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KR100418459B1 - 연료전지 시스템의 폐열을 보일러에 공급하기 위한 장치 - Google Patents

연료전지 시스템의 폐열을 보일러에 공급하기 위한 장치 Download PDF

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KR100418459B1
KR100418459B1 KR10-2001-0073801A KR20010073801A KR100418459B1 KR 100418459 B1 KR100418459 B1 KR 100418459B1 KR 20010073801 A KR20010073801 A KR 20010073801A KR 100418459 B1 KR100418459 B1 KR 100418459B1
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Abstract

본 발명에 따른 연료전지 시스템의 폐열을 보일러에 공급하기 위한 장치는 연료전지 시스템으로부터 발생하는 폐온수를 저장하기 위한 폐온수 저장탱크(1), 상기 폐온수 저장탱크에 저장된 폐온수를 급탕온수로 공급하기 위한 수단, 및 보일러로부터 나오는 난방환수를 상기 폐온수에 의하여 가열하여 다시 보일러에 공급하고, 상기 저장탱크 내부에 설치되는 폐열회수 열교환기(2)를 포함하는 수단으로 구성된다. 상기 폐온수를 급탕온수로 공급하기 위한 수단은 상기 폐온수를 온수열교환기(21)로 공급하기 위한 펌프(5) 및 상기 폐온수와 외부로부터 유입되는 직수를 선택하기 위한 3-웨이 밸브(6)로 이루어진다. 보일러의 난방환수를 가열하여 보일러에 공급하기 위한 상기 수단은 상기 저장탱크 내부에 설치되는 폐열회수 열교환기(2)를 포함하고, 상기 열교환기에는 보일러로부터 나오는 난방환수가 유입되어 주열교환기(19)로 공급된다.

