KR101194096B1 - 연료전지 이용 복합 에너지 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 연료와 공기를 공급받아 전기를 생성하는 연료전지와, 냉수 배관을 통하여 상기 연료전지에 유입된 냉수가 상기 연료전지의 내부에서 열교환하여 온수로 변화되어 저장되는 온수 탱크와, 상기 온수탱크로부터 온수 공급 배관을 통하여 유입된 온수를 이용하여 난방 또는 제습을 수행하는 온수 수요 모듈과, 상기 온수 수요 모듈에 이용된 온수를 환수하여, 상기 냉수 배관으로 유입시키는 환수 배관과, 상기 환수 배관 상에 설치되며, 상기 환수의 온도를 감지하는 환수 온도 센서와, 상기 환수의 온도가 설정 온도 이상이면 상기 환수를 외부로 배출하고, 상기 환수의 온도가 설정 온도 미만이면 상기 환수를 상기 냉수 배관을 통하여 상기 연료전지로 유입시키는 제어 모듈을 포함하는 연료전지 이용 복합 에너지 장치를 제공한다.
따라서, 난방/제습 등으로 사용된 온수가 환수된 후, 온도 조건을 고려하여 상기 연료전지로 다시 순환되어 이용된다. 이로부터, 상기 연료전지에서 발생되는 열이 효과적으로 이용될 수 있을 뿐만 아니라, 물의 소모량이 크게 절감?? 수 있다.

Description

연료전지 이용 복합 에너지 장치 {Energy system using fuel cell}
본 발명은 연료전지 이용 복합 에너지 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 물 소비량이 감소되는 연료전지 이용 복합 에너지 장치에 관한 것이다.
연료전지는 연료가 가지고 있는 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 장치이다. 연료전지에서는 일반적으로 전해질 막을 중심으로 양쪽에 연료극과 공기극을 설치하고, 상기 연료극에는 연료를 공급하고 상기 공기극에는 공기를 공급하여, 산화 환원 반응에 의하여 전기에너지를 생산한다.
상기 전기에너지의 생산 시, 상기 연료전지의 스택 등에서는 열이 발생되는데, 상기 열을 외부로부터 유입된 물과 열교환하여 회수한다. 상기 열교환에 의하여 회수된 온수는 온수 탱크에 저장된 후, 급탕 등의 목적으로 이용된다. 그런데, 상기 급탕 등의 수요량이 감소할 경우, 상기 온수 탱크의 수위를 유지하기 위하여, 상기 온수 탱크의 물이 외부로 배출되는 문제점이 있다.
본 발명은 물 소비량이 감소되는 연료전지 이용 복합 에너지 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 연료와 공기를 공급받아 전기를 생성하는 연료전지와, 냉수 배관을 통하여 상기 연료전지에 유입된 냉수가 상기 연료전지의 내부에서 열교환하여 온수로 변화되어 저장되는 온수 탱크와, 상기 온수탱크로부터 온수 공급 배관을 통하여 유입된 온수를 이용하여 난방 또는 제습을 수행하는 온수 수요 모듈과, 상기 온수 수요 모듈에 이용된 온수를 환수하여, 상기 냉수 배관으로 유입시키는 환수 배관과, 상기 환수 배관 상에 설치되며, 상기 환수의 온도를 감지하는 환수 온도 센서와, 상기 환수의 온도가 설정 온도 이상이면 상기 환수를 외부로 배출하고, 상기 환수의 온도가 설정 온도 미만이면 상기 환수를 상기 냉수 배관을 통하여 상기 연료전지로 유입시키는 제어 모듈을 포함하는 연료전지 이용 복합 에너지 장치를 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 제어 모듈은, 상기 환수 배관 상에 설치되어, 상기 환수 배관을 개폐시키는 제1밸브와, 상기 제1밸브 이전의 상기 환수 배관 부분에 연결된 드레인 배관과, 상기 드레인 배관 상게 설치되어, 상기 드레인 배관을 개폐시키는 제2밸브와, 상기 환수의 온도가 상기 설정 온도 이상이면 상기 제1밸브를 폐쇄하고 상기 제2밸브를 개방하며, 상기 환수의 온도가 상기 설정 온도 미만이면 상기 제1밸브를 개방하고 상기 제2밸브를 폐쇄하는 제어부를 포함하는 연료전지 이용 복합 에너지 장치를 제공한다. 이 때, 상기 제어 모듈은, 상기 환수 배관 상에 설치되며, 상기 환수의 유량을 감지하는 제1유량 센서와, 상기 냉수 배관 중에서 상기 환수 배관이 연결되기 이전의 유입 배관 상에 설치되며, 상기 유입 배관을 개폐시키는 제3밸브를 포함할 수 있다. 또한, 상기 제어부는, 상기 환수의 유량이 상기 연료전지에 요구되는 냉수 유량 이상이면 상기 제3밸브를 폐쇄하며, 상기 환수의 유량이 상기 연료전지에 요구되는 냉수 유량 미만이면 상기 제3밸브를 개방할 수 있다.
