KR102523785B1 - Apparatus and method of high concentration carbon dioxide capturing for fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 연료전지 시스템 용 고농도의 이산화탄소를 포집하는 설비 및 이를 포집하는 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 천연 가스를 이용한 연료전지 시스템에서 발생하는 배기 가스를 이산화탄소 부화 가스로 배출시켜 분리막 방식을 통해 고농도의 이산화탄소를 효율적으로 포집할 수 있는 설비 및 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a facility for capturing high-concentration carbon dioxide for a fuel cell system and a method for capturing the same, and more specifically, to a method for capturing carbon dioxide by discharging exhaust gas generated in a fuel cell system using natural gas as carbon dioxide-enriched gas through a separator method. It relates to equipment and methods capable of efficiently capturing high-concentration carbon dioxide.
연료전지 시스템은 전기화학 반응에 의하여 화학에너지를 전기에너지로 변환시키는 연료전지 유닛을 포함한 일련의 시스템을 말하며, 이는 그린 수소를 사용할 경우 오염 물질의 배출이 없고, 연료가 공급되는 한 계속적으로 전기를 생산해 낼 수 있어 안정적인 발전이 가능하다는 장점이 있다. 현재, 전 세계적으로 2050년 탄소 중립을 달성하기 위하여 수소 산업이 활발하게 육성되고 있으며, 그에 따라 수소 에너지를 이용한 연료전지 시스템은 태양광, 풍력 에너지 등으로 대표되는 친환경 에너지 자원을 이용한 시스템과 함께 활발하게 개발이 진행중이다.A fuel cell system refers to a series of systems including a fuel cell unit that converts chemical energy into electrical energy through an electrochemical reaction. When using green hydrogen, there is no emission of pollutants and electricity is continuously supplied as long as fuel is supplied. It has the advantage of being able to produce stable power generation. Currently, the hydrogen industry is being actively fostered to achieve carbon neutrality by 2050 worldwide, and accordingly, fuel cell systems using hydrogen energy are actively developed together with systems using eco-friendly energy resources such as solar and wind energy. development is in progress.
한편, 현재 기술 단계에서 그린 수소는 아직 생산 단가가 비싸고 공급량이 적어, 현재의 연료전지 발전소에서는 천연 가스(도시가스) 등과 같은 탄화 수소 연료로 사용하는 것이 주를 이루고 있다. 다만, 이 경우 천연 가스 등을 연료로 사용하는 과정에서 이산화탄소가 발생하게 되므로, 이는 아직까지 완전한 친환경 에너지 발전 시스템이라고 보기 어렵다고 할 수 있다. 그러므로 탄소 중립을 달성하기 위해서는 천연 가스를 연료로 사용하는 연료전지 시스템에서 발생하는 이산화탄소를 분리하여 포집하고 저장 및 활용하는 기술이 필요하다. On the other hand, in the current technology stage, green hydrogen is still expensive in production and low in supply, so it is mainly used as a hydrocarbon fuel such as natural gas (city gas) in current fuel cell power plants. However, in this case, since carbon dioxide is generated in the process of using natural gas or the like as fuel, it can be said that it is still difficult to view this as a complete eco-friendly energy generation system. Therefore, in order to achieve carbon neutrality, a technology for separating, capturing, storing, and utilizing carbon dioxide generated from a fuel cell system using natural gas as fuel is required.
현재 알려진 이산화탄소를 포집하는 기술은 크게 습식 포집 기술, 건식 포집 기술, 분리막 기술로 분류할 수 있다. 이 중, 천연 가스를 연료로 사용하는 연료전지 시스템에 사용되는 상용화된 이산화탄소 포집 기술은 습식 아민 포집 기술로 알려져 있다. 이는 연료전지 시스템 하에서 배출되는 배기 가스 내의 이산화탄소 농도가 낮기 때문에 (대략 CO2 농도 6%), 앞서 말한 3 가지의 포집 기술 중 저농도에서도 이산화탄소를 포집할 수 있는 습식 아민 포집 기술을 사용하는 것이다. Currently known carbon dioxide capture technologies can be largely classified into wet capture technologies, dry capture technologies, and membrane technologies. Among them, a commercially available carbon dioxide capture technology used in a fuel cell system using natural gas as fuel is known as wet amine capture technology. This is because the carbon dioxide concentration in the exhaust gas emitted from the fuel cell system is low (approximately 6% CO 2 concentration), so the wet amine capture technology, which can capture carbon dioxide even at low concentrations among the three capture technologies mentioned above, is used.
습식 아민 포집 기술은 흡수탑과 재생탑을 설치하여 아민 흡수제를 통해 이산화탄소를 포집하는 방식이나, 이 방식을 적용하게 되면 흡수탑과 재생탑 등의 설비 구축 및 유비 보수의 비용이 매우 크고, 비교적 넓은 부지가 필요할 뿐 아니라, 아민 흡수제는 유해 물질로 분류되어 별도의 관리가 필요한 등 실제 환경에 적용하기에는 큰 제약을 수반한다는 문제점이 있다. The wet amine capture technology is a method of capturing carbon dioxide through an amine absorber by installing an absorption tower and a regeneration tower, but when this method is applied, the cost of building facilities such as an absorption tower and a regeneration tower and maintenance is very high, and the cost of maintenance is relatively wide. In addition to requiring a lot of land, there is a problem in that amine absorbents are classified as hazardous substances and require separate management, which entails great restrictions for application in actual environments.
이에 반해, 이산화탄소 포집 기술 중 분리막 기술은 설비 구축 및 유지 보수 비용이 습식 포집 기술에 비해 저렴하고, 매우 컴팩트한 구성이 가능하다는 장점이 있으나, 분리막 기술을 이용하여 이산화탄소를 포집하기 위해서는 초기 투입되는 배기 가스 중 이산화탄소의 농도가 대략 20% 이상으로 부화된 가스의 경우에 이 방식을 사용하여야 경제성이 확보될 수 있으므로, 천연 가스를 연료로 사용하는 연료전지 시스템에 현재 이용되지 못하는 실정이다. On the other hand, among the carbon dioxide capture technologies, the membrane technology has the advantage that facility construction and maintenance costs are lower than that of the wet capture technology, and a very compact configuration is possible. In the case of gas enriched with carbon dioxide concentration of about 20% or more, economic feasibility can be secured only when this method is used, so that it is not currently used in a fuel cell system using natural gas as a fuel.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 현재 상용화된 연료전지 시스템의 구성을 최대한 유지하면서, 분리막 기술을 적용하여 이산화탄소를 포집할 수 있는 설비 및 방법을 제공하기 위한 것이다. The problem to be solved by the present invention is to provide a facility and method capable of capturing carbon dioxide by applying a separation membrane technology while maximally maintaining the configuration of a currently commercialized fuel cell system.
본 발명은 천연 가스를 이용한 연료전지 시스템 하에서 발생하는 배기 가스를 이산화탄소 부화 가스로 집적시킴으로써, 고농도 이산화탄소를 가장 효율적으로 포집할 수 있는 분리막 방식을 이용하기 위한 것으로, 즉 본 발명은 고농도의 이산화탄소를 포집할 수 있는 설비 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. The present invention is to use a membrane method that can most efficiently capture high-concentration carbon dioxide by integrating exhaust gas generated from a fuel cell system using natural gas into carbon dioxide-enriched gas. That is, the present invention captures high-concentration carbon dioxide. Its purpose is to provide facilities and methods that can do this.
본 발명의 일 실시예에 따른 고농도 이산화탄소 포집 설비는 천연 가스를 연료로 이용하는 연료전지 시스템과, 이산화탄소 포집 시스템을 포함하는 고농도 이산화탄소 포집 설비로서, 상기 연료전지 시스템은, 수소 가스가 공급되는 연료극 및 압축 공기가 공급되는 공기극을 포함하는 연료전지 유닛; 천연 가스로부터 수소 가스를 생성하여 상기 연료전지 유닛에 공급하는 개질기 유닛; 및 상기 연료전지 유닛의 배기 가스 또는 상기 개질기 유닛의 배기 가스가 각각 상기 연료전지 유닛 또는 상기 개질기 유닛으로부터 배출되어 모이는 응축기; 를 포함하고, 상기 이산화탄소 포집 시스템은, 분리막 방식을 이용하여 이산화탄소를 포집하는 이산화탄소 분리막 장치를 포함하며, 상기 고농도 이산화탄소 포집 설비는, 상기 개질기 유닛에 공급되는 압축 공기를 산소부화 공기로 변환하여 상기 개질기 유닛에 공급하는 공기 분리 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 한다. A high-concentration carbon dioxide capture facility according to an embodiment of the present invention is a high-concentration carbon dioxide capture facility including a fuel cell system using natural gas as fuel and a carbon dioxide capture system, wherein the fuel cell system includes an anode to which hydrogen gas is supplied and a compression A fuel cell unit including a cathode to which air is supplied; a reformer unit generating hydrogen gas from natural gas and supplying it to the fuel cell unit; and a condenser in which the exhaust gas of the fuel cell unit or the exhaust gas of the reformer unit is discharged from the fuel cell unit or the reformer unit and collected. The carbon dioxide capture system includes a carbon dioxide separation membrane device that captures carbon dioxide using a separation membrane method, and the high-concentration carbon dioxide capture facility converts compressed air supplied to the reformer unit into oxygen-enriched air so that the reformer It is characterized in that it further comprises an air separation device supplied to the unit.
