KR100409134B1 - 연료전지 코제네레이션 시스템 - Google Patents

연료전지 코제네레이션 시스템 Download PDF

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Abstract

상술한 연료전지 발전시스템의 종래의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 연료전지 코제네레이션 시스템은 연료전지 발전시스템의 폐열을 회수한 냉각수가 저장되는 저장수 저장탱크(3), 상기 저장수 또는 직수가 연소장치에 의하여 가열된 작동유체와의 열교환 및 저장수로부터 작동유체 예열을 위한 열교환기(8), 난방 또는 급탕시 작동유체를 가열하기 위한 연소장치(9), 그리고 저장수와 작동유체를 순환시켜주는 순환장치(14, 15)로 구성된다. 저장탱크와 열교환기 사이에는 저장수의 흐름을 개폐하기 위한 개폐밸브(4)가 설치되고, 열교환기를 통과한 저장수를 순환하도록 펌프(15)가 설치된다. 연소장치(9)에 의하여 가열된 작동유체가 급탕라인(12) 또는 난방라인(13)을 선택적으로 흐르도록 전환밸브(10)가 설치되고, 급탕라인 또는 난방배관(11)을 통과한 작동유체를 순환하도록 펌프(14)가 설치된다.

Description

연료전지 코제네레이션 시스템{Cogeneration System for Fuel Cell}
발명의 분야
본 발명은 연료전지 코제네레이션(cogeneration) 시스템에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 연료전지 발전시스템 가동 중에 발생하는 폐열을 회수하여 사용자의 난방 및 급탕 모두에 이용함으로써 시스템의 효율을 향상시켜 소요되는 에너지를 절감하여 난방비를 저감하고 환경공해 물질의 배출량을 줄이기 위한 연료전지 코제네레이션 시스템에 관한 것이다.
발명의 배경
일반적으로 연료전지 발전 시스템 가동 중에는 많은 양의 폐열이 발생하고 있으나 통상 이러한 폐열원을 이용하는 경우가 많지 않고, 또한 폐열원을 이용하더라도 이용범위가 급탕에만 한정되어 있는 실정이다.
전자의 경우, 연료전지 발전시스템은 그 시스템 가동 중에 발생하는 폐열을 배기구를 통하여 외부로 방출시키는 시스템으로 구성된다. 이 시스템에서 폐열로방출되는 열은 바로 에너지이며, 이러한 에너지의 방출은 바로 에너지의 낭비이다. 또한 후자의 경우, 단순히 폐열원으로 물을 가열하여 축열조에 저장한 후 사용자에 급탕으로 제공하는 등 폐열 에너지의 이용에 매우 소극적일 뿐만 아니라 폐열원의 이용효율 또한 크게 떨어지는 결점이 있었다.
본 발명자는 연료전지 발전시스템 가동 중에 발생하는 폐열을 회수하여 가정의 난방 및 급탕 모두에 이용함으로써 난방비를 저감하고 환경공해 물질의 배출량을 줄이기 위한 본 발명의 연료전지 코제네레이션 시스템을 개발하기에 이른 것이다.
본 발명의 목적은 연료전지 발전시스템 가동 중에 발생하는 폐열을 회수하고 저장수의 온도와 작동유체의 온도를 감지하여 난방 및 급탕 모두에 효과적으로 이용할 수 있는 연료전지 코제네레이션 시스템을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 연료전지 발전시스템의 폐열을 회수하여 저장된 저장수 온도와 전환밸브의 전환에 의해 시스템 내부 또는 난방배관을 순환하는 작동유체의 온도에 따라 저장수로부터 작동유체를 열교환기에 의하여 예열시킨 후 연소장치로 가열하여 사용자에 난방수로 사용하는 연료전지 코제네레이션 시스템을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 연료전지 발전시스템의 폐열을 회수하여 저장된 저장수 온도와 전환밸브의 전환에 의해 시스템 내부 또는 난방배관을 순환하는 작동유체의 온도에 따라 연소장치로부터 가열된 작동유체로써 직수 또는 저장수를 가열시켜 급탕으로 사용하는 연료전지 코제네레이션 시스템을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 상기 및 기타의 목적들은 하기 상세히 설명되는 본 발명에 의하여 모두 달성될 수 있다.
