KR102588375B1 - 열 솔루션을 제공하는 연료 전지 시스템 - Google Patents

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김근욱
이호준
권송이
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Abstract

본 발명에 따르면, 연료 전지 시스템은 연료 전지; 상기 연료 전지로부터 제1 배기 가스 온도의 배기 가스를 공급받는 제1 열교환기; 및 상기 제1 열교환기에 제1 온수 온도의 물을 공급하는 제2 열교환기를 포함하되, 상기 제1 열교환기에서, 상기 제1 배기 가스 온도의 배기 가스와 상기 제1 온수 온도의 물이 열교환되어, 상기 제1 온수 온도의 물로부터 스팀이 형성되고, 상기 제1 열교환기는 상기 제1 배기 가스 온도보다 더 낮은 제2 배기 가스 온도의 상기 배기 가스를 상기 제2 열교환기로 방출하고, 상기 제2 열교환기는 제2 온수 온도의 물을 공급받고, 상기 제2 열교환기에서 상기 제2 배기 가스 온도의 배기 가스와 상기 제2 온수 온도의 물이 열교환되어, 제3 배기 가스 온도의 배기 가스와 상기 제1 온수 온도의 물이 형성되고, 상기 제1 온수 온도는 상기 제2 온수 온도보다 높을 수 있다.

Description

열 솔루션을 제공하는 연료 전지 시스템 {Fuel cell system providing thermal solution}
본 발명은 연료 전지 시스템, 보다 구체적으로 열 솔루션을 제공하는 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
연료 전지는 탄화수소 연료에 저장된 화학에너지를 전자화학적 반응에 의해 전기에너지로 변환하는 장치이다. 연료 전지는 고체 산화물 연료전지(SOFC), 고분자 전해질 연료전지(PEMFC), 알칼리 연료전지(AFC), 용융탄산염 연료전지(MCFC), 인산 연료전지(PAFC), 및/또는 직접 메탄올 연료전지(DMFC) 등 다양한 종류를 가지고 있으며, 다양한 분야에서 사용되고 있다.
연료 전지는 연료의 공급에 의해 연속적인 발전이 가능하며, 기존의 발전장치들과 비교할 때 이론적으로 높은 발전효율을 얻을 수 있다. 연료 전지는 모듈화가 용이하여 다양한 용량을 얻을 수 있다. 또한, 수소를 연료로 사용할 경우, 연료 전지는 물 이외의 오염물질을 배출하지 않아 환경 친화적인 발전 방식으로 평가받고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 열적 특성이 향상된 연료 전지 시스템을 제공하는 데에 있다.
본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 연료 전지 시스템은 연료 전지; 상기 연료 전지로부터 제1 배기 가스 온도의 배기 가스를 공급받는 제1 열교환기; 및 상기 제1 열교환기에 제1 온수 온도의 물을 공급하는 제2 열교환기를 포함하되, 상기 제1 열교환기에서, 상기 제1 배기 가스 온도의 배기 가스와 상기 제1 온수 온도의 물이 열교환되어, 상기 제1 온수 온도의 물로부터 스팀이 형성되고, 상기 제1 열교환기는 상기 제1 배기 가스 온도보다 더 낮은 제2 배기 가스 온도의 상기 배기 가스를 상기 제2 열교환기로 방출하고, 상기 제2 열교환기는 제2 온수 온도의 물을 공급받고, 상기 제2 열교환기에서 상기 제2 배기 가스 온도의 배기 가스와 상기 제2 온수 온도의 물이 열교환되어, 제3 배기 가스 온도의 배기 가스와 상기 제1 온수 온도의 물이 형성되고, 상기 제1 온수 온도는 상기 제2 온수 온도보다 높을 수 있다.
본 발명에 따르면, 연료 전지 시스템은 전기 공급 뿐만 아니라, 열공급을 할 수 있다. 예를 들어, 연료 전지 시스템은 전기를 공급할 수 있고, 연료 전지의 배기 가스를 사용하여 스팀 또는 온수를 생산하여 공급할 수 있다.
도 1은 실시예들에 따른 연료 전지 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 실시예들에 따른 연료 전지 시스템의 사시도이다.
도 3은 도 2의 연료 전지 시스템의 단면도이다.
도 4는 다른 실시예들에 따른 연료 전지 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다. 그러나 본 발명은, 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라, 여러 가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 변경을 가할 수 있다. 단지, 본 실시예들의 설명을 통해 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다. 당해 기술분야에서 통상의 기술을 가진 자는 본 발명의 개념이 어떤 적합한 환경에서 수행될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 ‘포함한다(comprises)’ 및/또는 ‘포함하는(comprising)’은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본 명세서의 다양한 실시 예들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 영역, 막들(또는 층들) 등을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 영역, 막들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 소정 영역 또는 막(또는 층)을 다른 영역 또는 막(또는 층)과 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시예에의 제 1막질로 언급된 막질이 다른 실시예에서는 제 2막질로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시예도 포함한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다본 명세서에서, 전문에 걸쳐 동일한 참조 부호는 동일한 구성 요소를 지칭할 수 있다. 이하, 본 발명의 개념에 따른 연료 전지 시스템을 설명한다.
