KR20160017284A - Supercritical Carbon Dioxide Power Generation System using Waste Heat from Solid Oxide Fuel Cell - Google Patents

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하정훈
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현대중공업 주식회사
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Abstract

The present invention relates to a supercritical carbon dioxide power generation system which comprises: a heat exchange unit for heat-exchanging waste heat of a solid oxide fuel cell and carbon dioxide; a turbine unit generating power to operate a generator by using carbon dioxide discharged from the heat exchange unit for the generator to produce electricity; and a circulation unit controlling a temperature and pressure of carbon dioxide discharged from the turbine unit to be circulated. Moreover, the turbine unit generates power to operate the generator by using supercritical carbon dioxide.

Description

초임계 이산화탄소 발전시스템{Supercritical Carbon Dioxide Power Generation System using Waste Heat from Solid Oxide Fuel Cell}[0001] Supercritical Carbon Dioxide Power Generation System using Waste Heat from Solid Oxide Fuel Cell [

본 발명은 이산화탄소를 이용하여 전기를 생산하는 초임계 이산화탄소 발전시스템 및 이를 포함하는 선박에 관한 것이다.The present invention relates to a supercritical carbon dioxide power generation system for producing electricity using carbon dioxide and a ship including the same.

연소로, 보일러 등은 소정의 연료를 연소시키면서 이산화탄소(Carbon Dioxide)가 포함된 배가스를 배출한다. 이산화탄소는 지구온난화 등과 같이 환경오염을 초래하는 물질로 알려져 있다. 이에 따라, 이산화탄소로 인한 환경오염을 줄이기 위한 방안으로, 이산화탄소에 대한 배출 규제를 강화하는 방안, 태양력, 풍력 등과 같은 친환경 에너지원으로 대체하는 방안 등이 시도되고 있다.The combustion furnace, the boiler, and the like exhaust the exhaust gas containing the carbon dioxide while burning the predetermined fuel. Carbon dioxide is known to cause environmental pollution such as global warming. As a result, attempts have been made to reduce the environmental pollution caused by carbon dioxide by strengthening emission control regulations for carbon dioxide, and by substituting environmentally friendly energy sources such as solar power and wind power.

그러나, 이산화탄소에 대한 배출 규제를 강화하는 방안은 이산화탄소가 포함된 배가스를 정화하기 위한 설비를 필요로 하기 때문에 각 국가의 산업발전, 경제적 사정 등을 이유로 제대로 시행되지 못하고 있는 실정이다. 태양력, 풍력 등과 같은 친환경 에너지원으로 대체하는 방안은, 기존에 이산화탄소 배출을 통해 생산하는 에너지량을 대체하기에 개발이 부족한 상태이다.However, the measures to strengthen carbon dioxide emission regulations require facilities for purifying exhaust gas containing carbon dioxide, so they are not properly implemented due to industrial development and economic circumstances in each country. The substitution of eco-friendly energy sources such as solar power, wind power and the like is not enough to replace the amount of energy produced through carbon dioxide emission.

최근에는 배가스로부터 이산화탄소를 포집하여 저장하는 CCS(Carbong Capture and Storage) 기술에 대한 개발이 활발하게 진행되면서, 포집한 이산화탄소를 에너지로 변환하는 기술에 대한 개발로 이어지고 있다.In recent years, development of CCS (Carbong Capture and Storage) technology, which captures and stores carbon dioxide from flue gas, has been actively developed, leading to the development of technologies for converting captured carbon dioxide into energy.

예를 들어, 포집한 이산화탄소를 드라이아이스로 제조하여 기존의 냉각물질인 얼음을 대체하는 기술, 포집한 이산화탄소를 탄산가스로 제조하여 맥주, 탄산음료, 조선용접, 산화방지제 등으로 이용하는 기술 등에 대한 개발로 이어지고 있다.For example, it has been developing technologies for replacing ice, which is a conventional cooling material, with carbon dioxide captured in dry ice, and using carbon dioxide as a carbon dioxide gas for use in beer, carbonated drinks, shipbuilding welding, antioxidants, .

이와 같이 이산화탄소를 다른 용도로 이용하는 기술이 활발하게 개발되면서, 환경오염물질인 이산화탄소에 대한 처리 기술이 새로운 전환점을 맞고 있다. 따라서, 발전시스템에 있어서도 이산화탄소를 이용하여 전기를 생산할 수 있는 기술의 개발이 절실히 요구되고 있다.As technologies such as using carbon dioxide for other uses are actively developed, the technology for treating carbon dioxide, which is an environmental pollutant, is coming to a new turning point. Therefore, it is urgently required to develop a technology capable of producing electricity using carbon dioxide even in a power generation system.

본 발명은 상술한 바와 같은 요구를 해소하고자 안출된 것으로, 이산화탄소를 이용하여 고체산화물연료전지의 폐열로부터 전기를 생산할 수 있는 초임계 이산화탄소 발전시스템을 제공하기 위한 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to provide a supercritical carbon dioxide power generation system capable of producing electricity from waste heat of a solid oxide fuel cell using carbon dioxide.

상술한 바와 같은 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 하기와 같은 구성을 포함할 수 있다.In order to solve the above-described problems, the present invention can include the following configuration.

본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템은 고체산화물연료전지로부터 배출되는 산화제 및 이산화탄소를 열교환시키는 산화제열교환부; 발전기에 연결되고, 상기 발전기가 전기를 생산하도록 상기 산화제열교환부로부터 배출되는 이산화탄소를 이용하여 상기 발전기를 동작시키기 위한 동력을 발생시키는 터빈부; 및 상기 터빈부로부터 배출되는 이산화탄소가 상기 산화제열교환부로 재공급되어 산화제로부터 열을 흡수하도록 상기 터빈부로부터 배출되는 이산화탄소의 온도 및 압력을 조절하여 순환시키는 순환부를 포함할 수 있다.The supercritical carbon dioxide power generation system according to the present invention includes an oxidant heat exchanger for exchanging heat between the oxidant and carbon dioxide discharged from the solid oxide fuel cell; A turbine section connected to the generator and generating power for operating the generator using carbon dioxide discharged from the oxidant heat exchanging section so that the generator generates electricity; And a circulation unit for regulating and circulating the temperature and pressure of carbon dioxide discharged from the turbine unit so that carbon dioxide discharged from the turbine unit is supplied to the oxidant heat exchanger unit and absorbs heat from the oxidant.