상기 응축기를 통과한 후 상기 연료전지 시스템으로부터 배출되어 상기 이산화탄소 포집 시스템에 공급되는 배기 가스는 이산화탄소 부화 가스일 수 있다. Exhaust gas discharged from the fuel cell system after passing through the condenser and supplied to the carbon dioxide capture system may be a carbon dioxide-enriched gas.
상기 이산화탄소 부화 가스 내의 이산화탄소의 농도는 20% 이상일 수 있다. A concentration of carbon dioxide in the carbon dioxide-enriched gas may be 20% or more.
상기 공기 분리 장치는 질소 분리막 장치이며, 상기 산소부화 공기는 상기 질소 분리막 장치를 통하여 질소 가스가 일부 분리되어, 압축 공기보다 산소 가스의 비율이 높을 수 있다. 상기 질소 분리막 장치는 기체의 투과 속도 차이를 이용해 압축 공기 중의 질소와 산소를 분리하는 중공사형 질소 분리막 장치일 수 있다. The air separation device is a nitrogen separation membrane device, and a portion of nitrogen gas is separated from the oxygen-enriched air through the nitrogen separation membrane device, so that the ratio of oxygen gas may be higher than that of compressed air. The nitrogen separation membrane device may be a hollow fiber nitrogen separation membrane device that separates nitrogen and oxygen in compressed air using a difference in gas permeation rate.
상기 공기 분리 장치는 상기 연료전지 시스템 외부에 별도로 설치될 수 있다. The air separator may be separately installed outside the fuel cell system.
상기 개질기 유닛은 반응열을 공급하기 위한 버너와, 수소 가스를 생성하는 반응기를 포함하며, 상기 공기 분리 장치를 통해 변환된 상기 산소부화 공기는 상기 버너로 공급될 수 있다. The reformer unit may include a burner for supplying reaction heat and a reactor for generating hydrogen gas, and the oxygen-enriched air converted through the air separator may be supplied to the burner.
본 발명의 다른 실시예에 따른 고농도 이산화탄소 포집 설비는 천연 가스를 연료로 이용하는 연료전지 시스템과, 이산화탄소 포집 시스템을 포함하는 고농도 이산화탄소 포집 설비로서, 연료전지 유닛은 상기 연료전지 유닛의 배기 가스를 상기 연료전지 시스템 외부로 배출시키는 별도의 배기 가스 배출 라인을 더 포함하는 것을 특징으로 한다. A high-concentration carbon dioxide capture facility according to another embodiment of the present invention is a high-concentration carbon dioxide capture facility including a fuel cell system using natural gas as fuel and a carbon dioxide capture system, wherein the fuel cell unit converts the exhaust gas of the fuel cell unit into the fuel cell. It is characterized in that it further comprises a separate exhaust gas discharge line for discharging to the outside of the battery system.
상기 연료전지 유닛의 배기 가스는 상기 연료전지 유닛 내의 상기 배기 가스 배출 라인을 통하여 외부로 배출되고, 상기 개질기 유닛의 배기 가스 만이 상기 응축기에 공급될 수 있다. Exhaust gas of the fuel cell unit may be discharged to the outside through the exhaust gas discharge line in the fuel cell unit, and only exhaust gas of the reformer unit may be supplied to the condenser.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 고농도 이산화탄소 포집 설비는 천연 가스를 연료로 이용하는 연료전지 시스템과, 이산화탄소 포집 시스템을 포함하는 고농도 이산화탄소 포집 설비로서, 상기 고농도 이산화탄소 포집 설비는, 상기 개질기 유닛에 공급되는 압축 공기를 산소부화 공기로 변환하여 상기 개질기 유닛에 공급하는 공기 분리 장치를 더 포함하고, 연료전지 유닛은 상기 연료전지 유닛의 배기 가스를 상기 연료전지 시스템 외부로 배출시키는 별도의 배기 가스 배출 라인을 더 포함하는 것을 특징으로 한다. A high-concentration carbon dioxide capture facility according to another embodiment of the present invention is a high-concentration carbon dioxide capture facility including a fuel cell system using natural gas as fuel and a carbon dioxide capture system, wherein the high-concentration carbon dioxide capture facility is supplied to the reformer unit An air separation device that converts compressed air into oxygen-enriched air and supplies it to the reformer unit, and the fuel cell unit includes a separate exhaust gas discharge line for discharging exhaust gas from the fuel cell unit to the outside of the fuel cell system. It is characterized by further including.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 고농도 이산화탄소 포집 방법은 천연 가스를 연료로 이용하는 연료전지 시스템과, 이산화탄소 포집 시스템을 포함하는 고농도 이산화탄소 포집 방법으로서, 연료전지 시스템에 있어서, 개질기 유닛 내의 버너 및 반응기에 천연 가스가 공급되는 한편, 압축 공기는 개질기 유닛의 버너에 직접 공급되기 이전에, 질소 분리막 장치를 통과하여 산소부화 공기로 변환되는 단계; 변환된 산소부화 공기는 버너에 공급되어 천연 가스와 연소 반응이 이루어지고, 상기 연소 반응에 의한 반응열을 통하여 반응기에서 개질 반응이 이루어지는 단계; 상기 연소 반응 및 개질 반응 후, 상기 개질기 유닛의 배기 가스가 응축기로 배출되는 단계; 상기 개질 반응을 통하여 생성된 수소 가스는 연료전지 유닛에 공급되어 압축 공기와 반응시켜 전류를 생성하고, 반응 후 상기 연료전지 유닛 내 별도의 배기 가스 배출 라인을 통하여 상기 연료전지 유닛의 배기 가스를 외부로 배출시키는 단계; 상기 응축기는 상기 개질기 유닛의 배기 가스 중의 물을 분리한 후, 이산화탄소 부화 가스를 형성하여, 이산화탄소 포집 시스템에 공급하는 단계; 및 이산화탄소 포집 시스템에 있어서, 분리막 포집 방식을 이용하여 공급된 이산화탄소 부화 가스를 이산화탄소 분리막 장치에서 포집하는 단계; 포집된 이산화탄소를 액화 장치에서 액화시키는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다. A high-concentration carbon dioxide capture method according to another embodiment of the present invention is a high-concentration carbon dioxide capture method including a fuel cell system using natural gas as fuel and a carbon dioxide capture system, wherein the fuel cell system includes a burner and a reactor in a reformer unit. While natural gas is supplied, compressed air is converted into oxygen-enriched air by passing through a nitrogen separation membrane device before being directly supplied to the burner of the reformer unit; The converted oxygen-enriched air is supplied to a burner to undergo a combustion reaction with natural gas, and a reforming reaction is performed in a reactor through the reaction heat generated by the combustion reaction; discharging the exhaust gas of the reformer unit to a condenser after the combustion reaction and the reforming reaction; The hydrogen gas generated through the reforming reaction is supplied to the fuel cell unit and reacts with compressed air to generate current, and after the reaction, the exhaust gas of the fuel cell unit is discharged to the outside through a separate exhaust gas discharge line in the fuel cell unit. discharging to; The condenser separates water from the exhaust gas of the reformer unit, forms carbon dioxide-enriched gas, and supplies it to a carbon dioxide capture system; and in the carbon dioxide capture system, collecting the supplied carbon dioxide-enriched gas in a carbon dioxide separation membrane device using a separation membrane capture method; liquefying the captured carbon dioxide in a liquefier; It is characterized in that it includes.
본 발명의 일 실시예에 따른 고농도 이산화탄소 포집 설비 및 방법은, 연료전지 시스템에서 개질기 유닛에 투입되는 초기의 압축 공기가 질소 분리막 장치를 통과하여 산소부화 공기로 변환됨으로써, 질소의 농도를 낮추고 산소의 농도를 높여 연소에 의한 이산화탄소의 농도를 높일 수 있으며, 결과적으로 이산화탄소의 비율을 높인 이산화탄소 부화 가스가 배기 가스로서 상기 연료전지 시스템으로부터 배출될 수 있도록 구성된다. In the high-concentration carbon dioxide capture facility and method according to an embodiment of the present invention, the initial compressed air introduced into the reformer unit in the fuel cell system is converted into oxygen-enriched air by passing through a nitrogen separation membrane device, thereby lowering the concentration of nitrogen and reducing the amount of oxygen. It is possible to increase the concentration of carbon dioxide by combustion by increasing the concentration, and as a result, the carbon dioxide-enriched gas having an increased proportion of carbon dioxide can be discharged from the fuel cell system as exhaust gas.
본 발명의 다른 실시예에 따른 고농도 이산화탄소 포집 설비 및 방법은, 연료전지 시스템에서 연료전지 유닛의 배기 가스를 별도의 배기 가스 라인을 통해 따로 배출시킴으로써, 질소 및 산소의 농도를 낮추어 이산화탄소의 농도를 높일 수 있으며, 결과적으로 이산화탄소 부화 가스가 상기 연료전지 시스템으로부터 배출될 수 있도록 구성된다. High-concentration carbon dioxide capture facility and method according to another embodiment of the present invention, by separately discharging the exhaust gas of a fuel cell unit in a fuel cell system through a separate exhaust gas line, to lower the concentration of nitrogen and oxygen to increase the concentration of carbon dioxide As a result, carbon dioxide-enriched gas is configured to be discharged from the fuel cell system.
