KR101336498B1 - 부품 간소화 및 제어 안정성이 우수한 온수저장 장치 및 이를 이용한 연료전지 시스템 - Google Patents

부품 간소화 및 제어 안정성이 우수한 온수저장 장치 및 이를 이용한 연료전지 시스템 Download PDF

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Abstract

부품 간소화 및 제어 안정성이 우수한 온수저장 장치 및 이를 이용한 연료전지 시스템을 개시한다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템은 수소와 공기의 전기화학반응으로 전기 에너지를 생성하는 스택유닛; 온수 탱크, 상기 온수 탱크와 연결된 보충수 공급배관 및 온수 배출배관, 상기 온수 배출배관과 연결되어 온수 배출을 제어하는 개폐 밸브 및 상기 온수 탱크 상에 장착되는 공기 배출 밸브를 포함하는 온수저장 장치; 상기 스택유닛과 상기 온수 탱크 사이에 배치되며, 상기 스택유닛으로부터 배출되는 가열된 냉각수와 상기 온수 탱크에 저장된 물을 열교환시키는 열 교환기; 및 상기 스택유닛과 상기 온수 탱크를 연결하는 냉각수 순환배관;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

부품 간소화 및 제어 안정성이 우수한 온수저장 장치 및 이를 이용한 연료전지 시스템{HOT WATER STORGE APPARATUS WITH EXCELLENT CONTROL STABILITY AND SIMPLIFICATION OF COMPONENT AND FUEL CELL SYSTEM USING THE SAME}
본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 부품 간소화 및 제어 안정성이 우수한 온수저장 장치 및 이를 이용한 연료전지 시스템에 관한 것이다.
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 발전 효율이 높고 무공해, 무소음으로 환경문제가 거의 없다. 또한, 연료전지는 다양한 용량으로 제작이 가능하고 전력 수요지 내에 설치가 용이하여 송변전 설비의 초기 투자비용을 절감할 수 있는 이점이 있다.
이러한 연료전지를 이용한 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.
일반적인 연료전지 시스템은 온수를 사용하기 위한 장치로서 온수 탱크와, 물의 흐름을 제어하는 2기의 전동식 볼밸브와, 온수 배출 펌프 및 수위 확인을 위한 2기의 레벨 센서를 포함한다. 이러한 구성을 갖는 연료전지 시스템은 요구되는 부품 수가 많아 제작 단가가 높고, 장치가 복잡하여 유지 및 보수에 어려움이 있었다. 또한, 온수 배출을 위해 온수 출구측 볼밸브를 열었을 때 온수 탱크 내부로 공기가 주입되는 문제점이 있었다.
관련 선행문헌으로는 한국등록특허 10-0464203호(2005.01.03. 공고)가 있으며, 상기 문헌에는 물탱크에 장착된 레벨게이지로 물의 유량을 측정하고, 물탱크의 유량이 설정유량 이상일 시 물탱크에 연통된 온수순환로에 장착된 펌프의 작동을 중지하여 물이 유입되는 것을 중단함과 동시에 온수순환로에 연통된 상수보충로의 개폐밸브를 닫아 보충수가 공급되는 것을 중단하는 연료전지의 열 활용 시스템 및 그 제어방법에 대하여 개시하고 있다.
