KR20090011784A - Fuel sell system of apartment house - Google Patents

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KR20090011784A
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조대희
홍주한
김택근
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Abstract

A fuel sell system of apartment house is provided to improve the convenience according to maintenance and administration by collectively setting up a fuel reformer, a fuel cell stack, and an inverter in a common facility of an apartment house and to ensure the performance stability. A fuel sell system of apartment house includes a fuel reformer(10) which is installed at a common facility(1) of an apartment house and makes the hydrogen with steam and fuel; a fuel cell stack(20) which is installed at the common facility of the apartment house, is supplied with the hydrogen generated in the fuel reformer, generates the electricity by performing the electric chemistry reaction of the hydrogen and oxygen in the air and supplies the electricity to the apartment house; an inverter(21) converting the direct current generated in the fuel cell stack to the alternating current; a thermal storage tank(30) which is provided with the heat and warm water collected from the fuel reformer and fuel cell stack, and supplies heating and warm water to the respective household; a sub electric power supply device of supplying the power necessary to the minimum load operation of the fuel reformer in the power outage of the apartment house; a gauge of measuring the driving load information by measuring the used power amount of respective household; and a controller(11) controlling the operation of the fuel reformer based on the driving load information measured from the gauge.

Description

공동주택 연료전지 시스템{FUEL SELL SYSTEM OF APARTMENT HOUSE}FUEL SELL SYSTEM OF APARTMENT HOUSE

본 발명은 공동주택 연료전지 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 공동주택의 공용시설에 연료변환기, 연료전지 스택, 인버터를 통합 설치하여 유지 및 보수편의성을 향상시킴과 동시에 설치공간의 최소화를 통해 민원의 발생을 예방하고, 불필요한 배관을 제거하여 안전성을 크게 향상시킬 수 있는 공동주택 연료전지 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell system for a multi-unit house, and more particularly, to install a fuel converter, a fuel cell stack, and an inverter in a common facility of a multi-unit house to improve maintenance and repair convenience and to minimize the installation space. The present invention relates to a multi-unit fuel cell system that can prevent the occurrence of gas, and eliminate unnecessary pipes, thereby greatly improving safety.

일반적으로, 공동주택에 적용되는 가스 엔진형 소형열병합 시스템은 높은 에너지효율과 우수한 시동성 등 여러 가지 장점이 있으나, 기술개발 한계에 따른 높은 초기 투자비, 운용상의 유지보수 비용 과다 등의 문제점이 있다.In general, the gas engine-type compact cogeneration system applied to a multi-family housing has a number of advantages, such as high energy efficiency and excellent startability, but there are problems such as high initial investment costs and excessive maintenance costs due to technical development limitations.

또한, 중앙난방 시스템에 적용되고 있는 보일러보다는 소음이 적고, 유해 배기가스 배출량이 적으나, 여전히 높은 수준(110㏈)의 소음과 많은 양(120ppm)의 질소산화물(NOx)을 배출시키고 있어 향후 주거 및 대기환경 규제강화에 따른 질소산화물 후처리 등 추가 설비투자가 필요하다는 문제점을 안고 있다.In addition, although it has less noise and emits less harmful emissions than boilers applied to central heating systems, it still emits a high level (110㏈) of noise and a large amount (120 ppm) of NOx. In addition, there is a problem in that additional facility investment such as nitrogen oxide post-treatment is required due to tightening regulations on air environment.

이 외에 가정용 소형 연료전지 시스템(1~3㎾)을 아파트, 연립, 주상복합 등의 공동주택 내 각 가정에 설치할 경우에는 에너지 효율 및 환경친화성은 높으나, 초기 투자비가 높고, 세대별 설치공간의 제약이 있으며, 유지보수가 어렵고, 안전성 등에 문제점이 있다.In addition, when small household fuel cell systems (1 ~ 31) are installed in apartments, houses, residential complexes, etc., each household in apartment houses has high energy efficiency and environmental friendliness, but has high initial investment costs and limited installation space by households. This is difficult to maintain, and there are problems such as safety.

특히, 가정용 소형 연료전지 시스템의 경우 연료전지 스택(Fuel cell stack)은 각 가정에 설치하고, 중앙기계/전기실에 설치된 연료변환기(Fuel processor)로부터 수소를 각 가정으로 공급하는 경우에는 기존 연료배관과 별개로 수소배관을 설치해야 하므로 초기 투자비 상승과 함께 안정성 등에 문제점이 있다.In particular, in the case of a small fuel cell system for home use, a fuel cell stack is installed in each home, and in the case of supplying hydrogen to each home from a fuel processor installed in a central machine / electric chamber, Since hydrogen piping must be installed separately, there are problems such as an increase in initial investment cost and stability.

따라서, 이와 같은 종래의 공동주택 연료전지 시스템은 그 발전용량이 비교적 단독 주택 등에 적합한 형태로 개발됨에 따라 아파트나 주상복합주택 등과 같은 집합주택 즉, 공동주택에 적용할 경우에는 전체적인 발전용량의 증가에 따른 주변기술의 개발과 안전상의 많은 규제를 해결해야 하므로 곧바로 적용하기에 어려움이 있다.Therefore, such a conventional multi-unit fuel cell system has been developed in a form suitable for a relatively single house, etc., so that when applied to a multi-unit house such as an apartment or a residential complex, that is, a multi-family house, the overall generation capacity increases. Therefore, it is difficult to apply the technology immediately because it requires the development of peripheral technology and safety regulations.

