KR102461284B1 - 연료전지 시스템과 태양광발전 시스템이 일체화된 건축물 구조 - Google Patents
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Abstract
연료전지 시스템을 구비한 건축물에 있어서, 연료전지 시스템을 건축물의 보일러실, 기계실, 창고, 베란다, 복도 등 별도 공간의 건축물 구조체인 벽체 또는 바닥에 일체화되도록 설치함으로써 연료전지 시스템 설치에 따른 불필요한 공간을 최소화하면서 안전성을 확보할 수 있고, 또한, 연료전지 시스템을 태양광발전 시스템과 연계하여 수전해를 통한 수소를 활용하거나, 태양광발전에 의해 생성된 잉여 전력을 활용함으로써 신재생에너지의 효율을 높일 수 있으며, 또한, 연료전지 시스템 설치에 따른 수소의 폭발 등의 안전과 관련하여 건축물 구조체에 연료전지 시스템을 일체화하여 폭압, 화재 등에서 보다 높은 안전성을 확보하고, 폭발이 발생할 경우를 대비하여 폭발압력을 상부로 배출하도록 설치 공간을 형성함으로써 거주공간 등에 대한 안전성을 높일 수 있는, 연료전지 시스템과 태양광발전 시스템이 일체화된 건축물 구조가 제공된다.
Description
본 발명은 연료전지 시스템 일체형 건축물 구조에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 연료전지 시스템 및/또는 태양광발전 시스템이 건축물에 일체화될 수 있도록 연료전지장치와 부속장치가 탑재되는 일체화 케이스를 건축물 구조체인 벽 또는 바닥에 일체화시키는, 연료전지 시스템과 태양광발전 시스템이 일체화된 건축물 구조에 관한 것이다.
최근 국제사회는 현재의 지구온난화와 관련한 위기를 기후변화가 아니라 기후위기 또는 기후 비상상태로 규정하고 있으며, 또한, 지구온난화도 지구가열로 표현하는 의견까지 제시되고 있다.
예를 들면, 전세계적으로 온실가스 감축을 위한 특별한 노력이 없을 경우, 대기 중의 이산화탄소(CO2) 농도 변화는 2000년에서 2050년까지 약 44% 증가할 것으로 예상된다.
국내의 경우, 국가 온실가스 감축을 위해 다양한 방안을 마련 중에 있으며, 신재생에너지 활용 촉진과 미세먼지 문제 대응 등의 수단으로서 제로에너지 건축과 수소에너지의 적극적인 활용이 요구되고 있다. 특히, 정부의 재생에너지 2030 이행계획, 제3차 에너지기본계획 등에서 분산형 및 참여형 에너지 시스템 확대, 프로슈모형 에너지 생산기반 확대, 연료전지 가스요금 신설, 그린수소 활용, 전력과 비전력(예를 들면, 가스, 열, 수소 등)의 에너지 연계 시장 구축 등 제도를 확대할 계획이다.
예를 들면, 최근 수소경제 활성화 로드맵, 수소기술개발 로드맵을 발표하고, 수소시범도시 선정 등을 진행하고 있다.
한편, 연료전지는 세계적으로 2017년 기준 약 7만대 이상 판매되었고, 출하된 연료전지의 총 출력규모는 약 650㎿이며, 또한, 주택 및 건물용 연료전지는 2018년 기준 약 4.7㎿, 발전용 연료전지는 약 251㎿가 보급된 것으로 보고되었다.
예를 들면, 주택에서의 수소 연료전지 활용은 1~3㎾급의 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)와 고체산화물 연료전지(SOFC)가 대표적인 기술로 국내외에서 활용되고 있으며, 5㎾급의 연료전지가 공동주택에 활용되기도 한다.
이러한 연료전지는 개질형 연료전지, 수전해형 연료전지 및 수소 직결형 연료전지로 구분될 수 있다.
여기서, 개질형 연료전지는 도시가스를 개질하여 수소를 생산하여 활용하는 연료전지를 말하며, 수전해형 연료전지는 전기를 통해 수전해하여 수소를 생산 및 활용하는 연료전지를 말하고, 수소 직결형 연료전지는 산업공정에 의한 부생 수소, 태양광 발전을 이용하여 생산된 수소 등을 직접 이용하는 연료전지를 말한다.
도 1a는 통상적인 연료전지 시스템의 개략적인 구성도이고, 도 1b는 연료전지의 원리를 설명하기 위한 도면이다.
통상적인 연료전지 시스템은, 가정 등의 주택 또는 건축물에서 활용되는 연료전지장치를 포함하며, 상기 연료전지장치는, 도 1a에 도시된 바와 같이, 연료변환장치인 개질기, 연료전지 스택으로 구성된 연료전지 모듈, 전력변환기인 인버터, 제어기 및 기타 부품으로 구성된다.
여기서, 연료전지 스택은, 도 1b에 도시된 바와 같이, 고순도 수소가스(H2)와 공기(산소, O2)를 전기화학적으로 반응시켜 DC 전력, 열, 물(반응 생성물)로 변환시키는 전지, 분리판, 냉각판, 매니폴드 및 지지구조물로 구성된 단위 연료전지 셀(Fuel cell)을 여러 겹 구성한 장치를 말한다.
또한, 연료전지 시스템은, 필요 시에 연료전지의 발전과정에서 발생되는 열을 이용하여 시수 등을 온수로 생성하여 저장하는 열저장 시스템, 예를 들면, 온수 저장탱크를 포함할 수 있다.
이러한 열저장 시스템은, 연료전지장치의 부속장치로서, 축열조 탱크와 급배수를 위한 밸브와 펌프를 포함할 수 있다.
또한, 연료전지 시스템은 연료전지로부터 생산된 전기를 저장하는 전력저장시스템(ESS)를 포함할 수 한다.
또한, 연료전지 시스템은, 연료전지장치와 부속장치를 각각 제어하기 위한 별도의 제어시스템으로서, 센서, 밸브 및 펌프, 제어기를 포함할 수 있다.
이와 같이, 연료전지 시스템은, 신재생에너지 시스템으로서 주택 등의 건축물에 연료전지를 설치할 때 연료전지장치뿐만 아니라 여러 부속품이 구비되며, 이때, 설치공간이 요구된다.
전술한 바와 같이, 주택 또는 건축물에 활용되는 연료전지 시스템은 다양한 연료전지 구성품을 몇 개의 케이스 내부에 수용하여 주택의 외부공간 또는 내부공간에 설치되며, 이때, 건축물의 공간을 차지하게 되며 공간 구성에 있어 불필요한 공간(데드 스페이스)을 생성하게 되어 공간을 효율적으로 활용할 수 없고, 연료전지 시스템의 활용에 제약이 따른다.
구체적으로, 종래의 기술에 따르면, 연료전지장치 등을 옥외에 설치할 경우, 외기 환경에 의해 노후화, 안전성 미비 및 관리의 문제가 발생하게 되고, 전력 활용 등을 위한 배선 설치, 열을 활용한 저탕조의 온수를 실내에서 활용하기 위한 배관 등의 설치와 이로 인한 열 손실을 초래함에 따라 비경제적으로 운용될 수 있다.
