 연속적으로 공급하는 탄소 공급장치(130)로부터 공급받은 탄소를 수증기 제조기(100)로부터 유입된 수증기 및 공기를 사용하여 개질함으로써 수소 및 일산화탄소 혼합가스로 전환시키며, 이와 같이 생성된 수소 및 일산화탄소 혼합가스는 연료전지에서 연료로 사용된다.
탄소 수증기 개질장치(110)로부터 유입된 탄소를 수증기 및 공기를 사용하여 개질하기 위해서는 탄소 수증기 개질장치(100)의 내부 온도를 700℃ 이상의 온도로 유지하는 것이 바람직하며, 상기 탄소 수증기 개질장치(110)의 온도를 유지하기 위해서 본 발명은 탄소 수증기 개질장치(110)를 가열하기 위한 가열기(120)를 더 포함한다.
상기 가열기(120)는 석탄, 석유, 가스 등의 연료를 연소하여 발생되는 열로 탄소 수증기 개질장치(110)를 가열한다. 또 하기에서 상술할 촉매반응기(170)로부터 회수된 열을 재활용하여 탄소 수증기 개질장치(110)를 가열할 수도 있다.
탄소 수증기 개질장치(110)로부터 유입된 탄소를 수증기 및 공기를 사용하여 개질하는 과정은 탄산염의 존재 하에 이루어지는 것이, 더 높은 농도의 수소 및 일산화탄소를 함유한 혼합가스를 수득하는데 있어 바람직하다(하기 시험예 1 참조).
상기 탄산염으로는 Li2CO3, Na2CO3 , K2CO3 등의 알칼리금속 탄산염을 사용하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
목질계 원료, 석유 정제 피치, 유기성 폐기물 등을 탄화시켜 수득한 탄소를 700℃ 이상의 고온에서 알칼리 금속탄산염을 포함한 탄소 수증기 개질장치 내부에 공급한 후, 상기 탄소 수증기 개질장치에 수증기와 함께 공기를 공급하면 수소농도 약 40%, 일산화탄소 약 9%를 포함하는 혼합가스가 발생한다. 이러한 조성의 가스는 용융탄산염형 연료전지(MCFC) 또는 고체산화물 연료전지(SOFC)에서 통상의 수소농도의 연료와 유사한 발전특성을 가지고 있으므로 고효율의 발전이 가능하다.
탄소 수증기 개질장치(110)로부터 유입된 탄소를 수증기 및 공기를 사용하여 개질함으로써 수득된 수소 및 일산화탄소 혼합가스는 개질과정에서 분진을 포함한다. 수소 및 일산화탄소 혼합가스에 포함된 분진은 연료전지에 공급될 경우 발전효율을 저하시킨다. 따라서 수소 및 일산화탄소 혼합가스에 포함된 분진을 제거하기 위해 수소 및 일산화탄소 혼합가스는 분진제거기(140)로 유입된다.
분진제거기(140)는 혼합가스로부터 분진을 제거할 수 있는 필터, 예를 들어, 다공성 세라믹필터, 금속제 필터 등을 포함하여 구성될 수 있다.
상술한 바와 같이 분진제거기(140)를 통해 분진이 제거된 수소 및 일산화탄소 혼합가스는 연료전지(160)의 애노드(162)에 연료로서 공급되어 발전에 사용된다.
본 실시예에서 사용되는 연료전지(160)는 용융탄산염형 연료전지(MCFC) 또는 고체산화물 연료전지(SOFC)를 사용하는데, 보통 사용되는 용융탄산염형 연료전지(MCFC) 또는 고체산화물 연료전지(SOFC)를 제한 없이 사용할 수 있다.
용융탄산염형 연료전지(MCFC)는 수소 및 일산화탄소의 산화 및 산소의 환원 반응을 원활히 진행하기 위해 넓은 표면적의 다공성 전극을 사용한다. 이 두 전극 사이의 세라믹 다공체에 함침된 용융탄산염이 주로 수소로 구성된 연료와 산소로 구성된 산화제의 직접 접촉을 막아준다. 또한 공기극(캐소드)에서 생성된 카보네이트 이온(CO3 2 -)이 연료극(애노드)으로 이동하는 통로의 역할을 수행한다.
용융탄산염형 연료전지(MCFC)는 고온에서 작동하는 연료전지로서 전극반응 속도가 충분히 빨라 폐기물로부터 발생될 것으로 생각되는 소량의 수소와 일산화탄소 혼합가스에 대해서도 일반적인 수소연료와 거의 동일한 전압-전류 및 전류-파워 특성을 나타낸다.
또한 고체산화물 연료전지(SOFC)는 수소 및 일산화탄소의 산화가 산화니켈로부터 출발한 니켈 금속에서 이루어지고, 산소의 환원은 전도성 세라믹에 의해 이루어진다. 또 산소이온 전도성 지르코니아 등의 전해질이 연료극인 애노드와 공기극인 캐소드 사이에 배치되어 수소나 일산화탄소가 산소와 화학반응하는 것을 막아주기도 한다.
