KR100778625B1 - Fuel sell system of apartment house and control method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
도 1 및 도 2는 본 발명이 적용 실시되는 공동주택 연료전지 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 모식도,1 and 2 is a schematic diagram schematically showing the configuration of a multi-unit house fuel cell system to which the present invention is applied,
도 3은 본 발명에 따른 공동주택 연료전지 시스템의 구성을 설명하기 위한 모식도,3 is a schematic diagram for explaining the configuration of a multi-unit house fuel cell system according to the present invention;
도 4는 본 발명에 따른 공동주택 연료전지 시스템의 제어 구성을 설명하기 위한 모식도,4 is a schematic diagram for explaining a control configuration of a multi-unit house fuel cell system according to the present invention;
도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 공동주택 연료전지 시스템의 여러 운전방법을 설명하기 위한 모식도,5 and 6 are schematic diagrams for explaining various operating methods of the multi-unit house fuel cell system according to the present invention;
도 7은 본 발명에 따른 공동주택 연료전지 시스템에서 바이패스 라인을 설명하기 위한 모식도,7 is a schematic diagram illustrating a bypass line in a multi-unit house fuel cell system according to the present invention;
도 8은 본 발명에 따른 공동주택 연료전지 시스템의 운영방법을 설명하기 위한 순서도.8 is a flowchart illustrating a method of operating a multi-unit house fuel cell system according to the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
1 : 연료전지 시스템 3 : 연료 변환기1
3' : 장애 발생 연료 변환기 5 : 연료전지 스택3 ': failing fuel converter 5: fuel cell stack
10 : 제어기 11 : 감지기10
20 : 공용 전환장치 21 : 공용 연료전지 스택20: common switching device 21: common fuel cell stack
23 : 수소 보일러 a : 공급모듈23: hydrogen boiler a: supply module
a' : 장애 발생 공급모듈 bp : 바이패스 라인a ': faulty supply module bp: bypass line
p1 : 주 공급배관 p2 : 보조 공급배관p1: Main supply piping p2: Auxiliary supply piping
본 발명은 공용시설에 연료 변환기를 설치하고 각 세대에는 연료전지 스택을 설치하는 공동주택 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 세대별 연료전지 스택의 운전 부하와 연동하여 연료 변환기를 운전하는 동시에 잉여수소를 공동 시설물 사용을 위한 연료전지 발전원으로 활용할 수 있도록 하여 에너지 효율성을 높일 수 있는 공동주택 연료전지 시스템 및 그 운영방법에 관한 것이다.The present invention relates to a multi-unit fuel cell system in which a fuel converter is installed in a common facility and a fuel cell stack is installed in each generation, and more specifically, the fuel converter is operated in conjunction with the operating load of the fuel cell stack for each generation. The present invention relates to a multi-unit house fuel cell system and a method of operating the same, which can increase energy efficiency by allowing surplus hydrogen to be used as a fuel cell power generation source for using common facilities.
일반적으로 연료전지 시스템은, 가스 연료를 개질하여 얻은 수소 또는 순수한 수소를 공기중의 산소와 반응시킴으로써 전기 에너지를 발생시키는 장치로서, 화학적 반응에 의해 전기를 발생시킨다는 점에서 배터리와 비슷하지만 반응물질이 수소와 산소를 외부로부터 공급받으므로 배터리와는 달리 충전이 필요 없을 뿐만 아니라 연료가 공급되는 한 전기를 발생시키고, 연료의 연소 반응 없이 에너지를 발생시키기 때문에 환경적인 측면에서 유리한 이점을 갖는 특징이 있다. In general, a fuel cell system is a device that generates electrical energy by reacting hydrogen or pure hydrogen obtained by reforming gaseous fuel with oxygen in the air. The fuel cell system is similar to a battery in that electricity is generated by a chemical reaction. Unlike the battery, since hydrogen and oxygen are supplied from the outside, they do not need charging and generate electricity as long as the fuel is supplied, and generate energy without combustion reaction of the fuel. .
이러한 연료전지 시스템의 기본적인 작동원리는 전해질을 사이에 두고 두 전극이 샌드위치의 형태로 위치하며 두 전극을 통하여 수소이온과 산소이온이 지나가면서 전류를 발생시키고 부산물로서 열과 물을 생성한다. 이때, 연료전지의 음극(Anode)을 통하여 수소가 공급되고 양극(Cathode)을 통하여 산소가 공급되면 음극을 통해서 들어온 수소분자는 촉매(Catalyst)에 의해 양자와 전자로 나누어지고, 이렇게 나누어진 양자와 전자는 서로 다른 경로를 통해 양극에 도달하게 되는데, 양자는 연료전지의 중심에 있는 전해질(Electrolyte)을 통해 흘러가고 전자는 외부회로를 통해 이동하면서 전류를 흐르게 하며 양극에서는 다시 산소와 결합하여 물이 된다.The basic operation principle of such a fuel cell system is that two electrodes are placed in the form of a sandwich with an electrolyte in between, and hydrogen and oxygen ions pass through the two electrodes to generate current and generate heat and water as by-products. At this time, when hydrogen is supplied through the anode of the fuel cell and oxygen is supplied through the cathode, the hydrogen molecules introduced through the cathode are divided into protons and electrons by the catalyst, and thus The electrons reach the anode through different paths, both of which flow through an electrolyte in the center of the fuel cell, and electrons move through an external circuit, causing current to flow, and again in the anode, water combines with oxygen. do.
즉, 연료전지는 메탄올, 에탄올, 천연가스와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이며, 이 연료전지는 사용하는 전해질의 종류에 따라 인산형 연료전지(PAFC, Phosphoric Acid Fuel Cell), 용융 탄산염형 연료전지(MCFC, Molten Carbonate Fuel Cell), 고체산화물형 연료전지(SOFC, Solid Oxide Fuel Cell), 고체고분자형 연료전지(PEMFC, Proton Exchange Membrane Fuel Cell) 등으로 분류된다. 이들 각각의 연료전지는 기본적으로 같은 원리에 의해 작동되지만 사용되는 연료의 종류,운전 온도, 촉매 및 전해질 등이 서로 다르다.In other words, a fuel cell is a power generation system that directly converts chemical reaction energy of hydrogen and oxygen contained in hydrocarbon-based materials such as methanol, ethanol, and natural gas into electrical energy. Phosphoric Acid Fuel Cell (PAFC), Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC), Solid Oxide Fuel Cell (SOFC), Solid Polymer Fuel Cell (PEMFC, Proton) Exchange Membrane Fuel Cell). Each of these fuel cells basically operates on the same principle, but differs in the type of fuel used, operating temperature, catalyst, and electrolyte.
