KR101489642B1 - Complex fresh water production system using fuel cell apparatus - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예에 따르는 연료전지장치를 이용한 복합담수시스템은, 연료전지장치에 의해 생성된 전기 에너지를 공급받아 원수(Raw water)를 담수화시키는 역삼투부(Reverse Osmosis part) 및 상기 연료전지장치의 배열을 이용하여, 막증류 공정에 의해 상기 역삼투장치로부터 배출되는 염수(brine)을 담수화시키는 막증류부(Membrane distillation part)를 포함한다. A composite fresh water system using a fuel cell apparatus according to an embodiment of the present invention includes a reverse osmosis part for desorbing raw water by receiving electric energy generated by a fuel cell device, And a membrane distillation part for desalinating the brine discharged from the reverse osmosis device by a membrane distillation process.
Description
본 발명의 일실시예들은 연료전지장치의 배가스와 배열을 이용하여 원수를 담수화시키는 복합담수시스템에 관한 것이다.One embodiment of the present invention relates to a complex desalination system for desalinating raw water using the exhaust gas and the arrangement of a fuel cell apparatus.
지구상의 물의 약 97%는 해수로서 물의 양에 있어서는 절대 다수를 차지하고 있으나 생활용수나 산업용수로 이용하기에는 염도가 너무 높아서 사용하기에는 어려움이 있다. 부족한 지표수를 보충하고 물부족이 심화되고 있는 상황에서 해수의 담수화가 많은 주목을 받고 있다.About 97% of the water on the earth is seawater, but it is difficult to use because it is too salty to use for domestic water or industrial water. Desalination of seawater has attracted much attention in the situation where the lack of surface water is supplemented and the water shortage is deepening.
담수화란 염분이 있는 해수 등을 음용수나 기타 용도로 사용할 수 있도록 하기 위하여 염분을 적합하도록 제거하는 일련의 공정이다. 염분농도는 물에 용해되어 있는 정도에 따라 담수(Fresh water), 기수(Brackish water), 해수(Sea water)로 구분한다.Desalination is a series of processes in which salinity is appropriately removed so that seawater having salinity can be used for drinking water or other purposes. The salt concentration is divided into fresh water, brackish water and sea water depending on the degree of dissolution in the water.
해수는 많은 종류의 염분을 포함하고 있어, 음용수로 사용하기 위해서는 염분을 제거해야만 하며, 해수를 담수화하는 방법으로는 막증류 공정이나 역삼투막 또는 정삼투막을 이용하는 방법이 고려될 수 있다.Seawater contains many kinds of salt, so it needs to remove salt to be used as drinking water. To desalinate seawater, a membrane distillation process or a reverse osmosis membrane or a osmosis membrane may be considered.
한편, 연료전지장치는 친환경적인 에너지 장치로서, 화석 연료의 대안으로 현재 관심을 받고 있다. 연료전지장치는 화학적 에너지를 직접적으로 전기 에너지로 전환시키는 발전 장치로서, 수소를 포함하고 있는 연료가 지속적으로 공급됨과 동시에 산소가 포함된 공기가 지속적으로 공급되어 상기 공급된 수소와 산소의 전기화학적 반응을 거쳐 반응 전후의 에너지 차를 전기 에너지로 직접 변환시킨다. On the other hand, the fuel cell apparatus is an environmentally friendly energy device, and is attracting attention as an alternative to fossil fuel. The fuel cell device is a power generation device that directly converts chemical energy into electric energy. The fuel containing hydrogen is continuously supplied, and at the same time, the air containing oxygen is continuously supplied, and the electrochemical reaction To directly convert the energy difference before and after the reaction into electric energy.
이와 같은 연료전지장치는 전기 에너지를 생산하고 폐열을 배출하는데, 연료전지장치의 전기 에너지와 폐열을 이용하여 해수를 담수화시키는 방안이 고려될 수 있다.Such a fuel cell device produces electrical energy and discharges waste heat. A method of desalinating seawater by using electrical energy and waste heat of the fuel cell device can be considered.
본 발명의 일 목적은 보다 높은 에너지 소비효율과 이산화탄소 배출 효율을 갖는 연료전지장치를 이용한 복합담수시스템을 제공하기 위한 것이다. It is an object of the present invention to provide a composite fresh water system using a fuel cell apparatus having a higher energy consumption efficiency and a carbon dioxide emission efficiency.
이와 같은 본 발명의 해결 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르는 연료전지장치를 이용한 복합담수시스템은, 연료전지장치에 의해 생성된 전기 에너지를 공급받아 원수(Raw water)를 담수화시키는 역삼투부(Reverse Osmosis part) 및 상기 연료전지장치의 배열을 이용하여, 막증류 공정에 의해 상기 역삼투장치로부터 배출되는 염수(brine)을 담수화시키는 막증류부(Membrane distillation part)를 포함한다. In order to achieve the above object, the present invention provides a combined desalination system using a fuel cell apparatus, comprising: And a membrane distillation part for desalinating the brine discharged from the reverse osmosis device by a membrane distillation process using a reverse osmosis part and an arrangement of the fuel cell device.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 연료전지장치의 배가스에 포함된 이산화탄소를 공급받으며, 생성된 담수 중 적어도 일부를 공급받도록 상기 역삼투부 또는 상기 막증류부에 연결되는 재광화부(Remineralization part)를 더 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, a remineralization part is provided which receives carbon dioxide contained in the exhaust gas of the fuel cell device and is connected to the reverse osmosis part or the membrane distillation part so as to receive at least a part of the generated fresh water .
