KR102663741B1 - Heating system - Google Patents

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KR102663741B1
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정원용
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주식회사 에스아이그룹건축사사무소
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Abstract

난방 시스템이 개시된다. 난방 시스템은 핫박스 케이스; 핫박스 케이스 내부에 배치된 지지 플레이트; 핫박스 케이스 내부에서 지지 플레이트 상부에 배치된 복수의 인산형 연료전지 스택들; 핫박스 케이스 내부에서 지지 플레이트 하부에 배치되고, 탄화수소 연료를 개질하여 인산형 연료전지 스택들에 공급하는 개질기; 난방수를 저장하는 가열 탱크부 및 난방수를 가열하는 연소부를 포함하는 복합모듈; 서로 이격된 제1 배관 및 제2 배관을 통해 상기 가열 탱크부와 연결되어 상기 난방수가 순환하는 제1 순환 유로를 형성하고, 난방수를 저장하며, 핫박스 케이스 외부에 배치된 저장탱크; 저장 탱크에 저장된 난방수의 온도를 측정하는 온도센서; 온도센서에 의해 측정된 난방수의 온도가 기 설정된 온도 미만인 경우에 제1 순환유로를 따라 난방수를 순환시키는 제1 펌프; 서로 이격된 제3 배관 및 제4 배관을 통해 저장 탱크와 연결되어 난방수가 순환하는 제2 순환 유로를 형성하고, 난방수의 열에너지를 난방 공간으로 방출하는 난방기구; 및 난방수를 제2 순환 유로를 따라 순환시키는 제2 펌프;를 포함한다. The heating system starts. The heating system is a hotbox case; A support plate disposed inside the hotbox case; A plurality of phosphoric acid fuel cell stacks disposed on the upper part of the support plate inside the hot box case; A reformer disposed below the support plate inside the hot box case, reforming hydrocarbon fuel and supplying it to the phosphoric acid fuel cell stacks; A composite module including a heating tank unit that stores heating water and a combustion unit that heats the heating water; a storage tank connected to the heating tank unit through first and second pipes spaced apart from each other to form a first circulation flow path through which the heating water circulates, storing the heating water, and disposed outside the hot box case; A temperature sensor that measures the temperature of the heating water stored in the storage tank; a first pump that circulates the heating water along the first circulation passage when the temperature of the heating water measured by the temperature sensor is lower than a preset temperature; A heating device that is connected to the storage tank through third and fourth pipes spaced apart from each other to form a second circulation flow path through which heating water circulates, and emits heat energy of the heating water into the heating space; and a second pump that circulates the heating water along the second circulation passage.

Description

난방 시스템{HEATING SYSTEM}Heating system{HEATING SYSTEM}

본 발명은 고온의 난방수 및 온수를 효율적으로 생성할 수 있는 건물의 난방 시스템에 관한 것이다. The present invention relates to a building heating system that can efficiently generate high temperature heating water and hot water.

사계절의 변화가 있거나 추운 지방의 나라에서는 가정이나 건물 등의 실내 난방을 위하여 에너지원으로 석유, 가스, 석탄 등을 사용하는 보일러 시스템이 적용되고 있다.In countries with seasonal changes or cold regions, boiler systems that use oil, gas, coal, etc. as energy sources are used to heat indoor spaces such as homes and buildings.

일반적인 보일러 시스템은 가정이나 건물 등의 실내외에 설치된 보일러에서 연료를 공급받아 그 연료를 연소시키게 된다. 그 보일러의 연소열에 의해 물이 가열되고 그 가열된 온수는 그 보일러와 순환 연결되어 실내의 바닥에 매설된 방열용 순환 라인을 통해 순환하게 된다. 물이 보일러에서 가열되어 방열용 순환 라인을 통해 유동하고 다시 보일러에서 가열되는 순환 유동을 반복하면서 열이 실내 바닥으로 전달되어 실내의 바닥을 가열시키게 된다.A typical boiler system receives fuel from a boiler installed indoors or outdoors in a home or building and combusts the fuel. The water is heated by the combustion heat of the boiler, and the heated water is connected to the boiler and circulates through a heat dissipation circulation line buried in the floor of the room. As water is heated in the boiler, flows through a circulation line for heat dissipation, and is heated again in the boiler, the circulation flow is repeated, and the heat is transferred to the floor of the room, heating the floor of the room.

또한 상기 보일러에 온수 라인이 연결되며, 그 온수 라인은 수도물이 공급되는 직수 라인과 연결되고 그 직수 라인은 세면실, 욕실 또는 주방 등에 연결되도록 설치된다.Additionally, a hot water line is connected to the boiler, and the hot water line is connected to a direct water line supplying tap water, and the direct water line is installed to be connected to a washroom, bathroom, or kitchen.

그러나 상기한 바와 같은 보일러 시스템은 가스나 석유를 연소시키고 그 연소열로 물을 가열하여 실내를 난방하고 또한 온수를 사용하게 되므로 가스나 석유의 사용량이 많게 되어 인체에 유해한 오염 물질의 발생을 가중시키게 될 뿐만 아니라 화석연료의 고갈에 따라 가계의 경제적 부담이 점점 증가되고 있다.However, the boiler system as described above burns gas or oil and heats water with the combustion heat to heat the room and also uses hot water, so the use of gas or oil increases, increasing the generation of pollutants harmful to the human body. In addition, the economic burden on households is increasing as fossil fuels are depleted.

이러한 문제점을 해소하기 위하여, 최근에는 전기와 열을 동시에 발생시키면서 환경공해 물질의 배출량을 줄일 수 있고, 전기 및 난방요금을 감소시킬 수 있는 연료전지를 주택 또는 건물에 설치하여 사용자가 필요로 하는 전기와 열을 직접 생산하여 사용하는 방안이 연구되고 있다.To solve this problem, fuel cells, which can generate electricity and heat at the same time while reducing the emission of environmental pollutants and reducing electricity and heating bills, have recently been installed in houses or buildings to provide electricity as needed by users. Methods of producing and using heat directly are being studied.

하지만, 현재 연구되는 있는 연료전지를 이용한 보일러 시스템의 경우, 열원으로서 연료전지 함께 연료를 직접 연소시키는 보일러를 함께 사용되어, 연료전지에 발생하는 열에너지의 사용 효율이 높지 않은 문제점이 있다.However, in the case of boiler systems using fuel cells that are currently being studied, a boiler that directly burns fuel is used together with the fuel cell as a heat source, so there is a problem in that the use efficiency of heat energy generated by the fuel cell is not high.

본 발명의 목적은 연료전지에서 생성되는 열에너지만을 열원으로 이용하여 난방 및 온수를 제공할 수 있는 난방 시스템을 제공하는 것이다.The purpose of the present invention is to provide a heating system that can provide heating and hot water by using only the thermal energy generated in a fuel cell as a heat source.

