KR20160139485A - 분산발전용 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템 구성 및 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 분산발전용 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템에 대하여 개시한다. 본 발명의 일면에 따른 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템은, 입력된 산화제와 연료의 전기화학적 반응에 의해 전기를 생산하며, 애노드 오프가스(Anode Off Gas)를 배출하는 연료전지; 유입된 상기 애노드 오프가스의 냉각 및 상기 애노드 오프가스로부터 적어도 일부의 수분을 제거 중 적어도 하나를 수행한 결과, 일 배출가스를 출력하는 냉각기; 상기 애노드 오프가스가 유입되는 제1유로와 상기 일 배출가스가 유입되는 제2유로를 구비하며, 상기 제1유로와 상기 제2유로 내의 유체를 상호 열교환시키는 열교환기; 상기 냉각기로부터 출력되는 일 배출가스를 입력받아 상기 열교환기의 제2유로 및 상기 열교환기의 우회로 중 적어도 하나에 전달하는 제어밸브; 상기 애노드 오프가스를 기설정된 제1비율로 분기하여 배출하는 분지관; 및 상기 열교환기의 제2유로를 통과하여 열교환된 일 배출가스, 상기 열교환기의 우회로로 전달된 일 배출가스 및 상기 분지관을 통해 전달된 애노드 오프가스 중 적어도 하나를 포함하는 연소용 가스를 전달받고, 상기 연소용 가스를 연소시켜 추가 전기를 생산하는 엔진을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

분산발전용 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템 구성 및 제어 방법{Configuration and Control Method of Hybrid Power Generation System using Fuel Cell and Engine for Distributed Power Generation}
본 발명은 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템에 관한 것으로서, 더 구체적으로는 연료전지 및 엔진을 이용하여 전력을 생산할 수 있는 분산발전용 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 연료전지는 수소와 산소가 가진 화학적 에너지를 직접 전기 에너지로 변화시키는 전기화학적 장치이다.
연료전지는 종래의 화력 발전에 비해 효율이 높아 발전용 연료의 절감이 가능하고, 열병합 발전도 가능하며, 천연가스, 도시가스, 메탄올, 폐기물 가스 등 다양한 연료를 사용할 수 있어, 화력 발전을 대체할 수 있는 에너지 변환 장치로 평가받고 있다.
또한, NOx와 CO2 배출량이 석탄 화력 발전에 비해 현저히 낮고, 소음도 적은 무공해 운전이 가능하여 도심 지역이나 건물 내에 설치도 가능하다.
연료전지로는 알칼리형 연료전지, 인산형 연료전지, 고분자 전해질형 연료전지, 고체산화물형 연료전지(SOFC; Solid Oxide Fuel Cell), 용융탄산염형 연료전지(MCFC; Molten Carbonate Fuel Cell)나, 직접탄소 연료전지(Direct Carbon Fuel Cell) 등이 있다.
그중, 고온에서 동작하는 고체산화물형 연료전지(SOFC)와 용융탄산염형 연료전지(MCFC)는 수십 kW 내지 MW급 대용량 전기를 생산하는 분산발전용으로 사용될 수 있고, 고온의 애노드 오프가스나 고온의 캐소드 오프가스를 활용하여 추가전기를 생산하기에 유리하다. 따라서, 최근에는 고온의 연료전지로부터 배출되는 애노드 오프가스와 발전용 엔진을 결합한 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템이 제안되고 있다.
그런데, 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템의 경우, 고온의 연료전지의 애노드 오프가스는 600도 내지 1000도 정도로 매우 고온이기 때문에, 바로 엔진에 유입될 경우, 엔진 손상으로 이어질 수 있을 뿐만 아니라, 발전 효율도 떨어질 수 있는 문제점이 있다.
