KR20210031553A - 전력 및 연료 바이패스 기능을 가지는 연료전지 모듈, 연료전지 모듈 시스템, 수전해 모듈, 수전해 모듈 시스템, 연료전지-수전해 복합 모듈 및 연료전지-수전해 복합 모듈 시스템 - Google Patents
전력 및 연료 바이패스 기능을 가지는 연료전지 모듈, 연료전지 모듈 시스템, 수전해 모듈, 수전해 모듈 시스템, 연료전지-수전해 복합 모듈 및 연료전지-수전해 복합 모듈 시스템 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명의 일 실시예는, 외부의 공기가 순차적으로 공급되도록 연료전지-수전해 복합 셀 스택들이 적층된 연료전지-수전해 복합 셀 스택 타워; 상기 연료전지-수전해 복합 셀 스택들에 물 또는 수소 중 어느 하나의 연료를 공급하는 공급관부; 상기 연료전지-수전해 복합 셀 스택들 내에서 연료 반응에 의해 생성된 연료 반응물을 외부로 배출하는 드레인관부; 상기 공급관부의 상기 연료전지-수전해 복합 셀 스택들에 접속되는 연료관 별로 설치되어 상기 연료전지-수전해 복합 셀 스택들에 선택적으로 연료를 공급하거나 차단하는 공급밸브들을 포함하는 공급밸브부; 상기 연료전지-수전해 복합 셀 스택들에서 생성된 전력을 출력하거나, 수전해를 위한 전력을 공급하는 전력회로; 및 상기 연료전지-수전해 복합 셀 스택 중 장애 연료전지-수전해 복합 셀 스택이 발생한 경우, 상기 장애가 발생한 연료전지-수전해 복합 셀 스택의 출력 전력 또는 수전해 전력을 바이패스 시키는 바이패스 스위치들을 포함하는 전력 바이패스회로;를 포함하여 구성되는 연료전지-수전해 복합 모듈을 제공한다.
Description
본 발명은 연료전지 및 수전해에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 복수의 셀 스택으로 구성된 셀 스택의 집합인 수전해 모듈, 연료전지 모듈 또는 연료전지-수전해 복합 모듈에서 특정 셀 스택에 고장이 발생한 경우 해당 셀 스택의 연료(가스 또는 물)와 생성된 출력 또는 수전해를 위한 입력 전력을 바이패스시키는 것에 의해 전체 수전해 연료전지 또는 연료전지-수전해 복합 모듈 또는 시스템의 전력 생산 또는 수전해를 지속시킬 수 있도록 하는 전력 및 연료 바이패스 기능을 가지는 연료전지 모듈, 연료전지 모듈 시스템, 수전해 모듈, 수전해 모듈 시스템, 연료전지-수전해 복합 모듈 및 연료전지-수전해 복합 모듈 시스템에 관한 것이다.
산업 혁명 이후 지속적인 화석연료 사용의 증가로 인해, 화석연료의 부족 및 지구온난화 문제에 직면하고 있다.
이에 따라, 환경 문제를 최소화시키는 방안으로 CO2의 배출을 획기적으로 저감시키면서 화석연료를 대체할 수 있도록 하기 위해, 태양열 발전, 태양광 발전, 풍력 발전, Bio 연료의 개발 또는 수소를 이용하는 연료저지 등의 친환경 에너지의 개발이 지속적으로 이루어져 왔다.
이중 수소를 이용하는 연료전지는 수소가 산소와 화학적으로 반응하여 물로 변환됨과 동시에 전기에너지와 열을 발생시키는 방식으로 발전을 수행하는 것으로서, 에너지 생산 결과물로 물만을 배출하게 되므로 가장 친환경적이며, 수소자원의 고갈의 염려가 없는 에너지원으로 주목받고 있어 현재 수소 에너지 시대를 위한 개발이 지속적으로 이루어지고 있다.
이러한 수소를 이용한 발전을 수행하는 연료전지의 경우, 대용량 발전을 위해 대한민국 등록특허 제10-0986500호, 대한민국 공개특허 제2005-276511호 등의 종래기술에서는 연료전지 셀 스택들을 적층하여 연료전지 셀 스택 타워를 구성하고, 연료전지 셀 스택들을 직렬 연결하는 것에 의해 큰 전력을 생산하도록 하는 방식이 적용되고 있다.
그러나 상술한 종래기술들의 경우, 연료전지 셀 스택 타워의 구성 중 특정 연료전지 셀 스택에 장애가 발생한 경우, 연료전지 셀 스택을 교체하거나, 연료전지 셀 스택 자체로 공급되는 수소 또는 수소가 포함된 가스(hydrogen rich gas) 및 전력을 동시에 바이패스 시키지 못하게 되어, 장애가 발생한 연료전지 셀 스택이 콜드 스팟(cold spot)으로 작용하게 되어 원활한 화학반응이 수행되지 못해 발전 성능이 저하되는 문제점이 발생하였다.
따라서 유지 보수가 용이하며, 장애 발생 시 지속적인 발전을 수행할 수 있는 연료전지 모듈 또는 연료전지 모듈 시스템의 개발이 요구된다.
또한, 수소화 시대에 따라 안정적인 수소 연료의 공급을 위해 유지 보수가 용이하며, 장애 발생 시 지속적인 수전해를 수행할 수 있는 수전해 모듈 또는 수전해 모듈 시스템의 개발이 함께 요구된다.
상술한 종래기술의 문제점을 해결하고 요구사항을 충족시키기 위하여, 본 발명의 일 실시예는 복수의 연료전지 셀 또는 수전해 셀 스택들로 구성된 셀 모듈 또는 셀 모듈들의 집합인 연료전지 또는 수전해 모듈 시스템에서 특정 셀 스택에 고장이 발생한 경우 해당 셀 스택의 공급 연료와 출력 전력 또는 입력 전력을 바이패스시키는 것에 의해 전체 연료전지 모듈 또는 연료전지 시스템의 전력 생산 또는 수전해 모듈 또는 수전해 모듈 시스템의 수전해를 지속시킬 수 있도록 하는 전력 및 연료 바이패스 기능을 연료전지 모듈, 연료전지 모듈 시스템, 수전해 모듈, 수전해 모듈 시스템, 연료전지-수전해 복합 모듈 및 연료전지-수전해 복합 모듈 시스템을 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예는, 외부의 공기가 순차적으로 공급되도록 연료전지 셀 스택들이 적층된 연료전지 셀 스택 타워; 상기 연료전지 셀 스택들에 연료가스를 공급하는 연료가스관부; 상기 연료전지 셀 스택들 내의 상기 연료가스 반응 생성물인 물을 외부로 배출하는 드레인관부; 상기 연료가스관부의 상기 연료전지 셀 스택들에 접속되는 연료가스관 별로 설치되어 상기 연료전지 셀 스택들에 선택적으로 연료가스를 공급하거나 차단하는 연료가스 밸브들을 포함하는 연료가스밸브부; 상기 연료전지 셀 스택들에서 생성된 전력을 출력하는 전력출력회로; 및 상기 연료전지 셀 스택 중 장애 연료전지 셀 스택이 발생한 경우, 상기 장애가 발생한 연료전지 셀을 상기 전력출력회로에서 제외되도록 바이패스시키는 바이패스스위치들을 포함하는 출력전력 바이패스회로;를 포함하여 구성되는 연료전지 모듈을 제공한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예는, 외부의 공기가 순차적으로 공급되도록 연료전지 셀 스택들이 적층된 두 개 이상의 연료전지 셀 스택 타워; 상기 연료전지 셀 스택들에 연료가스를 공급하는 연료가스관부; 상기 연료전지 셀 스택들 내의 상기 연료가스 반응 생성물인 물을 외부로 배출하는 드레인관부; 상기 연료가스관부의 상기 연료전지 셀 스택들에 접속되는 연료가스관 별로 설치되어 상기 연료전지 셀 스택들에 선택적으로 연료가스를 공급하거나 차단하는 연료가스 밸브들을 포함하는 연료가스밸브부; 상기 연료전지 셀 스택들에서 생성된 전력을 출력하는 전력출력회로; 및 상기 연료전지 셀 스택 중 장애 연료전지 셀 스택이 발생한 경우, 상기 장애가 발생한 연료전지 셀을 상기 전력출력회로에서 제외되도록 바이패스시키는 바이패스스위치들을 포함하는 출력전력 바이패스회로;를 포함하여 구성되는 다수의 연료전지 모듈을 포함하고, 상기 연료전지 모듈들에 포함되는 상기 연료전지 셀 스택 타워들은 전력출력회로 내에서 직렬, 병렬 또는 직렬-병렬 혼용 중 어느 하나의 방식으로 접속되는 것을 특징으로 하는 연료전지 모듈 시스템을 제공한다.
