JP5295257B2 - Heat recovery device for fuel cell system - Google Patents
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Description
本発明は、水素および酸素の電気化学反応によって電気エネルギーを生産する燃料電池システムに関するものであって、より詳しくは、燃料電池スタックをはじめとする多様な発電構成要素で発生する熱を効果的に回収して、温水または暖房循環水に供給する燃料電池システムの熱回収装置に関する。 The present invention relates to a fuel cell system that produces electric energy by an electrochemical reaction of hydrogen and oxygen, and more specifically, effectively generates heat generated by various power generation components including a fuel cell stack. The present invention relates to a heat recovery device of a fuel cell system that recovers and supplies hot water or heated circulating water.
燃料電池(Fuel Cell)は、水素の酸化反応および酸素の還元反応によって電気エネルギーを発生させる発電装置である。この燃料電池は、高分子電解質型燃料電池(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)、直接酸化型燃料電池(Direct Oxidation Fuel Cell)などの種類がある。 A fuel cell is a power generation device that generates electrical energy through a hydrogen oxidation reaction and an oxygen reduction reaction. This fuel cell is classified into a polymer electrolyte fuel cell (Polymer Electrolyte Fuel Cell), a direct oxidation fuel cell (Direct Oxidation Fuel Cell), and the like.
この中でも、高分子電解質型燃料電池は、水素イオン交換特性を有する高分子膜を電解質として使用する燃料電池であって、水素を含む燃料および酸素を含む空気を利用して電気化学反応を誘発させることによって電気エネルギーを発生させる。このような高分子電解質型燃料電池を利用した燃料電池システムは、概略的に次のような構造からなる。
つまり、燃料電池システムは、その構成要素を大きく区分すれば、電気エネルギーを発生させるための燃料電池発電部と、このような燃料電池発電部で発生する廃熱を回収して、熱需要がある所に供給する熱回収装置とに区分することができる。
Among these, a polymer electrolyte fuel cell is a fuel cell that uses a polymer membrane having hydrogen ion exchange characteristics as an electrolyte, and induces an electrochemical reaction using a fuel containing hydrogen and air containing oxygen. To generate electrical energy. A fuel cell system using such a polymer electrolyte fuel cell generally has the following structure.
In other words, if the fuel cell system is roughly divided, the fuel cell power generation unit for generating electric energy and the waste heat generated in such a fuel cell power generation unit are recovered and there is a heat demand. It can be divided into a heat recovery device to be supplied to the place.
燃料電池発電部は、水素および酸素の電気化学反応によって直流(DC)電力を発生させる燃料電池スタックと、天然ガス(LNG)または液化石油ガス(LPG)などの炭化水素系の発電原料を改質して燃料電池スタックに水素が豊富な改質ガスを供給する燃料処理装置と、燃料電池スタックで必要とする酸素を供給する空気供給装置と、燃料電池スタックで発生する直流電力を交流電力に変換する電力変換器と、前記構成要素の起動、停止、発電状態維持に必要な各種周辺装置(BOP;Balance of Plants)と、制御器とを備える。 The fuel cell power generation unit reforms fuel cell stacks that generate direct current (DC) power through an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, and hydrocarbon-based power generation materials such as natural gas (LNG) or liquefied petroleum gas (LPG). A fuel processing device that supplies reformed gas rich in hydrogen to the fuel cell stack, an air supply device that supplies oxygen required by the fuel cell stack, and direct current power generated in the fuel cell stack is converted to alternating current power Power converters, various peripheral devices (BOP: Balance of Plants) necessary for starting, stopping, and maintaining the power generation state of the components, and a controller.
そして、燃料電池システムの熱回収装置は、大韓民国特許登録第0418459号および第0740542号に公知された事項を参考にすれば、大まかに次のような構成をからなる。つまり、従来の技術による燃料電池システムの熱回収装置は、燃料電池発電部から回収した廃熱を保存する蓄熱槽、このような蓄熱槽に保存された廃熱を温水または暖房循環水に供給する手段を備える。 The heat recovery device of the fuel cell system is roughly configured as follows, with reference to the matters known in Korean Patent Registration Nos. 01845959 and 0740542. That is, the heat recovery device of the fuel cell system according to the prior art supplies a heat storage tank that stores the waste heat recovered from the fuel cell power generation unit, and supplies the waste heat stored in such a heat storage tank to the hot water or the heating circulating water. Means.
特に、燃料電池システムの熱回収装置は、燃料電池発電部の中でも燃料電池スタックおよび燃料処理装置などの多様なシステム構成要素から発生する廃熱を回収するように構成される。この時、燃料電池発電部のうちの燃料電池スタックは、電気エネルギーをより安定的に発生させるために一定の温度に維持されなければならず、燃料処理装置も、熱的不均衡が発生しないように効率的に熱回収が行われなければならない。つまり、燃料電池スタックおよび燃料処理装置などの構成要素は、各々の熱の発生程度に対応して熱回収が行われるのが望ましい。 In particular, the heat recovery device of the fuel cell system is configured to recover waste heat generated from various system components such as the fuel cell stack and the fuel processing device in the fuel cell power generation unit. At this time, the fuel cell stack in the fuel cell power generation unit must be maintained at a constant temperature in order to generate electric energy more stably, and the fuel processing apparatus also does not generate thermal imbalance. Heat recovery must be performed efficiently. That is, it is desirable that the components such as the fuel cell stack and the fuel processing apparatus are subjected to heat recovery corresponding to the degree of heat generation.
