KR20160139487A - 분산발전용 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템 구조 및 운용방법 - Google Patents

분산발전용 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템 구조 및 운용방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템에 대하여 개시한다. 본 발명의 일면에 따른 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템은, 입력된 산화제 및 연료의 전기화학적 반응에 의해 전기를 생산하며, 애노드 오프가스(Anode Off Gas)를 배출하는 연료전지; 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 제1 밸브; 상기 애노드 오프가스를 상기 열교환기의 제1유로 및 유입로 중 적어도 하나에 전달하는 제2 밸브; 및 상기 유입로를 통해 상기 열교환기의 제2유로를 통과하여 열교환된 일 배출가스, 상기 열교환기의 우회로로 전달된 일 배출가스 및 상기 제2 밸브로부터의 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 구조 및 운용방법{Structure and Operation 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 배출된 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, 안정된 연소과정을 유도함으로써 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 산화제 및 연료의 전기화학적 반응에 의해 전기를 생산하며, 애노드 오프가스(Anode Off Gas)를 배출하는 연료전지; 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 제1 밸브; 상기 애노드 오프가스를 상기 열교환기의 제1유로 및 유입로 중 적어도 하나에 전달하는 제2 밸브; 및 상기 유입로를 통해 상기 열교환기의 제2유로를 통과하여 열교환된 일 배출가스, 상기 열교환기의 우회로로 전달된 일 배출가스 및 상기 제2 밸브로부터의 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 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템은, 입력된 산화제 및 연료의 전기화학적 반응에 의해 전기를 생산하며, 애노드 오프가스(Anode Off Gas)를 배출하는 연료전지; 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 제1 밸브; 상기 열교환기의 제1유로를 통과한 애노드 오프가스를 상기 냉각기 및 유입로 중 적어도 하나에 전달하는 제2 밸브; 및 상기 유입로를 통해 상기 열교환기의 제2유로를 통과하여 열교환된 일 배출가스, 상기 열교환기의 우회로로 전달된 일 배출가스 및 상기 제2 밸브를 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 또 다른 면에 따른 입력된 산화제 및 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, 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 제1 밸브; 및 상기 애노드 오프가스를 상기 열교환기의 제1유로 및 상기 엔진의 유입로 중 적어도 하나에 전달하거나, 상기 열교환기의 제1유로를 통과한 열교환된 애노드 오프가스를 상기 냉각기 및 상기 엔진의 유입로 중 적어도 하나에 전달하는 제2 밸브를 포함하고, 상기 열교환기의 제2유로를 통해 열교환된 일 배출가스, 상기 열교환기의 우회로로 전달된 일 배출가스 및 상기 제2 밸브를 통해 전달받은 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, 전체 발전시스템의 효율을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템의 전체 구성을 개략적으로 도시한 구성도.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템을 도시한 구성도.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 애노드 오프가스 조절 방법을 도시한 흐름도.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지-엔진 하이브리드 발전 시스템을 도시한 구성도.
도 5는 본 발명의 제3실시예에 따른 연료전지-엔진 하이브리드 발전 시스템을 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 3을 참조하여 본 발명의 제1실시예에 따른 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템에 대하여 설명한다. 도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템의 전체 구성을 개략적으로 도시한 구성도이고, 도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템을 도시한 구성도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템(10)은 연료전지(110), 열교환기(120), 냉각기(130), 엔진(140), 제1 밸브(151), 제2 밸브(152), 제1 온도 감지부(171), 제2 온도 감지부(172), 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(Cathod)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 오프가스를 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 캐소드에 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.
열교환기(120)는 두 개의 유체 간의 열 교환을 위한 장치로서, 입력된 애노드 오프가스가 이동하는 제1유로 및 제1 밸브(151)로부터 전달받은 일 배출가스가 이동하는 제2유로를 포함한다. 이때, 제1유로와 제2유로는 상호 열 교환 가능하도록 연접하여 배치되는 것이 좋다.
