KR101269294B1 - Fuel cell system having hot water creation function for heating and cooling - Google Patents
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Abstract
난방용 및 냉방용 온수 생성 기능을 갖는 연료전지 시스템에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템은 탄화수소계 연료와 반응 물(Process H2O)이 투입되어 수소를 생성하는 개질부와, 상기 개질부의 내부에 배치되며 상기 개질부에 열을 제공하는 버너부를 구비하는 개질기; 상기 개질기로부터 공급되는 수소를 이용하여 전기를 생산하는 연료전지 스택; 외부로부터 공급되는 상수에 상기 연료전지 스택에서 발생하는 열을 전달하여 1차 온수를 생성하는 1차 온수 생성부; 상기 1차 온수에 상기 버너부에서 발생하는 열을 전달하여 2차 온수를 생성하는 2차 온수 생성부; 상기 1차 온수 생성부 및 2차 온수 생성부 각각의 출측에 연결되어, 상기 1차 온수 또는 2차 온수를 저장하는 온수 저장부; 및 상기 2차 온수 생성부 입측에 연결되도록 배치되어 상기 1차 온수가 상기 온수 저장부 또는 상기 2차 온수 생성부에 선택적으로 공급되도록 제어하는 제어밸브;를 포함하는 것을 특징으로 한다. A fuel cell system having a function of generating hot water for heating and cooling is disclosed.
The fuel cell system according to the present invention includes a reforming unit for generating hydrogen by charging a hydrocarbon-based fuel and a reaction product (Process H 2 O), and a burner unit disposed inside the reforming unit and providing heat to the reforming unit A reformer; A fuel cell stack that generates electricity using hydrogen supplied from the reformer; A primary hot water generator configured to transfer primary heat generated from the fuel cell stack to a constant supplied from an outside to generate primary hot water; A secondary hot water generating unit configured to transfer heat generated from the burner unit to the primary hot water to generate secondary hot water; A hot water storage unit connected to each of the primary hot water generator and the secondary hot water generator and configured to store the primary hot water or secondary hot water; And a control valve disposed to be connected to the secondary hot water generator input side and controlling the primary hot water to be selectively supplied to the hot water storage unit or the secondary hot water generator.
Description
본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 자체적으로 난방용 온수 뿐만 아니라 냉방용 온수까지 생성할 수 있어, 특히 여름철 냉방을 위한 전력 수요가 많을 때에 유용하게 활용할 수 있는 연료전지 시스템에 관한 것이다.
The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly, to a fuel cell system that can generate not only hot water for heating but also hot water for cooling, and can be usefully used especially when there is a large demand for power for cooling in summer. .
연료전지(fuel cell)는 전기화학 반응에 의하여 연료가 갖고 있는 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 장치이다. 따라서, 원리상 열기관이 갖는 열역학적인 제한을 받지 않기 때문에 종래의 발전장치보다 발전효율이 높고 무공해, 무소음으로 환경문제가 거의 없다. 또한, 연료전지는 다양한 용량으로 제작이 가능하고 전력 수요지 내에 설치가 용이하여 송변전 설비를 절감할 수 있는 이점이 있다.A fuel cell is a device that directly converts the chemical energy of a fuel into an electrical energy by an electrochemical reaction. Therefore, since it is not subject to the thermodynamic limitations of the heat engine in principle, power generation efficiency is higher, pollution-free, and noise-free than the conventional power generation apparatus, and there are almost no environmental problems. In addition, the fuel cell may be manufactured in various capacities and may be easily installed in a power demand site, thereby reducing transmission and transmission facilities.
연료전지 시스템은 전기를 생산하는 연료전지 스택과 연료인 LNG, 석탄가스, 메탄올 등을 수소로 개질하여 수소가 많은 연료가스로 만드는 개질기(reformer), 발전된 DC 전력을 AC 전력으로 변환시키는 전력 변환기 및 제어기 등으로 구성된다. 이때, 연료전지 스택은 적층된 수백 장의 셀(cell)들로 구성되어 있으며, 연료와 공기 등의 반응가스가 각 셀로 공급되도록 설계되어 있다. 기본적으로 각 셀은 전해질(electrolyte)에 의하여 분리된 연료극(anode)과 공기극(cathode)의 두 전극으로 구성되며, 각 셀은 분리판(separator)에 의하여 분리된다.
