KR20160139490A - 엔진 공기량 제어형 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템 - Google Patents

엔진 공기량 제어형 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 엔진 공기량 제어형 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템에 대하여 개시한다. 본 발명의 일면에 따른 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템은, 입력된 산화제 및 연료가스의 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 분리기로부터 출력되는 일 배출가스를 입력받아 상기 열교환기의 제2유로 및 상기 열교환기의 우회로 중 적어도 하나에 전달하는 제1 밸브; 상기 열교환기의 제2유로를 통과하여 열교환된 일 배출가스 및 상기 열교환기의 우회로로 전달된 일 배출가스 중 적어도 하나를 포함하는 연소용 가스를 전달받고, 상기 연소용 가스를 연소시켜 추가 전기를 생산하는 엔진; 및 개도시에 상기 연소용 가스가 유입되는 상기 엔진의 유입로에 공기를 공급하는 제3 밸브를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

엔진 공기량 제어형 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템{Hybrid Power Generation System using Fuel Cell and Engine which control the Amount of Air for the Engine operation}
본 발명은 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템에 관한 것으로서, 더 구체적으로는 연료전지 및 엔진을 이용하여 전력을 생산할 수 있는 엔진 공기량 제어형 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 고온의 연료전지의 애노드 오프가스를 엔진 연소에 적합한 상태로 조절함으로써, 전체 발전시스템의 효율을 높일 수 있는 엔진 공기량 제어형 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 연료가스의 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 제2유로를 통과하여 열교환된 일 배출가스 및 상기 열교환기의 우회로로 전달된 일 배출가스 중 적어도 하나를 포함하는 연소용 가스를 전달받고, 상기 연소용 가스를 연소시켜 추가 전기를 생산하는 엔진; 및 개도시에 상기 연소용 가스가 유입되는 상기 엔진의 유입로에 공기를 공급하는 제3 밸브를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 면에 따른 입력된 산화제 및 연료가스의 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 개도시에 상기 엔진의 유입로에 공기를 공급하는 제3 밸브를 포함하고, 상기 열교환기의 제2유로를 통해 열교환된 일 배출가스, 상기 열교환기의 우회로로 전달된 일 배출가스 및 상기 제3 밸브로부터 유입된 공기 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 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 제3 밸브 개도량 제어 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 도 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 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템(10)은 연료전지(110), 열교환기(120), 냉각기(130), 엔진(140), 제1 밸브(151), 제2 밸브(152), 온도 감지부(170), 제1 혼합용 배관(181) 및 제어부(미도시)를 포함한다.
연료전지(110)는 산화제(공기 또는 산소)와 연료가스(수소, 합성가스, 직접탄소 등)의 전기화학적 반응에 의하여 전력을 생산하며, 비반응 연료가스가 포함된 애노드 오프가스(Anode Off Gas) 및 캐소드 배출가스를 배출한다.
예를 들어, 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. 애노드는 캐소드로부터의 산소 이온 또는 탄산 이온과 개질기로부터의 연료가스의 전기화학적 반응에 의해 전기를 생산하고 물과 비반응 연료가스(이산화탄소 등)가 포함된 애노드 오프가스를 배출한다. 캐소드는 고온의 공기 또는 산소를 입력받아 산소 이온 또는 산소와 이탄화탄소의 반응에 의해 탄산 이온을 생산하고 캐소드 배출가스를 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.
이때, 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, 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 온도 범위(임계치 이상 상한치 미만) 내에 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. 그리고, 열교환기(120)는 열교환기(120)의 제2유로에서 배출되어 즉, 열교환되어, 엔진(140)으로 유입되는 연소용 가스의 온도가 기설정된 상한치 미만이 되도록 설계되는 것이 좋다.
제1 밸브(151)는 냉각기(130)로부터의 일 배출가스를 입력받고 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.
제2 밸브(152)는 연료전지(110)로부터의 애노드 오프가스를 입력받고, 제어부(미도시)의 제어에 따라 입력된 애노드 오프가스를 감지된 온도에 대응하여 열교환기(120)의 제1유로 및 엔진(140)의 유입로 중 적어도 하나로 전달한다.
여기서, 제2 밸브(152)는 입출력되는 애노드 오프가스의 온도(연료전지의 종류에 따라 600도 내지 1000도일 수 있음)를 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. 제1 및 제2 밸브(151, 152)의 구체적 제어 방법에 대해서는 제어부(미도시)의 설명과 함께 후술한다.
