KR100911055B1 - 연료전지 시스템의 열회수 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지스택을 비롯한 여러 발전 구성요소들에서 발생되는 열을 효과적으로 회수하여 온수 또는 난방 순환수로 공급하는 연료전지 시스템의 열회수 장치에 관한 것이다. 연료전지 시스템의 열회수 장치는 연료전지스택에서 발생되는 폐열을 회수하는 제1 열교환기, 제1 열교환기와 별도로 설치되어 연료처리장치 또는 시스템 배관에서 발생되는 폐열을 회수하는 제2 열교환기, 및 제1 열교환기와 제2 열교환기로 각각 열교환 물질을 공급하고 열교환 물질을 회수하여 열교환 물질에 함유된 폐열을 외부의 열수요에 따라 외부로 공급하는 축열조를 포함한다.
연료전지, 순환펌프, 삼방향 밸브, 보조 열원기, 열회수장치

Description

연료전지 시스템의 열회수 장치{Heat Recovery Apparatus of Fuel Cell System}
본 발명은 수소와 산소의 전기화학반응에 의해 전기 에너지를 생성하는 연료전지 시스템에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 연료전지스택을 비롯한 여러 발전 구성요소들에서 발생되는 열을 효과적으로 회수하여 온수 또는 난방 순환수로 공급하는 연료전지 시스템의 열회수 장치에 관한 것이다.
연료 전지(Fuel Cell)는 수소의 산화 반응과 산소의 환원 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 발전장치이다. 이 연료 전지는 고분자 전해질형 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell), 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxidation Fuel Cell)와 같은 종류가 있다.
이 중에서도 고분자 전해질형 연료 전지는 수소이온 교환특성을 갖는 고분자막을 전해질로 사용하는 연료전지로서, 수소를 함유한 연료와 산소를 함유한 공기를 이용하여 전기화학반응을 유발시킴으로써 전기 에너지를 발생시킨다. 이와 같은 고분자 전해질형 연료 전지를 이용한 연료전지 시스템은 개략적으로 다음과 같은 구조를 갖는다.
즉, 연료전지 시스템은 그 구성요소를 크게 구분하면, 전기 에너지를 생산하기 위한 연료전지 발전부와, 이런 연료전지 발전부에서 발생되는 폐열을 회수하여 열수요가 있는 곳에 공급하는 열회수 장치로 구분할 수 있다.
연료전지 발전부는 수소와 산소의 전기화학반응에 의해 직류(DC)전력을 생산하는 연료전지스택과, 천연가스(LNG) 또는 액화석유가스(LPG)와 같은 탄화수소계열의 발전원료를 개질하여 연료전지스택에 수소가 풍부한 개질가스를 공급하는 연료처리장치와, 연료전지스택에서 필요로 하는 산소를 공급하는 공기공급장치, 연료전지스택에서 생산되는 직류전력을 교류전력으로 변환하는 전력변환기, 및 상기 구성요소들의 기동, 정지, 발전상태 유지에 필요로 하는 각종 주변장치(BOP; Balance of Plants)들과 제어기를 구비한다.
그리고, 연료전지 시스템의 열회수 장치는 대한민국 특허등록 제0418459호 및 제0740542호에 공지된 사항을 참고하면, 대략적으로 다음과 같은 구성을 갖는다. 즉, 종래기술에 따른 연료전지 시스템의 열회수 장치는 연료전지 발전부로부터 회수한 폐열을 저장하는 축열조, 이런 축열조에 저장된 폐열을 온수 또는 난방 순환수로 공급하는 수단을 구비한다.
특히, 연료전지 시스템의 열회수 장치는 연료전지 발전부 중에서도 연료전지스택과 연료처리장치와 같은 여러 시스템 구성요소들로부터 발생되는 폐열을 회수하도록 구성된다. 이때, 연료전지 발전부 중에서 연료전지스택은 전기 에너지를 보다 안정적으로 생성하기 위해서 일정한 온도로 유지되어야 하고, 연료처리장치도 열적 불균형이 발생되지 않도록 효율적으로 열회수가 이뤄져야 한다. 즉, 연료전 지스택과 연료처리장치와 같은 구성요소들은 각각의 열 발생 정도에 대응하여 열회수가 이뤄지는 것이 바람직하다.
하지만, 종래기술에 따른 연료전지 시스템의 열회수 장치는 연료전지스택과 연료처리장치와 같은 연료전지 발전부의 구성요소들을 순차적으로 통과하면서 열회수하도록 구성되기 때문에, 각각의 구성요소들에 적합하게 열교환이 이뤄지지 않는 문제점이 있다. 이로 인해, 종래기술에 따른 연료전지 시스템의 열회수 장치는 경우에 따라 연료전지스택의 온도 불균일 또는 연료처리장치의 열적 불균형으로 인해 연료전지 시스템의 발전 효율 및 내구성을 저하시키는 원인이 된다.
