KR102134786B1 - 연료전지시스템의 에너지 재활용장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

연료전지시스템의 스택(발전부)에서 발생한 고온의 온수(에너지)를 통합 고온회수용 열교환기로 회수하여 재활용함으로써 전체 시스템의 크기는 줄여 설치 공간의 제약을 해소하고 보일러의 재가열에 따른 연료비를 절감시키며, 급탕수(온수)의 활용이 적을 때에는 냉동기에 의해 생성된 냉수로 냉각하여 다시 연료전지시스템의 발전부(스택)에 공급함으로써 온수의 폐기 없이 에너지를 재활용하여 운전하도록 한 연료전지시스템의 에너지 재활용장치 및 방법에 관한 것으로서, 연료전지시스템을 1대 이상 설치하고, 상호 인접하게 배치된 고온회수용 열교환기, 냉각용 열교환기, 온수저장탱크(또는 열 교환 파이프 내장형), 냉각수 탱크, 냉동기(응축기, 증발기)를 연료전지시스템과 연동시킴으로써, 연료전지시스템에 개별로 설치되는 열교환기를 통합으로 설치함으로써 전체 연료전지시스템의 크기를 줄일 수 있으며, 연료전지시스템에서 발생한 배열(온수)을 고온으로 회수할 수 있어 급탕수로 활용함으로써 보일러의 시설 설치비 및 연료비를 절감한다.

Description

연료전지시스템의 에너지 재활용장치 및 방법{Energy recycling apparatus and method of fuel cell system}
본 발명은 연료전지시스템의 에너지 재활용장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 연료전지시스템의 스택(발전부)에서 발생한 고온의 온수(에너지)를 통합 고온회수용 열교환기로 회수하여 재활용함으로써 전체 시스템의 크기는 줄여 설치 공간의 제약을 해소하고 보일러의 재가열에 따른 연료비를 절감시키며, 급탕수(온수)의 활용이 적을 때에는 냉동기에 의해 생성된 냉수로 냉각하여 다시 연료전지시스템의 발전부(스택)에 공급함으로써 온수의 폐기 없이 에너지를 재활용하여 운전하도록 한 연료전지시스템의 에너지 재활용장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지시스템은 연료전지를 이용하여 전기 에너지를 생성하는 장치로서, 전기화학반응을 이용하여 연료의 화학에너지를 전기에너지로 변환시킨다. 이러한 연료전지시스템은 연료를 원하는 상태의 수소가스로 개질하여 스택(발전부)에 보내고, 대기중의 산소를 유입시켜 전기화학반응에 의해 전력과 배열(Heat)을 생산한다.
연료전지시스템은 도시가스 등의 연료를 수소로 개질하는 개질부, 개질된 수소와 산소의 전기화학반응에 의해 전력을 생산하는 스택(발전부), 개질 과정에서 발생한 일산화탄소의 농도를 낮추기 위하여 산소를 개질부에 공급 및 스택부에 필요한 산소를 공급하는 공기공급장치, 개질부에서 발생한 가스를 외기로 배기하는 배기장치, 개질부의 수증기 개질 반응 과정에 공급하는 물과 스택부의 일정 온도로 유지시키는 냉각수를 저장하는 물탱크, 연료전지 스택에서 생산된 전력을 교류로 변환하는 인버터, 시스템의 기동/정지/발전상태 유지 동작/제어기능을 수행하는 다수의 주변장치(Balance of Plants) 등으로 구성된다.
선행기술로는 대한민국 등록특허공보 제10-0807875호의 “연료전지 열병합 발전시스템”이 개시된 바 있다.
도 1은 종래 연료전지시스템의 제품 개념도로서, 선행기술인 제10-0807875호의 제품으로 구현한 경우를 보인 것이다. 도 2는 도 1의 제품 적용도로서 연료전지시스템(10)을 복수로 구성한 경우를 보인 개념 도이다.
여기서 참조번호 10은 연료전지시스템, 20은 개질부, 22는 공기공급장치, 24는 배기장치, 30은 스택부, 40은 물탱크, 42는 열교환기이다. 여기서 개질부(20), 스택부(30) 및 열교환기(40)는 모두 연료전지시스템(10) 내부에 설치된다.
또한, 참조번호 50은 보일러, 52는 보일러(50) 내부에 설치된 보조버너, 60은 온수저장탱크, 70은 방열기이다. 또한, 도 2의 참조번호 62는 저온수 탱크, 64는 보일러 급탕 탱크, 66은 감압밸브, 68은 가압펌프이다.
이러한 선행기술(등록특허 제10-0807875호)에 따르면, 연료전지시스템(10)의 케이스의 내부에 연료를 개질하는 개질부(20), 수소와 산소의 전기화학반응에 의하여 발전하는 스택부(30), 급기를 통해 산소를 연료전지시스템(10)에 공급하는 공기공급장치, 스택부(30)의 온도를 일정하게 유지시키도록 냉각기능을 수행하는 열교환기(42)를 구비한 물탱크(40), 시스템의 기동/정지/발전상태 유지 동작/제어기능을 수행하는 다수의 주변장치(Balance of Plants, BOP)(도면상에 미도시) 등으로 이루어진다.
열교환기(42)를 통해 회수되는 폐열을 온수로 저장하는 물탱크(40)는 냉각수 순환용 배관으로 연결하고, 개질 과정에서 발생되는 폐가스를 배출시키는 배기장치(24)와 연결된 배기통로에는 물탱크(40)와 연결된 원통형 열교환기(42)를 결합시켜 폐가스의 열을 회수할 수 있다.
또한, 도 1의 온수저장탱크(60)는 연료전지시스템(10)을 복수로 설치할 경우, 도 2와 같이 저온수 탱크(62)와 보일러 급탕 탱크(64)로 구분하여 구성할 수 있다. 또한, 도 2의 보일러 급탕 탱크(64)에 온수를 추가로 가열하여 공급하기 위하여 보일러(50) 내부에 보조버너(52)가 설치되고, 보조버너(52)에서 발생하는 폐가스를 배출하는 배기통로에 물탱크(40)의 원통형 열교환기(42)를 결합시켜 폐가스의 열을 회수할 수 있다.
또한, 연료전지시스템(10)의 케이스 외부에는 온수 순환용 배관 및 연료전지시스템(10)의 케이스 내부의 물탱크(40)와 연통되게 연결되는 보조 물탱크인 저온수 탱크(62)와 보일러 급탕 탱크(64)를 설치하고, 온수의 유동을 제어하여 연료전지시스템의 배열(Heat)을 회수하기도 한다.
그러나 이러한 선행기술은 다음과 같은 문제점이 있다.
즉, 1대 이상의 연료전지시스템(10)의 케이스 내부에 열교환기(42), 물탱크(40)를 구성함으로써 연료전지시스템의 외형 크기가 커져야 하고 또한 제조원가가 상승하게 된다.
또한, 연료전지시스템(10)의 스택부(30)에서 발생한 배열(Heat)을 회수하여 물탱크(40)에 저장하였다가 스택부(30)의 냉각수로 공급하게 되는데, 냉각수의 공급 가능 온도 이하로 저장하려면 급탕수를 적게 사용하는 계절을 고려하여 용량이 커야 된다. 이 때문에 연료전지시스템(10) 크기의 약 1/2이 물탱크(30)의 크기로서, 연료전지시스템(10)을 여러 대를 설치하는 경우에는 설치 면적이 많이 필요한 단점을 유발한다.
또한, 연료전지시스템(10)의 스택부(30)는 고분자 전해질형으로 구성할 수 있다. 고분자 전해질형의 스택부(30)는 건물용이나 주택용으로 주로 사용한다. 이러한 고분자 전해질형의 경우에는 작동온도가 25 ~ 80℃가 되어, 스택부(30)를 냉각시켜 일정한 온도를 유지하여야 발전 효율증가 및 성능을 장시간 유지할 수 있다. 여기서 스택부(30)의 배열회수방식이 물탱크(40)에 저장된 물을 순환펌프로 스택부로 공급하고, 공급된 물은 스택부의 배열을 회수하여 물탱크(40)로 순환시키며, 연료전지시스템의 외부에 설치된 온수저장탱크(60)의 물이 물탱크(40)에 내장된 열교환기(42)를 통하여 열을 회수한 후 온수저장탱크(60)에 저장하는 방식을 사용한다.
