KR20210048718A - 하이브리드 발전 시스템 - Google Patents

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KR20210048718A
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최성호
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Abstract

연료전지 스택과 엔진 장치를 이용하여 전기에너지를 생성하는 하이브리드 발전 시스템이 제공된다. 하이브리드 발전 시스템은 전기에너지를 생성하고 제1 애노드 오프 가스를 배출하는 연료전지 스택, 기액 분리를 통해 상기 제1 애노드 오프 가스를 제2 애노드 오프 가스 및 응축수로 분리하는 수분제거기, 제1 애노드 오프 가스, 제2 애노드 오프 가스 및 냉각 매체 사이의 열교환을 통해, 제1 애노드 오프 가스의 온도를 감소시켜 수분제거기에 제공하고, 제2 애노드 오프 가스의 온도를 상승시켜 배출하는 제1 열교환기 및 제1 열교환기로부터 배출된 제2 애노드 오프 가스를 연소시켜 전기 에너지를 생성하는 엔진 장치를 구비한다.

Description

하이브리드 발전 시스템{HYBRID POWER GENERATION SYSTEM}
본 발명은 연료전지 스택과 엔진 장치를 이용한 하이브리드 발전 시스템에 관한 것이다.
연료전지는 수소와 산소의 반응을 이용하여 전기를 생성한다. 이러한 연료전지는 수소를 직접 사용하는 경우에 가장 효율이 높으나 이를 위해 수소저장탱크를 연료전지가 설치되는 곳에 직접 설치하는 것은 안전성에 많은 문제를 초래한다. 따라서 현재에는 탄화수소 연료를 개질하여 수소를 생성하고 이를 연료전지의 연료로 사용한다.
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.
연료 전지 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.
하지만, 상기 하이브리드 발전 시스템은 개발 초기 단계로서, 앞으로도 상기 하이브리드 발전 시스템의 동작 안정성, 발전 효율 등의 향상을 위한 추가적인 연구 개발이 요구되고 있다.
본 발명의 일 목적은 동작 안정성, 발전 효율 등을 향상시킬 수 있는 하이브리드 발전 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 발전 시스템은 전기에너지를 생성하고, 제1 애노드 오프 가스를 배출하는 연료전지 스택; 기액 분리를 통해 상기 제1 애노드 오프 가스를 제2 애노드 오프 가스 및 응축수로 분리하는 제1 수분제거기; 상기 제1 애노드 오프 가스, 상기 제2 애노드 오프 가스 및 냉각 매체 사이의 열교환을 통해 상기 제1 애노드 오프 가스의 온도를 감소시켜 상기 제1 수분제거기에 제공하고, 상기 제2 애노드 오프 가스의 온도를 상승시켜 배출하는 제1 열교환기; 및 상기 제1 열교환기로부터 배출된 상기 제2 애노드 오프 가스를 연소시켜 전기 에너지를 생성하는 엔진 장치를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 열교환기는 상기 냉각 매체로 외부 공기 공급원에서 공급된 공기를 공급받고, 열교환을 통해 상기 공기의 온도를 상승시켜 상기 연료전지 스택에 제공할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 하이브리드 발전 시스템은 상기 제1 수분제거기로부터 공급된 응축수를 이용하여 연료 가스를 개질하고, 개질된 연료 가스를 상기 연료전지 스택에 공급하는 개질기를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 열교환기는, 상기 제2 애노드 오프 가스가 이동하는 제1 유로를 형성하는 제1 격벽부; 상기 제1 유로를 둘러싸고, 상기 제1 애노드 오프 가스가 이동하는 제2 유로를 형성하는 제2 격벽부; 및 상기 제2 유로를 둘러싸고, 상기 냉각 매체가 이동하는 제3 유로를 형성하는 제3 격벽부를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 하이브리드 발전 시스템은 상기 연료전지 스택을 내부에 수용하는 연료전지 하우징을 더 포함할 수 있고, 이 경우, 상기 제1 열교환기 및 상기 제1 수분제거기는 상기 연료전지 하우징의 외부에 