Description

연료전지 시스템의 폐열을 보일러에 공급하기 위한 장치{Apparatus for Supplying Waste Energy from Fuel Cell to Boiler}
발명의 분야
본 발명은 연료전지 시스템의 폐열을 회수하여 이용할 수 있는 시스템에 관한 것이다. 보다 구체적으로 본 발명은 연료전지 시스템으로부터 발생하는 폐열을 회수하여 종래의 보일러에 공급하여 재활용할 수 있는 시스템에 관한 것이다.
발명의 배경
연료전지 시스템을 가동하는 경우에는 일반적으로 냉각수로 인한 많은 양의 폐열이 발생하고 있다. 그러나, 이러한 폐열은 회수되어 이용되지 않고 그대로 낭비되거나, 이용된다 하더라도 난방 또는 온수 한 가지 용도로만 부분적으로 이용되고 있는 실정이다. 따라서, 연료전지 시스템으로부터 발생하는 폐열을 회수하여 재활용하고자 하는 많은 연구가 행해지고 있다.
본 발명자들은 연료전지 시스템으로부터 발생하는 폐열을 난방 및 급탕에 사용할 수 있는 연료전지 코제네레이션(cogeneration) 시스템을 이미 개발하여 특허출원 제2001-62735호(2001. 10. 11출원)로 출원한 바 있다. 그러나, 상기 출원된 발명은 연료전지 시스템로부터 발생하는 폐열을 회수하여 난방 및 급탕에 활용할 수 있는 시스템으로, 종래의 보일러 장치와 호환성이 없기 때문에 종래의 보일러 장치에는 그대로 적용할 수 없고, 폐열회수장치는 물론 그에 적합한 보일러 장치도 함께 개발되어야 한다.
따라서, 본 발명자들은 이미 가정 등에 설치된 종래의 보일러 장치를 그대로 이용하면서 연료전지 시스템으로부터 발생하는 폐열을 용이하게 회수하여 재활용할 수 있는 새로운 시스템을 개발하기에 이른 것이다.
본 발명의 목적은 이미 설치된 종래의 보일러 장치를 그대로 이용하면서 연료전지 시스템으로부터 발생하는 폐열을 용이하게 회수하여 재활용할 수 있는 시스템을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 이미 설치된 종래의 보일러 장치를 그대로 이용하면서 연료전지 시스템으로부터 발생하는 폐열을 난방온수 또는 급탕온수에 재활용할 수 있는 시스템을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 상기 및 기타의 목적들은 하기 상세히 설명되는 본 발명에 의하여 모두 달성될 수 있다.
제1도는 본 발명에 따른 연료전지 시스템으로부터 발생하는 폐열을 회수하는 장치의 개략적인 구성도이다.
제2도는 종래의 일반 가정용 보일러 장치의 개략적인 구성도이다.
제3도는 종래의 일반 가정용 보일러 장치에 본 발명에 따른 폐열회수장치를 결합한 시스템의 개략적인 구성도이다.
제4도는 제3도의 본 발명에 따른 시스템에서 연료전지 시스템에서 회수된 폐온수를 급탕온수로 사용하는 시스템을 도시한 개략적인 구성도이다.
제5도는 제3도의 본 발명에 따른 시스템에서 연료전지 시스템에서 회수된 폐온수로부터 폐열을 회수하여 난방온수로 사용하는 시스템을 도시한 개략적인 구성도이다.
* 도면의 주요부호에 대한 간단한 설명 *
1: 폐온수 저장탱크 2: 폐열회수 열교환기
3: 폐열회수출구 4: 난방환수입구a
5: 펌프 6: 3-웨이 밸브(3-way valve)
7, 8: 센서 9: 폐온수출구
10: 폐온수 입구 11: 폐온수 또는 직수 출구
12: 직수 입구 13: 난방환수입구b
17: 펌프 19: 주열교환기
20: 버너 21: 온수열교환기
22: 3-웨이 밸브 23: 연료전지 시스템
24: 폐온수출구 25: 난방공간
26: 직수 입구 27: 냉각팬
발명의 요약
본 발명에 따른 연료전지 시스템의 폐열을 보일러에 공급하기 위한 장치는 연료전지 시스템으로부터 발생하는 폐온수를 저장하기 위한 폐온수 저장탱크(1), 상기 폐온수 저장탱크에 저장된 폐온수를 급탕온수로 공급하기 위한 수단, 및 보일러로부터 나오는 난방환수를 상기 폐온수에 의하여 가열하여 다시 보일러에 공급하기 위하여 상기 저장탱크 내부에 설치되는 폐열회수 열교환기(2)를 포함하는 수단으로 구성된다.
상기 폐온수를 급탕온수로 공급하기 위한 수단은 상기 폐온수를 온수열교환기(21)로 공급하기 위한 펌프(5) 및 상기 폐온수와 외부로부터 유입되는 직수를 선택하기 위한 3-웨이 밸브(6)로 이루어진다.
보일러의 난방환수를 가열하여 보일러에 공급하기 위한 상기 수단은 상기 저장탱크 내부에 설치되는 폐열회수 열교환기(2)를 포함하고, 상기 폐열회수 열교환기에는 보일러로부터 나오는 난방환수가 유입되어 주열교환기(19)로 공급된다.
이하 첨부된 도면을 참고로 본 발명의 내용을 하기에 상세히 설명한다.
발명의 구체예에 대한 상세한 설명
제1도는 본 발명에 따른 연료전지 시스템로부터 발생하는 폐열을 회수하는 장치의 개략적인 구성도이다. 제1도는 간단히 폐열회수장치라 할 수 있다. 이 폐열회수장치는 가정 등에 이미 설치된 보일러에 용이하게 적용할 수 있다.
제2도는 종래의 전형적인 일반 가정용 보일러 장치의 개략적인 구성도이다. 제2도에 도시된 바와 같이, 보일러 장치는 주열교환기(19)와 온수열교환기(21)를 포함하는 가열장치부와 가열된 난방온수가 난방을 하기 위한 난방공간(25)으로 크게 구분된다. 제1도의 폐열회수장치는 이미 설치된 제2도의 보일러에 용이하게 설치하여 연료전지 시스템로부터 나오는 폐열을 회수하여 난방온수 및 급탕온수에 재활용할 수 있다.
