KR102128663B1 - 연료전지 배출가스를 이용한 열전달매체 순환장치 및 이를 포함하는 발전 시스템 - Google Patents

연료전지 배출가스를 이용한 열전달매체 순환장치 및 이를 포함하는 발전 시스템 Download PDF

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Abstract

열전달매체의 온도변화에 따른 부피증감으로 인한 배관손상을 방지할 수 있는 본 발명의 일 측면에 따른 발전시스템은, 전기화학적 반응으로 전력을 생산하는 연료전지 스택; 상기 연료전지 스택에서 전력 생산시 발생되는 배출가스와 열전달매체를 열교환시켜 상기 열전달매체의 온도를 증가시키는 열회수유닛; 작동유체를 상기 온도가 증가된 열전달매체와 열교환시켜 상기 작동유체를 기화시키고, 상기 기화된 작동유체를 이용하여 전기 에너지를 생성하는 발전싸이클; 및 상기 열회수유닛에서 상기 발전싸이클로 상기 온도가 증가된 열전달매체를 공급하고, 상기 발전싸이클에서 온도가 감소된 열전달매체를 회수하여 상기 열회수유닛으로 공급하는 열전달매체 순환환장치를 포함하고, 상기 열전달매체 순환장치는, 상기 열전달매체 순환장치 내에서 상기 열전달매체의 온도변화에 따라 상기 열전달매체의 부피가 변경되면 상기 열전달매체 순환장치의 압력이 기준압력으로 유지되도록 상기 열전달매체의 유량을 변경시키는 유량조절부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

연료전지 배출가스를 이용한 열전달매체 순환장치 및 이를 포함하는 발전 시스템{Apparatus for Circulating Heat Transfer Medium Using Exhaust Gas of Fuel Cell and Power Generation System Including That Apparatus}
본 발명은 발전시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 발전시스템의 작동유체에 열을 전달하는 열전달매체에 관한 것이다.
유기랭킨사이클(Organic Rankine Cycle: ORC) 발전시스템(이하, 'ORC 발전시스템'이라 함)은 외부의 열원에서 발생하는 열에너지를 통하여 작동유체를 기화시키거나 열에너지를 공급하여 터빈을 통하여 팽창시킴으로써 발전하는 시스템이다.
일반적으로, ORC 발전시스템은 유기매체를 작동유체로 사용하여 비교적 저온의 온도 범위(60 ~ 200℃)의 열원을 회수하여 에너지를 생산한다. 최근 연료전지의 폐열을 이용하여 작동유체를 열교환시키는 ORC 발전시스템이 제안된 바 있다. 이와 같은 ORC 발전시스템을 도 1을 참조하여 설명한다.
도 1은 ORC 발전시스템(100)의 구성을 보여주는 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이 ORC 발전시스템(100)은 연료전지 스택(10), 열회수기(14), 및 유기랭킨사이클(20)을 포함하고, 유기랭킨사이클(20)은 증발기(22), 터빈 발전기(24), 응축기(26), 이송펌프(28)를 포함한다.
연료전지 스택(10)은 전기에너지를 생성한다. 연료전지 스택(210)에 의한 전기에너지의 생성과정에서 열에너지가 발생한다.
열회수기(14)는 연료전지 스택(10)에서 전기에너지 생성시 배출되는 배출가스의 열을 회수하고, 회수된 열로 열전달매체를 가열한다. 이때, 열전달매체는 이송펌프(32)에 의해 유기랭킨사이클(20)에서 열회수기(14)로 공급된다.
유기랭킨사이클(20)의 증발기(Vaporizer)(22)는 증발기(22)로 공급되는 작동유체를 열회수기(14)에서 가열된 열전달매체를 이용하여 기체로 기화시킨다. 터빈 발전기(24)는 증발기(22)를 통해 공급되는 작동유체에 의해 회전하고 이때 증기터빈 축과 연결되어 있는 발전기의 축이 함께 회전을 하면서 발전기에서 전기를 발생한다. 응축기(26)는 터빈을 회전시키고 나온 작동유체를 액체상태로 응축시킨 후 이송펌프(28)를 통해 다시 증발기(14)로 공급함으로써 작동유체를 순환시킨다.
하지만, 도 1에 도시된 바와 같은 ORC 발전시스템(100)에서 오일이 열전달매체로 이용되는 경우 오일은 온도변화에 따라서 부피가 변화게 되는데, 특히 열전달매체의 부피가 팽창하게 되면 열전달매체가 순환되는 배관의 관내압력이 증가됨으로 인해 배관에 손상을 주게 될 뿐만 아니라, 운전제어가 불안정해진다는 문제점이 있다.
한국공개특허 제10-2013-0009268호(발명의 명칭: 연료전지를 이용한 유기랭킨 사이클 발전시스템, 공개일: 2013년 01월 23일)
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 열전달매체의 온도변화에 따른 부피증감으로 인한 배관손상을 방지할 수 있는 연료전지 배출가스를 이용한 열전달매체 순환장치 및 이를 포함하는 발전 시스템을 제공하는 것을 그 기술적 과제로 한다.
또한, 본 발명은 열전달매체의 온도를 능동적으로 조절할 수 있는 연료전지 배출가스를 이용한 열전달매체 순환장치 및 이를 포함하는 발전 시스템을 제공하는 것을 다른 기술적 과제로 한다.