본 발명은 전술한 바와 같은 기술적 배경에서 안출된 것으로서, 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템에서 고온의 연료전지의 애노드 오프가스를 엔진 연소에 적합한 상태로 조절함으로써, 엔진 고장을 방지하는 한편, 내구성을 향상시키고, 전체 발전시스템의 효율을 높일 수 있는 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일면에 따른 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템은, 입력된 산화제와 연료의 전기화학적 반응에 의해 전기를 생산하며, 애노드 오프가스(Anode Off Gas)를 배출하는 연료전지; 유입된 상기 애노드 오프가스의 냉각 및 상기 애노드 오프가스로부터 적어도 일부의 수분을 제거 중 적어도 하나를 수행한 결과, 일 배출가스를 출력하는 냉각기; 상기 애노드 오프가스가 유입되는 제1유로와 상기 일 배출가스가 유입되는 제2유로를 구비하며, 상기 제1유로와 상기 제2유로 내의 유체를 상호 열교환시키는 열교환기; 상기 냉각기로부터 출력되는 일 배출가스를 입력받아 상기 열교환기의 제2유로 및 상기 열교환기의 우회로 중 적어도 하나에 전달하는 제어밸브; 상기 애노드 오프가스를 기설정된 제1비율로 분기하여 배출하는 분지관; 및 상기 열교환기의 제2유로를 통과하여 열교환된 일 배출가스, 상기 열교환기의 우회로로 전달된 일 배출가스 및 상기 분지관을 통해 전달된 애노드 오프가스 중 적어도 하나를 포함하는 연소용 가스를 전달받고, 상기 연소용 가스를 연소시켜 추가 전기를 생산하는 엔진을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 면에 따른 입력된 산화제와 연료의 전기화학적 반응에 의해 전기를 생산하며, 애노드 오프가스(Anode Off Gas)를 배출하는 연료전지 및 상기 애노드 오프가스를 연소시켜 추가 전기를 생산하는 엔진 사이에서 상기 연료전지로부터의 애노드 오프가스를 조절하여 상기 엔진에 공급하는 애노드 오프가스 조절 장치는, 유입된 상기 애노드 오프가스의 냉각 및 상기 애노드 오프가스로부터 적어도 일부의 수분을 제거 중 적어도 하나를 수행한 결과, 일 배출가스를 출력하는 냉각기; 상기 애노드 오프가스가 유입되는 제1유로와 상기 일 배출가스가 유입되는 제2유로를 구비하며, 상기 제1유로와 상기 제2유로 내의 유체를 상호 열교환시키는 열교환기; 상기 냉각기로부터 출력되는 일 배출가스를 입력받아 상기 열교환기의 제2유로 및 상기 열교환기의 우회로 중 적어도 하나에 전달하는 제어밸브; 및 상기 애노드 오프가스를 기설정된 제1비율로 분기하여 배출하는 분지관을 포함하고, 상기 열교환기의 제2유로를 통해 열교환된 일 배출가스, 상기 열교환기의 우회로로 전달된 일 배출가스 및 상기 분지관을 통해 전달된 애노드 오프가스 중 적어도 하나가 연소용 가스로서, 상기 엔진에 전달되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 고온의 연료전지의 애노드 오프가스를 엔진 연소에 적합한 상태로 조절함으로써, 엔진 고장을 방지하는 한편, 내구성을 향상시키고, 안정적인 연소가 일어나도록 하여 전체 발전시스템의 효율을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템의 전체 구성을 개략적으로 도시한 구성도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템의 애노드 오프가스 조절 장치를 세부적으로 도시한 세부 구성도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 애노드 오프가스 조절 방법을 도시한 흐름도.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템을 도시한 구성도.
본 발명의 전술한 목적 및 그 이외의 목적과 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하, 도 1 내지 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템의 전체 구성을 개략적으로 도시한 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템의 애노드 오프가스 조절 장치를 세부적으로 도시한 세부 구성도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템(10)은 연료전지(110), 열교환기(120), 냉각기(130), 엔진(140), 제어밸브(150), 온도 감지부(170), 분지관(160), 혼합용 배관(180) 및 제어부(미도시)를 포함한다.
연료전지(110)는 산화제(공기 또는 산소)와 연료(수소, 합성가스, 직접탄소 등)의 전기화학적 반응에 의하여 전력을 생산하며, 비반응 연료 및 애노드 오프가스(Anode Off Gas)를 포함하는 배출가스를 배출한다.
