KR102524642B1 - 연료전지 폐열을 이용한 급탕 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 기술은 연료전지 폐열을 이용한 급탕 시스템 및 방법이 개시된다. 이러한 기술에 대한 구체적인 구현 예는 연료전지의 폐열을 이용하여 가열된 냉각수와 외부로부터 공급된 시수의 열교환으로 시수를 가열하고 가열된 급탕수를 건축물의 온수로 공급함에 따라, 건축물의 에너지 효율을 향상시킬 수 있고, 급탕 요청신호가 수신되고 축열조 저면에 설치된 순환 배관으로부터 수신된 축열조 저면 온도와 기 정해진 임계 상한치 및 설정치가 수신되면, 방열 밸브를 제어하여 임계 상한치 이상의 급탕수의 온도를 낮추고 저하된 급탕수를 순환 배관을 통해 냉각수로 공급하여 냉각수 온도 제어를 수행함에 따라 기존의 연료전지의 냉각수를 버리는 폐수 방식보다 비용을 절감할 수 있다.

Description

연료전지 폐열을 이용한 급탕 시스템 및 방법{HOT WATER SUPPLY SYSTEM AND METHOD USING WASTED HEAT FROM FUEL CELLS}
본 발명은 연료전지 폐열을 이용한 급탕 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지의 폐열을 이용하여 건축물 내의 온수를 공급하고 방열된 축열조의 급탕수로 냉각수의 온도를 제어함에 따라 건축물의 에너지 효율을 향상시킬 수 있도록 한 기술에 관한 것이다.
현재 신재생에너지 공급의무화제도(RPS)에 의해 그 의무 비율이 2012년부터 현재까지 꾸준히 증가하고 있으며, 향후 꾸준히 증가할 것으로 예상된다. 국내에서 주로 개발되고 있는 태양광 보급만으로는 한계가 있으며 공급의무화제도(RPS)에 의해 많은 신·재생 시스템들이 공급되고 있다. 그 중 연료전지는 국내 신·재생 시스템 공급에서 작은 비율을 차지하고 있음에도 불구하고 발전 효율이 태양광(16~20%)보다 더 높은 것으로 나타낸다.
또한, 건물에 연료전지를 적용하여 전기를 생산할 때, 많은 양의 열이 발생하게 된다. 연료전지의 전체 발전효율(전기+열)이 85%라고 하였을 경우, 10kW의 전기를 발전하는 연료전지에서 전기가 35%(10kW)라면, 열이 50%(15kW)로 더 많이 발생된다.
그러나, 전기 생산적인 측면이 아닌 전체 생산되는 열과 전기를 고려하면 전기 35%의 발전을 위해 약 50%의 열이 버려지는 문제가 있었다.
또한 연료전지의 폐열에 의해 냉각수의 온도가 기 정해진 기준치 이상으로 상승되면 냉각수를 모두 배출한 다음 새로운 시수를 연료전지로 공급함에 따라 버려지는 냉각수로 인한 경제성이 저하된다.
이에 본 출원인은 연료전지의 버려지는 폐열을 활용하여 축열조의 급탕수를 가열하고 가열된 급탕수를 건축물 내의 온수로 제공함에 따라 건축물 내의 에너지 효율을 높일 수 있고, 축열조의 급탕수의 방열로 냉각수의 온도 제어를 수행함에 따라 경제성이 향상되는 방안을 제안하고자 한다.
따라서, 본 발명은 연료전지에서 발생되는 폐열로 연료전지 내의 냉각수에 가열하고 가열된 냉각수와 외부로부터 공급되는 시수 간의 열교환을 통해 시수를 가열한 다음 가열된 급탕수를 축열조에 저장하고 저장된 급탕수로 건축물 내의 온수를 공급함에 따라, 건축물 내의 에너지 효율을 높일 수 있는 연료전지 폐열을 이용한 급탕 시스템 및 방법을 제공하고자 함에 있다.
