KR101739583B1 - 병렬 개질기 구조를 가지는 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템 - Google Patents

병렬 개질기 구조를 가지는 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지(Fuel Cell)와 엔진(Engine)을 병용하여 발전을 행하는 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템에 관한 것으로, 본 발명에 따르면, 연료전지에서 사용하고 남은 연료와 열을 엔진에 공급하여 전기를 발생시킴으로 인해 작동조건에 따라 개질기(Reformer)로 유입되는 열에너지가 부족해지는 문제가 있었던 종래기술의 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템들의 문제점을 해결하기 위해, 연료전지에 연료를 개질하여 공급하기 위한 연료 개질기가 수증기(Steam Reforming ; SR) 개질기와 부분산화(Partial Oxidation ; POX) 개질기의 병렬 구조로 구성됨으로써, 흡열반응인 SR 개질기와 발열반응인 POX 개질기의 운전특성 및 시동특성을 이용하여 정상동작시에는 효율이 좋은 SR 개질기를 통하여 개질이 수행되고, SR 개질기에 공급하여야 하는 열이 부족한 시동 등의 경우나 SR 개질기로의 열 유입이 정상범위보다 낮은 경우 등과 같은 비정상동작시에는 단시간에 구동이 가능하고 발열반응을 수반하는 POX 개질기를 기동하여 개질을 수행하여 부족한 개질가스를 즉각적으로 보충해 주는 것에 의해 작동조건에 따라 능동적으로 대응이 가능하여 항상 안정된 동작을 유지할 수 있도록 구성되는 병렬 개질기 구조를 가지는 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템이 제공된다.

Description

병렬 개질기 구조를 가지는 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템{Fuel cell-engine hybrid power generation system with parallel reformer structure}
본 발명은 연료전지(Fuel Cell)와 엔진(Engine)을 병용하여 발전을 행하는 분산발전용 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템에 관한 것으로, 더 상세하게는, 작동조건에 따라 개질기(Reformer)로 유입되는 열에너지가 부족해지는 문제가 있었던 종래기술의 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템들의 문제점을 해결하여, 항상 안정된 동작을 유지할 수 있도록 구성되는 병렬 개질기 구조를 가지는 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템에 관한 것이다.
또한, 본 발명은, 상기한 바와 같이 작동조건에 따라 개질기로 유입되는 열에너지가 부족해지는 문제가 있었던 종래기술의 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템들의 문제점을 해결하기 위해, 연료전지에 연료를 개질하여 공급하기 위한 연료 개질기를 수증기(Steam Reforming ; SR) 개질기와 부분산화(Partial Oxidation ; POX) 개질기의 병렬 구조로 구성함으로써, 작동조건에 따라 능동적으로 대응이 가능하여 항상 안정된 동작을 유지할 수 있도록 구성되는 병렬 개질기 구조를 가지는 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템에 관한 것이다.
최근, 석유와 같은 화석연료에 대한 자원 고갈 및 나날이 고도화되는 산업화 및 도시화로 인한 전력수요 상승으로 인해 기존의 에너지를 대체할 수 있는 보다 효율적인 전력공급원에 대한 요구가 높아지고 있으며, 이에, 최근에는, 기존의 발전방식 대신에, 연료전지(Fuel Cell)를 이용한 발전시스템이 주목받고 있다.
이러한 연료전지는 주로 수소를 연료로 사용하며, 수소를 공급하는 방법은 크게 나누어, 물을 전기분해하여 생산되는 수소를 직접 이용하는 방법과, 메탄올, 에탄올, 천연가스와 같은 탄화수소 계열의 연료를 개질(reforming) 하여 생성되는 수소를 이용하는 방법이 있다.
즉, 연료전지를 이용한 발전시스템은 수소와 산소의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전시스템으로서, 사용되는 전해질의 종류에 따라 인산형 연료전지, 용융탄산염형 연료전지, 고체산화물형 연료전지, 고분자전해질형 또는 알칼리형 연료전지 등으로 분류되며, 사용되는 연료의 종류, 운전온도, 촉매, 및 전해질 등에 따라 나누어지나 기본적으로는 유사한 원리로 작동된다.
더 상세하게는, 연료전지를 이용한 발전시스템은, 일반적으로, 연료공급장치(펌프 등) 및 연료를 개질하여 수소가스를 발생시키고 발생된 수소가스를 연료전지로 공급하는 연료 개질기(Reformer) 등을 포함하여 이루어지며, 연료펌프에 의해 연료가 개질기로 공급되면, 개질기에서 연료를 개질하여 수소가스를 발생시키고, 발생된 수소를 연료전지로 공급하여 연료전지 내에서 수소가스와 산소를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생하도록 구성된다.
따라서 연료전지를 이용하면, 연료가 전기화학적으로 반응하여 전기를 생산하는 과정에서 열이 발생하게 되므로 총 효율을 80% 이상 높이는 고효율 발전이 가능하고, 발전용 연료의 절감 및 열병합 발전도 가능하며, NOx와 CO2의 배출량이 석탄 화력 발전에 비하여 현저히 낮고 소음도 매우 적어 공해 배출 요인이 적은 친환경 발전기술인 데 더하여, 모듈화에 의한 건설 기간의 단축, 설비 용량의 증감이 가능하고 입지 선정이 용이한 장점이 있다.
