KR101387908B1 - 연료전지와 지열히트펌프를 이용한 복합 냉난방 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지와 지열히트펌프를 이용한 복합 냉난방 시스템에 관한 것으로, 연료전지의 여열을 제1순환관에 순환되는 열매체와 열교환시키는 연료전지 열교환부와, 지중에 설치되어 지열과 상기 제1순환관에 순환되는 열매체를 열교환시키는 지중열교환기와, 난방시 또는 냉방시 냉매의 순환경로를 전환시켜 제2순환관의 열매체를 가열 또는 냉각시키는 히트펌프 열교환부와, 상기 제2순환관의 열매체를 이용하여 난방 또는 냉방을 수행하는 부하를 포함한다. 연료전지와 지열히트펌프의 열을 동시에 이용하여 난방을 수행하며, 지열히트펌프를 단독으로 사용하여 냉방을 수행함으로써, 하나의 설비로 냉방과 난방을 동시에 수행할 수 있는 효과가 있다.

Description

연료전지와 지열히트펌프를 이용한 복합 냉난방 시스템{Hybrid air conditioning system with fuel cell and geothermal heat pump}

본 발명은 연료전지와 지열히트펌프를 이용한 복합 냉난방 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료전지에서 발생되는 열과 지열히트펌프의 열을 이용하여 난방을 수행하며, 필요에 따라 지열히트펌프를 사용하여 냉방을 수행할 수 있는 연료전지와 지열히트펌프를 이용한 복합 냉난방 시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 인류가 사용하고 있는 에너지 중 대부분은 화석연료로부터 얻고 있다. 그러나 이러한 화석연료의 사용은 대기오염 및 산성비, 지구 온난화 등의 환경에 심각한 악영향을 미치고 있으며, 에너지 효율도 낮은 등의 문제점이 있었다.

이러한 화석연료의 사용에 따른 문제점을 해결하기 위하여 최근에는 연료전지 시스템이 개발되고 있다. 이러한 연료전지는 통상의 2차 전지와는 다르게 음극에 연료인 수소가스나 탄화수소를 공급하고, 양극에는 산소를 공급하여 전기를 발생시키는 구조를 갖는다.

즉, 연료전지는 명칭은 전지이지만 실제로는 전기를 발생시키는 발전장치로 볼 수 있다. 기본적으로 연료전지는 연료를 연소시키지 않고 수소와 산소를 전기 화학적 반응을 일으키고, 그 반응 전후의 에너지 차이를 전기에너지로 변환하는 방법을 사용한다.

연료전지는 NOx와 SOx등 환경을 오염시키는 가스가 발생되지 않으며 소음과 진동이 없는 시스템으로서 열효율이 전기발전량과 열회수량을 합하여 80%이상인 크린 발전 시스템이라 할 수 있다.

이러한 연료전지의 수소와 산소의 반응은 발열반응으로서, 열이 발생하게 된다. 한편 연료전지는 사용되는 전해질로서 인산이 주로 사용되고 있으며, 이러한 인산형 연료전지의 운전온도는 약 200℃로 알려져 있다. 이는 인산 전해질이 허용하는 최대 온도이며, 연료전지가 반응온도인 200℃에서 가장 수소와 산소의 반응이 원활하게 일어나는 것으로 알려져 있으나, 그 수소와 산소의 발열반응에 의하여 열이 발생하게 됨으로써, 수소와 산소의 반응이 원활하게 되지 않아 효율이 낮아질 수 있다. 따라서 연료전지를 냉각시키는 냉각구조가 필수적으로 요구되고 있다.

또한 연료전지의 다른 예로서 전해질은 낮은 용융점을 가지는 탄화리튬과 탄화포타슘의 혼합물을 사용하는 용해 탄산염형 연료전지가 있다.

용해 탄산염형 연료전지의 운전온도는 약 650℃이며, 이와 같이 높은 운전온도에 의해 상용화가 실질적으로 어려운 문제점이 있다.

