KR102558037B1 - Power generation system using heat of cooling water from fuel cell - Google Patents
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Abstract
본 발명은 연료전지의 냉각수 열을 이용한 발전 시스템에 관한 것으로, 특히 연료전지를 냉각시킨 후 배출되는 고온열 또는 저온열을 갖는 냉각수가 유기 랭킨 사이클 장치의 증발기의 냉매와 열 교환되는 과정에서 발생된 냉각수 열을 열원으로 하여 발전하게 함과 아울러, 열 교환된 냉각수를 외부에 배출하지 않고 연료전지의 냉각수로 재사용하는, 연료전지의 냉각수 열을 이용한 발전 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a power generation system using cooling water heat of a fuel cell, and more particularly, to a power generation system using cooling water heat of a fuel cell, which generates power by using, as a heat source, heat of cooling water generated in a process in which cooling water having high or low temperature heat discharged after cooling a fuel cell is heat-exchanged with a refrigerant in an evaporator of an organic Rankine cycle device, and reusing the heat-exchanged cooling water as cooling water of a fuel cell without discharging it to the outside.
Description
본 발명은 연료전지의 냉각수 열을 이용한 발전 시스템에 관한 것으로, 특히 연료전지를 냉각시킨 후 배출되는 고온열 또는 저온열을 갖는 냉각수가 유기 랭킨 사이클 장치의 증발기의 냉매와 열 교환되는 과정에서 발생된 냉각수 열을 열원으로 하여 발전하게 함과 아울러, 열 교환된 냉각수를 외부에 배출하지 않고 연료전지의 냉각수로 재사용하는, 연료전지의 냉각수 열을 이용한 발전 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a power generation system using cooling water heat of a fuel cell, and more particularly, to a power generation system using cooling water heat of a fuel cell, which generates power by using, as a heat source, heat of cooling water generated in a process in which cooling water having high or low temperature heat discharged after cooling a fuel cell is heat-exchanged with a refrigerant in an evaporator of an organic Rankine cycle device, and reusing the heat-exchanged cooling water as cooling water of a fuel cell without discharging it to the outside.
일반적으로, 유기 랭긴 사이클(ORC)이란 연료를 사용하지 않고 미활용 열에너지를 사용한 전력을 생산하는 발전시스템이다. 즉, 증기를 만들기 위해 석탄을 태우는 기존 화력 발전기와 달리 내연기관 및 산업공정에서 버려지는 폐열로 전력을 생산하는 발전시스템이다. 태양력 또는 지열과 같은 친환경 에너지원들과 선박 폐열, 쓰레기 소각장 등 다양한 산업체의 미활용 에너지가 유기 랭킨 사이클의 열원이 된다.In general, an organic cooling cycle (ORC) is a power generation system that produces power using unused thermal energy without using fuel. In other words, unlike existing thermal power generators that burn coal to make steam, it is a power generation system that produces power from internal combustion engines and waste heat discarded from industrial processes. Eco-friendly energy sources such as solar power or geothermal heat, waste heat from ships, and unused energy from various industries, such as waste incinerators, become the heat source of the organic Rankine cycle.
국내 특허 공개 2015-0071872호 공보(이하, 선행기술이라 함)에는 연료전지로부터 배기되는 배기가스를 선택적으로 활용하여 연료전지의 작동온도가 저하된다 하더라도 계속적으로 전체 시스템의 효율을 향상시킬 수 있는 연료전지 하이브리드 시스템에 관한 기술이 개시되어 있다.Korean Patent Publication No. 2015-0071872 (hereinafter referred to as prior art) discloses a fuel cell hybrid system capable of continuously improving the efficiency of the entire system even when the operating temperature of the fuel cell is lowered by selectively utilizing the exhaust gas exhausted from the fuel cell. A technology is disclosed.
그러나, 선행기술은 연료전지의 배기가스를 이용하는 것이며, 연료전지 측으로부터는 배기가스 외에 연료전지를 냉각하기 위해 사용되는 냉각수도 배출되게 되는데, 이 냉각수는 연료전지를 냉각하는 과정에서 고온 또는 저온의 냉각수 열을 갖게 되는 데 이에 대한 활용방안이 필요하게 되었다. However, the prior art uses the exhaust gas of the fuel cell, and the cooling water used to cool the fuel cell is discharged from the fuel cell side in addition to the exhaust gas. This cooling water has high or low temperature cooling water heat in the process of cooling the fuel cell.