배치될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 하이브리드 발전 시스템은, 상기 엔진 장치로부터 배출된 고온의 엔진 배기 가스, 상기 제1 열교환기로부터 공급된 상기 제2 애노드 오프 가스 및 외부 공기 공급원에서 공급된 공기 사이의 열교환을 통해, 상기 엔진 배기 가스의 온도를 감소시키고, 상기 제2 애노드 오프 가스 및 상기 공기의 온도를 상승시키고, 냉각된 상기 배기 가스는 외부로 배출하고, 승온된 상기 제2 애노드 오프 가스 및 상기 공기는 상기 엔진 장치에 공급하는 제2 열교환기를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 하이브리드 발전 시스템은, 상기 제1 열교환기로부터 상기 제2 애노드 오프 가스가 배출되는 제1 배관, 상기 엔진 장치 또는 상기 제2 열교환기로 상기 제2 애노드 오프 가스를 공급하는 제2 배관 및 외부 배출구로 상기 제2 애노드 오프 가스를 전달하는 제3 배관과 연결되고, 상기 제1 열교환기로부터 배출된 상기 제2 애노드 오프 가스를 상기 제2 열교환기에 공급하거나, 상기 외부 배출구로 배출하는 제1 밸브를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 하이브리드 발전 시스템은, 상기 제1 밸브로부터 상기 제2 애노드 오프 가스를 공급받은 후 기액 분리를 통해 상기 제2 애노드 오프 가스를 제3 애노드 오프 가스 및 응축수로 분리하고, 상기 제3 애노드 오프 가스를 상기 제2 열교환기에 공급하는 제2 수분제거기; 및 상기 제1 및 제2 수분제거기로부터 공급된 응축수를 이용하여 연료 가스를 개질하고, 개질된 연료 가스를 상기 연료전지 스택에 공급하는 개질기를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 하이브리드 발전 시스템은, 상기 제1 열교환기로부터 배출된 공기를 상기 연료전지 스택에 공급하는 배관으로부터 분기되어 상기 제2 열교환기로 상기 공기를 공급하는 제8 배관에 설치되고, 상기 제8 배관의 개폐를 제어하는 제4 밸브를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 하이브리드 발전 시스템은, 외부 공기 공급원에 연결된 제5 배관, 상기 제1 열교환기에 공기를 공급하는 제6 배관 및 상기 제2 열교환기에 공기를 공급하는 제7 배관과 연결되고, 상기 공기 공급원에서 공급된 공기를 상기 제1 열교환기 또는 상기 제2 열교환기로 공급하는 제3 밸브를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 하이브리드 발전 시스템은, 상기 제1 수분제거기로부터 배출된 상기 제2 애노드 오프 가스가 상기 제1 열교환기로 이동하는 제4 배관에 설치된 제2 밸브를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 하이브리드 발전 시스템에 따르면, 연료전지 스택으로부터 배출된 애노드 오프 가스로부터 응축수를 회수하여 개질기로 공급함에도 제1 열교환기를 통해 가열한 후 이를 엔진 장치로 공급할 수 있어서, 상기 엔진 장치의 발전 성능 및 동작 안정성을 향상시킬 수 있다.
그리고 상기 제1 내지 제3 밸브를 통해 상기 엔진 장치에 애노드 오프 가스 및 공기를 안정적으로 공급할 수 있을 뿐만 아니라, 상기 연료전지 스택이나 엔진 장치에 이상이 발생한 경우 신속하게 대응할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 발전 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 2a는 도 1에 도시된 제1 열교환기를 설명하기 위한 단면도이고, 도 2b는 도 2a에 도시된 절단선 A-A'을 따라 절단한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 발전 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 하이브리드 발전 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 발전 시스템을 설명하기 위한 도면이고, 도 2a는 도 1에 도시된 제1 열교환기를 설명하기 위한 단면도이고, 도 2b는 도 2a에 도시된 절단선 A-A'을 따라 절단한 단면도이다.