또한 본 발명은 축열조의 급탕수의 방열로 냉각수의 온도 제어를 수행함에 따라 경제성이 향상되는 연료전지 폐열을 이용한 급탕 시스템 및 방법을 제공하고자 함에 있다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 폐열을 이용한 급탕 시스템은,
냉각수 공급 밸브 및 냉각수 펌프에 의해 외부로부터 제공된 냉각수를 수용하고 수용된 냉각수를 폐열로 가열하는 적어도 하나의 연료전지;
시수 공급 밸브 및 시수 펌프를 통해 외부로부터 제공된 시수를 연료전지로 전달하고 공급된 시수를 가열된 냉각수와의 열교환으로 가열하고 가열된 급탕수를 급탕수 공급 배관을 통해 공급받아 수용하고 수용된 급탕수를 저면에 설치된 순환 배관을 통해 연료전지로 공급함에 따라, 연료전지와 순환하는 시수를 가열된 냉각수와의 열교환으로 가열하는 축열조; 및
상기 축열조의 급탕수 상면 온도와 기 정해진 임계 하한치 및 설정치를 기반으로 상기 축열조의 급탕수를 온수조로 공급하는 급탕 모드를 제어하는 제어기를 포함하는 것을 일 특징으로 한다.
바람직하게 상기 연료전지 폐열을 이용한 급탕 시스템은
상기 제어기에 의거 동작되고 상기 축열조의 급탕수를 공급받아 급탕수의 온도를 낮춘 다음 축열조의 저면을 통해 연료전지로 공급하는 방열기 및 방열팬을 더 구비하고,
상기 제어기는,
상기 축열조 저면에 마련된 순환 배관의 소정 위치에서 측정된 급탕수 저면 온도와 기 정해진 임계 상한값 및 설정값을 토대로 동작 제어되는 상기 방열기 및 방열팬에 의거 급탕수의 온도를 낮추고 온도가 저하된 급탕수를 순환 밸브를 통해 연료전지로 공급하여 냉각수 온도 제어를 수행하는 방열 모드를 제어하도록 구비될 수 있다.
바람직하게 상기 축열조는,
내부에 급탕수의 수위를 감지하는 수위 센서를 포함하고,
상기 제어기는,
상기 수위 센서로부터 측정된 급탕수의 수위가 기 정해진 최상 수위에 도달한 경우 시수 공급 밸브의 닫힘 제어신호를 생성하고 생성된 닫힘 제어신호에 의거한 시수 공급 밸브의 닫힘 제어를 통해 축열조 내의 급탕수 공급을 중지하도록 구비될 수 있다.
바람직하기 상기 제어기는
상기 수위 센서로부터 측정된 급탕수의 수위가 기 정해진 최하 수위에 도달한 경우 상기 시수 공급 밸브의 열림 제어신호를 생성하고 생성된 열림 제어신호에 의거한 시수 공급 밸브의 열림 제어를 통해 축열조 내의 급탕수 공급을 수행하도록 구비될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 의거한 연료전지 폐열을 이용한 급탕 제어방법은
제어기에 의한 냉각수 공급 밸브의 열림 제어 및 냉각수 펌프의 동작 제어로 외부로부터 제공된 냉각수를 연료전지에 공급하고 공급된 냉각수를 연료전지의 폐열로 가열하는 냉각수 가열 단계;
제어기에 의한 시수 공급 밸브의 열림 제어 및 시수 펌프의 동작 제어로 외부로부터 공급되는 시수를 연료전지로 공급하여 시수를 가열된 냉각수 간의 열교환한 다음 연료전지와 축열조 상부에 마련된 급탕수 공급 배관을 통해 축열조로 공급되고 급탕수의 저면에 마련된 순환 배관을 통해 연료전지로 순환함에 따라, 가열된 냉각수 간의 열교환으로 시수를 가열하고 가열된 급탕수를 축열조에 저장하는 급탕수 가열단계; 및
제어기에서, 외부로부터 공급된 급탕 요청신호가 수신되고 축열조 상면 온도와 기 정해진 임계 하한치 및 설정치를 토대로 급탕수를 온수조로 전달하는 급탕 모드를 수행하는 급탕 제어단계를 포함하는 것을 일 특징으로 한다.
