KR101256600B1 - fuel cell cogeneration system capable of continuous and lengthy operation - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연속 장기 운전이 가능한 연료전지 열병합 시스템에 관한 것으로, 연료전지 시스템의 열회수부(1)와 축열 물탱크(2) 사이에 냉각수 순환배관이 설치되고, 상기 냉각수 순환배관에 공랭식 열교환기(7)가 설치된 것을 특징으로 한다.
따라서, 상기 열회수부(1)로 공급되는 냉각수의 온도가 과도 상승되는 것을 방지할 수 있게 됨으로써 시스템을 정지하거나 상기 물탱크(2)의 시수 공급 및 저장수 배출 없이도 연료전지 시스템을 장시간 연속 운전할 수 있게 된다.The present invention relates to a fuel cell cogeneration system capable of continuous long-term operation, the cooling water circulation pipe is installed between the heat recovery unit 1 and the heat storage water tank (2) of the fuel cell system, the air-cooled heat exchanger ( 7) is installed.
Accordingly, the temperature of the cooling water supplied to the heat recovery unit 1 can be prevented from being excessively increased, so that the fuel cell system can be continuously operated for a long time without stopping the system or supplying the water tank 2 with time and supplying the stored water. Will be.

Description

연속 장기 운전이 가능한 연료전지 열병합 시스템{fuel cell cogeneration system capable of continuous and lengthy operation}Fuel cell cogeneration system capable of continuous and lengthy operation

본 발명은 연료전지 열병합 시스템에 관한 것으로, 특히 운전시간이 장시간 지속되어도 연료전지 시스템 열회수부로 공급되는 냉각수 온도의 과도 상승을 방지함으로써 연속적으로 장시간 운전할 수 있도록 된 연료전지 열병합 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell cogeneration system, and more particularly, to a fuel cell cogeneration system capable of continuously operating for a long time by preventing an excessive rise in the temperature of the coolant supplied to the fuel cell system heat recovery unit even if the operation time lasts for a long time.

연료전지 시스템은 셀 스택에서 수소와 산소가 전기화학반응하여 전력을 생산하는 것으로, 수소 생산을 위한 연료개질반응과 상기 셀 스택에서의 전기화학반응 및 주변 장치(BOP)의 작동 과정에서 열이 발생한다.The fuel cell system generates power by electrochemical reaction between hydrogen and oxygen in a cell stack. Heat is generated during a fuel reforming reaction for hydrogen production, an electrochemical reaction in the cell stack, and an operation of a peripheral device (BOP). do.

따라서, 상기 열을 회수, 이용하기 위하여 축열조를 부가하여 열병합 시스템으로 운용하고 있다.Therefore, in order to recover and use the heat, a heat storage tank is added and operated as a cogeneration system.

상기 축열조는 연료전지 시스템의 열회수부(이하, 열회수부)와 물을 매개로 열교환하도록 되어 있어, 상기 열회수부의 열이 축열조에 저장되고, 이 과정에서 냉각된 물은 상기 열회수부의 냉각수로 작용하게 된다.The heat storage tank is configured to exchange heat with a heat recovery unit (hereinafter, referred to as a heat recovery unit) of the fuel cell system, so that heat of the heat recovery unit is stored in the heat storage tank, and the water cooled in this process serves as cooling water of the heat recovery unit. .

상기와 같은 냉각수 순환에 의해 승온된 상기 축열조의 온수는 난방 및 급탕에 이용된다.The hot water of the heat storage tank heated by the cooling water circulation as described above is used for heating and hot water supply.

한편, 연료전지 시스템의 운전이 장시간 지속되면 상기 축열조 내부 수온이 상승하고, 이에 축열조를 거쳐 상기 시스템 열회수부로 공급되는 냉각수의 온도가 상승하게 된다.On the other hand, if the fuel cell system continues to operate for a long time, the water temperature inside the heat storage tank increases, and thus the temperature of the coolant supplied to the system heat recovery unit through the heat storage tank increases.

상기 공급냉각수의 온도가 과도하게 상승하면 연료전지 시스템의 냉각 성능 및 열회수 성능이 저하될 뿐만 아니라, 특히 연료전지 시스템의 정상적인 운전이 불가능하게 된다. 예를 들어 연료변환기의 수소 생성, 일산화탄소 제거, 셀에서의 전기화학반응 등이 원활히 이루어지지 않음으로써 연료전지 시스템의 전반적인 성능이 저하되는 문제점이 있었다.When the temperature of the supply coolant is excessively increased, not only the cooling performance and the heat recovery performance of the fuel cell system are lowered, but also the normal operation of the fuel cell system is impossible. For example, there is a problem in that the overall performance of the fuel cell system is deteriorated due to the inability to produce hydrogen, remove carbon monoxide, and electrochemical reactions in the cell.

따라서, 축열조 저장수의 온도가 상승하여 공급냉각수의 온도가 과도하게 상승할 경우 불가피하게 시스템을 정지시키거나 또는 축열조에 시수(상수도)를 공급하면서 저장수를 배출하여 축열조의 수온을 낮출 수 밖에 없었다.Therefore, if the temperature of the storage tank storage water rises and the temperature of the supply cooling water rises excessively, the system inevitably shuts down or discharges the storage water while supplying the storage water (water supply) to the storage tank, thereby lowering the temperature of the storage tank. .

