KR101349508B1

KR101349508B1 - 보일러를 활용한 연료전지 코제너레이션 시스템

Info

Publication number: KR101349508B1
Application number: KR1020120070391A
Authority: KR
Inventors: 차광석; 박인선
Original assignee: 현대건설주식회사
Priority date: 2012-06-29
Filing date: 2012-06-29
Publication date: 2014-01-09

Abstract

본 발명에 따른 보일러를 활용한 연료전지 코제너레이션 시스템은, 연료전지로 유입되는 냉각수의 온도가 설정 범위에 들도록 제어가 가능하여, 효율이 향상될 수 있다. 또한, 연료전지에서 나온 고온의 냉각수와 외부로부터 공급되는 난방 또는 급탕을 위한 용수를 열교환시킴으로써, 상기 고온의 냉각수를 냉각시킬 수 있을 뿐만 아니라, 상기 용수를 예열할 수 있으므로 상기 용수를 요구 온도까지 가열하는 데 필요한 연료 사용량을 줄일 수 있으므로 비용이 절감되고, 보다 빠른 시간내에 원하는 상기 용수의 요구 온도에 맞출 수 있는 이점이 있다. 연료전지로 유입되는 냉각수의 온도를 설정 범위에 들도록 맞추는 데 각 가정의 보일러를 이용 가능하기 때문에, 시스템의 크기가 축소될 수 있고 비용이 절감될 수 있다.

Description

보일러를 활용한 연료전지 코제너레이션 시스템{Fuel cell cogeneration system utilizing boiler}

본 발명은 연료전지 코제너레이션 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료전지로 유입되는 냉각수의 온도를 항상 일정하게 유지할 수 있는 보일러를 활용한 연료전지 코제너레이션 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 연료전지는 연료 가스로서 공급되는 수소 가스와 산화제 가스로서 공급되는 공기를 반응시켜 전력 및 열을 발생시킨다.

보일러를 활용한 연료전지 코제너레이션 시스템은 연료전지에서 발생된 열을 저탕조에 축적하고, 상기 저탕조내의 온수는 난방이나 급탕 등에 이용하는 시스템이다. 일본 특개 2010-40350호에서는 연료전지 코제너레이션 시스템이 개시되어 있으며, 연료전지에서 발생된 열을 냉각수로 냉각하고, 그 냉각수는 냉각수 순환라인을 따라 저탕조를 통과하면서 냉각된 후 다시 상기 연료전지로 순환한다.

이 때, 상기 연료전지의 효율을 위해 상기 연료전지를 냉각시키는 냉각수의 온도를 일정하게 맞추어 주는 것이 매우 중요하다. 그러나, 계절 등 여러 가지 요인에 따라 상기 저탕조 내의 온도 변화가 달라질 수 있으며, 상기 저탕조의 온도 변화에 따라 상기 저탕조에서 냉각되는 냉각수의 온도도 달라지게 되므로, 상기 연료전지로 유입되는 냉각수의 온도를 일정하게 맞추기가 매우 어려운 문제점이 있다.

본 발명의 목적은, 연료전지로 유입되는 냉각수의 온도를 일정하게 유지하여 효율을 향상시킬 수 있는 보일러를 활용한 연료전지 코제너레이션 시스템을 제공하는 데 있다.

본 발명에 따른 보일러를 활용한 연료전지 코제너레이션 시스템은, 연료전지와, 상기 연료전지를 냉각시킨 고온의 냉각수와 난방 또는 급탕을 위한 용수를 열교환시켜 상기 용수를 예열시키는 예열기와, 상기 연료전지를 냉각시킨 고온의 냉각수를 냉각 또는 가열하거나 상기 예열기에서 예열된 상기 용수를 가열하는 보일러와, 상기 예열기에서 나온 냉각수 중 일부를 상기 보일러로 바이패스하는 바이패스 유로와, 상기 보일러에서 나온 냉각수 유량과 상기 예열기에서 나온 냉각수 유량을 제어하여 혼합하는 혼합 제어밸브와, 상기 용수의 공급 여부와 상기 예열기에서 나온 냉각수의 온도에 따라 상기 보일러의 작동을 제어하여 상기 보일러에서 상기 바이패스된 냉각수를 가열 또는 냉각시키고, 상기 연료전지로 유입되는 냉각수의 온도가 설정 온도 범위 내에 들도록 상기 혼합 제어밸브의 작동을 제어하는 제어부를 포함한다.

본 발명의 다른 측면에 따른 보일러를 활용한 연료전지 코제너레이션 시스템은, 연료전지와, 상기 연료전지를 냉각시킨 고온의 냉각수와 난방 또는 급탕을 위한 용수를 열교환시켜 상기 용수를 예열시키는 예열기와, 상기 연료전지를 냉각시킨 고온의 냉각수를 냉각 또는 가열하거나 상기 예열기에서 예열된 상기 용수를 가열하는 보일러와, 상기 예열기에서 나온 냉각수 중 일부를 상기 보일러로 바이패스하여 열교환시키는 바이패스 유로와, 상기 보일러에서 나온 냉각수 유량과 상기 예열기에서 나온 냉각수 유량을 제어하여 혼합하는 혼합 제어밸브와, 상기 예열기로 상기 용수를 공급하는 급수 유로와, 상기 급수 유로에 설치되어 상기 용수의 유량을 측정하는 유량 감지 센서와, 상기 보일러로 도시가스를 공급하는 보일러 연료공급 유로와, 상기 보일러 공급 유로에서 분기되어 상기 연료전지로 도시가스를 공급하는 연료전지 연료공급 유로와, 상기 용수의 공급 여부와 상기 예열기에서 나온 냉각수의 온도에 따라 상기 보일러의 작동을 제어하여 상기 보일러에서 상기 바이패스된 냉각수를 가열 또는 냉각시키고, 상기 연료전지로 유입되는 냉각수의 온도가 설정 온도 범위내에 들도록 상기 혼합 제어밸브의 작동을 제어하는 제어부를 포함한다.

