KR101291570B1 - 분리 합체형 연료전지 열병합 발전시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 분리 합체형 연료전지 열병합 발전시스템에 관한 것이다. 구체적으로는 전력을 생산하는 스택이 포함된 발전부(110)와, 상기 발전부에서 전력 생산시 발생되는 열을 회수하여 열수요가 있는 곳에 사용되도록 축열하는 열저장부(120)로 이루어지되, 상기 발전부와 열저장부는 서로 분리 및 합체가 가능하게 모듈화되고, 상기 열저장부(120)에는 상기 발전부에서 발생하는 열을 축열하는 축열탱크(121)만 설치되어 상기 열저장부가 상기 발전부에 배관 연결되는 것을 특징으로 한다. 이러한 구성에 의하면, 설치면적을 줄이면서 이동하기가 용이하고 발전부와 열저장부를 간단히 분리 합체할 수 있다는 효과가 있다.

Description

분리 합체형 연료전지 열병합 발전시스템{combined heat and power co-generation system for fuel cell of union-disunion type}
본 발명은 분리, 합체가 가능한 연료전지 열병합 발전시스템에 관한 것이다.
고분자 전해질 연료전지는 수소이온 교환특성을 갖는 고분자막을 전해질로 사용하는 연료전지로서, 수소를 함유한 연료가스와 산소를 함유한 공기를 사용하여 전기화학반응을 일으켜 전기 및 열을 발생시킨다. 이런 고분자 전해질 연료전지는 빠른 시동능력이 있으며, 소형화할 수 있어 이동용 전원, 자동차용 전원, 가정용 및 산업용 발전설비 등 다양한 분야에서 널리 사용되고 있다.
종래 연료전지 열병합 발전시스템은 전력을 생산하는 스택이 포함된 발전부와, 상기 발전부에서 전력 생산시 발생되는 열를 회수하여 열수요가 있는 곳에 사용되도록 온수로 저장시키는 열저장부로 이루어지며, 상기 발전부와 열저장부는 각각 독립적으로 분리 설치되거나, 상기 발전부와 열저장부가 일체화되어 하나의 시스템으로 구현된다.
도1은 종래 분리형 연료전지 열병합 발전시스템을 나타내는 개략 구성도이다. 도1에서는 온수 및 냉수의 흐름만 나타내었고 공기 및 가스의 흐름표시는 생략되어 있다.
도시한 바와 같이 분리형 연료전지 열병합 발전시스템은, 발전부(10)와 열저장부(20)가 각각 독립적으로 분리설치되어 있으며, 상기 발전부(10))에는 연료전지 스택(11)과 열교환기(12) 및 연료처리장치(13)가 설치되고, 상기 열저장부(20)에는 축열탱크(21)와 초순수제조기(22)가 설치되어, 상수도에서 공급되는 직수가 상기 열저장부(20)에 공급되어 상기 초순수제조기(22)를 통해 초순수(미세한 이물질까지 제거된 순수)를 제조하여 상기 발전부(10)의 스택(11)에 가습수로 공급되는 한편, 상기 직수는 직수 제어밸브(23)를 통해 상기 축열탱크(21)에 공급되어 축열탱크의 온도를 제어하고, 상기 스택(11)과 열교환기(12)는 냉각수 라인(L1)으로 연결되어 스택을 냉각하고, 상기 열교환기(12)와 상기 축열탱크(21)는 폐열회수 라인(L2)으로 연결되어 상기 스택에서 발생된 열을 회수하여, 배수라인(L3)을 통해 필요한 곳에 온수를 공급하게 되어 있다.
이러한 분리형 연료전지 열병합 발전시스템은 발전부(10)와 열저장부(20)가 서로 독립적인 형태로 설계되어 있으므로, 설치를 위한 바닥 면적이 넓어야 하므로 발전부와 열저장부가 일체로 된 일체형 연료전지 열병합 발전시스템이 제안되어 있다.
