KR20240056388A - 공기 분리 유닛을 구비하는 sofc-ccs 하이브리드 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 공기 분리 유닛을 구비하는 SOFC-CCS 하이브리드 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고체산화물 연료전지에 입력되는 외부공기의 일부를 분기하여 고체산화물 연료전지의 순산소 버너로 입력하되 공기 분리 유닛을 이용하여 사전에 질소 등을 전면 제거한 산소를 입력함으로써 고체산화물 연료전지와 연결된 탄소 포집 시스템의 탄소 분리 효율을 높일 수 있는 SOFC-CCS 하이브리드 시스템에 관한 것이다.
Description
본 발명은 공기 분리 유닛을 구비하는 SOFC-CCS 하이브리드 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고체산화물 연료전지에 입력되는 외부공기의 일부를 분기하여 고체산화물 연료전지의 순산소 버너로 입력하되 공기 분리 유닛을 이용하여 사전에 질소 등을 전면 제거한 산소를 입력함으로써 고체산화물 연료전지와 연결된 탄소 포집 시스템의 탄소 분리 효율을 높일 수 있는 SOFC-CCS 하이브리드 시스템에 관한 것이다.
고체산화물 연료전지(solid oxide fuel cell; 이하 'SOFC'라고도 부름)는 고체 세라믹을 전해질로 700℃ ~ 1000℃의 높은 온도에서 운전하는 방식의 연료 전지로서 발전 효율이 다른 방식의 연료전지에 비해 상대적으로 높고 고품질의 열을 활용할 수 있는 장점을 가진다.
고체산화물 연료전지는 단위 전지와 분리판으로 이루어진 전기 생성 유닛이 복수로 적층된 구조이며 단위 전지는 전해질을 기준으로 양쪽면에 각각 공기극과 연료극이 배치된다.
공기극에 산소를 공급하고 연료극에 수소를 공급하면, 공기극에서 산소의 환원 반응으로 생성된 산소 이온이 전해질막을 지나 연료극으로 이동한 후 연료극에 공급된 수소와 반응하여 물이 생성된다. 이때 연료극에서 생성된 전자가 공기극으로 전달되어 소모되는 과정에서 외부 회로로 전자가 흐르며, 단위 전지는 이러한 전자 흐름을 이용하여 전기 에너지를 생산한다.
SOFC에서 발생하는 CO2는 별도의 이산화탄소 포집 과정을 거치지 않고 대기로 배출되기도 한다. 그러나 대기 중 이산화탄소의 비중이 높아지면 온실효과 및 기후변화에 의한 해양생태계에 부작용을 유발하기 때문에 SOFC에서 배출되는 이산화탄소의 포집 기술이 요구되고 있다.
탄소 포집 기능을 가지는 SOFC-CCS으로 대한민국등록특허 제10-1223645호가 있다. 종래의 SOFC-CCS는 연료전지 연료극으로부터 배출되는 배가스를 카본필터와 CO2 분리장치를 이용하여 탄소와 이산화탄소를 각각 포집한다.
그러나 이와 같은 방식은 연료전지의 연료극 배가스에 잔존하는 미반응 연료인 H2와 CO를 연소 공기극 배가스와 연소시키는 과정이 생략되어 있고, 코크 생성을 예방하기 위한 카본필터가 추가되어야 한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이산화탄소가 포함된 버너의 배가스 중 일부를 다시 버너로 피드백시켜 재순환 함으로써 이산화탄소의 농도를 높이고 이로 인해, 고체산화물 연료전지에서 배출되는 탄소를 높은 효율로 포집하기 위한 기술적 수단을 제공하는 것이다.