상기 이산화탄소 부화 가스 내 이산화탄소 비율은 대략 20% 이상일 수 있다. 그에 따라, 상기 연료전지 시스템으로부터 배출된 배기 가스에 대하여, 본 발명의 이산화탄소 포집 시스템은 분리막 기술 방식을 이용한 이산화탄소 분리막 장치를 적용할 수 있어, 기존 습식 아민 방식에 비해 효율적이고 경제적으로 이산화탄소를 포집하는 것이 가능하다. A proportion of carbon dioxide in the carbon dioxide-enriched gas may be about 20% or more. Accordingly, for the exhaust gas discharged from the fuel cell system, the carbon dioxide capture system of the present invention can apply a carbon dioxide separation membrane device using a separation membrane technology method, thereby capturing carbon dioxide more efficiently and economically than the conventional wet amine method. it is possible
도 1은 종래 기술에 따른 연료전지 시스템과 이산화탄소 포집 방식을 설명하기 위한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 고농도 이산화탄소 포집 설비 및 포집 방법을 설명하기 위한 개략도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 질소 분리막 장치의 구조 및 원리를 설명하기 위한 개략도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 고농도 이산화탄소 포집 설비 및 포집 방법을 설명하기 위한 개략도이다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 고농도 이산화탄소 포집 설비 및 포집 방법을 설명하기 위한 개략도이다. 1 is a schematic diagram for explaining a fuel cell system and a method for capturing carbon dioxide according to the prior art.
2 is a schematic diagram for explaining a high-concentration carbon dioxide capture facility and capture method according to a first embodiment of the present invention.
3 is a schematic diagram for explaining the structure and principle of a nitrogen separation membrane device according to a first embodiment of the present invention.
4 is a schematic diagram illustrating a high-concentration carbon dioxide capture facility and capture method according to a second embodiment of the present invention.
5 is a schematic diagram for explaining a high-concentration carbon dioxide capture facility and a capture method according to a third embodiment of the present invention.
이하에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 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 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, embodiments of the present invention will be described in detail so that those skilled in the art can easily carry out the present invention. However, the present invention may be embodied in many different forms and is not limited to the embodiments described herein. And in order to clearly explain the present invention in the drawings, parts irrelevant to the description are omitted, and similar reference numerals are attached to similar parts throughout the specification.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 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, when a certain component is said to "include", it means that it may further include other components without excluding other components unless otherwise stated.
도 1은 종래 기술에 따른 연료전지 시스템과 이산화탄소 포집 방식을 설명하기 위한 개략도이다. 1 is a schematic diagram for explaining a fuel cell system and a method for capturing carbon dioxide according to the prior art.
도 1을 참조하여 먼저 기본적인 연료전지 시스템의 구성 및 원리를 간략히 설명한다. Referring to FIG. 1, first, the configuration and principle of a basic fuel cell system will be briefly described.
연료전지 시스템(100)은 크게 연료전지 유닛(10), 개질기 유닛(20), 그리고 응축기(콘덴서)(30)를 포함할 수 있다. The
연료전지 유닛(10)은 전기 화학 반응에 의하여 화학에너지를 전기에너지로 변환시키는 연료전지 장치로서, 수소(H2) 가스가 산소(O2)와 반응하여 전류를 발생시킨다. 연료전지의 구조는 전해질을 사이에 두고 두 전극이 샌드위치 형태로 위치하며, 전극과 전해질 계면에서 수소 또는 산소 가스가 이온과 전자로 분리되며, 이 때 생성된 전자가 전극과 연결된 외부 회로를 통해 이동하면서 전류를 발생시키고, 부산물로서 열과 물(H2O)을 생성한다.The
이처럼 연료전지는 수소 가스와 공기를 이용하여 전기와 물을 생산하므로 그 자체로는 완전한 그린 에너지 시스템이라 할 수 있지만, 수소를 사용해야 하기 때문에 수소 가스의 안정적인 생산 및 공급이 미래 산업에 매우 중요하다고 할 수 있다. 현재로서는 조속한 연료전지의 상용화를 위하여 탄화 수소 연료를 개질기를 통해 수소로 전환하여 연료전지에 바로 공급하는 방식을 이용하는 것이 일반적이다. As such, fuel cells produce electricity and water using hydrogen gas and air, so they can be called a complete green energy system in themselves. can Currently, it is common to use a method in which hydrocarbon fuel is converted into hydrogen through a reformer and directly supplied to the fuel cell for prompt commercialization of fuel cells.
현재 일반적으로 사용되는 탄화 수소 연료는 화석 연료로서, 가솔린, 디젤, 액화석유가스, 천연 가스 등이 있다. 이 중 천연 가스는 매장량이 풍부하고 가정까지 공급망이 연결되어 있어(도시가스), 분산형 전원이나 가정용 전원과 같은 정치형 연료전지에 매우 적합한 연료이다. 통상적으로 천연 가스는 메탄(약 91%), 에탄(약 5%), 프로판(약 2%), 기타(약 2%)성분으로 이루어진다. Currently, hydrocarbon fuels commonly used are fossil fuels, such as gasoline, diesel, liquefied petroleum gas, and natural gas. Among them, natural gas has abundant reserves and is connected to households (city gas), so it is a very suitable fuel for stationary fuel cells such as distributed power sources or household power sources. Typically, natural gas consists of methane (about 91%), ethane (about 5%), propane (about 2%), and other (about 2%) components.
도 1의 개질기 유닛(20)은 탄화 수소 연료로부터 수소를 생산하여 연료전지 유닛(10)에 공급하기 위한 장치이다. The
개질기 유닛(20)은 반응열을 공급하기 위한 버너(21)와 수소 가스를 제조하기 위한 반응기(22)를 포함할 수 있다. 천연 가스가 개질기 유닛(20) 내로 공급되면 버너(21)에는 압축 공기가 함께 공급되어 연소 반응이 이루어지고, 그 반응열을 이용해 반응기(22)에서 수소(H2) 가스를 생성한다. 이렇게 생성된 수소 가스는 정제되어 상술한 연료전지 유닛(10)에 공급되도록 구성된다. The
종래 기술에 따른 연료전지 시스템에서, 상기 연료전지 유닛(10)을 통하여 배출된 배기 가스(15)와, 상기 개질기 유닛(20)을 통하여 배출된 배기 가스(25)는 응축기(콘덴서)(30)으로 이동하여 함께 모이고, 응축기(30)는 이 배기 가스 중의 물을 분리하여 배출시킨 후, 최종 배기 가스를 연료전지 시스템으로부터 배출한다. In the fuel cell system according to the prior art, the
한편, 연료전지 유닛(10)을 통하여 배출되는 배기 가스(15)는 압축 공기 중에 대략 78%를 차지하는 미반응 물질인 질소와, 반응에 참여하지 못한 산소, 그리고 반응 후 생성물인 물(또는 수증기)이 주를 이루게 된다. 그리고 개질기 유닛(20)을 통하여 배출되는 배기 가스(25)는 미반응 물질인 질소, 그리고 반응 후 생성물인 이산화탄소 및 물(또는 수증기)이 주를 이루게 된다. Meanwhile, the
결국 질소, 산소, 이산화탄소를 포함한 배기 가스가 연료전지 시스템(100)으로부터 배출되게 되며, 이는 이산화탄소 포집 시스템(200)로 안내되어 최종적으로 배기 가스 중의 이산화탄소가 포집된다. As a result, exhaust gas including nitrogen, oxygen, and carbon dioxide is discharged from the
그러나, 종래 기술에 따른 연료전지 시스템(100)으로부터 배출된 배기 가스는 질소 및 산소의 농도가 비교적 높아, 배기 가스 중 이산화탄소의 농도는 상대적으로 매우 낮으며, 실제로 대략 6%의 이산화탄소 농도를 나타낸다. 따라서, 이 경우의 이산화탄소 포집 장치(40)는 저농도의 이산화탄소를 포집할 수 있는 장치가 필요하며, 상용화된 기술로서 습식 아민 스크러버 포집 방식을 이용하는 것이 일반적이다. However, the exhaust gas discharged from the
습식 아민 포집 방식은 흡수탑과 재생탑을 설치하여 아민 흡수제를 통해 이산화탄소를 포집하는 방식이며, 앞서 설명한 것처럼 이 방식을 적용하게 되면 흡수탑과 재생탑 등 설비 구축 및 유비 보수의 비용이 매우 크고, 비교적 넓은 부지가 필요할 뿐 아니라, 아민 흡수제는 유해 물질로 분류되므로 별도의 관리가 필요한 등 실제 환경에 적용하기에는 큰 제약을 수반한다는 문제점이 있다. The wet amine capture method is a method of capturing carbon dioxide through an amine absorber by installing an absorption tower and a regeneration tower. In addition to requiring a relatively large site, since the amine absorbent is classified as a hazardous substance, there is a problem in that it entails great limitations in application to the actual environment, such as requiring separate management.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 고농도 이산화탄소 포집 설비 및 포집 방법을 설명하기 위한 개략도이다. 2 is a schematic diagram for explaining a high-concentration carbon dioxide capture facility and capture method according to a first embodiment of the present invention.