상세하게는, 연료전지(110)가 MCFC 연료전지일 경우, 연료전지(110)는 고온의 공기 또는 산소와 이산화탄소를 입력받는 캐소드(Cathode)와 수소를 입력받는 애노드(Anode)를 포함한다. 캐소드는 고온의 공기 또는 산소를 입력받아 산소 이온 또는 산소와 이탄화탄소의 반응에 의해 탄산 이온을 생산한다. 애노드는 캐소드로부터의 산소 이온 또는 탄산 이온과 개질기로부터의 수소의 반응에 의해 전기를 생산하고 물과 이산화탄소가 포함된 오프가스(이하, 애노드 오프가스)를 배출한다. 여기서, 캐소드 배출가스는 연료전지(110)에 유입되는 공기 또는 산소의 열교환에 이용될 수 있고, HRSG(Heat Recovery Steam Generator)에 의해 열회수될 수 있다.
여기서, 연료전지(110)는 애노드 오프가스를 배출하는 다양한 연료전지일 수 있다. 예를 들어, 연료전지(110)는 고체산화물형 연료전지(SOFC; Solid Oxide Fuel Cell), 용융탄산염형 연료전지(MCFC; Molten Carbonate Fuel Cell), PEMFC(Proton exchange membrane fuel cell), PAFC(Phosphoric-acid fuel cell), AFC(Alkaline fuel cell) 또는 직접탄소 연료전지(DCFC; Direct Carbon Fuel Cell) 등일 수 있다. 이때, 연료전지(110)로 용융탄산염형 연료전지(MCFC)가 사용될 경우에는 엔진(140)의 배출가스를 연료전지(110)로 재유입시켜 캐소드에서 필요한 이산화탄소를 공급하는 것도 가능하다.
도 1과 같이, 연료전지(110)의 전단에는 고온의 공기 또는 산소와 물을 공급하는 수단, 수소를 포함하는 연료(LPG, LNG, 메탄, 석탄가스, 메탄올 등)로부터 다량의 수소를 포함하는 가스를 생산하는 개질기 등이 포함될 수 있다. 연료전지(110)의 전단 구성은 연료전지(110)의 종류에 따라 다양하게 적용될 수 있고, 적용된 연료전지(110)의 종류로부터 당업자라면 자명하게 도출할 수 있으므로, 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
냉각기(130)는 열교환기(120)를 통과한 애노드 오프가스의 적어도 일부를 입력받아 입력된 애노드 오프가스를 냉각하여 그 온도를 낮추거나, 입력된 애노드 오프가스로부터 수분(스팀)을 제거하고, 그 결과 일 배출가스를 출력한다. 예컨대, 냉각기(130)는 수냉식 열교환기, 공랭식 열교환기, 원심식 기수분리장치를 포함하는 냉각기, 반전식 기수분리장치를 포함하는 냉각기 등 다양한 종류일 수 있다.
그런데, 냉각기(130)에 의해 애노드 오프가스가 냉각되거나, 수분이 제거되면, 그 온도가 낮아지므로, 일 배출가스의 온도는 애노드 오프가스에 비해 훨씬 낮아진다. 따라서, 엔진(140)의 발전 효율을 기설정된 값 이상으로 유지하고 안정된 연소를 유도하기 위해 냉각기(130)의 후단에서 일 배출가스의 온도를 증가시킬 필요가 있다.
열교환기(120)는 두 개의 유체 간의 열 교환을 위한 장치로서, 입력된 애노드 오프가스가 이동하는 제1유로 및 제어밸브(150)로부터 전달받은 일 배출가스가 이동하는 제2유로를 포함한다. 이때, 제1유로와 제2유로는 상호 열 교환 가능하도록 연접하여 배치되는 것이 좋다.
여기서, 열교환기(120)는 일 배출가스의 전체가 열교환기(120)의 제2유로를 통과한 경우 즉, 열교환된 경우 엔진(140)으로 유입되는 연소용 가스의 온도가 기설정된 임계치 이상 상한치 미만이 되도록 설계되는 것이 좋다. 이때, 임계치 및 상한치는 엔진 효율을 높이고 안정적인 연소가 가능한 연소용 가스의 온도범위를 의미한다. 또한, 엔진 손상을 방지할 수 있도록, 상한치는 엔진(140)에 유입되어 손상줄 수 있는 가스의 최저 온도(＞℃) 보다는 낮게 설정되는 것이 좋다.
분지관(160)은 제1 내지 제3분지부를 포함하고, 제1분지부로 입력된 애노드 오프가스를 기설정된 제1비율로 분기하여 제2 및 제3분지부로 전달한다.
