KR20090054664A - 연료전지 열병합 발전시스템 및 그 운전 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 생산 전력량과 부하 전력량 사이의 불균형을 해소하면서 그 발전과정에서 회수된 열원을 보다 효율적으로 이용하도록 개선된 연료전지 열병합 발전시스템 및 그 운전 방법에 관한 것이다. 연료전지 열병합 발전시스템은 수소와 산소를 전기화학반응시켜 전력을 생산하는 연료전지 발전부, 연료전지 발전부의 발전 과정에서 발생되는 폐열을 회수하여 열원으로 저장하는 폐열 회수부, 및 연료전지 발전부에서의 생산 전력량 중 잉여 전력을 폐열 회수부에 공급하여 잉여 전력을 열원으로 변환하여 저장하는 전력 균형기를 포함한다. 그리고, 연료전지 열병합 발전시스템은 외부에서 필요로 하는 열원의 소비 패턴을 예측 계산하고서, 연료전지 발전부와 전력 균형기를 각각 작동시킴으로써 폐열 회수부에 열원을 저장시키는 시스템 제어기를 포함한다.
연료전지, 전력생산, 부하 감지, 전력분배, 열원 소비 패턴, 열저장

Description

연료전지 열병합 발전시스템 및 그 운전 방법{Combined Heat and Power Co-generation System for Fuel Cell and Operating Method Thereof}
본 발명은 전기화학반응에 의해 전력을 생산하면서도 그 발전과정에서 발생되는 폐열을 회수하여 열원으로 저장하는 연료전지 열병합 발전시스템에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 생산 전력량과 부하 전력량 사이의 불균형을 해소하면서 그 발전과정에서 회수된 열원을 보다 효율적으로 이용하도록 개선된 연료전지 열병합 발전시스템 및 그 운전 방법에 관한 것이다.
연료전지(Fuel Cell)는 수소의 산화 반응과 산소의 환원 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 발전장치이다. 이 연료전지는 고분자 전해질형 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell), 직접 산화형 연료전지(Direct Oxidation Fuel Cell)와 같은 종류가 있다.
이 중에서도 고분자 전해질형 연료 전지는 수소이온 교환특성을 갖는 고분자막을 전해질로 사용하는 연료전지로서, 수소를 함유한 연료와 산소를 함유한 공기를 이용하여 전기화학반응을 유발시킴으로써 전기 에너지를 발생시킨다. 이런 고분자 전해질형 연료 전지는 빠른 시동능력이 있으며 소형화가 가능하기 때문에, 연 료전지 열병합 발전설비 분야에 적용되고 있다.
연료전지를 이용한 연료전지 열병합 발전시스템은 개략적으로 다음과 같은 구조를 갖는다. 즉, 연료전지 열병합 발전시스템은 구성요소들을 크게 구분하면, 연료전지 발전부, 전력 변환부, 폐열 회수부, 및 제어장치가 있다. 연료전지 발전부는 수소와 산소의 전기화학반응을 유도하여 직류(DC) 전력을 생산하고, 전력 변환부는 연료전지 발전부에서 생산된 직류 전력을 외부 부하의 전원으로 사용할 수 있도록 교류(AC) 전력으로 변환한다. 폐열 회수부는 연료전지 발전부의 발전과정에서 발생되는 폐열을 회수하여, 축열조에 온수 또는 난방수와 같은 열원으로 저장한다.
연료전지 열병합 발전시스템은 일반적으로 외부의 작동 설정 조건에 따라 일정한 전력량을 생산하지만, 가정 또는 공장에서의 외부 부하는 사용 환경에 따라 그 전력 수요량이 일정하지 않은 패턴을 보인다. 이로 인해 연료전지 열병합 발전시스템은 연료전지 발전부에서 생산되는 전력량과, 외부 부하에서 실제로 필요로 하는 전력량 사이에 차이가 발생된다. 이와 같이 연료전지 열병합 발전시스템은 외부 부하의 실수요에 따라 전력이 과잉 생산되거나, 외부 전원용 부하의 실수요에 비해 전력이 적게 공급될 수 있는 문제점이 있다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위해 종래 연료전지 열병합 발전시스템은 연료전지 발전부에서 생산되는 전력량과, 외부 전원용 부하에서 실제로 필요로 하는 전력량을 각각 측정하는 전력 계량부를 더 구비하기도 한다. 그리고, 종래 연료전지 열병합 발전시스템은 전력 계량부에서 각각 측정된 전력량에 대응하여 연료전지 발 전부의 생산 전력량을 조절함으로써, 전력의 과잉 생산 또는 전력 부족을 해결하고자 한다.
이때 연료전지 열병합 발전시스템은 상기 언급한 바와 같이 연료전지 발전부의 발전과정에서 발생되는 폐열을 회수하여 축열조에 온수 또는 난방수와 같은 열원으로 저장하는 기능도 함께 수행해야 한다. 이로 인해 종래 연료전지 열병합 발전시스템은 전력 계량부에서 각각 측정된 전력량에 대응하여 연료전지 발전부의 생산 전력량을 조절함으로써, 폐열 회수부에 저장되는 열원 저장량도 지속적으로 변화된다. 하지만, 일반 가정집을 일 예로 설명하자면, 폐열 회수부로부터 필요로 하는 열원 소비량은 하루 전체 중에서 어느 특정한 시간 대에만 온수 또는 난방수가 집중으로 사용되는 경향이 있다. 이로 인해 종래 연료전지 열병합 발전시스템은 전력 수요량에 대응하여 연료전지 발전부의 생산 전력량을 조절할 수 있을지라도, 열원 소비량에 대응하여 연료전지 발전부가 작동되지 못하고 있다. 그래서, 종래 연료전지 열병합 발전시스템은 폐열 회수부 내에 설치된 보조 버너로 온수 또는 난방수를 직접 가열할 수 있지만, 보조 버너에서의 추가적인 연료 소비로 인해 시스템의 연료 효율이 낮아지는 문제점이 있다.
