KR20040002912A - 원자력발전소의 보조 구성장치를 위한 비상 전원 공급장치 및 그 사용 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 특정 산소 회로 또는 원자력 발전소의 압축공기 및 측정 수소로부터 순수 산소를 포함하는 공기 및 수소를 공급받는 연료셀(2)을 포함하는 비상 전원공급을 위한 장치에 관한 것이다. 또한, (예를 들면 단속기와 같은) 적절한 인터페이스를 통해 연료셀에 대해 직렬 또는 병렬로 배열된 슈퍼커패시터를 설치하여 연료셀을 포함하는 혼성 시스템을 제공할 수 있다. 연료셀은 PEMFC 형의 셀일 수 있다. 특히, 연료셀은 가압수방식 원자로의 주펌프의 접점으로 물을 주입하는 펌프용 모터에 확실하게 전력을 공급할 수 있다. 또한, 상기 회로의 정상 전력 공급이 정지하는 경우 원자력 발전소의 일정한 모니터링 및 제어 회로에 전원을 공급하는데 사용될 수 있다. 본 발명에 따른 시스템의 출력은 500 kVA에 도달할 수 있다.

Description

원자력발전소의 보조 구성장치를 위한 비상 전원 공급 장치 및 그 사용 방법{Device for emergency power supply to auxiliary components of a nuclear power plant and use method}

본 발명은 원자력발전소의 보조 장치(auxiliary components)에 비상 전원을 공급하는 장치에 관한 것이고, 특히 압입수냉각방식 원자로(pressurized-water-cooled nuclear reactor) 및 원자력발전소의 보조 구성장치의 주전원 공급의 정지시 비상 전원을 공급하는 방법에 관한 것이다.

원자력발전소의 다수의 주장치를 모니터링, 제어 또는 보호하는 데 사용되는 원자력발전소의 다수의 보조 구성장치는, 발전소의 원자로의 모든 동작단계 동안 그 기능을 수행할 수 있도록 전류가 지속적으로 공급되어야 한다.

예를 들면, 원자력발전소의 전기 건축물(electrical building)에 설치된 동력밸브 또는 솔레노이드밸브의 역 접촉기(reversing contactor), 회로 차단기 및 접촉기와 같은 장비는, 원자로가 충분히 동작하도록 전류가 지속적으로 공급되어 어떠한 환경하에서도 사용가능하여야 한다.

이러한 장비는, 교류 380V 네트워크와 정류기에 의해 원자력발전소에서 예를 들면 125V의 직류를 공급받는다.

원자력 발전소의 전기 공급의 중단을 일으키는 사건 또는 사고가 있는 경우, 상기한 전기 장비의 기능을 유지하는 것이 필수적이다.

어떠한 환경하에서도 이러한 전기 장비가 지속적으로 동작하도록 하기 위해, 예를 들면 125V의 정상 전압과 250A의 최대 전류를 제공하는 납 또는 카드뮴 배터리와 같은 배터리가 주로 사용된다.

다수의 파트 모두에 대한 공급에 따른 순간적 전류 소비 상황을 제외하고는, 발전소의 정상 동작 조건하에서는 배터리는 전류를 전혀 발생하지 않는다.

발전소의 정상 전기 공급이 중단된 때에는 배터리는 전기 장비에 공급되던 에너지를 단독적으로 공급하여야 하며, 상기 사건 또는 사고가 예를 들면 전기 장비의 전기 공급을 위한 수단의 부분적 고장일 수도 있다.

이 경우, 배터리는 정상 전압 125V에, 배터리 단자의 한계 전압이 약 105V 이하로 내려가지 않도록 하여 적어도 한시간 동안 전기 장비에 전기를 공급할 수 있어야 한다.

전기 공급을 위한 최소한의 요구 수명에 도달하기 위해서, 이러한 기능을 제공할 수 있는 배터리의 크기 및 용적은 엄청나게 크다.

압입냉각수방식 원자로는, 압입된 물을 펌프 모터에 연결된 샤프트(Shaft)에 의해 펌프의 나선(volute)내에서 회전하는 펌프 임펠러(impeller)를 갖는 주펌프(primary pump)에 의해 순환시키는 원자로 냉각 시스템을 포함한다.

주펌프의 샤프트는, 복수 열의 실(seal)을 통과하고, 대기압에서 그 일부는 모터에 연결되며, 상당한 고압 및 고온의 물을 수용하는 볼류트의 내부, 펌프 임펠러에 그 말단부가 연결된다.

원자로냉각시스템의 외부 원자로냉각수의 누출을 야기하는 후속적인 실의 붕괴를 막도록, 실을 정상 보전하기 위해서 실의 제1열로 가압된 물이 유입되어야 한다.