또한, 본 발명은 열원으로 동작하는 복수개의 열회수유닛이 병렬로 연결된 연료전지 배출가스를 이용한 열전달매체 순환장치 및 이를 포함하는 발전 시스템을 제공하는 것을 또 다른 기술적 과제로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 발전시스템은, 전기화학적 반응으로 전력을 생산하는 연료전지 스택; 상기 연료전지 스택에서 전력 생산시 발생되는 배출가스와 열전달매체를 열교환시켜 상기 열전달매체의 온도를 증가시키는 열회수유닛; 작동유체를 상기 온도가 증가된 열전달매체와 열교환시켜 상기 작동유체를 기화시키고, 상기 기화된 작동유체를 이용하여 전기 에너지를 생성하는 발전싸이클; 및 상기 열회수유닛에서 상기 발전싸이클로 상기 온도가 증가된 열전달매체를 공급하고, 상기 발전싸이클에서 온도가 감소된 열전달매체를 회수하여 상기 열회수유닛으로 공급하는 열전달매체 순환환장치를 포함하고, 상기 열전달매체 순환장치는, 상기 열전달매체 순환장치 내에서 상기 열전달매체의 온도변화에 따라 상기 열전달매체의 부피가 변경되면 상기 열전달매체 순환장치의 압력이 기준압력으로 유지되도록 상기 열전달매체의 유량을 변경시키는 유량조절부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 연료전지 배출가스를 이용한 열전달매체 순환장치는 연료전지 스택의 배출가스와 열교환되어 온도가 증가된 열전달매체를 열회수유닛에서 발전싸이클로 공급하고, 상기 발전싸이클의 작동유체와 열교환되어 온도가 감소된 열전달매체를 상기 발전싸이클로부터 상기 열회수유닛으로 공급하는 열전달매체 순환부; 및 상기 열전달매체 순환부 내에서 상기 열전달매체의 온도변화에 따라 상기 열전달매체의 부피가 변경되면 상기 열전달매체 순환부의 압력이 기준압력으로 유지되도록 상기 열전달매체의 유량을 변경시키는 유량조절부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면 열전달매체의 온도증가에 따라 열전달매체의 부피가 팽창하면 열전달매체 중 적어도 일부를 팽창탱크로 추출하고, 열전달매체의 온도감소에 따라 열전달매체의 부피가 수축되면 팽창탱크 내의 열전달매체를 열전달매체 순환장치로 보충함으로써 열전달매체의 부피변화가 열전달매체 순환장치에 미치는 영향을 완화시켜 설비를 보호함과 동시에 발전시스템을 안정적으로 제어할 수 있다는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면 열회수유닛에서 발전싸이클로 공급되는 열전달매체를 제1 바이패스배관을 통해 바이패스시켜 열회수유닛으로 공급함으로써 열전달매체의 온도를 빠른 시간 안에 능동적으로 증가시킴으로써 발전싸이클의 작동유체의 온도를 빠른 시간 안에 증가시킬 수 있다는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면 회수부를 통해 열전달매체를 열회수유닛으로 공급시 제2 바이패스 배관을 통해 적어도 일부의 열전달매체를 공급부 측으로 분기시킴으로써 열전달매체의 온도를 빠른 시간 내에 능동적으로 감소시 킴으로써 발전싸이클의 작동유체의 온도를 빠른 시간 안에 감소시킬 수 있다는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면 복수개의 연료전지 스택과 1:1로 연결된 복수개의 열회수유닛을 열전달매체 순환장치에 병렬 연결함으로써 배출가스 흐름에 대한 저항은 물론, 배출가스로 인해 연료전지 스택이 받는 영향을 최소화할 수 있다는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 ORC 발전시스템의 구성을 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 배출가스를 이용한 열전달매체 순환장치를 포함하는 발전시스템의 구성을 개략적으로 보여주는 블록도이다.
도 3은 도 2에 도시된 유량조절부의 구성을 보여주는 블록도이다.
도 4는은 도 2에 도시된 발전시스템 구현 예를 보여주는 도면이다.
도 5a 내지 도 5e는 열전달매체 순환장치의 밸브개폐 상태에 따른 열전달매체의 흐름을 보여주는 도면이다.
도 6은 복수개의 연료전지스택 및 복수개의 열회수유닛을 포함하는 발전시스템의 구성을 보여주는 도면이다.
이하, 첨부되는 도면을 참고하여 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명한다.
본 명세서에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 정의하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다.
"포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
"적어도 하나"의 용어는 하나 이상의 관련 항목으로부터 제시 가능한 모든 조합을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, "제1 항목, 제2 항목 및 제 3항목 중에서 적어도 하나"의 의미는 제1 항목, 제2 항목 또는 제3 항목 각각 뿐만 아니라 제1 항목, 제2 항목 및 제3 항목 중에서 2개 이상으로부터 제시될 수 있는 모든 항목의 조합을 의미한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 배출가스를 이용한 열전달매체 순환장치를 포함하는 발전시스템의 구성을 개략적으로 보여주는 블록도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 연료전지 배출가스를 이용한 열전달매체 순환장치를 포함하는 발전시스템(이하, '발전시스템'이라 함, 200)은 연료전지 스택(210), 열회수유닛(220), 열전달매체 순환장치(230), 및 발전싸이클(240)을 포함한다.
연료전지 스택(210)은 전기화학적 반응으로 전력을 생산한다. 구체적으로, 연료전지 스택(210)은 수소와 산소 같은 기체의 산화 및 환원반응으로 인해 발생된 전자들의 이동으로 전력을 생성한다. 연료전지 스택(210)에 의한 전력 생성과정에서 약 350~400℃에 해당하는 고온의 배출가스가 발생된다.
열회수유닛(220)는 연료전지 스택(210)에서 발생된 고온의 배출가스를 열전달매체와 열교환시켜 열전달매체의 온도를 증가시킨다. 구체적으로 열회수유닛(220)은 연료전지 스택(210)에서 배출되는 약 350~400℃에 해당하는 고온의 배출가스의 열을 약 60~150℃의 온도로 유입되는 열전달매체에 전달함으로써 열전달매체가 약 210~320℃의 온도와 4~7bar의 압력이 되도록 한다. 열회수유닛(220)은 열전달매체로 열을 전달하고 약 100~180℃의 온도가 된 배출가스를 배출한다.
일 실시예에 있어서, 열회수유닛(220)은 연료전지 스택(210)의 출구와 연통된 배기덕트(미도시)에 설치될 수 있다. 이에 따라, 열회수유닛(220)은 배기덕트를 통해 배출되는 연료전지 스택(220)의 고온의 배출가스를 회수하고, 회수된 배출가스의 열로 열전달매체를 가열한다.
열전달매체 순환장치(230)는 열회수유닛(220)에서 약 210~320℃의 온도와 4~7bar의 압력으로 공급되는 열전달매체를 발전싸이클(240)로 전달한다. 또한, 열전달매체 순환장치(230)는 발전싸이클(240)에서 작동유체와의 열교환을 통해 온도가 감소된 열전달매체를 회수하여 열회수유닛(220)으로 공급한다. 이러한 열전달매체 순환장치(230)를 통해 열전달매체가 순환하게 된다.
특히, 본 발명에 따른 열전달매체 순환장치(230)는 열의 흡수 또는 방출로 인해 열전달매체의 온도변화 및 부피변화가 발생하는 경우 열전달매체의 부피변화를 흡수한다.
이를 위해, 본 발명에 따른 열전달매체 순환장치(230)는 도 2에 도시된 바와 같이 열전달매체 순환부(212) 및 유량조절부(214)를 포함한다. 또한, 본 발명에 따른 열전달매체 순환장치(230)는 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 바이패스부(216) 및 제2 바이패스부(218)를 더 포함할 수 있다.
먼저, 열전달매체 순환부(212)는 공급부(310) 및 회수부(320)를 포함한다. 공급부(310)는 열회수유닛(220)과 발전싸이클(240) 사이를 연결하고, 열회수유닛(220)으로부터 연료전지 스택(210)의 배출가스와 열교환되어 온도가 증가된 열전달매체를 공급받아 발전싸이클(240)로 공급한다.
회수부(320)는 발전싸이클(240)과 열회수유닛(220) 사이를 연결하고, 발전싸이클(240)의 작동유체와 열교환되어 온도가 감소된 열전달매체를 발전싸이클(240)로부터 회수하여 열회수유닛(220)으로 공급함으로써 열전달매체를 순환시킨다.