본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 연료전지 시스템의 구성요소들에서 발생되는 폐열을 각각 개별적으로 회수하도록 구성함으로써, 연료전지 시스템의 주변 환경변화와 축열조의 내부 온도변화에 영향을 받지 않고 폐열을 효과적으로 회수할 수 있는 연료전지 시스템의 열회수 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 열회수 장치는 축열조에서의 열회수 순환구조 및 배출구조를 개선함으로써, 축열조에서의 폐열 이용률을 향상시키는 연료전지 시스템의 열회수 장치를 제공하는데 다른 목적이 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 열회수 장치는 연료전지스택에서 발생되는 폐열을 회수하는 제1 열교환기, 상기 제1 열교환기와 별도로 설치되어 연료처리장치 또는 시스템 배관에서 발생되는 폐열을 회수하는 제2 열교환기, 및 상기 제1 열교환기와 상기 제2 열교환기로 각각 열교환 물질을 공급하고 상기 열교환 물질을 회수하여 상기 열교환 물질에 함유된 폐열을 외부의 열수요에 따라 외부로 공급하는 축열조를 포함한다.
상기 축열조로부터 하나의 제1 배관통로가 연결되어, 상기 제1 열교환기와 상기 제2 열교환기에 앞서 상기 제1 배관통로가 제2 배관통로와 제3 배관통로로 각각 분기된 후에 각각 연결된다.
상기 제1 배관통로에는 상기 열교환 물질이 다른 경로(經路)로 경유해서 합류하도록 제4 배관통로가 연결된다. 상기 제4 배관통로에는 공랭식 방열기가 설치되고, 상기 제4 배관통로로 분기되는 지점의 상기 제1 배관통로에는 상기 열교환 물질의 진행방향을 선택적으로 변경하는 제1 삼방향 밸브가 설치된다.
상기 제2 배관통로에는 상기 열교환 물질을 일방향으로 유동시키는 제1 체크 밸브와 제1 펌프가 각각 설치된다. 상기 제3 배관통로에는 상기 열교환 물질을 일방향으로 유동시키는 제2 체크 밸브와 제2 펌프가 각각 설치된다.
상기 축열조는 외부로부터 상기 열교환 물질을 공급 받아서, 상기 열교환 물질을 상기 제1 열교환기와 상기 제2 열교환기로 순환시킨 후에 폐열을 함유한 폐열 함유 물질로 저장한다.
상기 축열조의 내부에는 제1 열교환 통로가 설치되고, 상기 제1 열교환 통로로 유입되는 물은 상기 폐열 함유 물질과의 열교환을 통해 온수로 승온되어 상기 축열조의 외부로 공급된다.
상기 축열조의 내부에는 제2 열교환 통로가 설치되고, 상기 제2 열교환 통로에서의 물은 상기 폐열 함유 물질과의 열교환을 통해 난방수로 승온되어 상기 축열조의 외부로 공급된다.
연료전지 시스템의 열회수 장치는 상기 축열조로부터 배출되는 상기 폐열 함유 물질이 통과하면서 열교환되는 제3 열교환기, 및 외부의 제어 신호에 따라 발열 작동하여 상기 제3 열교환기에 열을 공급하는 제1 보조 버너를 더 포함한다.
연료전지 시스템의 열회수 장치는 상기 제3 열교환기를 통과한 상기 온수와 외부로부터 공급되는 냉수가 각각 유입되어 혼합되는 온도 조절 밸브를 더 포함한다.
상기 온도 조절 밸브는 온도감지 작동소자 합금을 이용하여 상기 온수와 상기 냉수를 혼합시키는 템퍼링 밸브 타입이다.
연료전지 시스템의 열회수 장치는 상기 제3 열교환기를 통과한 상기 난방수가 난방역할을 하도록 외부로 공급되고, 상기 난방수가 다시 상기 축열조로 회수되는 배관 구조이다. 상기 난방수가 상기 축열조로 회수되는 배관 경로 상에는 제2 삼방향 밸브가 설치되어, 상기 난방수가 상기 제2 삼방향 밸브의 선택적인 작동에 의해 상기 축열조로 유입되거나 바이패스(by-pass) 경로를 통해 외부로 다시 공급된다.
연료전지 시스템의 열회수 장치는 상기 축열조로부터 배출되는 상기 온수가 통과하면서 열교환되는 제4 열교환기, 및 외부의 제어 신호에 따라 발열 작동하여 상기 제4 열교환기에 열을 공급하는 제2 보조 버너를 더 포함할 수 있다. 그리고, 연료전지 시스템의 열회수 장치는 상기 제4 열교환기와 별도로 설치되면서 상기 축열조로부터 배출되는 상기 난방수가 통과하면서 열교환되는 제5 열교환기, 및 외부의 제어 신호에 따라 발열 작동하여 상기 제5 열교환기에 열을 공급하는 제3 보조 버너를 더 포함할 수 있다.
