KR100740542B1 - 연료전지 폐열 회수 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 특히, 연료 전지의 폐열을 회수하여 난방수와 온수를 가열하는데 사용하는 연료 전지 폐열 회수 시스템에 관한 것으로써, 연료 전지에서 발생하는 냉각수의 폐열을 회수하여 열 효율을 증대시키는 한편, 연료 전지가 최적의 반응 조건에 놓일 수 있도록 냉각수의 온도를 일정하게 유지할 수 있도록 하는 연료 전지의 폐열 회수 시스템에 관한 것이다.

본 발명의 목적을 달성하기 위한 연료 전지 폐열 회수 시스템의 제1 실시 형태는, 폐회로를 순환하는 냉각수에 의해 냉각되는 연료전지 시스템과, 상기 냉각수의 폐열을 회수하기 위한 폐열회수 열교환기와, 난방수를 수용하는 축열탱크와, 상기 폐열회수 열교환기에서 열교환하는 폐열 회수 열교환부와 상기 축열 탱크에서 열교환하는 축열 열교환부를 포함하는 폐열 회수 배관과, 상기 축열 탱크의 난방수를 가열하는 보일러를 포함하는 보조 열원부와, 직수가 상기 축열 탱크에서 상기 난방수와 열교환 한 후 상기 보조 열원부에서 추가 가열될 수 있도록 배치되는 직수 가열 배관과, 난방 환수 배관에서 분기하는 제1 난방 분기 배관과 제2 난방 분기 배관을 포함하여 상기 제1 난방 분기 배관은 상기 축열 탱크와 연결되고, 제2 난방 분기 배관은 상기 보조 열원부와 연결되는 난방수 가열 배관을 포함하도록 구성된다.

연료 전지, 폐열, 회수, 방열, 보일러, 병합

Description

연료전지 폐열 회수 시스템{System For Keeping Cooling Energy Of Fuel Cell}

도 1은 종래 기술에 따른 연료 전지 폐열 회수 시스템의 시스템 구성도.

도 2는 본 발명에 의한 연료 전지 폐열 회수 시스템의 제1 실시 형태에 따른 배관 배치 회로도.

도 3은 본 발명에 의한 연료 전지 폐열 회수 시스템의 제2 실시 형태에 따른 시스템 구성도.

본 발명은 연료 전지의 폐열을 회수하여 난방수 및/또는 직수를 가열하기 위한 열원으로 사용하는 연료 전지의 폐열 회수 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 특히, 연료 전지에서 발생하는 냉각수의 폐열을 회수하여 열 효율을 증대시키는 한편, 연료 전지가 최적의 반응 조건에 놓일 수 있도록 냉각수의 온도를 일정하게 유지할 수 있도록 하는 연료 전지의 폐열 회수 시스템에 관한 것이다.

연료전지는 차세대 무공해 대체 에너지로 주목 받고 있는 수소를 이용한 발전 시스템으로써, 기본적으로는 수소와 산소의 결합 반응에서 전자가 발생되는 현 상을 응용하여 발전을 하는 시스템으로, 발전 후 발생되는 물질이 무공해인 물 뿐이라는 점에 있어서 무공해 대체 에너지로 주목받고 있다. 이와 같은 연료 전지는 수소와 산소의 화학 반응을 일으키는 스택(Stack)의 화학 물질 조성과 수소 공급원으로 쓰이는 최초 연료 등의 종류에 따라 PEMFC, DMFC, MCFC, SOFC 등 다양한 연료 전지 시스템이 있으며, 대체로 알콜이나 메탄, 부탄, LNG 등 탄화 수소 연료들을 개질기를 통해 개질하여 수소를 얻고, 이들을 Stack에서 공기와 반응시키도록 구성된다.

그런데 짐작할 수 있는 바와 같이, 이러한 화학 반응에는 각 스택의 종류에 따라 최적의 발전 효율을 얻을 수 있는 최적 반응 조건 온도가 있어 연료 전지에 있어서 이와 같은 최적 반응 조건 온도에 맞도록 연료 전지 stack을 유지시키는 것이 중요하고, 이를 위해 통상 연료 전지를 일정 온도로 유지할 수 있도록 냉각 수간이 제공되고 있다.

본 발명은 이와 같은 연료 전지의 냉각 수단에 의해 폐기되었던 폐열을 회수하는 열병합 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

한편, 종래 이와 같은 연료 전지 폐열 회수 열병합 시스템에 관해서는 대한민국 등록특허 0418459가 개시된 바 있으며, 위 0418459호 특허의 개략적인 구성과 문제점을 도 1을 참조하여 설명하도록 하겠다.

