燃料电池是一种通过氢的氧化反应和氧的还原反应产生电能的发电设备。燃料电池分为诸如聚合物电解质膜燃料电池和直接甲醇燃料电池的类型。
聚合物电解质膜燃料电池是一种使用具有氢离子交换特性的聚合物膜作为电解质的燃料电池并通过借助于含氢燃料和含氧空气引发电化学反应而产生电能。使用聚合物电解质燃料电池的燃料电池系统具有下述示意性结构。
也就是说，作为组成部件，燃料电池系统可包括用于产生电能的燃料电池发电设备以及用于通过回收废热来将燃料电池发电设备所产生的废热供应给需要热量的场所的热回收设备。
燃料电池发电设备包括：燃料电池组，其用于通过氢和氧的电化学反应产生直流(DC)电；重整器，其用于通过重整烃基发电材料如液化天然气(LNG)或液化石油气(LPG)向燃料电池组供应富含氢的重整气体；空气供应装置，其用于供应燃料电池组中所需的氧；电力变换器，其将燃料电池组所产生的DC电变换成交流(AC)电；以及各种BOP(辅助设备)和控制器，其为起动和停止组成部件并保持发电所需要。
参看韩国专利No.0418459和No.0740542中所公开的信息，燃料电池系统的热回收设备具有下述示意性构造。也就是说，根据相关技术的燃料电池系统的热回收设备包括用于储存从燃料电池发电设备回收的废热的储热罐(tank)和用于向热水或供热循环水供应储存在储热罐中的废热的装置。
具体而言，该燃料电池系统的热回收设备构造成用以回收从燃料电池发电设备中的各种系统组成部件如燃料电池组和燃料处理装置所产生的废热。此时，在该燃料电池发电设备中，燃料电池组应当保持在预定温度用以更稳定地产生电能，并且应当对燃料处理装置进行有效的热回收以防止出现热失衡。也就是说，优选的是根据各个热产生量对组成部件如燃料电池组和燃料处理装置进行热回收。
然而，由于根据相关技术的燃料电池系统的热回收设备在热有序地经过燃料电池发电设备的组成部件如燃料电池组和燃料处理装置时回收热，故难以适当地对各个组成部件进行热交换。结果，视情况而定，根据相关技术的燃料电池系统的热回收设备导致燃料电池系统的发电效率和耐用性由于燃料电池组的温度不均匀或燃料处理装置的热失衡而恶化。

技术问题
本发明旨在解决常规技术的上述问题。根据本发明的一个示例性实施例，本发明的一个目的是提供一种燃料电池系统的热回收设备，其能够通过单独回收废热来有效地回收从燃料电池系统的组成部件所产生的废热，而不受燃料电池系统的周围环境的变化和储热罐内部温度的变化的影响。
根据本发明的另一示例性实施例，本发明的另一目的是提供一种燃料电池系统的热回收设备，其通过增强储热罐中的热回收循环结构和排出结构而提高储热罐中的废热的利用率。
技术方案
根据本发明的一个示例性实施例，燃料电池系统的热回收设备包括：第一热交换器，其回收从燃料电池组所产生的废热；独立于第一热交换器安装的第二热交换器，其回收从燃料处理装置或系统管路所产生的废热；以及储热罐，其向第一热交换器和第二热交换器供应热交换材料，并回收热交换材料以根据外部热需求向外部供应包含在热交换材料中的废热。
一个第一管路通道连接自储热罐，该第一管路通道在第一热交换器和第二热交换器之前分支成第二管路通道和第三管路通道，并且第二管路通道和第三管路通道分别连接在第一热交换器和第二热交换器上。
第四管路通道连接在第一管路通道上使得热交换材料可经由另一通路连结第一管路通道。空气冷却式散热器安装在第四管路通道中，并且用于有选择地改变热交换材料的流动方向的第一三通阀安装在第一管路通道的一部分中，该部分分支到第四管路通道。
允许热交换材料沿一个方向流动的第一止回阀和第一泵安装在第二管路通道中。允许热交换材料沿一个方向流动的第二止回阀和第二泵安装在第三管路通道中。
储热罐从外部接收热交换材料，使热交换材料在第一热交换器和第二热交换器中循环，并储存该热交换材料作为含有废热的材料。
第一热交换通道安装在储热罐中，并且被引入第一热交换通道中的水通过与含有废热的材料进行热交换而转换成热水并供应到储热罐外部。
第二热交换通道安装储热罐中，并且经引导第二热交换通道中的水通过与含有废热的材料进行热交换而转换成热水并供应到储热罐外部。燃料电池系统的热回收设备还包括：第三热交换器，其与从储热罐排放的热水或供热用水进行热交换；以及第一辅助燃烧器，其根据外部控制信号产生热以向第三热交换器供热。
