KR101792761B1 - 연료전지 시스템의 운전방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지 시스템의 운전방법을 제공하기 위한 것으로, 순환펌프(50)의 기동 여부를 제어하여 보급수를 연료전지(10)로 전달하고, 부하의 전력 사용량에 따라 발전전력 및 생산열원의 비용을 합한 금액을 산출하고, 연료전지(10)가 생산하는데 필요한 연료의 소비비용과 연료전지(10)의 출력비용을 비교하여 연료전지(10)의 발전량을 제어하여, 1대 이상의 연료전지를 작동시키는데 필요한 연료의 금액을 설치되는 건물의 용도, 계절별 단가, 시간대별 단가를 고려하여 실시간으로 비용을 산출하여 경제성이 발생하였을 경우 정격 출력으로 운전을 하며, 경제성이 발생하지 않는 경우에는 최소 운전 또는 정지를 할 수 있도록 제어할 수 있다.

Description

연료전지 시스템의 운전방법{Method for operating of fuel cell system}
본 발명은 연료전지 시스템의 운전방법에 관한 것으로, 특히 1대 이상의 단위 연료전지들을 운전하여 전력 및 열을 생산하는 연료전지 시스템에서 부하 전력 및 열 사용량 및 생산량 사이의 불균형을 해소하면서, 연료전지 시스템을 운전하기 위하여 사용되는 연료의 비용과 1대 이상의 단위 연료전지에서 생산된 전력 및 열 생산 비용을 계산하여 경제성이 확보 될 수 있도록 운전을 조절하고, 또한 1대 이상의 단위 연료전지의 발전부에는 낮은 온도의 냉각수를 공급함은 물론 1대 이상의 단위 연료전지들로부터 생산된 높은 온도의 온수를 회수하여 축열조를 거쳐 급탕탱크로 이동 저장하여 온수를 선택적으로 난방수 또는 급탕수로 사용하여 연료사용비용 대비 생산전력 및 열 생산 비용을 크게 하여 경제성이 확보되도록 하기에 적당하도록 한 연료전지 시스템의 운전방법에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지는 수소 또는 개질 가스 등의 연료와, 산소 또는 공기 등의 산화제를 이용하여 전력을 생산하는 장치로서 지속적으로 공급되는 연료와 산화제의 전기 화학 반응에 의하여 직접 전력을 생산하는 하나의 발전장치이다.
연료전지의 연료로서는 순수 수소를 사용하거나, 탄화수소계 연료(LNG, LPG, CH3OH) 또는 탄화수소계 연료를 개질하여 생성되는 수소가 다량 함유된 개질 가스를 사용하고, 산화제로서는 순수 산소나, 산소가 다량 함유되어 있는 공기를 사용한다.
연료전지는 전기에너지와 열에너지를 동시에 발생시키고, 전기에너지의 발전효율과 열에너지의 열효율을 합한 총 효율은 약 85% 이상으로서 고효율 에너지의 발전기기로 각광을 받고 있다.
또한 실제 건물용이나 주거용 주택에 연료전지를 설치할 경우에 사용자가 필요로 하는 전기 에너지와 열에너지를 직접 생산하여 사용할 수 있는 장점이 있으므로 사용자의 편의성이 향상될 뿐만 아니라 에너지의 사용비용이 대폭 감소될 수 있다.
이러한 연료전지는 통상적으로 탄화수소계열의 LNG 또는 LPG를 수소가 풍부한 가스로 치환하는 개질기와, 상기 개질기에서 공급되는 수소가 풍부한 개질가스와 공기 중에 포함되어 있는 산소의 전기화학반응으로 직류전력과 열을 생산하는 연료전지스택과, 상기 연료전지 스택에서 생산된 직류전력을 교류전력으로 변환하는 계통 연계형 전력변환기와, 상기 연료전지 스택에서 생산되는 열을 회수하는 축열조와, 보조버너를 포함하는 폐열회수장치와, 각종 주변기기(BOP; balance of plant)와, 제어기 등을 포함하여 구성될 수 있다.
그리고 연료전지에서 생산된 전력은 사용자의 전기부하에 공급하고, 생산된 열은 난방이나 급탕의 온수 등으로 사용하도록 구성된다.
1대 이상의 연료전지들을 사용하여 부하에 전력을 공급하고 생산된 열원을 경제성을 판단하여 운전하는 선행기술로서는 대한민국 등록공개 10-2009-0054664호 및 대한민국 등록특허 10-1022011호 가 알려져 있다.
상기한 선행기술(등록공개 10-2009-0054664호)에 따르면, 연료전지 발전부의 발전 과정에서 발생되는 폐열을 회수하여 열원으로 저장하는 폐열회수부 및 상기 연료전지 발전부에서 생산 전력량 중 잉여 전력을 상기 폐열회수부에 공급하여 상기 잉여 전력을 상기 열원으로 변환하여 저장하는 전력균형기를 포함하고, 그리고 연료전지시스템은 외부에서 필요로 하는 상기 열원의 소비패턴을 예측 계산하고서, 상부에 상기 열원을 저장시키는 시스템 제어기를 포함한다.
상기 시스템 제어기에는 열원 소비 패턴 인식기와 열저장 인식기가 설치되어 폐열 회수부의 열원 저장량과 열원 소비 패턴 중 어느 일 시점까지 적산된 총 열원량을 각각 파악하고, 필요한 열원량을 계산하여 연료전지 발전부에서의 전력 생산 작동을 제어한다.
상기 열원 소비패턴을 기 설정된 시간마다 반복적으로 계산하여, 사용자의 열원 소비량을 각 단계별로 평균화하여 상기 평균 열원량에 대응하는 전력 생산 단계로 연료전지 발전부를 작동시킨다.
상기 연료전지 발전부에서는 전력 생산 단가 및 사용 전력 공급 단가를 판단 기준으로 경제성 지수를 도출하고, 상기 열원이 상기 폐열 회수부의 총 열원 저장량에 도달된 시점에서 상기 경제성 지수를 기준으로 상기 연료전지 발전부에서 전력 생산 작동여부를 결정하는 전력 생산 감지 단계, 상기 연료전지 발전부에서 생산된 생산 전력량과 외부 부하에서 사용되는 실수요 전력량 사이의 전력 불균형 값이 기 설정된 범위에 존재하는지를 판단하여 기 설정된 전력 생산단계로 상기 연료전지 발전부를 작동시키는 부하 감지 단계를 포함한다.
그러나 선행기술(등록공개 10-2009-0054664호)은 발전부의 잉여 전력을 폐열회수부로 공급하여 잉여전력으로 열을 생산하여 전력을 균형을 맞추며, 사용자의 열원 소비패턴을 반복적으로 계산하여 예측으로 연료전지를 작동하여야 하므로 실시간 경제성 판단을 할 수 없으며, 건물의 용도, 계절에 따라 온수 및 열을 적게 사용하는 계절에는 잉여전력으로 열을 생산하는 것이 비경제적인 운전을 하는 문제점이 있다.
