[go: up one dir, main page]
More Web Proxy on the site http://driver.im/

KR102729628B1 - Carbon dioxide recovery system contained in flue gas being emitting from fuel cell energy generating system - Google Patents

Carbon dioxide recovery system contained in flue gas being emitting from fuel cell energy generating system Download PDF

Info

Publication number
KR102729628B1
KR102729628B1 KR1020230089718A KR20230089718A KR102729628B1 KR 102729628 B1 KR102729628 B1 KR 102729628B1 KR 1020230089718 A KR1020230089718 A KR 1020230089718A KR 20230089718 A KR20230089718 A KR 20230089718A KR 102729628 B1 KR102729628 B1 KR 102729628B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
fuel cell
air
carbon dioxide
separated
nitrogen
Prior art date
Application number
KR1020230089718A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
임창환
Original Assignee
주식회사 제이엠모터스펌프
임창환
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 제이엠모터스펌프, 임창환 filed Critical 주식회사 제이엠모터스펌프
Application granted granted Critical
Publication of KR102729628B1 publication Critical patent/KR102729628B1/en

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0662Treatment of gaseous reactants or gaseous residues, e.g. cleaning
    • H01M8/0668Removal of carbon monoxide or carbon dioxide
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D53/00Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/002Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by condensation
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D53/00Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/26Drying gases or vapours
    • B01D53/265Drying gases or vapours by refrigeration (condensation)
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D53/00Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/34Chemical or biological purification of waste gases
    • B01D53/74General processes for purification of waste gases; Apparatus or devices specially adapted therefor
    • B01D53/75Multi-step processes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0612Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
    • H01M8/0618Reforming processes, e.g. autothermal, partial oxidation or steam reforming
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0662Treatment of gaseous reactants or gaseous residues, e.g. cleaning
    • H01M8/0687Reactant purification by the use of membranes or filters
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D2257/00Components to be removed
    • B01D2257/50Carbon oxides
    • B01D2257/504Carbon dioxide
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02CCAPTURE, STORAGE, SEQUESTRATION OR DISPOSAL OF GREENHOUSE GASES [GHG]
    • Y02C20/00Capture or disposal of greenhouse gases
    • Y02C20/40Capture or disposal of greenhouse gases of CO2
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

본 발명은 천연가스 연료를 공급하는 연료 공급부; 외부로부터 유입된 공기로부터 질소가 분리된 순산소를 연료전지 유닛에 공급하는 공기 및 산소 공급부; 상기 연료 공급부로부터 공급되는 천연가스 연료를 스팀메탄개질하는 스팀메탈개질부; 및 상기 스팀메탄개질부에서 스팀 개질되어 생성된 수소와, 상기 공기 및 산소공급부로부터 질소가 분리된 순산소를 각각 공급받아 전기와 열을 생산하는 연료전지 유닛;으로 구성된 연료전지 에너지 발생시스템; 및 상기 연료전지 에너지 발생시스템으로부터 배출되는 배가스를 일정온도로 냉각하여 수분을 분리한 후, 액화 탄산으로 변화된 상태로 회수하는 이산화탄소 회수부;로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지 에너지 발생시스템으로부터 배출되는 배가스에 포함된 이산화탄소 회수시스템을 개시한다. 공기 및 산소 공급부는 외부로부터 유입된 공기를 공기 분자 크기에 최적으로 배열된 세라믹 멤브레인 분리기로 공급하는 공기브로워; 상기 공기브로워로부터 공급된 공기 중의 질소를 약 60 ~ 70% 중량부로 분리하여 대기 중으로 배출되도록 하는 세라믹 멤브레인 분리기; 및 상기 세라믹 멤브레인 분리기로부터 질소가 분리되어 산소 농도가 높아진 공기를 공급받아 추가로 질소를 분리함으로써 산소의 농도가 99% 이상인 순산소를 생산하여 연료전지 유닛에 공급하는 VPSA;로 구성된다. 이산화탄소 회수부는 상기 연료전지 스택으로부터 배출되는 배가스를 5℃ 이하로 냉각하는 냉각기; 상기 냉각기에서의 냉각에 따라 응축된 응축수를 분리하는 제1 수분 응축기; 상기 수분 응축기에서 응축수가 분리된 배가스를 일정온도로 냉각하여 액상 이산화탄소를 생성하는 냉동기; 상기 냉동기에서의 배가스 냉각에 따라 응축된 응축수를 분리하는 제2 수분 응축기; 및 상기 액상 이산화탄소를 저장하는 액화탄산 저장탱크;로 구성된다.The present invention discloses a carbon dioxide recovery system included in exhaust gas discharged from a fuel cell energy generation system, characterized by comprising: a fuel supply unit for supplying natural gas fuel; an air and oxygen supply unit for supplying pure oxygen from which nitrogen has been separated from air brought in from the outside to a fuel cell unit; a steam methane reformer for reforming the natural gas fuel supplied from the fuel supply unit into steam methane; and a fuel cell unit for producing electricity and heat by respectively receiving hydrogen produced by steam reforming in the steam methane reformer and pure oxygen from which nitrogen has been separated from the air and oxygen supply unit; and a carbon dioxide recovery unit for cooling the exhaust gas discharged from the fuel cell energy generation system to a predetermined temperature to separate moisture and then recovering the exhaust gas in a state changed into liquefied carbonic acid. The air and oxygen supply unit includes: an air blower for supplying air brought in from the outside to a ceramic membrane separator optimally arranged in accordance with the size of air molecules; The device comprises: a ceramic membrane separator for separating nitrogen in the air supplied from the air blower into about 60 to 70% by weight and discharging it into the atmosphere; and a VPSA for receiving air in which nitrogen has been separated from the ceramic membrane separator and has a high oxygen concentration, further separating nitrogen to produce pure oxygen having an oxygen concentration of 99% or higher, and supplying the pure oxygen to the fuel cell unit. The carbon dioxide recovery unit comprises: a cooler for cooling the exhaust gas discharged from the fuel cell stack to 5°C or lower; a first water condenser for separating condensed water according to the cooling in the cooler; a refrigerator for cooling the exhaust gas from which the condensed water has been separated in the water condenser to a constant temperature to produce liquid carbon dioxide; a second water condenser for separating condensed water according to the cooling of the exhaust gas in the refrigerator; and a liquefied carbon dioxide storage tank for storing the liquid carbon dioxide.

Description

연료전지 에너지 발생시스템으로부터 배출되는 배가스 내에 포함된 이산화탄소 회수시스템{CARBON DIOXIDE RECOVERY SYSTEM CONTAINED IN FLUE GAS BEING EMITTING FROM FUEL CELL ENERGY GENERATING SYSTEM}{CARBON DIOXIDE RECOVERY SYSTEM CONTAINED IN FLUE GAS BEING EMITTING FROM FUEL CELL ENERGY GENERATING SYSTEM}

본 발명은 연료전지 에너지 발생시스템으로부터 배출되는 배가스 내에 포함된 이산화탄소 회수시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a system for recovering carbon dioxide contained in exhaust gas discharged from a fuel cell energy generation system.

본 발명은 특히, 메탄(CH4)을 스팀개질함에 따라 정제된 수소(H2)와 산소(O2)가 전기화학적 반응을 일으켜 전기가 생산되면, 생산되는 전기에너지는 별도로 회수하고, 메탄 개질 반응시 생성되는 이산화탄소(CO2)는 저감할 수 있도록 한 시스템에 관한 것이다.The present invention relates, in particular, to a system in which electricity is produced by causing an electrochemical reaction between purified hydrogen (H 2 ) and oxygen (O 2 ) through steam reforming of methane (CH 4 ), the produced electric energy is separately recovered, and carbon dioxide (CO 2 ) generated during the methane reforming reaction can be reduced.

또한, 수소와 전기화학적 반응에 기인되는 산소는 공기로부터 유입되므로 1차로 선택된 기공크기(pore size)로 배열된 세라믹 멤브레인(Ceramic Membrane)을 사용하여 공기 중의 질소(N2)를 선택적으로 분리하고, 2차로 산소농도가 높아진 공기를 다시 건식흡착 칼럼(Column)을 적용하여 잔여량의 질소를 분리한 후, 연료전지 스택(Stack)의 음극에 순산소만을 공급하여 연료전지 배가스(Flue Gas)의 양을 획기적으로 줄임으로써 배가스 내에 포함된 이산화탄소(CO2)의 농도를 높여주어, 경제성이 있는 액상 이산화탄소(L-CO2)를 포집(CCUS, Carbon Capture Utilization Storage)할 수 있도록 한 시스템에 관한 것이다.Also, since oxygen resulting from an electrochemical reaction with hydrogen is introduced from the air, the present invention relates to a system that selectively separates nitrogen ( N2 ) in the air using a ceramic membrane arranged with a firstly selected pore size, and then, after separating the remaining nitrogen by applying a dry adsorption column to the air with a high oxygen concentration, supplies only pure oxygen to the cathode of the fuel cell stack to drastically reduce the amount of fuel cell flue gas, thereby increasing the concentration of carbon dioxide ( CO2 ) contained in the flue gas, thereby enabling economical capture (CCUS, Carbon Capture Utilization Storage) of liquid carbon dioxide (L- CO2 ).

본 발명은 연료전지 스택에서 배출되는 배가스 중 이산화탄소를 효과적으로 회수하여 탄소중립에 이바지함은 물론, 이산화탄소를 액화 이산화탄소로 포집하여 탄산 제품을 제조하는 분야에 적용 가능하다.The present invention can be applied to the field of effectively recovering carbon dioxide from exhaust gas emitted from a fuel cell stack, thereby contributing to carbon neutrality, and also manufacturing carbon dioxide products by capturing carbon dioxide as liquefied carbon dioxide.

현재 상용화되고 있는 연료전지는 전해질의 종류에 따라 알칼리형 연료전지(AFC), 고분자 전해질형 연료전지(PEFC), 인산형 연료전지(PAFC), 용융 탄산염 연료전지(MCFC) 및 고체산화물 연료전지(SOFC) 등 크게 5 가지로 분류된다.Currently commercialized fuel cells are broadly classified into five types: alkaline fuel cells (AFC), polymer electrolyte fuel cells (PEFC), phosphoric acid fuel cells (PAFC), molten carbonate fuel cells (MCFC), and solid oxide fuel cells (SOFC), depending on the type of electrolyte.

그런데 연료전지는 석탄화력 및 복합화력과 같이 온실가스 주범인 이산화탄소가 많이 발생하며, 이로 인한 지구 온난화 현상을 방지하는데 효과적인 기술이 절실히 요구되고 있는 실정이다. However, fuel cells, like coal-fired power plants and combined cycle power plants, emit a lot of carbon dioxide, a major greenhouse gas, and there is an urgent need for effective technology to prevent global warming caused by this.

이러한 요구에 부응하여 연료전지에 대한 연구 및 상용화가 두드러지게 나타나면서, 원료의 수급성에 따라 친환경 연료전지로 개발되거나 또는 비 친환경 연료전지로 개발될 수 있는 기틀이 마련되고 있다. In response to these demands, research and commercialization of fuel cells are becoming prominent, and the foundation is being laid for developing fuel cells into either eco-friendly or non-eco-friendly fuel cells depending on the availability of raw materials.

현재, 연료전지 대부분은 메탄(CH4)을 고온고압의 스팀으로 개질 반응시켜 수소를 생산하고, 활성이 있는 연료를 전기화학적 반응에 따라 산화시키며, 그 산화과정에서 방출되는 화학에너지를 전기에너지로 직접 변환하는 장치로 사용되고 있다. Currently, most fuel cells are used as devices that produce hydrogen by reforming methane ( CH4 ) with high-temperature, high-pressure steam, oxidize active fuel through an electrochemical reaction, and directly convert the chemical energy released during the oxidation process into electrical energy.

[화학식 1][Chemical Formula 1]

CH4 + 2H2O → CO2 + 4H2 CH 4 + 2H 2 O → CO 2 + 4H 2

화학식 1에 나타난 바와 같이, 화학적 반응에 의해 수소를 생산하는 과정에서 다량의 이산화탄소가 발생하게 되는데, 현재 상용화된 수소 연료전지는 연료전지 스택(Stack)에서 배출되는 배가스(Flue gas)를 대부분 대기중으로 배출하고 있다. 즉 다량의 이산화탄소를 배가스에 포함시켜 배출하는 것이다. As shown in Chemical Formula 1, a large amount of carbon dioxide is generated in the process of producing hydrogen through a chemical reaction. Currently commercialized hydrogen fuel cells mostly emit flue gas from the fuel cell stack into the atmosphere. In other words, a large amount of carbon dioxide is emitted by including it in the flue gas.