제3도는 제2도의 보일러 장치에 본 발명에 따른 제1도의 폐열회수장치를 결합한 시스템의 개략적인 구성도이다.
연료전지 시스템(23)으로부터 나온 폐온수는 폐온수출구(24) 및 폐온수 입구(10)를 통하여 폐온수 저장탱크(1)에 저장된다.
폐온수는 연료전지 시스템으로부터 발생하는 열을 냉각시키기 위하여 사용되는 냉각수이다. 물론 연료전지 시스템을 냉각시키기 위한 다른 수단으로 연료전지 시스템에는 냉각팬(27)이 설치되어 있다. 연료전지 시스템을 냉각시키는 냉각수는열에 의하여 가열되어 배출되는데, 이를 여기서는 '폐온수'라 정의한다. 이 폐온수는 이제까지 그대로 배출시켜 에너지를 낭비하는 결과를 가져왔고, 또는 재활용된다 하더라도, 급탕 또는 난방온수에 부분적으로 사용되어 왔다. 본 발명에서는 폐열회수장치를 가정 등의 이미 설치된 보일러 장치에 연결하여 보일러 장치와 함께 폐온수를 활용하고자 하는 시스템을 제공한다. 이 폐온수는 급탕온수로 사용할 수 있을 만큼 오염되지 않은 깨끗한 온수이다.
상기 폐온수 저장탱크(1)에 저장된 폐온수를 급탕온수를 사용하기 위한 시스템은 다음과 같다. 우선 제2도의 종래의 보일러 시스템에서 급탕온수는 외부로부터 직수가 직수입구(26)를 통하여 온수열교환기(21)로 유입된다. 직수는 온수열교환기에 의하여 가열되어 온수출구(15)를 통하여 급탕온수로 사용된다. 여기서 직수는 일반적으로 사용되는 수돗물 또는 청정한 지하수를 의미한다.
제4도에 도시된 바와 같이, 폐온수를 급탕온수로 사용하는 경우에는, 3-웨이 밸브(22)에서 난방공간(25)으로 들어가는 밸브가 닫혀지고, 온수열교환기(21)로 들어가는 밸브가 열린다. 그리고 주열교환기(19)에 의해 가열된 물은 펌프(17)에 의하여 주열교환기(19)와 온수열교환기(21) 사이를 순환한다. 이 때 온수열교환기(21)에 의하여 폐온수는 가열되게 된다.
폐온수 저장탱크(1) 내의 폐온수는 펌프(5)에 의하여 온수열교환기(21)로 유입된다. 즉, 폐온수가 급탕온수로 사용되는 경우에는 폐온수출구(9)를 통하여 펌프(5)에 의해 온수열교환기(21)로 유입된다. 이 때 폐온수출구(9) 라인은 직수의 직수입구(26) 라인과 3-웨이 밸브(6)에 의하여 연결된다. 3-웨이 밸브(6)는 온수열교환기(21)에 폐온수 또는 직수를 선택적으로 공급한다.
본 발명의 장치에서 폐온수의 폐열을 난방온수에 재활용하기 위한 시스템은 제5도에 도시한 바와 같다. 우선 폐온수의 폐열을 회수하기 위하여 폐열회수 열교환기(2)를 폐온수 저장탱크(1)내에 설치한다. 그리고, 폐열회수 열교환기(2)에는 난방환수입구a(4)와 폐열회수출구(3)가 설치되어, 난방환수입구a(4)는 보일러의 난방공간(25)을 나오는 배수 라인에 연결되고 폐열회수출구(3)는 난방환수입구b(13)에 연결된다. 폐열회수 열교환기(2)에서 폐온수에 의하여 가열된 난방환수는 주열교환기(19)로 유입되어 난방공간(25)을 가열하도록 순환된다. 물론 난방공간을 가열하기 위하여 순환하는 난방온수가 충분하지 못한 경우 이를 보충할 수 있도록 하는 것은 일반 보일러의 시스템과 동일하다. 폐온수 저장탱크(1)의 수위를 감지하기 위한 센서(7, 8)가 설치되어, 수위를 감지한다. 상기 난방환수입구a(4)와 폐열회수출구(3)를 포함하고, 관 및 밸브로 이루어지는 순환장치는 상기 보일러로부터 나오는 난방환수를 폐열회수 열교환기(2)를 통해 가열시키기 위한 것으로써, 본 발명의 범위 내에서 그 형태 및 경로는 보다 효율적으로 구현될 수 있다.
제4도는 제3도의 본 발명에 따른 시스템에서 연료전지 시스템에서 회수된 폐온수를 급탕온수로 사용하는 시스템을 도시한 개략적인 구성도이다.
폐온수가 저장탱크(1)의 저수위 한계(8)와 고수위 한계(7) 사이에 있을 경우, 3-웨이 밸브(6)의 직수공급구를 닫고, 폐온수출구를 연다. 펌프(5)를 가동하여 저장탱크(1)의 폐온수가 온수열교환기(21)로 공급되고, 이 때 공급되는 폐온수의 온도는 제2도의 일반 보일러에서 직수가 직접 공급되는 경우에 비하여 높기 때문에온수를 얻기 위해 필요로 하는 연료 소비가 절감된다. 저장탱크(1)의 폐온수가 저수위 한계 이하인 경우에는, 보일러에 공급할 폐열이 없으므로 3-웨이 밸브(6)의 직수공급구를 열고 폐온수출구를 닫으며 펌프(5)는 가동을 중단한다. 폐온수 저장탱크(1)의 폐온수가 고수위 한계 이상인 경우에는, 폐온수입구(10)를 막고, 폐온수가 배출되지 않으므로 연료전지 시스템의 온도상승을 저지하기 위한 냉각팬(27)을 회전시켜 폐온수를 냉각하고 순환시킨다.
제5도는 제3도의 본 발명에 따른 시스템에서 연료전지 시스템에서 회수된 폐온수로부터 폐열을 회수하여 난방온수로 사용하는 시스템을 도시한 개략적인 구성도이다.
보일러의 난방 운전시, 주열교환기(19)에서 가열된 물은 펌프(17)에 의해 난방공간(25)으로 공급되어 열을 빼앗긴다. 난방공간(25)에서 열을 빼앗긴 물은 폐열회수 열교환기(2)로 들어가서 폐온수에 의하여 예열되어 주열교환기(19)로 들어간다. 이 때 폐온수에 의하여 예열된 만큼 보일러의 연료를 절감할 수 있다.
본 발명의 목적은 이미 설치된 종래의 보일러 장치를 그대로 이용하면서 연료전지 시스템으로부터 발생하는 폐열을 용이하게 회수하여 재활용할 수 있고, 상기 폐열을 난방온수 또는 급탕온수에 재활용할 수 있는 시스템을 제공하는 효과를 갖는다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.

