WO2014104526A1 - 발전 시스템 - Google Patents

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WO2014104526A1
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power generation
cell system
generation system
carbon dioxide
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김병준
김동은
김수택
박용수
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포스코에너지 주식회사
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Definitions

  • the present invention relates to a power generation system, and more particularly, to a power generation system according to the present invention, a power generation system for producing power, the power generation system comprising: a fuel cell system for generating power by reacting supplied reactants; And a circulation system for circulating a product produced in the fuel cell system, wherein the circulation system is configured to refeed at least a portion of the product generated in the fuel cell system to a reactant of the fuel cell system.
  • a fuel cell is a device that directly converts chemical energy stored in a hydrocarbon fuel into electrical energy by an electrochemical reaction.
  • a fuel cell includes an anode pole and a cathode pole separated by an electrolyte that conducts electrically charged ions.
  • the molten carbonate fuel cell is operated by passing a reactant fuel gas through an anode pole while oxidizing a gas containing carbon dioxide, and oxygen passes through the cathode pole.
  • the present invention has been made to solve the above problems, the power generation system according to the present invention, a power generation system for producing power, the power generation system, a fuel cell system for producing power by reacting the supplied reactant; And a circulation system for circulating a product produced in the fuel cell system, wherein the circulation system is configured to refeed at least a portion of the product generated in the fuel cell system to a reactant of the fuel cell system.
  • the power generation system a power generation system for producing electric power, the power generation system, a fuel cell system for producing power by reacting the supplied reactant; And a circulation system for circulating a product produced in the fuel cell system, wherein the circulation system is configured to refeed at least a portion of the product generated in the fuel cell system to a reactant of the fuel cell system.
  • the fuel power generation system includes an anode pole, and a cathode pole, to which reactants are reacted, and the anode pole is supplied with hydrogen, and the cathode pole is oxygen and carbon dioxide. Is configured to be supplied.
  • the circulation system comprises a separation device for separating at least a portion of the product produced in the fuel cell system and re-supply to the reactants of the fuel cell system.
  • the separation device is configured to separate carbon dioxide in the product generated in the fuel cell system and to re-supply it to the fuel cell system.
  • the separation device is composed of a phase separation device using the difference in boiling point.
  • the combustion system is disposed in the rear of the fuel cell system, by reacting the oxygen and hydrogen contained in the product to generate water and carbon dioxide Is configured to.
  • the combustion system is composed of a catalytic combustion system using a predetermined catalyst.
  • the power generation system further includes a turbine power generation system including a turbine and generating electric power by rotation of the turbine, wherein the turbine power generation system is located at a rear end of the combustion system. And generate power by rotating the turbine using at least one of water and carbon dioxide produced in the combustion system.
  • a turbine power generation system including a turbine and generating electric power by rotation of the turbine, wherein the turbine power generation system is located at a rear end of the combustion system. And generate power by rotating the turbine using at least one of water and carbon dioxide produced in the combustion system.
  • it is configured to further include a heat exchange device for exchanging heat and external heat of the product produced in the combustion system.
  • the power generation system includes a fuel cell system and a circulation system
  • the product produced in the fuel cell system can be reused as a reactant of the fuel cell system. Therefore, the power generation efficiency of the overall power generation system is improved, and it is possible to prevent the discharge of products that can act as a cause of environmental pollution.
  • the circulation system recycles carbon dioxide in the product of the fuel cell system, it may contribute to suppressing the generation of pollutants by suppressing the emission of carbon dioxide, which is the cause of global warming.
  • the power generation system includes a circulation system including a separation device
  • the recycling efficiency of the product generated in the fuel cell may be further increased.
  • the carbon dioxide can be separated and reused, thereby contributing to the prevention of environmental pollution.
  • the power generation system may be configured as a hybrid power generation system, including a fuel cell system and a turbine power generation system. Accordingly, power generation through a fuel cell and power generation by a turbine using a high-temperature product generated from the fuel cell may be performed together, thereby further improving power output and energy utilization efficiency.
  • the power generation system according to an embodiment of the present invention, as the heat exchange device is provided, the overall energy utilization efficiency of the power generation system can be further increased.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram showing a power generation system according to the present invention.
