KR101074819B1 - 중앙 공급형 연료전지시스템 및 그 구동 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템은 연료와 산화제의 반응으로 열과 전기를 발생시키며 3상 계통 전력망에 연결 설치된 복수 개의 연료전지부를 포함하며, 상기 연료전지부는 제1상 전원 라인과 중성선에 연결된 제1 연료전지부와 제2상의 전원 라인과 중성선에 연결된 제2 연료전지부와 제3상의 전원 라인과 중성선에 연결된 제3 연료전지부를 포함한다.

Description

중앙 공급형 연료전지시스템 및 그 구동 방법{FUEL CELL SYSTEM FOR CENTRAL ELECTRIC POWER AND HEAT SUPPLY, AND DRIVING METHOD THEREOF}
본 발명은 연료전지시스템 및 그 구동 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 계통 전력망에 연결된 연료전지시스템 및 그 구동 방법에 관한 것이다.
연료전지는 연료(수소 또는 개질 가스)와 산화제(산소 또는 공기)를 이용하여 전기 화학적으로 전력을 생산하는 장치로서, 외부에서 지속적으로 공급되는 연료와 산화제를 전기 화학 반응에 의하여 직접 전기에너지로 변환시키는 장치이다.
연료전지의 산화제로는 순수 산소나 산소가 다량 함유되어 있는 공기를 이용하며, 연료로는 순수 수소 또는 탄화수소계 연료(LNG, LPG, CH3OH)또는 탄화수소계 연료를 개질하여 생성된 수소가 다량 함유된 개질 가스를 사용한다.
연료전지는 전력과 열을 동시에 발생시키는 바, 발전효율과 열효율의 합인 총효율이 80%가 넘는 고효율 에너지 생산기기로 각광받고 있다. 또한, 실제 건물용이나 주거용 주택에 연료전지를 설치하여 사용자가 필요로 하는 전력과 열을 직접 생산하여 사용할 수 있는 장점이 있어서 사용자의 편의성이 향상될 뿐만 아니라 에너지 사용 비용을 대폭 감소시킬 수 있다.
이러한 연료전지시스템은 탄화수소계열의 LNG 혹은 LPG를 사용하여 수소가 풍부한 가스로 치환하는 개질기와 공급되는 수소가 풍부한 개질가스와 공기 중의 산소와의 전기화학반응으로 전기와 열을 생산하는 연료전지스택과 생산된 직류 전력을 교류 전력으로 전환하는 계통연계형 전력변환기와 생산되는 열을 회수하는 축열조와 보조버너를 포함하는 폐열회수장치 및 각종 주변기기(BOP; balance of plant)와 제어기 등으로 구성된다. 연료전지시스템에서 생산된 전기는 사용자 전기부하에 공급하고 생산된 열은 난방이나 급탕의 온수 등으로 사용하도록 구성된다.
통상의 연료전지시스템은 계통연계형 전력변환기를 통해 교류로 변환하여 전력망(Grid)에 공급한다. 태양광, 풍력과 같은 분산형 발전장치인 연료전지시스템은 기존 전력회사의 대규모 전원(원자력, 화력 등)과는 달리 소용량으로 사용자와 인접한 지역에 분산배치 함으로써 하기와 같은 여러가지 장점을 가지고 있다.
먼저 연료전지시스템은 별도의 송전계통 및 배전계통이 필요하지 않아 운영비가 감소하며, 사용자 인근의 부하중심지에 설치하여 전압강하에 의한 송전손실을 경감할수 있다.　 또한, 여름철과 같은 전력 사용량이 많은 시기에 첨두 부하에 대한 대응력이 빠르고, 친환경적인 에너지원으로써 온실가스의 주범인 CO2 배출 및 기타의 공해물질이 저감되며 연료전지의 운전으로 생성되는 열을 이용하여 에너지 이용효율이 향상된다.
