KR101690638B1 - Hybrid Power Generation System using Fuel Cell and Engine which is capable of Load Following - Google Patents
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Abstract
본 발명은 부하 변동 대비형 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템에 대하여 개시한다. 본 발명의 일면에 따른 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템은, 입력된 산화제 및 연료가스의 전기화학적 반응에 의해 전기를 생산하며, 애노드 오프가스(Anode Off Gas)를 배출하는 연료전지; 상기 애노드 오프가스의 냉각 및 상기 애노드 오프가스로부터 적어도 일부의 수분을 제거 중 적어도 하나를 수행한 결과, 일 배출가스를 출력하는 냉각기; 상기 애노드 오프가스가 유입되는 제1유로와 상기 일 배출가스가 유입되는 제2유로를 구비하며, 상기 제1유로와 상기 제2유로 내의 유체를 상호 열교환시키는 열교환기; 상기 냉각기로부터의 일 배출가스를 상기 열교환기의 제2유로 및 상기 열교환기의 우회로 중 적어도 하나에 전달하는 제1 밸브; 상기 애노드 오프가스를 상기 열교환기의 제1유로 및 엔진의 유입로 중 적어도 하나에 전달하는 제2 밸브; 및 개도시에 공기를 공급받는 제3 밸브를 포함하고, 상기 열교환기의 제2유로를 통과하여 열교환된 일 배출가스, 상기 열교환기의 우회로로 전달된 일 배출가스, 상기 제2 밸브를 통해 전달받은 애노드 오프가스 중 적어도 하나를 포함하는 연소용 가스는, 상기 제3 밸브로부터 유입된 공기와 혼합되어 상기 연소용 가스를 연소시켜 추가 전기를 생산하는 엔진에 공급되는 것을 특징으로 한다.The present invention discloses a fuel cell-engine hybrid power generation system with a load variation type. A fuel cell-engine hybrid power generation system according to an aspect of the present invention includes: a fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction of input oxidizing agent and fuel gas, and discharges an anode off gas; A cooler for outputting a discharge gas as a result of performing at least one of cooling of the anode off-gas and removal of at least a part of moisture from the anode off-gas; A heat exchanger having a first flow path through which the anode offgas flows and a second flow path through which the one exhaust gas flows, the heat exchanging the fluids in the first flow path and the second flow path; A first valve for delivering a discharge gas from the cooler to at least one of a second flow path of the heat exchanger and a bypass of the heat exchanger; A second valve for delivering the anode off-gas to at least one of a first flow path of the heat exchanger and an inflow path of the engine; And a third valve for supplying air to the open city, wherein a discharge gas that is heat-exchanged through a second flow path of the heat exchanger, a discharge gas delivered to a bypass of the heat exchanger, The combustion gas containing at least one of the anode-off gases received is mixed with the air introduced from the third valve, and is supplied to the engine for producing the additional electricity by burning the combustion gas.
Description
본 발명은 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템에 관한 것으로서, 더 구체적으로는 연료전지 및 엔진을 이용하여 전력을 생산할 수 있는 부하 변동 대비형 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fuel cell-engine hybrid power generation system, and more particularly, to a load cell type fuel cell-engine hybrid power generation system capable of generating electric power using a fuel cell and an engine.
일반적으로, 연료전지는 수소와 산소가 가진 화학적 에너지를 직접 전기 에너지로 변화시키는 전기화학적 장치이다.Generally, a fuel cell is an electrochemical device that converts the chemical energy of hydrogen and oxygen directly into electric energy.
연료전지는 종래의 화력 발전에 비해 효율이 높아 발전용 연료의 절감이 가능하고, 열병합 발전도 가능하며, 천연가스, 도시가스, 메탄올, 폐기물 가스 등 다양한 연료를 사용할 수 있어, 화력 발전을 대체할 수 있는 에너지 변환 장치로 평가받고 있다.Fuel cells are more efficient than conventional thermal power generation, and can save fuel for power generation, can generate cogeneration, and can use various fuels such as natural gas, city gas, methanol, and waste gas. Energy conversion devices.
또한, NOx와 CO2 배출량이 석탄 화력 발전에 비해 현저히 낮고, 소음도 적은 무공해 운전이 가능하여 도심 지역이나 건물 내에 설치도 가능하다.In addition, NOx and CO2 emissions are considerably lower than coal-fired power plants, and pollution-free operation with low noise is possible, which makes it possible to install in urban areas or buildings.
연료전지로는 알칼리형 연료전지, 인산형 연료전지, 고분자 전해질형 연료전지, 고체산화물형 연료전지(SOFC; Solid Oxide Fuel Cell), 용융탄산염형 연료전지(MCFC; Molten Carbonate Fuel Cell)나, 직접탄소 연료전지(Direct Carbon Fuel Cell) 등이 있다.Examples of the fuel cell include an alkaline fuel cell, a phosphoric acid fuel cell, a polymer electrolyte fuel cell, a solid oxide fuel cell (SOFC), a molten carbonate fuel cell (MCFC) Carbon fuel cell (Direct Carbon Fuel Cell).
그 중, 고온에서 동작하는 고체산화물형 연료전지(SOFC)와 용융탄산염형 연료전지(MCFC)는 수십 kW 내지 MW급 대용량 전기를 생산하는 분산발전용으로 사용될 수 있고, 고온의 애노드 오프가스나 고온의 캐소드 오프가스를 활용하여 추가전기를 생산하기에 유리하다. 따라서, 최근에는 고온의 연료전지로부터 배출되는 애노드 오프가스와 발전용 엔진을 결합한 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템이 제안되고 있다.Among them, a solid oxide fuel cell (SOFC) and a molten carbonate carbonate fuel cell (MCFC), which operate at a high temperature, can be used for dispersed electric power generating large capacity electricity of several tens kW to MW. Is advantageous to produce additional electricity utilizing the cathode offgas of the cathode. Therefore, recently, a fuel cell-engine hybrid power generation system combining an anode off-gas discharged from a high-temperature fuel cell and a power generation engine has been proposed.
그런데, 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템의 경우, 고온의 연료전지의 애노드 오프가스는 600도 내지 1000도 정도로 매우 고온이기 때문에, 바로 엔진에 유입될 경우, 엔진 손상으로 이어질 수 있을 뿐만 아니라, 발전 효율도 떨어질 수 있는 문제점이 있다.However, in the case of the fuel cell-engine hybrid power generation system, since the anode off-gas of the high-temperature fuel cell is extremely high, that is, about 600 to 1000 degrees Celsius, There is a problem that it may fall.
또한, 종래의 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템은 그 부하변동 상황에 대비하지 못했다.In addition, the conventional fuel cell-engine hybrid power generation system has not been prepared for the load fluctuation situation.
본 발명은 전술한 바와 같은 기술적 배경에서 안출된 것으로서, 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템에서 고온의 연료전지의 애노드 오프가스를 엔진 연소에 적합한 상태로 조절함으로써, 전체 발전시스템의 효율을 높일 수 있는 부하 변동 대비형 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the technical background as described above, and it is an object of the present invention to provide a fuel cell engine hybrid power generation system capable of increasing the efficiency of the entire power generation system by adjusting the anode- Fuel cell-engine hybrid power generation system.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The objects of the present invention are not limited to the above-mentioned objects, and other objects not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
본 발명의 일면에 따른 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템은, 입력된 산화제 및 연료가스의 전기화학적 반응에 의해 전기를 생산하며, 애노드 오프가스(Anode Off Gas)를 배출하는 연료전지; 상기 애노드 오프가스의 냉각 및 상기 애노드 오프가스로부터 적어도 일부의 수분을 제거 중 적어도 하나를 수행한 결과, 일 배출가스를 출력하는 냉각기; 상기 애노드 오프가스가 유입되는 제1유로와 상기 일 배출가스가 유입되는 제2유로를 구비하며, 상기 제1유로와 상기 제2유로 내의 유체를 상호 열교환시키는 열교환기; 상기 냉각기로부터의 일 배출가스를 상기 열교환기의 제2유로 및 상기 열교환기의 우회로 중 적어도 하나에 전달하는 제1 밸브; 상기 애노드 오프가스를 상기 열교환기의 제1유로 및 엔진의 유입로 중 적어도 하나에 전달하는 제2 밸브; 및 개도시에 공기를 공급받는 제3 밸브를 포함하고, 상기 열교환기의 제2유로를 통과하여 열교환된 일 배출가스, 상기 열교환기의 우회로로 전달된 일 배출가스, 상기 제2 밸브를 통해 전달받은 애노드 오프가스 중 적어도 하나를 포함하는 연소용 가스는, 상기 제3 밸브로부터 유입된 공기와 혼합되어 상기 연소용 가스를 연소시켜 추가 전기를 생산하는 엔진에 공급되는 것을 특징으로 한다.A fuel cell-engine hybrid power generation system according to an aspect of the present invention includes: a fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction of input oxidizing agent and fuel gas, and discharges an anode off gas; A cooler for outputting a discharge gas as a result of performing at least one of cooling of the anode off-gas and removal of at least a part of moisture from the anode off-gas; A heat exchanger having a first flow path through which the anode offgas flows and a second flow path through which the one exhaust gas flows, the heat exchanging the fluids in the first flow path and the second flow path; A first valve for delivering a discharge gas from the cooler to at least one of a second flow path of the heat exchanger and a bypass of the heat exchanger; A second valve for delivering the anode off-gas to at least one of a first flow path of the heat exchanger and an inflow path of the engine; And a third valve for supplying air to the open city, wherein a discharge gas that is heat-exchanged through a second flow path of the heat exchanger, a discharge gas delivered to a bypass of the heat exchanger, The combustion gas containing at least one of the anode-off gases received is mixed with the air introduced from the third valve, and is supplied to the engine for producing the additional electricity by burning the combustion gas.