또한 연료전지를 설치하여 사용 하는 건물은 용도가 다양 하며 연료로 사용하는 LNG 또는 LPG 의 요금 단가가 계절별. 건물 용도별로 다르며, 계통전력요금(한전 요금) 또한 건물의 용도에 따라 기본요금단가, 계절별 요금 단가, 시간대별 요금 단가가 다르고, 건물의 용도에 따라 열원을 사용하는 패턴이 계절별, 일별, 시간대별로 상이함으로 연료전지 운전을 열원 소비패턴을 인식한 후 연료전지를 예측운전하게 되면 연료로 사용하는 LNG 및 LPG 요금의 계절별 단가, 상용전기(한전)단가, 열원사용량의 변동 등을 후행으로 반영됨으로 정확한 경제성 분석을 하여 운전 할 수 없는 문제점이 있다.
상기한 선행기술(등록특허 10-1022011호)에 따르면, 연료전지에서 생산한 생산전력을 선택하여 부하의 부하전력으로 분배하는 전력분배기, 연료전지에서 발생되는 열을 회수하는 폐열회수기를 구비하여 상기 전력분배기 및 폐열회수기를 제어하여 상용전력가격과 생산전력가격을 비교하여 경제성을 인식하는 포함하며, 또한 생산전력과 부하전력과의 불균형차이에 따라 전력생산 방향을 증가 또는 감소하는 부하추종기를 포함하여 부하추종기에서 실시간으로 계산한 상용전력량과 상용전력가격을 저장하는 데이터저장램, 전력생산단계를 부하전력 변동을 감안하여 정격발전에 대응하여 다단으로 제어하는 운전제어기를 포함하여, 연료전지의 상용전력가격과 생산전력가격이 설정 치에서 일치하도록 사용하는 상용전력량을 제어하므로 누진요금체계가 적용되는 상용전력을 저가영역에서 우선 사용하여 경제성을 향상시키는 효과가 있고, 또한 연료전지의 생산전력과 사용자의 부하전력의 전력 불균형차이의 범위에 따라 연료전지의 생산량을 증감시키므로 불균형차이를 해소하는 과정을 거처 경제성을 확보하는 효과가 있다.
또한 연료전지에서 발생되는 열을 회수하는 폐열회수기를 구비하여 상기 전력분배기 및 폐열회수기를 제어하여 상용전력가격과 생산전력가격을 비교하여 경제성을 인식하는 포함하며, 연료전지의 상용전력가격과 생산전력가격이 설정 치에서 일치하도록 사용하는 상용전력량을 제어하므로 누진요금체계가 적용되는 상용전력을 저가영역에서 우선 사용하여 경제성을 향상시키는 효과가 있고, 또한 연료전지의 생산전력과 사용자의 부하전력의 전력 불균형차이의 범위에 따라 연료전지의 생산량을 증감시켜 불균형차이를 해소하는 과정을 거처 경제성을 확보하였다.
그러나 상기 선행기술(등록특허 10-1022011호)은 연료전지에서 발생되는 열을 회수하는 폐열회수기를 구비하여 상기 전력분배기 및 폐열회수기를 제어하여 상용전력가격과 생산전력가격만을 비교하여 경제성을 인식하여 상용전력량 또는 생산전력량을 제어함으로 연료전지 작동 시 항상 동시에 발생되는 열원의 경제적 가치가 누락되어 정확한 경제성을 판단 할 수 있는 문제점이 있다.
또한 누전요금제를 채택하는 경우의 건물에는 선행 기술의 방법으로도 여러 단계의 누진요금제로 한 단계의 구간만 연료전지로 생산한 전력을 사용하여도 경제성 있는 운전이 가능하나, 현행 한전의 전기요금 체계는 전기의 사용용도, 계약전력량의 규모, 계절별, 시간대(최대부하, 중간부하, 경부하)별로 상용전기 요금이 달라 연료전지가 적용되는 건물의 다양한 특성을 반영할 수 없는 문제점이 있다.
또한 연료전지의 생산전력과 사용자의 부하전력의 전력 불균형차이의 범위에 따라 연료전지의 생산량을 증감시키므로 불균형차이를 해소하는 과정을 거처 경제성을 확보하는 효과가 있으나, 상용전력가격과 생산전력가격만을 비교하여 경제성을 인식하여 상용전력량 또는 생산전력량을 제어함으로 연료전지 작동 시 항상 동시에 발생되는 열원인 폐열회수기를 제어하여 생산된 열원을 방류하거나, 공랭식 열교환기를 가동하는 시스템으로 연료(LNG, LPG 등)를 사용하여 발생된 전기에너지로 공랭식 열교환기를 가동시키기 위하여 전력을 사용하여 모터를 기동시키는 비경제적인 문제점이 있다.
또한 연료전지 작동에는 수소를 얻기 위하여 연료(LNG, LPG 등)를 사용하며 연료전지 작동 시에는 항상 전력과 열이 동시에 발생하는데 건물용으로 주로 사용하는 고분자전해질형(PEMFC), 인산형(PAFC)의 경우 발전효율이 36~45% 이며, 열효율은 45~55% 로 생산전력량만으로 경제성을 판단하는 방법은 정확한 경제성 분석방법이 되지 못하는 문제점이 있다.
상술한 1대 이상의 단위 연료전지들은 전력을 발생할 경우에 항상 열을 동시에 생산한다. 그러므로 상기 1대 이상의 단위 연료전지들에서 생산되는 전력량과 열에너지의 합계로 경제성을 실시간으로 판단하여야 한다.
또한 상기 1대 이상의 연료전지 발전부에는 연료를 개질한 수소와 대기 중의 산소가 화학반응으로 전력 및 열을 항상 동시에 발생되고 연료전지가 운전 중에는 열 생산을 균일한 량을 꾸준히 발생되나 건물에서 열원 사용은 아침, 점심, 저녁 등에 집중적으로 사용함으로 연료전지에서 발생한 열원 활용 방안이 따라 연료전지의 경제성은 좌우된다.
일반적으로 연료전지에서 생산된 열원을 급탕탱크에 공급하는 경우 온수사용처에서 온수를 사용하지 않으면 연료전지에서 생산된 열원이 급탕배관 시스템에 공급되지 못하여 연료전지에서 생산된 열원을 배수 또는 공기열 방열기를 운전하여 냉각 시키는 비경제적 운전을 하는 문제점이 있다.
고분자전해질형(PEMFC)의 경우 발전부의 온도를 25~80도 이하로 유지하기 위하여 발전부에 냉각수를 공급하는데, 생산된 열원을 적게 사용하는 봄, 가을 특히 하절기에는 냉각수로 유입되는 물의 온도가 높아 상기 1대 이상의 단위 연료전지들이 정상적으로 전력을 생산하지 못하게 되는 문제점이 있다.