しかし、従来の技術による燃料電池システムの熱回収装置は、燃料電池スタックおよび燃料処理装置などの燃料電池発電部の構成要素を順次に通過しながら熱回収するように構成されるため、各々の構成要素に適して熱交換が行われない問題点がある。これによって、従来の技術による燃料電池システムの熱回収装置は、場合によっては燃料電池スタックの温度不均一または燃料処理装置の熱的不均衡によって燃料電池システムの発電効率および耐久性が低下する。 However, the heat recovery device of the conventional fuel cell system is configured to recover heat while sequentially passing through the components of the fuel cell power generation unit such as the fuel cell stack and the fuel processing device. There is a problem that heat exchange is not performed in accordance with the element. Accordingly, in the heat recovery device of the fuel cell system according to the conventional technology, the power generation efficiency and durability of the fuel cell system are lowered due to the uneven temperature of the fuel cell stack or the thermal imbalance of the fuel processing device.
本発明は、前記説明したように、従来の技術の問題点を解決するために提案されたものであって、本発明の実施例による燃料電池システムの熱回収装置は、燃料電池システムの構成要素で発生する廃熱を各々個別に回収するように構成することによって、燃料電池システムの周辺環境の変化および蓄熱槽の内部温度の変化に影響を受けずに廃熱を効果的に回収することができる燃料電池システムの熱回収装置を提供することにある。 As described above, the present invention has been proposed to solve the problems of the prior art, and the heat recovery device of the fuel cell system according to the embodiment of the present invention is a component of the fuel cell system. By recovering the waste heat generated in the fuel cell individually, it is possible to effectively recover the waste heat without being affected by changes in the surrounding environment of the fuel cell system and changes in the internal temperature of the heat storage tank. An object of the present invention is to provide a heat recovery device for a fuel cell system.
また、本発明の実施例による燃料電池システムの熱回収装置は、蓄熱槽での熱回収循環構造および排出構造を改善することによって、蓄熱槽での廃熱利用率を向上させることができる燃料電池システムの熱回収装置を提供することにある。 In addition, the heat recovery apparatus of the fuel cell system according to the embodiment of the present invention can improve the waste heat utilization rate in the heat storage tank by improving the heat recovery circulation structure and the discharge structure in the heat storage tank. The object is to provide a heat recovery device for the system.
本発明の実施例による燃料電池システムの熱回収装置は、燃料電池スタックで発生する廃熱を回収する第1熱交換器、前記第1熱交換器と別途に設置されて、燃料処理装置またはシステム配管で発生する廃熱を回収する第2熱交換器、および前記第1熱交換器および前記第2熱交換器に各々熱交換物質を供給し、前記熱交換物質を回収して、前記熱交換物質に含まれている廃熱を外部の熱需要によって外部に供給する蓄熱槽を含む。 A heat recovery device of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention is installed separately from a first heat exchanger that recovers waste heat generated in a fuel cell stack and the first heat exchanger, and is a fuel processing device or system. A second heat exchanger that recovers waste heat generated in the piping; and a heat exchange material is supplied to each of the first heat exchanger and the second heat exchanger, the heat exchange material is recovered, and the heat exchange is performed. It includes a heat storage tank that supplies waste heat contained in the substance to the outside by external heat demand.
前記蓄熱槽から一つの第1配管貫通路が連結されて、前記第1熱交換器および前記第2熱交換器に先立って前記第1配管通路が第2配管通路および第3配管通路に各々分岐され、該第2配管通路は前記第1熱交換器を経由して前記蓄熱槽に連結され、且つ、該第3配管通路は前記第2熱交換器を経由した前記熱交換物質が前記第1熱交換器の内部に流入するように又は前記第1熱交換器を経ずに前記蓄熱槽に回収されるように形成される。 One first pipe through passage is connected from the heat storage tank, and the first pipe passage branches into a second pipe passage and a third pipe passage prior to the first heat exchanger and the second heat exchanger, respectively. The second pipe passage is connected to the heat storage tank via the first heat exchanger, and the third pipe passage is connected to the first heat exchange material via the second heat exchanger. The heat exchanger is formed so as to flow into the heat exchanger or to be collected in the heat storage tank without passing through the first heat exchanger.
前記第1配管通路には前記熱交換物質が他の経路を経由して合流するように第4配管通路が連結される。前記第4配管通路には空冷式放熱器が設置され、前記第4配管通路に分岐される地点の前記第1配管通路には前記熱交換物質の進行方向として該第1配管通路又は該第4配管通路の一方を選択する第1三方向バルブが設置される。 A fourth piping passage is connected to the first piping passage so that the heat exchange material joins via another route. An air-cooled radiator is installed in the fourth pipe passage, and the first pipe passage or the fourth pipe as the direction of travel of the heat exchange material is provided in the first pipe passage at a point branched to the fourth pipe passage . A first three-way valve that selects one of the pipe passages is installed.
