KR20190048939A - 복합발전기와 연계된 연료전지 폐열회수 장치 및 이를 이용한 난방장치와의 하이브리드 시스템 - Google Patents

복합발전기와 연계된 연료전지 폐열회수 장치 및 이를 이용한 난방장치와의 하이브리드 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 연료전지 폐열회수 장치는, 전달받은 유입 증기를 이용해 전력을 생산하고, 배출 증기를 배출하는 스팀터빈을 포함하는 발전부; 및 연료와 공기를 이용해 전력을 생산하는 연료전지 스택으로부터 배기가스를 전달받아 열교환을 통해, 상기 배출 증기 중의 적어도 일부가 응축되어 생성된 응축수를 증기화함으로써 외부 생성 증기를 생성하고, 상기 외부 생성 증기를 상기 발전부로 회송하는 연료전지 증기발생부를 포함하되, 상기 유입 증기는, 상기 외부 생성 증기를 포함한다.

Description

복합발전기와 연계된 연료전지 폐열회수 장치 및 이를 이용한 난방장치와의 하이브리드 시스템 {FUEL CELL HEAT RECOVERY APPARATUS CONNECTED TO COMBINED GENERATOR AND HYBRID SYSTEM USING HEATER AND THEREOF}
본 발명은 복합발전기와 연계된 연료전지 폐열회수 장치 및 이를 이용한 난방장치와의 하이브리드 시스템에 관한 것이다.
연료전지의 폐열을 회수하는 기술의 대부분은, 별도의 유기랭킨사이클(Organic Rankine Cycle)을 이용한 발전기를 구비하여 연료전지의 폐열을 활용하거나, 열기관을 이용해 연료전지의 배기가스가 난방수를 데우도록 해서 열을 회수하는 방식으로 사용된다.
그러나 이와 같이 별도의 장치를 이용해서 폐열을 회수하는 경우, 연료전지의 폐열만을 전적인 열 공급원으로 사용하기 때문에 발전 또는 열전달 효율면에서 효과적이지 못하다는 문제가 있었다. 또한 연료전지의 가동율에 따라서 별도의 장치가 구동이 되지 않을 수도 있다는 문제가 있었다. 반대로 폐열은 발생하지만 이를 활용해야 할 부하 측에서 변동이 있어 상기 폐열을 활용하지 못하는 경우, 폐열을 유보해두기 용이하지 않으며, 축열을 하기 위해서는 별도의 추가적인 장치가 필요하다는 문제가 있었다. 게다가 추가적인 장치를 사용하는 것이므로, 별도의 구동을 위한 에너지가 필요해서 투자 비용 대비 효율이 높지 못하다는 점이 문제로 대두되었다.
본 발명은 이와 같은 문제들을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 연료전지의 폐열회수 장치를 복합발전기와 연계시킨 장치와, 이 장치를 난방장치와 연계시킨 하이브리드 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 폐열회수 장치는, 전달받은 유입 증기를 이용해 전력을 생산하고, 배출 증기를 배출하는 스팀터빈을 포함하는 발전부; 및 연료와 공기를 이용해 전력을 생산하는 연료전지 스택으로부터 배기가스를 전달받아 열교환을 통해, 상기 배출 증기 중의 적어도 일부가 응축되어 생성된 응축수를 증기화함으로써 외부 생성 증기를 생성하고, 상기 외부 생성 증기를 상기 발전부로 회송하는 연료전지 증기발생부를 포함하되, 상기 유입 증기는, 상기 외부 생성 증기를 포함한다.
상기 발전부는, 상기 배출 증기 중의 적어도 일부를 응축시킴으로써 상기 응축수를 생성하는 응축기; 및 가스터빈으로부터 전달받은 배기가스를 이용해, 상기 응축기로부터 전달받은 상기 응축수를 열교환을 통해 증기화함으로써 자체 생성 증기를 생성하고, 상기 연료전지 증기발생부로부터 전달받은 외부 생성 증기를 상기 자체 생성 증기와 함께 가열하여 상기 유입 증기를 생성하고, 상기 유입 증기를 상기 스팀터빈에 전달하는 복합발전 증기발생부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 시스템은, 연료와 공기를 이용해 전력을 생산하고, 배기가스를 배출하는 연료전지 스택; 응축수를 전달받고, 상기 연료전지 스택의 배기가스를 이용해 상기 응축수를 증기화함으로써 외부 생성 증기를 생성하는 연료전지 증기발생부; 상기 외부 생성 증기의 적어도 일부를 전달받아 지역난방수단과 열교환시켜 상기 응축수를 생성하고, 상기 응축수를 상기 연료전지 증기발생부로 회송하는 지역난방 열교환부; 가스터빈으로부터 전달받은 배기가스를 이용해, 상기 연료전지 증기발생부로부터 전달받은 상기 외부 생성 증기를 가열함으로써 유입 증기를 생성하는 복합발전 증기생성부; 상기 유입 증기를 전달받아 전력을 생산하고, 배출 증기를 배출하는 스팀터빈; 및 상기 배출 증기를 응축시킴으로써 상기 응축수를 생성해 상기 연료전지 증기발생부로 전달하는 응축기를 포함한다.