제3 밸브(160)는 엔진에 공급되는 공기량을 조절하는 밸브로서, 그 개도량은 제어부(미도시)에 의해 제어된다. 제3 밸브(160)는 개도시에 연소용 가스가 유입되는 엔진의 유입로에 공기를 공급한다. 예컨대, 제3 밸브(160)는 스로틀 밸브일 수 있다.
제1 혼합용 배관(181)은 열교환된 일 배출가스, 열교환기(120)의 우회로로 전달된 일 배출가스, 제2 밸브(152)로부터의 애노드 오프가스를 입력받는 세 개의 입력경로와, 세 개의 입력 경로로부터의 가스를 포함하는 연소용 가스를 엔진(140)에전달하는 한 개의 출력 경로를 포함한다. 여기서, 제1 혼합용 배관(181)의 출력 경로는 세 개의 입력 경로를 통해 유입된 가스들이 잘 혼합될 수 있는 형상으로 구비되는 것이 좋다.
온도 감지부(170)는 제3 밸브(160)와 제1 혼합용 배관(181) 사이에 구비되어, 제3 밸브(160)로 유입된 공기와 혼합되기 전의 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 탈착형 온도센서일 수 있다.
여기서, 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 설명의 편의성을 위해서 온도 감지부(170)가 연소용 가스의 온도를 감지하는 경우를 예로 들어 설명한다.
엔진(140)은 제1 혼합용 배관(181)의 출력 경로로부터 연소용 가스를 입력받아, 이를 연소시켜 추가 전기를 생산한다. 이때, 엔진(140)에는 제3 밸브(160)로 유입된 공기 및 보조 연료가 더 공급될 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.
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 점화수단을 포함할 수도 있다.
엔진(140)은 연소용 가스의 상태에 따라서 예혼합 압축착화 방식으로 연소할 수 있고, 점화 플러그 또른 다른 점화수단을 이용하여 연소용 가스를 점화 연소할 수도 있다. 예컨대, 엔진(140)은 연소용 가스만을 이용하여 발전하는 경우에는 예혼합 압축착화 방식으로 연소하고, 보조 연료를 공급하여 발전하는 상황에서는 점화 플러그 또는 다른 점화수단을 이용하여 연소용 가스를 점화 연소할 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.
제어부(미도시)는 ① 제1 및 제2 밸브의 전달비 제어, ② 제3 밸브의 개도량 제어 및 ③ 보조 연료의 분사량 제어를 수행한다. 이하, 제어부(미도시)의 각 기능을 구분하여 설명한다.
① 제1 및 제2 밸브 제어
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 높이고 안정된 연소가 일어날 수 있는 온도범위 내로 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.
기본적으로, 제어부(미도시)는 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 연소용 가스의 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)에 의해 감지된 연소용 가스의 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 낮출 수 있다.
여기서, 냉각기(130)로부터의 일 배출가스의 온도가 너무 낮아, 냉각기(130)로부터의 일 배출 가스의 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 조절할 수 있다.
여기서, 임계치 및 상한치는 엔진 효율을 높이고 안정된 연소가 일어날 수 있는 연소용 가스의 온도 범위를 의미한다. 또한, 엔진 손상을 방지할 수 있도록 상한치는 엔진(140)에 유입되어 손상줄 수 있는 가스의 최저 온도(＞℃) 보다는 낮게 설정되는 것이 좋다.
제어부(미도시)는 기본적으로 연료전지(110)로부터의 애노드 오프가스의 전체가 열교환기(120)로 전달되도록 하며, 제1 밸브(151)에 의한 연소용 가스의 온도가 더 이상 불가한 경우 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 높임에 따라 연소용 가스의 온도가 일정 범위 이내에 있도록 제어할 수 있다.
한편, 전술한 예에서는 제어부(미도시)가 기본적으로 냉각기(130)와 열교환기(120)를 이용하는 형태로 제1 및 제2 밸브(151~152)를 제어하는 경우를 예로 들어 설명하였다. 하지만, 연료전지(110) 및 엔진(140)의 종류에 따라서는 제어부(미도시)는 기본적으로 애노드 오프가스 중 적어도 일부가 엔진(140)의 유입로에 바로 전달되는 형태로 제어될 수도 있다.
또한, 전술한 예에서는 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.