그러나 상기와 같이 시스템을 정지하게 되면 연속적인 장기 운전이 불가능하므로 수요처의 부하에 충분히 대응할 수 없는 상황이 발생하고, 축열조의 고온 저장수를 배출하면서 시수를 공급하는 방법은 에너지 손실을 유발함과 더불어 상하수도 요금을 증가시키는 문제점이 있었다. 또한, 시수의 공급이 원활하지 않은 경우에는 시스템의 안정적인 운전이 불가하였다.However, if the system is stopped as described above, continuous long-term operation is impossible. Therefore, a situation in which the demand of the source of demand cannot be sufficiently satisfied occurs, and the method of supplying water while discharging the high temperature storage water of the heat storage tank causes energy loss. There was a problem of increasing water and sewage rates. In addition, when the supply of time was not smooth, stable operation of the system was not possible.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위해 발명된 것으로, 축열조의 축열 용량이 초과된 경우에도 시스템을 정지시키거나, 또는 저장수 배출 과 시수 공급 없이도 시스템의 열회수부에 적정 온도의 냉각수를 공급할 수 있게 됨으로써 연료전지 시스템을 정상 성능이 발휘되는 상태로 장시간 연속 운전할 수 있도록 된 연속 장기 운전이 가능한 연료전지 열병합 시스템을 제공함에 목적이 있다.Accordingly, the present invention has been invented to solve the above problems, it is possible to stop the system even if the heat storage capacity of the heat storage tank is exceeded, or to supply the cooling water of the proper temperature to the heat recovery unit of the system without the storage water discharge and time water supply. It is an object of the present invention to provide a fuel cell cogeneration system capable of continuous long-term operation in which the fuel cell system can be continuously operated for a long time in a state where normal performance is exhibited.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은,The present invention for achieving the above object,

연료전지 시스템의 열회수부와 물탱크의 사이에 냉각수 순환배관이 설치된 연료전지 열병합 시스템에 있어서,In a fuel cell cogeneration system provided with a cooling water circulation pipe between a heat recovery portion of a fuel cell system and a water tank,

상기 냉각수 순환배관에 공랭식 열교환기가 설치되고,An air-cooled heat exchanger is installed in the cooling water circulation pipe,

상기 공랭식 열교환기는 냉각팬을 구비한 것을 특징으로 한다.The air-cooled heat exchanger is characterized by having a cooling fan.

또한, 상기 냉각수 순환배관의 공급냉각수관과 환수냉각수관이 상기 물탱크의 내부 공간과 연통되도록 설치되어 상기 물탱크의 저장수가 상기 냉각수 순환배관을 순환하고,In addition, the supply cooling water pipe and the return cooling water pipe of the cooling water circulation pipe is installed so as to communicate with the internal space of the water tank, the storage water of the water tank circulates the cooling water circulation pipe,

상기 공랭식 열교환기는 상기 공급냉각수관에 설치된 것을 특징으로 한다.The air-cooled heat exchanger is installed in the supply cooling water pipe.

또한, 상기 냉각수 순환배관의 공급냉각수관과 환수냉각수관이 상기 물탱크의 내부 공간과 연통되도록 설치되어 상기 물탱크의 저장수가 상기 냉각수 순환배관을 순환하고,In addition, the supply cooling water pipe and the return cooling water pipe of the cooling water circulation pipe is installed so as to communicate with the internal space of the water tank, the storage water of the water tank circulates the cooling water circulation pipe,

상기 공랭식 열교환기는 상기 환수냉각수관에 설치된 것을 특징으로 한다.The air-cooled heat exchanger is installed on the return cooling water pipe.

또한, 상기 냉각수 순환배관의 공급냉각수관과 환수냉각수관이 상기 물탱크에 설치된 열교환기에 연결되어 상기 냉각수 순환배관내의 냉각수가 상기 열교환기를 매개로 상기 물탱크의 저장수와 간접적으로 열교환하고,In addition, the supply cooling water pipe and the return cooling water pipe of the cooling water circulation pipe is connected to a heat exchanger installed in the water tank, the cooling water in the cooling water circulation pipe indirectly heat exchanges with the storage water of the water tank via the heat exchanger,

상기 공랭식 열교환기는 상기 공급냉각수관에 설치된 것을 특징으로 한다.The air-cooled heat exchanger is installed in the supply cooling water pipe.

또한, 상기 냉각수 순환배관의 공급냉각수관과 환수냉각수관이 상기 물탱크에 설치된 열교환기에 연결되어 상기 냉각수 순환배관내의 냉각수가 상기 열교환기를 매개로 상기 물탱크의 저장수와 간접적으로 열교환하고,In addition, the supply cooling water pipe and the return cooling water pipe of the cooling water circulation pipe is connected to a heat exchanger installed in the water tank, the cooling water in the cooling water circulation pipe indirectly heat exchanges with the storage water of the water tank via the heat exchanger,

상기 공랭식 열교환기는 상기 환수냉각수관에 설치된 것을 특징으로 한다.The air-cooled heat exchanger is installed on the return cooling water pipe.

또한, 상기 공랭식 열교환기는 상기 연료전지 열병합 시스템의 케이스 외부에 설치된 것을 특징으로 한다.In addition, the air-cooled heat exchanger is characterized in that installed outside the case of the fuel cell cogeneration system.

또한, 상기 냉각팬은 상기 열회수부로 공급되는 공급냉각수의 온도가 목표온도 범위의 상한값을 초과하면 작동되고,In addition, the cooling fan is operated when the temperature of the supply cooling water supplied to the heat recovery unit exceeds the upper limit of the target temperature range,

상기 공급냉각수의 온도가 목표온도 범위의 하한값 미만으로 감소되면 정지되는 것을 특징으로 한다.Characterized in that the supply cooling water is stopped when the temperature is reduced below the lower limit of the target temperature range.

또한, 상기 냉각팬은 상기 공급냉각수 온도와 상기 목표온도 범위의 기준값(상기 상한값과 하한값의 중간값)의 차에 따라 회전속도가 비례 제어되는 것을 특징으로 한다.In addition, the cooling fan is characterized in that the rotational speed is proportionally controlled according to the difference between the supply coolant temperature and the reference value (the middle value between the upper limit and the lower limit) of the target temperature range.