공기 중의 성분 조성비율은 표 1에 나타난 바와 같고, 공기 중의 이산화탄소의 농도는 부피비로 약 400ppm 정도로 나타나고 있다.The composition ratio of components in the air is as shown in Table 1, and the concentration of carbon dioxide in the air is approximately 400 ppm by volume.

한편, 국내에 설치된 연료전지 스택에서 배출되는 배가스의 조성물 중 배출되는 이산화탄소를 거리에 따라 측정한 결과는 표 2에 나타난 바와 같다.Meanwhile, the results of measuring the carbon dioxide emitted from the composition of exhaust gas emitted from fuel cell stacks installed domestically according to distance are shown in Table 2.

표 2에 나타난 바와 같이, 연료전지 스택에서 배가스 배출거리가 멀어질수록 이산화탄소의 농도가 낮아지는 것을 알 수 있다. 이는 공기와 희석되면서 이산화탄소 농도가 낮아지는 것인데, 이러한 점만 보면 연료전지에서 배출되는 배가스에 포함된 이산화탄소를 100% 대기 중으로 배출해도 되는 것으로 오해할 수 있다.As shown in Table 2, the farther the exhaust gas is discharged from the fuel cell stack, the lower the carbon dioxide concentration becomes. This is because the carbon dioxide concentration decreases as it is diluted with air. However, if we only look at this, we may misunderstand that 100% of the carbon dioxide contained in the exhaust gas discharged from the fuel cell can be discharged into the atmosphere.

그러나 최근 지구 온난화 현상이 심화되고, 나날이 이산화탄소의 배출량이 많아지면서 환경적인 규제가 심각한 상황에서, 연료전지 배가스에 포함된 막대한 양의 이산화탄소를 포집하려는 연구 개발이 활발하게 진행되고 있다.However, as global warming has become more severe and carbon dioxide emissions have increased day by day, and environmental regulations have become more serious, research and development to capture the massive amount of carbon dioxide contained in fuel cell exhaust gas is actively being conducted.

현재, 국내 연료전지를 제조하는 업체들은 외국 기술을 도입하여 국산화 비율을 높여가고 있는 추세로, 본 발명의 취지인 온실가스 주범인 이산화탄소 회수시스템 관련 원천기술 확보는 아직까지도 요원하다고 할 수 있다.Currently, domestic fuel cell manufacturers are increasing the domestic production ratio by introducing foreign technology, and securing the original technology related to the carbon dioxide recovery system, which is the main culprit of greenhouse gases, which is the purpose of the present invention, is still far away.

대한민국 등록특허 제10-1233297호는 건식 이산화탄소 포집장치에 관한 것으로써, 기존의 습식, 즉 아민류 계통의 용액을 통과시켜 이산화탄소를 흡수 탈착하여 포집하고, 다시 재생된 아민류 계통의 용액은 재사용하는 기술이 개시되어 있다. Korean Patent No. 10-1233297 relates to a dry carbon dioxide capture device, and discloses a technology for capturing carbon dioxide by absorbing and desorbing it by passing an existing wet solution, i.e. an amine-based solution, through which the carbon dioxide is captured, and then reusing the regenerated amine-based solution.

상기 등록기술은, 이산화탄소 포집시 발생되는 악취나 폐수 등으로 인한 환경적인 문제를 개선하기 위하여, 건식방법에 의해 석탄화력, 복합화력의 배가스로부터 이산화탄소를 포집하는 기술이 개시되어 있으나, 고농도의 이산화탄소 조성비에서는 사용된 흡착제의 파과 속도가 빠르기 때문에, 공정운영이 까다롭고 애로사항이 많아 상업적 운전을 위해서는 개선해야 할 점이 많은 것으로 판단된다.The above-mentioned registered technology discloses a technology for capturing carbon dioxide from exhaust gas of coal-fired power plants and combined heat and power plants by a dry method in order to improve environmental problems caused by foul odors and wastewater generated during carbon dioxide capture. However, since the breakthrough speed of the adsorbent used is fast at a high carbon dioxide composition ratio, process operation is difficult and there are many difficulties, and it is judged that there are many areas that need to be improved for commercial operation.

대한민국 등록특허 제10-2410689호는 이산화탄소 포집형 에너지 발전시스템 및 그 운전방법에 관한 것으로써, 액화수소저장부로부터 수소 및 천연가스를 공급받아 전력을 생산하는 연료전지를 구성하고, 연료전지로부터 발생한 이산화탄소를 액화수소의 냉열을 이용하여 포집하는 시스템으로서, 기술적부분에서는 문제가 없는 것으로 보여지나, 수소의 액화온도가 -253℃로서 수전하는 장치로부터 수소를 생산하여 액화시킬 수 있는 기술에 대해서는 개시되어 있지 않다. 만약, 상기 특허에서 수소를 액화시키고, 냉열을 이용하여 이산화탄소를 액화시켜 포집할 수 있다면 상당히 좋은 기술임에는 틀림이 없다.Korean Patent No. 10-2410689 relates to a carbon dioxide capture energy generation system and its operating method, which comprises a fuel cell that receives hydrogen and natural gas from a liquefied hydrogen storage unit to produce electricity, and captures carbon dioxide generated from the fuel cell using the cold heat of the liquefied hydrogen. Although there appears to be no technical issues with this system, since the liquefaction temperature of hydrogen is -253°C, it does not disclose a technology that can produce and liquefy hydrogen from a device that receives electricity. If the above patent liquefies hydrogen and liquefies and captures carbon dioxide using the cold heat, it would certainly be a very good technology.

대한민국 등록특허 제10-2523875호는 연료전지 시스템용 고농도 이산화탄소 포집 및 포집방법에 관한 것으로써, 개질기 유니트에 질소분리막을 사용하고, 산소부하공기를 공급하여 1차적으로 배가스의 유량을 줄이고, 연료전지 유니트에 압축공기를 공급하여 산소의 공급원으로 사용함으로써, 전기화학적 반응을 일으켜 전기를 생산할 수 있도록 하는 시스템이 개시되어 있다. Korean Patent Registration No. 10-2523875 relates to a high-concentration carbon dioxide capture and capture method for a fuel cell system. The system discloses a system that uses a nitrogen separation membrane in a reformer unit, supplies oxygen-loaded air to primarily reduce the flow rate of exhaust gas, and supplies compressed air to the fuel cell unit to use it as a source of oxygen, thereby causing an electrochemical reaction to produce electricity.

상기 특허는 개질기 유니트 전단에 질소분리막을 사용하여 질소를 분리하도록 구성한 것이 장점이라 할 수 있으나, 기체분리막은 질소가스 분리효율이 약 35%로 낮은 편에 속하여 다단 기체분리막 설비를 구축해야 하므로 설비 투자비가 고가임을 감안할 때 경제성 측면에서 가치가 많이 떨어질 수 있다. The above patent has the advantage of using a nitrogen separation membrane in the front of the reformer unit to separate nitrogen. However, since the nitrogen gas separation efficiency of the gas separation membrane is low at about 35%, and since a multi-stage gas separation membrane facility must be built, the cost of facility investment is high, so the economic value may be greatly reduced.

또한, 개질기 유니트에 산소부하공기를 공급하여 버너의 연소공기로 사용하함으로써 개질반응에 필요한 열량을 확보하도록 구성되어 있으며, 즉 수소원(Hydrogen Source)으로 사용하는 메탄은, 버너의 원료 및 수소생산을 위한 원료로도 사용함에 따라 타 연료전지에 비해 원료의 사용량이 많아 이산화탄소의 발생이 배가될 수 있고, 고정비의 비중이 높아 경제성 측면에서 타당성이 없을 것으로 판단된다.In addition, it is configured to secure the amount of heat required for the reforming reaction by supplying oxygen-loaded air to the reformer unit and using it as combustion air for the burner, and that is, methane used as a hydrogen source is also used as a raw material for the burner and for hydrogen production, so the amount of raw material used is greater than that of other fuel cells, which may double the generation of carbon dioxide, and the proportion of fixed costs is high, so it is judged not to be feasible in terms of economic feasibility.

대한민국 등록특허 제10-2289495호는 연료전지를 이용한 이산화탄소 포집 시스템 및 그 방법에 관한 것으로써, 천연가스를 연료로 하는 제1 전기생산부와 고압스팀을 이용한 제2 전기생산부로 구성되어, 효율성 있는 시스템 구축과 동시에 이산화탄소를 회수하는 시스템과 병행하여 미반응 가스를 연소하고 연료전지에 재공급하는 시스템으로서의 장점은 있으나, 다음과 같은 단점이 있다.Korean Patent Registration No. 10-2289495 relates to a carbon dioxide capture system using a fuel cell and a method therefor. It consists of a first electricity production unit using natural gas as fuel and a second electricity production unit using high-pressure steam, and has the advantage of being an efficient system that simultaneously recovers carbon dioxide and combusts unreacted gas and resupplies it to the fuel cell, but has the following disadvantages.

첫째, 고정비인 연료비 과다로 인한 상업적 문제가 있고, 둘째, 연료전지 시스템에서 발생하는 스팀 양에 대한 문제가 있어, 이를 해결하기 위한 수단이 필요하나, 현재 상용화된 연료전지 시스템은 고온고압스팀 제너레이터(Generator)를 설치하여 운전되고 있지는 않는 것으로 판단된다. 즉 고온고압 스팀이 발생되어 스팀 발전을 위한 안정적인 공급이 가능한지가 의문이 들 수 있는 기술로 보여진다. 특히 연료전지는 개질반응을 통하여 생산한 수소와 공기로부터 유입되는 산소가 공기극에 전달된 후, 전기화학적 반응을 통하여 전기를 생산하는데, 산소유입원이 없는 것이 특징인지는 모르겠으나 공기 유입공정은 없는 것으로 보여진다. First, there is a commercial problem due to the high fixed cost of fuel, and second, there is a problem with the amount of steam generated from the fuel cell system, so a means to solve this is necessary, but it is judged that the currently commercialized fuel cell system is not operated by installing a high-temperature, high-pressure steam generator. In other words, it seems to be a technology that raises questions about whether high-temperature, high-pressure steam can be generated and a stable supply for steam power generation. In particular, the fuel cell produces electricity through an electrochemical reaction after hydrogen produced through a reforming reaction and oxygen introduced from the air are transferred to the cathode, but it is not known whether this is characterized by the absence of an oxygen introduction source, but it appears that there is no air introduction process.

대한민국 특허공개 제10-2022-0080444호는 다단 연료전지 시스템 및 친환경 발전 방법에 관한 것으로써, 다단 연료전지를 사용하여 발전효율을 높일 수 있다는 장점은 있으나, 다음과 같은 단점이 있다.Korean Patent Publication No. 10-2022-0080444 relates to a multi-stage fuel cell system and an eco-friendly power generation method. Although it has the advantage of being able to increase power generation efficiency by using a multi-stage fuel cell, it has the following disadvantages.

첫째, 연료로 사용되는 천연가스는 액화가스로 공급되기 때문에 기화설비 추가가 필요하여 시설투자비가 상승할 것이고, 또한 공급되는 연료가스를 기화기에서 기화시킨다 하더라도 온도가 낮아 개질반응시 온도를 저하시키는 요인이 될 수 있으며, 둘째, 개질반응기는 외부개질과 내부 개질반응으로 이중화 되어 있어 운전이 용이하지 않은 측면이 있을 뿐만 아니라, 개질반응시 필요한 스팀에 대한 부분은 언급된 것이 없고, 셋째, 연료전지를 다단으로 설치한 상업용의 사례는 찾아볼 수 없는 상황이다.First, since the natural gas used as fuel is supplied as liquefied gas, additional vaporization facilities will be required, which will increase facility investment costs. In addition, even if the supplied fuel gas is vaporized in a vaporizer, the low temperature may become a factor that lowers the temperature during the reforming reaction. Second, the reforming reactor is dualized with external reforming and internal reforming reactions, which makes operation difficult. In addition, there is no mention of the steam required for the reforming reaction. Third, there are no commercial cases of fuel cells installed in multiple stages.

대한민국 특허공개 제10-2023-0011914호는 탄소포집을 위한 증기 메탄 개질 유닛에 관한 것으로써, 미반응가스를 재순환하여 연료로 사용함으로써 최대 전력을 생산한다는 측면은 좋은 장점일 수 있으나, 다음과 같은 단점이 있다.Korean Patent Publication No. 10-2023-0011914 relates to a steam methane reforming unit for carbon capture. Although it may have the advantage of producing maximum power by recycling unreacted gas and using it as fuel, it has the following disadvantages.

