KR20100091022A

KR20100091022A - 연료전지 시스템

Info

Publication number: KR20100091022A
Application number: KR1020090010294A
Authority: KR
Inventors: 김호석; 홍병선; 신미남
Original assignee: (주)퓨얼셀 파워
Priority date: 2009-02-09
Filing date: 2009-02-09
Publication date: 2010-08-18
Also published as: KR101022010B1; CN102308421A; WO2010090403A2; WO2010090403A3; CN102308421B

Abstract

본 발명의 일 실시예는 연료전지 시스템 운전시, 축열조의 온도변화 및 주변환경의 변화에도 에너지 이용률을 높이는 연료전지 시스템에 관한 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템은, 연료가스와 산화제가스를 이용하여 직류전력 및 열을 생산하는 연료전지스택, 상기 연료전지스택에서 생산된 직류전력을 교류전력으로 변환하는 전력변환기, 상기 연료전지스택에 냉각수를 순환시켜 상기 연료전지스택의 온도 상태를 설정수준으로 유지하는 냉각장치, 상기 냉각장치에 연결되어 냉각수와 열교환하는 물을 순환시켜 상기 연료전지스택에서 생산된 폐열을 회수하여 저장하는 축열조, 상기 축열조에 연결되어 상기 물과 열교환하는 온수를 순환시켜 상기 축열조의 부족한 열을 보충하는 보조열원기, 상기 축열조 및 상기 보조열원기 중 적어도 하나에 연결되어 상기 물 또는 온수를 순환시키고, 제1 공랭식 팬으로 공기를 공급하여 상기 물 또는 온수와 열교환시키는 제1 열교환기, 및 상기 제1 열교환기에 연결되어 상기 제1 열교환기에서 가열된 고온의 공기를 이용하는 제1 열이용기기를 포함한다.

연료전지스택, 축열조, 보조열원기, 열교환기, 열이용기기, 공랭식 팬

Description

연료전지 시스템 {Fuel Cell System}

본 발명은 연료전지 시스템 운전시, 에너지 이용률을 높이는 연료전지 시스템에 관한 것이다.

예를 들면, 연료전지 시스템은 고분자 전해질 연료전지(PEMFC; Proton Exchange Membrane Fuel Cell)를 사용하며, 탄화수소계열의 원료(LNG, LPG 등)를 사용하여 수소가 풍부한 개질가스로 치환하는 연료처리장치, 수소가 풍부한 개질가스와 공기 중의 산소를 전기화학 반응시켜 직류전력을 발생시키는 연료전지스택, 직류전력을 교류전력으로 변환하는 전력변환기, 각종 과정에 필요한 주변기기(BOP; Balance Of Plant)와 제어기, 및 연료전지스택 작동 시에 발생하는 열을 회수하는 열회수장치를 포함한다.

열회수장치는 연료전지스택에서 회수된 폐열을 저장하는 축열조와, 폐열 회수의 부족한 열원을 보충하는 보조열원기로 구성되며, 열회수장치에 회수되어 저장되는 열은 온수나 난방수로 사용된다.

연료전지 시스템 운전시, 연료전지스택에서 전기와 열이 생산되지만, 축열조의 온도변화 및 주변환경의 변화, 예를 들면, 주변환경의 온도가 높아서 냉방기를 많이 사용하는 여름철에는, 발생된 열을 적게 사용하고, 전력을 많이 사용하게 된다. 즉 열과 전력의 사용량에 불균형이 초래된다. 따라서 열회수장치에서 온수 및 열을 강제로 버리면서, 연료전지스택에서 전기를 생산하게 되므로 연료전지 시스템에서 에너지 이용률이 낮아진다.

본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템은, 상기 제1 공랭식 팬이 설치되는 상기 제1 열교환기의 공기배출포트에 설치되어 압력을 감지하는 제1 압력센서를 더 포함할 수 있다.

