KR20230076197A - 부하 대응형 연료전지 시스템 - Google Patents

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KR20230076197A
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강인용
이신구
박아름
최정주
장재형
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에이치앤파워(주)
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Abstract

부하 대응형 연료전지 시스템으로, 수소추출기(100); 상기 수소추출기(100)로부터 수소를 공급받아 전력을 생산하는 연료전지부(200)를 포함하며, 상기 연료전지부(200)는 고분자 전해질 연료전지(PEMFC, 220) 및 고체 산화물 연료전지(SOFC, 210)를 포함하며, 상기 수소추출기(100)로부터 생산된 수소는 고체 산화물 연료전지(SOFC, 210)로 항상 공급되어 전력을 생산하며, 상기 고분자 전해질 연료전지(PEMFC, 220)는 상기 수소추출기(100)로부터 생산된 수소를 선택적으로 공급받아 전력을 선택적으로 생산하는 것을 특징을 하는 부하 대응형 연료전지 시스템이 제공된다.

Description

부하 대응형 연료전지 시스템{Load-responsive fuel cell system}
본 발명은 부하 대응형 연료전지 시스템에 관한 것으로, 수소추출기 및 2종류의 연료전지를 혼합하여 부하에 대응하여 전력을 생산하여, 불필요한 수소 및 전력소모량을 효과적 감소시킬 수 있는 부하 대응형 연료전지 시스템에 관한 것이다.
연료전지는 탄화수소 연료에 저장된 화학 에너지를 전기화학반응에 의해 전기 에너지로 직접 변환하는 장치이다. 즉, 연료전지는 연료극(anode)에서의 수소 산화반응과 공기극(cathode)에서의 산소 환원반응에 의해 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환하는 장치이다. 연료극에서의 산화반응을 위해서는 연료전지 스택의 연료극에 연료(수소)를 공급하여야 하고, 공기극에서 의 환원반응을 위해서는 연료전지 스택의 공기극에 공기(산소)를 공급하여야 한다.
이러한 연료전지는 전해질의 종류에 따라 고분자 전해질 연료전지(PEMFC), 고체 산화물 연료전지(SOFC)로 나뉘는데, 각각의 발전용량과 크기는 모두 상이하다.
한편 전력수요인 부하에 따라 연료전지 운전방법을 제어하는 방법은 대한민국 등록특허 10-1275489호 등에 개시되어 있다. 하지만 실제 연료전지의 종류별 특성을 조합하여 효과적으로 부하에 대응하는 시스템은 현재 개발되지 않은 상태이다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 효과적으로 전략수요에 대응할 수 있는, 부하 대응형 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 부하 대응형 연료전지 시스템으로,
수소추출기(100); 상기 수소추출기(100)로부터 수소를 공급받아 전력을 생산하는 연료전지부(200)를 포함하며, 상기 연료전지부(200)는 고분자 전해질 연료전지(PEMFC, 220) 및 고체 산화물 연료전지(SOFC, 210)를 포함하며, 상기 수소추출기(100)로부터 생산된 수소는 고체 산화물 연료전지(SOFC, 210)로 항상 공급되어 전력을 생산하며, 상기 고분자 전해질 연료전지(PEMFC, 220)는 상기 수소추출기(100)로부터 생산된 수소를 선택적으로 공급받아 전력을 선택적으로 생산한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 고분자 전해질 연료전지(PEMFC, 220)는 기설정된 기저부하를 초과하는 전력수요가 발생할 때 턴온된다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 고분자 전해질 연료전지(PEMFC, 220)는 복수 개의 단위 고분자 전해질 연료전지를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 복수 개의 단위 고분자 전해질 연료전지 중 운전되는 단위 고분자 전해질 연료전지의 갯수는, 전력수요에 대응하여 결정된다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 수소는 제어밸브 등을 통하여 고분자 전해질 연료전지(PEMFC, 220)로 선택적으로 공급된다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 부하는 가변되며, 상기 부하 범위 내 기설정된 범위를 초과하는 경우, 상기 고분자 전해질 연료전지(PEMFC, 220)를 순차적으로 운전한다.
본 발명에 따르면, 고분자 전해질 연료전지(PEMFC), 고체 산화물 연료전지(SOFC)를 조합한 연료전지 시스템을 제공한다. 특히 대용량의 고체 산화물 연료전지(SOFC)를 통하여 기저부하에 대응하고, 전기 사용량에 따라 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)를 선택적으로 온오프한다. 이로써 부하에 대응하여 전력을 생산하여, 불필요한 수소 및 전력소모량을 효과적 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 부하 대응형 연료전지 시스템의 블록도이다.
도 2는 상술한 연료전지 시스템의 운전방법을 설명하는 단계도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 부하 대응형 연료전지 시스템의 PFD이다.
