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KR101568067B1 - 연료전지 하이브리드 시스템 - Google Patents

연료전지 하이브리드 시스템 Download PDF

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KR101568067B1
KR101568067B1 KR1020130158959A KR20130158959A KR101568067B1 KR 101568067 B1 KR101568067 B1 KR 101568067B1 KR 1020130158959 A KR1020130158959 A KR 1020130158959A KR 20130158959 A KR20130158959 A KR 20130158959A KR 101568067 B1 KR101568067 B1 KR 101568067B1
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fuel cell
heat
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organic rankine
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김병준
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Abstract

본 발명에 따른 연료전지 하이브리드 시스템은 연료전지로부터 배기되는 배기가스를 통해 연료전지로부터 폐열을 회수하는 연료전지 하이브리드 시스템에 관한 것으로서, 배기가스로부터 회수한 폐열을 통해 증기를 발생시켜 기계적 에너지를 생산하는 열기관, 배기가스로부터 회수한 폐열을 통해 작동유체를 가열시켜 전기 에너지를 생산하는 유기랭킨사이클 장치, 및 배기가스가 연료전지로부터 선택적으로 열기관이나 유기랭킨사이클 장치로 공급되도록 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

연료전지 하이브리드 시스템 {FUEL CELL HYBRID SYSTEM}
본 발명은 연료전지 하이브리드 시스템에 관한 것으로서, 연료전지로부터 배기되는 배기가스를 선택적으로 활용하여 연료전지의 작동온도가 저하된다 하더라도 계속적으로 전체 시스템의 효율을 향상시킬 수 있는 연료전지 하이브리드 시스템에 관한 것이다.
연료전지는 화학 에너지를 전기화학반응에 의해 전기 에너지로 변환시키는 장치이다. 용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell)나 고체산화물 연료전지 (Solid Oxide Fuel Cell)와 같은 고온형 연료전지가 대표적이다. 이와 같은 연료전지는 크게 연료전지 스택(Stack), MBOP(Mechanical Balance of Plant), 및 EBOP(Electrical Balance of Plant)로 구성된다. 여기서 연료전지 스택은 연료(수소)를 공급받는 연료극과 공기(산소)를 공급받는 공기극을 구비하여 전기화학반응으로 전기를 생산하는 구성이고, MBOP는 연료전지 스택의 연료극과 공기극으로 수소와 공기를 공급하는 구성이며, EBOP는 연료전지 스택에서 생산한 직류전기를 교류전기로 변환 하는 구성이다.
그런데 연료전지는 전기를 생산하는 동시에 열도 생산한다. 이와 같은 열을 활용하는 방법에 따라 전체 시스템의 효율은 크게 달라질 수 있다. 이에 따라 이와 같은 열을 활용하는 방법이 다양하게 개시되고 있다. 그러나 연료전지는 사용될수록 작동온도가 저하될 수 있는데, 현재 이와 같은 점이 고려되지 않고 있다는 한계가 있다. 즉, 연료전지의 작동온도가 저하되면, 연료전지를 포함한 전체 시스템이 정상적으로 작동하기 어려울 수 있는데, 종래에 이와 같은 점이 충분히 고려되고 있지 못하다는 문제가 있다.
따라서 본 발명은 위와 같은 문제들을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 과제는 연료전지로부터 배기되는 배기가스를 선택적으로 활용하여 연료전지의 작동온도가 저하된다 하더라도 계속적으로 전체 시스템의 효율을 향상시킬 수 있는 연료전지 하이브리드 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 연료전지 하이브리드 시스템은 연료전지로부터 배기되는 배기가스를 통해 연료전지로부터 폐열을 회수하는 연료전지 하이브리드 시스템에 관한 것으로서, 배기가스로부터 회수한 폐열을 통해 증기를 발생시켜 기계적 에너지를 생산하는 열기관, 배기가스로부터 회수한 폐열을 통해 작동유체를 가열시켜 전기 에너지를 생산하는 유기랭킨사이클 장치, 및 배기가스가 연료전지로부터 선택적으로 열기관이나 유기랭킨사이클 장치로 공급되도록 제어하는 제어부를 포함한다.