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, 통상, 냉각기(130)로부터의 일 배출가스의 온도는 엔진(140)의 발전 효율을 기설정된 값 이상으로 유지하고, 안정된 연소를 유도할 수 있는 임계치 미만이며, 냉각기(130)의 후단에서 일 배출가스의 온도를 증가시킬 필요가 있다.
여기서, 임계치는 열교환기(120)에서 열교환되기 전의 일 배출가스의 적정온도를 의미한다. 예를 들어, 임계치는 냉각기(130)로부터 출력된 일 배출가스의 전체가 열교환기(120)를 통과한 후에 엔진의 발전 효율을 높이고, 안정적인 연소가 가능한 온도범위 내에 있을 수 있도록 설정될 수 있다.
제1 온도 감지부(171)는 냉각기(130)와 제1 밸브(151) 사이에 구비되어, 일 배출가스의 온도(제1 감지온도)를 감지하고, 제1 감지온도를 출력한다. 예컨대, 제1 온도 감지부(171)는 배관 내부로 장입된 형태로 설치되는 센서일 수 있고, 배관 등에 부착되는 형태의 이동형 온도센서일 수 있다.
제2 온도 감지부(172)는 엔진(140) 유입로로 전달되는 연소용 가스의 온도(제2 감지온도)를 감지하고, 제2 감지온도를 출력한다. 예컨대, 제2 온도 감지부(172)는 배관 내부로 장입된 형태로 설치되는 센서일 수 있고, 배관 등에 부착되는 형태의 이동형 온도센서일 수 있다.
제1 밸브(151)는 일 배출가스 및 연소용 가스 중 적어도 하나의 온도(제1 및 제2 감지온도 중 적어도 하나)에 따라 제어부(미도시)에 의해 조절되어, 입력된 일 배출가스를 열교환기(120)의 제2유로와 열교환기(120)의 우회로 중 적어도 하나에 전달한다.
전술한, 제1 밸브(151)는 입출력되는 일 배출가스의 온도를 견딜 수 있는 소재로 구성된 유량을 분기할 수 있는 구조를 가진 밸브이다. 예컨대, 제1 밸브(151)는 삼방밸브(Three Way Valve) 구조 또는 2개의 밸브를 연계하는 구조의 밸브일 수 있다.
제2 밸브(152)는 제어부(미도시)의 제어에 따라 연료전지(110)로부터의 애노드 오프가스를 열교환기(120)의 제1유로 및 엔진(140)의 유입로 중 적어도 하나로 전달한다. 이 같이, 제2 밸브(152)는 유량을 분기할 수 있는 구조를 가진 밸브로서, 예컨대, 제2 밸브(152)는 삼방밸브(Three Way Valve) 구조 또는 2개의 밸브를 연계하는 구조의 밸브일 수 있다.
여기서, 제2 밸브(152)의 두 출력 경로로 전달되는 애노드 오프가스의 양은 연소용 가스의 온도에 따라 조절될 수 있다. 상세하게는, 제1 밸브(151)가 일 배출가스의 전체를 열교환기(120)로 전달하여도 연소용 가스의 온도가 기설정된 임계치 미만인 경우, 제어부(미도시)는 제2 밸브(152)를 제어하여 엔진(140) 유입로로 전달되는 오프가스의 양을 증가시킴에 따라 연소용 가스의 온도가 엔진(140)의 연소 가능 온도가 되도록 제어할 수 있다.
여기서, 제2 밸브(152)는 입출력되는 애노드 오프가스의 온도(연료전지의 종류에 따라 600도 내지 1000도일 수 있음)를 견딜 수 있는 소재로 구성될 수 있다.
제어부(미도시)는 제1 및 제2 감지온도를 기설정된 주기로 확인하고, 제1 및 제2 감지온도 중 적어도 하나에 따라 제1 밸브(151) 및 제2 밸브(152)의 적어도 하나를 제어함에 따라 연소용 가스의 온도를 엔진 효율을 높일 수 있는 범위로 조절할 수 있다. 이하, 제어부(미도시)의 제1 및 제2 밸브(151, 152) 중 하나의 조작 과정에 대해 설명한다.
