KR100625692B1

KR100625692B1 - 연료전지 구동형 에어컨

Info

Publication number: KR100625692B1
Application number: KR1020000085432A
Authority: KR
Inventors: 윤홍식; 김인규; 김혁덕; 박일권; 박명석; 이성환; 이명호; 황용준
Original assignee: 주식회사 엘지이아이
Priority date: 2000-12-29
Filing date: 2000-12-29
Publication date: 2006-09-20
Also published as: KR20020056124A

Abstract

본 발명은 연료전지 구동형 에어컨에 관한 것으로, 본 발명은 실내측 열교환기 및 송풍팬이 구비되어 실내에 설치되는 실내기부와, 실외측 열교환기 및 송풍팬이 구비되어 상기 실내기와 연결되도록 실외에 설치되는 실외기부와, 혼합 연료를 공급받아 수소가스와 열을 발생시키는 연료 개질기부와, 상기 연료 개질기부에서 발생된 수소가스 및 별도로 공급되는 산소를 공급받아 전기화학반응을 일으키면서 상기 실내기부와 실내기부에 전기에너지를 공급하는 스택부와, 상기 실내기부에서 발생되는 응축수를 상기 스택부로 공급하는 스택 수분공급부를 포함하도록 구성하여 시스템의 설치가 자유롭고 환경 친화적이며 전기에너지로의 변환 효율이 높을 뿐만 아니라 시스템을 구성하는 연료 개질기부에서 발생되는 열을 회수 저장 활용하여 에너지 효율을 보다 높임은 물론 실내측 열교환기에서 발생되는 응축수를 스택부에 공급하여 전기화학반응을 촉진시킴으로써 시스템을 효율적으로 구성하고 구조를 간단하게 할 수 있도록 한 것이다.

Description

연료전지 구동형 에어컨{AIR-CONDITIONER DRIVING BY FUEL CELL}

도 1은 연료전지 구동형 에어컨의 일예를 도시한 측면도,

도 2는 상기 연료전지 구동형 에어컨을 구성하는 스택부의 작동상태를 도시한 단면도,

도 3은 본 발명의 연료전지 구동형 에어컨을 도시한 측면도,

도 4는 본 발명의 연료전지 구동형 에어컨을 구성하는 열 회수부를 도시한 단면도.

(도면의 주요부분에 대한 부호의 설명)

20 ; 실내측 열교환기 30 ; 실내기 송풍팬

50 ; 실외측 열교환기 60 ; 실외기 송풍팬

140 ; 절환부 A ; 실내기부

B ; 실외기부 C ; 연료 개질기부

D ; 스택부 E ; 스택 수분공급부

F ; 열 회수부

본 발명은 연료전지 구동형 에어컨에 관한 것으로, 특히 수소가스와 산소를 공급받아 전기화학반응을 일으키면서 발생되는 전기에너지를 실외기와 실내기로 공급하는 스택부로 순수 공급을 원활하게 할 수 있도록 한 연료전지 구동형 에어컨에 관한 것이다.

일반적으로 에어컨(AIR-CONDITIONER; 일명; 공기 조화기)은 건물에 설치되어 그 건물의 내부 공간을 쾌적한 상태로 유지시키게 시스템이다. 이와 같은 에어컨은 내부에 압축기, 응축기, 팽창기구 그리고 증발기가 순차적인 순환사이클을 이루도록 연결관에 의해 연결된 냉동사이클장치가 내부에 장착되어 상기 응축기에서 방출시키는 열과 증발기에서 형성하는 냉기를 이용하여 실내를 외기에 따라 냉방 또는 난방시키게 된다.

현재는 발전소에서 화력이나 수력에 의해 발전을 일으켜 발생되는 전기를 송전선을 통해 각 지역의 건물, 즉 가정으로 공급되며 그 공급되는 전기를 동력원으로 하여 상기 에어컨을 구동시키고 있다.