일 실시예에 있어서, 공급부(310) 및 회수부(320)는 도 4에 도시된 바와 같이 배관형태로 형성될 수 있다.
특히, 도 4에 도시된 바와 같이, 회수부(320)는 열전달매체를 순환시키기 위한 제1 펌프(P1), 제1 순환밸브(322), 및 제2 순환밸브(324)를 포함한다. 제1 펌프(P1)는 회수부(320)를 통해 흐르는 열전달매체를 펌핑하여 열회수유닛(220)으로 공급함으로써 열전달매체가 순환될 수 있도록 한다. 제1 순환밸브(322) 및 제2 순환밸브(324)는 시스템(200)의 정상운전시 개방되어 열전달매체가 열전달매체 순환장치(230) 내에서 순환될 수 있도록 한다.
다시 도 2를 참조하면, 유량조절부(214)는 열전달매체 순환부(212) 내에서 열전달매체의 온도변화에 따라 열전달매체의 부피가 변경되면 열전달매체 순환부(212)의 압력이 기준압력으로 유지되도록 열전달매체의 유량을 변경시킨다.
본 발명에서 유량조절부(214)를 포함하는 이유는 열전달매체가 오일로 구현되는 경우 오일은 온도변화에 따라서 부피가 변화게 되는데, 오일의 온도 변화는 오일의 밀도를 변화하게 함으로써 결과적으로 오일의 부피가 팽창 또는 수축하게 되고, 이로 인해 오일이 순환되는 열전달매체 순환부(212)의 배관압력이 변하게 되어 설비에 손상을 줄 수 있을 뿐만 아니라, 운전제어가 불안정해질 수 있기 때문이다.
따라서, 본 발명에 따른 열전달매체 순환장치(230)는 유량조절부(214)를 통해 열전달매체의 온도 변화에 따른 부피변화를 흡수한다. 이하, 본 발명에 따른 유량조절부(214)의 구성을 도 3을 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 유량조절부의 구성을 개략적으로 보여주는 블록도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 유량조절부(214)는 팽창탱크(330), 제1 유량조절부(340), 제2 유량조절부(350)를 포함한다. 또한, 본 발명에 따른 유량조절부(214)는 질소주입부(360), 저장탱크(370), 및 수위조절부(380)를 더 포함할 수 있다.
팽창탱크(330)는 열전달매체의 부피변화시 열전달매체 순환부(212)에서 추출되거나 열전달매체 순환부(212)로 공급될 열전달매체가 저장된다. 즉, 본 발명에서는 열전달매체의 온도가 상승함으로 인해 열전달매체의 부피가 증가하게 되면 열전달매체 순환부(212)로부터 적어도 일부의 열절달매체가 추출되어 팽창탱크(330)에 저장된다.
반대로, 본 발명에서는 열전달매체의 온도가 감소함으로 인해 열전달매체의 부피가 감소하게 되면 팽창탱크(330)에 저장되어 있는 열전달매체의 적어도 일부가 열전달매체 순환부(212)로 보충된다.
일 실시예에 있어서, 팽창탱크(330)는 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 펌프(P1)에 배압을 제공하기 위해 제1 펌프(P1)의 전단에 위치할 수 있다.
제1 유량조절부(340)는 열전달매체의 부피 증가시 열전달매체 순환부(212)로부터 열전달매체 중 적어도 일부를 추출하여 팽창탱크(330)로 공급하고, 열전달매체의 부피 감소시 팽창챙크(330)에 저장된 열전달매체를 열전달매체 순환부(212)로 공급한다. 이를 위해, 제1` 유량조절부(340)는 도 4에 도시된 바와 같이 제1 연결배관(410) 및 제1 유량조절밸브(420)를 포함한다.
제1 연결배관(410)은 도 4에 도시된 바와 같이, 회수부(320)의 제1 지점(T1)에서 분기되어 팽창탱크(330)에 연결된다. 열전달매체의 부피증가시 회수부(320)에서 추출된 열전달매체가 제1 연결배관(410)을 통해 팽창탱크(330)로 공급되고, 열전달매체의 부피 감소시 팽창챙크(330)에 저장된 열전달매체가 제1 연결배관(410)을 통해 열전달매체 순환부(212)로 공급된다.
제1 유량조절밸브(420)는 열전달매체의 부피 증가시 제1 연결배관(410)을 통해 회수부(320)에서 팽창탱크(330)로 열전달매체가 공급되게 하고 열전달매체의 부피 감소시 제1 연결배관(410)을 통해 팽차탱크(330)에서 회수부(320)로 열전달매체가 공급되게 한다. 구체적으로, 열전달매체의 부피 증가 또는 부피 감소이전에는 회수부(320)와 팽창탱크(330)의 압력이 기준압력으로 평형(Equilibrium)상태이지만 열전달매체의 부피가 증가하거나 감소하게 되면 회수부(320)와 팽창탱크(330)의 압력이 상이해지게 되므로 제1 유량조절밸브(420)를 통해 열전달매체가 회수부(320)에서 팽창탱크(330)측으로 이동하거나 팽창탱크(330)에서 회수부(320)측으로 이동하게 된다.
이후, 회수부(320)와 팽창탱크(330) 사이에서 열전달매체의 이동을 통해 회수부(320)와 팽창탱크(330)의 압력이 다시 평형(Equilibrium)상태가 되면 회수부(320)와 팽창탱크(330) 사이에서 열전달매체의 이동이 중지된다.
예컨대, 발전시스템(200)의 초기 가동시(Startup) 열전달매체는 상온인 25℃ 상태이지만 예열과정을 통해 최종적으로 210~320 ℃까지 온도가 상승하게 된다. 이에 따라, 제1 펌프(P1)의 전단에서 열전달매체는 대략적으로 25℃에서 320℃까지의 온도변화를 겪게 되면서 밀도가 감소하고 부피가 팽창하게 된다. 이에 따라, 제1 펌프(P1)의 전단에 불안정한 압력이 가해지게 되어 열전달매체의 유량 및 압력제어가 불안정해지게 되고, 열전달매체 순환장치(230) 내에 필요 이상의 압력이 부여되어 설비에 손상을 줄 수 있게 된다. 이러한 경우, 본 발명은 제1 유량조절밸브(420)를 통해 회수부(320)의 열전달매체를 팽창탱크(330)에 공급하여 팽창탱크(330)가 열전달매체의 온도증가에 따른 부피변화를 흡수하도록 한다.
