KR101441489B1 - 연료 전지 시스템과 그 구동 방법 - Google Patents

Abstract

본 명세서는 연료 전지를 기저부하(Base Load)와 부하 추종(Load Following)으로 나누어 운영함으로써 안정적인 전력을 생산하고, 부하 추종 능력을 향상시키고, 연료 이용률과 에너지 효율을 동시에 높일 수 있는 연료 전지 시스템과 그 구동 방법에 관한 것으로서, 본 명세서의 실시예에 따른 연료 전지 시스템은, 연료를 이용하여 전력을 발생하는 용융탄산염 연료전지와; 상기 배출가스를 수성가스 전환하는 반응기와; 상기 수소 가스를 저장하는 버퍼 탱크와; 상기 버퍼 탱크로부터 공급되는 상기 저장된 수소 가스를 이용하여 구동하는 구동 장치를 포함할 수 있다.

Description

연료 전지 시스템과 그 구동 방법{FUEL CELL SYSTEM AND DRIVING METHOD THEREOF}

본 명세서는 연료 전지 시스템과 그 구동 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 연료전지는 수소와 산소를 이용하여 물과 전기를 생성하게 된다. 연료전지의 작동 원리는 애노드(Anode)에서 수소가 이온화되면서 전자를 발생하고, 그 발생한 전자는 중간의 전해질을 거쳐 캐소드(Cathode)로 이동하게 된다. 상기 전자가 이동하는 과정에서 전기 에너지가 발생한다. 수소와 공기가 반응해 물이 생성되는 이 반응은 발열 반응으로 전기에너지 외에도 열과 물을 얻을 수 있다.

반면, 연료전지의 연료로 쓰이는 수소는 그 자체로 얻기는 어렵기 때문에 수소화합물을 개질하여 이용한다. 즉, 연료전지의 연료로서 탄소와 수소의 화합물인 화석연료가 사용된다. 종래 기술에 따른 연료전지는 한국 특허 출원번호 10-2006-0117082에도 개시되어 있다.

본 명세서는 연료 전지를 기저부하(Base Load)와 부하 추종(Load Following)으로 나누어 운영함으로써 안정적인 전력을 생산하고, 부하 추종 능력을 향상시키고, 연료 이용률과 에너지 효율을 동시에 높일 수 있는 연료 전지 시스템과 그 구동 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 명세서의 실시예에 따른 연료 전지 시스템은, 연료를 이용하여 전력을 발생하는 용융탄산염 연료전지와; 상기 용융 탄산염 연료전지의 배출가스로부터 수성가스 전환을 하는 반응기와; 상기 수소 가스를 저장하는 버퍼 탱크와; 상기 버퍼 탱크로부터 공급되는 상기 저장된 수소 가스를 이용하여 구동하는 발전장치를 포함할 수 있다.

본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 발전장치는, 상기 버퍼 탱크에 저장된 수소 가스를 이용하여 전력을 발생하는 고분자 전해질막 연료전지일 수 있으며 본 명세서에는 고분자 전해질막 연료전지를 실시예로 하였다.

본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 용융탄산염 연료전지에 연결되고, 상기 배출 가스의 열을 회수하는 제1 배열회수기와; 상기 수성가스 전환 반응기와; 상기 수성가스 변환기와 버퍼 탱크 사이에서 응축 된 물을 제거하는 드레인 라인과; 상기 수성가스 전환 반응기의 배출가스로부터 열 회수를 하는 제2 배열회수기와; 상기 버퍼 탱크와 상기 고분자 전해질막 연료전지 사이에 연결되고, 상기 고분자 전해질막 연료전지에 공급되는 상기 연료의 양을 제어하는 연료 제어기와; 상기 수성가스 전환 반응기 및 상기 고분자 전해질막 연료전지에 각각 설치되고, 상기 수성가스 전환 반응기 및 상기 고분자 전해질막 연료전지 내의 가스 온도를 미리 설정된 온도로 유지하기 위한 온도 조절 장치를 더 포함할 수 있다.