그런데 종래의 에어컨은 건물에 공급되는 전원에 의해 구동되므로 전원이 공급되지 않는 지역이나 나라에서 사용을 할 수 없다. 또한, 전기에너지를 얻기 위하여 발전소에서 기름이나 석탄을 연소시켜 전기에너지로 변환되는 효율이 낮을 뿐만 아니라 그 발전소에서 발전된 전기에너지가 건물로 공급되는 과정에서 발생되는 손실 등이 크게되어 상기 에어컨을 운전하는데 사용되는 에너지의 효율이 낮을 뿐만 아니라 기름이나 석탄을 연소시키면서 발생되는 오염 물질에 의해 환경 오염을 유발시키게 되는 문제점이 있다.

따라서, 근래에는 에너지 효율이 우수할 뿐만 아니라 환경 친화적인 전기에너지로 실내를 쾌적한 상태로 유지할 수 있도록 하는 연료전지 구동형 에어컨이 개발되고 있다.

이와 같이 에너지 효율이 우수할 뿐만 아니라 환경 친화적인 제품으로 개발 중에 있는 상기 연료전지 구동형 에어컨의 일예로, 도 1에 도시한 바와 같이, 실내에 설치되는 실내기부(A)와, 상기 실내기부와 연결되어 실외에 설치되는 실외기부(B)와, 혼합 연료가 공급되어 수소를 발생시키는 연료 개질기부(C)와, 상기 연료 개질기부(C)에서 발생되는 수소와 별도로 공급되는 산소의 전기 화학 반응으로 전기와 열을 발생시키는 스택부(D)를 포함하여 구성된다.

상기 실내기부(A)는 소정 형상을 갖는 케이싱(10) 내부에 실내측 열교환기(20)가 장착되고 그 실내측 열교환기(20)의 측부에 송풍팬(30) 및 팬 모터(31)가 구비되어 이루어진다. 상기 실외기부(B)는 소정 형상을 갖는 케이싱(40) 내부에 실외측 열교환기(50)가 장착되고 그 실외측 열교환기(50)의 측부에 송풍팬(60) 및 팬 모터(61)가 장착되며 상기 실외측 열교환기(50)의 측부에 압축기(70)가 장착됨과 아울러 팽창수단(미도시)이 구비되어 이루어진다. 그리고 냉매의 흐름 방향을 조절하는 사방밸브(미도시)가 상기 실내기부(A) 또는 실외기부(B)측에 장착된다. 상기 압축기(70), 실외측 열교환기(50), 팽창수단 그리고 실내측 열교환기(20)는 냉동사 이클 장치를 구성하게 된다.

상기 연료 개질기부(C)와 스택부(D)는 연료전지를 구성하게 되며 그 연료전지의 연료 개질기부(C)는 반응로(80)와 버너(81)를 포함하여 구성되며, 상기 스택부(D)는 연료극(90)과 전해질막(91) 그리고 공기극(92)을 포함하여 구성되는 단위 전지가 다수개 적층되어 이루어진다.

상기한 바와 같은 연료전지 구동형 에어컨의 작동은 다음과 같다.

먼저, 메탄올이나 천연액화가스(일명; LNG) 또는 가솔린 등의 연료와 물을 상기 연료 개질기부(C)에 공급되면 그 연료 개질기부(C)에서 수증기 개질 반응(Steam Reforming) 및 부분 산화 반응(Partial Oxidation)이 복합적으로 일어나면서 수소가스와 반응열을 발생시키게 된다. 그리고 상기 스택부(D)에서는 상기 연료 개질기부(C)에서 공급되는 수소가스와 별도로 공급되는 산소가 전기화학반응을 일으켜 전기와 열과 물을 발생시키게 된다. 상기 스택부(D)의 단위 전지에서 발생되는 전기화학반응을 보다 상세하게 설명하면, 도 2에 도시한 바와 같이, 먼저 상기 수소가스(H₂)가 연료극(Anode; 일명, 산화전극)측에 공급되어 전기 화학적 산화 반응이 일어나면서 수소이온 H⁺ 과 전자 e^-로 이온화되면서 산화된다. 그 이온화된 수소 이온은 전해질막(91)을 통해 공기극(Cathode; 일명, 환원전극)(92)측으로 이동하게 되고 아울러 전자는 연료극(90)을 통해 이동하게 된다. 상기 공기극(92)으로 이동한 수소이온은 공기극(92)으로 공급되는 산소와 전기 화학적 환원 반응을 일으키면서 반응열과 물을 발생시키게 됨과 아울러 전자의 이동으로 전기에너지가 발생된다.