도 1에는 종래 기술에 의한 연료 전지 폐열 회수 시스템이 개시되어 왔다. 위 대한민국 등록특허 0418459를 참조하여 그 구성을 파악할 수 있듯이, 종래 연료 전지 폐열 회수 시스템은 연료 전지로부터 발생하는 폐온수를 저장하기 위한 폐온 수 저장 탱크(1), 상기 폐온수 저장 탱크에 저장된 폐온수를 급탕온수로 공급하기 위한 수단, 및 보일러로부터 나오는 난방환수를 상기 폐온수에 의하여 가열하여 다시 보일러에 공급하고, 상기 저장 탱크 내부에 설치되는 폐열회수 열교환기(2)를 포함하는 수단으로 구성되며, 상기 폐온수를 급탕수로 공급하기 위한 수단은 상기 폐온수를 온수 열교환기(21)로 공급하기 위한 펌프(5) 및 상기 폐온수와 외부로부터 유입되는 직수를 선택하기 위한 3-웨이 밸브(6)로 이루어지고, 보일러의 난방환수를 가열하여 보일러에 공급하기 위한 상기 수단은 상기 저장탱크 내부에 설치되는 폐열 회수 열교환기(2)를 포함하며, 상기 열교환기에는 보일러로부터 나오는 난방환수가 유입되어 주열교환기(19)로 유입되도록 구성된다.

그런데, 위 대한민국 등록특허 0418459호에 개시된 종래 연료 전지 폐열 회수 시스템은 연료 전지에서 발생한 폐온수가 그대로 온수로 쓰임에 따라, 여름과 같이 장시간 폐열 회수 시스템을 작동시키지 아니하는 시기 또는 연료 전지 냉각하기 위해 순환한 폐온수의 정화 시스템이 제대로 작동하지 아니하는 경우에는 오염된 물이 온수로 공급될 수 있어, 이를 식수로 사용하거나 이를 이용하여 몸을 씻는 사용자의 건강에 막대한 위협을 가할 수 있는 단점이 있었다. 뿐만 아니라 종래 연료 전지 폐열 회수 시스템은 냉각수가 바로 온수로 사용되고, 연료 전지의 적정 온도를 일정하게 유지하기 위한 수단으로 폐온수 저장 탱크의 수위를 기준으로 연료 전지가 적정 화학 반응 온도를 일정하게 유지할 수 있도록 구성되어 있었으므로 연료 전지로 유입되는 냉각수의 압력과 온도를 조절하기 위한 별도의 장치가 추가로 부착되어야 할 필요가 있었으며, 연료 전지의 적정 반응 온도를 정밀하게 제어 하기가 매우 어려운 단점이 있었고, 냉각수 보충을 위해 직수를 사용할 경우 직수의 수압에 의한 냉각수 시스템의 파괴를 막기 위해서는 감압 밸브와 탱크 등의 구성이 추가로 필요할 뿐 아니라, 이들의 내구성이 고가의 장치인 연료 전지의 효율 및 내구성과 직결되는 등의 문제가 발생하였다.

본 발명은 전술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하여, 연료 전지 냉각에 사용된 폐열을 포함하는 유체가 직접 사용자가 사용하는 온수로 유입되는 것을 방지하여, 연료 전지 냉각에 사용된 폐열을 포함하는 유체는 간접 열교환을 통해 온수 및/또는 난방수를 가열하도록 하여 연료 전지 냉각 폐열 유체가 직접 온수 또는 난방수로 사용될 경우 발생하는 온수 오염 문제, 연료 전지의 최적 온도 조건 유지 문제를 해결하도록 하는데 그 목적이 있다.

또한 본 발명은 연료 전지 냉각에 사용되는 폐열을 포함하는 유체가 겨울철 동파되는 것을 방지하기 위한 회로를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한 본 발명은 연료 전지 냉각에 사용되는 폐열의 온도를 연료 전지의 최적 온도 조건을 유지할 수 있도록 온도 구간에 따라 상기 폐열의 온수 및/또는 난방수와의 열교환을 제어하도록 하는데 그 목적이 있다.

나아가 연료 전지가 최적 온도 조건을 유지할 수 있도록 폐열을 포함하는 유체가 지나치게 높은 온도를 가지는 경우 폐열 회수 시스템 회로에서 이를 방열할 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.

전술한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 연료 전지 폐열 회수 시스템의 제1 실시 형태는, 폐회로를 순환하는 냉각수에 의해 냉각되는 연료전지 시스템과, 상기 냉각수의 폐열을 회수하기 위한 폐열회수 열교환기와, 난방수를 수용하는 축열탱크와, 상기 폐열회수 열교환기에서 열교환하는 폐열 회수 열교환부와 상기 축열 탱크에서 열교환하는 축열 열교환부를 포함하는 폐열 회수 배관과, 상기 축열 탱크의 난방수를 가열하는 보일러를 포함하는 보조 열원부와, 직수가 상기 축열 탱크에서 상기 난방수와 열교환 한 후 상기 보조 열원부에서 추가 가열될 수 있도록 배치되는 직수 가열 배관과, 난방 환수 배관이 상기 축열 탱크와 연결되는 난방수 가열 배관을 포함하도록 구성된다.

이와 같은 구성에 의하면, 직수를 가열하여 온수를 공급함에 있어서 종래 연료 전지 회수 시스템은 연료 전지에서 발생한 폐열을 포함하는 유체 즉, 연료 전지 냉각수를 바로 온수로 제공함에 따라 발생했던 문제를 해결할 수 있게 된다. 즉, 온수의 오염 문제와, 직수를 연료 전지 시스템의 냉각수로 제공함에 따라 추가로 제공되어야 했던 감압 밸브 및 직수 저장 탱크의 구성을 줄일 수 있고, 연료 전지의 정밀 제어를 위해 냉각수를 수위에 따라 조절하였던 종래 기술에 있어서 연료 전지의 최적 반응 온도를 적절하게 조절할 수 없었던 문제를 본 발명에 의하면 해결할 수 있게 된다.