前記第2配管通路には前記熱交換物質を一方向に流動させる第1チェックバルブ、蓄熱槽に回収される熱交換物質の温度を測定する第1温度センサー、および前記第1温度センサーで測定された前記蓄熱槽に回収される熱交換物質の温度に応じて前記第1熱交換器に供給される前記熱交換物質の流動量を調節する第1ポンプが各々設置される。前記第3配管通路には前記熱交換物質を一方向に流動させる第2チェックバルブ、蓄熱槽に回収される熱交換物質の温度を測定する第2温度センサー、および前記第2温度センサーで測定された前記蓄熱槽に回収される熱交換物質の温度に応じて前記第2熱交換器に供給される前記熱交換物質の流動量を調節する第2ポンプが各々設置される。 The second pipe passage is measured by a first check valve for causing the heat exchange material to flow in one direction, a first temperature sensor for measuring the temperature of the heat exchange material recovered in the heat storage tank, and the first temperature sensor. In addition, a first pump for adjusting a flow amount of the heat exchange material supplied to the first heat exchanger according to a temperature of the heat exchange material collected in the heat storage tank is installed. The third pipe passage is measured by a second check valve that allows the heat exchange material to flow in one direction, a second temperature sensor that measures the temperature of the heat exchange material recovered in the heat storage tank, and the second temperature sensor. In addition, a second pump for adjusting a flow amount of the heat exchange material supplied to the second heat exchanger according to a temperature of the heat exchange material collected in the heat storage tank is installed.
前記蓄熱槽は、外部から前記熱交換物質の供給を受けて、前記熱交換物質を前記第1熱交換器および前記第2熱交換器の通過後に保存する。 The heat storage tank receives the supply of the heat exchange material from the outside, and stores the heat exchange material after passing through the first heat exchanger and the second heat exchanger.
前記蓄熱槽の内部には第1熱交換通路が設置され、前記第1熱交換通路に流入する消費用供給水は、前記熱交換物質との熱交換を通して昇温されて、前記蓄熱槽の外部に供給される。 The inside of the storage tank is installed first heat exchange passages, the consumption for supplying water flowing into the first heat exchange passages, are warm through heat exchange with the heat exchange material, the heat storage tank Supplied outside.
前記蓄熱槽の内部には第2熱交換通路が設置され、前記第2熱交換通路における暖房用循環水は、前記熱交換物質との熱交換を通して昇温されて、前記蓄熱槽の外部に供給される。 Inside the heat storage tank is installed a second heat exchange passages, the air-heating circulation water in the second heat exchange passages, it is warm through heat exchange with the heat exchange material, the outside of the heat storage tank To be supplied.
燃料電池システムの熱回収装置は、前記蓄熱槽から排出される前記廃熱含有物質が通過しながら熱交換される第3熱交換器、および外部の制御信号によって発熱作動して、前記第3熱交換器に熱を供給する第1補助バーナーをさらに含む。 The heat recovery device of the fuel cell system is configured to generate heat by the third heat exchanger that exchanges heat while passing the waste heat-containing material discharged from the heat storage tank, and an external control signal, so that the third heat Further included is a first auxiliary burner for supplying heat to the exchanger.
燃料電池システムの熱回収装置は、前記第3熱交換器を通過した前記消費用供給水および外部から供給される温度調整水が各々流入して混合される温度調節バルブをさらに含む。 The heat recovery device of the fuel cell system may further include a temperature control valve that mixes the consumption supply water that has passed through the third heat exchanger and the temperature adjustment water supplied from the outside.
前記温度調節バルブは、温度感知作動素子合金を利用して前記消費用供給水および前記温度調整水を混合させるテンパリングバルブタイプである。 The temperature control valve is a tempering valve type in which the supply water for consumption and the temperature adjustment water are mixed using a temperature sensing operation element alloy.
燃料電池システムの熱回収装置は、前記第3熱交換器を通過した前記暖房用循環水が暖房の役割を果たすように外部に供給され、前記暖房用循環水が再び前記蓄熱槽に回収される配管構造からなる。前記暖房用循環水が前記蓄熱槽に回収される配管経路上には第2三方向バルブが設置されて、前記暖房用循環水が前記第2三方向バルブの選択的な作動によって前記蓄熱槽に流入したり、バイパス(by-pass)経路を通じて外部に再び供給される。 The heat recovery device of the fuel cell system is supplied to the outside so that the circulating water for heating that has passed through the third heat exchanger plays a role of heating, and the circulating water for heating is recovered again in the heat storage tank It consists of a piping structure. A second three-way valve is installed on a piping path through which the circulating water for heating is collected in the heat storage tank, and the circulating water for heating is supplied to the heat storage tank by selective operation of the second three-way valve. It flows in or is supplied to the outside again through a bypass path.
燃料電池システムの熱回収装置は、前記蓄熱槽から排出される前記消費用供給水が通過しながら熱交換される第4熱交換器、および外部の制御信号によって発熱作動して、前記第4熱交換器に熱を供給する第2補助バーナーをさらに含むことができる。そして、燃料電池システムの熱回収装置は、前記第4熱交換器と別途に設置されて、前記蓄熱槽から排出される前記暖房用循環水が通過しながら熱交換される第5熱交換器、および外部の制御信号によって発熱作動して、前記第5熱交換器に熱を供給する第3補助バーナーをさらに含むことができる。 The heat recovery device of the fuel cell system is configured to generate heat by the fourth heat exchanger that exchanges heat while the consumption water discharged from the heat storage tank passes, and an external control signal, so that the fourth heat A second auxiliary burner for supplying heat to the exchanger can be further included. And the heat recovery device of the fuel cell system is installed separately from the fourth heat exchanger, and a fifth heat exchanger for exchanging heat while passing the circulating water for heating discharged from the heat storage tank, And a third auxiliary burner that generates heat according to an external control signal and supplies heat to the fifth heat exchanger.