본 발명의 일 목적은 부품 간소화 및 제어 안정성이 우수한 온수저장 장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 부품 간소화 및 제어 안정성이 우수한 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템은 수소와 공기의 전기화학반응으로 전기 에너지를 생성하는 스택유닛; 온수 탱크, 상기 온수 탱크와 연결된 보충수 공급배관 및 온수 배출배관, 상기 온수 배출배관과 연결되어 온수 배출을 제어하는 개폐 밸브 및 상기 온수 탱크 상에 장착되는 공기 배출 밸브를 포함하는 온수저장 장치; 상기 스택유닛과 상기 온수 탱크 사이에 배치되며, 상기 스택유닛으로부터 배출되는 가열된 냉각수와 상기 온수 탱크에 저장된 물을 열교환시키는 열 교환기; 및 상기 스택유닛과 상기 온수 탱크 상호 간을 연결하며, 내부로 냉각수가 순환하는 냉각수 순환배관;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 온수 저장 장치는 연료전지 시스템의 온수저장 장치에 있어서, 내부 공간에 물을 저장하는 온수 탱크; 상기 온수 탱크에 보충수를 공급하는 보충수 공급배관; 상기 온수 탱크로부터 온수를 배출하는 온수 배출배관; 상기 온수 배출배관과 연결된 개폐 밸브; 및 상기 온수 탱크 상에 장착되어 상기 온수 탱크 내부의 공기를 배출하는 공기 배출 밸브;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 온수저장 장치 및 연료전지 시스템은 일반적인 수압의 특성을 이용하여 온수 탱크가 만수(滿水) 되었을 경우 보충수 공급이 자동으로 차단되어 보충수 공급배관에 부수적인 볼밸브의 사용이 불필요하고, 온수 배출배관에 부수적인 펌프의 사용이 불필요하며, 추가적인 레벨 센서 사용이 불필요하다. 이에 따라, 기존에 비해 각각 1기의 볼밸브 및 펌프와 2기의 레벨 센서를 생략하여 온수저장 장치 및 연료전지 시스템의 부품을 간소화하고, 이를 통해 비용을 절감할 수 있고, 유지 및 보수가 용이하며, 소형화가 가능하다.
또한, 레벨 센서를 생략하여 제어 오작동을 방지하므로 연료전지 시스템의 제어 안정성이 우수하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템을 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1의 온수저장 장치를 구체적으로 나타낸 도면이다.
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.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 부품 간소화 및 제어 안정성이 우수한 온수저장 장치 및 이를 이용한 연료전지 시스템에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템을 나타낸 도면이고, 도 2는 도 1의 온수저장 장치를 구체적으로 나타낸 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템(100)은 연료공급유닛(110), 공기공급유닛(120), 스택(Stack)유닛(130), 전기출력유닛(140), 열 교환기(150), 냉각수 순환배관(151) 및 온수저장 장치(미도시)를 포함한다. 또한, 연료전지 시스템(100)은 보충수 공급 제어밸브(175) 및 보조 열공급부(180)를 더 포함할 수 있다.
연료공급유닛(110)은 연료에서 수소(H2)만을 추출하여 스택유닛(130)에 공급한다. 이러한 연료공급유닛(110)은 연료와 수증기의 개질 반응에 의해 수소를 생성하는 개질반응부(111), 개질반응부(111)에 개질 반응에 필요한 수증기를 공급하는 수증기 공급부(113) 및 수증기 공급부(113)에 필요한 열을 연소 또는 촉매 반응을 통하여 공급하며 연료공급유닛(110)을 적정한 온도로 승온시키는 열 공급부(115)를 구비한다.
개질반응부(111)는 연료에 함유된 황을 제거하는 탈황반응기와, 연료와 수증기가 개질 반응하여 수소를 발생시키는 개질반응기와, 개질반응기를 거쳐 발생된 일산화탄소를 재반응시켜 수소를 추가 발생시키는 고온수반응기 및 저온수반응기와, 공기를 촉매로 하여 연료중의 일산화탄소를 제거함으로써 수소를 정제하는 부분산화반응기를 포함할 수 있다.
공기공급유닛(120)은 공기를 스택유닛(130) 및 연료공급유닛(110)에 공급한다.
스택유닛(130)은 연료공급유닛(110)의 출측에 배치되며, 연료공급유닛(110)으로부터 공급되는 수소(H2)와 공기공급유닛(120)으로부터 공급된 공기를 이용하여 직류(Direct Current; DC) 전력을 생성한다.
이러한 스택유닛(130)은 적층된 셀(cell)들로 구성되어 있으며, 연료와 공기 등의 반응가스가 각 셀로 공급되도록 설계되어 있다.