본 발명의 실시예에 따른 난방 시스템은, 핫박스 케이스; 상기 핫박스 케이스 내부에 배치되고, 가운데 부분에 관통홀이 형성된 지지 플레이트; 상기 핫박스 케이스 내부에서 상기 지지 플레이트 상부에 배치되고, 상기 관통홀을 둘러싸도록 일정 간격 이격되게 배치된 복수의 인산형 연료전지 스택; 상기 핫박스 케이스 내부에서 상기 지지 플레이트 하부에 배치되고, 외부 연료공급원으로부터 공급된 탄화수소 연료를 개질하여 상기 복수의 인산형 연료전지 스택에 공급하는 개질기; 난방수를 저장하는 가열 탱크부 및 상기 가열 탱크부에 저장된 난방수를 가열하는 연소부를 포함하고, 상기 핫박스 케이스 내부에 배치된 복합모듈; 상기 난방수가 상기 가열 탱크부 방향으로 유출시키는 제1 배관 및 상기 가열 탱크부로부터 상기 난방수가 유입되는 제2 배관을 통해 상기 가열 탱크부와 연결되어 상기 난방수가 순환하는 제1 순환 유로를 형성하고, 상기 난방수를 저장하며, 상기 핫박스 케이스 외부에 배치된 저장탱크; 상기 저장 탱크에 설치되고, 상기 저장 탱크에 저장된 난방수의 온도를 측정하는 온도센서; 상기 제1 배관에 설치되고, 상기 온도센서에 의해 측정된 상기 난방수의 온도가 기 설정된 온도 미만인 경우에 상기 제1 순환유로를 따라 난방수를 순환시키는 제1 펌프; 상기 저장 탱크로부터 상기 난방수를 유입시키는 제3 배관 및 상기 저장 탱크 방향으로 상기 난방수를 유출시키는 제4 배관을 통해 상기 저장 탱크와 연결되어 상기 난방수가 순환하는 제2 순환 유로를 형성하고, 상기 난방수의 열에너지를 난방 공간으로 방출하는 난방기구; 및 상기 제3 배관에 설치되어 상기 난방수를 상기 제2 순환 유로를 따라 순환시키는 제2 펌프;를 포함한다. 상기 복합모듈은, 상기 핫박스 케이스 내부에서 상기 지지 플레이트 하부에 배치되고, 바닥판, 상기 바닥판으로부터 상부로 돌출된 측벽판 및 상기 측벽의 상부 단부에 결합된 상부판을 포함하여 내부에 연소공간이 형성되는 제1 수납용기; 상기 제1 수납 용기의 바닥판 상에 배치되고 상기 복수의 고체산화물 연료전지 스택으로부터 배출된 애노드 오프 가스가 이동하는 애노드 오프 가스 배관이 결합된 바닥부 및 상기 바닥부의 가장자리 부분으로부터 상부로 갈수록 내부공간의 단면적이 증가하도록 경사지게 연장되고 관통홀들이 형성된 측벽부를 구비하는 연소 케이스 및 상기 애노드 오프 가스 배관이 결합된 부분과 인접하게 위치하는 점화 장치를 포함하는 연소기;를 포함하는 연소부; 상기 제1 수납 용기의 상부판과 상기 지지 플레이트 사이에 배치되고, 상기 제1 수납 용기의 상부판과 함께 상기 난방수가 저장되는 제1 저장 공간을 형성하는 제2 수납 용기, 상기 제2 수납 용기의 측벽을 둘러싸도록 상기 제2 수납 용기에 결합되어 상기 제2 수납 용기의 측벽과 함께 상기 복수의 고체산화물 연료전지 스택으로부터 배출된 캐소드 오프 가스의 이동을 위한 제1 열교환 유로를 형성하는 제1 열교환 측벽판, 및 상기 제1 열교환 측벽판과 함께 상기 제1 열교환 유로를 둘러싸도록 위치하는 제2 열교환 유로를 형성하도록 상기 제1 열교환 측벽판에 결합된 제2 열교환 측벽판을 구비하는 제1 탱크부; 및 상기 제2 수납 용기의 상부판에 형성된 개구부를 통해 상기 제1 저장 공간과 연결된 제2 저장 공간을 형성하도록 상기 제2 수납 용기의 상부판 상에 결합되고, 상기 지지 플레이트의 관통홀을 관통하도록 배치된 제3 수납 용기를 포함하는 제2 탱크부;를 포함하는 가열 탱크부; 상기 제1 열교환 유로와 상기 제1 수납 용기의 내부 공간을 연결하고, 상기 제1 열교환 유로부터 배출된 상기 캐소드 오프 가스를 상기 제1 수납 용기의 내부 공간으로 공급하는 연결관; 및 상기 연소기 상부에서 상기 제1 수납 용기의 내부 공간을 가로지르도록 배치되고, 복수의 직관부 및 이들을 연결하는 굴곡부들을 구비하는 사행 구조를 가지며, 상기 연소기에서의 연소에 의해 생성된 화염 또는 고온 연소가스를 이용하여 외부 공기 공급원으로부터 공급된 공기를 가열하여 상기 복수의 인산형 연료전지 스택에 공급하는 열교환 배관;을 포함할 수 있다. 그리고, 상기 제1 배관은 상기 제2 수납 용기의 제1 저장 공간에 연결되고, 상기 제2 배관은 상기 제3 수납 용기의 상부판을 통해 상기 제2 저장 공간에 연결되고, 상기 제1 열교환 유로의 서로 이격된 제1 부분 및 제2 부분은 상기 복수의 인산형 연료전지 스택의 캐소드 오프 가스 배출 배관 및 상기 연결관이 각각 연결되고, 상기 제2 열교환 유로의 서로 이격된 제1 부분 및 제2 부분에는 상기 외부 연료공급원 및 상기 개질기가 각각 연결되며, 상기 지지 플레이트의 상부면으로부터 상기 제3 수납 용기의 상부판까지의 높이는 상기 지지 플레이트의 상부면으로부터 상기 복수의 인산형 연료전지 스택의 상부면까지의 높이의 0.8 내지 1.2배일 수 있다. A heating system according to an embodiment of the present invention includes a hot box case; a support plate disposed inside the hot box case and having a through hole formed in the center; a plurality of phosphoric acid-type fuel cell stacks disposed on an upper portion of the support plate within the hot box case and spaced apart from each other at regular intervals to surround the through hole; A reformer disposed below the support plate inside the hot box case, reforming hydrocarbon fuel supplied from an external fuel source and supplying it to the plurality of phosphoric acid-type fuel cell stacks; A composite module including a heating tank unit that stores heating water and a combustion unit that heats the heating water stored in the heating tank unit, and disposed inside the hot box case; It is connected to the heating tank unit through a first pipe through which the heating water flows out toward the heating tank unit and a second pipe through which the heating water flows in from the heating tank unit to form a first circulation flow path through which the heating water circulates, a storage tank that stores the heating water and is disposed outside the hot box case; A temperature sensor installed in the storage tank and measuring the temperature of the heating water stored in the storage tank; a first pump installed in the first pipe and circulating heating water along the first circulation passage when the temperature of the heating water measured by the temperature sensor is lower than a preset temperature; It is connected to the storage tank through a third pipe that introduces the heating water from the storage tank and a fourth pipe that discharges the heating water toward the storage tank to form a second circulation flow path through which the heating water circulates, A heating device that emits heat energy from heating water into the heating space; and a second pump installed in the third pipe to circulate the heating water along the second circulation passage. The composite module is disposed below the support plate inside the hot box case, and includes a bottom plate, a side wall plate protruding upward from the bottom plate, and a top plate coupled to the upper end of the side wall, and has a combustion space therein. A first storage container formed; A bottom disposed on the bottom plate of the first storage container and coupled to the anode off gas pipe through which the anode off gas discharged from the plurality of solid oxide fuel cell stacks moves, and an internal space moving from the edge of the bottom to the top. A combustion unit including a combustion case including a side wall portion inclined to increase the cross-sectional area and having through holes formed therein, and an ignition device located adjacent to a portion where the anode off gas pipe is coupled; A second storage container disposed between the top plate of the first storage container and the support plate and forming a first storage space in which the heating water is stored together with the top plate of the first storage container, of the second storage container A first heat exchange side wall that is coupled to the second storage container to surround the side wall and forms a first heat exchange flow path for movement of cathode off gas discharged from the plurality of solid oxide fuel cell stacks together with the side wall of the second storage container. a first tank portion including a plate and a second heat exchange sidewall plate coupled to the first heat exchange sidewall plate to form a second heat exchange passageway positioned to surround the first heat exchange passageway together with the first heat exchange sidewall plate; and is coupled to the upper plate of the second storage container to form a second storage space connected to the first storage space through an opening formed in the upper plate of the second storage container, and penetrates the through hole of the support plate. a second tank unit including a third storage container disposed; a heating tank unit including a; a connection pipe that connects the first heat exchange flow path and the inner space of the first storage container and supplies the cathode off gas discharged from the first heat exchange flow path to the inner space of the first storage container; and a meandering structure disposed across the inner space of the first storage container at the top of the combustor and including a plurality of straight pipe portions and curved portions connecting them, and a flame or high-temperature combustion generated by combustion in the combustor. It may include a heat exchange pipe that heats air supplied from an external air source using gas and supplies it to the plurality of phosphoric acid-type fuel cell stacks. And, the first pipe is connected to the first storage space of the second storage container, the second pipe is connected to the second storage space through the upper plate of the third storage container, and the first heat exchange flow path The first and second parts spaced apart from each other are connected to the cathode off gas discharge pipe of the plurality of phosphoric acid fuel cell stacks and the connection pipe, respectively, and the first and second parts spaced apart from each other of the second heat exchange flow path are connected to each other. The external fuel supply source and the reformer are each connected to the portion, and the height from the upper surface of the support plate to the upper plate of the third storage container is from the upper surface of the support plate to the upper surface of the plurality of phosphoric acid-type fuel cell stacks. It may be 0.8 to 1.2 times the height.

