KR20140148177A - 연료전지, 이를 포함한 발전 시스템 및 방법 - Google Patents

연료전지, 이를 포함한 발전 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 종래의 문제를 해결하기 위한 것으로서, 운전 안정성을 확보한 연료전지, 이를 포함한 발전 시스템 및 방법을 제공하는 데 있다.
전술한 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명의 연료전지를 포함한 발전 시스템은 탄소 화합물을 포함한 제1 가스 및 수소를 포함한 제2 가스를 제공받아 혼합한 혼합 연료를 상기 연료전지에 공급하는 혼합부, 상기 혼합부로 공급되는 적어도 하나의 가스의 조성을 측정하는 감지부 및 상기 혼합 연료의 조성이 기 설정된 비율을 따르도록 상기 혼합부에 공급되는 적어도 하나의 가스 공급을 조절하는 제어부를 포함한다.
이상의 본 발명에 따른 연료전지, 이를 포함한 발전 시스템 및 방법은 연료전지에 공급되는 연료의 유량 및/또는 조성이 변화하는 비정상 상태에서도 연료전지의 운전 안정성을 확보할 수 있고, 이에 따라 연료전지의 가동일을 확보하여 운전 이용률을 증대시킬 수 있다.

Description

연료전지, 이를 포함한 발전 시스템 및 방법 {FUEL CELL, GENERATING SYSTEM AND METHOD COMPRISING THE SAME}
본 발명은 연료전지, 이를 포함한 발전 시스템 및 방법에 관한 발명이다.
연료전지(Fuel Cell)는 연료와 산화제를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시키는 장치로서, 일반적인 전지와는 다르게 연료를 소모하여 전력을 생산한다.
이러한 연료전지는 용융탄산염 연료전지(MCFC; Molten Carbonate Fuel Cell), 고분자전해질 연료전지(PEMFC; Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cel), 고체산화물 연료전지(SOFC; Solid Oxide Fuel Cell), 직접메탄올 연료전지(DMFC; Direct Methanol Fuel Cell), 직접에탄올 연료전지(DEFC; Direct Ethanol Fuel Cell) 및 인산형 연료전지(PAFC; Phosphoric Acid Fuel Cell) 등 다양한 종류의 형태를 가질 수 있다.
현재, 이 중 가장 상용화된 연료전지는 용융탄산염 연료전지(MCFC)로서, 이하의 본 명세서에서는 특별한 언급이 없는 이상 MCFC를 기준으로 설명하기로 하나, 본 발명의 범위를 이에 한정하고자 하는 의도가 아님을 미리 밝혀둔다.
MCFC에 대해 자세히 살펴보면, MCFC는 수소 또는 탄화수소를 연료로 하는 연료전지로서, 일반적으로 연료극(anode), 공기극(cathod), 매트릭스(matrix)을 포함하되, 각 구성요소에는 전해질이 함침(含浸)되어 있다. 이러한 MCFC의 연료극에는 천연가스(natural gas)의 개질 반응을 통해 생성된 수소 연료가스가 주입되고, 공기극에는 이산화탄소와 함께 산소가 공급되어, 공기극에서는 카보네이트 이온(CO3 2 -)을 생성하게 된다. 공기극에서 생성된 카보네이트 이온은 연료극과 공기극 사이에 위치하는 매트릭스의 전해질을 통하여 공기극에서 연료극으로 이동하며, 연료극에서 생성된 전자는 외부 회로를 경유하게 된다. 이때, 전해질은 평상시에는 고체 상태로 존재하다가 연료전지가 정상 운전될 경우에는 약 650℃까지 온도가 상승하여 전해질은 액화된다.
한편, 용융탄산염 연료전지(MCFC)는 천연가스 개질 방법에 따라 내부개질형과 외부개질형으로 구분될 수 있다. 내부개질에 의한 연료전환 방법은 촉매를 전지 내부에 설치하여 개질하는 방법으로서 외부에 별도의 개질부(reformer)를 구비할 필요없이 천연가스를 직접 연료로 사용할 수 있다. 이러한 내부개질형 MCFC는 발전 중 스택(stack)에서 발생하는 열이 개질 반응에 이용되어 별도의 스택 냉각을 위한 장치 설치가 필요 없이 시스템을 단순화할 수 있다는 장점이 있다.
내부개질형 MCFC에 공급하는 연료로서, 합성 가스를 사용하기 위해 본 출원인이 기 출원한 한국특허출원 제2012-0123797호에서 내부개질형 MCFC에 연계된 석탄가스화 복합발전 시스템(IGCC; Integrated Gasfication Combined Cycle)을 제시하였다.
도 1은 IGCC 연계형 MCFC 시스템에 대한 일 예를 간략하게 나타낸 도면이다.
도 1에 도시한 바와 같이, IGCC 연계형 MCFC 시스템(10)에서 가스화기(6)는 석탄가스화에 의한 합성 가스(synthetic gas)를 생성하고, 복합 발전부(5)는 생성된 합성 가스를 이용하여 가스 터빈 및 증기 터빈을 운동시켜 전력을 생산한다. 한편, 상기 가스화기(6)를 통해 생성된 합성 가스는 메탄화부(methanation)(2)에 의해 메탄화 반응이 수행되고, 그 결과로 생성된 메탄(CH4)은 연료전지(1)의 연료로 제공되어 추가적인 전력 생산에 기여한다.
이때, 가스화기(6)는 석탄 종류 및 반응 조건 등과 같은 운전 환경 변화에 따라 생성하는 합성 가스의 유량 및/또는 조성이 변화될 수 있다. 합성 가스를 이용하여 메탄을 생성하는 메탄화부(2)는 이와 같은 합성 가스의 유량 및/또는 조성의 변화에 따라 생성하는 메탄의 유량 및/또는 조성이 변화될 수 있다.
이러한 연료전지(1)에 제공되는 연료의 유량 및/또는 조성 변화는 연료전지(1) 스택(stack)의 안정성에 문제를 야기할 수 있다.
따라서, MCFC(1)에 공급되는 연료의 유량 및/또는 조성이 변화되는 비정상 상태에서도 연료전지(1)의 운전 안정성을 확보하기 위한 필요한 기술이 절실한 실정이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 전술한 바와 같은 종래의 문제를 해결하기 위한 것으로서, 운전 안정성을 확보한 연료전지, 이를 포함한 발전 시스템 및 방법을 제공하는 데 있다.
전술한 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명은 탄소 화합물을 포함한 제1 가스 및 수소를 포함한 제2 가스를 제공받아 혼합한 혼합 연료를 상기 연료전지에 공급하는 혼합부, 상기 혼합부로 공급되는 적어도 하나의 가스의 조성을 측정하는 감지부 및 상기 혼합 연료의 조성이 기 설정된 비율을 따르도록 상기 혼합부에 공급되는 적어도 하나의 가스 공급을 조절하는 제어부를 포함한다.