상기 제1 열이용기기는 상기 제1 열교환기로부터 고온의 공기를 유입하여 열을 이용하고, 냉각된 저온의 공기를 배출하는 공기배출포트를 가지며, 상기 공기배출포트 측에 설치되어 공기를 배출시키는 배기팬을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템은, 상기 축열조와 상기 냉각장치 사이에 설치되어 상기 축열조에서 상기 냉각장치로 물을 순환시키는 물펌프와, 상기 냉각장치와 상기 축열조 사이에 설치되어 상기 냉각장치에서 회수되는 상기 물을 상기 물펌프 및 상기 축열조에 선택적으로 공급하는 삼방향밸브를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템은, 상기 삼방향밸브와 상기 물펌프 사이에 설치되어, 상기 삼방향밸브로 배출되는 물을 상기 냉각장치로 재순환시키고, 제2 공랭식 팬으로 공기를 공급하여 상기 물과 열교환시키는 제2 열교환기를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템은, 제2 공랭식 팬이 설치되는 상기 제2 열교환기의 공기배출포트에 설치되어 압력을 감지하는 제2 압력센서를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템은, 상기 보조열원기에 연결되는 난방수 공급라인과 난방수 회수라인에 연결되어 상기 난방수를 순환시키고, 상 기 난방수와 열교환된 고온의 공기를 이용하는 제2 열이용기기를 더 포함할 수 있다.

상기 제2 열이용기기는, 제3 공랙식 팬으로 공기를 공급하여 상기 난방수와 열교환시키는 제3 열교환기를 더 포함할 수 있다.

이와 같이 본 발명의 일 실시예는 축열조 및 보조열원기 중 적어도 하나에 열교환기를 연결하고, 열교환기에 열이용기기를 연결하므로 축열조에서 남는 열을 이용하여 열이용기기를 이용할 수 있게 한다. 즉 연료전지 시스템 운전시, 축열조의 온도변화 및 주변환경의 변화 시에도 에너지의 이용률을 높이는 효과가 있다. 예를 들면, 축열조의 남는 열은 열이용기기에서, 즉 빨래 건조기, 음식물 쓰레기 건조기, 식기 건조기 및 공기 난방기 등에서 고온의 공기로 변환되어 이용될 수 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.

도1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템을 개략적으로 나타내는 구성도이다. 도1을 참조하면, 제1 실시예의 연료전지 시스템(100)은 전력과 열을 생산하는 연료전지발전모듈(110) 및 생산되는 열을 회수하여 저장하는 열회수장치(120)를 포함한다.

열료전지발전모듈(110)은 연료처리장치(10), 연료전지스택(20), 냉각장치(30), 전력변환기(40), 시스템제어기(50) 및 각종 주변기기(BOP; balance of plant)(미도시)를 포함한다.

연료처리장치(10)는 물 및 공기와 함께 탄화수소계열의 연료를 원료로 하여 수소가 풍부한 개질가스로 치환한다. 연료전지스택(20)은 산소가 포함된 공기와 개질가스를 이용하여 전기화학 반응을 일으켜 직류전력 및 열을 생산한다.

냉각장치(30)는 열회수장치(120)와 제1 물펌프(31)로 연결되어, 열회수장치(120)의 물을 이송하여 연료전지스택(20)의 고온 냉각수와 열교환하여, 열회수장치(120)에 축열시킬 수 있게 한다.

전력변환기(40)는 연료전지스택(20)에서 생산된 직류전력을 교류전력으로 전환한다. 시스템제어기(50)는 연료전지발전모듈(110) 및 연료전지발전모듈(110)을 전체적으로 제어한다.

열회수장치(120)는 축열조(60), 보조열원기(70), 제1 열교환기(80) 및 각종 주변기기(BOP; balance of plant)를 포함한다. 축열조(60)는 냉각장치(30)에 연결되어 연료전지스택(20)에서 생산된 열을 회수 저장한다. 보조열원기(70)는 온수, 예를 들면 난방수를 순환시켜 축열조(60)의 물과 열교환하여 축열조(60)의 부족한 열을 보충한다.

제1 열교환기(80)는 축열조(60) 및/또는 보조열원기(70)에 연결되어 이들로부터 공급되는 고온의 물을 순환시키고, 제1 공랭식 팬(81)으로 열원매체인 공기를 공급하여 서로 열교환시킨다. 편의상, 제1 실시예에서 제1 열교환기(80)는 축열조(60)와의 사이에 제2 물펌프(82)를 개재하여 연결되어, 축열조(60)로부터 고온의 물을 공급받는다.

연료전지 시스템(100)은 제1 열교환기(80)에 연결되는 제1 열이용기기(90)를 더 포함한다. 제1 열교환기(80)는 연료전지 시스템(100) 운전시, 축열조(60)의 온도변화 및 주변환경의 변화에도, 즉 축열조(60)의 잔여 열을 이용하여 제1 열이용기기(90)를 구동시킴으로써 연료전지 시스템(100)의 에너지 이용률을 높인다.

