JP2015507821A - 燃料電池基盤の熱回収装置及びその動作方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】溶融炭酸塩燃料電池(Molten Carbonate Fuel Cell、以下MCFC)が稼動しつつ発生させる熱を用いて温水や蒸気を生成した後、建物に供給することによって、電気を用いた冷暖房施設の稼動率を落として暖房費の支出を減少させることができる、燃料電池基盤の熱回収装置及びその動作方法を提供する。【解決手段】本発明は、燃料電池基盤の熱回収装置及びその動作方法に関し、溶融炭酸塩燃料電池(Molten Carbonate Fuel Cell、以下MCFC)が稼動しつつ発生させる熱を用いて温水や蒸気を生成した後、建物に供給することによって、電気を用いた冷暖房施設の稼動率を落として暖房費の支出を減少させることができる、燃料電池基盤の熱回収装置及びその動作方法の提供を図る。【選択図】図1

Description

本発明は、燃料電池基盤の熱回収装置及びその動作方法に関し、さらに詳しくは溶融炭酸塩燃料電池(Molten Carbonate Fuel Cell、以下MCFC)が稼動しつつ発生させる熱を用いて温水や蒸気を生成する建物用燃料電池基盤の熱回収装置及びその動作方法に関する。
MCFCは、高温型燃料電池であって、発電効率が47％として高い方であり、燃料使用量や炭素ガス排出量が少ないので、次世代再生エネルギーとして脚光を浴びている発電設備である。電解質が炭酸塩(Li/Na)であるMCFCは、水素との反応のための炭酸イオンを生成させるために電解質を溶融状態にしなければならないので、約650℃程度の高い温度で動作する。
このようなMCFCは、動作中に約350℃内外の廃熱を生成する。したがって、このように生成された廃熱を用いる熱回収装置(Heat Recovery Unit、以下、HRU)との連動が可能である。ここで、HRUは、排気ガスや排出温水などの余熱を回収して、冷/暖房及び温水を供給する装置であって、熱発生、熱輸送、熱使用、熱交換などのための熱設備一切を意味する。
最近、単一建物の負荷に対応するために開発された100kW級MCFCをHRUと連携させて建物に用いられる冷/暖房及び温水を供給することにより、MCFCの発電効率を約50〜60％程度増加させることができる方案が求められている。
前記のような従来技術の問題点を解決するため、本発明は、溶融炭酸塩燃料電池(Molten Carbonate Fuel Cell、以下MCFC)が稼動しつつ発生させる熱を用いて温水や蒸気を生成した後、建物に供給することによって、電気を用いた冷暖房施設の稼動率を落として暖房費の支出を減少させることができる、燃料電池基盤の熱回収装置及びその動作方法を提供することにその目的がある。
本発明の目的等は以上で言及した目的に制限されず、言及されない本発明の他の目的及び長所等は、下記の説明によって理解され得、本発明の実施例によってより明らかに分かるようになる。また、本発明の目的及び長所等は、特許請求の範囲に示した手段及びその組合せによって実現され得ることが容易に分かる。
本発明に係る装置は、燃料電池(MCFC)によって発生した熱気を熱交換器に引き入れさせるか、遮断する第1開閉手段；前記熱気を排出口に排出させるか、遮断する第2開閉手段；凝縮タンクに貯蔵されている流体を流体循環手段に引き入れさせるか、遮断する第3開閉手段；前記第3開閉手段によって引き入れられる流体を循環させる前記流体循環手段；前記燃料電池によって発生した熱気の温度を測定し、前記流体が通過する管路内の流量を測定して、前記凝縮タンク内の温度と水位を測定する状態感知手段；及び稼動アルゴリズム及び停止アルゴリズムによって前記各構成要素等を制御する制御手段を含む。