아울러, 수소를 생산하는 개질기인 연료변환기의 경우 안전 및 기술상의 이유로 그 용량을 증가시킴에 있어 한계가 있으며, 전체 시스템의 분산 구성시 그에 따른 시스템의 효율적인 운전방안에 대한 해결책이 제시되지 않고 있다.In addition, there is a limit in increasing the capacity of the fuel converter, a reformer that produces hydrogen, for safety and technical reasons, and there is no solution for efficient operation of the system according to the distributed configuration of the whole system.

이러한 문제점을 해소하기 위하여 본 출원인은 [문헌 1] KR 10-2006-0104072 2006.10.26.에서 공동주택의 공용시설에 연료변환기를 설치하고, 각 세대에는 상기 연료변환기에서 수소를 공급받아 전기를 생산하는 연료전지 스택 및 인버터를 개별 구성한 공동주택 연료전지 시스템을 제안한 바 있다.In order to solve this problem, the present applicant installs a fuel converter in a common facility of a multi-unit house in KR 10-2006-0104072 2006.10.26, and each generation receives electricity from the fuel converter to produce electricity. Has proposed a multi-unit fuel cell system consisting of a fuel cell stack and an inverter.

그러나, 상기 [문헌 1]은 연료변환기로부터 생산된 수소를 연료전지 스택에 공급하기 위한 수소배관이 설치되어야 하므로, 상기 수소배관을 설치하기 위한 비용이 발생할 뿐만 아니라, 상기 수소배관에 이상이 생겨 리크(Leak)가 발생할 경우 화재 등 안전성을 저하할 수 있다.However, in [1], since a hydrogen pipe for supplying hydrogen produced from a fuel converter to a fuel cell stack must be installed, not only the cost of installing the hydrogen pipe is incurred, but also an abnormality in the hydrogen pipe causes leakage. If a leak occurs, safety may be reduced, such as a fire.

또한, 각 세대 내 일정 공간에 연료전지 스택과 인버터를 개별 설치해야 하므로, 세대 내 거주공간이 줄게 될 수 있으며, 연료전지 스택 또는 인버터 고장 시유지보수 대상이 늘어나게 되어 관리효율을 저하할 수 있다.In addition, since the fuel cell stack and the inverter must be separately installed in a certain space in each household, the living space in the household can be reduced, and the maintenance target in case of failure of the fuel cell stack or the inverter increases, thereby reducing management efficiency.

나아가, 세대별 전력 사용량에 비례하여 수소를 적정량 생산하기 위하여 설치되는 연료변환기 제어시스템은 모든 단위세대로부터의 신호의 입력과 제어시스템으로부터의 신호 출력이 요구되어 제어 시스템이 복잡해질 뿐만 아니라, 수소 저장장치를 설치하지 않을 경우 항상 잉여수소를 생산하여야 하므로, 잉여수소를 이용한 공용 연료전지 발전시스템을 추가 설치하거나, 대기중에 배출시켜야 한다.Furthermore, the fuel converter control system installed in order to produce an appropriate amount of hydrogen in proportion to the power consumption per generation requires input of signals from every unit generation and signal output from the control system, which not only complicates the control system but also stores hydrogen. If the system is not installed, surplus hydrogen must be produced at all times. Therefore, a common fuel cell power generation system using surplus hydrogen must be installed or discharged to the atmosphere.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하여 공용주택의 각 단위세대가 필요로 하는 열 및 전력을 안정적으로 공급할 수 있는 용량의 연료변환기와 연료전지 스택, 인버터를 공동주택의 공용시설에 설치하여 유지, 관리할 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.Therefore, the present invention solves the above problems by installing a fuel converter, a fuel cell stack, and an inverter having a capacity capable of stably supplying heat and power required by each unit household of a common house, Its purpose is to enable maintenance and management.

본 발명의 목적은, 연료변환기와 연료전지 스택, 인버터를 공동주택의 공용시설에 설치하여 난방 및 온수와 전기를 공동주택 내 각 단위세대에 공급함으로써, 설치공간의 제약과 유지보수 측면에서 우수한 공동주택 연료전지 시스템을 제공하는 데 있다.An object of the present invention is to install a fuel converter, a fuel cell stack, and an inverter in a common facility of a common house, and supply heating, hot water, and electricity to each unit in the apartment house, thereby providing excellent space in terms of installation space and maintenance. To provide a residential fuel cell system.

본 발명의 다른 목적은, 각 단위세대별 수소 공급을 위해 필요한 수소배관과 전체세대의 전력 사용량 변화에 따른 수소 변환기 제어 시스템과, 잉여수소 사용을 위한 공용 연료전지 발전시스템의 설치가 필요치 않도록 한 공동주택 연료전지 시스템을 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is to ensure that the hydrogen pipes required for hydrogen supply for each unit generation, the hydrogen converter control system according to the change in power consumption of the entire generation, and the common fuel cell power generation system for the use of surplus hydrogen is not required To provide a residential fuel cell system.