이상 설명한 바와 같은 본 발명에 따르면,According to the present invention as described above,

축열조의 축열 용량이 초과된 경우에도 시스템을 정지시키거나, 또는 저장수 배출과 시수 공급 없이도 시스템의 열회수부에 적정 온도의 냉각수를 공급할 수 있게 된다.Even if the heat storage capacity of the heat storage tank is exceeded, it is possible to supply the cooling water at an appropriate temperature to the heat recovery portion of the system without stopping the system or without storing the discharged water and supplying the time water.

따라서, 연료전지 시스템을 정상 성능이 발휘되는 상태로 장시간 연속 운전할 수 있게 된다.Therefore, the fuel cell system can be continuously operated for a long time in a state where the normal performance is exhibited.

따라서, 전력 부하 변동에 보다 유연하고 안정적으로 대응할 수 있게 된다.Therefore, it becomes possible to respond more flexibly and stably to the power load variation.

또한, 열손실이 감소되므로 시스템의 에너지 효율이 향상되고, 상하수도 비용이 절감되는 효과가 있다.In addition, since the heat loss is reduced, the energy efficiency of the system is improved, and water and sewage costs are reduced.

도 1은 본 발명에 따른 연료전지 열병합 시스템의 제1실시예,
도 2는 본 발명에 따른 연료전지 열병합 시스템의 제2실시예,
도 3은 본 발명에 따른 연료전지 열병합 시스템의 제3실시예,
도 4는 본 발명에 따른 연료전지 열병합 시스템의 제4실시예,
도 5는 공랭식 열교환기 입구온도차에 따른 냉각성능 특성을 나타낸 그래프,
도 6은 본 발명의 주요 구성인 냉각팬의 제어 순서도이다.1 illustrates a first embodiment of a fuel cell cogeneration system according to the present invention;
2 is a second embodiment of a fuel cell cogeneration system according to the present invention;
3 is a third embodiment of a fuel cell cogeneration system according to the present invention;
4 is a fourth embodiment of a fuel cell cogeneration system according to the present invention;
5 is a graph showing the cooling performance characteristics according to the air temperature type heat exchanger inlet temperature difference,
6 is a control flowchart of a cooling fan which is a main configuration of the present invention.

이하, 본 발명을 첨부된 예시도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, the present invention will be described in detail.

도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 연료전지 열병합 시스템은 연료전지 시스템의 열회수부(1)와 축열조 즉, 물탱크(2)의 사이에 냉각수 순환배관이 설치된다.1 to 4, in the fuel cell cogeneration system, a cooling water circulation pipe is installed between the heat recovery unit 1 and the heat storage tank, that is, the water tank 2 of the fuel cell system.

상기 냉각수 순환배관은 물탱크(2)에서 열회수부(1)로 냉각수가 흐르는 공급냉각수관(3a)과 열회수부(1)에서 물탱크(2)로 냉각수가 흐르는 환수냉각수관(3b)으로 이루어진다.The cooling water circulation pipe is composed of a supply cooling water pipe (3a) flowing the cooling water from the water tank (2) to the heat recovery section (1) and a return water cooling water pipe (3b) flowing the cooling water from the heat recovery section (1) to the water tank (2). .

그 중 상기 공급냉각수관(3a)에는 냉각수의 원활한 공급 및 순환을 위해 냉각수 순환펌프(4)가 설치된다.Among them, the supply cooling water pipe 3a is provided with a cooling water circulation pump 4 for smooth supply and circulation of cooling water.

또한, 상기 물탱크(2)에는 시수 공급을 위한 시수공급관(5a)과 저장수 배출을 위한 저장수배출관(5b)이 설치되며, 상기 저장수배출관(5b)에는 물탱크배수제어밸브(6)가 설치된다.In addition, the water tank (2) is provided with a water supply pipe (5a) and a storage water discharge pipe (5b) for discharging the storage water is supplied, the water tank drain control valve (6) is installed in the storage water discharge pipe (5b) Is installed.

한편, 상기 연료전지 열병합 시스템은 도 1과 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 냉각수 순환배관이 열린 계를 이루어 냉각수로서 물탱크(2)의 저장수를 직접 이용하는 형태의 것이 있다.On the other hand, the fuel cell cogeneration system as shown in Figures 1 and 3, the cooling water circulation pipe forms an open system, there is a form of directly using the storage water of the water tank (2) as the cooling water.

즉, 상기 공급냉각수관(3a)과 환수냉각수관(3b)이 상기 물탱크(2)의 내부 공간과 연통되도록 설치되어 환수냉각수관(3b)에서 배출된 냉각수가 물탱크(2)의 내부에 저장수로서 저장되고, 상기 물탱크(2)의 저장수가 상기 공급냉각수관(3a)을 통해 냉각수로서 열회수부(1)로 공급되도록 된 것이다.That is, the supply cooling water pipe (3a) and the return cooling water pipe (3b) is installed so as to communicate with the internal space of the water tank (2) cooling water discharged from the return water cooling pipe (3b) in the water tank (2) It is stored as storage water, and the storage water of the water tank (2) is to be supplied to the heat recovery unit (1) as cooling water through the supply cooling water pipe (3a).

또한, 상기 연료전지 열병합 시스템은 도 2와 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 냉각수 순환배관이 닫힌 계를 이루어 냉각수는 상기 냉각수 순환배관만을 순환하도록 된 형태의 것이 있다.In addition, the fuel cell cogeneration system, as shown in Figures 2 and 4, the cooling water circulation pipe forms a closed system so that the cooling water circulates only the cooling water circulation pipe.

즉, 상기 공급냉각수관(3a)과 환수냉각수관(3b)은 물탱크(2)에 설치된 열교환기(10)에 연결되어 있어 환수냉각수가 물탱크(2)내 저장수와 혼합되지 않고 상기 열교환기(10)를 통해 저장수와 간접적으로 열교환한 뒤, 상기 공급냉각수관(3a)을 통해 냉각수로서 공급되도록 된 것이다.That is, the supply cooling water pipe 3a and the return cooling water pipe 3b are connected to a heat exchanger 10 installed in the water tank 2 so that the return water cooling water is not mixed with the storage water in the water tank 2. After indirectly exchanging heat with the storage water through the gas (10), it is to be supplied as the cooling water through the supply cooling water pipe (3a).

