KR101080311B1 - 분리형 보조 버너를 갖는 연료전지시스템 및 이의 운전 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템은 연료와 산화제의 반응으로 열과 전기를 발생시키는 연료전지부와 상기 연료전지부와 연결되어 열을 회수하는 제1 열 교환기와 상기 제1 열 교환기에서 전달된 열을 온수 형태로 보관하는 축열조를 포함하는 연료전지 발전기, 및 상기 연료전지 발전기와 별도로 운전될 수 있도록 설치되며 상기 축열조에서 가열된 물을 가열하는 보조 버너를 포함하고, 상기 연료전지 발전기와 상기 보조 버너의 흡기 라인 및 배기 라인은 밀폐식으로 이루어지며, 상기 연료전지 발전기의 배기라인과 상기 보조 버너의 배기 라인의 단부는 외부로 배기가스를 배출하는 통합 배기 라인에 연결된다.
연료전지, 보조 버너, 공랭식 열교환기, 3방향 밸브, 흡기, 배기
Description
본 발명은 연료전지시스템 및 이의 운전 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 보조 버너를 갖는 연료전지시스템 및 이의 운전 방법에 관한 것이다.
연료전지는 연료(수소 또는 개질 가스)와 산화제(산소 또는 공기)를 이용하여 전기 화학적으로 전력을 생산하는 장치로서, 외부에서 지속적으로 공급되는 연료와 산화제를 전기 화학 반응에 의하여 직접 전기에너지로 변환시키는 장치이다.
연료전지의 산화제로는 순수 산소나 산소가 다량 함유되어 있는 공기를 이용하며, 연료로는 순수 수소 또는 탄화수소계 연료(LNG, LPG, CH3OH)또는 탄화수소계 연료를 개질하여 생성된 수소가 다량 함유된 개질 가스를 사용한다.
이러한 연료전지는 크게, 고분자 전해질형 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC)와, 직접 산화형 연료전지(Direct Oxydation Fuel Cell)와 직접 메탄올형 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC)로 구분될 수 있다.
고분자 전해질형 연료전지는 스택(stack)이라 불리는 연료전지 본체를 포함하며, 개질기로부터 공급되는 수소 가스와, 공기펌프 또는 팬의 가동에 의해 공급되는 공기의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 구조로서 이루어진다. 여기서 개질기는 연료를 개질하여 이 연료로부터 수소 가스를 발생시키고, 이 수소 가스를 스택으로 공급하는 연료처리장치로서의 기능을 한다.
상기의 연료전지는 전력과 열을 동시에 발생시키는 바, 발전효율과 열효율의 합인 총효율이 80%가 넘는 고효율 에너지 생산기기로 각광받고 있다. 또한, 실제 건물용이나 주거용 주택에 연료전지를 설치하여 사용자가 필요로 하는 전력과 열을 직접 생산하여 사용할 수 있는 장점이 있어서 사용자의 편의성이 향상될 뿐만 아니라 에너지 사용 비용을 대폭 감소시킬 수 있다.
연료전지에서 생산된 전력을 외부로 공급함과 동시에 부수적으로 발생되는 열은 온수의 형태로 회수하여 난방과 급탕에 이용한다.
종래의 연료전지발전부와 보조버너가 구비된 폐열회수부로 구성되는 2개의 분리된 연료전지시스템에 있어서, 사용자나 주택의 평수에 따른 급탕 및 난방 능력(capacity) 요구에 따라 보조버너가 구비된 폐열회수장치 사양이 바뀌어야 하는 문제점이 있다.
또한, 종래의 연료전지시스템에서 연료처리장치, 연료전지스택, 전력변환기 및 각종 BOP(balance of plant)와 제어기와 축열조 및 보조버너가 하나의 일체형으로 구성된 연료전지시스템에서도 사용자 난방요구에 따라 사용자의 급탕 및 난방 능력(capacity) 요구에 따라 상기 시스템 사양이 바뀌어야 하는 문제점 뿐만 아니 라 상기 시스템 유지보수 시에, 연료전지와 보조버너의 독립적인 운전이 어려운 문제점이 있다.
또한, 종래의 연료전지시스템에서 연료전지 배기와 보조버너의 배기는 별도로 설치해야 하는 불편함과 공간제약이 발생하는 문제점을 가지고 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 연료전지시스템에서 발생하는 전기와 열원을 사용자가 사용하거나 혹은 상기 시스템의 유지보수 시기 발생 시에도 사용자는 계통전원에서 전기를 공급받고 보조버너에서 열원을 공급받을 수 있어, 사용자 편의성이 우수한 연료전지시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 상기 도시가스와 같이 연료를 사용하는 연료전지시스템에서 밀폐식 연료전지 배기와 밀폐식 보조버너 배기를 하나로 통합함으로써, 상기 시스템과 보조버너의 독립적인 동작을 제공할 수 있어, 상기 연료전지시스템을 설치할 수 있는 공간제약을 최소화하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템은 연료와 산화제의 반응으로 열과 전기를 발생시키는 연료전지부와 상기 연료전지부와 연결되어 열을 회수하는 제1 열 교환기와 상기 제1 열 교환기에서 전달된 열을 온수 형태로 보관하는 축열조를 포함하는 연료전지 발전기, 및 상기 연료전지 발전기와 별도로 운전될 수 있도록 설치되며 상기 축열조에서 가열된 물을 가열하는 보조 버너를 포함하고, 상기 연료전지 발전기와 상기 보조 버너의 흡기 라인 및 배기 라인은 밀폐식으로 이루어지며, 상기 연료전지 발전기의 배기라인과 상기 보조 버너의 배기 라인의 단부는 외부로 배기가스를 배출하는 통합 배기 라인에 연결된다.