바람직하게는, 상기 난방수 가열 배관의 난방 환수 배관은 제1 난방 분기 배관과 제2 난방 분기 배관을 포함하며, 상기 제1 난방 분기 배관은 상기 축열 탱크와 연결되고, 제2 난방 분기 배관은 상기 보조 열원부와 연결되어, 직수는 상기 폐 열 저장 탱크의 폐열 저장 유체와 열교환 한 후 상기 보조 열원 시스템에서 추가 가열되어 온수로 공급되고, 난방 환수는 그 온도에 따라 상기 폐열 저장 탱크로 유입된 후 상기 보조 열원 시스템에서 추가 가열되거나, 또는 상기 보조 열원 시스템으로 바로 유입되어 가열된 후 난방수로 공급되도록 구성된다.

이와 같은 구성에 의하면, 난방 환수의 온도가 지나치게 낮은 경우 난방 환수를 가열하는 과정에서 연료 전지 냉각수가 지나치게 많은 열을 빼앗겨 연료 전지의 최적 운전 온도 조건 이하의 온도까지 냉각될 수 있는데, 본 발명에 의하면 이러한 경우 난방 환수를 바로 보조 열원에서 가열하도록 제어할 수 있게 되어 이를 방지할 수 있게 된다.

바람직하게는, 상기 폐열 회수 배관은 상기 폐열 회수 열교환부로부터 상기 축열 열교환부를 향하는 제1 폐열 회수 배관과, 상기 축열 열교환부로부터 상기 폐열 회수 열교환부를 향하는 제2 폐열 회수 배관과, 상기 제1 폐열 회수 배관에서 제1 삼방 밸브를 통해 분기되어 상기 제2 폐열 회수 배관과 제1 연결점에서 연결되는 제1 폐열 회수 분기 배관과, 상기 제2 폐열 회수 배관의 상기 제1 연결점보다 상기 폐열 회수 열교환부측에 더 가까이 위치하는 위치에서 제2 삼방 밸브를 통해 분기되어 상기 제2 폐열 회수 배관과 연결되는 방열 배관과, 상기 방열 배관 상에 배치되는 방열 수단을 더 포함하도록 구성된다.

더욱 바람직하게는, 상기 제1 삼방 밸브와 상기 제2 삼방 밸브는, 제1 온도 구간에서는 상기 폐열 회수 열교환부에서 가열된 유체를 상기 제1 연결점을 지나 상기 폐열 회수 열교환부로 재 유입시키도록 작동하고, 상기 제1 온도 구간에 비해 높은 온도 구간인 제2 온도 구간에서는 상기 폐열 회수 열교환부에서 가열된 유체가 상기 축열 열교환부에서 열 교환한 후 상기 폐열 회수 열교환부로 유입되도록 작동하고, 상기 제2 온도 구간에 비해 높은 온도 구간인 제3 온도 구간에서는 상기 폐열 회수 열교환부에서 가열된 유체가 상기 축열 열교환부에서 열교환한 후 상기 방열 수단을 거쳐 상기 폐열 회수 열교환부로 유입되도록 작동하도록 구성된다.

이와 같은 구성에 의하면 연료 전지 냉각수(또는 연료 전지)가 제1 온도 구간에 있는 경우, 즉 연료 전지의 초기 작동 상태에 있어서 연료 전지의 냉각수가 난방수 및/또는 직수를 가열하기에 적당치 아니한 경우에는 냉각수가 난방수 및/또는 직수와 열교환 하지 아니하도록 하여 연료 전지가 초기 작동 상태에서 빠르게 최적 작동 온도에 이르도록 하고, 연료 전지 냉각수가 제2 온도 구간에 있는 경우, 즉 연료 전지가 최적 작동 온도 상태에 놓인 경우에는 난방수 및/또는 직수와 열교환하도록 하며, 연료 전지가 지나치게 가열된 제3 온도 구간에서는, 연료 전지가 과열되는 것을 방지하기 위하여 방열 수단에서 연료 전지 냉각수와 열교환하는 폐열 회수 배관 내의 유체를 추가로 냉각하도록 구성함으로써, 다양한 작동 구간에서 연료 전지가 최적 작동 온도 구간을 유지할 수 있도록 할 수 있다.

바람직하게는, 상기 제1 연결점과 상기 제2 삼방 밸브 사이에는 펌프가 배치되도록 구성된다. 이와 같은 구성에 의하면, 상기 펌프를 작동시켜 연료 전지를 사용하지 아니하는 경우 또는 추운 겨울철에 본 발명에 의한 시스템의 배관 내부의 유체들을 강제 순환시켜 배관들이 동파되는 것을 방지할 수 있게 된다.

바람직하게는, 상기 제1 삼방밸브와 상기 축열 열교환부 사이에는 팽창 탱크 가 배치되도록 구성된다. 이와 같은 구성에 의하면, 본 발명에 의한 시스템의 배관 내부의 유체들이 온도 변화에 따라 팽창하는 경우 발생할 수 있는 배관 파괴를 미연에 방지할 수 있게 된다.