상기 연료전지 셀 스택은, 상기 연료전지 셀 스택의 이상을 감지하여 출력하는 센서를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예들의 연료전지 모듈 또는 연료전지 모듈 시스템은, 장애 연료전지 셀 스택이 발생한 경우, 상기 장애 연료전지 셀 스택들을 바이패스 시키는 제어를 수행하는 제어부를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예는, 외부의 물이 공급되도록 수전해 셀 스택들이 적층된 수전해 셀 스택 타워; 상기 수전해 셀 스택들에 물을 공급하는 물 공급관부; 상기 수전해 셀 스택들 내에서 수전해된 수소를 배출하는 수소 배출관부; 상기 물 공급관부의 상기 수전해 셀 스택들에 접속되는 물공급관 별로 설치되어 상기 수전해 셀 스택들에 선택적으로 물을 공급하거나 차단하는 물 공급관 밸브들을 포함하는 물 공급관 밸브부; 상기 수전해 셀 스택들로 수전해를 위한 전력을 공급하는 전력공급회로; 및 상기 수전해 셀 스택 중 장애 수전해 셀 스택으로의 수전해를 위한 전력공급을 차단하는 바이패스 스위칭을 수행하는 바이패스 스위치들을 포함하는 수전해 전력 바이패스 회로;를 포함하여 구성되는 수전해 모듈을 제공한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예는, 외부의 물이 공급되도록 수전해 셀 스택들이 적층된 두 개 이상의 수전해 셀 스택 타워; 상기 수전해 셀 스택들에 물을 공급하는 물 공급관부; 상기 수전해 셀 스택들 내에서 수전해된 수소를 배출하는 수소 배출관부; 상기 물 공급관부의 상기 수전해 셀 스택들에 접속되는 물공급관 별로 설치되어 상기 수전해 셀 스택들에 선택적으로 물을 공급하거나 차단하는 물 공급관 밸브들을 포함하는 물 공급관 밸브부; 상기 수전해 셀 스택들로 수전해를 위한 전력을 공급하는 전력공급회로; 및 상기 수전해 셀 스택 중 장애 수전해 셀 스택으로의 수전해를 위한 전력공급을 차단하는 바이패스 스위칭을 수행하는 바이패스 스위치들을 포함하는 수전해 전력 바이패스 회로;를 포함하는 수전해 모듈들을 포함하고, 상기 수전해 모듈들에 포함되는 수전해 셀 스택 타워들은 직렬, 병렬 또는 직렬-병렬 혼용 중 어느 하나의 방식으로 접속되어 상기 수전해를 위한 전력을 공급받도록 구성되는 것을 특징으로 하는 수전해 모듈 시스템을 제공한다.
상기 수전해 모듈 및 상기 수전해 모듈 시스템을 구성하는 상기 수전해 셀 스택은, 상기 수전해 셀 스택의 이상을 감지하여 출력하는 센서를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예들의 수전해 모듈 또는 수전해 모듈 시스템은, 장애 수전해 셀 스택이 발생한 경우, 상기 장애 수전해 셀 스택들로 공급되는 물과 전력을 바이패스 시키는 제어를 수행하는 제어부를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예는, 외부의 공기가 순차적으로 공급되도록 연료전지-수전해 복합 셀 스택들이 적층된 연료전지-수전해 복합 셀 스택 타워; 상기 연료전지-수전해 복합 셀 스택들에 물 또는 수소 중 어느 하나의 연료를 공급하는 공급관부; 상기 연료전지-수전해 복합 셀 스택들 내에서 연료 반응에해 생성된 연료 반응물을 외부로 배출하는 드레인관부; 상기 공급관부의 상기 연료전지-수전해 복합 셀 스택들에 접속되는 연료관 별로 설치되어 상기 연료전지-수전해 복합 셀 스택들에 선택적으로 연료를 공급하거나 차단하는 공급밸브들을 포함하는 공급밸브부; 상기 연료전지-수전해 복합 셀 스택들에서 생성된 전력을 출력하거나, 수전해를 위한 전력을 공급하는 전력회로; 및 상기 연료전지-수전해 복합 셀 스택 중 장애 연료전지-수전해 복합 셀 스택이 발생한 경우, 상기 장애가 발생한 연료전지-수전해 복합 셀 스택의 출력 전력 또는 수전해 전력을 바이패스 시키는 바이패스 스위치들을 포함하는 전력 바이패스회로;를 포함하여 구성되는 연료전지-수전해 모듈을 제공한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예는, 외부의 공기가 순차적으로 공급되도록 연료전지-수전해 복합 셀 스택들이 적층된 연료전지-수전해 복합 셀 스택 타워; 상기 연료전지-수전해 복합 셀 스택들에 물 또는 수소 중 어느 하나의 연료를 공급하는 공급관부; 상기 연료전지-수전해 복합 셀 스택들 내에서 연료 반응에 의해 생성된 연료 반응물을 외부로 배출하는 드레인관부; 상기 공급관부의 상기 연료전지-수전해 복합 셀 스택들에 접속되는 연료관 별로 설치되어 상기 연료전지-수전해 복합 셀 스택들에 선택적으로 연료를 공급하거나 차단하는 공급밸브들을 포함하는 공급밸브부; 상기 연료전지-수전해 복합 셀 스택들에서 생성된 전력을 출력하거나, 수전해를 위한 전력을 공급하는 전력회로; 및 상기 연료전지-수전해 복합 셀 스택 중 장애 연료전지-수전해 복합 셀 스택이 발생한 경우, 상기 장애가 발생한 연료전지-수전해 복합 셀 스택의 출력 전력 또는 수전해 전력을 바이패스 시키는 바이패스 스위치들을 포함하는 전력 바이패스회로;를 포함하여 구성되는 다수의 연료전지-수전해 복합 모듈을 포함하고, 상기 연료전지-수전해 복합 모듈들의 상기 연료전지-수전해 복합 셀 스택 타워들은 상기 전력출력회로 내에서 직렬. 병렬 또는 직렬-병렬 혼용 방식으로 접속되는 것을 특징으로 하는 연료전지-수전해 복합 모듈 시스템을 제공한다.
