KR102012365B1 - Fuel cell-Engine hybrid power generation system having a couple of throttle valves for controlling temperature of inlet gas of engine - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 연료전지-엔진 하이브리드 발전 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료전지-엔진을 안정적으로 운전하며 연료전지에서 배출되는 미활용 에너지를 엔진에서 연소시켜 추가전력을 생산함으로써 시스템의 폐열을 재사용하고 시스템 효율을 개선할 수 있는 연료전지-엔진 하이브리드 발전 시스템에 관한 것이다. The present invention relates to a fuel cell-engine hybrid power generation system, and more particularly, to stably operate a fuel cell-engine and to reuse the unutilized energy discharged from the fuel cell in an engine to generate additional power, thereby reusing waste heat of the system. The present invention relates to a fuel cell-engine hybrid power generation system capable of improving system efficiency.
일반적으로 연료전지는 수소와 산소가 가진 화학적 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 전기화학적 장치이다. 연료전지는 종래의 화력 발전에 비해 효율이 높아 발전용 연료의 절감이 가능하고 열병합 발전도 가능하며, 천연가스, 도시가스, 메탄올, 폐기물 가스 등 다양한 연료를 사용할 수 있어, 화력 발전을 대체할 수 있는 에너지 변환 기술로 평가받고 있다. 또한 최근에는 고온의 연료전지의 애노드(연료극)으로부터 배출되는 애노드 오프가스와 발전용 엔진을 결합한 연료전지-엔진 하이브리드 발전 시스템이 제안되고 있다.In general, fuel cells are electrochemical devices that convert chemical energy of hydrogen and oxygen directly into electrical energy. Fuel cells have higher efficiency than conventional thermal power generation, which can reduce fuel for power generation and cogeneration, and can use various fuels such as natural gas, city gas, methanol, and waste gas, and thus can replace thermal power generation. It is evaluated as an energy conversion technology. Recently, a fuel cell-engine hybrid power generation system combining an anode off-gas discharged from an anode (fuel electrode) of a high temperature fuel cell and a power generation engine has been proposed.
그런데 연료전지-엔진 하이브리드 발전 시스템의 경우 고온의 연료전지의 애노드 오프가스가 섭씨 600도 내지 1000도 정도로 매우 고온이기 때문에 바로 엔진에 유입될 경우 엔진 내 연소가 안정적으로 이루어지지 못하여 엔진의 손상으로 이어질 수 있을 뿐만 아니라 발전효율도 떨어지는 문제가 있다. However, in the case of a fuel cell-engine hybrid power generation system, the anode off-gas of a high-temperature fuel cell is very high, such as 600 to 1000 degrees Celsius, and thus, when it immediately enters the engine, combustion in the engine may not be stable and lead to engine damage. Not only can there be problems with power generation efficiency.
그러나 기존에 제안된 연료전지-엔진 하이브리드 시스템은 연료전지와 엔진을 통합하는 방안에 대한 개념만 제시하였고 위와 같이 실제 운전을 하는 상황에서 엔진으로 유입되는 가스의 온도를 어떻게 제어할 것인가 하는 문제점을 고려하지 못하였다. 따라서 연료전지-엔진 하이브리드 시스템의 실제 운전시 발생하는 이러한 제반 문제를 해결해야 할 필요성이 제기된다. However, the proposed fuel cell-engine hybrid system only presents the concept of integrating the fuel cell and the engine, and considers the problem of how to control the temperature of the gas flowing into the engine under the actual operation as described above. I couldn't. Therefore, there is a need to solve these problems that occur during the actual operation of the fuel cell-engine hybrid system.
본 발명은 이러한 배경에서 안출된 것으로, 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템에서 엔진 흡기 온도와 흡기 조성을 엔진 연소에 적합한 상태로 조절함으로써 전체 발전 시스템의 효율을 높이고 발전 시스템의 운전 안정성을 향상시킬 수 있는 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above. In the fuel cell-engine hybrid power generation system, the engine intake temperature and intake composition are adjusted to a state suitable for engine combustion, thereby improving the efficiency of the entire power generation system and improving the operating stability of the power generation system. It is an object to provide a battery-engine hybrid power generation system.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 연료전지-엔진 하이브리드 발전 시스템으로서, 연료극인 애노드와 공기극인 캐소드를 구비하여 수소와 산소의 화학반응에 의해 전기를 생성하며, 섭씨 500도 내지 1000도 사이의 온도로 유지되는 핫박스 내에 배치되는 연료전지; 연소용 가스를 공급받고 연소시켜 전기를 생산하는 엔진; 상기 애노드에서 배출되는 애노드 오프 가스를 이송하는 제1 배관; 제1 개폐 밸브를 포함하며 외부 공기를 공급하는 제2 배관; 제2 개폐 밸브를 포함하며 외부 공기를 공급하는 제3 배관; 상기 제1 배관의 애노드 오프 가스와 상기 제2 및 제3 배관의 공기를 혼합하여 상기 엔진에 연소용 가스로서 공급하는 제4 배관; 및 상기 제1 및 제2 개폐 밸브의 개도량을 제어하는 제어부;를 포함하고, 상기 제3 배관의 공기가 상기 핫박스로부터 열에너지를 공급받아 가열된 후 상기 제4 배관으로 공급되는 것을 특징으로 하는 연료전지-엔진 하이브리드 발전 시스템을 개시한다. According to an embodiment of the present invention, a fuel cell-engine hybrid power generation system includes an anode as an anode and a cathode as an air electrode to generate electricity by a chemical reaction between hydrogen and oxygen, and a temperature between 500 and 1000 degrees Celsius. A fuel cell disposed in a hot box maintained at; An engine that receives electricity for combustion and combusts to produce electricity; A first pipe transferring an anode off gas discharged from the anode; A second pipe including a first opening / closing valve and supplying outside air; A third pipe including a second open / close valve and supplying external air; A fourth pipe for mixing the anode off gas of the first pipe and the air of the second and third pipes to supply the engine as a combustion gas; And a controller for controlling the opening amounts of the first and second on / off valves, wherein the air of the third pipe is heated by receiving thermal energy from the hot box and then supplied to the fourth pipe. A fuel cell-engine hybrid power generation system is disclosed.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 연료전지-엔진 하이브리드 발전 시스템으로서, 애노드와 캐소드를 구비하여 수소와 산소의 화학반응에 의해 전기를 생성하며, 섭씨 500도 내지 1000도 사이의 온도로 유지되는 핫박스 내에 배치되는 연료전지; 연소용 가스를 공급받고 연소시켜 전기를 생산하는 엔진; 상기 애노드에서 배출되는 애노드 오프 가스를 이송하는 제1 배관; 제1 개폐 밸브를 포함하며 외부 공기를 공급하는 제2 배관; 제2 개폐 밸브를 포함하며 외부 공기를 공급하는 제3 배관; 상기 제1 배관의 애노드 오프 가스와 상기 제2 및 제3 배관의 공기를 혼합하여 상기 엔진에 연소용 가스로서 공급하는 제4 배관; 및 상기 제1 및 제2 개폐 밸브의 개도량을 제어하는 제어부;를 포함하고, 상기 제3 배관의 공기가 상기 엔진으로부터 열에너지를 공급받아 가열된 후 상기 제4 배관으로 공급되는 것을 특징으로 하는 연료전지-엔진 하이브리드 발전 시스템을 개시한다.According to an embodiment of the present invention, a fuel cell-engine hybrid power generation system, comprising an anode and a cathode, generates electricity by a chemical reaction between hydrogen and oxygen, and is maintained at a temperature between 500 degrees Celsius and 1000 degrees Celsius. A fuel cell disposed in the box; An engine that receives electricity for combustion and combusts to produce electricity; A first pipe transferring an anode off gas discharged from the anode; A second pipe including a first opening / closing valve and supplying outside air; A third pipe including a second open / close valve and supplying external air; A fourth pipe for mixing the anode off gas of the first pipe and the air of the second and third pipes to supply the engine as a combustion gas; And a control unit for controlling the opening amounts of the first and second on / off valves, wherein the air in the third pipe is heated by receiving thermal energy from the engine and is supplied to the fourth pipe. Disclosed is a battery-engine hybrid power generation system.
