KR100664076B1

KR100664076B1 - 연료 전지를 이용한 열 공급시스템

Info

Publication number: KR100664076B1
Application number: KR1020050091633A
Authority: KR
Inventors: 김태원; 허성근
Original assignee: 엘지전자 주식회사; 주식회사 엘지화학
Priority date: 2005-09-29
Filing date: 2005-09-29
Publication date: 2007-01-03
Also published as: RU2006134559A; CN1983693A; EP1770806A1; US20070072030A1

Abstract

본 발명의 연료 전지를 이용한 열 공급시스템은 연료 전지와, 상기 연료 전지에서 생성되는 반응열을 유체를 통해 회수하여 저장하는 저장 탱크와, 열공급이 필요한 소정의 공간에 설치된 방열 라인과, 상기 저장 탱크와 방열 라인을 연결하여 저장 탱크의 유체를 방열 라인으로 안내하는 제1 연결 라인과, 상기 방열 라인을 거친 유체가 저장 탱크로 유입되도록 상기 저장 탱크와 방열 라인을 연결하는 제2 연결 라인을 포함하여 구성된다. 이로 인하여, 본 발명은 가정에 전기 에너지를 공급하기 위하여 설치되는 연료 전지에서 발생되는 반응열을 이용하여 가정이나 식당 등의 실내 공기는 물론 특히 실내 바닥을 따뜻하게 유지할 수 있게 됨으로써 오염 물질의 발생을 방지할 뿐만 아니라 가계의 경제적 부담을 줄이면서 가정이나 식당을 난방시킬 수 있도록 한 것이다.

Description

연료 전지를 이용한 열 공급시스템{HEAT SUPPLYING SYSTEM USING FUEL CELL}

도 1, 2는 본 발명의 연료 전지를 이용한 열 공급시스템의 일 실시예를 도시한 구성도,

도 3은 본 발명의 연료 전지를 이용한 열 공급시스템을 구성하는 연료 전지와 저장 탱크의 열교환 구성의 다른 변형예를 도시한 배관도,

도 4는 상기 연료 전지를 이용한 열 공급시스템을 구성하는 방열 라인의 평면도,

도 5는 상기 연료 전지를 이용한 열 공급시스템을 구성하는 보조 방열유닛을 도시한 배관도,

도 6은 본 발명의 연료 전지를 이용한 열 공급시스템의 다른 실시예를 도시한 구성도.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **

100; 연료 전지 200; 저장 탱크

300; 방열 라인 400; 제1 연결 라인

500; 제2 연결 라인 600; 보조 가열유닛

800; 제3 연결 라인

본 발명은 열 공급시스템에 관한 것으로, 특히 가정이나 식당 등에 전기 에너지를 공급하는 연료 전지를 이용하여 오염 물질의 발생을 방지할 뿐만 아니라 유지 비용을 줄이면서 가정이나 식당 등을 난방시킬 수 있도록 한 연료 전지를 이용한 열 공급시스템에 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 발전 장치로서, 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 변환시킨다. 이와 같은 연료 전지는 연료와 산소가 공급되면서 지속적으로 전기 에너지를 발생시키게 되며, 아울러 부산물로 반응열과 물이 생성된다.

상기 연료 전지의 종류는 인산형 연료 전지(Phosphoric Acid Fuel Cell), 알칼리형 연료 전지(Alkaline Fuel Cell), 고분자 전해질형 연료 전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell), 용융 탄산염형 연료 전지(Molten Carbonate Fuel Cell), 고체 산화물형 연료 전지(Solid Oxide Fuel Cell), 직접 메탈올 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell) 등 다양하다.

또한, 상기 연료 전지는 적용 분야에 따라 가정에 전기를 공급하는 가정용 연료 전지와, 전기 자동차에 사용되는 자동차용 연료 전지와, 휴대용 단말기나 노트북 등에 사용되는 소형 연료 전지 등 다양하다.

특히, 가정용 연료 전지는 가정에서 사용하고 있는 가전 제품, 조명 기기 등을 충분히 작동시킬 수 있도록 개발되고 있다.