이에 따라, 연료전지의 폐열을 복합발전기의 발전 효율 증대를 위해 사용할 수 있다.
연료전지의 폐열을 복합발전기 또는 지역난방에 선택적으로 또는 동시에 효율적으로 사용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 폐열회수 장치를 이용한 하이브리드 시스템의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 폐열회수 장치의 연료전지 증기발생부 중 가열부와 연료전지 스택을 구체적으로 나타낸 개념도이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 폐열회수 장치를 이용한 하이브리드 시스템(1)의 개념도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 폐열회수 장치는, 발전부(10)와 연료전지 증기발생부(30)를 포함한다. 또한 연료전지 폐열회수 장치를 이용한 하이브리드 시스템(1)은, 연료전지 폐열회수 장치에 연결된 지역난방 열교환부(40)를 더 포함한다. 각 구성요소는 배관을 통해 서로 연결될 수 있다.
연료전지 증기발생부(30)
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 폐열회수 장치의 연료전지 증기발생부(30) 중 가열부(31)와 연료전지 스택(20)을 구체적으로 나타낸 개념도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 연료전지 증기발생부(30)는 연료전지 스택(20)으로부터 전달받은 배기가스의 폐열을 이용해 응축수를 증기화 함으로써 외부 생성 증기를 생성하고, 부산물로 배기가스를 생성해 배출하는 구성요소이다. 연료전지 스택(20)은 도시된 바와 같이 복수개가 배치될 수 있으나, 이제 제한되지 않는다.
연료전지 증기발생부(30)가 포함하는 가열부(31)는, 연료와 공기를 이용해 전력을 생산하는 연료전지 스택(20)과 연결되고, 연료전지 스택의 케이스(21)의 내부와 외부를 연통하는 배기구에 연결된 덕트(22)를 통해서 연료전지 스택의 배기가스(61)를 전달받는다. 연료전지 스택의 배기가스(61)는 연료전지 스택(20)의 공기극의 배기가스 또는 연료전지 스택(20)의 연료극의 배기가스 중 적어도 하나를 포함한다.
연료전지 스택의 배기가스(61)는 매우 고온으로, 유체가 통과할 수 있는 덕트(22)를 통해 배출되어 연료전지 증기발생부(30)가 포함하는 가열부(31)를 통과할 수 있다. 가열부(31)는 연료전지 증기발생기(312)와 연료전지 예열기(311)를 구비한다. 연료전지 증기발생기(312)가 연료전지 예열기(311)에 비해 더 큰 열에너지를 필요로 할 것이므로, 연료전지 스택의 배기가스(61)는 연료전지 증기발생기(312)를 먼저 통과하며 폐열을 연료전지 증기발생기(312)에 제공할 수 있다. 이후 연료전지 예열기(311)에 연료전지 스택의 배기가스(61)가 도달하여, 남은 폐열을 연료전지 예열기(311)에 제공할 수 있다. 그러나 각 구성요소의 배치는 이에 제한되지 않는다.
발전부(10)와 연료전지 증기발생부(30)에는 연료전지 응축수 배관(510)이 연결 및 연통되어, 발전부(10)에서 생성된 응축수를 연료전지 증기발생부(30)로 전달한다. 발전부(10)가 응축수를 생성하는 과정에 대해서는 발전부(10)에 대한 설명에서 자세히 후술한다.
연료전지 예열기(311)는 응축수를 예열하는 구성요소로, 연료전지 응축수 배관(510)과 연결될 수 있다. 연료전지 예열기(311)는 연료전지 응축수 배관(510)으로부터 응축수를 전달받고 연료전지 스택의 배기가스(61)를 통과시켜, 응축수와 연료전지 스택의 배기가스(61)간에 열교환이 이루어지도록 한다. 연료전지 스택의 배기가스(61)가 응축수에 비해 고온일 것이므로, 열에너지는 연료전지 스택의 배기가스(61)로부터 연료전지 예열기(311)를 통해 응축수로 전달된다. 응축수는 열에너지를 받아, 연료전지 예열기(311) 내에서 가열된다.