바람직하게 상기 연료전지 폐열을 이용한 급탕 제어방법은
제어기에서, 급탕 요청신호가 수신되고 축열조 저면에 설치된 순환 배관으로부터 수신된 축열조 저면 온도와 기 정해진 임계 상한치 및 설정치가 수신되면, 방열 밸브를 제어하여 임계 상한치 이상의 급탕수의 온도를 낮추고 저하된 급탕수를 순환 배관을 통해 냉각수로 공급하여 냉각수 온도 제어를 수행하는 방열 모드 수행단계를 더 포함할 수 있다.
바람직하게 상기 연료전지 폐열을 이용한 급탕 방법은,
축열조 내부에 설치되는 수위 센서에 의거 축열조 내의 급탕수 수위를 제어하는 급탕수 수위 조절 단계를 더 포함하고,
상기 급탕수 수위 조절 단계는,
축열조의 내부에 설치되어 급탕수의 수위를 감지하는 수위 센서의 급탕수의 수위가 기 정해진 최상 수위에 도달한 경우 시수 공급 밸브의 닫힘 제어신호를 생성하고 생성된 닫힘 제어신호에 의거한 시수 공급 밸브의 닫힘 제어를 통해 축열조 내의 급탕수 공급을 중지하도록 구비될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 연료전지의 폐열을 이용하여 가열된 냉각수와 외부로부터 공급된 시수의 열교환으로 시수를 가열하고 가열된 급탕수를 건축물의 온수로 공급함에 따라, 건축물의 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.
또한 일 실시예 의거, 급탕 요청신호가 수신되고 축열조 저면에 설치된 순환 배관으로부터 수신된 축열조 저면 온도와 기 정해진 임계 상한치 및 설정치가 수신되면, 방열 밸브를 제어하여 임계 상한치 이상의 급탕수의 온도를 낮추고 저하된 급탕수를 순환 배관을 통해 냉각수로 공급하여 냉각수 온도 제어를 수행함에 따라 기존의 연료전지의 냉각수를 버리는 폐수 방식보다 비용을 절감할 수 있다.
본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 일 실시예의 연료전지 폐열을 이용한 급탕 시스템의 구성도이다.
도 2는 다른 실시예의 연료전지 폐열을 이용한 급탕 과정의 흐름도이다.
도 3은 도 2의 급탕 모드 수행 과정의 세부적인 흐름도이다.
도 4는 도 2의 방열 모드 수행 과정의 세부 흐름도이다.
도 5는 일 실시예에 의거 방열 모드에 의한 급탕수 온도를 보인 예시도이다.
도 6은 일 실시예에 의거 방열 모드에 의한 급탕 부하를 보인 예시도이다.
실시예들에 대한 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 예시를 위한 목적으로 개시된 것으로서, 다양한 형태로 변경되어 실시될 수 있다. 따라서, 실시예들은 특정한 개시형태로 한정되는 것이 아니며, 본 명세서의 범위는 기술적 사상에 포함되는 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.
제1 또는 제2 등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 이런 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 해석되어야 한다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설명된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함으로 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 일 실시예의 연료전지 폐열을 이용한 급탕 시스템의 구성도이고, 도 1을 참조하면, 일 실시 예에 따른 연료전지 폐열을 이용한 급탕 시스템은 연료전지 폐열을 이용하여 가열된 냉각수와 외부로부터 공급되는 시수 간의 열교환으로 시수를 가열하여 가열된 급탕수를 축열조에 저장한 다음 저장된 급탕수를 건축물 내의 온수로 공급하는 구성을 갖추며, 이에 연료전지(100), 축열조(200), 방열기 및 방열기팬(300), 및 제어기(400)을 포함할 수 있다.
일 례로 제어기(400)의 제어에 의거 열림 제어된 냉각수 공급 밸브(V1)와 온상태로 동작하는 냉각수 펌프(P1)에 의거 외부로부터 공급되는 냉각수는 냉각수 공급 배관(11)을 통해 연료전지(100)로 전달되고, 연료전지(100)는 공급된 냉각수를 폐열로 가열한다.