본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 제어부는, 그리드에 연결된 계통 전력의 공급 및 수요 상태를 실시간 모니터링하고, 상기 모니터링 결과를 근거로 상기 계통 전력에 대하여 전력 공급이 부족하면, 상기 버퍼 탱크와 상기 고분자 전해질막 연료전지 사이에 연결된 상기 연료 제어기를 제어함으로써 상기 버퍼 탱크로부터 상기 고분자 전해질막 연료전지에 공급되는 연료의 양을 증가시키고, 상기 모니터링 결과를 근거로 상기 계통 전력에 대하여 전력 공급이 초과하면, 상기 버퍼 탱크와 상기 고분자 전해질막 연료전지 사이에 연결된 상기 연료 제어기를 제어함으로써 상기 버퍼 탱크로부터 상기 고분자 전해질막 연료전지에 공급되는 연료의 양을 감소 또는 차단시킬 수 있다.

본 명세서의 실시예에 따른 연료 전지 시스템은, 용융탄산염 연료전지와; 상기 용융탄산염 연료전지의 배출 가스를 선택적으로 공급하는 제1 및 제2 밸브와; 상기 제1 및 제2 밸브를 제어하는 제어부와; 상기 제1 밸브를 통해서 공급되는 상기 용융탄산염 연료전지의 배출 가스를 수성 가스 전환을 하는 　반응기와; 상기 수소 가스를 이용하여 구동하는 구동 장치와; 상기 제2 밸브를 통해서 공급되는 상기 용융탄산염 연료전지의 배출 가스를 산화시켜 열을 발생하는 산화기를 포함할 수 있다.

본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 산화기에 의해 발생한 열을 회수하는 배열회수장치를 더 포함할 수 있다.

본 명세서의 실시예에 따른 연료 전지 시스템과 그 구동 방법은, 연료 전지를 기저부하(Base Load)와 부하 추종(Load Following)으로 나누어 운영함으로써 안정적인 전력을 생산하고, 부하 추종 능력을 향상시키고, 연료 이용률과 에너지 효율을 동시에 높일 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 PEMFC 구동 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구동 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 나타낸 구성도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구동 방법을 나타낸 흐름도이다.

본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 본 명세서에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 기술적인 용어가 본 발명의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 잘못된 기술적 용어일 때에는, 당업자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대체되어 이해되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에서 사용되는 일반적인 용어는 사전에 정의되어 있는 바에 따라, 또는 전후 문맥상에 따라 해석되어야 하며, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.

또한, 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.

또한, 본 명세서에서 사용되는 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 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 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 발명의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 발명의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.

이하에서는, 고출력에 유리한 용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC)를 기저부하(Base Load)로 이용하고, 부하 추종(Load Following)에 유리한 고분자 전해질막 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)를 이용함으로써, 안정적인 전력을 생산하고, 부하 추종 능력을 향상시키고, 연료 이용률과 에너지 효율을 동시에 높일 수 있는 연료 전지 시스템 및 그 구동 방법을 도 1 내지 도 5를 참조하여 설명한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 나타낸 구성도이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템은, 용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC)(11)와; 상기 용융탄산염 연료전지(11)의 배출가스를 수성가스 전환을 하는 반응기(Water Gas Shift reactor, WGS)(13)와; 상기 수소 가스를 저장하는 버퍼 탱크(Buffer Tank)(16)와; 상기 버퍼 탱크(16)로부터 상기 수소 가스를 공급받는 고분자 전해질막 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)(18)(또는 수소 가스를 이용하는 구동하는 다양한 발전 장치)를 포함한다.

상기 용융탄산염 연료전지(11)의 배출가스는 상기 용융탄산염 연료전지(11)의 애노드 오프 가스(Anode Off Gas, AOG)(예를 들면, MCFC의 애노드 극과 캐소드 극 중에서 애노드 극에서 배출되는 가스)를 의미한다.

상기 MCFC(11)의 애노드 오프 가스는 일부 미반응된 연료(H2, NG는 극미량)와 기타 가스를 포함할 수 있다. 상기 수성가스 전환 반응기(13)는, 상기 미반응된 연료를 PEMFC(18)에서 재사용하도록, PEMFC(18)의 성능을 저하시키는 애노드 오프 가스에 포함된 일부 "CO"를 CO+H2O->CO2+H2 반응을 통해 제거한다.

