KR20140046610A - Combined heat and power co-generation system for fuel cell - Google Patents

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KR20140046610A KR1020120111548A KR20120111548A KR20140046610A KR 20140046610 A KR20140046610 A KR 20140046610A KR 1020120111548 A KR1020120111548 A KR 1020120111548A KR 20120111548 A KR20120111548 A KR 20120111548A KR 20140046610 A KR20140046610 A KR 20140046610A
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김창수
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Abstract

A co-generation system by a fuel cell of the present invention comprises: a fuel cell stack (100) which generates power and has cooling fluid supplied thereto through a supplying manifold (110) so as to absorb heat generated from a process of power generation and discharge the heat again through a discharging manifold (120); a circulating line (200) connecting the discharging manifold (120) and the supplying manifold (110); a thermoelectric module (300) which includes a high temperature part (310) installed on the circulating line (200) and absorbing heat of the cooling fluid circulating in the circulating line (200), and a low temperature part (320) coming in contact with fluid of the low temperature supplied from the outside or with the atmospheric air and which generates power by the difference of temperatures between the high temperature part (310) and the low temperature part (320); and a cooling module (400) installed between the thermoelectric module (300) and the supplying manifold (110) in the circulating line (200) and cooling the cooling fluid circulating in the circulating line (200). [Reference numerals] (AA) Flow of power; (BB) Flow of cooling fluid

Description

연료전지 열병합 발전시스템{Combined Heat and Power Co-generation System for Fuel Cell}[0001] Combined Heat and Power Co-generation System for Fuel Cell [

본 발명은 전기화학반응에 의해 전력을 생산하여 전력수요지에 공급하며 전력생산과정에서 발생되는 열을 회수하여 전력수요지에 공급하는 연료전지 열병합 발전시스템에 관한 것이다.
The present invention relates to a fuel cell cogeneration system in which electric power is generated by an electrochemical reaction, supplied to a power demand site, heat is recovered in a power generation process, and is supplied to a power demand site.

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 발전 시스템 등 다양한 분야에서 널리 사용되고 있다.A polymer electrolyte fuel cell (FEA) is a fuel cell that uses a polymer membrane having hydrogen ion exchange properties as an electrolyte. The fuel cell includes a fuel gas containing hydrogen and an air containing oxygen to generate an electrochemical reaction to generate electricity and heat. Such a polymer electrolyte fuel cell has a quick starting capability and can be downsized, and is widely used in a variety of fields such as a mobile power source, an automobile power source, and a household cogeneration system.

이 때, 연료전지를 이용한 열병합 발전 시스템은 물 또는 메탄올, 에탄올, 천연 가스 등 탄화 수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소를 포함하는 공기를 전기 화학반응을 통해서 분해하고, 이 과정에서 발생되는 전자들을 직접 전기 에너지로 변화시키는 발전 시스템이다.In this case, the cogeneration system using fuel cells decomposes air containing hydrogen and oxygen contained in a hydrocarbon-based material such as water or methanol, ethanol, and natural gas through an electrochemical reaction, It is a power generation system that converts electrons directly into electric energy.

연료전지를 이용한 발전 시스템은 기본적으로 연료를 저장하는 연료탱크, 상기 연료를 이송하는 연료펌핑기, 시스템 내의 열관리를 위한 냉각 모듈, 전기에너지의 관리를 위한 전력 모듈, 및 열과 전기 에너지를 발생시키는 연료전지스택을 구비한다.A power generation system using fuel cells basically includes a fuel tank for storing fuel, a fuel pumping unit for transferring the fuel, a cooling module for heat management in the system, a power module for managing electric energy, and a fuel for generating heat and electric energy And a battery stack.

위와 같은 연료전지 발전 시스템의 수소 연료는 시스템 외부에서 직접 공급되어 압축 용기에 저장하여 사용하거나 직접메탄올연료전지(DMFC) 스택을 사용하는 경우는 메탄올 연료를 직접 사용하게 된다. 또 다른 방법으로는 탄화수소 계열의 연료를 개질하여 사용하는 개질기를 활용하여 연료를 공급할 수 있다. 개질기는 연료펌핑기의 동작을 통해 연료 탱크에 저장된 연료 및 물을 공급받고, 상기 연료 및 물을 수증기 개질반응(Steam reforming), 부분 산화(Partial Oxidation), 자열 개질 반응(Autothermal Reforming), 직접분해법(Direct Cracking), 플라즈마 촉매개질법(Plasma Catalytic Reforming), 흡착부 과반응 개질법(Sorption Enhanced reaction Process)등의 방법을 통해 상기한 연료를 수소가 풍부한 개질 가스로 전환한다. 그리고, 개질기에서 생성된 개질가스에는 일산화탄소 등과 같은 유해물질이 포함되어 있는 바, 개질기는 유해물질을 정화하여 연료전지스택으로 공급한다.The hydrogen fuel of the above fuel cell power generation system is directly supplied from the outside of the system, stored in a compression vessel, or directly used methanol fuel when a direct methanol fuel cell (DMFC) stack is used. Alternatively, the fuel can be supplied using a reformer using a hydrocarbon-based fuel. The reformer is supplied with the fuel and water stored in the fuel tank through the operation of the fuel pumping device and performs the steam reforming, partial oxidation, autothermal reforming, direct decomposition The fuel is converted into a hydrogen-rich reformed gas by a method such as direct cracking, plasma catalytic reforming, or a Sorption Enhanced Reaction Process. The reformed gas generated by the reformer includes harmful substances such as carbon monoxide and the like, and the reformer purifies the harmful substances and supplies the purified fuel to the fuel cell stack.