그러나 용융탄산염형 연료전지(MCFC) 또는 고체산화물 연료전지(SOFC)가 하나의 단위전지로 사용되는 경우 이론 기전력이 약 1V로서 낮아 실제 사용하기에는 부적절하다. 따라서 이러한 단위전지를 전도체인 분리판을 통하여 적층하여 전기적으로 직렬 연결하여 적층수의 조절에 의해 목적하는 용량의 발전시스템으로 구성하여 사용한다.
즉 용융탄산염형 연료전지(MCFC) 또는 고체산화물 연료전지(SOFC) 단위전지는 한 쌍의 다공질 전극판(연료극 및 공기극)과 이들 사이에 존재하는 전해질판으로 구성되나, 이들 단위전지는 전도성의 분리판을 매개하여 적층된다. 분리판은 각 단위전지간의 전기적인 접속을 제공함과 동시에 연료극인 애노드에 연료가스의 유로와 공기극인 캐소드에 산화제가스의 유로를 제공한다.
상술한 바와 같이, 본 실시예에서 사용하는 용융탄산염형 연료전지(MCFC) 또는 고체산화물 연료전지(SOFC)는 적층구조의 연료전지이다. 용융탄산염형 연료전지(MCFC) 또는 고체산화물 연료전지(SOFC)에는 반응가스의 분배 및 회수기능을 가지는 매니폴드를 설치함으로써 반응에 필요한 가스가 입구 매니폴드를 통해 공급되고, 공기극 및 연료극 반응을 거친 후에 반대편 매니폴드를 통해 외부로 배출시킨다.
본 실시예의 탄소 수증기 개질장치를 포함하는 연료전지 열병합 발전 시스템(200)은 연료전지(160)의 애노드(162)로부터 배출되는 미반응된 수소와 일산화탄소를 연소촉매를 사용하여 공기와 함께 산화시키는 촉매반응기(170)를 포함한다.
촉매반응기(170)는 미반응된 수소와 일산화탄소를 연소시키는 반응장치이다. 촉매반응기(170)는 연소기 내부에 연소촉매를 설치하여 연료전지(160)의 애노드(162)로부터 배출되는 미반응된 소량의 수소와 일산화탄소를 포함하는 가스를 공기와 함께 공급하여 산화시켜 열을 발생시킨다. 따라서 촉매반응기(170)에서 배출되는 가스는 공기와 수증기 및 이산화탄소가 주성분으로 구성되어 있다.
촉매반응기(170)에서 미반응된 수소와 일산화탄소를 공기와 함께 산화시킴으 로써 발생되는 열은 열교환기(150)로 회수되어 연료전지(160)의 애노드(162)에 공급되는 수소 및 일산화탄소 혼합가스를 예열하는 데 사용된다. 또는 가열기(120)로 회수되어 탄소 수증기 개질장치(110)를 가열하는 데에도 사용된다.
공기, 수증기, 이산화탄소 등을 포함하는 촉매반응기(170)로부터의 배출가스는 연료전지(160)의 캐소드(161)에 공급되어 공기 중의 산소성분에 의해 전기화학 반응에 사용된 후 잉여가스는 출구를 통해 배출된다. 또한, 출구를 통해 배출된 가스는 가열기(120)로 회수되어 탄소 수증기 개질장치(110)의 가열에 사용된다.
본 발명에 따른 연료전지 열병합 발전 시스템(200)은 분진제거기(140)와 연료전지(160) 사이에 배치되어, 분진제거기(140)를 거쳐 공급되는 수소 및 일산화탄소 혼합가스의 온도를 유지하는 열교환기(150)를 더 포함할 수 있다.
상기 열교환기(150)는 분진제거기(140)로부터 공급되는 상기 혼합가스의 온도를 반응에 적절한 온도로 유지하여 연료전지(160)에 공급한다.
또한, 연료전지 열병합 발전 시스템(200)은 연료전지(160)로부터 발생된 직류를 교류로 변환시키는 직류-교류 변환기(180)를 더 포함한다.
이하, 상술한 연료전지 열병합 발전 시스템(200)을 통해 이루어진 실험을 구체적으로 설명한다.
본 실시예의 탄소 수증기 개질장치에 Li2CO3 62 몰% 및 K2CO3 38 몰%로 혼합한 알칼리금속 탄산염 20g의 존재 하에서 일반적으로 구할 수 있는 활성탄인 탄소 20g을 투입하여 800℃의 온도에서 공기를 0.200 l/min의 유량으로 그리고 수증기 0.265 l/min을 공급하여 개질하였다. 그 결과 발생된 가스의 농도 및 유량을 하기 표 1에 나타내었다. 또한, 본 발명의 탄소 수증기 개질장치에서 상기 탄산염이 존재하지 않은 상태에서 탄소 20g을 투입하여 800℃의 온도에서 공기를 0.200 l/min의 유량으로, 그리고 수증기 0.265 l/min을 공급하여 개질한 후 발생된 가스의 농도 및 유량을 하기 표 1에 나타내었다.