첫째, 연료전지의 예열가스로 메탄을 사용하기 때문에 연료비의 추가 비용이 발생할 수 있고, 둘째, 별도의 외부개질기 및 별도의 보일러에서 공급되는 물, 압축기에 공급되는 공기, 개질가스 수소 PSA 설비 등, 상당한 고가의 설비 구축으로 인한 투자비 증가가 예상되며, 수소 PSA 설비는 수소의 폭발 한계치가 4 ~ 74%이기 때문에 안전상에 주의를 해야 할 뿐만 아니라, 증기 메탄 개질기(Steam Methane Reformer) 시스템에서 발생하는 가스는 이산화탄소(CO2), 수소(H2), 일산화탄소(CO), 메탄(CH4), 질소(N2), 산소(O2) 등 복합가스이므로, 순수한 수소를 분리한다는 것이 상당이 어려운 문제이며(표 3 참조), 셋째, 연료전기 음극(Cathode)에서 발생하는 연소가스는 이산화탄소가 일부 포함된 상태로 대기 중으로 방출된다는 점 등이 문제점으로 지적될 수 있다. First, since methane is used as a preheating gas for the fuel cell, additional fuel costs may be incurred. Second, increased investment costs are expected due to the construction of considerably expensive facilities, such as a separate external reformer and water supplied from a separate boiler, air supplied to the compressor, and a reformed gas hydrogen PSA facility. In addition, since the hydrogen PSA facility has a hydrogen explosion limit of 4 to 74%, safety precautions must be taken. In addition, the gas generated from the steam methane reformer system is a composite gas, including carbon dioxide ( CO2 ), hydrogen ( H2 ), carbon monoxide (CO), methane ( CH4 ), nitrogen ( N2 ), and oxygen ( O2 ), so separating pure hydrogen is quite difficult (see Table 3). Third, the combustion gas generated from the fuel cell cathode is emitted into the atmosphere with some carbon dioxide included. This can be pointed out as a problem.

대한민국 등록특허 제10-2143864호는 연료전지로부터 이산화탄소(CO2)를 포집하기 위한 시스템에 관한 것으로써, 공기를 열교환하고, 고체산화물 연료전지(SOFC)의 양극(Cathode)으로 공급하여 공기중의 산소는 전해질을 통하여 음극(anode)으로 전달되며, 천연가스 연료를 개질을 통하여 생성된 수소와 전기화학적 반응하여 전력을 생산하고, 이때 미반응의 가스는 산화공정 또는 2차 개질공정을 거쳐 전력생산 및 정제공정을 거쳐 순수한 수소를 고체산화물 연료전지에 재순환시킨다는 측면은 장점으로 보여지나, 다음과 같은 단점이 있다.Korean Patent No. 10-2143864 relates to a system for capturing carbon dioxide ( CO2 ) from a fuel cell, which heat-exchanges air and supplies it to the cathode of a solid oxide fuel cell (SOFC), and oxygen in the air is transferred to the anode through an electrolyte, and electricity is generated by reforming natural gas fuel and reacting electrochemically with hydrogen, and unreacted gas goes through an oxidation process or a secondary reforming process to generate electricity and a purification process, and pure hydrogen is recycled to the solid oxide fuel cell. This aspect appears to be advantageous, but it has the following disadvantages.

첫째, 고체산화물연료전지의 배가스라인으로 이송하여 대기 중으로 방출되는 배가스 성분은 약 0.08 mol.%의 이산화탄소가 내재되어 있고, 둘째, 애노드가스산화기(AGO ; Anode Gas Oxidation) 및 개질기-전해조-정제기(REP ; Reformer Electrolyte Purification) 시스템에서 불순물이 포함된 수소가 다시 고체산화물연료전지로 유입되어 전력을 생산하는 시스템으로 구비되어 있듯이, 전기 생산 효율성 면에서는 이중화로 된 연료전지와 공정의 복잡성으로 인하여 상업화와는 거리감이 있다고 볼 수 있다. 아울러, 이산화탄소 포집을 위한 시스템이라고는 하나, 약 5% 정도는 대기중으로 방출하는 시스템이라고 볼 수 있다.First, the exhaust gas component that is transported to the exhaust gas line of the solid oxide fuel cell and released into the atmosphere contains about 0.08 mol.% of carbon dioxide, and second, as the hydrogen containing impurities from the anode gas oxidation (AGO) and reformer-electrolyte-purification (REP) system is provided as a system to produce electricity by flowing back into the solid oxide fuel cell, it can be seen as having a distance from commercialization in terms of electricity production efficiency due to the dual fuel cell and complexity of the process. In addition, although it is a system for capturing carbon dioxide, it can be seen as a system that releases about 5% of it into the atmosphere.

대한민국 특허등록 제10-1233297호(2013. 02. 07. 등록, 명칭 : 건식 이산화탄소 포집장치)Republic of Korea Patent Registration No. 10-1233297 (registered on February 7, 2013, title: Dry carbon dioxide capture device) 대한민국 특허등록 제10-2410689호(2022. 06. 15 등록, 명칭 : 이산화탄소 포집형 에너지발전 시스템 및 그 운전방법)Republic of Korea Patent Registration No. 10-2410689 (Registered on June 15, 2022, Title: Carbon Dioxide Capture Energy Generation System and Its Operating Method) 대한민국 특허등록 제10-2523785호(2023. 04. 17 등록, 명칭 : 연료전지 시스템 용 고농도 이산화탄소 포집 설비 및 포집 방법)Korean Patent Registration No. 10-2523785 (Registered on April 17, 2023, Title: High-concentration carbon dioxide capture facility and capture method for fuel cell system) 대한민국 특허등록 제10-2289495호(2021. 08. 06 등록, 명칭 : 연료전지를 이용한 이산화탄소 포집 시스템 및 그 방법)Republic of Korea Patent Registration No. 10-2289495 (Registered on August 6, 2021, Title: Carbon dioxide capture system using a fuel cell and method thereof) 대한민국 특허공개 제10-2022-0080444호(2022. 06. 14 공개, 명칭 : 다단 연료전지 시스템 및 친환경 발전 방법)Republic of Korea Patent Publication No. 10-2022-0080444 (Published on June 14, 2022, Title: Multi-stage fuel cell system and eco-friendly power generation method) 대한민국 특허공개 제10-2023-0011914호(2023. 01. 25 공개, 명칭 : 탄소 포집을 위한 증기 탄소포집을 위한 증기 메탄 개질 유닛에 관한 것으로써, 미메탄 개질 유닛)Korean Patent Publication No. 10-2023-0011914 (Published on January 25, 2023, Title: Steam methane reforming unit for carbon capture, non-methane reforming unit) 대한민국 등록특허 제10-2143864호(2020. 08. 20 등록, 명칭 : 연료 전지로부터 CO2를 포집하기 위한 시스템)Republic of Korea Patent No. 10-2143864 (registered on August 20, 2020, title: System for capturing CO2 from a fuel cell)

열병합발전소의 온실가스 배출량 산정 및 환경성 평가(Estimation of Greenhouse Gas and Environmental Assessment in Co-generation Plant), Journal of Environmental Science International 23(12); 2035~2044; December 2014Estimation of Greenhouse Gas and Environmental Assessment in Co-generation Plant, Journal of Environmental Science International 23(12); 2035~2044; December 2014 석탄화력발전소 발생 CO2의 지하저장 기술개발 현황(Development Status of Underground Storage for CO2 Generated from Coal Power Plants), KIC News, Volume 12, No.2, 2009Development Status of Underground Storage for CO2 Generated from Coal Power Plants, KIC News, Volume 12, No.2, 2009

본 발명의 목적은, 메탄을 스팀개질함에 따라 정제된 수소와 산소가 전기화학적 반응을 일으켜 전기가 생산되면, 생산되는 전기에너지는 별도로 회수하고, 메탄 개질 반응시 생성되는 이산화탄소는 저감될 수 있도록 한, 연료전지 에너지 발생시스템 및 이로부터 배출되는 배가스 내에 포함된 이산화탄소 회수시스템 및 그 방법을 제공하는데 있다.The purpose of the present invention is to provide a fuel cell energy generation system, in which electricity is produced when purified hydrogen and oxygen undergo an electrochemical reaction by steam reforming of methane, the electric energy produced is separately recovered, and carbon dioxide generated during the methane reforming reaction can be reduced, and a system and method for recovering carbon dioxide contained in exhaust gas discharged therefrom.

본 발명의 다른 목적은, 개질시 이용되는 공기중에 포함된 질소량을 줄여 배출되는 배가스 량을 줄일 수 있도록 한, 연료전지 에너지 발생시스템 및 이로부터 배출되는 배가스 내에 포함된 이산화탄소 회수시스템 및 그 방법을 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide a fuel cell energy generation system and a system and method for recovering carbon dioxide contained in exhaust gas emitted therefrom, which can reduce the amount of nitrogen contained in air used during reforming, thereby reducing the amount of exhaust gas emitted.

