KR20070088992A

KR20070088992A - 연료전지 복합발전시스템

Info

Publication number: KR20070088992A
Application number: KR1020060018949A
Authority: KR
Inventors: 임사환
Original assignee: 임사환
Priority date: 2006-02-27
Filing date: 2006-02-27
Publication date: 2007-08-30

Abstract

본 발명은 연료전지 복합발전시스템에 관한 것으로서, 자가전기설비 등에 공급하는 전력을 발전하는 연료전지 및 Heat engine에 있어서, 연료전지 발전시스템에서 발생하는 폐열과 물의 전기분해시 발생하는 폐열 등을 이용하여 Heat engine을 구동하여 연료전지 발전시스템의 효율을 증가시키고, 연료전지 발전시스템에 공급되는 연료로서의 수소가스를 물의 전기분해에 의해 얻기 위해 연료전지 발전시스템과 물의 전기분해장치를 연계하여 설치하여 환경친화적이며, 또한 물의 전기분해장치에서 연료전지 발전시스템의 원료인 수소와 공기극에서의 반응물인 산소를 물의 전기분해로 얻으며 생성물인 물을 재순환시켜 물의 전기분해장치로 보내는 폐회로 시스템으로 구성한 연료전지 복합발전시스템에 관한 것이다.

본 발명은 연료전지 발전시스템과 Heat engine 발전시스템을 위해서, 먼저 연료전지 발전시스템의 원료인 수소를 얻기 위해 물의 전기분해 장치(10)를 설치하고 분해된 수소는 수소저장탱크(30)에 보관하여 연료전지 발전시스템(20)의 연료극에 보내지고, 또한 산소는 산소저장탱크(35)에 보관하여 연료전지 발전시스템(20)의 공기극에 보내지며, 연료전지 발전시스템(20)에서 생성된 물을 다시 물의 전기분해장치(10)로 보내는 구조로 환경오염을 배제할 수 있으며, 또한 수소 이온이 전해질을 통과하면서 발생하는 열과 공기극에서 산소와 수소의 반응에 의해 발생하는 열 및 물의 전기분해 장치에서 발생하는 열 등 폐열을 Heat engine으로 보내어 전력을 생산함으로 연료전지 발전시스템 및 Heat engine의 효율과 물의 전기분해장치 의 효율을 증가시키는 것을 특징으로 하는 자가전기설비 등으로 전기를 보내는 구조의 연료전지 복합발전시스템이다.

연료전지, 발전시스템, 복합발전시스템, 수소생산

Description

연료전지 복합발전시스템{Cogeneration system using for fuel cell}

도 1은 연료전지 복합발전시스템의 개략도이다.

도 2는 연료전지 복합발전시스템의 Heat engine의 상세도이다.

<도면의 주요부분에 대한 설명>

10:물의 전기분해장치 20:연료전지 발전시스템

22:연료극 23:공기극

28:인버터 30:수소저장탱크

35:산소저장탱크 41,42:고온블로어

43,44:조절밸브 50:Heat engine

본 발명은 연료전지 복합발전시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 자가전기설비 등에 공급하는 전력을 발전하는 연료전지 등 발전소의 구동으로 발생하는 환경오염 등을 없애도록 발명되었으며, 발전시설에서 발생하는 폐열을 회수하여 재발전을 할 수 있어 발전효율을 증대하며, 연료전지 원료인 수소를 물을 이용하여 얻으므로 무한한 자원을 확보할 수 있어 경제 및 안보에 크게 효과적인 장치에 관한 것이다.

연료전지 발전시스템은 시대의 발전과 더불어 날로 급증할 것으로 예상되며, 에너지 변천을 살펴보면, 증기기관을 구동하기 위해 석탄 연료를 사용했으며, 내연기관을 구동하기 위해 석유 연료를 사용했다면, 미래는 연료전기를 위해서 수소를 이용하는 시대가 도래될 것으로 판단된다. 따라서 국내 및 해외에서는 이러한 연료전지 발전시스템과 수소를 효율적으로 사용하기 위해 연구중이며, 미약하지만 상용화하여 사용중에 있으며, 교토의정서가 발효된 현 시점에서는 본 발명은 환경적, 경제적 및 에너지 수급 문제를 해결할 것으로 판단하기에 국가 안보에도 이바지할 것이다.

종래의 연료전지 발전시스템은 연료전지 스택내에서 정해진 부하에 의하여 연료 및 공기의 이용률이 정해지며 반응하지 않고 남은 배가스를 효율적으로 처리하는 방법을 중심으로 시스템이 구성되었다.

한편, 선행특허(US6033794)는 400~1000℃까지의 연료전지 스택을 한개의 단위 기기내에 설치하여 평판형으로 구성된 용융탄산염 연료전지와 고체산화물 연료전지를 사용하며, 선행특허(US5712055, US5518828, US5413878, US4080487, JP4188567)에서는 같은 종류의 연료전지 시스템에 대한 직렬 연결을 통하여 반응 후의 고온가스를 다음 단계로 이동하기 전에 냉각하는 방식을 취한다.

