KR20160139488A - 분산발전용 연료전지―엔진 하이브리드 발전시스템 비상 정지 운전 방법 - Google Patents

분산발전용 연료전지―엔진 하이브리드 발전시스템 비상 정지 운전 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 분산발전용 연료전지―엔진 하이브리드 발전시스템에 대하여 개시한다. 본 발명의 일면에 따른 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템은, 입력된 고온의 공기 또는 산소와, 수소의 전기화학적 반응에 의해 전기를 생산하며, 애노드 오프가스(Anode Off Gas)를 배출하는 연료전지; 상기 애노드 오프가스로부터 적어도 일부의 수분을 제거하고 일 배출가스를 출력하는 기수 분리기; 상기 애노드 오프가스가 유입되는 제1유로와 상기 일 배출가스가 유입되는 제2유로를 구비하며, 상기 제1유로와 상기 제2유로 내의 유체를 상호 열교환시키는 열교환기; 상기 기수 분리기로부터의 일 배출가스를 상기 열교환기의 제2유로 및 상기 열교환기의 우회로 중 적어도 하나에 전달하는 제1 밸브; 상기 연료전지의 정상 동작시에 상기 애노드 오프가스를 상기 열교환기의 제1유로 및 엔진의 유입로 중 적어도 하나에 전달하는 제2 밸브; 및 상기 열교환기의 제2유로를 통과하여 열교환된 일 배출가스, 상기 열교환기의 우회로로 전달된 일 배출가스 및 상기 제2 밸브를 통해 전달받은 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 비상 정지 운전 방법{Method for Preparing for Emergency Stop of Hybrid Power Generation System which uses 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.
그 중, 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 비상정지 및 시동시 중 적어도 하나의 상황에 대비할 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 고온의 공기 또는 산소와, 수소의 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 냉각기로부터의 일 배출가스를 상기 열교환기의 제2유로 및 상기 열교환기의 우회로 중 적어도 하나에 전달하는 제1 밸브; 상기 연료전지의 정상 동작시에 상기 애노드 오프가스를 상기 열교환기의 제1유로 및 엔진의 유입로 중 적어도 하나에 전달하는 제2 밸브; 및 상기 열교환기의 제2유로를 통과하여 열교환된 일 배출가스, 상기 열교환기의 우회로로 전달된 일 배출가스 및 상기 제2 밸브를 통해 전달받은 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 고온의 공기 또는 산소와 수소의 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 상기 열교환기의 제2유로 및 상기 열교환기의 우회로 중 적어도 하나에 전달하는 제1 밸브; 및 상기 연료전지의 정상 동작시에 상기 애노드 오프가스를 상기 열교환기의 제1유로 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 밸브로부터 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.
또한, 본 발명에 따르면, 연료전지의 비상정지 및 시동시 중 적어도 하나의 상황에 대비할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템의 전체 구성을 개략적으로 도시한 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템의 애노드 오프가스 조절 장치를 세부적으로 도시한 세부 구성도.
도 3은 본 발명에 따른 애노드 오프가스 조절 방법을 도시한 흐름도.
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 및 2를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템에 대하여 설명한다. 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템의 전체 구성을 개략적으로 도시한 구성도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템의 애노드 오프가스 조절 장치를 세부적으로 도시한 세부 구성도이다.
도 1 및 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템(10)은 연료전지(110), 열교환기(120), 기수 분리기(130), 엔진(140), 제1 밸브(151), 제2 밸브(152), 이상 감지부(160), 온도 감지부(170), 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 주성분으로 하는 연료가스를 입력받는 애노드(Anode)를 포함한다. 캐소드는 고온의 공기 또는 산소를 입력받아 산소 이온 또는 산소와 이산화탄소의 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.
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, 일 배출가스의 온도는 엔진(140)의 발전 효율을 기설정된 값 이상으로 유지하고 안정된 연소를 유도할 수 있는 기본임계치 이하이며, 냉각기(130)의 후단에서 일 배출가스의 온도를 증가시킬 필요가 있다.