본 발명의 또 다른 목적은, 유지보수가 간편하여 공동주택 내 각 단위세대에 안정된 난방 및 온수와 전력을 공급할 수 있도록 한 공동주택 연료전지 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.Still another object of the present invention is to provide a multi-unit house fuel cell system which is capable of supplying stable heating and hot water and electric power to each unit household in a multi-unit house because of easy maintenance.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 공동주택의 공용시설에 설치되어 스팀과 연료로 수소를 만드는 연료변환기와;The present invention for achieving the above object is a fuel converter that is installed in a common facility of a multi-unit house to produce hydrogen from steam and fuel;

공동주택의 공용시설에 설치되어 상기 연료변환기에서 생성된 수소를 공급받아 이 수소와 공기 중의 산소를 전기화학반응시켜 전기를 발생시키고, 이를 단위세대에 공급하는 연료전지 스택과;A fuel cell stack installed in a common facility of a multi-unit house and receiving hydrogen generated by the fuel converter to generate electricity by electrochemical reaction between the hydrogen and oxygen in the air, and supplying the same to a unit generation;

이 연료전지 스택에서 생성된 직류전류를 상용전원으로 사용 가능하도록 교류전류로 변환시키는 인버터와;An inverter for converting the direct current generated in the fuel cell stack into an alternating current to be used as a commercial power source;

상기 연료변환기와 연료전지 스택에서 회수된 열과 온수를 공급받아 단위세대에 난방 및 온수를 공급하는 축열조와;A heat storage tank receiving heat and hot water recovered from the fuel converter and the fuel cell stack to supply heating and hot water to a unit generation;

공동주택의 정전시 연료변환기의 최저부하운전에 필요한 전원을 공급하는 보 조전원공급장치와;An auxiliary power supply for supplying power required for the lowest load operation of the fuel converter in the event of a power failure of the apartment house;

공동주택의 각 단위세대별 전력사용량을 측정하여 운전부하정보를 측정하는 게이지를 포함하며, 이 게이지로부터 측정된 운전부하정보를 바탕으로 연료변환기의 운전을 제어하는 제어기를 포함하여 달성된다.It includes a gauge for measuring the driving load information by measuring the power consumption of each unit household of the apartment house, and comprises a controller for controlling the operation of the fuel converter based on the driving load information measured from the gauge.

상기와 같은 본 발명의 구성에 의하면, 연료변환기와 인버터를 포함하는 연료전지 스택이 공동주택의 공용시설에 설치되어 난방 및 온수와 전기를 공동주택 내 각 단위세대에 공급함으로써, 설치공간의 제약과 유지보수 측면에서 우수하다.According to the configuration of the present invention as described above, the fuel cell stack including the fuel converter and the inverter is installed in the common facilities of the multi-unit house to supply heating, hot water and electricity to each unit household in the multi-unit house, limiting the installation space and Excellent in terms of maintenance

특히, 공동주택에 별도의 수소배관과 전체세대의 전력 사용량 변화에 따른 수소 변환기 제어 시스템과, 잉여 수소 사용을 위한 공용 연료전지 발전시스템의 설치가 필요치 않아 건축물의 안정성을 높일 수 있고, 초기 설치비용을 최소화할 수 있는 유용한 효과를 제공하게 된다.In particular, it is possible to increase the stability of the building because it does not require the installation of a separate hydrogen piping and a hydrogen converter control system according to the change in the power consumption of the entire household, and a common fuel cell power generation system for the use of surplus hydrogen. This will provide a useful effect that can be minimized.

또한, 단전 및 정전시에도 연료변환기는 메인컨트롤러에 의해 제어되는 보조전원공급장치를 통해 최저부하운전에 필요한 전원을 지속적으로 공급받음으로써, 단전 및 정전으로 인한 연료변환기의 가동 중단에 따른 불편함을 예방하고, 시스템의 운전안정성을 보장 유지할 수 있게 되는 등의 매우 유용한 발명인 것이다.In addition, even in the case of power failure and power failure, the fuel converter is continuously supplied with the power required for the lowest load operation through the auxiliary power supply controlled by the main controller, thereby preventing inconvenience due to the shutdown of the fuel converter due to power failure and power failure. It is a very useful invention to prevent, to ensure and maintain the operational stability of the system.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명에 따른 공동주택 연료전지 시스템의 실시 예를 개략도로 보 인 것으로, 공동주택의 공용시설에 설치된 연료변환기 및 인버터를 포함하고 있는 연료전지 스택을 통해 각 단위세대에 전기를 공급하고, 축열조를 통해 난방 및 온수를 공급하는 것을 보이고 있다.1 is a schematic view showing an embodiment of a multi-unit fuel cell system according to the present invention, and supplies electricity to each unit household through a fuel cell stack including a fuel converter and an inverter installed in a common facility of a multi-unit house. It has been shown to supply heating and hot water through heat storage tanks.

도 2는 연료변환기에 보조전원공급장치가 연결된 것을 개략도로 보인 것으로, 공동주택의 정전시 연료변환기의 최저부하운전에 필요한 전원을 공급할 수 있도록 메인컨트롤러에 의해 가동되는 보조전원공급장치가 연료변환기에 연결된 것을 보이고 있다.Figure 2 is a schematic view showing that the auxiliary power supply is connected to the fuel converter, the auxiliary power supply is driven by the main controller to supply the power required for the minimum load operation of the fuel converter in the blackout of the apartment house It is showing connection.

즉, 도 1에서 보인 것과 같이, 본 발명에 따른 연료전지 시스템은 아파트나 주상 복합주택 등과 같은 공동주택에 설치되는 것으로, 이 공동주택의 공용시설(1)에는 연료를 개질시켜 수소를 만드는 연료변환기(Fuel Processor)가 설치된다.That is, as shown in Figure 1, the fuel cell system according to the present invention is installed in a multi-family housing such as apartments or multi-family housing, the common facility (1) of the multi-family housing fuel converter for reforming the fuel to produce hydrogen (Fuel Processor) is installed.