또한, 연료전지를 이용한 발전시스템은, 도심지역 또는 건물 내 설치가 가능하여 경제적으로 에너지를 공급할 수 있으며, 천연가스, 도시가스, 메탄올, 폐기물 가스 등 다양한 연료를 사용할 수 있으므로 기존의 화력 발전을 대체 가능하고, 분산 전원용 발전소, 열병합 발전소, 무공해 자동차 전원 등에 폭넓게 적용될 수 있으며, 최근에는, 연료전지 단독으로 발전을 행하는 것에 더하여, 엔진 등의 다른 수단과 병행하여 발전을 행하는 것에 의해 발전효율을 더욱 높이도록 구성되는 이른바 하이브리드 발전시스템에 대한 연구가 진행중에 있다.
더 상세하게는, 상기한 바와 같은 연료전지를 이용한 하이브리드 발전시스템에 대한 종래기술의 예로는, 예를 들면, 한국 등록특허공보 제10-1531291호에 제시된 바와 같은 "전기/열/냉방 복합 부하용 고효율 하이브리드 에너지 변환 시스템"에 따르면, 외부의 연료로부터 전기에너지를 발생하는 연료전지, 연료전지의 폐열을 회수하여 증기를 발생하고 외부의 에어를 공급받아 컴프레셔에 의해 증기를 발생하는 터빈, 터빈에 의해 전기를 생성하는 제네레이터, 터빈에서 발생된 에너지를 열교환되는 폐열회수기와 순환 연결하여 연료전지를 축적되게 발전하도록 구성된 열병합 발전시스템에 있어서, 연료전지 및 제네레이터와 전기적으로 연결되어 전기에너지를 저장하는 파워컨디셔닝과, 폐열회수기와 연결되어 상호 열교환에 의해 열저장되는 분배기로 구성된 에너지저장부; 파워컨디셔닝과 전기적으로 연결되어 전기기기를 사용할 수 있는 전기생성부; 분배기와 열교환되어 상호 교환된 열을 난방기기로 사용할 수 있는 난방생성부; 분배기와 열교환되어 상호 교환된 열을 냉방기기에 사용할 수 있는 냉방생성부;를 포함하여, 터빈과 연료전지에 의해 생성된 에너지를 전기, 열뿐만 아니라 냉방에서도 이용할 수 있도록 구성되는 전기/열/냉방 복합 부하용 고효율 하이브리드 에너지 변환 시스템이 제시된 바 있다.
또한, 상기한 바와 같은 연료전지를 이용한 하이브리드 발전시스템에 대한 종래기술의 다른 예로는, 예를 들면, 한국 등록특허공보 제10-14811587호에 제시된 바와 같은 "DCFC-IGFC 하이브리드 발전 시스템"에 따르면, 원료 석탄과 용매를 공급받아 무회분 석탄을 생성하는 무회분 석탄 제조 반응기; 무회분 석탄 제조 반응기로부터 무회분 석탄을 공급받아 직접탄소연료전지에 공급하는 무회분 석탄 공급라인; 무회석탄을 연료극에 공급받아 전기에너지를 발생시키는 직접탄소연료전지; 직접탄소연료전지의 연료극에서 배출되는 CO2를 포함한 가스를 가압하여 기류수송 공급장치에 공급하는 가압라인; 무회분 석탄 제조 반응기의 하부에 연결되어 무회분 석탄을 생성하고 남은 잔탄을 공급받아 기류수송 공급장치에 공급하는 잔탄 공급라인; 잔탄 공급라인으로부터 공급받은 잔탄을 가압라인을 통해 공급받은 CO2를 포함한 가스로 기류수송하여 가스화기로 공급하는 기류수송 공급장치; 상기 기류수송 공급장치로부터 잔탄을 공급받아 합성가스를 생성하는 가스화기; 및 상기 생성된 합성가스를 공급받아 전기에너지를 발생시키는 고체산화물연료전지를 포함하여, 무회분 석탄을 이용하는 직접탄소연료전지와 잔탄을 이용하는 고체산화물연료전지가 복합화된 것을 특징으로 하는, DCFC-IGFC(Direct Carbon Fuel Cell-Integrated Gasification Fuel Cell) 하이브리드 발전 시스템이 제시된 바 있다.
아울러, 상기한 바와 같은 연료전지를 이용한 하이브리드 발전시스템에 대한 종래기술의 또 다른 예로는, 예를 들면, 한국 등록특허공보 제10-1417951호에 제시된 바와 같은 "연료전지와 가스엔진의 복합 하이브리드 다중 생산 시스템"에 따르면, 연료전지부를 이용한 열병합 발전시스템과 가스엔진을 이용한 열병합 발전시스템을 연계하여 운전하는 복합 하이브리드 열병합 발전시스템에 있어서, 태양광 또는 풍력으로부터 발생되는 전력을 이용하여 물을 전기분해하여 생산되는 수소가 저장장치를 거치지 않고 연료전지부로 바로 공급하도록 하는 연료 공급 장치와; 태양광 또는 풍력으로부터 발생되는 전력을 이용하여 물을 전기분해하여 생산되는 산소를 저장 및 활용하기 위한 산소 저장 탱크와; 가스엔진부를 이용한 열병합발전 구동시 발생하는 연소배기 가스를 처리하는 배기가스처리기를 통해 정제, 회수, 가압하여 액체 상태로 저장할 수 있도록 하는 이산화탄소 저장 탱크와; 가스엔진부와 연료전지부의 복합 하이브리드 열병합발전 시스템 운전 시 발생하는 잉여 전력으로 구동될 수 있는 압축기를 포함하여 압축기 구동을 통해 기 생성되는 산소와 이산화탄소를 고밀도로 저장, 활용하도록 구성되는 연료전지와 가스엔진의 복합 하이브리드 다중 생산 시스템이 제시된 바 있다.