본 발명에 따른 연료전지 하이브리드 시스템은 연료전지에서 배기되는 배기가스가 연료전지로부터 선택적으로 열기관이나 유기랭킨사이클 장치로 공급된다는 점에 기본적인 특징이 있다. 따라서 본 발명에 따른 연료전지 하이브리드 시스템은 연료전지로부터 폐열을 회수하여 열기관이나 유기랭킨사이클 장치를 작동시키기 때문에, 전체 시스템의 효율이 매우 우수할 뿐만 아니라, 연료전지의 작동온도가 저하되어 배기가스의 온도가 낮아진다 하더라도, 배기가스의 온도에 따라 적절하게 열기관이나 유기랭킨사이클 장치를 작동시키기 때문에, 불필요하게 열기관이나 유기랭킨사이클 장치를 작동시키지 않아 매우 효율적이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 하이브리드 시스템을 도시하고 있는 블록도
이하에서는 첨부의 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명이 이하의 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 하이브리드 시스템을 도시하고 있는 블록도이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 하이브리드 시스템은 연료전지(110)로부터 배기되는 배기가스를 통해 연료전지(110)로부터 폐열을 회수하는 연료전지 하이브리드 시스템에 관한 것으로서, 도 1에서 도시하고 있는 것과 같이 열기관(120), 유기랭킨사이클 장치(130) 및 제어부(미도시)를 포함한다.
먼저 연료전지(110)에 대해 살펴본다. 연료전지(110)는 화학 에너지를 전기화학반응에 의해 전기 에너지로 변환시키는 장치이다. 용융탄산염 연료전지 (Molten Carbonate Fuel Cell)나 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell)와 같은 고온형 연료전지가 대표적이다. 이와 같은 연료전지(110)는 반응을 위해 연료극 (111)으로 수소를 공급받을 필요가 있고, 공기극(112)으로 공기(산소)를 공급받을 필요가 있다.
보다 구체적으로 연료전지(110)의 연료극(111)으로 공급되는 수소는 통상 메탄(CH4)과 같은 탄화수소를 개질하여 얻을 수 있다. (이와 같은 탄화수소는 통상 천연가스로부터 공급된다.) 이때 기상의 물이 필요하다. 그리고 연료전지(110)의 공기극(112)으로 공급되는 공기는 대기로부터 얻을 수 있다. 이때 공기는 가열될 필요가 있다. 이를 위해 촉매연소기(115)가 사용될 수 있다. 연료극(111)으로부터 배기되는 연료극 배기가스는 연료극(111)에서 반응되지 않은 채로 배기되는 연료를 포함할 수 있다. 촉매연소기(115)는 이를 이용하여 공기를 가열한다.
그런데 용융탄산염 연료전지는 작동온도가 약 650℃이고, 고체산화물 연료 전지는 작동온도가 약 800℃이다. 따라서 고온형 연료전지로부터 배기되는 배기 가스는 매우 높은 온도를 가진다. 이와 같은 배기가스를 활용하면, 즉 배기가스를 통해 연료전지(110)로부터 폐열을 회수하면 전체 시스템의 효율을 매우 향상시킬 수 있다. 이를 위해 본 실시예에서 연료전지 하이브리드 시스템은 열기관(120)과 유기랭킨사이클 장치(130)를 포함한다. 참고로, 본 실시예에서 연료전지 하이브리드 시스템은 공기극(112)으로부터 배기되는 공기극 배기가스를 활용한다.
열기관(120)은 배기가스로부터 회수한 폐열을 통해 증기를 발생시켜 기계적 에너지를 생산한다. 이와 같이 증기를 발생시키기 위해 열기관(120)은 열교환기 (121)를 포함한다. 열교환기(121)는 액상의 물을 연료전지(110)로부터 배기되는 배기가스와 열교환시켜 기상의 물, 즉 증기를 생성한다. 여기서 증기는 고온 및 고압으로 생성된다. 이와 같은 증기를 통해 열기관(120)은 기계적 에너지를 생성하거나, 이를 통해 전기 에너지를 생성할 수 있다.
즉, 열기관(120)은 증기로 작동하는 증기터빈(126)을 포함하여 기계적 에너지를 생성하거나, 또는 증기터빈(126)과 증기터빈(126)에 연계된 발전기(126)를 포함하여 전기 에너지를 생성할 수 있다. 참고로, 증기는 증기터빈(122)을 거친 다음에 응축기(123)를 거치면서 다시 액상의 물로 상변화된다. 그런 다음에 펌프 (124)를 통해 다시 열교환기(121)로 압송(壓送)된다.
유기랭킨사이클(Organic Rankine Cycle, ORC) 장치는 중저온의 폐열을 동력으로 회수하여 터빈을 작동시키는 장치를 말한다. 이와 같은 유기랭킨사이클 장치(130)는 작동유체로서 물보다 비등점은 낮으나 증기압은 높은 유기매체를 이용한다는 점에 특징이 있다.
본 실시예에서 유기랭킨사이클 장치(130)는 연료전지(110)로부터 배기되는 배기가스와의 열교환을 통해 작동유체를 가열시키는 제1 열교환기(131), 제1 열교환기(131)를 통해 가열된 작동유체를 팽창시켜 기계적 에너지를 발생시키는 팽창터빈(132), 팽창터빈(132)으로부터 배출되는 작동유체를 응축시키는 응축기(133), 및 응축기(133)로부터 배출되는 작동유체를 압송하는 펌프(134)를 포함한다.
