KR100689335B1 - 연료전지를 이용한 냉난방 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지를 이용한 냉난방 장치에 관한 것으로, 본 발명은 수소탱크에 연결된 수소합금 저장용기를 응축용 축열탱크를 통해 난방시스템에 연결시킴과 아울러 증발용 축열탱크를 통해 냉방시스템에 연결시킴으로써, 상기 수소합금 저장용기의 금속이 수소와 결합되면서 발생되는 열을 이용하여 난방시스템을 구동시키거나 또는 수소합금 저장용기의 수소저장합금이 수소와 분리될 때 외부로부터 열을 흡수하는 것을 이용하여 냉방시스템을 구동하도록 하여 별도의 상용전기를 사용하지 않고도 냉난방장치를 구동시킬 수 있게 됨에 따라 상용전기의 공급을 위한 설비투자 및 이에 따른 환경파괴를 미연에 방지할 수 있고, 연료전지 시스템의 구동시 발생되는 각종 폐열(廢熱)을 재활용함에 따라 에너지 이용율이 향상된다.

Description

연료전지를 이용한 냉난방 장치{FUEL CELL HEATING AND COOLING APPARATUS}

도 1은 본 발명 연료전지를 이용한 냉난방 장치의 일례를 보인 개략도.

도 2a는 본 발명 연료전지를 이용한 냉난방 장치를 난방시스템으로 활용한 상태를 보인 개략도.

도 2b는 본 발명 연료전지를 이용한 냉난방 장치를 냉방시스템으로 활용한 상태를 보인 개략도.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **

11 : 수소탱크 12 : 수소합금 저장용기

13 : 스택 14 : 전력변환기

15 : 응축용 축열탱크 16 : 증발용 축열탱크

17 : 난방시스템 18 : 냉방시스템

19 : 제어기 20,21 : 제1,제2 수소량 제어밸브

본 발명은 연료전지를 이용한 냉난방 장치에 관한 것으로, 특히 수소저장합금이 수소를 흡수할 때 발생되는 반응열을 활용하거나 또는 수소저장합금에서 수소가 방출될 때 발생되는 흡수열을 활용하는 연료전지를 이용한 냉난방 장치에 관한 것이다.

일반적인 냉방용 공기조화 장치는 발전소로부터 송배전된 상용전기를 이용하여 구동되는 것으로, 이러한 냉방용 공기조화 장치는 발전소에서 송배전된 상용전기에 의해 압축기에서 냉매가스를 압축하고 이 압축된 냉매가스를 응축용 열교환기와 증발용 열교환기로 순환시키면서 발생되는 냉매가스의 상변화를 이용하여 증발시 생성되는 차가운 공기를 실내로 공급하거나 또는 응축시 생성되는 더운 공기를 실내로 공급함으로써 냉방 및 난방을 실시하도록 하는 것이었다.

그러나, 상기와 같은 종래의 냉난방 장치는 전술한 바와 같이 발전소로부터 송배전된 상용전기를 이용하여야 하므로 이에 필요한 발전설비는 물론 송배전 설비 등 냉난방 장치를 구동시키는데 필요한 기본적인 설비투자가 과다하게 소요되는 원천적인 문제점을 안고 있었다.

또한, 이러한 발전설비 및 송배전설비 등이 장기적으로는 생활환경을 파괴하는 한 요인으로 기능하게 되므로 가능한한 발전설비 및 송배전설비의 신설을 줄여야 함에도 불구하고 해마다 급수적으로 확대되는 전력소비량에 비례하여 상기한 설 비의 신설이 오히려 증가되고 있는 실정에 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 냉난방 장치가 가지는 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 냉난방 장치를 구동시키는데 필요한 설비투자 및 환경파괴시설을 획기적으로 줄일 수 있는 연료전지를 이용한 냉난방 장치를 제공하려는데 그 목적이 있다.