본 발명에 따른 보일러를 활용한 연료전지 코제너레이션 시스템은, 연료전지로 유입되는 냉각수의 온도가 설정 범위에 들도록 제어가 가능하여, 효율이 향상될 수 있다.

또한, 연료전지에서 나온 고온의 냉각수와 외부로부터 공급되는 난방 또는 급탕을 위한 용수를 열교환시킴으로써, 상기 고온의 냉각수를 냉각시킬 수 있을 뿐만 아니라, 상기 용수를 예열할 수 있으므로 상기 용수를 요구 온도까지 가열하는 데 필요한 연료 사용량을 줄일 수 있으므로 비용이 절감되고, 보다 빠른 시간내에 원하는 요구 온도에 맞출 수 있는 이점이 있다.

또한, 보일러에 설치된 송풍팬을 연료전지에서 나온 냉각수를 냉각시키는 데에도 사용가능하므로, 구조가 간단해지고 비용이 절감될 수 있다.

또한, 보일러의 연소실을 연료전지에서 나온 냉각수를 가열시키는 데에도 사용가능하므로, 구조가 간단해지고 비용이 절감될 수 있다.

또한, 연료전지로 유입되는 냉각수의 온도를 설정 범위에 들도록 맞추는 데 각 가정의 보일러를 이용 가능하기 때문에, 시스템의 크기가 축소될 수 있고 비용이 절감될 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 연료전지 코제너레이션 시스템에서 난방 또는 급탕을 위한 용수가 공급되지 않고, 예열기에서 나온 냉각수의 온도가 설정 온도 이상인 경우가 도시된 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 연료전지 코제너레이션 시스템에서 난방 또는 급탕을 위한 용수가 공급되지 않고, 예열기에서 나온 냉각수의 온도가 설정 온도 미만인 경우가 도시된 도면이다.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 연료전지 코제너레이션 시스템에서 난방 또는 급탕을 위한 용수가 공급되고, 예열기에서 나온 냉각수의 온도가 설정 온도 이상인 경우가 도시된 도면이다.
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 연료전지 코제너레이션 시스템에서 난방 또는 급탕을 위한 용수가 공급되고, 예열기에서 나온 냉각수의 온도가 설정 온도 미만인 경우가 도시된 도면이다.
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 코제너레이션 시스템에서 난방 또는 급탕을 위한 용수가 공급되고, 예열기에서 나온 냉각수의 온도가 설정 온도 이상인 경우가 도시된 도면이다.

이하, 본 발명의 실시예에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 연료전지 코제너레이션 시스템에서 난방 또는 급탕을 위한 용수가 공급되지 않고, 예열기에서 나온 냉각수의 온도가 설정 온도 이상인 경우가 도시된 도면이다.

도 1을 참조하면, 연료전지 코제너레이션 시스템은, 연료전지(10), 예열기(20),보일러(30), 연료공급유로(60), 제1,2급수 유로(70)(71), 용수 순환유로(72), 제1,2냉각수 순환유로(11)(12), 바이패스 유로(15) 및 제어부(미도시)를 포함한다.

상기 연료전지 코제너레이션 시스템은 아파트나 오피스텔 등의 집합건물에 사용되는 바, 1개의 가구에 1개씩 설치된다. 또한, 상기 연료전지 코제너레이션 시스템은 개별 주택(개별 가정)이나 건물에도 설치될 수 있다. 또한, 상기 연료전지 코제너레이션 시스템은 1동의 건물에 한 개씩 설치되는 것도 가능하고, 복수의 건물에 한 개가 설치되는 것도 가능하고, 복수의 집합건물들이 있는 지역에 한 개 또는 복수개가 설치되는 것도 가능하다.

상기 연료전지(10)는 메탄가스 등의 연료를 공급하는 연료전지 공급 유로(61)와, 수소 탱크(50)로부터 수소를 직접 공급하는 수소 공급 유로(51)가 연결된다. 상기 연료전지(10)는 PEM FC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)이 사용되는 것으로 예를 들어 설명하나, MCFC(Molten Carbonate Fuel Cell) 또는 SOFC(Solid Oxid Fuel Cell) 등이 사용되는 것도 물론 가능하다.

상기 연료전지 연료공급유로(61)는, 상기 집합 건물에 연료를 공급하는 연료공급유로(60)에서 분기된다. 상기 연료공급유로(60)는 상기 집합 건물에 공급되는 도시가스 배관이다. 상기 연료공급유로(60)는 상기 연료전지 연료공급유로(61)와, 상기 보일러(30)로 연료를 공급하는 보일러 연료공급유로(62)로 나누어진다. 이에 한정되지 않고 상기 연료전지 연료공급유로(61)는 상기 보일러 연료공급유로(62)와 별도로 설치되는 것도 물론 가능하다.

상기 보일러 연료공급유로(62)에는 연료공급밸브(64)가 설치된다. 상기 연료공급밸브(64)는 상기 제어부(미도시)에 의해 개폐가 제어되어, 상기 보일러(30)로 연료를 공급하거나 공급을 차단할 수 있다.

상기 수소 탱크(50)에는 외부로부터 탱크로리 등을 이용하여 수소가 공급되어 저장된다. 상기 연료전지(10)는 상기 수소 탱크(50)로부터 수소를 직접 공급받기 때문에, 공기로부터 수소를 얻어내기 위한 개질기가 불필요하다. 개질기가 없어도 되므로 구조가 간단하고 설치 공간이 축소될 수 있다.

상기 제1냉각수 순환유로(11)는 상기 연료전지(10)와 상기 예열기(20)를 연결하여, 상기 연료전지(10)에서 가열된 냉각수를 상기 예열기(20)로 공급한다.