도 1, 도 2a 및 도 2b를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 발전 시스템(1000)은 연료전지 스택(1110), 개질기(1120), 연료전지 하우징(1130), 제1 열교환기(1140), 수분제거기(1150), 엔진 장치(1210) 및 제2 열교환기(1220)를 포함할 수 있다.
상기 연료전지 스택(1110)은 개질된 연료와 산소를 반응시켜 전기 에너지를 생성할 수 있다. 상기 연료전지 스택(1110)은 고온에서 동작하는 고체산화물 연료전지(SOFC) 스택, 용융탄산염 연료전지(MCFC) 스택 등으로부터 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다. 상기 연료전지 스택(1110)은 고온의 제1 애노드 오프 가스를 배출하고, 상기 제1 애노드 오프 가스 중 일부는 상기 제1 열교환기(1140)에 공급할 수 있고, 나머지는 상기 연료전지 하우징(1130) 내부에 배치된 버너(미도시) 또는 다른 열교환기에 공급할 수 있다.
상기 개질기(1120)는 외부 연료 공급원(10)에서 공급된 탄화수소 연료를 수증기를 이용하여 개질한 후 이를 상기 연료전지 스택(1110)에 공급할 수 있다. 상기 개질기(1120)의 구조는 특별히 제한되지 않고 공지의 연료전지용 개질기가 제한 없이 적용될 수 있으므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다. 한편, 일 실시예로, 상기 개질기(1120)는 물, 예를 들면 상기 수분제거기(1150)로부터 공급된 응축수을 기화시켜 수증기를 형성하는 기화기(미도시)를 포함할 수 있다.
상기 연료전지 하우징(1130)은 상기 연료전지 스택(1110) 및 상기 개질기(1120)를 내부에 수용할 수 있다. 상기 연료전지 하우징(1130)은 상기 연료전지 스택(1110)에서 발생된 열이 외부로 유출되는 것을 감소시키기 위해 단열재(미도시)를 포함할 수 있다.
상기 제1 열교환기(1140)는 상기 연료전지 하우징(1130) 외부에 배치되고, 상기 연료전지 스택(1110)으로부터 배출된 고온의 제1 애노드 오프 가스, 냉각 매체 및 상기 수분제거기(1150)에 의해 수분이 제거된 제2 애노드 오프 가스 사이의 열교환을 유도할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 냉각 매체로는 외부 공기 공급원에서 공급된 공기가 적용될 수 있다. 이 경우, 상기 제1 열교환기(1140)에 의해, 상기 고온의 제1 애노드 오프 가스는 냉각되고, 상기 공기 및 상기 수분이 제거된 제2 애노드 오프 가스는 가열될 수 있다. 한편, 이와 다른 실시예로, 상기 냉각 매체로는 외부에서 공급된 물 또는 기타 저온의 유체가 제한 없이 적용될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 열교환기(1140)는 제1 유로(1141a)를 형성하는 제1 격벽부(1141), 상기 제1 유로(1141a)를 둘러싸는 제2 유로(1142a)를 형성하는 제2 격벽부(1142) 및 상기 제2 유로(1142a)를 둘러싸는 제3 유로(1143a)를 형성하는 제3 격벽부(1143)를 포함할 수 있다.
상기 제1 격벽부(1141)에 의해 형성된 상기 제1 유로(1141a)는 일방향으로 연장될 수 있고, 상기 제1 유로(1141a)로는 상기 수분제거기(1150)에 의해 수분이 제거된 상기 제2 오노드 오프 가스가 이동할 수 있다. 상기 수분이 제거된 제2 애노드 오프 가스는 상기 제1 유로(1141a)의 제1 단부를 통해 유입된 후 상기 제1 단부와 대향하는 상기 제1 유로(1141a)의 제2 단부를 통해 배출될 수 있다. 일 실시예로, 도 2b에는 상기 제1 유로(1141a)가 직사각형 단면 형상을 갖는 것으로 도시되어 있으나, 상기 제1 유로(1141a)의 단면 형상은 특별히 제한되지 않고, 원, 다각형 등의 단면 형상을 가질 수 있다.