도 1은 실시예들에 따른 연료 전지 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 연료 전지 시스템은 연료 전지(100), 제1 열교환기(200), 제2 열교환기(300), 및 팬(fan)(400)을 포함할 수 있다. 연료 전지(100)는 복수개로 제공될 수 있다. 복수의 연료 전지들(100)은 연료 전지 그룹(FG)을 형성할 수 있다. 일 예로, 연료 전지들(100)은 고체 산화물 연료전지(SOFC)를 포함할 수 있다. 다른 예로, 연료 전지들(100) 중 적어도 하나는 고분자 전해질 연료전지(PEMFC), 알칼리 연료전지(AFC), 용융탄산염 연료전지(MCFC), 인산 연료전지(PAFC), 및/또는 직접 메탄올 연료전지(DMFC)를 포함할 수 있다. 연료 전지들(100)은 서로 동일한 용량, 성능, 및 크기를 가질 수 있으나, 이에 제약되지 않는다. 연료 전지들(100) 각각은 배기 가스(EG)를 배출할 수 있다. 배출되는 배기 가스(EG)는 비교적 고온일 수 있다. 예를 들어, 배출되는 배기 가스(EG)는 320℃ 내지 360℃의 제1 배기 가스 온도(gT1)를 가질 수 있다.
제1 열교환기(200)는 연료 전지들(100)과 인접하여 배치되며, 헤더(500)를 통해 연료 전지들(100)과 연결될 수 있다. 연료 전지들(100)에서 방출된 배기 가스(EG)는 붉은색 화살표로 표시된 바와 같이 제1 열교환기(200)로 유입될 수 있다. 도 1, 도 3, 및 도 4에서 붉은색 화살표 및 붉은색 점선은 배기 가스(EG)의 흐름을 나타낸다.
연료 전지 시스템은 헤더(header)(500)를 더 포함할 수 있다. 헤더(500)는 연료 전지들(100) 및 제1 열교환기(200) 사이에 배치되며, 복수의 연료 전지들(100) 및 제1 열교환기(200)과 연결될 수 있다. 연료 전지들(100)에서 방출된 배기 가스(EG)는 하나의 헤더(500)를 통해 제1 열교환기(200)로 유입될 수 있다. 헤더(500)가 복수의 연료 전지들(100)과 연결되므로, 연료 전지들(100)의 배기 가스(EG)의 열 포집이 효율적으로 수행될 있다. 헤더(500)는 복수의 연결 배관부들을 포함하는 배관 구조물을 의미할 수 있다. 헤더(500)의 복수의 연결 배관부들은 연료 전지들(100)의 후단들과 연결될 수 있다. 연료 전지(100)의 후단들은 배기 가스(EG)가 방출되는 부분들로, 헤더(500)와 인접한 부분들일 수 있다. 연료 전지들(100)이 헤더(500)가 아닌 복수개의 연결 배관들과 각각 연결되는 경우, 연료 전지들(100)의 후단들에서 압력이 감소하여 배기 가스(EG)가 제1 열교환기(200)에 양호하게 유입되기 어려울 수 있다. 실시예들에 따르면, 연료 전지들(100)이 하나의 헤더(500)와 연결되므로, 연료 전지들(100)의 후단들에서 압력이 저하되는 현상이 방지될 수 있다. 도 1에서 헤더(500)가 3개의 연료 전지들(100)과 연결되는 것으로 도시했으나, 본 발명은 이에 제약되지 않는다.
물이 푸른색 화살표 및 푸른색 점선으로 표시된 바와 같이 제1 파이프(510)를 통해 제1 열교환기(200)에 공급될 수 있다. 물(H)은 후술할 제2 열교환기(300)로부터 공급될 수 있다. 제1 열교환기(200)에 공급되는 물(H)은 제1 온수 온도(T1)를 가질 수 있다. 제1 온수 온도(T1)는 제1 배기 가스 온도(gT1)보다 낮을 수 있다. 제1 온수 온도(T1)는 예를 들어, 80℃ 내지 120℃일 수 있다. 도 1, 도 3, 및 도 4에서 푸른색 화살표 및 푸른색 점선은 물(H) 또는 스팀(STEAM)의 흐름을 나타낸다.