② 제3 밸브 개도량 제어
이를 위해서, 본 발명의 실시예는 기체 센서(190), 압력 센서(195) 및 제2 혼합용 배관(182)을 더 포함한다. 기체 센서(190)는 엔진의 유입로에서 연소용 가스의 양에 대비한 연료가스의 양인 조성비를 감지한다. 그리고, 압력 센서(195)는 압력 센서(195)에 의해 엔진의 유입로에서 유입로의 압력을 감지한다. 또한, 제2 혼합용 배관(181)은 제1 혼합용 배관(181)에 의해 혼합된 연소용 가스, 제3 밸브(160)로부터의 공기 및 보조 연료를 입력받는 세 개의 입력경로와, 세 개의 입력 경로로부터의 연소용 가스, 공기 및 보조 연료를 엔진(140)에 전달하는 한 개의 출력 경로를 포함한다. 여기서, 제2 혼합용 배관(182)의 출력 경로는 세 개의 입력 경로를 통해 유입된 가스들이 잘 혼합될 수 있는 형상으로 구비되는 것이 좋다.
이때, 기체 센서(190)는 연소용 가스 및 공기가 섞인 엔진 유입 가스의 상기 조성비를 감지할 수 있다.
제어부(미도시)는 엔진(140)의 유입로에서 감지된 압력과 조성비 및 연소용 가스의 온도 중 적어도 하나의 감지값이 각기 기설정된 조건을 만족하도록 제3 밸브(160)의 개도량을 제어한다.
먼저, 온도에 따른 제어를 살펴보면, 제어부(미도시)는 연소용 가스의 온도가 기설정된 상한치를 초과하면, 일시적으로 제3 밸브(160)의 개도량을 증가시켜 엔진(140)으로 유입되는 연소용 가스의 온도를 낮춘다. 여기서, 제어부(미도시)는 연소용 가스의 온도에 대응하여 제3 밸브(160)의 개도량을 증가시킨 후 연소용 가스의 온도가 기설정된 상한치 이하가 될 때까지 유지할 수 있다.
일 예로서, 제어부(미도시)는 주변의 온도를 더 확인하고, 주변 온도와 연소용 가스의 온도의 차이값과 실험적으로 확인된 제3 밸브(160)의 개도량에 따라 유입되는 공기량을 감지하고, 주변 온도, 연소용 가스의 온도 및 제3 밸브의 개도량의 상관관계를 정의한 수식에 의해 제3 밸브의 개도량을 결정하여 결정된 개도량만큼 제3 밸브의 개도량을 증가시킬 수 있다. 다른 예로서, 제어부(미도시)는 실험적으로 결정된 연소용 가스의 온도에 따른 제3 밸브의 개도량을 참조하여 제3 밸브의 개도량을 제어할 수 있다.
다음으로, 압력에 따른 제어를 살펴보면, 제어부(미도시)는 하기와 같이 엔진의 유입로의 압력에 의해 제3 밸브의 개도량을 제어할 수 있다.
구체적으로, 제어부(미도시)는 압력 센서(195)에 의해 엔진의 유입로에서 압력을 감지하고, 감지된 압력이 기설정된 압력범위에 있도록 제3 밸브의 개도량을 제어할 수 있다. 더 상세하게는, 제어부(미도시)는 감지된 압력이 기설정된 압력범위의 하한 미만인 경우, 감지된 압력이 증가되도록 제3 밸브의 개도량을 증가시키고, 감지된 압력이 압력범위의 상한을 초과하는 경우 감지된 압력이 감소되도록 제3 밸브의 개도량을 감소시켜 압력범위 내에 있도록 제어할 수 있다.
마지막으로, 조성비에 따른 제어를 살펴보면, 제어부(미도시)는 감지된 조성비에 의해 제3 밸브의 개도량을 제어할 수 있다.
상세하게는, 제어부(미도시)는 기체 센서(190)에 의해 감지된 조성비가 기설정된 임계조성범위 내에 있도록 제3 밸브(160)의 개도량을 제어할 수 있다. 예컨대, 제어부(미도시)는 감지된 조성비가 기설정된 임계조성범위의 하한치 이하이면, 제3 밸브의 개도량을 증가시키고, 조성비가 임계조성범위의 상한치를 초과하면, 제3 밸브의 개도량을 감소시킴에 따라 감지된 조성비에 의해 제3 밸브의 개도량을 제어할 수 있다. 여기서, 임계조성범위는 이론공연비에 대응하는 공기와 연료의 조성비와 그 오차범위일 수 있다.