본 발명의 일 실시예에 따르면 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템에서 엔진 흡기 온도와 흡기 조성을 엔진 연소에 적합한 상태로 조절함으로써 전체 발전 시스템의 효율을 높이고 발전 시스템의 운전 안정성을 향상시킬 수 있는 이점을 가진다.According to an embodiment of the present invention, by adjusting the engine intake temperature and intake composition to a state suitable for engine combustion in the fuel cell-engine hybrid power generation system, the efficiency of the entire power generation system may be improved and the operational stability of the power generation system may be improved. .
도1은 제1 실시예에 따른 연료전지-엔진 하이브리드 시스템을 설명하기 위한 도면,
도2는 제2 실시예에 따른 연료전지-엔진 하이브리드 시스템을 설명하기 위한 도면,
도3은 제3 실시예에 따른 연료전지-엔진 하이브리드 시스템을 설명하기 위한 도면,
도4는 일 실시예에 따라 엔진 주입가스의 입구온도를 제어하는 방법을 설명하는 흐름도,
도5는 일 실시예에 따라 엔진 주입가스의 입구온도와 조성비를 제어하는 방법을 설명하는 흐름도,
도6은 도5의 제어 단계(S260) 실행시 제1 및 제2 개폐 밸브의 동작을 설명하는 도면이다. 1 is a view for explaining a fuel cell engine hybrid system according to a first embodiment;
2 is a view for explaining a fuel cell-engine hybrid system according to a second embodiment;
3 is a view for explaining a fuel cell-engine hybrid system according to a third embodiment;
4 is a flowchart illustrating a method of controlling an inlet temperature of an engine injection gas according to an embodiment;
5 is a flowchart illustrating a method of controlling an inlet temperature and a composition ratio of an engine injection gas according to an embodiment;
6 is a view for explaining the operation of the first and second on-off valves when the control step (S260) of FIG.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.Objects, other objects, features and advantages of the present invention will be readily understood through the following preferred embodiments associated with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. Rather, the embodiments introduced herein are provided so that the disclosure may be made thorough and complete, and to fully convey the spirit of the present invention to those skilled in the art.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprise)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. In this specification, the singular also includes the plural unless specifically stated otherwise in the phrase. As used herein, the words 'comprise' and / or 'comprising' do not exclude the presence or addition of one or more other components.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다. 아래의 특정 실시예를 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는 데 있어 혼돈을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다. Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In describing the specific embodiments below, various specific details are set forth in order to explain and understand the invention more specifically. However, those skilled in the art to the extent that the present invention can be understood, It can be appreciated that no specific content can be used. In some cases, it is mentioned in advance that parts of the invention which are commonly known in the present invention and which are not related to the invention are not described in order to avoid confusion in describing the present invention.
도1은 제1 실시예에 따른 연료전지-엔진 하이브리드 시스템(100)을 개략적으로 도시하였다. 1 schematically shows a fuel cell-
도면을 참조하면, 일 실시예에 따른 연료전지-엔진 하이브리드 발전 시스템(100)은 연료전지(15)를 내부에 포함하는 핫박스(10) 및 핫박스(10)의 외부에 배치된 엔진(20)을 포함한다. Referring to the drawings, the fuel cell-engine hybrid
연료전지(15)는 애노드와 캐소드를 구비하여 수소와 산소의 화학반응에 의해 전기를 생성한다. 일 실시예에서 연료전지(15)는 산화제(공기 또는 산소)와 수소 또는 수소를 포함하는 연료가스(LPG, LNG, 메탄가스, 석탄가스, 메탄올 등)의 전기화학적 반응에 의하여 전력을 생산하며, 비반응 연료가스가 포함된 애노드 오프가스(anode off-gas) 및 캐소드 오프가스를 배출한다. The
연료전지(15)는 캐소드측에서 고온의 공기 또는 산소와 이산화탄소를 공급받고 애노드측에서 수소를 주성분으로 하는 연료가스를 공급받는다. 애노드는 캐소드로부터의 산소 이온 또는 탄산 이온과 개질기로부터의 연료가스의 전기화학적 반응에 의해 전기를 생산하고 물과 비반응 연료가스(이산화탄소 등)가 포함된 애노드 오프가스를 배출한다. 캐소드는 고온의 공기 또는 산소를 입력받아 산소 이온 또는 산소와 이탄화탄소의 반응에 의해 탄산 이온을 생산하고 캐소드 오프가스를 배출한다. 도시한 실시예에서 애노드 오프가스는 제1 배관(L1)을 통해 핫박스(10) 외부로 배출되고 캐소드 오프가스는 제5 배관(L5)을 통해 외부로 배출된다. The
