KR102102969B1 - 엔진 발전량을 시스템 구동에 사용하는 연료전지-엔진 하이브리드 발전 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따르면, 연료전지-엔진 하이브리드 발전 시스템으로서, 애노드와 캐소드를 구비하며 수소와 산소의 화학반응에 의해 전력을 생산하는 연료전지를 포함하는 연료전지 시스템; 연료전지의 애노드 오프가스 및 공기를 공급받아 기계적 일로서 구동축의 회전력을 생산하는 엔진; 상기 엔진의 기계적 일로부터 전력을 생산하는 발전기; 상기 발전기에서 생산된 전력을 저장하는 배터리; 및 상기 연료전지-엔진 하이브리드 발전 시스템을 구동하는 주변보조기기(BOP);를 포함하고, 상기 발전기에 의해 생산되는 전력이 연료전지-엔진 하이브리드 발전 시스템의 상기 주변보조기기에 공급되는 것을 특징으로 하는 연료전지-엔진 하이브리드 발전 시스템을 개시한다.

Description

엔진 발전량을 시스템 구동에 사용하는 연료전지-엔진 하이브리드 발전 시스템 {Fuel cell-Engine hybrid power generation system using engine-generated power for system operation}
본 발명은 연료전지-엔진 하이브리드 발전 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 엔진에서 생산하는 전력을 시스템 내 배터리에 저장한 후 시스템 구동에 사용하는 연료전지-엔진 하이브리드 발전 시스템에 관한 발명이다.
일반적으로 연료전지는 수소와 산소가 가진 화학적 에너지를 직접 전기 에너지로 변화시키는 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 장치로 평가 받고 있다. 또한 최근에는 고온의 연료전지로부터 배출되는 애노드 오프가스와 발전용 엔진을 결합한 연료전지-엔진 하이브리드 발전 시스템이 제안되고 있다.
이와 관련하여 도1은 종래기술의 연료전지-엔진 하이브리드 발전 시스템의 일반적 구성을 나타낸다. 도1에 도시한 것처럼 종래의 하이브리드 발전 시스템은 연료전지 시스템(10)의 연료전지(11)에서 직류 전력을 생산하여 DC/AC 컨버터(15)를 통해 교류 전력으로 변환하여 전력을 공급하고, 연료전지 시스템(10)에서 배출되는 배출가스로 엔진(20)을 구동하여 기계적 일을 발생시키고 이 기계적 일로 발전기(30)를 구동하여 교류 전력을 생산한 후 이 교류 전력을 공급한다.
그런데 발전기(30)에서 생산되는 교류 전류를 계통전력과 병행하여 사용하기 위해서는 교류 전류의 주파수가 60Hz로 맞춰져야 하며 이를 위해 엔진 회전속도가 특정 범위(예컨대 1500 내지 1800 RPM) 내로 제한되어 유지되어야 한다. 종래에는 엔진 회전속도를 이 특정 범위로 조절하기 위해 예컨대 조속기(governor)(35)를 사용하며, 도2에 도시한 것처럼 조속기(35)가 엔진 회전속도가 소정 범위를 벗어났다고 판단하면(S110) 배관(L2)의 밸브 개폐량을 증감하여 엔진(20)에 공급되는 연소용 가스의 주입량을 조절함으로써 엔진 회전속도를 조절하였다(S120).
그러나 연료전지-엔진 하이브리드 발전 시스템의 경우 연료전지 시스템(10)에서 배출되는 가스를 공급받아 엔진(20)이 구동하기 때문에 엔진(20)은 연료전지 시스템(10)의 동작에 종속적이다. 즉 엔진(20)은 연료전지 시스템(10)에서 배출되는 가스를 연소용 가스로서 그대로 다 받아서 연소시켜야 하므로 엔진(20)이 연소용 가스의 주입량을 마음대로 제어할 수 없다는 문제가 있다. 조속기(35) 등의 엔진 회전속도 제어수단을 통해 발전기(30)에서 발전되는 교류 전력을 60Hz로 맞춰야 하지만 엔진(20)이 연료전지 시스템(10)에 종속되어 있는 특성상 엔진(20)에 공급되는 연소용 가스를 용이하게 제어할 수 없어 엔진 회전속도 제어에 한계가 있는 문제가 있다.