  • FIG. 2 is a view showing a power generation system according to an embodiment of the present invention.
  • a power generation system is a power generation system for producing electric power, the power generation system comprising: a fuel cell system for generating electric power by reacting a supplied reactant; And a circulation system for circulating a product produced in the fuel cell system, wherein the circulation system is configured to refeed at least a portion of the product generated in the fuel cell system to a reactant of the fuel cell system.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram showing a power generation system 1 according to the present invention
  • Figure 2 is a view showing a power generation system 1 according to an embodiment of the present invention.
  • the power generation system 1 includes a power generation system 1 for generating electric power, comprising: a fuel cell system 100 for producing electric power by reacting reactants; And a circulation system 200 for circulating a product generated in the fuel cell system 100, wherein the circulation system 200 includes at least a portion of the product generated in the fuel cell system 100 in the fuel cell. And refeed to the reactants of system 100.
  • the fuel cell system 100 may be configured as a system for producing electrical energy through chemical energy by reaction of a predetermined reactant. That is, the fuel cell system 100 is a system for producing electrical energy through chemical energy generated by oxidation of a reactant used as fuel, and a predetermined product may be generated as the reactants react.
  • the product may for example be a predetermined gas.
  • the term "product" herein refers to a state in which a part of the supplied reactant does not react as the reaction efficiency is not 100%, in addition to the material generated by completing the reaction as the reactants react in the fuel cell system 100.
  • the concept includes a reactant to be discharged, and refers to all materials discharged from the fuel cell system 100.
  • the fuel cell system 100 may include an anode pole 110, a cathode pole 120, and an electrolyte located between the anode pole 110 and the cathode pole 120.
  • the fuel cell system 100 may be various systems such as phosphoric acid type, molten carbonate type, solid electrolyte type, and solid polymer type, depending on the type of electrolyte, but the fuel cell system 100 according to the present invention may be a molten carbonate type. Fuel cell system 100 may be used.
  • the anode pole 110 functions as an anode to which a predetermined fuel is supplied among the reactants, and the fuel may be, for example, hydrogen.
  • the cathode electrode 120 may function as an oxygen electrode supplied with oxygen and carbon dioxide in a reactant. Accordingly, the fuel cell system 100 according to the present invention may be configured as a pure oxygen combustion device using pure oxygen.
  • Hydrogen may be injected from the anode pole 110 to generate electrons by an oxidation reaction, and oxygen and carbon dioxide may be supplied from the cathode pole 120 to generate carbonate ions.
  • the carbonate ions may migrate from the cathode pole 120 to the anode pole 110 through an electrolyte located between the anode pole 110 and the cathode pole 120.
  • carbonate ions and hydrogen provided from the cathode pole 120 may react to generate water and carbon dioxide.
  • water includes a gaseous state such as water vapor in addition to the liquid state, and is not limited thereto.
  • power may be produced as the electrons generated at the anode pole 110 are energized via an external circuit.
  • the product passing through the fuel cell system 100 is water generated through the reaction between the reactant hydrogen, oxygen and carbon dioxide In addition to and carbon dioxide, it may contain hydrogen and oxygen that remain unreacted. That is, the product may include hydrogen, oxygen, water, carbon dioxide.
  • the circulation system 200 is configured to circulate the product and to re-supply at least some of the product produced in the fuel cell system 100 to the reactants of the fuel cell system 100.
  • At least some of the products produced in the fuel cell system 100 may be circulated to be reused as reactants in the fuel cell system 100.
  • the circulation system 200 may separate carbon dioxide in the product and resupply the separated carbon dioxide to a reactant of the fuel cell system 100.
  • the power generation system 1 includes a fuel cell system 100 and a circulation system 200, it is possible to reuse a product generated in the fuel cell system 100 as a reactant of the fuel cell system 100. Can be. Therefore, the power generation efficiency of the overall power generation system 1 is improved, and it is possible to prevent the discharge of products that may act as a cause of environmental pollution.
  • the circulation system 200 recycles carbon dioxide in the product of the fuel cell system 100, it may contribute to suppressing the generation of pollutants by suppressing the emission of carbon dioxide, which is the cause of global warming.