종래의 연료전지 시스템의 구성을 간략하게 살펴보면, 천연가스 등의 연료를 개질시켜 수소연료로 변환시키는 연료 변환기(Fuel Processor)와, 상기 연료 변환기로부터 수소를 공급받아 이를 산소와 화학적으로 반응시켜 전기 및 열을 발생하 는 연료전지 스택(Fuel cell stack) 그리고 상기 연료전지 스택에서 화학적 반응으로 생산된 직류전원을 가정에서 사용 할 수 있도록 교류전원으로 변환시켜 주는 전력변환장치인 인버터(Invert) 및 외부로 버려지는 폐열을 회수하여 온수 가열 등 열에너지로 재 사용하기 위한 열교환기(heat exchanger)로 구성된다.Looking at the configuration of a conventional fuel cell system briefly, a fuel processor for reforming and converting fuel such as natural gas into a hydrogen fuel, and receiving hydrogen from the fuel converter and reacting it chemically with oxygen to generate electricity and A fuel cell stack that generates heat and an inverter that converts direct current power produced by chemical reactions in the fuel cell stack into alternating current for use at home and are discarded to the outside. Is composed of a heat exchanger (heat exchanger) for recovering the waste heat and reuse it as thermal energy, such as hot water heating.
상기 연료 변환기는 연료탱크내의 연료를 연료펌프를 통해 공급받아 연료를 개질하여 수소가스를 발생시키고 그 수소가스를 연료전지 스택으로 공급한다.The fuel converter receives fuel in the fuel tank through a fuel pump to reform the fuel to generate hydrogen gas, and supply the hydrogen gas to the fuel cell stack.
상기 연료전지 스택은 연료전지의 본체를 형성하는 것으로 상기 연료 변환기로부터 공급받은 수소가스와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기에너지를 생성한다. 여기서, 상기 연료전지 스택은 전극-전해질 합성체(Membrane Electrode Assembly: MEA)와 이의 양면에 밀착하는 분리판(Separator)으로 이루어진 단위 셀(Cell)이 수 개 내지 수십 개로 적층된 구조를 가지며, 전극-전해질 합성체는 전해질막을 사이에 두고 에노드 전극과 캐소드 전극이 부착된 구조를 갖는다. The fuel cell stack forms a main body of a fuel cell to generate electrical energy by electrochemically reacting hydrogen gas and oxygen supplied from the fuel converter. Here, the fuel cell stack has a structure in which a plurality of unit cells consisting of an electrode-electrolyte assembly (MEA) and a separator in close contact with both surfaces thereof are stacked in the order of several to several tens. The electrolyte composite has a structure in which an anode electrode and a cathode electrode are attached with an electrolyte membrane interposed therebetween.
이러한 연료전지 스택은 상기 분리판을 통해 애노드 전극에는 수소 가스가 공급되고 캐소드 전극에는 산소가 공급되며, 이 과정에서 애노드 전극에서는 수소 가스의 산화 반응이 일어나게 되고, 캐소드 전극에서는 산소의 환원 반응이 일어나게 되며 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기를 발생시키고, 열과 수분을 부수적으로 발생시킨다.In the fuel cell stack, hydrogen gas is supplied to the anode electrode and oxygen is supplied to the cathode electrode through the separator plate. In this process, an oxidation reaction of hydrogen gas occurs at the anode electrode, and a reduction reaction of oxygen occurs at the cathode electrode. In this case, electricity is generated by the movement of generated electrons, and heat and moisture are incidentally generated.
상기 인버터는 상술한 연료전지 스택에서 생성된 직류 전류를 상용전원으로 사용가능 하도록 교류 전류로 변화시키는 장치이다.The inverter is a device for changing the DC current generated in the above-described fuel cell stack into an alternating current so that it can be used as a commercial power source.
이와 같이 구성되는 연료전지 시스템은 높은 에너지 효율과 환경 친화성, 에 너지 공급원의 다원화, 수소경제 대비 등의 다양한 장점이 있으므로 근래 들어 대규모 발전설비 보다 5kw 이하의 주택용이 집중적으로 개발돼 가동되고 있다.The fuel cell system configured as described above has various advantages such as high energy efficiency, environmental friendliness, diversification of energy supply source, and hydrogen economy, and thus, residential use of less than 5kw is being developed and operated more recently than large-scale power generation facilities.
그러나, 종래의 연료전지 시스템은 그 발전용량이 비교적 단독 주택 등에 적합한 형태로 개발됨에 따라 아파트나 주상복합주택 등과 같은 집합주택, 즉 공동주택에 적용하는 경우에는 전체적인 발전용량의 증가에 따른 주변기술의 개발과 안전상의 많은 규제를 해결해야 하므로 적용이 어려운 문제점이 있었다.However, the conventional fuel cell system is developed in a form suitable for a relatively single house and the like, and thus, when applied to a multi-family house such as an apartment or a residential complex, that is, a multi-family house, the surrounding technology is increased due to an increase in the overall generation capacity. Many regulations for development and safety have to be resolved, making it difficult to apply.
즉, 수소를 생산하는 개질기인 연료 변환기의 경우 안전 및 기술상의 이유로 그 용량을 증가시킴에 있어 한계가 있으며, 전체 시스템의 분산 구성시 그에 따른 시스템의 효율적인 운전방안에 대한 해결책이 시급한 당면 과제이다.That is, a fuel converter, which is a hydrogen producing reformer, has a limitation in increasing its capacity for safety and technical reasons, and a solution for efficient operation of the system according to the distributed configuration of the whole system is an urgent problem.
한편, 본 출원인은 상기의 문제점을 해결하고자 공동주택의 공용시설에 연료 변환기를 설치하고 각 세대에는 상기 연료 변환기에서 수소를 공급받아 전기를 생산하는 연료전지 스택 및 인버터를 개별 구성한 공동주택 연료전지 시스템을 제안한 바 있다.Meanwhile, in order to solve the above problems, the present applicant installs a fuel converter in a common facility of a multi-unit house, and in each generation, a multi-unit fuel cell system including a fuel cell stack and an inverter configured to generate electricity by receiving hydrogen from the fuel converter. Has been proposed.
그러나, 본 출원인이 선출원한 공동주택 연료전지 시스템은 단일의 연료 변환기를 설치하고 이를 각 세대에 설치된 연료전지 스택에 공급하도록 구성되는 것에 의해 시스템의 확장에 많은 제약이 있을 뿐만 아니라 그 안전성 면에서도 취약한 문제점이 있었다.However, Applicant's apartment house fuel cell system is not only limited to the expansion of the system but also vulnerable in safety by being configured to install a single fuel converter and supply it to the fuel cell stack installed in each generation. There was a problem.
즉, 수소를 생산하는 연료 변환기는 각 세대에서 요구되는 수소의 사용량에 따라 최적의 운전조건으로 가동되어야 하는데, 현실적으로 연료 변환기에서 수소 생산을 위해 걸리는 시간과 운전 조건을 고려하면 각 세대에서 요구되는 수소의 사 용량만큼 정확하게 생산할 수 없으므로 부득이 과잉 생산을 해야 하는 단점이 있으며, 세대수가 증가할수록 수소의 과잉생산으로 인한 잉여수소량이 증가하게 되어 에너지 효율을 떨어뜨리는 문제점을 초래한다.In other words, the fuel converter producing hydrogen should be operated under the optimum operating conditions according to the amount of hydrogen required in each generation. Actually, considering the time and operating conditions for hydrogen production in the fuel converter, the hydrogen required in each generation is required. Since it is impossible to produce as precisely as the doctor capacity, there is an inevitable disadvantage of overproduction. As the number of generations increases, the amount of surplus hydrogen due to the overproduction of hydrogen increases, causing a problem of lowering energy efficiency.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 본 발명은 공동주택을 구성하는 각 세대에 수소를 공급받아 전기를 생산하는 연료전지 스택 및 인버터를 개별 구성하고, 공동주택의 공용 시설에는 일정수의 세대를 모듈 구성하여 생산된 수소를 공급하는 연료 변환기를 하나 이상 복수개 설치하여 연계시킨 공동주택 연료전지 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention was created in order to solve the above problems, the present invention is configured separately from the fuel cell stack and inverter for producing electricity by receiving hydrogen for each generation constituting the multi-unit housing, a constant It is an object of the present invention to provide a multi-unit fuel cell system in which one or more fuel converters supplying hydrogen produced by modular construction of several households are connected and connected.
