KR100778626B1 - 공동주택 연료전지 시스템 및 그 운영방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 공동주택 연료전지 시스템 및 그 운영방법을 개시한다.
본 발명의 공동주택 연료전지 시스템은 공동주택의 각 세대에 설치되어 수소로 전기와 열을 발생시키는 연료전지 스택과, 공용시설에 설치되고 여러 세대를 단일 공급모듈로 하여 생성된 수소를 배관을 통해 공급하는 다수의 연료 변환기와, 상기 연료 변환기에서 과잉 생산된 잉여수소를 배관을 통해 공급받아 공용전기 및 열 에너지를 발생시키는 공용 전환장치와, 외부로부터 연료 변환기에 공급되는 메인 전원을 감지하고 선택적으로 제어신호를 출력하는 제어기와, 상기 제어기의 제어신호를 받아 선택적으로 전기를 공급하는 보조 전원공급장치를 포함하여 구성된다. 상기와 같이 구성되는 공동주택 연료전지 시스템은, 연료 변환기와 연료전지 스택을 분산 설치하여 시스템의 안전성을 높일 수 있으며, 특히 연료 변환기에 공급되는 외부의 전원이 단전 및 정전 발생시에도 제어기의 제어를 받는 보조 전원공급장치를 통해 상기 연료 변환기에 지속적으로 전기가 공급되게 함으로써 정전으로 인한 연료 변환기의 가동중단에 따른 불편함을 미연에 방지하고 시스템의 운전 안정성을 보장 유지할 수 있는 유용한 효과를 제공한다.
연료, 전지, 수소, 발전기, UPS

Description

공동주택 연료전지 시스템 및 그 운영방법{FUEL SELL SYSTEM OF APARTMENT HOUSE AND CONTROL METHOD THEREOF}
도 1 및 도 2는 본 발명이 적용 실시되는 공동주택 연료전지 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 모식도,
도 3은 본 발명에 따른 공동주택 연료전지 시스템의 구성을 설명하기 위한 모식도,
도 4는 본 발명에 따른 공동주택 연료전지 시스템의 제어구성을 설명하기 위한 모식도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 연료전지 시스템 3 : 연료 변환기
5 : 연료전지 스택 10 : 제어기
20 : 공용 전환장치 21 : 공용 연료전지 스택
23 : 수소 보일러 a : 공급모듈
40 : 보조 전원공급장치
본 발명은 연료를 개질시켜 수소를 생성하는 연료 변환기를 공용시설에 설치하고 각 세대에는 수소를 이용하여 전기와 열을 생산하는 연료전지 스택을 개별 설치하는 공동주택 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 외부로부터 공급되는 전력 단전시에도 연료 변환기에 안정적으로 전력 공급이 유지될 수 있도록 하는 정전 대비 공동주택 연료전지 시스템 및 그 운영방법에 관한 것이다.
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.
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 물 이 된다.
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.
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 발생하는 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 열 에너지로 재 사용하기 위한 열교환기(heat exchanger)로 구성된다.
상기 연료 변환기는 연료탱크내의 연료를 연료펌프를 통해 공급받아 연료를 개질하여 수소가스를 발생시키고 그 수소가스를 연료전지 스택으로 공급한다.
상기 연료전지 스택은 연료전지의 본체를 형성하는 것으로 상기 연료 변환기로부터 공급받은 수소가스와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기에너지를 생성 한다. 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.
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.
상기 인버터는 상술한 연료전지 스택에서 생성된 직류 전류를 상용전원으로 사용가능 하도록 교류 전류로 변화시키는 장치이다.
이와 같이 구성되는 연료전지 시스템은 높은 에너지 효율과 환경 친화성, 에너지 공급원의 다원화, 수소경제 대비 등의 다양한 장점이 있으므로 근래 들어 대규모 발전설비 보다 5kw 이하의 주택용이 집중적으로 개발돼 가동되고 있다.
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.
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.
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.
즉, 본 출원인이 선출원한 공동주택 연료전지 시스템은 외부의 전력회사로부터 운전에 필요한 최소한의 전력을 공급받아 연료 변환기를 가동시키고, 이 연료 변환기에서 개질된 수소를 연료전지 스택에서 공급받아 전기와 열을 생산하는 구성이다.