본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템은 고체산화물연료전지로부터 배출되는 연료 및 이산화탄소를 열교환시키는 연료열교환부; 발전기에 연결되고, 상기 발전기가 전기를 생산하도록 상기 연료열교환부로부터 배출되는 이산화탄소를 이용하여 상기 발전기를 동작시키기 위한 동력을 발생시키는 터빈부; 및 상기 터빈부로부터 배출되는 이산화탄소가 상기 연료열교환부로 재공급되어 연료로부터 열을 흡수하도록 상기 터빈부로부터 배출되는 이산화탄소의 온도 및 압력을 조절하여 순환시키는 순환부를 포함할 수 있다.A supercritical carbon dioxide power generation system according to the present invention includes a fuel heat exchanger for exchanging heat between carbon dioxide and fuel discharged from a solid oxide fuel cell; A turbine section connected to the generator and generating power for operating the generator using carbon dioxide discharged from the fuel heat exchange section so that the generator generates electricity; And a circulation unit for regulating and circulating the temperature and pressure of carbon dioxide discharged from the turbine unit so that the carbon dioxide discharged from the turbine unit is supplied to the fuel heat exchanger unit again so as to absorb heat from the fuel.

본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템에 있어서, 상기 터빈부는 초임계 이산화탄소를 이용하여 상기 발전기를 동작시키기 위한 동력을 발생시킬 수 있다.In the supercritical carbon dioxide power generation system according to the present invention, the turbine unit may generate power for operating the generator using supercritical carbon dioxide.

본 발명에 따르면, 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.According to the present invention, the following effects can be obtained.

본 발명은 초임계 이산화탄소를 작동유체로 이용하여 전기를 생산하도록 구현됨으로써 열교환부, 터빈부 등을 소형화할 수 있으므로, 설치공간이 협소한 곳에 용이하게 설치되어 공간 활용도를 향상시킬 수 있다.Since the heat exchanger, the turbine, and the like can be miniaturized by implementing supercritical carbon dioxide as a working fluid to produce electricity, the installation space can be easily installed in a small space to improve space utilization.

본 발명은 이산화탄소가 고체산화물연료전지의 폐열로 가열되도록 구현됨으로써, 이산화탄소를 가열하기 위한 열원을 마련하기 위해 추가로 연소로 등을 이용하여 연료를 연소시킬 필요가 없으므로, 친환경 발전시스템을 구현할 수 있을 뿐만 아니라 고체산화물연료전지의 폐열을 열원으로 이용함으로써 운영비용을 절감할 수 있다.Since the present invention is implemented such that the carbon dioxide is heated by the waste heat of the solid oxide fuel cell, it is not necessary to further burn the fuel by using a combustion furnace in order to provide a heat source for heating the carbon dioxide, In addition, operating costs can be reduced by using the waste heat of the solid oxide fuel cell as a heat source.

본 발명은 환경오염물질인 이산화탄소를 이용하여 발전기를 동작시키기 위한 동력을 발생시키므로, 환경오염물질인 이산화탄소를 정화하는데 필요한 설비 및 운영비용을 줄이는데 기여할 수 있다.The present invention generates power for operating a generator using carbon dioxide, which is an environmental pollutant, so that it can contribute to reduce equipment and operation cost required for purifying carbon dioxide, which is an environmental pollutant.

도 1은 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템의 개략적인 블록도
도 2는 본 발명의 변형된 실시예에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템의 개략적인 블록도
도 3은 본 발명의 다른 변형된 실시예에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템의 개략적인 블록도1 is a schematic block diagram of a supercritical carbon dioxide power generation system according to the present invention;
2 is a schematic block diagram of a supercritical carbon dioxide power generation system according to a modified embodiment of the present invention
3 is a schematic block diagram of a supercritical carbon dioxide power generation system according to another modified embodiment of the present invention

이하에서는 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, embodiments of the supercritical carbon dioxide power generation system according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1을 참고하면, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 초임계 이산화탄소(Supercritical Carbon Dioxide)를 이용하여 전기를 생산하는 발전기(300)를 동작시키기 위한 것이다. 이산화탄소는 임계 온도 및 임계 압력 이상의 조건에서 초임계 이산화탄소로 된다. 초임계 이산화탄소는 밀도가 높은 특성을 가짐과 동시에 점도가 낮은 특성을 갖는다. 즉, 초임계 이산화탄소는 밀도가 높은 기체 특성을 갖는다.Referring to FIG. 1, a supercritical carbon dioxide power generation system 1 according to the present invention operates a generator 300 that generates electricity using supercritical carbon dioxide (CO 2). The carbon dioxide becomes supercritical carbon dioxide under the condition of the critical temperature and the critical pressure or more. Supercritical carbon dioxide has high density and low viscosity. That is, supercritical carbon dioxide has a gas characteristic of high density.