한편, 사계절의 변화가 있거나 추운 지방의 나라에서는 가정이나 식당 등의 난방을 위하여 에너지원으로 석유, 가스, 석탄 등이 사용되고 있다. 이와 같이 난방용으로 사용되는 연료는 오염 물질을 발생시켜 인체에 유해할 뿐만 아니라 폭발적인 수요의 증가로 가계에 경제적 부담을 가중시키고 있다.

상기한 바와 같은 점을 감안하여 고안한 본 발명의 목적은 가정이나 식당 등에 전기 에너지를 공급하는 연료 전지를 이용하여 오염 물질의 발생을 방지할 뿐만 아니라 유지 비용을 줄이면서 가정이나 식당 등을 난방시킬 수 있도록 한 연료 전지를 이용한 열 공급시스템을 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 연료 전지와, 상기 연료 전지에 공급되는 연료와 산소의 전기 화학적 반응에서 생성되는 반응열을 유체를 통해 회수하여 저장하는 저장 탱크와, 가정이나 식당 등에 배열되어 열교환이 이루어지는 방열 라인과, 상기 저장 탱크와 방열 라인을 연결하여 저장 탱크의 유체를 방열 라인으로 안내하는 제1 연결 라인과, 상기 방열 라인을 거친 유체가 저 장 탱크로 유입되도록 상기 저장 탱크와 방열 라인을 연결하는 제2 연결 라인을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 연료 전지를 이용한 열 공급시스템이 제공된다.

이하, 본 발명의 연료 전지를 이용한 열 공급시스템을 첨부도면에 도시한 실시예에 따라 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 연료 전지를 이용한 열 공급시스템의 일 실시예를 도시한 것이다.

이에 도시한 바와 같이, 본 발명의 연료 전지를 이용한 열 공급시스템은 연료 전지(100)와, 상기 연료 전지(100)에 공급되는 연료와 산소의 전기 화학적 반응에서 생성되는 반응열을 유체를 통해 회수하여 저장하는 저장 탱크(200)와, 가정이나 식당 등의 바닥 내부에 배열되어 열교환이 이루어지는 방열 라인(300)과, 상기 저장 탱크(200)와 방열 라인(300)을 연결하여 저장 탱크(200)의 유체를 방열 라인(300)으로 안내하는 제1 연결 라인(400)과, 상기 방열 라인(300)을 거친 유체가 저장 탱크(200)로 유입되도록 상기 저장 탱크(200)와 방열 라인(300)을 연결하는 제2 연결 라인(500)을 포함하여 구성된다.

상기 연료 전지(100)는 수소를 포함하는 연료와 산소를 포함하는 공기를 지속적으로 공급하면서 그 수소와 산소의 전기 화학적 반응에 의해 전기 에너지와 부산물을 발생시키게 된다. 상기 연료 전지(100)는 그 다양한 종류의 연료 전지가 해당될 수 있다.

상기 연료 전지(100)는 가정이나 식당 등의 창고나 지하실에 설치될 수 있다.

상기 연료 전지(100)의 일예로, 도 2에 도시한 바와 같이, 상기 연료 전지(100)는 연료극(111)과 공기극(112)을 포함하여 구성되며 그 연료극(111)에 공급되는 수소와 공기극(112)에 공급되는 산소의 전기 화학적 반응에 의해 전기 에너지와 부산물을 생성시키는 스택부(110)와, 수소를 포함하는 연료를 공급받아 수소를 정제하여 상기 스택부(110)의 연료극(111)측에 수소를 공급하는 개질부(120)와, 상기 개질부(120)에 수소를 포함하는 연료를 공급하는 연료 공급부(130)와, 상기 개질부(120) 및 스택부(110)의 공기극(112)에 공기를 공급하는 공기 공급부(140)와, 상기 스택부(110)에서 발생되는 전기 에너지를 상용 전원으로 변환시키는 전기 출력부(150)를 포함하여 구성된다.

상기 연료는 LNG, LPG, CH₃OH 등의 탄화수소계(CH계열) 연료(도면은 LNG)이고, 상기 개질부(120)에서는 그 연료를 탈황공정→개질반응→수소정제공정을 거쳐 수소(H₂)만을 정제하여 스택부(110)의 연료극(111)에 공급하게 된다.

