KR20210114543A - 용융 탄산염 전해조 전지를 이용한 연소 터빈용 에너지 저장 - Google Patents
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Abstract
에너지 저장 시스템은 가열된 스윕 가스(sweep gas)를 배출하도록 구성된 연소 터빈; 천연 가스 및 증기를 공급받아 개질된 천연 가스를 배출하도록 구성된 개질기; MCEC 애노드 및 MCEC 캐소드를 포함하는 용융 탄산염 전해조 전지("MCEC")로서, 상기 MCEC는, 상기 MCEC 애노드가 상기 개질기로부터 개질된 천연 가스를 공급받고, 수소를 함유하는 MCEC 애노드 배기 가스를 배출하고, 상기 MCEC 캐소드가 상기 연소 터빈으로부터 가열된 스윕 가스를 공급받고 MCEC 캐소드 배기 가스를 배출하도록 구성된 수소 생산 모드에서 동작하도록 구성된, 상기 용융 탄산염 전해조 전지; 및 수소를 함유하는 상기 MCEC 애노드 배기 가스를 공급받도록 구성된 저장 탱크를 포함한다.
Description
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 미국 가출원 번호 62/806,995(출원일: 2019년 2월 18일, 전체 내용이 본 명세서에 기재된 것처럼 병합됨)의 이익 및 우선권을 주장한다.
기술 분야
본 출원은 일반적으로 연료 전지를 사용하는 에너지 저장 분야에 관한 것이다.
에너지 저장은 물 또는 탄화수소로부터 H2("수소")를 생산함으로써 수행될 수 있다. 기존의 수 전해조를 사용하여 에너지를 저장하는 것은 비효율적일 수 있으며, 연소 터빈으로부터 이용 가능한 온도보다 높은 온도 제어가 필요할 수 있으므로, 에너지를 저장하는 데 드는 비용과 에너지 소비량이 증가한다. 기존의 고온 및 실온 전해조에는 생산된 수소 킬로그램당 30kWh 내지 60kWh 정도의 전력 레벨이 필요할 수 있다.
본 발명의 시스템 및 방법은 잉여 에너지를 수소로서 저장하고 메탄으로부터 추가 수소를 생산할 수 있는 에너지 저장 시스템에 관한 것이다. 용융 탄산염 전해조 전지(molten carbonate electrolyzer cell: "MCEC")(개질기-전해조-정화기("REP")라고도 함)를 사용하여 H2를 생산할 수 있다. REP 및 이를 포함하는 시스템의 예는 본 출원의 양수인에게 양도된 PCT 공개 번호 WO 2015/116964에 설명되어 있다. 부분적으로 개질된 천연 가스 공급물과 증기를 MCEC에 공급할 때 이 기술을 사용하여 생산된 수소 킬로그램당 8kWh 미만의 전력 레벨을 달성할 수 있다.
일 실시형태는 가열된 스윕 가스(sweep gas)를 배출하도록 구성된 연소 터빈을 포함하는 에너지 저장 시스템에 관한 것이다. 에너지 저장 시스템은 천연 가스 및 증기를 공급받고, 부분적으로 개질된 천연 가스를 배출하도록 구성된 개질기를 더 포함한다. 에너지 저장 시스템은 MCEC를 더 포함한다. MCEC는 개질기로부터 부분적으로 개질된 천연 가스를 공급받도록 구성된 MCEC 애노드를 포함한다. MCEC 애노드는 개질기로부터 공급받는 부분적으로 개질된 천연 가스보다 많은 양의 수소를 함유하는 MCEC 애노드 배기 가스를 배출하도록 구성된다. MCEC는 연소 터빈으로부터 가열된 스윕 가스를 공급받도록 구성된 MCEC 캐소드를 포함한다. MCEC 캐소드는 MCEC 캐소드 배기 가스를 배출하도록 구성된다. MCEC는 수소 생산 모드에서 동작하도록 구성된다. 에너지 저장 시스템은 수소를 함유하는 MCEC 애노드 배기 가스를 공급받도록 구성된 저장 탱크를 더 포함한다.
상기 실시형태 및 양태와 임의의 조합으로 조합될 수 있는 에너지 저장 시스템의 일 양태에서, 전기화학 수소 압축기(electrochemical hydrogen compressor: "EHC")는 MCEC 애노드 배기 가스를 공급받도록 구성된 EHC 애노드를 포함한다. EHC는, 정화되고 가압된 수소-함유 스트림을 저장 탱크로 배출하도록 구성된 EHC 캐소드를 포함한다.
상기 실시형태 및 양태와 임의의 조합으로 조합될 수 있는 에너지 저장 시스템의 일 양태에서, EHC 애노드는 미회수 수소 및 비-수소 연료를 함유하는 EHC 애노드 배기 가스를 배출하도록 구성된다.
상기 실시형태 및 양태와 임의의 조합으로 조합될 수 있는 에너지 저장 시스템의 일 양태에서, 버너는 MCEC 캐소드 배기 가스 및 EHC 애노드 배기 가스를 공급받고 개질기의 온도를 증가시키도록 구성된다.
상기 실시형태 및 양태와 임의의 조합으로 조합될 수 있는 에너지 저장 시스템의 일 양태에서, 버너는 EHC 애노드 배기 가스 및 연소 터빈으로부터 가열된 스윕 가스를 공급받도록 구성된다. 버너는 MCEC 캐소드가 가열된 스윕 가스를 공급받기 전에 가열된 스윕 가스를 더 가열하도록 구성된다.
상기 실시형태 및 양태와 임의의 조합으로 조합될 수 있는 에너지 저장 시스템의 일 양태에서, 메탄화 촉매는 MCEC 애노드 배기 가스를 공급받고 MCEC 애노드 배기 가스 내의 일산화탄소를 메탄으로 전환하도록 구성된다.
상기 실시형태 및 양태와 임의의 조합으로 조합될 수 있는 에너지 저장 시스템의 일 양태에서, 연소 터빈은 예를 들어 저장에 이용 가능한 잉여 전력이 없을 때일 수 있는 경우와 같이 개질기로부터 개질된 천연 가스의 일부를 공급받도록 구성된다.
