KR101978374B1 - Fuel cell-engine hybrid power generation system with multi-stage reformer structure - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지(Fuel Cell)와 엔진(Engine)을 병용하여 발전을 행하는 분산발전용 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템에 관한 것으로, 본 발명에 따르면, 단일의 개질기만으로는 충분한 개질이 이루어지지 못하여 최적의 발전효율을 얻을 수 없는 데 더하여, 연료전지에서 발생한 배출가스(애노드 오프가스)의 온도와 엔진에 공급하기 위한 공급가스의 최적 온도에 차이가 있음으로 인해 남는 열이 버려지게 되는 문제가 있었던 종래기술의 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템들의 문제점을 해결하기 위해, 연료전지에 연료를 개질하여 공급하기 위한 연료 개질기를 다단 구조로 구성하여 적어도 2회 이상의 개질을 거치는 것에 의해 충분한 개질이 이루어지도록 하는 동시에, 연료전지에서 발생한 고온의 배출가스(애노드 오프가스)를 개질기와 엔진에 적절히 나누어 공급하도록 구성됨으로써, 발전효율의 개선과 함께 버려지는 열이 없이 효율적이고 안정된 동작을 유지할 수 있도록 구성되는 다단 개질기 구조를 가지는 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템이 제공된다. [0001] The present invention relates to a fuel cell-engine hybrid power generation system for distributed power generation in which power is generated by using a fuel cell (Fuel Cell) and an engine in combination. According to the present invention, There is a problem that the remaining heat is discarded due to the difference between the temperature of the exhaust gas (anode off gas) generated in the fuel cell and the optimum temperature of the supply gas for supplying to the engine In order to solve the problems of the fuel cell-engine hybrid power generation systems of the related art, a fuel reformer for reforming and supplying the fuel to the fuel cell is configured in a multi-stage structure, and the reforming is performed at least twice, , The high temperature exhaust gas (anode off gas) generated in the fuel cell is supplied to the reformer and the engine The fuel cell-engine hybrid power generation system having a multi-stage reformer structure that is configured to supply the power to the fuel cell and the fuel cell in an appropriate divided manner so as to maintain the efficient and stable operation without the heat that is discarded together with the improvement of the power generation efficiency.

Figure R1020160081801
Figure R1020160081801

Description

다단 개질기 구조를 가지는 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템{Fuel cell-engine hybrid power generation system with multi-stage reformer structure} TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a fuel cell-engine hybrid power generation system having a multi-stage reformer structure,

본 발명은 연료전지(Fuel Cell)와 엔진(Engine)을 병용하여 발전을 행하는 분산발전용 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템에 관한 것으로, 더 상세하게는, 단일의 개질기만으로는 충분한 개질이 이루어지지 못하여 최적의 발전효율을 얻을 수 없는 문제가 있었던 종래기술의 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템들의 문제점을 해결하기 위해, 연료전지에 연료를 개질하여 공급하기 위한 연료 개질기를 다단 구조로 구성하여 적어도 2회 이상의 개질을 거치도록 구성됨으로써, 충분한 개질이 이루어지는 것에 의해 발전효율이 개선될 수 있도록 구성되는 다단 개질기 구조를 가지는 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 for a distributed power generation in which a fuel cell (Fuel Cell) and an engine are used in combination, and more particularly, In order to solve the problems of the prior art fuel cell-engine hybrid power generation systems in which the power generation efficiency of the fuel cell can not be obtained, the fuel reformer for reforming and supplying the fuel to the fuel cell has a multi- To a fuel cell-engine hybrid power generation system having a multi-stage reformer structure configured to be capable of improving power generation efficiency by satisfactorily modifying the fuel cell-engine hybrid power generation system.

또한, 본 발명은, 연료전지에서 발생한 배출가스(애노드 오프가스)의 온도와 엔진에 공급하기 위한 공급가스의 최적 온도에 차이가 있음으로 인해 남는 열이 버려지게 되어 최적의 발전효율을 얻을 수 없는 문제가 있었던 종래기술의 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템들의 문제점을 해결하기 위해, 연료전지에 연료를 개질하여 공급하기 위한 연료 개질기를 다단 구조로 구성하여 적어도 2회 이상의 개질을 거치는 것에 의해 충분한 개질이 이루어지도록 하는 동시에, 연료전지에서 발생한 고온의 배출가스(애노드 오프가스)의 에너지를 개질기와 엔진에 적절히 나누어 공급함으로써, 발전효율의 개선과 함께 버려지는 열이 없이 효율적이고 안정된 동작을 유지할 수 있도록 구성되는 다단 개질기 구조를 가지는 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템에 관한 것이다. Further, the present invention differs from the present invention in that there is a difference between the temperature of the exhaust gas (anode off gas) generated in the fuel cell and the optimum temperature of the supply gas for supplying the engine, so that the remaining heat is discarded, In order to solve the problems of the prior art fuel cell-engine hybrid power generation systems in which there is a problem, a fuel reformer for reforming and supplying the fuel to the fuel cell has a multi-stage structure, (Anode off-gas) generated by the fuel cell is appropriately divided into a reformer and an engine so as to improve the power generation efficiency and maintain efficient and stable operation without discarded heat Fuel cell-engine hybrid power generation system having a multi-stage reformer structure Relate to.

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. In recent years, there has been an increasing demand for a more efficient power supply source capable of replacing existing energy due to the depletion of resources for fossil fuels such as petroleum, and the increasing demand for electric power due to the increasing industrialization and urbanization. A power generation system using a fuel cell has attracted attention.

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. These fuel cells mainly use hydrogen as a fuel, and there are two main methods of supplying hydrogen: direct use of hydrogen produced by electrolysis of water; and reforming of hydrocarbon-based fuel such as methanol, ethanol, and natural gas and the hydrogen produced by reforming is used.

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. That is, a power generation system using a fuel cell is a power generation system that converts the chemical reaction energy of hydrogen and oxygen directly into electrical energy. Depending on the type of the electrolyte used, a phosphoric acid fuel cell, a molten carbonate fuel cell, a solid oxide fuel cell , A polymer electrolyte type or an alkaline type fuel cell, and they are basically divided on the basis of the type of fuel used, the operating temperature, the catalyst, the electrolyte, and the like.

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. More particularly, a power generation system using a fuel cell generally includes a fuel supply device (such as a pump), a fuel reformer that reforms the fuel to generate hydrogen gas and supplies the generated hydrogen gas to the fuel cell When the fuel is supplied to the reformer by the fuel pump, the reformer reforms the fuel to generate hydrogen gas, and supplies the generated hydrogen to the fuel cell to electrochemically react the hydrogen gas and oxygen in the fuel cell Thereby generating electrical energy.

따라서 연료전지를 이용하면, 연료가 전기화학적으로 반응하여 전기를 생산하는 과정에서 열이 발생하게 되므로 총 효율을 80% 이상 높이는 고효율 열병합 발전이 가능하고, 발전용 연료의 절감이 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. Therefore, the use of a fuel cell can generate highly efficient cogeneration power that increases the total efficiency by more than 80% because heat is generated in the process of producing electricity by electrochemically reacting the fuel, In addition to being an eco-friendly power generation technology with a low emission of CO2 compared to coal-fired power generation and low noise pollution, it is possible to shorten the construction period by modularization, increase / decrease facility capacity, and to easily select a location.

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 진행 중에 있다. In addition, a fuel cell-based power generation system can be installed in an urban area or a building to provide an economical energy, and can use various fuels such as natural gas, city gas, methanol, and waste gas, And can be widely applied to power plants for distributed power sources, cogeneration power plants, pollution-free vehicle power sources, etc. In recent years, in addition to power generation by a fuel cell alone, power generation is performed in parallel with other means such as an engine, So-called hybrid power generation system is under study.