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 재광화부로 유입되는 담수 중 일부는 제1 담수와 제2 담수로 분리되고, 상기 재광화부는, 상기 이산화탄소를 이용하여 상기 제1 담수와 반응시키는 이산화탄소 흡수 유닛과, 상기 제2 담수와 이산화탄소 흡수 유닛을 통과한 상기 제1 담수를 혼합하고, 혼합된 담수에 탄산칼슘을 공급하는 석회암 필터(Limestone Filter) 유닛 및 상기 석회암 필터 유닛을 통과한 담수에서 이산화탄소를 제거하는 이산화탄소 제거 유닛을 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, a part of the fresh water flowing into the remanization unit is separated into a first fresh water and a second fresh water, and the remanization unit includes a carbon dioxide absorbing unit for reacting with the first fresh water using the carbon dioxide A limestone filter unit that mixes the second fresh water and the first fresh water that has passed through the carbon dioxide absorbing unit and supplies calcium carbonate to the mixed fresh water and a fresh water filter that removes carbon dioxide from the fresh water that has passed through the limestone filter unit And a carbon dioxide removal unit.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 막증류부에 공급되는 염수를 가열하도록 형성되는 태양열 집열장치를 더 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the apparatus may further include a solar heat collection device formed to heat the brine supplied to the membrane distillation section.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 막증류부는 제1 막증류 유닛과 제2 막증류 유닛을 포함하고, 상기 태양열 집열장치는 상기 제1 막증류 유닛에 공급되는 염수를 가열하고, 상기 연료전지장치는 상기 제2 막증류 유닛에 공급되는 염수를 가열할 수 있다.According to one example of the present invention, the membrane distillation unit includes a first membrane distillation unit and a second membrane distillation unit, and the solar heat collection apparatus heats brine supplied to the first membrane distillation unit, The apparatus can heat brine supplied to the second membrane distillation unit.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 태양열 집열장치로부터 집열되는 열을 저장하는 열저장소를 더 포함하고, 상기 열저장소는 상기 제1 막증류 유닛에 공급되는 염수를 가열할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the apparatus further comprises a heat storage for storing heat collected from the solar heat collecting device, and the heat storage can heat brine supplied to the first membrane distillation unit.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 연료전지장치로부터 전기에너지를 공급받아, 상기 원수에 포함된 유기물, 다가 이온들(Multivalent Ions) 또는 부유 고형물을 제거하여 상기 역삼투부 또는 상기 막증류부에 공급하는 필터부를 더 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, an electric energy is supplied from the fuel cell device, and organic matter, multivalent ions (suspended solids) contained in the raw water are removed and supplied to the reverse osmosis portion or the membrane distillation portion And a filter unit.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 관련된 연료전지장치를 이용한 복합담수시스템은, 연료전지장치의 폐열을 활용하여 전체시스템의 열효율을 상승시킬 수 있으며, 보다 적은 면적으로 복합담수시스템을 구현할 수 있다. 또한, 연료전지장치에서 배출되는 이산화탄소를 재활용할 수 있으며, 연료전지장치에서 생산된 고효율의 에너지를 이용하여 역삼투부를 구동시킴으로써, 전체 시스템의 에너지 효율을 상승시킬 수 있다.The composite fresh water system using the fuel cell apparatus according to at least one embodiment of the present invention configured as above can increase the thermal efficiency of the entire system by utilizing the waste heat of the fuel cell apparatus, Can be implemented. Further, the carbon dioxide discharged from the fuel cell device can be recycled, and the energy efficiency of the entire system can be increased by driving the reverse osmosis part by using the high efficiency energy produced by the fuel cell device.
그리고, 막증류부가 복수의 막증류 유닛을 포함하고, 각 막증류 유닛에 공급되는 염수가 서로 다른 장치들에 의해 가열됨으로써, 일조량에 따라 일정한 담수의 양을 확보할 수 있으며, 야간에도 담수량이 저하되는 문제를 해소할 수 있다. Since the membrane distillation section includes a plurality of membrane distillation units and the brine supplied to each membrane distillation unit is heated by different apparatuses, a certain amount of fresh water can be secured according to the amount of sunshine, Can be solved.
도 1은 본 발명의 실시예와 관련된 복합담수시스템의 개념도.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따르는 복합담수시스템의 개념도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따르는 재광화부의 개념도.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따르는 복합담수시스템의 개념도.