또한, 도 1b에 도시된 바와 같이, 연료전지에서 생성하거나 활용하는 수소(H2)는 어느 기체보다 가벼워 공기 중에 쉽게 분산되어 가스 사고 등의 위험은 낮은 것으로 보고 있으나, 예를 들면, 주택 등에서 연료전지의 보급 활성화에 있어서 안전성 확보가 해결되어야 할 문제이다.
한편, 선행기술로서, 일본 등록특허번호 제4,754,250호에는 "건물"이라는 명칭의 발명이 개시되어 있는데, 도 2를 참조하여 설명한다.
도 2는 종래의 기술에 따른 연료전지가 설치된 건물을 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 종래의 기술에 따른 연료전지가 설치된 건물(10)의 경우, 수소를 소비해 발전하여 배기가스를 배출하는 연료전지(14)를 내부에 수납하기 위해 설치되어 있는 연료전지 수납실(12); 및 연료전지(14)에서 발전에 이용되지 않았던 수소를 포함한 가스 또는 해당 가스를 연소시켜 생성된 연소가스인 배기가스를 건물(10)의 외부에 직접 배기하기 위해 배기가스의 배기구로 대향하는 위치에 설치되어 배기구에 연결되는 배기부(13)를 구비하고, 상기 배기부(15)는 건물(10)의 벽면의 상기 배기구에 대향하는 위치에 설치된다.
건물(10)은 연료전지 수납실(12), 배기부(13), 연료전지(14), 저탕 공간(15) 및 연결부재(16)를 구비하며, 연료전지 수납실(12)는 연료전지(14)를 내부에 수납하기 위해 설치되어 있다.
구체적으로는, 연료전지 수납실(12)은 건물(10)의 테라스(11)의 내부에 설치된다. 또한, 연료전지(14)는 연료전지 수납실(12)의 내부에 설치된다. 여기서, 테라스(11)는 발코니, 베란다 등을 포함한 구조체일 수도 있다.
종래의 기술에 따른 연료전지가 설치된 건물(10)에 따르면, 연료전지를 건물에 최적으로 수용하기 위해, 건물에 미리 구비된 테라스 구조의 바닥 부분과 벽체 부분에 설치하되, 연료전지를 수납하기 위한 수납실이 구비되며, 테라스 구조의 벽체 내부에는 연료전지와 연결된 온수저장장치가 구비되고, 테라스 구조의 바닥에는 연료전지가 구비되며, 바닥부에는 외부로 직접 배기와 급기가 가능한 배기부와 급기부가 구비됨으로써, 건물의 불필요한 공간이 생기지 않도록 연료전지 수납실이 구비된 건물의 바닥부나 벽체부에 연료전지를 설치한다.
하지만, 종래의 기술에 따른 연료전지가 설치된 건물의 경우, 발코니, 베란다 등을 포함한 테라스(11) 구조의 바닥 부분과 벽체 부분에 연료전지를 수납하기 위한 연료전지 수납실(12)을 설치하기 때문에, 연료전지 시스템을 건물에 견고하게 일체화시키기 어렵고, 또한, 연료전지 설치에 따른 안전성을 확보하기 어렵다는 문제점이 있다.
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 연료전지 시스템을 구비한 건축물에 있어서, 연료전지 시스템을 건축물의 보일러실, 기계실, 창고, 베란다, 복도 등 별도 공간의 건축물 구조체인 벽 또는 바닥에 일체화되도록 설치함으로써 연료전지 시스템 설치에 따른 불필요한 공간을 최소화하면서 안전성을 확보할 수 있는, 연료전지 시스템과 태양광발전 시스템이 일체화된 건축물 구조를 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 연료전지 시스템을 태양광발전 시스템과 연계하여 수전해를 통한 수소를 활용하거나, 태양광발전에 의해 생성된 잉여 전력을 활용함으로써 신재생에너지의 효율을 높일 수 있는, 연료전지 시스템과 태양광발전 시스템이 일체화된 건축물 구조를 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 연료전지 시스템 설치에 따른 수소의 폭발 등의 안전과 관련하여 건축물 구조체에 연료전지 시스템을 일체화하여 폭압, 화재 등에서 보다 높은 안전성을 확보하고, 폭발이 발생할 경우를 대비하여 폭발압력을 상부로 배출하도록 설치 공간을 형성하는, 연료전지 시스템과 태양광발전 시스템이 일체화된 건축물 구조를 제공하기 위한 것이다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명에 따른 연료전지 시스템이 일체화된 건축물 구조는, 건축물 구조체인 벽체 또는 바닥으로 이루어지고, 상기 벽체 또는 바닥에 연료전지 시스템이 매입되는 공간이 형성된 건축물; 건축물 구조체인 벽체 또는 바닥에 적어도 일부가 매입되어 일체화되는 연료전지 시스템; 및; 및 태양전지 모듈 및 인버터를 구비하며, 상기 태양전지 모듈을 통해 생성된 전기를 전력변환기인 인버터를 통해 전기를 공급하며, 상기 연료전지 시스템과 연계하도록 건축물 구조체인 지붕이나 벽에 설치되는 태양광발전 시스템을 포함하되, 상기 연료전지 시스템은, 개질기, 연료전지 스택, 인버터 및 열교환기로 구성되며, 수소가스와 공기를 전기화학적으로 반응시켜 DC 전력, 열 및 반응 생성물로 변환시키는 연료전지장치; 상기 연료전지장치의 발전과정에서 발생되는 열을 이용하여 시수 등을 온수로 생성하여 저장하는 부속장치; 상기 연료전지장치 및 부속장치를 세트화하여 건축물의 구조체인 벽체 또는 바닥에 일체화되도록 설치되는 일체화 케이스; 외부로부터 상기 연료전지장치에 수소 또는 도시가스 연료를 상기 연료전지장치에 공급하는 인입 배관; 상기 연료전지장치의 작동 중에 발생하는 물 또는 부생물질을 배출하는 배출 배관; 상기 연료전지장치의 작동 중에 전기화학적 작용으로 발생하는 열 또는 배기가스를 건축물의 구조체인 상기 벽체 또는 바닥의 외부로 직접 배기하는 배기부; 및 상기 태양광발전 시스템으로부터 생성되어 공급되는 전력을 연료전지 시스템에 공급하기 위한 수소를 생산하는 수전해 장치를 포함하되, 상기 건축물 구조체인 벽 또는 바닥에 연료전지 시스템 설치공간이 형성되고, 상기 연료전지 시스템 설치공간에서 상기 연료전지 시스템이 건축물 구조체인 벽 또는 바닥에 일부 또는 일체로 형성되며; 상기 일체화 케이스는 연료전지장치와 부속장치를 적어도 하나의 케이스 내부에 수용하여 외부의 충격으로부터 보호하도록 구획되며, 상기 건축물 구조체인 벽 또는 바닥에 일체화되도록 상기 일체화 케이스의 내부 또는 외부에 돌기 형태의 고정부가 형성되고; 그리고 상기 건축물은, 거주공간과 구획되도록 상기 건축물 구조체인 벽체나 바닥을 설치공간의 구분 요소로 형성하여 상기 연료전지 시스템이 건축물 내부에 설치되는 내부 설치형 건축물이거나 또는 건축물에 추가로 설치공간을 형성하여 상기 연료전지 시스템이 설치되는 공간을 외부와 구획하는 외부 돌출형 건축물인 것을 특징으로 한다.