본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 연료전지 발전부에서의 생산 전력량과 외부 부하에서 필요한 실수요 전력량 사이의 전력 불균형을 해소하도록 연료전지 발전부를 작동시키는 연료전지 열병합 발전시스템 및 그 운전 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 생산 전력량과 실수요 전력량 사이의 전력 불균형을 해소하면서도 외부의 열원 소비량에 대비하여 연료전지 발전부를 예측 작동시키는 연료전지 열병합 발전시스템 및 그 운전 방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 열병합 발전시스템은 수소와 산소를 전기화학반응시켜 전력을 생산하는 연료전지 발전부, 상기 연료전지 발전부의 발전 과정에서 발생되는 폐열을 회수하여 열원으로 저장하는 폐열 회수부, 및 상기 연료전지 발전부와 상기 폐열 회수부 사이에 위치하면서 상기 연료전지 발전부에서의 생산 전력량 중 잉여 전력을 상기 폐열 회수부에 공급하여 상기 잉여 전력을 상기 열원으로 변환하여 저장하는 전력 균형기를 포함한다. 그리고, 연료전지 열병합 발전시스템은 외부에서 필요로 하는 상기 열원의 소비 패턴을 예측 계산하고서, 상기 연료전지 발전부와 상기 전력 균형기를 각각 작동시킴으로써 상기 폐열 회수부에 상기 열원을 저장시키는 시스템 제어기를 포함한다.
연료전지 열병합 발전시스템은 상기 연료전지 발전부에서 생산되는 DC 전력 을 AC 전력으로 변환하고서 외부 부하에서 필요로 하는 전력원으로 공급하는 전력 변환기를 더 포함한다.
상기 전력 변환기는 상기 연료전지 발전부에서의 생산 전력량을 측정하는 제1 전력미터, 및 상기 외부 부하에 앞서 위치하면서 상기 외부 부하에서의 실수요 전력량을 측정하는 제2 전력미터를 포함한다.
상기 시스템 제어기에는 부하 감지기가 설치된다. 상기 부하 감지기는 상기 연료전지 발전부에 각각 연결된다. 상기 부하 감지기는 상기 잉여 전력을 기반으로 하여 상기 연료전지 발전부에서의 전력 생산 작동을 제어한다.
상기 전력 균형기는 상기 폐열 회수부의 내부에 설치되면서 상기 잉여 전력을 상기 열원으로 변환하는 전기 히터를 포함한다.
상기 시스템 제어기에는 열원 소비 패턴 인식기가 설치된다. 상기 열원 소비 패턴 인식기는 상기 폐열 회수부에 설치된 온도 센서에 연결되면서, 상기 온도 센서에서 측정되는 온도를 기초로 상기 폐열 회수부에서 감소되는 열원 소비량을 기 설정된 시간마다 반복적으로 계산하여, 상기 열원의 소비 패턴을 도출한다.
상기 시스템 제어기에는 열저장 인식기가 설치된다. 상기 열저장 인식기는 제어 시작 시점에서의 상기 폐열 회수부의 열원 저장량과 상기 열원의 소비 패턴 중 어느 일 시점까지 적산된 총 열원량을 각각 파악하고, 필요한 평균 열원량을 계산하여, 상기 연료전지 발전부에서의 전력 생산 작동을 제어한다.
상기 시스템 제어기에는 전력생산 감지기가 설치된다. 상기 전력생산 감지기는 상기 연료전지 발전부에서의 전력 생산 단가 및 상용(商用) 전력 공급 단가를 판단 기준으로 하여, 상기 폐열 회수부에서의 총 열원 저장량에 도달된 시점에서 상기 연료전지 발전부에서의 전력 생산 작동을 제어한다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 열병합 발전시스템의 운전 방법은 연료전지 발전부에서 수소와 산소를 전기화학반응시켜 전력을 생산하는 연료전지 발전단계, 및 상기 연료전지 발전부의 발전 과정에서 발생되는 폐열을 회수하여 폐열 회수부에 열원으로 저장하는 폐열 회수 단계를 포함한다. 그리고, 연료전지 열병합 발전시스템의 운전 방법은 외부에서 필요로 하는 상기 열원 소비 패턴(HUP)을 예측 계산하고서, 상기 열원의 소비 패턴에 적합한 전력 생산 단계로 상기 연료전지 발전부를 작동시키는 전력 생산 최적화 단계를 포함한다.
연료전지 열병합 발전시스템의 운전 방법은 상기 폐열 회수부의 열원 감소량을 기 설정된 시간마다 반복적으로 계산하여, 사용자의 열원 소비량을 각 단계별로 평균화하여 상기 열원의 소비 패턴을 도출하는 열원 패턴 인식 단계를 더 포함한다.
상기 열원 패턴 인식 단계는 상기 폐열 회수부의 열원 감소량을 상기 열원이 저장되는 축열조 용량과, 상기 폐열 회수부에 설치된 온도 센서로 상기 열원의 온도 감소 정도를 파악함으로써 상기 열원 감소량을 계산한다.
상기 열원 패턴 인식 단계는 1일 24시간을 기준으로 매 시간을 각 단계별로 나누고, 상기 열원 소비량을 각 단계별로 평균화하여 상기 열원의 소비 패턴을 도출한다.
상기 전력 생산 최적화 단계는 제어 시작 시점에서의 상기 폐열 회수부의 열 원 저장량과 상기 열원의 소비 패턴 중 어느 일 시점까지 적산된 총 열원량을 각각 파악하고, 필요한 평균 열원량을 계산하여, 상기 평균 열원량에 대응하는 상기 전력 생산 단계로 상기 연료전지 발전부를 작동시킨다.
연료전지 열병합 발전시스템의 운전 방법은 상기 연료전지 발전부에서 생산된 생산 전력량 중 잉여 전력을 상기 폐열 회수부에 공급하여 상기 잉여 전력을 상기 열원으로 변환하여 저장하는 전력 균형 단계를 더 포함한다.