상기 축열조에는 상기 열교환 물질의 수위를 측정하는 물 수위 센서가 설치된다. 상기 축열조에는 상기 열교환 물질로서 물이 공급되게 물 공급배관이 연결되고, 상기 물 공급배관에는 상기 물 수위 센서의 측정 데이터에 따라 연동하여 상 기 물의 공급량을 조절하는 솔레노이드 밸브가 설치된다.
상기 축열조의 상부에는 상기 열교환 물질에 의한 상기 축열조의 내부 압력을 설정된 과압 조건 이하로 강하시키는 안전 밸브가 설치된다.
상기 축열조의 하부에는 상기 열교환 물질을 필요에 따라 외부로 배출시키기 위한 드레인 밸브가 설치된다.
연료전지 시스템은 주변 환경변화(대부분 주변온도 변화), 및 시스템 기동 운전 정지하는 과정에 따라 열 발생 정도가 달라지게 된다. 이때, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 열회수 장치는 연료전지스택에서 발생되는 폐열과, 연료처리장치와 같은 그 밖의 구성요소에서 발생되는 폐열을 각각 개별적으로 열회수하도록 구성한다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 열회수 장치는 각각의 구성요소들에 개별적으로 대응하면서 열회수가 가능하기 때문에, 열회수 효율이 높아지는 장점이 있다. 그로 인해 연료전지 시스템은 내부 구성요소들의 열적 불균형이 해소되면서, 종래기술에 비해 높은 발전효율로 전력을 안정적으로 생산할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 열회수 장치는 축열조에서의 열회수 순환구조 및 배출구조를 개선함으로써, 축열조에서의 폐열 이용률이 향상되는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 열회수 장치는 추가적으로 열원을 제공하는 보조 버너와 같은 보조 열원기를 최적 상태로 사용함으로써, 종래기술에 비해 상대적으로 연료 소모량도 감소하면서 경제적 효용성도 높아지는 장점이 있다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템의 열회수 장치의 개략도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 연료전지 시스템의 열회수 장치(100)는 연료전지스택에서 발생되는 폐열과, 연료처리장치 또는 시스템 배관과 같은 다른 구성요소에서 발생하는 다른 폐열을 개별적으로 추가 회수하여, 축열조(130)에 회수된 폐열을 저장하는 구성을 갖는다.
연료전지 시스템의 내부에서 발생되는 열은 크게 2분류로 나누어진다. 즉, 연료전지스택(110)은 수소와 산소가 전기화학반응하면서 전력을 생산하면서도, 그와 함께 열도 발생시킨다. 이러한 연료전지스택(110)의 열은 주로 80℃미만의 열로서 전체 회수되는 폐열의 70% ~ 80% 정도를 차지한다. 그리고, 연료처리장치(120) 또는 시스템 배관과 같은 다른 구성요소도 그 작동과정에서 열을 발생시키는데, 전체 회수되는 폐열 중에서 20% ~ 30% 을 차지한다.
따라서, 연료전지 시스템의 열회수 장치(100)는 연료전지스택(110) 또는 연 료처리장치(120)와 같은 구성요소에서의 열발생 정도에 따라 가장 적합한 조건에 해당하는 열교환 물질의 순환 공급량을 조절하거나, 열교환기의 처리 용량을 선택 사용할 수 있다. 이로 인해, 연료전지스택(110)은 설정된 온도로 유지되면서 발전 효율이 향상될 수 있고, 연료처리장치(120)도 열적 불균형없이 안정적으로 작동될 수 있다.
축열조(130)는 연료전지스택(110) 또는 연료처리장치(120)에서 발생된 폐열을 회수하여, 온수 또는 난방수로 저장한다. 그리고, 축열조(130)는 외부의 열수요에 따라 온수 또는 난방수를 외부로 공급한다. 이때, 축열조(130)는 폐열을 회수하기 위해 열교환 물질로서 물을 공급 받으며, 이런 열교환 물질을 다시 제1 열교환기(140)와 제2 열교환기(150)로 각각 공급한다.
제1 열교환기(140)는 연료전지스택(110)에 연결되게 설치되며, 연료전지스택(110)에서 발생되는 폐열이 열교환 물질과 열교환되게 구성된다. 그러면, 연료전지스택(110)에서 발생되는 폐열은 열교환 물질에 함유되고, 이러한 열교환 물질은 축열조(130)로 회수된다.