The fuel cell system includes a fuel cell stack that produces electricity, a reformer that converts fuel, LNG, coal gas, methanol, etc. into hydrogen, and a hydrogen-rich fuel gas, a power converter that converts generated DC power into AC power, and It consists of a controller. In this case, the fuel cell stack is composed of hundreds of cells stacked and designed to supply reaction gases such as fuel and air to each cell. Basically, each cell is composed of two electrodes, an anode and a cathode separated by an electrolyte, and each cell is separated by a separator.
한편, 일반적인 연료전지 시스템은 전기를 생성하는 데 주안점이 맞추어져 있기 때문에 연료전지 시스템을 통하여 발생하는 열이 그대로 버려지고 있는 상황이다.Meanwhile, the general fuel cell system is focused on generating electricity, and thus heat generated through the fuel cell system is discarded as it is.
최근에는 대한민국 특허공개공보 제10-2011-0029496(2011.03.23. 공개)에 개시된 바와 같이, 연료전지 스택 및 개질기에서 발생된 열을 이용하여 온수를 저장하여, 연료전지 시스템을 통하여 발생하는 열을 활용하고 있다.Recently, as disclosed in Korean Patent Publication No. 10-2011-0029496 (published on March 23, 2011), hot water is stored using heat generated from a fuel cell stack and a reformer to store heat generated through a fuel cell system. It is utilized.
그러나, 연료전지 시스템을 통하여 발생하는 열을 활용하여 생성된 온수의 경우, 대략 60~70℃ 정도에 불과하여, 그 활용 범위가 제한적이다.
However, in the case of hot water generated by using the heat generated through the fuel cell system, it is only about 60 ~ 70 ℃, its use range is limited.
본 발명의 목적은 난방용 및 냉방용 온수, 특히 흡수식 냉방기에 적용될 수 있도록 고온의 온수를 자체적으로 생성할 수 있는 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of generating high temperature hot water by itself so that it can be applied to heating and cooling hot water, in particular, an absorption type cooler.
또한, 본 발명은 개질기에서의 개질 효율 저하를 최소화하면서 난방용 뿐만 아니라 냉방용 온수까지 생성할 수 있는 연료전지 시스템을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
It is also an object of the present invention to provide a fuel cell system capable of producing not only heating but also cooling hot water while minimizing a reduction in reforming efficiency in a reformer.
상기 하나의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 난방용 및 냉방용 온수 생성 기능을 갖는 연료전지 시스템은 탄화수소계 연료와 반응 물(Process H2O)이 투입되어 수소를 생성하는 개질부와, 상기 개질부의 내부에 배치되며 상기 개질부에 열을 제공하는 버너부를 구비하는 개질기; 상기 개질기로부터 공급되는 수소를 이용하여 전기를 생산하는 연료전지 스택; 외부로부터 공급되는 상수에 상기 연료전지 스택에서 발생하는 열을 전달하여 1차 온수를 생성하는 1차 온수 생성부; 상기 1차 온수에 상기 버너부에서 발생하는 열을 전달하여 2차 온수를 생성하는 2차 온수 생성부; 상기 1차 온수 생성부 및 2차 온수 생성부 각각의 출측에 연결되어, 상기 1차 온수 또는 2차 온수를 저장하는 온수 저장부; 및 상기 2차 온수 생성부 입측에 연결되도록 배치되어 상기 1차 온수가 상기 온수 저장부 또는 상기 2차 온수 생성부에 선택적으로 공급되도록 제어하는 제어밸브;를 포함하는 것을 특징으로 한다. A fuel cell system having a function of generating hot water for heating and cooling according to an embodiment of the present invention for achieving the above object includes a reforming unit for generating hydrogen by adding hydrocarbon-based fuel and reactants (Process H 2 O); A reformer disposed inside the reformer and having a burner portion providing heat to the reformer; A fuel cell stack that generates electricity using hydrogen supplied from the reformer; A primary hot water generator configured to transfer primary heat generated from the fuel cell stack to a constant supplied from an outside to generate primary hot water; A secondary hot water generating unit configured to transfer heat generated from the burner unit to the primary hot water to generate secondary hot water; A hot water storage unit connected to each of the primary hot water generator and the secondary hot water generator and configured to store the primary hot water or secondary hot water; And a control valve disposed to be connected to the secondary hot water generator input side and controlling the primary hot water to be selectively supplied to the hot water storage unit or the secondary hot water generator.
이때, 상기 제어밸브는 계절별 또는 대기 온도에 따라 개방되는 방향이 달라질 수 있다. In this case, the direction in which the control valve opens depending on the season or the atmospheric temperature may vary.