상기 제2냉각수 순환유로(12)는, 상기 예열기(20)와 상기 혼합 제어밸브(80)를 연결하는 예열기 토출유로(13)와, 상기 혼합 제어밸브(80)와 상기 연료전지(10)를 연결하는 연료전지 입구유로(14)로 이루어진다. 상기 예열기 토출유로(13)는 상기 예열기(20)에서 열교환되어 냉각된 냉각수를 상기 혼합 제어밸브(80)로 안내한다. 상기 예열기 토출유로(13)에서 후술하는 바이패스 유로(15)가 분기된다. 상기 예열기 토출유로(13)에는 냉각수의 역류를 방지하는 제2체크 밸브(82)가 설치된다.

상기 연료전지 입구유로(14)에는 상기 연료전지(10)로 유입되는 냉각수의 온도를 측정하기 위한 제1온도센서(83)가 설치된다.

상기 예열기(20)는, 상기 연료전지(10)와 제1냉각수 순환유로(11)로 연결된다. 상기 예열기(20)는 상기 연료전지(10)를 냉각시킨 냉각수가 일시 저장되는 저장 탱크이다. 본 실시예에서는, 상기 예열기(20)에는 냉각수가 일시 저장되는 것으로 예를 들어 설명하나, 이에 한정되지 않고 상기 예열기(20)에 난방 또는 급탕을 위한 용수가 채워지고, 상기 제1냉각수 순환유로(11)는 상기 예열기(20) 내부를 통과하도록 설치되는 것도 물론 가능하다.

상기 예열기(20)에는 상기 예열기(20) 내부의 냉각수 온도를 측정하기 위한 제2온도센서(22)가 설치된다. 상기 제2온도센서(22)는 상기 예열기(20)에 설치된 것으로 설명하나, 이에 한정되지 않고, 상기 제1냉각수 순환유로(11)상에 설치되는 것도 물론 가능하다.

상기 제1,2급수 유로(70)(71)는 상기 예열기(20)에 연결되어, 외부로부터 난방 또는 급탕을 위한 용수(이하, '용수'라 칭함)를 공급한다. 상기 제 1,2급수 유로(70)(71)는 난방을 위한 용수만을 공급하는 것도 가능하고, 급탕을 위한 용수만을 공급하는 것도 가능하며, 난방 및 급탕에 모두 사용하는 용수를 공급하는 것도 가능하다. 상기 제1,2급수 유로(70)(71)는 상기 예열기(20)를 통과하는 배관이다. 상기 제1급수 유로(70)는 외부 급수원과 연결되고, 상기 제1급수 유로(70)에는 급수 밸브(미도시)가 설치된다. 상기 제2급수 유로(71)는 상기 제1급수 유로(70)에서 연장된다. 상기 제2급수 유로(71)에는 상기 제2급수 유로(71)를 통과하는 상기 용수의 유량의 흐름을 감지하기 위한 유량 감지 센서가 설치된다. 상기 유량 감지 센서로는 유량계(74)가 사용한 것으로 예를 들어 설명하나, 이에 한정되지 않고, 상기 유량계(74) 대신 유동 측정계가 사용될 수 있다.

상기 용수 순환유로(72)는, 상기 예열기(20)와 상기 보일러(30)를 연결하는 제1용수 순환유로(73)와, 상기 보일러(30)에서 가열된 용수를 수요처로 공급하는 제2용수 순환유로(74)를 포함한다. 상기 제1용수 순환유로(73)는 상기 보일러(30)의 내부를 통과하는 배관인 바, 후술하는 용수 가열실(35)을 통과한다.

상기 보일러(30)는, 연소실(32)과, 냉각수 열교환실(33), 용수 가열실(35)로 이루어진다. 상기 연소실(32), 상기 냉각수 열교환실(33), 용수 가열실(35)은 격벽에 의해 구획된다.

상기 연소실(32)의 일측에는 상기 보일러 연료공급유로(62)가 연결되고, 타측에는 송풍팬(31)이 설치된다. 상기 연소실(32)의 내부에는 점화장치(미도시)가 설치된다. 상기 송풍팬(31)은 상기 보일러(30)의 외부 공기(90)를 흡입한다. 상기 연소실(32)에서 상기 송풍팬(31)에 의해 흡입된 외부 공기(90)와 상기 보일러 연료공급유로(62)로부터 공급된 도시가스가 혼합되고, 혼합된 가스는 상기 점화장치(미도시)에 의해 점화된다.

상기 냉각수 열교환실(33)은 상기 바이패스 유로(15)가 통과한다. 상기 냉각수 열교환실(33)에서는 상기 연소실(32)에서 나온 연소가스 또는 연료와 혼합되지 않은 공기와 상기 바이패스 유로(15)로 바이패스된 냉각수의 열교환이 이루어진다. 상기 냉각수 열교환실(33)은 제1댐퍼(34)에 의해 개폐된다. 이에 한정되지 않고, 상기 냉각수 열교환실(33)에 유입구가 형성되고 상기 유입구에 밸브 등이 설치되는 것도 물론 가능하다.

상기 용수 가열실(35)은 상기 용수 순환유로(72)가 통과한다. 상기 용수 가열실(35)에서는 상기 연소실(32)에서 나온 연소가스와 상기 용수 순환유로(72)를 통과하는 용수 사이에 열교환이 이루어진다. 상기 용수 가열실(35)은 제2댐퍼(36)에 의해 개폐된다. 이에 한정되지 않고, 상기 용수 가열실(35)에 유입구가 형성되고 상기 유입구에 밸브 등이 설치되는 것도 물론 가능하다.