상기 실시형태 및 양태와 임의의 조합으로 조합될 수 있는 에너지 저장 시스템의 일 양태에서, 양성자 교환막(proton exchange membrane: PEM) 연료 전지는 MCEC로부터 MCEC 애노드 배기 가스를 공급받고 및/또는 저장 탱크로부터 수소-함유 스트림을 공급받고 전기를 출력하도록 구성된다.
상기 실시형태 및 양태와 임의의 조합으로 조합될 수 있는 에너지 저장 시스템의 일 양태에서, PEM 연료 전지는 미반응 연료를 배출하도록 구성된다. 버너는 MCEC 캐소드 배기 가스, (EHC가 시스템에 포함된 경우) EHC 애노드 배기 가스, 및 PEM 연료 전지로부터의 미반응 연료를 공급받고 개질기의 온도를 증가시키도록 구성된다.
상기 실시형태 및 양태와 임의의 조합으로 조합될 수 있는 에너지 저장 시스템의 일 양태에서, 압축기는 MCEC 애노드 배기 가스로부터 수소를 가압하고 수소를 저장하도록 구성된다.
상기 실시형태 및 양태와 임의의 조합으로 조합될 수 있는 에너지 저장 시스템의 일 양태에서, 양성자 교환막(PEM) 연료 전지는 EHC 캐소드 및/또는 저장 탱크로부터 정화된 수소-함유 스트림을 공급받고 전기를 출력하도록 구성된다. MCEC는 MCEC가 수소 생산 모드와 역으로 동작하는 전력 생산 모드에서 동작하도록 구성된다.
상기 실시형태 및 양태와 임의의 조합으로 조합될 수 있는 에너지 저장 시스템의 일 양태에서, 개질기는 개질기 및 열 회수 증기 생성기이고, 열 회수 증기 생성기로부터의 증기는 개질기로 공급된다.
상기 실시형태 및 양태와 임의의 조합으로 조합될 수 있는 에너지 저장 시스템의 일 양태에서, 증기는 저압 증기이다.
상기 실시형태 및 양태와 임의의 조합으로 조합될 수 있는 에너지 저장 시스템의 일 양태에서, 증기는 중압 증기이다.
또 다른 실시형태는 MCEC 애노드 및 MCEC 캐소드를 포함하는 용융 탄산염 전해조 전지("MCEC")를 이용하는 에너지 저장 방법으로서, MCEC는 수소 생산 모드에서 동작하도록 구성되고, 방법은 연소 터빈으로부터 가열된 스윕 가스를 배출하는 단계; 개질기에서 천연 가스 및 증기를 공급받아 개질된 천연 가스를 배출하는 단계; MCEC 애노드에서 개질기로부터 개질된 천연 가스를 공급받아 수소를 함유하는 MCEC 애노드 배기 가스를 배출하는 단계; MCEC 캐소드에서 연소 터빈으로부터 가열된 스윕 가스를 공급받고 MCEC 캐소드 배기 가스를 배출하는 단계; 및 저장 탱크에서 수소를 함유하는 MCEC 애노드 배기 가스를 공급받는 단계를 포함하는, 에너지 저장 방법에 관한 것이다.
상기 실시형태 및 양태와 임의의 조합으로 조합될 수 있는 에너지 저장 방법의 일 양태에서, 방법은 EHC 애노드에서 MCEC 애노드 배기 가스를 공급받는 단계; 및 EHC 캐소드로부터 정화된 수소-함유 스트림을 저장 탱크로 배출하는 단계를 더 포함한다.
상기 실시형태 및 양태와 임의의 조합으로 조합될 수 있는 에너지 저장 방법의 일 양태에서, 방법은 메탄화 촉매에서 MCEC 애노드 배기 가스를 공급받는 단계; 및 MCEC 애노드 배기 가스 내의 일산화탄소를 메탄으로 전환하는 단계를 더 포함한다.
상기 실시형태 및 양태와 임의의 조합으로 조합될 수 있는 에너지 저장 방법의 일 양태에서, 방법은 EHC 캐소드 및/또는 저장 탱크로부터 정화된 수소-함유 스트림을 공급받는 단계; 및 전기를 출력하는 단계를 더 포함한다.
상기 실시형태 및 양태와 임의의 조합으로 조합될 수 있는 에너지 저장 방법의 일 양태에서, 방법은 PEM 연료 전지로부터 잉여 연료를 배출하는 단계; MCEC 캐소드 배기 가스, EHC 애노드 배기 가스, 및 PEM 연료 전지로부터의 잉여 연료를 버너에서 공급받는 단계; 및 개질기의 온도를 증가시키는 단계를 더 포함한다.
도 1은 예시적인 실시형태에 따라 연소 터빈 결합 사이클 시스템과 통합된 에너지 저장 시스템의 개략도이다.
도 2는 예시적인 실시형태에 따라 개질기로부터 개질된 천연 가스의 일부를 연소 터빈으로 안내하는 에너지 저장 시스템의 다른 실시형태의 개략도이다.
도 3은 예시적인 실시형태에 따라 수소 저장용 압축기를 이용한 에너지 저장 시스템의 다른 실시형태의 개략도이다.
도 4는 에너지 저장 없이 연소 터빈 결합 사이클 플랜트를 도시하는 종래 기술의 개략도이다.
도 2는 예시적인 실시형태에 따라 개질기로부터 개질된 천연 가스의 일부를 연소 터빈으로 안내하는 에너지 저장 시스템의 다른 실시형태의 개략도이다.
도 3은 예시적인 실시형태에 따라 수소 저장용 압축기를 이용한 에너지 저장 시스템의 다른 실시형태의 개략도이다.
도 4는 에너지 저장 없이 연소 터빈 결합 사이클 플랜트를 도시하는 종래 기술의 개략도이다.
