KR20040021534A - 연료 전지를 구비하고 공중 전력망과 접속되는 난방 시스템 - Google Patents

연료 전지를 구비하고 공중 전력망과 접속되는 난방 시스템 Download PDF

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KR20040021534A
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술저 헥시스 악티엔게젤샤프트
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Abstract

연료 전지(11)를 구비한 난방 시스템은 공중 전력망(50)과 접속된다. 이러한 시스템에서 열 에너지 및 전기 에너지를 생성하도록 메인 가스 밸브를 통해 기체 형태로 상기 연료 전지에 연료(B)가 공급될 수 있다. 상기 메인 가스 밸브는 제어부를 가져서 전류 공급이 중단되었을 때 자동으로 작동을 차단시킨다. 상기 공중 전력망에 상기 전기 에너지의 적어도 일부분을 전송하고 상기 공중망으로부터의 전기 에너지에 의해 작동될 수 있는 난방 회로에 상기 열 에너지를 공급할 수 있다. 상기 연료 전지의 직류를 교류로 변환할 수 있는 인버터(4)는 2가지 작동 상태, 즉 상기 공중 전력망으로 공급되는 상태 및 상기 시스템의 지역망(island network)으로 공급되는 상태로 작동될 수 있다. 상기 공중 전력망의 전력 중단에 대비한 수단이 제공됨으로써 예를 들어 갈바니 배터리(galvanic batteries)에 의한 보조 없이도 단시간의 정비만으로, 최우선인 상기 연료 전지로의 연료 공급과 같은 상기 난방 시스템의 필요한 기능이 보장된다. 또한, 제어부 및 회로가 제공됨으로써 상기 난방 시스템의 최소한 요구되는 기능이 상기 연료 전지로부터의 전기 에너지에 의해 유지되도록 지속될 수 있다.

Description

연료 전지를 구비하고 공중 전력망과 접속되는 난방 시스템{A SPACE HEATING SYSTEM WITH FUEL CELLS AND A CONNECTION TO A PUBLIC ELECTRICAL NETWORK}
본 발명은 청구범위 제1항의 전제부에 따른 연료 전지를 구비하고 공중 전력망과 접속되는 난방 시스템에 관한 것이며, 상기 난방 시스템의 작동 방법에 관한 것이기도 하다.
EP-A-1 205 993에는 고온 연료 전지에 의해 수소 및 일산화탄소를 함유하는 혼합 기체로부터 열 에너지 및 전기 에너지가 재생되어 이용될 수 있는 난방 시스템이 공지되어 있다. 여기에 기재된 소정의 제어 방법에 의해 상기 난방 시스템의 신뢰적이고 안전한 조작이 보장된다. 상기 열 에너지는 급탕 및/또는 난방에 이용될 수 있다. 상기 전기 에너지는 센서 및 액추에이터의 동작에 이용될 수 있다(예를 들어 펌프의 작동). 이러한 형태의 잉여 에너지는 공중망(public network)에공급될 수도 있다. 혼합 기체는 연료 전지의 상류에 배열되는 메인 가스 밸브를 통과한다. 상기 밸브의 제어는 밸브 제어에 필요한 전류가 중단될 때에는 밸브가 폐쇄되고 따라서 연료 전지의 에너지 전달 작동이 정지되도록 설계된다. 중단 기간이 길어지면 연료 전지가 냉각된다. 작동 중단은 냉각 및 재가열에 의한 열 순환이 상기 전지의 전기화학적으로 동작하는 부품의 수명을 단축시켜, 연료 전지에 손상을 주게 된다. 그러므로 공중망에서의 전력 중단은 연료 전지의 불필요한 수명 단축을 야기한다. 예를 들어 갈바니 배터리(galvanic batteries) 또는 비상 발전기를 이용하면, 전력이 중단된 네트워크 상에, 필요하다면 난방 시스템의 작동이 유지될 수 있다. 그러나 이러한 보조 방법은 비용 증가뿐만 아니라 배터리의 재충전이나 교체와 같은 정기적인 유지보수를 필요로 한다.
본 발명의 목적은, 예방 방법이 설치됨으로써, 공중망이 정전되었을 때 시스템의 작동이 계속될 수 있되, 이러한 예방 방법은 유지보수 노력과 관련되는 종류의 보조 방법이 아닌 난방 시스템을 제공하는 것이다.
도 1은 난방 시스템의 일부분을 나타내는 개략도이다.
도 2는 작동 중단을 방지하기 위한 방법이 실현되는 전체적인 난방 시스템을 나타내는 도면이다.