상기 제2 격벽부(1142)는 상기 제1 격벽부(1141) 중 적어도 측면을 둘러싸도록 배치될 수 있고, 이에 따라 상기 제2 격벽부(1142)에 의해 형성되는 상기 제2 유로(1142a)는 상기 제1 유로(1141a)를 둘러싸도록 형성될 수 있다. 상기 제2 유로(1142a)로는 상기 연료전지 스택(1110)으로부터 배출된 상기 제1 애노드 오프 가스가 이동할 수 있다.
상기 제3 격벽부(1143)는 상기 제2 격벽부(1142) 중 적어도 측면을 둘러싸도록 배치될 수 있고, 이에 따라 상기 제3 격벽부(1143)에 의해 형성되는 상기 제3 유로(1143a)는 상기 제2 유로(1142a)를 둘러싸도록 형성될 수 있다. 상기 제3 유로(1143a)로는 상기 냉각 매체가 이동할 수 있다.
상기 제1 열교환기(1140)에 있어서, 상기 제2 애노드 오프 가스가 이동하는 제1 유로(1141a) 및 상기 냉각 매체가 이동하는 제3 유로(1143a) 사이에 가장 고온인 상기 제1 애노드 오프 가스가 이동하는 제2 유로(1142a)가 위치하므로, 열교환을 통해 상기 제1 애노드 오프 가스의 열에너지가 상기 제2 애노드 오프 가스 및 상기 냉각 매체로 전달될 수 있고, 그 결과, 상기 제1 애노드 오프 가스의 온도는 하강하고, 상기 제2 애노드 오프 가스의 온도는 상승할 수 있다. 한편, 상기 냉각 매체로 외부 공기 공급원에서 공급된 공기가 적용될 경우, 상기 공기는 상기 제1 애노드 오프 가스와의 열교환에 의해 가열될 수 있다. 따라서, 상기 연료전지 스택(1110) 및 상기 엔진 장치(1210)에는 미리 가열된 상기 공기 및 상기 제2 애노드 오프 가스를 각각 공급될 수 있고, 상기 수분제거기(1150)에는 온도가 낮아진 상기 제1 애노드 오프 가스를 공급될 수 있다.
상기 수분제거기(1150)는 상기 연료전지 하우징(1130)의 외부에 배치되고, 기체와 액체를 분리할 수 있는 기액 분리기를 포함할 수 있다. 상기 수분제거기(1150)의 기액 분리기로는 공지의 기액 분리 장치가 제한 없이 적용될 수 있으므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
상기 개질기(1120)는 수증기 개질 반응을 통해 개질된 연료가스를 상기 연료전지 스택(1110)에 공급하므로, 상기 연료전지 스택(1110)으로부터 배출되는 상기 제1 애노드 오프 가스는 수분을 함유하고 있는데, 상기 수분제거기(1150)는 기액 분리를 통해 상기 제1 애노드 오프 가스로부터 상기 제2 애노드 오프 가스 및 응축수를 분리하여 배출할 수 있다. 즉, 상기 수분제거기(1150)는 상기 제2 애노드 오프 가스를 상기 제1 열교환기(1140)로 공급할 수 있고, 상기 응축수를 상기 개질기(1120)로 공급할 수 있다.
한편, 상기 제1 애노드 오프 가스로부터 수분을 분리하기 위해서는 상기 제1 애노드 오프 가스의 온도를 물의 끓는점 미만의 온도로 하강시키는 것이 요구되는데, 본 발명에서는 상기 제1 열교환기(1140)를 상기 연료전지 하우징(1130) 외부에 배치하고, 상기 제1 열교환기(1140) 내에서의 열교환을 통해 상기 제1 애노드 오프 가스의 온도를 하강시킬 수 있다.
그리고, 상기 연료전지 하우징(1130)의 내부는 상기 연료전지 스택(1110)의 작동을 위해 고온으로 유지되므로, 상기 제1 애노드 오프 가스의 온도를 추가적으로 하강시키기 위해, 상기 수분제거기(1150)는 상기 연료전지 하우징(1130)의 외부에 배치될 수 있다.