본 발명은 상기 냉각수 순환배관에 공랭식 열교환기(7)가 설치된 것에 그 특징이 있다.The present invention is characterized in that the air-cooled heat exchanger (7) is installed in the cooling water circulation pipe.

상기 공랭식 열교환기(7)는 열교환기를 통과하는 공급냉각수가 주변 공기와 열교환하도록 된 것으로, 공급냉각수는 주변 공기로 열을 방출하여 냉각된다.The air-cooled heat exchanger (7) is such that the supply coolant passing through the heat exchanger exchanges with the ambient air, and the supply coolant releases heat to the ambient air and cools it.

이때 상기 공랭식 열교환기(7)와 접촉되는 공기량을 증가시켜 냉각 성능을 향상시키기 위해서 모터에 의해 구동되는 냉각팬(8)을 공랭식 열교환기(7)에 근접하여 설치할 수 있다.At this time, the cooling fan 8 driven by the motor may be installed in close proximity to the air-cooled heat exchanger 7 in order to increase the amount of air in contact with the air-cooled heat exchanger 7 to improve the cooling performance.

상기 냉각팬(8)은 상기 공랭식 열교환기(7)의 전방에 설치되어 주변 공기를 흡입하여 상기 공랭식 열교환기(7)로 강제 송풍하는 방식으로 사용될 수 있고, 또는 상기 공랭식 열교환기(7)의 후방에 설치되어 상기 공랭식 열교환기(7)를 통해 바람이 흡입되도록 하는 방식으로 사용될 수 있다.The cooling fan 8 may be installed in front of the air-cooled heat exchanger 7 to be used to suck ambient air and forcibly blow the air to the air-cooled heat exchanger 7. It may be installed in the rear and used in such a way that the air is sucked through the air-cooled heat exchanger 7.

또한, 상기 냉각수 순환배관의 상기 냉각수공급배관(3a)에는 공급냉각수의 온도를 측정하는 공급냉각수온도센서(9a)가 설치되고, 상기 환수냉각수관(3b)에는 환수냉각수의 온도를 측정하는 환수냉각수온도센서(9b)가 설치된다.In addition, the cooling water supply pipe (3a) of the cooling water circulation pipe is provided with a supply coolant temperature sensor (9a) for measuring the temperature of the supply coolant, the return cooling water (3b) is a return cooling water for measuring the temperature of the return cooling water The temperature sensor 9b is installed.

또한, 상기 연료전지 시스템 열회수부(1)에는 시스템온도센서(11)가 설치된다. 상기 시스템온도센서는 셀스택 및 개질기를 포함하여 온도 제어되는 시스템 내부의 다수 위치에 설치될 수 있다.In addition, a system temperature sensor 11 is installed in the fuel cell system heat recovery unit 1. The system temperature sensor may be installed at a number of locations within a temperature controlled system including a cell stack and a reformer.

상기 도 1은 본 발명의 제1실시예로서, 물탱크(2)의 저장수를 직접 냉각수로 이용하는 형식의 연료전지 열병합 시스템에서 상기 냉각수 순환배관중 공급냉각수관(3a)에 상기 공랭식 열교환기(7)가 설치된다.1 is a first embodiment of the present invention, the air-cooled heat exchanger (3) of the supply cooling water pipe (3a) of the cooling water circulation pipe in the fuel cell cogeneration system of the type using the storage water of the water tank (2) as direct cooling water 7) is installed.

상기 공랭식 열교환기(7)는 상기 공급냉각수관(3a)에서 상기 순환펌프(4)의 이전 위치(냉각수 유입구의 앞쪽)에 설치된다.The air-cooled heat exchanger 7 is installed at the previous position of the circulation pump 4 (in front of the cooling water inlet) in the supply cooling water pipe 3a.

또한, 상기 공랭식 열교환기(7)에 인접하여 모터로 구동되는 냉각팬(8)이 설치된다. 상기 냉각팬(8)이 모터로 구동되는 것은 자명한 사실이므로 모터의 도시는 생략하였다.In addition, a cooling fan 8 driven by a motor is provided adjacent to the air-cooled heat exchanger 7. Since the cooling fan 8 is driven by a motor, the illustration of the motor is omitted.

따라서, 물탱크(2)에서 배출된 저장수는 상기 공랭식 열교환기(7)를 통과하면서 냉각팬(8)으로 공급되는 공기와 열교환함으로써 냉각되며, 이로써 상기 열회수부(11)로 적절한 온도의 냉각수를 공급할 수 있게 된다.Therefore, the stored water discharged from the water tank 2 is cooled by heat exchange with the air supplied to the cooling fan 8 while passing through the air-cooled heat exchanger 7, thereby cooling water at an appropriate temperature to the heat recovery unit 11. Can be supplied.

도 2는 본 발명의 제2실시예로서, 상기 냉각수 순환배관이 폐관로를 이루고 냉각수 순환배관상에 설치된 열교환기(10)를 매개로 냉각수와 물탱크(2)에 저장된 저장수의 열교환이 이루어지도록 된 형태의 연료전지 열병합 시스템에서, 상기 공급냉각수관(3a)에 상기 공랭식 열교환기(7)가 설치된 것이다.Figure 2 is a second embodiment of the present invention, the cooling water circulation pipe forms a closed pipe and the heat exchange between the cooling water and the storage water stored in the water tank (2) via a heat exchanger (10) installed on the cooling water circulation pipe In the fuel cell cogeneration system of the type to be built, the air cooling heat exchanger (7) is installed in the supply cooling water pipe (3a).

상기 공랭식 열교환기(7)는 순환펌프(4)의 이전 위치에 설치되고, 인접 위치에 냉각팬(8)이 설치된다.The air-cooled heat exchanger 7 is installed at the previous position of the circulation pump 4, and a cooling fan 8 is installed at an adjacent position.