  • the circulation system 200 includes a separation device 210 for separating each component of the product produced in the fuel cell system 100, the circulation system 200 may be configured to resupply the separation separated through the separation device 210 to the reactants of the fuel cell system 100.
  • the separation device 210 may be, for example, a phase separator 210, and the phase separation device 210 may separate each material included in the product.
  • the separation device 210 may separate carbon dioxide and water vapor by using the boiling point difference between the carbon dioxide and water.
  • the carbon dioxide and the water are separated by the separating device 210, and the circulation system 200 may supply the separated carbon dioxide to the cathode pole 120 of the fuel cell system 100.
  • the separation device 210 further has a configuration capable of separating predetermined oxygen and hydrogen, and provides the separated oxygen and hydrogen to the anode pole 110 and the cathode pole 120, respectively.
  • the power generation system 1 includes the circulation system 200 including the separation device 210, the recycling efficiency of the product generated in the fuel cell may be further increased. Meanwhile, as described above, carbon dioxide may be separated and reused, thereby contributing to the prevention of environmental pollution.
  • the combustion system 300 further includes, and the combustion system 300 is configured to react with hydrogen and oxygen included in the product to generate carbon dioxide and water. .
  • System 300 may be provided to generate carbon dioxide and water vapor from the oxygen and hydrogen.
  • the combustion system 300 is installed at the rear of the fuel cell system 100 and may react with the unreacted oxygen and hydrogen to generate carbon dioxide and water vapor.
  • the combustion system 300 may be composed of a catalytic combustion system 300 using a predetermined catalyst.
  • the power generation system 1 further includes a turbine power generation system 400, wherein the turbine power generation system 400 is generated in the combustion system 300 The product rotates the turbine to produce power.
  • the turbine power generation system 400 may be further provided to generate electricity using the thermal energy of the gas. Accordingly, the turbine power generation system 400 may be installed at the rear end of the combustion system 300, and may generate electrical energy by rotating the turbine through the hot gas.
  • the power generation system 1 may include the fuel cell system 100 and the turbine power generation system 400, and thus may be configured as the hybrid power generation system 1. Accordingly, power generation through a fuel cell and power generation by a turbine using a high-temperature product generated from the fuel cell may be performed together, thereby further improving power output and energy utilization efficiency.
  • the power generation system 1 of the present invention includes a heat exchange device 500 for recovering the heat energy of at least a portion of the product produced in the fuel cell system 100; It may further include.
  • the heat exchange device 500 may be connected to the circulation system 200 to exchange heat and external heat of the product of the fuel cell system 100 circulated through the circulation system 200.
  • the heat exchange device 500 may be provided at a rear end of the turbine power generation system 400, and may be provided to exchange heat and external heat of the gas passing through the turbine power generation system 400. That is, as the steam and carbon dioxide generated by the combustion of oxygen and hydrogen through the combustion system 300 is composed of a high temperature gas, it is used to produce power in the turbine power generation system 400, the turbine power generation system A predetermined heat exchange device 500 for exchanging heat and external heat may be provided to utilize the thermal energy remaining in the gas passing through the 400.
  • the heat exchange device 500 may be configured to have a predetermined pipe structure, for example, so that the exchanged heat may be used for heating or the like.
  • the overall energy utilization efficiency of the power generation system 1 according to the present invention can be further increased.

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Abstract

본 발명에 의한 발전 시스템은, 전력을 생산하는 발전 시스템에 있어서, 상기 발전 시스템은, 공급된 반응물을 반응시켜 전력을 생산하는 연료 전지 시스템; 및 상기 연료 전지 시스템에서 생성된 생성물을 순환시키는 순환 시스템;을 포함하며, 상기 순환 시스템은, 상기 연료 전지 시스템에서 생성된 생성물 중 적어도 일부를 상기 연료 전지 시스템의 반응물로 재 공급하도록 구성된다.

