KR100807875B1 - Combined heat and power co-generation system for fuel cell - Google Patents

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홍병선
신미남
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Abstract

A combined heat and power co-generation system for a fuel cell is provided to recover heat of waste gases discharged into the atmosphere and minimize a loss of heat discharged into the outside through connection pipes while coolant recovers waste heat. A combined heat and power co-generation system(100) for a fuel cell includes: a fuel cell stack(110) which generates electricity by an electrochemical reaction of hydrogen and oxygen; a fuel treatment device(120) which reforms a generating material to supply a hydrogen-containing reformed gas to the fuel cell stack; an air supply device(130) which supplies oxygen necessary to the fuel cell stack; a cooling device(160) which recovers heat generated in the fuel cell stack to keep the fuel cell stack at fixed temperature; a controller(150) which controls the start-up, stop, and generating operations of a system using the power generated in the fuel cell stack; and a water tank(170) which is connected to the cooling device and stores waste heat recovered through heat exchange as hot water. The fuel cell stack, fuel treatment device, air supply device, cooling device, water tank, and controller are accommodated inside a case(101). The fuel cell stack, cooling device, and water tank are connected to one another by pipes for coolant circulation. The fuel treatment device has an exhaust passage extended to the outside of the case, wherein the exhaust passage discharges waste gases generated during the step of reforming the generating material. The exhaust passage has a heat exchanger(162) connected to the water tank to recover heat of waste gases.

Description

연료전지 열병합 발전시스템{Combined Heat and Power Co-generation System for Fuel Cell}Combined Heat and Power Co-generation System for Fuel Cell}

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 연료전지 열병합 발전시스템의 개략도이다.1 is a schematic diagram of a fuel cell cogeneration system according to an embodiment of the present invention.

도 2는 도 1에 도시된 연료전지 열병합 발전시스템에서 배기가스에 함유된 폐열을 회수하기 위한 구성요소를 부각하여 나타낸 개략도이다.FIG. 2 is a schematic diagram showing the components for recovering the waste heat contained in the exhaust gas in the fuel cell cogeneration system shown in FIG. 1.

도 3은 도 1에 도시된 연료전지 열병합 발전시스템에 추가적으로 보조 물탱크가 구비될 수 있음을 나타낸 개략도이다.3 is a schematic view showing that an auxiliary water tank may be additionally provided in the fuel cell cogeneration system illustrated in FIG. 1.

도 4는 종래기술에 따른 연료전지 열병합 발전시스템의 개략도이다.4 is a schematic diagram of a fuel cell cogeneration system according to the prior art.

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ※※ Explanation of code about main part of drawing ※

100, 200 : 연료전지 열병합 발전시스템 100, 200: Fuel cell cogeneration system

101, 201 : 케이스101, 201: case

110, 210 : 연료전지스택110, 210: fuel cell stack

120, 220 : 연료처리장치120, 220: fuel processor

130, 230 : 공기공급장치130, 230: air supply device

170, 270 : 물탱크170, 270: water tank

162, 171, 172 : 열교환기162, 171, 172: heat exchanger

본 발명은 전기화학반응에 의해 전력을 생산하면서도 그 발전과정에서 발생되는 폐열을 회수하여 온수를 공급하는 연료전지 열병합 발전시스템에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 폐열을 회수하는 과정에서의 열손실을 감소시키면서도 외부 대기로 배출되는 열의 회수율도 높일 수 있는 연료전지 열병합 발전시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell cogeneration system that supplies hot water by recovering waste heat generated during the power generation process while producing electric power by an electrochemical reaction, and more particularly, reduces heat loss in the process of recovering waste heat. The present invention relates to a fuel cell cogeneration system capable of increasing the recovery rate of heat discharged to the outside atmosphere.

고분자 전해질 연료전지는 수소이온 교환특성을 갖는 고분자막을 전해질로 사용하는 연료전지로서, 수소를 함유한 연료가스와 산소를 함유한 공기를 사용하여 전기화학반응을 일으켜 전기 및 열을 발생시킨다. 이런 고분자 전해질 연료전지는 빠른 시동능력이 있으며, 소형화할 수 있어 이동용 전원, 자동차용 전원, 가정용 열병합 발전설비 등 다양한 분야에서 널리 사용되고 있다.A polymer electrolyte fuel cell is a fuel cell using a polymer membrane having a hydrogen ion exchange characteristic as an electrolyte, and generates electricity and heat by causing an electrochemical reaction using a fuel gas containing hydrogen and air containing oxygen. Such a polymer electrolyte fuel cell has a fast starting capability and can be miniaturized, and thus, the polymer electrolyte fuel cell is widely used in various fields such as a mobile power source, an automotive power source, and a home cogeneration plant.

도 4는 종래기술에 따른 연료전지 열병합 발전시스템의 개략도이다.4 is a schematic diagram of a fuel cell cogeneration system according to the prior art.