제1 열교환기(200)는 증발기(evaporator)일 수 있다. 예를 들어, 제1 열교환기(200)는 연료 전지들(100)로부터 배출된 배기 가스(EG)의 열을 사용하여 제1 온수 온도(T1)의 물(H)을 가열할 수 있다. 즉, 제1 열교환기(200)에서 물(H)과 배기 가스(EG)의 열교환이 일어날 수 있다. 제1 배기 가스 온도(gT1)가 물(H)의 제1 온수 온도(T1)보다 높으므로, 열교환 과정에서 배기 가스(EG)가 물(H)에 열을 전달할 수 있다. 열교환에 의해 물(H)로부터 스팀(STEAM)과 같은 기체가 형성될 수 있다. 즉, 제1 열교환기(200)는 배기 가스(EG)를 사용하여 상기 물(H)로부터 스팀(STEAM)을 형성할 수 있다. 스팀(STEAM)은 제1 온수 온도(T1)보다 더 높은 온도를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 스팀(STEAM)은 145℃ 내지 185℃일 수 있다. 스팀(STEAM)은 방출 배관(290)을 통해 외부에 공급될 수 있다. 예를 들어, 스팀(STEAM)은 산업 단지에 공급되거나 지역 개별 난방 또는 온수 생산에 사용될 수 있다.
열 교환 후, 배기 가스(EG)는 제1 배기 가스 온도(gT1)보다 더 낮은 제2 배기 가스 온도(gT2)를 가질 수 있다. 제2 배기 가스 온도(gT2)는 150℃ 내지 190℃일 수 있다.
연료 전지 시스템은 제2 파이프(520)를 더 포함할 수 있다. 제2 파이프(520)는 제1 열교환기(200) 및 제2 열교환기(300) 사이에 제공되어, 제1 열교환기(200) 및 제2 열교환기(300)와 연결될 수 있다. 제2 파이프(520)는 배기 가스(EG)의 이동 통로로 제공될 수 있다.
제2 열교환기(300)는 제2 파이프(520)를 통해 인접한 제1 열교환기(200)와 연결될 수 있다. 열 교환 후, 제1 열교환기(200) 내의 배기 가스(EG)는 제2 파이프(520)를 통해 제2 열교환기(300)에 공급될 수 있다. 상기 배기 가스(EG)는 제2 배기 가스 온도(gT2)를 가질 수 있다. 외부로부터 물(H)이 공급 배관(390)을 통해 제2 열교환기(300)에 공급될 수 있다. 이 때, 상기 물(H)은 제2 온수 온도(T2)를 가질 수 있다. 제2 온수 온도(T2)는 제2 배기 가스 온도(gT2)보다 낮을 수 있다. 제2 온수 온도(T2)는 0℃ 내지 35℃일 수 있다.
제2 열교환기(300)는 에코노마이저(Economizer)일 수 있다. 외부에서 공급된 제2 온수 온도(T2)의 물(H)과 제1 열교환기(200)로부터 공급된 제2 배기 가스 온도(gT2)의 배기 가스(EG)가 제2 열교환기(300)에서 열교환될 수 있다. 열교환 과정에서, 배기 가스(EG)가 물(H)에 열을 전달할 수 있다. 이에 따라, 물(H)은 제2 온수 온도(T2)보다 높은 제1 온수 온도(T1)를 가질 수 있고, 배기 가스(EG)는 제2 배기 가스 온도(gT2)보다 낮은 제3 배기 가스 온도(gT3)를 가질 수 있다. 제1 온수 온도(T1)는 앞서 설명한 바와 같은 80℃ 내지 120℃일 수 있다. 제3 배기 가스 온도(gT3)는 65℃ 내지 105℃일 수 있다. 열 교환 후, 제1 온수 온도(T1)의 물(H)은 제1 파이프(510)를 통해 제1 열교환기(200)에 공급될 수 있다. 제3 배기 가스 온도(gT3)의 배기 가스(EG)는 제3 파이프(530)로 이동할 수 있다.
연료 전지 시스템은 제3 파이프(530)를 더 포함할 수 있다. 제3 파이프(530)는 제2 열교환기(300) 및 팬(400) 사이에 제공될 수 있다. 제3 파이프(530)는 배기 가스(EG)의 이동 통로로 제공될 수 있다.
팬(400)은 제2 열교환기(300)와 제3 파이프(530)를 통해 연결될 수 있다. 제3 배기 가스 온도(gT3)의 배기 가스(EG)는 제2 열교환기(300)로부터 제3 파이프(530)를 통해 팬(400)으로 전달될 수 있다. 상기 배기 가스(EG)는 팬(400)을 통해 외부 공간으로 방출될 수 있다. 외부 공간에 대기가 제공될 수 있다.
팬(400)은 연료 전지 시스템 내부의 압력을 조절할 수 있다. 예를 들어, 팬(400)은 배기 가스(EG)의 유동 불균형 방지 및 압력 손실 보상할 수 있다. 구체적으로, 팬(400)은 배기 가스(EG)가 제1 열교환기(200) 및 제2 열교환기(300)를 거치면서 발생하는 압력 저하 현상을 방지할 수 있다. 팬(400)은 압력 저하에 따른 제1 및 제2 열교환기들(200, 300)를 통과한 배기 가스(EG)의 에너지 손실을 방지할 수 있다. 팬(400)은 배기 가스(EG)가 연료 전지들(100)로 재유입되는 것이 방지할 수 있다.
