KR100726431B1 - 연료전지 코제너레이션 시스템용 축열탱크 - Google Patents

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Abstract

본 발명에서는 연료전지 코제너레이션 시스템용 축열탱크 및 연료전지 코제너레이션 시스템을 제공한다. 본 발명의 축열탱크에서는, 저장용기 하부의 열매유체의 온도와, 수집되는 난방순환유체의 온도를 비교하여, 난방순환유체의 적절한 복귀점을 선택하기 때문에, 난방순환유체의 복귀에 의한, 저장용기 내의 열매유체의 온도구배의 교란이 극소화될 수 있다. 본 발명의 축열탱크는, 저장용기 내의 열매유체의 온도구배를 교란시키지 않으면서, 저온의 냉각순환유체 및 고온의 난방순환유체를 동시에 공급할 수 있다는 놀라운 효과를 발휘할 수 있다. 이러한 축열탱크를 포함하는 본 발명의 연료전지 코제너레이션 시스템은 더욱 개선된 열효율을 가질 수 있다.
연료전지 코제너레이션 시스템, 축열탱크

Description

연료전지 코제너레이션 시스템용 축열탱크 {Heat storage tank for fuel cell cogeneration system}
도 1은 본 발명의 연료전지 코제너레이션 시스템용 축열탱크의 일 구현예를 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 2는, 저장용기의 내부로 연장되어 있으며 다수의 천공부가 형성되어 있는 튜브의 형태를 갖는 난방순환유체 복귀 포트의 일구현예를 나타내는 단면도이다.
도 3은, 다수의 천공부가 형성되어 있는 격판을 더 포함하는 본 발명의 축열탱크의 일구현예를 나타내는 도면이다.
도 4는, 복수의 제2 난방순환유체 복귀 포트를 구비하는 본 발명의 축열탱크의 일구현예를 나타내는 도면이다.
도 5는, 열매유체 저장용기 내에 설치되는 열교환기를 더 포함하는 본 발명의 축열탱크의 일구현예를 나타내는 도면이다.
도 6은, 난방순환유체 공급 포트로부터 공급되는 난방순환유체의 추가적인 가열 또는 냉각을 위한 열교환기 또는 히터를 더 포함하는 본 발명의 축열탱크의 일구현예를 나타내는 도면이다.
도 7은, 난방순환유체 수집 포트로 유입되는 난방순환유체의 추가적인 가열 또는 냉각을 위한 열교환기 또는 히터를 더 포함하는 본 발명의 축열탱크의 일구현 예를 나타내는 도면이다.
도 8은, 냉각순환유체 공급 포트로부터 공급되는 냉각순환유체의 추가적인 가열 또는 냉각을 위한 열교환기를 더 포함하는 본 발명의 축열탱크의 일구현예를 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 연료전지 코제너레이션 시스템의 일 구현예를 개략적으로 보여주는 도면이다.
본 발명은 연료전지 코제너레이션 시스템용 축열탱크에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상기 축열탱크를 포함하는 연료전지 코제너레이션 시스템에 관한 것이다.
잘 알려져 있는 바와 같이, 연료전지는, 작동 중에, 전력 뿐만아니라 열을 발생시킨다. 그리하여, 연료전지 시동시에는, 연료전지가 적정 작동온도에 신속하게 이르도록 예열을 해주어야 하지만, 연료전지 정상 가동시에는, 연료전지가 적정 작동온도를 유지하도록 하기 위해서, 연료전지를 냉각시켜야 한다. 냉각유체를 통하여 연료전지로부터 회수된 열을 재활용할 수 있는 수단을 구비하는 연료전지 발전 시스템을 연료전지 코제너레이션 시스템이라 부른다. 연료전지 코제너레이션 시스템은 전기 부하와 열 부하(예를 들면, 난방, 급탕 등)를 같이 사용하는 수요처에서 매우 유용하게 활용될 수 있다.
연료전지 코제너레이션 시스템은 일반적으로, 난방 부하의 변동에 대비하기 위한 열저장수단으로서 축열탱크를 구비한다. 축열탱크는, 냉각유체를 통하여 연료전지로부터 회수된 열을 저장하는 기능을 한다. 축열탱크에 보관된 열은 열 부하로 공급된다.
예를 들어, 냉각유체로서 물을 사용하는 경우, 연료전지 스택을 냉각하니라고 가열된 냉각수는 연료전지 스택을 빠져나와 축열탱크 내에 저장될 수 있다 (즉, 냉각수 자체가 축열수단(또는, 열매유체)인 것이다). 또한, 축열탱크 내에 저장된 가열된 냉각수는, 그 자체로, 난방용 또는 급탕용 온수로서 열 부하에 공급될 수 있다. 한편, 축열탱크 내의 냉각수는 연료전지 스택으로 재순환되어 연료전지 스택의 냉각에 다시 사용될 수 있다. 또한, 난방용 온수로서 난방 부하에 공급된 가열된 냉각수는, 난방 부하에서 사용되어 냉각된 후, 다시 축열탱크로 재순환될 수 있다.
한편, 연료전지 스택과 축열탱크 사이에 열교환기를 설치하여, 연료전지 스택을 냉각(또는 예열)시키는 냉각수와 축열탱크에 저장되는 열매유체를 격리할 수도 있다. 이 경우, 상기 열교환기에 의하여, 연료전지 스택을 냉각(또는 예열)시키는 냉각수의 열이, 축열탱크에 저장되는 열매유체로 전달될 수 있으며, 반대로, 축열탱크에 저장되는 열매유체의 열이, 연료전지 스택을 냉각(또는 예열)시키는 냉각수로 전달될 수도 있다.
