WO2020105855A1 - 복수 개의 연료전지를 포함하는 연료전지 시스템 - Google Patents

복수 개의 연료전지를 포함하는 연료전지 시스템

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WO2020105855A1
WO2020105855A1 PCT/KR2019/011844 KR2019011844W WO2020105855A1 WO 2020105855 A1 WO2020105855 A1 WO 2020105855A1 KR 2019011844 W KR2019011844 W KR 2019011844W WO 2020105855 A1 WO2020105855 A1 WO 2020105855A1
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WO
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heat
fuel cell
storage tank
heat storage
water
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PCT/KR2019/011844
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안철수
김흥구
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주식회사 두산
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Publication date
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Definitions

  • a control valve is provided in the high temperature water discharge pipe, so that the high temperature water discharge pipe can be controlled to be opened when the temperature of the system water in the heat storage tank is equal to or higher than the set temperature.
  • Figure 6 is a bottom view showing the heat storage tank of Figure 1 above.
  • the high temperature water discharge pipe 130 is a system water inlet pipe 110, a system water recovery pipe 122 for hot water supply, and a fluid supply pipe 140 to be described later, when more fluid is supplied to the heat storage tank 100, or a heat storage tank ( If the temperature of the system water in 100) is excessively increased, it is installed in the heat storage tank 100 to adjust the water level or temperature in the heat storage tank 100. Although not shown in the drawing to adjust the water level, the vicinity of the region where the upper cap 102 and the body portion 104 of the heat storage tank 100 are joined, the middle of the heat storage tank 100 is stopped, and a water level sensor is mounted at the bottom. do. When the fluid in the heat storage tank 100 exists above a certain level through the operation of the water level sensor, the fluid in the heat storage tank 100 is automatically discharged through the hot water discharge pipe 130.
  • the installation position of the air outlet pipe 132 is generally located in the upper cap 102 of the heat storage tank 100 because the air in the heat storage tank 100 must be leaked without leaking.
  • the air outlet pipe 132 is connected to a portion where the path of the flow path is bent in the hot water discharge pipe 130 near the upper cap 102, and the air outlet pipe 132 ) And the flow path of the high temperature water discharge pipe 130 is bent to form an approximately right angle with the pipe of the portion that goes out of the heat storage tank 100.
  • the fuel cell heat exchanger 200 discharges waste heat generated by the fuel cell using system water. That is, heat exchange is performed between the cooling water circulating inside the fuel cell and the system water supplied from the heat storage tank, so that the heat of the cooling water is transferred to the system water to cool the inside of the fuel cell.
  • the fuel cell heat exchanger 200 corresponds to a source of heat when viewed from the viewpoint of the heat storage tank.
  • the system water introduced into the low temperature state flows into the heat storage tank 100 and serves to lower the temperature under the heat storage tank 100.
  • the temperature at the bottom of the heat storage tank 100 is lowered, and the fluid at the bottom becomes a low temperature state, and eventually the low temperature system water is discharged through the system water outlet pipe 112 connected to the bottom of the heat storage tank 100.
  • a transfer pump 114 is provided to help discharge system water.
  • the system water is circulated to the fuel cell heat exchanger 200 and the heat storage tank 100 through the system water transfer pump 114.
  • a radiator 402 is installed in the system water inlet pipe 110 near the heat storage tank 100 to make the number of incoming systems cooler.
  • the system water inlet pipe 110 is branched at any one point to supply low-temperature system water to each of the fuel cell heat exchangers 200.
  • At least one fuel cell is installed, and the fuel cell includes a fuel cell controller.
  • the fuel cell is connected to the fuel cell heat exchanger 200 through a flow path, and the fuel cell heat exchanger 200 is connected to a system water outlet tube 112 and a system water inlet tube 110.
  • a control valve is installed on the system water inlet pipe 110, and the control valve is opened and closed by receiving a signal from a fuel cell controller.
  • a system water transfer pump 114 is installed on the system water outlet pipe 112.
  • a heat exchanger 400 for heat dissipation is installed on the system water outlet pipe 112.
  • the heat exchanger 400 for heat dissipation and the heat radiator 402 are connected to a circulation water flow path for heat dissipation, and heat exchanged in the heat exchanger 400 for heat dissipation is discharged to the outside through the heat dissipator 402.
  • the heat storage tank 100 a heat storage tank controller installed in the heat storage tank 100, and a water level sensor and a system water inlet pipe 110, a system water outlet pipe 112 connected to the heat storage tank 100, system water for hot water Supply pipe 120, a system water recovery pipe 122 for hot water supply, a fluid supply pipe 140, and a control valve installed in the hot water discharge pipe 130 and the fluid supply pipe 140 and the hot water discharge pipe 130 Through it, the fluid may be introduced into the heat storage tank 100 or the fluid may be discharged from the heat storage tank 100.
  • the control valve is opened and closed by receiving a signal from the heat storage tank controller.
  • an embodiment of the present invention uses a radiator 402.