이와 같은 구성에서 상기 연료 변환기를 구동시키기 위한 전기를 한국전력공사 등과 같이 외부의 전력회사에서 공급받지 않고 자체적으로 생산하여 공급받는 폐회로 시스템으로 구성하는 경우에는 현실적으로 각종 부대시설의 추가 설비 및 유지에 따른 막대한 소요비용이 가중될 뿐만 아니라 에너지의 효율성 면에서도 낮으므로 효용성이 떨어지므로, 상기 연료 변환기를 구동시키기 위한 최소의 구동전원은 외부의 전력회사로부터 공급되게 구성된다.
그러나, 본 출원인이 선출원한 공동주택 연료전지 시스템은 공용시설에 설치되는 연료 변환기를 가동시키기 위한 전력을 한국전력공사(KEPCO)와 같이 외부의 전력공급회사로부터 공급받아 가동되는 구성이므로, 정전 발생시에는 연료 변환기의 가동이 중단되는 것에 의해 각 연료전지 스택의 전기 및 열 생산이 불가능하게 되는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 본 발명은 외부로부터 공급되는 전원이 여러 요인에 의해 차단되는 경우에도 연료 변환기의 안정적인 운전을 가능하게 하여 각 세대에 설치된 연료전지 스택으로의 안정된 가스 공급을 유지할 수 있는 공동주택 연료전지 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 실현하기 위한 본 발명에 따른 공동주택용 연료전지 시스템은, 공동주택의 각 세대에 설치되어 수소로 전기와 열을 발생시키는 연료전지 스택과, 공용시설에 설치되고 여러 세대를 단일 공급모듈로 하여 생성된 수소를 배관을 통해 공급하는 다수의 연료 변환기와, 상기 연료 변환기에서 과잉 생산된 잉여수소를 배관을 통해 공급받아 공용전기 및 열 에너지를 발생시키는 공용 전환장치와, 외부로부터 연료 변환기에 공급되는 메인 전원을 감지하고 선택적으로 제어신호를 출력하는 제어기와, 상기 제어기의 제어신호를 받아 선택적으로 전기를 공급하는 보조 전원공급장치를 포함하여 구성되는 것을 그 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 한 특징으로서, 상기 각 연료 변환기는 해당 공급모듈을 구성하는 각 세대의 연료전지 스택들로 수소를 공급하기 위한 주 공급배관과, 상기 공용 전환장치에 선택적으로 잉여 수소를 공급하기 위해 밸브가 설치된 보조공급 배관이 각각 연결되는 것에 있다.
본 발명의 바람직한 다른 특징으로서, 상기 각 연료 변환기는 외부의 전력회사 및 보조 전원공급장치로부터 선택적으로 전원을 공급받도록 전기적으로 배선되는 것에 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 특징으로서, 상기 공용 전환장치는, 상기 연료 변환기와 밸브가 설치된 배관으로 연결되어 선택적으로 수소를 공급받아 전기와 열을 생산하는 공용 연료전지 스택 또는 상기 연료 변환기와 밸브가 설치된 배관으로 연결되어 선택적으로 수소를 공급받아 열을 생산하는 수소 보일러 중 하나 이상인 것에 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 특징으로서, 상기 제어기는 상기 메인 전원의 전압상태를 검출하는 전압 감지기를 구비하는 것에 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 특징으로서, 상기 보조 전원공급장치는 상기 공용 전환장치에 연결되어 생성된 전원을 공급받아 축전하는 축전기인 것에 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 특징으로서, 상기 보조 전원공급장치는 디젤엔진 또는 가스엔진을 원동기로 한 발전기인 것에 있다.
본 발명에 따른 공동주택 연료전지 시스템의 운영방법은, 공동주택의 공용시설에 설치되는 연료 변환기가 외부의 메인 전원으로부터 전기를 공급받아 연료를 개질하여 수소를 생산하는 단계와, 개별적으로 연료전지 스택이 설치된 여러 세대로 이루어진 단일 공급모듈에 수소를 공급하여 세대 내 전기와 열을 생산하는 단계와, 상기 각 연료 변환기에서 과잉 생산된 잉여수소를 공용전기와 열을 생산하는 공용 전환장치로 공급하는 단계와, 상기 메인 전원의 전압 감지정보를 인가 받은 제어기가 선택적으로 연료 변환기와 전기적으로 연결되어 전기를 공급하는 보조 전원공급장치의 운전을 제어하는 단계로 이루어지는 것을 그 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 한 특징으로서, 상기 보조 전원공급장치는, 상기 연료 변환기에 연결되어 생성된 전원을 공급받아 축전하는 축전기 또는 디젤엔진, 가스엔진을 원동기로 한 발전기 중 어느 하나 이상으로 구성되는 것에 있다.