도 5는 본 발명과 관련된 연료전지장치의 개념도.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Figure 1 is a conceptual diagram of a combined desalination system associated with an embodiment of the present invention.
2 is a conceptual diagram of a composite fresh water system according to a first embodiment of the present invention;
3 is a conceptual diagram of a remapping section according to an embodiment of the present invention;
4 is a conceptual diagram of a composite fresh water system according to a second embodiment of the present invention;
5 is a conceptual view of a fuel cell apparatus related to the present invention.
이하, 본 발명에 관련된 연료전지장치를 이용한 복합담수시스템에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일·유사한 구성에 대해서는 동일·유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, a composite fresh water system using the fuel cell apparatus according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The suffix "module" and " part "for the components used in the following description are given or mixed in consideration of ease of specification, and do not have their own meaning or role. In the present specification, the same or similar reference numerals are given to different embodiments in the same or similar configurations. As used herein, the singular forms "a", "an" and "the" include plural referents unless the context clearly dictates otherwise.
도 1은 본 발명의 실시예와 관련된 복합담수시스템의 개념도이다.1 is a conceptual diagram of a combined desalination system according to an embodiment of the present invention.
복합담수시스템은 막증류부(Membrane distillation part, 130)와 역삼투부(Reverse Osmosis part. 120)를 구비한다.The combined fresh water system has a
역삼투부(120)는 펌프를 통해 압송되는 원수를 유입받은 후, 역삼투막을 이용하여 염분이 제거된 담수를 배출하도록 형성된다. 이러한, 역삼투부(120)는 해수용((Sea water reverse osmosis) 또는 기수용(Brackish reverse osmosis))으로 구분될 수 있다.The
역삼투부(120)는 복수개의 베셀이 내장되고, 각각의 베셀에는 복수의 역삼투막이 충진되어 사용될 수 있다. 역삼투부(120)를 구성하는 역삼투막은 일정한 주기(예를 들어 3 내지 5년)로 교환될 수 있다. 여기서, 삼투압은 농도가 다른 두 액체를 반투막으로 막아 놓았을 때, 용질의 농도가 낮은 쪽에서 농도가 높은 쪽으로 용매가 옮겨가는 현상에 의해 나타나는 압력을 말한다. 역삼투압은 삼투압보다 높은 압력을 가할 때, 용액으로부터 순수한 용매가 반투막을 통해 빠져나오는 현상을 의미한다. 그리고, 역삼투막은 역삼투 현상을 일으키는 데 사용되는 반투막을 말한다.The
역삼투막법에 의한 해수담수화시설은 물에 용해되어 있는 이온성 물질은 거의 배제되고 순수한 물은 통과되는 반투막(멤브레인)에 의해 해수 중에 용해되어 있는 이온성 물질을 여과하는 것이다. 해수에서 이온성 물질과 순수한 물을 분리시키기 위해서는 삼투압 이상의 높은 압력을 필요로 하는데 이때의 압력을 역삼투압이라 하며, 해수 담수화의 경우 40 내지 70bar정도의 높은 압력을 필요로 한다.A seawater desalination plant by reverse osmosis membrane filtration is an ionic material which is dissolved in seawater by semi-permeable membrane (membrane) which is almost exclusion of dissolved ionic substance and pure water passes. In order to separate ionic material from pure water in seawater, a higher pressure than osmotic pressure is required, which is called reverse osmotic pressure, and seawater desalination requires a high pressure of about 40 to 70 bar.