따라서, 붕괴 또는 원자로냉각수 유출을 방지하기 위해서는 실에 저온의 물이 지속적으로 공급되어야 한다.

정상 동작시, 고전력 하전(charging) 펌프가 실에 저온의 물을 공급한다. 정상 전기공급이 정지하면, 일반적으로 3상(three-phase) 380V 교류가 공급되는 전기 모터에 의해 구동되는 펌프의 정변위(positive displacement)에 따라 펌프 실의 제 1열로 물이 주입된다.

발전소에서 공급되는 380V의 전류가 차단되면(주 네트워크, 보조 네트워크 및 모터-발전기 세트), 주펌프의 실에 물을 주입하는 펌프의 모터에 비상 전원을 공급하여야 한다.

예를 들면, 주입펌프에 전류 공급이 차단되는 사건 또는 사고 발생시 시동 되는 원자력발전소에서 증기 발전기를 갖는 터빈 발전기를 사용하는 방안이 제안되었다.

터빈 발전기를 시동해야 하는 경우 주펌프의 실에 주입 고장이 야기될 수 있다. 또한, 터빈 발전기는 주기적으로 검사해야하며 그 유지비용이 높을 수 있다.

주입 펌프에 구동 전류를 공급하는 터빈 발전기의 시동은, 정상 전기 공급 정지후 최대 2분의 시간 이내에 이루어져야 하며, 이는 실에 가압된 물의 공급없이 주펌프가 동작하는 최대 시간에 해당한다. 2분의 시간은 주펌프 제1열의 실의 알루미늄 코팅에 대한 열 쇼크를 방지할수 있는 시간으로 규정된다.

경험에 따르면 증기 발전기의 증기에 의해 구동되는 터빈 발전기는 특히 시스템 내의 물의 존재에 따라 시동시 고장이 발생할 수 있다.

따라서, 원자력발전소의 보조 구성장치에 비상 전원을 공급하며, 발전소의 구성장치 및 시스템에 쉽게 결합될 수 있는 수단이 마련되는 것이 바람직하며, 전원 공급수단은 배터리보다 작동 수명이 길고 빠르고 안전하게 기능할 수 있어야 한다.

따라서, 본 발명의 목적은, 원자력발전소의 보조장치를 위해, 유지 작업이 거의 요구되지 않으연서 작은 크기에, 작동이 매우 안정적이며 작동 수명이 긴 비상 전원을 공급하는 장치를 제공하는 것이다.

상기한 목적을 위해, 본 발명에 따른 비상 전원공급 장치는 적어도 하나의 저장고로부터 수소를 함유한 기체 및 산소를 함유한 기체를 공급받는 적어도 하나의 연료셀(fuel cell)(2) 및 수소를 함유한 기체 및 산소를 함유한 기체 각각의 적어도 하나의 시스템을 포함한다.

이하, 본 발명을 상세히 설명하기 위해 본 발명에 따른 전원 공급장치 및 이를 사용하여 주펌프의 실에 물을 주입하는 펌프, 또는 모니터링 및 제어를 위한 스위치보드(switchboard)에 비상 전원을 공급하는 방법을, 첨부된 도면을 참조하여 일 예를 들어 설명한다.

도 1은 가압수(pressurized-water) 원자로를 포함하는 원자력 발전소 시스템에서, 연료셀(fuel cell)을 구비하는 비상 전원 장치의 구조를 나타내는 도면이다.

도 2는 수소를 연료로 사용하는 연료셀의 이론적 구조를 개략적으로 나타내는 도면이다.

도 3은 물을 원자로 주펌프의 실에 주입하는 펌프, 및 주펌프의 실에 주입하는 시스템 보조장치에, 도 1의 비상 전원 장치를 사용하는 방법을 나타내는 도면이다.

도 4는 원자력 발전소의 구성장치를 위한 전기 스위치보드의 전원공급 방법을 나타내는 도면이다.

도 1에는 참조번호 1로 나타낸 본 발명에 따른 비상 전원공급장치가, 연료셀을 사용하여 전원공급장치를 동작시키기 위해 사용되는 원자로의 시스템 및 탱크와 함께 개략적으로 도시되어 있다.

전원공급장치(1)는 전류 발생의 복수 단계를 구성하고 직렬로 배치된 연료셀(2a 및 2b)을 구성하는 복수의 소자를 포함한다.

또한, 공급장치(1)는 연료셀 부분에 수소 및 산소를 공급하고, 셀을 냉각시키고, 사용되지 않은 수소를 재활용하고, 연료셀로 유입 또는 생성된 물을 제거하기 위해 각각 상이한 시스템을 포함한다.