본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템은, BOP(Balance Of Plant)(10), 제1 배열 회수기(배출 열 회수기)(12), 제2 배열 회수기(14), 드레인 라인(Drain Line)(15), 연료 제어기(또는 유량 조절기)(17), 온도 조절 장치(도시하지 않음)를 더 포함할 수 있다.

이하에서는, 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구성을 도 1을 참조하여 설명한다.

먼저, 상기 BOP(Balance Of Plant)(10)는 연료를 용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC)(11)에 공급한다. 상기 BOP(10)는 연료 전지(11)를 작동시키기 위한 주변 기기로서, 연료 전지(11)에 연료를 공급하는 펌프 등을 포함할 수 있다.

상기 MCFC(11)는 상기 제어부(19)의 제어 신호에 따라 상기 연료를 이용하여 전력을 생산한다. 상기 MCFC(11)로부터 배출되는 가스는 상기 MCFC(11)의 연료 이용률에 따라 미반응된 연료를 포함한다.

상기 MCFC(11)는 상기 배출가스를 제1 배열 회수기(12)에 출력한다.

상기 제1 배열 회수기(12)는 상기 배출 가스의 열을 회수하고, 그 열 회수 후 배출 된 가스를 수성가스 전환 반응기(13)에 출력한다.

상기 수성가스 전환 반응기(13)는 상기 열 회수 후 배출 된 가스를 수성가스 전환 반응을 통해 순도 높은 수소 가스를 발생시키고, 그 발생한 수소 가스를 버퍼 탱크(Buffer Tank)(16)에 출력한다.

본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템은 상기 수성가스 전환 반응기(13)와 상기 버퍼 탱크(16) 사이에 연결된 제2 배열 회수기(14)를 더 포함할 수 있으며, 상기 제2 배열 회수기(14)는 상기 수성가스 전환 반응기(13)로 부터 배출 된 가스의 열을 회수하고 상기 버퍼 탱크(16)에 출력할 수 있다.

본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템은 배열 회수에 따른 응축수를 배출하기 위한 드레인 라인(15)를 더 포함할 수 있다.

상기 버퍼 탱크(16)는 상기 수소 가스를 저장하고, 상기 제어부(19)의 제어 신호에 따라 상기 수소 가스를 연료로서 상기 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC)(18)에 출력한다. 상기 버퍼 탱크(16)는 상기 제어부(19)의 제어 신호에 따라 상기 수소 가스를 연로로서 상기 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC)(18)에 출력할 수도 있다.

상기 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC)(18)는 상기 제어부(19)의 제어 신호에 따라 상기 연료를 이용하여 전력을 생산한다.

본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템은 상기 버퍼 탱크(16)와 상기 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC)(18) 사이에 연결된 연료 제어기(17)를 더 포함할 수 있으며, 상기 연료 제어기(17)는 상기 제어부(19)의 제어 신호에 따라 상기 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC)(18)에 공급되는 연료의 양을 제어한다.

본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 수성가스 전환 반응기(13) 및 상기 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC)(18)에 각각 설치되고, 상기 수성가스 전환 반응기(13) 및 상기 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC)(18) 내의 가스 온도를 미리 설정된 온도로 유지하기 위한 온도 조절 장치(도시하지 않음)를 더 포함할 수 있다.

상기 제어부(19)는 상기 MCFC(11) 및 상기 PEMFC(18)에 의해 발생한 전력을 그리드(Grid)에 공급한다.

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 PEMFC 구동 방법을 나타낸 흐름도이다.

먼저, 상기 제어부(19)는 상기 그리드에 연결된 계통 전력의 수요 상태를 실시간 모니터링한다(S11).

상기 제어부(19)는 상기 모니터링 결과를 근거로 상기 계통 전력에 대하여 전력 공급이 부족하면(전력 수요가 MCFC(11)의 용량을 초과하면)(S12), 상기 버퍼 탱크(16)와 상기 PEMFC(18) 사이에 연결된 연료 제어기(17)를 제어함으로써 상기 버퍼 탱크(16)로부터 상기 PEMFC(18)에 공급되는 연료의 양을 증가시킨다(S13).