본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 고체산화물연료전지(100)의 폐열을 이용하여 이산화탄소를 가열한다. 상기 고체산화물연료전지(100)는 고체 세라믹을 전해질로 사용하여 연료가 갖고 있는 화학에너지를 직접 전기에너지로 바꾸는 연료전지이다. 상기 고체산화물연료전지(100)에는 연료 및 산화제가 공급되고, 연료 및 산화제는 상기 고체산화물연료전지(100)의 내부를 통과하면서 전기를 생산하는 과정에서 가열된 후에 상기 고체산화물연료전지(100)로부터 배출된다. 예컨대, 상기 연료는 수소일 수 있고, 상기 산화제는 산소일 수 있다.The supercritical carbon dioxide power generation system 1 according to the present invention uses waste heat of the solid oxide fuel cell 100 to heat carbon dioxide. The solid oxide fuel cell 100 is a fuel cell that uses solid ceramics as an electrolyte to convert the chemical energy of the fuel directly into electric energy. The solid oxide fuel cell 100 is supplied with a fuel and an oxidizer. The fuel and the oxidant flow through the interior of the solid oxide fuel cell 100, . For example, the fuel may be hydrogen, and the oxidant may be oxygen.

이러한 고체산화물연료전지(100)의 폐열을 이용하여 이산화탄소를 가열함으로써 추가로 전기를 생산하기 위해, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 고체산화물연료전지(100)의 폐열과 이산화탄소를 열교환시키는 열교환부(2), 상기 열교환부(2)로부터 배출되는 이산화탄소를 이용하여 상기 발전기(300)를 동작시키기 위한 동력을 발생시키는 터빈부(3), 및 상기 터빈부(3)로부터 배출되는 이산화탄소의 온도 및 압력을 조절하여 순환시키는 순환부(4)를 포함한다.In order to further generate electricity by heating carbon dioxide using the waste heat of the solid oxide fuel cell 100, the supercritical carbon dioxide power generation system 1 according to the present invention includes a waste heat of the solid oxide fuel cell 100 and carbon dioxide A turbine section 3 for generating power for operating the generator 300 by using carbon dioxide discharged from the heat exchange section 2 and a turbine section 3 for discharging the turbine section 3 from the turbine section 3, And a circulation unit 4 for regulating and circulating the temperature and the pressure of the carbon dioxide.

상기 터빈부(3)는 초임계 이산화탄소를 이용하여 상기 발전기(300)를 동작시키기 위한 동력을 발생시킨다. 이에 따라, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 초임계 이산화탄소를 이용하여 전기를 생산할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 다음과 같은 작용 효과를 도모할 수 있다.The turbine unit 3 generates power for operating the generator 300 using supercritical carbon dioxide. Accordingly, the supercritical carbon dioxide power generation system 1 according to the present invention can produce electricity using supercritical carbon dioxide. Therefore, the supercritical carbon dioxide power generation system 1 according to the present invention can achieve the following operational effects.

첫째, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 초임계 이산화탄소를 작동유체로 이용하여 전기를 생산하도록 구현됨으로써, 물과 같은 다른 유체를 초임계 상태의 작동유체로 이용하는 것과 비교할 때, 상기 열교환부(2), 상기 터빈부(3), 및 상기 순환부(4)를 소형화할 수 있다. 초임계 이산화탄소는 물과 같은 다른 유체가 초임계 상태일 때와 비교할 때, 더 밀도가 높은 특성을 갖기 때문이다. 따라서, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 전체적인 크기가 감소될 수 있으므로, 설치공간이 협소한 곳에도 용이하게 설치될 수 있다.First, the supercritical carbon dioxide power generation system (1) according to the present invention is embodied to produce electricity by using supercritical carbon dioxide as a working fluid, so that compared with the use of another fluid such as water as a working fluid in a supercritical state, The heat exchanging section 2, the turbine section 3, and the circulation section 4 can be downsized. Supercritical carbon dioxide is a more dense nature when compared to the supercritical state of other fluids such as water. Therefore, the supercritical carbon dioxide power generation system 1 according to the present invention can be reduced in its overall size, so that it can be easily installed in a narrow installation space.

둘째, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 이산화탄소가 고체산화물연료전지(100)의 폐열로 가열되도록 구현됨으로써, 이산화탄소를 가열하기 위한 열원을 마련하기 위해 추가로 연소로 등을 이용하여 연료를 연소시킬 필요가 없다. 이에 따라, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 연소로 등을 통해 추가로 이산화탄소를 발생시키지 않으면서 전기를 생산할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 친환경 발전시스템을 구현할 수 있을 뿐만 아니라, 고체산화물연료전지(100)의 폐열을 열원으로 이용함으로써 운영비용을 절감할 수 있다.Second, the supercritical carbon dioxide power generation system 1 according to the present invention is implemented such that carbon dioxide is heated by the waste heat of the solid oxide fuel cell 100, so that a combustion furnace or the like is further used to provide a heat source for heating the carbon dioxide There is no need to burn fuel. Accordingly, the supercritical carbon dioxide power generation system 1 according to the present invention can produce electricity without further generating carbon dioxide through a furnace or the like. Therefore, the supercritical carbon dioxide power generation system 1 according to the present invention not only can realize an environmentally friendly power generation system, but also can reduce operating cost by using the waste heat of the solid oxide fuel cell 100 as a heat source.

셋째, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 환경오염물질인 이산화탄소를 이용하여 발전기(300)를 동작시키기 위한 동력을 발생시킨다. 이에 따라, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 환경오염물질인 이산화탄소를 무해한 물질로 정화하지 않으면서 이산화탄소를 전기를 생산하기 위한 용도로 사용할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 환경오염물질인 이산화탄소를 정화하는데 필요한 설비 및 운영비용을 줄이는데 기여할 수 있다.Third, the supercritical carbon dioxide power generation system 1 according to the present invention generates power for operating the generator 300 using carbon dioxide, which is an environmental pollutant. Accordingly, the supercritical carbon dioxide power generation system 1 according to the present invention can be used for producing carbon dioxide, without purifying the carbon dioxide, which is an environmental pollutant, into a harmless substance. Therefore, the supercritical carbon dioxide power generation system 1 according to the present invention can contribute to reduce facilities and operating costs required for purifying carbon dioxide, which is an environmental pollutant.