제2 열교환기(150)는 제1 열교환기(140)와 별도의 구성으로 설치된다. 제2 열교환기(150)는 연료처리장치(120)와 같은 연료전지 시스템의 다른 구성요소에 연결되게 설치되며, 연료처리장치(120)에서 발생되는 폐열이 열교환 물질과 열교환되게 구성된다. 그러면, 연료처리장치(120)에서 발생되는 폐열은 열교환 물질에 함유되고, 이러한 열교환 물질은 축열조(130)로 회수된다.
이때, 연료전지 시스템의 열회수 장치(100)는 열교환 물질을 축열조(130)에 서 제1 열교환기(140) 또는 제2 열교환기(150)로 유동시키기 위한 배관통로를 다음과 같이 구비한다.
즉, 연료전지 시스템의 열회수 장치(100)는 축열조(130)의 입구 포트(131)로부터 하나의 제1 배관통로(164)가 연결되지만, 제1 열교환기(140)와 제2 열교환기(150)에 앞서 제1 배관통로(164)가 제2 배관통로(144)와 제3 배관통로(154)로 각각 분기된다. 제2 배관통로(144)는 제1 열교환기(140)에 연결되고, 제3 배관통로(154)는 제2 열교환기(150)에 연결된다. 그리고, 제2 배관통로(144)에는 열교환 물질이 설정된 유동량으로 공급되도록 제1 펌프(141)가 설치되고, 제3 배관통로(154)에도 열교환 물질이 설정된 유동량으로 공급되도록 제2 펌프(151)이 설치된다.
연료전지 시스템의 열회수 장치(100)는 열교환 물질을 축열조(130)로 회수하는 배관통로에 각각 온도 센서(242, 252)를 설치한다. 이런 온도 센서(242, 252)는 열교환 물질의 온도를 측정하며, 이렇게 측정된 온도는 제1 펌프(141)와 제2 펌프(151)에서 각각 독립적으로 열교환 물질의 유동량을 결정하는 제어 자료로 활용된다.
열교환 물질을 제2 열교환기(150)에서 축열조(130)로 회수하는 경로는 도 1에 도시된 바와 같이 제2 배관통로(144)에 연결되어, 제2 열교환기(150)을 통과한 열교환 물질이 제1 열교환기(140)의 내부로 유입되게 할 수 있다. 열교환 물질을 제2 열교환기(150)에서 축열조(130)로 회수하는 경로는 또 다른 구조로서 제1 열교환기(140)에서 축열조(130)로 회수하는 경로와 별개로 형성할 수도 있다.
제1 배관통로(164)에는 열교환 물질이 다른 경로(經路)로 경유해서 합류하도록 제4 배관통로(165)가 연결된다. 이런 제4 배관통로(165)에는 공랭식 방열기(160)가 설치되고, 제4 배관통로(165)로 분기되는 지점의 제1 배관통로(164)에는 열교환 물질의 진행방향을 선택적으로 변경하는 제1 삼방향 밸브(161)가 설치된다. 즉, 여름철과 같이 외부 열수요(온수 또는 난방수 사용)가 낮은 경우에는 열교환 물질의 유동 경로가 제1 삼방향 밸브(161)에서 변경되어, 공랭식 방열기(160)에서 열교환 물질에 함유된 열이 발산되도록 한다.
그 외에 축열조(130)에는 열교환 물질을 유입시키거나 배출시키기 위한 다수 개의 포트들이 형성된다. 다수 개의 포트들은 제1 열교환기(140) 또는 제2 열교환기(150)로 열교환 물질인 물을 유입시키는 입구 포트(131), 및 제1 열교환기(140) 또는 제2 열교환기(150)에서 폐열을 회수한 열교환 물질을 축열조(130)로 유입시키는 출구 포트(132)를 포함한다. 입구 포트(131)는 대체적으로 축열조(130)의 하부에 위치하며, 출구 포트(132)는 상대적으로 입구 포트(131)에 비해 상부 측에 해당하는 지점에 위치한다. 그리고, 다수 개의 포트들은 외부로부터 열교환 물질로서 물을 공급받는 물 공급 포트, 및 외부의 열수요에 따라 온수 또는 난방수를 배출하는 온수 배출 포트, 난방수 배출 포트를 더 포함한다. 물 공급 포트는 대체적으로 축열조(130)의 하부에 위치하며, 온수 배출 포트와 난방수 배출 포트는 상대적으로 물 공급 포트에 비해 상부 측에 해당하는 지점에 위치한다.