본 발명의 다른 목적은 과잉 생산된 잉여수소를 공용에너지원으로 활용할 수 있도록 하여 에너지 이용 효율을 높일 수 있는 공동주택 연료전지 시스템을 제공하는데 있다. Another object of the present invention is to provide a multi-unit fuel cell system that can increase the efficiency of energy utilization by using the excess hydrogen produced as a common energy source.
상기의 목적을 실현하기 위한 본 발명에 따른 공동주택용 연료전지 시스템은, 공동주택의 각 세대에 설치되어 수소로 전기와 열을 발생시키는 연료전지 스택과, 공용시설에 설치되어 연료를 개질시켜 수소를 생성하며 여러 세대를 단일 공급모듈로 하여 배관을 통해 수소를 공급하는 다수의 연료 변환기와, 상기 연료전지 스택의 운전 부하상태를 감지하는 감지기와 전기적으로 연결되고 인가 받은 감지정 보를 기초로 각 연료 변환기의 운전을 제어하는 제어기와, 상기 연료 변환기에서 과잉 생산된 잉여 수소를 배관을 통해 공급받아 공용전기 및 열에너지로 전환하는 공용 전환장치를 포함하여 구성되는 것을 그 특징으로 한다.The fuel cell system for a multi-unit house according to the present invention for realizing the above object is a fuel cell stack installed in each generation of the multi-unit house to generate electricity and heat with hydrogen, and installed in a common facility to reform the fuel to produce hydrogen. Each fuel converter on the basis of a plurality of fuel converters generating and supplying hydrogen through pipes using several generations as a single supply module, and sensing information electrically connected to and approved by a detector for detecting an operating load state of the fuel cell stack. It characterized in that it comprises a controller for controlling the operation of, and a common switching device for receiving the excess hydrogen produced in the fuel converter through the pipe to convert the common electric and thermal energy.
본 발명의 바람직한 한 특징으로서, 상기 각 연료 변환기는 해당 공급모듈을 구성하는 각 세대의 연료전지 스택들로 수소를 공급하기 위한 주 공급배관이 연결되고, 상기 공용 전환장치에 선택적으로 잉여 수소를 공급하기 위해 밸브가 설치된 보조공급 배관으로 연결되는 것에 있다.As a preferred feature of the invention, each fuel converter is connected to the main supply pipe for supplying hydrogen to the fuel cell stacks of each generation constituting the corresponding supply module, and selectively supply surplus hydrogen to the common conversion device In order to be connected to an auxiliary supply pipe.
본 발명의 바람직한 다른 특징으로서, 상기 공용 전환장치는, 상기 연료 변환기와 밸브가 설치된 배관으로 연결되어 선택적으로 수소를 공급받아 전기와 열을 생산하는 공용 연료전지 스택인 것에 있다.Another common feature of the present invention is that the common switching device is a common fuel cell stack that is connected to a pipe provided with the fuel converter and a valve and selectively receives hydrogen to produce electricity and heat.
본 발명의 바람직한 또 다른 특징으로서, 상기 공용 전환장치는, 상기 연료 변환기와 밸브가 설치된 배관으로 연결되어 선택적으로 수소를 공급받아 열을 생산하는 수소 보일러인 것에 있다.As another preferable feature of the present invention, the common switching device is a hydrogen boiler which is connected to a pipe provided with the fuel converter and a valve and selectively receives hydrogen to generate heat.
본 발명의 바람직한 또 다른 특징으로서, 상기 다수의 연료 변환기는 어느 하나의 연료 변환기에서 장애 발생시 해당 장애 연료 변환기로부터 수소를 공급받는 공급모듈로 정상 가동중인 연료 변환기에서 수소를 선택적으로 공급하도록 상호 바이패스 라인으로 배관 연결되는 구성에 있다.In another preferred aspect of the present invention, the plurality of fuel converters are mutually bypassed to selectively supply hydrogen in a normally running fuel converter to a supply module that receives hydrogen from the failed fuel converter in the event of a failure in any one fuel converter. It is in the configuration of pipe connection by line.
본 발명의 바람직한 바람직한 또 다른 특징으로서, 상기 바이패스 라인은 보조 공급배관에 연결되는 것에 있다.In another preferred feature of the invention, the bypass line is connected to the auxiliary feed pipe.
본 발명에 따른 공동주택 연료전지 시스템의 운영방법은 공동주택의 공용시 설에 설치되는 다수의 연료 변환기에서 발생된 수소를 개별적으로 연료전지 스택이 설치된 여러 세대로 이루어진 단일 공급모듈에 공급하는 단계, 상기 연료전지 스택의 운전부하 상태를 감지하는 감지기로부터 감지정보를 인가 받은 제어기에서 해당 공급모듈의 연료 변환기 운전을 제어하는 단계로 이루어지는 것을 그 특징으로 한다.A method of operating a multi-unit house fuel cell system according to the present invention includes supplying hydrogen generated from a plurality of fuel converters installed in a common facility of a multi-unit house to a single supply module including several generations of fuel cell stacks separately installed, And controlling a fuel converter operation of the corresponding supply module in a controller that receives sensing information from a detector for detecting a driving load state of the fuel cell stack.
본 발명의 바람직한 한 특징으로서, 상기 연료 변환기의 운전을 제어하는 단계에서, 상기 제어기는 다수의 연료 변환기를 상호 선택적으로 연결하여 각각의 공급모듈에 생산된 수소를 우회 공급하는 바이패스 라인의 관로를 선택적으로 절환하는 단계를 포함하는 것에 있다.As a preferred feature of the present invention, in the step of controlling the operation of the fuel converter, the controller selectively connects a plurality of fuel converters to each other to bypass the conduit of the bypass line for supplying hydrogen produced to each supply module. And optionally switching.
본 발명의 바람직한 다른 특징으로서, 상기 바이패스 라인의 관로를 절환하는 단계에서, 상기 제어기는 각각의 연료 변환기의 운전상태를 감지하여 특정 연료 변환기의 고장시 장애 발생 연료 변환기로부터 수소를 공급받는 공급모듈로 정상 가동중인 연료 변환기에서 생산된 수소를 선택적으로 공급하도록 바이패스 라인의 관로를 절환하는 단계를 더 포함하는 것에 있다.In another preferred embodiment of the present invention, in the step of switching the pipeline of the bypass line, the controller detects an operation state of each fuel converter to supply hydrogen from a faulty fuel converter when a specific fuel converter fails. And switching the conduit of the bypass line to selectively supply hydrogen produced in a normally running fuel converter.