한편, 외부로부터 공급되는 급탕 요청신호(SHW)를 수신한 제어기(400)는 시수 공급 밸브(V2)를 열림 제어하고 시수 펌프(P2)를 온 상태로 제어한다. 이에 열림 제어된 시수 공급 밸브(V2) 및 온상태로 제어된 시수 펌프(P2)에 의거 외부로부터 공급되는 시수는 시수 공급 배관(12)을 통해 연료전지(100)로 전달되며 이에 공급된 시수와 가열된 냉각수의 열교환으로 공급된 시수가 가열된다.
한편, 제어기(400)는 급탕 요청신호(SHW), 축열조(200) 내의 급탕수 상면 온도(T1), 급탕수 저면 온도(T2), 기 정해진 설정치(TL 일 례로 35도씨), 임계 하한치(TH1 일 례로 40도씨), 및 임계 상한치(TH2 일 례로 42도씨)를 토대로 급탕 모드 및/또는 방열 모드를 제어하도록 구비된다.
여기서, 축열조(200) 내의 급탕수 상면 온도(T1)은 축열조(200) 내측 상면에 설치된 온도 센서의 측정값이고, 급탕수 저면 온도(T2)는 축열조(200) 외측 저면에 설치된 순환 배관(14)의 소정 위치에 설치된 온도 센서의 측정값이다. 그리고, 기 정해진 설정치(TL), 임계 하한치(TH1), 및 임계 상한치(TH2)는 연료전지의 용량 및 용도, 건축물의 축열조의 용량, 건축물의 바닥의 최소 면적, 및 재실 인원에 따라 기 정해진 단위 시간당 급탕 연결 부하로 계절별 열부하를 도출하며, 건물 종별 급탕 부하 및 급탕량을 도출하며, 도출된 계절별 열부하 및 건물 종류 별 급탕 부하 및 급탕량으로 급탕 사용 스케줄을 생성하고, 생성된 급탕 사용 스케줄에 대한 모델로 설정될 수 있다. 다른 례로 기 정해진 설정치(TL), 임계 하한치(TH1), 및 임계 상한치(TH2)는 유저에 의해 수동으로 설정될 수 있다.
여기서, 급탕 사용 스케줄에 대한 모델은 ASHRAE(American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, Inc.)의 냉방기, 냉수기, 환기 정화기, 필터, 태양열 이용 등의 표준화 규격으로 구축된다. 일 례로 ASHRAE 90.1 표준업무 시설에 대한 급탕 부하 스케줄은 하기 표 1로 나타낼 수 있다.
[표 1]
Figure 112021023229971-pat00001
이러한 급탕 부하 스케줄링에 의거 임계 상한치(TH1), 임계 하한치(TH2), 및 설정치(TL)가 설정된다. 다른 례로 이러한 임계 상한치(TH1), 임계 하한치(TH2), 및 설정치(TL)는 수동으로 유저에 의해 선택될 수 있다.
한편, 제어기(400)는 축열조(200)의 급탕수 상면 온도(T1)와 임계 하한치(TH1)및 설정치(TL)를 기반으로 축열조(200)의 급탕수를 건축물의 온수조로 공급하는 급탕 모드를 수행할 수 있다. 이에 일 실시예는 연료전지의 폐열을 이용하여 건축물의 온수를 공급함에 따라 건축물의 에너지 효율이 향상될 수 있다.
다른 례로 제어기(400)는 축열조(200) 저면의 순환 배관(14)에서 측정된 급탕수 저면 온도(T2)와 기 정해진 임계 상한치(TH2) 및 설정치(TL)를 토대로 방열기 및 방열기팬(300)을 제어하여 급탕수의 온도를 낮추고 온도가 저하된 급탕수를 순환 배관(14) 및 시수 펌프(P2)에 의거 연료전지로 전달하여 냉각수 온도 제어를 수행하는 방열 모드를 수행할 수 있다. 이에 일 실시예는 기존의 연료전지의 냉각수의 폐수 방식 보다 비용이 절감되어 경제성이 향상될 수 있다.
또 다른 례로 제어기(400)는 축열조(200) 내의 마련된 수위 센서(미도시됨)로부터 측정된 급탕수의 수위에 의거 급탕수의 수위 조절을 수행할 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 제어기(400)의 동작 과정을 보인 전체 흐름도로서, 도 2를 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 폐열을 이용한 급탕 방법을 설명한다.