특허문헌1: 한국 공개특허공보 제2016-0014532호 (2016년 2월 11일 공개)
본 발명은 이러한 배경에서 안출된 것으로, 발전기에서 생산되는 전력을 그리드로 보내지 않고 하이브리드 발전 시스템 내 배터리에 충전시키고 이 충전된 전력을 하이브리드 발전 시스템 구동에 사용하도록 구성함으로써 발전기에서 생산되는 교류 전력의 주파수에 상관없이 엔진 회전속도 변경을 자유롭게 수행하고 이에 따라 전체 하이브리드 발전 시스템의 발전 효율도 높일 수 있는 연료전지-엔진 하이브리드 발전 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 연료전지-엔진 하이브리드 발전 시스템으로서, 애노드와 캐소드를 구비하며 수소와 산소의 화학반응에 의해 전력을 생산하는 연료전지를 포함하는 연료전지 시스템; 연료전지의 애노드 오프가스 및 공기를 공급받아 기계적 일로서 구동축의 회전력을 생산하는 엔진; 상기 엔진의 기계적 일로부터 전력을 생산하는 발전기; 상기 발전기에서 생산된 전력을 저장하는 배터리; 및 상기 연료전지-엔진 하이브리드 발전 시스템을 구동하는 주변보조기기(BOP);를 포함하고, 상기 발전기에 의해 생산되는 전력이 연료전지-엔진 하이브리드 발전 시스템의 상기 주변보조기기에 공급되는 것을 특징으로 하는 연료전지-엔진 하이브리드 발전 시스템을 개시한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 발전기에서 생산되는 교류 전류의 주파수를 60Hz에 맞출 필요가 없으므로 엔진 회전속도를 넓은 범위에서 자유롭게 제어할 수 있으므로 엔진 제어의 자유도가 높아지고 엔진 제어를 효율적이고 용이하게 수행할 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따르면 엔진 회전속도를 자유롭게 조절할 수 있으므로 하이브리드 발전 시스템의 연료전지 시스템 내 압력의 증감을 엔진 회전속도를 사용하여 조절할 수 있어 연료전지-엔진 하이브리드 발전 시스템의 안정화를 이룰 수 있다는 이점이 있다.
도1은 종래기술의 연료전지-엔진 하이브리드 발전 시스템을 설명하기 위한 도면,
도2는 종래기술에 따른 엔진 회전속도 제어의 예시적 흐름도,
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지-엔진 하이브리드 발전 시스템(100)을 설명하기 위한 도면,
도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템 내 압력 제어를 설명하기 위한 흐름도이다.
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.
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.
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.
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지-엔진 하이브리드 발전 시스템(100)을 개략적으로 도시하였다.
도면을 참조하면 일 실시예에 따른 연료전지-엔진 하이브리드 발전 시스템(100)(이하에서 간단히 "하이브리드 발전 시스템"이라고도 한다)은 연료전지(11)를 구비한 연료전지 시스템(10), 엔진(20), 발전기(30), 엔진 회전속도 조절수단 중 하나인 가변부하(40), 시스템(100) 구동에 필요한 주변보조기기(50), 및 배터리(70)를 포함할 수 있다.
연료전지 시스템(10)은 외부로부터 연료를 공급받아 화학반응에 의해 전력을 생산하는 연료전지(11)를 포함한다. 연료전지(11)는 애노드와 캐소드를 구비하여 수소와 산소의 화학반응에 의해 전기를 생성한다. 일 실시예에서 연료전지(11)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.
일 실시예에서 연료전지(11)는 다양한 종류의 연료전지 중 하나일 수 있다. 예를 들어 연료전지(11)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.
연료전지(11)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 이산화탄소의 반응에 의해 탄산 이온을 생산하고 캐소드 오프가스를 배출한다. 연료전지(11)에서 생산되는 직류 전류는 DC/AC 컨버터(15)를 통해 교류 전류로 변환된 후 그리드(송배전망)에 연계된다.
상기와 같은 연료전지 시스템(10)의 동작을 위해 예컨대 연료가스가 주입 배관(L1)을 통해 외부에서 연료전지 시스템(10)으로 공급된다. 도면에 도시하지 않았지만 물(스팀)과 공기가 별도의 주입 배관을 통해 연료전지 시스템(10)으로 공급된다. 또한 연료전지 시스템(10)은 내부에 하나 이상의 개질기, 열교환기, 밸브, 펌프, 블로워 등을 포함할 수 있다. 그러나 이러한 구성요소들의 구체적 구성이나 배치관계는 본 발명과 관련 없으므로 도시를 생략하였음을 이해할 것이다.