이상의 과정에 의해 탄소를 수증기와 800℃의 온도에서 용융탄산염이 존재하는 조건에서 수소와 일산화탄소로 개질한 후 용융탄산염 연료전지에 공급하여 하기 화학식 3 및 화학식 4에 표시된 반응으로 전기를 생성하였다.
애노드 (연료극) H2 + CO3 2 - → H2O + CO2 + 2e-
캐소드 (공기극) 1/2O2 + CO2 + 2e- → CO3 2 -
도 2는 예로 고온의 용융탄산염형 연료전지에서 통상의 수소연료 (H2 fuel, H2:CO2:H2O=69%:17%:14%)를 사용하는 수소연료전지와 실시 예의 조성에서 수증기를 14.0% 포함한 탄소 수증기 개질 가스 (C gas, H2:CO:CO2:N2:H2O =34.3%:7.6%:22.8%;21.3%:14.0%)에 대한 100 cm2급의 단위전지에서의 전류에 따른 전압 및 파워 특성을 나타내는 그래프이다. 도 2에서 알 수 있듯이 본 발명의 실시예에 따라 탄소 수증기 개질 가스를 용융탄산염 연료전지에 공급하여 발전하는 경우 통상의 수소연지에 비해 약간 낮은 전압-전류 특성을 보이고, 전력 측면에서도 통상의 수소연료에 비해 약 2% 낮은 성능을 보여 통상의 수소연지와 유사한 발전 특성을 보임을 알 수 있다.
발생기체 성분 탄소 (20g) + [Li2CO3 (62 몰%) + K2CO3 (38 몰%)] (20g) 탄소 (20g)
농도 (부피 %) 유량 (l/min) 농도 (부피 %) 유량 (l/min)
H2 34.3% 0.256 19.7% 0.093
N2 21.3% 0.160 34% 0.160
CO 7.6% 0.056 3.4% 0.016
CO2 22.8% 0.172 28.9% 0.136
H20 14.0% 0.105 14.0% 0.066
표 1에 나타난 바와 같이, 탄소를 수증기 및 공기를 사용하여 개질하는 과정에서 탄소만 사용한 경우에 비해, 혼합탄산염과 탄소를 같이 사용하는 경우 수소 및 일산화탄소 발생량이 대략 2배 정도 증가함을 알 수 있다. 또한 탄소와 혼합탄산염을 사용하여 탄소를 개질하는 경우 탄소가 일산화탄소로 전환된 후 상기 혼합탄산염은 거의 소모 없이 회수될 수 있는 것으로 실험을 통하여 관찰되었다. 이로부터 탄소 수증기 개질장치에 대하여 탄산염의 보충량을 최소로 유지하며 탄소의 연속공급에 의해 연속발전이 가능함을 예상할 수 있다.
이상 본 발명을 바람직한 실시예를 통해 설명하였으나, 이러한 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정도 첨부된 특허청구범위에 속하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 탄소 수증기 개질장치를 포함한 연료전지 열병합 발전 시스템의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 고온의 용융탄산염형 연료전지에서 통상의 수소연료 (H2 fuel, H2:CO2:H2O=69%:17%:14%)를 사용하는 수소연료전지와 실시 예의 조성에서 수증기를 14.0% 포함한 탄소 수증기 개질 가스 (C gas, H2:CO:CO2:N2:H2O =34.3%:7.6%:22.8%;21.3%:14.0%)에 대한 100 cm2급의 단위전지에서의 전류에 따른 전압 및 파워 특성을 나타내는 그래프이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
200: 연료전지 열병합 발전 시스템 100: 수증기 제조기
110: 탄소 수증기 개질장치 120: 가열기
130: 탄소 공급장치 140: 분진제거기
150: 열교환기 160: 연료전지
161: 애노드 162: 캐소드
170: 촉매반응기 180: 직류-교류 변환기

