KR20080029288A - 수소 촉매 연소 버너를 구비한 열 공급 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명의 수소 촉매 연소 버너를 구비한 열 공급 시스템은 촉매가 구비되고 수소와 산소가 공급되어 그 촉매와 함께 촉매 반응을 일으키면서 열 에너지를 발생시키는 수소 버너와, 유체가 내부를 순환 유동하면서 상기 수소 버너에서 발생되는 열 에너지를 실내로 전달하면서 실내를 난방시키는 난방 사이클과, 공급되는 물이 상기 수소 버너에서 발생되는 열 에너지를 전달받아 온수로 공급하는 온수 공급유닛을 포함하여 구성된다. 이로 인하여, 수소 연료를 연소시켜 발생되는 열 에너지로 가정이나 식당 등의 건물에 온수 공급 및 난방을 할 수 있게 되어 오염 물질의 배출을 최소화하면서 열 에너지를 공급하게 될 뿐만 아니라 성능 및 효율 향상으로 인한 에너지의 소모를 줄일 수 있도록 한 것이다.

Description

수소 촉매 연소 버너를 구비한 열 공급 시스템{HEAT SUPPLYING SYSTEM HAVING HYDRIC CATALYST COMBUSTION BURNER}

도 1은 본 발명의 수소 촉매 연소 버너를 구비한 열 공급 시스템의 일실시예를 도시한 배관도,

도 2는 상기 수소 촉매 연소 버너를 구비한 열 공급 시스템을 구성하는 수소 버너를 도시한 단면도,

도 3은 상기 수소 촉매 연소 버너를 구비한 열 공급 시스템을 구성하는 수위 조절유닛을 도시한 정면도,

도 4는 상기 수소 촉매 연소 버너를 구비한 열 공급 시스템를 구성하는 온수 공급유닛을 도시한 배관도,

도 5는 상기 수소 촉매 연소 버너를 구비한 열 공급 시스템을 구성하는 수소 버너의 작동 상태를 도시한 단면도,

도 6은 상기 수소 촉매 연소 버너를 구비한 열 공급 시스템의 작동 상태를 도시한 배관도.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **

100; 수소 버너 110; 버너 몸체

120; 촉매 부재 130; 수소 분사유닛

140; 공기 유로 210; 제1 열교환기

220; 순환 라인 230; 제2 열교환기

240; 유체 저장탱크 250; 수위 조절유닛

251; 유체 유입라인 252; 감지 센서

253,350; 개폐 밸브 260; 펌프

310; 제3 열교환기 320; 물 공급라인

330; 물 배출라인 340; 연결 라인

본 발명은 에너지 공급 시스템에 관한 것으로, 특히 수소 연료를 연소시켜 가정이나 식당 등에 온수 및 난방을 공급할 수 있도록 한 수소 촉매 연소 버너를 구비한 열 공급 시스템에 관한 것이다.

에너지원으로 주로 사용되고 있는 오일은 환경을 오염시키는 주요인이 될 뿐만 아니라 폭발적인 수요의 증가로 인하여 매장량의 한계성을 드러내고 있다. 이와 같은 화석 연료를 대체하기 위한 대안으로 연료 전지의 개발이 진행되고 있다.

연료 전지는 화학적 에너지를 직접 전기 에너지로 전환시키는 것으로, 수소를 포함하는 연료가 지속적으로 공급됨과 동시에 산소가 포함된 공기가 지속적으로 공급되고 그 공급되는 수소와 산소의 전기 화학적 반응을 거쳐 반응 전후의 에너지 차를 전기 에너지로 직접 변환시키고, 또한 반응열과 부산물 등을 발생시킨다.

이와 같은 연료 전지는 자동차에 적용되는 자동차용 연료 전지와, 가정용 에너지 공급원으로 적용되는 가정용 연료 전지, 노트북 컴퓨터 등에 적용되는 소형 연료 전지 등과 같이 그 적용 분야에 따라 종류가 다양하며, 또한 그 적용 분야가 보다 다양해지고 있다.

가정의 에너지원으로 적용되는 가정용 연료 전지 시스템의 경우 그 연료 전지에서 발생되는 전기 에너지를 가정에서 사용되는 조명 기기, 냉장고, 에어컨, 텔레비젼 등에 공급하게 된다.

그리고 가정용 연료 전지 시스템은 수소의 공급을 쉽고 원활하게 하기 위하여 가정으로 공급되는 액화천연가스(LNG; Liqufied Natural Gas; 이하, 엘앤지라고 함)나 액화프로판가스 등의 탄화수소계 가스를 개질하여 생성된 수소를 공급하도록 연구 개발되고 있다. 그 엘앤지는 연료 전지 시스템을 구성하는 개질기를 통해 개질된다.