스택부(30)의 냉각수로 공급하는 물탱크(40)는 스택부(30)의 냉각수로 공급 할 수 있는 온도 이상으로는 물을 저장할 수 없으므로 배열을 회수하는 온도가 통상 38 ~ 42℃로 낮다. 따라서 온수를 사용하려면 보일러(50)로 2차 가열하여 급탕수로 사용한다.
온수를 적게 사용하는 건물 및 계절에는 스택부(30)에 물탱크(40)의 온수 온도를 스택부(30)를 냉각시킬 수 있는 온도로 낮추기 위하여 온수를 방류시키고 낮은 온도의 보급수를 물탱크(40)에 공급받아 물의 온도를 낮추어 스택부(30)에 냉각수로 공급하므로 온수를 재활용하지 못하고 방류시켜야 하는 한계가 있다. 통상적으로 스택부(30)의 온도는 정온 60 ~ 70℃로 유지하며, 스택부(30)의 냉각수 공급온도는 38 ~ 42℃로 공급한다.
또한, 물탱크(40)에 공급되는 물의 압력은 건물의 배관에 사용하는 압력에 비례한다. 따라서 물탱크(40)의 건물 배관 압력을 스택부(30)가 견딜 수 없어, 보급수 입구에 감압밸브(66)를 설치하고, 압력이 낮으면 건물의 급탕수로 공급이 안 되어 추가로 설치한 가압펌프(68)로 승압을 시켜 건물에 공급해야만 한다. 그러나 급탕수를 사용하여 압력이 낮아지지 않으면 급탕배관의 압력은 전반적으로 상승하게 되어 감압밸브(66)의 잦은 고장이 발생하게 되고, 이러한 감압밸브(66)의 고장시 스택부(30)에 높은 압력의 냉각수가 공급되게 되고, 이에 따라 높은 압력의 냉각수로 인하여 스택부의 파손이 발생하는 문제점이 있다.
이러한 선행기술의 문제점을 좀 더 상세히 설명하면 다음과 같다.
첫째, 연료전지시스템(10)의 스택부(30)의 배열(Heat)을 물탱크(40)에 내장된 열교환기(42)를 통하여 열을 회수한 후 연료전지시스템(10) 내부에 있는 물탱크(40)에 저장하여 스택부(30)의 냉각수로 공급하는 구조인데, 냉각수로 공급할 수 있는 온도 이상으로는 배열을 회수할 수 없어 회수온도가 통상 38 ~ 42℃로 낮아 회수된 배열을 방류하거나, 보일러(50)로 2차 가열(55 ~ 60℃)하여 급탕수로 사용함으로 보일러의 추가 설치가 필요하다는 단점이 있다.
둘째, 연료전지시스템이 발전 중에는 항상 온수가 발생하는데, 온수의 사용량이 적은 건물 및 온수 사용량이 적은 계절에는 배열 회수(Heat Recovery)된 온수를 방류시키고 낮은 온도의 보급수를 공급받아야 하므로 온수를 재활용하지 못하고 방류시키는 문제점이 있다.
셋째, 연료전지시스템(10)은 발전 시 발생하는 전기와 배열회수(Heat Recovery)까지 포함하면 85 ~ 95% 사이의 고효율 발전시스템이나, 건물용이나 주택용으로 사용하는 고분자전해질형(PEMFC)은 발전 효율은 35 ~ 38%이고, 열 효율이 발전효율보다 높은 50 ~ 55%로서, 상기한 바와 같이 열(온수) 활용 방법이 미비하여 경제성이 떨어지는 단점이 있다.
넷째, 연료전지시스템(10) 내부에 있는 물탱크(40)에 공급되는 물의 압력은 건물의 배관에 사용하는 압력인데, 이처럼 건물 배관의 압력을 갖는 물이 물탱크(40)를 통해 스택부(30)에 공급되면 스택부(30)가 압력에 의해 파손될 수 있어, 보급수 입구에 감압밸브(66)를 설치하여 스택부(30)가 견딜 수 있는 압력(통상 1 ~ 3 Kg/㎡)으로 공급하여야만 했다. 그래서 보급수의 압력을 감압(1 ~ 3Kg/㎡) 시킨 후 스택부(30)의 배열을 회수한 후 건물의 급탕수로 공급하려면 가압펌프(68)로 승압시켜야 한다. 최근에 건축되는 건축물은 지하의 기계실에 연료전지시스템(10)을 설치하는데, 건축물의 자연 수두압력이 높아(약 5 ~ 10 Kg/㎡) 감압된 압력으로는 건물의 급탕수로 사용할 수 없어 가압펌프(68)로 승압을 시켜 건물에 공급하여 급탕수를 사용한다. 그러나 배열을 회수한 온수를 건물의 급탕 배관에 공급하기 위하여 가압펌프(68)로 가압을 하면, 건물의 급탕 배관 내에는 항상 고압의 자연 수두압력이 걸려 있는 상태가 되고, 이 때문에 건물의 급탕 배관 내에 걸려 있는 압력 이상으로 가압하여야 한다. 이때 급탕수는 수요자가 간헐적, 집중적으로 사용하여 수요자가 사용하지 않으면 가압펌프(68)로 가압한 만큼 전체적인 배관시스템 압력은 상승하게 되어 감압밸브(66)의 고장이 발생하며, 감압밸브(66)의 고장으로 높은 압력의 보급수가 고가의 스택부(30)를 파손시키는 현상이 발생하게 된다. 건물에 필요한 장비류 및 수배전반 등은 지하층에 위치하여 설치하는데, 연료전지시스템의 파손 및 고장을 방지하기 위하여 자연 수두압력이 낮은 옥상에 설치하여야 하는 설치 장소의 제약 등 문제점이 발생하게 된다.
또한, 일반적인 연료전지시스템 및 선행기술은 산업 구조적인 측면에서, 정부의 신·재생에너지 보급 촉진 정부 및 수소 경제 육성정책에 대응할 수 없는 단점이 있다. 예를 들어, 건물용에는 연료전지시스템의 용량을 증가시켜 설치해야 하는 데, 현재의 제품에는 모든 장비가 연료전지시스템 케이스 내부에 내장되어 연료전지시스템의 외형 크기가 크며, 다수의 연료전지시스템을 사용할 경우 각 제품에 중복하여 구성품이 구성된다. 이로 인하여 제품 제조원가가 상승하고, 연료전지시스템에서 배열(고온 온수)을 활용하려면 연료전지시스템 외부에 열을 저장하는 온수저장탱크, 연료전지시스템의 배열을 급탕수로 사용할 수 있는 온도까지 온수의 온도를 재가열하는 보일러, 순환시키는 펌프 및 배관, 제어부가 필요하여 이중적인 비용이 발생하는 문제점이 있다.