본 발명의 바람직한 다른 특징으로서, 상기 보조 전원공급장치의 운전을 제어하는 단계에서,
상기 제어기는 전압 감지기로부터 메인 전원의 단전상태 정보가 인가되면 상기 보조 전원공급장치를 운전시켜 연료 변환기에 전기를 공급되게 전기 제어를 실시하는 것에 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 특징으로서, 상기 공용 전환장치는, 전기와 열을 생산하여 공용시설용 전기로 공급하도록 배선되는 공용 연료전지 스택 또는 열을 생산하여 각 세대 내 난방 및 온수를 공급하도록 배관되는 수소 보일러 중 어느 하나 이상으로 구성되고, 이들 공용 전환장치는 제어기의 제어를 받는 것에 있다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.
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.
이하 본 발명에 따른 공동주택용 연료전지 시스템의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
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.
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.
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.
도 3은 본 발명에 따른 공동주택 연료전지 시스템의 구성을 설명하기 위한 모식도이고, 도 4는 본 발명에 따른 공동주택 연료전지 시스템의 제어구성을 설명 하기 위한 모식도이다.
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 열 에너지로 전환하는 공용 전환장치(20) 및 상기 제어기(10)로부터 제어신호를 받아 선택적으로 연료 변환기(3)에 전원을 공급하는 보조 전원공급장치(40)로 구성된다.
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.
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.
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.
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 및 잉여수소를 공용 전환장치(20)로 공급하기 위한 보조 공급배관이 연결된다. 또한, 상기 연료 변환기(3)는 메인 전원(mp)을 통해 외부의 전력회사로부터 전원을 공급받도록 구성되며, 이외에도 상기 메인 전원(mp)의 정전시 후술할 보조 전원공급장치(40)로부터 전력을 공급받도록 배선된다.
한편, 상기 다수의 연료 변환기들은 도시하지 않았으나 상호 선택적으로 연계될 수 있도록 배관 연결되는 것이 바람직하다.
이러한 구성의 연료 변환기의 용량 선정을 살펴보면 다음과 같다.
(1) 공동주택 전체의 수소공급 용량
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 시 스템(1)의 전기 변환 효율(통상 20~50%)로부터 다음의 [수학식 1]과 같이 계산될 수 있다.
Figure 112006077352778-pat00001
따라서, 연료 변환기 구성 및 용량 산정을 위한 공동주택 전체 수소공급 용량은 아래 [수학식 2]로부터 산정될 수 있다.
Figure 112006077352778-pat00002
(2) 연료 변환기 용량 선정 및 설치 모듈
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.
[예 1] 각 동마다 연료 변환기 설치 :
Figure 112006077352778-pat00003
[예 2] 2개의 동별로 1개의 연료 변환기 설치 :
Figure 112006077352778-pat00004
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.
이와 같이 구성되는 다수의 연료 변환기(3)는 연료탱크(미도시)내의 연료를 공급받아 개질하여 수소가스를 생성하고 이를 해당 공급모듈(a) 즉, 공급모듈(a)을 구성하는 여러 세대에 설치된 연료전지 스택(5)에 공급하게 된다.
연료전지 스택(5)은 공동주택을 구성하는 각 세대 내에 설치되어 수소로 전기와 열을 발생시키는 장치로서, 본 발명에서는 여러 세대를 단일 공급모듈로 그룹화하여 대응되는 연료 변환기(3)로부터 수소를 공급받도록 구성된다.
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.
즉, 상기 연료전지 스택(5)은 상기 연료 변환기(3)로부터 공급받은 수소가스와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기에너지를 생산하는 기기로서, 전극-전해 질 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.