상기 연료전지 발전기의 흡기 라인과 상기 보조 버너의 흡기 라인은 분리되어 개별적으로 공기를 흡입할 수 있으며, 상기 연료전지시스템은 상기 축열조에 저장된 물을 상기 제1 열교환기로 공급하는 회수관에 연결 설치되어 상기 축열조에서 배출된 물을 냉각하면서 공기를 가열하는 공냉식 열교환기와 상기 공냉식 열교환기에 연결 설치되어 가열된 공기를 외부의 열 이용기기로 공급하는 열기 라인을 더 포함할 수 있다.
또한 연료전지시스템은 난방수를 상기 축열조로 공급하는 제1 난방 라인과 상기 축열조에서 가열된 난방수를 상기 보조 버너로 공급하는 제2 난방 라인, 및 외부에서 공급된 온수를 축열조 내부로 순환시켜서 가열하는 온수 라인을 더 포함할 수 있으며, 상기 연료전지시스템은 상기 축열조로 난방수를 공급하는 제1 난방 라인에 연결 설치되며, 상기 제1 난방 라인의 물을 상기 축열조 또는 상기 제2 난방 라인으로 선택적으로 공급하는 3방향 밸브를 더 포함하고, 상기 3방향 밸브는 상기 제2 난방 라인의 난방수 온도와 상기 제1 난방 라인의 난방수 온도 차이가 설정된 온도보다 더 작으면 상기 제2 난방 라인으로 물을 공급하고, 상기 제2 난방 라인의 난방수 온도와 상기 제1 난방 라인의 난방수 온도 차이가 설정된 온도 이상이면 상기 축열조로 물을 공급할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템은 연료와 산화제의 반응으로 열과 전기를 발생시키는 연료전지부와 상기 연료전지부와 연결되어 열을 회수하는 제1 열 교환기와 상기 제1 열 교환기에서 전달된 열을 온수 형태로 보관하는 축열조를 포함하는 연료전지 발전기와, 상기 축열조에서 가열된 물과의 열 교환을 통해서 물을 가열하는 보조 열교환기, 및 상기 보조 열교환기에 연결 설치되며 상기 보조 열교환기에서 열을 공급받는 보충 온수라인을 포함하고, 상기 보충 온수라인은 다수의 사용자 영역으로 온수를 공급하는 주열원에 연결 설치되며 사용자 영역에서 주열원으로 회수되는 온수를 전달하는 온수 환수라인에 연결된다.
상기 연료전지시스템은 상기 축열조와 상기 보조 열교환기에 연결 설치되며 상기 축열조 내부에서 가열된 물이 흐르는 열교환 온수라인을 더 포함하고, 상기 열교환 온수라인에는 상기 열교환 온수라인을 통해서 흐르는 물을 순환시키는 순환 펌프가 설치될 수 있다.
상기 보충 온수라인에는 비례제어 솔레노이드 밸브가 설치되고, 상기 비례제어 솔레노이드 밸브는 상기 열교환 온수라인의 온도가 상기 온수 환수라인의 온도에 비하여 설정된 온도 차이보다 더 크거나 같으면 개방되어 상기 보충 온수라인으로 물을 공급하고, 상기 열교환 온수라인의 온도가 상기 온수 환수라인의 온도에 비하여 설정된 온도 차이보다 더 크지 않으면 폐쇄되어 상기 보충 온수라인으로 물의 공급을 중단할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템은 연료와 산화제의 반응으로 열과 전기를 발생시키는 연료전지부와 상기 연료전지부와 연결되어 열을 회수하는 제1 열 교환기와 상기 제1 열 교환기에서 전달된 열을 온수 형태로 보관하는 축열조를 포함하는 연료전지 발전기와, 상기 축열조에서 가열된 물과의 열 교환을 통해서 물을 가열하는 보조 열교환기와 상기 연료전지부에서 발생된 전기 에너지를 사용자 영역으로 공급하는 전력 공급 라인과, 상기 보조 열교환기에 연결 설치되며 상기 보조 열교환기에서 열을 공급받아 사용자 영역으로 공급하는 열 공급 라인과, 상기 전력 공급라인에 연결 설치된 제1 전력계와, 상기 열 공급 라인에 연결 설치된 적산 열량계, 및 상기 사용자 영역에 설치되며 상기 열 공급 라인에 연결되어 가열된 물을 공급받는 보조 버너를 포함한다.