상기 저장 탱크(200)에 유체가 채워지며 그 유체는 물인 것이 바람직하다. 상기 저장 탱크(200)는 단열재로 복개됨이 바람직하다.

상기 연료 전지(100)의 스택부(110)에서 발생되는 열을 상기 저장 탱크(200)에 저장하는 구성 중의 하나로, 상기 저장 탱크(200)에 채워진 유체가 상기 연료 전지(100)의 스택부(110)에서 연교환되어 그 저장 탱크(200)로 유입되는 과정을 반복하도록 상기 연료 전지(100)의 스택부(110)에 열교환부(210)가 위치하고 그 열교환부(210)의 일측과 저장 탱크(200)가 유입 라인(220)에 의해 연결되고 그 열교환 부(210)의 타측과 저장 탱크(200)가 유출 라인(230)에 의해 연결된다.

또한, 상기 연료 전지(100)의 스택부(110)에서 발생되는 열을 상기 저장 탱크(200)에 저장하는 구성 중의 다른 하나로, 도 3에 도시한 바와 같이, 상기 스택부(110)에 열교환부(210)를 설치하고 그 열교환부(210)와 저장 탱크(200)사이에 유입 라인(220)과 유출 라인(230)을 연결하며, 또한 그 스택부(110)에서 발생되는 물을 상기 저장 탱크(200)로 유입시키는 보조 유입 라인(240)을 상기 스택부(110)와 저장 탱크(200)사이에 연결한다. 상기 스택부(110)에서 전기 화학적 반응시 생성되는 부산물 중 물은 반응시 생성되는 열의 일부를 포함하여 상기 저장 탱크(200)로 유입된다. 이때, 저장 탱크(200) 또는 제1 연결 라인(400) 또는 제2 연결 라인(500)에 저장 탱크(200)에 유체가 설정된 양 이상으로 채워지게 되면 그 유체를 배출시킬 수 있는 보조 배출라인(미도시)이 필요하게 된다.

상기 제1 연결 라인(400)에 유체를 가열시키는 보조 가열유닛(600)이 구비됨이 바람직하다. 상기 보조 가열유닛(600)은 전기 히터 또는 보조 버너 등이 될 수 있다. 상기 보조 가열유닛(600)은 저장 탱크(200)의 유체 또는 제1 연결 라인(400)을 유동하는 유체가 설정된 온도 이하일 경우 그 유체를 설정된 온도가 되도록 가열하게 된다.

또한 상기 제1 연결 라인(400)에 유체의 유동을 조절하는 유량 조절유닛(410)이 구비되고 그 유량 조절유닛(410)을 제어하는 제어 유닛(420)이 가정 또는 식당의 실내 또는 실외에 구비된다.

상기 방열 라인(300)은, 도 4에 도시한 바와 같이, 가정의 실내 바닥 또는 식당의 실내 바닥 전체에 걸쳐 배치되도록 지그재그 형태로 절곡 형성된다.

상기 방열 라인(300)은 가정이나 식당의 벽에 구비될 수 있고, 또한 벽과 바닥에 모두 구비될 수 있다.

상기 제1 연결 라인(400)에 유체를 강제로 유동시키는 펌프(430)가 구비될 수 있다. 상기 펌프(430)는 저장 탱크(200)와 보조 가열유닛(600)사이에 위치하도록 설치됨이 바람직하다.

상기 저장 탱크(200) 또는 제1 연결 라인(400)에 상기 방열 라인(300)으로 유체의 공급이 중단될 경우 상기 저장 탱크(200)의 열을 외부로 방열시키는 보조 방열유닛이 구비된다. 상기 보조 방열유닛은, 도 5에 도시한 바와 같이, 상기 저장 탱크(200)와 유량 조절유닛(600)사이에 위치하는 제1 연결 라인(400)의 일측에서 분지되어 상기 저장 탱크(200)와 연결되는 순환 라인(710)과 그 순환 라인(710)에 결합되어 유체의 열을 방출시키는 보조 방열라인(720)과 그 순환 라인(710)에 장착되는 개폐 밸브(730)를 포함하여 구성된다.