이와 같은 구성의 연료전지 스택(5)은 상술한 연료 변환기와 마찬가지로 공지의 기술에 의해 실시되어도 무방하므로 상세한 설명은 생략한다.
다만, 본 발명에서는 아파트 또는 주상복합주택 등과 같은 공동주택의 각 세대에 개별적으로 설치되는 구성이며, 여러 세대를 단일 공급모듈로 하여 해당되는 연료 변환기로부터 수소를 공급받도록 배관된다.
제어기(10)는 상술한 연료전지 스택(5)과 연료 변환기(3) 및 공용 전환장치(20) 그리고 보조 전원공급장치(40)에 제어신호를 출력하여 시스템의 운전 안전성을 유지하기 위한 일종의 마이컴으로서, 단일의 제어기를 이용하여 시스템을 구성하는 여러 전장품을 제어하도록 구성되거나 또는 각각의 전장품 즉, 다수의 연료전지 스택 및 연료 변환기 그리고 공용 전환장치(20) 및 보조 전원공급장치(40)에 독립적으로 컨트롤러(도시하지 않음)를 구성하고 이들 컨트롤러를 제어하는 형태로 제안될 수 있을 것이다. 이러한 제어기(10)는 공지의 기술에 의해 실시되어도 무방하므로 상세한 설명은 생략하며, 본 발명에서는 편의상 여러 전장품과 회로적으로 연결되어 제어신호를 인가하는 한 개로 구성된 제어기를 기준으로 설명한다.
상기의 제어기(10)는 도시하지는 않았으나 연료 변환기(3)와 연료전지 스택(5)의 운전 상태를 감지하기 위한 여러 감지기가 구성되며, 특징적으로는 외부로부터 연료 변환기(3)에 공급되는 메인 전원(mp)의 전압상태를 감지하는 전압 감지기(15)를 포함하는 구성이다.
여기서, 상기 전압 감지기(15)는 메인 전원(mp)의 전압상태를 실시간 모니터링 하여 출력단에 연결된 제어기(10)로 감지정보를 인가하며, 상기 제어기(10)는 메인 전원(mp)으로부터 인가된 전압정보를 기초로 정전유무를 판별하게 되며, 정전으로 판별되는 경우에는 후술할 보조 전원공급장치(40)를 가동시켜 연료 변환기(3)에 전기가 공급될 수 있게 제어한다.
이러한 제어기(10)는 도시하지는 않았으나 각 세대에 설치된 연료전지 스택(5)의 운전 상황에 따라 연료 변환기(3)의 운전을 제어하여 적정량의 수소를 생산하도록 제어함과 동시에 과잉 생산된 잉여수소의 발생시에는 공용 전환장치(20)로 공급하여 공용전력을 생산하도록 제어하는 것이 바람직하다.
공용 전환장치(20)는 상기 연료 변환기(3)에서 과잉 생산된 잉여수소를 공급받아 공용전기로 사용하거나 또는 열 에너지로 전환하여 각 세대로 공급하는 장치이다.
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.
따라서, 본 발명은 발생된 잉여수소를 별도의 공용 전환장치(20)로 공급하여 공용전기 및 잉여 전력판매용 전기 또는 열 에너지로 전환 사용하도록 함으로써 에너지의 효율적인 이용을 가능하게 하는 것을 제안한다.
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 후술할 보조 전원공급장치(40)를 구성하는 축전기(41)로 송전하여 축전시킬 수 있을 것이다. 또한, 도시하지는 않았으나 잉여 전력에 대해서는 전력회사에 재송전하여 판매할 수 있을 것이다.
여기서, 상기 공용 전환장치(20)를 구성하는 공용 연료전지 스택(21)의 용량은 아래의 [예 3]과 같은 방법에 의해 선정될 수 있을 것이다.
[예 3]
공동주택을 아파트로 가정하고, 단지 내 전체 세대의 연료전지 스택(5) 용량 이 600kw이고, 'TDR'=50% 인 경우, 최대 잉여수소에 따른 공용 연료전지 스택(21)의 용량은;
600kW×50%=300kW 급으로 선정될 수 있다.
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.
여기서, 상기 공용 전환장치(20)를 구성하는 수소 보일러(23)의 용량은 아래의 [예 4]와 같은 방법에 의해 선정될 수 있을 것이다.