본 발명의 난방 시스템에 따르면, 연료전지의 핫박스 케이스 내부에 설치되고 연소부 및 가열탱크부가 일체로 모듈화된 복합 모듈을 구비하므로, 별도의 열원의 사용 없이 연료전지 스택에서 발전 과정에서 생성되는 열에너지만을 열원으로 이용하여 고온의 난방수뿐만 아니라 온수를 생성할 수 있다.According to the heating system of the present invention, a composite module is installed inside the hot box case of the fuel cell and the combustion section and the heating tank section are integrated into a modular module, so heat energy is generated during the power generation process in the fuel cell stack without using a separate heat source. By using the bay as a heat source, not only high temperature heating water but also hot water can be generated.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 난방 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 복합 모듈을 설명하기 위한 단면도이다.
도 3은 도 1, 도 2에 도시된 가열 탱크부의 다른 실시예를 설명하기 위한 단면도이다.
1 is a diagram for explaining a heating system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view for explaining the composite module shown in FIG. 1.
Figure 3 is a cross-sectional view for explaining another embodiment of the heating tank unit shown in Figures 1 and 2.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings. Since the present invention can be subject to various changes and can have various forms, specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the text. However, this is not intended to limit the present invention to a specific disclosed form, and should be understood to include all changes, equivalents, and substitutes included in the spirit and technical scope of the present invention. While describing each drawing, similar reference numerals are used for similar components. In the attached drawings, the dimensions of the structures are enlarged from the actual size for clarity of the present invention.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. Terms such as first, second, etc. may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The above terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, a first component may be named a second component without departing from the scope of the present invention, and similarly, the second component may also be named a first component.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used in this application are only used to describe specific embodiments and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this application, terms such as “comprise” or “have” are intended to designate the presence of features, steps, operations, components, parts, or combinations thereof described in the specification, but are not intended to indicate the presence of one or more other features or steps. , it should be understood that it does not exclude in advance the possibility of the existence or addition of operations, components, parts, or combinations thereof.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as generally understood by a person of ordinary skill in the technical field to which the present invention pertains. Terms defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related technology, and unless explicitly defined in the present application, should not be interpreted in an ideal or excessively formal sense. No.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 난방 시스템을 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 복합 모듈을 설명하기 위한 단면도이며, 도 3은 도 1, 도 2에 도시된 가열 탱크부의 다른 실시예를 설명하기 위한 단면도이다. FIG. 1 is a diagram for explaining a heating system according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a cross-sectional view for explaining the composite module shown in FIG. 1, and FIG. 3 is a diagram of the heating tank unit shown in FIGS. 1 and 2. This is a cross-sectional view for explaining another embodiment.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 난방 시스템(1000)은 2 이상의 복수의 연료전지 스택(1100), 복합 모듈(1200), 개질기(1300), 핫박스 케이스(1400), 저장 탱크(1500) 및 난방 기구(1600)를 포함할 수 있다. 1 to 3, the heating system 1000 according to an embodiment of the present invention includes two or more fuel cell stacks 1100, a composite module 1200, a reformer 1300, and a hot box case 1400. , may include a storage tank 1500 and a heating device 1600.

상기 복수의 연료전지 스택(1100), 상기 복합 모듈(1200) 및 상기 개질기(1300)는 상기 핫박스 케이스(1400) 내부에 배치될 수 있고, 상기 저장 탱크(1500) 및 상기 난방 기구(1600)는 상기 핫박스 케이스(1400) 외부에 배치될 수 있다. 한편, 상기 핫박스 케이스(1400) 내부 공간 중 상기 연료전지 스택(1100), 상기 복합 모듈(1200) 및 상기 개질기(1300)에 의해 채워지지 않은 공간의 적어도 일부에는 내부 열에너지가 외부로 방출되는 것을 최소화하기 위해 단열재(미도시)가 충진될 수 있다. The plurality of fuel cell stacks 1100, the composite module 1200, and the reformer 1300 may be disposed inside the hot box case 1400, and the storage tank 1500 and the heating device 1600 Can be placed outside the hot box case 1400. Meanwhile, internal heat energy is released to the outside in at least a portion of the space inside the hot box case 1400 that is not filled by the fuel cell stack 1100, the composite module 1200, and the reformer 1300. In order to minimize this, insulation material (not shown) may be filled.

상기 복수의 연료전지 스택(1100) 각각은 공기의 산소 및 개질된 연료가스의 수소를 이용하여 전기 에너지를 생성하는 복수의 단전지를 포함할 수 있다. 상기 단전지는 연료극(anode), 공기극(cathode) 및 이들 사이에 위치하는 전해질을 포함할 수 있고, 상기 연료극 및 공기극에 수소(H2)를 포함하는 연료 가스 및 산소(O2)를 포함하는 공기가 각각 공급되면, 상기 공기극에서 환원된 산소 이온(O2-)이 상기 전해질을 경유하여 상기 연료극으로 이동하게 되고, 상기 연료극으로 이동된 산소 이온(O2-)이 상기 연료극에 제공된 수소(H2)와 반응하여 물(H2O)과 전자(e-)를 생성하게 되며, 상기 단전지는 상기와 같이 반응을 통해 생성된 전자를 이용하여 전기 에너지를 생성할 수 있다. Each of the plurality of fuel cell stacks 1100 may include a plurality of single cells that generate electrical energy using oxygen in the air and hydrogen in the reformed fuel gas. The unit cell may include a fuel electrode (anode), an air electrode (cathode), and an electrolyte located between them, and the anode and the air electrode may contain fuel gas containing hydrogen (H 2 ) and air containing oxygen (O 2 ). When each is supplied, the oxygen ions (O 2- ) reduced from the cathode move to the anode via the electrolyte, and the oxygen ions (O 2- ) moved to the anode are converted to hydrogen (H 2 ) reacts with it to generate water (H 2 O) and electrons (e - ), and the single cell can generate electrical energy using the electrons generated through the reaction as described above.

상기 산소와 수소의 반응은 발열 반응으로써, 상기 연료전지 스택(1100) 각각은 전기 에너지를 생성하는 발전 모드 동안 열을 방출할 수 있다.Since the reaction between oxygen and hydrogen is an exothermic reaction, each of the fuel cell stacks 1100 can emit heat during a power generation mode that generates electrical energy.

상기 연료전지 스택(1100)의 종류는 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 상기 연료전지 스택(1100) 각각은 약 500℃ 이상의 온도에서 작동하는 고체산화물 연료전지(SOFC), 용융탄산염 연료전지(MCFC)를 포함하거나 약 200℃ 이상의 온도에서 작동하는 인산염 전해질 연료전지(PAFC)를 포함하거나, 약 100℃ 내외의 온도에서 작동하는 고분자전해질형 연료전지(PEMFC), 직접메탄올 연료전지(DMFC), 알칼리형 연료전지(AFC) 등을 포함할 수 있다. 한편, 상기 연료전지 스택(1110)은 평판형 구조의 단전지들의 스택(stack)을 포함할 수도 있고, 관형 또는 평관형 구조의 단전지들의 번들(bundle)을 포함할 수도 있다.The type of the fuel cell stack 1100 is not particularly limited. For example, each of the fuel cell stacks 1100 includes a solid oxide fuel cell (SOFC), a molten carbonate fuel cell (MCFC) operating at a temperature of about 500°C or higher, or a phosphate electrolyte fuel operating at a temperature of about 200°C or higher. It may include a battery (PAFC), or a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC), direct methanol fuel cell (DMFC), or alkaline fuel cell (AFC) that operates at a temperature of around 100°C. Meanwhile, the fuel cell stack 1110 may include a stack of single cells with a flat structure or a bundle of single cells with a tubular or flat tube structure.

상기 개질기(1300)는 외부의 연료공급원(‘’으로부터 공급된 탄화수소 연료를 개질하여 수소 함유 연료가스를 생성하고, 이를 상기 복수의 연료전지 스택(1100)에 공급할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 개질기(1300)는 수증기를 이용하여 외부 연료공급원으로부터 공급된 탄화수소 연료를 개질할 수 있다. 이 때, 상기 외부 연료공급원으로부터 공급되는 탄화수소 연료는 메탄(CH4), 에탄(C2H6), 프로판(C3H8), 부탄(C4H10), 천연가스(natural gas), 석탄가스(coal gas) 등 화학적으로 수소 원소를 함유하는 탄화수소 연료일 수 있다. The reformer 1300 may reform hydrocarbon fuel supplied from an external fuel supply source to generate hydrogen-containing fuel gas and supply it to the plurality of fuel cell stacks 1100. In one embodiment, The reformer 1300 can reform hydrocarbon fuel supplied from an external fuel source using steam. At this time, the hydrocarbon fuel supplied from the external fuel source is methane (CH 4 ) and ethane (C 2 H 6 ). , propane (C 3 H 8 ), butane (C 4 H 10 ), natural gas, coal gas, etc. may be hydrocarbon fuels that chemically contain the hydrogen element.

