KR20090081542A

KR20090081542A - 연료전지 폐열회수 시스템

Info

Publication number: KR20090081542A
Application number: KR1020080007464A
Authority: KR
Inventors: 김규원; 최성환
Original assignee: 김규원; 최성환
Priority date: 2008-01-24
Filing date: 2008-01-24
Publication date: 2009-07-29

Abstract

본 발명은 연료전지에서 발생하는 폐열을 회수하여 온수나 난방에 재활용할 수 있는 연료전지 폐열회수 시스템에 관한 것으로, 특히 연료전지에서 발생한 폐열을 흡수한 냉각수를 직접 축열조에 저장한 상태에서 직수 또는 난방환수와의 열교환이 이루어지도록 함으로써 연료전지의 폐열 회수율 및 폐열 재사용율을 높임은 물론, 설비 사이즈 및 비용을 감소시킬 수 있는 연료전지 폐열회수 시스템에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명에 따른 연료전지 폐열회수 시스템은 폐열 회수배관을 순환하는 냉각수와의 열교환을 통해 냉각되는 연료전지와, 고온의 냉각수를 공급받아 저장하는 축열조와, 상기 축열조 내부를 관통하여 설치되는 직수 공급배관과, 상기 축열조 내부를 관통하여 설치되는 난방환수 공급배관과, 상기 폐열을 회수한 직수와 난방환수를 공급받아 보조적으로 가열하는 보조열원공급장치와, 상기 보조열원공급장치에 연결되는 온수 배출배관과, 상기 보조열원공급장치에 연결되는 난방수 배출배관 및 상기 냉각수, 직수 및 난방환수의 공급량을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

연료전지, 폐열, 회수, 축열조, 보조열원공급장치

Description

연료전지 폐열회수 시스템{System for keeping cooling energy of fuel cell}

본 발명은 연료전지에서 발생하는 폐열을 회수하여 온수나 난방에 재활용할 수 있는 연료전지 폐열회수 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료전지에서 발생한 폐열을 흡수한 냉각수를 직접 축열조에 저장한 상태에서 직수 또는 난방환수와의 열교환이 이루어지도록 함으로써 연료전지의 폐열 회수율 및 폐열 재사용율을 높임은 물론, 설비 사이즈 및 비용을 감소시킬 수 있는 연료전지 폐열회수 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 연료전지는 차세대 무공해 대체 에너지로 주목받고 있는 수소를 이용한 발전 시스템(power generation system)으로서, 수소(H)와 산소(O)의 결합 반응에서 전자(electron)가 발생하는 현상을 이용하여 전기를 발생시키는 것으로써, 발전 후 생성되는 물질이 물(H₂O) 뿐이라는 점에 있어서 무공해 대체 에너지로 주목받고 있다.

이와 같은 연료 전지는 수소와 산소의 화학 반응을 일으키는 스택(stack)의 화학 물질 조성과 수소 공급원으로 쓰이는 최초 연료 등의 종류에 따라 PEMFC, DMFC, MCFC, SOFC 등 다양한 형태의 연료전지가 있으며, 대체로 알콜이나 메탄, 부탄, LNG 등 탄화 수소 연료들을 개질기(reformer)를 통해 개질하여 수소를 발생시키고, 그 발생된 수소를 스택에서 공기와 반응시키도록 구성된다.

그런데, 상기한 바와 같은 연료전지를 가동하는 경우에는 많은 양의 폐열이 발생하고 있어서, 최근에는 이와 같이 발생된 폐열을 난방이나 온수의 공급에 재사용할 수 있도록 하는 시스템들이 제공되고 있다.

예컨대, 한국등록특허 제10-740542호의 연료전지 폐열회수 시스템에서는, 먼저, 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 폐회로(12)를 순환하는 냉각수에 의해 냉각되는 스택(11) 등을 포함한 연료전지 시스템(10)과, 냉각수의 폐열을 회수하기 위한 폐열회수 열교환기(20)와, 폐열회수 열교환기(20)에서 열교환하는 폐열 회수 열교환부(21)와, 난방수를 수용하는 축열탱크(30)와, 축열 탱크(30)에서 열교환하는 폐열 회수 배관(31)과, 축열 탱크(30)의 난방수를 가열하는 보조 열원부(40)(예: 보일러 등)와, 직수가 상기 축열 탱크(30)에서 상기 난방수와 열교환 한 후 상기 보조 열원부(40)에서 추가 가열될 수 있도록 배치되는 직수 가열 배관(50) 및 난방에 사용된 후 환수된 난방환수가 축열 탱크(30)에 공급될 수 있도록 하는 난방 환수 배관(60) 등을 포함하여 연료전지 시스템에 발생하는 폐열을 직수나 난방환수의 가열에 재사용할 수 있도록 하는 구성을 제공하고 있다.

따라서, 발전시 스택(11)에서 발생한 폐열이 폐열회수 열교환기(20)에서 1차 열교환 된 후, 상기 1차 열교환에 의해 가열된 물이 축열 탱크(30) 내부를 관통하 는 폐열 회수 배관(31)을 따라 흐르게 됨에 따라, 상기 축열 탱크(30) 내부에 공급 저장된 난방환수와의 2차 열교환을 통해 폐열이 회수되고, 난방환수가 가열되도록 하며, 나아가 가열된 난방환수에 의해 직수 역시 가열될 수 있도록 구성되어 있다.

