KR20210004075A

KR20210004075A - 고온형 연료전지 스택 기반의 삼중 열병합 시스템 및 상기 삼중 열병합 시스템에서 냉각 유체와 냉매 수용액 간의 열교환 방법

Info

Publication number: KR20210004075A
Application number: KR1020190079910A
Authority: KR
Inventors: 신윤혁; 강현성
Original assignee: 한국자동차연구원
Priority date: 2019-07-03
Filing date: 2019-07-03
Publication date: 2021-01-13

Abstract

고온형 연료전지 스택 기반의 삼중 열병합 시스템이 개시된다. 상기 시스템은, 밸브 제어 신호를 생성하는 제어기, 상기 밸브 제어 신호에 개폐동작을 수행하는 밸브; 및 냉각 유체의 폐열을 회수하는 냉매수용액 열교환기를 포함하는 발생기를 포함하고, 상기 밸브의 개폐동작에 따라 상기 냉각 유체가 냉매수용액 열교환기에 접촉하는 면적이 제어됨을 특징으로 한다.

Description

고온형 연료전지 스택 기반의 삼중 열병합 시스템 및 상기 삼중 열병합 시스템에서 냉각 유체와 냉매 수용액 간의 열교환 방법{Tri-generation system based on high temperature fuel cell stack and method for exchanging heat between cooling fluid and refrigerant aqueous solution in the system}

본 발명은 삼중 열병합 시스템에 관한 것으로, 상세하게는, 고온형 연료전지 스택 기반의 삼중 열병합 시스템에 관한 것이다.

삼중 열병합 시스템(Tri-generation system)은 공장, 빌딩, 차량 등에 설치되어, 하나의 에너지원으로부터 전력 에너지와 난방 에너지는 물론 냉방 에너지까지 동시에 생산하는 복합 에너지 시스템이다.

종래의 삼중 열병합 시스템은 운영방식에 따라 엔진을 이용하는 방식(이하, 엔진 기반의 운영 방식이라 함)과 연료 전지 스택을 이용하는 방식(이하, 연료 전지 기반의 운영 방식이라 함)으로 구분할 수 있다.

연료 전지 스택을 이용한 운영방식은, 다시 연료 전지 스택의 종류에 따라, 저온형 연료 전지 스택기반의 운영방식과 고온형 연료 전지 스택기반의 운영방식으로 나눌 수 있다.

고온형 연료 전지 스택 기반의 운영방식은 고온형 연료 전지가 수소와 전기를 이용하여 전기화학적으로 전기 에너지를 발생시키는 발전 과정과 상기 발전과정에서 발생하는 열을 이용하여 냉난방에너지를 생산하도록 삼중 열병합 시스템을 운영하는 방식이다.

냉방과 관련하여, 종래의 고온형 연료 전지 스택 기반의 삼중 열병합 시스템은 흡수식 냉방 시스템을 사용한다. 흡수식 냉방 시스템에서는 고온형 연료 전지 스택의 열을 회수하여 고온형 연료 전지 스택의 온도를 낮춰주는 냉각 유체가 사용된다.

냉각 유체는 냉매 수용액이 차여 있는 발생기(generator)로 유입되고, 발생기 내의 냉매 수용액은 냉각 유체의 열(고온형 연료 전지 스택으로부터 회수한 열)을 빼앗는다.

발생기 내에서 냉각 유체와 냉매 수용액 사이에 열 교환이 이루어지면, 냉각 유체의 열을 빼앗은 냉매 수용액으로부터 기상의 냉매가 발생하고, 기상의 냉매는 쿨링 로드(cooling load) 장비로 유입되어 냉각된다.

한편, 고온형 연료 전지 스택은 일정한 고온으로 유지될 필요가 있다. 따라서, 고온형 연료 전지 스택의 온도를 낮춰주는 냉각 유체가 발생기 내에서 지나치게 많은 열을 뺏기면, 발전 효율이 떨어지는 문제점이 있다. 즉, 이러한 흡수식 냉방 시스템에서는 냉낭방용 폐열을 조건 없이 많이 빼낼 수는 없기 때문에, 고온형 연료전지 스택의 운전온도의 적용이 제한적이다.