실시예들에 따르면, 연료 전지 시스템은 연료 전지들(100)의 동작을 통해 전력/전기를 생산할 수 있다. 또한, 연료 전지 시스템은 연료 전지들(100)의 동작 과정에서 발생하는 배기 가스(EG)의 폐열을 사용하여 스팀(STEAM)을 공급할 수 있다. 구체적으로, 연료 전지들(100)의 동작 과정에서 발생하는 배기 가스(EG)는 제1 열교환기(200) 및 제2 열교환기(300) 내에서 물(H)과 열교환되고, 상기 열교환 과정에 의해 물(H)로부터 스팀(STEAM)이 생산될 수 있다. 연료 전지 시스템은 전력 공급 뿐 아니라 열 솔루션을 제공할 수 있다.
물(H)은 제2 열교환기(300)에서 배기 가스(EG)와 1차 열교환하고, 제2 열교환기(300)에서 배기 기스와 2차 열교환을 하여, 스팀(STEAM)으로 변화될 수 있다. 1차 및 2차 열교환들에 의해 배기 가스(EG)와 물(H)의 열교환 효율이 향상될 수 있다. 이에 따라, 연료 전지 시스템이 보다 향상된 열 솔루션 시스템을 제공할 수 있다.
도 2는 실시예들에 따른 연료 전지 시스템의 사시도이다. 도 3은 도 2의 연료 전지 시스템의 단면도이다. 도 2 및 도 3의 설명에 있어서 도 1을 함께 참조하며, 앞서 설명한 바와 중복되는 내용은 생략한다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 연료 전지 시스템은 복수의 연료 전지들(101~114), 복수의 제1 열교환기들(200), 복수의 제2 열교환기들(300), 및 팬(400)을 포함할 수 있다.
예를 들어, 연료 전지들(101~114)은 제1 내지 제 14 연료 전지들(101~114)을 포함할 수 있다. 제1 내지 제4 연료 전지들(101~114)은 도 1에서 설명한 연료 전지들(100)과 실질적으로 동일할 수 있다. 14개의 연료 전지들(101~114)이 도시되었으나, 이는 예시적인 것이다. 연료 전지들(101~114)의 수는 필요에 따라 선택될 수 있다. 제1 내지 제14 연료 전지들(101~114)은 제1 연료 전지 그룹(FG1)을 구성하는 제1 내지 제7 연료 전지들(101~107) 및 제2 연료 전지 그룹(FG2)을 구성하는 제8 내지 제14 연료 전지들(108~114)을 포함할 수 있다. 즉, 제1 내지 제7 연료 전지들(101~107)은 제1 연료 전지 그룹(FG1)으로 지칭될 수 있다. 제8 내지 제14 연료 전지들(108~114)은 제2 연료 전지 그룹(FG2)으로 지칭될 수 있다. 제1 연료 전지 그룹(FG1) 및 제2 연료 전지 그룹(FG2) 각각은 도 1에서 설명한 연료 전지 그룹(FG)과 동일 또는 유사할 수 있다. 제1 내지 제7 연료 전지들(101~107)은 제1 방향(D1)을 따라 배열될 수 있다. 제8 내지 제14 연료 전지들(108~114)은 제1 방향(D1)을 따라 배열되고, 제1 내지 제7 연료 전지들(101~107)과 각각 제2 방향(D2)을 따라 마주할 수 있다. 제1 방향(D1)과 제2 방향(D2)은 서로 교차할 수 있다. 예를 들어, 제1 방향(D1) 및 제2 방향(D2)은 서로 수직할 수 있다. 제1 내지 제14 연료 전지들(101~114)은 발전 모듈로 기능하여, 전기를 생산할 수 있다. 일 예로, 제1 내지 제14 연료 전지들(101~114) 각각은 50kW의 전력을 생산할 수 있으나, 이에 제약되지 않는다.
연료 전지 시스템은 추가 모듈들(120)을 더 포함할 수 있다. 추가 모듈들(120)은 제1 연료 전지 그룹(FG1)의 일측 및 제2 연료 전지 그룹(FG2)의 일측에 제공될 수 있다. 추가 모듈들(120) 각각은 제1 추가 모듈(121) 및 제2 추가 모듈(122)을 포함할 수 있다. 제1 추가 모듈(121)은 제1 및 제2 연료 전지 그룹들(FG1, FG2) 중 대응되는 어느 하나 및 제2 추가 모듈(122) 사이에 배치될 수 있다. 제1 추가 모듈(121)은 전원 모듈일 수 있다, 제1 추가 모듈(121)은 연료 전지들(101~114)에서 생산된 직류 전류를 교류 전류로 변환하는 기능을 할 수 있다. 제2 추가 모듈(122)은 연료 처리 모듈일 수 있다. 제2 추가 모듈(122)은 연료 전지들(101~114)에 공급되는 연료(예를 들어, 천연 가스 또는 수소) 내의 황을 제거하고, 연료의 압력을 조절할 수 있다.
