KR100724397B1

KR100724397B1 - 연료전지를 이용한 에너지 공급 장치

Info

Publication number: KR100724397B1
Application number: KR1020060056089A
Authority: KR
Inventors: 허성근; 육형규; 이현재
Original assignee: 엘지전자 주식회사; 주식회사 엘지화학
Priority date: 2006-06-21
Filing date: 2006-06-21
Publication date: 2007-06-04

Abstract

본 발명에 의한 연료전지를 이용한 에너지 공급 장치는, 개질기와 스택을 포함한 연료전지; 상기 개질기의 배기라인에 연결되어 그 개질기에서 반응후 배기되는 가스를 이용하여 구동되는 가스엔진; 및 상기 가스엔진에 기구적으로 연결되어 구동되면서 냉매를 압축시켜 냉/온풍을 공급하는 공기조화기;를 포함함으로써, 개질기에서 발생되는 폐가스와 반응열을 이용하여 가스엔진을 구동하고 이 가스엔진을 이용하여 냉/난방기를 작동시킴으로써, 연료전지에서 발생되는 에너지를 폭넓게 활용할 수 있고 이를 통해 에너지 효율을 극대화할 수 있다.

Description

연료전지를 이용한 에너지 공급 장치{ENERGY SUPPLY SYSTEM USING FUEL CELL}

도 1은 본 발명 연료전지를 이용한 에너지 공급 장치가 모식도,

도 2는 본 발명 연료전지를 이용한 에너지 공급 장치의 계통도,

도 3은 본 발명 연료전지를 이용한 에너지 공급 장치의 변형예에 대한 요부를 보인 계통도,

도 4는 본 발명 연료전지를 이용한 에너지 공급 장치에 대한 다른 실시예를 보인 계통도.

** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 **

10 : 개질기 20~25 : 스택

30 : 실외기 31 : 가스엔진

32 : 압축기 33 : 실외열교환기

34 : 팽창변 35 : 4방밸브

40 : 실내기 41 : 실내열교환기

50 : 히트파이프 60 : 수소 분리정제기

H1 : 공동주택의 각 가정 H2 : 공동주택의 공동시설

L1 : 연료공급라인 L2 : 배기라인

본 발명은 연료전지를 이용한 에너지 공급 장치에 관한 것으로, 특히 개질기에서 화학 반응후 발생되는 열을 이용하여 냉난방의 에어지원으로 활용할 수 있는 연료전지를 이용한 에너지 공급 장치에 관한 것이다.

일반적으로 연료전지(FUEL CELL SYSTEM)는 수소와 산소가 가진 화학적 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 전기화학적 장치이다. 상기 연료전지는 작동온도와 주연료의 형태에 따라 알카리형(AFC), 인산염형(PAGC), 용융탄산염형(MCFC), 고체전해질형(SOFC), 고분자전해질형(PEMFC) 등으로 구분된다. 이 중에서 상기 고분자전해질형 연료전지의 전해질은 액체가 아닌 고체 고분자 중합체(Membrane)로서 다른 연료전지와는 구별된다. 상기 고분자전해질형 연료전지는 통상 LNG, LPG 등의 탄화수소계(CH계열) 연료를 개질기에서 탈황공정→개질반응→수소정제공정을 거쳐 수소(H₂)만을 정제하고, 이 정제된 수소를 스택의 연료극으로 공급하여 연료로 사용하고 있다.

이러한 연료전지는 연료극으로 수소가 공급되는 동시에 공기극으로는 산소를 포함한 공기가 지속적으로 공급되어 그 수소와 산소의 전기 화학적 반응을 거쳐 반응 전후의 에너지 차를 전기 에너지로 직접 변환시키고, 이 과정에서 연료전지는 전기 에너지와 함께 부산물로 반응열과 물이 생성되는 것이었다.

그러나, 상기와 같은 종래 연료전지에 있어서는, 대부분의 연료전지 자체가 단독주택형으로 개발되어 반응 부산물로 생성되는 반응열이나 폐가스를 주로 온수나 난방수를 가열하는 데에만 활용되는 등 반응열이나 폐가스에 대한 활용도가 극히 제한적이었다. 하지만 최근 공동주택형 연료전지가 개발되면서 반응 부산물로서의 폐열은 물론 폐가스를 보다 폭넓게 활용하여 에너지 효율을 극대화하고자 하는 필요성이 더욱 부각되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 연료전지의 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 반응후 부산물로 생성되는 반응열이나 폐가스를 이용하여 냉난방기를 구동시킴으로써 에너지 효율을 높일 수 있는 연료전지를 이용한 에너지 공급 장치를 제공하려는데 본 발명의 목적이 있다.