Description

발전 시스템
본 발명은 발전 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 본 발명에 의한 발전 시스템은, 전력을 생산하는 발전 시스템에 있어서, 상기 발전 시스템은, 공급된 반응물을 반응시켜 전력을 생산하는 연료 전지 시스템; 및 상기 연료 전지 시스템에서 생성된 생성물을 순환시키는 순환 시스템;을 포함하며, 상기 순환 시스템은, 상기 연료 전지 시스템에서 생성된 생성물 중 적어도 일부를 상기 연료 전지 시스템의 반응물로 재 공급하도록 구성된다.
연료 전지는 탄화수소 연료에 저장된 화학에너지를 전자화학적 반응에 의해 전기에너지로 직접 변환하는 장치이다. 일반적으로, 연료 전지는 전기적으로 충전된 이온을 도전시키는 전해질에 의해 분리되는 애노드 극 및 캐소드 극을 포함한다. 용융 탄산염 연료 전지는 이산화탄소를 포함하는 가스를 산화시킬 동안 애노드 극을 통해 반응물 연료가스를 통과함으로써 작동되며, 산소는 캐소드 극을 통과한다.
이러한 연료 전지의 사용은 상기 가스의 반응에 따라서 소정의 생성물을 방출할 수 있다. 그러나, 이러한 생성물은 지구온난화 및 대기변화의 요인이 되는 다량의 이산화탄소를 함유하고 있기 때문에, 환경에 악영향을 끼친다. 따라서, 이러한 이산화탄소를 포집하고 처리하는 것은 연료 전지의 보급과 사용을 위해 중요한 요인이 된다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명에 의한 발전 시스템은, 전력을 생산하는 발전 시스템에 있어서, 상기 발전 시스템은, 공급된 반응물을 반응시켜 전력을 생산하는 연료 전지 시스템; 및 상기 연료 전지 시스템에서 생성된 생성물을 순환시키는 순환 시스템;을 포함하며, 상기 순환 시스템은, 상기 연료 전지 시스템에서 생성된 생성물 중 적어도 일부를 상기 연료 전지 시스템의 반응물로 재 공급하도록 구성된다.
상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 발전 시스템은, 전력을 생산하는 발전 시스템에 있어서, 상기 발전 시스템은, 공급된 반응물을 반응시켜 전력을 생산하는 연료 전지 시스템; 및 상기 연료 전지 시스템에서 생성된 생성물을 순환시키는 순환 시스템;을 포함하며, 상기 순환 시스템은, 상기 연료 전지 시스템에서 생성된 생성물 중 적어도 일부를 상기 연료 전지 시스템의 반응물로 재 공급하도록 구성된다.
바람직하게는, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 연료 발전 시스템은, 반응물의 반응이 이루어지는 애노드 극, 및 캐소드 극을 포함하며, 상기 애노드 극에는 수소가 공급되며, 상기 캐소드 극에는 산소 및 이산화탄소가 공급되도록 구성된다.
바람직하게는, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 순환 시스템은, 상기 연료 전지 시스템에서 생성된 생성물 중 적어도 일부를 분리하여 상기 연료 전지 시스템의 반응물로 재 공급하는 분리 장치를 포함하여 구성된다.
바람직하게는, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 분리 장치는, 상기 연료 전지 시스템에서 생성된 생성물 중 이산화탄소를 분리하여 상기 연료 전지 시스템에 재 공급하도록 구성된다.
바람직하게는, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 분리 장치는, 비등점의 차이를 이용하는 상 분리 장치로 구성된다.
바람직하게는, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 연소 시스템을 더 포함하며, 상기 연소 시스템은, 상기 연료 전지 시스템 후단에 배치되며, 상기 생성물에 포함된 산소 및 수소를 반응시켜 물과 이산화탄소를 생성하도록 구성된다.
바람직하게는, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 연소 시스템은, 소정의 촉매를 사용하는 촉매 연소 시스템으로 구성된다.
바람직하게는, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 발전 시스템은, 터빈을 포함하며 상기 터빈의 회전으로 전력을 생산하는 터빈 발전 시스템을 더 포함하며, 상기 터빈 발전 시스템은, 상기 연소 시스템 후단에 배치되며, 상기 연소 시스템에서 생성된 물과 이산화탄소 중 적어도 하나를 사용하여 터빈을 회전시켜 전력을 생산하도록 구성된다.