반면, 상기 제어부(19)는, 상기 계통 전력에 대하여 전력 공급이 초과하면, 상기 버퍼 탱크(16)와 상기 PEMFC(18) 사이에 연결된 연료 제어기(17)를 제어함으로써 상기 버퍼 탱크(16)로부터 상기 PEMFC(18)에 공급되는 연료의 양을 감소 또는 차단시킨다(S14).

상기 제어부(19)는 상기 PEMFC(18)의 부하 조정과, 전력 수요에 따라 부하를 제어한다.

도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구동 방법을 나타낸 흐름도이다.

먼저, 상기 제어부(19)는 기저부하(Base Load)인 상기 MCFC(11)를 정상 운전시킨다(S21). 예를 들면, 상기 MCFC(11)는 상기 제어부(19)의 제어 신호에 따라 전력을 상기 그리드에 공급한다.

상기 제어부(19)는 상기 그리드에 연결된 계통 전력의 수요 상태를 실시간 모니터링한다.

상기 제어부(19)는 상기 모니터링 결과를 근거로 상기 MCFC(11)의 발전량을 초과하는 전력 수요가 발생했는지를 판단한다(S22).

상기 제어부(19)는 상기 MCFC(11)의 발전량을 초과하는 전력 수요가 발생하면, 상기 버퍼 탱크(16)와 상기 PEMFC(18) 사이에 연결된 연료 제어기(17)를 제어하여 상기 버퍼 탱크(16)에 저장된 연료를 상기 PEMFC(18)에 공급함으로써 요구되는 전력을 발생한다(S23).

상기 제어부(19)는 상기 PEMFC(18)에 의해 발생한 전력을 상기 그리드에 공급하면서 상기 전력 수요가 상기 MCFC(11)의 발전량보다 이하이거나 동일한지를 판단한다(S24). 상기 제어부(19)는 상기 전력 수요가 상기 MCFC(11)의 발전량을 여전히 초과하면 상기 초과분에 대응하는 전력을 상기 PEMFC(18)를 통해 발생한다.

반면, 상기 제어부(19)는 상기 전력 수요가 상기 MCFC(11)의 발전량보다 이하이거나 동일하면, 상기 버퍼 탱크(16)와 상기 PEMFC(18) 사이에 연결된 연료 제어기(17)를 제어함으로써 상기 버퍼 탱크(16)로부터 상기 PEMFC(18)에 공급되는 연료의 양을 감소 또는 차단시킨다(S25).

따라서, 상기 제어부(19)는, 상기 MCFC(11)를 기저부하(Base Load)로 사용하며, 상기 PEMFC(18)를 전력 수요에 따른 부하 변동(Load Following)에 사용할 수 있다.

도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 나타낸 구성도이다.

도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템은, 용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC)(11)와; 상기 용융탄산염 연료전지(11)의 배출가스(exhaust gas)를 선택적으로 공급하는 제1 및 제2 밸브(21, 22)와; 상기 제1 및 제2 밸브(21, 22)를 제어하는 밸브 제어부(20)와; 상기 제1 밸브(21)를 통해서 공급되는 상기 용융탄산염 연료전지(11)의 배출가스를 수성가스 전환을 하는 반응기(13)와; 상기 수소 가스를 공급받는 고분자 전해질막 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)(18)와; 상기 제2 밸브(22)를 통해서 공급되는 상기 용융탄산염 연료전지(11)의 배출가스를 산화시켜 열을 발생하는 산화기(또는 촉매 연소기)(Oxidizer)(24)를 포함한다.

본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템은, BOP(Balance Of Plant)(10), 제1 배열 회수기(12), 제2 배열 회수기(14), 드레인 라인(15), 온도 조절 장치(도시하지 않음), 제3 배열 회수기(23), 제4 배열 회수기(25)를 더 포함할 수 있다.

이하에서는, 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구성을 도 4를 참조하여 설명한다.

먼저, 상기 BOP(Balance Of Plant)(10)는 연료를 용융탄산염 연료전지(11)에 공급한다. 상기 BOP(10)는 연료 전지(11)를 작동시키기 위한 주변 기기로서, 연료 전지(11)에 연료를 공급하는 펌프 등을 포함할 수 있다.