- 제1 감지온도에 의한 제1 밸브의 조작 과정
제어부(미도시)는 제1 감지온도를 확인하고, 제1 감지온도에 대응하여 제1 밸브(151)로부터 출력되어 열교환기(120)의 제2유로 및 열교환기(120)의 우회로 중 적어도 하나로 전달되는 일 배출가스의 양을 조절할 수 있다. 상세하게는, 제1 감지온도가 임계치 미만이면, 제어부(미도시)는 제1 밸브(151)를 조절하여 일 배출가스의 전체를 열교환기(120)로 전달할 수 있다. 또한, 제1 감지온도가 임계치 이상이면, 일 배출가스의 일부를 열교환기(120)의 우회로로 전달한다.
- 제2 감지온도에 의한 제1 및 제2 밸브의 조작 과정
제어부(미도시)는 제2 감지온도를 확인하고, 제2 감지온도에 대응하여 제2 밸브(152)를 조작하여 엔진(140)의 유입로 및 열교환기(120)의 제1유로 중 적어도 하나에 전달되는 애노드 오프가스의 양을 조절할 수 있다. 상세하게는, 제1 밸브(151)에 의한 연소용 가스의 온도 조절이 더 이상 불가한 경우, 제어부(미도시)는 연소용 가스의 온도에 따라 제2 밸브(152)를 조절한다. 그에 따라, 제어부(미도시)는 엔진(140)의 유입로에 전달되는 애노드 오프가스의 양을 증가시켜 제2 감지온도가 연소임계치 이상이 되도록 제2 밸브(152)를 제어할 수 있다. 이때, 제어부(미도시)는 제2 감지온도가 기설정된 허용범위(연소임계치 이상이면서 상한치 미만)에 있도록 제어한다. 여기서, 연소임계치 및 상한치는 엔진 효율을 높이고 안정된 연소가 일어날 수 있는 연소용 가스의 온도 범위를 의미한다.
혼합용 배관(180)은 열교환된 일 배출가스, 열교환기(120)의 우회로로 전달된 일 배출가스, 제2 밸브(152)로부터의 애노드 오프가스 및 엔진(140) 운행에 필요한 연소용 공기가 유입되는 공기유입구를 입력받는 네 개의 입력 경로, 엔진(140)에 연소용 가스를 전달하는 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 중 하나의 위치에 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 경로로부터의 연소용 가스를 연소시켜 추가 전기를 생산할 수 있다.
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.
또한, 전술한 제1실시예와 달리, 제어부(미도시)는 자체적으로 제1 밸브(151) 및 제2 밸브(152) 중 적어도 하나의 개폐를 제어하지 않고, 제1 밸브(151) 및 제2 밸브(152) 중 적어도 하나를 어떤 형태로 조작하라는 지시를 소리나 화면으로 출력할 수도 있다. 그러면, 관리자가 제어부(미도시)의 출력을 확인하고, 제1 밸브(151) 및 제2 밸브(152) 중 적어도 하나를 수동으로 조작할 수도 있다.
이와 같이, 본 발명의 제1실시예는 애노드 오프가스의 온도를 일정범위로 조절함으로써, 엔진 고장을 방지하는 한편, 내구성을 향상시키고, 안정적인 연소가 일어나도록 하여, 전체 발전시스템의 효율을 높일 수 있다.
뿐만 아니라, 본 발명의 제1실시예는 애노드 오프가스를 이용한 발전에 HCCI 엔진을 사용할 수 있으며, 그에 따라 NOx 및 PM 배출을 줄일 수 있다.
이하, 도 3을 참조하여 본 발명의 제1실시예에 따른 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템의 애노드 오프가스 조절 방법에 대하여 설명한다.