연료전지 열병합 발전시스템의 운전 방법은 상기 연료전지 발전부에서의 전력 생산 단가 및 상용(商用) 전력 공급 단가를 판단 기준으로 경제성 지수(EW)를 도출하고, 상기 열원이 상기 폐열 회수부의 총 열원 저장량에 도달된 시점에서 상기 경제성 지수를 기준으로 상기 연료전지 발전부에서 전력 생산 작동여부를 결정하는 전력 생산 감지 단계를 더 포함한다.
연료전지 열병합 발전시스템의 운전 방법은 상기 연료전지 발전부에서 생산된 생산 전력량과 외부 부하에서 사용되는 실수요 전력량 사이의 전력 불균형 값이 기 설정된 범위에 존재하는지를 판단하여 기 설정된 전력 생산 단계로 상기 연료전지 발전부를 작동시키는 부하 감지 단계를 더 포함한다.
상기 부하 감지 단계는 상기 연료전지 발전부에서 생산된 생산 전력량과 외부 부하에서 사용되는 실수요 전력량 사이의 전력 불균형 값이 기 설정된 시간 내에 상기 연료전지 발전부의 정격 발전의 1/10 초과하는 조건에서 상기 전력 생산 단계를 변경한다.
연료전지 열병합 발전시스템의 운전 방법은 상기 부하 감지 단계에서 설정된 상기 전력 생산 단계로 상기 연료전지 발전부를 작동시키고, 기 설정된 시간이 경과된 후에 상기 전력 생산 최적화 단계에서 설정된 상기 전력 생산 단계로 상기 연료전지 발전부를 작동시킨다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 열병합 발전시스템 및 그 운전 방법은 외부 부하에서 필요한 실수요 전력량 및 외부 열원 소비량에 근거하여, 연료전지 발전부를 작동 제어한다. 이로 인해 연료전지 열병합 발전시스템은 종래에 비해 추가적인 연료의 소비로 인한 낭비가 없으면서도, 연료전지 발전부의 작동에 의해 발생되는 열원 이용률도 높아지는 장점이 있다.
더욱이 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 열병합 발전시스템은 연료 또는 전력 공급가격와 같은 여러 경제적 요소들도 고려하여, 연료전지 발전부와 다른 구성요소들을 작동 제어함으로써 종래에 비해 작동 유지에 필요한 비용이 절감되는 장점이 있다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 연료전지 열병합 발전시스템의 각 구성요소들을 나타낸 개략도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 열병합 발전시스템은 수소와 산소를 전기화학반응시켜 전력을 생산하는 연료전지 발전부(10), 및 연료전지 발전부(10)의 발전 과정에서 발생되는 폐열을 회수하여 열원으로 저장하는 폐열 회수부(60)를 주요 구성요소로서 구비한다.
특히 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 열병합 발전시스템은 외부에서 필요로 하는 열원 소비 패턴을 예측 계산하고서, 연료전지 발전부(10)와 다른 구성요소들을 각각 작동시킴으로써 폐열 회수부(60)에 열원을 저장시키는 시스템 제어기(100)를 구비한다. 이로 인해 연료전지 열병합 발전시스템은 열원의 소비 패턴에 대응하는 열원이 폐열 회수부(60)에 저장되기 때문에, 열원 이용률이 높아진다. 뿐만 아니라 연료전지 열병합 발전시스템은 이와 같은 시스템 제어기(100)의 제어 작동으로 인해 연료전지 발전부(10)가 계획적으로 작동되기 때문에, 연료의 낭비가 감소되면서 경제적인 운영이 가능해진다.
연료전지 열병합 발전시스템의 구성요소들에 대해 보다 자세하게 살펴보면, 연료전지 발전부(10)는 수소와 산소의 전기화학반응이 발생되는 연료전지스택, 천연가스(LNG) 또는 액화석유가스(LPG)와 같은 탄화수소계열의 발전원료(F)를 수소를 포함하는 개질가스로 개질하여 연료전지스택에 공급하는 연료처리장치, 및 연료전지스택에 공기(A)와 같은 산소를 공급하는 공기공급장치를 구비한다. 그러면 연료전지 발전부(10)는 연료전지스택 내에서 수소와 산소를 전기화학 반응시킴으로써 직류(DC) 전력을 생산한다.
전력 변환부(20)는 연료전지 발전부(10)에서 생산된 직류 전력을 교류(AC) 전력으로 변환하여, 외부 부하에서 필요로 하는 전력원으로 공급한다. 전력 변환부(20)는 DC전력의 전압을 승압시키는 컨버터(21)와, DC 전력을 AC 전력으로 변환하는 인버터(22)를 구비한다. 보다 자세하게는 전력 변환부(20)는 인버터(22)의 후방에서 AC 전력으로 변환된 연료전지 발전부(10)의 생산 전력량을 측정하는 제1 전력미터(23 ; P1로 표시함), 및 외부 부하(30)에 앞서 위치하면서 외부 부하(30)에서 필요로 하는 실수요 전력량을 측정하는 제2 전력미터(24 ; P2로 표시함)를 더 구비한다. 제1 전력미터(23)와 제2 전력미터(24)는 각각 AC 전력을 측정할 수 있도록 전압센서와 전류센서로 이루어진다.
연료전지 열병합 발전시스템은 시스템의 초기 기동, 정지, 발전상태 유지 동작을 수행하기 위해서 다수의 주변장치(BOP; Balance of Plants)를 구비한다. 이런 다수의 주변장치는 외부에서 공급되는 계통 전원(40) 또는 배터리와 같은 보조 전원기로부터 초기 기동에 필요한 전력을 공급 받으며, 연료전지 발전부(10)에서 전력이 생산된 후에 연료전지 발전부(10)의 생산 전력으로 유지 작동된다.