본 발명의 또 다른 목적은, 이산화탄소 농도가 상승된 배가스를 포집한 후 액화설비 및 공정을 단순화하여 투자비를 절감할 수 있는 최적의 공정을 통해 액상 이산화탄소(Liquid-CO2) 형태로 회수할 수 있도록 한, 연료전지 에너지 발생시스템 및 이로부터 배출되는 배가스 내에 포함된 이산화탄소 회수시스템 및 그 방법을 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide a fuel cell energy generation system and a carbon dioxide recovery system and method therefor, which can recover carbon dioxide in the form of liquid carbon dioxide (Liquid-CO 2 ) through an optimal process that can reduce investment costs by simplifying the liquefaction facility and process after capturing the flue gas with an increased carbon dioxide concentration.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical problems to be achieved by the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned will be clearly understood by a person having ordinary skill in the technical field to which the present invention belongs from the description below.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 연료전지 에너지 발생시스템으로부터 배출되는 배가스에 포함된 이산화탄소 회수시스템은
수소와 전기화학적 반응에 기인되는 산소는 공기로부터 유입되므로 1차로 선택된 기공크기(pore size)로 배열된 세라믹 멤브레인(Ceramic Membrane)을 사용하여 공기 중의 질소(N2)를 선택적으로 분리하고, 2차로 산소농도가 높아진 공기를 다시 건식흡착 칼럼(Column)을 적용하여 잔여량의 질소를 분리한 후, 연료전지 유닛의 양극에 순산소만을 공급하여 연료전지 배가스(Flue Gas)의 양을 줄임으로써 배가스 내에 포함된 이산화탄소(CO2)의 농도를 높여주어 경제성이 있는 액상 이산화탄소(L-CO2)를 포집할 수 있도록 한 시스템으로써,
천연가스 연료를 공급하는 연료 공급부;
외부로부터 유입된 공기로부터 질소가 분리된 순산소를 연료전지 유닛에 공급하도록 외부로부터 유입된 공기가 필터를 통해 이물질이 제거되면 1차로 공기 분자의 크기에 최적으로 배열된 세라믹 멤브레인 분리기로 공급하는 공기브로워; 상기 공기브로워로부터 공급된 공기 중의 질소를 60 ~ 70% 중량부로 분리하여 대기 중으로 배출되도록 하는 세라믹 멤브레인 분리기; 및 상기 세라믹 멤브레인 분리기로부터 질소가 분리되어 산소 농도가 높아진 공기를 공급받아 2차로 질소를 추가 분리함으로써, 산소의 농도가 99% 이상인 순산소를 생산하여 순산소 저장탱크에 저장한 상태에서 부스터펌프를 통해 가압하여 연료전지 유닛에 공급하는 진공압력스윙흡착(VPSA : Vacuum Pressure Swing Adsorption) 시스템;으로 구성된 공기 및 산소 공급부;
상기 VPSA 시스템에서 2차로 분리된 질소는 질소저장탱크에 저장되어 불활성가스(N2)로 사용되고, 질소저장탱크에 저장수위가 한계치에 도달하였을 경우에는 질소 배출라인을 통해 대기 중으로 배출됨;
상기 연료 공급부로부터 공급되는 천연가스 연료를 스팀메탄개질하도록 메탄(CH4)과 물(H2O)이 결합하여 150 ~ 250℃ 영역의 반응온도에서 수소와 이산화탄소 및 일산화탄소가 생성되면, 상기 수소가 상기 공기 및 산소공급부로부터 유입되는 순산소와의 전기화학 반응에 의하여 화학적에너지를 전기적에너지로 변환시키도록 상기 수소를 연료전지 유닛으로 공급하며, 제1 수분 응축기를 통해 분리된 응축수와 제2 수분 응축기를 통해 분리된 응축수가 유입되어 순수로 활용되는 스팀메탄개질부; 및
상기 스팀메탄개질부에서 스팀 개질되어 생성된 후 정제공정을 거쳐 정제된 초순수인 수소와, 상기 공기 및 산소공급부로부터 질소가 분리된 순산소를 각각 공급받아 전기와 열을 생산하는 연료전지 유닛;으로 구성된 연료전지 에너지 발생시스템; 및
상기 연료전지 유닛으로부터 배출되는 배가스를 5℃ 이하로 냉각하여 수분을 분리한 후, 액화탄산으로 변화된 상태로 회수하도록
상기 연료전지 유닛으로부터 배출되는 온도가 110℃인 배가스를 5℃ 이하로 냉각하는 냉각기;
상기 냉각기에서 냉각된 배가스를 압축하는 압축기;
상기 압축기에서 압축된 배가스로부터 응축수를 분리하는 제1 수분 응축기;
상기 제1 수분 응축기에서 응축수가 분리된 배가스를 -20 ~ -30℃로 냉각하여 액화 탄산을 생성하는 냉동기;
상기 냉동기에서의 배가스 냉각에 따라 응축된 응축수를 분리하는 제2 수분 응축기; 및
상기 제2 수분 응축기에서 응축수가 분리된 후, 순도 99% 이상의 액화탄산을 저장하는 액화탄산 저장탱크;로 구성된 이산화탄소 회수부;로 이루어지고,
상기 연료 공급부로부터 공급되는 천연가스와 물이 개질반응하여 생성된 물질과, 외부로부터 유입된 공기를 공급받아 열과 전기를 생산하도록 하는 단계로서,
연료전지 유닛이 연료 공급부로부터 공급되는 천연가스와 물이 개질반응하는 단계;
수소가 정제공정을 거쳐 초순수로 정제된 후 연료전지부의 음극으로 공급되는 단계;
음극의 촉매에 의한 전기화학적 반응을 통해 수소전자와 수소이온(H+)으로 분리되는 단계;
상기 수소이온이 연료전지 유닛의 전해질층에 전달되어 공기극으로 이동되도록 하는 단계;
외부로부터 유입된 공기로부터 질소가 분리되는 단계로써, 1차로 공기 분자의 크기에 최적으로 배열된 세라믹 멤브레인 분리기에 의해 공기 중의 질소가 60 ~ 70% 중량부 분리되는 단계;
상기 세라믹 멤브레인 분리기로부터 질소가 분리되어 산소 농도가 높아진 공기를 공급받아 진공압력스윙흡착(VPSA: Vacuum Pressure Swing Adsorption) 시스템을 통해 질소가 2차로 분리되어 산소의 농도가 99% 이상인 순산소가 생산되는 단계;
상기 순산소가 연료전지 유닛의 양극에 공급되는 단계; 및
상기 연료전지 유닛의 양극에 공급된 순산소와 연료전지 유닛의 음극으로 공급된 수소가 반응하여 열과 물을 생산하고, 상기 수소전자는 산소전자와 반응하여 전기를 생산하는 단계;를 포함하여 구성된 제1단계;
상기 제1단계에서 냉각기 및 냉동기를 통해 냉각되는 과정에서 응축된 물이 수분 응축기를 통해 응축수가 분리되는 단계에서 분리된 응축수는 순수로 활용되도록 개질반응기에 유입됨; 및
상기 연료전지 유닛으로부터 배출되는 이산화탄소(CO2) 22.33중량%, 수소(H2O) 21.78중량%, 산소(O2) 51.21중량%, 아르곤(Ar) 4.68중량%로 구성된 배가스가 냉각기에 의해 냉각되어 응축수가 분리되고, 액화 탄산으로 변화되어 액화 탄산 저장탱크에 저장되도록 하는 단계로서,
연료전지 유닛으로부터 배출된 배가스가 냉각기를 통해 5℃ 이하로 냉각되는 단계;
상기 냉각기를 통해 냉각된 배가스가 압축기에 의해 압축되는 단계;
상기 압축기를 통해 압축되는 과정에서 생성되는 응축수가 수분 응축기를 통해 분리되는 단계;
상기 수분 응축기에서 응축수가 분리된 배가스가 냉동기를 통해 액화탄산으로 변화하는 단계;
상기 액화탄산으로 변화하는 단계에서 발생된 응축수가 수분 응축기를 통해 분리되는 단계; 및
In order to achieve the above purpose, the carbon dioxide recovery system contained in the exhaust gas discharged from the fuel cell energy generation system of the present invention is
Since oxygen resulting from the electrochemical reaction with hydrogen is introduced from the air, the system selectively separates nitrogen ( N2 ) in the air using a ceramic membrane arranged with a firstly selected pore size, and then separates the remaining nitrogen by applying a dry adsorption column to the air with a high oxygen concentration, and then supplies only pure oxygen to the anode of the fuel cell unit to reduce the amount of fuel cell flue gas, thereby increasing the concentration of carbon dioxide ( CO2 ) contained in the flue gas, thereby enabling the economical capture of liquid carbon dioxide (L- CO2 ).
Fuel supply unit that supplies natural gas fuel;
An air and oxygen supply unit comprising: an air blower which supplies air, which has been supplied from the outside, to a fuel cell unit after removing foreign substances from the air through a filter, firstly to a ceramic membrane separator which is optimally arranged in terms of the size of air molecules; a ceramic membrane separator which separates nitrogen in the air supplied from the air blower into 60 to 70% by weight and discharges it into the atmosphere; and a vacuum pressure swing adsorption (VPSA) system which receives air in which nitrogen has been separated from the ceramic membrane separator and has a high oxygen concentration, secondarily separates nitrogen to produce pure oxygen having an oxygen concentration of 99% or higher, stores the pure oxygen in a pure oxygen storage tank, and pressurizes the air through a booster pump to supply the pure oxygen to the fuel cell unit;
In the above VPSA system, the secondarily separated nitrogen is stored in a nitrogen storage tank and used as an inert gas (N 2 ), and when the storage level in the nitrogen storage tank reaches the limit, it is discharged into the atmosphere through a nitrogen discharge line;
A steam methane reforming unit in which natural gas fuel supplied from the fuel supply unit is reformed into steam methane by combining methane (CH 4 ) and water (H 2 O) to generate hydrogen, carbon dioxide, and carbon monoxide at a reaction temperature in the range of 150 to 250° C., and the hydrogen is supplied to a fuel cell unit to convert chemical energy into electrical energy through an electrochemical reaction with pure oxygen supplied from the air and oxygen supply unit, and the condensate separated through the first water condenser and the condensate separated through the second water condenser are introduced and utilized as pure water; and
A fuel cell energy generation system comprising a fuel cell unit that receives ultra-pure hydrogen, which is generated by steam reforming in the steam methane reforming unit and then purified through a purification process, and pure oxygen from which nitrogen is separated from the air and oxygen supply unit, respectively, to produce electricity and heat; and
Cool the exhaust gas discharged from the above fuel cell unit to below 5℃ to separate moisture and then recover it in a state of being changed into liquefied carbonic acid.
A cooler that cools exhaust gas having a temperature of 110°C discharged from the fuel cell unit to 5°C or less;
A compressor for compressing exhaust gas cooled in the above cooler;
A first water condenser for separating condensate from exhaust gas compressed in the above compressor;
A refrigerator that cools the flue gas from which condensate is separated in the first moisture condenser to -20 to -30°C to produce liquefied carbonic acid;
A second water condenser for separating condensed water resulting from cooling of exhaust gas in the above refrigerator; and
It is composed of a carbon dioxide recovery unit, which is composed of a liquefied carbon dioxide storage tank that stores liquefied carbon dioxide having a purity of 99% or higher after the condensate is separated from the second moisture condenser;
A step for producing heat and electricity by receiving a substance produced by a reforming reaction of natural gas and water supplied from the above fuel supply unit and air brought in from the outside.
A step in which the fuel cell unit reforms natural gas and water supplied from the fuel supply unit;
A step in which hydrogen is purified into ultra-pure water through a purification process and then supplied to the cathode of the fuel cell unit;
A step in which hydrogen is separated into electrons and hydrogen ions (H + ) through an electrochemical reaction by a catalyst at the cathode;
A step for allowing the hydrogen ions to be transferred to the electrolyte layer of the fuel cell unit and move to the air electrode;
A step in which nitrogen is separated from air brought in from the outside, firstly, 60 to 70% by weight of nitrogen in the air is separated by a ceramic membrane separator optimally arranged according to the size of the air molecules;
A step in which nitrogen is separated from the ceramic membrane separator and air with a high oxygen concentration is supplied, and nitrogen is separated a second time through a vacuum pressure swing adsorption (VPSA) system to produce pure oxygen with an oxygen concentration of 99% or higher;
A step in which the above pure oxygen is supplied to the anode of the fuel cell unit; and
A first step comprising: a step in which pure oxygen supplied to the anode of the fuel cell unit reacts with hydrogen supplied to the cathode of the fuel cell unit to produce heat and water, and the hydrogen electrons react with oxygen electrons to produce electricity;
In the above first step, the condensed water is cooled through the cooler and refrigerator, and in the step where the condensed water is separated through the water condenser, the separated condensed water is introduced into the reforming reactor to be used as pure water; and
A step for cooling exhaust gas composed of 22.33 wt% carbon dioxide (CO2), 21.78 wt% hydrogen (H2O), 51.21 wt% oxygen (O2), and 4.68 wt% argon (Ar) emitted from the fuel cell unit by a cooler to separate condensate, change it into liquefied carbonic acid, and store it in a liquefied carbonic acid storage tank.
A step in which exhaust gas discharged from a fuel cell unit is cooled to 5℃ or lower through a cooler;
A step in which exhaust gas cooled through the above cooler is compressed by a compressor;
A step in which the condensate generated in the process of being compressed through the above compressor is separated through a water condenser;
A step of converting the flue gas from which condensate is separated in the above-mentioned water condenser into liquefied carbon dioxide through a refrigerator;
A step in which the condensate generated in the step of changing into the above liquefied carbonic acid is separated through a water condenser; and

상기 응축수가 분리된 순도 99% 이상의 액화탄산(L-CO2)이 액화탄산 저장탱크에 저장되는 단계;를 포함하여 구성된 제2 단계:를 포함하는 동작을 수행하는 것을 특징으로 한다.The present invention is characterized by performing an operation including a second step comprising: a step of storing liquefied carbonic acid (L-CO 2 ) having a purity of 99% or higher from which the condensate is separated in a liquefied carbonic acid storage tank;

삭제delete

삭제delete

삭제delete

삭제delete

삭제delete

삭제delete

삭제delete

삭제delete

삭제delete

삭제delete

삭제delete

삭제delete

삭제delete

삭제delete

삭제delete

삭제delete

삭제delete

삭제delete

삭제delete

삭제delete

삭제delete

삭제delete

삭제delete

삭제delete

삭제delete

삭제delete

삭제delete

삭제delete

삭제delete

삭제delete

삭제delete

삭제delete

삭제delete

삭제delete

삭제delete

삭제delete

삭제delete

삭제delete

삭제delete

삭제delete

삭제delete

삭제delete

삭제delete

삭제delete

삭제delete

삭제delete

삭제delete

삭제delete

삭제delete

삭제delete

삭제delete

삭제delete

삭제delete

삭제delete

삭제delete

삭제delete

본 발명의 연료전지 에너지 발생시스템으로부터 배출되는 배가스 내에 포함된 이산화탄소 회수시스템에 따르면, 메탄을 스팀개질함에 따라 정제된 수소와 산소가 전기화학적 반응을 일으켜 전기가 생산되면, 생산되는 전기에너지는 별도로 회수하고, 메탄 개질 반응시 생성되는 이산화탄소는 저감될 수 있도록 함으로써, 온실가스 저감에 따른 지구 온난화를 방지하는데 이바지할 수 있다.According to the carbon dioxide recovery system included in the exhaust gas discharged from the fuel cell energy generation system of the present invention, when hydrogen and oxygen purified by steam reforming methane undergo an electrochemical reaction to produce electricity, the electric energy produced is recovered separately, and carbon dioxide generated during the methane reforming reaction can be reduced, thereby contributing to preventing global warming due to greenhouse gas reduction.