상기 MCFC(11)는 상기 제어부(19)의 제어 신호에 따라 상기 연료를 이용하여 전력을 생산한다. 상기 MCFC(11)로부터 배출되는 가스는 상기 MCFC(11)의 연료 이용률에 따라 미반응된 연료를 포함한다.

상기 제어부(19)는, 상기 계통 전력의 수요가 상기 MCFC(11)의 발전량을 초과하면 상기 제1 밸브(21)를 개방하기 위한 제1 제어 신호를 상기 밸브 제어부(20)에 출력하고, 상기 계통 전력의 수요가 상기 MCFC(11)의 발전량보다 이하이거나 동일하면 상기 제2 밸브(22)를 개방하기 위한 제2 제어 신호를 상기 밸브 제어부(20)에 출력한다.

상기 밸브 제어부(20)는 상기 제1 제어 신호에 따라 상기 제1 밸브(21)를 개방시키고, 상기 제2 제어 신호에 따라 상기 제2 밸브(22)를 개방시킨다.

상기 제1 배열 회수기(12)는 상기 제1 밸브(21)를 통해 공급되는 배출가스의 열을 회수 하고, 그 열 회수된 배출 가스를 수성가스 전환 반응기(13)에 출력한다.

상기 수성가스 전환 반응기(13)는 발생한 수소 가스를 제2 배열 회수기(14)에 출력한다. 상기 수성가스 전환 반응기(13)는 상기 열 회수 된 배출가스를 수성가스 전환 하는 반응기(Water Gas Shift reactor, WGS)일 수 있다.

상기 제2 배열 회수기(14)는 상기 수성가스 전환 반응기(13)에 의해 발생한 배출가스를 열 회수 한 후 배출가스를 상기 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC)(18)에 출력한다.

본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템은 드레인 라인(15)를 더 포함할 수 있다.

상기 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC)(18)는 상기 제어부(19)의 제어 신호에 따라 상기 연료(수소 가스 및 물)를 이용하여 전력을 발생한다.

본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 수성가스 전환 반응기(13) 및 상기 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC)(18)에 각각 설치되고, 상기 수성가스 전환 반응기(13) 및 상기 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC)(18) 내의 가스 온도를 미리 설정된 온도로 유지하기 위한 온도 조절 장치(도시하지 않음)를 더 포함할 수 있다.

상기 제어부(19)는 상기 MCFC(11) 및 상기 PEMFC(18)에 의해 발생한 전력을 그리드(Grid)에 공급한다.

상기 제3 배열 회수기(23)는 상기 제2 밸브(22)로부터 공급되는 상기 배출가스를 열 회수하고, 그 열 회수 된 배출가스를 상기 산화기(Oxidizer)(24)에 출력한다.

상기 산화기(Oxidizer)(24)는 상기 열 회수된 배출 가스를 산화시켜 열을 발생하고, 그 발생한 열을 제4 배열 회수기(25)에 출력한다. 상기 제4 배열 회수기(25)는 상기 발생한 열을 회수하는 열 회수기(Heat Recovery)로서 동작할 수 있다.

도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구동 방법을 나타낸 흐름도이다.

먼저, 상기 제어부(19)는 기저부하(Base Load)인 상기 MCFC(11)를 정상 운전시킨다(S31).

상기 제어부(19)는 상기 모니터링 결과를 근거로 상기 MCFC(11)의 발전량을 초과하는 전력 수요가 발생했는지를 판단한다(S32).

상기 제어부(19)는 상기 계통 전력의 수요가 상기 MCFC(11)의 발전량을 초과하면 상기 제1 밸브(21)를 개방하기 위한 제1 제어 신호를 상기 밸브 제어부(20)에 출력한다. 상기 제어부(19)는 "미리 계산된 요구되는 전력에 대응하는 배출가스의 양"을 근거로 상기 계통 전력에서 현재 요구되는 전력에 대응하는 배출가스가 상기 제1 배열 회수기(12)에 출력되도록 상기 제1 밸브(21)를 제어하기 위한 상기 제1 제어 신호를 상기 밸브 제어부(20)에 출력할 수도 있다.

