KR200489938Y1 - 복층형 연료전지시스템 - Google Patents

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Abstract

본 고안에 따른 복층형 연료전지시스템은 2개층 이상을 포함하는 구조물이 설치되고, 상기 구조물에서 두 개의 층에는 수소와 산소의 화학반응에 의해 전기를 생산하는 다수의 연료전지모듈이 설치되어 연료전지모듈이 복층화되어 배치되며, 다수의 연료전지모듈이 배치되는 복층의 상측 지붕에는 각 연료전지모듈에 연결되어 연료전지모듈을 냉각시키기 위한 다수의 냉각기가 설치되어 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

복층형 연료전지시스템{Multi layered fuel cell system}
본 고안은 연료전지시스템에 관한 것으로 보다 상세하게는 연료전지모듈을 복층화하여 적은 부지면적에서도 일정 이상의 발전전력을 확보할 수 있는 복층형 연료전지시스템에 관한 것이다.
연료전지는 물의 전기분해 역반응을 이용하는 것으로 공급되는 수소와 산소로부터 전기를 만들어 내는 발전장치이다. 연료전지는 일반 화학전지(예, 건전지, 축전지 등)와 달리 수소와 산소가 공급되는 한 계속 전기를 생산할 수 있다. 즉, 공기만 있으면 무한히 사용할 수 있는 에너지이다.
도1은 연료전지의 발전원리를 도시한 것으로, 양극(연료극)에 수소(H2)를 공급하면 양극에서는 수소이온(H+)과 전자(e-)로 분리되고, 분리된 수소이온(H+)은 전해질을 통해 음극으로 이동한 후 산소(O2)와 결합하여 물(H2O)과 열이 발생하게 되며 전자(e-)는 전기회로로 이동하여 전기를 생산하게 된다.
연료전지는 전해질의 종류에 따라 용융탄산염형(MCFC), 인산형(PAFC), 고체산화물형(SOFC), 고체고분자형(PEMFC) 등 크게 네 가지 방식으로 나눌 수 있다.
도2는 실제 연료전지시스템이 발전소에 설치되어 있는 사진으로서, 총 7개의 연료전지모듈(1)이 부지에 일정 간격 이격되어 설치되고, 전해질 타입은 용융탄산염형(MCFC)으로 각 연료전지모듈(1)은 전술한 바와 같은 수소 및 산소공급과 양극(연료극) 및 음극이 구비되어 개별적인 단위 모듈로서 전기를 생산하게 된다. 도3은 도2에 설치된 하나의 연료전지모듈(1)을 도시한 도면으로서 하나의 연료전지모듈(1)에서는 약 300kwh의 전력을 생산하고 각 연료전지모듈(1)의 케이스 상면에는 연료전지모듈(1)의 냉각을 위한 냉각기(2)가 구비되어 있다.
그런데, 이와 같은 종래 연료전지시스템의 경우 일정 전력이상을 생산하기 위해서는 일정 개수 이상의 연료전지모듈(1)이 필요한데, 각각의 연료전지모듈(1)이 부지에 일정 간격으로 이격 설치되어 있어 한정된 부지 내에서는 연료전지모듈(1)의 개수가 제한되어 연료전지모듈(1)의 개수를 증가시키기 어렵고 일정 전력이상을 확보하기 위해서는 연료전지모듈(1)의 개수를 증가시켜야 하는데 이를 위해서는 부지 면적이 커져 총 설치비용이 증가되는 문제점이 있다.
따라서, 본 고안은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 적은 부지면적 내에서도 일정 전력 이상의 발전전력을 확보할 수 있는 연료전지시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 고안에 따른 복층형 연료전지시스템은 2개층 이상을 포함하는 구조물이 설치되고, 상기 구조물에서 상기 두 개의 층에는 수소와 산소의 화학반응에 의해 전기를 생산하는 다수의 연료전지모듈이 설치되어 연료전지모듈이 복층화되어 배치되며, 다수의 연료전지모듈이 배치되는 복층의 상측 지붕에는 각 연료전지모듈에 연결되어 연료전지모듈을 냉각시키기 위한 다수의 냉각기가 설치되어 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 구조물은 철골구조로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 각 연료전지모듈은 천연가스로부터 수소를 추출하는 개질기와, 상기 개질기로부터 공급되는 수소와 산소의 화학반응에 의해 전기를 생산하는 발전스택과, 상기 발전스택으로부터 생산되는 직류를 교류로 변환시키는 전력변환기를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 구조물의 제1층에는 연료전지시스템의 전력제어를 위한 전기실이 구비되고, 제2,3층에 연료전지모듈이 설치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 각 연료전지모듈의 외부 케이스에는 수증기를 배출하기 위한 배관이 설치되고, 상기 배관의 하부에는 수증기가 응결되어 생성되는 물을 아래쪽으로 배수하기 위한 배수관이 구비되는 것을 특징으로 한다.
본 고안의 복층형 연료전지시스템에 따르면 개별적으로 전기를 생산하는 다수의 연료전지모듈이 복층으로 설치됨으로써 종래 연료전지시스템에 비하여 소요되는 부지면적을 약 절반 정도로 줄일 수 있어 설치비용을 대폭 절감할 수 있는 장점이 있고, 또한 연료전지모듈을 복층화함으로써 제한된 부지에서 연료전지모듈의 개수를 증가시킬 수 있어 한정된 부지에서 생산하는 전력량을 증대시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 연료전지모듈을 복층화함으로써 전기 선로의 길이가 줄어들어 전력 손실을 줄일 수 있는 장점이 있고, 설비의 집약화로 연료전지시스템에 들어가는 각종 배관의 길이 등을 줄일 수 있어 보다 경제적인 효과가 있다.
도 1은 연료전지의 발전원리를 도시한 도면이고,
도 2는 종래 연료전지시스템을 보여주는 도면이며,
도 3은 도2에서 하나의 연료전지모듈을 도시한 도면이고,
도 4는 본 고안에 따른 연료전지시스템을 도시한 도면이며,
도 5는 본 고안에 따른 연료전지시스템의 정면도이고,
도 6은 본 고안에 따른 연료전지시스템의 측면도이며,