본 발명의 다른 면에 따른 입력된 산화제 및 연료가스의 전기화학적 반응에 의해 전기를 생산하며, 애노드 오프가스(Anode Off Gas)를 배출하는 연료전지 및 상기 애노드 오프가스를 연소시켜 추가 전기를 생산하는 엔진 사이에서 상기 연료전지로부터의 애노드 오프가스를 조절하여 상기 엔진에 공급하는 애노드 오프가스 조절 장치는, 상기 애노드 오프가스의 냉각 및 상기 애노드 오프가스로부터 적어도 일부의 수분을 제거 중 적어도 하나를 수행한 결과, 일 배출가스를 출력하는 냉각기; 상기 애노드 오프가스가 유입되는 제1유로와 상기 일 배출가스가 유입되는 제2유로를 구비하며, 상기 제1유로와 상기 제2유로 내의 유체를 상호 열교환시키는 열교환기; 상기 냉각기로부터의 일 배출가스를 상기 열교환기의 제2유로 및 상기 열교환기의 우회로 중 적어도 하나에 전달하는 제1 밸브; 상기 애노드 오프가스를 상기 열교환기의 제1유로 및 엔진의 유입로 중 적어도 하나에 전달하는 제2 밸브; 및 개도시에 공기를 공급받는 제3 밸브를 포함하고, 상기 열교환기의 제2유로를 통해 열교환된 일 배출가스, 상기 열교환기의 우회로로 전달된 일 배출가스 및 상기 제2 밸브를 통해 전달받은 애노드 오프가스 중 적어도 하나인 연소용 가스는 상기 제3 밸브로부터 유입된 공기와 혼합되어, 상기 엔진에 전달되는 것을 특징으로 한다.A fuel cell for generating electricity by electrochemical reaction of input oxidizing agent and fuel gas according to another aspect of the present invention and discharging an anode off gas and a fuel cell for burning the anode off gas to produce additional electricity An anode off gas regulating device for regulating the anode off gas from the fuel cell and supplying the anode off gas to the engine is provided between the engine and the anode of the fuel cell, As a result, a cooler for outputting a working gas; A heat exchanger having a first flow path through which the anode offgas flows and a second flow path through which the one exhaust gas flows, the heat exchanging the fluids in the first flow path and the second flow path; A first valve for delivering a discharge gas from the cooler to at least one of a second flow path of the heat exchanger and a bypass of the heat exchanger; A second valve for delivering the anode off-gas to at least one of a first flow path of the heat exchanger and an inflow path of the engine; And a third valve which is supplied with air to the open city, wherein a discharge gas heat-exchanged through a second flow path of the heat exchanger, a discharge gas delivered to a bypass of the heat exchanger, And the combustion gas, which is at least one of the anode-off gas, is mixed with the air introduced from the third valve and is transmitted to the engine.
본 발명에 따르면, 고온의 연료전지의 애노드 오프가스를 엔진 연소에 적합한 상태로 조절함으로써, 엔진 고장을 방지하는 한편, 내구성을 향상시키고, 전체 발전시스템의 효율을 높일 수 있다.According to the present invention, the anode off gas of a high-temperature fuel cell is adjusted to a state suitable for engine combustion, thereby preventing engine failure, improving durability, and improving efficiency of the entire power generation system.
또한, 본 발명에 따른 발전시스템의 부하변동에 대비할 수 있다.Further, it is possible to cope with the load fluctuation of the power generation system according to the present invention.
도 1은 본 발명에 따른 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템의 전체 구성을 개략적으로 도시한 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템의 애노드 오프가스 조절 장치를 세부적으로 도시한 세부 구성도.
도 3은 본 발명에 따른 공급 연료량과 연료 이용률의 관계를 도시한 그래프.
도 4는 본 발명에 따른 애노드 오프가스 조절 방법을 도시한 흐름도.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a schematic view showing the overall configuration of a fuel cell-engine hybrid power generation system according to the present invention; FIG.
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a fuel cell engine hybrid power generation system.
3 is a graph showing the relationship between the amount of fuel supplied and the fuel utilization rate according to the present invention.
4 is a flow chart illustrating a method for adjusting the anode off-gas in accordance with the present invention.
본 발명의 전술한 목적 및 그 이외의 목적과 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The above and other objects, advantages and features of the present invention and methods for accomplishing the same will become apparent with reference to the embodiments described in detail below with reference to the accompanying drawings. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as being limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art. Is provided to fully convey the scope of the invention to those skilled in the art, and the invention is only defined by the scope of the claims. It is to be understood that the terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. In the present specification, the singular form includes plural forms unless otherwise specified in the specification. As used herein, the terms " comprises, " and / or "comprising" refer to the presence or absence of one or more other components, steps, operations, and / Or additions.