대한민국 등록특허 10-0807875호
따라서 본 발명은 상기와 같은 일반적인 연료전지시스템 및 종래기술에서 발생하는 제반 문제점을 해결하기 위해서 제안된 것으로서, 복수의 연료전지시스템의 스택(발전부)에서 발생한 고온의 온수(에너지)를 통합 고온회수용 열교환기로 회수하여 재활용함으로써 전체 시스템의 크기는 줄여 설치 공간의 제약을 해소하고 보일러의 재가열에 따른 연료비를 절감시킬 수 있도록 한 연료전지시스템의 에너지 재활용장치 및 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 연료전지시스템에서 회수한 배열(온수)을 온수 사용량이 적은 건물에서는 난방수로 활용하도록 하여, 배열 활용도를 높이면서 별도의 난방 시스템을 구축하는 비용을 절감할 수 있도록 한 연료전지시스템의 에너지 재활용장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 급탕수(온수)의 활용이 적을 때에는 냉동기에 의해 생성된 냉수로 냉각하여 다시 연료전지시스템의 발전부(스택)에 공급함으로써 온수의 폐기 없이 에너지를 재활용하여 운전하도록 한 연료전지시스템의 에너지 재활용장치 및 방법을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 "연료전지시스템의 에너지 재활용장치"는, 연료를 수소로 개질하는 개질부, 상기 개질부에서 개질된 수소와 산소의 전기화학반응에 의해 전력을 생산하는 스택부, 상기 개질부에서의 개질 과정에서 발생한 일산화탄소의 농도를 낮추기 위하여 산소를 상기 개질부에 공급하고, 상기 스택부에 필요한 산소를 공급하는 공기공급장치, 상기 개질부에서 발생한 가스를 외기로 배기하는 배기장치, 상기 개질부의 수증기 개질 반응과정에 공급하는 물과 상기 스택부의 온도를 일정 온도로 유지시키는 냉각수를 저장하고, 상부가 개방되어 내부의 물의 압력은 대기압이 되도록 하는 물탱크, 상기 스택부의 연료전지 스택에서 생산된 전력을 교류로 변환하는 인버터를 포함하고, 수소와 산소의 전기화학반응에 의해 전력을 생산하는 하나 이상의 연료전지시스템; 상기 하나 이상의 연료전지시스템의 스택부에서 회수된 고온의 온수 유량을 감지하는 유량감지센서; 상기 하나 이상의 연료전지시스템에서 출력되는 고온의 온수를 에너지로 통합 회수하는 고온회수용 열교환기; 상기 고온회수용 열교환기를 통해 회수한 고온의 온수를 저장하며, 저장한 고온의 온수를 급탕수로 공급하는 온수저장탱크; 상기 고온회수용 열교환기를 통과하여 1차 열교환이 이루어진 물을 2차 열교환하여 저온의 물을 상기 하나 이상의 연료전지시스템에 냉각수로 공급하는 냉각용 열교환기; 상기 고온회수용 열교환기에서 고온 온수를 회수하도록 고온 온수 회수용 물을 공급하는 제1순환펌프; 상기 냉각용 열교환기에 공급되는 열교환용 냉각수를 저장하는 냉각수 탱크; 상기 냉각수탱크에 저장된 냉각수를 상기 냉각용 열교환기에 공급하는 제2순환펌프; 냉각 사이클을 통해 상기 냉각수 탱크에 냉각수를 공급하는 응축기 및 증발기; 상기 냉각수 탱크에 저장된 냉각수를 상기 증발기를 통해 냉각수 탱크로 순환시키는 제3순환펌프; 상기 온수저장탱크의 온수 온도를 측정하는 제1온도센서; 상기 냉각용 열교환기에서 상기 연료전지시스템으로 공급되는 냉각수의 온도를 측정하는 제2온도센서; 상기 냉각수 탱크에 저장된 냉각수의 온도를 측정하는 제3온도센서; 상기 유량감지센서에서 감지한 유량 값 및 상기 제1 내지 제3 온도센서에서 각각 측정한 온도 값을 기초로 상기 제1 내지 제3 순환펌프의 기동 및 정지를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기에서 온수저장탱크는 온수의 고온층과 저온층을 구획하는 성층형성용 디퓨저가 탱크 내부에 구비된 것을 특징으로 한다.
상기에서 온수저장탱크는 상기 고온회수용 열교환기를 통해 회수한 고온의 온수를 열 교환하여 난방수로 공급하는 열 교환 파이프를 구비한 것을 특징으로 한다.
상기에서 연료전지시스템으로부터 배출되는 고온의 온수는 상기 고온회수용 열교환기와 상기 냉각용 열교환기를 순차 통해 냉각수로 재활용되어 상기 연료전지시스템에 재공급되어 온수 배출 방지로 에너지 낭비를 방지하는 것을 특징으로 한다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 "연료전지시스템의 에너지 재활용방법"은,
(a) 제어부에서 적어도 하나 이상의 연료전지시스템이 운전중이고 유량감지센서를 통해 연료전지시스템으로부터 배출되는 고온의 온수가 감지되면, 제2온도센서(TS-2)를 이용하여 연료전지시스템으로 재공급되는 냉각수 온도(T2)를 측정하는 단계; (b) 상기 제어부에서 측정한 냉각수 온도(T2)가 제1순환펌프의 기동을 제어하기 위해 미리 설정된 제1설정 값 이상이면, 제1순환펌프를 기동시켜 온수저장탱크에 저장된 물을 고온회수용 열교환기에 순환시키는 단계; (c) 상기 제어부에서 제1온도센서를 이용하여 온수저장탱크의 온수온도(T1)를 측정하고, 온수온도(T1)와 냉각수 온도(T2)를 비교하는 단계; (d) 상기 제어부에서 상기 온수온도(T1)가 상기 냉각수 온도(T2)보다 높거나 상기 냉각수 온도가 제2순환펌프의 기동을 제어하기 위해 미리 설정된 제2설정 값 미만이면 제2순환펌프를 정지시키는 단계; (e) 상기 제어부에서 상기 온수온도(T1)가 상기 냉각수 온도(T2)보다 낮거나 상기 냉각수 온도가 상기 제2설정 값 이상이면 상기 제2순환펌프를 기동시켜 냉각수 탱크에 저장된 냉각수를 냉각용 열교환기에 순환시키는 단계; (f) 상기 제어부에서 제3온도센서를 이용하여 냉각수 탱크의 냉각수 온도(T3)를 측정하는 단계; (g) 상기 제어부에서 측정한 냉각수 온도(T3)가 냉각 사이클 제어를 위해 미리 설정된 제3설정 값 이상이면 응축기와 증발기 및 제3순환펌프를 기동시키는 단계; (h) 상기 제어부에서 상기 냉각수 온도(T2)가 상기 제2설정 값 이상이고 상기 냉각수 온도(T2)가 상기 냉각수 온도(T3)보다 높으면 상기 응축기와 증발기 및 제3순환펌프의 기동을 유지하는 단계; (i) 상기 제어부에서 상기 냉각수 온도(T2)가 상기 제2설정 값 미만이고 상기 냉각수 온도(T2)가 상기 냉각수 온도(T3)보다 낮으면 상기 응축기와 증발기 및 제3순환펌프를 정지시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 "연료전지시스템의 에너지 재활용방법"은,
(j) 상기 제어부에서 상기 온수저장탱크에 저장된 고온의 온수를 난방수로 공급하고자 하면, 난방순환펌프(P-4)를 기동시켜 상기 온수저장탱크에 구비된 열 교환파이프에 난방수를 순환시켜 난방수를 공급하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면 연료전지시스템을 1대 이상 설치하고, 상호 인접하게 배치된 고온회수용 열교환기, 냉각용 열교환기, 온수저장탱크(또는 열 교환 파이프 내장형), 냉각수 탱크, 냉동기(응축기, 증발기)를 연료전지시스템과 연동시킴으로써, 연료전지시스템에 개별로 설치되는 열교환기를 통합으로 설치함으로써 전체 연료전지시스템의 크기를 줄일 수 있으며, 연료전지시스템에서 발생한 배열(온수)을 고온으로 회수할 수 있어 급탕수로 활용함으로써 보일러의 시설 설치비 및 연료비를 절감할 수 있는 효과가 있다.
또한, 온수를 적게 사용하는 건물 및 온수를 적게 사용하는 계절에는 연료전지시스템에서 발생한 배열을 방류함으로 발생하는 비용을, 냉동기(응축기, 증발기)를 이용하여 배열을 냉각시켜 연료전지시스템에 재활용함으로써, 에너지 절감을 도모할 수 있는 효과가 있다(방류로 인한 상하수도 요금보다 냉각시키는 전기 비용이 절감된다).
또한, 온수를 적게 사용하는 건물이나 연료전지시스템에서 발생하는 배열량보다 건물에서 사용하는 급탕부하량이 적은 경우에는 온수저장탱크의 내측에 구비된 열교환 파이프를 이용하여 난방수를 공급함으로써, 연료전지시스템의 배열의 방류량을 줄여 온수이용률을 증가시키고, 보일러의 난방 운전의 연료비를 절감할 수 있는 효과가 있다.
