KR20240102302A - 연료전지 배열을 이용한 발전 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 연료전지 배열을 이용한 발전 시스템에 관한 것으로, 외부로부터 공급되는 연료 및 물을 개질하여 수소기체를 생성하는 개질기; 상기 개질기에서 수소기체 생성시 발생되는 열을 회수하는 제1 배열 회수기; 외부로부터 공급받은 산소를 포함하는 기체와 상기 개질기로부터 공급되는 수소기체를 이용하여 전기 에너지를 생성하는 연료전지 스택; 상기 연료전지 스택에서 전기 에너지 생성시 발생되는 열을 회수하는 제2 배열 회수기; 상기 제1 배열 회수기에 의해 회수된 열과 상기 제2 배열 회수기에 의해 회수된 열을 혼합하여 중저온의 열로 변환시키는 열온 변환기; 상기 열온 변환기로부터을 열을 이용하여 작동 유체를 기화시키는 증발기; 상기 증발기를 통해 공급되는 증기의 작동 유체에 의해 회전되어 전기를 생성시키는 터빈 발전기; 상기 터빈 발전기를 통과한 작동 유체를 액체 상태로 응축시키는 응축기; 및 상기 액체 상태의 작동 유체를 상기 증발기로 이송시키는 이송펌프를 포함한다.
Description
본 발명은 연료 전지의 배열을 이용한 발전 시스템에 관한 것으로, 특히 연료전지 개질기에서 발생하는 저온열과 연료전지 스택에서 발생되는 고온열을 이용하여 발전 효율을 향상시킬 수 있는 연료 전지의 배열을 이용한 발전 시스템에 관한 것이다.
연료전지(Fuel Cell)는 연료와 산화제를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시키는 장치로 전기에너지를 저장하는 일반적인 전지 개념과는 달리 연료를 소모하여 전력을 생산하는 발전 시스템이다.
이렇게 연료전지를 이용한 발전 시스템은 메탄올, 에탄올 또는 천연가스 등 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소를 포함하는 공기를 전기화학반응을 통해 분해하고, 분해과정에서 발생되는 전자들을 직접 전기에너지로 변환시킨다.
연료전지를 이용한 발전 시스템은 기본적으로 연료를 저장하는 연료탱크, 연료를 이송하는 연료펌프, 수소기체를 발생시키는 개질기, 및 전자를 발생시켜 전기 에너지를 발생시키는 연료전지 스택을 구비하며, 이렇게 구성된 연료전지를 이용한 발전 시스템에서는 개질기 및 연료전지 스택에서의 화학반응으로 인해 열 에너지가 발생된다.
이때, 개질기에서는 수증기 개질반응(Steam reforming) 및 부분 산화(Partial Oxidation)을 통해 수소기체와 저온의 열이 발생되고, 연료전지 스택에서는 전기 화학반응을 통해 전기 에너지와 고온의 열이 발생되는데, 개질기에서 발생되는 저온의 열은 대부분 대기중으로 방출할 뿐만 아니라 연료전지 스택에서 발생되는 고온의 열 일부만을 이용하여 발전하기 때문에 발전 효율이 저하되는 문제가 있다.
따라서, 본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위한 것으로, 연료전지 개질기에서 발생하는 저온열과 연료전지 스택에서 발생되는 고온열을 이용하여 발전 효율을 향상시킬 수 있는 연료 전지의 배열을 이용한 발전 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 외부로부터 공급되는 연료 및 물을 개질하여 수소기체를 생성하는 개질기; 상기 개질기에서 수소기체 생성시 발생되는 열을 회수하는 제1 배열 회수기; 외부로부터 공급받은 산소를 포함하는 기체와 상기 개질기로부터 공급되는 수소기체를 이용하여 전기 에너지를 생성하는 연료전지 스택; 상기 연료전지 스택에서 전기 에너지 생성시 발생되는 열을 회수하는 제2 배열 회수기; 상기 제1 배열 회수기에 의해 회수된 열과 상기 제2 배열 회수기에 의해 회수된 열을 혼합하여 중저온의 열로 변환시키는 열온 변환기; 상기 열온 변환기로부터을 열을 이용하여 작동 유체를 기화시키는 증발기; 상기 증발기를 통해 공급되는 증기의 작동 유체에 의해 회전되어 전기를 생성시키는 터빈 발전기; 상기 터빈 발전기를 통과한 작동 유체를 액체 상태로 응축시키는 응축기; 및 상기 액체 상태의 작동 유체를 상기 증발기로 이송시키는 이송펌프를 포함한다.