도 7은 본 고안에서 각 연료전지모듈의 내부구성도이다.
도 4는 본 고안에 따른 복층형 연료전지시스템을 도시한 도면이고, 도 5는 본 고안에 따른 복층형 연료전지시스템의 정면도이며, 도 6은 본 고안에 따른 연료전지시스템의 측면도이며, 도 7은 본 고안에서 각 연료전지모듈의 구성도이다.
본 고안에 따른 복층형 연료전지시스템은 2개층 이상을 포함하는 구조물(10)이 설치되고, 상기 구조물(10)에서 상기 두 개의 층에는 수소와 산소의 화학반응에 의해 전기를 생산하는 다수의 연료전지모듈(20)이 설치되어 연료전지모듈(20)이 복층화되어 배치되며, 다수의 연료전지모듈(20)이 배치되는 복층의 상측 지붕(14)에는 각 연료전지모듈(20)에 연결되어 연료전지모듈(20)을 냉각시키기 위한 다수의 냉각기(30)가 설치되어 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 실시예에서 상기 구조물(10)은 철골구조로 이루어지고 총 3개층으로 이루어지는데, 제1층(11)에는 전기실(40)이 구비되며, 제2층(12)과 제3층(13)에는 연료전지모듈(20)이 복층화되어 설치된다. 그리고, 제3층(13)의 지붕(14)에는 냉각기(30)가 설치된다. 냉각기(30)는 각 연료전지모듈(20)에 연결되어 연료전지모듈(20)의 기동 중 발생한 열을 냉각시키기 위한 것으로 냉각수를 순환시켜 냉각시키게 되고, 총 13개의 냉각기(30)가 설치된다. 본 발명에서는 이와 같이 냉각기(30)를 연료전지모듈(20)에서 분리시켜 지붕(14)에 별도로 집적함으로써 연료전지모듈에 냉각기가 개별 부착되는 것에 비해 층고를 대폭 줄일 수 있고, 따라서 동일한 구조물 높이에서 연료전지모듈의 층수를 더 늘일 수 있는 장점이 있다.
구조물(10)의 제2,3층(12,13)에 설치되는 연료전지모듈(20)은 총 13개가 설치되는데, 제2층(12)에는 6개의 연료전지모듈(20)이 설치되고 제3층(13)에는 7개의 연료전지모듈(20)이 설치된다. 본 실시예에서 연료전지모듈(20)은 인산형(PAFC) 타입으로서 하나의 연료전지모듈(20)의 발전 전력은 440Kw로 총 전력은 5720Kw이다.
각각의 연료전지모듈(20)은 개질기(21)와, 이 개질기(21)로부터 공급되는 수소와 산소의 화학반응에 의해 전기를 생산하는 발전스택(22)과, 직류를 교류로 변환시키는 전력변환기(23)로 구성된다(도7 참조).
연료전지모듈의 개질기(21)는 천연가스로부터 수소(H2)를 추출하기 위한 것으로 개질기(21)에 천연가스와 물이 공급되고 개질기(21)에서 천연가스로부터 수소(H2)를 추출하여 양극(연료극)에 공급하게 된다.
발전스택(22)은 수소와 산소의 화학반응에 의해 전기를 생산하기 위한 것으로, 양극에 개질기(21)로부터 수소가 공급되면 양극에서는 수소이온(H+)과 전자(e-)로 분리되고, 분리된 수소이온(H+)은 전해질을 통해 음극으로 이동한 후 음극에 공급되는 산소(O2)와 결합하여 물(H2O)과 열이 발생하게 되며 전자(e-)는 전기회로로 이동하여 전기를 생산하게 된다.
각 전극에서 일어나는 반응식은 다음과 같다.
양극(Anode) : 2H2 (g) → 4H+ + 4e-
음극(Cathode) : O2 (g) + 4H+ + 4e- → 2H2O (ℓ)
연료전지모듈의 전력변환기(23)는 직류를 교류로 변환하기 위한 것으로, 연료전지의 발전스택(22)에서는 직류전기가 생성되는데 생성되는 직류를 가정에서 사용할 수 있는 교류전기로 변환하게 된다.
본 고안의 구조물의 제1층(11)에는 전기실(40)이 구비되고 전기실(40)에서는 TR(변압기), 수배전반, PLC 등이 구비되어 전력제어와 함께 전체 시스템을 제어하고 전기설비의 안전성 확보를 위한 항온항습 상태를 유지하게 된다.
한편, 연료전지모듈(20)에서 생성되는 물(H2O)는 열에 의해 수증기 형태로 발생되며 연료전지모듈(20)의 외부 케이스에는 수증기를 외부로 배출하는 배관(25)이 구비되고, 수증기 배출 배관(25)의 하부에는 수증기가 응결되어 발생하는 물이 아래쪽으로 배출되도록 배수관(26)이 구비된다.
그런데, 종래 연료전지모듈의 수증기 배출 배관의 경우 수증기가 배관을 통해 배출되면서 응결되어 물이 생성되고 생성된 물이 배관의 내부로 흐르면서 여러 가지 문제점을 야기하였는데, 본 고안에서는 수증기 배출 배관(25)의 하부에 이러한 수증기가 응결되어 발생하는 물이 아래쪽으로 배출되도록 배수관(26)이 구비되어 이러한 문제점을 해소하게 된다.
전술한 바와 같이 본 고안에서는 별도의 3개층을 가지는 구조물(10)이 설치되고, 설치된 구조물(10)에 개별적으로 전기를 생산하는 다수의 연료전지모듈(20)이 복층으로 설치됨으로써 정해진 부지 상에 다수의 연료전지모듈(20)이 서로 떨어져서 설치되는 종래 연료전지시스템에 비하여 소요되는 부지면적을 약 절반 정도로 줄일 수 있어 설치비용을 대폭 절감할 수 있는 장점이 있고, 또한 연료전지모듈(20)을 복층화함으로써 제한된 부지에서 연료전지모듈(20)의 개수를 증가시킬 수 있어 한정된 부지에서 생산하는 전력량을 증대시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 연료전지모듈(20)을 복층화함으로써 전기 선로의 길이가 줄어들어 전력 손실을 줄일 수 있는 장점이 있고, 설비의 집약화로 연료전지시스템에 들어가는 각종 배관의 길이 등을 줄일 수 있어 보다 경제적인 장점이 있다.
본 고안은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 고안의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 고안이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
10 : 구조물 11 : 제1층
12 : 제2층 13 : 제3층
14 : 지붕 20 : 연료전지모듈
30 : 냉각기 40 : 전기실