그러나, 일체형 연료전지 열병합 발전시스템은 부피가 크고 중량이 크므로 현장으로 이동하기가 어렵고 설치시에 적합한 공간에만 배치될 수 있다는 제약이 있다. 한편, 분리형 연료전지 열병합 발전시스템은 열저장부와 발전부가 독립적으로 구현되더라도 발전으로 인해 발생하는 열을 회수하기 위해서는 발전부와 열저장부 사이에 상호유기적인 배관연결이 필요하였다.
본 발명은 종래 분리형 연료전지 열병합 발전시스템과 일체형 연료전지 열병합 발전시스템의 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은 설치면적을 줄이면서 이동하기가 용이하고 발전부와 열저장부를 간단히 분리 합체할 수 있는 분리 합체형 연료전지 열병합 발전시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명에 의한 분리 합체형 연료전지 열병합 발전시스템은, 전력을 생산하는 스택이 포함된 발전부와, 상기 발전부에서 전력 생산시 발생되는 열을 회수하여 열수요가 있는 곳에 사용되도록 축열하는 열저장부로 이루어지되, 상기 발전부와 열저장부는 서로 분리 및 합체가 가능하게 모듈화되고, 상기 열저장부에는 상기 발전부에서 발생하는 열을 축열하는 축열탱크만 설치되어 상기 열저장부가 상기 발전부에 배관 연결되는 것을 특징으로 한다.
상기 발전부와 상기 열저장부 중의 적어도 일측 저면에는 이동이 용이하도록 다수의 이동바퀴가 결합되고, 상기 발전부와 상기 열저장부 중의 적어도 일측 상면에는 상기 이동바퀴가 삽입되어 구속되도록 삽입요홈이 형성되어 있다.
상기 삽입요홈의 양변에는 상기 이동바퀴가 용이하게 미끄러져 삽입되도록 요홈 경사면이 형성되어 있다.
상기 발전부와 상기 열저장부 중의 적어도 일측 상면에는 상기 이동바퀴가 용이하게 위치를 잡도록 삽입띠홈이 형성되고, 상기 삽입요홈은 상기 삽입띠홈의 바닥면에 형성되어 있다.
상기 삽입띠홈의 양변에는 상기 이동바퀴가 용이하게 위치를 잡도록 미끄러져 내리는 띠홈 경사면이 형성되어 있다.
상기 발전부와 상기 열저장부가 합체되어 밀착하는 면에는 서로 대응하는 한쌍의 요입부와 돌기부가 형성되고, 상기 요입부와 돌기부에는 축열을 위한 배관포트가 형성된다.
본 발명에 의한 분리 합체형 연료전지 열병합 발전시스템에 의하면, 발전부와 열저장부를 분리 및 합체가 가능하게 함으로써, 서로 분리하여 설치가 가능할 뿐만 아니라, 이동할 시에는 분리하여 각 모듈을 용이하게 이동하고 설치시에는 발전부와 열저장부을 합체하여 설치면적을 줄이되, 발전부와 열저장부에 구비된 이동바퀴와 삽입요홈 및 삽입띠홈을 통해 합체를 용이하게 하여 발전시스템의 설치를 용이하게 하는 효과가 있다.
도1은 종래 분리형 연료전지 열병합 발전시스템을 나타내는 개략 구성도,
도2는 본 발명에 의한 분리 합체형 연료전지 열병합 발전시스템을 나타내는 개략 구성도,
도3은 도2의 발전부와 열저장부를 분리하여 나타낸 사시도,
도4는 도3의 발전부와 열저장부를 합체하여 나타낸 입면도,
도5는 본 발명의 열저장부 위에 발전부가 합체되는 상태를 나타내는 사시도,
도6의 (a) 내지 (c)는 도5의 열저장부 상면에 발전부의 이동바퀴가 삽입되어 구속되는 상태를 나타내는 합체 공정도,
도7는 본 발명의 열저장부 및 발전부의 배관포트가 결합되는 상태를 나타내는 사시도,
도8의 (a) 내지 (c)는 도7의 배관포트가 결합되는 상태를 나타내는 결합 공정도이다.
이하, 본 발명의 실시예에 대해 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도2는 본 발명에 의한 분리 합체형 연료전지 열병합 발전시스템을 나타내는 개략 구성도이고, 도3은 도2의 케이스로 모듈화된 발전부와 열저장부를 분리하여 나타낸 사시도이다.