이하에서는 상기 열교환부(2), 상기 터빈부(3), 및 상기 순환부(4)에 관해 첨부된 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다.Hereinafter, the heat exchanging unit 2, the turbine unit 3, and the circulation unit 4 will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1을 참고하면, 상기 열교환부(2)는 고체산화물연료전지(100)의 폐열 및 이산화탄소를 열교환시킨다. 이에 따라, 이산화탄소는 상기 열교환부(2)를 통과하면서 고체산화물연료전지(100)의 폐열에 의해 가열된다. 이 경우, 상기 고체산화물연료전지(100)의 폐열이 열원으로 기능한다. 상기 열교환부(2)는 상기 터빈부(3) 및 상기 순환부(4) 사이에 위치되게 설치된다. 상기 열교환부(2)는 이산화탄소가 이동할 수 있는 파이프 등과 같은 순환배관을 통해 상기 터빈부(3) 및 상기 순환부(4)에 연결된다.Referring to FIG. 1, the heat exchange unit 2 exchanges heat between the waste heat of the solid oxide fuel cell 100 and carbon dioxide. As a result, the carbon dioxide is heated by the waste heat of the solid oxide fuel cell 100 while passing through the heat exchange unit 2. [ In this case, the waste heat of the solid oxide fuel cell 100 functions as a heat source. The heat exchange unit 2 is installed between the turbine unit 3 and the circulation unit 4. The heat exchange unit 2 is connected to the turbine unit 3 and the circulation unit 4 through a circulation pipe such as a pipe through which carbon dioxide can move.

상기 열교환부(2)는 산화제열교환부(21)를 포함할 수 있다.The heat exchanging part 2 may include an oxidizing heat exchanging part 21.

상기 산화제열교환부(21)는 상기 고체산화물연료전지(100)로부터 배출되는 산화제 및 이산화탄소를 열교환시킨다. 이에 따라, 이산화탄소는 상기 산화제열교환부(21)를 통과하면서 상기 고체산화물연료전지(100)의 폐열 중에서 산화제에 의해 가열된다. 이 경우, 상기 고체산화물연료전지(100)의 폐열 중에서 산화제가 열원으로 기능한다. 상기 산화제열교환부(21)를 통과한 산화제는, 이산화탄소가 가열되도록 열을 방출한 후에, 스택(미도시)을 통해 외부로 배출될 수 있다. 상기 산화제열교환부(21)를 통과한 산화제는, 이산화탄소가 가열되도록 열을 방출한 후에, 재생공정을 거쳐 다시 상기 고체산화물연료전지(100)로 공급될 수도 있다. 산화제는 파이프 등의 배관을 따라 이동하면서 상기 고체산화물연료전지, 및 상기 산화제열교환부(21)를 통과할 수 있다.The oxidant heat exchanger 21 heat-exchanges the oxidant and the carbon dioxide discharged from the solid oxide fuel cell 100. As a result, carbon dioxide is heated by the oxidant in the waste heat of the solid oxide fuel cell 100 while passing through the oxidant heat exchanger 21. In this case, among the waste heat of the solid oxide fuel cell 100, the oxidant functions as a heat source. The oxidant passing through the oxidant heat exchanger 21 may be discharged to the outside through a stack (not shown) after releasing heat to heat the carbon dioxide. The oxidant passing through the oxidant heat exchanger 21 may be supplied to the solid oxide fuel cell 100 through the regeneration process after releasing heat to heat the carbon dioxide. The oxidant can pass through the solid oxide fuel cell and the oxidant heat exchanger 21 while moving along a pipe such as a pipe.

도 1을 참고하면, 상기 터빈부(3)는 상기 발전기(300)에 연결된다. 상기 터빈부(3)는 상기 산화제열교환부(21)로부터 배출되는 이산화탄소를 이용하여 동력을 발생시킨다. 상기 산화제열교환부(21)로부터 배출되는 이산화탄소는, 상기 터빈부(3)를 통과하면서 상기 터빈부(3)가 갖는 임펠러를 회전시킴으로써 동력을 발생시킬 수 있다. 상기 발전기(300)는 상기 터빈부(3)로부터 제공되는 동력을 이용하여 전기를 생산한다. 상기 발전기(300)는 샤프트 등을 통해 상기 터빈부(3)에 연결될 수 있다.Referring to FIG. 1, the turbine section 3 is connected to the generator 300. The turbine unit 3 generates power by using carbon dioxide discharged from the oxidant heat exchanging unit 21. [ The carbon dioxide discharged from the oxidizer heat exchanging unit 21 can generate power by rotating the impeller of the turbine unit 3 while passing through the turbine unit 3. The generator 300 generates electricity using the power supplied from the turbine unit 3. The generator 300 may be connected to the turbine section 3 through a shaft or the like.

상기 터빈부(3)는 초임계 이산화탄소를 이용하여 상기 발전기(300)를 동작시키기 위한 동력을 발생시킨다. 상기 산화제열교환부(21)로부터 배출되는 이산화탄소는 초임계 상태로 상기 터빈부(3)를 통과하면서 동력을 발생시킬 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 초임계 이산화탄소를 이용하여 상기 터빈부(3)가 동력을 발생시키도록 구현됨으로써, 상기 터빈부(3)를 소형화할 수 있을 뿐만 아니라 상기 터빈부(3) 및 상기 발전기(300)를 통해 생산되는 전기에 대한 발전효율을 향상시킬 수 있다.The turbine unit 3 generates power for operating the generator 300 using supercritical carbon dioxide. The carbon dioxide discharged from the oxidizer heat exchanging unit 21 can generate power while passing through the turbine unit 3 in a supercritical state. Accordingly, the supercritical carbon dioxide power generation system 1 according to the present invention is constructed such that the turbine section 3 generates power by using supercritical carbon dioxide, so that the turbine section 3 can be downsized, It is possible to improve power generation efficiency with respect to electricity produced through the turbine section 3 and the generator 300.