또한, 축열탱크와 난방 부하 사이에 열교환기를 설치하여, 축열탱크에 저장되는 열매유체와 난방용 순환수를 격리할 수도 있다. 이 경우, 상기 열교환기에 의 하여, 상기 열매유체의 열이 상기 순환수로 전달될 수 있으며, 반대로, 상기 순환수의 열이 상기 열매유체로 전달될 수도 있다.
이와 같이, 축열탱크에 대한 열의 출입은 다양한 방식으로 이루어질 수 있다. 축열탱크에 대한 열의 출입이 냉각유체 또는 열매유체의 출입에 의해서 이루어지는 경우를 "직접 열교환" 방식이라 부를 수 있다. 반대로, 축열탱크에 대한 열의 출입이 열교환기를 통하여 이루어지는 경우를 "간접 열교환" 방식이라 부를 수 있다.
"간접 열교환" 방식의 경우, 열교환기의 설치 및 그에 따른 추가 배관의 설치가 필요하므로, 연료전지 코제너레이션 시스템의 복잡도가 증가하게 되고, 그에 따라, 연료전지 코제너레이션 시스템의 제조비용 및 제조시간이 상승하게 된다. 또한, "간접 열교환" 방식에 있어서, 축열탱크에 저장된 열을 난방부하에 공급할 경우, 축열탱크의 열이 열교환기를 통하여 난방용 순환수에 전달된다. 그에 따라, 상기 열교환기에서의 열전달 저항으로 인하여, 축열탱크의 열을 효과적으로 이용하기가 어렵다. 따라서, 연료전지 코제너레이션 시스템의 복잡도 및 열의 효과적인 이용 측면에서는, 직접 열교환 방식이 더 바람직하다.
주목할 점은, 축열탱크 내에, 고온의 냉각수와 저온의 냉각수가 혼재한다는 것이다. 달리 표현하면, 축열탱크 내에 존재하는 냉각수에는, 상층부로 갈수록 온도가 상승하는 방식의 온도구배가 형성될 수 있다. 만약, 축열탱크 내의 냉각수를 교반하면, 그러한 온도구배가 깨져서, 축열탱크 내의 냉각수 전체가 실질적으로 균일한 온도를 갖는 열평형상태가 형성될 수 있다. 그러나, 축열탱크 내의 냉각수의 온도구배를 깨지 않고, 고온의 냉각수와 저온의 냉각수를 각각 적절히 이용한다면, 연료전지 코제너레이션 시스템의 열효율을 더욱 향상시킬 수 있다. 이러한 연유로, 축열탱크 내의 온도구배를 효과적으로 이용하기 위한 다양한 노력이 시도되고 있다.
예를 들면, 일본 공개특허공보 제2003-90615호에는, 축열탱크 내의 열수의 온도구배를 파괴하지 않으면서 고온의 열수를 효과적으로 뽑아쓰기 위해, 열수 흡입구의 방향을 변화시킬 수 있는 열수 배출관이 설치된 축열탱크를 구비하는 연료전지 코제너레이션 시스템이 개시되어 있다. 이 시스템은, 연료전지 스택과는 간접 열교환 방식으로, 열 부하와는 직접 열교환 방식으로 연결되어 있다. 그러나, 이 시스템에서는, 상기 열수 배출관의 동작 자체에 의해서, 축열탱크 내의 열수가 교란되어, 축열탱크 내의 열수의 온도구배가 파괴될 가능성이 있다. 또한, 이 시스템에서는, 열수 배출관의 동작을 위한 별도의 구동모터와 제어장치가 필요하기 때문에, 연료전지 코제너레이션 시스템의 복잡도가 증가하게 된다. 게다가, 이 시스템은, 축열탱크에 저장된 열수를 급탕용 온수로 사용하기에만 적합하다. 만약, 이 시스템에 난방 부하를 연결하여, 난방용 순환수를 축열탱크로 재순환시키게 되면, 난방용 순환수의 유속으로 인하여 축열탱크 내의 열수가 교란되어, 축열탱크 내의 열수의 온도구배가 파괴될 가능성이 매우 높기 때문이다. 그러나, 이 시스템에서는, 난방용 순환수의 유속에 의한 축열탱크 내 온도구배의 파괴를 방지할 수 있는 수단이 개시되어 있지 않다.
또 다른 예를 들면, 일본 공개특허공보 제2005-302627호에는, 간접 열교환 방식의 축열탱크를 사용하는 연료전지 코제너레이션 시스템이 개시되어 있다. 이 시스템에서는, 연료전지 코제너레이션 시스템의 시동시에 연료전지 스택의 예열시간을 단축시키기 위하여, 연료전지 스택과 축열탱크 사이에 설치된 열교환기를 이용하여, 축열탱크의 상부에 저장되어 있는 고온의 열매수의 열을, 연료전지 스택에 순환되는 저온의 냉각수로 전달시키고 있다. 그러나, 이 시스템은, 난방용 순환수가 축열탱크로 순환되는 경우에 발생할 수 있는 문제점에 대한 해결책을 언급하고 있지 않다.
하나의 축열탱크를 통하여, 연료전지 스택의 냉각을 위한 냉각수의 순환 및 난방부하를 위한 난방순환수의 순환이 동시에 이루어지는 경우에는, 축열탱크 내 온도구배의 효과적인 유지 및 활용이 매우 어렵다. 그러나, 앞에서 언급한 두 개의 문헌을 비롯한 종래기술에서는, 축열탱크로 복귀하는 난방순환수에 의한 온도구배 교란 방지 수단이 전혀 개시되어 있지 않다.