도2에서는 온수 및 냉수의 흐름만 나타내었고 공기 및 가스의 흐름표시는 생략되어 있다. 이하의 설명에서는 발전부와 열저장부의 저면에 모두 이동바퀴가 결합되고, 열저장부의 상측에 발전부의 이동바퀴가 삽입되어 안착되도록 삽입요홈이 형성된 실시예에 대해 설명한다. 상기 이동바퀴와 삽입요홈은 열저장부와 발전부가 분리 및 합체되는 형태에 따라 변경될 수 있다.
도2에 도시한 바와 같이 분리 합체형 연료전지 열병합 발전시스템(100)은, 발전부(110)와 열저장부(120)가 분리 및 합체가 가능하게 모듈화되어 있으며, 상기 발전부(110))에는 연료전지 스택(111)과 열교환기(112) 및 연료처리장치(113)가 설치되는 한편 상수도에서 공급되는 직수를 상기 스택(111)의 가습수로 공급하도록 초순수를 제조하는 초순수제조기(114)가 설치되고, 상기 열저장부(120)에는 상기 발전부(110)에서 스택(111)을 통해 전력 생산시에 발생하는 열을 회수하여 열수요가 있는 곳에 사용되도록 축열하는 축열탱크(121)만 단독으로 설치된 시스템으로 되어 있다.
상기 발전부(110)과 열저장부(120)는 도3에 도시한 바와 같이 각각 발전 케이스(115) 및 열저장 케이스(125)에 의해 모듈화되어 있다.
상기 연료전지 스택(111)는 수소와 산소의 전기화학반응에 의해 직류전력을 생산하는 장치이며, 상기 열교환기(112)는 냉각수 배관라인(L11)을 통해 상기 스택(111)에 순환하는 냉각수와 상기 축열탱크에 출입하는 물을 서로 열교환시켜 스택에서 발생하는 폐열을 회수하는 장치이고, 상기 연료처리장치(113)는 천연가스 또는 액화석유가스(LPG)와 같은 탄화수소 계열의 발전연료(Fuel)를 수소가 많은 가스로 개질하여 상기 연료전지 스택(111)에 공급하는 장치로서 버너와 개질기로 구성된다.
상기 발전부(110)에는 이외에도 상기 연료전지 스택(111)에 연결되어 연료전지 스택(111)에서 필요로 하는 산소(또는 공기)를 공급하는 공기공급장치, 상기 연료전지 스택(111)에서 생산되는 직류(DC)전력을 교류(AC)전력으로 변환하는 전력변환기를 비롯하여 제어기와 펌프, 밸브 및 각종 센서 등과 같은 주변장치(BOP :Balance of Plants)가 설치된다.
상수도에서 공급되는 직수는 상기 초순수제조기(114)를 통해 초순수(미세한 이물질까지 제거된 순수)로 제조되어 상기 연료전지 스택(111)에 가습수로 공급되는 한편, 상기 직수는 직수 제어밸브(116)를 통해 상기 열저장부(120)의 축열탱크(121)에 공급된다. 그리고, 상기 축열탱크(121)에서 온도가 낮아진 냉수는 열교환 배관라인(L14)을 통해 상기 발전부(110)의 열교환기(112)에서 가열되어 상기 직수공급 배관라인(L12)을 통해 상기 축열탱크(121)에 공급되며, 상기 축열탱크(121)의 온수는 배수 배관라인(L13)를 통해 필요한 곳에 공급된다.
한편, 도3에 도시한 바와 같이, 상기 발전 케이스(115) 저면에는 발전부가 용이하게 이동되도록 회동가능한 4개의 이동바퀴(117)가 설치되어 있다. 또한, 상기 발전 케이스(115)의 저면 일측에는 상기 열저장 케이스(125)의 후술하는 요입부에 삽입되는 돌기부(118)가 형성되고, 상기 돌기부(118)에는 상기 직수공급 배관라인(L12) 및 열교환 배관라인(L14)의 배관포트(119)가 형성되어 상기 축열탱크(121)에 축열하게 되어 있다. 상기 이동바퀴(117)는 수평바퀴 및 수직바퀴를 구비한 캐스터 형태로 되어 있다.