따라서 본 발명은 상기와 같은 점에 착안하여 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은 연료전지로부터 배출되는 냉각수의 열을 활용하여 발전할 수 있으며, 이 냉각수를 외부로부터 끌어오기 위해 필요한 관련 비용 및 에너지를 절감할 수 있는, 연료전지의 냉각수 열을 이용한 발전 시스템을 제공하는 데에 있다. Therefore, the present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide a power generation system using the heat of the cooling water of a fuel cell, which can generate power by utilizing the heat of the cooling water discharged from the fuel cell, and can reduce the cost and energy required to bring the cooling water from the outside.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 실시형태에 의한 연료전지의 냉각수 열을 이용한 발전 시스템은 연료전지를 냉각하기 위해 상기 연료전지를 기준으로 냉각수를 순환시키도록 구성된 순환관; 상기 연료전지로부터 배출되는 냉각수의 냉각수열을 냉매의 열교환을 통해 받아들여 발전하도록 구성된 유기랭킨사이클 장치; 및 상기 유기랭킨사이클 장치에서 열침으로 사용하기 위한 LNG 냉열, 심층수 또는 댐 중하층수를 끌어들이는 공급관;을 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, a power generation system using cooling water heat of a fuel cell according to an embodiment of the present invention includes a circulation pipe configured to circulate cooling water based on the fuel cell to cool the fuel cell; an organic Rankine cycle device configured to receive cooling water heat of the cooling water discharged from the fuel cell through heat exchange of the refrigerant and generate electricity; And a supply pipe for drawing LNG cold heat, deep water or dam water for use as a hot needle in the organic Rankine cycle device.
상기 실시형태에 의한 연료전지의 냉각수 열을 이용한 발전 시스템에 있어서, 상기 유기랭킨사이클 장치는 작동유체인 냉매를 상기 연료전지로부터 배출되는 냉각수와 열교환시켜 고온고압의 기체로 변환하도록 구성된 증발기; 상기 증발기에 의해 열교환되어 얻어진 고온 고압의 기체를 이용하여 터빈을 구동시켜 전력을 생산하도록 구성된 터빈 발전기; 상기 터빈 발전기에서 인출되는 기체 냉매를 상기 열침에 의해 응축시켜 액화시키도록 구성된 응축기; 및 상기 응축기에 의해 액화된 냉매를 펌핑시켜 상기 증발기에 전달하도록 구성된 냉매 펌프;를 포함할 수 있다.In the power generation system using the heat of the cooling water of the fuel cell according to the embodiment, the organic Rankine cycle device includes an evaporator configured to convert refrigerant, which is a working fluid, into a high-temperature and high-pressure gas by exchanging heat with the cooling water discharged from the fuel cell; a turbine generator configured to generate electric power by driving a turbine using high-temperature, high-pressure gas obtained by heat exchange by the evaporator; a condenser configured to condense and liquefy the gaseous refrigerant drawn out from the turbine generator by the hot needle; and a refrigerant pump configured to pump the refrigerant liquefied by the condenser and transfer the refrigerant to the evaporator.
상기 실시형태에 의한 연료전지의 냉각수 열을 이용한 발전 시스템에 있어서, 상기 유기랭킨사이클 장치는 제 1, 2 유기랭킨사이클 장치를 포함하며, 상기 제 1 유기랭킨사이클 장치는 작동유체인 냉매를 상기 연료전지로부터 배출되는 냉각수와 열교환시켜 고온고압의 기체로 변환하도록 구성된 제 1 증발기; 상기 제 1 증발기에 의해 열교환되어 얻어진 고온 고압의 기체를 이용하여 터빈을 구동시켜 전력을 생산하도록 구성된 제 1 터빈 발전기; 상기 제 1 터빈 발전기에서 인출되는 기체 냉매를 상기 열침에 의해 응축시켜 액화시키도록 구성된 제 1 응축기; 및 상기 제 1 응축기에 의해 액화된 냉매를 펌핑시켜 상기 제 1 증발기에 전달하도록 구성된 제 1 냉매 펌프;를 포함하고, 상기 제 2 유기랭킨사이클 장치는 작동유체인 냉매를 상기 제 1 증발기를 통과한 냉각수와 열교환시켜 고온고압의 기체로 변환하도록 구성된 제 2 증발기; 상기 제 2 증발기에 의해 열교환되어 얻어진 고온 고압의 기체를 이용하여 터빈을 구동시켜 전력을 생산하도록 구성된 제 2 터빈 발전기; 상기 제 2 터빈 발전기에서 인출되는 기체 냉매를 상기 열침에 의해 응축시켜 액화시키도록 구성된 제 2 응축기; 및 상기 제 2 응축기에 의해 액화된 냉매를 펌핑시켜 상기 제 2 증발기에 전달하도록 구성된 제 2 냉매 펌프;를 포함할 수 있다.In the power generation system using the heat of the cooling water of the fuel cell according to the above embodiment, the organic Rankine cycle device includes first and second organic Rankine cycle devices, wherein the first organic Rankine cycle device comprises a first evaporator configured to convert refrigerant, which is a working fluid, into a high-temperature and high-pressure gas by exchanging heat with the cooling water discharged from the fuel cell; a first turbine generator configured to generate electric power by driving a turbine using the high-temperature, high-pressure gas obtained through heat exchange by the first evaporator; a first condenser configured to condense and liquefy the gaseous refrigerant drawn from the first turbine generator by the hot needle; and a first refrigerant pump configured to pump the refrigerant liquefied by the first condenser and transfer the refrigerant to the first evaporator, wherein the second organic Rankine cycle device converts the refrigerant, which is a working fluid, into a high-temperature, high-pressure gas by exchanging heat with the cooling water passing through the first evaporator; a second turbine generator configured to produce electric power by driving a turbine using high-temperature, high-pressure gas obtained through heat exchange by the second evaporator; a second condenser configured to condense and liquefy the gaseous refrigerant drawn from the second turbine generator by the hot needle; and a second refrigerant pump configured to pump the refrigerant liquefied by the second condenser and transfer the refrigerant to the second evaporator.