이와 같은 연료전지의 여열을 활용하여 주택을 난방하는 시스템이 공개특허 10-2002-0056459호 등에 공개되어 있다. 이와 같은 종래의 연료전지를 이용한 난방시스템은 연료전지에서 발생되는 열로 공급된 물을 가열하여 이를 난방에 사용하는 시스템의 구성을 설명하고 있다.

그러나 앞서 설명한 바와 같이 연료전지는 에너지 효율을 고려할 때 운전온도가 200℃로 유지되어야 하기 때문에 발생되는 열을 모두 회수하여 난방에 사용하기는 어려운 문제점이 있었으며, 우리나라와 같이 4계절이 있는 지역에서는 난방 뿐만 아니라 냉방도 요구되고 있어 이를 동시에 만족시킬 수 없는 문제점이 있었다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 과제는, 연료전지의 여열을 이용할 뿐만 아니라 지열을 복합적으로 이용하여 냉방과 난방을 동시에 수행하며, 난방 효율을 보다 높일 수 있는 연료전지와 지열히트펌프를 이용한 복합 냉난방 시스템을 제공함에 있다.

상기와 같은 과제를 달성하기 위한 본 발명 연료전지와 지열히트펌프를 이용한 복합 냉난방 시스템은, 연료전지와 지열히트펌프를 이용한 복합 냉난방 시스템에 관한 것으로, 연료전지의 여열을 제1순환관에 순환되는 열매체와 열교환시키는 연료전지 열교환부와, 지중에 설치되어 지열과 상기 제1순환관에 순환되는 열매체를 열교환시키는 지중열교환기와, 난방시 또는 냉방시 냉매의 순환경로를 전환시켜 제2순환관의 열매체를 가열 또는 냉각시키는 히트펌프 열교환부와, 상기 제2순환관의 열매체를 이용하여 난방 또는 냉방을 수행하는 부하를 포함한다.

상기 연료전지 열교환부와 상기 제1순환관의 사이에서 열교환 여부를 제어할 수 있는 한 쌍의 제1밸브를 더 포함할 수 있다.

상기 한 쌍의 제1밸브는 상기 연료전지의 동작온도 이하에서는 닫혀, 상기 연료전지의 온도가 동작온도 이하로 낮아지는 것을 방지할 수 있다.

상기 지중열교환기와 상기 제1순환관의 사이에서 열교환 여부를 제어할 수 있는 한 쌍의 제2밸브를 더 포함할 수 있다.

상기 제1순환관에 한 쌍의 제3밸브를 통해 연결되어, 상기 제1순환관의 열매체를 냉각시키는 우수열교환부를 더 포함할 수 있다.

상기 히트펌프 열교환부는 냉매를 압축화는 압축기와, 난방시와 냉방시에 상기 압축기에서 압축된 냉매의 순환방향을 변경하는 사방변 밸브와, 상기 사방변 밸브에 의한 냉매의 순환방향에 따라 응축기 또는 증발기로 각각 작용하는 부하측 열교환기와 열원측 열교환기와, 상기 부하측 열교환기와 상기 열원측 열교환기의 사이에 위치하는 팽창밸브를 포함할 수 있다.

상기 압축기는 상기 연료전지의 전원을 공급받아 동작할 수 있다.

본 발명은 연료전지와 지열히트펌프의 열을 동시에 이용하여 난방을 수행하며, 지열히트펌프를 단독으로 사용하여 냉방을 수행함으로써, 하나의 설비로 냉방과 난방을 동시에 수행할 수 있는 효과가 있다.

또한 연료전지의 운전온도를 고려할 때 연료전지의 여열만을 사용하는 종래 난방시스템에 비하여, 지열히트펌프를 함께 사용하여 난방효율을 보다 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

아울러 본 발명은 히트펌프 열교환부에 포함되는 압축기의 동작에 필요한 전원을 연료전지로부터 공급받아 작동할 수 있어, 친환경적인 냉난방이 가능하며, 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지와 지열히트펌프를 이용한 복합 냉난방 시스템의 구성도이다.
도 2는 도 1에서 히트펌프 열교환부의 상세 구성도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지와 지열히트펌프를 이용한 복합 냉난방 시스템의 구성도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지와 지열히트펌프를 이용한 복합 냉난방 시스템의 구성과 작용을 설명한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지와 지열히트펌프를 이용한 복합 냉난방 시스템 구성도이다.