다른 예로, 시스템(200)의 운전정지시(Shutdown) 연료전지 스택(210)에서 공급되는 배출가스의 양을 줄임으로써 열전달매체의 온도를 감소시키게 되는데, 이러한 경우 초기 가동과 유사하게 제1 펌프(P1)의 전단에서 열전달매체의 온도는 320℃에서 25℃까지 변화할 수 있으며, 이로 인해 열전달매체의 밀도증가 및 부피감소가 발생하게 됨으로써 열전달매체 순환장치(230) 내 수축이 발생하게 되며, 열전달매체의 부피가 팽창하는 경우와 유사하게 제1 펌프(P1)의 제어가 불안정해지게 됨으로 인해 제1 펌프(P1)의 전단에 압력부족 또는 기포가 생길 수 있게 된다. 이러한 경우, 본 발명은 제1 유량조절밸브(420)를 통해 팽창탱크(330)에 저장된 열전달매체를 회수부(320)로 보충하여 팽창탱크(330)가 열전달매체의 온도감소에 따른 부피수축을 흡수하도록 한다.
한편, 제1 유량조절밸브(420)는 시스템(200)의 유지보수시에는 클로즈됨으로써 팽창탱크(330) 내에 저장된 열전달매체가 제1 연결배관(410)을 통해 회수부(320)로 공급되는 것이 차단될 수 있도록 한다. 시스템(200)의 유지보수가 완료된 이후 시스템(200)이 재기동되면 제1 유량조절밸브(420)는 다시 개방되어 회수부(320)와 팽창탱크(330) 사이에서 열전달매체가 이동되게 함으로써 열전달매체의 온도변화에 따른 부피증가 또는 부피감소가 완화할 수 있도록 한다.
제2 유량조절부(350)는 시스템(200)의 유지보수시 열전달매체 순환부(212) 내의 열전달매체를 팽창팽크(330)로 이동시킨다. 이를 위해, 제2` 유량조절부(350)는 도 4에 도시된 바와 같이 제2 연결배관(430) 및 제2 유량조절밸브(440)를 포함한다.
제2 연결배관(430)은 도 4에 도시된 바와 같이, 회수부(320)의 제2 지점(T2)에서 분기되어 팽창탱크(330)에 연결된다. 시스템(200)의 유지보수시 열전달매체 순환부(212) 내의 열전달매체가 제2 연결배관(430)을 통해 팽창탱크(330)로 이동하게 된다.
제2 유량조절밸브(440)는 시스템(200)의 기동시에는 클로즈상태로 유지되고 시스템(200)의 유지보수시 개방됨으로써 열전달매체 순환부(212) 내의 열전달매체가 제2 연결배관(430)을 통해 팽창탱크(330)로 이동될 수 있도록 한다. 시스템(200)의 유지보수가 완료되면 제2 유량조절밸브(440)는 다시 클로즈되어 열전달매체 순환부(212) 내의 열전달매체가 팽창탱크(330)로 이동되지 않도록 한다.
한편, 본 발명에 따른 유량조절부(214)는 질소주입부(360)를 더 포함할 수 있다. 질소주입부(360)는 팽창탱크(330)의 압력이 평형상태의 압력인 기준압력으로 유지될 수 있도록 팽창탱크(330)에서 열전달매체가 채워진 공간을 제외한 공간에 질소를 주입한다. 또한, 질소주입부(360)는 팽창탱크(330)로 열전달매체가 공급되는 경우 팽창탱크(330)가 평형상태의 압력인 기준압력으로 유지될 수 있도록 팽창탱크(330)에서 질소를 배출시킬 수도 있다.
이와 같이, 본 발명에서는 질소주입부(360)를 통해 팽창탱크(330) 내로 질소를 주입함으로써 팽창탱크(330)가 기준압력(예컨대, 양압: Positive Pressure) 상태로 유지될 수 있도록 하고, 이를 통해 제1 펌프(P1)의 전단에 일정한 배압(Back Pressure)을 제공할 수 있게 된다. 또한, 질소주입부(360)를 통해 팽창탱크(330)내로 주입되는 질소로 인해 통해 팽창탱크(330)에 보관중인 열전달매체가 대기와 분리되도록 하여 산소와 열전달매체의 접촉으로 인해 열전달매체가 산화되는 것을 방지함으로써 열전달매체의 사용수명을 연장시킬 수 있게 된다.
한편, 유량조절부(214)는 저장탱크(370)를 더 포함할 수 있다. 저장탱크(370)는 팽창탱크(330)와 배관(도 4의 450)을 통해 연결되어 팽창탱크(330)에서 추출된 열전달매체를 저장하거나 팽창탱크(330) 내에 열전달매체를 보충시킨다.
일 실시예에 있어서, 저장탱크(370)는 팽창탱크(330)의 수위가 미리 정해진 상한치를 초과하는 경우 팽창탱크(330)의 수위가 상한치 이하가 되도록 팽창탱크(330)로부터 열전달매체 중 일부를 추출하여 저장할 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 저장탱크(370)는 팽창탱크(330)의 수위가 미리 정해진 하한치 이하가 되는 경우 팽창탱크(330)의 수위가 하한치 이상이 되도록 팽창탱크(330)로 열전달매체를 보충할 수도 있다.
상술한 실시예에 있어서, 저장탱크(370)는 팽창탱크(330)의 수위가 하한치와 상한치 내에서 유지되도록 하기 위해 팽창탱크(330)에서 열전달매체 중 일부를 추출하여 저장하거나 팽창탱크(330)로 열전달매체를 보충하는 것으로 기재하였다. 하지만, 변형된 실시예에 있어서 저장탱크(370)는 열전달매체 순환장치(230)의 유지보수를 위해 열전달매체 순환장치(230)에 존재하는 모든 열전달매체를 추출하여 저장할 수도 있다.
한편, 본 발명에 따른 유량조절부(214)는 수위조절부(380)를 더 포함할 수 있다. 수위조절부(380)는 팽창탱크(330)의 수위를 모니터링하여 팽창탱크(330)의 수위가 상한치를 초과하게 되면 제2 펌프(P2)를 가동시켜 팽창탱크(330)에 보관된 열전달매체가 저장탱크(370)로 이동하게 하고, 팽창탱크(330)에 보관된 열전달매체가 하한치 이하가 되면 저장탱크(330)에 보관된 열전달매체를 팽창탱크(330)에 보충한다.
다시 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 열전달매체 순환장치(230)는 제1 바이패스부(216)을 더 포함할 수 있다.
제1 바이패스부(216)는 열전달매체의 온도 상승이 요구되는 경우 공급부(310)를 통해 열회수유닛(220)으로부터 발전싸이클(240)로 공급되는 열전달매체 중 적어도 일부를 회수부(320)로 바이패스시킨다. 제1 바이패스부(216)를 통해 바이패스된 열전달매체는 발전싸이클(240)를 경유하지 않고 다시 열회수유닛(220)으로 재공급됨으로써 온도가 상승하게 된다.
이를 위해, 제1 바이패스부(216)는 도 4에 도시된 바와 같이 제1 바이패스배관(460) 및 제1 바이패스밸브(470)를 포함할 수 있다.