상기 실시형태에 의한 연료전지의 냉각수 열을 이용한 발전 시스템은 상기 공급관을 통해 열침을 인가받아 분배하여 상기 제 1 응축기 및 제 2 응축기에 공급하도록 구성된 분배기를 더 포함할 수 있다.The power generation system using the cooling water heat of the fuel cell according to the embodiment may further include a distributor configured to receive and distribute heat needles through the supply pipe and supply the heat to the first condenser and the second condenser.
상기 실시형태에 의한 연료전지의 냉각수 열을 이용한 발전 시스템에 있어서, 상기 제 1 응축기는 상기 공급관을 통해 열침을 인가받도록 구성되고, 상기 제 2 응축기는 상기 제 1 응축기를 통과한 열침을 인가받도록 구성될 수 있다. In the power generation system using the heat of the cooling water of the fuel cell according to the embodiment, the first condenser is configured to receive a hot needle through the supply pipe, and the second condenser is configured to receive a hot needle passing through the first condenser.
상기 실시형태에 의한 연료전지의 냉각수 열을 이용한 발전 시스템에 있어서, 상기 유기랭킨사이클 장치는 작동유체인 냉매를 상기 연료전지로부터 배출되는 냉각수와 열교환시켜 고온고압의 기체로 변환하도록 구성된 제 1 증발기; 작동유체인 냉매를 상기 제 1 증발기를 통과한 냉각수와 열교환시켜 고온고압의 기체로 변환하도록 구성된 제 2 증발기; 상기 제 1, 2 증발기에 의해 열교환되어 얻어진 고온 고압의 기체를 이용하여 터빈을 구동시켜 전력을 생산하도록 구성된 제 3 터빈 발전기; 상기 제 3 터빈 발전기에서 인출되는 기체 냉매를 분배시키도록 구성된 터빈발전기용 분배기; 상기 터빈발전기용 분배기에 의해 분배된 일 방향의 기체 냉매를 상기 열침에 의해 응축시켜 액화시키도록 구성된 제 1 응축기; 상기 터빈 발전기용 분배기에 의해 분배된 다른 방향의 기체 냉매를 상기 열침에 의해 응축시켜 액화시키도록 구성된 제 2 응축기; 상기 제 1 응축기에 의해 액화된 냉매를 펌핑시켜 상기 제 1 증발기에 전달하도록 구성된 제 1 냉매 펌프; 및 상기 제 2 응축기에 의해 액화된 냉매를 펌핑시켜 상기 제 2 증발기에 전달하도록 구성된 제 2 냉매 펌프;를 포함할 수 있다.In the power generation system using the heat of the cooling water of the fuel cell according to the above embodiment, the organic Rankine cycle apparatus includes a first evaporator configured to convert refrigerant, which is a working fluid, into a high-temperature and high-pressure gas by exchanging heat with the cooling water discharged from the fuel cell; a second evaporator configured to convert the refrigerant, which is a working fluid, into a high-temperature, high-pressure gas by exchanging heat with the cooling water that has passed through the first evaporator; a third turbine generator configured to produce electric power by driving a turbine using the high-temperature, high-pressure gas obtained through heat exchange by the first and second evaporators; a distributor for a turbine generator configured to distribute the gaseous refrigerant drawn from the third turbine generator; a first condenser configured to condense and liquefy the one-way gaseous refrigerant distributed by the turbine generator distributor by the hot needle; a second condenser configured to condense and liquefy the gaseous refrigerant distributed in the other direction by the distributor for the turbine generator by the hot needle; a first refrigerant pump configured to pump and deliver the refrigerant liquefied by the first condenser to the first evaporator; and a second refrigerant pump configured to pump the refrigerant liquefied by the second condenser and transfer the refrigerant to the second evaporator.
본 발명의 실시형태에 의한 연료전지의 냉각수 열을 이용한 발전 시스템에 의하면, 연료전지를 냉각하기 위해 상기 연료전지를 기준으로 냉각수를 순환시키도록 구성된 순환관; 상기 연료전지로부터 배출되는 냉각수의 냉각수열을 냉매의 열교환을 통해 받아들여 발전하도록 구성된 유기랭킨사이클 장치; 및 상기 유기랭킨사이클 장치에서 열침으로 사용하기 위한 LNG 냉열, 심층수 또는 댐 중하층수를 끌어들이는 공급관;을 포함하여 구성됨으로써, 연료전지로부터 배출되는 냉각수의 열을 활용하여 발전할 수 있으며, 이 냉각수를 외부로부터 끌어오기 위해 필요한 관련 비용 및 에너지를 절감할 수 있다는 뛰어난 효과가 있다.According to the power generation system using cooling water heat of a fuel cell according to an embodiment of the present invention, a circulation pipe configured to circulate cooling water based on the fuel cell to cool the fuel cell; an organic Rankine cycle device configured to receive cooling water heat of the cooling water discharged from the fuel cell through heat exchange of the refrigerant and generate electricity; And a supply pipe that draws LNG cold heat, deep water, or lower middle layer water for use as a heat sink in the organic Rankine cycle device, so that power can be generated by utilizing the heat of the cooling water discharged from the fuel cell, and there is an excellent effect of reducing related costs and energy required to bring this cooling water from the outside.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 의한 연료전지의 냉각수 열을 이용한 발전 시스템의 전체 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 의한 연료전지의 냉각수 열을 이용한 발전 시스템의 전체 구성도이다.