상기 복합 모듈(1200)은 상기 저장탱크(1500)와 연결된 가열 탱크부(1220) 및 상기 가열 탱크부(1220)에 저장된 난방수를 가열하는 연소부(1210)를 포함할 수 있다. The composite module 1200 may include a heating tank unit 1220 connected to the storage tank 1500 and a combustion unit 1210 that heats the heating water stored in the heating tank unit 1220.

일 실시예에 있어서, 상기 가열 탱크부(1220)는 상기 저장탱크(1500)와 제1 배관(1510) 및 제2 배관(1520)을 통해 연결될 수 있고, 상기 제1 및 제2 배관(1510, 1520)을 통해 상기 저장탱크(1500)와 상기 가열 탱크부(1220) 사이에는 제1 순환 유로가 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 가열 탱크부(1220)는 상기 제1 배관(1510)을 통해 상기 저장 탱크(1500)로부터 상대적으로 저온의 난방수를 공급받을 수 있고, 가열된 고온의 난방수를 상기 제2 배관(1520)을 통해 상기 저장 탱크(1500)에 공급할 수 있다. 상기 제1 순환 유로를 통해 난방수가 이동할 수 있도록, 상기 제1 배관(1510)에는 제1 펌프(1530)가 설치될 수 있다. In one embodiment, the heating tank unit 1220 may be connected to the storage tank 1500 through a first pipe 1510 and a second pipe 1520, and the first and second pipes 1510, A first circulation flow path may be formed between the storage tank 1500 and the heating tank unit 1220 through 1520. For example, the heating tank unit 1220 may receive relatively low-temperature heating water from the storage tank 1500 through the first pipe 1510, and may supply heated high-temperature heating water to the second pipe 1510. It can be supplied to the storage tank 1500 through the pipe 1520. A first pump 1530 may be installed in the first pipe 1510 so that heating water can move through the first circulation passage.

상기 연소부(1210)는 상기 가열 탱크부(1220) 하부에 배치되고, 상기 연료전지 스택(1100)으로부터 배출된 오프 가스들, 예를 들면, 미반응 탄화수소 연료를 함유하는 애노드 오프 가스 및 공기를 함유하는 캐소드 오프 가스를 연소시켜 상기 가열 탱크부(1220)에 저장된 물을 가열시킬 수 있다. The combustion unit 1210 is disposed below the heating tank unit 1220 and consumes off gases discharged from the fuel cell stack 1100, for example, anode off gas containing unreacted hydrocarbon fuel and air. The water stored in the heating tank unit 1220 can be heated by burning the cathode off gas it contains.

일 실시예에 있어서, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 연소부(1210)는 연소 공간을 형성하는 제1 수용용기(1210b), 상기 제1 수용용기(1210b) 내부에 배치된 연소기(1210a)를 포함할 수 있다. 일 예로, 상기 연료전지 스택(1100)은 상기 핫박스 케이스(1400) 내부에서 지지 플레이트(1150) 상부에 배치될 수 있고, 상기 복합 모듈(1200) 중 상기 가열 탱크부(1220)의 일부는 상기 지지 플레이트(1150)에 형성된 개구부를 통해 상기 지지 플레이트(1150)의 상부로 돌출될 수 있고, 나머지 부분은 상기 지지 플레이트(1150)의 하부에 배치될 수 있다. In one embodiment, as shown in FIG. 2, the combustion unit 1210 includes a first accommodating container 1210b forming a combustion space, and a combustor 1210a disposed inside the first accommodating container 1210b. may include. As an example, the fuel cell stack 1100 may be placed on the support plate 1150 inside the hot box case 1400, and a portion of the heating tank portion 1220 of the composite module 1200 may be It may protrude to the upper part of the support plate 1150 through the opening formed in the support plate 1150, and the remaining portion may be disposed in the lower part of the support plate 1150.

일 실시예에 있어서, 상기 연소부(1210)는 제1 수납 용기(1210b), 상기 제1 수납 용기(1210b) 내부에 배치된 연소기(1210a)를 포함할 수 있다. In one embodiment, the combustion unit 1210 may include a first storage container 1210b and a combustor 1210a disposed inside the first storage container 1210b.

상기 제1 수납 용기(1210b)는 바닥판, 상기 바닥판으로부터 상부로 돌출된 측벽판 및 상기 측벽의 상부 단부에 결합된 상부판을 포함하여 내부 공간을 형성할 수 있고, 상기 제1 수납 용기(1210b)의 내부 공간은 상기 연소기(1210a)를 수용하는 공간 및 연소 공간으로 제공될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 연소부(1210)는 상기 제1 수납 용기(1210b)의 내부공간으로부터 연소가스를 외부로 배출하는 배기구(1210c)를 더 포함할 수 있고, 상기 배기구(1210c)를 통해 배출된 고온 연소 가스는 상기 외부 연료 공급원으로부터 공급된 탄화수소 연료를 가열하는 열교환기(미도시)에 공급될 수 있고, 상기 열교환기에 의해 가열된 탄화수소 연료는 상기 개질기(1300)에 공급될 수 있다. The first storage container 1210b may include a bottom plate, a side wall plate protruding upward from the bottom plate, and a top plate coupled to the upper end of the side wall to form an internal space, and the first storage container ( The internal space of 1210b) may be provided as a space for accommodating the combustor 1210a and as a combustion space. In one embodiment, the combustion unit 1210 may further include an exhaust port 1210c that discharges combustion gas from the inner space of the first storage container 1210b to the outside through the exhaust port 1210c. The discharged high-temperature combustion gas may be supplied to a heat exchanger (not shown) that heats the hydrocarbon fuel supplied from the external fuel source, and the hydrocarbon fuel heated by the heat exchanger may be supplied to the reformer 1300.

상기 연소기(1210a)는 상기 제1 수납 용기(1210b) 내부에 배치되고, 상부로 개구된 연소 케이스를 포함할 수 있고, 상기 연소 케이스의 바닥면에는 상기 연료전지 스택(1100)으로부터 배출된 애노드 오프 가스를 공급하기 위한 애노드 오프 가스 배관(1112)이 연결될 수 있다. 일 실시예로, 상기 애노드 오프 가스 배관(1112)은 상기 연소 케이스의 바닥부에 결합될 수 있고, 상기 연료전지 스택(1100)로부터 배출된 미반응 연료가스를 상기 연소 케이스 내부공간으로 공급할 수 있다. The combustor 1210a is disposed inside the first storage container 1210b and may include a combustion case opened upward, and the anode discharged from the fuel cell stack 1100 is disposed on the bottom of the combustion case. An anode off gas pipe 1112 for supplying gas may be connected. In one embodiment, the anode off gas pipe 1112 may be coupled to the bottom of the combustion case and supply unreacted fuel gas discharged from the fuel cell stack 1100 to the internal space of the combustion case. .

일 실시예에 있어서, 상기 연소 케이스는 상부로 갈수록 면적이 증가하고 상부로 개방된 내부공간을 구비할 수 있다. 일 실시예로, 상기 연소 케이스는 상기 제1 수납 용기(1210b)의 바닥판 상에 배치된 바닥부, 상기 바닥부의 가장자리 부분으로부터 상부로 갈수록 내부공간의 단면적이 증가하도록 경사지게 연장된 측벽부를 포함할 수 있고, 상기 측벽부에는 외부 공기가 상기 연소 케이스의 내부공간으로 유입될 수 있도록 관통홀들이 형성될 수 있다. In one embodiment, the combustion case may have an area that increases toward the top and may have an internal space that is open to the top. In one embodiment, the combustion case may include a bottom disposed on the bottom plate of the first storage container 1210b, and a side wall portion obliquely extended so that the cross-sectional area of the internal space increases from the edge of the bottom to the top. Penetration holes may be formed in the side wall portion to allow external air to flow into the internal space of the combustion case.

한편, 상기 연소기(1210a)는 상기 애노드 오프 가스 배관(1112)이 연결되는 부분과 인접하게 위치하도록 상기 연소 케이스의 내부에 배치된 점화장치를 더 포함할 수 있다. 상기 점화장치로는 공지의 점화장치가 제한 없이 적용될 수 있다. Meanwhile, the combustor 1210a may further include an ignition device disposed inside the combustion case so as to be adjacent to a portion where the anode off gas pipe 1112 is connected. As the ignition device, any known ignition device can be applied without limitation.