도 1을 참조하면 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지와 지열히트펌프를 이용한 복합 냉난방 시스템은, 연료전지(10)의 여열을 제1순환관(30)에 순환되는 열매체와 열교환시키는 연료전지 열교환부(11)와, 지중에 설치되어 지열과 상기 제1순환관(30)에 순환되는 열매체를 열교환시키는 지중열교환기(20)와, 난방시 또는 냉방시 냉매의 순환경로를 전환시켜 제2순환관(50)의 열매체를 가열 또는 냉각시키는 히트펌프 열교환부(40)와, 상기 제2순환관(50)의 열매체를 이용하여 난방 또는 냉방을 수행하는 부하(60)를 포함하여 구성된다.

이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 바람직한 실시에에 따른 연료전지와 지열히트펌프를 이용한 냉난방 시스템의 구성과 작용을 난방시와 냉방시로 나누어 보다 구체적으로 설명한다.

먼저, 난방을 수행할 때 연료전지(10)의 여열과 지중열교환기(20)의 지열을 이용하여 난방효율을 높일 수 있다. 연료전지(10)는 외부로부터 천연가스(NG), 합성천연가스(SNG) 등의 원료가스를 공급받아 전기에너지로 전환 시키고, 필요에 따라 축전수단에 축전시킨다. 상기 연료전지(10)에서 수소와 산소의 반응에 의해 전기를 생산하는 과정에서 발생된 열은 연료전지 열교환부(11)를 통해 제1순환관(30)의 열매체를 가열한다.

상기 연료전지 열교환부(11)는 연료전지의 외면을 감싸는 구조일 수 있으며, 상기 연료전지(10)의 여열의 회수율이 우수한 구조이면, 그 구조에 의해 본 발명이 한정되지 않는다.

상기 연료전지 열교환부(11) 측의 제1순환관(30)에는 한 쌍의 제1밸브(V1)가 마련되어 있으며, 선택적으로 제1순환관(30)의 열매체가 연료전지 열교환부(11)측으로 순환될 수 있도록 한다.

또한, 상기 지중열교환기(20)는 겨울에는 상대적으로 온도가 높은 지중의 열을 이용하여 상기 제1순환관(30)의 열매체의 온도를 높이는 역할을 한다. 이때 지중열교환기(20)도 한 쌍의 제2밸브(V2)에 의해 제1순환관(30)에 연결되어지며, 따라서 선택적으로 연료전지(10)의 여열을 이용하거나, 지중열교환기(20)의 지중열을 이용하여 제1순환관(30)의 열매체의 온도를 높일 수 있게 된다.

앞서 설명한 바와 같이 연료전지(10)는 그 종류에 따라 운전온도가 적당한 수준에서 유지되어야 하며, 그 연료전지(10)의 온도가 운전온도인 경우 그 연료전지(10)의 여열을 사용할 수 없게 된다. 이때에는 상기 제1밸브(V1)를 닫아 상기 연료전지(10)의 온도가 낮아지는 것을 방지할 수 있으며, 제2밸브(V2)를 열어 상기 제1순환관(30)의 열매체가 지중열교환기(20)에서 지중열과 열교환되어 온도를 높일 수 있게 된다.

상기 제1순환관(30)에는 제1순환펌프(31)가 마련되어 내부의 열매체가 원활하게 순환될 수 있다.

이처럼 승온된 제1순환관(30)의 열은 냉매의 순환방향을 조정할 수 있는 히트펌프 열교환부(40)의 작용에 의해 제2순환관(50)에 전달된다.

도 2는 도 1에서 히트펌프 열교환부(40)의 상세 구성도이다.

상기 히트펌프 열교환부(40)는 부하측 열교환기(41)와 열원측 열교환기(44)와 사방변 밸브(42)와 압축기(43)와 팽창밸브(45) 및 이들 사이를 연결하는 연결관(46)으로 이루어진다.