더욱이, 상기한 바와 같은 연료전지를 이용한 하이브리드 발전시스템에 대한 종래기술의 또 다른 예로는, 예를 들면, 한국 등록특허공보 제10-0599685호에 제시된 바와 같은 "연료 전지 시스템의 개질기 및 이를 채용한 연료 전지시스템"에 따르면, 화학 촉매 반응을 통해 열 에너지를 발생시키고 수소를 함유한 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질기; 및 수소 가스와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 생성부를 포함하며, 상기 개질기는 상호 독립적인 내부 공간 및 상기 각 내부 공간에 형성되는 촉매층을 가지면서 연료를 통과시키는 이중의 관로 형태로서 이루어지는 개질 반응부와, 개질 반응부 전체를 감싸면서 연료를 개질 반응부의 외측으로 순환시켜 개질 반응부로 공급하는 하우징 어셈블리를 포함하여, 개질기의 구조를 개선하여 간단한 구조로 수소 가스를 발생시키기 위한 반응 효율 및 열 효율을 향상시킬 수 있도록 구성되는 연료 전지 시스템의 개질기 및 이를 채용한 연료 전지시스템이 제시된 바 있다.
상기한 바와 같이, 종래, 연료전지를 이용한 하이브리드 발전시스템에 관한 여러 가지 기술내용들이 제시된 바 있으나, 상기한 바와 같은 종래기술의 연료전지를 이용한 발전시스템들은 다음과 같은 문제점이 있는 것이었다.
즉, 일반적으로, 연료전지를 이용한 발전시스템은, 연료전지에서 발생하는 열을 개질기와 열교환기 등에 다시 공급하는 열순환 구조로 구성되며, 예를 들면, 연료전지와 함께 엔진을 이용하는 하이브리드 시스템의 경우, 연료전지에서 사용하고 남은 연료와 고온의 가스가 엔진에 공급되어 전기를 발생시키고, 다시 엔진에서 배출되는 고온의 연소배가스는 개질기와 열교환기에 공급되어 개질에 필요한 열을 공급한다.
이 경우, 전체 시스템의 동작조건에 따라 개질기에 공급되는 열에너지가 부족해져 연료전지가 필요로 하는 연료를 적절하게 공급하지 못하는 경우가 발생할 수 있으며, 이러한 경우는, 시스템을 안정적으로 운전하기 위하여 추가연료를 공급하여 개질가스를 충분히 발생시키고, 전체 시스템에서 필요로 하는 열에너지를 공급하여야 한다.
그러나 종래기술의 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템들은, 이와 같이 동작중에 개질기에 공급되는 연료성분의 에너지나 열에너지가 부족해져 연료전지 시스템의 작동조건이 변화하기 전에 부족한 열에너지를 즉각적으로 보충해 줄 수 있는 방법이나 수단은 제시된 바 없었다.
따라서 상기한 바와 같이, 동작조건에 따라 개질기에 공급되는 열에너지가 부족해지는 문제가 있었던 종래기술의 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템들의 문제점을 해결하기 위하여는, 동작중에 부족해지는 열에너지를 즉각적으로 보충하여 지속적으로 안정적인 운전이 가능하도록 구성되는 새로운 구조의 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템을 제시하는 것이 바람직하나, 아직까지 그러한 요구를 모두 만족시키는 장치나 방법은 제공되지 못하고 있는 실정이다.
[선행기술문헌]
1. 한국 등록특허공보 제10-1531291호 (2015.06.18.)
2. 한국 등록특허공보 제10-1481158호 (2014.12.30.)
3. 한국 등록특허공보 제10-1417951호 (2014.07.03.)
4. 한국 등록특허공보 제10-0599685호 (2006.07.05.)
본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 하는 것으로, 따라서 본 발명의 목적은, 연료전지에서 사용하고 남은 연료와 열을 엔진에 공급하여 전기를 발생시킴으로 인해 작동조건에 따라 개질기(Reformer)로 유입되는 열에너지가 부족해지는 문제가 있었던 종래기술의 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템들의 문제점을 해결하기 위해, 연료전지에 연료를 개질하여 공급하기 위한 연료 개질기가 병렬 구조로 구성됨으로써, 동작상태에 따라 각각의 개질기를 선택적으로 운영하는 것에 의해 작동조건에 따라 능동적으로 대응이 가능하여 항상 안정된 동작을 유지할 수 있도록 구성되는 병렬 개질기 구조를 가지는 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템을 제공하고자 하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 상기한 바와 같이 연료전지에서 사용하고 남은 연료와 열을 엔진에 공급하여 전기를 발생시킴으로 인해 작동조건에 따라 개질기로 유입되는 열에너지가 부족해지는 문제가 있었던 종래기술의 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템들의 문제점을 해결하기 위해, 연료전지에 연료를 개질하여 공급하기 위한 연료 개질기가 수증기(Steam Reforming ; SR) 개질기와 부분산화(Partial Oxidation ; POX) 개질기의 병렬 구조로 구성됨으로써, 흡열반응인 SR 개질기와 발열반응인 POX 개질기의 운전특성 및 시동특성을 이용하여 정상동작시에는 효율이 좋은 SR 개질기를 통하여 개질이 수행되고, SR 개질기에 공급하여야 하는 열이 부족한 시동 등의 경우나 SR 개질기로의 열 유입이 정상범위보다 낮은 경우 등과 같은 비정상동작시에는 단시간에 구동이 가능하고 발열반응을 수반하는 POX 개질기를 기동하여 개질을 수행하여 부족한 개질가스를 즉각적으로 보충해 주는 것에 의해 작동조건에 따라 능동적으로 대응이 가능하여 항상 안정된 동작을 유지할 수 있도록 구성되는 병렬 개질기 구조를 가지는 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템을 제공하고자 하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따르면, 병렬 개질기 구조를 가지는 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템에 있어서, 적어도 하나의 연료전지를 포함하여 이루어지는 연료전지부; 상기 연료전지부에 연료를 개질하여 공급하기 위한 복수의 개질기(Reformer)를 포함하여 이루어지는 연료개질부; 및 상기 연료전지부에서 발생된 배기가스를 연소시켜 추가적인 전기를 생산하기 위한 적어도 하나의 엔진을 포함하여 이루어지는 엔진부를 포함하여 구성됨으로써, 상기 발전시스템의 동작상태에 따라 각각의 상기 개질기를 선택적으로 운영하는 것에 의해 항상 안정된 동작을 유지할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템이 제공된다.