  • the radiator 402 When the temperature sensor installed under the heat storage tank detects a specific temperature or higher, the radiator 402 is operated through the heat storage tank controller. When the lower temperature of the heat storage tank falls below a certain temperature due to the operation of the radiator 402, the operation of the radiator 402 is stopped.
  • the radiator 402 when the radiator 402 is operated, there is heat exchange between the system water outlet pipe 112 passing through the heat exchanger 400 for heat dissipation and the flow path connected to the radiator 402, and is present in the system water outlet pipe 112.
  • the flow path which absorbs heat, transports heat by the movement of fluid in the flow path, and discharges heat transferred from the radiator 402 to the outside.
  • the temperature of the fluid in the system water outlet pipe 112 may be reduced through heat release.
  • the system water may be heated to an extent that exceeds the heat dissipation capacity of the radiator 402.
  • high-temperature system water can be discharged directly without using a heat exchanger or the like. That is, when the temperature sensor installed under the heat storage tank 100 detects a specific temperature abnormality, the control valve of the high temperature water discharge pipe 130 is opened through the heat storage tank controller, and accordingly the high temperature system distributed over the heat storage tank 100 The water is discharged directly to the outside.
  • the control valve of the fluid supply pipe 140 is opened through the heat storage tank controller, and the low temperature water flows in and out. Will fill in. If the temperature in the heat storage tank 100 becomes a predetermined temperature or less among the above processes, the control valves of the hot water discharge pipe 130 and the fluid supply pipe 140 are closed through the heat storage tank controller.
  • the two pumps 114 and 124 may be operated to prevent freezing. That is, the system water is continuously circulated to prevent freezing even if there is no heat source.

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Abstract

본 발명은 축열조의 내부구조를 텅 빈 구조로 설계함으로써, 기존에 유로를 축열조 내부에 설계함에 따라 복수개의 연료전지 열교환기들을 1개의 축열조에 연결함에 따른 축열조 부피증가현상을 방지하여 축열조 생산원가절감을 이룰 수 있게 되었다. 또한, 기본에 복수개의 연료전지 열교환기들을 위해 축열조 역시 상기 연료전지 열교환기 개수에 맞추어 설치를 하였으나, 본 발명인 축열조는 1개의 축열조로 복수개의 연료전지 열교환기들과 연결할 수 있어서 공간절약화를 이룰 수 있다.

Description

복수 개의 연료전지를 포함하는 연료전지 시스템
본 발명은 복수 개의 연료전지를 포함하는 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 복수 개의 연료전지에서 발생된 열을 효율적으로 관리하기 위한 연료전지 시스템에 관한 것이다.
연료전지는 작동과정에서 필연적으로 열이 발생되게 되고, 이러한 열은 연료전지의 운전에 영향을 미치게 되므로 이를 적절히 냉각할 필요가 있다. 통상적으로는, 외부의 냉각수를 이용한 연료전지 열교환기를 사용하게 되고, 상기 냉각수가 갖는 열을 저장하여 별도로 활용할 수 있도록 하는 축열조가 연료전지의 개수만큼 사용되게 된다.
상기 축열조는 통상적으로 작동유체가 저장되는 축열조 및 상기 축열조 내에 설치되어 연료전지를 냉각한 냉각수가 내부를 순환하도록 구성되는 열교환코일들로 구성된다. 즉, 축열조 내에 저장된 작동유체에 잠긴 열교환코일의 내부를 연료전지 냉각수가 순환하면서 냉각되고, 이렇게 작동유체로 전달된 열은 난방용 온수 등으로 사용될 수 있다.
열교환코일들은 각각 일측으로 온수입구와 열교환용 순환수입구를 구비하고 다른 일측에 온수출구와 열교환용 순환수출구를 구비하는 단일 통로로 형성되어, 저온 상태로 유입되는 온수와 열교환용 순환수를 가열하여 공급한다. 한편, 고분자 전해질 연료전지 열교환기는 축열조에 축적되는 온도가 60 ℃ 내지 80 ℃정도이며, 주로 65 ℃ 이하에서 운전된다.
이와 같은 축열조를 다수의 연료전지 열교환기들과 함께 사용할 경우, 축열조 내 코일이 차지하는 부피가 커져 축열조의 부피가 증가되는 것이 불가피하다는 문제가 있다. 따라서 일반적으로 다수의 연료전지 열교환기들을 운용하는 경우, 다수의 축열조를 사용하지만, 이는 전체 시스템을 복잡하게 하는 원인이 된다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제를 해소하기 위해 안출된 것으로서, 복수 개의 연료전지를 포함하더라도 부피 증가가 크지 않고 전체 시스템 구성을 단순화할 수 있는 연료전지 시스템을 제공하는 것을 기술적 과제로 삼고 있다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일측면에 의하면, 복수 개의 연료전지; 상기 각각의 연료전지마다 구비되며, 상기 연료전지를 냉각하는 냉각수와 시스템수 간의 열교환을 위한 연료전지 열교환기; 상기 시스템수를 저장하는 축열조; 상기 축열조 내의 시스템수가 갖는 열을 외부로부터 유입되는 저온수로 공급하는 온수 공급용 열교환기; 및 상기 축열조와 상기 연료전지 열교환기 중 어느 하나의 사이에 배치되는 방열용 열교환기;를 포함하여, 연료전지에서 발생된 열을 상기 시스템수에 공급하고, 시스템수에 공급된 열은 선택적으로 상기 순환수 열교환기를 통해 저온수로 전달되거나, 상기 방열용 열교환기를 통해 외부로 방열되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템이 제공된다.