이로 인해 연료전지 시스템의 열회수 장치(100)는 축열조(130)의 상부와 하부에서 열교환 물질의 온도 차이가 설정된 범위 내에서 유지되면서, 폐열을 함유한 열교환 물질이 온수 또는 난방수로 활용될 수 있다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 시스템의 열회수 장치의 개략도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 제2 실시예에 따른 연료전지 시스템의 열회수 장치(200)는 도 1에 도시된 연료전지 시스템의 열회수 장치(100)와 비교하여, 제1 체크 밸브(243)와 제2 체크 밸브(253)를 더 구비한 특징이 있다. 즉, 제1 체크 밸브(243)와 제2 체크 밸브(253)는 열교환 물질이 유동하는 과정에서 축열조(130)로 다시 역류하지 않도록 방지하는 구성요소이다.
제1 체크 밸브(243)는 제2 배관통로(244)에서 열교환 물질의 유동 방향을 기준으로 할 때 제1 펌프(241)의 하류에 위치하여, 열교환 물질은 축열조(130)로 역류하지 않으면서 제1 열교환기(240) 방향으로만 유동한다. 그리고, 제2 체크 밸브(253)도 제3 배관통로(254)에서 열교환 물질의 유동 방향을 기준으로 할 때 제2 펌프(251)의 하류에 위치하여, 열교환 물질은 축열조(130)로 역류하지 않으면서 제2 열교환기(250) 방향으로만 유동한다.
다만, 도 2에서 제1 체크 밸브(243)와 제2 체크 밸브(253)는 함께 도시되어 있지만, 필요에 따라 어느 하나만 설치되어도 무방하다. 그 외에 연료전지 시스템의 열회수 장치(200)의 구성요소들은 도 1에 도시된 연료전지 시스템의 열회수 장치(100)의 구성요소들에 각각 대응하면서 동일한 기능을 수행하여, 그에 대한 반복 설명을 생략한다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료전지 시스템의 열회수 장치의 개략 도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 제3 실시예에 따른 연료전지 시스템의 열회수 장치(300)는 도 2에 도시된 연료전지 시스템의 열회수 장치(200)에 비해 외부의 열수요에 따라 온수 또는 난방수를 외부로 공급하거나 이를 다시 회수하는 구성요소들을 더 구비한다.
축열조(330)는 외부로부터 열교환 물질로서 물을 공급 받아서, 열교환 물질을 제1 열교환기(340)와 제2 열교환기(350)로 순환시킨 후에 폐열 함유 물질로 저장한다. 즉, 폐열 함유 물질은 열교환 물질인 물이 제1 열교환기(340)와 제2 열교환기(350)를 순환하여, 폐열을 함유한 상태로 축열조(330)의 내부에 저장된 것이다.
온수는 사람들이 세면용 또는 세척용으로 사용하기 때문에 위생 관리를 위하여, 폐열 함유 물질과 섞이지 않게 폐회로 구성된다. 즉, 온수는 축열조(330)의 내부에서 폐회로 구성인 제1 열교환 통로(333)를 통해 열을 공급받는다. 제1 물 공급 포트(334)를 통해 유입된 물은 제1 열교환 통로(333)를 통과하면서, 축열조(330)에 저장된 폐열 함유 물질와 열교환된다. 이렇게 제1 열교환 통로(333)를 통과하는 물은 일정 온도 이상의 온수로 변환되어, 온수 배출 포트(335)를 통해 열수요가 있는 외부로 공급된다.
난방수는 축열조(330)의 상부에 위치하는 난방수 배출 포트(337)를 통해 배출되고, 축열조(330)의 하부에 위치하는 난방수 유입 포트(338)을 통해 다시 축열조(330)로 유입된다. 이때, 난방수는 연료전지 시스템에 설치되는 유틸리티 환경 에 따라 외부 난방수 배관을 순환하는 과정에서 오염물질을 포함할 수 있기 때문에, 온수와 같이 축열조(330)의 폐열 함유 물질과 섞이지 않게 또 다른 폐회로로 구성할 수도 있다. 즉, 난방수도 축열조(330)의 내부에서 폐회로 구성인 제2 열교환 통로(339)를 통해 열을 공급받는다. 이와 같이 연료전지 시스템의 열회수 장치(300)는 난방수가 재순환되도록 구성된다.
연료전지 시스템의 열회수 장치(300)는 필요에 따라 제2 열교환 통로(339)를 별도로 구비하지 않고서, 폐열 함유 물질을 난방수로서 활용한다. 그러면, 제2 물 공급 포트(336)를 통해 유입된 물은 열교환 물질로서 제1 열교환기(340)와 제2 열교환기(350)에서 열교환을 통해 폐열을 함유하게 되고, 이런 폐열 함유 물질이 난방수로서 난방수 배출 포트(337)와 난방수 유입 포트(338)을 통해 순환한다. 그리고, 난방수는 축열조(330)에 다시 유입된 경우에 온도가 저하된 상태이지만, 제1 열교환기(340)와 제2 열교환기(350)에서의 열교환을 통해 다시 설정된 온도로 상승될 수 있다.