기본적으로 각 셀은 전해질(electrolyte)에 의하여 분리된 연료극(anode, 131)과 공기극(cathode, 133)의 두 전극으로 구성되며, 각 셀은 분리판(separator)에 의하여 분리된다. 이때, 스택유닛(130)은 연료극(131)에 공급되는 연료 가스와 공기극(133)에 공급되는 공기 간의 전기화학 반응에 의하여 전기를 생성한다.
전기출력유닛(140)은 스택유닛(130)으로부터 생성된 직류 전력을 교류(Alternating Current; AC) 전력으로 변환하여 부하에 공급한다. 이러한 전기출력유닛(140)은 스택유닛(130)의 출측에 배치될 수 있으며, DC/DC 컨버터 및 DC/AC 인버터 중 하나 이상이 이용될 수 있다.
열 교환기(150)는 후술할 온수 탱크(160)와 스택유닛(130) 사이에 배치되며, 스택유닛(130)으로부터 배출되는 가열된 냉각수와 온수 탱크(160)에 저장된 물을 열교환시킨다.
이때, 냉각수 순환배관(151)은 스택유닛(130)과 열 교환기(150)를 상호 연결한다. 이러한 냉각수 순환배관(151)의 내부로는 냉각수가 순환하게 된다. 이때, 냉각수는, 도면으로 도시하지는 않았지만, 별도의 냉각수 저장탱크(미도시)로부터 공급받도록 설정되어 있을 수 있다.
온수저장 장치(미도시)는 온수 탱크(160)와, 온수 탱크(160)의 일측의 상측에 배치되는 보충수 주입구(P1), 보충수 주입구(P1)와 연통되어 온수 탱크(160)에 보충수를 공급하는 보충수 공급배관(161), 온수 탱크(160)의 타측의 하측에 배치되는 온수 배출구(P2), 온수 배출구(P2)와 연통되어 일반 가정 등으로 온수를 배출하는 온수 배출배관(162), 온수 배출배관(162)에 연결된 온수 배출 개폐 밸브(163) 및 온수 탱크(160) 상에 장착된 공기 배출 밸브(165)를 포함하여 구성된다.
온수 탱크(160)는 스택유닛(130)과 이격되도록 설치되며, 내부 공간에 스택유닛(130)의 냉각과 온수 또는 난방을 위한 물을 저장한다. 온수 탱크(160)는 내부에 빈 공간을 구비하는 용기 형태를 가질 수 있다. 일례로, 온수 탱크(160)는 원통 형상일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
온수 배출 개폐 밸브(163)는 온수 배출배관(162)의 물의 흐름을 제어하는 것이다. 일례로, 온수 배출 개폐 밸브(163)로는 전동식 볼밸브를 사용할 수 있다.
공기 배출 밸브(165)는 보충수 공급배관(161)을 통해 보충수 공급 시 온수 탱크(160) 내 발생 가능한 공기를 제거하기 위한 안전 밸브로서, 일정 압력 이상에서는 자동 또는 수동으로 공기를 배출한다.
한편, 도면에서는 보충수 공급배관(161)과 온수 배출배관(162)이 각각 온수 탱크(160)의 일측의 상측과 타측의 하측에 형성되나, 이에 한정되는 것은 아니며, 온수 탱크(160)의 일측과 타측의 상측이나 하측에서 자유롭게 변형되어 형성될 수 있음은 물론이다. 그러나, 온수 탱크(160)에서의 자연 대류를 이용하기 위해서는 보충수 공급배관(161)은 온수 탱크(160)의 상측에 형성되고, 온수 배출배관(162)은 온수 탱크(160)의 하측에 형성되는 것이 바람직하다.
온수 탱크(160)와 연결되는 보충수 공급배관(161)에는 온수 탱크(160)로 보충수가 공급되는 것을 제어하기 위한 보충수 공급 제어밸브(175)가 더 구비되어 있을 수 있다.
도면에는 도시하지 않았지만, 냉각수 순환 배관(151)과 마찬가지로 열 교환기(150)와 온수 탱크(160) 사이에는 온수 순환 배관이 형성된다.