바람직하게는, 상기 제1 난방 분기 배관과 상기 제2 난방 분기 배관은 제3 삼방밸브에 의해 분기되고, 상기 제3 삼방 밸브는 상기 난방 환수 배관 내부의 난방 환수의 온도가 소정 온도 이상일 때는 상기 난방 환수를 상기 축열 탱크로 유입시키도록 작동하고, 상기 난방 환수의 온도가 소정 온도 이상일 때는 상기 난방 환수를 상기 보조 열원부로 유입시키도록 작동하도록 구성된다. 이와 같은 구성에 의하면, 난방 환수의 온도가 지나치게 낮은 경우 난방 환수를 가열하는 과정에서 연료 전지 냉각수가 지나치게 많은 열을 빼앗겨 연료 전지의 최적 운전 온도 조건 이하의 온도까지 냉각될 수 있는데, 본 발명에 의하면 이러한 경우 난방 환수를 바로 보조 열원에서 가열하도록 삼방 밸브를 제어할 수 있게 되어 이를 방지할 수 있게 된다.

또한, 전술한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 연료 전지 폐열 회수 시스템의 제2 실시 형태는, 폐회로를 순환하는 유체에 의해 냉각되는 연료 전지 시스템과, 상기 연료 전지 시스템의 냉각 유체와 열교환하는 폐열 저장 유체가 저장되는 폐열 저장 탱크와, 보조 열원 시스템과, 상기 폐열 저장 탱크 및 상기 보조 열원 시스템과 열교환 가능하게 배치되는 직수 공급 배관과, 난방 환수 배관이 상기 폐열 저장 탱크와 연결되는 난방수 공급 배관을 포함하도록 구성된다.

이와 같은 구성에 의하면, 직수를 가열하여 온수를 공급함에 있어서 종래 연 료 전지 회수 시스템은 연료 전지에서 발생한 폐열을 포함하는 유체 즉, 연료 전지 냉각수를 바로 온수로 제공함에 따라 발생했던 문제를 해결할 수 있게 된다.

바람직하게는, 상기 난방수 공급 배관의 상기 난방 환수 배관은 제1 배관과 제2 배관으로 분기하되, 상기 제1 배관은 상기 폐열 저장 탱크와 연결되고, 상기 제2 배관은 상기 보조 열원 시스템과 연결되도록 분기되며, 직수는 상기 폐열 저장 탱크의 폐열 저장 유체와 열교환 한 후 상기 보조 열원 시스템에서 추가 가열되어 온수로 공급되고, 난방 환수는 그 온도에 따라 상기 폐열 저장 탱크로 유입된 후 상기 보조 열원 시스템에서 추가 가열되거나, 또는 상기 보조 열원 시스템으로 바로 유입되어 가열된 후 난방수로 공급되도록 구성된다.

이와 같은 구성에 의하면, 연료 전지의 냉각수가 난방 환수와 열교환할 때 지나치게 저온의 난방 환수와 열교환하게 됨으로써 연료 전지가 최적 온도 조건을 벗어나게 되는 수준까지 냉각수 온도가 저하되는 문제가 발생하였는데, 전술한 바와 같은 구성에 따르면 난방 환수의 온도가 일정 온도 이하인 경우 난방 환수가 연료 전지 냉각수와 열교환하지 아니하고 바로 보조 열원에서 가열되도록 구성하여 이와 같은 문제를 해결할 수 있게 된다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 연료 전지 폐열 회수 시스템의 가장 바람직한 실시예에 대해 설명하도록 하겠다.

도 2에는 본 발명에 의한 연료 전지 폐열 회수 시스템의 제1 실시 형태에 따른 바람직한 실시예의 배관 배치 회로도가 도시되어 있다.

도 2에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 연료 전지 폐열 회수 시스템의 제1 실시 형태는, 폐회로(110, 120, 130)를 순환하는 냉각수에 의해 냉각되는 연료전지 시스템(10)과, 상기 냉각수의 폐열을 회수하기 위한 폐열회수 열교환기(20)와, 난방수를 수용하는 축열탱크(30)와, 상기 폐열회수 열교환기(20)에서 열교환하는 폐열 회수 열교환부(47)와 상기 축열 탱크(30)에서 열교환하는 축열 열교환부(45)를 포함하는 폐열 회수 배관과, 상기 축열 탱크(30)의 난방수를 가열하는 보일러(50)를 포함하는 보조 열원부와, 직수가 상기 축열 탱크(30)에서 상기 난방수와 열교환 한 후 상기 보조 열원부에서 추가 가열될 수 있도록 배치되는 직수 가열 배관(60, 61, 62)과, 난방 환수 배관(71)에서 분기하는 제1 난방 분기 배관(73)과 제2 난방 분기 배관(75)을 포함하여 상기 제1 난방 분기 배관(73)은 상기 축열 탱크(30)와 연결되고, 제2 난방 분기 배관(75)은 상기 보조 열원부(50)와 연결되는 난방수 가열 배관을 포함하도록 구성된다.

상기 난방 환수 배관(71)은 가정이나 사무소의 각 난방 부하 구간에 배치되는 난방 회로를 통과하면서 열을 빼앗긴 난방수가 재 가열을 위해 가열 구간으로 회수되면서 유입되는 배관이다.

