KR20120013002A - 기력발전소의 연료전지 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 기력발전소의 연료전지 시스템에 관한 것으로, 외부에서 유입되는 가스연료를 압축하여 공급하는 연료공급부, 이 연료공급부로부터 공급되는 가스연료를 탈황처리하는 탈황처리부, 이 탈황처리부를 거치며 탈황처리된 가스연료에 물을 공급하는 물공급부, 이 탈황처리부를 거친 가스연료와 물공급부로부터 공급되는 물을 혼합하여 습분연료를 형성하는 습분연료생성부, 이 습분연료생성부로부터 생성된 습분연료를 개질하고 메탄을 제외한 고 탄화수소를 제거하는 연료전처리부, 및 이 연료전처리부로부터 메탄가스를 공급받아 전기 화학 반응을 일으킴으로서 배기가스를 발생시키는 연료전지스택을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 종래 기술과 달리 고온형 연료전지인 용융탄산염 연료전지를 통해 발생되는 중저온의 폐열을 메인발전기의 워밍업용 연료로 재활용함으로써 기존에 구비되는 보조보일러를 제거할 수 있어 유지, 보수비용을 줄일 수 있고, 중저온의 폐열에 포함된 수소가스를 포집하여 그린에너지로 활용할 수 있어 신재생에너지를 실현할 수 있다.

Description

기력발전소의 연료전지 시스템{MCFC SYSTEM OF STEAM POWER STATION}
본 발명은 기력발전소의 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고온형 연료전지인 용융탄산염 연료전지를 통해 발생되는 중저온의 폐열을 메인발전기의 워밍업용 연료로 재활용함으로써 기존에 구비되는 보조보일러를 제거할 수 있어 유지, 보수비용을 줄일 수 있고, 중저온의 폐열에 포함된 수소가스를 포집하여 그린에너지로 활용할 수 있어 신재생에너지를 실현할 수 있는 기력발전소의 연료전지 시스템에 관한 것이다.
스팀터빈을 일반적으로 갖춘 기력발전소의 기동은 통상적으로 증기를 사용하여 실시되며, 증기는 이 목적을 위해 제공된 시동보일러에 의해 제조되고, 이 시동보일러는 보조증기발생기에 의해 워밍업(warming-up)된다.
이 경우, 시동시에 필요로 하는 전력은 가스터빈에 의해 구동되는 발전기에 의해 발전되고, 가스터빈과 함께 발전소의 정상적인 운전시에는 작용되지 아니하는 별도의 분리장치를 형성한다.
기력발전소 구성부재의 공지된 접속장치의 결점은 보조동력발생기를 작동하는 가스터빈과 보조증기발생기가 각각 별도로 분리되어 점화되는 환경에 있다.
기존 기력발전소는 시동보일러(main boiler)의 워밍업을 위해 별도의 보조증기발생기(aux boiler)를 구비함에 따라 설비비의 증가를 초래하고, 복잡한 레이아웃으로 인해 유지, 보수가 어려우며, 관리비가 증가하는 문제점이 있다. 따라서, 이를 개선할 필요성이 요청된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점들을 개선하기 위하여 안출된 것으로서, 고온형 연료전지에 탈황된 습분연료를 개질하여 공급함에 따라 배기되는 중저온 습공기를 메인발전기의 워밍업용 연료로 재활용함으로써 기존에 구비되는 보조증기발생기(보조보일러)를 제거할 수 있어 유지, 보수비용을 줄이고, 설비비를 절감할 수 있도록 하는 기력발전소의 연료전지 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 배기되는 중저온 습공기에 포함된 수소가스를 포집하여 그린에너지로 활용할 수 있어 신재생에너지를 실현할 수 있도록 하는 기력발전소의 연료전지 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 기력발전소의 연료전지 시스템은: 외부에서 유입되는 가스연료를 압축하여 공급하는 연료공급부, 상기 연료공급부로부터 공급되는 가스연료를 탈황처리하는 탈황처리부, 상기 탈황처리부를 거치며 탈황처리된 가스연료에 물을 공급하는 물공급부, 상기 탈황처리부를 거친 가스연료와 상기 물공급부로부터 공급되는 물을 혼합하여 습분연료를 형성하는 습분연료생성부, 상기 습분연료생성부로부터 생성된 습분연료를 개질하고 메탄을 제외한 고 탄화수소를 제거하는 연료전처리부, 및 상기 연료전처리부로부터 메탄가스를 공급받아 전기 화학 반응을 일으킴으로서 배기가스를 발생시키는 연료전지스택을 포함한다.
