WO2013095026A1 - 연료전지 기반의 열회수 장치 및 그 동작 방법 - Google Patents

연료전지 기반의 열회수 장치 및 그 동작 방법 Download PDF

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황정태
정자훈
유성래
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    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell-based heat recovery device and a method of operating the same, and more particularly, a building that generates hot water or steam using heat generated while the molten carbonate fuel cell (MCFC) is operating.
  • the present invention relates to a fuel cell based heat recovery device and a method of operating the same.
  • MCFC is a high-temperature fuel cell, which has a high power generation efficiency of 47%, and is a power generation facility that is in the spotlight as the next generation renewable energy because of low fuel consumption and carbon gas emission.
  • MCFC whose electrolyte is carbonate (Li / Na), operates at a high temperature of about 650 ° C., because the electrolyte must be molten to produce carbonate ions for reaction with hydrogen.
  • the HRU is an apparatus for supplying cooling / heating and hot water by recovering excess heat such as exhaust gas or discharged hot water, and means an integrated heat facility for heat generation, heat transportation, heat use, heat exchange, and the like.
  • the 100kW MCFC developed to cope with the load of a single building is connected to the HRU to supply cooling / heating and hot water used in the building, and thus, the plan to increase the power generation efficiency of the MCFC is about 50-60%. It is required.
  • the present invention generates the hot water or steam using the heat generated while the molten carbonate fuel cell (MCFC) is operating to supply to the building by electricity It is an object of the present invention to provide a fuel cell-based heat recovery apparatus and a method of operating the same, which can reduce the heating cost by lowering the operation rate of a heating and cooling facility using the same.
  • MCFC molten carbonate fuel cell
  • the apparatus of the present invention for achieving the above object, the first opening and closing means for introducing or blocking the heat generated by the fuel cell (MCFC) to the heat exchanger; A second opening / closing means for discharging or blocking the heat to an outlet; Third opening and closing means for introducing or blocking a fluid stored in the condensation tank to the fluid circulation means; The fluid circulation means for circulating the fluid introduced by the third opening and closing means; State sensing means for measuring the temperature of the heat generated by the fuel cell, measuring the flow rate in the pipeline through which the fluid passes, and measuring the temperature and the water level in the condensation tank; And control means for controlling each of the above components according to the start algorithm and the stop algorithm.
  • MCFC fuel cell
  • the method of the present invention for achieving the above object the operation of the fuel cell-based heat recovery apparatus including a first opening and closing means, a second opening and closing means, a third opening and closing means, a fluid circulation means, a state sensing means, and a control means.
  • a method comprising: maintaining a standby state; Opening the third opening and closing means as the temperature in the condensation tank is below the first threshold and the water level in the condensation tank is above the second threshold; Operating the fluid circulation means when a second threshold time elapses after the third opening and closing means is opened; A first opening / closing means opening step of opening the first opening / closing means when a third threshold time elapses after the fluid circulation means is operated; And closing the second opening / closing means if the flow rate detected by the state sensing means satisfies a third threshold after the first opening / closing means is opened.
  • a stop method comprising: closing the first opening and closing means after opening the second opening and closing means according to a predetermined condition; Stopping the operation of the fluid circulation means after a fifth threshold time after closing the first opening and closing means; And closing the third opening and closing means after a sixth threshold time after stopping the operation of the fluid circulation means.
  • the present invention generates hot water or steam using heat generated while the molten carbonate fuel cell (MCFC) operates and supplies the building to the building, thereby lowering the operation rate of the heating and cooling facility using electricity. This can reduce heating costs.
  • MCFC molten carbonate fuel cell
  • FIG. 1 is a configuration diagram of an embodiment of a fuel cell based heat recovery apparatus according to the present invention
  • FIG. 2 is a detailed configuration diagram of a fluid circulation part of a fuel cell based heat recovery apparatus according to the present invention
  • FIG. 3 is a detailed configuration diagram of a state detection unit of a fuel cell based heat recovery apparatus according to the present invention.
  • FIG. 4 is a configuration diagram of an embodiment of a fuel cell based heat recovery system to which the present invention is applied;
  • FIG. 5 is a flow chart of an embodiment of a method of operating a fuel cell based heat recovery apparatus according to the present invention
  • FIG. 6 is a flowchart illustrating an embodiment of a method for stopping a fuel cell based heat recovery apparatus according to the present invention.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of an embodiment of a fuel cell based heat recovery apparatus according to the present invention.
  • the fuel cell-based heat recovery apparatus includes a first opening / closing unit (MOV 101) 10, a second opening / closing unit (MOV 102) 20, and a third opening / closing unit (MOV 100) ( 30, a fluid circulation unit PM-100 40, a state sensor 50, and a controller 60.
  • MOV 101 first opening / closing unit
  • MOV 102 second opening / closing unit
  • MOV 100 third opening / closing unit
  • first opening and closing portion 10 and the second opening and closing portion 20 are respectively located on the passage through which the high temperature heat generated by the fuel cell passes to block or pass the flow of the heat.
  • the third opening and closing part 30 and the fluid circulation part 40 are respectively located on the conduit through which fluids such as hot water and steam pass, to block or pass the flow of the fluid.