실제 환경에서 가전제품 등 단상의 전력을 주로 사용하는 사용자측의 불균형한 전압 사용으로 인해 3상 배전계통에 전력 불균일이 문제가 되어 전기 제품의 오동작 및 내구성에 문제가 발생할 수 있다. 일반 가정의 전기는 단상이라서 전압 불평형에 대한 불편을 크게 느끼지 못하는 경우가　많다. 그러나 3상 전원을 사용하는 공장 등에는 부하 분배가 불균등하면 전압 불평형이 발생하여 중성선에 이상전류가 흐르게 되며, 이로 인해 선로에 전압 강하가 발생하여 전기사업자 측이 유지하여야 하는 전압의 범위를 벗어나는 경우가 있다. 또한 이러한 전압강하는 각종 정보설비 장치에 좋지 않은 영향을　주어서 불평형을 일정 범위 이내로 유지 할 수 있도록 해야 한다.
배전 선로는 대용량의 전력을 먼 거리에 일괄해서 전송하는 송전 선로와는 달리 넓은 지역 내에서 각각의 장소에 분산된 다수의 수용가에 전력을 직접 배분 공급하는 관계상 전선로가 짧고 저전압 소전력이면서 회선수가 많으므로 각 선로 전류도 불평형을 이루는 경우가 많다. 배전선로의 전압 불평형은 순시전압 강하의 원인이 되어 사용자 설비에 대하여 좋지 않은 영향을 준다. 즉, 전압 불평형은 컴퓨터 설비의 중앙처리장치 및 저장 데이터를 손상시키거나 가변속 전동기의 제어기능을 상실시킬 수 있다.
사용자에 공급되는 전압은 배전선 임피던스에 기인하는 전압 강하로 인해 일반적으로 말단에 가까울수록 낮아진다. 또한 각 사용자의 부하량은 계절에 따라 변화하기 때문에 동일 배전선에서도 공급 전압은 계절이나, 일정 시간에 따라 항상 변화한다. 이와 같은 문제 때문에 공급 전압이 항상 적정전압 범위로 유지될 수 있도록 배전용 변전소의 변압기 탭 제어를 통한 송출전압을 조정하는 선로전압 강하 보상기 방식(LDC: Line voltage Drop Compensator)과 타임 스케줄 방식이 쓰이며, 배전선로에서의 전압을 조정하는 방법으로 자동전압조정기(SVR: Step Voltage Regulator)가 사용된다.
상기에서 기술한 것처럼 배전 선로의 말단에 해당하는 사용자의 전력품질은 전력기기의 동작과 신뢰성에 있어서 상당히 중요한 역할을 함으로써 이를 유지하기 위해 많은 부가 비용이 발생한다는 문제가 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명 목적은 수용가에서 발생할 수 있는 전압 불평형을 감소시키는 것에 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템은 연료와 산화제의 반응으로 열과 전기를 발생시키며 3상 계통 전력망에 연결 설치된 복수 개의 연료전지부를 포함하며, 상기 연료전지부는 제1상 전원 라인과 중성선에 연결된 제1 연료전지부와 제2상의 전원 라인과 중성선에 연결된 제2 연료전지부와 제3상의 전원 라인과 중성선에 연결된 제3 연료전지부를 포함한다. 각 연료전지부에는 상기 3상 계통 전력망과의 연결을 제어하는 전력 차단기가 설치될 수 있으며, 상기 각 전원 라인에는 각 상의 부하에서 소모되는 전력량을 측정하는 전력량계가 설치될 수 있다.
상기 전력량계에서 측정된 소비 전력량을 바탕으로 각 연료전지부의 발전을 제어하는 제어기를 더 포함할 수 있으며, 상기 연료전지부들에는 상기 연료전지들에서 발생된 열에 의하여 가열된 온수가 이동하는 온수 순환관이 연결 설치되고, 상기 온수 순환관에는 열교환기가 설치되며, 상기 열교환기에는 상기 온수 순환관에서 열을 전달받는 열교환 온수관이 연결 설치될 수 있다.
다수의 사용자 영역으로 온수를 공급하는 주열원에 연결되어 사용자 영역에서 주열원으로 회수되는 온수를 전달하는 온수 환수관을 포함하고, 상기 열교환 온수관은 상기 온수 환수관에 연결될 수 있으며, 상기 온수 순환관에는 각 연료전지부와 상기 온수 순환관의 연결을 제어하는 차단 밸브가 설치될 수 있다.