도 2는 수소를 연료로, 공기를 산화제로 사용하는 PEMFC 형 연료셀의 하나의 단위 셀을 개략적으로 나타낸다.

도 2에 도시된 셀(3)은 연료셀의 동작의 설명을 돕기 위한 연료셀의 단위 셀이다.

셀(3)은 수소흡입부(3a), 흡기부(3b) 및, 수소흡입부 및 흡기부 사이에 마련된, 제1 전극(4a)(양극) 제2 전극(4b)(음극)(cathode) 및 제1 전극과 제2 전극 사이의 고체 전해질을 구성하는 폴리머로 이루어진 물충전 멤브레인(water-impregnated membrane)(6)을 구비하는 소자를 포함한다. 다공 전극(porous electrode)(4a (또는 4b))에 마련된 촉매(4a' (또는 4b'))는 기체가 셀(3)을 통과하도록 한다.

전극은 도전 탄소 섬유(condusting carbon fabric)상에 백금 탄소 파우더(platinized carbon power)의 혼합물을 침착시켜 형성된다. 양극(4a)에는 수소(또는 수소 함유 기체)가 공급되고 음극(4b)에는 산소 함유 기체, 예를 들면 공기가 공급된다.

연료셀에 의해, 연료셀에 유입된 수소 및 산소를 이용한 화학적 산화 환원 반응의 자유 에너지를 전기적 에너지로 변환할 수 있다.

양극(4a)에 접촉하면, 수소 분자는 전자를 잃고 수소 이온(양성자 proton)으로 전이한다.

수소 이온은, 도 2b에 화살표(8)로 도시된 바와 같이 전극을 통과하여 음극(4b)에 도달하여, 음극에는 수소 이온과 산소 분자가 존재한다. 음극(4b)에 함유된 촉매의 효과에 의해, 수소 이온은 전자를 흡수하여 연료셀로 유입되는 공기중의 산화 산소를 감소시킨다. 화살표(9)에 의해 도시된 바와 같이, 이러한 반응에 의해 증기 상태의 물이 생성된다.

양극의 반응에 의해 생성된 전자는 연료셀의 유저회로(user circuit)(10)로 이동하여 음극(4b)까지 도달할 수 있다. 이러한 방법으로 양극과 음극간 전위차가 형성되고 연료셀의 유저회로(10)에 전류가 흐르게 된다.

연료셀의 이론적인 전위차는 1.23V이며, 이는 O₂/H₂O 쌍의 산화 환원 전위차에 해당한다.

연료셀 내부의 손실을 감안하여야 하므로, 전압은 실제로 도 2에 도시된 각 소자에 대해 0.6V 내지 0.9V 사이에 위치한다.

멤브레인(6)은 양이온성(cationic) 멤브레인으로서, 분자 수소(H₂)가 유입된(화살표 7'a) 양극(4a)으로부터 수소 이온 H⁺만을 통과 시킨다. 연료셀(3)의 제2 구획(compartment)(3b)로 유입되는 공기의 산소 O₂는 화살표(7'b)에 의해 도시된 바와같이 음극(4b)으로 유입된다.

실제로, 구획(3b)으로 유입된 공기는 연료셀 전체를 통과하며 연료셀내에 형성된 증기 또는 물을 구동시켜, 화살표()에 의해 도시된 바와 같이 흐르는 공기(purging air)내의 현탁액(suspension)으로 형성된 증기 또는 물을 포함하는 혼합물은 연료셀의 구획(3a) 및 구획(3b)를 통해 제거된다.

비상 전원을 공급하기 위해 충분한 전력을 연료셀로부터 얻기 위해서는 도 2에 도시된 바와같은 단위 셀을 복수 개 병렬배치하여야 한다.

예를 들면, 주펌프의 실로 물을 주입하는 펌프에 비상 전원공급을 위해서는, 다수의 단위셀의 병렬로 얻을 수 있는 약 150 kW의 전력이 가능하여야 하며, 이 수는 획득되어야할 d.c. 전압에 의해 규정되며 그 단면(전극표면)은 획득되어야할 전류 값에 의해 규정된다.

예를 들면, 150 kW의 전력을 얻기 위해서, 도 2에 도시된 바와 같은 PEMFC형 셀을 215개 사용할 수 있고, 그 단면은 폭 420mm 및 높이 420mm를 갖는다.

연속된 셀의 양극 및 음극에 각각 부착된 양극판(bipolar plate)(5a)이 두개의 연속된 셀의 사이에 위치한다. 양극판은 기체(수소 및 산소)를 셀(3) 사이에 분배하고, 순서대로 각 셀로부터 전자를 수거하여 연료셀(특히 증기)에서의 반응에 의해 형성된 부산물을 제거하고, 셀에서 생성된 반응열을 제거한다.