도시한 실시예에서 연료전지(11)의 애노드에서 배출되는 애노드 오프가스는 주입 배관(L2)을 통해 엔진(20)으로 공급된다. 이 때 필요에 따라 배관(L3)을 통해 외부로부터 공기를 공급받고 애노드 오프가스와 공기가 혼합한 후 엔진(20)으로 공급할 수 있다.
엔진(20)은 주입배관(L2)을 통해 애노드 오프가스와 공기의 혼합가스를 연소용 가스로 공급받아 기계적 일을 생산한다. 이 때 기계적 일은 예컨대 엔진(20)의 구동축(구동 샤프트)의 회전을 의미할 수 있다. 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.
엔진(20)의 구동축은 발전기(30)에 직접적 또는 간접적으로 연결되고, 발전기(30)는 엔진(20)의 기계적 일로부터 교류 전력을 생산한다. 도면에 표시하지 않았지만 일 실시예에서 엔진(20)과 발전기(30) 사이에 배치되어 엔진 구동축의 회전속도를 증감시키는 기어박스나 감속기를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에서 발전기(30)에서 생산되는 전력이 배터리(70)에 저장된다. 도면에 도시하지 않았지만 발전기(30)에서 생산되는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 정류기 및/또는 AC/DC 컨버터가 발전기(30)와 배터리(70) 사이에 배치되거나 또는 배터리(70) 내부에 포함될 수 있다. 배터리(30)는 예컨대 리튬 이온 전지 또는 리튬 이온 폴리머 전지 등의 다양한 2차 전지 중 하나로 구현될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 엔진(20) 구동축의 회전속도(엔진 RPM)는 필요에 따라 넓은 범위에서 가변될 수 있으며 발전기(30)에서 생산되는 교류 전류의 주파수가 60Hz에 고정되지 않고 엔진 회전속도에 따라 가변될 수 있다. 그러므로 본 발명의 발전기(30)와 배터리(70) 사이에 배치되는 정류기 및/또는 AC/DC 컨버터는 발전기(30)에서 생산되는 교류 전류의 주파수에 무관하게 이 교류 전류를 직류 전류로 변환하여 배터리(70)에 공급할 수 있는 것이 바람직하다.
일 실시예에 따른 연료전지-엔진 하이브리드 발전 시스템(100)은 시스템(100)의 구동을 위한 주변보조기기(BOP: Balance of Plant)(50)를 포함한다. 주변보조기기(50)는 하이브리드 발전 시스템에서 전력 생산을 뒷받침하는 각종 설비를 의미하며, 예를 들어 공기나 연료가스 등의 이송을 위한 펌프나 블로워, 개질기(Reformer), 열교환기, 각종 센서나 전자 제어기기 등을 포함할 수 있으며 이러한 각종 주변보조기기(50)의 구동을 위해 전원이 필요하다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에서 주변보조기기(50)의 구동을 위해 그리드에서 전력을 공급받지 않고 배터리(70)로부터 직류 전원을 직접 공급받아 구동한다. 즉 본 발명에서는 하이브리드 발전 시스템(100)의 구동시 필요한 주변보조기기(50)의 동작을 위해 외부에서 전력을 공급받지 않고 하이브리드 발전 시스템(100) 내의 엔진(20)에서 생산되는 전력을 이용할 수 있다. 일 실시예에서 시스템 구동을 위한 주변보조기기(50)의 필요 전력을 모두 배터리(70)로부터 공급받을 수 있다. 그러나 만일 배터리(70)에서 공급가능한 전력이 주변보조기기(50)의 필요 전력보다 작으면 예컨대 연료전지 시스템(10)에서 생산되는 전력 중 일부를 주변보조기기(50)로 공급하도록 구성할 수도 있고, 또 다른 대안으로, 부족한 전력을 그리드로부터 공급받을 수도 있다. 그러나 바람직하게는 발전기(30)에서 생산되는 전력이 하이브리드 발전 시스템(100)의 외부로 나가지 않고 주변보조기기(50)에 모두 공급되고 또한 주변보조기기(50) 관점에서도 주변보조기기(50)가 필요한 전력을 외부로부터의 공급 없이 배터리(70)로부터 모두 공급받는 것이 바람직할 것이다.
이 때 도3에 도시한 것처럼 주변보조기기(50)는 기기 종류에 따라 직류 또는 교류 전원으로 구동될 수 있다. 직류 전원으로 구동될 경우 배터리(70)의 직류 전원이 직접 주변보조기기(50)로 공급되거나 또는 DC/DC 컨버터(도시 생략)을 거쳐 공급될 수 있고, 교류 전원으로 구동될 경우 DC/AC 컨버터(57)를 통해 교류 전원으로 변환된 후 주변보조기기(50)로 공급될 수도 있다.