도 3은 본 발명의 제 3 실시예에 의한 연료전지의 냉각수 열을 이용한 발전 시스템의 전체 구성도이다.
도 4는 본 발명의 제 4 실시예에 의한 연료전지의 냉각수 열을 이용한 발전 시스템의 전체 구성도이다.1 is an overall configuration diagram of a power generation system using cooling water heat of a fuel cell according to a first embodiment of the present invention.
2 is an overall configuration diagram of a power generation system using cooling water heat of a fuel cell according to a second embodiment of the present invention.
3 is an overall configuration diagram of a power generation system using cooling water heat of a fuel cell according to a third embodiment of the present invention.
4 is an overall configuration diagram of a power generation system using cooling water heat of a fuel cell according to a fourth embodiment of the present invention.
본 발명의 실시예를 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 상세한 설명에서 사용되는 용어는 단지 본 발명의 실시예를 기술하기 위한 것이며, 결코 제한적으로 해석되어서는 안 된다. 명확하게 달리 사용되지 않는 한, 단수 형태의 표현은 복수 형태의 의미를 포함한다. 본 설명에서, "포함" 또는 "구비"와 같은 표현은 어떤 특성들, 숫자들, 단계들, 동작들, 요소들, 이들의 일부 또는 조합을 가리키기 위한 것이며, 기술된 것 이외에 하나 또는 그 이상의 다른 특성, 숫자, 단계, 동작, 요소, 이들의 일부 또는 조합의 존재 또는 가능성을 배제하는 것으로 해석되어서는 안 된다.In describing the embodiments of the present invention, if it is determined that the detailed description of the known technology related to the present invention may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description will be omitted. In addition, terms to be described later are terms defined in consideration of functions in the present invention, which may vary according to the intention or custom of a user or operator. Therefore, the definition should be made based on the contents throughout this specification. Terms used in the detailed description are only for describing the embodiments of the present invention, and should not be construed as limiting in any way. Unless expressly used otherwise, singular forms of expression include plural forms. In this description, expressions such as "comprising" or "comprising" are intended to indicate certain characteristics, numbers, steps, operations, elements, parts or combinations thereof, and should not be construed to exclude the existence or possibility of one or more other characteristics, numbers, steps, operations, elements, parts or combinations thereof other than those described.
도면에서 도시된 각 시스템에서, 몇몇 경우에서의 요소는 각각 동일한 참조 번호 또는 상이한 참조 번호를 가져서 표현된 요소가 상이하거나 유사할 수가 있음을 시사할 수 있다. 그러나 요소는 상이한 구현을 가지고 본 명세서에서 보여지거나 기술된 시스템 중 몇몇 또는 전부와 작동할 수 있다. 도면에서 도시된 다양한 요소는 동일하거나 상이할 수 있다. 어느 것이 제1 요소로 지칭되는지 및 어느 것이 제2 요소로 불리는지는 임의적이다.In each system shown in the figures, elements in some cases may each have the same or different reference numbers to indicate that the elements represented may be different or similar. However, elements may have different implementations and work with some or all of the systems shown or described herein. Various elements shown in the drawings may be the same or different. Which one is called the first element and which one is called the second element is arbitrary.
본 명세서에서 어느 하나의 구성요소가 다른 구성요소로 데이터 또는 신호를 '전송', '전달' 또는 '제공'한다 함은 어느 한 구성요소가 다른 구성요소로 직접 데이터 또는 신호를 전송하는 것은 물론, 적어도 하나의 또 다른 구성요소를 통하여 데이터 또는 신호를 다른 구성요소로 전송하는 것을 포함한다.In this specification, 'transmitting', 'transferring', or 'providing' data or signals from one component to another component includes transmitting data or signals directly from one component to another component, as well as transmitting data or signals to another component through at least one other component.
이하, 본 발명의 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[제 1 실시예][First Embodiment]
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 의한 연료전지의 냉각수 열을 이용한 발전 시스템의 전체 구성도이다.1 is an overall configuration diagram of a power generation system using cooling water heat of a fuel cell according to a first embodiment of the present invention.
본 발명의 제 1 실시예에 의한 연료전지의 냉각수 열을 이용한 발전 시스템은, 도 1에 도시된 바와 같이, 순환관(P1), 유기랭킨사이클 장치(C) 및 공급관(P2)를 포함한다.As shown in FIG. 1, a power generation system using cooling water heat of a fuel cell according to a first embodiment of the present invention includes a circulation pipe (P1), an organic Rankine cycle device (C), and a supply pipe (P2).