상기 연료전지-수전해 복합 모듈 및 상기 연료전지-수전해 복합 모듈 시스템을 구성하는 상기 연료전지-수전해 복합 셀 스택은, 상기 연료전지-수전해 복합 셀 스택의 이상을 감지하여 출력하는 센서를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예들의 연료전지-수전해 복합 모듈 또는 연료전지-수전해 복합 모듈 시스템은, 장애 연료전지-수전해 복합 셀 스택이 발생한 경우, 상기 장애 연료전지-수전해 복합 셀 스택들을 바이패스시키는 제어를 수행하는 제어부를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 대 전력을 생산하기 위하여 연료전지 셀 스택들의 적층체를 구비하는 연료전지 모듈 또는 연료전지 모듈 시스템에서 특정 연료전지 셀 스택에 장애가 발생하는 경우, 장애가 발생한 연료전지 셀 스택으로 공급되는 연료가스와 공기를 차단함과 동시에 출력전력을 장애가 발생한 연료전지 셀 스택을 우회하도록 바이패스시키는 것에 의해, 장애 발생에 대한 대응을 수행함이 없이 연료전지 모듈 및 연료전지 모듈 시스템의 정상 구동을 유지할 수 있도록 함으로써, 연료전지 모듈 및 연료전지 모듈 시스템의 대용량화를 용이하게 하는 효과를 제공한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 수소와 산소의 대량생산을 위해 수전해 셀 스택들의 적층체를 구비하는 수전해 모듈 또는 수전해 모듈 시스템에서 특정 수전해 셀 스택에 장애가 발생하는 경우, 장애가 발생한 수전해 셀 스택으로 공급되는 물과 전력을 차단하여 장애가 발생한 수전해 셀 스택의 수소와 산소의 생산에서 배제시키도록 바이패스시키는 것에 의해, 장애 발생에 대한 대응을 수행함이 없이 수전해 모듈 및 수전해 모듈 시스템의 정상 구동을 유지할 수 있도록 함으로써, 수전해 모듈 또는 수전해 모듈 시스템의 대용량화를 용이하게 하는 효과를 제공한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 수소를 이용한 전기의 생산과 물을 이용한 수소의 생산을 병행하도록 구성되는 연료전지-수전해 복합 셀 스택들의 적층체를 구비하는 연료전지-수전해 복합 모듈 또는 연료전지-수전해 복합 모듈 시스템에서 특정 연료전지-수전해 복합 셀 스택에 장애가 발생하는 경우, 장애가 발생한 연료전지-수전해 복합 셀 스택으로 공급되는 연료와 출력전력 또는 수전해를 위한 전력을 바이패스시키는 것에 의해, 장애 발생에 대한 대응을 수행함이 없이 연료전지-수전해 복합 모듈 및 연료전지-수전해 복합 모듈 시스템의 정상 구동을 유지할 수 있도록 함으로써, 연료전지-수전해 복합 모듈 또는 연료전지-수전해 복합 모듈 시스템의 대용량화를 용이하게 하는 효과를 제공한다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예의 연료전지 모듈(2)의 도면.
도 2는 도 1의 연료전지 모듈(2)의 장애 연료전지 셀 스택(13)에서의 연료가스 및 전력 바이패스 상태를 나타내는 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예의 수전해 모듈(1)의 도면.
도 4는 도 3의 수전해 모듈(1)의 장애 수전해 셀 스택(113)에서의 물 및 전력 바이패스 상태를 나타내는 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시예의 연료전지-수전해 복합 모듈(3)의 도면.
도 6은 도 5의 연료전지-수전해 복합 모듈(3)의 장애 연료전지-수전해 복합 셀 스택(13)에서의 연료가스 및 전력 바이패스 상태를 나타내는 도면.
도 7은 본 발명의 다른 실시예의 복수의 수전해, 연료전지 또는 연료전지-수전해 복합 셀 스택 타워(110, 10, 1100)들이 직렬로 접속되어 연동하는 구성을 가지는 수전해 모듈 시스템(4), 연료전지 모듈 시스템(5) 또는 연료전지-수전해 복합 모듈 시스템(6)을 일괄하여 도시한 도면.
도 8은 본 발명의 다른 실시예의 복수의 수전해, 연료전지 또는 연료전지-수전해 복합 셀 스택 타워(110, 10, 1100)들이 병렬로 접속되어 연동하는 구성을 가지는 수전해 모듈 시스템(7), 연료전지 모듈 시스템(8) 또는 연료전지-수전해 복합 모듈 시스템(9)을 일괄하여 도시한 도면.
도 2는 도 1의 연료전지 모듈(2)의 장애 연료전지 셀 스택(13)에서의 연료가스 및 전력 바이패스 상태를 나타내는 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예의 수전해 모듈(1)의 도면.
도 4는 도 3의 수전해 모듈(1)의 장애 수전해 셀 스택(113)에서의 물 및 전력 바이패스 상태를 나타내는 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시예의 연료전지-수전해 복합 모듈(3)의 도면.
도 6은 도 5의 연료전지-수전해 복합 모듈(3)의 장애 연료전지-수전해 복합 셀 스택(13)에서의 연료가스 및 전력 바이패스 상태를 나타내는 도면.
도 7은 본 발명의 다른 실시예의 복수의 수전해, 연료전지 또는 연료전지-수전해 복합 셀 스택 타워(110, 10, 1100)들이 직렬로 접속되어 연동하는 구성을 가지는 수전해 모듈 시스템(4), 연료전지 모듈 시스템(5) 또는 연료전지-수전해 복합 모듈 시스템(6)을 일괄하여 도시한 도면.
도 8은 본 발명의 다른 실시예의 복수의 수전해, 연료전지 또는 연료전지-수전해 복합 셀 스택 타워(110, 10, 1100)들이 병렬로 접속되어 연동하는 구성을 가지는 수전해 모듈 시스템(7), 연료전지 모듈 시스템(8) 또는 연료전지-수전해 복합 모듈 시스템(9)을 일괄하여 도시한 도면.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 다른 실시예의 연료전지 모듈(2)의 도면이고, 도 2는 도 1의 연료전지 모듈(2)의 장애 연료전지 셀 스택(13)에서의 연료가스 및 전력 바이패스 상태를 나타내는 도면이다.
도 1 및 도 2와 같이, 본 발명의 일 실시예의 연료전지 모듈(2)은, 외부의 공기가 순차적으로 공급되도록 연료전지 셀 스택(11)들이 적층된 연료전지 셀 스택 타워(10), 상기 연료전지 셀 스택(11)들에 전력 생산을 위한 연료로서의 연료가스를 공급하도록 배관된 연료가스관부(20), 상기 연료전지 셀 스택(11)들 내의 연료전지 반응에 의해 생성된 물과 미반응 잔류 연료가스를 외부로 배출하는 드레인관부(30), 상기 연료가스관부(20)의 상기 연료전지 셀 스택(11)들에 접속되는 연료가스관(21) 별로 설치되어 상기 연료전지 셀 스택들에 선택적으로 연료가스를 공급하거나 차단하는 연료가스 밸브(41)들을 포함하는 연료가스밸브부(40), 상기 연료전지 셀 스택 타워(10)의 연료전지 셀 스택(11)들에서 생성된 전력을 출력하는 전력출력회로(50) 및 상기 연료전지 셀 스택(11)들에 대하여 상기 전력출력회로(50)와 병렬로 접속되어, 상기 연료전지 셀 스택(11)들 중 장애 연료전지 셀 스택(13)의 출력을 인접된 정상 연료전지 셀 스택의 전력출력회로(50)로 바이패스시키는 바이패스스위치(61)들을 포함하는 출력전력 바이패스회로(60)를 포함하여 구성될 수 있다.
상술한 구성에서 상기 연료가스는 연료전지 반응의 연료로서 수소 또는 수소를 함유하는 수소 리치(hydrogen rich) 가스일 수 있다.
상기 연료전지 셀 스택 타워(10)는 상부에서 공급된 공기가 순차적으로 하부의 연료전지 셀 스택(11)으로 공급되도록 연료전지 셀 스택(11)들이 적층되어 구성될 수 있다.
상기 연료전지 셀 스택(11)들에 구성되는 연료전지 셀들은 애노드 측으로 수소 가스를 공급받고 캐소드 측으로 공기를 공급받은 후, 애노드 측의 수소가 전자를 방출한 후 양이온으로 된 후 분리막을 통해 캐소드 측으로 이동하며, 캐소드 측에서는 수소에 방출된 전자를 산소가 공급받아 수소 양이온과 결합하여 물을 생성하는 화학 반응에 의해 전기를 생산하도록 구성된다. 상기 연료전지 셀들은 상기 분리막이 수소 이온과 산소 이온을 모두 전달하도록 구성된 경우에는 애노드 및 캐스드 측 모두에서 연료전지 반응이 수행되어 물과 전기가 생성되도록 구성될 수 있다.
상술한 구성의 상기 연료전지 셀 스택(11)들은 연료전지 셀 스택(11)의 장애를 검출하여 출력하는 센서(S)를 더 포함하여 구성될 수 있다. 그리고 상기 연료전지 모듈(2)은 상기 센서(S)들의 검출 신호를 수신한 후 분석하여, 장애 연료전지 셀 스택(13)이 발생한 경우, 상기 장애 연료전지 셀 스택(13)들을 바이패스 시키는 제어를 수행하는 제어부(100)를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 센서(S)는 온도센서, 전류 센서, 전압 센서, 수소 검출 센서 등으로 구성되어 감지 신호를 연료전지 셀 스택의 바이패스를 제어하는 제어부(100)로 출력하도록 구성될 수 있다. 상기 센서(S)들은 유선으로 제어부(100)와 접속되거나 무선으로 접속될 수 있으며, IoT센서들로 구성될 수도 있다.
