KR100661920B1 - 부하대응 운전이 가능한 연료전지 및 그 운전 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 의한 부하대응 운전이 가능한 연료전지 및 그 운전 방법은, 연료극과 공기극을 구비하여 수소와 산소의 전기화학적 반응으로 전기를 생성하는 스택부와, 상기 스택부의 연료극으로 공급되는 연료의 공급량을 조절하는 연료공급부와, 상기 스택부의 공기극으로 공급되는 공기의 공급량을 조절하는 공기공급부와, 상기 스택부에서 생성하는 전기를 부하에 공급할 수 있도록 변환하는 전기출력부와, 상기 전기출력부에서 부하에 공급되고 남은 잔여전력량과 상용전원을 통해 공급되는 보충전력량을 함께 검출하는 전력계량부와, 상기 전력계량부에서 검출되는 잔여전력량과 보충전력량의 차이를 계산하여 상기 스택부의 전기생산량을 조절하는 제어부를 포함함으로써, 부하가 필요로 하는 전력량을 정확하게 계산하여 그에 맞게 연료전지를 구동시켜 연료전지의 운전 시스템을 최적화할 수 있을 뿐만 아니라 효율을 극대화할 수 있다.

Description

부하대응 운전이 가능한 연료전지 및 그 운전 방법{FUEL CELL POSSIBLE LOAD COUNTERMOVE WORKING AND WORKING METHOD THEREOF}
도 1은 종래 연료전지의 일례를 보인 계통도,
도 2는 본 발명 연료전지의 일례를 보인 계통도,
도 3은 본 발명 연료전지에서 부하대응 제어과정을 보인 순서도.
** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **
110 : 개질부 120 : 연료공급부
122 : 연료공급펌프 130 : 공기공급부
132 : 공기공급펌프 140 : 스택부
150 : 전기출력부 160 : 열교환부
170 : 전력계량부 171 : 계량기
172,173 : 제1,제2 전력센서 180 : 제어부
본 발명은 연료전지에 관한 것으로, 특히 연료전지에서 생산하는 전기를 부하에 맞게 조절하여 효율을 극대화할 수 있는 부하대응 운전이 가능한 연료전지 및 그 운전방법에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지(FUEL CELL SYSTEM)는 연료가 가지고 있는 에너지를 직접 전기적 에너지로 변환하는 장치로서, 이러한 연료전지는 통상 고분자 전해질 막을 중심으로 양쪽에 각각 양극(ANODE)과 음극(CATHODE)을 설치하고, 양극(산화전극 또는 연료극)에서는 연료인 수소의 전기화학적 산화가, 그리고 음극(환원전극 또는 공기극)에서는 산화제인 산소의 전기화학적 환원이 일어나면서 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기에너지를 발생되도록 하는 전지계로서 일종의 발전장치라고 할 수 있다.
도 1은 LNG, LPG, CH3OH 등의 탄화수소계(CH계열) 연료(도면은 LNG)를 개질기에서 탈황공정→개질반응→수소정제공정을 거쳐 수소(H2)만을 정제하여 연료로 사용하는 PEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)방식의 연료전지를 보인 계통도이다.
이에 도시한 바와 같이 종래의 연료전지는, LNG에서 수소를 정제하는 개질부(10)와, 개질부(10)에 연료극을 연결하여 정제된 수소를 후술할 연료극에 공급하는 연료공급부(20)와, 대기중의 공기를 후술할 공기극에 공급하는 공기공급부(30)와, 수소를 공급받는 연료극(41)과 공기를 공급받는 공기극(42)을 구비하여 수소와 공기의 전기화학적 반응으로 전기와 열을 생산하는 스택부(40)와, 스택부(40)의 출력측에 연결하여 전기를 부하에 공급하는 전기출력부(50)와, 개질부(10)와 스택부(40)에 물을 공급하여 그 개질부(10)와 스택부(40)를 냉각하는 열교환부(60)와, 각 부에 전기적으로 연결하여 제어하는 제어부(미도시)로 구성하고 있다.
전기출력부(50)는 스택부에서 생성되는 DC를 스위칭시켜 AC로 만들고 이 AC를 정류하여 다시 DC로 만드는 DC-DC 컨버터(51)와, DC를 AC로 변환하여 AC전원용 전기제품에 공급하는 인버터(Inverter)(52)로 이루어져 있다.
도면중 미설명 부호인 21은 연료공급라인, 22는 연료공급펌프, 31은 공기공급라인, 32는 공기공급펌프, 61은 저탕조, 62는 물순환라인, 63은 방열기, 64는 물순환펌프이다.