알려진 연소 터빈 결합 사이클 시스템의 개략도가 도 4에 도시되어 있다. 시스템(400)은 연소 터빈(420)(예를 들어, 가스 터빈)을 포함한다. 공기(410)는 압축 공기(418)를 생성하기 위해 터빈 압축기(416)를 통해 연소 터빈(420)에 공급된다. 천연 가스, 탈황 천연 가스 또는 기타 적절한 연료와 같은 연료(414)가 연소 터빈 버너(412)에 공급된다. 압축 공기(418)는 연료(414)와 혼합되고 연소되어 고온 가스(424)를 생성하고, 고온 가스는 전력을 생성하기 위해 터빈 팽창기(422)에 공급된다. 가열된 가스(426)는 연소 터빈(420)으로부터 배출되어 열 회수 증기 생성기(HRSG)(450)로 보내진다. HRSG에서 보일러 공급수(442)는 고압 증기(444)로 전환된다. 고압 증기(444)는 HRSG(450)로부터 배출되고 증기 터빈(460)으로 공급된다. 고압 증기(444)보다 낮은 압력의 증기(446)가 증기 터빈(460)으로부터 배출되어 증기 터빈(470)으로 공급된다. 시스템(400)의 효율을 증가시키기 위해 증기 터빈(460)과 증기 터빈(470)이 전력을 생산할 때 증기 터빈(460)과 증기 터빈(470)에서 고압 증기(444)의 압력이 감소된다. 증기(446)보다 낮은 압력(예를 들어, 대기압 미만)의 증기(447)가 증기 터빈(470)으로부터 배출되고 응축기(471)에 공급되며, 여기서 증기는 진공 하에 응축되고 응축수는 고압으로 다시 펌핑되어 보일러 공급수(442)로 사용될 수 있다. 전력 출력 및 전체 시스템 효율을 더 증가시키기 위해 종종 증기 터빈(도시되지 않음)들 사이에서 증기가 재가열된다.
이 시스템(400)이 비용 효율적이고 기저 부하 전력 생산에 효율적일 수 있지만, 시스템(400)은 효율성의 손실 없이 부하 추종 능력이 거의 없고 그리드(grid)로부터 잉여 전력을 저장할 능력이 없다. 따라서, 효율적인 에너지 저장 및 효율적인 피크 전력 생산을 제공하기 위해 연소 터빈 결합 사이클 시스템에 본 발명에서 설명된 MCEC 프로세스를 추가할 수 있다.
이하에서는 다양한 예시적인 실시형태에 따른 에너지 저장 시스템을 설명한다. 시스템은 연소 터빈(예를 들어, 가스 터빈)을 포함한다. 가스 터빈에서 생성된 가열된 스윕 가스는 천연 가스 및 증기를 개질하여 개질된 천연 가스를 생성하는 데 사용된다. 개질된 천연 가스는 수소-함유 스트림을 생성하는 용융 탄산염 전해조 전지("MCEC")(개질기-전해조-정화기("REP")라고도 함)에 공급된다. 수소-함유 스트림은 수소-함유 스트림을 더 정화하고 가압하기 위해 전기화학 수소 압축기("EHC")와 함께 사용될 수 있다. 수소-함유 스트림은 다양한 응용 분야에, 예를 들어, 피크 전력을 생산하기 위한 PEM 연료 전지에 사용하기 위해 저장 탱크에 저장될 수 있다.
에너지 저장 시스템은 가열된 스윕 가스를 개질기로 안내함으로써 연소 터빈으로부터 회수된 열을 유리하게 사용한다. 전기분해 수소에 더하여 메탄으로부터 수소를 생산함으로써 기존의 전기분해 시스템에 비해 적은 전력이 요구된다. 전력 소비량은 EHC가 없는 시스템에서는 생산된 수소 킬로그램당 8kWh 정도이고, EHC를 포함하는 시스템에서는 생산된 수소 킬로그램당 추가 5kWh 내지 15kWh 정도이고, 이는 물의 전기분해를 사용하고 생산된 수소 킬로그램당 45kWh 내지 60kWh의 전력 입력을 요구하는, 잉여 전력을 수소로 저장하는 일반적인 시스템보다 훨씬 낮다.
도 1을 참조하면. 예시적인 실시형태에 따른 에너지 저장 시스템(100)이 도시되어 있다. 시스템(100)은 연소 터빈(120)(예를 들어, 가스 터빈)을 포함한다. 공기(110)는 연소 터빈(120)에 공급된다. 천연 가스, 탈황 천연 가스 또는 기타 적절한 연료와 같은 연료(114)가 연소 터빈 버너(112)에 공급된다. 공기(110)는 연료(114)와 혼합되고 연소되어 가열된 스윕 가스(118)를 생성한다. 가열된 스윕 가스(118)는 연소 터빈(120)으로부터 배출된다.
시스템(100)은 증기 메탄 개질기 또는 다른 적절한 탄화수소 개질기를 포함할 수 있는 개질기 및 HRSG(150)를 추가로 포함한다. 보일러 공급수(142)가 개질기 및 HRSG(150)에 공급된다. 증기(144)는 개질기 및 HRSG(150)로부터 배출된다. 증기(144)는 추가 전력을 생산하기 위해 증기 터빈(160)에 공급된다. 증기 터빈(160)은 저압 증기(146)를 배출한다. 저압 증기(146)는 15 psia의 증기일 수 있다. 저압 증기(148)의 일부는 탈황 천연 가스와 같은 천연 가스(152) 또는 다른 적절한 연료와 혼합되어 저압 증기 및 천연 가스 혼합물(154)을 생성한다. 저압 증기 및 천연 가스 혼합물(154)은 개질기 및 HRSG(150)에 공급된다. 연소 터빈(120)에서 발생하는 가열된 스윕 가스(118)는 저압 증기 및 천연 가스 혼합물(154)을 개질하여 개질된 천연 가스(122)를 배출하는 데 사용된다. 천연 가스(152)와 혼합되지 않는 저압 증기(146)의 일부는 제2 증기 터빈(170)으로 공급된다. 증기 터빈(170)은 (예를 들어, 대기압 미만의) 초저압 증기(147)를 배출하고 이 증기는 응축기(171)에서 냉각됨으로써 진공 하에 응축된다.