도 3을 참조하면, 제어부(미도시)는 연료전지(110)에 의해 발전을 수행한 일정시간 후, 제1 온도 감지부(171)를 통해 냉각기(130)로부터 출력되는 일 배출가스의 온도(제1 감지온도)를 확인하고, 제1 감지온도가 임계치 미만인지를 확인한다(S310). 여기서, 임계치는 열교환기(120)에서 열교환되기 전의 일 배출가스의 적정온도를 의미한다. 예를 들어, 임계치는 냉각기(130)로부터 출력된 일 배출가스의 전체가 열교환기(120)를 통과한 후에 엔진의 발전 효율을 높이고 안정된 연소가 일어날 수 있는 온도 범위 내에 있을 수 있도록 설정될 수 있다.
제1 감지온도가 임계치 미만이면(S310의 예), 제어부(미도시)는 일 배출가스의 전체가 열교환기의 제2유로로 전달되는지를 확인한다(S320).
일 배출가스의 전체가 열교환기(120)의 제2유로로 전달되면, 제어부(미도시)는 연소용 가스의 온도가 연소임계치 이상 상한치 미만인지를 확인한다(S330).
연소용 가스의 온도가 연소용 임계치 이상 상한치 미만이 아니면, 제어부(미도시)는 제2 밸브(152)를 조절하여 연소용 가스의 온도를 연소임계치 이상 상한치 미만으로 조절한다(S340).
(S320)단계에서, 일 배출가스의 전체가 열교환기의 제2유로로 전달되지 않으면, 제어부(미도시)는 일 배출가스의 전체를 열교환기의 제2유로로 전달한다(S350). 이후, 제어부(미도시)는 제2 밸브(152)를 조절하여 연소용 가스의 온도를 연소임계치 이상 상한치 미만으로 조절한다. 이 같이, 제어부(미도시)는 제1 밸브(151)에 의한 온도 조절에도 불구하고, 연소용 가스의 온도가 연소임계치 미만인 경우, 제2 밸브(152)를 조절하여 엔진(140)의 유입로로 전달되는 애노드 오프가스의 양을 증가시켜, 제2 감지온도가 연소임계치 이상 상한치 미만이 될 수 있도록 조절한다.
(S310)단계에서 제1 감지온도가 임계치 이상이면(S310의 아니오), 제어부(미도시)는 제1 밸브(151)를 조절하여 열교환기의 우회로로 전달되는 일 배출가스의 양을 증가시킨다(S360). 이후, 제어부(미도시)는 제1 밸브(151)를 조절하여 연소용 가스의 온도를 연소임계치 이상 상한치 미만으로 조절한다(S370).
전술한, 제어부(미도시)는 제1 감지온도 및 제2 감지온도를 기설정된 주기로 확인하고, 제1 및 제2 감지온도에 따라 제1 밸브(151)와 제2 밸브(152) 중 적어도 하나를 조작하여 연소용 가스의 온도를 연소임계치 이상 상한치 미만으로 조절할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 제1실시예는 애노드 오프가스의 온도를 일정범위로 조절함으로써, 엔진 고장을 방지하는 한편, 내구성을 향상시키고, 안정적인 연소가 일어나도록 하여, 전체 발전시스템의 효율을 높일 수 있다.
뿐만 아니라, 본 발명의 제1실시예는 애노드 오프가스를 이용한 발전에 HCCI 엔진을 사용할 수 있으며, 그에 따라 NOx 및 PM 배출을 줄일 수 있다.
이하, 도 4를 참조하여 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지-엔진 하이브리드 발전 시스템에 대하여 설명한다. 도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지-엔진 하이브리드 발전 시스템을 도시한 구성도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지-엔진 하이브리드 발전 시스템(12)은 연료전지(110), 열교환기(120), 냉각기(130), 엔진(140), 제1 밸브(151), 제2 밸브(152), 온도 감지부(170), 혼합용 배관(180) 및 제어부(미도시)를 포함한다. 이하, 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템(12)의 각 구성요소에 대하여 제1실시예에 따른 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템(11)과 차별되는 구성요소를 중심으로 설명한다.