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여기서, 상기 일체화 케이스는, 상기 부속장치인 축열탱크의 온수를 건축물 내에 공급하도록 하는 온수 배관과 공급된 온수의 양만큼의 외부의 시수를 축열탱크에 급수하는 급수 배관을 갖는 배관부; 및 상기 연료전지장치에서 생산된 전기를 건축물 내에 연결하는 전기 배선부를 구비할 수 있다.
여기서, 상기 일체화 케이스는 제1 일체화 케이스 및 제2 일체화 케이스로 구획되고, 상기 제1 일체화 케이스의 내부에 연료전지장치를 수용하고, 상기 제2 일체화 케이스의 내부에 부속장치를 수용하며, 상기 제1 및 제2 일체화 케이스는 상기 건축물 구조체인 벽에 각각 일체화될 수 있다.
여기서, 상기 일체화 케이스는 상기 연료전지장치와 부속장치에서 발생하는 열 또는 누출 수소, 배기가스를 외부 공간으로 배출하는 배기부; 및 상기 일체화 케이스 내에 외부의 공기를 공급하는 급기부를 포함하며, 상기 배기부와 급기부 각각은 외부 쪽으로 향할수록 아래로 구배가 되도록 형성하고, 외부의 빗물이나 벌레 가 들어오지 못하도록 커버와 방충망이 외기측에 형성될 수 있다.
여기서, 상기 배기부와 급기부 각각은 상기 일체화 케이스 측에 배기가스의 수증기나 외부 빗물이 상기 연료전지장치와 일체화 케이스에 침투하지 못하도록 배기부와 급기부의 관로에 역류방지를 위한 물끊기 홈이 형성될 수 있다.
여기서, 상기 일체화 케이스는 상기 연료전지장치 및 부속장치, 제어밸브 및 가스압력 조절기를 각각 제어하는 표시부 및 조작부로 포함하여 구성되고, 상기 일체화 케이스의 전면에 설치되는 제어반을 추가로 포함할 수 있다.
여기서, 상기 인입 배관은 연료전지 시스템에 공급되는 도시가스 또는 수소의 인입을 조절하는 제어밸브를 구비하거나, 가스의 압력을 가압 또는 감압하기 위한 가스압력 조절기를 구비할 수 있다.
여기서, 상기 부속장치인 축열탱크는 축열탱크 하우징, 구획판 및 관통공을 포함하고, 상기 구획판에 의해 고온 온수 저장부인 제1 축열탱크 및 저온 온수 저장부인 제2 축열탱크로 분리 구획되며, 상기 구획판을 통해 온수의 대류를 차단하여 고온 온수 저장부의 온도 저하를 방지할 수 있다.
여기서, 상기 건축물은, 건축물의 내부를 출입하기 위한 개구부; 공간 내의 환기를 위한 환기구; 배기를 위한 배기부; 및 상기 연료전지 시스템이 일체화된 건축물 구조체의 맞은 편에 형성되는 벽체 또는 바닥, 및 지붕을 포함할 수 있다.
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여기서, 상기 건축물이 외부 돌출형 건축물인 경우, 한 개의 측면이 힌지로 구성된 지붕을 형성하고, 상기 지붕이 상기 건축물 구조체인 벽의 상단에 고정되고, 상부로 열리는 기능을 갖도록 형성할 수 있다.
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본 발명에 따르면, 연료전지 시스템을 구비한 건축물에 있어서, 연료전지 시스템을 건축물의 보일러실, 기계실, 창고, 베란다, 복도 등 별도 공간의 건축물 구조체인 벽 또는 바닥에 일체화되도록 설치함으로써 연료전지 시스템 설치에 따른 불필요한 공간을 최소화하면서 안전성을 확보할 수 있다.
본 발명에 따르면, 연료전지 시스템을 태양광발전 시스템과 연계하여 수전해를 통한 수소를 활용하거나, 태양광발전에 의해 생성된 잉여 전력을 활용함으로써 신재생에너지의 효율을 높일 수 있다.
본 발명에 따르면, 연료전지 시스템 설치에 따른 수소의 폭발 등의 안전과 관련하여 건축물 구조체에 연료전지 시스템을 일체화하여 폭압, 화재 등에서 보다 높은 안전성을 확보하고, 폭발이 발생할 경우를 대비하여 폭발압력을 상부로 배출하도록 설치 공간을 형성함으로써 거주공간 등에 대한 안전성을 높일 수 있다.
본 발명에 따르면, 연료전지 시스템을 건물 구조체에 일체화하고 연료전지 시스템을 사용처에 근접 설치함으로써 연료전지장치에서 생산되는 에너지인 전력과 열을 보다 효율적으로 활용할 수 있다.
본 발명에 따르면, 주택 등의 건축물에 연료전지를 활용하기 위해 검토되어야 하는 기존의 문제점을 극복하고 효율을 높여 연료전지 시스템의 활용과 효율을 높일 수 있고, 또한, 국가 수소경제활성화 및 신재생에너지 보급 확대에 기여하고, 온실가스 감축 등에 기여할 수 있다.
도 1a는 통상적인 연료전지 시스템의 개략적인 구성도이고, 도 1b는 연료전지장치의 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 종래의 기술에 따른 연료전지가 설치된 건물을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템이 일체화된 건축물 구조를 나타내는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템이 일체화된 건축물 구조에서 연료전지 시스템 설치공간을 예시하는 도면이다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템이 일체화된 건축물 구조를 예시하는 도면들이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템이 일체화된 건축물 구조에서 일체화 케이스가 건축물 구조체에 일체화되는 것을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템이 일체화된 건축물 구조에서 연료전지 시스템을 구체적으로 나타내는 구성도이다.
도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템이 일체화된 건축물 구조에서 일체화 케이스가 분리 구획되는 것을 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템이 일체화된 건축물 구조에서 일체화 케이스를 나타내는 정면도 및 배면도이다.
도 10은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템이 일체화된 건축물 구조에서 일체화 케이스가 건축물 구조체에 일체화되는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템이 일체화된 건축물 구조에서 일체화 케이스가 연결되는 입입연료 배관을 구체적으로 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템이 일체화된 건축물 구조에서 부속장치인 축열탱크를 분리 구획하는 것을 나타내는 도면이다.
도 13은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 시스템과 태양광발전 시스템이 일체화된 건축물 구조를 개략적으로 나타내는 구성도이다.
도 14는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 시스템과 태양광발전 시스템이 일체화된 건축물 구조를 나타내는 단면도이다.