이하, 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템에 대하여 설명한다.Hereinafter, a fuel cell-engine hybrid power generation system according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2. FIG.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템의 전체 구성을 개략적으로 도시한 구성도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템의 애노드 오프가스 조절 장치를 세부적으로 도시한 세부 구성도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지에 대한 공급 연료량과 그 연료 이용률의 관계를 도시한 그래프이다.FIG. 1 is a schematic view showing the entire configuration of a fuel cell-engine hybrid power generation system according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a schematic view showing an anode off gas of a fuel cell-engine hybrid power generation system according to an embodiment of the present invention. FIG. 3 is a graph showing the relationship between the amount of fuel supplied to the fuel cell and the fuel utilization rate according to the embodiment of the present invention. FIG.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템(10)은 연료전지(110), 열교환기(120), 냉각기(130), 엔진(140), 제1 밸브(151), 제2 밸브(152), 온도 감지부(170), 제3 밸브(160), 제1 혼합용 배관(181), 제2 혼합용 배관(182) 및 제어부(미도시)를 포함한다.1 and 2, a fuel cell-engine hybrid power generation system 10 according to an embodiment of the present invention includes a
연료전지(110)는 산화제(공기 또는 산소)와 개질된 연료(수소, 합성가스, 직접탄소 등)의 전기화학적 반응에 의하여 전력을 생산하며, 비반응 연료(남은 연료)가 포함된 애노드 오프가스(Anode Off Gas) 및 캐소드 배출가스를 배출한다.The
예를 들어, 연료전지(110)가 MCFC 연료전지일 경우, 연료전지(110)는 고온의 공기 또는 산소와 이산화탄소를 입력받는 캐소드(Cathode)와 수소를 주성분으로 하는 연료가스를 입력받는 애노드(Anode)를 포함한다. 애노드는 캐소드로부터의 산소 이온 또는 탄산 이온과 개질기로부터의 연료가스의 전기화학적 반응에 의해 전기를 생산하고 물과 비반응 연료(이산화탄소 등)가 포함된 애노드 오프가스를 배출한다. 캐소드는 고온의 공기 또는 산소를 입력받아 산소 이온 또는 산소와 이탄화탄소의 반응에 의해 탄산 이온을 생산하고 캐소드 배출가스를 배출한다. 여기서, 캐소드 배출가스는 연료전지(110)에 유입되는 공기 또는 산소의 열교환에 이용될 수 있고, HRSG(Heat Recovery Steam Generator)에 의해 열회수될 수 있다.For example, when the
이때, 연료전지(110)는 애노드 오프가스를 배출하는 다양한 연료전지일 수 있다. 예를 들어, 연료전지(110)는 고체산화물형 연료전지(SOFC; Solid Oxide Fuel Cell), 용융탄산염형 연료전지(MCFC; Molten Carbonate Fuel Cell), PEMFC(Proton exchange membrane fuel cell), PAFC(Phosphoric-acid fuel cell), AFC(Alkaline fuel cell) 또는 직접탄소 연료전지(DCFC; Direct Carbon Fuel Cell) 등일 수 있다. 이때, 연료전지(110)로 용융탄산염형 연료전지(MCFC)가 사용될 경우에는 엔진(140)의 배출가스를 연료전지(110)로 재유입시켜 캐소드에서 필요한 이산화탄소를 공급하는 것도 가능하다.At this time, the
도 1과 같이, 연료전지(110)의 전단에는 고온의 공기 또는 산소와 물을 공급하는 수단, 수소를 포함하는 연료(LPG, LNG, 메탄, 석탄가스, 메탄올, 부생가스(byproduct gas) 등)로부터 다량의 수소를 포함하는 연료가스를 생산하는 개질기 등이 포함될 수 있다. 연료전지(110)의 전단 구성은 연료전지(110)의 종류에 따라 다양하게 적용될 수 있고, 적용된 연료전지(110)의 종류로부터 당업자라면 자명하게 도출할 수 있으므로, 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.As shown in FIG. 1, a means for supplying high temperature air, oxygen and water, a fuel containing hydrogen (LPG, LNG, methane, coal gas, methanol, byproduct gas, etc.) And a reformer for producing a fuel gas containing a large amount of hydrogen from the reforming gas. The front end configuration of the
냉각기(130)는 열교환기(120)를 통과한 애노드 오프가스의 적어도 일부를 입력받아 입력된 애노드 오프가스를 냉각하여 그 온도를 낮추거나, 입력된 애노드 오프가스로부터 수분(스팀)을 제거하고, 그 결과 일 배출가스를 출력한다. 예컨대, 냉각기(130)는 수냉식 열교환기, 공랭식 열교환기, 원심식 기수분리장치를 포함하는 냉각기, 반전식 기수분리장치를 포함하는 냉각기 등 다양한 종류일 수 있다.The
그런데, 냉각기(130)에 의해 애노드 오프가스가 냉각되거나, 수분이 제거되면, 그 온도는 낮아지므로, 일 배출가스의 온도는 애노드 오프가스에 비해 훨씬 낮아진다. 따라서, 통상, 일 배출가스의 온도는 엔진(140)의 발전 효율을 기설정된 값 이상으로 유지하고 안정된 연소를 유도할 수 있는 기본임계치 이하이며, 냉각기(130)의 후단에서 일 배출가스의 온도를 증가시킬 필요가 있다. However, when the anode off-gas is cooled or the water is removed by the
여기서, 기본임계치는 열교환기(120)에서 열교환되기 전의 일 배출가스의 적정온도를 의미한다. 예를 들어, 기본임계치는 냉각기(130)로부터 출력된 일 배출가스의 전체가 열교환기(120)를 통과한 후에 엔진의 발전 효율을 높이고 안정적인 연소를 유도할 수 있는 온도 범위(임계치 이상 상한치 미만) 내에 있도록 설정될 수 있다.Here, the basic threshold value means an appropriate temperature of the one exhaust gas before the heat exchange in the
열교환기(120)는 두 개의 유체 간의 열 교환을 위한 장치로서, 연료전지(110)로부터의 애노드 오프가스가 이동하는 제1유로 및 제1 밸브(151)로부터 전달받은 일 배출가스가 이동하는 제2유로를 포함한다. 이때, 제1유로와 제2유로는 상호 열 교환 가능하도록 연접하여 배치되는 것이 좋다. 그리고, 열교환기(120)는 열교환기(120)의 제2유로에서 배출되어 즉, 열교환되어, 엔진(140)으로 유입되는 연소용 가스의 온도가 기설정된 상한치 미만이 되도록 설계되는 것이 좋다.The
제1 밸브(151)는 냉각기(130)로부터의 일 배출가스를 입력받고, 입력된 일 배출가스를 제어부(미도시)의 제어에 따라 열교환기(120)의 제2유로와 열교환기(120)의 우회로 중 적어도 하나에 전달한다. 여기서, 제1 밸브(151)는 입출력되는 일 배출가스의 온도를 견딜 수 있는 소재로 구성된 유량을 분기할 수 있는 구조를 가진 밸브이다. 예컨대, 제1 밸브(151)는 삼방밸브(Three Way Valve) 구조 또는 2개의 밸브를 연계하는 구조의 밸브일 수 있다.The
제2 밸브(152)는 연료전지(110)로부터의 애노드 오프가스를 입력받고, 제어부(미도시)의 제어에 따라 입력된 애노드 오프가스를 감지된 온도에 대응하여 열교환기(120)의 제1유로 및 엔진(140)의 유입로 중 적어도 하나로 전달한다. 여기서, 제2 밸브(152)는 입출력되는 애노드 오프가스의 온도(연료전지의 종류에 따라 600도 내지 1000도일 수 있음)를 견딜 수 있는 소재로 구성된 유량을 분기할 수 있는 구조를 가진 밸브이다. 예컨대, 제2 밸브(152)는 삼방밸브(Three Way Valve) 구조 또는 2개의 밸브를 연계하는 구조의 밸브일 수 있다. 제1 및 제2 밸브(151, 152)의 구체적 제어 방법에 대해서는 제어부(미도시)의 설명과 함께 후술한다.The
제1 혼합용 배관(181)은 열교환된 일 배출가스, 열교환기(120)의 우회로로 전달된 일 배출가스, 제2 밸브(152)로부터의 애노드 오프가스를 입력받는 세 개의 입력 경로와, 세 개의 입력 경로로부터의 가스를 포함하는 연소용 가스를 엔진(140)에 전달하는 한 개의 출력 경로를 포함한다. 여기서, 제1 혼합용 배관(181)의 출력 경로는 세 개의 입력 경로를 통해 유입된 가스들이 잘 혼합될 수 있는 형상으로 구비되는 것이 좋다.The
온도 감지부(170)는 제3 밸브(160)와 제1 혼합용 배관(181) 사이에 구비되어, 제3 밸브(160)로 유입된 공기와 혼합되기 전의 연소용 가스의 온도를 감지하고, 감지 온도를 제어부(미도시)로 전달한다. 예컨대, 온도 감지부(170)는 배관 내부로 장입된 형태로 설치되는 센서일 수 있고, 배관 등에 부착되는 형태의 착탈형 온도센서일 수 있다.The
