KR20170034719A - 초임계 이산화탄소 발전과 연료전지가 결합된 복합발전 시스템 - Google Patents

초임계 이산화탄소 발전과 연료전지가 결합된 복합발전 시스템 Download PDF

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조종영
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Abstract

본 발명은 연료가 투입되는 연료극과 가열된 공기가 투입되는 공기극을 가지는 연료전지 스택부와, 상기 공기극에 가열된 공기를 공급하는 촉매 연소부를 포함하는 연료 전지부 및, 초임계 이산화탄소를 작동 유체로 구동되는 초임계 이산화탄소 터빈부와 상기 초임계 이산화탄소를 가압하는 압축기를 가지는 초임계 이산화탄소 발전부를 포함하고, 상기 초임계 이산화탄소 발전부의 초임계 이산화탄소의 이동경로는 상기 연료 전지부에서 발생하는 가스가 이동하는 경로와 분리되어 서로 다른 경로를 가지며, 상기 연료 전지부에서 발생하는 열을 회수하여 온도가 상승하는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전과 연료전지가 결합된 복합발전 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 연료전지에서 사용되는 이산화탄소의 경로와, 초임계 이산화탄소 발전에서 작동 유체로 사용하는 초임계 이산화탄소의 이동경로가 분리되어, 각각의 가스가 이동하는 이동경로가 서로 다른 루프를 구성할 수 있다.

Description

초임계 이산화탄소 발전과 연료전지가 결합된 복합발전 시스템{COMPLEX GENERATION SYSTEM COMMINED SUPERCRITICAL CARBON DIOXIDE GENERATION AND FUEL CELL}
본 발명은 초임계 이산화탄소 발전과 연료전지가 결합한 초임계 이산화탄소 발전과 연료전지가 결합된 복합발전 시스템에 관한 것이다.
도 1을 참조하면, 종래의 이산화탄소 발전과 연료전지가 결합된 복합발전 시스템은 연료전지의 연료극에서 배출되는 이산화탄소와 공기극에서 배출되는 미반응 이산화탄소가 이젝터에서 혼합되어 촉매 연소기에서 가열된 후 이산화탄소 터빈으로 유입되는 방식으로, 연료전지에서 배출되는 가스를 이산화탄소 터빈의 작동유체로 사용하여 2가지 시스템에 서로 독립적으로 운용되지 못하여 시스템을 안정적으로 운용하지 못하는 문제가 있었다.
본 발명은 연료전지에서 사용되는 이산화탄소의 경로와, 이산화탄소 발전에서 작동 유체로 사용하는 이산화탄소의 경로가 분리되어 연료전지와 초임계 이산화탄소 발전이 각각 독립적으로 운용될 수 있는 초임계 이산화탄소 발전과 연료전지가 결합된 복합발전 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 일측면으로서, 연료가 투입되는 연료극과 가열된 공기가 투입되는 공기극을 가지는 연료전지 스택부와, 상기 공기극에 가열된 공기를 공급하는 촉매 연소부를 포함하는 연료 전지부 및, 초임계 이산화탄소를 작동 유체로 구동되는 초임계 이산화탄소 터빈부와 상기 초임계 이산화탄소를 가압하는 압축기를 가지는 초임계 이산화탄소 발전부를 포함하고, 상기 초임계 이산화탄소 발전부의 초임계 이산화탄소의 이동경로는 상기 연료 전지부에서 발생하는 가스가 이동하는 경로와 분리되어 서로 다른 경로를 가지며, 상기 연료 전지부에서 발생하는 열을 회수하여 온도가 상승하는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전과 연료전지가 결합된 복합발전 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 측면으로서, 상기 촉매 연소기는 발생하는 열과 작동유체인 초임계 이산화탄소가 열교환하도록, 제1 가열 열교환기를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면으로서, 상기 연료전지 스택부는, 발생하는 열과 작동유체인 초임계 이산화탄소가 열교환하도록, 제2 가열 열교환기를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면으로서, 상기 초임계 이산화탄소의 이동경로는 상기 제1 가열 열교환기 및 상기 제2 가열 열교환기 중 적어도 하나를 통과하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면으로서, 상기 제1 가열 열교환기를 통과한 상기 초임계 이산화탄소의 이동경로는 분기되어 제1 스트림은 초임계 이산화탄소 터빈부로 유입되고, 제2 스트림은 제2 가열 열교환기로 유입된 후 상기 초임계 이산화탄소 터빈부로 유입되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면으로서, 상기 초임계 이산화탄소 터빈부에서 제1 스트림과 제2 스트림이 혼합되어 배출되는 제3 스트림과, 상기 제2 스트림이 열교환하도록 제1 재생 열교환기를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면으로서, 상기 제1 재생 열교환기를 통과한 제3 스트림과 상기 압축기를 통과한 제3 스트림이 열교환하는 제2 재생 열교환기를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면으로서, 상기 연료 전지부는 상기 연료극으로 일산화탄소와 수소가 투입되어 물과 이산화탄소가 생성되고, 공기극에는 산소가 투입되어 전기가 생산되는 용융 탄산염 연료전지인 것을 특징으로 한다.