상기 스택부(D)에서 발생되는 전기에너지는 상기 실외기부(B)의 압축기(70) 및 송풍팬(60)의 팬 모터(61) 그리고 상기 실내기부(A)에 장착된 송풍팬(30)의 팬 모터(31)에 각각 공급되어 상기 압축기(70) 및 송풍팬들(30)(60)을 구동시키게 된다.

상기 압축기(70)의 구동에 의해 그 압축기(70)에서 압축된 냉매가 토출되어 상기 실외측 열교환기(50)와 팽창수단 그리고 실내측 열교환기(20)를 거쳐 상기 압축기(70)로 흡입되는 순환과정을 거치면서 상기 실외측 열교환기(50)와 실내측 열교환기(20)에서 열교환이 일어나게 된다. 이때, 상기 실내측 열교환기(20)는 증발기의 역할을 하게 되면서 외부의 열을 흡수하여 냉기를 형성하게 되고, 반대로 상기 압축기(70)에서 토출되는 냉매의 순환과정을 바꾸어 순환시키게 되면 상기 실내측 열교환기(20)가 응축기의 역할을 하게 되면서 외부로 열을 방출하여 열기를 형성하게 된다. 한편, 상기 실내기부(A)의 실내측 열교환기(20)가 외부의 공기와 열교환되는 과정에서 그 실내측 열교환기(20)에 응축수가 발생된다.

그리고 상기 실외측 열교환기(50)와 실내측 열교환기(20)측에 각각 장착된 송풍팬(60)(30)의 구동에 의해 상기 실외측 열교환기(50)와 실내측 열교환기(20)에서 각각 열교환된 냉기 또는 열기가 실내 및 실외로 유동하게 된다.

한편, 상기한 바와 같은 연료전지 구동형 에어컨은 상기 스택부(D)에서 수소가스와 산소를 공급받아 전기화학반응을 일으켜 전기에너지와 열 그리고 물을 발생시키는 과정에서 상기 연료극(90)에서 이온화된 수소이온이 전해질막(91)을 통해 공기극(92)으로 원활한 이동을 하기 위하여 상기 수소 이온 H⁺이 수화된 상태, 즉 H⁺ _aq 로 이동하게 되며 이와 같이 상기 수소 이온이 수화된 상태가 되기 위하여 상기 연료극(90)측의 전해질막(91)에 순수한 상태의 물, 즉 순수를 적절히 공급해 주어야 한다.

상기한 바와 같은 점을 감안하여 안출한 본 발명의 목적은 수소가스와 산소를 공급받아 전기화학반응을 일으키면서 발생되는 전기에너지를 실외기와 실내기로 공급하는 스택부로 순수 공급을 원활하게 할 수 있도록 한 연료전지 구동형 에어컨을 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 실내측 열교환기 및 송풍팬이 구비되어 실내에 설치되는 실내기부와, 실외측 열교환기 및 송풍팬이 구비되어 상기 실내기와 연결되도록 실외에 설치되는 실외기부와, 혼합 연료를 공급받아 수소가스와 열을 발생시키는 연료 개질기부와, 상기 연료 개질기부에서 발생된 수소가스 및 별도로 공급되는 산소를 공급받아 전기화학반응을 일으키면서 상기 실내기부와 실내기부에 전기에너지를 공급하는 스택부와, 상기 실내기부에서 발생되는 응축수를 상기 스택부로 공급하는 스택 수분공급부를 포함하여 구성함을 특징으로 하는 연료전지 구동형 에어컨이 제공된다.