상기 연료변환기(10)는 엘엔지(LNG), 엘피지(LPG), 가솔린, 메탄올 등과 같이 이미 널리 사용되는 연료를 개질하여 연료전지에 수소를 공급하는 장치로, 탈황 반응, 개질 반응, 수성가스전이 반응, 선택적 산화 반응으로 촉매 단위공정이 포함된 단계를 거쳐 수소를 개질하게 된다.The fuel converter 10 is a device for supplying hydrogen to a fuel cell by reforming fuel that is already widely used, such as LNG, LPG, gasoline, methanol, etc., and desulfurization, reforming, and water gas transition reactions. In the selective oxidation reaction, hydrogen is reformed through a step including a catalytic unit process.

즉, 상온에서 반응이 이루어지는 금속-제올라이트 탈황 흡착기(Desulfurizer)와 흡열반응인 수증기 개질 반응기(Steam reformer), 발열반응인 수성가스 전이 반응기(CO converter)와 선택적 산화 반응기(Preferential oxidation reactor)로 구성되나, 이러한 구성의 연료변환기(10)는 공지의 기술에 의해 실시되어도 무방하므로 상세한 설명은 생략한다.That is, it consists of a metal-zeolite desulfurizer which is reacted at room temperature, a steam reformer which is an endothermic reaction, a CO converter which is an exothermic reaction, and a selective oxidation reactor. Since the fuel converter 10 having such a configuration may be implemented by a known technique, detailed description thereof will be omitted.

이러한 연료변환기(10)가 설치되는 공용주택의 공용시설(1)은 기계실, 전기 실, 보일러실을 포함하여 공용으로 사용되는 시설로서, 바람직하게는 상기 연료변환기(10)의 경우 수소를 생산하는 고위험 시설물인 관계로 공동주택의 기계실과 전기실에 설치하여 전문적으로 관리토록 하는 것이 좋다.The common facility 1 of the public house in which the fuel converter 10 is installed is a facility used in common, including a machine room, an electric room, and a boiler room. Preferably, the fuel converter 10 produces hydrogen. Because it is a high-risk facility, it is better to install it in the machine room and the electric room of the apartment house for professional management.

아울러, 상기 연료변환기(10)는 대용량일 경우 이에 대한 방폭설비 등과 같은 부가적인 안전설비를 추가로 설치해야 하고, 경제적인 부담도 가중될 수 있을 뿐만 아니라 각종 규제안에 저촉될 경우 설치가 불가능할 수도 있으므로, 본 발명에서는 상기 연료변환기(10)를 구현함에 있어 경제적이면서 안전성 면에서 관리가 용이한 소용량으로 제공하게 된다.In addition, the fuel converter 10 should be installed additional safety equipment, such as explosion-proof equipment for a large capacity, and may not only increase the economic burden, but also may not be installed if it is in conflict with various regulations. In the present invention, in implementing the fuel converter 10, it is provided in a small capacity that is economical and easy to manage in terms of safety.

이러한 연료변환기(10)의 용량 선정을 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.Looking at the capacity selection of the fuel converter 10 in detail as follows.

1) 공동주택 전체의 수소공급 용량1) Hydrogen supply capacity of the whole apartment

연료변환기(10) 용량의 결정은 각 세대별 전력 사용량을 고려한 연료전지 스택(20)의 용량으로부터 결정되며, 공용 시설에 설치되는 연료전지 스택(20)의 용량은 통상 0.5~3㎾의 세대별 최대 전력 소요량을 고려하여 연료전지 스택(20)의 용량을 결정한다.Determination of the capacity of the fuel converter 10 is determined from the capacity of the fuel cell stack 20 considering the power consumption of each generation, and the capacity of the fuel cell stack 20 installed in a common facility is usually 0.5 to 3 kW per generation. The capacity of the fuel cell stack 20 is determined in consideration of the maximum power requirement.

따라서, 단위 연료전지 스택(20)에서 필요로 하는 최대 수소 공급량은 연료전지 스택(20)의 전기 변환 효율(통상 60~90%)로부터 아래의 식과 같이 계산될 수 있다.Therefore, the maximum hydrogen supply required in the unit fuel cell stack 20 may be calculated from the electrical conversion efficiency (typically 60 to 90%) of the fuel cell stack 20 as follows.

Figure 112007054979588-PAT00001
Figure 112007054979588-PAT00001

따라서, 연료 변환기 구성 및 용량 산정을 위한 공동주택 단지 내 전체 수소공급 용량은 아래 식으로부터 산정될 수 있다.Therefore, the total hydrogen supply capacity in the apartment complex for fuel converter configuration and capacity estimation can be estimated from the following equation.

CpH2[Nm3/hr] = (수소 공급량, max) × NCp H2 [Nm 3 / hr] = (hydrogen supply, max) × N

여기서: N = 아파트 단지 내 설치될 연료전지 스택 모듈 개수 Where: N = number of fuel cell stack modules to be installed in the apartment complex

2) 연료 변환기 용량 선정 및 설치 모듈2) Fuel Converter Capacity Selection and Installation Module

공동주택이 아파트인 경우, 단지를 구성하는 동의 개수가 M개일 경우, 연료 변환기 설치가 가능한 통상의 기계실 개수는 M개가 되므로, M개의 연료 변환기를 설치하는 것이 일반적이나, 상용화된 연료 변환기의 적정 용량에 따라 상기 연료 변환기는 아래와 같이 여러 가지 형태로 설치될 수 있을 것이다.If the apartment is an apartment, if the number of motion units constituting the complex is M, since the number of conventional machine rooms in which fuel converters can be installed is M, it is common to install M fuel converters, but the proper capacity of commercialized fuel converters is common. The fuel converter may be installed in various forms as follows.