또한, 산업 구조적인 측면에서 보면, 연료전지시스템 케이스 내부에는 개질부, 스택부, 인버터, 연료전지시스템 운전에 필요한 제어장치 등의 필수부분만 구성하고, 물탱크와 같은 외부 부품을 통합하여 외부에 구현함으로써, 연료전지시스템의 제조원가 절감과 제품의 크기를 작게 제작할 수 있는 효과도 있다.
또한, 기술적인 측면에서 보면, 건물용이나 주택용으로 주로 사용하는 형식인 고분자 전해질형의 경우에는 작동온도가 25 ~ 80℃로 스택부는 분리막에 촉매제를 나노입자의 두께로 사용하며, 발전 시에는 수소와 산소의 화학반응으로 산화작용과 환원작용을 반복적 지속적으로 이루어지면서 반응열이 발생한다. 이에 본 발명에서는 스택부에는 물을 순환시켜 일정한 온도를 유지하는 냉각부를 마련하고, 냉각부에 공급되는 물의 온도는 냉각시킬 수 있는 온도(38 ~ 42℃) 이하로 공급하여 스택부의 온도를 일정(통상 60 ~ 70℃)하게 유지시켜 발전을 하게 된다. 또한, 스택부에 높은 온도가 공급되면 백금 촉매제가 고온에 이온화하거나, 분리막에서 이탈하는 현상으로 효율 저하 및 성능을 장시간 유지할 수 없게 되는 데, 본 발명에 따르면 냉각수를 이용하여 연료전지시스템의 스택부의 온도를 일정하게 유지시켜줄 수 있고, 감압밸브로 물의 압력을 감압시키지 않으므로, 가압 펌프 등을 이용할 필요가 없어 높은 압력에 의한 스택부의 파손 등을 예방할 수 있는 장점도 있다.
즉, 본 발명은 연료전지시스템 케이스 내부에 있는 물탱크는 개방형 구조로 제작되어 감압밸브를 사용하여 물의 압력을 감압시키지 않으므로, 가압펌프가 필요 없고 연료전지시스템은 건물의 급탕수 및 시수의 압력과 별개로 운전되어 스택부에 압력이 미치지 않아 연료전지시스템의 파손을 원천적으로 차단 할 수 있다.
또한, 연료전지시스템은 스택부의 냉각수 공급뿐만 아니라 개질부에도 수증기 개질 방식으로 물이 필요한데, 본 발명에 따르면 개방형 냉각용 물탱크에서 대기압으로 스택부 및 개질부에 물을 공급함으로 고층건물의 다양한 수압과 관계없이 적용을 할 수 있는 장점도 있다.
또한, 연료전지시스템 스택부에서 발생한 배열을 고온회수용 열교환기로 1차로 열을 회수하고, 수요자의 급탕수 사용량이 적은 건물 및 급탕수 사용량이 적은 계절에는 온수저장탱크의 하부층에서 순환되는 온수의 온도가 높아 열교환이 이루어지지 않아 연료전지시스템의 스택부에 냉각수로 공급할 온도보다 높게 되는 경우에는, 냉동기(증발기, 응축기)의 운전으로 생성한 냉각수를 저장하는 냉각수탱크의 물이 순환되어 연료전지시스템의 배열을 냉각용 열교환기로 2차로 냉각시켜 안정된 온도로 스택부에 공급하여 스택부의 성능과 효율을 유지하고 내구 수명을 연장할 수 있는 장점도 있다.
또한, 냉동기(증발기, 응축기)의 운전으로 생성한 냉수를 저장하는 냉각수탱크를 구비하여 연료전지시스템의 스택부에 냉각수로 공급할 온도에 따라 냉동기(증발기, 응축기)의 잦은 운전과 정지로 발생하는 전력소비량 증가도 예방하였고, 냉동기의 내구수명을 연장할 수 있는 장점이 있다.
또한, 연료전지시스템 스택부에서 발생한 배열을 고온회수용 열교환기로 열을 회수하여 온수저장탱크의 상층부로 유입시켜 온도성층을 형성하고, 온수를 저장함으로써 급탕수로 바로 사용할 수 있는 온도(55 ~ 60℃)로 보일러의 추가 가열 없이 급탕수로 사용할 수 있도록 함으로써, 보일러를 설치할 필요가 없어 보일러 시설비 절약과 보일러의 연료비용 절감과 연료전지시스템의 배열 활용도를 높일 수 있는 다양한 효과도 있다.
또한, 연료전지시스템 스택부에서 발생한 배열을 고온회수용 열교환기로 열을 회수하여 열 교환 파이프가 내장된 온수저장탱크에 온수를 저장하고, 급탕수 사용량이 적은 건물 및 연료전지시스템에서 발생하는 배열량이 급탕부하량보다 많은 건물에서는 바로 급탕수와 난방수로 사용할 수 있도록 하여 보일러의 추가 가열이 없어 보일러의 연료비용 절감과 연료전지시스템의 배열 활용도를 높일 수 있는 효과도 있다.
도 1은 종래 연료전지시스템의 제품 구성도,
도 2는 도 1의 제품 적용도로서 연료전지시스템을 복수로 구성한 경우의 적용 예시도,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 연료전지시스템의 구성도,
도 4는 도 3을 적용한 연료전지시스템의 에너지 재활용장치의 제1 실시 예 구성도,
도 5는 도 3을 적용한 연료전지시스템의 에너지 재활용장치의 제2 실시 예 구성도,
도 6은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 연료전지시스템의 에너지 재활용방법을 보인 흐름도이다.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 연료전지시스템의 에너지 재활용장치 및 방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
이하에서 설명되는 본 발명에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
먼저, 본 발명은 개질부, 스택부(발전부), 공기공급장치, 배기장치, 인버터, 물탱크, 다수의 주변장치(BOP)가 케이스의 내부에 수용된 연료전지시스템을 적어도 1대 이상 설치하고, 상호 인접하게 배치된 고온회수용 열교환기, 냉각용 열교환기, 온수저장탱크, 냉동기(응축기, 증발기 포함), 펌프 및 배관을 연결하여, 개별로 설치한 열교환기를 통합으로 설치함으로써 비용절감 및 케이스 크기는 줄였다.
아울러 연료전지시스템에서 발생한 온수를 고온으로 회수할 수 있어 급탕수로 사용 가능하게 하여 보일러의 연료비를 절감하고, 온수사용량이 적은 건물 및 온수사용량이 적은 계절에 발생하는 연료전지시스템의 배열을 방류 없이 효율적으로 배열을 냉각시켜 연료전지시스템에 재활용함으로써 고성능 유지와 내구수명 연장 및 경제성을 향상하였다.
이를 좀 더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 의한 연료전지시스템(100)의 구성도로서, 개질부(110), 공기공급장치(130), 배기장치(140), 스택부(발전부)(120), 물탱크(150), 인버터(160)를 포함할 수 있다.
개질부(110)는 수소와 산소의 전기화학반응에 의해 전력을 생산하는 연료전지시스템(100)에서 연료(ex, 도시가스 등)를 수소로 개질한다.
발전부인 스택부(120)는 개질부(110)에서 개질된 수소와 산소의 전기화학반응에 의해 전력을 생산한다.
공기공급장치(130)는 개질부(110)에서의 개질 과정에서 발생한 일산화탄소의 농도를 낮추기 위하여 산소를 개질부(110)에 공급하고, 스텍부(120)에 필요한 산소를 공급한다.
배기장치(140)는 개질부(110)에서 발생한 가스를 외기로 배기한다.
물탱크(150)는 개질부(110)의 수증기 개질반응과정에 공급하는 물과 스택부(120)의 온도를 일정 온도로 유지시키는 냉각수를 공급 및 저장하고, 상부가 개방되어 내부의 물의 압력은 대기압이 되도록 한다.
인버터(160)는 스택부(120)의 연료전지 스택에서 생산된 전력을 교류로 변환한다.
이러한 연료전지시스템(100)의 설치 구조와 운전방법을 간략하게 설명하면 다음과 같다.
