KR100892160B1 - 가정용 연료전지 열병합 발전 시스템의 성능 평가 장치 - Google Patents

가정용 연료전지 열병합 발전 시스템의 성능 평가 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지 열병합 발전 시스템의 성능을 평가하는 장치로서, 외부와 차단된 내부 공간을 제공하며 표면에 복수의 유입구 및 유출구가 형성되어 있는 케이스와, 상기 케이스의 내부 공간에 설치되며 상기 유입구 및 유출구에 한쪽 끝단과 다른 한쪽 끝단이 각각 연결되는 복수의 유로와, 상기 유로에 설치되는 온도 측정 센서, 유량 측정 센서, 압력 측정 센서를 포함한다. 각종 센서와 유로가 모듈화되어 컴팩트하게 형성된 성능 평가 장치는 방수성, 단열성 및 측정 안정성이 우수하며, 연료전지 열병합 발전 시스템에 연결하여 설치할 때 공간 활용성이 뛰어나 가정용 연료전지 열병합 발전 시스템의 장기적 성능 평가에 적합하다.
연료전지, 열병합 발전, 성능 평가, 모듈

Description

가정용 연료전지 열병합 발전 시스템의 성능 평가 장치{PERPRMANCE TESTING APPARATUS FOR RESIDENTIAL FUEL CELL COGENERATION SYSTEM}
본 발명은 가정용 연료전지 열병합 발전 시스템의 성능 평가 장치에 관한 것으로, 상세하게는 연료전지 시스템과 열회수저장모듈의 성능 및 효율을 동시에 평가할 수 있는 모듈화된 평가 장치를 제안한다.
고유가와 기후변화대응을 위한 기술 개발과 보급이 시급한 가운데 연료전지를 비롯한 신재생에너지 설비에 대한 관심이 고조되고 있다.
신재생에너지 설비의 보급 촉진을 위하여 신에너지 및 재생에너지 개발·이용·보급 촉진법에 따라 기술개발과 더불어 일정 기준 이상의 신재생에너지 설비에 대해 인증하는 제도가 시행 중에 있다. 연료전지 분야에서는 실용화에 가장 근접하고 있는 고분자 연료전지 시스템이 인증대상 설비로 지정돼 있다.
연료전지 가운데 건물용 고분자 연료전지는 도시가스를 연료로 하는 열병합 발전 시스템으로 전기효율 30% 이상, 열회수효율 40% 이상의 고효율 신에너지 설비다. 기존의 발전 설비에 비해 30% 이상의 에너지 절감과 온난화가스 저감 효과를 기대할 수 있다.
연료전지 열병합 발전 시스템의 성능 향상 및 보급 확대를 위해서는 시스템 성능 및 신뢰성 평가를 위한 평가 장치가 매우 중요하다. 그 동안, 연료전지 스택 효율, 개질기 등의 연료 변환 효율 등이 개별적으로 측정되었으나, 연료전지 열병합 발전 시스템의 종합적인 성능을 평가하는 장치는 제시되지 못하였다.
특히, 10㎾ 이하의 가정용 연료전지 열병합 발전 시스템의 경우 전기 효율 뿐만 아니라 온수 이용률 등의 실질적인 성능 평가가 매우 중요하다. 또한, 성능 평가 장치는 연료전지 시스템 등과의 시공 시 설계의 용이성, 공간 배치의 적절성 등 실용화에 고려해야할 요소들이 매우 많은 실정이다.
뿐만 아니라, 다양한 형태 및 방식의 연료전지 열병합 발전 시스템에 일반적으로 적용될 수 있는 범용 장치가 요구되며, 설치되는 건물의 조건 및 용도에 따라 연료전지 시스템 등과 더불어 실외 설치 후 장기간 동작이 가능한 성능 평가 장치가 요구되고 있다.
본 발명은 전술한 기술적 배경하에서 창안된 것으로, 본 발명의 목적은 연료전지 열병합 발전 시스템의 장기적인 성능 평가에 적합한 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 실외 설치가 가능하고 시공성이 용이하며 부피가 작은 성능 평가 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 연료전지 열병합 발전 시스템의 각종 효율 평가를 위한 물리량 측정이 실시간 안정적으로 이루어지는 성능 평가 장치를 제공하는 것 이다.