본 발명은 전술한 과제의 해결 수단으로, 입력 과정에서 분기된 일부의 외부 공기(air)에서 적어도 질소를 제거하는 공기 분리 유닛(air separation unit, ASU); 상기 공기 분리 유닛으로부터 연소를 위한 산소를 공급받는 순산소 버너(oxy-burner)와, 상기 순산소 버너의 배가스와 열교환 하여 연료를 가열하는 연료 열교환기(fuel heat exchanger)와, 입력 과정에서 분기된 다른 일부의 외부 공기를 가열하는 공기 열교환기(air heat exchanger)와, 상기 연료 열교환기에서 가열된 연료를 공급받고 배가스를 상기 순산소 버너로 보내는 연료극(anode)과 상기 공기 열교환기에서 가열된 산소를 공급받고 배가스를 상기 공기 열교환기로 보내는 공기극(cathode)을 가지는 스택(stack)을 포함하는 고체산화물 연료전지(SOFC system); 및 상기 연료 열교환기와 연결되며, 상기 연료 열교환기에서 열교환된 순산소 버너의 배가스로부터 수분을 분리하는 기수분리기(water separator)와, 상기 기수분리기의 배가스로부터 CO2를 분리하는 이산화탄소 분리 유닛(CO2 separation unit)을 포함하는 탄소 포집 시스템(carbon capture system, CCS)을 포함하는 공기 분리 유닛을 구비하는 SOFC-CCS 하이브리드 시스템을 일 실시예로 제안한다.
다른 일 실시예에서, 상기 탄소 포집 시스템은, 상기 기수분리기의 배가스 중 일부를 상기 이산화탄소 분리 유닛으로 분기시키고, 상기 기수분리기의 배가스 중 다른 일부를 상기 순산소 버너로 분기시키는 분리기(splitter)를 더 포함할 수 있다.
다른 일 실시예에서, 상기 고체산화물 연료전지는, 상기 순산소 버너의 온도를 감지하는 온도 센서를 더 포함하며, 상기 분리기는, 상기 온도 센서가 감지한 상기 순산소 버너의 온도에 기초하여 상기 기수분리기의 배가스에 대한 이산화탄소 분리 유닛 및 순산소 버너의 배분 비율을 조절할 수 있다.
다른 일 실시예에서, 상기 고체산화물 연료전지는, 공급수(water)를 가열하는 증기발생기(steam generator)와, 탄화수소 연료로부터 연료(H2)를 생산하는 개질기(pre-reformer)와, 상기 순산소 버너의 배가스 중 일부는 상기 연료 열교환기로 공급하고 다른 일부는 상기 증기발생기로 공급하는 분배기(distributor)와, 상기 연료 열교환기에서 열교환된 상기 순산소 버너의 배가스와 상기 증기발생기에서 열교환된 상기 순산소 버너의 배가스가 합류되며 출력단이 상기 기수분리기와 연결되는 믹서(mixer)를 더 포함할 수 있다.
다른 일 실시예에서, 상기 기수분리기에서 분리된 수분의 적어도 일부가 상기 증기발생기로 피드백 되어 재활용될 수 있다.
다른 일 실시예에서, 상기 공기 열교환기에서 열교환된 공기극의 배가스의 적어도 일부는 상기 공기 분리 유닛으로 피드백 되어 재활용될 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면 순산소 버너의 도입으로 고체산화물 연료전지의 연료극 배가스로부터 순도 높은 이산화탄소를 얻을 수 있고 이를 기반으로 탄소 포집의 효율을 높일 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면 외부 공기에서 질소를 분리해내는 공기 분리 유닛의 도입으로 순산소 버너에 산소 또는 산소가 풍부한 공기가 공급되므로 생성물로 물과 이산화탄소만 생성되므로 순도가 높은 이산화탄소를 얻을 수 있고 이를 기반으로 탄소 포집의 효율을 높일 수 있다. 또한 순산소 버너의 생성물에 질소가 포함되지 않으므로 배기 흐름의 부피가 작아져 배관이나 펌핑 수단들의 용량과 크기를 줄일 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면 공급량이 제어되는 이산화탄소를 순산소 버너의 연소실에 탄력적으로 주입함으로써 연소실의 온도를 필요에 따라 정밀 제어가 가능하다.
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 SOFC-CCS 하이브리드 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 사용되는 이산화탄소 분리 유닛의 이산화탄소 분리 과정을 예시한 공정도이다.
도 3은 본 발명의 실시예 2에 따른 SOFC-CCS 하이브리드 시스템의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시예 3에 따른 SOFC-CCS 하이브리드 시스템의 구성도이다.
도 5는 본 발명의 실시예 4에 따른 SOFC-CCS 하이브리드 시스템의 구성도이다.
도 6은 본 발명의 실시예 5에 따른 SOFC-CCS 하이브리드 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 사용되는 이산화탄소 분리 유닛의 이산화탄소 분리 과정을 예시한 공정도이다.
도 3은 본 발명의 실시예 2에 따른 SOFC-CCS 하이브리드 시스템의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시예 3에 따른 SOFC-CCS 하이브리드 시스템의 구성도이다.