한편, 연료전지스택은 애노드 전극과 캐소드 전극을 구비하며, 개질기로부터 공급받은 수소 기체가 애노드 전극으로 주입되고, 외부 공기로부터 공급받은 산소는 캐소드 전극으로 주입된다. 이에 따라, 애노드 전극에서는 수소 기체의 산화 반응이 일어나고, 캐소드 전극에서는 산소의 환원 반응이 일어난다. 결국, 스택에는 기체의 산화 및 환원반응으로 인해 소정의 물과 전자들이 발생하고, 상기 전자의 이동으로 전기에너지가 생성된다. 또한, 산화 및 환원반응으로 인해 스택에는 소정의 열 에너지가 발생되는데, 이러한 열 에너지는 화학반응으로 생성된 물 또는 스택 냉각유체에 인가된다. The fuel cell stack includes an anode electrode and a cathode electrode. The hydrogen gas supplied from the reformer is injected into the anode electrode, and the oxygen supplied from the external air is injected into the cathode electrode. As a result, an oxidation reaction of hydrogen gas occurs at the anode electrode, and a reduction reaction of oxygen occurs at the cathode electrode. As a result, predetermined water and electrons are generated due to the oxidation and reduction reaction of the gas in the stack, and electric energy is generated by the movement of the electrons. In addition, due to the oxidation and reduction reactions, a certain amount of thermal energy is generated in the stack, which is applied to the water or stack cooling fluid produced by the chemical reaction.

종래기술 한국등록특허 제0807875의 연료전지 열병합 발전시스템은, 수소와 산소의 전기화학반응에 의해 전력을 생산하는 연료전지스택, 연료전지스택에 발전원료를 개질하여 수소가 함유된 개질가스를 공급하는 연료전지스택에서 필요한 산소를 공급하는 공기공급장치, 연료전지스택을 일정 온도로 유지시키는 냉각장치, 연료전지스택에서 생산된 전력을 이용하여 시스템의 기동, 정지, 발전상태 유지 동작, 제어기능을 수행하는 다수의 주변장치(Balance of Plants), 및 냉각장치에 연결되면서 열교환을 통해 회수되는 열을 온수로 저장하는 물탱크를 포함하여 구성된다.The fuel cell cogeneration system of Korean Patent No. 0807875 includes a fuel cell stack for generating electric power by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, a reformer for reforming a fuel cell stack to supply reformed gas containing hydrogen, An air supply device for supplying necessary oxygen to the fuel cell stack, a cooling device for keeping the fuel cell stack at a constant temperature, and a power generation device for starting and stopping the power generation state of the fuel cell stack. A plurality of peripheral devices (Balance of Plants) connected to the cooling device, and a water tank for storing heat recovered through heat exchange as hot water.

종래기술은 연료전지스택에서 발생하는 전력과 연료전지스택의 전력생산과정에서 발생하는 열을 난방용 온수로 저장하여 전력수요지로 공급할 수 있으나, 여름철에는 전력수요지로 난방용 온수를 공급할 필요가 없으므로 난방용 온수가 물탱크에 그대로 방치되어 식어버리게 되어 열원이 버려지게 되는 문제점이 있다. 또한 종래의 연료전지 열병합 발전시스템은 사용자 및 전력수요지의 용도 특성상 전력만 대부분 사용하는 경우, 시스템 효율이 낮은 문제점이 있다.The conventional technology can store the electric power generated in the fuel cell stack and the heat generated during the electric power generation process of the fuel cell stack as hot water for heating and supply it to the power demand site. However, since it is not necessary to supply hot water for heating by the power demand site in summer, There is a problem in that the heat source is discarded because it is left in the water tank and is left to cool. In addition, the conventional fuel cell cogeneration system has a problem in that system efficiency is low when most of the power is used because of the characteristics of the use of the user and the power demand site.

이에 따라, 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 다양한 연료전지 열병합 발전시스템의 개발이 필요한 실정이다.
Accordingly, it is necessary to develop various fuel cell cogeneration system to solve the above-mentioned problems.

한국등록특허 제0807875호 (2008.02.20)Korean Patent No. 0807875 (2008.02.20)

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 연료전지스택에서 발생하는 열을 전력으로 변환하여 전력수요지로 공급함으로써, 열이 버려지는 것을 방지할 수 있는 연료전지 열병합 발전시스템을 제공하려는 것이다. 또한, 시스템 효율을 극대화 할 수 있는 연료전지 열병합 발전시스템을 제공하고자 한다.
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a fuel cell cogeneration system capable of preventing heat from being discarded by converting heat generated in the fuel cell stack into electric power and supplying the electric power to the demand site . Also, a fuel cell cogeneration system capable of maximizing system efficiency is provided.

본 발명에 따른 연료전지 열병합 발전시스템은 전력을 생산하고, 냉각유체가 공급매니폴드(110)를 통해 내부로 공급되어 전력 생산 과정에서 발생하는 열을 흡열한 후 다시 배출매니폴드(120)를 통해 배출되는 연료전지스택(100); 상기 배출매니폴드(120)와 상기 공급매니폴드(110)와 연결하는 순환라인(200); 상기 순환라인(200) 상에 설치되어 상기 순환라인(200)을 순환하는 냉각유체의 열을 흡열하는 고온부(310)와, 외부에서 공급되는 저온의 유체 또는 대기 중의 공기에 접촉되는 저온부(320)를 포함하며, 상기 고온부(310)와 상기 저온부(320)의 온도 차이에 의해 전력을 생산하는 열전모듈(300); 및 상기 순환라인(200) 중 상기 열전모듈(300)과 상기 공급매니폴드(110) 사이에 설치되어 상기 순환라인(200)을 순환하는 냉각유체를 냉각하는 냉각모듈(400);을 포함하는 것을 특징으로 한다.The fuel cell cogeneration system according to the present invention generates electric power, and the cooling fluid is supplied to the interior through the supply manifold 110 to absorb heat generated during the electric power generation process, and then, through the discharge manifold 120 A fuel cell stack 100 to be discharged; A circulation line (200) connecting the discharge manifold (120) and the supply manifold (110); A high temperature part 310 installed on the circulation line 200 for absorbing the heat of the cooling fluid circulating through the circulation line 200; a low temperature part 320 contacting the low temperature fluid supplied from the outside or air in the atmosphere; A thermoelectric module (300) for generating electric power by a temperature difference between the high temperature part (310) and the low temperature part (320); And a cooling module 400 installed between the thermoelectric module 300 and the supply manifold 110 of the circulation line 200 to cool the cooling fluid circulating through the circulation line 200 .