일 실시예에 따른 상기 연료전지스택은, 상기 연료전처리부로부터 공급되는 메탄가스에 열을 가해 이산화탄소와 수소로 개질하는 연료가열부, 상기 연료가열부를 거치면서 개질된 이산화탄소와 수소를 애노드측으로 공급받아 캐소드측으로부터 공급되는 산소를 함유하는 산화 가스와 작용을 일으킴으로서 전기 화학 반응에 의한 기전력을 얻는 연료전지, 상기 연료전지에서 배출되는 가스 중 미반응수소를 산화함으로써 잔류하는 물과 이산화탄소를 상기 연료전지 내부에서 전기 화학 반응을 위해 상기 캐소드측으로 공급 유도하는 촉매산화기, 및 상기 캐소드측으로부터 배출되는 고온의 가스를 전처리되는 가스와 열교환된 후 중저온의 습증기 상태로 변환 유도하는 열교환유도부를 포함한다.
다른 실시예에 따른 상기 연료전지스택은, 상기 연료전처리부로부터 공급되는 메탄가스에 열을 가해 이산화탄소와 수소로 개질하는 연료가열부, 상기 연료가열부를 거치면서 개질된 이산화탄소와 수소를 애노드측으로 공급받아 캐소드측으로부터 공급되는 산소를 함유하는 산화 가스와 작용을 일으킴으로서 전기 화학 반응에 의한 기전력을 얻는 연료전지, 상기 캐소드측으로부터 배출되는 고온의 가스를 전(前)처리되는 가스와 열교환된 후 중저온의 습증기 상태로 변환 유도하는 열교환유도부; 및 상기 연료전지에서 배출되는 가스 또는 상기 연료전지에서 배출되는 가스 또는 상기 열교환유도부를 거친 후 습증기 상태로 배출되는 가스 중 미반응수소를 비중차이를 이용하여 분리 회수하는 수소분리기를 포함한다.
상기 열교환유도부는, 상기 캐소드측에서 배출되는 고온의 가스를 메탄가스의 개질을 위해 열교환하도록 상기 연료가열부 내부로 안내하는 제 1안내관부재, 상기 연료가열부를 통과하면서 메탄가스와 열교환 후 배출되는 중온의 가스를 상기 습분연료생성부로 공급 안내하여 습분연료의 온도를 상승 유도하는 제 2안내관부재, 및 상기 습분연료생성부 내부에서 습분연료와 열교환 후 중저온 습증기 상태인 가스를 배기 안내하는 제 3안내관부재를 포함한다.
상기 연료가열부와 상기 연료전지는 일대일 대응되도록 n개 구비되고, 상기 애노드 각각은 배출되는 물과 이산화탄소와 미반응수소를 모아 혼합하는 혼합부에 연결되며, 상기 혼합부는 상기 촉매산화기에 연결됨이 바람직하다.
상기 혼합부는 미반응수소의 산화 촉매를 위해 가열된 공기를 공급하는 고온공기공급부에 연결됨이 바람직하다.
또 다른 실시예에 따른 상기 연료전지스택은, 상기 연료전처리부로부터 공급되는 메탄가스에 열을 가해 이산화탄소와 수소로 개질하는 연료가열부, 상기 연료가열부를 거치면서 개질된 이산화탄소와 수소를 애노드측으로 공급받아 캐소드측으로부터 공급되는 산소를 함유하는 산화 가스와 작용을 일으킴으로서 전기 화학 반응에 의한 기전력을 얻는 연료전지, 상기 연료전지에서 배출되는 가스 중 미반응수소를 산화함으로써 잔류하는 물과 이산화탄소를 상기 연료전지 내부에서 전기 화학 반응을 위해 상기 캐소드측으로 공급 유도하는 촉매산화기, 상기 촉매산화기를 거치며 생성된 물과 이산화탄소를 포집하는 가스포집기, 및 상기 가스포집기에 포집된 물과 이산화탄소에 반응을 일으켜 수소를 분리하는 수소분리기를 포함한다.