이때, 상기 감지부는 상기 혼합부의 일 가스 유입로 측 전단의 가스 조성을 측정할 수 있다.
또한, 본 발명은, 탄소 화합물을 포함한 제1 가스 및 수소를 포함한 제2 가스를 제공받아 혼합한 혼합 연료를 상기 연료전지에 공급하는 혼합부, 상기 혼합부의 일 가스 유입로 측 전단의 온도 및 상기 연료전지의 스택 온도를 감지하여, 상기 혼합부로 공급되는 적어도 하나의 가스 조성을 판단하는 감지부 및 상기 혼합 연료의 조성이 기 설정된 비율을 따르도록 상기 혼합부에 공급되는 적어도 하나의 가스 공급을 조절하는 제어부를 포함한다.
일 실시예에 따라, 상기 제어부는 상기 혼합부에 공급되는 적어도 하나의 가스 공급을 조절하거나, 상기 연료전지로의 공기극 가스 공급을 조절하여 상기 연료전지의 스택 온도를 제어할 수 있다.
상기 탄소 화합물은 합성가스를 메탄화 반응을 이용하여 생성된 메탄을 포함할 수 있다. 즉, 석탄가스화에 의한 합성가스에 포함된 일산화탄소를 이산화탄소로 변환하는 수성가스변환부 및 상기 수성가스변환부를 거친 상기 합성가스에 대해 메탄화 반응을 수행하고 상기 혼합부에 제공하는 메탄화부를 포함할 수 있고, 이 경우, 상기 연료전지는 연료극에서 배출되는 가스를 상기 수성가스변환부 또는 상기 메탄화부로 재공급할 수 있다. 한편, 상기 수성가스변환부를 거친 상기 합성가스의 황 화합물을 제거하기 위해 제1 탈황부를 더 포함할 수 있다.
상기 수소는, 탄소 화합물로부터 변환된 것일 수 있다. 즉, 천연가스에 포함된 탄화수소를 수소로 변환하는 예비 개질부 및 상기 천연가스에 포함된 탄소에 대한 증기의 비율을 조절하여 상기 예비 개질부에 공급하는 가습부를 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 가습부는 상기 연료전지로부터 배출되는 고온의 가스를 제공받을 수 있다. 한편, 상기 천연가스에 포함된 황 화합물을 제거하기 위해 제2 탈황부를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따라, 본 발명은 상기 연료전지로부터 배출된 열을 이용하여 전기를 생산하는 배열 회수 발전부를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 탄소 화합물을 포함한 제1 가스 및 수소를 포함한 제2 가스를 제공받아 혼합한 혼합 연료를 연료전지에 공급하는 혼합부, 상기 혼합 연료의 조성이 기 설정된 비율을 따르도록 상기 혼합부에 공급되는 적어도 하나의 가스 공급을 조절하는 제어부, 상기 제2 가스를 제공하기 위해, 탄소에 대한 증기의 비율이 조절된 탄화수소를 수소로 변환하는 예비 개질부 및 상기 탄소에 대한 증기의 비율을 조절하는 가습부를 포함하되, 상기 가습부는, 상기 연료전지로부터 배출되는 고온의 가스를 제공받는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 연료전지는 탄소 화합물을 포함한 제1 가스 및 수소를 포함한 제2 가스를 제공받아 혼합한 혼합 연료를 상기 연료전지의 연료로 제공하는 혼합부, 상기 혼합부로 공급되는 적어도 하나의 가스 조성을 측정하는 감지부 및 상기 혼합 연료의 조성이 기 설정된 비율을 따르도록 상기 혼합부에 공급되는 적어도 하나의 가스 공급을 조절하는 제어부를 포함한다.
이때, 상기 감지부는 상기 혼합부의 일 가스 유입로 측 전단의 가스 조성을 측정할 수 있다.
또 다른 실시예에 따라, 본 발명의 연료전지는 탄소 화합물을 포함한 제1 가스 및 수소를 포함한 제2 가스를 제공받아 혼합한 혼합 연료를 상기 연료전지의 연료로 제공하는 혼합부, 상기 혼합부의 일 가스 유입로 측 전단의 온도 및 상기 연료전지의 스택 온도를 감지하여, 상기 혼합부로 공급되는 적어도 하나의 가스 조성을 판단하는 감지부 및 상기 혼합 연료의 조성이 기 설정된 비율을 따르도록 상기 혼합부에 공급되는 적어도 하나의 가스 공급을 조절하는 제어부를 포함한다.
이때, 상기 제어부는, 상기 혼합부에 공급되는 적어도 하나의 가스 공급을 조절하거나, 상기 연료전지로의 공기극 가스 공급을 조절하여 상기 연료전지의 스택 온도를 제어할 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 연료전지는 연료극에서 배출되는 가스를 석탄가스화에 의한 합성가스에 포함된 일산화탄소를 이산화탄소로 변환하는 수성가스변환부 또는 상기 수성가스변환부를 거친 상기 합성가스에 대해 메탄화 반응을 수행하고 상기 혼합부에 제공하는 메탄화부로 재공급할 수 있다.
또한, 상기 연료전지는 배출되는 고온의 가스를 천연가스에 탄소에 대한 증기의 비율을 조절하는 가습부로 제공할 수 있다.
본 발명의 연료전지를 포함한 발전 방법은 혼합부는 탄소 화합물을 포함한 제1 가스 및 수소를 포함한 제2 가스를 제공받아 가스를 혼합하는 단계, 상기 혼합부는 혼합 연료를 상기 연료전지에 공급하는 단계 및 제어부는 상기 혼합 연료의 조성이 기 설정된 비율을 따르도록 상기 혼합부에 공급되는 적어도 하나의 가스 공급을 조절하는 단계를 포함한다.
일 실시예에 따라, 본 발명은 감지부는 상기 혼합부로 공급되는 적어도 하나의 가스의 조성을 측정하는 단계를 더 포함할 수 있고, 이때 상기 가스의 조성을 측정하는 단계는, 상기 감지부가 상기 혼합부의 일 가스 유입로 측 전단의 가스 조성을 측정할 수 있다.
일 실시예에 따라, 본 발명은 감지부는 상기 혼합부의 일 가스 유입로 측 전단의 온도를 측정하는 제1 온도 측정 단계 및 상기 감지부는 상기 연료전지의 스택 온도를 측정하는 제2 온도 측정 단계를 더 포함할 수 있고, 상기 가스 공급을 조절하는 단계는, 상기 제어부가 상기 제1 온도 측정 단계 및 제2 온도 측정 단계를 통해 측정된 온도를 기준으로 상기 혼합 연료의 조성을 판단할 수 있다.