첫째, 연료전지시스템(100) 케이스 내부의 물탱크(150)는 개방형으로서, 단면적이 작고 높이가 긴 구조로 하여 물탱크(150)에서 스택부(120)로 순환시키는 펌프(P)에는 수위가 부족함이 없어 펌프(P)의 공회전을 예방하며, 건물의 높은 보급수 압력이 미처도 물탱크(150)의 압력은 대기압을 유지한다.
둘째, 1대 이상의 연료전지시스템(100)의 스택부(120)에서 회수된 고온 온수를 묶은 배관에 1차로 후술하는 고온회수용 열교환기(210)를 통과하여 고온을 방출하고, 2차로 냉각용 열교환기(220)를 거쳐 연료전지시스템(100)의 스택부(120)에 냉각수로 재공급할 수 있는 온도까지 열을 방출하여 각 연료전지시스템(100)의 물탱크(150)에 공급한다. 이로써 연료전지시스템에서 방출되는 배열(온수)은 적정한 온도로 냉각되어 재활용됨으로써, 에너지 낭비를 방지할 수 있게 된다. 여기서 연료전지시스템에서 전력 생산 후 발생하는 배열(온수)을 "에너지"라고 명명한다.
도 4는 도 3을 적용한 연료전지시스템의 에너지 재활장치의 구성도이다.
1대 이상의 연료전지시스템(100 - 100+N))의 스택부(120)에서 회수된 고온의 온수를 통합하는 배관에 흐르는 유량을 감지하는 유량감지센서(A), 연료전지시스템(100 - 100+N)의 내부 물탱크(150)에서 배출되는 고온의 온수를 에너지로 통합 회수하는 고온회수용 열교환기(210), 상기 고온회수용 열교환기(210)를 통해 회수한 고온의 온수를 저장하며, 저장한 고온의 온수를 급탕수로 공급하는 온수저장탱크(310), 상기 고온회수용 열교환기(210)를 통과하여 1차 열교환이 이루어진 물을 2차 열 교환하여 저온의 물을 상기 하나 이상의 연료전지시스템(100 - 100+N)에 냉각수로 공급하는 냉각용 열교환기(220), 상기 고온회수용 열교환기(210)에서 고온 온수를 회수하도록 고온 온수 회수용 물을 공급하는 제1순환펌프(P-1), 상기 냉각용 열교환기(220)에 공급되는 열 교환용 냉각수를 저장하는 냉각수 탱크(410), 상기 냉각수 탱크(410)에 저장된 냉각수를 상기 냉각용 열교환기(220)에 공급하는 제2순환펌프(P-2), 냉각 사이클을 통해 상기 냉각수 탱크(410)에 냉각수를 공급하는 응축기(420) 및 증발기(430), 상기 냉각수 탱크(410)에 저장된 냉각수를 상기 증발기(430)를 통해 냉각수 탱크(410)로 순환시키는 제3순환펌프(P-3), 상기 온수저장탱크(310)의 온수 온도를 측정하는 제1온도센서(TS-1), 상기 냉각용 열교환기(220)에서 상기 연료전지시스템(100 - 100+N)으로 공급되는 냉각수의 온도를 측정하는 제2온도센서(TS-2), 상기 냉각수 탱크(410)에 저장된 냉각수의 온도를 측정하는 제3온도센서(TS-3), 상기 유량감지센서(A)에서 감지한 유량 값 및 상기 제1 내지 제3 온도센서(TS-1 - TS-3)에서 각각 측정한 온도 값을 기초로 상기 제1 내지 제3 순환펌프(P-1 - P-3)의 기동 및 정지를 제어하는 제어부(500)를 포함한다.
상기 온수저장탱크(310)는 온수의 고온층과 저온층을 구획하는 성층형성용 디퓨저가 탱크 내부에 구비된다.
또한, 상기 온수저장탱크(310)는 상기 고온회수용 열교환기(210)를 통해 회수한 고온의 온수를 열 교환하여 난방수로 공급하는 열 교환 파이프를 구비할 수 있다.
이러한 구성의 본 발명은 연료전지시스템으로부터 배출되는 고온의 온수는 상기 고온회수용 열교환기(210)와 상기 냉각용 열교환기(220)를 순차 통해 냉각수로 재활용되어 상기 연료전지시스템(100 - 100+N)에 재공급되어 온수 배출 방지로 에너지 낭비를 방지한다.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 연료전지시스템의 에너지 재활용장치의 동작을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
연료전지시스템(100 - 100+N)의 설치 용량 및 건물의 급탕 부하량을 고려하여 연료전지시스템 외부에 설치하는 온수저장탱크(310)의 용량을 결정하여 설치한다. 온수저장탱크(310)는 원통 입형으로 제작되어 중간부를 기준으로 상부는 고온의 온수 저장부가 구비되고, 하부는 저온의 온수 저장부가 되도록 탱크 내부의 중앙부까지 배관을 연결하여 상부에 연결된 배관 말단에는 상부 방향으로, 하부에 연결된 배관 말단에는 하부 방향으로 디퓨저를 설치하여 온도 성층을 이루도록 한다.
여기서 각각의 연료전지시스템(100 - 100+N)의 구성 및 동작은 동일하므로, 이하 하나의 연료전지시스템(예를 들어, 100)에 대해서만 예시로 설명하기로 한다.
연료전지시스템(100)의 스택부(120)에서 발생한 배열(온수)을 탱크 하부 쪽에 위치한 저온부의 물을 제1순환펌프(P-1)가 기동하여 고온회수용 열교환기(210)로 순환시켜 1차로 열을 회수하여 온수저장탱크(310)의 상부 고온부에 저장하여 급탕수로 사용한다.
고온회수용 열교환기(210)에서 1차로 열 회수 후에도 연료전지시스템(100)의 냉각수로 활용할 수 있는 온도보다 높은 경우는, 제어부(500)의 제어에 의해 냉각수 탱크(410)의 하부 쪽 냉각수를 제2순환펌프(P-2)로 냉각용 열교환기(220)에 순환시켜 열을 회수하여 냉각수 탱크(410)의 상부로 공급하여 저장한다. 이러한 동작에 의해 연료전지시스템(100)의 스택부(120)에 공급하는 물은 냉각수로 사용할 수 있는 안정된 온도의 물로 연료전지시스템(100) 케이스 내에 있는 물탱크(150)에 공급한다.
냉각수 탱크(410)와 냉동기(응축기, 증발기)(420, 430)는 연료전지시스템(100)의 용량 및 건물의 급탕 부하량과 계절에 따른 급탕수의 사용량을 고려하여 용량 및 규격을 결정하여 설치한다. 냉동기의 응축기(420)는 운전 소음과 배열을 고려하여 지상의 옥외에 설치하며, 증발기(430)는 냉각수 탱크(410), 냉각용 열교환기(220)와 가까운 거리에 설치하여 냉각수 탱크(410)와 부착된 제3온도센서(TS-3)의 설정 값에 따라 냉동기의 응축기(420), 증발기(430), 제3순환펌프(P-3)의 운전을 제어한다.
또한, 온수저장탱크(310)의 하부에는 보급수를 공급하는 공급노즐(N-1), 탱크의 중간보다 약간 낮은 위치에 고온회수용 열교환기(220)와 제1순환펌프(P-1)로 공급하는 공급노즐(N-3), 온수탱크 높이에서 아래로부터 2/3 기점에는 고온회수용 열교환기(220)를 거쳐 연료전지시스템(100)의 스텍부(120)에서 발생한 배열을 회수한 고온을 온수저장탱크(310)에 유입하는 공급노즐(N-4), 온수저장탱크(310)의 최상층에는 연료전지시스템(100)의 배열을 급탕수로 바로 사용할 수 있는 온수(55 ~ 60℃)로 공급하는 공급 노즐(N-2)이 부착된다.
아울러 온수저장탱크(310)의 하부 측에서 고온회수용 열교환기(210)로 연결되는 배관에는 제1순환펌프(P-1)를 설치하고, 고온회수용 열교환기(210)를 유동하여 열을 회수한 온수는 온수저장탱크(310)의 상부로 유입시키며, 탱크의 하부와 연결된 탱크 내부의 배관에는 하부 측 방향, 탱크의 상부와 연결된 탱크 내부의 배관에는 상부 측 방향의 디퓨저를 구비하여 온도성층을 이룬다.
