KR20160007750A - 열효율이 증가된 연료전지를 이용한 난방장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 열효율이 증가된 연료전지 및 이를 이용한 난방장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 개질기, 연료전지 스택, 스팀생성기를 포함하는 연료전지부; 연료전지부에서 생성되는 열을 단열하기 위하여 설치되는 단열재; 단열재의 면을 따르도록 설치되는 흡열수배관 및 흡열가스배관을 포함하며; 흡열수배관에서 열교환한 물이 바이패스밸브에 의하여 연료전지 스택의 발전에 이용되거나 난방에 이용되고, 흡열가스배관에서 열교환한 가스는 흡열수배관에서 열교환한 물과 함께 연료전지 스택의 발전에 이용되는 것을 특징으로 하는 열효율이 증가된 연료전지 및 이를 이용한 난방장치를 제공한다.
이에 의하면 연료 및 물을 예열하여 연료전지 시스템의 안정적인 운전을 가능하게 하고 버너에 들어갈 연료를 절감하여 시스템의 전체적인 효율을 증가시키는 효과가 있다. 또한 효율적으로 연료전지에서 발생하는 열을 난방에 효율적으로 이용할 수 있고, 고온상태를 유지하여야 운전 가능한 고체 산화물 연료전지에서 발생하는 열을 제어할 수 있는 효과가 있다.

Description

열효율이 증가된 연료전지 및 이를 이용한 난방장치{Fuel Cell with Improved Thermal Efficiency and Heating Apparatus using the same}
본 발명은 열효율이 증가된 연료전지 및 이를 이용한 난방장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)에 유입되는 연료 및 공기와 물을 예열하여 연료전지의 주 열원인 버너가 배출하는 가스의 온도가 기존보다 낮아도 연료전지 시스템의 안정적인 운전을 가능하게 하고 버너에 들어갈 연료를 절감하여 시스템의 전체적인 효율을 증가시키며, 또한 상기 예열된 물을 연료전지의 운전 온도에 따라 적절하게 난방에 활용하는 열효율이 증가된 연료전지 및 이를 이용한 난방방치에 관한 것이다.
지구 온난화 문제를 해결하기 위하여 다양한 신재생에너지(Renewable Energy)를 활용한 CO2 절감 및 에너지 효율향상 기술 개발을 통한 환경 보호가 범국가적으로 추진되고 있는 실정이다. 특히 2012년부터 시행된 신재생에너지 공급의무화제도(RPS)는 일정규모 이상의 발전사업자에게 총 발전량 중 일정량 이상을 신재생에너지 전력으로 공급하도록 의무화하는 제로도서, 연료전지 발전 시스템에 높은 가중치를 주어 보급의 활성화를 추진하고 있는 실정이다.
연료전지란 연료가 가지고 있는 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 장치로서, 일반적으로 천연가스, 메탄올, 가솔린 등의 연료를 개질하여 얻은 개질가스 중의 수소와 공기 중의 산소를 스택(stack)의 연료극(anode)과 공기극(cathode)에서 전기화학 반응시켜 전기를 생산하는 발전시스템을 말한다.
이 때 각 극에서의 반응식과 총 반응식은 다음과 같다.
연료극(anode) : H2(g) → 2H+ + 2e-
공기극(cathode) : 1/2O2(g) + 2H+ + 2e- → H2O
총 반응식 : H2 + 1/2O2 → H2O
연료전지에는 고분자 전해질 연료전지(PEMFC), 직접 메탄올 연료전지(DMFC), 인산형 연료전지(PAFC), 용융탄산염 연료전지(MCFC), 고체산화물 연료전지(SOFC), 알칼리형 연료전지(AFC) 등이 있으며, 특히 고체산화물 연료전지(SOFC)는 운전온도가 약 700 ℃로 다른 타입의 연료전지에 비하여 매우 고온상태로 가동된다.