상기 제어 모듈은, 상기 냉수 배관 중에서 상기 환수 배관이 연결된 이후의 합류 배관 상에 설치되며, 상기 합류 배관의 유량을 감지하는 제2유량 센서를 더 포함할 수 있다. 상기 제어부는 상기 제1유량 센서 및 상기 제2유량 센서의 유량 정보에 근거하여, 상기 제1밸브 및 상기 제3밸브의 개도를 조절할 수 있다.
본 발명의 연료전지 이용 복합 에너지 장치에서는 난방/제습 등으로 사용된 온수가 환수되어 연료전지로 다시 순환된다. 따라서, 상기 연료전지에서 발생되는 열을 효과적으로 이용할 수 있을 뿐만 아니라, 물의 소모량을 크게 절감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 이용 복합 에너지 장치의 개략적인 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 연료전지 이용 복합 에너지 장치의 제어흐름을 보여주는 블록도이다.
도 3은 도 1에 도시된 연료전지 이용 복합 에너지 장치의 동절기 환수 순환 운전 모드 시, 물의 이동 상태 및 밸브의 개폐 상태를 보여주는 구성도이다.
도 4는 도 3의 동절기 환수 순환 운전 모드 시, 도 3과는 다른 물의 이동 상태 및 밸브의 개폐 상태를 보여주는 구성도이다.
도 5는 도 1에 도시된 연료전지 이용 복합 에너지 장치의 하절기 환수 순환 운전 모드 시, 물의 이동 상태 및 밸브의 개폐 상태를 보여주는 구성도이다.
도 6은 도 1에 도시된 연료전지 이용 복합 에너지 장치의 춘절기/추절기 환수 배출 운전 모드 시, 물의 이동 상태 및 밸브의 개폐 상태를 보여주는 구성도이다.
도 1 및 도 2에 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 이용 복합 에너지 장치(이하, "에너지 이용 장치"라 함)(100)가 도시되어 있다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 에너지 이용 장치(100)는 크게 연료전지(110), 온수탱크(120), 온수 수요 모듈(130) 및 제어 모듈(140)을 포함한다. 상기 연료전지(110)는 각 가정마다 개별적으로 설치되어 있다. 상기 연료전지(110)에는 연료 및 공기가 공급되어 전기화학적 반응에 의하여 전기를 생성하여, 상기 가정의 전원으로 공급된다. 상기 연료전지(110)는 다양한 종류가 채택될 수 있으며, PEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)이 일예이다. 이 때, 상기 연료로는 LNG, LPG, 또는 에탄올이 상기 연료전지(110)의 개질부에서 수소만으로 정제되어 사용된다. PEMFC의 상세한 구성에 대한 설명은 생략한다.
상기 연료전지(110)에는 외부로부터 냉수 배관(161)을 통하여 냉수가 유입된 후, 상기 연료전지(110) 내에서 열교환되어 온수로 변화된 후, 탱크 유입 배관(162)을 통하여 상기 온수 탱크(120) 내에 저장된다.