기타, 본 발명의 또 다른 목적 및 기술적 특징은 이하의 상세한 설명에서 보다 구체적으로 제시될 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 연료를 공급받아 전기를 생산하는 연료전지 시스템과, 이 연료전지 시스템과 열교환을 통해 연료전지 시스템에서 발생되는 열을 저장하는 열회수저장모듈을 포함하는 연료전지 열병합 발전 시스템의 성능을 평가하는 장치로서, 외부와 차단된 내부 공간을 제공하며, 표면에 복수의 유입구(inlet) 및 유출구(outlet)가 형성되어 있는 케이스와, 상기 케이스의 내부 공간에 설치되며, 상기 유입구 및 유출구에 한쪽 끝단과 다른 한쪽 끝단이 각각 연결되는 복수의 유로와, 상기 유로에 설치되는 온도 측정 센서, 유량 측정 센서, 압력 측정 센서를 포함하는 가정용 연료전지 열병합 발전 시스템의 성능 평가 장치를 제공한다.
상기 복수의 유로는 연료 저장소로부터 연료전지 시스템 및 열회수저장모듈로 연료를 전달하는 연료 공급 라인 중에 연료의 공급을 중개(仲介)하는 제1유로와, 열회수저장모듈로 공급되는 급수 라인 중에 급수 공급을 중개하는 제2유로와, 열회수저장모듈로부터 연료전지 시스템으로 공급되는 냉각수 라인 중에 냉각수의 전달을 중개하는 제3유로와, 연료전지 시스템으로부터 열회수저장모듈로 공급되는 배열회수 라인 중에 온수의 전달을 중개하는 제4유로를 포함하며, 필요에 따라 열회수저장모듈로부터 외부로 공급되는 온수 라인 중에 온수의 전달을 중개하는 제5 유로를 더 포함할 수 있다.
상기 제1유로는 하나의 라인이 두 개의 라인으로 분기(分岐)되는 형태로 형성되고, 케이스 표면의 하나의 유입구와 일단이 연결되며 두 개의 유출구에 분기된 라인의 끝단이 각각 연결된다.
상기 온도 측정 센서, 유량 측정 센서, 압력 측정 센서로부터 수집되는 기계적 신호를 전기적 신호로 변환하는 신호처리부를 더 포함할 수 있으며, 이 경우 상기 신호처리부는 상기 케이스 외부의 별도 장치에 설치되어 케이스와 케이블로 연결되도록 할 수 있다.
본 발명에 따르면, 가정용 연료전지 열병합 발전 시스템의 통합적인 성능 평가가 가능하다. 성능 평가 장치는 컴팩트한 형태로서 좁은 공간에서도 연료전지 시스템 및 열회수저장모듈과 연결되어 설치 가능하므로 연료전지 열병합 발전 시스템의 시공성 및 설치 시 공간 활용성을 크게 향상시킨다. 또한, 성능 평가 장치의 방수성, 단열성, 내구성이 우수하여 측정 안정성 및 성능 평가 신뢰성을 확보할 수 있다. 특히, 사용자 편의 위주의 성능 평가가 가능하며 연료전지 열병합 발전 시스템의 각종 효율 내지 성능을 동시에 평가할 수 있는 장점이 있다. 따라서, 연료전지의 성능 향상을 도모할 수 있고, 연료전지 시스템 보급을 앞당기는데 실질적으로 기여할 수 있을 것이다.
본 발명은 연료전지 시스템과 열회수저장모듈 사이에서 연료 및 열교환수의 흐름을 단일 장치 내에서 중개하면서, 연료전지 시스템의 각종 효율 관련 지표를 측정하고 평가할 뿐만 아니라, 열회수저장모듈과 관련된 각종 지표도 함께 평가함으로써 연료전지 열병합 발전 시스템의 실질적인 통합적 성능 평가가 가능하다는데 특징이 있다.
본 발명에 따른 연료전지 열병합 발전 시스템의 성능 평가 장치는 컴팩트한 케이스 내에 연료전지 시스템용 연료 계측부, 열회수저장모듈용 연료 계측부, 연료전지 시스템 냉각수 계측부, 열회수저장모듈 배출 온수 계측부, 연료전지 시스템용 수전 전력 계측부, 연료전지 시스템용 발전 전력 계측부, 열회수저장모듈 수전 전력 계측부(보일러를 포함하는 경우)를 포함한다.
이러한 계측부(또는 센서)는 성능 평가 장치 내에 설치되며, (연료전지 시스템과 열회수저장모듈 사이에 배치되어) 연료나 열교환수 유동 통로인 배관을 중개하는 각종 유로 상에 설치된다. 연료 배관이나 열교환수 배관과 상기 유로들의 연결을 위하여 본 발명에 따른 성능 평가 장치의 표면에는 외부 배관의 접속부 역할을 하는 유입구와 유출구가 형성된다.