一方、本発明に係る方法は、第1開閉手段、第2開閉手段、第3開閉手段、流体循環手段、状態感知手段、及び制御手段を含む燃料電池基盤の熱回収装置の稼動方法において、運転待機状態を維持する段階；凝縮タンク内の温度が第1臨界値以下でありつつ前記凝縮タンク内の水位が第2臨界値以上であることによって、前記第3開閉手段を開放する段階；前記第3開閉手段が開放された後、第2臨界時間が経過すると、前記流体循環手段を動作させる段階；前記流体循環手段が動作した後、第3臨界時間が経過すると、前記第1開閉手段を開放する第1開閉手段開放段階；及び前記第1開閉手段が開放された後、前記状態感知手段が感知した流量が第3臨界値を満たすと、前記第2開閉手段を閉じる段階を含む。
また、本発明に係る他の方法は、第1開閉手段、第2開閉手段、第3開閉手段、流体循環手段、状態感知手段、及び制御手段を含む燃料電池基盤の熱回収装置の停止方法において、所定の条件を満たすことによって、前記第2開閉手段を開放した後、前記第1開閉手段を閉じる段階；前記第1開閉手段を閉じた後、第5臨界時間後に前記流体循環手段の動作を停止させる段階；及び前記流体循環手段の動作を停止させた後、第6臨界時間後に前記第3開閉手段を閉じる段階を含む。
前記のような本発明は、溶融炭酸塩燃料電池(Molten Carbonate Fuel Cell、以下MCFC)が稼動しつつ発生させる熱を用いて温水や蒸気を生成した後、建物に供給することによって、電気を用いた冷暖房施設の稼動率を落として暖房費の支出を減少させることができる効果がある。
本発明に係る燃料電池基盤の熱回収装置に対する一実施例の構成を示す図である。 本発明に係る燃料電池基盤の熱回収装置の流体循環部に対する詳細な構成を示す図である。 本発明に係る燃料電池基盤の熱回収装置の状態感知部に対する詳細な構成を示す図である。 本発明が適用される燃料電池基盤の熱回収システムに対する一実施例の構成を示す図である。 本発明に係る燃料電池基盤の熱回収装置の稼動方法に対する一実施例のフローチャートである。 本発明に係る燃料電池基盤の熱回収装置の停止方法に対する一実施例のフローチャートである。
前述した目的、特徴及び長所は、図を参照して詳しく後述されている詳細な説明を介してより明らかになり、それによって本発明の属する技術分野で通常の知識を有する者が本発明の技術的思想を容易に実施することができる。また、本発明を説明するにおいて、本発明に係る公知技術に対する具体的な説明が、本発明の要旨を不明にすると判断される場合、その詳細な説明を略する。以下、図を参照して本発明に係る好ましい実施例を詳しく説明する。
図1は、本発明に係る燃料電池基盤の熱回収装置に対する一実施例の構成を示す図である。
図1に示されているように、本発明に係る燃料電池基盤の熱回収装置は、第1開閉部(MOV 101)10、第2開閉部(MOV 102)20、第3開閉部(MOV 100)30、流体循環部(PM-100)40、状態感知部(Sensor)50、及び制御部(Controller)60を含む。
ここで、第1開閉部10と第2開閉部20は、燃料電池によって生成された高温の熱気が通過する管路上にそれぞれ位置して、前記熱気の流れを遮断するか通過させる。
また、第3開閉部30と流体循環部40は、温水及び蒸気などのような流体が通過する管路上にそれぞれ位置して、前記流体の流れを遮断するか通過させる。
前記各構成要素等に対し検討してみれば、先ず、第1開閉部10は、一例として電気的信号に応じて動作するバルブ(Valve)であって、制御部60からの制御信号に応じて燃料電池(MCFC)により発生し管路を介して移動する高温の熱気を、熱交換器に引き入れさせるか、熱交換器への引入れを遮断する役割を行う。このとき、熱交換器は引き入れられる高温の熱気を用いて、管路に沿って流れる水を沸かし、温水及び蒸気などのような流体を生成する。
第2開閉部20は、一例として電気的信号に応じて動作するバルブ(Valve)であって、制御部60からの制御信号に応じて燃料電池により発生し管路を介して移動する高温の熱気を、排出口(Vent)に排出させるか、排出口への排出を遮断する役割を行う。
第3開閉部30は、一例として電気的信号に応じて動作するバルブ(Valve)であって、制御部60からの制御信号に応じて凝縮タンク(Condensed Tank)に貯蔵されている温水及び蒸気などのような流体を、流体循環部40に引き入れさせるか、流体循環部40への引入れを遮断する役割を行う。