한편 본 발명의 일 실시예에서 하이브리드 발전 시스템(100)은 엔진 회전속도를 조절하는 회전속도 조절수단 및 이 회전속도 조절수단을 제어하는 제어부를 더 포함한다. 도시한 일 실시예에서 회전속도 조절수단은 발전기(30)와 배터리(70) 사이에 배치되는 가변부하(40)일 수 있다. 도시한 것처럼 제어부는 가변부하(40) 내에 배치될 수 있으며, 이 경우 제어부는, 엔진 회전속도의 측정 신호(S1)를 수신하고, 현재 회전속도 보다 낮은 회전속도로 감소시키고 싶은 경우 가변부하(40)의 부하량을 증가시켜 엔진 회전속도를 감소시키고, 현재 회전속도 보다 높은 회전속도로 증가시키고 싶은 경우 가변부하(40)의 부하량을 감소시켜 엔진 회전속도를 증가시킬 수 있다. 즉 제어부는 가변부하(40)의 부하량을 조절하여 엔진 회전속도를 원하는 값으로 제어 할 수 있다.
여기서 가변부하(40)는 엔진(20)측에서 볼 때 엔진 구동축에 가해지는 부하(load)를 의미하는 것으로, 구체적인 일 실시예에서 예컨대 발전기(30)에서 배터리(70)측으로 흐르는 전류량을 조절하는 충전전류 조절기로 구현될 수 있다.
가변부하(40)가 충전전류 조절기인 경우, 만일 엔진 회전속도를 감소시키고 싶은 경우 제어부가 충전전류 조절기를 통해 발전기(30)에서 배터리(70)로 공급되는 전류량을 증가시킬 수 있고, 전류량이 증가하면 엔진(20)측에서 볼 때의 부하가 증가하게 되어 엔진 회전속도가 감소하게 된다. 반대로, 엔진 회전속도를 증가시키고 싶은 경우 제어부는 충전전류 조절기를 통해 발전기(30)에서 배터리(70)로 공급되는 전류량을 감소시키며, 전류량이 감소하면 엔진(20)측에서 볼 때의 부하가 감소한 것이므로 엔진 회전속도가 증가하게 된다. 이와 같이 엔진 회전속도를 변경하고 싶은 경우 제어부가 충전전류 조절기를 통해 발전기(30)에서 배터리(70)로 공급되는 전류량을 증감시킴으로써 엔진 회전속도를 원하는 값으로 조절할 수 있다.
특히 본 발명의 경우 발전기(30)에서 생산되는 교류 전류가 그리드로 공급되지 않고 배터리(70)에 충전되기 때문에 교류 전류가 반드시 60Hz일 필요가 없고, 따라서 종래기술에 비해 엔진 회전속도를 자유롭게 제어할 수 있다. 예를 들어 도1의 종래기술의 경우 발전기(30)의 생산 전류를 60Hz로 유지하여 그리드로 전송해야 하므로 엔진 구동축이 예컨대 1500 내지 1800 회전속도의 제한된 범위 내에서 회전하도록 엔진 회전속도를 제어해야 했지만, 본 발명의 경우 교류 주파수를 60Hz로 유지할 필요가 없으므로 제어부는 엔진(20)이 감당할 수 있는 한계 범위 내에서 엔진 회전속도를 자유롭게 제어할 수 있다. 즉 본 발명에 따르면 엔진(20)의 구동이 멈추지 않을 정도의 낮은 회전속도에서부터 엔진의 내구성이 견딜 정도의 높은 회전속도에 이르기까지 넓은 범위에서 엔진 회전수를 제어할 수 있는 이점이 있다.
도4는 이러한 이점의 한 가지 예로서 연료전지-엔진 하이브리드 발전 시스템(100)에서의 연료전지 시스템(10) 내 압력을 엔진 회전속도의 조절에 의해 제어하는 예시적 방법을 나타낸다.