즉 종래 배가스 조성에서 이산화탄소의 농도는 질량부로 약 6.06% 정도로서, 이를 대기 중으로 배출할 경우 대기 중의 공기에 희석되면서 약 0.4 ~ 0.6%(통상 400 ~ 600ppm) 범위 내에서 이산화탄소가 검출되어, 대기중으로 배출하는 것이 문제가 없는 것처럼 보여진다. 그러나 이러한 이유로 이산화탄소를 계속 대기 중으로 배출하면 심각한 지구 온난화 원인이 되는바, 본 발명은 이산화탄소 포집 기술을 제공하여 지구 온난화를 방지하는데 기여한다.That is, the concentration of carbon dioxide in the conventional exhaust gas composition is approximately 6.06% by mass, and when this is discharged into the atmosphere, carbon dioxide is detected within the range of approximately 0.4 to 0.6% (typically 400 to 600 ppm) as it is diluted with the air in the atmosphere, so it appears that there is no problem with discharging it into the atmosphere. However, if carbon dioxide continues to be discharged into the atmosphere for this reason, it will become a serious cause of global warming, and the present invention provides a carbon dioxide capture technology to contribute to preventing global warming.

또한, 공기로부터 유입되는 산소는 질소성분이 약 78%로 흐름가스(Flow Gas)로서는 불필요한 성분이므로 이러한 질소성분을 제거하기 위하여 세라믹 멤브레인(Ceramic Membrane)을 사용하여 질소를 약 60 ~ 90% 정도로 분리하여 대기중으로 배출하고, 일반적인 PSA 설비를 도입하여 산소를 분리하는 것은 용량적인 면에서 맞지 않으므로 이와는 다른 설비인 VPSA 설비를 통하여 잔여량의 질소를 분리하여 연료전지 스택의 배가스 량을 현격하게 줄일 수 있는 특징을 갖고 있다.In addition, since the oxygen flowing in from the air contains about 78% nitrogen, which is an unnecessary component as a flow gas, a ceramic membrane is used to remove this nitrogen component, separating nitrogen to about 60 to 90% and discharging it into the atmosphere. In addition, since separating oxygen using a general PSA facility is not suitable in terms of capacity, a VPSA facility, which is a different facility, is used to separate the remaining nitrogen, which has the characteristic of significantly reducing the amount of exhaust gas from the fuel cell stack.

또한, 이산화탄소 농도가 상승된 배가스를 포집하여 액화설비 및 공정을 통해 액상 이산화탄소 형태로 회수할 수 있도록 함으로써, 상업적 수익 모델로 제공될 수 있다. 즉 본 발명에 따르면, 이산화탄소 농도가 22.33%로 상승된 배가스가 형성되며, 이 배가스를 포집하여 액화설비 및 공정을 통하여 액상 이산화탄소 형태로 90% 이상 회수할 수 있도록 함으로써, 경제성 및 수익성을 창출할 수 있게 한다.In addition, by capturing the flue gas with an increased carbon dioxide concentration and recovering it in the form of liquid carbon dioxide through a liquefaction facility and process, it can be provided as a commercial profit model. That is, according to the present invention, flue gas with an increased carbon dioxide concentration of 22.33% is formed, and by capturing this flue gas and recovering more than 90% of it in the form of liquid carbon dioxide through a liquefaction facility and process, it is possible to create economic feasibility and profitability.

다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 인식될 수 있을 것이다.Other effects will be apparent to those skilled in the art from the description below.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 에너지 발생시스템으로부터 배출되는 배가스 내에 포함된 이산화탄소 회수시스템의 공정 흐름도.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 에너지 발생시스템으로부터 배출되는 배가스 내에 포함된 이산화탄소 회수시스템의 공정 흐름도.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따라 연료전지 스택에서 전기화학적 반응에 필요한 산소를 얻는 공정 흐름도.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 공정 흐름도.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따라 수소와 전기화학적 반응이 종료된 연료전지 스택으로부터 배출되는 배가스로부터 이산화탄소를 회수하기 위한 공정 흐름도.
도 6은 연료전지 에너지 발생시스템의 에너지 발생 원리도.
FIG. 1 is a process flow diagram of a carbon dioxide recovery system contained in exhaust gas discharged from a fuel cell energy generation system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a process flow diagram of a carbon dioxide recovery system contained in exhaust gas discharged from a fuel cell energy generation system according to another embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a process flow diagram for obtaining oxygen required for an electrochemical reaction in a fuel cell stack according to another embodiment of the present invention.
Figure 4 is a process flow diagram according to another embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a process flow diagram for recovering carbon dioxide from exhaust gas discharged from a fuel cell stack in which an electrochemical reaction with hydrogen has been completed according to another embodiment of the present invention.
Figure 6 is a diagram of the energy generation principle of a fuel cell energy generation system.

이하에서는 첨부한 도면을 근거로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, based on the attached drawings, embodiments of the present invention will be described in detail so that those skilled in the art can easily practice the present invention. However, the present invention may be implemented in various different forms and is not limited to the embodiments described herein. In addition, in order to clearly describe the present invention in the drawings, parts that are not related to the description are omitted, and similar parts are assigned similar drawing reference numerals throughout the specification.

명세서 전체에 있어서는 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. Throughout the specification, whenever a component is referred to as “including,” this does not mean that it excludes other components, but rather that it may include other components, unless otherwise specifically stated.

이하, 본 발명을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 에너지 발생시스템으로부터 배출되는 배가스 내에 포함된 이산화탄소 회수시스템의 공정 흐름도이다. 도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 에너지 발생시스템으로부터 배출되는 배가스 내에 포함된 이산화탄소 회수시스템의 공정 흐름도이다. 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따라 연료전지 스택에서 전기화학적 반응에 필요한 산소를 얻는 공정 흐름도이다. 도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 공정 흐름도이다. 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따라 수소와 전기화학적 반응이 종료된 연료전지 스택으로부터 배출되는 배가스로부터 이산화탄소를 회수하기 위한 공정 흐름도이다. 도 6은 연료전지 에너지 발생시스템의 에너지 발생 원리도이다.FIG. 1 is a process flow diagram of a carbon dioxide recovery system included in exhaust gas discharged from a fuel cell energy generation system according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a process flow diagram of a carbon dioxide recovery system included in exhaust gas discharged from a fuel cell energy generation system according to another embodiment of the present invention. FIG. 3 is a process flow diagram of obtaining oxygen required for an electrochemical reaction in a fuel cell stack according to another embodiment of the present invention. FIG. 4 is a process flow diagram according to still another embodiment of the present invention. FIG. 5 is a process flow diagram for recovering carbon dioxide from exhaust gas discharged from a fuel cell stack in which an electrochemical reaction with hydrogen has been completed according to another embodiment of the present invention. FIG. 6 is a diagram of the energy generation principle of a fuel cell energy generation system.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 배가스 내에 포함된 이산화탄소 회수시스템은, 연료(천연가스) 공급부(11), 공기 및 산소 공급부(10), 스팀메탄개질부(SMR : Steam Methane Reformer)(20), 연료전지 유닛(30), 이산화탄소 회수부(40)를 포함하여 구성될 수 있다. As illustrated in FIG. 1, a carbon dioxide recovery system included in a fuel cell exhaust gas according to an embodiment of the present invention may be configured to include a fuel (natural gas) supply unit (11), an air and oxygen supply unit (10), a steam methane reformer (SMR) (20), a fuel cell unit (30), and a carbon dioxide recovery unit (40).

연료전지 유닛(30)은 도 6에 도시된 바와 같이 전기와 열을 생산하는 것으로써, 스팀메탄개질부(20)의 개질반응기(21)에서 메탄(CH4)(11)과 물(H2O)(22)이 결합하여 화학반응식 2 또는 3과 같이 약 150 ~ 250℃ 영역의 반응온도에서 수소와 이산화탄소 및 일산화탄소가 생성되면, 상기 수소가 공기 및 산소공급부(10)로부터 유입되는 산소(8)와의 전기화학 반응에 의하여 화학적에너지를 전기적에너지로 변환시키게 된다. The fuel cell unit (30) produces electricity and heat as shown in FIG. 6. When methane (CH 4 ) (11) and water (H 2 O) (22) combine in the reforming reactor (21) of the steam methane reforming unit (20) to produce hydrogen, carbon dioxide, and carbon monoxide at a reaction temperature in the range of about 150 to 250° C. as in chemical reaction formula 2 or 3, the hydrogen converts chemical energy into electrical energy through an electrochemical reaction with oxygen (8) introduced from the air and oxygen supply unit (10).

[화학식 2][Chemical formula 2]

CH4 + 2H2O → CO2 + 4H2 CH 4 + 2H 2 O → CO 2 + 4H 2

[화학식 3][Chemical Formula 3]

2CH4 + 3H2O → CO2 + CO + 7H2 2CH 4 + 3H 2 O → CO 2 + CO + 7H 2

[화학식 4][Chemical Formula 4]

CO + H2O → CO2 + H2 CO + H 2 O → CO 2 + H 2

즉, 연료(천연가스) 공급부(11)로부터 공급되는 천연가스와 물(22)이 개질반응기(21)에서 고온고압 스팀으로 개질반응이 진행되면서 메탄은 화학식 3과 같은 반응물이 생성되며, 화학식 4에 나타낸 바와 같이 일산화탄소(CO)는 물과 반응하여 이산화탄소(CO2)와 수소(H2)로 변환된다. That is, as natural gas and water (22) supplied from the fuel (natural gas) supply unit (11) undergo a reforming reaction with high temperature and high pressure steam in the reforming reactor (21), methane is generated as a reactant as shown in chemical formula 3, and carbon monoxide (CO) reacts with water and is converted into carbon dioxide (CO 2 ) and hydrogen (H 2 ), as shown in chemical formula 4.

상기 생산된 수소(23)는 정제공정을 거쳐 초순수로 정제되고, 이 같이 정제된 수소(24)는 연료전지부(30)의 음극(anode)(33)으로 공급되며, 이 음극의 촉매에 의한 전기화학적 반응을 통해 화학식 6에 나타난 바와 같이 수소전자와 수소이온(H+)으로 분리된다. The hydrogen (23) produced above is purified into ultrapure water through a purification process, and the hydrogen (24) purified in this way is supplied to the cathode (33) of the fuel cell unit (30), and is separated into hydrogen electrons and hydrogen ions (H + ) as shown in chemical formula 6 through an electrochemical reaction by a catalyst of the cathode.

상기 수소이온은 연료전지부(30)의 전해질층(32)에 전달되어 공기극(양극, Cathode)(31)으로 이동된 후, 화학식 7에 나타난 바와 같이 산소(O2)와 반응하여 열(Heat)과 물(Water)을 생산한다. The above hydrogen ions are transferred to the electrolyte layer (32) of the fuel cell unit (30) and move to the air electrode (anode) (31), and then react with oxygen (O 2 ) as shown in chemical formula 7 to produce heat and water.

반면, 수소전자는 산소전자와 반응하여 전기를 생산한다.On the other hand, hydrogen electrons react with oxygen electrons to produce electricity.

[화학식 5][Chemical Formula 5]

2H2 + O2 → 2H2O2H 2 + O 2 → 2H 2 O

[화학식 6][Chemical formula 6]

2H2 → 4H+ + 4e- 2H 2 → 4H + + 4e -

[화학식 7][Chemical formula 7]

O2 + 4e- + 4H+ → 2H2OO 2 + 4e - + 4H + → 2H 2 O

본 발명의 연료전지 시스템에서 온실가스인 이산화탄소를 효과적으로 회수하기 위해서는, 공기로부터 유입되는 질소가 선택적으로 분리되어야 하고, 2차로 잔존하는 질소가 추가적으로 분리되어 산소의 농도를 99% 이상으로 높게 한 후, 양극에 공급할 필요가 있다. In order to effectively recover carbon dioxide, a greenhouse gas, in the fuel cell system of the present invention, nitrogen flowing in from the air must be selectively separated, and secondarily, the remaining nitrogen must be additionally separated to increase the oxygen concentration to 99% or higher, and then supplied to the anode.

이를 해결하기 위하여 기존에 상용화되고 있는 산소발생장치의 성능 비교 결과는 표 4에 나타난 바와 같다.To solve this problem, the performance comparison results of existing commercially available oxygen generators are shown in Table 4.