  • the first opening and closing part 10 is an example of a valve (Valve) operated by an electrical signal, generated by the fuel cell (MCFC) in accordance with a control signal from the controller 60
  • Valve operated by an electrical signal, generated by the fuel cell (MCFC) in accordance with a control signal from the controller 60
  • Hot air moving through the pipeline is introduced into the heat exchanger or serves to block the introduction into the heat exchanger.
  • the heat exchanger boils the water flowing along the pipe by using the hot heat introduced to generate a fluid such as hot water and steam.
  • the second opening / closing part 20 is a valve operated by an electrical signal, and discharges high temperature heat generated by a fuel cell and moved through a conduit according to a control signal from the controller 60. To discharge or to block the discharge to the outlet.
  • the third opening and closing unit 30 is, for example, a valve that operates by an electrical signal, and circulates a fluid such as hot water and steam stored in a condensed tank according to a control signal from the controller 60. It is introduced into the portion 40 or serves to block the introduction into the fluid circulation portion (40).
  • the fluid circulation part 40 serves to circulate the fluid drawn by the third opening and closing part 30 according to a control signal from the control part 60.
  • the fluid circulator 40 may include a first fluid circulator 41 and a second fluid circulator 42 as shown in FIG. 2, but is not limited thereto.
  • the state detection unit 50 includes a temperature sensor on a pipeline through which hot air passes, and measures a temperature, and includes a flow detector within a pipeline through which a fluid passes to measure a flow rate, and a temperature sensor on a condensation tank. Measure the temperature and the water level with and level sensor respectively.
  • the state detector 50 may include a first temperature detector TT 100 and a second temperature detector TT 103 and a third temperature detector TT 104. 53), level sensor (LS 100) 54, and flow rate sensor (FT 100) 55.
  • the first temperature sensor 51 is located in the condensation tank to measure the temperature in the condensation tank.
  • the second temperature sensor 52 is positioned on a conduit through which high temperature heat generated by the fuel cell passes, and measures the temperature of the heat.
  • the third temperature sensor 53 measures the temperature of the heat passing through the heat exchanger.
  • the level sensor 54 detects the level in the condensation tank.
  • the flow rate sensor 55 measures the flow rate of the hot water passing through the heat exchanger.
  • control unit 60 is the first opening and closing unit (MOV 101) 10, the second opening and closing unit (MOV 102) 20, the third opening and closing unit (MOV 100) 30, the fluid circulation according to the driving algorithm for each situation
  • the unit PM-100 and the state sensor 50 are controlled.
  • the controller 60 is at least in critical condition (temperature, pressure, time) in a state where the first opening and closing part 10 and the second opening and closing part 20 are closed. If one or more) is satisfied, both the first opening and closing part 10 and the second opening and closing part 20 are opened.
  • the first opening / closing unit 10 is closed.
  • a predetermined time for example, 3 minutes
  • the fluid circulation part 40 does not operate and the third opening and closing part 30 maintains the closed state.
  • the controller 60 controls each component in the reverse order of the heating situation.
  • the control unit 60 opens both the first opening and closing unit 10 and the second opening and closing unit 20, and when the predetermined time (for example, three minutes) elapses, the first opening and closing unit ( 10) Close (error mode).
  • the predetermined time for example, three minutes
  • the controller 60 opens both the first opening and closing part 10 and the second opening and closing part 20 when entering the standby state (operation standby mode) in which the power transmission of the fuel cell is confirmed.
  • a predetermined time for example, 3 minutes
  • the first opening and closing part 10 is closed.
  • the fluid circulation part 40 does not operate and the third opening and closing part 30 maintains the closed state.
  • control unit 60 is a process of operating (ON) the heat recovery device, in the operation standby state (in this case, the second opening and closing unit 20 is open), the condensation tank detected by the first temperature sensor 51 If the temperature in the condensation tank sensed by the water level sensor 54 is below the first threshold (eg, 100 degrees Celsius) and above the second threshold (eg, 30% of the condensation tank storage capacity); The opening and closing part 30 is opened. At this time, the alarm indicating the abnormal operation of the heat recovery device should not be in operation.
  • the first threshold eg, 100 degrees Celsius
  • second threshold eg, 30% of the condensation tank storage capacity
  • the fluid circulation part 40 is operated.
  • the first opening and closing portion 10 is opened at a predetermined value (for example, 10%), and the first opening and closing portion 10 is After a predetermined time (for example, 10 minutes) has elapsed after opening the predetermined value, the first opening and closing part 10 is completely opened.
  • a predetermined time for example, 10 minutes
  • the reason for opening the first opening and closing portion 10 after the predetermined time (for example, 10 minutes) has elapsed after the fluid circulation part 40 operates is to remove air in the pipe, and the first opening and closing portion
  • the reason for opening (10) only after opening the first 10% and completely opening after a predetermined time (for example, 10 minutes) is to reduce thermal shock.
  • the second opening part ( 20) Close. At this time, if an error occurs, the device operates in the error mode.
  • the third threshold value eg, 3 minutes of satisfying 29 LPM to 30 LPM
  • control unit 60 is a process of stopping the heat recovery device (OFF), in the operating state (in this case, the first opening and closing portion 10 is open state, the second opening and closing portion 20 is closed state),
  • the output is below the reference value (for example, 100 kw)
  • the temperature in the condensation tank detected by the first temperature sensor 51 is 115 degrees Celsius or more
  • the water level in the condensation tank detected by the water level sensor 54 is 30% or less
  • the temperature sensed by the second temperature detector 52 is 350 degrees Celsius or less
  • the temperature sensed by the third temperature sensor 53 is 200 degrees Celsius or more
  • the flow rate detected by the flow rate sensor 55 is 25LPM or less. If it is maintained for a minute, when the stop alarm is activated, if any one of the cases, the second opening and closing part 20 is opened.