제1 내지 제7 연료 전지들(101~107) 중에서 어느 하나는 예비 연료 전지이고, 제8 내지 제 14 연료 전지들(108~114) 중에서 어느 하나도 예비 연료 전지일 수 있다. 예비 연료 전지는 비상시를 대비한 전지들로, 정상 상태에서는 가동되지 않고, 비상시에만 가동될 수 있다. 제1 내지 제7 연료 전지들(101~107) 중에서 어느 하나의 예비 연료 전지 및 제8 내지 제 14 연료 전지들(108~114) 중에서 어느 하나는 예비 연료 전지는 서로 마주할 수 있다. 일 예에서, 제4 연료 전지(104) 및 제11 연료 전지(111)가 예비 연료 전지들일 수 있다. 다른 예에서, 제1 연료 전지(101) 및 제8 연료 전지(108)가 예비 연료 전지들일 수 있다. 이하, 편의를 위해 제4 연료 전지(104) 및 제11 연료 전지(111)가 예비 연료 전지들인 경우에 대하여 기술하나, 본 발명이 이에 제약되지 않는다.
제1 내지 제14 연료 전지들(101~114) 각각은 동작 과정에서, 배기 가스(EG)를 배출할 수 있다. 배출되는 배기 가스(EG)는 비교적 고온일 수 있다. 예를 들어, 배출되는 배기 가스(EG)는 280℃ 내지 380℃의 제1 배기 가스 온도(gT1)를 가질 수 있다.
제1 열교환기들(200)은 제1 연료 전지 그룹(FG1)과 제2 연료 전지 그룹(FG2) 사이에 제공될 수 있다. 제1 열교환기들(200)은 제1 그룹의 제1 열교환기들(200) 및 제2 그룹의 제1 열교환기들(200)을 포함할 수 있다. 제1 그룹의 제1 열교환기들(200)은 제1 연료 전지 그룹(FG1)에 인접하여 배치되며, 제1 연료 전지 그룹(FG1)과 연결될 수 있다. 예를 들어, 제1 그룹의 제1 열교환기들(200)은 제1 내지 제7 연료 전지들(101~107) 중 대응되는 것과 연결될 수 있다. 일 예로, 제1 그룹의 제1 열교환기들(200) 중 어느 하나는 제1 내지 제 3 연료 전지들(101~103)과 인접하여 배치되며, 상기 제1 내지 제3 연료 전지들(101~103)의 배기 가스 방출부들과 연결될 수 있다. 제1 내지 제3 연료 전지들(101~101)에서 방출된 배기 가스(EG)는 상기 어느 하나의 제1 열교환기(200)로 유입될 수 있다. 제1 그룹의 제1 열교환기들(200) 중 다른 하나는 제 5 내지 제 7 연료 전지들(105~107)과 인접하여 배치되고, 상기 제 5 내지 제 7 연료 전지들(105~107)의 배기 가스(EG) 방출부들과 연결될 수 있다. 제4 연료 전지(100)는 적어도 2개의 제1 열교환기들(200)과 연결될 수 있다. 이에 따라, 제4 연료 전지(104)는 비상 시에 필요에 따라 2개의 제1 열교환기들(200) 중 어느 하나와 연결될 수 있다. 구체적으로, 제1 내지 제3 연료 전지들(101~103) 중 어느 하나가 가동되지 않으면, 제4 연료 전지(104)가 이를 대신하여 동작하고, 제4 연료 전지(104)의 배기 가스(EG)는 제1 내지 제3 연료 전지들(101~103)과 연결된 제1 열교환기(200)에 공급될 수 있다. 마찬가지로 제 5 내지 제7 연료 전지들(105~107) 중 어느 하나가 동작하지 않으면, 제4 연료 전지(104)가 이를 대신하여 동작할 수 있다. 이 경우, 제4 연료 전지(104)의 배기 가스(EG)는 제 5 내지 제 7 연료 전지들(105~107)과 연결된 제1 열교환기(200)에 공급될 수 있다.