연료 전지의 냉각수는 폐회로(110, 120, 130)을 순환하면서 연료 전지를 냉각하게 되는데, 여기에 폐열회수 열교환기(20)를 설치하여 폐회로의 일부 구간(120)이 폐열 회수 열교환기(20)를 통과하도록 한다. 폐열회수 열교환기(20)에는 폐열 회수 배관의 폐열 회수 열교환부(47)가 배치되어 고온의 연료 전지 냉각수와 폐열 회수 배관 작동 유체(통상, 물이 될 것이다.)가 열교환하여 연료 전지 냉각수의 폐열을 회수한다. 회수된 폐열은 작동 유체를 따라 제1 폐열 회수 배 관(41, 411)을 통해 축열 탱크(30)에서 난방수 및/또는 온수와 열교환하면서 냉각되고, 제2 폐열 회수 배관(43)을 통해 회수된 후 다시 폐열 회수 열교환기(20)로 유입되어 가열되므로써 냉각수의 폐열이 결국 난방수 및/또는 온수로 전달된다. 한편, 온수는 직수 가열 배관(60)을 통해 유입되는 직수가 상기 축열 탱크(30) 내에 배치되는 1차 직수 가열 배관(61)을 통과하면서 1차로 열교환한 후 보조 열원부의 보일러(50)로 유입된 후 추가 가열되고(사용자가 설정한 온수의 희망 온도에 따라 가열되지 아니할 수 있다.), 소정의 목표 온도에 이르면 온수 공급 배관(65)으로 배출되도록 구성된다. 또한, 난방수는 난방 부하를 거쳐 열을 잃은 난방 환수가 난방 환수 배관(71)으로 유입되면 제3 삼방 밸브(W3)에서 그 온도에 따라 분기되어 소정 온도 이상의 난방 환수는 축열 탱크(30)로 유입된 후 보조 열원부(50)를 거쳐 난방 공급 배관(77)을 통해 난방 부하로 유입되고, 소정 온도 이하의 난방 환수는 축열 탱크(30)를 거치지 아니하고 바로 보조 열원부(50)로 유입되어 가열된 후 난방 공급 배관(77)을 통해 난방 부하로 유입된다.

한편, 상기 폐열 회수 배관은 상기 폐열 회수 열교환부(47)로부터 상기 축열 열교환부(45)를 향하는 제1 폐열 회수 배관(41, 411)과, 상기 축열 열교환부(45)로부터 상기 폐열 회수 열교환부(47)를 향하는 제2 폐열 회수 배관(43)과, 상기 제1 폐열 회수 배관(41)에서 제1 삼방 밸브(W1)를 통해 분기되어 상기 제2 폐열 회수 배관(43)과 제1 연결점(K1)에서 연결되는 제1 폐열 회수 분기 배관(200)과, 상기 제2 폐열 회수 배관(43)의 상기 제1 연결점(K1)보다 상기 폐열 회수 열교환부측(47)에 더 가까이 위치하는 위치에서 제2 삼방 밸브(W3)를 통해 분기되어 상기 제2 폐열 회수 배관(43)과 연결되는 방열 배관(300)과, 상기 방열 배관 상에 배치되는 방열 수단(80)을 더 포함하도록 구성된다.

상기 방열 수단(80)은 배관 내의 유체의 온도를 추가 냉각 시키기 위한 구성으로써, 핀이 설치된 배관과, 이를 향해 강제 송풍 시키는 냉각 팬을 포함하도록 구성할 수 있으며, 이 밖에도 배관 내의 유체 온도를 추가 냉각 시키기 위한 구성이면 다양하게 응용하여 구성할 수 있다.

한편, 상기 제1 삼방 밸브(W1)와 상기 제2 삼방 밸브(W2)는, 제1 온도 구간에서는 상기 폐열 회수 열교환부(47)에서 가열된 유체를 상기 제1 연결점(K1)을 지나 상기 폐열 회수 열교환부(47)로 재 유입시키도록 작동하고, 상기 제1 온도 구간에 비해 높은 온도 구간인 제2 온도 구간에서는 상기 폐열 회수 열교환부(47)에서 가열된 유체가 상기 축열 열교환부(45)에서 열 교환한 후 상기 폐열 회수 열교환부(43)로 유입되도록 작동하고, 상기 제2 온도 구간에 비해 높은 온도 구간인 제3 온도 구간에서는 상기 폐열 회수 열교환부(45)에서 가열된 유체가 상기 축열 열교환부(45)에서 열교환한 후 상기 방열 수단(80)을 거쳐 상기 폐열 회수 열교환부로 유입되도록 작동한다.

연료 전지가 초기 작동하게 되면 상기 폐열 회수 열교환기(20)에서 열교환하는 냉각수의 온도가 낮은 온도 구간을 형성하는데 이때는, 폐열 회수 열교환기(20)에서 냉각수가 빼앗기는 열이 거의 없도록 하는 것이 연료 전지의 상태가 빠르게 최적 효율을 내는 정상 작동 구간으로 진입되도록 하는데 바람직하다. 따라서, 제1 온도 구간인 연료 전지 초기 작동 구간 또는 연료 전지 저온 작동 구간에서는 상기 폐열 회수 열교환기(20)에서 열교환한 폐열 회수 배관 내의 유체가 축열 탱크(30)에서 난방수 및/또는 온수와 열교환 하지 아니하고 제어되는 것이 바람직한데, 이를 위해 제1 온도 구간에서는 폐열 회수 열교환부(47)에서 열교환한 유체가 제1 폐열 회수 배관(41)을 거친 후, 제1 폐열 회수 분기 배관(200)으로 유입되도록 제1 삼방 밸브(300)를 제어하고, 제1 폐열 회수 분기 배관(200)을 거친 유체는 제1 폐열 회수 분기 배관(200)과 연결된 제2 폐열 회수 배관(43)을 따라 다시 폐열 회수 열교환부(47)로 유입되도록 한다.