이때, 제1분지부는 연료전지(110)의 애노드 오프가스 배출로에 연결되고, 제2분지부는 열교환기(120)의 제1유로와 연결되며, 제3분지부는 혼합용 배관(180)의 일 입력 경로에 연결된다. 따라서, 분지관(160)은 애노드 오프가스를 기설정된 제1비율로 분기하여 열교환기(120)의 제1유로와 혼합용 배관(180)에 전달할 수 있다.
여기서, 제1비율은 제2분지부와 제3분지부의 애노드 오프가스의 전달 비일 수 있다. 예컨대, 제1비율은 하기의 수학식 1과 같이, 제2분지부로 전달되는(열교환기로 전달되는) 애노드 오프가스의 양(G2)으로 제3분지부로 전달되는(혼합용 배관으로 전달되는) 애노드 오프가스의 양(G3)을 제산한 결과일 수 있다. 이하, 제1비율이 수학식 1에 의해 산출되는 경우를 예로 들어 설명한다.
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여기서, 제1비율은 연료전지(110)의 종류와 특성, 냉각기(130)의 특성, 열교환기(120)의 특성과 용량 및 엔진(140)의 종류와 특성 중 적어도 하나에 의해 결정될 수 있다.
일 예로서, 연료전지(110)가 고체산화물형 연료전지(SOFC)이면, 연료전지(110)가 용융탄산염형 연료전지(MCFC)일 때보다 애노드 오프가스의 온도가 높아질 수 있으므로, 그러면, 수학식 1의 제1비율이 작은 분지관(160)이 적용될 수 있다. 다른 예로서, 냉각기(130)가 더 높은 온도의 일 배출가스를 출력하는 경우, 더 낮은 온도의 일 배출가스를 출력하는 경우보다 수학식 1의 제1비율이 작은 분지관(160)이 적용될 수 있다. 또 다른 예로서, 열교환기(120)의 용량이 작으면, 열교환될 수 있는 애노드 오프가스와 일 배출가스의 양이 작을 것이므로, 수학식 1의 제1비율이 큰 분지관(160)이 적용될 수 있다. 또한, 엔진(140)의 종류에 따라 엔진(140)의 발전 효율을 일정치 이상으로 보장하고 안정적인 연소를 가능하게 하는 온도 범위는 상이할 것이므로, 해당 온도범위가 더 높을 경우에는 더 낮을 경우보다 수학식 1의 제1비율이 더 큰 분지관(160)이 적용될 수 있다.
한편, 분지관(160)은 입출력되는 애노드 오프가스의 온도(연료전지의 종류에 따라 600도 내지 1000도일 수 있음)를 견딜 수 있는 소재로 구성될 수 있다.
분지관(160)은 엔진(140), 열교환기(120), 냉각기(130) 및 연료전지(110) 중 적어도 하나의 교체 등과 같은 이유로 인해 제1비율을 변경해야 할 경우에 대비하여 탈착 가능한 형태로 구성되는 것이 좋다.
혼합용 배관(180)은 엔진(140)의 유입로에 구비되어, 3 방향에서 유입되는 가스 및 공기유입구로부터의 엔진(140)의 운행에 필요한 연소용 공기를 혼합한다. 혼합용 배관(180)은 열교환기(120)에 의해 열교환된 일 배출가스, 열교환기(120)의 우회로로 전달된 일 배출가스, 분지관(160)으로부터 전달된 애노드 오프가스 및 연소용 공기를 입력받는 네 개의 입력 경로와, 엔진(140)으로의 한 개의 출력 경로를 포함한다. 여기서, 혼합용 배관(180)의 출력 경로는 네 개의 입력 경로를 통해 유입된 가스들이 잘 혼합될 수 있는 형상으로 구비되는 것이 좋다.
또는, 혼합용 배관(180)은 별도로 공기유입구를 포함하지 않고, 공기유입구는 혼합용 배관(180)과 열교환기(120)의 제2유로 사이, 열교환기(120)의 우회로 또는 혼합용 배관(180)과 온도 감지부(170) 사이 등의 연료전지(110)와 엔진(140) 사이의 어느 곳에 구비될 수도 있다. 다만, 이 경우에도, 엔진(140)의 연소 효율을 높이기 위해 연소용 가스는 혼합용 공기와 잘 혼합되어 엔진(140)으로 유입되는 것이 좋다.