도 1은 본 발명에 따른 성능 평가 장치와 주변 시스템과의 관계를 개념적으로 도시한 것이다. 성능 평가 장치는 각종 계측부 및 유로가 내장된 계측 모듈과 계측된 신호들을 데이터 처리하여 연료전지 시스템의 성능을 평가하는 데이터 처리 모듈로 구성된다.
계측 모듈과 데이터 처리모듈은 하나의 장치로 구성될 수 있고, 별개의 장치로 독립되어 구성되지만 상호 전기적 신호가 연결되도록 케이블을 더 포함할 수 있 다. 이하에서 특별한 한정이 없는 한 성능 평가 장치는 계측 모듈과 데이터 처리 모듈이 분리되어 독립적으로 구성되는 것으로 기술한다.
계측 모듈은 연료전지 시스템으로 유입되는 연료 공급 배관(a), 연료전지 시스템과 열회수저장모듈 사이의 열교환수(熱交換水) 유동 배관(c, d), 열회수저장모듈과 유틸리티 사이의 배관(b)을 중개하면서 각종 유체의 물리적 특성을 측정하여 연료전지 시스템 및 열회수저장모듈의 성능을 평가한다.
본 발명에서 연료전지 시스템은 개질기 등을 포함하는 연료 변환 장치, 연료전지 스택, 열교환부 등을 포함할 수 있다. 또한, 본 발명에서 열회수저장모듈은 냉각수 및 연료전지 시스템과의 열교환으로 가열된 온수를 저장하는 공간을 포함하며, 필요에 따라 보일러를 추가로 포함할 수도 있다.
도 1에서 유틸리티는 (건물 등에 공급되는) 전기, 가스, 수도 등을 의미하며, 본 발명에서는 특히 성능 평가 장치, 특히 계측 모듈과 연결되는 도시 가스 등의 연료 공급 소스(또는 연료 공급 라인), 상수도 시설 등으로부터 연동되는 급수 라인, 열회수저장모듈에 저장된 온수를 이용하기 위한 온수 라인을 유틸리티로 규정한다. 따라서, 열회수저장모듈과 유틸리티 사이를 연결하는 배관(b)에는 유틸리티(가스 공급부)로부터 열회수저장모듈(보조 보일러)로 유입되는 연료 공급 배관, 유틸리티(수도 공급부)로부터 열회수저장모듈로 유입되는 급수 배관, 열회수저장모듈로부터 외부(온수 이용처)로 유출되는 온수 공급 배관을 포함한다.
이해를 돕기 위하여 본 발명의 성능 평가 장치에 있어서 계측 모듈과 연료전지 시스템 및 열회수저장모듈 간의 관계를 도 2를 참조하여 좀더 상세히 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 연료 공급원 (예를 들어 도시가스)으로부터 연료를 전달하는 연료 공급 라인(a)은 계측 모듈 내에 설치된 유로의 중개를 통해 각각 연료전지 시스템측 연료 라인(a1)과 열회수저장모듈측 연료 라인을 통해 연료를 전달한다.
상수 시설 등으로부터 공급되는 물은 급수 라인(b1)을 통해 열회수저장모듈로 공급된다. 공급된 물은 열회수저장모듈에 저장된 상태에서 냉각수 라인(c)을 따라 연료전지 시스템으로 공급되며, 연료전지 시스템에서 발전 과정 중에 발생하는 열과 냉각수가 열교환 과정을 거쳐 승온된 온수로서 배열회수 라인(d)을 통해 다시 열회수저장모듈에 저장된다. 저장된 온수는 필요에 따라 온수 라인(b2)을 통해 외부로 배출될 수 있다. 급수 라인(b1), 냉각수 라인(c), 배열회수 라인(d), 온수 라인(b2)은 각각 계측 모듈에 설치된 각종 유로의 중개를 통해 연료전지 시스템, 열회수저장모듈 및 외부와 연결된다. 이러한 유로들의 중개 기능에 대해서는 후술한다.
한편, 급수-온수이용 라인과 냉각수-배열회수 라인이 분리되어 있는 경우, 즉 급수 라인을 통해 열회수저장모듈 내의 온수 탱크가 채워지는 것은 동일하나 배열회수 라인을 통해 들어오는 온수가 온수 탱크 내의 열교환기를 통해 간접 가열하는 경우에는 급수 라인의 물이 냉각수 라인을 따라 연료전지 시스템으로 이동하지 않으며, 냉각수 라인의 물은 별도로 채워넣게 된다.