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 연료에서 수소가 정제되는 개질기와, 상기 개질기에서 정제된 수소와 산소의 전기화학적 반응으로 전기에너지와 열에너지가 생성되는 스택을 포함한 연료전지; 상기 개질기의 배기라인에 연결되어 그 개질기에서 반응후 배기되는 가스를 이용하여 구동되는 가스엔진; 및 상기 가스엔진에 기구적으로 연결되어 구동되면서 냉매를 압축하는 압축기와, 그 압축기에 연결되는 실외열교환기와, 그 실외열교환기에 연결되는 팽창기구와, 그 팽창기구에 연결되어 다시 압축기에 연결되는 실내열교환기로 이루어진 공기조화기;를 포함한 연료전지를 이용한 에너지 공급 장치가 제공된다.

이하, 본 발명에 의한 연료전지를 이용한 에너지 공급 장치를 첨부도면에 도시된 일실시예에 의거하여 상세하게 설명한다.

도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 연료전지를 이용한 에너지 공급 장치는, 흔히 공동주택 등 건물의 지하에 마련된 기계실에는 탄화수소계열의 연료에서 수소를 정제하는 한 개의 개질기(10)가 설치되고, 공동주택의 각 가정(H1)마다에는 상기 개질기(10)에 병렬 연결되어 수소와 산소의 전기화학적 반응으로 전기에너지와 열에너지를 생성하는 복수의 스택(21~25)이 설치되며, 공동주택의 관리실이나 노인정 같은 공동시설(H2)의 실외에는 상기 개질기(10)에서 발생되는 폐가스 또는 반응열을 이용하여 구동되는 가스엔진(31)을 포함한 실외기(30)가 설치되고, 상기 공동시설(H2)의 실내에는 상기 가스엔진(30)에 의해 구동되면서 냉/온풍을 제공하도록 실내기(40)가 설치된다.

상기 개질기(10)는 버너(미도시)를 이용하여 탄화수소계열의 연료와 반응하기 위한 증기를 발생하는 증기발생단계와, 연료와 수증기가 개질 반응하여 수소를 발생시키는 증기반응단계와, 증기반응단계를 거치면서 부산물로 발생된 일산화탄소를 재반응시켜 수소를 추가 발생시키는 중온수반응단계와, 상기 중온수반응기를 통과한 연료에 공기를 공급하여 그 공기를 촉매로 연료중의 일산화탄소를 제거하는 부분산화반응단계를 차례대로 진행할 수 있도록 이루어진다.

또, 상기 개질기(10)에는 LNG와 같은 탄화수소계열의 연료를 공급하여 탈황공정→개질반응→수소정제공정을 거쳐 정제된 수소(H₂)를 각각의 스택(21~25)에 공 급하도록 연료공급라인()이 연결되고, 상기 개질기(10)에는 반응후 발생되는 폐가스를 상기 가스엔진(31)으로 공급하도록 배기라인(L2)이 연결된다.

상기 스택(21~25)은 전해질막(미도시)을 사이에 두고 연료극과 공기극이 배치되고, 그 연료극과 공기극의 외측면에는 연료유로와 공기유로를 각각 구비한 분리판이 배치되어 단위셀을 이룬다. 상기 복수의 단위셀이 적층되어 상기한 스택(21~25)이 이루어진다.

또, 상기 스택(21~25)에는 그 스택에서 생성된 전기에너지가 가정용 전원으로 변환되도록 하는 전기변환유닛(미도시)이 각각 설치된다. 상기 전기변환유닛은 스택(21~25)에서 생성되는 DC를 스위칭시켜 AC로 만들고 이 AC를 정류하여 다시 DC로 만드는 DC-DC 컨버터와 DC를 다시 AC로 변환하여 각 가구의 AC전원용 전기제품에 공급하는 인버터(Inverter)를 포함하여 이루어진다. 또, 상기 전기변환유닛은 스택(21~25)의 용량에 따라 부하에 단독으로 연결될 수도 있으나 통상 연료전지의 초기운전이나 부하량의 변화에 대응할 수 있도록 기존의 상용전원(Grid)과 연결될 수도 있다.