상기 연료가스관부(20)는 연료가스를 상기 연료전지 셀 스택(11)들로 공급하는 연료공급관(21)들을 포함하여 구성된다.
상기 드레인관부(30)는 상기 연료전지 셀 스택(11) 내부에서 연료가스의 반에 의해 생성된 물과 미반응된 연료가스를 배출하도록 상기 연료전지 셀 스택(11)들에 접속된 드레인관(31)들을 포함하여 구성된다.
상기 연료가스밸브부(40)는 상기 연료가스관(21)에 각각 설치되어 제어부(100)의 제어에 따라 개폐되는 것에 의해 상기 연료전지 셀 스택(11)들로 연료가스를 공급하거나 차단하는 연료가스 밸브(41)들을 포함하여 구성된다.
상기 전력출력회로(50)는 인접되는 상기 연료전지 셀 스택(11)들을 직렬로 접속하여 연료전지 셀 스택(11)들에서 생성된 전류와 전압을 통합한 전력을 출력하도록 구성된다.
상기 출력전력 바이패스회로(60)는 서로 인접된 셀 사이의 출력단자와 입력단자 사이의 전기적인 접속을 단락 또는 개방시키는 스위치와 반대로 스위칭되어, 상기 인접된 셀 사이의 출력단자와 입력단자 사이의 전기적인 접속을 수행하는 스위치가 단락된 경우에는 개방되고, 개방된 경우에는 단락되도록, 상기 인접된 연료전지 셀 스택(11)들의 출력단자와 다음 단의 연료전지 셀 스택(11)의 입력단자를 접속시키도록 상기 연료전지 셀 스택(11)들과 병렬로 연속으로 접속되는 바이패스스위치(61)들을 포함하여 구성된다.
상술한 구성을 가지는 도 1의 연료전지 모듈(2)은 연료가스와 공기를 이용하여 전기를 생산하는 중, 특정 연료전지 셀 스택(13)에 장애가 발생하는 경우, 해당 연료전지 셀 스택(11)으로의 연료가스 공급을 차단함과 동시에, 인접된 연료전지 셀 스택(11)으로부터 입력되는 전력을 다음 연료전지 셀 스택(11)으로 우회하여 전송하는 바이패스 기능을 수행하게 된다.
구체적으로, 장애 연료전지 셀 스택(13)에 구성된 센서(S)가 측정한 온도, 전압, 전류 또는 수소 가스 검출 신호 등의 신호를 수신한 제어부(100)는 수신된 신호에서 장애 여부를 검출한 후, 해당 장애 연료전지 셀 스택(13)의 입력단자와 출력단자를 연료전지 셀 스택(11)과 병렬로 접속된 바이패스 스위치(63)를 단락시킨다. 상기 바이패스스위치(61)가 단락되면, 장애 연료전지 셀 스택(13)의 입력단자로 입력되는 정상 연료전지 셀 스택(11)의 출력 전력이 상기 장애 연료전지 셀 스택(13)을 경유하지 않고 바이패스 단락 스위치(63)를 통해 다음에 위치하는 정상 동작되는 연료전지 셀 스택(11)의 전력 입력 단자로 입력되도록 바이패스된다.
이 경우, 상기 제어부(100)는 전력 바이패스가 수행된 장애 연료전지 셀 스택(13)의 연료가스관(21)에 접속된 연료가스밸브(43)를 차폐하여, 장애 연료전지 셀 스택(13)으로의 연료가스 공급 또한 차단한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예의 수전해 모듈(1)의 도면이고, 도 4는 도 3의 수전해 모듈(1)의 장애 수전해 셀 스택(113)에서의 연료로서의 물 및 수전해 전력 바이패스 상태를 나타내는 도면이다.
도 3 및 도 4와 같이, 본 발명의 다른 실시예의 수전해 모듈(1)은, 수전해 연료로서의 외부의 미량의 수소를 포함하는 물이 각각의 수전해 셀 스택(111)으로 공급되도록 수전해 셀 스택(111)들이 적층된 수전해 셀 스택 타워(110), 상기 수전해 셀 스택(111)들에 물을 공급하도록 배관된 물 공급관부(200), 상기 수전해 셀 스택(111)들 내에서 물의 수전해에 의해 생성된 수소와 잔여 물을 배출하는 수소 배출관부(300), 상기 물 공급관부(200)의 상기 수전해 셀 스택(111)들에 접속되는 물 공급관(221) 별로 설치되어 상기 수전해 셀 스택들에 선택적으로 물을 공급하거나 차단하는 물 공급관 밸브(441)들을 포함하는 물 공급관밸브부(400), 상기 수전해 셀 스택 타워(110)의 수전해 전력이 직렬로 공급되도록 적층된 수전해 셀 스택(111)들을 연결하여 수전해를 위한 전력을 공급하는 전력공급회로(500) 및 상기 수전해 셀 스택(111)들의 양극 단자와 음극 단자 각각에 상기 전력공급회로(500)와 병렬로 설치되어, 상기 수전해 셀 스택(111) 중 장애 수전해 셀 스택(113)으로 공급되는 수전해 전력을 바이패스시키도록 바이패스 스위칭을 수행하는 수전해 전력 바이패스 스위치(611)들을 포함하는 수전해 전력 바이패스 회로(610)를 포함하여 구성될 수 있다.
상술한 구성에서 상기 수전해 셀 스택 타워(110)를 구성하는 각각의 수전해 셀 스택(111)들은 물 공급관부(200)의 물 공급관(221)을 통해 공급되는 수전해 연료로서의 소량의 수소를 포함하는 물을 동시에 공급받을 수 있도록 수전해 셀 스택(111)들이 적층되어 구성된다.
상기 수전해 셀 스택(111)들은 내부에 연료극과 공기극 및 수소 이온이나 산소 이온 또는 수소이온과 산소이온을 모두 전달하는 전해질을 포함하여 구성된다.
상술한 구성 중 상기 전해질이 산소 이온을 전달하는 전해질인 경우, 물을 주입한 후 연료극과 공기극에 DC전력을 공급하면, 연료극에서 물의 전기 분해에 의해 수소가 생성되고 산소 이온은 전해질을 통해 공기극으로 이동하여 공기 유로(Air)를 통해 배출된다. 이와 달리, 상기 전해질이 수소 이온을 전달하는 전해질인 경우, 물을 주입한 후 연료극과 공기극에 전력을 공급하면, 공기극에서 물의 전기 분해에 의해 산소가 생성되고 수소 이온은 전해질을 통해 연료극으로 이동하여 배출된다. 또한, 상기 전해질이 수소 이온과 산소 이온을 모두 전달하는 전해질인 경우에는 연료극 및 공기극 모두에서 물의 전기분해가 발생하여 연료극에서는 수소가 발생하고 공기극에서는 산소가 발생된다.
상술한 구성의 상기 수전해 셀 스택(111)들은 수전해 셀 스택(111)의 장애를 검출하여 출력하는 센서(S)를 더 포함하여 구성될 수 있다. 그리고 상기 수전해 모듈(1)은 상기 센서(S)들의 검출 신호를 수신한 후 분석하여, 장애 수전해 셀 스택(113)이 발생한 경우, 상기 장애 수전해 셀 스택(113)들을 바이패스 시키는 제어를 수행하는 제어부(900)를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 센서(S)는 온도센서, 전류 센서, 전압 센서, 수소 검출 센서, 누수 센서, 수량센서 등으로 구성되어 감지 신호를 수전해 셀 바이패스를 제어하는 제어부(900)로 출력하도록 구성될 수 있다. 상기 센서(S)들은 유선으로 제어부(900)와 접속되거나 무선으로 접속될 수 있으며, IoT센서들로 구성될 수도 있다.
상기 물 공급관부(200)는 물을 상기 수전해 셀 스택(111)들로 공급하는 물 공급관(221)들을 포함하여 구성된다.