이와 같은 계통 전원(40)을 이용한 전력 분배는 전력 분배기(50)에서 실시된다. 전력 분배기(50)는 초기 기동 단계에서 계통 전원(40)으로부터 제공되는 전력을 연료전지 발전부(10) 또는 다수의 주변장치들로 공급한다. 그리고 전력 분배기(50)는 연료전지 발전부(10)에서 전력 생산이 이뤄진 후에 계통 전원(40)을 차단하고서, 연료전지 발전부(10)의 생산 전력을 다수의 주변장치와 외부 부하(30)로 공급한다.
연료전지스택 또는 연료처리장치와 같은 구성요소들을 구비한 연료전지 발전 부(10)는 그 발전과정에서 열이 발생된다. 폐열 회수부(60)는 연료전지 발전부(10)에 열교환 물질을 순환 공급하고, 연료전지 발전부(10)의 폐열을 회수한다. 폐열 회수부(60)는 회수된 폐열을 축열조와 같은 기기의 내부에 열원으로 저장하며, 이런 축열조에 저장되는 열원은 온수 또는 난방수로 유지된다. 즉, 폐열은 열교환을 통해 상온의 물이 승온됨으로써, 폐열 회수부(60)에는 온수 또는 난방수와 같은 열원으로 저장될 수 있다.
폐열 회수부(60)는 외부로부터 연료를 공급 받아서 가열하는 방식인 보조 히터(61)를 구비한다. 보조 히터(61)는 축열조 내 열원이 부족할 때 열부하를 보충한다. 하지만, 본 발명의 실시예는 보조 히터(61)를 예비용으로 구비할 뿐이며, 폐열 회수부(60)의 열원은 연료전지 발전부(10) 및 아래에서 설명할 전력 균형기(70)에 의해 대부분 발생된다.
폐열 회수부(60)는 축열조의 내부에 저장되는 온수 또는 난방수의 온도를 측정하는 온도 센서(62 ; TC)를 구비한다. 그리고 폐열 회수부(60)에는 열교환 물질을 연료전지 발전부(10)으로 공급하기 위한 공급 통로와, 연료전지 발전부(10)로부터 열교환 물질을 다시 회수하기 위한 회수 통로가 각각 연결된다. 연료전지 발전부(10)는 발전과정에서 발생되는 열이 보다 효과적으로 제거되어야, 보다 원활하게 발전작용을 할 수 있다. 이를 위해 폐열 회수부(60)의 공급 통로에는 열교환 물질에 함유된 열을 외부로 방열시키는 공랭식 열교환기(64), 및 이런 공랭식 열교환기(64)가 설치된 경로로 열교환 물질이 통과되게 유동 흐름을 변경하는 삼방향 밸브(65)가 설치된다. 그 외에도 폐열 회수부(60)의 공급 통로에는 열교환 물질의 공급량을 조절하는 물펌프(66 ; W)가 설치된다.
전력 균형기(70)에는 제1 전력미터(23)에서 측정되는 연료전지 발전부(10)의 생산 전력량과, 제2 전력미터(24)에서 측정되는 외부 부하(30)의 실수요 전력량 사이의 차이의 전력 불균형 값이 입력된다. 전력 균형기(70)는 이와 같은 전력 불균형 값을 고려하여, 연료전지 발전부(10)에서의 생산 전력량 중 잉여 전력을 폐열 회수부(60)의 열원으로 제공한다. 전력 균형기(70)는 폐열 회수부(60)에 설치되는 전기 히터(71)를 구비하고, 이런 전기 히터(71)에 잉여 전력을 제공한다. 그러면 전기 히터(71)는 발열 작용에 의해 온수 또는 난방수를 가열함으로써, 잉여 전력이 폐열 회수부(60)의 열원으로 변환될 수 있다.
이와 같은 연료전지 열병합 발전시스템의 주요 구성요소들은 시스템 제어기(100)에 의해 전기 신호 전달이 가능하게 연결된다. 시스템 제어기(100)는 아래와 같이 구성요소들을 제어함으로써, 생산 전력량과 실수요 전력량 사이의 불균형을 해소하면서도 외부의 열원 소비량에 대비하여 연료전지 발전부를 계획적으로 작동시킨다.
시스템 제어기(100)는 제어기능을 기준으로 구분하여, 내부 구성요소로서 전력 제어기(110)와 열원 제어기(140)를 구비한다. 전력 제어기(110)는 전력 생산 감지기(120)와 부하 감지기(130)로 다시 분류될 수 있으며, 열원 제어기(140)는 열원 소비 패턴 인식기(150)와 열저장 인식기(160)로 다시 분류될 수 있다. 아래에서는 이와 같은 시스템 제어기(100)의 구성요소에 대해 보다 자세하게 살펴본다.
도 2는 도 1에 도시된 시스템 제어기의 전력 생산 감지기에서 수행하는 제어 관계를 개략적으로 나타낸 흐름도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 전력 생산 감지기(120)는 연료전지 발전부(10)에서 사용되는 발전원료(F) 사용량, 원료가격(FP, 가격/Nm3), 제1 전력미터(P1)에서 측정되는 생산 전력량을 기초로 하여 생산 전력단가를 계산한다. 또한, 전력 생산 감지기(120)는 계통 전원(40)의 상용 전력가격(WP)에 전기 누진세 관련 변수 및 연료전지 발전부(10)의 발전단가(GWP) 변수를 환경계수(α)로 규정한다. 이때 환경계수(α)는 실제 사용자가 전력을 공급받는 조건에 따라 변동될 수 있으며, 전력 공급 주변환경과 천재지변과 같은 전력부족현상이 발생된 경우에 임의로 값으로 지정될 수도 있다. 환경계수(α≥ 1)는 다음과 같은 수학식 1로 표현된다.
α ∝ β × γ
β ∝ b × ∫△P
γ ∝ r × (1+(GWP - WP)/WP)
여기서, β는 전기누진세 관련 변수(전기누진세가 없으면 β = 1)이고, B는 전기누진율 변수이다. ∫△P는 순누적 전력이다. γ는 발전단가 관련 변수(연료전지 발전단가가 없으면 γ = 1)이고, R은 발전단가 변수이다. WP는 상용 전력가격(가격/kWh)이고, GWP는 연료전지 발전부의 발전단가(가격/kWh)이다.