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템이 일체화된 건축물 구조에서 지붕이 힌지 형태로 결합되는 것을 나타내는 도면이다.
도 2는 종래의 기술에 따른 연료전지가 설치된 건물을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템이 일체화된 건축물 구조를 나타내는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템이 일체화된 건축물 구조에서 연료전지 시스템 설치공간을 예시하는 도면이다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템이 일체화된 건축물 구조를 예시하는 도면들이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템이 일체화된 건축물 구조에서 일체화 케이스가 건축물 구조체에 일체화되는 것을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템이 일체화된 건축물 구조에서 연료전지 시스템을 구체적으로 나타내는 구성도이다.
도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템이 일체화된 건축물 구조에서 일체화 케이스가 분리 구획되는 것을 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템이 일체화된 건축물 구조에서 일체화 케이스를 나타내는 정면도 및 배면도이다.
도 10은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템이 일체화된 건축물 구조에서 일체화 케이스가 건축물 구조체에 일체화되는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템이 일체화된 건축물 구조에서 일체화 케이스가 연결되는 입입연료 배관을 구체적으로 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템이 일체화된 건축물 구조에서 부속장치인 축열탱크를 분리 구획하는 것을 나타내는 도면이다.
도 13은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 시스템과 태양광발전 시스템이 일체화된 건축물 구조를 개략적으로 나타내는 구성도이다.
도 14는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 시스템과 태양광발전 시스템이 일체화된 건축물 구조를 나타내는 단면도이다.
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템이 일체화된 건축물 구조에서 지붕이 힌지 형태로 결합되는 것을 나타내는 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
이하, 도 3 내지 도 12를 참조하여, 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템이 일체화된 건축물 구조를 설명하고, 도 13 내지 도 15를 참조하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 시스템과 태양광발전 시스템이 일체화된 건축물 구조를 설명한다.
[제1 실시예: 연료전지 시스템이 일체화된 건축물 구조]
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템이 일체화된 건축물 구조를 나타내는 단면도이고, 도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템이 일체화된 건축물 구조에서 연료전지 시스템 설치공간을 예시하는 도면이고, 도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템이 일체화된 건축물 구조를 예시하는 도면들이다.
도 3, 도 4, 도 5a 내지 도 5c를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템이 일체화된 건축물 구조는, 연료전지 시스템(100) 및 건축물(200)을 포함하며, 상기 연료전지 시스템(100)은 연료전지장치(110), 부속장치(120), 일체화 케이스(130), 인입 배관(140), 배출 배관(150), 배기부(160) 및 제어반(170)을 포함하여 구성된다. 또한, 건축물(200)은 건축물 구조체인 벽체(210) 또는 바닥(220)을 포함하며, 이때, 상기 연료전지 시스템(100)은 건축물 구조체인 벽체(210) 또는 바닥(220)에 적어도 일부가 매입되어 일체화된다.
연료전지장치(110)는, 후술하는 도 7에 도시된 바와 같이, 연료변환장치인 개질기(111), 연료전지 스택(112), 전력변환기인 인버터(113), 열교환기(114) 등을 포함할 수 있지만, 이에 국한되는 것은 아니다. 여기서, 상기 연료전지장치(110)의 연료전지 스택(112)은 상기 수소가스(H2)와 공기(산소, O2)를 전기화학적으로 반응시켜 DC 전력, 열, 물(반응 생성물)로 변환시킨다.
부속장치(120)는 상기 연료전지장치(110)의 발전과정에서 발생되는 열을 이용하여 시수 등을 온수로 생성하여 저장한다.
일체화 케이스(130)는 상기 연료전지장치(110) 및 부속장치(120)를 세트화하여 건축물(200)의 구조체인 벽체(210) 또는 바닥(220)에 일체화되도록 설치된다. 여기서, 상기 일체화 케이스(130)는 적어도 하나 이상 구비될 수 있다.
인입 배관(140)은 외부로부터 상기 연료전지장치(110)에 수소 또는 도시가스(LPG 또는 LNG) 등의 연료를 상기 연료전지장치(110)에 공급한다.
배출 배관(150)은 상기 연료전지장치(110)의 작동 중에 발생하는 물 또는 부생물질을 배출한다.
배기부(160)는 상기 연료전지장치(110)의 작동 중에 전기화학적 작용으로 발생하는 열 또는 배기가스를 건축물(200)의 구조체인 상기 벽체(210) 또는 바닥(220)의 외부로 직접 배기한다.
제어반(170)은 상기 연료전지장치(110) 및 부속장치(120)를 각각 제어하며, 상기 제어반(170)은 상기 일체화 케이스(130)의 전면에 설치되며, 예를 들면, 표시부 및 조작부로 구성될 수 있다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템이 일체화된 건축물 구조의 경우, 연료전지 시스템 설치공간이, 도 4에 도시된 바와 같이, 건축물 구조체인 벽체10) 또는 바닥(220)에 형성되며, 상기 연료전지 시스템 설치공간에서 연료전지 시스템(100)이 건축물 구조체인 벽체(210) 또는 바닥(220)에 적어도 일부가 매입되어 일체화된다.
예를 들면, 도 5의 a) 내지 c)에 도시된 바와 같이, 연료전지 시스템(100)이 벽체(210)의 일부에 다양한 형태로 일체화될 수 있지만, 이에 국한되는 것은 아니다.
이에 따라, 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템이 일체화된 건축물 구조에서, 연료전지 시스템(100)을 건축물 구조체에 일체화시킴으로써, 연료전지장치 등의 배관, 통풍구 등의 길이를 보다 간단하게 구성할 수 있고, 배선 또는 배관에 의한 전력 또는 열의 손실을 감소시킬 수 있다.
또한, 상기 연료전지장치(110)와 부속장치(120)를 세트로 하여 건축물(200)에 일체화하여 관리의 용이성을 높일 수 있고, 또한, 연료전지 시스템(100)의 가동 시에 일체화 케이스(130)를 통해 필요한 배기 또는 발생할 수 있는 유해가스를 밀실화시키고, 이를 통해 유해가스의 누기 또는 거주공간으로의 유입을 막고 외부로 적절히 배기할 수 있다.
한편, 도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템이 일체화된 건축물 구조에서 일체화 케이스가 건축물 구조체에 일체화되는 것을 나타내는 도면이다.
도 6의 a)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템이 일체화된 건축물 구조의 경우, 연료전지장치 및 부속장치를 세트로 하여 연료전지 시스템(100)이 일체화된 건축물(200)은, 그 건축물의 내부를 출입하기 위한 개구부(240), 공간 내의 환기를 위한 환기구(260)와 배기를 위한 배기부(270), 연료전지 시스템(100)이 일체화된 건축물 구조체의 맞은 편(대향하는 위치) 등에 구성되는 벽체 또는 바닥, 및 지붕(250)으로 구성될 수 있다.