상기 연료전지시스템은 계통 전원에서 전기 에너지를 사용자 영역으로 공급하는 계통 공급 라인과 상기 계통 공급 라인에 연결 설치된 제2 전력계, 및 상기 전력 공급 라인과 계통 공급 라인에 연결되며 전류센서가 설치된 부하 연결 라인을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템의 구동 방법은 연료전지 스택에서 발생된 열을 제1 열교환기를 통해서 축열조에서 배출된 물로 전달하여 물을 가열하는 단계와, 상기 제1 열교환기에서 가열된 물을 상기 축열조로 이동시키는 단계와, 난방수 및 온수를 축열조로 유입시켜서 가열하는 단계와, 가열된 난방수 및 온수를 상기 연료전지 스택 및 상기 축열조를 포함하는 연료전지 발전기와 별도로 운전되는 보조 버너로 이동시켜서 가열하는 단계와, 상기 축열조로 유입되는 난방수의 온도와 상기 축열조에서 배출되는 난방수의 온도를 비교하는 단계, 및 상기 축열조로 유입되는 난방수의 온도와 상기 축열조에서 배출되는 난방수의 온도의 차 이가 설정된 온도 차이 이상이면 난방수를 상기 축열조로 유입시키고, 상기 축열조로 유입되는 난방수의 온도가 상기 축열조에서 배출되는 난방수의 온도에 비하여 설정된 온도 차이보다 더 작으면 상기 축열조를 거치지 않고 난방수를 상기 보조 버너로 이동시키는 바이패스 단계를 포함한다. 상기 설정된 온도는 3℃일 수 있다.
상기와 같이 본 발명에 따르면 축열조와 보조 버너가 분리되어 있어서 연료전지부와 보조 버너를 별개로 구동함으로써 사용자에게 열을 안정적으로 공급할 수 있다. 또한, 축열조에 저장된 물을 냉각하면서 공기를 가열하여 고온의 공기를 열 이용기기에 안정적으로 공급할 수 있다.
또한, 연료전지부의 배기와 보조 버너의 배기 가스를 하나의 통합 배기라인으로 배출함으로써 공간적인 제약을 극복할 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 당업자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 실시예를 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계 없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지시스템을 개략적으로 도시한 구성도이다.
상기한 도면을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 연료전지시스템(100)은 연료와 산소의 반응으로 전기와 열을 발생시키는 연료전지부(107)와 연료전지부(107)에서 발생한 열을 저장하는 축열조(120)를 포함하는 연료전지 발전기(110)와 연료전지 발전기(110)와 연결되어 축열조(120)에서 가열된 물을 더 가열하는 보조 버너(150)를 포함한다.
연료전지부(107)는 연료와 산화제의 반응으로 전기를 생산하며, 부수적으로 발생된 열은 외부로 공급하여 활용한다. 본 실시예에 따른 연료전지부(107)는 연료를 수소가 풍부한 개질가스로 개질하여 사용하는 고분자 전해질형 연료전지(Polymer Electrode Membrane Fuel Cell; PEMFC)로 이루어질 수 있다.
다만 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 연료전지부(107)는 메탄올과 산소의 직접적인 반응에 의하여 전기 에너지를 발생시키는 직접 메탄올형 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell)로 이루어질 수 있다.
또한, 연료전지부(107)는 600℃ 이상의 고온에서 작동하는 용융 탄산염형 연료전지(MCFC, Molten Carbonate Fuel Cells), 또는 고체산화물형 연료전지(SOFC, Solid Oxide Fuel Cells), 또는 200℃ 이하의 비교적 저온에서 작동하는 인산형 연료전지(PAFC, Phosphoric Acid Fuel Cells)로 이루어질 수 있다.
연료전지부(107)는 연료를 이용하여 개질가스를 발생시키는 개질기(102)와 개질기(102)와 연결되어 개질가스와 산화제를 이용하여 전력을 발생시키는 연료전지 스택(101), 및 연료전지 스택(101)에서 생산된 직류 전원을 교류 전원으로 전환하는 인버터(103)를 포함한다. 또한, 연료전지부(107)는 연료전지 스택(101)의 구 동에 필요한 각종 운전장치(Balance Of Plant; BOP)와 장치의 작동을 조절하는 제어기(104)를 더 포함한다.
개질기(102)는 개질 반응에 의해 탄화수소계열의 연료를 연료전지 스택(101)의 전기 생성에 필요한 수소가 풍부한 개질 가스로 변환할 뿐만 아니라, 상기한 개질 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시킨다.
상기한 개질기(102)는 탄화수소계열의 연료를 개질하여 수소가 풍부한 개질 가스를 발생시키는 개질부와, 그 수소 가스로부터 일산화탄소의 농도를 저감시키는 정제부를 포함한다. 개질부는 수증기 개질 등의 촉매 반응을 통해 상기한 연료를 수소가 풍부한 개질 가스로 전환한다. 그리고 정제부는 수성가스 전환 방법, 선택적 산화 방법 등과 같은 촉매 반응 또는 분리막을 이용한 수소의 정제 등과 같은 방법으로 개질 가스로부터 일산화탄소의 농도를 저감시킨다.
한편, 연료전지 스택(101)은 개질기(102)로부터 전달된 개질가스와 산화를 이용하여 전기를 발생시키며, 전기 에너지를 발생시키는 최소 단위의 전지 셀을 구비하는 바, 이 전지 셀은 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly; MEA)를 중심에 두고 이의 양면에 세퍼레이터를 밀착 배치하여 구성될 수 있다.