燃料电池系统的热回收设备还包括温控阀，经过第三热交换器的热水和从外部供应的冷水经引导进入其中并互相混合。该温控阀为通过利用温度感测操作元件合金使热水与冷水相混合的调温阀类型的阀。
燃料电池系统的热回收设备具有管路结构，在其中，经过第三热交换器的热水被供应到外部以便用来执行供热功能并且将供热用水再次回收到储热罐。
第二三通阀安装在供热用水经其回收到储热罐的管路通路上，从而允许通过有选择地操作第二三通阀将供热用水引入储热罐中或经旁通通路供应到外部。
燃料电池系统的热回收设备还可包括：第四热交换器，其与从储热罐排放的热水进行热交换；以及第二辅助燃烧器，其通过根据外部控制信号产生热而向第四热交换器供热。燃料电池系统的热回收设备还可包括：第五热交换器，其独立于第四热交换器安装并与从储热罐排放的供热用水进行热交换；以及第三辅助燃烧器，其根据外部控制信号产生热以向第五热交换器供热。
用于测量热交换材料的水位的水位传感器安装在储热罐中。供水管路连接在储热罐上以便将作为热交换材料的水供应到储热罐，并且用于与水位传感器的测量数据同步调节水的供应量的电磁阀安装在供水管路中。
用于将热交换材料所产生的储热罐的内部压力降低到低于预定过压条件的压力的安全阀安装在储热罐的上部中。
用于根据需要将热交换材料排放到外部的放泄阀安装在储热罐的下部中。
有益效果
在燃料电池系统中，热产生量取决于周围环境的变化(一般为周围温度的变化)，以及系统的起动、运转和停机过程。此时，在根据本发明的示例性实施例的燃料电池系统的热回收设备中，从燃料电池组所产生的废热和从其它组成部件如燃料处理装置等产生的废热被独立地回收。也就是说，根据本发明的示例性实施例的燃料电池系统的热回收设备能够对应于组成部件独立地回收热，从而提高热回收效率。
因此，消除了燃料电池系统的内部组成部件之间的热失衡，并且能够以高于相关技术的发电效率稳定地发电。根据本发明的示例性实施例的燃料电池系统的热回收设备能够通过增强储热罐中的热回收和循环结构以及热排放结构来提高废热利用率。
根据本发明的示例性实施例的燃料电池系统的热回收设备与相关技术相比，能够通过使用在最佳状态下额外提供热源的辅助热源机器如辅助燃烧器而降低燃料消耗和增加经济效益。。

图1是根据本发明的第一示例性实施例的燃料电池系统的热回收设备的示意图。
图2是根据本发明的第二示例性实施例的燃料电池系统的热回收设备的示意图。
图3是根据本发明的第三示例性实施例的燃料电池系统的热回收设备的示意图。
图4是根据本发明的第四示例性实施例的燃料电池系统的热回收设备的示意图。
图5是根据本发明的第五示例性实施例的燃料电池系统的热回收设备的示意图。
<附图中表示主要元件的参考标号的描述>
110，210，310，410，510：燃料电池组
120，220，320，420，520：燃料处理装置
130，230，330，430，530：储热罐
140，240，340，440，540：第一热交换器
150，250，350，450，550：第二热交换器
160，260，360，460，560：空气冷却式散热器
170，270，370，470，570：辅助热源机器

在下文中，将参照附图详细描述本发明的示例性实施例以便由本领域技术人员执行。如本领域技术人员将认识到的那样，所描述的实施例可采取各种不同的方式予以修改，所有这些均不脱离本发明的精神或范围。
图1是根据本发明的第一示例性实施例的燃料电池系统的热回收设备的示意图。
如图1所示，燃料电池系统的热回收设备100通过单独地回收从燃料电池组所产生的废热以及从其它组成部件如燃料处理装置或系统管路所产生的废热而储存回收在储热罐130中的废热。
从燃料电池系统内部所产生的热通常分为两种类型。也就是说，燃料电池组110通过氢和氧的电化学反应产生热同时发电。燃料电池组110的热通常低于80℃并构成全部回收的废热的大约70％至80％。其它组成部件如燃料处理装置120或系统管路在运转期间也产生热，其构成全部回收的废热的大约20％至30％。