한편, 상기 제1 열교환기(1140) 내에서의 열교환만으로 상기 제1 애노드 오프 가스의 온도를 물의 끓는점 미만의 온도로 하강시킬 수 없는 경우, 상기 수분제거기(1150)는 상기 기액 분리기 외에 상기 제1 애노드 오프 가스의 온도를 하강시키기 위한 냉각기(미도시)를 더 포함할 수 있다.
상기 엔진 장치(1210)는 상기 연료전지 하우징(1130) 외부에 배치되고, 상기 제2 애노드 오프 가스를 연소시켜 기계적 에너지를 생성하고, 이를 이용하여 전기 에너지를 생성할 수 있다. 상기 엔진 장치(1210)로는 상기 제2 애노드 오프 가스를 연소시켜 전기 에너지를 생성할 수 있다면 그 구성이 특별히 제한되지 않는다.
상기 제2 열교환기(1220)는 상기 엔진 장치(1210)로부터 배출된 고온의 배기 가스, 상기 제1 열교환기(1140)로부터 공급된 상기 제2 애노드 오프 가스 및 상기 공기 공급원(20)으로부터 공급된 공기 사이의 열교환을 유도할 수 있고, 가열된 제2 애노드 오프 가스 및 상기 공기를 상기 엔진 장치(1210)에 공급할 수 있으며, 열교환 후의 상기 엔진 장치(1210)의 배기가스를 외부로 배출할 수 있다. 상기 제2 열교환기(1220)의 구조는 상기 제1 열교환기(1130)의 구조와 동일 또는 유사하므로, 이에 대한 중복된 상세한 설명은 생략한다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 발전 시스템(1000)은 제1 밸브(1310), 제2 밸브(1320) 및 제3 밸브(1330)를 더 포함할 수 있다. 일 실시예로, 상기 연료전지 하우징(1130)의 내부는 상대적으로 고온 상태가 유지되므로, 상기 제1 밸브(1310), 제2 밸브(1320) 및 제3 밸브(1330)는 상기 연료전지 하우징(1130)의 외부에 배치되어, 장시간 안정적으로 동작할 수 있다. 그리고 상기 제1 밸브(1310), 제2 밸브(1320) 및 제3 밸브(1330) 각각은 연결된 배관의 개폐뿐만 아니라 유량을 제어할 수 있다.
상기 제1 밸브(1310)는 상기 제1 열교환기(1140)로부터 상기 제2 애노드 오프 가스가 배출되는 제1 배관(1131), 상기 제2 열교환기(1220)로 상기 제2 애노드 오프 가스를 공급하는 제2 배관(1312) 및 상기 제2 열교환기(1220)의 출구, 즉, 외부 배출구로 상기 제2 애노드 오프 가스를 전달하는 제3 배관(1313)과 연결될 수 있다. 상기 제1 밸브(1310)에 의해, 상기 제1 열교환기(1130)로부터 배출된 상기 제2 애노드 오프 가스는 상기 제2 열교환기(1220)에 공급되거나 외부로 배출될 수 있다. 일 실시예로, 상기 엔진 장치(1210)가 정상적으로 작동하고 있는 경우, 상기 제1 밸브(1310)는 상기 제2 애노드 오프 가스를 상기 제2 배관(1312)을 통해 상기 제 열교환기(1220)에 공급할 수 있고, 이 경우, 상기 제2 열교환기(1220)는 열교환을 통해 상기 제2 애노드 오프 가스를 추가적으로 가열한 후 이를 상기 엔진 장치(1210)에 공급할 수 있다. 이와 다른 실시예로, 상기 엔진 장치(1210)에 이상이 발생한 경우, 상기 제1 밸브(1310)는 상기 제2 애노드 오프 가스를 바이패스 배관인 상기 제3 배관(1313)을 통해 외부로 배출할 수 있다.