한편 연료전지는 크게 공기 및 연료와 물에 의하여 운전되며, 연료전지의 직접적인 연료라 할 수 있는 수소로 개질하기 위해서는 연료 및 물이 약 300 ~ 400 ℃의 온도로 예열되어 개질기에 유입되어야 한다. 이에 종래에는 상기 연료 및 물을 예열하기 위하여 연료전지의 주 열원인 버너의 고온의 배기가스를 이용하는 등 상당한 양의 열에너지를 사용하여야 하였는바, 이러한 열에너지를 경제적으로 확보하여 공급할 수 있는 시스템의 개발이 요구된다.
또한 연료전지 시스템에서 발생하는 고온의 열을 축열하여 난방에 활용하기 위하여 열교환기라는 별도의 장치를 이용하는 종래의 기술에 의하면, 연료전지 시스템에서 발생하는 배기가스 등의 열매체를 열교환기로 보내어 난방수나 온수와 열교환하게 하는 방식이 일반적이었다. 상기 방식에 의할 경우 열매체를 열교환기로 이송하는 과정이나 열교환기에서 열교환이 일어나는 과정 등에서 불필요한 열손실이 발생하게 되므로 효율적으로 난방수나 온수를 생성하지 못하는 문제가 있었으며, 고체 산화물 연료전지의 경우 상기와 같이 고온상태를 유지하여야 운전 가능함에 불구하고 고체 산화물 연료전지에서 발생하는 열을 제어하지 아니하고 난방에 이용하는 경우 고체 산화물 연료전지의 운전이 불가능하거나 연료전지 시스템에 무리를 주는 문제가 있었다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 연료전지를 이용하여 발전하거나 연료전지에서 발생하는 열을 난방에 이용함에 있어, 연료전지에 유입되는 공기 및 물을 효율적으로 예열하여 연료전지 시스템의 안정적인 운전을 가능하게 하고 버너에 들어갈 연료를 절감하여 시스템의 전체적인 효율을 증가시킬 뿐만 아니라, 열의 손실을 최소화하여 보다 경제적으로 난방수를 공급하는 동시에 고체 산화물 연료전지의 적정한 운전온도를 유지할 수 있게 하는 열효율이 증가된 연료전지 및 이를 이용한 난방장치를 제공하는 데에 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 연료와 공기를 공급받아 전기를 생성하는 고체산화물 연료전지에 있어서; 연료를 개질처리하여 수소가스를 정제하는 개질기, 그 개질기에서 공급되는 수소가스와 외부에서 공급되는 공기의 전기화학적 반응에 의하여 전기와 열을 발생시키는 연료전지 스택, 흡열수배관 및 흡열가스배관에서 각각 가열된 물 및 연료를 연료전지부 내의 고온의 버너 배기가스에 의하여 가열하여 스팀을 생성하고 상기 스팀을 개질기에 공급하는 스팀생성기를 포함하는 연료전지부; 상기 연료전지부에서 생성되는 열을 단열하기 위하여 상기 연료전지부의 외부를 감싸도록 설치되는 단열재 및; 상기 단열재와 열교환하여 연료전지부의 개질기에 공급되기 위한 물이 유입되고, 상기 단열재 내부에 상기 단열재의 면을 따르도록 설치되는 흡열수배관 및; 상기 단열재와 열교환하여 연료전지부의 개질기에 공급되기 위한 연료가 유입되고, 상기 단열재 내부에 상기 단열재의 면을 따르도록 설치되는 흡열가스배관을 포함하며; 상기 흡열수배관에서 열교환한 물이 바이패스밸브에 의하여, 상기 스팀생성기 및 상기 개질기를 거쳐 상기 연료전지 스택의 발전에 이용되거나, 난방에 이용되고; 상기 흡열가스배관에서 열교환한 가스는 상기 흡열수배관에서 열교환한 물과 함께 스팀생성기를 거쳐 상기 연료전지 스택의 발전에 이용되는 것을 특징으로 하는 열효율이 증가된 연료전지 및 이를 이용한 난방장치가 제공될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 열효율이 증가된 연료전지 및 이를 이용한 난방장치에 의하면 연료전지의 주 열원인 버너의 고온의 배기가스에 의하여 연료전지의 운전에 필요한 연료 및 물을 가열하기 이전에 상기 연료 및 물을 예열하여 연료전지 시스템의 안정적인 운전을 가능하게 하고 버너에 들어갈 연료를 절감하여 시스템의 전체적인 효율을 증가시키는 효과가 있다.