제1 열교환기(80)는 제2 물펌프(82)로부터 공급되는 고온의 물이 순환하는 통로를 가지고, 또한, 제1 공랭식 팬(81)의 구동에 따라 공기가 유입되어 배출되는 공기유입포트(84)와 공기배출포트(85)를 가지므로 고온의 물과 공기를 열교환시킨다.

제1 압력센서(86)는 제1 열교환기(80)의 공기배출포트(85)에 구비되어, 공기배출포트(85) 내의 압력을 감지하고, 시스템제어기(50)에 연결되어 감지신호를 전달한다. 따라서 시스템제어기(50)는 제1 압력센서(86)의 감지신호에 따라, 즉 공기배출포트(85)의 부압 또는 압력 감소가 설정치(예를 들면, 1.5kpa) 이상 발생될 경우, 제1 열이용기기(90)가 작동하는 것으로 인식하여, 제1 열교환기(80) 및 제1 공랭식 팬(81)를 제어한다.

제1 열이용기기(90)는 제1 열교환기(80)의 공기배출포트(85)에 공기통로(87) 로 연결되어 고온의 공기를 유입하는 공기유입포트(91)와, 고온 공기의 열을 이용하고 냉각된 저온의 공기를 배출하는 공기배출포트(92)를 가진다.

배기팬(93)은 제1 열교환기(80)의 공기배출포트(92)에 설치되어, 공기유입포트(91)를 통하여 고온의 공기가 유입되고, 제1 열이용기기(90) 내에서 공기가 순환되며, 그리고 공기배출포트(92)로 저온의 공기가 배출되는 일련의 흐름을, 즉 원활한 공기 흐름을 형성한다.

예를 들면, 제1 열이용기기(90)는 공기를 열원으로 사용하는 빨래 건조기, 음식물 쓰레기 건조기, 식기 건조기 및 공기 난방기 등을 포함하며, 이들은 공기통로(87)에 직렬 또는 병렬로 연결되어 사용될 수 있다(미도시).

시스템제어기(50)는 여름철과 같이 열 사용량이 적어서 축열조(60)에 열이 가득 차는 경우, 제2 물펌프(82) 및 제1 공랭식 팬(81)을 구동하여, 고온의 물을 제1 열교환기(80)로 공급하여 공기와 열교환시켜 생성된 고온의 공기를 제1 열이용기기(90)에 공급할 수 있게 한다. 따라서 열을 많이 사용하지 않은 시기에 축열조(60)의 잔여 열을 제1 열이용기기(90)에서 이용하므로 연료전지 시스템(100)의 에너지 이용률이 높아진다.

제1 실시예의 연료전지 시스템(100)은 600도씨 이상의 고온에서 작동하는 용융탄산염형 연료전지 시스템(MCFC; Molten Carbonate Fuel Cells), 고체산화물형 연료전지 시스템(SOFC; Solid Oxide Fuel Cells), 200도씨 이하의 비교적 저온에서 작동하는 인산형 연료전지 시스템(PAFC; Phosphoric Acid Fuel Cells) 및 도시가스를 연료를 사용하는 것과는 달리 메탄올을 연료로 사용하는 직접메탄올 연료전지 시스템(DMFC; Direct Methanol Fuel Cells)과 같이 다양한 종류의 연료전지 시스템에 적용될 수 있다.

이하에서 설명되는 제2 및 제3 실시예와 제1 실시예는, 전체적인 구성에 있어서, 서로 유사 내지 동일하므로 제1 실시예와 각각 비교하여, 서로 다른 부분에 대하여 설명한다.

도2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 시스템을 개략적으로 나타내는 구성도이다.

제1 실시예의 제1 열교환기(80)는 축열조(60) 및/또는 보조열원기(70) 중 하나에 연결되어 고온의 물을 공급받을 수 있으며, 도1에서는 일례로써 축열조(60)에 연결되어 고온의 물을 공급받는 것으로 설명하였다.

이에 비하여, 제2 실시예의 제2 열교환기(280)는 축열조(60)와 냉각장치(30) 사이에서, 축열조(60)의 물을 순환시켜 냉각장치(30)의 냉각수와 열교환한 고온의 물을 공급받는다. 즉 제2 열교환기(280)는 축열조(60)의 물이 열로 가득 차지 않은 경우는 냉각장치(30)로부터 열교환된 열을 받을 수 있게 한다.