상기 제2 밸브(1320)는 상기 수분제거기(1150)로부터 배출된 상기 제2 애노드 오프 가스가 상기 제1 열교환기(1140)로 이동하는 제4 배관(1321)에 설치될 수 있다. 일 실시예로, 상기 연료전지 스택(1110) 및 상기 엔진 장치(1210)가 정상적으로 작동하는 경우, 상기 제2 밸브(1320)는 상기 수분제거기(1150)로부터 배출된 상기 제2 애노드 오프 가스를 상기 제1 열교환기(1140)에 공급할 수 있다. 이와 다른 실시예로, 상기 연료전지 스택(1110) 또는 상기 엔진 장치(1210)에 이상이 발생한 경우, 상기 제2 밸브(1320)는 상기 제4 배관(1321)를 통한 상기 제2 애노드 오프 가스의 이동을 차단할 수 있다.
상기 제3 밸브(1330)는 외부 공기 공급원(20)에 연결된 제5 배관(1331), 상기 제1 열교환기(1140)에 공기를 공급하는 제6 배관(1332) 및 상기 제2 열교환기(1220)에 공기를 공급하는 제7 배관(1333)과 연결될 수 있고, 상기 공기 공급원(20)에서 공급된 공기를 상기 제1 열교환기(1140) 또는 상기 제2 열교환기(1220)로 공급할 수 있다. 일 실시예로, 상기 연료전지 스택(1110) 및 상기 엔진 장치(1210) 모두가 정상적으로 작동하고 있는 경우, 상기 제3 밸브(1330)는 상기 공기를 상기 제6 및 제7 배관(1332, 1333)을 통해 상기 연료전지 스택(1110) 및 상기 엔진 장치(1210)에 각각 공급할 수 있다. 그리고 상기 연료전지 스택(1110) 및 상기 엔진 장치(1210) 중 하나에 이상이 발생한 경우, 정상적으로 동작하는 것에만 공기를 공급하고 이상이 발생한 것에는 공기가 공급되지 않도록 차단할 수 있다. 또한, 상기 연료전지 스택(1110) 및 상기 엔진 장치(1210) 모두에 이상이 발생한 경우에는, 상기 연료전지 스택(1110) 및 상기 엔진 장치(1210) 모두에 공기가 공급되지 않도록 상기 제6 및 제7 배관(1332, 1333)을 차단할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 발전 시스템(1000)은 상기 제1 내지 제3 밸브(1310, 1320, 13301)의 동작을 제어하는 제어부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
상기 제어부는 상기 연료전지 스택(1110) 및 상기 엔진장치(1210)의 동작 상태를 파악하여 상기 제1 내지 제3 밸브(1310, 1320, 13301)의 동작을 제어할 수 있다. 예를 들면, 상기 제어부는 상기 연료전지 스택(1110) 및 상기 엔진장치(1210) 각각의 출력 전류, 배기가스 온도 등을 감지하여 상기 연료전지 스택(1110) 및 상기 엔진장치(1210)의 동작 상태를 파악할 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 발전 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 발전 시스템(2000)은 연료전지 스택(2110), 개질기(2120), 연료전지 하우징(2130), 제1 열교환기(2140), 수분제거기(2150), 엔진 장치(2210), 제2 열교환기(2220), 제1 내지 제4 밸브(2310, 2320, 2330, 2340) 및 제어부(미도시)를 포함할 수 있다.
본 실시예에 따른 하이브리드 발전 시스템(2000)은 상기 제4 밸브(2340)를 더 포함한다는 것을 제외하고는 도 1을 참조하여 설명한 하이브리드 발전 시스템(1000)의 구성과 실질적으로 동일 또는 유사하므로, 이하에서는 중복되는 상세한 설명은 생략하고 도 1을 참조하여 설명한 하이브리드 발전 시스템(1000)과의 차이점을 중심으로 설명한다.
상기 제4 밸브(2340)는 상기 제1 열교환기(2130)로부터 배출된 공기를 상기 연료전지 스택(2110)에 공급하는 배관으로부터 분기되어 상기 제1 열교환기(2130)로부터 배출된 공기 중 일부를 상기 제2 열교환기(2220)로 공급하는 제8 배관(2341)에 설치될 수 있고, 상기 제8 배관(2341)의 개폐를 제어할 수 있다.