그러나, 이상과 같은 연료전지 폐열회수 시스템에 따르면, 폐열을 직접 직수나 난방환수의 가열에 사용함으로써 폐열 회수 및 폐열 재사용이 이루어지도록 구성되어 있지 않고, 폐열회수 열교환기(20)에서의 상기 1차 열교환이 이루어진 다음 축열 탱크(30) 내에서의 2차 열교환을 통해 간접적으로 폐열을 회수하고, 그 회수된 폐열을 직수나 난방환수의 가열에 재사용할 수 있도록 구성되어 있어 폐열 회수 효율 및 재사용 효율이 낮은 문제점이 있다.

또한, 축열 탱크(30)의 내부를 관통하여 설치된 폐열 회수 배관(31)을 통해 흐르는 물을 사용하여, 축열 탱크(30) 내에 공급된 난방환수와의 열교환이 이루어지도록 하거나 또는 축열 탱크(30) 내부를 관통하여 설치된 직수 가열 배관(50)을 흐르는 직수와의 2차 열교환이 이루어지도록 하면, 부피가 작은 폐열 회수 배관(31)을 통해 흐르며 회수될 수 있는 폐열의 양이 적어 폐열 회수율 및 폐열 재사용율이 낮다는 문제점이 있다.

나아가, 폐열회수 열교환기(20)를 별도로 구비하여야 함에 따라 설비 사이즈가 커짐은 물론, 설비 비용도 증가한다는 문제점이 있다.

한편, 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 종래의 연료전지 폐열회수 시스템의 축열조(30)는 그 단면 형상이 원형인 원통형으로 이루어져 있어, 설비 사이즈가 커지므로 슬림화가 어려운 문제점이 있다.

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 연료전지에서 발생하는 폐열을 회수하여 온수나 난방에 재활용함에 있어서, 연료전지에서 발생한 폐열을 흡수한 냉각수를 직접 축열조에 저장한 상태에서 직수 또는 난방환수와의 열교환이 이루어지도록 함으로써 연료전지의 폐열 회수율 및 폐열 재사용율을 높임은 물론, 설비 사이즈 및 비용을 감소시킬 수 있는 연료전지 폐열회수 시스템을 제공하고자 한다.

이를 위해, 본 발명의 일 실시예 따른 연료전지 폐열회수 시스템은 폐열 회수배관을 순환하는 냉각수와의 열교환을 통해 냉각되는 연료전지와, 상기 연료전지와의 열교환을 통해 가열된 고온의 냉각수를 공급받아 저장하는 축열조와, 상기 축열조에 저장된 고온의 냉각수와의 열교환을 통해 폐열을 회수하도록, 상기 축열조 내부를 관통하여 설치되는 직수 공급배관과, 상기 축열조에 저장된 고온의 냉각수와의 열교환을 통해 폐열을 회수하도록, 상기 축열조 내부를 관통하여 설치되는 난방환수 공급배관과, 상기 폐열을 회수한 직수와 난방환수를 공급받아 가열하는 보조열원공급장치와, 상기 보조열원공급장치를 통해 가열된 직수를 배출하도록 연결되는 온수 배출배관과, 상기 보조열원공급장치를 통해 가열된 난방환수를 배출하도록 연결되는 난방수 배출배관 및 상기 냉각수, 직수 및 난방환수의 공급량을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 실시예 따른 연료전지 폐열회수 시스템은 폐열 회수배관을 순환하는 냉각수와의 열교환을 통해 냉각되는 연료전지와, 상기 연료전지와의 열교환을 통해 가열된 고온의 냉각수를 공급받아 저장하는 축열조와, 상기 축열조에 저장된 고온의 냉각수와의 열교환을 통해 폐열을 회수하도록 상기 축열조에 연결되어, 난방환수를 상기 축열조에 공급하는 난방환수 공급배관과, 상기 고온의 냉각수 및 난방환수가 혼합된 혼합수와의 열교환을 통해 폐열을 회수하도록, 상기 축열조 내부를 관통하여 설치되는 직수 공급배관과, 상기 직수 공급배관 및 난방환수 공급배관이 연결되며, 상기 열교환된 직수와 난방환수를 공급받아 보조적으로 가열하는 보조열원공급장치와, 상기 보조열원공급장치를 통해 가열된 직수를 배출하도록 연결되는 온수 배출배관과, 상기 보조열원공급장치를 통해 가열된 난방환수를 배출하도록 연결되는 난방수 배출배관 및 상기 냉각수, 직수 및 난방환수의 공급량을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 연료전지는 화학반응에 의해 전기를 발생시키는 스택 및 상기 스택에 화학반응물질을 공급하는 개질기를 포함하고, 상기 스택과 개질기는 상기 폐열 회수배관에 의해 병렬 연결되며, 상기 스택과 개질기에는 서로 독립하여 동작하는 냉각수 순환 펌프가 각각 설치되어 있는 것이 바람직하다.