본 발명의 제1 실시예에 따른 고농도 이산화탄소 포집 설비는 연료전지 시스템과 포집 장치를 포함한다. A high-concentration carbon dioxide capture facility according to a first embodiment of the present invention includes a fuel cell system and a capture device.
먼저, 연료전지 시스템(100)은 크게 연료전지 유닛(10), 개질기 유닛(20), 그리고 응축기(콘덴서)(30)를 포함할 수 있다. First, the
연료전지 유닛(10)은 전기 화학 반응에 의하여 화학에너지를 전기에너지로 변환시키는 연료전지 장치를 의미한다. 이는 수소(H2) 가스가 산소(O2)와 반응하여 전기를 발생시킨다. The
보다 구체적으로, 수소 가스는 연료극(양극; Anode)(11)을 통하여 공급되고, 산소는 공기극(음극; Cathode)(12)을 통하여 공급될 수 있다. 일반적으로 산소는 압축 공기를 통하여 공급된다. 이렇게 연료극(11)을 통해 들어온 수소 분자는 촉매(Catalyst)에 의해 양자와 전자로 나누어진다. 나누어진 양자와 전자는 서로 다른 경로를 통하여 공기극(12)에 도달하게 되는데, 이 중 양자는 상기 연료극(11)과 공기극(12)의 사이에 있는 전해질(Electrolyte)(미도시)을 통해 흘러가고, 전자는 외부 회로를 통해 이동하면서 전류를 흐르게 하며, 공기극(12)에서는 다시 산소와 결합하여 최종적으로 물(H2O)과 열이 생성된다. 반응열을 제어하기 위하여 냉각기(13)를 더 가질 수 있으며, 한편 연료전지에서 발생된 열은 개질을 위한 증기를 발생시키거나 냉난방 열로 사용될 수도 있고, 사용되지 않을 경우에는 배기열로 배출될 수도 있다. More specifically, hydrogen gas may be supplied through the fuel electrode (anode) 11 and oxygen may be supplied through the air electrode (cathode) 12 . Generally, oxygen is supplied through compressed air. Hydrogen molecules introduced through the
상기 화학식 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 연료전지의 반응은 수소 가스와 압축 공기의 산소가 만나 전기 에너지를 생성하며, 반응 후 생성물로 물(H2O)이 생성된다. 한편, 압축 공기는 주지된 공기(대기)의 성분 비율을 그대로 따르므로, 약 78%의 질소와 약 21%의 산소, 약 0.93%의 아르곤(Ar), 0.04%의 기타 성분을 포함한다. 그러므로, 연료전지의 반응 후 배출되는 연료전지 유닛(10)의 배기 가스(15)에는 미반응 물질인 질소와, 반응에 참여하지 못한 산소, 그리고 반응 후 생성물인 물(또는 수증기)이 포함될 것이다. As can be seen in Chemical Formula 1, in the reaction of the fuel cell, electric energy is generated when hydrogen gas and oxygen in the compressed air meet, and water (H 2 O) is produced as a product after the reaction. On the other hand, since compressed air follows the known component ratio of air (atmosphere) as it is, it contains about 78% of nitrogen, about 21% of oxygen, about 0.93% of argon (Ar), and 0.04% of other components. Therefore, the
이처럼 연료전지는 수소 가스를 사용해야 하기 때문에 수소 가스의 안정적인 생산 및 공급이 중요한 과제이며, 현재로서는 조속한 연료전지의 상용화를 위하여 탄화 수소 연료를 개질기를 통해 수소로 전환하여 연료전지에 바로 공급하는 방식을 이용하고 있다. As such, since fuel cells must use hydrogen gas, stable production and supply of hydrogen gas is an important task. Currently, in order to commercialize fuel cells as soon as possible, a method of converting hydrocarbon fuel into hydrogen through a reformer and supplying it directly to the fuel cell has been proposed. are using
도 2의 연료전지 시스템에서, 개질기 유닛(20)은 상술한 탄화 수소 연료로부터 수소를 생산하여 연료전지 유닛(10)에 공급하기 위한 장치이며, 본 실시예에서는 천연 가스를 연료로 이용하는 연료전지 시스템을 예를 들어 설명하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 통상적으로 천연 가스는 메탄(약 91%), 에탄(약 5%), 프로판(약 2%), 기타(약 2%)성분으로 이루어진다. In the fuel cell system of FIG. 2, the
보다 구체적으로, 개질기 유닛(20)은 반응열을 공급하기 위한 버너(21)와 수소 가스를 제조하기 위한 반응기(22)를 포함할 수 있다. More specifically, the
먼저, 천연 가스가 개질기 유닛(20) 내로 공급되면, 버너(21)에는 압축 공기가 공급되어 연소 반응이 이루어진다. First, when natural gas is supplied into the
상기 화학식 2에 따른 연소 반응은, 천연 가스의 주성분인 메탄(CH4) 가스가 압축 공기 중의 약 21%를 차지하는 산소(O2)와 반응하여, 이산화탄소(CO2)와 물(H2O)을 생성하고 반응열을 발생시킨다. 이 반응열은 흡열 반응인 개질 반응에 에너지로 공급된다.In the combustion reaction according to Chemical Formula 2, methane (CH 4 ) gas, which is the main component of natural gas, reacts with oxygen (O 2 ), which accounts for about 21% of compressed air, to form carbon dioxide (CO 2 ) and water (H 2 O) and generate heat of reaction. This reaction heat is supplied as energy to the reforming reaction, which is an endothermic reaction.
천연 가스가 개질기 유닛(20) 내로 공급되고, 상기 버너(21)를 통해 생성된 열 에너지가 반응기(22)에 공급되면, 상기 반응기(22)에서는 수소 가스를 생성하는 개질 반응이 이루어진다. When natural gas is supplied into the
상기 화학식 3에 따른 개질 반응은, 천연 가스의 주성분인 메탄(CH4) 가스가 상기 버너(21)를 통해 열을 받아 수증기로 변환된 물(H2O)과 반응하여, 이산화탄소(CO2)와 수소(H2) 가스를 발생시킨다. 이렇게 생성된 수소 가스는 정제되어 상술한 연료전지 유닛(10)에 공급되도록 구성된다. In the reforming reaction according to Chemical Formula 3, methane (CH 4 ) gas, which is the main component of natural gas, receives heat through the
이로써, 상기 개질기 유닛(20) 내에서는 상기 버너(21)를 통한 연소 반응과 상기 반응기(22)를 통한 개질 반응이 이루어짐으로써, 반응 후에는 반응 후 생성물과 미반응물이 남아 개질기 유닛(20)의 배기 가스(25)를 이루게 된다. Thus, in the
개질기 유닛(20)을 통한 반응 후 생성물과 미반응물을 정리하면 다음과 같다:After the reaction through the
- 반응 후 생성물: 연소 반응에 따른 반응 후 생성물은 이산화탄소 및 물이며, 개질 반응에 따른 반응 후 생성물은 이산화탄소 및 수소이다. 여기에서 수소 가스는 정제되어 연료전지 유닛(10)의 연료로 공급된다. - Products after reaction: The products after the reaction according to the combustion reaction are carbon dioxide and water, and the products after the reaction according to the reforming reaction are carbon dioxide and hydrogen. Here, hydrogen gas is purified and supplied as fuel for the
- 미반응물: 압축 공기에 포함되어 있는 산소를 제외한 물질로서, 질소(N2) 가스가 주를 이루며, 대략 압축 공기의 78%를 차지한다. 한편, 연소 반응에 참여하는 천연 가스의 메탄과 산소가 전부 참여하지 않게 된다면, 잔여 메탄 및 잔여 산소도 미반응물에 포함될 것이나, 이는 압축 공기 및 천연 가스의 공급량을 적절히 조절할 수 있어 실제로 그 비중이 매우 낮으므로, 공급량을 최적화하여 제어한다는 가정 하에 논외로 하기로 한다. - Unreacted substances: Substances other than oxygen contained in compressed air, mainly nitrogen (N 2 ) gas, which accounts for approximately 78% of compressed air. On the other hand, if all of the methane and oxygen in the natural gas participating in the combustion reaction do not participate, residual methane and residual oxygen will also be included in the unreacted material, but this can properly control the supply of compressed air and natural gas, so the specific gravity is actually very low. Since it is low, it is left out of the discussion under the assumption that the supply amount is optimized and controlled.