도 4에 도시된 바와 같이, 종래기술에 따른 연료전지 열병합 발전시스템(200)은 구성요소를 크게 구분한다면 전력을 생산하기 위한 연료전지 발전부(201)와, 이런 연료전지 발전부(201)에서 전력생산시 발생되는 폐열을 회수하여 열수요가 있는 곳에 사용되도록 온수로 저장시키는 폐열 회수부(202)로 구분될 수 있다.As shown in FIG. 4, the cogeneration system 200 according to the related art includes a fuel cell power generation unit 201 and a fuel cell power generation unit 201 for generating electric power if the components are largely divided. It may be divided into a waste heat recovery unit 202 for recovering waste heat generated during power generation and storing it as hot water to be used where there is heat demand.

여기에서, 연료전지 발전부(201)는 수소와 산소의 전기화학반응에 의해 직류 전력을 생산하는 연료전지스택(210)과, 천연가스(LNG) 또는 액화석유가스(LPG)와 같은 탄화수소계열의 발전원료(F)를 수소가 많은 가스로 개질하여 연료전지스택(210)에 공급하는 연료처리장치(220)와, 연료전지스택(210)에 연결되어 연료전지스택(210)에서 필요로 하는 산소를 공급하는 공기공급장치(230), 연료전지스택(210)에서 생산되는 직류(DC)전력을 교류(AC)전력으로 변환하는 전력변환기(240), 및 연료전지스택(210)을 일정 온도로 냉각시키는 냉각장치(260)를 주요 구성요소로 구비한다. 그 외에도 연료전지 발전부(201)는 기동, 정지, 발전상태 유지 등의 동작을 제어하는 제어기(250), 및 열교환기(262), 펌프, 밸브, 각종 센서 등과 같은 주변장치(BOP; Balance of Plants)들로 구성된다. 그리고, 연료전지 발전부(201)에는 연료처리장치(220)에 연료를 공급하기 위해 제1 연료공급배관(221)이 케이스의 외측으로 연장 형성되며, 연료처리장치(220) 내의 버너에서 발생되는 폐가스를 배출시키는 제1 배기구(295)가 케이스의 외측으로 연장 형성된다.Here, the fuel cell power generation unit 201 includes a fuel cell stack 210 for producing direct current power by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, and hydrocarbon-based hydrocarbons such as natural gas (LNG) or liquefied petroleum gas (LPG). Oxygen required by the fuel cell stack 210 is connected to the fuel cell stack 210 and the fuel processing device 220 for reforming the power generation raw material F into a gas rich in hydrogen and supplying the fuel cell stack 210. The air supply unit 230 for supplying the power, the power converter 240 for converting the direct current (DC) power produced by the fuel cell stack 210 to the alternating current (AC) power, and the fuel cell stack 210 to a predetermined temperature The cooling device 260 for cooling is provided as a main component. In addition, the fuel cell generator 201 may include a controller 250 for controlling operations such as starting, stopping, and maintaining a power generation state, and peripheral devices such as a heat exchanger 262, a pump, a valve, and various sensors (BOP). It consists of plants. In addition, a first fuel supply pipe 221 extends outside the case in order to supply fuel to the fuel processor 220 in the fuel cell generator 201, and is generated by a burner in the fuel processor 220. The first exhaust port 295 for discharging the waste gas is formed to extend to the outside of the case.

그리고, 폐열 회수부(202)는 상기 연료전지 발전부(201)와는 연계 작동되면서도, 도 2에 도시된 바와 같이 일반적으로 독립된 개체로 분리 형성된다. 즉, 폐열 회수부(202)는 연료전지 발전부(201) 내의 냉각장치(260)와 열교환기(262)에서 수냉식 열교환을 통해 회수되는 폐열을 온수로 저장하는 물탱크(270)와, 물탱크(270)에 회수된 폐열 이상으로 열수요가 있는 경우에 자동적으로 작동되어 열을 보충하는 보조 버너(280), 냉각수를 순환시키기 위한 물펌프(291), 물탱크(270)에서 추가적으로 냉각수의 폐열을 회수하지 못하는 경우에 냉각팬으로 열을 제거하는 공랭식 열교환기(292), 및 축열되는 온도에 따라 냉각수의 진행방향을 전환하는 삼 방향 밸브(293)를 주요 구성요소로 구비한다. 그리고, 폐열 회수부(202)는 보조 버너(280)에서 필요한 연료를 공급하기 위해 제2 연료공급배관(281)이 케이스의 외측으로 연장 형성되며, 보조 버너(280)의 작동시 발생되는 폐가스를 배출시키는 제2 배기구(294)가 케이스의 외측으로 연장 형성된다.In addition, the waste heat recovery unit 202 is generally formed as an independent entity, as shown in FIG. 2, while operating in conjunction with the fuel cell power generation unit 201. That is, the waste heat recovery unit 202 is a water tank 270 for storing the waste heat recovered through the water-cooled heat exchange in the cooling device 260 and the heat exchanger 262 in the fuel cell power generation unit 201, and the water tank When the heat demand is higher than the waste heat recovered at 270, the auxiliary burner 280 which is automatically operated to supplement the heat, the water pump 291 for circulating the cooling water, and the water tank 270 additionally collects waste heat of the cooling water. An air-cooled heat exchanger 292 for removing heat with a cooling fan in case of failure to recover, and a three-way valve 293 for changing the direction of cooling water in accordance with the stored temperature are provided as main components. In addition, the waste heat recovery unit 202 has a second fuel supply pipe 281 is formed to extend to the outside of the case in order to supply the fuel required by the auxiliary burner 280, the waste gas generated during operation of the auxiliary burner 280 A second exhaust port 294 for discharging is formed extending out of the case.