본 발명에 따르면, 상기 열온 변환기는, 상기 제1 배열 회수기에 의해 회수된 열의 온도, 상기 제2 배열 회수기에 의해 회수된 열의 온도 및 상기 열온 변환기에서 혼합된 혼합열의 온도를 검출하는 온도 센서; 상기 제1 배열 회수기와 상기 열온 변환기 사이에 설치된 제1 밸브; 상기 제2 배열 회수기와 상기 열온 변환기 사이에 설치된 제2 밸브; 및 상기 혼합열의 온도를 일정하게 유지시키기 위해 상기 제1 배열 회수기의 열 온도와 제2 배열 회수기의 열 온도에 따라 제1 배열 회수기 및 제2 배열 회수기로부터의 열 공급량이 조절되도록 상기 제1 밸브 및 제2 밸브의 동작을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 개질기에서 발생되는 저온열과 연료전지 스택에서 발생되는 고온열을 혼합한 혼합열을 이용하여 전력을 생산하기 때문에 고온열만을 사용한 발전 시스템에 비해 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 배열을 이용한 발전 시스템을 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시 예의 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다.
덧붙여, 명세서 전체에서 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우 이외에 그 중간에 다른 구성요소를 사이에 두고 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 "포함"한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 배열을 이용한 발전 시스템을 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 배열을 이용한 발전 시스템은 개질기(10), 제1 배열 회수기(32), 연료전지 스택(20), 제2 배열 회수기(34), 열온 변환기(40), 증발기(50), 터빈 발전기(60), 응축기(70) 및 이송펌프(80)를 포함한다.
개질기(10)는 외부로부터 공급되는 연료(예를 들면, 메탄올, 에탄올, LPG, 천연가스 등)와 물을 산화촉매반응과 개질촉매반응 등을 통해 수소가스를 추출한 후 추출된 수소가스를 연료전지 스택(20)으로 공급한다.
이렇게, 개질기(10)에서 수소가스가 추출될 때 개질기(10)에는 미량의 이산화탄소, 메탄가스, 일산화탄소 등의 개질가스와 촉매반응에 의한 열이 발생되는데, 연료전지 스택(20)에 유입될 경우 촉매반응에 악영향을 미칠수 있는 일산화탄소는 일산화탄소 제거기(도시하지 않음) 등을 이용하여 제거하고, 촉매반응 시 발생된 열은 제1 배열 회수기(32)를 통해 회수되어 열온 변환기(40)로 공급된다.
제1 배열 회수기(32)는 개질기(10)와 열연 변환기() 사이에 설치되어 개질기(10)에서 발생되는 열을 회수하여 열온 변환기(40)로 공급한다.
여기서, 제1 배열 회수기(32)에서 회수되는 열은 연료전지 스택(20)에서 회수되는 열에 비해 낮은 온도를 갖으므로 제1 배열 회수기(32)에서 회수되는 열을 저온열, 제2 배열 회수기(34)에서 회수되는 열을 고온열로 설명하기로 한다.
연료전지 스택(20)은 개질기(10)로부터 공급되는 수소가스와 외부로부터 공급되는 공기(즉, 산소)의 산화 및 환원반응으로 인해 전자들을 발생하고, 전자의 이동으로 전기 에너지를 생성하며, 이 과정에서 열 에너지가 발생한다.
이때, 발생되는 열 에너지는 제2 배열 회수기(34)를 통해 회수되어 열온 변환기(40)로 공급된다.
제2 배열 회수기(34)는 연료전지 스택(20)과 열온 변환기(40) 사이에 설치되어 연료전지 스택(20)에서 발생되는 고온열을 회수하여 열온 변환기(40)로 공급한다.
열온 변환기(40)는 제1 배열 회수기(32)에 의해 회수된 저온열과 제2 배열 회수기(34)에 의해 회수된 고온열을 혼합하여 90~95℃의 중저온 열로 변환시킨다. 이때, 열온 변환기(40)에서의 혼합열이 증발기(50)의 열원으로 사용된다.
이러한, 열온 변환기(40)는 제1 배열 회수기(32)에서 회수되는 저온열의 온도, 제2 배열 회구기()에서 회수되는 고온열의 온도 및 열온 변환기(40)에서 혼합된 혼합열의 온도를 검출하는 온도 센서(41), 제1 배열 회수기(32)로부터의 저온열 공급량을 조절하기 위해 제1 배열 회수기(32)와 열온 변환기(40) 사이에 설치된 제1 밸브(42), 제2 배열 회수기(34)로부터의 고온열 공급량을 조절하기 위해 제2 배열 회수기(34)와 열온 변환기(40) 사이에 설치된 제2 밸브(43) 및 열온 변환기(40)에서 혼합되는 혼합열의 온도를 일정하기 유지(또는 원하는 온도로 조절)시키기 위해 저온열의 온도와 고온열의 온도에 따라 저온열과 고온열의 공급량이 조절되도록 제1 밸브(42) 및 제2 밸브(43)의 동작을 제어하는 제어부를 포함한다.
이때, 제어부(44)는 혼합열의 온도에 따라 제1 밸브(42)와 제2 밸브(43)의 개방 정도를 모두 조절하거나 어느 하나의 밸브는 기존 상태를 유지하면서 나머지 밸브만 개방 정도를 조절할 수 있다.