상기 바이패스 유로(15)는, 상기 예열기 토출유로(13)에서 분기되어 상기 냉각수 열교환실(33)을 통과하는 제1바이패스 유로(16)와, 상기 제1바이패스 유로(16)에서 연장되고 상기 냉각수 열교환실(33)에서 나온 냉각수를 상기 혼합 제어밸브(80)로 안내하는 제2바이패스 유로(17)로 이루어진다. 상기 제2바이패스 유로(17)에는 상기 냉각수 열교환실(33)에서 나온 냉각수의 역류를 방지하는 제1체크밸브(81)가 설치된다. 이에 한정되지 않고, 상기 바이패스 유로(15)에는 바이패스 밸브(미도시)가 설치되는 것도 가능하다.

상기 혼합 제어밸브(80)는 상기 예열기 토출유로(13)와 상기 제2바이패스 유로(17)가 연결되는 부분에 설치된다. 상기 혼합 제어밸브(80)는 상기 바이패스 유로(15)를 통해 바이패스된 냉각수 유량과 상기 예열기(20)에서 토출된 냉각수 유량을 제어하여, 혼합수의 온도가 설정 온도 범위 내에 들도록 제어한다. 즉, 상기 혼합 제어밸브(80)는 상기 연료전지 입구유로(14)를 통해 상기 연료전지(10)로 유입되는 냉각수의 온도가 상기 설정 온도 범위 내에 들도록 상기 보일러(30)를 통과한 냉각수와 상기 예열기(20)에서 나온 냉각수를 적절히 혼합한다. 본 실시예에서는, 상기 연료 전지(10)로 유입되는 냉각수의 적정 온도는 58℃인 것으로 예를 들어 설명한다. 따라서, 상기 혼합 제어밸브(80)는 상기 연료 전지(10)로 유입되는 냉각수의 온도가 약 58℃에 도달하도록 상기 보일러(30)를 통과한 냉각수와 상기 예열기(20)에서 나온 냉각수를 적절히 혼합한다.

상기 제어부(미도시)는, 상기 유량계(74)에서 감지된 용수의 유량에 따라 상기 용수의 공급 여부를 판단하고, 상기 제2온도센서(22)에서 감지된 냉각수의 온도에 따라 상기 송풍팬(64), 연료공급밸브(64), 상기 제1댐퍼(34) 및 상기 제2댐퍼(35)의 작동을 제어한다. 또한, 상기 제어부(미도시)는, 상기 제1온도센서(83)에서 감지된 냉각수의 온도에 따라 상기 혼합 제어밸브(80)의 작동을 제어한다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 제1실시예에 따른 작동을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 도 1을 참조하면, 상기 연료전지(10)를 냉각시킨 고온의 냉각수는 상기 제1냉각수 순환유로(11)를 통해 상기 예열기(20)로 유입된다.

상기 예열기(20)에서는 상기 제1냉각수 순환유로(11)를 통해 유입된 고온의 냉각수와 상기 제1,2급수유로(71)(72)를 통해 유입된 저온의 난방./급탕 용수의 열교환이 이루어진다. 상기 예열기(20)에서 상기 고온의 냉각수와 상기 저온의 용수의 열교환이 이루어지면, 상기 냉각수는 상기 용수에 의해 냉각되고, 상기 용수는 상기 고온의 냉각수에 의해 예열될 수 있다. 상기 예열기(20)에서 상기 용수가 예열되기 때문에, 상기 용수를 요구 온도까지 올리는데 필요한 연료 사용량을 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 보다 빠른 시간내에 요구 온도에 도달할 수 있다.

하지만, 난방/급탕 수요처에서 난방 또는 급탕 용수의 요구가 없을 경우, 외부로부터 상기 제1,2급수 유로(70)(71)로의 용수가 급수되지 않는다. 따라서, 상기 유량계(74)에서는 상기 제1,2급수 유로(70)(71)상의 상기 용수의 유동이 없음을 감지하게 된다. 예를 들어, 여름철 등의 경우 상기 용수의 요구가 없게 되면, 외부로부터 용수가 공급되지 않으므로, 상기 유량계(74)에서는 상기 제1,2급수 유로(70)(71)상의 상기 용수의 유동이 없음을 감지하게 된다. 상기 예열기(20)로 용수의 공급이 없으면, 상기 예열기(20)에서는 상기 연료전지(10)에서 나온 냉각수와 상기 용수의 열교환이 이루어지지 않게 되므로, 상기 냉각수의 온도가 높게 측정될 수 있다.

상기 제어부는 상기 제2온도센서(22)에서 감지된 온도가 제1설정온도 이상인지 판단한다. 상기 연료전지(10)로 유입되는 냉각수의 온도는 약 58℃가 적정 온도이고, 상기 연료전지(10)에서 나오는 냉각수의 온도는 약 63℃가 적정 온도이며, 상기 연료전지의 효율 확보를 위해 냉각수의 온도를 유지해주는 것이 매우 중요하다. 따라서, 상기 제1설정온도는 58℃인 것으로 예를 들어 설명한다.

용수의 공급이 없고, 상기 제2온도센서(22)에서 감지된 온도가 상기 제1설정온도 이상이면, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 제어부는 상기 냉각수를 냉각시키기 위한 제어를 수행하게 된다.

상기 제어부는, 상기 송풍팬(31)을 작동시키고, 상기 연료공급밸브(64)는 차단한다. 또한, 상기 제1댐퍼(34)는 개방하고, 상기 제2댐퍼(36)는 차폐한다. 상기 송풍팬(31)이 작동되고, 상기 연료공급밸브(64)가 차단되면, 상기 연소실(32)에 외부 공기만이 유입되고 도시가스는 유입되지 않는다. 유입된 공기는 상기 연소실(32)을 통과한 후, 상기 제1댐퍼(34)를 통해 상기 냉각수 열교환실(33)로 유입된다.