연료전지 예열기(311)는 연료전지 증기발생부 배관(521)을 통해 연료전지 증기발생기(312)와 연통될 수 있다. 연료전지 증기발생부 배관(521)을 통해, 예열된 응축수가 연료전지 예열기(311)로부터 연료전지 증기발생기(312)로 전달될 수 있다.
연료전지 증기발생기(312)는 응축수를 증기화시키는 구성요소이다. 따라서 예열된 응축수를 연료전지 예열기(311)로부터 전달받아 수용하는 연료전지 드럼(313)을 포함할 수 있다. 연료전지 스택의 배기가스(61)가 연료전지 증기발생기(312)를 통과하면서 예열된 응축수와 열교환함으로써, 예열된 응축수가 증기화한다. 열에너지가 연료전지 스택의 배기가스(61)로부터 연료전지 증기발생기(312)를 통해 예열된 응축수로 전달된다. 예열된 응축수가 전달된 열에너지에 의해 증기화한다.
증기화된 응축수는 연료전지 증기발생기(312)로부터 연료전지 배출 배관(520)을 통해 배출될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 연료전지 배출 배관(520)은, 가열부(31)가 구비하는 연료전지 증기발생기(312)와 기수분리기(32)를 연통하여, 증기화된 응축수가 연료전지 증기발생기(312)로부터 기수분리기(32)로 전달되도록 할 수 있다.
연료전지 증기발생부(30)는 기수분리기(32)를 더 포함할 수 있다. 기수분리기(32)는 증기화된 응축수를 전달받아 증기화된 응축수와 함께 존재하는 잔여 응축수를 제거함으로써, 외부 생성 증기를 생성하는 구성요소이다. 증기화된 응축수에 남아있는 액상의 수분이 외부 생성 증기와 함께 터빈 또는 후술할 고온의 후가열부(15)에 도달하는 경우, 큰 온도차로 인해 각 구성요소들의 내구도를 낮출 수 있다. 따라서 기수분리기(32)를 이용하여 액상의 응축수를 제거해야 한다.
기수분리기(32)는 연료전지 배출 배관(520)을 통해 전달받은 증기화된 응축수의 유속을 매우 낮춰 차폐판에 의해 액상의 응축수가 가로막혀 기상의 외부 생성 증기만이 기수분리기(32)를 통과하도록 형성할 수 있다. 기수분리기(32)를 통과하지 못한 액상의 응축수는 별도의 배관을 통해 다시 가열부(31)로 공급될 수도 있다.
연료전지 증기발생부(30)가 포함하는 기수분리기(32)는, 증기 유입 배관(530)을 통해 발전부(10)가 포함하는 증기 전달 배관(546)와 연통될 수 있다. 기수분리기(32)가 생산한 외부 생성 증기가 증기 유입 배관(530)을 통해, 증기 전달 배관(546)으로 전달된다. 즉 연료전지 증기발생부(30)는 발전부(10)가 생성한 응축수를 전달받고, 응축수를 증기화하여 얻은 외부 생성 증기를 발전부(10)로 회송한다.
증기 전달 배관(546)에서는, 상기 외부 생성 증기와, 후술할 발전부(10)에서 생성되는 자체 생성 증기가 합쳐진다. 합쳐진 증기가 결과적으로 유입 증기를 형성하게 된다. 그 작용에 대해서는 스팀터빈(11)과 응축기(16)에 관한 설명에서 자세히 후술한다.
발전부(10)
발전부(10)는 증기를 이용해 전력을 생산하고, 부산물로써 응축수를 생성해 연료전지 증기발생부(30)로 전달하는 구성요소이다. 따라서 발전부(10)는 스팀터빈(11), 응축기(16) 및 복합발전 증기발생부(13, 14, 15)를 포함할 수 있다.
복합발전 증기발생부(13, 14, 15)는 응축수로부터 자체 생산 증기를 생성하는 구성요소이다. 복합발전 증기발생부(13, 14, 15)는 생성된 자체 생성 증기와 연료전지 증기발생부(30)에서 생성된 외부 생성 증기를 자체 생산 증기와 함께 스팀터빈(11)으로 제공한다. 따라서 복합발전 증기발생부(13, 14, 15)는 자체 생산 증기를 생성하기 위한 구성요소로서 복합발전 예열기(13), 복합발전 증기발생기(14) 및 후가열부(15)를 포함할 수 있다.
