KR20040009655A

KR20040009655A - 자가 발전 시스템

Info

Publication number: KR20040009655A
Application number: KR1020020043666A
Authority: KR
Inventors: 고승태
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2002-07-24
Filing date: 2002-07-24
Publication date: 2004-01-31

Abstract

본 발명은 자가 발전 시스템에 관한 것으로서, 공급되는 연료로부터 수소를 생성하며 내부에 버너가 장착된 개질기와, 전해질막을 사이에 두고 양쪽에 각각 연료극과 공기극이 배치됨과 아울러 그 중 연료극에는 상기 개질기에서 발생된 수소 또는 수소를 함유한 연료가 공급되는 반면 공기극에는 산소 또는 산소를 함유한 산화제가 공급되어 수소와 산소의 전기 화학적 반응에 의해 전기와 열을 발생시키는 스택이 구비되어 구성된 연료전지를 이용한 자가 발전 시스템에 있어서, 상기 연료전지에는 상기 연료전지의 초기 구동 및 부하출력이 변동 시, 상기 연료전지의 구동에 필요한 전력을 공급하는 가동전력공급부와, 상기 가동전력공급부의 작동을 제어하는 컨트롤러가 가 구비되어 구성됨으로써, 자가 발전 시스템의 에너지 효율을 높일 수 있도록 한 것이다.

Description

자가 발전 시스템{NON-UTILITY GENERATOR SYSTEM}

본 발명은 자가 발전 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게 설명하면 연료전지의 초기구동 시, 및 부하출력이 변동될 시, 상기 연료전지의 가동에 필요한 전력을 공급하는 가동전력공급부를 장착하여 가동 효율을 높이는 자가 발전 시스템에 관한 것이다.

연료전지가 가동되어 생성된 전기를 충전하는 충전기를 장착하고, 그 충전기로 전력을 공급함으로써, 전력의 낭비 및 연료전지에 공급되는 연료의 낭비를 절감하는 자가 발전 시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.

일반적으로 자가 발전 시스템에 이용되는 연료전지는 연료가 가지고 있는 에너지를 전기적 에너지로 직접 변환시키는 장치로서, 통상 전해질을 사이에 두고 양극(anode)과, 음극(cathode)으로 된 한 쌍의 전극을 배치함과 아울러 그 중 양극(산화전극 또는 연료극)에는 수소 또는 수소를 함유하는 연료가스를 접촉시키는 반면 다른 한 쪽의 음극(환원전극 또는 공기극)에는 산소를 함유하는 산화가스를 접촉시키고 이 과정에서 이온화된 연료가스와 산화가스의 전기화학적 반응을 통해 전기와 열을 함께 얻는 시스템이다.

이러한 연료전지를 이용한 자가 발전 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이 가솔린이나 여타의 탄화수소(LNG, LPG, CH₃OH...)계열의 연료가 채워져 있는 연료탱크(1)와, 상기 연료탱크(1)에 연결되어 공급되는 연료로부터 수소를 만들어내는 개질기(reformer)(2)와, 상기 개질기(2)에 연결되어 상기 개질기(2)로부터 생성된 수소의 산화반응 및 별도로 공급되는 산소의 환원반응이 동시에 일어나면서 전기와 열이 함께 발생되는 스택(stack)(3)으로 이루어진 연료전지와, 상기 스택(3)에 연결되어 그 연료전지에서 얻어진 전기를 상용전기인 교류전기로 변환시키는 컨버터(4a) 및 인버터(4b)로 이루어진 전력변환기(4) 등이 구비되어 이루어진다.

도면중 미 설명 부호인 2a는 반응로, 2b는 버너, 3a는 전해질막, 3b는 연료극, 3c는 공기극, 6은 급수펌프, 7은 가습기이다.

상기와 같은 종래 구조의 연료전지를 이용하여 전기를 발생시키는 개략적인 과정은 다음과 같다.

즉, 상기 제어부(미도시)에 의해 상기 연료탱크(1)로부터 가솔린이나 탄화수소계열의 연료가 상기 개질기(2)의 반응로(2a)로 유입되고 나면, 그 반응로(2a)에 채워진 연료에 수증기 및 산소가 공급됨과 아울러 상기 개질기(2)의 버너(2b)가 동작하여 개질반응이 진행되고, 이 개질반응을 통해 생성되는 수소가 상기 스택(3)의 연료극(3b)으로 공급됨과 아울러 다른 한 쪽의 공기극(3c)으로는 산소(O₂)가 공급되어 상기 연료극(3b)에서는 산화반응이 또 공기극(3c)에서는 환원반응이 일어나게 되며, 이 과정에서 생성되는 전자가 상기 연료극(3b)에서 공기극(3c)으로 이동하면서 전기 와 열이 발생되고, 이 전기는 상기 전력변환기(4)를 거치면서 교류전기로 전환되어 각종 전기제품을 구동시키는데 사용된다.