일 실시예에 따라, 본 발명은 수성가스변환부는 석탄가스화에 의한 합성가스에 포함된 일산화탄소를 이산화탄소로 변환하는 단계 및 메탄화부는 상기 수성가스변환부를 거친 상기 합성가스에 대해 메탄화 반응을 수행하고 상기 혼합기에 제공하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 연료전지는 연료극에서 배출되는 가스를 상기 수성가스변환부 또는 상기 메탄화부로 재공급하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따라, 본 발명은 가습부는 천연가스에 포함된 탄소에 대한 증기 비율을 조절하는 단계 및 예비 개질부는 상기 가습부를 거친 상기 천연가스에 포함된 고분자 탄화수소를 메탄 및 수소로 변환하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이상의 본 발명에 따른 연료전지, 이를 포함한 발전 시스템 및 방법은 연료전지에 공급되는 연료의 유량 및/또는 조성이 변화하는 비정상 상태에서도 연료전지의 운전 안정성을 확보할 수 있고, 이에 따라 연료전지의 가동일을 확보하여 운전 이용률을 증대시킬 수 있다.
나아가, 연료전지에 공급되는 연료의 유량 및/또는 조성 변화에도 안정적인 운전이 가능하므로, 복합발전 시스템에서 타 발전부와 무관하게 연료전지의 독립적인 운전이 가능하다.
또한, 연료전지에서 배출된 가스를 재순환시키거나 배열 회수 발전부에 배열을 추가 공급함으로써, 연료전지 및 발전 시스템의 발전 효율을 증대시킬 수 있다.
또한, 연료전지에 복수의 가스가 소정의 비율로 공급하여 혼소시킴으로써, 미반응 가스를 줄여 발전량을 증대시킬 수 있다.
도 1은 IGCC 연계형 MCFC 시스템에 대한 일 예를 간략하게 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지를 포함한 발전 시스템의 일부 구성을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지를 포함한 발전 방법을 단계별 흐름도로 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지를 포함한 발전 방법을 단계별 흐름도로 나타낸 도면이다.
아래에는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구성될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙여 설명하기로 한다.
이하, 본 발명에서 실시하고자 하는 구체적인 기술내용에 대해 첨부도면을 참조하여 상세하고도 명확하게 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지를 포함한 발전 시스템의 일부 구성을 나타낸 도면이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지를 포함한 발전 시스템(100)은 복수의 가스를 혼합하여 연료전지(1)에 공급하는 혼합부(20) 및 혼합부(20)에 공급되는 적어도 하나의 가스 공급을 조절하는 제어부(미도시)를 포함하여, 연료전지에 공급되는 혼합 연료의 조성을 일정 비율로 유지함으로써, 연료전지의 운전 안정성을 확보할 수 있다.
제어부(미도시)는 본 발명에 따른 발전 시스템 전반을 제어하는 수단으로서, 발전 시스템에 포함된 각 구성의 동작을 제어한다. 후술하는 바와 같이, 주로 제어부는 감지부에 의해 측정된 가스의 조성, 유량 혹은 온도 등을 근거로 각종 가스의 공급을 제어한다. 제어부의 구체적인 기능 및 동작에 대한 자세한 설명은 후술하기로 한다.
이하, 가스화기(미도시)에서 공급되는 합성가스(synthesis gas)를 이용하는 내부개질형 MCFC를 포함한 발전 시스템을 기준으로 하여, 각 구성에 대해 자세히 살펴보기로 한다. 본 발명의 범위를 이에 한정하고자 하는 의도는 아니며, 다양한 형태의 연료전지 혹은 연료에 따라 변형된 다양한 형태의 발전 시스템에도 적용될 수 있음은 물론이고, 연료전지와 같은 실시 형태로 다양하게 실시될 수 있다.
실시예 1
연료전지(1)는 연료극(anode)와 공기극(cathod)을 포함하고, 연료전지(1)가 내부개질형 MCFC인 경우, 연료극에는 상기 메탄화 공정을 거친 메탄 가스가 연료극 가스로 공급되고, 공기극에는 산소 및 이산화탄소를 포함하는 공기극 가스가 공급될 수 있다.
이때, 내부개질형 MCFC의 연료극에서는 하기 반응식 1과 같은 발열 반응이 일어나나, 발열 반응에서 발생하는 발열량을 하기 반응식 2와 같은 흡열 반응인 개질 반응에 이용함으로써, 석탄가스화에 의한 합성가스를 이용한 발전 시스템에 연계가 가능하고 시스템의 안정성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
[반응식 1]
Figure pat00001
[반응식 2]
Figure pat00002
또한, 공기극에는 석탄연료 발전소에서 배출되는 연도가스(flue gas)가 공기(air)와 함께 공급되거나, Anode의 배출 가스를 연소한 것을 공기(air)와 함께 직접 Cathode에 주입될 수 있다. 바람직하게 연도가스와 공기를 MCFC에 원활하게 공급하기 위해 송풍기(11)가 이용될 수 있으나, 연료전지(1)의 내부 온도 제어를 위해 연료전지(1)에 공급되는 가스가 일정 온도를 갖도록 외부의 열원과 열 교환을 수행하는 열 교환기(12)가 추가로 이용될 수 있다.
전술한 내부개질형 MCFC와 같이 연료전지(1)가 다(多) 성분의 가스가 반응을 일으켜 전력을 생산하는 것인 경우, 복수의 가스가 혼합된 혼합 연료의 조성이 일정 비율에 따르지 못할 때에는 연료전지(1)가 정상 운전되지 않을 뿐만 아니라, 반복적인 기동 또는 정지에 의해 스택(stack)의 파손이 유발될 수 있다.
연료전지(1)가 내부개질형 MCFC인 경우, 연료전지(1)에 공급되는 연료는 메탄과 같은 탄소 화합물을 포함한 제1 가스와 수소를 포함한 제2 가스를 혼합한 혼합 연료일 수 있다. 이때, 제1 가스 및 제2 가스는 특정의 한 종류 가스만을 의미하지 않고, 적어도 둘 이상 종류의 가스가 혼합된 형태일 수 있다.
혼합부(20)는 제1 가스 및 제2 가스를 혼합하여, 연료전지(1)에 공급하는 수단이다. 이하, 혼합부(20)에 공급되는 복수의 가스 중 제1 가스가 생성, 공급되는 과정을 먼저 살펴보기로 한다.
합성가스는 가스화기를 통한 석탄가스화에 의해 생성될 수 있고, 합성가스를 이용한 메탄화 공정을 통해 생성된 메탄(CH4)을 포함한 가스를 제1 가스로 하여, 혼합부(20)에 공급될 수 있다.
가스화기를 통한 석탄가스화에 의해 생성될 수 있는 합성가스는 수소(H2), 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2), 메탄(CH4) 및 황화수소(H2S) 등을 포함할 수 있고, 이러한 합성가스로부터 메탄가스를 생성하기 위한 일 실시예로서, 도 2에 도시한 바와 같이, 합성가스는 수성가스변환부(21), 제1 탈황부(22) 및 메탄화부(23)를 거칠 수 있다.
수성가스변환부(21)는 석탄가스화에 의한 합성가스에 포함된 일산화탄소를 이산화탄소로 변환하는 수단으로서, 합성가스는 수성가스변환부(21)에 의해 하기의 반응식 3과 같은 반응을 거치게 된다.