상기 실외기(30)는 도 1 및 도 2에서와 같이 상기 개질기(10)의 배기라인(L2)을 통해 공급되는 폐가스를 연소시켜 회전력을 발생하는 가스엔진(31)과, 상기 가스엔진(31)에 벨트식으로 연결되어 그 가스엔진(31)의 구동력에 의해 압축기구부가 작동되면서 냉매를 압축하는 압축기(32)와, 상기 압축기(32)의 일측에 연결되어 냉매를 응축하는 실외열교환기(33)와, 상기 실외열교환기(33)와 후술할 실내열교환기(41) 사이에 연결되어 냉매를 감압하는 팽창변(34)으로 이루어진다.

여기서, 상기 압축기(32)에서 압축된 냉매가 실외열교환기(33)로 먼저 이동되도록 하여 공동시설(H2)의 실내공간을 냉방시키거나 또는 실내열교환기(41)로 먼저 이동되도록 하여 상기 실내 공간을 난방시키도록 그 냉매의 유동방향을 전환하는 4방밸브(35)가 설치될 수도 있다.

상기 실내기(40)는 일단은 팽창변(34)을 사이에 두고 실외열교환기(33)에 연결되는 반면 타단은 압축기에 연결되는 실내열교환기(41)가 설치되어 이루어진다.

한편, 도 3에서와 같이 상기 개질기(10)에서 스택(21~25)으로 연료를 공급하는 연료공급라인(L1)의 중간에 히트파이프(40)가 연결되고, 그 히트파이프(40)의 타단은 상기 가스엔진(31)에 연결되어 상기 개질기(10)에서의 반응열이 가스엔진(31)을 구동하는데 활용되도록 할 수도 있다. 여기서, 상기 연료공급라인(L1)의 중간에 수소의 순도를 높이는 수소 분리정제기(PSA; Pressure Swing Adsorption)(50)가 구비되는 경우에는 그 수소 분리정제기(50)의 전위에 상기 히트파이프(40)가 설치되는 것이 보다 많은 열을 용이하게 얻을 수 있어 바람직하다.

상기와 같은 본 발명에 의한 연료전지를 이용한 에너지 공급 장치는 다음과 같은 작용 효과가 있다.

즉, 상기 연료전지의 개질기(10)에서 탄화수소계열의 연료를 개질하여 수소를 정제하고, 이 수소가 상기 각 스택(21~25)의 연료극으로 공급되는 한편 공기가 상기 각 스택(21~25)의 공기극으로 공급됨으로써 상기 연료극에서는 산화반응이, 상기 공기극에서는 환원반응이 일어나게 한다. 이 과정에서 생성되는 전자가 상기 연료극에서 공기극으로 이동하면서 전기에너지가 발생되고, 그 전기에너지는 상기 전기변환유닛에서 교류전기로 전환되어 각각의 가정(H1)으로 공급된다.

이때, 상기 연료전지의 개질기(10)에서 수소가 정제되고 남은 폐가스는 배기라인(L2)을 통해 배출되는데, 이 폐가스는 상기 가스엔진(31)의 실린더로 공급되어 연소되면서 회전력이 발생되고, 이 회전력은 벨트 등으로 연결되는 압축기(32)의 구동축에 전달되어 그 압축기(32)가 구동을 하면서 냉매를 흡입 압축하여 토출하게 된다.

이 냉매는 도 2에서와 같이 냉방운전(실선화살표)을 하는 경우에는 상기 4방밸브(35)를 통해 상기 실외열교환기(33)를 거치면서 응축되었다가 팽창변(34)을 통해 실내열교환기(41)에서 증발되어 다시 4방밸브(35)를 거쳐 압축기(32)로 회수된다. 이 과정에서 상기 실내열교환기(41)는 냉풍을 발생하여 공동시설(H2)의 실내공간에 공급하게 된다.

반면, 도 2에서와 같이 난방운전(점선화살표)을 하는 경우에는 상기 압축기(32)에서 토출되는 냉매가 상기 4방밸브(35)를 통해 상기 실내열교환기(41)를 거치면서 응축되고, 이어서 상기 팽창변(34)을 거쳐 실외열교환기(33)에서 증발된 후 다시 4방밸브(35)를 통해 압축기(32)로 회수된다. 이 과정에서 상기 실내열교환기(41)는 온풍을 발생하여 공동시설(H2)의 실내공간에 공급하게 된다.

