KR100835359B1

KR100835359B1 - 공기조화기 및 공기조화방법

Info

Publication number: KR100835359B1
Application number: KR1020070024228A
Authority: KR
Inventors: 송태원; 지준호
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2007-03-12
Filing date: 2007-03-12
Publication date: 2008-06-04

Abstract

공기조화기 및 공기조화방법이 개시된다. 본 발명의 공기조화기 및 공기조화방법은, 연료가스와 공기를 공급받아 전기와 열부산물을 생산하는 연료전지; 열부산물의 배출량을 조절하는 제어부; 및 제어부에 의하여 조절된 열부산물이 배출되며 실내습도를 조절하는 배출부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 연료전지 작동시 발생되는 전기를 사용하여 정전 등의 우려없이 공기조화기를 사용할 수 있음은 물론, 연료전지 작동에 따른 열부산물을 활용하여 에너지효율을 높일 수 있다.

공기조화기, 고온형 연료전지, 배출부, 열부산물

Description

공기조화기 및 공기조화방법{AIR CONDITIONER AND AIR CONDITIONING METHOD}

도 1은 고온형 고분자전해질연료전지(PEMFC)의 개략도이다.

도 2는 도 1의 고온형 고분자전해질연료전지(PEMFC)의 연료전지스택을 도시한 도면이다.

도 3은 본 발명의 제 1실시예에 따른 공기조화기의 구성을 도시한 도면이다.

도 4는 본 발명의 제 2실시예에 따른 공기조화기의 구성을 도시한 도면이다.

도 5는 본 발명의 제 3실시예에 따른 공기조화기의 구성을 도시한 도면이다. *도면의 주요부분에 대한 부호 설명

20 : 연료전지 30 : 연료전지스택

32 : 전해질막 33 : 연료극

34 : 공기극 36 : 냉각판

40 : 전기계통 50 : 제어부

61 : 수증기유로 62 : 공기극유로

64 : 공급수유로 70 : 배출부

본 발명은 공기조화기 및 공기조화방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지에서 발생된 전기와 열부산물을 사용하는 공기조화기 및 공기조화방법에 관한 것이다.

공기조화기는 냉방을 주목적으로 하는 에어컨과 난방을 주목적으로 하는 온풍기 혹은 냉난방이 동시에 가능한 냉난방기 등을 통칭한다. 공기조화기는 실내의 온도를 조절함과 아울러 습도도 조절한다.

습도는 절대습도와 상대습도로 구분되는데, 공기조화기에 의하여 실내의 온도가 상승 또는 하강하면 절대습도가 일정하더라도 인간이 체감하는 상대습도가 하강 또는 상승하게 된다.

최근에는, 쾌적함을 유지하기 위하여 가습을 통하여 실내온도가 상승하는 경우에도 상대습도를 높히는 가습기능이 있는 공기조화기가 사용되고 있다.

이와 같은 공기조화기는 대한민국 특허출원 제2002-0050913호에 개시되어 있는 바와 같이, 물을 저장하는 저수탱크와 수배관, 휀모듈 등을 구비하여 실내를 가습한다. 또한, 멤브레인부재를 포함하여 저장된 물의 정수 및 제균작용을 한다.

그런데 종래의 공기조화기는, 외부에서 전기를 공급받아야 하므로 정전 등의 상황에서는 작동이 불가능함은 물론, 가습을 위하여 저장된 물의 오염을 방지하기 위한 멤브레인부재 등의 장치를 별도로 장착해야 했다. 또한, 가습을 위하여서 외부 전기를 사용하여 별도로 히터 등의 장치를 작동하여야 하므로 가동비용이 증대되는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명의 목적은, 종래의 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 연료전지 작동시 발생되는 전기를 사용하여 정전 등의 우려없이 공기조화기를 사용할 수 있음은 물론, 연료전지 작동에 따른 열부산물을 활용하여 에너지효율을 높일 수 있는 공기조화기 및 공기조화방법을 제공하는 것이다.

상기 목적은, 본 발명에 따라, 연료가스와 공기를 공급받아 전기와 열부산물을 생산하는 연료전지; 상기 열부산물의 배출량을 조절하는 제어부; 및 상기 제어부에 의하여 조절된 상기 열부산물이 배출되며 실내습도를 조절하는 배출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기조화기에 의하여 달성된다.

상기 연료전지는, 고온형 고분자전해질연료전지(PEMFC)이며, 상기 연료가스를 공급받는 연료극과, 상기 공기를 공급받는 공기극과, 냉각수가 유동하는 냉각판을 구비한 연료전지스택을 포함하는 것이 바람직하다.

상기 열부산물은, 상기 냉각수가 상기 냉각판을 통과하며 기화된 수증기인 것이 가능하다.

상기 열부산물은, 상기 냉각판을 통과한 냉각수와 열교환하며 기화된 수증기인 것이 가능하다.

상기 열부산물은, 상기 공기가 상기 공기극을 통과하며 공급받은 수증기인 것이 가능하다.