또한, 냉각수 탱크(410)의 하부 측에서 냉각용 열교환기(220)로 연결되는 배관에는 제2순환펌프(P-2)를 설치하고, 냉각용 열교환기(220)를 유동하여 열을 회수한 냉각수는 냉각수 탱크(410)의 상부로 유입시켜 연료전지시스템(100)의 물탱크(150)에는 스택부(120)의 냉각수로 공급할 수 있는 온도까지 열을 방출하여 안정된 온도의 냉각수를 공급한다.
아울러 냉각수 탱크(410)에는 냉동 사이클에 의해 생성되는 냉수(통상 1 ~ 35℃)를 보관할 수 있도록 냉동기(응축기, 증발기)(420, 430)가 구비되고, 응축기(420)와 증발기(430)를 연결하는 냉매 배관, 증발기(430)와 냉각수 탱크(410)를 연결하는 배관에는 제3순환펌프(P-3)를 설치하였으며, 냉각수 탱크(410)를 설치하여 냉동기(응축기, 증발기)(420, 430), 펌프의 잦은 기동과 정지로 발생하는 전력소비량 증가를 예방하였고, 냉동기의 내구 수명을 연장할 수 있도록 하였다.
도 5는 도 3을 적용한 연료전지시스템의 에너지 재활용장치의 다른 실시 예로서, 연료전지시스템의 에너지 재활용장치를 이용하여 회수한 에너지를 급탕수 및 난방수로 사용하는 예시이다.
이에 도시된 바와 같이, 도 4를 적용한 연료전지시스템(100)의 에너지 재활용장치를 적용하여, 도 5와 같이, 연료전지시스템(100)으로부터 취득한 고온의 온수를 저장하는 온수저장탱크(310) 내부에 열 교환 파이프(320)를 마련한다. 온수저장탱크(310)의 하부로부터 1/3지점에 위치한 인입 측 배관 접속구와 온수저장탱크(310)의 상부로부터 1/3지점에 위치한 출구 측 배관 접속구를 구비한 온수저장탱크(310)에 온수를 저장한다. 열 교환 파이프(320) 인입 측 배관 내부로 난방수가 유동하여 연료전지시스템(100)의 배열을 회수하여 출구 측 배관으로 순환하여 난방수로 사용하도록 열 교환 파이프(320)가 포함된 온수저장탱크(310)를 구성한다.
온수저장탱크(310)는 열 교환 파이프(320)를 내장시켜 열 교환 파이프(320)의 외측 온수저장탱크(310)의 내부는 급탕수로 사용하고, 열 교환 파이프(320)의 내부에는 난방수가 유동되도록 한다. 이로써, 서로 다른 기능의 다른 용도의 급탕수와 난방수가 교환되지 않도록 분리함으로써, 깨끗한 급탕수를 사용할 수 있도록 한다.
아울러 연료전지시스템(100)의 스택부(120)에서 발생한 배열을 고온회수용 열교환기(210)로 열을 회수하여 열교환 파이프(320)가 내장된 온수저장탱크(310)에 온수를 저장한다. 급탕수 사용량이 적은 건물 및 연료전지시스템에서 발생하는 배열량이 급탕 부하량보다 많은 건물에서는 바로 급탕수와 난방수로 사용할 수 있도록 한다. 이로써 보일러로 난방수를 가열하지 않고도 난방을 할 수 있어 보일러의 연료비용 절감과 연료전지시스템의 배열 활용도를 높이게 된다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 의한 연료전지시스템의 에너지 재활용방법을 보인 흐름도이다.
(a) 제어부(500)에서 적어도 하나 이상의 연료전지시스템이 운전중이고 유량감지센서(A)를 통해 연료전지시스템으로부터 배출되는 고온의 온수가 감지되면, 제2온도센서(TS-2)를 이용하여 연료전지시스템으로 재공급되는 냉각수 온도(T2)를 측정하는 단계(S101 - S104), (b) 상기 제어부(500)에서 측정한 냉각수 온도(T2)가 제1순환펌프(P-1)의 기동을 제어하기 위해 미리 설정된 제1설정 값 이상이면, 제1순환펌프(P-1)를 기동시켜 온수저장탱크(310)에 저장된 물을 고온회수용 열교환기(210)에 순환시키는 단계(S105 - S106), (c) 상기 제어부(500)에서 제1온도센서(TS-1)를 이용하여 온수저장탱크(310)의 온수온도(T1)를 측정하고, 온수온도(T1)와 냉각수 온도(T2)를 비교하는 단계(S107, S108, S110), (d) 상기 제어부(500)에서 상기 온수온도(T1)가 상기 냉각수 온도(T2)보다 높거나 상기 냉각수 온도가 제2순환펌프(P-2)의 기동을 제어하기 위해 미리 설정된 제2설정 값 미만이면 제2순환펌프(P-2)를 정지시키는 단계(S109), (e) 상기 제어부(500)에서 상기 온수온도(T1)가 상기 냉각수 온도(T2)보다 낮거나 상기 냉각수 온도가 상기 제2설정 값 이상이면 상기 제2순환펌프(P-2)를 기동시켜 냉각수 탱크(410)에 저장된 냉각수를 냉각용 열교환기(220)에 순환시키는 단계(S111), (f) 상기 제어부(500)에서 제3온도센서(TS-3)를 이용하여 냉각수 탱크의 냉각수 온도(T3)를 측정하는 단계(S112), (g) 상기 제어부(500)에서 측정한 냉각수 온도(T3)가 냉각 사이클 제어를 위해 미리 설정된 제3설정 값 이상이면 응축기(420)와 증발기(430) 및 제3순환펌프(P-3)를 기동시키는 단계(S113 - S114), (h) 상기 제어부(500)에서 상기 냉각수 온도(T2)가 상기 제2설정 값 이상이고 상기 냉각수 온도(T2)가 상기 냉각수 온도(T3)보다 높으면 상기 응축기(420)와 증발기(430) 및 제3순환펌프(P-3)의 기동을 유지하는 단계(S115), (i) 상기 제어부(500)에서 상기 냉각수 온도(T2)가 상기 제2설정 값 미만이고 상기 냉각수 온도(T2)가 상기 냉각수 온도(T3)보다 낮으면 상기 응축기(420)와 증발기(430) 및 제3순환펌프(P-3)를 정지시키는 단계(S116 - S117)를 포함한다.
또한, 본 발명에 따른 "연료전지시스템의 에너지 재활용방법"은, 도면에는 도시하지 않았지만, (j) 상기 제어부(500)에서 상기 온수저장탱크(310)에 저장된 고온의 온수를 난방수로 공급하고자 하면, 난방순환펌프(P-4)를 기동시켜 상기 온수저장탱크(310)에 구비된 열 교환파이프(320)에 난방수를 순환시켜 난방수를 공급하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이와 같이 구성된 본 발명의 일 실시 예에 의한 연료전지시스템의 에너지 재활용방법을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
먼저, 연료전지시스템(100)의 동작으로 발전이 시작되면(S101), 제어부(500)는 1대 이상의 연료전지시스템(100)의 스텍부(120)에서 회수된 고온의 온수를 묶은 배관에 물의 순환을 감지하는 유량감지센서(A)를 통해 물의 순환을 감지한다. 이때 물의 순환이 감지되면 제1순환펌프(P-1)를 기동하여 연료전지시스템(100)의 스택부(120)의 고온의 배열을 고온회수용 열교환기(210)와 냉각용 열교환기(220)를 통과시켜 열을 방출한 낮은 온도의 물은 연료전지시스템(100)에 내장된 물탱크(150)로 이동시킨다. 물탱크(150)에 저장된 낮은 온도의 물은 순환펌프(P)로 연료전지시스템(100)의 스택부(120)에 순환시켜 안정된 온도의 냉각수를 공급한다. 온수저장탱크(310)의 중간 하부의 저온의 물은 고온회수용 열교환기(210)로 순환시켜 연료전지시스템(100)의 스택부(120)의 고온의 배열을 회수하여 온수저장탱크(310)에 저장하여 급탕수로 사용한다. 1대 이상의 연료전지시스템(100)들에서 발생한 배열을 고온회수용 열교환기(210)와 연결된 배관에 부착된 유량감지센서(A)에서 물의 순환이 없는 것이 감지되면 제1순환펌프(P-1)는 정지한다(S102 - S103).