한편, 본 발명의 다른 실시예로, 도 6에 도시한 바와 같이, 상기 방열 라인(300)을 거친 유체가 저장 탱크(200)로 유입되도록 안내하는 제2 연결 라인(500)을 배제하고, 그 방열 라인(300)을 거친 유체가 연료 전지(100)의 스택부(110)에서 발생되는 열을 바로 전달받도록 상기 방열 라인(300)과 연료 전지(100)의 스택부(110)를 바로 연결하는 제3 연결 라인(800)이 구비된다. 상기 방열 라인(300)과 제3 연결 라인(800)을 통해 유동한 유체는 그 스택부(110)에서 발생되는 열을 전달받아 저장 탱크(200)로 유입된다. 도 2와 동일한 부분에 대하여 동일한 부호를 부여 하였다.

이하, 본 발명의 연료 전지를 이용한 열 공급시스템의 작용을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 연료 공급부(130)를 통해 개질부(120)에 연료가 공급되어 그 개질부(120)에서 수소를 정제하여 스택부(110)의 연료극(111)에 수소를 공급하게 되며, 이와 동시에 공기 공급부(140)를 통해 개질부(120)에 공기가 공급됨과 동시에 스택부(110)의 공기극(112)에 공기가 공급된다. 상기 스택부(110)의 연료극(111)에 공급되는 수소와 공기극(112)에 공급되는 산소가 그 스택부(110)에서 전기 화학적 반응을 일으키면서 전기 에너지와 부산물로 반응열과 물을 생성시키게 된다.

상기 연료 전지(100)의 스택부(110)에서 발생되는 열은 저장 탱크(200)의 유체가 유입 라인(220)과 열교환부(210) 그리고 유출 라인(230)을 통해 순환 유동하면서 저장 탱크(200)에 저장된다. 상기 스택부(110)에서 발생되는 반응열에 의해 가열된 저장 탱크(200)에 저장된 유체는 제1 연결 라인(400)을 통해 가정의 실내 바닥에 설치된 방열 라인(300)으로 유입되고 그 방열 라인(300)을 통해 유체가 유동하면서 외부로 열을 방출시키게 된다. 상기 방열 라인(300)을 통해 외부로 방출된 열에 의해 실내 바닥이 가열되어 그 실내 바닥이 따뜻하게 유지된다.

상기 방열 라인(300)을 통해 유동하면서 외부로 열을 방출시킨 유체는 제2 연결 라인(500)을 통해 저장 탱크(200)로 유입된다. 이와 같이 저장 탱크(200)에 저장된 유체가 순환 과정을 지속적으로 반복하면서 실내의 바닥을 따뜻하게 유지시키게 된다.

가정의 실내 바닥의 온도는 제어 유닛(420)을 통해 유량 제어유닛(410)을 제어함에 의해 조절할 수 있다. 만일, 실내 바닥의 온도를 현재 상태보다 높이게 될 경우 상기 유량 조절유닛(410)을 통해 유동하는 유체의 양을 증가시키고, 실내 바닥의 온도를 현재 상태보다 낮추게 될 경우 유량 조절유닛(410)을 통해 유동하는 유체의 양을 감소시키게 된다.

또한, 가정의 실내 바닥의 설정된 온도가 저장 탱크(200)의 온도보다 높게 될 경우 상기 보조 가열유닛(600)을 통해 유체를 가열하여 방열 라인(300)을 통해 유동하는 유체의 온도를 높이게 된다. 상기 방열 라인(300)을 통해 유동하는 유체의 속도를 높일 경우 펌프(430)를 구동시켜 유체의 유속을 증가시킬 수 있다.

한편, 여름 철과 같이 실외의 온도가 높을 경우 상기 유량 조절유닛(410)을 막아 방열 라인(300)으로 유체가 유동하는 것을 차단시키게 된다. 이와 동시에 보조 방열유닛을 작동시켜 상기 저장 탱크(200)에 저장된 열을 외부로 방열시키게 된다. 즉, 개폐 밸브(730)를 오픈시켜 저장 탱크(200)에 저장된 유체를 순환 라인(710)과 보조 방열 라인(720)을 통해 순환시키면서 저장 탱크(200)내에 저장된 열을 방출시키게 된다. 이때, 필요시 펌프(430)를 작동시켜 유체의 순환 속도를 높여 열 방출 효율을 높일 수 있다.