우선 단계(S11)에서, 일 실시 예의 제어기(400)는 냉각수 공급 밸브(V1), 시수 공급 밸브(V2), 급탕 밸브(V3) 및 방열 밸브(V4)를 닫힘 제어하고, 냉각수 펌프(P1), 시수 펌프(P2), 및 급탕 펌프(P3)를 오프 상태로 제어하여 초기화하고, 입력된 급탕 요청신호(SHW)와 모델을 통해 생성된 임계 상한치(TH1), 임계 하한치(TH2), 및 설정치(TL)을 입력한다.
단계(S12)에서 일 실시예의 제어기(400)는 냉각수 공급 밸브(V1)를 열림 제어하고 냉각수 펌프(P1)를 동작 제어하고, 이에 외부로부터 공급된 냉각수는 연료전지(100) 내에 수용되고 수용된 냉각수는 연료전지(100)의 폐열로 가열된다. 이때 제어기(400)는 냉각수의 수위가 기 정해진 기준값에 도달하면 냉각수 공급 밸브(V1)을 닫힘 제어하여 냉각수 수위는 연료전지(100) 내에서 일정하게 유지된다.
이 후 단계(S13)(S14)에서, 일 실시예의 제어기(400)는 시수 공급 밸브(V2)를 열림 제어하고 시수 펌프(P2)를 온 상태로 제어함에 따라, 외부로부터 제공된 시수는 시스 공급 밸브(V1) 및 시수 펌프(P2)에 의해 연료전지(100)로 전달되고, 연료전지(100)로 공급된 시수는 가열된 냉각수와의 열교환되며, 열교환을 가열된 급탕수는 급탕수 공급 배관(13)을 통해 축열조(200)에 공급되며, 가열된 급탕수는 축열조(200)에 저장된다.
그리고 단계(S15)에서, 일 실시예의 제어기(400)는 축열조(200) 내의 급탕수 수위를 수신하고 수신된 급탕수 수위가 기 정해진 최상 수위에 도달한 경우 시수 공급 밸브(V2)를 닫힘 제어하고, 이에 닫힘 제어된 시수 공급 밸브(V2)를 통해 연료전지(100)에서 가열된 급탕수가 축열조(200)로 공급되는 것이 방지된다.
또한 제어기(400)는 축열조(200) 내의 급탕수 수위를 수신하고 수신된 급탕수 수위가 기 정해진 최하 수위에 도달한 경우 시수 공급 밸브(V2)를 열림 제어하고, 이에 열림 제어된 시수 공급 밸브(V2)를 통해 연료전지(100)에서 가열된 급탕수가 축열조(200)로 공급되며, 이에 축열조(200) 내에 저장되는 급탕수의 수위는 일정하게 유지된다.
이 후 단계(S16)에서, 일 실시예의 제어기(400)는 급탕수 상면 온도(T1) 및 급탕수 저면 온도(T2) 중 하나를 수신하고, 단계(S20)에서, 수신된 급탕수 상면 온도(T1)과 기 정해진 임계 하한치(TH1) 및 설정치(TL) 각각의 비교 결과를 토대로 급탕 모드 및 급탕 모드 정지를 수행한다.
또한 단계(S40)에서, 일 실시 예의 제어기(400)는 급탕수 저면 온도(T2)와 기 정해진 임계 상한치(TH2) 및 설정치(TL) 각각의 비교 결과를 토대로 방열 모드 또는 방열 모드 정지를 수행한다.
도 3을 참조하면, 단계(S21)~(S25)에서, 일 실시예의 제어기(400)는 급탕수 상면 온도(T1)을 수신하고 수신된 급탕수 상면 온도(T1)이 설정치(TL) 이하이고 현재 급탕 밸브(V3)가 열림 상태인 경우 급탕 밸브(V3)를 닫힘 제어하여 급탕수가 온수조로 공급되는 것을 중지하는 급탕 모드를 중지한다.