이상에서와 같이 본 발명의 일 실시예에 따르면, 연료전지에서 사용되는 이산화탄소의 경로와, 초임계 이산화탄소 발전에서 작동 유체로 사용하는 초임계 이산화탄소의 이동경로가 분리되어, 각각의 가스가 이동하는 이동경로가 서로 다른 루프를 구성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 초임계 이산화탄소 발전에서 작동유체인 이산화탄소는 연료전지에서 발생하는 폐열을 흡수하여 초임계 상태로 변화될 수 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 초임계 이산화탄소 발전의 작동유체와 상기 연료전지에서 배출되는 가스는 서로 혼합되지 않고 독립적으로 시스템을 구성할 수 있어 시스템을 안정적으로 운영할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 초임계 이산화탄소 발전과 연료전지의 계통이 분리되어 운전이 간단하고 안전한 효과를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 작동유체가 흐르는 계통이 분리되지 않는 종래기술에 비해 연료전지의 미반응 가스와 터빈의 공급유량에 연계되지 않아 부하 추종 성능이 개선되고 효율이 향상되는 효과를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 초임계 이산화탄소 발전부에 설치되는 열교환기에는 수분이 유입되지 않아 부식성이 낮고 열교환 효율이 향상되어 유지 보수 및 비용 절감 효과를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 시스템의 초기 운전시, 이산화탄소 터빈부로 유입되는 유로가 복수개 형성되어 바이패스가 가능한 효과를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 연료전지 스택 또는 촉매 연소기에서 선택적으로 열교환하도록 복수개의 유로를 형성하여 연료전지의 유량 및 온도 변화를 고려하여 다양한 운전 전략을 구현할 수 있다.
도 1은 종래의 초임계 이산화탄소 발전과 연료전지가 결합된 복합발전 시스템의 공정도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 초임계 이산화탄소 발전과 연료전지가 결합된 복합발전 시스템의 공정도이다.
이하, 첨부된 도면에 따라 본 발명을 상세하게 설명한다.
먼저, 이하에서 설명되는 실시예들은 본 발명인 초임계 이산화탄소 발전과 연료전지가 결합된 복합발전 시스템(100)을 이해시키는데 적합한 실시예들이다. 다만, 본 발명이 이하에서 설명되는 실시예에 한정하여 적용되거나 설명되는 실시예에 의해 본 발명의 기술적 특징이 제한되는 것은 아니며, 본 발명의 기술범위에서 다양한 변형 실시가 가능하다.
먼저, 초임계 이산화탄소 발전과 관련하여, 이산화탄소는 상온일 경우 73기압에서 가스에서 초임계 유체로 천이하게 된다. 초임계는 임계점보다 고온, 고압인 영역에서 기체와 액체의 경계가 없어져 기체와 액체의 중간 성질을 가지는 하이브리드 상태를 나타내는 것으로서, 이산화탄소의 임계점은 7.37MPa, 31℃로 알려져있다. 초임계 유체는 액체처럼 밀도가 높지만, 가스처럼 팽창하여 공간을 차지한다.