대한민국 공개특허 제10-2009-0054664호 대한민국 등록특허 제10-1022011호 대한민국 특허출원 제10-2017-0036180호
이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 1대 이상의 단위 연료전지를 결합하여 부하에 전력을 공급함에 있어서, 부하의 전력 사용량에 따라 1대 이상의 단위 연료전지들이 설치되는 건물의 용도, 상용전력의 전력단가, 계절별 단가, 시간대별 단가를 고려하여 실시간으로 발전전력 및 생산열원의 비용을 합한 금액을 산출하고, 1대 이상의 연료전지를 작동에 필요한 연료의 금액을 설치되는 건물의 용도, 계절별 단가, 시간대별 단가를 고려하여 실시간으로 비용을 산출하여 경제성이 발생하였을 정격 출력으로 운전을 하며, 경제성이 발생하지 않는 경우에는 최소 운전 또는 정지를 할 수 있도록 제어할 수 있는 연료전지 시스템의 운전방법을 제공하는데 있다.
도 1은 본 발명이 적용되는 연료전지 시스템의 개략도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 연료전지 시스템의 운전방법을 보인 흐름도이다.
이에 도시된 바와 같이, 1개 이상의 단위 연료전지들로 이루어진 연료전지(10)와, 상기 연료전지(10)와 축열조(40)와 순환펌프(50)와 급탕탱크(60)의 동작을 제어하는 제어부(30)와, 상기 연료전지(10)에서 생산된 열원을 저장하고 상기 연료전지(10)에 냉각수를 공급하며 내부의 상부 및 하부에 온도센서(42, 44)를 구비하고 상부 디퓨저(46)와 하부 디퓨저(48)에 의해 온도성층을 유지시키는 축열조(40)와, 전단에 펌프 온도센서(52)가 구비되고 상기 축열조(40)와 상기 급탕탱크(60) 사이에서 열원을 이동시키는 순환펌프(50)와, 상기 축열조(40)의 열원을 공급받고 보일러로 급탕하는 급탕탱크(60)를 구비한 연료전지 시스템의 운전방법에 있어서, 상기 제어부(30)는 상기 축열조(40)의 상기 상부 온도센서(42) 값과 상기 펌프 온도센서(52) 값을 비교하여 상기 순환펌프(50)의 기동 여부를 제어하여 상기 연료전지(10)의 온도를 회수하여 상기 급탕탱크(60)로 제공하고, 보급수를 상기 축열조(40)의 하부로 공급시킨 이후 상기 연료전지(10)로 전달하도록 제어하는 제 1 단계(ST10)와; 상기 제어부(30)는 부하의 전력 사용량에 따라 1대 이상의 단위 연료전지들이 설치되는 건물의 용도, 상용전력의 전력단가, 계절별 단가, 시간대별 단가를 이용하여 실시간으로 발전전력 및 생산열원의 비용을 합한 금액을 산출하는 제 2 단계(ST20)와; 상기 제어부(30)는 상기 연료전지(10)가 생산하는데 필요한 연료의 소비비용과 상기 연료전지(10)의 출력비용(전력생산비용 + 열생산비용)을 비교하여, 상기 연료전지(10)의 발전량을 제어하여, 1대 이상의 연료전지를 작동시키는데 필요한 연료의 금액을 설치되는 건물의 용도, 계절별 단가, 시간대별 단가를 고려하여 실시간으로 비용을 산출하여 경제성이 발생하였을 경우 정격 출력으로 운전을 하며, 경제성이 발생하지 않는 경우에는 최소 운전 또는 정지를 할 수 있도록 제어하는 제 3 단계(ST30)와; 상기 제어부(30)는 상기 연료전지(10)의 단위 연료전지별로 시간대별 일간, 월간, 연간에 따른 누적발전량, 발전시간, 연료소비량, 경제적 이익금 데이터를 저장하여 예약운전 설정이 가능하도록 하는 제 4 단계(ST40);를 포함하여 수행하는 것을 특징으로 한다.
도 3은 도 2에서 순환펌프의 기동 제어를 보인 흐름도이다.
이에 도시된 바와 같이, 상기 제 1 단계(ST10)는, 상기 순환펌프(50)의 펌프 온도센서(52)의 온도값과 상기 축열조(10)의 상부 온도센서(42)의 온도값을 비교하는 단계(ST11)와; 비교결과 상기 펌프 온도센서(52)의 온도값이 상기 상부 온도센서(42)의 온도값보다 크거나 같으면 상기 순환펌프(50)의 기동을 정지시켜 상기 급탕탱크(60)에서 상기 축열조(40)의 온수 공급을 차단시키는 단계(ST12)와; 비교결과 상기 펌프 온도센서(52)의 온도값이 상기 상부 온도센서(42)의 온도값보다 작으면 상기 순환펌프(50)의 기동을 유지시켜 상기 급탕탱크(60)에서 상기 축열조(40)의 온수 공급을 유지시키는 단계(ST13);를 포함하여 수행하는 것을 특징으로 한다.
상기 제 1 단계는, 상기 축열조(40)의 상부와 상기 급탕탱크(60)를 배관(62)으로 연결하여, 상기 상부 디퓨저(46)에 의해 온도성층이 유지된 상기 축열조(40)의 온수를 상기 배관(62)을 통해 상기 급탕탱크(60)로 이동시켜 상기 연료전지(10)에서 생산된 온수를 급탕수 및 난방수로 사용하도록 제어하는 것을 포함하여 수행한다.
도 4는 도 2에서 연료전지의 기동 제어를 보인 흐름도이다.
이에 도시된 바와 같이, 상기 제 3 단계(ST30)는, 상기 연료전지(10)의 운전으로 생산된 생산비용(전력생산비용 + 열생산비용)과 상기 연료전지(10)가 생산하는데 필요한 연료의 소비비용을 비교하는 단계(ST31)와; 비교결과 생산비용이 소비비용 보다 크거나 같으면, 상기 연료전지(10) 중에서 최소 누적전력량의 연료전지부터 발전량을 증가시키는 단계(ST32)와; 비교결과 생산비용이 소비비용 보다 작으면, 상기 연료전지(10) 중에서 최대 누적전력량의 연료전지부터 발전량을 감소시키는 단계(ST33);를 포함하여 수행하는 것을 특징으로 한다.
상기 제 3 단계(ST30)는, 상기 축열조(40)의 상부 온도센서(42)에서 측정한 온도값과 상기 축열조(40)의 하부 온도센서(44)에서 측정한 온도값을 비교하는 단계(ST34)와; 비교결과 상기 축열조(40)의 상부 온도값이 하부 온도값보다 크거나 같으면, 상기 연료전지(10)의 기동 상태를 유지시키는 단계(ST35)와; 비교결과 상기 축열조(40)의 상부 온도값이 하부 온도값보다 작으면, 상기 연료전지(10)의 기동을 정지시키는 단계(ST36);를 포함하여 수행하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 연료전지 시스템의 운전방법은 1대 이상의 단위 연료전지들을 운전하여 부하에 요구되는 전력량을 공급함에 있어서, 부하에서 필요한 실수요 전력량 및 부하의 열원(온수)필요량에 맞추어 실시간으로 연료전지작동에 필요한 비용과 발전(생산)된 전력량과 열원(온수)의 비용을 연료전지시스템을 설치한 건물의 계통전력 요금체계, 부하열원(온수)의 사용 패턴에 따른 요건 등을 실시간으로 반영하여 경제성이 확보되었을 경우에만 연료전지시스템의 발전을 하도록 하는 장점이 있다.