또한, 상기 온수 저장부에 저장되는 1차 온수는 60~70℃의 온도를 갖고, 상기 온수 저장부에 저장되는 2차 온수는 80~90℃의 온도를 가질 수 있다. In addition, the primary hot water stored in the hot water storage unit may have a temperature of 60 ~ 70 ℃, the secondary hot water stored in the hot water storage unit may have a temperature of 80 ~ 90 ℃.
한편, 상기 개질기는 중앙으로부터, 상기 버너부, 상기 2차 온수 생성부 및 상기 개질부를 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 개질부는 중앙으로부터, 고온 개질부, CO 변성부 및 CO 제거부를 포함하되, 상기 고온 개질부는 상기 버너부에서 발생되는 열을 이용하여 탄화수소계 연료와 반응 물이 반응하여 수소를 생성하고, 상기 CO 변성부는 상기 고온 개질부 반응시 불가피하게 발생되는 CO를 상기 고온 개질부 반응 후 잔류하는 H2O와 반응시켜 CO2를 생성하고, 상기 CO 제거부는 상기 CO 변성부 반응 후 잔류하는 CO를 공기와 반응시켜 CO2를 생성할 수 있다. On the other hand, the reformer may include the burner unit, the secondary hot water generating unit and the reforming unit from the center. In this case, the reforming unit includes a high temperature reforming unit, a CO modifying unit, and a CO removing unit from the center, wherein the high temperature reforming unit reacts with the hydrocarbon-based fuel and reactants to generate hydrogen by using heat generated from the burner unit. The CO-modified part reacts CO generated inevitably during the high-temperature reforming part reaction with H 2 O remaining after the high-temperature reforming part reaction to generate CO 2 , and the CO removing part generates CO 2 after the CO-modified part reaction. May be reacted with air to produce CO 2 .
이때, 상기 고온 개질부는 적어도 일부가 상기 2차 온수 생성부와 비오버랩(non-overlap)되는 것이 바람직하다.
In this case, it is preferable that at least a portion of the high temperature reforming part is non-overlapping with the secondary hot water generating part.
본 발명에 따른 연료전지 시스템은 연료전지 스택에서 발생하는 열을 이용하여 난방용 온수를 생성할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 연료전지 시스템은 상기의 난방용 온수에 개질기의 버너부에서 발생된 열을 전달함으로써 흡수식 냉방 장치 구동에 적합한 고온의 냉방용 온수를 생성할 수 있다. The fuel cell system according to the present invention may generate hot water for heating using heat generated from the fuel cell stack. In addition, the fuel cell system according to the present invention may generate hot water for high temperature cooling suitable for driving the absorption type cooling device by transferring the heat generated from the burner of the reformer to the hot water for heating.
따라서, 본 발명에 따른 연료전지 시스템은 난방용 온수 뿐만 아니라 냉방용 온수 생성까지 가능하다. 따라서, 여름철 냉방에 의한 전력 수요가 많을 때 유용하게 활용할 수 있다.
Therefore, the fuel cell system according to the present invention can generate not only hot water for heating but also hot water for cooling. Therefore, it can be usefully used when there is a large demand for power by cooling in summer.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 적용될 수 있는 개질기의 예를 개략적으로 나타낸 것이다.
1 schematically shows a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 schematically shows an example of a reformer that can be applied to the present invention.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.Advantages and features of the present invention and methods for achieving them will be apparent with reference to the embodiments described below in detail with the accompanying drawings. It should be understood, however, that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but is capable of many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, To fully disclose the scope of the invention to those skilled in the art, and the invention is only defined by the scope of the claims. Like reference numerals refer to like elements throughout the specification.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 난방용 및 냉방용 온수 생성 기능을 갖는 연료전지 시스템에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
Hereinafter, a fuel cell system having a function of generating hot water for heating and cooling according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템을 개략적으로 나타낸 것이다.1 schematically shows a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 연료전지 시스템은 애노드(112) 및 캐소드(113)를 구비하는 연료전지 스택, 1차 온수 생성부(120), 개질기(130), 2차 온수 생성부(140) 및 온수 저장부(150)를 포함한다. Referring to FIG. 1, a fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell stack including an
연료전지 스택은 연료극과 공기극이라고도 지칭되는 애노드(anode)(112)와 캐소드(cathode)(113)를 포함하며, 개질부(114)로부터 공급되는 수소(H2)를 이용하여 전기를 생산한다. The fuel cell stack includes an
이러한 연료전지 스택은 복수의 셀들이 적층되어 있으며, 수소와 공기 등의 가스가 각 셀로 공급되도록 설계되며, 각 셀은 분리판(separator)에 의하여 분리된다. The fuel cell stack has a plurality of cells stacked on top of each other, and a gas such as hydrogen and air is designed to be supplied to each cell, and each cell is separated by a separator.
