KR101373487B1 - 연료전지를 갖는 독립형 발전 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지 발전장치와 보조 발전장치가 일체화된 독립형 발전 시스템에 관한 것으로서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지를 갖는 독립형 발전 시스템은: 산화제와 연료의 전기화학 반응을 통하여 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택을 갖는 연료전지 발전장치; 전력을 독립적으로 생산하여, 상기 연료전지 발전장치를 가동하기 위한 전력을 상기 연료전지 발전장치에 공급하는 보조 발전장치; 및 상기 연료전지 발전장치와 상기 보조 발전장치에 전기적으로 연결되어, 전력을 수요처에 공급하는 배전반;을 포함한다.

Description

연료전지를 갖는 독립형 발전 시스템{Independent type generating electricity system having fuel cell}
본 발명은 연료전지를 갖는 독립형 발전 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 발전장치와 보조 발전장치가 일체화된 독립형 발전 시스템에 관한 것이다.
연료전지 발전장치는, 산화제와 연료의 전기화학 반응을 통하여 전기에너지를 발생시키는 연료전지를 대규모로 집적하여 이용하는 발전장치로서, 기존의 발전설비에 비하여 효율이 높으며 발전용 연료의 절감이 가능할 뿐만 아니라, 열병합 발전도 가능한 장점이 있다.
또한, 연료전지 발전장치는 기존 발전시설에 비하여 공해물질 배출이 적고, 소음이 적은 친환경 발전장치로서, 최근에 이에 대한 연구, 개발이 활발하게 이루어지고 있다.
연료전지 발전장치는, 크게 MBOP(Mechanical Balance of Plant), 연료전지 스택, EBOP(Electrical Balance of Plant)로 이루어진다. 여기서, MBOP는 연료전지 스택에 연료를 공급하고 열을 회수하는 장치이고, 연료전지 스택은 복수 개의 단위셀들이 적층된 것으로서 수소와 산소의 전기화학 반응을 통하여 직류전기를 생산하는 장치이며, EBOP는 연료전지 스택에서 생산되는 직류전기를 교류전기로 변환하고 시스템 제어를 담당한다.
연료전지 스택에서 전기가 본격적으로 생산되기 전까지, 상기 연료전지 스택은 외부로부터 필요한 전력을 공급받아야 한다. 그러나, 연료전지 발전장치는 전력 공급 시설로부터 거리가 멀리 떨어져 있는 경우가 많기 때문에, 장거리 송전중에 전력 손실이 크게 일어나는 문제가 있다.
또한, 섬과 같이 외부로부터 전력을 공급받기 어렵거나, 전력 공급을 위한 제반시설 등을 설치하기 어려운 곳에서는 연료전지 발전장치를 설치하여 운영하기 어려운 실정이다.
한편, 전력 공급 시설이 연료전지 발전장치를 가동하기 위한 전력을 공급한 이후에는 사실상 연료전지 발전장치만이 수요처에 전력을 공급하게 된다. 그러나, 수요처의 전력 수요가 변화하면, 연료전지 발전장치의 출력을 계속적으로 변화시켜야 하므로, 연료전지의 효율을 최대로 활용할 수 없는 문제가 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 착상된 것으로서, 전력 공급 시설과 연계될 필요가 없이 독립적으로 전력을 생성할 수 있는, 연료전지를 갖는 독립형 발전 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 중소규모의 전력 수요처에 전력을 공급할 수 있는, 연료전지를 갖는 독립형 발전 시스템을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 변동하는 전력부하에 대응하여 높은 효율을 나타내는, 연료전지를 갖는 독립형 발전 시스템을 제공하는 것에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지를 갖는 독립형 발전 시스템은: 산화제와 연료의 전기화학 반응을 통하여 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택을 갖는 연료전지 발전장치; 전력을 독립적으로 생산하여, 상기 연료전지 발전장치를 가동하기 위한 전력을 상기 연료전지 발전장치에 공급하는 보조 발전장치; 및 상기 연료전지 발전장치와 상기 보조 발전장치에 전기적으로 연결되어, 전력을 수요처에 공급하는 배전반;을 포함한다.