또한 연료전지에서 발생하는 열을 열매체에 의하여 열교환기로 이송하는 과정이나 열교환기에서 열교환이 일어나는 과정 등에서의 불필요한 열손실을 방지하여 효율적으로 연료전지에서 발생하는 열을 난방에 이용할 수 있고, 고온상태를 유지하여야 운전 가능한 고체 산화물 연료전지에서 발생하는 열을 제어함과 동시에 이에 의한 열을 난방에 효율적으로 이용할 수 있는 효과가 있다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 평면도이다.
도 2a 는 본 발명의 일 실시예에 따른 흡열수배관을 도시한 연료전지의 정면도이다.
도 2b 는 본 발명의 일 실시예에 따른 흡열가스배관을 도시한 연료전지의 정면도이다.
도 3 은 본 발명의 본 발명의 일 실시예에 따른 흡열수배관과 흡열가스배관을 하나의 관으로 도시한 연료전지의 사시도이다.
도 4a 는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지를 이용한 난방장치의 작동 개요도이다.
도 4b 는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지부의 온도가 설정 기준치를 초과할 때의 난방장치의 작동 상태도이다.
도 4c 는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지부의 온도가 설정 기준치와 동일할 때의 난방장치의 작동 상태도이다.
도 4d 는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지부의 온도가 설정 기준치 미만일 때의 난방장치의 작동 상태도이다.
도 4e 는 본 발명의 일 실시예에 따른 난방장치에 의한 난방을 사용하는 경우가 아닌 때의 난방장치의 작동 상태도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 하나의 실시예로서 설명되는 것이며 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 평면도이다.
도 1 을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 열효율이 증가된 연료전지 및 이를 이용한 난방장치는 연료를 개질처리하여 수소가스를 정제하는 개질기(130), 그 개질기에서 공급되는 수소가스와 외부에서 공급되는 공기의 전지화학적 반응에 의하여 전기와 열을 발생시키는 연료전지 스택(140), 흡열수배관(p1) 및 흡열가스배관(p2)에서 각각 가열된 물 및 연료를 연료전지부(100) 내의 고온의 버너 배기가스에 의하여 가열하여 스팀을 생성하고 상기 스팀을 개질기(130)에 공급하는 스팀생성기(120), 상기 연료 개질기(130)와 연료전지 스택(140) 및 스팀저장기(120)를 포함하는 연료전지부(100), 상기 연료전지부(100)에서 생성되는 열을 단열하기 위하여 상기 연료전지부(100)의 외부를 감싸도록 설치되는 단열재(110), 상기 단열재(110)와 열교환하여 연료전지부(100)의 개질기(130)에 공급되기 위한 물이 유입되고 상기 단열재(110) 내부에 상기 단열재(110)의 면을 따르도록 설치되는 흡열수배관(p1), 상기 단열재(110)와 열교환하여 연료전지부(100)의 개질기(130)에 공급되기 위한 연료가 유입되고 상기 단열재(110) 내부에 상기 단열재(110)의 면을 따르도록 설치되는 흡열가스배관(p2)로 구성되며, 상기 흡열수배관(p1)에서 열교환한 물이 바이패스밸브(v1)에 의하여 상기 스팀생성기(120) 및 상기 개질기(130)를 거쳐 상기 연료전지 스택(140)의 발전에 이용되거나 난방에 이용되고, 상기 흡열가스배관(p1)에서 열교환한 가스는 상기 흡열수배관(p1)에서 열교환한 물과 함께 스팀생성기(120)를 거쳐 상기 연료전지 스택의 발전에 이용된다. 한편 상기 버너 및 버너의 배기가스가 스팀생성기(120)로 전달되는 배관에 관한 도시는 생략하였다. 또한 연료전지가 운전되기 위하여는 외부의 공기가 유입되어야 하나 도시를 생략하였다.