前記蓄熱槽には前記熱交換物質の水位を測定する水位センサーが設置される。前記蓄熱槽には前記熱交換物質として水が供給されるように水供給配管が連結され、前記水供給配管には前記水位センサーの測定データによって連動して、前記水の供給量を調節するソレノイドバルブが設置される。 A water level sensor for measuring the water level of the heat exchange material is installed in the heat storage tank. A water supply pipe is connected to the heat storage tank so that water is supplied as the heat exchange material, and the water supply pipe is coupled with the measurement data of the water level sensor to adjust the water supply amount. Valve is installed.
前記蓄熱槽の上部には前記熱交換物質による前記蓄熱槽の内部圧力を設定された過圧条件以下に降下させる安全バルブが設置される。 A safety valve for lowering the internal pressure of the heat storage tank by the heat exchange material below a set overpressure condition is installed at the upper part of the heat storage tank.
前記蓄熱槽の下部には前記熱交換物質を必要に応じて外部に排出させるためのドレインバルブが設置される。 A drain valve for discharging the heat exchange material to the outside as needed is installed at the lower part of the heat storage tank.
燃料電池システムは、周辺環境の変化(大部分は周辺温度の変化)およびシステムを起動運転停止する過程によって熱の発生程度が異なる。この時、本発明の実施例による燃料電池システムの熱回収装置は、燃料電池スタックで発生する廃熱と、燃料処理装置などのその他の構成要素で発生する廃熱とを各々個別に回収するように構成する。つまり、本発明の実施例による燃料電池システムの熱回収装置は、各々の構成要素に個別に対応して熱回収が可能であるため、熱回収効率が高まる長所がある。それによって、燃料電池システムは、内部構成要素の熱的不均衡が解消されて、従来の技術に比べて高い発電効率で電力を安定的に生産することができる。 Fuel cell systems vary in the degree of heat generation depending on changes in the surrounding environment (mostly changes in ambient temperature) and the process of starting and stopping the system. At this time, the heat recovery device of the fuel cell system according to the embodiment of the present invention individually recovers the waste heat generated in the fuel cell stack and the waste heat generated in other components such as the fuel processing device. Configure. That is, the heat recovery apparatus of the fuel cell system according to the embodiment of the present invention has an advantage that heat recovery efficiency is increased because heat recovery can be performed individually corresponding to each component. As a result, the thermal imbalance among the internal components is eliminated in the fuel cell system, and electric power can be stably produced with higher power generation efficiency than the conventional technology.
また、本発明の実施例による燃料電池システムの熱回収装置は、蓄熱槽での熱回収循環構造および排出構造を改善することによって、蓄熱槽での廃熱利用率が向上する長所がある。 Further, the heat recovery apparatus of the fuel cell system according to the embodiment of the present invention has an advantage that the waste heat utilization rate in the heat storage tank is improved by improving the heat recovery circulation structure and the discharge structure in the heat storage tank.
また、本発明の実施例による燃料電池システムの熱回収装置は、追加的に熱源を提供する補助バーナーなどの補助熱源器を最適な状態で使用することによって、従来の技術に比べて相対的に燃料消耗量も減少して、経済的効用性も高まる長所がある。 In addition, the heat recovery apparatus of the fuel cell system according to the embodiment of the present invention uses an auxiliary heat source device such as an auxiliary burner that additionally provides a heat source in an optimal state, so that it can The fuel consumption is reduced and the economic utility is improved.
以下、添付した図面を参考にして、本発明の実施例に対して、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者が容易に実施できるように詳しく説明する。本発明は多様な相異した形態に具現されることができ、ここで説明する実施例に限られない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art to which the present invention pertains can easily implement the embodiments. The present invention can be embodied in various different forms and is not limited to the embodiments described herein.
図1は本発明の参考例による燃料電池システムの熱回収装置の概略図である。 FIG. 1 is a schematic view of a heat recovery device of a fuel cell system according to a reference example of the present invention.