또한, 상기 연료전지 열병합 발전시스템(1000`)은 외부로부터 공급되는 연료와 물을 개질반응을 통해 수소가스를 추출하여 상기 연료전지스택(100)으로 공급하고, 개질 과정에서 발생하는 개질가스와 고온의 열을 상기 고온부(310)로 공급하는 개질기(500);를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.Also, the fuel cell cogeneration system 1000 'extracts hydrogen gas through a reforming reaction of fuel and water supplied from the outside and supplies the hydrogen gas to the fuel cell stack 100. The reforming gas generated in the reforming process and the high temperature And a heat exchanger (500) for supplying heat of the high temperature part (310) to the high temperature part (310).

또한, 상기 연료전지 열병합 발전시스템(1000``)은 상기 연료전지스택(100)과 상기 개질기(500) 이외에 기타 구성 요소들에서 발생하는 모든 열을 회수하여 상기 고온부(310)로 공급하는 열회수기(600);를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.The fuel cell cogeneration system 1000 further includes a heat recovery unit 300 that collects all the heat generated by other components in addition to the fuel cell stack 100 and the reformer 500 and supplies the collected heat to the high temperature unit 310, (600). ≪ / RTI >

또한, 상기 열회수기(600)는 상기 기타 구성요소들의 내측 또는 외측에 설치된 열교환수단에 냉각유체가 유입되어 상기 기타 구성요소들에서 발생하는 열을 흡열한 후, 다시 상기 고온부(310)로 공급하는 것을 특징으로 한다.In addition, the heat recovery apparatus 600 may be configured such that the cooling fluid flows into the heat exchange unit installed inside or outside the other components to absorb the heat generated by the other components, and then supplied to the high temperature unit 310 .

또한, 상기 연료전지 열병합 발전시스템(1000```)은 상기 순환라인(200) 상에 설치되어 상기 순환라인(200)을 순환하는 냉각유체를 펌핑하는 펌핑기(700);를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
The fuel cell cogeneration system 1000 further includes a pumping unit 700 installed on the circulation line 200 and pumping a cooling fluid circulating through the circulation line 200 .

이에 따라, 본 발명에 따른 연료전지 열병합 발전시스템은 연료전지스택에서 발생하는 열을 흡열한 냉각유체의 열을 흡열하는 고온부와 외부공기와 접촉되는 저온부를 포함하여, 고온부와 저온부의 온도 차이에 의해 전력을 생산하는 열전모듈이 구성됨으로써, 연료전지스택에서 발생하는 열을 용이하게 냉각할 수 있고 연료전지스택에서 발생하는 열을 전력으로 변환하여 전력수요지에 최대한 공급할 수 있는 효과가 있다.Accordingly, the fuel cell cogeneration system according to the present invention includes a high-temperature section that absorbs heat of a cooling fluid that absorbs heat generated in the fuel cell stack, and a low-temperature section that is in contact with outside air. The temperature difference between the high- The heat generated in the fuel cell stack can be easily cooled and the heat generated in the fuel cell stack can be converted into electric power to supply the electric power to the power source as much as possible.

또한, 본 발명에 따른 연료전지 열병합 발전시스템은 외부로부터 공급되는 연료와 물을 개질반응을 통해 수소가스를 추출하여 연료전지스택으로 공급하고, 개질 과정에서 발생하는 고온의 폐가스를 열전모듈의 고온부로 공급하는 개질기와 압축수소와 메탄올을 연료전지스택으로 공급하고, 연료 공급 과정에서 발생하는 고온의 열을 상기 고온부로 공급하는 연료공급기가 구성됨으로써, 열전모듈의 고온부와 저온부의 온도 차이가 증가되어 열전모듈의 전력 생산량이 증가되는 효과가 있다.Also, the fuel cell cogeneration system according to the present invention extracts hydrogen gas through a reforming reaction of fuel and water supplied from the outside and supplies the hydrogen gas to the fuel cell stack. The high temperature waste gas generated in the reforming process is supplied to the high- The temperature difference between the high temperature portion and the low temperature portion of the thermoelectric module is increased by supplying the reformer, the compressed hydrogen, and methanol to the fuel cell stack and supplying the high temperature heat generated in the fuel supply process to the high temperature portion, The power generation amount of the module is increased.

또한, 본 발명에 따른 연료전지 열병합 발전시스템은 연료전지스택과 개질기와 연료공급기 이외에 기타 요소들에서 발생하는 모든 열을 회수하여 고온부로 공급하는 열회수기가 구성됨으로써, 열전모듈의 고온부와 저온부의 온도 차이가 더욱 증가되어 열전모듈의 전력 생산량이 더욱 증가되는 효과가 있다.
In addition, the fuel cell cogeneration system according to the present invention includes a heat recovery unit that collects all the heat generated in the fuel cell stack, the reformer, the fuel supply, and other elements, and supplies the collected heat to the high temperature unit. Is further increased and the power generation amount of the thermoelectric module is further increased.

도 1은 본 발명에 따른 연료전지 열병합 시스템의 개략도
도 2는 본 발명에 따른 연료전지 열병합 시스템에 구성된 순환라인의 실시예를 나타낸 개략도
도 3은 본 발명의 실시예 1에 따른 연료전지 열병합 시스템의 개략도
도 4는 본 발명의 실시예 2에 따른 연료전지 열병합 시스템의 개략도
도 5는 본 발명의 실시예 3에 따른 연료전지 열병합 시스템의 개략도1 is a schematic view of a fuel cell cogeneration system according to the present invention;
2 is a schematic view showing an embodiment of a circulation line configured in a fuel cell cogeneration system according to the present invention;
3 is a schematic view of a fuel cell cogeneration system according to Embodiment 1 of the present invention
4 is a schematic view of a fuel cell cogeneration system according to a second embodiment of the present invention
5 is a schematic diagram of a fuel cell cogeneration system according to a third embodiment of the present invention

이하, 본 발명의 기술적 사상을 첨부된 도면을 사용하여 더욱 구체적으로 설명한다.Hereinafter, the technical idea of the present invention will be described more specifically with reference to the accompanying drawings.

첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 더욱 구체적으로 설명하기 위하여 도시한 일예에 불과하므로 본 발명의 기술적 사상이 첨부된 도면의 형태에 한정되는 것은 아니다.
The accompanying drawings are only examples to illustrate the technical idea of the present invention in more detail, and thus the technical idea of the present invention is not limited to the forms of the accompanying drawings.

도 1은 본 발명에 따른 연료전지 열병합 시스템의 개략도이다. 도 2는 본 발명에 따른 연료전지 열병합 시스템에 구성된 순환라인의 실시예를 나타낸 개략도이다.1 is a schematic diagram of a fuel cell cogeneration system according to the present invention. 2 is a schematic diagram showing an embodiment of a circulation line configured in a fuel cell cogeneration system according to the present invention.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지 열병합 시스템(1000)은 연료전지스택(100), 순환라인(200), 열전모듈(300), 냉각모듈(400)을 포함하여 구성된다.1, the fuel cell cogeneration system 1000 according to the present invention includes a fuel cell stack 100, a circulation line 200, a thermoelectric module 300, and a cooling module 400.

연료전지스택(100)은 산소가 공급되는 캐소드(Cathode)와 수소가 공급되는 애노드(Anode)의 전기화학반응에 의해 전력을 생산하는 연료전지가 적층된 구성으로서, 연료전지가 생산한 전력을 전력수요지(50)로 공급한다. 여기에서 전력수요지(50)란, 가정용 건물, 사업용 건물, 공장, 발전소, 통신 중계기 등과 같이 전력이 필요한 수요지를 말하며, 이들 중에는 가정용 건물, 사업용 건물 등과 같이 열이 필요한 곳도 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The fuel cell stack 100 is constructed by stacking a cathode that is supplied with oxygen and a fuel cell that generates electric power by an electrochemical reaction between an anode supplied with hydrogen and a fuel cell And supplies it to the demand site 50. Here, the power demand site (50) refers to a demand site requiring power such as a residential building, a business building, a factory, a power plant, a communication repeater, etc. Some of them require heat such as a residential building and a business building, no.

또한, 연료전지스택(100)은 전기화학반응에 의해 전력을 생산하는 과정에서 열이 발생한다.In addition, the fuel cell stack 100 generates heat during the process of generating electric power by the electrochemical reaction.

여기에서, 연료전지가 전력 및 열이 발생하는 원리에 대해 하기 반응식 1을 참고하여 설명하기로 한다.
Here, the principle of generating power and heat by the fuel cell will be described with reference to the following reaction formula (1).

<반응식 1><Reaction Scheme 1>

애노드 반응 : H2 -> 2H+ + 2e- Anode reaction: H 2 -> 2H + + 2e -

캐소드 반응 : 1/2O2 + 2H+ + 2e- -> H20Cathode reaction: 1 / 2O 2 + 2H + + 2e - -> H 2 0

전체반응 : H2 + 1/2O2 -> H2O + 전력 + 열
Total reaction: H 2 + 1 / 2O 2 -> H 2 O + electricity + heat

반응식 1을 참고하면, 애노드 전극으로 수소가스가 공급되고, 캐소드 전극으로 공기가 공급된다. 애노드 전극으로 유입된 수소가스는 촉매층에서 전자(e-)와 수소이온(H+)으로 변환된다. 그리고 애노드 전극에서도 역시 촉매로 인해 캐소드 전극에서 전자(e-)와 산소이온(O2)으로 변환된다. 이 때, 수소이온(H+)이 전해질 막을 통하여 애노드 전극으로 이동되면 산소이온(O2)과 반응하여 물(H2O)로 변환된다. 애노드 전극에서 생성된 전자(e-)는 전해질 막을 통해 이동되지 못하고, 외부회로를 통해 캐소드 전극으로 이동함으로써, 소정의 전력을 형성한다. 이때, 애노드 전극에서 수소이온(H+)과 산소(O2)가 물(H2O)로 변하는 전기화학 반응을 통해 열이 생성된다. Referring to Reaction Scheme 1, hydrogen gas is supplied to the anode electrode, and air is supplied to the cathode electrode. The hydrogen gas introduced into the anode electrode is converted into electrons (e - ) and hydrogen ions (H + ) in the catalyst layer. Also, the anode electrode is converted into electrons (e - ) and oxygen ions (O 2 ) from the cathode electrode due to the catalyst. At this time, when hydrogen ion (H + ) moves to the anode electrode through the electrolyte membrane, it reacts with oxygen ions (O 2 ) and is converted into water (H 2 O). Electrons (e &lt; - &gt;) generated at the anode electrode can not be moved through the electrolyte membrane, and move to the cathode electrode through an external circuit to form a predetermined electric power. At this time, heat is generated through an electrochemical reaction in which hydrogen ions (H + ) and oxygen (O 2 ) are changed to water (H 2 O) in the anode electrode.

상술한 바와 같이, 연료전지스택(100)은 전력을 생산하는 과정에서 발생하는 열을 냉각하기 위하여, 냉각유체가 공급매니폴드(110)를 통해 내부로 공급되어 전력을 생산하는 과정에서 발생하는 열을 흡열하여 다시 배출매니폴드(120)를 통해 배출된다. 공급매니폴드(110)와 배출매니폴드(120)는 연료전지스택(100)의 외부에 형성될 수 있고, 연료전지스택(100)의 내부에 통로를 형성하여 구비될 수 있다.
As described above, in order to cool the heat generated in the process of producing electric power, the fuel cell stack 100 is heated by the heat generated during the process of supplying the cooling fluid to the inside through the supply manifold 110 to produce electric power. And discharged through the discharge manifold 120 again. The supply manifold 110 and the discharge manifold 120 may be formed outside the fuel cell stack 100 and may be formed by forming a passage in the fuel cell stack 100.