流体循環部40は、制御部60からの制御信号に応じて第3開閉部30によって引き入れられる流体を循環させる役割を行う。
このような流体循環部40は、図2に示されているように、第1流体循環器41及び第2流体循環器42を含むことができるが、これに限定されるものではない。
状態感知部50は、高温の熱気が通過する管路上に温度感知器を備えて温度を測定し、流体が通過する管路内に流量感知器を備えて流量を測定し、凝縮タンクに温度感知器と水位感知器をそれぞれ備えて温度と水位を測定する。
すなわち、状態感知部50は、図3に示されているように、第1温度感知器(TT 100)51、第2温度感知器(TT 103)52、第3温度感知器(TT 104)53、水位感知器(LS 100)54、及び流量感知器(FT 100)55を含む。
以下、図4を参照して前記各構成要素等に対して詳しく検討してみる。
第1温度感知器51は、凝縮タンク内に位置して凝縮タンク内の温度を測定する。
第2温度感知器52は、燃料電池によって発生する高温の熱気が通過する管路上に位置して、前記熱気の温度を測定する。
第3温度感知器53は、熱交換器を経た熱気の温度を測定する。
水位感知器54は、凝縮タンク内の水位を感知する。
流量感知器55は、熱交換器を通過した温水の流量を測定する。
一方、制御部60は、各状況に合う運転アルゴリズムによって、第1開閉部(MOV 101)10、第2開閉部(MOV 102)20、第3開閉部(MOV 100)30、流体循環部(PM-100)40、及び状態感知部(Sensor)50を制御する。
すなわち、制御部60は、燃料電池が初期加熱(Heat up)される状況である場合、第1開閉部10及び第2開閉部20が閉じられている状態で、臨界条件(温度、圧力、時間のうち少なくとも一つ以上)を満たすと、第1開閉部10及び第2開閉部20を全て開放する。
それ以後、所定の時間(一例として3分)が経過すると、第1開閉部10を閉じる。このとき、流体循環部40は動作せずに第3開閉部30は閉じられている状態を維持する。
また、制御部60は、燃料電池が動作を止めて冷却(Cool down)される状況である場合、前記加熱状況の逆順に各構成要素等を制御する。
また、制御部60は、エラー(Error)を感知した場合、第1開閉部10及び第2開閉部20を全て開放した後、所定の時間(一例として3分)が経過すると、第1開閉部10を閉じる(エラーモード)。
また、制御部60は、燃料電池の電力送出が確認される運転待機(Stand by)状態(運転待機モード)に進入する場合、第1開閉部10及び第2開閉部20を全て開放した後、所定の時間(一例として3分)が経過すると、第1開閉部10を閉じる。このとき、流体循環部40は動作せずに第3開閉部30は閉じられている状態を維持する。
また、制御部60は熱回収装置を動作(ON)させる過程であって、運転待機状態で(このとき、第2開閉部20は開放された状態)、第1温度感知器51を介して感知した凝縮タンク内の温度が第1臨界値(一例として、摂氏100度)以下であり、水位感知器54を介して感知した凝縮タンク内の水位が第2臨界値(一例として、凝縮タンク貯蔵容量の30％)以上であれば、第3開閉部30を開放する。このとき、熱回収装置の非正常運転を報知するアラームが動作しない状態でなければならない。
それ以後、第3開閉部30が開放された後、所定の時間(一例として1分)が経過すると、流体循環部40を動作させる。
それ以後、流体循環部40が動作した後、所定の時間(一例として10分)が経過すると、第1開閉部10を一定値(一例として10％)開放し、第1開閉部10が一定値開放された後、所定の時間(一例として10分)が経過すると、第1開閉部10を完全に開放する。
このとき、流体循環部40が動作して所定の時間(一例として10分)が経過した後、第1開閉部10を開放する理由は、配管内の空気(Air)を除去するためであり、第1開閉部10を開放時に最初10％だけ開放して所定の時間(一例として10分)が経過した後、完全に開放する理由は、熱衝撃を減少させるためである。