따라서, 본 발명의 목적은, 폐열을 회수하는 발생기에서 열교환 유량 및 고온형 연료전지 스택의 운전온도에 따라 능동적으로 열교환 유체의 접촉면적을 변경할 수 있는 고온형 연료 전지 스택 기반의 삼중 열병합 시스템을 제공하는 데 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 고온형 연료 전지 스택 기반의 삼중 열병합 시스템은, 고온형 연료 전지 스택의 운전 온도를 회수한 고온의 냉각 유체가 저장된 저장 탱크; 밸브; 및 상기 밸브를 통해 상기 저장 탱크와 연결되는 다수의 냉각 유체 유로 및 상기 밸브의 개폐 동작에 따라 상기 다수의 냉각 유체 유로 중에서 선택된 냉각 유체 유로의 표면에 접촉하여 상기 선택된 냉각 유체 유로를 이동하는 상기 고온의 냉각 유체의 폐열을 회수하는 냉매 수용액을 포함하는 냉매 수용액 열교환기를 포함한다.

본 발명의 다른 일면에 따른 고온형 연료전지 스택 기반의 삼중 열병합 시스템에서 고온의 냉각유체와 냉매 수용액 간의 열교환 방법은, 고온형 연료전지 스택의 운전 온도별 밸브 제어 동작이 사전 정의된 밸브 제어 테이블이 메모리에 저장되는 단계; 온도 센서가 고온형 연료전지 스택의 현재 운전 온도를 측정하는 단계; 제어기가 상기 밸브 제어 테이블을 참조하여 상기 측정된 현재 운전 온도에 대응하는 밸브 제어 동작에 따라, 상기 고온의 냉각유체가 저장된 저장탱크와 냉매 수용액 열교환기를 연결하는 밸브의 개폐 동작을 제어하는 단계; 상기 고온의 냉각유체가 상기 밸브의 개폐 동작에 의해 상기 냉매 수용액 열교환기에 포함된 다수의 냉각 유체 유로 중에서 선택된 냉각 유체 유로들을 통해 이동하여, 상기 고온의 냉각유체와 상기 선택된 냉각 유체 유로의 표면에 존재하는 냉매 수용액 간에 열교환이 발생하는 단계를 포함한다.

본 발명에 따르면, 고온형 연료 전지 스택 기반의 삼중 열병합 시스템의 흡수식 냉난방 방식에서, 고온형 연료 전지 스택의 운전온도에 따라, 발생기 내에서 고온의 냉각유체와 냉매수용액 간의 열교환 조건을 유동적으로 설정함으로써, 발전 효율에 영향을 끼치는 고온형 연료전지 스택의 열관리와 적절한 냉방사이클의 운전 조건을 구현할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 고온형 연료전지 스택 기반의 삼중 열병합 시스템을 나타내는 블록도.
도 2는 도 1에 도시한 밸브와 발생기를 상세하게 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 고온의 냉각유체와 냉매수용액 간의 열교환 방법을 나타내는 흐름도.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 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 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 고온형 연료전지 스택 기반의 삼중 열병합 시스템을 나타내는 블록도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 고온형 연료전지 스택 기반의 삼중 열병합 시스템(100)은 고온형 연료 전지 스택(101), 저장 탱크(103), 밸브(105), 제어기(107, Controller), 발생기(109, Generator), 응축기(111, Condenser), 증발기(113, evaporator) 및 흡수기(115, Absorber)를 포함한다.

고온형 연료 전지 스택(101)은 일정한 고온의 운전온도에서 동작하는 것으로, 예를 들면, 고온형 고분자 전해질막 연료전지(HT-PEMFC, High Temperature Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells)일 수 있다.

저장 탱크(103)는 고온형 연료 전지 스택(101)의 온도를 낮추는 냉각 유체를 저장하는 저장소로서, 냉각 유체는 고온형 연료 전지 스택(101)의 온도를 낮추기 위해 고온형 연료전지 스택(101)과 저장 탱크(103) 사이를 순환한다. 냉각 유체로는, 예를 들면, 트리에틸렌글리콜(Triethylene glycol, TEG) 등이 사용될 수 있다.

고온형 연료 전지 스택(101)의 온도를 낮추는 과정에서 고온으로 상승한 냉각 유체(이하, '고온의 냉각 유체'라 함)는 밸브(105)로 유입된다.