따라서, 물탱크(2)에서 배출된 고온의 저장수가 상기 공랭식 열교환기(7)를 통과하면서 냉각되어 적정 온도범위의 냉각수가 상기 열회수부(11)로 공급될 수 있다.Therefore, the high temperature storage water discharged from the water tank 2 may be cooled while passing through the air-cooled heat exchanger 7, and cooling water having an appropriate temperature range may be supplied to the heat recovery unit 11.

도 3은 본 발명의 제3실시예로서, 물탱크(2)의 저장수를 직접 냉각수로 이용하는 형식의 연료전지 열병합 시스템에서 상기 냉각수 순환배관중 환수냉각수관(3b)에 상기 공랭식 열교환기(7)가 설치되고, 상기 공랭식 열교환기(7)에 인접하여 모터 구동되는 냉각팬(8)이 설치된다.3 is a third embodiment of the present invention, the air-cooled heat exchanger (7) in the cooling water circulation pipe (3b) of the cooling water circulation pipe in the fuel cell cogeneration system of the type using the storage water of the water tank (2) as direct cooling water ) Is installed, and a cooling fan 8 driven by a motor adjacent to the air-cooled heat exchanger 7 is installed.

따라서, 시스템의 열회수부(11)에서 배출된 고온의 환수냉각수가 상기 공랭식 열교환기(7)을 통과하면서 냉각팬(8)에 의해 공급되는 공기와 열교환하여 냉각된 후 상기 물탱크(2)로 공급되기 때문에 물탱크(2) 저장수 온도의 과도 상승을 방지할 수 있으므로, 물탱크(2)의 저장수가 공급냉각수관(3a)을 통해 냉각수로서 열회수부(1)로 공급될 때 적절한 온도로 공급될 수 있다.Accordingly, the hot return cooling water discharged from the heat recovery unit 11 of the system passes through the air-cooled heat exchanger 7 and cools by heat exchange with the air supplied by the cooling fan 8 to the water tank 2. Since it is possible to prevent the excessive rise of the water tank 2 storage water temperature because it is supplied, the storage water of the water tank 2 at an appropriate temperature when supplied to the heat recovery unit 1 as cooling water through the supply cooling water pipe 3a. Can be supplied.

도 4는 본 발명의 제4실시예로서, 상기 상기 냉각수 순환배관이 폐관로를 이루고 냉각수 순환배관상에 설치된 열교환기(10)를 매개로 냉각수와 물탱크(2)에 저장된 저장수의 열교환이 이루어지도록 된 형태의 연료전지 열병합 시스템에서, 상기 환수냉각수관(3b)에 상기 공랭식 열교환기(7)가 설치된 것이다. 물론, 상기 공랭식 열교환기(7)에 인접하여 냉각팬(8)이 설치된다.4 is a fourth embodiment of the present invention, wherein the cooling water circulation pipe forms a closed pipe path and heat exchange between the cooling water and the storage water stored in the water tank 2 is performed through a heat exchanger 10 installed on the cooling water circulation pipe. In the fuel cell cogeneration system of the type to be made, the air-cooled heat exchanger (7) is installed in the return cooling water pipe (3b). Of course, a cooling fan 8 is provided adjacent to the air-cooled heat exchanger 7.

따라서, 물탱크(2)내 저장수의 온도가 높아서 환수냉각수가 열교환기(10)를 통과하면서 온도가 상승하게 될지라도 상기 환수냉각수관(3b)의 공랭식 열교환기(7)를 통과하면서 미리 충분한 냉각이 이루어지기 때문에 상기 열회수부(1)에는 적절한 온도 범위의 냉각수가 공급될 수 있게 된다.Therefore, although the temperature of the storage water in the water tank 2 is high so that the temperature of the return cooling water passes through the heat exchanger 10, the temperature rises while passing through the air-cooled heat exchanger 7 of the return cooling water pipe 3b. Since the cooling is performed, the heat recovery part 1 can be supplied with cooling water having an appropriate temperature range.

상기와 같이 본 발명은 운전 지속으로 인해 물탱크(2)내 저장수의 온도가 적정 수준 이상으로 상승된 경우에도 공랭식 열교환기(7)를 이용하여 상기 물탱크(2)측으로부터 배출되는 공급냉각수를 냉각하거나 또는 상기 물탱크(2)측으로 유입되는 환수냉각수를 냉각함으로써 공급냉각수관(3a)을 통해 시스템의 열회수부(1)로 공급되는 공급냉각수의 최종 온도를 낮출 수 있게 된다.As described above, the present invention provides a supply cooling water discharged from the water tank (2) by using an air-cooled heat exchanger (7) even when the temperature of the storage water in the water tank (2) rises above an appropriate level due to continuous operation. By cooling or cooling the return cooling water flowing into the water tank (2) side it is possible to lower the final temperature of the supply cooling water supplied to the heat recovery unit (1) of the system through the supply cooling water pipe (3a).

따라서, 물탱크(2)의 적정 축열 용량이 초과된 경우에도 시스템의 운전을 정지하거나 또는 물탱크(2)로 시수를 공급하면서 저장수를 배출하지 않고도 시스템을 장시간 연속적으로 운전할 수 있게 된다.Therefore, even when the proper heat storage capacity of the water tank 2 is exceeded, the system can be continuously operated for a long time without stopping the operation of the system or discharging the stored water while supplying the water to the water tank 2.

상기와 같이, 운전 중 시스템을 정지시킬 필요가 없게 됨으로써 전력 사용 부하가 증가한 경우에도 여유있게 대응할 수 있게 된다.As described above, it is not necessary to stop the system during operation, so that even when the power usage load increases, it is possible to cope with leisurely.