[예 4]
공동주택을 아파트로 가정하고, 단지 내 저체 세대의 연료전지 스택(5)의 용량이 600kW이고, 'TDR'=25%인 경우, 최대 잉여수소에 따른 수소 보일러(23)의 용량은;
600kW×25%=150kW 급으로 선정될 수 있다.
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.
보조 전원공급장치(40)는 상술한 제어기(10)로부터 제어신호를 인가받아 선택적으로 상기 연료 변환기(3)에 전기를 공급할 수 있도록 회로 구성되며, 전하를 축적하는 축전기(41) 또는 디젤엔진 또는 가스엔진을 원동기로 하여 전기를 생산하는 발전기(43)가 사용될 수 있다.
여기서, 상기 축전기(41)는 충전·방전 반응을 되풀이할 수 있는 축전지를 포함하는 구성이며, 이때의 축전지로는 납 축전지, 알칼리 축전지 외에도 비수용액(유기전해질이나 고체전해질)을 이용한 2차 전지가 사용될 수 있을 것이다. 그리고, 상기 발전기(43)는 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환시키는 장치로서 디젤엔진 또는 가스엔진 등을 원동기로 갖는 교류 발전기가 사용될 수 있다.
이와 같이 보조 전원공급장치(40)를 구성하는 축전기(41) 및 발전기(43)는 선택적으로 구성되거나 또는 복합 구성될 수 있으며, 그 운전상태를 관리자 또는 작업자가 인식할 수 있도록 경광등 및 사이렌 등으로 된 표시수단이 부가 설치될 수 있으며, 이들 축전기(41)와 발전기(43)는 공지의 기술에 의해 실시되어도 무방하므로 상세한 설명은 생략한다.
한편, 상기 보조 전원공급장치(40)를 구성하는 축전기(41) 및 발전기(43)의 용량은 아래의 [예 5]와 같은 계산식에 의해 선정될 수 있을 것이다.
[예 5]
공동주택을 아파트로 가정하고,
세대별 최저 필요 기전력 = Pi[kW]
단지 내 세대수 = N 세대
단지 내 최저 필요 기전력 = Ptotal[kW]÷pi×N
단지 내 최저 필요 수소 공급량 = Ptotal[kW]÷E×860÷2732 = H2ups[Nm3/hr]
여기서, 860Kcal/kcal : 전기용량의 열용량 변환율
2732kcal/Nm3[Lower Heating Value] : 수소 열량
E[%] : 전기 변환 효율
모듈 별 연료 변환기 용량 = CFP[Nm3/hr]
정전시 가동할 연료 변환기 모듈 개수 Mups = Int[H2ups/CFP]+1
여기서, Int[x] = 값 x의 소수점을 버린 정수 값
1개 연료 변환기 필요 전력 : PFPi[kW/(Nm3/hr)] :
정전시 전체 연료 변환기 가동 전력 : PFP = Mups × CFP × PFPi
배터리 또는 축전지의 최소 용량 : CP = PFP α
여기서, α= 보조 전원공급장치의 발전기 초기 가동을 위한 필요 전력[kW]
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 공동주택 연료전지 시스템의 작동을 설명하면 다음과 같다.
공동주택의 기계실/전기실 등과 같은 공용시설에 소정 가스 생산 용량을 갖는 연료 변환기(3)가 다수 설치되어 연료를 개질하여 수소를 생산하고, 생산된 수소는 배관으로 연결된 각 세대에 설치된 연료전지 스택(5)으로 공급되어 세대 내 전기와 열을 생산하게 된다.
여기서, 상기 다수의 연료 변환기(3)는 각각 여러 세대를 단일 공급모듈(a)로 하여 개질된 생산 수소를 공급하도록 배관 연결되는 구성이며, 과잉 생산된 잉여수소는 배관으로 연결된 공용 전환장치(20)로 공급되어 공용전기와 열 에너지로 전환 사용되거나 또는 보조 전원공급장치(40)를 구성하는 축전기(41)의 충전 전원으로 사용된다.