밸브(105)는 제어기(107)로부터의 밸브 제어 신호에 응답하여, 개폐동작을 수행하고, 이러한 개폐동작에 따라, 상기 고온의 냉각 유체가 발생기(105)로 유입될 수 있다.

발생기(109)는 냉매 수용액을 수용하며, 수용된 냉매 수용을 이용하여 상기 밸브(105)를 통해 유입된 고온의 냉각 유체로부터 폐열을 회수한다.

또한, 발생기(109)는 고온의 냉각 유체로부터 회수된 폐열에 의해 상기 냉매 수용액은 기상의 냉매와 액상의 수용액으로 분리되고, 상기 냉매 수용액으로부터 분리된 기상의 냉매는 배관(11)을 통해 응축기(111)로 유입되고, 액상의 수용액은 흡수기(115)로 유입된다.

여기서, 냉매 수용액은 발생기(109)를 통과하는 과정에서 증발이 잘 일어날 수 있는 냉매를 포함하는 용액을 사용하는 것이 바람직하며, 그러한 냉매로서 예를 들면, 물(H₂O)이 사용될 수 있다. 물(H₂O)을 포함하는 냉매 수용액으로서, 예를 들면, 리튬브로마이드 수용액(LiBr-H₂O)이 사용될 수 있다.

응축기(111)는, 도시하지는 않았으나, 내부에 별도의 냉각수(cooling water) 배관을 포함하며, 냉각수 배관에 기상의 냉매가 접촉하여 응축에 의해 액상의 냉매로 전환된다.

응축기(111)에 의해 액상으로 전환된 액상의 냉매는 배관(13)을 통해 증발기(113)로 유입된다.

증발기(113)에서는 액상의 냉매를 분사 등의 방식을 이용하여 도시하지 않은 저온냉각수의 배관 표면에 접촉시키며, 저온냉각수의 배관 표면에 접촉한 액상의 냉매는 증발하여 흡수기(115)로 유입된다.

흡수기(115)는 도시하지는 않았으나, 냉각수 배관을 포함하며, 냉각수 배관에 의한 낮은 온도에서 발생기(109)로부터 공급된 액상의 수용액(예를 들면, LiBr 수용액)과 증발기(113)로부터 공급된 냉매의 증기(예를 들면, H₂0)가 혼합되어 냉각 유체를 다시 냉각시킬 수 있는 낮은 온도의 냉매 수용액을 다시 생성한다.

흡수기(115)에 의해 다시 생성된 냉매 수용액은 배관(15)을 통해 발생기(109)로 유입된다.

한편, 제어기(107)는 전술한 바와 같이 밸브(105)의 개폐 동작을 제어하는 것으로, 범용 마이크로 프로세서를 포함하는 하드웨어 구성일 수 있다.

제어기(107)는 고온형 연료전지 스택(101)의 온도를 감지하는 센서(101)로부터 고온형 연료전지 스택(101)의 현재 운전 온도를 수신하고, 수신된 현재 운전 온도에 기초하여 밸브(105)의 개폐 동작을 제어한다.

아래에서 상세히 설명하겠지만, 제어기(107)는, 고온형 연료전지 스택(101)의 현재 운전 온도에 따라, 밸브(105)의 개폐 동작을 제어하여, 발생기(109) 내부로 유입된 고온의 냉각 유체가 발생기(109) 내부에 구비된 폐열 교환기(109-10)에 접촉하는 면적을 제어한다.

이와 같이, 제어기(107)는 고온형 연료 전지 스택(101)의 운전 온도를 낮춰주는 냉각 유체가 발생기(109) 내에서 지나치게 많은 열을 뺏기지 않도록 고온의 냉각 유체와 폐열 교환기(109-10) 간의 접촉 면적을 제어함으로써, 발전 효율과 냉난방 효율을 동시에 고려한다.

도 2는 도 1에 도시한 밸브와 발생기를 상세하게 도시한 도면이다.

도 2를 참조하면, 발생기(109)는 냉매수용액 폐열 교환기(109-10)를 포함하며, 밸브(105)의 개폐동작에 따라, 고온의 냉각 유체가 냉매수용액 폐열 교환기에 접촉하는 면적이 제어된다. 예를 들면, 스택의 온도가 낮아지면, 고온의 냉각 유체가 냉매수용액 폐열 교환기의 표면에 접촉하는 면적을 줄이고, 스택의 온도가 충분히 고온이면, 고온의 냉각 유체가 냉매수용액 폐열 교환기의 표면에 접촉하는 면적을 늘리는 방식으로 접촉 면적을 제어할 수 있다.