한편, 연료 전지가 바람직한 작동 온도에서 정상 작동하게 되는 제2 온도 구간에서는 앞서 설명한 바와 같이 폐열 회수 배관의 작동 유체는 폐열 회수 열교환부(47), 제1 폐열 회수 배관(41, 411), 축열 열교환부(45), 제2 폐열 회수 배관(43)을 차례로 지나면서 난방수 및/또는 온수와 열교환 하도록 구성된다.

이와 같이 온도에 따른 정밀한 시스템 제어를 위해 각 배관 또는, 각 배관의 단부 또는 각 밸브에 온도 측정 센서가 제공되는 것이 바람직하다.

또한, 연료 전지가 장시간 계속해서 사용되어 과열된 경우 등에는 연료 전지의 온도를 추가로 냉각할 필요가 있는데, 이때는 제2 삼방 밸브(W2)를 작동시켜 제2 폐열 회수 배관(43)의 유체가 방열 수단(80)이 배치된 방열 배관(300)에서 추가로 냉각된 후 폐열 회수 열교환부(47)로 유입되도록 구성된다.

상기 각 온도 구간의 온도 범위는 연료 전지의 사양과 종류, 설계치에 따라 다양하게 변화할 수 있음은 물론이다. 또한, 상기 온도 구간들 역시 연료 전지 시스템의 냉각수 온도를 측정하여 상정하거나, 또는 폐열 회수 열교환기(20)의 연료 전지 냉각수 회로측 배관(120)의 온도를 측정하여 상정하거나, 폐열 회수 열교환기(20)의 폐열 회수 배관의 폐열 회수 열교환부(47)의 온도를 측정하여 상정하거나, 또는 제1 폐열 회수 배관(41)의 온도를 측정하여 상정하거나, 또는 제2 폐열 회수 배관(43)의 온도를 측정하여 상정하는 등 당업자가 설계에 따라 이를 실시할 수 있으며, 이를 위한 온도 측정 수단 및 제어 수단 역시 폐열 회수 시스템의 설계에 따라 변경될 수 있다.

한편, 상기 제2 폐열 회수 배관의 상기 제1 연결점(K1)과 상기 제2 삼방 밸브(W2) 사이에는 펌프(P)가 배치되는데, 상기 펌프는 폐열 회수 배관 내의 유체 순환 에너지를 제공할 뿐 아니라, 동파 방지를 위한 유체 강제 순환 기능 역시 제공할 수 있다. 즉, 겨울철 폐열 회수 배관의 동파를 방지하기 위해서 각 삼방 밸브(W1, W2)를 각 유체 이송 가능 방향으로 오픈 시키면서, 폐열 회수 배관 내의 유체를 강제 순환 시켜 줌으로 연료 전지가 사용되지 아니하는 상태에서 발생할 수 있는 폐열 회수 배관의 동파를 방지할 수 있다. 즉, 연료 전지 시스템이 실외에 배치되는 경우에는 각 배관의 동파가 발생할 수 있고, 동파가 발생하는 경우 연료 전시 시스템의 작동이 불가능하게 되므로 본 발명에 의한 연료 전지 시스템은 이와 같이 동파 방지를 위해 삼방 밸브와 펌프를 작동시켜 배관 내의 작동 유체를 강제 순환시키도록 구성할 수 있으며, 이때 보조 열원(50)부의 보일러를 가동하여 축열탱크(30) 내의 작동 유체를 간접 가열하고, 이를 통해 상기 폐열 회수 배관이 동파하는 것을 더욱 효율적으로 방지할 수도 있다.

또한, 상기 제1 삼방밸브(W1)와 상기 축열 열교환부(45) 사이에는 팽창 탱 크(T)가 배치되어 폐열 회수 배관 내의 작동 유체가 온도에 따라 팽창되는 경우 이를 수용할 수 있도록 한다.

또한, 상기 제1 난방 분기 배관(73)과 상기 제2 난방 분기 배관(75)은 제3 삼방밸브(W3)에 의해 분기되고, 상기 제3 삼방 밸브(W3)는 상기 난방 환수 배관(71) 내부의 난방 환수의 온도가 소정 온도 이상일 때는 상기 난방 환수를 상기 축열 탱크(30)로 유입시키도록 작동하고, 상기 난방 환수의 온도가 소정 온도 이하일 때는 상기 난방 환수를 상기 보조 열원부의 보일러(50)로 유입시키도록 작동하는 것이 바람직하다. 전술한 바와 같이 이와 같이 구성하게 되면, 난방 환수의 온도가 지나치게 낮은 경우 폐열 회수 열교환기(20)로 유입되는 폐열 회수 배관 작동 유체가 난방 환수와 축열 탱크(30)에서 열교환하면서 온도가 지나치게 내려갈 수 있게 되고, 이러한 경우 연료 전지 시스템(10)의 냉각수 온도가 최적 온도 작동 조건에서 벗어날 수 있기 때문이다.