본 발명의 바람직한 또 다른 특징으로서, 상기 상기 연료 변환기의 운전을 제어하는 단계에서, 상기 제어기는 연료전지 스택의 운전상태를 감지하는 감지기를 통해 수소 소요량을 측정하고 각 연료 변환기에서 생산되는 수소 생산량을 측정하여 과잉 생산된 잉여수소에 대해 배관으로 연결된 공용 전환장치로 공급되게 선택적으로 관로제어를 실시하는 단계를 포함하는 것에 있다.In another preferred embodiment of the present invention, in the step of controlling the operation of the fuel converter, the controller measures the hydrogen demand through a sensor for detecting the operating state of the fuel cell stack and calculates the hydrogen production amount produced in each fuel converter. And selectively conducting pipeline control to supply over-produced excess hydrogen to a common converter connected by piping.
본 발명의 바람직한 또 다른 특징으로서, 상기 잉여수소를 공급받는 공용 전 환장치는 전기와 열을 생산하여 공용시설용 전원으로 공급하도록 배선되는 공용 연료전지 스택인 것에 있다.As another preferable feature of the present invention, the common switching device receiving the surplus hydrogen is a common fuel cell stack that is wired to produce electricity and heat to supply the power for the public facilities.
본 발명의 바람직한 또 다른 특징으로서, 상기 잉여수소를 공급받는 공용 전환장치는 열을 생산하여 각 세대 내 난방 및 온수를 공급하도록 배관되는 수소 보일러인 것에 있다.As another preferable feature of the present invention, the common conversion device receiving the surplus hydrogen is to be a hydrogen boiler which is piped to produce heat to supply heating and hot water in each generation.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. The features and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description based on the accompanying drawings.
이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.Prior to this, the terms or words used in this specification and claims are not to be interpreted in a conventional and dictionary sense, and the inventors may appropriately define the concept of terms in order to best describe their own invention. It should be interpreted as meaning and concept corresponding to the technical idea of the present invention based on the principle that the present invention.
이하 본 발명에 따른 공동주택용 연료전지 시스템의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a preferred embodiment of a fuel cell system for a multi-family house according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명에 따른 공동주택 연료전지 시스템에서 연료 변환기의 설치 구성을 설명하기 위한 모식도이고, 도 2는 본 발명에서 연료전지 스택의 설치 구성을 설명하기 위한 모식도이다. 1 is a schematic diagram illustrating an installation configuration of a fuel converter in a multi-unit house fuel cell system according to the present invention, and FIG. 2 is a schematic diagram illustrating an installation configuration of a fuel cell stack in the present invention.
이에 나타내 보인 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지 시스템(1)은 크게 아파트나 주상 복합주택 등과 같은 공동주택에 적용되는 것으로서, 기계실과 같은 공용시설(도시하지 않음)에는 연료를 개질시켜 수소를 생산하는 연료 변환기(Fuel Processor;3)가 설치되고, 각 세대 내에는 수소를 공급받아 전기 및 열을 생산하는 것으로 인버터(도시하지 않음)를 포함하는 연료전지 스택(Fuel Cell System;5)이 설치되는 구성이다.As shown in the drawing, the fuel cell system 1 according to the present invention is largely applied to a multi-family house such as an apartment or a residential complex, and generates hydrogen by reforming fuel in a common facility such as a machine room (not shown). A
미설명 부호 (3a)는 연료탱크(도시하지 않음)로부터 연료를 제공받기 위한 연료배관이고, 부호 (3b)는 개질된 수소를 연료전지 스택(5)으로 공급하기 위한 수소공급라인을 나타낸 것이다.
이러한 구성은 공지의 공동주택 연료전지 시스템의 구성과 대동소이하다. 다만, 본 발명은 상기 고위험 시설물인 연료 변환기를 소용량으로 하면서 하나 이상 다수개로 구성하고, 상기 각 세대에 개별 설치되는 연료전지 스택은 여러 세대를 단일 공급모듈로 그룹화하여 해당 연료 변환기로부터 수소를 공급받도록 구성된다.This configuration is similar to that of the known multi-unit fuel cell system. However, the present invention comprises a fuel converter which is the high-risk facility with a small capacity, one or more and a plurality of fuel cell stacks individually installed in each generation group several generations into a single supply module to receive hydrogen from the fuel converter. It is composed.
도 3은 본 발명에 따른 공동주택 연료전지 시스템의 구성을 설명하기 위한 모식도이고, 도 4는 본 발명에 따른 공동주택 연료전지 시스템의 제어 구성을 설명하기 위한 모식도이다. 3 is a schematic view for explaining the configuration of a multi-unit house fuel cell system according to the present invention, Figure 4 is a schematic diagram for explaining a control configuration of a multi-unit house fuel cell system according to the present invention.
이에 나타내 보인 바와 같이 본 발명에 따른 연료전지 시스템(1)은, 공동주택의 공용시설에 설치되어 연료를 개질시켜 수소를 생성하는 것으로 여러 세대를 단일 공급모듈로 하여 배관을 통해 수소를 공급하는 하나 이상 다수 구비되는 연료 변환기(3)와, 공동주택의 각 세대 내에 개별 설치되어 상기 연료 변환기(3)로부터 수소를 공급받아 전기와 열을 발생시키는 연료전지 스택(5)과, 상기 연료전지 스택(5)의 운전 상황에 따라 연료 변환기(3)의 운전을 제어하는 제어기(10) 그리고 상기 연료 변환기(3)에서 과잉 생산된 잉여수소를 공용전기 및 열에너지로 전환하는 공용 전환장치(20)로 구성된다.As shown therein, the fuel cell system 1 according to the present invention is one installed in a common facility of a multi-unit house to generate hydrogen by reforming fuel to supply hydrogen through a pipe using several generations as a single supply module. The
연료 변환기(Fuel processor;3)는 LNG, LPG, 가솔린, 메탄올 등과 같이 이미 널리 사용되는 연료를 개질하여 수소로 전환해서 연료전지에 수소를 공급하는 장치로서, 탈황 반응, 개질 반응, 수성가스전이 반응, 선택적 산화반응으로 촉매 단위 공정이 포함된 단계를 거친다. The fuel processor (3) is a device for supplying hydrogen to a fuel cell by reforming fuel that is already widely used such as LNG, LPG, gasoline, methanol, etc., and desulfurization, reforming, and water gas transition reactions. In addition, the selective oxidation reaction undergoes a stage including a catalytic unit process.
즉, 상온에서 반응이 이루어지는 금속-제올라이트 탈황 흡착기(Desulfurizer)와 흡열반응인 수증기 개질 반응기(Steam Reformer), 발열반응인 수성가스 전이 반응기(CO converter)와 선택적 산화 반응기(Preferential Oxidation Reactor)로 구성되며, 이러한 구성의 연료 변환기는 공지의 기술에 의해 실시되어도 무방하므로 상세한 설명은 생략한다.That is, it consists of a metal-zeolite desulfurizer which is reacted at room temperature, a steam reformer which is an endothermic reaction, a steam converter which is an exothermic reaction, and a CO converter and a selective oxidation reactor. Since the fuel converter having such a configuration may be implemented by a known technique, detailed description thereof will be omitted.