여기서, 상기 연료전지부는, 용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell ; MCFC) 또는 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell ; SOFC)를 포함하는 고온 연료전지를 이용하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 연료개질부는, 적어도 하나 이상의 수증기(Steam Reforming ; SR) 개질기와 부분산화(Partial Oxidation ; POX) 개질기를 각각 병렬로 연결하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 연료개질부는, 흡열반응을 수반하는 상기 SR 개질기와 발열반응을 수반하는 상기 POX 개질기의 운전특성 및 시동특성을 이용하여, 정상동작시에는 효율이 좋은 상기 SR 개질기를 통하여 개질이 수행되고, 상기 SR 개질기의 시동시나 상기 SR 개질기로 유입되는 열이 정상범위보다 낮은 비정상동작시에는 상기 POX 개질기를 기동하여 개질을 수행하는 것에 의해 부족한 개질가스를 즉각적으로 보충해 줄 수 있도록 구성됨으로써, 상기 발전시스템의 운전상태에 따라 각각의 개질기를 선택적으로 구동하는 것에 의해 항상 안정된 동작을 유지할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
더욱이, 상기 엔진부는, HCCI(Homogeneous Charge Compression Ignition) 엔진을 이용하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기에 기재된 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템을 이용한 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템의 운전방법에 있어서, 최초 기동시 상기 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템의 SR 개질기와 POX 개질기를 동시에 구동하여 상기 SR 개질기가 정상운전 범위에 도달할 때까지 상기 POX 개질기를 보조적으로 구동하는 단계; 정상동작시 상기 SR 개질기를 통하여 개질을 수행하는 단계; 및 동작조건에 따라 상기 SR 개질기에 유입되는 열이 부족해질 경우 상기 POX 개질기를 기동하여 부족한 개질가스를 즉각적으로 보충해 주는 단계를 포함하여 구성됨으로써, 상기 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템의 동작상태에 따라 각각의 상기 SR 개질기와 상기 POX 개질기를 선택적으로 운영하는 것에 의해 항시 안정된 동작을 유지할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템의 운전방법이 제공된다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 연료전지에 연료를 개질하여 공급하기 위한 연료 개질기가 병렬 구조로 구성되어 동작상태에 따라 각각의 개질기를 선택적으로 운영할 수 있도록 구성되는 병렬 개질기 구조를 가지는 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템이 제공됨으로써, 연료전지에서 사용하고 남은 연료와 열을 엔진에 공급하여 전기를 발생시킴으로 인해 작동조건에 따라 개질기로 유입되는 열에너지가 부족해지는 문제가 있었던 종래기술의 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템들의 문제점을 해결할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 연료전지에 연료를 개질하여 공급하기 위한 연료 개질기가 수증기(Steam Reforming ; SR) 개질기와 부분산화(Partial Oxidation ; POX) 개질기의 병렬 구조로 구성되어, 흡열반응인 SR 개질기와 발열반응인 POX 개질기의 운전특성 및 시동특성을 이용하여 정상동작시에는 효율이 좋은 SR 개질기를 통하여 개질이 수행되고, SR 개질기에 공급하여야 하는 열이 부족한 시동 등의 경우나 SR 개질기로의 열 유입이 정상범위보다 낮은 경우 등과 같은 비정상동작시에는 단시간에 구동이 가능하고 발열반응을 수반하는 POX 개질기를 기동하여 개질을 수행하는 것에 의해 부족한 개질가스를 즉각적으로 보충할 수 있도록 구성되는 병렬 개질기 구조를 가지는 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템이 제공됨으로써, 작동조건에 따라 능동적으로 대응이 가능하여 항상 안정된 동작을 유지할 수 있다.
도 1은 종래기술의 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 병렬 개질기 구조를 가지는 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 도 2에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 병렬 개질기 구조를 가지는 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템의 연료개질부의 구체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 병렬 개질기 구조를 가지는 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템의 구체적인 실시예에 대하여 설명한다.
여기서, 이하에 설명하는 내용은 본 발명을 실시하기 위한 하나의 실시예일 뿐이며, 본 발명은 이하에 설명하는 실시예의 내용으로만 한정되는 것은 아니라는 사실에 유념해야 한다.