시스템(100)은 MCEC(130)를 더 포함한다. 개질된 천연 가스(122)는 수소 생산 모드에서 동작하는 MCEC(130)에 공급된다. MCEC(130)는 연료 전지 스택에 형성된 복수의 전해조 연료 전지를 포함하는 MCEC 조립체일 수 있다. MCEC(130)는 MCEC 애노드(130A) 및 MCEC 캐소드(130B)를 포함한다. MCEC 애노드(130A)는 개질기 및 HRSG(150)로부터 개질된 천연 가스(122)를 공급받고, 수소를 함유하는 MCEC 애노드 배기 가스(124)를 배출한다. MCEC 캐소드(130B)는 연소 터빈(120)으로부터 가열된 스윕 가스(118)를 공급받고, MCEC 캐소드 배기 가스(126)를 배출한다.
연소 터빈(120)으로부터의 가열된 스윕 가스(118)는 MCEC 캐소드(130B)로 도입되고, 이는 MCEC 캐소드(130B)에서 CO2 및 O2의 농도를 감소시킨다. 이 프로세스는 MCEC(130)에 걸쳐 더 낮은 전압과 더 낮은 전력 소비를 초래한다. 부산물로 CO2 및 O2가 필요한 경우, 시스템(100)은 가열된 스윕 가스(118) 부분이 없이도 동작할 수 있다. 그러나 가열된 스윕 가스(118)를 사용하면 MCEC 캐소드(130B)에 균일한 온도를 유지하여 MCEC(130)의 수명을 최대화하는데 도움이 된다. MCEC 캐소드(130B)는 MCEC 캐소드 배기 가스(126)를 배출하고, 이 배기 가스는 개질기 및 HRSG(150)에 공급될 수 있다.
수소를 함유하는 MCEC 애노드 배기 가스(124)는 MCEC 애노드(130A)로부터 배출된다. 수소를 함유하는 MCEC 애노드 배기 가스(124)는 95% 내지 98% H2를 포함할 수 있다. MCEC 애노드 배기 가스(124)는 또한 잉여 연료를 함유할 수 있다. 예를 들어, MCEC 애노드 배기 가스는 건조 기준으로 2% 내지 5% CO2, 메탄 및 CO를 포함할 수 있다. MCEC 애노드 배기 가스(124)는 선택적인 메탄화 촉매(125)를 거쳐 통과할 수 있다. 메탄화 촉매(125)는 CO를 메탄으로 전환함으로써 MCEC 애노드 배기 가스(124)에서 본질적으로 모든 CO를 제거하고, 메탄화 촉매 배기 가스(127)를 배출하여, 가스를 EHC(140) 또는 PEM 연료 전지(180)에서 사용하기에 적합하게 할 수 있다. 메탄화가 포함되지 않은 경우 CO는 PEM 피크 전력 발전기에 사용되기 전에 다른 정화 공정을 통해 제거되어야 한다. 하나의 대체 정화 시스템은 압력 스윙 흡착 시스템(PSA)이다. 메탄화 촉매 후, MCEC 애노드 배기 가스는 전해조 모드에서 동작하는 PEM 연료 전지와 같은 EHC(140)로 전달되며, 이 EHC는 수소를 저장하기에 적합한 고압으로 전기화학적으로 펌핑하고, 메탄화 촉매 배기 가스(127)를 (예를 들어, 99.99% 이상의 H2로) 정화한다. EHC(140)는, MCEC 애노드 배기 가스(124) 또는 메탄화 촉매 배기 가스(127)를 공급받고 EHC 애노드 배기 가스(129)를 배출하도록 구성된 EHC 애노드(140A)를 포함한다. EHC 애노드 배기 가스(129)는 잉여 연료를 함유할 수 있고 버너(182)에 공급될 수 있다. 버너(182)는 개질기 및 HRSG(150)의 온도를 증가시키는 데 사용될 수 있다. EHC(140)는 가압된 정화된 수소-함유 스트림(128)을 배출하도록 구성된 EHC 캐소드(140B)를 포함한다.
정화된 수소-함유 스트림(128)은 저장되거나 수소를 필요로 하는 응용 분야에서 직접 사용될 수 있다. 예를 들어, 수소-함유 스트림(128)의 일부(132)는 저장 탱크(133)에 저장될 수 있고, 수소-함유 스트림의 일부(134)는 피크 전력 생산 동안 전기를 출력하도록 구성된 PEM 연료 전지(180)에서 사용될 수 있다. 정화된 수소-함유 스트림은 현재 전력 수요에 따라 저장 탱크(133)에 제어 가능하게 저장되거나 또는 PEM 연료 전지(180)로 즉시 보내질 수 있다.
이제 도 2를 참조하면, 제2 예시적인 실시형태에 따른 에너지 저장 시스템(200)이 도시되어 있다. 에너지 저장 시스템(200)에서, 부분적으로 개질된 천연 가스(213)는 도 1에 도시된 바와 같이 개질된 천연 가스(122)를 MCEC(130)에 공급하는 것보다 이용 가능한 잉여 전력이 없을 때 연소 터빈(220)으로 보내진다. 부분적으로 개질된 천연 가스(213)는 연소 터빈(220)의 효율을 증가시킨다. 또한, MCEC는 가열된 스윕 가스(218)에 의해 가열되고, 필요할 때 수소를 생산하고 전력을 저장할 준비가 된다. 시스템(200)은 연소 터빈(220)(예를 들어, 가스 터빈)을 포함한다. 공기(210)는 연소 터빈(220)에 공급된다. 천연 가스, 탈황 천연 가스 또는 기타 적절한 연료와 같은 연료(214)는 연소 터빈 버너(212)에 공급된다. 공기(210)는 연료(214)와 혼합되고 연소되어 가열된 스윕 가스(218)를 생성한다. 가열된 스윕 가스(218)는 연소 터빈(220)으로부터 배출된다.