[반응식 3]
Figure pat00003
상기 반응을 거친 합성가스는 제1 탈황부(22)를 거침으로써, 황 화합물이 제거될 수 있다. 제1 탈황부(22)에 대한 일 예로서, 메탄올을 이용하여 CO2, H2S, COS 및 유기황화합물을 회수 제거할 수 있고, CO2를 선택적으로 황 화합물과 분리하여 배출할 수도 있다.
메탄화부(23)는 상기 수성가스변환부(21), 바람직하게는 제1 탈황부(22)를 추가로 통과한 합성가스에 대해 메탄화 반응을 수행하여 혼합부(20)에 제공할 수 있다. 메탄화부(23)는 합성가스 중의 수소와 이산화탄소 및/또는 일산화탄소를 반응시켜 메탄으로 변성시키는 메탄화 반응을 수행하는 수단으로서, 하기 반응식 4 및/또는 5와 같은 반응을 거칠 수 있다.
[반응식 4]
Figure pat00004
[반응식 5]
Figure pat00005
이러한 메탄화 반응은 합성가스로부터 메탄을 혼합부(20)에 공급하기 위한 목적을 달성하기 위한 어떠한 조건 하에서 이루어져도 무방하나, 메탄화 반응은 발열반응이기 때문에 반응온도를 낮게 하면 일산화탄소의 평형온도가 낮아지는 반면 반응속도 역시 느려지기 때문에 반응 온도는 100 내지 400℃, 바람직하게는 200 내지 350℃, 더욱 바람직하게는 250 내지 300℃의 범위 내일 수 있다.
한편, 연료전지(1)에서 배출되는 각종의 가스는 연소되거나 타 물질로 전환되는 등의 각종 처리를 통해 포집될 수 있으나, 이러한 처리는 비용 및 발전 시스템의 효율 측면에서 바람직하지 않으므로, 연료전지(1), 구체적으로는 연료극에서 배출되는 각종 가스를 수성가스변환부(21) 또는 메탄화부(23)로 재공급하는 것이 바람직하다.
석탄가스화에 의한 합성 가스를 연료로 하는 연료전지(1)의 경우, 연료극에서 배출되는 가스는 미반응된 수소(H2) 및 이산화탄소(CO2), 그 이외의 일산화탄소(CO) 및 수증기(H2O) 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 연료극에서 배출된 가스를 바람직하게 수성가스변환부(21) 전단으로 재공급한 경우에는 미반응된 일산화탄소(CO)가 추가로 이산화탄소(CO2) 및 수소(H2)로 변환된다. 또한, 연료극 배출 가스를 메탄화부(23)의 전단으로 재공급한 경우에는 미반응된 이산화탄소(CO2) 혹은 일산화탄소(CO)가 추가로 메탄(CH4)으로 변환된다. 이로써, 연료전지(1)에서 배출되는 가스를 포집 처리함으로써 발생하는 비용을 줄일 수 있고, 포집 장치가 추가될 때보다 시스템의 복잡도를 낮출 수 있으며, 발전 시스템의 효율을 향상시킬 수 있다.
다음으로, 혼합부(20)에 공급되는 복수의 가스 중 제2 가스가 생성, 공급되는 과정을 자세히 살펴보기로 한다.
탄소 화합물을 포함한 천연가스(natural gas, NG)로부터 개질된 수소 및 메탄을 포함한 가스를 제2 가스로 하여, 혼합부(20)에 공급될 수 있다.
천연가스는 탄화수소(hydrocarbon) 또는 메탄(CH4) 등을 포함할 수 있고, 이러한 천연가스로부터 수소(H2)를 생성하기 위한 일 실시예로서, 도 2에 도시한 바와 같이, 천연가스는 제2 탈황부(31), 가습부(32) 및 예비 개질부(33)를 거칠 수 있다.
제2 탈황부(31)는 천연가스에 포함된 황 화합물을 제거하는 수단으로서, 황 성분을 제거하기 위한 일 예로서, 제2 탈황부(31)에 활성탄, Zeolite, 미네랄 계열의 흡착제를 충진하고, 천연가스를 통과시킴으로써 탈황 효과를 거둘 수 있다.
제2 탈황부(31)에 의해 황 화합물이 제거된 천연 가스는 가습부(32)에 제공되어 증기(steam)/탄소(carbon) 비율을 조절할 수 있다.
증기/탄소 비율은 다양한 방법에 의해 산출될 수 있고, 일 예로서, 물의 유량 및 탄소의 유량의 비율로 산출될 수 있으며, 여기서 탄소의 유량은 천연가스의 유량을 천연가스 중 탄소의 비율로 곱함으로써 산출될 수 있다.
가습부(32)는 통상적인 펌프(34)와 같은 수단을 통해 외부의 물(H2O)을 공급받아 천연가스에 포함된 탄소에 대한 증기의 비율이 기 설정된 비율을 따르도록 조절할 수 있다.
이때, 가습부(32)는 증기/탄소 비율을 조절하기 위해, HRSG(4)로부터 직접 증기(Steam) 상태의 수분을 공급받을 수 있으며, 혹은 HRSG(4) 또는 그 외의 소스로부터 공급되는 수분이 액체 상태일 경우 연료전지(1)에서 배출되는 고온의 배 가스를 이용하여 증기화하는 것도 가능하다.
이렇게, 가습부(32)를 통해 증기/탄소 비율이 조절된 천연가스는 예비 개질부(33)에 공급될 수 있다.
예비 개질부(33)는 천연가스에 포함된 고분자량 탄화수소(higher hydrocarbon) 즉, 탄소수 2 내지 100의 알칸 등을 메탄(CH4), 수소(H2) 등으로 변환하는 수단으로서, 주로 수소의 농도를 높이고, 일산화탄소의 농도를 낮추는 기능을 한다. 예비 개질부(33)에서 일어나는 예비 개질(pre-reforming)은 하기의 반응식 6 내지 8로 나타낼 수 있으며, 여기서 반응식 6에 나타낸 반응은 흡열 반응이고, 반응식 7 내지 8에 나타낸 반응은 발열 반응이다.
[반응식 6]
Figure pat00006
[반응식 7]
Figure pat00007
[반응식 8]
Figure pat00008
예비 개질부(33)는 연료전지(1)가 MCFC와 같이 개질형인 경우에 연료가 주입되는 연료전지(1)의 전단에 위치하여, 주(主)개질기에 대한 부담을 줄이고, 주(主)개질 촉매의 비활성화를 방지하여 에너지 효율을 증대시킬 수 있으며, 연료전지 스택의 운전 온도에 비하여 상대적으로 낮은 온도에서 운전되기 때문에 스택 내부의 열균형(heat balance)을 유지할 수 있다. 이때, 예비 개질부(33)의 개질 촉매는 니켈(Ni), 루테늄(Ru) 또는 로듐(Rh) 계열의 촉매 등이 사용될 수 있으나, 활성이 높은 니켈 계열의 촉매를 사용하는 것이 바람직하다.