본 발명의 다른 실시예의 경우 방열 라인(300)을 거치면서 열을 방출한 유체는 제3 연결 라인(800)을 통해 연료 전지(100)로 바로 유동하여 그 연료 전지(100)에서 발생되는 열을 흡수한 다음 저장 탱크(200)로 유입된다.

상기 방열 라인(300)을 가정이나 식당의 실내 벽내부에 설치하게 될 경우 그 실내의 공기를 따뜻하게 가열시키게 된다. 물론 방열 라인(300)이 가정이나 식당의 실내 바닥 내부에 설치하게 될 경우 그 실내의 바닥을 따뜻하게 가열하게 될 뿐만 아니라 실내의 공기를 따뜻하게 가열시키게 된다.

한편, 상기 연료 전지(100)에서 발생되는 전기 에너지는 가정에서 사용되는 가전 제품 및 조명 기기 등에 공급된다.

상기 연료 전지(100)에서 수소와 산소가 전기 화학적 반응이 일어나면서 전기 에너지와 반응열 그리고 물 등을 생성시키게 되므로 환경 오염물질의 배출이 방지된다. 또한, 연료 전지(100)는 수소를 포함하는 가스 연료에서 수소를 정제하여 사용하거나 또는 수소를 포함하는 액체 연료를 직접 사용할 수 있으므로 선택할 수 있는 연료의 폭이 넓게 될 뿐만 아니라 그 사용량이 적게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 연료 전지를 이용한 열 공급시스템은 가정에 전기 에너지를 공급하기 위하여 설치되는 연료 전지에서 발생되는 반응열을 이용하여 가정이나 식당 등의 실내 공기는 물론 특히 실내 바닥을 따뜻하게 유지할 수 있게 됨으로써 오염 물질의 발생을 방지할 뿐만 아니라 가계의 경제적 부담을 줄이면서 가정이나 식당을 난방시킬 수 있는 효과가 있다. 특히, 사계절이 뚜렷하고 석유 의존도가 높은 우리나라의 경우 가격이 비싼 석유 등을 이용하지 않고 가정이나 식당 등을 난방할 수 있어 가계의 에너지 부담을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 석유 에너지의 의존도를 줄일 수 있게 된다.

Claims

연료 전지와;

상기 연료 전지에서 생성되는 반응열을 유체를 통해 회수하여 저장하는 저장 탱크와;

열 공급이 필요한 소정의 공간에 설치된 방열 라인과;

상기 저장 탱크와 방열 라인을 연결하여 저장 탱크의 유체를 방열 라인으로 안내하는 제1 연결 라인과;

상기 방열 라인을 거친 유체가 저장 탱크로 유입되도록 상기 저장 탱크와 방열 라인을 연결하는 제2 연결 라인을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 연료 전지를 이용한 열 공급시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 제1 연결 라인에 유체를 가열시키는 보조 가열유닛이 구비된 것을 특징으로 하는 연료 전지를 이용한 열 공급시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 방열 라인은 가정이나 식당 등의 실내 바닥 내부에 위치하는 것을 특징으로 하는 연료 전지를 이용한 열 공급시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 방열 라인은 지그재그 형태로 절곡 형성된 것을 특징으로 하는 연료 전지를 이용한 열 공급시스템.
연료 전지와;

상기 연료 전지에서 생성되는 반응열을 유체를 통해 회수하여 저장하는 저장 탱크와;

열 공급이 필요한 소정의 공간에 설치된 방열 라인과;

상기 저장 탱크와 방열 라인을 연결하여 저장 탱크의 유체를 방열 라인으로 안내하는 제1 연결 라인과;

상기 방열 라인을 거친 유체가 연료 전지를 거쳐 저장 탱크로 유입되도록 상기 연료 전지와 방열 라인을 연결하는 제3 라인을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 연료 전지를 이용한 열 공급시스템.