도2를 참조하면, 제2 실시예의 연료전지 시스템(200)은 축열조(60)와 냉각장치(30) 사이에서 제1 물펌프(31)에 병렬로 배치되는 삼방향밸브(32)를 포함한다.

즉 제1 물펌프(31)는 축열조(60)와 냉각장치(30) 사이에 설치되어 축열조(60)에서 냉각장치(30)로 상대적으로 저온의 물을 순환시켜 냉각장치(30)의 고온 냉각수와 열교환시킨다. 삼방향밸브(32)는 냉각장치(30)와 축열조(60) 사이에 설치되어 냉각장치(30)에서 회수되는 물을 축열조(60)로 공급하거나 제1 물펌프(31)로 공급할 수 있도록 선택한다.

제2 열교환기(280)는 삼방향밸브(32)와 제1 물펌프(31) 사이에 설치되어, 삼방향밸브(32)에서 냉각장치(30)로 물을 재순환시키면서, 제2 공랭식 팬(281)으로 공기를 공급하여 물과 열교환시킨다.

제2 열교환기(280)는 공기유입포트(284)과 공기배출포트(285)를 가지며, 제2 공랭식 팬(281)에 의하여 공기유입포트(384)로 유입되는 저온의 공기를 가열하여 공기배출포트(385)로 고온의 공기를 배출한다.

제2 열교환기(280)의 공기배출포트(285)에는 제1 실시예의 제1 열이용기기(90)와 동일한 구조의 열이용기기(미도시)가 연결된다. 제2 열교환기(280)와 열이용기기의 연결 구조는 제1 열교환기(80)와 제1 열이용기기의 연결 구조와 동일하므로 여기서 생략한다. 또한 제2 열교환기(280) 및 열이용기기는 제1 실시예의 제1 열교환기(80) 및 제1 열이용기기(90)와 병행 사용될 수 있으나(미도시), 도2에서와 같이 독립적으로 사용될 수도 있다.

제2 압력센서(286)는 제1 실시예에서와 같이, 제2 열교환기(280)의 공기배출포트(285)에 구비되어, 공기배출포트(285) 내의 압력을 감지하고, 시스템제어기(50)에 연결되어 감지신호를 전달한다.

시스템제어기(50)는 제2 압력센서(286)의 감지신호에 따라, 즉 공기배출포트(285)의 부압 또는 압력 감소가 설정치(예를 들면, 1.5kpa) 이상 발생될 경우, 열이용기기(미도시)가 작동하는 것으로 인식한다.

열이용기기가 작동하는 경우, 시스템제어기(50)는 제1 물펌프(21)와 삼방향 밸브(32)를 제어하여 냉각장치(30)에서 회수되는 물이 제1 물펌프(31)로 공급되도록 전환하고, 제2 열교환기(280)의 제2 공랭식 팬(281)을 작동시켜, 제2 열교환기(280)에서 가열된 고온의 공기를 열이용기기로 공급한다.

이와 같이, 축열조(60)에 열이 가득 찬 경우 외에도 연료전지스택(20)에서 발생되는 열을 열이용기기의 작동시점에 고온의 공기로 공급할 수 있으므로, 열 상용의 편의성과 이용성이 높아진다.

도3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료전지 시스템을 개략적으로 나타내는 구성도이다.

제1 실시예에 비하여, 제3 실시예는 제2 열이용기기(290)를 열회수장치(320)에, 예를 들면, 보조열원기(70)의 난방수 공급라인(71)과 난방수 회수라인(72)에 연결하여 난방수를 순환시키고, 난방수와 열교환된 고온의 공기를 이용한다.

제2 열이용기기(290)는 제3 열교환기(380)와 제3 공랭식 팬(381)을 포함한다. 제2 열이용기기(290)는 제3 공랭식 팬(381)의 구동에 의하여 공기유입포트(291)로 공기를 유입하여, 제3 열교환기(380)에서 난방수와 열교환하여 가열한 후, 공기배출포트(292)를 통하여 배출한다.

제3 실시예의 연료전지 시스템(300)은 연료전지 시스템(300)의 열을 공기가 아닌 난방수로 전달하는 구성을 예시한다.