Claims (21)

  1. 탄소를 수증기와 공기로 개질하여 수소 및 일산화탄소 혼합가스를 생성시키는 탄소 수증기 개질장치;
    상기 탄소 수증기 개질장치로부터 생성된 수소 및 일산화탄소 혼합가스로부터 분진을 제거하기 위한 분진제거기;
    상기 분진제거기를 통해 분진이 제거된 수소 및 일산화탄소 혼합가스를 애노드로부터 공급받아 전기를 생산하는 연료전지; 및
    상기 연료전지의 애노드로부터 배출되는 미반응된 수소와 일산화탄소를 연료촉매를 사용하여 공기와 함께 산화시키는 촉매반응기를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 수증기 개질장치를 포함한 연료전지 열병합 발전 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 탄소 수증기 개질장치가 탄소 공급장치와 연결되어 탄소를 공급받아 700℃ 이상의 분위기 하에서 탄소를 수증기와 공기로 개질함으로써 수소 및 일산화탄소 혼합가스를 공급받는 것을 특징으로 하는 탄소 수증기 개질장치를 포함한 연료전지 열병합 발전 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 탄소 수증기 개질장치가 내부에 탄산염을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 수증기 개질장치를 포함한 연료전지 열병합 발전 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 탄산염이 알칼리금속 탄산염인 것을 특징으로 하는 탄소 수증기 개질장치를 포함한 연료전지 열병합 발전 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 탄소 수증기 개질장치에 공급되는 탄소가 유기성 폐기물, 목질계 원료 또는 석유 정제 피치를 탄화시켜 수득된 탄소인 것을 특징으로 하는 탄소 수증기 개질장치를 포함한 연료전지 열병합 발전 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 탄소 수증기 개질장치가 700℃ 이상의 분위기를 유지할 수 있도록 탄소 수증기 개질장치를 가열하는 가열기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 수증기 개질장치를 포함한 연료전지 열병합 발전 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 탄소 수증기 개질장치에 수증기를 공급하는 수증기 제조장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 수증기 개질장치를 포함한 연료전지 열병합 발전 시스템.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 연료전지는 용융탄산염형 연료전지 또는 고체산화물 연료전지인 것을 특징으로 하는 탄소 수증기 개질장치를 포함한 연료전지 열병합 발전 시스템.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 촉매반응기는 상기 연료전지의 애노드로부터 배출되는 미반응된 수소와 일산화탄소를 연소촉매를 사용하여 공기와 함께 산화시켜 열 및 배출가스를 발생시키는 것을 특징으로 하는 탄소 수증기 개질장치를 포함한 연료전지 열병합 발전 시스템.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 촉매반응기에서 발생된 열이 회수되어 탄소 수증기 개질장치를 가열하는 가열기에 공급되는 것을 특징으로 하는 탄소 수증기 개질장치를 포함한 연료전지 열병합 발전 시스템.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 촉매반응기에서 발생된 배출가스가 상기 연료전지의 캐소드에 공급되어 전기화학 반응에 사용되는 것을 특징으로 하는 탄소 수증기 개질장치를 포함한 연료전지 열병합 발전 시스템.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 촉매반응기에서 발생된 배출가스가 상기 연료전지의 캐소드에 공급되어 전기화학 반응에 사용된 후, 가열기로 회수되어 탄소 수증기 개질장치의 가열에 사용되는 것을 특징으로 하는 탄소 수증기 개질장치를 포함한 연료전지 열병합 발전 시스템.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 분진제거기와 연료전지 사이에 배치되어, 분진제거기를 거쳐 연료전지로 공급되는 수소 및 일산화탄소 혼합가스의 온도를 유지할 수 있게 하는 열교환기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 수증기 개질장치를 포함한 연료전지 열병합 발전 시스템.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 연료전지로부터 발생된 직류를 교류로 변환시키는 직류-교류 변환기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 수증기 개질장치를 포함한 연료전지 열병합 발전 시스템.
  15. 탄소를 수증기와 공기로 개질하여 수소 및 일산화탄소 혼합가스를 생성시키는 단계(단계 1);
    상기 수소 및 일산화탄소 혼합가스로부터 분진을 제거하는 단계(단계 2); 및
    상기 분진이 제거된 수소 및 일산화탄소 혼합가스를 공급받아 연료전지로부터 전기를 생성하는 단계(단계 3)를 포함하는, 탄소 수증기 개질장치 및 연료전지를 사용한 열병합 발전방법.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 탄소를 수증기와 공기로 개질하는 단계 1은 700 ℃ 이상의 분위기에서 탄산염을 포함한 탄소 수증기 개질장치 내에서 수행되는 것을 특징으로 하는 탄소 수증기 개질장치 및 연료전지를 사용한 열병합 발전방법.
  17. 청구항 15에 있어서,
    상기 단계 3에서는 사용하는 연료전지는 용융탄산염형 연료전지 또는 고체산화물 연료전지인 것을 특징으로 하는 탄소 수증기 개질장치 및 연료전지를 사용한 열병합 발전방법.
  18. 청구항 15에 있어서,
    상기 단계 3에서 수소 및 일산화탄소 혼합가스를 공급받아 연료전지로부터 전기를 생성한 후, 미반응된 수소와 일산화탄소를 촉매반응기를 사용하여 공기와 함께 산화시켜 열 및 배출가스를 발생시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 수증기 개질장치 및 연료전지를 사용한 열병합 발전방법.
  19. 청구항 18에 있어서,
    상기 촉매반응기에서 발생된 열은 회수되어 탄소 수증기 개질장치를 가열하기 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 탄소 수증기 개질장치 및 연료전지를 사용한 열병합 발전방법.
  20. 청구항 18에 있어서,
    상기 촉매반응기에서 발생된 배출가스가 상기 연료전지의 캐소드에 공급되어 전기화학 반응에 사용되는 것을 특징으로 하는 탄소 수증기 개질장치 및 연료전지를 사용한 열병합 발전방법.
  21. 청구항 20에 있어서,
    상기 촉매반응기에서 발생된 배출가스가 상기 연료전지의 캐소드에 공급되어 전기화학 반응에 사용된 후, 가열기로 회수되어 탄소 수증기 개질장치의 가열에 사용되는 것을 특징으로 하는 탄소 수증기 개질장치 및 연료전지를 사용한 열병합 발전방법.
KR1020090094710A 2009-10-06 2009-10-06 탄소 수증기 개질장치를 포함한 연료전지 열병합 발전 시스템 KR101133543B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020090094710A KR101133543B1 (ko) 2009-10-06 2009-10-06 탄소 수증기 개질장치를 포함한 연료전지 열병합 발전 시스템