이때 단계(S23)에서 급탕 밸브(V3)가 닫힘 상태인 경우 단계(S32) ~(S34)에서, 일 실시예의 제어기(400)는 방열 밸브(V4)가 닫힘 상태인 경우 급탕 펌프(P3)를 오프한다.
한편, 단계(S22)에서 수신된 급탕수 상면 온도(T1)가 설정치(TL) 이하가 아닌 경우 단계(S26)~(S29)에서, 일 실시예의 제어기(400)는 급탕수 상면 온도(T1)이 임계 하한치(TH1) 이상이고 급탕 밸브(V3)가 닫힘 상태인 경우 급탕 밸브(V3)를 열림 제어하여 급탕 모드가 수행된다.
한편, 단계(S27)에서 급탕 밸브(V3)가 열림 상태인 경우 단계(S30)(S31)에서 일 실시예의 제어기(400)는 급탕 펌프(P3)가 오프 상태이면, 급탕 펌프(P3)를 온상태로 제어한 다음 단계(S29)로 진행하여 급탕 모드가 수행된다.
도 4를 참조하면, 단계(S15)에서 급탕수 저면 온도(T2)가 수신된 경우 단계(S41)~(S45)에서 일 실시예의 제어기(400)는 급탕수 저면 온도(T2)를 수신하고 수신된 급탕수 저면 온도(T2)가 설정치(TL) 이하이고 현재 방열 밸브(V4)가 열림 상태인 경우 방열 밸브(V4)를 닫힘 제어하고 방열팬을 오프 제어하여 급탕수의 방열 모드를 중지한다.
한편, 단계(S42)에서 급탕수 저면 온도(T2)를 수신하고 수신된 급탕수 저면 온도(T2)가 설정치(TL) 이하가 아닌 경우 단계(S46) ~(S49)에서, 일 실시예의 제어기(400)는 급탕수 저면 온도(T2)가 임계 상한치(TH2) 이상이고 방열 밸브(V4)가 닫힘 상태이면, 방열 밸브(V4)를 열림 제어하고 방열팬을 온상태로 제어하여 급탕수의 방열 모드를 수행한다.
그리고 단계(S47)에서 방열 밸브(V4)가 열림 상태인 경우 단계(S50)(S51)에서, 일 실시 예의 제어기(400)는 급탕 펌프(P3)가 오프 상태인 경우 급탕 펌프(P3)를 온 상태로 제어하여 단계(S49)로 진행한다.
한편 단계(S43)에서 방열 밸브(V4)가 닫힘 상태인 경우 단계(S52)~(S54)에서 일 실시예의 제어기(400)는 급탕 밸브(V3)가 닫힘 상태이고 급탕 펌프(P3)가 온 상태인 경우 급탕 펌프(P3)를 오프 제어한 다음 단계(S45)로 진행한다.
이에 방열 모드에 의거 임계 상한치(TH2) 이상의 급탕수 온도는 설정치(TL)로 저하된 저하되고 저하된 온도의 급탕수는 순환배관(14) 및 시수 펌프(P3)에 의거 연료전지(100)로 전달됨에 따라 냉각수 온도는 설정치(TL)로 유지된다.
이에 일 실시예에 의거, 연료전지의 폐열을 이용하여 가열된 냉각수와의 열교환을 가열된 급탕수를 임계 하한치(TH1), 임계 상한치(TH2), 및 설정치(TL)에 의거한 냉각수 공급 밸브(V1), 시수 공급 밸브(V2), 급탕 밸브(V3) 및 방열 밸브(V4)와 냉각수 펌프(P1), 시수 펌프(P2), 및 급탕 펌프(P3) 제어를 통해 축열조의 급탕수를 일정한 온도의 건축물의 온수로 공급할 수 있고, 이에 건축물의 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.
이에 연료전지 내의 냉각수의 온도가 임계 상한치 이상으로 상승되어 축열조에 공급되면, 방열 모드에 의거 축열조 내의 급탕수 온도가 저하되고, 온도가 저하된 급탕수를 연료전지로 전달하여 냉각수 온도 제어를 수행됨에 따라, 냉각수를 전체 배수하는 기존의 폐수 방식에 비해 냉각수의 소비를 줄일 수 있고 이에 따른 비용을 절감할 수 있다.