막증류부(130)는 막증류 공정을 이용하여 원수(Raw water)를 담수화시킨다. 막증류 공정은 약 60 내지 90℃가 되는 수용액(해수)이 소수성막(막증류 막)을 거치면 액상의 비휘발성 용매는 막표면에서 반발되고 막기공에서 일어나는 증기상만이 기공을 투과하게 되는데, 이러한 증기상이 막투과유닛에서 곧바로 응축도록 형성되어 원수를 담수화시키는 일련의 공정을 포함한다. 이와 같은 막증류 공정에서 추진 구동력은 온도차이며, 온도차와 함께 증기압의 차이가 수반되어 상분리를 촉진시킨다. 즉, 막증류 공정에서는, 일반적인 가열에 의한 증류(distillation)보다 낮은 온도와 역삼투(reverse osmosis)보다 낮은 압력의 운전 조건을 이용하게 된다. 막증류 공정에서는 다공성의 소수성 막(membrane)을 사용해야 하는데, 이러한 소수성 막의 소재로는 PTFE, PP, PVDF 등을 사용할 수 있다.The
이와 같은 막증류 공정에 의하면, 해수를 상기 일정 온도까지 가열하는 장치가 요구되며, 역삼투부(120)에 전기에너지를 공급하는 장치가 요구된다. 이러한 장치로써, 일조량이 많은 지역에서는 도시한 바와 같이 태양열 집열장치(150)를 이용하는 방안이 고려될 수 있다. 태양열 집열장치(150)로 Parabolic Trough collector, Linear fresnel system, Solar power tower, Dish stirling engine 등이 이용될 수 있다. 이 중 Parabolic Trough collector를 이용하는 경우, 반원통 내부에 반사판과 반사판에 의해 빛이 집중되는 지점에 흡열수용기를 설치하고 열매체를 통해 열을 흡수한 후 열저장소(140)에 저장하는 방법이 이용될 수 있다. 이때, 집열된 열 중 일부를 이용하여 증기 터빈을 가동시켜 전기 에너지를 생산한 뒤 역삼투부(120)에 공급되는 원수를 가압시키는 펌프에 사용하고, 나머지 일부 열은 원수를 가열하여 막증류부(130)에 공급할 수 있다.According to the membrane distillation process, a device for heating seawater to the predetermined temperature is required, and a device for supplying electric energy to the
하지만, 태양열 집열장치(150)를 복합담수시스템의 주요 열원 및 전기 에너지 공급원으로 사용하는 경우 생성된 전기 에너지의 효율이 낮아 전체 담수복합시스템의 효율이 낮아지는 문제가 있으며, 일조량에 따라 담수의 양이 일정하지 않으며, 야간에는 담수량이 저하되는 문제가 발생할 수 있다. 또한, 태양열 집열장치만으로 구성하기 위해서는 넓은 면적의 토지가 요구되므로, 일정 면적으로 설치가 제안되는 지역에서는 이러한 복합담수시스템을 구현하기 어렵다.However, when the
본 발명은 이와 같은 문제를 해결하기 위하여, 연료전지장치(200)를 이용한 복합담수시스템을 제안하는 것인데, 도 2 내지 도 4에서는 복합담수시스템의 개념을 설명하고, 도 5에서는 본 발명과 관련하여 사용가능한 연료전지장치(200)를 예를 들어 설명하기로 한다.In order to solve such a problem, the present invention proposes a combined desalination system using a
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따르는 복합담수시스템의 개념도이다.2 is a conceptual diagram of a complex fresh water system according to the first embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 복합담수시스템은 막증류부(130)와 역삼투부(120) 및 연료전지장치(200)를 구비한다. Referring to FIG. 2, the complex fresh water system includes a
원수가 공급되는 원수 공급부와 역삼투부 사이에는 필터부(110)가 형성될 수 있다. 필터부(110)는 원수에 포함된 유기물, 다가 이온들(Multivalent Ions) 또는 부유 고형물을 제거하여 역삼투부(120) 또는 막증류부(130)에 공급하도록 형성될 수 있다.The
필터부(110)와 막증류부(130) 사이에는 압력회수부가 형성된다. 압력회수부는 필터부(110)에서 배출되는 염수(Brine)의 압력을 회수하여, 필터부(110)에 공급되는 원수를 가압하도록 형성된다.A pressure recovery unit is formed between the
역삼투부(120)는 상기 필터부(110)를 통과한 뒤 펌프를 통해 압송되는 원수를 유입받은 후, 역삼투막을 이용하여 염분이 제거된 담수를 배출하도록 형성된다. 역삼투부(120)를 거친 염수는 막증류부(130)에 공급된다.The
여기서, 필터부(110)를 통과한 뒤 역삼투부(120)에 유입되는 원수는 펌프를 통해 40 내지 70bar정도의 높은 압력으로 유입되는데, 이러한 펌프를 구동시키는 전기 에너지는 연료전지장치(200)로부터 공급된다. 이와 같이, 연료전지장치(200)의 높은 효율로 인해 전체 시스템의 에너지 효율이 높아질 수 있다.The raw water flowing into the
역삼투부(120)를 통과한 담수는 재광화부(Remineralization part, 160)로 공급되고, 염수는 막증류부(130)로 공급된다. 막증류부(130)는 막증류 공정을 이용하여 원수(Raw water)를 담수화시킨다. 막증류 공정은 약 60 내지 90℃가 되는 수용액(해수)이 소수성막(막증류 막)을 거치면 액상의 비휘발성 용매는 막표면에서 반발되고 막기공에서 일어나는 증기상만이 기공을 투과하게 되는데, 이러한 증기상이 막투과유닛에서 곧바로 응축도록 형성되어 원수를 담수화시키는 일련의 공정을 포함한다The fresh water having passed through the
본 발명에 따르면, 막증류부(130)는 제1 막증류 유닛과 제2 막증류 유닛을 포함한다. 제1 막증류 유닛은 태양열 집열장치(150)에 의해 가열된 염수를 공급받고, 제2 막증류 유닛은 연료전지장치(200)의 배열에 의해 가열된 염수를 공급받도록 형성된다. 그리고, 막증류부(130)에 의해 담수화된 담수는 재광화부(160)에 공급된다. 이와 같이, 막증류부(130)가 복수의 막증류 유닛을 포함하고, 각 막증류 유닛에 공급되는 염수가 서로 다른 장치들에 의해 가열됨으로써, 일조량에 따라 일정한 담수의 양을 확보할 수 있으며, 야간에도 담수량이 저하되는 문제를 해소할 수 있다. 또한, 연료전지장치(200)의 폐열을 활용하여 전체시스템의 열효율을 상승시킬 수 있으며, 보다 적은 면적으로 복합담수시스템을 구현할 수 있다.According to the present invention, the
