KR200489607Y1 - 연료전지 급수 순환 시스템 - Google Patents

Abstract

본 고안은 연료전지 급수 순환 시스템에 관한 것으로, 상세하게는, 연료전지 시스템 가동 중 열과 함께 생산되는 물과 연료전지로 급수되는 급수를 다시 환수하여 연료전지로 순환시켜 재사용함으로써 연료전지 수냉 후 연료전지로 급수되는 물이 버려져 불필요하게 낭비되는 것을 방지하여 에너지를 절감시키는 한편, 에너지 절감을 통해 경제적인 손실을 줄일 수 있는 연료전지 급수 순환 시스템에 관한 것이다.

Description

연료전지 급수 순환 시스템{CIRCULATION SYSTEM FOR SUPPLYING A FUEL CELL WITH WATER}

본 고안은 연료전지 급수 순환 시스템에 관한 것으로, 상세하게는, 연료전지 시스템 가동 중 열과 함께 생산되는 물과 연료전지로 급수되는 급수를 다시 환수하여 연료전지로 순환시켜 재사용함으로써 연료전지 수냉 후 연료전지로 급수되는 물이 버려져 불필요하게 낭비되는 것을 방지하여 에너지를 절감시키는 한편, 에너지 절감을 통해 경제적인 손실을 줄일 수 있는 연료전지 급수 순환 시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 연료전지 시스템은 가스 연료를 개질(改質)하여 얻은 수소 또는 순수한 수소를 공기 중의 산소와 반응시켜 전기 에너지를 발생시키는 신재생 에너지 설비로서, 화학적 반응에 의해 전기를 발생시킨다는 점에서 배터리와 유사하지만, 반응물질이 수소와 산소를 외부로부터 공급받기 때문에 배터리와는 달리 충전이 필요 없을 뿐만 아니라, 연료가 공급되는 한 전기를 발생시키고, 연료의 연소 반응 없이 에너지를 발생시키기 때문에 차세대 친환경적인 에너지원으로 주목을 받고 있다.

이러한 연료전지 시스템은 연료 변환기(가스를 수소 연료로 변환), 연료전지 스택(수소와 산소를 이용하여 전기 및 열을 발생), 전력변환기(인버터, 직류전원을 교류전원으로 변환), 열교환기(버려진 폐열을 회수하여 온수 가열 등 열에너지로 공급)로 이루어져 있고, 기존 발전 시스템과 달리 연료의 연소를 통해 에너지 변환 과정을 거치지 않고 전기를 바로 생산하기 때문에 에너지 손실이 적어 화력 발전에 비해 발전 효율이 높으며, 이산화탄소 배출을 30%까지 감소시키는 효과를 얻을 수 있다.

연료전지는 가스 연료로 메탄올, 에탄올, 천연가스 등과 같은 탄화수소 계열의 물질을 사용한다. 그리고, 사용하는 전해질의 종류에 따라 인산형 연료전지(PAFC: Phosphoric Acid Fuel Cell), 용융 탄산염형 연료전지(MCFC: Molten Carbonate Fuel Cell), 고체산화물형 연료전지(SOFC: Solid Oxide Fuel Cell), 고체고분자형 연료전지(PEMFC: Proton Exchange Membrane Fuel Cell) 등으로 분류된다.

이러한 연료전지 시스템은 전해질을 사이에 두고 두 전극이 샌드위치의 형태로 위치하며 두 전극을 통하여 수소 이온과 산소 이온이 통과하면서 전류를 발생시키고, 이때 부산물로서 열과 물이 생성된다. 이렇게 생성된 열은 열교환기를 통해 외부로부터 급수된 물을 매개로 열교환한 후 회수하여 급탕 등으로 이용되기도 한다.

그러나, 연료전지 시스템의 가동 중 열과 함께 생성되는 다량의 물은 급수로 기계를 수냉한 다음 대부분 버려져 낭비되는 문제가 있었다. 예를 들어, 1kw 연료전지의 경우에는 시간당 대략 1kw의 전기를 생산하는 과정에서 대략 60℃의 온도를 갖는 물이 30ℓ정도 생산된다. 이렇게 생산된 물은 건물 내의 급탕용 탱크로 보내 급탕으로 사용되기도 하지만 50℃ 이하의 물은 대부분 버려져 낭비되는 문제가 있었다.

