KR101050847B1 - 연료전지형 터빈 발전기 - Google Patents

Abstract

본 발명의 목적은 연료전지형 터빈 발전기에서 출력이 다양하게 변화나 연료전지의 작동 상태가 변화하는 경우에도, 원하는 출력을 얻을 수 있도록 용이하게 제어할 수 있는 연료전지형 터빈 발전기를 제공하는 것이다. 또한, 시스템을 복잡하게 하지 않고 가격경쟁력을 가지면서도 필요한 제어를 견실하게 수행할 수 있는 연료전지형 터빈 발전기를 제공하는 것을 목적으로 한다. 이를 위하여 본 발명에서는, 수소와 산소의 전기 화학적 반응에 의해 전류와 고온 고압의 가스를 발생시키는 연료전지; 상기 연료전지로 공기를 공급하는 압축기; 상기 연료전지에서 발생된 고온 고압의 가스에 의해 회전되는 터빈; 및 상기 터빈의 회전력에 의해 전류를 발생시키는 전동발전유닛을 포함하고, 상기 전동발전유닛, 터빈 및 압축기는 그 회전축이 일체로 형성되고, 상기 터빈 입구에 설치되어 상기 터빈으로 유입되는 고온 고압의 가스의 유량을 조절하는 가변 베인을 더 포함하는 연료전지형 터빈 발전기를 제공한다.

Description

연료전지형 터빈 발전기{Turbine generator having fuel cell}

도 1은 종래의 연료전지형 터빈 발전기의 개략적인 구성을 보여주는 도면.

도 2는 본 발명에 따른 연료전지형 터빈 발전기의 개략적인 구성을 보여주는 도면.

도 3은 본 발명에 따른 연료전지형 터빈 발전기의 성능 향상을 설명하는 그래프.

도 4는 본 발명에 따른 연료전지형 터빈 발전기를 이용한 구동 예를 설명하는 그래프.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

1: 전동발전유닛 2: 압축기

3: 연료 전지 4: 연소기

8: 가변 베인 9: 가변 가이드 베인

10: 터빈 11: 가변 디퓨저

12: 제어기

본 발명은 연료전지(fuel cell)형 터빈 발전기(turbine generator)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료전지의 작동 상태가 변동하는 경우에도 전체 터빈 발전기 시스템의 출력을 원하는 범위로 유지하도록 연료전지에서 필요로 하는 유량과 압력으로 공기를 공급할 수 있도록 제어 가능한 연료전지형 터빈 발전기에 관한 것이다.

연료전지는 수소와 산소가 가지고 있는 화학 에너지를 전기화학반응에 의하여 직접 전기 에너지로 변환시키는 고효율의 무공해 발전장치이다. 연료전지의 공기극(cathode)에는 산소가, 연료극(anode)에는 수소가 공급되어 물의 전기분해 역반응으로 전기화학반응이 진행되어 전기와 고온 고압의 수증기가 발생한다.

연료전지형 터빈 발전기는 위와 같은 연료전지에서 방출되는 폐열을 이용하여 터빈 발전기를 작동시켜 전기를 추가적으로 얻을 수 있도록 구성한 시스템으로, 자동차 등의 무공해 엔진으로 실용화되고 있다.

도 1에는 종래의 연료전지형 터빈 발전기의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이 도시되어 있다.

도 1에 도시된 것과 같이, 연료전지형 터빈 발전기는, 공기 압축기(2), 연료 전지(3), 연소기(4), 터빈(10) 및 전동발전유닛(generator/motor unit)(1)을 포함하여 구성된다. 상기 전동발전유닛(1)은 터빈 발전기의 작동 초기에 공기 압축기(2)를 구동하기 위한 구동용 모터로서 작동될 수 있다. 상기 전동발전유닛에 의해 터빈 발전기의 초기 작동이 개시되고, 공기 압축기(2)가 작동된다. 상기 공기 압축기(2)는 공기를 흡입하고, 이를 압축하여 상기 연료 전지(3)로 이송하는 기능을 한다. 상기 연료 전지(3)는 상기 공기 압축기(2)를 통해 이송 받은 공기중의 산소와 상기 연소기(4)로부터 공급받은 수소를 반응시켜 고온 고압의 기체를 발생시킨다. 이 고온 고압의 기체가 상기 터빈을 구동하는 작동 유체로 사용된다. 상기 연소기(4)에서는 상기 연료전지로부터 공급받은 작동 유체를 상기 터빈을 구동하기 위해 필요한 온도로 추가로 연소시키는 기능을 한다. 상기 연소기(4)에서 추가로 연소된 작동 유체는 상기 터빈(10)으로 보내진다.