본 발명에서는, 축열탱크로 복귀하는 난방순환수에 의하여 축열탱크 내의 열매유체의 온도구배가 교란되는 것을 최소화하면서, 축열탱크 내의 열매유체에 형성된 온도구배를 더욱 효과적으로 활용할 수 있는, 개선된 연료전지 코제너레이션 시스템용 축열탱크를 제공한다.
본 발명에서는 또한, 상기 축열탱크를 구비하는 연료전지 코제너레이션 시스템을 제공한다.
본 발명의 연료전지 코제너레이션 시스템용 축열탱크는,
(a) 열매유체를 저장하는 저장용기로서,
상기 저장용기의 상부 벽에 설치되어 있는 냉각순환유체 복귀 포트;
상기 저장용기의 하부 벽에 설치되어 있는 냉각순환유체 공급 포트;
상기 저장용기의 상부 벽에 설치되어 있는 난방순환유체 공급 포트;
상기 저장용기의 하부 벽에 설치되어 있는 제1 난방순환유체 복귀 포트;
상기 난방순환유체 공급 포트와 상기 제1 난방순환유체 복귀 포트 사이의 상기 저장용기의 벽에 설치되어 있는 제2 난방순환유체 복귀 포트; 및
상기 저장용기 하부의 열매유체의 온도를 검출하기 위한 제1 온도검출수단;을 구비하는,
열매유체 저장용기; 및
(b) 상기 열매유체 저장용기로 복귀하는 난방순환유체를 상기 제1 및 제2 난방순환유체 복귀 포트에 택일적으로 유체연결시키는 난방순환유체 복귀유로 전환수단으로서,
난방순환유체 수집 포트;
상기 제1 난방순환유체 복귀 포트에 유체연결되는 제1 난방순환유체 배출 포트;
상기 제2 난방순환유체 복귀 포트에 유체연결되는 제2 난방순환유체 배출 포트;
상기 난방순환유체 수집 포트로 수집된 난방순환유체를, 상기 제1 난방순환 유체 배출 포트 및 상기 제2 난방순환유체 배출 포트에 택일적으로 연결시키는 유로변경수단; 및
상기 난방순환유체 수집 포트로 유입되는 난방순환유체의 온도를 검출하기 위한 제2 온도검출수단;을 구비하는,
난방순환유체 복귀유로 전환수단;을 포함하며,
상기 난방순환유체 복귀유로 전환수단은,
제2 온도검출수단에 의하여 측정된 온도가 제1 온도검출수단에 의하여 측정된 온도보다 높으면, 제1 난방순환유체 복귀 포트와 제1 난방순환유체 배출 포트의 유체연결을 "OFF"시키고, 제2 난방순환유체 복귀 포트와 제2 난방순환유체 배출 포트의 유체연결을 "ON"시키며;
제2 온도검출수단에 의하여 측정된 온도가 제1 온도검출수단에 의하여 측정된 온도보다 같거나 낮으면, 제1 난방순환유체 복귀 포트와 제1 난방순환유체 배출 포트의 유체연결을 "ON"시키고, 제2 난방순환유체 복귀 포트와 제2 난방순환유체 배출 포트의 유체연결을 "OFF"시킨다.
본 발명의 연료전지 코제너레이션 시스템은,
입구와 출구를 갖는 냉각유체유로를 구비하는 연료전지 스택;
앞에서 설명한 본 발명의 연료전지 코제너레이션 시스템용 축열탱크;
상기 냉각순환유체 공급 포트와 상기 냉각유체유로의 입구를 유체연결하는 도관; 및
상기 냉각순환유체 복귀 포트와 상기 냉각유체유로의 출구를 유체연결하는 도관을 포함한다.
<용어 설명>
본 발명에 있어서, 열매유체, 냉각순환유체 및 난방순환유체는 물리적으로 동일한 유체이다. "열매유체"는, 열매유체 저장용기 내에 존재하는 상태의 유체를 표시한다. "냉각순환유체"는, 연료전지 스택의 냉각회로를 순환하는 상태의 유체를 표시한다. "난방순환유체"는, 난방부하를 순환하는 상태의 유체를 표시한다. 따라서, 열매유체의 일부는 냉각순환유체로서 사용되고, 열매유체의 또 다른 일부는 난방순환유체로서 사용된다.
"냉각순환유체 복귀"는, 연료전지 스택의 냉각회로를 빠져나온 냉각순환유체가 열매유체 저장용기로 유입되는 것을 의미한다. "냉각순환유체 공급"은, 열매유체 저장용기 내의 열매유체가 연료전지 스택의 냉각회로로 유출되는 것을 의미한다. "난방순환유체 공급"은, 열매유체 저장용기 내의 열매유체가 난방부하로 유출되는 것을 의미한다. "난방순환유체 복귀"는, 난방부하를 빠져나온 난방순환유체가 열매유체 저장용기로 유입되는 것을 의미한다.
"난방순환유체 수집"은, 난방부하를 빠져나온 난방순환유체가 난방순환유체 복귀유로 전환수단으로 유입되는 것을 의미한다. "난방순환유체 배출"은, 난방순환유체 복귀유로 전환수단으로 유입된 난방순환유체가, "난방순환유체 복귀"를 위하여, 난방순환유체 복귀유로 전환수단으로부터 유출되는 것을 의미한다.