복합발전 예열기(13), 복합발전 증기발생기(14) 및 후가열부(15)로, 복합발전기의 가스터빈으로부터 배출되어 발전부(10)로 전달되는 고온의 가스터빈의 배기가스(62)가 통과한다. 가스터빈은 복합발전기를 구성하는 장치로, 고온의 연료를 주입받아 회전함으로써, 연동된 발전기가 전력을 생산하도록 한다. 가스터빈이 발전을 통해 전력을 생산한 뒤 부산물로 생성되는 배기가스가, 스팀터빈(11)에 열원으로 제공되는 것이다. 따라서 복합발전 증기발생부(13, 14, 15)는 복합발전기의 폐열회수보일러(HRSG, Heat Recovery Steam Generator)와 같은 역할을 한다.
가스터빈의 배기가스(62)가 복합발전 증기발생부(13, 14, 15)를 통과하므로, 가스터빈의 배기가스(62)와 상기 구성요소들 사이에서 열교환이 일어난다. 후가열부(15)가 가장 많은 열에너지를 필요로 할 것이므로, 가스터빈의 배기가스(62)와 가장 먼저 만나서 폐열을 전달받도록 배치될 수 있다. 그 다음으로 복합발전 증기발생기(14), 복합발전 예열기(13) 순으로 필요로 하는 열에너지의 양이 줄어들 것이므로, 가스터빈의 배기가스(62)가 복합발전 증기발생기(14)를 거쳐 복합발전 예열기(13)를 통과하도록 각 구성요소가 배치될 수 있다. 그러나 그 배치는 이에 제한되지 않는다.
복합발전 예열기(13)는 응축수를 예열하는 구성요소로, 복합발전 응축수 배관(543)과 연결될 수 있다. 복합발전 예열기(13)는 복합발전 응축수 배관(543)으로부터 응축수를 전달받고 가스터빈의 배기가스(62)를 통과시켜, 응축수와 가스터빈의 배기가스(62)간에 열교환이 이루어지도록 한다. 가스터빈의 배기가스(62)가 응축수에 비해 고온일 것이므로, 열에너지는 가스터빈의 배기가스(62)로부터 복합발전 예열기(13)를 통해 응축수로 전달된다. 응축수는 가스터빈의 배기가스(62)의 폐열이 가지고 있는 열에너지를 전달받아, 복합발전 예열기(13) 내에서 가열된다.
FGH(Fuel Gas Heater)는 가스터빈으로 공급되는 LNG가스를 가열시켜주는 열교환기이다. FGH는 가스터빈으로 공급되는 LNG가스를 가열하여 가스터빈 연소실로 공급해 연소온도를 높여 터빈 효율을 증대하고자 하는 목적이 있다. LNG 가스를 가열하기 위해서는 열원이 필요하다. HRSG IP 급수 절탄기(Economizer)로부터 급수의 일부를 추기해 이를 FGH로 공급해 LNG 가스를 가열한 후, 온도가 떨어진 급수는 다시 복합발전 예열기(13)으로 공급해 재가열될 수 있다.
복합발전 예열기(13)는 복합발전 증기발생부 배관(544)을 통해 복합발전 증기발생기(14)와 연통될 수 있다. 복합발전 증기발생부 배관(544)을 통해, 예열된 응축수가 복합발전 예열기(13)로부터 복합발전 증기발생기(14)로 전달될 수 있다. 예열된 응축수 중 일부는 재순환 배관(545)을 통해 다시 복합발전 예열기(13)로 유입되어, 적정 예열 온도까지 다시 예열될 수도 있다.
복합발전 증기발생기(14)는 응축수를 증기화시켜 자체 생성 증기를 생성하는 구성요소이다. 따라서 예열된 응축수를 복합발전 예열기(13)로부터 전달받아 수용하는 복합발전 드럼(141)을 포함할 수 있다. 가스터빈의 배기가스(62)가 복합발전 증기발생기(14)를 통과하면서 예열된 응축수와 열교환함으로써, 예열된 응축수가 증기화한다. 열에너지가 가스터빈의 배기가스(62)로부터 복합발전 증기발생기(14)를 통해 예열된 응축수로 전달된다. 예열된 응축수가 전달된 열에너지에 의해 증기화됨으로써 자체 생성 증기가 된다.