이때, 상기 연료전지장치(110) 및 부속장치(120)가 일체화된 건축물 구조체인 벽체(210) 또는 바닥(220)이 건축물(200)에 포함되고,
상기 건축물은, 도 6의 b)에 도시된 바와 같이, 거주공간과 구획되도록 상기 건축물 구조체인 벽체(210)나 바닥(220)을 설치공간의 구분 요소(벽체, 바닥)로서 형성하여 상기 연료전지 시스템(100)이 건축물 내부에 설치되는 내부 설치형 건축물(200a)이거나, 또는, 도 6의 c)에 도시된 바와 같이, 건축물에 추가로 설치공간을 형성하여 상기 연료전지 시스템(100)이 설치되는 공간을 외부와 구획하는 외부 돌출형 건축물(200b)일 수 있다.
즉, 건축물의 벽체나 바닥의 일부 또는 일체로 구성하거나, 건물에 더해져서 튀어나온 공간에 구성되는 외부 공간에 일체로 구성할 수 있다.
본 발명의 제1 실시예에 따르면, 연료전지장치를 활용하고자 하는 주택 등의 건축물(200)의 보일러실, 기계실, 창고, 배란다, 복도 또는 별도 공간 등에 설치하되, 연료전지장치와 부속장치를 건축물과 일체화 또는 건물의 일부에 수납하고, 설치공간의 건축 구성을 새롭게 하여 종래의 문제점을 극복할 수 있다.
이에 따라, 연료전지장치와 부속장치 등을 활용하고자 할 때, 주택 등의 건축물의 공간 일부가 해당 장치에 점유되어 버리거나, 그 장치 설치 공간 및 설치/유지관리 등의 활동 공간을 제공하여야 한다.
이에 대응하여, 건축물 구조체인 벽체, 바닥 또는 공간의 데드스페이스 등에 건축물 구조체의 일부로 구성하거나 연료전지 시스템을 건축물 구조체 내에 설치함으로써 공간의 활용도를 높일 수 있다.
한편, 도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템이 일체화된 건축물 구조에서 연료전지 시스템을 구체적으로 나타내는 구성도이고, 도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템이 일체화된 건축물 구조에서 일체화 케이스가 분리 구획되는 것을 나타내는 도면이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 상기 일체화 케이스(130)는 연료전지장치(110)와 부속장치(120)를 적어도 하나의 케이스 내부에 수용하여 외부의 충격으로부터 보호하고, 건축물 구조체, 예를 들면, 벽체(210)과 일체화시킬 때, 연료전지장치와 부속장치를 보호하도록 구획된다. 또한, 상기 일체화 케이스(130)는 건축물 구조체인 벽체 또는 바닥에 일체화되도록 상기 일체화 케이스의 내부 또는 외부에 돌기 형태의 고정부(131)를 형성할 수 있다.
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또한, 상기 일체화 케이스(130)는 연료전지장치 일체와 온수를 저장하는 부속장치인 축열탱크(120), 연료전지로부터 발생하는 열로부터 열교환하여 축열탱크(120)의 물의 온도를 높이도록 하는 환수관과 연료전지 스택(112)와 축열탱크(120) 간의 온수를 순환시키는 펌프(P)를 내측에 구성할 수 있다.
이때, 상기 일체화 케이스(130)는 상기 축열탱크(120)의 온수를 건축물(200) 내에 공급하도록 하는 온수 배관과 공급된 온수의 양만큼의 외부의 시수를 축열탱크에 급수하는 급수 배관을 갖는 배관부(온수배관+급수배관)와 연료전지에서 생산된 전기를 건축물 내에 연결하는 전기 배선부를 구비할 수 있다.
또한, 상기 일체화 케이스(130) 외부에 고정부(131)를 구비하고, 상기 일체화 케이스(130) 내부에 상기 연료전지장치와 부속장치 세트의 각 구성요소를 구분하거나 거치하기 위한 구분 가이드판(도시되지 않음)을 구비할 수 있다.
또한, 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 일체화 케이스(130)는 연료전지장치(110)와 부속장치(120)를 각각 구획하도록 형성할 수 있다.
이 경우, 각 일체화 케이스 내의 장치를 연결하는 배관 또는 배선은 별도의 연결부를 통해 연결되도록 형성한다.
예를 들면, 제1 일체화 케이스(130a)의 내부에 연료전지장치(110)를 수용하고, 제2 일체화 케이스(130b)의 내부에 축열탱크 등의 부속장치(120)를 수용하도록 2개의 일체화 케이스를 구획하며, 제1 및 제2 일체화 케이스(130a, 130b)는 상기 건축물 구조체인 벽체(210)에 각각 일체화된다.
한편, 도 9는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템이 일체화된 건축물 구조에서 일체화 케이스를 나타내는 정면도 및 배면도이고, 도 10은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템이 일체화된 건축물 구조에서 일체화 케이스가 건축물 구조체에 일체화되는 것을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템이 일체화된 건축물 구조의 경우, 상기 일체화 케이스(130)는, 도 9의 a)에 도시된 바와 같이, 표시부 및 조작부로 이루어진 제어반(170)이 전면에 형성되고,
또한, 온수 공급관 및 배선 배관이 형성되며, 또한, 인인 배관(140)이 형성될 수 있지만, 이에 국한되는 것은 아니다.
또한, 상기 일체화 케이스(130)는, 도 9의 b)에 도시된 바와 같이, 상기 연료전지장치(110)와 부속장치(120)에서 발생하는 열 또는 누출 수소, 배기가스 등을 외부 공간으로 배출하는 배기부; 및 상기 일체화 케이스(130) 내에 외부의 공기를 공급하는 급기부를 구비할 수 있다.
즉, 상기 일체화 케이스(130)는 상기 연료전지장치(110)에서 누출된 수소(H2)와 상기 연료전지장치(110)에서 발생하는 배기가스를 외부로 배출하도록 하는 배기부를 포함하고, 상기 배기부는 외기에 직접 연결되도록 상기 일체화 케이스(130)에 구비된 배기부와 외기를 연료전지장치(110)에 공급하는 급기부를 포함한다.
이때, 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템이 일체화된 건축물 구조에서 일체화 케이스가 건축물 구조체에 일체화할 경우, 도 10에 도시된 바와 같이, 상기 배기부와 급기부 각각은 외부 쪽으로 향할수록 아래로 구배(152)가 되도록 형성하고, 외부의 빗물과 벌레 등이 들어오지 못하도록 커버(154)와 방충망(153)을 외기측에 형성할 수 있다.
또한, 상기 배기부와 급기부가 상당한 길이의 관로를 가질 경우, 상기 일체화 케이스(130) 측에 배기가스의 수증기, 외부 빗물 등이 상기 연료전지장치(110)와 일체화 케이스(130)에 침투하지 못하도록 배기부와 급기부의 관로에 역류방지를 위한 물끊기 홈(151)을 구성하는 배기부와 급기부를 각각 형성할 수 있다.
한편, 도 11은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템이 일체화된 건축물 구조에서 일체화 케이스가 연결되는 입입연료 배관을 구체적으로 나타내는 도면이다.