각 단위 셀은 양극판, 양극, 멤브레인 및 음극을 갖고, 제2 양극판은 두개의 병렬로 연속한 셀에 공유된다.

일반적 형태의 PEMFC 셀은 약 10mm의 두께를 갖고, 주어진 말단 구획의 크기에 대해 전체 연료셀의 길이는 약 2300mm이다.

따라서, 비상 전원 공급을 위해 바람직한 전기 특성을 갖는 연료셀을 구성하기 위해서는 도 1에 도시된, 2a 및 2b와 같은 단위의 상당한 다수가 병렬배치된다.

연료셀에는 각 셀의 말단, 양극판 또는 구획(3a 및 3b)에 수소와 공기가 공급된다.

구획(3a) 및 양극판으로 공급되는 수소는 연료셀의 구획(3a)의 유입노즐(inlet nozzle)(13) 및 5a와 같은 양극판에 연결된 수소시스템(12)을 경유하여 공급된다.

원자력 발전소는 일반적으로 수소 저장 및 분배를 위한 자체 수단을 구비하며, 이는 연료셀로 수소를 공급하기 위한 시스템(12)의 제1 파트(part)(12a)을 형성한다.

시스템(12)의 상기 파트(12a)는 하나 또는 그 이상의 고압력(예를 들면 197bar)의 수소 저장 탱크(14), 수소 압력을 분배 압력(예를 들면 7 bar)까지 낮추기 위한 단(stage)(15), 및 예를 들면 원자로의 용적 제어 시스템의 화학물질 내에(화살표 16a) 또는 발전소 작동장치(operator)의 유저회로 내에(화살표 16b) 수소를 분배하기 위한 폐쇄 밸브(shutdown valve)를 포함한다.

연료셀(2) 공급을 위해 시스템(12)은 예를 들면 원자력 발전소의 기존의 수소 시스템의 파트(12a)에 부착되어 형성되고, 시스템(12b)의 파트는 수소 압력을 (예를 들면 3 bar 까지) 낮추기 위한 제2 단(17), 밸브(15a)의 시스템 하부의 파트(12a)를 연료셀의 노즐(13)에 연결시키기 위한 폐쇄밸브(17a), 비복귀밸브(nonreturn valve)(17b) 및 파이프(18)를 포함한다.

또한, 수소 분배를 위해, 시스템(12)은 재활용 파트(12c)를 포함하며, 이는 연료셀에서 소비되지 않은 수소를 회수하여 제1 구성요소(3a)의 제2 노즐(13')를 경유하여, 회수된 수소를 제1 구성요소(3a)의 수소 유입노즐(13)에 연결된 파이프(18)로 유입한다.

회수 시스템(12c)은 남은 수소를 연료셀에 형성된 증기로부터 분리할 수 있는 격벽(separator)(19)를 포함하며, 증기는 응축되어 원자로로부터 하수회수시스템(drainage recovery system)(20)으로 유입되어 제거된다.

연료셀로부터 전기가 공급되는 비복귀밸브(21a), 폐쇄밸브(21b) 및 순환펌프(circulation pump)(22)가 또한 수소회수시스템(12)에 설치된다.

연료셀로부터 요구되는 전력에 따라 보다 많거나 적은 양의 수소가 회수되어, 재활용될 수 있어서 저장 탱크(14)로부터 오는 수소의 양은 줄어든다.

이와 같은 방법으로, 비상 전원공급 장치의 전력 작동을 조절하고 수소 소비를 최적화하는 것이 가능하다.

발전소의 수소 공급 대신에, 연료셀에 특정한 수소 시스템을 사용하는 것이 가능하다.

산화 산소(oxidizing oxigen)를 공급하고 연료셀을 정화하는 양극판 및 연료셀의 제2 구획(3b)에 대한 공기 공급은 파이프(25)에 의해 제2 구획(3b)의 노즐(23)에 연결된 시스템(24)에 의해 이루어진다. 시스템(24)은 원자력 발전소에서 사용되는 통상의 구성장치인 압축공기의 탱크(26)를 포함한다. 예를 들면, 용량 4m³의 압축공기 버퍼(buffer) 탱크(26)가 사용되고, 셀에 압력 3 bar의 공기를 공급하도록 할 수 있다.

압축공기의 압력을 낮추기 위한 단(27)(예를 들면 압력 3bar로 낮춤) 및 폐쇄밸브(27a)가 연료셀에 공기를 주입하기 위한 노즐(23)과 탱크(26)사이에, 파이프(25)상에 설치된다. 공기 대신에, 수소 분배 시스템과 같은 원리에 따른 가압저장고(P=190bar), 한개 또는 두개의 압력강하장치 및 폐쇄밸브를 포함하는 순수 산소 시스템을 사용할 수 있다.