  • the operation of the fluid circulation part 40 is stopped after a predetermined time (for example, 10 minutes).
  • the third opening / closing part 30 is closed after a predetermined time (for example, one minute).
  • control unit 60 is a winter emergency operation mode, in the operation standby state, the water temperature in the pipe is maintained at 5 degrees Celsius or less for 5 minutes or when the emergency operation alarm operates to open the third opening and closing unit 30.
  • the water temperature in the pipe may be measured by the first temperature sensor 51, or may be measured through 'TT 101' or 'TT 102' in FIG.
  • the third opening and closing part 30 is closed.
  • controller 60 is restarted by repeating the above process when the water temperature in the pipe is maintained at 5 degrees Celsius or less for 5 minutes.
  • FIG. 5 is a flowchart illustrating an embodiment of a method of operating a fuel cell based heat recovery apparatus according to the present invention.
  • the driving standby state is maintained (501).
  • the operation standby state after opening the first opening and closing portion 10 and the second opening and closing portion 20, a predetermined time (for example, 3 minutes) elapses, the first opening and closing portion 10 is closed, the fluid circulation 40 indicates that the third opening / closing unit 30 remains closed without operating.
  • the controller 60 opens the third opening / closing unit 30 (502).
  • the controller 60 operates the fluid circulation part 40 (503).
  • the controller 60 opens the first opening / closing unit 10 (504).
  • the controller 60 closes the second opening / closing portion 20 ( 505).
  • FIG. 6 is a flowchart illustrating an embodiment of a method for stopping a fuel cell based heat recovery apparatus according to the present invention.
  • the controller 60 opens the second opening / closing part 20 in accordance with a predetermined condition in an operation state, and then closes the first opening / closing part 10 (601).
  • the predetermined condition is that when the output of the fuel cell is less than the reference value, when the temperature in the condensation tank is greater than or equal to the first threshold temperature, when the water level in the condensation tank is less than or equal to the critical level, the temperature detected by the second temperature sensor is When the temperature detected by the third temperature sensor is less than the second threshold temperature when the temperature is less than the second threshold temperature, when the flow rate detected by the flow sensor maintains the critical flow rate for a certain time, the stop alarm is activated, whichever It means one case.
  • control unit 60 stops the operation of the fluid circulation unit 40 after the fifth threshold time after closing the first opening / closing unit 10 (602).
  • control unit 60 closes the third opening and closing unit 30 after the sixth threshold time after stopping the operation of the fluid circulation unit 40 (603).
  • the method of the present invention as described above can be written in a computer program. And the code and code segments constituting the program can be easily inferred by a computer programmer in the art.
  • the written program is stored in a computer-readable recording medium (information storage medium), and read and executed by a computer to implement the method of the present invention.
  • the recording medium may include any type of computer readable recording medium.
  • the present invention can be used for heating and cooling a building.

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Abstract

본 발명은 연료전지 기반의 열회수 장치 및 그 동작 방법에 관한 것으로, 용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell, 이하 MCFC)가 가동하면서 발생시키는 열을 이용하여 온수나 증기를 생성한 후 건물에 공급함으로써, 전기를 이용한 냉난방 시설의 가동률을 떨어뜨려 난방비 지출을 감소시킬 수 있는, 연료전지 기반의 열회수 장치 및 그 동작 방법을 제공하고자 한다.

Description

연료전지 기반의 열회수 장치 및 그 동작 방법
본 발명은 연료전지 기반의 열회수 장치 및 그 동작 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell, 이하 MCFC)가 가동하면서 발생시키는 열을 이용하여 온수나 증기를 생성하는 건물용 연료전지 기반의 열회수 장치 및 그 동작 방법에 관한 것이다.
MCFC는 고온형 연료전지로서 발전효율이 47%로 높은 편이고, 연료 사용량이나 탄소가스 배출량이 적어 차세대 재생에너지로 각광받고 있는 발전설비이다. 전해질이 탄산염(Li/Na)인 MCFC는, 수소와의 반응을 위한 탄산 이온을 생성시키기 위해 전해질을 용융상태로 만들어야 하기 때문에, 약 650℃ 정도의 높은 온도에서 동작한다.
이러한 MCFC는 동작중에 약 350℃ 내외의 폐열을 생성한다. 따라서, 이렇게 생성된 폐열을 이용하는 열회수장치(Heat Recovery Unit, 이하 HRU)와의 연동이 가능하다. 여기서, HRU는 배기가스나 배출 온수 등의 여열을 회수하여 냉/난방 및 온수를 공급하는 장치로서, 열발생, 열수송, 열사용, 열교환 등을 위한 열설비 일체를 의미한다.
최근, 단일 건물의 부하에 대응하기 위해 개발된 100kW급 MCFC를 HRU와 연계시켜 건물에 사용되는 냉/난방 및 온수를 공급함으로써, MCFC의 발전효율을 약 50~60% 정도 증가시킬 수 있는 방안이 요구되고 있다.