일 실시예에서 연료전지(15)는 애노드 오프가스를 배출하는 다양한 종류의 연료전지 중 하나일 수 있다. 예를 들어 연료전지(15)는 고체산화물형 연료전지(SOFC: Solid Oxide Fuel Cell), 용융탄산염형 연료전지(MCFC: Molten Carbonate Fuel Cell), PEMFC(Proton exchange membrane fuel cell), PAFC(Phosphoric-acid fuel cell), AFC(Alkaline fuel cell) 또는 직접탄소 연료전지(DCFC: Direct Carbon Fuel Cell) 중 하나일 수 있다. In one embodiment, the
연료전지(15)는 고온의 핫박스(10) 내에 설치되어 고온으로 유지된다. 일 실시예에서 핫박스(10)는 예컨대 섭씨 500도 내지 1000도 사이의 온도로 유지된다. 일 실시예에서 연료전지(15)에서의 전기 생산을 위해 연료가스(예를 들어 LPG, LNG, 메탄가스, 석탄가스, 메탄올 등), 물(스팀), 및 공기가 핫박스(10) 내부로 공급된다. 도시한 것처럼 핫박스(10)는 내부에 개질기(11)를 더 포함할 수 있다. 개질기(11)는 연료가스와 물을 공급받고 이로부터 수소를 생성하여 연료전지(15)의 애노드로 공급한다. The
핫박스(10)로 공급되는 연료가스, 물, 공기는 고온으로 가열되어야 하며, 이를 위해 예컨대 연료전지(15)에서 배출되는 애노드 오프가스 및/또는 캐소드 오프가스와 열교환하여 가열될 수 있다. 도면에서는 연료가스, 물, 공기가 개질기(11) 및/또는 연료전지(15)로 공급되는 경로를 화살표로 간단히 표시하고 열교환기의 구체적 구성이나 열교환을 위한 경로를 생략하였다. 그러나 핫박스(10) 내부의 이러한 열교환기 배치나 열교환 경로는 연료전지의 구체적 실시 형태에 따라 달라질 수 있으며 본 발명의 요지와도 관련 없으므로 도면에서 이러한 구체적 내용을 생략하였고 자세한 설명도 생략하였음을 이해할 것이다. The fuel gas, water, and air supplied to the
엔진(20)은 연소용 가스를 공급받고 연소시켜 전기를 추가로 생산한다. 일 실시예에서 엔진(20)은 애노드 오프가스 및 외부로부터 유입된 공기를 포함하는 연소용 가스를 공급받아 전기를 생산할 수 있다. 일 실시예에서 연소용 가스에 보조연료가 더 공급될 수 있다. The
엔진(20)은 예를 들어 예혼합 압축착화(HCCI; Homogeneous Charge Compression Ignition) 방식을 사용하는 HCCI 엔진, 스파크 점화 방식을 사용하는 가솔린 엔진 및 압축 점화를 사용하는 디젤 엔진 중 적어도 하나일 수 있으며, 그 외에 다양한 방식의 내연기관 또는 스털링 엔진 등의 외연기관이 사용될 수 있다. The
엔진(20)은 배관(L4)을 통해 연소용 가스를 공급받아 전기를 생산함과 동시에 배출가스를 배관(L6)을 통해 배출한다. 일 실시예에서 배출가스는 핫박스(10)로 유입되어 예컨대 연료, 물, 및/또는 공기 중 적어도 하나와 열교환하며 열에너지를 공급할 수 있고, 그 후 외부로 배출될 수 있다. 이러한 엔진(20)의 배출가스의 열교환 구성이나 경로는 연료전지의 구체적 실시 형태에 따라 달라질 수 있으며 본 발명의 주요 특징부도 아니므로 도면에서는 점선으로 간략히 표시했음을 이해할 것이다. The
이제 엔진(20)에 연소용 가스를 공급하는 배관 및 밸브 구조에 대해 설명하기로 한다. 도면을 참조하면, 엔진(20)에 연소용 가스를 공급하기 위해 제1 내지 제4 배관(L1 내지 L4)을 포함할 수 있다. 제1 배관(L1)은 연료전지(15)의 애노드에서 배출되는 애노드 오프가스를 이송한다. 제2 배관(L2) 및 제3 배관(L3)은 외부로부터 공기를 공급받아 엔진(20)측으로 이송한다. 도면에 도시하지 않았지만 제2 및 제3 배관(L2,L3)에는 공기를 내부로 공급하기 위한 블로워나 펌프가 설치될 수 있다. Now, a pipe and valve structure for supplying combustion gas to the
일 실시예에서 제2 배관(L2)의 경로상에는 제1 개폐 밸브(V1)가 설치되고 제3 배관(L3)이 경로상에는 제2 개폐 밸브(V2)가 설치된다. 제1 및 제2 개페 밸브(V1,V2)의 각각은 엔진(20)에 공급할 공기량을 조절하는 밸브로서 각각의 개도량은 제어부(30)에 의해 제어될 수 있다. 일 실시예에서 제1 및 제2 개폐 밸브(V1,V2)의 각각은 스로틀 밸브로 구현될 수 있다. In one embodiment, the first on-off valve V1 is installed on the path of the second pipe L2, and the second on-off valve V2 is installed on the path of the third pipe L3. Each of the first and second opening valves V1 and V2 is a valve for adjusting the amount of air to be supplied to the
일 실시예에서 제3 배관(L3)에 열교환기(12)가 더 설치된다. 열교환기(12)는 제3 배관(L3)의 경로상에 설치되되 핫박스(10) 내에 배치될 수 있다. 이에 따라 제3 배관(L3)을 통해 외부에서 공급되는 공기가 열교환기(12)에서 핫박스(10) 내부의 고온의 공기와 열교환하여 열에너지를 공급받을 수 있다. In one embodiment, the
이러한 구성에 의해, 제1 배관(L1)의 애노드 오프 가스와 제2 및 제3 배관(L2,L3)의 공기가 제4 배관(L4)에서 혼합되어 엔진(20)으로 공급될 수 있다. 이 때 제2 배관(L2)을 통해 상온의 공기가 공급되지만 제3 배관(L3)을 통해서는 열교환기(12)에 의해 가열된 공기가 공급될 수 있다. 즉 제2 배관(L2)의 제1 밸브(V1)와 제3 배관(L3)의 제2 밸브(V2)의 개도량을 각각 제어함으로써 외부에서 유입되는 공기의 온도를 조절할 수 있고 따라서 엔진(20)으로 공급하는 연소용 가스의 온도를 제어할 수 있다. In this configuration, the anode off gas of the first pipe L1 and the air of the second and third pipes L2 and L3 may be mixed in the fourth pipe L4 and supplied to the
일 실시예에서 연소용 가스의 온도 제어를 위해 온도센서(31)를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 온도센서(31)는 엔진(20)에 공급하는 연소용 가스의 온도를 측정하기 위해 엔진(20)의 입구측에 가깝게, 즉 제4 배관(L4)의 경로상에 설치될 수 있다. 온도센서(31)에서 측정되는 온도 측정값은 실시간으로 또는 주기적이거나 비주기적으로 제어부(30)에 전달될 수 있다. In one embodiment may include a