일 실시예에 있어서, 상기 가열 탱크부(1220)는 제1 탱크부(1220a, 1220b) 및 제2 탱크부(1220c)를 포함할 수 있다. In one embodiment, the heating tank unit 1220 may include first tank units 1220a and 1220b and second tank units 1220c.

상기 제1 탱크부(1220a, 1220b)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 제1 수납 용기(1210a)의 상부판 상에 배치되고, 상기 제1 수납 용기(1210a)의 상부판과 함께 난방수가 저장되는 제1 저장 공간을 형성하는 제2 수납 용기(1220a) 및 상기 제2 수납 용기(1220a)의 측벽을 둘러싸도록 상기 제2 수납 용기(1220a)에 결합되어 상기 제2 수납 용기(1220a)의 측벽과 함께 캐소드 오프 가스의 이동을 위한 제1 열교환 유로를 형성하는 제1 열교환 측벽판(1220b)을 포함할 수 있다. 상기 제1 열교환 유로의 제1 위치에는 상기 연료전지 스택(1100)으로부터 배출된 캐소드 오프 가스가 이동하는 캐소드 오프 가스 배관(1111)이 연결될 수 있다. As shown in FIG. 2, the first tank portions 1220a and 1220b are disposed on the upper plate of the first storage container 1210a and are heated together with the upper plate of the first storage container 1210a. A second storage container 1220a forms a first storage space in which water is stored and is coupled to the second storage container 1220a to surround a side wall of the second storage container 1220a. It may include a first heat exchange side wall plate (1220b) that forms a first heat exchange passage for movement of the cathode off gas together with the side wall. A cathode off gas pipe 1111 through which the cathode off gas discharged from the fuel cell stack 1100 moves may be connected to the first position of the first heat exchange passage.

한편, 상기 제1 탱크부(1220a, 1220b, 1220d)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 제1 열교환 유로를 둘러싸도록 배치되고, 상기 제1 열교환 측벽판(1220b)과 함께 외부 연료공급원(‘’로부터 공급된 탄화수소 연료를 가열하기 위한 제2 열교환 유로를 형성하는 제2 열교환 측벽판(1220d)을 더 포함할 수 있다. 상기 제2 열교환 유로에서 가열된 탄화수소 연료는 상기 개질기(1300)로 공급될 수 있다. 이 경우, 상기 가열 탱크부(1220)에 저장된 고온의 난방수 및 고온의 상기 캐소드 오프 가스와의 열교환을 통해, 상기 연료공급원으로부터 공급된 상대적으로 저온의 탄화수소 연료를 상기 개질기(1300)에서의 개질반응에 적합한 온도로 미리 가열한 후 상기 개질기(1300)에 공급할 수 있다. 일 실시예로, 상기 제1 탱크부(1220a, 1220b, 1220d)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 제1 수납 용기(1210a)의 상부판 상에 배치되고, 상기 제1 수납 용기(1210a)의 상부판과 함께 난방수가 저장되는 제1 저장 공간을 형성하는 제2 수납 용기(1220a), 상기 제2 수납 용기(1220a)의 측벽을 둘러싸도록 상기 제2 수납 용기(1220a)에 결합되어 상기 제2 수납 용기(1220a)의 측벽과 함께 캐소드 오프 가스의 이동을 위한 제1 열교환 유로를 형성하는 제1 열교환 측벽판(1220b) 및 상기 제1 열교환 측벽판(1220b)을 둘러싸도록 배치되고 상기 제1 열교환 측벽판(1220b)과 함께 상기 제2 열교환 유로를 형성하는 제2 열교환 측벽판(1220d)을 포함할 수 있다. 상기 제1 열교환 유로의 제1 위치에는 상기 연료전지 스택(1100)으로부터 배출된 캐소드 오프 가스가 이동하는 캐소드 오프 가스 배관(1111)이 연결될 수 있고, 상기 제2 열교환 유로의 제1 위치에는 상기 연료공급원으로부터 공급된 탄화수소 연료가 이동하는 연료 공급배관(1310)이 연결될 수 있다. 한편, 상기 제1 열교환 유로의 제1 위치와 이격된 제2 위치에는 열교환 이후의 캐소드 오프 가스를 상기 제1 수납 용기(1210b)의 연소공간으로 공급하는 연결관(1230)이 연결될 수 있고, 상기 제2 열교환 유로의 제1 위치와 이격된 제2 위치에는 열교환에 의해 가열된 탄화수소 연료를 상기 개질기(1300)에 공급하기 위한 연료 공급배관(1310)이 연결될 수 있다. 한편, 상기 제1 열교환 측벽판(1220b)은 상기 제1 배관(1510)이 연결을 용이하게 하기 위해, 상기 제2 수납용(1220b)의 측벽 중 상기 연료 공급배관(1310)이 결합되는 부분을 노출시키도록 상기 제2 수납 용기(1220b)의 측벽에 결합될 수 있고, 상기 제2 열교환 측벽판(1220d)는 상기 캐소드 오프 가스 배관(1111) 및 상기 연결관(1230)과의 결합을 용이하게 하기 위해, 상기 제1 열교환 측벽판(1220b) 중 상기 캐소드 오프 가스 배관(1111)이 결합되는 부분 및 상기 연결관(1230)이 결합되는 부분을 노출시키도록 상기 제1 열교환 측벽판(1220b)에 결합될 수 있다. Meanwhile, the first tank portions 1220a, 1220b, and 1220d are arranged to surround the first heat exchange passage, as shown in FIG. 3, and together with the first heat exchange side wall plate 1220b, provide an external fuel supply source ( It may further include a second heat exchange side wall plate (1220d) forming a second heat exchange flow path for heating the hydrocarbon fuel supplied from ''. The hydrocarbon fuel heated in the second heat exchange flow path may be transferred to the reformer (1300). In this case, relatively low-temperature hydrocarbon fuel supplied from the fuel supply source may be supplied to the reformer ( In one embodiment, the first tank parts 1220a, 1220b, and 1220d may be supplied to the reformer 1300 after being previously heated to a temperature suitable for the reforming reaction in 1300). , a second storage container (1220a) disposed on the upper plate of the first storage container (1210a) and forming a first storage space in which heating water is stored together with the upper plate of the first storage container (1210a), A second storage container (1220a) is coupled to the second storage container (1220a) to surround the side wall of the second storage container (1220a) and forms a first heat exchange flow path for movement of the cathode off gas together with the side wall of the second storage container (1220a). 1 A heat exchange side wall plate (1220b) and a second heat exchange side wall plate (1220d) disposed to surround the first heat exchange side wall plate (1220b) and forming the second heat exchange flow path together with the first heat exchange side wall plate (1220b) A cathode off gas pipe 1111 through which the cathode off gas discharged from the fuel cell stack 1100 moves may be connected to a first position of the first heat exchange passage, and a first position of the second heat exchange passage may be connected. A fuel supply pipe 1310 through which hydrocarbon fuel supplied from the fuel supply source moves may be connected to position 1, while cathode off gas after heat exchange may be connected to a second position spaced apart from the first position of the first heat exchange passage. A connection pipe 1230 supplying to the combustion space of the first storage container 1210b may be connected, and the hydrocarbon fuel heated by heat exchange may be supplied to the reformer at a second location spaced apart from the first location of the second heat exchange passage. A fuel supply pipe 1310 for supplying fuel to 1300 may be connected. Meanwhile, the first heat exchange side wall plate 1220b has a portion of the side wall of the second storage 1220b to which the fuel supply pipe 1310 is coupled to facilitate connection of the first pipe 1510. It can be coupled to the side wall of the second storage container 1220b so as to be exposed, and the second heat exchange side wall plate 1220d facilitates coupling with the cathode off gas pipe 1111 and the connection pipe 1230. To do this, the first heat exchange side wall plate 1220b is attached to expose the portion of the first heat exchange side wall plate 1220b to which the cathode off gas pipe 1111 is coupled and the portion to which the connection pipe 1230 is coupled. can be combined