즉, 저장용기에 대한 유체의 출입은 공급과 복귀로 표시되며, 전환수단에 대한 유체의 출입은 배출과 수집으로 표시된다.
도 1을 참조하여 본 발명의 연료전지 코제너레이션 시스템용 축열탱크를 더욱 상세하게 설명한다. 도 1은 본 발명의 연료전지 코제너레이션 시스템용 축열탱크의 일 구현예를 개략적으로 보여주는 도면이다.
냉각순환유체 복귀 포트(211)이 저장용기(210)의 상부 벽에 설치되어 있다. 냉각순환유체 공급 포트(212)가 저장용기(210)의 하부 벽에 설치되어 있다. 난방순환유체 공급 포트(213)이 저장용기(210)의 상부 벽에 설치되어 있다. 제1 난방순환유체 복귀 포트(214)가 저장용기(210)의 하부 벽에 설치되어 있다. 저장용기(210)의 벽에 설치되어 있는 제2 난방순환유체 복귀 포트(215)는, 난방순환유체 공급 포트(213)의 수직 위치와 제1 난방순환유체 복귀 포트(214)의 수직 위치 사이의 중간 수직 위치에 설치되어 있다. 저장용기(210)의 내부에는 열매유체가 채워진다. 저장용기(210) 내 열매유체의 수위는 난방순환유체 공급 포트(213)보다 높게 유지된다. 제1 온도검출수단(216)은 저장용기(210) 하부의 열매유체의 온도를 검출할 수 있도록 설치되어 있다.
냉각순환유체 공급 포트(212)가 저장용기(210)의 하부 벽에 설치되어 있어서, 저장용기(210)의 하부에 몰려있는 저온의 열매유체가 냉각순환유체로서 연료전지 스택 냉각회로(미도시)로 공급될 수 있다. 그에 따라, 연료전지 스택 냉각 효율이 유리해진다. 난방순환유체 공급 포트(213)이 저장용기(210)의 상부 벽에 설치되 어 있어서, 저장용기(210)의 상부에 몰려있는 고온의 열매유체가 난방순환유체로서 난방부하(미도시)로 공급될 수 있다. 그에 따라, 난방부하에서의 난방 효율이 유리해진다.
난방순환유체 복귀유로 전환수단(220)은, 열매유체 저장용기(210)으로 복귀하는 난방순환유체를 제1 난방순환유체 복귀 포트(214) 및 제2 난방순환유체 복귀 포트(215)에 택일적으로 유체연결시킨다. 난방순환유체 복귀유로 전환수단(220)은, 난방순환유체 수집 포트(221), 제1 난방순환유체 배출 포트(222), 제2 난방순환유체 배출 포트(223), 제2 온도검출수단(224) 및 전환밸브(225)를 구비하고 있다.
제1 난방순환유체 배출 포트(222)는, 도관(232)에 의하여, 제1 난방순환유체 복귀 포트(214)에 유체연결되어 있다. 제2 난방순환유체 배출 포트(223)은, 도관(233)에 의하여, 제2 난방순환유체 복귀 포트(215)에 유체연결되어 있다. 제2 온도검출수단(224)는, 난방순환유체 수집 포트(221)로 유입되는 난방순환유체의 온도를 검출하기 위하여, 난방순환유체 수집 포트(221)에 설치되어 있다. 전환밸브(225)는, 난방순환유체 수집 포트(221)로 수집된 난방순환유체를, 제1 난방순환유체 배출 포트(222) 및 제2 난방순환유체 배출 포트(223)에 택일적으로 연결시키는 유로변경수단으로서 사용되고 있다.
제2 온도검출수단(224)에 의하여 측정된 온도가 제1 온도검출수단(216)에 의하여 측정된 온도보다 높으면, 전환밸브(225)를 제2 난방순환유체 배출 포트(223)로 전환시킨다. 그에 따라, 제1 난방순환유체 복귀 포트(214)와 제1 난방순환유체 배출 포트(222)의 유체연결은 "OFF" 상태가 되고, 제2 난방순환유체 복귀 포 트(215)와 제2 난방순환유체 배출 포트(223)의 유체연결은 "ON" 상태가 된다. 그리하여, 저장용기(210) 하부의 열매유체 보다 높은 온도를 갖는 난방순환유체는, 저장용기(220)의 중간 수직 위치로 복귀하게 된다.
제2 온도검출수단(224)에 의하여 측정된 온도가 제1 온도검출수단(216)에 의하여 측정된 온도보다 같거나 낮으면, 전환밸브(225)를 제1 난방순환유체 배출 포트(222)로 전환시킨다. 그에 따라, 제1 난방순환유체 복귀 포트(214)와 제1 난방순환유체 배출 포트(222)의 유체연결은 "ON" 상태가 되고, 제2 난방순환유체 복귀 포트(215)와 제2 난방순환유체 배출 포트(223)의 유체연결은 "OFF" 상태가 된다. 그리하여, 저장용기(210) 하부의 열매유체 보다 낮은 온도를 갖는 난방순환유체는, 저장용기(220)의 하부로 복귀하게 된다.
그리하여, 저장용기(210)의 하부에는, 저장용기(210)의 하부에 몰려있는 열매유체의 온도보다 같거나 낮은 난방순환유체가 복귀된다. 따라서, 저장용기(210)의 하부에서 공급되는 냉각순환유체는 항상 저온을 유지할 수 있으며, 그에 따라, 연료전지 스택 냉각 효율이 유리해진다.