환산전력가격(MWP)은 이런 환경계수(α)를 보정하여 계산하며, 다음의 수학 식 2으로 표현될 수 있다.
MWP ∝ α × WP
여기서 MWP는 환산전력가격(가격/kWh), α는 환경계수(α ≥ 1), WP는 상용 전력가격(가격/kWh)이다.
경제성 지수(EW)는 연료전지 발전부(10)에서 생산되는 전력의 경제성을 인식하는 변수이다. 경제성 지수(EW)가 양(+)이면 연료전지 발전부(10)에서 전력을 생산할 가치가 있는 것이며, 경제성 지수(EW)가 음(-)이라면 연료전지 발전부(10)에서 전력을 생산할수록 경제적인 손해가 발생됨을 의미한다.
전력 생산 감지기(120)는 폐열 회수부(60)의 축열조에서 열원 저장능력(H)이 있는지를 판단하여, 축열조의 열원 저장능력이 고갈된 시점인 축열조 열저장_상(H-h)에 도달했는지를 비교한다.
폐열 회수부(60)의 열원 저장능력(H)이 축열조의 열저장_상(H-h)에 비해 낮다면, 연료전지 발전부(10)는 현재의 전력 생산 단계(P)를 유지하면서 전력을 생산한다. 그리고, 폐열 회수부(60)의 열원 저장능력(H)이 축열조의 열저장_상(H-h)에 비해 같거나 크면서 경제성 지수(EW)가 양(+)이라면, 연료전지 발전부(10)는 최저 전력 생산 단계(Pmin)로 작동된다. 폐열 회수부(60)의 열원 저장능력(H)이 축열조 열저장_상(H-h)에 비해 같거나 크면서 경제성 지수(EW)가 음(-)이라면, 연료전지 발전부(10)는 전력 생산 중단 단계(Pstop)인 대기상태(idle)로 유지된다.
도 3은 도 1에 도시된 시스템 제어기의 부하 감지기에서 수행하는 제어관계 를 개략적으로 나타낸 흐름도이다.
도 1 및 도 3에 도시된 바와 같이, 부하 감지기(130)는 실시간으로 제1 전력미터(P1)으로부터 연료전지 발전부(10)의 생산 전력량을 전달 받고, 제2 전력미터(P2)으로부터 외부 부하(30)의 실수요 전력량을 전달 받는다. 부하 감지기(130)는 연료전지 발전부(10)와 외부 부하(30)의 실수요 전력량 사이의 차이를 계산하며, 계통 전원(40)으로부터 공급되는 순누적 전력(∫△P)를 적산한다. 이때, 부하 감지기(130)는 연료전지 발전부(10)와 외부 부하(30)의 실수요 전력량 사이의 전력 불균형 값(△P)이 기 설정된 시간동안 기 설정된 범위에 존재하는지를 판단한다. 바람직하게는 전력 불균형 값(△P)은 5분 ~ 10분 범위로 정해진 시간 내에 연료전지 발전부(10)의 정격 발전의 1/10 범위로 설정된다.
전력 불균형 값(△P)이 기 설정된 시간동안 기 설정된 범위에 포함되지 않으면, 연료전지 발전부(10)의 전력 생산 단계(WS)는 기 설정된 다른 전력 생산 단계(WS)로 변경된다. 이때, 전력 불균형 값(△P)이 기 설정된 범위를 초과하여 +값이라면, 연료전지 발전부(10)의 전력 생산 단계(WS)는 전력을 감소시키는 단계(P-)로 변경된다. 전력 불균형 값(△P)이 기 설정된 범위보다 작은 -값이라면, 연료전지 발전부(10)의 전력 생산 단계(WS)는 전력을 증가시키는 단계(P+)로 변경된다. 전력 생산 단계(WS)는 외부 부하(30)의 실수요 전력량 변동을 감안하여 결정되는데, 바람직하게는 연료전지 발전부(10)의 정격 발전을 9단계로 나눈 값으로 이루어진다.
도 4는 도 1에 도시된 시스템 제어기의 열원 소비 패턴 인식기에서 수행하는 제어관계를 개략적으로 나타낸 흐름도이다.
도 1 및 도 4에 도시된 바와 같이, 열원 소비 패턴 인식기(150)는 폐열 회수부(60)에 설치된 온도 센서(62)에 연결되면서, 온도 센서(62)에서 측정되는 온도를 기초로 폐열 회수부(60)에서 감소되는 열원 소비량을 기 설정된 시간마다 반복적으로 계산한다. 열원 소비 패턴 인식기(150)는 기 설정된 반복횟수(R0)만큼 열원 소비량을 계산하고, 이런 열원 소비량을 각 단계별로 평균화함으로써, 사용자의 열원 소비 패턴(HUP)을 도출할 수 있다.
폐열 회수부(60)의 열원 감소량은 축열조에서의 총 열원 저장능력(H)이 입력된 상태이므로, 현재 열원이 저장된 축열조 용량(C)과 온도 센서(TC)에서 측정된 온도를 통해 계산된다. 열원 소비 패턴(HUP)은 1일 24시간을 기준으로 매 시간을 각 단계별로 나누고, 열원 소비량을 각 단계별로 평균화하여 도출한다. TST 단계는 1일 24시간을 매 시간별로 나눈 단계를 의미한다. 일례로 표 1에 일반적인 매 시간별 열원 소비량을 나타내었고, 이를 도 5에 도시화하였다.
Figure 112007085265298-PAT00001
도 6은 도 1에 도시된 시스템 제어기의 열저장 인식기에서 수행하는 제어관계를 개략적으로 나타낸 흐름도이다.
도 1, 도 5, 및 도 6에 도시된 바와 같이, 열저장 인식기(160)는 열원 소비 패턴(HUP) 중에서 어느 일 시점까지의 열원 소비량을 계산하여, 이런 열원 소비량에 적합한 전력 생산 단계(WS)로 연료전지 발전부(10)을 작동시킨다.