그리고, 연료전지 시스템의 열회수 장치(300)는 축열조(330)로부터 배출되는 온수와 난방수가 설정된 온도 이상으로 재상승할 수 있도록 보조 열원기(370)를 구비한 특징이 있다. 보조 열원기(370)는 제3 열교환기(371)와 제1 보조 버너(372)로 이루어진다. 제3 열교환기(371)는 온수와 난방수의 각 배출 경로 상에 설치되며, 온수 또는 난방수와 각각 열교환되도록 구성된다. 제1 보조 버너(372)는 외부의 제어 신호에 따라 발열 작동하며, 제3 열교환기(371)에서 필요로 하는 열을 제공한다.
그리고, 연료전지 시스템의 열회수 장치(300)는 사람들이 사용하기 적합하도록 온수와 냉수를 혼합시키는 온도 조절 밸브(373)을 더 포함한다. 온도 조절 밸브(373)는 제3 열교환기(371)를 통과한 온수 및 외부로부터 공급되는 냉수가 각각 유입되고, 온수와 냉수가 상호 혼합된 상태로 배출된다. 이런 온도 조절 밸브(373)는 온도감지 작동소자 합금을 이용하는 템퍼링(tempering) 밸브 타입로서, 소비전력이 필요 없으면서도 항상 일정 온도 범위의 온수를 공급할 수 있다.
연료전지 시스템의 열회수 장치(300)는 상기 언급한 바와 같이 난방수를 축열조(330)로 회수되는 배관 구조이다. 이때 난방수를 축열조(330)에서 제3 열교환기(371)로 공급하는 배관 경로에는 제3 펌프(374)가 설치되어, 설정된 유량의 난방수가 유동하도록 한다. 그리고, 난방수를 축열조(330)로 회수되는 배관 경로에는 제2 삼방향 밸브(375)가 설치된다. 제2 삼방향 밸브(375)는 축열조(330)의 난방수 온도를 기준으로 판단하여, 회수되는 난방수를 축열조(330)로 유입시키거나, 축열조(330)로 통하지 않고 바이패스(by-pass) 경로를 통해 다시 순환시킨다.
이와 같이 연료전지 시스템의 열회수 장치(300)는 연료전지스택(310) 또는 연료처리장치(320)에서 발생되는 폐열을 회수하는 경우에 열교환 물질이 축열조(330)의 하부에서 배출되어 축열조(330)의 상부로 유입되게 구성한다. 그리고, 연료전지 시스템의 열회수 장치(300)는 난방수를 순환시키는 경우에 난방수가 축열조(330)의 상부에서 배출되어 축열조(330)의 하부로 유입되게 구성한다. 이로 인해, 열교환 물질(또는 난방수)는 축열조(330)의 상부와 하부에서의 온도 차이가 설정된 범위 내에서 일정하게 유지되어, 폐열의 이용률이 향상된다.
다만, 연료전지 시스템의 열회수 장치(300)는 축열조(330)에서 감당할 수 있는 한계 이상으로 폐열이 저장된 상태가 아니라면, 축열조(330)에서의 열교환 물질(또는 난방수) 온도 차이가 다음과 같이 유지되는 것이 바람직하다. 즉, 열교환 물질의 온도 차이는 축열조(330)의 입구 포트(331)와 출구 포트(332) 사이에서 8℃ - 12℃ 범위 내로 유지하는 것이 바람직하고, 그에 따라 제1 열교환기(340)와 제2 열교환기(350)의 각 처리 용량이 결정된다. 그리고, 열교환 물질(또는 난방수)의 온도 차이는 축열조(330)에서의 상하 온도가 8℃ - 40℃ 범위로 유지하는 것이 바람직하며, 그에 따라 제1 열교환기(340)와 제2 열교환기(350)로 열교환 물질의 유동량이 결정된다.
그 외에 연료전지 시스템의 열회수 장치(300)의 구성요소들은 도 2에 도시된 연료전지 시스템의 열회수 장치(200)의 구성요소들에 각각 대응하면서 동일한 기능을 수행하여, 그에 대한 반복 설명을 생략한다.
도 4는 본 발명의 제4 실시예에 따른 연료전지 시스템의 열회수 장치의 개략도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 연료전지 시스템의 열회수 장치(400)는 도 3에 도시된 연료전지 시스템의 열회수 장치(200)에 비교하여 안전 밸브(480), 드레인(drain) 밸브(481), 물 수위 센서(482), 솔레노이드 밸브(483)를 더 포함하는 특징이 있다.
즉, 안전 밸브(480)는 축열조(430)의 상부에서 열교환 물질에 의한 축열조(430)의 내부 압력이 설정된 과압 조건 이상인 경우에 작동하여, 축열조(430)의 내부 압력을 강하시키는 구성이다.