한편, 본 발명에서의 연료 변환기(3)는 앞서 설명한 바와 같이, 아파트 또는 복합건물 등의 공동주택에 적용되는 것으로, 바람직하게는 공동주택의 기계실, 전기실, 보일러실 등과 같은 공용시설에 설치되는 구성으로서, 이러한 연료 변환기(3)는 수소를 생산하는 고위험 시설물로서 수소의 생산 용량 증가에 비례하게 그 위험성이 커지는 단점이 있다. 즉, 연료 변환기의 용량을 높이는 경우 그에 대한 방폭설비 등과 같은 부가적인 안전설비를 설치해야 하므로 경제적인 부담이 가중될 뿐만 아니라 주거지역의 경우에는 각종 규제안으로 인해 설치가 불가능하게 된다. On the other hand, the fuel converter (3) in the present invention, as described above, is applied to a common house such as an apartment or a complex building, preferably installed in a common facility such as a machine room, an electric room, a boiler room of the common house As such, the
따라서, 본 발명에서는 상기 연료 변환기(3)를 구성함에 있어 경제적이면서 안전성 면에서 관리가 용이한 소용량의 연료 변환기(3)를 하나 이상 다수 설치하는 것을 제안하며, 이들 각각의 연료 변환기(3)는 후술할 연료전지 스택(5)에 수소를 공급하기 위한 주 공급배관(p1) 및 잉여 수소를 공용 전환장치(20)로 공급하기 위 한 보조 공급배관(p2)이 연결되며, 그리고 특정의 장애 발생 연료 변환기(3')를 대체하기 위한 바이패스 라인(bp)으로 연계되는 구성에 의해 상기 장애 발생 연료 변환기(3')에 대하여 정상 가동의 연료 변환기(3)들이 대체하여 전체 시스템의 안전성을 유지하게 된다.Accordingly, the present invention proposes to install one or more small-
이러한 구성의 연료 변환기의 용량 선정을 살펴보면 다음과 같다.Looking at the capacity selection of the fuel converter of this configuration is as follows.
(1) 공동주택 전체의 수소공급 용량(1) Hydrogen supply capacity of the whole apartment
세대별 수소 공급량의 결정은 각 세대별 전력 사용량을 고려한 연료전지 시스템(1)의 용량으로부터 결정되며, 통상 0.5~5kw의 연료전지 시스템(1)을 세대별로 적용한다. 세대별 연료전지 시스템(1)에서 필요로 하는 수소 공급량은 연료전지 시스템(1)의 전기 변환 효율(통상 20~50%)로부터 다음의 [수학식 1]과 같이 계산될 수 있다.Determination of the hydrogen supply amount for each generation is determined from the capacity of the fuel cell system 1 in consideration of the power consumption of each generation, and the fuel cell system 1 of 0.5 to 5 kw is usually applied for each generation. The hydrogen supply required by the generation fuel cell system 1 can be calculated from the electrical conversion efficiency (usually 20 to 50%) of the fuel cell system 1 as shown in Equation 1 below.
따라서, 연료 변환기 구성 및 용량 산정을 위한 공동주택 전체 수소공급 용량은 아래 [수학식 2]로부터 산정될 수 있다.Accordingly, the multi-unit house hydrogen supply capacity for fuel converter configuration and capacity calculation can be estimated from Equation 2 below.
(2) 연료 변환기 용량 선정 및 설치 모듈(2) fuel converter capacity selection and installation module
공동주택이 아파트인 경우, 단지를 구성하는 동의 개수가 M개일 경우, 연료 변환기 설치가 가능한 통상의 기계실 개수는 M개가 되므로, M개의 연료 변환기를 설치하는 것이 일반적이나, 상용화된 연료 변환기의 적정 용량에 따라 상기 연료 변환기는 아래와 같이 여러 가지 형태로 설치될 수 있을 것이다.If the apartment is an apartment, if the number of motion units constituting the complex is M, since the number of conventional machine rooms in which fuel converters can be installed is M, it is common to install M fuel converters, but the proper capacity of commercialized fuel converters is common. The fuel converter may be installed in various forms as follows.
[예 1] 각 동마다 연료 변환기 설치 :[Example 1] Fuel Converter Installation for Each Building:
[예 2] 2개의 동별로 1개의 연료 변환기 설치 :[Example 2] One fuel converter for every two buildings
즉, 1kW 용량의 연료전지 시스템을 적용하는 단지의 전체 세대 수가 600 세대이고, 동수가 20개일 때, 전체 수소 공급 용량(Capa)는, 약 420 Nm3/hr로 결정된다. 이와 같이 구성할 모듈 수를 정한 후 연료 변환기 용량을 산정할 수도 있으나, 반대로 연료 변환기의 용량을 먼저 정하고, 구성 모듈의 수를 산정할 수도 있다.That is, when the total number of generations of the complex to which the 1 kW capacity fuel cell system is applied is 600 generations and the same number is 20, the total hydrogen supply capacity Capa is determined to be about 420 Nm 3 / hr. After determining the number of modules to be configured as described above, the fuel converter capacity may be calculated, but on the contrary, the capacity of the fuel converter may be determined first, and the number of configuration modules may be calculated.
이와 같이 구성되는 다수의 연료 변환기(3)는 연료탱크(미도시)내의 연료를 공급받아 개질하여 수소가스를 생성하고 이를 후술할 여러 세대에 설치된 연료전지 스택들을 단일 공급모듈로 하여 공급하게 된다.The plurality of
연료전지 스택(5)은 공동주택을 구성하는 각 세대내에 설치되어 수소로 전기와 열을 발생시키는 장치로서, 본 발명에서 여러 세대를 단일 공급모듈로 그룹화하여 대응되는 연료 변환기(3)로부터 수소를 공급받도록 구성된다. The
이러한 연료전지 스택(5)은 상기 연료 변환기(3)에서 발생한 수소와 공기 중의 산소가 반응하여 전기를 발생시키는 장치로서, 그 구성요소는 크게 반응을 일으키는 촉매(Catalyst), 수소이온의 전달 역할을 하는 전해질막(Electrolyte Membrane) 그리고 전기 집전과 가스의 흐름을 담당하는 분리판(Bipolar plate)으로 구성된다. The
즉, 상기 연료전지 스택(5)은 상기 연료 변환기(3)로부터 공급받은 수소가스와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기에너지를 생산하는 기기로서, 전극-전해질 합성체(Membrane Electrode Assembly: MEA)와 이의 양면에 밀착하는 분리판(Separator)으로 이루어진 단위 셀(Cell)이 수 개 내지 수십 개로 적층된 구조를 가지며, 상기 전극-전해질 합성체는 전해질막을 사이에 두고 에노드 전극과 캐소드 전극이 부착된 구조를 갖는다. 이러한 구성에 의해 상기 분리판을 통해 애노드 전극가 캐소드 전극에 각각 수소 및 산소가 공급되며, 이 과정에서 상기 에노드 전극에서는 수소의 산화 반응이 일어나고 상기 캐소드 전극에서는 산소의 환원 반응이 일어나며, 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기가 생성되며, 열과 수분을 부수적으로 발생시킨다. 이때 생산된 전기는 직류이므로 일측에 마련된 인버터(7)를 통해 교류 전류로 변환되어 상용 전원으로 사용된다.That is, the
이와 같은 구성의 연료전지 스택(5)은 상술한 연료 변환기(3)와 마찬가지로 공지의 기술에 의해 실시되어도 무방하므로 상세한 설명은 생략한다.The
다만, 본 발명에서는 아파트 또는 주상복합주택 등과 같은 공동주택의 각 세대에 개별적으로 설치되는 구성이며, 여러 세대를 단일 공급모듈로 하여 해당되는 연료 변환기(3)로부터 수소를 공급받도록 배관된다.However, in the present invention, it is a configuration that is installed separately in each generation of apartments, such as apartments or multi-family housing, and piped to receive hydrogen from the corresponding fuel converter (3) using a plurality of households as a single supply module.