상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell, 이하 MCFC)가 가동하면서 발생시키는 열을 이용하여 온수나 증기를 생성한 후 건물에 공급함으로써, 전기를 이용한 냉난방 시설의 가동률을 떨어뜨려 난방비 지출을 감소시킬 수 있는, 연료전지 기반의 열회수 장치 및 그 동작 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 장치는, 연료전지(MCFC)에 의해 발생한 열기를 열교환기로 인입시키거나 차단하는 제 1 개폐수단; 상기 열기를 배출구로 배출시키거나 차단하는 제 2 개폐수단; 응축탱크에 저장되어 있는 유체를 유체 순환수단으로 인입시키거나 차단하는 제 3 개폐수단; 상기 제 3 개폐수단에 의해 인입되는 유체를 순환시키는 상기 유체 순환수단; 상기 연료전지에 의해 발생한 열기의 온도를 측정하고, 상기 유체가 통과하는 관로 내의 유량(流量)을 측정하며, 상기 응축탱크 내의 온도와 수위를 측정하는 상태 감지수단; 및 가동 알고리즘 및 정지 알고리즘에 따라 상기 각 구성요소들을 제어하는 제어수단을 포함한다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 방법은, 제 1 개폐수단, 제 2 개폐수단, 제 3 개폐수단, 유체 순환수단, 상태 감지수단, 및 제어수단을 포함하는 연료전지 기반 열회수 장치의 가동 방법에 있어서, 운전대기 상태를 유지하는 단계; 응축탱크 내의 온도가 제 1 임계치 이하이면서 상기 응축탱크 내의 수위가 제 2 임계치 이상임에 따라 상기 제 3 개폐수단을 개방하는 단계; 상기 제 3 개폐수단이 개방된 후 제 2 임계시간 경과하면 상기 유체 순환수단을 동작시키는 단계; 상기 유체 순환수단이 동작한 후 제 3 임계시간이 경과하면 상기 제 1 개폐수단을 개방하는 제 1 개폐수단 개방단계; 및 상기 제 1 개폐수단이 개방된 후 상기 상태 감지수단이 감지한 유량이 제 3 임계치를 만족하면 상기 제 2 개폐수단을 닫는 단계를 포함한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 방법은, 제 1 개폐수단, 제 2 개폐수단, 제 3 개폐수단, 유체 순환수단, 상태 감지수단, 및 제어수단을 포함하는 연료전지 기반 열회수 장치의 정지 방법에 있어서, 소정의 조건을 만족함에 따라 상기 제 2 개폐수단을 개방한 후 상기 제 1 개폐수단을 닫는 단계; 상기 제 1 개폐수단을 닫은 후 제 5 임계시간 후에 상기 유체 순환수단의 동작을 정지시키는 단계; 및 상기 유체 순환수단의 동작을 정지시킨 후 제 6 임계시간 후에 상기 제 3 개폐수단을 닫는 단계를 포함한다.
상기와 같은 본 발명은, 용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell, 이하 MCFC)가 가동하면서 발생시키는 열을 이용하여 온수나 증기를 생성한 후 건물에 공급함으로써, 전기를 이용한 냉난방 시설의 가동률을 떨어뜨려 난방비 지출을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1 은 본 발명에 따른 연료전지 기반의 열회수 장치에 대한 일실시예 구성도,
도 2 는 본 발명에 따른 연료전지 기반 열회수 장치의 유체 순환부에 대한 상세 구성도,
도 3 은 본 발명에 따른 연료전지 기반 열회수 장치의 상태 감지부에 대한 상세 구성도,
도 4 는 본 발명이 적용되는 연료전지 기반의 열회수 시스템에 대한 일실시예 구성도,
도 5 는 본 발명에 따른 연료전지 기반 열회수 장치의 가동 방법에 대한 일실시예 흐름도,
도 6 은 본 발명에 따른 연료전지 기반 열회수 장치의 정지 방법에 대한 일실시예 흐름도이다.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되어 있는 상세한 설명을 통하여 보다 명확해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1 은 본 발명에 따른 연료전지 기반의 열회수 장치에 대한 일실시예 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지 기반의 열회수 장치는, 제 1 개폐부(MOV 101)(10), 제 2 개폐부(MOV 102)(20), 제 3 개폐부(MOV 100)(30), 유체 순환부(PM-100)(40), 상태 감지부(Sensor)(50), 및 제어부(Controller)(60)를 포함한다.
여기서, 제 1 개폐부(10)와 제 2 개폐부(20)는 연료전지에 의해 생성된 고온의 열기가 통과하는 관로 상에 각각 위치하여 상기 열기의 흐름을 차단하거나 통과시킨다.
또한, 제 3 개폐부(30)와 유체 순환부(40)는 온수 및 증기 등과 같은 유체(流體)가 통과하는 관로 상에 각각 위치하여 상기 유체의 흐름을 차단하거나 통과시킨다.
상기 각 구성요소들에 대해 살펴보면, 먼저 제 1 개폐부(10)는 일예로 전기적 신호에 의해 동작하는 밸브(Valve)로서, 제어부(60)로부터의 제어신호에 따라 연료전지(MCFC)에 의해 발생하여 관로를 통해 이동하는 고온의 열기를 열교환기로 인입시키거나 열교환기로의 인입을 차단하는 역할을 수행한다. 이때, 열교환기는 인입되는 고온의 열기를 이용하여 관로를 따라 흐르는 물을 끓여 온수 및 증기 등과 같은 유체를 생성한다.