여기서, 상기 각각의 연료전지 열교환기와 상기 축열조 사이에 배치되어, 상기 연료전지 열교환기로의 시스템수 공급을 제어하는 제어밸브를 추가적으로 포함하여, 연료전지의 온도에 따라서 상기 제어밸브가 선택적으로 시스템수를 연료전지 열교환기로 공급할 수 있다.
여기서, 상기 연료전지 열교환기로부터 회수되는 시스템수는 상기 축열조의 상부로 유입될 수 있다.
여기서, 사용자로부터의 온수 공급 요구가 있는 경우 상기 방열용 열교환기에 우선하여 상기 순환수 열교환기로 시스템수가 공급될 수 있다.
여기서, 상기 방열용 열교환기로 공급되는 시스템수는 상기 축열조의 하부로부터 배출될 수 있다.
여기서, 상기 방열용 열교환기는 대기 중으로 열을 방열하는 방열기와 유체 연결될 수 있다.
여기서, 상기 축열조 내의 시스템수를 배출하기 위한 고온수 배출관이 상기 축열조의 상부에 구비될 수 있다.
여기서, 상기 고온수 배출관에 제어 밸브가 구비되어, 축열조 내의 시스템수 온도가 설정 온도 이상인 경우에 고온수 배출관이 개방되도록 제어될 수 있다.
여기서, 상기 축열조의 하부에 시스템수를 보충하기 위한 유체 공급관이 구비될 수 있다.
여기서, 상기 온수 공급용 열교환기에 의해 가열된 저온수가 사용자에게 온수로서 공급될 수 있다.
여기서, 상기 방열용 열교환기는 시스템수의 흐름 방향을 기준으로 상기 연료전지 열교환기의 바로 직전에 배치될 수 있다.
여기서, 상기 시스템수를 순환시키기 위한 펌프를 추가로 포함하고, 상기 펌프는 연료전지의 작동이 정지된 상태에서 축열조 내의 시스템수의 온도가 설정 최저 온도 이하로 내려갈 경우 작동하여 시스템수를 순환시킬 수 있다.
상기와 같은 구성을 갖는 본 발명의 일 측면에 의하면, 하나의 축열조를 이용하여 복수 개의 연료전지들을 효율적이고 독립적으로 냉각할 수 있을 뿐만 아니라, 축열조의 내부에 열교환 코일이 배치되지 않으므로 축열조의 크기 증가를 최소화할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 축열조를 도시한 정면도이다.
도 2은 상기 도 1의 축열조를 도시한 좌측면도이다.
도 3은 상기 도 1의 축열조를 도시한 우측면도이다.
도 4는 상기 도 1의 축열조를 도시한 배면도이다.
도 5는 상기 도 1의 축열조를 도시한 평면도이다.
도 6은 상기 도 1의 축열조를 도시한 저면도이다.
도 7은 상기 도 1의 축열조를 이용하여 형성한 연료전지 열교환기 구성도이다.
이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 실시예들에 대해서 상세하게 설명하도록 한다.
도 7를 참고하면, 축열조(100)는 연료전지 열교환기(200)으로부터 발생한 폐열을 저장하여 사용자가 원하는 시기에 저장된 상기 폐열을 활용하기 위한 장치이다. 종래에 사용되었던 축열조와 달리, 본 발명인 축열조(100)는 내부에 열교환 코일을 두지 않고, 축열조(100) 외부에 배치되는 연료전지 열교환기(200)에서 연료전지용 냉각수와 축열조(100) 내에 저장된 시스템수가 서로 열교환하는 구성을 갖는다.
이로써, 내부에 유로를 설치하지 않아 여러 연료전지 열교환기(200)들을 연결할 때 축열조(100) 내부 유로로 인해 축열조(100) 부피가 커지는 것을 방지할 수 있다. 또한, 축열조(100)의 부피증가를 방지함으로써 원가 절감을 이룰 수 있다.
보다 상세하게는 기존 축열조를 연료전지 열교환기(200)에 연결할 때에는 축열조 내부에 코일 등의 형태로 유로를 형성하였다. 이에 따라 복수개의 연료전지 열교환기(200)들을 1개의 축열조에 연결한다면, 상기 연료전지 열교환기(200) 수만큼의 유로들이 축열조 내부에 형성되어 상기 유로들로 인해 축열조의 부피증가가 불가피함에 따라 축열조 생산원가가 상승하였고, 또한 축열조 내부에 상기 유로들의 밀착으로 축열조 내부에서의 열교환 효율이 저하될 우려가 있었다.