또한, 상기 연료전지에 있어서는 상기 스택(3)의 전해질막(3a)이 건조해지면수소이온(H⁺)의 전도도가 떨어지게 되거나 전해질막(3a)이 수축되면서 막과 전극 사이의 접촉저항이 증가하게 되므로 상기 스택(3)으로의 수소 공급 시, 항상 물을 함께 공급하도록 한다.

그러나 상기와 같이 종래 구조로 이루어진 자가 발전 시스템은 연료전지의 초기구동 시, 및 부하출력이 변동될 시, 상기 연료전지의 가동조건이 변동되는 것에 대하여 신속하게 대응되지 못하여 자가 발전 시스템의 에너지 효율이 떨어지는 문제점이 발생될 수 있다.

상기와 같은 점을 감안하여 안출한 본 발명의 목적은 자가 발전 시스템에 장착된 연료전지의 초기구동 및 부하출력 변동 시, 신속하게 가동되도록 연료전지의 가동전력을 공급하여 에너지 효율을 높이는 가동전력공급부가 장착되어 구성된 자가 발전 시스템을 제공함에 있다.

도 1은 일반적인 연료전지를 이용한 자가 발전 시스템을 도시한 블록 다이어그램,

도 2는 본 발명의 일 실시예인 자가 발전 시스템을 도시한 블록 다이어그램,

도 3은 본 발명의 또 다른 실시예인 자가 발전 시스템을 도시한 블록 다이어그램,

도 4는 본 발명의 또 다른 실시예인 자가 발전 시스템의 일 부분을 도시한 블록 다이어그램.

**도면이 주요 부분에 대한 부호의 설명**

10 : 연료전지 11 : 연료탱크

12 : 개질기 12a : 반응로

12b : 버너 13 : 스택

13a : 전해질막 13b : 연료극

13c : 공기극 14 : 전력변환기

14a : 컨버터 14b : 인버터

16 : 급수펌프 17 : 가습기

20, 30 : 가동전력공급부 21, 31 : 컨트롤러

22 : 충전기 23, 33 : 제1공급선

23a, 33a : 제1스위치 24, 34 : 제2공급선

24a, 34a : 제2스위치 25, 35 : 제3공급선

25a, 35a : 제3스위치 26 : 제4공급선

26a : 제4스위치 32 : 상용전원공급기

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 자가 발전 시스템은 공급되는 연료로부터 수소를 생성하며 내부에 버너가 장착된 개질기와, 전해질막을 사이에 두고 양쪽에 각각 연료극과 공기극이 배치됨과 아울러 그 중 연료극에는 상기 개질기에서 발생된 수소 또는 수소를 함유한 연료가 공급되는 반면 공기극에는 산소 또는 산소를 함유한 산화제가 공급되어 수소와 산소의 전기화학적 반응에 의해 전기와 열을 발생시키는 스택이 구비되어 구성된 연료전지를 이용한 자가 발전 시스템에 있어서, 상기 연료전지에는 상기 연료전지의 초기 구동 및 부하출력이 변동 시,상기 연료전지의 구동에 필요한 전력을 공급하는 가동전력공급부와, 상기 가동전력공급부의 작동을 제어하는 컨트롤러가 가 구비되어 구성된다.

이하 본 발명의 일 실시예인 자가 발전 시스템을 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명의 일 실시예인 자가 발전 시스템을 도시한 블록 다이어그램으로써, 도 2에 도시한 바와 같이 자가 발전 시스템은 가솔린이나 여타의 탄화수소(LNG, LPG, CH₃OH...)계열의 연료가 채워져 있는 연료탱크(11)와, 상기 연료탱크(11)에 연결되어 공급되는 연료로부터 수소를 만들어 내는 개질기(reformer)(12)와, 상기 개질기(12)에 연결되어 상기 개질기(12)로부터 생성된 수소의 산화반응 및 별도로 공급되는 산소의 환원반응이 동시에 일어나면서 전기와 열이 함께 발생되는 스택(stack)(13)으로 이루어진 연료전지(10)와, 상기 스택(13)에 연결되어 그 연료전지(10)에서 얻어진 전기를 상용전기인 교류전기로 변환시키는 컨버터(14a) 및 인버터(14b)로 이루어진 전력변환기(14)와, 상기 연료전지(10)의 초기 구동 및 부하출력이 변동 시, 상기 연료전지(10)의 구동에 필요한 전력을 공급하는 가동전력공급부(20)와, 상기 가동전력공급부(20)의 작동을 제어하는 컨트롤러(21)가 구비되어 구성된다.