순환관(P1)은 연료전지(F)를 냉각하기 위해 연료전지(F)를 기준으로 냉각수를 순환시키는 관으로서, 연료전지를 통과한 냉각수는 고온열 및 저온열을 포함하는 냉각수열을 가지고 있다. 냉각수열을 갖는 냉각수는 유기랭킨사이클 장치(C)의 증발기(10)에 공급되어 냉매와 열교환된다. 순환관(P1)에서 증발기(10)를 통과한 냉각수는 외부로 배출되지 않고 연료전지(F)를 냉각하기 위해 재순환됨으로써, 냉각수를 외부로부터 끌어오기 위해 소요되는 관련 비용 및 에너지를 절감할 수 있다.The circulation pipe (P1) is a pipe that circulates cooling water around the fuel cell (F) to cool the fuel cell (F), and the cooling water passing through the fuel cell has a cooling water sequence including high-temperature heat and low-temperature heat. Cooling water having a cooling water sequence is supplied to the
유기랭킨사이클 장치(C)는 연료전지(F)로부터 배출되는 냉각수의 냉각수열을 냉매의 열교환을 통해 받아들여 발전하는 역할을 한다.The organic Rankine cycle device (C) serves to generate power by receiving the cooling water heat of the cooling water discharged from the fuel cell (F) through heat exchange of the refrigerant.
유기랭킨사이클 장치(C)는 작동유체인 냉매를 연료전지(F)로부터 배출되는 냉각수열을 갖는 냉각수와 열교환시켜 고온고압의 기체로 변환하는 증발기(10), 증발기(10)에 의해 열교환되어 얻어진 고온 고압의 기체를 이용하여 터빈을 구동시켜 전력을 생산하는 터빈 발전기(20), 터빈 발전기(20)에서 인출되는 기체 냉매를 공급관(P2)을 통해 공급되는 열침(LNG 냉열, 심층수 또는 댐 중하층수)에 의해 응축시켜 액화시키는 응축기(30), 및 응축기(30)에 의해 액화된 냉매를 펌핑시켜 증발기(10)에 전달하는 냉매 펌프(40)를 포함한다.The organic Rankine cycle device (C) has an
공급관(P2)은 유기랭킨사이클 장치(C)에서 열침으로 사용하기 위한 LNG 냉열, 심층수 또는 댐 중하층수를 끌어들이는 역할을 한다.The supply pipe (P2) serves to draw LNG cold heat, deep water or dam middle and lower layer water for use as a hot needle in the organic Rankine cycle device (C).
이와 같이 구성된 제 1 실시예에 의한 연료전지의 냉각수 열을 이용한 발전 시스템의 동작을 설명하면 다음과 같다.The operation of the power generation system using the coolant heat of the fuel cell according to the first embodiment configured as described above will be described below.
먼저, 연료전지(F)의 발전 동작이 이루어지면서 연료전지(F)로부터 냉각수열을 가진 냉각수가 배출되게 되고, 이 냉각수는 증발기(10)에서 냉매와 열교환되어 냉매는 고온 고압의 기체 상태가 된다.First, as the fuel cell F operates to generate power, cooling water having cooling water heat is discharged from the fuel cell F, and the cooling water exchanges heat with the refrigerant in the
이어서, 증발기(10)에 의해 열교환되어 얻어진 고온 고압의 기체는 터빈 발전기(20)에 인가되어 터빈을 구동시켜 전력을 생산하게 된다.Subsequently, the high-temperature and high-pressure gas obtained by heat exchange by the
다음, 터빈 발전기(20)에서 인출되는 기체 냉매는 응축기(30)에서 열침에 의해 응축되어 액화상태의 냉매로 변환되고, 냉매 펌프(40)에 의해 펌핑되어 증발기(10)로 제공되어 발전 동작을 반복수행하게 된다. Next, the gaseous refrigerant drawn out from the
[제 2 실시예][Second Embodiment]
도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 의한 연료전지의 냉각수 열을 이용한 발전 시스템의 전체 구성도이다.2 is an overall configuration diagram of a power generation system using cooling water heat of a fuel cell according to a second embodiment of the present invention.