시스템(200)은 증기 메탄 개질기 또는 다른 적절한 탄화수소 개질기를 포함할 수 있는 개질기 및 HRSG(250)를 더 포함한다. 보일러 공급수(242)는 개질기 및 HRSG(250)에 공급된다. 증기(244)는 개질기 및 HRSG(250)로부터 배출된다. 증기(244)는 증기 터빈(260)에 공급된다. 증기 터빈(260)은 중압 증기(246)를 배출한다(예를 들어, 이 압력은 개질된 천연 가스(213)를 가압된 연소 터빈 버너(212)로 공급할 수 있을 만큼 충분히 높은 200 psia임). 중압 증기(248)의 일부는 탈황 천연 가스와 같은 천연 가스(252) 또는 다른 적절한 연료와 혼합되어, 중압 증기 및 천연 가스 혼합물(254)을 생성한다. 중압 증기 및 천연 가스 혼합물(254)은 연소 터빈(220)에 공급할 만큼 충분히 높은 압력에서 동작하는 개질기 및 HRSG(250)에 공급된다. 개질기 및 HRSG(250)로부터 연소 터빈 버너(212)로 공급되는 부분적으로 개질된 연료(213)는 버너(212)에서 연료에 의해 방출되는 열량을 증가시켜 연료가 덜 필요하고 효율이 높아진다. 또한 개질기 및 HRSG(250)에서 잉여 증기는 연소 터빈 팽창기(221)에서 팽창될 때 전력 출력을 증가시킨다. 연소 터빈(220)에서 발생하는 가열된 스윕 가스(218)는 중압 증기 및 천연 가스 혼합물(254)을 개질하는 열을 제공하여 개질된 천연 가스(222)를 배출하는 데 사용된다. 천연 가스(252)와 혼합되지 않는 중압 증기(246)의 일부는 증기 터빈(270)에 공급된다. 증기 터빈(270)은 추가 전력을 배출하고 저압 증기(247)를 생성한다. 저압 증기(247)는 응축기(271)로 보내지고, 응축수는 보일러 공급수(242)로서 펌프를 통해 시스템(200)으로 재순환된다. 개질된 천연 가스(222)는 부분적으로 개질된 천연 가스의 전부이거나 또는 개질된 천연 가스(222)의 임의의 부분일 수 있다.
시스템(200)은 MCEC(230)를 더 포함한다. 개질된 천연 가스(222)는 수소 생산 모드에서 동작하는 MCEC(230)에 공급된다. MCEC(230)는 연료 전지 스택에 형성된 복수의 전해조 연료 전지를 포함하는 MCEC 조립체일 수 있다. MCEC(230)는 MCEC 애노드(230A) 및 MCEC 캐소드(230B)를 포함한다. MCEC 애노드(230A)는 개질기 및 HRSG(250)로부터 부분적으로 개질된 천연 가스(222)를 공급받고, 수소를 함유하는 MCEC 애노드 배기 가스(224)를 배출한다. MCEC 캐소드(230B)는 연소 터빈(220)으로부터 가열된 스윕 가스(218)를 공급받고, MCEC 캐소드 배기 가스(226)를 배출한다.
연소 터빈(220)으로부터의 가열된 스윕 가스(218)는 MCEC 캐소드(230B)에 도입될 수 있고, 이는 MCEC 캐소드(230B)에서 CO2 및 O2의 농도를 감소시킨다. 이 프로세스는 MCEC(230)에 걸쳐 더 낮은 전압과 더 낮은 전력 소비를 초래한다. CO2 및 O2가 부산물로 필요한 경우, 시스템(200)은 가열된 스윕 가스(218) 부분 없이도 동작할 수 있다. 그러나 가열된 스윕 가스(218)를 사용하면 MCEC 캐소드(230B)에 균일한 온도를 유지하여 MCEC(230)의 수명을 최대화하는데 도움이 될 수 있다. MCEC 캐소드(230B)는 MCEC 캐소드 배기 가스(226)를 배출하고, 이 배기 가스는 개질기 및 HRSG(250)에 공급될 수 있다.
수소를 함유하는 MCEC 애노드 배기 가스(224)는 MCEC 애노드(230A)로부터 배출된다. 수소를 함유하는 MCEC 애노드 배기 가스(224)는 95% 내지 98% H2를 포함할 수 있다. MCEC 애노드 배기 가스(224)는 또한 잉여 연료를 함유할 수 있다. 예를 들어, MCEC 애노드 배기 가스(224)는 건조 기준으로 2% 내지 5% CO2, 메탄 및 CO를 포함할 수 있다. MCEC 애노드 배기 가스(224)는 선택적인 메탄화 촉매(225)를 거쳐 통과할 수 있다. 메탄화 촉매(225)는 CO를 메탄으로 전환시켜 MCEC 애노드 배기 가스(224)에서 본질적으로 모든 CO를 제거하고, 메탄화 촉매 배기 가스(227)를 배출하여, 가스를 EHC(240) 또는 PEM 연료 전지(280)에 사용하기에 적합하게 할 수 있다. 메탄화 촉매는 CO 없는 MCEC 애노드 배기 가스를 생성하고, 이 배기 가스는 전해조 모드에서 동작하는 PEM 연료 전지와 같은 EHC(240)로 전달되고, EHC는 하나의 단계에서 수소를 고압으로 전기화학적으로 펌핑하고 메탄화 촉매 배기 가스(227)를 (예를 들어, 99.99% 이상의 H2로) 정화한다. EHC(240)는, MCEC 애노드 배기 가스(224) 또는 메탄화 촉매 배기 가스(227)를 공급받고 EHC 애노드 배기 가스(229)를 배출하도록 구성된 EHC 애노드(240A)를 포함한다. EHC 애노드 배기 가스(229)는 잉여 연료를 함유할 수 있고, 버너(282)에 공급될 수 있다. 버너(282)는 연소 터빈(220) 및 EHC 애노드 배기 가스(229)로부터 가열된 스윕 가스(218)를 공급받고, MCEC 캐소드(230B)가 가열된 스윕 가스(218)를 공급받기 전에 가열된 스윕 가스(218)를 추가로 가열하도록 구성될 수 있다. 버너(282)는 도 1에 도시된 바와 같이 개질기 및 HRSG(150) 대신에 MCEC(230)의 온도를 증가시키는 데 사용될 수 있다. EHC(240)는, 가압되고 정화된 수소-함유 스트림(228)을 배출하도록 구성된 EHC 캐소드(240B)를 포함한다.