게다가, 저장용기(210)의 하부에 몰려있는 열매유체의 온도보다 높은 온도를 갖는 난방순환유체는, 저장용기(210)의 중부로 복귀된다. 따라서, 상기 난방순환유체는, 저장용기(210)의 하부에 몰려있는 열매유체에 열을 빼앗기지 않는다. 또한, 상대적으로 높은 온도를 갖는 난방순환유체가 저장용기(210)의 중부로 복귀하므로, 저장용기(210)의 상부에 몰려있는 고온의 열매유체의 온도저하가 최소화될 수 있다. 따라서, 저장용기(210)의 상부에서 공급되는 난방순환유체는 항상 고온을 유지 할 수 있으며, 그에 따라, 난방부하에서의 난방효율이 유리해진다.
이와 같이, 저장용기(210) 하부의 열매유체의 온도와, 수집되는 난방순환유체의 온도를 비교하여, 적절한 난방순환유체의 복귀점을 선택하기 때문에, 난방순환유체의 복귀에 의한, 저장용기(210) 내의 열매유체의 온도구배의 교란이 극소화될 수 있다.
결국, 본 발명의 연료전지 코제너레이션 시스템용 축열탱크는, 저장용기 내의 열매유체의 온도구배를 교란시키지 않으면서, 저온의 냉각순환유체 및 고온의 난방순환유체를 동시에 공급할 수 있다는 놀라운 효과를 발휘할 수 있다.
본 발명의 연료전지 코제너레이션 시스템용 축열탱크에 있어서, 상기 열매유체는, 예를 들면, 물 또는 열매체유(heat transfer oil)일 수 있다. 물인 경우, 상기 열매유체는 급탕용 온수로서 사용될 수도 있다.
본 발명의 연료전지 코제너레이션 시스템용 축열탱크에 있어서, 상기 난방순환유체 복귀유로 전환수단은, 예를 들면, 하나의 입력포트와 복수의 출력포트를 갖는 전환밸브; 또는, 한 쪽 포트가 단일 유로로 집속되어 있는 복수의 온/오프 밸브일 수 있다.
본 발명의 연료전지 코제너레이션 시스템용 축열탱크에 있어서, 상기 제1 난방순환유체 복귀 포트 및 상기 제2 난방순환유체 복귀 포트 중 적어도 하나는, 상 기 저장용기의 내부로 연장되어 있으며 다수의 천공부가 형성되어 있는 튜브일 수 있다. 이 경우, 저장용기로 복귀하는 난방순환유체는 다수의 천공부를 통하여 열매유체 중으로 주입되므로, 난방순환유체의 총 주입 단면적이 증가하게 된다. 그리하여, 각각의 천공부를 통하여 주입되는 난방순환유체의 선속도가 매우 느려지게 되어, 난방순환유체의 복귀에 의한 열매유체의 교란 유동이 최소화될 수 있고, 그에 따라, 열매유체의 격렬한 유동에 의한 온도구배 파괴 현상이 더욱 방지될 수 있다.
도 2는, 저장용기의 내부로 연장되어 있으며 다수의 천공부가 형성되어 있는 튜브의 형태를 갖는 난방순환유체 복귀 포트의 일구현예를 나타내는 단면도이다. 저장용기(210)의 벽에 제2 난방순환유체 복귀 포트(215)가 설치되어 있다. 제2 난방순환유체 복귀 포트(215)는 저장용기의 내부로 연장되어 있는 연장부를 가지고 있다. 상기 연장부에 다수의 천공부(2150)이 형성되어 있다. 상기 연장부의 말단은 개방되거나 폐쇄될 수 있다. 난방순환유체 주입 경로가 화살표로 표시되어 있다.
본 발명의 연료전지 코제너레이션 시스템용 축열탱크는, 상기 저장용기 내에설치되고, 상기 난방순환유체 공급 포트와 상기 제2 난방순환유체 복귀 포트의 사이 및 상기 제2 난방순환유체 복귀 포트와 상기 제1 난방순환유체 복귀 포트 사이에 위치하는, 다수의 천공부를 갖는 격판을 더 포함할 수 있다. 이 격판에 의하여, 상기 저장용기 내의 열매유체의 글로벌한 유동이 억제될 수 있으므로, 열매유체의 격렬한 유동에 의한 온도구배 파괴 현상이 더욱 방지될 수 있다.
도 3은, 다수의 천공부가 형성되어 있는 격판을 더 포함하는 본 발명의 축열 탱크의 일구현예를 나타내는 도면이다. 격판(217)이 난방순환유체 공급 포트(213)과 제2 난방순환유체 복귀 포트(215)의 사이에 설치되어 있다. 격판(218)이 상기 제2 난방순환유체 복귀 포트(215)와 제1 난방순환유체 복귀 포트(214) 사이에 설치되어 있다. 격판(217) 및 격판(218)에는 다수의 천공부가 형성되어 있다. 상기 천공부에 의하여, 온도변화에 따른 밀도차에 의한 열매유체의 소규모 이동은 가능해진다. 상기 격판(217, 218)에 의하여, 상부, 중부 및 하부를 가로지르는 냉매유체의 대규모 유동이 억제될 수 있다.