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020090094710A KR101133543B1 (ko) 2009-10-06 2009-10-06 탄소 수증기 개질장치를 포함한 연료전지 열병합 발전 시스템

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20110037316A true KR20110037316A (ko) 2011-04-13
KR101133543B1 KR101133543B1 (ko) 2012-04-05

Family

ID=44044814

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020090094710A KR101133543B1 (ko) 2009-10-06 2009-10-06 탄소 수증기 개질장치를 포함한 연료전지 열병합 발전 시스템

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101133543B1 (ko)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2013012246A2 (en) * 2011-07-18 2013-01-24 Tes Co., Ltd Power generating apparatus using effluent gases exhausted from process chamber
KR20190030044A (ko) * 2017-09-13 2019-03-21 한국에너지기술연구원 유기물의 수증기 개질 반응을 통한 수소 가스 생성 장치 및 이를 이용한 수소 가스 생성 방법
KR102596138B1 (ko) * 2023-06-01 2023-11-01 주식회사 젯트 고온환원 자원화 장치 구비 고체산화물 연료전지시스템, 상기 고온환원 자원화 장치 구비 고체산화물 연료전지시스템을 구성하는 폐열회수 열교환 발전기, 상기 고온환원 자원화 장치 구비 고체산화물 연료전지시스템을 구성하는 온수 공급 유닛 및 상기 고온환원 자원화 장치 구비 고체산화물 연료전지시스템을 구성하는 합성가스 발전 유닛