다시 말해, 제어부(44)는 혼합열의 온도가 기준 온도보다 낮아질 경우 저온열의 공급량은 줄어들되 고온열의 공급량은 증가하도록 제1 밸브(42)는 기존 상태보다 더 잠긴 상태가 되도록 제어하되 제2 밸브(43)는 기존 상태보다 더 개방되도록 제어하거나 저온열의 공급량은 기존 상태를 유지하되 고온열의 공급량은 증가되도록 제1 밸브(42)는 기존 상태로 유지되고 제2 밸브(43)는 기존 상태보다 더 개방되게 제어할 수 있다.
이렇게 제어부(44)에서 저온열과 고온열의 공급량을 제어하여 혼합열의 온도를 조절하기 때문에 온도 변화에 따라 발전량이 불규칙해지는 것을 방지할 수 있게 된다.
증발기(50)는 열온 변환기(40)로부터의 열에너지를 이용하여 액체 상태의 작동 유체(냉매)를 기체로 기화시킨다.
터빈 발전기(60)는 증발기(50)에 의해 고온의 기체 상태로 변환된 작동 유체의 열에너지를 회전 운동에너지로 변환시켜 발전기를 구동시킴으로써 전력을 생산한다.
응축기(70)는 터빈 발전기(60)를 통과한 기체 상태의 작동 유체를 냉각수를 이용하여 액체 상태로 응축시킨 후 이송펌프(80)를 통해 다시 증발기(50)로 공급시킨다. 즉, 이송펌프(80)에 의해 작동 유체가 순환된다.
이와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 배열을 이용한 발전 시스템은 개질기(10)에서 발생되는 저온열과 연료전지 스택(20)에서 발생되는 고온열을 혼합한 혼합열을 이용하여 전력을 생산하기 때문에 고온열만을 사용한 발전 시스템에 비해 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 관해서 설명하였으나, 이는 본 발명의 가장 양호한 실시 예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형과 모방이 가능함은 물론이다. 따라서, 본 발명의 권리범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져선 안 되며, 후술하는 청구범위뿐만 아니라 이와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
10: 개질기
20: 연료전지 스택
32: 제1 배열 회수기 34: 제2 배열 회수기
40: 열온 변환기 41: 온도 센서
42: 제1 밸브 43: 제2 밸브
44: 제어부 50: 증발기
60: 터빈 발전기 70: 응축기
80: 이송펌프
32: 제1 배열 회수기 34: 제2 배열 회수기
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42: 제1 밸브 43: 제2 밸브
44: 제어부 50: 증발기
60: 터빈 발전기 70: 응축기
80: 이송펌프
Claims (2)
- 외부로부터 공급되는 연료 및 물을 개질하여 수소기체를 생성하는 개질기;
상기 개질기에서 수소기체 생성시 발생되는 열을 회수하는 제1 배열 회수기;
외부로부터 공급받은 산소를 포함하는 기체와 상기 개질기로부터 공급되는 수소기체를 이용하여 전기 에너지를 생성하는 연료전지 스택;
상기 연료전지 스택에서 전기 에너지 생성시 발생되는 열을 회수하는 제2 배열 회수기;
상기 제1 배열 회수기에 의해 회수된 열과 상기 제2 배열 회수기에 의해 회수된 열을 혼합하여 중저온의 열로 변환시키는 열온 변환기;
상기 열온 변환기로부터을 열을 이용하여 작동 유체를 기화시키는 증발기;
상기 증발기를 통해 공급되는 증기의 작동 유체에 의해 회전되어 전기를 생성시키는 터빈 발전기;
상기 터빈 발전기를 통과한 작동 유체를 액체 상태로 응축시키는 응축기; 및
상기 액체 상태의 작동 유체를 상기 증발기로 이송시키는 이송펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 배열을 이용한 발전 시스템. - 청구항 1에 있어서,
상기 열온 변환기는,
상기 제1 배열 회수기에 의해 회수된 열의 온도, 상기 제2 배열 회수기에 의해 회수된 열의 온도 및 상기 열온 변환기에서 혼합된 혼합열의 온도를 검출하는 온도 센서;
상기 제1 배열 회수기와 상기 열온 변환기 사이에 설치된 제1 밸브;
상기 제2 배열 회수기와 상기 열온 변환기 사이에 설치된 제2 밸브; 및
상기 혼합열의 온도를 일정하게 유지시키기 위해 상기 제1 배열 회수기의 열 온도와 제2 배열 회수기의 열 온도에 따라 제1 배열 회수기 및 제2 배열 회수기로부터의 열 공급량이 조절되도록 상기 제1 밸브 및 제2 밸브의 동작을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 배열을 이용한 발전 시스템.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100802800B1 (ko) | 2006-06-01 | 2008-02-12 | 엘에스전선 주식회사 | 연료전지 발전시스템 및 방법 |
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2022
- 2022-12-26 KR KR1020220184219A patent/KR20240102302A/ko unknown
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100802800B1 (ko) | 2006-06-01 | 2008-02-12 | 엘에스전선 주식회사 | 연료전지 발전시스템 및 방법 |
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