다음으로, 연료전지시스템으로 재공급되는 냉각수 온도(T2)를 측정하고(S104), 상기 측정한 냉각수 온도(T2)가 제1순환펌프(P-1)의 기동을 제어하기 위해 미리 설정된 제1설정 값 이상이면 제1순환펌프(P-1)를 기동시킨다(S105 - S106).
이어, 온수저장탱크(310)에 설치된 제1온도센서(TS-1)로 측정한 온수온도(T1)와 물탱크(150)로 공급되는 배관에 부착된 제2온도센서(TS-2)의 냉각수 온도(T2)를 비교한다(S108, S110). 이때, 온수온도(T1)가 냉각수 온도(T2)보다 높거나 냉각수 온도(T2)가 제2설정온도(통상 38 ~ 42℃) 미만이면, 제2순환펌프(P-2)를 정지시킨다. 이와는 달리, 냉각수 온도(T2)가 온수온도(T1)보다 높거나 냉각수 온도(T2)가 제2설정온도 이상이면, 냉각용 열교환기(220)와 연결된 제2순환펌프(P-2)가 기동하여 냉각수탱크(310)의 저온의 물을 냉각용 열교환기(220)로 통과시켜 연료전지시스템(100)으로부터 회수되는 배열을 냉각하여 연료전지시스템(100)의 내부에 있는 물탱크(150)로 공급한다(S111).
다음으로, 냉각수탱크(410)에 부착된 제3온도센서(TS-3) 온도 값(T3)이 제3설정온도(통상 30 ~ 35℃) 값 이상이면 냉동기의 응축기(420)와 증발기(430)를 기동시키고, 증발기(430)와 냉각수탱크(410) 사이에 연결된 제3순환펌프(P-3)를 기동하여 냉각수탱크(410)의 물을 설정온도(통상 1 5~ 20℃)까지 냉각시켜 냉각수탱크(410)에 저장한다(S112 - S114).
이어, 냉각수탱크(410)의 제3온도센서(TS-3)의 냉각수 온도(T3)와 물탱크(150)로 공급되는 배관에 부착된 제2온도센서(TS-2)의 온도 값(T2)을 비교하여, 냉각수탱크(410)의 제3온도센서(TS-3)의 온도 값이 작거나, 물이 설정온도(통상 15 ~ 20℃)까지 냉각되면 제3순환펌프(P-3) 및 냉동기의 응축기(420)와 상기 증발기(430)를 정지시킨다(S115 - S117).
또한, 온수저장탱크(310)에 설치된 제1온도센서(TS-1)의 온도(T1)와 물탱크(150)로 공급되는 배관에 부착된 제22온도센서(TS-2)의 온도(T2)를 비교하여 같거나, 제2온도센서(TS-2)의 온도 값(T2)이 설정온도(통상 38 ~ 42℃)일 때 고온회수용 열교환기(210)와 연결된 제1순환펌프(P-1)는 기동을 정지한다.
한편, 본 발명에 따른 연료전지시스템의 에너지 재활용방법에서 난방수를 활용하는 예를 설명하면 다음과 같다.
연료전지시스템(100)의 운전이 시작되어 발전을 시작하면, 제어부(500)는 1대 이상의 연료전지시스템(100)의 스택부(120)에서 회수된 고온의 온수를 묶은 배관에 물의 순환을 감지하는 유량감지센서(A)를 이용하여 물의 순환을 감지한다. 물의 순환이 감지되면 제1순환펌프(P-1)를 기동하여 상기 연료전지시스템(100)의 상기 스택부(120)의 고온의 배열을 고온회수용 열교환기(210)와 냉각용 열교환기(220)를 통과시켜 열을 방출한 낮은 온도의 물은 상기 연료전지시스템(100)에 내장된 물탱크(150)로 공급한다. 상기 물탱크(150)에 저장된 낮은 온도의 물은 순환펌프(P)로 상기 연료전지시스템(100)의 스택부(120)에 순환시켜 안정된 온도의 냉각수를 공급한다. 아울러 열 교환 파이프(320)가 구비된 온수저장탱크(310)의 하부의 물을 상기 고온회수용 열교환기(210)로 순환시켜 상기 연료전지시스템(100)의 스택부(120)의 고온의 배열을 회수하여 온수저장탱크(310)의 상부로 유입시켜 저장한다. 선택적으로 난방 수 공급이 필요하면 난방순환펌프(P-4)를 기동시켜 열 교환파이프(320)의 내측으로 난방수가 유동하여 온수저장탱크(310)에 저장된 온수를 회수하여 난방수로 사용한다. 상기 고온회수용 열교환기(210)와 연결된 배관에 부착된 상기 유량감지센서(A)에서 물의 순환이 감지되지 않으면, 상기 제1순환펌프(P-1)는 정지시킨다.
이와 같이 본 발명은 개질부, 스택, 공기공급장치, 인버터, 물탱크, 다수의 주변장치(BOP)가 케이스의 내부에 수용된 연료전지시스템을 1대 이상 설치하고, 상호 연료전지시스템에 인접하게 고온회수용 열교환기, 냉각용 열교환기, 온수저장탱크(또는 열 교환 파이프가 내장된 온수저장탱크), 냉각수탱크, 냉동기(응축기, 증발기), 펌프 및 배관을 연결하여, 연료전지시스템마다 개별로 설치한 열교환기를 통합적으로 설치함으로써 비용절감 및 시스템의 크기를 줄일 수 있다.
아울러 연료전지시스템에서 발생한 온수를 고온으로 회수할 수 있어 급탕수로 사용 가능하게 하여 2차 가열에 따른 보일러의 연료비를 절감할 수도 있다.
또한, 연료전지시스템에서 발생하는 배열(에너지)을 급탕수로 적게 사용하는 건물 및 배열량이 급탕 부하량보다 많은 건물에서는 바로 급탕수와 난방수로 사용할 수 있도록 하여, 보일러로 난방수를 가열하지 않고도 난방을 할 수 있어 보일러의 연료비용 절감과 연료전지시스템의 배열 활용도를 높이게 되는 것이다.
또한, 연료전지시스템을 1대 이상 설치한 배열을 냉동기(응축기, 증발기) 및 냉각수탱크, 냉각용 열교환기를 이용하여 온수사용량이 적은 건물 및 온수사용량이 적은 계절에도 연료전지시스템을 1대 이상에서 발생한 온수를 방류 없이 계속 발전하도록 하여, 연료전지시스템의 효율을 높이게 된다.
이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.