상기 수소 배출관부(300)는 상기 수전해 셀 스택(111)들 내부에서 물이 분해되어 생성된 수소와 잔여물을 배출하는 수소 배출관(331)들을 포함하여 구성된다.
상기 물 공급관밸브부(400)는 상기 물 공급관(221)들에 각각 설치되어 제어부(900)의 제어에 따라 개폐되는 것에 의해 상기 수전해 셀 스택(111)들로 물을 공급하거나 차단하는 물 공급관 밸브(441)들을 포함하여 구성된다.
상기 전력공급 회로부(500)는 수전해 전력을 직렬로 공급받도록 적층된 수전해 셀 스택(111)들로 수전해를 위한 전력을 공급하도록 구성된다.
상기 수전해 전력 바이패스 회로(600)는 상기 수전해 셀 스택(111)들의 전력 공급 회로부(500)에 대하여 상기 각각의 수전해 셀 스택(111)들 각각에 병렬로 연결된 후 각각 수전해 전력 바이패스 스위치(611)에 의해 스위칭되도록 구성되어 각각의 수전해 셀 스택(111)들로 공급되는 수전해 전력을 바이패스 시키는 수전해 전력 바이패스 회로(610)를 포함하여 구성된다.
상술한 구성을 가지는 도 2 및 3의 수전해 모듈(1)은 물과 공급전력을 이용하여 물을 전기분해하는 것에 의해 수소와 산소를 생산하는 중, 특정 수전해 셀 스택(113)에 장애가 발생하는 경우, 해당 수전해 셀 스택(113)으로의 물과 수전해 전력의 공급을 차단하여 수전해 모듈(1) 내에서 장애가 발생한 수전해 셀 스택(113)을 수소와 산소 생산에서 배제시키는 바이패스 기능을 수행하게 된다.
구체적으로, 장애 수전해 셀 스택(113)에 구성된 센서(S)가 측정한 온도, 전압, 전류, 수위, 누수, 수소 또는 산소 가스 검출 신호 등의 신호를 수신한 제어부(900)는 수신된 신호에서 장애 여부를 검출한 후, 장애로 판단되는 경우, 해당 장애 수전해 셀 스택(113)의 수전해 전력 공급 회로와 병렬로 접속된 바이패스 스위치(611)를 단락시킴과 동시에 물 공급과 밸브(441)를 차폐하는 것에 의해, 장애가 발생한 수전해 셀 스택(113)을 수전해 셀 스택 타워(110)에 의해 수전해 구동에서 제외하는 바이패스 제어를 수행한다.
상술한 도 3 및 도 4의 설명에서 상기 수전해 셀 스택 타워(110)에 적층되는 수전해 셀 스택(111)들이 직렬로 수전해 전력을 공급받도록 적층되는 것으로 설명하였으나, 상기 수전해 셀 스택(111)들은 필요에 따라 병렬로 수전해 전력을 공급받도록 적층될 수도 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예의 연료전지-수전해 복합 모듈(3)의 도면이고, 도 6은 도 5의 연료전지-수전해 복합 모듈(3)의 장애 연료전지-수전해 복합 셀 스택(13)에서의 연료가스 및 전력 바이패스 상태를 나타내는 도면이다.
도 5 및 도 6과 같이, 본 발명의 다른 실시예는, 외부의 공기가 순차적으로 공급되도록 연료전지-수전해 복합 셀 스택(1111)들이 적층된 연료전지-수전해 복합 셀 스택 타워(1100), 상기 연료전지-수전해 복합 셀 스택(1111)들에 물 또는 수소 중 어느 하나의 연료를 공급하는 공급관부(1200), 상기 연료전지-수전해 복합 셀 스택(1111)들 내에서의 연료가스와 공기의 산화 환원 또는 수전해 중 어느 하나의 연료 반응에 의해 생성된 물 또는 수소 등의 연료 반응물을 외부로 배출하는 드레인관부(1300), 상기 공급관부(1300)의 상기 연료전지-수전해 복합 셀 스택(1111)들에 접속되는 연료관(1210) 별로 설치되어 상기 연료전지-수전해 복합 셀 스택(1111)들에 선택적으로 수소 또는 물 중 어느 하나의 연료를 공급하거나 차단하는 공급밸브(1410)들을 포함하는 공급밸브부(1400), 상기 연료전지-수전해 복합 셀 스택(1111)들에서 생성된 전력을 출력하거나, 수전해를 위한 전력을 공급하는 전력회로(1500) 및 상기 연료전지-수전해 복합 셀 스택(1111) 중 장애 연료전지-수전해 복합 셀 스택(1113)이 발생한 경우, 상기 장애가 발생한 연료전지-수전해 복합 셀 스택(1113)의 출력 전력 또는 수전해 전력을 바이패스시키는 바이패스 스위치(1610)들을 포함하는 전력 바이패스회로(1600)를 포함하여 구성되는 연료전지-수전해 복합 모듈(3)을 제공한다.
상술한 연료전지-수전해 복합 셀 스택(111)을 구성하는 상기 연료전지-수전해 복합 셀은 연료극과 공기극 및 수소 또는 산소 이온 모두를 전달하는 전해질을 포함하여 구성되어, 연료극을 통해 수소가스가 공급되는 경우 연료전지로 동작하고, 물이 공급되는 경우에는 수전해 셀로 동작하도록 구성되어, 연료전지 및 수전해의 기능을 선택적으로 수행할 수 있도록 한다.
상기 연료전지-수전해 복합 셀 스택(111)이 연료전지 셀 스택으로 동작하는 경우, 연료전지 셀들은 애노드 측으로 수소 가스를 공급받고 캐소드 측으로 공기를 공급받은 후, 애노드 측의 수소가 전자를 방출한 후 양이온으로 된 후 분리막을 통해 캐소드 측으로 이동하며, 캐소드 측에서는 수소에 방출된 전자를 산소가 공급받아 수소 양이온과 결합하여 물을 생성하는 화학 반응에 의해 전기를 생산한다.
이와 달리, 상기 연료전지-수전해 복합 셀 스택(111)이 수전해 셀 스택으로 동작하는 경우, 애노드 측으로 미량의 수소를 포함하는 물을 공급받고 애노드 및 캐소드 측을 통해 수전해 전력을 공급받아, 공급된 물을 수소와 산소로 분해하여, 수소와 산소를 생산한다.
상기 연료전지-수전해 복합 모듈(3)을 구성하는 상기 연료전지-수전해 복합 셀 스택(1111)은, 상기 연료전지-수전해 복합 셀 스택(1111)의 이상을 감지하여 출력하는 센서(S)를 더 포함하여 구성된다.
또한, 상술한 구성의 본 발명의 실시예의 연료전지-수전해 복합 모듈은, 장애 연료전지-수전해 복합 셀 스택(1113)이 발생한 경우, 상기 장애 연료전지-수전해 복합 셀 스택(1113)들로의 연료의 공급을 차단하고, 생성된 출력 전력 또는 수전해를 위한 전력이 상기 장애 연료전지-수전해 복합 셀 스택(1113)을 경유하거나 공급되지 않도록 바이패스시키는 제어를 수행하는 제어부(1000)를 더 포함하여 구성된다.
본 발명의 다른 실시예는 도 1 내지 도 5의 수전해 셀 스택 타워(110), 연료전지 셀 스택 타워(10) 또는 연료전지-수전해 셀 스택 타워(1100)가 복수로 구성되어 연동하는 대용량 시스템으로 구성될 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예의 복수의 수전해 셀 스택 타워(110), 연료전지 셀 스택 타워(10) 또는 연료전지-수전해 복합 셀 스택 타워(1100)들이 직렬로 접속되어 연동하는 구성을 가지는 수전해 모듈 시스템(4), 연료전지 모듈 시스템(5) 또는 연료전지-수전해 복합 모듈 시스템(6)을 일괄하여 도시한 도면이다.