[예 1] 각 동 마다 연료 변환기 설치 :Example 1 Installing a Fuel Converter in Each Building:

Figure 112007054979588-PAT00002
Figure 112007054979588-PAT00002

[예 2] 2개의 동별로 1개의 연료 변환기 설치 :[Example 2] One fuel converter for every two buildings

Figure 112007054979588-PAT00003
Figure 112007054979588-PAT00003

즉, 세대별 최대 전력소비량을 1㎾라고 가정하고, 전체 세대 수가 600세대이고, 동수가 20개일 때, 전체 수소 공급 용량(Capa)은, 약 420 Nm3/hr로 결정된다.That is, assuming that the maximum power consumption per generation is 1 kW, and the total number of households is 600 households and the same number is 20, the total hydrogen supply capacity Capa is determined to be about 420 Nm 3 / hr.

이와 같이 구성할 모듈 수를 정한 후 연료변환기(10)의 용량을 산정할 수도 있으나, 반대로 연료변환기(10)의 용량을 먼저 정하고, 구성 모듈의 수를 산정할 수도 있다.After determining the number of modules to be configured as described above, the capacity of the fuel converter 10 may be calculated, but on the contrary, the capacity of the fuel converter 10 may be determined first, and the number of configuration modules may be calculated.

이와 같이 구성되는 다수의 연료변환기(10)는 연료를 공급받아 개질하여 수소를 생성하고 이를 연료전지 스택(20)에 공급하게 된다.The plurality of fuel converters 10 configured as described above are supplied with fuel to be reformed to generate hydrogen and supply them to the fuel cell stack 20.

상기 연료전지 스택((Fuel Cell stack)은 연료변환기(10)가 설치된 공동주택의 공용시설(1)에 설치되어 상기 연료변환기(10)에서 생성된 수소를 공급받아 이 수소와 공기 중의 산소를 전기화학반응시켜 전기와 열을 발생시키게 된다.The fuel cell stack (Fuel Cell stack) is installed in a common facility 1 of a multi-unit house in which a fuel converter 10 is installed, and receives hydrogen generated from the fuel converter 10 to supply this hydrogen and oxygen in air. Chemical reactions generate electricity and heat.

또한, 이 연료전지 스택(20)은 연료전지가 내장되어 연료변환기(10)로부터 공급받은 수소와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기에너지를 생성하게 된다.In addition, the fuel cell stack 20 has a fuel cell embedded therein to electrochemically react hydrogen and oxygen supplied from the fuel converter 10 to generate electrical energy.

여기서, 상기 연료전지 스택(20)은 전극-전해질 합성체(Membrane Electrode Assembly: MEA)와 이의 양면에 밀착하는 분리판(Separator)으로 이루어진 단위 셀(Cell)이 수 개 내지 수십 개로 적층된 구조를 가지며, 전극-전해질 합성체는 전해질막을 사이에 두고 에노드 전극과 캐소드 전극이 부착된 구조를 갖는다. Here, the fuel cell stack 20 has a structure in which a plurality of unit cells composed of an electrode-electrolyte assembly (MEA) and a separator that adheres to both surfaces thereof are stacked in a few to several tens. The electrode-electrolyte composite has a structure in which an anode electrode and a cathode electrode are attached with an electrolyte membrane interposed therebetween.

즉, 상기 분리판을 통해 애노드 전극에는 수소가 공급되고 캐소드 전극에는 산소가 공급되며, 이 과정에서 애노드 전극에서는 수소의 산화 반응이 일어나게 되고, 캐소드 전극에서는 산소의 환원 반응이 일어나게 되며 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기를 발생시키고, 열과 수분을 부수적으로 발생시키게 되는 것이다.That is, hydrogen is supplied to the anode electrode and oxygen is supplied to the cathode electrode through the separator, and in this process, an oxidation reaction of hydrogen occurs at the anode electrode, and a reduction reaction of oxygen occurs at the cathode electrode. Electricity is generated by the movement of, and heat and moisture are incidentally generated.

이러한 연료전지 스택(20)은 직류전류를 상용전원으로 사용 가능하도록 교류전류로 변환시키는 인버터(21)를 포함하여 제공되며, 바람직하게는 다수의 연료전지 스택(20)을 단일 공급모듈로 그룹화하여 제공함으로써, 소용량의 연료변환기(10)로부터 각각 수소를 공급받도록 하는 것이 좋다.The fuel cell stack 20 is provided including an inverter 21 for converting a direct current into an alternating current so that it can be used as a commercial power source. Preferably, the fuel cell stack 20 is grouped into a single supply module. By providing, it is preferable to receive hydrogen from the small-capacity fuel converter 10, respectively.