엔진(140)은 혼합용 배관(180)의 출력 경로로부터 연소용 가스를 입력받아, 이를 연소시켜 추가 전기를 생산한다.
여기서, 엔진(140)은 예혼합 압축착화(HCCI; Homogeneous Charge Compression Ignition) 방식을 사용하는 HCCI 엔진, 스파크 점화 방식을 사용하는 가솔린 엔진 및 디젤 엔진 중 적어도 하나일 수 있다. 다만, 엔진(140)으로 HCCI 엔진이 사용되는 경우, 연소 최고온도를 낮출 수 있고, NOx 및 PM 배출을 줄일 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
한편, 엔진(140)의 후단에는 엔진(140)의 배출가스로부터 열을 회수하는 등의 구성 요소(예컨대, HRSG, 개질기, 열교환기 등)가 더 구비될 수 있다. 엔진(140)의 주변 구성은 엔진(140)의 종류로부터 당업자라면 자명하게 도출 가능하므로, 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
제어밸브(150)는 제어부(미도시)에 의해 조절되어, 입력된 일 배출가스를 열교환기(120)의 제2유로와 열교환기(120)의 우회로 중 적어도 하나에 전달한다.
상세하게는, 제어밸브(150)는 냉각기(130)로부터 출력되는 일 배출가스의 온도, 열교환기(120)의 제2유로로부터 출력되는 일 배출가스의 온도 또는 연소용 가스의 온도 중 적어도 하나에 따라 조작되어, 냉각기(130)로부터 전달받아 열교환기(120)의 제2유로에 전달되는 일 배출가스의 양과 열교환기(120)의 우회로로 전달되는 일 배출가스의 양을 조절한다. 제어밸브(150)의 세부 조작에 대해서는 제어부(미도시)의 설명과 함께 후술한다.
여기서, 제어밸브(150)는 입출력되는 일 배출가스의 온도를 견딜 수 있는 소재로 구성된 유량을 분기할 수 있는 구조를 가진 밸브이다. 예컨대, 제어밸브(150)는 삼방밸브(Three Way Valve) 구조 또는 2개의 밸브를 연계하는 구조의 밸브일 수 있다.
온도 감지부(170)는 엔진(140)에 유입되는 연소용 가스의 온도, 열교환된 일 배출가스의 온도, 또는 냉각기(130)로부터 출력된 일 배출가스의 온도를 감지하고, 그 감지온도를 출력한다.
만약, 온도 감지부(170)가 연소용 가스의 온도를 감지하는 경우, 온도 감지부(170)는 혼합용 배관(180)의 출력 경로와 엔진(140)의 유입로 사이에 구비될 수 있다. 이때, 온도 감지부(170)는 배관 내부로 장입된 형태로 설치되는 센서일 수 있고, 배관 등에 부착되는 형태의 착탈형 온도센서일 수 있다.
제어부(미도시)는 온도 감지부(170)로부터의 감지온도를 확인하고, 감지온도에 따라 제어밸브(150)로부터 출력되어 열교환기(120)의 제2유로 및 열교환기(120)의 우회로 중 적어도 하나에 전달되는 일 배출가스의 양을 조절하여 연소용 가스의 온도를 임계치 이상 상한치 미만으로 조절한다.
예컨대, 제어부(미도시)는 제어밸브(150)의 두 출력 경로 간의 일 배출가스 전달비를 조절할 수 있는 전기적 신호를 공급하는 마이크로컨트롤러일 수 있다. 이때, 제어밸브(150)는 전기적 신호에 의해 일 배출가스 전달 비가 제어될 수 있는 밸브일 수 있다.
만약, 감지온도가 연소용 가스의 온도인 경우, 제어부(미도시)는 감지온도가 기설정된 상한치를 초과하면, 제어밸브(150)로부터 출력되어 열교환기(120)의 우회로로 전달되는 일 배출가스의 양을 증가시키고, 반대로 감지온도가 임계치 미만이면, 제어밸브(150)로부터 출력되어 열교환기(120)로 전달되는 일 배출가스의 양을 증가시킨다.