온도 감지부(170)는 엔진(140) 유입로로 전달되는 연소용 가스의 온도를 감지하고, 감지된 연소용 가스의 온도를 출력한다. 예컨대, 온도 감지부(170)는 배관 내부로 장입된 형태로 설치되는 센서일 수 있고, 배관 등에 부착되는 형태의 이동형 온도센서일 수 있다.
제1 밸브(151)는 연소용 가스의 온도에 따라 제어부(미도시)에 의해 조절되어, 입력된 일 배출가스를 열교환기(120)의 제2유로와 열교환기(120)의 우회로 중 적어도 하나에 전달한다.
제어부(미도시)는 기설정된 주기로 온도 감지부(170)에 의해 감지된 연소용 가스의 온도를 확인하고, 연소용 가스의 온도에 대응하여 제1 밸브(151) 및 제2 밸브(152) 중 적어도 하나의 밸브를 제어함에 따라 연소용 가스의 온도를 기설정된 허용범위 내로 조절할 수 있다.
- 제1 밸브의 조작
제어부(미도시)는 기본적으로는 냉각기(130)로부터의 일 배출가스의 전체를 열교환기(120)의 제2유로에 전달하는 형태로 제1 밸브(151)를 조작하고, 연소용 가스의 온도가 상한치 이상으로 높아지면, 연소용 가스의 온도를 낮추기 위해 일 배출가스의 적어도 일부를 열교환기(120)의 우회로로 전달하는 형태로 제1 밸브(151)를 조작한다.
예를 들어, 제어부(미도시)는 일 배출가스의 전체를 열교환기(120)로 전달하면서, 연소용 가스의 온도를 확인한다. 이때, 제어부(미도시)는 연소용 가스의 온도가 상한치 이상이면, 제1 밸브(151)를 제어하여 냉각기(130)로부터의 일 배출가스의 적어도 일부를 열교환기(120)의 우회로로 전달함에 따라 연소용 가스의 온도를 감소시킬 수 있다. 일 배출가스의 전체를 열교환기(120)의 우회로로 전달하여도 연소용 가스의 온도가 기설정된 임계치 이상이 아니면, 제어부(미도시)는 제1 밸브(151)에 의한 연소용 가스의 온도 조절이 더 이상 불가하므로, 하기와 같이 제2 밸브(152)를 조절한다.
- 제2 밸브의 조작
제1 밸브(151)에 의한 연소용 가스의 온도 조절이 더 이상 불가한 경우, 제어부(미도시)는 제2 밸브(152)를 조절하여 연소용 가스의 온도를 조절할 수 있다. 구체적으로, 제어부(미도시)는 제2 밸브(152)를 제어하여 엔진(140)의 유입로로 전달되는 애노드 오프가스의 양을 증가시켜 연소용 가스의 온도를 임계치 이상이면서 상한치 미만이 되도록 제어할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 제2실시예는 연소용 가스의 온도를 조절함으로써, 엔진 고장을 방지하는 한편, 내구성을 향상시키고, 안정적인 연소가 일어나도록 하여, 전체 발전시스템의 효율을 높일 수 있다.
이하, 도 5를 참조하여 본 발명의 제3실시예에 따른 연료전지-엔진 하이브리드 발전 시스템에 대하여 설명한다. 도 5는 본 발명의 제3실시예에 따른 연료전지-엔진 하이브리드 발전 시스템을 도시한 구성도이다.
도 5에 도시된, 본 발명의 제3실시예에 따른 연료전지-엔진 하이브리드 발전 시스템은 제2 밸브(152')의 위치가 상이하다. 이하, 본 발명의 제3실시예에 따른 연료전지-엔진 하이브리드 발전 시스템에 대하여 본 발명의 제2실시예와 차별되는 구성요소를 중심으로 설명한다.