상기 사방변 밸브(42)는 히트펌프 열교환부(40)를 순환하는 냉매의 흐름 방향을 반대로 바꿀 수 있으며, 따라서 부하측 열교환기(41)는 열교환을 통해 제2순환관(50)의 열매체를 승온 또는 감온시킬 수 있다. 이와 같은 구조에서 상기 히트펌프 열교환부(40)의 부하측 열교환기(41)가 온도가 높은 경우 반대로 열원측 열교환기(44)의 온도는 낮아지게 된다.

이는 상기 부하측 열교환기(41)와 열원측 열교환기(44)가 각각 냉매회로의 증발기 또는 응축기의 역할을 하기 때문이다.

이를 보다 상세히 설명하며, 상기 연결관(46)은 냉매의 누설을 방지하며 각 구성요소간 냉매의 순환이 가능하도록 하는 것이다. 상기 압축기(43)에서 압축된 냉매는 상기 사방변 밸브(42)에 의해 선택적으로 부하측 열교환기(41) 또는 열원측 열교환기(44)로 공급된다.

상기 압축된 냉매는 고온 고압의 상태가 되며, 난방시에는 상기 사방변 밸브(42)를 통해 냉매가 부하측 열교환기(41)에 공급된다. 상기 부하측 열교환기(41)를 지나는 냉매는 열을 방출하면서 액화된다. 이때 방출하는 열은 제2순환관(50)의 열매체를 가열하게 되며, 결국 부하(60)에서는 난방이 가능하게 된다.

상기 부하측 열교환기(41)를 통해 액화된 냉매는 팽창밸브(45)에서 감압되며, 저온 저압 액화상태의 냉매는 증발기의 역할을 하는 상기 열원측 열교환기(44)로 유입된다. 이 저온 저압 액화상태의 냉매는 다시 열원측 열교환기(44)에서 제1순환관(30)의 열매체와 열교환 된 후 다시 상기 압축기(43)로 공급된다.

상기 히트펌프 열교환부(40)는 상기 냉매의 순환과정을 통해 열을 전달하게 된다.

즉, 난방시에는 부하측 열교환기(41)의 온도가 높아 부하(60)측에 연결된 제2순환관(50)의 열매체 온도를 승온시키는 역할을 하며, 이때 열원측 열교환기(44)는 온도가 낮으며, 그 열원측 열교환기(44)를 지나는 냉매는 상기 연료전지(10)의 여열 및 지중열교환기(20)의 지열에 의해 승온된 제1순환관(30)의 열매체와 열교환되어 온도가 승온 된다.

상기 히트펌프 열교환부(40)의 압축기(43)의 구동전원은 상기 연료전지(10)에서 제공되도록 구성할 수 있으며, 따라서 별도의 전기 에너지를 사용하지 않고도 난방이 가능하게 된다.

본 발명을 이용하여 냉방을 수행하는 경우에는 상기 연료전지(10)의 여열을 제1순환관(30)의 열매체에 전달하는 제1밸브(V1)를 닫은 상태로 운전한다.

상기 지중열교환기(20)의 온도는 냉방이 요구되는 여름철의 대기 온도에 비하여 상대적으로 더 낮은 온도로 상기 제1순환관(30)의 열매체를 냉각시키는 역할을 하게 된다.

냉방시에는 상기 사방변 밸브(42)는 압축기에서 압축된 냉매를 열원측 열교환기(44)로 공급하게 되며, 그 열원측 열교환기(44)를 지나는 냉매는 상기 제1순환관(30)의 열매체에 의해 냉각된다.

상기 팽창밸브(45)를 지나면서 팽창된 냉매는 부하측 열교환기(41)를 지나면서 제2순환관(50)의 열매체와 열교환되어 그 제2순환관(50)의 열매체를 냉각시키는 역할을 한다.

따라서 상기 부하(60)는 냉방을 수행할 수 있게 된다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지와 지열히트펌프를 이용한 복합 냉난방 시스템의 구성도이다.