Claims (8)

  1. 연료전지 시스템(23)으로부터 발생하는 폐온수를 저장하기 위한 폐온수 저장탱크(1);
    상기 폐온수 저장탱크(1)에 저장된 폐온수를 급탕온수로 공급하기 위한 수단; 및
    상기 저장탱크(1) 내부에 설치된 폐열회수 열교환기(2)를 포함하는 보일러로부터 나오는 난방환수를 가열하기 위한 수단;
    으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 폐열을 보일러에 공급하기 위한 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 폐온수 저장탱크(1) 내에 폐온수의 수위를 감지하기 위한 센서(7, 8)가 설치된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 폐열을 보일러에 공급하기 위한 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 폐온수를 급탕온수로 공급하기 위한 수단은 상기 폐온수를 온수열교환기(21)로 공급하기 위한 펌프(5) 및 상기 폐온수와 외부로부터 유입되는 직수를 선택하기 위한 3-웨이 밸브(6)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 폐열을 보일러에 공급하기 위한 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 난방환수를 가열하기 위한 수단은 상기 저장탱크(1) 내부에 설치된 폐열회수 열교환기(2), 상기 폐열회수 열교환기에 설치된 난방환수입구a(4) 및 폐열회수출구(3)로 이루어지고, 상기 난방환수입구a(4)는 보일러의 난방공간(25)을 나오는 배수 라인에 연결되고 상기 폐열회수출구(3)는 난방환수입구b(13)에 연결되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 폐열을 보일러에 공급하기 위한 장치.
  5. 연료전지 시스템(23)로부터 나온 폐온수를 폐온수 저장탱크(1)에 저장하고;
    3-웨이 밸브(6)의 직수공급구를 닫고, 폐온수출구를 열고, 펌프(5)를 가동하여 폐온수를 상기 폐온수 저장탱크(1)로부터 폐온수출구(9)를 통해 온수열교환기(21)로 유입하고;
    3-웨이 밸브(22)에서 난방공간(25)으로 들어가는 밸브를 닫고, 온수열교환기(21)로 들어가는 밸브를 열어 주열교환기(19)에서 가열된 물이 펌프(17)에 의하여 주열교환기(19)와 온수열교환기(21) 사이를 순환하게 하고; 그리고
    상기 온수열교환기(21)로 폐온수를 가열하는;
    단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 폐열을 보일러에 공급하는 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 폐온수 저장탱크(1)의 폐온수가 고수위 한계(7) 이상인 경우에 상기 폐온수입구(10)를 막고 연료전지 시스템의 온도상승을 저지하기 위한 냉각팬(27)을 회전시켜 폐온수를 냉각하고 순환하도록 하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 폐열을 보일러에 공급하는 방법.
  7. 제5항에 있어서, 상기 폐온수 저장탱크(1)의 폐온수가 저수위 한계(8) 이하인 경우에 3-웨이 밸브(6)의 직수공급구를 열고, 폐온수출구를 닫고, 펌프(5)의 가동을 중단하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 폐열을 보일러에 공급하는 방법.
  8. 연료전지 시스템(23)로부터 나온 폐온수를 폐온수 저장탱크(1)에 저장하고;
    난방공간(25)에서 열을 빼앗긴 난방환수를 난방환수입구a(4)를 통해 폐열회수 열교환기(2)로 유입하여 가열하고;
    상기 가열된 난방환수를 폐열회수출구(3)를 통해 주열교환기(19)로 유입하여추가적으로 가열하고;
    3-웨이 밸브(22)에서 온수열교환기(21)로 들어가는 밸브를 닫고, 난방공간(25)으로 들어가는 밸브를 열어 주열교환기(19)에서 가열된 난방환수가 난방공간(25)을 가열하도록 순환시키는;
    단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 폐열을 보일러에 공급하는 방법.
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Cited By (2)

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