제2 그룹의 제1 열교환기들(200)은 제1 그룹의 제1 열교환기들(200) 및 제2 연료 전지 그룹(FG2) 사이에 배치될 수 있다. 제2 그룹의 제1 열교환기들(200)은 제1 그룹의 제1 열교환기들(200)과 제2 방향(D2)으로 이격 배치될 수 있다. 제2 그룹의 제1 열교환기들(200)은 제2 연료 전지 그룹(FG2)에 인접하여 배치되며, 제2 연료 전지 그룹(FG2)과 연결될 수 있다. 예를 들어, 제2 그룹의 제1 열교환기들(200)은 제8 내지 제14 연료 전지들(108~114) 중 대응되는 것과 연결될 수 있다. 구체적인 예에 따르면, 제2 그룹의 제1 열교환기들(200) 중 어느 하나는 제8 내지 제 10 연료 전지들(108~110)과 인접하여 배치되고, 제8 내지 제 10 연료 전지들(108~110)의 배기 가스 방출부들과 연결될 수 있다. 제2 그룹의 제1 열교환기들(200) 중 다른 하나는 제 12 내지 제 14 연료 전지들(112~114)과 인접하여 배치되고, 제 12 내지 제 14 연료 전지들(112~114)의 배기 가스 방출부들과 연결될 수 있다. 제11 연료 전지(111)는 적어도 2개의 제1 열교환기들(200)과 연결될 수 있다. 비상 시에 제11 열교환기는 필요에 따라 상기 제2 그룹의 2개의 제1 열교환기(200) 중 어느 하나와 연결될 수 있다.
연료 전지 시스템은 헤더들(500)을 더 포함할 수 있다. 헤더들(500)은 제1 열교환기들(200) 및 연료 전지들(101-114) 사이에 배치되며, 대응되는 제1 열교환기들(200) 및 연료 전지들(101-114)과 연결될 수 있다. 헤더들(500)은 도 1에서 설명한 바와 실질적으로 동일할 수 있다. 다만, 제4 연료 전지(104)는 2개의 헤더들(500)을 통해 2개의 제1 열교환기들(200)과 연결되고, 제 11 연료 전지(111)는 2개의 헤더들(500)을 통해 2개의 제1 열교환기들(200)과 연결될 수 있다. 헤더(500)의 총 개수는 제1 열교환기들(200)의 총 개수의 동일할 수 있으나, 이에 제약되지 않는다.
제1 내지 제3 연료 전지들(101~103)에서 방출된 배기 가스(EG)는 대응되는 어느 하나의 헤더(500)를 통해 제1 그룹의 인접한 어느 하나의 제1 열교환기(200)로 유입될 수 있다. 제5 내지 제 7 연료 전지들(105~107)에서 방출된 배기 가스(EG)는 대응되는 헤더(500)를 통해 제1 그룹의 상기 다른 하나의 제1 연료 전지(100)로 유입될 수 있다. 제8 내지 제10 연료 전지들(108~110)에서 방출된 배기 가스(EG)는 대응되는 헤더(500)를 통해 상기 제2 그룹의 상기 어느 하나의 제1 열교환기(200)로 유입될 수 있다. 제12 내지 제 14 연료 전지들(112~114)에서 방출된 배기 가스(EG)는 대응되는 헤더(500)를 통해 상기 제2 그룹의 상기 다른 하나의 제1 열교환기(200)로 유입될 수 있다.
제1 열교환기들(200) 각각은 증발기(evaporator)일 수 있다. 제1 온수 온도(T1)의 물(H)이 제1 열교환기들(200)에 공급될 수 있다. 예를 들어, 제1 열교환기들(200) 각각은 그와 연결된 연료 전지들(101~114)로부터 배출된 제1 배기 가스 온도(gT1)의 배기 가스(EG)의 열을 사용하여 물(H)을 가열할 수 있다. 열교환에 의해 물(H)로부터 스팀(STEAM)이 형성될 수 있다. 스팀(STEAM)은 방출 배관을 통해 외부에 공급될 수 있다. 이에 따라, 연료 전지 시스템은 전기를 생산하고, 스팀(STEAM)을 통한 열공급을 할 수 있다. 열 교환 후, 제2 배기 가스 온도(gT2)의 배기 가스(EG)가 제2 열교환기들(300)에 공급될 수 있다.
복수의 제2 열교환기들(300)은 각각 제1 열교환기들(200)과 인접하여 제공될 수 있다. 예를 들어, 제2 열교환기들(300)은 제1 열교환기들(200) 상에 제공되며, 제1 열교환기들(200)과 수직적으로 배치될 수 있다. 이에 따라, 제1 내지 제14 연료 전지들(101~114), 제1 열교환기들(200), 및 제2 열교환기들(300)의 배치가 컴팩트화되고, 최적화될 수 있다.
제2 열교환기들(300)의 총 개수는 제1 열교환기들(200)의 총 개수와 동일할 수 있다. 제2 열교환기들(300)은 제2 파이프들(520)을 통해 인접한 제1 열교환기들(200)과 각각 연결될 수 있다. 외부로부터 물(H)이 공급 배관(390)을 통해 제2 열교환기들(300)에 각각 공급될 수 있다. 이 때, 공급되는 물(H)은 제2 온수 온도(T2)를 가질 수 있다. 제2 온수 온도(T2)는 앞서 설명한 바와 같다
제2 열교환기들(300) 각각은 에코노마이저(Economizer)일 수 있다. 외부에서 공급된 물(H)과 제1 열교환기들(200)로부터 공급된 배기 가스(EG)가 제2 열교환기들(300)에서 열교환될 수 있다. 열교환 과정에서, 제2 배기 가스 온도(gT2)의 배기 가스(EG)가 제2 온수 온도(T2)의 물(H)에 열을 전달할 수 있다. 이에 따라, 물(H)은 제2 온수 온도(T2)보다 높은 제1 온수 온도(T1)를 가지고, 배기 가스(EG)는 제2 배기 가스 온도(gT2)보다 낮은 제3 배기 가스 온도(gT3)를 가질 수 있다. 상기 제1 온수 온도(T1)의 물(H)은 제1 파이프(510)를 통해 제1 열교환기들(200)에 공급될 수 있다.