산소를 사용하면, 연료셀의 효율성을 높일 수 있다.

노즐(23')에 연결된 시스템(28)은 연료셀의 제2 구획(3b)으로 돌출(emerging)되어 시스템(24)을 통해 연료셀로 주입된 공기와 혼합되어 연료셀에 형성된 증기를 제거할 수 있다. 시스템(28)은 격벽(29)를 포함하여 원자로로부터하수회수시스템(20)에 형성된 물을 제거할 수 있다.

연료셀 내부의 화학 반응에 의해 생성된 에너지가 열의 형태로 발산되므로 연료셀(2)은 가열된다.

연료셀을 냉각시며야 하며, 이를 위해 원자력 발전소의 탈염수 시스템(demineralized water system)(30)으로부터 냉각수가, 연료셀에 의해 전류를 공급받는 펌프(32)를 포함하는 주입시스템(31)을 통해 연료셀의 특정 파이프로 주입되어 탈염수가 시스템(31) 및 연료셀로 유입되도록 한다. 탈염수는 연료셀보다 수위가 높은 탱크로부터 중력의 힘으로 유입될 수도 있다.

연료셀에 유입된 물은 원자로로부터 하수회수시스템(20)에 연결된 시스템(33)에 의해 회수된다.

회수시스템(33)은 양극판을 거쳐 연료셀의 양극 부분 및 음극 부분에 연결되는 분기부(branches)를 포함한다. 폐쇄밸브(33a)가 시스템(33)에 설치되어 개방되는 경우 회수된 물이 하수시스템(20)으로 수거된다.

연료셀을 가열하는 장치(44)(코일 형태로 도시됨)에 의해 연료셀이 비상 전원 공급을 위해 사용되지 않는 경우 동작 온도를 유지할 수 있다. 따라서, 사용하여야 할 경우 연료셀의 시동시간이 단축된다.

연료셀에 의해 공급되는 전류를 사용하는 회로를 부호 10으로 표시한다. 회로는 양극판을 통해 음극 및 양극 부분에 연결되어, 유저회로(10)에 d.c. 전류가 일정한 전압으로 흐른다.

연료셀에 의해 d.c. 전압으로 생성된 전류를 회복하기 위한 회로가 도 3에도시된 바와같이 원자력 발전소의 구성장치에 연결되어 사건 또는 사고 발생시 전원을 지속적으로 공급하는 것이 바람직하다.

도 4는, 회로(41)를 통해 원자력 발전소의 솔레노이드 밸브 코일, 모터 또는 접촉기, 또는 연료셀의 타 보조장치(예를 들면 펌프)와 같은 전류를 사용하는 구성장치 및 스위치보드(40)에 대한 정상 또는 비상 전원공급 수단을 나타낸다.

스위치보드(40)의 정상 전원공급수단(42)은 특히 원자력 발전소에 교류를 공급하는 네트워크에 연결된 전원공급부를 포함하고, 예를 들면 전압 125V의 d.c. 전류를 얻기 위한 정류기를 포함한다.

비상 전원공급 수단은 특히 연료셀(2) 및 적어도 하나의 슈퍼커패시터(supercapacitor)(38)를 포함하는 플랜트(plant)를 포함하며, 그 구조와 기능은 후술한다. 연료셀(2) 및 슈퍼커패시터 플랜트(38)는, 정상 전원공급수단(42)에 대해, 전원공급 라인에 직렬로 설치되고, 회로(41)에 연결된 일반 전원공급 라인 및 스위치보드(40)에 병렬로 연결된다.

제어되는 회로 차단기 또는 교대기(relay)(37, 39, 43)가 정상 전원공급수단(42), 연료셀(2) 및 슈퍼커패시터(38)를 일반 전원공급 라인에 연결하는 분기상에 각각 설치된다.

보드 및 유저회로에 정상 전원공급이 가능한 경우, 회로 차단기(37 및 43)는 폐되고 회로 차단기(39)는 개방된다. 보드(40) 및 유저회로(41)는 정상 전원공급 수단(42)에 의해 전원이 공급된다.

하나의 슈퍼커패시터 또는 복수의 슈퍼커패시터(38)는 충전되어 있다.

정상 전원공급이 정지하면, 회로 차단기(37)가 개방되고 회로 차단기(39)가 폐쇄되어 비상 전원이 공급 개시된다.

보드(40) 및 유저회로(41)는 처음에는 슈퍼커패시터(38)에 의해 전원이 공급되고, 이후 슈퍼커패시터(38)가 방전되는 동안 전류를 생성하기 위해 시동되는 연료셀(2)에 의해 전원이 공급된다. 슈퍼커패시터는 연료셀의 시동 동안 보드(40)에 전원 공급할 정도의 용량을 가진다.