제1 바이패스배관(460)은 공급부(310)의 제1 지점(P1)에서 분기되어 회수부(320)의 제3 지점(T3)에 연결된다. 이러한 제1 바이패스배관(460)에 의해 공급부(310)를 통해 발전싸이클(240)로 공급되던 열전달매체가 회수부(320)를 통해 열회수유닛(220)으로 직접적으로 공급된다.
제1 바이패스밸브(470)는 열전달매체의 온도증가가 요구되면 개방됨으로써 공급부(310)에서 발전싸이클(240)로 공급되는 열전달매체 중 적어도 일부가 제1 바이패스배관(460)을 통해 회수부(320)로 공급되게 한다.
열전달매체의 온도증가가 요구되는 예로 시스템(200) 초기 가동시 열전달매체의 온도를 예열하는 경우가 있다. 구체적으로, 열전달매체의 초기온도는 상온인 약 25℃인데, 발전싸이클(240)에서 작동유체와의 열교환을 위해 요구되는 열전달매체의 온도는 약 210~320℃이기 때문에, 열전달매체의 온도가 210~320℃가 될 때까지 제1 바이패스밸브(470)가 개방되어 열전달매체의 온도를 상승시키고, 이후 열전달매체의 온도가 210~320℃가 되면 제1 바이패스밸브(470)가 클로즈되어 열회수유닛(220)에서 공급되는 열전달매체 모두가 발전싸이클(240)로 공급된다.
한편, 본 발명에 따른 열전달매체 순환장치(230)는 제2 바이패스부(218)을 더 포함할 수 있다. 제2 바이패스부(2180)는 열전달매체의 온도 감소가 요구되는 경우 회수부(320)를 통해 열회수유닛(220)으로 공급되는 열전달매체 중 적어도 일부를 공급부(310)로 바이패스시킨다. 제2 바이패스부(218)를 통해 바이패스된 열전달매체는 열회수유닛(220)을 경유하지 않기 때문에 온도 상승이 이루어지지 않아 최종적으로 열전달매체의 전체온도가 감소하게 된다.
이를 위해, 제2 바이패스부(218)는 도 4에 도시된 바와 같이 제2 바이패스배관(480) 및 제2 바이패스밸브(490)를 포함할 수 있다.
제2 바이패스배관(480)은 회수부(320)의 제4 지점(T4)에서 분기되어 공급부(310)의 제2 지점(P2)에 연결된다. 이러한 제2 바이패스배관(480)에 의해 회수부(320)를 통해 열회수유닛(220)로 공급되던 열전달매체가 공급부(310)측으로 바이패스된다.
제2 바이패스밸브(490)는 열전달매체의 온도감소가 요구되면 개방됨으로써 회수부(320)에서 열회수유닛(220)으로 공급되는 열전달매체 중 적어도 일부가 제2 바이패스배관(480)을 통해 공급부(310)로 공급되게 한다.
열전달매체의 온도감소가 요구되는 일 예로 운전정지시 또는 유지보수시나 발전싸이클(240)의 작동유체의 온도감소가 요구되는 경우가 있다. 이와 같이, 제2바이패스부(218)를 통해 열전달매체의 온도를 적절하게 감소시킬 수 있어 열전달매체의 과도한 온도증가로 인한 탄화를 사전에 방지할 수 있게 된다.
다시 도 2를 참조하면, 발전싸이클(240)은 열전달매체 순환장치(230)로부터 공급되는 고온의 열전달매체를 작동유체와 열교환시켜 작동유체를 기화시키고, 기화된 작동유체를 이용하여 전기 에너지를 생산한다. 발전싸이클(240)은 작동유체와의 열교환에 이용되어 저온이 된 열전달매체를 열전달매체 순환장치(230)를 통해 열회수유닛(220)으로 다시 공급한다.
일 실시예에 있어서, 도 2에 도시된 발전싸이클(240)은 작동유체로 유기물질을 이용하는 유기랭킨싸이클일 수 있다. 일 예로 유기작동유체는 사이클로펜테인(Cyclopentane) 또는 실록산(Siloxane)일 수 있다.
이러한 실시예에 따르는 경우 발전싸이클(240)은 도 2에 도시된 바와 같이, 압축유닛(241), 예열유닛(242), 증발유닛(243), 과열유닛(244), 발전유닛(245), 및 응축유닛(246)를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 발전싸이클(240)은 압축유닛(241), 예열유닛(242), 증발유닛(243), 과열유닛(244), 발전유닛(245), 및 응축유닛(246)이 순차적으로 연결된 폐회로로 구성되고, 작동유체가 폐회로를 통해 순환하면서 발전유닛(245)을 통해 에너지를 생산한다.
압축유닛(241)은 작동유체를 가압한다. 압축유닛(241)은 응축유닛(246)에서 공급되는 저온의 작동유체를 압축함으로써, 저온의 작동유체의 압력을 증가시킨다. 압축유닛(241)은 가압된 저온의 작동유체를 예열유닛(242)으로 공급한다. 일 실시예에 있어서, 압축유닛(241)은 도 4에 도시된 바와 같이 펌프(Pump, P)로 구현될 수 있다.
예열유닛(242)은 압축유닛(241)에서 공급되는 저온의 작동유체를 열교환을 통해 예열시킨다. 일 실시예에 있어서, 예열유닛(242)은 발전유닛(245)에서 배출되는 고온의 작동유체와 압축유닛(241)에서 공급되는 저온의 작동유체를 열교환시킴에 의해 저온의 작동유체를 예열시킬 수 있다.
증발유닛(243)은 예열유닛(242)을 통해 예열된 작동유체를 과열유닛(244)에서 배출되는 열전달매체와 열교환시켜 작동유체를 증발시킴으로써 작동유체를 고온고압의 기체로 상변화시킨다. 즉, 증발유닛(243)은 50~100℃의 온도를 갖는 액상의 작동유체를 과열유닛(244)에서 열교환에 이용된 후 배출되는 열전달매체와 열교환시킴으로써 증기상태로 상변화시킨다. 증발유닛(243)은 작동유체의 열교환에 이용된 후 저온이 된 열전달매체를 열전달매체 순환장치(230)로 배출한다.
과열유닛(244)은 증발유닛(243)에서 상변화된 포화증기를 열전달매체 순환장치(230)에서 공급되는 열전달매체를 이용하여 가열함으로써 과열증기로 변환하여 발전유닛(255)으로 공급한다. 즉, 증발유닛(243)에 의해 증기상태가 된 작동유체는 열전달매체로부터 열을 흡수함으로써 대략 180~240℃의 온도와 18~27 bar의 압력을 갖는 과열 증기 상태가 된다.