KR 10-0409134 B1, 2003. 11. 28., '연료전지 코제네레이션 시스템' KR 10-0726431 B1, 2007. 06. 01., '연료전지 코제너레이션 시스템용 축열탱크' KR 10-0750057 B1, 2007. 08. 09., '공동주택 연료전지 시스템 및 그 운영방법'

따라서, 본 고안은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 연료전지 시스템 가동 중 열과 함께 생산되는 물과 연료전지로 급수되는 물을 다시 환수하여 연료전지로 순환시켜 재사용함으로써 연료전지 수냉 후 물이 버려져 불필요하게 낭비되는 것을 방지하여 에너지를 절감시키는 한편, 에너지 절감을 통해 경제적인 손실을 줄일 수 있는 연료전지 급수 순환 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 일 측면에 따른 본 고안은 연료전지; 상기 연료전지에서 열교환된 온수를 저장하는 제1 탱크; 외부의 급수와 냉난방기 응축수를 공급받아 상기 연료전지로 급수하는 제1 급수 분배기; 상기 제1 탱크에 저장된 온수를 급탕으로 건물 내의 주보일러 급탕 시스템으로 공급하고, 상기 주보일러 급탕 시스템에서 환수된 환탕을 상기 제1 탱크로 공급하는 제2 급수 분배기; 및 상기 연료전지에서 드레인되는 배수와, 상기 제2 급수 분배기를 통해 상기 주보일러 급탕 시스템으로부터 상기 제1 탱크로 순환되어 상기 제1 탱크에 저장된 환탕을 공급받아 저장 및 환수하여 저온수를 상기 제1 급수 분배기로 공급하는 제2 탱크를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 급수 순환 시스템을 제공한다.

바람직하게, 상기 제1 급수 분배기는 상기 급수, 상기 냉난방기 응축수 또는 상기 제2 탱크에서 공급되는 상기 저온수 중 어느 하나 또는 이들 중 적어도 2개가 혼합된 혼합수를 상기 연료전지의 급수로 공급하는 것을 특징으로 할 수 있다.

바람직하게, 상기 제1 급수 분배기와 상기 연료전지의 급수 사이에 설치된 대류펌프와, 상기 제2 급수 분배기와 상기 주보일러 급탕 시스템 사이에 설치된 순환펌프를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

바람직하게, 상기 연료전지, 상기 순환펌프, 상기 대류펌프의 동작 상태를 체크하는 한편, 이들의 동작을 제어하고, 상기 제1 및 제2 탱크의 내부 온도를 체크하고, 상기 제1 탱크에서 상기 제2 급수 분배기로 급탕을 배출하는 급탕 배출라인과 상기 제2 급수 분배기에서 상기 제1 탱크로 환탕을 환수하는 환탕 환수라인의 온도를 체크하는 제어기를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

바람직하게, 상기 급수는 5℃이고, 상기 온수는 50℃~60℃이고, 상기 환탕은 30℃이고, 상기 저온수는 5℃~20℃인 것을 특징으로 할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 고안에 따르면, 연료전지로 냉각수를 급수한 후 수냉하고 50℃ 이상의 물(온수)은 급탕시설로 보내 환수하여 급수(냉각수)와 함께 연료전지로 급수하는 한편, 냉난방기의 응축수와 급수를 연료전지로 급수하고, 연료전지에서 50℃ 미만의 온도로 드레인(배수)되는 물과 환수된 환탕을 2차 탱크로 보내 환수 후 연료전지로 급수하여 물이 불필요하게 버려져 낭비되는 것을 방지할 수 있고, 이를 통해 에너지를 절감하여 에너지 절감을 통한 경제적인 손실을 줄일 수 있다.

도 1은 본 고안의 실시예에 따른 연료전지 급수 순환 시스템을 설명하기 위해 도시한 도면.

본 고안의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 고안은 이하에서 개시되는 실시예들로 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이다.

본 명세서에서 본 실시예들은 본 고안의 개시가 완전하도록 하며, 본 고안이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 고안의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 그리고 본 고안은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 따라서, 몇몇 실시예들에서, 잘 알려진 구성 요소, 잘 알려진 동작 및 잘 알려진 기술들은 본 고안이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적으로 설명되지 않는다.