이하, 본 발명의 연료전지 구동형 에어컨을 첨부도면에 도시한 실시예에 따라 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명의 연료전지 구동형 에어컨의 일실시예를 도시한 것으로, 이에 도시한 바와 같이, 상기 연료전지 구동형 에어컨은 먼저 실내기부(A)가 실내에 설치되고 실외기부(B)가 실외에 설치되며, 상기 실내기부(A)는 소정 형상을 갖는 케이싱(10) 내부에 실내측 열교환기(20)가 장착되고 그 실내측 열교환기(20)의 측부에 송풍팬(30) 및 팬 모터(31)가 구비되어 이루어진다. 상기 실외기부(B)는 소정 형상을 갖는 케이싱(40) 내부에 실외측 열교환기(50)가 장착되고 그 실외측 열교환기(50)의 측부에 송풍팬(60) 및 팬 모터(61)가 장착되며 상기 실외측 열교환기(50)의 측부에 압축기(70)가 장착됨과 아울러 팽창수단(미도시)이 구비되어 이루어진다. 그리고 냉매의 흐름 방향을 조절하는 사방밸브(미도시)가 상기 실내기부(A) 또는 실외기부(B)측에 장착된다. 상기 압축기(70), 실외측 열교환기(50), 팽창수단 그리고 실내측 열교환기(20)는 냉동사이클 장치를 구성하게 된다.

그리고 상기 실내기부(A) 또는 실외기부(B)측에 혼합 연료를 공급받아 수소가스를 발생시키는 연료 개질기부(C)가 장착되고 상기 연료 개질기부(C)에서 발생되는 수소가스를 공급받음과 동시에 별도로 산소가 공급되어 그 공급된 수소가스와 산소가 전기 화학 반응을 일으키는 스택부(STACK)(D)가 상기 연료 개질기부(C)와 연결되도록 장착된다. 상기 연료 개질기부(C)는 반응로(80)와 버너(81)를 포함하여 구성되며, 상기 스택부(D)은 연료극(90)과 전해질막(91) 그리고 공기극(92)을 포함하여 구성되는 단위 전지가 다수개 적층되어 이루어진다.

그리고 상기 실내측 열교환기(20)에서 발생되는 응축수를 상기 스택부(D)로 공급하는 스택 수분공급부(E)가 구비된다. 상기 스택 수분공급부(E)는 상기 실내측 열교 환기(20)의 하측에 응축수를 받는 응축수 받이(100)가 장착되며 상기 응축수 받이에 고인 응축수를 상기 스택부(D)로 공급되도록 상기 응축수 받이(100)와 스택부(D)를 연결하는 응축수 공급관(101)이 결합되어 이루어진다. 상기 응축수 공급관(101)은 상기 스택부(D)의 연료 공급 패스에 연통되도록 결합됨이 바람직하고, 상기 응축수 공급관(101)에 응축수의 유량을 조절하는 유량 조절밸브(102)가 장착됨이 바람직하다.

그리고 상기 스택부(D)에서 전기화학반응을 일으키면서 발생되는 물로 상기 열료 개질기부(C)에서 발생되는 열을 회수하는 열 회수부(F)가 구비된다. 상기 열 회수부(F)는, 도 4에 도시한 바와 같이, 상기 연료 개질기부(C)에서 발생되는 반응열을 방출시키도록 그 연료 개질기부(C)에 연결되는 배기관(110)과 상기 스택부(D)에서 발생되는 물을 배출하도록 그 스택부(D)에 연결되는 배수관(120)과 상기 배기관(110)을 감싸도록 결합됨과 아울러 그 일측이 상기 배수관(120)에 연결되도록 결합되어 상기 배수관(120)으로 유출되는 물이 상기 배기관(110)으로 유동하는 가열된 공기와 열교환되도록 하는 전열관(130)을 포함하여 구성된다.

그리고 상기 스택부(D)에서 발생되는 물이 상기 전열관(130)으로 유입되거나 필요에 따라 그 전열관(130)으로 유입시키지 않고 배수관(120)을 통해 배출시킬 수 있도록 상기 배수관(120)에 절환부(140)가 구비된다.