도 3을 참조하면 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지와 지열히트펌프를 이용한 복합 냉난방 시스템은, 상기 도 1을 참조하여 설명한 구성에서 상기 제1순환관(30)에 한 쌍의 제3밸브(V3)에 의해 연결되는 우수열교환부(70)를 더 포함하여 구성된다.

상기 우수열교환부(70)는 냉방시 작용되도록 할 수 있는 것으로, 우수를 집수하여 그 우수를 통해 상기 제1순환관(30)를 순환하는 열매체의 온도를 낮출 수 있으며, 따라서 냉방시 도 2의 열원측 열교환기(44)의 온도를 더욱 낮출 수 있어 효율을 향상시킬 수 있게 된다.

또한 여름철 상기 연료전지(10)의 열은 축열조를 통해 축적될 수 있으며, 그 축열조의 열은 온수의 공급 등 다양하게 활용할 수 있다.

전술한 바와 같이 본 발명에 대하여 바람직한 실시예를 들어 상세히 설명하였지만, 본 발명은 전술한 실시예들에 한정되는 것이 아니고, 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명에 속한다.

10:연료전지 11:연료전지 열교환부
20:지중열교환기 30:제1순환관
31,51:순환펌프 40:히트펌프 열교환부
41:부하측 열교환기 42:사방변 밸브
43:압축기 44:열원측 열교환기
45:팽창밸브 46:연결관
50:제2순환관 60:부하
70:우수열교환부

Claims (7)

1. 연료전지(10)의 외면을 감싸는 구조로 설치되어 연료전지(10)의 여열을 회수함으로써 제1순환관(30)에 순환되는 열매체와 열교환시키는 연료전지 열교환부(11);
   지중에 설치되어 지열과 상기 제1순환관(30)에 순환되는 열매체를 열교환시키는 지중열교환기(20);
   난방시 또는 냉방시 냉매의 순환경로를 전환시켜 제2순환관(50)의 열매체를 가열 또는 냉각시키는 히트펌프 열교환부(40);
   상기 제2순환관(50)의 열매체를 이용하여 난방 또는 냉방을 수행하는 부하(60);
   상기 연료전지 열교환부(11)와 상기 제1순환관(30) 사이에 설치되어 난방시에는 제 1순환관(30)의 열매체가 열교환부(11) 측으로 순환되도록 개방되고, 냉방시에는 상기 제 1순환관(30)의 열매체가 열교환부(11) 측으로 순환되지 않도록 폐쇄되는 한 쌍의 제1밸브(V1);
   상기 지중열교환기(20)와 상기 제1순환관(30)의 사이에서 열교환 여부를 제어할 수 있는 한 쌍의 제2밸브(V2); 및
   상기 제1순환관(30)에 한 쌍의 제3밸브(V3)를 통해 연결되어, 상기 제1순환관(30)의 열매체를 냉각시키는 우수열교환부(70);를 포함하고,
   상기 제1밸브(V1)는,
   난방시에도 상기 연료전지(10)의 온도가 연료전지(10)의 여열을 사용할 수 없는 운전온도인 경우에 폐쇄되어, 상기 연료전지(10)의 온도가 운전온도 이하로 낮아지는 것을 방지하며,
   상기 히트펌프 열교환부(40)는,
   냉매를 압축화는 압축기(43)와, 난방시와 냉방시에 상기 압축기(43)에서 압축된 냉매의 순환방향을 변경하는 사방변 밸브(42)와, 상기 사방변 밸브(42)에 의한 냉매의 순환방향에 따라 응축기 또는 증발기로 각각 작용하는 부하측 열교환기(41)와 열원측 열교환기(44)와, 상기 부하측 열교환기(41)와 상기 열원측 열교환기(44)의 사이에 위치하는 팽창밸브(45)를 포함하고,
   상기 압축기(43)는,
   상기 연료전지(10)의 전원을 공급받아 동작함으로써 친환경적인 냉난방이 가능하며 비용을 절감할 수 있는 것을 특징으로 하는 연료전지와 지열히트펌프를 이용한 복합 냉난방 시스템.
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