본 발명의 연료전지 코제너레이션 시스템용 축열탱크의 다른 구현예는, 수직 위치를 달리하는 복수의 제2 난방순환유체 복귀 포트; 및 상기 복수의 제2 난방순환유체 복귀 포트의 수직 위치에 대응하는 열매유체의 온도를 검출할 수 있는 추가의 온도검출수단을 포함할 수 있다. 이 경우에, 상기 난방순환유체 복귀유로 전환수단은, 상기 복수의 제2 난방순환유체 복귀 포트에 유체연결되는 추가의 난방순환유체 배출 포트를 더 포함한다. 이 구현예에서는, 상기 제1 난방순환유체 복귀 포트 및 상기 복수의 제2 난방순환유체 복귀 포트 중에서, 상기 난방순환유체 수집 포트로 유입되는 난방순환유체의 온도와 가장 근접한 온도를 갖는 열매유체에 대응되는 하나의 난방순환유체 복귀 포트로, 난방순환유체를 복귀시킬 수 있다. 그리하여, 상기 저장용기 내의 열매유체의 온도구배를 더욱 정밀하게 유지시킬 수 있다.
도 4는, 복수의 제2 난방순환유체 복귀 포트를 구비하는 본 발명의 축열탱크의 일구현예를 나타내는 도면이다. 도 4의 구현예에서는, 두 개의 제2 난방순환유 체 복귀 포트(2151, 2152)가 저장용기(210)의 벽에 설치되어 있다. 두 개의 제2 난방순환유체 복귀 포트(2151, 2152)는, 제1 난방순환유체 복귀 포트(214)와 난방순환유체 공급 포트(213)의 사이에, 수직위치를 달리하여 설치되어 있다. 또한, 저장용기(210)에는, 두 개의 제2 난방순환유체 복귀 포트(2151, 2152)의 수직 위치에 대응하는 열매유체의 온도를 검출할 수 있는 추가의 온도검출수단(2161, 2162)가 설치되어 있다. 또한, 난방순환유체 복귀유로 전환수단(220)은, 두 개의 제2 난방순환유체 복귀 포트(2151, 2152)에 유체연결되는 추가의 난방순환유체 배출 포트(2231, 2232)를 포함하고 있다. 제2 난방순환유체 복귀 포트(2151)은, 도관(2331)에 의하여, 난방순환유체 배출 포트(2231)에 유체연결되어 있다. 제2 난방순환유체 복귀 포트(2152)는, 도관(2332)에 의하여, 난방순환유체 배출 포트(2232)에 유체연결되어 있다. 난방순환유체 복귀유로 전환수단(220)은, 제1 난방순환유체 복귀 포트(214) 및 제2 난방순환유체 복귀 포트(2151, 2152) 중에서, 난방순환유체 수집 포트(221)로 유입되는 난방순환유체의 온도와 가장 근접한 온도를 갖는 열매유체에 대응되는 하나의 난방순환유체 복귀 포트로, 난방순환유체를 복귀시킨다.
비록, 도 4의 구현예가 두 개의 제2 난방순환유체 복귀 포트(2151, 2152)를 구비하고 있지만, 본 발명의 축열탱크의 또 다른 구현예는, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않은 채, 세 개 이상의 제2 난방순환유체 복귀 포트를 구비하도록 변형될 수 있다.
본 발명의 연료전지 코제너레이션 시스템용 축열탱크의 또 다른 구현예는, 상기 열매유체 저장용기 내에 설치되어, 상기 저장용기 내의 열매유체를 추가적으로 냉각 또는 가열하기 위한 열교환기를 더 포함할 수 있다.
도 5는, 열매유체 저장용기 내에 설치되는 열교환기를 더 포함하는 본 발명의 축열탱크의 일구현예를 나타내는 도면이다. 저장용기(210)의 내부에, 수직 나선축을 갖는 코일 형태의 단일관 열교환기(219)가 설치되어 있다. 열교환기(219)를 통하여, 저장용기(210) 내의 열매유체의 추가적인 냉각 또는 가열이 가능하다. 예를 들어, 열교환기(219)의 내부에 급탕용 수돗물을 공급하므로써, 저장용기(210) 내의 열매유체가 보유하는 열을 이용하여, 상기 급탕용 수돗물을 가열할 수 있다.한편, 열교환기(219)를 사용하므로써, 저장용기(210) 내의 열매유체를 교란시키지 않은 채, 열매유체의 추가적인 냉각 또는 가열이 가능하게 된다. 비록, 도 5에서는 열교환기(219)가 수직 나선축을 갖는 코일 형태의 단일관으로 나타나있지만, 본 발명의 또 다른 구현예에서는, 저장용기(210) 내의 열매유체를 추가적으로 냉각 또는 가열할 수 있는 다양한 형태의 열교환기가 사용될 수 있다.
본 발명의 연료전지 코제너레이션 시스템용 축열탱크의 또 다른 구현예는, 상기 난방순환유체 공급 포트로부터 공급되는 난방순환유체의 추가적인 가열 또는 냉각을 위한 열교환기 또는 히터를 더 포함할 수 있다. 상기 히터는, 비제한적인 예를 들면, 전기히터 또는 보일러일 수 있다.
도 6은, 난방순환유체 공급 포트로부터 공급되는 난방순환유체의 추가적인 가열 또는 냉각을 위한 열교환기 또는 히터를 더 포함하는 본 발명의 축열탱크의 일구현예를 나타내는 도면이다. 난방순환유체 공급 포트(213)으로부터 공급되는 난방순환유체 라인에 히터(301)이 설치되어 있다. 예를 들어, 저장용기(210)의 상부로부터 공급되는 난방순환유체의 온도가 난방부하에 그대로 사용되기에 부적합할 정도로 낮은 경우에는, 히터(301)를 이용하여, 난방부하(미도시)로 공급되는 난방순환유체의 온도를 상승시킬 수 있다.