바람직하게, 상기 연료전지 발전장치는 외부 전력소스와 차단되어 있다.
바람직하게, 상기 배전반은, 상기 연료전지 발전장치로부터 생성되는 전력을 필수적으로 수요처에 공급하고, 상기 보조 발전장치로부터 생성되는 전력을 선택적으로 수요처에 공급한다.
바람직하게, 상기 보조 발전장치는 화석연료를 사용하여 전력을 생산한다.
바람직하게, 상기 연료전지 발전장치가 웜업 완료된 상태일 때, 상기 배전반은 상기 연료전지 발전장치를 정격출력으로 제어하고, 상기 보조 발전장치를 가변출력으로 제어한다.
바람직하게, 상기 연료전지를 갖는 독립형 발전시스템은, 상기 연료전지 스택에 연료를 공급하는 MBOP를 더 구비하며, 상기 MBOP는 상기 연료전지 발전장치과 상기 보조 발전장치 모두에서 열을 회수한다.
바람직하게, 상기 연료전지 발전장치의 가동개시 전에 미리 보조 발전장치가 가동하여 상기 연료전지 발전장치를 가동하기 위한 전력이 상기 연료전지 발전장치에 공급된다.
바람직하게, 상기 연료전지 발전장치의 단위시간당 전력 생산량 증가에 따라, 상기 보조 발전장치의 전력 생산량이 유지되거나 감소하는 경향으로 조절된다.
바람직하게, 상기 수요처의 전력부하에 따라 상기 연료전지 발전장치 및 상기 보조 발전장치 중 적어도 어느 하나의 전력 생산량이 조절된다.
바람직하게, 상기 보조 발전장치는, 상기 수요처의 전력부하 중 상기 연료전지 발전장치에 의하여 커버되는 전력부하를 제외한 나머지 전력부하를 상기 수요처에 제공할 수 있도록 가변적으로 제어된다.
본 발명에 따르면, 전력 공급 시설과 연계될 필요가 없이 독립적으로 전력을 생성할 수 있는, 연료전지를 갖는 독립형 발전 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 중소규모의 전력 수요처에 전력을 공급할 수 있는, 연료전지를 갖는 독립형 발전 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 변동하는 전력부하에 대응하여 높은 효율을 나타내는, 연료전지를 갖는 독립형 발전 시스템을 제공할 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 전술된 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되지 않아야 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지를 갖는 독립형 발전 시스템의 구성도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지를 갖는 독립형 발전 시스템에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과하고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도면에서 각 구성요소 또는 그 구성요소를 이루는 특정 부분의 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 따라서, 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다. 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그러한 설명은 생략하도록 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지를 갖는 독립형 발전 시스템의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지를 갖는 독립형 발전 시스템은 연료전지 발전장치와, 보조 발전장치와, 배전반을 포함하며, 상기 배전반을 통하여 수요처에 전력이 공급된다.
연료전지 발전장치는, 산화제와 연료의 전기화학 반응을 통하여 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택과, 상기 연료전지 스택에 연료를 공급하는 MBOP(Mechanical Balance of Plant)를 갖는다.
연료전지 스택은 복수 개의 단위셀들이 적층되어 형성되며, 다양한 종류의 연료전지들이 사용될 수 있으나, 주로 고체산화물 연료전지 또는 용융탄산염 연료전지가 사용된다. 그리고, 상기 연료전지 발전장치는 외부 전력소스와 차단되어 있으며, 필요 전력은 후술할 보조 발전장치로부터 공급받는다.
보조 발전장치는 전력을 독립적으로 생산하며, 연료전지 발전장치를 가동하기 위한 전력을 배전반을 통하여 상기 연료전지 발전장치에 공급한다. 또한, 상기 보조 발전장치로는 석탄, LPG, LNG, 등유, 중유, 경유, 휘발유 등의 화석연료를 사용하여 전력을 생산하는 장치가 채용될 수 있다.