연료 전지를 구비한 난방 시스템은 공중 전력망과 접속된다. 이러한 시스템에서, 연료는 기체 형태로 메인 가스 밸브를 통해 연료 전지에 공급되어 열 에너지 및 전기 에너지를 생성하도록 한다. 메인 가스 밸브는 전류의 공급이 중단될 때 자동으로 차단되도록 제어된다. 상기 시스템에서는 전기 에너지의 적어도 일부분이 공중망으로 공급되고 열 에너지가 난방 회로로 방출될 가능성이 존재하며, 상기가열 회로 또한 공중망으로부터의 전기 에너지에 의해 작동될 수 있다. 연료 전지의 직류는 인버터에 의해 교류로 변환되어 2가지 작동 모드로 작동될 수 있다. 작동 모드의 한 가지는 공중망으로 공급하는 것이고, 다른 한 가지는 시스템의 지역망(island network)에 공급하는 것이다. 공중망의 전력 중단에 대비한 수단이 제공됨으로써 예를 들어 갈바니 배터리의 보조 없이도, 최우선인 연료 전지로의 연료 공급과 같은 난방 시스템에 필요한 기능의 단시간 유지가 보장된다. 또한, 제어 및 회로가 제공됨으로써 연료 전지로부터의 전기 에너지에 의해 난방 시스템의 최소한 필요 기능이 유지되도록 지속될 수 있다.
종속항인 제2항 내지 제5항은 본 발명에 따른 난방 시스템의 바람직한 실시예에 관한 것이다. 제6항 내지 제10항은 본 발명에 따른 시스템 작동 방법에 관한 것이다.
이하에서 첨부도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
도 1은 도 2에 나타낸 난방 시스템의 일부분인 부분 시스템(100)을 구체적으로 나타내는 것으로, 전술한 EP-A-1 205 993의 여러 변형을 참조한 것이다. 부분 시스템(100)은, 연속하여 접속된 연료 전지의 적층(11)을 가지며 2가지의 기체 추출물(A 및 B)에 의해 전기 에너지(전압 U) 및 고온의 배기 가스가 생성되는 연료 전지 배터리(10)를 포함한다. 전기 에너지는 2개의 전극(12a, 12b)을 통해 난방 시스템의 다른 부분으로 전달된다. 상기 다른 부분은 도 2에 나타내었으며, 2개의 전극(12a, 12b)은 하나의 단일 단자 포인트인 전기 출력부(12)로 나타내었다. 추출물(A 및 B)은 라인(1, 2) 및 입력부(13a, 13b) 각각을 통해 배터리(10)에 공급된다. 고온의 배기 가스는 배출부(13c)에 있는 팬(16)에 의해 흡입되어 라인(3) 및 열교환기(15)를 통과하여 이송된다. 냉각된 배기 가스(C)는 외부로 배출된다. 배기 가스를 흡입하는 팬(15)은 안전을 이유로 배터리(10)의 하류에 배열된다. 이러한 흡입 부재는 배터리(10)의 상류에 배치되는 팬으로 교체될 수도 있지만, 연료 전지의 작동 중에 과도한 압력을 일으킬 수 있다.
열교환기(15)에 의해 고온의 배기 가스로부터 재생되는 폐열은 펌프(17')에 의해 회로(17)를 통해 열전달 매체(바람직하게는 물)에 의해 축열기(18)로 전달된다. 폐열은 펌프(19')에 의해 제2 회로(19)를 통해 축열기(18)로부터 건물의 라디에이터와 같은 방열기(20)로 공급될 수 있다. 2개의 난방 회로, 즉 회로(17) 및 회로(19)는 이하에서 각각 "생성기 회로" 및 "방열기 회로"로 호칭되며, 계속해서 참조 부호 17 및 19로 표시한다.
추출물(A)은 일반적으로 외부로부터 흡입되는 공기이다. 추출물(B)은 기체 또는 기체 형태로 투입되는 연료이다. 이 기체는 내부에 메인 가스 밸브 및 작동 제어를 위한 수단이 배열되는 장치부(200)를 통해 투입된다(EP-A-1 205 993 참조). 전력이 중단되면, 메인 가스 밸브가 폐쇄되어 배터리의 작동이 중지되도록 한다. 이러한 제어 장치(14)는 라인(140a)을 통해 배터리(10)의 센서와 접속되고, 라인(140b)을 통해 장치부(200)와 접속되며, 라인(142)을 통해 팬(16)과 접속된다. 추출물(A 및 B)의 공급부는 접속부(1a) 및 장치부(200)를 통해 서로 결합된다.