또한, 선행된 특허(JP60227363)에서는 인산형 연료전지 스택과 용융탄산염 연료전지 스택을 연계하여 구성하고 있으나 인산염 연료전지의 공기극에는 이산화 탄소가 공급되지 않아서 공기극 라인이 분리되어야 하며 고온형 연료전지(MCFC)에서 저온형 연료전지(PAFC)로 이동하지 못하며, 다른 선행특허(US6033794)에서는 여러가지 연료전지를 바로 인접하게 연결 구성하여 용융탄산염 연료전지의 분리판이 고온에서 작동되기 위하여 Ni 합금 사용 방안을 제시하였으나 경제적으로 많은 비용을 수반하는 발전시스템으로 볼 수 있다.

선행특허(US5541014)는 용융탄산염 연료전지와 고체산화물 연료전지를 연계하여 가스 터빈과 함께 사용되고 있으나 고온의 연소기로 인하여 환경 오염물을 발생시키며, 고체산화물 연료전지 스택과 용융탄산염 연료전지인 경우 운전 조건에서 전해질이 용융된 상태로 존재하여 가압시에 스택에 크로스오버(cross over)가 생성될 수 있기 때문이다.

또 다른 선행특허(KR0405142)는 용융탄산염 연료전지스택과 고체산화물 연료전지스택을 연계 구성하여 스택 전체의 연료 이용률을 증가시켰으나 천연가스를 원료로 사용하고 있다.

이상과 같이, 종래의 연료전지 발전시스템 중 물을 전기분해하여 얻은 수소와 산소를 수소저장탱크와 산소저장탱크에 구분 저장하여 연료전지 원료로 사용하는 발전시스템은 없었으며, 연료전지 발전에 의한 고온과 물의 전기분해에 의한 고온을 보일러 및 스팀 터빈과의 연계 발전 구성이 가능하여 에너지를 최대한 효과적으로 사용하는 할 수 있다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 연료 전지 발전시스템에 공급되는 원료를 얻기 위한 물의 전기분해장치를 설치하여 연료공급에 따른 에너지원의 확보가 쉬우며, 연료전지 발전시스템 가동으로 발생되는 폐열과 물의 분해와 결합으로 인해 발생되는 폐열을 이용하여 Heat engine을 통하여 부가전력을 생산할 수 있으므로 전체 연료전지 발전시스템의 효율을 높일 수 있는 연료전지 복합발전시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 연료전지에 공급되는 수소와 산소를 물의 전기분해로 얻으며 수소와 산소의 결합으로 얻은 물을 순환시켜 사용함으로써 연료전지의 원료로 사용되는 수소를 얻기 위한 물을 보충하지 않아도 되는 폐회로 시스템으로 환경에 미치는 영향이 전혀 없는 연료전지 복합발전시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

상술기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 물의 전기분해 장치와 물의 전기분해로 발생된 수소와 산소를 저장하기 위한 수소저장탱크와 산소저장탱크, 이 수소저장탱크로부터 연료가스를 받아서 전기를 발생시키는 1쌍 및 여러 쌍의 연료전지스택, 이 연료전지스택에서 전기화학 반응을 조절하여 미반응 된 가스가 발생하지 않도록 조절하는 조절밸브, 상기 연료전지스택과 전기분해장치에서의 폐열을 이용하여 발전하는 Heat engine으로 구성되어 온실가스 배출이 존재하지 않으며, 경제적이고, 에너지 수급의 문제점을 해결하는 연료전지 복합발전시스템이다.

전술된 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명에서 연료전지 발전시스템(20)과 물의 전기분해장치(10)를 연계하여 구성하고, 수소저장탱크(30) 및 산소저장탱크 (35)에서 연료전지 발전시스템으로 공급되는 가스량을 조절밸브(43,44)로 제어하는 발전시스템은 첨부한 도면 도1과 같다. 이때, 연료전지 발전시스템(20)과 물의 전기분해장치(10)에서 발생하는 폐열은 Heat engine(50)으로 보내어지도록 연결될 수 있다.

구성은 물의 전기분해장치(10), 연료전지 발전시스템(20), 연료극(22), 공기극(23), 인버터(28), 수소저장탱크(30), 산소저장탱크(35), 고온블로어(41,42), 조절밸브(43,44), Heat engine(50) 등으로 이루어진다.