팬(400)은 복수의 제2 열교환기들(300)과 제3 파이프(530)를 통해 연결될 수 있다. 제3 배기 가스 온도(gT3)의 배기 가스(EG)는 제2 열교환기들(300)로부터 팬(400)에 전달될 수 있다.
연료 전지 시스템은 배출 덕트(550)를 더 포함할 수 있다. 배출 덕트(550)는 팬(400)과 연결될 수 있다. 배출 덕트(550)는 수직 방향을 따라 연장될 수 있다. 수직 방향은 제1 방향 및 제2 방향과 교차할 수 있다. 배출 덕트(550)는 팬(400)과 연결되며, 배기 가스(EG)는 배출 덕트(550)를 통해 외부 공간으로 방출될 수 있다.
도 4는 다른 실시예들에 따른 연료 전지 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 연료 전지 시스템은 연료 전지들(100), 제1 열교환기(200), 및 팬(400)을 포함할 수 있다. 연료 전지 시스템은 공급 배관(390), 방출 배관(290), 제1 파이프(510) 및 제2 파이프(520)를 더 포함할 수 있다. 다만, 연료 전지 시스템의 구성은 도 1 내지 도 3에서 설명한 바와 실질적으로 동일할 수 있다. 예를 들어, 연료 전지 그룹(FG)에 포함된 연료 전지들(100) 중에서 적어도 하나는 예비 연료 전지일 수 있다. 연료 전지 그룹(FG)는 복수개로 연결되며, 연료 전지 시스템은 도 2 및 도 3에서 설명한 바와 같은 헤더(500)를 더 포함할 수 있다. 복수의 연료 전지 그룹들(FG), 헤더(500), 제1 열교환기(200), 및 예비 연료 전지의 구성, 배치 관계, 및 연결 관계는 도 1 내지 도 3에서 설명한 바와 같다. 다만, 연료 전지 시스템은 도 1 내지 도 3에서 설명한 제2 열교환기(300)를 포함하지 않을 수 있다.
연료 전지 시스템의 동작은 도 1 내지 도 3에서 설명한 바와 실질적으로 동일할 수 있다. 예를 들어, 연료 전지들(100)로부터 제1 배기 가스 온도(gT1)의 배기 가스(EG)가 제1 열교환기(200)에 공급되고, 제1 유체 온도(fT1)의 물(H)이 외부에서 공급 배관(390)을 통해 제1 열교환기(200)에 공급될 수 있다. 제1 배기 가스 온도(gT1)는 제1 유체 온도(fT1)보다 더 클 수 있다. 제1 배기 가스 온도(gT1)는 320℃ 내지 360℃이고, 제1 유체 온도(fT1)는 0℃ 내지 35℃일 수 있다.
제1 열교환기(200)는 에코노마이저로 기능할 수 있다. 제1 열교환기(200)에서 제1 배기 가스 온도(gT1)의 배기 가스(EG) 및 제1 유체 온도(fT1)의 물(H)의 열교환이 발생하여, 제2 배기 가스 온도(gT2)의 배기 가스(EG) 및 제2 유체 온도(fT2)의 물(H)을 형성할 수 있다. 제2 배기 가스 온도(gT2)는 제1 배기 가스 온도(gT1)보다 낮고, 제2 유체 온도(fT2)는 제1 유체 온도(fT1)보다 높을 수 있다. 제2 유체 온도(fT2)는 80℃ 내지 120℃일 수 있다. 제2 유체 온도(fT2)의 물(H)은 중온수일 수 있다. 열교환 후, 제1 열교환기(200)는 방출 배관(290)을 통해 제2 유체 온도(fT2)의 물(H)을 외부에 공급할 수 있다.
실시예들에 따르면, 연료 전지 시스템은 배기 가스(EG)로부터 필요에 따라 중온수를 생성할 수 있다.
제2 배기 가스 온도(gT2)의 배기 가스(EG)는 제3 파이프(530)를 통해 팬(400)으로 전달될 수 있다. 제2 배기 가스 온도(gT2)의 배기 가스(EG)는 외부로 방출될 수 있다.