상기의 구성에 의할 경우 단열재(110) 내부의 흡열수배관(p1) 및 흡열가스배관(p2)을 통하여 물과 연료가 가열되어 연료전지부(100) 내부로 유입되거나 상기 흡열수배관(p1)을 통하여 가열된 물이 난방에 제공되므로 별도의 장치를 장착하여 상기 물과 연료를 가열할 필요가 없으며, 특히 상기 물과 연료가 상기 흡열수배관(p1) 및 흡열가스배관(p2)을 통하여 연속적으로 연료전지부(100) 내에 유입되고, 상기 물이 상기 흡열수배관(p1)을 통하여 난방에 제공되므로 가열시간과 열교환에 의한 가열을 위한 열원과의 접촉면적을 확보하여 상기 물과 연료의 연속적이고 빠르고 고른 가열이 가능하게 된다.
한편 상기 바이패스밸브(v1) 은 연료전지 및 난방장치의 운전 상태에 따라 상기 흡열수배관(p1)에 의하여 가열된 물을 연료전지 및 난방장치에 제공하게 된다. 예를 들어 연료전지가 장시간 가동되어 연료전지부(100)가 정상치 보다 고온인 경우에는 많은 열에너지가 발생하게 되므로 이에 의하여 가열된 물을 연료전지 및 난방장치에 모두에 제공할 수 있는 것이다.
상기 흡열가스배관(p2)이 연료전지부의 중심을 기준으로 상기 흡열수배관(p1) 보다 더 내부에 설치되는 것이 바람직하다. 이는 흡열가스배관(p2)을 통하여 유입되는 연료가 흡열수배관(p1)을 통하여 유입되는 물 보다 비열이 높아 가열에 많은 열에너지를 필요로 하고, 특히 연료의 경우 기체 상태로 흡열가스배관(p2)에 유입되나 물의 경우 액체상태로 흡열수배관(p1)에 유입되므로 상기 흡열수배관(p1)에서 물이 기체인 수증기로 상변화를 하게 되는 경우 흡열수배관(p1)이 받는 압력이 커져 연료전지 시스템에 무리를 줄 수 있기 때문이다. 또한 가열된 물의 경우 난방에도 제공되나 연료의 경우 연료전지의 운전에만 사용되므로 연료의 가열에 많은 열에너지를 소모한다 하더라도 연료전지가 열에너지를 잃는 것은 아니기 때문이다.
도 2a 및 도 2b는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 흡열수배관(p1) 또는 흡열가스배관(p2)을 도시한 연료전지의 정면도이고, 도 3 은 본 발명의 본 발명의 일 실시예에 따른 흡열수배관(p1)과 흡열가스배관(p1)을 하나의 관으로 도시한 연료전지의 사시도이다. 본 발명의 그 외의 구성에 대하여는 도시를 생략하였다.
우선 도 3을 참조하면, 흡열수배관(p1) 또는 흡열가스배관(p2)은 단열재(110)의 면을 따라 직선 또는 곡선의 형태로 설치될 수 있으나, 단열재(110)와 흡열수배관(p1) 또는 흡열가스배관(p2)의 접촉면적을 넓혀 단열재(110)의 열을 충분히 흡수하고 시공상의 편의를 위하여 도시한 바와 같이 'ㄹ' 자의 형상으로 설치되는 것이 바람직하다.
도 2a 및 도 2b 를 참조하면, 이에 도시된 바와 같이 상기 흡열가스배관(p2)이 상기 흡열수배관(p1) 보다 단열재(110)의 내부에서 더 길게 설치되어 더 많은 부피를 차지하도록 설치하는 것이 바람직하다. 이는 앞서 설명한 바와 같이 흡열가스배관(p2)을 통하여 유입되는 연료가 흡열수배관(p1)을 통하여 유입되는 물 보다 비열이 높아 가열에 많은 열에너지를 필요로 하므로 연료의 단열재(110) 내부에서의 체류시간을 길게 하여 충분히 가열하고, 가열된 물의 경우 난방에도 제공되나 연료의 경우 연료전지의 운전에만 사용되므로 연료의 가열에 많은 열에너지를 소모한다 하더라도 연료전지가 열에너지를 잃는 것은 아니기 때문이다.