물론, 상기 연료전지 스택에서는 주로 DC 전력을 생성하며, 이를 AC 전력으로 변환하기 위하여, 연료전지 시스템에는 DC/DC 컨버터, DC/AC 인버터 등이 포함될 수 있다. Of course, the fuel cell stack mainly generates DC power, and in order to convert it to AC power, the fuel cell system may include a DC / DC converter, a DC / AC inverter, and the like.
한편, 연료전지 스택 구동시 많은 열이 발생하며, 이를 냉각하기 위하여 냉각수가 요구된다. 냉각수 저장부(111)에 저장된 냉각수가 연료전지 스택의 냉각수 유로(114)을 통과하면, 연료전지 스택의 열이 냉각수로 전달되어 냉각수가 가열되면서 연료전지 스택은 냉각된다. Meanwhile, a lot of heat is generated when driving the fuel cell stack, and cooling water is required to cool the fuel cell stack. When the coolant stored in the
본 발명에서는 연료전지 스택의 냉각에 이용되는 냉각수를 활용하여 1차 온수를 생성한다. In the present invention, the primary hot water is generated using the cooling water used for cooling the fuel cell stack.
즉, 1차 온수 생성부(120)는 외부로부터 공급되는 상수가, 상기 연료전지 스택에서 발생하는 열과 열전달을 하여 1차 온수를 생성한다. That is, the primary
이때, 상수는 도 1에 도시된 예와 같이, 연료전지 스택에서 발생하는 열에 의해 가열된 냉각수와 열교환을 통하여 간접 가열되어 1차 온수로 될 수 있다. 또한, 상수는 연료전지 스택의 냉각수가 되어, 연료전지 스택에서 발생하는 열에 의해 직접 가열되어 1차 온수로 될 수 있다. At this time, the constant may be indirectly heated to the primary hot water through heat exchange with the cooling water heated by the heat generated in the fuel cell stack, as shown in the example shown in FIG. 1. In addition, the constant may be cooling water of the fuel cell stack, and may be directly heated by primary heat generated by the heat generated from the fuel cell stack.
개질기(130)는 탄화수소계 연료와 반응 물(Process H2O)이 투입되어 수소를 생성하는 개질부(132)와, 상기 개질부의 내부에 배치되며 상기 개질부에 열을 제공하는 버너부(131)를 구비한다. 개질기의 상세한 구조는 도 2에 도시되어 있으며, 이에 대하여는 후술하기로 한다. The
본 발명에서 2차 온수 생성부(140)는 냉방용 온수를 생성하기 위한 것이다. 2차 온수 생성부(140)는 1차 온수에 버너부(131)에서 발생하는 열을 전달하여 2차 온수를 생성한다. In the present invention, the secondary hot
온수 저장부(150)는 1차 온수 생성부(120) 및 2차 온수 생성부(140) 각각의 출측에 연결되어, 1차 온수 또는 2차 온수를 저장한다. The hot
이때, 온수 저장부(150)에 저장되는 1차 온수는 난방 장치에 공급되기에 적합한 60~70℃의 온도를 갖고, 또한 2차 온수는 흡수식 냉방 장치에 공급되기에 적합한 80~90℃의 온도를 갖도록 온도를 유지하는 것이 바람직하다. 이를 위하여, 1차 온수 및 2차 온수가 상기의 온도범위를 벗어날 경우, 온수 저장부(150)에서는 추가적인 열교환이 이루어질 수 있다. At this time, the primary hot water stored in the hot
제어밸브는 2차 온수 생성부(140) 입측에 연결되도록 배치되어, 1차 온수가 온수 저장부(150) 또는 2차 온수 생성부(140)에 선택적으로 공급되도록 한다. The control valve is arranged to be connected to the inlet side of the secondary hot
이때, 제어밸브는 계절별 또는 대기 온도에 따라 개방 방향이 달라질 수 있다. 2차 온수 생성부(140)가 버너부(131)와 개질부(132) 사이에 위치함으로써, 1차 온수가 2차 온수 생성부로 공급될 경우, 버너부(131)에서 발생한 열이 모두 개질부(132)로 공급되지 못하여 개질 효율이 약간 저하될 수 있다. 따라서, 여름철 또는 대기 온도가 높아 냉방이 요구될 때에만 2차 온수 생성부(140)에서 2차 온수가 생성될 수 있도록 선택적으로 제어밸브를 개방하는 것이 바람직하다. 이 경우, 냉방용 온수를 요하지 않는 경우에는 제어밸브를 폐쇄함으로써 버너부(131)에서 발생한 열이 모두 개질부(132)로 공급되어 개질 효율 저하를 최소화할 수 있다. In this case, the opening direction of the control valve may vary depending on seasonal or atmospheric temperature. Since the secondary hot
물론, 제어밸브는 도 1에 도시된 예와 같이 제1밸브 및 제2밸브로 구분될 수 있다. 이 경우, 제1밸브(V/V1)는 상기와 같이 입측이 상기 1차 온수 생성부(120)에 연결되며, 출측이 2차 온수 생성부(140)에 연결될 수 있다. 반면, 제2밸브(V/V2)는 입측이 1차 온수 생성부(120)에 연결되며, 출측이 온수 저장부(150)에 바로 연결될 수 있다.