이렇게 연료전지 발전부(201)와 폐열 회수부(202)는 독립된 케이스 내에 각각의 구성요소들이 분리 형성되며, 단지 냉각수의 순환을 위해 그 사이에 한 쌍의 냉각수 순환용 배관(277, 278)이 연결 형성될 뿐이다.Thus, the fuel cell power generation unit 201 and the waste heat recovery unit 202 are formed separately from each other in a separate case, and only a pair of cooling water circulation pipes 277 and 278 are provided therein for circulation of the cooling water. It is just a connection.

하지만, 상기 종래기술의 연료전지 열병합 발전시스템(200)은 제1, 제2 배기구(294, 295)를 통해 대기로 배출되는 폐가스의 열을 회수하지 못하고 있는 실정이며, 연료전지 발전부(201)와 폐열 회수부(202)가 각각 분리 형성됨으로써 그 사이를 연결하는 냉각수 순환용 배관(277, 278)의 길이에 비례하여 열손실도 증가될 뿐만 아니라 겨울철과 같이 혹독한 주변 환경에서 쉽게 동파될 수도 있는 문제점이 있다.However, the fuel cell cogeneration system 200 according to the related art does not recover heat of waste gas discharged to the atmosphere through the first and second exhaust ports 294 and 295. And the waste heat recovery unit 202 are separated from each other to increase the heat loss in proportion to the length of the cooling water circulation pipes 277 and 278 connecting therebetween, and may be easily frozen in a harsh environment such as winter. There is a problem.

또한, 종래기술의 연료전지 열병합 발전시스템(200)은 각각 일정한 설치면적을 필요로 하는 연료전지 발전부(201)와 폐열 회수부(202)가 각각 분리 설치됨으로써, 그에 따라 설치면적도 넓어져서 설치공간의 제약이 있는 문제점도 있다. In addition, the fuel cell cogeneration system 200 according to the related art is separately installed with the fuel cell power generation unit 201 and the waste heat recovery unit 202 respectively requiring a predetermined installation area, thereby increasing the installation area. There is also a problem of space limitation.

또한, 종래기술의 연료전지 열병합 발전시스템(200)은 연료전지 발전부(201)에서 생산되는 전력 이상의 수요가 있는 경우에 계통 전력이 자동 공급됨으로써 다양한 전력수요에 대응하며, 폐열 회수부(202)의 물탱크(270)에서 축열될 수 있는 용량 이상으로 순간적인 열수요가 많은 경우에 보조 버너(280)의 작동으로 부족한 열이 보충될 수 있다. 하지만, 이런 연료전지 열병합 발전시스템(200)은 사용자에 따라 열수요가 다양하기 때문에, 경우에 따라 보조 버너(280)가 지속적으로 작동되면서 열효율과 경제성이 낮아지는 문제점이 있다.In addition, the fuel cell cogeneration system 200 according to the related art responds to various power demands by automatically supplying system power when there is a demand higher than the power produced by the fuel cell power generation unit 201, and waste heat recovery unit 202. When there is a large amount of instantaneous heat demand beyond the capacity that can be accumulated in the water tank 270, insufficient heat may be compensated by the operation of the auxiliary burner 280. However, since the fuel cell cogeneration system 200 has a variety of heat demands according to the user, there is a problem in that the auxiliary burner 280 is continuously operated and thermal efficiency and economic efficiency are lowered in some cases.

본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 대기 중으로 배출되는 폐가스의 열을 회수하면서도 냉각수가 폐열을 회수하는 과정에서 시스템의 연결 배관을 통해 외부로 방출되는 열손실이 최소화되도록 개선되는 연료전지 열병합 발전시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been proposed in order to solve the problems of the prior art as described above, while the heat loss emitted to the outside through the connection pipe of the system in the process of recovering the waste heat while recovering the heat of the waste gas discharged to the atmosphere is The object is to provide a fuel cell cogeneration system that is improved to be minimized.