상기 연료전지부는 연료를 이용하여 개질가스를 발생시키는 개질기와 개질기와 연결되어 개질가스와 산화제를 이용하여 전력을 발생시키는 연료전지스택, 및 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 계통연계 인버터를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템의 구동 방법은 3상의 계통 전력망에 연결된 각 상의 전원라인을 통해서 공급되는 전력량을 측정하는 전력 측정 단계와 각 상의 전원라인에 연료전지부 중 전력의 소모가 큰 전원라인에 연결 설치된 연료전지부의 발전량을 증가시키는 단계, 및 각 상의 전원라인 중 전력의 소모가 작은 전원라인에 연결 설치된 연료전지부의 발전량을 감소시키는 단계를 포함한다.
복수 개의 연료전지부에 저장된 온수를 열교환기로 교대로 공급하는 온수 공급 단계를 더 포함할 수 있으며, 상기 온수 공급 단계는 상기 열교환기에서 가열된 열교환 온수관의 온도와 상기 열교환 온수관과 연결되어 상기 열교환 온수관으로부터 온수를 전달받는 온수 환수관의 온도를 비교하여 온도의 차이가 설정된 제1 온도차보다 작은 경우에는 연결된 연료전지부와 상기 열교환기의 온수 연결을 차단하는 단계와 연료전지부의 축열조의 온도와 상기 온수 환수관의 온도를 비교하여 온도의 차이가 설정된 제1 온도차보다 더 큰 축열조를 갖는 연료전지부와 상기 열교환기의 온수 연결을 개시하는 단계를 포함할 수 있다.
상기와 같이 본 발명에 따르면 계통 전력망의 부족한 전압을 연료전지시스템에서 보상하므로 수용가에 공급되는 전력에서 전압 불평형을 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지시스템을 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지시스템을 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 3는 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료전지시스템을 개략적으로 도시한 구성도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 당업자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 실시예를 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계 없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지시스템의 개략적인 구성도이다.
상기한 도면을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 연료전지시스템은 연료와 산소의 반응으로 전기와 열을 발생시키는 복수 개의 연료전지부들(101, 102, 103)과 각 연료전지부들(101, 102, 103)과 계통 전력망(151)의 연결을 제어하는 전력 차단기들(152, 153, 154), 및 연료전지부들(101, 102, 103)에서 생성된 열로 가열된 물을 이동시키는 온수 순환관(121)을 포함한다.
연료전지부(101, 102, 103)는 연료와 산화제의 반응으로 전기를 생산하며, 부수적으로 발생된 열은 외부로 공급하여 활용한다. 각 연료전지부(101, 102, 103)는 연료를 이용하여 개질가스를 발생시키는 개질기와 개질기와 연결되어 개질가스와 산화제를 이용하여 전력을 발생시키는 연료전지스택, 및 연료전지부는 연료전지스택의 구동에 필요한 각종 운전장치(Balance Of Plant; BOP)와 장치의 작동을 조절하는 제어부를 더 포함한다.
또한 연료전지부(101, 102, 103)는 연료전지스택에서 발생한 열을 저장하는 축열조와 축열조에 저장된 물을 가열하는 보조 버너를 더 포함한다.
축열조는 연료전지스택을 냉각하면서 전달받은 열을 온수 형태로 저장하는 물탱크로 이루어진다. 이와 같이 축열조를 설치하면 열의 사용량이 적은 경우에 축열조에 열을 저장하였다가 이용할 수 있으므로 열의 이용 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
계통 전력망(151)은 3 개의 위상을 갖는 3상 계통 전력망으로 이루어지며, 계통 전력망(151)에는 제1상의 전원을 공급하는 제1상 전원라인(181)과 제2 상의 전을 공급하는 제2상 전원라인(182), 제3 상의 전원을 공급하는 제3상 전원라인(183), 및 중성선(184)이 연결되어 있다.
연료전지부(101, 102, 103)는 제1상 전원라인(181)과 연결된 제1 연료전지부(101)와 제2상 전원라인(182)과 연결된 제2 연료전지부(102), 및 제3상 전원라인(183)과 연결된 제3 연료전지부(103)를 포함한다. 또한 각 연료전지부(101, 102, 103)에는 중성선(184)이 연결된다. 이에 따라 각 연료전지부(101, 102, 103)는 연결된 각 전원라인(181, 182, 183)으로 전력을 공급할 수 있다.