하지만 축열조(100)의 내부 구조를 텅 빈 구조로 설계함으로써, 축열조(100) 내부에 유로를 형성하지 않아 복수개의 연료전지 열교환기(200)들의 연결에 따른 축열조(100) 부피증가를 피할 수 있다. 또한, 상기 부피증가를 회피하여 복수개의 연료전지 열교환기(200)들의 연결을 위한 축열조(100)를 생산함으로써 생산원가절감을 이룰 수 있다.
도 1 내지 도 6를 참고하면, 상기 축열조(100)는 크게 상부캡(102), 몸체부(104) 그리고 하부캡(106)으로 구성되어 있고, 경우에 따라 지지대(108)를 포함할 수 있다.
상기 상부캡(102)은 몸체부(104)에 장착이 되고, 일반적으로 몸체부(104)와 장착되는 부분은 평평한 형태를 갖을 수 있으나 몸체부(104)와 장착되지 않는 부분은 둥근 형태를 갖을 수 있다. 몸체부(104)에 장착되는 방식은 여러가지가 될 수 있고, 견고한 결합을 위해 융착될 수도 있다. 하부캡(106)은 일반적으로 상기 상부캡(102)과 동일한 형태로 제작될 수 있고, 몸체부(104)를 기준으로 상기 상부캡(102)과 대칭이 되도록 몸체부(104)에 장착될 수 있다.
지지대(108)는 축열조(100)를 지지하기 위한 장치로서, 일반적으로 축열조(100)의 하부캡(106)에 장착된다. 상기 지지대(108)는 축열조(100)를 지지하기 위한 기능만 갖추면 되기 때문에, 그 형태 및 개수에는 제한이 없다. 도 1에 도시된 본 발명의 일 실시예에서는 4개의 지지대(108)들을 상부캡(102)의 외측부 부근에 결합시켰으며, 상기 지지대(108)는 일반적인 보의 형태를 갖는다. 아울러, 상기 지지대(108)의 지면과 닿는 부근은 축열조(100)의 안정적인 지지를 위해 보다 넓은 면적을 갖는다.
또한, 경우에 따라 축열조(100)의 배수구(150)를 하부가 아닌 측면으로 이동시킬 경우 지지대(108)를 장착할 필요가 없어 지지대(108) 없는 축열조(100)가 가능할 수 있다.
시스템수 유입관(110)은 연료전지 열교환기(200)의 폐열을 흡수한 유체가 축열조(100)로 유입되는 경로로서, 고온의 유체가 흘러지나간다. 시스템수 유출관(112)은 축열조(100)에서 폐열이 빠져나간 유체가 유출되는 경로로서, 저온의 유체가 흘러지나간다.
상기 시스템수 유입관(110) 및 상기 시스템수 유출관(112)이 축열조(100)에 연결되는 위치가 정해진 것은 아니나, 일반적으로 시스템수 유입관(110)은 축열조(100)의 상부에 연결되고 시스템수 유출관(112)은 축열조(100)의 하부에 연결된다. 이는, 고온부분이 상부에 위치하고 저온부분이 하부에 위치하는 온도차에서 기인하는 밀도차를 고려한 것이다.
시스템수 이송펌프(114)는 시스템수 유출관(112)의 축열조(100) 부근에 설치하여 축열조(100)로부터 유출된 시스템수를 연료전지 열교환기(200) 및 축열조(100)까지 순환시키도록 한다.
다시 도 1 내지 도 7를 참고하면, 온수 공급용 시스템수 회수관(122)은 열교환용 순환수가 온수 공급용 열교환기(300)에서 축열조(100)로 유입되는 경로로서, 저온유체가 흘러 지나간다. 온수용 시스템수 공급관(120)은 축열조(100)에 저장된 폐열로 인해 온도가 상승한 열교환용 순환수가 축열조(100)로부터 유출되는 경로로서, 고온유체가 흘러 지나간다.
전술한 시스템수 유입관(110) 및 시스템수 유출관(112)의 연결위치와 같이, 온수 공급용 시스템수 회수관(122) 및 온수용 시스템수 공급관(120) 역시 축열조(100)에 연결되는 위치가 정해진 것은 아니다. 일반적으로 온도차에 기한 밀도차를 감안하여 축열조(100)의 상부에 온수용 시스템수 공급관(120)을 축열조(100)의 하부에 온수 공급용 시스템수 회수관(122)을 연결한다.
온수용 시스템수 순환펌프(124)는 일반적으로 축열조(100) 부근의 온수 공급용 시스템수 회수관(122)에 설치되어, 온수 공급용 열교환기(300)에서 열교환용 순환수를 순환시킨다.