따라서, 연료변환기(10)는 스팀과 연료(Feed)가 공급될 경우 수소를 발생시키고, 여기에서 발생한 수소는 다시 연료전지 스택(20)의 연료로 공급되어 전기를 발생시키게 되며, 이때 발생한 전기는 직류이므로 인버터(21)를 통해 교류전류로 변환되어 공동주택 내 각 단위세대(2)에 공급되는 것이다.Therefore, the fuel converter 10 generates hydrogen when steam and fuel are supplied, and the hydrogen generated therein is supplied to the fuel of the fuel cell stack 20 to generate electricity. Since it is a direct current, it is converted into an alternating current through the inverter 21 and supplied to each unit household 2 in the apartment house.

본 발명에 따른 축열조(30)는 상기 연료변환기(10)와 연료전지 스택(20)에서 회수된 열과 온수를 공급받아 단위세대(2)에 난방 및 온수를 공급하게 된다.The heat storage tank 30 according to the present invention receives the heat and hot water recovered from the fuel converter 10 and the fuel cell stack 20 to supply heating and hot water to the unit generation 2.

이 축열조(30)로는 공동주택 내에 설치된 통상의 보일러를 이용하여도 무방하나, 본 발명에서는 가압온수탱크를 이용하여 연료변환기(10)에 회수된 열과 연료전지 스택(20)을 냉각하기 위한 냉각수를 온수로 공급받아 단위세대에 공급하게 된다.The heat storage tank 30 may be a conventional boiler installed in a multi-unit house, but in the present invention, using the pressurized hot water tank, the heat recovered by the fuel converter 10 and cooling water for cooling the fuel cell stack 20 may be used. It is supplied with hot water and supplied to unit households.

즉, 상기 축열조(30)가 공동주택의 공용시설(1)에 설치됨에 따라 공동주택의 각 단위세대(2)에 난방 및 온수를 공급하는 기본적인 기능을 제공할 수 있게 되는 것이다.That is, as the heat storage tank 30 is installed in the common facility 1 of the apartment house, it is possible to provide a basic function of supplying heating and hot water to each unit household 2 of the apartment house.

이와 같은 각 단위세대(2)의 난방 및 온수공급을 구현하는 축열조(30)에는 열교환기(31)가 설치되어 외부로 버려지는 폐열을 회수하여 온수가열 등 열에너지로 재사용할 수 있도록 하게 되며, 이를 통해 대기중에 폐열이 배출되는 것을 방지하게 된다.The heat storage tank 30 that implements the heating and hot water supply of each unit generation (2) is installed with a heat exchanger (31) to recover the waste heat discarded to the outside so that it can be reused as thermal energy, such as hot water heating. This prevents waste heat from being released into the atmosphere.

여기서, 상기 축열조(30)에는 연료변환기(10)로부터 잉여수소를 공급받아 연소시키는 보조보일러(32)가 연결되는데, 이 보조보일러(32)는 축열조(30)에 공급되는 보충수를 가열하는 용도로 활용된다.Here, the auxiliary storage 32 is connected to the heat storage tank 30 to receive the excess hydrogen from the fuel converter 10 and burns, and the auxiliary boiler 32 is used to heat the supplementary water supplied to the heat storage tank 30. Is utilized.

이러한 보조보일러(32)는 보충수를 가열하는 연료로써 연료변환기(10)에서 과잉 생산된 잉여수소를 이용하게 되어 공동주택에 공용 연료전지 발전시스템을 별도로 설치하지 않아도 되는 비용절감효과를 제공하게 된다.The auxiliary boiler 32 uses the surplus hydrogen produced in the fuel converter 10 as fuel for heating the replenishment water, thereby providing a cost saving effect of not having to separately install a common fuel cell power generation system in the apartment house. .

보조전원공급장치(40)는 도 2에서 보인 것과 같이, 연료변환기(10)에 연결되어 정전시 상기 연료변환기(10)의 최저부하운전에 필요한 전원을 공급하는 용도로 사용되며, 바람직하게는 전하를 축적하는 축전기 또는 디젤엔진 또는 가스엔진을 원동기로 하여 전기를 생산하는 발전기가 선택적으로 사용될 수 있다.As shown in FIG. 2, the auxiliary power supply 40 is connected to the fuel converter 10 and used to supply power required for the lowest load operation of the fuel converter 10 during a power failure. A generator that generates electricity using a capacitor or a diesel engine or a gas engine that accumulates the energy may be optionally used.

여기서, 상기 축전기는 충전, 난방 반응을 되풀이할 수 있는 축전지를 포함하며, 이때의 축전지로는 납 축전지, 알칼리 축전지 외에도 비수용액(유기전해질이나 고체전해질)을 이용한 2차 전지가 사용된다.Here, the capacitor includes a battery that can repeat the charging and heating reaction, wherein the battery is a secondary battery using a non-aqueous solution (organic electrolyte or solid electrolyte) in addition to the lead storage battery, alkali storage battery.

그리고, 상기 발전기는 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환시키는 장치로 디젤엔진 또는 가스엔진 등을 원동기로 갖는 교류 발전기가 사용된다.The generator is an alternator having a diesel engine or a gas engine as a prime mover as a device for converting mechanical energy into electrical energy.

이와 같이 축전지 및 발전기를 포함하는 보조전원공급장치(40)는 선택적으로 축전지 또는 발전기를 설치하거나 복합적으로 설치하여 사용하게 되며, 그 운전상 태를 관리자 또는 작업자가 인식할 수 있도록 경광등 및 사이렌 등의 표시수단이 부가 설치되어도 무방하다.As such, the auxiliary power supply device 40 including the storage battery and the generator may be selectively installed or used in combination with the storage battery or the generator, and the warning lights and the siren may be used to recognize the operation state by the manager or the worker. An additional display means may be provided.