이때, 온도 감지부(170)는 냉각기(130)와 제1 밸브(151) 사이 또는 제1 밸브(151)와 열교환기(120)의 제2유로의 유입로 사이에 구비되어, 일 배출가스의 온도를 감지할 수도 있다. 또는, 온도 감지부(170)는 하나 이상 구비되어, 연소용 가스 및 일 배출가스의 온도를 감지할 수도 있다. 이하의 명세서에서는 설명의 편의성을 위해서 온도 감지부(170)가 연소용 가스의 온도를 감지하는 경우를 예로 들어 설명한다.The
제3 밸브(160)는 엔진(140)에 공급되는 공기량을 조절하는 밸브로서, 그 개도량은 제어부(미도시)에 의해 제어되며, 개도시에는 외부로부터 공기(산소 등)를 유입받아 제2 혼합용 배관(182)에 전달한다. 예컨대, 제3 밸브(160)는 스로틀 밸브일 수 있다.The
제2 혼합용 배관(181)은 제1 혼합용 배관(181)에 의해 혼합된 연소용 가스와 제3 밸브(160)로부터의 공기를 입력받는 두 개의 입력 경로와 두 개의 입력 경로로부터의 연소용 가스와 공기를 엔진(140)에 전달하는 한 개의 출력 경로를 포함한다. 여기서, 제2 혼합용 배관(182)의 출력 경로는 두 개의 입력 경로를 통해 유입된 가스들이 잘 혼합될 수 있는 형상으로 구비되는 것이 좋다. 제2 혼합용 배관(182)는 스로틀 바디로 대체될 수도 있다.The
엔진(140)은 제1 혼합용 배관(181)의 출력 경로로부터 연소용 가스를 입력받아, 이를 연소시켜 추가 전기를 생산한다. 이때, 엔진(140)에는 제3 밸브(160)로 유입된 공기 및 보조 연료가 더 공급될 수 있으며, 그러면 엔진(140)은 연소용 가스와 함께 유입된 공기 및 보조 연료를 연소에 추가로 이용할 수 있다.The
여기서, 엔진(140)은 예혼합 압축착화(HCCI; Homogeneous Charge Compression Ignition) 방식을 사용하는 HCCI 엔진, 스파크 점화 방식을 사용하는 가솔린 엔진 및 디젤 엔진 중 적어도 하나일 수 있다. 다만, 엔진(140)으로 HCCI 엔진이 사용되는 경우, 연소 최고온도를 낮출 수 있고, NOx 및 PM 배출을 줄일 수 있는 효과를 얻을 수 있다.Here, the
이때, 엔진(140)이 예혼합 압축착화 엔진인 경우에도 그 내부에 점화 플러그를 포함할 수 있다. 또한, 엔진(140)은 점화 플러그가 아닌 점화 플러그의 기능을 수행하는 다른 점화수단을 포함할 수도 있다. At this time, even if the
엔진(140)은 연소용 가스의 상태에 따라서 예혼합 압축착화 방식으로 연소할 수 있고, 점화 플러그 또른 다른 점화수단을 이용하여 연소용 가스를 점화 연소할 수도 있다. 예컨대, 엔진(140)은 연소용 가스만을 이용하여 발전하는 경우에는 예혼합 압축착화 방식으로 연소하고, 보조 연료를 공급하여 발전하는 상황에서는 점화 플러그 또는 다른 점화수단을 이용하여 연소용 가스를 점화 연소할 수도 있다.The
여기서, 엔진(140)의 후단에는 엔진(140)의 배출가스로부터 열을 회수하는 등의 구성 요소(예컨대, HRSG, 개질기, 열교환기 등)가 더 구비될 수 있다. 엔진(140)의 주변 구성은 엔진(140)의 종류로부터 당업자라면 자명하게 도출 가능하므로, 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.Here, a component such as an HRSG, a reformer, a heat exchanger, or the like may be further provided at the rear end of the
제어부(미도시)는 감지된 연소용 가스의 온도 및 부하 변동(공급 연료량 및 연료 이용률 변동) 중 적어도 하나에 따라 제1, 제2 및 제3 밸브(151, 152, 160)를 제어한다. 구체적으로, 제어부(미도시)는 ① 감지 온도에 따른 제어, ② 부하 조건 변경시의 제어를 수행한다. 이하, 제어부(미도시)의 각 기능을 구분하여 설명한다.
The control unit (not shown) controls the first, second, and
① 감지 온도에 따른 흐름 제어① Flow control according to sensing temperature
제어부(미도시)는 기설정된 주기마다 감지 온도에 따라 제1 밸브(151), 제2 밸브(152) 및 제3 밸브(160) 중 적어도 하나를 제어함에 따라 연소용 가스의 온도를 엔진 효율을 높일 수 있는 기설정된 허용범위 내로 조절할 수 있다. 예컨대, 제어부(미도시)는 제1 및 제2 밸브(151, 152)의 두 출력 경로 간의 전달비를 조절할 수 있는 전기적 신호를 공급하는 마이크로컨트롤러일 수 있다. 이 경우, 제1 및 제2 밸브(151, 152)는 전기적 신호에 의해 일 배출가스 전달 비가 제어될 수 있는 밸브일 수 있다. The control unit controls at least one of the
기본적으로, 제어부(미도시)는 냉각기(130)로부터의 일 배출가스의 전체를 열교환기(120)의 제2유로에 전달하는 형태로 제1 밸브(151)를 조작하고, 연소용 가스의 온도가 상한치 이상으로 높아지면, 연소용 가스의 온도를 낮추기 위해 연소용 가스의 적어도 일부를 열교환기(120)의 우회로로 전달하는 형태로 제1 밸브(151)를 조작한다.Basically, the control unit (not shown) operates the
구체적으로, 제어부(미도시)는 일 배출가스의 전체를 열교환기(120)로 전달하면서, 온도 감지부(170)에 의해 감지된 연소용 가스의 감지 온도를 확인한다. 이때, 제어부(미도시)는 감지 온도가 상한치 이상이면, 제1 밸브(151)를 제어하여 냉각기(130)로부터의 일 배출가스의 적어도 일부를 열교환기(120)의 우회로로 전달함에 따라 연소용 가스의 온도를 낮출 수 있다.Specifically, the control unit (not shown) confirms the sensing temperature of the combustion gas sensed by the
여기서, 냉각기(130)로부터의 일 배출가스의 온도가 너무 낮아, 냉각기(130)로부터의 일 배출가스의 전체를 열교환기(120)의 제2유로로 전달하여도 연소용 가스의 온도가 기설정된 임계치 이상이 아니면, 제어부(미도시)는 제1 밸브(151)에 의한 연소용 가스의 온도 조절이 더 이상 불가하므로, 하기와 같이 제2 밸브(152)를 조절할 수 있다.In this case, even if the temperature of one exhaust gas from the cooler 130 is too low to transfer the entire exhaust gas from the cooler 130 to the second flow path of the
여기서, 임계치 및 상한치는 엔진 효율을 높이고 안정된 연소가 일어날 수 있는 연소용 가스의 온도 범위를 의미한다. 또한, 엔진 손상을 방지할 수 있도록 상한치는 엔진(140)에 유입되어 손상을 줄 수 있는 가스의 최저 온도(>℃) 보다는 낮게 설정되는 것이 좋다. Here, the threshold value and the upper limit value refer to the temperature range of the combustion gas in which stable combustion can occur while increasing the engine efficiency. In order to prevent the engine from being damaged, the upper limit value may be set lower than the minimum temperature (< 0 > C) of the gas that may flow into the
제어부(미도시)는 기본적으로 연료전지(110)로부터의 애노드 오프가스의 전체가 열교환기(120)로 전달되도록 하며, 제1 밸브(151)에 의한 연소용 가스의 온도가 더 이상 불가한 경우 제2 밸브(152)를 조절하여 연소용 가스의 온도를 조절할 수 있다.The control unit (not shown) basically allows the entire anode off gas from the
구체적으로, 제어부(미도시)는 제2 밸브(152)를 제어하여 엔진(140)의 유입로로 전달되는 애노드 오프가스의 양을 증가시켜 연소용 가스의 온도를 높임에 따라 연소용 가스의 온도가 허용범위 이내에 있도록 제어할 수 있다.The control unit (not shown) controls the
한편, 전술한 예에서는 제어부(미도시)가 기본적으로 냉각기(130)와 열교환기(120)를 이용하는 형태로 제1 및 제2 밸브(151~152)를 제어하는 경우를 예로 들어 설명하였다. 하지만, 연료전지(110) 및 엔진(140)의 종류에 따라서는 제어부(미도시)는 기본적으로 애노드 오프가스 중 적어도 일부가 엔진(140)의 유입로에 바로 전달되는 형태로 제어될 수도 있다.In the above example, the control unit (not shown) basically controls the first and
또한, 전술한 예에서는 제어부(미도시)가 연소용 가스의 온도에 따라 제1 및 제2 밸브(151, 152) 중 적어도 하나를 제어하는 경우를 예로 들어 설명하였으나, 제어부(미도시)는 냉각기(130)로부터의 일 배출가스의 온도, 열교환된 일 배출가스의 온도 및 연소용 가스의 온도 중 적어도 하나의 온도에 따라 제1 밸브(151) 및 제2 밸브(152)를 조절할 수도 있음은 물론이다. 이 경우, 온도 감지부(170)는 복수 개 구비될 수도 있다.Although the control unit (not shown) controls at least one of the first and
이때, 제어부(미도시)는 연소용 가스의 온도가 허용범위의 상한치를 초과하면, 그 온도를 빠르게 낮추기 위해서 제3 밸브(160)의 개도량을 증가시킬 수도 있다.