상기 열저장 케이스(125)의 저면에는 열저장부가 용이하게 이동되도록 회동가능한 4개의 이동바퀴(122)가 설치되어 있다. 상기 이동바퀴(122)는 수평바퀴 및 수직바퀴를 구비한 캐스터 형태로 되어 있다.
상기 열저장 케이스(125)의 상면에는 상기 발전 케이스(115)의 이동바퀴(117)가 용이하게 위치를 잡도록 삽입띠홈(126)의 2줄로 형성되어 있고, 상기 삽입띠홈(126)의 양변에는 상기 이동바퀴(117)가 용이하게 위치를 잡도록 미끄러져 내리는 띠홈 경사면(126a)이 형성되어 있다.
상기 삽입띠홈(126)의 내부에는 상기 발전 케이스(115)의 이동바퀴(117)의 삽입되어 구속되도록 삽입요홈(127)이 상기 삽입띠홈(126)의 길이방향 양측에 형성되어 있고, 상기 삽입요홈(127)의 양변에는 상기 이동바퀴(117)가 용이하게 미끄러져 삽입되도록 요홈 경사면(127a)가 형성되어 있다.
상기 삽입요홈(127)은 상기 삽입띠홈(126)의 바닥면에 형성되어 있다.
그리고, 상기 열저장 케이스(125)의 상면 일측에는 상기 발전 케이스(115)의 돌기부(118)가 삽입되어 맞추어지도록 요입부(128)가 형성되고, 요입부(128)에는 상기 직수공급 배관라인(L12) 및 열교환 배관라인(L14)의 배관포트(129)가 형성되어 상기 축열탱크(121)에 축열하게 되어 있다.
한편, 상기 열저장 케이스(125)의 측면에는 상기 배수 배관라인(L13)의 배관포트(123)가 형성되어 있다.
도4는 도3의 발전부(110)의 이동바퀴(117)가 열저장부(120)의 상측에 형성된 삽입요홈(127)에 삽입되어 구속되어 발전부(110)가 안치되고, 배관포트(119) 및 배관포트(129)가 연결된 상태를 나타낸다.
도5는 본 발명의 열저장부(120) 위에 발전부(110)가 합체되는 상태를 나타내는 사시도이고, 도6의 (a) 내지 (c)는 도5의 열저장 케이스(125)의 상면에 발전 케이스(115)의 이동바퀴(117)가 바퀴가 삽입되어 구속되는 공정을 나타낸다.
도6의 (a)에 도시한 바와 같이, 열저장부(120)의 열저장 케이스(125) 상측에 발전부(110)의 발전 케이스(115)를 들어 올려 내리면 발전 케이스(115)의 이동바퀴(117) 중 수직바퀴가 삽입띠홈(126)의 띠홈 경사면(126a)에 닿아 회동하면서 용이하게 위치를 잡는다.
다음에 도6의 (b)에 도시한 바와 같이 발전부(110)의 발전 케이스(115)를 더욱 내리면 이동바퀴(117) 중 수직바퀴가 삽입요홈(127)의 요홈 경사면(127a)에 닿아 회동하면서 미끄러져 내려 이동바퀴(117)가 삽입요홈(127)에 삽입되어 구속된다. 도6의 (c)는 발전부(110)의 발전 케이스(115)가 열저장부(120)의 열저장 케이스(125) 상측에 안착되어 구속된 상태를 나타낸다.
한편, 상기 발전부(110)의 발전 케이스(115)가 열저장부(120)의 열저장 케이스(125)에 상측에 안착되어 구속되면, 이와 동시에 발전 케이스(115)의 돌기부(118)에 형성된 배관포트(119)가 열저장 케이스(125)의 요입부(128)에 형성된 배관포트(129)가 정위치에 연결된다.
도7은 본 발명의 열저장부(120)의 열저장 케이스(125) 및 발전부(110)의 발전 케이스(115)에 형성된 배관포트(119)(129)가 결합되는 상태를 나타내는 사시도이고, 도8의 (a) 내지 (c)는 도7의 배관포트(119)(129)가 결합되는 상태를 나타내는 결합 공정도이다.