여기서 팽창터빈(132)에서 발생된 기계적 에너지는 발전기(136)를 구동시켜 전기 에너지를 생성시킬 수 있다. 그런데 본 실시예에서 유기랭킨사이클 장치(130)는 전체 시스템의 효율을 보다 높이기 위해 제2 열교환기(138)를 포함할 수 있다. 제2 열교환기(138)는 펌프(134)로부터 배출되는 작동유체와 팽창터빈(132)으로부터 배출되는 작동유체를 서로 열교환시킨다.
한편, 본 실시예에서 하이브리드 시스템은 연료전지(110)로부터 배기되는 배기가스가 연료전지(110)로부터 선택적으로 열기관(120)이나 유기랭킨사이클 장치(130)로 공급되도록 제어하는 제어부(미도시)를 포함한다. 보다 구체적으로 제어부는 연료전지(110)로부터 배기되는 배기가스의 온도에 따라 배기가스가 열기관(120)이나 유기랭킨사이클 장치(130)로 공급되도록 제어할 수 있다. 이와 같은 제어를 위해 유로를 전환하는 밸브(141)가 설치될 수 있다.
증기터빈과 같은 열기관(120)은 통상적으로 400℃ 이상에서 작동한다. 이에 반해 유기랭킨사이클 장치(130)는 이보다 낮은 온도에서 작동한다. 그런데 고온형 연료전지는 사용될수록 작동온도가 저하될 수 있다. 따라서 연료전지(110)의 배기가스가 예를 들어 400℃ 이하로 떨어졌을 때, 연료전지(110)의 배기가스를 열기관(120)의 열교환기(121)로 공급한다 하더라도, 열기관(120)은 정상적으로 작동하지 못할 수 있다. 그러나 이때라도 연료전지(110)의 배기가스는 유기랭킨 사이클 장치(130)의 제1 열교환기(131)로 공급되어 유기랭킨사이클 장치(130)를 정상적으로 작동시킬 수 있다.
따라서 제어부는 배기가스의 온도가 기준 온도(예를 들어, 400℃) 이상이면 배기가스를 열기관(120)으로 공급하고, 이와 다르게 배기가스의 온도가 기준 온도 미만이면 배기가스를 유기랭킨사이클 장치(130)로 공급하는 것이 바람직하다. 이와 같이 제어하면, 고온형 연료전지의 작동온도가 저하되어 연료전지(110)의 배기가스로 열기관(120)을 작동시키지 못할 때도, 연료전지(110)의 배기가스로 유기랭킨사이클 장치(130)를 작동시킬 수 있기 때문에, 고온형 연료전지의 작동온도에 상관없이 전체 시스템의 효율을 계속 향상시킬 수 있다. 참고로, 유기랭킨사이클 장치(130)는 배기가스가 약 100℃라도 작동 가능하다.
그런데 배기가스가 충분하게 높은 온도를 가진다면 열기관(120)뿐만 아니라 유기랭킨사이클 장치(130)도 함께 작동시킬 수 있다. 이때 열기관(120)이 더 높은 온도에서 작동하므로 연료전지(110)의 배기가스를 먼저 열기관(120)에 공급한 다음에 유기랭킨사이클 장치(130)에 공급하는 것이 바람직하다. 즉, 배기가스가 충분하게 높은 온도를 가져서 열기관(120)으로 먼저 공급될 경우, 배기가스는 열기관(120)을 거친 다음에 유기랭킨사이클 장치(130)로 공급되는 것이 바람직하다.
그러나 배기가스가 충분하게 높은 온도를 갖지 않는다면, 배기가스는 열기관(120)을 거친 다음에 그대로 배기되는 것이 바람직하다. 열기관(120)을 거치면서 배기가스는 온도가 저하될 것이므로 그 배기가스로 유기랭킨사이클 장치(130)를 작동시키기 어려울 수도 있기 때문이다. 따라서 배기가스가 열기관(120)으로 먼저 공급될 경우, 열기관(120)을 거친 배기가스의 온도에 따라 또는 열기관(120)으로 공급될 배기가스의 온도에 따라, 배기가스는 열기관(120)을 거친 다음에 선택적으로 유기랭킨사이클 장치(130)로 공급되거나, 또는 외부로 배기될 수 있다. 이를 위해 유로를 전환하는 밸브(142)가 설치될 수 있다.