상기 냉각수 열교환실(33)에서는, 상기 연소실(32)을 통해 유입된 공기와 상기 예열기(20)에서 나와 상기 제1바이패스 유로(16)로 바이패스된 냉각수의 열교환이 이루어지게 된다. 상기 바이패스된 냉각수는 상기 공기에 의해 냉각된 후, 상기 제2바이패스 유로(17)를 통해 상기 혼합제어밸브(80)로 유입된다.

상기 제어부는 상기 혼합제어밸브(80)를 제어하여, 상기 제2바이패스 유로(17)의 냉각수 유량과 상기 예열기 토출유로(13)의 냉각수 유량을 적절하게 조절하면서 혼합하게 된다. 상기 제어부는, 상기 혼합제어밸브(80)에서 혼합되어 상기 연료전지(10)로 유입되는 냉각수의 온도가 설정범위에 들도록 상기 혼합제어밸브(80)를 제어한다. 상기 제1온도센서(83)에서 측정된 온도를 미리 설정된 제1설정온도와 비교하여, 상기 혼합제어밸브(80)를 제어한다. 상기 제1설정온도는 상기 제2설정온도와 같은 온도인 58℃로 설정되는 것으로 예를 들어 설명하나, 이에 한정되지 않고, 유로에서의 온도 손실 등을 고려하여 다르게 설정되는 것도 물론 가능하다.

상기 제1온도센서(83)에서 측정된 온도가 상기 제1설정온도보다 높으면, 상기 제어부는 상기 혼합제어밸브(80)를 제어하여, 상기 제2바이패스 유로(17)를 통해 유입되는 냉각수 유량을 늘리고, 상기 예열기 토출유로(13)를 통해 유입되는 냉각수 유량을 줄일 수 있다. 또한, 상기 송풍팬(31)의 속도를 증가시켜, 외부 공기 흡입량을 증가시킴으로써, 상기 냉각수 열교환실(33)에서 냉각되는 냉각수의 온도를 보다 낮출 수도 있다.

상기 제1온도센서(83)에서 측정된 온도가 상기 제1설정온도보다 낮으면, 상기 제어부는 상기 혼합제어밸브(80)를 제어하여, 상기 제2바이패스 유로(17)를 통해 유입되는 냉각수 유량을 줄이고, 상기 예열기 토출유로(13)를 통해 유입되는 냉각수 유량을 늘릴 수 있다. 또한, 상기 송풍팬(31)의 속도를 줄여 외부 공기 흡입량을 감소시켜, 상기 냉각수 열교환실(33)에서 냉각되는 냉각수의 온도를 높일 수도 있다.

한편, 도 2에 도시된 바와 같이, 용수의 공급이 없고, 상기 제2온도센서(22)에서 감지된 온도가 상기 제1설정온도 미만이면, 상기 제어부는 상기 냉각수를 가열시키기 위한 제어를 수행하게 된다.

상기 제어부는, 상기 송풍팬(31)을 작동시키고, 상기 연료공급밸브(64)를 개방한다. 또한, 상기 제1댐퍼(34)는 개방하고, 상기 제2댐퍼(36)는 차폐한다. 상기 송풍팬(31)이 작동되고, 상기 연료공급밸브(64)가 개방되면, 상기 연소실(32)에서는 외부 공기와 도시가스가 혼합된 후 연소되어 고온의 연소가스가 발생된다. 상기 고온의 연소가스는 상기 제1댐퍼(34)를 통해 상기 냉각수 열교환실(33)로 유입된다.

상기 냉각수 열교환실(33)에서는 상기 고온의 연소가스와 상기 예열기(20)에서 나와 상기 제1바이패스 유로(16)로 바이패스된 냉각수의 열교환이 이루어지게 된다. 상기 바이패스된 냉각수는 상기 고온의 연소가스에 의해 가열된 후, 상기 제2바이패스 유로(17)를 통해 상기 혼합제어밸브(80)로 유입된다.

상기 제어부는 상기 혼합제어밸브(80)를 제어하여, 상기 제2바이패스 유로(17)의 냉각수 유량과 상기 예열기 토출유로(13)의 냉각수 유량을 적절하게 조절하면서 혼합하게 된다. 상기 제어부는, 상기 혼합제어밸브(80)에서 혼합되어 상기 연료전지(10)로 유입되는 냉각수의 온도가 설정범위에 들도록 상기 혼합제어밸브(80)를 제어한다.

상기 제1온도센서(83)에서 측정된 온도가 상기 제1설정온도보다 높으면, 상기 제어부는 상기 혼합제어밸브(80)를 제어하여, 상기 제2바이패스 유로(17)를 통해 유입되는 냉각수 유량을 줄이고, 상기 예열기 토출유로(13)를 통해 유입되는 냉각수 유량을 늘릴 수 있다. 또한, 상기 송풍팬(31)의 속도를 증가시켜, 외부 공기 흡입량을 증가시킴으로써, 상기 냉각수 열교환실(33)에서 냉각되는 냉각수의 온도를 보다 낮출 수도 있다.

상기 제1온도센서(83)에서 측정된 온도가 상기 제1설정온도보다 낮으면, 상기 제어부는 상기 혼합제어밸브(80)를 제어하여, 상기 제2바이패스 유로(17)를 통해 유입되는 냉각수 유량을 늘리고, 상기 예열기 토출유로(13)를 통해 유입되는 냉각수 유량을 줄일 수 있다. 또한, 상기 송풍팬(31)의 속도를 줄여 외부 공기 흡입량을 감소시켜, 상기 냉각수 열교환실(33)에서 냉각되는 냉각수의 온도를 높일 수도 있다.

한편, 도 3 및 도 4를 참조하여, 겨울철 등과 같이, 용수가 공급되는 경우의 작동에 대해 설명한다.