계측 모듈에는 또한, 연료전지 시스템으로 공급되는 수전 전력 및 연료전지 시스템으로부터 발생되는 발전 전력 (및 그 전력의 품질) 등을 측정하기 위한 전력 라인(e1, e2)이 중개된다. 이를 위하여 연료전지 시스템과 배전반을 상호 연결하기 위한 전력선이 계측 모듈에 포함될 수 있을 것이다. 또한, 열회수저장 모듈이 보일러를 포함하고 있을 경우 보일러 가동을 위한 전력을 측정하기 위한 전력 라인(e3)도 계측 모듈에서 중개된다.
이와 같이 본 발명에 따른 성능 평가 장치는 연료전지 시스템과 열회수저장모듈 사이에서 연료, 냉각수, 배열회수된 온수, 전력 등을 중개하면서 이 과정에서 각종 물리량의 변화를 실시간적으로 측정한다.
본 발명에 따른 성능 평가 장치는 연료전지 시스템과 열회수저장모듈이 별도의 구조물로 분리되어 있는 경우 뿐만 아니라, 도 3에 도시된 바와 같이 하나의 구조물 내에 통합되어 있는 경우에도 효과적으로 적용될 수 있다. 10kW급 이하의, 예를 들어 1kW급, 3kW급, 또는 5kW급 연료전지 열병합 발전 시스템은 연료전지 시스템과 열회수시스템을 구조적으로 일체화함으로써 설치 면적을 획기적으로 줄일 수 있으며, 도시가스를 연료로 사용하여 일반 가정이나 주거단지에서 필요로 하는 전력과 온수를 공급하는 친환경 에너지원으로 적절하다. 특히, 연료전지 시스템과 온수저장탱크와 보조버너를 포함하는 열회수저장모듈이 이원화되는 경우와 비교할 때 설치과정이 간단하고 시공이 유리하며, 시스템의 일체화 및 최적화를 통해 열회수 효율 등 에너지 효율을 크게 높일 수 있다.
본 발명에 따른 성능 평가 장치는 연료전지 시스템과 열회수저장모듈이 분리된 경우나 통합된 경우 모두 유사한 방법으로 시공이 가능하며, 동일한 방식으로 성능 평가가 가능하다.
도 4는 본 발명에 따른 성능 평가 장치의 계측 모듈(100) 외관을 보인 사시도이다. 앞서 설명한 바와 같이 상기 계측 모듈과는 별도로 데이터 처리 모듈을 별도로 구비할 수도 있고, 계측 모듈 내에 데이터 처리 모듈을 통합적으로 형성할 수도 있다. 계측 모듈은 외부와 차단된 내부 공간을 제공하는 케이스와, 상기 케이스의 내부 공간에 설치되는 복수의 유로를 포함한다. 또한, 케이스를 개폐할 수 있는 덮개(102)를 포함한다.
도 5를 참조하면, 케이스 외부 표면에는 복수의 유입구(inlet) 및 유출구(outlet)를 포함하는 배관 접속부(II, 120)가 형성되어 있고, 또한 전력선 및 신호 케이블이 통과되기 위한 케이블 관통공(I, 140)이 형성되어 있다.
계측 모듈의 상기 유입구 및 유출구에는 유로들의 한쪽 끝단과 다른 한쪽 끝단이 각각 연결되며, 유로 상에는 필요에 따라 하나 이상의 온도 측정 센서, 유량 측정 센서, 또는 압력 측정 센서가 설치된다. 이에 대해서는 후술한다.
상기 계측 모듈은 연료전지 열병합 발전 시스템의 각종 효율을 비롯한 통합적인 성능 평가를 위한 모든 계측부가 포함되며, 이러한 계측부들이 외부에 대해 방수 및 단열됨으로써 측정 안정성 및 내구성을 크게 향상시키게 된다. 특히 연료전지 시스템 및 열회수저장모듈과 인접하여 설치될 수 있고(예를 들어, 연료전지 시스템과 열회수저장모듈 사이에 계측 모듈 설치) 계측 모듈을 실외의 가혹한 환경 조건에 노출시킬 수 있어 건축물의 형태나 용도에 따른 설치 자유도가 높다.