도1은 본 발명에 따른 연료전지 코제네레이션 시스템의 개략적인 구성을 표시한 구성도이다.
도2는 본 발명에 따른 연료전지 코제네레이션 시스템에서 급탕모드를 설명하기 위한 구성도이다.
도3은 본 발명에 따른 연료전지 코제네레이션 시스템에서 급탕보충/재가열 모드를 설명하기 위한 구성도이다.
도4는 본 발명에 따른 연료전지 코제네레이션 시스템에서 난방모드를 설명하기 위한 구성도이다.
* 도면의 주요 부호에 대한 간단한 설명 *
1 : 연료전지 발전시스템 3 : 저장수 저장탱크
4 : 개폐 밸브 6, 7 : 온도센서
8 : 열교환기 9 : 연소장치
10 : 전환 밸브 11 : 난방 배관
12 : 급탕 라인 13 : 난방 라인
14, 15 : 펌프
발명의 요약
상술한 연료전지 발전시스템의 종래의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 연료전지 코제네레이션 시스템은 연료전지 발전시스템의 폐열을 회수한 냉각수가 저장되는 저장수 저장탱크(3), 상기 저장수 또는 직수가 연소장치에 의하여 가열된 작동유체와의 열교환 및 저장수로부터 작동유체 예열을 위한 열교환기(8), 난방 또는 급탕시 작동유체를 가열하기 위한 연소장치(9), 그리고 저장수와 작동유체를 순환시켜주는 순환장치(14, 15)로 구성된다.
저장탱크와 열교환기 사이에는 저장수의 흐름을 개폐하기 위한 개폐밸브(4)가 설치되고, 열교환기를 통과한 저장수를 순환하도록 펌프(15)가 설치된다.
연소장치(9)에 의하여 가열된 작동유체가 급탕라인(12) 또는 난방라인(13)을 선택적으로 흐르도록 전환밸브(10)가 설치되고, 급탕라인 또는 난방배관(11)을 통과한 작동유체를 순환하도록 펌프(14)가 설치된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구성과 작동 상태를 하기에 상세히설명한다.
발명의 구체예에 대한 상세한 설명
도1은 본 발명의 연료전지 코제네레이션 시스템의 개략적인 구성을 표시한 구성도이다. 도1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 연료전지 코제네레이션 시스템은 연료전지 발전시스템의 폐열을 회수한 냉각수가 저장되는 저장수 저장탱크(3), 상기 저장수 또는 직수가 연소장치에 의하여 가열된 작동유체와의 열교환 및 저장수로부터 작동유체 예열을 위한 열교환기(8), 난방 또는 급탕시 작동유체를 가열하기 위한 연소장치(9), 그리고 저장수와 작동유체를 순환시켜주는 순환장치(15, 14)로 구성된다.
저장탱크와 열교환기 사이에는 저장수의 흐름을 개폐하기 위한 개폐밸브(4)가 설치되고, 열교환기를 통과한 저장수를 순환하도록 펌프(15)가 설치된다. 연소장치(9)에 의하여 가열된 작동유체가 급탕라인(12) 또는 난방라인(13)을 선택적으로 흐르도록 전환밸브(10)가 설치되고, 급탕라인 또는 난방배관(11)을 통과한 작동유체를 순환하도록 펌프(14)가 설치된다.
연료전지 발전시스템(1)을 냉각하기 위한 직수가 그 시스템 내부로 유입되어 시스템에서 발생하는 폐열에 의하여 가열되고, 가열된 냉각수는 저장수 저장탱크(3)에 저장된다. 본 명세서에서 사용되는 "직수"의 의미는 일반적으로 사용되는 수돗물 또는 지하수를 의미한다. 개폐밸브(4)가 닫혀진 상태에서 가열된 냉각수는 저장탱크(3)에 저장되고, 이 저장수는 급탕에 이용된다.
도2는 본 발명에 따른 연료전지 코제네레이션 시스템에서 급탕모드를 설명하기 위한 구성도이다. 상기 연료전지 발전시스템(1)에는 냉각수로서 직수가 유입되어 폐열을 회수한 후 저장탱크(3)에 저장된다. 이때 냉각수의 유량은 사용자가 온수로 사용하기 적합한 온도에 의하여 조절될 수 있다. 또한 저장탱크의 하단에는 개폐 밸브(normally closed valve)가 부착되어 있어 밸브가 개방되기 전까지 연료전지 발전시스템의 냉각수는 계속하여 저장된다. 이 저장기간 중 저장탱크(3)는 충분한 단열을 통하여 고온의 냉각수를 저장함으로써 급탕과 같은 직접 온수로 사용이 가능하고, 난방가동시 난방수로 사용되는 작동유체의 예열에 필요한 충분한 열량을 제공한다.