상기 개질기(12)는 내부에 반응로(12a) 및 버너(12b)가 장착되어 구성되고, 상기 스택(13)은 전해질막(13a)을 사이에 두고 그 양쪽에 각각 수소 또는 수소를 함유한 연료물질이 공급되는 연료극(또는 양극)(anode)(13b)과 산소를 함유하는 산화제가 공급되는 공기극(또는 음극)(cathode)(13c)이 배치되어 이루어진다.

상기 가동전력공급부(20)는 상기 전력변환기(14)의 컨버터(14a)에서 전력을 공급받아 충전되며, 충전 시, 상기 연료전지(10)를 가동시키는 가동 전력을 공급하거나, 인버터(14b)로 충전된 전력을 공급하는 충전기(22)와, 상기 컨버터(14a)에서 출력되는 전기를 상기 충전기(22)에 공급하는 제1공급선(23)에 장착되어 상기 컨트롤러(21)에 의해 개폐되는 제1스위치(23a)와, 상기 충전기(22)에 충전된 전기를 상기 연료전지(10)에 제공하는 제2공급선(24)에 장착되어 상기 컨트롤러(21)에 의해 개폐되는 제2스위치(24a)와, 상기 충전기(22)에 충전된 전기를 상기 인버터(14b)에 공급하는 제3공급선(25)에 장착되어 상기 컨트롤러(21)에 의해 개폐되는 제3스위치(25a)와, 상기 컨버터(14a)에서 출력되는 전기를 상기 연료전지(10)에 공급하는 제4공급선(26)에 장착되어 상기 컨트롤러(21)에 의해 개폐되는 제4스위치(26a)가 구비되어 구성된다.

도면중 미 설명 부호인 16은 급수펌프, 17은 가습기이다.

상기와 같이 구성된 연료전지를 이용한 자가 발전 시스템은 다음과 같은 작동 및 작용효과를 갖는다.

상기 연료탱크(11)로부터 공급되는 연료액이 물 및 공기와 혼합되어 상기 개질기(12)로 유입되고, 그 연료액의 일부는 상기 개질기(12)의 버너(12b)로 유입되어 연소되고, 나머지는 상기 반응로(12a)로 유입되어 탈황반응 및 개질반응 그리고 수소정제반응을 거치면서 수소를 발생시키게 되고, 이 수소는 상기 스택(13)의 연료극(13b)으로 공급되어 공기극(13c)으로 공급되는 산소와 함께 전기화학적 반응을 거치면서 전기와 열을 발생시키게 되며, 이 중 전기는 상기 컨버터(14a)에 의해 승압되고, 승압된 전기는 다시 상기 인버터(14b)에 의하여 가정용 교류전류로 변환되어 각각의 전기제품에 인가되면서 전원으로 사용되거나, 상기 연료전지(10)에 공급되어 연료전지(10)를 가동시킨다.

또한, 상기 컨버터(14a)에서 승압 된 전기는 상기 충전기(21)에 충전되고, 충전된 전기는 상황에 따라, 상기 연료전지(10)에 공급되어 초기구동 및 부하출력 변동 시, 상기 연료전지의 가동을 돕거나, 상기 인버터(14b)에 공급되어 각각의 전기제품에 인가되면서 전원으로 사용된다.

이때, 상기 컨트롤러(21)가 상기 스택(13)에서 상기 컨버터(14a)로 공급되는 공급측과, 상기 인버터(14b)에서 외부 전기제품으로 공급되는 공급측과, 상기 제4공급선(26)의 검출신호를 받고, 상기 제1스위치(23a), 제2스위치(24a), 제3스위치(25a), 및 제4스위치(26a)에 제어신호를 보내어 상기 전기의 흐름을 제어하는 것이다.

또한, 상기 연료전지(10)에 있어서는 상기 스택(13)의 전해질막(13a)이 건조해지면 수소이온(H⁺)의 전도도가 떨어지게 되거나 전해질막(13a)이 수축되면서 막과 전극 사이의 접촉저항이 증가하게 되므로 상기 스택(13)으로의 수소 공급 시, 항상 물을 함께 공급하도록 한다.

본 발명의 또 다른 실시예는 도 3에 도시한 바와 같이 상기 연료전지(10)와, 상기 연료전지(10)에서 얻어진 전기를 상용전기인 교류전기로 변환시키는 컨버터(14a) 및 인버터(14b)로 이루어진 전력변환기(14)와, 상기 연료전지(10)의 초기 구동 및 부하출력이 변동 시, 상기 연료전지(10)의 구동에 필요한 전력을 공급하는 가동전력공급부(30)와, 상기 가동전력공급부(30)의 작동을 제어하는 컨트롤러(31)가 구비되어 구성된다.