Of course, the control valve may be divided into a first valve and a second valve as shown in the example shown in FIG. In this case, as described above, the first valve V / V1 may be connected to the primary
이때, 온수 저장부(150)는 1차 온수 저장부 및 2차 온수 저장부로 구분될 수 있다. 이 경우, 1차 온수 저장부는 난방 장치의 입측에 연결되고, 2차 온수 저장부는 흡수식 냉방 장치의 입측에 연결될 수 있다. In this case, the hot
또한, 온수 저장부(150)는 도 1에 도시된 예와 같이, 1차 온수 및 2차 온수를 하나의 공간에 저장할 수 있다. 이 경우, 1차 온수가 난방 장치의 입측으로 공급되고, 2차 온수가 흡수식 냉방 장치의 입측으로 공급되도록 하는 수단이 요구된다. 이를 위하여, 온수 저장부와 난방 장치 또는 흡수식 냉방 장치 사이에는 하나 이상의 별도의 제어밸브가 배치될 수 있다.
In addition, the hot
도 2는 본 발명에 적용될 수 있는 개질기의 예를 개략적으로 나타낸 것이다. Figure 2 schematically shows an example of a reformer that can be applied to the present invention.
도 2를 참조하면, 개질기는 중앙으로부터 버너부(201), 2차 온수 생성부(205) 및 개질부(210, 220, 230)를 포함할 수 있다. Referring to FIG. 2, the reformer may include a
또한, 개질부는 중앙으로부터, 고온 개질부(210), CO 변성부(220) 및 CO 제거부(230)를 포함할 수 있다. In addition, the reforming unit may include a high
버너부(201)는 개질부(201 ~ 230)의 내부에 배치되며, 연료의 연소를 통하여 열을 발생시킨다. 이러한 버너부(201)는 고온 개질부(210)에서 개질 반응에 필요한 대략 700℃ 정도의 열을 제공한다.The
고온 개질부(210)는 버너부(201)에서 발생되는 열을 이용하여 탄화수소계 연료와 반응 물이 반응하여 수소를 생성한다. The high
CO 변성부(220)는 고온 개질부 반응시 불가피하게 발생되는 CO를, 고온 개질부 반응 후 잔류하는 H2O와 반응시켜 CO2를 생성한다. The
CO 제거부(230)는 CO 변성부 반응 후 잔류하는 CO를 공기와 반응시켜 CO2를 생성한다.
The
한편, 도 2에 도시된 개질부는 반응 물(Process H2O)이 제2열교환부로 공급되는 구조로서, 보다 상세하게는 중앙으로부터 고온 개질부(210), 제1열교환부(241), 제1단열부(251), CO 변성부(220), 제2열교환부(242), 제2단열부(252) 및 CO 제거부(230)가 순차적으로 형성되어 있는 원통형 구조를 갖는다.Meanwhile, the reforming unit illustrated in FIG. 2 is a structure in which the reactant (Process H 2 O) is supplied to the second heat exchange unit, and more specifically, the high
고온 개질부(210)는 외측의 제1열교환부(241)로부터 투입되는 탄화수소계 연료(NG)와 기화된 상태의 반응 물(Process H2O)이 버너부(201)에서 제공되는 열을 이용하여 700 ~ 750℃ 정도의 온도에서 촉매 반응하여 수소를 생성한다.The high
예를 들어, 탄화수소계 원료(NG)가 메탄(CH4)이라고 하면, 메탄이 촉매(catalyst)를 통하여 과량의 반응 물과 반응하여, 부피%로 대략 70% 정도의 수소(H2)를 생성한다. 이때, 대략 10% 정도의 CO가 함께 생성된다. For example, if the hydrocarbon-based raw material (NG) is methane (CH 4 ), the methane reacts with an excess of reactant through a catalyst to generate approximately 70% of hydrogen (H 2 ) by volume. do. At this time, approximately 10% of CO is generated together.