상기 터빈(10)에서는 고온 고압의 가스의 유체 에너지가 터빈의 회전축의 회전 에너지로 변환된다. 상기 터빈(10)이 작동함에 따라 상기 터빈(10)의 회전축에 일체로 결합된 전동발전유닛(1)의 마그네틱 로터(미도시)가 회전한다. 상기 마그네틱 로터는 그 주위에 고정자(미도시)에 의해 자기장이 형성된 상태에서 회전하게 되고, 이에 따라 상기 마그네틱 로터는 상기 고정자에 의해 형성된 자기장을 변화시키면서 전류를 발생시켜 상기 전동발전유닛(1)이 발전기로서의 기능을 하도록 한다.

이러한 연료전지형 터빈 발전기가 적용된 시스템은 연료전지에 의한 출력과 터빈 발전기에 의한 출력이 의해 작동되는 하이브리드 시스템이 된다. 이러한 하이브리드 시스템에서 필요한 출력이 변동하는 경우, 또는 연료전지의 작동상태가 변화하는 경우에는, 연료전지측 출력과 터빈 발전기측 출력이 서로 연관되어 있기 때문에 이를 제어하는 것이 용이하지 않다. 따라서, 이러한 하이브리드 시스템을 제어하기 용이하도록 개선할 필요성이 크게 대두되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 연료전지형 터빈 발전기에서 출력이 다양하게 변화나 연료전지의 작동 상태가 변화하는 경우에도, 원하는 출력을 얻을 수 있도록 용이하게 제어할 수 있는 연료전지형 터빈 발전기를 제공하는 것이다. 또한, 시스템을 복잡하게 하지 않고 가격경쟁력을 가지면서도 필요한 제어를 견실하게 수행할 수 있는 연료전지형 터빈 발전기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 본 발명의 목적은, 수소와 산소의 전기 화학적 반응에 의해 전류와 고온 고압의 가스를 발생시키는 연료전지; 상기 연료전지로 공기를 공급하는 압축기; 상기 연료전지에서 발생된 고온 고압의 가스에 의해 회전되는 터빈; 및 상기 터빈의 회전력에 의해 전류를 발생시키는 전동발전유닛을 포함하고, 상기 전동발전유닛, 터빈 및 압축기는 그 회전축이 일체로 형성되고, 상기 터빈 입구에 설치되어 상기 터빈으로 유입되는 고온 고압의 가스의 유량을 조절하는 가변 베인을 더 포함하는 연료전지형 터빈 발전기를 제공함으로써 달성된다.

여기서, 상기 압축기 출구에 설치되어 상기 연료전지로 유입되는 공기의 압력을 조절하는 가변 디퓨저와, 상기 압축기 입구에 설치되어 상기 압축기로 유입되는 공기의 유량을 조절하는 가변 가이드 베인을 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 가변 베인, 가변 디퓨저 또는 상기 가변 가이드 베인의 동작을 제어하는 제어기와, 상기 연료전지에서 발생된 고온 고압의 가스의 온도와 압력을 더욱 상승시키는 연소기를 더 포함할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 관하여 상세히 설명한다.

도 2에는 본 발명에 따른 연료전지형 터빈 발전기의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이 도시되어 있다.

도 2에 도시된 것과 같이, 본 발명에 따른 연료전지형 터빈 발전기는, 전동발전유닛(1), 압축기(2), 연료전지(3) 및 터빈(10)을 포함한다.

상기 전동발전유닛(1)은 상기 터빈(10) 및 압축기(2)와 그 회전축이 일체로 형성되어 있다. 시동 초기에 상기 전동발전유닛(1)은 모터로서 작동하여 상기 압축기(2)를 가동시키고, 상기 압축기(2)는 공기를 상기 연료전지(3)로 공급한다. 상기 터빈(10)이 회전하면 그 회전력에 의해 상기 전동발전유닛(1)의 회전축이 회전하게 되고, 이에 따라 상기 전동발전유닛(1)에 구비된 로터와 스테이터의 전자기적 작용에 의해 전기를 추가적으로 발생시킨다.

상기 압축기(2)는 상기연료전지(3)에서 필요로 하는 공기를 공급한다. 상기 터빈(10)은 상기 연료전지(3)에서 발생된 고온 고압의 가스에 의해 회전력을 얻는다.

상기 연료전지(3)는, 수소와 산소가 가지고 있는 화학 에너지를 전기화학반응에 의하여 직접 전기 에너지로 변환시키는 고효율의 무공해 발전장치로서, 전해질을 사이에 두고 공기극과 연료극이 다수 배치된 스택(미도시)을 포함한다. 공기극(cathode)에는 산소가, 연료극(anode)에는 수소가 공급되어 물의 전기분해 역반응으로 전기화학반응이 진행되어 전기, 열, 물이 발생하게 된다.