증기화된 응축수는 복합발전 증기발생기(14)로부터 증기 전달 배관(546)을 통해 배출될 수 있다. 증기 전달 배관(546)은 상술한대로 증기 유입 배관(530)과 연통되므로, 증기 전달 배관(546)에서 자체 생성 증기와 외부 생성 증기가 합쳐진다. 후가열부(15)와 복합발전 증기발생기(14)가 증기 전달 배관(546)을 통해 서로 연통되므로, 합쳐진 증기가 증기 전달 배관(546)을 통해 후가열부(15)로 전달된다.
후가열부(15)는 합쳐진 자체 생성 증기와 외부 생성 증기를 스팀터빈(11)의 적정 구동 온도까지 가열함으로써 유입 증기를 생성하는 구성요소이다. 후가열부(15) 역시 가스터빈의 배기가스(62)가 가지고 있는 폐열의 열에너지를 이용하여 증기를 가열한다. 후가열부(15)에 의해서 자체 생성 증기와 외부 생성 증기는 과열 증기인 유입 증기가 되고, 유입 증기는 터빈 유입 배관(540)을 통해 스팀터빈(11)으로 전달된다. 후가열부(15)와 스팀터빈(11)은 터빈 유입 배관(540)을 통해 스팀터빈(11)과 연통된다.
스팀터빈(11)은 유입 증기를 전달받아 유입 증기의 열에너지를 운동에너지로 변환하고, 이를 다시 연결된 발전기를 통해 전기에너지로 변환해 전력을 생산하는 구성요소이다. 스팀터빈(11)은 터빈 유입 배관(540)을 통해 고온 고압의 유입 증기를 전달받는다. 유입 증기가 스팀터빈(11) 내의 고정 날개를 통과하여 회전 날개를 회전시킴으로써 운동에너지가 발생한다. 스팀터빈(11)에 연결된 발전기가 스팀터빈(11)의 회전과 연동하여 회전하는 회전자를 구비함으로써, 전력을 생산한다.
일반적인 복합발전기에서는 스팀 터빈에 유입되는 유입 증기가 자체 생산 증기만을 포함할 것이나, 본 발명에 따르면 유입 증기가 자체 생산 증기뿐만 아니라 외부 생산 증기를 포함한다. 따라서 과열된 유입 증기의 양이 늘어나므로, 스팀터빈(11)의 효율이 증대된다.
스팀터빈(11)의 작용을 돕기 위해 중압 스팀터빈(12)을 더 포함해 연결될 수 있으나, 스팀터빈(11)의 구성은 이에 제한되지 않는다.
스팀터빈(11)을 통과한 유입 증기는 배출 증기의 형태로 스팀터빈(11)에서 배출된다.
응축기(16)는 배출 증기를 응축시켜 응축수를 생성하는 구성요소로, 스팀터빈(11)과 터빈 배출 배관(541)을 통해 연통되어 배출 증기를 전달받는다. 배출 증기의 현열과 상변화시 발생하는 잠열을 흡수하기 위해서, 응축기(16)에서는 냉각수와 같은 저온 열원과 배출 증기의 열교환이 일어난다.
응축기(16)가 배출 증기 중 적어도 일부를 응결시켜 응축수를 생성한다. 응결되어 응축수가 된 배출 증기는, 응축수 배출 배관(542)을 통해 배출되고, 응축수 배출 배관(542)은 연료전지 응축수 배관(510)과 복합발전 응축수 배관(543)으로 갈라진다. 배출된 응축수는 연료전지 응축수 배관(510)을 통해 연료전지 증기발생부(30)로 전달되거나, 복합발전 응축수 배관(543)을 통해 복합발전 증기발생부(13, 14, 15)로 전달된다. 발전 프로세스를 구성하려면 열역학 제2 법칙에 위배되지 않아야 한다. 사이클을 구성하기 위해서는 고온의 열원과 저온의 열원이 필요하다. 만약 응축기(16)의 작용 없이 배출 증기가 바로 연료전지 증기발생부(30) 또는 복합발전 증기발생부(13,14,15)로 보내질 경우, 스팀 사이클이 생성되지 못한다. 배출되는 배출 증기의 압력 상태는 약 0.3bar로, 이는 대기압보다 낮은 상태여서 스팀터빈(11)을 동작시키기에 역부족이기 때문에, 스팀 사이클 구성이 불가능하기 때문이다. 또한 증기상으로 압력을 높이기 위해서는 응축수 펌프(161)이 아닌 압축기가 필요한데, 사이클 구성에 필요한 압력으로 압축기를 사용해 증기의 압력을 상승시키기 위해서는 엄청난 에너지가 필요하다. 따라서, 스팀터빈(11)으로부터 나오는 배출 증기를(건도 약 0.9) 응축기(16)에서 물(건도 약 0)으로 응축시켜서 내보내야 한다. 만약 응축되지 않은 불응축가스가 응축수와 함께 존재하게 되면, 응축수 펌프(161)에 손상을 입히게 된다
발전부(10)는 응축수 펌프(161)를 더 포함할 수 있다. 응축수 펌프(161)는 응축기(16)에서 배출된 응축수에 압력을 인가함으로써 연료전지 응축수 배관(510)과 복합발전 응축수 배관(543)을 통해 각 구성요소로 응축수를 전달하는 구성요소이다. 응축수 펌프(161)가 인가하는 압력에 따라서, 증기 유입 배관(530)과 증기 전달 배관(546)이 만나 외부 생성 증기와 자체 생성 증기가 합쳐지는 위치에서의 압력이 결정된다.