열교환기(120)는 연료전지(110)로부터 전달되어 제1유로를 통과한 애노드 오프가스를 제2 밸브(152')로 전달한다.
제2 밸브(152')는 열교환기(120)의 제1유로와 냉각기(130) 사이에 구비되어, 연료전지(110)로부터 배출되어 열교환기(120)의 제1유로를 통과한 애노드 오프가스(이하, 제1가스라고 함)를 냉각기(130) 및 혼합용 배관(180) 중 적어도 하나에 전달한다. 이러한 구성에 의해 본 발명의 제3실시예에서는 제2 밸브(152')의 동작 온도가 본 발명의 다른 실시예들보다 낮아 다른 실시예들과 비교하여 제2 밸브(152')의 제작 및 내구성 측면에서 유리할 수 있다.
냉각기(130)는 제2 밸브(152')에 조절된 애노드 오프가스의 적어도 일부를 전달받아, 전달받은 적어도 일부의 애노드 오프가스로부터 수분(스팀)을 제거하고, 일 배출가스를 출력한다.
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.
예를 들면, 본 발명의 실시예들에 따른 연료전지-엔진 하이브리드 발전 시스템은 연소용 가스의 습도를 확인하는 습도 센서(미도시)를 더 포함하고, 제어부(미도시)는 연소용 가스의 습도가 기설정된 기준습도 미만인 경우, 제2 밸브(152)를 조절하여 연소용 가스의 습도를 기준습도 이상으로 조절하면서, 제1 및 제2 밸브(151, 152, 또는 152') 중 적어도 하나에 의해 연소용 가스의 온도를 허용범위 내로 조절할 수 있다. 이때, 기준습도는 수치적으로나 경험적 자료에 의해 엔진(140)의 발전효율을 일정치 이상으로 보장할 수 있도록 결정된 것일 수 있다. 다시 말해, 제어부(미도시)는 애노드 오프가스의 기수분리비율을 조절하기 위해 제2 밸브(152, 또는 152')를 제어할 수 있다.
상세하게는, 제어부(미도시)는 냉각기(130)에 의해 애노드 오프가스의 수분이 지나치게 제거되어, 엔진(140)의 연소 효율에 지장을 줄 수 있는 경우, 애노드 오프가스의 적어도 일부가 혼합용 배관(180)으로 전달되도록 제2 밸브(152)를 조절할 수 있다.
이 같이, 본 발명에서는 연소용 가스의 온도뿐만 아니라, 그 습도를 조절함으로써, 엔진 고장을 방지하는 한편, 내구성을 향상시키고, 안정적인 연소가 일어나도록 하여, 전체 발전시스템의 효율을 높일 수 있다.
따라서 본 발명의 보호 범위는 전술한 실시예에 국한되어서는 아니되며 이하의 특허청구범위의 기재에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (12)

  1. 입력된 산화제 및 연료의 전기화학적 반응에 의해 전기를 생산하며, 애노드 오프가스(Anode Off Gas)를 배출하는 연료전지;
    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 제1 밸브;
    상기 애노드 오프가스를 상기 열교환기의 제1유로 및 유입로 중 적어도 하나에 전달하는 제2 밸브; 및
    상기 유입로를 통해 상기 열교환기의 제2유로를 통과하여 열교환된 일 배출가스, 상기 열교환기의 우회로로 전달된 일 배출가스 및 상기 제2 밸브로부터의 애노드 오프가스 중 적어도 하나를 포함하는 연소용 가스를 전달받고, 상기 연소용 가스를 연소시켜 추가 전기를 생산하는 엔진
    을 포함하는 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템.