본 발명의 연료전지 열병합 발전시스템은 수소와 산소의 전기화학반응에 의해 전력을 생산하는 연료전지스택, 상기 연료전지스택에 발전원료를 개질하여 수소가 함유된 개질가스를 공급하는 연료처리장치, 상기 연료전지스택에서 필요한 산소를 공급하는 공기공급장치, 상기 연료전지스택에서 발생되는 열을 회수하여 상기 연료전지스택을 일정 온도로 유지시키는 냉각장치, 상기 연료전지스택에서 생산된 전력을 이용하여 시스템의 기동, 정지, 발전상태 유지 동작, 제어기능을 수행하는 다수의 주변장치(Balance of Plants), 및 상기 냉각장치에 연결되면서 열교환을 통해 회수되는 폐열을 온수로 저장하는 물탱크를 포함한다. 그리고, 본 발명은 상기 연료전지스택, 연료처리장치, 공기공급장치, 냉각장치, 물탱크, 다수의 주변장치가 케이스의 내부에 수용되고, 상기 연료전지스택, 냉각장치, 물탱크가 상호 인접하게 배치되면서 냉각수 순환용 배관에 의해 상호 연결된다. The fuel cell cogeneration system of the present invention includes a fuel cell stack for producing electric power by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, a fuel processing apparatus for supplying reformed gas containing hydrogen by reforming a power source to the fuel cell stack, An air supply device for supplying the oxygen required by the fuel cell stack, a cooling device for recovering heat generated from the fuel cell stack to maintain the fuel cell stack at a constant temperature, and the system using the power generated by the fuel cell stack. A plurality of peripherals (Balance of Plants) performing the start, stop, power generation state maintenance, control function, and a water tank connected to the cooling device for storing the waste heat recovered through heat exchange as hot water. In the present invention, the fuel cell stack, the fuel processing device, the air supply device, the cooling device, the water tank, and a plurality of peripheral devices are accommodated in the case, and the fuel cell stack, the cooling device, and the water tank are adjacent to each other. Placed and interconnected by cooling water circulation piping.

상기 연료처리장치에는 발전원료를 개질하는 과정에서 발생되는 폐가스를 배출시키는 배기통로가 상기 케이스의 외측으로 연장 형성되며, 상기 배기통로에는 상기 물탱크에 연결되는 열교환기가 폐가스의 열을 회수하게 결합되는 것이 바람직하다. The fuel processing device has an exhaust passage for discharging waste gas generated in the process of reforming the power raw material is formed to extend to the outside of the case, the heat exchanger connected to the water tank is coupled to recover the heat of the waste gas in the exhaust passage It is preferable.

상기 케이스의 내부에는 상기 물탱크의 온수를 추가적으로 가열하는 보조 버너가 설치되며, 상기 보조 버너에는 가열 작동과정에서 발생되는 폐가스를 배출시키는 배기통로가 상기 케이스의 외측으로 연장 형성되며, 상기 배기통로에는 상기 물탱크에 연결되는 열교환기가 폐가스의 열을 회수하게 결합되는 것이 바람직하다. An auxiliary burner is installed inside the case to additionally heat hot water of the water tank, and the auxiliary burner has an exhaust passage for discharging waste gas generated during a heating operation extending outward of the case. It is preferable that a heat exchanger connected to the water tank is coupled to recover heat of the waste gas.

상기 케이스의 외부에 설치되며, 온수 순환용 배관에 의해 상기 물탱크와 연통되게 연결되는 보조 물탱크; 및 상기 온수 순환용 배관에 결합되어 온수의 유동을 제어하는 물펌프를 포함하는 것이 바람직하다. An auxiliary water tank installed outside the case and connected to the water tank by a hot water circulation pipe; And a water pump coupled to the hot water circulation pipe to control the flow of hot water.

상기 케이스에는 하나의 연료공급배관이 노출되게 결합되며, 상기 연료공급배관은 상기 케이스의 내부에서 상기 보조 버너와 연료처리장치로 배분 연결되는 것이 바람직하다. One fuel supply pipe is coupled to the case so as to be exposed, and the fuel supply pipe is distributedly connected to the auxiliary burner and the fuel processing device in the case.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the present invention. As those skilled in the art would realize, the described embodiments may be modified in various different ways, all without departing from the spirit or scope of the present invention.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 연료전지 열병합 발전시스템의 개략도이다.1 is a schematic diagram of a fuel cell cogeneration system according to an embodiment of the present invention.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 연료전지 열병합 발전시스템(100)은 전력을 생산하는 연료전지 발전부와, 이런 연료전지 발전부에서 전력생산시 발생되는 폐열을 회수하여 열수요가 있는 곳에 사용되도록 온수로 저장시키는 폐열 회수부가 케이스(101)의 내부에 일체로 수용 설치되는 것을 특징으로 한다. 이로 인해, 본 실시예는 냉각수 순환용 배관이 외부로 노출되거나 시스템 사이를 연결하기 위해 다소 길게 형성됨으로써 열손실이 발생되는 종래기술과 다르게 열손실이 최소화될 수 있다.As shown in Figure 1, the fuel cell cogeneration system 100 of the present embodiment is used in the fuel cell power generation unit for generating power, and the waste heat generated during power generation in such a fuel cell power generation unit where heat demand is required. It is characterized in that the waste heat recovery unit to be stored as hot water so as to be integrally accommodated in the case (101). For this reason, the present embodiment may be minimized unlike the prior art in which the heat loss is generated because the cooling water circulation pipe is slightly extended to be exposed to the outside or connected between the systems.