또한 본 발명은 건물의 규모, 용도에 따라 계약전력의 요금체계 및 단가와 생산된 열원(온수)의 사용량이 용도 및 계절별 시간별로 사용패턴이 상이함을 실시간으로 반영하여 경제성을 판단하여 제어할 수 있도록 하였으며, 1대 이상의 연료전지들을 부하측 전력량 및 경제성 판단에 의하여 발전량을 실시간으로 단위연료전지들의 누적발전량을 판단하여 1단계씩 증가, 감소운전을 할 수 있도록 하여 실시간으로 경제성 있는 운전을 하게 하였고, 경제성이 있는 시기, 구간에서는 예약 운전을 선택적으로 하도록 하여 경제성을 향상시켰다.
또한 단위 연료전지들의 발전량이 비슷하게 유지됨으로써 내구수명 및 소모품 교환주기, 운전시간에 따른 A/S 주기를 일치시켜 유지비용을 절감하는 장점이 있다.
또한 1대 이상의 연료전지에서 생산되는 열원(온수)을 외부에 마련된 연료전지 전용 축열조와 연결하여 온수저장기능과 냉각수 공급용도로 활용하고 보일러의 급탕탱크와 연결하여 계절별, 시간대별, 건물의 용도에 따른 온수사용 패턴에 대응 할 수 있도록 하여 연료전지에서 생산한 열원(온수)의 활용도를 높여 보일러의 운전비용(연료비)을 절감시키는 장점이 있다.
도 1은 본 발명이 적용되는 연료전지 시스템의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 연료전지 시스템의 운전방법을 보인 흐름도이다.
도 3은 도 2에서 순환펌프의 기동 제어를 보인 흐름도이다.
도 4는 도 2에서 연료전지의 기동 제어를 보인 흐름도이다.
이와 같이 구성된 본 발명에 의한 연료전지 시스템의 운전방법의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 판례 등에 따라 달라질 수 있으며, 이에 따라 각 용어의 의미는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 해석되어야 할 것이다.
먼저 본 발명은 부하의 전력 사용량에 따라 1대 이상의 단위 연료전지들이 설치되는 건물의 용도, 상용전력의 전력단가, 계절별 단가, 시간대별 단가를 고려하여 실시간으로 발전전력 및 생산열원의 비용을 합한 금액을 산출하고, 1대 이상의 연료전지를 작동에 필요한 연료의 금액을 설치되는 건물의 용도, 계절별 단가, 시간대별 단가를 고려하여 실시간으로 비용을 산출하여 경제성이 발생하였을 정격 출력으로 운전을 하며, 경제성이 발생하지 않는 경우에는 최소 운전 또는 정지를 할 수 있도록 제어하고자 한 것이다.
도 1은 본 발명이 적용되는 연료전지 시스템의 개략도이다.
연료전지 시스템은 1개 이상의 단위 연료전지들로 이루어진 연료전지(10)와, 연료전지(10)와 축열조(40)와 순환펌프(50)와 급탕탱크(60)의 동작을 제어하는 제어부(30)와, 연료전지(10)에서 생산된 열원을 저장하고 연료전지(10)에 냉각수를 공급하며 내부의 상부 및 하부에 온도센서(42, 44)를 구비하고 상부 디퓨저(46)와 하부 디퓨저(48)에 의해 온도성층을 유지시키는 축열조(40)와, 전단에 펌프 온도센서(52)가 구비되고 축열조(40)와 급탕탱크(60) 사이에서 열원을 이동시키는 순환펌프(50)와, 축열조(40)의 열원을 공급받고 보일러로 급탕하는 급탕탱크(60)를 구비한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 연료전지 시스템의 운전방법을 보인 흐름도이다.
제 1 단계(ST10)에서 제어부(30)는 축열조(40)의 상부 온도센서(42) 값과 펌프 온도센서(52) 값을 비교하여 순환펌프(50)의 기동 여부를 제어하여 연료전지(10)의 온도를 회수하여 급탕탱크(60)로 제공하고, 보급수를 축열조(40)의 하부로 공급시킨 이후 연료전지(10)로 전달하도록 제어한다.
제 2 단계(ST20)에서 제어부(30)는 부하의 전력 사용량에 따라 1대 이상의 단위 연료전지들이 설치되는 건물의 용도, 상용전력의 전력단가, 계절별 단가, 시간대별 단가를 이용하여 실시간으로 발전전력 및 생산열원의 비용을 합한 금액을 산출한다.
제 3 단계(ST30)에서 제어부(30)는 연료전지(10)가 생산하는데 필요한 연료의 소비비용과 연료전지(10)의 출력비용(전력생산비용 + 열생산비용)을 비교하여, 연료전지(10)의 발전량을 제어하여, 1대 이상의 연료전지를 작동시키는데 필요한 연료의 금액을 설치되는 건물의 용도, 계절별 단가, 시간대별 단가를 고려하여 실시간으로 비용을 산출하여 경제성이 발생하였을 경우 정격 출력으로 운전을 하며, 경제성이 발생하지 않는 경우에는 최소 운전 또는 정지를 할 수 있도록 제어한다.
제 4 단계(ST40)에서 제어부(30)는 연료전지(10)의 단위 연료전지별로 시간대별 일간, 월간, 연간에 따른 누적발전량, 발전시간, 연료소비량, 경제적 이익금 데이터를 저장하여 예약운전 설정이 가능하도록 한다.
도 3은 도 2의 ST10에서 순환펌프의 기동 제어를 보인 흐름도이다.
ST11 단계에서는 순환펌프(50)의 펌프 온도센서(52)의 온도값과 축열조(10)의 상부 온도센서(42)의 온도값을 비교한다.
ST12 단계에서는 비교결과 펌프 온도센서(52)의 온도값이 상부 온도센서(42)의 온도값보다 크거나 같으면 순환펌프(50)의 기동을 정지시켜 급탕탱크(60)에서 축열조(40)의 온수 공급을 차단시킨다.
ST13 단계에서는 비교결과 펌프 온도센서(52)의 온도값이 상부 온도센서(42)의 온도값보다 작으면 순환펌프(50)의 기동을 유지시켜 급탕탱크(60)에서 축열조(40)의 온수 공급을 유지시킨다.
또한 축열조(40)의 상부와 급탕탱크(60)를 배관(62)으로 연결하여, 상부 디퓨저(46)에 의해 온도성층이 유지된 축열조(40)의 온수를 배관(62)을 통해 급탕탱크(60)로 이동시켜 연료전지(10)에서 생산된 온수를 급탕수 및 난방수로 사용하도록 제어한다.
도 4는 도 2의 ST30에서 연료전지의 기동 제어를 보인 흐름도이다.
ST31 단계에서는 연료전지(10)의 운전으로 생산된 생산비용(전력생산비용 + 열생산비용)과 연료전지(10)가 생산하는데 필요한 연료의 소비비용을 비교한다.