결국, 개질기 유닛(20)을 통하여 배출되는 개질기 유닛(20)의 배기 가스(25)는 질소, 이산화탄소, 그리고 물(또는 수증기)이 주를 이루게 될 것이다. As a result, the
한편, 종래 기술에 따른 연료전지 시스템으로부터 배출된 배기 가스는 질소 및 산소의 농도가 비교적 높고, 배기 가스 중 이산화탄소의 농도가 대략 6%로 상대적으로 매우 낮기 때문에, 이산화탄소를 포집하는 장치로서 저농도의 이산화탄소를 포집할 수 있는 습식 아민 포집 방식을 이용하였다. 그러나, 도 1에서 설명한 바와 같이, 습식 아민 포집 방식은 흡수탑과 재생탑 등 설비 구축 및 유비 보수의 비용이 매우 크고, 비교적 넓은 부지가 필요할 뿐 아니라, 아민 흡수제는 유해 물질로 분류되므로 별도의 관리가 필요한 등 실제 환경에 적용하기에는 큰 제약을 수반한다는 문제점이 있다. On the other hand, since the exhaust gas discharged from the fuel cell system according to the prior art has a relatively high concentration of nitrogen and oxygen, and a relatively very low concentration of carbon dioxide in the exhaust gas of about 6%, a device for capturing carbon dioxide has a low concentration of carbon dioxide. A wet amine collection method capable of capturing was used. However, as described in FIG. 1, the wet amine collection method requires a very high cost of facility construction and maintenance, such as an absorption tower and a regeneration tower, requires a relatively large site, and separate management because the amine absorbent is classified as a hazardous substance. There is a problem in that it entails great limitations in application to the actual environment, such as the need for
그에 따라 본 발명은 경제성이 현저히 떨어지는 습식 아민 포집 방식을 대체하여, 설비 구축 및 유지 보수 비용이 습식 포집 기술에 비해 저렴하고, 매우 컴팩트한 구성이 가능한 분리막 방식을 이용하여 이산화탄소를 포집하고자 한다. 다만, 분리막 기술을 이용하여 이산화탄소를 포집하기 위해서는 초기 투입되는 배기 가스 중 이산화탄소의 농도가 대략 20% 이상의 이산화탄소 부화 가스를 집진할 수 있어야 한다. Accordingly, the present invention intends to capture carbon dioxide by using a separation membrane method that is cheaper than wet capture technology and can be configured very compactly, replacing the wet amine capture method, which is significantly less economical. However, in order to capture carbon dioxide using the membrane technology, the concentration of carbon dioxide in the initially introduced exhaust gas should be able to collect carbon dioxide-enriched gas of about 20% or more.
따라서, 본 발명의 제1 실시예에서 고농도의 이산화탄소를 포집하기 위해서는, 상기 개질기 유닛(20)에 공급되는 압축 공기를 산소부화 공기로 변환하도록 하는 공기 분리 장치(50)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다. Therefore, in order to capture high-concentration carbon dioxide in the first embodiment of the present invention, an air separation device 50 is further included to convert the compressed air supplied to the
앞서 설명한 바와 같이, 연료전지 유닛(10)에 공급되는 수소 가스를 생성하기 위하여, 천연 가스가 연료전지 시스템의 개질기 유닛(20)에 공급되며, 상기 개질기 유닛(20)의 버너(21)에는 압축 공기가 함께 공급된다. As described above, in order to generate hydrogen gas supplied to the
다만 본 발명의 제1 실시예에서는, 상기 버너(21)에 공급되는 압축 공기를 그대로 공급시키지 않고, 산소부화 공기로 변환하여 공급하는 것이다. 일반적으로 압축 공기는 주지된 공기(대기)의 성분 비율을 그대로 따르므로, 약 78%의 질소와 약 21%의 산소, 약 0.93%의 아르곤(Ar), 0.04%의 기타 성분을 포함하고 있다. 공기의 성분 비율 중 가장 큰 비율을 차지하는 질소는 상기 개질기 유닛(20) 하에서, 버너(21)에 의한 연소 반응에 참여하지 않는 미반응 물질로 남게 되어 그대로 상기 개질기 유닛(20)의 배기 가스로 배출되며, 이로 인하여 종래 기술에 따른 상기 개질기 유닛(20)의 배기 가스는 이산화탄소의 농도가 매우 낮게 된다. However, in the first embodiment of the present invention, the compressed air supplied to the
이를 해결하기 위하여, 본 발명의 제1 실시예에서는 압축 공기가 버너(21)로 공급되기 이전 단계에 공기 분리 장치(50)를 추가로 구성한다. 상기 공기 분리 장치(50)는 연료전지 시스템 내에 배치하여도 되고, 연료전지 시스템 밖에 별도로 구성하여도 좋다. 다만 제1 실시예에 따르면, 연료전지 시스템 밖에 별도로 구성하는 것이 바람직하며, 이렇게 배치하면 기존의 상용화되어 있는 연료전지 시스템의 내부 구성을 변형시키지 않고, 기존 설비를 그대로 이용할 수 있다는 장점이 있다.In order to solve this problem, in the first embodiment of the present invention, an air separation device 50 is additionally configured before compressed air is supplied to the
그에 따라, 압축 공기는 버너(21)로 공급되기 이전 단계에서 공기 분리 장치(50)를 통과하도록 유도된다. 압축 공기가 먼저 공기 분리 장치(50)를 통과하면, 압축 공기 내의 특정 성분을 분리함으로써 그 특정 성분의 비율을 조절할 수 있다. 제1 실시예에서 상기 공기 분리 장치(50)는 압축 공기의 가장 큰 비율을 차지하는 질소를 분리할 수 있는 장치를 이용하는 것이 바람직하다. 압축 공기 내의 질소를 분리하면, 공기 분리 장치(50)를 통과한 압축 공기는 가장 큰 비율을 차지하는 질소의 비율이 낮아지고, 두번째 큰 비율을 차지하는 산소의 비율이 상대적으로 높아짐으로써, 산소부화 공기로 변환된다. Accordingly, the compressed air is induced to pass through the air separation device 50 before being supplied to the
한편, 일반적인 공기 분리 장치는 크게 액화 방식, 고압 실린더 방식, 분리막 방식으로 구분할 수 있다. 그 중에서 분리막 방식은 액화 방식 및 고압 실린더 방식에 대비하여 낮은 에너지를 사용하고 설치가 용이할 뿐 아니라, 소규모부터 대규모까지 스케일 조절이 용이하므로, 제1 실시예에서 상기 공기 분리 장치(50)는 질소 분리막 장치(50)를 이용하는 것이 바람직하다. On the other hand, general air separation devices can be largely classified into a liquefaction type, a high-pressure cylinder type, and a membrane type. Among them, the membrane method uses low energy and is easy to install compared to the liquefaction method and the high-pressure cylinder method, and is easy to scale from small to large. It is preferable to use a separation membrane device 50 .
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 질소 분리막 장치의 구조 및 원리를 설명하기 위한 개략도이다. 3 is a schematic diagram for explaining the structure and principle of a nitrogen separation membrane device according to a first embodiment of the present invention.
도 3은 제1 실시예에 따른 질소 분리막 장치(50)의 일 예시로서 중공사형(Hollow Fiber) 분리막 장치의 구조 및 원리를 나타낸다. 3 shows the structure and principle of a hollow fiber membrane device as an example of the nitrogen separation membrane device 50 according to the first embodiment.
도 3을 참조하면, 중공사형 분리막 장치는 기체의 투과속도 차이를 이용해 공기 중의 질소와 산소를 분리할 수 있다. 이는 각 기체 성분의 상대적인 투과도가 막의 물질에 대하여 서로 다르게 나타나는 특성을 이용한다. Referring to FIG. 3 , the hollow fiber membrane device may separate nitrogen and oxygen in the air using a difference in gas permeation rate. This utilizes the characteristic that the relative permeability of each gas component is different from each other with respect to the material of the membrane.
구체적으로, 중공사형 분리막 장치는 얇은 플라스틱 막으로 형성된 외경이 약 0.05μm의 중공사 집합체를 포함한다. 중공사는 내부에 기공을 가진 섬유로 빨대 모양처럼 구멍이 뚫린 섬유를 말한다. 압축 공기가 밀려 들어오면 빠른 투과성을 가진 물(수증기), 이산화탄소, 산소 등은 벽을 통과하여 배출되는 반면, 투과성이 느린 질소는 고순도 형태로 분리막 장치의 출구로 배출된다. 이와 같이 질소와 다른 기체와의 분리막 투과 속도의 차이를 이용하여 압축 공기 중의 질소를 원하는 양 또는 비율 만큼 조절하여 낮출 수 있다. Specifically, the hollow fiber membrane device includes a hollow fiber assembly formed of a thin plastic film and having an outer diameter of about 0.05 μm. Hollow fiber is a fiber with pores inside, and refers to a fiber with holes drilled in the shape of a straw. When compressed air is pushed in, water (steam), carbon dioxide, and oxygen with fast permeability pass through the wall and are discharged, while nitrogen with slow permeability is discharged in the form of high purity through the outlet of the membrane device. In this way, by using the difference in the permeation rate between nitrogen and other gases through the membrane, nitrogen in the compressed air can be lowered by adjusting the desired amount or ratio.