상기 온수 탱크(120) 내의 온수는 온수 공급 펌프(170)에 의하여 온수 공급 배관들(164a, 164b, 164c)을 통하여 상기 온수 수요 모듈(130)로 공급된다. 상기 온수 수요 모듈(130)은, 상기 온수를 이용하여 난방을 수행하는 난방부(131)와, 제습을 수행하는 제습부(132)와, 급탕하는 급탕부(133)를 포함한다. 상기 난방부(131)는 주로 동절기에 바닥 난방 구조 등을 포함하고, 상기 제습부(132)는 주로 하절기에 실내 제습을 수행한다. 상기 급탕부(133)는 욕실 온수, 주방 온수 등을 포함한다. 상기 온수 공급 배관들(164a, 164b, 164c) 상에서 상기 난방부(131), 상기 제습부(132) 및 상기 급탕부(133)의 전단에는 각각 밸브들(136, 137, 138)이 설치되어 있어서, 상기 온수의 유동을 제어한다. 즉, 하절기에는 상기 밸브들(136, 137, 138)은 상기 난방부(131)로 상기 온수가 유입되는 것을 차단함과 아울러 상기 제습부(132)로 상기 온수가 유입되도록 하고, 동절기에는 상기 제습기(132)로 상기 온수가 유입되는 것을 차단함과 아울러 상기 난방부(131)로 온수가 유입되도록 한다. 본 실시예에서, 상기 난방부(131), 상기 제습부(132) 및 상기 급탕부(133)는 병렬 연결 구조로 배열되어 있지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고 직결 연결 구조 또는 직렬/병력 복합 연결 구조로 배열될 수도 있다.
상기 온수는 상기 난방부(131) 및/또는 상기 제습부(133)를 거쳐 온도가 감소되어, 상기 환수 배관(165)을 통하여 상기 냉수 배관(161)에 합류되어 환수된다.
상기 제어 모듈(140)은, 제1밸브(141), 제2밸브(142), 제3밸브(143), 드레인 배관(149) 및 제어부(148)를 포함한다. 상기 제1밸브(141)는 상기 환수 배관(165) 상에 설치되어, 상기 환수 배관(165)을 개폐시킨다. 상기 드레인 배관(149)은 상기 제1밸브(141) 이전의 상기 환수 배관(165) 부분에 연결되어, 외부로 상기 환수를 드레인 한다. 상기 제2밸브(142)는 상기 드레인 배관(149) 상게 설치되어, 상기 드레인 배관(149)을 개폐시킨다.
상기 환수 배관(165) 상에는 필터(150)가 설치되어 있다. 상기 필터(150)는 상기 환수를 필터링하는 기능을 수행한다. 상기 필터(150)는 다양한 종류가 이용될 수 있으며, 향균 필터 등이 그 예이다.
상기 제어 모듈(140)은, 상기 환수 배관(165) 상에 설치되며 상기 환수의 온도를 감지하는 환수 온도 센서(145)를 더 포함한다. 상기 제어부(148)는, 상기 환수의 온도가 상기 설정 온도 이상이면 상기 제1밸브(141)를 폐쇄하고 상기 제2밸브(142)를 개방하고, 상기 환수의 온도가 상기 설정 온도 미만이면 상기 제1밸브(141)를 개방하고 상기 제2밸브(142)를 폐쇄하도록 기본 운전한다. 높은 온도의 환수가 상기 연료전지로 재순환될 경우, 불필요한 물의 낭비가 제거될 수 있지만, 상기 연료전지(110)의 냉각 및 열회수 성능이 떨어지는 문제점이 있다. 특히, 상기 난방부(131) 및 상기 제습부(132)의 열부하가 작을 경우, 상기 환수의 온도가 상기 설정 온도 미만으로 낮아지기 어렵다. 예를 들면, 봄철이나 가을철의 경우, 난방 부하도 높지 않고, 제습 부하도 높지 않다. 따라서, 상기 환수의 온도가 상기 설정 온도 미만일 경우에만, 상기 환수를 상기 연료전지(110)로 재공급한다. 상기 설정 온도는 다양하게 설정될 수 있으며, 상기 냉수 배관(161)을 통한 외부 유입 냉수의 온도 등이 선택될 수 있다.
상기 냉수 배관(161)은, 상기 환수 배관(165)이 연결되기 이전의 유입 배관(161a)과, 일 단은 상기 유입배관(161a)에 연결되며 타 단은 상기 연료전지(110)에 연결되는 합류배관(161b)을 포함한다. 상기 제3밸브(143)는 상기 유입배관(161a) 상에 설치되어, 상기 유입배관(161a)을 개폐한다.
상기 제어모듈(140)은 제1유량센서(146) 및 제2유량센서(147)를 포함한다. 상기 제1유량센서(146)는 상기 환수배관(165) 상에 설치되어, 상기 환수의 유량을 감지한다. 상기 제2유량센서(147)는 상기 합류배관(161b) 상에 설치되어, 상기 합류배관(161b)의 유량(즉, 상기 연료전지(110)로 유입되는 물의 양)을 감지한다.