상기 제2 탱크부(1220c)는 상기 제1 저장 공간과 연결된 제2 저장 공간을 형성하도록 상기 제2 수납 용기(1220a)의 상부판 상에 결합된 제3 수납 용기를 포함할 수 있다. 상기 제2 수납 용기(1220a)의 상부판에는 개구부가 형성될 수 있고, 상기 제2 탱크부(1220c)의 제3 수납 용기는 상기 개구부를 통해 상기 제2 수납 용기(1220a)의 제1 저장 공간과 연결되는 제2 저장 공간을 형성할 수 있다. 일 실시예로, 상기 제3 수납 용기는 상기 지지 플레이트(1150)에 형성된 개구부를 관통하여, 상기 지지 플레이트(1150) 상부로 돌출되도록 배치될 수 있다. 예를 들면, 복수의 연료전지 스택(1100)이 상기 지지 플레이트(1150) 상에 배치된 경우, 상기 지지 플레이트(1150) 상부로 돌출된 상기 제3 수납 용기는 상기 복수의 연료전지 스택(1100)들 사이에 위치할 수 있다. 상기 연료전지 스택들(1100) 내부에서는 발열 반응이 일어나므로, 상기 제2 탱크부(1220c)의 내부에 저장된 난방수는 상기 연료전지 스택들(1100)로부터 발산되는 열에너지를 이용하여 추가로 가열될 수 있다. 한편, 상기 연료전지 스택들(1100)로부터 발산되는 열을 충분히 이용하기 위해, 상기지지 플레이트(1150)로부터의 상기 제3 수납 용기의 상부판까지의 높이는 상기 연료전지 스택들(1100) 높이의 약 0.8 내지 1.2배 일 수 있다. The second tank unit 1220c may include a third storage container coupled to the upper plate of the second storage container 1220a to form a second storage space connected to the first storage space. An opening may be formed in the upper plate of the second storage container 1220a, and the third storage container of the second tank portion 1220c may enter the first storage space of the second storage container 1220a through the opening. A second storage space connected to may be formed. In one embodiment, the third storage container may be disposed to penetrate the opening formed in the support plate 1150 and protrude upward from the support plate 1150. For example, when a plurality of fuel cell stacks 1100 are disposed on the support plate 1150, the third storage container protruding above the support plate 1150 is connected to the plurality of fuel cell stacks 1100. It can be located between them. Since an exothermic reaction occurs inside the fuel cell stacks 1100, the heating water stored inside the second tank portion 1220c may be additionally heated using the heat energy emitted from the fuel cell stacks 1100. You can. Meanwhile, in order to sufficiently utilize the heat emitted from the fuel cell stacks 1100, the height from the support plate 1150 to the top plate of the third storage container is approximately the height of the fuel cell stacks 1100. It may be 0.8 to 1.2 times.

한편, 상기 가열 탱크부(1220) 중 상기 제1 저장 공간은 상기 제1 배관(1510)을 통해 상기 저장 탱크(1500)와 연결될 수 있고, 상기 가열 탱크부(1220) 중 제2 저장 공간은 상기 제2 배관(1520)을 통해 상기 저장 탱크(1500)와 연결될 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 배관(1510)의 일 단부는 상기 제2 수납 용기에 결합될 수 있고, 상기 제2 배관(1520)의 일단부는 상기 제3 수납 용기에 결합될 수 있으며, 상기 제1 및 제2 배관(1510, 1520) 각각의 타단부는 상기 저장 탱크(1500)의 서로 이격된 부분에 각각 결합될 수 있다. Meanwhile, the first storage space of the heating tank unit 1220 may be connected to the storage tank 1500 through the first pipe 1510, and the second storage space of the heating tank unit 1220 may be connected to the storage tank 1500 through the first pipe 1510. It may be connected to the storage tank 1500 through a second pipe 1520. For example, one end of the first pipe 1510 may be coupled to the second storage container, one end of the second pipe 1520 may be coupled to the third storage container, and the first end of the pipe 1510 may be coupled to the third storage container. And the other ends of each of the second pipes 1510 and 1520 may be respectively coupled to spaced apart portions of the storage tank 1500.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 난방 시스템(1000)은 상기 저장 탱크(1500) 내부의 난방수의 온도를 측정하는 온도 센서(미도시)를 더 포함할 수 있고, 상기 제1 펌프(1530)는 상기 온도 센서에 의해 측정된 난방수의 온도가 기 설정된 온도 미만인 경우에 상기 제1 순환 유로를 따라 난방수를 이동시킬 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 펌프(1530)는 상기 제1 배관(1510)을 통해 상기 저장 탱크(1500) 내부에 저장된 상대적으로 저온인 난방수를 상기 가열 탱크부(1220)의 제1 저장 공간으로 이동시킬 수 있고, 이에 따른 결과로서, 상기 저장 탱크(1500)는 상기 제2 배관(1520)을 통해 상기 가열 탱크부(1220)의 제2 저장 공간에서 가열되어 상대적으로 고온인 난방수를 공급받을 수 있으며, 그 결과 상기 저장 탱크(1500) 내부에 저장된 난방수의 온도를 높일 수 있다.Meanwhile, the heating system 1000 according to an embodiment of the present invention may further include a temperature sensor (not shown) that measures the temperature of the heating water inside the storage tank 1500, and the first pump 1530 may move the heating water along the first circulation flow path when the temperature of the heating water measured by the temperature sensor is less than a preset temperature. For example, the first pump 1530 supplies relatively low-temperature heating water stored inside the storage tank 1500 to the first storage space of the heating tank unit 1220 through the first pipe 1510. It can be moved, and as a result, the storage tank 1500 is heated in the second storage space of the heating tank unit 1220 through the second pipe 1520 and receives relatively high temperature heating water. As a result, the temperature of the heating water stored inside the storage tank 1500 can be increased.

일 실시예에 있어서, 상기 복합 모듈(1200)은 상기 제1 수납 용기(1210b)의 내부 공간과 상기 제1 탱크부(1220a, 1220b)의 열교환 유로를 연결하는 연결관(1230)을 더 포함할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 연결관(1230)의 제1 단부는 상기 제1 위치와 이격된 상기 열교환 유로의 제2 위치에 연결되도록 상기 제1 열교환 측벽판(1220b)에 결합될 수 있고, 상기 제1 단부와 대향하는 상기 연결관(1230)의 제2 단부는 상기 제1 수납 용기(1210b)의 내부 공간과 연결되도록 상기 제1 수납 용기(1210b)의 측벽판에 결합될 수 있다.In one embodiment, the composite module 1200 may further include a connection pipe 1230 connecting the internal space of the first storage container 1210b and the heat exchange flow path of the first tank portions 1220a and 1220b. You can. In one embodiment, the first end of the connection pipe 1230 may be coupled to the first heat exchange side wall plate 1220b to be connected to the second position of the heat exchange passage spaced apart from the first position, The second end of the connection pipe 1230 opposite the first end may be coupled to the side wall plate of the first storage container 1210b to be connected to the internal space of the first storage container 1210b.

상기 연결관(1230)을 통해, 상기 제1 탱크부(1220a, 1220b)의 열교환 유로로부터 배출된 캐소드 오프 가스가 상기 제1 수납 용기(1210b)의 내부 공간에 공급될 수 있고, 상기 연소기(1210a)는 상기 연결관(1230)을 통해 공급된 캐소드 오프 가스와 상기 애노드 오프 가스 배관(1112)을 통해 공급된 애노드 오프 가스를 연소시킬 수 있다. Through the connection pipe 1230, the cathode off gas discharged from the heat exchange passage of the first tank portions 1220a and 1220b can be supplied to the internal space of the first storage container 1210b, and the combustor 1210a ) can burn the cathode off gas supplied through the connection pipe 1230 and the anode off gas supplied through the anode off gas pipe 1112.

본 발명에 따라, 상기 제1 탱크부(1220a, 1220b)가 물이 저장되는 제1 저장 공간 및 상기 제1 저장 공간을 둘러싸고 고온의 캐소드 오프 가스가 이동하는 열교환 유로를 구비하는 경우, 상기 제1 저장 공간에 저장된 물과 상기 열교환 유로를 이동하는 캐소드 오프 가스의 열교환을 통해 상기 제1 저장 공간에 저장된 물을 더 빨리 가열시킬 수 있을 뿐만 아니라, 상기 연소부(1210)가 작동하지 않는 경우에도 상기 제1 저장 공간에 저장된 물을 가열시킬 수 있다. According to the present invention, when the first tank portions 1220a and 1220b are provided with a first storage space in which water is stored and a heat exchange passage surrounding the first storage space and through which high-temperature cathode off gas moves, the first storage space Not only can the water stored in the first storage space be heated more quickly through heat exchange between the water stored in the storage space and the cathode off gas moving through the heat exchange passage, but also the water stored in the first storage space can be heated even when the combustion unit 1210 is not operating. Water stored in the first storage space can be heated.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 복합 모듈(1200)은 상기 연소부(1210)의 연소 공간을 가로지르도록 배치된 열교환 배관(1240)을 더 포함할 수 있다. In one embodiment of the present invention, the composite module 1200 may further include a heat exchange pipe 1240 arranged to cross the combustion space of the combustion unit 1210.