도면을 참조하면, 우선 단계(S210)에서 연료전지 시스템(10) 내 압력을 측정하고 이 측정 신호(S2)를 제어부로 전달한다. 일 실시예에서 연료전지 시스템 내 압력은 연료전지 시스템(10)의 내부 또는 외부에 설치된 하나 이상의 압력센서에 의해 감지할 수 있다. 예를 들어 연료전지 시스템 내 압력을 감지하는 센서는, 연료전지(11) 내부의 압력을 감지하는 센서, 연료전지 시스템(10)에 공급하는 연료의 주입 배관(L1)의 유량을 감지하는 센서, 엔진(20)에 공급하는 연소용 가스의 주입 배관(L2)의 유량을 감지하는 센서, 및 엔진(20) 내부의 압력을 감지하는 센서 중 적어도 하나의 센서를 포함할 수 있고, 그 외에도 본 발명의 구체적 실시 형태에 따라 하이브리드 발전 시스템(100) 내 임의의 위치에 설치된 압력센서나 유량센서 일 수 있다. 이 때 연료전지 시스템(10)의 주입 배관(L1)이나 엔진(20)의 주입 배관(L2)의 유량 감지 센서는 유량센서로서 그 자체로는 압력센서가 아니지만 연료전지 시스템(10)이나 엔진(20)에 주입되는 가스의 유량으로부터 연료전지 시스템 내 압력을 추정할 수 있으므로 유량 감지 센서가 압력 센서로서의 역할을 할 수 있다.
그 후 단계(S220)에서 제어부는 연료전지 시스템 내 압력이 소정 범위를 벗어나 변동이 있는지 여부를 판단한다. 일반적으로 연료전지 시스템(10)은 적정 압력하에서 운전할 때 전력생산을 안정적으로 수행할 수 있으며, 이 압력 범위를 벗어나면 연료전지 셀의 파괴 등이 생길 수 있는 확률이 증가하여 하이브리드 발전 시스템(100)이 불안정해지고 전력생산 효율이 낮아진다. 따라서 이 단계(S220)에서 제어부는 측정 신호(S2)로부터 연료전지 시스템 내 압력이 기설정된 소정 압력 범위에 있는지를 판단한다. 만일 시스템 내 압력이 기설정된 범위를 벗어난 경우(S220_Yes), 제어부는 가변부하(40)를 조절하여 엔진 회전속도를 조절하고(S230) 이에 의해 시스템 내 압력을 기설정된 소정 범위 내로 유지시킨다(S240).
일 예로서, 연료전지 시스템 내 압력을 감지하는 센서로서 연료전지 시스템(10)의 주입 배관(L1)의 유량 감지 센서가 설치되었고 단계(S220)에서 제어부가 연료전지 시스템(10)으로 공급하는 연료의 유량이 감소하였다고 가정한다. 이 경우 연료전지 시스템(10) 공급 연료의 감소에 의해 시스템 내 압력이 감압되었으므로 하이브리드 발전 시스템(100)의 운전 안정성이 떨어지고 전력생산 효율이 낮아질 수 있으며, 이에 대응하여 제어부는 엔진 회전속도를 감소시켜 시스템 내 압력을 적정 범위로 유지시키도록 제어한다. 즉 제어부가 가변부하(40)의 부하량을 증가시켜 엔진 회전속도가 감소하도록 제어하고(S230) 이에 따라 연료전지 시스템 내 압력이 감압되지 않도록 조절할 수 있다(S240).
또 다른 예로서, 연료전지 시스템 내 압력을 감지하는 센서로서 엔진(20)의 주입 배관(L2)의 유량 감지 센서가 설치되었고 공기 배관(L3)을 통한 공기 유입이 증가하여 연소용 가스의 당량비(연료량 대비 공기량)가 증가하였다고 가정한다. 이 경우 배관(L2) 내 연소용 가스의 증가로 인해 연료전지 시스템 내 압력이 증가하여 하이브리드 발전 시스템(100)의 운전 안정성이 떨어질 수 있으며, 이에 대응하여 제어부는 엔진 회전속도를 증가시켜 연료전지 시스템 내 압력을 적정 범위로 유지시킨다. 즉 제어부는 가변부하(40)의 부하량을 감소시켜서 엔진 회전속도가 증가하도록 제어하고(S230) 이에 따라 연료전지 시스템 내 압력이 증가하지 않도록 조절할 수 있다(S240).
이 때 본 발명의 일 실시예에 따르면 발전기(30)가 그리드에 연계되어 있지 않아 엔진 회전속도를 특정한 제한된 범위로 제어할 필요가 없으므로 연료전지 시스템 내 압력의 증감에 따라 엔진을 넓은 회전속도 범위 내에서 제어할 수 있다. 또한 위와 같이 연료전지 시스템 내 압력을 엔진 회전속도 조절을 통해 제어할 수 있게 되었으므로, 엔진(20)을 전력 생산 수단으로 사용할 뿐만 아니라 하이브리드 발전 시스템(100)의 안정화 제어 수단으로도 사용할 수 있는 이점이 있다.