도3은 본 발명에 따른 연료전지 코제네레이션 시스템에서 급탕보충/재가열 모드를 설명하기 위한 구성도이다.
본 발명에 따른 시스템의 급탕 보충 모드를 설명하면 다음과 같다. 사용자의 급탕 사용량이 증가할 경우 저장탱크(3) 내의 저장수의 양은 감소하므로 탱크하단의 개폐밸브(4)는 폐쇄된 상태에서 직수가 열교환기(8)로 유입되어 열교환기(8)를 통하여 열을 흡수한 후 다시 탱크에 저장되어 저장수량을 증가시킨다. 이때 전환밸브(10)는 급탕 라인(12)쪽으로 전환되고 작동유체는 연소장치에서 열을 흡수한 후 열교환기(8)를 통하여 직수에 열을 전달하게 된다.
또한 본 발명 시스템의 급탕 재가열 모드를 설명하면 다음과 같다. 저장탱크의 온도가 설정온도 이하로 저하될 경우 저장탱크 하단의 밸브(4)는 개방되어지고, 저장수는 열교환기(8)를 통하여 열을 흡수하여 다시 탱크로 저장된다. 이때 전환밸브(10)는 급탕 라인(12)쪽으로 전환되고 작동유체는 연소장치에서 열을 흡수한 후 열교환기(8)에서 저장수에 열을 전달하게 된다.
도4는 본 발명에 따른 연료전지 코제네레이션 시스템에서 난방모드를 설명하기 위한 구성도이다.
연료전지 코제네레이션 시스템이 난방으로 가동하게 되면 전환밸브(10)는 난방라인(13)쪽으로 전환하게 되고 작동유체는 열교환기(8)를 통하여 예열된 후 연소장치로부터 열을 흡수하여 난방배관(11)을 순환하는 난방수로서 사용된다. 여기서 난방배관(11)은 바닥 밑에 설치되는 배관뿐만 아니라 바닥 위에 설치는 방열기(라디에이터)도 포함한다. 이때 저장탱크(3)의 저장수는 하단의 밸브가 개방되어 열교환기(8)에 유입되고, 열교환기에서 작동유체에 열을 전달한 후 탱크로 되돌아가게 된다.
열교환기로 유입되는 저장수의 온도를 측정하기 위하여 온도센서(6)가 설치되고, 열교환기로 유입되는 작동유체의 온도를 측정하기 위하여 온도센서(7)가 설치된다. 온도센서(6)는 저장탱크의 내부 또는 탱크의 하부라인에 설치될 수도 있다. 열교환기로 유입되는 저장수 온도와 작동유체 온도를 각각 감지하여 작동유체의 온도가 저장수의 온도보다 높은 경우에는 탱크 하단의 밸브(4)를 폐쇄시켜 난방가동 중 작동유체로부터 저장수로의 열전달을 방지한다. 이 경우 연료전지 발전시스템의 냉각수는 탱크(3)에 저장되어 온수로 사용된다.
본 발명의 연료전지 코제네레이션 시스템은 연료전지 발전시스템 가동 중에 발생하는 폐열을 회수하여 냉각수를 가열, 저장하여 급탕의 온수로 사용하거나, 연소장치에 의하여 작동유체를 가열하고 그 작동유체에 의하여 급탕을 보충하거나, 또는 작동유체의 온도가 저장수의 온도보다 낮은 경우에는 예열과정을 거치고, 그 반대의 경우에는 예열과정 없이 연소장치에 의하여 작동유체를 가열하고 그 작동유체에 의하여 난방용 온수로 사용하는 모드를 선택할 수 있다.
본 발명은 연료전지 발전시스템 가동 중에 발생하는 폐열을 회수하여 사용자의 난방 및 급탕 모두에 이용함으로써 시스템의 효율을 향상시켜 소요되는 에너지를 절감하여 난방비를 저감하고 환경공해 물질의 배출량을 줄이기 위한 시스템에 관한 것이다.
본 발명은 연료전지 발전 시스템 가동 중 발생되는 폐열을 회수하여 저장수의 온도와 작동유체의 온도를 감지하여 난방 및 급탕 모두에 효과적으로 다시 이용함으로써 시스템의 효율을 향상시켜 소요되는 에너지를 절감하여 난방비를 저감하고 환경공해 물질의 배출량을 줄일 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 이용될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.