도 4a 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지를 이용한 난방장지의 작동 개요도이며, 도 4b 내지 도 4e 는 상기 연료전지부(100)의 온도상태에 따른 난방장치의 작동 상태도이다.
도 4a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지를 이용한 난방장치는 상기 연료전지부(100)와 단열재(110) 및 흡열수배관(p1)으로 구성되는 흡열 시스템; 상기 흡열수배관(p1)에 유입된 물이 상기 단열재(110)의 내부에서 열교환한 온수가 저장되는 온수탱크(200); 상기 단열재(110) 내부에서 열교환하여 온수로 변화된 물을 온수탱크(200)에 공급하는 온수공급배관(p3), 상기 온수탱크(200)에 저장된 온수를 난방부(300)로 배급하는 제 1 온수배급배관(p4), 단열재(110)의 내부에서 열교환한 온수를 상기 온수탱크(200)를 거치지 않고 직접 난방부(300)로 배급하는 제 2 온수배급배관(p5), 난방부(300)에서 열교환한 물을 단열재(110) 내부 또는 상기 온수탱크(200)로 환수하기 위한 제 1 환수배관(p6), 상기 제 1 환수배관(p6)과 이어지며 제 1 환수배관(p6)에서 배출된 물을 단열재(110) 내부의 흡열수배관(p1)으로 유입시키기 위한 제 2 환수배관(p7), 상기 제 1 환수배관(p6) 및 상기 제 2 환수배관(p7)과 이어지며 제 1환수배관(p6)에서 배출된 물을 온수탱크(200)로 환수시키거나 온수탱크(200)의 물을 상기 제 2 환수배관(p7)을 통하여 상기 흡열수배관(p1)으로 환수시키기 위한 제 3 환수배관(p8)으로 이루어진 배관시스템; 온수공급배관(p3)에 설치되며 온수공급배관(p3)과 제 2 온수배급배관(p5)의 연결지점을 기준으로 온수탱크(200) 측에 설치되는 제 1 밸브(v2), 제 2 온수배급배관(p5)에 설치되는 제 2 밸브(v3), 제 1 환수배관(p6)에 설치되는 제 3 밸브(v4), 제 2 환수배관(p7)에 설치되는 제 4 밸브(v5), 연료전지부(100)의 내부에 설치되는 온도센서(150), 온수공급배관(p3)에 설치되며 온수공급배관(p3)과 제 2 온수 배급배관(p5)의 연결지점을 기준으로 연료전지부(100) 측에 설치되는 온수공급펌프(310), 제 1 온수배급배관(p4)에 설치되는 온수배급펌프(320), 제 3 환수배관(p8)에 설치되는 양방향펌프(330)로 구성되어, 상기 온도센서(150)의 온도가 설정 기준치를 초과할 때에는 단열재(110) 내부의 흡열수배관(p1)에서 공급되는 온수가 온수공급배관(p3)과 온수탱크(200)를 거쳐 난방부(300)에 공급된 후 제 1 환수배관(p6)과 제 2 환수배관(p7)을 통하여 단열재(110) 내부의 흡열수배관(p1)으로 환수되고, 상기 온도센서(150)의 온도가 설정 기준치와 동일한 때에는 단열재(110) 내부의 흡열수배관(p1)에서 공급되는 온수가 제 2 온수배급배관(p5)을 통하여 직접 난방부(300)에 공급된 후 제 1 환수배관(p6)과 제 2 환수배관(p7)을 통하여 단열재(110) 내부의 흡열수배관(p1)으로 환수되며, 상기 온도센서(150)의 온도가 설정 기준치 미만일 때에는 온수탱크(200)에서 공급되는 온수가 제 1 온수배급배관(p4)을 통하여 난방부(300)에 공급된 후 제 1 환수배관(p6)과 제 3 환수배관(p8)을 통하여 온수탱크(200)로 환수되고, 상기의 경우와 달리 난방을 사용하는 경우가 아닌 때에는 온수탱크(200)에 저장된 온수의 가온을 위하여 단열재(110) 내부의 흡열수배관(p1)에서 공급되는 온수가 온수공급배관(p3)을 거쳐 온수탱크(200)에 공급된 후 제 3 환수배관(p8)과 제 2 환수배관(p7)을 통하여 단열재(110) 내부의 흡열수배관(p1)으로 환수되도록 하는 온수공급모듈로 구성된다. 