이를 위해, 우선, 냉매수용액 폐열 교환기(109-10)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 물리적으로 분리된 다수의 냉각 유체 유로를 포함한다. 다수의 냉각 유체 유로는 밸브(105)에 의해 연결되거나 분리될 수 있다.

다수의 냉각 유체 유로는, 예를 들면, 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 내지 제3 냉각 유체 유로(109-11, 109-13, 109-15)를 포함할 수 있다. 도 2에서는 3개의 냉각 유체 유로들을 예시하고 있으나, 더 많은 냉각 유체 유로를 포함하도록 구성될 수 있다.

상기 밸브(105)는 제1 내지 제3 냉각 유체 유로(109-11, 109-13, 109-15) 중에서 적어도 하나의 냉각 유체 유로에 고온의 냉각 유체가 흐르도록 내부 경로를 형성하여, 고온의 냉각 유체가 냉매수용액 폐열 교환기에 접촉하는 면적을 제어한다.

이를 위해, 상기 밸브(105)는 예를 들면, 제1 밸브(105A) 및 제2 밸브(105B)를 포함하도록 구성될 수 있다. 여기서, 제1 및 제2 밸브(105A, 105B)는 도 2에 도시된 바와 같이, 3 방향 밸브로 구현될 수 있으며, 이에 한정하지 않고, 4방향 이상의 다-방향 밸브로 구현될 수 있다.

제1 밸브(105A)는 저장 탱크(103)의 배출구(도시하지 않음)와 제1 냉각 유체 유로(109-11)의 유입구(IN1)를 연결하는 제1-1 내부 경로 및 저장 탱크(103)의 배출구와 제2 밸브(105B)를 연결하는 제1-2 내부 경로를 가지며, 제어기(107)의 제어에 따라 각 내부 경로를 개방 또는 폐쇄될 수 있다.

제2 밸브(105B)는 제1 밸브(105A)와 제2 냉각 유체 유로(109-13)의 유입구(IN2)를 연결하는 제2-1 내부 경로, 제1 냉각 유체 유로(109-11)의 배출구(OUT1)와 제2 냉각 유체 유로(109-13)의 유입구(IN2)를 연결하는 제2-2 내부 경로 및 제1 밸브(105A)와 제3 냉각 유체 유로(109-15)의 유입구(IN3)를 연결하는 제2-3 내부 경로를 가지며, 제어기(107)의 제어에 따라 각 내부 경로를 개방 또는 폐쇄될 수 있다.

제1 및 제2 밸브(105A)의 각 내부 경로들의 개폐동작을 개별적으로 제어는 방식으로, 고온의 냉각 유체는 하나의 냉각 유체 유로 또는 2개 이상의 냉각 유체 유로를 이동함으로써, 고온의 냉각 유체가 냉매수용액 폐열 교환기(109-10)에 접촉하는 면적을 제어할 수 있다.

고온의 냉각 유체가 냉매수용액 폐열 교환기(109-10)에 접촉하는 면적은 고온의 냉각 유체가 이동하는 냉각 유체 유로의 개수에 비례한다.

본 실시 예에서, 고온의 냉각 유체가 냉매수용액 폐열 교환기(109-10)에 접촉하는 면적이 가장 작은 경우는 고온의 냉각 유체가 하나의 냉각 유체 유로만을 이동하는 경우이고, 고온의 냉각 유체가 냉매수용액 폐열 교환기(109-10)에 접촉하는 면적이 가장 넓은 경우는 고온의 냉각 유체가 3개의 냉각 유체 유로들을 모두 이동하는 경우일 것이다.

먼저, 고온의 냉각 유체가 하나의 냉각 유체 유로만을 이동하는 경우는 다음과 같은 밸브 제어에 따라 구현될 수 있다.

먼저, 제1 밸브(105A)에서는 저장 탱크(103)의 배출구(도시하지 않음)와 제1 냉각 유체 유로(109-11)의 유입구(IN1)를 연결하는 제1-1 내부 경로를 폐쇄하고, 저장 탱크(103)의 배출구와 제2 밸브(105B)를 연결하는 제1-2 내부 경로를 개방한다.