또한, 상기 직수 공급배관의 보조열원공급장치 인입측과 상기 온수배출배관의 보조열원공급장치 인출측 사이에는 상기 직수 공급배관을 공통노드로하여 상기 보조열원공급장치와 온수배출배관으로 분기하는 제1삼방밸브가 설치되어 있는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제어부는 상기 냉각수, 직수 및 난방환수의 온도에 따라 각 구역별로 상기 냉각수, 직수 및 난방환수의 흐름을 PID제어하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 폐열 회수배관은 상기 축열조에 고온의 냉각수를 공급하도록 설치된 공급배관과 상기 축열조에서 열교환을 마친 저온의 냉각수를 회수하여 상기 연료전지로 공급하도록 보조냉각부가 설치된 회수배관을 구비하되, 상기 공급배관에는 상기 고온의 냉각수의 흐름을 상기 축열조와 회수배관으로 분기시키는 제2삼방밸브가 설치되고, 상기 회수배관에는 상기 축열조에서 열교환을 마친 저온의 냉각수의 흐름을상기 연료전지와 보조냉각부로 분기시키는 제3삼방밸브가 설치되어 있는 것이 바람직하다.

또한, 상기 난방환수 공급배관에는 난방환수의 흐름을 상기 보조열원공급장치와 축열조 분기시키는 제4삼방밸브가 설치되어 있는 것이 바람직하다.

나아가, 상기 축열조는 단면이 사각형 또는 타원형인 통형으로 이루어져 있는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 연료전지 폐열회수 시스템에 의하면, 연료전지에서 발생하는 폐열을 회수하여 온수나 난방에 재활용함에 있어서, 연료전지에서 발생한 폐열을 흡수한 냉각수를 직접 축열조에 저장한 상태에서 직수 또는 난방환수와의 열교환이 이루어지도록 함으로써 연료전지의 폐열 회수율 및 폐열 재사용율을 높임은 물론, 설비 사이즈 및 비용을 감소시킬 수 있게 된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 폐열회수 시스템에 대해 상세히 설명하도록 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 폐열회수 시스템을 나타낸 구성도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 폐열회수 시스템은 연료전지(110)와, 폐열 회수배관(113)과, 축열조(120)와, 직수 공급배관(140)과, 난방환수 공급배관(150)과, 보조열원공급장치(130)와, 온수 배출배관(170)과, 난방수 배출배관(160) 및 제어부(180) 등을 포함하여 구성된다.

따라서, 발전(power generation)시 연료전지(110)를 냉각시키면서 열을 흡수한 냉각수가 폐열 회수배관(113)을 통해 축열조(120)(또는 '축열탱크' 라고도 함)에 직접 공급되고, 축열조(120)에 채워진 상기 고온의 냉각수가 축열조(120) 내부를 관통하여 장치된 직수 공급배관(140) 및 난방환수 공급배관(150)을 통해 흐르는 직수 및 난방환수와의 열교환을 통해 폐열이 회수될 수 있게 된다.

좀더 상세히 설명하면, 연료전지(110)는 수소(H)와 산소(O)의 화학 결합 반응에서 전자(electron)가 발생되는 현상을 응용하여 전기를 발생시키는 것으로, 수소와 산소의 화학 결합반응을 일으키는 스택(111)(stack)과 수소 공급원으로써 알콜이나 메탄, 부탄, LNG 등의 탄화 수소 연료를 개질하여 수소를 발생시키는 개질기(112)(reformer)를 포함하여 구성되며, 이러한 연료전지(110)는 폐열 회수배관(113)을 따라 순환하는 냉각수에 의해 냉각되어 항시 적정온도에서 정상 동작 되 도록 구성된다.

특히, 본 발명에서는 스택(111)과 개질기(112)에서 발생하는 폐열을 각각 회수하여 직수나 난방환수의 가열에 사용할 수 있도록, 스택(111)과 개질기(112)가 폐열 회수배관(113)에 의해 병렬 연결되도록 하며, 아울러 스택(111)과 개질기(112)를 순환하는 냉각수의 흐름을 서로 독립적으로 제어할 수 있도록 순환펌프(114a, 114b)가 각각 설치되어 있어서 폐열 회수 효율을 높일 수 있도록 한다.

폐열 회수배관(113)은 냉각수가 순환하는 폐회로(closed circuit)를 구성하여 연료전지(110)를 냉각시킴은 물론, 열교환을 통해 가열된 냉각수를 축열조(120)에 공급할 수 있도록 하기 위한 것이다.

이를 위해, 폐열 회수배관(113)은 연료전지(110)의 폐열을 흡수한 고온의 냉각수가 축열조(120)에 공급되도록 하는 공급배관(113a) 및 연료전지(110)와 축열조(120)를 연결하도록 설치되어 축열조(120)에서 열교환을 마친 저온의 냉각수를 회수하는 회수배관(113b)을 포함한다.

또한, 공급배관(113a)에는 냉각수의 흐름을 축열조(120) 또는 회수배관(113b)으로 분기시키는 제2삼방밸브(115a)(3way-valve)가 설치되고, 회수배관(113b)에는 축열조(120)에서 열교환을 마친 냉각수가 직접 연료전지(110)에 공급되거나 또는 보조냉각부(117)를 통해 연료전지(110)에 공급되도록 분기시키는 제3삼방밸브(115b)가 설치되어 있다.