100 - 100+N: 연료전지시스템
110: 개질부
120: 스택부
130: 배기장치
140: 공기공급장치
150: 물탱크
160: 인버터
210: 고온회수용 열교환기
220: 냉각용 열교환기
310: 온수저장탱크
320: 열 교환 파이프
410: 냉각수탱크
420: 응축기
430: 증발기

Claims (7)

  1. 수소와 산소의 전기화학반응에 의해 전력을 생산하는 하나 이상의 연료전지시스템;
    상기 하나 이상의 연료전지시스템의 스택부에서 회수된 고온의 온수 유량을 감지하는 유량감지센서;
    상기 하나 이상의 연료전지시스템에서 출력되는 고온의 온수를 에너지로 통합 회수하는 고온회수용 열교환기;
    상기 고온회수용 열교환기를 통해 회수한 고온의 온수를 저장하며, 저장한 고온의 온수를 급탕수로 공급하는 온수저장탱크;
    상기 고온회수용 열교환기를 통과하여 1차 열교환이 이루어진 물을 2차 열교환하여 저온의 물을 상기 하나 이상의 연료전지시스템에 냉각수로 공급하는 냉각용 열교환기;
    상기 고온회수용 열교환기에서 고온 온수를 회수하도록 고온 온수 회수용 물을 공급하는 제1순환펌프;
    상기 냉각용 열교환기에 공급되는 열교환용 냉각수를 저장하는 냉각수 탱크;
    상기 냉각수탱크에 저장된 냉각수를 상기 냉각용 열교환기에 공급하는 제2순환펌프;
    냉각 사이클을 통해 상기 냉각수 탱크에 냉각수를 공급하는 응축기 및 증발기;
    상기 냉각수 탱크에 저장된 냉각수를 상기 증발기를 통해 냉각수 탱크로 순환시키는 제3순환펌프;
    상기 온수저장탱크의 온수 온도를 측정하는 제1온도센서;
    상기 냉각용 열교환기에서 상기 연료전지시스템으로 공급되는 냉각수의 온도를 측정하는 제2온도센서;
    상기 냉각수 탱크에 저장된 냉각수의 온도를 측정하는 제3온도센서;
    상기 유량감지센서에서 감지한 유량 값 및 상기 제1 내지 제3 온도센서에서 각각 측정한 온도 값을 기초로 상기 제1 내지 제3 순환펌프의 기동 및 정지를 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 연료전지시스템으로부터 배출되는 고온의 온수는 상기 고온회수용 열교환기와 상기 냉각용 열교환기를 순차 통해 냉각수로 재활용되어 상기 연료전지시스템에 재공급되며,
    상기 제어부는 상기 적어도 하나 이상의 연료전지시스템이 운전중이고 유량감지센서를 통해 연료전지시스템으로부터 배출되는 고온의 온수가 감지되면, 제2온도센서(TS-2)를 이용하여 연료전지시스템으로 재공급되는 냉각수 온도(T2)를 측정하고, 상기 측정한 냉각수 온도(T2)가 제1순환펌프의 기동을 제어하기 위해 미리 설정된 제1설정 값 이상이면, 제1순환펌프를 기동시켜 온수저장탱크에 저장된 물을 고온회수용 열교환기에 순환시키며, 상기 제1온도센서를 이용하여 온수저장탱크의 온수온도(T1)를 측정하고, 온수온도(T1)와 냉각수 온도(T2)를 비교하여, 상기 온수온도(T1)가 상기 냉각수 온도(T2)보다 높거나 상기 냉각수 온도가 제2순환펌프의 기동을 제어하기 위해 미리 설정된 제2설정 값 미만이면 제2순환펌프를 정지시키고, 상기 온수온도(T1)가 상기 냉각수 온도(T2)보다 낮거나 상기 냉각수 온도가 상기 제2설정 값 이상이면 상기 제2순환펌프를 기동시켜 냉각수 탱크에 저장된 냉각수를 냉각용 열교환기에 순환시키며, 상기 제3온도센서를 이용하여 냉각수 탱크의 냉각수 온도(T3)를 측정하여 냉각수 온도(T3)가 냉각 사이클 제어를 위해 미리 설정된 제3설정 값 이상이면 응축기와 증발기 및 제3순환펌프를 기동시키고, 상기 냉각수 온도(T2)가 상기 제2설정 값 이상이고 상기 냉각수 온도(T2)가 상기 냉각수 온도(T3)보다 높으면 상기 응축기와 증발기 및 제3순환펌프의 기동을 유지하며, 상기 냉각수 온도(T2)가 상기 제2설정 값 미만이고 상기 냉각수 온도(T2)가 상기 냉각수 온도(T3)보다 낮으면 상기 응축기와 증발기 및 제3순환펌프를 정지시키고, 상기 온수저장탱크에 저장된 고온의 온수를 난방수로 공급하고자 하면, 난방순환펌프(P-4)를 기동시켜 상기 온수저장탱크에 구비된 열 교환파이프에 난방수를 순환시켜 난방수를 공급하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 에너지 재활용장치.
  2. 청구항 1에서, 상기 연료전지시스템은 연료를 수소로 개질하는 개질부, 상기 개질부에서 개질된 수소와 산소의 전기화학반응에 의해 전력을 생산하는 스택부, 상기 개질부에서의 개질 과정에서 발생한 일산화탄소의 농도를 낮추기 위하여 산소를 상기 개질부에 공급하고, 상기 스택부에 필요한 산소를 공급하는 공기공급장치, 상기 개질부에서 발생한 가스를 외기로 배기하는 배기장치, 상기 개질부의 수증기 개질 반응과정에 공급하는 물과 상기 스택부의 온도를 일정 온도로 유지시키는 냉각수를 저장하고, 상부가 개방되어 내부의 물의 압력은 대기압이 되도록 하는 물탱크, 상기 스택부의 연료전지 스택에서 생산된 전력을 교류로 변환하는 인버터를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 에너지 재활용장치.
  3. 청구항 1에서, 상기 온수저장탱크는 온수의 고온층과 저온층을 구획하는 성층형성용 디퓨저가 탱크 내부에 구비된 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 에너지 재활용장치.
  4. 청구항 3에서, 상기 온수저장탱크는 상기 고온회수용 열교환기를 통해 회수한 고온의 온수를 열 교환하여 난방수로 공급하는 열 교환 파이프를 구비한 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 에너지 재활용장치.
  5. 삭제
  6. 청구항 1 내지 청구항 4중 어느 하나의 청구항에 기재된 연료전지시스템의 에너지 재활용장치를 이용하여 연료전지시스템에서 배출되는 배열(온수)을 재활용하는 방법으로서,
    (a) 제어부에서 적어도 하나 이상의 연료전지시스템이 운전중이고 유량감지센서를 통해 연료전지시스템으로부터 배출되는 고온의 온수가 감지되면, 제2온도센서(TS-2)를 이용하여 연료전지시스템으로 재공급되는 냉각수 온도(T2)를 측정하는 단계;
    (b) 상기 제어부에서 측정한 냉각수 온도(T2)가 제1순환펌프의 기동을 제어하기 위해 미리 설정된 제1설정 값 이상이면, 제1순환펌프를 기동시켜 온수저장탱크에 저장된 물을 고온회수용 열교환기에 순환시키는 단계;
    (c) 상기 제어부에서 제1온도센서를 이용하여 온수저장탱크의 온수온도(T1)를 측정하고, 온수온도(T1)와 냉각수 온도(T2)를 비교하는 단계;
    (d) 상기 제어부에서 상기 온수온도(T1)가 상기 냉각수 온도(T2)보다 높거나 상기 냉각수 온도가 제2순환펌프의 기동을 제어하기 위해 미리 설정된 제2설정 값 미만이면 제2순환펌프를 정지시키는 단계;
    (e) 상기 제어부에서 상기 온수온도(T1)가 상기 냉각수 온도(T2)보다 낮거나 상기 냉각수 온도가 상기 제2설정 값 이상이면 상기 제2순환펌프를 기동시켜 냉각수 탱크에 저장된 냉각수를 냉각용 열교환기에 순환시키는 단계;
    (f) 상기 제어부에서 제3온도센서를 이용하여 냉각수 탱크의 냉각수 온도(T3)를 측정하는 단계;
    (g) 상기 제어부에서 측정한 냉각수 온도(T3)가 냉각 사이클 제어를 위해 미리 설정된 제3설정 값 이상이면 응축기와 증발기 및 제3순환펌프를 기동시키는 단계;
    (h) 상기 제어부에서 상기 냉각수 온도(T2)가 상기 제2설정 값 이상이고 상기 냉각수 온도(T2)가 상기 냉각수 온도(T3)보다 높으면 상기 응축기와 증발기 및 제3순환펌프의 기동을 유지하는 단계; 및
    (i) 상기 제어부에서 상기 냉각수 온도(T2)가 상기 제2설정 값 미만이고 상기 냉각수 온도(T2)가 상기 냉각수 온도(T3)보다 낮으면 상기 응축기와 증발기 및 제3순환펌프를 정지시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 에너지 재활용방법.
  7. 청구항 6에서, (j) 상기 제어부에서 상기 온수저장탱크에 저장된 고온의 온수를 난방수로 공급하고자 하면, 난방순환펌프(P-4)를 기동시켜 상기 온수저장탱크에 구비된 열 교환파이프에 난방수를 순환시켜 난방수를 공급하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 에너지 재활용방법.
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