At this time, if the temperature of the combustion gas exceeds the upper limit value of the allowable range, the controller (not shown) may increase the opening amount of the
② 부하 조건 변경시 흐름 제어 ② Flow control when changing load condition
제어부(미도시)는 연료전지(110)에 공급되는 연료량과 연료 이용률의 변동에 의해 부하 조건의 변동상황을 감지하고, 감지된 비율에 따라 제1, 제2 및 제3 밸브(151, 152, 160) 중 적어도 하나를 제어한다.The control unit (not shown) senses the fluctuation condition of the load condition by the variation of the amount of fuel and the fuel utilization rate supplied to the
여기서, 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템은 연료전지(110)에 공급되는 연료조절밸브(미도시) 및 개질기 등을 제어하여 연료전지(110)에 공급되는 공급 연료양을 제어하므로 공급 연료량은 당연히 알고 있다. 따라서, 제어부(미도시)는 공급 연료량을 알 수 있으며, 연료 이용률은 연료전지(110)의 출력 전력으로부터 산출될 수 있다. 이때, 개질기의 반응이 100% 예측되는 것은 아니므로, 산출된 연료 이용률은 실제 연료 이용률과는 차이가 있을 수 있음은 물론이다. 예를 들어, 연료 이용률은 공급 연료량에 대비한 연료전지(110)의 출력 전력의 관계에 의해 산출될 수 있다. 이를 위해서, 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템은 전력계(미도시)를 더 포함할 수 있다.Here, the fuel cell-engine hybrid power generation system controls the amount of fuel supplied to the
이하, 도 3을 참조하여 공급 연료량과 연료 이용률의 관계와 그 변동에 따른 제1, 제2 및 제3 밸브(151, 152, 160)의 제어 과정에 대하여 설명한다.Hereinafter, the control process of the first, second and
도 3에서, 우측상단이 정격 출력 100%이고(즉, 공급 연료량이 최대이고), 연료 이용률이 최대인 경우이며, 좌측하단이 정격 출력(공급 연료량)과 연료 이용률이 최소인 경우이다. 이때, 도 3에서는 연료 이용률의 최대값이 70%인 경우를 예로 들어 도시하였다. 하지만, 이론적으로 연료 이용률의 최대값은 100%이고 발전시스템의 효율에 따라 연료 이용률의 최대값은 70~90% 정도일 수 있으므로, 연료 이용률의 최대값은 도 3에 의해 한정되지 않음은 물론이다.In FIG. 3, the upper right end shows the case where the rated output is 100% (that is, the supplied fuel amount is the maximum), the fuel utilization rate is the maximum, and the lower left end is the case where the rated output (supplied fuel amount) and the fuel utilization rate are minimum. 3, the maximum value of the fuel utilization rate is 70%. However, theoretically, the maximum value of the fuel utilization rate may be 100% and the maximum value of the fuel utilization rate may be 70% to 90% depending on the efficiency of the power generation system. Therefore, the maximum value of the fuel utilization rate is not limited to FIG.
연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템은 통상 정격 출력을 내도록 구동되므로, 그 부하변동 상황은 ㄱ) 공급 연료량과 연료 이용률이 둘 다 감소하는 경우, ㄴ) 공급 연료량만 감소하는 경우, ㄷ) 연료 이용률만 감소하는 경우로 구분될 수 있다. 이하, 각 변동상황에서 제어부(미도시)의 제어에 대하여 설명한다. Since the fuel cell-engine hybrid power generation system is usually driven to produce a rated output, the load fluctuation situation is such that: a) both the supplied fuel amount and the fuel utilization rate decrease; And the like. Hereinafter, the control of the control unit (not shown) in each variation situation will be described.
▶ 공급 연료량과 연료 이용률이 둘 다 감소하는 경우 If both the fuel supply and the fuel utilization are decreasing
(도 3의 우측상단 → 좌측하단 이동)(Right upper end → left lower end movement in FIG. 3)
공급 연료량과 연료 이용률이 둘 다 감소하는 경우, 연료전지(110)에서 나오는 애노드 오프가스의 절대적인 양은 줄지만, 이는 불활성 기체의 양이 줄어든 것으로서, 애노드 오프가스 내 남은 연료의 양은 비슷하게 유지된다. 여기서, 불활성 기체는 수분, CO2, Ar, N2 등을 포함할 수 있다. When both the supplied fuel amount and the fuel use rate are reduced, the absolute amount of the anode off gas coming out of the
이 경우, 제어부(미도시)는 냉각기(130)에 의한 수분 제거를 줄여 불활성 기체의 양을 비슷한 수준으로 유지할 수 있도록 제1 및 제2 밸브(151, 152)를 제어한다. In this case, the control unit (not shown) controls the first and
제어부(미도시)는 불활성 기체의 수분량을 늘리기 위해 엔진 유입로쪽으로 즉, 제1 혼합용 배관(181)으로 전달되는 애노드 오프가스가 증가되도록 제2 밸브(152)를 제어한다. 예컨대, 제어부(미도시)는 공급 연료량과 연료 이용률의 감소량 또는 감소된 수분량에 대응하여 제1 혼합용 배관(181)으로 전달되는 애노드 오프가스의 양을 증가시킬 수 있다.The control unit (not shown) controls the
또한, 공급 연료량과 연료 이용률이 둘 다 감소하는 경우, 연료량은 비슷하게 유지되면서 불활성 기체의 양이 줄어 들어, 엔진(140)으로 들어가는 연소용 가스 중의 연료가스의 농도가 높아져서 연소 반응이 상대적으로 잘 일어날 수 있다. 따라서, 조성비 자체가 반응성이 좋아, 온도를 조금 낮춰야 다른 경우와 비슷한 시기에 점화 또는 연소 반응이 일어날 수 있다. 이에, 제어부(미도시)는 애노드 오프가스의 온도를 낮추기 위해 열교환기(120)의 우회로로 전달되는 일 배출가스의 양이 증가되도록 제1 밸브(151)를 제어한다. 이때, 제어부(미도시)는 연소용 가스의 온도에 따라 제1 밸브(151)를 제어할 수 있다.Further, when both the supplied fuel amount and the fuel use ratio are decreased, the amount of the inert gas is reduced while the fuel amount is kept close to each other, so that the concentration of the fuel gas in the combustion gas entering the
또한, 제어부(미도시)는 연소용 가스의 추가 냉각이 필요하면 즉, 연소용 가스의 온도가 상한치 이상이면, 제3 밸브(160)의 개도량을 증가시켜 급속으로 연소용 가스의 온도를 낮출 수 있다. If the combustion gas needs to be further cooled, that is, if the temperature of the combustion gas is higher than the upper limit value, the controller (not shown) increases the opening amount of the
더불어, 제어부(미도시)는 엔진(140) 흡기관에 음압이 걸리는 경우에는 제3 밸브(160)의 개도량을 증가시켜 그로 인해 엔진(140)에 공급되는 혼합기(연소용 가스 +제3 밸브로부터 공급받는 공기)의 양을 증가시켜 음압이 걸리지 않도록 할 수 있다.In addition, when negative pressure is applied to the intake pipe of the
이와 같이, 본 발명에서는 애노드 오프가스 내 불활성 기체의 감소에 따라 엔진(140) 흡기관에 음압이 걸려 엔진(140)의 발전이 중단되거나 엔진(140)의 손상이 발생하가나, 연료전지(110)가 이상 작동하는 것을 방지할 수 있다.As described above, according to the present invention, when negative pressure is applied to the intake pipe of the
▶ 공급 연료량만 감소하는 경우 ▶ If only the amount of fuel supplied decreases
(도 3의 우측 → 좌측 이동: 우측상단 → 좌측상단, 우측하단 → 좌측하단)(Right side → left side movement: right upper side → left upper side, right lower side → left lower side in FIG. 3)
연료 이용률은 변하지 않고 공급 연료량이 감소하는 경우, 연료전지(110)로부터의 애노드 오프가스 내 불활성 기체와 남은 연료의 비율은 비슷하지만 그 절대 양이 감소한다. 이 경우, 제어부(미도시)는 다음의 두 가지 방식의 제어를 수행할 수 있다.When the fuel utilization rate does not change and the supplied fuel amount decreases, the ratio of the inert gas and the remaining fuel in the anode off-gas from the
제1방식은 제3 밸브(160)에 의한 공기량 스로틀링을 통해 연소용 가스에 연료전지(110)의 정격 운전과 동일한 비율로 공기를 섞어주는 방식이다. 이때, 엔진(140)에 유입되는 연소용 가스의 양은 엔진(140)에서 입력받을 수 있는 총 볼륨에 못미치는 양이다.In the first system, the air is throttled by the
제1방식을 수행할 때, 제어부(미도시)는 제3 밸브(160)에 의해 유입되는 공기량을 줄인다. 다만, 엔진(140)에 유입되는 연소용 가스의 양이 극히 적을 경우, 엔진(140)에 음압이 걸릴 수 있으므로, 제어부(미도시)는 수분 제거를 가능한 줄일 수 있도록 제1 및 제2 밸브(151, 152)의 제어하여 엔진(140)에 걸리는 음압을 최소화하고, 필요에 따라 연소용 가스의 온도를 증가시킨다.When performing the first mode, the controller (not shown) reduces the amount of air introduced by the
제2방식은 제3 밸브(160)를 최대한 개방하여 연소용 가스와 유입된 공기량의 합이 엔진(140)에서 입력받을 수 있는 총 볼륨에 맞추는 방식이다.In the second method, the
제2방식을 수행할 때, 제어부(미도시)는 제3 밸브(160)를 최대한 개방한 후 제1 및 제2 밸브(151, 152)에 의해 연소용 가스의 온도를 제어한다. 부연 설명하면, 제3 밸브(160)를 최대한 개방할 경우, 엔진(140)으로 유입되는 연소용 가스의 온도는 매우 낮아질 수 있으므로, 제어부(미도시)는 제1 및 제2 밸브(151, 152)의 제어를 통해 연소용 가스의 온도를 증가시킨다. When performing the second mode, the control unit (not shown) controls the temperature of the combustion gas by the first and
▶ 연료 이용률만 감소하는 경우 ▶ When the fuel use rate decreases only
(도 3의 상단 → 하단 이동 : 우측상단 → 우측하단, 좌측상단 → 좌측하단)(Top-to-bottom movement in Fig. 3: right upper end? Right lower end, left upper end?