하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하기로 한다. 그러나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 발명의 기술적 사상은 청구범위에 의해 결정되며, 이하의 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 효율적으로 설명하기 위한 일 수단일 뿐이다.
본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위하여, 고분자 전해질 연료전지(PEMFC), 고체 산화물 연료전지(SOFC)를 조합한 연료전지 시스템을 제공한다. 특히 대용량의 고체 산화물 연료전지(SOFC)를 통하여 기저부하에 대응하고, 전기 사용량에 따라 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)를 선택적으로 온오프한다. 이로써 부하에 대응하여 전력을 생산하여, 불필요한 수소 및 전력소모량을 효과적 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 부하 대응형 연료전지 시스템의 블록도이다.
도 1을 참조하면, 먼저 수소추출기(100)로부터 수소가 생산되어 연료전지부(200)로 공급된다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 수소추출기(100)는 개질기와 PSA(압력스윙 흡수기)를 포함한다.
또한, 상기 연료전지부(200)는 고분자 전해질 연료전지(PEMFC, 220), 고체 산화물 연료전지(SOFC, 210)를 포함하며, 상기 수소추출기(100)로부터 생산된 수소는 고체 산화물 연료전지(SOFC, 210)로 항상 공급된다. 이는 기저부하에 대응하는 고체 산화물 연료전지(SOFC)를 통하여 기설정된 기저부하에 대응하는 전력을 지속적으로 생산하기 때문이다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 고체 산화물 연료전지(SOFC, 210)는 개벌 연료전지의 용량에 따라 갯수 등이 단수 또는 복수로 구성될 수 있다. 또한 기저부하량은 후술하는 고분자 전해질 연료전지(PEMFC, 220)의 전력 생산 용량과 전력수요량을 고려하여 결정한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템은 전력수요를 에측하여 고분자 전해질 연료전지(PEMFC, 220) 턴-온, 턴-오프를 제어할 수 있는 제어부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지부는 고분자 전해질 연료전지(PEMFC, 220)를 포함하며, 상기 고분자 전해질 연료전지(PEMFC, 220)는 기저부하량 이상의 전력수요가 발생하는 경우, 선택적으로 턴온되어 전력을 생산한다. 따라서, 상기 수소추출기(100)로부터 공급되는 수소는 제어밸브 등을 통하여 고분자 전해질 연료전지(PEMFC, 220)로 선택적으로 공급된다.
도 2는 상술한 연료전지 시스템의 운전방법을 설명하는 단계도이다.
도 2를 참조하면, 먼저 기저부하량 이하의 전력수요에서는 수소개질기로부터 수소는 고체 산화물 연료전지(SOFC, 210)로 공급되어 고체 산화물 연료전지(SOFC, 210)에서 전력을 생산한다. 이때 고분자 전해질 연료전지(PEMFC, 220)는 턴-오프 상태이다.
이후 기설정된 기저부하량을 초과하는 경우, 상기 수소개질기로부터 수소는 고체 산화물 연료전지(SOFC, 210)와 고분자 전해질 연료전지(PEMFC, 220)로 모두 공급되며, 이때부터 고분자 전해질 연료전지(PEMFC, 220)은
턴-온되어 전력을 생산하게 된다. 이후 전력수요가 감소하는 경우 다시 고분자 전해질 연료전지(PEMFC, 220)은 턴-오프되어 고체 산화물 연료전지(SOFC, 210)에서만 전력을 생산할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 고분자 전해질 연료전지(PEMFC, 220)는 복수 개의 단위 고분자 전해질 연료전지를 포함하며, 복수 개의 단위 고분자 전해질 연료전지 중 운전되는 단위 고분자 전해질 연료전지의 갯수는, 전력수요에 대응하여 결정될 수 있다. 이로써 부하량에 맞는 적절한 갯수의 고분자 전해질 연료전지(PEMFC, 220)를 선택하여 전력을 생산할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 부하 대응형 연료전지 시스템의 PFD이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 통합 시스템은 수소추출기는 도시가스를 수증기 개질하여 고순도 99.97% 이상의 수소를 생산하는 장치로 고순도 수소를 생산하고 생산된 수소는 직접 연계 전력 및 열을 생산하는 연료전지 시스템에 연료로 사용된다. 연료전지 시스템의 기존의 개질시스템이 생략되고, 기저부하를 담당하는 SOFC, 피크전력 및 수요에 따른 부하변동 전력을 담당하는 PEMFC로 구성되어 수용에 따른 전력 및 열을 생산한다. 고농도 수소를 이용한 연료전지는 내부 개질형 연료전지보다 높은 효율을 기대할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 시스템은, 상기 부하는 가변될 수 있다. 이것은 시스템 운영자에 의해서, 또는 기존 전력수요 데이터에 따라 자동으로 가변될 수 있다. 또한 상기 부하 범위 내 기설정된 범위를 초과하는 경우, 상기 고분자 전해질 연료전지(PEMFC, 220)를 순차적으로 운전할 수 있다. 예를 들어 부하를 100%로 하는 경우, 그 범위 내 80%에서 고분자 전해질 연료전지(PEMFC, 220)을 하나 운전하고, 이것을 90%를 초과하는 경우 두 개의 고분자 전해질 연료전지(PEMFC, 220)을 운전할 수 있다. 이를 통하여 연료전지의 가동 준비시간에 따른 전력 공급 부족의 문제를 미리 방지할 수 있다.