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 전해질을 사이에 두고 한 쌍의 전극이 배치되고 그 중 연료극에는 수소 또는 수소를 함유하는 연료물질이 접촉되는 반면 공기극에는 산소를 함유하는 산화물질이 접촉되는 과정에서 전기와 열이 발생되는 전기발생부와, 상기 전기발생부에 연결되어 상기 전기발생부에서 발생되는 폐열을 이용하여 수소가 분리되고 상기 분리된 수소가 상기 전기발생부에 공급되도록 수소저장합금이 저장된 수소합금 저장부와, 상기 전기발생부에 연결되어 상기한 전기발생부에서 수소와 산소의 전기화학적 반응시 발생되는 폐열을 저장하는 응축용 축열수단과, 상기 응축용 축열수단에 결합되어 상기한 폐열을 실내로 유도하여 난방을 실시할 수 있는 난방수단을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지를 이용한 냉난방장치가 제공된다.

또한, 상기 수소합금 저장용기의 일측에는 수소가스가 저장된 수소탱크가 단속 가능하게 배치되고, 상기 수소탱크로부터 수소합금 저장용기로 공급되는 수소가 수소저장합금에 흡수될 때 발생되는 폐열이 상기한 응축용 축열수단에 저장되도록 그 응축용 축열수단이 수소합금 저장용기에도 연결되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지를 이용한 냉난방 장치가 제공된다.

또한, 상기 수소합금 저장용기에는 그 내부의 수소저장합금이 외부의 열을 흡수하면서 수소를 방출할 때 상기한 수소합금 저장용기에 열을 빼앗겨 냉각되는 증발용 축열수단이 연결되고, 상기 증발용 축열수단에는 상기한 수소 방출시 발생되는 냉기를 이용하여 실내를 냉방하는 냉방수단이 연결되어 이루어지는 것을 특징을 하는 연료전지를 이용한 냉난방 장치가 제공된다.

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

도 1은 본 발명 연료전지를 이용한 냉난방 장치의 일례를 보인 개략도이고, 도 2a는 본 발명 연료전지를 이용한 냉난방 장치를 난방시스템으로 활용한 상태를 보인 개략도이며, 도 2b는 본 발명 연료전지를 이용한 냉난방 장치를 냉방시스템으로 활용한 상태를 보인 개략도이다.

이에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 연료전지를 이용한 냉난방 장치는, 일정량의 수소가 충진되어 있는 수소탱크(11)와, 상기 수소탱크(11)에 연결되고 수소저장합금이 수납되어 있는 수소합금 저장용기(12)와, 상기 수소합금 저장용기(12)에 연결되어 그 수소합금 저장용기(12)로부터 공급되는 수소 및 이 수소와는 별도로 공급되는 산소의 전기화학적 반응이 일어나면서 전기와 열을 발생시키는 스택(13)과, 상기 스택(13)에 연결되어 그 스택(13)에서 얻어진 직류전기를 교류전기로 변환시키는 전력변환기(14)와, 상기 수소합금 저장용기 및 스택(13)에 함께 연결되어 그 수소합금 저장용기에서 수소의 분리시 발생되는 열이나 스택(13)에서 발생되는 반응열을 저장하는 응축용 축열탱크(15)와, 상기 수소합금 저장용기(12)에 연결되어 그 수소합금 저장용기(12)에서 수소의 흡수시 열교환되면서 냉각되는 증발용 축열탱크(16)와, 상기 응축용 축열탱크(15)에 연결되어 실내로 연장되는 난방시스템(17)과, 상기 증발용 축열탱크(16)에 연결되어 실내로 연장되는 냉방시스템(18)을 포함하여 구성된다.

상기 수소탱크(11)와 수소합금 저장용기(12) 사이의 수소공급라인(미부호)에는 별도의 제어기(19)에 의해 조절되는 제1 수소량 제어밸브(20)가 장착되고, 상기 수소합금 저장용기(12)와 스택(13) 사이의 수소공급라인(미부호)에는 상기한 제어기(19)에 의해 조절되는 제2 수소량 제어밸브(21)가 장착된다.

상기 수소합금 저장용기(12)는 응축용 축열탱크(15)에 스택(13)과는 별도로 연결됨과 아울러 전술한 바와 같이 증발용 축열탱크(16)와도 연결된다.