고온수 배출관(130)은 시스템수 유입관(110), 온수 공급용 시스템수 회수관(122) 그리고 후술할 유체 공급관(140)으로부터 축열조(100)에 필요이상의 유체가 공급된 경우, 또는 축열조(100) 내의 시스템수 온도가 과도하게 상승한 경우, 축열조(100) 내 수위 또는 온도를 조절하기 위해 축열조(100)에 설치된다. 수위를 조절하기 위해 도면에는 도시가 되어 있지 않으나, 축열조(100)의 상부캡(102)과 몸체부(104)가 접합되는 부위의 부근과 축열조(100)의 중단, 그리고 하단에 수위센서가 장착된다. 상기 수위센서의 작동을 통해 일정수위 이상으로 축열조(100) 내 유체가 존재하게 되는 경우, 자동적으로 고온수 배출관(130)을 통해 축열조(100) 내 유체가 유출된다.
공기 유출관(132)은 축열조(100) 내 유체가 공급되면서 축열조(100) 내 존재했던 공기가 원활하게 빠져나가도록 설치된다. 상기 공기 유출관(132)은 반드시 축열조(100)에 설치되어야 하는 것은 아니나, 축열조(100)의 안정적인 운영을 위해 일반적으로는 설치한다.
상기 공기 유출관(132)의 설치위치는 축열조(100) 내 유체가 새어나가지 않게 하면서 공기를 유출시켜야 하므로 일반적으로 축열조(100)의 상부캡(102)에 위치시킨다. 도 1에 도시한 본 발명의 일 실시예에 따르면 상부캡(102) 부근의 고온수 배출관(130)에서 유로의 경로가 꺽이는 부분에 공기 유출관(132)이 연결되었으며, 상기 공기 유출관(132)과 상기 고온수 배출관(130)의 유로 경로가 꺽어져서 축열조(100) 외부로 나아가는 부분의 파이프와는 대략 직각을 이룬다.
유체 공급관(140)은 축열조(100) 내 시스템수의 폐열을 저장할 수 있는 유체를 공급하는 경로이다. 상기 유체 공급관(140)에서 공급하는 유체는 저온이므로, 일반적으로 축열조(100)의 하부에 연결시킨다.
배수구(150)는 축열조(100) 내 유체를 배출시킬 필요가 있는 경우, 상기 유체를 배출시키는 곳이다. 일반적으로 원활한 유체의 배출을 위해 축열조(100)의 하부캡(106)에 위치시킨다. 도 6에 도시한 본 발명의 일 실시예에서는 하부캡(106)의 정중앙에 배수구(150)를 형성하였다. 다만, 전술한 바와 같이 지지대(108) 설치가 필요 없게끔 상기 배수구(150)의 위치를 축열조(100) 하부가 아닌 측면으로 이동시킬 수 있다.
연료전지 열교환기(200)는 연료전지에서 자체적으로 발생한 폐열을 시스템수를 이용하여 폐열을 방출시킨다. 즉, 연료전지 내부를 순환하는 냉각수와 상기 축열조로부터 공급된 시스템수 사이에서 열교환이 이루어지도록 하여, 냉각수가 갖는 열이 시스템수로 전달되면서 연료전지의 내부를 냉각할 수 있도록 구성된다. 상기 연료전지 열교환기(200)는 축열조의 입장에서 보았을 때 열의 공급원에 해당된다.
온수 공급용 열교환기(300)은 축열조(100)에 저장된 폐열을 흡수한 열교환용 순환수를 통해 외부로 열을 방출시킨다. 이때, 방출된 열은 외부의 저온수를 가열하여, 사용자에게 온수로서 공급될 수 있다. 따라서, 상기 온수 공급용 열교환기(300)는 축열조의 입장에서 보았을 때 열의 방출수단에 해당된다.
본원의 도면들에는 도시되지 않았으나, 전체 시스템에 존재하는 모든 유로에는 온도센서가 있으며 축열조(100)의 몸체부(104) 상단,중단,하단 각각에 온도센서가 설치되어 있다. 또한, 축열조(100) 부근의 시스템수 유출관(112)에는 방열기(402)로 순환되는 순환유로가 있으며 상기 순환유로에서 축열기(100)로부터 유출된 시스템수가 순환하여 방열기(402)를 통해 열을 배출함으로써 시스템수의 온도를 낮춰 보다 저온상태의 시스템수를 형성할 수 있다, 즉, 상기 방열기(402)는 축열기(100)로서는 또 다른 열의 방출원에 해당된다. 이후 상기 시스템수는 연료전지 열교환기(200)로 유입되어 연료전지에서 발생한 폐열과 열교환을 하고, 이후 폐열을 흡수하여 고온으로 전환된 시스템수는 축열조(100) 상부로 유입된다. 따라서, 상기 축열조(100)는 복수 개의 연료전지로부터 공급된 열을 상기 온수 공급용 열교환기(300), 상기 방열기(402), 그리고 상기 고온수 배출관(130) 등을 통해서 방열하면서 열적 균형을 유지하도록 구성된다. 그리고, 어느 열원으로부터 열을 공급받을 것인지, 그리고 어느 방열수단을 통해 열을 방출할 지를 제어하기 위한 제어수단이 추가적으로 구비된다. 이때, 방열수단 사이의 우선 순위는, 연료전지의 운전효율, 시스템의 안정성, 사용자의 온수 공급 요청 여부 등을 종합적으로 고려하여 결정할 수 있다.