한편, 상기 가정용 연료 전지 시스템의 개발과 함께 상기 개질기에서 생성된 수소를 연료로 하여 열 에너지를 공급할 수 있도록 하는 한 연구 개발이 진행되고 있다.

특히, 겨울철에 가정이나 식당 등에 온수 공급 및 난방을 위하여 많은 열 에너지를 필요로 하게 되며, 이와 같이 열 에너지가 많이 필요로 할 때 오염 물질의 발생을 최소화하면서 열 에너지를 효과적으로 공급할 수 있는 장치는 필수적이다.

상기한 바와 같은 점을 감안하여 고안한 본 발명의 목적은 수소 연료를 연소 시켜 가정이나 식당 등에 온수 및 난방을 공급할 수 있도록 한 수소 촉매 연소 버너를 구비한 열 공급 시스템을 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 촉매가 구비되고 수소와 산소가 공급되어 그 촉매와 함께 촉매 반응을 일으키면서 열 에너지를 발생시키는 수소 버너와, 유체가 내부를 순환 유동하면서 상기 수소 버너에서 발생되는 열 에너지를 실내로 전달하면서 실내를 난방시키는 난방 사이클과, 공급되는 물이 상기 수소 버너에서 발생되는 열 에너지를 전달받아 온수로 공급하는 온수 공급유닛을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 수소 촉매 연소 버너를 구비한 열 공급 시스템이 제공된다.

이하, 본 발명의 수소 촉매 연소 버너를 구비한 열 공급 시스템을 첨부도면에 도시한 실시예에 따라 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 수소 촉매 연소 버너를 구비한 열 공급 시스템의 일실시예를 도시한 배관도이고, 도 2는 상기 수소 촉매 연소 버너를 구비한 열 공급 시스템을 구성하는 수소 버너를 도시한 단면도이다.

이에 도시한 바와 같이, 상기 수소 촉매 연소 버너를 구비한 열 공급 시스템은 수소 버너(100)와, 난방 사이클 그리고 온수 공급유닛을 포함하여 구성된다.

상기 수소 버너(100)는 내부 공간이 구비된 버너 몸체(110)와, 상기 버너 몸체(110)의 내부 공간에 위치하도록 장착되는 촉매 부재(120)와, 상기 버너 몸체(110)의 내부 공간으로 수소를 분사시키는 수소 분사유닛(130)과, 상기 버너 몸 체(110)의 내부 공간으로 공기를 공급하는 공기 유로(140)를 포함하여 구성된다.

상기 버너 몸체(110)는 원통 형태로 형성되는 내측 원통부(111)와, 상기 내측 원통부(111)의 외경보다 큰 외경을 가지며 그 내측 원통부(111)의 하면에 결합되는 하면부(112)와, 상기 하면부(112)의 외경과 상응하는 외경과 일정 두께를 갖는 원통 형태로 형성되어 상기 내측 원통부(111)가 내부에 위치하도록 상기 하면부(112)에 결합되는 외측 원통부(113)를 포함하여 이루어진다.

상기 공기 유로(140)는 상기 버너 몸체(110)의 일측에 상기 내측 원통부(111)의 내부 공간과 연통되게 형성되는 다수 개의 관통 구멍들일 수 있고, 또한 그 버너 몸체(110)에 관통 결합된 공기 공급관일 수 있다.

상기 수소 분사유닛(130)은 일정 길이를 가지며 수소 연료가 유동하는 수소 유입관(131)과, 상기 수소 유입관(131)과 연결되며 상기 버너 몸체(110)의 내측 원통부 내부 공간에 위치하여 그 수소 유입관(131)으로 유입되는 수소 연료를 버너 몸체(110)의 내부 공간에 분사시키는 노즐(132)을 포함하여 이루어진다.

상기 수소 분사유닛(130)의 수소 유입관(131)에 수소 연료의 흐름을 제어하는 제어 밸브(133)가 장착된다. 상기 수소 유입관(131)은 가정으로 공급되는 엘앤지를 개질시켜 수소를 발생시키는 개질기(미도시)와 연결된다. 상기 개질기는 가정용 연료 전지 시스템을 구성하는 개질기일 수 있다.

상기 촉매 부재(120)는 상기 수소 분사유닛(130)의 상측에 위치하게 된다.

상기 촉매 부재(120)의 일예로, 그 촉매 부재(120)는 섬유 형태의 감마알루 미나(γ-Al₂O₃) 담체에 백금(Pt)이 담지된 형태로 이루어진다.