③ 보조 연료 분사량 제어
이를 위해서, 본 발명의 실시에에 따른 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템은 제2 연료공급부(미도시), 예열 수단(미도시), 기체 센서(190) 및 제2 압력센서(미도시)를 더 포함할 수 있다. 제2 연료공급부(미도시)는 제어부(미도시)의 제어에 따라 엔진 유입로에 보조 연료를 공급한다. 여기서, 보조 연료는 연료전지(110)에 공급되는 연료와 동일한 기체, 즉, 수소, 합성가스, 직접탄소 등일 수 있다. 예열 수단(미도시)은 제어부(미도시)의 제어에 따라 엔진(140)의 배출 열을 연료전지(110)의 예열에 사용될 수 있다. 또는, 엔진(140)의 배출 열은 발전시스템을 구성하는 열교환기(120)나, 배관 등 다른 부품의 예열에서 사용될 수 있다. 그리고, 제2 압력센서(미도시)는 엔진 실린더 내 압력을 측정하는 실린더 내압 측정 센서일 수 있다.
제어부(미도시)는 기설정된 상황에 제2 연료공급부(미도시)를 제어하여 엔진(140)에 보조 연료를 공급할 수 있다. 여기서, 보조 연료가 공급되는 상황은 연료전지(110)의 시동시 또는 엔진(140)의 안정된 운전이 불가능할 정도로 연소용 가스의 조성비가 매우 낮은 경우 즉, 연료용 가스의 조성비가 기설정된 최저조성비 이하인 경우 등일 수 있다.
먼저, 연료전지(110)는 전원이 공급되어 시동이 걸리는데 짧으면 몇시간에서 길면 몇일이 걸릴 수 있다. 이를 줄이고자, 본 발명에서는 연료전지(110)의 시동시에는 엔진(140)에 보조 연료를 공급하여 엔진(140)에 의한 발전을 수행하고, 엔진(140)의 배출 열을 이용해서 연료전지(110)를 예열함에 따라 연료전지(110)의 시동을 효율적으로 진행할 수 있다. 이러한 경우, 시동동안 버려질 수 있는 연료를 더 활용할 수 있는 장점이 있다.
또한, 엔진(140)은 연료전지(110)에 비하여 발전 효율이 낮아 엔진(140)에 보조 연료를 항상 공급하는 것은 효율적이지 않으므로, 제어부(미도시)는 연소용 가스의 상태가 엔진의 고장을 일으킬 가능성이 있는 경우에만 보조 연료를 공급하여 엔진 고장을 방지할 수 있다.
전술한 예에서, 제어부(미도시)는 제2 압력센서(미도시)에 의해 엔진(140)의 연소시점을 확인하고, 엔진(140)의 연소시점에 안정적인 연소와 효율적인 발전이 가능하도록 보조 연료를 공급할 수 있다.
한편, 전술한 실시예에서 보조 연료 및 공기를 혼합하는 제2 혼합용 배관(182)이 온도 감지부(170) 이후에 구비되는 경우를 예로 들어 설명하였다. 하지만, 이와 달리, 보조 연료 및 공기는 제1 혼합용 배관(181)에 또는 제1 혼합용 배관(181) 이전에 공급될 수도 있음은 물론이다. 다만, 이 경우에도, 엔진(140)의 연소 효율을 높이기 위해 연소용 가스는 공기 및 보조 연료와 잘 혼합되어 엔진(140)으로 유입되는 것이 좋다.
또한, 전술한 예에서는 제어부(미도시)가 전기적 신호에 의해 자동으로 제1 및 제2 밸브(151, 152)의 출력 경로 간의 전달비와 제3 밸브(160)의 개도량을 제어하는 경우를 예로 들어 설명하였다. 하지만, 이와 달리, 제어부(미도시)는 제1 및 제2 밸브(151, 152) 또는 제3 밸브(160)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) 또는 제3 밸브(160)를 수동으로 조작할 수도 있다.
더 나아가, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템은 출력부(미도시)를 통해 제1 및 제2 밸브(151, 152)를 통한 연소용 가스의 온도 조절이 더 이상 불가한 경우나, 제3 밸브(160)를 통한 연소용 가스의 온도, 압력 또는 조성비의 조절이 더 이상 불가한 경우, 이를 사용자에게 안내할 수 있다. 그러면, 사용자가 연료전지(110), 열교환기(120), 냉각기(130), 제1 및 제2 밸브(151, 152), 제3 밸브(160) 등에서 고장 발생한 구성요소가 있는지를 확인하고, 해당 구성요소의 고장을 수리할 수 있다.