드레인 밸브(481)는 축열조(430)의 하부에 설치된다. 이런 드레인 밸브(481)는 자동 제어 또는 수동조작에 의해 축열조(430)의 내부에 수용된 열교환 물질을 필요에 따라 배출할 수 있도록 한다.
물 수위 센서(482)는 축열조(430)에 채워진 열교환 물질의 수위를 측정하도록, 축열조(430)의 내부 또는 외부에 설치된다.
솔레노이드 밸브(483)는 물 수위 센서(482)의 측정 데이터에 따라 연동하여 축열조(430)의 내부로 공급되는 물의 공급량을 조절한다. 즉, 제1 물 공급 포트(435)에는 외부로부터 열교환 물질인 물이 공급되게 물 공급배관이 연결되며, 이런 물 공급배관에는 솔레노이드 밸브(483)가 설치됨으로써, 물의 공급량을 필요에 따라 수시로 조절할 수 있다.
그 외에 연료전지 시스템의 열회수 장치(400)의 구성요소들은 도 3에 도시된 연료전지 시스템의 열회수 장치(300)의 구성요소들에 각각 대응하면서 동일한 기능을 수행하여, 그에 대한 반복 설명을 생략한다.
도 5는 본 발명의 제5 실시예에 따른 연료전지 시스템의 열회수 장치의 개략도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 연료전지 시스템의 열회수 장치(500)는 도 4에 도시된 연료전지 시스템의 열회수 장치(400)에 비교하여 보조 열원기(570)가 온수와 난방수에 각각 대응하여 2개로 분리 설치되는 특징이 있다.
보조 열원기(570)는 축열조(530)로부터 배출되는 온수가 통과하면서 열교환 되는 제4 열교환기(571), 및 외부의 제어 신호에 따라 발열 작동하여 제4 열교환기(571)에 열을 공급하는 제2 보조 버너(572)를 구비한다. 그리고, 보조 열원기(570)는 제4 열교환기(571)와 별도로 설치되면서 축열조(530)로부터 배출되는 난방수가 통과하면서 열교환되는 제5 열교환기(576), 및 외부의 제어 신호에 따라 발열 작동하여 제5 열교환기(576)에 열을 공급하는 제3 보조 버너(577)를 더 구비한다.
연료전지 시스템의 열회수 장치(500)는 이와 같이 보조 열원기(570)가 이중으로 구성됨으로써, 온수 또는 난방수를 선택적으로 추가 가열할 수 있다. 즉, 보조 열원기(570)는 여름철과 같이 열수요가 적은 경우에 온수 가열을 위해 제4 열교환기(571)와 제2 보조 버너(572)가 이용되며, 겨울철과 같이 열수요가 많은 경우에 난방수 가열을 위해 제5 열교환기(576)와 제3 보조 버너(577)가 함께 이용된다. 이로 인해, 제2 보조 버너(572)와 제3 보조 버너(577)는 온수와 난방수에 대응하여 선택적으로 이용되기 때문에, 보조 열원기(570)의 연료 소모량이 절약할 수 있다.
그 외에 연료전지 시스템의 열회수 장치(500)의 구성요소들은 도 4에 도시된 연료전지 시스템의 열회수 장치(400)의 구성요소들에 각각 대응하면서 동일한 기능을 수행하여, 그에 대한 반복 설명을 생략한다.
즉, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것이 당연하다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템의 열회수 장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 시스템의 열회수 장치의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료전지 시스템의 열회수 장치의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 제4 실시예에 따른 연료전지 시스템의 열회수 장치의 개략도이다.