여기서, 기본임계치는 열교환기(120)에서 열교환되기 전의 일 배출가스의 적정온도를 의미한다. 예를 들어, 기본임계치는 냉각기(130)로부터 출력된 일 배출가스의 전체가 열교환기(120)를 통과한 후에 엔진의 발전 효율을 높이고 안정적인 연소를 유도할 수 있는 정상 온도범위(임계치 이상 상한치 미만) 내에 있을 수 있도록 설정될 수 있다.
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.
여기서, 열교환기(120)는 열교환기(120)의 제2유로에서 배출되어 즉, 열교환되어, 엔진(140)으로 유입되는 연소용 가스의 온도가 기설정된 임계치 이상 및 상한치 미만이 되도록 설계되는 것이 좋다.
온도 감지부(170)는 엔진(140) 유입로로 전달되는 연소용 가스의 온도를 감지하고, 감지 온도를 제어부(미도시)로 전달한다. 예컨대, 온도 감지부(170)는 배관 내부로 장입된 형태로 설치되는 센서일 수 있고, 배관 등에 부착되는 형태의 착탈형 온도센서일 수 있다.
이와 달리, 온도 감지부(170)는 냉각기(130)와 제1 밸브(151) 사이 또는 제1 밸브(151)와 열교환기(120)의 제2유로의 유입로 사이에 구비되어, 일 배출가스의 온도를 감지할 수도 있다. 또는, 온도 감지부(170)는 하나 이상 구비되어, 연소용 가스 및 일 배출가스의 온도를 감지할 수도 있다. 이하의 명세서에서는 온도 감지부(170)가 연소용 가스의 온도를 감지하는 경우를 예로 들어 설명한다.
제1 밸브(151)는 제어부(미도시)의 제어에 따라 입력된 일 배출가스를 열교환기(120)의 제2유로와 열교환기(120)의 우회로 중 적어도 하나에 전달한다.
여기서, 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.
연료전지(110)의 정상 동작시에는 제2 밸브(152)는 제어부(미도시)의 제어에 따라 감지된 온도에 따라 연료전지(110)로부터의 애노드 오프가스를 열교환기(120)의 제1유로 및 엔진(140)의 유입로 중 적어도 하나로 전달한다.
여기서, 제2 밸브(152)는 입출력되는 애노드 오프가스의 온도를 견딜 수 있는 소재로 구성된 유량을 분기할 수 있는 구조를 가진 밸브이다. 예컨대, 제2 밸브(152)는 삼방밸브(Three Way Valve) 구조 또는 2개의 밸브를 연계하는 구조의 밸브일 수 있다.
반면, 발전시스템이 시동중인 경우 및 연료전지(110)가 이상 동작하는 경우 중 적어도 하나의 상황이면, 제2 밸브(152)는 감지된 온도에 상관없이 애노드 오프가스의 전체를 열교환기(120)의 제1유로에 전달하도록 제어된다.
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. 제1 및 제2 밸브(151, 152)의 구체적 제어 방법에 대해서는 제어부(미도시)의 설명과 함께 후술한다.
이상 감지부(160)는 ① 연료전지(110)에 의해 생산되는 전력량, ② 연료전지(110)에 의해 배출되는 애노드 오프가스의 농도나, 애노드 오프가스 내 기설정된 기체의 농도가 기설정된 범위 안에 있는지 여부, ③연료전지(110)에 가해진 진동 크기, ④ 발전시스템을 운전하기 위한 각 보조기기들의 운전상태(예컨대, 각 보조기기의 운전여부), ⑤ 연료전지(110)로부터 생산된 후 계통으로 송전되는 계통전력의 안정성(예컨대, 출력 전력의 변화 정보 등) 등 중 적어도 하나를 확인하여 연료전지(110)의 이상(Abnormal) 상태 여부를 확인한다. 여기서, 연료전지(110)의 이상 상태는 연료전지(110)의 "정상운전"으로 판단되지 않는 상태로서, 상기 언급된 상황에 국한되지 않고, 발전시스템이 안정적인 정상운전을 하고 있지 않다고 판단되는 다양한 상황을 포함한다.