도 2는 본 발명의 특징적인 구성을 나타낸다. 이송 라인은 이중선으로 나타내었고, 제어(액추에이터) 라인은 단일선으로 나타내었으며, 정보 전달(센서) 라인은 점선으로 나타내었다. 도 1의 부분 시스템(100)은 전기 출력부(12)를 통해 연료 전지의 직류를 교류로 변환하는 인버터(4)와 접속된다. 인버터(4)는 2가지의 작동 모드로 작동될 수 있다. 한 가지는 라인(40, 50)을 통해 공중망에 교류가 공급되는 것이고, 다른 한 가지는 라인(41)을 통해 본 발명에 따른 시스템에 속하는 지역망에 교류가 공급되는 것이다. 공중망에서 전력이 중단되는 경우에 대하여, 라인(40)과 라인(50) 사이에 "네트워크 릴리즈"가 배열되며, 이 네트워크 릴리즈(5)에 의해 공중망으로의 교류 공급이 중단되고 지역망에서 적절한 작동이 시작된다.
지역망은 시스템 제어부(6)에 의해 설정되도록 프로그램된 상태로 되어 있다. 시스템 제어부(6)는 또한 난방 에너지 관리부를 포함함으로써 예를 들어 축열기(18)의 방열 상태를 관리한다. 제1 스위치(51)(제어 라인(651)) 및 제2 스위치(52)(제어 라인(652))는 시스템 제어부(6)에 의해 동작될 수 있다. 메인 가스 밸브 및 부분 시스템(100)(장치부(200))의 실행 제어부는 제어 라인(62) 및 제어 라인(63) 각각을 통해 시스템 제어부(6)와 접속된다. 또 다른 제어 라인(64)은 인버터(4)에 연결된다. 네트워크 릴리즈(5) 및 시스템 제어부(6)는 정보 라인(56)을 통해 연결된다. 제어 라인(62)은 예를 들어 갈바니 배터리의 보조 없이도 단시간의 정비로, 최우선인 연료 전지로의 연료 공급과 같은 난방 시스템의 필요한 기능이 보장되는 "네트워크 정전 브리지(network power cut bridge)"를 포함한다.
생성기 회로(17)(화살표 71)와 연관되는 시스템 센서(7a)와 마찬가지로 생성기 회로(17)(화살표 72)와 연관되는 시스템 액추에이터(7b) 사이에는 라인(67a,70a, 67b)이 각각 존재한다. 라인(60)은 공중망 또는 인버터(4)로부터 시스템 제어부(6)에 교류를 공급하기 위한 것이며 "네트워크 정전 브리지(60')" 또한 이 라인(60)에 제공된다. 시스템 액추에이터(7b)에는 분기 라인(70b)을 통해 전기 에너지가 공급된다. 최종적으로, 시스템 제어부(6)는 라인(86 및 68)을 통해 방열기 회로(19)(화살표 81 및 82 각각)용 센서 및 액추에이터를 포함하는 시스템부(8)와 연결된다. 이러한 시스템부(8)에 필요한 교류는 스위치(52)와 링크된 라인(80)을 통해 공급된다. 교류는 공중망(라인 50') 또는 인버터(4)(라인 42)로부터 인입된다.
인버터(4)는 비교적 짧은 시간 간격(△t)에 하나의 작동 모드로부터 다른 작동 모드로 전환될 수 있다. 이러한 시간 간격 △t는 대략 0.1초 이하이다. 예를 들어 연료 전지로의 연료 공급이 중단되지 않도록 커패시터(62')를 포함하는 버퍼에 의해 △t 이상의 시간 동안에 제어 라인(62)에 의한 밸브 제어용 전력 공급이 보장된다.
본 발명에 따른 난방 시스템은 이하의 3가지 모드에 따라 작동될 수 있다.
모드 M1
스위치(51, 52)는 도 2에 나타낸 상태로 된다. 배터리(10)를 구비한 부분 시스템(100)은 작동 중이 아니거나 작동이 막 시작되려는 상태이다. 배터리(10)에 의해 공급되는 전력은 100W 이하이다(이 값은 이하에서 유지되는 예시적인 값으로, 변경될 수도 있으며, 다른 값이 적용될 수도 있다). 인버터(4)는 제1 작동 모드이다. 전체 생성된 전력은 공중망에 공급된다. 생성기 회로(17) 및 방열기회로(19)는 공중망으로부터 전력을 받는다.