도 3은 본 발명의 실시예에 따르는 재광화부(160)의 개념도이다.3 is a conceptual diagram of the
막증류부(130)나 역삼투부(120)를 통과한 담수는 증류수(distilled water)에 가깝다. 해수의 담수화를 통해 생성된 담수는 염분이나 가스 등이 전혀 없고 탄산칼슘의 함량(ppm as CaCO3)으로 나타낸 총 알칼리도(Total alkalinity)가 1 ppm 정도이기 때문에 이와 같이 생산된 담수는 저장탱크에 수용되는 과정에서 대기와 접촉하여 대기 중의 이산화탄소(CO2)가 용해되고 낮은 pH 값을 가지며, 또한 물 분배 시스템에서 이송되는 과정에서 배관 라인(pipe line)을 부식시킨다.Fresh water having passed through the
결국, 생산된 담수는 pH 값이 낮고, 배관 라인에서 부식에 의해 생성된 산화물 등이 함유되고, 또한 TDS(Total Dissolved Solid) 농도가 낮아 음용수로서 활용할 수 없게 된다. 이러한 부식을 방지하기 위해서는 생산된 음용수가 부식성지수가 0 이상의 값을 가져야 한다. 부식성지수란 수돗물이 금속이나 시멘트의 부식에 미치는 정도를 말하는 것으로서, 일반적으로 랑게리아지수(LI)를 사용하고 0 이하이면 수도관에 대해 부식성이 있다는 것을 의미한다.As a result, the produced fresh water has a low pH value, contains oxides produced by corrosion in the piping line, and has a low TDS (Total Dissolved Solid) concentration, making it unavailable as drinking water. In order to prevent such corrosion, the produced drinking water should have a corrosion index of at least 0. Corrosion index refers to the extent to which tap water is corrosive to metal or cement, and generally means that the Langley Index (LI) is used and if it is below 0, it is corrosive to the water pipe.
부식성지수가 0 이상의 값을 갖도록 하기 위해 일반적으로 해수로부터 생산된 음용수, 즉 증류수에 수산화칼슘[Ca(OH)2]을 주입하고 이산화탄소를 더 투입하여, 총 알칼리도가 50ppm 이상이 되도록 알칼리도를 올려 pH 값을 8 정도로 일정하게 유지시켜 부식성지수가 0 이상의 값을 갖도록 한다.In order to make the corrosion index to have a value of 0 or more, generally calcium hydroxide [Ca (OH) 2 ] is injected into drinking water produced from seawater, that is, distilled water and carbon dioxide is further added to increase the alkalinity so that the total alkalinity becomes 50 ppm or more, Is kept constant at about 8 so that the corrosion index has a value of 0 or more.
본 발명은 이와 같이 담수를 음용수화하기 위하여, 재광화부(160)를 구성한다. 재광화부(160)는 담수를 음용에 적합하도록 pH를 조절하고, 물맛을 개선하는 역할을 한다. 도시한 바와 같이, 재광화부(160)는 이산화탄소 흡수 유닛(161), 석회암 필터(Limestone Filter) 유닛(162) 및 이산화탄소 제거 유닛(163)을 포함할 수 있다. 그리고, 재광화부(160)에 연료전지장치(200)의 배가스에 포함된 이산화탄소가 공급될 수 있다.The present invention thus constitutes a
재광화부(160)로 유입되는 담수는 복수의 관을 흐르도록 분리될 수 있다. 즉, 재광화부(160)로 유입되는 담수 중 일부는 제1 담수와 제2 담수로 분리될 수 있다.Fresh water flowing into the
이 때, 이산화탄소 흡수 유닛(161)은 연료전지장치(200)의 배가스에 포함된 이산화탄소를 흡수하여 제1 담수와 반응시킨다 At this time, the carbon
그리고, 석회암 필터 유닛(162)은 이산화탄소가 흡수된 제1 담수와 제2 담수가 혼합하여 통과하도록 형성되는데, 이로 인해 석회석의 탄산칼슘과 이산화탄소가 반응하여 칼슘이온(Ca2+)과 중탄산이온(HCO3 1-)이 생성된다. 이로 인해, 담수의 pH를 조절하고 부식성지수를 낮출 수 있다.The
그리고, 이산화탄소 제거 유닛(163)은 공기를 공급하여 석회암 필터 유닛(162)을 통과한 제1 및 제2 담수에 잔존하는 초과 이산화탄소를 배출유닛을 통해 배출시킨다.The carbon
이와 같이, 이산화탄소 흡수 유닛(161), 석회암 필터(Limestone Filter) 유닛 및 이산화탄소 제거 유닛(163)을 통과한 담수는 다른 담수와 혼합되어 음용수의 기준에 맞는 담수를 생산할 수 있게 된다.Thus, the fresh water having passed through the carbon
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따르는 복합담수시스템의 개념도이다.4 is a conceptual diagram of a composite fresh water system according to a second embodiment of the present invention.