도 5는 본 발명의 실시예 4에 따른 SOFC-CCS 하이브리드 시스템의 구성도이다.
도 6은 본 발명의 실시예 5에 따른 SOFC-CCS 하이브리드 시스템의 구성도이다.
이하 본 발명의 몇 가지 실시예들을 도면을 이용하여 상세히 설명한다. 다만 이것은 본 발명을 어느 특정한 실시예에 대해 한정하려는 것이 아니며 본 발명의 기술적 사상을 포함하는 모든 변형(transformations), 균등물(equivalents) 및 대체물(substitutions)은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다.
본 명세서에서 어느 한 구성요소가 어떤 서브 구성요소를 "구비(have)" 또는 "포함(comprise)" 한다고 기재한 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 그 외의 다른(other) 구성을 제외하는 것이 아니라 그 다른 구성을 더 포함할 수도 있음을 의미한다.
본 명세서에서 사용되는 "...유닛(Unit)", "...모듈(Module)" 및 "컴포넌트(Component)"의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미한다.
본 명세서에서 “연결된다(connect)”라고 기재한 것은 두 개의 구성요소가 직접 연결됨을 의미할 수도 있지만 반드시 이에 한정될 것은 아니고 구성요소 사이에 배치된 하나 이상의 다른 구성요소를 경유하여 연결됨을 의미할 수도 있다.
<실시예 1>
실시예 1은 고체산화물 연료전지의 순산소 버너(110)에 외부 공기를 주입할 때 질소 등을 미리 제거한 순산소를 주입하여 순산소 버너(110)에서 순도 높은 이산화탄소가 생성되도록 조치함으로써 이산화탄소 포집의 효율을 높인 SOFC-CCS 하이브리드 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 모든 실시예에서 순산소라 함은 공기 중에 포함된 질소와 소량의 이산화탄소, 아르곤 등 비활성기체가 모두 제거된 순수한 산소(pure O2)일 수도 있고 또한, 산소 외 다른 조성물(특히 질소)의 함량이 미리 설정된 기준 이하로 포함된 산소 리치 가스(O2 rich)를 의미할 수도 있다.
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 SOFC-CCS 하이브리드 시스템의 구성도이다.
본 실시예의 시스템은 고체산화물 연료전지(100)와, 탄소 포집 시스템(200) 및 공기 분리 유닛(300)을 포함한다.
고체산화물 연료전지(100)는 순산소 버너(110), 연료 열교환기(120), 공기 열교환기(130), 스택(140)을 포함한다.
순산소 버너(110)(oxy-burner)(110)는 공기 분리 유닛(300)으로부터 연소를 위한 산소를 공급받는다. 순산소 버너(110)는 공급받은 산소를 산화제로 사용하여 스택(140)의 연료극 출구에서 공급받은 배가스(anode off gas)를 연소시킨다.
예컨대, 스택(140)의 연료극 출구를 통해 나오는 배가스에는 생성물인 CO2와 미반응연료인 H2, CO를 포함하는데, H2, CO와 같은 미반응연료를 포함하는 배가스는 순산소 버너(110)에서 산소와 함께 연소되는 과정에서 CO는 CO2가 되고, H2는 H2O가 된다. 이로 인해, 순산소 버너(110)의 배가스에는 CO2와 H2O만 남게 된다.
순산소 버너(110)에서 산소를 공급받아 스택(140)의 배가스를 연소시키면 배가스에 포함된 조성물은 이산화탄소와 물을 제외한 다른 조성물들이 대부분 연소되어 이산화탄소와 물의 농도(비중)가 높아진다. 순산소 버너(110)의 연소가스에는 이산화탄소의 비중(농도)이 높아져 이후 단계에서 이산화탄소의 분리 효율을 높일 수 있다.
연료 열교환기(120)(fuel heat exchanger)는 연료극 입력(anode input) 전단에 배치된다. 연료 열교환기(120)는 입력된 연료 즉, 수소 연료를 예열하고 예열된 수소를 스택(140)의 연료극 입력에 공급한다. 예컨대, 연료 열교환기(120)는 순산소 버너(110)에서 배출된 배가스(즉, 연소가스)를 열교환하여 얻은 열에너지로 수소 연료를 예열할 수도 있다. 이후, 연료 열교환기(120)에서 열교환된 배가스는 기수분리기(210)로 공급된다.