제1상 전원라인(181)에는 제1 연료전지부(101)와 계통 전력망(151)의 연결을 제어하는 제1 전력 차단기(152)가 설치되고, 제2상 전원라인(182)에는 제2 연료전지부(102)와 계통 전력망(151)의 연결을 제어하는 제2 전력 차단기(153)가 설치되며, 제3상 전원라인(183)에는 제3 연료전지부(103)와 계통 전력망(151)의 연결을 제어하는 제3 전력 차단기(154)가 설치된다. 이에 따라 각 연료전지부(101, 102, 103)는 개별적으로 계통 전력망(151)과의 연결이 제어된다.
각 전원라인(181, 182, 183)에는 복수 개의 부하(L1, L2, L3)가 연결되고, 각각의 부하(L1, L2, L3)에는 하나의 전원라인(181, 182, 183)과 중성선(184)이 연결되는 바, 특정한 전원라인(181, 182, 183)에서 전력 소비가 많은 경우에는 특정한 전원라인(181, 182, 183)의 전압이 낮아지는 문제가 발생할 수 있다. 본 실시예에서는 3개의 부하가 연결 설치된 것으로 예시하고 있지만 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 아파트의 한 개의 동과 과 같이 하나의 전원라인에 수십개의 부하가 연결될 수 있다.
이때, 각 연료전지부(101, 102, 103)는 연결된 각상의 전원라인(181, 182, 183)을 통해서 부하(L1, L2, L3)에 전력을 공급할 수 있다. 연료전지부(101, 102, 103)는 전압이 저하되는 계통 전력망(151)에 부족한 전력을 공급하여 전압 불균형이 발생하는 것을 방지한다.
온수 순환관(121)은 각 연료전지부(101, 102, 103)에서 가열된 물을 외부로 배출하였다가 다시 연료전지부(101, 102, 103)로 유입시켜서 온수를 순환시키는 역할을 하며, 온수 순환관(121)에는 열교환기(128)가 연결 설치된다. 열교환기(128)에는 외부의 냉수가 유입되는 열교환 온수관(124)이 연결 설치되는 바, 열교환 온수관(124)은 온수 순환관(121)으로부터 열을 전달 받는다. 복수의 사용자 영역(161)으로 온수를 공급하는 주열원(162)에는 사용자 영역(161)으로 온수를 공급하는 온수 공급관(125)과 온수를 회수하는 온수 환수관(123)이 연결 설치되어 있다. 열교환 온수관(124)은 온수 환수관(123)과 연결되어 가열된 온수를 온수 환수관(123)으로 공급한다.
열교환 온수관(124)에는 열교환 온수관(124)으로 유입되는 물의 유량을 조절하는 비례제어 솔레노이드 밸브(131)가 설치된다. 또한 열교환 온수관(124)에서 열교환기(128)에서 온수가 나오는 쪽에는 온도 센서(141)가 설치되며, 온수 환수관(123)에도 온도 센서(142)가 설치된다.
온도 센서들(141, 142)을 이용하여 열교환 온수관(124)의 온도와 온수 환수관(123)의 온도를 측정하며, 열교환 온수관(124)의 온도와 온수 환수관(123)의 온도 차이가 3℃ 이상인 경우에는 비례제어 솔레노이드 밸브(131)를 개방하여 열교환 온수관으로 냉수를 공급하고 열교환 온수관의 온도와 온수 환수관의 온도 차이가 3℃ 미만인 경우에는 비례제어 솔레노이드 밸브(131)를 조절하여 냉수의 공급을 감소시키거나 중단한다. 또한, 연료전지부(101, 102, 103)의 축열조의 온도가 온수 환수관의 온도보다 5℃ 이상 높은 경우에는 비례제어 솔레노이드 밸브(131)를 개방하여 열교환 온수관(124)으로 물을 공급한다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지시스템을 도시한 개략적인 구성도이다.