도 7에서, 수전해 모듈 시스템(4)은, 외부의 물이 공급되도록 수전해 셀 스택들이 적층된 두 개 이상의 수전해 셀 스택 타워(110), 상기 수전해 셀 스택들에 연료로서 소량의 수소를 포함하는 물을 공급하는 물 공급관부(200), 상기 수전해 셀 스택(111)들 수전해 반응에 의해 생성된 물과 잔류 수소를 배출하는 수소 배출관부(300), 상기 물 공급관부(200)의 상기 수전해 셀 스택(111)들에 접속되는 물공급관(221)들 별로 설치되어 상기 수전해 셀 스택(111)들에 선택적으로 물을 공급하거나 차단하는 물 공급관 밸브(441)들을 포함하는 물 공급관 밸브부(400), 상기 수전해 셀 스택(111)들로 수전해를 위한 전력을 공급하는 전력공급회로(500) 및 상기 수전해 셀 스택(111) 중 장애 수전해 셀 스택(113)으로 공급되는 수전해 전력을 차단하는 바이패스 스위칭을 수행하는 바이패스 스위치(611)들을 포함하는 수전해 전력 바이패스 회로(610);를 포함하는 복수의 수전해 모듈(1)들을 포함하고, 상기 수전해 모듈(1)들에 포함되는 수전해 셀 스택 타워(110)들은 상기 수전해를 위한 전력을 공급받도록 직렬로 접속 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 수전해 모듈 시스템(4)을 구성하는 상기 수전해 셀 스택(1111)들은, 상기 수전해 셀 스택의 이상을 감지하여 출력하는 센서(S)를 더 포함하여 구성될 수 있다. 그리고 상술한 구성의 수전해 모듈 시스템(4)은, 장애 수전해 셀 스택(1113)이 발생한 경우, 상기 장애 수전해 셀 스택(1113)들로 공급되는 물과 전력을 바이패스시키는 제어를 수행하는 제어부(900)를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 도 7에서 본 발명의 다른 실시예의 연료전지 모듈 시스템(5)은, 외부의 공기가 순차적으로 공급되도록 연료전지 셀 스택(11)들이 적층된 연료전지 셀 스택 타워(10), 상기 연료전지 셀 스택(11)들에 전력 생산을 위한 연료로서의 연료가스를 공급하도록 배관된 연료가스관부(20), 상기 연료전지 셀 스택(11)들 내의 연료전지 반응에 의해 생성된 물과 미반응 잔류 연료가스를 외부로 배출하는 드레인관부(30), 상기 연료가스관부(20)의 상기 연료전지 셀 스택(11)들에 접속되는 연료가스관(21) 별로 설치되어 상기 연료전지 셀 스택들에 선택적으로 연료가스를 공급하거나 차단하는 연료가스 밸브(41)들을 포함하는 연료가스밸브부(40), 상기 연료전지 셀 스택 타워(10)의 연료전지 셀 스택(11)들에서 생성된 전력을 출력하는 전력출력회로(50) 및 상기 연료전지 셀 스택(11)들에 대하여 상기 전력출력회로(50)와 병렬로 접속되어, 상기 연료전지 셀 스택(11)들 중 장애 연료전지 셀 스택(13)의 출력을 인접된 정상 연료전지 셀 스택의 전력출력회로(50)로 바이패스시키는 바이패스스위치(61)들을 포함하는 출력전력 바이패스회로(60)를 포함하여 구성되는 다수의 연료전지 모듈(2)들을 포함하고, 상기 연료전지 모듈(2)들에 포함되는 상기 연료전지 셀 스택 타워(10)들은 전력출력회(50)로 내에서 직렬 접속되어 서로 연동하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 연료전지 셀 스택(11)은, 상기 연료전지 셀 스택의 이상을 감지하여 출력하는 센서(S)를 더 포함하여 구성될 수 있다. 그리고 상술한 구성의 연료전지 모듈 시스템(5)은, 장애 연료전지 셀 스택(12)이 발생한 경우, 상기 장애 연료전지 셀 스택(13)들을 바이패스 시키는 제어를 수행하는 제어부(100)를 더 포함하여 구성된다.
또한, 도 7에서 본 발명의 다른 실시예의 연료전지-수전해 복합 모듈 시스템(5)은, 외부의 공기가 순차적으로 공급되도록 연료전지-수전해 복합 셀 스택(1111)들이 적층된 연료전지-수전해 복합 셀 스택 타워(1100), 상기 연료전지-수전해 복합 셀 스택(1111)들에 물 또는 수소 중 어느 하나의 연료를 공급하는 공급관부(1200), 상기 연료전지-수전해 복합 셀 스택(1111)들 내에서의 연료가스와 공기의 산화 환원 또는 수전해 중 어느 하나의 연료 반응에 의해 생성된 물 또는 수소 등의 연료 반응물을 외부로 배출하는 드레인관부(1300), 상기 공급관부(1300)의 상기 연료전지-수전해 복합 셀 스택(1111)들에 접속되는 연료관(1210)들 별로 설치되어 상기 연료전지-수전해 복합 셀 스택(1111)들에 선택적으로 수소 또는 물 중 어느 하나의 연료를 공급하거나 차단하는 공급밸브(1410)들을 포함하는 공급밸브부(1400), 상기 연료전지-수전해 복합 셀 스택(1111)들에서 생성된 전력을 출력하거나, 수전해를 위한 전력을 공급하는 전력회로(1500) 및 상기 연료전지-수전해 복합 셀 스택(1111) 중 장애 연료전지-수전해 복합 셀 스택(1113)이 발생한 경우, 상기 장애가 발생한 연료전지-수전해 복합 셀 스택(1113)의 출력 전력 또는 수전해 전력을 바이패스시키는 바이패스 스위치(1610)들을 포함하는 전력 바이패스회로(1600)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 연료전지-수전해 복합 셀 스택(1111)들은, 상기 연료전지-수전해 복합 셀 스택(1111)의 이상을 감지하여 출력하는 센서(S)를 더 포함하여 구성되고, 상기 연료전지-수전해 복합 모듈 시스템(9)은 장애 연료전지-수전해 복합 셀 스택(1113)이 발생한 경우, 상기 장애 연료전지-수전해 복합 셀 스택(1113)들을 바이패스시키는 제어를 수행하는 제어부(900)를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예의 복수의 수전해 셀 스택 타워(110), 연료전지 셀 스택 타워(10) 또는 연료전지-수전해 복합 셀 스택 타워(1100)들이 병렬로 접속되어 연동하는 구성을 가지는 수전해 모듈 시스템(7), 연료전지 모듈 시스템(8) 또는 연료전지-수전해 복합 모듈 시스템(9)의 도면이다.
도 7의 구성을 가지는 상기 수전해 모듈 시스템, 연료전지 모듈 시스템 또는 연료전지 수전해 복합 모듈 시스템을 구성하는 각각의 수전해 셀 스택 타워(110), 연료전지 셀 스택 타워(10) 또는 연료전지-수전해 복합 셀 스택 타워(1100)들은 도 8과 같이, 서로 병렬로 연동하도록 구성될 수도 있으며, 전력회로가 병렬로 구성되는 것 이외는 도 7과 동일한 구성을 가지므로, 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 도면에는 도시되지 않았으나, 도 7 및 도 8의 시스템들에서, 상술한 복수의 수전해 셀 스택 타워(110), 연료전지 셀 스택 타워(10) 또는 연료전지-수전해 복합 셀 스택 타워(1100)들은 필요에 따라 직렬과 병렬이 혼용되도록 구성될 수도 있다.
즉, 본 발명의 다른 실시예의 수전해 모듈 시스템(1), 연료전지 모듈 시스템(2) 또는 연료전지-수전해 복합 모듈 시스템(3)에서, 복수의 수전해 모듈(1), 연료전지 모듈(2) 또는 연료전지-수전해 복합 모듈(3)들은 필요 용량에 따라, 직렬, 병렬 또는 직병렬 혼용으로 연결하여 수전해 모듈 시스템(4, 7), 연료전지 모듈 시스템(5,8) 또는 연료전지-수전해 복합 모듈 시스템(6, 9)을 대용량화시킬 수 있게 된다. 이와 동시에, 대형화된 시스템 내부에서 동작하는 각각의 수전해 셀 스택(111), 연료전지 셀 스택(11) 또는 연료전지-수전해 복합 샐 스택(1111)들에서 장애 수전해 셀 스택(113), 장애 연료전지 셀 스택(13) 또는 장애 연료전지-수전해 복합 샐 스택(1113)들을 용이하게 배제시키는 바이패스를 수행할 수 있어. 대형화된 수전해, 연료전지 또는 연료전지-수전해 복합 모듈 시스템의 장애 복구를 위한 구동 정지를 최소화함으로써 운전의 신뢰성을 향상시키고, 유지 보수 및 관리를 용이하게 수행할 수 있도록 한다.