제1열교환부(241)는 고온 개질부(210) 외측에 형성된다. 제1열교환부(241)에는 탄화수소계 연료(NG)와 기체 상태의 반응 물이 투입된다. 또한, 제1열교환부(241)에 공급된 물은 고온 개질부(210)와 열교환을 통하여 고온 기화된 상태가 된다. The first
제1단열부(251)는 제1열교환부(241) 외측에 형성된다. 제1단열부(251)는 제1열교환부(241)와 CO 변성부(220)의 열교환을 차단하여, CO 변성부(220)의 온도가 CO 변성부(220) 내 촉매의 활성화 온도보다 상승하는 것을 방지한다. The first
CO 변성부(220)는 제1단열부(251) 외측에 형성된다. CO 변성부(220)에서는 고온 개질부에서 발생되는 CO와 고온 개질 후 잔류하는 반응 물이 대략 200 ~ 250℃ 정도의 온도에서 다음과 같은 촉매 반응하여, 고온 개질 반응에 의하여 불가피하게 발생하는 CO(일산화탄소)을 변성시킨다. The
CO 변성부 : CO + H2O → H2 +CO2 CO modified part: CO + H 2 O → H 2 + CO 2
CO 변성부(220)에서의 반응온도는 고온 개질부(210)의 결과물에 해당하는 가스들이 제1열교환부(241)의 물과 열교환에 의하여 온도가 하강함으로써 확보될 수 있다. 또한, CO 변성부 하부 열교환부(221)에 의하여 고온 개질부의 가스는 액상의 물과 열교환하여 상기 CO 변성부의 촉매층 활성 온도에 확실하게 맞출 수 있다.The reaction temperature in the
제2열교환부(242)는 CO 변성부(220) 외측에 형성된다. 도 2에 도시된 예에서는 외부의 반응 물이 제2열교환부(242)를 통하여 공급된다. 제2열교환부(242)에 공급된 물은 CO 변성부(220), CO 변성부 하부 열교환부(221)와 열교환을 통하여 미리 예열된다. The second
이에 따라, 외부에서 공급되는 반응 물이 제2열교환부(242) 및 제1열교환부(241)에서 CO 변성부(220), CO 변성부 하부 열교환부(221) 및 고온 개질부(210)와 순차적인 열교환을 통하여 기화된 상태로 고온 개질부(210)에 반응 물로 투입된다. Accordingly, the reactants supplied from the outside are the
한편, CO 변성부(220)에서의 반응은 발열 반응이므로, CO 변성부(220)의 온도가 촉매 활성화 온도 이상으로 상승할 수 있다. 그러나, 상기의 제2열교환부(242)에 공급된 물과 CO 변성부(220)의 열교환에 의하여 CO 변성부(220)의 온도 상승이 방지될 수 있다. On the other hand, since the reaction in the
제2단열부(252)는 제2열교환부(242) 외측에 형성된다. 제2단열부(252)는 제2열교환부(242)와 CO 제거부(230)의 열교환을 차단하여, CO 제거부(230)의 온도가 CO 제거부(230) 내 촉매의 활성화 온도보다 상승하는 것을 방지한다. The second
한편, 버너부(201) 운전에 의해 생성되는 버너 폐가스가 배출되도록, 제2열교환부(242) 외측에는 버너 폐가스부(260)가 형성될 수 있다. 이 경우, 제2단열부(252)는 버너 폐가스부(260) 외측에 형성되며, 버너 폐가스부(260)와 CO 제거부(230)의 열교환을 차단한다. Meanwhile, a burner
또한, 제2열교환부(242)에 공급되는 물은 CO 변성부(220), CO 변성부 하부 열교환부(221) 외에 버너 폐가스부(260)와도 열교환하면서 예열된다. In addition, the water supplied to the second
CO 제거부(230)는 제2단열부(252) 외측에 형성된다. CO 제거부(230)에서는 CO 변성부(220)에서의 CO 변성 반응 후에 잔류하는 CO와 산소가 제2온도보다 낮은 100 ~ 140℃ 정도의 온도에서 다음과 같은 촉매 반응하여, CO의 농도를 ppm 단위로 낮춘다. The
CO 제거부 : CO + 1/2O2 → CO2 CO removal section: CO + 1 / 2O 2 → CO 2
CO 제거부(230)에서의 반응온도는 CO 변성부(220)의 결과물에 해당하는 가스들이 제2열교환부(242)의 물과 열교환에 의하여 온도가 하강함으로써 확보될 수 있다. The reaction temperature in the
물론, 개질기의 구조는 도 2에 도시된 예에 국한되지 아니하며, 현재 이용되고 있는 다양한 구조의 개질기가 이용가능하다.