因此，燃料电池系统的热回收设备100可根据在组成部件如燃料电池组110或燃料处理装置120中的热产生量来调节与最合适的条件相对应的热交换材料的循环供应量或选择热交换器的处理能力。因此，燃料电池组110可具有提高的发电效率同时保持在预定温度，并且燃料处理装置120也可稳定地运转而不存在热失衡。
储热罐130回收从燃料电池组110或燃料处理装置120所产生的废热，以将废热储存在热水或供热用水中。储热罐130根据外部热需求向外部供应热水或供热用水。此时，储热罐130接收作为热交换材料的水，用以回收废热并再次向第一热交换器140和第二热交换器150供应热交换材料。
第一热交换器140连接在燃料电池组110上并构造成用以允许从燃料电池组110所产生的废热与热交换材料进行热交换。结果，从燃料电池组110所产生的废热包含在热交换材料中。热交换材料被回收到储热罐130。
第二热交换器150独立于第一热交换器140安装。第二热交换器150连接在燃料电池系统的其它组成部件如燃料处理装置120上。从燃料处理装置120所产生的废热构造成用以与热交换材料进行热交换。结果，从燃料处理装置120所产生的废热包含在热交换材料中。热交换材料被回收到储热罐130。
此时，燃料电池系统的热回收设备100包括用于允许热交换材料如下述从储热罐130流到第一热交换器140或第二热交换器150的管路通道。
也就是说，在燃料电池系统的热回收设备100中，一个第一管路通道164与储热罐130的进口端口131连接，但第一管路通道164在第一热交换器140和第二热交换器150之前分支成第二管路通道144和第三管路通道154。第二管路通道144连接在第一热交换器140上，而第三管路通道154连接在第二热交换器150上。第一泵141安装在第二管路通道144中使得热交换材料以预定流速供应。第二泵151安装在第三管路通道154中使得热交换材料以预定流速供应。
在燃料电池系统的热回收设备100中，温度传感器242和252分别安装在热交换材料经其回收到储热罐130的管路通道中。温度传感器242和252测量热交换材料的温度。测定的温度用作用于独立地确定第一泵141和第二泵151中的热交换材料的流速的控制数据。
用于从第二热交换器150到储热罐130回收热交换材料的通路连接在第二管路通道144上，以允许经过第二热交换器150的热交换材料流入第一热交换器140中，如图1所示。用于从第二热交换器150至储热罐130回收热交换材料的通路具有另一种结构并且可独立于用于从第一热交换器140至储热罐130回收热交换材料的通路而形成。
第四管路通道165连接在第一管路通道164上使得热交换材料可经由另一通路与第一管路通道164连结。空气冷却式散热器160安装在第四管路通道165中。用于有选择地改变热交换材料的流动方向的第一三通阀161安装在第一管路通道164的分支到第四管路通道165的一部分中。也就是说，在当外部热需求(热水或供热用水的使用)在夏季较低时的情形中，热交换材料的流动通路在第一三通阀161处改变，从而致使热交换材料的热从空气冷却式散热器160散发。
此外，多个用于引入或排放热交换材料的端口形成在储热罐130中。该多个端口包括：进口端口131，其允许作为热交换材料的水流入第一热交换器140或第二热交换器150中；以及出口端口132，其允许从第一热交换器140或第二热交换器150回收废热的热交换材料流入储热罐130中。进口端口131大致定位在储热罐130下方，而出口端口132则相对定位在进口端口131上方。该多个端口还包括：供水端口，其从外部接收作为热交换材料的水；以及热水排放端口或供热用水排放端口，其根据外部热需求排放热水或供热用水。供水端口大致定位在储热罐130下方，而热水排放端口和供热用水排放端口则相对定位在供水端口上方。
因此，在燃料电池系统的热回收设备100中，在储热罐130的上部和下部中的热交换材料之间的温差保持在预定范围内，并且可利用含有废热的热交换材料作为热水或供热用水。
图2是根据本发明的第二示例性实施例的燃料电池系统的热回收设备的示意图。
如图2所示，根据本发明的第二实施例的燃料电池系统的热回收设备200与图1所示的燃料电池系统的热回收设备100相比还包括第一止回阀243和第二止回阀253。也就是说，第一止回阀243和第二止回阀253作为组成部件用于在热交换材料流动期间防止热交换材料回流到储热罐130。