Claims (7)

  1. 부하 대응형 연료전지 시스템으로,
    수소추출기(100);
    상기 수소추출기(100)로부터 수소를 공급받아 전력을 생산하는 연료전지부(200)를 포함하며,
    상기 연료전지부(200)는 고분자 전해질 연료전지(PEMFC, 220) 및 고체 산화물 연료전지(SOFC, 210)를 포함하며,
    상기 수소추출기(100)로부터 생산된 수소는 고체 산화물 연료전지(SOFC, 210)로 항상 공급되어 전력을 생산하며, 상기 고분자 전해질 연료전지(PEMFC, 220)는 상기 수소추출기(100)로부터 생산된 수소를 선택적으로 공급받아 전력을 선택적으로 생산하는 것을 특징을 하는 부하 대응형 연료전지 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 고분자 전해질 연료전지(PEMFC, 220)는 기설정된 기저부하를 초과하는 전력수요가 발생할 때 턴온되는 것을 특징으로 하는 부하 대응형 연료전지 시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 고분자 전해질 연료전지(PEMFC, 220)는 복수 개의 단위 고분자 전해질 연료전지를 포함하는 것을 특징으로 하는 부하 대응형 연료전지 시스템.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 복수 개의 단위 고분자 전해질 연료전지 중 운전되는 단위 고분자 전해질 연료전지의 갯수는, 전력수요에 대응하여 결정되는 것을 특징으로 하는 부하 대응형 연료전지 시스템.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 수소는 제어밸브 등을 통하여 고분자 전해질 연료전지(PEMFC, 220)로 선택적으로 공급되는 것을 특징으로 하는 부하 대응형 연료전지 시스템.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 부하는 가변되는 것을 특징으로 하는 부하 대응형 연료전지 시스템.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 부하 범위 내 기설정된 범위를 초과하는 경우, 상기 고분자 전해질 연료전지(PEMFC, 220)를 순차적으로 운전하는 것을 특징으로 하는 하 대응형 연료전지 시스템.
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