더 상세하게는, 상기한 바와 같은 연료전지를 이용한 하이브리드 발전시스템에 대한 종래기술의 예로는, 예를 들면, 한국 등록특허공보 제10-1553106호에 따르면, 연료전지와 엔진을 포함하는 하이브리드 연료전지 시스템의 운전방법에 있어서, 운전초기에 하이브리드 연료전지 시스템을 예열운전모드로 변경하고, 엔진에 연료와 산화제를 공급하여 엔진에서 연소를 거쳐 나온 배기가스를 연료전지의 캐소드에 공급하여 연료전지를 예열시키는 단계; 연료전지의 작동 온도를 확인하는 단계; 및 연료전지의 작동 온도에 도달된 경우에는 하이브리드 연료전지 시스템을 통합운전모드로 변경하고, 연료전지의 애노드에 연료가 유입되고 애노드에서 반응을 한 후 배출되는 애노드 오프가스가 엔진으로 공급되도록 연료의 공급방향을 엔진에서 연료전지의 애노드 측으로 변경하여 운전하는 단계를 포함하는 운전방법이 제시된 바 있다. More specifically, as an example of the conventional technology for a hybrid power generation system using the fuel cell as described above, for example, Korean Patent Registration No. 10-1553106 discloses a hybrid fuel cell including a fuel cell and an engine, In the operation method of the system, the hybrid fuel cell system is changed to the preheating operation mode at the beginning of the operation, the fuel and the oxidant are supplied to the engine, and the exhaust gas that has been burned by the engine is supplied to the cathode of the fuel cell, ; Confirming an operating temperature of the fuel cell; And when the operating temperature of the fuel cell is reached, the hybrid fuel cell system is changed to the integrated operation mode, and the anode off-gas discharged after the fuel flows into the anode of the fuel cell, And changing the supply direction from the engine to the anode side of the fuel cell and operating the fuel cell.

또한, 상기한 바와 같은 연료전지를 이용한 하이브리드 발전시스템에 대한 종래기술의 다른 예로는, 예를 들면, 한국 등록특허공보 제10-1440191호에 따르면, 고온의 공기 및 산소를 공급하는 캐소드와, 산소이온 또는 탄산이온이 수소와 반응하여 전기를 생성하고 애노드 오프 가스를 배출하는 애노드를 포함하는 연료전지; 연료전지의 애노드에 수소를 공급하는 개질기; 연료전지의 애노드 오프 가스와 공기를 혼합시키는 혼합기; 혼합기로부터 애노드 오프가스와 공기의 혼합기체를 공급받는 압축기와, 압축기와 동일축으로 연결된 터빈을 포함하는 터보 과급기; 및 압축기로부터 혼합기체를 공급받아 동력을 발생시키고 배출가스를 터빈에 공급하는 엔진부를 포함하는 고효율 연료전지 하이브리드 시스템이 제시된 바 있다. Another example of the prior art for a hybrid power generation system using the fuel cell as described above is disclosed in Korean Patent Publication No. 10-1440191, for example, in which a cathode for supplying high temperature air and oxygen, A fuel cell including an anode in which ions or carbonate ions react with hydrogen to generate electricity and discharge an anode off gas; A reformer for supplying hydrogen to the anode of the fuel cell; A mixer for mixing the anode off gas of the fuel cell and the air; A turbocharger including a compressor supplied with a mixed gas of anode off gas and air from the mixer, and a turbine connected to the compressor coaxially; And an engine unit that receives the mixed gas from the compressor and generates power and supplies the exhaust gas to the turbine.

아울러, 상기한 바와 같은 연료전지를 이용한 하이브리드 발전시스템에 대한 종래기술의 또 다른 예로는, 예를 들면, 한국 등록특허공보 제10-1358095호에 따르면, 산소와 이산화탄소가 분리 공급되어 반응해서 탄산이온이 발생되는 음극부와, 수소와 음극부로부터 공급받은 탄산이온이 반응해서 물과 이산화탄소가 포함된 배출가스와 전기가 발생되는 양극부로 구성된 전기발생부; 양극부와 연통되어 유입되는 배출가스를 냉각시키는 냉각부; 냉각부를 지나면서 냉각된 배출가스를 공급받아 동력을 발생시키는 HCCI 엔진; HCCI 엔진에 산소 공급을 가능하게 하는 공기분리부재; HCCI 엔진에서 배출되는 이산화탄소를 음극부로 공급하기 위하여 엔진 배기가스내 이산화탄소를 제외한 유해가스를 분리하는 분리장치가 구비되는 재순환부; 및 냉각부에서 전달되는 배출가스와 외부로부터 공급되는 공기를 혼합하여 HCCI 엔진으로 공급하는 혼합부를 포함하여, 별도의 추가 연료공급 없이 HCCI 엔진을 가동시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 시스템이 제시된 바 있다. According to Korean Patent Registration No. 10-1358095, oxygen and carbon dioxide are separately supplied and reacted to form carbonic acid ions. In this case, An electricity generating unit composed of a cathode portion in which hydrogen and carbon dioxide supplied from the cathode portion react with each other to generate an exhaust gas containing water and carbon dioxide and a cathode portion in which electricity is generated; A cooling portion communicating with the anode portion to cool the exhaust gas flowing therein; An HCCI engine that receives the cooled exhaust gas and generates power through the cooling section; An air separation member that enables oxygen supply to the HCCI engine; A recirculation unit having a separator for separating noxious gas except for carbon dioxide in the engine exhaust gas to supply carbon dioxide discharged from the HCCI engine to the cathode unit; And a mixing unit for mixing the exhaust gas delivered from the cooling unit and the air supplied from the outside and supplying the mixed gas to the HCCI engine, wherein the HCCI engine is operated without supplying any additional fuel .

더욱이, 상기한 바와 같은 연료전지를 이용한 하이브리드 발전시스템에 대한 종래기술의 또 다른 예로는, 예를 들면, 한국 등록특허공보 제10-1115333호에 따르면, 산소와 이산화탄소가 반응해서 탄산이온이 발생되는 음극부(Cathode)와, 수소와 상기 음극부로부터 공급받은 탄산이온이 반응해서 물과 이산화탄소가 포함된 배출가스와 전기가 발생되는 양극부(Anode)로 구성된 전기발생부; 배출가스를 공급받아서 동력을 발생시키는 엔진부; 유입되는 외기를 산소와 질소로 분리하는 공기분리부를 포함하며, 상기 공기분리부에서 발생하는 산소는 상기 엔진부로 공급되고, 상기 엔진부에는 점화 이전에 상기 배출가스와 상기 산소를 혼합시키는 예혼합부재가 구비되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템이 제시된 바 있다. Further, according to another example of the prior art for a hybrid power generation system using the fuel cell as described above, for example, Korean Patent Registration No. 10-1115333 discloses a fuel cell system in which oxygen and carbon dioxide react to generate carbonate ions An electricity generating unit composed of a cathode, an anode through which hydrogen and carbon dioxide supplied from the cathode react with each other to generate an exhaust gas containing water and carbon dioxide, and an anode; An engine unit for generating power by receiving exhaust gas; And an air separation unit for separating the incoming outside air into oxygen and nitrogen, wherein oxygen generated in the air separation unit is supplied to the engine unit, and the engine unit is provided with a premixing member The fuel cell system according to the present invention is characterized in that a fuel cell system is provided.

또한, 상기한 바와 같은 연료전지를 이용한 하이브리드 발전시스템에 대한 종래기술의 또 다른 예로는, 예를 들면, 한국 등록특허공보 제10-1067509호에 따르면, 연료전지 시스템에서 발생되는 배기가스를 공급받아 증기를 배출하는 열교환기; 열교환기에서 배출된 증기를 순산소연소를 통해 재가열하는 순산소연소기; 순산소연소기에 인접하게 배치되는 개질기; 및 열교환기로부터 배출된 증기를 개질기를 통과시켜 증기를 과열시켜 순산소연소기로 공급하는 바이패스라인을 포함하는 순산소연소를 이용한 연료전지 연계형 발전플랜트가 제시된 바 있다. Further, according to another example of the prior art for a hybrid power generation system using the fuel cell as described above, for example, in Korean Patent Registration No. 10-1067509, exhaust gas generated in a fuel cell system is supplied A heat exchanger for discharging steam; A pure oxygen combustor for reheating steam discharged from the heat exchanger through pure oxygen combustion; A reformer disposed adjacent to the oxyfuel combustor; And a bypass line for passing the steam discharged from the heat exchanger through a reformer to overheat the steam and supplying the steam to the pure oxy-fuel combustor.