따라서, 제2삼방밸브(115a)에 의해서는 발전시 연료전지(110)를 거쳐 흘러나 온 고온의 냉각수가 유량 스위치(116)를 통해 축열조(120)에 공급되었다가 회수배관(113b)을 통해 다시 연료전지(110)로 공급되도록 하거나, 또는 발전 정지시 저온의 냉각수가 축열조(120)를 거치지 않고 직접 회수배관(113b)을 통해 연료전지(110)로 공급되는 순환이 이루어질 수 있게 한다.

그리고, 제3삼방밸브(115b)에 의해서는 축열조(120)에서 열교환이 충분히 이루어진 저온의 냉각수가 직접 연료전지(110)로 공급되도록 하거나, 또는 축열조(120)에서 열교환이 충분이 이루어지지 않아 연료전지(110)를 냉각시키기에 적절한 온도가 아닌 경우에는 FCU(Fan Cooling Unit) 등의 보조냉각부(117)를 통해 추가 냉각이 이루어진 다음 연료전지(110)에 공급될 수 있게 한다.

축열조(120)는 연료전지(110)에서 발생한 폐열을 회수하여 직수 및 난방환수의 가열이 이루어질 수 있도록 하는 것으로, 이러한 축열조(120)에는 폐열 회수배관(113)의 공급배관(113a)을 통해 고온의 냉각수가 공급되는 공급구(미도시)와, 열교환을 마친 저온의 냉각수가 회수배관(113b)을 통해 배출되는 배출구(미도시)가 형성되어 있으며, 그 내부에는 직수 공급배관(140) 및 난방환수 공급배관(150)이 관통하여 설치되어 있다.

따라서, 축열조(120)에 고온의 냉각수가 채워진 상태에서 직수 공급배관(140) 및 난방환수 공급배관(150)을 통해 직수 및 난방환수가 흐르게 되면, 고온의 냉각수로부터 폐열을 회수한 직수 및 난방환수가 가열되고, 폐열을 재활용할 수 있게 된다.

즉, 종래에는 축열 탱크(도 1의 30)에 난방환수를 공급하면 폐열 회수배관(도 1의 31)을 따라 흐르는 물에 의해 상기 난방환수가 가열되고, 나아가 가열된 난방환수에 의해 직수 가열배관(도 1의 50)을 통해 흐르는 직수 역시 가열될 수 있도록 구성되어 있었다.

그러나, 본 발명은 축열조(120)에 난방환수가 아닌 고온의 냉각수가 채워지도록 한 다음 축열조(120) 내부를 관통하는 직수 공급배관(140) 및 난방환수 공급배관(150)을 통해 흐르는 직수 및 난방환수가 가열될 수 있도록 구성되어 있어서, 폐열 회수율 및 폐열 재활용율을 높일 수 있게 됨은 물론, 별도의 폐열회수 열교환기(도 1의 20) 등을 필요로 하지 않게 된다.

한편, 이상과 같은 축열조(120)는, 도 5에 도시되어 있는 바와 같이, 종래의 원통 형상 대신 그 단면 형상이 타원형인 통형으로 이루어져 있어, 그 두께를 감소시키고 슬림형이 가능하도록 하는 것이 바람직하다. 물론, 도시되지는 않았으나 그 단면 형상이 직사각형인 통형으로 이루어질 수도 있음은 자명한 것이다.

직수 공급배관(140)은 외부로부터 공급된 직수를 고온의 냉각수가 채워져 있는 축열조(120)의 내부에 순환시켜, 열교환을 통해 폐열을 회수하고 재활용할 수 있도록 하는 것으로, 이와 같이 열교환을 통해 가열된 직수는 온수로 사용된다.

이를 위해, 직수 공급배관(140)은 축열조(120) 내부를 관통하여 설치되며 축열조(120) 내부에서는 코일 형상으로 이루어져 있어 부피를 증가시키고 열교환률을 높이도록 하는 것이 바람직하다.

나아가, 직수 공급배관(140)은 축열조(120) 내부를 관통하여 보일러 등과 같은 보조열원공급장치(130)까지 연결되어, 축열조(120)에 채워진 고온의 냉각수에 의해 1차로 가열된 다음 보조열원공급장치(130)에 의해 2차로 추가 가열이 이루어질 수 있도록 구성된다.

난방환수 공급배관(150)은 가정이나 사무소 등의 각 난방 회로를 통과하면서 열을 빼앗긴 난방환수를 고온의 냉각수가 채워져 있는 축열조(120) 내부에 순환시켜 열교환이 이루어지도록 하는 것으로, 이와 같이 열교환을 통해 가열된 난방환수는 다시 난방에 사용된다.

이를 위해, 난방환수 공급배관(150)은 축열조(120) 내부를 관통하여 설치되며 직수 공급배관(140)과 같이 축열조(120) 내부에서는 코일 형상으로 이루어져 있다.

나아가, 난방환수 공급배관(150)도 축열조(120) 내부에서 1차 가열 후, 보조열원공급장치(130)에 의해 2차로 추가 가열되도록, 축열조(120) 내부를 관통하여 보조열원공급장치(130)까지 연결되어 있다.