도 7은 상기 연료전지 시스템의 개략적인 구성을 나타낸다. 도 7을 참조하면, 각각의 연료전지 열교환기(200)에서 폐열을 흡수한 시스템수는 하나의 지점에서 통합된 시스템수 유입관(110)을 통해 축열조(100) 상부로 고온 상태로 유입된다. 상기 도 7에서는 간략한 도시를 위해 도시하지 않았으나, 축열조(100) 내부에는 기본적으로 유체 공급관(140)을 통해 공급된 유체가 존재한다. 축열조(100) 내부에 존재하는 상기 유체는 고온의 시스템수와 열교환을 하여 연료전지 열교환기(200)으로부터의 폐열을 저장하는 역할을 한다.
온수 공급용 열교환기(300)에서 열을 공급한 후 저온상태로 유입된 시스템수는 축열조(100)로 유입되어 축열조(100) 하부의 온도를 낮추는 역할을 한다. 축열조(100) 하부의 온도가 낮아져 상기 하부의 유체는 저온상태가 되고, 결국 축열조(100) 하부에 연결된 시스템수 유출관(112)을 통해 저온의 시스템수가 배출된다. 시스템수의 배출을 돕기 위해서 이송펌프(114)가 구비된다. 상기 시스템수 이송펌프(114)를 통해 시스템수를 연료전지 열교환기(200) 및 축열조(100)로 순환시킨다. 또한, 본원의 도면들에는 도시되지 않았으나 방열기(402)가 축열조(100) 부근의 시스템수 유입관(110)에 설치되어 유입되는 시스템수를 보다 저온상태로 만든다.
시스템수 유입관(110)은 어느 하나의 지점에서 분기되어 저온의 시스템수를 각각의 연료전지 열교환기(200)들에 공급한다.
이하, 본 발명의 실시예를 이용하여 폐열처리를 위하 제어방법에 대해 서술한다.
적어도 1개 이상의 연료전지가 설치되어 있고, 상기 연료전지는 연료전지 제어기를 포함한다. 상기 연료전지는 연료전지 열교환기(200)에 유로를 통해 연결되어 있고, 상기 연료전지 열교환기(200)는 시스템수 유출관(112), 그리고 시스템수 유입관(110)과 연결된다. 상기 시스템수 유입관(110)상에 제어 밸브가 설치되어 있고, 상기 제어 밸브는 연료전지 제어기로부터 신호를 받아 개폐가 이루어진다. 상기 시스템수 유출관(112)상에 시스템수 이송펌프(114)가 설치되어 있고. 상기 시스템수 유출관(112)상에 방열용 열교환기(400)가 설치되어 있다. 상기 방열용 열교환기(400)와 방열기(402)는 방열용 순환수 유로로 연결되어, 방열용 열교환기(400)에서 열교환된 열은 상기 방열기(402)를 통해 외부로 방출된다.
아울러, 연료전지 열교환기(200)로 공급되는 시스템수는 연료전지 내부의 온도를 낮추기 위한 냉각수로서 기능하기 때문에, 연료전지로 공급되는 시스템수의 온도는 가능한 낮아야 한다. 따라서, 상기 방열용 열교환기(400)는 시스템수 유로 상에서 상기 연료전지 열교환기(200)의 바로 이전 단계에 배치되어 시스템수가 가능한 낮은 온도를 유지한 상태로 연료전지 열교환기(200)로 공급될 수 있도록 한다.
상기 축열조(100)와 상기 축열조(100)에 설치되어 있는 축열조 제어기, 그리고 수위센서와 상기 축열조(100)와 연결되는 시스템수 유입관(110), 시스템수 유출관(112), 온수용 시스템수 공급관(120), 온수 공급용 시스템수 회수관(122), 유체 공급관(140), 그리고 고온수 배출관(130)과 상기 유체공급관(140)과 상기 고온수 배출관(130)에 설치되어 있는 제어 밸브를 통해 축열조(100)로 유체를 유입시키거나 축열조(100)로부터 유체를 유출시킬 수 있다. 상기 제어 밸브는 축열조 제어기로부터 신호를 수신받아 개폐가 이루어진다.
온수 공급용 열교환기(300)와 상기 온수 공급용 열교환기(300)와 연결되는 온수용 시스템수 공급관(120), 그리고 온수 공급용 시스템수 회수관(122)과 상기 온수 공급용 시스템수 회수관(122) 상에 설치되는 온수용 시스템수 순환펌프(124)를 통해서 후술할 외부 저온수의 온도를 상승시킬 수 있다.