바람직하게는, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 연소 시스템에서 생성된 생성물의 열과 외부의 열을 교환하는 열 교환 장치를 더 포함하도록 구성된다.
본 발명에 따른 발전 시스템은 연료 전지 시스템, 및 순환 시스템을 포함함에 따라서, 연료 전지 시스템에서 생성된 생성물을 연료 전지 시스템의 반응물로 재사용할 수 있다. 따라서, 전체적인 발전 시스템의 발전 효율이 개선되며, 환경 오염의 원인으로 작용할 수 있는 생성물의 배출을 방지할 수 있다. 예컨대, 상기 순환 시스템이 연료 전지 시스템의 생성물 중 이산화탄소를 재순환시킬 경우, 지구 온난화의 원인인 이산화탄소의 배출을 억제하여 오염원 발생 억제에 기여할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 발전 시스템은 분리 장치를 포함하는 순환 시스템을 포함함에 따라서, 연료 전지에서 생성된 생성물의 재 활용 효율이 더욱 증대될 수 있다. 한편, 이산화탄소를 분리하여 재사용 가능함에 따라서 환경 오염 방지에 기여할 수 있다.
아울러, 본 발명의 일 실시예에 따른 발전 시스템은 연료 전지 시스템 및 터빈 발전 시스템을 포함하여 구성됨에 따라서 하이브리드 발전 시스템으로 구성될 수 있다. 이에 따라서, 연료 전지를 통한 전력 생산 및 상기 연료 전지에서 발생한 고열의 생성물을 이용한 터빈에 의한 전력 생산이 함께 이루어질 수 있으므로 전력 생산량 및 에너지 활용 효율이 더욱 향상될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 발전 시스템은 열 교환 장치가 구비됨에 따라서, 발전 시스템의 전체적인 에너지 활용 효율이 더욱 증대될 수 있다.
도 1 은 본 발명에 의한 발전 시스템을 나타낸 개념도이다.
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 발전 시스템을 나타낸 도면이다.
본 발명에 의한 발전 시스템은, 전력을 생산하는 발전 시스템에 있어서, 상기 발전 시스템은, 공급된 반응물을 반응시켜 전력을 생산하는 연료 전지 시스템; 및 상기 연료 전지 시스템에서 생성된 생성물을 순환시키는 순환 시스템;을 포함하며, 상기 순환 시스템은, 상기 연료 전지 시스템에서 생성된 생성물 중 적어도 일부를 상기 연료 전지 시스템의 반응물로 재 공급하도록 구성된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 대하여 설명한다. 본 실시예는 제한적인 것으로 의도된 것이 아니다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 부재는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 부재의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
도 1 은 본 발명에 의한 발전 시스템(1)을 나타낸 개념도이며, 도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 발전 시스템(1)을 나타낸 도면이다.
본 발명에 의한 발전 시스템(1)은, 전력을 생산하는 발전 시스템(1)으로서, 반응물을 반응시켜 전력을 생산하는 연료 전지 시스템(100); 및 상기 연료 전지 시스템(100)에서 생성된 생성물을 순환시키는 순환 시스템(200);을 포함하며, 상기 순환 시스템(200)은 상기 연료 전지 시스템(100)에서 생성된 생성물 중 적어도 일부를 상기 연료 전지 시스템(100)의 반응물로 재 공급하도록 구성된다.
연료 전지 시스템(100)은 소정의 반응물의 반응에 의한 화학 에너지를 통해 전기 에너지를 생산하는 시스템으로 구성될 수 있다. 즉, 연료 전지 시스템(100)은 연료로 사용되는 반응물의 산화에 의해서 발생하는 화학 에너지를 통해 전기 에너지를 생산하는 시스템으로서, 상기 반응물이 반응함에 따라서 소정의 생성물이 생성될 수 있다. 상기 생성물은 예컨대 소정의 가스일 수 있다.