도 11의 a)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템이 일체화된 건축물 구조의 경우, 수소를 연료전지에 공급하기 위한 연료변환장치(개질기)를 구비한 연료전지장치(110)인 경우, 상기 일체화 케이스(130)에 외부로부터 도시가스 등의 인입연료가 인입되는 인입 배관(140)이, 도 11의 b)에 도시된 바와 같이, 연결되고, 상기 인입연료 출입을 제어하기 위한 제어밸브(141)를 구비할 수 있다.
또한, 도 11의 c)에 도시된 바와 같이, 필요에 따라 상기 제어밸브(141)의 가스 인입측 또는 인출측에 가스의 압력을 조절한 가스압력 조절기(142)인 가스 감압기 또는 가스 가압기를 추가로 설치할 수 있다.
한편, 도 12는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템이 일체화된 건축물 구조에서 부속장치인 축열탱크를 분리 구획하는 것을 나타내는 도면으로서, 도 12의 a)는 사시도이고, 도 12의 b)는 단면도이다.
도 12의 a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템이 일체화된 건축물 구조의 경우, 부속장치인 축열탱크(120)를 적어도 2개 이상으로 분리 구획할 수 있다.
구체적으로, 상기 축열탱크(120)는 축열탱크 하우징(121), 구획판(122) 및 관통공(123)을 포함할 수 있고, 상기 구획판(122)에 의해 제1 축열탱크(120a) 및 제2 축열탱크(120b)로 분리 구획될 수 있다.
상기 축열탱크(120)를 내부에 구비한 일체화 케이스(130)는 케이스 자체가 축열탱크로 기능할 수 있으며, 이때, 상기 일체화 케이스(130)는 내부에 담는 온수의 항온을 유지하기 위해 일정한 단열소재로 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 도 12의 b)에 도시된 바와 같이, 상기 축열탱크(120)의 기능을 갖도록 일체화 케이스(130)는 온수의 축열이 효율적으로 유지되도록 중간에 적어도 1개 이상의 구획판(122)이 축열탱크 하우징(121) 사이에 마련되고, 각 구획판(122)은 구획 공간의 온수의 유동이 가능토록 적어도 하나 이상의 연결부인 관통공(123)를 갖도록 형성한다.
상기 구획판(122)은 일체화 케이스(130)의 구조적 강도를 유지하면서 상기 일체화 케이스(130)가 축열탱크(120)로 기능하도록 공간을 분할한다.
이때, 상기 구획판(122)을 통해 상기 축열탱크(120) 내의 온수의 고온 온수 저장부와 저온 온수 저장부로 구획되며, 온수의 대류를 차단하여 고온 온수 저장부의 온도 저하를 막고 축열 효과를 높일 수 있다. 이를 통해 상기 일체화 케이스(130)의 구조적 강도와 축열 효과를 향상시킬 수 있다.
결국, 본 발명의 실시예에 따르면, 연료전지 시스템을 구비한 건축물에 있어서, 연료전지 시스템을 건축물의 보일러실, 기계실, 창고, 베란다, 복도 등 별도 공간의 건축물 구조체인 벽체 또는 바닥에 일체화되도록 설치함으로써 연료전지 시스템 설치에 따른 불필요한 공간을 최소화하면서 안전성을 확보할 수 있다. 또한, 연료전지 시스템을 건물 구조체에 일체화하고 연료전지 시스템을 사용처에 근접 설치함으로써 연료전지장치에서 생산되는 에너지인 전력과 열을 보다 효율적으로 활용할 수 있다. 또한, 주택 등의 건축물에 연료전지를 활용하기 위해 검토되어야 하는 기존의 문제점을 극복하고 효율을 높여 연료전지 시스템의 활용과 효율을 높일 수 있고, 또한, 국가 수소경제활성화 및 신재생에너지 보급 확대에 기여하고, 온실가스 감축 등에 기여할 수 있다.
[제2 실시예: 연료전지 시스템과 태양광발전 시스템이 일체화된 건축물 구조]
도 13은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 시스템과 태양광발전 시스템이 일체화된 건축물 구조를 개략적으로 나타내는 구성도이고, 도 14는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 시스템과 태양광발전 시스템이 일체화된 건축물 구조를 나타내는 단면도이다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 시스템과 태양광발전 시스템이 일체화된 건축물 구조의 경우, 연료전지 시스템(100)의 활용도를 높이기 위해 태양광발전 시스템(300)을 상기 연료전지 시스템(100)과 함께 연계 구비하도록 구성할 수 있다. 이때, 태양광발전 시스템(300)은 건축물(200)의 지붕이나 벽체에 구비되며, 태양광발전으로부터 생산되는 전력을 연료전지 시스템의 수전해 장치(180)에 연결하여 전력을 활용하여 물을 수소로 변환하는 수전해가 가능하고, 이로부터 수소를 생산하여 연료전지 시스템(100)에 공급할 수 있다.
도 13 및 도 14를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 시스템과 태양광발전 시스템이 일체화된 건축물 구조는, 연료전지 시스템(100), 건축물(200) 및 태양광발전 시스템(300)을 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 연료전지 시스템(100)은 연료전지장치(110), 부속장치(120), 일체화 케이스(130), 인입 배관(140), 배출 배관(150), 배기부(160) 및 제어반(170)을 포함하여 구성된다.
또한, 건축물(200)은 건축물 구조체인 벽체(210) 또는 바닥(220)을 포함하며, 이때, 상기 연료전지 시스템(100)은 건축물 구조체인 벽체(210) 또는 바닥(220)에 일체화된다. 여기서, 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 시스템과 태양광발전 시스템이 일체화된 건축물 구조는 전술한 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템이 일체화된 건축물 구조과 비교하면, 태양광발전 시스템(300)이 연료전지 시스템(100)과 연계하도록 구성되고, 상기 연료전지 시스템(100)이 수전해 장치(180)를 추가로 포함하는 점을 제외하면, 실질적으로 유사하므로 동일한 설명은 생략하기로 한다.
태양광발전 시스템(300)은 태양전지 모듈(310) 및 인버터(320)를 포함하며, 상기 태양전지 모듈(310)을 통해 생성된 전기를 전력변환기인 인버터(320)를 통해 전기를 공급한다.
구체적으로, 도 14에 도시된 바와 같이, 연료전지 시스템(100)의 활용도를 높이고 주택의 에너지효율을 높이기 위해 태양광발전 시스템(300)이 상기 건축물 구조체 및 연료전지 시스템(100)과 함께 구비되도록 건축물(200)을 형성한다. 이때, 상기 태양광발전 시스템(300)은 건축물 구조체인 지붕이나 벽체에 설치하여 연료전지 시스템과 연계하도록 구성한다
따라서 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 시스템과 태양광발전 시스템이 일체화된 건축물 구조는, 도 13에 도시된 바와 같이, 연료전지 발전과 태양광 발전을 대상 주택 또는 건축물의 에너지원으로 활용하고, 이를 통해서, 두 개의 발전 시스템의 연계에 따른 공간과 배관 및 배선을 줄임으로써 설치 비용을 낮추고 용이하게 시공할 수 있다.