이렇게, 예비 개질부(33)를 거쳐 생성된 제2 가스는 혼합기(20)에 제공될 수 있다.
혼합부(20)는 공급되는 제1 가스 및 제2 가스를 혼합하여, 혼합 연료를 연료 전지(1) 보다 자세하게는 연료전지(1)의 연료극에 공급한다.
혼합부(20)는 혼합되는 복수의 가스 중 어느 일 가스 유량 및/또는 조성이 변화하는 비정상 상태에서 연료전지(1)의 운전 안정성을 확보하기 위해, 제어부(미도시)는 연료전지(1)에 공급하는 혼합 연료의 조성이 기 설정된 비율을 따르도록 타 가스의 공급을 제어할 수 있다.
일 예로서, 본 발명에 따른 발전 시스템은, 혼합부(20)가 유입되는 제1 가스 및 제2 가스 중 어느 하나의 가스 공급을 제어하기 위해 제1 가스 및 제2 가스 중 적어도 하나의 가스 조성을 측정하는 감지부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
즉, 감지부는 바람직하게 혼합부(20)의 일 가스 유입로 측 전단의 가스 조성(일 예로, 메탄화부(23) 후단 즉, 메탄화부(23)와 혼합부(20) 사이의 가스 조성 혹은 예비 개질부(33)의 후단 즉, 예비 개질부(33)와 혼합부(20) 사이의 가스 조성(도 2 참조))을 실시간으로 측정할 수 있다.
이에 따라, 제어부(미도시)는 감지부에 의해 측정된 제1 가스의 조성을 제공받고, 그 조성이 연료전지(1)에 공급되는 혼합 연료의 기 설정된 조성 비율에 따르도록 제2 가스의 공급을 조절할 수 있다. 제2 가스의 공급을 조절하기 위해, 일 예로서, 천연가스의 공급량을 조절하거나, 천연가스의 공급 유량에 따라 가습부(32)는 물(H2O) 또는 스팀(steam)의 공급을 조절하여, 스팀/탄소의 비율을 일정하게 유지할 수 있다.
보다 구체적인 실시예를 살펴보면, 감지부는 메탄화부(23)의 후단에서, 수성가스변환부(21), 제1 탈황부(22) 및 메탄화부(23)를 순차적으로 거친 합성 가스의 조성 특히, 수소(H2) 및 메탄(CH4)의 조성을 측정한다. 이때, 제어부는 연료전지의 운전에 필요한 혹은 정격 출력에 요구되는 혼합 연료의 조성 비율과 비교하고, 이에 수소가 추가 요구되는 경우에는, 천연가스의 공급 비중을 늘릴 수 있다. 물론, 추가 요구되는 수소의 양은 공급되는 천연가스에 포함된 메탄(CH4)의 양에 수소로 개질되는 비율을 곱한 양이 고려되어야 한다. 나아가, 천연가스를 추가 공급한 경우, 기 설정된 스팀/탄소 비율을 따르도록 스팀 혹은 물을 추가로 공급할 수 있다.
또 다른 실시예에 따라, 감지부는 예비 개질부(33) 후단의 가스 조성을 실시간으로 측정한다.
이에 따라, 제어부(미도시)는 감지부에 의해 측정된 제2 가스의 조성을 제공받고, 그 조성이 연료전지(1)에 공급되는 혼합 연료의 기 설정된 조성 비율에 따르도록 제1 가스의 공급을 조절할 수 있다. 이때, 제1 가스의 공급을 조절하기 위해, 합성가스의 공급량을 조절할 수 있다.
실시예 2
한편, 연료전지(1)가 정상적으로 운전되기 위해서는 스택은 소정 범위 내 온도를 유지하여야 한다. 그 범위를 벗어난 온도가 형성되면 전극의 미세구조 변화, 부식, 전해질 증발 등의 현상이 일어남으로써 스택의 수명에 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 연료전지(1)의 스택 온도를 제어하기 위해 냉각 장치를 적용하는 등 종래에 개시된 각종의 장치 또는 방법이 적용될 수 있으나, 본 발명의 일 실시예에 따라, 제어부는 연료전지(1)의 연료극에 혼합 연료를 공급하기 위해 혼합부(20)로 공급되는 적어도 하나의 가스 공급을 조절하거나 연료전지(1)의 공기극 가스 공급을 조절하여 온도를 조절할 수 있다.
자세하게 살펴보면, 연료전지(1)는 혼합 연료의 조성에 따라 스택의 온도가 달라질 수 있다. 일 예로서, 내부개질형 MCFC의 경우 상기 반응식 1과 같은 반응은 발열 반응으로서, 수소와 메탄의 비율이 안정 운전시 연료전지에 요구되는 소정 범위의 수소/메탄의 비율을 벗어나, 그 값이 큰 경우에는 연료전지(1)의 스택 온도가 상승하고, 그렇지 않은 경우에는 스택의 온도가 하강하게 된다.
따라서, 연료전지(1)의 스택 온도를 측정하기 위해 공지의 다양한 수단이 채용될 수 있으나, 본 발명의 일 실시예에 따라 스택의 온도를 직접 측정할 수도 있고, 간접적으로 연료극에 공급되는 수소/메탄의 비율을 측정하여 스택의 온도를 예측할 수도 있다.
이렇게 측정된 스택의 온도가 안전 운전에 요구되는 온도 범위의 한계값 이상인 경우에는 온도를 낮추기 위해, 제어부는 연료전지(1)의 공기극에 일정 압력의 공기를 주입하여 온도를 제어할 수 있고, 반대로 연료전지(1)의 온도가 한계값 이하인 경우에는 온도를 높이기 위해, 제어부는 연료전지(1)에서 발열 반응을 유도하는 가스 즉, MCFC의 연료전지(1)의 경우 수소 혹은 수소로의 개질 반응을 유도하는 탄화 수소를 포함한 천연 가스의 비중이 커지도록 가스의 공급을 제어할 수 있다.
감지부는 전술한 바와 같이, 혼합부(20)의 일 가스 유입로 측 전단에서 가스 조성을 측정할 수 있으나, 혼합부(20)의 일 가스 유입로 측 전단의 온도 변화를 감지하여 혼합부(20)로 유입되는 가스의 유량 또는 조성의 이상 여부를 판단할 수도 있다.
하기 표 1에 나타낸 바와 같이,
Figure pat00009
연료전지(1)의 스택 온도를 기준으로 온도 변화에 따라, 제어부는 연료전지(1)의 연료극에 수소 혹은 수소로의 개질 반응을 유도하는 가스의 공급을 제어하거나, 공기극 가스의 공급을 제어할 수 있으나, 혼합부(20)의 일 가스 유입로 측 전단의 온도변화를 감지하여 연료 전지의 이상 여부를 함께 판단할 수 있다.