상기 수소분리기는, 하측에 배출되는 가스를 유입하기 위한 유입구를 형성하고 상측에 수소가스를 배출하는 수소배출구를 구비하며 하측에 수소가스를 제외한 잔여가스를 배출하는 잔여가스배출구를 갖는 케이싱, 상기 케이싱 내부를 가로 구획하고 타공홀을 형성하여 분리된 수소가스를 내부 상측으로 임시 포집하는 플레이트, 및 상기 플레이트 하측에 해당되는 상기 케이싱 내부에 가스의 유입방향에 대해 세워지게 형성되어 수소가스와 잔여가스를 비중차이로 분리하는 배플을 포함한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 기력발전소의 연료전지 시스템은 종래 기술과 달리 고온형 연료전지에 탈황된 습분연료를 개질하여 공급함에 따라 배기되는 중저온 습공기를 메인발전기의 워밍업용 연료로 재활용함으로써 기존에 구비되는 보조증기발생기(보조보일러)를 제거할 수 있어 유지, 보수비용을 줄이고, 설비비를 절감할 수 있다.
즉, 본 발명은 연료전지스택의 동작을 위해 발생되는 열로 인해 외부로 유출되는 배기가스의 열순환 동작을 통해 용융탄산염 연료전지 시스템 구현을 위한 연료의 낭비와 폐열의 낭비를 억제하여 최대한의 열효율과 전력생산의 증대를 기대할 수 있다.
아울러, 본 발명은 배기되는 중저온 습공기에 포함된 수소가스를 포집하여 그린에너지로 활용할 수 있어 신재생에너지를 실현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 기력발전소의 연료전지 시스템의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 기력발전소의 연료전지 시스템의 블록도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 기력발전소의 연료전지 시스템의 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 기력발전소의 연료전지 시스템의 수소분리기 내부도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 기력발전소의 연료전지 시스템의 실시예를 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 기력발전소의 연료전지 시스템의 블록도이고, 도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 기력발전소의 연료전지 시스템의 블록도이며, 도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 기력발전소의 연료전지 시스템의 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 기력발전소의 연료전지 시스템의 수소분리기 내부도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 기력발전소의 연료전지 시스템은 연료공급부(100), 탈황처리부(200), 물공급부(300), 습분연료생성부(400), 연료전처리부(500) 및 연료전지스택(600)을 포함한다.
연료공급부(100)는 외부에서 유입되는 천연가스 등의 가스연료를 압축하여 탈황처리부(200)로 공급하는 역할을 한다.
즉, 연료공급부(100)는 외부에서 유입되는 천연가스 등의 가스연료를 압축한 후 P1의 경로를 통해 탈황처리부(200)에 공급한다.
연료공급부(100)가 가스연료를 압축하는 방식은 다양하게 적용 가능하다.
아울러, 가스연료는 연료공급부(100)를 통해 탈황처리부(200)로 연속되게 공급될 수도 있고, 공급이 단속될 수 있으며, 공급량이 조절됨이 바람직하다.
그리고, 탈황처리부(200)는 연료공급부(100)로부터 공급되는 가스연료를 탈황처리하는 역할을 한다.
이는, 배기되는 가스에 황성분을 제거함으로써 공기오염을 방지하기 위함이다.
다시 말해서, 탈황처리부(200)는 연료공급부(100)로부터 압축된 가스연료를 공급받아 일부 개질하거나 탈황 처리한 후 P2의 경로를 통해 습분연료생성부(400)에 공급한다.
또한, 물공급부(300)는 탈황처리부(200)를 거치며 탈황 처리된 가스연료에 물을 공급하는 역할을 한다.
즉, 물공급부(300)는 P3의 경로를 통해 순수(탈염수: Demineralized water)를 탈황처리부(200)를 통과한 가스연료에 합지하는 역할을 한다.
물론, 물공급부(300)는 습분연료생성부(400)에 순수를 직접적으로 공급할 수도 있다.
한편, 습분연료생성부(400)는 탈황처리부(200)를 거친 가스연료와 물공급부(300)로부터 공급되는 물을 혼합하여 습분연료를 형성하는 역할을 한다.
여기서, 습분연료는 P4의 경로를 통해 연료전처리부(500)로 공급되는데, 물은 연료전처리부(500)에 공급되는 가스연료를 개질하는데 사용된다.
특히, 가스연료에 물이 혼합되는 이유는 가스와 물의 반응을 통해 수소가스의 배기를 유도하기 위함이다.
아울러, 물이 탈황처리부(200)를 통과한 가스연료에 혼합되는 이유는 황 성분을 함유한 가스연료와 물의 반응시 탈황처리부(200)에서 황 성분의 제거가 어렵기 때문이다.