단, 난방환수 공급배관(150)에는 난방환수가 직접 상기 보조열원공급장치(130)에 공급되거나 또는 상술한 바와 같이 축열조(120)에서 열교환이 이루어진 다음 보조열원공급장치(130)에 공급되도록 분기시키는 제4삼방밸브(151)를 설치하여, 필요에 따라서는 축열조(120)를 거치지 않고 직접 보조열원공급장치(130)에 의해 난방환수가 가열될 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

보조열원공급장치(130)는 축열조(120)에 내부에서 열교환을 함에 따라 1차로 가열된 직수 및 난방환수가 2차로 가열될 수 있게 하는 것으로, 일반적으로 가정이나 사무실 또는 공장 등에서 흔히 볼 수 있는 보일러가 그 대표적인 예일 것이며, 이러한 보조열원공급장치(130)에는 직수 공급배관(140) 및 난방환수 공급배관(150)이 연결되어 있어 직수 및 난방환수를 공급받아 가열할 수 있음은 물론, 온수 배출배관(170)과 난방수 배출배관(160)이 연결되어 있어 가열된 온수 및 난방수를 그 사용 목적지로 배출할 수 있도록 구성된다.

온수 배출배관(170)과 난방수 배출배관(160)은 각각 상술한 바와 같이 보조열원공급장치(130)를 거쳐 가열된 직수인 온수와, 역시 보조열원공급장치(130)를 거쳐 가열된 난방환수인 난방수가 배출될 수 있도록 하는 것으로, 보조열원공급장치(130)에 연결되어 있다.

특히, 직수 공급배관(140)의 보조열원공급장치(130) 인입측과 온수 배출배관(170)의 보조열원공급장치(130) 인출측 사이에는 직수 공급배관(140)을 공통노드로(common node)하여 보조열원공급장치(130)와 온수 배출배관(170)으로 분기하는 제1삼방밸브(3way-valve)(141)가 설치되어 있어, 보조열원공급장치(130)에서 추가로 가열이 필요하지 않은 경우에는 축열조(120)를 통해 1차로 가열된 직수가 보조열원공급장치(130)를 거치지 않고 온수 배출배관(170)을 통해 직접 배출되어 온수로 사용될 수 있도록 구성된다.

제어부(180)는 냉각수, 직수 및 난방환수의 온도에 따라 각 구역별로 그 흐름을 제어하기 위한 것으로, 제1삼방밸브(141) 내지 제4삼방밸브(151)의 개방동작을 제어하거나 또는 폐열 회수배관(113)에 설치된 순환펌프(114a, 114b)의 작동을 제어하며, 그 제어는 PID(비례/적분/미분)제어 방식을 사용하여 미세한 오차를 보정할 수 있도록 함은 물론, 각 구간에서의 유체 흐름이 원활이 이루어질 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

단, 제1삼방밸브(141) 내지 제4삼방밸브(151)는 상기 제어부(180)에 의해 유체 흐름의 방향을 조정할 수 있도록 개방 또는 페쇄 동작이 이루어질 수도 있으나, 자체에 설치된 온도센서(미도시)에 의해서 제어될 수도 있음은 당업자 수준에서 자명할 것이다.

예컨대, 회수배관(113b)에 설치된 제3삼방밸브(115b)의 온도센서에서 감지된 냉각수의 온도가 설정된 온도 이상인 경우에는 제3삼방밸브(115b)의 보조냉각부(117) 측이 개방되도록 하고, 직접 연료전지로 직접 향하는 측은 닫히도록 하여 설정온도 이상의 냉각수가 보조냉각부(117)를 경유할 수 있도록 하는 것과 같이 온도 센서에 의해서도 제1삼방밸브(141) 내지 제4삼방밸브(151)의 제어가 가능하다.

이하, 도 3을 참조하여, 상술한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 폐열회수 시스템의 동작에 대해 설명하도록 한다.

먼저, 발전에 의해 연료전지(110)의 스택(111) 및/또는 개질기(112)에서 열 이 발생하면, 폐열 회수배관(113)을 따라 흐르는 냉각수는 병렬 연결된 스택(111) 및/또는 개질기(112)에서 발생된 열을 각각 흡수하고, 스택(111)과 개질기(112)는 냉각 되도록 하여 연료전지(110)가 적정온도에서 정상 동작 되도록 한다.

열을 흡수한 고온의 냉각수는 폐열 회수배관(113)의 공급배관(113a)을 통해 축열조(120)에 공급되고, 축열조(120) 내부를 관통하여 설치된 직수 공급배관(140) 및 난방환수 공급배관(150)을 따라 흐르는 직수 및 난방환수와의 열교환을 통해 상기 직수 및 난방환수를 가열시킨다.

단, 공급배관(113a)에는 제2삼방밸브(115a) 설치되어 있어, 필요시에는 냉각수가 축열조(120)를 거치지 않고 직접 회수배관(113b)을 통해 연료전지(110)로 공급되는 순환이 이루어질 수도 있다.