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. As described above, various technologies related to a hybrid power generation system using a fuel cell have been proposed. However, the conventional power generation systems using fuel cells as described above have the following problems.

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. That is, in general, a power generation system using a fuel cell is constituted by a heat circulation structure for supplying heat generated from the fuel cell back to a reformer, a heat exchanger, etc. For example, in the case of a hybrid system using an engine together with a fuel cell The fuel and high temperature gas used in the fuel cell are supplied to the engine to generate electricity, and the high temperature combustible gas discharged from the engine is supplied to the reformer and the heat exchanger to supply the heat required for the reforming.

이때, 전체적인 시스템이 정상적으로 동작하기 위하여는 연료전지의 동작조건과 엔진의 연소조건이 서로 적절한 상태를 유지하여야 하나, 종래기술의 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템들은, 이와 같은 연료전지와 엔진의 동작상태의 변화에 따라 서로 다른 동작조건을 항상 일정하게 유지하는 것이 어려운 문제가 있고, 그로 인해, 전체적인 시스템의 효율이 떨어지게 되는 문제가 있었다. In this case, in order for the entire system to operate normally, the operating conditions of the fuel cell and the combustion conditions of the engine must be maintained in a proper state with each other. However, the conventional fuel cell- There is a problem in that it is difficult to keep different operating conditions constantly according to the change of the operating conditions.

즉, 예를 들면, 개질기에 의한 연료 개질이 충분히 이루어지지 못하면 연료전지에 연료공급이 원활하지 못하게 되어 발전효율이 떨어지게 되나, 종래의 시스템들은 단일의 개질기만을 구비함으로 인해 개질기에서의 충분한 연료 개질이 이루어지지 못하는 경우가 대부분이었다. That is, for example, if the reforming of the fuel by the reformer is not sufficiently performed, the fuel supply to the fuel cell is not smooth and the power generation efficiency is lowered. However, since conventional systems have only a single reformer, Most of them were not done.

더욱이, 연료전지에서 발생한 배출가스(애노드 오프가스)는 대략 700℃ ~ 800℃의 고온이나, 일반적으로, 엔진의 운전에 필요한 열은 300℃ ~ 400℃ 정도이므로, 이러한 온도 차이로 인해, 종래기술의 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템들은 별도의 냉각수단이나 열교환기와 같은 추가적인 구성이 필요하여 그 구성이 복잡해지고, 남는 열이 버려지게 되어 시스템의 전체적인 효율이 저하되는 문제도 있었다. Furthermore, since the exhaust gas (anode off gas) generated in the fuel cell is at a high temperature of approximately 700 ° C to 800 ° C, and the heat required for the operation of the engine is generally about 300 ° C to 400 ° C, Fuel cell-engine hybrid power generation systems require additional components such as a separate cooling means and a heat exchanger, which complicates the construction and discards the remaining heat, thereby deteriorating the overall efficiency of the system.

따라서 상기한 바와 같이, 문제가 있었던 종래기술의 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템들의 문제점을 해결하기 위하여는, 연료전지에 연료를 개질하여 공급하기 위한 연료 개질기를 다단으로 구성하여 충분한 개질이 이루어지도록 하는 것에 의해 발전효율을 개선하는 동시에, 연료전지에서 발생한 애노드 오프가스의 열에너지가 버려지지 않고 효율적으로 사용될 수 있도록 구성되는 새로운 구조의 다단 개질기 구조를 가지는 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템을 제시하는 것이 바람직하나, 아직까지 그러한 요구를 모두 만족시키는 장치나 방법은 제공되지 못하고 있는 실정이다. Therefore, in order to solve the problems of the prior art fuel cell-engine hybrid power generation systems which have a problem as described above, it is necessary to construct a fuel reformer for reforming and supplying the fuel to the fuel cell in a multi- It is desirable to propose a fuel cell-engine hybrid power generation system having a multi-stage reformer structure of a new structure which is constructed so as to improve the power generation efficiency and efficiently use the thermal energy of the anode off gas generated in the fuel cell , Yet, devices and methods that satisfy all such requirements have not yet been provided.

[선행기술문헌] [Prior Art Literature]

1. 한국 등록특허공보 제10-1553106호 (2015.09.08.) 1. Korean Registered Patent No. 10-1553106 (Aug. 2015.)

2. 한국 등록특허공보 제10-1440191호 (2014.09.03.) 2. Korean Patent Registration No. 10-1440191 (Feb.

3. 한국 등록특허공보 제10-1358095호 (2014.01.27.) 3. Korean Patent Registration No. 10-1358095 (Apr. 21, 2014).

4. 한국 등록특허공보 제10-1115333호 (2012.02.06.) 4. Korean Patent Registration No. 10-1115333 (Feb. 26, 2012)

5. 한국 등록특허공보 제10-1067509호 (2011.09.19.) 5. Korean Patent Registration No. 10-1067509 (September 19, 2011)

본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 하는 것으로, 따라서 본 발명의 목적은, 단일의 개질기만으로는 충분한 개질이 이루어지지 못하여 최적의 발전효율을 얻을 수 없는 문제가 있었던 종래기술의 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템들의 문제점을 해결하기 위해, 연료전지에 연료를 개질하여 공급하기 위한 연료 개질기를 다단 구조로 구성하여 적어도 2회 이상의 개질을 거치도록 구성됨으로써, 충분한 개질이 이루어지는 것에 의해 발전효율이 개선될 수 있도록 구성되는 다단 개질기 구조를 가지는 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템을 제공하고자 하는 것이다. SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to solve the problems of the prior art as described above, and it is an object of the present invention to provide a fuel cell of the prior art which has a problem that optimum reforming efficiency can not be obtained, In order to solve the problems of the engine hybrid power generation systems, the fuel reformer for reforming and supplying the fuel to the fuel cell is configured to have a multi-stage structure so as to undergo at least two reforming processes, The present invention provides a fuel cell-engine hybrid power generation system having a multi-stage reformer structure configured to be improved.

또한, 본 발명의 다른 목적은, 연료전지에서 발생한 배출가스(애노드 오프가스)의 온도와 엔진에 공급하기 위한 공급가스의 최적 온도에 차이가 있음으로 인해 남는 열이 버려지게 되어 최적의 발전효율을 얻을 수 없는 문제가 있었던 종래기술의 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템들의 문제점을 해결하기 위해, 연료전지에 연료를 개질하여 공급하기 위한 연료 개질기를 다단 구조로 구성하여 적어도 2회 이상의 개질을 거치는 것에 의해 충분한 개질이 이루어지도록 하는 동시에, 연료전지에서 발생한 고온의 배출가스(애노드 오프가스)의 에너지를 개질기와 엔진에 적절히 나누어 공급함으로써, 발전효율의 개선과 함께 버려지는 열이 없이 효율적이고 안정된 동작을 유지할 수 있도록 구성되는 다단 개질기 구조를 가지는 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템을 제공하고자 하는 것이다. Another object of the present invention is to provide a fuel cell in which the difference between the temperature of the exhaust gas (anode off gas) generated in the fuel cell and the optimum temperature of the supply gas for supplying the engine is discarded, In order to solve the problem of the prior art fuel cell-engine hybrid power generation systems in which there is a problem that can not be attained, a fuel reformer for reforming and supplying fuel to the fuel cell is configured in a multi- (Anode off-gas) generated by the fuel cell is appropriately divided into the reformer and the engine so that the efficiency of the power generation is improved and the efficient and stable operation is maintained without the heat being thrown away A fuel cell-engine hybrid having a multi-stage reformer structure And to provide a power generation system.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따르면, 다단 개질기 구조를 가지는 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템에 있어서, 적어도 하나의 연료전지 셀을 포함하여 이루어지는 연료전지부; 연료를 개질하여 상기 연료전지부의 각각의 연료전지의 운전에 요구되는 수소를 공급하기 위한 적어도 2개 이상의 개질기(Reformer)를 포함하여 이루어지는 연료개질부; 및 상기 연료전지부에서 발생된 배기가스를 연소시켜 추가적인 전기를 생산하기 위한 적어도 하나의 엔진을 포함하여 이루어지는 엔진부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 다단 개질기 구조를 가지는 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템이 제공된다. In order to achieve the above object, according to the present invention, there is provided a fuel cell-engine hybrid power generation system having a multi-stage reformer structure, comprising: a fuel cell unit including at least one fuel cell; A fuel reforming unit comprising at least two reformers for reforming the fuel to supply hydrogen required for operation of each fuel cell of the fuel cell unit; And an engine unit including at least one engine for generating additional electricity by burning exhaust gas generated from the fuel cell unit. The fuel cell-engine hybrid power generation system having the multi-stage reformer structure, / RTI >