도 2를 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 연료전지시스템은 제1상 전원라인(281)에 연결된 제1 연료전지부(201), 제2상 전원라인(282)에 연결된 제2 연료전지부(202), 및 제3상 전원라인(283)에 연결된 제3 연료전지부(203)를 포함하며, 각 연료전지부(201, 202, 203)에는 중성선(284)이 연결되어 있다. 본 실시예에 따른 연료전지부(201, 202, 203)는 직류를 교류로 변환하는 계통연계 인버터를 더 포함할 수 있다.
제1상 전원라인(281), 제2상 전원라인(282), 제3상 전원라인(283), 및 중성선(284)은 계통 전력망(251)과 부하들(L1, L2, L3)에 각각 전기적으로 연결되어 있다.
또한 각 전원라인(281, 282, 283)에는 각 연료전지부(201, 202, 203)와 계통 전력망(251)의 연결을 제어하는 전력 차단기(252, 253, 254)가 설치된다.
한편, 제1상 전원라인(281)에는 제1상 전원라인(281)을 연결된 부하를 통해서 소모되는 전력량을 측정하는 제1 전력량계(261)가 설치되어 있다. 또한 제2상 전원라인(282)에는 제2 전력량계(262)가 설치되며, 제3상 전원라인(283)에는 제3 전력량계(263)가 설치된다.
이러한 전력량계들(261, 262, 263)은 시스템 제어기로 전력량의 소비 정보를 전달하며, 시스템 제어기는 전력 소비가 큰 전원라인(281, 282, 283)에 연결된 연료전지부(201, 202, 203)의 발전량을 증가시키거나 전력 소비가 작은 전원라인(281, 282, 283)의 연료전지부(201, 202, 203)의 발전량을 감소시킨다. 이에 따라 전력계통의 전압 불평형을 방지하고, 사용자 말단의 전력품질을 향상 시킬 수 있다.
상기에서 설명한 바와 같이 본 실시예에 따른 연료전지시스템의 운전방법은 계통 전력망(251)의 각 상의 전원라인(281, 282, 283)을 통해서 공급되는 전력량을 측정하는 전력 측정 단계와 각 상의 전원라인(281, 282, 283) 중 전력의 소모가 큰 전원라인에 연결 설치된 연료전지부(201, 202, 203)의 발전량을 증가시키는 발전량 조절 단계와 전력의 소모가 작은 전원라인에 연결 설치된 연료전지부(201, 202, 203)의 발전량을 감소시키는 단계를 포함한다.
한편, 각 연료전지부(201, 202, 203)에는 각 연료전지부(201, 202, 203)에 저장된 온수를 외부로 순환시키는 온수 순환관(121)이 연결 설치되는 바, 각 연료전지부(201, 202, 203)가 연결된 온수 순환관(121)에는 차단 밸브들(232, 235, 236)이 설치된다. 제1 연료전지부(201)에 연결된 온수 순환관(121)에는 제1 차단 밸브(232)가 설치되고, 제2 연료전지부(202)에 연결된 온수 순환관(121)에는 제2 차단 밸브(235)가 설치되며, 제3 연료전지부(203)에 연결된 온수 순환관(121)에는 제3 차단 밸브(236)가 설치된다.
이에 따라 각 연료전지부(201, 202, 203)에서 배출되는 온수의 이동을 제어할 수 있다. 본 실시예에서는 각 연료전지부(201, 202, 203)에서 온수를 교대로 배출하여 열교환기(128)에서 열교환 온수관(124)으로 열을 전달한다.
먼저 제1 차단 밸브(232)를 개방하여 제1 연료전지부(201)에서 온수를 열교환기(128)로 공급하며, 열교환한 열교환 온수관(124)의 온도가 온수 환수관(123)의 온도보다 3도 미만으로 크거나 작으면 제1 차단 밸브(232)를 닫고 제2 차단 밸브(235)를 개방하며, 또한 제2 연료전지부에 의하여 가열된 열교환 온수관(124)의 온도가 온수 환수관(123)의 온도보다 3도 미만으로 크거나 작으면 제2 차단 밸브(235)를 닫고 제3 차단 밸브(236)를 개방한다.
이에 따라 일측 연료전지부(201, 202, 203)에서 온수를 공급할 때에는 다른 연료전지부들(201, 202, 203)은 온수를 가열할 수 있으며, 이에 따라 지속적으로 고온의 온수를 열교환기(128)로 공급할 수 있다. 또한 열교환기(128)로 공급되는 열원을 각 연료전지부(201, 202, 203)의 축열조의 온도로부터 시스템 제어기에서 예측할 수 있으므로 열교환 온수관(124)으로 공급되는 물의 유량 제어폭이 좁아져서 보다 안정적으로 열을 공급할 수 있다.