それ以後、第1開閉部10が完全に開放され、流量感知器55を介して感知した流量が第3臨界値(一例として、29LPM〜30LPMを満たす時間が3分)を満たすと、第2開閉部20を閉じる。このとき、エラーが発生すると、前記エラーモードで動作する。
また、制御部60は、熱回収装置を停止(OFF)させる過程であって、動作状態で(このとき、第1開閉部10は開放された状態で、第2開閉部20は閉じられた状態)、燃料電池の出力が基準値(一例として100kw)以下の場合、第1温度感知器51が感知した凝縮タンク内の温度が摂氏115度以上の場合、水位感知器54が感知した凝縮タンク内の水位が30％以下の場合、第2温度感知器52が感知した温度が摂氏350度以下の場合、第3温度感知器53が感知した温度が摂氏200度以上の場合、流量感知器55が感知した流量が25 LPM以下で5分間維持される場合、停止アラームが作動する場合、のうちいずれか一つの場合に該当すると、第2開閉部20を開放する。
それ以後、第2開閉部20が開放されると、第1開閉部10を閉じる。
それ以後、第1開閉部10が完全に閉じられると、所定の時間(一例として10分)後に流体循環部40の動作を停止させる。
それ以後、流体循環部40が停止された後、所定の時間(一例として1分)後に第3開閉部30を閉じる。
一方、制御部60は冬期の非常運転モードであって、運転待機状態で、配管内の水温が摂氏5度以下で5分間維持されるか、非常運転アラームが動作すると、第3開閉部30を開放する。このとき、配管内の水温は、第1温度感知器51が測定することもでき、図4で「TT 101」または「TT 102」を介して測定することもできる。
それ以後、第3開閉部30の開放が確認されると、流体循環部40を動作させる。
それ以後、流体循環部40が動作した後、所定の時間(一例として1時間)が経過すると、流体循環部40の動作を停止させる。
それ以後、流体循環部40が停止された後、所定の時間(一例として1分)が経過すると、第3開閉部30を閉じる。
それ以後、制御部60は、配管内の水温が摂氏5度以下で5分間維持されると、前記過程を繰り返して行って再稼動する。
図5は、本発明に係る燃料電池基盤の熱回収装置の稼動方法に対する一実施例のフローチャートである。
先ず、運転待機状態を維持する(501)。このとき、運転待機状態は、第1開閉部10及び第2開閉部20を全て開放した後、所定の時間(一例として3分)が経過すると、第1開閉部10を閉じ、このとき、流体循環部40は動作せずに第3開閉部30は閉じられている状態を維持することを意味する。
それ以後、凝縮タンク内の温度が第1臨界値以下でありつつ凝縮タンク内の水位が第2臨界値以上であることによって、制御部60が第3開閉部30を開放する(502)。
それ以後、第3開閉部30が開放された後、第2臨界時間が経過すると、制御部60が流体循環部40を動作させる(503)。
それ以後、流体循環部40が動作した後、第3臨界時間が経過すると、制御部60が第1開閉部10を開放する(504)。
それ以後、第1開閉部10が開放された後、状態感知部50の流量感知器55が感知した流量が第3臨界値を満たすと、制御部60が第2開閉部20を閉じる(505)。
図6は、本発明に係る燃料電池基盤の熱回収装置の停止方法に対する一実施例のフローチャートである。
先ず、制御部60は稼動状態において、所定の条件を満たすことによって、第2開閉部20を開放した後、第1開閉部10を閉じる(601)。
このとき、所定の条件は、前記燃料電池の出力が基準値以下の場合、前記凝縮タンク内の温度が第1臨界温度以上の場合、前記凝縮タンク内の水位が臨界水位以下の場合、前記第2温度感知器が感知した温度が第2臨界温度以下の場合、前記第3温度感知器が感知した温度が第3臨界温度以上の場合、前記流量感知器が感知した流量が臨界流量を一定時間維持した場合、停止アラームが作動する場合、のうちいずれか一つの場合を意味する。