상기 물의 전기분해장치(10)는 연료전지 발전시스템(20)에서 생성된 물을 받아 들여 물의 전기분해 방법에 의하여 수소와 산소로 분리하는 장치의 역할을 한다. 상기 연료전지 발전시스템(20)은 물의 전기분해장치(10)에서 분리한 수소를 원료로 공급받아 연료전지스택(22)에서 전기 화학 반응이 일어난 후 분리되는 전자는 인버터(28)를 통하여 전기로 공급되고, 수소이온은 전해질(21)을 통하여 공기극(23)에서 산소와 반응하여 물을 생성하는 장치의 역할을 한다. 상기 인버터(28)은 연료전지 발전시스템(20)에서 생성된 전기를 정류 및 조절하여 사용자측으로 보내는 역할을 하는 장치이다. 상기 수소저장탱크(30)와 산소저장탱크(35)는 물의 전기분해장치(10)에서 생성된 수소와 산소를 저장하는 장치의 역할을 한다. 상기의 고온블로어(41,42)는 물의 전기분해장치(10)에서 생성된 수소와 산소를 수소저장탱크(30)와 산소저장탱크(35)로 보내는 역할을 하는 장치이다. 상기 조절밸브(43,44)는 연료전지 발전시스템(20)에서 초기 운전시와 부하 변화시에 연료극(22)과 공기극(23)에 공급되는 수소와 산소를 조절하는 역할을 하는 장치이다. 상기 Heat engine(50)은 연료전지 발전시스템(20)과 물의 전기분해장치(10)에서 발생되는 폐열을 공급배관(91,92,93,94,95,96,97,98)을 통해 수급하여 보일러 및 스팀 터빈을 구동하는 역할을 하는 장치이다.

도1 및 도2를 참조하여 연료전지 발전시스템(20)과 물의 전기분해장치(10)를 연계한 발전시스템의 동작을 설명하면 다음과 같다.

연료전지 발전시스템(20)을 가동하기 위해서 필요한 원료인 수소를 물의 전기분해장치(10)을 통하여 얻는 장치를 연계하여 자가전기설비 등에 전력을 공급하기 위한 장치로서, 물의 전기분해장치(10)에 외부의 전력을 이용하여 수소와 산소를 생성시키며, 생성된 수소와 산소를 수소저장탱크(30)와 산소저장탱크(35)에 저장한다.

수소저장탱크(30)에서 연료전지 발전시스템(20)에 수소 가스를 공급하여 연료극(22)에서 전기 화학 반응하여 발생된 전자의 흐름으로 생성된 전기를 Inverter(28)를 통하여 자가전기설비 등으로 공급하고, 과잉 공급으로 미반응된 가스를 줄이기 위하여 조절밸브(43)에서 조절하여 부하 발생을 최소화하여 수소이온이 전해질(21)을 통과할 때와 공기극(23)에서 반응하여 물을 생성할 때 발생하는 열을 최소화하는 시스템이다. 또한, 전해질(21)을 수소이온이 통과하면서 발생되는 폐열과 공기극(23)에서 발생하는 폐열을 Heat engine(50)으로 보내어 압축기를 통하여 스팀 터빈을 구동하여 전력을 생산하고, 이때 생성된 전력은 전력을 공급하는 라인(82)을 통하여 자가전기설비 등으로 보내며, 스팀 터빈을 통과한 증기 등을 삼방밸브를 통하여 지역난방과 열교환기를 통하여 냉각된 냉수는 펌프를 통하여 공급 배관(91,92,93,94,95,96,97,98)을 통하여 연료전지 발전시스템(20) 등을 냉각시켜 효율을 증가시키는 역할을 하도록 구성되어 있다.

도2는 도1에서 연료전지 발전시스템(20)과 물의 전기분해장치(10)에서 발생되는 폐열을 이용하여 전력을 생산하는 Heat engine(50)의 상세 도면으로 압축기를 통하여 스팀 터빈을 구동하고, 스팀 터빈을 통한 온수를 보일러와 열교환기를 통하여 온수를 활용하고, 복귀되는 냉수를 재순환시키기 위한 펌프 및 전기 인출 전류선(82) 등으로 구성되어 있다.

조절밸브(43,44)는 초기 운전 및 부하 변동시에도 연료전지 발전시스템(20)과 물의 전기분해장치(10)에 적당한 부하량을 선택 조절하여 스택의 최대 출력시 연료 이용률, 성능이 저하된 스택 보호에 필요한 연료 이용률 등 어떤 운전 조건에서도 연료전지 발전시스템(20) 전체의 최적 운전조건으로 높은 효율의 발전과 연소과정에서 발생하는 SOx, NOx 등 환경오염 물질이 없어 환경 친화적인 발전 방식이다.

또한, 본 발명에 따른 실시예는 상술한 것으로 한정하지 않고, 본 발명과 관련하여 통상의 지식을 가진 자라면 자명한 범위 내에서 본 발명을 여러가지로 수정 및 변경하여 실시할 수 있을 것이며, 이와같은 수정 및 변경은 본 발명의 기술적 범주에 해당함을 밝혀 둔다.