도 1을 참고하면, 상기 순환부(4)는 상기 터빈부(3) 및 상기 열교환부(2) 사이에 위치되게 설치된다. 상기 순환부(4)는 상기 터빈부(3)로부터 배출되는 이산화탄소의 온도 및 압력을 조절하여 순환시킨다. 상기 순환부(4)는 상기 터빈부(3)로부터 배출되는 이산화탄소의 온도를 낮추고, 상기 터빈부(3)로부터 배출되는 이산화탄소의 압력을 높인다. 이에 따라, 상기 터빈부(3)로부터 배출되는 이산화탄소는, 상기 순환부(4)를 통해 다시 상기 열교환부(2)에서 산화제의 열을 흡수하여 상기 터빈부(3)를 작동시킬 수 있는 상태로 조절된다. 상기 순환부(4)는 상기 터빈부(3)로부터 배출되는 이산화탄소가 상기 산화제열교환부(21)로 재공급되어 산화제로부터 열을 흡수하도록 상기 터빈부(3)로부터 배출되는 이산화탄소의 온도 및 압력을 조절하여 순환시킬 수 있다.Referring to FIG. 1, the circulation unit 4 is installed between the turbine unit 3 and the heat exchange unit 2. The circulation unit 4 regulates the temperature and pressure of the carbon dioxide discharged from the turbine unit 3 and circulates the carbon dioxide. The circulation unit 4 lowers the temperature of the carbon dioxide discharged from the turbine unit 3 and increases the pressure of the carbon dioxide discharged from the turbine unit 3. Accordingly, the carbon dioxide discharged from the turbine portion 3 is absorbed by the heat exchanging portion 2 again through the circulation portion 4 to be able to operate the turbine portion 3 . The circulation unit 4 is supplied with the temperature and pressure of carbon dioxide discharged from the turbine unit 3 so that the carbon dioxide discharged from the turbine unit 3 is supplied to the oxidant heat exchange unit 21 and absorbs heat from the oxidant. And can be regulated and circulated.

상기 순환부(4)는 냉각부(41) 및 압축부(42)를 포함할 수 있다.The circulation unit 4 may include a cooling unit 41 and a compression unit 42.

상기 냉각부(41)는 상기 터빈부(3)로부터 배출되는 이산화탄소를 냉각함으로써, 상기 터빈부(3)로부터 배출되는 이산화탄소의 온도를 낮춘다. 상기 냉각부(41)는 전기 등에 의해 동작하는 쿨러(Cooler)를 이용하여 이산화탄소를 냉각할 수 있다. 상기 냉각부(41)는 이산화탄소를 냉각할 수 있는 냉각매체 및 이산화탄소를 열교환시킴으로써, 이산화탄소를 냉각할 수도 있다.The cooling unit 41 lowers the temperature of the carbon dioxide discharged from the turbine unit 3 by cooling the carbon dioxide discharged from the turbine unit 3. The cooling unit 41 can cool carbon dioxide using a cooler operated by electricity or the like. The cooling unit 41 may cool the carbon dioxide by heat-exchanging the cooling medium and the carbon dioxide capable of cooling the carbon dioxide.

상기 압축부(42)는 상기 터빈부(3)로부터 배출되는 이산화탄소를 압축함으로써, 상기 터빈부(3)로부터 배출되는 이산화탄소의 압력을 높인다. 상기 압축부(42)는 상기 냉각부(41) 및 상기 열교환부(2) 사이에 위치되게 설치된다. 상기 압축부(42)는 상기 냉각부(41) 및 상기 산화제열교환부(21) 사이에 위치되게 설치될 수 있다. 이 경우, 상기 압축부(42)는 상기 냉각부(41)에 의해 냉각된 이산화탄소를 압축한다.The compression unit 42 compresses the carbon dioxide discharged from the turbine unit 3 to increase the pressure of the carbon dioxide discharged from the turbine unit 3. The compression section (42) is installed between the cooling section (41) and the heat exchange section (2). The compression section 42 may be installed between the cooling section 41 and the oxidant heat exchange section 21. In this case, the compression section 42 compresses the carbon dioxide cooled by the cooling section 41.

이에 따라, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 상기 터빈부(3)로부터 배출되는 이산화탄소를 냉각한 후에 압축함으로써, 상기 압축부(42)가 이산화탄소를 압축하는 압축률을 증대시킬 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 이산화탄소가 상기 열교환부(2)에서 열을 흡수하는 폐열 회수율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 이산화탄소를 이용하여 상기 터빈부(3) 및 상기 발전기(300)를 통해 생산하는 전기에 대한 발전효율을 향상시킬 수 있다.Accordingly, the supercritical carbon dioxide power generation system 1 according to the present invention can increase the compression rate at which the compression section 42 compresses the carbon dioxide by cooling the carbon dioxide discharged from the turbine section 3 after cooling it . Therefore, the supercritical carbon dioxide power generation system 1 according to the present invention not only improves the waste heat recovery rate at which carbon dioxide absorbs heat in the heat exchange unit 2, The power generation efficiency of the electricity generated through the generator 300 can be improved.

상기 압축부(42)는 상기 터빈부(3)로부터 배출되는 이산화탄소가 액체 상태인 경우, 펌프(Pump)를 포함할 수 있다. 이 경우, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 이산화탄소가 사이클 내에서 미임계 상태와 초임계 상태 간에 변화하는 트랜스크리티컬 사이클(Transcritical Cycle)로 구현될 수 있다. 이산화탄소는 상기 터빈부(3)로부터 배출된 후에 미임계 상태로 변화되고, 상기 압축부(42)에서 초임계 상태로 변화될 수 있다. 이산화탄소는 상기 터빈부(3)로부터 배출된 후에 미임계 상태로 변화되고, 상기 압축부(42) 및 상기 열교환부(2)를 통과하면서 초임계 상태로 변화될 수도 있다.The compression unit 42 may include a pump when the carbon dioxide discharged from the turbine unit 3 is in a liquid state. In this case, the supercritical carbon dioxide power generation system 1 according to the present invention can be implemented with a transcritical cycle in which carbon dioxide is changed between a critical state and a supercritical state in a cycle. After the carbon dioxide is discharged from the turbine section 3, it changes to a critical state and can be changed to a supercritical state in the compression section 42. The carbon dioxide is changed into a critical state after being discharged from the turbine portion 3 and may be changed into a supercritical state while passing through the compression portion 42 and the heat exchange portion 2. [