공급 연료량은 동일한데, 연료 이용률이 감소하는 경우, 연료전지(110)로부터 출력되는 애노드 오프가스의 양은 거의 비슷하게 유지되나 약간 줄고, 대신 남은 연료의 상대적 비율이 증가한다. 이 경우, 남은 연료의 상대적 비율이 증가하여 엔진(140)의 연소가 상대적으로 잘되므로, 점화 시기 및 연소 반응을 다른 경우와 비슷하게 맞추기 위해서, 제어부(미도시)는 제1 및 제2 밸브(151, 152)에 의해 애노드 오프가스의 온도를 감소시키는 제어를 수행한다.When the fuel utilization rate decreases, the amount of the anode off gas output from the
먼저, 제어부(미도시)는 애노드 오프가스의 전체가 열교환기(120)를 거쳐 냉각기(130)에 전달되도록 제2 밸브(152)를 제어하고, 냉각기(130)로부터의 일 배출가스의 전체가 열교환기(120)를 우회하도록 제1 밸브(151)를 제어한다. 그리고, 연소용 가스의 온도를 모니터링하여 필요에 따라 제1 및 제2 밸브(151, 152)를 추가로 제어할 수 있다. 또한, 제어부(미도시)는 연소용 가스의 온도가 기설정된 상한치 이상인 경우 제3 밸브(160)의 개도량을 제어하여 엔진으로 유입되는 연소용 가스의 온도를 하강시킬 수도 있다.
First, the control unit controls the
한편, 전술한 예에서 제어부(미도시)의 감지 온도에 따른 제어와 부하 변동에 따른 제어 과정에서 상호 상충(相衝)되는 상황이 발생할 수 있다. 이 경우, 제어부(미도시)는 부하 변동에 따른 제어를 우선 수행한 후 필요에 따라 감지 온도에 따른 제어를 수행할 수 있다.On the other hand, in the above-described example, there may occur a situation where the control according to the sensed temperature of the control unit (not shown) and the control process according to the load variation mutually conflict. In this case, the control unit (not shown) may perform the control according to the load variation first, and then perform the control according to the sensing temperature as necessary.
또한, 전술한 예에서는 제어부(미도시)가 전기적 신호에 의해 자동으로 제1 및 제2 밸브(151, 152)의 출력 경로 간의 전달비와 제3 밸브(160)의 개도량을 제어하는 경우를 예로 들어 설명하였다. 하지만, 이와 달리, 제어부(미도시)는 제1 및 제2 밸브(151, 152) 또는 제3 밸브(160)를 어떤 형태로 조작하라는 지시를 스피커나 디스플레이 등의 출력부(미도시)를 통해 출력할 수도 있다. 그러면, 사용자가 제어부(미도시)의 출력을 확인하고, 제1 및 제2 밸브(151, 152) 또는 제3 밸브(160)를 수동으로 조작할 수도 있다.In the above-described example, the control unit (not shown) automatically controls the transfer ratio between the output paths of the first and
더 나아가, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템은 출력부(미도시)를 통해 제1 및 제2 밸브(151, 152)를 통한 연소용 가스의 온도 조절이 더 이상 불가한 경우나, 제3 밸브(160)를 통한 연소용 가스의 온도, 압력 또는 조성비의 조절이 더 이상 불가한 경우, 이를 사용자에게 안내할 수 있다. 그러면, 사용자가 연료전지(110), 열교환기(120), 냉각기(130), 제1 및 제2 밸브(151, 152), 제3 밸브(160) 등에서 고장 발생한 구성요소가 있는지를 확인하고, 해당 구성요소의 고장을 수리할 수 있다.
Further, in the fuel cell-engine hybrid power generation system according to the embodiment of the present invention, the temperature control of the combustion gas through the first and
이와 같이, 본 발명의 실시예는 애노드 오프가스의 온도를 엔진의 효율을 높일 수 있는 범위로 조절함으로써, 엔진 고장을 방지하는 한편, 내구성을 향상시키고 안정적인 연소가 일어나도록 하여, 전체 발전시스템의 효율을 높일 수 있다.As described above, in the embodiment of the present invention, the temperature of the anode-off gas is adjusted to a range that can increase the efficiency of the engine, thereby preventing engine failure, improving durability and causing stable combustion, .
뿐만 아니라, 본 발명의 실시예는 연료전지의 부하변동 상황에서도 엔진으로 유입되는 애노드 오프가스를 엔진의 효율을 높이고 안정된 연소를 유도할 수 있는 온도범위 및 조성범위로 제어할 수 있다.
In addition, the embodiment of the present invention can control the anode off-gas flowing into the engine even under a load fluctuation condition of the fuel cell to a temperature range and a composition range that can increase the efficiency of the engine and induce stable combustion.
이하, 도 4를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 애노드 오프가스 조절 방법에 대하여 설명한다. 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 애노드 오프가스 조절 방법을 도시한 흐름도이다.Hereinafter, an anode off-gas adjusting method according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 4 is a flowchart illustrating an anode off-gas adjusting method according to an embodiment of the present invention.
도 4를 참조하면, 제어부(미도시)는 공급 연료량 및 연료 이용률 중 적어도 하나가 변동되는지를 확인한다(S410).Referring to FIG. 4, the control unit (not shown) determines whether at least one of the supplied fuel amount and the fuel use rate is varied (S410).
공급 연료량과 연료 이용률이 둘 다 감소하는 경우, 제어부(미도시)는 감소된 불활성 기체의 양을 상승시키면서도 연소용 가스의 온도가 기설정된 허용범위 내로 있도록 제1, 제2 및 제3 밸브(151, 152, 160)를 제어한다(S420).When both the supplied fuel amount and the fuel use rate are decreased, the control unit (not shown) controls the first, second and third valves 151 (not shown) so that the temperature of the combustion gas is within the predetermined allowable range while raising the amount of the reduced inert gas , 152, and 160 (S420).