연료전지 시스템(100)은 온수 또는 난방에 부족한 열을 보조적으로 공급하는 보조 열공급부(180)를 더 포함할 수 있다. 이러한 보조 열공급부(180)는 갑자기 많은 양의 온수가 필요하거나 겨울철과 같이 난방수요가 급증할 경우를 대비하여 연소를 통해 열을 생성시켜 열의 부족분을 채우게 된다. 이때, 별도의 온수 순환배관(182)은 온수 탱크(160)와 보조 열공급부(180)를 상호 연결한다. 이러한 보조 열공급부(180)는 온수 탱크(160)로부터의 온수를 온수 순환배관(182)을 통해 공급받은 후, 용도에 알맞은 온도로 상승 또는 유지하는 역할을 한다. 도시하지는 않았지만, 보조 열공급부(180)와 온수 탱크(160)의 사이에는 보조 열공급부(180)로의 온수 배출이 원활히 이루어지도록 유도하기 위한 온수 배출 펌프(미도시)가 더 배치될 수도 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구동을 설명하면 다음과 같다.
연료공급유닛(110)의 개질반응부(111)에서는 연료(LNG)와 수증기를 개질하여 수소를 생성한 후 이 수소를 스택유닛(130)의 연료극(131)으로 공급한다. 이때 개질 반응에 필요한 수증기는 수증기 공급부(113)에서 제공되고, 수증기를 발생시키기 위한 열은 열공급부(115)에서 제공된다.
공기공급유닛(120)은 스택유닛(130)의 공기극(133)으로 공기를 공급한다. 스택유닛(130)은 공급된 수소와 공기로 전기를 발생시키고, 발생된 직류 전기는 전기출력유닛(140)에서 교류로 바뀌어 각종 전기제품에 공급된다.
한편, 온수 또는 난방에 필요한 열은 열 교환기(150)를 통해 스택유닛(130)을 냉각시키면서 얻은 열로부터 공급받는다. 그러나, 갑자기 많은 양의 온수가 필요하거나 겨울철과 같이 난방수요가 급증할 경우에는 보조 열공급부(180)로부터 열을 보조적으로 공급받는다.
온수저장 장치는 온수 사용 시 보충수 공급배관(161)에서 발생하는 수압을 이용하여 온수 탱크(160)에 보충수를 공급한다. 이때, 수압을 이용한 보충수 공급 시, 일정 압력 이상에서 개폐가 조절되는 공기 배출 밸브(165)의 개방에 의하여, 자동 또는 수동으로 온수 탱크(160) 내에 발생된 공기를 배출한다. 그리고, 온수 탱크(160)를 모두 채워 보충수 공급을 중단할 시에는 일반적으로 가정으로 공급되는 수압의 특성을 이용할 수 있는데, 이는 온수 탱크(160)가 만수(滿水) 되었을 경우 수압의 특성에 의해 보충수 공급이 자동으로 차단되기 때문이다. 이에 따라, 보충수 주입구(P1) 측 전동 볼밸브의 사용이 불필요하게 된다.
이렇듯, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템(100)은 보충수 공급배관(161)에서 발생한 수압을 이용한 온수 공급이 가능하여 보충수 공급배관(161)에 부수적인 전동 볼밸브의 사용이 불필요하고, 온수 배출배관(162)에 부수적인 펌프의 사용이 불필요하다.
본 발명의 연료전지 시스템(100)은 기존의 온수 탱크에서 보충수 공급배관의 전동 볼밸브 1기와 온수 배출배관의 펌프 1기와 더불어 온수 탱크 내 2기의 레벨 센서를 생략하여 온수저장 장치 및 연료전지 시스템(100)의 부품을 간소화하고, 이를 통해 비용을 절감할 수 있고, 유지 및 보수가 용이하며, 소형화가 가능하다.
또한, 기존의 레벨 센서를 생략하여 제어 오작동을 방지하므로 연료전지 시스템(100)의 제어 안정성을 증대시킬 수 있다.