연료전지 증기발생부(30)에서 생성되는 외부 생성 증기는 저압터빈용으로 생성된다. 회수가능한 열량의 한정으로 중압 또는 고압용 증기를 생성하기 위한 고압 응축수를 공급하기가 불가하고, 고압 응축수 공급 장치를 구성한다고 하더라도 많은 비용이 소요된다. 따라서 저압용 증기를 생성하여 스팀터빈(11)으로 공급하는 것이 가장 경제적 효과가 크다.
증기 공급을 위해서는 스팀터빈(11)이 충분이 구동될 수 있는 압력으로 연료전지 스팀생성부(30)로부터 발전부(10)로 송기되어야 한다. 또한 복합발전 증기생성기(14)는 정해진 압력에서 자체 생성 증기를 생성한다. 연료전지 증기발생기(312)와 발전시스템 증기발생기(14)는 하나의 배관으로 이어져 있어, 배관내 압력은 상호작용으로 영향을 받게 된다. 따라서 연료전지 스팀발생부(30)의 압력이 변하면 전체 시스템 압력도 변하게 되어 자칫 스팀터빈(11) 구동압력보다 낮은 압력이 생성될 수 있다. 이러한 경우 터빈 구동을 하지 못하게 된다. 따라서 각 배관내 압력 밸런스를 맞추는 것이 중요하고, 응축수 펌프(161)에 의해서 연료전지 스팀발생부(30)의 압력을 결정하는 것이 중요하다.
지역난방 열교환부(40)
본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 시스템(1)은 지역난방 열교환부(40)를 더 포함한다. 지역난방 열교환부(40)는 지역난방수단에 열에너지를 전달하는 장치로, 난방 배관(550)을 통해 직접적 또는 간접적으로 연료전지 증기발생부(30)와 연결된다. 난방 유입 배관(551)은 증기 유입 배관(530)과 연통되어, 외부 생성 증기를 지역난방 열교환부(40)로 전달할 수 있다. 난방 배출 배관(552)은 연료전지 응축수 배관(510)과 연통하여, 지역난방 열교환부(40)에서 생성된 응축수를 연료전지 증기발생부(30)에 전달한다.
지역난방 열교환부(40)는 전달받은 외부 생성 증기를 지역난방수단의 난방수와 열교환시켜, 난방수에 열에너지가 전달되도록 한다. 고온의 난방수가 지역난방수단의 난방 기능을 수행한다. 열에너지를 뺏긴 외부 생성 증기는 응결하여 응축수가 되고, 다시 연료전지 증기발생부(30)로 회송되어 외부 생성 증기의 생성에 사용된다.
밸브
본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 시스템(1)은 증기 유입 배관(530)에 배치되는 증기 유입 밸브(531)와, 난방 배관(550)에 배치되는 난방 밸브(553)를 더 구비할 수 있다. 증기 유입 밸브(531)는 증기 유입 배관(530)의 개폐를 조절할 수 있어, 복합발전 증기발생부(13, 14, 15)로의 외부 생성 증기 전달 여부를 결정할 수 있다. 난방 밸브(553)는 난방 배관(550)의 개폐를 조절할 수 있어, 지역난방 열교환부(40)로의 외부 생성 증기 전달 여부를 결정할 수 있다. 이러한 흐름 선택이 가능하도록, 증기 유입 밸브(531)는 난방 배관(550)과 증기 유입 배관(530)이 연통되는 위치 이후의 위치에 배치될 수 있다.