도 2에서는 이상 감지부(160)가 ① 및 ⑤ 중 적어도 하나에 의해 연료전지(100)의 이상 상태 여부를 확인하는 경우를 예로 들어 도시하였으나, 이에 한정되지 않는다.
일 예로서, 이상 감지부(160)가 연료전지(110)에 의해 생성되는 전력량을 감지하는 경우, 이상 감지부(160)는 연료전지(110)에 전력을 공급하는 라인 또는 연료전지(110)에서 생성된 전기를 송출하는 송출 라인에 구비된, 전류계, 전력계, 또는 전압계일 수 있다.
다른 예로서, 이상 감지부(160)가 애노드 오프가스 내 기설정된 기체(예컨대, 일산화탄소 또는 수소 등)의 농도를 검출하는 농도센서인 경우, 이상 감지부(160)는 애노드 오프가스의 배출 경로 상에 구비되어, 일산화탄소 또는 수소의 농도를 검출하여 제어부(미도시)에 알릴 수 있다.
또 다른 예로서, 이상 감지부(160)가 연료전지(110)에 가해진 진동을 감지하는 진동센서인 경우, 이상 감지부(160)는 연료전지(110)에 근접하여 배치되어, 연료전지(110)에 손상을 줄 수 있는 진동이 있는지를 감지할 수 있다.
한편, 이상 감지부(160)는 단지 감지수단이 아니라, 감지 정보를 기반으로 이상 상황 여부를 판단하고, 이상 상황일 때 제어부(미도시)에 이를 알리는 수단일 수도 있다.
제어부(미도시)는 기설정된 주기마다 감지 온도에 따라 제1 밸브(151) 및 제2 밸브(152) 중 적어도 하나를 제어함에 따라 연소용 가스의 온도를 엔진 효율을 높일 수 있는 범위로 조절한다.
예컨대, 제어부(미도시)는 제1 및 제2 밸브(151, 152)의 두 출력 경로 간의 전달비를 조절할 수 있는 전기적 신호를 공급하는 마이크로컨트롤러일 수 있다. 이 경우, 제1 및 제2 밸브(151, 152)는 전기적 신호에 의해 일 배출가스 전달 비가 제어될 수 있는 밸브일 수 있다.
또한, 제어부(미도시)는 이상 감지부(160)의 감지 정보를 이용하여 연료전지(110)의 이상 상황 여부를 판단하고, 연료전지(110)의 이상 상황시에는 연료전지(110)에 의한 발전을 중단시키고, 애노드 오프가스의 전체가 열교환기(120)로 전달되도록 제2 밸브(152)를 제어한다. 이때에도, 제어부(미도시)는 감지 온도에 따른 제1 밸브(151)의 제어는 지속할 수 있다.
여기서, 제어부(미도시)는 연료전지(110)에 의한 발전을 중단시킬 때, 연료전지(110)에 공급되는 전력 차단, 공기 또는 산소 및 연료 등을 모두 차단할 수 있다.
일 예로서, 감지 정보가 연료전지(110)에 의해 생성된 전력량인 경우, 제어부(미도시)는 발전시스템의 시동시가 아닌데 해당 전력량이 각기 기설정된 정상전력범위를 벗어남을 확인하면, 연료전지(110)의 이상 상황이라고 판단할 수 있다. 이때, 제어부(미도시)는 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템의 구동 스위치 조작 여부 등을 확인함에 따라 발전시스템의 시동시를 확인할 수 있다.
다른 예로서, 감지 정보가 애노드 오프가스 내 일산화탄소나 수소 등의 농도이면, 제어부(미도시)는 발전시스템의 시동시가 아닌데 해당 기체의 농도가 기설정된 정상농도범위를 벗어나면, 연료전지(110)의 이상 상황이라고 판단할 수 있다.