한편, 여기서, 생성물이라 함은 연료 전지 시스템(100) 내에서 반응물이 반응함에 따라서 반응을 완료하여 생성된 물질 외에, 반응 효율이 100% 가 아님에 따라서 공급된 반응물의 일부가 반응하지 아니한 상태로 배출되는 반응물을 포함하는 개념으로, 연료 전지 시스템(100)에서 배출되는 모든 물질을 의미한다.
연료 전지 시스템(100)은 애노드 극(110), 캐소드 극(120), 및 상기 애노드 극(110)과 캐소드 극(120) 사이에 위치하는 전해질을 포함할 수 있다. 상기 연료 전지 시스템(100)은 전해질의 종류에 따라서 인산형, 용융탄산염형, 고체 전해질형, 및 고체 고분자형 등 다양한 시스템이 사용될 수 있으나, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)은 용융탄산염형의 연료 전지 시스템(100)이 사용될 수 있다.
상기 애노드 극(110)은 반응물 중 소정의 연료가 공급되는 연료극으로 기능하며, 상기 연료는 예컨대 수소일 수 있다. 상기 캐소드 극(120)은 반응물 중 산소와 이산화탄소가 공급되는 산소극으로 기능할 수 있다. 이에 따라서, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)은 순수 산소를 이용한 순산소 연소 장치로 구성될 수 있다.
상기 애노드 극(110)에서는 수소가 주입되어 산화반응에 의해 전자가 생성되고, 캐소드 극(120)에서는 산소와 이산화탄소가 공급되어 카보네이트 이온이 생성될 수 있다.
상기 카보네이트 이온은 애노드 극(110)과 캐소드 극(120) 사이에 위치한 전해질을 통해 캐소드 극(120)에서 애노드 극(110)으로 이동할 수 있다. 여기서, 애노드 극(110)에서는 캐소드 극(120)으로부터 제공된 카보네이트 이온과 수소가 반응하여 물과 이산화탄소가 생성될 수 있다. 여기서, 물이라 함은 액체 상태 외에 수증기와 같은 기체 상태도 포함하며, 그 상에 한정하지 아니한다. 또한, 애노드 극(110)에서 생성된 전자는 외부회로를 경유하여 통전됨에 따라서 전력이 생산될 수 있다.
한편, 상술한 바와 같이, 연료 전지 시스템(100)의 반응 효율이 100% 가 아니므로, 상기 연료 전지 시스템(100)을 통과한 생성물은 상기 반응물인 수소와 산소 및 이산화탄소간의 반응을 통해 생성되는 물과 이산화탄소 외에, 반응을 하지 않고 잔류하는 수소와 산소를 포함할 수 있다. 즉, 생성물은 수소, 산소, 물, 이산화탄소를 포함할 수 있다.
상기 순환 시스템(200)은 상기 생성물을 순환시키되, 상기 연료 전지 시스템(100)에서 생성된 생성물 중 적어도 일부를 상기 연료 전지 시스템(100)의 반응물로 재 공급하도록 구성된다.
즉, 연료 전지 시스템(100)에서 생성된 생성물 중 적어도 일부를 순환시켜서 연료 전지 시스템(100)에서 반응물로 재 사용되도록 할 수 있다.
예컨대, 상기 순환 시스템(200)은 상기 생성물 중 이산화탄소를 분리하여 상기 분리된 이산화탄소를 상기 연료 전지 시스템(100)의 반응물로 재공급할 수 있다.
본 발명에 따른 발전 시스템(1)은 연료 전지 시스템(100), 및 순환 시스템(200)을 포함함에 따라서, 연료 전지 시스템(100)에서 생성된 생성물을 연료 전지 시스템(100)의 반응물로 재사용할 수 있다. 따라서, 전체적인 발전 시스템(1)의 발전 효율이 개선되며, 환경 오염의 원인으로 작용할 수 있는 생성물의 배출을 방지할 수 있다. 예컨대, 상술한 바와 같이 상기 순환 시스템(200)이 연료 전지 시스템(100)의 생성물 중 이산화탄소를 재순환시킬 경우, 지구 온난화의 원인인 이산화탄소의 배출을 억제하여 오염원 발생 억제에 기여할 수 있다.