상기 난방시스템(17)과 냉방시스템(18)은 그 내부에 전열매체가 순환하는 통상적인 열교환기 형태로 적용할 수 있으며, 상기 난방시스템(17)과 냉방시스템(18)이 한 개의 열교환기를 공용하도록 할 수도 있다. 특히, 상기 난방시스템(17)은 공기조화 장치만이 아니라 보일러와 같은 난방이나 온수를 이용하는데도 활용할 수 있다.

한편, 상기 스택(13)은 전해질막(미도시)을 사이에 두고 그 양쪽에는 각각 수소 또는 수소를 함유한 연료물질이 공급되는 연료극(또는, 양극)(anode)(미도시)과 산소를 함유하는 산화제가 공급되는 공기극(또는, 음극)(cathode)(미도시)이 배 치되어 이루어진다.

상기와 같은 본 발명 연료전지를 이용한 냉난방 장치는 다음과 같은 작용효과를 갖는다.

즉, 상기 수소합금 저장용기(12)에 수납되어 있던 수소저장합금이 주변으로부터 열을 흡수하면서 반응하여 아래 식①에서와 같이 수소(H₂)와 금속(M)으로 분리되고, 이 분리된 수소(H₂)가 제어기(19)에 의해 열린 제2 수소량 제어밸브(21)를 통과하여 스택(13)의 연료극(미도시)으로 공급되며, 이와 동시에 상기 스택(13)의 공기극(미도시)으로는 산소(O₂)가 공급되어 그 산소(O₂)가 수소(H₂)와 전기화학적으로 반응을 하면서 전기와 열이 발생되고, 이 중 전기는 전력변환기(14)를 통해 교류전기로 전환되어 상용전원화되는 반면 열은 응축용 축열탱크(15)에 저장되었다가 그 일부는 수소합금 저장용기(12)로 공급되는 한편 나머지는 난방시스템(17)으로 전달된다.

이와 함께, 상기 수소합금 저장용기(12)에서는 아래 식②에서와 같이 수소저장합금(MH)이 수소(H₂)를 방출하면서 외부로부터 열을 흡수하게 되므로 그 수소합금 저장용기(12)에 연결된 증발용 축열탱크(16)가 냉각되어 냉방시스템(18)으로 전달된다.

한편, 상기 제어기(19)에 의해 제2 수소량 제어밸브(21)가 닫힘과 동시에 제1 수소량 제어밸브(20)가 열리면서 수소탱크(11)로부터 수소가 수소합금 저장용기(12)로 공급되면, 그 수소합금 저장용기(12)에 수납되어 있던 수소저장합금(M)이 아래 식①에서와 같이 수소(H₂)를 흡수하면서 외부로 열을 방출하게 되고, 이 열은 상기한 응축용 축열탱크(15)에 저장되면서 난방시스템으로 전달된다.

M + 1/2H₂ → MH + Q - - - - - - ①

M + 1/2H₂ ← MH + Q - - - - - - ②

여기서, 본 발명의 냉난방 장치가 난방용으로 사용되는 경우는 도 2a에 도시된 바와 같이, 상기 스택(13)으로부터 수소합금 저장용기(12)로 공급되는 열은 그 수소합금 저장용기(12)에 수납되어 있던 수소저장합금(MH)을 반응시켜 수소(H₂)를 지속적으로 생산하도록 하는 역할을 하는 반면, 상기 난방시스템(17)으로 전달되는 열은 통상적인 난방용 열교환기(미도시)를 통해 실내로 더운 공기를 제공하는 공조용 난방원으로 활용되거나 또는 통상적인 보일러를 통해 실내의 바닥을 덥히거나 온수를 이용할 수 있게 하는데 활용된다.