발전유닛(245)은 도4에 도시된 바와 같이 터빈(245a) 및 터빈(245a)에 연결된 발전기(245b)를 포함한다. 터빈(224a)은 과열유닛(244)에서 공급되는 과열증기에 의해 회전하여 화학적 에너지를 기계적 에너지로 변환한다. 터빈(245a)에 연결된 발전기(245b)는 터빈(245a)에 의해 변환된 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환한다. 발전유닛(245)에서 배출된 작동유체는 예열유닛(242)에서 열교환에 이용된 후 응축유닛(246)으로 제공된다.
응축유닛(246)은 예열유닛(242)에서 제공되는 작동유체를 쿨링타워(미도시)에서 공급되는 냉각유체를 이용하여 응축시킨다. 응축유닛(246)은 응축된 작동유체를 가압유닛(241)으로 공급한다.
이하, 도 5를 참조하여, 본 발명에 따른 발전 시스템에서 열전달매체의 흐름에 대해 설명한다.
도 5a는 초기가동시 열전달매체의 예열시 열전달매체의 흐름을 나타내는 도면이다. 이때, 도 5a에 도시된 바와 같이 초기가동시 제1 순환밸브(322), 제2 순환밸브(324), 제1 유량조절밸브(420) 및 제1 바이패스밸브(470)는 개방되고 제2 유량조절밸브(440) 및 제2 바이패스밸브(490)는 클로즈된다. 이에 따라, 초기가동시 열전달매체는 열회수유닛(220) - 공급부(310) - 제1바이패스 배관(460) - 회수부(320) - 열회수유닛(220) 순서로 순환하게 된다. 이때, 열전달매체의 온도 상승에 따라 제1 바이패스밸브(470)의 개도율을 조절함으로써 제1 바이패스배관(460)을 통해 분기되는 열전달매체의 유량을 조절할 수 있다.
또한, 제1 유량조절밸브(420)가 개방된 상태로 유지되기 때문에 열전달매체의 온도상승으로 인해 열전달매체가 팽창하게 되면 제1 유량조절밸브(420)를 통해 열전달매체가 회수부(320)로부터 팽창탱크(330)로 공급된다.
도 5b는 발전시스템(200)의 정상가동시 열전달매체의 흐름을 나타내는 도면이다. 이때, 도 5b에 도시된 바와 같이, 제1 순환밸브(322), 제2 순환밸브(324), 및 제1 유량조절밸브(420)는 개방되고 제2 유량조절밸브(440), 제1 바이패스밸브(470), 및 제2 바이패스밸브(490)는 클로즈된다. 이에 따라, 정상운전시 열전달매체는 열회수유닛(220)-공급부(310)-발전싸이클(240)의 과열유닛(244)-발전싸이클(240)의 증발유닛(243)-회수부(320)-열회수유닛(220) 순서로 순환하게 된다.
도 5c는 발전시스템(200)의 운전정지시 열전달매체의 온도감소가 요구될 때 열전달매체의 흐름을 나타내는 도면이다. 이때, 도 5c에 도시된 바와 같이, 제1 순환밸브(322), 제2 순환밸브(324), 제1 유량조절밸브(420), 및 제2 바이패스밸브(490)는 오픈되고 제2 유량조절밸브(440) 및 제1 바이패스밸브(470)는 클로즈된다. 이에 따라, 열전달매체는 공급부(310) - 발전싸이클(240)의 과열유닛(244) - 발전싸이클(240)의 증발유닛(243) - 회수부(320) - 제2 바이패스배관(480) - 공급부(310) 순서로 순환하게 되어 온도가 감소하게 된다. 이때, 제1 유량조절밸브(420)가 개방된 상태로 유지되기 때문에 열전달매체의 온도감소로 인해 열전달매체가 수축하게 되면 제1 유량조절밸브(420)를 통해 열전달매체가 팽창탱크(330)로부터 회수부(320)로부터 추가 공급된다.
도 5d는 발전시스템(200)의 유지보수시 열전달매체의 흐름을 나타내는 도면이다. 이때, 도 5d에 도시된 바와 같이, 제1 순환밸브(322) 및 제2 유량조절밸브(440)는 오픈되고, 제2 순환밸브(324), 제1 유량조절밸브(420), 제1 바이패스밸브(470)되고 및 제2 바이패스밸브(490)는 클로즈된다. 이에 따라, 열전달매체는 열회수유닛(220) - 공급부(310) - 발전싸이클(240)의 과열유닛(244) - 발전싸이클(240)의 증발유닛(243) - 회수부(320) - 제2 유량조절배관(440) - 팽창탱크(330) 순서로 순환하게 된다. 이때, 제1 유량조절밸브(420)는 클로즈되기 때문에 제1 유량조절배관(430)을 통해 팽창탱크(330)에서 회수부(320)로의 열전달매체 이동이 중지된다.
도 5e는 발전시스템(200)의 재기동시 열전달매체의 흐름을 나타내는 도면이다. 이때, 도 5e에 도시된 바와 같이, 제2 순환밸브(324) 및 제1 유량조절밸브(420)는 개방되고, 제1 순환밸브(322), 제2 유량조절밸브(440), 제1 바이패스밸브(470), 및 제2 바이패스밸브(490)는 클로즈된다. 이에 따라, 열전달매체는 팽차탱크(330) - 제1유량조절배관(430) - 회수부(320) - 열회수유닛(220) - 공급부(310) - 발전싸이클(240)의 과열유닛(244) - 발전싸이클(240)의 증발유닛(243) 순서로 이동하게 된다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 배출가스를 이용한 열전달매체 순환장치를 포함하는 발전시스템의 구성을 개략적으로 보여주는 블록도이다.
도 6에 따른 발전시스템(600)은 도 2와 달리 복수개의 연료전지 스택(210a~210n) 및 복수개의 열회수유닛(220a~220n)을 포함한다. 이와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따르면 복수개의 연료전지 스택(210a~210n) 및 복수개의 열회수유닛(220a~220n)이 하나의 열전달매체 순환장치(230) 및 하나의 발전싸이클(240)에 연결되기 때문에, 복수개의 연료전지 스택(210a~210n)에서 배출되는 배출가스를 통합하여 발전싸이클(240)의 열원으로 이용할 수 있어 각각의 연료전지 스택(210a~210n) 및 열회수유닛(220a~220n) 별로 열전달매체 순환장치(230) 및 하나의 발전싸이클(240)을 구성하는 것 보다 발전효율 및 경제성을 향상시킬 수 있다.
일 실시예에 있어서, 복수개의 연료전지 스택(210a~210n)과 복수개의 열회수유닛(220a~220n)은 1:1로 연결될 수 있고, 복수개의 열회수유닛(220a~220n)은 하나의 열전달매체 순환장치(230)에 병렬로 연결될 수 있다.