図1に示されているように、燃料電池システムの熱回収装置100は、燃料電池スタックで発生する廃熱と、燃料処理装置またはシステム配管などの他の構成要素で発生する他の廃熱とを個別に追加回収して、蓄熱槽130に回収された廃熱を保存する構成からなる。
As shown in FIG. 1, the
燃料電池システムの内部で発生する熱は大きく2つに分類される。つまり、燃料電池スタック110は、水素および酸素が電気化学反応して電力を生産し、それと共に熱も発生させる。このような燃料電池スタック110の熱は、主に80℃未満の熱で、回収される廃熱全体の70%〜80%程度を占める。そして、燃料処理装置120またはシステム配管などの他の構成要素も、その作動過程で熱を発生させるが、回収される廃熱全体の20%〜30%を占める。
Heat generated in the fuel cell system is roughly classified into two types. That is, in the
したがって、燃料電池システムの熱回収装置100は、燃料電池スタック110または燃料処理装置120などの構成要素での熱の発生程度によって最も適した条件に該当する熱交換物質の循環供給量を調節したり、熱交換器の処理容量を選択使用することができる。これによって、燃料電池スタック110は、設定された温度に維持されて、発電効率が向上することができ、燃料処理装置120も、熱的不均衡なく安定的に作動することができる。
Therefore, the
蓄熱槽130は、燃料電池スタック110または燃料処理装置120で発生した廃熱を回収して、温水または暖房水として保存する。そして、蓄熱槽130は、外部の熱需要によって温水または暖房水を外部に供給する。この時、蓄熱槽130は、廃熱を回収するために熱交換物質として水の供給を受け、このような熱交換物質を再び第1熱交換器140および第2熱交換器150に各々供給する。
The
第1熱交換器140は、燃料電池スタック110に連結されるように設置され、燃料電池スタック110で発生する廃熱が熱交換物質と熱交換されるように構成される。そうすると、燃料電池スタック110で発生する廃熱は、熱交換物質に含まれて、このような熱交換物質は蓄熱槽130に回収される。
The
第2熱交換器150は、第1熱交換器140と別途の構成で設置される。第2熱交換器150は、燃料処理装置120などの燃料電池システムの他の構成要素に連結されるように設置され、燃料処理装置120で発生する廃熱が熱交換物質と熱交換されるように構成される。そうすると、燃料処理装置120で発生する廃熱は熱交換物質に含まれて、このような熱交換物質は蓄熱槽130に回収される。
The
この時、燃料電池システムの熱回収装置100は、熱交換物質を蓄熱槽130から第1熱交換器140または第2熱交換器150に流動させるための配管通路を次の通り備える。
At this time, the
つまり、燃料電池システムの熱回収装置100は、蓄熱槽130の入口ポート131から一つの第1配管通路164が連結されるが、第1熱交換器140および第2熱交換器150に先立って第1配管通路164が第2配管通路144および第3配管通路154に各々分岐される。第2配管通路144は第1熱交換器140に連結され、第3配管通路154は第2熱交換器150に連結される。そして、第2配管通路144には熱交換物質が設定された流動量で供給されるように第1ポンプ141が設置され、第3配管通路154にも熱交換物質が設定された流動量で供給されるように第2ポンプ151が設置される。
That is, in the
燃料電池システムの熱回収装置100は、熱交換物質を蓄熱槽130に回収する配管通路に各々温度センサー242、252を設置する。このような温度センサー242、252は、熱交換物質の温度を測定し、このように測定された温度は、第1ポンプ141および第2ポンプ151で各々独立的に熱交換物質の流動量を決定する制御資料として活用される。
The
熱交換物質を第2熱交換器150から蓄熱槽130に回収する経路は、図1に示されているように、第2配管通路144に連結されて、第2熱交換器150を通過した熱交換物質が第1熱交換器140の内部に流入するようにすることができる。熱交換物質を第2熱交換器150から蓄熱槽130に回収する経路は、また他の構造として、第1熱交換器140から蓄熱槽130に回収する経路と別個に形成することもできる。
As shown in FIG. 1, the path for collecting the heat exchange material from the
第1配管通路164には熱交換物質が他の経路を経由して合流するように第4配管通路165が連結される。このような第4配管通路165には空冷式放熱器160が設置され、第4配管通路165に分岐される地点の第1配管通路164には熱交換物質の進行方向を選択的に変更する第1三方向バルブ161が設置される。つまり、夏季のように外部熱需要(温水または暖房水の使用)が低い場合には熱交換物質の流動経路が第1三方向バルブ161に変更されて、空冷式放熱器160で熱交換物質に含まれた熱が発散されるようにする。
A
それ以外に、蓄熱槽130には熱交換物質を流入させたり排出させるための複数個のポートが形成される。複数個のポートは、第1熱交換器140または第2熱交換器150に熱交換物質である水を流入させる入口ポート131、および第1熱交換器140または第2熱交換器150で廃熱を回収した熱交換物質を蓄熱槽130に流入させる出口ポート132を含む。入口ポート131は大体は蓄熱槽130の下部に位置し、出口ポート132は相対的に入口ポート131に比べて上部側に該当する地点に位置する。そして、複数個のポートは、外部から熱交換物質として水の供給を受ける水供給ポート、および外部の熱需要によって温水または暖房水を排出する温水排出ポート、暖房水排出ポートをさらに含む。水供給ポートは大体は蓄熱槽130の下部に位置し、温水排出ポートおよび暖房水排出ポートは相対的に水供給ポートに比べて上部側に該当する地点に位置する。
In addition, the
これによって、燃料電池システムの熱回収装置100は、蓄熱槽130の上部および下部で熱交換物質の温度差が設定された範囲内に維持されて、廃熱を含む熱交換物質が温水または暖房水として活用されることができる。
As a result, the
図2は本発明の第1実施例による燃料電池システムの熱回収装置の概略図である。 FIG. 2 is a schematic view of a heat recovery apparatus of the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention.
図2に示されているように、第1実施例による燃料電池システムの熱回収装置200は、図1に示された燃料電池システムの熱回収装置100と比べて第1チェックバルブ243および第2チェックバルブ253をさらに含む特徴がある。つまり、第1チェックバルブ243および第2チェックバルブ253は、熱交換物質が流動する過程で蓄熱槽130に再び逆流しないように防止する構成要素である。
As shown in FIG. 2, the
第1チェックバルブ243は、第2配管通路244で熱交換物質の流動方向を基準にする時に第1ポンプ241の下流に位置するので、熱交換物質が蓄熱槽130に逆流せずに第1熱交換器240方向にだけ流動する。そして、第2チェックバルブ253も、第3配管通路254で熱交換物質の流動方向を基準にする時に第2ポンプ251の下流に位置するので、熱交換物質が蓄熱槽130に逆流せずに第2熱交換器250方向にだけ流動する。
Since the
ただし、図2で第1チェックバルブ243および第2チェックバルブ253は共に示されているが、必要に応じていずれか一つだけが設置されてもよい。それ以外の燃料電池システムの熱回収装置200の構成要素は、図1に示された燃料電池システムの熱回収装置100の構成要素に各々対応して同一な機能を行うので、それに対する反復説明は省略する。
However, although both the
図3は本発明の第2実施例による燃料電池システムの熱回収装置の概略図である。 FIG. 3 is a schematic view of a heat recovery device of a fuel cell system according to a second embodiment of the present invention.
