KR102254370B1 - 온실용 연료전지 발전시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 온실용 연료전지 발전시스템에 관한 것으로, 연료의 화학반응을 통해 전기를 발생시키는 연료전지발전부; 상기 연료전지발전부로부터 발전된 전기를 온실에 공급하는 전기라인; 및 상기 온실에 요구되는 기체를 공급하는 배기라인; 을 포함하며, 상기 연료전지발전부와 배기라인이 서로 연결되어 상기 연료전지발전부의 개질 반응 단계에서 생성되는 이산화탄소가 상기 온실에 공급되는 것을 특징으로 한다.
이에 의해, 연료전지 발전 방식을 채택하고 연료전지 발전을 통해 생성되는 부산물인 이산화탄소를 온실에 공급함으로써 원활한 이산화탄소 시비를 구현할 수 있다.
또한, 상기 이산화탄소가 연소를 통해 생성된 것이 아닌 연료전지의 개질 및 전기화학 반응을 통해 생성되는 순수한 이산화탄소로서 NOx 의 제거 및 정화 장치가 제외될 수 있다.
또한, 연료전지 발전으로부터 생성된 열을 열교환기를 통해 활용함과 동시에 유기랭킨사이클(ORC, Organic Rankine Cycle)부를 통해 부가적으로 전기를 발전시킴으로써 발전 시스템의 효율을 극대화시킬 수 있다.

Description

온실용 연료전지 발전시스템{FUEL CELL POWER GENERATION SYSTEM FOR GREENHOUSE}
본 발명은 온실용 연료전지 발전시스템에 관한 것이다.
이산화탄소 시비(carbon dioxide enrichment)는 작물 재배시 공기중의 이산화탄소 농도를 인위적으로 높게 하여 생육을 촉진하고 품질을 향상시키는 재배 방법이다.
이산화탄소는 식물의 광합성 반응에 필수적인 성분이므로 이산화탄소 시비를 통해 이를 보충해줌으로써 광합성 작용이 활발하게 일어나도록 할 수 있다.
특히 하우스와 같이 환기가 원활히 이루어지기 힘든 공간에서 이루어지는 시설원예 재배에 있어서는 이산화탄소 부족으로 인하여 광합성이 제한되기 쉬우므로 이산화탄소 시비가 필수적이다.
이산화탄소의 공급 방법으로는 하우스 외부에 액화탄산가스탱크를 설치하고 기화기를 통해 온도를 높여 하우스 내부로 공급하는 방식이 사용되었으나 설치비용 및 단가가 비싼 문제점이 있었다.
따라서 최근에는 이산화탄소와 함께 열과 전기를 생산하여 온실난방 및 전력공급에 이용함으로써 자원 이용률을 극대화할 수 있는 열병합발전(CHP : Combined Heat and Power) 시스템을 통해 이산화탄소를 공급하는 방식이 주목받고 있다.
도 1 은 종래 온실용 열병합발전 시스템의 구성을 도시한 도면이다.
종래 기술(대한민국 등록특허 제10-1063372호)은, 연료와 공기를 공급받아 연소시키는 연소기(11)를 포함하고 연소기(11)에서의 연소를 이용하여 전기를 발생시키는 가스엔진(10), 상기 가스엔진(10)에서 발생한 열에 의해 난방수를 가열하는 열교환기(20), 상기 열교환기(20)에서 열교환된 난방수를 온실에 공급하는 난방라인(L1), 상기 가스엔진(10)에서 생산된 전기를 온실에 공급하는 전기라인(L2), 상기 가스엔진(10)으로부터 배출되는 배가스를 온실에 공급하는 배가스공급라인(L3), 상기 가스엔진(10)으로부터 배출되는 배가스에 포함된 NOx를 제거하는 배가스처리장치(30), 상기 배가스처리장치(30)를 거친 배가스를 온실에 공급하는 송풍기(31)로 구성된다. 가스엔진(10)을 대신하여 가스터빈이 사용되는 경우도 있다.
연료에 공기를 혼합하여 연소시킴으로써 생산되는 열은 난방라인(L1)을 통해 온실에 공급되어 온실난방에 사용되고, 연소를 이용하여 생산된 전기는 전기라인(L2)을 통해 공급되어 온실 내부 조명 등에 사용된다.