또한, 상기 보조전원공급장치(40)는 메인컨트롤러(41)에 의해 통합관리되어 공동주택의 정전시 신속하게 연료변환기(10)의 최저부하운전에 필요한 전원을 공급하게 되며, 상기 메인컨트롤러(41)는 보조전원공급장치(40) 외에 연료전지 시스템의 운전제어를 위해 설치되는 밸브(42) 등을 통합하여 관리하게 된다.In addition, the auxiliary power supply device 40 is integrated management by the main controller 41 to quickly supply the power required for the minimum load operation of the fuel converter 10 during the blackout of the apartment house, the main controller 41 In addition to the auxiliary power supply (40) is managed by integrating the valve 42, etc. installed for the operation control of the fuel cell system.

본 발명에 따른 제어기(11)는 연료변환기(10)와, 연료전지 스택(20) 및 축열조(30)의 운전안정성을 유지시키기 위한 일종의 마이컴으로, 단일의 제어기(11)를 이용하여 본 발명에 따른 연료전지 시스템을 구성하는 장치들을 제어하도록 구성되어도 무방하나, 본 발명에서는 각각의 연료변환기(10), 연료전지 스택(20) 및 축열조(30)에 독립적으로 게이지(미도시)를 설치하여 이 게이지로부터 측정된 운전부하정보를 바탕으로 연료변환기(10)의 운전을 제어하는 형태로 구현하게 된다.The controller 11 according to the present invention is a kind of microcomputer for maintaining the operational stability of the fuel converter 10, the fuel cell stack 20, and the heat storage tank 30. The controller 11 according to the present invention uses a single controller 11. Although it may be configured to control the devices constituting the fuel cell system according to the present invention, in each of the fuel converter 10, the fuel cell stack 20 and the heat storage tank 30 by installing a gauge (not shown) independently It is implemented in the form of controlling the operation of the fuel converter 10 based on the operating load information measured from the gauge.

또한, 상기 제어기(11)는 연료변환기(10)와 연료전지 스택(20)의 운전 상태를 실시간으로 제어할 수 있도록 여러 감지기를 포함하게 되며, 대표적으로는 외부전원(mp)의 전압상태를 감지하는 전압감지기를 예로 들 수 있다.In addition, the controller 11 includes a plurality of detectors to control the operating state of the fuel converter 10 and the fuel cell stack 20 in real time, and typically detects a voltage state of an external power source (mp). An example is a voltage sensor.

여기서, 상기 전압감지기는 외부전원의 전압상태를 실시간 모니터하여 출력단에 연결된 제어기(11)로 감지정보를 인가하며, 상기 제어기(11)는 외부전원(mp)으로부터 인가된 전압정보를 기초로 정전 유무를 판별하게 되며, 정전으로 판별되는 경우에는 메인컨트롤러(41)에 신호를 보내 보조전원공급장치(40)가 가동될 수 있도록 하게 된다.Here, the voltage sensor monitors the voltage state of the external power supply in real time and applies sensing information to the controller 11 connected to the output terminal, and the controller 11 has a power failure based on voltage information applied from the external power supply mp. If it is determined that the power failure is determined by sending a signal to the main controller 41 so that the auxiliary power supply 40 can be operated.

여기서, 상기와 같은 본 발명에 따른 공동주택 연료전지 시스템의 작동을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.Here, the operation of the multi-unit house fuel cell system according to the present invention as described above will be described in detail.

즉, 공동주택의 공용시설(1)에 스팀과 연료를 이용하여 수소를 만드는 연료변환기(10)가 소용량으로 다수 설치되어 연료를 개질하여 수소를 만들고, 이 만들어진 수소는 상기 공용시설(1)에 설치되어 있는 연료전지 스택(20)에 공급되어 각 단위세대(2)에 전기를 공급하게 된다.That is, a large number of fuel converters 10 for producing hydrogen using steam and fuel are installed in a common facility 1 of a multi-unit house, and the hydrogen is reformed to produce hydrogen, and the hydrogen is produced in the common facility 1. It is supplied to the fuel cell stack 20 installed to supply electricity to each unit generation (2).

상기 연료전지 스택(20)에서 회수된 온수는 축열조(30)에 공급되어 공동주택의 각 단위세대(2)에 난방 및 온수를 공급하게 되고, 상기 연료변환기(10)로부터 외부로 버려지는 폐열은 축열조(30)에 설치된 열교환기(31)가 회수하여 온수가열 등 열에너지로 재사용하게 된다.The hot water recovered from the fuel cell stack 20 is supplied to the heat storage tank 30 to supply heating and hot water to each unit household 2 of the multi-unit house, and the waste heat discarded from the fuel converter 10 to the outside is The heat exchanger 31 installed in the heat storage tank 30 is recovered and reused as thermal energy such as hot water heating.

또한, 연료변환기(10)의 외부전원(mp)이 정전되는 경우에는 제어기(11)가 전압을 감지하는 전압감지기를 통해 이를 감지하여 메인컨트롤러(41)로 신호를 송신하게 되고, 메인컨트롤러(41)는 수신된 신호를 바탕으로 보조전원공급장치(40)를 가동하여 연료변환기(10)의 최저부하운전에 필요한 전원을 공급하게 된다.In addition, when the external power supply (mp) of the fuel converter 10 is out of power, the controller 11 detects the voltage through a voltage sensor for detecting a voltage and transmits a signal to the main controller 41, and the main controller 41. ) Operates the auxiliary power supply 40 based on the received signal to supply power for the lowest load operation of the fuel converter 10.