상기 압축부(42)는 상기 터빈부(42)로부터 배출되는 이산화탄소가 초임계 상태인 경우, 컴프레서(Compressor)를 포함할 수 있다. 이 경우, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 이산화탄소가 전체 사이클 내에서 초임계 상태로 유지되는 슈퍼크리티컬 사이클(Supercritical Cycle)로 구현될 수 있다.The compression unit 42 may include a compressor when the carbon dioxide discharged from the turbine unit 42 is in a supercritical state. In this case, the supercritical carbon dioxide power generation system 1 according to the present invention can be implemented in a supercritical cycle in which carbon dioxide is maintained in a supercritical state in the entire cycle.

도 2를 참고하면, 본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 상기 열교환부(2)는 연료열교환부(22)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 2, according to a modified embodiment of the present invention, the heat exchange unit 2 may include a fuel heat exchange unit 22.

상기 연료열교환부(22)는 상기 고체산화물연료전지(100)로부터 배출되는 연료 및 이산화탄소를 열교환시킨다. 이에 따라, 이산화탄소는 상기 연료열교환부(22)를 통과하면서 상기 고체산화물연료전지(100)의 폐열 중에서 연료에 의해 가열된다. 이 경우, 상기 고체산화물연료전지(100)의 폐열 중에서 연료가 열원으로 기능한다. 상기 연료열교환부(22)를 통과한 연료는, 이산화탄소가 가열되도록 열을 방출한 후에, 스택(미도시)을 통해 외부로 배출될 수 있다. 상기 연료열교환부(22)를 통과한 연료는, 이산화탄소가 가열되도록 열을 방출한 후에, 다시 상기 고체산화물연료전지(100)로 공급될 수도 있다. 연료는 파이프 등의 배관을 따라 이동하면서 상기 고체산화물연료전지, 및 상기 연료열교환부(22)를 통과할 수 있다.The fuel heat exchanging unit 22 exchanges heat between the fuel and carbon dioxide discharged from the solid oxide fuel cell 100. As a result, carbon dioxide is heated by the fuel in the waste heat of the solid oxide fuel cell 100 while passing through the fuel heat exchanging portion 22. [ In this case, among the waste heat of the solid oxide fuel cell 100, the fuel functions as a heat source. The fuel that has passed through the fuel heat exchanging portion 22 may be discharged to the outside through a stack (not shown) after releasing heat to heat the carbon dioxide. The fuel that has passed through the fuel heat exchanging unit 22 may be supplied to the solid oxide fuel cell 100 after releasing heat to heat the carbon dioxide. The fuel can pass through the solid oxide fuel cell and the fuel heat exchanging part 22 while moving along a pipe such as a pipe.

상기 연료열교환부(22)는 상기 순환부(4) 및 상기 터빈부(3) 사이에 위치되게 설치된다. 상기 연료열교환부(22)는 상기 압축부(42) 및 상기 터빈부(3) 사이에 위치되게 설치될 수 있다. 상기 순환부(4)는 상기 터빈부(3)로부터 배출되는 이산화탄소가 상기 연료열교환부(22)로 재공급되어 연료로부터 열을 흡수하도록 상기 터빈부(3)로부터 배출되는 이산화탄소의 온도 및 압력을 조절하여 순환시킬 수 있다.The fuel heat exchanging part 22 is installed between the circulation part 4 and the turbine part 3. The fuel heat exchanging part 22 may be installed between the compression part 42 and the turbine part 3. The circulation unit 4 is supplied with the temperature and pressure of carbon dioxide discharged from the turbine unit 3 so that the carbon dioxide discharged from the turbine unit 3 is supplied again to the fuel heat exchange unit 22 to absorb heat from the fuel. And can be regulated and circulated.

도 3을 참고하면, 본 발명의 다른 변형된 실시예에 따르면, 상기 열교환부(2)는 상기 산화제열교환부(21) 및 상기 연료열교환부(22)를 모두 포함할 수 있다.Referring to FIG. 3, according to another modified embodiment of the present invention, the heat exchange unit 2 may include both the oxidant heat exchange unit 21 and the fuel heat exchange unit 22.

상기 산화제열교환부(21) 및 상기 연료열교환부(22)는 각각 상기 고체산화물연료전지(100)의 폐열 및 이산화탄소를 열교환시킨다. 상기 산화제열교환부(21)는 이산화탄소 및 상기 고체산화물연료전지(100)로부터 배출되는 산화제를 열교환시킨다. 상기 연료열교환부(22)는 이산화탄소 및 상기 고체산화물연료전지(100)로부터 배출되는 연료를 열교환시킨다.The oxidant heat exchanger 21 and the fuel heat exchanger 22 heat-exchange waste heat and carbon dioxide of the solid oxide fuel cell 100, respectively. The oxidant heat exchanger 21 exchanges heat between the carbon dioxide and the oxidant discharged from the solid oxide fuel cell 100. The fuel heat exchanger 22 exchanges heat between the carbon dioxide and the fuel discharged from the solid oxide fuel cell 100.

이에 따라, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 하나의 고체산화물연료전지(100)로부터 이산화탄소가 열을 흡수하는 폐열 회수율을 더 향상시킬 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 상기 터빈부(3) 및 상기 발전기(300)를 통해 생산하는 전기에 대한 발전효율을 더 향상시킬 수 있다.Accordingly, the supercritical carbon dioxide power generation system 1 according to the present invention can further improve the waste heat recovery rate at which carbon dioxide absorbs heat from one solid oxide fuel cell 100. Therefore, the supercritical carbon dioxide power generation system 1 according to the present invention can further improve the power generation efficiency for electricity generated through the turbine unit 3 and the generator 300.