두 밸브의 개폐를 선택적으로 조절함에 따라, 외부 생성 증기가 연료전지 증기발생기(312)로부터 지역난방 열교환부(40)로 흐르는 흐름 또는 발전부(10)가 포함하는 복합발전 증기발생부(13, 14, 15)로 흐르는 흐름을 선택적으로 제어 가능하다. 동절기에는 난방 수요가 증가하므로, 난방 밸브(553)를 개방하고 증기 유입 밸브(531)를 차단할 수 있다. 그로 인해 난방 배관(550)을 통해 지역난방 열교환부(40)에만 외부 생성 증기가 전달되고, 발전부(10)에는 외부 생성 증기가 전달되지 않을 수 있다. 하절기에는 난방 수요가 감소하므로, 난방 밸브(553)를 차단하고 증기 유입 밸브(531)를 개방할 수 있다. 그로 인해 지역난방 열교환부(40)에는 외부 생성 증기가 전달되지 않고, 발전부(10)에만 증기 유입 배관(530)을 통해 외부 생성 증기가 전달될 수 있다. 선택적으로 연료전지 폐열을 활용함으로써, 경우에 따라 효율적인 연료전지의 폐열 회수 및 활용이 가능하다.
이 밖에도 본 발명의 하이브리드 시스템(1)의 각 구성요소를 연결하기 위해 형성된 배관에는, 필요에 따라 컨트롤 밸브와 펌프가 배치될 수 있으며, 그 배치는 도 1에 제한되지 않는다.
이상에서, 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재할 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1 : 하이브리드 시스템 10 : 발전부
11 : 스팀터빈 12 : 중압 스팀터빈
13 : 복합발전 예열기 14 : 복합발전 증기발생기
15 : 후가열부 16 : 응축기
20 : 연료전지 스택 21 : 연료전지 스택의 케이스
22 : 덕트 30 : 연료전지 증기발생부
31 : 가열부 32 : 기수분리기
40 : 지역난방 열교환부 61 : 연료전지 스택의 배기가스
62 : 가스터빈의 배기가스 141 : 복합발전 드럼
161 : 응축수 펌프 311 : 연료전지 예열기
312 : 연료전지 증기발생기 313 : 연료전지 드럼
510 : 연료전지 응축수 배관 520 : 연료전지 배출 배관
521 : 연료전지 증기발생부 배관 530 : 증기 유입 배관
531 : 증기 유입 밸브 540 : 터빈 유입 배관
541 : 터빈 배출 배관 542 : 응축수 배출 배관
543 : 복합발전 응축수 배관 544 : 복합발전 증기발생부 배관
545 : 재순환 배관 546 : 증기 전달 배관
550 : 난방 배관 551 : 난방 유입 배관
552 : 난방 배출 배관 553 : 난방 밸브

Claims (11)

  1. 전달받은 유입 증기를 이용해 전력을 생산하고, 배출 증기를 배출하는 스팀터빈을 포함하는 발전부; 및
    연료와 공기를 이용해 전력을 생산하는 연료전지 스택으로부터 배기가스를 전달받아 열교환을 통해, 상기 배출 증기 중의 적어도 일부가 응축되어 생성된 응축수를 증기화함으로써 외부 생성 증기를 생성하고, 상기 외부 생성 증기를 상기 발전부로 회송하는 연료전지 증기발생부를 포함하되,
    상기 유입 증기는, 상기 외부 생성 증기를 포함하는, 연료전지 폐열회수 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 발전부는,
    상기 배출 증기 중의 적어도 일부를 응축시킴으로써 상기 응축수를 생성하는 응축기; 및
    가스터빈으로부터 전달받은 배기가스를 이용해, 상기 응축기로부터 전달받은 상기 응축수를 열교환을 통해 증기화함으로써 자체 생성 증기를 생성하고, 상기 연료전지 증기발생부로부터 전달받은 외부 생성 증기를 상기 자체 생성 증기와 함께 가열하여 상기 유입 증기를 생성하고, 상기 유입 증기를 상기 스팀터빈에 전달하는 복합발전 증기발생부를 더 포함하는, 연료전지 폐열회수 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 응축기와 상기 연료전지 증기발생부를 연통하여, 상기 응축수를 상기 응축기로부터 상기 연료전지 증기발생부로 전달하는 연료전지 응축수 배관; 및
    상기 응축기와 상기 복합발전 증기발생부를 연통하여, 상기 응축수를 상기 응축기로부터 상기 연료전지 증기발생부로 전달하는 복합발전 응축수 배관을 더 포함하는, 연료전지 폐열회수 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 발전부는,