Claims (8)

  1. 연료전지 발전시스템의 폐열을 회수한 냉각수가 저장되는 저장수 저장탱크(3);
    직수 또는 상기 저장수가 연소장치에 의하여 가열된 작동유체와의 열교환 및 저장수로부터 작동유체 예열을 위한 열교환기(8);
    난방 또는 급탕시 작동유체를 가열하기 위한 연소장치(9); 및
    저장수와 작동유체를 순환시켜주는 순환장치(15, 14);
    로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 코제네레이션 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 저장탱크와 열교환기 사이에는 저장수의 흐름을 개폐하기 위한 개폐밸브(4)가 설치되고, 상기 연소장치(9)에 의하여 가열된 작동유체가 급탕라인(12) 또는 난방라인(13)을 선택적으로 흐르도록 전환밸브(10)가 설치되고, 급탕라인 또는 난방배관(11)을 통과한 작동유체를 순환하도록 펌프(14)가 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 코제네레이션 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 열교환기로 유입되는 저장수의 온도와 열교환기로 유입되는 작동유체의 온도를 측정하기 위하여 온도센서(6, 7)가 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 코제네레이션 시스템.
  4. 연료전지 발전시스템(1)에는 냉각수로서 직수가 유입되어 폐열을 이용하여 가열된 후 저장탱크(3)에 저장되고, 이 저장수를 급탕의 온수로 사용하는 것을 특징으로 하는 연료전지 발전시스템의 폐열 이용방법.
  5. 연료전지 발전시스템(1)에는 냉각수로서 직수가 유입되어 폐열을 이용하여 가열된 후 저장탱크(3)에 저장되고;
    저장탱크 하단의 개폐밸브(4)가 폐쇄된 상태에서 직수가 열교환기(8)로 유입되어 열교환기(8)를 통하여 열을 흡수한 후 다시 탱크에 저장되어 저장수량을 증가시키고; 그리고
    전환밸브(10)는 급탕 라인(12)쪽으로 전환되어 작동유체는 연소장치(9)에서 열을 흡수한 후 열교환기(8)를 통하여 직수에 열을 전달하는;
    것을 특징으로 하는 연료전지 발전시스템의 폐열 이용방법.
  6. 연료전지 발전시스템(1)에는 냉각수로서 직수가 유입되어 폐열을 이용하여 가열된 후 저장탱크(3)에 저장되고;
    저장탱크 하단의 밸브(4)는 개방되어지고, 저장수는 열교환기(8)를 통하여 열을 흡수하여 다시 탱크로 저장되고; 그리고
    전환밸브(10)는 급탕 라인(12)쪽으로 전환되어 작동유체는 연소장치(9)에서 열을 흡수한 후 열교환기(8)를 통하여 저장수에 열을 전달하는;
    것을 특징으로 하는 연료전지 발전시스템의 폐열 이용방법.
  7. 연료전지 발전시스템(1)에는 냉각수로서 직수가 유입되어 폐열을 이용하여 가열된 후 저장탱크(3)에 저장되고;
    전환밸브(10)는 난방라인(13)쪽으로 전환하게 되고 작동유체는 열교환기(8)를 통하여 작동유체의 온도가 저장수의 온도보다 낮은 경우에는 예열과정을 거치고 그 반대의 경우에는 예열과정 없이 연소장치로부터 열을 흡수하여 난방배관(11)을 순환하는 난방수로 사용되고;
    예열과정이 있을 경우, 저장탱크(3)의 저장수는 하단의 밸브가 개방되어 열교환기(8)에 유입되고, 열교환기에서 작동유체에 열을 전달한 후 탱크로 되돌아가 저장되고; 그리고
    예열과정이 없을 경우, 저장탱크(3) 하단의 밸브는 폐쇄되는;
    겻을 특징으로 하는 연료전지 발전시스템의 폐열 이용방법.
  8. 연료전지 발전시스템(1)에는 냉각수로서 직수가 유입되어 폐열을 이용하여 가열된 후 저장탱크(3)에 저장되고;
    저장수의 양이 감소할 때 저장탱크 하단의 개폐밸브(4)가 폐쇄된 상태에서 직수가 열교환기(8)로 유입되어 열교환기(8)를 통하여 열을 흡수한 후 다시 탱크에 저장되어 저장수량을 증가시키고, 전환밸브(10)는 급탕 라인(12)쪽으로 전환되어 작동유체는 연소장치(9)에서 열을 흡수한 후 열교환기(8)를 통하여 직수에 열을 전달하고;
    저장수의 온도가 설정온도 이하일 때 저장탱크 하단의 밸브(4)는 개방되어지고, 저장수는 열교환기(8)를 통하여 열을 흡수하여 다시 탱크로 저장되고, 전환밸브(10)는 급탕 라인(12)쪽으로 전환되어 작동유체는 연소장치(9)에서 열을 흡수한 후 열교환기(8)를 통하여 저장수에 열을 전달하고;
    난방 모드를 사용할 때 전환밸브(10)는 난방라인(13)쪽으로 전환하게 되고 작동유체는 열교환기(8)를 통하여 작동유체의 온도가 저장수의 온도보다 낮은 경우에는 예열과정을 거치고 그 반대의 경우에는 예열과정 없이 연소장치로부터 열을 흡수하여 난방배관(11)을 순환하는 난방수로 사용되고, 예열과정이 있을 경우, 저장탱크(3)의 저장수는 하단의 밸브가 개방되어 열교환기(8)에 유입되고, 열교환기에서 작동유체에 열을 전달한 후 탱크로 되돌아가 저장되고, 예열과정이 없을 경우, 저장탱크(3) 하단의 밸브는 폐쇄되는;
    것을 특징으로 하는 연료전지 발전시스템의 폐열 이용방법.
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