또한, 이산화탄소를 포함하는 연소 후 배가스를 배가스공급라인(L3)을 통해 온실에 공급함으로써 이산화탄소 시비에 의해 식물 생장을 촉진할 수 있다.
그러나 이러한 방식에 의하면 가스엔진(10) 내에서 공기와 혼합된 연료가 연소되므로 연소 후 배가스 중에는 다량의 NOx 성분이 포함되며, 이를 그대로 온실 내부에 공급하는 경우 NOx 농도가 높아져 식물을 괴사시키는 등 식물 생장에 문제를 일으킬 수 있다.
따라서 배가스공급라인(30)에는 NOx 의 제거를 위해 암모니아 성분을 공급하여 NOx를 선택적으로 환원하는 유레아 탱크 등을 추가로 설치하는 것이 필수적이나, 이러한 배가스처리장치(30)는 설치가 복잡하고 비용소모가 큰 단점이 있다.
대한민국 등록특허 제10-1063372호(2011.09.07. 공고, 온실 이산화탄소 시비용 열병합발전 시스템)
본 발명의 목적은, 상기 문제점을 해결하기 위하여 창작된 것으로서, 연료전지 발전 방식을 채택하고 연료전지 발전을 통해 생성되는 부산물인 이산화탄소를 온실에 공급함으로써 원활한 이산화탄소 시비를 구현하는 온실용 연료전지 발전시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 상기 이산화탄소가 연소를 통해 생성된 것이 아닌 연료전지의 개질 및 전기화학 반응을 통해 생성되는 순수한 이산화탄소로서 NOx 의 제거 및 정화 장치가 제외될 수 있는 온실용 연료전지 발전시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 연료전지 발전으로부터 생성된 열을 열교환기를 통해 활용함과 동시에 유기랭킨사이클(ORC, Organic Rankine Cycle)부를 통해 부가적으로 전기를 발전시킴으로써 발전 시스템의 효율을 극대화시킬 수 있는 온실용 연료전지 발전시스템을 제공하는 데 있다.
그 외 본 발명의 세부적인 목적은 이하에 기재되는 구체적인 내용을 통하여 이 기술 분야의 전문가나 연구자에게 자명하게 파악되고 이해될 것이다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 연료의 화학반응을 통해 전기를 발생시키는 연료전지발전부; 상기 연료전지발전부로부터 발전된 전기를 온실에 공급하는 전기라인; 및 상기 온실에 요구되는 기체를 공급하는 배기라인; 을 포함하며, 상기 연료전지발전부와 배기라인이 서로 연결되어 상기 연료전지발전부의 개질 반응 단계에서 생성되는 이산화탄소가 상기 온실에 공급되는 온실용 연료전지 발전시스템에 의해 달성될 수 있다.
여기서, 상기 연료전지발전부로부터 발생한 열에 의해 난방수를 가열하는 열교환기 및 난방라인을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 연료전지발전부로부터 발생한 열을 회수하여 전기를 발전하는 ORC(Organic Rankine Cycle)부를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 연료전지발전부의 연료전지는 PEMFC, PAFC, MCFC, SOFC 중 어느 하나 이상이 선택되어 마련될 수 있다.
본 발명에 의해, 연료전지 발전 방식을 채택하고 연료전지 발전을 통해 생성되는 부산물인 이산화탄소를 온실에 공급함으로써 원활한 이산화탄소 시비를 구현할 수 있다.
또한, 상기 이산화탄소가 연소를 통해 생성된 것이 아닌 연료전지의 개질 및 전기화학 반응을 통해 생성되는 순수한 이산화탄소로서 NOx 의 제거 및 정화 장치가 제외될 수 있다.
또한, 연료전지 발전으로부터 생성된 열을 열교환기를 통해 활용함과 동시에 유기랭킨사이클(ORC, Organic Rankine Cycle)부를 통해 부가적으로 전기를 발전시킴으로써 발전 시스템의 효율을 극대화시킬 수 있다.
도 1 은 종래 온실용 열병합발전 시스템의 구성을 도시한 도면이며,
도 2 는 본 발명에 따른 온실용 연료전지 발전시스템의 구성을 도시한 블럭도이며,
도 3 (a), (b) 는 본 발명에 따른 온실용 연료전지 발전시스템의 ORC부 및 HPORC의 구동을 개략적으로 도시한 블럭도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "구비한다" 등의 용어는 명세서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하 도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명한다.