Claims (5)

  1. 연료전지시스템에 있어서,
    2개층 이상을 포함하는 구조물(10)이 설치되고,
    상기 구조물(10)에서 두 개의 층에는 수소와 산소의 화학반응에 의해 전기를 생산하는 다수의 연료전지모듈(20)이 설치되어 연료전지모듈(20)이 복층화되어 배치되며,
    다수의 연료전지모듈(20)이 배치되는 복층의 상측 지붕(14)에는 각 연료전지모듈(20)에 연결되어 연료전지모듈(20)을 냉각시키기 위한 다수의 냉각기(30)가 설치되어 이루어지고,
    상기 구조물(10)은 철골구조로 이루어지며,
    상기 각 연료전지모듈(20)은 천연가스로부터 수소를 추출하는 개질기(21)와, 상기 개질기(21)로부터 공급되는 수소와 산소의 화학반응에 의해 전기를 생산하는 발전스택(22)과, 상기 발전스택(22)으로부터 생산되는 직류를 교류로 변환시키는 전력변환기(23)를 포함하여 이루어지고,
    상기 구조물(10)의 제1층에는 연료전지시스템의 전력제어를 위한 전기실(10)이 구비되고, 제2,3층에 연료전지모듈(20)이 설치되며,
    상기 각 연료전지모듈(20)의 외부 케이스에는 상측으로 연장형성되어 수증기를 배출하기 위한 배관(25)이 설치되고, 상기 배관(25)의 하부에는 상기 배관(25)과 반대방향의 하측으로 연장형성되어 상기 배관(25)을 통해 수증기가 배출되면서 응결되어 생성되는 물을 아래쪽으로 배수하기 위한 배수관(26)이 구비되는 것을 특징으로 하는 복층형 연료전지시스템.
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