반면, 본 발명의 냉난방 장치가 냉방용으로 사용되는 경우는 도 2b에 도시된 바와 같이, 상기 수소합금 저장용기(12)의 수소저장합금(MH)이 수소(H₂)와 금속(M)으로 분리되면서 증발용 축열탱크(16)로부터 열을 흡수하게 되므로, 이 수소합금 저장용기(12)에 연결된 증발용 축열탱크(16)가 상기한 수소합금 저장용기(12)로 열을 빼앗겨 냉각되면서 냉기를 발생하게 되고, 이 냉기는 전열매체를 통해 냉방시스템(18)으로 전달되어 냉방용 열교환기(미도시)를 통해 냉방원으로 활용된다.

참고로, 상기 실내에 구비된 냉방용 열교환기나 난방용 열교환기 또는 냉난방용 열교환기의 공기를 실내로 균일하게 공급할 수 있도록 하기 위하여는 그 실내 열교환기의 일측에 송풍팬(미도시)이 장착되는 것이 바람직한데, 이 송풍팬은 상기한 연료전지 시스템의 전력변환부(14)와 전기적으로 연결되어 연료전지 시스템로부터 발생되는 전기로 구동되므로 상용전원의 사용을 크게 줄일 수 있다.

이렇게 하여, 냉난방에 필요한 전기를 개별적으로 얻을 수 있게 됨과 아울러 이 전기를 얻는 중에 발생되는 방출열 및 흡수열을 건물내 열교환기으로 전달하여 냉난방에 활용함에 따라 거대한 발전시설이나 송배전시설의 신설을 줄이거나 억제할 수 있게 되고, 이를 통해 설비건설에 투여되는 비용의 절감은 물론 이로 인한 환경의 파괴를 미연에 방지할 수 있다.

또한, 연료전지 시스템의 구동시 발생되는 방출열 및 흡수열을 재활용하여 난방/온수는 물론 냉방에도 활용함에 따라 에너지 이용율이 현저하게 향상된다.

본 발명에 의한 연료전지를 이용한 냉난방 장치는, 별도의 상용전기를 사용하지 않고도 냉난방장치를 구동시킬 수 있게 됨에 따라 상용전기의 공급을 위한 설비투자 및 이에 따른 환경파괴를 미연에 방지할 수 있고, 연료전지 시스템의 구동시 발생되는 각종 폐열(廢熱)을 재활용함에 따라 에너지 이용율이 향상된다.

Claims (3)

1. 전해질을 사이에 두고 한 쌍의 전극이 배치되고 그 중 연료극에는 수소 또는 수소를 함유하는 연료물질이 접촉되는 반면 공기극에는 산소를 함유하는 산화물질이 접촉되는 과정에서 전기와 열이 발생되는 전기발생부와,

   상기 전기발생부에 연결되어 상기 전기발생부에서 발생되는 폐열을 이용하여 수소가 분리되고 상기 분리된 수소가 상기 전기발생부에 공급되도록 수소저장합금이 저장된 수소합금 저장부와,

   상기 전기발생부에 연결되어 상기한 전기발생부에서 수소와 산소의 전기화학적 반응시 발생되는 폐열을 저장하는 응축용 축열수단과,

   상기 응축용 축열수단에 결합되어 상기한 폐열을 실내로 유도하여 난방을 실시할 수 있는 난방수단을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지를 이용한 냉난방장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 수소합금 저장용기의 일측에는 수소가스가 저장된 수소탱크가 단속 가능하게 배치되고, 상기 수소탱크로부터 수소합금 저장용기로 공급되는 수소가 수소저장합금에 흡수될 때 발생되는 폐열이 상기한 응축용 축열수단에 저장되도록 그 응축용 축열수단이 수소합금 저장용기에도 연결되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지를 이용한 냉난방 장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 수소합금 저장용기에는 그 내부의 수소저장합금이 외부의 열을 흡수하면서 수소를 방출할 때 상기한 수소합금 저장용기에 열을 빼앗겨 냉각되는 증발용 축열수단이 연결되고, 상기 증발용 축열수단에는 상기한 수소 방출시 발생되는 냉기를 이용하여 실내를 냉방하는 냉방수단이 연결되어 이루어지는 것을 특징을 하는 연료전지를 이용한 냉난방 장치.

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