따라서, 상기 연료변환기(10)는 외부전원(mp)의 정전시에도 안정적인 수소의 생산이 가능하므로 결과적으로, 상기 연료변환기(10)에 공급되는 외부전원(mp)의 공급 유무에 상관없이 전체적인 연료전지 시스템의 가동 유지가 이루어지게 되는 것이다.Therefore, the fuel converter 10 is capable of producing stable hydrogen even in the event of a power failure of the external power source (mp), and as a result, the overall fuel irrespective of whether or not the external power supply (mp) supplied to the fuel converter 10 is supplied. Operation of the battery system is made.

상기 외부전원(mp)의 정전상태가 해제되는 경우에는 전압감지기는 이를 감지하여 제어기(11)로 감지정보를 인가하고, 상기 제어기(11)는 메인컨트롤러(41)에 신호를 송신하여 보조전원공급장치(40)에서 연료변환기(10)로 공급되는 전원을 차단함과 동시에 상기 연료변환기(10)가 외부전원(mp)으로부터 전원을 공급받을 수 있도록 전기 제어하게 된다.When the power failure state of the external power supply (mp) is released, the voltage sensor detects this and applies sensing information to the controller 11, and the controller 11 transmits a signal to the main controller 41 to supply auxiliary power. The power supply to the fuel converter 10 is cut off from the device 40 and the fuel converter 10 is electrically controlled to receive power from an external power source mp.

도 1은 본 발명에 따른 공동주택 연료전지 시스템의 실시 예를 보인 개략도.1 is a schematic view showing an embodiment of a multi-unit house fuel cell system according to the present invention.

도 2는 연료변환기에 보조전원공급장치가 연결된 것을 보인 개략도.2 is a schematic view showing an auxiliary power supply connected to a fuel converter;

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings

1 - 공용시설 2 - 단위세대1-Shared facilities 2-Unit household

10 - 연료변환기 11 - 제어기10-Fuel Converter 11-Controller

20 - 연료전지 스택 21 - 인버터20-Fuel Cell Stack 21-Inverter

30 - 축열조 31 - 열교환기30-heat storage tank 31-heat exchanger

40 - 보조전원공급장치 41 - 메인컨트롤러40-Auxiliary Power Supply 41-Main Controller

42 - 밸브42-valve

Claims (4)

공동주택의 공용시설에 설치되어 스팀과 연료로 수소를 만드는 연료변환기와;A fuel converter installed in a common facility of a multi-family house to produce hydrogen from steam and fuel; 공동주택의 공용시설에 설치되어 상기 연료변환기에서 생성된 수소를 공급받아 이 수소와 공기 중의 산소를 전기화학반응시켜 전기를 발생시키고, 이를 단위세대에 공급하는 연료전지 스택과;A fuel cell stack installed in a common facility of a multi-unit house and receiving hydrogen generated by the fuel converter to generate electricity by electrochemical reaction between the hydrogen and oxygen in the air, and supplying the same to a unit generation; 이 연료전지 스택에서 생성된 직류전류를 상용전원으로 사용 가능하도록 교류전류로 변환시키는 인버터와;An inverter for converting the direct current generated in the fuel cell stack into an alternating current to be used as a commercial power source; 상기 연료변환기와 연료전지 스택에서 회수된 열과 온수를 공급받아 단위세대에 난방 및 온수를 공급하는 축열조와;A heat storage tank receiving heat and hot water recovered from the fuel converter and the fuel cell stack to supply heating and hot water to a unit generation; 공동주택의 정전시 연료변환기의 최저부하운전에 필요한 전원을 공급하는 보조전원공급장치와;An auxiliary power supply for supplying power required for the lowest load operation of the fuel converter in the event of a power failure of the apartment house; 공동주택의 각 단위세대별 전력사용량을 측정하여 운전부하정보를 측정하는 게이지를 포함하며, 이 게이지로부터 측정된 운전부하정보를 바탕으로 연료변환기의 운전을 제어하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지를 이용한 공동주택 연료전지 시스템.And a gauge for measuring driving load information by measuring power consumption of each unit household of the apartment house, and comprising a controller for controlling the operation of the fuel converter based on the driving load information measured from the gauge. Apartment fuel cell system using batteries. 청구항 1에 있어서, 상기 축열조에는 연료변환기로부터 잉여수소를 공급받아 연소시키는 보조보일러가 연결된 것을 특징으로 하는 공동주택 연료전지 시스템.The fuel cell system of an apartment house according to claim 1, wherein the heat storage tank is connected to an auxiliary boiler for receiving and receiving excess hydrogen from a fuel converter. 청구항 1에 있어서, 상기 축열조에는 폐열회수를 위한 열교환기가 설치된 것을 특징으로 하는 공동주택 연료전지 시스템.The multi-unit fuel cell system according to claim 1, wherein the heat storage tank is provided with a heat exchanger for waste heat recovery. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 보조전원공급장치는 제어기와 연결된 메인컨트롤러에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 공동주택 연료전지 시스템.The fuel cell system of any one of claims 1 to 3, wherein the auxiliary power supply is controlled by a main controller connected to a controller.
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