축열조(120)에서 직수 및 난방환수와의 열교환을 통해 열을 빼앗긴 냉각수는 회수배관(113b)을 통해 다시 연료전지(110)로 공급되며, 이때 회수배관(113b)에는 제3삼방밸브(115b)가 설치되어 열교환을 마친 냉각수가 연료전지(110)에 공급되기에 적합하지 않은 경우에는 보조냉각부(117)를 통해 추가로 냉각된 다음 연료전지(110)에 공급되고, 연료전지(110)에 공급되기에 적합한 경우에는 보조냉각부(117)를 거치지 않고 직접 연료전지(110)에 공급된다.

한편, 축열조(120)에서 가열된 직수가 사용자의 온도 조절에 따라 더욱 고온으로 가열될 필요가 있는 경우에는 제1삼방밸브(141)을 거쳐 보조열원공급장치(130)에서 추가로 가열된 후 온수 배출배관(170)을 통해 배출되거나, 추가 가열이 필요하지 않은 경우에는 제1삼방밸브(141)을 거쳐 온수 배출배관(170)을 통해 직접 배출된다.

그리고, 난방환수는 이상과 같이 축열조(120)에서 가열된 다음 추가로 가열되어야 할 필요가 있는 경우에는 축열조(120)에서 배출된 난방환수가 보조열원공급장치(130)에서 가열된 다음 난방수 배출배관(160)을 통해 난방 회로로 배출되거나, 축열조(120)에서 가열되지 않고 보조열원공급장치(130)에서만 가열된 다음 난방수 배출배관(160)을 통해 난방 회로로 배출된다.

따라서, 회수된 폐열의 재활용에 의해 가열된 직수 및 난방환수를 온수나 난방수로 사용할 수 있게 된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 폐열회수 시스템에 대해 상세히 설명하도록 한다.

본 발명의 다른 실시예는 난방환수가 고온의 냉각수와 함께 축열조에 공급 및 혼합되어 열교환이 이루어진다는 점이 본 발명의 일 실시예와 비교하여 다르다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 폐열회수 시스템을 나타낸 구성도이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 폐열회수 시스템은 연료전지(210)와, 폐열 회수배관(213)과, 축열조(220)와, 직수 공급배관(240)과, 난방환수 공급배관(250)과, 보조열원공급장치(230)와, 온수 배출배관(270)과, 난방수 배출배관(260) 및 제어부(280) 등을 포함하여 구성된다.

즉, 발전시 연료전지(210)를 냉각시키면서 열을 흡수한 냉각수가 폐열 회수 배관(213)을 통해 축열조(220)에 직접 공급되고, 축열조(220)에 채워진 고온의 냉각수가 난방환수 공급배관(250)을 통해 축열조(220)에 공급되는 난방환수와의 혼합을 통해 열교환하거나, 축열조(220)내부를 관통하여 장치된 직수 공급배관(240)을 따라 흐르는 직수와의 열교환함으로써 폐열이 회수될 수 있게 된다.

따라서, 폐열 회수율 및 폐열 재활용율을 더욱 높일 수 있음은 물론, 축열조(220) 내부에서 난방환수 공급배관(250)이 제거하여, 축열조(220)의 사이즈를 감소시키고 유지보수를 용이하게 한다.

좀더 상세히 설명하면, 연료전지(210)는 수소(H)와 산소(O)의 화학 결합 반응 현상을 응용하여 전기를 발생시키는 것으로, 수소와 산소의 화학 결합반응을 일으키는 스택(211)과 수소 공급원으로써 연료를 개질하여 수소를 발생시키는 개질기(212)를 포함하여 구성되고, 스택(211)과 개질기(212)는 폐열 회수배관(213)에 의해 병렬 연결되며, 순환펌프(214a, 214b)가 각각 설치되어 있어서 폐열 회수 효율을 높일 수 있도록 한다.

폐열 회수배관(213)은 냉각수가 순환하는 폐회로를 구성하여 연료전지(210)를 냉각시킴은 물론, 열교환을 통해 가열된 냉각수를 축열조(220)에 공급할 수 있도록 하기 위한 것으로, 공급배관(213a) 및 회수배관(213b)을 포함한다.

이때, 공급배관(213a)에는 제2삼방밸브(215a)가 설치되고, 회수배관(213b)에는 제3삼방밸브(215b)가 설치되어 있어서, 제2삼방밸브(215a)에 의해서는 발전시 연료전지(210)를 거쳐 흘러나온 고온의 냉각수가 유량 스위치(216)을 통해 축열조(220)에 공급될 수 있게 하거나, 또는 발전 정지시 저온의 냉각수가 축열조(220)를 거치지 않고 직접 회수배관(213b)을 통해 연료전지(210)로 공급되는 순환이 이루어질 수 있게 한다.

또한, 제3삼방밸브(215b)에 의해서는 축열조(220)에서 난방환수와 혼합된 저온의 냉각수가 직접 연료전지(210)로 공급될 수 있게 하거나, 축열조(220)에서 열교환이 충분이 이루어지지 않아 연료전지(210)를 냉각시키기에 적절한 온도가 아닌 경우에는 보조냉각부(217)를 통해 추가 냉각이 이루어진 다음 연료전지(210)에 공급될 수 있게 한다.