이상으로, 본 발명의 설치예를 첨부된 도면을 참조로 상세히 기술하였다.

이상과 같이, 본 발명은 연료전지 발전시스템과 물의 전기분해장치를 연계하 여 부가적인 공급 열량을 줄이고 연료 이용률을 증가시켜 연료전지 발전시스템 전체의 효율을 증가시키며, 연료전지 발전시스템을 통하여 전기를 생산하고, 연료전지 발전시스템과 물의 전기분해장치에서 발생하는 폐열 등을 Heat engine(배열회수 시스템)을 통하여 부가 발전을 할 수 있다.

또한 Heat engine을 통하여 보일러 등에 온수를 공급하여 복합발전시스템의 효율을 증가시킬 수 있으며, 복귀되는 냉수를 공급배관을 통하여 연료전지 발전시스템 등을 냉각시킴으로 부하를 최소화하여 발전 효율을 상승시킬 수 있다.

연료전지 발전시스템에 필요한 연료를 물의 전기분해장치를 통하여 얻기 때문에 환경적으로 최상의 조건이며, 전기 발생 원리를 폐회로로 구성하여 에너지원의 추가 공급이 필요 없으며, 무한 자원인 물을 이용하므로 경제적 효과가 크다.

Claims

물의 전기분해장치(10)에서 생성된 수소가스를 저장하는 수소저장탱크(30)에 저장하였다가 연료전지 발전시스템(20)의 연료극(22)에 공급하여 전기 화학 반응에 의해 발생된 전자의 흐름으로 생성된 전기를 인버터(28)를 통하여 보내고, 수소이온이 전해질(21)을 통과하여 공기극(23)에서 물의 전기분해장치(10)에서 생성된 산소를 산소저장탱크(35)를 통하여 연료전지 발전시스템(20)의 공기극(23)에 반응하여 물을 생성하며, 이 물을 물의 전기분해장치(10)로 보내는 폐회로 시스템을 구성하는 연료전지 복합발전시스템에 있어서,

상기 연료전지 발전시스템(20)과 물의 전기분해장치(10)에서 발생하는 폐열을 Heat engine(50)으로 보내어 압축기, 스팀 터빈을 통하여 부가 전력을 생산하고, 잉여 온수를 보일러 등으로 보내어 활용하고, 복귀되는 냉수를 연료전지 발전시스템(20)과 물의 전기분해장치(10)의 냉각수로 활용하여 발전효율을 증가시키는 한편, 수소저장탱크(30)와 산소저장탱크(35)에서 연료전지 발전시스템(20)으로 보내는 가스량을 조절밸브(43,44)를 통하여 미반응 가스가 발생하지 않도록 하여 스택 출구의 가스의 온도 및 압력을 제어할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 연료전지 복합발전시스템.
제1항에 있어서, 상기 물의 전기분해장치(10)는,

상기 연료전지 발전시스템에 공급되는 수소와 산소를 생성하기 위하여, 외부 의 전력 등으로 물을 수소와 산소로 전기분해하는 것을 특징으로 하는 연료전지 복합발전시스템.
제1항에 있어서, 상기 고온블로어(41,42)는,

상기 물의 전기분해장치(10)에서 생성된 저압의 수소와 산소를 저장탱크에 저장하기 위하여, 수소저장탱크(30)와 산소저장탱크(35)에 일정압력으로 저장하여 효율적으로 공급하는 것을 특징으로 하는 연료전지 복합발전시스템.
제1항 내지 제3항에 있어서, 상기 수소저장탱크(30)와 산소저장탱크(35)는,

상기 물의 전기분해장치(10)에서 생성된 수소와 산소를 저장하여, 부하량의 변화에 따라 상기 물의 전기분해장치(10)의 생산량을 제어하는 것과 연료전지 발전시스템(20)에서 발생하는 부하량을 제어하는 것 및 전력 생산량을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 복합발전시스템.
제1항에 있어서, 상기 Heat engine(50)은,

상기 연료전지 발전시스템(20)과 물의 전기분해장치(10)의 구동으로 발생하는 폐열을 효율적으로 사용하기 위하여, 연료전지 발전시스템(20)과 물의 전기분해장치(10)에서 발생된 폐열을 압축기를 통하여 스팀 터빈을 구동하여 부가 전력을 생산 및 보일러 등을 통하여 온수를 활용하는 것을 특징으로 하는 연료전지 복합발전시스템.
제1항 내지 제5항에 있어서,

장시간의 운전으로 냉각이 필요할 때, 상기 Heat engine(50)을 통한 폐열을 보일러 등을 통하여 복귀되는 냉수를 연료전지 발전시스템(20)과 물의 전기분해장치(10)의 냉각수로 활용하는 것을 특징으로 하는 연료전지 복합발전시스템.