Of course, the structure of the reformer is not limited to the example shown in FIG. 2, and a reformer of various structures currently used is available.
한편, 도 2에 도시된 개질기 구조에서, 고온 개질부(210)는 적어도 일부가 2차 온수 생성부(205)와 비오버랩(non-overlap)되는 것이 바람직하다. Meanwhile, in the reformer structure shown in FIG. 2, at least a part of the
이는 2차 온수 생성부(205)가 버너부(201)와 고온 개질부(210) 사이에 위치함으로써 고온 개질부(210)에 충분한 열이 공급되지 못하여 개질 효율일 저하되는 것을 최소화하기 위함이다.
This is because the secondary hot
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지 시스템은 난방용 온수 및 냉방용 온수를 선택적으로 생성할 수 있다. As described above, the fuel cell system according to the present invention can selectively generate hot water for heating and hot water for cooling.
특히, 본 발명에 따른 연료전지 시스템은 버너부 열을 활용하여 흡수식 냉방 장치 구동에 적합한 고온의 냉방용 온수까지 생성할 수 있어, 여름철 냉방에 의한 전력 수요가 많을 때 유용하게 활용할 수 있다.
In particular, the fuel cell system according to the present invention can generate hot water for high temperature cooling suitable for driving the absorption type cooling device by using the burner part heat, and thus can be usefully used when there is a large demand for power during summer cooling.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
Although the preferred embodiments of the present invention have been disclosed for illustrative purposes, those skilled in the art will appreciate that various modifications, additions and substitutions are possible, without departing from the scope and spirit of the invention as disclosed in the accompanying claims. These changes and modifications may be made without departing from the scope of the present invention. Accordingly, the scope of the present invention should be determined by the following claims.
111 : 냉각수 저장탱크 112 : 애노드(Anode)
113 : 캐소드(Cathode) 114 : 냉각수 유로
120 : 1차 온수 생성부 130 : 개질기
131 : 버너부 132 : 개질부
140 : 2차 온수 생성부 150 : 온수 저장부
201 : 버너부 205 : 2차 온수 생성부
210 : 고온 개질부 220 : CO 변성부
221 : CO 변성부 하부 열교환부 230 : CO 제거부
241 : 제1열교환부 242 : 제2열교환부
243 : 제3열교환부 251 : 제1단열부
252 : 제2단열부 260 : 버너 폐가스부111: cooling water storage tank 112: anode
113: cathode 114: cooling water flow path
120: primary hot water generating unit 130: reformer
131: burner unit 132: reforming unit
140: secondary hot water generating unit 150: hot water storage unit
201: burner unit 205: secondary hot water generating unit
210: high temperature reforming portion 220: CO modified portion
221: CO modified portion lower heat exchanger 230: CO removal unit
241: first heat exchanger 242: second heat exchanger
243: third heat exchange part 251: first heat insulating part
252: second insulation 260: burner waste gas
Claims (9)
상기 개질기로부터 공급되는 수소를 이용하여 전기를 생산하는 연료전지 스택;
외부로부터 공급되는 상수에 상기 연료전지 스택에서 발생하는 열을 전달하여 1차 온수를 생성하는 1차 온수 생성부;
상기 1차 온수에 상기 버너부에서 발생하는 열을 전달하여 2차 온수를 생성하는 2차 온수 생성부;
상기 1차 온수 생성부 및 2차 온수 생성부 각각의 출측에 연결되어, 상기 1차 온수 또는 2차 온수를 저장하는 온수 저장부; 및
상기 2차 온수 생성부 입측에 연결되도록 배치되어 상기 1차 온수가 상기 온수 저장부 또는 상기 2차 온수 생성부에 선택적으로 공급되도록 제어하는 제어밸브;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
A reformer for injecting a hydrocarbon-based fuel and a reaction product (Process H 2 O) to generate hydrogen; and a burner portion disposed inside the reformer and providing heat to the reformer;
A fuel cell stack that generates electricity using hydrogen supplied from the reformer;
A primary hot water generator configured to transfer primary heat generated from the fuel cell stack to a constant supplied from an outside to generate primary hot water;
A secondary hot water generating unit configured to transfer heat generated from the burner unit to the primary hot water to generate secondary hot water;
A hot water storage unit connected to each of the primary hot water generator and the secondary hot water generator and configured to store the primary hot water or secondary hot water; And
And a control valve disposed to be connected to the secondary hot water generating unit and controlling the primary hot water to be selectively supplied to the hot water storage unit or the secondary hot water generating unit.