이상의 흡열시스템, 온수탱크, 배관시스템, 온수공급모듈에 의한 난방장치는 도 4b 내지 도 4e와 함께 상세히 설명한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지부(100)의 스택에서 발생하는 고온의 가스를 온수탱크 안을 통과하여 다시 연료전지부(100)의 버너로 연결되도록 하는 가스배관(p9)을 더 포함하는 난방장치는 상기 고온의 가스를 온수탱크(200)에 저장된 온수를 가온하는 데에 이용하여 보다 고온의 온수를 얻기 위한 것이다. 상기 가스배관(p9)은 온수탱크(200) 내의 온수와의 접촉면적을 넓히기 위하여 온수탱크(200) 내에서 코일 형상으로 꼬여서 설치되는 것이 바람직하다. 다만 이에 한정되지 않고 상기 접촉면적을 넓히기 위한 다양한 형상으로 제작될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 응축기(340)는 상기 가스배관에서 수증기를 포함한 고온의 가스가 온수탱크 안에서 냉각되어 가스에 포함된 기체인 수증기가 액체인 물로 상변화하는 경우 상기 액체인 물을 상기 고온의 가스에 포함된 다른 기체와 분리하여 배출되도록 한다. 상기 고온의 가스에서 수증기를 분리해주는 이유는 수증기를 포함한 상기 고온의 가스가 연료전지부(100) 내부의 버너로 들어가 연소의 연료로 사용되는 경우 수증기가 있으면 버너의 온도 증가가 한정적이며, 특히 버너를 촉매버너로 사용할 경우 수증기가 촉매에 심각한 손상을 줄 수 있기 때문이다. 따라서 상기 응축기(340)을 포함하는 난방장치는 버너의 연소에 적합한 연료를 공급하기 위하여 온수탱크(200)의 내부를 지나 연료전지부(100)의 버너로 연결되기 전의 가스배관(p9) 상에 설치될 수 있다.
도 4b 를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 난방장치의 온도센서(150)의 온도가 설정 기준치를 초과할 때에는 단열재(110) 내부의 흡열수배관(p1)에서 공급되는 온수가 온수공급배관(p3)과 온수탱크(200)를 거쳐 난방부(300)에 공급된 후 제 1 환수배관(p6)과 제 2 환수배관(p7)을 통하여 단열재(110) 내부의 흡열수배관(p1)으로 환수된다. 이는 연료전지부(100)의 온도가 비교적 고온이므로 이에 의한 열을 온수탱크(200)에 저장함과 동시에 난방부(300)로 보내어 난방에 이용하기 위함이다.
도 4c 를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 난방장치의 온도센서(150)의 온도가 설정 기준치와 동일한 때에는 단열재(110) 내부의 흡열수배관(p1)에서 공급되는 온수가 제 2 온수배급배관(p5)을 통하여 직접 난방부(300)에 공급된 후 제 1 환수배관(p6)과 제 2 환수배관(p7)을 통하여 단열재(110) 내부의 흡열수배관(p1)으로 환수된다. 이는 연료전지부(100)의 열을 온수탱크(200)에 저장함 없이 바로 난방에 이용하여 난방부(300)의 온도를 올리기 위함이다.
도 4d 를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 난방장치의 온도센서(150)의 온도가 설정 기준치 미만일 때에는 온수탱크(200)에서 공급되는 온수가 제 1 온수배급배관(p4)을 통하여 난방부(300)에 공급된 후 제 1 환수배관(p6)과 제 3 환수배관(p8)을 통하여 온수탱크(200)로 환수된다. 이는 상기 배관시스템 및 상기 온수공급모듈의 운전을 중지하여 연료전지부(100)의 열을 난방부에 사용하지 않음으로써 연료전지부(100)의 전기를 발생시키기 위함 운전이 원활하게 이루어지게 함과 동시에 온수탱크(200)에 저장된 열만을 이용하여 난방에 이용하기 위함이다.