슈퍼커패시터(38) 및 전원공급 버스바(busbars) 세트 사이의 인터페이스에 역구동 단속기(reversible chopper)(38a)가 제공되어 슈퍼커패시터의 방전 동안 버스바 세트의 전압을 일정하게 유지한다.

요구에 따라, 적절한 특성을 갖는 연료셀 또는 정류기 또는 변압기, 인버터를 포함하는 전자 변환수단(electronic conversion means)을 사용하여, 예를 들면 220V, 125V 48V 30V의 임의의 전압의 직류 또는 교류를 공급할 수 있다.

연료셀(2)의 회로(10)는 또한 인버터(또는 복수의 인버터)를 통해, 예를 들면 690V 또는 380V의 삼상 전원공급장치를 사용하여 하나 또는 그 이상의 저전압 모터에 전원을 공급할 수 있다.

특히, 도 3에 도시한 바와같이, 펌프(35)에 정상 전원 공급이 차단된 경우, 전기 모터(35a)에 의해 회전되는 정변위 펌프(35)를 통해, 원자로의 적어도 하나의 주펌프의 실에 물을 지속적으로 공급하는데 회로(10)가 사용될 수 있다.

연료셀의 회로(10)에 의해 공급된 직류를 삼상 교류로 변환하는 컨버터를 통해, 펌프(35)를 구동하는 전기 모터(35a)에는 전압 380V의 삼상 교류가 공급된다.

컨버터(36)는 인버터로 구성된다.

바람직하게는, 연료셀에 평행하게 배치된 슈퍼커패시터는, 정상 전원공급이 정지된 경우, 연료셀의 시동 및 출력 상승시간 동안, 주입 펌프의 빠른 시동이 가능하게 한다.

원자로의 보조 구성장치(34, 35)에 대한 비상 전원공급은 원자력 발전소의 탱크에 보유된 수소가 공급되는 연료셀에 의해 이루어질 수 있다.

PEMFC 형 연료셀의 사용시간은 적어도 약 10,000 시간이 될 수 있다. 결국, 각 연료셀의 비상 전원공급 장치의 연속 사용시간은 단지 수소 보유량에 의해 제한된다.

연료셀은 고 출력 밀도(power density)를 가질 수 있으므로, 연장된 기간 동안 완전히 독립적으로 보드 및 회로에 전원을 정확히 공급할 수 있다.

보드 및 사용자 구성장치에 전원을 공급할 수 있는 연료셀의 총 크기는, 한 시간 동안의 동작에 대해, 통상 사용되는 배터리(220V, 125V, 48V 또는 30V)의 크기 보다 충분히 작다.

원자력발전소의 모니터링 또는 제어 보드 각각에 전원을 공급하는 (작은 크기의) 연료셀을 사용하는 것이 가능하고, 또는 역으로 모니터링 및 제어 보드 세트에 전원을 공급하는 보다 큰 출력 및 보다 큰 크기를 갖는 연료셀을 사용하는 것이 가능하다.

비상 전원공급 수단으로서의 연료셀의 또다른 응용은 주펌프의 실에 물을 주입하는 펌프에 상기한 바와같이 전원을 공급하는 것이다.

또한, 연료셀은 시동 또는 동작을 위해 외부 에너지 소스를 요구하지 않는 다는 장점이 있으며, 따라서 완전히 독립적이다.

또한, 연료셀의 시동은 매우 빠르고, 전원공급 정지에 따른 원자로의 보조 구성장치에 전류를 공급하여야 하는 경우에만 실제로 동작하여, 연료셀이 비상 전기 에너지 소스로 사용되는 응용에 있어서 장점이 있다.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않는다.

비상 시스템의 동작을 향상시키기 위해, 상기한 바와 같이 연료셀에 대해 직렬 또는 병렬로 설치된 슈퍼커패시터 플랜트를 사용할 수 있다. 이러한 플랜트에 의해, 열료셀의 출력이 상승하는 동안 다양한 사용자 구성장치에 필요한 전력을 즉시 제공할 수 있다. 슈퍼커패시터는 또한 소비가 극대가 되는 경우 전력을 공급할 수 있다. 본 발명에 따르면 연료셀 및 하나 또는 그 이상의 슈퍼커패시터를 구성하는 혼성 시스템(hybrid system)을 사용 할 수 있다.

슈퍼커패시터라는 용어는, 높은 시간 상수(constant)에서 통상의 커패시터보다 방전시 높은 전력을 제공할 수 있는 커패시터에 대해 사용된다.