전술한 일 예와 다른 예에서 발전시스템의 시동시임을 확인하면, 제어부(미도시)는 시동 후 정상적으로 발전이 수행되는 기설정된 일정 시간동안 대기한 후 연료전지(110)의 이상 상황 여부를 재판단할 수 있다. 이는 감지된 연료전지(110)의 이상 상황이 발전시스템의 시동으로 인해 발생한 것인지 아니면, 발전시스템의 이상 상황인지를 판단하기 위함이다.
또 다른 예로서, 감지 정보가 연료전지(110)에 가해진 진동이면, 제어부(미도시)는 해당 진동이 기설정된 진동기준치 이상이면, 연료전지(110)의 이상 상황이라고 판단할 수 있다.
이하, 제어부(미도시)에 의한 제1 및 제2 밸브(151, 152)의 조작에 대하여 설명한다.
㈎ 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.
구체적으로, 제어부(미도시)는 일 배출가스의 전체를 열교환기(120)로 전달하면서, 온도 감지부(170)로부터의 감지 온도를 확인한다. 이때, 제어부(미도시)는 감지 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.
만약, 일 배출가스의 전체를 열교환기(120)의 우회로로 전달하여도 연소용 가스의 온도가 기설정된 상한치 미만이 아니거나, 일 배출가스의 전체를 열교환기(120)의 제2유로로 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.
여기서, 임계치 및 상한치는 엔진 효율을 높이고 안정된 운전을 가능하게 하는 연소용 가스의 정상 온도범위를 의미한다. 또한, 엔진 손상을 방지할 수 있도록, 상한치는 엔진(140)에 유입되어 손상줄 수 있는 가스의 최저 온도(＞℃) 보다는 낮게 설정되는 것이 좋다.
㈏ 연료전지의 정상 동작시 제2 밸브의 조작
제1 밸브(151)에 의한 연소용 가스의 온도 조절이 더 이상 불가한 경우, 제어부(미도시)는 연료전지(110)의 정상 동작시에는 연소용 가스의 온도에 따라 제2 밸브(152)를 조절할 수 있다. 구체적으로, 제어부(미도시)는 제2 밸브(152)를 제어하여 엔진(140)의 유입로로 전달되는 애노드 오프가스의 양을 조절하여 연소용 가스의 온도를 임계치 이상이면서 상한치 미만이 되도록 제어할 수 있다.
㈐ 연료전지의 이상 동작시 제2 밸브의 조작
반면, 제어부(미도시)는 연료전지(110)의 이상 상황 및 발전시스템의 시동시 중 적어도 하나에 해당하면, 연소용 가스의 온도에 상관 없이 제2 밸브(152)를 제어하여 애노드 오프가스의 전체를 열교환기(120)의 제1유로로 전달한다.
혼합용 배관(180)은 열교환된 일 배출가스, 열교환기(120)의 우회로로 전달된 일 배출가스와, 제2 밸브(152)로부터의 애노드 오프가스가 각기 입력되는 입력경로 및 엔진(140)의 운행을 위한 연소용 공기가 유입되는 공기유입구를 포함하는 네 개의 입력경로, 엔진(140)에 연소용 가스를 전달하는 한 개의 출력 경로를 포함한다. 여기서, 혼합용 배관(180)의 출력 경로는 네 개의 입력 경로를 통해 유입된 가스들과 공기가 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 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. 이때, 엔진(140)이 예혼합 압축착화 엔진인 경우에도 그 내부에 점화 플러그를 포함할 수 있다. 또한, 엔진(140)은 점화 플러그가 아닌 점화 플러그의 기능을 수행하는 다른 연소수단을 포함할 수도 있다.
여기서, 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.
한편, 전술한 예에서는 연료전지(110)의 이상 상황이면, 제어부(미도시)가 연료전지(110)를 비상 정지시키는 경우를 예로 들어 설명하였지만, 이와 달리, 연료전지(110)에 의한 발전을 중단시키는 수단은 제어부(미도시)와 별개로 구비된 다른 제어부(미도시)일 수도 있음은 물론이다.