도 5는 방열기 및 방열팬(300)에 의한 축열조 내의 급탕수의 온도 변화를 보인 예시도로서, 도 5를 참조하면, 급탕수 저면 온도 T2가 임계 상한치(TH2 42℃) 이상이면 방열기 및 방열팬(600)이 가동되어 연료전지 내로 유입되는 축열조의 급탕수 온도가 낮추고, 급탕수 저면 온도 T2가 설정치(TL 35℃) 이하가 되면 방열기 및 방열팬(300)의 가동이 중지하는 방열 모드에 의거 연료전지(100)의 냉각수 온도 제어에 의해 축열조(200)에서 공급되는 급탕수의 온도가 35∼42℃ 범위로 유지됨을 알 수 있고, 이에 연료전지(100)의 냉각수가 안정적으로 냉각된다.
한편, 도 5를 참조하면, 축열조의 급탕수 상면온도 T2가 임계 하한치(TH1 40℃) 이상이면 축열조 내의 급탕수가 건축물의 온수로 공급되고, 급탕수 상면온도 T2가 설정치(TL 35℃) 이하이면 급탕수의 공급이 중단되어 축열조 내 급탕수 온도가 상승됨을 알 수 있다.
한편, 일 실시예의 방열기 및 방열팬(300)의 전력 소비에 따른 손실 비용과 기존의 냉각수의 폐수 방식에 따른 손실 비용의 비교 결과에 의거 50% 이상의 비용 절감이 이루어진다.
도 6은 ASHRAE 급탕 시나리오에 따른 급탕 부하를 보인 예시도로서, 도 6을 참조하면, 축열조(200)에 축적된 급탕수의 온도는 급탕 부하에 따라 소비 및 방출되거나 낮은 온도의 시수 유입으로 인해 축열조 내 급탕수의 온도가 감소함을 알 수 있다. 다만, 급탕 부하가 감소하는 밤, 새벽, 주말 등에는 방열기 및 방열팬(300)의 운전으로 급탕수의 온도가 조절되는 것을 확인할 수 있다. 이에 연료전지의 냉각과 축열조 내의 급탕수의 온도를 안정적으로 목표 범위 내로 제어되는 것을 확인할 수 있다.
이상에서 설명된 실시예들은 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치, 방법 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPGA(field programmable gate array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로 (collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기 광매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
100 : 연료전지
200 : 축열조
300 : 방열기 및 방열팬
400 : 제어기

Claims (7)

  1. 삭제
  2. 냉각수 공급 밸브 및 냉각수 펌프에 의해 외부로부터 제공된 냉각수를 수용하고 수용된 냉각수를 폐열로 가열하는 적어도 하나의 연료전지;
    시수 공급 밸브 및 시수 펌프를 통해 외부로부터 제공된 시수를 연료전지로 전달하고 공급된 시수를 가열된 냉각수와의 열교환으로 가열하고 가열된 급탕수를 급탕수 공급 배관을 통해 공급받아 수용하고 수용된 급탕수를 저면에 설치된 순환 배관을 통해 연료전지로 공급함에 따라, 연료전지와 순환하는 시수를 가열된 냉각수와의 열교환으로 가열하는 축열조; 및
    상기 축열조의 급탕수 상면 온도와 기 정해진 임계 하한치 및 설정치를 기반으로 상기 축열조의 급탕수를 온수조로 공급하는 급탕 모드를 제어하는 제어기를 포함하되,
    상기 제어기는,
    상기 축열조 저면에 마련된 순환 배관의 소정 위치에서 측정된 급탕수 저면 온도와 기 정해진 임계 상한값 및 설정값을 토대로 급탕수의 온도를 낮추고 저하된 급탕수를 순환 밸브를 통해 냉각수로 제공하여 냉각수 온도 제어를 수행하는 방열 모드를 제어하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 연료전지 폐열을 이용한 급탕 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 축열조는,
    내부에 급탕수의 수위를 감지하는 수위 센서를 포함하고,
    상기 제어기는,
    상기 수위 센서로부터 측정된 급탕수의 수위가 기 정해진 최상 수위에 도달한 경우 상기 축열조의 저면에 마련된 급탕 배출 밸브의 열림 제어신호를 생성하고 생성된 열림 제어신호에 의거한 급탕 배출 밸브의 열림 제어를 통해 축열조의 급탕수를 외부로 배출하고,
    상기 수위 센서로부터 측정된 급탕수의 수위가 기 정해진 최하 수위에 도달한 경우 상기 급탕 배출 밸브의 닫힘 제어신호를 생성하고 생성된 닫힘 제어신호에 의거한 급탕 배수 밸브의 닫힘 조작으로 축열조의 급탕수가 외부로 배출되는 것을 중지하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 연료전지 폐열을 이용한 급탕 시스템.