보다 자세하게 설명하자면, 본 실시예의 연료전지 열병합 발전시스템(100)은 수소와 산소의 전기화학반응에 의해 직류전력을 생산하는 연료전지스택(110)과, 천연가스(LNG) 또는 액화석유가스(LPG)와 같은 탄화수소계열의 발전원료(F)를 수소가 많은 가스로 개질하여 연료전지스택(110)에 공급하는 연료처리장치(120)와, 연료전지스택(110)에 연결되어 연료전지스택(110)에서 필요로 하는 산소를 공급하는 공기공급장치(130)와, 연료전지스택(110)에서 생산되는 직류(DC)전력을 교류(AC)전력으로 변환하는 전력변환기(140), 및 연료전지스택(110)에서 발생되는 열을 회수하여 연료전지스택(110)을 일정 온도로 냉각시키는 냉각장치(160)와 같은 연료전지 발전부의 구성요소들이 케이스(101)의 내부에서 상대적으로 하부쪽에 각각 설치된다. 그 외에도 연료전지 열병합 발전시스템(100)은 기동, 정지, 발전상태 유지 등의 동작을 제어하는 제어기(150)와, 냉각장치(160)에 연결되어 열교환 작업을 실시하는 열교환기(162), 및 펌프, 밸브, 각종 센서 등과 같은 주변장치(BOP; Balance of Plants)들도 케이스(101)의 내부에 설치된다. More specifically, the fuel cell cogeneration system 100 according to the present embodiment includes a fuel cell stack 110 for producing direct current power by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, and natural gas (LNG) or liquefied petroleum gas (LPG). A fuel processing device 120 for reforming a hydrocarbon-based power source F, such as a fuel cell stack 110, and supplying the fuel cell stack 110 to a fuel cell stack 110. Air supply device 130 for supplying the oxygen required by the power supply, the power converter 140 for converting the direct current (DC) power produced by the fuel cell stack 110 into alternating current (AC) power, and the fuel cell stack Components of the fuel cell power generation unit, such as the cooling device 160 that recovers heat generated from the 110 and cools the fuel cell stack 110 to a predetermined temperature, are respectively installed on the lower side of the case 101 relatively. . In addition, the fuel cell cogeneration system 100 includes a controller 150 for controlling operations such as starting, stopping, and maintaining a power generation state, a heat exchanger 162 connected to the cooling device 160 to perform heat exchange work, and Balances of Plants (BOP) such as pumps, valves, and various sensors are also installed inside the case 101.

그리고, 연료전지 열병합 발전시스템(100)은 케이스(101)의 내부에서 연료전지 발전부의 구성요소들에 비해 상대적으로 상부에 해당되는 영역에 폐열 회수부의 구성요소들이 설치된다. 즉, 연료전지 열병합 발전시스템(100)은 냉각장치(160)와 열교환기(162)에 연결되면서 수냉식 열교환을 통해 회수되는 폐열을 온수로 저장시키는 물탱크(170)가 구비된다. 다만, 물탱크(170)는 제작설계에 따라 그 용량이 다르게 제작되지만, 대략적으로 케이스(101)에 해당되는 높이로 케이스(101)의 전장에 걸쳐 형성된다. 이때, 물탱크(170)의 측부에는 연료전지스택(110)과 냉각장치(160)가 인접하여 부착되며, 그에 따라 냉각수 순환용 배관은 냉각장치(160)와 물탱크(170) 사이, 또는 연료전지스택(110)과 냉각장치(160) 사이를 연결하더라도 종래기술에 비해 훨씬 짧아지게 된다.In the fuel cell cogeneration system 100, components of the waste heat recovery unit are installed in an area corresponding to an upper portion of the fuel cell power generation unit in the case 101. That is, the fuel cell cogeneration system 100 is connected to the cooling device 160 and the heat exchanger 162 is provided with a water tank 170 for storing the waste heat recovered by water-cooled heat exchange as hot water. However, the water tank 170 is made of a different capacity according to the manufacturing design, but is formed over the entire length of the case 101 to a height corresponding to the case 101. At this time, the fuel cell stack 110 and the cooling device 160 are adjacently attached to the side of the water tank 170, and thus the cooling water circulation pipe is between the cooling device 160 and the water tank 170, or fuel The connection between the battery stack 110 and the cooling device 160 is much shorter than in the prior art.

그리고, 연료전지 열병합 발전시스템(100)은 물탱크(170)에 회수된 폐열 이상으로 열수요가 있는 경우에 자동적으로 작동되어 열을 보충하는 보조 버너(180), 냉각수를 순환시키기 위한 물펌프(191), 물탱크(170)에서 추가적으로 냉각수의 폐열을 회수하지 못하는 경우에 냉각팬으로 열을 제거하는 공랭식 열교환기(192), 및 축열되는 온도에 따라 냉각수의 진행방향을 전환하는 삼방향 밸브(193)와 같은 폐열 회수부의 구성요소들이 각각 케이스(101)의 내부에 설치된다.In addition, the fuel cell cogeneration system 100 is automatically operated when heat demand is greater than the waste heat recovered in the water tank 170 to supplement the heat, the auxiliary burner 180, and a water pump 191 for circulating cooling water. ), An air-cooled heat exchanger 192 that removes heat to the cooling fan when additional waste heat of the cooling water is not recovered from the water tank 170, and a three-way valve 193 that switches the direction of cooling water according to the stored temperature. Components of the waste heat recovery unit, such as), are installed inside the case 101, respectively.