상기 난방 사이클은 상기 수소 버너(100)측에 구비되어 열 에너지를 공급받는 제1 열교환기(210)와, 상기 제1 열교환기(210)와 연결되어 그 제1 열교환기(210)와 함께 유체가 순환 유동하는 순환 라인(220)과, 상기 순환 라인(220)과 연결되어 실내에 위치하며 상기 제1 열교환기(210)에서 열을 공급받은 유체가 실내로 열을 방열시키는 제2 열교환기(230)와, 상기 순환 라인(220)에 연결되며 유체가 저장되는 유체 저장탱크(240)를 포함하여 구성된다.

상기 수소 버너(100)의 버너 몸체(110)에 상부 케이스(150)가 결합되고 그 상부 케이스(150)에 상기 제1 열교환기(210)가 장착됨이 바람직하다. 상기 상부 케이스(150)에 배기 라인(160)이 연결되며 그 배기 라인(160)을 통해 상기 수소 버너(100)에서 수소가 연소되면서 발생되는 수증기가 배출된다. 그 배기 라인(160)에는 팬(170)이 장착됨이 바람직하다.

상기 순환 라인(220)은 상기 제1 열교환기(210)와 함께 폐 회로를 이루며, 그 순환 라인(220)의 일측이 실내에 위치하고 그 실내에 위치하는 순환 라인(220)의 일측에 제2 열교환기(230)가 연결된다. 상기 제2 열교환기(230)는 실내의 바닥에 구비될 수 있고, 또한 실내 벽에 구비될 수 있다.

상기 유체 저장탱크(240)에는 저장되는 유체의 수위를 조절하는 수위 조절유닛(250)이 구비됨이 바람직하다.

상기 수위 조절유닛(250)의 일실시예로, 도 3에 도시한 바와 같이, 상기 유 체 저장탱크(240)에 연결되는 유체 유입 라인(251)과, 상기 유체 저장탱크(240)에 장착되어 수위를 감지하는 감지 센서(252)와, 상기 감지 센서(252)에 감지되는 수위에 따라 상기 유체 유입 라인(251)을 개폐하는 개폐 밸브(253)를 포함하여 구성된다.

상기 유체 유입 라인(251)은 상기 유체 저장탱크(240)에 연결되는 상기 순환 라인(220)보다 높게 위치하게 되며 그 감지 센서(252)는 유체 유입 라인(251)과 순환 라인(220) 사이에 위치하도록 상기 유체 저장탱크(240)에 장착된다.

상기 수위 조절유닛(250)은 상기 유체 저장탱크(240)에 채워진 수위가 하측에 위치하는 감지 센서(252)이하로 내려가게 되면 유체 유입 라인(251)에 장착된 개폐 밸브(253)가 오픈되어 유체 저장탱크(240) 내부로 유체가 유입되고 그 유체 저장탱크(240)의 수위가 감지 센서(252) 이상으로 올라가게 되면 개폐 밸브(253)가 닫혀 그 유체 저장탱크(240)로의 유체 유입을 차단시키게 된다. 이로 인하여, 그 유체 저장탱크(240)의 수위가 일정 범위 내로 유지된다.

상기 순환 라인(220)에는 유체의 유동을 촉진시키는 펌프(260)가 구비됨이 바람직하다. 상기 펌프(260)의 작동에 의해 순환 라인(220)의 유체 유동이 보다 원활하게 된다.

상기 온수 공급유닛은 상기 수소 버너(100)측에 구비되어 그 수소 버너(100)에서 발생되는 열을 공급받는 제3 열교환기(310)와, 상기 제3 열교환기(310)에 연결되어 그 제3 열교환기(310)로 물이 유입되는 물 공급 라인(320)과, 상기 제3 열교환기(310)와 연결되어 그 제3 열교환기(310)로 유입되어 가열된 물이 배출되는 물 배출 라인(330)을 포함하여 구성된다.

상기 제3 열교환기(310)는 상기 수소 버너(100)의 버너 몸체(110)에 결합되는 상부 케이스(150)에 결합됨이 바람직하다.

상기 물 공급 라인(320)은 가정이나 건물로 유입되는 수도관(미도시)과 연결되며, 상기 물 배출 라인(330)은 가정이나 건물로 공급되는 온수 라인과 연결된다.