여기서, 상기 시스템은, 연료를 저장하기 위한 연료탱크; 상기 연료탱크에 저장된 연료를 공급하기 위한 연료펌프; 공기를 공급하기 위한 급기수단; 냉각수를 공급하기 위한 냉각수 공급수단; 열순환을 위한 복수의 열교환기; 상기 연료전지부에서 발생된 배기가스를 냉각하거나 또는 상기 배기가스에서 물과 가스를 분리하여 상기 엔진부에 공급하기 위한 가스냉각기; 및 상기 연료전지부에서 발생된 직류를 교류로 전환하기 위한 인버터(inverter)를 포함하는 전력변환수단을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다. Here, the system includes: a fuel tank for storing fuel; A fuel pump for supplying the fuel stored in the fuel tank; An air supply means for supplying air; Cooling water supply means for supplying cooling water; A plurality of heat exchangers for thermocycling; A gas cooler for cooling the exhaust gas generated from the fuel cell unit or for separating water and gas from the exhaust gas and supplying the water and gas to the engine unit; And an inverter for converting the direct current generated from the fuel cell unit into an alternating current (AC).

또한, 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. Also, the fuel cell unit may be configured using a high temperature fuel cell including a molten carbonate fuel cell (MCFC) or a solid oxide fuel cell (SOFC).

아울러, 상기 엔진부는, HCCI(Homogeneous Charge Compression Ignition) 엔진을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다. In addition, the engine unit may include a homogeneous charge compression ignition (HCCI) engine.

더욱이, 상기 개질기는, LNG, LPG, 메탄, 메탄올을 포함하는 탄화수소 계열의 연료나, 석탄가스를 포함하는 수소를 일부 함유한 합성가스를 연료전지의 운전에 요구되는 다량의 수소를 포함하는 가스로 변환하여 상기 연료전지의 양극부(Anode)에 수소를 공급하도록 구성되는 것을 특징으로 한다. Furthermore, the reformer may be a reformer that converts a hydrocarbon-based fuel including LNG, LPG, methane, and methanol or a synthesis gas containing a part of hydrogen containing coal gas into a gas containing a large amount of hydrogen required for operation of the fuel cell And to supply hydrogen to the anode of the fuel cell.

또한, 상기 연료개질부는, 상기 연료탱크 및 상기 연료펌프를 통하여 공급되는 연료를 개질하는 제 1 개질부; 및 상기 제 1 개질부에 의해 개질된 연료를 재차 개질하는 제 2 개질부를 포함하여, 각각의 개질부가 서로 직렬로 연결되도록 구성되는 것을 특징으로 한다. The fuel reforming unit may further include: a first reforming unit reforming the fuel supplied through the fuel tank and the fuel pump; And a second reforming unit for reforming the fuel reformed by the first reforming unit, wherein the reforming units are connected in series with each other.

아울러, 상기 시스템은, 연료가 상기 제 1 개질부에 공급되어 1차 개질이 수행된 후 상기 제 2 개질부에 공급되어 2차 개질이 수행되어, 상기 제 1 개질부 및 상기 제 2 개질부에 의해 2차례 개질이 수행된 연료가 상기 연료전지부에 공급되어 발전이 이루어지도록 구성됨으로써, 단일의 개질기만을 구비하는 기존의 시스템들에 비해 더욱 충분한 연료 개질이 이루어지는 것에 의해 연료전지의 발전효율을 향상시킬 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 한다. In addition, in the system, the fuel is supplied to the first reforming section and subjected to the first reforming and then the second reforming section is subjected to the second reforming, so that the first reforming section and the second reforming section The reformed fuel is supplied to the fuel cell unit so that the power generation is performed. Therefore, the fuel reforming efficiency can be improved by performing more sufficient fuel reforming than existing systems having only a single reformer So as to be able to perform the operation.

더욱이, 상기 시스템은, 상기 제 1 개질부 및 상기 제 2 개질부에 의해 2차례 개질이 수행된 연료가 상기 연료전지부에 공급되어 발전이 이루어진 후, 상기 연료전지부로부터 배출된 애노드 오프가스의 일부 또는 전부가 상기 제 2 개질부에 공급되어 개질에 필요한 열을 공급한 후 상기 엔진부에 직접 또는 상기 가스냉각기를 거쳐 공급되며, 상기 엔진부에 의해 추가적인 발전이 수행된 후 배출된 배출가스의 일부 또는 전부가 열교환기를 통해 상기 제 1 개질부로 공급도록 구성됨으로써, 상기 애노드 오프가스를 엔진에 공급하기 위한 냉각수단을 포함하는 별도의 추가적인 구성을 구비할 필요가 없게 되어 전체적인 구성을 간략화할 수 있는데 더하여, 상기 연료전지부에서 발생된 상기 애노드 오프가스의 열에너지가 버려지지 않고 효율적으로 열에너지의 순환이 이루어지는 것에 의해 전체적인 효율을 높이고, 제조 및 운영 비용을 절감할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 한다. Further, the system may further include a fuel reforming unit that reforms the anode off-gas discharged from the fuel cell unit after the fuel, which has been reformed twice by the first reforming unit and the second reforming unit, Some or all of which is supplied to the second reforming section to supply heat required for reforming and then supplied to the engine section directly or through the gas cooler, and further power generation is performed by the engine section, It is not necessary to provide a separate additional structure including a cooling means for supplying the anode off-gas to the engine, so that the whole structure can be simplified In addition, the thermal energy of the anode off-gas generated in the fuel cell unit is not discarded, By this the circulation formed to increase the overall efficiency, and being configured to reduce the manufacturing and operating costs.

또한, 상기 연료개질부는, 적어도 3개 이상의 복수의 개질기가 직렬로 연결되어 구성되는 것을 특징으로 한다. Further, the fuel reforming unit is characterized in that at least three or more reformers are connected in series.

아울러, 본 발명에 따르면, 상기에 기재된 다단 개질기 구조를 가지는 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템을 이용하여 발전을 행하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템을 이용한 발전방법이 제공된다. According to the present invention, there is also provided a power generation method using a fuel cell-engine hybrid power generation system, which is configured to perform power generation using a fuel cell-engine hybrid power generation system having the multi-stage reformer structure described above.

더욱이, 본 발명에 따르면, 상기에 기재된 다단 개질기 구조를 가지는 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템을 적어도 2 이상 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 발전플랜트가 제공된다. Further, according to the present invention, there is provided a power generation plant comprising at least two or more fuel cell-engine hybrid power generation systems having the multi-stage reformer structure described above.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 연료전지(Fuel Cell)와 엔진(Engine)을 병용하여 발전을 행하는 분산발전용 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템에 있어서, 연료전지에 연료를 개질하여 공급하기 위한 연료 개질기를 다단 구조로 구성하여 적어도 2회 이상의 개질을 거치는 것에 의해 충분한 개질이 이루어져 발전효율이 개선될 수 있도록 구성되는 다단 개질기 구조를 가지는 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템이 제공됨으로써, 단일의 개질기만으로는 충분한 개질이 이루어지지 못하여 최적의 발전효율을 얻을 수 없는 문제가 있었던 종래기술의 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템들의 문제점을 해결할 수 있다. As described above, according to the present invention, there is provided a fuel cell-engine hybrid power generation system for distributed generation that performs power generation by using a fuel cell and an engine in combination, The present invention provides a fuel cell-engine hybrid electric power generation system having a multi-stage reformer structure that is configured to have a multi-stage structure of a fuel reformer and to improve the power generation efficiency by performing sufficient modification at least twice by modifying the fuel reformer. It is possible to solve the problems of the prior art fuel cell-engine hybrid power generation systems in which sufficient reforming can not be performed and optimum generation efficiency can not be obtained.