이때, 습분연료생성부(400)에서 가스연료와 물의 혼합비는 필요에 따라 외부나 자동적으로 조절됨이 바람직하다.
그리고, 연료전처리부(500)는 습분연료생성부(400)로부터 생성된 습분연료를 개질하고, 메탄을 제외한 고 탄화수소(Hydrocarbon)를 제거하는 역할을 한다.
여기서, 고 탄화수소는 C2H6, C3H8, I-C4H10, N-C4H10 등을 말한다.
즉, 연료전처리부(500)는 습분연료생성부(400)에서 공급되는 습분 가스연료를 유입받아 메탄(CH4)을 제외한 고 탄화수소(Hydrocarbon : C2H6, C3H8, I-C4H10, N-C4H10 등)를 일부 개질하고 탈황 처리한 후 연료전지스택(600)으로 연료를 공급하는 역할을 한다.
또한, 연료전지스택(600)은 연료전처리부(500)로부터 메탄가스를 공급받아 전기 화학 반응을 일으킴으로서 설정 온도의 배기가스를 발생시키는 역할을 한다.
이 연료전지스택(600)은 기존의 보조보일러인 옥스(aux) 보일러(도시하지 않음)를 대체하는 것으로서 전체 설비비를 줄이면서 유지 보수가 용이하며, 배기되는 가스로서 메인(main) 보일러(도시하지 않음)를 워밍업하는 역할을 한다.
특히, 연료전지스택(600)은 연료가열부(610), 연료전지(620), 촉매산화기(630) 및 열교환유도부(640)를 포함한다.
연료가열부(FSH:Fuel Super Heater,610)는 연료전처리부(500)로부터 공급되는 메탄가스에 열을 가해 이산화탄소와 수소로 개질하는 역할을 한다.
즉, 연료전처리부(500)에서 P5의 경로를 통해 연료가열부(610)로 공급된 연료는 가열되며 이산화탄소와 수소(CO2+4H2)로 개질된 후 P6의 경로를 통해 애노드(Anode,622)에 공급된다.
그리고, 연료전지(620)는 연료가열부(610)를 거치면서 개질된 이산화탄소와 수소를 애노드(622)측으로 공급받아 캐소드(Cathode,624)측으로부터 공급되는 산소를 함유하는 산화 가스와 작용을 일으킴으로서 전기 화학 반응에 의한 기전력을 얻는 역할을 한다.
다시 말해서, 연료전지(620)의 애노드(622)측은 적어도 수소를 함유하는 연료 가스를 공급받고, 연료전지(620)의 캐소드(624)측은 적어도 산소를 함유하는 산화 가스의 공급을 받는다.
아울러, 이 수소를 함유하는 연료 가스와 산소를 함유하는 산화 가스는 상호 전기 화학 반응에 의해서 기전력을 얻게 된다.
더욱 상세히, 연료전지(620)가 전류를 공급받게 되면, 애노드(622)측과 캐소드(624)측 사이에서는 온도상승에 따라 탄산염이 녹으면서 발생한 CO3 -2 탄산이온은 애노드(622)측으로 이동하게 된다.
그리고, 애노드(622)측으로 이동한 CO3 -2 수소와 반응하여 물(H2O)과 이산화탄소(CO2) 및 전자(2e-)를 생성하게 된다.
이 후, 전자(2e-)는 외부회로를 통해 전기를 생산하고 캐소드(624)측으로 이동하게 된다.
이때, 캐소드(624)측으로 이동한 전자(2e-), 산소(1/2O2), 이산화탄소(CO2)가 반응하여 탄산이온(CO3 -2)을 형성하여 전해질로 공급하게 된다.
즉, 애노드(622)측에서는 연료 가스가 물(H2O-증기상태)과 이산화탄소(CO2)로 개질된 후 P7의 경로를 통해 이동하게 된다.
이때, 애노드(622)측에서 배출되는 연료 가스는 연료전지(620) 내부에서 미반응된 수소를 포함하게 된다.
특히, 연료전지(620)는 메인 발전기의 충분한 워밍업을 위해 배기되는 가스(증기)의 온도를 설정치까지 올리기 위해 다수 개(n) 필요하게 된다.
그래서, n개 각각의 애노드(622)측에서 물(H2O-증기상태)과 이산화탄소(CO2)로 개질된 연료 가스는 혼합부(700)에 일시적으로 모여 서로 혼합됨이 바람직하다.
