KR20030042924A - Apparatus for supplying waste energy from fuel cell to boiler - Google Patents
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Abstract
Description
발명의 분야Field of invention
본 발명은 연료전지 시스템의 폐열을 회수하여 이용할 수 있는 시스템에 관한 것이다. 보다 구체적으로 본 발명은 연료전지 시스템으로부터 발생하는 폐열을 회수하여 종래의 보일러에 공급하여 재활용할 수 있는 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a system that can recover and use waste heat of a fuel cell system. More specifically, the present invention relates to a system capable of recovering waste heat generated from a fuel cell system and supplying it to a conventional boiler for recycling.
발명의 배경Background of the Invention
연료전지 시스템을 가동하는 경우에는 일반적으로 냉각수로 인한 많은 양의 폐열이 발생하고 있다. 그러나, 이러한 폐열은 회수되어 이용되지 않고 그대로 낭비되거나, 이용된다 하더라도 난방 또는 온수 한 가지 용도로만 부분적으로 이용되고 있는 실정이다. 따라서, 연료전지 시스템으로부터 발생하는 폐열을 회수하여 재활용하고자 하는 많은 연구가 행해지고 있다.When operating a fuel cell system, a large amount of waste heat is generally generated by cooling water. However, the waste heat is not recovered and used, but is wasted as it is, or even if used, it is partially used only for one purpose of heating or hot water. Therefore, many studies have been conducted to recover and recycle waste heat generated from fuel cell systems.
본 발명자들은 연료전지 시스템으로부터 발생하는 폐열을 난방 및 급탕에 사용할 수 있는 연료전지 코제네레이션(cogeneration) 시스템을 이미 개발하여 특허출원 제2001-62735호(2001. 10. 11출원)로 출원한 바 있다. 그러나, 상기 출원된 발명은 연료전지 시스템로부터 발생하는 폐열을 회수하여 난방 및 급탕에 활용할 수 있는 시스템으로, 종래의 보일러 장치와 호환성이 없기 때문에 종래의 보일러 장치에는 그대로 적용할 수 없고, 폐열회수장치는 물론 그에 적합한 보일러 장치도 함께 개발되어야 한다.The inventors of the present invention have already developed a fuel cell cogeneration system that can use waste heat generated from a fuel cell system for heating and hot water supply, and applied for a patent application No. 2001-62735 (filed Oct. 11, 2001). . However, the present invention is a system that can recover the waste heat generated from the fuel cell system to be used for heating and hot water supply, and because it is not compatible with the conventional boiler device, it is not applicable to the conventional boiler device as it is, waste heat recovery device Of course, suitable boiler systems should also be developed.
따라서, 본 발명자들은 이미 가정 등에 설치된 종래의 보일러 장치를 그대로 이용하면서 연료전지 시스템으로부터 발생하는 폐열을 용이하게 회수하여 재활용할 수 있는 새로운 시스템을 개발하기에 이른 것이다.Therefore, the present inventors have come to develop a new system that can easily recover and recycle the waste heat generated from the fuel cell system while using a conventional boiler apparatus already installed in a home or the like.
본 발명의 목적은 이미 설치된 종래의 보일러 장치를 그대로 이용하면서 연료전지 시스템으로부터 발생하는 폐열을 용이하게 회수하여 재활용할 수 있는 시스템을 제공하기 위한 것이다.It is an object of the present invention to provide a system that can easily recover and recycle waste heat generated from a fuel cell system while using a conventional boiler device that is already installed.
본 발명의 다른 목적은 이미 설치된 종래의 보일러 장치를 그대로 이용하면서 연료전지 시스템으로부터 발생하는 폐열을 난방온수 또는 급탕온수에 재활용할 수 있는 시스템을 제공하기 위한 것이다.Another object of the present invention is to provide a system capable of recycling waste heat generated from a fuel cell system into heating hot water or hot water supply water while using a conventional boiler device installed as it is.
본 발명의 상기 및 기타의 목적들은 하기 상세히 설명되는 본 발명에 의하여 모두 달성될 수 있다.The above and other objects of the present invention can be achieved by the present invention described in detail below.
제1도는 본 발명에 따른 연료전지 시스템으로부터 발생하는 폐열을 회수하는 장치의 개략적인 구성도이다.1 is a schematic configuration diagram of an apparatus for recovering waste heat generated from a fuel cell system according to the present invention.
제2도는 종래의 일반 가정용 보일러 장치의 개략적인 구성도이다.2 is a schematic configuration diagram of a conventional general domestic boiler device.