상기 밸브 제어부(20)는 상기 제1 제어 신호를 근거로 상기 제1 밸브(21)를 개방하고, 상기 제1 밸브(21)는 상기 배출가스를 제1 배열 회수기(12)에 출력한다. 상기 제1 밸브(21)는 상기 밸브 제어부(20)의 제어 하에 상기 요구되는 전력에 대응하는 배출가스의 양을 상기 제1 배열 회수기(12)에 출력할 수 있다(S33).

상기 제1 배열 회수기(12)는 상기 배출가스를 열 회수하고, 상기 열 회수된 배출 가스를 상기 수성가스 전환 반응기(13)에 출력하고, 상기 수성가스 전환 반응기(13)는 상기 열 회수된 배출가스를 수성가스 전환 반응을 시키며, 상기 연료를 상기 제2 배열 회수기(14)를 통해 상기 PEMFC(18)에 출력한다(S34).

상기 PEMFC(18)는 상기 연료(수소 가스 및 물 포함)를 사용하여 요구되는 전력을 발생한다(S35).

상기 제어부(19)는 상기 PEMFC(18)에 의해 발생한 전력을 상기 그리드에 공급하면서 상기 전력 수요가 상기 MCFC(11)의 발전량보다 이하이거나 동일한지를 판단한다(S36). 상기 제어부(19)는 상기 전력 수요가 상기 MCFC(11)의 발전량을 여전히 초과하면 상기 초과분에 대응하는 전력을 상기 PEMFC(18)를 통해 발생한다.

반면, 상기 제어부(19)는 상기 전력 수요가 상기 MCFC(11)의 발전량보다 이하이거나 동일하면, 상기 제1 밸브(21)를 통해 공급되는 상기 MCFC(11)의 배출가스의 양을 감소 또는 차단시킨다(S37).

상기 제어부(19)는 상기 계통 전력의 수요가 상기 MCFC(11)의 발전량 이하이거나 동일하면, 상기 제 1밸브(21) 개도율을 감소 시키고 제2 밸브(22)를 개도율을 증가 시키기 위한 제2 제어 신호를 상기 밸브 제어부(20)에 출력한다.

상기 밸브 제어부(20)는 상기 제2 제어 신호를 근거로 상기 제2 밸브(22)의 개도율을 증가시키고, 상기 제2 밸브(22)는 상기 배출가스를 제3 배열 회수기(23)에 출력한다(S38).

상기 제3 배열 회수기(23)는 상기 제2 밸브(22)를 통해 출력되는 배출가스를 열을 회수하고, 상기 열 회수 된 배출가스를 상기 산화기(39)에 출력한다.

상기 산화기(39)는 상기 열 회수된 배출 가스를 산화시켜 열을 발생하고, 그 배출 가스를 상기 제4 배열 회수기(25)에 출력한다(S39). 상기 산화기(39)는 상기 MCFC(11)의 배출가스 내에 남은 연료를 태워 고온의 가스를 배출하며, 이는 배열회수에 유리한 양질의 폐열로 이용이 가능하다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템과 그 구동 방법은, 연료 전지를 기저부하(Base Load)와 부하 추종(Load Following)으로 나누어 운영함으로써 안정적인 전력을 생산하고, 부하 추종 능력을 향상시키고, 연료 이용률과 에너지 효율을 동시에 높일 수 있다.

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.

11: 용융탄산염 연료전지 13: 수성가스 전환 반응기와;
16: 버퍼 탱크 18: 고분자 전해질막 연료전지

Claims (12)