한편, 연료전지 스택에 연료를 공급하는 상기 MBOP는 상기 연료전지 발전장치와 상기 보조 발전장치 모두에서 열을 회수할 수 있다. 회수된 열은 열병합 발전을 하는 데에 이용되어, 본 발명에 따른 독립형 발전시스템의 전력 변환효율을 더욱 상승시킬 수 있는 장점이 있다.
배전반은 상기 연료전지 발전장치와 상기 보조 발전장치에 전기적으로 연결되어 전력을 수요처에 공급한다.
상기 배전반은, 상기 연료전지 발전장치로부터 생성되는 전력을 필수적으로 수요처에 공급하고, 상기 보조 발전장치로부터 생성되는 전력을 선택적으로 수요처에 공급한다.
예컨대, 연료전지 발전장치의 정격출력이 100kW이고 수요처의 전력부하가 100kW라면 보조 발전장치는 전력을 생산하지 않는다. 그러나, 수요처의 전력부하가 120kW라면 연료전지 발전장치는 정격출력인 100kW의 전력을 생산하고 보조 발전장치는 20kW의 전력을 생산하여 배전반을 통하여 총 120kW의 전력이 수요처에 공급될 수 있다.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지를 갖는 독립형 발전 시스템의 제어방식에 대하여 설명한다.
본 발명의 독립형 발전 시스템의 경우, 연료전지 발전장치가 가동 개시되기 전에 미리 보조 발전장치가 가동하여 상기 연료전지 발전장치를 가동하기 위한 전력이 상기 연료전지 발전장치에 공급된다.
다음으로, 연료전지 발전장치가 웜업되면서 단위시간당 전력 생산량이 증가함에 따라, 보조 발전장치의 생산량이 유지되거나 감소하는 경향으로 조절된다.
여기서, 보조 발전장치의 생산량이 유지되거나 감소하는 경향으로 조절된다는 것에 대하여 예를 들어서 설명한다.
연료전지 발전장치의 정격출력이 100kW라고 가정하였을 때, 연료전지 발전장치가 작동 개시할 때는 출력이 0kW이고, 출력은 점차 상승하여 결국 100kW출력에 도달하게 된다.
만약, 수요처에서 120kW의 전력부하가 있는 상황이고, 연료전지 발전장치를 가동 개시하기 위하여 30kW의 전력이 필요하다면, 연료전지 발전장치가 90kW가 될 때까지는 보조 발전장치의 출력이 30kW로 유지되고, 연료전지가 90kW에서 100kW로 상승하는 구간에서는 보조 발전장치의 출력을 30kW에서 20kW로 감소하도록 제어된다.
한편, 연료전지 발전장치는 보조 발전장치에 비하여 전력 변환효율이 높기 때문에, 연료전지 발전장치가 웜업 완료된 상태를 기준으로 하였을 때, 배전반은 연료전지 발전장치를 정격출력으로 제어하고, 이와 동시에 보조 발전장치는 가변출력으로 제어하는 것이 바람직하다.
즉, 수요처의 전력부하는 하한에서 상한 사이에서 변동하는데, 연료전지 발전장치의 정격출력을 수요처의 전력부하의 하한과 동일하게 설정하면, 연료전지 발전장치는 항상 정격출력으로 작동할 수 있고, 보조 발전장치는 전력부하의 하한과 상한의 차이를 최대 부하로 하여 가변적으로 작동할 수 있다.
다시 말해, 보조 발전장치는, 수요처의 전력부하 중 연료전지 발전장치에 의하여 커버되는 전력부하를 제외한 나머지 전력부하를 수요처에 제공할 수 있도록 가변적으로 제어될 수 있다.
그러나, 연료전지 발전장치의 웜업이 완료된 이후에 항상 정격출력으로 작동해야만 하는 것은 아니고, 수요처의 전력부하에 따라 연료전지 발전장치 및 보조 발전장치 중 적어도 어느 하나의 발전장치의 전력 생산량이 조절되도록 제어될 수 있다.