제3도는 종래의 일반 가정용 보일러 장치에 본 발명에 따른 폐열회수장치를 결합한 시스템의 개략적인 구성도이다.3 is a schematic configuration diagram of a system combining a waste heat recovery apparatus according to the present invention with a conventional general domestic boiler apparatus.
제4도는 제3도의 본 발명에 따른 시스템에서 연료전지 시스템에서 회수된 폐온수를 급탕온수로 사용하는 시스템을 도시한 개략적인 구성도이다.4 is a schematic configuration diagram showing a system using waste hot water recovered from a fuel cell system as hot water supply hot water in the system according to the present invention of FIG.
제5도는 제3도의 본 발명에 따른 시스템에서 연료전지 시스템에서 회수된 폐온수로부터 폐열을 회수하여 난방온수로 사용하는 시스템을 도시한 개략적인 구성도이다.FIG. 5 is a schematic block diagram showing a system for recovering waste heat from waste hot water recovered in a fuel cell system and using it as heating hot water in the system of FIG. 3.
* 도면의 주요부호에 대한 간단한 설명 *Brief description of the main symbols in the drawing
1: 폐온수 저장탱크2: 폐열회수 열교환기1: waste hot water storage tank 2: waste heat recovery heat exchanger
3: 폐열회수출구4: 난방환수입구a3: waste heat recovery outlet 4: heating return inlet a
5: 펌프6: 3-웨이 밸브(3-way valve)5: pump 6: 3-way valve
7, 8: 센서9: 폐온수출구7, 8: sensor 9: waste hot water outlet
10: 폐온수 입구11: 폐온수 또는 직수 출구10: waste hot water inlet 11: waste hot water or direct water outlet
12: 직수 입구13: 난방환수입구b12: direct inlet 13: heating return inlet b
17: 펌프19: 주열교환기17: pump 19: main heat exchanger
20: 버너21: 온수열교환기20: burner 21: hot water heat exchanger
22: 3-웨이 밸브23: 연료전지 시스템22: 3-way valve 23: fuel cell system
24: 폐온수출구25: 난방공간24: waste hot water outlet 25: heating space
26: 직수 입구27: 냉각팬26: direct inlet 27: cooling fan
발명의 요약Summary of the Invention
본 발명에 따른 연료전지 시스템의 폐열을 보일러에 공급하기 위한 장치는 연료전지 시스템으로부터 발생하는 폐온수를 저장하기 위한 폐온수 저장탱크(1), 상기 폐온수 저장탱크에 저장된 폐온수를 급탕온수로 공급하기 위한 수단, 및 보일러로부터 나오는 난방환수를 상기 폐온수에 의하여 가열하여 다시 보일러에 공급하기 위하여 상기 저장탱크 내부에 설치되는 폐열회수 열교환기(2)를 포함하는 수단으로 구성된다.The apparatus for supplying the waste heat of the fuel cell system according to the present invention to the boiler is a waste hot water storage tank (1) for storing the waste hot water generated from the fuel cell system, the waste hot water stored in the waste hot water storage tank to the hot water supply hot water Means for supplying, and means for including a waste heat recovery heat exchanger (2) installed inside the storage tank for supplying the heating return water from the boiler by the waste hot water to supply to the boiler again.
상기 폐온수를 급탕온수로 공급하기 위한 수단은 상기 폐온수를 온수열교환기(21)로 공급하기 위한 펌프(5) 및 상기 폐온수와 외부로부터 유입되는 직수를 선택하기 위한 3-웨이 밸브(6)로 이루어진다.The means for supplying the waste hot water to the hot water supply hot water includes a pump 5 for supplying the waste hot water to the hot water heat exchanger 21 and a three-way valve 6 for selecting the waste hot water and direct water flowing from the outside. )
보일러의 난방환수를 가열하여 보일러에 공급하기 위한 상기 수단은 상기 저장탱크 내부에 설치되는 폐열회수 열교환기(2)를 포함하고, 상기 폐열회수 열교환기에는 보일러로부터 나오는 난방환수가 유입되어 주열교환기(19)로 공급된다.The means for heating and supplying the heating return of the boiler to the boiler includes a waste heat recovery heat exchanger (2) installed in the storage tank, the waste heat recovery heat exchanger is the heat return from the boiler flows into the main heat exchanger ( 19).
이하 첨부된 도면을 참고로 본 발명의 내용을 하기에 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail the contents of the present invention.