상기 설비의 특성을 고려했을 경우, 극저온 분리(Cryogenic) 방식은 설비비가 매우 높기 때문에 경제성이 결여되고, 이를 감안하여 비교적 투자비가 적은 PSA 방식이 적용될 수 있으나, 이 방식은 산소 회수시 손실이 많고 용량이 한계가 있어 부적합하다.Considering the characteristics of the above equipment, the cryogenic separation method lacks economic feasibility because the equipment cost is very high. Taking this into account, the PSA method with relatively low investment cost can be applied, but this method is not suitable because it has a lot of loss during oxygen recovery and its capacity is limited.

또한, 분리막(Membrane) 방식은 분리 및 회수율이 낮을 뿐만 아니라, 회수율이 낮아 다단으로 설비를 구축해야 하므로 투자비가 상당히 높아져서 적용하기가 어려운 상황이다. In addition, the membrane method has low separation and recovery rates, and because the recovery rate is low, it requires multi-stage equipment construction, which increases investment costs considerably, making it difficult to apply.

본 발명은 위 3 가지 설비에 비해 특수물질을 첨가한 소재를 적용하여 공기 중의 질소를 분리하게 된다. The present invention separates nitrogen in the air by applying a material with a special substance added thereto, compared to the three facilities above.

연료전지 반응 후, 온실가스인 이산화탄소를 효과적으로 회수하기 위해서는 1 단계로 연료전지 스택의 공기극(양극, Cathode)에 공기로부터 유입되는 산소를 공급하게 되는데, 이 중 연료전지 반응에 무관한 질소를 60 ~ 70% 중량부 범위내에서 분리하여 후단의 설비 용량(Capacity) 및 설비 크기(Facility Size)를 줄이게 된다. In order to effectively recover carbon dioxide, a greenhouse gas, after the fuel cell reaction, the first step is to supply oxygen from the air to the cathode of the fuel cell stack, and to separate nitrogen, which is unrelated to the fuel cell reaction, within the weight range of 60 to 70%, thereby reducing the capacity and facility size of the subsequent equipment.

즉, 종래 연료전지 스택에서 발생되는 배가스 조성물을 비교해 보면, 이산화탄소의 조성비는 약 6.06 중량%에서 22.33 중량%로 상승함을 알 수 있으며, 이와 관련된 연료전지 배가스 조성물 변화값은 표 5에 나타난 바와 같다.That is, when comparing the composition of exhaust gas generated from a conventional fuel cell stack, it can be seen that the composition ratio of carbon dioxide increases from about 6.06 wt% to 22.33 wt%, and the change in the composition of fuel cell exhaust gas related to this is as shown in Table 5.

도 1에서 공기 및 산소공급부(10)의 공정 흐름은 다음과 같이 진행된다.The process flow of the air and oxygen supply unit (10) in Fig. 1 proceeds as follows.

먼저, 공기가 유입되면, 공기브로워(Air Blower)(1)를 통해 세라믹 멤브레인 분리기(Ceramic Membrane Seperator)(2)에 유입된 공기는 세라믹 멤브레인 분리기(2)에 의해 공기 중의 질소가 약 60 ~ 70% 중량부로 분리되어 대기배출라인(2-1)을 통해 대기 중으로 배출된다. First, when air is introduced, the air introduced into the ceramic membrane separator (2) through the air blower (1) is separated into about 60 to 70% by weight of nitrogen in the air by the ceramic membrane separator (2) and discharged into the atmosphere through the atmospheric discharge line (2-1).

이와 같이 질소가 분리되어 산소 농도가 높아진 공기는 이송라인(2-2)을 통해 VPSA(Vacuum Pressure Swing Adsorption)(3)에 유입되고, VPSA(3)를 통해 잔류 질소가 추가로 분리되어 산소의 농도가 99% 이상인 순산소(8) 공급이 가능한 상태가 된다. In this way, air with high oxygen concentration due to separation of nitrogen is introduced into VPSA (Vacuum Pressure Swing Adsorption) (3) through the transfer line (2-2), and residual nitrogen is further separated through VPSA (3), so that pure oxygen (8) with an oxygen concentration of 99% or higher can be supplied.

상기 순산소(8)는 이송라인(4)을 통해 순산소 저장탱크(5)에 유입되어 저장된 상태에서 부스터펌프(7)를 통해 양극에 스택된다.The above pure oxygen (8) is fed into the pure oxygen storage tank (5) through the transfer line (4) and, while stored, is stacked on the anode through the booster pump (7).

한편, 상기 VPSA(3)에서 추가로 분리된 질소는 이송라인(3-1)을 통해 질소저장탱크(3-2)에 저장된다. Meanwhile, nitrogen additionally separated from the above VPSA (3) is stored in a nitrogen storage tank (3-2) through a transfer line (3-1).

이러한 질소는 연료전지에서 전력을 생산하는 경우, 화재 또는 안전성 측면에서 문제가 있을 때 불활성가스(N2)로 사용된다. This nitrogen is used as an inert gas ( N2 ) when generating electricity in fuel cells, or when there are fire or safety concerns.

아울러, 질소 저장탱크(3-2)에 저장수위가 한계치에 도달하였을 경우에는 질소 배출라인(3-3)을 통해 대기 중으로 배출된다.In addition, when the storage level in the nitrogen storage tank (3-2) reaches the limit, it is discharged into the atmosphere through the nitrogen discharge line (3-3).

도 1에서 이산화탄소 회수부(40)의 공정 흐름은 다음과 같이 진행된다.The process flow of the carbon dioxide recovery unit (40) in Fig. 1 proceeds as follows.

상기 연료전지 스택에서의 반응이 종결되면, 배가스가 이송라인(34)을 통해 이송되는데, 배가스 배출시 온도가 약 110℃ 정도이므로 이산화탄소를 효율적으로 회수하기 위해서는 냉각을 하는 것이 필수이다.When the reaction in the above fuel cell stack is completed, the exhaust gas is transported through the transport line (34). Since the temperature of the exhaust gas when discharged is approximately 110°C, cooling is essential to efficiently recover carbon dioxide.

따라서, 냉각기(35)를 통해 배가스가 약 5℃ 이하로 냉각된 후, 상기 냉각기(35)를 통해 냉각되는 과정에서 응축된 물이 수분 응축기(41)를 통해 응축수가 분리되고, 분리된 응축수는 이송라인(42)을 통해 개질반응기(21)에 유입되어 순수로 활용된다. Therefore, after the exhaust gas is cooled to about 5°C or less through the cooler (35), the condensed water in the cooling process through the cooler (35) is separated as condensate through the water condenser (41), and the separated condensate is introduced into the reforming reactor (21) through the transfer line (42) and utilized as pure water.

한편, 상기 수분 응축기(41)에서 응축수가 분리된 배가스는 이송라인(43)을 통해 냉동기(Chiller, 44)로 이송되며, 이때 이산화탄소는 -20 ~ -30℃ 범위의 액상으로 변화된 후 액화탄산 이송라인(45)을 통해 이송된다. Meanwhile, the exhaust gas from which condensate is separated in the water condenser (41) is transferred to a chiller (44) through a transfer line (43), and at this time, carbon dioxide is changed into a liquid phase in the range of -20 to -30°C and then transferred through a liquefied carbon dioxide transfer line (45).

이때, 다시 한번 응축수가 발생되므로 수분 응축기(46)를 통해 응축수가 분리되고, 미반응 메탄(CH4) 및 수소(H2)는 이송라인(47)을 통해 개질반응기(21)에 유입되어 순수로 활용된다. At this time, condensation occurs again, so the condensation is separated through a water condenser (46), and unreacted methane (CH 4 ) and hydrogen (H 2 ) are introduced into a reforming reactor (21) through a transfer line (47) and utilized as pure water.

이후, 액화탄산(L-CO2)이 이송라인(48)을 통해 액화탄산 저장탱크(316)에 저장된다.Afterwards, liquefied carbonic acid (L-CO 2 ) is stored in a liquefied carbonic acid storage tank (316) through a transfer line (48).

본 발명의 다른 실시예를 나타내는 도 2는, 도 1에서는 순산소 저장탱크(5)에 저장된 순산소가 부스터펌프(7)를 통해 가압되어 연료전지 스택의 양극(31)에 스택되지만, 도 2에서는 순산소 저장탱크(5)에 저장된 순산소가 부스터 펌프를 통하지 않고 직접 연료전지 스택의 양극(31)에 스택되는 것만 다를 뿐, 다른 공정은 모두 도 1과 동일하다.FIG. 2, which shows another embodiment of the present invention, is different in that in FIG. 1, pure oxygen stored in a pure oxygen storage tank (5) is pressurized through a booster pump (7) and stacked on an anode (31) of a fuel cell stack, but in FIG. 2, pure oxygen stored in a pure oxygen storage tank (5) is stacked directly on an anode (31) of a fuel cell stack without going through a booster pump, and all other processes are the same as in FIG. 1.

도 3은 다른 실시예에 따라 연료전지 스택에서 전기화학적 반응에 필요한 산소를 얻는 공정 흐름도로써, 필터를 구성한 것이 도 1과 다르다.FIG. 3 is a process flow diagram for obtaining oxygen required for an electrochemical reaction in a fuel cell stack according to another embodiment, and is different from FIG. 1 in that the filter is configured.

즉 공기가 필터(100)에 유입되면, 필터(100)를 통해 공기에 포함된 미세분진 등의 이물질이 제거되고, 이물질이 제거된 공기가 이송라인(101)을 통해 공기브로워(102)로 흡입되고, 공기이송라인(103)을 통해 세라믹 멤브레인(104)에 유입된 공기는 세라믹 멤브레인(104)에 의해 공기 중의 질소가 약 60 ~ 70% 중량부로 분리되어 대기배출라인(105)을 통해 대기 중으로 배출된다. That is, when air flows into the filter (100), foreign substances such as fine dust contained in the air are removed through the filter (100), and the air from which the foreign substances have been removed is sucked into the air blower (102) through the transfer line (101), and the air that flows into the ceramic membrane (104) through the air transfer line (103) has nitrogen in the air separated into about 60 to 70% by weight by the ceramic membrane (104) and is discharged into the atmosphere through the air discharge line (105).

이와 같이 질소가 분리되어 산소 농도가 높아진 공기는 이송라인(106)을 통해 VPSA(107)에 유입되고, VPSA(107)를 통해 잔류 질소가 추가로 분리되어 산소의 농도가 99% 이상인 순산소(114) 공급이 가능한 상태가 된다. In this way, air with high oxygen concentration due to separation of nitrogen is introduced into VPSA (107) through the transfer line (106), and residual nitrogen is further separated through VPSA (107), so that pure oxygen (114) with an oxygen concentration of 99% or higher can be supplied.

상기 순산소(114)는 이송라인(111)을 통해 순산소 저장탱크(112)에 유입되어 저장된 상태에서 부스터펌프(113)를 통해 양극에 스택된다.The above pure oxygen (114) is introduced into the pure oxygen storage tank (112) through the transfer line (111) and, while stored, is stacked on the anode through the booster pump (113).

한편, 상기 VPSA(107)에서 추가로 분리된 질소는 이송라인(108)을 통해 질소저장탱크(109)에 저장된다. Meanwhile, nitrogen additionally separated from the VPSA (107) is stored in a nitrogen storage tank (109) through a transfer line (108).

이러한 질소는 연료전지에서 전력을 생산하는 경우, 화재 또는 안전성 측면에서 문제가 있을 때 불활성가스(N2)로 사용된다. This nitrogen is used as an inert gas ( N2 ) when generating electricity in fuel cells, or when there are fire or safety concerns.

아울러, 질소 저장탱크(109)에 저장수위가 한계치에 도달하였을 경우에는 질소이송라인(110)을 통해 대기 중으로 배출된다.In addition, when the storage level in the nitrogen storage tank (109) reaches the limit, it is discharged into the atmosphere through the nitrogen transport line (110).

도 3의 다른 실시예를 나타내는 도 4는, 도 3에서는 순산소 저장탱크(112)에 저장된 순산소가 부스터펌프(113)를 통해 가압되어 연료전지 스택의 양극(31)에 스택되지만, 도 4는 순산소 저장탱크(112)에 저장된 순산소가 부스터 펌프를 통하지 않고 직접 연료전지 스택의 양극(31)에 스택되는 것만 다를 뿐, 다른 공정은 모두 동일하다.FIG. 4, which shows another embodiment of FIG. 3, is different only in that in FIG. 3, pure oxygen stored in a pure oxygen storage tank (112) is pressurized through a booster pump (113) and stacked on the anode (31) of the fuel cell stack, but in FIG. 4, pure oxygen stored in a pure oxygen storage tank (112) is stacked directly on the anode (31) of the fuel cell stack without going through a booster pump, and all other processes are the same.