또한, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 연료전지에 연료를 개질하여 공급하기 위한 연료 개질기를 다단 구조로 구성하여 적어도 2회 이상의 개질을 거치는 것에 의해 충분한 개질이 이루어지도록 구성되는 동시에, 연료전지에서 발생한 고온의 배출가스(애노드 오프가스)를 개질기와 엔진에 적절히 나누어 공급하는 것에 의해 발전효율의 개선과 함께 버려지는 열이 없이 효율적이고 안정된 동작을 유지할 수 있도록 구성되는 다단 개질기 구조를 가지는 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템이 제공됨으로써, 연료전지에서 발생한 배출가스(애노드 오프가스)의 온도와 엔진에 공급하기 위한 공급가스의 최적 온도에 차이가 있음으로 인해 남는 열이 버려지게 되어 최적의 발전효율을 얻을 수 없는 문제가 있었던 종래기술의 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템들의 문제점을 해결할 수 있다. Further, according to the present invention, as described above, the fuel reformer for reforming and supplying the fuel to the fuel cell is configured to have a multi-stage structure so that the reforming is performed at least twice, A fuel cell having a multi-stage reformer structure configured to be able to maintain an efficient and stable operation without heat being discarded with improvement in power generation efficiency by appropriately dividing the generated high temperature exhaust gas (anode off gas) into a reformer and an engine, Since the engine hybrid power generation system is provided, there is a difference between the temperature of the exhaust gas (anode off gas) generated in the fuel cell and the optimum temperature of the supply gas for supplying the engine, so that the remaining heat is discarded, The prior art fuel cell-engine hybrid The problems of the power generation systems can be solved.

도 1은 종래기술의 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 종래기술의 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 다단 개질기 구조를 가지는 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 다단 개질기 구조를 가지는 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a schematic view showing a general configuration of a conventional fuel cell-engine hybrid power generation system; FIG.
2 is a schematic view showing the overall configuration of a conventional fuel cell-engine hybrid power generation system.
3 is a diagram schematically showing the overall configuration of a fuel cell-engine hybrid power generation system having a multi-stage reformer structure according to an embodiment of the present invention.
4 is a diagram schematically showing the overall configuration of a fuel cell-engine hybrid power generation system having a multi-stage reformer structure according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 다단 개질기 구조를 가지는 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템의 구체적인 실시예에 대하여 설명한다. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, referring to the accompanying drawings, a fuel cell-engine hybrid power generation system having a multi-stage reformer structure according to the present invention will be described.

여기서, 이하에 설명하는 내용은 본 발명을 실시하기 위한 하나의 실시예일 뿐이며, 본 발명은 이하에 설명하는 실시예의 내용으로만 한정되는 것은 아니라는 사실에 유념해야 한다. Hereinafter, it is to be noted that the following description is only an embodiment for carrying out the present invention, and the present invention is not limited to the contents of the embodiments described below.

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. In the following description of the embodiments of the present invention, parts that are the same as or similar to those of the prior art, or which can be easily understood and practiced by a person skilled in the art, It is important to bear in mind that we omit.

계속해서, 도면을 참조하여, 상기한 바와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 다단 개질기 구조를 가지는 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템의 구체적인 내용에 대하여 설명한다. Next, the fuel cell-engine hybrid power generation system having the multi-stage reformer structure according to the embodiment of the present invention constructed as described above will be described in detail with reference to the drawings.

먼저, 도 1 및 도 2를 참조하면, 도 1 및 도 2는 각각 종래의 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다. 1 and FIG. 2 are diagrams schematically showing the overall configuration of a conventional fuel cell-engine hybrid power generation system, respectively.

도 1 및 도 2에 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. As shown in FIGS. 1 and 2, a conventional fuel cell-engine hybrid power generation system 10 generally includes a fuel cell unit 11 including at least one fuel cell, A fuel reforming unit 12 including a reformer for reforming and supplying fuel to the fuel cell unit 11 and an engine for burning exhaust gas generated from the fuel cell unit 11 to produce additional electricity And an engine unit 13 including the engine.

또한, 종래의 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템(10)은, 도 1 및 도 2에 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 배기가스를 냉각시키거나 또는 배기가스에서 물과 가스를 분리하여 엔진부(13)에 공급하기 위한 가스냉각기 및 연료전지부(11)에서 발생된 직류를 교류로 전환하기 위한 인버터(inverter)와 같은 전력변환수단 등을 더 포함하여 구성될 수 있다. 1 and 2, a conventional fuel cell-engine hybrid power generation system 10 includes a fuel tank and a fuel pump for supplying fuel, an air supply means for supplying air, Cooling water supply means, a plurality of heat exchangers for overall thermal circulation in the system, a cooling system for cooling the exhaust gas generated in the fuel cell unit 11 or for separating water and gas from the exhaust gas and supplying them to the engine unit 13 A gas cooler, and a power conversion means such as an inverter for converting the direct current generated in the fuel cell unit 11 into an alternating current.

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. More specifically, the fuel cell provided in the fuel cell unit 11 includes a cathode portion in which oxygen molecules are decomposed into oxygen ions (O 2 -) and electrons, and a cathode portion in which hydrogen molecules and oxygen ions And an anode where electricity is generated by generating water and reacting to produce electricity by supplying fuel and air from the outside.

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. That is, the fuel cell installed in the fuel cell unit 11 may be a high temperature fuel such as a solid oxide fuel cell (SOFC), a molten carbonate fuel cell (MCFC) A battery can be used.

아울러, 이에 더하여, 상기한 연료전지부(11)는, 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 연료전지 자체에서 연료를 개질하는 내부개질(internal reforming) 수단을 더 포함하여 구성될 수도 있다. In addition, in addition to the above, the fuel cell unit 11 may further include internal reforming means for reforming the fuel in the fuel cell itself, as shown in FIGS. 1 and 2.

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. Furthermore, the fuel reforming unit 12 described above can supply hydrogen (LNG, LPG, methane, methanol or the like) or a synthesis gas (coal gas or the like) containing a part of hydrogen to a large amount of hydrogen And to supply hydrogen to the anode of the fuel cell.

여기서, 상기한 연료개질부(12)에 설치되는 개질기는, 일반적으로, 예열시간이 오래 걸리나 효율이 좋은 장점으로 인해 SR(Steam Reforming) 개질기가 많이 사용된다. Here, the reformer installed in the fuel reforming unit 12 generally takes a long time to warm up, but has a high efficiency. Therefore, a steam reforming (SR) reformer is often used.

계속해서, 상기한 엔진부(12)에 설치되는 엔진으로는, 예를 들면, 디젤엔진, 가솔린 엔진, 또는, HCCI(Homogeneous Charge Compression Ignition) 엔진 등이 사용될 수 있다. Subsequently, a diesel engine, a gasoline engine, a homogeneous charge compression ignition (HCCI) engine, or the like may be used as the engine installed in the engine unit 12 described above.

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. More specifically, at the anode of the fuel cell unit 11, an exhaust gas containing water and carbon dioxide is supplied through an electrochemical oxidation reaction with hydrogen supplied from a reformer and oxygen ions supplied from a cathode part, Gas and electricity are generated, and there are the following problems on the assumption that a diesel engine is used, for example, in order to use such exhaust gas for combustion.

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. That is, in general, a diesel engine injects a liquid fuel at a high pressure of about 20: 1 to induce an explosion. This is because diesel fuel including light oil causes self-explosion at a temperature of 400 to 500 ° C., The combustion rate of the fuel is increased and the fuel efficiency is improved. However, in the case of the power generation system using the fuel cell, the concentration of the exhaust gas discharged from the anode is higher than that of the liquid fuel used in the diesel engine Concentration, and furthermore, it is not easy to compress and discharge the exhaust gas in a gaseous state at a high pressure because energy consumption is large.

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. Considering the case of using a gasoline engine in order to avoid the problems of the above-described diesel engine, for example, in the case of a gasoline engine in which an ignition device explodes by sparking an air- Since the ignition is difficult with only the fuel gas discharged from the fuel cell having a low carbon monoxide ratio, there is a disadvantage that the additional fuel must be supplied. Thus, the addition of the additional fuel means a decrease in efficiency of the entire system.