도 4를 참조하면, 복합담수시스템은 막증류부(130)와 역삼투부(120) 및 연료전지장치(200)를 구비한다. Referring to FIG. 4, the complex fresh water system includes a
원수가 공급되는 원수 공급부와 역삼투막 사이에는 필터부(110)가 형성될 수 있다. 필터부(110)는 원수에 포함된 유기물, 다가 이온들(Multivalent Ions) 또는 부유 고형물을 제거하여 역삼투부(120) 또는 막증류부(130)에 공급하도록 형성될 수 있다.A
필터부(110)와 막증류부(130) 사이에는 압력회수부가 형성된다. 압력회수부는 필터부(110)에서 배출되는 염수(Brine)의 압력을 회수하여, 필터부(110)에 공급되는 원수를 가압하도록 형성된다.A pressure recovery unit is formed between the
역삼투부(120)는 상기 필터부(110)를 통과한 뒤 펌프를 통해 압송되는 원수를 유입받은 후, 역삼투막을 이용하여 염분이 제거된 담수를 배출하도록 형성된다. 역삼투부(120)를 거친 염수는 막증류부(130)에 공급된다.The
여기서, 필터부(110)를 통과한 뒤 역삼투부(120)에 유입되는 원수는 펌프를 통해 40 내지 70bar정도의 높은 압력으로 유입되는데, 이러한 펌프를 구동시키는 전기 에너지는 연료전지장치(200)로부터 공급된다. 이와 같이, 연료전지장치(200)의 높은 효율로 인해 전체 시스템의 에너지 효율이 높아질 수 있다.The raw water flowing into the
역삼투부(120)를 통과한 담수는 재광화부(160)로 공급되고, 염수는 막증류부(130)로 공급된다. 막증류부(130)에 공급되는 염수는 연료전지장치(200)의 폐열에 의해 가열된다. 막증류부(130)는 막증류 공정을 이용하여 염수를 담수화시키고, 담수화된 담수는 재광화부(160)에 공급된다. 앞서 설명한 바와 같이, 재광화부(160)는 연료전지장치(200)의 배가스 에 포함된 이산화탄소를 이용하여 담수의 pH를 조절하고 부식성 지수를 낮춘다. Fresh water having passed through the
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면, 연료전지장치(200)의 폐열을 활용하여 전체시스템의 열효율을 상승시킬 수 있으며, 보다 적은 면적으로 복합담수시스템을 구현할 수 있다. 또한, 연료전지장치(200)에서 배출되는 이산화탄소를 재활용할 수 있으며, 연료전지장치(200)에서 생산된 고효율의 에너지를 이용하여 역삼투부(120)를 구동시킴으로써, 전체 시스템의 에너지 효율을 상승시킬 수 있다.As described above, according to the embodiment of the present invention, the thermal efficiency of the entire system can be increased by utilizing the waste heat of the
도 5는 본 발명과 관련된 연료전지장치(200)의 개념도이다. 5 is a conceptual diagram of a
연료 전지의 종류는 인산형 연료전지(Phosphoric Acid Fuel Cell), 알칼리 연료전지(Alkaline Fuel Cell), 고분자 전해질 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell), 용융 탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell), 고체 산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell), 직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell) 등 다양하다. 상기한 바와 같은 연료 전지 종류들은 연료적으로 같은 원리에 의해 작동하지만, 사용되는 연료의 종류, 운전 온도, 촉매 등에 따라 분류된다.The types of fuel cells include a phosphoric acid fuel cell, an alkaline fuel cell, a proton exchange membrane fuel cell, a molten carbonate fuel cell, a solid oxide Fuel cell (Solid Oxide Fuel Cell), direct methanol fuel cell (Direct Methanol Fuel Cell). The fuel cell types as described above operate by the same principle as fuel, but they are classified according to the type of fuel used, the operating temperature, the catalyst, and the like.
이중에서 특히, 용융 탄산염 연료전지 (molten carbonate fuel cell, MCFC)는 650 ℃ 이상의 고온에서 운전되기 때문에 전기화학 반응속도가 빨라 전극 재료로 백금촉매 대신 니켈을 사용할 수 있으므로 경제성에서 유리하다.In particular, a molten carbonate fuel cell (MCFC) is operated at a high temperature of 650 ° C or higher, so that the electrochemical reaction rate is high, and nickel can be used instead of a platinum catalyst as an electrode material.
그리고 열회수 스팀 발생기(Heat Recovery Steam Generator)을 이용한 버터밍 사이클(Bottoming Cycle)을 적용할 경우, 양질의 고온 폐열을 회수해 사용하면 전체 발전 시스템의 열효율을 60% 이상으로 증가시킬 수 있다.In addition, when the bottoming cycle using the heat recovery steam generator is applied, the heat efficiency of the entire power generation system can be increased to 60% or more by recovering the high-temperature waste heat.