도 5는 다른 실시예에 따라 수소와 전기화학적 반응이 종료된 연료전지 스택으로부터 배출되는 배가스로부터 이산화탄소를 회수하기 위한 공정 흐름도로써, 액화탄산(L-CO2)이 이송라인을 통해 순도조절 시스템에 유입되어 순도가 높아지도록 조절된 후 저장탱크에 저장되는 것과, 냉각기를 통과한 배가스를 압축하는 압축기가 구성된 것이 도 1과 다르다.FIG. 5 is a process flow diagram for recovering carbon dioxide from exhaust gas discharged from a fuel cell stack in which an electrochemical reaction with hydrogen has been completed according to another embodiment. The process flow diagram is different from FIG. 1 in that liquefied carbonic acid (L-CO 2 ) is introduced into a purity control system through a transfer line, is controlled to have a high purity, and is then stored in a storage tank, and a compressor is configured to compress the exhaust gas that has passed through a cooler.

상기한 바와 같이, 배가스가 저장탱크(300)에 저장되고, 저장된 배가스는 이송라인(301)을 통해 이송되는데, 배가스 배출시 온도가 약 110℃ 정도이므로 이산화탄소를 효율적으로 회수하기 위해서는 냉각을 하는 것이 필수이다.As described above, the flue gas is stored in a storage tank (300) and the stored flue gas is transported through a transport line (301). Since the temperature of the flue gas when discharged is approximately 110°C, cooling is essential to efficiently recover carbon dioxide.

따라서, 냉각기(302)를 통해 배가스가 약 5℃ 이하로 냉각된 후, 이송라인(303)을 통해 압축기(304)로 이송된다.Therefore, after the exhaust gas is cooled to about 5°C or less through the cooler (302), it is transferred to the compressor (304) through the transfer line (303).

상기 압축기(304)에 의해 압축된 배가스는 상기 냉각기(302)를 통해 냉각되는 과정에서 응축된 물이 포함되므로 압축된 배가스로부터 응축수 분리를 해야한다. Since the exhaust gas compressed by the compressor (304) contains condensed water during the cooling process through the cooler (302), the condensed water must be separated from the compressed exhaust gas.

따라서 이송라인(305)을 통해 응축수 분리기(306)에 유입된 압축된 배가스로부터 응축수가 분리되고, 분리된 응축수는 이송라인(307)을 통해 개질반응기(21)에 유입되어 순수로 활용된다. Therefore, condensate is separated from the compressed exhaust gas that flows into the condensate separator (306) through the transfer line (305), and the separated condensate flows into the reforming reactor (21) through the transfer line (307) and is utilized as pure water.

한편, 상기 응축수가 분리된 배가스는 이송라인(308)을 통해 냉동기(Chiller, 309)로 이송되며, 이때 이산화탄소는 냉동기에서 약 -20 ~ -30℃ 범위의 액상으로 변화된 후, 액화탄산 이송라인(310)을 통해 이송된다. Meanwhile, the flue gas from which the condensate is separated is transferred to a chiller (309) through a transfer line (308), and at this time, carbon dioxide is changed into a liquid phase in the range of about -20 to -30°C in the chiller and then transferred through a liquefied carbon dioxide transfer line (310).

이때, 다시 한번 응축수가 발생되므로 응축수 분리기(311)를 통해 응축수가 분리되고, 미반응 메탄(CH4) 및 수소(H2)는 이송라인(312)을 통해 개질반응기(21)에 유입되어 순수로 활용된다. At this time, condensate is generated again, so the condensate is separated through a condensate separator (311), and unreacted methane (CH 4 ) and hydrogen (H 2 ) are introduced into the reforming reactor (21) through a transfer line (312) and utilized as pure water.

이후, 액화탄산(L-CO2)이 이송라인(313)을 통해 순도조절 시스템(314)에 유입되고, 순도가 높아지도록 조절된 액화탄산은 이송라인(315)를 통해 액화탄산 저장탱크(316)에 저장된다.Thereafter, liquefied carbonic acid (L-CO 2 ) is introduced into a purity control system (314) through a transfer line (313), and the liquefied carbonic acid, whose purity has been adjusted to increase, is stored in a liquefied carbonic acid storage tank (316) through a transfer line (315).

상기와 같이 생산된 액화탄산(L-CO2)은 순도가 99% 이상이며, 이 제품은 산업용 분야의 냉매로 공급하여 산업화에 이바지할 뿐만 아니라, 지구 온난화 주범인 이산화탄소 90% 이상을 효과적으로 회수할 수 있다.The liquefied carbonic acid (L- CO2 ) produced as described above has a purity of over 99%, and this product can not only contribute to industrialization by being supplied as a refrigerant in the industrial field, but can also effectively recover over 90% of carbon dioxide, the main culprit of global warming.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 관해서 설명하였으나, 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 물론이다.As described above, the detailed description of the present invention has described preferred embodiments of the present invention, but this has been described as an example of the best embodiment of the present invention and does not limit the present invention. In addition, it goes without saying that anyone with ordinary knowledge in the technical field to which the present invention belongs can make various modifications and imitations within the scope that does not depart from the technical idea of the present invention.

따라서 본 발명의 권리범위는 상술한 실시 예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시 예로 구현될 수 있다. 그리고 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.Therefore, the scope of the present invention is not limited to the above-described embodiments, but can be implemented in various forms of embodiments within the scope of the appended claims. In addition, it is considered that the scope of the claims of the present invention is within the scope of the description of the claims of the present invention to the extent that anyone with ordinary knowledge in the technical field to which the invention pertains can make modifications without departing from the gist of the present invention claimed in the claims.

1, 102 : Air Blower 2, 104 : Ceramic Membrane Separator
2-1, 3-3, 105, 110 : 질소 배출라인 2-2 : Enriched O2 이송라인
3, 107 : VPSA 시스템 3-1, 108 : 질소 이송라인
3-2, 109 : 질소 저장탱크 4, 6, 111 : 순산소 이송라인
5, 112 : 순산소 저장탱크 7, 113 : Booster Pump/Vacuum Pump 8, 114 : 가압된 순산소 이송라인 10 : 공기 및 산소공급부
11 : 천연가스 저장탱크 20 : 스팀메탄개질부
21 : 스팀메탄개질기 22 : 초순수 공급라인
23 : 개질된 가스 이송라인 24 : 정제된 수소 이송라인
30 : 연료전지 유닛 31 : 연료전지 양극(Cathode)
32 : 연료전지 전해질(Electrolyte) 33 : 연료전지 음극(Anode)
34 : 연료전지 배가스 이송라인 35, 302 : 냉각기(Cooler)
40 : 이산화탄소 회수시스템 41, 46 : 수분응축기
42 : 응축수 이송라인 43 : 정제된 배가스 이송라인
44 : 냉각기(Chiller) 45 : 배가스 이송라인
47 : 미반응가스 이송라인 48 : 액화탄산(L-CO2) 이송라인
49 : L-CO2 저장탱크 100 : 필터 101, 103 : 정화된 공기 공급라인
106 : 순도 향상된 산소 이송라인 111, 114 : 순산소 이송라인
304 : 압축기 305 : 압축된 배가스 이송라인
306, 311 : 응축수 분리기 309 : 냉동기
314 : 순도조절시스템 316 : 액화탄산 저장탱크
1, 102: Air Blower 2, 104: Ceramic Membrane Separator
2-1, 3-3, 105, 110: Nitrogen discharge line 2-2: Enriched O 2 transfer line
3, 107: VPSA system 3-1, 108: Nitrogen transfer line
3-2, 109: Nitrogen storage tank 4, 6, 111: Pure oxygen transfer line
5, 112: Pure oxygen storage tank 7, 113: Booster Pump/Vacuum Pump 8, 114: Pressurized pure oxygen transfer line 10: Air and oxygen supply section
11: Natural gas storage tank 20: Steam methane reforming unit
21: Steam methane reformer 22: Ultrapure water supply line
23: Reformed gas transfer line 24: Refined hydrogen transfer line
30: Fuel cell unit 31: Fuel cell cathode
32: Fuel cell electrolyte 33: Fuel cell anode
34: Fuel cell exhaust gas transfer line 35, 302: Cooler
40: Carbon dioxide recovery system 41, 46: Water condenser
42: Condensate transfer line 43: Purified flue gas transfer line
44: Chiller 45: Exhaust gas transfer line
47: Unreacted gas transfer line 48: Liquefied carbonic acid (L-CO 2 ) transfer line
49: L-CO 2 storage tank 100: Filter 101, 103: Purified air supply line
106: Purity-enhanced oxygen transfer line 111, 114: Pure oxygen transfer line
304: Compressor 305: Compressed exhaust gas transfer line
306, 311: Condensate separator 309: Refrigerator
314: Purity control system 316: Liquefied carbon dioxide storage tank

Claims (11)