즉, 감지부는 혼합부 전단, 일 예로서, 메탄화부(23) 후단의 온도 변화를 감지함으로써, 제어부는 제1 가스의 조성 혹은 유량에 변화가 발생한 것으로 추정한다. 상기 메탄화부(23) 후단의 온도 변화가 없는 경우에는 연료전지(1)의 운전이 안정적인 범위 내에서 이루어지는 것으로 판단하여, 연료전지(1)의 온도를 제어하기 위한 종래의 수단 즉, 냉각 장치 등을 이용할 수 있다.
그러나 메탄화부(23) 후단의 온도 변화가 있는 경우, 그 중에서도 온도 변화가 상승한 경우를 가정하면, 메탄화부(23)는 상기 반응식 4 및 5와 같은 반응에 의해 메탄을 생성하나 이와 같은 반응은 발열 반응으로써, 이와 함께 스택 온도도 상승하면 우선적으로 공기극 가스 공급을 증가시켜 스택의 온도를 제어하며, 이후 혼합부(20)에 공급되는 적어도 하나의 가스 공급을 조절하고, 연료전지에 공급되는 혼합 연료 조성의 이상 여부를 다시 판단할 수 있다. 이와 달리, 스택의 온도가 하강한 것으로 감지된 경우에는 제어부가 공기극 가스의 공급을 감소하여 스택의 온도가 필요 이상 하강하는 것을 방지하도록 제어하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 메탄화부(23) 후단의 온도 변화가 있으나, 온도 변화가 하강한 경우를 가정하면, 스택 온도가 상승한 경우, 연료전지 내 수소의 유입량이 증가하여 상기 반응식 4와 같은 발열 반응이 발생한 것으로 판단하고, 이와 같은 온도 변화는 합성 가스의 유량 또는 조성에 변화가 있음에도 불구하고 발생한 것으로, 스택 온도의 제어를 위해 연료전지(1)에 공급되는 가스 중 메탄(CH4)의 비중을 높이도록 제2 가스 혹은 천연가스의 공급 비중을 증가시키거나, 혹은 이와 함께 온도 제어를 위해 연료전지(1)에 공기극 가스를 공급하도록 제어하는 것이 바람직하다. 물론, 연료전지(1)에 공급되는 연료의 스팀/탄소의 비율이 기 설정된 비율에 따르도록 스팀을 추가 공급할 수 있다. 이와 달리, 스택 온도가 하강한 경우, 연료전지(1)에 공급되는 혼합 연료에 미반응 가스가 다수 포함된 것으로 즉, 정상 운전 혹은 정격 출력에 요구되는 필요 가스를 포함하지 않은 것으로 판단하여, 이상이 있음을 각종 경고 수단을 통해 사용자에게 알리고, 사용자로부터 연료전지의 운전 계속 여부를 입력받고, 그에 따라 운전을 제어하는 것이 바람직하다.
이상의 본 발명에 따른 연료전지를 포함한 발전 시스템은 연료전지에 공급되는 연료의 유량 및/또는 조성이 변화하는 비정상 상태에서도 연료전지의 운전 안정성을 확보할 수 있고, 이에 따라 연료전지의 가동일을 확보하여 운전 이용률을 증대시킬 수 있으며, 연료전지에 공급되는 연료의 유량 변화에도 안정적인 운전이 가능하므로, 복합발전 시스템에서 타 발전부와 무관하게 연료전지의 독립적인 운전이 가능하다.
이상, 표 1을 참조하여, 메탄화부(23) 후단의 온도 변화와 스택의 온도 변화에 따른 제어 방법을 제시하였으나, 예비 개질부(33) 후단의 온도 변화와 스택의 온도 변화에 따른 제어 방법에도 상응한 제어 방법이 적용될 수 있음은 물론이다.
실시예 3
본 발명의 일 실시예에 따라 연료전지(1)에서 배출된 배 가스, 보다 자세하게는 공기극에서 배출되는 고온의 배 가스는 전술한 바와 같이 가습부(32)에 열을 공급할 수도 있다.
또한, 이렇게 가습부(32)를 거치거나 이와 다르게 가습부(32)를 거치지 않고 배열 회수 발전부(40)에 상기 고온의 배 가스를 공급함으로써, 발전 시스템 전체의 발전 효율을 증대시킬 수 있다.
배열 회수 발전부(40)는 약 650℃에 달하는 연료전지(1)의 고온의 배 가스를 대기로 방출할 경우, 발생하는 열 손실을 방지하기 위한 것으로, 상기 배 가스를 이용하여 전기를 생산할 수 있다. 일 예로, 상기 배 가스가 포함한 열로 증기를 만들고, 발생된 증기로 증기 터빈(turbine)을 구동시켜 전기를 생산할 수 있다.
이와 같이, 연료전지에서 배출된 가스를 배열 회수 발전부(40)에 배열을 추가 공급함으로써, 발전 시스템의 발전 효율을 증대시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지를 포함한 발전 방법을 단계별 흐름도로 나타낸 도면이다.
본 발명에 따른 연료전지를 포함한 발전 방법은 도 3에 도시한 바와 같이, 혼합부가 복수의 가스를 혼합하는 단계(S100), 혼합 연료를 연료전지에 공급하는 단계(S200) 및 제어부가 혼합부에 공급되는 적어도 하나의 가스 공급을 조절하는 단계(S300)를 포함한다.
이하, 각 구성에 대해 도 2를 참조하여 자세히 살펴보기로 하되, 앞선 연료전지를 포함한 발전 시스템에 대한 설명과 중복되는 부분은 그에 갈음하고, 자세한 설명은 생략하기로 한다.
우선, 혼합부(20)는 연료전지의 운전에 필요한 복수의 가스를 혼합한다(S100). 일 실시예로서, 혼합부(20)는 제1 가스 및 제2 가스를 혼합하여, 연료전지(1)에 공급할 수 있다. 이때, 제1 가스는 가스화기를 통한 석탄가스화에 의해 생성된 합성가스가 메탄화 공정을 통해 생성된 메탄을 포함한 가스일 수 있고, 제2 가스는 탄소 화합물을 포함한 천연가스로부터 개질된 수소 및 메탄을 포함한 가스일 수 있다. 이하에서는 이와 같은 제1 가스 및 제2 가스를 기준으로 설명하기로 하나, 본 발명의 범위를 반드시 이에 한정하고자 하는 의도가 아님을 분명히 밝혀둔다.
제1 가스는, 도 3에 도시한 바와 같이, 수성가스변환부(21)가 석탄가스화에 의한 합성가스에 포함된 일산화탄소를 상기 반응식 3과 같은 반응에 의해 이산화탄소로 변환하는 수성가스변환 단계(S11) 및 메탄화부(23)가 수성가스변환부(21)를 거친 합성가스에 대해 상기 반응식 4 및/또는 5와 같은 반응에 의해 메탄으로 변성시키는 메탄화 단계(S12)를 거쳐 생산되어, 혼합부(20)에 공급될 수 있다. 이때, 제1 탈황부(22)가 수성가스변환 단계(S11)를 거친 합성가스에 대해 메탄올을 이용하여 황 합물 및 이산화탄소를 제거하여 메탄화부(23)에 제공할 수도 있다.