도8의 (a)에 도시한 바와 같이, 발전 케이스(115)의 이동바퀴(117) 중 수직바퀴가 삽입띠홈(126)의 띠홈 경사면(126a)에 닿아 회동하면서 위치를 잡으면, 발전 케이스(115)의 돌기부(118)에 형성된 배관포트(119)가 열저장 케이스(125)의 요입부(128)에 형성된 배관포트(129)에 근접하여 정렬된다.
다음에 도8의 (b)에 도시한 바와 같이, 발전 케이스(115)의 이동바퀴(117) 중 수직바퀴가 삽입요홈(127)의 요홈 경사면(127a)에 닿아 회동하면서 미끄러져 내려 이동바퀴(117)가 삽입요홈(127)에 삽입되면, 발전 케이스(115)의 돌기부(118)에 형성된 배관포트(119)가 열저장 케이스(125)의 요입부(128)에 형성된 배관포트(129)에 정렬된다.
그리고, 도8의 (c)에 도시한 바와 같이 이동바퀴(117)가 삽입요홈(127)에 삽입 안착되어 구속되면, 발전 케이스(115)의 돌기부(118)가 열저장 케이스(125)의 요입부(128)에 삽입되어 돌기부(118)의 배관포트(119)가 요입부(128)의 배관포트(129)에 결합된다. 이때 상기 배관포트(129)에는 실링 오링(R)을 사전에 삽입하여 배관포트(119)(129)의 헤드부(볼트 머리 또는 너트) 간에 실링이 이루어지게 하는 것이 바람직하다.
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 가능함은 물론이고, 본 발명의 기술적 보호 범위는 첨부된 특허 청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
110 : 발전부 112 : 열교환기
115 : 발전 케이스 117,122 : 이동바퀴
118 : 돌기부 119,129 : 배관포트
120 : 열저장부 121 : 축열탱크
125 : 열저장 케이스 126 : 삽입띠홈
127 : 삽입요홈 128 : 요입부
R : 오링

Claims (6)

  1. 전력을 생산하는 스택이 포함된 발전부와, 상기 발전부에서 전력 생산시 발생되는 열을 회수하여 열수요가 있는 곳에 사용되도록 축열하는 열저장부로 이루어지되,
    상기 발전부와 열저장부는 서로 분리 및 합체가 가능하게 모듈화되고,
    상기 열저장부에는 상기 발전부에서 발생하는 열을 축열하는 축열탱크만 설치되어 상기 열저장부가 상기 발전부에 배관 연결되고,
    상기 발전부와 상기 열저장부 중의 적어도 일측 저면에는 이동이 용이하도록 다수의 이동바퀴가 결합되고,
    상기 발전부와 상기 열저장부 중의 적어도 일측 상면에는 상기 이동바퀴가 삽입되어 구속되도록 삽입요홈이 형성되어 있으며,
    상기 삽입요홈의 양변에는 상기 이동바퀴가 용이하게 미끄러져 삽입되도록 요홈 경사면이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 분리 합체형 연료전지 열병합 발전시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 발전부와 상기 열저장부 중의 적어도 일측 상면에는 상기 이동바퀴가 용이하게 위치를 잡도록 삽입띠홈이 형성되고,
    상기 삽입요홈은 상기 삽입띠홈의 바닥면에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 분리 합체형 연료전지 열병합 발전시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 삽입띠홈의 양변에는 상기 이동바퀴가 용이하게 위치를 잡도록 미끄러져 내리는 띠홈 경사면이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 분리 합체형 연료전지 열병합 발전시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 발전부가 상기 열저장부가 합체되어 밀착하는 면에는 서로 대응하는 한쌍의 요입부와 돌기부가 형성되고,
    상기 요입부와 돌기부에는 축열을 위한 배관포트가 형성되는 것을 특징으로 하는 분리 합체형 연료전지 열병합 발전시스템.
KR1020100132581A 2010-12-22 2010-12-22 분리 합체형 연료전지 열병합 발전시스템 KR101291570B1 (ko)

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