대안적 실시예에서 연소용 가스의 조성비에 따라 연소용 가스를 제어하기 위해 가스센서(32)를 더 포함할 수 있다. 본 명세서에서 '가스센서'(32)는 연소용 가스의 조성비를 측정할 수 있는 임의의 장치의 총칭하는 표현이다. 예를 들어 가스센서(32)는 제4 배관(L4)의 경로상에 배치되는 센서나 엔진(20)의 배기측 배관(L6)에 설치되는 센서를 의미할 수 있다. 다른 예로서, 연소용 가스의 조성비를 측정하기 위해 엔진 흡기 온도와 압력, 엔진 출력측 샤프트의 RPM, 연료전지-엔진 하이브리드 시스템의 입력 연료 유량, 연료전지에서 생산하는 전력의 전류량 중 적어도 일부를 측정하여 이로부터 연소용 가스 조성비를 산출할 수도 있으며, 이 경우 가스센서(32)는 이러한 온도, 압력, RPM 등을 측정하는 압력센서, 온도센서, RPM 센서 등의 측정장치의 포괄하여 의미할 수도 있다. 그 외에도 시스템 상에서 측정되는 연료 유량과 연료전지의 운전 조건에 의해 연소용 가스의 조성비를 산출할 수도 있으며, 가스 조성비를 측정하거나 산출하는 다른 공지의 방법이 사용될 수 있다. 도면에 도시하지 않았지만 또 다른 대안적 실시예에서 본 발명의 연료전지-엔진 하이브리드 시스템은 연소용 가스의 유량을 측정하는 유량 센서를 더 포함할 수 있다. In an alternative embodiment it may further include a
제어부(30)는 온도센서(31) 및/또는 가스센서(32)의 측정값에 기초하여 제1 개폐 밸브(V1)와 제2 개폐 밸브(V2)의 개도량을 각각 제어할 수 있다. The
예를 들어 제어부(30)는 온도센서(31)가 측정한 온도(T)가 기설정된 기준 온도범위보다 낮으면 제1 밸브(V1)의 개도량을 감소시키고 제2 밸브(V2)의 개도량을 증가시켜 연소용 가스에 공급할 공기의 온도를 높일 수 있다. 반대로, 온도센서(31)의 측정 온도(T)가 기준 온도범위보다 높으면 제1 밸브(V1)의 개도량을 증가시키고 제2 밸브(V2)의 개도량을 감소시켜 공기의 온도를 낮출 수 있다. 이 때 상기 기준 온도범위는 엔진(20)의 운전에 가장 효율적인 온도범위이며 예를 들어 섭씨 300도 내지 400도 사이의 임의의 온도 범위일 수 있다. For example, if the temperature T measured by the
다른 실시예에서, 제어부(30)는 가스센서(32)가 측정한 연료 조성비(G)에 기초하여 제1 밸브(V1)의 개도량과 제2 밸브(V2)의 개도량을 제어할 수도 있다. In another embodiment, the
예를 들어 제어부(30)는 연소용 가스 중 공기에 대한 애노드 오프가스의 조성비가 기준범위보다 높으면 이를 적정 범위의 조성비로 맞추기 위해 더 많은 공기를 공급한다. 예를 들어 제어부(30)는 제2 및 제3 배관(L2,L3)을 통한 현재의 전체 공기 유입량보다 많은 공기를 유입하도록 제1 및 제2 밸브(V1,V2)의 합산 개도량을 증가시킬 수 있다. 반대로, 예컨대 연소용 가스 중 공기에 대한 애노드 오프가스의 조성비가 기준범위보다 낮으면 조성비를 높이기 위해 공기의 유입량을 줄인다. 즉 제1 및 제2 배관(L2,L3)을 통한 현재의 전체 공기 유입량보다 적은 공기를 유입하도록 제1 및 제2 밸브(V1,V2)의 합산 개도량을 감소시키도록 제어할 수 있다. 또 다른 대안적 실시예에서 제어부(30)는 온도와 가스 조성비를 모두 고려하여 제1 및 제2 밸브(V1,V2)의 개도량을 제어할 수 있다. 이와 같은 제어부(30)의 보다 구체적인 제어 동작에 대해서는 도4 내지 도6을 참조하여 후술하기로 한다. For example, if the composition ratio of the anode off-gas to the air in the combustion gas is higher than the reference range, the
이상과 같이 제1 실시예에 따른 연료전지-엔진 하이브리드 시스템(100)에 따르면 2개의 별도의 배관(L2,L3)을 통해 공기를 서로 다른 경로로 유입시키되 한쪽의 배관(L3)을 통해 유입한 공기를 핫박스(10)의 고온의 공기와 열교환하여 가열시킨 후 연소용 가스로 공급하기 때문에 종래에 비해 적어도 다음의 기술적 이점을 가진다.As described above, according to the fuel cell-
첫째, 엔진(20) 제어를 용이하게 수행할 수 있어 엔진 효율을 높일 수 있다. 일반적인 연료전지-엔진 하이브리드 시스템에서 엔진(20)은 연료전지(15)의 애노드 오프가스를 연료로 사용하여 운전하는데, 애노드 오프가스 안에는 불연성분(예컨대 H2O와 CO2 등)의 양이 매우 많아 이를 엔진 내에서 효율적으로 연소시키려면 일반적으로 운전되는 엔진에 비하여 높은 온도의 엔진 흡기온도가 필요하다. 더구나 엔진(20) 내에서 일어나는 연소현상은 엔진 흡기온도에 따라서 연소 효율이 크게 달라진다. First, the
그러나 연료전지-엔진 하이브리드 시스템에서 엔진(20)에 공급하는 연소용 가스의 연소성분은 연료전지의 애노드 오프가스로부터 받지만 애노드 오프가스는 연료전지(15)의 동작에 의해 가스성분이나 가스량이 달라지기 때문에 연료전지(15)의 동작에 종속된다. 즉 엔진(20)측에서 볼 때 엔진에 공급할 연소용 가스를 엔진(20)측에서 마음대로 제어할 수 없는 문제가 있다. 종래에는 이러한 문제를 해결하기 위해 외부에서 공급하는 공기량을 조절하거나 애노드 오프가스에서 수분을 제거하거나 애노드 오프가스의 온도를 냉각시키는 방법을 사용하였지만 연소용 가스를 충분히 제어할 수 없었다. 그러나 상술한 본 발명의 연료전지-엔진 하이브리드 시스템에 따라면 한 쌍의 밸브(V1,V2)의 각각의 개도량을 개별적으로 제어하되 한쪽 배관(L3)의 공기를 핫박스의 고온의 공기와 열교환하여 공급하기 때문에 종래에 비해 더 넓은 온도범위와 가스 조성비 범위에서 조절할 수 있으므로 엔진 제어를 효율적이고 용이하게 수행할 수 있다. However, in the fuel cell-engine hybrid system, the combustion component of the combustion gas supplied to the
둘째, 본 발명의 연료전지-엔진 하이브리드 시스템에 따르면 핫박스(10)의 폐열 회수를 통한 시스템 효율 향상을 도모할 수 있다. 도시한 본 발명의 실시예에 따르면 제3 배관(L3)을 통해 유입된 공기가 핫박스(10)로부터 열에너지를 공급받아 가열된다. 일반적으로 핫박스(10) 내부는 섭씨 500도 이상의 고온으로 유지되는데, 이로 인해 핫박스에서 외부로 방출되어 손실되는 폐열의 양이 크다. 그러나 본 발명의 시스템에서는 배관(L3)의 적어도 일부 경로를 핫박스(10) 내부로 통과하도록 배치하여 배관(L3)의 공기가 핫박스(10) 내부의 고온의 열에너지를 공급받을 수 있도록 구성함으로써 상술한 것처럼 연소용 공기의 온도 제어를 용이하게 할 수 있을 뿐만 아니라 핫박스(10)의 폐열을 재사용하기 때문에 연료전지-엔진 하이브리드 시스템의 전체 시스템 효율을 높일 수 있다. Second, according to the fuel cell-engine hybrid system of the present invention, it is possible to improve the system efficiency through the waste heat recovery of the
이제 도2를 참조하여 제2 실시예에 따른 연료전지-엔진 하이브리드 시스템(200)을 설명하기로 한다. 제2 실시예의 시스템(200)은 핫박스(10) 내에 배치되는 제1 개질기(11), 제2 개질기(14), 및 연료전지(15), 그리고 엔진(20), 제어부(30), 온도센서(31), 가스센서(32), 및 다수의 배관(L1 내지 L6)을 포함하며, 이러한 구성요소들은 도1의 제1 실시예의 시스템(100)과 거의 동일 또는 유사하므로 설명을 생략한다. 다만 제2 실시예에 따른 연료전지-엔진 하이브리드 시스템(200)은 핫박스(10) 내에 적어도 제2 열교환기(13) 및 제2 개질기(14)를 더 포함하는 점에서 차이가 있다. A fuel cell