상기와 같은 종래 연료전지는 다음과 같이 동작한다.
즉, 개질기(10)에서 탄화수소계열의 연료를 개질하여 수소를 정제하고 이 수소를 스택부(40)의 연료극(41)으로 공급하는 한편 공기를 스택부(40)의 공기극(42)으로 공급함으로써 연료극(41)에서는 산화반응이, 공기극(42)에서는 환원반응이 일어나게 한다. 이 과정에서 생성되는 전자가 연료극(41)에서 공기극(42)으로 이동하면서 전기를 발생시키고, 그 전기는 전기출력부(50)의 DC-DC 컨버터(51)에서 DC를 스위칭시켜 AC로 만들고 이 AC를 코일,트랜스,커패시턴스 등으로 승압 또는 강압시킨 다음 다시 정류시켜 DC로 만든 후 인버터(52)에서 DC를 AC로 변환하여 각종 AC전원용 부하에 공급한다.
여기서, 전체 부하가 연료전지에서 생성되는 전력량 보다 많은 경우에는 상용전원을 이용하여 상기한 전체 부하에 필요한 전력량을 보충하는 것이었다.
그러나, 상기와 같은 종래 연료전지에 있어서는, 일반 가정이나 건물에서 연료전지를 전원으로 사용하는 경우 실제 사용되는 부하가 매시간 마다 가변되면서 전기의 과잉생산이나 부족생산을 초래할 우려가 있었다. 예컨대, 가정에서 사용하는 가전제품 중에서 일부는 일시적으로 사용하는 것으로 이런 가전제품을 사용할 때에는 전력 사용량이 증가하였다가 사용하지 않을 때에는 전력 사용량이 감소하게 된다. 이 경우 특히 전기의 판매가 불가능한 국가나 지역에서는 연료전지에서 생산하는 전력량을 전체 부하의 변화에 대응하여 가감하지 않으면 불필요한 전기를 생산하는 결과를 초래하거나 이를 감안하여 과용량의 연료전지를 마련하게 되므로 불필요한 비용을 지출하게 되는 것이었다.
본 발명은 상기와 같은 종래 연료전지가 가지는 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 실제 사용되는 부하의 변동에 따른 전기의 생산량을 조절할 수 있는 부하대응 운전이 가능한 연료전지 및 그 운전 방법을 제공하려는데 본 발명의 목적이 있다.
본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 연료극과 공기극을 구비하여 수소와 산소의 전기화학적 반응으로 전기를 생성하는 스택부와, 상기 스택부의 연료극으로 공급되는 연료의 공급량을 조절하는 연료공급부와, 상기 스택부의 공기극으로 공급되는 공기의 공급량을 조절하는 공기공급부와, 상기 스택부에서 생성하는 전기를 부하에 공급할 수 있도록 변환하는 전기출력부와, 상기 전기출력부에서 부하에 공급되고 남은 잔여전력량과 상용전원을 통해 공급되는 보충전력량을 함께 검출하는 전력계량부와, 상기 전력계량부에서 검출되는 잔여전력량과 보충전력량의 차이를 계산하여 상기 스택부의 전기생산량을 조절하는 제어부를 포함한 것을 특징으로 하는 부하대응 운전이 가능한 연료전지를 제공한다.
또, 앞에서의 전력계량부에 해당하는 제1 전력센서를 통해 연료전지의 전기생산량을 검출하는 단계와, 제2 전력센서를 통해 잔여전력량과 보충전력량의 차이를 검출하는 단계와, 잔여전력량이 많은 경우에는 상기 연료공급부와 공기공급부를 조절하여 상기 스택부의 연료극과 공기극으로 공급되는 연료와 공기의 공급량을 감소시키는 반면 보충전력량이 많은 경우에는 상기 스택부의 연료극과 공기극으로 공급되는 연료와 공기의 공급량을 증가시키는 단계를 반복 수행하는 것을 특징으로 하는 부하대응 운전이 가능한 연료전지의 운전 방법을 제공한다.
이하, 본 발명에 의한 부하대응 운전이 가능한 연료전지 및 그 운전 방법을 첨부도면에 도시한 일실시예에 의거하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명 연료전지의 일례를 보인 계통도이고, 도 3은 본 발명 연료전지에서 부하대응 제어과정을 보인 순서도이다.