또한, 전술한 예에서는 연료전지(110)의 정상 동작시에 제어부(미도시)가 연소용 가스의 온도에 따라 제1 및 제2 밸브(151, 152) 중 적어도 하나를 제어하는 경우를 예로 들어 설명하였으나, 제어부(미도시)는 냉각기(130)로부터의 일 배출가스의 온도, 열교환된 일 배출가스의 온도 및 연소용 가스의 온도 중 적어도 하나의 온도에 따라 제1 밸브(151) 및 제2 밸브(152)를 조절할 수도 있음은 물론이다. 이 경우, 온도 감지부(170)는 복수 개 구비될 수도 있다.
이때, 제어부(미도시)는 제1 및 제2 밸브(151, 152)를 통한 연소용 가스의 온도 조절이 더 이상 불가한 경우, 출력부(미도시)를 통해 이를 사용자에게 안내할 수 있다. 그러면, 사용자가 연료전지(110), 열교환기(120), 냉각기(130), 제1 및 제2 밸브(151, 152), 이상 감지부(160) 등 중에서 고장 발생한 구성요소가 있는지를 확인하고, 해당 구성요소의 고장을 수리할 수 있다.
또한, 전술한 예에서는 제어부(미도시)가 전기적 신호에 의해 자동으로 제1 및 제2 밸브(151, 152)의 출력 경로 간의 전달비를 제어하는 경우를 예로 들어 설명하였다. 하지만, 이와 달리, 제어부(미도시)는 제1 및 제2 밸브(151, 152)를 어떤 형태로 조작하라는 지시를 스피커나 디스플레이 등의 출력부(미도시)를 통해 출력할 수도 있다. 그러면, 사용자가 제어부(미도시)의 출력을 확인하고, 제1 및 제2 밸브(151, 152)를 수동으로 조작할 수도 있다.
이 같이, 연료전지(110)의 비상 정지시에는 앞선 발전 과정에서 잔존하는 애노드 오프가스가 배출될 수 있는데, 이러한 애노드 오프가스는 스팀의 함유량이 다르거나, 기체의 성분비가 다른 등의 이유로 엔진 발전에 적합치 않을 수 있다. 마찬가지로, 발전시스템의 시동시에도 연료전지(110)의 동작이 안정화되기 전까지 배출되는 애노드 오프가스는 엔진(140)의 발전에 적합치 않을 수 있다.
이러한 경우에, 본 발명에서는 제1 및 제2 밸브의 조절에 의해 애노드 오프가스를 최대한 발전에 적합한 형태로 가공하고, 엔진 운전도 상황에 따라 불꽃 점화 연소, 불꽃 점화 연소와 예혼합 압축착화를 혼용하는 연소방식을 적용함에 따라 안정적이면서 동시에 발전 효율을 증가시킬 수 있다.
뿐만 아니라, 본 발명의 실시예는 애노드 오프가스의 온도를 낮추거나, 수분을 제거하고 그 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 3을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 애노드 오프가스 조절 방법에 대하여 설명한다. 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 애노드 오프가스 조절 방법을 도시한 흐름도이다. 도 3에서는 온도 감지부(170)에 의한 감지 온도가 연소용 가스의 온도인 경우를 예로 들어 도시하였다.
제어부(미도시)는 연료전지(110)의 이상 동작 상황 및 발전시스템의 시동시 중 적어도 하나의 상황인지를 확인한다(S310). 이때, 제어부(미도시)는 이상 감지부(160)에 의한 감지정보를 이용하여 연료전지(110)의 이상 동작 상황 여부를 확인할 수 있다. 또한, 제어부(미도시)는 발전 스위치의 동작 등을 감지한 후 일정시간 내에 이러한 이상 동작 상황이 감지된 것이면, 발전시스템의 시동시로 인한 이상 동작 감지인 것으로 확인할 수 있다.
제어부(미도시)는 연료전지(110)의 이상 동작 상황 및 발전시스템의 시동시 중 적어도 하나에 해당하면, 애노드 오프가스의 전체를 열교환기(120)의 제1유로로 전달하도록 제2 밸브(152)를 제어한다(S320). 이때, 제어부(미도시)는 연료전지(110)에 의한 발전을 중단시킬 수 있다.