본 실시예에 따른 연료전지 하이브리드 시스템은 배기가스가 연료전지 (110)로부터 선택적으로 열기관(120)이나 유기랭킨사이클 장치(130)로 공급된다는 점에 기본적인 특징이 있다. 따라서 본 실시예에 따른 연료전지 하이브리드 시스템은 연료전지(110)로부터 폐열을 회수하여 열기관(120)이나 유기랭킨사이클 장치(130)를 작동시키기 때문에, 전체 시스템의 효율이 매우 우수할 뿐만 아니라, 연료전지 (110)의 작동온도가 저하되어 배기가스의 온도가 낮아진다 하더라도, 배기가스의 온도에 따라 적절하게 열기관(120)이나 유기랭킨사이클 장치(130)를 작동시키기 때문에, 불필요하게 열기관(120)이나 유기랭킨사이클 장치(130)를 작동시키지 않아 매우 효율적이다.
본 실시예에서 배기가스의 온도가 가장 높을 경우 배기가스를 통해 열기관(120)을 작동시킨 다음에 유기랭킨사이클 장치(130)를 작동시킬 수 있을 것이고, 배기가스의 온도가 다음으로 높을 경우 배기가스를 통해 열기관(120)을 작동시킨 다음에 그대로 배기가스를 외부로 배기시킬 수 있을 것이며, 마지막으로 배기가스의 온도가 가장 낮을 경우 배기가스를 통해 유기랭킨사이클 장치(130)를 작동시킬 수 있을 것이다. 이와 같이 배기가스의 온도에 따라 열기관(120)이나 유기랭킨사이클 장치(130)를 작동시키기 때문에 본 실시예에 따른 연료전지 하이브리드 시스템은, 연료전지(110)의 작동온도가 저하된다 하더라도, 전체 시스템의 효율을 계속 우수하게 유지시킬 수 있다.
참고로, 연료전지(110)로부터 배기가스가 그대로 배기되기 않고 열기관 (120)의 열교환기(121)나 유기랭킨사이클 장치(130)의 제1 열교환기(131)를 거칠 경우 연료전지(110)의 안정성이 향상될 수 있다. 연료전지(110)는 작동압력이 매우 중요한데, 배기가스가 열기관(120)의 열교환기(121)나 유기랭킨사이클 장치(130)의 제1 열교환기(131)를 거칠 경우 연료전지(110)가 일정한 압력분포를 유지할 수 있기 때문이다.
110: 연료전지 111: 연료극
112: 공기극 115: 촉매연소기
120: 열기관 121: 열교환기
122: 증기터빈 123: 응축기
124: 펌프 126: 발전기
130: 유기랭킨사이클 장치 131: 제1 열교환기
132: 팽창터빈 133: 응축기
134: 펌프 136: 발전기
138: 제2 열교환기 141: 밸브
142: 밸브

Claims (10)

  1. 연료전지로부터 배기되는 배기가스를 통해 상기 연료전지로부터 폐열을 회수하는 연료전지 하이브리드 시스템에 있어서,
    상기 배기가스로부터 회수한 폐열을 통해 증기를 발생시켜 기계적 에너지를 생산하는 열기관;
    상기 배기가스로부터 회수한 폐열을 통해 작동유체를 가열시켜 전기 에너지를 생산하는 유기랭킨사이클 장치; 및
    상기 배기가스가 상기 연료전지로부터 선택적으로 상기 열기관이나 상기 유기랭킨사이클 장치로 공급되도록 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는 상기 배기가스의 온도가 기준 온도 이상이면 상기 배기가스를 상기 열기관으로 공급하고, 상기 배기가스의 온도가 상기 기준 온도 미만이면 상기 배기가스를 상기 유기랭킨사이클 장치로 선택적으로 공급하는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 배기가스가 상기 열기관으로 먼저 공급될 경우 상기 배기가스는 상기 열기관을 거친 다음에 상기 유기랭킨사이클 장치로 공급되는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 배기가스가 상기 열기관으로 먼저 공급될 경우 상기 배기가스는 상기 열기관을 거친 다음에 선택적으로 상기 유기랭킨사이클 장치로 공급되거나, 또는 외부로 배기되는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 열기관은 상기 배기가스와의 열교환을 통해 상기 증기를 발생시키는 열교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 시스템.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 열기관은 상기 증기로 작동하는 증기터빈이나, 상기 증기터빈과 상기 증기터빈에 연계된 발전기를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 시스템.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 유기랭킨사이클 장치는 상기 배기가스와의 열교환을 통해 작동유체를 가열시키는 제1 열교환기, 상기 제1 열교환기를 통해 가열된 작동유체를 팽창시켜 기계적 에너지를 발생시키는 팽창터빈, 상기 팽창터빈으로부터 배출되는 작동유체를 응축시키는 응축기, 및 상기 응축기로부터 배출되는 작동유체를 압송(壓送)하는 펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 시스템.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 유기랭킨사이클 장치는 상기 펌프로부터 배출되는 작동유체와 상기 팽창터빈으로부터 배출되는 작동유체를 열교환시키는 제2 열교환기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 시스템.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 연료전지는 고온형 연료전지인 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 시스템.
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