도 6은 계측 모듈에 설치되는 각종 유로 및 계측부들의 배치 형태를 2차원적으로 모식화시켜 나타낸 것이다. 케이스 내에 포함되는 유로는, 연료 저장소로부터 연료전지 시스템 및 열회수저장모듈로 연료를 전달하는 연료 공급 라인 중에 연료의 공급을 중개(仲介)하는 제1유로(131)와, 열회수저장모듈로 공급되는 급수 라인 중에 급수 공급을 중개하는 제2유로(132)와, 열회수저장모듈로부터 연료전지 시스템으로 공급되는 냉각수 라인 중에 냉각수의 전달을 중개하는 제3유로(133)와, 연료전지 시스템으로부터 열회수저장모듈로 공급되는 배열회수 라인 중에 온수의 전달을 중개하는 제4유로(134)를 포함한다. 필요에 따라, 열회수저장모듈로부터 외부로 공급되는 온수 라인 중에 온수의 전달을 중개하는 제5유로(135)를 더 포함할 수 있다.
상기 제1유로(131)에는 연료의 압력 및 유량을 측정하기 위한 압력계(P)와 유량계가 설치된다. 열회수저장모듈에 보일러가 포함되는 경우 연료전지 시스템으로의 연료 공급 및 보일러 구동을 위한 연료 공급을 위하여 상기 제1유로는 하나의 라인이 두 개의 라인(131a, 131b)으로 분기되는 형태로 형성되며 각각의 라인에 유량계(M1a, M1b)가 설치된다. 상기 유량계(M1a, M1b)는 연료전지 시스템과 열회수저장모듈로 공급되는 연료량을 각각 측정하게 된다. 분기된 두 라인(131a, 131b)은 케이스 표면의 두 개의 유출구에 각각 끝단이 연결된다.
상기 제2유로 내지 제4유로에는 각각 온도계(T2, T3, T4)가 설치되어 급수 온도, 냉각수 온도, 배열회수 온도를 각각 측정하게 된다. 또한, 상기 제3유로 또는 제4유로에 유량계(M4)가 설치되어 열회수저장모듈로부터 냉각수로서 공급되어 연료전지 시스템에서의 열교환을 통해 배열회수되는 물의 유량을 측정하게 된다.
상기 제5유로에도 유량계(M5)를 설치하여, 외부로 공급되는 온수 이용량을 측정할 수 있다.
또한, 계측 모듈 내부에는 연료전지 시스템의 수전 전력 및 발전 전력을 측정하는 전력센서(E1, E2)가 설치되며, 상기 열회수저장모듈에 보일러를 추가적으로 포함하는 경우에는 보일러의 수전 전력을 측정하는 전력센서(E3)가 더 설치된다.
식별 번호 141, 142, 143은 전력 계통과 연료전지 시스템(또는 열회수저장모듈) 사이를 중개하기 위한 전력 케이블에 해당한다.
계측 모듈의 케이스 내부에는 히터를 더 포함할 수 있다. 내장된 히터는 계측 모듈이 실외에 설치되어 기온이 하강할 때 계측 모듈을 일정 수준의 온도로 유지시킴으로써 계측기의 고장을 방지하여 균일한 조건에서 각종 측정이 가능하게 하여 성능 평가의 신뢰성을 확보할 수 있다. 한편, 계측 모듈에 설치되는 각종 유로의 재질에는 특별한 제한이 없으나, 기온 변화에 따른 유로의 변형이나 내부 유체가 어는 것을 방지하기 위하여 유로 표면에 열선을 형성하는 것이 바람직하다. 히터와 열선의 가동은 별도의 제어부를 통해 제어한다. 히터는 계측 모듈 내부의 온도 컨트롤러로 ON/OFF 제어하며, 열선은 데이터 처리 모듈에서 T2 ~ T5의 온도 및 각 유량계의 유량을 종합적으로 판단하여 제어 신호를 출력하고 릴레이 작동을 통해 열선에 전원을 공급한다.
도 6에 도시한 각종 유로와 계측부들은 이해를 돕기 위하여 평면적으로 구성한 예일 뿐, 본 발명의 계측 모듈이 이에 한정될 필요는 없을 것이며 각종 유로와 계측부를 3차원적으로 구성하여 계측 모듈의 부피를 최적화시키는 것이 바람직할 것이다.
상기 온도 측정 센서, 유량 측정 센서, 압력 측정 센서로부터 수집되는 기계적 신호를 전기적 신호로 변환하는 신호처리부를 계측 모듈 내에 더 포함할 수 있다. 이와 달리, 상기 신호처리부는 계측 모듈 외부의 데이터 모듈에 설치하고, 계측 모듈과 케이블을 통해 각 센서에 연결시킬 수 있다. 이 경우, 데이터 모듈을 실내에 설치하여 평가 결과를 손쉽게 확인할 수 있을 것이다.