ST32에서는 비교결과 생산비용이 소비비용 보다 크거나 같으면, 연료전지(10) 중에서 최소 누적전력량의 연료전지부터 발전량을 증가시킨다.
ST33에서는 비교결과 생산비용이 소비비용 보다 작으면, 연료전지(10) 중에서 최대 누적전력량의 연료전지부터 발전량을 감소시킨다.
또한 ST34에서는 축열조(40)의 상부 온도센서(42)에서 측정한 온도값과 축열조(40)의 하부 온도센서(44)에서 측정한 온도값을 비교한다.
ST35에서는 비교결과 축열조(40)의 상부 온도값이 하부 온도값보다 크거나 같으면, 연료전지(10)의 기동 상태를 유지시킨다.
ST36에서는 비교결과 축열조(40)의 상부 온도값이 하부 온도값보다 작으면, 연료전지(10)의 기동을 정지시킨다.
이러한 본 발명의 동작을 좀더 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에서 이용하는 연료전지(10)는 1대 이상의 단위 연료전지(#1 ~ #n)로 구성되는데, 연료전지(10)에서 생산된 전력은 계통전력과 연계시켜 부하의 전력량범위 이내에서 운전하고, 연료전지(10)에서 발생되는 열원은 연료전지(10)가 운전되는 동안에는 항상 꾸준한 열량이 지속적으로 생산되므로 온수 및 열원이 많이 필요한 계절인 겨울철에는 급탕탱크(60)의 중간 부분 또는 상부 부분으로 공급하여 보일러의 예열원으로 활용하고, 봄철이나 가을철에는 연료전지에서 생산된 열원을 주로 사용하고, 보일러는 약간의 가열만 하여 온수사용처에 온수를 공급하여 활용 하며, 여름철과 같이 온수사용량이 적은 시기에는 연료전지(10)에서 생산된 열원으로만 온수사용처에 온수를 공급하는 연료전지 시스템을 제공하여 연료전지에서 생산한 전력 및 열원 모두를 낭비없이 효율적으로 사용하여 경제성을 확보한 연료전지시스템과 제어 방법을 제공한다.
연료전지를 설치하는 건물 및 사용처의 온수 사용 패턴은 계절별, 일별, 시간대별로 간헐적, 집중적으로 사용하는 특성이 있어 일반적인 설계기준은 겨울철 온수사용량에 대응할 수 있는 용량의 보일러와 온수를 저장하는 급탕탱크(60)를 설치하여 필요시 온수사용처에서 사용한다. 통상적으로 급탕탱크(60)의 온도설정온도를 55~60℃로 저장하여 온수사용처에서 시수와 희석하여 사용한다.
연료전지(10)에서 발생되는 열원을 급탕탱크(60)에 바로 연결하여 사용할 수 있으나, 연료전지(10)에서 생산한 열원을 급탕탱크(60)에 바로 연결하여 사용하면 여러 가지의 문제점이 발생한다. 즉, 연료전지는 발전을 하고 있는 동안에는 항상 일정한 양의 열원(온수)이 지속적으로 생산되나, 온수사용처는 온수를 지속적으로 일정한 양을 꾸준히 사용하지 않고, 특정시간대에 동시에 일시적으로 사용하는 특성이 있어 연료전지(10)에서 생산한 열원(온수)량으로는 사용처의 부하에 공급하기 어렵다.
연료전지(10)의 발전부(도면상에 미도시)에는 지속적인 화학반응으로 운전 중에는 온도가 지속적으로 상승하므로, 일정온도를 유지시키기 위하여 냉각수 공급이 필요하다. 이때 급탕탱크(60)의 물의 온도를 통상 55~60℃로 설정하여 보일러의 기동을 제어한다. 그래서 겨울철 및 봄.가을철 보일러가 기동되는 계절에는 급탕탱크의 온도가 연료전지(10)의 발전부에 공급되는 냉각수의 온도(통상 40 ~ 45℃)보다 높아 발전부를 손상시키는 문제점이 발생한다. 이에 대해 본 발명에서는 축열조(40) 상부의 상부 온도센서(42)의 온도값과 순환펌프(50) 전단에 있는 펌프 온도센서(52)의 온도값을 비교하여, 연료전지(10)로 공급되는 냉각수의 온도가 항상 40~45℃ 이하가 유지되도록 해준다. 이를 통해 연료전지(10)의 손상을 방지할 수 있게 된다.
또한 연료전지(10)에서 생산된 열원을 축열조(40)의 상부측으로 공급하여 저장하였다가 보일러의 예열원으로 사용하고, 연료전지(10)의 발전부에 공급되는 냉각수는 축열조(40)의 열 이동의 성층을 이용하여 축열조(40)의 하부측에서 냉각수를 공급받아 연료전지(10)에서 생산된 열원을 효율적 사용하여 연료전지(10)의 경제성을 높이는 운전방법을 제공한다.
연료전지(10)에서 생산된 열원(온수)을 저장하는 탱크의 크기(용량)는 1대 이상의 연료전지 시스템들에서 시간당 생산되는 열원(온수)의 총합계를 건물의 용도 및 계절별, 시간대별 온수 사용 패턴을 예측하여 1대 이상의 연료전지 시스템이 생산한 열원(온수)을 방류 또는 공기열 방열기를 운전하지 않아도 될 크기의 용량을 설계하는 것이 바람직하다.
건물용으로 설치되는 연료전지 시스템에서는 연료전지에서 생산된 열원을 사용처의 온수사용을 전혀 사용하지 않을 때를 고려하여 일정량의 열원을 저장하는 축열조(40)가 필요하며, 축열조(40)의 구조는 원형입형으로 원통의 크기에 비하여 길이가 커서 축열조(40)의 탱크내부의 물의 온도차에 의한 성층을 형성시킬 구조가 필요하며, 축열조(40)의 상부에 형성한 배관(62)의 접속구는 한쪽 방향으로만 물이 유입되도록 상부 디퓨저(46)를 설치하여 물의 유입으로 유속에 의하여 온도차의 성층을 파괴하지 않는 구조를 형성한다.
또한 연료전지(10)에서 1대 이상으로 이루어진 각각의 단위 연료전지에는 소용량의 온수저장탱크(도면상에 미도시)를 내장하고, 온수저장탱크에는 열교환을 위한 코일(도면상에 미도시)을 내장시켜 발전부로부터 화학 반응으로 발생한 순수한 물이 온수저장탱크에 유입되도록 한다. 연료전지(10)의 제품 외부에 설치된 축열조(40)의 하부로부터 유입된 낮은 온도의 물이 연료전지(10) 제품 내부에 설치된 온수저장탱크 코일로 순환하면서 열교환을 하도록 하여 온수저장탱크의 열원(온도)을 연료전지(10) 제품 외부에 설치된 축열조(40)의 중간상부측으로 공급시켜 축열조(40)의 온수를 급탕탱크(60)에 이송시켜 급탕수 또는 난방수로 활용하여 연료전지(10)에서 생산된 열원을 낭비없이 경제적으로 운전할 수 있게 한다.