바람직하게는, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 순환 시스템(200)은, 상기 연료 전지 시스템(100)에서 생성된 생성물 중 각각의 성분을 분리하는 분리 장치(210)를 포함하며, 순환 시스템(200)은 상기 분리 장치(210)를 통해 분리된 분리물을 상기 연료 전지 시스템(100)의 반응물로 재공급하도록 구성될 수 있다.
상기 분리 장치(210)는 예컨대 소정의 상 분리 장치(210)(Phase Separator)일 수 있으며, 상기 상 분리 장치(210)는 상기 생성물에 포함된 각각의 물질을 분리할 수 있다. 예컨대, 상기 생성물 중 이산화탄소와 물을 분리할 때, 상기 분리 장치(210)는 상기 이산화탄소와 물의 비등점 온도 차이를 이용하여 이산화탄소와 수증기를 분리할 수 있다. 분리 장치(210)에 의해서 상기 이산화탄소와 물이 분리되며, 순환 시스템(200)은 상기 분리된 이산화탄소를 연료 전지 시스템(100)의 캐소드 극(120)에 재 공급할 수 있다. 이때, 바람직하게는, 상기 분리 장치(210)가 소정의 산소 및 수소를 각각 분리할 수 있는 구성을 더 가지며, 상기 분리된 산소 및 수소를 각각 애노드 극(110)과 캐소드 극(120)에 제공할 수 있음은 물론이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 발전 시스템(1)은 분리 장치(210)를 포함하는 순환 시스템(200)을 포함함에 따라서, 연료 전지에서 생성된 생성물의 재 활용 효율이 더욱 증대될 수 있다. 한편, 상술한 바와 같이 이산화탄소를 분리하여 재사용 가능함에 따라서 환경 오염 방지에 기여할 수 있다.
바람직하게는, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 연소 시스템(300);을 더 포함하며, 상기 연소 시스템(300)은 상기 생성물에 포함된 수소와 산소를 반응시켜 이산화탄소와 물을 생성하도록 구성된다.
즉, 상술한 바와 같이, 상기 연료 전지 시스템(100)의 반응 효율이 100% 가 아니기 때문에, 반응물로 사용되는 산소 및 수소가 잔류하여 생성물에 포함될 수 있으며, 상기 잔류하는 산소 및 수소를 반응시키는 연소 시스템(300)을 구비하여 상기 산소 및 수소로부터 이산화탄소와 수증기를 생성할 수 있다.
상기 연소 시스템(300)은 연료 전지 시스템(100) 후단에 설치되며, 미반응된 산소 및 수소를 반응시켜 이산화탄소와 수증기를 생성할 수 있다.
바람직하게는, 상기 연소 시스템(300)은 소정의 촉매를 사용하는 촉매 연소 시스템(300)으로 구성될 수 있다.
바람직하게는, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 발전 시스템(1)은, 터빈 발전 시스템(400);을 더 포함하며, 상기 터빈 발전 시스템(400)은 상기 연소 시스템(300)에서 생성된 생성물로 터빈을 회전시켜 전력을 생산한다.
상기 연료 전지 시스템(100)에서 미반응되어 생성물에 잔류하는 산소 및 수소가 상기 연소 시스템(300)을 통해 연소되면 물과 이산화탄소가 생성되되, 상기 물과 이산화탄소는 연소 시스템(300)에 의해서 생성됨으로써 고온의 열 에너지를 갖는 가스 형태일 수 있으며, 상기 물은 고온 및 고압의 수증기 형태로 배출될 수 있다. 이에 따라서, 상기 가스의 열 에너지를 사용하여 전기를 생산할 수 있도록, 터빈 발전 시스템(400)이 더 구비될 수 있다. 이에 따라서, 상기 터빈 발전 시스템(400)은 상기 연소 시스템(300)의 후단에 설치될 수 있으며, 상기 고온의 가스를 통해 터빈을 회전시켜 전기 에너지를 생산할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 발전 시스템(1)은 연료 전지 시스템(100) 및 터빈 발전 시스템(400)을 포함하여 구성됨에 따라서 하이브리드 발전 시스템(1)으로 구성될 수 있다. 이에 따라서, 연료 전지를 통한 전력 생산 및 상기 연료 전지에서 발생한 고열의 생성물을 이용한 터빈에 의한 전력 생산이 함께 이루어질 수 있으므로 전력 생산량 및 에너지 활용 효율이 더욱 향상될 수 있다.