본 발명의 제 2 실시예에 의한 연료전지의 냉각수 열을 이용한 발전 시스템은, 도 2에 도시된 바와 같이, 순환관(P1), 제 1, 2 유기랭킨사이클 장치(C1, C2), 공급관(P2) 및 분배기(50)를 포함한다.As shown in FIG. 2, a power generation system using cooling water heat of a fuel cell according to a second embodiment of the present invention includes a circulation pipe P1, first and second organic Rankine cycle devices C1 and C2, a supply pipe P2, and a
순환관(P1)은 연료전지(F)를 냉각하기 위해 연료전지(F)를 기준으로 냉각수를 순환시키는 관으로서, 연료전지(F)를 통과한 냉각수는 고온열 및 저온열을 포함하는 냉각수열을 가지고 있다. 냉각수열을 갖는 냉각수는 제 1, 2 유기랭킨사이클 장치(C1, C2)의 제 1 증발기(10′) 및 제 2 증발기(10″)에 공급되어 냉매와 열교환된다. 순환관(P1)에서 제 1, 2 증발기(10′, 10″)를 통과한 냉각수는 외부로 배출되지 않고 연료전지(F)를 냉각하기 위해 재순환됨으로써, 냉각수를 외부로부터 끌어오기 위해 소요되는 관련 비용 및 에너지를 절감할 수 있다.The circulation pipe (P1) is a pipe that circulates cooling water around the fuel cell (F) to cool the fuel cell (F), and the cooling water that has passed through the fuel cell (F) has a cooling water sequence including high-temperature heat and low-temperature heat. Cooling water having a cooling water sequence is supplied to the first evaporator 10' and the second evaporator 10'' of the first and second organic Rankine cycle devices C1 and C2 to exchange heat with the refrigerant. The cooling water that has passed through the first and
제 1 유기랭킨사이클 장치(C1)는 작동유체인 냉매를 연료전지(F)로부터 배출되는 냉각수와 열교환시켜 고온고압의 기체로 변환하는 제 1 증발기(10′), 제 1 증발기(10′)에 의해 열교환되어 얻어진 고온 고압의 기체를 이용하여 터빈을 구동시켜 전력을 생산하는 제 1 터빈 발전기(20′), 제 1 터빈 발전기(20′)에서 인출되는 기체 냉매를 분배기(50)를 통해 제공되는 열침에 의해 응축시켜 액화시키는 제 1 응축기(30′), 및 제 1 응축기(30′)에 의해 액화된 냉매를 펌핑시켜 제 1 증발기(10′)에 전달하는 제 1 냉매 펌프(40′)를 포함한다.The first organic Rankine cycle device (C1) has a first evaporator (10') that converts the refrigerant, which is a working fluid, into a high-temperature, high-pressure gas by heat-exchanging it with the cooling water discharged from the fuel cell (F), a first turbine generator (20') that generates power by driving a turbine using the high-temperature, high-pressure gas obtained by heat exchange by the first evaporator (10'), and the gaseous refrigerant drawn from the first turbine generator (20') is provided through a distributor (50) It includes a
제 2 유기랭킨사이클 장치(C2)는 작동유체인 냉매를 제 1 증발기(10′)를 통과한 냉각수와 열교환시켜 고온고압의 기체로 변환하는 제 2 증발기(10″), 제 2 증발기(10″)에 의해 열교환되어 얻어진 고온 고압의 기체를 이용하여 터빈을 구동시켜 전력을 생산하는 제 2 터빈 발전기(20″), 제 2 터빈 발전기(20″)에서 인출되는 기체 냉매를 분배기(50)를 통해 제공된 열침에 의해 응축시켜 액화시키는 제 2 응축기(30″), 및 제 2 응축기(30″)에 의해 액화된 냉매를 펌핑시켜 제 2 증발기(10″)에 전달하는 제 2 냉매 펌프(40″)를 포함한다.The second organic Rankine cycle device (C2) has a second evaporator (10″) that converts the refrigerant, which is a working fluid, into a high-temperature, high-pressure gas by exchanging heat with the cooling water that has passed through the first evaporator (10′), a second turbine generator (20″) that generates power by driving a turbine using the high-temperature, high-pressure gas obtained through heat exchange by the second evaporator (10″), and a distributor (50). A
분배기(50)는 공급관(P2)을 통해 열침을 인가받아 분배하여 제 1 응축기(30′) 및 제 2 응축기(30″)에 공급하는 역할을 한다. 여기서, 분배기(50)를 통해 열침이 공급되는 형태는 병렬 구성 형태이다.The
한편, 제 2 실시예에서는 유기랭킨사이클 장치를 제 1, 2 유기랭킨사이클 장치인 2단 형태로 구성하였으나, 3단 이상의 형태로 구성할 수도 있으며, 이에 따라 열침을 공급하는 분배기(50)는 열침을 3개 이상의 응축기에 공급하기 위한 형태를 변경하면 된다. On the other hand, in the second embodiment, the organic Rankine cycle device was configured in a two-stage form, the first and second organic Rankine cycle devices, but it may be configured in a three-stage or more form.
이와 같이 구성된 제 2 실시예에 의한 연료전지의 냉각수 열을 이용한 발전 시스템의 동작을 설명하면 다음과 같다.The operation of the power generation system using the coolant heat of the fuel cell according to the second embodiment configured as described above will be described below.
먼저, 연료전지(F)의 발전 동작이 이루어지면서 연료전지(F)로부터 냉각수열을 가진 냉각수가 배출되게 되고, 이 냉각수는 제 1 증발기(10′)에서 냉매와 열교환되어 냉매는 고온 고압의 기체 상태가 되며, 제 1 증발기(10′)를 통과한 냉각수는 제 2 증발기(10″)에 인가되어 내부에서 유동되는 냉매와 열교환되어 냉매는 고온 고압의 기체 상태가 된다.First, as the fuel cell F operates to generate electricity, coolant having coolant heat is discharged from the fuel cell F, and the coolant exchanges heat with the refrigerant in the first evaporator 10', so that the refrigerant becomes a high-temperature and high-pressure gaseous state.
이어서, 각각의 제 1, 2 유기랭킨사이클 장치(C1, C2)가 작동하게 되어 발전 동작이 이루어지는데, 이는 제 1 실시예에서는 1개의 유기랭킨사이클이 사용되는 대신에 2개의 유기랭킨사이클이 사용됨으로써, 발전 시스템의 출력 및 사이클 효율의 증가 효과가 달성되게 된다. Then, each of the first and second organic Rankine cycle devices C1 and C2 are operated to generate power generation. This is because two organic Rankine cycles are used instead of one organic Rankine cycle in the first embodiment, so that the effect of increasing the output and cycle efficiency of the power generation system is achieved.