이하, 본 발명의 연료전지 구동형 에어컨의 작용효과를 설명하면 다음과 같다.

먼저, 메탄올이나 천연액화가스(일명; LNG) 또는 가솔린 등의 연료와 물을 상기 연료 개질기부(C)에 공급하게 되면 그 연료 개질기부(C)에서 수증기 개질 반응 및 부 분 산화 반응이 복합적으로 일어나면서 수소가스와 반응열을 발생시키게 된다. 상기 연료 개질기부(C)에서 발생되는 수소가스가 상기 스택부(D)의 연료극으로 공급됨과 동시에 상기 응축수 받이(100)에 고여 있는 응축수가 응축수 공급관(101)을 통해 상기 스택부(D)의 연료극(90)측으로 공급되고 또한 별도로 공급되는 산소가 상기 스택부(D)의 공기극(92)측으로 공급된다. 이때, 상기 스택부(D)로 공급되는 응축수는 실내측 열교환기(20)에 형성된 응축수이므로 순수에 가까운 물이다.

상기 스택부(D)를 구성하는 단위 전지의 연료극(90)측으로 공급된 수소가스가 연료극(90)에서 전기 화학적 산화 반응이 일어나면서 수소이온 H⁺ 과 전자 e^-로 이온화되면서 산화된다. 그 이온화된 수소 이온은 전해질막(91)을 통해 공기극(92)측으로 이동하게 됨과 아울러 상기 전자는 연료극(90)을 통해 이동하게 된다. 상기 공기극(92)으로 이동한 수소 이온은 공기극(92)으로 공급되는 산소와 전기 화학적 환원 반응을 일으키면서 반응열과 물을 발생시키게 됨과 아울러 전자의 이동으로 전기에너지가 발생된다. 이때, 상기 연료극(90)에서 산화된 수소이온이 상기 전해질막(91)을 통해 이동하는 과정에서 상기 연료극(90)측으로 적절하게 공급되는 응축수에 의해 상기 수소이온이 수화된 상태가 되어 이동하게 되므로 수소이온의 이동, 즉 산화와 환원 반응을 촉진시키게 된다.

상기 스택부(D)에서 발생되는 전기에너지는 상기 실외기부(B)의 압축기(70)와 송풍팬의 팬 모터(61) 그리고 실내기부 송풍팬의 팬 모터(31)에 각각 공급되어 상기 압축기(70) 및 송풍팬들(30)(60)을 구동시키게 된다. 상기 압축기(70)의 구동에 의해 그 압축기(70)에서 압축된 냉매가 토출되어 상기 실외측 열교환기(50)와 팽창수단 그리고 실내측 열교환기(20)를 거쳐 상기 압축기(70)로 흡입되는 순환과정을 거치면서 상기 실외측 열교환기(50)와 실내측 열교환기(20)에서 열교환이 일어나게 된다. 이때, 상기 실내측 열교환기(20)는 증발기의 역할을 하게 되면서 외부의 열을 흡수하여 냉기를 형성하게 되고, 그 반대로 상기 압축기(70)에서 토출되는 냉매의 순환과정을 바꾸어 순환시키게 되면 상기 실내측 열교환기(20)가 응축기의 역할을 하게 되면서 외부로 열을 방출하여 열기를 형성하게 된다.

상기 실외측 열교환기(50)와 실내측 열교환기(20)측에 각각 장착된 송풍팬(60)(30)의 구동에 의해 상기 실외측 열교환기(50)와 실내측 열교환기(20)에서 각각 열교환된 냉기 또는 열기가 실내 및 실외로 유동하게 된다.

그리고 상기 실내기부(A)의 실내측 열교환기(20)가 외부의 공기와 열교환되는 과정에서 그 실내측 열교환기(20)에서 응축수가 발생되며 그 실내측 열교환기(20)에서 발생되는 응축수는 그 하측에 위치한 응축수 받이(100)에 고이게 되고 그 응축수 받이(100)에 고이는 응축수는 그 응축수 받이(100)와 연결된 응축수 공급관(101)을 통해 상기 스택부(D)로 공급되어 수소가스와 산소의 전기화학반응을 촉진시키게 된다.