이와 함께 용융 탄산염 연료전지는 고온에서 운전되기 때문에, 전기 화학 반응이 일어나는 연료전지 스택 내부에서 연료 개질(Reforming) 반응을 동시에 진행시키는 내부 개질(Internal Reforming)형태의 채용이 가능하다는 장점이 있다. In addition, since the molten carbonate fuel cell is operated at a high temperature, it can be employed as an internal reforming type in which a fuel reforming reaction is simultaneously carried out in a fuel cell stack where an electrochemical reaction occurs.
이러한 내부 개질형 용융 탄산염 연료전지는 전기화학반응에서 발생하는 열을 별도의 외부 열교환기 없이 직접 흡열반응인 개질반응에 이용하기 때문에 외부개질형 용융 탄산염 연료전지 보다 전체 시스템의 열효율이 추가로 증가하는 동시에 시스템 구성이 간단해지는 장점을 갖는다.Since the internal reforming-type molten carbonate fuel cell utilizes the heat generated from the electrochemical reaction in the reforming reaction, which is a direct endothermic reaction without a separate external heat exchanger, the thermal efficiency of the entire system is further increased as compared with the externally reforming molten carbonate fuel cell And the system configuration is simplified at the same time.
연료전지장치(200)는 일정량의 연료를 공급하는 연료 공급부와 상기 연료 공급부의 연료를 공급받아 수소가스와 열을 포함하는 부산물을 발생시키는 개질기부(210)와 상기 개질기부(210)에서 발생되는 수소가스와 별도로 공급되는 산소의 전기화학반응으로 전기와 열을 발생시키는 스택부를 포함할 수 있다.The
스택부는 개질기(210), 애노드 전극(220)과 전해질막(240) 그리고 캐소드 전극(230)을 포함하여 구성되는 단위 전지가 다수개 적층되어 이루어질 수 있다.The stack portion may be formed by stacking a plurality of unit cells including a
상기한 바와 같은 연료전지 모듈의 작동은 다음과 같다.The operation of the fuel cell module as described above is as follows.
먼저, 상기 연료 공급부에서 액화천연가스(일명; LNG) 또는 메탄(CH4) 성분을 포함한 연료와 물을 상기 개질기부(210)에 공급하게 되면 그 개질기부(210)에서 수증기 개질 반응(Steam Reforming) 및 수성 전이 반응(Water Gas Shift Reaction)이 복합적으로 일어나면서 수소가스와 반응열과 그리고 물을 포함하는 기타 부산물을 발생시키게 된다. First, when fuel and water containing liquefied natural gas (LNG) or methane (CH 4 ) are supplied to the
CH4 + 2H2O -> 4H2 + CO2 CH 4 + 2H 2 O - > 4H 2 + CO 2
그리고 상기 스택부에서는 상기 개질기부(210)에서 공급되는 수소가스와 캐소드에 공급되는 산소 및 이산화탄소가 반응하여 탄산이온(CO3 2-)이 되고, 생성된 탄산이온(CO3 2 -)이 전기화학반응을 일으켜 전기와 열과 물을 발생시키게 된다. In the stack portion, the hydrogen gas supplied from the reforming
상기 스택부를 구성하는 단위 전지에서 발생되는 전기화학반응을 보다 상세하게 설명하면, 먼저 상기 수소가스(H2)가 애노드 전극(Anode; 연료극, 220)측에 공급되어 탄산 이온(CO3 2 -)과 전기 화학적 산화 반응이 일어나면서 물과 이산화탄소 및 전자(e-)를 생성한다. First, the hydrogen gas (H 2 ) is supplied to the anode (anode) 220 side to form carbonic acid ions (CO 3 2 - ). And an electrochemical oxidation reaction takes place to produce water, carbon dioxide and electrons (e-).
H2 + CO3 2 - -> H2O + CO2 + 2e- H 2 + CO 3 2 - -> H 2 O + CO 2 + 2e -
그리고, 캐소드 전극(Cathode; 일명, 공기극, 230)에서는 외부로부터 공급되는 산소와 이산화탄소 및 전자가 전기 화학적 환원 반응을 일으키면서 탄산 이온(CO3 2 -), 반응열 및 물을 발생시키게 된다. 캐소드 전극(230)에서 생성된 탄산 이온은 캐소드 전극(230)과 애노드 전극(220) 사이에 위치하는 전해질막(240)의 전해질을 통하여 캐소드 전극(230)에서 애노드 전극(220)으로 이동하며, 애노드 전극(220)에서 생성된 전자는 외부회로를 경유하여 이동하면서, 전자의 이동으로 전기에너지가 발생된다. 이때 전해질은 평상시에는 고체 상태로 존재하다가 연료전지 시스템이 정상 운전될 경우에는 약 650℃까지 온도가 상승하게 되어 전해질은 액화된다.In the cathode electrode (aka, air electrode 230), oxygen, carbon dioxide, and electrons supplied from the outside generate an electrochemical reduction reaction to generate carbonate ions (CO 3 2 - ), reaction heat, and water. The carbonate ions generated in the
(1/2)O2 + CO2 + 2e- -> CO3 2 - (1/2) O 2 + CO 2 + 2e - -> CO 3 2 -
여기서, CO2는 전기화학 반응 메커니즘에 의하여 전해질을 통해 캐소드 전극(230)에서 애노드 전극(220)으로 이동되어 농축된다. Here, CO 2 is moved from the
상기와 같이 설명된 연료전지장치를 이용한 복합담수시스템은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.The composite desalination system using the fuel cell apparatus described above is not limited in the configuration and the method of the embodiments described above but the embodiments can be applied to all or a part of each embodiment Or may be selectively combined.