  2. 입력된 산화제 및 연료의 전기화학적 반응에 의해 전기를 생산하며, 애노드 오프가스(Anode Off Gas)를 배출하는 연료전지;
    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 제1 밸브;
    상기 열교환기의 제1유로를 통과한 애노드 오프가스를 상기 냉각기 및 유입로 중 적어도 하나에 전달하는 제2 밸브; 및
    상기 유입로를 통해 상기 열교환기의 제2유로를 통과하여 열교환된 일 배출가스, 상기 열교환기의 우회로로 전달된 일 배출가스 및 상기 제2 밸브를 통해 전달된 애노드 오프가스 중 적어도 하나를 포함하는 연소용 가스를 전달받고, 상기 연소용 가스를 연소시켜 추가 전기를 생산하는 엔진
    을 포함하는 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    연소용 가스의 온도 및 일 배출가스의 온도 중 적어도 하나에 대응하여 상기 제1 및 제2 밸브 중 적어도 하나를 조절하는 제어부
    를 더 포함하는 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 일 배출가스의 온도 및 상기 연소용 가스의 온도 중 적어도 하나에 대응하여 상기 제1 밸브를 조절하고, 상기 연소용 가스의 온도에 대응하여 상기 제2 밸브를 조절하여 상기 연소용 가스의 온도가 기설정된 허용범위 내에 있도록 하는 것인 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 냉각기로부터의 일 배출가스의 온도를 감지하는 제1 온도 감지부; 및
    상기 연소용 가스의 온도를 확인하는 제2 온도 감지부
    를 더 포함하는 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    연소용 가스의 온도가 기설정된 허용범위 내에 있도록 상기 제1 및 제2 밸브 중 적어도 하나를 조절하는 제어부
    를 더 포함하는 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 연소용 가스의 온도가 기설정된 연소임계치 미만이면, 상기 제1 밸브를 조절하여 상기 열교환기의 제2유로로 전달되는 일 배출가스의 양을 증가시키는 제어와 상기 제2 밸브를 조절하여 상기 제2 밸브로 입력되어 상기 엔진의 유입로에 전달되는 애노드 오프가스의 양을 증가시키는 제어 중 적어도 하나를 수행하여 상기 연소용 가스의 온도를 상기 연소임계치 이상으로 조절하고,
    상기 연소용 가스의 온도가 기설정된 상한치 이상이면, 상기 제2 밸브를 조절하여 상기 제2 밸브로 입력된 애노드 오프가스의 전체가 상기 냉각기를 통과하도록 하는 제어와 상기 제1 밸브를 조절하여 상기 냉각기로부터의 일 배출가스의 적어도 일부가 상기 열교환기의 우회로로 전달되도록 하는 제어 중 적어도 하나를 수행하는 것인 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 연소용 가스의 온도를 감지하는 온도 감지부
    를 더 포함하는 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제2 밸브는,
    상기 연소용 가스의 습도에 따라 조절되는 것인 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템.
  10. 입력된 산화제 및 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,
    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 제1 밸브; 및
    상기 애노드 오프가스를 상기 열교환기의 제1유로 및 상기 엔진의 유입로 중 적어도 하나에 전달하거나, 상기 열교환기의 제1유로를 통과한 열교환된 애노드 오프가스를 상기 냉각기 및 상기 엔진의 유입로 중 적어도 하나에 전달하는 제2 밸브를 포함하고,
    상기 열교환기의 제2유로를 통해 열교환된 일 배출가스, 상기 열교환기의 우회로로 전달된 일 배출가스 및 상기 제2 밸브를 통해 전달받은 애노드 오프가스 중 적어도 하나가 연소용 가스로서, 상기 엔진에 전달되는 것인 애노드 오프가스 조절 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    연소용 가스의 온도가 기설정된 허용범위 내에 있도록 상기 제1 및 제2 밸브 중 적어도 하나를 조절하는 제어부
    를 더 포함하는 애노드 오프가스 조절 장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 제1 밸브는, 상기 냉각기로부터의 일 배출가스 및 상기 연소용 가스 중 적어도 하나의 온도에 따라 조절되며,
    상기 제2 밸브는, 상기 연소용 가스의 온도에 따라 조절되는 것인 애노드 오프가스 조절 장치.
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