이러한 물리적 특성으로 인해 초임계 이산화탄소를 브레이튼 사이클의 작동 유체로 사용할 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 임계점보다 고온, 고압인 초임계 상태의 이산화탄소를 작동유체로 사용하며, 7.5 - 20 MPa, 305 - 800 K 정도의 범위에서 압축, 가열, 팽창,냉각하는 브레이튼 사이클을 이용하여 전력을 저장하고 생산할 수 있다.
그런데, 본 발명의 일 실시예에 의한 초임계 이산화탄소 발전과 연료전지가 결합된 복합발전 시스템(100)은 초임계 이산화탄소 발전부(150)의 초임계 이산화탄소의 이동경로(S)는 상기 연료 전지부(110)에서 발생하는 가스가 이동하는 경로(P)와 분리되어 서로 다른 경로를 가지며, 상기 연료 전지부(110)에서 발생하는 열을 회수하여 온도가 상승하도록 구비될 수 있다.
여기서, 본 발명의 일 실시예에 의한 초임계 이산화탄소 발전과 연료전지가 결합된 복합발전 시스템(100)은 연료가 투입되는 연료극(112)과 가열된 공기가 투입되는 공기극(113)을 가지는 연료전지 스택부(111)와 상기 공기극(113)에 가열된 공기를 공급하는 촉매 연소부를 포함하는 연료 전지부(110) 및, 초임계 이산화탄소를 작동 유체로 구동되는 초임계 이산화탄소 터빈부(151)와 상기 초임계 이산화탄소를 가압하는 압축기(152)를 가지는 초임계 이산화탄소 발전부(150)를 포함한다.
먼저, 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 연료 전지부(110)는 용융 탄산염 연료전지가 이에 해당 될 수 있고, 용융 탄산염 연료전지는 연료극(112)(ANODE)과 공기극(113)(CATHODE)를 가지는 연료전지 스택부(111)를 포함한다. 그리고, 상기 연료극(112)과 공기극(113)에서는 아래와 같은 화학반응이 일어나 전기를 생산한다.
(1) 연료극(112): 4H2 + 4C03 2 - → 4H20 +4CO2 + 8e-
(2) 공기극(113): 4CO2 + 202 +8e-→ 4CO3 2 -
한편, 상기 연료극(112)에 수소를 공급하기 위해 연료 개질부(114)에서 디젤, LNG, CNG, 바이오메스 등 탄화수소연료(이하, '연료'라고 함)를 수소로 전환하는 아래와 같은 개질반응이 일어난다.
(3) 연료 개질부(114): CH4 + 2H20 → C02 + 4H2
그래서, 상기 연료극(112)에서는 투입된 수소가 탄산 이온과 반응하여 고온상태의 물과 이산화탄소 및 전자가 생성된다. 그리고, 공기극(113)에는 이산화탄소와 산소가 투입되고 상기 연료극(112)에서 생성된 전자와 반응하여 상기 연료극(112)으로 투입되는 탄산 이온이 생성되어 이러한 반응에 의해 전자가 이동함으로써 전기가 생산된다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 연료 전지부(110)는 상기 공기극(113)으로 고온 상태의 이산화탄소를 투입하기 위해 촉매 연소기(120)를 포함할 수 있다. 상기 촉매 연소기(120)에서는 펌프를 통해 유입된 공기에 포함된 산소 및 이산화탄소를 설정된 온도로 승온시킨 후 상기 공기극(113)으로 유입시킨다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 의한 연료 전지부(110)는, 상기 연료극(112)에서 배출되는 이산화탄소와, 공기극(113)에서 미반응 상태로 배출되는 이산화탄소가 유입되어 서로 혼합되는 이젝터(130)를 더 포함할 수 있고, 상기 이젝터(130)에 유입된 이산화탄소가 상기 촉매 연소기(120)에서 가열되어 상기 공기극(113)으로 유입될 수 있다.
또한, 상기 공기극(113)에서 배출되는 이산화탄소는 압축기(141)에서 압축된 후 상기 이젝터(130)로 유입될 수 있다.