아울러, 도 3에서와 같이 상기 개질기(10)에서 수소가 산소와 전기 화학적 반응을 하면서 반응열이 발생되고, 이 반응열은 상기 연료공급라인(L1)에 설치된 히트파이프(40)를 통해 상기 가스엔진으로 공급되어 그 가스엔진(31)이 보다 원활하게 구동될 수 있도록 보조 에너지원으로 활용된다.

이렇게, 상기 개질기에서 수소가 정제되는 과정에서 발생되는 폐가스와 반응열을 이용하여 가스엔진을 구동시키고 이 가스엔진에 공기조화기를 연결하여 특정 공간을 냉/난방할 수 있도록 구성함으로써, 상기 연료전지에서 발생되는 반응 부산물의 활용도를 높여 에너지 효율을 극대화할 수 있다. 특히, 한 개의 개질기에 복수의 스택이 병렬 연결되는 멀티형 공동주택용 연료전지의 경우에는 상기 개질기에서 발생되는 폐가스와 반응열의 열량으로 많은 가구에서 필요로 하는 온수나 난방수를 공급할 수 없어 그 실효성이 낮았으나 상기 폐가스와 반응열을 이용하여 공동주택의 관리실과 같은 소형 GHP(Gas engine Heat Pump)의 가스엔진을 구동하는데 활용함에 따라 폐에너지를 보다 폭넓게 활용할 수 있고 이를 통해 연료전지의 에너지 효율을 극대화할 수 있다.

한편, 전술한 일실시예에서는 공동주택용 연료전지의 경우를 예로들어 살펴보았으나, 경우에 따라서는 도 4에서와 같이 한 개의 스택(20)을 가지는 단독주택용 연료전지에서도 개질기(10)에서 발생되는 폐가스와 반응열을 가스엔진(31)을 구동시키고 이 가스엔진(31)으로 냉/난방기의 냉동사이클을 작동시켜 각 가정에 냉/온풍을 제공할 수 있다. 이에 대한 상세한 설명은 전술한 일례와 대동소이하므로 생략한다.

본 발명에 의한 연료전지를 이용한 에너지 공급 장치는, 개질기에서 발생되는 폐가스와 반응열을 이용하여 가스엔진을 구동하고 이 가스엔진을 이용하여 냉/난방기를 작동시킴으로써, 연료전지에서 발생되는 에너지를 폭넓게 활용할 수 있고 이를 통해 에너지 효율을 극대화할 수 있다.

Claims

연료에서 수소가 정제되는 개질기와, 상기 개질기에서 정제된 수소와 산소의 전기화학적 반응으로 전기에너지와 열에너지가 생성되는 스택을 포함한 연료전지;

상기 개질기의 배기라인에 연결되어 그 개질기에서 반응후 배기되는 가스를 이용하여 구동되는 가스엔진; 및

상기 가스엔진에 기구적으로 연결되어 구동되면서 냉매를 압축하는 압축기와, 그 압축기에 연결되는 실외열교환기와, 그 실외열교환기에 연결되는 팽창기구와, 그 팽창기구에 연결되어 다시 압축기에 연결되는 실내열교환기로 이루어진 공기조화기;를 포함한 연료전지를 이용한 에너지 공급 장치.
제1항에 있어서,

상기 압축기의 출구와 입구 사이에는 냉매의 유동방향을 실외열교환기 또는 실내열교환기 쪽으로 전환할 수 있도록 4방밸브가 설치되는 연료전지를 이용한 에너지 공급 장치.
제1항에 있어서,

상기 개질기는 스택과 분리되어 독립적으로 설치되는 연료전지를 이용한 에너지 공급 장치.
제3항에 있어서,

상기 개질기는 복수의 스택과 병렬 연결되는 연료전지를 이용한 에너지 공급 장치.
제1항에 있어서,

상기 개질기는 스택과 함께 일체형으로 설치되는 연료전지를 이용한 에너지 공급 장치.
제1항에 있어서,

상기 개질기의 출구와 스택의 연료극 사이에는 상기 개질기에서 발생되는 반응열을 흡수하여 상기 가스엔진의 구동원으로 활용될 수 있도록 전열부재가 설치되는 연료전지를 이용한 에너지 공급 장치.
제1항에 있어서,

상기 개질기는 건물의 기계실에 설치되고, 상기 가스엔진과 실외열교환기 그리고 팽창기구는 실외에 설치되며, 상기 실내열교환기는 실내에 설치되는 연료전지를 이용한 에너지 공급 장치.