또한, 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 그리고, 본 명세서에서 사용된(언급된) 용어들은 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 고안을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 또한, '포함(또는, 구비)한다'로 언급된 구성 요소 및 동작은 하나 이상의 다른 구성요소 및 동작의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 고안이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또한 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.

본 고안에 따른 연료전지 급수 순환 시스템은 ① 연료전지로 급수 후 수냉하고 50℃ 이상의 물(온수)은 급탕시설로 보내 환수하여 급수(냉각수)와 함께 연료전지로 급수하고, ② 냉난방기의 응축수를 급탕 환수와 함께 연료전지로 급수하고, ③ 연료전지에서 50℃ 미만의 온도로 드레인(배수)되는 물을 2차 탱크로 보내 환수하여 급수와 함께 연료전지 급수하여 물이 불필요하게 버려져 낭비되는 것을 방지한다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 고안의 기술적 특징을 구체적으로 설명하기로 한다.

도 1은 본 고안의 실시예에 따른 연료전지 급수 순환 시스템을 설명하기 위해 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 고안의 실시예에 따른 연료전지 급수 순환 시스템(10)은 연료전지(11), 제1 탱크(12), 제1 급수 분배기(13), 제2 급수 분배기(14) 및 제2 탱크(15)를 포함한다. 그리고, 이들의 상태를 체크하고 제어하는 제어기(16)를 포함한다.

연료전지(11)는 가스 연료를 개질(改質)하여 얻은 수소 또는 순수한 수소를 공기 중의 산소와 반응시켜 전기 에너지를 발생시키는 발전 시스템으로서, 일반적인 연료 변환기(가스를 수소 연료로 변환), 연료전지 스택(수소와 산소를 이용하여 전기 및 열을 발생), 전력변환기(인버터, 직류전원을 교류전원으로 변환) 및 열교환기(버려진 폐열을 회수하여 온수 가열 등 열에너지로 공급)를 포함하여 이루어질 수 있다.

이러한 연료전지(11)는 전기를 생성하는 과정에서 열이 발생함에 따라 외부에서 공급되는 급수(냉각수)(1)를 통해 수냉해야 한다. 그렇지 않으면, 정상적인 운전이 불가능하다. 예를 들면, 연료 변환기의 수소 생성, 일산화탄소 제거, 셀에서의 전기화학반응 등이 원활하게 이루어지지 않아 연료전지 시스템의 전반적인 성능이 저하될 수 있다.

이에, 연료전지(11)는 외부 급수라인(L1)으로부터 공급되는 외부 급수(냉각수)(1)가 공급된다. 또한, 냉난방기(미도시)와 연결된 응축수 공급라인(L2)으로부터 공급되는 냉난방기 응축수(2), 제2 탱크(15)로부터 공급되는 환탕(3)(제1 탱크에 저장된 환수)을 제1 급수 분배기(13)를 매개로 내부 급수라인(L3)을 통해 공급받아 수냉한다.

또한, 연료전지(1)는 전기를 생성하는 과정에서 생성된 열을 열교환기를 매개로 내부 급수(4)와 열교환하여 온수(5)를 생성하고, 이렇게 생성된 온수(5)를 온수라인(L4)을 통해 제1 탱크(12)로 공급한다. 그리고, 온수(5)보다 낮은 온도를 갖는 배수(6)는 드레인 라인(L5)을 통해 제2 탱크(15)로 공급된다. 이때, 온수(5)는 50℃~60℃의 온도를 갖는 온수이고, 배수(6)는 온수보다 낮은 50℃ 미만의 물일 수 있다.

제1 탱크(12)는 연료전지(11)에서 온수라인(L4)을 통해 공급되는 50℃~60℃의 온수(5)를 저장하고, 저장된 온수(5)를 급탕 배출라인(L6)을 통해 제2 급수 분배기(14)를 매개로 건물 내에 구축된 주보일러 급탕 시스템(미도시)으로 공급하여 급탕(7)으로 사용한다. 예를 들어, 제1 탱크(12)는 1,500L 용량의 온수를 저장할 수 있다.