열저장 인식기(160)는 어느 일 시점을 1차 최고 열원 소비 지점으로 지정하고, 열원 소비 패턴(HUP)을 통해 어느 일 시점까지 필요한 총 열원 소비량(TH)을 예측한다. 그리고, 열저장 인식기(160)는 제어 시작 시점에서의 폐열 회수부(60)의 열원 저장량(TC × C)을 파악하여, TST 남은 단계를 고려하여 평균 열원 소비량(HA)을 계산한다.
이때, 연료전지 발전부(10)의 전력 생산 단계(WS)는 상기 언급한 바와 같이 정격 발전 기준으로 하여 9단계로 나누어진다. 일례로 표 2에 도시된 열원 생산량 표(WHT)는 연료전지 발전부(10)의 각 전력 생산 단계별 열원 생산량의 일례를 나타내었다.
Figure 112007085265298-PAT00002
열저장 인식기(160)는 이와 같은 열원 생산량 표(WHT)를 판단 기준으로 하여, 필요한 평균 열원 소비량(HA)에 근접하는 전력 생산 단계(WS)를 도출한다. 그리고, 열저장 인식기(160)는 평균 열원 소비량에 적합한 전력 생산 단계(WS)로 연료전지 발전부(10)을 작동시킨다.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 열병합 발전시스템의 운전 방법을 나타낸 흐름도이고, 도 8은 도 7에 도시된 연료전지 열병합 발전시스템의 제어관계를 도시화하여 나타낸 개략도이다.
도 1, 도 7, 및 도 8에 도시된 바와 같이, 제1 실시예에 따른 연료전지 열병합 발전시스템의 운전 방법은 외부에서 필요로 하는 열원 소비 패턴(HUP)을 예측 계산하고서, 열원의 소비 패턴에 적합한 전력 생산 단계로 연료전지 발전부(10)를 작동시킨다. 이로 인해 연료전지 열병합 발전시스템은 외부의 열원 소비량에 대비하여 연료전지 발전부(10)를 계획적으로 작동시킬 수 있다.
연료전지 열병합 발전시스템의 운전 방법은 연료전지 발전부(10)에서 수소와 산소를 전기화학반응시켜 전력을 생산하는 연료전지 발전단계(S1), 연료전지 발전부(10)의 발전 과정에서 발생되는 폐열을 회수하여 폐열 회수부(60)에 열원으로 저장하는 폐열 회수 단계(S2)를 수행한다.
그런 다음에 연료전지 열병합 발전시스템의 운전 방법은 시스템 제어기(100)를 이용하여 부하 감지 단계(S3)를 실시한다. 부하 감지 단계(S3)는 연료전지 발전부(10)에서 생산된 생산 전력량(P1)과 외부 부하에서 사용되는 실수요 전력량(P2) 사이의 전력 불균형 값이 기 설정된 범위에 존재하는지를 판단하여 기 설정된 전력 생산 단계(WS)로 연료전지 발전부(10)를 작동시킨다.
연료전지 열병합 발전시스템의 운전 방법은 부하 감지 단계(S3)를 수행하고서 기 설정된 시간(일례로 15분)이 경과된 후에 열원 사용 패턴 인식 단계(S4)를 수행한다.
열원 패턴 인식 단계(S4)는 폐열 회수부(60)의 열원 감소량을 기 설정된 시간마다 반복적으로 계산하여, 사용자의 열원 소비량을 각 단계(TST 단계)별로 평균화하여 열원 소비 패턴(HUP)을 도출한다.
그런 다음에는 열저장 인식기(160)에서 열원 소비 패턴(HUP)에 대응하는 전력 생산 단계로 다시 변경하여 연료전지 발전부(10)를 작동시키는 전력 생산 최적화 단계(S5)를 수행한다. 즉, 전력 생산 최적화 단계(S5)는 제어 시작 시점에서의 폐열 회수부(60)의 열원 저장량과, 열원 소비 패턴 중 어느 일 시점까지 적산된 총 열원 소비량(TH)을 각각 파악한다. 전력 생산 최적화 단계(S5)는 열원 소비 패턴 중 어느 일 시점까지 각 단계별로 필요한 평균 열원 소비량(HA)을 계산하고, 이런 평균 열원 소비량에 대응하는 전력 생산 단계(WS)로 연료전지 발전부(10)를 작동시킨다.
전력 균형 단계(S6)는 전력 생산 최적화 단계(S5) 이후에 연료전지 발전부(10)에서 생산된 생산 전력량 중 잉여 전력을 폐열 회수부(60)에 공급한다. 즉, 전력 균형기(70)는 잉여 전력을 이용하여, 폐열 회수부(60)에 설치된 전기 히터(71)로 온수 또는 난방수를 가열함으로써 폐열 회수부(60)에 열원이 저장될 수 있다.
전력 생산 감지 단계(S7)는 전력 생산 최적화 단계(S5) 이후에 전력 생산 감지기(120)의 제어 작동에 의해 실시된다. 전력 생산 감지 단계(S7)는 연료전지 발전부(10)에서의 전력 생산 단가 및 상용(商用) 전력 공급 단가를 판단 기준으로 경제성 지수(EW)를 도출한다. 그리고, 전력 생산 감지 단계(S7)는 열원이 폐열 회수부(60)의 총 열원 저장량에 도달된 시점(H_h)에서 경제성 지수(EW)를 기준으로 결정하여, 연료전지 발전부(10)를 최저 전력 생산 단계(Pmin) 또는 전력 생산 중단 단계(Pstop)로 작동시킨다.