발명의 구체예에 대한 상세한 설명Detailed Description of the Invention
제1도는 본 발명에 따른 연료전지 시스템로부터 발생하는 폐열을 회수하는 장치의 개략적인 구성도이다. 제1도는 간단히 폐열회수장치라 할 수 있다. 이 폐열회수장치는 가정 등에 이미 설치된 보일러에 용이하게 적용할 수 있다.1 is a schematic configuration diagram of an apparatus for recovering waste heat generated from a fuel cell system according to the present invention. 1 is simply a waste heat recovery apparatus. This waste heat recovery system can be easily applied to boilers already installed in homes.
제2도는 종래의 전형적인 일반 가정용 보일러 장치의 개략적인 구성도이다. 제2도에 도시된 바와 같이, 보일러 장치는 주열교환기(19)와 온수열교환기(21)를 포함하는 가열장치부와 가열된 난방온수가 난방을 하기 위한 난방공간(25)으로 크게 구분된다. 제1도의 폐열회수장치는 이미 설치된 제2도의 보일러에 용이하게 설치하여 연료전지 시스템로부터 나오는 폐열을 회수하여 난방온수 및 급탕온수에 재활용할 수 있다.2 is a schematic diagram of a typical typical domestic boiler apparatus. As shown in FIG. 2, the boiler apparatus is largely divided into a heater unit including a main heat exchanger 19 and a hot water heat exchanger 21, and a heating space 25 for heating heated hot water. The waste heat recovery apparatus of FIG. 1 can be easily installed in the boiler of FIG. 2 already installed to recover waste heat from the fuel cell system and recycle to the heated hot water and the hot water supply.
제3도는 제2도의 보일러 장치에 본 발명에 따른 제1도의 폐열회수장치를 결합한 시스템의 개략적인 구성도이다.3 is a schematic configuration diagram of a system in which the waste heat recovery apparatus of FIG. 1 is combined with the boiler apparatus of FIG. 2.
연료전지 시스템(23)으로부터 나온 폐온수는 폐온수출구(24) 및 폐온수 입구(10)를 통하여 폐온수 저장탱크(1)에 저장된다.Waste hot water from the fuel cell system 23 is stored in the waste hot water storage tank 1 through the waste hot water outlet 24 and the waste hot water inlet 10.
폐온수는 연료전지 시스템으로부터 발생하는 열을 냉각시키기 위하여 사용되는 냉각수이다. 물론 연료전지 시스템을 냉각시키기 위한 다른 수단으로 연료전지 시스템에는 냉각팬(27)이 설치되어 있다. 연료전지 시스템을 냉각시키는 냉각수는열에 의하여 가열되어 배출되는데, 이를 여기서는 '폐온수'라 정의한다. 이 폐온수는 이제까지 그대로 배출시켜 에너지를 낭비하는 결과를 가져왔고, 또는 재활용된다 하더라도, 급탕 또는 난방온수에 부분적으로 사용되어 왔다. 본 발명에서는 폐열회수장치를 가정 등의 이미 설치된 보일러 장치에 연결하여 보일러 장치와 함께 폐온수를 활용하고자 하는 시스템을 제공한다. 이 폐온수는 급탕온수로 사용할 수 있을 만큼 오염되지 않은 깨끗한 온수이다.Waste hot water is cooling water used to cool the heat generated from the fuel cell system. Of course, as another means for cooling the fuel cell system, a cooling fan 27 is installed in the fuel cell system. Cooling water that cools the fuel cell system is heated and discharged by heat, which is defined as 'waste water'. This waste hot water has thus far been wasted as a result of wasting energy, or partly used in hot water or heating hot water, even if recycled. In the present invention, by connecting the waste heat recovery device to an already installed boiler device such as a home provides a system to utilize the waste hot water together with the boiler device. This waste hot water is clean water that is not contaminated enough to be used as hot water.
상기 폐온수 저장탱크(1)에 저장된 폐온수를 급탕온수를 사용하기 위한 시스템은 다음과 같다. 우선 제2도의 종래의 보일러 시스템에서 급탕온수는 외부로부터 직수가 직수입구(26)를 통하여 온수열교환기(21)로 유입된다. 직수는 온수열교환기에 의하여 가열되어 온수출구(15)를 통하여 급탕온수로 사용된다. 여기서 직수는 일반적으로 사용되는 수돗물 또는 청정한 지하수를 의미한다.The system for using hot water for hot water stored in the waste hot water storage tank 1 is as follows. First, in the conventional boiler system of FIG. 2, the hot water supply hot water is introduced into the hot water heat exchanger 21 through the direct inlet 26 from the outside. The hot water is heated by the hot water heat exchanger and used as hot water supply hot water through the hot water outlet 15. Direct water here means commonly used tap water or clean ground water.