상술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
1: 연료전지 모듈
2: 수전해 모듈
3: 연료전지 수전해 복합 모듈
4: 직렬 수전해 모듈 시스템
5: 직렬 연료전지 모듈 시스템
6: 직렬 연료전지-수전해 복합 모듈 시스템
7: 병렬 수전해 모듈 시스템
8: 병렬 연료전지 모듈 시스템
9: 병렬 연료전지-수전해 복합 모듈 시스템
10: 연료전지 셀 스택 타워
11: 연료전지 셀 스택
13: 장애 연료전지 셀 스택
20: 연료가스관부
21: 연료가스관
30: 드레인관부
31: 드레인관
40: 연료가스밸브부
41: 연료가스밸브
43: 차단 연료가스밸브
50: 전력출력회로
60: 출력전력 바이패스회로
61: 바이패스스위치
63: 바이패스 단락 스위치
90: 공기밸브부
91: 공기밸브
93: 차단 공기밸브
100, 900, 1000: 제어부
110: 수전해 셀 스택 타워
111: 수전해 셀 스택
200: 물 공급관부
221: 물 공급관
300: 수소 배출관부
331: 수소 배출관
400: 물 공급관 밸브부
441: 물 공급관 밸브
500; 전력공급 회로부
610: 수전해 전력 바이패스 회로
611: 수전해 전력 바이패스 스위치
1100: 연료전지-수전해 복합 셀 스택 타워
1111: 연료전지-수전해 복합 셀 스택
1200: 공급관부
1210: 연료관
1300: 드레인관부
1310: 드레인관
1400: 공급밸브부
1410: 공급밸브
1430: 차단 공급밸브
1500: 출력-수전해 전력 회로
1600: 바이패스회로
1610: 바이패스스위치
S: 센서
2: 수전해 모듈
3: 연료전지 수전해 복합 모듈
4: 직렬 수전해 모듈 시스템
5: 직렬 연료전지 모듈 시스템
6: 직렬 연료전지-수전해 복합 모듈 시스템
7: 병렬 수전해 모듈 시스템
8: 병렬 연료전지 모듈 시스템
9: 병렬 연료전지-수전해 복합 모듈 시스템
10: 연료전지 셀 스택 타워
11: 연료전지 셀 스택
13: 장애 연료전지 셀 스택
20: 연료가스관부
21: 연료가스관
30: 드레인관부
31: 드레인관
40: 연료가스밸브부
41: 연료가스밸브
43: 차단 연료가스밸브
50: 전력출력회로
60: 출력전력 바이패스회로
61: 바이패스스위치
63: 바이패스 단락 스위치
90: 공기밸브부
91: 공기밸브
93: 차단 공기밸브
100, 900, 1000: 제어부
110: 수전해 셀 스택 타워
111: 수전해 셀 스택
200: 물 공급관부
221: 물 공급관
300: 수소 배출관부
331: 수소 배출관
400: 물 공급관 밸브부
441: 물 공급관 밸브
500; 전력공급 회로부
610: 수전해 전력 바이패스 회로
611: 수전해 전력 바이패스 스위치
1100: 연료전지-수전해 복합 셀 스택 타워
1111: 연료전지-수전해 복합 셀 스택
1200: 공급관부
1210: 연료관
1300: 드레인관부
1310: 드레인관
1400: 공급밸브부
1410: 공급밸브
1430: 차단 공급밸브
1500: 출력-수전해 전력 회로
1600: 바이패스회로
1610: 바이패스스위치
S: 센서
Claims (18)
- 외부의 공기가 순차적으로 공급되도록 연료전지 셀 스택들이 적층된 연료전지 셀 스택 타워;
상기 연료전지 셀 스택들에 연료가스를 공급하는 연료가스관부;
상기 연료전지 셀 스택들 내의 상기 연료가스 반응 생성물인 물을 외부로 배출하는 드레인관부;
상기 연료가스관부의 상기 연료전지 셀 스택들에 접속되는 연료가스관 별로 설치되어 상기 연료전지 셀 스택들에 선택적으로 연료가스를 공급하거나 차단하는 연료가스 밸브들을 포함하는 연료가스밸브부;
상기 연료전지 셀 스택들에서 생성된 전력을 출력하는 전력출력회로; 및
상기 연료전지 셀 스택 중 장애 연료전지 셀 스택이 발생한 경우, 상기 장애가 발생한 연료전지 셀을 상기 전력출력회로에서 제외되도록 바이패스시키는 바이패스스위치들을 포함하는 출력전력 바이패스회로;를 포함하여 구성되는 연료전지 모듈. - 제1항에 있어서, 상기 연료전지 셀은,
상기 연료전지 셀의 이상을 감지하여 출력하는 센서;를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 모듈. - 제1항에 있어서,
장애 연료전지 셀이 발생한 경우, 상기 장애 연료전지 셀들을 바이패스 시키는 제어를 수행하는 제어부;를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 모듈. - 외부의 공기가 순차적으로 공급되도록 연료전지 셀 스택들이 적층된 두 개 이상의 연료전지 셀 스택 타워;
상기 연료전지 셀 스택들에 연료가스를 공급하는 연료가스관부;
상기 연료전지 셀 스택들 내의 상기 연료가스 반응 생성물인 물을 외부로 배출하는 드레인관부;
상기 연료가스관부의 상기 연료전지 셀 스택들에 접속되는 연료가스관 별로 설치되어 상기 연료전지 셀 스택들에 선택적으로 연료가스를 공급하거나 차단하는 연료가스 밸브들을 포함하는 연료가스밸브부;
상기 연료전지 셀 스택들에서 생성된 전력을 출력하는 전력출력회로; 및
상기 연료전지 셀 스택 중 장애 연료전지 셀 스택이 발생한 경우, 상기 장애가 발생한 연료전지 셀을 상기 전력출력회로에서 제외되도록 바이패스시키는 바이패스스위치들을 포함하는 출력전력 바이패스회로;를 포함하여 구성되는 다수의 연료전지 모듈을 포함하고,
상기 연료전지 모듈들에 포함되는 상기 연료전지 셀 스택 타워들은 전력출력회로 내에서 직렬, 병렬 또는 직렬-병렬 혼용 중 어느 하나의 방식으로 접속되는 것을 특징으로 하는 연료전지 모듈 시스템. - 제4항에 있어서, 상기 연료전지 셀 스택은,
상기 연료전지 셀 스택의 이상을 감지하여 출력하는 센서;를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 모듈 시스템. - 제4항에 있어서,
장애 연료전지 셀 스택이 발생한 경우, 상기 장애 연료전지 셀 스택들을 바이패스 시키는 제어를 수행하는 제어부;를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 모듈 시스템. - 외부의 물이 공급되도록 수전해 셀 스택들이 적층된 수전해 셀 스택 타워;
상기 수전해 셀 스택들에 물을 공급하는 물 공급관부;
상기 수전해 셀 스택들 내에서 수전해된 수소를 배출하는 수소 배출관부;
상기 물 공급관부의 상기 수전해 셀 스택들에 접속되는 물공급관 별로 설치되어 상기 수전해 셀 스택들에 선택적으로 물을 공급하거나 차단하는 물 공급관 밸브들을 포함하는 물 공급관 밸브부;
상기 수전해 셀 스택들로 수전해를 위한 전력을 공급하는 전력공급회로; 및
상기 수전해 셀 스택 중 장애 수전해 셀 스택으로의 수전해를 위한 전력공급을 차단하는 바이패스 스위칭을 수행하는 바이패스 스위치들을 포함하는 수전해 전력 바이패스 회로;를 포함하여 구성되는 수전해 모듈. - 제7항에 있어서, 상기 수전해 셀 스택들은,
상기 수전해 셀 스택의 이상을 감지하여 출력하는 센서를 더 포함하여 구성되는 특징으로 하는 수전해 모듈. - 제7항에 있어서,
장애 수전해 셀 스택이 발생한 경우, 상기 장애 수전해 셀 스택들로 공급되는 물과 전력을 바이패스 시키는 제어를 수행하는 제어부를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 수전해 모듈. - 외부의 물이 공급되도록 수전해 셀 스택들이 적층된 두 개 이상의 수전해 셀 스택 타워;
상기 수전해 셀 스택들에 물을 공급하는 물 공급관부;
상기 수전해 셀 스택들 내에서 수전해된 수소를 배출하는 수소 배출관부;
상기 물 공급관부의 상기 수전해 셀 스택들에 접속되는 물공급관 별로 설치되어 상기 수전해 셀 스택들에 선택적으로 물을 공급하거나 차단하는 물 공급관 밸브들을 포함하는 물 공급관 밸브부;