난방/급탕 수요처에 난방 또는 급탕 용수의 요구가 있을 경우, 상기 제1,2급수 유로(70)(71)를 통해 용수가 공급되고, 상기 유량계(74)에서 상기 용수의 유동이 감지된다.

용수는 상기 예열기(20)로 공급되고, 상기 예열기(20)에서는 상기 용수와 상기 연료전지(10)에서 나온 냉각수의 열교환이 이루어진다. 상기 연료전지(10)에서 나온 고온의 냉각수는 상기 저온의 용수에 의해 냉각되고, 상기 저온의 용수는 상기 고온의 냉각수에 의해 예열된다. 상기 예열기(20)에서 상기 용수가 예열되기 때문에, 상기 용수를 요구 온도까지 올리기 위한 상기 보일러(30)에서의 일이 줄어들 수 있으므로 연료 절감 효과를 얻을 수 있다. 또한, 상기 연료전지(10)에서 나온 냉각수를 상기 용수를 이용해 냉각시킬 수 있으므로, 별도의 냉각수 냉각장치가 필요하지 않으므로 구조가 간단해지고 비용이 절감될 수 있다.

도 3을 참조하면, 용수의 공급이 있고, 상기 제2온도센서(22)에서 감지된 온도가 상기 제1설정온도 이상이면, 상기 제어부는 상기 송풍팬(31)을 작동시키고, 상기 연료공급밸브(64)를 개방한다. 또한, 상기 제어부는 상기 제1댐퍼(34)는 차폐하고, 상기 제2댐퍼(36)를 개방한다.

상기 송풍팬(31)이 작동되고, 상기 연료공급밸브(64)가 개방되면, 상기 연소실(32)에서는 외부 공기와 도시가스가 혼합된 후 연소되어 고온의 연소가스가 발생된다. 상기 고온의 연소가스는 상기 제2댐퍼(36)를 통해 상기 용수 가열실(35)로 유입된다.

상기 용수 가열실(35)에서는 상기 고온의 연소가스와 상기 제1용수 순환유로(73)로 유입된 용수의 열교환이 이루어진다. 상기 용수는 상기 용수 가열실(35)에서의 열교환에 의해 가열되어, 수요처로 공급된다.

상기 제1댐퍼(34)는 차폐되기 때문에, 상기 고온의 연소가스는 상기 냉각수 열교환실(33)로 유입되지 않는다. 따라서, 고온의 연소가스에 의해 상기 제1바이패스 유로(16)로 바이패스된 냉각수가 가열되지 않는다. 상기 냉각수는 상기 예열기(20)에서 상기 용수와의 열교환으로 인해 냉각된 상태이다.

상기 예열기(20)에서 나온 냉각수는 상기 제1바이패스 유로(16)를 통해 상기 냉각수 열교환실(33)을 거친 후, 상기 제2바이패스 유로(17)를 통해 상기 혼합제어밸브(80)로 유입된다.

상기 제어부는 상기 혼합제어밸브(80)를 제어하여, 상기 제2바이패스 유로(17)의 냉각수 유량과 상기 예열기 토출유로(13)의 냉각수 유량을 적절하게 조절하면서 혼합하게 된다.

상기 제1온도센서(83)에서 측정된 온도가 상기 제1설정온도보다 높으면, 상기 제어부는 상기 혼합제어밸브(80)를 제어하여, 상기 제2바이패스 유로(17)를 통해 유입되는 냉각수 유량을 줄이고, 상기 예열기 토출유로(13)를 통해 유입되는 냉각수 유량을 늘릴 수 있다.

상기 제1온도센서(83)에서 측정된 온도가 상기 제1설정온도보다 낮으면, 상기 제어부는 상기 혼합제어밸브(80)를 제어하여, 상기 제2바이패스 유로(17)를 통해 유입되는 냉각수 유량을 늘리고, 상기 예열기 토출유로(13)를 통해 유입되는 냉각수 유량을 줄일 수 있다.

한편, 도 4를 참조하면, 용수의 공급이 있고, 상기 제2온도센서(22)에서 감지된 온도가 상기 제1설정온도 미만인 경우에 대해 설명한다.

상기 제어부는 상기 송풍팬(31)을 작동시키고, 상기 연료공급밸브(64)는 개방한다. 또한, 상기 제어부는 상기 제1댐퍼(34)와 상기 제2댐퍼(36)를 모두 개방한다.

상기 송풍팬(31)이 작동되고, 상기 연료공급밸브(64)가 개방되면, 상기 연소실(32)에서는 외부 공기와 도시가스가 혼합된 후 연소되어 고온의 연소가스가 발생된다. 상기 고온의 연소가스 중 일부는, 상기 제1댐퍼(34)를 통해 상기 냉각수 열교환실(33)로 유입되고, 나머지는 상기 제2댐퍼(36)를 통해 상기 용수 가열실(35)로 유입된다.

상기 냉각수 열교환실(33)에서는 상기 고온의 연소가스와 상기 제1바이패스 유로(16)로 바이패스된 냉각수의 열교환이 이루어진다. 상기 바이패스된 냉각수는 상기 고온의 연소가스에 의해 가열된 후, 상기 제2바이패스 유로(17)를 통해 상기 혼합제어밸브(80)로 유입된다.

도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 코제너레이션 시스템에서 용수가 공급되고, 예열기에서 나온 냉각수의 온도가 설정 온도 이상인 경우가 도시된 도면이다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 코제너레이션 시스템은, 외부 공기(90)를 흡입하는 공기 흡입부(100)가 공기 공급유로(101)와 공기 바이패스 유로(102)로 분기되는 것이 상기 제1실시예와 상이하며, 상이한 점을 중심으로 설명하고 유사 구성 및 작용에 대해서는 상세한 설명을 생략한다.