도 5는 본 발명의 제5 실시예에 따른 연료전지 시스템의 열회수 장치의 개략도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
110, 210, 310, 410, 510 : 연료전지스택
120, 220, 320, 420, 520 : 연료처리장치
130, 230, 330, 430, 530 : 축열조
140, 240, 340, 440, 540 : 제1 열교환기
150, 250, 350, 450, 550 : 제2 열교환기
160, 260, 360, 460, 560 : 공랭식 방열기
170, 270, 370, 470, 570 : 보조 열원기

Claims (15)

  1. 연료전지스택에서 발생되는 폐열을 회수하는 제1 열교환기;
    상기 제1 열교환기와 별도로 설치되어 연료처리장치 또는 시스템 배관에서 발생되는 폐열을 회수하는 제2 열교환기; 및
    상기 제1 열교환기와 상기 제2 열교환기로 각각 열교환 물질을 공급하고, 상기 열교환 물질을 회수하여, 상기 열교환 물질에 함유된 폐열을 외부의 열수요에 따라 외부로 공급하는 축열조;를 포함하며,
    상기 제2 열교환기는,
    상기 연료처리장치에서 회수한 폐열을 함유한 상기 열교환 물질을 상기 제1 열교환기로 공급하고,
    상기 축열조로부터 하나의 제1 배관통로가 연결되어, 상기 제1 열교환기와 상기 제2 열교환기에 앞서 상기 제1 배관통로가 제2 배관통로와 제3 배관통로로 각각 분기된 후에 각각 연결되고,
    상기 제1 배관통로에는 상기 열교환 물질이 다른 경로(經路)로 경유해서 합류하도록 제4 배관통로가 연결되며,
    상기 제4 배관통로에는 공랭식 방열기가 설치되고, 상기 제4 배관통로로 분기되는 지점의 상기 제1 배관통로에는 상기 열교환 물질의 진행방향을 선택적으로 변경하는 제1 삼방향 밸브가 설치되고,
    상기 제2 배관통로 및 제3 배관통로에는 상기 열교환 물질을 유동시키는 제1 펌프 및 제2 펌프가 각각 설치되는는 연료전지 시스템의 열회수 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 배관통로에는 상기 열교환 물질을 일방향으로 유동시키는 제1 체크 밸브가 설치되고,
    상기 제3 배관통로에는 상기 열교환 물질을 일방향으로 유동시키는 제2 체크 밸브가 설치되는 연료전지 시스템의 열회수 장치.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 축열조의 내부에는 제1 열교환 통로가 설치되고, 상기 제1 열교환 통로로 유입되는 물은 상기 폐열 함유 물질과의 열교환을 통해 온수로 승온되어 상기 축열조의 내부에 저장되는 연료전지 시스템의 열회수 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 축열조의 내부에는 제2 열교환 통로가 설치되고, 상기 제2 열교환 통로에서의 물은 상기 폐열 함유 물질과의 열교환을 통해 난방수로 승온되어 상기 축열 조의 내부에 저장되는 연료전지 시스템의 열회수 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 축열조로부터 배출되는 상기 온수 또는 상기 난방수가 통과하면서 열교환되는 제3 열교환기; 및
    외부의 제어 신호에 따라 발열 작동하여 상기 제3 열교환기에 열을 공급하는 제1 보조 버너;를 더 포함하는 연료전지 시스템의 열회수 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제3 열교환기를 통과한 상기 온수와 외부로부터 공급되는 냉수가 각각 유입되어 혼합되는 온도 조절 밸브;를 더 포함하는 연료전지 시스템의 열회수 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 온도 조절 밸브는 온도감지 작동소자 합금을 이용하여 상기 온수와 상기 냉수를 혼합시키는 템퍼링 밸브 타입인 연료전지 시스템의 열회수 장치.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 제3 열교환기를 통과한 상기 난방수가 난방역할을 하도록 외부로 공급되고, 상기 난방수가 다시 상기 축열조로 회수되는 배관 구조이고,
    상기 난방수가 상기 축열조로 회수되는 배관 경로 상에 제2 삼방향 밸브가 설치되어, 상기 난방수가 상기 제2 삼방향 밸브의 선택적인 작동에 의해 상기 축열조로 유입되거나 바이패스(by-pass) 경로를 통해 외부로 다시 공급되는 연료전지 시스템의 열회수 장치.
  12. 제 7 항에 있어서,
    상기 축열조로부터 배출되는 상기 온수가 통과하면서 열교환되는 제4 열교환기; 및 외부의 제어 신호에 따라 발열 작동하여 상기 제4 열교환기에 열을 공급하는 제2 보조 버너;를 더 포함하고,
    상기 제4 열교환기와 별도로 설치되면서 상기 축열조로부터 배출되는 상기 난방수가 통과하면서 열교환되는 제5 열교환기; 및 외부의 제어 신호에 따라 발열 작동하여 상기 제5 열교환기에 열을 공급하는 제3 보조 버너;를 더 포함하는 연료전지 시스템의 열회수 장치.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 축열조에는 상기 열교환 물질의 수위를 측정하는 물 수위 센서가 설치되고, 상기 축열조에는 상기 열교환 물질로서 물이 공급되게 물 공급배관이 연결되고, 상기 물 공급배관에는 상기 물 수위 센서의 측정 데이터에 따라 연동하여 상기 물의 공급량을 조절하는 솔레노이드 밸브가 설치되는 연료전지 시스템의 열회수 장치.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 축열조의 상부에는 상기 열교환 물질에 의한 상기 축열조의 내부 압력을 설정된 과압 조건 이하로 강하시키는 안전 밸브가 설치되는 연료전지 시스템의 열회수 장치.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 축열조의 하부에는 상기 열교환 물질을 필요에 따라 외부로 배출시키기 위한 드레인 밸브가 설치되는 연료전지 시스템의 열회수 장치.
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