  4. 삭제
  5. 제2항의 연료전지 폐열을 이용한 급탕 시스템에 의거 수행되는 급탕 방법에 있어서,
    제어기에 의한 냉각수 공급 밸브의 열림 제어 및 냉각수 펌프의 동작 제어로 외부로부터 제공된 냉각수를 연료전지에 공급하고 공급된 냉각수를 연료전지의 폐열로 가열하는 냉각수 가열 단계;
    제어기에 의한 시수 공급 밸브의 열림 제어 및 시수 펌프의 동작 제어로 외부로부터 공급되는 시수를 연료전지로 공급하여 시수를 가열된 냉각수 간의 열교환한 다음 연료전지와 축열조 상부에 마련된 급탕수 공급 배관을 통해 축열조로 공급되고 급탕수의 저면에 마련된 순환 배관을 통해 연료전지로 순환함에 따라, 가열된 냉각수 간의 열교환으로 시수를 가열하고 가열된 급탕수를 축열조에 저장하는 급탕수 가열단계; 및
    제어기에서, 외부로부터 공급된 급탕 요청신호가 수신되고 축열조 상면 온도와 기 정해진 임계 하한치 및 설정치를 토대로 급탕수를 온수조로 전달하는 급탕 모드를 수행하는 급탕 모드 수행단계를 포함하되,
    상기 연료전지 폐열을 이용한 급탕 제어방법은
    제어기에서, 급탕 요청신호가 수신되고 축열조 저면에 설치된 순환 배관으로부터 수신된 축열조 저면 온도와 기 정해진 임계 상한치 및 설정치가 수신되면, 방열 밸브를 제어하여 임계 상한치 이상의 급탕수의 온도를 낮추고 저하된 급탕수를 순환 배관을 통해 냉각수로 공급하여 냉각수 온도 제어를 수행하는 방열 모드 수행단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 폐열을 이용한 급탕 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 연료전지 폐열을 이용한 급탕 방법은,
    축열조 내부에 설치되는 수위 센서에 의거 축열조 내의 급탕수 수위를 제어하는 급탕수 수위 조절 단계를 더 포함하고,
    상기 급탕수 수위 조절 단계는,
    축열조의 내부에 설치되어 급탕수의 수위를 감지하는 수위 센서의 급탕수의 수위가 기 정해진 최상 수위에 도달한 경우 상기 축열조의 저면에 마련된 급탕 배출 밸브의 열림 제어신호를 생성하고 생성된 열림 제어신호에 의거한 급탕 배출 밸브의 열림 제어를 통해 축열조의 급탕수를 외부로 배출하는 단계; 및
    급탕수의 수위가 기 정해진 최하 수위에 도달한 경우 상기 급탕 배출 밸브의 닫힘 제어신호를 생성하고 생성된 닫힘 제어신호에 의거한 급탕 배수 밸브의 닫힘 조작으로 축열조의 급탕수가 외부로 배출되는 것을 중지하여 축열조 내의 급탕수의 수위를 제어하는 단계로 구비되는 것을 특징으로 하는 연료전지 폐열을 이용한 급탕 방법.
  7. 제5항 또는 제6항의 연료전지 폐열을 이용한 급탕 방법을 실행하기 위한 프로그램이 기록되고 컴퓨터에서 판단 가능한 기록매체.

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2013055065A (ja) * 2012-11-12 2013-03-21 Panasonic Corp 燃料電池システム

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