계통전력(한전)의 미 연결 또는 전력 품질이 불량하거나 연간 24시간 지속적으로 연료전지 시스템 운전을 꼭 할 필요로 하는 시설, 연료전지에서 생산된 열원의 가치를 무시하여도 경제성이 확보되는 경우에는 연료전지(10)에서 생산된 열원을 방류 또는 공기열 방열기를 운전하여 생산된 열원을 냉각시키며 연료전지를 연중 24시간 운전 할 수 있다.
또한 부하의 전력 사용량이 생산전력량 보다 적을 경우에는 잉여 전력을 계통전력(한전)에 송전되나 현행 제도 하에는 상용전력과 상계되지 않으므로 건물주 및 사업주 입장에서는 연료사용량 비용만큼 손실을 보게 되므로 이때는 부하의 전력량에 맞추어 생산전력량을 줄이는 것이 바람직하다. 이때 1대 이상의 단위 연료전지들의 누적전력생산량이 가장 많은 단위연료전지를 1차적으로 줄이고, 연차적으로 누적전력생산량이 많은 단위연료전지의 발전량을 줄여나가 경제성이 확보된 운전을 될 수 있게 하는 연료전지시스템의 제어방법을 제공하며, 각각의 연료전지는 최소발전량의 운전 상태를 유지하여 연료소비를 최소로 유지하면서 부하의 전력량이 증가할 경우에 단위연료전지의 누적발전량이 가장 적은 단위연료전지부터 발전량을 증가시켜 요구되는 전력량을 생산 및 공급할 수 있도록 하는 연료전지 시스템의 경제성이 확보된 제어방법을 제공한다.
또한 부하의 전력 사용량이 생산전력량 보다 적을 경우에 잉여 전력을 계통전력으로 송전되면 상용전력과 상계처리(보상)되는 제도 개선이 이루어진다면 건물주 및 사업주 입장에서는 연료를 사용하여 발전한 전력량이 손실이 되지 않으므로 부하의 전력 사용량에 관계없이 연료전지 시설 용량 100%를 운전할 수 있다. 그러나 연료전지의 운전 경제성 판단은 생산된 전력량과 생산 열원(온수)의 비용을 합한 비용대비 연료전지를 운전하기 위하여 사용한 연료(LNG, LPG 등)의 비용보다 커야함으로 계통전력에 송전될 때 상계시키는 제도 등을 반영하여 판단하여야 한다.
경제성 판단에 계통전력에 송출되는 전력을 상계처리(보상 등)제도에 따라 부하전력이상의 전력을 계통전력에 송출을 선택할 수 있도록 하여 연료전지 시스템의 경제성이 확보된 제어방법을 제공한다.
한편 본 발명에서 건물용 연료전지는 1대 이상의 단위연료전지를 병렬로 연결하여 설치되며, 건물의 부하(전력, 열원)에 따라 경제성이 확보된 운전을 하기 위하여 단위연료전지에서 발전한 전력을 분전반(20)으로 모아 계통전력에 연결하고, 단위연료전지에서 생산된 열원(온수)을 저장 및 단위연료전지에 냉각수를 공급하는 전용 축열조(40), 단위연료전지와 축열조의 물을 순환시키는 펌프를 포함한 배관(62), 단위연료전지의 발전량을 검측하는 검측부(32), 단위연료전지에서 생산된 열원(온수)량을 검측하는 검측부(32), 단위연료전지의 연료소비량을 검측하는 검측부(32), 건물의 전력 부하량을 검측하는 검측부(32), 1대 이상의 연료전지들의 운전 경제성을 판단하는 판단부(34), 1대 이상의 연료전지시스템의 경제성을 판단한 자료 등을 저장하는 데이터 저장부(도면상에 미도시), 저장된 데이터에서 경제성 있는 발전시기 및 구간을 추출하는 판단부(34), 판단된 경제성 있는 발전시기 및 구간에 예약운전을 선택할 수 있는 예약운전 선택부(도면상에 미도시), 1대 이상의 연료전지들을 통합으로 발전량을 제어할 수 있는 제어부(30), 통합된 연료전지들의 발전량, 연료소비량, 열생산량, 단위 연료전지의 동작이상 여부 등을 모니터링 할 수 있는 모니터링부(30)를 포함하여 구성할 수 있다.
그래서 연료전지 시스템의 제어방법은, 제어부(30)가 1대 이상의 전체 연료전지 시스템이 생산 가능한 전력량 및 열원(온수)생산량을 실시간으로 판단하는 단계와, 제어부(30)가 검측부(32)의 출력신호로 부하의 전력량을 판단하는 단계와, 연료전지(10)에서 생산된 열원(온수)을 저장하는 축열조(40)의 상부 측의 온도 설정 값과 축열조(40)의 하부 측의 온도를 검측하는 단계와, 미리 입력된 축열조(40)의 크기(용량)를 인식하는 단계, 미리 입력된 건물의 계통전력(한전)단가의 요금체계에 따른 기본요금, 계절별 단가, 최대부하시간대, 중간부하시간대, 경부하시간대의 단가를 인식하는 단계, 미리 입력된 연료(LNG, LPG 등)단가(연료전지전용요금)를 인식하는 단계를 가지며, 미리 입력된 난방 및 급탕용 연료의 단가를 인식하는 단계, 1대 이상의 연료전지가 전력 및 열원을 생산하는데 필요한 연료 소비량을 전력생산량에 따라 판단하는 단계로 수행할 수 있다.
또한 미리 입력된 연료전지에서 생산된 전력을 제도에 따라 계통전력(한전)에 송출의 유, 무를 선택하는 단계를 추가 할 수 있다.
제어부(30)에서는 연료전지 시스템이 생산 할 수 있는 전력량에 필요한 연료소비량을 인식된 연료의 단가(연료전지전용요금)를 곱하여 비용으로 환산하는 단계로 비용을 산출한다.
제어부(30)에서는 연료전지 시스템의 생산할 수 있는 전력량을 미리 인식된 계통전력(한전)요금으로 계산하여 비용으로 환산하는 단계, 축열조(40)의 용량과 축열조(40) 상부 설정온도와 하부 온도의 차이에 따른 열량을 계산하는 단계, 계산된 열량을 연료(LPG, LNG 등)의 소비량으로 환산하는 단계, 환산된 연료소비량을 미리 인식된 연료의 단가(난방 또는 급탕용 등)를 적용하여 비용으로 환산하는 단계, 생산된 전력과 열원 비용을 합산한 금액을 산출하는 단계를 수행하여 연료전지에서 생산한 출력비용을 산출할 수 있다.
제어부(30)에서는 연료전지 시스템이 생산하는데 필요한 연료의 소비비용과 연료전지 시스템 운전으로 생산된 출력비용(전력생산비용+열생산산비용)을 실시간으로 비교하는 단계를 수행할 수 있다.