이에 도시한 바와 같이 본 발명에 의한 연료전지는, LNG에서 수소를 정제하는 개질부(110)와, 개질부(110)에 연료극을 연결하여 정제된 수소를 후술할 연료극에 공급하는 연료공급부(120)와, 대기중의 공기를 후술할 공기극에 공급하는 공기공급부(130)와, 수소를 공급받는 연료극(141)과 공기를 공급받는 공기극(142)을 구비하여 수소와 공기의 전기화학적 반응으로 전기와 열을 생산하는 스택부(140)와, 스택부(140)의 출력측에 연결하여 전기를 부하에 공급하는 전기출력부(150)와, 개질부(110)와 스택부(140)에 물을 공급하여 그 개질부(110)와 스택부(140)를 냉각하 는 열교환부(160)와, 전기출력부(150)에서 부하에 공급되고 남은 잔여전력량과 상용전원을 통해 공급되는 보충전력량을 함께 검출하는 전력계량부(170)와, 전력계량부(170)에서 검출되는 잔여전력량과 보충전력량의 차이를 계산하여 상기 스택부(140)의 전기생산량을 조절하는 제어부(180)를 포함한다.
연료공급부(120)와 공기공급부(130)는 각각 스택부(140)의 연료극(141)과 공기극(142)에 연결하는 연료공급라인(121)과 공기공급라인(131)을 구비하고, 연료공급라인(121)과 공기공급라인(131)의 중간에는 연료의 공급량과 공기의 공급량을 조절할 수 있도록 연료공급펌프(122)와 공기공급펌프(132)를 각각 구비하여 이루어진다. 여기서, 연료공급펌프(122)는 개질부(110)의 전류측에 설치할 수도 있고 개질부(110)의 후류측에 설치할 수도 있다.
스택부(140)는 전해질막을 사이에 두고 연료극(141)과 공기극(142)을 배치하고, 그 연료극(141)과 공기극(142)의 바깥면에 각각 연료유로와 공기유로를 구비한 분리판(미도시)을 설치하여 단위셀을 형성하며 이 단위셀을 겹겹이 적층하여 이루어진다.
전기출력부(150)는 스택부(140)에서 생성되는 DC를 스위칭시켜 AC로 만들고 이 AC를 정류하여 다시 DC로 만드는 DC-DC 컨버터(151)와, DC를 AC로 변환하여 AC전원용 전기제품에 공급하는 인버터(Inverter)(152)로 이루어진다.
전력계량부(170)는 연료전지의 전기출력부(150)와 상용전원 사이에 설치하여 각종 부하의 전력사용량을 검출하는 계량기(171)와, 전기출력부(150)의 출력단에 설치하여 그 전기출력부(150)를 통해 생산되는 전력량을 검출하여 제어부(180)에 신호를 전달하는 제1 전력센서(172)와, 계량기(171)와 부하 사이에 설치하여 연료전지를 통해 각종 부하로 공급되고 남은 잔여전력량 또는 상용전원에서 각종 부하로 공급되는 보충전력량을 검출하는 제2 전력센서(173)로 이루어진다.
제1 전력센서(172)와 제2 전력센서(173)는 모두 전류센서로 이루어지거나 또는 전류센서와 전압센서의 혼합센서로 이루어질 수 있다.
제어부(180)는 잔여전력량과 보충전력량의 차이에 따라 연료와 공기의 공급량을 조절할 수 있도록 상기 연료공급펌프(121)와 공기공급펌프(131)에 전기적으로 연결하는 것으로, 제1 전력센서(172)를 바로 읽어 자료를 교환할 수 있도록 하거나 또는 통신 프로토콜을 이용하여 자료를 교환할 수 있도록 이루어진다.
도면중 미설명 부호인 161은 저탕조, 162는 물순환라인, 163은 방열기, 164는 물순환펌프이다.
도면중 종래와 동일한 부분에 대하여는 동일한 부호를 부여하였다.
상기와 같은 본 발명 부하대응 운전이 가능한 연료전지 및 그 운전 방법의 작용효과는 다음과 같다.
즉, 제어부(180)가 지령하여 스택부(140)가 반응을 하면, 그 스택부(140)에서 전기와 함께 열이 발생하여 전기는 전기출력부(150)를 통해 가정이나 사무실 등에서 필요로 하는 전기에너지로 활용되는 반면 열은 난방이나 온수시스템과 연결하여 열에너지로 활용된다.