図3に示されているように、第2実施例による燃料電池システムの熱回収装置300は、図2に示された燃料電池システムの熱回収装置200に比べて外部の熱需要によって温水または暖房水を外部に供給したり、これを再び回収する構成要素をさらに含む。
As shown in FIG. 3, the
蓄熱槽330は、外部から熱交換物質として水の供給を受けて、熱交換物質を第1熱交換器340および第2熱交換器350に循環させた後に、廃熱含有物質として保存する。つまり、廃熱含有物質は、熱交換物質である水が第1熱交換器340および第2熱交換器350を循環して廃熱を含む状態で蓄熱槽330の内部に保存されたものである。
The
温水は、人々が洗面用または洗浄用に使用するために、衛生管理のために廃熱含有物質と混ざらないように閉回路に構成される。つまり、温水は、蓄熱槽330の内部で閉回路構成の第1熱交換通路333を通じて熱の供給を受ける。第1水供給ポート334を通じて流入した水は、第1熱交換通路333を通過しながら蓄熱槽330に保存された廃熱含有物質と熱交換される。このように第1熱交換通路333を通過する水は、一定の温度以上の温水に変換されて、温水排出ポート335を通じて熱需要がある外部に供給される。
The hot water is configured in a closed circuit so that it is not mixed with waste heat-containing materials for hygiene purposes, for use by people for washing or washing. That is, the hot water is supplied with heat through the first
暖房水は、蓄熱槽330の上部に位置する暖房水排出ポート337を通じて排出され、蓄熱槽330の下部に位置する暖房水流入ポート338を通じて再び蓄熱槽330に流入する。この時、暖房水は、燃料電池システムに設置されるユーティリティー環境によって外部の暖房水配管を循環する過程で汚染物質を含むことがあるので、温水と同様に蓄熱槽330の廃熱含有物質と混ざらないようにまた他の閉回路に構成されてもよい。つまり、暖房水も、蓄熱槽330の内部で閉回路構成の第2熱交換通路339を通じて熱の供給を受ける。このように、燃料電池システムの熱回収装置300は、暖房水が再循環されるように構成される。
The heating water is discharged through the heating
燃料電池システムの熱回収装置300は、必要に応じて第2熱交換通路339を別途に備えずに廃熱含有物質を暖房水として活用する。そうすると、第2水供給ポート336を通じて流入した水は、熱交換物質として第1熱交換器340および第2熱交換器350で熱交換を通して廃熱を含むようになり、このような廃熱含有物質が暖房水として暖房水排出ポート337および暖房水流入ポート338を通じて循環する。
The
そして、暖房水は、蓄熱槽330に再び流入した場合に温度が低下した状態であるが、第1熱交換器340および第2熱交換器350における熱交換を通して再び設定された温度に上昇する。
The heating water is in a state where the temperature is lowered when it flows into the
そして、燃料電池システムの熱回収装置300は、蓄熱槽330から排出される温水および暖房水が設定された温度以上に再上昇することができるように補助熱源器370を備えた特徴がある。補助熱源器370は、第3熱交換器371および第1補助バーナー372からなる。第3熱交換器371は、温水および暖房水の各排出経路上に設置され、温水または暖房水と各々熱交換されるように構成される。第1補助バーナー372は、外部の制御信号によって発熱作動して、第3熱交換器371で必要とする熱を提供する。
The
そして、燃料電池システムの熱回収装置300は、人々が使用するのに適するように温水および冷水を混合させる温度調節バルブ373をさらに含む。温度調節バルブ373は、第3熱交換器371を通過した温水および外部から供給される冷水が各々流入し、温水および冷水が相互混合された状態で排出される。このような温度調節バルブ373は、温度感知作動素子合金を利用するテンパリング(tempering)バルブタイプで、消費電力が必要なく常に一定の温度範囲の温水を供給することができる。
The
燃料電池システムの熱回収装置300は、前記で言及した通り、暖房水が蓄熱槽330に回収される配管構造である。この時、暖房水を蓄熱槽330から第3熱交換器371に供給する配管経路には第3ポンプ374が設置されて、設定された流量の暖房水が流動する。そして、暖房水が蓄熱槽330に回収される配管経路には第2三方向バルブ375が設置される。第2三方向バルブ375は、蓄熱槽330の暖房水温度を基準に判断して、回収される暖房水を蓄熱槽330に流入させたり、蓄熱槽330を通さずにバイパス(by-pass)経路を通じて再び循環させる。
The
このように、燃料電池システムの熱回収装置300は、燃料電池スタック310または燃料処理装置320で発生する廃熱を回収する場合に、熱交換物質が蓄熱槽330の下部から排出されて蓄熱槽330の上部に流入するように構成する。そして、燃料電池システムの熱回収装置300は、暖房水を循環させる場合に、暖房水が蓄熱槽330の上部から排出されて蓄熱槽330の下部に流入するように構成する。これによって、熱交換物質(または暖房水)は、蓄熱槽330の上部および下部における温度差が設定された範囲内で一定に維持されて、廃熱の利用率が向上する。
As described above, when the
ただし、燃料電池システムの熱回収装置300は、蓄熱槽330で耐えられる限界以上に廃熱が保存された状態でなければ、蓄熱槽330における熱交換物質(または暖房水)の温度差が次の通り維持されるのが望ましい。つまり、熱交換物質の温度差は、蓄熱槽330の入口ポート331および出口ポート332の間で8℃-12℃の範囲内に維持されるのが望ましく、それに基づいて第1熱交換器340および第2熱交換器350の各処理容量が決定される。そして、熱交換物質(または暖房水)の温度差は、蓄熱槽330における上下温度が8℃-40℃の範囲に維持されるのが好ましく、それに基づいて第1熱交換器340および第2熱交換器350の熱交換物質の流動量が決定される。
However, if the
それ以外の燃料電池システムの熱回収装置300の構成要素は、図2に示された燃料電池システムの熱回収装置200の構成要素に各々対応して同一な機能を行うので、それに対する反復説明は省略する。
The other components of the
図4は本発明の第3実施例による燃料電池システムの熱回収装置の概略図である。 FIG. 4 is a schematic view of a heat recovery apparatus of a fuel cell system according to a third embodiment of the present invention.