구체적으로, 도 6에 도시된 바와 같이 각 열회수유닛(220a~220n)에 연결된 열전달매체 공급라인(222a~222n)들이 병렬로 모여 열전달매체 순환장치(230)에 연결된다. 이에 따라, 열전달매체는 각 열회수유닛(220a~220n)의 열전달매체 공급라인(222a~222n)을 통해 열전달매체 순환장치(230)로 공급된 후 발전싸이클(240)을 경유한 후 다시 열전달매체 순환장치(230)를 통과한 후 각 열전달매체 회수라인(224a~224n)을 통해 각 열회수유닛(220a~220n)으로 공급된다.
이와 같이, 본 발명에서 복수개의 연료전지 스택(210a~210n)과 복수개의 열회수유닛(220a~220n)을 1:1로 연결하고, 복수개의 열회수유닛(220a~220n)들을 열전달매체 순환장치(230)에 병렬로 연결하는 이유는, 각 연료전지 스택(210a~210n)에서 배출되는 배출가스가 열회수유닛(220a~220n) 및 열전달매체 공급라인(222a~222n) 등을 통과할 때 압력강하가 40~70mmAq 이상이 될 경우 연료전지 스택(210a~210n)이 발전하는데 영향을 미치게 되어 연료전지 스택(210a~210n)이 긴급 정지될 수 있기 때문이다.
이에 따라, 본 발명에서는 복수개의 연료전지 스택(210a~210n)과 복수개의 열회수유닛(220a~220n)을 1:1로 연결하고, 복수개의 열회수유닛(220a~220n)들을 열전달매체 순환장치(230)에 병렬로 연결함으로써 배출가스 흐름의 저항을 최소화함과 동시에 배출가스의 흐름에 따라 연료전지 스택(210a~210n)이 받는 영향을 최소화시킬 수 있게 된다.
한편, 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 발전시스템(600)은 각 열전달매체 회수라인(224a~224n)을 통해 열회수유닛(220a~220n)으로 회수되는 열전달매체의 유량을 조절하기 위해 각 열전달매체 회수라인(224a~224n) 상에 설치되는 회수밸브(226a~226n)를 더 포함할 수 있다. 이러한 각 회수밸브(226a~226n)의 개도율을 조절함에 의해 각 열회수유닛(220a~220n)에서 공급되는 열전달매체의 온도를 상이하게 조절할 수 있다.
본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 상술한 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
예컨대, 상술한 실시예에 있어서, 열전달매체 순환장치(230)에 포함된 복수개의 밸브(322, 324, 420, 440, 470, 490)들은 별도의 제어기(미도시)를 통해 개도율이 조절될 수 있다. 또한, 수위조절부(380) 또한 제어기를 통해 제어될 수 있다.
그러므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
200: 폐열발전 시스템 210: 연료전지 스택
220: 열회수유닛 230: 열전달매체 순환장치
240; 발전싸이클

Claims (18)

  1. 전기화학적 반응으로 전력을 생산하는 연료전지 스택;
    상기 연료전지 스택에서 전력 생산시 발생되는 배출가스와 열전달매체를 열교환시켜 상기 열전달매체의 온도를 증가시키는 열회수유닛;
    작동유체를 상기 온도가 증가된 열전달매체와 열교환시켜 상기 작동유체를 기화시키고, 상기 기화된 작동유체를 이용하여 전기 에너지를 생성하는 발전싸이클; 및
    상기 열회수유닛에서 상기 발전싸이클로 상기 온도가 증가된 열전달매체를 공급하고, 상기 발전싸이클에서 온도가 감소된 열전달매체를 회수하여 상기 열회수유닛으로 공급하는 열전달매체 순환장치를 포함하고,
    상기 열전달매체 순환장치는,
    상기 열회수유닛에서 상기 발전싸이클로 상기 열전달매체를 공급하는 공급부;
    상기 발전싸이클에서 배출되는 상기 열전달매체를 상기 열회수유닛으로 공급하는 회수부;
    상기 공급부의 일측과 상기 회수부의 일측 사이를 연결하는 제1 바이패스배관;
    발전시스템의 초기 가동시(Startup) 개방되어 상기 열회수유닛에서 공급되는 열전달매체를 상기 제1 바이패스배관 및 상기 회수부를 통해 상기 열회수유닛으로 바이패스시켜 상기 열전달매체의 온도가 증가되게 하고, 상기 열전달매체의 온도가 미리 정해진 온도까지 상승하여 상기 발전시스템이 정상운전되면 폐쇄되어 상기 열전달매체를 상기 공급부에서 상기 발전싸이클로 공급하는 제1 바이패스밸브;
    상기 공급부의 타측과 상기 회수부의 타측 사이를 연결하는 제2 바이패스배관;
    상기 발전시스템의 운전 정지시(Shutdown) 개방되어 상기 회수부에서 상기 열회수유닛으로 공급되는 열전달매체를 상기 제2 바이패스배관 및 상기 공급부를 통해 상기 발전싸이클로 바이패스시키고, 상기 열전달매체의 온도가 미리 정해진 온도까지 감소하여 상기 발전시스템이 재기동되면 폐쇄되어 상기 열전달매체가 상기 회수부에서 상기 열회수유닛으로 공급되게 하는 제2 바이패스밸브; 및
    상기 발전시스템의 초기가동시 상기 열전달매체의 온도상승으로 인해 상기 열전달매체의 부피가 증가하면 증가된 부피만큼의 열전달매체 유량이 상기 열전달매체 순환장치에서 추출되어 저장되고, 상기 발전시스템의 운전정지시 상기 열전달매체의 온도감소로 인해 상기 열전달매체의 부피가가 감소되면 감소된 부피만큼의 열전달매체 유량을 상기 열전달매체 순환장치로 공급하는 팽창탱크를 포함하는 것을 특징으로 하는 발전시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열전달매체 순환장치는,
    상기 열전달매체의 부피가 증가하면 상기 열전달매체 순환장치에서 상기 증가된 부피만큼의 열전달매체 유량을 추출하여 상기 팽창탱크로 공급하고, 상기 열전달매체의 부피가 감소하면 상기 팽창탱크 내에 보관된 열전달매체 중 상기 감소된 부피만큼의 열전달매체 유량을 상기 열전달매체 순환장치로 공급하는 제1 유량조절부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발전시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 열전달매체 순환장치는,
    유지보수시 상기 열전달매체 순환장치에서 상기 열전달매체를 추출하여 상기 팽창탱크로 공급하는 제2 유량조절부를 더 포함하고,
    상기 제1 유량조절부는 유지보수 완료 이후 재기동시 상기 팽창탱크내에 보관된 열전달매체를 상기 열전달매체 순환장치로 재공급하는 것을 특징으로 하는 발전시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지 스택 및 상기 열회수유닛은 복수개이고,
    상기 복수개의 열회수유닛은 상기 열전달매체 순환장치에 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 발전시스템.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 발전싸이클은 유기작동유체를 이용하여 발전하는 유기랭킨싸이클인 것을 특징으로 하는 발전시스템.