상기 질소 분리막 장치(50)를 통과한 압축 공기는 산소부화 공기로 변환되어 개질기 유닛(20)의 버너(21)에 공급된다. 따라서, 개질기 유닛(20)의 반응이 완료된 후 배출되는 개질기 유닛(20)의 배기 가스(25)의 성분의 종류는 질소, 이산화탄소, 그리고 물(또는 수증기)가 주를 이루는 것은 동일하나, 질소 분리막 장치(50)를 통해 질소의 비율을 낮춘 산소부화 공기가 투입되었기 때문에, 미반응 물질인 질소의 비율은 상기 개질기 유닛(20)의 배기 가스(25) 내에서 상대적으로 낮아질 수 있다. 그 결과, 개질기 유닛(20)의 배기 가스(25)는 대략 20% 이상의 이산화탄소 비율을 갖는 이산화탄소 부화 가스가 되어, 응축기(30)로 모인다. The compressed air passing through the nitrogen separation membrane device 50 is converted into oxygen-enriched air and supplied to the
즉, 본 발명의 제1 실시예에 따르면, 질소 분리막 장치(50)를 추가로 구성함으로써, 개질기 유닛(20)의 버너(21)에 투입되는 압축 공기를 산소부화 공기로 변환하여 제공하는 것을 특징으로 한다. 미반응 물질로 남아 배기 가스로 배출되는 질소를 투입 이전에 미리 낮추어 공급함으로써, 결과적으로 개질기 유닛(20)의 배기 가스(25) 중 질소 비중을 낮추고 이산화탄소의 비중을 높일 수 있어, 이산화탄소 부화 가스를 배출시킬 수 있다. That is, according to the first embodiment of the present invention, by additionally configuring the nitrogen separation membrane device 50, the compressed air introduced into the
다시 도 2를 참조하여, 응축기(30)는 상기 연료전지 유닛(10)을 통하여 배출된 연료전지 유닛(10)의 배기 가스(15)와, 상기 개질기 유닛(20)을 통하여 배출된 개질기 유닛(20)의 배기 가스(25)를 응축 액화하는 장치이다. Referring back to FIG. 2 , the
구체적으로, 상기 연료전지 유닛(10)의 배기 가스(15)는 질소, 산소, 그리고 물(또는 수증기)이고, 상기 개질기 유닛(20)의 배기 가스(25)는 질소, 이산화탄소, 그리고 물(또는 수증기)이므로, 상기 응축기(30)는 이 배기 가스를 냉각하여, 배기 가스 중의 물을 분리하여 배출시킨다. Specifically, the
상기 응축기(30)를 통과한 배기 가스는 연료전지 시스템으로부터 배출되며, 이는 이산화탄소 포집 시스템(200)로 안내된다. Exhaust gas passing through the
본 발명의 제1 실시예에 따른 이산화탄소 포집 시스템(200)는 이산화탄소 분리막 장치(40) 및 액화 장치(41)를 포함할 수 있다. The carbon
즉, 제1 실시예에 따른 이산화탄소 포집은 분리막 방식을 이용하는 것을 특징으로 하며, 이는 종래 기술에 따른 습식 아민 포집 방식과 대비된다. That is, the carbon dioxide capture method according to the first embodiment is characterized by using a separation membrane method, which is in contrast to the wet amine capture method according to the prior art.
상술한 바와 같이 습식 아민 포집 기술은 흡수탑과 재생탑 등의 설비 구축 및 유비 보수의 비용이 매우 크고, 비교적 넓은 부지가 필요할 뿐 아니라, 아민 흡수제는 유해 물질로 분류되어 별도의 관리가 필요한 등 실제 환경에 적용하기에는 큰 제약을 수반한다는 문제점이 있는 반면, 분리막 방식은 설비 구축 및 유지 보수 비용이 습식 포집 기술에 비해 저렴하고, 매우 컴팩트한 구성이 가능하다는 장점이 있다. As described above, the wet amine capture technology is very costly to build and maintain facilities such as absorption towers and regeneration towers, requires a relatively large site, and requires separate management because amine absorbents are classified as hazardous substances. While there is a problem that it entails great limitations in application to the environment, the membrane method has the advantage that facility construction and maintenance costs are cheaper than wet capture technology, and a very compact configuration is possible.
제1 실시예에 따르면, 연료전지 시스템에서 개질기 유닛(20)에 투입되는 초기의 압축 공기가 상기 질소 분리막 장치(50)를 통과하여 산소부화 공기로 변환되어, 결과적으로 이산화탄소 부화 가스가 상기 연료전지 시스템으로 배출될 수 있다. 상기 이산화탄소 부화 가스 내 이산화탄소 비율은 대략 20% 이상일 수 있다. 그에 따라, 본 발명의 제1 실시예의 이산화탄소 포집 시스템(200)는 분리막 기술 방식을 이용한 이산화탄소 분리막 장치(40)를 사용하여, 효율적이고 경제적으로 고농도의 이산화탄소를 포집하는 것이 가능하다. 상기 고농도의 이산화탄소 비율은 대략80% 이상일 수 있다. According to the first embodiment, the initial compressed air introduced into the
이 배기 가스(이산화탄소 부화 가스)를 상기 이산화탄소 분리막 장치(40)에 통과시키면 이산화탄소 부화 가스 내의 대략 20% 이상인 이산화탄소를 효율적으로 분리하여 고농도로 포집할 수 있으며, 이렇게 분리된 이산화탄소는 상기 액화 장치(41)를 통하여 액화되어, 최종적으로 고농도의 이산화탄소의 포집이 마무리된다. 액화된 이산화탄소는 지하에 저장되거나 다른 분야에 다양하게 활용될 수 있으며, 이에 제한은 없다. When this exhaust gas (CO2-enriched gas) passes through the carbon dioxide
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 고농도 이산화탄소 포집 설비 및 포집 방법을 설명하기 위한 개략도이다. 4 is a schematic diagram illustrating a high-concentration carbon dioxide capture facility and capture method according to a second embodiment of the present invention.
앞서 설명한 본 발명의 제1 실시예와 중복되는 내용은 설명을 간략히 하거나 생략하고, 본 발명의 제2 실시예의 특징을 중심으로 설명하기로 한다. The description of the contents overlapping with the first embodiment of the present invention described above will be simplified or omitted, and the description will focus on the characteristics of the second embodiment of the present invention.
본 발명의 제2 실시예에 따른 고농도 이산화탄소 포집 설비는 제1 실시예와 동일하게 연료전지 시스템과 포집 장치를 포함하며, 연료전지 시스템(100)은 크게 연료전지 유닛(10), 개질기 유닛(20), 그리고 응축기(콘덴서)(30)를 포함할 수 있다. The high-concentration carbon dioxide capture facility according to the second embodiment of the present invention includes a fuel cell system and a capture device as in the first embodiment, and the
연료전지 유닛(10)은 전기 화학 반응에 의하여 화학에너지를 전기에너지로 변환시키는 연료전지 장치로, 연료극(양극; Anode)(11) 및 공기극(음극; Cathode)(12)을 포함하며, 수소(H2) 가스가 산소(O2)와 반응하여 전기를 발생시킨다. The
제1 실시예에서 설명한 바와 같이, 연료전지의 반응은 상기 화학식 1에 따라 수소 가스와 압축 공기의 산소가 만나 전기 에너지를 생성하며, 반응 후 생성물로 물(H2O)이 생성된다. 한편, 압축 공기는 주지된 공기(대기)의 성분 비율을 그대로 따르므로, 반응 후 배출되는 연료전지 유닛(10)의 배기 가스에는 미반응 물질인 질소와, 반응에 참여하지 못한 산소, 그리고 반응 후 생성물인 물(또는 수증기)이 포함된다. As described in the first embodiment, in the reaction of the fuel cell, according to Chemical Formula 1, hydrogen gas and oxygen in compressed air meet to generate electric energy, and water (H2O) is produced as a product after the reaction. On the other hand, since the compressed air follows the well-known air (atmospheric) component ratio as it is, the exhaust gas of the
종래 기술 및 본 발명의 제1 실시예에 따르면, 상기 연료전지 유닛(10)의 배기 가스는 개질기 유닛(20)의 배기 가스와 합쳐져 응축기(30)에 모이게 되며, 응축기(30)에서 물을 제거한 배기 가스가 최종적으로 연료전지 시스템으로부터 배출되어 이산화탄소 포집 시스템(200)으로 흘러 들어가는 구조를 갖는다. According to the prior art and the first embodiment of the present invention, the exhaust gas of the
그러나, 앞서 살펴본 바와 같이, 상기 연료전지 유닛(10)의 배기 가스에는 질소, 산소, 물이 포함되어 있을 뿐, 이산화탄소가 실질적으로 포함되어 있지 않다. 따라서, 이산화탄소를 포집하기 위한 설비의 관점에서, 이산화탄소가 포함되어 있지 않은 상기 연료전지 유닛(10)의 배기 가스를 이산화탄소 포집 시스템(200)에 투입시키는 것은 비효율적일 뿐 아니라, 본 발명이 이루고자 하는 이산화탄소 부화 가스를 집진하고자 하는 목적을 저해하게 된다. 다시 말해, 연료전지 유닛(10)의 배기 가스에는 질소, 산소, 물이 다량 포함되어 있고 이산화탄소가 실질적으로 포함되어 있지 않기 때문에, 이 배기 가스가 응축기에 모여 물이 제거된다고 하더라도, 결국 연료전지 시스템으로부터 배출되는 배기 가스의 질소 및 산소의 농도를 높이게 되어, 이산화탄소 부화 가스를 형성하는 것을 방해한다. However, as described above, the exhaust gas of the
따라서, 본 발명의 제2 실시예에서는 상기 연료전지 유닛(10)의 배기 가스를 응축기(30)로 보내지 않고, 별도의 배기 가스 배출 라인(16)을 구성하여 배기 가스를 배출시키도록 구성하는 것에 특징이 있다. 배출되는 배기 가스는 질소, 산소, 물이 주 성분이므로 다시 대기 중으로 흘려 보내더라도 환경 오염의 영향이 없다. 이와 같이 제2 실시예에서 연료전지 유닛(10) 내에 별도의 배기 가스 배출 라인(16)을 설치하여 연료전지 유닛(10)의 배기 가스를 배출시키면, 개질기 유닛(20)의 배기 가스(25) 만이 응축기(30) 내로 안내되고, 그 결과 기존 방식보다 이산화탄소의 농도를 높일 수 있다. Therefore, in the second embodiment of the present invention, the exhaust gas of the
응축기(30)는 상기 연료전지 유닛(10)을 통하여 배출된 연료전지 유닛(10)의 배기 가스가 안내되지 않고, 오직 상기 개질기 유닛(20)을 통하여 배출된 개질기 유닛(20)의 배기 가스(25) 중 물을 분리하여 응축 액화시켜 배출한다. In the
상기 응축기(30)를 통과한 배기 가스는 연료전지 시스템으로부터 배출되며, 이는 이산화탄소 포집 시스템(200)으로 안내되고, 이산화탄소 포집 시스템(200)은 제1 실시예에서와 동일하게 분리막 방식을 이용하는 것을 특징으로 하며, 이는 종래 기술에 따른 습식 아민 포집 방식과 대비된다. Exhaust gas that has passed through the
제2 실시예에 따르면, 연료전지 시스템에서 연료전지 유닛(10)의 배기 가스를 별도의 배기 가스 라인(16)을 통해 따로 배출시킴으로써, 질소 및 산소의 농도를 낮추어 결과적으로 이산화탄소의 농도를 높일 수 있으며, 결과적으로 이산화탄소 부화 가스가 상기 연료전지 시스템으로 배출될 수 있다. 상기 이산화탄소 부화 가스 내 이산화탄소 비율은 대략 20% 이상일 수 있다. 그에 따라, 본 발명의 제2 실시예의 이산화탄소 포집 시스템(200)은 분리막 기술 방식을 이용한 분리막 장치(41)를 사용하여, 효율적이고 경제적으로 고농도의 이산화탄소를 포집하는 것이 가능하다. According to the second embodiment, by separately discharging the exhaust gas of the
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 고농도 이산화탄소 포집 설비 및 포집 방법을 설명하기 위한 개략도이다. 5 is a schematic diagram for explaining a high-concentration carbon dioxide capture facility and a capture method according to a third embodiment of the present invention.