제어기(10)는 상기 연료전지 스택(5)과 연료 변환기(3) 및 공용 전환장치(20)와 바이패스 라인(bp)을 제어하여 시스템의 전체적인 효율성을 안정되게 유지시킬 수 있도록 하는 일종의 마이컴으로서, 다수의 연료전지 스택과 연료 변환기에 대해 직접적으로 회로 구성되어 제어를 실시하도록 구성되거나, 또는 각 연료전지 스택과 연료 변환기에 독립적으로 컨트롤러를 구성하고 이들 컨트롤러를 제어하는 메인 컨트롤러를 구성하는 형태로 제안될 수 있을 것이다. The
이러한 제어기의 구성은 공지의 기술에 의해 실시되어도 무방하므로 상세한 설명은 생략하며, 본 발명에서는 편의상 하나의 제어기(10)를 이용하여 다수의 연료전지 스택(5) 및 연료 변환기(3)를 회로적으로 연결 구성한 시스템을 기준으로 설명한다. Since the configuration of such a controller may be implemented by a known technique, a detailed description thereof will be omitted. In the present invention, a plurality of
상기의 제어기(10)는 상기 각 연료전지 스택(5)의 일측에 설치되어 그 운전상태를 감지하는 감지기(11)와 전기적으로 연결되는 구성이며, 상기 감지기(11)로부터 감지된 정보를 제공받아 이를 기초로 해당 연료 변환기(3)의 운전을 제어한다.The
즉, 상기 제어기(10)는 상기 연료전지 스택(5)에서 전기 및 열을 생산하기 위해 소비하는 현재의 수소량을 감지한 정보를 기초로 상기 연료전지 스택(5)이 속한 공급모듈(a)에 수소를 공급하는 연료 변환기(3)의 운전을 제어하여 결과적으로 수소 소비량과 수소 생산량이 일치될 수 있도록 조절한다.That is, the
한편, 상기 제어기(10)는 각 연료전지 스택(5)에서 필요로 하는 수소 소요량을 전일 또는 전년도 당일 날자 등을 참고로 하여 수소 생산량을 결정할 수 있을 것이다. Meanwhile, the
즉, 상기 연료 변환기(3)는 화학반응을 통해 수소를 생산하므로 상기 연료전지 스택(5)에서 소요되는 수소를 실시간으로 생산하여 공급하는 것은 현실적으로 불가능하며, 이를 해결하기 위한 손쉬운 방법으로는 수소를 저장할 수 있는 수소 저장탱크를 구성하는 것이나, 이러한 수소 저장탱크는 안전성 면에서 대단히 위험하므로 반드시 방폭 설비 등을 갖춰야 할 뿐만 아니라 주거 지역에서는 그 설치에 있어 법적인 규제가 심하므로 대안이 될 수 없다. That is, since the
따라서, 상기 제어기(10)는 전일 또는 전년도 당일을 기준으로 한 수소 생산량을 기초로 적정량의 수소를 생산하도록 다수의 연료 변환기(3)를 제어하는 것이 바람직하며, 이때 상기 수소 생산량은 만일을 대비하여 각 세대에서 요구되는 전기 및 열을 충분히 생산할 수 있을 정도로 생산되어야 할 것이다. Thus, the
공용 전환장치(20)는 상기 연료 변환기(3)에서 과잉 생산된 잉여수소를 공급받아 공용전기로 사용하거나 또는 열에너지로 전환하여 각 세대로 공급하는 장치이다.The
즉, 여러 세대를 그룹화 한 공급모듈(a)을 구성하는 각 세대별 연료전지 스 택(5)은 그 운전부하에 따라 해당 연료 변환기(3)의 운전부하율(Operation Ratio; 이하 'R'이라 함)이 결정되는데, 이때의 상기 연료 변환기(3)는 최대 출력량 대비 낼 수 있는 최소 출력량이 사양별로 0~100%로 정해지며 이것을 Turn-Down-Ratio(이하, 'TDR'이라 함)라 할 때, 상기 연료 변환기(3)의 'TDR'과 'R'에 따라 상기 연료 변환기(3)로부터 발생되는 수소는 전체 수소 소모량을 충족시키거나 잉여 수소로 남게 되도록 운영된다.That is, the
따라서, 본 발명은 발생된 잉여수소를 별도의 공용 전환장치(20)로 공급하여 공용전기 및 잉여 전력판매용 전기 또는 열에너지로 전환 사용하도록 함으로써 에너지의 효율적인 이용을 가능하게 하는 것을 제안한다.Accordingly, the present invention proposes to enable efficient use of energy by supplying the generated surplus hydrogen to a separate
한편, 상기 공용 전환장치(20)는 상기 각 연료 변환기(3)와 밸브가 설치된 배관으로 연결되어 선택적으로 수소를 공급받아 전기를 생산하는 공용 연료전지 스택(21)으로 제공될 수 있으며, 이때의 상기 공용 연료전지 스택(21)은 생산된 전기를 가로등이나 엘리베이터 등과 같은 공용시설물에 공급하거나 또는 잉여전력에 대해서는 전력판매회사로 재송전하여 판매할 수 있을 것이다.On the other hand, the
여기서, 상기 공용 전환장치(20)를 구성하는 공용 연료전지 스택(21)의 용량은 아래의 [예 3]과 같은 방법에 의해 선정될 수 있을 것이다.Here, the capacity of the common
[예 3]Example 3
공동주택을 아파트로 가정하고, 단지 내 전체 세대의 연료전지 스택(5) 용량이 600kw이고, 'TDR'=50% 인 경우,Assume that the apartment is an apartment, and the fuel cell stack (5) capacity of the entire household in the complex is 600 kW and 'TDR' = 50%.
최대 잉여수소에 따른 공용 연료전지 스택(21)의 용량은; The capacity of the common
600kW×50%=300kW 급으로 선정될 수 있다. 600kW × 50% = 300kW class.