상기 산화제열교환부(21) 및 상기 연료열교환부(22)는 서로 병렬로 연결될 수 있다. 이 경우, 상기 순환부(4)로부터 배출되는 이산화탄소는 분기된 후에 상기 열교환부(2)로 공급된다. 상기 순환부(4)로부터 배출되는 이산화탄소의 일부는 상기 산화제열교환부(21)로 공급되고, 나머지 일부는 연료열교환부(22)로 공급된다. 상기 터빈부(3)는 상기 산화제열교환부(21) 및 상기 연료열교환부(22) 각각으로부터 배출되어 합류한 초임계 이산화탄소를 이용하여 상기 발전기(300)를 동작시키기 위한 동력을 발생시킨다.The oxidant heat exchanger 21 and the fuel heat exchanger 22 may be connected in parallel with each other. In this case, the carbon dioxide discharged from the circulation unit 4 is supplied to the heat exchange unit 2 after branched. Part of the carbon dioxide discharged from the circulation unit 4 is supplied to the oxidant heat exchange unit 21 and the remaining part of the carbon dioxide is supplied to the fuel heat exchange unit 22. The turbine unit 3 generates power for operating the generator 300 by using supercritical carbon dioxide discharged from the oxidant heat exchanger 21 and the fuel heat exchanger 22, respectively.

이에 따라, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 상기 터빈부(3) 및 상기 순환부(4)를 통과하는 이산화탄소의 유량에 비해 상기 산화제열교환부(21) 및 상기 연료열교환부(22) 각각을 통과하는 이산화탄소의 유량을 감소시킬 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 상기 산화제열교환부(21) 및 상기 연료열교환부(22)가 서로 직렬로 연결된 것과 비교할 때, 상기 산화제열교환부(21) 및 상기 연료열교환부(22) 각각의 용량을 줄일 수 있으므로, 설치비용 및 운영비용을 절감할 수 있다. The supercritical carbon dioxide power generation system 1 according to the present invention is characterized in that the oxidizing agent heat exchanging part 21 and the fuel heat exchanging part 21 are connected to each other with a flow rate of carbon dioxide passing through the turbine part 3 and the circulating part 4, 22, respectively. Therefore, the supercritical carbon dioxide power generation system 1 according to the present invention is characterized in that the oxidant heat exchanging part 21 and the fuel heat exchanging part 22 are connected in series with each other, It is possible to reduce the installation cost and the operation cost.

또한, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 상기 산화제열교환부(21) 및 상기 연료열교환부(22)가 서로 직렬로 연결된 것과 비교할 때, 상기 산화제열교환부(21) 및 상기 연료열교환부(22) 각각에서 이산화탄소가 열을 흡수하는 폐열 회수율을 더 향상시킬 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 상기 터빈부(3) 및 상기 발전기(300)를 통해 생산하는 전기에 대한 발전효율을 더 향상시킬 수 있다.The supercritical carbon dioxide power generation system 1 according to the present invention is characterized in that the oxidant heat exchanging part 21 and the fuel heat exchanging part 22 are connected in series with each other, It is possible to further improve the waste heat recovery rate at which carbon dioxide absorbs heat in each of the sections 22. Therefore, the supercritical carbon dioxide power generation system 1 according to the present invention can further improve the power generation efficiency for electricity generated through the turbine unit 3 and the generator 300.

도 3을 참고하면, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 분기부(5) 및 합류부(6)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 3, the supercritical carbon dioxide power generation system 1 according to the present invention may include a branch portion 5 and a merging portion 6.

상기 분기부(5)는 상기 순환부(4)로부터 배출되는 이산화탄소를 분기시킨다. 이에 따라, 상기 순환부(4)로부터 배출되는 이산화탄소는 상기 산화제열교환부(21) 및 상기 연료열교환부(22) 각각으로 공급된다. 상기 분기부(5)는 상기 압축부(42)로부터 배출되는 이산화탄소가 상기 산화제열교환부(21) 및 상기 연료열교환부(22) 각각으로 공급되도록 상기 압축부(42)로부터 배출되는 이산화탄소를 분기시킬 수 있다. 상기 분기부(5)에는 상기 산화제열교환부(21) 및 상기 연료열교환부(22) 각각으로 공급되는 이산화탄소의 유량을 조절하기 위한 유량조절밸브가 설치될 수 있다. 상기 분기부(5)는 일측이 상기 압축부(42)에 연결되고, 타측이 상기 산화제열교환부(21)와 상기 연료열교환부(22) 각각에 연결되게 설치된다.The branching section (5) branches the carbon dioxide discharged from the circulation section (4). Accordingly, the carbon dioxide discharged from the circulation unit 4 is supplied to the oxidant heat exchange unit 21 and the fuel heat exchange unit 22, respectively. The branching section 5 branches the carbon dioxide discharged from the compression section 42 so that the carbon dioxide discharged from the compression section 42 is supplied to each of the oxidant heat exchange section 21 and the fuel heat exchange section 22 . The branching section 5 may be provided with a flow control valve for controlling the flow rate of carbon dioxide supplied to the oxidant heat exchanging section 21 and the fuel heat exchanging section 22, respectively. The branching section 5 is connected to the compression section 42 at one side and to the oxidizing agent heat exchanging section 21 and the fuel heat exchanging section 22 at the other side.