도 2 는 본 발명에 따른 온실용 연료전지 발전시스템의 구성을 도시한 블럭도이며, 도 3 (a), (b) 는 본 발명에 따른 온실용 연료전지 발전시스템의 ORC부 및 HPORC의 구동을 개략적으로 도시한 블럭도이다.
도 2 및 도 3 을 참조하면, 본 발명에 따른 온실용 연료전지 발전시스템은, 연료전지발전부(100), 전기라인, 배기라인, 난방라인, 열교환기(110), ORC부(120)를 포함하여 구성된다.
연료전지발전부(100)는 연료의 화학반응을 통해 전기를 발생시키는 구성이다.
여기서, 상기 연료전지발전부의 연료전지는 PEMFC, PAFC, MCFC, SOFC 중 어느 하나 이상이 선택되어 마련될 수 있다.
가장 기초적인 형태의 연료전지는 수소와 산소를 사용하는 것으로서, 수소와 산소가 반응하여 물이 만들어지는 반응을 사용한다. 물을 전기분해하면 양극에서는 산소가 생성되고 음극에서는 수소가 생성되는데, 이 과정을 완전히 거꾸로 진행시킴으로서 전기가 생성된다.
PEMFC의 경우 수소와 산소를 사용하는 연료전지의 음극(anode)에서는 H2인 수소가 2개의 수소 이온과 2개의 전자로 분해된다. 전자는 도선을 타고 양극(cathode)로 이동하고, 수소 이온은 전해질(electrolyte)를 통과하여 양극으로 이동하게 된다. 양극에서는 이동해온 수소 이온과 전자, 산소가 반응하여 물이 생성된다. SOFC의 경우 양극(anode)에서 산소가 산소이온과 전자로 분리되고 음극에서 산소이온, 수소, 전자가 반응하여 물이 생성된다. 이 과정에서 존재하는 전자의 이동을 전력으로서 사용한다는 것이 연료전지의 기본 개념이다.
특히, 주거 분야 및 건축물 분야에서의 연료전지의 이점은 도시가스를 공급받아 연료전지의 연료로 사용할 수 있어 설치 비용이 비싼 수소 공급 라인을 설치하지 않아도 되며, PEMFC를 적용한 시스템의 경우 개질기 모듈이 장착된 제품이 출시되어 있다.
연료전지의 연료는 수소, LNG, LPG, DME 및 연료전지의 개질이 가능한 다양한 연료로 채택될 수 있으며, LNG의 경우 냉열을 활용하도록 시스템 구성이 가능하다.
전기라인은 상기 연료전지발전부(100)로부터 발전된 전기를 온실에 공급하도록 마련되며, 배기라인은 상기 온실에 요구되는 기체를 공급 및 배출하도록 마련된다. 난방라인은 온/냉수, 온/냉풍의 순환을 통해 온실 내부의 냉난방을 담당하도록 마련된다.
여기서, 상기 연료전지발전부(100)와 배기라인이 서로 연결되어 상기 연료전지발전부(100)의 개질 반응 단계에서 생성되는 이산화탄소가 상기 온실에 공급되도록 마련된다.
이는 본 발명의 주요 특징 중 하나로서, 종래의 이산화탄소를 생산하여 온실의 이산화탄소 시비를 구현한 것과는 차별화된다. 구체적으로, 종래 기술들은 연소 과정을 통해 생성되는 이산화탄소를 이용하며, 이렇게 생성된 이산화탄소에는 불완전 연소로 일산화탄소, SOx, NOx 및 기타 매연이 포함되어 있다. 따라서, 이를 제거하기 위한 별도의 장치를 채택해야 했으나 본 발명의 경우 개질 반응에서 생성되는 순수한 이산화탄소를 온실에 공급하도록 마련됨으로써 기체 정화 장치의 제외를 구현한 것이다.
또한, 본 발명의 경우 개질 반응 전에 연료 전처리를 통한 연료 내의 Sulfur 제거 구성이 부가될 수 있으며, 이를 통해 더욱 순수한 이산화탄소를 온실로 공급할 수 있다.