제2 열교환기(13)는 애노드 오프가스를 이송하는 제1배관(L1)의 경로상에 설치된다. 제2 개질기(14)는 제1 개질기(11)의 후단에 설치되며, 제1 개질기(11)에서 이송되는 가스를 더 개질하여 수소를 추가적으로 추출할 수 있다. 이 때 제2 열교환기(13)에 의해 애노드 오프가스의 열에너지의 일부가 제2 개질기(14)에 공급될 수 있다. The
상술한 제2 실시예의 시스템(200)에 따르면 애노드 오프가스의 고온의 열에너지를 개질기(14)에 공급할 수 있으므로 애노드 오프가스의 열을 재사용하는 이점이 있다. 또한 이 경우 애노드 오프가스가 제2 개질기(14)에 열에너지를 일부 빼앗기기 때문에 도1의 실시예에 비해 제4 배관(L4)으로 공급되는 애노드 오프가스의 온도가 낮아진다. 그러나 본 발명에 따르면 제3 배관(L3)을 통해 공급되는 공기가 핫박스(10) 내의 열교환기(12)를 통해 열에너지를 받을 수 있으므로 제1 개폐 밸브(V1)와 제2 개폐 밸브(V2)의 개도량을 적절히 조절함으로써 도1와 동일 또는 유사한 온도범위로 연소용 가스를 제어할 수 있다. According to the
도3은 제3 실시예에 따른 연료전지-엔진 하이브리드 시스템(300)을 나타낸다. 도면을 참조하면, 제3 실시예에 따른 시스템(300)은 핫박스(10) 내에 배치되는 개질기(11)와 연료전지(15), 그리고 엔진(20), 제어부(30), 온도센서(31), 가스센서(32), 및 다수의 배관(L1 내지 L6)을 포함하는 점에서 도1의 제1 실시예의 시스템(100)과 거의 동일 또는 유사하며 따라서 구체적 설명을 생략한다. 다만 제3 실시예에 따른 연료전지-엔진 하이브리드 시스템(300)은 외부에서 공급되는 공기와 엔진(20) 사이의 열교환을 위한 열교환기(40)를 포함하는 점에서 도1의 시스템(100)과 차이가 있다. 3 shows a fuel cell
제3 실시예의 시스템(300)에 따르면 제3 배관(L3)을 통해 외부에서 공급하는 공기가 열교환기(40)를 통해 엔진(20)의 폐열을 공급받아 가열된 후 제4 배관(L4)으로 이송된다. 일 실시예에서 열교환기(40)에는 엔진(20)과 열교환기(40) 사이를 순환하는 열전달 매체 경로를 포함한다. 열교환기(40)는 공기를 이송하는 제3 배관(L3)과 열전달 매체 경로 사이에 열교환이 일어나도록 구성되고, 따라서 제3 배관(L3)의 공기가 열전달 매체를 통해 엔진(20)의 폐열을 공급받아 가열될 수 있다. According to the
상술한 제3 실시예에 따르면 제1 또는 제2 실시예와 달리 제3 배관(L3)의 공기가 핫박스(10)가 아닌 엔진(20)으로부터 열에너지를 공급받는다. 그러나 엔진(20)에서 발생하는 고온의 열에너지가 폐열로서 버려지는 종래 시스템과 달리 본 발명에서는 엔진의 폐열을 공기의 가열에 이용하기 때문에 제1 실시예의 시스템(100)과 마찬가지로 연료전지-엔진 하이브리드 시스템의 전체 전체 시스템 효율을 높이는 효과를 동일하게 가질 수 있다. According to the third embodiment described above, unlike the first or second embodiment, air of the third pipe L3 receives heat energy from the
이제 도4 내지 도6을 참조하여 일 실시예에 따른 엔진에 주입하는 연소용 가스의 온도 및/또는 조성비 제어 방법을 설명하기로 한다. 4 to 6, a method of controlling a temperature and / or a composition ratio of a combustion gas injected into an engine according to an exemplary embodiment will be described.
도4는 일 실시예에 따라 엔진 연소용 가스(이하 "주입가스"라고도 함)의 입구 온도를 제어하는 예시적 흐름도이다. 도면을 참조하면, 온도센서(31)가 실시간으로(또는 주기적으로 또는 비주기적으로) 제4 배관(L4)의 온도를 측정한다(S110). 온도센서(31)는 측정한 온도값을 제어부(30)로 전달하고 제어부(30)는 이 측정 온도(T)가 기설정된 기준범위 내에 있는지 판단한다(S120). 이 기준범위는 엔진(20)에서 효율적으로 연소가 일어날 수 있는 온도로서 예컨대 섭씨 300도 내지 400도 사이의 임의의 온도범위일 수 있다. 4 is an exemplary flowchart for controlling an inlet temperature of an engine combustion gas (hereinafter referred to as "injection gas") according to one embodiment. Referring to the figure, the
만일 측정 온도(T)가 기설정된 기준 온도범위보다 높으면 제어부(30)가 제1 밸브(V1)의 개도량을 증가시키고 제2 밸브(V2)의 개도량을 감소시키도록 제어할 수 있다(S131). 이 때 일 실시예에서 제1 밸브(V1)와 제2 밸브(V2)의 총 개도량은 기존의 총 개도량과 동일하게 유지시킬 수 있고, 따라서 연소용 가스에 공급되는 공기의 전체 유량을 이전과 동일하게 유지하되 온도만 감소시킬 수 있다. If the measured temperature T is higher than the preset reference temperature range, the
반대로 측정 온도(T)가 기설정된 기준 온도범위보다 낮으면 제어부(30)가 제1 밸브(V1)의 개도량을 감소시키고 제2 밸브(V2)의 개도량을 증가시킬 수 있다(S133). 이 경우에도 제1 밸브(V1)와 제2 밸브(V2)의 총 개도량을 기존의 총 개도량과 동일하게 유지시킬 수 있으며 따라서 공기의 전체 공급량을 동일하게 유지하면서 공기의 온도만 높일 수 있다. On the contrary, when the measured temperature T is lower than the preset reference temperature range, the
만일 측정 온도(T)가 기설정된 기준 온도범위 내에 있다면 제어부(30)는 제1 및 제2 밸브(V1,V2)의 개도량을 변경하지 않고 그대로 유지할 수 있다(S132). If the measured temperature T is within the preset reference temperature range, the
도5는 일 실시예에 따라 엔진 주입가스의 입구온도와 가스특성을 제어하는 방법을 설명하는 예시적 흐름도이다. 도면을 참조하면, 우선 단계(S210)에서 제어부(30)가 온도센서(31)나 가스센서(32) 등의 측정장치로부터 온도(T)와 연료 조성비(G)를 획득한다. 5 is an exemplary flowchart illustrating a method of controlling an inlet temperature and a gas characteristic of an engine injection gas according to an exemplary embodiment. Referring to the drawing, first, in step S210, the
제어부(30)는 온도(T)가 기설정된 기준범위에 있는지 판단하고(S220), 기준범위보다 높으면 제1 밸브(V1)의 개도량을 증가시키고 제2 밸브(V2)의 개도량을 감소시키기 위한 제1 제어신호를 생성한다(S231). 그러나 제어부(30)는 이 제어신호 외에 연료 조성비(G)에 따른 제2 제어신호를 더 생성한다. The