모드 M2
부분 시스템(100)의 전기적 성능은 100W 이상 200W 이하이다. 스위치(51)가 전환되고 인버터(4)는 충분한 교류를 생성하여 시스템 제어부(6) 및 액추에이터(7b)가 인버터(4)로부터 직접 공급받도록 한다.
모드 M3
연료 전지의 전기적 성능이 200W 이상이다. 인버터(4)는 충분한 교류를 생성하여 생성기 회로(17) 및 방열기 회로(19) 모두에 공급하도록 한다. 이를 위해, 스위치(52)는 인버터로부터의 전기 에너지 또한 방열기 회로(19)에 전달되도록 동작한다. 방열기 회로(19)는 축열기(18)로부터 방열기(20)로의 열의 재차 전달 및 이러한 열전달의 제어를 위한 수단을 포함한다.
공중망에 전력이 중단되면, 네트워크 릴리즈(5)는 라인(40) 및 라인(50)을 차단하고, 스위치(51)는 시스템 제어부(6) 및 액추에이터(7b)가 인버터(4)로부터 직접 공급받을 수 있도록 변환된다. 스위치가 변환되는 시간 △t 동안, 공급 라인(60)의 네트워크 정전 브리지는 인버터(4)가 전환될 때까지 시스템 제어부(6)가 난방 시스템의 필요한 기능을 유지시키는 것을 보장하는 한편, 라인(62)의 네트워크 정전 브리지는 메인 가스 밸브(추출물 B용) 또한 전원의 짧은 정전 동안에 개방을 유지하도록 지속하는 것을 보장한다. 생성기 회로(17)의 작동은 전환 시간 △t 동안에 중단된다. 방열기 회로(19)는 방열기(20)의 열 완충 효과(난방된 건물) 덕분에 공중망 정전 후 수 분 동안 작동을 멈출 수 있다. 이 시간은 가스 공급을 증가시켜서 충분한 정도로 전력의 생성을 증가시키기에 충분하다. 이 전력은 임계값 N2보다 커야 한다.
연료 전지에 의해 생성되는 전력에 대하여 시스템의 특성으로 인해 2개의 임계값 N1 및 N2, 즉, 생성기 회로(17)를 작동시키기 위한 요구 전력 및 양쪽 회로(17 및 19) 모두를 작동시키기 위한 요구 전력이 미리 설정된다. 전술한 값은 예를 들어, N1 = 100W이고, N2 = 200W이다. 2개의 임계값에 대한 요구 전력에 따라, 3가지 모드 중 한 가지 모드의 작동이 실행되며, 2개의 스위치(51, 52)는 시스템 제어부(6)에 의해 선택되는 모드에 따라 전환된다. 이렇게 함으로써 상기 시스템은 공중망에 전력이 중단되어도 정지되지 않고, 시스템 제어부에 의해 임계값 N1이 항상 초과되도록 가스 공급이 제어된다. 가스 공급은 임계값 N1 및 N2에 의한 모드로 작동이 분리되므로 광범위하게 조절될 수 있다.
3가지의 모드에 의하면, 역시 상이한 작동 방법이 된다.
연료 전지에 의해 생성되는 전력이 N1(모드 M1)보다 적다. 이 전력은 시스템의 모든 부품을 작동시키기에 불충분하다. 따라서 공중망으로부터 전류를 취한다.
연료 전지에 의해 생성되는 전력이 N1(모드 M2)보다 많다. 이 전력은 생성기 회로(17)에 공급된다. 네트워크 릴리즈(5)가 라인(40 및 50)을 접속하는 경우, 잉여 전력은 공중망에 공급된다.
연료 전지에 의해 생성되는 전력이 N2(모드 M3)보다 많다. 이 전력은 생성기 회로(17), 방열기 회로(19), 그리고 네트워크 릴리즈(5)가 라인(40 및 50)을 접속하는 경우에 공중망에 공급된다.
본 발명에 의해, 공중망이 정전되었을 때 작동이 계속될 수 있는 난방 시스템이 제공된다.