상기 가동전력공급부(30)는 상기 연료전지(10)의 초기 구동 및 부하출력 변동 시, 신속하게 가동되도록 전기를 추가 공급하는 상용전원공급기(32)와, 상기 상용전원공급기(32)의 전기를 상기 연료전지(10)에 제공하는 제1공급선(33)에 장착되어 상기 컨트롤러(31)에 의해 개폐되는 제1스위치(33a)와, 상기 상용전원공급기(32)의 전기를 상기 인버터(14b)에 공급하는 제2공급선(34)에 장착되어 상기 컨트롤러(31)에 의해 개폐되는 제2스위치(34a)와, 상기 컨버터(14a)에서 출력되는 전기를 상기 연료전지(10)에 공급하는 제3공급선(35)에 장착되어 상기 컨트롤러(31)에 의해 개폐되는 제3스위치(35a)가 구비되어 구성된다.

상기와 같이 구성된 연료전지를 이용한 자가발전 시스템은 상용전원공급기(32)에서 상기 연료전지(10)의 초기구동 및 부하출력변경 시에 필요한 전력을 추가 공급함으로써, 자가 발전 시스템의 에너지 효율을 높이는 것으로써, 이때 상기 연료전지(10)에 공급되는 전기는 교류전원이다.

마찬가지로 본 발명의 또 다른 실시예는 도 4에 도시한 바와 같이 상기 상용전원공급기(32)의 전기를 상기 연료전지(10)에 공급하는 제1공급선에 제2컨버터(37)를 추가로 장착하고, 그 외의 구성을 도 3에 도시된 본 발명의 또 다른 실시예를 도시한 블록 다이어그램과 동일하며, 이는 상기 연료전지(10) 내부의 시스템이 직류전원을 이용한 기기들로 구성될 시, 상기 상용전원공급기(32)에서 공급되는 교류전원을 직류전원으로 변환하여 공급하는 것이다.

이와 같이 본 발명에 의한 자가 발전 시스템은 연료전지에서 발생된 전기를 충전하여 전원을 공급하는 충전기 및 상용전원공급기 등을 장착하여 상기 연료전지의 초기구동 및 부하변동 시, 상기 연료전지의 가동에 필요한 전력을 공급하여 신속하게 대응함으로써, 자가 발전 시스템의 에너지 효율을 높일 수 있도록 한 것이다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 의한 자가 발전 시스템은 연료전지의 초기 구동 및 부하출력이 변동될 시, 자가 발전 시스템에 장착된 가동전력공급부에서 상기 연료전지의 구동에 필요한 전력을 공급함으로써, 신속하게 가동되어 자가 발전 시스템의 에너지 효율을 높이는 효과가 있다.

Claims

공급되는 연료로부터 수소를 생성하며 내부에 버너가 장착된 개질기와,

전해질막을 사이에 두고 양쪽에 각각 연료극과 공기극이 배치됨과 아울러 그 중 연료극에는 상기 개질기에서 발생된 수소 또는 수소를 함유한 연료가 공급되는 반면 공기극에는 산소 또는 산소를 함유한 산화제가 공급되어 수소와 산소의 전기 화학적 반응에 의해 전기와 열을 발생시키는 스택이 구비되어 구성된 연료전지를 이용한 자가 발전 시스템에 있어서,

상기 연료전지에는 상기 연료전지의 초기 구동 및 부하출력이 변동 시, 상기 연료전지의 구동에 필요한 전력을 공급하는 가동전력공급부와, 상기 가동전력공급부의 작동을 제어하는 컨트롤러가 가 구비되어 구성되는 것을 특징으로 하는 자가 발전 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 가동전력공급부는 상기 스택에서 생성된 전기를 승압하는 컨버터에서 전기를 공급받아 충전되고, 충전된 전기를 상기 연료전지에 공급하여 초기 구동 및 부하출력 변동 시, 상기 연료전지를 가동하는 충전기가 장착되어 구성되는 것을 특징으로 하는 자가 발전 시스템.
제 2항에 있어서, 상기 충전기는 상기 컨버터에서 공급받은 전기를 가정용 전원으로 변환하는 인버터에 공급되어 사용되는 것을 특징으로 하는 자가 발전 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 가동전력공급부는 상기 연료전지의 초기 구동 및 부하출력 변동 시, 신속하게 가동되도록 전기를 추가 공급하는 상용전원공급기가 구비되어 구성되는 것을 특징으로 하는 자가 발전 시스템.
제 4항에 있어서, 상기 가동전력공급부는 상기 연료전지에 교류전원을 공급하거나, 직류전원으로 변환하여 공급하는 것을 특징으로 하는 자가 발전 시스템.