1. 연료를 이용하여 전력을 발생하고, 미사용된 연료를 포함하는 가스를 배출하는 용융탄산염 연료전지와;
   상기 배출되는 가스를 수성가스 전환하는 반응기와;
   상기 배출되는 가스를 저장하는 버퍼 탱크와;
   상기 배출가스의 연료를 이용하여 구동하는 발전 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 발전 장치는,
   상기 버퍼 탱크에 저장된 수소 가스를 이용하여 전력을 발생하는 고분자 전해질막 연료전지인 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
3. 제1항에 있어서,
   상기 용융탄산염 연료전지에 연결되고, 상기 배출가스를 열 회수 하는 제1 배열회수기와;
   상기 수성가스 전환 반응기의 배출가스의 열을 회수하는 제2 배열회수기와;
   상기 수성가스 전환 반응기와 버퍼 탱크 사이에서 응축수를 배출하는 드레인 라인을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
4. 제1항에 있어서,
   상기 버퍼 탱크와 상기 발전 장치 사이에 연결되고, 상기 발전 장치에 공급되는 상기 연료의 양을 제어하는 연료 제어기와;
   상기 수성가스 전환 반응기 및 상기 발전 장치에 각각 설치되고, 상기 수성가스 전환 반응기 및 상기 발전 장치 내의 가스 온도를 미리 설정된 온도로 유지하기 위한 온도 조절 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
5. 제1항에 있어서,
   상기 용융 탄산염 연료전지와 상기 배출가스의 연료를 이용하여 구동하는 발전 장치의 출력을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
6. 제5항에 있어서, 상기 제어부는,
   그리드에 연결된 계통 전력의 공급 및 수요 상태를 실시간 모니터링하고,
   상기 모니터링 결과를 근거로 상기 계통 전력에 대하여 전력 공급이 부족하면, 상기 버퍼 탱크와 상기 발전 장치 사이에 연결된 연료 제어기를 제어함으로써 상기 버퍼 탱크로부터 상기 발전 장치에 공급되는 연료의 양을 증가시키고,
   상기 모니터링 결과를 근거로 상기 계통 전력에 대하여 전력 공급이 초과하면, 상기 버퍼 탱크와 상기 발전 장치 사이에 연결된 연료 제어기를 제어함으로써 상기 버퍼 탱크로부터 상기 발전 장치에 공급되는 연료의 양을 감소 또는 차단시키는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
7. 용융탄산염 연료전지와;
   상기 용융탄산염 연료전지의 배출가스를 선택적으로 공급하는 제1 및 제2 밸브와;
   상기 제1 및 제2 밸브를 제어하는 제어부와;
   상기 제1 밸브를 통해서 공급되는 상기 용융탄산염 연료전지의 배출가스를 수성가스 전환하는 반응기와;
   상기 배출가스의 연료를 이용하여 구동 가능한 발전 장치와;
   상기 제2 밸브를 통해서 공급되는 상기 용융탄산염 연료전지의 배출가스를 산화시켜 열을 발생하는 산화기를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
8. 제7항에 있어서, 상기 발전 장치는,
   상기 수성가스 전환과 배열 회수 과정을 거친 배출가스를 이용하여 전력을 발생하는 고분자 전해질막 연료전지인 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
9. 제7항에 있어서, 상기 산화기에 의해 발생한 열을 회수하는 열 회수기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
10. 제7항에 있어서,
    상기 용융탄산염 연료전지에 연결되고, 상기 배출가스를 열 회수 하는 제1 배열회수기와;
    상기 수성가스 전환 반응기 배출가스의 열을 회수하는 제2 배열회수기를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
11. 제7항에 있어서, 상기 제어부는,
    그리드에 연결된 계통 전력의 공급 및 수요 상태를 실시간 모니터링하고, 상기 모니터링 결과를 근거로 상기 용융 탄산염 연료전지와, 상기 배출가스의 연료를 이용하여 구동 가능한 발전 장치의 출력을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
12. 제7항에 있어서,
    상기 제1 밸브 및 상기 제2 밸브에 연결된 밸브 제어부를 더 포함하며, 상기 제어부는,
    그리드에 연결된 계통 전력의 공급 및 수요 상태를 실시간 모니터링하고,
    상기 모니터링 결과를 근거로 상기 계통 전력에 대하여 전력 공급이 부족하면, 상기 밸브 제어부로 상기 제1 밸브 및 상기 제2 밸브를 제어함으로써 상기 발전 장치에 공급되는 연료의 양을 증가시키고,
    상기 모니터링 결과를 근거로 상기 계통 전력에 대하여 전력 공급이 초과하면, 상기 밸브 제어부로 상기 제1 밸브 및 상기 제2 밸브를 제어함으로써 상기 발전 장치에 공급되는 연료의 양을 감소 또는 차단시키는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.

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