설명되지 아니한 도면 부호 S1, S2는 각각 유령 제어 밸브로써, 각 배관 내의 유체 속도 및/또는 유량을 제어하도록 제공된다.

한편, 도 3에는 본 발명에 의한 연료 전지 폐열 회수 시스템의 제2 실시 형태에 따른 바람직한 실시예의 시스템 개략도가 도시되어 있다.

도 3에는 도 2에 도시된 연료 전지 폐열 회수 시스템과 달리 연료 전지 냉각수가 직접 난방수와 열교환하는 실시예가 도시되어 있다. 즉, 도 3에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 연료 전지 폐열 회수 시스템의 제2 실시형태는 폐회로(110', 120', 130')를 순환하는 유체에 의해 냉각되는 연료 전지 시스템(10')과, 상기 연 료 전지 시스템(10')의 냉각 유체와 열교환하는 폐열 저장 유체가 저장되는 폐열 저장 탱크(30')와, 보일러(50')를 포함하는 보조 열원 시스템과, 상기 폐열 저장 탱크(30') 및 상기 보조 열원 시스템과 열교환 가능하게 배치되는 직수 공급 배관(60', 62', 621')과, 난방 환수 배관(71')이 제1 배관(73')은 상기 폐열 저장 탱크(30')와 연결되고, 제2 배관(75')은 상기 보조 열원 시스템과 연결되도록 분기되는 난방수 공급 배관(71', 73', 75', 77')을 포함하여, 연료 전지 시스템(10')에서 발생한 폐열은 폐회로(110', 120', 130')의 열교환부(120')를 통해 폐열 저장 탱크(30') 내로 유입된 난방수 또는 직수와 열교환하고, 이때 직수는 상기 폐열 저장 탱크(30')의 폐열 저장 유체와 열교환 한 후 상기 보조 열원 시스템에서 추가 가열되어 온수 공급 배관(65')을 통해 온수로 공급되며, 난방 부하(79')을 거치면서 열을 빼앗긴 난방 환수는 그 온도에 따라 상기 폐열 저장 탱크(30')로 유입된 후 상기 보조 열원 시스템에서 추가 가열되거나, 또는 상기 보조 열원 시스템으로 바로 유입되어 가열된 후 난방 공급 배관(77')을 통해 난방 부하(79')로 유입되도록 구성된다. 한편, 연료 전지 냉각을 위한 폐쇄 회로(110', 120', 130')와, 난방수 공급을 위한 회로(71', 73', 75', 77', 79')에는 도 3에 도시된 바와 같이 순환 펌프(P1, P2)가 제공되는 것이 바람직하다.

이상 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하였으나, 본 발명의 청구범위는 첨부된 도면 또는 발명의 상세한 설명에 기재된 바람직한 실시예에 한정되어 해석될 것이 아니고 특허청구범위에 기해 해석되어야 한다.

또한 특허청구범위에 기재된 사항의 자명한 설계 변경이나, 치환 역시 본 발 명의 권리범위에 속한다.

본 발명에 의하면, 연료 전지 냉각에 사용된 폐열을 포함하는 유체가 직접 사용자가 사용하는 온수로 유입되는 것을 방지하여, 연료 전지 냉각에 사용된 폐열을 포함하는 유체는 간접 열교환을 통해 온수 및/또는 난방수를 가열하도록 하여 연료 전지 냉각 폐열 유체가 직접 온수 또는 난방수로 사용될 경우 발생하는 온수 오염 문제, 연료 전지의 최적 온도 조건 유지 문제를 해결하도록 할 수 있다.

또한 본 발명에 의하면 연료 전지 냉각에 사용되는 폐열을 포함하는 유체가 겨울철 동파되는 것을 방지할 수 있다.

또한 본 발명에 의하면 연료 전지 냉각에 사용되는 폐열의 온도를 연료 전지의 최적 온도 조건을 유지할 수 있도록 온도 구간에 따라 상기 폐열의 온수 및/또는 난방수와의 열교환을 제어할 수 있다.

나아가 본 발명에 의하면 연료 전지가 최적 온도 조건을 유지할 수 있도록 폐열을 포함하는 유체가 지나치게 높은 온도를 가지는 경우 폐열 회수 시스템 회로에서 이를 방열할 수 있다.

Claims (9)

1. 연료 전지에서 발생하는 폐열을 회수하기 위한 연료전지 폐열 회수 시스템에 있어서,

   폐회로를 순환하는 냉각수에 의해 냉각되는 연료전지 시스템과,

   상기 냉각수의 폐열을 회수하기 위한 폐열회수 열교환기와,

   난방수를 수용하는 축열탱크와,

   상기 폐열회수 열교환기에서 열교환하는 폐열 회수 열교환부와 상기 축열 탱크에서 열교환하는 축열 열교환부를 포함하는 폐열 회수 배관과,

   상기 축열 탱크의 난방수를 가열하는 보일러를 포함하는 보조 열원부와,

   직수가 상기 축열 탱크에서 상기 난방수와 열교환 한 후 상기 보조 열원부에서 추가 가열될 수 있도록 배치되는 직수 가열 배관과,

   난방 환수 배관이 상기 축열 탱크와 연결되는 난방수 가열 배관을 포함하는, 연료전지 폐열 회수 시스템.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 난방수 가열 배관의 난방 환수 배관은 제1 난방 분기 배관과 제2 난방 분기 배관을 포함하며, 상기 제1 난방 분기 배관은 상기 축열 탱크와 연결되고, 제2 난방 분기 배관은 상기 보조 열원부와 연결되어,