    상기 응축기가 생성한 응축수에 압력을 인가함으로써, 상기 연료전지 응축수 배관을 통해 상기 연료전지 증기발생기로 상기 응축수를 전달하고, 상기 복합발전 응축수 배관을 통해 상기 응축수를 상기 복합발전 증기발생부로 전달하는 응축수 펌프를 더 포함하는, 연료전지 폐열회수 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 복합발전 증기발생부는,
    상기 응축수를 증기화하여 상기 자체 생성 증기를 생성하는 복합발전 증기발생기; 및
    상기 자체 생성 증기를 상기 외부 생성 증기와 함께 상기 스팀터빈의 적정 구동 온도까지 가열함으로써 상기 유입 증기를 생성하는 후가열부를 포함하는, 연료전지 폐열회수 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 복합발전 증기발생부는,
    상기 응축기로부터 전달받은 응축수를, 상기 가스터빈으로부터 전달받은 배기가스가 포함하는 열과, 외부로부터 전달받은 연료의 연소에서 발생하는 열을 이용해 예열하여 상기 복합발전 증기발생기로 전달하는 복합발전 예열기를 더 포함하는, 연료전지 폐열회수 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 복합발전 증기발생부는, 상기 복합발전 증기발생기와 상기 후가열부를 연통하여, 상기 자체 생성 증기를 상기 후가열부로 전달하는 증기 전달 배관을 더 포함하고,
    상기 연료전지 증기발생기와 상기 증기 전달 배관을 연통함으로써, 상기 외부 생성 증기를 상기 연료전지 증기발생기로부터 상기 증기 전달 배관으로 전달하여, 상기 외부 생성 증기가 상기 자체 생성 증기와 같이 상기 후가열부로 전달되도록 하는 증기 유입 배관을 더 포함하는, 연료전지 폐열회수 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지 증기발생부는,
    상기 응축수를 예열하는 연료전지 예열기; 및
    상기 예열된 응축수를 증기화함으로써 상기 외부 생성 증기가 생성되도록 하는 연료전지 증기발생기를 포함하는, 연료전지 폐열회수 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 연료전지 증기발생부는,
    상기 연료전지 증기발생기에서 증기화된 응축수를 전달받아 잔여 응축수를 제거함으로써 상기 외부 생성 증기를 생성하는 기수분리기를 더 포함하는, 연료전지 폐열회수 장치.
  10. 연료와 공기를 이용해 전력을 생산하고, 배기가스를 배출하는 연료전지 스택;
    응축수를 전달받고, 상기 연료전지 스택의 배기가스를 이용해 상기 응축수를 증기화함으로써 외부 생성 증기를 생성하는 연료전지 증기발생부;
    상기 외부 생성 증기의 적어도 일부를 전달받아 지역난방수단과 열교환시켜 상기 응축수를 생성하고, 상기 응축수를 상기 연료전지 증기발생부로 회송하는 지역난방 열교환부;
    가스터빈으로부터 전달받은 배기가스를 이용해, 상기 연료전지 증기발생부로부터 전달받은 상기 외부 생성 증기를 가열함으로써 유입 증기를 생성하는 복합발전 증기생성부;
    상기 유입 증기를 전달받아 전력을 생산하고, 배출 증기를 배출하는 스팀터빈; 및
    상기 배출 증기를 응축시킴으로써 상기 응축수를 생성해 상기 연료전지 증기발생부로 전달하는 응축기를 포함하는, 하이브리드 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 연료전지 증기발생부와 상기 지역난방 열교환부를 직접적 또는 간접적으로 연통하여, 상기 외부 생성 증기와 상기 지역난방 열교환부에서 생성된 응축수가 교환되도록 하는 난방 배관; 및
    상기 연료전지 증기발생기와 상기 복합발전 증기발생부를 연결하여, 상기 외부 생성 증기를 상기 연료전지 증기발생기로부터 상기 복합발전 증기발생부로 전달하는 증기 유입 배관을 더 포함하고,
    상기 난방 배관은 상기 난방 배관의 개폐를 조절하는 난방 밸브를 구비하고, 상기 증기 유입 배관은 상기 증기 유입 배관의 개폐를 조절하는 증기 유입 밸브를 구비함으로써, 상기 외부 생성 증기가 상기 지역난방 열교환부 또는 상기 복합발전 증기발생부로 흐르는 흐름을 제어 가능한, 하이브리드 시스템.
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KR102541651B1 (ko) * 2023-03-27 2023-06-14 한국스파이렉스사코(주) 연료전지 스택의 폐열을 이용한 고압 스팀 생산 장치 및 방법

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