그리고, 본 발명의 일 실시예에 의한 초임계 이산화탄소 발전부(150)는, 작동 유체인 이산화탄소를 전술한 압력으로 가압하기 위해 압축기(152)를 가지고, 이산화탄소의 온도를 임계온도 이상으로 승온시켜 초임계 상태로 만들기 위해, 상기 연료 전지부(110)에서 발생하는 열을 회수하여 이산화탄소를 승온시킬 수 있다.
이를 위해, 본 발명의 일 실시예에 의한 연료 전지부(110)는, 상기 촉매 연소기(120)에서 발생하는 열과 작동유체인 초임계 이산화탄소가 열교환하도록, 상기 촉매 연소기(120)에 제1 가열 열교환기(161)를 포함할 수 있다.
또한, 연료 전지 스택부(111)에서도 상기 연료 전지 스택부(111)에서 발생하는 열과 작동 유체인 초임계 이산화탄소가 열교환하도록, 상기 연료전지 스택부(111)에 제2 가열 열교환기(162)를 포함할 수 있다.
그리고, 작동유체인 이산화탄소의 이동경로(S)는 일 실시예로, 상기 제1 가열 열교환기(161) 또는 상기 제2 가열 열교환기(162)를 통과하며 작동유체인 이산화탄소가 열을 회수하여 온도가 상승할 수 있다. 다른 실시에로, 작동 유체인 이산화탄소의 이동경로(S)가 상기 제1 가열 열교환기(161) 및 상기 제2 가열 열교환기(162)를 모두 통과하며, 상기 작동유체인 이산화탄소의 온도가 초임계 상태로 되기 위한 임계온도 이상의 온도로 상승할 수 있다.
그리고, 본 발명의 일 실시예에 의한 작동 유체인 이산화탄소의 이동경로(S)는 상기 이산화탄소가 배관을 따라 이동하는 경우 이동경로(S)는 배관의 경로가 이에 해당될 수 있다. 다만, 이동경로는 이산화탄소가 이동되는 방식이 배관에 의한 이동에 한정하지 않고, 다양한 실시예가 채용될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 의한 초임계 이산화탄소 발전과 연료전지가 결합된 복합발전 시스템(100)에서, 상기 제1 가열 열교환기(161)를 통과한 상기 초임계 이산화탄소의 이동경로(S)는 분기되어 제1 스트림(S1)은 초임계 이산화탄소 터빈부(151)로 유입되고, 제2 스트림(S2)은 제2 가열 열교환기(162)로 유입된 후 상기 초임계 이산화탄소 터빈부(151)로 유입될 수 있다.
그리고, 본 발명의 일 실시예에 의한 초임계 이산화탄소 발전과 연료전지가 결합된 복합발전 시스템(100)은 상기 초임계 이산화탄소 터빈부(151)에서 제1 스트림(S1)과 제2 스트림(S2)이 혼합되어 배출되는 제3 스트림(S3)과, 상기 제2 스트림(S2)이 열교환하도록 제1 재생 열교환기(163)를 포함할 수 있고, 상기 제1 재생 열교환기(163)를 통과한 제3 스트림(S3)과 상기 압축기(152)를 통과한 제3 스트림(S3)이 열교환하는 제2 재생 열교환기(164)를 포함할 수 있다.
그래서, 상기 제1 재생 열교환기(163)와 상기 제2 재생 열교환기(164)를 통해 상기 초임계 이산화탄소 발전부(150) 자체에서 버려지는 열을 회수하여 작동유체인 이산화탄소의 온도를 상승시키는 것에 사용할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 의한 초임계 이산화탄소 발전과 연료전지가 결합된 복합발전 시스템(100)은 상기 연료 전지부(110)의 공기극(113) 또는 연료극(112)에서 배출되거나 공급되는 가스가 이동하는 경로(P)와, 상기 초임계 이산화탄소 발전부(150)의 작동유체인 초임계 이산화탄소가 이동하는 경로(S)가 서로 분리된다.