앞서 설명한 본 발명의 제1 실시예 및 제2 실시예와 중복되는 내용은 설명을 간략히 하거나 생략하고, 본 발명의 제3 실시예의 특징을 중심으로 설명하기로 한다. 본 발명의 제3 실시예에 따른 고농도 이산화탄소 포집 설비는 제1 실시예와 제2 실시예의 특징을 함께 구비한다. Descriptions of contents overlapping with the first and second embodiments of the present invention described above will be simplified or omitted, and the description will focus on the characteristics of the third embodiment of the present invention. A high-concentration carbon dioxide capture facility according to a third embodiment of the present invention has the features of the first embodiment and the second embodiment.
본 발명의 제3 실시예에 따른 고농도 이산화탄소 포집 설비는 연료전지 시스템과 포집 장치를 포함한다. A high-concentration carbon dioxide capture facility according to a third embodiment of the present invention includes a fuel cell system and a capture device.
연료전지 시스템(100)은 크게 연료전지 유닛(10), 개질기 유닛(20), 그리고 응축기(콘덴서)(30)를 포함할 수 있다. The
연료전지 유닛(10)은 제1 실시예 및 제2 실시예에서 설명한 바와 같이, 상기 화학식 1에 따라 수소 가스와 압축 공기의 산소가 만나 전기 에너지를 생성하며, 반응 후 생성물로 물(H2O)이 생성된다. 한편, 압축 공기는 주지된 공기(대기)의 성분 비율을 그대로 따르므로, 반응 후 배출되는 연료전지 유닛(10)의 배기 가스에는 미반응 물질인 질소와, 반응에 참여하지 못한 산소, 그리고 반응 후 생성물인 물(또는 수증기)이 포함된다. As described in the first and second embodiments, the
제2 실시예에서 설명한 것처럼, 상기 연료전지 유닛(10)의 배기 가스에는 질소, 산소, 물이 다량 포함되어 있고 이산화탄소가 실질적으로 포함되어 있지 않기 때문에, 이를 응축기(30)로 보내지 않고, 별도의 배기 가스 배출 라인(16)을 구성하여 배기 가스를 배출시키도록 구성한다. 제3 실시예에서도 연료전지 유닛(10) 내에 별도의 배기 가스 배출 라인(16)을 설치하여 연료전지 유닛(10)의 배기 가스를 배출시키면, 개질기 유닛(20)의 배기 가스(25) 만이 응축기(30) 내로 안내되고, 그 결과 기존 방식보다 이산화탄소의 농도를 높일 수 있다. As described in the second embodiment, since the exhaust gas of the
또한, 제3 실시예에서 개질기 유닛(20)은 고농도의 이산화탄소를 포집하기 위해, 상기 개질기 유닛(20)에 공급되는 압축 공기를 산소부화 공기로 변환하도록 하는 질소 분리막 장치(50)를 더 포함한다. In addition, in the third embodiment, the
상기 버너(21)에 공급되는 압축 공기를 그대로 공급시키지 않고, 압축 공기가 버너(21)로 공급되기 이전 단계에 질소 분리막 장치(50)를 통과하도록 유도되면, 압축 공기의 가장 큰 비율을 차지하는 질소의 비율이 낮아지고, 두번째 큰 비율을 차지하는 산소의 비율이 상대적으로 높아짐으로써, 산소부화 공기로 변환된다. 제3 실시예에 따르면 상기 질소 분리막 장치(50)는 제1 실시예에서 설명한 바와 같이 연료전지 시스템 밖에 별도로 구성하는 것이 바람직하며, 다만 이에 한정되는 것은 아니다. When the compressed air supplied to the
즉, 본 발명의 제3 실시예에 따르면, 질소 분리막 장치(50)를 추가로 구성함으로써, 미반응 물질로 남아 배기 가스로 배출되는 질소를 투입 이전에 미리 낮추어 공급하여, 결과적으로 개질기 유닛(20)의 배기 가스 중 질소 비중을 낮추고 이산화탄소의 비중을 높일 수 있어, 대략 20% 이상의 이산화탄소 비율을 포함하는 이산화탄소 부화 가스를 배출시킬 수 있다. That is, according to the third embodiment of the present invention, by additionally configuring the nitrogen separation membrane device 50, nitrogen remaining as an unreacted material and discharged as exhaust gas is lowered and supplied in advance before inputting, and as a result, the reformer unit 20 ) in the exhaust gas, it is possible to lower the specific gravity of nitrogen and increase the specific gravity of carbon dioxide, thereby discharging a carbon dioxide-enriched gas containing about 20% or more of carbon dioxide.
응축기(30)는 상기 연료전지 유닛(10)을 통하여 배출된 연료전지 유닛(10)의 배기 가스가 안내되지 않고, 오직 상기 개질기 유닛(20)을 통하여 배출된 개질기 유닛(20)의 배기 가스(25) 중 물을 분리하여 응축 액화시켜 배출한다. In the
상기 응축기(30)를 통과한 배기 가스는 연료전지 시스템(100)으로부터 배출되며, 이는 이산화탄소 포집 시스템(200)으로 안내되고, 이산화탄소 포집 시스템(200)은 제1 실시예 및 제2 실시예에서와 동일하게 분리막 방식을 이용하는 것을 특징으로 하며, 이는 종래 기술에 따른 습식 아민 포집 방식과 대비된다. Exhaust gas that has passed through the
제3 실시예에 따르면, 연료전지 시스템에서 연료전지 유닛(10)의 배기 가스를 별도의 배기 가스 라인(16)을 통해 따로 배출시킴으로써, 질소 및 산소의 농도를 낮추어 결과적으로 이산화탄소의 농도를 높일 수 있으며, 또한 질소 분리막 장치(50)를 추가로 구성함으로써, 개질기 유닛(20)의 배기 가스 중 질소 비중을 낮추고 이산화탄소의 비중을 높일 수 있다. 결과적으로, 이산화탄소 비중을 대략 20% 이상으로 높인 이산화탄소 부화 가스를 이산화탄소 포집 시스템(200)으로 안내함으로써, 이산화탄소 포집 시스템(200)이 고농도의 이산화탄소를 가장 효율적으로 포집할 수 있게 된다. According to the third embodiment, by separately discharging the exhaust gas of the
본 발명의 제3 실시예에 따라, 고농도 이산화탄소 포집 방법을 정리하면 다음과 같다. According to the third embodiment of the present invention, the high-concentration carbon dioxide capture method is summarized as follows.