図4に示されているように、燃料電池システムの熱回収装置400は、図3に示された燃料電池システムの熱回収装置200に比べて安全バルブ480、ドレイン(drain)バルブ481、水位センサー482、ソレノイドバルブ483をさらに含む特徴がある。
As shown in FIG. 4, the
つまり、安全バルブ480は、蓄熱槽430の上部で熱交換物質による蓄熱槽430の内部圧力が設定された過圧条件以上である場合に作動して、蓄熱槽430の内部圧力を降下させる構成である。
That is, the
ドレインバルブ481は、蓄熱槽430の下部に設置される。このようなドレインバルブ481は、自動制御または手動操作によって蓄熱槽430の内部に収容された熱交換物質を必要に応じて排出することができるようにする。
The
水位センサー482は、蓄熱槽430に満たされた熱交換物質の水位を測定するように、蓄熱槽430の内部または外部に設置される。
The
ソレノイドバルブ483は、水位センサー482の測定データによって連動して、蓄熱槽430の内部に供給される水の供給量を調節する。つまり、第1水供給ポート435には外部から熱交換物質である水が供給されるように水供給配管が連結され、このような水供給配管にはソレノイドバルブ483が設置されることによって、水の供給量を必要に応じて随時に調節することができる。
The
それ以外の燃料電池システムの熱回収装置400の構成要素は、図3に示された燃料電池システムの熱回収装置300の構成要素に各々対応して同一な機能を行うので、それに対する反復説明は省略する。
The other components of the
図5は本発明の第4実施例による燃料電池システムの熱回収装置の概略図である。 FIG. 5 is a schematic view of a heat recovery apparatus of a fuel cell system according to a fourth embodiment of the present invention.
図5に示されているように、燃料電池システムの熱回収装置500は、図4に示された燃料電池システムの熱回収装置400に比べて補助熱源器570が温水および暖房水に各々対応して2つに分離設置される特徴がある。
As shown in FIG. 5, in the
補助熱源器570は、蓄熱槽530から排出される温水が通過しながら熱交換される第4熱交換器571、および外部の制御信号によって発熱作動して、第4熱交換器571に熱を供給する第2補助バーナー572を備える。そして、補助熱源器570は、第4熱交換器571と別途に設置されて、蓄熱槽530から排出される暖房水が通過しながら熱交換される第5熱交換器576、および外部の制御信号によって発熱作動して、第5熱交換器576に熱を供給する第3補助バーナー577をさらに備える。
The auxiliary
燃料電池システムの熱回収装置500は、このように補助熱源器570が二重に構成されることによって、温水または暖房水を選択的に追加加熱することができる。つまり、補助熱源器570は、夏季のように熱需要が少ない場合には温水加熱のために第4熱交換器571および第2補助バーナー572が利用され、冬季のように熱需要が多い場合には暖房水加熱のために第5熱交換器576および第3補助バーナー577が共に利用される。これによって、第2補助バーナー572および第3補助バーナー577が温水および暖房水に対応して選択的に利用されるので、補助熱源器570の燃料消耗量が節約される。
The
それ以外の燃料電池システムの熱回収装置500の構成要素は、図4に示された燃料電池システムの熱回収装置400の構成要素に各々対応して同一な機能を行うので、それに対する反復説明は省略する。
The other components of the
つまり、本発明の望ましい実施例について説明したが、本発明はこれに限定されるのではなく、特許請求の範囲、発明の詳細な説明、および添付した図面の範囲内で多様に変形して実施することができ、これも本発明の範囲に属する。 In other words, the preferred embodiments of the present invention have been described, but the present invention is not limited thereto, and various modifications may be made within the scope of the claims, the detailed description of the invention, and the attached drawings. This is also within the scope of the present invention.