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. However, when the HCCI engine is used in the engine section 12 as described above, the HCCI engine is an engine having only the advantages of a gasoline engine and a diesel engine. Even if the ratio of hydrogen to carbon monoxide is low, Since the ratio of hydrogen to carbon monoxide is low, the combustion temperature is lowered and the generation of nitrogen oxides can be prevented.

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. Therefore, the operation of the fuel cell-engine hybrid electric power generation system configured as described above is such that when the fuel and air modified through the fuel reforming unit 12 are supplied to the fuel cell unit 11, Electricity is produced by the electrochemical reaction of the cell.

또한, 이와 함께, 연료전지부(11)의 양극부(Anode)에서 발생되는 배출가스가 가스냉각기를 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. In addition, at the same time, the exhaust gas generated from the anode of the fuel cell unit 11 is removed through the gas cooler, a part of the water component is removed, or the entire water component is separated from the gas, The generator is operated by using the explosion force generated when the mixed gas of the anode off gas supplied to the engine section 13 and the air supplied from the outside is ignited in the engine section 13, In addition, additional electricity can be produced.

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. In addition, the heat of the exhaust gas generated by the engine 13 is directly supplied to the fuel reforming unit 12, and the remaining heat that has passed through the reformer is used for heating or hot water through the heat exchanger, The heat of the exhaust gas discharged from the engine unit 13 can be recycled and the efficiency of the entire system can be improved.

여기서, 도 1 및 도 2에 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. Here, more specific configurations and operations of the fuel cell-engine hybrid power generation system 10 as shown in Figs. 1 and 2 are obvious to those skilled in the art with reference to the literature of the prior art, and therefore, It should be noted that the detailed description of the same or similar parts to those of the prior art is omitted.

상기한 바와 같이, 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이 구성되는 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템(10)을 이용하면, 연료전지와 엔진의 2중 구성으로 전체적인 발전량 및 효율을 높일 수 있으나, 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같은 종래의 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템(10)은, 연료전지에서 발생하는 연료와 열을 엔진으로 공급하여 발전을 행함으로 인해 개질기로 유입되는 열에 변동이 발생하게 되고, 그로 인해 전체적인 시스템의 동작조건이 변화하게 된다. As described above, when the fuel cell-engine hybrid power generation system 10 configured as shown in Figs. 1 and 2 is used, the overall power generation efficiency and the efficiency can be increased by the dual structure of the fuel cell and the engine, And the conventional fuel cell-engine hybrid power generation system 10 as shown in FIG. 2, fluctuate heat generated by supplying fuel and heat generated in the fuel cell to the engine, Thereby changing the operating conditions of the overall system.

즉, 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같은 종래의 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템(10)은, 개질기로 유입되는 열에 변동이 발생하여 개질기에 의한 연료 개질이 충분히 이루어지지 못하게 되면 결과적으로 연료전지에 연료공급이 원활하지 못하게 되어 연료전지의 발전효율이 떨어지게 되며, 시스템의 동작 중에 연료전지의 동작상태가 변화되면 연료전지로부터 배출되는 애노드 오프가스의 조성이 변화하여 엔진의 동작에 영향을 미치게 되므로, 엔진의 연소상태도 불안정하게 되어 결과적으로 전체적인 시스템의 발전효율이 떨어지게 된다. That is, in the conventional fuel cell-engine hybrid power generation system 10 as shown in FIGS. 1 and 2, if the heat introduced into the reformer fluctuates and fuel reforming by the reformer can not be sufficiently performed, The power generation efficiency of the fuel cell is deteriorated because the fuel supply is not smooth. When the operation state of the fuel cell is changed during the operation of the system, the composition of the anode off gas discharged from the fuel cell changes and affects the operation of the engine. The combustion state of the engine also becomes unstable, and as a result, the power generation efficiency of the entire system is deteriorated.

더욱이, 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같은 종래의 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템(10)은, 일반적으로, 연료전지에서 발생한 애노드 오프가스의 온도는 대략 700℃ ~ 800℃의 고온이나, 엔진의 운전에 필요한 열은 300℃ ~ 400℃ 정도에 불과함으로 인해, 예를 들면, 별도의 냉각수단이나 열교환기와 같은 추가적인 구성을 통하여 애노드 오프가스를 엔진에 공급하여야 하고, 그러한 과정에서 남는 열은 버려지게 되어 시스템의 전체적인 효율은 저하되고, 구성은 복잡해지게 되는 문제가 있다. Further, in the conventional fuel cell-engine hybrid power generation system 10 shown in Figs. 1 and 2, generally, the temperature of the anode off-gas generated in the fuel cell is a high temperature of approximately 700 ° C to 800 ° C, Since the heat required for the operation is only about 300 ° C to 400 ° C, the anode off-gas must be supplied to the engine through, for example, additional cooling means or an additional heat exchanger such as a heat exchanger, So that the overall efficiency of the system is degraded and the configuration becomes complicated.

이에, 본 발명자들은, 상기한 바와 같은 종래기술의 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템들의 문제점을 해결하기 위해, 후술하는 바와 같이, 연료전지에 연료를 개질하여 공급하기 위한 연료 개질기를 2단 이상의 다단으로 구성하여 충분한 연료개질이 이루어질 수 있도록 하는 동시에, 연료전지에서 발생한 애노드 오프가스의 열이 효율적으로 사용될 수 있도록 구성되는 새로운 구조의 다단 개질기 구조를 가지는 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템을 제시하였다. In order to solve the problems of the conventional fuel cell-engine hybrid power generation systems as described above, the inventors of the present invention have proposed a fuel reformer for reforming and supplying fuel to a fuel cell in two or more stages And a fuel cell-engine hybrid power generation system having a multi-stage reformer structure of a new structure which is configured so that sufficient fuel reforming can be performed and heat of the anode off-gas generated in the fuel cell can be efficiently used.

즉, 도 3 및 도 4를 참조하면, 도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 다단 개질기 구조를 가지는 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다. 3 and 4, FIGS. 3 and 4 are views schematically showing the overall configuration of a fuel cell-engine hybrid power generation system having a multi-stage reformer structure according to an embodiment of the present invention.

여기서, 이하에 설명하는 본 발명의 실시예에 있어서, 도 1 및 도 2를 참조하여 상기한 종래기술의 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템(10)과 동일 내지 유사한 부분에 대하여는 설명을 간략히 하기 위해 그 상세한 설명을 생략하였음에 유념해야 한다. Hereinafter, in the embodiment of the present invention described below, the same or similar parts as those of the conventional fuel cell-engine hybrid power generation system 10 described above with reference to Figs. 1 and 2 will be described. It should be noted that the detailed description has been omitted.

도 3 및 도 4에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 다단 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(21)에서 발생된 배기가스를 연소시켜 추가적인 전기를 생산하기 위한 적어도 하나의 엔진을 포함하여 이루어지는 엔진부(23)를 포함하여 구성되고, 여기에 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 배기가스를 냉각하거나 배기가스에서 물과 가스를 분리하여 엔진부(23)에 공급하기 위한 가스냉각기 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. 3 and 4, a fuel cell-engine hybrid power generation system 20 having a multi-stage reformer structure according to an embodiment of the present invention roughly includes a fuel cell- A reformer 22 for reforming the fuel to the fuel cell unit 21 and a reformer for reforming and supplying the reformed fuel to the fuel cell unit 21 and the fuel cell unit 21, And an engine section (23) including at least one engine for producing additional electricity, wherein a fuel tank and a fuel pump for supplying fuel thereto, an air supply means for supplying air, A plurality of heat exchangers for overall thermal circulation in the system, cooling the exhaust gas generated in the fuel cell unit 21, and supplying water and gas from the exhaust gas And a power conversion means such as an inverter for converting the direct current generated in the fuel cell unit 21 into an alternating current and the like may be further included. Engine hybrid power generation system 10 described above with reference to FIG.