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.
100 : 연료전지 시스템 110 : 연료공급유닛
111 : 개질반응부 113 : 수증기 공급부
115 : 열 공급부 120 : 공기공급유닛
130 : 스택유닛 131 : 연료극
133 : 공기극 140 : 전기출력유닛
150 : 열 교환기 151 : 냉각수 순환배관
160 : 온수 탱크 161 : 보충수 공급배관
162 : 온수 배출배관 163 : 온수 배출 개폐 밸브
165 : 공기 배출 밸브 175 : 보충수 공급 제어밸브
180 : 보조 열공급부 182 : 온수 순환배관
P1 : 보충수 주입구 P2 : 온수 배출구

Claims (11)

  1. 수소와 공기의 전기화학반응으로 전기 에너지를 생성하는 스택유닛;
    온수 탱크, 상기 온수 탱크와 연결된 보충수 공급배관 및 온수 배출배관, 상기 온수 배출배관과 연결되어 온수 배출을 제어하는 개폐 밸브 및 상기 온수 탱크 상에 장착되는 공기 배출 밸브를 포함하는 온수저장 장치;
    상기 스택유닛과 상기 온수 탱크 사이에 배치되며, 상기 스택유닛으로부터 배출되는 가열된 냉각수와 상기 온수 탱크에 저장된 물을 열교환시키는 열 교환기; 및
    상기 스택유닛과 상기 온수 탱크 상호 간을 연결하며, 내부로 냉각수가 순환하는 냉각수 순환배관;을 포함하며,
    상기 온수저장 장치는 온수 사용 시 상기 보충수 공급배관에서 발생하는 수압을 이용하여 상기 온수 탱크에 보충수를 공급하고, 온수 사용 중단시에는 상수의 수압 특성을 이용하며,
    상기 온수 탱크가 만수(滿水) 되면 보충수 공급이 자동으로 차단되고,
    상기 공기 배출 밸브는 상기 온수 탱크의 상면에 장착되어, 상기 온수 탱크 내부의 압력에 따라 개폐가 조절되어, 상기 보충수 공급시 발생하는 공기압을 제거하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 보충수 공급배관은 상기 온수 탱크의 상측에 형성되고,
    상기 온수 배출배관은 상기 온수 탱크의 하측에 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지 시스템은
    상기 스택유닛으로부터 발생된 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 부하에 공급하는 전기출력유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지 시스템은
    상기 온수 탱크의 부족한 열을 공급하는 보조 열공급부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 개폐 밸브는
    전동식 볼밸브인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  9. 연료전지 시스템의 온수저장 장치에 있어서,
    내부 공간에 물을 저장하는 온수 탱크;
    상기 온수 탱크에 보충수를 공급하는 보충수 공급배관;
    상기 온수 탱크로부터 온수를 배출하는 온수 배출배관;
    상기 온수 배출배관과 연결되어, 온수 배출을 제어하는 개폐 밸브; 및
    상기 온수 탱크 상에 장착되어 상기 온수 탱크 내부의 공기를 배출하는 공기 배출 밸브;를 포함하며,
    상기 온수저장 장치는 온수 사용 시 상기 보충수 공급배관에서 발생하는 수압을 이용하여 상기 온수 탱크에 보충수를 공급하고, 온수 사용 중단시에는 상수의 수압 특성을 이용하며,
    상기 온수 탱크가 만수(滿水) 되면 보충수 공급이 자동으로 차단되고,
    상기 공기 배출 밸브는 상기 온수 탱크의 상면에 장착되어, 상기 온수 탱크 내부의 압력에 따라 개폐가 조절되어, 상기 보충수 공급시 발생하는 공기압을 제거하는 것을 특징으로 하는 온수저장 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 보충수 공급배관은
    상기 온수 탱크의 상측에 형성되고, 상기 온수 배출배관은 상기 온수 탱크의 하측에 형성되는 것을 특징으로 하는 온수저장 장치.
  11. 삭제
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