한편, 연료 변환기(3)의 메인 전원(mp) 즉, 외부의 전력회사 등에서 공급되는 전원이 단전 또는 정전되는 경우 상기 제어기(10)는 상기 메인 전원(mp)이 전압을 감지하는 전압 감지기(15)를 통해 정전 유무상태를 실시간 모니터링하고, 정전으로 판명되는 경우 상기 보조 전원공급장치(40)를 가동시켜 연료 변환기(3)에 전원이 공급되게 한다. 따라서, 상기 연료 변환기(3)는 메인 전원(mp)의 단전시에도 안정적인 수소의 생산이 가능하므로 결과적으로 상기 연료 변환기(3)에 공급되는 외부의 전력 즉, 메인 전원(mp)의 정전에 상관없이 전체적인 시스템의 가동 유지가 가능하다.
또한, 상기 메인 전원(mp)의 단전 상태가 해제되는 경우 상기 전압 감지기(15)는 이를 감지하여 제어기(10)로 감지정보를 인가하고, 상기 제어기(10)는 보조 전원공급장치(40)에서 연료 변환기(3)로 공급되는 전원을 차단함과 동시에 상기 연료 변환기(3)가 메인 전원(mp)으로부터 전원을 공급받도록 전기 제어한다.
상기와 같이 구성되는 공동주택 연료전지 시스템의 바람직한 운영방법을 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 연료전지 시스템(1)은 공동주택의 공용시설에 설치된 다수의 연료 변환기(3)가 메인 전원(mp)으로부터 전기를 공급받아 연료를 개질하여 수소를 생산한다.
상기 연료 변환기(3)에서 생산된 수소는 여러 세대를 그룹화 한 해당 공급모듈(a)를 구성하는 각 세대의 연료전지 스택(5)에 관을 통해 공급되며, 상기 연료전지 스택(5)은 공급된 수소로 세대 내 전기와 열을 생산한다.
그리고, 상기 각 연료 변환기(3)에서 과잉 생산된 잉여수소는 공용전기와 열을 생산하는 공용 전환장치(20)로 공급된다. 즉, 상기 공용 전환장치(20)로 공급된 수소는 전기와 열을 생산하여 공용시설용 전기로 공급하도록 배선되는 공용 연료전지 스택(21) 또는 열을 생산하여 각 세대 내 난방 및 온수를 공급하도록 배관되는 수소 보일러(23)에 의해 공용 전기와 열에너지로 활용된다.
한편, 상기 메인 전원(mp)은 전압 감지기(15)에 의해 전압 상태가 실시간 모니터링 되며, 감지된 정보는 제어기(10)로 인가된다. 그리고, 상기 제어기(10)는 메인 전원(mp)의 정전 발생시 축전기(41) 및 발전기(43)로 이루어진 보조 전원공급장치(40)를 가동시켜 상기 연료 변환기(3)에 전기를 공급하여 정전에 상관없이 연료 변환기(3)가 지속적으로 연료를 개질하여 수소 생산을 가능하게 한다.
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.
상기와 같이 구성되고 작용되는 공동주택 연료전지 시스템은, 연료 변환기와 연료전지 스택을 분산 설치하여 시스템의 안전성을 높일 수 있으며, 특히 연료 변환기에 공급되는 외부의 전원이 단전되거나 또는 정전 발생시에도 제어기의 제어를 받는 보조 전원공급장치를 통해 상기 연료 변환기에 지속적으로 전기가 공급되게 함으로써 정전으로 인한 연료 변환기의 가동중단에 따른 불편함을 미연에 방지하고 시스템의 운전 안정성을 보장 유지할 수 있는 유용한 효과를 제공한다.
또한, 상기 각 연료 변환기에서 과잉 생산된 잉여수소는 공용 전환장치를 통해 공용전기(가로등, 엘리베이터 등) 및 열 에너지(난방, 온수 등)로 전환 사용될 뿐만 아니라 보조 전원공급장치를 구성하는 축전기에 공급되게 함으로써 에너지 효율성을 높임과 동시에 잉여수소를 저장하기 위한 대용량의 고위험 수소 저장탱크의 설치를 필요로 하지 않아 결과적으로 공동주택의 적용 자유도를 대폭적으로 높일 수 있는 이점이 있다.