공기 열교환기(air heat exchanger)(130)는 외부 공기(air)를 가열하여 스택(140)의 공기극 입력에 공급한다. 가열된 공기 중에 포함된 산소는 스택(140)(110)의 공기극에서 반응 물질로 사용된다.
공기 열교환기(130)는 스택(140)의 공기극에서 출력되는 고온의 배가스(cathode off gas)로부터 열교환하여 얻은 열에너지로 외부 공기를 가열할 수도 있다.
공기 열교환기(130)에서 열교환된 스택(140) 공기극의 배가스는 고체산화물 연료전지(100)의 외부로 배출될 수 있다.
스택(140)은 연료극 입력(anode input) 및 연료극 출력 (anode output)이 구비된 연료극(anode)과 공기극 입력 (cathode input) 및 공기극 출력 (cathode output)이 구비된 공기극(cathode)을 포함한다.
스택(140)은 공기 열교환기(130)(air heat exchanger)에서 가열된 외부 공기(Air)를 공기극으로 입력받는다. 스택(140)은 연료 열교환기(120)에서 가열된 연료를 연료극으로 입력받는다.
예컨대, 공기극에는 예열 된 공기가 공급되며, 공기극에서 생성된 산소 이온은 전해질을 통해 연료극으로 이동하고, 연료극의 삼상계면(triple-phase boundary)에서 H2와 O2의 전기화학반응이 일어나며, 이 반응을 통해 전기가 발생한다.
스택(140)의 연료극 출구를 통해 나오는 배가스는 생성물인 CO2와 미반응연료인 H2, CO를 포함한다. 연료극 출구의 배가스에 포함된 H2, CO는 순산소 버너(110)에서 산소를 산화제로 연소된다. 순산소 버너(110)의 연소 과정에서 산소(O2)에 의해 CO는 CO2가 되고, H2는 H2O가 된다.
탄소 포집 시스템(200)은 기수분리기(210) 및 이산화탄소 분리 유닛(220)을 포함한다.
기수분리기(210)(water separator)는 연료 열교환기(120)과 연결된다.
기수분리기(210)는 연료 열교환기(120)에서 열교환된 순산소 버너(110)의 배가스로부터 수분을 분리한다.
예컨대, 순산소 버너(110)의 배가스는 H2, CO와 같은 미반응연료가 산소와 함께 연소되면서 CO2 및 H2O로 조성되어 있으며, 기수분리기(210)는 CO2 및 H2O로 조성된 순산소 버너(110)의 배가스에서 수분을 응축시켜 분리하고, 이로 인해, 순산소 버너(110)의 배가스에는 이산화탄소만 남게된다.
참고로, 기수분리기(210)는 원심식 기수분리기(210) 또는 반전식 기수분리기(210)를 채택할 수도 있다. 원심식 기수분리기(210)는 사이클론 세퍼레이터에서 증기를 선회 운동시키고 그 원심력에 의해 수분을 분리시킨다. 반전식 기수분리기(210)는 증기의 진행 방향을 배플판 등에 의해 급변시켜 수분을 분리시킨다
이산화탄소 분리 유닛(220)(CO2 separation unit)은 기수분리기(210)의 수분이 제거된 이산화탄소를 압축공정을 통해 액화된 이산화탄소 형태로 저장한다.
예컨대, 이산화탄소 분리 유닛(220)이 기수분리기(210)로부터 공급받은 이산화탄소에는 수분이 완전히 제거되지 않아 미량의 수분이 포함될 수도 있다. 이산화탄소 분리 유닛(220)는 미량의 수분이 미량 포함된 이산화탄소를 냉각을 통해 수분을 완전히 제거한 후 이산화탄소를 액화 상태로 저장한다.
기수분리기(210)는 분리된 수분을 워터탱크(미도시)로 공급할 수 있다.
공기 분리 유닛(300)는 입력 과정에서 분기된 일부의 외부 공기(air)에서 질소와 같은 다른 조성물들을 제거한다.
참고로, 이산화탄소 포집 기술은 연소 후 포집기술(Post combustion technology), 연소 전 포집기술(Pre-combustion technology) 및 산소 연소기술(Oxy-fuel combustion technology)로 구분된다. 본 실시예의 탄소 포집 시스템(200)은 연소 후 포집기술을 채택할 수 있다. 연소 후 포집기술은 기존 발생원에 적용하기 가장 용이한 기술로 흡수제를 이용하여 이산화탄소를 분리하는 방법이다.