Claims (10)

  1. 연료 전지(11)를 구비하고 공중 전력망(50)과 접속되는 난방 시스템에 있어서,
    열 에너지 및 전기 에너지를 생성하도록 메인 가스 밸브를 통해 기체 형태로 상기 연료 전지에 연료(B)가 공급되고, 상기 메인 가스 밸브는 전류 공급이 중단되었을 때 자동으로 작동을 차단시키는 상기 난방 시스템은 제어부를 가지며, 상기 공중 전력망에 상기 전기 에너지의 적어도 일부분을 전송하고 상기 공중망으로부터의 전기 에너지에 의해 작동될 수 있는 난방 회로에 상기 열 에너지를 공급할 수 있고,
    상기 연료 전지의 직류를 교류로 변환할 수 있는 인버터(4)는 2가지 작동 상태, 즉 상기 공중 전력망으로 공급되는 상태 및 상기 난방 시스템의 지역망(island network)으로 공급되는 상태로 작동될 수 있고,
    상기 공중 전력망의 전력 중단에 대비한 수단이 제공됨으로써 예를 들어 갈바니 배터리(galvanic batteries)의 보조 없이도, 최우선인 상기 연료 전지로의 연료 공급과 같은 상기 난방 시스템의 필요한 기능의 단시간 유지가 보장되며,
    제어부 및 회로가 제공됨으로써 적어도 상기 난방 시스템의 상기 필요한 기능이 상기 연료 전지로부터의 전기 에너지에 의해 유지될 수 있는
    난방 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 인버터(4)는 비교적 짧은 시간 간격(△t)에 하나의 작동 상태로부터 다른 작동 상태로 전환될 수 있고, 상기 시간 간격 △t는 0.1초 이하이며, 예를 들어 커패시터(62')를 포함하는 버퍼에 의해 △t 이상의 시간 간격 동안에 상기 메인 가스 밸브의 제어부에 대한 전력 공급이 보장되어 상기 연료 전지로의 상기 연료 공급이 중단없이 이루어지며 , 예를 들어 또 다른 커패시터(60')를 포함하는 버퍼에 의해 시스템 제어부(6)로의 전력 공급이 또한 보장되어 상기 시스템의 제어부가 기능을 유지하는
    난방 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    생성기 회로(17) 및 상기 생성기 회로(17)에 접속된 방열기 회로(19)가 제공되고, 상기 생성기 회로는 상기 연료 전지의 고온의 배기 가스로부터 열교환기에서 재생될 수 있는 폐열을 전달하기 위한 난방 회로를 포함하며, 상기 생성기 회로는 상기 인버터의 하나의 작동 상태에 따라 상기 연료 전지(11)로부터의 전기 에너지에 의해 작동될 수 있는 난방 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 생성기 회로(17)는 축열기(18)를 포함하고, 상기 방열기 회로(19)에 의해 상기 축열기로부터 방열기(20), 구체적으로는 난방 라디에이터로 열이 전달되며, 보다 장시간 동안 상기 공중망에 전력이 중단되고 상기 연료 전지(11)에 의해 충분한 전기 에너지가 공급되는 경우에 상기 방열기 회로는 상기 연료 전지에 의해 공급되는 전력에 의해 작동되도록 설정될 수 있는 난방 시스템.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 난방 시스템은 지역 전력망, 시스템 제어부(6) 및 2개의 스위치(51, 52)로 구성되고, 상기 스위치는 상기 시스템 제어부에 작동 가능하게 연결되며, 상기 난방 시스템은 상기 스위치의 설정에 따라 3개의 모드 중 하나의 모드로 작동될 수 있는 난방 시스템.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 난방 시스템의 작동 방법으로서,
    상기 연료 전지에 의해 생성되는 전력에 대하여 상기 난방 시스템의 특성에 따라 2개의 임계값 N1 및 N2가 미리 설정되고, 상기 2개의 임계값에 대한 전력에 따라 3개의 모드 중 하나의 모드로 작동되며, 2개의 스위치는 시스템 제어부에 의해 선택되는 모드에 따라 전환되고, 상기 제1 임계값 N1이 상기 제2 임계값 N2보다 작은 난방 시스템 작동 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 연료 전지에 의해 생성되는 전력이 N1보다 적고, 상기 전력의 전체는 상기 공중망으로 공급되는 한편, 상기 난방 시스템의 모든 부품을 작동시키기 위한전력은 상기 공중망으로부터 제공받는 난방 시스템 작동 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 연료 전지에 의해 생성되는 전력이 N1보다 많고, 상기 전력은 생성기 회로(17) 및 가능한 경우에는 상기 공중망으로 공급되는 난방 시스템 작동 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 연료 전지에 의해 생성되는 전력이 N2보다 많고, 상기 전력은 상기 생성기 회로(17), 방열기 회로(19), 및 가능한 경우에는 상기 공중망으로 공급되는 난방 시스템 작동 방법.
  10. 제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공중망이 정전되었을 때, 상기 난방 시스템은 상기 2개의 모드 중 하나의 모드로 작동되고, 선택적으로 상기 연료 전지에 의해 생성되는 전력이 N1보다 큰 하나의 모드로 설정되는 난방 시스템 작동 방법.
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