이와 같이, 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.
또한, 본 발명의 실시예는 엔진에 유입되는 연소용 가스의 온도, 조성비 및 압력 중 적어도 하나에 제어가 필요한 경우 제3 밸브의 개도량을 제어함에 따라 빠르게 연소용 가스를 엔진의 발전에 적합한 형태로 조절할 수 있다.
뿐만 아니라, 본 발명의 실시예는 제1 및 제2 밸브뿐만 아니라, 제3 밸브의 개도량과 보조 연료에 의해 엔진의 발전 효율을 더욱 높일 수 있고, 엔진의 고장 가능성도 더욱 줄일 수 있다.
이하, 도 3을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 제3 밸브 개도량 제어 조절 방법에 대하여 설명한다. 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 제3 밸브 개도량 제어 조절 방법을 도시한 흐름도이다. 도 3에서는 제3 밸브(160)가 스로틀 밸브인 경우를 예로 들어 도시하였다.
제어부(미도시)는 엔진(140)의 유입로에서 감지된 압력과 조성비 및 연소용 가스의 온도 중 적어도 하나의 감지값에 의해 제3 밸브(160)의 제어가 필요한 상황인지를 확인한다(S310).
이때, 제어부(미도시)는 연소용 가스의 조성비가 임계조성범위의 하한치 미만인 경우, 엔진 유입로의 압력이 압력범위의 하한 미만인 경우 및 연소용 가스의 온도가 상한치를 초과하는 경우 중 적어도 하나의 경우에 해당하면, 제3 밸브(160)의 개도량 증가가 필요한 것으로 판단할 수 있다.
또한, 제어부(미도시)는 연소용 가스의 조성비가 임계조성범위의 상한치 이상인 경우, 엔진 유입로의 압력이 압력범위의 상한 초과인 경우 및 연소용 가스의 온도가 연소 임계치 미만인 경우 중 적어도 하나의 경우에 해당하면, 제3 밸브(160)의 개도량 감소가 필요한 것으로 판단할 수 있다.
제3 밸브(160)의 개도량 증가가 필요하면(S320의 예), 제어부(미도시)는 적어도 하나의 감지값에 대응하여 제3 밸브(160)의 개도량을 증가시킨다(S330).
제3 밸브(160)의 개도량 감소가 필요한 상황이면, 제어부(미도시)는 적어도 하나의 감지값에 대응하여 제3 밸브(160)의 개도량을 감소시킨다(S340).
한편, (S310)단계에서, 제어부(미도시)는 감지된 연료의 조성비가 최저조성비 미만임을 확인하면, 엔진(140)에 보조 연료를 공급할 수 있다.
이와 같이, 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.
뿐만 아니라, 본 발명의 실시예는 제1 및 제2 밸브뿐만 아니라, 제3 밸브의 개도량과 보조 연료에 의해 엔진의 발전 효율을 더욱 높일 수 있고, 엔진의 고장 가능성도 더욱 줄일 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 산화제 및 연료가스의 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 분리기로부터 출력되는 일 배출가스를 입력받아 상기 열교환기의 제2유로 및 상기 열교환기의 우회로 중 적어도 하나에 전달하는 제1 밸브;
    상기 열교환기의 제2유로를 통과하여 열교환된 일 배출가스 및 상기 열교환기의 우회로로 전달된 일 배출가스 중 적어도 하나를 포함하는 연소용 가스를 전달받고, 상기 연소용 가스를 연소시켜 추가 전기를 생산하는 엔진; 및
    개도시에 상기 연소용 가스가 유입되는 상기 엔진의 유입로에 공기를 공급하는 제3 밸브
    를 포함하는 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 엔진의 유입로에서 감지된 압력와 조성비 및 상기 연소용 가스의 온도 중 적어도 하나의 감지값에 의해 상기 제3 밸브의 개도량의 증가 또는 감소가 필요한 상황인지를 판단하고, 판단 결과에 따라 상기 제3 밸브의 개도량을 제어하는 제어부
    를 더 포함하는 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 연소용 가스의 온도를 감지하는 온도 감지부를 더 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 연소용 가스의 온도가 기설정된 상한치를 초과하면, 상기 제3 밸브의 개도량을 증가시키는 것인 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 엔진의 유입로에서 상기 압력을 감지하는 압력 센서를 더 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 감지된 압력이 기설정된 압력범위의 하한 미만인 경우, 상기 압력이 증가되도록 상기 제3 밸브의 개도량을 증가시키고, 상기 감지된 압력이 상기 압력범위의 상한을 초과하는 경우 상기 압력이 감소되도록 상기 제3 밸브의 개도량을 감소시키는 것인 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 엔진의 유입로에서 상기 연소용 가스 및 상기 공기가 섞인 엔진 유입 가스의 상기 조성비를 감지하는 기체 센서를 더 