축열조(220)는 연료전지(210)에서 발생한 폐열을 회수하여 직수 및 난방환수의 가열이 이루어질 수 있도록 하는 것으로, 이러한 축열조(220)에는 폐열 회수배관(213)의 공급배관(213a)이 연결되는 공급구(미도시)와, 폐열 회수배관(213)의 회수배관(213b)이 연결되는 배출구(미도시)가 형성되어 있으며, 그 내부에는 직수 공급배관(240) 및 난방환수 공급배관(250)이 관통하여 설치되어 있다.

따라서, 축열조(220)에 고온의 냉각수가 채워진 상태에서 난방환수 공급배관(250)을 통해 난방환수가 공급되면, 고온의 냉각수와 저온의 난방환수가 축열조(220) 내에서 혼합되면서 열교환이 이루어짐은 물론, 직수 공급배관(240)을 통해 직수가 흐르게 되면 직수가 열교환을 통해 가열된다.

단, 축열조(220)는 도 5에 도시되어 있는 바와 같이 그 단면 형상이 타원형 인 통형으로 이루어지거나 또는 도시 생략된 직사각형으로 이루어져 있어, 그 두께를 감소시키고 슬림형이 가능하도록 하는 것이 바람직함은 이미 위에서 설명한 바 있다.

직수 공급배관(240)은 외부로부터 공급된 직수가 축열조(220)의 내부를 순환할 수 있도록 함으로써, 열교환을 통해 폐열을 회수하고 재활용할 수 있도록 하는 것으로 폐열을 회수한 직수는 온수로 사용된다.

직수 공급배관(240)은 축열조(220) 내부를 관통하여 설치되며 축열조(220) 내부에서는 코일 형상으로 이루어져 있으며, 축열조(220) 내부를 관통하여 보조열원공급장치(230)까지 연결되어, 보조열원공급장치(230)에 의해 추가 가열이 이루어질 수 있도록 구성된다.

난방환수 공급배관(250)은 가정이나 사무소 등의 각 난방 회로를 통과하면서 열을 빼앗긴 난방환수거 축열조(220) 내부에 공급됨으로써 열교환이 이루어지도록 하는 것으로, 이와 같이 열교환을 통해 가열된 난방환수는 다시 난방에 사용된다.

이를 위해, 난방환수 공급배관(250)은 난방환수가 축열조(220) 내부에 공급되도록 해당 축열조(220)와 연결되어 있으며, 보조열원공급장치(230)에 의해 추가 가열되도록 축열조(220)와 보조열원공급장치(230) 사이에 연결되어 있다.

단, 난방환수 공급배관(250)에는 제4삼방밸브(251)가 설치되어 있어서, 필요에 따라서는 축열조(220)를 거치지 않고 직접 보조열원공급장치(230)에 의해 난방 환수가 가열될 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

보조열원공급장치(230)는 축열조(220) 내부에서 열교환을 함에 따라 1차 가열된 직수 및 냉각수와 난방환수의 혼합수가 2차 가열될 수 있게 하는 것으로, 이러한 보조열원공급장치(230)에는 직수 공급배관(240) 및 난방환수 공급배관(250)이 연결되어 있어 직수 및 난방환수를 공급받아 가열할 수 있음은 물론, 온수 배출배관(270)과 난방수 배출배관(260)이 연결되어 있어 가열된 온수 및 난방수를 그 사용 목적지로 배출할 수 있도록 구성된다.

온수 배출배관(270)과 난방수 배출배관(260)은 각각 상술한 바와 같이 보조열원공급장치(230)를 거쳐 가열된 직수인 온수와, 보조열원공급장치(230)를 거쳐 가열된 혼합수(냉각수와 난방환수)인 난방수가 배출될 수 있도록 하는 것으로, 보조열원공급장치(230)에 연결되어 있다.

특히, 직수 공급배관(240)의 보조열원공급장치(230) 인입측과 온수 배출배관(270)의 보조열원공급장치(230) 인출측 사이에는 제1삼방밸브(241)가 설치되어 있어, 보조열원공급장치(230)에서 추가로 가열될 필요가 없는 경우에는 직수가 보조열원공급장치(230)를 거치지 않고 온수 배출배관(270)을 통해 직접 배출되어 온수로 사용될 수 있도록 구성된다.

제어부(280)는 냉각수, 직수 및 난방환수의 온도에 따라 각 구역별로 그 흐 름을 제어하기 위한 것으로, 제1삼방밸브(241) 내지 제4삼방밸브(251)의 개방동작을 제어하거나 또는 폐열 회수배관(213)에 설치된 순환펌프(214a, 214b)의 작동을 제어하며, 그 제어는 PID(비례/적분/미분)제어 방식을 사용하는 것이 바람직하다.

단, 제1삼방밸브(241) 내지 제4삼방밸브(251)는 상기 제어부(280)에 의해 유체 흐름의 방향을 조정할 수 있도록 개방 또는 페쇄 동작이 이루어질 수도 있으나, 자체에 설치된 온도센서(미도시)에 의해 유체(냉각수, 직수, 및 난방환수 등)의 온도에 따라 동작 될 수도 있음은 당업자 수준에서 자명할 것이다.