삭제delete 삭제delete 삭제delete 수소와 전기화학적 반응에 기인되는 산소는 공기로부터 유입되므로 1차로 선택된 기공크기(pore size)로 배열된 세라믹 멤브레인(Ceramic Membrane)을 사용하여 공기 중의 질소(N2)를 선택적으로 분리하고, 2차로 산소농도가 높아진 공기를 다시 건식흡착 칼럼(Column)을 적용하여 잔여량의 질소를 분리한 후, 연료전지 유닛의 양극에 순산소만을 공급하여 연료전지 배가스(Flue Gas)의 양을 줄임으로써 배가스 내에 포함된 이산화탄소(CO2)의 농도를 높여주어 경제성이 있는 액상 이산화탄소(L-CO2)를 포집할 수 있도록 한 시스템으로써,
천연가스 연료를 공급하는 연료 공급부;
외부로부터 유입된 공기로부터 질소가 분리된 순산소를 연료전지 유닛에 공급하도록 외부로부터 유입된 공기가 필터를 통해 이물질이 제거되면 1차로 공기 분자의 크기에 최적으로 배열된 세라믹 멤브레인 분리기로 공급하는 공기브로워; 상기 공기브로워로부터 공급된 공기 중의 질소를 60 ~ 70% 중량부로 분리하여 대기 중으로 배출되도록 하는 세라믹 멤브레인 분리기; 및 상기 세라믹 멤브레인 분리기로부터 질소가 분리되어 산소 농도가 높아진 공기를 공급받아 2차로 질소를 추가 분리함으로써, 산소의 농도가 99% 이상인 순산소를 생산하여 순산소 저장탱크에 저장한 상태에서 부스터펌프를 통해 가압하여 연료전지 유닛에 공급하는 진공압력스윙흡착(VPSA : Vacuum Pressure Swing Adsorption) 시스템;으로 구성된 공기 및 산소 공급부;
상기 VPSA 시스템에서 2차로 분리된 질소는 질소저장탱크에 저장되어 불활성가스(N2)로 사용되고, 질소저장탱크에 저장수위가 한계치에 도달하였을 경우에는 질소 배출라인을 통해 대기 중으로 배출됨;
상기 연료 공급부로부터 공급되는 천연가스 연료를 스팀메탄개질하도록 메탄(CH4)과 물(H2O)이 결합하여 150 ~ 250℃ 영역의 반응온도에서 수소와 이산화탄소 및 일산화탄소가 생성되면, 상기 수소가 상기 공기 및 산소공급부로부터 유입되는 순산소와의 전기화학 반응에 의하여 화학적에너지를 전기적에너지로 변환시키도록 상기 수소를 연료전지 유닛으로 공급하며, 제1 수분 응축기를 통해 분리된 응축수와 제2 수분 응축기를 통해 분리된 응축수가 유입되어 순수로 활용되는 스팀메탄개질부; 및
상기 스팀메탄개질부에서 스팀 개질되어 생성된 후 정제공정을 거쳐 정제된 초순수인 수소와, 상기 공기 및 산소공급부로부터 질소가 분리된 순산소를 각각 공급받아 전기와 열을 생산하는 연료전지 유닛;으로 구성된 연료전지 에너지 발생시스템; 및
상기 연료전지 유닛으로부터 배출되는 배가스를 5℃ 이하로 냉각하여 수분을 분리한 후, 액화탄산으로 변화된 상태로 회수하도록
상기 연료전지 유닛으로부터 배출되는 온도가 110℃인 배가스를 5℃ 이하로 냉각하는 냉각기;
상기 냉각기에서 냉각된 배가스를 압축하는 압축기;
상기 압축기에서 압축된 배가스로부터 응축수를 분리하는 제1 수분 응축기;
상기 제1 수분 응축기에서 응축수가 분리된 배가스를 -20 ~ -30℃로 냉각하여 액화 탄산을 생성하는 냉동기;
상기 냉동기에서의 배가스 냉각에 따라 응축된 응축수를 분리하는 제2 수분 응축기; 및
상기 제2 수분 응축기에서 응축수가 분리된 후 순도가 99% 이상의 액화탄산을 저장하는 액화탄산 저장탱크;로 구성된 이산화탄소 회수부;로 이루어지고,
상기 연료 공급부로부터 공급되는 천연가스와 물이 개질반응하여 생성된 물질과, 외부로부터 유입된 공기를 공급받아 열과 전기를 생산하도록하는 단계로서,
연료전지 유닛이 연료 공급부로부터 공급되는 천연가스와 물이 개질반응하는 단계;
수소가 정제공정을 거쳐 초순수로 정제된 후 연료전지부의 음극으로 공급되는 단계;
음극의 촉매에 의한 전기화학적 반응을 통해 수소전자와 수소이온(H+)으로 분리되는 단계;
상기 수소이온이 연료전지 유닛의 전해질층에 전달되어 공기극으로 이동되도록 하는 단계;
외부로부터 유입된 공기로부터 질소가 분리되는 단계로써, 1차로 공기 분자의 크기에 최적으로 배열된 세라믹 멤브레인 분리기에 의해 공기 중의 질소가 60 ~ 70% 중량부 분리되는 단계;
상기 세라믹 멤브레인 분리기로부터 질소가 분리되어 산소 농도가 높아진 공기를 공급받아 진공압력스윙흡착(VPSA: Vacuum Pressure Swing Adsorption) 시스템을 통해 질소가 2차로 분리되어 산소의 농도가 99% 이상인 순산소가 생산되는 단계;
상기 순산소가 연료전지 유닛의 양극에 공급되는 단계; 및
상기 연료전지 유닛의 양극에 공급된 순산소와 연료전지 유닛의 음극으로 공급된 수소가 반응하여 열과 물을 생산하고, 상기 수소전자는 산소전자와 반응하여 전기를 생산하는 단계;를 포함하여 구성된 제1단계;
상기 제1단계에서 냉각기 및 냉동기를 통해 냉각되는 과정에서 응축된 물이 수분 응축기를 통해 응축수가 분리되는 단계에서 분리된 응축수는 순수로 활용되도록 개질반응기에 유입됨; 및
상기 연료전지 유닛으로부터 배출되는 이산화탄소(CO2) 22.33중량%, 수소(H2O) 21.78중량%, 산소(O2) 51.21중량%, 아르곤(Ar) 4.68중량%로 구성된 배가스가 냉각기에 의해 냉각되어 응축수가 분리되고, 액화 탄산으로 변화되어 액화 탄산 저장탱크에 저장되도록하는 단계로서,
연료전지 유닛으로부터 배출된 배가스가 냉각기를 통해 5℃ 이하로 냉각되는 단계;
상기 냉각기를 통해 냉각된 배가스가 압축기에 의해 압축되는 단계;
상기 압축기를 통해 압축되는 과정에서 생성되는 응축수가 수분 응축기를 통해 분리되는 단계;
상기 수분 응축기에서 응축수가 분리된 배가스가 냉동기를 통해 액화탄산으로 변화하는 단계;
상기 액화탄산으로 변화하는 단계에서 발생된 응축수가 수분 응축기를 통해 분리되는 단계; 및
상기 응축수가 분리된 후, 순도 99% 이상의 액화탄산(L-CO2)이 액화탄산 저장탱크에 저장되는 단계;를 포함하여 구성된 제2 단계:를 포함하는 동작을 수행하는 것을 특징으로 하는 연료전지 에너지 발생시스템으로부터 배출되는 배가스에 포함된 이산화탄소 회수시스템.
Since oxygen resulting from the electrochemical reaction with hydrogen is introduced from the air, the system selectively separates nitrogen ( N2 ) in the air using a ceramic membrane arranged with a firstly selected pore size, and then separates the remaining nitrogen by applying a dry adsorption column to the air with a high oxygen concentration, and then supplies only pure oxygen to the anode of the fuel cell unit to reduce the amount of fuel cell flue gas, thereby increasing the concentration of carbon dioxide ( CO2 ) contained in the flue gas, thereby enabling the economical capture of liquid carbon dioxide (L- CO2 ).
Fuel supply unit that supplies natural gas fuel;
An air and oxygen supply unit comprising: an air blower which supplies air, which has been supplied from the outside, to a fuel cell unit after removing foreign substances from the air through a filter, firstly to a ceramic membrane separator which is optimally arranged in terms of the size of air molecules; a ceramic membrane separator which separates nitrogen in the air supplied from the air blower into 60 to 70% by weight and discharges it into the atmosphere; and a vacuum pressure swing adsorption (VPSA) system which receives air in which nitrogen has been separated from the ceramic membrane separator and has a high oxygen concentration, secondarily separates nitrogen to produce pure oxygen having an oxygen concentration of 99% or higher, stores the pure oxygen in a pure oxygen storage tank, and pressurizes the air through a booster pump to supply the pure oxygen to the fuel cell unit;
In the above VPSA system, the secondarily separated nitrogen is stored in a nitrogen storage tank and used as an inert gas (N 2 ), and when the storage level in the nitrogen storage tank reaches the limit, it is discharged into the atmosphere through a nitrogen discharge line;
A steam methane reforming unit in which natural gas fuel supplied from the fuel supply unit is reformed into steam methane by combining methane (CH 4 ) and water (H 2 O) to generate hydrogen, carbon dioxide, and carbon monoxide at a reaction temperature in the range of 150 to 250° C., and the hydrogen is supplied to a fuel cell unit to convert chemical energy into electrical energy through an electrochemical reaction with pure oxygen supplied from the air and oxygen supply unit, and the condensate separated through the first water condenser and the condensate separated through the second water condenser are introduced and utilized as pure water; and
A fuel cell energy generation system comprising a fuel cell unit that receives ultra-pure hydrogen, which is generated by steam reforming in the steam methane reforming unit and then purified through a purification process, and pure oxygen from which nitrogen is separated from the air and oxygen supply unit, respectively, to produce electricity and heat; and
Cool the exhaust gas discharged from the above fuel cell unit to below 5℃ to separate moisture and then recover it in a state of being changed into liquefied carbonic acid.
A cooler that cools exhaust gas having a temperature of 110°C discharged from the fuel cell unit to 5°C or less;
A compressor for compressing exhaust gas cooled in the above cooler;
A first water condenser for separating condensate from exhaust gas compressed in the above compressor;
A refrigerator that cools the flue gas from which condensate is separated in the first moisture condenser to -20 to -30°C to produce liquefied carbonic acid;
A second water condenser for separating condensed water resulting from cooling of exhaust gas in the above refrigerator; and
It consists of a carbon dioxide recovery unit, which is composed of a liquefied carbon dioxide storage tank that stores liquefied carbon dioxide having a purity of 99% or higher after condensate is separated from the second moisture condenser;
A step for producing heat and electricity by receiving a substance produced by a reforming reaction of natural gas and water supplied from the above fuel supply unit and air brought in from the outside.
A step in which the fuel cell unit reforms natural gas and water supplied from the fuel supply unit;
A step in which hydrogen is purified into ultra-pure water through a purification process and then supplied to the cathode of the fuel cell unit;
A step in which hydrogen is separated into electrons and hydrogen ions (H + ) through an electrochemical reaction by a catalyst at the cathode;
A step for allowing the hydrogen ions to be transferred to the electrolyte layer of the fuel cell unit and move to the air electrode;
A step in which nitrogen is separated from air brought in from the outside, firstly, 60 to 70% by weight of nitrogen in the air is separated by a ceramic membrane separator optimally arranged according to the size of the air molecules;
A step in which nitrogen is separated from the ceramic membrane separator and air with a high oxygen concentration is supplied, and nitrogen is separated a second time through a vacuum pressure swing adsorption (VPSA) system to produce pure oxygen with an oxygen concentration of 99% or higher;
A step in which the above pure oxygen is supplied to the anode of the fuel cell unit; and
A first step comprising: a step in which pure oxygen supplied to the anode of the fuel cell unit reacts with hydrogen supplied to the cathode of the fuel cell unit to produce heat and water, and the hydrogen electrons react with oxygen electrons to produce electricity;
In the above first step, the condensed water is cooled through the cooler and refrigerator, and in the step where the condensed water is separated through the water condenser, the separated condensed water is introduced into the reforming reactor to be used as pure water; and
A step for cooling exhaust gas composed of 22.33 wt% carbon dioxide (CO2), 21.78 wt% hydrogen (H2O), 51.21 wt% oxygen (O2), and 4.68 wt% argon (Ar) emitted from the fuel cell unit by a cooler to separate condensate, change it into liquefied carbonic acid, and store it in a liquefied carbonic acid storage tank.
A step in which exhaust gas discharged from a fuel cell unit is cooled to 5℃ or lower through a cooler;
A step in which exhaust gas cooled through the above cooler is compressed by a compressor;
A step in which the condensate generated in the process of being compressed through the above compressor is separated through a water condenser;
A step of converting the flue gas from which condensate is separated in the above-mentioned water condenser into liquefied carbon dioxide through a refrigerator;
A step in which the condensate generated in the step of changing into the above liquefied carbonic acid is separated through a water condenser; and
A system for recovering carbon dioxide contained in exhaust gas discharged from a fuel cell energy generation system, characterized in that it performs an operation including: a second step comprising: a step in which, after the condensate is separated, liquefied carbon dioxide (L-CO 2 ) having a purity of 99% or higher is stored in a liquefied carbon dioxide storage tank;
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete
KR1020230089718A 2023-07-11 Carbon dioxide recovery system contained in flue gas being emitting from fuel cell energy generating system KR102729628B1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR102729628B1 true KR102729628B1 (en) 2024-11-13

Family

ID=

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004525489A (en) * 2001-03-14 2004-08-19 クエストエアー テクノロジーズ インコーポレイテッド Current generation system including fuel cell and rotary pressure swing adsorption unit
JP2007287579A (en) * 2006-04-19 2007-11-01 Central Res Inst Of Electric Power Ind Fuel cell facility and combined power generation facility
JP2010228963A (en) * 2009-03-27 2010-10-14 Chugoku Electric Power Co Inc:The Carbon dioxide recovery unit

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004525489A (en) * 2001-03-14 2004-08-19 クエストエアー テクノロジーズ インコーポレイテッド Current generation system including fuel cell and rotary pressure swing adsorption unit
JP2007287579A (en) * 2006-04-19 2007-11-01 Central Res Inst Of Electric Power Ind Fuel cell facility and combined power generation facility
JP2010228963A (en) * 2009-03-27 2010-10-14 Chugoku Electric Power Co Inc:The Carbon dioxide recovery unit

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4081238B2 (en) Production of electrical energy from natural gas using solid oxide fuel cells
JP5801141B2 (en) Carbon dioxide recovery fuel cell system
EP3449523B1 (en) Methanation of anode exhaust gas to enhance carbon dioxide capture
JP2017511956A (en) Reformer / electrolyzer / refiner (REP) assembly for hydrogen production, system incorporating the assembly, and hydrogen production method
JP2006509345A (en) Exhaust gas treatment method for solid oxide fuel cell power plant
US11949135B2 (en) Molten carbonate fuel cell anode exhaust post-processing for carbon dioxide capture
JPH0316751B2 (en)
JP6650035B2 (en) Fuel cell system with improved CO2 capture
KR20220080444A (en) Multi-stage Fuel Cell System and Eco-Friendly Power Generating Method Using the Same
WO2014182376A1 (en) Hydrogen production process with carbon dioxide recovery
KR102565809B1 (en) Reactor and fuel cell power generation system
JP6692394B2 (en) Carbon recovery fuel cell power generation system
US11424465B2 (en) Low pressure carbon dioxide removal from the anode exhaust of a fuel cell
KR101363504B1 (en) Fuel cell system and ship having the same
JP7148320B2 (en) Carbon dioxide capture fuel cell power generation system
CN115427347B (en) Steam methane reforming unit for carbon capture
KR102729628B1 (en) Carbon dioxide recovery system contained in flue gas being emitting from fuel cell energy generating system
JP6698763B2 (en) Liquefied carbon dioxide recovery fuel cell power generation system
JP2020077567A (en) Reactor and fuel cell power generation system
JP6847900B2 (en) Carbon dioxide capture fuel cell power generation system
JP7117191B2 (en) Carbon dioxide capture fuel cell power generation system
JP2018060732A (en) Power generation system
JP2019149266A (en) System for supplying hydrogen power