공기 분리 유닛(300)(air separation unit, ASU)(300)는 순산소 버너(110)에 질소가 유입되지 않도록 공기에서 질소(산소를 제외한 다른 조성물 포함)를 제거하고, 질소가 제거된 순산소를 순산소 버너(110)에 공급한다.
한편, 고체산화물 연료전지(100)는 순산소 버너(110)의 배가스 포함된 산소량을 센싱하는 산소 센서(미도시)를 더 포함할 수 있다.
공기 분리 유닛(300)는 컨트롤러(미도시)는 산소 센서로부터 순산소 버너(110)의 배가스에 포함된 산소량을 전송받고, 이론공연비(stoichiometric)에 기초하여 상기 순산소 버너(110)로 공급되는 산소량을 계산한다. 그리고 컨트롤러는 계산된 산소량에 기초하여 산소를 상기 순산소 버너(110)로 공급한다.
예컨대, 순산소 버너(110)의 배가스(또는 연소실 내 가스)는 CO2, H2O와 미반응 O2를 포함할 수 있으며, 이산화탄소를 용이하게 포집하기 위해서는 미반응 O2를 남기지 않아야 하므로 이를 위해 공기극 입력(cathode input)의 산소량을 조절할 수 있다.
순산소 버너(110)의 배가스에 산소 측정량이 기준치보다 높으면, 컨트롤러는 이를 제어하기 위해 공기 분리 유닛(300)에서 순산소 버너(110)로 공급되는 산소량을 감소시킨다.
또한, 순산소 버너(110)의 배가스(또는 연소실내 가스)에 산소량이 기준치보다 낮으면 순산소 버너(110)의 연소실에서 완전 연소가 이루어질 수 없으므로, 공기 분리 유닛(300)에서 순산소 버너(110)로 공급되는 산소량을 증가시킨다.
도 2는 본 발명의 실시예에 사용되는 이산화탄소 분리 유닛(220)의 이산화탄소 분리 과정을 예시한 공정도이다.
도 2에서 보듯, 이산화탄소 분리 유닛(220)는 수분이 완전히 제거되지 않아 수분이 일부(미량) 포함된 이산화탄소를 압축-중간냉각-응축 과정을 반복하여 수분이 완전히 제거된 이산화탄소를 분리한다.
압축 과정에서 이산화탄소 분리 유닛(220)는 다단압축기를 이용하여 미량의 수분이 포함된 이산화탄소를 약 80 bar까지 다단 압축한다. 다단 압축기는 3단 또는 4단 압축을 수행할 수 있다. 이때, 압축된 이산화탄소의 온도는 170 ℃까지 올라갈 수 있다. 예컨대, 이산화탄소를 1 bar,a에서 80 bar,a까지 한방에 올리면 온도가 많이 올라가기 때문에 복수의 단계를 통해 80 bar,a까지 압축하는 것이 바람직하다.
중간 냉각 과정에서 이산화탄소 분리 유닛(220)는 중간 냉각기를 이용하여 압축된 이산화탄소를 냉각시킨다. 예컨대, 이산화탄소 분리 유닛(220)는 이산화탄소의 온도를 170 ℃에서 28 ℃까지 냉각시킬 수 있다. 이 과정에서 이산화탄소는 액화되고 이산화탄소에 포함된 미량의 수분은 응축수가 되며, 이산화탄소 분리 유닛(220)는(220)는 응축수를 분리시켜 액화된 이산화탄소만 남긴다.
응축과정에서 이산화탄소 분리 유닛(220)는 펌프에 의해 150 bar,a까지 가압시켜 저장 탱크(미도시)에 저장한다.
이산화탄소 분리 유닛(220)는 중간 냉각을 통해 이산화탄소의 압축일을 줄임으로써 소비동력을 감소시키면서 이산화탄소의 압축 효율을 높일 수 있다.
<실시예 2>
실시예 2는 실시예 1의 구성에서 증기발생기(150)(steam generator)와 개질기(160)(pre-reformer)가 추가된 기술에 관한 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예 2에 따른 SOFC-CCS 하이브리드 시스템의 구성도이다.
실시예 2의 하이브리드 시스템은 고체산화물 연료전지(100)와, 탄소 포집 시스템(200) 및 공기 분리 유닛(300)을 포함한다.