제 2 개폐부(20)는 일예로 전기적 신호에 의해 동작하는 밸브(Valve)로서, 제어부(60)로부터의 제어신호에 따라 연료전지에 의해 발생하여 관로를 통해 이동하는 고온의 열기를 배출구(Vent)로 배출시키거나 배출구로의 배출을 차단하는 역할을 수행한다.
제 3 개폐부(30)는 일예로 전기적 신호에 의해 동작하는 밸브(Valve)로서, 제어부(60)로부터의 제어신호에 따라 응축 탱크(Condensed Tank)에 저장되어 있는 온수 및 증기 등과 같은 유체를 유체 순환부(40)로 인입시키거나 유체 순환부(40)로의 인입을 차단하는 역할을 수행한다.
유체 순환부(40)는 제어부(60)로부터의 제어신호에 따라 제 3 개폐부(30)에 의해 인입되는 유체를 순환시키는 역할을 수행한다.
이러한 유체 순환부(40)는 도 2에 도시된 바와 같이 제 1 유체 순환기(41) 및 제 2 유체 순환기(42)를 포함할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
상태 감지부(50)는 고온의 열기가 통과하는 관로 상에 온도 감지기를 구비하여 온도를 측정하고, 유체가 통과하는 관로 내에 유량 감지기를 구비하여 유량(流量)을 측정하며, 응축 탱크에 온도 감지기와 수위 감지기를 각각 구비하여 온도와 수위를 측정한다.
즉, 상태 감지부(50)는 도 3에 도시된 바와 같이, 제 1 온도 감지기(TT 100)(51), 제 2 온도 감지기(TT 103)(52), 제 3 온도 감지기(TT 104)(53), 수위 감지기(LS 100)(54), 및 유량 감지기(FT 100)(55)를 포함한다.
이하, 도 4를 참조하여 상기 각 구성요소들에 대해 상세히 살펴보기로 한다.
제 1 온도 감지기(51)는 응축 탱크 내에 위치하여 응축 탱크 내의 온도를 측정한다.
제 2 온도 감지기(52)는 연료전지에 의해 발생하는 고온의 열기가 통과하는 관로 상에 위치하여 상기 열기의 온도를 측정한다.
제 3 온도 감지기(53)는 열교환기를 거친 열기의 온도를 측정한다.
수위 감지기(54)는 응축 탱크 내의 수위를 감지한다.
유량 감지기(55)는 열교환기를 통과한 온수의 유량을 측정한다.
한편, 제어부(60)는 각 상황에 맞는 운전 알고리즘에 따라 제 1 개폐부(MOV 101)(10), 제 2 개폐부(MOV 102)(20), 제 3 개폐부(MOV 100)(30), 유체 순환부(PM-100)(40), 및 상태 감지부(Sensor)(50)를 제어한다.
즉, 제어부(60)는 연료전지가 초기 가열(Heat up)되는 상황인 경우, 제 1 개폐부(10) 및 제 2 개폐부(20)가 닫혀 있는 상태에서, 임계조건(온도, 압력, 시간 중 적어도 하나 이상)을 만족하면 제 1 개폐부(10) 및 제 2 개폐부(20)를 모두 개방한다.
이후, 소정의 시간(일예로 3분)이 경과하면 제 1 개폐부(10)를 닫는다. 이때, 유체 순환부(40)는 동작하지 않고 제 3 개폐부(30)는 닫혀 있는 상태를 유지한다.
또한, 제어부(60)는 연료전지가 동작을 멈춰 냉각(Cool down)되는 상황인 경우, 상기 가열 상황의 역순으로 각 구성요소들을 제어한다.
또한, 제어부(60)는 에러(Error)를 감지한 경우, 제 1 개폐부(10) 및 제 2 개폐부(20)를 모두 개방한 후 소정의 시간(일예로 3분)이 경과하면 제 1 개폐부(10)를 닫는다(에러 모드).
또한, 제어부(60)는 연료전지의 전력송출이 확인되는 운전대기(Stand by) 상태(운전대기 모드)로 진입하는 경우, 제 1 개폐부(10) 및 제 2 개폐부(20)를 모두 개방한 후 소정의 시간(일예로 3분)이 경과하면 제 1 개폐부(10)를 닫는다. 이때, 유체 순환부(40)는 동작하지 않고 제 3 개폐부(30)는 닫혀 있는 상태를 유지한다.
또한, 제어부(60)는 열회수 장치를 동작(ON)시키는 과정으로서, 운전대기 상태에서(이때, 제 2 개폐부(20)는 개방된 상태), 제 1 온도 감지기(51)를 통해 감지한 응축 탱크 내의 온도가 제 1 임계치(일예로, 섭씨 100도) 이하이고, 수위 감지기(54)를 통해 감지한 응축 탱크 내의 수위가 제 2 임계치(일예로, 응축 탱크 저장용량의 30%) 이상이면 제 3 개폐부(30)를 개방한다. 이때, 열회수 장치의 비정상운전을 알리는 알람이 동작하지 않는 상태이어야 한다.