예를 들어 제어부(30)는 단계(S240)에서 연료 조성비(G)가 기설정된 기준범위 내에 있는지 판단한다(S240). 예를 들어 연소용 가스 중 공기에 대한 애노드 오프 가스의 조성비가 기준범위보다 높으면, 제어부(30)는 제2 및 제3 배관(L2,L3)을 통한 현재의 전체 공기 유입량보다 많은 공기를 유입하도록 제1 및 제2 밸브의 합산 개도량을 증가시키는 제2 제어신호를 생성한다(S251). 이에 따라 제어부(30)는 제1 제어신호(즉 제1 및 제2 밸브(V1,V2)의 각각의 개도량 제어신호) 및 제2 제어신호(즉 전체 개도량의 증가 또는 감소에 관한 제어신호)의 조합에 따라 제1 및 제2 밸브(V1,V2)의 개도량을 제어한다(S260). 예컨대 위의 예의 경우 전체 총 개도량을 증가시키되 제1 밸브(V1)의 개도량을 증가시키고 제2 밸브(V2)의 개도량을 감소시키도록 제어할 수 있다. For example, the
또 다른 예로서, 온도(T)가 기준범위 보다 낮고 조성비(G)가 기준범위 보다 높은 경우 제어부(30)는 제1 밸브(V1)의 개도량을 감소시키고 제2 밸브(V2)의 개도량을 증가시키는 제1 제어신호를 생성하고(S233) 전체 개도량을 증가시키는 제2 제어신호를 생성한 후(S251) 이 제1 및 제2 제어신호에 따라 각각 밸브(V1,V2)의 개도량을 제어할 수 있다. 그러므로 상술한 실시예에 따르면 엔진 연소용 가스의 온도(T)와 조성비(G)에 따라 전체 개도량의 증감과 각 밸브(V1,V2)의 개도량의 증감을 모두 제어할 수 있으므로 종래에 비해 연소용 가스를 더 정밀하게 제어할 수 있어 엔진 연소 효율을 향상시킬 수 있다. As another example, when the temperature T is lower than the reference range and the composition ratio G is higher than the reference range, the
한편 위에서 합산 개도량을 증가시키거나 감소시키는 경우(S251,S253) 연소용 가스의 전체 유량이 너무 많거나 너무 작지 않도록, 연소용 가스의 상한 유량과 하한 유량을 미리 설정할 수 있고, 이 범위 내에서 합산 개도량을 증감시키는 것이 바람직할 수 있다. On the other hand, in the case of increasing or decreasing the total opening amount in the above (S251, S253), the upper limit flow rate and the lower limit flow rate of the combustion gas can be set in advance so that the total flow rate of the combustion gas is not too large or too small. It may be desirable to increase or decrease the total opening amount.
도6은 도5의 제어 단계(S260) 실행시 제1 및 제2 개폐 밸브의 예시적 제어 동작을 나타낸다. 상술한 것처럼 엔진 연소용 가스의 온도(T)와 조성비(G)에 따라 전체 개도량의 증감과 각 밸브(V1,V2)의 개도량의 증감을 제어하되, 온도(T)와 조성비(G)의 현재 상태에 따라 제1 밸브(V1)나 제2 밸브(V2) 중 어느 하나를 우선적으로 먼저 제어하는 것이 더 효과적일 수 있다. FIG. 6 illustrates an exemplary control operation of the first and second on-off valves when the control step S260 of FIG. 5 is executed. As described above, the increase and decrease of the total opening amount and the opening and closing amounts of the valves V1 and V2 are controlled according to the temperature T and the composition ratio G of the engine combustion gas, but the temperature T and the composition ratio G are controlled. It may be more effective to preferentially control either the first valve V1 or the second valve V2 according to the current state of.
예를 들어 온도(T)가 기설정된 기준범위보다 높고 연료 조성비(G)도 기설정된 기준범위보다 높은 경우, 제1 밸브(V1)의 개도량을 증가시키고 제2 밸브(V2)의 개도량을 감소시키되 전체 개도량을 증가시키도록 제어한다. 그런데 이 경우 전체 개도량을 증가시켜야 하므로, 우선적으로 제1 밸브(V1)의 개도량 증가를 우선 수행할 수 있다(S261). 즉 제2 밸브(V2)의 개도량은 기존과 동일하게 유지한 상태에서 제1 밸브(V1)의 개도량을 증가시키면 전체 합산 개도량이 증가하므로 온도(T)나 성분비(G) 중 적어도 하나를 우선 기준범위 내로 만족시킬 수 있고 그 후 기준범위를 만족하지 못하는 요소에 대해 각 밸브(V1,V2)의 개도량을 제어할 수 있다.
만일 연소용 가스의 온도(T)가 기설정된 기준 범위보다 높고 연료 조성비(G)가 기설정된 기준 범위보다 낮으면, 제2 밸브(V2)의 개도량을 먼저 감소시켜서 온도(T)나 성분비(G) 중 적어도 하나를 우선 기준범위 내로 만족시키고 그 후 기준범위를 만족하지 못하는 요소에 대해 각 밸브(V1,V2)의 개도량을 제어할 수 있다(S262).
마찬가지로, 만일 연소용 가스의 온도(T)가 기설정된 기준 범위보다 낮고 연료 조성비(G)가 기설정된 기준 범위보다 높은 경우, 제2 밸브(V2)의 개도량을 먼저 증가시키고 그 후 각 밸브(V1,V2)의 개도량을 제어할 수 있다(S263). For example, when the temperature T is higher than the preset reference range and the fuel composition ratio G is higher than the preset reference range, the opening amount of the first valve V1 is increased and the opening amount of the second valve V2 is increased. Control to increase the total opening amount. However, in this case, since the total opening amount needs to be increased, the opening amount of the first valve V1 may be increased first (S261). That is, if the opening amount of the second valve V2 is maintained in the same state as the conventional one, the total opening amount increases when the opening amount of the first valve V1 is increased, so that at least one of the temperature T and the component ratio G First, the opening amounts of the valves V1 and V2 may be controlled with respect to an element that can satisfy the reference range and then fail to satisfy the reference range.