연료전지 스택(101)에는 연료전지 스택(101)과 연결되어 연료전지 스택(101)에서 발생된 열을 회수하는 제1 열교환기(106)가 연결 설치된다. 제1 열교환기(106)에는 축열조(120)에서 배출된 물이 흐르는 제1 순환관(113)이 연결 설치되어 열을 회수하며, 제1 순환관(113)은 축열조(120)와 연결되어 다시 축열조(120)로 가열된 물을 공급한다.
축열조(120)는 연료전지 스택(101)을 냉각하면서 전달받은 열을 온수 형태로 저장하는 물탱크로 이루어진다. 이와 같이 축열조(120)를 설치하면 열의 사용량이 적은 경우에 축열조(120)에 열을 저장하였다가 이용할 수 있으므로 열의 이용 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
축열조(120)에는 축열조(120)에서 물을 배출시켜서 열원으로 공급하는 회수관(115)이 연결 설치되는 바, 회수관(115)은 제1 순환관(113) 및 제2 순환관(118)과 연결되어 이들 관으로 물을 공급한다.
또한, 회수관(115)에는 3방향 밸브(117)가 설치되며, 3방향 밸브(117)의 양단은 회수관(115)과 연결되고 다른 단부는 공랭식 열교환기(116)와 연결된다. 공랭식 열교환기(116)는 회수관(115)을 통해서 배출된 물을 냉각하면서 공기를 가열하는 역할을 한다. 공랭식 열교환기(116)에서 가열된 공기는 열기 라인(119)을 통해서 사용자의 열 이용기기로 공급된다. 3방향 밸브(117)는 열 이용기기에 고온의 공기를 공급할 필요가 있을 때에는 공랭식 열교환기(116)로 고온의 물을 이동시키며, 이에 따라 발생된 고온의 공기를 열 이용기기로 공급한다. 또한, 하절기 등 열의 이용이 적은 경우에는 축열조에 과도하게 열이 쌓이는 문제가 있는 바, 본 실시예와 같이 공랭식 열교환기를 설치하면 열을 효율적으로 이용할 수 있다. 여기서, 열 이용기기는 온장고, 건조기 등이 될 수 있다.
한편, 상기한 바와 같이 회수관(115)에는 제1 순환관(113)과 제2 순환관(118)이 연결 설치되는 바, 제1 순환관(113)에는 제1 펌프(112)가 설치되고, 제2 순환관(118)에는 제2 펌프(114)가 설치된다. 제1 펌프(112) 및 제2 펌프(114)는 회 수관(115)을 통해서 배출된 물을 강제로 순환시키는 역할을 한다.
제2 순환관(118)은 제2 열교환기(105)와 연결 설치되어 제2 열교환기(105)를 통해서 물을 가열한 후, 가열된 물을 제1 순환관(113)으로 공급한다. 제2 열교환기(105)는 개질기(102)와 연결되어 개질기(102)에서 발생된 열을 열교환을 통해서 제2 순환관(118)으로 전달한다.
이와 같이, 본 실시예에 따르면 축열조(120)에서 회수관(115)으로 배출된 물은 제1 순환관(113)을 통해서 가열되어 축열조(120)로 다시 유입되거나, 회수관(115)과 제2 순환관(118) 및 제1 순환관(113)을 거쳐서 축열조(120)로 유입된다.
한편, 축열조(120)에는 온수 라인(132)과 제1 난방 라인(131), 및 제2 난방 라인(134)이 연결 설치된다. 온수 라인(132)은 일측에 형성된 냉수 포트(125)를 통해서 물을 공급 받으며, 축열조(120) 내부에 이동하면서 열을 공급 받은 후, 가열된 물을 보조 버너(150)로 공급한다.
제1 난방 라인(131)은 난방수가 축열조(120)로 유입되는 측에 설치되어 사용자의 영역에서 사용된 후에 회수된 난방수를 축열조(120)로 유입시키며, 제2 난방 라인(134)는 축열조(120)에서 배출되는 측에 설치되어 가열된 난방수를 보조 버너(150)로 이동시킨다.
한편, 온수 라인(132)과 제1 난방 라인(131) 사이에는 난방수의 보충을 위해서 연결관(126)이 설치되며, 연결관(126)에는 제어를 위한 밸브(128)가 설치된다. 난방수가 부족한 경우에는 연결관(126)을 통해서 물이 제1 난방 라인(131)으로 이동한다.
제1 난방 라인(131)에는 바이패스 3방향 밸브(129)가 설치되는 바, 바이패스 3방향 밸브(129)의 양단은 제1 난방 라인(131)과 연결되고, 바이패스 3방향 밸브(129)의 다른 한쪽 단부는 제2 난방 라인(134)과 연결된다.
제1 난방 라인(131)에서 바이패스 3방향 밸브(129)의 전방에는 제1 온도 센서(127)가 설치되고, 축열조(120)에서 가열되어 배출되는 제2 난방 라인(134)에는 제2 온도 센서(123)가 설치된다. 제2 온도 센서(123)로 검출된 축열조에서 가열된 제2 난방 라인(134)의 난방수의 온도와 제1 온도 센서(127)로 검출된 제1 난방 라인(131)의 난방수의 온도의 차이가 설정된 온도보다 작으면 바이패스 3방향 밸브(129)를 제2 난방 라인(134)과 연결하여 축열조(120)를 거치지 않고 난방수를 보조 버너(150)로 유입시킨다. 한편, 제1 온도 센서(127)와 제2 온도 센서(123)의 온도 차이가 설정된 온도 이상이면 제1 난방 라인(121)을 통해서 축열조(120)로 난방수를 유입시킨다. 본 실시예에서 설정된 온도는 3℃가 된다. 이때, 온도 차이는 제2 난방 라인의 온도에서 제1 난방 라인의 온도를 뺀 값을 말한다.