이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니며, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 연료 전지;
    상기 연료 전지로부터 제1 배기 가스 온도의 배기 가스를 공급받는 제1 열교환기; 및
    상기 제1 열교환기에 제1 온수 온도의 물을 공급하는 제2 열교환기를 포함하되,
    상기 제1 열교환기에서, 상기 제1 배기 가스 온도의 배기 가스와 상기 제1 온수 온도의 물이 열교환되어, 상기 제1 온수 온도의 물로부터 스팀이 형성되고,
    상기 제1 열교환기는 상기 제1 배기 가스 온도보다 더 낮은 제2 배기 가스 온도의 상기 배기 가스를 상기 제2 열교환기로 방출하고,
    상기 제2 열교환기는 제2 온수 온도의 물을 공급받고,
    상기 제2 열교환기에서 상기 제2 배기 가스 온도의 배기 가스와 상기 제2 온수 온도의 물이 열교환되어, 제3 배기 가스 온도의 배기 가스와 상기 제1 온수 온도의 물이 형성되고,
    상기 제1 온수 온도는 상기 제2 온수 온도보다 높으며,
    상기 제1 배기 가스 온도는 상기 제1 온수 온도보다 더 높고,
    상기 스팀의 온도는 상기 제1 배기 가스 온도보다 낮고,
    상기 제2 배기 가스 온도는 상기 제2 온수 온도보다 더 높고,
    상기 제3 배기 가스 온도는 상기 제2 배기 가스 온도보다 더 낮은 연료 전지 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 열교환기와 파이프로 연결된 팬(fan)을 더 포함하고,
    상기 제2 열교환기에서 방출된 상기 배기 가스는 상기 팬을 통해 외부로 방출되도록 구성된 연료 전지 시스템.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 열교환기는 증발기(evaporator)를 포함하고,
    상기 제2 열교환기는 에코노마이저(Economizer)를 포함하는 연료 전지 시스템.
  4. 삭제
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 배기 가스 온도는 상기 제1 온수 온도보다 더 높고,
    상기 제1 온수 온도는 상기 제3 배기 가스 온도보다 더 높은 연료 전지 시스템.
  6. 연료 전지 그룹들, 상기 연료 전지 그룹들 각각은 복수의 연료 전지들을 포함하고;
    상기 연료 전지 그룹들과 인접하여 배치되고, 상기 연료 전지 그룹들로부터 제1 배기 가스 온도의 배기 가스를 공급받는 제1 열교환기들; 및
    상기 제1 열교환기들에 제1 온수 온도의 물을 공급하는 제2 열교환기들을 포함하되,
    상기 제1 열교환기들 중 어느 하나는 대응되는 상기 복수의 연료 전지들과 연결되고,
    상기 제2 열교환기들은 상기 제1 열교환기들과 각각 연결되고.
    상기 제1 열교환기들 각각에서, 상기 제1 배기 가스 온도의 배기 가스와 상기 제1 온수 온도의 물이 열교환되어, 상기 제1 온수 온도의 물로부터 스팀이 형성되고,
    상기 제1 열교환기들 각각은 상기 제1 배기 가스 온도보다 더 낮은 제2 배기 가스 온도의 상기 배기 가스를 상기 제2 열교환기들로 방출하고,
    상기 제2 열교환기들 각각은 공급 배관을 통해 제2 온수 온도의 물을 공급받고,
    상기 제2 열교환기들에서 상기 제2 배기 가스 온도의 배기 가스와 상기 제2 온수 온도의 물이 열교환되어, 제3 배기 가스 온도의 배기 가스와 상기 제1 온수 온도의 물이 형성되고,
    상기 제1 온수 온도는 상기 제2 온수 온도보다 높으며,
    상기 제1 배기 가스 온도는 상기 제1 온수 온도보다 더 높고,
    상기 스팀의 온도는 상기 제1 배기 가스 온도보다 낮고,
    상기 제2 배기 가스 온도는 상기 제2 온수 온도보다 더 높고,
    상기 제3 배기 가스 온도는 상기 제2 배기 가스 온도보다 더 낮은 연료 전지 시스템.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 연료 전지 그룹들 중 어느 하나의 연료 전지 그룹에 포함된 상기 연료 전지들 중 적어도 하나는 예비 연료 전지를 포함하고,
    상기 예비 연료 전지는 상기 제1 열교환기들 중 2개의 열교환기와 연결 가능하도록 구성된 연료 전지 시스템.
  8. 제6 항에 있어서,
    상기 제1 열교환기들 중 대응되는 어느 하나 및 상기 연료 전지 그룹들 중 대응되는 어느 하나 사이에 제공되는 헤더를 더 포함하되,
    상기 어느 하나의 연료 전지 그룹에 포함된 상기 연료 전지들에서 방출된 상기 배기 가스는 상기 헤더를 통해 상기 어느 하나의 제1 열교환기에 공급되고,
    상기 헤더는 복수개 제공되고,
    상기 복수개의 헤더들의 총 개수는 상기 제1 열교환기들의 총 개수의 동일한 연료 전지 시스템.
  9. 삭제
  10. 삭제
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