순환라인(200)은 배출매니폴드(120)와 공급매니폴드(110)를 연결하는 형태로 형성된다. 즉, 순환라인(200`)을 순환하는 열이 폐열로 버려지는 것을 방지하고, 전력수요지(50)에 최대한 전력을 공급하려는 것이다.The circulation line 200 is formed to connect the discharge manifold 120 and the supply manifold 110. That is, heat circulating through the circulation line 200 'is prevented from being discharged to the waste heat, and power is supplied to the power demand site 50 as much as possible.

또한, 순환라인(200`)은 배출매니폴드(120)와 전력수요지를 연결하는 일단부, 전력수요지(50)와 공급매니폴드(110)를 연결하는 타단부와, 일단부와 타단부를 연결하며 전력수요지(50)의 내부에 설치되는 중심부로 이루어질 수 있다. 즉, 순환라인(200)은 배출매니폴드(120)로부터 이송된 냉각유체가 내부로 유입 및 순환된 후, 전력수요지(50)를 경유하면서 전력수요지(50)에 열을 공급한 후, 다시 공급매니폴드(110)로 귀환되도록 하여 전력수요지(50)에 열도 공급하는 것이다.
The circulation line 200 'includes one end for connecting the discharge manifold 120 to the power demand site, the other end for connecting the power demand site 50 and the supply manifold 110, And a central portion provided inside the power demand site 50. That is, the circulation line 200 supplies heat to the power demand site 50 via the power demand site 50 after the cooling fluid transferred from the discharge manifold 120 flows in and circulates therein, And returned to the manifold 110 to supply heat to the power demand site 50 as well.

열전모듈(300)은 순환라인(200)의 일단부에 설치되어, 순환라인(200)의 일단부를 순환하는 냉각유체의 열을 흡열하여 냉각하는 고온부(310)와, 외부에서 공급되는 저온의 유체 또는 대기 중의 공기와 접촉되는 저온부(320), 고온부(310)와 저온부(320)의 사이에 설치되는 열전소자를 포함하여 구성되며, 열전소자가 고온부(310)와 저온부(320)의 온도 차이에 의해 전력을 생산하여 전력수요지(50)로 공급하는 역할을 한다. 이 때, 저온부(320)로 공급되는 저온의 유체는 열전모듈(300)의 외부에 별도로 설치된 냉동사이클장치에서 공급될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The thermoelectric module 300 includes a high temperature part 310 installed at one end of the circulation line 200 for absorbing the heat of the cooling fluid circulating through one end of the circulation line 200 and cooling the thermoelectric module 300, And a thermoelectric element provided between the high temperature part 310 and the low temperature part 320. The thermoelectric element is disposed between the high temperature part 310 and the low temperature part 320, And supplies the electric power to the power demand site 50. At this time, the low-temperature fluid supplied to the low-temperature unit 320 may be supplied from a refrigeration cycle apparatus provided separately to the outside of the thermoelectric module 300, but the present invention is not limited thereto.

한편, 연료전지 발전시스템에 있어서, 연료전지스택(100)의 전력 생산 과정에서 발생하는 열은 온수로 저장하여 전력수요지(50)로 공급할 수 있으나, 온수가 크게 필요하지 않은 여름철에는 냉각모듈(400)을 통해 폐열로 버려지는 것이 일반적이었다.Meanwhile, in the fuel cell power generation system, the heat generated during the power generation process of the fuel cell stack 100 may be stored as hot water and supplied to the power demand site 50. However, in the summer when hot water is not required, ) To waste heat.

그러나 본 발명에 따른 연료전지 열병합 발전시스템(1000)은 열전모듈(300)을 이용하여 연료전지스택(100)에서 발생하는 열을 전기에너지로 저장할 수 있다. 그러므로 본 발명에 따른 연료전지 열병합 발전시스템(1000)은 온수가 크게 필요하지 않은 여름철에도 연료전지스택(100)에서 발생하는 열이 폐열로 버려지는 것을 방지할 수 있다. 즉, 열 및 전기에 대한 수요의 불균형 상황에서도 시스템 효율을 극대화 할 수 있게 된다.However, the fuel cell cogeneration system 1000 according to the present invention can store heat generated from the fuel cell stack 100 as electric energy by using the thermoelectric module 300. Therefore, the fuel cell cogeneration system 1000 according to the present invention can prevent the heat generated in the fuel cell stack 100 from being discharged to the waste heat even in the summer when hot water is not greatly needed. In other words, system efficiency can be maximized even in the case of unbalanced demand for heat and electricity.

이에 따라, 본 발명에 따른 연료전지 열병합 발전시스템(1000)은 연료전지스택(100)에서 발생하는 열을 흡열한 냉각유체의 열을 흡열하는 고온부(310)와 외부공기에서 공급되는 저온의 유체 또는 대기 중의 공기와 접촉되는 저온부(320)를 포함하여, 고온부(310)와 저온부(320)의 온도 차이에 의해 전력을 생산하여 전력수요지로 공급하는 열전모듈(300)이 구성됨으로써, 연료전지스택(100)에서 발생하는 열을 용이하게 냉각할 수 있고 연료전지스택(100)에서 발생하는 열을 전력으로 변환하여 전력수요지에 최대한 공급할 수 있는 효과가 있다. Accordingly, the fuel cell cogeneration system 1000 according to the present invention includes a high temperature section 310 for absorbing heat of the cooling fluid that absorbs heat generated in the fuel cell stack 100, and a low temperature fluid supplied from the outside air A thermoelectric module 300 is provided which includes a low temperature section 320 in contact with air in the atmosphere and generates electric power by supplying a temperature difference between the high temperature section 310 and the low temperature section 320 and supplies the electric power to the power demand site, 100 can be easily cooled and the heat generated in the fuel cell stack 100 can be converted into electric power and supplied to the power source as much as possible.

냉각모듈(400)은 순환라인(200)의 타단부에 설치되어 순환라인(200)의 타단부를 순환하는 냉각유체를 냉각한다. 한편, 순환라인(200)의 타단부를 순환하는 냉각유체는 냉각모듈(400)에 의해 냉각된후, 연료전지스택(100)의 공급매니폴드(110)로 공급된다.The cooling module 400 is installed at the other end of the circulation line 200 to cool the cooling fluid circulating the other end of the circulation line 200. The cooling fluid circulating at the other end of the circulation line 200 is cooled by the cooling module 400 and then supplied to the supply manifold 110 of the fuel cell stack 100.