또한, 상기 공용 전환장치(20)는 상기 공용 연료전지 스택(21) 외에도 수소 보일러(23) 형태로 제공될 수 있으며, 이때의 상기 수소 보일러(23)는 상기 각 연료 변환기(3)와 밸브가 설치된 배관으로 연결되어 공급된 수소를 이용하여 열을 발생시키는 장치로서 각 세대 또는 관리사무실이나 노인정 등과 같은 공유시설물에 난방 및 온수를 공급하도록 배관될 수 있을 것이다.In addition, the
여기서, 상기 공용 전환장치(20)를 구성하는 수소 보일러(23)의 용량은 아래의 [예 4]와 같은 방법에 의해 선정될 수 있을 것이다. Here, the capacity of the
[예 4]Example 4
공동주택을 아파트로 가정하고, 단지 내 저체 세대의 연료전지 스택(5)의 용량이 600kW이고, 'TDR'=25%인 경우,Assuming that the apartment is an apartment, and the capacity of the low-generation
최대 잉여수소에 따른 수소 보일러(23)의 용량은; The capacity of the
600kW×25%=150kW 급으로 선정될 수 있다. 600kW × 25% = 150kW class.
한편, 상술한 상기 공용 전환장치(20)를 구성하는 공용 연료전지 스택(21)이나 수소 보일러(23)는 공지의 기술에 의해 실시되어도 무방하므로 상세한 설명은 생략한다.On the other hand, since the common
도 5 및 도 6은 공동주택 연료전지 시스템의 여러 운전방법을 설명하기 위한 모식도이다.5 and 6 are schematic diagrams for explaining various operating methods of the multi-unit house fuel cell system.
본 발명은 전술한 바와 같이, 상기 하나의 연료 변환기(3)는 여러 세대로 구성되는 공급모듈(a)에 수소를 공급하기 위한 주 공급배관(p1)과 더불어 다른 연료 변환기(3)의 고장에 대비하고 단지 내 공용 전력 및 열 공급을 위하여 설치되는 공용 전환장치(20)의 가동에 필요한 잉여수소의 활용을 위한 별도의 보조 공급배관(p2)을 설치하여 제어기(10)의 제어하에 타 세대 및 공용 전환장치(20)로 수소를 공급할 수 있도록 구성된다.As described above, the one fuel converter (3) has a main supply pipe (p1) for supplying hydrogen to the supply module (a) consisting of several generations in addition to the failure of the other fuel converter (3) In addition, by installing a separate auxiliary supply pipe (p2) for the utilization of the surplus hydrogen required for the operation of the
본 발명의 공동주택 연료전지 시스템(1)에서 연료 변환기(3)의 운전방법은 크게 두 가지 운전 방법으로 구분될 수 있다.The operation method of the
첫째, 도 5에 나타낸 'R' > 'TDR' 에서의 연료 변환기의 운전방법을 살펴보면, 특정 연료변환기가 담당하는 세대 별 운전부하의 합(이하, 특정 모듈 내 운전부하를 '(R)'이라 함)이 연료전지 스택(5)의 운전부하를 감지하는 감지기(11)로부터 해당 연료 변환기(3)의 제어장치에 'TDR' 보다 큰 신호를 전달하게 될 경우 특정 연료 변환기(3)는 담당하는 특정 공급모듈(a) 내 전체 수소 필요량에 맞도록 운전부하를 'TDR' 이상의 값에서 조절하여 수소를 생산 공급한다.First, referring to a method of operating a fuel converter at 'R'> 'TDR' shown in FIG. 5, the sum of driving loads for each generation of a specific fuel converter (hereinafter, referred to as '(R)') If a
단, 갑작스러운 공급모듈(a) 내 전체 세대의 부하 상승에 따른 연료 변환기(3)의 운전부하 상승속도 보완을 위하여 다음과 같이 운영할 수 있다.However, in order to compensate for the operation load rising speed of the
(가). 각 연료 변환기(3)는 연료전지 스택(5)의 운전상태를 감지하는 감지기(11)로부터 신호, (dP/dt)보다 큰 연료 변환기(3)의 운전부하 상승 신호(예를 들 면 1.05~2.0×(dP/dt))를 연료 변환기(3)에 주도록 한다.(end). Each
(나). 상술한 (가)와 같은 운전 부하 상승에 따른 잉여 수소의 발생시 제어기(10)의 제어하에 밸브A를 통하여 타 연료 변환기(3)의 담당 세대 또는 공용 전환장치(20)의 운전을 위한 수소로 공급된다.(I). When surplus hydrogen is generated due to an increase in operating load as described above, the valve A is supplied to hydrogen for operation of the responsible generation of the
이와 반대로 'R'이 'TDR' 보다는 크지만 (dP/dt)가 급격히 낮아져 연료변환기의 응답 속도가 늦게 되는 경우에는 공용 전환장치(20)로 전환된다.On the contrary, when 'R' is larger than 'TDR' but (dP / dt) is drastically lowered so that the response speed of the fuel converter becomes slow, it is switched to the
둘째, 도 6에 나타낸 'R' < 'TDR' 에서의 연료 변환기의 운전방법을 살펴보면, 특정 모듈 내 운전부하 'R'이 연료전지 스택(5)의 운전부하를 감지하는 감지기(11)로부터 해당 연료 변환기(3)에 'TDR' 보다 낮다는 신호를 전달하게 될 경우, 제어기(10)는 즉시 'TDR' 모드로의 운전 신호를 연료 변환기(3)에 전달하고 도면에서와 같이 제어기(10)로부터 밸브 전환을 통하여 잉여 수소를 공용 전환장치(20)로 공급하게 된다. Second, referring to the operation method of the fuel converter in 'R' <'TDR' shown in FIG. 6, the driving load 'R' in a specific module corresponds to the
도 7은 본 발명에 따른 공동주택 연료전지 시스템에서 바이패스 라인을 설명하기 위한 모식도로서, 다수의 연료 변환기(3)는 바이패스 라인(bp)에 의해 상호 선택적으로 연계되어 해당 공급모듈(a) 및 공용 전환장치(20)로 수소를 공급하도록 배관 연결된다.FIG. 7 is a schematic diagram illustrating a bypass line in a multi-unit house fuel cell system according to the present invention. A plurality of
즉, 상기 바이패스 라인(bp)은 일단이 각각의 연료 변환기(3)에 연결되는 보조 공급배관(p2)에 연결되고 타단은 여러 공급모듈(a)에 분기 연결되는 구성이다. 이러한 바이패스 라인(bp)은 다수의 연료 변환기 중 한 대 또는 일부의 연료 변환기(3')에 장애가 발생하여 수소를 생산하지 못하는 경우에 사용되는 것으로, 정상 가동중인 연료 변환기(3)의 수소 생산량을 증가시켜 이를 바이패스 라인(bp)을 경유하여 장애 발생 연료 변환기(3')에 해당되는 공급모듈(a')로 공급되게 한다.That is, the bypass line bp is configured such that one end is connected to the auxiliary supply pipe p2 connected to each
이와 같은 구성의 바이패스 라인(bp)은 상술한 제어기(10)의 제어신호를 인가받는 밸브에 의해 선택적으로 관로가 절환되는 구성이다.The bypass line bp having such a configuration is a configuration in which the pipeline is selectively switched by a valve receiving the control signal of the
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 공동주택 연료전지 시스템의 작동을 설명하면 다음과 같다.Referring to the operation of the multi-unit house fuel cell system according to the present invention configured as described above are as follows.