상기 제어부(148)는, 상기 연료 전지(110)에 요구되는 냉수의 유량에 대하여, 상기 환수 배관(165)을 통하여 유입되는 환수를 상기 유입 배관(161a)을 통하여 유입되는 냉수에 비하여 우선적으로 이용하도록 제어한다. 즉, 상기 환수의 양이 상기 요구되는 냉수 유량보다 많을 경우, 상기 유입배관(161a)을 통한 외부로부터의 냉수의 유입을 하지 않은 상태에서, 상기 환수만을 상기 연료전지(110)로 공급한다. 하지만, 상기 환수의 양이 상기 요구되는 냉수 유량보다 적을 경우, 부족한 물의 양은 상기 유입배관(161a)을 통하여 외부로부터 냉수를 유입하여 보충한다. 물론, 상기 환수를 이용하기 위해서는, 상기 환수의 온도가 상기 설정 온도 미만인 것이 전제된다.
도 3 내지 도 6을 참조하면, 상기 에너지 이용 장치(100)의 작동을 보여주는 작동 상태도가 도시되어 있다.
먼저, 도 3은 동절기 환수 순환 운전 모드로서, 동절기 난방 수요가 매우 높을 경우에 해당된다. 이 경우, 상기 난방부(131)의 열부하가 크므로, 상기 환수의 온도가 상기 설정온도 미만이 된다. 이 때, 상기 환수의 유량은 상기 연료전지에서 요구되는 냉수의 양 이상인 것으로 가정한다.
도 3을 참조하면, 상기 온수 탱크(120)의 온수는 상기 난방부(131)에서의 열교환에 의하여 온도가 낮아진다. 상기 제어부(148)는 상기 제1밸브(141) 및 상기 제3밸브(143)는 폐쇄하고, 상기 제2밸브(142)는 개방한다. 따라서, 상기 난방부(131)를 거친 환수는 상기 환수배관(165) 및 상기 합류배관(161b)을 통하여, 상기 연료전지(110)에 재유입된다. 따라서, 외부로부터 냉수가 추가적으로 상기 연료전지(110)로 유입되지 않아도 되므로, 물의 소비량이 절감된다. 다만, 동절기라고 해서 항상 상기 환수의 온도가 상기 설정온도 미만인 것은 아니며, 계절보다는 상기 환수의 온도 상태를 근거하여 밸브들(141, 142, 143)의 개도를 조절한다.
도 4는, 상기 환수 순환 운전 모드 시 상기 환수의 유량이 상기 연료전지(110)에서 요구되는 냉수의 양 미만일 때이다. 상기 제어부(148)는, 상기 연료전지(110)에서 요구되는 냉수의 양에 해당되도록 상기 제3밸브(143)의 개도를 조절하여, 외부로부터 부족한 물을 유입시킨다.
먼저, 도 5는 하절기 환수 순환 운전 모드로서, 하절기 제습 수요가 매우 높을 경우에 해당된다. 이 경우, 상기 제습부(132)의 열부하가 크므로, 상기 환수의 온도가 상기 설정온도 미만이 된다. 이 때, 상기 환수의 유량은 상기 연료전지(110)에서 요구되는 냉수의 양 이상인 것으로 가정한다.
도 5를 참조하면, 상기 온수 탱크(120)의 온수는 상기 제습부(132)에서의 열교환에 의하여 온도가 낮아진다. 상기 제어부(148)는 상기 제1밸브(141) 및 상기 제3밸브(143)는 폐쇄하고, 상기 제2밸브(142)는 개방한다. 따라서, 상기 제습부(132)를 거친 환수는 상기 환수배관(165) 및 상기 합류배관(161b)을 통하여, 상기 연료전지(110)에 재유입된다. 다만, 상기 환수의 유량이 적을 경우에는, 상기 제3밸브(143)의 개도를 조절하여 외부로부터 냉수를 보충적으로 유입시킨다.
도 6은 춘절기/추절기 환수 배출 운전 모드로서, 춘절기/추절기에 상기 난방부(131) 및 상기 제습부(132)의 열부하가 낮은 경우이다. 이 경우, 상기 환수의 온도는 상기 설정온도 이상이 된다.