Claims (7)
상기 연료전지장치의 배열(排熱)에 의해 가열된 상기 역삼투부로부터 배출되는 염수(brine)를 막증류 공정으로 담수화하는 막증류부(Membrane distillation part); 및
상기 연료전지장치의 배가스에 포함된 이산화탄소를 공급받으며, 생성된 담수 중 적어도 일부를 공급받도록 상기 역삼투부 또는 상기 막증류부에 연결되는 재광화부(Remineralization part);를
포함하는 연료전지장치를 이용한 복합담수시스템.A reverse osmosis part for supplying the electric energy generated by the fuel cell device to desalinate the raw water;
A membrane distillation part for desalinating the brine discharged from the reverse osmosis part heated by the arrangement (exhaust heat) of the fuel cell device by a membrane distillation process; And
A remineralization part connected to the reverse osmosis part or the membrane distillation part so as to receive carbon dioxide contained in the exhaust gas of the fuel cell device and receive at least a part of the generated fresh water;
A composite desalination system using a fuel cell system including a fuel cell system.
상기 재광화부로 유입되는 담수 중 일부는 제1 담수와 제2 담수로 분리되고,
상기 재광화부는,
상기 이산화탄소를 이용하여 상기 제1 담수와 반응시키는 이산화탄소 흡수 유닛;
상기 제2 담수와 이산화탄소 흡수 유닛을 통과한 상기 제1 담수를 혼합하고, 혼합된 담수에 탄산칼슘을 공급하는 석회암 필터(Limestone Filter) 유닛; 및
상기 석회암 필터 유닛을 통과한 담수에서 이산화탄소를 제거하는 이산화탄소 제거 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지장치를 이용한 복합담수시스템.The method according to claim 1,
A part of the fresh water flowing into the remanufacturing part is separated into a first fresh water and a second fresh water,
The re-
A carbon dioxide absorption unit that reacts with the first fresh water using the carbon dioxide;
A limestone filter unit for mixing the second fresh water and the first fresh water passed through the carbon dioxide absorbing unit and supplying calcium carbonate to the mixed fresh water; And
And a carbon dioxide removing unit for removing carbon dioxide from the fresh water passing through the limestone filter unit.
상기 막증류부에 공급되는 염수를 가열하도록 형성되는 태양열 집열장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지장치를 이용한 복합담수시스템.The method according to claim 1,
Further comprising a solar heat collecting device configured to heat the brine supplied to the membrane distillation unit.
상기 막증류부는 제1 막증류 유닛과 제2 막증류 유닛을 포함하고,
상기 태양열 집열장치는 상기 제1 막증류 유닛에 공급되는 염수를 가열하고, 상기 연료전지장치는 상기 제2 막증류 유닛에 공급되는 염수를 가열하는 것을 특징으로 하는 연료전지장치를 이용한 복합담수시스템.5. The method of claim 4,
Wherein the membrane distillation section comprises a first membrane distillation unit and a second membrane distillation unit,
Wherein the solar heat collection apparatus heats brine supplied to the first membrane distillation unit and the fuel cell apparatus heats brine supplied to the second membrane distillation unit.
상기 태양열 집열장치로부터 집열되는 열을 저장하는 열저장소를 더 포함하고,
상기 열저장소는 상기 제1 막증류 유닛에 공급되는 염수를 가열하는 것을 특징으로 하는 연료전지장치를 이용한 복합담수시스템.6. The method of claim 5,
Further comprising a heat storage for storing heat collected from the solar collector,
And the heat storage heats brine supplied to the first membrane distillation unit.
상기 연료전지장치로부터 전기에너지를 공급받아, 상기 원수에 포함된 유기물, 다가 이온들(Multivalent Ions) 또는 부유 고형물을 제거하여 상기 역삼투부 또는 상기 막증류부에 공급하는 필터부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지장치를 이용한 복합담수시스템.The method according to claim 1,
Further comprising a filter unit that receives electric energy from the fuel cell apparatus and removes organic substances, multivalent ions, or suspended solids contained in the raw water, and supplies the organic substances, multivalent ions, or suspended solids to the reverse osmosis unit or the membrane distillation unit. A composite fresh water system using a fuel cell device.
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