도 4e 를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 난방장치에 의한 난방을 사용하는 경우가 아닌 때에는 온수탱크(200)에 저장된 온수의 가온을 위하여 단열재(110) 내부의 흡열수배관(p1)에서 공급되는 온수가 온수공급배관(p3)을 거쳐 온수탱크(200)에 공급된 후 제 3 환수배관(p8)과 제 2 환수배관(p7)을 통하여 단열재(110) 내부의 흡열수배관(p1)으로 환수된다. 이는 난방을 사용하지 않는 동안에 연료전지부(100)에서 발생하는 열을 온수탱크(200)에 저장하여 추후 난방에 대비하기 위함이다.
한편 상기 도들에 도시하지는 않았으나, 연료전지부(100)의 운전에 의한 전기의 발생과 이에 의한 열의 난방에의 이용의 적절한 조화를 위하여 여분의 전기를 저장할 수 있는 축전기가 설치될 수 있다.
100 : 연료전지부
110 : 단열재
120 : 스팀생성기
130 : 개질기
140 : 연료전지 스택
150 : 온도센서
200 : 온수탱크
300 : 난방부
p1 : 흡열수배관
p2 : 흡열가스배관

Claims (8)

  1. 연료와 공기를 공급받아 전기를 생성하는 고체산화물 연료전지에 있어서;
    연료를 개질처리하여 수소가스를 정제하는 개질기, 그 개질기에서 공급되는 수소가스와 외부에서 공급되는 공기의 전기화학적 반응에 의하여 전기와 열을 발생시키는 연료전지 스택, 흡열수배관 및 흡열가스배관에서 각각 가열된 물 및 연료를 연료전지부 내의 고온의 버너 배기가스에 의하여 가열하여 스팀을 생성하고 상기 스팀을 개질기에 공급하는 스팀생성기를 포함하는 연료전지부;
    상기 연료전지부에서 생성되는 열을 단열하기 위하여 상기 연료전지부의 외부를 감싸도록 설치되는 단열재 및;
    상기 단열재와 열교환하여 연료전지부의 개질기에 공급되기 위한 물이 유입되고, 상기 단열재 내부에 상기 단열재의 면을 따르도록 설치되는 흡열수배관 및;
    상기 단열재와 열교환하여 연료전지부의 개질기에 공급되기 위한 연료가 유입되고, 상기 단열재 내부에 상기 단열재의 면을 따르도록 설치되는 흡열가스배관을 포함하며;
    상기 흡열수배관에서 열교환한 물이 바이패스밸브에 의하여, 상기 스팀생성기 및 상기 개질기를 거쳐 상기 연료전지 스택의 발전에 이용되거나, 난방에 이용되고;
    상기 흡열가스배관에서 열교환한 가스는 상기 흡열수배관에서 열교환한 물과 함께 스팀생성기를 거쳐 상기 연료전지 스택의 발전에 이용되는 것을 특징으로 하는 열효율이 증가된 연료전지 및 이를 이용한 난방장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 흡열수배관 및 상기 흡열가스배관이 상기 단열재 내부와의 접촉면적을 넓히기 위하여 상기 단열재의 측면을 따라 'ㄹ' 자 형상으로 설치되는 것을 특징으로 하는 열효율이 증가된 연료전지 및 이를 이용한 난방장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 흡열가스배관이 연료전지부의 중심을 기준으로 상기 흡열수배관 보다 더 내부에 설치되는 것을 특징으로 하는 열효율이 증가된 연료전지 및 이를 이용한 난방장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 흡열가스배관이 상기 흡열수배관 보다 단열재 내부에서 더 길게 설치되어 더 많은 부피를 차지하고 있는 것을 특징으로 하는 열효율이 증가된 연료전지 및 이를 이용한 난방장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 흡열수배관에 유입된 물이 상기 단열재의 내부에서 열교환한 후 바이패스밸브에 의하여 난방에 이용되기 위하여 저장되는 온수탱크;