또한, 각 연료전지부(201, 202, 203)의 축열조의 온도를 비교하여 축열조의 온도가 온수 환수관(123)의 온도보다 5℃ 이상 크지 않은 연료전지부(201, 202, 203)에 연결 설치된 차단 밸브(232, 235, 236)를 닫고 축열조의 온도가 온수 환수관(123)의 온도보다 5℃ 이상 큰 연료전지부(201, 202, 203)에 연결 설치된 차단 밸브(232, 235, 236)를 개방하여 열을 공급할 수도 있다.
상기한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템의 구동 방법은 각 연료전지부(201, 202, 203)에 저장된 온수를 열교환기(128)로 교대로 공급하는 온수 공급 단계를 포함할 수 있으며, 온수 공급 단계는 열교환기(128)에서 가열된 열교환 온수관(124)의 온도와 열교환 온수관(124)의 온수가 공급되는 온수 환수관(123)의 온도를 비교하여 온도의 차이가 설정된 제1 온도차 보다 작은 경우에는 연결된 연료전지부(201, 202, 203)와 열교환기(128)의 온수 연결을 차단하는 단계와 연료전지부(201, 202, 203)의 축열조의 온도와 온수 환수관(123)의 온도를 비교하여 온도의 차이가 설정된 제2 온도차 보다 큰 축열조를 갖는 연료전지부(201, 202, 203)와 열교환기(128)의 온수 연결을 개시하는 단계를 포함한다. 여기서 제1 온도차는 3℃이며, 제2 온도차는 5℃이다.
도 3는 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료전지시스템을 개략적으로 도시한 구성도이다. 도 3에 도시한 바와 같이, 계통 전력망(350)의 각 상의 전원라인에 연료전지들(301, 302, 303)이 연결 설치된다. 본 실시예에 따른 계통 전력망(350)은 380V의 3상 교류 전원이 적용된다. 본 기재 전체에서 계통 전력망이라 함은 발전소 등에서 공급되는 전력의 송전과 배전을 하나의 인프라로 취급하여 부르는 말이다.
그리고 제1 연료전지(301)는 계통 전력망(350)의 R상 전원라인에 연결되며, 제2 연료전지(302)는 계통 전력망(350)의 S상 전원라인에 연결되고, 제3 연료전지(303)는 계통 전력망(350)의 T상 전원라인에 연결되어 계통 전력망(350)으로 전력을 공급한다.
한편, 계통 전력망(350)에는 수용가(310)인 복수의 세대들이 연결되어 있다. 본 실시예에서는 아파트에 거주하는 각 세대에 전력을 공급하는 연료전지시스템을 예로서 설명하여 계통 전력망에 복수의 세대들이 연결된 것으로 예시한다. 다만 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 계통 전력망에는 공장, 상가 등의 수용가가 연결 설치될 수도 있다.
계통 전력망(350)에는 n개의 세대들이 연결 설치되어 계통 전력망(350)으로부터 전력을 공급받는다. 각 세대에는 R상 전원라인, S상 전원라인, N상 전원라인 중 어느 하나의 전원라인과 중성선이 연결되어 있다.
계통 전력망(350)과 인접한 전원 라인에는 계통 전력망(350)을 통해서 공급되는 전력의 양을 측정하는 계통 계량기(VM_M)가 설치되고, 연료전지부들(301, 302, 303)과 인접한 전원 라인에는 연료전지부들(301, 302, 303)을 통해서 공급되는 전력의 양을 측정하는 연료전지 계량기(VM_F)가 설치된다.