이와 같이 연료전지 열병합 발전시스템의 운전 방법은 연료전지 발전부(10)의 전력 생산 단계가 어떠한 상태에 위치하더라도, 도 9에 도시된 바와 같이 전력 불균형 값(△P)을 고려하여 전력 생산 단계를 버퍼 영역으로 변경한다. 그런 다음에 연료전지 열병합 발전시스템의 운전 방법은 전력 생산 최적화 단계(S5) 및 전력 균형 단계(S6)에 의해 폐열 회수부(60)의 열원 저장능력(H)이 점차적으로 증가하여, 열저장_상(H-h) 영역까지 도달한다. 연료전지 열병합 발전시스템의 운전 방법은 열저장_상(H-h) 영역에 도달한 시점에서 경제성 지수(EW)에 따라 연료전지 발전부(10)를 최저 전력 생산 단계(Pmin) 또는 전력 생산 중단 단계(Pstop)로 작동시킬지를 결정한다.
도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 열병합 발전시스템의 제어관계를 도시화하여 나타낸 개략도이다.
도 10에 도시된 바와 같이, 제2 실시예에 따른 연료전지 열병합 발전시스템의 운전 방법은 부하 감지 단계에서 도 8에 도시된 제1 실시예와 달리 전력 생산 단계를 변경하지 않고, 전력 불균형 값(△P)을 적산하여 순누적 전력(∫△P) 을 도출하는 기능만을 수행할 수도 있다.
도 11은 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료전지 열병합 발전시스템의 제어관계를 도시화하여 나타낸 개략도이다.
도 11에 도시된 바와 같이, 제3 실시예에 따른 연료전지 열병합 발전시스템의 운전 방법은 도 8에 도시된 제1 실시예와 달리 전력 생산 감지 단계에서 폐열 회수부의 축열조로부터 열원을 외부로 방출한다. 즉, 연료전지 열병합 발전시스템은 폐열 회수부에 열원을 외부로 방출하기 위한 방열용 기기(80)가 설치된다. 이러한 방열용 기기(80)로는 온수 공급 배관 또는 난방수 공급 배관과 별도로 설치되는 물 배출 포트이다. 물 배출 포트는 공기조화기, 흡수식 냉방기기, 히트 펌프식 냉동기기, 음식물 쓰레기 처리기, 신발 건조기, 및 식기건조기과 같은 제품에 연결되어, 방출된 열원이 제품 또는 제품 주변의 온도를 상승시키는 용도로 활용되게 한다.
즉, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것이 당연하다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 연료전지 열병합 발전시스템의 각 구성요소들을 나타낸 개략도이다.
도 2는 도 1에 도시된 시스템 제어기의 전력 생산 감지기에서 수행하는 제어관계를 개략적으로 나타낸 흐름도이다.
도 3은 도 1에 도시된 시스템 제어기의 부하 감지기에서 수행하는 제어관계를 개략적으로 나타낸 흐름도이다.
도 4는 도 1에 도시된 시스템 제어기의 열원 소비 패턴 인식기에서 수행하는 제어관계를 개략적으로 나타낸 흐름도이다.
도 5는 도 4에 도시된 열원 소비 패턴을 매 시간별로 단계화하여 나타낸 그래프이다.
도 6은 도 1에 도시된 시스템 제어기의 열저장 인식기에서 수행하는 제어관계를 개략적으로 나타낸 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 열병합 발전시스템의 운전 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 8은 도 7에 도시된 연료전지 열병합 발전시스템의 제어관계를 도시화하여 나타낸 개략도이다.
도 9는 도 8에 도시된 연료전지 열병합 발전시스템의 운전 방법에 따라 전력 생산 단계가 변경 조작됨을 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 열병합 발전시스템의 제어관 계를 도시화하여 나타낸 개략도이다.
도 11은 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료전지 열병합 발전시스템의 제어관계를 도시화하여 나타낸 개략도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 연료전지 발전부 20 : 전력 변환부
30 : 부하 40 : 계통 전원
50 : 전력 분배기 60 : 폐열 회수부
70 : 전력 균형기 100 : 시스템 제어기

Claims (20)

  1. 수소와 산소를 전기화학반응시켜 전력을 생산하는 연료전지 발전부;
    상기 연료전지 발전부의 발전 과정에서 발생되는 폐열을 회수하여 열원으로 저장하는 폐열 회수부;
    상기 연료전지 발전부와 상기 폐열 회수부 사이에 위치하며, 상기 연료전지 발전부에서의 생산 전력량 중 잉여 전력을 상기 폐열 회수부에 공급하여 상기 잉여 전력을 상기 열원으로 변환하여 저장하는 전력 균형기;
    외부에서 필요로 하는 상기 열원의 소비 패턴을 예측 계산하고서, 상기 연료전지 발전부와 상기 전력 균형기를 각각 작동시킴으로써 상기 폐열 회수부에 상기 열원을 저장시키는 시스템 제어기;를 포함하는
    연료전지 열병합 발전시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료전지 발전부에서 생산되는 DC 전력을 AC 전력으로 변환하고서 외부 부하에서 필요로 하는 전력원으로 공급하는 전력 변환기;를 더 포함하는 연료전지 열병합 발전시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 전력 변환기에 설치되면서 상기 연료전지 발전부에서의 생산 전력량을 측정하는 제1 전력미터; 및 상기 외부 부하에 앞서 위치하면서 상기 외부 부하에서의 실수요 전력량을 측정하는 제2 전력미터;를 더 포함하는 연료전지 열병합 발전시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 시스템 제어기에는 부하 감지기가 설치되며,
    상기 부하 감지기는 상기 연료전지 발전부에 연결되면서, 상기 잉여 전력을 기반으로 하여 상기 연료전지 발전부에서의 전력 생산 작동을 제어하는 연료전지 열병합 발전시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 전력 균형기는 상기 폐열 회수부의 내부에 설치되면서 상기 잉여 전력을 상기 열원으로 변환하는 전기 히터를 포함하는 연료전지 열병합 발전시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 시스템 제어기에는 열원 소비 패턴 인식기가 설치되며,
    상기 열원 소비 패턴 인식기는 상기 폐열 회수부에 설치된 온도 센서에 연결되면서, 상기 온도 센서에서 측정되는 온도를 기초로 상기 폐열 회수부에서 감소되는 열원 소비량을 기 설정된 시간마다 반복적으로 계산하여, 상기 열원의 소비 패턴을 도출하는 연료전지 열병합 발전시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 시스템 제어기에는 열저장 인식기가 설치되며,
    상기 열저장 인식기는 제어 시작 시점에서의 상기 폐열 회수부의 열원 저장량과 상기 열원의 소비 패턴 중 어느 일 시점까지 적산된 총 열원량을 각각 파악하고, 필요한 평균 열원량을 계산하여, 상기 연료전지 발전부에서의 전력 생산 작동을 제어하는 연료전지 열병합 발전시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 시스템 제어기에는 전력생산 감지기가 설치되며,
    상기 전력생산 감지기는 상기 연료전지 발전부에서의 전력 생산 단가 및 상용(商用) 전력 공급 단가를 판단 기준으로 하여, 상기 폐열 회수부에서의 총 열원 저장량에 도달된 시점에서 상기 연료전지 발전부에서의 전력 생산 작동을 제어하는 연료전지 열병합 발전시스템.