제3 실시예의 제2 열이용기기(290)와 제3 열교환기(380)는 제1 실시예의 제1 열교환기(80)와 제1 열이용기기(90) 및 제2 실시예의 제2 열교환기(280)와 열이용기기 중 어느 하나와 또는 두 가지와 조합되어 사용될 수 있다. 도3은 제1 실시예 의 구성에 제2 열이용기기(290)를 추가한 구성을 예시한다.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

도1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템을 개략적으로 나타내는 구성도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100, 200, 300 : 연료전지 시스템 110 : 연료전지발전모듈

120, 220, 320 : 열회수장치 10 : 연료처리장치

20 : 연료전지스택 30 : 냉각장치

31, 82 : 제1, 제2 물펌프 32 : 삼방향밸브

40 : 전력변환기 50 : 시스템제어기

60 : 축열조 70 : 보조열원기

80, 280, 380 : 제1, 제2, 제3 열교환기

81, 281, 381 : 제1, 제2, 제3 공랭식 팬

84, 284, 384, 91, 291 : 공기유입포트

85, 285, 385, 92, 292 : 공기배출포트

87 : 공기통로 90, 290 : 제1, 제2 열이용기기

Claims

연료가스와 산화제가스를 이용하여 직류전력 및 열을 생산하는 연료전지스택;

상기 연료전지스택에서 생산된 직류전력을 교류전력으로 변환하는 전력변환기;

상기 연료전지스택에 냉각수를 순환시켜 상기 연료전지스택의 온도 상태를 설정수준으로 유지하는 냉각장치;

상기 냉각장치에 연결되어 냉각수와 열교환하는 물을 순환시켜 상기 연료전지스택에서 생산된 폐열을 회수하여 저장하는 축열조;

상기 축열조에 연결되어 상기 물과 열교환하는 온수를 순환시켜 상기 축열조의 부족한 열을 보충하는 보조열원기;

상기 축열조 및 상기 보조열원기 중 적어도 하나에 연결되어 상기 물을 순환시키고, 제1 공랭식 팬으로 공기를 공급하여 상기 물과 열교환시키는 제1 열교환기; 및

상기 제1 열교환기에 연결되어 상기 제1 열교환기에서 가열된 고온의 공기를 이용하는 제1 열이용기기를 포함하는 연료전지 시스템.
제1 항에 있어서,

상기 제1 공랭식 팬이 설치되는 상기 제1 열교환기의 공기배출포트에 설치되 어 압력을 감지하는 제1 압력센서를 더 포함하는 연료전지 시스템.
제2 항에 있어서,

상기 제1 열이용기기는

상기 제1 열교환기로부터 고온의 공기를 유입하여 열을 이용하고, 냉각된 저온의 공기를 배출하는 공기배출포트를 가지며,

상기 공기배출포트 측에 설치되어 공기를 배출시키는 배기팬을 더 포함하는 연료전지 시스템.
제1 항에 있어서,

상기 축열조와 상기 냉각장치 사이에 설치되어 상기 축열조에서 상기 냉각장치로 물을 순환시키는 물펌프와,

상기 냉각장치와 상기 축열조 사이에 설치되어 상기 냉각장치에서 회수되는 상기 물을 상기 물펌프 및 상기 축열조에 선택적으로 공급하는 삼방향밸브를 더 포함하는 연료전지 시스템.
제4 항에 있어서,

상기 삼방향밸브와 상기 물펌프 사이에 설치되어, 상기 삼방향밸브로 배출되는 물을 상기 냉각장치로 재순환시키고, 제2 공랭식 팬으로 공기를 공급하여 상기 물과 열교환시키는 제2 열교환기를 더 포함하는 연료전지 시스템.
제5 항에 있어서,

제2 공랭식 팬이 설치되는 상기 제2 열교환기의 공기배출포트에 설치되어 압력을 감지하는 제2 압력센서를 더 포함하는 연료전지 시스템.
제1 항에 있어서,

상기 보조열원기에 연결되는 난방수 공급라인과 난방수 회수라인에 연결되어 상기 난방수를 순환시키고, 상기 난방수와 열교환된 고온의 공기를 이용하는 제2 열이용기기를 더 포함하는 연료전지 시스템.
제7 항에 있어서,

상기 제2 열이용기기는,

제3 공랙식 팬으로 공기를 공급하여 상기 난방수와 열교환시키는 제3 열교환기를 더 포함하는 연료전지 시스템.