상기 데이터 모듈은 신호처리부의 데이터들을 토대로 각종 효율을 평가하는 제어 프로그램과 평가된 효율 내지 성능을 시각화시켜 나타내는 디스플레이를 포함할 수 있다.
도 7은 도 5의 배관 접속부(II)를 확대한 것이다. 케이스 외부 표면에 형성되는 복수의 유입구 및 유출구는 연료전지 시스템, 열회수저장모듈, 및 유틸리티의 각 부분과 배관에 의하여 연결되며, 배관 작업의 용이성 및 배관들 사이의 공간 배치 등을 고려하여 집합적으로 배치되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 도 7에서 왼쪽(120I)은 열회수저장모듈과 연결되는 배관들을 위한 유입구 및 유출구이고, 중앙(120II)은 유틸리티에, 오른쪽(120III)은 연료전지 시스템과 연결되는 유입구 및 유출구에 해당한다.
계측 모듈에 설치되는 유로들과의 관계를 살펴보면, 예를 들어, 연료 공급과 관련된 제1유로는 연료 유입구(120IIa)와 일단이 연결되고 분기되어 갈라진 두 개의 유로 끝단이 각각 열회수저장모듈측 연료 유출구(120Ia)와 연료전지 시스템측 연료 유출구(120IIIa)에 연결된다. 급수 공급과 관련된 제2유로의 경우 일단이 급수 유입구(120IIb)와 연결되고 타단은 열회수저장모듈측 급수 유출구(120Ic)와 연 결된다. 냉각수와 관련되는 제3유로는 열회수저장모듈측 냉각수 유입구(120Ib)와 일단이 연결되고 연료전지 시스템측 냉각수 유출구(120IIIb)와 타단이 연결된다. 연료전지 시스템으로부터 배열회수되는 온수와 관련되는 제4유로는 일단이 연료전지 시스템측 배열회수 유입구(120IIIc)와 연결되고 타단은 열회수저장모듈측 배열회수 유출구(120Id)와 연결된다. 열회수저장모듈에 저장된 온수의 이용을 위하여 외부로 공급되는 온수와 관련되는 제5유로는 일단이 열회수저장모듈측 온수 유입구(120Ie)와 연결되고 타단은 유틸리티측 온수 유출구(120IIc)와 연결된다.
이와 같은 유입구 및 유출구의 유로들과의 배치 관계는 연료전지 열병합 발전 시스템의 구조, 설치 환경 등에 따라 적절하게 변형될 수 있을 것이다. 예를 들어, 연료와 관련된 유입구 및 유출구를 계측 모듈 케이스 일면에 배치하고 냉각수나 온수 등과 관련된 유입구 및 유출구는 케이스의 다른 면에 배치하는 것도 가능할 것이다.
앞서 도 6에서 2차원적으로 도시한 유로들은 실제로는 3차원적으로 설치되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 제1유로의 경우 도 8에 도시한 바와 같이 연료 유입구(120IIa)에 제1유로(131)의 일단이 연결되고 분기된 두 개의 라인(131a, 131b)의 끝단은 각각 연료전지 시스템측 연료 유출구(120IIIa)와 열회수저장모듈측 연료 유출구(120Ia)에 연결된다. 나머지 유로들도 서로 간섭이 발생하지 않도록 유로 형태를 변형시켜 각각의 유입구와 유출구에 연결되도록 할 수 있을 것이다.
상기 연료 유입구(120IIa)에는 연료 공급원으로부터 연료를 전달하는 연료 공급 배관(151)이 연결된다. 전달된 연료는 계측 모듈 내의 제1유로(131)로부터 연 료의 계측이 이루어진 후 연료전지 시스템측 연료 유출구(120IIIa)에 연결되는 배관(151a)을 통해 연료전지 시스템으로 공급되고 열회수저장모듈측 연료 유출구(120Ia)에 연결되는 배관(151b)을 통해 열회수저장모듈로 공급된다.
유입구 및 유출구에 연결되는 배관들은 예를 들어 도 9에 화살표를 이용하여 모식적으로 도시한 바와 같이 각각의 배관들이 엉키거나 간섭을 일으키지 않으면서 공간적으로 최적화되도록 설계하고 시공될 수 있다.
본 발명에 따른 성능 평가 장치는 연료전지 열병합 발전 시스템의 효율 평가에 필요한 물리량 측정 수단을 모듈화시켜 연료전지 시스템 및 열회수저장모듈의 운정 중에도 실시간적으로 모든 성능을 평가할 수 있다.