또한, 이하의 본 발명의 실시예에 대한 설명에 있어서, 종래기술의 내용과 동일 또는 유사하거나 당업자의 수준에서 용이하게 이해하고 실시할 수 있다고 판단되는 부분에 대하여는, 설명을 간략히 하기 위해 그 상세한 설명을 생략하였음에 유념해야 한다.
즉, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 연료전지에서 사용하고 남은 연료와 열을 엔진에 공급하여 전기를 발생시킴으로 인해 작동조건에 따라 개질기(Reformer)로 유입되는 열에너지가 부족해지는 문제가 있었던 종래기술의 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템들의 문제점을 해결하기 위해, 연료전지에 연료를 개질하여 공급하기 위한 연료 개질기가 병렬 구조로 구성됨으로써, 동작상태에 따라 각각의 개질기를 선택적으로 운영하는 것에 의해 작동조건에 따라 능동적으로 대응이 가능하여 항상 안정된 동작을 유지할 수 있도록 구성되는 병렬 개질기 구조를 가지는 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템에 관한 것이다.
또한, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 연료전지에서 사용하고 남은 연료와 열을 엔진에 공급하여 전기를 발생시킴으로 인해 작동조건에 따라 개질기로 유입되는 열에너지가 부족해지는 문제가 있었던 종래기술의 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템들의 문제점을 해결하기 위해, 연료전지에 연료를 개질하여 공급하기 위한 연료 개질기가 수증기(Steam Reforming ; SR) 개질기와 부분산화(Partial Oxidation ; POX) 개질기의 병렬 구조로 구성됨으로써, 흡열반응인 SR 개질기와 발열반응인 POX 개질기의 운전특성 및 시동특성을 이용하여 정상동작시에는 효율이 좋은 SR 개질기를 통하여 개질이 수행되고, SR 개질기에 공급하여야 하는 열이 부족한 시동 등의 경우나 SR 개질기로의 열 유입이 정상범위보다 낮은 경우 등과 같은 비정상동작시에는 단시간에 구동이 가능하고 발열반응을 수반하는 POX 개질기를 기동하여 개질을 수행하여 부족한 개질가스를 즉각적으로 보충해 주는 것에 의해 작동조건에 따라 능동적으로 대응이 가능하여 항상 안정된 동작을 유지할 수 있도록 구성되는 병렬 개질기 구조를 가지는 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템에 관한 것이다.
계속해서, 도면을 참조하여, 상기한 바와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 병렬 개질기 구조를 가지는 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템의 구체적인 내용에 대하여 설명한다.
먼저, 도 1을 참조하면, 도 1은 종래의 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 종래의 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템(10)은, 일반적으로, 크게 나누어, 적어도 하나의 연료전지 셀을 포함하여 이루어지는 연료전지부(11)와, 상기한 연료전지부(11)에 연료를 개질하여 공급하기 위한 개질기(Reformer)를 포함하여 이루어지는 연료개질부(12) 및 연료전지부(11)에서 발생된 배기가스를 연소시켜 추가적인 전기를 생산하기 위한 엔진을 포함하여 이루어지는 엔진부(13)를 포함하여 구성되어 있다.
또한, 종래의 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템(10)은, 도 1에 나타낸 바와 같이, 연료를 공급하기 위한 연료탱크 및 연료펌프, 공기를 공급하기 위한 급기수단, 냉각수를 공급하기 위한 냉각수 공급수단, 시스템 내의 전체적인 열순환을 위한 복수의 열교환기, 연료전지부(11)에서 발생된 배기가스에서 물과 가스를 분리하여 엔진부(13)에 공급하기 위한 기수분리기 및 연료전지부(11)에서 발생된 직류를 교류로 전환하기 위한 인버터(inverter)와 같은 전력변환수단 등을 더 포함하여 구성될 수 있다.
더 상세하게는, 상기한 연료전지부(11)에 설치되는 연료전지는, 산소 분자가 산소이온(O2-)과 전자로 분해되는 음극부(Cathode) 및 수소와 음극부로부터 공급받은 산소이온이 반응하여 물을 발생시키고 전기가 발생되는 양극부(Anode)로 구성되어, 외부로부터 연료와 공기를 공급받아 전력을 생산한다.
즉, 상기한 연료전지부(11)에 설치되는 연료전지는, 예를 들면, 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell ; SOFC), 용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell ; MCFC)와 같은 고온 연료전지가 사용될 수 있다.
아울러, 이에 더하여, 상기한 연료전지부(11)는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 연료전지 자체에서 연료를 개질하는 내부개질(internal reforming) 수단을 더 포함하여 구성될 수도 있다.
더욱이, 상기한 연료개질부(12)는, 탄화수소 계열의 연료(LNG, LPG, 메탄, 메탄올 등)나 수소를 일부 함유한 합성가스(석탄가스 등)를 연료전지 운전에 요구되는 다량의 수소를 포함하는 가스로 변환하여 연료전지의 양극부(Anode)에 수소를 공급하도록 구성된다.
여기서, 상기한 연료개질부(12)에 설치되는 개질기는, 일반적으로, 예열시간이 오래 걸리나 효율이 좋은 장점으로 인해 SR(Steam Reforming) 개질기가 많이 사용된다.
계속해서, 상기한 엔진부(12)에 설치되는 엔진으로는, 바람직하게는, 예를 들면, HCCI(Homogeneous Charge Compression Ignition) 엔진이 사용될 수 있다.