동시에 제2 밸브(105B)에서는 제2 밸브(105B)는 제1 밸브(105A)와 제2 냉각 유체 유로(109-13)의 유입구(IN2)를 연결하는 제2-1 내부 경로를 폐쇄하고, 제1 밸브(105A)와 제3 냉각 유체 유로(109-15)의 유입구(IN3)를 연결하는 제2-3 내부 경로를 개방한다.

이렇게 하면, 저장 탱크(103)의 배출구와 제3 냉각 유체 유로(109-15)가 연통하여, 고온의 냉각 유체는 제1 및 제2 냉각 유체 유로(109-11 및 109-13)로는 이동하지 않고, 제3 냉각 유체 유로(109-15) 하나만을 이동하게 된다.

고온의 냉각 유체가 3개의 냉각 유체 유로들(109-11, 109-13 및 109-15)을 모두 이동하는 경우는 다음과 같은 밸브 제어에 따라 구현될 수 있다.

제1 밸브(105A)에서는 저장 탱크(103)의 배출구(도시하지 않음)와 제1 냉각 유체 유로(109-11)의 유입구(IN1)를 연결하는 제1-1 내부 경로를 개방하고, 저장 탱크(103)의 배출구와 제2 밸브(105B)를 연결하는 제1-2 내부 경로를 폐쇄한다.

동시에, 제2 밸브(105B)에서는 제1 밸브(105A)와 제2 냉각 유체 유로(109-13)의 유입구(IN2)를 연결하는 제2-1 내부 경로를 폐쇄하고, 제1 냉각 유체 유로(109-11)의 배출구(OUT1)와 제2 냉각 유체 유로(109-13)의 유입구(IN2)를 연결하는 제2-2 내부 경로를 개방하고, 제1 밸브(105A)와 제3 냉각 유체 유로(109-15)의 유입구(IN3)를 연결하는 제2-3 내부 경로를 폐쇄한다.

이렇게 하면, 저장 탱크의 배출구, 제1 내지 제3 냉각 유체 유로(109-11~ 109-15)가 모두 연통하여 고온의 냉각 유체가 제1 내지 제3 냉각 유체 유로(109-11~ 109-15)를 모두 이동하게 된다.

고온의 냉각 유체가 2개의 냉각 유체 유로들을 이동하는 경우는 다음과 같은 밸브 제어에 따라 구현될 수 있다.

제1 밸브(105A)에서는 저장 탱크(103)의 배출구(도시하지 않음)와 제1 냉각 유체 유로(109-11)의 유입구(IN1)를 연결하는 제1-1 내부 경로를 폐쇄한다.

제2 밸브(105B)에서는 제1 밸브(105A)와 제2 냉각 유체 유로(109-13)의 유입구(IN2)를 연결하는 제2-1 내부 경로를 개방하고, 제1 밸브(105A)와 제3 냉각 유체 유로(109-15)의 유입구(IN3)를 연결하는 제2-3 내부 경로를 폐쇄한다.

이렇게 하면, 저장 탱크의 배출구, 제2 냉각 유체 유로(109-13) 및 제3 냉각 유체 유로(109-13~ 109-15)가 연통하여, 고온의 냉각 유체는 제2 냉각 유체 유로(109-13) 및 제3 냉각 유체 유로(109-13~ 109-15)를 이동하게 된다.

연료전지 스택의 온도가 발전 효율에 영향을 끼칠 수 있는 정도로 낮다면, 상기 고온의 냉각 유체가 많은 열을 냉매 수용액에게 빼앗기지 않도록 3개의 냉각 유체 유로들 중 일부 냉각 유체 유로만을 이동하도록 상기 고온의 냉각 유체와 냉각 유체 유로들 간의 접촉 면적을 최소화하고, 연료전지 스택의 온도가 충분히 고온이면, 상기 냉각 유체가 많은 열을 빼앗기도록 상기 고온의 냉각 유체가 3개의 냉각 유체 유로들을 모두 이동하도록 상기 고온의 냉각 유체와 냉각 유체 유로들 간의 접촉 면적을 최대화한다.

이처럼 고온의 냉각유체와 냉매수용액 간의 열교환 조건을 상기 고온의 냉각 유체가 3개의 냉각 유체 유로들 간의 접촉면적을 유동적으로 제어하는 방식을 통해, 발전 효율에 영향을 끼치는 고온형 연료전지 스택의 적절한 열관리와 적절한 냉방사이클의 운전 조건을 구현할 수 있다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 고온의 냉각유체와 냉매수용액 간의 열교환 방법을 나타내는 흐름도이다.