또한, 제1 탱크(12)는 환탕 회수라인(L7)을 통해 제2 급수 분배기(14)를 매개로 주보일러 급탕 시스템에서 환수된 환탕(3)을 공급받아 저장한다. 이때, 제2 급수 분배기(14)와 주보일러 급탕 시스템 사이에는 환탕(3)을 순환시키기 위해 순환펌프(P1)가 설치될 수 있으며, 이때 환수되는 환탕(3)은 대략 30℃의 온도일 수 있다.

제1 탱크(12)의 내부로 환탕 회수라인(L7)을 통해 환수되는 환탕(3)은 제1 탱크(12)의 내부에 저장된 온수(5)에 비해 낮은 온도를 가짐에 따라 제1 탱크(12)의 하부에 저장되고, 상대적으로 온도가 높은 온수(5)는 환탕(3)의 상부에 저장되게 된다.

제1 급수 분배기(13)는 외부 급수라인(L1)으로부터 공급되는 급수(대략 5℃의 냉각수)(1)와, 응축수 공급라인(L2)을 통해 공급되는 냉난방기 응축수(2)와, 제2 탱크(15)로부터 환수라인(L8)을 통해 공급되는 대략 5℃~20℃의 온도를 갖는 환수 중 어느 하나를 공급받거나, 이들 중 적어도 2개를 혼합하여 내부 급수라인(L3)을 통해 연료전지(11)로 공급한다. 이때, 제1 급수 분배기(13)와 연료전지(11) 사이의 내부 급수라인(L3)에는 대류펌프(P2)가 더 설치될 수 있다. 그리고, 응축수 공급라인(L2)에는 냉난방기 응축수(2)에 포함된 이물질을 제거하기 위해 필터(F)가 더 설치될 수 있다.

제2 급수 분배기(14)는 제1 탱크(12)에 저장된 50℃ 이상의 온수를 급탕 배출라인(L6)을 통해 제1 탱크(12)로부터 공급받아 주보일러 급탕 시스템으로 급탕(7)을 배출한다. 그리고, 제2 급수 분배기(14)는 순환펌프(P1)를 통해 주보일러 급탕 시스템에서 환수되는 환탕(3)을 환탕 환수라인(L7)을 통해 제1 탱크(12)의 하부로 공급한다.

제2 탱크(15)는 연료전지(11)의 드레인 라인(L5)을 통해 배출되는 배수(6)와, 제1 탱크(12)로부터 연결라인(L9)을 통해 배출되는 저온수(대략 20℃ 이하)를 공급받아 저장하여 환수한다. 이때, 제2 탱크(15)에는 대략 5℃~20℃의 저온수가 저장된다. 그리고, 제2 탱크(15)는 1,500L의 용량으로, 내부에 저장된 저온수를 연료전지(11)의 급수로 사용하기 위해 환수라인(L8)을 통해 제1 급수 분배기(13)로 공급한다.

한편, 제어기(16)는 연료전기 급수 순환 시스템(10)의 동작을 제어하는 연료전지 급수 순환 시스템 제어기로서, 연료전지(11), 순환펌프(P1) 및 대류(급수)펌프(P2)의 동작 상태를 체크하는 한편, 이들의 동작을 제어한다. 그리고, 제1 및 제2 탱크(12, 15)의 내부 온도를 체크하고, 급탕 배출라인(L6)과 환탕 환수라인(L7)의 온도를 체크하고, 이를 토대로 연료전기 급수 순환 시스템(10)의 전반적인 동작을 제어한다.

이하, 본 고안의 실시예에 따른 연료전지 급수 순환 시스템(10)의 동작 특성을 설명하기로 한다.

먼저, 외부 급수라인(L1)을 통해 5℃ 정도의 급수(냉각수)를 제1 급수 분배기(13)를 매개로 내부 급수라인(L3)을 통해 연료전지(11)로 공급하여 연료전지(11)를 수냉한 후 연료전지(11)에서 생성된 대략 50℃ 이상의 온수(5)를 온수라인(L4)을 통해 제1 탱크(12)로 배출하여 저장하고, 제1 탱크(12)에 저장된 온수를 급탕 배출라인(L6)을 통해 제2 급수 분배기(14)를 매개로 주보일러 급탕 시스템으로 배출한다.