보조 버너(150)가 분리된 연료전지시스템(100)은 통상의 경우 난방공급 온도가 65℃이상 85℃미만인 점과 축열조(120) 열원이 최대 65℃인 점을 고려하면, 사용자가 난방공급이 필요할 경우, 짧은 시간에 보조 버너(150)에서 가열된 난방수를 빠르게 사용자에게 공급할 수 있으며, 난방 수 사용시 연료전지부(107)에서 회수된 축열조(120) 열원을 100% 이용할 수 있다.
보조 버너(150)는 유입된 물을 가열하여 연결 설치된 분기부(140)로 전달하며, 연료전지 발전기(110)와 분리되어 설치되고 별개로 운전된다. 보조 버너(150) 는 도시 가스 등을 연소하는 가스 버너로 이루어진다.
한편, 연료전지 발전기(110)와 보조 버너(150)의 흡기 라인(142, 145)과 배기 라인(141, 146)은 밀폐식으로 구성된다. 즉, 흡기 라인(142, 145)으로 유입되거나 배기 라인(141, 146)으로 배출되는 공기는 시스템 내부의 공기나 설치 공간의 공기와 연통되지 않고 외부에서 유입된 공기를 사용하고 발생된 배기 가스는 외부로 배출한다.
이를 위해서 연료전지 발전기(110)에는 연료전지 발전기(110)로 공기를 공급하는 전지측 흡기 라인(142)과, 연료전지 발전기(110)에서 발생된 배기가스를 배출하는 전지측 배기 라인(141)이 연결 설치되고, 보조 버너(150)에는 흡기 라인(145)과 보조 버너(150)에서 발생된 배기가스를 배출하는 배기 라인(146)이 연결 설치된다. 연료전지 발전기(110)의 흡기 라인(142)과 보조 버너(150)의 흡기 라인(145)은 각각 외부와 연결되어 외부로부터 공기를 개별적으로 공급 받는다. 한편, 연료전지 발전기(110)의 배기 라인(141)과 보조 버너(150)의 배기 라인(146)의 단부는 통합 배기 라인(148)에 연결되어 통합 배기 라인(148)을 통해서 외부로 배기가스를 배출한다. 이와 같이 연료전지 발전기(110)와 보조 버너(150)의 배기 가스가 하나의 통합 배기 라인(148)을 통해서 외부로 배출되면 공간상의 제약을 받지 아니하고 연료전지를 안정적으로 설치 운영할 수 있다. 또한, 연료전지 발전기(110)의 가동 여부에 상관 없이 보조 버너(150)를 운전할 수 있다. 즉, 이에 따르면 연료전지 발전기(110)가 고장 또는 점검 등으로 운전하지 못하는 경우에도 보조 버너(150)를 통해서 안정적으로 열을 공급받을 수 있으며, 전기는 계통 전원으로부터 공급받을 수 있다. 이에 따라 연료전지 발전기의 고장에 관계없이 안정적으로 전기와 열을 공급받을 수 있다. 이는 매우 중요한 것으로서 사용자 영역에 거주하거는 주민이나 직원은 어떠한 경우에도 안정적으로 전기와 열을 공급받아야 편의성과 에너지이용률이 높은 생활을 영위할 수 있기 때문이다.
보조 버너(150)에는 분기부(140)가 연결 설치되는 바, 분기부(140)에는 난방수 분기부재(143)와 온수 분기부재(144), 및 난방회수 분기부재(147)가 설치된다. 난방수 분기부재(143)는 보조 버너(150)에서 전달된 난방수를 사용자의 영역에 있는 난방 공간으로 분배하여 공급하는 역할을 하며, 온수 분지부재(144)는 사용자의 영역에 있는 온수 사용장치로 온수를 분배하여 공급하는 역할을 한다.
또한, 난방회수 분기부재(147)는 난방에 사용된 난방수를 회수하여 축열조(120)로 전달하는 역할을 한다. 이와 같이 분기부재를 설치하면 가열된 물을 각 사용자의 영역으로 용이하게 전달할 수 있다.