それ以後、制御部60が第1開閉部10を閉じた後、第5臨界時間後に流体循環部40の動作を停止させる(602)。
それ以後、制御部60が流体循環部40の動作を停止させた後、第6臨界時間後に第3開閉部30を閉じる(603)。
一方、前述したような本発明の方法は、コンピュータプログラムで作成が可能である。また、前記プログラムを構成するコード及びコードセグメントは、当該分野のコンピュータプログラマーによって容易に推論され得る。また、前記作成されたプログラムは、コンピュータが読み取り可能な記録媒体(情報貯蔵媒体)に貯蔵され、コンピュータによって読み取られて行われることにより、本発明の方法を具現する。また、前記記録媒体はコンピュータが読み取り可能な全ての形態の記録媒体を含む。
以上で説明した本発明は、本発明の属する技術分野で通常の知識を有する者において、本発明の技術的思想を外れない範囲内でいくつかの置換、変形及び変更が可能なので、前述した実施例及び図によって限定されるものではない。
本発明は、建物の冷暖房に用いられ得る。

Claims (15)

  1. 燃料電池(MCFC)によって発生した熱気を熱交換器に引き入れさせるか、遮断する第1開閉手段と、
    前記熱気を排出口に排出させるか、遮断する第2開閉手段と、
    凝縮タンクに貯蔵されている流体を流体循環手段に引き入れさせるか、遮断する第3開閉手段と、
    前記第3開閉手段によって引き入れられる流体を循環させる前記流体循環手段と、
    前記燃料電池によって発生した熱気の温度を測定し、前記流体が通過する管路内の流量を測定して、前記凝縮タンク内の温度と水位を測定する状態感知手段と、
    稼動アルゴリズム及び停止アルゴリズムによって前記各構成要素等を制御する制御手段とを含む燃料電池基盤の熱回収装置。
  2. 前記状態感知手段は、
    前記熱交換器を経た熱気の温度を測定する第3温度感知器と、
    前記凝縮タンク内の水位を感知する水位感知器と、
    前記熱交換器を通過した温水の流量を測定する流量感知器とを含む請求項1に記載の燃料電池基盤の熱回収装置。
  3. 前記制御手段は、
    運転待機状態に進入する場合、前記第1開閉手段及び前記第2開閉手段を全て開放し、第1臨界時間の経過後に前記第1開閉手段を閉じ、前記流体循環手段は停止状態を維持し、前記第3開閉手段は閉じられている状態を維持することを特徴とする請求項2に記載の燃料電池基盤の熱回収装置。
  4. 前記制御手段は、
    前記運転待機状態で、前記稼動アルゴリズムを行う場合、
    前記凝縮タンク内の温度が第1臨界値以下でありつつ前記凝縮タンク内の水位が第2臨界値以上であることによって、前記第3開閉手段を開放し、それ以後、第2臨界時間の経過後に前記流体循環手段を動作させ、それ以後、第3臨界時間の経過後に前記第1開閉手段を開放し、前記流量感知器が感知した流量が第3臨界値を満たすと、前記第2開閉手段を閉じることを特徴とする請求項3に記載の燃料電池基盤の熱回収装置。
  5. 前記制御手段は、
    前記流体循環手段が動作した後、第3臨界時間の経過後に前記第1開閉手段を一定値開放し、前記第1開閉手段が一定値開放された後、第4臨界時間の経過後に前記第1開閉手段を完全に開放することを特徴とする請求項4に記載の燃料電池基盤の熱回収装置。
  6. 前記状態感知手段は、
    前記凝縮タンク内の温度を測定する第1温度感知器と、
    前記燃料電池によって発生した熱気の温度を測定する第2温度感知器と、
    前記熱交換器を経た熱気の温度を測定する第3温度感知器と、
    前記凝縮タンク内の水位を感知する水位感知器と、
    前記熱交換器を通過した温水の流量を測定する流量感知器とを含む請求項1に記載の燃料電池基盤の熱回収装置。
  7. 前記制御手段は、
    前記停止アルゴリズムを行う場合、
    所定の条件を満たすことによって前記第2開閉手段を開放した後、前記第1開閉手段を閉じ、それ以後、第5臨界時間後に前記流体循環手段の動作を停止させ、それ以後、第6臨界時間後に前記第3開閉手段を閉じることを特徴とする請求項6に記載の燃料電池基盤の熱回収装置。