상기 제어부는 상기 제7 배관(2333)을 통해 상기 제2 열교환기(2220)에 공급되는 공기와 독립적으로 상기 제8 배관(2341)을 통해 미리 가열된 공기를 상기 제2 열교환기(2220)에 공급할 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 하이브리드 발전 시스템(2000)은 상기 제7 배관(2333) 및 상기 제3 밸브(2330)를 구비하지 않을 수 있고, 이 경우, 상기 제2 열교환기(2220)는 상기 제8 배관(2341)을 통해서만 공기를 공급받을 수 있다.
도 4는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 하이브리드 발전 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 발전 시스템(3000)은 연료전지 스택(3110), 개질기(3120), 연료전지 하우징(3130), 제1 열교환기(3140), 제1 수분제거기(3150), 제2 수분 제거기(3160), 엔진 장치(3210), 제2 열교환기(3220), 제1 내지 제4 밸브(3310, 3320, 3330, 3340) 및 제어부(미도시)를 포함할 수 있다.
본 실시예에 따른 하이브리드 발전 시스템(3000)은 상기 제2 수분제거기(3160)를 더 포함한다는 것을 제외하고는 도 1을 참조하여 설명한 하이브리드 발전 시스템(1000)의 구성과 실질적으로 동일 또는 유사하므로, 이하에서는 중복되는 상세한 설명은 생략하고 도 1을 참조하여 설명한 하이브리드 발전 시스템(1000)과의 차이점을 중심으로 설명한다.
상기 제2 수분제거기(3160)는 상기 연료전지 하우징(3130)의 외부에 배치되고, 기체와 액체를 분리할 수 있는 기액 분리기를 포함할 수 있다. 상기 제2 수분제거기(3160)는 상기 제1 밸브(3310)를 통해 상기 제1 열교환기(3140)로부터 배출된 상기 제2 애노드 오프 가스를 공급받은 후 이로부터 수분을 제거하여 응축수를 생성할 수 있고, 상기 수분이 추가적으로 제거된 제2 애노드 오프 가스는 상기 제2 열교환기로 공급하고, 상기 응축수는 상기 개질기(3120)로 공급할 수 있다.
본 발명의 하이브리드 발전 시스템에 따르면, 연료전지 스택으로부터 배출된 애노드 오프 가스로부터 응축수를 회수하여 개질기로 공급함에도 제1 열교환기를 통해 가열한 후 이를 엔진 장치로 공급할 수 있어서, 상기 엔진 장치의 발전 성능 및 동작 안정성을 향상시킬 수 있다.
그리고 상기 제1 내지 제3 밸브를 통해 상기 엔진 장치에 애노드 오프 가스 및 공기를 안정적으로 공급할 수 있을 뿐만 아니라, 상기 연료전지 스택이나 엔진 장치에 이상이 발생한 경우 신속하게 대응할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
1000, 2000, 3000: 하이브리드 발전 시스템
1110, 2110, 3110: 연료전지 스택 1120, 2120, 3120: 개질기
1130, 2103, 3130: 연료전지 하우징 1140, 2140, 3140: 제1 열교환기
1150, 2150, 3150: 수분제거기 1210, 2210, 3210: 엔진 장치
1220, 2220, 3220: 제2 열교환기 1310, 2310, 3310: 제1 밸브
1320, 2320, 3320: 제2 밸브 1330, 2330, 3330: 제3 밸브

Claims (11)

  1. 전기에너지를 생성하고, 제1 애노드 오프 가스를 배출하는 연료전지 스택;
    기액 분리를 통해 상기 제1 애노드 오프 가스를 제2 애노드 오프 가스 및 응축수로 분리하는 제1 수분제거기;
    상기 제1 애노드 오프 가스, 상기 제2 애노드 오프 가스 및 냉각 매체 사이의 열교환을 통해 상기 제1 애노드 오프 가스의 온도를 감소시켜 상기 제1 수분제거기에 제공하고, 상기 제2 애노드 오프 가스의 온도를 상승시켜 배출하는 제1 열교환기; 및
    상기 제1 열교환기로부터 배출된 상기 제2 애노드 오프 가스를 연소시켜 전기 에너지를 생성하는 엔진 장치;를 포함하는, 하이브리드 발전 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 열교환기는 상기 냉각 매체로 외부 공기 공급원에서 공급된 공기를 공급받고, 열교환을 통해 상기 공기의 온도를 상승시켜 상기 연료전지 스택에 제공하는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 발전 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 수분제거기로부터 공급된 응축수를 이용하여 연료 가스를 개질하고, 개질된 연료 가스를 상기 연료전지 스택에 공급하는 개질기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 발전 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 열교환기는,