본 실시예에 따른 연료전지시스템의 운전 방법을 살펴보면 다음과 같다. 연료전지시스템의 운전 방법은 연료전지 스택(101)에서 발생된 열을 제1 열교환기(106)를 통해서 축열조(120)에서 배출된 물을 가열하는 단계와 제1 열교환기(106)에서 가열된 물을 축열조(120)로 이동시키는 단계와 난방수 및 온수를 축열조(120)로 유입시켜서 가열하는 단계와 가열된 난방수 및 온수를 연료전지 스택(101) 및 축열조(120)를 포함하는 연료전지 발전기(110)와 별도로 운전되는 보조 버너(150)로 이동시켜서 가열하는 단계와, 난방수를 축열조(120)로 유입시키는 제1 난방 라인(131)의 난방수 온도와 가열된 난방수를 축열조(120)에서 배출시키는 제2 난방 라인(134)의 난방수 온도를 비교하는 단계와 제1 난방 라인(131)의 온도와 제2 난방 라인(134)의 온도 차이가 설정된 온도 이상이면 난방수를 축열조(120)로 유입시키고, 제1 난방 라인(131)의 온도와 제2 난방 라인(134)의 온도 차이가 설정된 온도보다 더 작으면 축열조(120)를 거치지 않고 난방수를 제1 난방 라인(131)에서 제2 난방 라인(134)으로 바이패스시키는 단계를 포함한다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지시스템을 도시한 개략적인 구성도이다.
도 2를 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 연료전지시스템(300)은 상기한 제1 실시예에 따른 연료전지시스템과 유사한 구조로 이루어지므로 동일한 구성에 대한 중복 설명은 생략한다.
본 실시예에 다른 연료전지시스템(200)은 연료전지부(107)와 축열조(120)를 포함하는 연료전지 발전기(210), 보조 열교환기(260)를 포함한다.
축열조(120)에는 축열조(120) 내부를 순환하여 물을 가열하며 보조 열교환기(260)와 연결된 열교환 온수라인(231)이 설치된다.
열교환 온수라인(231)을 통해서 흐르는 물은 보조 열교환기(260)에서 열교환기 내부를 흐르는 보충 온수라인(262)으로 열을 전달하며, 열을 전달한 물은 열교환 온수라인(231)을 통해서 다시 축열조(120)로 유입된다.
이를 위해서 열교환 온수라인(231)에는 물이 순환할 수 있도록 순환펌프(215)가 설치된다. 보충 온수라인(262)은 외부에서 물을 공급 받으며 보조 열교환기(260)와 연결되어 열교환 온수라인(231)에서 열을 전달 받는다. 또한 보충 온 수라인(262)은 온수 환수라인(253)과 연결되어 가열된 물을 주열원(256)의 온수 환수라인(253)으로 전달한다.
여기서 주열원(256)이라 함은 다수의 사용자 영역(가정)(257)으로 온수를 전달하는 열원을 말하는 것으로서, 설정된 지역으로 온수를 공급하는 지역 난방원 또는 특정 건물에 온수를 공급하는 중앙 난방원이 주열원(256)이 될 수 있다.
온수 환수라인(253)은 사용자 영역(257)에서 주열원(256)으로 회수되는 온수를 전달하는 역할을 하며, 온수 공급라인(251)은 주열원(256)에서 가열된 온수를 사용자 영역으로 공급하는 역할을 한다.
한편, 보충 온수라인(262)에는 비례제어 솔레노이드 밸브(265)가 설치되는 바, 비례제어 솔레노이드 밸브(265)는 보충 온수라인(262)을 통해서 유입되는 물의 양을 조절한다.
온수 환수라인(253)에 온도 센서(254)가 설치되고, 열교환 온수라인(231)에도 온도 센서가 설치되는 바, 열교환 온수라인(231)의 온도와 온수 환수라인(253)의 온도를 비교하여 열교환 온수라인(231)의 온도가 온수 환수라인(253)의 온도에 비하여 설정된 온도 차이보다 더 크거나 같은 경우에는 비례제어 솔레노이드 밸브(265)를 개방하여 보충 온수라인(262)으로 물을 공급하고, 열교환 온수라인(231)의 온도가 온수 환수라인(253)에 비하여 설정된 온도 차이보다 더 크지 않은 경우에는 비례제어 솔레노이드 밸브(265)를 폐쇄하여 물의 공급을 중단한다. 이때, 본 실시예에서 설정된 온도는 3℃가 된다.
이에 따르면 온수 환수라인(253)의 온도가 낮은 경우에는 비례제어 솔레노이 드 밸브(265)를 보충 온수라인(262)을 통해서 온수를 공급하고, 온수 환수라인(253)의 온도가 높은 경우에는 비례제어 솔레노이드 밸브(265)를 닫아서 온수의 공급을 중단하여 효율적으로 온수를 공급할 수 있다.
따라서 본 실시예에 따르면 보조 열교환기(260)를 통해서 간접적으로 가열된 온수를 온수 환수라인에 전달하며, 회수된 온수의 온도보다 더 낮은 온도의 물이 공급되지 않도록 비례제어 솔레노이드 밸브(265)를 조절하여 온수의 온도를 유지시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료전지시스템을 도시한 개략적인 구성도이다.
본 실시예에 따른 연료전지시스템(300)은 상기한 제1 실시예에 따른 연료전지시스템과 유사한 구조로 이루어지므로 동일한 구성에 대한 중복 설명은 생략한다.
도 3을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 다른 연료전지시스템(300)은 연료전지부(107)와 축열조(120)를 포함하는 연료전지 발전기(310), 보조 열교환기(360), 및 보조 버너(325)를 포함한다.
축열조(120)에는 축열조에서 가열된 물을 외부로 인출하는 온수 라인(351)이 설치된다. 온수 라인(351)은 보조 열교환기(360)에 연결되며, 축열조(120)에서 가열된 물을 보조 열교환기(360)로 공급하여 보조 열교환기(360)에서 열 공급 라인(361)으로 열을 전달한다. 열 공급 라인(361)에는 온수 라인(351)에서 열을 전달 받을 수 있도록 물이 흐르고 있다.