상기 물 공급 라인(320)으로 유입되는 물이 바로 물 배출 라인(330)으로 통하도록 물 공급 라인(320)과 물 배출 라인(330)을 연결하는 연결 라인(340)과, 상기 연결 라인(340)에 장착되어 그 연결 라인(340)을 개폐하는 개폐 밸브(350)가 구비될 수 있다. 상기 물 공급 라인(320)으로 공급되는 물을 제3 열교환기(310)를 거치지 않고 바로 물 배출 라인(330)으로 배출시키고자 할 때, 도 4에 도시한 바와 같이, 상기 연결 라인(340)에 장착된 개폐 밸브(350)를 오픈시키게 되면 그 물 공급 라인(320)으로 유입되는 물이 연결 라인(340)을 거쳐 물 배출 라인(330)으로 배출된다. 그리고 상기 물 공급 라인(320)으로 유입되는 물이 제3 열교환기(310)를 거치게 될 경우 상기 연결 라인(340)에 장착된 개폐 밸브(350)를 닫힌 상태가 된다.

이하, 본 발명의 수소 촉매 연소 버너를 구비한 열 공급 시스템의 작용효과를 설명하면 다음과 같다.

먼저, 하우스로 공급되는 엘앤지가 개질기를 통해 개질되면서 수소 연료를 생성시키게 된다. 그리고, 도 5에 도시한 바와 같이, 상기 개질기에서 생성된 수소 연료는 수소 분사유닛(130)의 수소 유입관(131)에 장착된 제어 유닛(133)이 수소 분사유닛(130)의 수소 유입관(131)을 오픈시킴에 따라 수소 분사유닛(130)의 수소 유입관(131)을 통해 노즐(132)로 유입된다. 상기 수소 분사유닛(130)의 노즐(132)로 유입된 수소 연료는 그 노즐(132)의 분사공을 통해 버너 몸체(110)의 내부 공간으로 분사된다.

상기 버너 몸체(110)의 내부 공간으로 분사된 수소 연료는 촉매 부재(120)로 유입되며 그 촉매 부재(120)로 유입된 수소는 그 촉매 부재(120)에서 1차적으로 화학 반응을 일으키고 그 촉매 부재(120)의 표면에서 공기 유로(140)로 유입되는 공기 중의 산소와 2차 화학 반응을 일으키게 된다. 이와 같은 과정을 거치면서 수소 연료가 연소하면서 열 에너지를 발생시키게 된다.

상기 수소 버너(100)에서 발생되는 열 에너지는 상기 제1 열교환기(210)와 제3 열교환기(310)로 전달되어 그 제1 열교환기(210)를 통해 유동하는 유체에 열이 전달될 뿐만 아니라 제3 열교환기(310)를 통해 유동하는 물에 열이 전달된다.

한편, 상기 난방 사이클을 구성하는 유체 저장탱크(240)에 저장된 유체는, 도 6에 도시한 바와 같이, 순환 라인(220)을 통해 제1 열교환기(210)와 제2 열교환기(230)를 거쳐 유동하면서 그 유체 저장탱크(240)로 유입되는 과정을 반복하게 되며, 그 과정에서 유체가 제1 열교환기(210)를 거치면서 열교환되어 열을 흡수 가열되며 그 가열된 유체는 제2 열교환기(230)를 거치면서 외부로 열을 방출시키게 된다. 이와 같은 순환 과정이 반복되면서 실내에 위치하는 상기 제2 열교환기(230)에서 열을 지속적으로 방출시킴에 따라 그 실내를 난방시키게 된다. 상기 난방 사이클 내부에 유지되는 유체는 수위 조절유닛(250)에 의해 일정 양으로 유지된다.

그리고 상기 온수 공급유닛은 수도관을 통해 물 공급 라인(320)으로 공급되는 물은 제3 열교환기(310)를 거치면서 열교환되어 열을 흡수 가열되며 그 가열된 물은 물 배출 라인(330)을 통해 가정이나 건물이 공급된다.

이와 같이 본 발명은 수소 버너(100)의 수소 분사유닛(130)에서 분사되는 수소 연료와 촉매 부재(120)의 반응 및 산소와의 화학 반응에 의해 수소 연료가 연소되면서 열 에너지를 발생시키게 된다. 상기 수소 버너(100)는 수소 연료가 연소되면서 열 에너지를 발생시키게 되므로 공기 오염 물질의 배출을 최소화하게 된다.

또한, 가정용 연료 전지 시스템에 함께 적용될 경우 그 연료 전지 시스템을 구성하는 개질기에서 개질된 수소 연료의 일부를 공급받아 그 수소 연료를 연소시켜 가정이나 빌딩에 열 에너지를 공급할 수 있게 된다.