그래서, 어느 하나의 이산화탄소의 이동경로는 다른 이산화탄소의 이동경로에 영향을 주지 않아, 연료 전지부(110)와 초임계 이산화탄소 발전부(150)를 각각 독립적으로 운용할 수 있어, 본 발명의 일 실시예에 의한 초임계 이산화탄소 발전과 연료전지가 결합된 복합발전 시스템(100)을 안정적으로 운영할 수 있다.
그리고, 본 발명은 지금까지 특정한 실시예에 관하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허 청구범위에 의해 마련되는 본 발명의 정신이나 분야를 벗어나지 않는 한도 내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변화될 수 있다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가지는 자는 용이하게 알 수 있음을 밝혀두고자 한다.
100: 초임계 이산화탄소 발전과 연료전지가 결합된 복합발전 시스템
110: 연료 전지부
111: 연료전지 스택부
112: 연료극
113: 공기극
114: 개질기
120: 촉매 연소기
130: 이젝터
141: 제1 압축기
142: 제2 압축기
150: 초임계 이산화탄소 발전부
151: 초임계 이산화탄소 터빈부
152: 이산화탄소 압축기
161: 제1 가열 열교환기
162: 제2 가열 열교환기
163: 제1 재생 열교환기
164: 제2 재생 열교환기
S: 초임계 이산화탄소 경로
S1: 제1 스트림
S2: 제2 스트림
S3: 제3 스트림
P: 연료전지 유입 및 배출가스 경로

Claims (8)

  1. 연료가 투입되는 연료극과 가열된 공기가 투입되는 공기극을 가지는 연료전지 스택부와, 상기 공기극에 가열된 공기를 공급하는 촉매 연소부를 포함하는 연료 전지부; 및
    초임계 이산화탄소를 작동 유체로 구동되는 초임계 이산화탄소 터빈부와 상기 초임계 이산화탄소를 가압하는 압축기를 가지는 초임계 이산화탄소 발전부;를 포함하고,
    상기 초임계 이산화탄소 발전부의 초임계 이산화탄소의 이동경로는 상기 연료 전지부에서 발생하는 가스가 이동하는 경로와 분리되어 서로 다른 경로를 가지며, 상기 연료 전지부에서 발생하는 열을 회수하여 온도가 상승하는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전과 연료전지가 결합된 복합발전 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 촉매 연소기는,
    발생하는 열과 작동유체인 초임계 이산화탄소가 열교환하도록, 제1 가열 열교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전과 연료전지가 결합된 복합발전 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 연료전지 스택부는,
    발생하는 열과 작동유체인 초임계 이산화탄소가 열교환하도록, 제2 가열 열교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전과 연료전지가 결합된 복합발전 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 초임계 이산화탄소의 이동경로는 상기 제1 가열 열교환기 및 상기 제2 가열 열교환기 중 적어도 하나를 통과하는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전과 연료전지가 결합된 복합발전 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 가열 열교환기를 통과한 상기 초임계 이산화탄소의 이동경로는 분기되어 제1 스트림은 초임계 이산화탄소 터빈부로 유입되고, 제2 스트림은 제2 가열 열교환기로 유입된 후 상기 초임계 이산화탄소 터빈부로 유입되는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전과 연료전지가 결합된 복합발전 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 초임계 이산화탄소 터빈부에서 제1 스트림과 제2 스트림이 혼합되어 배출되는 제3 스트림과, 상기 제2 스트림이 열교환하도록 제1 재생 열교환기를 포함하는 초임계 이산화탄소 발전과 연료전지가 결합된 복합발전 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 재생 열교환기를 통과한 제3 스트림과 상기 압축기를 통과한 제3 스트림이 열교환하는 제2 재생 열교환기를 포함하는 초임계 이산화탄소 발전과 연료전지가 결합된 복합발전 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 연료 전지부는,
    상기 연료극으로 일산화탄소와 수소가 투입되어 물과 이산화탄소가 생성되고, 공기극에는 산소가 투입되어 전기가 생산되는 용융 탄산염 연료전지인 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전과 연료전지가 결합된 복합발전 시스템.
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