또한, 물탱크(2)로부터 고온 저장수를 배출하고 시수를 공급할 필요가 없으므로 열 손실이 감소되어 에너지 효율이 향상되고, 상하수도 요금이 감소되는 효과가 있다.In addition, since it is not necessary to discharge the hot storage water from the water tank 2 and supply time water, heat loss is reduced, thereby improving energy efficiency and reducing water and sewage charges.

한편, 상기 공랭식 열교환기(7)는 연료전지 시스템의 케이스 내부에 위치할 수도 있으나, 냉각수 순환배관을 케이스의 외부로 연장하여 시스템 설치 장소 주변의 임의 위치에 배치함으로써 냉매인 공기 공급 및 배출 조건을 개선하여 냉각수 냉각 성능을 향상시킬 수 있다.Meanwhile, the air-cooled heat exchanger 7 may be located inside the case of the fuel cell system, but extends the cooling water circulation pipe to the outside of the case and arranges the air supply and discharge conditions, which are refrigerants, at an arbitrary position around the system installation site. By improving the cooling water cooling performance can be improved.

도 5는 공랭식 열교환기 입구온도차에 따른 냉각성능 특성을 나타낸 그래프이다.(그래프에서 1-1, 1-2, 1-3은 입구온도차가 큰 경우이고, 2-1, 2-2, 2-3은 입구온도차가 작은 경우이다.)5 is a graph showing the cooling performance characteristics according to the inlet temperature difference of the air-cooled heat exchanger. (In the graph, 1-1, 1-2, 1-3 are cases where the inlet temperature difference is large, and 2-1, 2-2, 2- 3 is a case where the inlet temperature difference is small.)

공랭식 열교환기에서 상기 입구온도차(ITD;inlet temperature difference)는 열원인 물의 입구 온도와 냉매로써의 공기 온도의 차이다. 즉, IDT = 냉각수의 입구 온도 - 공기 온도 이다.In the air-cooled heat exchanger, the inlet temperature difference (ITD) is a difference between an inlet temperature of water as a heat source and an air temperature as a refrigerant. IDT = the inlet temperature of the coolant-the air temperature.

선 1-1과 2-1은 냉각수의 공랭식 열교환기 입구온도(T_CG_ACHX_in[℃])를 나타낸 것으로 두 경우 모두 물탱크(2)에 열이 충만된 60℃ 수준으로 가정하였다.Lines 1-1 and 2-1 represent the air-cooled heat exchanger inlet temperature (T_CG_ACHX_in [° C.]) of the cooling water. In both cases, the water tank 2 is assumed to be 60 ° C filled with heat.

선 1-2와 2-2는 공랭식 열교환기에서의 제거 열량(Air cooling[W])을 나타낸 것으로 입구온도차가 큰 경우(1-2)에 입구온도차가 작은 경우(2-2) 보다 냉각수로부터 보다 많은 열량이 제거됨을 알 수 있다. 즉, 입구온도차가 큰 경우의 냉각성능이 보다 우수함을 알 수 있다.Lines 1-2 and 2-2 show the removal of air from the air-cooled heat exchanger (Air cooling [W]). It can be seen that more calories are removed. That is, it can be seen that the cooling performance is excellent when the inlet temperature difference is large.

선 1-3과 2-3은 단위 입구온도차당 공랭식 열교환기에서의 제거 열량(Air cooling/ITD[W/℃])을 나타낸 것으로 입구온도차가 큰 경우와 작은 경우 모두 공기 온도 변화에 상관없이 단위 입구온도차당 냉각성능은 일정(constant)함을 알 수 있다.(따라서, 공기 온도 변화(T_Air[℃])에 따른 공랭식 열교환기의 냉각성능(Air cooling[W])을 예측 가능하다.)Lines 1-3 and 2-3 show the heat removal from the air-cooled heat exchanger per unit inlet temperature difference (Air cooling / ITD [W / ° C]), regardless of the change in air temperature for both large and small inlet temperature differences. It can be seen that the cooling performance per inlet temperature difference is constant. Therefore, it is possible to predict the cooling performance (Air cooling [W]) of the air-cooled heat exchanger according to the air temperature change (T_Air [° C.]).

상기 그래프에서 공랭식 열교환기는 동일 운전 조건에서 입구온도차(ITD)가 크면 냉각성능이 향상되는 것을 알 수 있다.In the graph, it can be seen that the cooling performance is improved when the inlet temperature difference (ITD) is large under the same operating conditions.

따라서, 입구온도차를 증가시키기 위해서는 공기 온도를 낮추거나 냉각수 입구온도를 증가시켜야만 하는데 공급되는 공기의 온도를 낮추는 것에는 별도의 에너지가 소비되므로 냉각수 입구온도를 증가시키는 것이 바람직한 바, 상기 냉각수 순환배관 중 공급냉각수관(3a)에 비해 열회수부(1) 이후의 환수냉각수관(3b)에 상대적으로 고온의 냉각수가 흐르므로 상기 공랭식 열교환기(7)를 환수냉각수관(3b)에 설치할 경우 공급냉각수관(3a)에 설치한 경우보다 입구온도차(ITD)를 증가시킬 수 있다.Therefore, in order to increase the inlet temperature difference, the air temperature must be lowered or the coolant inlet temperature must be increased. However, to lower the temperature of the supplied air, separate energy is consumed, so it is preferable to increase the coolant inlet temperature. Since the cooling water of the high temperature flows relatively to the return cooling water pipe 3b after the heat recovery unit 1 compared to the supply cooling water pipe 3a, when the air-cooled heat exchanger 7 is installed in the return cooling water pipe 3b, the supply cooling water pipe 3b is provided. Inlet temperature difference (ITD) can be increased compared to the case in (3a).

따라서, 상기 공랭식 열교환기(7)를 환수냉각수관(3b)에 설치함으로써 상기 공랭식 열교환기(7)의 냉각성능을 향상시킬 수 있다.Therefore, the cooling performance of the air-cooled heat exchanger 7 can be improved by installing the air-cooled heat exchanger 7 in the water return cooling water pipe 3b.