예를 들어, 열효율의 경우 연료투입량에 대한 배열회수량의 비율로 판단할 수 있다. 연료투입량 및 배열회수량은 다음과 같은 방법으로 산출할 수 있다.
- 연료투입량 = 시스템 공급 연료유량 * 천연가스발열량 * 환산인자
- 배열회수량 = (배열회수(온수)온도 - 냉각수(냉수)온도) * 배열회수유량 * 물의 열용량 * 물의 밀도
시스템에 공급되는 연료 유량은 제1유로의 연료전지 시스템측으로 분기되는 쪽에 설치되는 유량계(M1a)에서 측정하며, 배열회수유량은 제3유로 또는 제4유로에 설치되는 유량계(M4)로 측정하며, 배열회수 온도는 제3유로 및 제4유로에 각각 설치되는 온도계(T3, T4)로 측정한다.
한편, 열회수저장모듈에 저장된 온수를 사용자가 사용하는 경우 열이용률이 에너지 효율 측면에서 중요한 평가 지표가 되는데 열이용률은 연료투입량에 대한 열이용량의 비율로 판단할 수 있으며, 열이용량과 연료투입량은 다음과 같은 방법으로 산출할 수 있다.
- 연료투입량 = (시스템 공급 연료유량 + 보조 보일러 공급 연료유량) * 천연가스발열량 * 환산인자
- 열이용량 = (온수이용온도 - 급수온도) * 온수이용유량 * 물의 열용량 * 물의 밀도
온수이용유량은 제5유로에 설치된 유량계(M5)로 측정하며, 온수이용온도 및 급수 온도는 각각 제5유로와 제2유로에 설치된 온도계로 측정한다.
측정된 데이터들은 실시간으로 신호처리부를 통해 전기적 데이터로 변환되고, 변환된 데이터들은 데이터 처리 모듈의 제어부에서 해당 효율로 산출되어 최종적으로 디스플레이에 출력된다.
본 발명에 따르면, 연료전지 시스템과 열회수저장모듈에 연결되는 각종 연료 배관, 물 공급 배관을 중개하는 복수의 유로를 계측 모듈에 내장하고, 유로 내의 유체들로로부터 실시간으로 각종 물리량을 측정함으로써 신뢰성있는 성능 평가가 가능하다. 또한 연료전지 시스템이나 열회수저장모듈의 종류에 상관없이 동일한 방식으로 성능 평가가 가능하여 가정용 연료전지 열병합 발전 시스템의 성능 평가 표준화를 앞당길 수 있을 것이다.
특히, 성능 평가 장치가 컴팩트하게 되어 연료전지 열병합 발전 시스템의 배치 공간 활용성이 극대화되고, 그 결과 연료전지 열병합 발전 시스템의 보급을 촉진시킬 수 있을 것이다. 또한, 계측부에 대한 방수, 단열, 동파 예방 등의 최적 환 경을 마련하여 계측 안정성이 확보될 뿐만 아니라, 성능 평가 장치의 실외 설치가 가능하다. 또한, 계측부가 계측 모듈에 모두 통합되므로 불필요한 케이블 작업이 제거되며, 성능 평가 장치 자체의 설치 작업성이 향상되고 연료전지 시스템이나 열회수저장모듈과 연결되는 배관 설계가 용이하다. 뿐만 아니라, 열회수저장모듈과 관련한 온수 사용률(열이용률) 및 전기이용률을 측정할 수 있어 사용자 입장에서 실질적인 에너지 효율 판단에 유리하다.
이상에서 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 예시적으로 설명하였으나, 본 발명은 이와 같은 특정 실시예에만 한정되는 것은 아니며 본 발명에서 제시한 기술적 사상, 구체적으로는 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 다양한 형태로 수정, 변경, 또는 개선될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 성능 평가 장치와 연료전지 열병합 발전 시스템의 관계를 보인 모식도.
도 2는 연료전지 시스템과 열회수저장 모듈 분리형 열병합 발전 시스템과 성능 평가 장치의 계측 모듈의 관계를 보인 모식도.
도 3은 연료전지 시스템과 열회수저장 모듈 일체형 열병합 발전 시스템과 성능 평가 장치의 계측 모듈의 관계를 보인 모식도.
도 4는 본 발명의 성능 평가 장치의 외관을 보인 사시도.
도 5는 성능 평가 장치 케이스 표면에 형성된 유입구 및 유출구를 보인 정면도.