상기 수전해 셀 스택들로 수전해를 위한 전력을 공급하는 전력공급회로; 및
상기 수전해 셀 스택 중 장애 수전해 셀 스택으로의 수전해를 위한 전력공급을 차단하는 바이패스 스위칭을 수행하는 바이패스 스위치들을 포함하는 수전해 전력 바이패스 회로;를 포함하는 수전해 모듈들을 포함하고,
상기 수전해 모듈들에 포함되는 수전해 셀 스택 타워들은 직렬, 병렬 또는 직렬-병렬 혼용 중 어느 하나의 방식으로 접속되어 상기 수전해를 위한 전력을 공급받도록 구성되는 것을 특징으로 하는 수전해 모듈 시스템. - 제10항에 있어서, 상기 수전해 셀 스택은,
상기 수전해 셀 스택의 이상을 감지하여 출력하는 센서를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 수전해 모듈 시스템. - 제11항에 있어서,
장애 수전해 셀 스택이 발생한 경우, 상기 장애 수전해 셀 스택들로 공급되는 물과 전력을 바이패스 시키는 제어를 수행하는 제어부를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 수전해 모듈 시스템. - 외부의 공기가 순차적으로 공급되도록 연료전지-수전해 복합 셀 스택들이 적층된 연료전지-수전해 복합 셀 스택 타워;
상기 연료전지-수전해 복합 셀 스택들에 물 또는 수소 중 어느 하나의 연료를 공급하는 공급관부;
상기 연료전지-수전해 복합 셀 스택들 내에서 연료 반응에 의해 생성된 연료 반응물을 외부로 배출하는 드레인관부;
상기 공급관부의 상기 연료전지-수전해 복합 셀 스택들에 접속되는 연료관 별로 설치되어 상기 연료전지-수전해 복합 셀 스택들에 선택적으로 연료를 공급하거나 차단하는 공급밸브들을 포함하는 공급밸브부;
상기 연료전지-수전해 복합 셀 스택들에서 생성된 전력을 출력하거나, 수전해를 위한 전력을 공급하는 전력회로; 및
상기 연료전지-수전해 복합 셀 스택 중 장애 연료전지-수전해 복합 셀 스택이 발생한 경우, 상기 장애가 발생한 연료전지-수전해 복합 셀 스택의 출력 전력 또는 수전해 전력을 바이패스 시키는 바이패스 스위치들을 포함하는 전력 바이패스회로;를 포함하여 구성되는 연료전지-수전해 복합 모듈. - 제13항에 있어서, 상기 연료전지-수전해 복합 셀 스택은, 상기 연료전지-수전해 복합 셀 스택의 이상을 감지하여 출력하는 센서를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지-수전해 모듈.
- 제13항에 있어서,
장애 연료전지-수전해 복합 셀 스택이 발생한 경우, 상기 장애 연료전지-수전해 복합 셀 스택들을 바이패스시키는 제어를 수행하는 제어부를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지-수전해 복합 모듈. - 외부의 공기가 순차적으로 공급되도록 연료전지-수전해 복합 셀 스택들이 적층된 연료전지-수전해 복합 셀 스택 타워;
상기 연료전지-수전해 복합 셀 스택들에 물 또는 수소 중 어느 하나의 연료를 공급하는 공급관부;
상기 연료전지-수전해 복합 셀 스택들 내에서 연료 반응에 의해 생성된 의 연료 반응물을 외부로 배출하는 드레인관부;
상기 공급관부의 상기 연료전지-수전해 복합 셀 스택들에 접속되는 연료관 별로 설치되어 상기 연료전지-수전해 복합 셀 스택들에 선택적으로 연료를 공급하거나 차단하는 공급밸브들을 포함하는 공급밸브부;
상기 연료전지-수전해 복합 셀 스택들에서 생성된 전력을 출력하거나, 수전해를 위한 전력을 공급하는 전력회로; 및
상기 연료전지-수전해 복합 셀 스택 중 장애 연료전지-수전해 복합 셀 스택이 발생한 경우, 상기 장애가 발생한 연료전지-수전해 복합 셀 스택의 출력 전력 또는 수전해 전력을 바이패스 시키는 바이패스 스위치들을 포함하는 전력 바이패스회로;를 포함하여 구성되는 다수의 연료전지-수전해 복합 모듈을 포함하고,
상기 연료전지-수전해 복합 모듈들의 상기 연료전지-수전해 복합 셀 스택 타워들은 상기 전력출력회로 내에서 직렬. 병렬 또는 직렬-병렬 혼용 방식으로 접속되는 것을 특징으로 하는 연료전지-수전해 복합 모듈 시스템 - 제16항에 있어서 상기 연료전지-수전해 복합 셀 스택은, 상기 연료전지-수전해 복합 셀 스택의 이상을 감지하여 출력하는 센서를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지-수전해 복합 모듈 시스템.
- 제16항에 있어서,
장애 연료전지-수전해 복합 셀 스택이 발생한 경우, 상기 장애 연료전지-수전해 복합 셀 스택들을 바이패스시키는 제어를 수행하는 제어부를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지-수전해 복합 모듈 시스템.
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| KR1020190112518A KR102265486B1 (ko) | 2019-09-11 | 2019-09-11 | 전력 및 연료 바이패스 기능을 가지는 연료전지 모듈, 연료전지 모듈 시스템, 수전해 모듈, 수전해 모듈 시스템, 연료전지-수전해 복합 모듈 및 연료전지-수전해 복합 모듈 시스템 |
Applications Claiming Priority (1)
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| KR1020190112518A KR102265486B1 (ko) | 2019-09-11 | 2019-09-11 | 전력 및 연료 바이패스 기능을 가지는 연료전지 모듈, 연료전지 모듈 시스템, 수전해 모듈, 수전해 모듈 시스템, 연료전지-수전해 복합 모듈 및 연료전지-수전해 복합 모듈 시스템 |
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ID=75222860
Family Applications (1)
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102462621B1 (ko) * | 2022-06-16 | 2022-11-03 | 김건호 | 공장형 수소 연료전지 시스템 및 이의 제어 방법 |
| CN115832372A (zh) * | 2023-02-23 | 2023-03-21 | 山东赛克赛斯氢能源有限公司 | 一种pem电池堆系统 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005276511A (ja) | 2004-03-23 | 2005-10-06 | Nissan Motor Co Ltd | 燃料電池スタック |
| KR100986500B1 (ko) | 2008-10-28 | 2010-10-08 | 현대자동차주식회사 | 멀티 스택 구조의 연료전지 하이브리드 시스템 |
| KR20120017596A (ko) * | 2010-08-19 | 2012-02-29 | 삼성에스디아이 주식회사 | 바이패스 회로를 구비한 연료전지 시스템 및 그 구동방법 |
| KR20180036859A (ko) * | 2016-09-30 | 2018-04-10 | 한국기계연구원 | 신재생 에너지를 이용한 양방향 수전해/발전 시스템 |
-
2019
- 2019-09-11 KR KR1020190112518A patent/KR102265486B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN115832372A (zh) * | 2023-02-23 | 2023-03-21 | 山东赛克赛斯氢能源有限公司 | 一种pem电池堆系统 |
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| Publication number | Publication date |
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