이를 위해서 온수 라인(351)에는 물이 순환할 수 있도록 순환 펌프(215)가 설치된다. 열 공급 라인(361)은 보조 열교환기(360)와 연결되어 온수 라인(351)에서 열을 전달 받으며, 가열된 물을 사용자 영역(320)에 설치된 보조 버너(325)로 전달한다. 이에 따라 열 공급 라인(361)을 통해서 전달된 물은 보조 버너(325)에서 가열되어 충분한 열을 각 사용자 영역(320)으로 제공할 수 있다.
한편, 열 공급 라인(361)은 각 사용자 영역(320)으로 공급되는 라인으로 분기되며 이 라인에는 적산 열량계(365)가 설치된다. 적산 열량계(365)는 각 사용자 영역으로 공급되는 열량을 측정한다.
한편, 연료전지부(107)에는 생산된 전력을 각 사용자 영역(320)으로 공급하는 전력 공급 라인(370)이 설치되는 바, 전력 공급 라인은 각 사용자 영역으로 분기되며 분기된 라인에는 각 사용자 영역으로 공급되는 전력량을 측정하는 제1 전력계(321)가 설치된다. 또한 사용자 영역(320)에는 계통 전원(340)에서 각 사용자 영역으로 전력을 공급하는 계통 공급 라인(341)이 설치되며, 계통 공급라인(341)에는 계통 전원(340)에서 각 사용자 영역으로 공급되는 전력량을 측정하는 제2 전력계(322)가 설치된다.
또한 전력 공급 라인(370)과 계통 공급라인(341)은 전류계(324)가 설치된 세부 공급 라인(326)과 연결된다. 전류계(324)는 각 사용자가 사용하는 총 전력부하를 측정하는 바, 연료전지부(107)는 사용하는 부하를 추종하면서 전력을 생산한다.
제1 전력계(321)와 적산 열량계(365)를 기초로 가격(원)/kWh, 가격(원)/Mcal을 각각 곱하여 각 세대가 연료전지부(107)에서 생산된 전력과 열원을 사용한 사용 금액을 산출할 수 있으며, 전력과 열원을 각 세대가 사용한 금액을 기반으로 상기 연료전지부에서 사용한 도시가스 원료비, 소모품(필터류), 유지보수 등을 각 세대에 고지한다.
상기에서는 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.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지시스템을 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지시스템을 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료전지시스템을 개략적으로 도시한 구성도이다.
- 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 -
100: 연료전지시스템 101: 연료전지 스택
102: 개질기 103: 인버터
104: 제어기 105: 제2 열교환기
106: 제1 열교환기 107: 연료전지부
110: 연료전지 발전기 112: 제1 펌프
113: 제1 순환관 114: 제2 펌프
115: 회수관 116: 공랭식 열교환기
117: 3방향 밸브 118: 제2 순환관
119: 열기 라인 120: 축열조
121: 제1 난방 라인 123: 제2 온도 센서
125: 냉수 포트 126: 연결관
127: 제1 온도 센서 128: 밸브
129: 3방향 밸브 131: 제1 난방 라인
132: 온수 라인 134: 제2 난방 라인
140: 분기부 141: 전지측 배기 라인
142: 전지측 흡기 라인 145: 버너측 흡기 라인
146: 버너측 배기 라인 148: 통합 배기 라인
150: 보조 버너
Claims (12)
- 연료와 산화제의 반응으로 열과 전기를 발생시키는 연료전지부,상기 연료전지부와 연결되어 열을 회수하는 제1 열 교환기,상기 제1 열 교환기에서 전달된 열을 온수 형태로 보관하는 축열조,를 포함하는 연료전지 발전기; 및상기 연료전지 발전기와 별도로 운전될 수 있도록 설치되며 상기 축열조에서 가열된 물을 가열하는 보조 버너;를 포함하고,상기 연료전지 발전기와 상기 보조 버너의 흡기 라인 및 배기 라인은 밀폐식으로 이루어지며,상기 연료전지 발전기의 배기라인과 상기 보조 버너의 배기 라인의 단부는 외부로 배기가스를 배출하는 통합 배기 라인에 연결된 연료전지시스템.
- 제1항에 있어서,상기 연료전지 발전기의 흡기 라인과 상기 보조 버너의 흡기 라인은 분리되어 개별적으로 공기를 흡입하는 연료전지시스템.
- 제1항에 있어서,상기 축열조에 저장된 물을 상기 제1 열교환기로 공급하는 회수관에 연결 설 치되어 상기 축열조에서 배출된 물을 냉각하면서 공기를 가열하는 공냉식 열교환기;상기 공냉식 열교환기에 연결 설치되어 가열된 공기를 외부의 열 이용기기로 공급하는 열기 라인;을 더 포함하는 연료전지시스템.
- 제1항에 있어서,난방수를 상기 축열조로 공급하는 제1 난방 라인;상기 축열조에서 가열된 난방수를 상기 보조 버너로 공급하는 제2 난방 라인;외부에서 공급된 온수를 축열조 내부로 순환시켜서 가열하는 온수 라인을 더 포함하는 연료전지시스템.