즉, 각각의 애노드(622)측에서 물(H2O-증기상태)과 이산화탄소(CO2)로 개질된 연료 가스 및 미반응수소가스는 대응되는 P7의 경로를 통해 혼합부(700)로 공급된다.
그리고, 각각의 애노드(622)측에서 배기되는 미반응수소가스는 연소시킴으로써 완전 연소를 유도함이 바람직하다.
따라서, 촉매산화기(Catalytic Oxidizer,630)는 연료전지(620)에서 배출되는 가스 중 미반응수소를 산화함으로써 잔류하는 물과 이산화탄소를 연료전지(620) 내부에서 전기 화학 반응을 위해 캐소드(624)측으로 공급 유도하는 역할을 한다.
다시 말해서, 각각의 애노드(622)측에서 P7의 경로를 통해 배출되는 물(H2O-증기상태)과 이산화탄소(CO2)로 개질된 연료 가스 및 미반응수소가스는 혼합부(700)에서 혼합된 상태로, 미반응수소가스는 P9의 경로를 통해 촉매산화기(630)로 유입되어 연소된다.
그래서, 촉매산화기(630)에서 배출되는 연료 가스는 물(H2O-증기상태)과 이산화탄소(CO2)로 이루어지게 된다.
한편, 촉매산화기(630)에서 미반응수소가스가 충분히 연소되기 위해서는 촉매산화기(630) 내부에 산소를 더 공급하고, 열을 가함이 바람직하다.
일례로써, 혼합부(700)는 미반응수소의 산화 촉매를 위해 가열된 공기를 공급하는 고온공기공급부(800)에 연결된다.
즉, 고온공기공급부(800)에서 가열된 공기는 P8의 경로를 통해 혼합부(700)로 공급된다.
따라서, 혼합부(700)에 일시 저장되는 미반응수소는 가열된 후 P9의 경로를 통과하면서 개질되며 산소와 화학 반응을 일으키게 된다.
물론, 고온공기공급부(800)는 촉매산화기(630)와 직접적으로 연결될 수도 있다.
또한, 촉매산화기(630)에서 개질되어 물(H2O-증기상태)과 이산화탄소(CO2)로 이루어진 연료 가스는 P10의 경로를 통해 각각의 캐소드(624) 내부로 공급된다.
이 캐소드(624) 내부로 공급된 연료 가스는 캐소드(624)에서 배기되는 580℃ 내외의 고온의 배기가스를 이용하여 주입받은 일부 개질된 연료, 수소 및 물을 가열하여 애노드(622)에 공급하도록 화학 반응을 일으키게 된다.
한편, 연료전지(620) 특히 각 캐소드(624)에서는 화학 반응을 일으키며 고온 상태로 남은 물(H2O-증기상태)과 이산화탄소(CO2)가 고온으로 배기된다.
이 고온상태로 배기되는 남은 물(H2O-증기상태)과 이산화탄소(CO2)는 열교환유도부(640)에 유동하며 전(前)처리단계에서 유동하는 가스와 열교환된 후 중저온의 습증기 상태로 변환 유도된다.
이때, '전처리단계'는 고온의 배기가스가 연료가열부(610)에서 열교환함을 의미하고, 습분연료생성부(400)에서 열교환함을 의미한다.
다시 말해서, 열교환유도부(640)는 캐소드(624)에서 배기되는 1050~1100℃ 정도의 고온의 배기가스를 이용하여 연료가열부(610)를 통과하는 메탄가스와 열교환하며 이 메탄가스의 개질을 돕고, 이후, 습분연료생성부(400)를 통과하며 습분연료의 습기를 감소시키도록 열교환되고 나서 중저온의 습증기 상태로 배기되도록 유도하는 역할을 한다.
일례로, 열교환유도부(640)는 제 1안내관부재(642), 제 2안내관부재(644) 및 제 3안내관부재(646)를 포함한다.
제 1안내관부재(642)는 각각의 캐소드(624)측에서 배출되는 1050~1100℃인 고온의 가스를 메탄가스의 충분한 개질을 위해 열교환하도록 연료가열부(610) 내부로 안내하는 역할을 한다.
이때, 고온의 가스는 연료전지(620) 내부에서 화학반응을 일으키면서 남은 물(H2O-증기상태)과 이산화탄소(CO2)로 이루어진 배기가스이다.
아울러, 제 2안내관부재(644)는 연료가열부(610)를 통과하면서 메탄가스와 열교환된 후 배출되는 중온의 가스를 습분연료생성부(400)로 공급 안내하여 습분연료의 온도를 상승 유도하는 역할을 한다.