이때, 도 13에 도시된 바와 같이, 상기 태양광발전 시스템(300)으로부터 생성되어 공급되는 전력을 연료전지 시스템(100)에 공급하기 위한 수소를 생산하는 수전해 장치를 연계하여 구성할 수 있다. 즉, 상기 구조체에 구성된 태양광 발전시스템으로부터 생산되는 전력을 연료전지 시스템(100)의 수전해 장치(180)에 연결하여 상기 전력을 활용하여 물을 수소로 변환하는 수전해가 가능하고, 이로부터 수소를 생산하여 연료전지 시스템(100)에 공급할 수 있다.
한편, 도 15는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템이 일체화된 건축물 구조에서 지붕이 힌지 형태로 결합되는 것을 나타내는 도면이다.
도 15의 a)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템이 일체화된 건축물 구조에서, 전술한 도 6에 도시된 건축물이 외부 돌출형 건축물(200b)인 경우, 지붕(250)의 구성은 벽체 및 건축물에 고정된 형태가 아닌 한 개의 측면에 힌지(280)로 구성된 지붕을 형성할 수 있다.
여기서, 상기 지붕(250)은 한 개의 측면을 힌지(280)로 구성하여 상기 건축물 구조체인 벽체(210)의 상단에 고정되고, 상부로 열리는 기능을 갖도록 형성할 수 있다. 이때, 상기 힌지(280)는 건축물(200) 쪽이 아닌 반대 방향의 구조체에 위치하도록 형성되고, 상기 지붕(250)이 힌지(280) 작용으로 열릴 때, 건축물(200) 쪽으로 열리도록 한다. 이러한 기능을 강화하기 위해 지붕(250)은 상기 힌지(280)가 있는 쪽에서 반대 방향의(건축물이 있는 방향) 아래 쪽으로 경사(구배)지도록 구성할 수 있다.
또한, 상기 연료전지 시스템(100) 등으로부터 누출된 수소에 의해 폭발이 일어날 경우, 폭발의 충격은 건축물 구조체 또는 공간의 약한 부위를 통해 외부로 그 힘을 발산하게 된다. 특히, 외부의 공간으로 연결되는 개구부(240) 또는 환기부 등을 통해 폭발에 의한 압력이 향하게 되며, 이때, 외부에 위치한 시설물 또는 사람에게 위험한 영향을 주게 된다.
이에 따라, 건축물이 외부 돌출형 건축물(200b)인 경우, 건축물의 지붕을 외부로 열리도록 지붕(250)의 한 측면을 힌지(280)로 구성하면, 폭발이 발생시, 도 15의 b)에 도시된 바와 같이, 상기 지붕(250)을 통해 지면과 반대되는 상부로 폭발의 힘이 작용하여 압력이 향하게 되고 상기 지붕(250)은 힌지(280)의 작동으로 열림으로써, 그 압력을 외부로 안전하게 발산하게 되며, 이에 따라, 외부 시설물 또는 사람에게 미치는 위험을 저감시킬 수 있다.
이때, 건축물이 외부 돌출형 건축물(200b)인 경우, 상기 지붕(250)은 연료전지 시스템 설치공간 내의 환기를 위한 환기구(260)와 배기를 위한 배기부(270)를 함께 구비할 수 있다.
결국, 본 발명의 실시예에 따르면, 연료전지 시스템을 태양광발전 시스템과 연계하여 수전해를 통한 수소를 활용하거나, 태양광발전에 의해 생성된 잉여 전력을 활용함으로써 신재생에너지의 효율을 높일 수 있다.
또한, 연료전지 시스템 설치에 따른 수소의 폭발 등의 안전과 관련하여 건축물 구조체에 연료전지 시스템을 일체화하여 폭압, 화재 등에서 보다 높은 안전성을 확보하고, 폭발이 발생할 경우를 대비하여 폭발압력을 상부로 배출하도록 설치 공간을 형성함으로써 거주공간 등에 대한 안전성을 높일 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 연료전지 시스템
110: 연료전지장치
111: 개질기 112: 연료전지 스택
113: 인버터 114: 열 교환기
120: 부속장치(축열탱크)
120a: 제1 축열탱크 120b: 제2 축열탱크
121: 축열탱크 하우징 122: 구획판
123: 관통공
130: 일체화 케이스 130a: 제1 일체화 케이스
130b: 제2 일체화 케이스 131: 일체화 케이스의 고정부 140: 인입 배관
141: 제어밸브 142: 가스압력 조절기
150: 배출 배관
151: 역류방지 물끊기 홈 152: 구배
153: 방충망 154: 커버
160: 배기부
170: 제어반 180: 수전해장치
200: 건축물
200a: 내부 설치형 건축물 200b: 외부 돌출형 건축물
210: 벽체(제1 건축물 구조체) 220: 바닥(제2 건축물 구조체)
240: 개구부(문) 250: 지붕
260: 환기구 270: 배기부
280: 힌지(Hinge)
300: 태양광발전 시스템
310: 태양전지모듈 320: 인버터
110: 연료전지장치
111: 개질기 112: 연료전지 스택
113: 인버터 114: 열 교환기
120: 부속장치(축열탱크)
120a: 제1 축열탱크 120b: 제2 축열탱크
121: 축열탱크 하우징 122: 구획판
123: 관통공
130: 일체화 케이스 130a: 제1 일체화 케이스
130b: 제2 일체화 케이스 131: 일체화 케이스의 고정부 140: 인입 배관
141: 제어밸브 142: 가스압력 조절기
150: 배출 배관
151: 역류방지 물끊기 홈 152: 구배
153: 방충망 154: 커버
160: 배기부
170: 제어반 180: 수전해장치
200: 건축물
200a: 내부 설치형 건축물 200b: 외부 돌출형 건축물
210: 벽체(제1 건축물 구조체) 220: 바닥(제2 건축물 구조체)
240: 개구부(문) 250: 지붕
260: 환기구 270: 배기부
280: 힌지(Hinge)
300: 태양광발전 시스템
310: 태양전지모듈 320: 인버터
Claims (17)
- 건축물 구조체인 벽체(210) 또는 바닥(220)으로 이루어지고, 상기 벽체(210) 또는 바닥(220)에 연료전지 시스템(100)이 매입되는 공간이 형성된 건축물(200);
건축물 구조체인 벽체(210) 또는 바닥(220)에 적어도 일부가 매입되어 일체화되는 연료전지 시스템(100); 및
태양전지 모듈(310) 및 인버터(320)를 구비하며, 상기 태양전지 모듈(310)을 통해 생성된 전기를 전력변환기인 인버터(320)를 통해 전기를 공급하며, 상기 연료전지 시스템(100)과 연계하도록 건축물 구조체인 지붕이나 벽체에 설치되는 태양광발전 시스템(300)을 포함하되, 상기 연료전지 시스템(100)은,
개질기(111), 연료전지 스택(112), 인버터(113) 및 열교환기(114)로 구성되며, 수소가스와 공기를 전기화학적으로 반응시켜 DC 전력, 열 및 반응 생성물로 변환시키는 연료전지장치(110);
상기 연료전지장치(110)의 발전과정에서 발생되는 열을 이용하여 시수 등을 온수로 생성하여 저장하는 부속장치(120);
상기 연료전지장치(110) 및 부속장치(120)를 세트화하여 건축물(200)의 구조체인 벽체(210) 또는 바닥(220)에 일체화되도록 설치되는 일체화 케이스(130);
외부로부터 상기 연료전지장치(110)에 수소 또는 도시가스 연료를 상기 연료전지장치(110)에 공급하는 인입 배관(140);
상기 연료전지장치(110)의 작동 중에 발생하는 물 또는 부생물질을 배출하는 배출 배관(150);