더 상세하게는, 연료전지부(11)의 양극부(Anode)에서는, 개질기로부터 공급된 수소와 음극부(Cathode)로부터 공급받은 산소이온에 의한 전기 화학적 산화반응을 통해 물과 이산화탄소가 포함된 배출가스와 전기가 발생하며, 이러한 배출가스를 연소에 이용하기 위해, 예를 들면, 디젤엔진을 사용하는 경우를 상정하면 다음과 같은 문제점이 있다.
즉, 일반적으로 디젤엔진은 20:1 정도의 고압에서 액체연료를 분사하여 폭발을 유도하며, 이는 경유를 비롯한 디젤연료들은 400 ~ 500℃의 온도에서 자체 폭발을 일으키기 때문에 가능한 것으로, 이와 같이 자체 폭발을 일으키면 동시에 고르게 폭발하므로 연료의 연소율이 높아지고 결과적으로 연비가 좋아지는 효과가 있으나, 연료전지를 이용한 발전시스템의 경우, 양극부(Anode)에서 배출되는 배출가스의 농도가 디젤엔진에 사용되는 액체연료의 농도보다 낮고, 이에 더하여 가스 상태의 배출가스를 고압으로 압축하여 분사하는 것은 에너지가 많이 소모되어 용이하지 않은 문제가 있다.
또한, 상기한 바와 같은 디젤엔진의 문제점을 회피하기 위해, 예를 들면, 가솔린 엔진을 사용하는 경우를 고려하면, 공기와 연료를 섞은 혼합기에 점화장치가 불꽃을 터뜨려 폭발시키는 가솔린 엔진의 특성상 수소와 일산화탄소의 비율이 낮은 연료전지의 배출가스만으로는 점화가 어렵기 때문에 추가 연료를 투입해야 하는 단점이 있으며, 이와 같이 추가 연료 투입은 곧 시스템 전체의 효율 저하를 의미하게 된다.
그러나 상기한 바와 같이 엔진부(12)에 HCCI 엔진을 사용하면, HCCI 엔진은 가솔린 엔진과 디젤엔진의 장점만을 가지는 엔진으로서, 수소와 일산화탄소의 비율이 낮은 경우에도 점화가 가능하여 효과적인 동력 생산이 가능하며, 수소와 일산화탄소의 비율이 낮기 때문에 연소 온도가 낮아져 질소 산화물의 생성도 예방할 수 있는 장점이 있다.
따라서 상기한 바와 같이 구성되는 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템의 동작은, 연료개질부(12)를 통하여 개질된 연료와 공기가 연료전지부(11)에 공급되면 연료전지부(11)에 설치된 연료전지의 전기화학반응에 의해 전력이 생산된다.
또한, 이와 함께, 연료전지부(11)의 양극부(Anode)에서 발생되는 배출가스가 기수분리기를 통하여 물 성분 중의 일부분이 제거되거나, 전체 물 성분이 가스로부터 분리된 후 엔진부(13)로 공급됨으로써, 엔진부(13)로 공급된 애노드 오프 가스와 외부로부터 공급되는 공기의 혼합기체가 엔진부(13) 내부에서 점화되면서 발생하는 폭발력을 이용하여 발전기를 가동시킴으로써 연료전지부(11)에 더하여 추가적으로 전기를 생산할 수 있다.
아울러, 엔진부(13)가 구동되며 발생되는 배기가스의 열은, 일부는 연료개질부(12)로 직접 공급되고, 개질기를 통과한 나머지 열은 열교환기를 통하여 난방이나 온수에 사용하는 동시에 연료개질부(12)로 공급되는 연료와 물을 승온시키는 데 사용됨으로써, 엔진부(13)에서 배출되는 배기가스의 열을 재순환하여 전체 시스템의 효율을 향상시킬 수 있다.
여기서, 도 1에 나타낸 바와 같은 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템(10)의 보다 구체적인 구성 및 동작은 종래기술의 문헌 등을 참조하여 당업자에게 있어 자명한 내용이므로, 설명을 간략히 하기 위해 여기서는 종래기술과 동일 내지 유사한 내용에 대하여는 그 상세한 설명을 생략하였음에 유념해야 한다.
상기한 바와 같이, 도 1에 나타낸 바와 같이 구성되는 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템(10)을 이용하면, 연료전지와 엔진의 2중 구성으로 전체적인 발전량 및 효율을 높일 수 있으나, 도 1에 나타낸 바와 같은 종래의 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템(10)은, 연료전지에서 발생하는 연료와 열을 엔진으로 공급하여 발전을 행함으로 인해 개질기로 유입되는 열에 변동이 발생하게 된다.
또한, 이와 같이 개질기로 유입되는 열에 변동이 발생하여 열이 부족해지면, 정상적인 개질기의 동작이 불가능해지는 것을 방지하기 위해 부족한 열을 바로바로 보충해 주어야 하나, 이를 위해, 예를 들면, 히터와 같은 별도의 가열수단을 구비하는 것은 시스템 전체적인 측면에서 구조가 복잡해지고 비용이 증가하며, 그로 인해 그만큼 설치 및 운영비용은 증가하고 효율은 떨어지는 등의 많은 단점이 발생하므로 바람직하지 못하다.
이에, 본 발명은, 상기한 바와 같은 종래의 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템(10)의 문제점을 해결하기 위해, 복수의 개질기를 포함하는 병렬 구조로 연료개질부를 구성하여 작동조건에 따라 개질기로 유입되는 열이 변동하는 경우에도 능동적으로 대응이 가능하여 항상 안정된 동작을 유지할 수 있도록 구성되는 새로운 구조의 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템을 제시하였다.