바람직하게는, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 본 발명의 발전 시스템(1)은 상기 연료 전지 시스템(100)에서 생성된 생성물 중 적어도 일부의 열 에너지를 회수하는 열 교환 장치(500);를 더 포함할 수 있다.
상기 열 교환 장치(500)는 상기 순환 시스템(200)에 연결되어 순환 시스템(200)을 통해 순환되는 연료 전지 시스템(100)의 생성물이 갖는 열과 외부의 열을 교환할 수 있다.
예컨대, 상기 열 교환 장치(500)는 상기 터빈 발전 시스템(400) 후단에 구비되어, 터빈 발전 시스템(400)을 통과한 가스의 열과 외부의 열을 교환할 수 있도록 구비될 수 있다. 즉, 상기 연소 시스템(300)을 통해 산소 및 수소가 연소되어 생성되는 수증기와 이산화탄소는 고온의 가스로 구성됨에 따라서, 상기 터빈 발전 시스템(400)에서 전력을 생산하는 데 사용되며, 상기 터빈 발전 시스템(400)을 통과한 가스에 남아있는 열 에너지를 활용할 수 있도록 상기 열과 외부의 열을 교환하는 소정의 열 교환 장치(500)가 구비될 수 있다. 상기 열 교환 장치(500)는 예컨대 소정의 배관 구조를 갖도록 구성되어 상기 교환된 열이 난방 등에 사용될 수 있도록 구성될 수 있다.
열 교환 장치(500)가 구비됨에 따라서, 본 발명에 따른 발전 시스템(1)의 전체적인 에너지 활용 효율이 더욱 증대될 수 있다.
이상에서는 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안될 것이다.

Claims (9)

  1. 전력을 생산하는 발전 시스템에 있어서,
    상기 발전 시스템은,
    공급된 반응물을 반응시켜 전력을 생산하는 연료 전지 시스템; 및
    상기 연료 전지 시스템에서 생성된 생성물을 순환시키는 순환 시스템을 포함하며,
    상기 순환 시스템은,
    상기 연료 전지 시스템에서 생성된 생성물 중 적어도 일부를 상기 연료 전지 시스템의 반응물로 재 공급하는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 연료 전지 시스템은,
    반응물의 반응이 이루어지는 애노드 극, 및 캐소드 극을 포함하며,
    상기 애노드 극에는 수소가 공급되며,
    상기 캐소드 극에는 산소 및 이산화탄소가 공급되는 발전 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 순환 시스템은,
    상기 연료 전지 시스템에서 생성된 생성물 중 적어도 일부를 분리하여 상기 연료 전지 시스템의 반응물로 재 공급하는 분리 장치를 포함하는 발전 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 분리 장치는,
    상기 연료 전지 시스템에서 생성된 생성물 중 이산화탄소를 분리하여 상기 연료 전지 시스템에 재 공급하는 발전 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 분리 장치는,
    비등점의 차이를 이용하는 상 분리 장치인 발전 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    연소 시스템을 더 포함하며,
    상기 연소 시스템은,
    상기 연료 전지 시스템 후단에 배치되며, 상기 생성물에 포함된 산소 및 수소를 반응시켜 물과 이산화탄소를 생성하는 발전 시스템.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 연소 시스템은,
    소정의 촉매를 사용하는 촉매 연소 시스템인 발전 시스템.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 발전 시스템은,
    터빈을 포함하며 상기 터빈의 회전으로 전력을 생산하는 터빈 발전 시스템을 더 포함하며,
    상기 터빈 발전 시스템은,
    상기 연소 시스템 후단에 배치되며, 상기 연소 시스템에서 생성된 물과 이산화탄소 중 적어도 하나를 사용하여 터빈을 회전시켜 전력을 생산하는 발전 시스템.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 연소 시스템에서 생성된 생성물의 열과 외부의 열을 교환하는 열 교환 장치를 더 포함하는 발전 시스템.
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