정화된 수소-함유 스트림(228)은 저장되거나 수소를 필요로 하는 응용 분야에서 직접 사용될 수 있다. 예를 들어, 수소-함유 스트림(228)의 일부(232)는 저장 탱크(233)에 저장될 수 있고, 수소-함유 스트림의 일부(234)는 피크 전력 생산 동안 전기를 출력하도록 구성된 PEM 연료 전지(280)에서 사용될 수 있다. 정화된 수소-함유 스트림은 현재 전력 수요에 따라 저장 탱크(233)에 제어 가능하게 저장되거나 PEM 연료 전지(280)로 즉시 보내질 수 있다.
이제 도 3을 참조하면, 제3 예시적인 실시형태에 따른 에너지 저장 시스템(300)이 도시되어 있다. 에너지 저장 시스템(300)에서, EHC보다는 압축기(340)가 수소 저장 전에 사용된다. 이 구성에서, MCEC 애노드로부터의 수소-함유 스트림(예를 들어, 95% 내지 98% H2)은 저장 탱크(333) 및/또는 PEM(380)으로 보내진다. 시스템(300)은 연소 터빈(320)(예를 들어, 가스 터빈)을 포함한다. 공기(310)는 연소 터빈(320)에 공급된다. 천연 가스, 탈황 천연 가스 또는 다른 적절한 연료와 같은 연료(314)는 연소 터빈 버너(312)에 공급된다. 공기(310)는 연료(314)와 혼합되고 연소되어 가열된 스윕 가스(318)를 생성한다. 가열된 스윕 가스(318)는 연소 터빈(320)으로부터 배출된다.
시스템(300)은 증기 메탄 개질기 또는 다른 적절한 탄화수소 개질기를 포함할 수 있는 개질기 및 HRSG(350)를 더 포함한다. 보일러 공급수(342)는 개질기 및 HRSG(350)에 공급된다. 증기(344)는 개질기 및 HRSG(350)로부터 배출된다. 증기(344)는 증기 터빈(360)에 공급된다. 증기 터빈(360)은 저압 증기(346)를 배출한다. 저압 증기(346)는 15 psia의 증기일 수 있다. 저압 증기(348)의 일부는 탈황 천연 가스와 같은 천연 가스(352) 또는 다른 적절한 연료와 혼합되어 저압 증기 및 천연 가스 혼합물(354)을 생성한다. 저압 증기 및 천연 가스 혼합물(354)은 개질기 및 HRSG(350)에 공급된다. 연소 터빈(320)에서 발생하는 가열된 스윕 가스(318)는 저압 증기 및 천연 가스 혼합물(354)을 개질하는 데 필요한 열을 제공하여 개질된 천연 가스(322)를 배출하는 데 사용된다. 천연 가스(352)와 혼합되지 않는 저압 증기(346)의 일부는 제2 증기 터빈(370)에 공급된다. 증기 터빈(370)은 (예를 들어, 대기압 미만의) 초저압 증기(347)를 배출하고, 이 증기는 응축기(371)에서 냉각됨으로써 진공 하에서 응축된다.
시스템(300)은 MCEC(330)를 더 포함한다. 개질된 천연 가스(322)는 수소 생산 모드에서 동작하는 MCEC(330)에 공급된다. MCEC(330)는 연료 전지 스택에 형성된 복수의 전해조 연료 전지를 포함하는 MCEC 조립체일 수 있다. MCEC(330)는 MCEC 애노드(330A) 및 MCEC 캐소드(330B)를 포함한다. MCEC 애노드(330A)는 개질기 및 HRSG(350)로부터 개질된 천연 가스(322)를 공급받고, 수소를 함유하는 MCEC 애노드 배기 가스(324)를 배출한다. MCEC 캐소드(330B)는 연소 터빈(320)으로부터 가열된 스윕 가스(318)를 공급받고, MCEC 캐소드 배기 가스(326)를 배출한다.
연소 터빈(320)으로부터의 가열된 스윕 가스(318)는 MCEC 캐소드(330B)로 도입되고, 이는 MCEC 캐소드(330B)에서 CO2 및 O2의 농도를 감소시킨다. 이 프로세스는 MCEC(330)에 걸쳐 더 낮은 전압과 더 낮은 전력 소비를 초래한다. CO2 및 O2가 부산물로 필요한 경우 시스템(300)은 가열된 스윕 가스(318) 부분이 없이도 동작할 수 있다. 그러나 가열된 스윕 가스(318)를 사용하면 MCEC 캐소드(330B)에 균일한 온도를 유지하여 MCEC(330)의 수명을 최대화하는데 도움이 될 수 있다. MCEC 캐소드(330B)는 MCEC 캐소드 배기 가스(326)를 배출하고, 이 배기 가스는 개질기 및 HRSG(350)에 공급될 수 있다.
수소를 함유하는 MCEC 애노드 배기 가스(324)는 MCEC 애노드(330A)로부터 배출된다. MCEC 애노드 배기 가스(324)는 95% 내지 98% H2를 포함할 수 있다. MCEC 애노드 배기 가스(324)는 또한 잉여 연료를 함유할 수 있다. 예를 들어, MCEC 애노드 배기 가스(324)는 건식 기준으로 2% 내지 5% CO2, 메탄, 및 CO를 포함할 수 있다. MCEC 애노드 배기 가스(324)는 선택적인 메탄화 촉매(325A)를 거쳐 통과할 수 있다. 메탄화 촉매(325A)는 CO를 메탄으로 전환하여 MCEC 애노드 배기 가스(324)에서 본질적으로 모든 CO를 제거하고, 메탄화 촉매 배기 가스(327)를 배출하여, 가스를 PEM 연료 전지(380)에 사용하기에 적합하게 할 수 있다. MCEC 애노드 배기 가스(234)가 냉각될 때 MCEC 애노드 배기 가스(324)는, 본질적으로 모든 CO를 제거하고 MCEC 애노드 배기 가스(324)를 PEM 전력 발전기에서 연료로 사용하기에 적합하게 하기 위해 메탄화될 수 있다. 대안적으로, CO는 배기 가스 압축기(340)의 하류에서 PSA(325B)에 의해 제거될 수 있다.