If the temperature T of the combustion gas is higher than the preset reference range and the fuel composition ratio G is lower than the preset reference range, the opening amount of the second valve V2 is first reduced to decrease the temperature T or the component ratio ( First, at least one of G) may be satisfied within a reference range, and then an opening amount of each valve V1 and V2 may be controlled with respect to an element that does not satisfy the reference range (S262).
Similarly, if the temperature T of the combustion gas is lower than the preset reference range and the fuel composition ratio G is higher than the preset reference range, the opening amount of the second valve V2 is first increased and then each valve ( The opening amounts of V1 and V2 can be controlled (S263).
이와 같이 도6에서처럼 온도(T)와 조성비(G)의 현재 상태에 따라 제1 밸브(V1)나 제2 밸브(V2) 중 어느 하나를 우선적으로 먼저 제어할 경우 제1 밸브(V1)와 제2 밸브(V2)의 개도량을 동시에 가변함으로써 연소용 가스의 온도나 조성비가 의도와 달리 변하는 것을 방지할 수 있는 이점이 있다. As shown in FIG. 6, when one of the first valve V1 and the second valve V2 is preferentially controlled first according to the current state of the temperature T and the composition ratio G, the first valve V1 and the first valve are controlled. By simultaneously varying the opening amount of the two valves V2, there is an advantage in that the temperature and the composition ratio of the combustion gas can be prevented from changing unintentionally.
이상과 같이 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 명세서의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능함을 이해할 수 있다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다. As will be appreciated by those skilled in the art to which the present invention pertains, various modifications and variations are possible from the description of this specification. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be defined by the claims below and equivalents thereof.
10: 핫박스
15: 연료전지
20: 엔진
30: 제어부
100, 200, 300: 연료전지-엔진 하이브리드 시스템10: hotbox
15: fuel cell
20: engine
30: control unit
100, 200, 300: fuel cell-engine hybrid system
Claims (10)
애노드와 캐소드를 구비하여 수소와 산소의 화학반응에 의해 전기를 생성하며, 섭씨 500도 내지 1000도 사이의 온도로 유지되는 핫박스(10) 내에 배치되는 연료전지(15);
연소용 가스를 공급받고 연소시켜 전기를 생산하는 엔진(20);
상기 애노드에서 배출되는 애노드 오프(off) 가스를 이송하는 제1 배관(L1);
제1 개폐 밸브를 포함하며 애노드 오프 가스에 외부 공기를 공급하는 제2 배관(L2);
제2 개폐 밸브를 포함하며 애노드 오프 가스에 외부 공기를 공급하는 제3 배관(L3);
상기 제1 배관의 애노드 오프 가스와 상기 제2 및 제3 배관의 공기를 혼합하여 상기 엔진에 연소용 가스로서 공급하는 제4 배관(L4);
상기 제4 배관(L4)의 연소용 가스의 온도를 측정하는 온도센서(31); 및
상기 제1 및 제2 개폐 밸브의 개도량을 제어하는 제어부(30);를 포함하고,
상기 제3 배관(L3)의 공기가 상기 핫박스 내부의 공기로부터 열에너지를 공급받아 가열된 후 상기 제4 배관(L4)으로 공급되고,
상기 제어부가, 상기 연소용 가스의 온도가 기설정된 기준 온도범위보다 낮으면 상기 제1 개폐 밸브의 개도량을 감소시키고 상기 제2 개폐 밸브의 개도량을 증가시키며 상기 온도가 상기 기준 온도범위보다 높으면 상기 제1 개폐 밸브의 개도량을 증가시키고 상기 제2 개폐 밸브의 개도량을 감소시켜 연소용 가스의 온도를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지-엔진 하이브리드 발전 시스템. As a fuel cell engine hybrid power generation system,
A fuel cell 15 having an anode and a cathode to generate electricity by a chemical reaction of hydrogen and oxygen, and disposed in a hot box 10 maintained at a temperature between 500 and 1000 degrees Celsius;
An engine 20 that receives the combustion gas and burns the gas to produce electricity;
A first pipe (L1) for transferring an anode off gas discharged from the anode;
A second pipe (L2) including a first open / close valve and supplying external air to the anode off gas;
A third pipe (L3) including a second open / close valve and supplying external air to the anode off gas;
A fourth pipe (L4) for mixing the anode off gas of the first pipe and the air of the second and third pipes and supplying the engine as a combustion gas;
A temperature sensor 31 for measuring the temperature of the combustion gas of the fourth pipe L4; And
And a control unit 30 for controlling the opening amounts of the first and second on / off valves.
The air of the third pipe (L3) is supplied to the fourth pipe (L4) after being heated by receiving heat energy from the air in the hot box,
When the temperature of the combustion gas is lower than a preset reference temperature range, the controller decreases the opening amount of the first on-off valve, increases the opening amount of the second on-off valve, and when the temperature is higher than the reference temperature range. A fuel cell engine hybrid power generation system, characterized in that for controlling the temperature of the combustion gas by increasing the opening amount of the first on-off valve and decreasing the opening amount of the second on-off valve.
상기 제3 배관(L3)의 경로상에 설치되되 상기 핫박스(10) 내에 배치된 열교환기(12)를 더 포함하고,
상기 제3 배관의 공기가 상기 열교환기(12)에서 상기 핫박스 내부의 공기와 열교환하여 열에너지를 공급받는 것을 특징으로 하는 연료전지-엔진 하이브리드 발전 시스템. The method of claim 1,
Further provided on the path of the third pipe (L3) and further comprises a heat exchanger 12 disposed in the hot box 10,
Fuel cell-engine hybrid power generation system, characterized in that the air of the third pipe is heat exchanged with the air in the hot box in the heat exchanger (12) to receive thermal energy.
상기 제어부는, 상기 제4 배관(L4)의 연소용 가스의 조성비를 획득하고, 상기 온도와 상기 조성비에 기초하여 상기 제1 개폐 밸브의 개도량과 제2 개폐 밸브의 개도량을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지-엔진 하이브리드 발전 시스템. The method of claim 1,
The control unit obtains a composition ratio of the gas for combustion in the fourth pipe L4 and controls the opening amount of the first on-off valve and the opening amount of the second on-off valve based on the temperature and the composition ratio. Fuel cell-engine hybrid power generation system.
연소용 가스 중 공기에 대한 애노드 오프 가스의 조성비가 기준범위보다 높으면, 상기 제2 및 제3 배관(L2,L3)을 통한 현재의 전체 공기 유입량보다 많은 공기를 유입하도록 상기 제1 및 제2 개폐 밸브의 합산 개도량을 증가시키고,
상기 조성비가 기준범위보다 낮으면, 상기 제1 및 제2 배관(L2,L3)을 통한 현재의 전체 공기 유입량보다 적은 공기를 유입하도록 상기 제1 및 제2 개폐 밸브의 합산 개도량을 감소시키도록 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지-엔진 하이브리드 발전 시스템. The method of claim 4, wherein the control unit,
When the composition ratio of the anode off gas to the air in the combustion gas is higher than the reference range, the first and second opening and closing to enter more air than the current total air inflow through the second and third pipes (L2, L3) Increase the opening amount of the valve,
When the composition ratio is lower than the reference range, the total opening amount of the first and second open / close valves may be reduced so as to introduce less air than the current total air inflow through the first and second pipes L2 and L3. A fuel cell engine hybrid power generation system, characterized in that for controlling.