제4도에 도시된 바와 같이, 폐온수를 급탕온수로 사용하는 경우에는, 3-웨이 밸브(22)에서 난방공간(25)으로 들어가는 밸브가 닫혀지고, 온수열교환기(21)로 들어가는 밸브가 열린다. 그리고 주열교환기(19)에 의해 가열된 물은 펌프(17)에 의하여 주열교환기(19)와 온수열교환기(21) 사이를 순환한다. 이 때 온수열교환기(21)에 의하여 폐온수는 가열되게 된다.As shown in FIG. 4, when waste hot water is used as hot water supply hot water, a valve entering the heating space 25 from the 3-way valve 22 is closed, and a valve entering the hot water heat exchanger 21 is closed. Open. Water heated by the main heat exchanger 19 is circulated between the main heat exchanger 19 and the hot water heat exchanger 21 by the pump 17. At this time, the waste hot water is heated by the hot water heat exchanger (21).
폐온수 저장탱크(1) 내의 폐온수는 펌프(5)에 의하여 온수열교환기(21)로 유입된다. 즉, 폐온수가 급탕온수로 사용되는 경우에는 폐온수출구(9)를 통하여 펌프(5)에 의해 온수열교환기(21)로 유입된다. 이 때 폐온수출구(9) 라인은 직수의 직수입구(26) 라인과 3-웨이 밸브(6)에 의하여 연결된다. 3-웨이 밸브(6)는 온수열교환기(21)에 폐온수 또는 직수를 선택적으로 공급한다.The waste hot water in the waste hot water storage tank 1 flows into the hot water heat exchanger 21 by the pump 5. That is, when the waste hot water is used as hot water supply hot water, it is introduced into the hot water heat exchanger 21 by the pump 5 through the waste hot water outlet 9. At this time, the waste hot water outlet 9 line is connected by the direct inlet 26 line of the direct water and the 3-way valve 6. The three-way valve 6 selectively supplies waste hot water or direct water to the hot water heat exchanger 21.
본 발명의 장치에서 폐온수의 폐열을 난방온수에 재활용하기 위한 시스템은 제5도에 도시한 바와 같다. 우선 폐온수의 폐열을 회수하기 위하여 폐열회수 열교환기(2)를 폐온수 저장탱크(1)내에 설치한다. 그리고, 폐열회수 열교환기(2)에는 난방환수입구a(4)와 폐열회수출구(3)가 설치되어, 난방환수입구a(4)는 보일러의 난방공간(25)을 나오는 배수 라인에 연결되고 폐열회수출구(3)는 난방환수입구b(13)에 연결된다. 폐열회수 열교환기(2)에서 폐온수에 의하여 가열된 난방환수는 주열교환기(19)로 유입되어 난방공간(25)을 가열하도록 순환된다. 물론 난방공간을 가열하기 위하여 순환하는 난방온수가 충분하지 못한 경우 이를 보충할 수 있도록 하는 것은 일반 보일러의 시스템과 동일하다. 폐온수 저장탱크(1)의 수위를 감지하기 위한 센서(7, 8)가 설치되어, 수위를 감지한다. 상기 난방환수입구a(4)와 폐열회수출구(3)를 포함하고, 관 및 밸브로 이루어지는 순환장치는 상기 보일러로부터 나오는 난방환수를 폐열회수 열교환기(2)를 통해 가열시키기 위한 것으로써, 본 발명의 범위 내에서 그 형태 및 경로는 보다 효율적으로 구현될 수 있다.In the apparatus of the present invention, a system for recycling waste heat of waste hot water into heating hot water is as shown in FIG. First, in order to recover the waste heat of the waste hot water, a waste heat recovery heat exchanger (2) is installed in the waste hot water storage tank (1). And, the waste heat recovery heat exchanger (2) is provided with a heating return inlet a (4) and waste heat recovery outlet (3), the heating return inlet a (4) is connected to the drain line leaving the heating space 25 of the boiler, The waste heat recovery outlet 3 is connected to the heating return inlet b 13. The heating return water heated by the waste hot water in the waste heat recovery heat exchanger 2 is introduced into the main heat exchanger 19 and circulated to heat the heating space 25. Of course, if the heating hot water circulating to heat the heating space is not enough to compensate for this is the same as the system of a normal boiler. Sensors 7 and 8 for detecting the water level of the waste hot water storage tank 1 are installed to detect the water level. The heating return inlet a (4) and the waste heat recovery outlet (3), the circulation device consisting of a tube and a valve for heating the heating return from the boiler through the waste heat recovery heat exchanger (2), It is within the scope of the invention that the form and route can be implemented more efficiently.