MCEC 애노드 배기 가스(324)는 압축기(340)에 공급될 수 있다. 압축기(340)는 가압된 수소-함유 스트림(328)을 배출한다. 수소-함유 스트림(328)은 저장되거나 수소를 필요로 하는 응용 분야에서 직접 사용될 수 있다. 예를 들어, 수소-함유 스트림(328)의 일부(332)는 저장 탱크(333)에 저장될 수 있고, 수소-함유 스트림의 일부(334)는 피크 전력 생산 동안 전기를 출력하도록 구성된 PEM 연료 전지(380)에서 사용될 수 있다. 수소-함유 스트림은 현재 전력 수요에 따라 저장 탱크(333)에 제어 가능하게 저장되거나 PEM 연료 전지(380)로 즉시 보내질 수 있다. 일반적으로 피크 전력 수요 동안 전력을 사용하는 MCEC(330)는 꺼지고, 생산되는 순 전력을 최대화하기 위해 PEM 연료 전지는 저장 탱크(333)로부터 공급받는다. 일부 경우에 MCEC(330)는 피크 전력 생산을 추가로 증가시키기 위해 전력을 생산하는 방식으로 동작된다.
저장 탱크(333) 및/또는 PEM 연료 전지(380)에 공급받은 수소의 순도는 전술한 처음 2개의 실시형태에서보다 낮지만, EHC를 제거하는 것은 더 낮은 비용 옵션을 제공한다. 저장 탱크(333)에 저장된 수소는 대략 95% 내지 98% H2이기 때문에, PEM 연료 전지(380)는 잉여 연료(335)(예를 들어, 수소 연료 및 비-수소 연료)를 배출할 수 있다. 잉여 연료(335)는 버너(382)에 공급될 수 있고, 버너는 개질기 및 HRSG(350)를 가열하는데 사용될 수 있다.
특정 실시형태에 따르면, MCEC(130, 230, 330)는 MCEC(130, 230, 330)가 수소 생산 모드와 역으로 동작하는 전력 생산 모드에서 동작할 수 있다. MCEC(130, 230, 330)가 역으로 동작하면 MCEC(130, 230, 330)는 기존의 연료 전지로 동작하여 수소를 연료로 공급받아 전력을 생성할 수 있다.
본 명세서에서 사용된 "대략", "약", "실질적으로"라는 용어 및 유사한 용어는 본 발명이 속하는 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 일반적으로 이해하고 사용하는 의미와 일치하는 넓은 의미를 갖는 것으로 의도된다. 본 발명을 검토하는 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 용어는 이러한 특징의 범위를 본 명세서에 제공된 정밀한 수치 범위로 제한함이 없이 본 명세서에 설명되고 청구범위에 청구된 특정 특징을 설명하는 것으로 의도된 것으로 이해된다. 따라서, 본 명세서에 설명되고 청구범위에 청구된 본 발명의 중요하지 않거나 대수롭지 않은 수정 또는 변경은 첨부된 청구범위에 한정된 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 간주되는 것을 나타내는 것으로 이러한 용어를 해석하여야 한다.
다양한 실시형태를 설명하기 위해 본 명세서에 사용된 "예시적인"이라는 용어는 이러한 실시형태가 가능한 실시형태의 가능한 예, 표현 및/또는 예시임을 나타내는 것으로 의도된 것임에 유의해야 한다(그리고 이러한 용어는 이러한 실시형태는 필연적으로 예외적이거나 최상의 예인 것을 나타내는 것으로 의도된 것이 아니다).
본 명세서에 사용된 "결합된", "연결된" 등의 용어는 두 부재가 서로 직접 또는 간접 접합된 것을 의미한다. 이러한 접합은 고정식(예를 들어, 영구적) 또는 이동식(예를 들어, 제거 가능 또는 해제 가능)일 수 있다. 이러한 접합은 2개의 부재 또는 2개의 부재와 추가 중간 부재가 서로 단일 부재 몸체로서 일체형으로 형성되거나 또는 2개의 부재 또는 2개의 부재와 임의의 추가 중간 부재가 서로 부착된 것에 의해 달성될 수 있다.
본 명세서에서 요소의 위치(예를 들어, "상부", "하부", "위", "아래" 등)의 언급은 단지 도면에서 다양한 요소의 배향을 설명하는 데 사용된다. 다양한 요소의 배향은 다른 예시적인 실시형태에 따라 다를 수 있으며, 이러한 변경은 본 발명에 포함되도록 의도된다는 점에 유의해야 한다.
본 발명을 바람직한 실시형태와 관련하여 설명하였지만, 본 발명의 범위 및 사상 내에 있는 다양한 다른 실시형태 및 변형이 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자에게 발생할 수 있고, 이러한 다른 실시형태 및 변형이 대응하는 청구 범위에 포함되도록 의도된 것으로 이해된다. 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 본 명세서에 설명된 본 발명의 신규한 내용 및 이점을 실질적으로 벗어나지 않고 (예를 들어, 크기, 구조, 파라미터 값의 변화, 장착 배열, 재료 사용, 배향, 제조 공정 등에서) 많은 수정이 가능하다는 것을 쉽게 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 임의의 프로세스 또는 방법 단계의 순서 또는 서열은 대안적인 실시형태에 따라 변경되거나 재배열될 수 있다. 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 다양한 예시적인 실시형태의 설계, 동작 조건 및 배열에서 다른 대체, 수정, 변경 및 생략이 또한 이루어질 수 있다.
Claims (20)
- 에너지 저장 시스템으로서,
가열된 스윕 가스(sweep gas)를 배출하도록 구성된 연소 터빈;
천연 가스 및 증기를 공급받아 개질된 천연 가스를 배출하도록 구성된 개질기;
용융 탄산염 전해조 전지(molten carbonate electrolyzer cell: "MCEC") 애노드 및 MCEC 캐소드를 포함하는 MCEC로서, 상기 MCEC는,
상기 MCEC 애노드가 상기 개질기로부터 개질된 천연 가스를 공급받고, 수소를 함유하는 MCEC 애노드 배기 가스를 배출하고,
상기 MCEC 캐소드가 상기 연소 터빈으로부터 가열된 스윕 가스(sweep gas)를 공급받고 MCEC 캐소드 배기 가스를 배출하도록 구성된,
수소 생산 모드에서 동작하도록 구성된, 상기 용융 탄산염 전해조 전지; 및
수소를 함유하는 상기 MCEC 애노드 배기 가스를 공급받도록 구성된 저장 탱크
를 포함하는, 에너지 저장 시스템. - 제1항에 있어서,
전기화학 수소 압축기(electrochemical hydrogen compressor: "EHC")를 더 포함하되, 상기 전기화학 수소 압축기는,
상기 MCEC 애노드 배기 가스를 공급받도록 구성된 EHC 애노드, 및
정화된 수소-함유 스트림을 상기 저장 탱크로 배출하도록 구성된 EHC 캐소드
를 포함하는, 에너지 저장 시스템. - 제2항에 있어서, 상기 EHC 애노드는 잉여 연료를 함유하는 EHC 애노드 배기 가스를 배출하도록 구성된, 에너지 저장 시스템.