상세하게는, 제어부(미도시)는 제2 밸브(152)를 제어하여 감소된 공급 연료량과 연료 이용률에 따라 감소된 불활성 기체의 양에 대응하여 제1 혼합용 배관(181)으로 전달되는 애노드 오프가스의 양을 증가시킨다. 또한, 제어부(미도시)는 제1 밸브(151)를 제어하여 열교환기(120)를 우회하는 일 배출가스의 양을 증가시켜 연소용 가스의 온도를 조절한다. 더불어, 제어부(미도시)는 연소용 가스의 추가 냉각이 필요하면, 제3 밸브(160)의 개도량을 증가시켜 급속으로 연소용 가스의 온도를 낮출 수 있다. In detail, the control unit (not shown) controls the
연료 이용률은 변하지 않고 공급 연료량만 감소하는 경우, 제어부(미도시)는 공기량 스로틀링 방식 또는 최대 공기량 공급 방식 둘 중 하나의 방식으로 제3 밸브(160)를 제어한다(S430).If the fuel usage rate does not change and only the supplied fuel amount decreases, the controller (not shown) controls the
전자의 방식에서, 제어부(미도시)는 애노드 오프가스의 감소된 양에 대응해 제3 밸브(160)에 의한 공기량을 스로틀링하여 연소용 가스에 연료전지(110)의 정격 운전과 동일한 비율로 공기를 섞어준다. 이때, 제어부(미도시)는 제1 및 제2 밸브(151, 152)에 의한 연소용 가스의 온도 제어를 병행함은 물론이다.In the former mode, the control unit (not shown) throttles the amount of air by the
후자의 방식에서, 제어부(미도시)는 제3 밸브(160)를 최대한 개방한 후 제1 및 제2 밸브(151, 152)에 의해 연소용 가스의 온도를 기설정된 일정범위 내로 조절한다. 부연 설명하면, 제3 밸브(160)를 최대한 개방할 경우, 엔진(140)으로 유입되는 연소용 가스의 온도는 매우 낮아질 수 있으므로, 제어부(미도시)는 제1 및 제2 밸브(151, 152)의 제어를 통해 연소용 가스의 온도를 증가시킨다. In the latter mode, the control unit (not shown) regulates the temperature of the combustion gas to within a predetermined constant range by the first and
공급 연료량은 동일한데, 연료 이용률이 감소하는 경우, 제어부(미도시)는 제1 및 제2 밸브(151, 152)에 의해 애노드 오프가스의 온도를 감소시킨다(S440). 상세하게는, 제어부(미도시)는 애노드 오프가스의 전체가 열교환기(120)를 거쳐 냉각기(130)에 전달되도록 제2 밸브(152)를 제어하고, 냉각기(130)로부터의 일 배출가스의 전체가 열교환기(120)를 우회하도록 제1 밸브(151)를 제어한다. 그리고, 연소용 가스의 온도를 모니터링하여 필요에 따라 제1 및 제2 밸브(151, 152)를 추가로 제어할 수 있다.When the fuel utilization rate is decreased, the control unit (not shown) decreases the temperature of the anode offgas by the first and
한편, 제어부(미도시)는 공급 연료량과 연료 이용률의 변동이 없으면, 연소용 가스의 온도가 기설정된 임계범위 내에 있도록 제1 및 제2 밸브(151, 152)를 제어한다.On the other hand, the control unit (not shown) controls the first and
이와 같이, 본 발명의 실시예는 애노드 오프가스의 온도를 엔진의 효율을 높일 수 있는 범위로 조절함으로써, 엔진 고장을 방지하는 한편, 내구성을 향상시키고 안정적인 연소가 일어나도록 하여, 전체 발전시스템의 효율을 높일 수 있다.As described above, in the embodiment of the present invention, the temperature of the anode-off gas is adjusted to a range that can increase the efficiency of the engine, thereby preventing engine failure, improving durability and causing stable combustion, .
뿐만 아니라, 본 발명의 실시예는 연료전지의 부하변동 상황에서도 애노드 오프가스를 엔진의 효율을 높이고 안정된 연소를 유도할 수 있는 온도범위 및 조성범위로 제어할 수 있다.
In addition, the embodiment of the present invention can control the anode off-gas to a temperature range and a composition range that can increase the efficiency of the engine and induce stable combustion even in a load fluctuation state of the fuel cell.
이상, 본 발명의 구성에 대하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하였으나, 이는 예시에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 변형과 변경이 가능함은 물론이다. 따라서 본 발명의 보호 범위는 전술한 실시예에 국한되어서는 아니되며 이하의 특허청구범위의 기재에 의하여 정해져야 할 것이다.While the present invention has been described in detail with reference to the accompanying drawings, it is to be understood that the invention is not limited to the above-described embodiments. Those skilled in the art will appreciate that various modifications, Of course, this is possible. Accordingly, the scope of protection of the present invention should not be limited to the above-described embodiments, but should be determined by the description of the following claims.
Claims (14)
상기 애노드 오프가스의 냉각 및 상기 애노드 오프가스로부터 적어도 일부의 수분을 제거 중 적어도 하나를 수행한 결과, 일 배출가스를 출력하는 냉각기;
상기 애노드 오프가스가 유입되는 제1유로와 상기 일 배출가스가 유입되는 제2유로를 구비하며, 상기 제1유로와 상기 제2유로 내의 유체를 상호 열교환시키는 열교환기;
상기 냉각기로부터의 일 배출가스를 상기 열교환기의 제2유로 및 상기 열교환기의 우회로 중 적어도 하나에 전달하는 제1 밸브;
상기 애노드 오프가스를 상기 열교환기의 제1유로 및 엔진의 유입로 중 적어도 하나에 전달하는 제2 밸브;
개도시에 공기를 공급받는 제3 밸브; 및
상기 연료전지에 공급된 공급 연료량과 상기 연료전지에 의한 연료 이용률 중 적어도 하나의 변동에 대응하여 상기 제1, 제2 및 제3 밸브 중 적어도 하나를 제어하는 제어부를 포함하고,
상기 열교환기의 제2유로를 통과하여 열교환된 일 배출가스, 상기 열교환기의 우회로로 전달된 일 배출가스, 상기 제2 밸브를 통해 전달받은 애노드 오프가스 중 적어도 하나를 포함하는 연소용 가스는, 상기 제3 밸브로부터 유입된 공기와 혼합되어 상기 연소용 가스를 연소시켜 추가 전기를 생산하는 엔진에 공급되며,
상기 제어부는 상기 공급 연료량과 상기 연료 이용률이 둘 다 감소하는 경우, 상기 제2 밸브의 제어에 따라 상기 엔진의 유입로로 전달되는 상기 애노드 오프가스의 양을 증가시켜 상기 연소용 가스 내 수분을 포함하는 불활성 기체의 양을 유지하고, 상기 제1 밸브를 조절하여 상기 연소용 가스의 온도를 기설정된 허용범위 내로 제어하는 것인 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템.A fuel cell for generating electricity by an electrochemical reaction of the input oxidizing agent and the fuel gas, and discharging an anode off gas;
A cooler for outputting a discharge gas as a result of performing at least one of cooling of the anode off-gas and removal of at least a part of moisture from the anode off-gas;
A heat exchanger having a first flow path through which the anode offgas flows and a second flow path through which the one exhaust gas flows, the heat exchanging the fluids in the first flow path and the second flow path;
A first valve for delivering a discharge gas from the cooler to at least one of a second flow path of the heat exchanger and a bypass of the heat exchanger;
A second valve for delivering the anode off-gas to at least one of a first flow path of the heat exchanger and an inflow path of the engine;
A third valve for supplying air to the open city; And
And a control unit for controlling at least one of the first, second, and third valves in accordance with at least one variation of a fuel supply rate supplied to the fuel cell and a fuel utilization rate by the fuel cell,
A combustion gas containing at least one of an exhaust gas passed through a second flow path of the heat exchanger and heat exchanged, a discharge gas delivered to a bypass of the heat exchanger, and an anode off gas transmitted through the second valve, A third valve for supplying the combustion gas to the engine for generating additional electricity by mixing with the air introduced from the third valve,
Wherein the control unit increases the amount of the anode off gas to be transferred to the inflow path of the engine under the control of the second valve when both the supplied fuel amount and the fuel use rate decrease, And the temperature of the combustion gas is controlled to be within a predetermined allowable range by regulating the first valve. 2. The fuel cell-engine hybrid power generation system according to claim 1,
상기 공급 연료량에 대비한 상기 연료전지의 출력 전력으로부터 상기 연료 이용률을 산출하는 것인 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템.The apparatus of claim 1,
And calculates the fuel utilization rate from the output power of the fuel cell in relation to the supplied fuel amount.