한편, 상기 냉각팬(8)은 다음과 같이 작동 제어된다.On the other hand, the cooling fan 8 is operationally controlled as follows.

도면에 도시하지 않았으나 연료전지 열병합 시스템은 셀 스택 및 연료변환기의 운전 제어를 위해서 전자제어유니트를 구비하고 있다.Although not shown in the drawings, the fuel cell cogeneration system includes an electronic control unit for operation control of the cell stack and the fuel converter.

따라서, 상기 전자제어유니트로 하여금 상기 냉각팬(8)의 작동을 제어하도록 하며, 그 제어로직은 도 6에 도시된 바와 같다.Thus, the electronic control unit causes the operation of the cooling fan 8 to be controlled, the control logic of which is shown in FIG.

상기 공급냉각수온도센서(9a)에서 측정된 공급냉각수온도는 상기 전자제어유니트로 전달된다.The supply coolant temperature measured by the supply coolant temperature sensor 9a is transferred to the electronic control unit.

상기 전자제어유니트에는 공급냉각수온도의 목표 온도 범위가 입력되어 있다. 즉, 목표온도의 상한값(목표온도_상한값)과 하한값(목표온도_하한값)이 입력되어 있다.The target temperature range of the supply coolant temperature is input to the electronic control unit. That is, the upper limit value (target temperature _ upper limit value) and the lower limit value (target temperature _ lower limit value) of the target temperature are input.

시스템의 운전이 개시 및 지속되면 시스템에서 발생된 열은 열회수부(1)에서 방출되어 냉각수를 매개로 물탱크(2)에 축열됨으로써 물탱크(2)내 저장수의 온도는 계속 증가된다.When the operation of the system is started and continued, the heat generated in the system is discharged from the heat recovery unit 1 and regenerated in the water tank 2 through the cooling water, thereby increasing the temperature of the storage water in the water tank 2.

따라서, 공급냉각수의 온도도 지속적으로 상승되므로 어떤 시점에는 결국 상기 공급냉각수온도센서(9a)로부터 전달된 공급냉각수온도가 상기 목표온도의 상한값을 초과하게 된다.Therefore, since the temperature of the supply coolant is continuously raised, at some point, the supply coolant temperature transmitted from the supply coolant temperature sensor 9a eventually exceeds the upper limit of the target temperature.

이와 같이 공급냉각수온도가 목표온도 상한값을 초과하면 전자제어유니트는 상기 냉각팬(8)을 작동시킨다.In this way, when the supply cooling water temperature exceeds the target temperature upper limit, the electronic control unit operates the cooling fan 8.

상기 냉각팬(8)이 작동되면 상기 공랭식 열교환기(7)에서 냉각수의 냉각이 활발하게 이루어짐으로써 공급냉각수 온도가 점차 감소되며, 결국 상기 목표온도의 하한값 미만으로 떨어지게 된다.When the cooling fan 8 is operated, the cooling water is actively cooled in the air-cooled heat exchanger 7, and thus the supply cooling water temperature is gradually decreased, and eventually falls below the lower limit of the target temperature.

이와 같이 공급냉각수온도가 목표온도 하한값 미만으로 감소되면 전자제어유니트는 상기 냉각팬(8)의 작동을 정지시킨다.In this way, when the supply cooling water temperature is lowered below the target temperature lower limit, the electronic control unit stops the operation of the cooling fan 8.

상기와 같은 냉각팬(8)의 작동 제어에 따라서 상기 공급냉각수의 온도를 적정 범위내에서 유지할 수 있게 되므로 시스템의 열회수부(1)에 적정 온도의 냉각수를 공급할 수 있다.According to the operation control of the cooling fan 8 as described above it is possible to maintain the temperature of the supply cooling water within an appropriate range, it is possible to supply the cooling water of the appropriate temperature to the heat recovery unit (1) of the system.

또한, 상기와 같이 공급냉각수온도에 따라서 상기 냉각팬(8)을 on/off하는것을 기본 제어로직으로 하고, 상기 공급냉각수온도와 설정된 목표온도의 기준값(상기 목표온도 상한값과 하한값 사이의 중간값)을 비교하여 그 차에 비례하여 상기 냉각팬의 회전속도를 제어할 수 있다.Further, as described above, a basic control logic is to turn on / off the cooling fan 8 in accordance with the supply coolant temperature, and the reference value of the supply coolant temperature and the set target temperature (middle value between the target upper limit value and the lower limit value). Compare and control the rotational speed of the cooling fan in proportion to the difference.

즉, 공급냉각수온도와 상기 목표온도 기준값의 차이가 크면 냉각팬(8)을 고속으로 회전시키고 차이가 작으면 저속으로 회전시키는 것이다.That is, when the difference between the supply coolant temperature and the target temperature reference value is large, the cooling fan 8 is rotated at high speed, and when the difference is small, the cooling fan 8 is rotated at low speed.

이와 같이 공급냉각수온도와 목표온도 기준값과의 차에 따라 냉각팬(8)의 회전속도를 비례제어함으로써 냉각팬(8)으로 인한 소비 전력이 감소되며, 이에 냉각팬(8) 사용으로 인한 시스템의 에너지 효율 저하를 최소화할 수 있다.As such, the power consumption due to the cooling fan 8 is reduced by proportionally controlling the rotational speed of the cooling fan 8 according to the difference between the supply coolant temperature and the target temperature reference value. The reduction in energy efficiency can be minimized.

한편, 상기와 같은 냉각수온도에 따른 냉각팬 제어는 전술한 바와 같이 공급냉각수온도 뿐만 아니라, 상기 환수냉각수온도센서(9b)에서 측정되는 환수냉각수온도에 따라 실시할 수 있음은 물론이다.On the other hand, the cooling fan control according to the cooling water temperature as described above can be carried out not only the supply cooling water temperature, but also according to the return cooling water temperature measured by the return water coolant temperature sensor 9b.