공동주택의 기계실/전기실 등과 같은 공용시설에 소정 용량을 갖는 연료 변환기(3)가 다수 설치되어 연료를 개질하여 수소를 생산한다. 이렇게 생산된 수소는 각 세대에 설치된 연료전지 스택(5)으로 공급되어 세대 내 전기와 열을 생성하게 된다. A plurality of
여기서, 상기 다수의 연료 변환기(3)는 각각 여러 세대를 단일 공급모듈(a)로 하여 생산된 수소를 공급하도록 배관 연결되는 구성이며, 과잉 생산된 잉여수소는 공용 전환장치(20)로 공급되거나 또는 장애 발생 연료 변환기(3')를 대체하도록 바이패스 라인(bp)으로 연계 운영되는 구성이다.Here, the plurality of fuel converters (3) are each connected to the pipe to supply hydrogen produced by several generations as a single supply module (a), the excess of the excess hydrogen is supplied to the
즉, 이러한 구성의 공동주택 연료전지 시스템(1)은 제어기(10)가 연료전지 스택(5)의 운전상황을 감지하여 이를 기초로 연료 변환기(3)의 수소 생산량을 제어하며, 이 과정에서 발생하는 잉여수소는 보조 공급배관(p2)을 통해 공용 전환장치(20)로 공급되게 하여 공동전기 및 열에너지로 활용하게 된다. That is, in the multi-unit house fuel cell system 1 of this configuration, the
또한, 다수의 연료 변환기(3)중 한 대 또는 일부의 연료 변환기가 장애를 일으켜 수소 생산이 불가능한 경우, 정상 가동중인 연료 변환기(3)의 수소 생산량을 높이거나 또는 과잉 생산된 잉여 수소를 바이패스 라인(bp)을 경유하여 상기 장애 발생 연료 변환기(3')에 해당되는 공급모듈(a')로 공급되게 하여 일부 연료 변환기의 장애 발생에 상관없이 전체적인 시스템의 가동 유지가 가능하게 된다.In addition, when one or some fuel converters of the plurality of
도 8은 본 발명에 따른 공동주택 연료전지 시스템의 운영방법을 설명하기 위한 순서도이다.8 is a flowchart illustrating a method of operating a multi-unit house fuel cell system according to the present invention.
본 발명의 연료전지 시스템(1)은 공동주택의 공용시설에는 다수의 연료 변환기(3)를 배치하고, 각각의 연료 변환기(3)는 여러 세대를 그룹화 한 해당 공급모듈(a)을 구성하는 각 세대의 연료전지 스택(5)으로 개질된 수소를 공급한다.(s10)The fuel cell system 1 of the present invention arranges a plurality of
상기 연료전지 스택(5)은 감지기(11)에 의해 그 운전 부하 상태가 감지되어 제어기(10)로 인가되고, 상기 제어기(10)는 해당 상기 연료전지 스택(5)이 속한 공급모듈(a)에 해당되는 연료 변환기(3)의 운전을 제어한다. 즉, 상기 제어기(10)는 공급모듈(a)을 구성하는 여러 세대의 연료전지 스택(5)에서 필요로 하는 수소 소요량을 기초로 연료 변환기(3)의 운전을 제어한다. (s20)The
상기와 같은 운전조건에서는 필수적으로 과잉 생산되는 잉여수소가 존재하는데, 이러한 잉여수소는 제어기(10)에 밸브제어에 의해 각 연료 변환기(3)의 보조 공급배관(p2)을 통해 공용 전환장치(20)로 공급된다.(s30)In the above operating conditions, there is an excessive amount of surplus hydrogen, which is essentially overproduced. The surplus hydrogen is shared through the auxiliary supply pipe p2 of each
여기서, 상기 공용 전환장치(20)는 가로등/엘리베이터/관리사무소 등과 같은 공용 시설에 사용되는 전기를 생산하는 공용 연료전지 스택이 사용되거나, 또는 수소를 공급받아 각 세대 및 공요 시설에 난방 및 온수를 공급하는 수소 보일러(23)가 사용된다.Here, the
한편, 다수의 연료 변환기(3)중 한 대 또는 일부의 연료 변환기(3)가 장애를 일으켜 수소 생산 및 공급이 불가능한 경우 상기 제어기(10)는 바이패스 라인(bp)을 관로 절환하여 정상 가동중인 연료 변환기(3)에서 과잉 생산되는 수소를 장애 발생 연료 변환기(3')에 해당되는 공급모듈(a')로 수소를 공급한다.(s40) On the other hand, when one or some
한편, 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형을 할 수 있음은 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하다. 따라서, 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.On the other hand, the present invention is not limited to the described embodiments, it is obvious to those skilled in the art that various modifications and variations can be made without departing from the spirit and scope of the present invention. Therefore, such modifications or variations will have to belong to the claims of the present invention.
상기와 같이 구성되고 작용되는 공동주택 연료전지 시스템은, 공동주택의 각 세대에 설치된 연료전지 스택의 운전상태 즉, 수소 소요량을 감지하여 이를 기초로 연료 변환기의 운전상태 즉, 수소 생산량의 제어가 가능하므로 시스템의 운영 효율성을 높일 수 있는 이점이 있다.The multi-unit house fuel cell system configured and operated as described above can detect the operating state of the fuel cell stack installed in each generation of the multi-unit house, that is, the hydrogen requirement, and control the operating state of the fuel converter, that is, the hydrogen production based on this. Therefore, there is an advantage to increase the operational efficiency of the system.
또한, 과잉 생산된 잉여수소는 공용 전환장치로 공급되게 하여 공용전기(가로등, 엘리베이터 등) 및 열에너지(난방, 온수 등)로 전환 사용할 수 있어 결과적으로 잉여수소를 저장하기 위한 대용량의 고위험 수소 저장탱크의 설치를 필요로 하지 않므로 주거지역에 설치하는 경우 그 자유도를 대폭적으로 높일 수 있는 이점이 있다. In addition, the surplus hydrogen produced in excess can be supplied to the common switching device, so that it can be converted into common electricity (street lamps, elevators, etc.) and thermal energy (heating, hot water, etc.), and as a result, a large-capacity high-risk hydrogen storage tank for storing surplus hydrogen Since it does not require the installation of, there is an advantage that can greatly increase the degree of freedom when installed in a residential area.
특히, 공용시설에 설치되는 다수의 연료 변환기에서 생산된 수소를 바이패스 라인을 통해 각각 연계 구성함으로써 특정의 연료 변환기에서 장애 발생시 정상 가동중인 연료 변환기의 수소 생산량을 증가시켜 장애 연료 변환기로부터 수소를 공급받는 공급모듈에 대하여 안정적으로 수소를 공급되게 함으로써 결과적으로 일부 연료 변환기의 고장에 관계없이 전체적인 시스템의 안전성을 유지시킬 수 있으므로 시스템에 대한 신뢰성을 높일 수 있을 뿐만 아니라 시스템 장애로 인한 불편함을 미연에 방지할 수 있는 유용한 효과를 제공한다.In particular, by linking each hydrogen produced in a plurality of fuel converters installed in a common facility through a bypass line, hydrogen is supplied from a faulty fuel converter by increasing the hydrogen production of a fuel converter in a normal operation when a specific fuel converter fails. By supplying stable hydrogen to the receiving supply module, as a result, the overall system safety can be maintained regardless of the failure of some fuel converters, thereby increasing the reliability of the system and inconvenient due to system failure. Provides useful effects that can be prevented.
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