그러나 본 발명의 실시예에 따른 다단 개질기 구조를 가지는 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템(20)은, 상기한 연료전지부(21)에 연료를 개질하기 위한 연료개질부(22)가, 연료탱크 및 연료펌프를 통하여 공급되는 연료를 개질하는 제 1 개질부(24) 및 제 1 개질부(24)에 의해 개질된 연료를 재차 개질하는 제 2 개질부(25)를 구비하여, 각각의 개질부가 직렬로 연결되도록 구성되는 점이 다르다. However, in the fuel cell-engine hybrid power generation system 20 having the multi-stage reformer structure according to the embodiment of the present invention, the fuel reforming unit 22 for reforming the fuel in the fuel cell unit 21 is provided in the fuel tank and A first reforming section 24 for reforming the fuel supplied through the fuel pump and a second reforming section 25 for reforming the fuel reformed by the first reforming section 24, In that it is configured to be connected to the network.

여기서, 도 3 및 도 4에 나타낸 본 발명의 실시예에서는, 상기한 연료개질부(22)가 제 1 개질부(24) 및 제 2 개질부(25)를 포함하여 2개의 개질기를 각각 직렬로 연결하여 이루어지는 경우를 예로 하여 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 구성으로만 한정되는 것은 아니며, 즉, 본 발명은, 상기한 연료개질부(22)가 3개 이상의 복수의 개질기를 직렬로 연결하여 구성될 수도 있는 등, 필요에 따라 다양하게 구성될 수 있는 것임에 유념해야 한다. 3 and 4, the fuel reforming unit 22 includes the first reforming unit 24 and the second reforming unit 25, and the two reforming units are connected in series However, the present invention is not limited to this configuration. That is, the present invention is characterized in that the fuel reforming unit 22 includes three or more reformers in series It should be noted that the present invention may be configured in various ways as needed, for example, by connecting and configuring the apparatus.

더 상세하게는, 본 발명의 실시예에 따른 다단 개질기 구조를 가지는 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템(20)은, 도 3 및 도 4에 나타낸 바와 같이, 먼저, 연료와 물이 제 1 개질부(24)에 공급되어 개질된 후, 다시 제 2 개질부(25)에 공급되어 2차로 개질이 수행된다. More specifically, the fuel cell-engine hybrid power generation system 20 having a multi-stage reformer structure according to an embodiment of the present invention, as shown in FIGS. 3 and 4, 24, and is then supplied to the second reforming unit 25 to perform secondary reforming.

다음으로, 제 1 개질부(24) 및 제 2 개질부(25)에 의해 2차례 개질이 수행된 연료가 연료전지부(21)에 공급되어 각각의 연료전지에 의해 발전이 이루어지고, 연료전지의 애노드로부터 고온의 애노드 오프가스가 배출된다. Next, the fuel that has been reformed twice by the first reforming section 24 and the second reforming section 25 is supplied to the fuel cell section 21, power generation is performed by each fuel cell, The anode off-gas at a high temperature is discharged from the anode.

이어서, 연료전지부(21)로부터 배출된 고온의 애노드 오프가스는 열교환기를 통해 일부 또는 전부가 제 2 개질부(25)에 공급되어 개질에 필요한 열을 공급하고, 배관을 통하여 가스냉각기를 거쳐 엔진에 공급되거나, 또는 배관을 통해 직접 엔진에 공급된다. Subsequently, the hot anode off-gas discharged from the fuel cell unit 21 is supplied to the second reforming unit 25 through the heat exchanger to partially or wholly supply the heat to the second reforming unit 25 through the gas cooler, Or directly to the engine through the piping.

그 후, 엔진에 의해 추가적인 발전이 수행되고, 엔진으로부터 배출된 배출가스의 일부가 열교환기를 통해 제 1 개질부(24)로 공급됨으로써, 고온의 애노드 오프가스에 의해 생성된 열에너지가 버려지지 않고 시스템 내에서 열에너지의 순환이 이루어지게 된다. Thereafter, additional power generation is performed by the engine, and a part of the exhaust gas discharged from the engine is supplied to the first reforming portion 24 through the heat exchanger, so that the heat energy generated by the hot anode off- The circulation of heat energy is achieved.

따라서 상기한 바와 같은 구성으로부터, 도 3 및 도 4에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 다단 개질기 구조를 가지는 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템(20)은, 연료탱크 및 연료펌프를 통하여 공급되는 연료가 제 1 개질부(24)를 통하여 개질된 후 다시 제 2 개질부(25)에 의해 재차 개질됨으로써, 단일의 개질기만을 구비하는 기존의 시스템들에 비해 보다 충분한 연료 개질이 이루어져 연료전지의 발전효율을 향상시킬 수 있다. Therefore, from the above-described configuration, the fuel cell-engine hybrid power generation system 20 having the multi-stage reformer structure according to the embodiment of the present invention shown in Figs. 3 and 4 is constructed such that the fuel supplied through the fuel tank and the fuel pump The fuel reforming efficiency of the fuel cell can be improved more than that of the existing systems having only a single reformer by reforming the fuel reformed by the first reforming unit 24 and then reforming by the second reforming unit 25 again, Can be improved.

또한, 도 3 및 도 4에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 다단 개질기 구조를 가지는 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템(20)은, 연료전지에서 발생한 고온의 애노드 오프가스의 열의 일부 또는 전부가 제 2 개질부(25)로 공급되어 개질에 필요한 열을 공급하고 직접 또는 가스냉각기를 통해 엔진으로 공급된 후, 엔진의 연소에 의해 발생한 열의 일부가 제 1 개질부(24)로 공급됨으로써, 고온의 애노드 오프가스를 엔진에 공급하기 위해 냉각수단 등과 같은 별도의 추가적인 구성을 구비할 필요가 없으므로 전체적인 시스템의 구성을 간략화할 수 있는데 더하여, 애노드 오프가스의 고온의 열이 버려지지 않고 효율적으로 사용될 수 있으므로 시스템의 전체적인 효율을 더욱 높일 수 있으며, 그것에 의해, 전체적인 시스템의 제조 및 운영 비용을 절감할 수 있다. In the fuel cell-engine hybrid power generation system 20 having the multi-stage reformer structure according to the embodiment of the present invention shown in Figs. 3 and 4, a part or all of the heat of the high temperature anode- A part of the heat generated by the combustion of the engine is supplied to the first reforming section 24 after being supplied to the reforming section 25 to supply the heat required for reforming and supplied directly or through the gas cooler to the engine, It is not necessary to provide a separate additional structure such as a cooling means for supplying the off-gas to the engine, so that the overall system configuration can be simplified. In addition, since the high temperature heat of the anode-off gas can be efficiently used without being discarded, The overall efficiency of the system can be further increased, thereby reducing the manufacturing and operating costs of the overall system .

따라서 상기한 바와 같이 하여 본 발명에 따른 다단 개질기 구조를 가지는 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템을 구현할 수 있다. Accordingly, the fuel cell-engine hybrid power generation system having the multi-stage reformer structure according to the present invention can be implemented as described above.

이상, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예를 통하여 본 발명에 따른 다단 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. While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the present invention as defined by the following claims and their equivalents. would.

10. 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템
11. 연료전지부 12. 연료개질부
13. 엔진부
20. 다단 개질기 구조를 가지는 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템
21. 연료전지부 22. 연료개질부
23. 엔진부 24. 제 1 개질부
25. 제 2 개질부 10. Fuel Cell - Engine Hybrid Generation System
11. Fuel cell section 12. Fuel reform section
13. Engine section
20. Fuel cell-engine hybrid power generation system having multi-stage reformer structure
21. Fuel cell section 22. Fuel reform section
23. Engine part 24. First reforming part
25. The second reforming unit

Claims (11)