또는, 감지온도가 냉각기(130)로부터 출력되는 일 배출가스의 온도이거나, 열교환된 일 배출가스의 온도인 경우에는 감지온도와 비교되는 임계치 및 상한치의 값은 다를 수 있지만, 제어부(미도시)는 전술한 방식과 유사한 방식으로 제어밸브(150)를 제어할 수 있다. 제어부(미도시)의 더 세부적인 제어밸브(150) 조절 과정에 대해서는 도 3을 참조하여 후술한다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템은 스피커나 디스플레이 등의 출력부(미도시)를 더 포함하고, 출력부(미도시)를 통해 제어밸브(150)를 통한 연소용 가스의 온도 조절이 더 이상 불가한 경우, 이를 사용자에게 안내할 수 있다. 그러면, 사용자가 연료전지(110), 열교환기(120), 냉각기(130), 제어밸브(150) 및 분지관(160) 중에서 고장 발생한 구성요소가 있는지를 확인하고, 해당 구성요소의 고장을 수리할 수 있다. 또는, 다른 구성요소의 고장 발생이 아닌 경우, 사용자는 다른 제1비율을 갖는 분지관(160)을 교체하여 제어밸브(150)에 의해 연소용 가스의 온도 조절이 가능하도록 할 수 있다.
또한, 전술한 예에서는 제어부(미도시)가 전기적 신호에 의해 자동으로 제어밸브(150)의 출력 경로 간의 전달비를 제어하는 경우를 예로 들어 설명하였다. 하지만, 이와 달리, 제어부(미도시)는 제어밸브(150)를 어떤 형태로 조작하라는 지시를 출력부(미도시)를 통해 출력할 수도 있다. 그러면, 사용자가 제어부(미도시)의 출력을 확인하고, 제어밸브(150)를 수동으로 조작할 수도 있다.
이하, 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 애노드 오프가스 조절 방법에 대하여 설명한다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 애노드 오프가스 조절 방법을 도시한 흐름도이다. 도 3에서는 온도 감지부(170)에 의한 감지온도가 연소용 가스의 온도인 경우를 예로 들어 도시하였다.
제어부(미도시)는 연료전지(110)에 의한 발전을 수행한 일정시간 후 연소용 가스의 온도를 확인한다(S310).
제어부(미도시)는 연소용 가스의 온도가 기설정된 임계치 이상 상한치 미만인지를 확인한다(S320).
연소용 가스의 온도가 임계치 미만이면(S330의 예), 제어부(미도시)는 일 배출가스의 전체가 열교환기(120)로 전달되는지를 확인한다(S340).
(S330)단계의 확인결과, 일 배출가스 전체가 열교환기(120)로 전달되지는 않으면, 제어부(미도시)는 제어밸브(150)를 조절해 열교환기(120)로 전달되는 일 배출가스의 양을 증가시킨다(S340). 이때, 제어부(미도시)는 연소용 가스의 온도가 임계치 이상 상한치 미만이 될 때까지 열교환기(120)로 전달되는 일 배출가스의 양을 증가시킨다.
반면, 연소용 가스의 온도가 상한치 이상이면(S350의 아니오), 제어부(미도시)는 일 배출가스의 전체가 열교환기(120)의 우회로로 전달되는지를 확인한다(S360).
(S360)단계의 확인결과 일 배출가스의 전체가 열교환기(120)의 우회로로 전달되지는 않으면, 제어부(미도시)는 제어밸브(150)를 제어하여 열교환기(120)의 우회로로 전달되는 일 배출가스의 양을 증가시킨다(S370). 이때, 제어부(미도시)는 연소용 가스의 온도가 임계치 이상 상한치 미만이 될 때까지 열교환기(120)의 우회로로 전달되는 일 배출가스의 양을 증가시킨다.
한편, (S340)단계의 확인결과, 일 배출가스 전체가 열교환기(120)로 전달되거나, (S360)단계의 확인결과, 일 배출가스 전체가 열교환기(120)의 우회로로 전달되면, 제어밸브(150)에 의한 연소용 가스의 온도 조절이 더 이상 불가능하므로, 제어부(미도시)는 연소용 가스의 조절 불가를 사용자에게 안내한다(S380).
이와 같이, 본 발명의 실시예는 애노드 오프가스의 온도를 엔진의 효율을 높일 수 있는 범위로 조절함으로써, 엔진 고장을 방지하는 한편, 내구성을 향상시키고, 안정적인 연소가 일어나도록 하여, 전체 발전시스템의 효율을 높일 수 있다.