본 발명에 사용될 수 있는 슈퍼커패시터는 이중층 커패시턴스 원리(double-layer capacitance principle)에 기초한다. 슈퍼커패시터는 두개의 다공성 전극, 전해질 및 다공성 격벽으로 구성된다. 이러한 슈퍼커패시터는 다양한 기술에 따라 생산될 수 있다. 전극은, 폴리머 또는 수화된 금속 산화물(hydrated metal oxides)을 적층한 탄소로 형성된다. 사용 전극은 수성(aqueous)이거나 유기형(organic type)일 수 있다.

일반적으로, 사용되는 슈퍼커패시터는 뛰어난 충전-방전 회동률(cyclability)(>100,000), 작은 크기 및 유지보수의 필요성이 작은 장점을 갖고 있다.

어떠한 경우든, 슈퍼커패시터는 사용 상(phases) 간에 전하를 제공하는 회로와 함께 제공되어야 한다.

PEMFC 형의 연료셀 대신에 다른 유형의 연료셀, 예를 들면 다음과 같은 연료셀: 멤브레인이 있거나 없는 알카라인(alkaline) 연료셀(AFC), 인산(phosphoric) 연료셀(PAFC), 용융 탄산염(Molten carbonate) 연료셀(MCFC), 고체 산화물(solid oxide) 연료셀(SOFC) 또는 다이렉트 메탄올(direct methanol) 연료셀(DMFC) 등이 사용될 수 있다. 유사하게, 정상 전원공급 정지시 사용자에게 즉각 전원을 공급하기 위해 슈퍼커패시터 대신에 배터리와 같은 임의의 다른 전기 에너지 저장장치를 사용하는 것도 가능하다.

그러나, 수소 및 공기 또는 순수 산소만을 소비하는, PEMFC 형의 연료셀은 원자력 발전소의 시스템에 결합시키기에 특히 적합하다.

직접 또는 개질장치(reformer)를 통해 연료셀에 공급되도록, 순수 수소 대신 연료셀의 연료로서 원자력 발전소의 시스템에서 가능한 수소를 함유하는 임의의 타 물질 또는 기체를 사용하는 방법을 생각할 수 있다.

유사하게, 공기 대신에, 다양한 양의 산소를 포함하는 임의의 타 기체 혼합물 또는 전용 저장고로부터의 순수 산소를 사용할 수 있다.

그러나, 본 발명에 따르면 원자력 발전소의 시스템으로부터 산소 함유 기체또는 수소를 직접 공급받을 수 있는 연료셀을 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명은 가압수 원자로의 주펌프의 실로 주입되는 물을 공급하는 펌프의 비상 전원공급에 한정되지 않으며, 직류 또는 교류가 공급되는 임의의 타 저전압 장비 또는 자동 제어기를 위한 교대기(relay), 회로 차단기, 작은 펌프 또는 모터를 포함하는 발전소의 보조 구성장치에 직류 전력을 공급하기 위해 그리고 원자력발전소의 전원공급 정지를 보완하기 위해 응용될 수 있다.

연료셀 및 슈퍼커패시터의 혼성 시스템에 의해 제공되는 플랜트의 출력은 500 kVA에 도달할 수 있다.

따라서, 전원공급이 완전히 정지하는 경우 원자로를 냉각시키기 위해, 비상 공급수(feedwater)를 원자로의 증기 발전기에 공급하는 펌프에 전원공급을 할 수 있다.

이러한 펌프용 모터에는 690V가 공급된다.

따라서, 최신 설계의 원자로에 대해, 보조 공급수 펌프는 이러한 상황에서의 공급에 필요한 두개의 비상 펌프로 대체된다.

현재, 비상 전원 공급을 위해 전용 디젤 발전기 두 대가 제공된다. 이러한 작은 디젤 엔진은 적어도 하나의 연료셀에 의해 대체될 수 있다.

Claims (15)

1. 원자력 발전소의 보조 구성장치(auxiliary components)(34, 35, 35a)에 비상전원을 공급하는 장치에 있어서,

   수소를 함유한 기체 및 산소를 함유한 기체를 각각을 위한 적어도 하나의 시스템 및 적어도 하나의 저장고로부터, 수소를 함유한 기체 및 산소를 함유한 기체를 공급받는 적어도 하나의 연료셀(fuel cell)(2);을 포함하는 것을 특징으로 하는 비상 전원공급 장치.
2. 제 1항에 있어서,