고체산화물 연료전지(100)는 순산소 버너(110), 연료 열교환기(120), 공기 열교환기(130), 스택(140), 증기발생기(150), 개질기(160), 분배기(170) 및 믹서(180)을 포함한다.
고체산화물 연료전지(100)의 순산소 버너(110), 연료 열교환기(120), 공기 열교환기(130), 스택(140)과, 탄소 포집 시스템(200) 및 공기 분리 유닛(300)은 실시예 1과 동일하므로 중복된 설명을 생략한다.
증기발생기(150)(steam generator)는 외부에서 공급된 물(water)을 가열시켜 증기로 변환시킨다. 증기발생기(150)는 순산소 버너(110)의 배가스(연소가스)를 열교환하여 얻은 열에너지를 통해 물을 가열할 수도 있다.
개질기(160)는 외부 연료 즉, 천연가스(Natural Gas, NG)를 승온시키고 승온된 외부 연료를 개질하여 수소를 생산한다. 예컨대, 천연가스는 액화천연가스(LNG), 액화프로판가스(LPG), 파이프라인 운송 천연가스(PNG), 압축천연가스(CNG)를 포함할 수 있다.
개질기(160)는 탄화수소 계열의 연료(LNG, LPG, Biogas 등)를 수증기와 함께 CH4, CO, H2로 개질하고 예열한 뒤 스택(140)의 연료극으로 공급한다.
개질기(160)의 촉매로는 Ni-based 촉매가 이용되며 반응원료(또는 연료) 내에 포함된 C2+ 탄화수소를 CH4, CO, H2 등으로 분해시켜 고급탄화수소의 개질에 따른 코크 생성(또는 탄소 침적)을 억제하는 역할을 한다. 코크 생성은 수증기의 양과 관계가 있으며 steam-to-carbon 비(S/C)에 의해 결정된다. S/C의 값이 너무 낮으면 코크가 생성될 가능성이 높아진다.
개질기(160)에서 1차적으로 개질된 연료(reformate fuel)는 스택(140)의 연료극에서 내부 개질 반응(direct internal reforming), 즉 수증기-메탄 개질(steam methane reforming) 반응 및 수성 가스 전환(water-gas shift) 반응을 통해 H2로 전환된다.
예컨대, 개질기(160)는 수증기 메탄 개질(steam methane reofrming), 부분 산화법(partial oxidation reaction), 자연개질법(auto-themal reforming) 중 하나를 채택할 수 있다.
수증기 메탄 개질은 700 ℃ ~ 1,100 ℃에서 증기를 메탄(또는 천연가스)과 혼합하여 촉매 반응기에서 3 bar ~ 25 bar 압력으로 반응한다. 전체 화학반응은 흡열반응으로 열을 전달하기 위한 장치가 필요하고 후단에 수소로 전환을 촉진시키는 촉매 층이 구비될 수 있다.
부분 산화법은 천연가스를 물과 이산화탄소로 산화하는데 필요한 산소량보다 적은 양의 산소를 공급하여 수소와 일산화탄소 그리고 이산화탄소 등을 생산한다. 부분 산화법은 발열반응으로 열 공급이 필요 없어 에너지 효율이 좋고 반응속도가 빠지만 수소 생산 수율이 낮다.
자연개질방법은 수증기 개질 흡열반응에 필요한 열을 부분산화 발열 반응으로부터 자체 공급하여 수소를 개질한다.
본 실시예의 개질기(160)가 수증기 메탄 개질을 채택할 경우 개질기(160)는 순산소 버너(110)에서 출력된 고온의 배가스를 통해 열교환하여 얻은 열에너지로 물을 증기로 기화시키는데 사용할 수 있다.
분배기(170)는 순산소 버너(110)에서 출력된 고온의 배가스를 연료 열교환기(120) 및 증기발생기(150)로 분기한다. 연료 열교환기(120) 및 증기발생기(150)(125)는 분배기(170)(160)로부터 공급받은 배가스를 이용하여 열교환한다.
믹서(180)(mixer)(170)는 증기발생기(150) 및 연료 열교환기(120)에서 열교환되어 열이 회수된 순산소 버너(110)의 배가스를 합류시켜 기수분리기(210)로 공급한다.