이상에서 본 발명에 의한 연료전지 폐열회수 시스템에 대해 설명하였다. 이러한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

본 발명의 연료전지 폐열회수 시스템은 연료전지에서 발생하는 폐열을 회수하여 온수나 난방에 재활용함에 있어서, 연료전지의 폐열 회수율 및 폐열 재사용율 을 향상시킬 수 있게 되어 자원의 효과적인 사용이 가능하게 함은 물론, 설비 사이즈 및 비용을 감소시킬 수 있게 되어 폐열의 회수를 통한 재사용을 용이하게 한다.

도 1은 종래 기술에 따른 연료전지 폐열회수 시스템을 나타낸 구성도이다.

도 2는 종래 기술에 따른 연료전지 폐열회수 시스템의 축열조를 나타낸 구성도이다.

도 5는 본 발명에 따른 연료전지 폐열회수 시스템의 축열조를 나타낸 구성도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

110, 210: 연료전지 111, 211: 스택

112, 212: 개질기 113, 213: 폐열 회수배관

117, 217: 보조냉각부 120, 220: 축열조

140, 240: 직수 공급배관 150, 250: 난방환수 공급배관

130, 230: 보조열원공급장치 141, 241: 삼방밸브

Claims

연료전지에서 발생하는 폐열을 회수하여 재사용하는 연료전지 폐열회수 시스템에 있어서,

폐열 회수배관을 순환하는 냉각수와의 열교환을 통해 냉각되는 연료전지와;

상기 연료전지와의 열교환을 통해 가열된 고온의 냉각수를 공급받아 저장하는 축열조와;

상기 축열조에 저장된 고온의 냉각수와의 열교환을 통해 폐열을 회수하도록, 상기 축열조 내부를 관통하여 설치되는 직수 공급배관과;

상기 축열조에 저장된 고온의 냉각수와의 열교환을 통해 폐열을 회수하도록, 상기 축열조 내부를 관통하여 설치되는 난방환수 공급배관과;

상기 폐열을 회수한 직수와 난방환수를 공급받아 가열하는 보조열원공급장치와;

상기 보조열원공급장치를 통해 가열된 직수를 배출하도록 연결되는 온수 배출배관과;

상기 보조열원공급장치를 통해 가열된 난방환수를 배출하도록 연결되는 난방수 배출배관; 및

상기 냉각수, 직수 및 난방환수의 공급량을 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 폐열회수 시스템.
연료전지에서 발생하는 폐열을 회수하여 재사용하는 연료전지 폐열회수 시스템에 있어서,

폐열 회수배관을 순환하는 냉각수와의 열교환을 통해 냉각되는 연료전지와;

상기 연료전지와의 열교환을 통해 가열된 고온의 냉각수를 공급받아 저장하는 축열조와;

상기 축열조에 저장된 고온의 냉각수와의 열교환을 통해 폐열을 회수하도록 상기 축열조에 연결되어, 난방환수를 상기 축열조에 공급하는 난방환수 공급배관과;

상기 고온의 냉각수 및 난방환수가 혼합된 혼합수와의 열교환을 통해 폐열을 회수하도록, 상기 축열조 내부를 관통하여 설치되는 직수 공급배관과;

상기 폐열을 회수한 직수와 난방환수를 공급받아 보조적으로 가열하는 보조열원공급장치와;

상기 보조열원공급장치를 통해 가열된 직수를 배출하도록 설치되는 온수 배출배관과;

상기 보조열원공급장치를 통해 가열된 난방환수를 배출하도록 설치되는 난방수 배출배관; 및

상기 냉각수, 직수 및 난방환수의 공급량을 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 폐열회수 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 연료전지는 화학반응에 의해 전기를 발생시키는 스택(stack) 및 상기 스택에 화학반응물질을 공급하는 개질기(reformer)를 포함하고, 상기 스택과 개질기는 상기 폐열 회수배관에 의해 병렬 연결되며, 상기 스택과 개질기에는 서로 독립하여 동작하는 냉각수 순환 펌프가 각각 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 폐열회수 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 직수 공급배관의 보조열원공급장치 인입측과 상기 온수배출배관의 보조열원공급장치 인출측 사이에는 상기 직수 공급배관을 공통노드(common node)로 하여 상기 보조열원공급장치와 온수배출배관으로 분기하는 제1삼방밸브(3way-valve)가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 폐열회수 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 제어부는 상기 냉각수, 직수 및 난방환수의 온도에 따라 각 구역별로 상기 냉각수, 직수 및 난방환수의 흐름을 PID(비례/적분/미분)제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 폐열회수 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 폐열 회수배관은 상기 축열조에 고온의 냉각수를 공급하도록 설치된 공급배관과 상기 축열조에서 열교환을 마친 저온의 냉각수를 회수하여 상기 연료전지로 공급하도록 보조냉각부가 설치된 회수배관을 구비하되,

상기 공급배관에는 상기 고온의 냉각수의 흐름을 상기 축열조와 회수배관으로 분기시키는 제2삼방밸브가 설치되고,

상기 회수배관에는 상기 축열조에서 열교환을 마친 저온의 냉각수의 흐름을상기 연료전지와 보조냉각부로 분기시키는 제3삼방밸브가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 폐열회수 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 난방환수 공급배관에는 난방환수의 흐름을 상기 보조열원공급장치와 축열조 분기시키는 제4삼방밸브가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 폐열회수 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 축열조는 단면이 사각형 또는 타원형인 통형으로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 폐열회수 시스템.