도 3을 참조하면, 먼저, 단계 S310에서, 고온형 연료전지 스택(101)의 운전 온도별 밸브 제어 동작이 정의된 밸브 제어 테이블을 사전에 설정한다. 이러한 밸브 제어 테이블은 고온형 연료전지 스택(101)과 관련된 발전 효율을 고려하여 사전 실험 또는 학습을 통해 설정될 수 있다. 설정된 밸브 제어 테이블은 메모리(도시하지 않음)와 같은 하드웨어 구성에 저장될 수 있다.

이어, 단계 S320에서, 고온형 연료전지 스택(101)의 현재 운전 온도를 측정한다. 고온형 연료전지 스택(101)의 현재 운전 온도는 고온형 연료전지 스택(101)에 설치된 온도 센서(10)를 통해 측정될 수 있다. 측정된 현재 운전 온도는 제어기(107)로 출력된다.

이어, 단계 S330에서, 상기 밸브 제어 테이블을 참조하여 상기 측정된 현재 운전 온도에 대응하는 밸브 제어 동작에 따라, 밸브(105)가 개폐 동작을 시작한다. 예를 들면, 제어기(107)가 상기 밸브 제어 테이블을 참조하여 상기 측정된 현재 운전 온도에 대응하는 밸브 제어 신호를 생성하고, 이를 밸브로 출력함으로써, 밸브(105)가 개폐 동작이 시작된다.

이어, 단계 S340에서, 상기 밸브(105)의 개폐 동작에 따라, 다수의 냉각 유체 유로들 중 선택된 냉각 유체 유로들이 직렬적으로 연결된다. 연료전지 스택의 현재 운전 온도가 발전 효율에 영향을 끼칠 수 있는 정도로 낮은 경우, 상기 고온의 냉각 유체와 냉매 수용액 간의 열교환이 활발히 일어나지 않게 상기 고온의 냉각 유체와 냉각 유체 유로들 간의 접촉 면적을 최소화하기 위해, 밸브(105)의 개폐 동작에 따라, 다수의 냉각 유체 유로들 중 하나 또는 일부가 직렬적으로 연결(연통)되고, 고온형 연료전지 스택(101)의 현재 운전 온도가 충분히 고온이면, 고온의 냉각 유체와 냉매 수용액 간에 열교환이 활발히 일어나도록 상기 고온의 냉각 유체와 냉각 유체 유로들 간의 접촉 면적을 최대화 하기 위해, 밸브(105)의 개폐 동작에 따라, 다수의 냉각 유체 유로들 전체가 직렬적으로 연결(연통)된다.

이어, 단계 S350에서, 냉각 유체 유로의 외부에 존재하는 냉매 수용과 열교환을 위해, 고온의 냉각 유체가 상기 직렬적으로 연결된 냉각 유체 유로들을 이동한다.