<실시예 3>
실시예 3은 실시예 1 또는 실시예 2의 구성에서 기수분리기(210)의 배가스를 순산소 버너(110) 및 이산화탄소 분리 유닛(220)으로 분기시키는 분리기(230)가 추가된 기술에 관한 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예 3에 따른 SOFC-CCS 하이브리드 시스템의 구성도이다.
실시예 3의 하이브리드 시스템은 고체산화물 연료전지(100)와, 탄소 포집 시스템(200) 및 공기 분리 유닛(300)을 포함한다.
실시예 3의 고체산화물 연료전지(100)는 실시예 1 또는 실시예 2의 고체산화물 연료전지(100)가 동일하게 적용될 수 있으며, 중복되는 기술구성의 설명은 생략한다.
탄소 포집 시스템(200)은 실시예 1 또는 실시예 2에 비해 분리기(230)가 더 추가된다. 따라서 중복되는 기술구성의 설명은 생략한다.
분리기(230)(splitter)는 기수분리기(210)에서 분리된 이산화탄소를 공급받고, 순산소 버너(110) 및 이산화탄소 분리 유닛(220)로 분기한다.
예컨대, 순산소 버너(110)의 이론공연비 조건에서의 연소 온도는 단열 화염온도에 가까울 정도로 매우 높기 때문에 온도 제어가 필요하다. 분리기(230)가 기수분리기(210)로부터 공급받은 이산화탄소는 증기발생기(150) 및 연료 열교환기(120)에서 열이 회수되기 때문에 저온의 상태일 수 있으며, 그 저온의 이산화탄소는 순산소 버너(110)의 연소실 온도 제어 용으로 사용될 수 있다.
또한, 순산소 버너(110)의 연소실은 분리기(230)로부터 공급받은 이산화탄소로 인해 질소 미공급에 따른 유량을 일부 보상받으나, 기존 공기 버너에 비해 배기 흐름의 부피가 작아지고 이로 인해 처리 장비의 크기를 줄이고 효율성을 높일 수 있다.
한편, 고체산화물 연료전지는 순산소 버너(110)의 온도를 감지하는 온도 센서(미도시)를 더 포함할 수 있다.
분리기(230)는 온도 센서가 감지한 순산소 버너(110)의 온도에 기초하여 기수분리기(210)의 저온의 배가스에 대한 이산화탄소 분리 유닛(220) 및 순산소 버너(110)의 배분 비율을 조절할 수 있다.
<실시예 4>
실시예 4는 실시예 3의 기수분리기(210)에서 분리된 수분을 증기발생기(150)로 순환(recirculation)시키는 기술에 관한 것이다.
도 5는 본 발명의 실시예 4에 따른 SOFC-CCS 하이브리드 시스템의 구성도이다
실시예 4의 하이브리드 시스템은 고체산화물 연료전지(100)와, 탄소 포집 시스템(200) 및 공기 분리 유닛(300)을 포함한다.
실시예 4의 고체산화물 연료전지(100)와, 탄소 포집 시스템(200) 및 공기 분리 유닛(300)은 실시예 3과 동일하므로 중복된 설명을 생략한다.
기수분리기(210)는 분리된 수분 중 일부는 증기발생기(150)로 재순환시키고, 다른 일부는 외부로 배출하거나 미리 설치된 워터탱크(미도시)로 공급한다.
증기발생기(150)는 연료전지의 최초 기동 시에는 외부에서 공급되는 공급수를 이용하지만, 연료전지의 기동 중에는 기수분리기(210)로부터 공급받는 응축수를 이용하여 개질 공정을 수행할 수 있다. 또한 기수분리기(210)의 응축수 공급량이 일부 부족한 경우 외부의 공급수를 보충 받을 수 있다.
<실시예 5>
실시예 5는 실시예 4에서 공기극의 배가스에 포함된 미량의 산소를 재순환시키는 기술에 관한 것이다.
실시예 5의 하이브리드 시스템은 고체산화물 연료전지(100)와, 탄소 포집 시스템(200) 및 공기 분리 유닛(300)을 포함한다.
실시예 5의 고체산화물 연료전지(100)와, 탄소 포집 시스템(200) 및 공기 분리 유닛(300)은 실시예 1 내지 실시예 4 중 어느 하나와 동일하게 구성될 수 있다.
스택(140)의 공기극 출력에서 배출되는 배가스에는 N2 및 전기화학반응에 이용된 후 잔여 산소(O2 depleted air)를 포함한다.