제2 가스는, 도 3에 도시한 바와 같이, 가습부(32)가 천연가스에 포함된 탄소에 대한 증기 비율을 조절하는 단계(S21) 및 예비 개질부(33)가 가습부(32)를 거친 천연가스에 포함된 고분자 탄화수소를 상기 반응식 7 내지 9와 같은 반응에 의해 메탄 및 수소로 변환하는 단계(S22)를 거쳐 생산되어, 혼합부(20)에 공급될 수 있다. 이때, 제2 탈황부(31)는 천연가스에 포함된 황 화합물을 상기 반응식 6과 같은 반응에 의해 제거하여, 가습부(32)에 제공할 수 있다.
이후, 복수의 가스를 혼합한 혼합부(20)는 혼합 연료를 연료전지에 공급한다(S200).
이때, 혼합부(20)는 혼합되는 복수의 가스 중 어느 일 가스 유량이 변화하는 비정상 상태에서 연료전지(1)의 운전 안정성을 확보하기 위해, 제어부(미도시)는 연료전지(1) 연료극에 공급하는 혼합 연료의 조성이 기 설정된 비율을 따르도록 혼합부(20)에 공급되는 적어도 하나의 가스 공급을 제어할 수 있다(S300).
여기서, 제어부가 어느 하나의 가스 공급을 제어하기 위해, 감지부(미도시)는 혼합부(20)로 공급되는 적어도 하나의 가스 조성을 측정할 수 있다(S250). 즉, 감지부는 혼합부(20)의 일 가스 유입로 측 전단, 일 예로서, 메탄화부(23) 후단 또는 예비 개질부(33)의 후단의 가스 조성을 측정하여 결과를 제어부에 제공함으로써, 제어부는 측정 결과를 일 가스의 공급 제어의 근거로 삼을 수 있다.
다음으로, 연료전지(1)는 연료극에서 배출되는 가스를 수성가스변환부(21) 또는 메탄화부(23)로 재공급(S350)하여, 연료전지(1)에서 배출되는 가스를 처리시 발생하는 비용을 방지함과 동시에, 추가 장치에 의한 시스템의 복잡도를 낮추고 그 규모를 최소화할 수 있으며, 발전 시스템의 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 연료전지(1)에서 배출된 배 가스, 보다 자세하게는 공기극에서 배출되는 고온의 배 가스를 가습부(32)에 공급하여, 가습부(32)가 외부에서 공급되는 물을 가열시 상기 배 가스를 이용할 수 있다. 이렇게 가습부(32)를 거치거나 이와 다르게 가습부(32)를 거치지 않고 상기 배 가스를 배열 회수 발전부(40)에 공급함으로써, 발전 시스템 전체의 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지를 포함한 발전 방법을 단계별 흐름도로 나타낸 도면이다.
본 발명에 따른 연료전지를 포함한 발전 방법은 도 4에 도시한 바와 같이, 혼합부가 복수의 가스를 혼합하는 단계(S100), 혼합 연료를 연료전지에 공급하는 단계(S200) 및 제어부가 혼합부에 공급되는 적어도 하나의 가스 공급을 조절하는 단계(S300)를 포함하되, 제어부가 가스 공급을 조절하는 단계(S300) 이전에 혼합부(20) 전단의 온도, 일 예로서, 메탄화부(23) 후단의 온도를 측정하는 단계(S250) 및 스택의 온도를 측정하는 단계(S260, S270)를 더 포함할 수 있다.
이하, 각 구성에 대해 도 2를 참조하여 자세히 살펴보기로 하되, 앞선 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지를 포함한 발전 방법에 대한 설명과 중복되는 부분은 그에 갈음하고, 자세한 설명은 생략하기로 한다.
본 실시예에 따른 감지부는 전술한 바와 같이, 혼합부(20)의 일 가스 유입로 측 전단, 일 예로서, 메탄화부(23)의 후단 또는 예비 개질부(33)의 후단에서 가스 조성을 측정할 수 있으나, 온도 변화를 감지하여 혼합부(20)로 유입되는 가스의 유량 또는 조성의 이상 여부를 판단할 수도 있다.
상기 표 1을 참조하여 살펴보면, 우선, 감지부는 메탄화부(23)의 후단의 온도 변화를 측정(S250)하고, 온도 변화가 없는 경우에는 연료전지(1)의 운전이 안정적인 범위 내에서 이루어지는 것으로 판단하여, 연료전지(1)의 온도를 제어하기 위한 종래의 수단 즉, 냉각 장치 등을 이용할 수 있다.
이와 달리, 메탄화부(23)의 후단의 온도가 상승한 경우, 스택의 온도의 변화에 따라 스택의 온도가 하강한 것으로 감지된 경우에는 제어부가 공기극 가스의 공급을 감소(S261)하여 스택의 온도가 필요 이상 하강하는 것을 방지하도록 제어할 수 있고, 스택의 온도가 상승한 것으로 감지된 경우에는 우선적으로 공기극 가스 공급을 증가(S262)시켜 온도를 제어하며, 제어 이후 혼합부(20)에 공급되는 적어도 하나의 가스 공급을 조절(S263)하여 가스 조성의 이상 여부를 판단할 수 있다.
한편, 감지부에서 감지된 메탄화부 후단의 온도 변화를 감지하여 그 온도 변화가 하강한 경우에 스택 온도가 상승하면, 혼합부(20)에 공급되는 일 가스 즉, 제2 가스 혹은 천연가스의 공급 비중을 증가시키거나, 혹은 이와 함께 온도 제어를 위해 연료전지(1)의 공기극 가스 공급을 제어할 수 있다(S300). 이 경우, 연료전지(1)에 공급되는 연료의 스팀/탄소의 비율이 기 설정된 비율에 따르도록 스팀을 추가 공급할 수 있음은 물론이다. 메탄화부(23) 후단의 온도 변화가 하강한 경우에 스택 온도 역시 하강한 경우, 연료전지(1)에 공급되는 혼합 연료에 미반응 가스가 다수 포함한 것으로 즉, 정상 운전 혹은 정격 출력에 요구되는 필요 가스를 포함하지 않은 것으로 판단하여, 이상이 있음을 각종 경고 수단을 통해 사용자에게 알리고, 사용자로부터 연료전지의 운전 계속 여부를 입력받고, 그에 따라 운전을 제어하는 것이 바람직하다(S271).
이상의 본 발명에 따른 연료전지를 포함한 발전 방법은 연료전지에 공급되는 연료의 유량이 변화하는 비정상 상태에서도 연료전지의 운전 안정성을 확보할 수 있고, 이에 따라 연료전지의 가동일을 확보하여 운전 이용률을 증대시킬 수 있으며, 연료전지에 공급되는 연료의 유량 변화에도 안정적인 운전이 가능하므로, 복합발전 시스템에서 타 발전부와 무관하게 연료전지의 독립적인 운전이 가능하다.