제어부(30)에서는 소비비용보다 출력비용이 크거나 같으면, 1대 이상의 연료전지는 100% 의 생산량을 유지하며, 연료전지시스템의 소비비용보다 출력비용이 적으면 1대 이상의 연료전지시스템의 단위 연료전지별 누적발전량의 차이를 실시간으로 비교하는 단계, 인식된 최대 누적발전량을 유지하고 있는 단위 연료전지를 선택하여 발전량을 1단계씩 줄이는 단계를 포함 한다. 여기서 연료전지의 발전량은 1단계가 0% 기동 상태, 2단계가 25% 기동 상태, 3단계가 50% 기동 상태, 4단계가 75% 기동 상태, 5단계가 100% 기동 상태로 구분될 수 있다. 그래서 단위연료전지들 중에서 최대 누적발전량을 보이고 있는 단위 연료전지를 선택하여 현재 운전 중인 기동 상태보다 한 단계 낮은 단계로 발전량의 기동 상태를 감소시킨다.
제어부(30)에서는 실시간으로 판단된 연료전지시스템이 생산하는데 필요한 연료의 소비비용이 연료전지시스템 운전으로 생산된 출력비용(전력생산비용+열생산비용) 보다 클거나 같을 때 1대 이상의 연료전지시스템의 단위 연료전지별 누적발전량의 차이를 실시간으로 비교하는 단계에서 인식된 최소 누적발전량을 유지하고 있는 단위 연료전지를 선택하여 발전량을 1단계씩 증가시킨다. 그래서 단위연료전지들 중에서 최소 누적발전량을 보이고 있는 단위 연료전지를 선택하여 현재 운전 중인 기동 상태보다 한 단계 높은 단계로 발전량의 기동 상태를 증가시킨다.
또한 제어부(32)는 단위연료전지의 시간대별 일간. 월간. 연간. 누적발전량 및 발전시간과 연료소비량, 경제적 이익금 등을 저장한다. 또한 추출된 경제적 이익 운전 시기 및 구간 등을 저장한다.
또한 제어부(32)는 인식된 경제성 운전시기 및 시간대에는 예약운전을 선택적으로 할 수 있다.
본 발명에서 연료전지(10)의 제품 내부에는 소용량의 온수저장탱크를 내장하고, 내장된 온수저장탱크에는 열교환을 위한 코일을 내장 시키고, 연료전지(10)의 제품 외부에 원통 입형의 축열조(40)를 설치하고, 축열조(10)에는 물의 온도에 따라 성층을 형성할 수 있도록 원통부의 길이를 길게 하며 물의 유입되는 배관(62)의 접속구의 위치는 상부 쪽에 설치한다. 배관(62)의 접속구는 축열조(40) 내부 중앙까지 연장시켜 유입되는 유속으로 인하여 축열조(40) 내의 온도성층을 파괴시키지 않는 구조인 이중판인 상부 디퓨저(46)를 상부 방향으로 설치하고, 축열조(40)의 하부에도 배관 접속구를 마련(도면상에 미도시)하여 축열조(40)의 중앙까지 연장시켜 유출되는 유속에 의하여 물의 온도성층을 파괴되지 않도록 이중판인 하부 디퓨저(48)를 하부 방향으로 설치한다. 배관 접속구를 통하여 연료전지(10)의 제품 내부에 있는 온수저장탱크 방향으로 순환시키는 반복된 과정을 통하여 연료전지(10)에서 생산된 열원(온수)을 연료전지시스템 외부에 마련된 축열조(40)로 이동시키며 연료전지(10)의 내부에 마련된 온수저장탱크의 온도를 낮게 유지시켜 연료전지(10)의 발전부에는 냉각수로 공급하고 연료개질부에도 물을 공급 할 수 있다.
이때 열원(온수)을 이동시키기 위하여 연료전지(10)와 축열조(40) 사이에 순환펌프(도면상에 미도시)를 설치한다. 이러한 연료전지(10)와 축열조(40)에 위치한 순환펌프의 제어는 연료전지(10) 제품 내부에 설치된 온수저장탱크의 온도값이 설정치(발전부 냉각가능 온도) 이상이면 연료전지(10)와 축열조(40) 사이의 순환펌프는 정지되도록 제어한다.
그래서 생산된 열원(온수)을 방류하여도 경제성이 유지되는가를 판단하여 계속적 발전과 발전량 감소, 발전 정지를 판단하며, 제어부(30)는 각각의 단위 연료전지의 발전을 제어한다.
또한 연료전지 시스템 외부에 마련된 축열조(40)와 급탕탱크(60) 사이는 배관(62)으로 연결하여 축열조(40)의 열원을 급탕탱크(60)의 예열원 및 급탕수로 사용하는데, 축열조(40)의 최상부의 배관접속구와 급탕탱크(60)의 중간 상층부에 배관접속구를 연결하며, 축열조(40) 중간 상층부와 급탕탱크(60)의 하부 측의 배관 접속구 사이에 순환펌프(50)를 마련하여 연료전지용 축열조(40)의 열원(온수)을 급탕탱크(60)로 이동시켜 연료전지(10)에서 생산된 열원(온수)을 급탕수 및 난방수로 사용한다. 이때 급탕탱크(60)에서 연료전지용 축열조(40)로 유입되는 배관접속구는 축열조(40) 내의 온도성층을 파괴하지 않도록 축열조(40)의 상부방향으로 이중판인 상부 디퓨저(46)를 설치한다. 제어부(30)에서는 순환펌프(50) 전단에 설치된 펌프 온도센서(52)와 축열조(40) 상부 측에 설치된 상부 온도센서(42)에 의하여 온도를 검측한다. 그래서 순환펌프(50)의 전단에 설치된 펌프 온도센서(52)의 온도값이 축열조(40) 상부 측에 설치된 상부 온도센서(42)의 온도값보다 높거나 같으면 제어부(30)는 순환펌프(50)의 기동을 정지시키며, 순환펌프(50)의 전단에 설치된 펌프 온도센서(52)의 온도값이 축열조(40) 상부 측에 설치된 상부 온도센서(42)의 온도값보다 낮으면 제어부(30)는 순환펌프(40)의 기동을 계속 유지시킴으로써 연료전지에서 생산한 열원(온수)을 급탕탱크의 보일러 예열원 및 급탕수 및 난방수로 사용하게 하다.
종래에는 통상적으로 급탕탱크(60)의 하부 측으로 보급수(시수)를 공급하는 것이 일반적인데, 본 발명에서는 연료전지용 축열조(40)의 하부 쪽으로 보급수(시수)를 공급 받아 축열조(40)의 열원을 회수하여 급탕탱크(60)로 유입되도록 함으로써 연료전지(10)의 열원(온수) 활용도를 높일 수 있으며. 보급수의 관 크기(관경)는 급탕탱크(60)의 급탕 출수 관 크기(관경)와 동일하게 적용하는 것이 바람직하다.