- 제4항에 있어서,상기 축열조로 난방수를 공급하는 제1 난방 라인에 연결 설치되며, 상기 제1 난방 라인의 물을 상기 축열조 또는 상기 제2 난방 라인으로 선택적으로 공급하는 3방향 밸브를 더 포함하고,상기 3방향 밸브는 상기 제2 난방 라인의 난방수 온도와 상기 제1 난방 라인의 난방수 온도 차이가 설정된 온도보다 더 작으면 상기 제2 난방 라인으로 물을 공급하고, 상기 제2 난방 라인의 난방수 온도와 상기 제1 난방 라인의 난방수 온도 차이가 설정된 온도 이상이면 상기 축열조로 물을 공급하는 연료전지시스템.
- 연료와 산화제의 반응으로 열과 전기를 발생시키는 연료전지부,상기 연료전지부와 연결되어 열을 회수하는 제1 열 교환기,상기 제1 열 교환기에서 전달된 열을 온수 형태로 보관하는 축열조,를 포함하는 연료전지 발전기;상기 축열조에서 가열된 물과의 열 교환을 통해서 물을 가열하는 보조 열교환기; 및상기 보조 열교환기에 연결 설치되며 상기 보조 열교환기에서 열을 공급받는 보충 온수라인;을 포함하고,상기 보충 온수라인은 다수의 사용자 영역으로 온수를 공급하는 주열원에 연결 설치되며 사용자 영역에서 주열원으로 회수되는 온수를 전달하는 온수 환수라인에 연결된 연료전지시스템.
- 제6항에 있어서,상기 축열조와 상기 보조 열교환기에 연결 설치되며 상기 축열조 내부에서 가열된 물이 흐르는 열교환 온수라인을 더 포함하고,상기 열교환 온수라인에는 상기 열교환 온수라인을 통해서 흐르는 물을 순환시키는 순환 펌프가 설치된 연료전지시스템.
- 제6항에 있어서,상기 보충 온수라인에는 비례제어 솔레노이드 밸브가 설치되고,상기 비례제어 솔레노이드 밸브는 상기 열교환 온수라인의 온도가 상기 온수 환수라인의 온도에 비하여 설정된 온도 차이보다 더 크거나 같으면 개방되어 상기 보충 온수라인으로 물을 공급하고,상기 열교환 온수라인의 온도가 상기 온수 환수라인의 온도에 비하여 설정된 온도 차이보다 더 크지 않으면 폐쇄되어 상기 보충 온수라인으로 물의 공급을 중단하는 연료전지시스템.
- 연료와 산화제의 반응으로 열과 전기를 발생시키는 연료전지부,상기 연료전지부와 연결되어 열을 회수하는 제1 열 교환기,상기 제1 열 교환기에서 전달된 열을 온수 형태로 보관하는 축열조,를 포함하는 연료전지 발전기;상기 축열조에서 가열된 물과의 열 교환을 통해서 물을 가열하는 보조 열교환기; 및상기 연료전지부에서 발생된 전기 에너지를 사용자 영역으로 공급하는 전력 공급 라인;상기 보조 열교환기에 연결 설치되며 상기 보조 열교환기에서 열을 공급받아 사용자 영역으로 공급하는 열 공급 라인;상기 전력 공급라인에 연결 설치된 제1 전력계;상기 열 공급 라인에 연결 설치된 적산 열량계; 및상기 사용자 영역에 설치되며 상기 열 공급 라인에 연결되어 가열된 물을 공급받는 보조 버너;를 포함하는 연료전지시스템.
- 제9항에 있어서,계통 전원에서 전기 에너지를 사용자 영역으로 공급하는 계통 공급 라인,상기 계통 공급 라인에 연결 설치된 제2 전력계, 및상기 전력 공급 라인과 계통 공급 라인에 연결되며 전류센서가 설치된 부하 연결 라인을 더 포함하는 연료전지시스템.
- 연료전지 스택에서 발생된 열을 제1 열교환기를 통해서 축열조에서 배출된 물로 전달하여 물을 가열하는 단계;상기 제1 열교환기에서 가열된 물을 상기 축열조로 이동시키는 단계;난방수 및 온수를 축열조로 유입시켜서 가열하는 단계;가열된 난방수 및 온수를 상기 연료전지 스택 및 상기 축열조를 포함하는 연료전지 발전기와 별도로 운전되는 보조 버너로 이동시켜서 가열하는 단계;상기 축열조로 유입되는 난방수의 온도와 상기 축열조에서 배출되는 난방수의 온도를 비교하는 단계; 및상기 축열조로 유입되는 난방수의 온도와 상기 축열조에서 배출되는 난방수의 온도의 차이가 설정된 온도 차이 이상이면 난방수를 상기 축열조로 유입시키고, 상기 축열조로 유입되는 난방수의 온도가 상기 축열조에서 배출되는 난방수의 온도에 비하여 설정된 온도 차이보다 더 작으면 상기 축열조를 거치지 않고 난방수를 상기 보조 버너로 이동시키는 바이패스 단계;를 포함하는 연료전지시스템의 운전 방법.
- 제11항에 있어서,상기 설정된 온도는 3℃인 연료전지시스템의 운전 방법.
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