이후, 제 3 개폐부(30)가 개방된 후 소정의 시간(일예로 1분)이 경과하면 유체 순환부(40)를 동작시킨다.
이후, 유체 순환부(40)가 동작한 후 소정의 시간(일예로 10분)이 경과하면, 제 1 개폐부(10)를 일정치(일예로 10%) 개방하고, 제 1 개폐부(10)가 일정치 개방된 후 소정의 시간(일예로 10분)이 경과하면 제 1 개폐부(10)를 완전히 개방한다.
이때, 유체 순환부(40)가 동작하고 소정의 시간(일예로 10분)이 경과한 후에 제 1 개폐부(10)를 개방하는 이유는 배관 내 공기(Air)를 제거하기 위함이고, 제 1 개폐부(10)를 개방시 최초 10%만 개방하고 소정의 시간(일예로 10분)이 경과한 후에 완전히 개방하는 이유는 열 충격을 감소시키기 위함이다.
이후, 제 1 개폐부(10)가 완전히 개방되고, 유량 감지기(55)를 통해 감지한 유량이 제 3 임계치(일예로, 29LPM ~ 30LPM를 만족하는 시간이 3분)를 만족하면, 제 2 개폐부(20)를 닫는다. 이때, 에러가 발생하면 상기 에러 모드로 동작한다.
또한, 제어부(60)는 열회수 장치를 정지(OFF)시키는 과정으로서, 동작 상태에서(이때, 제 1 개폐부(10)는 개방된 상태이고, 제 2 개폐부(20)는 닫힌 상태), 연료전지의 출력이 기준치(일예로 100kw) 이하인 경우, 제 1 온도 감지기(51)가 감지한 응축 탱크 내의 온도가 섭씨 115도 이상인 경우, 수위 감지기(54)가 감지한 응축 탱크 내의 수위가 30% 이하인 경우, 제 2 온도 감지기(52)가 감지한 온도가 섭씨 350도 이하인 경우, 제 3 온도 감지기(53)가 감지한 온도가 섭씨 200도 이상인 경우, 유량 감지기(55)가 감지한 유량이 25LPM 이하가 5분간 유지되는 경우, 정지 알람이 작동하는 경우, 중에서 어느 하나의 경우에 해당하면, 제 2 개폐부(20)를 개방한다.
이후, 제 2 개폐부(20)가 개방되면 제 1 개폐부(10)를 닫는다.
이후, 제 1 개폐부(10)가 완전히 닫히면 소정 시간(일예로 10분) 후에 유체 순환부(40)의 동작을 정지시킨다.
이후, 유체 순환부(40)가 정지된 후 소정 시간(일예로 1분) 후에 제 3 개폐부(30)를 닫는다.
한편, 제어부(60)는 동절기 비상운전 모드로서, 운전대기 상태에서, 배관 내 물온도가 섭씨 5도 이하로 5분간 유지되거나 비상 운전 알람이 동작하면 제 3 개폐부(30)를 개방한다. 이때, 배관 내 물온도는 제 1 온도 감지기(51)가 측정할 수도 있고, 도 4에서 'TT 101' 또는 'TT 102'를 통해 측정할 수도 있다.
이후, 제 3 개폐부(30)의 개방이 확인되면 유체 순환부(40)를 동작시킨다.
이후, 유체 순환부(40)가 동작한 후에 소정 시간(일예로 1시간)이 경과하면 유체 순환부(40)의 동작을 정지시킨다.
이후, 유체 순환부(40)가 정지된 후에 소정 시간(일예로 1분)이 경과하면 제 3 개폐부(30)를 닫는다.
이후, 제어부(60)는 배관 내 물온도가 섭씨 5도 이하로 5분간 유지되면 상기 과정을 반복 수행하여 재가동한다.
도 5 는 본 발명에 따른 연료전지 기반 열회수 장치의 가동 방법에 대한 일실시예 흐름도이다.
먼저, 운전대기 상태를 유지한다(501). 이때, 운전대기 상태는 제 1 개폐부(10) 및 제 2 개폐부(20)를 모두 개방한 후 소정의 시간(일예로 3분)이 경과하면 제 1 개폐부(10)를 닫으며, 이때 유체 순환부(40)는 동작하지 않고 제 3 개폐부(30)는 닫혀있는 상태를 유지하는 것을 의미한다.
이후, 응축탱크 내의 온도가 제 1 임계치 이하이면서 응축탱크 내의 수위가 제 2 임계치 이상임에 따라 제어부(60)가 제 3 개폐부(30)를 개방한다(502).
이후, 제 3 개폐부(30)가 개방된 후 제 2 임계시간 경과하면, 제어부(60)가 유체 순환부(40)를 동작시킨다(503).
이후, 유체 순환부(40)가 동작한 후 제 3 임계시간이 경과하면, 제어부(60)가 제 1 개폐부(10)를 개방한다(504).
이후, 제 1 개폐부(10)가 개방된 후 상태 감지부(50)의 유량 감지기(55)가 감지한 유량이 제 3 임계치를 만족하면, 제어부(60)가 제 2 개폐부(20)를 닫는다(505).
도 6 은 본 발명에 따른 연료전지 기반 열회수 장치의 정지 방법에 대한 일실시예 흐름도이다.