[제 3 실시예][Third Embodiment]
도 3은 본 발명의 제 3 실시예에 의한 연료전지의 냉각수 열을 이용한 발전 시스템의 전체 구성도이다.3 is an overall configuration diagram of a power generation system using cooling water heat of a fuel cell according to a third embodiment of the present invention.
본 발명의 제 3 실시예에 의한 연료전지의 냉각수 열을 이용한 발전 시스템은, 도 3에 도시된 바와 같이, 순환관(P1), 제 1, 2 유기랭킨사이클 장치(C1, C2), 및 공급관(P2)의 구성은 제 2 실시예와 동일하다.As shown in FIG. 3, in the power generation system using the cooling water heat of the fuel cell according to the third embodiment of the present invention, the configuration of the circulation pipe P1, the first and second organic Rankine cycle devices C1 and C2, and the supply pipe P2 is the same as that of the second embodiment.
단지 제 2 실시예의 분배기(50)를 포함하고 있지 않고, 공급관(P2)을 통해 열침이 제 1 응축기(30′)에 제공되며, 제 1 응축기(30′)를 통과한 열침이 제 2 응축기(30″)에 제공되는 형태가 제 2 실시예와 상이하다.Only the
이와 같이 열침이 공급되는 형태는 직렬 구성 형태이다.In this way, the form in which the hot needle is supplied is a series configuration form.
[제 4 실시예][Fourth Embodiment]
도 4는 본 발명의 제 4 실시예에 의한 연료전지의 냉각수 열을 이용한 발전 시스템의 전체 구성도이다.4 is an overall configuration diagram of a power generation system using cooling water heat of a fuel cell according to a fourth embodiment of the present invention.
본 발명의 제 4 실시예에 의한 연료전지의 냉각수 열을 이용한 발전 시스템은, 도 4에 도시된 바와 같이, 순환관(P1) 및 공급관(P2)의 구성은 제 2 실시예와 동일하다.As shown in FIG. 4 , the power generation system using the cooling water heat of the fuel cell according to the fourth embodiment of the present invention has the same configuration of the circulation pipe P1 and the supply pipe P2 as in the second embodiment.
유기랭킨사이클 장치(C3)의 구성에 있어서, 제 2 실시예의 제 1, 2 터빈발전기(20′, 20″)를 포함하는 대신 제 3 터빈발전기(20-1) 하나만을 포함하고 있다. 또한, 제 2 증발기(10″)를 통한 냉매가 제 3 터빈발전기(20-1)에 제공되며, 제 3 터빈발전기(20-1)를 통과한 냉매가 터빈발전기용 분배기(60)를 통해 제 1 응축기(30′)와 제 2 응축기(30″)에 제공되는 형태가 제 2 실시예와 상이하다.In the configuration of the organic Rankine cycle device C3, only the third turbine generator 20-1 is included instead of including the first and
한편, 위의 제 4 실시예에서는 분배기(50)가 공급관(P2)을 통해 열침을 인가받아 분배하여 제 1 응축기(30′) 및 제 2 응축기(30″)에 공급하는 병렬 구성 형태를 예로 들어 설명하였으나, 제 3 실시예에서와 같이 열침이 공급되는 형태가 직렬 구성 형태일 수도 있다.On the other hand, in the above fourth embodiment, the
본 발명의 실시예에 의한 연료전지의 냉각수 열을 이용한 발전 시스템에 의하면, 연료전지를 냉각하기 위해 상기 연료전지를 기준으로 냉각수를 순환시키도록 구성된 순환관; 상기 연료전지로부터 배출되는 냉각수의 냉각수열을 냉매의 열교환을 통해 받아들여 발전하도록 구성된 유기랭킨사이클 장치; 및 상기 유기랭킨사이클 장치에서 열침으로 사용하기 위한 LNG 냉열, 심층수 또는 댐 중하층수를 끌어들이는 공급관;을 포함하여 구성됨으로써, 연료전지로부터 배출되는 냉각수의 열을 활용하여 발전할 수 있으며, 이 냉각수를 외부로부터 끌어오기 위해 필요한 관련 비용 및 에너지를 절감할 수 있다.According to the power generation system using the heat of cooling water of a fuel cell according to an embodiment of the present invention, a circulation pipe configured to circulate cooling water based on the fuel cell to cool the fuel cell; an organic Rankine cycle device configured to receive cooling water heat of the cooling water discharged from the fuel cell through heat exchange of the refrigerant and generate electricity; And a supply pipe that draws LNG cold heat, deep water, or lower middle layer water for use as a heat sink in the organic Rankine cycle device, so that power can be generated by utilizing the heat of the cooling water discharged from the fuel cell, and related costs and energy required to bring this cooling water from the outside can be reduced.