110、210、310、410、510:燃料電池スタック
120、220、320、420、520:燃料処理装置
130、230、330、430、530:蓄熱槽
140、240、340、440、540:第1熱交換器
150、250、350、450、550:第2熱交換器
160、260、360、460、560:空冷式放熱器
170、270、370、470、570:補助熱源器
110, 210, 310, 410, 510:
Claims (12)
前記第1熱交換器と別途に設置されて、燃料処理装置またはシステム配管で発生する廃熱を回収する第2熱交換器;および
前記第1熱交換器および前記第2熱交換器に各々熱交換物質を供給し、前記熱交換物質を回収して、前記熱交換物質に含まれている廃熱を外部の熱需要によって外部に供給する蓄熱槽;を含み、
前記蓄熱槽に一つの第1配管通路が連結されて、前記第1熱交換器および前記第2熱交換器に先立って前記第1配管通路が第2配管通路および第3配管通路に各々分岐され、該第2配管通路は前記第1熱交換器を経由して前記蓄熱槽に連結され、且つ、該第3配管通路は前記第2熱交換器を経由した前記熱交換物質が前記第1熱交換器の内部に流入するように又は前記第1熱交換器を経ずに前記蓄熱槽に回収されるように形成され、
前記第1配管通路には前記熱交換物質が他の経路を経由して合流するように第4配管通路が連結され、
前記第4配管通路には空冷式放熱器が設置され、前記第4配管通路に分岐される地点の前記第1配管通路には前記熱交換物質の進行方向として該第1配管通路又は該第4配管通路の一方を選択する第1三方向バルブが設置され、
前記第2配管通路には前記熱交換物質を一方向に流動させる第1チェックバルブ、蓄熱槽に回収される前記熱交換物質の温度を測定する第1温度センサー、および前記第1温度センサーで測定された前記蓄熱槽に回収される前記熱交換物質の温度に応じて前記第1熱交換器に供給される前記熱交換物質の流動量を調節する第1ポンプが各々設置され、
前記第3配管通路には前記熱交換物質を一方向に流動させる第2チェックバルブ、蓄熱槽に回収される前記熱交換物質の温度を測定する第2温度センサー、および前記第2温度センサーで測定された前記蓄熱槽に回収される前記熱交換物質の温度に応じて前記第2熱交換器に供給される前記熱交換物質の流動量を調節する第2ポンプが各々設置される、燃料電池システムの熱回収装置。 A first heat exchanger for recovering waste heat generated in the fuel cell stack;
A second heat exchanger installed separately from the first heat exchanger and recovering waste heat generated in the fuel processor or system piping; and heat in the first heat exchanger and the second heat exchanger, respectively. A heat storage tank for supplying an exchange material, recovering the heat exchange material, and supplying waste heat contained in the heat exchange material to the outside according to an external heat demand;
A first piping passage is connected to the heat storage tank , and the first piping passage is branched into a second piping passage and a third piping passage, respectively, prior to the first heat exchanger and the second heat exchanger. The second piping passage is connected to the heat storage tank via the first heat exchanger, and the third piping passage is connected to the first heat exchanger via the second heat exchanger. Formed to flow into the exchanger or to be collected in the heat storage tank without going through the first heat exchanger,
A fourth pipe passage is connected to the first pipe passage such that the heat exchange material joins via another path;
An air-cooled radiator is installed in the fourth pipe passage, and the first pipe passage or the fourth pipe as the direction of travel of the heat exchange material is provided in the first pipe passage at a point branched to the fourth pipe passage . A first three-way valve that selects one of the pipe passages is installed;
The second first temperature sensor in the pipe passage for measuring a first check valve for flowing the heat exchange material in one direction, the temperature of the heat exchange material is recovered to the heat storage tank, and measured by the first temperature sensor the first pump is installed, each to adjust the flow amount of the heat exchange material to be supplied to the first heat exchanger in accordance with the temperature of the heat exchange material is recovered to the heat storage tank, which is,
The third second temperature sensor in the pipe passage for measuring a second check valve for flowing the heat exchange material in one direction, the temperature of the heat exchange material is recovered to the heat storage tank, and measured by the second temperature sensor second pump to adjust the flow amount of the heat exchange material to be supplied to the heat exchanger and the second heat exchanger in accordance with the temperature of the material to be recovered to the heat storage tank that is are installed respectively, a fuel cell system Heat recovery equipment.
外部の制御信号によって発熱作動して、前記第3熱交換器に熱を供給する第1補助バーナー;をさらに含む、請求項4に記載の燃料電池システムの熱回収装置。 A third heat exchanger for exchanging heat while passing the supply water for consumption or the circulating water for heating discharged from the heat storage tank; and an exothermic operation by an external control signal, to the third heat exchanger The heat recovery device for a fuel cell system according to claim 4, further comprising: a first auxiliary burner for supplying heat.
前記暖房用循環水が前記蓄熱槽に回収される配管経路上には第2三方向バルブが設置されて、前記暖房用循環水が前記第2三方向バルブの選択的な作動によって前記蓄熱槽に流入したり、バイパス(by-pass)経路を通じて外部に再び供給される、請求項5に記載の燃料電池システムの熱回収装置。 The circulating water for heating that has passed through the third heat exchanger is supplied to the outside so as to play a role of heating, and the circulating water for heating is recovered to the heat storage tank again.
A second three-way valve is installed on a piping path through which the circulating water for heating is collected in the heat storage tank, and the circulating water for heating is supplied to the heat storage tank by selective operation of the second three-way valve. The heat recovery device of the fuel cell system according to claim 5, wherein the heat recovery device is supplied to the outside through a by-pass path.
前記第4熱交換器と別途に設置されて、前記蓄熱槽から排出される前記暖房用循環水が通過しながら熱交換される第5熱交換器;および外部の制御信号によって発熱作動して、前記第5熱交換器に熱を供給する第3補助バーナー;をさらに含む、請求項4に記載の燃料電池システムの熱回収装置。 A fourth heat exchanger that exchanges heat while passing the supply water for consumption discharged from the heat storage tank; and a second heat exchanger that generates heat by an external control signal and supplies heat to the fourth heat exchanger. An auxiliary burner;
A fifth heat exchanger that is installed separately from the fourth heat exchanger and exchanges heat while passing the circulating water for heating discharged from the heat storage tank; and an exothermic operation by an external control signal; The heat recovery apparatus for a fuel cell system according to claim 4, further comprising: a third auxiliary burner for supplying heat to the fifth heat exchanger.
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