또한, 각 수용가(310)마다 개량기가 설치되는 바, 세대 1에는 세대1 계량기(VM_1)가 설치되고, 세대 2에는 세대2 개량기(VM_2)가 설치되며, n번째 세대에는 세대n 계량기(VM_n)가 설치된다. 이와 같이 각 세대에 설치된 계량기를 통해서 각 세대에서 사용된 전력량을 측정할 수 있다.
n개의 세대들은 연료전지부들(301, 302, 303)과 계통 전력망(350)을 통해서 전력을 공급받는 바, n개의 세대들에서 사용되는 전체 전력 사용량(VM_TR)은 계통 계량기(VM_M)를 통해서 측정된 전력량(VM_M_R)과 연료전지 계량기(VM_F)를 통해서 측정된 전력량(VM_F_R)의 합이 된다. 이것은 아래의 [식 1]과 같이 나타낼 수 있다.
[식 1]
VM_TR = VM_M_R + VM_F_R = VM_1_R + VM_2_R + ... + VM_(n-1)_R + VM_n_R
여기서, VM_1_R, VM_2_R, VM_(n-1)_R, VM_n_R은 각 세대에서 사용된 전력량이다.
세대n에서 사용한 계통전력 사용량(VM_n_M)은 세대n에서 사용된 전력량(VM_n_R)에 전체 전력 사용량(VM_TR)에 대한 계통전력 전체 사용량(VM_M_R)의 비를 곱한 값이 된다. 여기서 계통전력 전체 사용량이라 함은 계통 계량기를 통해서 측정된 전력량을 말하며, 전체 전력 사용량(VM_TR)에 대한 계통전력 전체 사용량(VM_M_R)의 비라 함은, 계통전력 전체 사용량(VM_M_R)을 전체 전력 사용량(VM_TR)으로 나눈 값이다. 이것은 아래의 [식 2]와 같이 나타낼 수 있다.
[식 2]
VM_n_M = VM_n_R ⅹ (VM_M_R / VM_TR)
또한, 세대n에서 사용한 연료전지 전력 사용량(VM_n_F)은 세대n에서 사용된 전력량(VM_n_R)에 전체 전력 사용량(VM_TR)에 대한 연료전지 전력 전체 사용량(VM_F_R)의 비를 곱한 값이 된다. 여기서 연료전지 전력 전체 사용량(VM_F_R)이라 함은 연료전지 계량기(VM_F)를 통해서 측정된 전력량을 말하며, 전체 전력 사용량(VM_TR)에 대한 연료전지 전력 전체 사용량(VM_F_R)의 비라 함은, 연료전지 전력 전체 사용량(VM_F_R)을 전체 전력 사용량(VM_TR)으로 나눈 값이 된다. 이것은 아래의 [식 3]와 같이 나타낼 수 있다.
[식 3]
VM_n_F = VM_n_R ⅹ (VM_F_R / VM_TR)
상기한 바와 같이 본 실시예에 따른 연료전지시스템의 구동 방법은 각 수용가(310)에서 사용된 전력량에 전체 전력 사용량에 대한 계통전력 전체 사용량의 비를 곱하여 각 수용가에서 사용한 계통전력 사용량을 산출하는 단계와 각 수용가에서 사용된 전력량에 전체 전력 사용량에 대한 연료전지 전력 전체 사용량의 비를 곱하여 각 수용가에서 사용한 연료전지 전력 사용량을 산출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기한 방법으로 각 세대별 계통 전력 사용량과 연료전지 전력 사용량을 측정할 수 있으며, 측정된 전력 사용량을 바탕으로 수용가(310)에 계통 전력 및 연료전지 전력 사용에 대한 요금을 과금할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
101: 제1 연료전지부 102: 제2 연료전지부
103: 제3 연료전지부 121: 온수 순환관
123: 온수 환수관 124: 열교환 온수관
125: 온수 공급관 128: 열교환기
131: 비례제어 솔레노이드 밸브 141, 142: 온도 센서
151: 계통 전력망 152: 제1 전력 차단기
153: 제2 전력 차단기 154: 제3 전력 차단기
161: 사용자 영역 162: 주열원
181: 제1상 전원라인 182: 제2상 전원라인
183: 제3상 전원라인 184: 중성선

Claims (13)

  1. 연료와 산화제의 반응으로 열과 전기를 발생시키며 3상 계통 전력망에 연결 설치된 복수 개의 연료전지부를 포함하며,
    상기 연료전지부는 제1상 전원 라인과 중성선에 연결된 제1 연료전지부와 제2상의 전원 라인과 중성선에 연결된 제2 연료전지부와 제3상의 전원 라인과 중성선에 연결된 제3 연료전지부를 포함하며,