본 발명의 연료전지 코제너레이션 시스템용 축열탱크의 또 다른 구현예는, 상기 난방순환유체 수집 포트로 유입되는 난방순환유체의 추가적인 가열 또는 냉각을 위한 열교환기 또는 히터를 더 포함할 수 있다. 상기 히터는, 비제한적인 예를 들면, 전기히터 또는 보일러일 수 있다.
도 7은, 난방순환유체 수집 포트로 유입되는 난방순환유체의 추가적인 가열 또는 냉각을 위한 열교환기 또는 히터를 더 포함하는 본 발명의 축열탱크의 일구현예를 나타내는 도면이다. 난방순환유체 수집 포트(221)의 전단에 열교환기(302)가 설치되어 있다. 난방부하(미도시)로부터 수집되는 난방순환유체는, 열교환기(302)에 의하여 추가적으로 가열 또는 냉각된 후, 난방순환유체 수집 포트(221)로 유입된다.
본 발명의 연료전지 코제너레이션 시스템용 축열탱크의 또 다른 구현예는, 상기 냉각순환유체 공급 포트로부터 공급되는 냉각순환유체의 추가적인 가열 또는 냉각을 위한 열교환기를 더 포함할 수 있다.
도 8은, 냉각순환유체 공급 포트로부터 공급되는 냉각순환유체의 추가적인 가열 또는 냉각을 위한 열교환기를 더 포함하는 본 발명의 축열탱크의 일구현예를 나타내는 도면이다. 냉각순환유체 공급 포트(212) 후단에 열교환기(303)이 설치되어 있다. 냉각순환유체 공급 포트(212)에서 흘러나오는 냉각순환유체는 열교환기(303)를 통과하면서 추가적으로 가열 또는 냉각되어, 연료전지 냉각회로(미도시)로 공급될 수 있다. 예를 들어, 열교환기(303)은, 냉각순환유체 공급 포트(212)를 통하여 공급되는 냉각순환유체의 온도가 설정치를 초과할 경우, 연료전지 스택의 냉각 효율을 유지하기 위하여, 냉각순환유체를 추가적으로 냉각하기 위하여 사용될 수 있다. 상기 열교환기는, 바람직한 예를 들면, 라디에이터일 수 있다.
본 발명에서는 또한, 입구와 출구를 갖는 냉각유체유로를 구비하는 연료전지 스택; 및 앞에서 설명한 본 발명의 연료전지 코제너레이션 시스템용 축열탱크;를 포함하는, 연료전지 코제너레이션 시스템을 제공한다. 본 발명의 연료전지 코제너레이션 시스템의 잇점은, 앞에서 설명한 바와 같다.
도 9는 본 발명의 연료전지 코제너레이션 시스템의 간단한 구현예를 개략적으로 보여주는 도면이다. 연료전지 스택(100)에 냉각유체유로(110)이 구비되어 있다. 도관(122)에 의하여, 냉각순환유체 공급 포트(212)와 냉각유체유로입구(112)가 유체연결되어 있다. 도관(121)에 의하여, 냉각순환유체 복귀 포트(211)과 냉각유체유로출구(111)이 유체연결되어 있다. 도관(122)에는, 냉각순환유체의 강제순환을 위한 펌프(123)이 설치되어 있다. 저장용기(210)의 하부에 몰려있는 저온의 열매유 체는, 냉각순환유체 공급 포트(212)를 통하여, 냉각유체유로(110)에 냉각순환유체로서 공급된다. 연료전지 스택(100)에서 발생된 열에 의하여 가열된 고온의 냉각순환유체는, 냉각순환유체 복귀 포트(211)을 통하여, 저장용기(210)의 상부로 복귀한다. 저장용기(210)으로 복귀된 고온의 냉각순환유체는, 난방순환유체 공급 포트(213)을 통하여, 난방부하(미도시)에 난방순환유체로서 공급된다. 도 6에서는, 냉각순환유체의 강제순환을 위한 펌프(123)이 도관(122)에 설치되어 있지만, 본 발명의 연료전지 코제너레이션 시스템의 다른 구현예에서는, 냉각순환유체의 강제순환을 위한 펌프(123)이 도관(121)에 설치될 수도 있다.
도 9의 구현예외에도, 본 발명의 연료전지 코제너레이션 시스템은, 직접 열교환 방식 또는 간접 열교환 방식을 채택한, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 다양한 구현예를 가질 수 있다.
본 발명의 연료전지 코제너레이션 시스템용 축열탱크에 있어서, 저장용기 하부의 열매유체의 온도와, 수집되는 난방순환유체의 온도를 비교하여, 난방순환유체의 적절한 복귀점을 선택하기 때문에, 난방순환유체의 복귀에 의한, 저장용기 내의 열매유체의 온도구배의 교란이 극소화될 수 있다. 본 발명의 연료전지 코제너레이션 시스템용 축열탱크는, 저장용기 내의 열매유체의 온도구배를 교란시키지 않으면서, 저온의 냉각순환유체 및 고온의 난방순환유체를 동시에 공급할 수 있다는 놀라운 효과를 발휘할 수 있다. 이러한 축열탱크를 포함하는 본 발명의 연료전지 코제너레이션 시스템은 더욱 개선된 열효율을 가질 수 있다.