특히, 연료가열부(610)를 통과하는 가스는 700~850℃의 중온으로서, 이 중온의 가스가 습분연료생성부(400) 내부의 습분연료에 열을 가해 습분을 건조시키는 역할을 한다.
여기서, 습분연료가 건조되는 이유는 개질이 충분히 이루어질 수 있도록 하기 위함이다.
한편, 제 3안내관부재(646)는 습분연료생성부(400) 내부에서 습분연료와 열교환 후 중저온 습증기 상태인 가스를 배기 안내하는 역할을 한다.
특히, 습분연료생성부(400)를 통과하는 가스는 340℃ 내외의 중저온으로서, 이 중저온의 가스는 습분연료와 열교환하면서 습공기 상태로 상변환된다.
이 340℃내외로 습분연료생성부(400)를 통과하는 가스는 메인발전기의 워밍업을 위해 공급되거나, 포함된 수소가스를 신재생에너지로 활용할 수 있게 된다.
물론, 각 캐소드(624)에서 배출되는 남은 물(H2O-증기상태)과 이산화탄소(CO2)로 이루어진 배기가스는 연료가열부(610)와 습분연료생성부(400) 중 어느 하나만 통과할 수도 있고, 바로 메인발전기의 워밍업을 위해 공급되거나 수소가스를 활용할 수도 있다.
아울러, 제 1안내관부재(642)와 제 2안내관부재(644) 및 제 3안내관부재(646)는 고온의 가스를 유동 안내할 수 있도록 내구성과 내열성 등을 갖는 재질로 이루어짐이 바람직하다.
더불어, 제 1안내관부재(642)와 제 2안내관부재(644) 및 제 3안내관부재(646)는 개수에 한정되지 않는다.
한편, 도 2에서처럼, 본 발명의 다른 실시예에 따른 기력발전소의 연료전지 시스템은, 일 실시예와 마찬가지로, 연료공급부(100), 탈황처리부(200), 물공급부(300), 습분연료생성부(400), 연료전처리부(500) 및 연료전지스택(600)을 포함한다.
이 중, 연료전지스택(600)은 연료가열부(610), 연료전지(620), 수소분리기(920) 및 열교환유도부(640)를 포함한다.
특히, 연료가열부(610), 연료전지(620) 및 열교환유도부(640)는 상술한 바와 동일하여 상술한 것으로 대체한다.
그리고, 수소분리기(920)는 열교환유도부(640)의 제 3안내관부재(646)에 형성되어 배출되는 습증기 상태인 가스로부터 미반응수소를 비중차이를 이용하여 분리 회수하는 역할을 한다.
물론, 수소분리기(920)는 연료전지(620)에서 배출되는 가스로부터 미반응수로를 비중차이를 이용하여 분리 회수할 수도 있다.
또한, 도 3에서처럼, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 기력발전소의 연료전지 시스템은, 일 실시예와 마찬가지로, 연료공급부(100), 탈황처리부(200), 물공급부(300), 습분연료생성부(400), 연료전처리부(500) 및 연료전지스택(600)을 포함한다.
이 중, 연료전지스택(600)은 연료가열부(610), 연료전지(620), 촉매산화기(630), 가스포집기(910) 및 수소분리기(920)를 포함한다.
특히, 연료가열부(610), 연료전지(620) 및 촉매산화기(630)는 상술한 바와 동일하여 상술한 것으로 대체한다.
그리고, 가스포집기(910)는 촉매산화기(630)를 거치며 생성된 물과 이산화탄소를 포집하는 역할을 한다.
아울러, 수소분리기(920)는 가스포집기(910)에 포집된 물과 이산화탄소에 반응을 일으켜 수소를 분리하는 역할을 한다.
이 수소분리기(920)는 물과 이산화탄소에 전기 화학 반응을 일으켜 수소가스를 분리함이 바람직하다.
이 수소분리기(920)에서 분리된 수소가스는 친환경에너지 또는 그린에너지로 활용할 수 있게 되어 재활용성이 우수하게 된다.
특히, 도 4에서처럼, 수소분리기(920)는 케이싱(922), 플레이트(926) 및 배플(928)을 포함한다.
이때, 케이싱(922)은 배출되는 가스를 유입하기 위한 유입구(923)를 하측에 형성한다.
그리고, 케이싱(922)은 수소가스를 배출하는 수소배출구(924)를 상측에 구비한다.