도 2는 도 1에 도시된 연료전지 열병합 발전시스템에서 배기가스에 함유된 폐열을 회수하기 위한 구성요소를 부각하여 나타낸 개략도이다.FIG. 2 is a schematic diagram showing the components for recovering the waste heat contained in the exhaust gas in the fuel cell cogeneration system shown in FIG. 1.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 연료전지 열병합 발전시스템(100)은 연료처리장치(120) 또는 보조 버너(180)에서 발생되는 폐가스에 함유된 열을 회수하도록 다음과 같이 형성되어, 에너지 효율을 향상시킨다.As shown in FIG. 1 and FIG. 2, the fuel cell cogeneration system 100 of the present embodiment is formed as follows to recover heat contained in waste gas generated from the fuel processing apparatus 120 or the auxiliary burner 180. To improve energy efficiency.

즉, 연료전지 열병합 발전시스템(100)은 연료처리장치(120)에서 발전원료를 개질하면서 폐가스가 발생되며, 이런 폐가스를 외부로 배출시키기 위해 제1 배기통로(194)가 형성된다. 이런 제1 배기통로(194)는 케이스(101)의 상부 외측으로 연장 형성되는데, 연료처리장치(120)로부터 연장되는 폐가스 배관(125)이 연결되거나 경우에 따라 연료전지스택(110)에서 사용되고 남은 공기가 배출되도록 공기 배관(115)이 연결된다. 이런 제1 배기통로(194)에는 상기 물탱크(170)에 연결되는 제1 원통형 열교환기(171)가 결합되며, 폐가스와 접촉하는 원통형 열교환기(171)에 의해 폐가스의 열이 효율적으로 회수될 수 있다.That is, the fuel cell cogeneration system 100 generates waste gas while reforming the power raw material in the fuel processing apparatus 120, and a first exhaust passage 194 is formed to discharge the waste gas to the outside. The first exhaust passage 194 is formed to extend outside the upper portion of the case 101, the waste gas pipe 125 extending from the fuel processing device 120 is connected or optionally used in the fuel cell stack 110. An air pipe 115 is connected to discharge air. A first cylindrical heat exchanger 171 connected to the water tank 170 is coupled to the first exhaust passage 194, and heat of the waste gas may be efficiently recovered by the cylindrical heat exchanger 171 contacting the waste gas. Can be.

연료전지 열병합 발전시스템(100)은 보조 버너(180)에서 물탱크(170) 내의 온수를 가열하는 과정에서 폐가스가 발생되며, 이런 폐가스를 외부로 배출시키기 위해 제2 배기통로(195)가 보조 버너(180)로부터 케이스(101)의 상부 외측까지 연장 형성된다. 이런 제2 배기통로(195)에도 상기 물탱크(170)에 연결되는 제2 원통형 열교환기(172)가 결합되며, 폐가스와 접촉하는 원통형 열교환기(172)에 의해 폐가스의 열이 효율적으로 회수될 수 있다.In the fuel cell cogeneration system 100, waste gas is generated in the process of heating hot water in the water tank 170 in the auxiliary burner 180, and the second exhaust passage 195 includes an auxiliary burner to discharge the waste gas to the outside. It extends from the 180 to the upper outer side of the case 101. A second cylindrical heat exchanger 172 connected to the water tank 170 is also coupled to the second exhaust passage 195, and heat of the waste gas can be efficiently recovered by the cylindrical heat exchanger 172 in contact with the waste gas. Can be.

그리고, 본 실시예의 연료전지 열병합 발전시스템(100)은 도 1에 도시된 바와 같이 케이스(101)에 하나의 연료공급배관(102)만이 노출되게 결합된다. 이런 연료공급배관(102)은 케이스(101)의 내부에서 연료처리장치(120)와 보조 버너(180)로 배분 연결되어, 연료처리장치(120)와 보조 버너(180)에서 필요한 연료가 각각 공급된다. 또한, 연료전지 열병합 발전시스템(100)은 케이스(101)에 하나의 물공 급배관(103)만이 노출되게 결합되어, 외부로부터 연료처리장치(120), 냉각장치(160) 또는 물탱크(170), 온수 또는 난방수에서 필요로 하는 물을 공급할 수 있다. And, the fuel cell cogeneration system 100 of the present embodiment is coupled to expose only one fuel supply pipe 102 to the case 101, as shown in FIG. The fuel supply pipe 102 is connected to the fuel processor 120 and the auxiliary burner 180 in the case 101, so that the fuel required by the fuel processor 120 and the auxiliary burner 180 is supplied. do. In addition, the fuel cell cogeneration system 100 is coupled to the case 101 so that only one water supply pipe 103 is exposed, the fuel processing device 120, the cooling device 160 or the water tank 170 from the outside. You can supply the water you need in hot, heated or heated water.