상기 열교환 배관(1240)은 상기 연소기(1210a)에서의 연소에 의해 생성된 화염을 통해, 그리고 고온 연소가스와의 열교환을 통해 외부 공기 공급원('Air')으로부터 공급된 공기를 가열한 후 이를 상기 연료전지 스택(1100)에 공급할 수 있다. 일 실시예로, 상기 열교환 배관(1240)은 상기 연소기(1210a) 상부에서 상기 제1 수납 용기(1210b)의 내부 공간을 가로지르도록 배치될 수 있고, 복수의 직관부 및 이들을 연결하는 굴곡부들을 구비하는 사행 구조를 가질 수 있으며, 상기 열교환 배관(1240)의 입구 및 출구는 상기 제1 수납용기(1210b) 외부에 배치될 수 있다.The heat exchange pipe 1240 heats the air supplied from the external air source ('Air') through the flame generated by combustion in the combustor 1210a and through heat exchange with the high-temperature combustion gas, and then heats the air supplied from the external air source ('Air'). It can be supplied to the fuel cell stack 1100. In one embodiment, the heat exchange pipe 1240 may be arranged to cross the inner space of the first storage container 1210b at the top of the combustor 1210a, and may include a plurality of straight pipe parts and bent parts connecting them. It may have a meandering structure, and the inlet and outlet of the heat exchange pipe 1240 may be disposed outside the first storage container 1210b.

상기 저장 탱크(1500)로는 공지의 보일러용 난방수 저장 탱크가 제한 없이 적용될 수 있고, 상기 난방 기구(1600)로는 라디에이터, 난방공간에 설치된 온수라인 등이 적용될 수 있다. As the storage tank 1500, a known heating water storage tank for a boiler can be applied without limitation, and as the heating device 1600, a radiator, a hot water line installed in a heating space, etc. can be applied.

상기 난방 기구(1600)는 상기 저장 탱크(1500)와 제3 배관(1610) 및 제4 배관(1620)을 통해 연결될 수 있고, 상기 제3 및 제4 배관(1610, 1620)을 통해 상기 저장탱크(1500)와 상기 난방 기구(1600) 사이에는 제2 순환 유로가 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 난방 기구(1600)는 상기 제3 배관(1610)을 통해 상기 저장 탱크(1500)로부터 상대적으로 고온의 난방수를 공급받을 수 있고, 상기 난방 기구(1600)에서 냉각된 상대적으로 저온의 난방수를 상기 제4 배관(1620)을 통해 상기 저장 탱크(1500)에 공급할 수 있다. 상기 제2 순환 유로를 통해 난방수가 이동할 수 있도록, 상기 제3 배관(1610)에는 제2 펌프(1630)가 설치될 수 있다. The heating device 1600 may be connected to the storage tank 1500 through a third pipe 1610 and a fourth pipe 1620, and may be connected to the storage tank 1500 through the third and fourth pipes 1610 and 1620. A second circulation passage may be formed between 1500 and the heating device 1600. For example, the heating device 1600 may receive relatively high-temperature heating water from the storage tank 1500 through the third pipe 1610, and the relatively cooled water from the heating device 1600 may be supplied to the heating device 1600. Low-temperature heating water can be supplied to the storage tank 1500 through the fourth pipe 1620. A second pump 1630 may be installed in the third pipe 1610 so that heating water can move through the second circulation passage.

일 실시예에 있어서, 본 발명의 실시예에 따른 난방 시스템(1000)은 온수 열교환기(1700)를 더 포함할 수 있다. In one embodiment, the heating system 1000 according to an embodiment of the present invention may further include a hot water heat exchanger 1700.

상기 온수 열교환기(1700)는 상기 가열 탱크부(1220)로부터 제공된 고온의 난방수와의 열교환을 통해, 직수관을 통해 제공된 직수를 가열한 후 온수를 배출할 수 있다. The hot water heat exchanger 1700 may heat the direct water provided through the direct water pipe through heat exchange with the high-temperature heating water provided from the heating tank unit 1220 and then discharge the hot water.

일 실시예에 있어서, 상기 가열 탱크부(1220)로부터 고온의 난방수를 상기 저장 탱크(1500)로 공급하기 위한 제2 배관(1520)에는 삼방 밸브(1710)가 설치될 수 있고, 상기 직수관을 통해 상기 온수 열교환기(1700)로 직수가 공급되는 경우, 상기 삼방 밸브(1710)는 상기 저장 탱크(1520)로 공급되는 난방수의 일부 또는 전부를 상기 온수 열교환기(1700)를 공급할 수 있고, 상기 온수 열교환기(1700)에서 직수와 열교환이 완료된 난방수는 상기 저장탱크(1500) 또는 상기 저장탱크(1500)로부터 상기 가열 탱크부(1220)로 난방수를 공급하는 제1 배관(1510)로 이동될 수 있다. In one embodiment, a three-way valve 1710 may be installed in the second pipe 1520 for supplying high-temperature heating water from the heating tank unit 1220 to the storage tank 1500, and the direct water pipe may be installed in the second pipe 1520. When water is supplied directly to the hot water heat exchanger 1700 through , Heating water that has completed heat exchange with direct water in the hot water heat exchanger 1700 is connected to the storage tank 1500 or the first pipe 1510 that supplies heating water from the storage tank 1500 to the heating tank unit 1220. can be moved to

본 발명의 난방 시스템에 따르면, 연료전지의 핫박스 케이스 내부에 설치되고 연소부 및 가열탱크부가 일체로 모듈화된 복합 모듈을 구비하므로, 별도의 열원의 사용 없이 연료전지 스택에서 발전 과정에서 생성되는 열에너지만을 열원으로 이용하여 고온의 난방수뿐만 아니라 온수를 생성할 수 있다. According to the heating system of the present invention, a composite module is installed inside the hot box case of the fuel cell and the combustion section and the heating tank section are integrated into a modular module, so heat energy is generated during the power generation process in the fuel cell stack without using a separate heat source. By using the bay as a heat source, not only high temperature heating water but also hot water can be generated.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although the present invention has been described above with reference to preferred embodiments, those skilled in the art can make various modifications and changes to the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention as set forth in the following patent claims. You will understand that it is possible.

1000: 난방 시스템 1100: 연료전지 스택
1200: 복합 모듈 1300: 개질기
1400: 핫박스 케이스 1500: 저장 탱크
1600: 난방 기구
1000: Heating system 1100: Fuel cell stack
1200: composite module 1300: reformer
1400: hot box case 1500: storage tank
1600: Heating appliances

Claims (1)