온실 내의 이산화탄소 농도는 연료전지발전부(100)와 연결되는 배기라인 상에 설치되는 삼방밸브 제어를 통해 조절 가능해지며, 공기를 유입시키는 송풍기가 추가되어 온실 내의 기체 농도를 생육에 가장 적합한 수치범위로 제어될 수 있다. 온실 내의 온도는 후술할 열교환기(110) 및 난방라인을 통한 냉/난방풍, 냉/난방수 공급 제어를 통해 구현될 수 있다.
연료전지발전부(100)를 통해 생성되는 부산물은 전술한 이산화탄소 외에도 열이 있으며, 본 발명의 경우 연료전지로부터 발생되는 열을 활용하는 구성이 부가되어 시스템 효율을 극대화 시킬도록 구성된다.
구체적으로, 본 발명의 경우 상기 연료전지발전부(100)로부터 발생한 열에 의해 난방수를 가열하는 열교환기(110) 및 난방라인을 더 포함할 수 있으며, 연료전지로부터 발생된 폐열은 상기 열교환기(110)를 통해 온수로 활용할 수 있으며, 열교환기(110) 구성 시 히트펌프(heat pump)를 부가하여 냉열을 공급하여 온실 내부 온도를 조절하도록 구성될 수도 있다.
연료전지를 개질시키기 위한 연료를 LNG로 채택할 경우, 발생되는 냉열을 적극적으로 이용할 수 있고 상기 히트펌프와의 연동으로 열 효율 증대가 구현될 수 있다.
아울러 본 발명의 경우, 도 3 (a), (b)와 같이 상기 연료전지발전부(100)로부터 발생한 열을 회수하여 전기를 발전하는 ORC(Organic Rankine Cycle)부(120)를 더 포함할 수 있다.
여기서, 유기랭킨사이클 발전의 경우 70~400도의 중, 저온 폐열을 회수하여 전력을 생산하는 발전 방식으로 물보다 증기압이 높은 유기열매체를 작동유체로 이용한다.
또한, 상기 ORC부(120)와 전술한 LNG 를 통한 냉열 활용을 적용하여 시스템 효율을 더욱 극대화시킬 수 있다.
정리하면, 본 발명의 경우, 연료전지 발전 방식을 채택하고, 발전되는 전기 및 부산물로 생성되는 이산화탄소(시비 공급)와 열(냉난방, ORC를 통한 전기발전)을 모두 활용함으로써 시스템 효율의 증대 및 비용 최적화를 구현한 것이다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 온실용 연료전지 발전시스템은, 연료전지 발전 방식을 채택하고 연료전지 발전을 통해 생성되는 부산물인 이산화탄소를 온실에 공급함으로써 원활한 이산화탄소 시비를 구현할 수 있다.
또한, 상기 이산화탄소가 연소를 통해 생성된 것이 아닌 연료전지의 개질 및 전기화학 반응을 통해 생성되는 순수한 이산화탄소로서 NOx 의 제거 및 정화 장치가 제외될 수 있다.
또한, 연료전지 발전으로부터 생성된 열을 열교환기를 통해 활용함과 동시에 유기랭킨사이클(ORC, Organic Rankine Cycle)부를 통해 부가적으로 전기를 발전시킴으로써 발전 시스템의 효율을 극대화시킬 수 있다.
앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100 : 연료전지발전부
110 : 열교환기
120 : ORC부

Claims (4)

  1. 메탄을 주성분으로 하는 천연가스의 연료 개질 반응을 통해 이산화탄소와 수소를 생성하고, 생성된 수소를 PEMFC, PAFC 중 어느 하나 이상으로부터 선택되는 연료전지에 공급하여 전기를 발생시키는 연료전지발전부;
    상기 연료전지발전부로부터 발전된 전기를 온실에 공급하는 전기라인;
    상기 온실에 요구되는 기체인 이산화탄소를 공급하는 배기라인;
    상기 연료전지발전부로부터 발생한 열에 의해 난방수를 가열하는 열교환기 및 난방라인; 및
    상기 연료전지발전부로부터 발생한 열을 회수하여 전기를 발전하는 ORC(Organic Rankine Cycle)부;를 포함하며,
    상기 배기라인은 상기 연료전지발전부의 연료 개질 반응이 발생하는 영역에 연결되어, 상기 연료전지발전부의 연료 개질 반응에 의해 생성된 이산화탄소를 상기 온실에 공급하는 것을 특징으로 하는
    온실용 연료전지 발전시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
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