이후, 제어부(미도시)는 연소용 가스의 온도에 따라 제1 밸브(151)를 제어한다(S330).
이때, 제어부(미도시)는 연소용 가스의 온도가 임계치 이상이면서, 상한치 이하가 되도록 제1 밸브(151)를 제어한다. 다만, 제1 밸브(151)의 제어에 의해 연소용 가스의 온도를 임계치 이상으로 조절할 수 없을 경우에는 제어부(미도시)는 냉각기(130)로부터의 일 배출가스의 전체를 열교환기(120)를 통과시킬 수 있다. 마찬가지로, 제1 밸브(151)의 제어에 의해 연소용 가스의 온도를 상한치 미만으로 조절할 수 없을 경우에는 제어부(미도시)는 일 배출가스의 전체를 열교환기(120)의 우회로로 전달시킬 수 있다.
연료전지(110)의 이상 동작 상황 및 발전시스템의 시동시 둘 다에 해당하지 않는 연료전지(110)의 정상 동작 상황이면, 제어부(미도시)는 연소용 가스의 온도가 상한치 이하이면서 임계치 이상이 되도록 제1 및 제2 밸브(151, 152) 중 적어도 하나를 제어한다(S340). 상세하게는, 제어부(미도시)는 우선적으로 제1 밸브(151)를 제어하여 연소용 가스의 온도를 조절하고, 제1 밸브(151)에 의한 연소용 가스의 온도 조절이 불가할 경우에는 제2 밸브(152)를 조절하여 연소용 가스의 온도를 조절한다.
한편, 전술한 예에서 제어부(미도시)는 제1 및 제2 밸브(151, 152)에 의한 연소용 가스의 온도 조절이 불가한 경우, 연소용 가스의 조절 불가를 사용자에게 안내할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예는 애노드 오프가스의 온도를 낮추거나, 수분을 제거하고 그 온도를 엔진의 안정적인 운행이 가능하고, 효율을 높일 수 있는 범위로 조절함으로써, 엔진 고장을 방지하는 한편, 내구성을 향상시키고, 전체 발전시스템의 효율을 높일 수 있다.
뿐만 아니라, 본 발명의 실시예는 발전시스템의 시동시 및 연료전지의 비상정지 중 적어도 하나의 상황와 같이 애노드 오프가스의 성분이 예혼합 압축착화 방식에 적합치 않을 경우에는 제1 및 제2 밸브의 조절에 의해 애노드 오프가스를 가능한 엔진 발전에 적합한 상태로 조절할 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 (12)

  1. 입력된 산화제와 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 냉각기로부터의 일 배출가스를 상기 열교환기의 제2유로 및 상기 열교환기의 우회로 중 적어도 하나에 전달하는 제1 밸브;
    상기 연료전지의 정상 동작시에 상기 애노드 오프가스를 상기 열교환기의 제1유로 및 엔진의 유입로 중 적어도 하나에 전달하는 제2 밸브; 및
    상기 열교환기의 제2유로를 통과하여 열교환된 일 배출가스, 상기 열교환기의 우회로로 전달된 일 배출가스 및 상기 제2 밸브를 통해 전달받은 애노드 오프가스 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 제2 밸브는, 발전시스템의 시동시 및 상기 연료전지의 이상 동작 중 적어도 하나의 상황에 해당하면, 상기 애노드 오프가스의 전체를 상기 열교환기로 전달하며,
    상기 엔진은, 상기 연료전지의 정상 동작시에는 예혼합 압축착화 방식으로 상기 연소용 가스를 연소시키며, 상기 적어도 하나의 상황이면, 점화 플러그를 이용하여 상기 연소용 가스를 불꽃 점화하거나, 불꽃 점화와 예혼합 압축착화를 동시에 이용해 연소시키는 것인 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 연료전지가 상기 적어도 하나의 상황에 있는지 여부를 확인 가능한 감지 정보를 출력하는 이상 감지부; 및
    상기 감지 정보를 이용하여 상기 연료전지의 이상 동작 상황인지를 판단하고, 판단 결과 상기 연료전지의 이상 동작 상황이면 상기 제2 밸브를 제어하여 상기 애노드 오프가스 전체를 상기 열교환기에 전달하는 제어부
    를 더 포함하는 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 이상 감지부는,
    상기 연료전지에 의해 생산되는 전력량, 상기 애노드 오프가스의 농도, 상기 애노드 오프가스 내 기설정된 기체의 농도, 상기 연료전지에 가해진 진동 크기, 상기 발전시스템에 포함된 각 보조기기들의 운전상태 및 상기 연료전지로부터 생산된 후 계통으로 송전되는 계통전력의 안정성 중 적어도 하나를 포함하는 상기 감지 정보를 출력하는 것인 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템.