이와 동시에, 상기 연료 개질기부(C)에서 발생되는 반응열에 의한 가열 공기가 상기 배기관(110)을 통해 배기됨과 아울러 상기 스택부(D)에서 발생되는 물이 상기 배수관(120)을 통해 상기 전열관(130)으로 유입되면서 상기 배기관(110)을 통해 유동하는 가열 공기와 열교환되면서 가열 공기의 열을 회수하게 된다. 상기 전열관(130)에서 열교환된 가열된 공기는 찬공기로 배출됨과 아울러 상기 전열관(130)에서 열을 회수 저장한 물은 바로 온수로 사용되거나 난방으로 사용하게 된다.

본 발명은 외부에서 공급되는 별도의 전원이 없이, 시스템을 구성하는 연료 개질기부(C)와 스택부(D), 즉 연료전지에서 발생되는 전기를 실내기부(A)와 실외기부(B)에 공급하면서 실내를 냉방 또는 난방시키게 되므로 전력이 공급되지 않는 곳에서도 설치가 가능하게 됨은 물론 연료, 즉 에너지를 공급하여 전기화학반응에 의해 전기에너지로 변환되어 발생되므로 기존에 발전소에서 에너지를 전기에너지로 변환시켜 공급되는 것보다 에너지 효율이 매우 높고(기존 전력 효율;40%, 열-전력 복합 효율;70%이상임) 환경 친화적이다. 그리고 상기 연료전지의 스택부(D)에서 필요로 하는 순수를 별도로 공급하지 않고 상기 실내기부(A)의 실내측 열교환기(20)에서 발생되는 응축수를 공급하게 됨으로써 별도로 순수를 공급하지 않아도 된다.

또한, 상기 연료 개질기부(C)에서 수소가스를 발생시키는 과정에서 발생되는 반응열을 회수하여 사용하게 되므로 에너지 효율을 높게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 연료전지 구동형 에어컨은 시스템의 설치가 자유롭고 환경 친화적이며 전기에너지로의 변환 효율이 높을 뿐만 아니라 시스템을 구성하는 연료 개질기부에서 발생되는 열을 회수 저장 활용하게 되어 에너지 효율을 보다 높이게 됨으로써 연료의 사용량을 줄이게 되어 경제적이고 또한 실내측 열교환기에서 발생되는 응축수를 스택부에 공급하여 전기화학반응을 촉진시키게 됨으로써 시스템이 효율적이며 구조적으로 간단하게 되는 효과가 있다.

Claims

실내측 열교환기 및 송풍팬이 구비되어 실내에 설치되는 실내기부와, 실외측 열교환기 및 송풍팬이 구비되어 상기 실내기와 연결되도록 실외에 설치되는 실외기부와, 혼합 연료를 공급받아 수소가스와 열을 발생시키는 연료 개질기부와, 상기 연료 개질기부에서 발생된 수소가스 및 별도로 공급되는 산소를 공급받아 전기화학반응을 일으키면서 상기 실내기부와 실내기부에 전기에너지를 공급하는 스택부와, 상기 실내기부에서 발생되는 응축수를 상기 스택부로 공급하는 스택 수분공급부를 포함하여 구성함을 특징으로 하는 연료전지 구동형 에어컨.
제1항에 있어서, 상기 스택부에 이어 그 스택부에서 발생되는 물로 상기 연료 개질기부에서 발생되는 열을 회수하는 열 회수부가 부가된 것을 특징으로 하는 연료전지 구동형 에어컨.
제2항에 있어서, 상기 스택부외 열 회수부사이에 그 스택부에서 발생되는 물이 상기 열 회수부로 흐르도록 하거나 도중에서 바로 유출시킬 수 있도록 하는 절환부가 구비된 것을 특징으로 하는 연료전지 구동형 에어컨.