여기서, 수소배출구(924)가 케이싱(922)의 상측에 구비되는 이유는, 수소가스가 케이싱(922) 내부로 유입되는 다른 가스보다 비중이 낮아 잔여가스와 분리된 후 상승하기 때문이다.
아울러, 케이싱(922)은 수소가스를 제외한 잔여가스를 배출하기 위해 하측에 잔여가스배출구(925)를 구비한다.
즉, 연료전지(620)에서 배출되거나 열교환유도부(640)를 거친 후 습증기 상태로 배출되는 가스(CO2,H2)가 유입구(923)를 통해 케이싱(922) 내부로 유입된다.
또한, 케이싱(922) 내부로 유입된 가스(CO2,H2) 중 미반응 수소가스(H2)는 이산화탄소(CO2)를 포함한 잔여가스와 분리됨이 바람직하다.
그래서, 케이싱(922)은 내부에 플레이트(926)와 배플(928)을 구비한다.
물론, 케이싱(922)은 다양한 형상 및 다양한 재질로 변형 가능하다.
특히, 플레이트(926)는 케이싱(922) 내부를 가로 구획하고 타공홀(927)을 형성하여 분리된 수소가스를 내부 상측으로 임시 포집 유도하는 역할을 한다.
이 후 포집된 수소가스(H2)는 수소배출구(924)를 통해 배출된다.
물론, 플레이트(926)는 다양한 형상 및 다양한 재질로 변형 가능하고, 케이싱(922) 내부에 분리 가능하게 형성될 수도 있으나 일체로 형성됨이 바람직하다.
그리고, 배플(928)은 플레이트(926) 하측에 해당되는 케이싱(922) 내부에 가스의 유입방향에 대해 세워지게 형성되어 수소가스와 잔여가스를 비중차이로 분리하는 역할을 한다.
즉, 케이싱(922) 내부로 유입된 가스(CO2,H2)는 진행 방향으로 다수 개 배치되는 배플(928)을 지나면서 비중 차이에 의해 이산화탄소가스(CO2)와 수소가스(H2)는 서로 분리된다.
분리된 이산화탄소가스(CO2)는 잔여가스배출구(925)를 통해 배기되고, 분리된 수소가스(H2)는 배기되거나 재활용된다.
이때, 배플(928)은 다양한 형상으로 형성되고, 케이싱(922) 내부에서 다양하게 배치될 수 있으며, 케이싱(922)에 분리 가능하게 형성될 수 있으나 일체로 형성됨이 바람직하다.
아울러, 수소분리기(920)는 설치 위치에 한정하지 않는다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
100: 연료공급부 200: 탈황처리부
300: 물공급부 400: 습분연료생성부
500: 연료전처리부 600: 연료전지스택
610: 연료가열부 620: 연료전지
630: 촉매산화기 640: 열교환유도부
642,644,646: 제 1,2,3안내관부재
700: 혼합부 800: 고온공기공급부
910: 가스포집기 920: 수소분리기

Claims (8)

  1. 외부에서 유입되는 가스연료를 압축하여 공급하는 연료공급부;
    상기 연료공급부로부터 공급되는 가스연료를 탈황처리하는 탈황처리부;
    상기 탈황처리부를 거치며 탈황처리된 가스연료에 물을 공급하는 물공급부;
    상기 탈황처리부를 거친 가스연료와 상기 물공급부로부터 공급되는 물을 혼합하여 습분연료를 형성하는 습분연료생성부;
    상기 습분연료생성부로부터 생성된 습분연료를 개질하고, 메탄을 제외한 고 탄화수소를 제거하는 연료전처리부; 및
    상기 연료전처리부로부터 메탄가스를 공급받아 전기 화학 반응을 일으킴으로서 배기가스를 발생시키는 연료전지스택을 포함하는 것을 특징으로 하는 기력발전소의 연료전지 시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 연료전지스택은,
    상기 연료전처리부로부터 공급되는 메탄가스에 열을 가해 이산화탄소와 수소로 개질하는 연료가열부;
    상기 연료가열부를 거치면서 개질된 이산화탄소와 수소를 애노드측으로 공급받아 캐소드측으로부터 공급되는 산소를 함유하는 산화 가스와 작용을 일으킴으로서 전기 화학 반응에 의한 기전력을 얻는 연료전지;
    상기 연료전지에서 배출되는 가스 중 미반응수소를 산화함으로써 잔류하는 물과 이산화탄소를 상기 연료전지 내부에서 전기 화학 반응을 위해 상기 캐소드측으로 공급 유도하는 촉매산화기; 및