    상기 연료전지의 단열재 내부에서 열교환하여 온수로 변화된 물을 온수탱크에 공급하는 온수공급배관, 상기 온수탱크에 저장된 온수를 난방부로 배급하는 제 1 온수배급배관, 단열재의 내부에서 열교환한 온수를 상기 온수탱크를 거치지 않고 직접 난방부로 배급하는 제 2 온수배급배관, 난방부에서 열교환한 물을 연료전지 단열재 내부 또는 상기 온수탱크로 환수하기 위한 제 1 환수배관, 상기 제 1 환수배관과 이어지며 제 1 환수배관에서 배출된 물을 연료전지 단열재 내부의 흡열수배관으로 유입시키기 위한 제 2 환수배관, 상기 제 1 환수배관 및 상기 제 2 환수배관과 이어지며 제 1환수배관에서 배출된 물을 온수탱크로 환수시키거나 온수탱크의 물을 상기 제 2 환수배관을 통하여 상기 흡열수배관으로 환수시키기 위한 제 3 환수배관으로 이루어진 배관시스템;
    온수공급배관에 설치되며 온수공급배관과 제 2 온수배급배관의 연결지점을 기준으로 온수탱크 측에 설치되는 제 1 밸브, 제 2 온수배급배관에 설치되는 제 2 밸브, 제 1 환수배관에 설치되는 제 3 밸브, 제 2 환수배관에 설치되는 제 4 밸브, 연료전지부의 내부에 설치되는 온도센서, 온수공급배관에 설치되며 온수공급배관과 제 2 온수 배급배관의 연결지점을 기준으로 연료전지부 측에 설치되는 온수공급펌프, 제 1 온수배급배관에 설치되는 온수배급펌프, 제 3 환수배관에 설치되는 양방향펌프로 구성되어, 상기 온도센서의 온도가 설정 기준치를 초과할 때에는 단열재 내부의 흡열수배관에서 바이패스밸브에 의하여 난방에 이용되기 위하여 공급되는 온수가 온수공급배관과 온수탱크를 거쳐 난방부에 공급된 후 제 1 환수배관과 제 2 환수배관을 통하여 단열재 내부의 흡열수배관으로 환수되고, 상기 온도센서의 온도가 설정 기준치와 동일한 때에는 단열재 내부의 흡열수배관에서 바이패스밸브에 의하여 난방에 이용되기 위하여 공급되는 온수가 제 2 온수배급배관을 통하여 직접 난방부에 공급된 후 제 1 환수배관과 제 2 환수배관을 통하여 단열재 내부의 흡열수배관으로 환수되며, 상기 온도센서의 온도가 설정 기준치 미만일 때에는 온수탱크에서 공급되는 온수가 제 1 온수배급배관을 통하여 난방부에 공급된 후 제 1 환수배관과 제 3 환수배관을 통하여 온수탱크로 환수되고, 상기의 경우와 달리 난방을 사용하는 경우가 아닌 때에는 온수탱크에 저장된 온수의 가온을 위하여 단열재 내부의 흡열수배관에서 바이패스밸브에 의하여 난방에 이용되기 위하여 공급되는 온수가 온수공급배관을 거쳐 온수탱크에 공급된 후 제 3 환수배관과 제 2 환수배관을 통하여 단열재 내부의 흡열수배관으로 환수되도록 하는 온수공급모듈;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열효율이 증가된 연료전지 및 이를 이용한 난방장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 연료전지부의 스택에서 발생하는 고온의 가스를 온수탱크 안을 통과하여 다시 연료전지부의 버너로 연결되도록 하는 가스배관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열효율이 증가된 연료전지 및 이를 이용한 난방장치.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 가스배관은 온수탱크의 내부에서 코일 형상으로 꼬여있는 것을 특징으로 하는 열효율이 증가된 연료전지 및 이를 이용한 난방장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 가스배관에서 수증기를 포함한 고온의 가스가 온수탱크 안에서 냉각되어 가스에 포함된 기체인 수증기가 액체인 물로 상변화하는 경우 상기 액체인 물을 가스에 포함된 다른 기체와 분리하여 배출되도록 하는 응축기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열효율이 증가된 연료전지 및 이를 이용한 난방장치.
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