- 제3항에 있어서,
상기 MCEC 캐소드 배기 가스 및 상기 EHC 애노드 배기 가스를 공급받고 상기 개질기의 온도를 증가시키도록 구성된 버너를 더 포함하는, 에너지 저장 시스템. - 제3항에 있어서,
상기 연소 터빈으로부터 가열된 스윕 가스 및 상기 EHC 애노드 배기 가스를 공급받고, 상기 MCEC 캐소드가 가열된 스윕 가스를 공급받기 전에 가열된 스윕 가스를 더 가열하도록 구성된 버너를 더 포함하는, 에너지 저장 시스템. - 제2항에 있어서,
상기 MCEC 애노드 배기 가스를 공급받고 상기 MCEC 애노드 배기 가스 내의 일산화탄소를 메탄으로 전환하도록 구성된 메탄화 촉매를 더 포함하는, 에너지 저장 시스템. - 제2항에 있어서,
상기 EHC 캐소드 및/또는 상기 저장 탱크로부터 정화된 수소-함유 스트림을 공급받고 전기를 출력하도록 구성된 양성자 교환막(proton exchange membrane: PEM) 연료 전지를 더 포함하는, 에너지 저장 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 MCEC로부터 상기 MCEC 애노드 배기 가스를 공급받고 및/또는 상기 저장 탱크로부터 수소-함유 스트림을 공급받고 전기를 출력하도록 구성된 양성자 교환막(PEM) 연료 전지를 더 포함하는, 에너지 저장 시스템. - 제8항에 있어서,
상기 PEM 연료 전지는 잉여 연료를 배출하도록 구성되고,
상기 에너지 저장 시스템은 상기 MCEC 캐소드 배기 가스, EHC 애노드 배기 가스, 및 상기 PEM 연료 전지로부터의 잉여 연료를 공급받고 상기 개질기의 온도를 증가시키도록 구성된 버너를 더 포함하는, 에너지 저장 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 MCEC 애노드 배기 가스로부터 수소를 공급받고 수소를 가압하도록 구성된 압축기를 더 포함하는, 에너지 저장 시스템. - 제1항에 있어서, 상기 연소 터빈은 상기 개질기로부터 개질된 천연 가스의 일부를 공급받도록 구성된, 에너지 저장 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 MCEC는 상기 MCEC가 상기 수소 생산 모드와 역으로 동작하는 전력 생산 모드에서 동작하도록 구성된, 에너지 저장 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 개질기는 개질기 및 열 회수 증기 생성기이고, 상기 열 회수 증기 생성기로부터의 증기는 상기 개질기에 공급되는, 에너지 저장 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 증기는 저압 증기인, 에너지 저장 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 증기는 중압 증기인, 에너지 저장 시스템.
- 용융 탄산염 전해조 전지("MCEC") 애노드 및 MCEC 캐소드를 포함하는 MCEC를 이용하는 에너지 저장 방법으로서, 상기 MCEC는 수소 생산 모드에서 동작하도록 구성되고, 상기 방법은,
연소 터빈으로부터 가열된 스윕 가스를 배출하는 단계;
개질기에서 천연 가스 및 증기를 공급받고 상기 개질기로부터 개질된 천연 가스를 배출하는 단계;
상기 MCEC 애노드에서 상기 개질기로부터 개질된 천연 가스를 공급받고 상기 MCEC 애노드로부터 수소를 함유하는 MCEC 애노드 배기 가스를 배출하는 단계;
상기 MCEC 캐소드에서 상기 연소 터빈으로부터 가열된 스윕 가스를 공급받고 상기 MCEC 캐소드로부터 MCEC 캐소드 배기 가스를 배출하는 단계; 및
저장 탱크에서 수소를 함유하는 상기 MCEC 애노드 배기 가스를 공급받는 단계를 포함하는, 에너지 저장 방법. - 제16항에 있어서, 전기화학 수소 압축기("EHC")를 더 포함하고, 상기 방법은,
EHC 애노드에서 상기 MCEC 애노드 배기 가스를 공급받는 단계; 및
EHC 캐소드로부터 정화된 수소-함유 스트림을 상기 저장 탱크로 배출하는 단계
를 포함하는, 에너지 저장 방법. - 제17항에 있어서,
메탄화 촉매에서 상기 MCEC 애노드 배기 가스를 공급받는 단계; 및
상기 MCEC 애노드 배기 가스 내의 일산화탄소를 메탄으로 전환하는 단계
를 포함하는, 에너지 저장 방법. - 제17항에 있어서,
상기 EHC 캐소드 및/또는 상기 저장 탱크로부터 정화된 수소-함유 스트림을 공급받는 단계; 및
전기를 출력하는 단계
를 포함하는, 에너지 저장 방법. - 제17항에 있어서,
양성자 교환막(PEM) 연료 전지로부터 잉여 연료를 배출하는 단계;
상기 MCEC 캐소드 배기 가스, EHC 애노드 배기 가스, 및 상기 PEM 연료 전지로부터의 잉여 연료를 버너에서 공급받아 상기 버너를 사용하여 상기 개질기의 온도를 증가시키는 단계
를 포함하는, 에너지 저장 방법.
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Free format text: TRIAL NUMBER: 2022101001508; TRIAL DECISION FOR APPEAL AGAINST DECISION TO DECLINE REFUSAL REQUESTED 20220823 Effective date: 20230127 |