계속해서, 도 2를 참조하면, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 병렬 개질기 구조를 가지는 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템(20)의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
여기서, 이하에 설명하는 본 발명의 실시예에 있어서, 도 1을 참조하여 상기한 종래기술의 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템(10)과 동일 내지 유사한 부분에 대하여는 설명을 간략히 하기 위해 그 상세한 설명을 생략하였음에 유념해야 한다.
즉, 도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 병렬 개질기 구조를 가지는 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템(20)은, 크게 나누어, 적어도 하나의 연료전지 셀을 포함하여 이루어지는 연료전지부(21)와, 상기한 연료전지부(21)에 연료를 개질하여 공급하기 위한 개질기(Reformer)를 포함하여 이루어지는 연료개질부(22) 및 연료전지부(11)에서 발생된 배기가스를 연소시켜 추가적인 전기를 생산하기 위한 적어도 하나의 엔진을 포함하여 이루어지는 엔진부(23)를 포함하여 구성되는 점은 상기한 도 1에 나타낸 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템(10)과 같다.
또한, 도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 병렬 개질기 구조를 가지는 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템(20)은, 연료를 공급하기 위한 연료탱크 및 연료펌프, 공기를 공급하기 위한 급기수단, 냉각수를 공급하기 위한 냉각수 공급수단, 시스템 내의 전체적인 열순환을 위한 복수의 열교환기, 연료전지부(21)에서 발생된 배기가스에서 물과 가스를 분리하여 엔진부(23)에 공급하기 위한 기수분리기 및 연료전지부(21)에서 발생된 직류를 교류로 전환하기 위한 인버터(inverter)와 같은 전력변환수단 등을 더 포함하여 구성될 수 있는 점은 도 1을 참조하여 상기한 종래기술의 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템(10)과 마찬가지이다.
그러나 본 발명의 실시예에 따른 병렬 개질기 구조를 가지는 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템(20)은, 상기한 연료전지부(21)에 연료를 개질하기 위한 개질기를 복수 개 구비하여 각각의 개질기를 병렬로 연결하도록 구성되는 점이 다르다.
즉, 상기한 연료개질부(22)는, 예를 들면, 수증기(Steam Reforming ; SR) 개질기와 부분산화(Partial Oxidation ; POX) 개질기를 각각 병렬로 연결하여 연료개질부(22)를 구성하여, 흡열반응인 SR과 발열반응인 POX의 운전특성 및 시동특성을 이용하여 SR에 공급하여야 하는 열이 부족한 시동 등의 경우에는 예열시간이 짧은 POX 개질기를 이용하고, 정상상태에서는 효율이 높은 SR을 이용하며, 동작조건에 따라 개질기로의 열 유입이 정상범위보다 낮은 경우와 같은 비정상동작시에는 발열반응을 수반하는 POX 개질기를 가동하여 부족한 개질가스를 즉각적으로 보충해 줌으로써, 운전상태에 따라 각각의 개질기를 선택적으로 구동하여 주는 것에 의해 항상 안정된 동작을 유지하는 동시에, 작동조건에 따라 능동적으로 대응할 수 있도록 구성될 수 있다.
더 상세하게는, 도 3을 참조하면, 도 3은 도 2에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 병렬 개질기 구조를 가지는 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템(20)의 연료개질부(22)의 구체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 병렬 개질기 구조를 가지는 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템(20)의 연료개질부(22)는, 흡열반응을 수반하고 효율이 높은 장점을 가지는 SR 개질기(31)와, 발열반응을 수반하며 예열시간이 짧은 장점을 가지는 POX 개질기(32)를 병렬로 연결하여 구성될 수 있다.
따라서 도 3에 나타낸 바와 같이, SR 개질기(31)와 POX 개질기(32)를 병렬로 연결함으로써, 흡열반응인 SR 개질기(31)와 발열반응인 POX 개질기(32)의 특성을 이용하여, 정상동작시에는 효율이 좋은 SR 개질기(31)를 통하여 개질이 수행되고, SR 개질기(31)에 공급하여야 하는 열이 부족한 시동 등의 경우나 SR 개질기(31)로의 열 유입이 정상범위보다 낮은 경우 등과 같은 비정상동작시에는 단시간에 구동이 가능하고 발열반응을 수반하는 POX 개질기(32)를 기동하여 개질을 수행하는 것에 의해 부족한 개질가스를 즉각적으로 보충할 수 있도록 구성될 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 병렬 개질기 구조를 가지는 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템(20)을 이용하면, 효율이 좋은 SR 개질기(31)와 단시간에 구동이 가능한 POX 개질기(32)를 병렬로 연결하여 연료개질부(22)를 구성하는 것에 의해, 최초 기동시 POX 개질기(32)를 구동하여 SR 개질기(31)를 시동한 다음, 정상동작시에는 SR 개질기(31)를 통하여 개질이 수행되다가 동작조건에 따라 SR 개질기(31)에 유입되는 열이 부족해질 경우에는 다시 POX 개질기(32)를 기동하여 부족한 개질가스를 즉각적으로 보충함으로써, 작동조건에 따라 능동적으로 대응이 가능하여 항상 안정된 동작을 유지할 수 있다.