다단 개질기 구조를 가지는 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템에 있어서,
적어도 하나의 연료전지 셀을 포함하여 이루어지는 연료전지부;
복수의 열교환기;
연료를 개질하여 상기 연료전지부의 각각의 연료전지의 운전에 요구되는 수소를 공급하기 위한 적어도 2개 이상의 개질기(Reformer)를 포함하여 이루어지는 연료개질부; 및
상기 연료전지부에서 발생된 배기가스를 연소시켜 추가적인 전기를 생산하기 위한 적어도 하나의 엔진을 포함하여 이루어지는 엔진부;를 포함하여 구성되고,
상기 연료개질부는,
상기 연료를 개질하며, 흡열반응에 의해 작동하는 제 1 개질부; 및
상기 제 1 개질부에 의해 개질된 연료를 재차 개질하며, 흡열반응에 의해 작동하는 제 2 개질부를 포함하여, 각각의 개질부가 서로 직렬로 연결되도록 구성되고,
상기 제 1 개질부 및 상기 제 2 개질부에 의해 2차례 개질이 수행된 연료가 상기 연료전지부에 공급되어 발전이 이루어진 후, 상기 연료전지부로부터 배출된 애노드 오프가스의 일부 또는 전부가 상기 제 2 개질부에 공급되어 개질에 필요한 열을 공급한 후 상기 엔진부에 직접 또는 가스냉각기를 거쳐 공급되며, 상기 엔진부에 의해 추가적인 발전이 수행된 후 배출된 배출가스의 일부 또는 전부가 상기 열교환기를 통해 상기 제 1 개질부로 공급도록 구성되는 것을 특징으로 하는 다단 개질기 구조를 가지는 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템.
1. A fuel cell-engine hybrid power generation system having a multi-stage reformer structure,
1. A fuel cell comprising: a fuel cell comprising at least one fuel cell;
A plurality of heat exchangers;
A fuel reforming unit comprising at least two reformers for reforming the fuel to supply hydrogen required for operation of each fuel cell of the fuel cell unit; And
And at least one engine for generating additional electricity by burning the exhaust gas generated in the fuel cell unit,
The fuel reforming unit includes:
A first reforming unit that reforms the fuel and operates by an endothermic reaction; And
And a second reforming section for reforming the fuel reformed by the first reforming section and operating by endothermic reaction so that each reforming section is connected in series with each other,
Wherein a part of or all of the anode off-gas discharged from the fuel cell unit is supplied to the fuel cell unit after the fuel having been reformed twice by the first reformer unit and the second reformer unit is supplied to the fuel cell unit, 2 reforming unit to supply the heat required for the reforming to the engine unit directly or through a gas cooler, and after the additional power generation is performed by the engine unit, some or all of the exhausted exhaust gas is supplied to the heat exchanger To the first reforming unit through the first reformer. The fuel cell-engine hybrid power generation system according to claim 1,
제 1항에 있어서,
상기 시스템은,
연료를 저장하기 위한 연료탱크;
상기 연료탱크에 저장된 연료를 공급하기 위한 연료펌프;
공기를 공급하기 위한 급기수단;
냉각수를 공급하기 위한 냉각수 공급수단;
상기 연료전지부에서 발생된 배기가스를 냉각하거나 또는 상기 배기가스에서 물과 가스를 분리하여 상기 엔진부에 공급하기 위한 가스냉각기; 및
상기 연료전지부에서 발생된 직류를 교류로 전환하기 위한 인버터(inverter)를 포함하는 전력변환수단을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 다단 개질기 구조를 가지는 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템.
The method according to claim 1,
The system comprises:
A fuel tank for storing fuel;
A fuel pump for supplying the fuel stored in the fuel tank;
An air supply means for supplying air;
Cooling water supply means for supplying cooling water;
A gas cooler for cooling the exhaust gas generated from the fuel cell unit or for separating water and gas from the exhaust gas and supplying the water and gas to the engine unit; And
Further comprising a power conversion unit including an inverter for converting the direct current generated in the fuel cell unit into an alternating current. 2. The fuel cell-engine hybrid power generation system according to claim 1,
제 2항에 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 다단 개질기 구조를 가지는 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템.
3. The method of claim 2,
The fuel cell unit includes:
A fuel cell-engine hybrid having a multi-stage reformer structure, which is configured using a high temperature fuel cell including a molten carbonate fuel cell (MCFC) or a solid oxide fuel cell (SOFC) Power generation system.
제 3항에 있어서,
상기 엔진부는,
HCCI(Homogeneous Charge Compression Ignition) 엔진을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 다단 개질기 구조를 가지는 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템.
The method of claim 3,
The engine unit includes:
Wherein the fuel cell system comprises a HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition) engine.
제 4항에 있어서,
상기 개질기는,
LNG, LPG, 메탄, 메탄올을 포함하는 탄화수소 계열의 연료나, 석탄가스를 포함하는 수소를 일부 함유한 합성가스를 연료전지의 운전에 요구되는 다량의 수소를 포함하는 가스로 변환하여 상기 연료전지의 양극부(Anode)에 수소를 공급하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 다단 개질기 구조를 가지는 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템.
5. The method of claim 4,
The reformer,
A hydrocarbon-based fuel including LNG, LPG, methane and methanol or a synthesis gas containing a part of hydrogen including coal gas into a gas containing a large amount of hydrogen required for operation of the fuel cell, Wherein the fuel cell is configured to supply hydrogen to an anode of the fuel cell-engine hybrid power generation system.
삭제delete 제 5항에 있어서,
상기 시스템은,
연료가 상기 제 1 개질부에 공급되어 1차 개질이 수행된 후 상기 제 2 개질부에 공급되어 2차 개질이 수행되어, 상기 제 1 개질부 및 상기 제 2 개질부에 의해 2차례 개질이 수행된 연료가 상기 연료전지부에 공급되어 발전이 이루어지도록 구성됨으로써,
단일의 개질기만을 구비하는 기존의 시스템들에 비해 더욱 충분한 연료 개질이 이루어지는 것에 의해 연료전지의 발전효율을 향상시킬 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 다단 개질기 구조를 가지는 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템.
6. The method of claim 5,
The system comprises:
Fuel is supplied to the first reforming unit to perform first reforming and then to the second reforming unit to perform second reforming so that the reforming is performed twice by the first reforming unit and the second reforming unit The fuel is supplied to the fuel cell unit to generate electric power,
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3, wherein the reformer is configured to improve the power generation efficiency of the fuel cell by performing more sufficient fuel reforming than existing systems having only a single reformer.
제 7항에 있어서,
상기 시스템은,
상기 엔진부에 의해 추가적인 발전이 수행된 후 배출된 상기 배출가스의 일부 또는 전부가 열교환기를 통해 상기 제 1 개질부로 공급되어, 상기 연료전지부에서 발생된 상기 애노드 오프가스의 열에너지가 버려지지 않고 효율적으로 열에너지의 순환이 이루어지는 것에 의해 전체적인 효율을 높이고, 제조 및 운영 비용을 절감할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 다단 개질기 구조를 가지는 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템.
8. The method of claim 7,
The system comprises:
Some or all of the exhaust gas discharged after the additional power generation is performed by the engine unit is supplied to the first reforming unit through the heat exchanger so that the thermal energy of the anode off gas generated in the fuel cell unit is not discarded efficiently Wherein the thermal energy is circulated to increase the overall efficiency and reduce manufacturing and operating costs. The fuel cell-engine hybrid power generation system according to claim 1,
제 8항에 있어서,
상기 연료개질부는,
적어도 2개 이상의 복수의 개질기가 직렬로 연결되어 구성되는 것을 특징으로 하는 다단 개질기 구조를 가지는 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템.
9. The method of claim 8,
The fuel reforming unit includes:
Wherein at least two or more reformers are connected in series. The fuel cell-engine hybrid power generation system according to claim 1, wherein the plurality of reformers are connected in series.
청구항 1항 내지 청구항 5항, 청구항 7항 내지 청구항 9항 중 어느 한 항에 기재된 다단 개질기 구조를 가지는 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템을 이용하여 발전을 행하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템을 이용한 발전방법.
A fuel cell system comprising a fuel cell-engine hybrid power generation system having the multi-stage reformer structure according to any one of claims 1 to 5, and a fuel cell-engine hybrid power generation system having the multistage reformer structure according to any one of claims 7 to 9. Development method using hybrid power generation system.
청구항 1항 내지 청구항 5항, 청구항 7항 내지 청구항 9항 중 어느 한 항에 기재된 다단 개질기 구조를 가지는 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템을 적어도 2 이상 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 발전플랜트. An electric power generation plant comprising at least two fuel cell-engine hybrid electric power generation systems each having the multi-stage reformer structure according to any one of claims 1 to 5, claim 7, claim 9 and claim 9.
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