먼저, 제어부(60)는 가동상태에서, 소정의 조건을 만족함에 따라 제 2 개폐부(20)를 개방한 후 제 1 개폐부(10)를 닫는다(601).
이때, 소정의 조건은 상기 연료전지의 출력이 기준치 이하인 경우, 상기 응축탱크 내의 온도가 제 1 임계온도 이상인 경우, 상기 응축탱크 내의 수위가 임계수위 이하인 경우, 상기 제 2 온도 감지기가 감지한 온도가 제 2 임계온도 이하인 경우, 상기 제 3 온도 감지기가 감지한 온도가 제 3 임계온도 이상인 경우, 상기 유량 감지기가 감지한 유량이 임계유량을 일정시간 유지한 경우, 정지 알람이 작동하는 경우, 중에서 어느 하나의 경우를 의미한다.
이후, 제어부(60)가 제 1 개폐부(10)를 닫은 후 제 5 임계시간 후에 유체 순환부(40)의 동작을 정지시킨다(602).
이후, 제어부(60)가 유체 순환부(40)의 동작을 정지시킨 후 제 6 임계시간 후에 제 3 개폐부(30)를 닫는다(603).
한편, 전술한 바와 같은 본 발명의 방법은 컴퓨터 프로그램으로 작성이 가능하다. 그리고 상기 프로그램을 구성하는 코드 및 코드 세그먼트는 당해 분야의 컴퓨터 프로그래머에 의하여 용이하게 추론될 수 있다.　또한, 상기 작성된 프로그램은 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체(정보저장매체)에 저장되고, 컴퓨터에 의하여 판독되고 실행됨으로써 본 발명의 방법을 구현한다. 그리고 상기 기록매체는 컴퓨터가 판독할 수 있는 모든 형태의 기록매체를 포함한다.
이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.
본 발명은 건물의 냉난방에 이용될 수 있다.

Claims (15)

  1. 연료전지(MCFC)에 의해 발생한 열기를 열교환기로 인입시키거나 차단하는 제 1 개폐수단;
    상기 열기를 배출구로 배출시키거나 차단하는 제 2 개폐수단;
    응축탱크에 저장되어 있는 유체를 유체 순환수단으로 인입시키거나 차단하는 제 3 개폐수단;
    상기 제 3 개폐수단에 의해 인입되는 유체를 순환시키는 상기 유체 순환수단;
    상기 연료전지에 의해 발생한 열기의 온도를 측정하고, 상기 유체가 통과하는 관로 내의 유량(流量)을 측정하며, 상기 응축탱크 내의 온도와 수위를 측정하는 상태 감지수단; 및
    가동 알고리즘 및 정지 알고리즘에 따라 상기 각 구성요소들을 제어하는 제어수단
    을 포함하는 연료전지 기반의 열회수 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 상태 감지수단은,
    상기 열교환기를 거친 열기의 온도를 측정하는 제 3 온도 감지기;
    상기 응축탱크 내의 수위를 감지하는 수위 감지기; 및
    상기 열교환기를 통과한 온수의 유량을 측정하는 유량 감지기
    를 포함하는 연료전지 기반의 열회수 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제어수단은,
    운전대기 상태에 진입하는 경우, 상기 제 1 개폐수단 및 상기 제 2 개폐수단을 모두 개방하고, 제 1 임계시간 경과 후 상기 제 1 개폐수단을 닫으며, 상기 유체 순환수단은 정지상태를 유지하고, 상기 제 3 개폐수단은 닫혀있는 상태를 유지하는 것을 특징으로 하는 연료전지 기반의 열회수 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제어수단은,
    상기 운전대기 상태에서, 상기 가동 알고리즘을 수행하는 경우,
    상기 응축탱크 내의 온도가 제 1 임계치 이하이면서 상기 응축탱크 내의 수위가 제 2 임계치 이상임에 따라 상기 제 3 개폐수단을 개방하고, 이후 제 2 임계시간 경과 후 상기 유체 순환수단을 동작시키며, 이후 제 3 임계시간 경과 후 상기 제 1 개폐수단을 개방하고, 상기 유량 감지기가 감지한 유량이 제 3 임계치를 만족하면 상기 제 2 개폐수단을 닫는 것을 특징으로 하는 연료전지 기반의 열회수 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제어수단은,
    상기 유체 순환수단이 동작한 후 제 3 임계시간 경과 후 상기 제 1 개폐수단을 일정치 개방하고, 상기 제 1 개폐수단이 일정치 개방된 후 제 4 임계시간 경과 후 상기 제 1 개폐수단을 완전히 개방하는 것을 특징으로 하는 연료전지 기반의 열회수 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 상태 감지수단은,
    상기 응축탱크 내의 온도를 측정하는 제 1 온도 감지기;
    상기 연료전지에 의해 발생한 열기의 온도를 측정하는 제 2 온도 감지기;
    상기 열교환기를 거친 열기의 온도를 측정하는 제 3 온도 감지기;
    상기 응축탱크 내의 수위를 감지하는 수위 감지기; 및
    상기 열교환기를 통과한 온수의 유량을 측정하는 유량 감지기
    를 포함하는 연료전지 기반의 열회수 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제어수단은,
    상기 정지 알고리즘을 수행하는 경우,
    소정의 조건을 만족함에 따라 상기 제 2 개폐수단을 개방한 후 상기 제 1 개폐수단을 닫으며, 이후 제 5 임계시간 후에 상기 유체 순환수단의 동작을 정지시키고, 이후 제 6 임계시간 후에 상기 제 3 개폐수단을 닫는 것을 특징으로 하는 연료전지 기반의 열회수 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 소정의 조건은,
    상기 연료전지의 출력이 기준치 이하인 경우, 상기 응축탱크 내의 온도가 제 1 임계온도 이상인 경우, 상기 응축탱크 내의 수위가 임계수위 이하인 경우, 상기 제 2 온도 감지기가 감지한 온도가 제 2 임계온도 이하인 경우, 상기 제 3 온도 감지기가 감지한 온도가 제 3 임계온도 이상인 경우, 상기 유량 감지기가 감지한 유량이 임계유량을 일정시간 유지한 경우, 정지 알람이 작동하는 경우, 중에서 어느 하나의 경우에 해당하는 것을 특징으로 하는 연료전지 기반의 열회수 장치.