외부 저온수가 상기 온수 공급용 열교환기(300)에 유입되고 상기 외부 저온수가 상기 온수 공급용 열교환기(300)로부터 유출될 수 있게 설치되어 있는 수로와 상기 수로상에 설치되어 있는 유량감지센서(500)를 통해 순환용 온수 공급용 열교환기(300) 내에서 축열조(100) 내 폐열을 공급받을 수 있다. 이로 인해, 상기 외부 저온수가 가열될 수 있고, 가열된 저온수는 사용자에게 온수로서 공급될 수 있다.
즉, 사용자가 온수사용을 위해 온수를 개방하면, 상기 외부 저온수 유로 내 설치되어 있는 유량감지센서(500)가 수로 내 유량을 감지한다. 유량을 감지한 유량감지센서(500)는 유량감지신호를 축열조 제어기로 송신하고, 축열조(100)에 설치되어 있는 온도센서를 통해 감지한 축열조(100) 내 온도가 특정온도 이상인 경우 축열조 제어기는 온수용 시스템수 순환펌프(124)에 작동신호를 송신한다. 상기 특정온도는 경우에 따라 유동적으로 변할 수 있고, 하나의 온도로 고정되어 있는 값은 아니다. 상기 온수용 시스템수 순환펌프(124)가 작동함으로써 축열조 내에 저장된 고온의 순환수가 온수용 시스템수 공급관(120)을 통해 온수 공급용 열교환기(400) 측으로 이동되어 상기 온수 공급용 열교환기(300)에서 열을 방출함으로써 사용자가 원하는 온수를 얻을 수 있다. 만약 축열조 내 온도가 특정온도 미만이라면, 축열조 제어기는 온수용 시스템수 순환펌프(124)에 작동신호를 송신하지 않아 상기 온수용 시스템수 순환펌프(124)는 작동을 하지 않게 된다. 이 경우, 일반적으로 축열조 내 폐열축적이 충분치 않은 경우로 외부 보조 보일러 등의 사용을 통해 열 공급을 받음으로써 사용자가 원하는 온수를 사용할 수 있게 된다.
연료전지 내 폐열을 흡수하는 과정에 대해 서술한다. 연료전지가 가동중인 경우 연료전지 제어기가 연료전지 가동신호를 축열조 제어기로 송신을 한다. 상기 가동신호를 수신한 축열조 제어기는 시스템수 이송펌프(114)로 작동신호를 송신하고, 그에 따라 시스템수 이송펌프(114)가 작동을 한다. 여기서, 각각의 연료전지 열교환기(200) 마다 구비되는 제어 밸브에 의해 연료전지 내의 온도가 조절될 수 있다. 즉, 제어 밸브가 개방된 경우 저온의 시스템수가 연료전지 열교환기(200)로 공급되면서 연료전지 내부가 냉각될 수 있다.
만일, 연료전지 내의 온도가 정상 범위를 유지하는 경우, 제어 밸브는 폐쇄된다. 이 경우, 시스템수는 제어 밸브가 개방된 연료전지로만 공급되므로, 하나의 축열조를 이용하여 복수 개의 연료전지를 개별적이고 독립적으로 냉각할 수 있게 된다.
이하, 축열조 내 폐열이 일정수준 이상으로 쌓여 축열조 내 폐열을 방출시키는 방법에 대해 서술한다.
연료전지가 효율적으로 운전되기 위해서는 시스템수의 저온유지가 중요하다. 시스템수가 고온으로 유지가 된다면 연료전지로부터 발생되는 폐열을 효율적으로 흡수하지 못해 연료전지에 폐열이 쌓이게 되고, 그럼으로써 연료전지의 전기생성효율이 떨어지게 된다. 또한, 연료전지 내 부품들의 고장을 유발시킬 수 있다.
축열조 내 폐열을 방출시키는 방법 중 하나로 본 발명의 실시예는 방열기(402)를 사용한다. 축열조 하부에 설치되어 있는 온도센서가 특정온도이상을 감지하면 축열조 제어기를 통해 방열기(402)를 작동시킨다. 방열기(402) 작동으로 축열조 하부 온도가 특정온도미만으로 떨어지면 상기 방열기(402) 작동은 중단된다. 구체적으로 상기 방열기(402) 작동 시, 방열용 열교환기(400)를 지나는 시스템수 유출관(112)과 방열기(402)와 연결된 유로간에 열교환이 있고, 상기 시스템수 유출관(112)에 존재하는 열을 흡수한 상기 유로는 상기 유로 내 유체의 이동으로 열을 수송하여 상기 방열기(402)에서 수송된 열을 외부로 방출한다. 열방출을 통해 시스템수 유출관(112) 내 유체의 온도를 떨어뜨릴 수 있다.
경우에 따라서는, 상기 방열기(402)의 방열 용량을 초과하는 정도로 시스템수가 가열될 수 있다. 이 경우에는, 열교환기 등을 사용하지 않고 고온의 시스템수를 외부로 직접 배출할 수 있다. 즉, 축열조(100) 하부에 설치되어 있는 온도센서가 특정온도이상을 감지하면 축열조 제어기를 통해 고온수 배출관(130)의 제어 밸브가 개방되고, 그에 따라 축열조(100) 상부에 분포하는 고온의 시스템수가 외부로 직접 방출된다.