아울러, 가정용 연료 전지 시스템에 함께 적용될 경우 그 가정용 연료 전지 시스템에서 발생되는 전기 에너지를 가정에 공급하게 될 뿐만 아니라 그 연료 전지에서 발생되는 반응열과 함께 가정에서 필요로 하는 온수나 난방을 필요한 열을 충분히 공급할 수 있게 된다.

또한, 본 발명을 구성하는 수소 버너(100)는 저온에서 촉매 연소가 가능하게 됨으로써 예열이 필요없게 될 뿐만 아니라 낮은 온도에서 점화가 가능하게 되어 고온의 열을 빠른 시간내에 공급할 수 있게 된다. 일반적으로 엘앤지를 연소시켜 열 에너지를 발생시키는 엘앤지 연소 버너의 경우 오염 물질이 배출되고 초기 점화시 예열을 해야하기 때문에 성능이 저하된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 수소 촉매 연소 버너를 구비한 열 공급 시스템은 수소 연료를 연소시켜 발생되는 열 에너지로 가정이나 식당 등의 건물에 온수 공급 및 난방을 할 수 있게 됨으로써 오염 물질의 배출을 최소화하면서 열 에너지를 공급하게 될 뿐만 아니라 성능이 우수하게 되어 에너지의 소모를 줄일 수 있는 효과가 있다.

Claims (8)

1. 촉매가 구비되고 수소와 산소가 공급되어 그 촉매와 함께 촉매 반응을 일으키면서 열 에너지를 발생시키는 수소 버너와;

   유체가 내부를 순환 유동하면서 상기 수소 버너에서 발생되는 열 에너지를 실내로 전달하면서 실내를 난방시키는 난방 사이클과;

   공급되는 물이 상기 수소 버너에서 발생되는 열 에너지를 전달받아 온수로 공급하는 온수 공급유닛을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 수소 촉매 연소 버너를 구비한 열 공급 시스템.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 수소 버너는 내부 공간이 구비된 버너 몸체와, 상기 버너 몸체의 내부 공간에 위치하도록 장착되는 촉매 부재와, 상기 버너 몸체의 내부 공간으로 수소를 분사시키는 수소 분사유닛과, 상기 버너 몸체의 내부 공간으로 공기를 공급하는 공기 유로를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 수소 촉매 연소 버너를 구비한 열 공급 시스템.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 난방 사이클은 상기 수소 버너측에 구비되어 열 에너지를 공급받는 제1 열교환기와, 상기 열교환기와 연결되어 그 열교환기와 함께 유체가 순환 유동하는 순환 라인과, 상기 순환 라인과 연결되어 실내에 위치하며 상기 제1 열교환기에서 열을 공급받은 유체가 실내로 열을 방열시키는 제2 열교환 기와, 상기 순환 라인에 연결되며 유체가 저장되는 유체 저장탱크를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 수소 촉매 연소 버너를 구비한 열 공급 시스템.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 순환 라인에는 유체의 유동을 촉진시키는 펌프가 구비된 것을 특징으로 하는 수소 촉매 연소 버너를 구비한 열 공급 시스템.
5. 제 3 항에 있어서, 상기 유체 저장탱크에는 저장되는 유체의 수위를 조절하는 수위 조절유닛이 구비된 것을 특징으로 하는 수소 촉매 연소 버너를 구비한 열 공급 시스템.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 수위 조절유닛은 상기 유체 저장탱크에 연결되는 유체 유입 라인과, 상기 유체 저장탱크에 장착되어 수위를 감지하는 감지 센서와, 상기 유체 유입 라인에 장착되며 상기 감지 센서에 감지되는 수위에 따라 상기 유체 유입 라인을 개폐하는 개폐 밸브를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 수소 촉매 연소 버너를 구비한 열 공급 시스템.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 온수 공급유닛은 상기 수소 버너측에 구비되어 그 수소 버너에서 발생되는 열을 공급받는 제3 열교환기와, 상기 제3 열교환기에 연결되어 그 제3 열교환기로 물이 유입되는 물 공급 라인과, 상기 제3 열교환기와 연결되어 그 제3 열교환기에서 가열된 물이 배출되는 물 배출 라인을 포함하여 구성됨 을 특징으로 하는 수소 촉매 연소 버너를 구비한 열 공급 시스템.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 물 공급 라인으로 유입되는 물이 바로 물 배출 라인으로 통하도록 물 공급 라인과 물 배출 라인을 연결하는 연결 라인과, 상기 연결 라인에 장착되어 그 연결 라인을 개폐하는 개폐 밸브가 더 구비된 것을 특징으로 하는 수소 촉매 연소 버너를 구비한 연 공급 시스템.

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