    상기 각 전원 라인에는 각 상의 부하에서 소모되는 전력량을 측정하는 전력량계가 설치되고,
    상기 전력량계에서 측정된 소비 전력량을 바탕으로 전력 소비가 큰 전원라인에 연결된 연료전지부의 발전량을 증가시키거나 전력 소비가 작은 전원라인의 연료전지부의 발전량을 감소시키는 제어기를 더 포함하는 연료전지시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    각 연료전지부에는 상기 3상 계통 전력망과의 연결을 제어하는 전력 차단기가 설치된 연료전지시스템.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 연료와 산화제의 반응으로 열과 전기를 발생시키며 3상 계통 전력망에 연결 설치된 복수 개의 연료전지부를 포함하며,
    상기 연료전지부는 제1상 전원 라인과 중성선에 연결된 제1 연료전지부와 제2상의 전원 라인과 중성선에 연결된 제2 연료전지부와 제3상의 전원 라인과 중성선에 연결된 제3 연료전지부를 포함하며,
    상기 연료전지부들에는 상기 연료전지들에서 발생된 열에 의하여 가열된 온수가 이동하는 온수 순환관이 연결 설치되고,
    상기 온수 순환관에는 열교환기가 설치되며,
    상기 열교환기에는 상기 온수 순환관에서 열을 전달받는 열교환 온수관이 연결 설치되고,
    다수의 사용자 영역으로 온수를 공급하는 주열원에 연결되어 사용자 영역에서 주열원으로 회수되는 온수를 전달하는 온수 환수관을 포함하고, 상기 열교환 온수관은 상기 온수 환수관에 연결된 연료전지시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 온수 순환관에는 각 연료전지부와 상기 온수 순환관의 연결을 제어하는 차단 밸브가 설치된 연료전지시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지부는 연료를 이용하여 개질가스를 발생시키는 개질기와 개질기와 연결되어 개질가스와 산화제를 이용하여 전력을 발생시키는 연료전지스택, 및 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 계통연계 인버터를 포함하는 연료전지시스템.
  9. 3상의 계통 전력망에 연결된 각 상의 전원라인을 통해서 공급되는 전력량을 측정하는 전력 측정 단계;
    각 상의 전원라인에 연료전지부 중 전력의 소모가 큰 전원라인에 연결 설치된 연료전지부의 발전량을 증가시키는 단계; 및
    각 상의 전원라인 중 전력의 소모가 작은 전원라인에 연결 설치된 연료전지부의 발전량을 감소시키는 단계;
    를 포함하는 연료전지시스템의 구동 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    복수 개의 연료전지부에 저장된 온수를 열교환기로 교대로 공급하는 온수 공급 단계를 더 포함하는 연료전지시스템의 구동 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 온수 공급 단계는 상기 열교환기에서 가열된 열교환 온수관의 온도와 상기 열교환 온수관과 연결되어 상기 열교환 온수관으로부터 온수를 전달받는 온수 환수관의 온도를 비교하여 온도의 차이가 설정된 제1 온도차보다 작은 경우에는 연결된 연료전지부와 상기 열교환기의 온수 연결을 차단하는 단계와 연료전지부의 축열조의 온도와 상기 온수 환수관의 온도를 비교하여 온도의 차이가 설정된 제1 온도차보다 더 큰 축열조를 갖는 연료전지부와 상기 열교환기의 온수 연결을 개시하는 단계를 포함하는 연료전지시스템의 구동 방법.
  12. 제 9항에 있어서,
    각 수용가에서 사용된 전력량에 전체 전력 사용량에 대한 계통전력 전체 사용량의 비를 곱하여 각 수용가에서 사용한 계통전력 사용량을 산출하는 단계를 더 포함하는 연료전지시스템의 구동 방법.
  13. 제 9항에 있어서,
    각 수용가에서 사용된 전력량에 전체 전력 사용량에 대한 연료전지 전력 전체 사용량의 비를 곱하여 각 수용가에서 사용한 연료전지 전력 사용량을 산출하는 단계를 더 포함하는 연료전지시스템의 구동 방법.
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