상기 합류부(6)는 상기 산화제열교환부(21) 및 상기 연료열교환부(22) 각각으로부터 배출되는 이산화탄소를 합류시킨다. 이에 따라, 이산화탄소는 상기 산화제열교환부(21) 및 상기 연료열교환부(22) 각각에서 열을 흡수하여 가열된 후에, 상기 합류부(6)에서 합류하여 상기 터빈부(3)로 공급될 수 있다. 상기 합류부(6)는 일측이 상기 터빈부(3)에 연결되고, 타측이 상기 산화제열교환부(21)와 상기 연료열교환부(22) 각각에 연결되게 설치된다.The merging section 6 merges the carbon dioxide discharged from each of the oxidant heat exchanging section 21 and the fuel heat exchanging section 22. Accordingly, after the carbon dioxide is absorbed and heated by the oxidant heat exchanging unit 21 and the fuel heat exchanging unit 22, the carbon dioxide can be supplied to the turbine unit 3 by merging at the merging unit 6 . One end of the merging portion 6 is connected to the turbine portion 3 and the other end is connected to the oxidant heat exchanging portion 21 and the fuel heat exchanging portion 22, respectively.

2 : 열교환부 3 : 터빈부
4 : 순환부 21 : 산화제열교환부
22 : 연료열교환부 100 : 고체산화물연료전지2: Heat exchanging part 3: Turbine part
4: circulation part 21: oxidizer heat exchange part
22: fuel heat exchanger 100: solid oxide fuel cell

Claims (5)

고체산화물연료전지로부터 배출되는 산화제 및 이산화탄소를 열교환시키는 산화제열교환부;
발전기에 연결되고, 상기 발전기가 전기를 생산하도록 상기 산화제열교환부로부터 배출되는 이산화탄소를 이용하여 상기 발전기를 동작시키기 위한 동력을 발생시키는 터빈부; 및
상기 터빈부로부터 배출되는 이산화탄소가 상기 산화제열교환부로 재공급되어 산화제로부터 열을 흡수하도록 상기 터빈부로부터 배출되는 이산화탄소의 온도 및 압력을 조절하여 순환시키는 순환부를 포함하고,
상기 터빈부는 초임계 이산화탄소를 이용하여 상기 발전기를 동작시키기 위한 동력을 발생시키는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전시스템.An oxidizer heat exchanger for exchanging heat between the oxidizer and the carbon dioxide discharged from the solid oxide fuel cell;
A turbine section connected to the generator and generating power for operating the generator using carbon dioxide discharged from the oxidant heat exchanging section so that the generator generates electricity; And
And a circulation unit for regulating and circulating the temperature and pressure of carbon dioxide discharged from the turbine unit so that carbon dioxide discharged from the turbine unit is supplied to the oxidant heat exchanger unit and absorbs heat from the oxidant,
Wherein the turbine section generates power for operating the generator using supercritical carbon dioxide. 제1항에 있어서,
고체산화물연료전지로부터 배출되는 연료 및 이산화탄소를 열교환시키는 연료열교환부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전시스템.The method according to claim 1,
Further comprising a fuel heat exchanger for exchanging heat between the fuel and carbon dioxide discharged from the solid oxide fuel cell. 제2항에 있어서,
상기 터빈부는 상기 산화제열교환부 및 상기 연료열교환부 각각으로부터 배출되어 합류한 초임계 이산화탄소를 이용하여 상기 발전기를 동작시키기 위한 동력을 발생시키고,
상기 산화제열교환부 및 상기 연료열교환부가 서로 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전시스템.3. The method of claim 2,
Wherein the turbine section generates power for operating the generator using supercritical carbon dioxide discharged from each of the oxidant heat exchanger and the fuel heat exchanger,
Wherein the oxidant heat exchanger and the fuel heat exchanger are connected in parallel with each other. 제2항에 있어서,
상기 순환부로부터 배출되는 이산화탄소가 상기 산화제열교환부 및 상기 연료열교환부 각각으로 공급되도록 상기 순환부로부터 배출되는 이산화탄소를 분기시키는 분기부, 및
상기 산화제열교환부 및 상기 연료열교환부 각각으로부터 배출되는 이산화탄소가 합류하여 상기 터빈부로 공급되도록 상기 산화제열교환부 및 상기 연료열교환부 각각으로부터 배출되는 이산화탄소를 합류시키는 합류부를 포함하는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전시스템.3. The method of claim 2,
A branching section for branching carbon dioxide discharged from the circulation section so that carbon dioxide discharged from the circulation section is supplied to the oxidant heat exchange section and the fuel heat exchange section,
And a joining portion for joining the carbon dioxide discharged from each of the oxidant heat exchanging portion and the fuel heat exchanging portion so that the carbon dioxide discharged from each of the oxidant heat exchanging portion and the fuel heat exchanging portion joins and is supplied to the turbine portion. Power generation system. 고체산화물연료전지로부터 배출되는 연료 및 이산화탄소를 열교환시키는 연료열교환부;
발전기에 연결되고, 상기 발전기가 전기를 생산하도록 상기 연료열교환부로부터 배출되는 이산화탄소를 이용하여 상기 발전기를 동작시키기 위한 동력을 발생시키는 터빈부; 및
상기 터빈부로부터 배출되는 이산화탄소가 상기 연료열교환부로 재공급되어 연료로부터 열을 흡수하도록 상기 터빈부로부터 배출되는 이산화탄소의 온도 및 압력을 조절하여 순환시키는 순환부를 포함하고,
상기 터빈부는 초임계 이산화탄소를 이용하여 상기 발전기를 동작시키기 위한 동력을 발생시키는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전시스템.A fuel heat exchanger for exchanging heat between the fuel and the carbon dioxide discharged from the solid oxide fuel cell;
A turbine section connected to the generator and generating power for operating the generator using carbon dioxide discharged from the fuel heat exchange section so that the generator generates electricity; And
And a circulation unit for regulating and circulating the temperature and pressure of carbon dioxide discharged from the turbine unit so that carbon dioxide discharged from the turbine unit is supplied again to the fuel heat exchange unit to absorb heat from the fuel,
Wherein the turbine section generates power for operating the generator using supercritical carbon dioxide.
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