그리고, 응축수 공급라인(L2)을 통해 냉난방기 응축수(2)를 제1 급수 분배기(13)를 매개로 내부 급수라인(L3)을 통해 연료전지(11)의 급수(4)로 공급하는 한편, 제2 급수 분배기(14)를 매개로 환탕 환수라인(L7)을 통해 제1 탱크(12)로 환수되는 대략 30℃의 환탕(3)을 제1 탱크(12)에 저장하고, 제1 탱크(12)에 저장된 환탕과 연료전지(11)의 드레인을 통해 드레인 라인(L5)으로 배출되는 배수(6)를 연결라인(L9)을 통해 제2 탱크(15)로 저장 및 환수하고, 제2 탱크(15)에서 환수된 대략 5℃~20℃의 저온수를 제1 급수 분배기(13)를 통해 연료전지(11)의 급수(4)로 공급한다.

이상에서와 같이 본 고안의 기술적 사상은 바람직한 실시예에서 구체적으로 기술되었으나, 상기한 바람직한 실시예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아니다. 이처럼 이 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 고안의 기술 사상의 범위 내에서 본 고안의 실시예의 결합을 통해 다양한 실시예들이 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

1 : 급수(냉각수) 2 : 냉난방기 응축수
3 : 환탕(급탕 환수) 4 : 급수(연료전지)
5 : 온수(연료전지 6 : 배수(연료전지)
7 : 급탕 10 : 연료전지 급수 순환 시스템
11 : 연료전지 12 : 제1 탱크
13 : 제1 급수 분배기 14 : 제2 급수 분배기
15 : 제2 탱크
16 : 제어기(연료전지 급수 순환 시스템 제어기)
L1 : 외부 급수라인 L2 : 응축수 공급라인
L3 : 내부 급수라인 L4 : 온수라인
L5 : 드레인 라인 L6 : 급탕 배출라인
L7 : 환탕 환수라인 L8 : 환수라인
L9 : 연결라인

Claims (5)

1. 연료 변환기, 연료전지 스택, 전력변환기 및 열교환기로 이루어지는 연료전지;
   상기 연료전지에서 열교환된 온수를 저장하는 제1 탱크;
   외부의 급수와 냉난방기 응축수를 공급받아 상기 연료전지로 급수하는 제1 급수 분배기;
   상기 제1 탱크에 저장된 온수를 급탕으로 건물 내의 주보일러 급탕 시스템으로 공급하고, 상기 주보일러 급탕 시스템에서 환수된 환탕을 상기 제1 탱크로 공급하는 제2 급수 분배기; 및
   상기 연료전지에서 드레인되는 배수와, 상기 제2 급수 분배기를 통해 상기 주보일러 급탕 시스템으로부터 상기 제1 탱크로 순환되어 상기 제1 탱크에 저장된 환탕을 공급받아 저장 및 환수하여 저온수를 상기 제1 급수 분배기로 공급하는 제2 탱크를 포함하며;
   상기 제1 급수 분배기는 상기 급수, 상기 냉난방기 응축수 또는 상기 제2 탱크에서 공급되는 상기 저온수 중 어느 하나 또는 이들 중 적어도 2개가 혼합된 혼합수를 상기 연료전지의 급수로 공급하며;
   상기 제1 급수 분배기와 상기 연료전지의 급수 사이에 설치된 대류펌프와, 상기 제2 급수 분배기와 상기 주보일러 급탕 시스템 사이에 설치된 순환펌프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 급수 순환 시스템.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 연료전지, 상기 순환펌프, 상기 대류펌프의 동작 상태를 체크하는 한편, 이들의 동작을 제어하고, 상기 제1 및 제2 탱크의 내부 온도를 체크하고, 상기 제1 탱크에서 상기 제2 급수 분배기로 급탕을 배출하는 급탕 배출라인과 상기 제2 급수 분배기에서 상기 제1 탱크로 환탕을 환수하는 환탕 환수라인의 온도를 체크하는 제어기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 급수 순환 시스템.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 급수는 5℃이고, 상기 온수는 50℃~60℃이고, 상기 환탕은 30℃이고, 상기 저온수는 5℃~20℃인 것을 특징으로 하는 연료전지 급수 순환 시스템.

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