또한 연료전지시스템 외부에 축열조(40)를 마련하고 배관(62)으로 연결하여 열원(온수)을 이동시킬 때, 연료전지(10)와 축열조(40) 사이에 공랭식방열기(도면상에 미도시)를 선택적으로 설치하고 3방향 밸브(도면상에 미도시)를 배관에 설치하여 축열조(40)에서 연료전지(10) 쪽으로 이동되는 물의 온도가 미리 설정된 온도 값 이상일 때에는 물의 흐름을 공랭식방열기 방향으로 3방향 밸브가 개폐되어 물의 온도를 낮추어 연료전지(10) 내부에 설치된 온수저장탱크로 공급될 수 있도록 하여 온수저장탱크로부터 연료전지(10)의 발전부에 냉각수를 공급하도록 할 수 있다.
이처럼 본 발명은 부하의 전력 사용량에 따라 1대 이상의 단위 연료전지들이 설치되는 건물의 용도, 상용전력의 전력단가, 계절별 단가, 시간대별 단가를 고려하여 실시간으로 발전전력 및 생산열원의 비용을 합한 금액을 산출하고, 1대 이상의 연료전지를 작동에 필요한 연료의 금액을 설치되는 건물의 용도, 계절별 단가, 시간대별 단가를 고려하여 실시간으로 비용을 산출하여 경제성이 발생하였을 정격 출력으로 운전을 하며, 경제성이 발생하지 않는 경우에는 최소 운전 또는 정지를 할 수 있도록 제어하게 된다.
이상에서 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시예로 국한되는 것은 아니고, 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형실시될 수 있다. 따라서 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술적 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10 : 연료전지
20 : 분전반
30 : 제어부
32 : 검측부
34 : 판단부
40 : 축열조
42 : 상부 온도센서
44 : 하부 온도센서
46 : 상부 디퓨저
48 : 하부 디퓨저
50 : 순환펌프
52 : 펌프 온도센서
60 : 급탕탱크
62 : 배관

Claims (5)

1개 이상의 단위 연료전지들로 이루어진 연료전지(10)와, 상기 연료전지(10)와 축열조(40)와 순환펌프(50)와 급탕탱크(60)의 동작을 제어하는 제어부(30)와, 상기 연료전지(10)에서 생산된 열원을 저장하고 상기 연료전지(10)에 냉각수를 공급하며 내부의 상부 및 하부에 온도센서(42, 44)를 구비하고 상부 디퓨저(46)와 하부 디퓨저(48)에 의해 온도성층을 유지시키는 축열조(40)와, 전단에 펌프 온도센서(52)가 구비되고 상기 축열조(40)와 상기 급탕탱크(60) 사이에서 열원을 이동시키는 순환펌프(50)와, 상기 축열조(40)의 열원을 공급받고 보일러로 급탕하는 급탕탱크(60)를 구비한 연료전지 시스템의 운전방법에 있어서,
상기 제어부(30)는 상기 축열조(40)의 상기 상부 온도센서(42) 값과 상기 펌프 온도센서(52) 값을 비교하여 상기 순환펌프(50)의 기동 여부를 제어하여 상기 연료전지(10)의 온도를 회수하여 상기 급탕탱크(60)로 제공하고, 보급수를 상기 축열조(40)의 하부로 공급시킨 이후 상기 연료전지(10)로 전달하도록 제어하는 제 1 단계(ST10)와;
상기 제어부(30)는 부하의 전력 사용량에 따라 1대 이상의 단위 연료전지들이 설치되는 건물의 용도, 상용전력의 전력단가, 계절별 단가, 시간대별 단가를 이용하여 실시간으로 발전전력 및 생산열원의 비용을 합한 금액을 산출하는 제 2 단계(ST20)와;
상기 제어부(30)는 상기 연료전지(10)가 생산하는데 필요한 연료의 소비비용과 상기 연료전지(10)의 출력비용(전력생산비용 + 열생산비용)을 비교하여, 상기 연료전지(10)의 발전량을 제어하여, 1대 이상의 연료전지를 작동시키는데 필요한 연료의 금액을 설치되는 건물의 용도, 계절별 단가, 시간대별 단가를 고려하여 실시간으로 비용을 산출하여 경제성이 발생하였을 경우 정격 출력으로 운전을 하며, 경제성이 발생하지 않는 경우에는 최소 운전 또는 정지를 할 수 있도록 제어하는 제 3 단계(ST30)와;
상기 제어부(30)는 상기 연료전지(10)의 단위 연료전지별로 시간대별 일간, 월간, 연간에 따른 누적발전량, 발전시간, 연료소비량, 경제적 이익금 데이터를 저장하여 예약운전 설정이 가능하도록 하는 제 4 단계(ST40);
를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 운전방법.
청구항 1에 있어서,
상기 제 1 단계(ST10)는,
상기 순환펌프(50)의 펌프 온도센서(52)의 온도값과 상기 축열조(40)의 상부 온도센서(42)의 온도값을 비교하는 단계(ST11)와; 비교결과 상기 펌프 온도센서(52)의 온도값이 상기 상부 온도센서(42)의 온도값보다 크거나 같으면 상기 순환펌프(50)의 기동을 정지시켜 상기 급탕탱크(60)에서 상기 축열조(40)의 온수 공급을 차단시키는 단계(ST12)와; 비교결과 상기 펌프 온도센서(52)의 온도값이 상기 상부 온도센서(42)의 온도값보다 작으면 상기 순환펌프(50)의 기동을 유지시켜 상기 급탕탱크(60)에서 상기 축열조(40)의 온수 공급을 유지시키는 단계(ST13);를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 운전방법.
청구항 1에 있어서,
상기 제 1 단계는,
상기 축열조(40)의 상부와 상기 급탕탱크(60)를 배관(62)으로 연결하여, 상기 상부 디퓨저(46)에 의해 온도성층이 유지된 상기 축열조(40)의 온수를 상기 배관(62)을 통해 상기 급탕탱크(60)로 이동시켜 상기 연료전지(10)에서 생산된 온수를 급탕수 및 난방수로 사용하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 운전방법.
청구항 1에 있어서,
상기 제 3 단계(ST30)는,
상기 연료전지(10)의 운전으로 생산된 생산비용(전력생산비용 + 열생산비용)과 상기 연료전지(10)가 생산하는데 필요한 연료의 소비비용을 비교하는 단계(ST31)와;
비교결과 생산비용이 소비비용 보다 크거나 같으면, 상기 연료전지(10) 중에서 최소 누적전력량의 연료전지부터 발전량을 증가시키는 단계(ST32)와;
비교결과 생산비용이 소비비용 보다 작으면, 상기 연료전지(10) 중에서 최대 누적전력량의 연료전지부터 발전량을 감소시키는 단계(ST33);
를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 운전방법.
청구항 1에 있어서,
상기 제 3 단계(ST30)는,
상기 축열조(40)의 상부 온도센서(42)에서 측정한 온도값과 상기 축열조(40)의 하부 온도센서(44)에서 측정한 온도값을 비교하는 단계(ST34)와;
비교결과 상기 축열조(40)의 상부 온도값이 하부 온도값보다 크거나 같으면, 상기 연료전지(10)의 기동 상태를 유지시키는 단계(ST35)와;
비교결과 상기 축열조(40)의 상부 온도값이 하부 온도값보다 작으면, 상기 연료전지(10)의 기동을 정지시키는 단계(ST36);
를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 운전방법.
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