도 6은 계측 모듈 내부에 설치되는 각종 유로를 보인 모식도.
도 7은 케이스 표면에 형성된 유입구 및 유출구의 확대도.
도 8은 케이스 내부의 유로를 보인 확대도.
도 9는 계측 모듈과 연결되는 배관의 배치를 보인 모식도.
*** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ***
100:계측 모듈 102:덮개
120:배관 접속부 131:제1유로
132:제2유로 133:제3유로
134:제4유로 135:제5유로
140:케이블 관통공

Claims (13)

  1. 연료를 공급받아 전기를 생산하는 연료전지 시스템과, 이 연료전지 시스템과 열교환을 통해 연료전지 시스템에서 발생되는 열을 저장하는 열회수저장모듈을 포함하는 연료전지 열병합 발전 시스템의 성능을 평가하는 장치로서,
    외부와 차단된 내부 공간을 제공하며, 표면에 복수의 유입구(inlet) 및 유출구(outlet)가 형성되어 있는 케이스와;
    상기 케이스의 내부 공간에 설치되며, 상기 유입구 및 유출구에 한쪽 끝단과 다른 한쪽 끝단이 각각 연결되는 복수의 유로와;
    상기 유로에 설치되는 온도 측정 센서, 유량 측정 센서, 압력 측정 센서;를 포함하며,
    상기 복수의 유로는 연료 저장소로부터 연료전지 시스템 및 열회수저장모듈로 연료를 전달하는 연료 공급 라인 중에 연료의 공급을 중개(仲介)하는 제1유로와, 열회수저장모듈로 공급되는 급수 라인 중에 급수 공급을 중개하는 제2유로와, 열회수저장모듈로부터 연료전지 시스템으로 공급되는 냉각수 라인 중에 냉각수의 전달을 중개하는 제3유로와, 연료전지 시스템으로부터 열회수저장모듈로 공급되는 배열회수 라인 중에 온수의 전달을 중개하는 제4유로와, 열회수저장모듈로부터 외부로 공급되는 온수 라인 중에 온수의 전달을 중개하는 제5유로를 포함하는 것을 특징으로 하는
    가정용 연료전지 열병합 발전 시스템의 성능 평가 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1유로에는 압력계와 유량계가 설치되어 있는 가정용 연료전지 열병합 발전 시스템의 성능 평가 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제1유로는 하나의 라인이 두 개의 라인으로 분기(分岐)되는 형태로 형성되어 있고, 케이스 표면의 하나의 유입구와 일단이 연결되고 두 개의 유출구에 분기된 라인의 끝단이 각각 연결되는 가정용 연료전지 열병합 발전 시스템의 성능 평가 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제2유로 내지 제4유로에는 각각 온도계가 설치되어 있는 가정용 연료전지 열병합 발전 시스템의 성능 평가 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제3유로 또는 제4유로에는 유량계가 설치되어 있는 가정용 연료전지 열병합 발전 시스템의 성능 평가 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제5유로에는 유량계가 설치되어 있는 가정용 연료전지 열병합 발전 시스템의 성능 평가 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 케이스 내부에는 연료전지 시스템의 수전 전력 및 발전 전력을 측정하는 전력센서가 설치되어 있는 가정용 연료전지 열병합 발전 시스 템의 성능 평가 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 열회수저장모듈은 보일러를 추가적으로 포함하며, 상기 케이스 내부에는 상기 보일러의 수전 전력을 측정하는 전력센서가 설치되어 있는 가정용 연료전지 열병합 발전 시스템의 성능 평가 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 케이스 내부에는 히터를 더 포함하는 가정용 연료전지 열병합 발전 시스템의 성능 평가 장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 유로 표면에는 열선이 형성되어 있는 가정용 연료전지 열병합 발전 시스템의 성능 평가 장치.
  11. 제1항에 있어서, 상기 온도 측정 센서, 유량 측정 센서, 압력 측정 센서로부터 수집되는 기계적 신호를 전기적 신호로 변환하는 신호처리부를 더 포함하는 가정용 연료전지 열병합 발전 시스템의 성능 평가 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 신호처리부는 상기 케이스 외부의 별도 장치에 설치되며, 케이스와 케이블로 연결되는 가정용 연료전지 열병합 발전 시스템의 성능 평가 장치.
  13. 제1항에 있어서, 상기 케이스 외부의 별도 장치에 위치하는 디스플레이를 더 포함하는 가정용 연료전지 열병합 발전 시스템의 성능 평가 장치.
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