이하, 도 4를 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템에 대하여 설명한다. 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템을 도시한 구성도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템은 본 발명의 일 실시예와 분지관(160')의 위치가 상이하다. 이하, 분지관의 위치 변동에 따라 구성상 차이나는 구성요소를 중심으로 본 발명의 다른 실시예에 대하여 설명한다.
분지관(160')은 연료전지(110)로부터 배출되어, 열교환기(120)의 제1유로를 통과한 애노드 오프가스(이하, "제1가스"라고 함)를 입력받아, 이를 기설정된 제1비율로 분기하여 냉각기(130) 및 혼합용 배관(180)에 전달한다.
이 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 분지관(160')은 그 위치면에서 상이할 뿐, 사실상 그 기능은 본 발명의 일 실시예에 동일하므로, 분지관(160')의 더 세부적인 설명과 그외 다른 구성요소에 대한 설명은 생략하기로 한다.
이와 같이, 본 발명의 다른 실시예는 분지관(160')의 동작 온도가 본 발명의 일 실시예보다 낮아 본 발명의 일 실시예와 비교할 때 제작 및 내구성 측면에서 유리할 수 있다.
이상, 본 발명의 구성에 대하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하였으나, 이는 예시에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 변형과 변경이 가능함은 물론이다. 따라서 본 발명의 보호 범위는 전술한 실시예에 국한되어서는 아니되며 이하의 특허청구범위의 기재에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (14)

  1. 입력된 산화제와 연료의 전기화학적 반응에 의해 전기를 생산하며, 애노드 오프가스(Anode Off Gas)를 배출하는 연료전지;
    유입된 상기 애노드 오프가스의 냉각 및 상기 애노드 오프가스로부터 적어도 일부의 수분을 제거 중 적어도 하나를 수행한 결과, 일 배출가스를 출력하는 냉각기;
    상기 애노드 오프가스가 유입되는 제1유로와 상기 일 배출가스가 유입되는 제2유로를 구비하며, 상기 제1유로와 상기 제2유로 내의 유체를 상호 열교환시키는 열교환기;
    상기 냉각기로부터 출력되는 일 배출가스를 입력받아 상기 열교환기의 제2유로 및 상기 열교환기의 우회로 중 적어도 하나에 전달하는 제어밸브;
    상기 애노드 오프가스 또는 상기 열교환기의 제1유로를 통과한 제1가스를 기설정된 제1비율로 분기하여 배출하는 분지관; 및
    상기 열교환기의 제2유로를 통과하여 열교환된 일 배출가스, 상기 열교환기의 우회로로 전달된 일 배출가스 및 상기 분지관을 통해 전달된 애노드 오프가스 또는 상기 제1가스 중 적어도 하나를 포함하는 연소용 가스를 전달받고, 상기 연소용 가스를 연소시켜 추가 전기를 생산하는 엔진
    을 포함하는 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1비율은,
    상기 연료전지의 종류, 상기 냉각기의 특성, 상기 열교환기의 용량 및 상기 엔진의 종류 중 적어도 하나에 의해 결정된 것인 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 분지관은,
    탈착 가능한 것인 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제어밸브는,
    상기 냉각기로부터 출력되는 일 배출가스, 상기 열교환기의 제2유로로부터 출력되는 일 배출가스 또는 상기 연소용 가스의 온도에 따라 조작되어, 상기 제2유로에 입력되는 일 배출가스의 양과 상기 열교환기의 우회로로 전달되는 일 배출가스의 양을 조절하는 것인 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 냉각기로부터 출력되는 일 배출가스, 상기 열교환기의 제2유로로부터 출력되는 일 배출가스 또는 상기 연소용 가스의 온도를 감지하는 온도 감지부; 및
    상기 온도 감지부에 의해 확인된 온도가 기설정된 임계치 이상 상한치 미만에 있도록 상기 제어밸브를 제어하는 제어부
    를 더 포함하는 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 온도 감지부에 의해 감지된 온도가 상기 상한치를 초과하면, 상기 제어밸브를 제어하여 상기 열교환기의 우회로로 전달되는 일 배출가스의 양을 증가시키고,
    상기 온도 감지부에 의해 확인된 온도가 기설정된 임계치 미만이면, 상기 제어밸브를 제어하여 상기 열교환기로 전달되는 일 배출가스의 양을 증가시키는 것인 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템.