   연료셀의 시동 및 전력 상승 또는 소비 최대발생시 동안, 즉각적인 비상 전류를 공급하기 위해, 연료셀에 대해 직렬로 또는 병렬로 설치된 전기 에너지 저장장치(38)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비상 전원공급 장치.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 전기 에너지를 저장하는 중간 장치는 적어도 하나의 슈퍼커패시터로 구성되는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 비상 전원공급 장치.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 연료셀(2)은 하기 유형: PEMFC, 멤브레인이 있거나 없는 알카라인 연료셀(AFC), 인산 연료셀(PAFC), 용융 탄산염 연료셀(MCFC), 고체 산화물 연료셀(SOFC), 다이렉트 메탄올 연료셀(DMFC) 중 하나의 셀인 것을 특징으로 하는 비상 전원공급 장치.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 연료셀(2)은 원자력 발전소의 시스템(16a, 16b)의 정상 공급을 위한 제1 시스템 파트(12a) 및 상기 제1 시스템 파트(12a)를 상기 연료셀에 연결하는 제2 시스템 파트(12b)를 포함하는 공급 시스템(12)으로부터 수소를 공급받는 것을 특징으로 하는 비상 전원공급 장치.
6. 제 5항에 있어서,

   상기 제1 시스템 파트(12a)는 적어도 하나의 가압 수소 저장용 탱크(14), 상기 수소 압력을 낮추기 위한 제1 단(15), 및 제1 폐쇄 밸브(15a)를 포함하고, 상기 수소 공급 시스템(12)의 상기 제2 시스템 파트(12b)는 상기 수소 압력을 낮추기 위한 제2 단(17) 및 제2 폐쇄 밸브(17a)를 포함하는 것을 특징으로 하는 비상 전원공급 장치.
7. 제 5항에 있어서,

   상기 연료셀(2)에 수소를 공급하는 상기 시스템(12)은, 상기 연료셀(2)에서 소비되지 않은 수소를 재활용하는 시스템(12c)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는비상 전원공급 장치.
8. 제 1항에 있어서,

   상기 연료셀(2)은 상기 연료셀(2)에 특정된 시스템에 의해 수소를 공급받는 것을 특징으로 하는 비상 전원공급 장치.
9. 제 1항에 있어서,

   압축공기의 압력을 낮추기 위한 단(27)과 폐쇄밸브(27a)가 설치된 위치의 파이프를 통해 상기 연료셀에 연결되는 상기 원자력 발전소의 압축공기 저장 버퍼 탱크(26)를 포함하는 연료셀(2)에 공기를 공급하는 시스템(24)을 포함하는 것을 특징으로 하는 비상 전원공급 장치.
10. 제 1항에 있어서,

    상기 원자력 발전소의 탈염수 탱크(30)로부터의 탈염수를 통해 상기 연료셀(2)을 냉각시키는 시스템(31)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비상 전원공급 장치.
11. 제 1항에 있어서,

    상기 원자력 발전소로부터 하수를 회수하는 시스템(20)에 연결된 상기 연료셀 내의 물을 회수하는 적어도 하나의 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 비상전원공급 장치.
12. 제 1항에 있어서,

    상기 연료셀(2)의 시동시간을 단축하기 위해 상기 연료셀(2)을 동작 온도로 유지하는 가열장치(44)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비상 전원공급 장치.
13. 원자로의 주펌프의 구동 샤프트의 실(seals)에 물을 주입하는 펌프를 위한 구동모터에 비상 전원을 공급하는 방법에 있어서,

    상기 주입 펌프(35)에 정상 전원 공급이 차단된 경우, 상기 주펌프의 상기 실로 물을 주입하는 상기 주입 펌프(35)를 위한 상기 모터(35a)에, 제 1항 내지 제 12항 중 어느 한항에 따른 상기 장치 및 인버터와 같은 직류를 삼상 교류로 변환하는 컨버터(22)를 통해 전원이 공급되는 것을 특징으로 하는 비상 전원공급 방법.
14. 원자력 발전소의 보조 구성장치를 모니터링 및 제어하는 적어도 하나의 스위치보드(40)에 비상 전원을 공급하는 방법에 있어서,

    상기 스위치보드(40)에는 제1 항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 따른 상기 장치 및 복수의 스위치보드(34) 또는 하나의 상기 스위치보드(40)에 전적으로 사용되는 슈퍼커패시터 플랜트(38)에 의해 생성된 전류가 공급되는 것을 특징으로 하는 비상 전원공급 방법.
15. 전원공급이 완전히 정지하는 경우 원자로를 냉각시키기 위해, 비상 공급수(feedwater)를 상기 원자로의 증기 발전기에 공급하는 적어도 하나의 펌프에 전원을 공급하는 방법에 있어서,

    상기 공급수 제공용 펌프에는, 500 kVA의 출력을 갖는 연료셀(2)를 포함하는 제 1항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 따른 장치에 의해 전류가 공급되는 것을 특징으로 하는 비상 전원공급 방법.