이상, 본 발명에 대하여 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims

고온형 연료전지 스택 기반의 삼중 열병합 시스템에서,
고온형 연료 전지 스택의 운전 온도를 회수한 고온의 냉각 유체가 저장된 저장 탱크;
밸브; 및
상기 밸브를 통해 상기 저장 탱크와 연결되는 다수의 냉각 유체 유로 및 상기 밸브의 개폐 동작에 따라 상기 다수의 냉각 유체 유로 중에서 선택된 냉각 유체 유로의 표면에 접촉하여 상기 선택된 냉각 유체 유로들을 이동하는 상기 고온의 냉각 유체의 폐열을 회수하는 냉매 수용액을 포함하는 발생기
를 포함하는 고온형 연료전지 스택 기반의 삼중 열병합 시스템.
제1항에서,
상기 고온의 냉각 유체는 상기 밸브의 개폐 동작에 따라, 상기 선택된 냉각 유체 유로를 이동하는 것인 고온형 연료전지 스택 기반의 삼중 열병합 시스템.
제1항에서,
상기 선택된 냉각 유체 유로의 개수에 따라, 상기 고온의 냉각 유체가 상기 다수의 냉각 유체 유로에 접촉하는 면적이 결정되는 것인 고온형 연료전지 스택 기반의 삼중 열병합 시스템.
제1항에서,
상기 고온형 연료 전지 스택의 현재 운전 온도를 측정하는 온도 센서; 및
상기 온도 센서에 의해 측정된 상기 고온형 연료 전지 스택의 현재 운전 온도에 따라, 상기 선택된 냉각 유체 유로들을 통해 상기 고온의 냉각 유체가 이동하도록 상기 밸브의 개폐 동작을 제어하는 제어기
를 더 포함하는 고온형 연료전지 스택 기반의 삼중 열병합 시스템.
제1항에서,
상기 밸브는,
상기 선택된 냉각 유체 유로들을 직렬적으로 연결하는 적어도 2개의 다방향 밸브를 포함하는 것인 고온형 연료전지 스택 기반의 삼중 열병합 시스템.
제1항에서,
상기 다수의 냉각 유체 유로는 물리적으로 분리된 제1 내지 제3 냉각 유체 유로를 포함하고, 상기 밸브는 제1 다방향 밸브와 제2 다방향 밸브를 포함하고,
상기 제1 다방향 밸브는,
상기 저장 탱크의 배출구와 상기 제1 냉각 유체 유로의 유입구를 연결하는 제1-1 내부 경로 및 상기 저장 탱크의 배출구와 제2 다방향 밸브를 연결하는 제1-2 내부 경로를 가지며,
상기 제2 다방향 밸브는,
제1 다방향 밸브와 제2 냉각 유체 유로의 유입구를 연결하는 제2-1 내부 경로, 제1 냉각 유체 유로의 배출구와 제2 냉각 유체 유로의 유입구를 연결하는 제2-2 내부 경로 및 제1 밸브와 제3 냉각 유체 유로의 유입구를 연결하는 제2-3 내부 경로를 갖는 것인
고온형 연료전지 스택 기반의 삼중 열병합 시스템.
제6항에서,
상기 제1 및 제2 다방향 밸브의 각 내부 경로를 개방 또는 폐쇄하여, 상기 고온의 냉각 유체가, 상기 선택된 냉각 유체 유로들을 이동하는 것인 고온형 연료전지 스택 기반의 삼중 열병합 시스템.
고온형 연료전지 스택 기반의 삼중 열병합 시스템에서 고온의 냉각유체와 냉매 수용액 간의 열교환 방법에서,
고온형 연료전지 스택의 운전 온도별 밸브 제어 동작이 사전 정의된 밸브 제어 테이블이 메모리에 저장되는 단계;
온도 센서가 고온형 연료전지 스택의 현재 운전 온도를 측정하는 단계;
제어기가 상기 밸브 제어 테이블을 참조하여 상기 측정된 현재 운전 온도에 대응하는 밸브 제어 동작에 따라, 상기 고온의 냉각유체가 저장된 저장탱크와 냉매 수용액 열교환기를 연결하는 밸브의 개폐 동작을 제어하는 단계;
상기 고온의 냉각유체가 상기 밸브의 개폐 동작에 의해 상기 냉매 수용액 열교환기에 포함된 다수의 냉각 유체 유로 중에서 선택된 냉각 유체 유로들을 통해 이동하여, 상기 고온의 냉각유체와 상기 선택된 냉각 유체 유로의 표면에 존재하는 냉매 수용액 간에 열교환이 발생하는 단계
를 고온형 연료전지 스택 기반의 삼중 열병합 시스템에서 고온의 냉각유체와 냉매 수용액 간의 열교환 방법.
제8항에서, 상기 밸브의 개폐 동작을 제어하는 단계는,
상기 밸브의 개폐 동작에 따라, 상기 선택된 냉각 유체 유로들을 연결하여 상기 고온의 냉각유체가 냉매 수용액 열교환기에 접촉하는 면적을 제어하는 단계
인 것인 고온형 연료전지 스택 기반의 삼중 열병합 시스템에서 냉각유체와 냉매 수용액 간의 열교환 방법.
제8항에서, 상기 밸브 제어 테이블은,
상기 선택된 냉각 유체 유로들을 연결하기 위한 상기 밸브의 개폐 동작을 정의한 테이블인 것인 고온형 연료전지 스택 기반의 삼중 열병합 시스템에서 냉각유체와 냉매 수용액 간의 열교환 방법.