즉, 보조 발전장치 또는 연료전지 발전장치의 전력 생산량이 조절되도록 제어되거나, 수요처의 전력부하 변동에 따라 보조 발전장치와 연료전지 발전장치 모두의 출력이 조절되도록 제어될 수도 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지를 갖는 독립형 발전시스템에 의하면, 외부의 전력 공급 시설과 연계될 필요가 없으므로, 중소 규모의 공업단지, 아파트 단지, 또는 섬 등에서 독립적으로 전력을 자급할 수 있는 장점이 있다.
또한, BOP가 연료전지 발전장치 및 보조 발전장치 모두에서 열을 회수하도록 설정된 경우에는 열병합 발전의 효율이 높아지고, 전체적으로 독립형 발전시스템의 전력 변환효율을 높일 수 있는 장점이 있다.
그리고, 연료전지 발전장치는 항상 정격출력으로 작동하도록 제어하고, 수요처의 부하변동은 보조 발전장치의 부하를 변동시켜 대응하도록 제어하게 되면, 상대적으로 전력변환효율이 높은 연료전지 발전장치를 최대한으로 가동할 수 있으므로, 독립형 발전시스템의 전력 변환효율이 전반적으로 상승하는 장점이 있다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

Claims (10)

  1. 산화제와 연료의 전기화학 반응을 통하여 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택을 가지며 외부 전력소스와 차단되어 있는 연료전지 발전장치;
    전력을 독립적으로 생산하여, 상기 연료전지 발전장치를 가동하기 위한 전력을 상기 연료전지 발전장치에 공급하는 보조 발전장치; 및
    상기 연료전지 발전장치와 상기 보조 발전장치에 전기적으로 연결되어, 전력을 수요처에 공급하는 배전반;을 포함하는, 연료전지를 갖는 독립형 발전시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 배전반은, 상기 연료전지 발전장치로부터 생성되는 전력을 필수적으로 수요처에 공급하고, 상기 보조 발전장치로부터 생성되는 전력을 선택적으로 수요처에 공급하는 것을 특징으로 하는, 연료전지를 갖는 독립형 발전시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 보조 발전장치는 화석연료를 사용하여 전력을 생산하는 것을 특징으로 하는, 연료전지를 갖는 독립형 발전시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지 발전장치가 웜업 완료된 상태일 때, 상기 배전반은 상기 연료전지 발전장치를 정격출력으로 제어하고, 상기 보조 발전장치를 가변출력으로 제어하는 것을 특징으로 하는, 연료전지를 갖는 독립형 발전시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지 스택에 연료를 공급하는 MBOP(Mechanical Balance of Plant)를 더 구비하며, 상기 MBOP는 상기 연료전지 발전장치과 상기 보조 발전장치 모두에서 열을 회수하는 것을 특징으로 하는, 연료전지를 갖는 독립형 발전시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지 발전장치의 가동개시 전에 미리 보조 발전장치가 가동하여 상기 연료전지 발전장치를 가동하기 위한 전력이 상기 연료전지 발전장치에 공급되는 것을 특징으로 하는, 연료전지를 갖는 독립형 발전시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 연료전지 발전장치의 단위시간당 전력 생산량 증가에 따라, 상기 보조 발전장치의 전력 생산량이 유지되거나 감소하는 것을 특징으로 하는, 연료전지를 갖는 독립형 발전시스템.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 수요처의 전력부하에 따라 상기 연료전지 발전장치 및 상기 보조 발전장치 중 적어도 어느 하나의 전력 생산량이 조절되는 것을 특징으로 하는, 연료전지를 갖는 독립형 발전시스템.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 보조 발전장치는, 상기 수요처의 전력부하 중 상기 연료전지 발전장치에 의하여 커버되는 전력부하를 제외한 나머지 전력부하를 상기 수요처에 제공할 수 있도록 가변적으로 제어되는 것을 특징으로 하는, 연료전지를 갖는 독립형 발전시스템.
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