  9. 연료전지 발전부에서 수소와 산소를 전기화학반응시켜 전력을 생산하는 연료전지 발전단계;
    상기 연료전지 발전부의 발전 과정에서 발생되는 폐열을 회수하여 폐열 회수부에 열원으로 저장하는 폐열 회수 단계; 및
    외부에서 필요로 하는 상기 열원 소비 패턴(HUP)을 예측 계산하고서, 상기 열원의 소비 패턴에 적합한 전력 생산 단계로 상기 연료전지 발전부를 작동시키는 전력 생산 최적화 단계;를 포함하는
    연료전지 열병합 발전시스템의 운전 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 전력 생산 최적화 단계에 앞서서 실시하며, 상기 폐열 회수부의 열원 감소량을 기 설정된 시간마다 반복적으로 계산하여, 사용자의 열원 소비량을 각 단계별로 평균화하여 상기 열원의 소비 패턴을 도출하는 열원 패턴 인식 단계;를 더 포함하는 연료전지 열병합 발전시스템의 운전 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 열원 패턴 인식 단계는 상기 폐열 회수부의 열원 감소량을 상기 열원이 저장되는 축열조 용량과, 상기 폐열 회수부에 설치된 온도 센서로 상기 열원의 온도 감소 정도를 파악함으로써 상기 열원 감소량을 계산하는 연료전지 열병합 발전시스템의 운전 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 열원 패턴 인식 단계는 1일 24시간을 기준으로 매 시간을 각 단계별로 나누고, 상기 열원 소비량을 각 단계별로 평균화하여 상기 열원의 소비 패턴을 도출하는 연료전지 열병합 발전시스템의 운전 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 전력 생산 최적화 단계는 제어 시작 시점에서의 상기 폐열 회수부의 열원 저장량과 상기 열원의 소비 패턴 중 어느 일 시점까지 적산된 총 열원량을 각각 파악하고, 필요한 평균 열원량을 계산하여, 상기 평균 열원량에 대응하는 상기 전력 생산 단계로 상기 연료전지 발전부를 작동시키는 연료전지 열병합 발전시스템의 운전 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 전력 생산 최적화 단계 이후에 실시하며, 상기 연료전지 발전부에서 생산된 생산 전력량 중 잉여 전력을 상기 폐열 회수부에 공급하여 상기 잉여 전력을 상기 열원으로 변환하여 저장하는 전력 균형 단계;를 더 포함하는 연료전지 열병합 발전시스템의 운전 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 전력 생산 최적화 단계 이후에 실시하며, 상기 연료전지 발전부에서의 전력 생산 단가 및 상용(商用) 전력 공급 단가를 판단 기준으로 경제성 지수(EW)를 도출하고, 상기 열원이 상기 폐열 회수부의 총 열원 저장량에 도달된 시점에서 상기 경제성 지수를 기준으로 상기 연료전지 발전부에서 전력 생산 작동여부를 결정하는 전력 생산 감지 단계;를 더 포함하는 연료전지 열병합 발전시스템의 운전 방 법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 전력 생산 최적화 단계에 앞서서 실시하며, 상기 연료전지 발전부에서 생산된 생산 전력량과 외부 부하에서 사용되는 실수요 전력량 사이의 전력 불균형 값이 기 설정된 범위에 존재하는지를 판단하여 기 설정된 전력 생산 단계로 상기 연료전지 발전부를 작동시키는 부하 감지 단계;를 더 포함하는 연료전지 열병합 발전시스템의 운전 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 부하 감지 단계는 상기 연료전지 발전부에서 생산된 생산 전력량과 외부 부하에서 사용되는 실수요 전력량 사이의 전력 불균형 값이 기 설정된 시간 내에 상기 연료전지 발전부의 정격 발전의 1/10 초과하는 조건에서 상기 전력 생산 단계를 변경하는 연료전지 열병합 발전시스템의 운전 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 부하 감지 단계에서 설정된 상기 전력 생산 단계로 상기 연료전지 발전부를 작동시키고, 기 설정된 시간이 경과된 후에 상기 전력 생산 최적화 단계에서 설정된 상기 전력 생산 단계로 상기 연료전지 발전부를 작동시키는 연료전지 열병합 발전시스템의 운전 방법.
  19. 제 15 항에 있어서,
    상기 전력 생산 최적화 단계에 앞서서 실시하며, 상기 연료전지 발전부에서 생산된 생산 전력량과 외부 부하에서 사용되는 실수요 전력량 사이의 전력 불균형 값을 기 설정된 시간마다 측정한 후에 적산함으로써 순누적 전력을 도출하는 연료전지 열병합 발전시스템의 운전 방법.
  20. 제 15 항에 있어서,
    상기 전력 생산 감지 단계는 상기 열원이 상기 폐열 회수부의 총 열원 저장량에 도달된 시점에서 상기 경제성 지수가 마이너스인 조건에서 상기 폐열 회수부의 상기 축열조로부터 외부로 열원을 방출하는 연료전지 열병합 발전시스템의 운전 방법.
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