  9. 제 3 항에 있어서,
    상기 제어수단은,
    상기 운전대기 상태에서, 동절기 비상운전 모드로 동작하는 경우,
    상기 관로 내 유체의 온도가 임계치 이하로 제 7 임계시간 유지됨에 따라 상기 제 3 개폐수단을 개방하고, 이후 상기 유체 순환수단을 동작시키며, 이후 제 8 임계시간 경과 후 상기 유체 순환수단의 동작을 정지시키고, 이후 제 9 임계시간 경과 후 상기 제 3 개폐수단을 닫는 것을 특징으로 하는 연료전지 기반의 열회수 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제어수단은,
    상기 유체의 온도가 임계치 이하로 제 7 임계시간 유지되는지를 주기적으로 체크하는 것을 특징으로 하는 연료전지 기반의 열회수 장치.
  11. 제 1 개폐수단, 제 2 개폐수단, 제 3 개폐수단, 유체 순환수단, 상태 감지수단, 및 제어수단을 포함하는 연료전지 기반 열회수 장치의 가동 방법에 있어서,
    운전대기 상태를 유지하는 단계;
    응축탱크 내의 온도가 제 1 임계치 이하이면서 상기 응축탱크 내의 수위가 제 2 임계치 이상임에 따라 상기 제 3 개폐수단을 개방하는 단계;
    상기 제 3 개폐수단이 개방된 후 제 2 임계시간 경과하면 상기 유체 순환수단을 동작시키는 단계;
    상기 유체 순환수단이 동작한 후 제 3 임계시간이 경과하면 상기 제 1 개폐수단을 개방하는 제 1 개폐수단 개방단계; 및
    상기 제 1 개폐수단이 개방된 후 상기 상태 감지수단이 감지한 유량이 제 3 임계치를 만족하면 상기 제 2 개폐수단을 닫는 단계
    를 포함하는 연료전지 기반 열회수 장치의 가동 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 운전대기 상태를 유지하는 단계는,
    상기 제 1 개폐수단 및 상기 제 2 개폐수단을 모두 개방하고, 제 1 임계시간 경과 후 상기 제 1 개폐수단을 닫으며, 상기 유체 순환수단은 정지상태를 유지하고, 상기 제 3 개폐수단은 닫혀있는 상태를 유지하는 것을 특징으로 하는 연료전지 기반 열회수 장치의 가동 방법.
  13. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    상기 제 1 개폐수단 개방단계는,
    상기 유체 순환수단이 동작한 후 제 3 임계시간 경과 후 상기 제 1 개폐수단을 일정치 개방하는 단계; 및
    상기 제 1 개폐수단이 일정치 개방된 후 제 4 임계시간 경과 후 상기 제 1 개폐수단을 완전히 개방하는 단계
    를 포함하는 연료전지 기반 열회수 장치의 가동 방법.
  14. 제 1 개폐수단, 제 2 개폐수단, 제 3 개폐수단, 유체 순환수단, 상태 감지수단, 및 제어수단을 포함하는 연료전지 기반 열회수 장치의 정지 방법에 있어서,
    소정의 조건을 만족함에 따라 상기 제 2 개폐수단을 개방한 후 상기 제 1 개폐수단을 닫는 단계;
    상기 제 1 개폐수단을 닫은 후 제 5 임계시간 후에 상기 유체 순환수단의 동작을 정지시키는 단계; 및
    상기 유체 순환수단의 동작을 정지시킨 후 제 6 임계시간 후에 상기 제 3 개폐수단을 닫는 단계
    를 포함하는 연료전지 기반 열회수 장치의 정지 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 소정의 조건은,
    상기 연료전지의 출력이 기준치 이하인 경우, 상기 응축탱크 내의 온도가 제 1 임계온도 이상인 경우, 상기 응축탱크 내의 수위가 임계수위 이하인 경우, 상기 제 2 온도 감지기가 감지한 온도가 제 2 임계온도 이하인 경우, 상기 제 3 온도 감지기가 감지한 온도가 제 3 임계온도 이상인 경우, 상기 유량 감지기가 감지한 유량이 임계유량을 일정시간 유지한 경우, 정지 알람이 작동하는 경우, 중에서 어느 하나의 경우에 해당하는 것을 특징으로 하는 연료전지 기반 열회수 장치의 정지 방법.
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