    상기 캐소드측으로부터 배출되는 고온의 가스를 전(前)처리되는 가스와 열교환된 후 중저온의 습증기 상태로 변환 유도하는 열교환유도부를 포함하는 것을 특징으로 하는 기력발전소의 연료전지 시스템.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 연료전지스택은,
    상기 연료전처리부로부터 공급되는 메탄가스에 열을 가해 이산화탄소와 수소로 개질하는 연료가열부;
    상기 연료가열부를 거치면서 개질된 이산화탄소와 수소를 애노드측으로 공급받아 캐소드측으로부터 공급되는 산소를 함유하는 산화 가스와 작용을 일으킴으로서 전기 화학 반응에 의한 기전력을 얻는 연료전지;
    상기 캐소드측으로부터 배출되는 고온의 가스를 전(前)처리되는 가스와 열교환된 후 중저온의 습증기 상태로 변환 유도하는 열교환유도부; 및
    상기 연료전지에서 배출되는 가스 또는 상기 열교환유도부를 거친 후 습증기 상태로 배출되는 가스 중 미반응수소를 비중차이를 이용하여 분리 회수하는 수소분리기를 포함하는 것을 특징으로 하는 기력발전소의 연료전지 시스템.
  4. 제 2항 또는 제 3항에 있어서, 상기 열교환유도부는,
    상기 캐소드측에서 배출되는 고온의 가스를 메탄가스의 개질을 위해 열교환하도록 상기 연료가열부 내부로 안내하는 제 1안내관부재;
    상기 연료가열부를 통과하면서 메탄가스와 열교환 후 배출되는 중온의 가스를 상기 습분연료생성부로 공급 안내하여 습분연료의 온도를 상승 유도하는 제 2안내관부재; 및
    상기 습분연료생성부 내부에서 습분연료와 열교환 후 중저온 습증기 상태인 가스를 배기 안내하는 제 3안내관부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 기력발전소의 연료전지 시스템.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 연료가열부와 상기 연료전지는 일대일 대응되도록 n개 구비되고;
    상기 애노드 각각은 배출되는 물과 이산화탄소와 미반응수소를 모아 혼합하는 혼합부에 연결되며;
    상기 혼합부는 상기 촉매산화기에 연결되는 것을 특징으로 하는 기력발전소의 연료전지 시스템.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 혼합부는 미반응수소의 산화 촉매를 위해 가열된 공기를 공급하는 고온공기공급부에 연결되는 것을 특징으로 하는 기력발전소의 연료전지 시스템.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 연료전지스택은,
    상기 연료전처리부로부터 공급되는 메탄가스에 열을 가해 이산화탄소와 수소로 개질하는 연료가열부;
    상기 연료가열부를 거치면서 개질된 이산화탄소와 수소를 애노드측으로 공급받아 캐소드측으로부터 공급되는 산소를 함유하는 산화 가스와 작용을 일으킴으로서 전기 화학 반응에 의한 기전력을 얻는 연료전지;
    상기 연료전지에서 배출되는 가스 중 미반응수소를 산화함으로써 잔류하는 물과 이산화탄소를 상기 연료전지 내부에서 전기 화학 반응을 위해 상기 캐소드측으로 공급 유도하는 촉매산화기;
    상기 촉매산화기를 거치며 생성된 물과 이산화탄소를 포집하는 가스포집기; 및
    상기 가스포집기에 포집된 물과 이산화탄소에 반응을 일으켜 수소를 분리하는 수소분리기를 포함하는 기력발전소의 연료전지 시스템.
  8. 제 3항 또는 제 7항에 있어서, 상기 수소분리기는,
    하측에 배출되는 가스를 유입하기 위한 유입구를 형성하고, 상측에 수소가스를 배출하는 수소배출구를 구비하며, 하측에 수소가스를 제외한 잔여가스를 배출하는 잔여가스배출구를 갖는 케이싱;
    상기 케이싱 내부를 가로 구획하고 타공홀을 형성하여 분리된 수소가스를 내부 상측으로 임시 포집하는 플레이트; 및
    상기 플레이트 하측에 해당되는 상기 케이싱 내부에 가스의 유입방향에 대해 세워지게 형성되어 수소가스와 잔여가스를 비중차이로 분리하는 배플을 포함하는 것을 특징으로 하는 기력발전소의 연료전지 시스템.
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