  5. 제3항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 감지 정보로부터 상기 연료전지의 이상 동작 상황임을 확인하면, 상기 연료전지에 의한 발전을 정지시키는 것인 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 연소용 가스 및 상기 냉각기로부터의 일 배출가스 중 적어도 하나의 온도를 확인하는 적어도 하나의 온도 감지부; 및
    상기 적어도 하나의 온도에 따라 상기 제1 밸브 및 제2 밸브 중 적어도 하나를 제어하여 상기 연소용 가스의 온도가 기설정된 임계범위 내에 있도록 조절하는 제어부
    를 더 포함하는 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템.
  7. 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) 중 적어도 하나인 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템.
  8. 입력된 고온의 공기 또는 산소와 수소의 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 상기 열교환기의 제2유로 및 상기 열교환기의 우회로 중 적어도 하나에 전달하는 제1 밸브; 및
    상기 연료전지의 정상 동작시에 상기 애노드 오프가스를 상기 열교환기의 제1유로 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 밸브로부터 전달받은 애노드 오프가스 중 적어도 하나가 연소용 가스로서, 상기 엔진에 전달되는 것인 애노드 오프가스 조절 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제2 밸브는, 발전시스템의 시동시 및 상기 연료전지의 이상 동작 중 적어도 하나의 상황에 해당하면, 상기 애노드 오프가스의 전체를 상기 열교환기로 전달하며,
    상기 연료전지의 정상 동작시에는 상기 엔진이 점화 플러그 없이 상기 연소용 가스를 연소시키도록 하고, 상기 적어도 하나의 상황이면, 상기 엔진이 상기 점화 플러그를 이용하여 불꽃 점화하거나, 불꽃 점화와 예혼합 압축착화를 동시에 이용해 상기 연소용 가스를 점화 연소시키도록 하는 제1 제어부
    를 더 포함하는 애노드 오프가스 조절 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 연료전지에서 생성되는 전력량, 상기 애노드 오프가스 내 기설정된 기체의 농도 및 상기 연료전지에 가해진 진동 중 적어도 하나를 감지하고, 상기 적어도 하나의 감지 결과에 대한 감지 정보를 출력하는 이상 감지부; 및
    상기 감지 정보를 이용하여 상기 연료전지의 이상 동작 상황인지를 판단하고, 판단 결과 상기 연료전지의 이상 동작 상황이면 상기 제2 밸브를 제어하여 상기 애노드 오프가스 전체를 상기 열교환기에 전달하는 제2 제어부
    를 더 포함하는 애노드 오프가스 조절 장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 제2 제어부는,
    상기 발전시스템의 시동시임을 확인하면, 상기 생성되는 전력량, 상기 기설정된 기체의 농도 중 적어도 하나에 대한 감지 정보로부터 상기 연료전지의 이상 동작 상황임을 확인하더라도, 기설정된 시간동안 대기한 후 상기 연료전지의 이상 동작 상황인지를 재확인하는 것인 애노드 오프가스 조절 장치.
  12. 제10항에 있어서, 상기 제2 제어부는,
    상기 감지 정보로부터 상기 연료전지의 이상 동작 상황임을 확인하면, 상기 연료전지에 의한 발전을 정지시키는 것인 애노드 오프가스 조절 장치.
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