스택(140)의 공기극 출력에서 배출되는 배가스는 공기 열교환기(130)에서 열교환된 후 외부로 배출되지 않은 일부가 공기 분리 유닛(300)로 공급된 뒤 질소 및 기타 조성물들이 분리되고 순수 산소만 다시 순산소 버너(110)로 재공급될 수 있다. 참고로, 공기 열교환기(130)에서 열교환된 후 공기 분리 유닛(300)로 공급되는 배가스의 온도는 70℃보다 낮은 온도일 수 있다.
이상에서는 본 발명에 관한 몇 가지 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 고체산화물 연료전지
200: 탄소 포집 시스템
300: 공기 분리 유닛
200: 탄소 포집 시스템
300: 공기 분리 유닛
Claims (6)
- 입력 과정에서 분기된 일부의 외부 공기(air)에서 질소를 제거하는 공기 분리 유닛(air separation unit, ASU);
상기 공기 분리 유닛으로부터 연소를 위한 산소를 공급받는 순산소 버너(oxy-burner)와, 상기 순산소 버너의 배가스와 열교환하여 연료를 가열하는 연료 열교환기(fuel heat exchanger)와, 입력 과정에서 분기된 다른 일부의 외부 공기를 가열하는 공기 열교환기(air heat exchanger)와, 상기 연료 열교환기에서 가열된 연료를 공급받고 배가스를 상기 순산소 버너로 보내는 연료극(anode)과 상기 공기 열교환기에서 가열된 산소를 공급받고 배가스를 상기 공기 열교환기로 보내는 공기극(cathode)을 가지는 스택(stack)을 포함하는 고체산화물 연료전지(SOFC system); 및
상기 연료 열교환기와 연결되며, 상기 연료 열교환기에서 열교환된 순산소 버너의 배가스로부터 수분을 분리하는 기수분리기(water separator)와, 상기 기수분리기의 배가스로부터 CO2를 분리하는 이산화탄소 분리 유닛(CO2 separation unit)을 포함하는 탄소 포집 시스템(carbon capture system, CCS)
을 포함하는 공기 분리 유닛을 구비하는 SOFC-CCS 하이브리드 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 탄소 포집 시스템은,
상기 기수분리기의 배가스 중 일부를 상기 이산화탄소 분리 유닛으로 분기시키고, 상기 기수분리기의 배가스 중 다른 일부를 상기 순산소 버너로 분기시키는 분리기(splitter)를 더 포함하는 공기 분리 유닛을 구비하는 SOFC-CCS 하이브리드 시스템. - 제2항에 있어서,
상기 고체산화물 연료전지는, 상기 순산소 버너의 온도를 감지하는 온도 센서를 더 포함하며,
상기 분리기는, 상기 온도 센서가 감지한 상기 순산소 버너의 온도에 기초하여 상기 기수분리기의 배가스에 대한 이산화탄소 분리 유닛 및 순산소 버너의 배분 비율을 조절하는 것을 특징으로 하는 공기 분리 유닛을 구비하는 SOFC-CCS 하이브리드 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 고체산화물 연료전지는,
공급수(water)를 가열하는 증기발생기(steam generator)와, 복합연료로부터 연료(H2)를 생산하는 개질기(pre-reformer)와, 상기 순산소 버너의 배가스 중 일부는 상기 연료 열교환기로 공급하고 다른 일부는 상기 증기발생기로 공급하는 분배기(distributor)와, 상기 연료 열교환기에서 열교환된 상기 순산소 버너의 배가스와 상기 증기발생기에서 열교환된 상기 순산소 버너의 배가스가 합류되며 출력단이 상기 기수분리기와 연결되는 믹서(mixer)를 더 포함하는 공기 분리 유닛을 구비하는 SOFC-CCS 하이브리드 시스템. - 제4항에 있어서,
상기 탄소 포집 시스템에서,
상기 기수분리기에서 분리된 수분의 적어도 일부는 상기 증기발생기로 피드백 되어 재활용되는 것을 특징으로 하는 공기 분리 유닛을 구비하는 SOFC-CCS 하이브리드 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 공기 열교환기에서 열교환된 공기극의 배가스의 적어도 일부는 상기 공기 분리 유닛으로 피드백 되어 재활용되는 것을 특징으로 하는 공기 분리 유닛을 구비하는 SOFC-CCS 하이브리드 시스템.
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