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 감지된 조성비가 기설정된 임계조성범위의 하한 이하이면, 상기 제3 밸브의 개도량을 증가시키고, 상기 조성비가 상기 임계조성범위의 상한을 초과하면, 상기 제3 밸브의 개도량을 감소시키는 것인 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 애노드 오프가스를 상기 열교환기의 제1유로 및 상기 엔진의 유입로 중 적어도 하나에 전달하는 제2 밸브를 더 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 연소용 가스의 온도가 기설정된 온도 범위에 있도록 상기 제1 및 제2 밸브 중 적어도 하나의 출력비를 조절하는 것인 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 연소용 가스에 포함된 상기 연료의 양인 조성비가 기설정된 임계조성범위의 하한치 미만일 때, 상기 엔진에 보조 연료를 공급하는 제어부
    를 더 포함하는 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 연료 전지가 시동중이면, 상기 엔진에 보조 연료를 공급하는 제어부; 및
    상기 엔진의 발전 후 배출되는 열을 이용하여 시동중인 상기 연료 전지를 예열하는 예열 수단
    을 더 포함하는 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템.
  9. 입력된 산화제 및 연료가스의 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 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 분리기로부터 출력되는 일 배출가스를 입력받아 상기 열교환기의 제2유로 및 상기 열교환기의 우회로 중 적어도 하나에 전달하는 제1 밸브; 및
    개도시에 상기 엔진의 유입로에 공기를 공급하는 제3 밸브를 포함하고,
    상기 열교환기의 제2유로를 통해 열교환된 일 배출가스, 상기 열교환기의 우회로로 전달된 일 배출가스 및 상기 제3 밸브로부터 유입된 공기 중 적어도 하나가 연소용 가스로서, 상기 엔진에 전달되는 것인 애노드 오프가스 조절 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 엔진의 유입로에서 감지된 압력와 조성비 및 상기 연소용 가스의 온도 중 적어도 하나의 감지값에 의해 상기 제3 밸브의 개도량의 증가 또는 감소가 필요한 상황인지를 판단하고, 판단 결과에 따라 상기 제3 밸브의 개도량을 제어하는 제어부
    를 더 포함하는 애노드 오프가스 조절 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 연소용 가스의 온도를 감지하는 온도 감지부를 더 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 연소용 가스의 온도가 기설정된 상한치를 초과하면, 상기 제3 밸브의 개도량을 증가시키는 것인 애노드 오프가스 조절 장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 엔진의 유입로에서 상기 압력을 감지하는 압력 센서를 더 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 감지된 압력이 기설정된 압력범위의 하한 미만인 경우, 상기 압력이 증가되도록 상기 제3 밸브의 개도량을 증가시키고, 상기 감지된 압력이 상기 압력범위의 상한을 초과하는 경우 상기 압력이 감소되도록 상기 제3 밸브의 개도량을 감소시키는 것인 애노드 오프가스 조절 장치.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 엔진의 유입로에서 상기 연소용 가스 및 상기 공기가 섞인 엔진 유입 가스의 상기 조성비를 감지하는 기체 센서를 더 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 감지된 조성비가 기설정된 임계조성범위의 하한 이하이면, 상기 제3 밸브의 개도량을 증가시키고, 상기 조성비가 상기 임계조성범위의 상한을 초과하면, 상기 제3 밸브의 개도량을 감소시키는 것인 애노드 오프가스 조절 장치.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 애노드 오프가스를 상기 열교환기의 제1유로 및 상기 엔진의 유입로 중 적어도 하나에 전달하는 제2 밸브를 더 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 연소용 가스의 온도가 기설정된 온도 범위에 있도록 상기 제1 및 제2 밸브 중 적어도 하나의 출력비를 조절하는 것인 애노드 오프가스 조절 장치.
KR1020150074298A 2015-05-27 2015-05-27 엔진 공기량 제어형 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템 KR101690637B1 (ko)

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