상기 공기 공급유로(101)는 외부 공기를 보일러(30)로 직접 공급하도록 형성되고, 상기 공기 바이패스 유로(102)는 상기 공기 흡입 유로(101)에서 분기되어 흡입된 공기를 상기 냉각수 열교환실(33)로 바이패스시키도록 형성된다.

상기 공기 공급유로(101)와 상기 공기 바이패스 유로(102)에는 각각 제1,2송풍팬(31)(110)이 설치되는 것도 가능하고, 분기되기 이전 위치에 하나의 송풍팬만이 설치되는 것도 물론 가능하다. 본 실시예에서는, 상기 공기 공급유로(101)에서 상기 연소실(32)의 입구측에 상기 제1송풍팬(31)이 설치되고, 상기 공기 바이패스 유로(102)에서 상기 냉각수 열교환실(33)의 입구(112)측에 상기 제2송풍팬(110)이 설치된 것으로 예를 들어 설명한다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 제 2실시예에 따른 연료전지 코제너레이션 시스템에서는, 용수의 공급이 있고, 상기 제2온도센서(22)에서 감지된 온도가 제1설정온도 이상이면, 상기 제어부는 상기 제1,2송풍팬(31)(110)을 작동시키고, 상기 연료공급밸브(64)를 개방한다. 또한, 상기 제어부는 상기 제 1댐퍼(34)는 차폐하고, 상기 제2댐퍼(36)를 개방한다.

상기 냉각수 열교환실(33)에는 상기 제 2송풍팬(110)에 의해 외부 공기가 흡입되고, 흡입된 외부 공기와 상기 제1바이패스 유로(16)를 통해 바이패스된 냉각수의 열교환이 이루어진다. 상기 바이패스된 고온의 냉각수는 외부 공기에 의해 냉각될 수 있다.

상기 연료전지(10)에서 나온 냉각수가 상기 예열기(20)를 통과하면서 용수와의 열교환에 의해 1차 냉각되고, 상기 냉각수 열교환실(33)에서는 외부 공기와의 열교환에 의해 2차 냉각됨으로써, 냉각수의 냉각 효율이 높아질 수 있다.

또한, 상기 보일러(30)의 연소실(32)에서 용수 가열을 위한 연소가 이루어지는 동안에도, 상기 공기 바이패스 유로(102)를 통해 상기 냉각수 열교환실(33)로 외부 공기를 직접 흡입하여 냉각수를 냉각시킬 수 있는 이점이 있다.

한편, 상기 용수의 공급이 없는 경우에는, 상기 공기 바이패스 유로(102)와 제2송풍팬(110)을 사용하지 않고, 상기 제1실시예와 같이 상기 연소실(32)을 통해 유입되는 외부 공기를 상기 냉각수 열교환실(30)로 보내는 것도 물론 가능하다.

또한, 상기 용수의 공급이 있고, 상기 제2온도센서(22)에서 감지된 온도가 상기 제1설정온도 미만이면, 상기 제2송풍팬(110)의 작동을 중지하고, 상기 제1댐퍼(34)를 개방하여, 상기 연소실(32)에서 나온 고온의 연소가스를 상기 냉각수 열교환실(33)로 공급할 수 있다.

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.

10: 연료전지 15: 바이패스 유로
20: 예열기 22: 제2온도센서
30: 보일러 32: 연소실
33: 냉각수 열교환실 34: 제1댐퍼
35: 용수 가열실 36: 제2댐퍼
64: 연료공급밸브 72: 용수 순환유로
74: 유량계 80: 혼합제어밸브
83: 제1온도센서