  8. 前記所定の条件は、
    前記燃料電池の出力が基準値以下の場合、前記凝縮タンク内の温度が第1臨界温度以上の場合、前記凝縮タンク内の水位が臨界水位以下の場合、前記第2温度感知器が感知した温度が第2臨界温度以下の場合、前記第3温度感知器が感知した温度が第3臨界温度以上の場合、前記流量感知器が感知した流量が臨界流量を一定時間維持した場合、停止アラームが作動する場合、のうちいずれか一つの場合に該当することを特徴とする請求項7に記載の燃料電池基盤の熱回収装置。
  9. 前記制御手段は、
    前記運転待機状態で、冬期の非常運転モードで動作する場合、
    前記管路内の流体の温度が臨界値以下で第7臨界時間維持されることによって前記第3開閉手段を開放し、それ以後、前記流体循環手段を動作させて、それ以後、第8臨界時間の経過後に前記流体循環手段の動作を停止させて、それ以後、第9臨界時間の経過後に前記第3開閉手段を閉じることを特徴とする請求項3に記載の燃料電池基盤の熱回収装置。
  10. 前記制御手段は、
    前記流体の温度が臨界値以下で第7臨界時間維持されるかを周期的にチェックすることを特徴とする請求項9に記載の燃料電池基盤の熱回収装置。
  11. 第1開閉手段、第2開閉手段、第3開閉手段、流体循環手段、状態感知手段、及び制御手段を含む燃料電池基盤の熱回収装置の稼動方法において、
    運転待機状態を維持する段階と、
    凝縮タンク内の温度が第1臨界値以下でありつつ前記凝縮タンク内の水位が第2臨界値以上であることによって、前記第3開閉手段を開放する段階と、
    前記第3開閉手段が開放された後、第2臨界時間経過すると、前記流体循環手段を動作させる段階と、
    前記流体循環手段が動作した後、第3臨界時間が経過すると、前記第1開閉手段を開放する第1開閉手段開放段階と、
    前記第1開閉手段が開放された後、前記状態感知手段が感知した流量が第3臨界値を満たすと、前記第2開閉手段とを閉じる段階を含む燃料電池基盤の熱回収装置の稼動方法。
  12. 前記運転待機状態を維持する段階は、
    前記第1開閉手段及び前記第2開閉手段を全て開放し、第1臨界時間の経過後に前記第1開閉手段を閉じ、前記流体循環手段は停止状態を維持し、前記第3開閉手段は閉じられている状態を維持することを特徴とする請求項11に記載の燃料電池基盤の熱回収装置の稼動方法。
  13. 前記第1開閉手段開放段階は、
    前記流体循環手段が動作した後、第3臨界時間の経過後に前記第1開閉手段を一定値開放する段階と、
    前記第1開閉手段が一定値開放された後、第4臨界時間の経過後に前記第1開閉手段を完全に開放する段階とを含む請求項11または請求項12に記載の燃料電池基盤の熱回収装置の稼動方法。
  14. 第1開閉手段、第2開閉手段、第3開閉手段、流体循環手段、状態感知手段、及び制御手段を含む燃料電池基盤の熱回収装置の停止方法において、
    所定の条件を満たすことによって前記第2開閉手段を開放した後、前記第1開閉手段を閉じる段階と、
    前記第1開閉手段を閉じた後、第5臨界時間後に前記流体循環手段の動作を停止させる段階と、
    前記流体循環手段の動作を停止させた後、第6臨界時間後に前記第3開閉手段を閉じる段階とを含む燃料電池基盤の熱回収装置の停止方法。
  15. 前記所定の条件は、
    前記燃料電池の出力が基準値以下の場合、前記凝縮タンク内の温度が第1臨界温度以上の場合、前記凝縮タンク内の水位が臨界水位以下の場合、前記第2温度感知器が感知した温度が第2臨界温度以下の場合、前記第3温度感知器が感知した温度が第3臨界温度以上の場合、前記流量感知器が感知した流量が臨界流量を一定時間維持した場合、停止アラームが作動する場合、のうちいずれか一つの場合に該当することを特徴とする請求項14に記載の燃料電池基盤の熱回収装置の停止方法。

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