이 때, 냉각모듈(400)은 외부공기와 맞닿는 면적을 증가시키기 위한 다수개의 냉각핀(미도시)이 형성될 수 있으며, 주위의 공기를 강제로 송풍하는 방열팬(미도시)이 형성될 수 있다. 또한, 냉각모듈(400)은 공기를 통한 냉각이 아닌 저온의 냉각유체와의 열교환을 통한 냉각 구조가 형성될 수도 있다.
In this case, the cooling module 400 may include a plurality of cooling fins (not shown) for increasing the area in contact with the outside air, and a heat dissipation fan (not shown) for forcibly blowing the surrounding air may be formed have. Also, the cooling module 400 may be formed with a cooling structure through heat exchange with a low-temperature cooling fluid rather than through air.

도 3은 본 발명의 실시예 1에 따른 연료전지 열병합 시스템의 개략도이다.3 is a schematic view of a fuel cell cogeneration system according to Embodiment 1 of the present invention.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예 1에 따른 연료전지 열병합 시스템(1000`)은 연료전지스택(100), 순환라인(200`), 열전모듈(300), 냉각모듈(400), 개질기(500), 연료공급기를 포함하여 구성된다.3, the fuel cell cogeneration system 1000 'according to the first embodiment of the present invention includes a fuel cell stack 100, a circulation line 200', a thermoelectric module 300, a cooling module 400, A reformer 500, and a fuel supplier.

연료전지스택(100), 순환라인(200`), 열전모듈(300), 냉각모듈(400)은 상기에 설명하였으므로 자세한 설명은 생략한다.The fuel cell stack 100, the circulation line 200 ', the thermoelectric module 300, and the cooling module 400 have been described above, and thus a detailed description thereof will be omitted.

개질기(500)는 외부로부터 공급되는 탄화수소 계열의 연료(메탄올, 에탄올, LPG, 또는 천연가스 등)와 물을 산화촉매반응과 개질촉매반응을 통해 수소가스를 추출하여 연료전지스택(100)으로 공급한다. 이때, 개질기(500)에는 미량의 이산화탄소, 메탄가스, 및 일산화탄소를 포함하는 고온의 폐가스가 발생한다.The reformer 500 extracts hydrogen gas through oxidation catalytic reaction and reforming catalytic reaction with hydrocarbon fuel (methanol, ethanol, LPG, or natural gas) supplied from the outside and supplies it to the fuel cell stack 100 do. At this time, a high-temperature waste gas containing a small amount of carbon dioxide, methane gas, and carbon monoxide is generated in the reformer 500.

이때, 개질기(500)에서 발생된 고온의 폐가스는 별도의 유통로를 통해 열전모듈(300)의 고온부(310)로 공급된다.At this time, the high temperature waste gas generated in the reformer 500 is supplied to the high temperature section 310 of the thermoelectric module 300 through a separate flow path.

연료공급기는 압축수소와 메탄올을 연료전지스택(100)으로 공급한다.The fuel supply supplies compressed hydrogen and methanol to the fuel cell stack 100.

이에 따라, 본 발명의 실시예 1에 따른 연료전지 열병합 시스템(1000`)에 구성된 열전모듈(300)은 고온부(310)가 연료전지스택(100)에서 발생한 열과 개질기(500)로부터 공급된 고온의 폐가스의 열과 연료공급기로부터 공급된 고온의 열을 동시에 흡열함으로써, 고온부(310)와 저온부(320)의 온도차이가 증가되어 전력생산량이 증가된다.The thermoelectric module 300 constructed in the fuel cell cogeneration system 1000 according to the first embodiment of the present invention is configured such that the high temperature part 310 is connected to the heat generated in the fuel cell stack 100 and the high temperature The temperature difference between the high temperature section 310 and the low temperature section 320 is increased by heat absorbing the heat of the waste gas and the high temperature heat supplied from the fuel supply,

즉, 본 발명의 실시예 1에 따른 연료전지 열병합 발전시스템(1000`)는 외부로부터 공급되는 연료와 물을 개질반응을 통해 수소가스를 추출하여 연료전지스택(100)으로 공급하고, 개질 과정에서 발생하는 고온의 폐가스를 열전모듈(300)의 고온부(310)로 공급하는 개질기(500)와 압축수소와 메탄올을 연료전지스택(100)으로 공급하고, 연료 공급 과정에서 발생하는 고온의 열을 상기 고온부(310)로 공급하는 연료공급기가 구성됨으로써, 열전모듈(300)의 고온부(310)와 저온부(320)의 온도 차이가 증가되어 열전모듈(300)의 전력 생산량이 증가되는 효과가 있다.
That is, the fuel cell cogeneration system 1000 'according to the first embodiment of the present invention extracts hydrogen gas through reforming reaction of fuel and water supplied from the outside and supplies the hydrogen gas to the fuel cell stack 100, A reformer 500 for supplying the generated high temperature waste gas to the high temperature section 310 of the thermoelectric module 300 and a reformer 500 for supplying compressed hydrogen and methanol to the fuel cell stack 100, The temperature difference between the high temperature part 310 and the low temperature part 320 of the thermoelectric module 300 is increased and the power generation amount of the thermoelectric module 300 is increased.

도 4는 본 발명의 실시예 2에 따른 연료전지 열병합 시스템의 개략도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예 2에 따른 연료전지 열병합 시스템(1000``)은 연료전지스택(100), 순환라인(200`), 열전모듈(300), 냉각모듈(400), 개질기(500), 열회수기(600)를 포함하여 구성된다.4 is a schematic diagram of a fuel cell cogeneration system according to Embodiment 2 of the present invention. 4, the fuel cell cogeneration system 1000` according to the second embodiment of the present invention includes a fuel cell stack 100, a circulation line 200 ', a thermoelectric module 300, a cooling module 400 A reformer 500, and a heat recovery device 600. [

연료전지스택(100), 순환라인(200`), 열전모듈(300), 냉각모듈(400), 개질기(500)는 상기에 설명하였으므로 자세한 설명은 생략한다.The fuel cell stack 100, the circulation line 200 ', the thermoelectric module 300, the cooling module 400, and the reformer 500 have been described above, and thus a detailed description thereof will be omitted.