  7. 제5항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 온도 감지부에 의해 감지된 온도가 기설정된 상한치를 초과하는데, 상기 냉각기로부터 출력된 일 배출가스의 전체가 상기 열교환기의 우회로로 전달되거나, 상기 감지된 온도가 상기 임계치 미만인데, 상기 일 배출가스의 전체가 상기 열교환기로 전달되는 경우, 상기 연소용 가스의 온도 조절 불가를 안내하는 것인 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 엔진은,
    HCCI(Homogeneous Charge Compression Ignition) 엔진을 포함하는 것인 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템.
  9. 제1항에 있어서, 상기 연료전지는,
    고체산화물형 연료전지(SOFC; Solid Oxide Fuel Cell), 용융탄산염형 연료전지(MCFC; Molten Carbonate Fuel Cell), PEMFC(Proton exchange membrane fuel cell), PAFC(Phosphoric-acid fuel cell), AFC(Alkaline fuel cell) 및 직접탄소 연료전지(DCFC; Direct Carbon Fuel Cell)를 포함하는 고온의 연료전지인 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지와 상기 엔진의 사이에 연소용 공기를 유입받는 공기유입구를 더 포함하며,
    상기 제어밸브는, 상기 연소용 공기와 혼합된 상기 연소용 가스의 온도가 기설정된 일정 온도범위 내에 있도록 제어되는 것인 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템.
  11. 입력된 산화제와 연료의 전기화학적 반응에 의해 전기를 생산하며, 애노드 오프가스(Anode Off Gas)를 배출하는 연료전지 및 상기 애노드 오프가스를 연소시켜 추가 전기를 생산하는 엔진 사이에서 상기 연료전지로부터의 애노드 오프가스를 조절하여 상기 엔진에 공급하는 애노드 오프가스 조절 장치로서,
    유입된 상기 애노드 오프가스의 냉각 및 상기 애노드 오프가스로부터 적어도 일부의 수분을 제거 중 적어도 하나를 수행한 결과, 일 배출가스를 출력하는 냉각기;
    상기 애노드 오프가스가 유입되는 제1유로와 상기 일 배출가스가 유입되는 제2유로를 구비하며, 상기 제1유로와 상기 제2유로 내의 유체를 상호 열교환시키는 열교환기;
    상기 냉각기로부터 출력되는 일 배출가스를 입력받아 상기 열교환기의 제2유로 및 상기 열교환기의 우회로 중 적어도 하나에 전달하는 제어밸브; 및
    상기 애노드 오프가스 또는 상기 제1유로를 통과한 제1가스를 기설정된 제1비율로 분기하여 배출하는 분지관을 포함하고,
    상기 열교환기의 제2유로를 통해 열교환된 일 배출가스, 상기 열교환기의 우회로로 전달된 일 배출가스 및 상기 분지관을 통해 전달된 애노드 오프가스 또는 상기 제1가스 중 적어도 하나가 연소용 가스로서, 상기 엔진에 전달되는 것인 애노드 오프가스 조절 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제1비율은,
    상기 연료전지의 종류, 상기 냉각기의 특성, 상기 열교환기의 용량 및 상기 엔진의 종류 중 적어도 하나에 의해 결정된 것인 애노드 오프가스 조절 장치.
  13. 제11항에 있어서, 상기 제어밸브는,
    상기 냉각기로부터 출력되는 일 배출가스, 상기 열교환기의 제2유로로부터 출력되는 일 배출가스 또는 상기 연소용 가스의 온도에 따라 조작되어, 상기 제2유로에 입력되는 일 배출가스의 양과 상기 열교환기의 우회로로 전달되는 일 배출가스의 양을 조절하는 것인 애노드 오프가스 조절 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 냉각기로부터 출력되는 일 배출가스, 상기 열교환기의 제2유로로부터 출력되는 일 배출가스 또는 상기 연소용 가스의 온도를 감지하는 온도 감지부; 및
    상기 온도 감지부에 의해 확인된 온도가 기설정된 임계치 이상이되도록 상기 제어밸브를 제어하는 제어부
    를 더 포함하는 애노드 오프가스 조절 장치.
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