연료전지 시스템(100)에 있어서, 천연 가스는 개질기 유닛(20) 내의 버너(21) 및 반응기(22)에 공급된다. 한편, 압축 공기는 개질기 유닛(20)의 버너(21)에 직접 공급되기 이전에, 질소 분리막 장치(50)를 통과하여 산소부화 공기로 변환된다. 변환된 산소부화 공기는 버너(21)에 공급되어 천연 가스와 연소 반응이 이루어진다. 상기 연소 반응에 의한 반응열을 통하여 반응기(22)에서 개질 반응이 이루어진다. 상기 연소 반응 및 개질 반응 후, 상기 개질기 유닛(20)의 배기 가스가 응축기로 배출된다. In the
한편, 상기 개질 반응을 통하여 생성된 수소 가스는 연료전지 유닛(10)에 공급된다. 연료전지 유닛(10)은 공급된 수소 가스를 압축 공기와 반응시켜 전류를 생성시킨다. 전기 생성 반응 후, 상기 연료전지 유닛(10) 내 별도의 배기 가스 배출 라인(16)을 통하여 상기 연료전지 유닛(10)의 배기 가스는 외부로 배출시킨다.Meanwhile, hydrogen gas generated through the reforming reaction is supplied to the
한편, 상기 응축기(30)는 상기 개질기 유닛(20)의 배기 가스 중의 물을 분리한 후, 이산화탄소 부화 가스를 형성하여, 이산화탄소 포집 시스템(200)에 공급한다. Meanwhile, the
이산화탄소 포집 시스템(200)에 있어서, 이산화탄소 분리막 장치(40)는 분리막 포집 방식을 이용하여 공급된 이산화탄소 부화 가스 중의 이산화탄소 만을 포집한다. 포집된 이산화탄소는 액화 장치(41)에서 액화된다. In the carbon
이와 같이, 본 발명의 제1 실시예 내지 제3 실시예에 따르면, 연료전지 시스템으로부터 배출되는 배기 가스를 이산화탄소 부화 가스로 만들어 배출시킴으로써, 결과적으로 분리막 방식을 이용한 포집 방식을 이용할 수 있다는 것에 그 의미가 있다. 이는 종래 기술에 따른 습식 아민 포집 방식과 대비되어, 설비 구축 및 유지 보수 비용이 습식 포집 기술에 비해 저렴하고, 매우 컴팩트한 구성이 가능하다는 장점이 있다. 이는 또한 상용화된 기존의 연료전지 시스템의 구성을 최대한 유지하면서 실현할 수 있는 매우 현실적이고 경제적인 설비 및 방식을 제공하는 바, 본 발명이 가지는 장점, 효과 및 활용도가 크다는 것에 큰 의미가 있다. As described above, according to the first to third embodiments of the present invention, the exhaust gas discharged from the fuel cell system is converted into carbon dioxide-enriched gas and discharged, which means that a collection method using a separation membrane method can be used as a result. there is This is compared to the wet amine collection method according to the prior art, and has the advantage that equipment construction and maintenance costs are cheaper than wet collection technology, and a very compact configuration is possible. This also provides a very realistic and economical facility and method that can be realized while maximally maintaining the configuration of a commercialized conventional fuel cell system, which is of great significance in that the advantages, effects, and utilization of the present invention are great.
상술한 바와 같이 개시된 본 발명의 바람직한 실시예들에 대한 상세한 설명은 당업자가 본 발명을 구현하고 실시할 수 있도록 제공되었다. 상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 본 발명의 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 당업자는 상술한 실시예들에 기재된 각 구성을 서로 조합하는 방식으로 이용할 수 있다.Detailed descriptions of the preferred embodiments of the present invention disclosed as described above are provided to enable those skilled in the art to implement and practice the present invention. Although the above has been described with reference to preferred embodiments of the present invention, those skilled in the art will understand that the present invention can be variously modified and changed without departing from the scope of the present invention. For example, those skilled in the art can use each configuration described in the above-described embodiments in a manner of combining with each other.
따라서, 본 발명은 여기에 나타난 실시예들에 제한되는 것이 아니라, 여기서 개시된 원리 및 신규한 특징들과 일치하는 최광의 범위를 부여하려는 것이다.Accordingly, the present invention is not to be limited to the embodiments shown herein but is to be accorded the widest scope consistent with the principles and novel features disclosed herein.
Claims (10)
연료전지 시스템(100)에 있어서,
- 개질기 유닛(20) 내의 버너(21) 및 반응기(22)에 천연 가스가 공급되는 한편, 압축 공기는 개질기 유닛(20)의 버너(21)에 직접 공급되기 이전에, 질소 분리막 장치(50)를 통과하여 산소부화 공기로 변환되는 단계;
- 변환된 산소부화 공기는 버너(21)에 공급되어 천연 가스와 연소 반응이 이루어지고, 상기 연소 반응에 의한 반응열을 통하여 반응기(22)에서 개질 반응이 이루어지는 단계;
- 상기 연소 반응 및 개질 반응 후, 상기 개질기 유닛(20)의 배기 가스(25)가 응축기로 배출되는 단계;
- 상기 개질 반응을 통하여 생성된 수소 가스는 연료전지 유닛(10)에 공급되어 압축 공기와 반응시켜 전류를 생성하고, 반응 후 상기 연료전지 유닛(10) 내 별도의 배기 가스 배출 라인(16)을 통하여 상기 연료전지 유닛(10)의 배기 가스를 외부로 배출시키는 단계;
- 상기 응축기(30)는 상기 개질기 유닛(20)의 배기 가스 중의 물을 분리한 후, 이산화탄소 부화 가스를 형성하여, 이산화탄소 포집 시스템(200)에 공급하는 단계; 및
이산화탄소 포집 시스템(200)에 있어서,
- 분리막 포집 방식을 이용하여 공급된 이산화탄소 부화 가스를 이산화탄소 분리막 장치(40)에서 포집하는 단계;
- 포집된 이산화탄소를 액화 장치(41)에서 액화시키는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는, 고농도 이산화탄소 포집 방법.
A high-concentration carbon dioxide capture method comprising a fuel cell system using natural gas as fuel and a carbon dioxide capture system,
In the fuel cell system 100,
-Natural gas is supplied to the burner 21 and reactor 22 in the reformer unit 20, while compressed air is directly supplied to the burner 21 of the reformer unit 20, before the nitrogen separation membrane device 50 Passing through and converting into oxygen-enriched air;
- The converted oxygen-enriched air is supplied to the burner 21 to undergo a combustion reaction with natural gas, and a reforming reaction takes place in the reactor 22 through the reaction heat generated by the combustion reaction;
- After the combustion reaction and the reforming reaction, exhaust gas (25) of the reformer unit (20) is discharged to a condenser;
- The hydrogen gas generated through the reforming reaction is supplied to the fuel cell unit 10 and reacts with compressed air to generate current, and after the reaction, a separate exhaust gas discharge line 16 in the fuel cell unit 10 discharging the exhaust gas of the fuel cell unit 10 to the outside through the;
- the condenser (30) separates water from the exhaust gas of the reformer unit (20), forms carbon dioxide-enriched gas, and supplies it to the carbon dioxide capture system (200); and
In the carbon dioxide capture system 200,
- Collecting the supplied carbon dioxide-enriched gas in the carbon dioxide separation membrane device 40 by using a separation membrane collection method;
- liquefying the captured carbon dioxide in a liquefier (41);
Characterized in that it comprises a, high-concentration carbon dioxide capture method.
상기 이산화탄소 부화 가스 내의 이산화탄소의 농도는 20% 이상인 것을 특징으로 하는, 고농도 이산화탄소 포집 방법.
According to claim 1,
The high-concentration carbon dioxide capture method, characterized in that the concentration of carbon dioxide in the carbon dioxide-enriched gas is 20% or more.
상기 산소부화 공기는 상기 질소 분리막 장치를 통하여 질소 가스가 일부 분리되어, 압축 공기보다 산소 가스의 비율이 높은 것을 특징으로 하는, 고농도 이산화탄소 포집 방법.
According to claim 1,
The oxygen-enriched air is characterized in that nitrogen gas is partially separated through the nitrogen separation membrane device, so that the ratio of oxygen gas is higher than that of compressed air.
상기 질소 분리막 장치는 기체의 투과 속도 차이를 이용해 압축 공기 중의 질소와 산소를 분리하는 중공사형 질소 분리막 장치인 것을 특징으로 하는, 고농도 이산화탄소 포집 방법.
According to claim 1,
The nitrogen separation membrane device is a high-concentration carbon dioxide capture method, characterized in that a hollow fiber nitrogen separation membrane device for separating nitrogen and oxygen in compressed air using a difference in gas permeation rate.
상기 질소 분리막 장치는 상기 연료전지 시스템 외부에 별도로 설치되는 것을 특징으로 하는, 고농도 이산화탄소 포집 방법. According to claim 1,
The nitrogen separation membrane device is characterized in that installed separately outside the fuel cell system, high concentration carbon dioxide capture method.
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KR1020210170030A KR102523785B1 (en) | 2021-12-01 | 2021-12-01 | Apparatus and method of high concentration carbon dioxide capturing for fuel cell system |
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JP2004277214A (en) * | 2003-03-14 | 2004-10-07 | Cosmo Oil Co Ltd | Hydrocarbon reforming method |
KR101115333B1 (en) * | 2011-05-11 | 2012-03-06 | 한국기계연구원 | Fuel cell system |
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