Claims (11)

  1. 공동주택의 각 세대에 설치되어 수소로 전기와 열을 발생시키는 연료전지 스택과;
    공용시설에 설치되고 여러 세대를 단일 공급모듈로 하여 생성된 수소를 배관을 통해 공급하는 다수의 연료 변환기와;
    상기 연료 변환기에서 과잉 생산된 잉여수소를 배관을 통해 공급받아 공용전기 및 열 에너지를 발생시키는 공용 전환장치와;
    외부로부터 연료 변환기에 공급되는 메인 전원을 감지하고 선택적으로 제어신호를 출력하는 제어기와;
    상기 제어기의 제어신호를 받아 선택적으로 전기를 공급하는 보조 전원공급장치;
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 공동주택 연료전지 시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 각 연료 변환기는 해당 공급모듈을 구성하는 각 세대의 연료전지 스택들로 수소를 공급하기 위한 주 공급배관과, 상기 공용 전환장치에 선택적으로 잉여 수소를 공급하기 위해 밸브가 설치된 보조공급 배관이 각각 연결되는 것을 특징으로 하는 공동주택 연료전지 시스템.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 각 연료 변환기는 외부의 전력회사 및 보조 전원공급 장치로부터 선택적으로 전원을 공급받도록 전기적으로 배선되는 것을 특징으로 하는 공동주택 연료전지 시스템.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 공용 전환장치는, 상기 연료 변환기와 밸브가 설치된 배관으로 연결되어 선택적으로 수소를 공급받아 전기와 열을 생산하는 공용 연료전지 스택 또는 상기 연료 변환기와 밸브가 설치된 배관으로 연결되어 선택적으로 수소를 공급받아 열을 생산하는 수소 보일러 중 하나 이상인 것을 특징으로 하는 공동주택 연료전지 시스템.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 제어기는 상기 메인 전원의 전압상태를 검출하는 전압 감지기를 구비하는 것을 특징으로 하는 공동주택 연료전지 시스템.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 보조 전원공급장치는 상기 공용 전환장치에 연결되어 생성된 전원을 공급받아 축전하는 축전기인 것을 특징으로 하는 공동주택 연료전지 시스템.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 보조 전원공급장치는 디젤엔진 또는 가스엔진을 원동기로 한 발전기인 것을 특징으로 하는 공동주택 연료전지 시스템.
  8. 공동주택의 공용시설에 설치되는 연료 변환기가 외부의 메인 전원으로부터 전기를 공급받아 연료를 개질하여 수소를 생산하는 단계;
    개별적으로 연료전지 스택이 설치된 여러 세대로 이루어진 단일 공급모듈에 수소를 공급하여 세대 내 전기와 열을 생산하는 단계;
    상기 각 연료 변환기에서 과잉 생산된 잉여수소를 공용전기와 열을 생산하는 공용 전환장치로 공급하는 단계;
    상기 메인 전원의 전압 감지정보를 인가 받은 제어기가 선택적으로 연료 변환기와 전기적으로 연결되어 전기를 공급하는 보조 전원공급장치의 운전을 제어하는 단계;
    로 이루어지는 것을 특징으로 하는 공동주택 연료전지 시스템의 운영방법.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 보조 전원공급장치는,
    상기 연료 변환기에 연결되어 생성된 전원을 공급받아 축전하는 축전기 또는 디젤엔진, 가스엔진을 원동기로 한 발전기 중 어느 하나 이상으로 구성되는 것을 특징으로 하는 공동주택 연료전지 시스템의 운영방법.
  10. 제 8항에 있어서, 상기 보조 전원공급장치의 운전을 제어하는 단계에서,
    상기 제어기는 전압 감지기로부터 메인 전원의 단전상태 정보가 인가되면 상기 보조 전원공급장치를 운전시켜 연료 변환기에 전기를 공급되게 전기 제어를 실시하는 것을 특징으로 하는 공동주택 연료전지 시스템의 운영방법.
  11. 제 8항에 있어서, 상기 공용 전환장치는, 전기와 열을 생산하여 공용시설용 전기로 공급하도록 배선되는 공용 연료전지 스택 또는 열을 생산하여 각 세대 내 난방 및 온수를 공급하도록 배관되는 수소 보일러 중 어느 하나 이상으로 구성되고, 이들 공용 전환장치는 제어기의 제어를 받는 것을 특징으로 하는 공동주택 연료전지 시스템의 운영방법.
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