상기 압축기(2)의 입구에는 압축기로 유입되는 공기의 유량을 조절할 수 있는 가변 가이드 베인(9)이 설치된다. 통상의 압축기의 입구에는 고정 유로 단면적을 가지는 베인이 설치되어 있는데, 본 발명의 압축기(2)에는 베인이 기울어진 각도를 조절하여 베인들 사이에 형성되는 유로 단면적을 조절할 수 있는 상기 가변 가이드 베인(9)이 설치된다. 상기 가변 가이드 베인(9)의 동작은 별도의 제어기(12)에 의해 제어될 수 있다.

상기 압축기(2)의 출구에는 압축기에서 방출되는 고압의 공기의 압력을 조절할 수 있는 가변 디퓨저(11)가 설치된다. 통상의 디퓨저는 아음속에서 입구보다 출구의 직경이 넓은 관의 형태를 가지는데, 가변 디퓨저는 출구 부분의 관 벽면의 기울어진 각도를 조절하여 관직경을 가변적으로 조절할 수 있는 디퓨저이다. 상기 가변 디퓨저(11)의 동작은 별도의 제어기(12)에 의해 제어될 수 있다.

상기 터빈(10)의 입구에는 터빈으로 유입되는 공기의 유량을 조절할 수 있는 가변 베인(8)이 설치된다. 통상의 터빈의 입구에는 고정 유로 단면적을 가지는 베인이 설치되어 있는데, 본 발명에 적용되는 터빈에는 베인이 기울어진 각도를 조절하여 베인들 사이에 형성되는 유로 단면적을 조절할 수 있는 상기 가변 베인(8)이 설치된다. 상기 가변 베인(8)의 동작은 별도의 제어기(12)에 의해 제어될 수 있다.

한편, 상기 연료전지(3)의 작동 유체 출구와 상기 터빈(10)의 입구 사이에는 상기 연료전지(3)에서 발생된 고온 고압의 작동 유체의 온도와 압력을 더욱 상승시켜 터빈(10)의 작동 효율을 높이는 연소기(4)가 더 설치되는 것이 바람직하다. 상 기 연소기(4)는 상기 연료전지(3)에 공급할 수소를 생산하는 리포머(reformer)로 작용할 수도 있다.

도 3에는 본 발명에 따른 연료전지형 터빈 발전기의 성능 향상을 종래의 연료전지형 터빈 발전기와 비교하여 보여주는 그래프가 도시되어 있다.

도 3에서 ⓐ, ⓑ, ⓒ 및 ⓓ는 종래의 압축기와 터빈이 사용된 연료전지형 터빈 발전기에서의 터빈과 압축기의 작동점이 일치하는 점, 즉 운용점(operating point)들로부터 핏팅하여 얻은 선이다. 즉, 가변 디퓨저(11) 및 가변 가이드 베인(9)이 설치되어 있지 않은 압축기와 가변 베인(8)이 설치되지 않은 터빈을 사용하는 경우이다. ⓐ는 종래의 압축기에서의 입구측 고정 유로 단면적이, 가변 가이드 베인이 설치된 압축기의 입구측 유로 단면적의 최대값의 100%와 동일한 경우를 나타낸다. 마찬가지로, ⓑ는 가변 가이드 베인이 설치된 압축기의 입구측 유로 단면적의 최대값의 80%, ⓒ는 60%, 그리고 ⓓ는 40%에 해당하는 고정 유로 단면적을 가지는 베인이 설치된 경우의 운용점들을 핏팅하여 얻은 선이다. 또한, ① 및 ②는 연료전지의 스택에서 작동 중에 필요로 하는 운용점들을 이은 선으로 본 발명에 따른 연료전지형 터빈 발전기가 작동되어야 하는 운용점의 예를 도시한 것이다. 즉, 고정 유로 단면적을 가지는 베인이 설치된 압축기(2)가 적용되고, 가변 디퓨저(8) 및 가변 베인이 설치되지 않은 연료전지형 터빈 발전기를 사용하는 경우에는, 질량 유량이 변화함에 따라 위의 ⓐ, ⓑ, ⓒ 및 ⓓ, 또는 그와 나란한 선을 따라서 연료전지 스택에서의 압력이 변화하게 된다. 따라서, ① 및 ②와 같이 요구되는 운용점들이 다양하게 변화하는 경우에는 이에 대응할 수 없다. 본 발명에 따른 연료전 지형 터빈 발전기와 같이, 유입되는 작동 유체의 질량 유량을 조절할 수 있는 가변 가이드 베인(9)이 입구에 설치되고 출구의 압력을 가변적으로 조절 가능하게 하는 가변 디퓨저(11)가 설치된 압축기(2)와, 유입되는 작동 유체의 질량 유량을 조절할 수 있는 가변 베인(8)이 설치된 터빈(10)을 적용하는 경우여야만, 연료전지를 이용하는 시스템에서 연료전지 스택의 압력을 필요한 범위로 유지하여 원하는 성능을 얻을 수 있다.