아울러, 도 2 및 도 3에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 병렬 개질기 구조를 가지는 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템(20)에 있어서, 상기한 연료개질부(22) 이외의 나머지 구성은 도 1을 참조하여 상기한 내용 및 종래기술의 문헌 등을 참조하여 구성 가능하므로, 여기서는 설명을 간략히 하기 위해 종래기술과 동일 내지 유사한 부분에 대하여는 그 상세한 설명을 생략하였음에 유념해야 한다.
따라서 상기한 바와 같이 하여 본 발명에 따른 병렬 개질기 구조를 가지는 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템을 구현할 수 있다.
또한, 상기한 바와 같이 하여 본 발명에 따른 병렬 개질기 구조를 가지는 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템을 구현하는 것에 의해, 본 발명에 따르면, 연료전지에 연료를 개질하여 공급하기 위한 연료 개질기가 병렬 구조로 구성되어 동작상태에 따라 개질기를 선택적으로 운영할 수 있도록 구성되는 병렬 개질기 구조를 가지는 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템이 제공됨으로써, 연료전지에서 사용하고 남은 연료와 열을 엔진에 공급하여 전기를 발생시킴으로 인해 작동조건에 따라 개질기로 유입되는 열에너지가 부족해지는 문제가 있었던 종래기술의 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템들의 문제점을 해결할 수 있다.
아울러, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 연료전지에 연료를 개질하여 공급하기 위한 연료 개질기가 수증기(Steam Reforming ; SR) 개질기와 부분산화(Partial Oxidation ; POX) 개질기의 병렬 구조로 구성되어, 흡열반응인 SR 개질기와 발열반응인 POX 개질기의 운전특성 및 시동특성을 이용하여 정상동작시에는 효율이 좋은 SR 개질기를 통하여 개질이 수행되고, SR 개질기에 공급하여야 하는 열이 부족한 시동 등의 경우나 SR 개질기로의 열 유입이 정상범위보다 낮은 경우 등과 같은 비정상동작시에는 단시간에 구동이 가능하고 발열반응을 수반하는 POX 개질기를 기동하여 개질을 수행하는 것에 의해 부족한 개질가스를 즉각적으로 보충할 수 있도록 구성되는 병렬 개질기 구조를 가지는 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템이 제공됨으로써, 작동조건에 따라 능동적으로 대응이 가능하여 항상 안정된 동작을 유지할 수 있다.
이상, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예를 통하여 본 발명에 따른 병렬 개질기 구조를 가지는 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템의 상세한 내용에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 기재된 내용으로만 한정되는 것은 아니며, 따라서 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 설계상의 필요 및 기타 다양한 요인에 따라 여러 가지 수정, 변경, 결합 및 대체 등이 가능한 것임은 당연한 일이라 하겠다.
10. 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템
11. 연료전지부 12. 연료개질부
13. 엔진부
20. 병렬 개질기 구조를 가지는 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템
21. 연료전지부 22. 연료개질부
23. 엔진부 31. SR 개질기
32. POX 개질기

Claims (6)

  1. 병렬 개질기 구조를 가지는 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템에 있어서,
    적어도 하나의 연료전지를 포함하여 이루어지는 연료전지부;
    상기 연료전지부에 연료를 개질하여 공급하기 위한 복수의 개질기(Reformer)를 포함하여 이루어지는 연료개질부; 및
    상기 연료전지부에서 발생된 배기가스를 연소시켜 추가적인 전기를 생산하기 위한 적어도 하나의 엔진을 포함하여 이루어지는 엔진부를 포함하여 구성되고,
    상기 연료개질부는,
    적어도 하나 이상의 수증기(Steam Reforming ; SR) 개질기와 부분산화(Partial Oxidation ; POX) 개질기를 각각 병렬로 연결하여 이루어지며,
    흡열반응을 수반하는 상기 SR 개질기와 발열반응을 수반하는 상기 POX 개질기의 운전특성 및 시동특성을 이용하여, 정상동작시에는 효율이 좋은 상기 SR 개질기를 통하여 개질이 수행되고, 상기 SR 개질기의 시동시나 상기 SR 개질기로 유입되는 열이 정상범위보다 낮은 비정상동작시에는 상기 POX 개질기를 기동하여 개질을 수행하는 것에 의해 부족한 개질가스를 즉각적으로 보충해 줄 수 있도록 구성됨으로써,
    상기 발전시스템의 운전상태에 따라 각각의 상기 개질기를 선택적으로 운영하는 것에 의해 항상 안정된 동작을 유지할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 연료전지부는,
    용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell ; MCFC) 또는 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell ; SOFC)를 포함하는 고온 연료전지를 이용하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 엔진부는,
    HCCI(Homogeneous Charge Compression Ignition) 엔진을 이용하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템.
  6. 제 1항, 제 2항 또는 제 5항 중 어느 한 항에 기재된 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템을 이용한 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템의 운전방법에 있어서,
    최초 기동시 상기 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템의 SR 개질기와 POX 개질기를 동시에 구동하여 상기 SR 개질기가 정상운전 범위에 도달할 때까지 상기 POX 개질기를 보조적으로 구동하는 단계;
    정상동작시 상기 SR 개질기를 통하여 개질을 수행하는 단계; 및
    동작조건에 따라 상기 SR 개질기에 유입되는 열이 부족해질 경우 상기 POX 개질기를 기동하여 부족한 개질가스를 즉각적으로 보충해 주는 단계를 포함하여 구성됨으로써,
    상기 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템의 동작상태에 따라 각각의 상기 SR 개질기와 상기 POX 개질기를 선택적으로 운영하는 것에 의해 항시 안정된 동작을 유지할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템의 운전방법.
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