도 6을 참조하면, 상기 제1밸브(141)가 폐쇄되고, 상기 제2밸브(142)가 개방되어, 상기 난방부(131) 및/또는 상기 제습부(132)를 거친 환수는 상기 드레인배관(149)을 통하여 외부로 배출된다. 상기 연료전지에서 요구되는 냉수는 상기 냉수배관(161)을 통하여 외부로부터 전량 유입된다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100: 연료전지 이용 복합 에너지 장치
110: 연료전지 120: 온수 탱크
130: 온수 수요 모듈 140: 제어 모듈

Claims (8)

  1. 연료와 공기를 공급받아 전기를 생성하는 연료전지;
    냉수 배관을 통하여 상기 연료전지에 유입된 냉수가 상기 연료전지의 내부에서 열교환하여 온수로 변화되어 저장되는 온수 탱크;
    상기 온수탱크로부터 온수 공급 배관을 통하여 유입된 온수를 이용하여 난방 또는 제습을 수행하는 온수 수요 모듈;
    상기 온수 수요 모듈에 이용된 온수를 환수하여, 상기 냉수 배관으로 유입시키는 환수 배관;
    상기 환수 배관 상에 설치되며, 상기 환수의 온도를 감지하는 환수 온도 센서;
    상기 환수 배관 상에 설치되며, 상기 환수를 필터링하는 필터;
    상기 환수의 온도가 설정 온도 이상이면 상기 환수를 외부로 배출하고, 상기 환수의 온도가 설정 온도 미만이면 상기 환수를 상기 냉수 배관을 통하여 상기 연료전지로 유입시키는 제어 모듈을 포함하고,
    상기 제어 모듈은,
    상기 환수 배관 상에 설치되어, 상기 환수 배관을 개폐시키는 제1밸브;
    상기 제1밸브 이전의 상기 환수 배관 부분에 연결된 드레인 배관;
    상기 드레인 배관 상게 설치되어, 상기 드레인 배관을 개폐시키는 제2밸브;
    상기 환수 배관 상에 설치되며, 상기 환수의 유량을 감지하는 제1유량 센서;
    상기 냉수 배관 중에서 상기 환수 배관이 연결되기 이전의 유입 배관 상에 설치되며, 상기 유입 배관을 개폐시키는 제3밸브; 및,
    상기 환수의 온도가 상기 설정 온도 이상이면 상기 제1밸브를 폐쇄하고 상기 제2밸브를 개방하며, 상기 환수의 온도가 상기 설정 온도 미만이면 상기 제1밸브를 개방하고 상기 제2밸브를 폐쇄하며, 상기 환수의 유량이 상기 연료전지에 요구되는 냉수 유량 이상이면 상기 제3밸브를 폐쇄하며, 상기 환수의 유량이 상기 연료전지에 요구되는 냉수 유량 미만이면 상기 제3밸브를 개방하는 제어부를 구비하는 연료전지 이용 복합 에너지 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어 모듈은,
    상기 냉수 배관 중에서 상기 환수 배관이 연결된 이후의 합류 배관 상에 설치되며, 상기 합류 배관의 유량을 감지하는 제2유량 센서를 더 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 제1유량 센서 및 상기 제2유량 센서의 유량 정보에 근거하여, 상기 제1밸브 및 상기 제3밸브의 개도를 조절하는 연료전지 이용 복합 에너지 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 연료 전지에 요구되는 냉수의 유량에 대하여, 상기 환수 배관을 통하여 유입되는 환수를 상기 유입 배관을 통하여 유입되는 냉수에 비하여 우선적으로 이용하도록 제어하는 연료전지 이용 복합 에너지 장치.
  6. 청구항 1, 청구항 4 또는 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 온수 수요 모듈은,
    상기 온수를 이용하여 난방을 수행하는 난방부;
    상기 온수를 이용하여 제습을 수행하는 제습부; 및
    상기 온수를 이용하여 급탕하는 급탕부를 포함하는 연료전지 이용 복합 에너지 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 온수 수요 모듈은,
    하절기에는 상기 난방부로 상기 온수가 유입되는 것을 차단하며,
    동절기에는 상기 제습기로 상기 온수가 유입되는 것을 차단하는 연료전지 이용 복합 에너지 장치.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 연료전지는 각 가정마다 개별적으로 설치되는 연료전지 이용 복합 에너지 장치.
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