   직수는 상기 폐열 저장 탱크의 폐열 저장 유체와 열교환 한 후 상기 보조 열원 시스템에서 추가 가열되어 온수로 공급되고,

   난방 환수는 그 온도에 따라 상기 폐열 저장 탱크로 유입된 후 상기 보조 열원 시스템에서 추가 가열되거나, 또는 상기 보조 열원 시스템으로 바로 유입되어 가열된 후 난방수로 공급되는, 연료전지 폐열 회수 시스템.
3. 청구항 1에 있어서, 상기 폐열 회수 배관은 상기 폐열 회수 열교환부로부터 상기 축열 열교환부를 향하는 제1 폐열 회수 배관과, 상기 축열 열교환부로부터 상기 폐열 회수 열교환부를 향하는 제2 폐열 회수 배관과, 상기 제1 폐열 회수 배관에서 제1 삼방 밸브를 통해 분기되어 상기 제2 폐열 회수 배관과 제1 연결점에서 연결되는 제1 폐열 회수 분기 배관과, 상기 제2 폐열 회수 배관의 상기 제1 연결점보다 상기 폐열 회수 열교환부측에 더 가까이 위치하는 위치에서 제2 삼방 밸브를 통해 분기되어 상기 제2 폐열 회수 배관과 연결되는 방열 배관과, 상기 방열 배관 상에 배치되는 방열 수단을 더 포함하는, 연료전지 폐열 회수 시스템.
4. 청구항 3에 있어서, 상기 제1 삼방 밸브와 상기 제2 삼방 밸브는, 제1 온도 구간에서는 상기 폐열 회수 열교환부에서 가열된 유체를 상기 제1 연결점을 지나 상기 폐열 회수 열교환부로 재 유입시키도록 작동하고, 상기 제1 온도 구간에 비해 높은 온도 구간인 제2 온도 구간에서는 상기 폐열 회수 열교환부에서 가열된 유체가 상기 축열 열교환부에서 열 교환한 후 상기 폐열 회수 열교환부로 유입되도록 작동하고, 상기 제2 온도 구간에 비해 높은 온도 구간인 제3 온도 구간에서는 상기 폐열 회수 열교환부에서 가열된 유체가 상기 축열 열교환부에서 열교환한 후 상기 방열 수단을 거쳐 상기 폐열 회수 열교환부로 유입되도록 작동하는, 연료전지 폐열 회수 시스템.
5. 청구항 4에 있어서, 상기 제1 연결점과 상기 제2 삼방 밸브 사이에는 펌프가 배치된, 연료전지 폐열 회수 시스템.
6. 청구항 3에 있어서, 상기 제1 삼방밸브와 상기 축열 열교환부 사이에는 팽창 탱크가 배치된, 연료전지 폐열 회수 시스템.
7. 청구항 2에 있어서, 상기 제1 난방 분기 배관과 상기 제2 난방 분기 배관은 제3 삼방밸브에 의해 분기되고,

   상기 제3 삼방 밸브는 상기 난방 환수 배관 내부의 난방 환수의 온도가 소정 온도 이상일 때는 상기 난방 환수를 상기 축열 탱크로 유입시키도록 작동하고, 상기 난방 환수의 온도가 소정 온도 이하일 때는 상기 난방 환수를 상기 보조 열원부로 유입시키도록 작동하는, 연료전지 폐열 회수 시스템.
8. 연료 전지에서 발생하는 폐열을 회수하기 위한 연료전지 폐열 회수 시스템에 있어서,

   폐회로를 순환하는 유체에 의해 냉각되는 연료 전지 시스템과,

   상기 연료 전지 시스템의 냉각 유체와 열교환하는 폐열 저장 유체가 저장되 는 폐열 저장 탱크와,

   보조 열원 시스템과,

   상기 폐열 저장 탱크 및 상기 보조 열원 시스템과 열교환 가능하게 배치되는 직수 공급 배관과,

   난방 환수 배관이 상기 폐열 저장 탱크와 연결되는 난방수 공급 배관을 포함하는, 연료 전지 폐열 회수 시스템.
9. 청구항 8에 있어서, 상기 난방수 공급 배관의 상기 난방 환수 배관은 제1 배관과 제2 배관으로 분기하되, 상기 제1 배관은 상기 폐열 저장 탱크와 연결되고, 상기 제2 배관은 상기 보조 열원 시스템과 연결되도록 분기되며,

   직수는 상기 폐열 저장 탱크의 폐열 저장 유체와 열교환 한 후 상기 보조 열원 시스템에서 추가 가열되어 온수로 공급되고,

   난방 환수는 그 온도에 따라 상기 폐열 저장 탱크로 유입된 후 상기 보조 열원 시스템에서 추가 가열되거나, 또는 상기 보조 열원 시스템으로 바로 유입되어 가열된 후 난방수로 공급되는, 연료 전지 폐열 회수 시스템.

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