즉, 상기 공랭식 열교환기(7)가 공급냉각수관(3a)에 설치된 경우에는 공급냉각수온도를 이용하고, 상기 공랭식 열교환기(7)가 환수냉각수관(3b)에 설치된 경우에는 환수냉각수온도를 이용할 수 있다. 그러나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며 측정된 냉각수온도와 최종적으로 상기 열회수부(1)로 공급되는 냉각수 온도의 관계에 따라 열회수부(1)로 목표온도 범위의 냉각수를 공급할 수 있도록 하는 측정 온도값의 범위만 확인되면 공랭식 열교환기(7)가 설치되지 않은 배관의 냉각수온도를 이용하는 것도 가능하다.That is, when the air-cooled heat exchanger 7 is installed in the supply cooling water pipe 3a, a supply cooling water temperature is used. When the air-cooled heat exchanger 7 is installed in the return cooling water pipe 3b, a return cooling water temperature is used. Can be. However, the present invention is not necessarily limited thereto, and the cooling temperature in the target temperature range may be supplied to the heat recovery unit 1 according to the relationship between the measured cooling water temperature and the cooling water temperature finally supplied to the heat recovery unit 1. If only the range is confirmed, it is also possible to use the cooling water temperature of the pipe in which the air-cooled heat exchanger 7 is not installed.

1 : 연료전지 열병합 시스템의 열회수부 2 : 물탱크
3a : 공급냉각수관 3b : 환수냉각수관
4 : 순환펌프 5a : 시수공급관
5b : 저장수배출관 6 : 물탱크배수제어밸브
7 : 공랭식 열교환기 8 : 냉각팬
9a : 공급냉각수온도센서 9b : 환수냉각수온도센서
10 : 열교환기 11 : 시스템온도센서1: heat recovery part of fuel cell cogeneration system 2: water tank
3a: supply cooling water pipe 3b: return cooling water pipe
4: circulation pump 5a: water supply pipe
5b: storage water discharge pipe 6: water tank drain control valve
7: air-cooled heat exchanger 8: cooling fan
9a: supply coolant temperature sensor 9b: return water coolant temperature sensor
10 heat exchanger 11 system temperature sensor

Claims (8)

연료전지 시스템의 열회수부와 물탱크의 사이에 냉각수 순환배관이 설치된 연료전지 열병합 시스템에 있어서,
상기 냉각수 순환배관에 공랭식 열교환기가 설치되고,
상기 공랭식 열교환기는 냉각팬을 구비하며,
상기 냉각수 순환배관의 공급냉각수관과 환수냉각수관이 상기 물탱크에 설치된 열교환기에 연결되어, 환수냉각수가 상기 물탱크 내의 저장수와 혼합되지 않고 간접적으로 열교환하고 상기 공급냉각수관을 통해 상기 열회수부의 냉각수로 공급되는,
연속 장기 운전이 가능한 연료전지 열병합 시스템.
In a fuel cell cogeneration system provided with a cooling water circulation pipe between a heat recovery portion of a fuel cell system and a water tank,
An air-cooled heat exchanger is installed in the cooling water circulation pipe,
The air-cooled heat exchanger is provided with a cooling fan,
A supply cooling water pipe and a return cooling water pipe of the cooling water circulation pipe are connected to a heat exchanger installed in the water tank so that the return cooling water is indirectly exchanged without mixing with the storage water in the water tank, and the cooling water of the heat recovery part through the supply cooling water pipe. Supplied with,
Fuel cell cogeneration system with continuous long-term operation.
삭제delete 삭제delete 청구항 1에 있어서, 상기 공랭식 열교환기는 상기 공급냉각수관에 설치되는, 연속 장기 운전이 가능한 연료전지 열병합 시스템.The fuel cell cogeneration system according to claim 1, wherein the air-cooled heat exchanger is installed in the supply cooling water pipe. 청구항 1에 있어서, 상기 공랭식 열교환기는 상기 환수냉각수관에 설치되는, 연속 장기 운전이 가능한 연료전지 열병합 시스템.The fuel cell cogeneration system of claim 1, wherein the air-cooled heat exchanger is installed in the return cooling water pipe. 청구항 1에 있어서,
상기 공랭식 열교환기는 상기 연료전지 열병합 시스템의 케이스 외부에 설치된 것을 특징으로 하는 연속 장기 운전이 가능한 연료전지 열병합 시스템.The method according to claim 1,
The air-cooled heat exchanger is a fuel cell cogeneration system capable of continuous long-term operation, characterized in that installed outside the case of the fuel cell cogeneration system. 청구항 1에 있어서,
상기 냉각팬은 상기 열회수부로 공급되는 공급냉각수의 온도가 목표온도 범위의 상한값을 초과하면 작동되고,
상기 공급냉각수의 온도가 목표온도 범위의 하한값 미만으로 감소되면 정지되는 것을 특징으로 하는 연속 장기 운전이 가능한 연료전지 열병합 시스템.The method according to claim 1,
The cooling fan is operated when the temperature of the supply cooling water supplied to the heat recovery unit exceeds the upper limit of the target temperature range,
12. A fuel cell cogeneration system capable of continuous long-term operation, wherein the supply coolant is stopped when the temperature of the supply coolant decreases below a lower limit of a target temperature range. 청구항 7에 있어서,
상기 냉각팬은 상기 공급냉각수 온도와 상기 목표온도 범위의 기준값(상기 상한값과 하한값의 중간값)의 차에 따라 회전속도가 비례 제어되는 것을 특징으로 하는 연속 장기 운전이 가능한 연료전지 열병합 시스템.

The method of claim 7,
The cooling fan is a fuel cell cogeneration system capable of continuous long-term operation, characterized in that the rotational speed is proportionally controlled according to the difference between the supply coolant temperature and the reference value (the middle value between the upper limit and lower limit) of the target temperature range.

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