상기 연료전지장치(110)의 작동 중에 전기화학적 작용으로 발생하는 열 또는 배기가스를 건축물(200)의 구조체인 상기 벽체(210) 또는 바닥(220)의 외부로 직접 배기하는 배기부(160); 및
상기 태양광발전 시스템(300)으로부터 생성되어 공급되는 전력을 연료전지 시스템(100)에 공급하기 위한 수소를 생산하는 수전해 장치(180)를 포함하되,
상기 건축물 구조체인 벽체(210) 또는 바닥(220)에 연료전지 시스템 설치공간이 형성되고, 상기 연료전지 시스템 설치공간에서 상기 연료전지 시스템(100)이 건축물 구조체인 벽체(210) 또는 바닥(220)에 일부 또는 일체로 형성되며;
상기 일체화 케이스(130)는, 연료전지장치(110)와 부속장치(120)를 적어도 하나의 케이스 내부에 수용하여 외부의 충격으로부터 보호하도록 구획되며, 상기 건축물 구조체인 벽체(210) 또는 바닥(220)에 일체화되도록 상기 일체화 케이스(130)의 내부 또는 외부에 돌기 형태의 고정부(131)가 형성되고; 그리고
상기 건축물(200)은, 거주공간과 구획되도록 상기 건축물 구조체인 벽체(210)나 바닥(220)을 설치공간의 구분 요소로 형성하여 상기 연료전지 시스템(100)이 건축물 내부에 설치되는 내부 설치형 건축물(200a)이거나 또는 건축물에 추가로 설치공간을 형성하여 상기 연료전지 시스템(100)이 설치되는 공간을 외부와 구획하는 외부 돌출형 건축물(200b)인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템과 태양광발전 시스템이 일체화된 건축물 구조. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 일체화 케이스(130)는,
상기 부속장치(120)인 축열탱크의 온수를 건축물(200) 내에 공급하도록 하는 온수 배관과 공급된 온수의 양만큼의 외부의 시수를 축열탱크에 급수하는 급수 배관을 갖는 배관부; 및 상기 연료전지장치(110)에서 생산된 전기를 건축물(200) 내에 연결하는 전기 배선부를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템과 태양광발전 시스템이 일체화된 건축물 구조. - 제1항에 있어서,
상기 일체화 케이스(130)는 제1 일체화 케이스(130a) 및 제2 일체화 케이스(130b)로 구획되고,
상기 제1 일체화 케이스(130a)의 내부에 연료전지장치(110)를 수용하고, 상기 제2 일체화 케이스(130b)의 내부에 부속장치(120)를 수용하며, 상기 제1 및 제2 일체화 케이스(130a, 130b)는 상기 건축물 구조체인 벽체(210)에 각각 일체화되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템과 태양광발전 시스템이 일체화된 건축물 구조. - 제1항에 있어서,
상기 일체화 케이스(130)는 상기 연료전지장치(110)와 부속장치(120)에서 발생하는 열 또는 누출 수소, 배기가스를 외부 공간으로 배출하는 배기부; 및 상기 일체화 케이스(130) 내에 외부의 공기를 공급하는 급기부를 포함하며, 상기 배기부와 급기부 각각은 외부 쪽으로 향할수록 아래로 구배(152)가 되도록 형성하고, 외부의 빗물이나 벌레가 들어오지 못하도록 커버(154)와 방충망(153)이 외기측에 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템과 태양광발전 시스템이 일체화된 건축물 구조. - 제5항에 있어서,
상기 배기부와 급기부 각각은 상기 일체화 케이스(130) 측에 배기가스의 수증기나 외부 빗물이 상기 연료전지장치(110)와 일체화 케이스(130)에 침투하지 못하도록 배기부와 급기부의 관로에 역류방지를 위한 물끊기 홈(151)이 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템과 태양광발전 시스템이 일체화된 건축물 구조. - 제1항에 있어서,
상기 일체화 케이스(130)는,
상기 연료전지장치(110) 및 부속장치(120), 제어밸브(141) 및 가스압력 조절기(142)를 각각 제어하는 표시부 및 조작부로 포함하여 구성되고, 상기 일체화 케이스(130)의 전면에 설치되는 제어반(170)을 추가로 포함하는 연료전지 시스템과 태양광발전 시스템이 일체화된 건축물 구조. - 제1항에 있어서,
상기 인입 배관(140)은 연료전지 시스템(100)에 공급되는 도시가스 또는 수소의 인입을 조절하는 제어밸브(141)를 구비하거나, 가스의 압력을 가압 또는 감압하기 위한 가스압력 조절기(142)를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템과 태양광발전 시스템이 일체화된 건축물 구조. - 제1항에 있어서,
상기 부속장치(120)인 축열탱크는 축열탱크 하우징(121), 구획판(122) 및 관통공(123)을 포함하고, 상기 구획판(122)에 의해 고온 온수 저장부인 제1 축열탱크(120a) 및 저온 온수 저장부인 제2 축열탱크(120b)로 분리 구획되며, 상기 구획판(122)을 통해 온수의 대류를 차단하여 고온 온수 저장부의 온도 저하를 방지하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템과 태양광발전 시스템이 일체화된 건축물 구조. - 제1항에 있어서,
상기 건축물(200)은,
건축물의 내부를 출입하기 위한 개구부(240); 공간 내의 환기를 위한 환기구(260); 배기를 위한 배기부(270); 및 상기 연료전지 시스템(100)이 일체화된 건축물 구조체의 맞은 편에 형성되는 벽체 또는 바닥, 및 지붕(250)을 포함하는 연료전지 시스템과 태양광발전 시스템이 일체화된 건축물 구조. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 건축물이 외부 돌출형 건축물(200b)인 경우, 한 개의 측면이 힌지(280)로 구성된 지붕(250)을 형성하고, 상기 지붕(250)이 상기 건축물 구조체인 벽체(210)의 상단에 고정되고, 상부로 열리는 기능을 갖도록 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템과 태양광발전 시스템이 일체화된 건축물 구조. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
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| KR1020210161042A KR102461284B1 (ko) | 2021-11-22 | 2021-11-22 | 연료전지 시스템과 태양광발전 시스템이 일체화된 건축물 구조 |
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2021
- 2021-11-22 KR KR1020210161042A patent/KR102461284B1/ko active IP Right Grant
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