핫박스 케이스;
상기 핫박스 케이스 내부에 배치되고, 가운데 부분에 관통홀이 형성된 지지 플레이트;
상기 핫박스 케이스 내부에서 상기 지지 플레이트 상부에 배치되고, 상기 관통홀을 둘러싸도록 일정 간격 이격되게 배치된 복수의 인산형 연료전지 스택;
상기 핫박스 케이스 내부에서 상기 지지 플레이트 하부에 배치되고, 외부 연료공급원으로부터 공급된 탄화수소 연료를 개질하여 상기 복수의 인산형 연료전지 스택에 공급하는 개질기;
난방수를 저장하는 가열 탱크부 및 상기 가열 탱크부에 저장된 난방수를 가열하는 연소부를 포함하고, 상기 핫박스 케이스 내부에 배치된 복합모듈;
상기 난방수가 상기 가열 탱크부 방향으로 유출시키는 제1 배관 및 상기 가열 탱크부로부터 상기 난방수가 유입되는 제2 배관을 통해 상기 가열 탱크부와 연결되어 상기 난방수가 순환하는 제1 순환 유로를 형성하고, 상기 난방수를 저장하며, 상기 핫박스 케이스 외부에 배치된 저장 탱크;
상기 저장 탱크에 설치되고, 상기 저장 탱크에 저장된 난방수의 온도를 측정하는 온도센서;
상기 제1 배관에 설치되고, 상기 온도센서에 의해 측정된 상기 난방수의 온도가 기 설정된 온도 미만인 경우에 상기 제1 순환유로를 따라 난방수를 순환시키는 제1 펌프;
상기 저장 탱크로부터 상기 난방수를 유입시키는 제3 배관 및 상기 저장 탱크 방향으로 상기 난방수를 유출시키는 제4 배관을 통해 상기 저장 탱크와 연결되어 상기 난방수가 순환하는 제2 순환 유로를 형성하고, 상기 난방수의 열에너지를 난방 공간으로 방출하는 난방기구; 및
상기 제3 배관에 설치되어 상기 난방수를 상기 제2 순환 유로를 따라 순환시키는 제2 펌프;를 포함하고,
상기 복합모듈은,
상기 핫박스 케이스 내부에서 상기 지지 플레이트 하부에 배치되고, 바닥판, 상기 바닥판으로부터 상부로 돌출된 측벽판 및 상기 측벽의 상부 단부에 결합된 상부판을 포함하여 내부에 연소공간이 형성되는 제1 수납용기; 상기 제1 수납 용기의 바닥판 상에 배치되고 상기 복수의 고체산화물 연료전지 스택으로부터 배출된 애노드 오프 가스가 이동하는 애노드 오프 가스 배관이 결합된 바닥부 및 상기 바닥부의 가장자리 부분으로부터 상부로 갈수록 내부공간의 단면적이 증가하도록 경사지게 연장되고 관통홀들이 형성된 측벽부를 구비하는 연소 케이스 및 상기 애노드 오프 가스 배관이 결합된 부분과 인접하게 위치하는 점화 장치를 포함하는 연소기;를 포함하는 연소부;
상기 제1 수납 용기의 상부판과 상기 지지 플레이트 사이에 배치되고, 상기 제1 수납 용기의 상부판과 함께 상기 난방수가 저장되는 제1 저장 공간을 형성하는 제2 수납 용기, 상기 제2 수납 용기의 측벽을 둘러싸도록 상기 제2 수납 용기에 결합되어 상기 제2 수납 용기의 측벽과 함께 상기 복수의 고체산화물 연료전지 스택으로부터 배출된 캐소드 오프 가스의 이동을 위한 제1 열교환 유로를 형성하는 제1 열교환 측벽판, 및 상기 제1 열교환 측벽판과 함께 상기 제1 열교환 유로를 둘러싸도록 위치하는 제2 열교환 유로를 형성하도록 상기 제1 열교환 측벽판에 결합된 제2 열교환 측벽판을 구비하는 제1 탱크부; 및 상기 제2 수납 용기의 상부판에 형성된 개구부를 통해 상기 제1 저장 공간과 연결된 제2 저장 공간을 형성하도록 상기 제2 수납 용기의 상부판 상에 결합되고, 상기 지지 플레이트의 관통홀을 관통하도록 배치된 제3 수납 용기를 포함하는 제2 탱크부;를 포함하는 가열 탱크부;
상기 제1 열교환 유로와 상기 제1 수납 용기의 내부 공간을 연결하고, 상기 제1 열교환 유로부터 배출된 상기 캐소드 오프 가스를 상기 제1 수납 용기의 내부 공간으로 공급하는 연결관; 및
상기 연소기 상부에서 상기 제1 수납 용기의 내부 공간을 가로지르도록 배치되고, 복수의 직관부 및 이들을 연결하는 굴곡부들을 구비하는 사행 구조를 가지며, 상기 연소기에서의 연소에 의해 생성된 화염 또는 고온 연소가스를 이용하여 외부 공기 공급원으로부터 공급된 공기를 가열하여 상기 복수의 인산형 연료전지 스택에 공급하는 열교환 배관;을 포함하고,
상기 제1 배관은 상기 제2 수납 용기의 제1 저장 공간에 연결되고,
상기 제2 배관은 상기 제3 수납 용기의 상부판을 통해 상기 제2 저장 공간에 연결되고,
상기 제1 열교환 유로의 서로 이격된 제1 부분 및 제2 부분은 상기 복수의 인산형 연료전지 스택의 캐소드 오프 가스 배출 배관 및 상기 연결관이 각각 연결되고,
상기 제2 열교환 유로의 서로 이격된 제1 부분 및 제2 부분에는 상기 외부 연료공급원 및 상기 개질기가 각각 연결되며,
상기 지지 플레이트의 상부면으로부터 상기 제3 수납 용기의 상부판까지의 높이는 상기 지지 플레이트의 상부면으로부터 상기 복수의 인산형 연료전지 스택의 상부면까지의 높이의 0.8 내지 1.2배인 것을 특징으로 하는, 난방 시스템.
hot box case;
a support plate disposed inside the hot box case and having a through hole formed in the center;
a plurality of phosphoric acid-type fuel cell stacks disposed on an upper portion of the support plate within the hot box case and spaced apart from each other at regular intervals to surround the through hole;
A reformer disposed below the support plate inside the hot box case, reforming hydrocarbon fuel supplied from an external fuel source and supplying it to the plurality of phosphoric acid-type fuel cell stacks;
A composite module including a heating tank unit that stores heating water and a combustion unit that heats the heating water stored in the heating tank unit, and disposed inside the hot box case;
It is connected to the heating tank unit through a first pipe through which the heating water flows out toward the heating tank unit and a second pipe through which the heating water flows in from the heating tank unit to form a first circulation flow path through which the heating water circulates, a storage tank that stores the heating water and is disposed outside the hot box case;
A temperature sensor installed in the storage tank and measuring the temperature of the heating water stored in the storage tank;
a first pump installed in the first pipe and circulating heating water along the first circulation passage when the temperature of the heating water measured by the temperature sensor is lower than a preset temperature;
It is connected to the storage tank through a third pipe that introduces the heating water from the storage tank and a fourth pipe that discharges the heating water toward the storage tank to form a second circulation flow path through which the heating water circulates, A heating device that emits heat energy from heating water into the heating space; and
A second pump installed in the third pipe to circulate the heating water along the second circulation passage,
The composite module is,
A first body disposed below the support plate inside the hot box case and including a bottom plate, a side wall plate protruding upward from the bottom plate, and a top plate coupled to the upper end of the side wall, forming a combustion space therein. storage container; A bottom disposed on the bottom plate of the first storage container and coupled to the anode off gas pipe through which the anode off gas discharged from the plurality of solid oxide fuel cell stacks moves, and an internal space moving from the edge of the bottom to the top. A combustion unit including a combustion case including a side wall portion inclined to increase the cross-sectional area and having through holes formed therein, and an ignition device located adjacent to a portion where the anode off gas pipe is coupled;
A second storage container disposed between the top plate of the first storage container and the support plate and forming a first storage space in which the heating water is stored together with the top plate of the first storage container, of the second storage container A first heat exchange side wall that is coupled to the second storage container to surround the side wall and forms a first heat exchange flow path for movement of cathode off gas discharged from the plurality of solid oxide fuel cell stacks together with the side wall of the second storage container. a first tank portion including a plate and a second heat exchange sidewall plate coupled to the first heat exchange sidewall plate to form a second heat exchange passageway positioned to surround the first heat exchange passageway together with the first heat exchange sidewall plate; and is coupled to the upper plate of the second storage container to form a second storage space connected to the first storage space through an opening formed in the upper plate of the second storage container, and penetrates the through hole of the support plate. a second tank unit including a third storage container disposed; a heating tank unit including a;
a connection pipe that connects the first heat exchange flow path and the inner space of the first storage container and supplies the cathode off gas discharged from the first heat exchange flow path to the inner space of the first storage container; and
It is arranged to cross the internal space of the first storage container at the top of the combustor, has a meandering structure including a plurality of straight pipe parts and curved parts connecting them, and has a flame or high-temperature combustion gas generated by combustion in the combustor. It includes a heat exchange pipe that heats air supplied from an external air source and supplies it to the plurality of phosphoric acid-type fuel cell stacks,
The first pipe is connected to the first storage space of the second storage container,
The second pipe is connected to the second storage space through the upper plate of the third storage container,
The first and second parts of the first heat exchange flow path are connected to the cathode off gas discharge pipe of the plurality of phosphoric acid fuel cell stacks and the connection pipe, respectively,
The external fuel supply source and the reformer are respectively connected to first and second parts of the second heat exchange passage, which are spaced apart from each other,
Heating, characterized in that the height from the upper surface of the support plate to the upper plate of the third storage container is 0.8 to 1.2 times the height from the upper surface of the support plate to the upper surface of the plurality of phosphoric acid-type fuel cell stacks. system.
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