열회수기(600)는 연료전지스택(100)과 상기 개질기(500)와 상기 연료공급기 이외에 기타 요소들에서 발생하는 모든 열을 회수하여 고온부로 공급하며, 기타 구성요소들의 내측 또는 외측에 설치된 열교환수단에 냉각유체가 유입되어 기타 구성요소들의 작동과정에서 발생하는 열을 흡열한 후 다시 고온부(310)로 공급한다.The heat recovery apparatus 600 recovers all the heat generated in the fuel cell stack 100, the reformer 500, the fuel supply unit, and other elements, and supplies the recovered heat to the high temperature unit. So that the heat generated in the operation of the other components is absorbed and then supplied to the high temperature unit 310 again.

예를 들면, 열회수기(600)는 DC/AC인버터 및 DC/DC컨버터의 내측 또는 외측에 설치되는 열교환수단에 냉각유체가 유입되어 DC/AC인버터와 DC/DC컨버터에서 발생하는 열을 흡열한 후, 열회수기(600)에 저장되었다가 다시 상기 고온부(310)로 공급될 수 있다.For example, the heat recovery apparatus 600 may be configured such that the cooling fluid flows into the heat exchange means installed inside or outside the DC / AC inverter and the DC / DC converter to absorb heat generated from the DC / AC inverter and the DC / Stored in the heat recovery unit 600, and then supplied to the high temperature unit 310 again.

여기에서 DC/AC인버터는 연료전지스택(100)에서 생산하는 전력(직류전력)을 전력수요지에서 사용할 수 있도록 교류전력으로 변환하는 과정에서 열이 발생한다.In this case, the DC / AC inverter generates heat in the process of converting the power (DC power) produced by the fuel cell stack 100 into AC power so that it can be used in the power source.

또한, DC/DC컨버터는 DC/AC인버터에서 변환된 교류전력의 전압을 전력수요지에서 사용할 수 있도록 220V나 110V로 변압하는 과정에서 열이 발생한다.In addition, the DC / DC converter generates heat in the process of transforming the AC voltage converted from the DC / AC inverter to 220V or 110V so that it can be used at the power source.

단, 열회수기(600)는 DC/AC인버터와 DC/DC컨버터 이외에도 연료전지 열병합 시스템(1000)에 추가적으로 구성될 수 있는 기타 구성요소들(모터, 에어블로워 등)의 열을 회수하여 고온부(310)로 공급할 수 있다.However, the heat recovery apparatus 600 may recover the heat of other components (motor, air blower, etc.) that may be additionally included in the fuel cell cogeneration system 1000 in addition to the DC / AC inverter and the DC / DC converter, ).

이에 따라, 본 발명의 실시예 2에 따른 연료전지 열병합 발전시스템(1000)은 연료전지스택(100)에서 생산하는 전력을 교류전력으로 변환하는 DC/AC인버터, DC/AC인버터에서 변환된 교류전력을 승압하는 DC/DC컨버터, 및 DC/AC인버터와 DC/DC컨버터에서 발생하는 열을 회수하여 고온부(310)로 공급하는 열회수기(600)가 구성됨으로써, 열전모듈(300)의 고온부(310)와 저온부(320)의 온도 차이가 더욱 증가되어 열전모듈(300)의 전력 생산량이 더욱 증가되는 효과가 있다.Accordingly, the fuel cell cogeneration system 1000 according to the second embodiment of the present invention includes a DC / AC inverter for converting electric power produced by the fuel cell stack 100 into AC power, a DC / AC inverter converted from the DC / AC inverter And a heat recovery unit 600 that recovers heat generated by the DC / AC inverter and the DC / DC converter and supplies the recovered heat to the high temperature unit 310. The high temperature unit 310 of the thermoelectric module 300 The temperature difference between the low temperature part 320 and the low temperature part 320 is further increased and the power generation amount of the thermoelectric module 300 is further increased.

즉, 본 발명의 실시예 2에 따른 연료전지 열병합 시스템(1000``)은 전력수요지에 열원보다 전력을 더 많이 공급하는 효과가 있다.That is, the fuel cell cogeneration system 1000` according to the second embodiment of the present invention has an effect of supplying more power to the power demand site than the heat source.

한편, 도면에는 도시하지 않았으나, 열회수기(600)로부터 열전모듈(300)의 고온부(310)로 공급된후 배출된 냉각유체는 다시 열회수기(600)로 귀환하거나 폐기될 수 있다.
Although not shown in the drawing, the cooling fluid discharged from the heat recovery unit 600 to the high temperature unit 310 of the thermoelectric module 300 may be returned to the heat recovery unit 600 or discarded.

도 5는 본 발명의 실시예 3에 따른 연료전지 열병합 시스템의 개략도이다.5 is a schematic view of a fuel cell cogeneration system according to Embodiment 3 of the present invention.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예 3에 따른 연료전지 열병합 시스템(1000)은 연료전지스택(100), 순환라인(200`), 열전모듈(300), 냉각모듈(400), 펌핑기(700)를 포함하여 구성된다.5, the fuel cell cogeneration system 1000 according to the third embodiment of the present invention includes a fuel cell stack 100, a circulation line 200 ', a thermoelectric module 300, a cooling module 400, And a pumping device 700.

연료전지스택(100), 순환라인(200`), 열전모듈(300), 냉각모듈(400)은 상기에 설명하였으므로 상세한 설명은 생략한다.The fuel cell stack 100, the circulation line 200 ', the thermoelectric module 300, and the cooling module 400 have been described above, and thus a detailed description thereof will be omitted.