이 역시, 메탄화부(23) 후단의 온도 변화와 스택의 온도 변화에 따른 제어 방법을 제시하였으나, 예비 개질부(33) 후단의 온도 변화와 스택의 온도 변화에 따른 제어 방법에도 상응한 제어 방법이 적용될 수 있음은 물론이다.
이상에서 설명한 본 발명의 바람직한 실시예들은 기술적 과제를 해결하기 위해 개시된 것으로, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 사상 및 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가 등이 가능할 것이며, 이러한 수정 변경 등은 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
1: 연료전지 2: 메탄화부
4: 배열 회수 발전부 5: 복합 발전부
6: 가스화기 10: MCFC 시스템
11: 송풍기 12: 열교환기
20: 혼합부 21: 수성가스변환부
22: 제1 탈황부 23: 메탄화부
31: 제2 탈황부 32: 가습부
33: 예비 개질부 34: 펌프
40: 배열 발전 회수부 100: 발전 시스템

Claims (14)

  1. 탄소 화합물을 포함한 제1 가스 및 수소를 포함한 제2 가스를 제공받아 혼합한 혼합 연료를 연료전지에 공급하는 혼합부;
    상기 혼합부로 공급되는 적어도 하나의 가스 조성을 측정하는 감지부; 및
    상기 혼합 연료의 조성이 기 설정된 비율을 따르도록 상기 혼합부에 공급되는 적어도 하나의 가스 공급을 조절하는 제어부;
    를 포함한 연료전지를 포함한 발전 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 감지부는,
    상기 혼합부의 일 가스 유입로 측 전단의 가스 조성을 측정하는 것을 특징으로 하는 연료전지를 포함한 발전 시스템.
  3. 탄소 화합물을 포함한 제1 가스 및 수소를 포함한 제2 가스를 제공받아 혼합한 혼합 연료를 연료전지에 공급하는 혼합부;
    상기 혼합부의 일 가스 유입로 측 전단의 온도 및 상기 연료전지의 스택 온도를 감지하여, 상기 혼합부로 공급되는 적어도 하나의 가스 조성을 판단하는 감지부; 및
    상기 혼합 연료의 조성이 기 설정된 비율을 따르도록 상기 혼합부에 공급되는 적어도 하나의 가스 공급을 조절하는 제어부;
    를 포함하는 연료전지를 포함한 발전 시스템.
  4. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 혼합부에 공급되는 적어도 하나의 가스 공급을 조절하거나, 상기 연료전지로의 공기극 가스 공급을 조절하여 상기 연료전지의 스택 온도를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지를 포함한 발전 시스템.
  5. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
    석탄가스화에 의한 합성가스에 포함된 일산화탄소를 이산화탄소로 변환하는 수성가스변환부; 및
    상기 수성가스변환부를 거친 상기 합성가스에 대해 메탄화 반응을 수행하고 상기 혼합부에 제공하는 메탄화부;
    를 포함하되,
    상기 연료전지는,
    연료극에서 배출되는 가스를 상기 수성가스변환부 또는 상기 메탄화부로 재공급하는 것을 특징으로 하는 연료전지를 포함한 발전 시스템.
  6. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
    천연가스에 포함된 탄화수소를 수소로 변환하는 예비 개질부; 및
    상기 천연가스에 포함된 탄소에 대한 증기의 비율을 조절하여 상기 예비 개질부에 공급하는 가습부;
    를 포함하되,
    상기 가습부는,
    상기 연료전지로부터 배출되는 고온의 가스를 제공받는 것을 특징으로 하는 연료전지를 포함한 발전 시스템.
  7. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 연료전지로부터 배출된 열을 이용하여 전기를 생산하는 배열 회수 발전부;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지를 포함한 발전 시스템.
  8. 탄소 화합물을 포함한 제1 가스 및 수소를 포함한 제2 가스를 제공받아 혼합한 혼합 연료를 연료전지에 공급하는 혼합부;
    상기 혼합 연료의 조성이 기 설정된 비율을 따르도록 상기 혼합부에 공급되는 적어도 하나의 가스 공급을 조절하는 제어부;
    상기 제2 가스를 제공하기 위해, 탄소에 대한 증기의 비율이 조절된 탄화수소를 수소로 변환하는 예비 개질부; 및
    상기 탄소에 대한 증기의 비율을 조절하는 가습부; 를 포함하되,
    상기 가습부는, 상기 연료전지로부터 배출되는 고온의 가스를 제공받는 것을 특징으로 하는 연료전지를 포함한 발전 시스템.
  9. 연료전지에 있어서,
    탄소 화합물을 포함한 제1 가스 및 수소를 포함한 제2 가스를 제공받아 혼합한 혼합 연료를 상기 연료전지의 연료로 제공하는 혼합부;
    상기 혼합부로 공급되는 적어도 하나의 가스 조성을 측정하는 감지부; 및
    상기 혼합 연료의 조성이 기 설정된 비율을 따르도록 상기 혼합부에 공급되는 적어도 하나의 가스 공급을 조절하는 제어부;
    를 포함하는 연료전지.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 감지부는,
    상기 혼합부의 일 가스 유입로 측 전단의 가스 조성을 측정하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  11. 연료전지에 있어서,
    탄소 화합물을 포함한 제1 가스 및 수소를 포함한 제2 가스를 제공받아 혼합한 혼합 연료를 상기 연료전지의 연료로 제공하는 혼합부;
    상기 혼합부의 일 가스 유입로 측 전단의 온도 및 상기 연료전지의 스택 온도를 감지하여, 상기 혼합부로 공급되는 적어도 하나의 가스 조성을 판단하는 감지부; 및
    상기 혼합 연료의 조성이 기 설정된 비율을 따르도록 상기 혼합부에 공급되는 적어도 하나의 가스 공급을 조절하는 제어부;
    를 포함하는 연료전지.
  12. 제 9 항 또는 제 11 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 혼합부에 공급되는 적어도 하나의 가스 공급을 조절하거나, 상기 연료전지로의 공기극 가스 공급을 조절하여 상기 연료전지의 스택 온도를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  13. 제 9 항 또는 제 11 항에 있어서,
    상기 연료전지는,
    연료극에서 배출되는 가스를 석탄가스화에 의한 합성가스에 포함된 일산화탄소를 이산화탄소로 변환하는 수성가스변환부 또는 상기 수성가스변환부를 거친 상기 합성가스에 대해 메탄화 반응을 수행하고 상기 혼합부에 제공하는 메탄화부로 재공급하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  14. 제 9 항 또는 제 11 항에 있어서,
    상기 연료전지는,
    배출되는 고온의 가스를 천연가스에 탄소에 대한 증기의 비율을 조절하는 가습부로 제공하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
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