상기 제어밸브는
대기 온도가 미리 정해진 온도 이상인 경우에만 개방되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
The method of claim 1,
The control valve
A fuel cell system, characterized in that it is opened only when the ambient temperature is above a predetermined temperature.
상기 제어밸브는
입측이 상기 1차 온수 생성부에 연결되며, 출측이 상기 2차 온수 생성부에 연결되는 제1밸브와,
입측이 상기 1차 온수 생성부에 연결되며, 출측이 상기 온수 저장부에 연결되는 제2밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
The method of claim 1,
The control valve
A first valve having an inlet connected to the primary hot water generator and an outlet connected to the secondary hot water generator;
And a second valve having an inlet connected to the primary hot water generating unit and an outlet connected to the hot water storage unit.
상기 온수 저장부에 저장되는 1차 온수는 60~70℃의 온도를 갖고,
상기 온수 저장부에 저장되는 2차 온수는 80~90℃의 온도를 갖는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
The method of claim 1,
Primary hot water stored in the hot water storage unit has a temperature of 60 ~ 70 ℃,
The secondary hot water stored in the hot water storage unit has a temperature of 80 ~ 90 ℃ fuel cell system, characterized in that.
상기 온수 저장부는
상기 1차 온수 저장부 및 2차 온수 저장부를 포함하며,
상기 1차 온수 저장부는 난방 장치의 입측에 연결되고, 상기 2차 온수 저장부는 흡수식 냉방 장치의 입측에 연결되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
The method of claim 1,
The hot water storage unit
The primary hot water storage unit and the secondary hot water storage unit,
The primary hot water reservoir is connected to the inlet of the heating device, the secondary hot water reservoir is connected to the inlet of the absorption type cooling device.
상기 온수 저장부는
상기 1차 온수 및 2차 온수를 하나의 공간에 저장하며,
상기 1차 온수가 난방 장치의 입측으로 공급되고, 상기 2차 온수가 흡수식 냉방 장치의 입측으로 공급되도록, 상기 온수 저장부와 상기 난방 장치 또는 흡수식 냉방 장치 사이에는 하나 이상의 제어밸브가 구비되는 특징으로 하는 연료전지 시스템.
The method of claim 1,
The hot water storage unit
Storing the primary hot water and the secondary hot water in a single space;
At least one control valve is provided between the hot water storage unit and the heating device or the absorption cooling device such that the primary hot water is supplied to the inlet of the heating device and the secondary hot water is supplied to the entrance of the absorption cooling device. Fuel cell system.
상기 개질기는
중앙으로부터, 상기 버너부, 상기 2차 온수 생성부 및 상기 개질부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
The method of claim 1,
The reformer
And a burner unit, the secondary hot water generating unit, and the reforming unit from the center.
상기 개질부는
중앙으로부터, 고온 개질부, CO 변성부 및 CO 제거부를 포함하되,
상기 고온 개질부는 상기 버너부에서 발생되는 열을 이용하여 탄화수소계 연료와 반응 물이 반응하여 수소를 생성하고,
상기 CO 변성부는 상기 고온 개질부 반응시 불가피하게 발생되는 CO를 상기 고온 개질부 반응 후 잔류하는 H2O와 반응시켜 CO2를 생성하고,
상기 CO 제거부는 상기 CO 변성부 반응 후 잔류하는 CO를 공기와 반응시켜 CO2를 생성하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
The method of claim 7, wherein
The reforming part
From the center, including high temperature reforming, CO denaturing and CO removal,
The high temperature reforming unit generates hydrogen by reacting a hydrocarbon-based fuel with a reactant using heat generated from the burner unit,
The CO-modified part reacts CO generated inevitably during the high temperature reforming part reaction with H 2 O remaining after the high temperature reforming part reaction to generate CO 2 ,
The CO removal unit is a fuel cell system, characterized in that to produce CO 2 by reacting the CO remaining after the CO denaturation unit with air.
상기 고온 개질부는
적어도 일부가 상기 2차 온수 생성부와 비오버랩되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템. 9. The method of claim 8,
The high temperature reforming unit
At least a portion of the fuel cell system, characterized in that non-overlap with the secondary hot water generating unit.
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