도면과 명세서에는 최적의 실시예가 개시되었으며, 특정한 용어들이 사용되었으나 이는 단지 본 발명의 실시형태를 설명하기 위한 목적으로 사용된 것이지 의미를 한정하거나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.Optimum embodiments have been disclosed in the drawings and specifications, and specific terms have been used, but these are only used for the purpose of describing the embodiments of the present invention, and are not used to limit the meaning or scope of the present invention described in the claims. Therefore, those skilled in the art will understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible therefrom. Therefore, the true technical scope of protection of the present invention should be determined by the technical spirit of the appended claims.
10: 증발기
10′: 제 1 증발기
10″: 제 2 증발기
P1: 순환관
P2: 공급관
C1: 제 1 유기랭킨사이클 장치
C2: 제 2 유기랭킨사이클 장치
20: 터빈 발전기
20′: 제 1 터빈 발전기
20″: 제 2 터빈 발전기
20-1: 제 3 터빈 발전기
30: 응축기
30′: 제 1 응축기
30″: 제 2 응축기
40: 냉매 펌프
40′: 제 1 냉매 펌프
40″: 제 2 냉매 펌프
50: 분배기
60: 터빈발전기용 분배기10: evaporator
10′: 1st evaporator
10″: 2nd evaporator
P1: circulation pipe
P2: supply pipe
C1: first organic Rankine cycle device
C2: second organic Rankine cycle device
20: turbine generator
20′: 1st turbine generator
20″: 2nd turbine generator
20-1: 3rd turbine generator
30: condenser
30′: 1st condenser
30″: 2nd condenser
40: refrigerant pump
40′: first refrigerant pump
40″: Second refrigerant pump
50: divider
60: Distributor for turbine generator
Claims (6)
상기 연료전지로부터 배출되는 냉각수의 냉각수열을 냉매의 열교환을 통해 받아들여 발전하도록 구성된 유기랭킨사이클 장치; 및
상기 유기랭킨사이클 장치에서 열침으로 사용하기 위한 LNG 냉열, 심층수 또는 댐 중하층수를 끌어들이는 공급관(P2);을 포함하며,
상기 유기랭킨사이클 장치는
작동유체인 냉매를 상기 연료전지로부터 배출되는 냉각수와 열교환시켜 고온고압의 기체로 변환하도록 구성된 제 1 증발기(10′);
작동유체인 냉매를 상기 제 1 증발기를 통과한 냉각수와 열교환시켜 고온고압의 기체로 변환하도록 구성된 제 2 증발기(10″);
상기 제 1, 2 증발기에 의해 열교환되어 얻어진 고온 고압의 기체를 이용하여 터빈을 구동시켜 전력을 생산하도록 구성된 제 3 터빈 발전기(20-1);
상기 제 3 터빈 발전기에서 인출되는 기체 냉매를 분배시키도록 구성된 터빈발전기용 분배기(60);
상기 터빈발전기용 분배기에 의해 분배된 일 방향의 기체 냉매를 상기 열침에 의해 응축시켜 액화시키도록 구성된 제 1 응축기(30′);
상기 터빈 발전기용 분배기에 의해 분배된 다른 방향의 기체 냉매를 상기 열침에 의해 응축시켜 액화시키도록 구성된 제 2 응축기(30″);
상기 제 1 응축기에 의해 액화된 냉매를 펌핑시켜 상기 제 1 증발기에 전달하도록 구성된 제 1 냉매 펌프(40′); 및
상기 제 2 응축기에 의해 액화된 냉매를 펌핑시켜 상기 제 2 증발기에 전달하도록 구성된 제 2 냉매 펌프(40″);를 포함하는, 연료전지의 냉각수 열을 이용한 발전 시스템.A circulation pipe (P1) configured to circulate cooling water based on the fuel cell to cool the fuel cell (F);
an organic Rankine cycle device configured to receive cooling water heat of the cooling water discharged from the fuel cell through heat exchange of the refrigerant and generate electricity; and
A supply pipe (P2) that draws LNG cold heat, deep water or dam water for use as a hot needle in the organic Rankine cycle device; includes,
The organic Rankine cycle device
A first evaporator (10') configured to convert the refrigerant, which is a working fluid, into a high-temperature, high-pressure gas by exchanging heat with the cooling water discharged from the fuel cell;
A second evaporator (10″) configured to convert the refrigerant, which is a working fluid, into a high-temperature, high-pressure gas by heat exchange with the cooling water passing through the first evaporator;
a third turbine generator (20-1) configured to generate electric power by driving a turbine using high-temperature, high-pressure gas obtained by heat exchange by the first and second evaporators;
a distributor (60) for a turbine generator configured to distribute the gaseous refrigerant drawn from the third turbine generator;
a first condenser (30') configured to condense and liquefy the one-way gaseous refrigerant distributed by the distributor for the turbine generator by the hot needle;
a second condenser (30″) configured to condense and liquefy the gaseous refrigerant distributed in the other direction by the distributor for the turbine generator by the hot needle;
a first refrigerant pump (40') configured to pump and deliver the refrigerant liquefied by the first condenser to the first evaporator; and
and a second refrigerant pump (40″) configured to pump the refrigerant liquefied by the second condenser and transfer the refrigerant to the second evaporator.
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- 2021-06-02 KR KR1020210071687A patent/KR102558037B1/en active IP Right Grant
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