Claims (11)

  1. (a) 열매유체를 저장하는 저장용기로서,
    상기 저장용기의 상부 벽에 설치되어 있는 냉각순환유체 복귀 포트;
    상기 저장용기의 하부 벽에 설치되어 있는 냉각순환유체 공급 포트;
    상기 저장용기의 상부 벽에 설치되어 있는 난방순환유체 공급 포트;
    상기 저장용기의 하부 벽에 설치되어 있는 제1 난방순환유체 복귀 포트;
    상기 난방순환유체 공급 포트와 상기 제1 난방순환유체 복귀 포트 사이의 상기 저장용기의 벽에 설치되어 있는 제2 난방순환유체 복귀 포트; 및
    상기 저장용기 하부의 열매유체의 온도를 검출하기 위한 제1 온도검출수단;을 구비하는,
    열매유체 저장용기; 및
    (b) 상기 열매유체 저장용기로 복귀하는 난방순환유체를 상기 제1 및 제2 난방순환유체 복귀 포트에 택일적으로 유체연결시키는 난방순환유체 복귀유로 전환수단으로서,
    난방순환유체 수집 포트;
    상기 제1 난방순환유체 복귀 포트에 유체연결되는 제1 난방순환유체 배출 포트;
    상기 제2 난방순환유체 복귀 포트에 유체연결되는 제2 난방순환유체 배출 포트;
    상기 난방순환유체 수집 포트로 수집된 난방순환유체를, 상기 제1 난방순환유체 배출 포트 및 상기 제2 난방순환유체 배출 포트에 택일적으로 연결시키는 유로변경수단; 및
    상기 난방순환유체 수집 포트로 유입되는 난방순환유체의 온도를 검출하기 위한 제2 온도검출수단;을 구비하는,
    난방순환유체 복귀유로 전환수단;을 포함하며,
    상기 난방순환유체 복귀유로 전환수단은,
    제2 온도검출수단에 의하여 측정된 온도가 제1 온도검출수단에 의하여 측정된 온도보다 높으면, 제1 난방순환유체 복귀 포트와 제1 난방순환유체 배출 포트의 유체연결을 "OFF"시키고, 제2 난방순환유체 복귀 포트와 제2 난방순환유체 배출 포트의 유체연결을 "ON"시키며;
    제2 온도검출수단에 의하여 측정된 온도가 제1 온도검출수단에 의하여 측정된 온도보다 같거나 낮으면, 제1 난방순환유체 복귀 포트와 제1 난방순환유체 배출 포트의 유체연결을 "ON"시키고, 제2 난방순환유체 복귀 포트와 제2 난방순환유체 배출 포트의 유체연결을 "OFF"시키는,
    연료전지 코제너레이션 시스템용 축열탱크.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 열매유체가 물 또는 열매체오일인 것을 특징으로 하는 연료전지 코제너레이션 시스템용 축열탱크.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 난방순환유체 복귀유로 전환수단이 하나의 입력포트와 복수의 출력포트를 갖는 전환밸브; 또는, 한 쪽 포트가 단일 유로로 집속되어 있는 복수의 온/오프 밸브인 것을 특징으로 하는 연료전지 코제너레이션 시스템용 축열탱크.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 난방순환유체 복귀 포트 및 상기 제2 난방순환유체 복귀 포트 중 적어도 하나가, 상기 저장용기의 내부로 연장되어 있으며 다수의 천공부가 형성되어 있는 튜브인 것을 특징으로 하는 연료전지 코제너레이션 시스템용 축열탱크.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 저장용기 내에 설치되고, 상기 난방순환유체 공급 포트와 상기 제2 난방순환유체 복귀 포트의 사이 및 상기 제2 난방순환유체 복귀 포트와 상기 제1 난방순환유체 복귀 포트 사이에 위치하는, 다수의 천공부를 갖는 격판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 코제너레이션 시스템용 축열탱크.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 축열탱크가 수직 위치를 달리하는 복수의 제2 난방순환유체 복귀 포트; 및 상기 복수의 제2 난방순환유체 복귀 포트의 수직 위치에 대응하는 열매유체의 온도를 검출할 수 있는 추가의 온도검출수단을 포함하며,
    상기 난방순환유체 복귀유로 전환수단이, 상기 복수의 제2 난방순환유체 복귀 포트에 유체연결되는 추가의 난방순환유체 배출 포트를 더 포함하며,
    상기 제1 난방순환유체 복귀 포트 및 상기 복수의 제2 난방순환유체 복귀 포트 중에서, 상기 난방순환유체 수집 포트로 유입되는 난방순환유체의 온도와 가장 근접한 온도를 갖는 열매유체에 대응되는 하나의 난방순환유체 복귀 포트로, 난방순환유체를 복귀시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 코제너레이션 시스템용 축열탱크.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 열매유체 저장용기 내에 설치되어, 상기 저장용기 내의 열매유체를 추가적으로 냉각 또는 가열하기 위한 열교환기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 코제너레이션 시스템용 축열탱크.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 난방순환유체 공급 포트로부터 공급되는 난방순환유체의 추가적인 가열 또는 냉각을 위한 열교환기 또는 히터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 코제너레이션 시스템용 축열탱크.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 난방순환유체 수집 포트로 유입되는 난방순환유체의 추가적인 가열 또는 냉각을 위한 열교환기 또는 히터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 코제너레이션 시스템용 축열탱크.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 냉각순환유체 공급 포트로부터 공급되는 냉각순환유체의 추가적인 가열 또는 냉각을 위한 열교환기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 코제너레이션 시스템용 축열탱크.
  11. 입구와 출구를 갖는 냉각유체유로를 구비하는 연료전지 스택; 및
    제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 연료전지 코제너레이션 시스템용 축열탱크;를 포함하는 연료전지 코제너레이션 시스템.
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KR200489607Y1 (ko) 2018-11-19 2019-10-01 주식회사 한국에너팜 연료전지 급수 순환 시스템
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