    상기 제2 애노드 오프 가스가 이동하는 제1 유로를 형성하는 제1 격벽부;
    상기 제1 유로를 둘러싸고, 상기 제1 애노드 오프 가스가 이동하는 제2 유로를 형성하는 제2 격벽부; 및
    상기 제2 유로를 둘러싸고, 상기 냉각 매체가 이동하는 제3 유로를 형성하는 제3 격벽부를 포함하는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 발전 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지 스택을 내부에 수용하는 연료전지 하우징을 더 포함하고,
    상기 제1 열교환기 및 상기 제1 수분제거기는 상기 연료전지 하우징의 외부에 배치된 것을 특징으로 하는, 하이브리드 발전 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 엔진 장치로부터 배출된 고온의 엔진 배기 가스, 상기 제1 열교환기로부터 공급된 상기 제2 애노드 오프 가스 및 외부 공기 공급원에서 공급된 공기 사이의 열교환을 통해, 상기 엔진 배기 가스의 온도를 감소시키고, 상기 제2 애노드 오프 가스 및 상기 공기의 온도를 상승시키고, 냉각된 상기 배기 가스는 외부로 배출하고, 승온된 상기 제2 애노드 오프 가스 및 상기 공기는 상기 엔진 장치에 공급하는 제2 열교환기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 발전 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 열교환기로부터 상기 제2 애노드 오프 가스가 배출되는 제1 배관, 상기 엔진 장치 또는 상기 제2 열교환기로 상기 제2 애노드 오프 가스를 공급하는 제2 배관 및 외부 배출구로 상기 제2 애노드 오프 가스를 전달하는 제3 배관과 연결되고, 상기 제1 열교환기로부터 배출된 상기 제2 애노드 오프 가스를 상기 제2 열교환기에 공급하거나, 상기 외부 배출구로 배출하는 제1 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 발전 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 밸브로부터 상기 제2 애노드 오프 가스를 공급받은 후 기액 분리를 통해 상기 제2 애노드 오프 가스를 제3 애노드 오프 가스 및 응축수로 분리하고, 상기 제3 애노드 오프 가스를 상기 제2 열교환기에 공급하는 제2 수분제거기;
    상기 제1 및 제2 수분제거기로부터 공급된 응축수를 이용하여 연료 가스를 개질하고, 개질된 연료 가스를 상기 연료전지 스택에 공급하는 개질기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 발전 시스템.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 제1 열교환기로부터 배출된 공기를 상기 연료전지 스택에 공급하는 배관으로부터 분기되어 상기 제2 열교환기로 상기 공기를 공급하는 제8 배관에 설치되고, 상기 제8 배관의 개폐를 제어하는 제4 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 발전 시스템.
  10. 제6항에 있어서,
    외부 공기 공급원에 연결된 제5 배관, 상기 제1 열교환기에 공기를 공급하는 제6 배관 및 상기 제2 열교환기에 공기를 공급하는 제7 배관과 연결되고, 상기 공기 공급원에서 공급된 공기를 상기 제1 열교환기 또는 상기 제2 열교환기로 공급하는 제3 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 발전 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제1 수분제거기로부터 배출된 상기 제2 애노드 오프 가스가 상기 제1 열교환기로 이동하는 제4 배관에 설치된 제2 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 발전 시스템.
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