第一止回阀243基于热交换材料的流动方向定位在第二管路通道244中的第一泵241的下游，从而允许热交换材料仅流向第一热交换器240而不会回流到储热罐130。第一止回阀253也基于热交换材料的流动方向定位在第三管路通道254中的第二泵251的下游，从而允许热交换材料仅流向第二热交换器250而不会回流到储热罐130。
然而，虽然在图2中一并示出了第一止回阀243和第二止回阀253，但可根据需要安装两个阀243和253中的任何一个。燃料电池系统的热回收设备200的其它组成部件对应于并执行与图1所示的燃料电池系统的热回收设备100的组成部件相同的功能。因此，将略去其描述。
图3是根据本发明的第三示例性实施例的燃料电池系统的热回收设备的示意图。
如图3所示，根据本发明的第三示例性实施例的燃料电池系统的热回收设备300与图2所示的燃料电池系统的热回收设备200相比，还包括用于根据外部热需求向外部供应热水或供热用水或回收热水或供热用水的组成部件。
储热罐330从外部接收水作为热交换材料并使热交换材料在第一热交换器340和第二热交换器350中循环。此后，储热罐330储存热交换材料作为含有废热的材料。也就是说，水，作为热交换材料，在第一热交换器340和第二热交换器350中循环，并储存在含有废热的储热罐330中，藉此获得含有废热的材料。
由于热水用于洗涤和清洗，故为了卫生管理而构造闭合回路用以防止热水与含有废热的材料混合。也就是说，热水经由作为储热罐330中的闭合回路构造的第一热交换通道333接收热。经第一供水端口334引入的水与储存在储热罐330中的含有废热的材料进行热交换，同时经过第一热交换通道333。经过第一热交换通道333的水转换为预定温度或更高温度的热水并经热水排放端口335供应具有热需求的外部。
供热用水经定位在储热罐330上方的供热用水排放端口337排放并经定位在储热罐330下方的供热用水引入端口338再次引入储热罐330中。此时，由于供热用水可能包含根据安装在燃料电池系统中的使用环境经外部供热用水管路循环引起的污染材料，故与热水一样，另一闭合回路可构造成用以防止供热用水与储热罐330的含有废热的材料混合。也就是说，供热用水还经作为储热罐330中的闭合回路构造的第二热交换通道339接收热。
燃料电池系统的热回收设备300构造成用以允许供热用水再循环。燃料电池系统的热回收设备300根据需要可利用含有废热的材料作为供热用水而无需第二热交换通道339。因此，作为热交换材料经由第二供水端口336引入的水通过第一热交换器340和第二热交换器350中的热交换而含有废热。作为供热用水的含有废热的材料经供热用水排放端口337和供热用水引入端口338循环。虽然在当供热用水再次引入储热罐330中时的情形中供热用水的温度较低，但供热用水的温度可通过第一热交换器340和第二热交换器350中的热交换而再次上升至预定温度。
燃料电池系统的热回收设备300包括辅助热源机器370使得从储热罐330排放的热水和供热用水的温度能够重新上升到预定温度或更高温度。辅助热源370包括第三热交换器371和第一辅助燃烧器372。第三热交换器371安装在热水和供热用水的排放通路上，并且构造成用以与热水或供热用水进行热交换。第一辅助燃烧器372根据外部控制信号产生热并提供第三热交换器371所需的热。
燃料电池系统的热回收设备300还包括将热水和冷水混合以适合使用该水的温控阀373。经过第三热交换器371的热水和从外部供应的冷水经引导进入温控阀373中。热水和冷水在热水和冷水互相混合的情况下从温控阀373排放。温控阀373，作为采用温度感测操作元件合金的调温阀类型，可一直供应预定温度范围的热水而无需消耗电力。
如上所述，燃料电池系统的热回收设备300具有在其中将热水回收到储热罐330的管路结构。此时，第三泵374安装在供热用水经其从储热罐330供应到第三热交换罐371的管路通路，从而允许具有预定流速的供热用水流动。第二三通阀375安装在供热用水经其回收到储热罐330的管路通路上。第二三通阀375基于储热罐330中的供热用水的温度允许将所回收的供热用水引入储热罐330或经旁通通路再循环而无需经过储热罐330。