펌핑기(700)는 순환라인(200) 상에 설치되어 순환라인(200)을 순환하는 냉각유체가 순차적으로 연료전지스택(100)의 배출매니폴드(120), 순환라인(200), 연료전지스택(100)의 공급매니폴드(110), 다시 연료전지스택(100)의 배출매니폴드(120)로 순환되도록 한다.The pumping device 700 is installed on the circulation line 200 and the cooling fluid circulating through the circulation line 200 is sequentially supplied to the discharge manifold 120 of the fuel cell stack 100, the circulation line 200, To the supply manifold 110 of the stack 100 and again to the discharge manifold 120 of the fuel cell stack 100.

즉, 펌핑기(700)는 냉각유체가 일방향으로만 순환되게 하고, 냉각유체의 순환유속을 제어할 수 있다.That is, the pumping device 700 can circulate the cooling fluid only in one direction, and can control the circulating flow rate of the cooling fluid.

물론, 펌핑기(700)는 본 발명에 따른 연료전지 열병합 시스템(1000)과 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 2에 따른 연료전지 열병합 시스템(1000`, 1000``)에도 적용이 가능하다.Of course, the pumping device 700 is also applicable to the fuel cell cogeneration system 1000 according to the present invention and the fuel cell cogeneration systems 1000 &apos;, 1000 &apos; according to the first to second embodiments of the present invention.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims.

1000, 1000`, 1000``, 1000``` : 본 발명에 따른 연료전지 열병합 시스템
50 : 전력수요지
100 : 연료전지스택
110 : 공급매니폴드 120 : 배출매니폴드
200 : 순환라인
300 : 열전모듈
310 : 고온부 320 : 저온부
400 : 냉각모듈
500 : 개질기
600 : 열회수기
700 : 펌핑기
1000, 1000`, 1000``, 1000```: The fuel cell cogeneration system according to the present invention
50: Demand for electricity
100: Fuel cell stack
110: supply manifold 120: exhaust manifold
200: circulation line
300: thermoelectric module
310: high temperature section 320: low temperature section
400: cooling module
500: reformer
600: Heat recovery machine
700: pumping machine

Claims (5)

전력을 생산하고, 냉각유체가 공급매니폴드(110)를 통해 내부로 공급되어 전력 생산 과정에서 발생하는 열을 흡열한 후 다시 배출매니폴드(120)를 통해 배출되는 연료전지스택(100);
상기 배출매니폴드(120)와 상기 공급매니폴드(110)와 연결하는 순환라인(200);
상기 순환라인(200) 상에 설치되어 상기 순환라인(200)을 순환하는 냉각유체의 열을 흡열하는 고온부(310)와, 외부에서 공급되는 저온의 유체 또는 대기 중의 공기에 접촉되는 저온부(320)를 포함하며, 상기 고온부(310)와 상기 저온부(320)의 온도 차이에 의해 전력을 생산하는 열전모듈(300); 및
상기 순환라인(200) 중 상기 열전모듈(300)과 상기 공급매니폴드(110) 사이에 설치되어 상기 순환라인(200)을 순환하는 냉각유체를 냉각하는 냉각모듈(400);을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 열병합 발전시스템.
A fuel cell stack 100 which generates electric power and is supplied with a cooling fluid to the inside through the supply manifold 110 to absorb heat generated in the power production process and then is discharged through the exhaust manifold 120 again;
A circulation line 200 connecting the discharge manifold 120 and the supply manifold 110;
A high temperature unit 310 installed on the circulation line 200 to absorb heat of a cooling fluid circulating in the circulation line 200, and a low temperature unit 320 contacting a low temperature fluid supplied from the outside or air in the atmosphere It includes, the thermoelectric module 300 for producing power by the temperature difference between the high temperature unit 310 and the low temperature unit 320; And
And a cooling module 400 installed between the thermoelectric module 300 and the supply manifold 110 of the circulation line 200 to cool the cooling fluid circulating the circulation line 200. Fuel cell cogeneration system.
제1항에 있어서, 상기 연료전지 열병합 발전시스템(1000`)은
외부로부터 공급되는 연료와 물을 개질반응을 통해 수소가스를 추출하여 상기 연료전지스택(100)으로 공급하고, 개질 과정에서 발생하는 개질가스와 고온의 열을 상기 고온부(310)로 공급하는 개질기(500);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 열병합 발전시스템.
The method of claim 1, wherein the fuel cell cogeneration system 1000`
A reformer extracts hydrogen gas through a reforming reaction and supplies fuel and water supplied from the outside to the fuel cell stack 100, and supplies reformed gas and high temperature heat generated during the reforming process to the high temperature unit 310. 500); and a fuel cell cogeneration system further comprising.
제2항에 있어서, 상기 연료전지 열병합 발전시스템(1000``)은
상기 연료전지스택(100)과 상기 개질기(500) 이외에 기타 구성 요소들에서 발생하는 모든 열을 회수하여 상기 고온부(310)로 공급하는 열회수기(600);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 열병합 발전시스템.
The method of claim 2, wherein the fuel cell cogeneration system (1000``)
And a heat recovery unit (600) for recovering all the heat generated by the other components in addition to the fuel cell stack (100) and the reformer (500) and supplying the recovered heat to the high temperature unit (310) Cogeneration system.
제3항에 있어서, 상기 열회수기(600)는
상기 기타 구성요소들의 내측 또는 외측에 설치된 열교환수단에 냉각유체가 유입되어 상기 기타 구성요소들에서 발생하는 열을 흡열한 후, 다시 상기 고온부(310)로 공급하는 것을 특징으로 하는 연료전지 열병합 발전시스템.
4. The apparatus of claim 3, wherein the heat recovery apparatus (600)
Wherein the cooling fluid flows into the heat exchange means installed inside or outside of the other components to absorb the heat generated by the other components and then supply the heat to the high temperature portion (310) .
제1항에 있어서, 상기 연료전지 열병합 발전시스템(1000```)은
상기 순환라인(200) 상에 설치되어 상기 순환라인(200)을 순환하는 냉각유체를 펌핑하는 펌핑기(700);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 열병합 발전시스템.The fuel cell cogeneration system (1000``) according to claim 1, wherein the fuel cell cogeneration system
Further comprising a pumping unit (700) installed on the circulation line (200) for pumping cooling fluid circulating through the circulation line (200).
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