Claims

연료전지와;
상기 연료전지를 냉각시킨 고온의 냉각수와 난방 또는 급탕을 위한 용수를 열교환시켜 상기 용수를 예열시키는 예열기와;
상기 연료전지를 냉각시킨 고온의 냉각수를 냉각 또는 가열하거나 상기 예열기에서 예열된 상기 용수를 가열하는 보일러와;
상기 예열기에서 나온 냉각수 중 일부를 상기 보일러로 바이패스하는 바이패스 유로와;
상기 보일러에서 나온 냉각수 유량과 상기 예열기에서 나온 냉각수 유량을 제어하여 혼합하는 혼합 제어밸브와;
상기 용수의 공급 여부와 상기 예열기에서 나온 냉각수의 온도에 따라 상기 보일러의 작동을 제어하여 상기 보일러에서 상기 바이패스된 냉각수를 가열 또는 냉각시키고, 상기 연료전지로 유입되는 냉각수의 온도가 설정 온도 범위내에 들도록 상기 혼합 제어밸브의 작동을 제어하는 제어부를 포함하는 보일러를 활용한 연료전지 코제너레이션 시스템.
청구항 1에 있어서,
외부로부터 상기 예열기로 상기 용수를 공급하는 급수 유로와,
상기 급수 유로에 설치되어 급수되는 상기 용수의 유량의 흐름을 감지하기 위한 유량 감지 센서를 더 포함하고,
상기 제어부는 상기 유량 감지 센서에서 감지된 유량에 따라 상기 용수 공급 여부를 판단하고 상기 보일러의 작동을 제어하는 보일러를 활용한 연료전지 코제너레이션 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 보일러는,
외부 공기를 흡입하는 송풍팬과 외부로부터 연료를 공급하는 연료 공급부가 연결되어, 공급된 공기와 연료를 혼합하여 연소하는 연소실과,
상기 연소실에서 나온 공기 또는 연소가스와 상기 바이패스 유로로 바이패스된 냉각수를 열교환시키는 냉각수 열교환실과,
상기 연소실에서 나온 연소가스와 상기 예열기에서 나온 용수를 열교환시키는 용수 가열실을 포함하고,
상기 제어부는 상기 용수의 공급 여부와 상기 예열기에서 나온 냉각수의 온도에 따라 상기 송풍팬과 상기 연료 공급부의 작동을 제어하여, 상기 연소실내의 연소가스 또는 공기를 상기 냉각수 열교환실과 상기 용수 가열실 중 적어도 하나에 공급하는 보일러를 활용한 연료전지 코제너레이션 시스템.
청구항 3에 있어서,
상기 보일러는, 상기 냉각수 열교환실을 개폐하는 제1댐퍼와, 상기 용수 가열실을 개폐하는 제2댐퍼를 더 포함하고,
상기 제어부는 상기 용수의 공급 유량과 상기 예열기에서 나온 냉각수의 온도에 따라 상기 제1댐퍼와 상기 제2댐퍼의 작동을 제어하는 보일러를 활용한 연료전지 코제너레이션 시스템.
청구항 3에 있어서,
상기 용수의 공급이 없고, 상기 예열기에서 나온 냉각수의 온도가 제1설정 온도 이상이면,
상기 제어부는, 상기 송풍팬은 작동시키고 상기 연료 공급부는 차단하여, 상기 연소실로 흡입된 공기를 상기 냉각수 열교환실로 공급하여, 상기 공기와 상기 냉각수 열교환실을 통과하는 냉각수를 열교환시켜 상기 냉각수를 냉각하는 보일러를 활용한 연료전지 코제너레이션 시스템.
청구항 3에 있어서,
상기 용수의 공급이 없고, 상기 예열기에서 나온 냉각수의 온도가 제1설정 온도 미만이면,
상기 제어부는 상기 송풍팬을 작동시키고 상기 연료 공급부를 개방하여, 상기 연소실에서 공기와 연료가 혼합되어 연소된 연소가스를 상기 냉각수 열교환실로 공급하여, 상기 연소가스와 상기 냉각수 열교환실을 통과하는 냉각수를 열교환시켜 상기 냉각수를 가열하는 보일러를 활용한 연료전지 코제너레이션 시스템.
청구항 3에 있어서,
상기 용수의 공급이 있고, 상기 예열기에서 나온 냉각수의 온도가 제1설정 온도 이상이면,
상기 제어부는 상기 송풍팬을 작동시키고 상기 연료 공급부를 개방하여, 상기 연소실에서 공기와 연료가 혼합되어 연소된 연소가스를 상기 난방/급탕용수 가열실로 공급하여, 상기 연소가스를 이용해 상기 난방/급탕용수를 가열하는 보일러를 활용한 연료전지 코제너레이션 시스템.
청구항 3에 있어서,
외부 공기를 상기 보일러로 흡입하는 공기 공급 유로와,
상기 공기 공급 유로에서 분기되어 흡입된 공기를 상기 냉각수 열교환실로 바이패스시키는 공기 바이패스 유로를 더 포함하고,
상기 제어부는, 상기 용수의 공급이 있고, 상기 예열기에서 나온 냉각수의 온도가 제1설정 온도 이상이면,
상기 공기 바이패스 유로를 개방하여, 외부로부터 흡입된 공기와 상기 냉각수 열교환실을 통과하는 냉각수와 열교환시켜 상기 냉각수를 냉각하는 보일러를 활용한 연료전지 코제너레이션 시스템.
청구항 3에 있어서,
상기 용수의 공급이 있고, 상기 예열기에서 나온 냉각수의 온도가 제1설정 온도 미만이면,
상기 제어부는 상기 송풍팬을 작동시키고 상기 연료 공급부를 개방하여, 상기 연소실에서 공기와 연료가 혼합되어 연소된 연소가스를 상기 냉각수 열교환실과 상기 난방/급탕용수 가열실로 공급하여, 상기 연소가스를 이용해 상기 냉각수 열교환실을 통과하는 냉각수와 상기 난방/급탕용수 가열실을 통과하는 난방/급탕용수를 가열하는 보일러를 활용한 연료전지 코제너레이션 시스템.
청구항 3에 있어서,
상기 연료 공급부는, 외부로부터 연료를 상기 보일러로 공급하는 보일러 연료공급 유로와, 상기 보일러 공급 유로를 개폐하는 연료 공급 밸브를 포함하고,
상기 연료전지에는 상기 보일러 연료공급 유로에서 분기되어 상기 연료를 상기 연료전지로 공급하는 연료전지 연료공급 유로가 연결된 보일러를 활용한 연료전지 코제너레이션 시스템.
연료전지와;
상기 연료전지를 냉각시킨 고온의 냉각수와 난방 또는 급탕을 위한 용수를 열교환시켜 상기 용수를 예열시키는 예열기와;
상기 연료전지를 냉각시킨 고온의 냉각수를 냉각 또는 가열하거나 상기 예열기에서 예열된 상기 용수를 가열하는 보일러와;
상기 예열기에서 나온 냉각수 중 일부를 상기 보일러로 바이패스하여 열교환시키는 바이패스 유로와;
상기 보일러에서 나온 냉각수 유량과 상기 예열기에서 나온 냉각수 유량을 제어하여 혼합하는 혼합 제어밸브와;
상기 예열기로 상기 용수를 공급하는 급수 유로와;
상기 급수 유로에 설치되어 상기 용수의 유량을 측정하는 유량 감지 센서와;
상기 보일러로 도시가스를 공급하는 보일러 연료공급 유로와;
상기 보일러 공급 유로에서 분기되어 상기 연료전지로 도시가스를 공급하는 연료전지 연료공급 유로와;
상기 용수의 공급 여부와 상기 예열기에서 나온 냉각수의 온도에 따라 상기 보일러의 작동을 제어하여 상기 보일러에서 상기 바이패스된 냉각수를 가열 또는 냉각시키고, 상기 연료전지로 유입되는 냉각수의 온도가 설정 온도 범위내에 들도록 상기 혼합 제어밸브의 작동을 제어하는 제어부를 포함하는 보일러를 활용한 연료전지 코제너레이션 시스템.