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002216831A (ja) 2001-01-24 2002-08-02 Matsushita Electric Ind Co Ltd 燃料電池発電装置
KR100533298B1 (ko) * 2002-09-30 2005-12-05 가부시끼가이샤 도시바 연료 전지 시스템
EP1877520B8 (en) 2005-01-18 2013-11-13 Elementa Group, Inc. Method for steam reforming carbonaceous material
KR100887137B1 (ko) * 2008-06-12 2009-03-04 김현영 탄화물 열분해 개질 방법 및 그 장치

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2013012246A2 (en) * 2011-07-18 2013-01-24 Tes Co., Ltd Power generating apparatus using effluent gases exhausted from process chamber
WO2013012246A3 (en) * 2011-07-18 2013-04-11 Tes Co., Ltd Power generating apparatus using effluent gases exhausted from process chamber
KR20190030044A (ko) * 2017-09-13 2019-03-21 한국에너지기술연구원 유기물의 수증기 개질 반응을 통한 수소 가스 생성 장치 및 이를 이용한 수소 가스 생성 방법
KR102596138B1 (ko) * 2023-06-01 2023-11-01 주식회사 젯트 고온환원 자원화 장치 구비 고체산화물 연료전지시스템, 상기 고온환원 자원화 장치 구비 고체산화물 연료전지시스템을 구성하는 폐열회수 열교환 발전기, 상기 고온환원 자원화 장치 구비 고체산화물 연료전지시스템을 구성하는 온수 공급 유닛 및 상기 고온환원 자원화 장치 구비 고체산화물 연료전지시스템을 구성하는 합성가스 발전 유닛

Also Published As

Publication number Publication date
KR101133543B1 (ko) 2012-04-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6397502B2 (ja) 水素製造のための改質装置・電解装置・精製装置（ｒｅｐ）組立体、同組立体を組み込むシステムおよび水素製造方法
KR100961838B1 (ko) 외부 개질형 용융탄산염 연료전지 시스템
US20050112425A1 (en) Fuel cell for hydrogen production, electricity generation and co-production
CN215578650U (zh) 使用氨气为燃料的固体氧化物燃料电池与质子交换膜燃料电池混合系统
KR20150079444A (ko) 고체 산화물 연료 전지 시스템
JP2007538379A5 (ko)
AU1260100A (en) Solid oxide fuel cell which operates with an excess of fuel
JP2007128680A (ja) 燃料電池システム
JP2014519177A (ja) 燃料電池と往復動ガソリン／ディーゼルエンジンとのハイブリッドシステム
US9257713B2 (en) Solid oxide fuel cell system equipped with carbon monoxide generator using ultraclean coal or graphite
CN113506902A (zh) 使用氨气为燃料的固体氧化物燃料电池与质子交换膜燃料电池混合系统
KR101133543B1 (ko) 탄소 수증기 개질장치를 포함한 연료전지 열병합 발전 시스템
JP2007200709A (ja) 固体酸化物形燃料電池スタックおよびその運転方法
JP2004171802A (ja) 燃料電池システム
JP2017183155A (ja) 燃料電池システム
KR20020056123A (ko) 연료전지의 가습장치
JP3837662B2 (ja) 燃料電池発電装置および燃料電池発電装置の運転方法
KR100987824B1 (ko) 자립 고체산화물 연료전지 시스템의 운전 방법
CN113471492B (zh) 使用固废合成气的燃料电池发电系统及发电方法
JP3872006B2 (ja) 燃料電池発電システム
KR102555437B1 (ko) Soe-sofc-ccs 하이브리드 시스템
Rai et al. Fuel Cell Utilization for Energy Storage
JPH0665060B2 (ja) 溶融炭酸塩型燃料電池発電システム
KR102435378B1 (ko) 플라즈마-매트릭스 버너 부분산화 개질기 기반의 태양연료 생산 시스템
JP2003178790A (ja) 燃料電池発電システム

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20150303

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20160318

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20170303

Year of fee payment: 6

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20180305

Year of fee payment: 7

LAPS Lapse due to unpaid annual fee