도 3은 도 1에 도시된 연료전지 열병합 발전시스템에 추가적으로 보조 물탱크가 구비될 수 있음을 나타낸 개략도이다.3 is a schematic view showing that an auxiliary water tank may be additionally provided in the fuel cell cogeneration system illustrated in FIG. 1.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 연료전지 열병합 발전시스템(100)은 사용자의 다양한 열수요에 적합하도록 케이스(101)의 외부에 추가적인 보조 물탱크(175)가 설치될 수도 있다.As shown in FIG. 3, in the fuel cell cogeneration system 100 according to the present embodiment, an additional auxiliary water tank 175 may be installed outside the case 101 to suit various heat demands of a user.

즉, 연료전지 열병합 발전시스템(100)은 연료전지스택(110)에서 생산되는 전력 이상으로 전력수요가 발생되는 경우에 부족한 전력량만큼 계통 전력이 자동 공급되며, 물탱크(170)에 축열된 용량 이상으로 더 많은 열수요가 발생되는 경우에 보조 버너(180)에 원료와 공기가 공급되면서 보조 버너(180)의 가열로 인해 부족한 열이 보충(back-up)될 수 있다. 하지만, 사용자의 열수요는 사용자에 따라 매우 다양하며, 그로 인해 연료전지 열병합 발전시스템(100)은 열수요가 물탱크(170)의 열용량 이상으로 지속되는 경우에 보조 버너(180)가 지속적으로 작동되면서 열효율과 경제성이 낮아질 수 있다. 이를 보완하기 위해, 본 실시예의 연료전지 열병합 발전시스템(100)은 보조 물탱크(175)이 병렬구조 방식으로 추가 구비되어, 사용자의 열수요가 물탱크(170)의 열용량 이상이더라도 안정적으로 사용되도록 한다.That is, the fuel cell cogeneration system 100 is automatically supplied with the system power by the amount of insufficient power when the power demand is generated above the power produced by the fuel cell stack 110, the capacity more than the heat accumulated in the water tank 170 In the case where more heat demand is generated, as the raw material and the air are supplied to the auxiliary burner 180, insufficient heat may be backed up due to the heating of the auxiliary burner 180. However, the user's heat demand varies greatly depending on the user, and thus, the fuel cell cogeneration system 100 continuously operates when the auxiliary burner 180 continuously operates when the heat demand exceeds the heat capacity of the water tank 170. Thermal efficiency and economics can be lowered. In order to compensate for this, the cogeneration system 100 of the fuel cell of the present embodiment is further provided in the auxiliary water tank 175 in a parallel structure, so that even if the user's heat demand is more than the heat capacity of the water tank 170 to be used stably. .

보조 물탱크(175)는 케이스(101)의 외부에 설치되며, 온수의 유입 또는 배출을 위한 한 쌍의 온수 순환용 배관(105, 106)에 의해 케이스(101) 내의 물탱 크(170)와 연통되게 연결된다. 그리고, 온수 순환용 배관(105, 106)에는 물펌프(176)가 결합되어, 온수의 유동이 제어된다.The auxiliary water tank 175 is installed outside the case 101 and communicates with the water tank 170 in the case 101 by a pair of hot water circulation pipes 105 and 106 for inflow or discharge of hot water. Is connected. The water pump 176 is coupled to the hot water circulation pipes 105 and 106 to control the flow of the hot water.

이상, 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 것이 당연하다.As mentioned above, although preferred embodiment of this invention was described, this invention is not limited to this, It can be variously modified and implemented in a claim, the detailed description of an invention, and the attached drawing, and this invention is also this invention. Naturally, it belongs to the range of.

앞서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 연료전지 열병합 발전시스템은 연료전지 발전부와 폐열 회수부가 케이스의 내부에 일체로 형성되고 케이스의 내부에서 시스템 구성요소들을 연결하는 냉각수 순환 배관이 외부에 노출되지 않고 그 연결 길이도 종래기술에 비해 짧아짐으로써, 대기로 방출되는 열손실이 종래기술에 비해 감소되는 장점이 있다.As described in detail above, in the fuel cell cogeneration system of the present invention, the fuel cell power generation unit and the waste heat recovery unit are integrally formed inside the case, and the cooling water circulation pipe connecting the system components inside the case is not exposed to the outside. Since the connection length is also shorter than the prior art, the heat loss to the atmosphere is reduced compared to the prior art.

또한, 본 발명은 연료처리장치 또는 보조 버너에서 발생되는 폐가스의 열을 회수함으로써, 에너지 이용 효율이 향상되는 장점이 있다.In addition, the present invention has the advantage that the energy utilization efficiency is improved by recovering the heat of the waste gas generated from the fuel processing apparatus or the auxiliary burner.

또한, 본 발명은 연료전지 발전부와 폐열 회수부가 케이스의 내부에 일체로 형성됨으로써 그 설치면적이 종래기술에 비해 감소되는 장점이 있다.In addition, the present invention has the advantage that the installation area is reduced compared to the prior art because the fuel cell power generation unit and the waste heat recovery unit is integrally formed inside the case.