이때, 연료전지에 연결하여 전기를 공급받는 가전제품의 일부는 일시적으로 사용하는 것으로 사용자의 사용빈도에 따라 전체 부하에서 필요로 하는 전력량이 연료전지에서 생산하는 전력량에 비해 많을 수도 있고 적을 수도 있으므로 본 발명에서는 연료전지의 제어부(180)가 전력생산량과 전력사용량을 지속적으로 관리하면서 항상 적정량의 전기가 연료전지에서 생산될 수 있도록 하는 것이다.
예를 들어, 도 2 및 도 3에서와 같이 제1 전력센서(172)가 연료전지에서 생산하는 전력량을 검출하는 동시에 제2 전력센서(173)는 전체 부하에 공급되고 남은 잔여전력량 또는 연료전지를 통해 생산된 전력량으로는 전체 부하에 모두 공급되지 못하여 상용전원에서 부하에 공급되는 보충전력량을 검출하고, 이 제2 전력센서(173)에서 검출된 값을 토대로 제어부(180)에서는 제1 전력센서(172)에서 검출된 현재의 전력생산량과 비교하여 연료전지에서 생산할 전기의 적정량을 계산한 후 그 추가량 또는 감축량 만큼 연료와 공기의 공급량을 가감할 수 있도록 연료공급펌프(122)와 공기공급펌프(1132)의 개폐량을 조절하며, 이와 함께 전기출력부(150)의 DC-DC컨버터(151)와 인버터(152)에도 각각 전력의 출력량을 가감할 수 있는 지령함으로써 연료전지가 항상 적정량의 전기를 생산할 수 있도록 하는 것이다.
이렇게 하여, 부하에서 필요로하는 전력량만큼을 생산하여 불필요한 전력생산에 소요되는 연료량을 줄이고 이를 통해 연료전지의 운전 시스템을 최적화할 수 있을 뿐만 아니라 효율을 높일 수 있다.
본 발명에 의한 부하대응 운전이 가능한 연료전지 및 그 운전 방법은, 부하가 필요로 하는 전력량을 정확하게 계산하여 그에 맞게 연료전지를 구동시킴으로써, 연료전지의 운전 시스템을 최적화할 수 있을 뿐만 아니라 효율을 극대화할 수 있다.

Claims (4)

  1. 연료극과 공기극을 구비하여 수소와 산소의 전기화학적 반응으로 전기를 생성하는 스택부와,
    상기 스택부의 연료극으로 공급되는 연료의 공급량을 조절하는 연료공급부와,
    상기 스택부의 공기극으로 공급되는 공기의 공급량을 조절하는 공기공급부와,
    상기 스택부에서 생성하는 전기를 부하에 공급할 수 있도록 변환하는 전기출력부와,
    상기 전기출력부에서 부하에 공급되고 남은 잔여전력량과 상용전원을 통해 공급되는 보충전력량을 함께 검출하는 전력계량부와,
    상기 전력계량부에서 검출되는 잔여전력량과 보충전력량의 차이를 계산하여 상기 스택부의 전기생산량을 조절하는 제어부를 포함한 것을 특징으로 하는 부하대응 운전이 가능한 연료전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전력계량부는 각종 부하의 전력사용량을 검출하는 계량기와, 상기 전기출력부의 출력단에 설치하여 그 전기출력부를 통해 생산되는 전력량을 검출하여 제어부에 신호를 전달하는 제1 전력센서와, 상기 계량기와 부하 사이에 설치하여 연 료전지를 통해 각종 부하로 공급되고 남은 잔여전력량 또는 상용전원에서 각종 부하로 공급되는 보충전력량을 검출하는 제2 전력센서로 이루어진 것을 특징으로 하는 부하대응 운전이 가능한 연료전지.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제어부는 잔여전력량과 보충전력량의 차이에 따라 연료와 공기의 공급량을 조절할 수 있도록 상기 연료공급부와 공기공급부에 각각 구비하는 연료공급펌프와 공기공급펌프에 전기적으로 연결하는 것을 특징으로 하는 부하대응 운전이 가능한 연료전지.
  4. 제3항의 제1 전력센서를 통해 연료전지의 전기생산량을 검출하는 단계와,
    제2 전력센서를 통해 잔여전력량과 보충전력량의 차이를 검출하는 단계와,
    잔여전력량이 많은 경우에는 상기 연료공급부와 공기공급부를 조절하여 상기 스택부의 연료극과 공기극으로 공급되는 연료와 공기의 공급량을 감소시키는 반면 보충전력량이 많은 경우에는 상기 스택부의 연료극과 공기극으로 공급되는 연료와 공기의 공급량을 증가시키는 단계를 반복 수행하는 것을 특징으로 하는 부하대응 운전이 가능한 연료전지의 운전 방법.
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