  8. 연료전지 스택의 배출가스와 열교환되어 온도가 증가된 열전달매체를 열회수유닛에서 발전싸이클로 공급하고, 상기 발전싸이클의 작동유체와 열교환되어 온도가 감소된 열전달매체를 상기 발전싸이클로부터 상기 열회수유닛으로 공급하는 열전달매체 순환부; 및
    상기 열전달매체 순환부 내에서 상기 열전달매체의 온도변화에 따라 상기 열전달매체의 부피가 변경되면 상기 열전달매체 순환부의 압력이 기준압력으로 유지되도록 상기 열전달매체의 유량을 변경시키는 유량조절부를 포함하고,
    상기 열전달매체 순환부는,
    상기 열회수유닛에서 상기 발전싸이클로 상기 열전달매체를 공급하는 공급부;
    상기 발전싸이클에서 배출되는 상기 열전달매체를 상기 열회수유닛으로 공급하는 회수부;
    상기 공급부의 일측과 상기 회수부의 일측 사이를 연결하는 제1 바이패스배관;
    발전시스템의 초기 가동시 개방되어 상기 열회수유닛에서 공급되는 열전달매체를 상기 제1 바이패스배관 및 상기 회수부를 통해 상기 열회수유닛으로 바이패스시켜 상기 열전달매체의 온도가 증가되게 하고, 상기 열전달매체의 온도가 미리 정해진 온도까지 상승하여 상기 발전시스템이 정상운전되면 폐쇄되어 상기 열전달매체를 상기 공급부에서 상기 발전싸이클로 공급하는 제1 바이패스밸브;
    상기 공급부의 타측과 상기 회수부의 타측 사이를 연결하는 제2 바이패스배관; 및
    상기 발전시스템의 운전 정지시 개방되어 상기 회수부에서 상기 열회수유닛으로 공급되는 열전달매체를 상기 제2 바이패스배관 및 상기 공급부를 통해 상기 발전싸이클로 바이패스시키고, 상기 열전달매체의 온도가 미리 정해진 온도까지 감소하여 상기 발전시스템이 재기동되면 폐쇄되어 상기 열전달매체가 상기 회수부에서 상기 열회수유닛으로 공급되게 하는 제2 바이패스밸브를 포함하고,
    상기 유량조절부는, 상기 발전시스템의 초기가동시 상기 열전달매체의 온도상승으로 인해 상기 열전달매체의 부피가 증가하면 증가된 부피만큼의 열전달매체 유량이 상기 열전달매체 순환부에서 추출되어 저장되고, 상기 발전시스템의 운전정지시 상기 열전달매체의 온도감소로 인해 상기 열전달매체의 부피가가 감소되면 감소된 부피만큼의 열전달매체 유량을 상기 열전달매체 순환부로 공급하는 팽창탱크를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 배출가스를 이용한 열전달매체 순환장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 유량조절부는,
    상기 열전달매체의 부피가 증가하면 상기 열전달매체 순환부에서 상기 증가된 부피만큼의 열전달매체 유량을 추출하여 상기 팽창탱크로 공급하고, 상기 열전달매체의 부피가 감소하면 상기 팽창탱크 내에 보관된 열전달매체 중 감소된 부피만큼의 열전달매체 유량을 상기 열전달매체 순환부로 공급하는 제1 유량조절부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 배출가스를 이용한 열전달매체 순환장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 유량조절부는,
    상기 회수부의 제1 지점에서 분기되어 상기 팽창탱크에 연결되는 제1 연결배관; 및
    상기 열전달매체의 부피 증가시 상기 제1 연결배관을 통해 상기 회수부에서 상기 팽창탱크로 상기 열전달매체가 공급되게 하고 상기 열전달매체의 부피 감소시 상기 제1 연결배관을 통해 상기 팽창탱크에서 상기 회수부로 공급하는 제1 유량조절밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 배출가스를 이용한 열전달매체 순환장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 유량조절부는,
    유지보수시 상기 열전달매체 순환부 내의 상기 열전달매체를 상기 팽창탱크로 공급하는 제2 유량조절부를 더 포함하고,
    상기 제1 유량조절부는 유지보수 완료 이후 재기동시 상기 팽창탱크내에 보관된 열전달매체를 상기 열전달매체 순환부로 재공급하는 것을 특징으로 하는 연료전지 배출가스를 이용한 열전달매체 순환장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제2 유량조절부는,
    상기 회수부의 제2 지점에서 분기되어 상기 팽창탱크에 연결되는 제2 연결배관; 및
    유지보수시 개방되어 상기 제2 연결배관을 통해 상기 열전달매체 순환부 내의 상기 열전달매체가 상기 팽창탱크로 공급되게 하는 제2 유량조절밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 배출가스를 이용한 열전달매체 순환장치.
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 제8항에 있어서,
    상기 유량조절부는,
    상기 팽창탱크의 압력이 상기 기준압력으로 유지되도록 상기 팽창탱크에서 상기 열전달매체가 채워진 공간을 제외한 공간에 질소를 주입하는 질소주입부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 배출가스를 이용한 열전달매체 순환장치.
  18. 제8항에 있어서,
    상기 유량조절부는,
    상기 팽창탱크에서 추출된 열전달매체가 저장되거나 상기 팽창탱크로 보충될 열전달매체가 저장되는 저장탱크; 및
    상기 팽창탱크에 보관된 열전달매체의 양이 미리 정해진 상한치를 초과하면 상기 팽창탱크에 보관된 상기 열전달매체를 상기 저장탱크에 저장하여 상기 팽창탱크의 수위를 조절하는 수위조절부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 배출가스를 이용한 열전달매체 순환장치.
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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2018530693A (ja) * 2015-08-24 2018-10-18 サウジ アラビアン オイル カンパニー 統合型水素化分解およびディーゼル水素化施設における廃熱からの発電

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
ES2091153B1 (es) * 1993-12-20 1998-07-01 Colorobbia Espana Sa Sistema de recuperacion de calor y filtracion de gases de combustion procedentes de una fusion, con produccion de energia electrica.
US6571548B1 (en) * 1998-12-31 2003-06-03 Ormat Industries Ltd. Waste heat recovery in an organic energy converter using an intermediate liquid cycle
KR101018412B1 (ko) * 2009-03-09 2011-03-02 신한열기 주식회사 밀폐식 팽창탱크가 구비된 냉난방 장치 및 그 제어 시스템
KR101328404B1 (ko) 2011-07-15 2013-11-13 한국에너지기술연구원 연료전지를 이용한 유기 랭킨 사이클 발전 시스템
US10147989B2 (en) * 2013-07-15 2018-12-04 Ormat Technologies Inc. System for generating power from fuel cell waste heat

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2018530693A (ja) * 2015-08-24 2018-10-18 サウジ アラビアン オイル カンパニー 統合型水素化分解およびディーゼル水素化施設における廃熱からの発電

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