상기 연소용 가스의 온도가 기설정된 제1 기준 범위보다 높고 연소용 가스 중 공기에 대한 애노드 오프 가스의 조성비가 기설정된 제2 기준 범위보다 낮은 경우, 제2 개폐 밸브의 개도량을 먼저 감소시키고 그 후 제1 개폐 밸브의 개도량을 제어하고(S262),
상기 온도가 상기 제1 기준 범위보다 낮고 상기 조성비가 제2 기준 범위보다 높은 경우, 제2 개폐 밸브의 개도량을 먼저 증가시키고 그 후 제1 개폐 밸브의 개도량을 제어하는(S263) 것을 특징으로 하는 연료전지-엔진 하이브리드 발전 시스템. The method of claim 4, wherein the control unit,
When the temperature of the combustion gas is higher than the preset first reference range and the composition ratio of the anode off gas to air in the combustion gas is lower than the preset second reference range, the opening amount of the second opening / closing valve is first reduced and the After controlling the opening amount of the first on-off valve (S262),
When the temperature is lower than the first reference range and the composition ratio is higher than the second reference range, the opening amount of the second on-off valve is first increased and then the opening amount of the first on-off valve is controlled (S263). Fuel cell-engine hybrid power generation system.
애노드와 캐소드를 구비하여 수소와 산소의 화학반응에 의해 전기를 생성하며, 섭씨 500도 내지 1000도 사이의 온도로 유지되는 핫박스(10) 내에 배치되는 연료전지(15);
연소용 가스를 공급받고 연소시켜 전기를 생산하는 엔진(20);
상기 애노드에서 배출되는 애노드 오프(off) 가스를 이송하는 제1 배관(L1);
제1 개폐 밸브를 포함하며 애노드 오프 가스에 외부 공기를 공급하는 제2 배관(L2);
제2 개폐 밸브를 포함하며 애노드 오프 가스에 외부 공기를 공급하는 제3 배관(L3);
상기 제1 배관의 애노드 오프 가스와 상기 제2 및 제3 배관의 공기를 혼합하여 상기 엔진에 연소용 가스로서 공급하는 제4 배관(L4);
기 제4 배관(L4)의 연소용 가스의 온도를 측정하는 온도센서(31); 및
상기 제1 및 제2 개폐 밸브의 개도량을 제어하는 제어부(30);를 포함하고,
상기 제3 배관(L3)의 공기가 상기 엔진으로부터 열에너지를 공급받아 가열된 후 상기 제4 배관(L4)으로 공급되고,
상기 제어부가, 상기 연소용 가스의 온도가 기설정된 기준 온도범위보다 낮으면 상기 제1 개폐 밸브의 개도량을 감소시키고 상기 제2 개폐 밸브의 개도량을 증가시키며 상기 온도가 상기 기준 온도범위보다 높으면 상기 제1 개폐 밸브의 개도량을 증가시키고 상기 제2 개폐 밸브의 개도량을 감소시켜 연소용 가스의 온도를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지-엔진 하이브리드 발전 시스템. As a fuel cell engine hybrid power generation system,
A fuel cell 15 having an anode and a cathode to generate electricity by a chemical reaction of hydrogen and oxygen, and disposed in a hot box 10 maintained at a temperature between 500 and 1000 degrees Celsius;
An engine 20 that receives the combustion gas and burns the gas to produce electricity;
A first pipe (L1) for transferring an anode off gas discharged from the anode;
A second pipe (L2) including a first open / close valve and supplying external air to the anode off gas;
A third pipe (L3) including a second open / close valve and supplying external air to the anode off gas;
A fourth pipe (L4) for mixing the anode off gas of the first pipe and the air of the second and third pipes and supplying the engine as a combustion gas;
A temperature sensor 31 for measuring the temperature of the combustion gas of the fourth pipe L4; And
And a control unit 30 for controlling the opening amounts of the first and second on / off valves.
The air of the third pipe (L3) is supplied to the fourth pipe (L4) after being heated by receiving heat energy from the engine,
When the temperature of the combustion gas is lower than a preset reference temperature range, the controller decreases the opening amount of the first on-off valve, increases the opening amount of the second on-off valve, and when the temperature is higher than the reference temperature range. A fuel cell engine hybrid power generation system, characterized in that for controlling the temperature of the combustion gas by increasing the opening amount of the first on-off valve and decreasing the opening amount of the second on-off valve.
상기 제3 배관(L3)의 공기와 상기 엔진 사이의 열에너지를 교환하는 열교환기(40); 및
상기 엔진과 상기 열교환기(40) 사이를 순환하는 열전달 매체 경로;를 더 포함하고,
상기 제3 배관의 공기가 상기 열전달 매체를 통해 상기 엔진의 열에너지를 공급받는 것을 특징으로 하는 연료전지-엔진 하이브리드 발전 시스템. The method of claim 7, wherein
A heat exchanger (40) for exchanging heat energy between the air of the third pipe (L3) and the engine; And
And a heat transfer medium path circulating between the engine and the heat exchanger 40.
And the air of the third pipe receives heat energy of the engine through the heat transfer medium.
상기 제4 배관(L4)의 연소용 가스의 조성비를 측정하는 가스 센서(32)를 더 포함하고,
상기 제어부가, 상기 온도와 상기 조성비에 기초하여 상기 제1 개폐 밸브의 개도량과 제2 개폐 밸브의 개도량을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지-엔진 하이브리드 발전 시스템. The method of claim 7, wherein
Further comprising a gas sensor 32 for measuring the composition ratio of the combustion gas of the fourth pipe (L4),
And the control unit controls the opening amount of the first on-off valve and the opening amount of the second on-off valve on the basis of the temperature and the composition ratio.
상기 연소용 가스의 온도가 기설정된 제1 기준 범위보다 높고 연소용 가스 중 공기에 대한 애노드 오프 가스의 조성비가 기설정된 제2 기준 범위보다 낮은 경우, 제2 개폐 밸브의 개도량을 먼저 감소시키고 그 후 제1 개폐 밸브의 개도량을 제어하고(S262),
상기 온도가 상기 제1 기준 범위보다 낮고 상기 조성비가 제2 기준 범위보다 높은 경우, 제2 개폐 밸브의 개도량을 먼저 증가시키고 그 후 제1 개폐 밸브의 개도량을 제어하는(S263) 것을 특징으로 하는 연료전지-엔진 하이브리드 발전 시스템.
The method of claim 9, wherein the control unit,
When the temperature of the combustion gas is higher than the preset first reference range and the composition ratio of the anode off gas to air in the combustion gas is lower than the preset second reference range, the opening amount of the second opening / closing valve is first reduced and the After controlling the opening amount of the first on-off valve (S262),
When the temperature is lower than the first reference range and the composition ratio is higher than the second reference range, the opening amount of the second on-off valve is first increased and then the opening amount of the first on-off valve is controlled (S263). Fuel cell-engine hybrid power generation system.
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