燃料电池系统的热回收设备300构造成用以当回收从燃料电池组310或燃料处理装置320产生的废热时允许从储热罐330的下部排放热交换材料并将其引入储热罐330的上部中。燃料电池系统的热回收设备300构造成用以当供热用水循环时允许供热用水从储热罐330的上部排放并引入储热罐330的下部中。因此，在储热罐330的上部和下部中的热交换材料(或供热用水)之间的温差恒定地保持在预定范围内，藉此提高废热的利用率。
然而，在燃料电池系统的热回收设备300中，除非储存在储热罐330中的废热超过储热罐330的储存极限，否则优选如下述保持在储热罐330中的热交换材料(或供热用水)之间的温差。也就是说，优选在储热罐330的进口端口331和出口端口332之间将热交换材料的温差保持在8℃至12℃的范围内。根据该温差确定第一热交换器340和第二热交换器350中各者的处理能力。优选的是，将储热罐330的上部和下部中的热交换材料(或供热用水)之间的温差保持在8℃至40℃的范围内。根据该温差确定第一热交换器340和第二热交换器350中各者的热交换材料的流速。
燃料电池系统的热回收设备300的其它组成部件对应于并执行与图2所示的燃料电池系统的热回收设备200的组成部件相同的功能。因此，将略去其描述。
图4是根据本发明的第四示例性实施例的燃料电池系统的热回收设备的示意图。
如图4所示，燃料电池系统的热回收设备400与图3所示的燃料电池系统的热回收设备相比，还包括安全阀480、放泄阀481、水位传感器482以及电磁阀483。
也就是说，安全阀480在当储热罐330的上部中的热交换材料所产生的储热罐430的内部压力超过预定过压条件时的情形中致动，用以降低储热罐430的内部压力。
放泄阀481安装在储热罐430下方。放泄阀481允许根据需要通过自动控制或手动操纵来排放储存在储热罐430中的热交换材料。水位传感器482安装在储热罐430的内部或外部，用以测量储存在储热罐430中的热交换材料的液位。
电磁阀483与水位传感器482的测量数据同步地调节供应到储热罐430内部的水的供应量。也就是说，供水管路连接在第一供水端口435上使得作为热交换材料的水从外部供应到第一供水端口435。
必要时可通过将电磁阀483安装在供水管路中根据需要来调节水的供应量。燃料电池系统的热回收设备400的其它组成部件对应于并执行与图3所示的燃料电池系统的热回收设备300的组成部件相同的功能。因此，将略去其描述。
图5是根据本发明的第五示例性实施例的燃料电池系统的热回收设备的示意图。
如图5所示，燃料电池系统的热回收设备500与图4所示的燃料电池系统的热回收设备400相比，还包括分别对应于热水和供热用水而分成两部分的辅助热源机器570。
辅助热源机器570包括：第四热交换器571，其与从储热罐530排放的热水进行热交换；以及第二辅助燃烧器572，其根据外部控制信号通过产生热而向第四热交换器571供热。辅助热源机器570还包括：第五热交换器571，其独立于第四热交换器571安装并与从储热罐530排放的供热用水进行热交换；以及第三辅助燃烧器577，其根据外部控制信号产生热以向第五热交换器576供热。
燃料电池系统的热回收设备500包括双辅助热源机器570，用以有选择地对热水或供热用水进行加热。也就是说，辅助热源机器570在当热需求在夏季较低时的情形中使用第四热交换器571和第二辅助燃烧器572来加热热水，而在当热需求在冬季较高时的情形中使用第五热交换器576和第三辅助燃烧器577来加热供热用水。因此，第二辅助燃烧器572和第三辅助燃烧器577与热水和供热用水相对应有选择地进行使用，藉此可节省辅助热源机器570的燃料消耗。燃料电池系统的热回收设备500的其它组成部件对应于并执行与图4所示的燃料电池系统的热回收设备400的组成部件相同的功能。因此，将略去其描述。
虽然已描述了示例性实施例，但本发明并不局限于这些示例性实施例。在不脱离所附权利要求、详细描述以及附图的范围的前提下可作出各种改型和改变，并且应当理解的是，它们都属于本发明的范围。