상기 연소용 가스의 온도가 상기 허용범위의 상한치 이상이면, 상기 연소용 가스의 온도에 대응하여 상기 제3 밸브의 개도량을 증가시키는 것인 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템.The apparatus of claim 1,
And the amount of opening of the third valve is increased corresponding to the temperature of the combustion gas when the temperature of the combustion gas is not less than the upper limit value of the allowable range.
상기 연료 이용률은 변동되지 않고 상기 공급 연료량이 감소하는 경우, 상기 제3 밸브의 개도량을 감소시켜 상기 연료전지의 정격 출력에 대응하는 비율의 공기를 상기 연소용 가스와 혼합시키는 것인 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템.The apparatus of claim 1,
Wherein the fuel utilization rate is not changed and when the amount of supplied fuel is decreased, the amount of opening of the third valve is decreased to mix air with the combustion gas in a ratio corresponding to the rated output of the fuel cell. Engine Hybrid Generation System.
상기 연료 이용률은 변동되지 않고 상기 공급 연료량이 감소하는 경우, 상기 제3 밸브를 최대로 개방한 후 상기 제1 및 제2 밸브를 조절하여 상기 연소용 가스의 온도를 기설정된 허용범위로 조절하는 것인 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템.The apparatus of claim 1,
And adjusting the temperature of the combustion gas to a predetermined allowable range by adjusting the first and second valves after opening the third valve to the maximum when the fuel usage rate is not changed and the supplied fuel amount is decreased Fuel cell - engine hybrid power generation system.
상기 공급 연료량은 변동되지 않고 상기 연료 이용률이 감소하는 경우, 상기 애노드 오프가스의 전체가 상기 열교환기의 제1유로로 전달되고, 상기 냉각기로부터의 일 배출가스의 전체가 상기 열교환기의 우회로로 전달되도록 상기 제1 및 제2 밸브를 제어한 후 상기 연소용 가스의 온도가 기설정된 허용범위 내에 있도록 상기 제1 및 제2 밸브 중 적어도 하나를 조절하는 것인 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템.The apparatus of claim 1,
The entire amount of the anode off-gas is transferred to the first flow path of the heat exchanger when the amount of the supplied fuel does not fluctuate and the fuel utilization rate decreases, and the entire of the one exhaust gas from the cooler is transferred to the bypass of the heat exchanger Wherein at least one of the first and second valves is regulated such that the temperature of the combustion gas is within a predetermined allowable range after controlling the first and second valves.
상기 애노드 오프가스의 냉각 및 상기 애노드 오프가스로부터 적어도 일부의 수분을 제거 중 적어도 하나를 수행한 결과, 일 배출가스를 출력하는 냉각기;
상기 애노드 오프가스가 유입되는 제1유로와 상기 일 배출가스가 유입되는 제2유로를 구비하며, 상기 제1유로와 상기 제2유로 내의 유체를 상호 열교환시키는 열교환기;
상기 냉각기로부터의 일 배출가스를 상기 열교환기의 제2유로 및 상기 열교환기의 우회로 중 적어도 하나에 전달하는 제1 밸브;
상기 애노드 오프가스를 상기 열교환기의 제1유로 및 엔진의 유입로 중 적어도 하나에 전달하는 제2 밸브;
개도시에 공기를 공급받는 제3 밸브; 및
상기 연료전지에 공급된 공급 연료량과 상기 연료전지에 의한 연료 이용률 중 적어도 하나의 변동에 대응하여 상기 제1, 제2 및 제3 밸브 중 적어도 하나를 제어하는 제어부를 포함하고,
상기 열교환기의 제2유로를 통해 열교환된 일 배출가스, 상기 열교환기의 우회로로 전달된 일 배출가스 및 상기 제2 밸브를 통해 전달받은 애노드 오프가스 중 적어도 하나인 연소용 가스는 상기 제3 밸브로부터 유입된 공기와 혼합되어, 상기 엔진에 전달되며,
상기 제어부는 상기 공급 연료량과 상기 연료 이용률이 둘 다 감소하는 경우, 상기 제2 밸브의 제어에 따라 상기 엔진의 유입로로 전달되는 상기 애노드 오프가스의 양을 증가시켜 상기 연소용 가스 내 수분을 포함하는 불활성 기체의 양을 유지하고, 상기 제1 밸브를 조절하여 상기 연소용 가스의 온도를 기설정된 허용범위 내로 제어하는 것인 애노드 오프가스 조절 장치.A fuel cell for generating electricity by an electrochemical reaction of the input oxidizing agent and the fuel gas, a fuel cell for discharging an anode off gas, and an engine for generating additional electricity by burning the anode off gas, An anode off-gas regulator for regulating an anode off-gas of the anode off-
A cooler for outputting a discharge gas as a result of performing at least one of cooling of the anode off-gas and removal of at least a part of moisture from the anode off-gas;
A heat exchanger having a first flow path through which the anode offgas flows and a second flow path through which the one exhaust gas flows, the heat exchanging the fluids in the first flow path and the second flow path;
A first valve for delivering a discharge gas from the cooler to at least one of a second flow path of the heat exchanger and a bypass of the heat exchanger;
A second valve for delivering the anode off-gas to at least one of a first flow path of the heat exchanger and an inflow path of the engine;
A third valve for supplying air to the open city; And
And a control unit for controlling at least one of the first, second, and third valves in accordance with at least one variation of a fuel supply rate supplied to the fuel cell and a fuel utilization rate by the fuel cell,
Wherein the combustion gas, which is at least one of the one exhaust gas heat-exchanged through the second flow path of the heat exchanger, the one off gas delivered to the bypass of the heat exchanger, and the anode off gas delivered through the second valve, And is delivered to the engine,
Wherein the control unit increases the amount of the anode off gas to be transferred to the inflow path of the engine under the control of the second valve when both the supplied fuel amount and the fuel use rate decrease, The temperature of the combustion gas is controlled within a predetermined allowable range by controlling an amount of an inert gas to be supplied to the combustion chamber and regulating the first valve.
상기 연소용 가스의 온도가 상기 허용범위의 상한치 이상이면, 상기 연소용 가스의 온도에 대응하여 상기 제3 밸브의 개도량을 증가시키는 것인 애노드 오프가스 조절 장치.10. The apparatus according to claim 9,
Wherein the opening degree of the third valve is increased corresponding to the temperature of the combustion gas when the temperature of the combustion gas is not less than the upper limit value of the allowable range.
상기 연료 이용률은 변동되지 않고 상기 공급 연료량이 감소하는 경우, 상기 제3 밸브의 개도량을 감소시켜 상기 연료전지의 정격 출력에 대응하는 비율의 공기를 상기 연소용 가스와 혼합시키거나, 상기 제3 밸브를 최대로 개방한 후 상기 제1 및 제2 밸브를 조절하여 상기 연소용 가스의 온도를 기설정된 허용범위로 조절하는 것인 애노드 오프가스 조절 장치.10. The apparatus according to claim 9,
When the fuel utilization rate does not fluctuate and the supplied fuel amount decreases, the amount of opening of the third valve is decreased to mix air with the combustion gas at a ratio corresponding to the rated output of the fuel cell, And adjusting the first and second valves to adjust the temperature of the combustion gas to a predetermined allowable range after opening the valve to the maximum.
상기 공급 연료량은 변동되지 않고 상기 연료 이용률이 감소하는 경우, 상기 애노드 오프가스의 전체가 상기 열교환기의 제1유로로 전달되고, 상기 냉각기로부터의 일 배출가스의 전체가 상기 열교환기의 우회로로 전달되도록 상기 제1 및 제2 밸브를 제어한 후 상기 연소용 가스의 온도가 기설정된 허용범위 내에 있도록 상기 제1 및 제2 밸브 중 적어도 하나를 조절하는 것인 애노드 오프가스 조절 장치.10. The apparatus according to claim 9,
The entire amount of the anode off-gas is transferred to the first flow path of the heat exchanger when the fuel supply rate does not fluctuate and the fuel utilization rate decreases, and the whole of the one exhaust gas from the cooler is transferred to the bypass of the heat exchanger And controls at least one of the first and second valves so that the temperature of the combustion gas is within a predetermined allowable range after controlling the first and second valves.
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