도 4에는 본 발명에 따른 연료전지형 터빈 발전기를 유량에 따라 제어하는 방법을 설명하기 위한 그래프가 도시되어 있다.

도 4의 그래프에서 A, B 및 C는 각각 압축기(2) 입구측에 설치된 가변 가이드 베인(9)의 각도가 +10°, 0°및 -10°인 경우에 보정된 질량 유량에 대한 압력비를 나타낸다. 그리고, D는 압축기 입구측에 설치된 가변 가이드 베인(9)의 각도가 -10°인 상태에서, 가변 디퓨저(11)의 각도를 약 2°가량 작게 한 경우의 보정된 질량 유량에 대한 압력비를 나타낸다. 이때, 압축기(2), 터빈(10) 및 전동발전유닛(1)의 회전축은 일정한 속도로 회전한다.

초기에, 가변 가이드 베인(9)의 각도가 0°이고, 보정된 질량 유량이 20%인 B선상의 지점에서 22%에 해당하는 압력비가 필요한 상황이 되면, 가변 가이드 베인(9)의 각도를 -10°로 회전시켜 압축기(2) 입구에서 유입되는 공기의 유량을 증가시키고 압력비를 22%로 높인다. 그러나, 도 4의 그래프에서 C선 상에는 보정된 질량 유량 20%와 압력비 22%에 해당하는 지점이 존재하지 않는다. 이 점은 서지점(surge point)으로 시스템이 운용될 수 없는 지점이기 때문에 운용점들을 이은 선 들 상에는 나타나지 않는다. 따라서, 이때 상기 가변 베인(8)의 각도를 약 2°가량 작게 하여 터빈(10)으로 유입되는 작동 유체의 유량을 감소시켜 압축기(2)의 운용영역을 확대한다. 이렇게 함으로써 서지점에서 벗어나 D선상의 안전 영역으로 이동시키도록 한다. 즉, 저유량에서 압축기(2)가 안정적으로 운용되면서 압력비를 높여 연료전지의 스택에서 요구하는 유량과 압력에 맞게 제어하여 유체를 공급할 수 있게 된다.

이러한 작용을 전 시스템에 걸쳐 제어하는 제어기(12)가 더 설치되는 것이 바람직한데, 상기 제어기(12)는 상기 가변 베인(8), 상기 가변 가이드 베인(9) 또는 상기 가변 디퓨저(11)를 통과하는 작동 유체의 유량 또는 압력을 제어하는 것뿐만 아니라, 상기 전동발전유닛(1)이 시동 초기에는 모터로서 기능하고, 일단 시동이 이루어진 이후에는 발전기로서 기능하도록 제어하는 기능도 수행하는 것이 더욱 바람직하다.

이상에서 설명한 것과 같이, 본 발명에 따르면, 연료전지의 스택에서 요구하는 공기의 유량이나 압력이 변화하는 경우에도 시스템이 정상적으로 작동되도록 가변 베인, 가변 디퓨저 또는 가변 가이드 베인만을 조절하여 용이하게 제어할 수 있다. 그럼으로써, 본 발명에 따른 연료전지형 터빈 발전기의 전체 시스템을 단순화하고, 가격 경쟁력을 획기적으로 향상시킬 수 있게 된다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균 등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (5)

1. 수소와 산소의 전기 화학적 반응에 의해 전류와 고온 고압의 가스를 발생시키는 연료전지;

   상기 연료전지로 공기를 공급하는 압축기;

   상기 연료전지에서 발생된 고온 고압의 가스에 의해 회전되는 터빈; 및

   상기 터빈의 회전력에 의해 전류를 발생시키는 전동발전유닛을 포함하고,

   상기 전동발전유닛, 터빈 및 압축기는 그 회전축이 일체로 형성되고,

   상기 터빈 입구에 설치되어 상기 터빈으로 유입되는 고온 고압의 가스의 유량을 조절하는 가변 베인을 더 포함하는 연료전지형 터빈 발전기.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 압축기 출구에 설치되어 상기 연료전지로 유입되는 공기의 압력을 조절하는 가변 디퓨저를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지형 터빈 발전기.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 압축기 입구에 설치되어 상기 압축기로 유입되는 공기의 유량을 조절하 는 가변 가이드 베인을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지형 터빈 발전기.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 가변 베인, 가변 디퓨저 또는 상기 가변 가이드 베인의 동작을 제어하는 제어기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지형 터빈 발전기.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 연료전지에서 발생된 고온 고압의 가스의 온도와 압력을 더욱 상승시키는 연소기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지형 터빈 발전기.

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