제4도는 제3도의 본 발명에 따른 시스템에서 연료전지 시스템에서 회수된 폐온수를 급탕온수로 사용하는 시스템을 도시한 개략적인 구성도이다.4 is a schematic configuration diagram showing a system using waste hot water recovered from a fuel cell system as hot water supply hot water in the system according to the present invention of FIG.
폐온수가 저장탱크(1)의 저수위 한계(8)와 고수위 한계(7) 사이에 있을 경우, 3-웨이 밸브(6)의 직수공급구를 닫고, 폐온수출구를 연다. 펌프(5)를 가동하여 저장탱크(1)의 폐온수가 온수열교환기(21)로 공급되고, 이 때 공급되는 폐온수의 온도는 제2도의 일반 보일러에서 직수가 직접 공급되는 경우에 비하여 높기 때문에온수를 얻기 위해 필요로 하는 연료 소비가 절감된다. 저장탱크(1)의 폐온수가 저수위 한계 이하인 경우에는, 보일러에 공급할 폐열이 없으므로 3-웨이 밸브(6)의 직수공급구를 열고 폐온수출구를 닫으며 펌프(5)는 가동을 중단한다. 폐온수 저장탱크(1)의 폐온수가 고수위 한계 이상인 경우에는, 폐온수입구(10)를 막고, 폐온수가 배출되지 않으므로 연료전지 시스템의 온도상승을 저지하기 위한 냉각팬(27)을 회전시켜 폐온수를 냉각하고 순환시킨다.If the waste hot water is between the low water level limit (8) and the high water level limit (7) of the storage tank (1), close the direct water supply port of the three-way valve (6), and open the waste hot water outlet. By operating the pump (5), the waste hot water of the storage tank (1) is supplied to the hot water heat exchanger (21), and the temperature of the waste hot water supplied at this time is higher than when the direct water is directly supplied from the general boiler of FIG. This reduces the fuel consumption required to obtain hot water. When the waste hot water of the storage tank 1 is below the low water level limit, since there is no waste heat to be supplied to the boiler, the direct water supply port of the 3-way valve 6 is opened, the waste hot water outlet is closed, and the pump 5 is stopped. When the waste hot water of the waste hot water storage tank 1 is above the high water level limit, the waste hot water inlet 10 is blocked, and since the waste hot water is not discharged, the cooling fan 27 is rotated to prevent the temperature rise of the fuel cell system. Cool and circulate waste hot water.
제5도는 제3도의 본 발명에 따른 시스템에서 연료전지 시스템에서 회수된 폐온수로부터 폐열을 회수하여 난방온수로 사용하는 시스템을 도시한 개략적인 구성도이다.FIG. 5 is a schematic block diagram showing a system for recovering waste heat from waste hot water recovered in a fuel cell system and using it as heating hot water in the system of FIG. 3.
보일러의 난방 운전시, 주열교환기(19)에서 가열된 물은 펌프(17)에 의해 난방공간(25)으로 공급되어 열을 빼앗긴다. 난방공간(25)에서 열을 빼앗긴 물은 폐열회수 열교환기(2)로 들어가서 폐온수에 의하여 예열되어 주열교환기(19)로 들어간다. 이 때 폐온수에 의하여 예열된 만큼 보일러의 연료를 절감할 수 있다.In the heating operation of the boiler, the water heated in the main heat exchanger 19 is supplied to the heating space 25 by the pump 17 to lose heat. Water deprived of heat in the heating space 25 enters the waste heat recovery heat exchanger (2) and is preheated by the waste hot water to enter the main heat exchanger (19). At this time, it is possible to save the fuel of the boiler as much as preheated by the waste hot water.
본 발명의 목적은 이미 설치된 종래의 보일러 장치를 그대로 이용하면서 연료전지 시스템으로부터 발생하는 폐열을 용이하게 회수하여 재활용할 수 있고, 상기 폐열을 난방온수 또는 급탕온수에 재활용할 수 있는 시스템을 제공하는 효과를 갖는다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a system capable of easily recovering and recycling waste heat generated from a fuel cell system while using a conventionally installed boiler apparatus as it is, and recycling the waste heat to heated or hot water. Has
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.Simple modifications or changes of the present invention can be easily carried out by those skilled in the art, and all such modifications or changes can be seen to be included in the scope of the present invention.
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