또한, 본 발명은 모듈화된 보조 물탱크가 추가적으로 설치됨으로써, 소비자의다양한 열수요에도 보다 광범위하게 대응할 수 있는 장점이 있다.In addition, the present invention has an advantage that can be responded to a wider range of heat demands of consumers by additionally installed modular auxiliary water tank.

Claims (6)

수소와 산소의 전기화학반응에 의해 전력을 생산하는 연료전지스택;A fuel cell stack for generating electric power by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen; 상기 연료전지스택에 발전원료를 개질하여 수소가 함유된 개질가스를 공급하는 연료처리장치;A fuel processing device for supplying reformed gas containing hydrogen by reforming a power generation material to the fuel cell stack; 상기 연료전지스택에서 필요한 산소를 공급하는 공기공급장치;An air supply device for supplying oxygen required by the fuel cell stack; 상기 연료전지스택에서 발생되는 열을 회수하여 상기 연료전지스택을 일정 온도로 유지시키는 냉각장치;A cooling device for recovering heat generated from the fuel cell stack to maintain the fuel cell stack at a constant temperature; 상기 연료전지스택에서 생산된 전력을 이용하여 시스템의 기동, 정지, 발전상태 유지 동작을 제어하는 제어기; 및A controller for controlling the starting, stopping, and maintaining of a power generation state by using electric power produced by the fuel cell stack; And 상기 냉각장치에 연결되면서 열교환을 통해 회수되는 폐열을 온수로 저장하는 물탱크를 포함하며,And connected to the cooling device includes a water tank for storing the waste heat recovered through heat exchange as hot water, 상기 연료전지스택, 상기 연료처리장치, 상기 공기공급장치, 상기 냉각장치, 상기 물탱크, 상기 제어기가 케이스의 내부에 수용되고, The fuel cell stack, the fuel processing device, the air supply device, the cooling device, the water tank, and the controller are accommodated in the case. 상기 연료전지스택, 상기 냉각장치, 상기 물탱크가 냉각수 순환용 배관에 의해 상호 연결되고,The fuel cell stack, the cooling device, and the water tank are interconnected by piping for cooling water circulation, 상기 연료처리장치에는 발전원료를 개질하는 과정에서 발생되는 폐가스를 배출시키는 배기통로가 상기 케이스의 외측으로 연장 형성되며, 상기 배기통로에는 상기 물탱크에 연결되는 열교환기가 폐가스의 열을 회수하게 결합되는 The fuel processing device has an exhaust passage for discharging waste gas generated in the process of reforming the power raw material is formed to extend to the outside of the case, the heat exchanger connected to the water tank is coupled to recover the heat of the waste gas in the exhaust passage 연료전지 열병합 발전시스템.Fuel cell cogeneration system. 삭제delete 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 케이스의 내부에는 상기 물탱크의 온수를 추가적으로 가열하는 보조 버너가 설치되며,An auxiliary burner is installed inside the case to additionally heat hot water of the water tank. 상기 보조 버너에는 가열 작동과정에서 발생되는 폐가스를 배출시키는 배기통로가 상기 케이스의 외측으로 연장 형성되며, 상기 배기통로에는 상기 물탱크에 연결되는 열교환기가 폐가스의 열을 회수하게 결합되는 것을 특징으로 하는 연료전지 열병합 발전시스템.The auxiliary burner has an exhaust passage for discharging the waste gas generated in the heating operation process is formed to extend to the outside of the case, the heat exchanger connected to the water tank is coupled to the exhaust passage to recover the heat of the waste gas Fuel cell cogeneration system. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 케이스의 외부에 설치되며, 온수 순환용 배관에 의해 상기 물탱크와 연통되게 연결되는 보조 물탱크; 및An auxiliary water tank installed outside the case and connected to the water tank by a hot water circulation pipe; And 상기 온수 순환용 배관에 결합되어 온수의 유동을 제어하는 물펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 열병합 발전시스템.Fuel cell cogeneration system characterized in that it comprises a water pump coupled to the hot water circulation pipe for controlling the flow of hot water. 제 3 항에 있어서,The method of claim 3, wherein 상기 케이스에는 하나의 연료공급배관이 노출되게 결합되며, 상기 연료공급배관은 상기 케이스의 내부에서 상기 보조 버너와 연료처리장치로 배분 연결되는 것을 특징으로 하는 연료전지 열병합 발전시스템.One fuel supply pipe is coupled to the case so that the fuel supply pipe is exposed, and the fuel supply pipe is distributedly connected to the auxiliary burner and the fuel processor within the case. 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서,The method according to claim 1 or 5, 상기 케이스에는 하나의 물공급배관이 노출되게 결합되며, 상기 물공급배관은 상기 케이스의 내부에서 배분되는 것을 특징으로 하는 연료전지 열병합 발전시스템.And one water supply pipe is exposed to the case, and the water supply pipe is distributed inside the case.
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