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.
10: 연료전지 시스템 11: 연료전지
20: 엔진 30: 발전기
40: 가변부하 70: 배터리
100: 연료전지-엔진 하이브리드 발전 시스템

Claims (9)

  1. 전력을 생산하고 생산된 전력을 그리드로 공급하는 연료전지-엔진 하이브리드 발전 시스템으로서,
    애노드와 캐소드를 구비하며 수소와 산소의 화학반응에 의해 전력을 생산하는 연료전지(11)를 포함하며 생산된 전력을 그리드로 공급하는 연료전지 시스템(10);
    연료전지(11)의 애노드 오프가스 및 공기를 공급받아 기계적 일로서 구동축의 회전력을 생산하는 엔진(20);
    상기 엔진(20)의 기계적 일로부터 전력을 생산하는 발전기(30);
    상기 발전기(30)에서 생산된 전력을 저장하는 배터리(70); 및
    상기 연료전지-엔진 하이브리드 발전 시스템을 구동하는 주변보조기기(BOP)(50);를 포함하고,
    상기 발전기(30)에 의해 생산되어 배터리(70)에 저장된 전력을 연료전지-엔진 하이브리드 발전 시스템(100)의 상기 주변보조기기(50)에 모두 공급하고 그리드로는 공급하지 않도록 구성하고, 상기 엔진의 회전속도를 조절하여 상기 연료전지 시스템 내의 압력을 증감할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지-엔진 하이브리드 발전 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 배터리가 정류기를 더 포함하고,
    상기 정류기는, 상기 발전기에서 생산되는 교류 전력의 주파수에 무관하게 이 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 것을 특징으로 하는 연료전지-엔진 하이브리드 발전 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 엔진의 구동축의 회전속도를 조절하는 회전속도 조절수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지-엔진 하이브리드 발전 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 회전속도 조절수단을 제어하는 제어부; 및
    상기 연료전지 시스템(10)의 시스템 내 압력을 감지하는 센서;를 더 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 센서의 측정값으로부터 상기 시스템 내 압력을 감지하고, 상기 시스템 내 압력이 기설정된 소정 범위를 벗어난 경우 상기 회전속도 조절수단을 제어하여 엔진 회전속도를 조절하고, 이 엔진 회전속도의 조절에 의해 상기 시스템 내 압력을 상기 소정 범위 내로 유지시키도록 동작하는 것을 특징으로 하는 연료전지-엔진 하이브리드 발전 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제어부가 상기 엔진 회전속도를 조절할 때, 엔진 회전속도의 한계범위 내의 임의의 범위에서 엔진 회전속도를 조절하는 것을 특징으로 하는 연료전지-엔진 하이브리드 발전 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 회전속도 조절수단이 상기 발전기와 상기 배터리 사이에 배치된 가변부하(40)를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지-엔진 하이브리드 발전 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제어부가, 상기 엔진 회전속도가 증가하면 상기 가변부하의 부하량을 증가시키고 상기 엔진 회전속도가 감소하면 상기 가변부하의 부하량을 감소시킴으로써 상기 엔진 회전속도를 소정 범위 내로 유지하도록 제어 가능한 것을 특징으로 하는 연료전지-엔진 하이브리드 발전 시스템.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 가변부하(40)가 충전전류 조절기이고,
    상기 제어부가, 상기 엔진 회전속도가 증가하면 상기 충전전류 조절기에서 상기 배터리로 주입하는 전류량을 증가시키고 상기 엔진 회전속도가 감소하면 상기 충전전류 조절기에서 상기 배터리로 주입하는 전류량을 감소시킴으로써 상기 엔진 회전속도를 소정 범위 내로 유지하도록 제어 가능한 것을 특징으로 하는 연료전지-엔진 하이브리드 발전 시스템.
  9. 제 4 항에 있어서,
    상기 시스템 내 압력을 감지하는 센서가, 연료전지(11) 내부의 압력을 감지하는 센서, 상기 연료전지 시스템(10)에 공급하는 연료의 주입 배관(L1)의 유량을 감지하는 센서, 상기 엔진(20)에 주입되는 연료의 주입 배관(L2)의 유량을 감지하는 센서, 및 상기 엔진(20) 내부의 압력을 감지하는 센서 중 적어도 하나의 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지-엔진 하이브리드 발전 시스템.
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