그 후, 상기 배출로 인해서 축열조(100) 내 수위가 일정수위 이하로 떨어지면 축열조(100) 내 수위센서가 이를 감지하면 축열조 제어기를 통해 유체 공급관(140)의 제어 밸브가 오픈되어 저온수가 유입되고 수위를 채우게 된다. 상기 과정들 중 축열조(100) 내 온도가 일정온도 이하가 된다면, 상기 고온수 배출관(130)과 유체 공급관(140)의 제어 밸브는 축열조 제어기를 통해 클로즈된다.
상황에 따라 방열기(402)와 온수방출방법이 모두 사용되는 경우, 방열기(402) 사용에 우선순위가 설정된다. 전술한 바대로 방열기(402)가 작동을 하고, 다만 제어기에 설정되어 있는 특정시간 이상으로 방열기(402)가 작동된다면 축열조 제어기의 작동으로 온수배출방법이 사용된다. 이 경우 온수배출방법은 전술한 바와 동일한 방식으로 작동을 하고, 방열기(402)와 온수배출방법으로 축열조 내 온도가 특정온도 이하로 떨어지게 되면, 방열기(402)와 온수배출방법은 중단된다.(내용 추가)
또한, 연료전지 시스템이 정지된 상태에서 상기 펌프(114)의 작동도 정지된 상태인 경우에 상기 축열조(100)의 하부에 저장되어 있는 시스템수의 온도가 낮아질 수 있다. 특히, 외부 온도 조건에 따라서 동파의 우려가 있을 수 있다. 이 경우, 상기 축열조 제어기에 의해 동파 우려가 있다고 판단된 경우 상기 두 개의 펌프(114, 124)를 작동하여 동파를 방지하도록 할 수 있다. 즉, 시스템수를 지속적으로 순환시켜서 열원이 없더라도 동파가 방지될 수 있도록 한 것이다.
그 후, 시스템수의 온도가 상승하거나, 외부 온도 조건이 변경되거나 또는 연료전지의 작동이 재개되는 경우에는 동파의 우려가 없으므로 상기 펌프의 작동을 정지시키고, 연료전지 시스템 운전 조건에 따라 운전을 지속할 수 있다.
이상, 본 발명의 일 실시 예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로 산업상 이용가능성이 있다.

Claims (12)

  1. 복수 개의 연료전지;
    상기 각각의 연료전지마다 구비되며, 상기 연료전지를 냉각하는 냉각수와 시스템수 간의 열교환을 위한 연료전지 열교환기;
    상기 시스템수를 저장하는 축열조;
    상기 축열조 내의 시스템수가 갖는 열을 외부로부터 유입되는 저온수로 공급하는 온수 공급용 열교환기; 및
    상기 축열조와 상기 연료전지 열교환기 중 어느 하나의 사이에 배치되는 방열용 열교환기;를 포함하여,
    연료전지에서 발생된 열을 상기 시스템수에 공급하고,
    시스템수에 공급된 열은 선택적으로 상기 순환수 열교환기를 통해 저온수로 전달되거나, 상기 방열용 열교환기를 통해 외부로 방열되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 각각의 연료전지 열교환기와 상기 축열조 사이에 배치되어, 상기 연료전지 열교환기로의 시스템수 공급을 제어하는 제어밸브를 추가적으로 포함하여, 연료전지의 온도에 따라서 상기 제어밸브가 선택적으로 시스템수를 연료전지 열교환기로 공급하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지 열교환기로부터 회수되는 시스템수는 상기 축열조의 상부로 유입되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    사용자로부터의 온수 공급 요구가 있는 경우 상기 방열용 열교환기에 우선하여 상기 순환수 열교환기로 시스템수가 공급되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 방열용 열교환기로 공급되는 시스템수는 상기 축열조의 하부로부터 배출되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 방열용 열교환기는 대기 중으로 열을 방열하는 방열기와 유체 연결되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 축열조 내의 시스템수를 배출하기 위한 고온수 배출관이 상기 축열조의 상부에 구비되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 고온수 배출관에 제어 밸브가 구비되어, 축열조 내의 시스템수 온도가 설정 온도 이상인 경우에 고온수 배출관이 개방되도록 제어되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 축열조의 하부에 시스템수를 보충하기 위한 유체 공급관이 구비되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 온수 공급용 열교환기에 의해 가열된 저온수가 사용자에게 온수로서 공급되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 방열용 열교환기는 시스템수의 흐름 방향을 기준으로 상기 연료전지 열교환기의 바로 직전에 배치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 시스템수를 순환시키기 위한 펌프를 추가로 포함하고, 상기 펌프는 연료전지의 작동이 정지된 상태에서 축열조 내의 시스템수의 온도가 설정 최저 온도 이하로 내려갈 경우 작동하여 시스템수를 순환시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
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