또한, 본 발명의 목적은, 연료가스를 공급받는 연료극과 공기를 공급받는 공기극과 상기 연료극과 상기 공기극 사이에 마련되어 냉각수가 유동하는 냉각판이 마련된 연료전지스택을 구비하여 전기와 열부산물을 배출하는 고온형 고분자전해질연료전지(PEMFC)와, 상기 열부산물의 배출량을 조절하는 제어부와, 상기 고온형 고분자전해질연료전지에서 발생된 전기를 사용하는 배출부가 마련된 공기조화기의 공기조화방법에 있어서, 상기 배출부는 상기 제어부에 의하여 조절된 상기 열부산물이 배출되며 실내습도를 조절하는 것을 특징으로 하는 공기조화방법에 의하여서도 달성된다.

상기 열부산물은, 상기 냉각수가 상기 냉각판을 통과하며 기화된 수증기, 상기 냉각판을 통과한 냉각수와 열교환하며 기화된 수증기, 또는 상기 공기가 상기 공기극을 통과하며 공급받은 수증기 중 어느 하나인 것이 가능하다.

이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.

도 1은 연료전지의 개략도이다.

연료전지(20)는 통상의 2차전지와 달리 수소가스나 탄화수소로 이루어진 연료와 공기를 공급하여 전기화학적인 반응을 거쳐 전기를 생산한다. 본 발명의 연료전지(20)는 고온형 고분자전해질연료전지(PEMFC, 이하 '고온형 연료전지')이다. 고온형 연료전지(20)는 섭씨 100도 이상의 환경에서 작동한다는 점에서 섭씨 80도 전후의 환경에서 작동하는 통상의 연료전지와 구별된다. 고온형 연료전지(20)는 고온의 환경에서 작동하게 되므로 첫째, 활성화에너지 이상의 고온인 관계로 화학반응이 용이하게 수행되며, 둘째, 백금촉매의 특성상 고온에서 CO 흡착이 낮아져 CO피독(CO tolerance) 성능이 좋와지고, 셋째, 냉각수로 사용되는 물의 잠열을 사용할 수 있게 되어 쿨링시스템이 간단해짐은 물론, 넷째, 고온의 작동환경에서 발생하는 열부산물인 고열과 고온의 증기를 사용가능해지는 장점이 있다. 고온형 연료전지(20)에는 공기공급부(22)와, 연료공급부(24)와, DC/DC컨버터(26)와, DC/AC컨버터(28)와, 연료전지스택(30)이 마련된다.

공기공급부(22)는 공기를 연료전지스택(30)에 공급한다. 공급된 공기는 연료전지스택(30)에서 연료와 화학반응하여 전기가 생산되도록 하는데 사용된다.

연료공급부(24)는 수소가스나 탄화가스로 이루어진 연료를 가열하여 수소를 생성시킨다. 연료공급부(24)에서 생성된 수소는 연료전지스택(30)으로 공급되어 공기공급부(22)에서 공급된 공기와 화학반응한다.

DC/DC컨버터(26)는 연료전지스택(30)의 출력단에 마련되어, 연료와 공기가 화학반응하며 생성된 직류전기를 승압한다. 연료전지스택(30)에서 생성된 직류전기는 저압이고 변동폭이 크다. 따라서, DC/DC컨버터(26)를 통과하며 전압이 높으면서도 안정된 직류출력전압을 얻을 수 있다.

DC/AC컨버터(28)는 DC/DC컨버터(26)의 출력단에 마련되어, 직류전기를 교류전기로 변환한다. 본 발명의 공기조화기는 교류전기 환경에서 작동하므로, DC/AC컨버터(26)를 거치며 직류전기가 교류전기로 변환되어 공기조화기의 전기계통(40)에 직접 공급된다. 따라서, 공기조화기는 별도의 외부전원 없이도 작동이 가능하다.

연료전지스택(30)은 공기공급부(22)에서 공기를 공급받고 연료공급부(24)에서 연료를 공급받는다. 연료전기스택(30)은 고온형 연료전지(20)에서 실질적으로 전기와 열부산물을 생산하는 부분이다. 연료전지스택(30)은 다수 개의 싱글셀(도 2의 31)이 적층된 구조이다. 연료전지스택(30)의 자세한 구성에 대하여서는 도 1의 연료전지의 연료전지스택을 도시한 도면인 도 2를 참조하여 설명하도록 한다.

이에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지스택(30)은 전해질막(32)과, 연료극(33)과, 공기극(34)과, 집전기(36)와, 냉각판(37)을 포함한다.

전해질막(32)은 인산을 폴리벤지미다졸(Polybenzimidazole)에 도핑시켜 제조한 고분자 전해질판(Polymer Electrolyte)이다. 고온형 연료전지(도 1의 20)는, 불소수지, 술폰산기 등으로 구성되어 섭씨 80도 전후의 환경에서 작동하는 통상의 연료전지와 달리 인산을 폴리벤지미다졸(Polybenzimidazole)에 도핑시켜 제조한 고분자 전해질판을 사용하여 섭씨 100도 이상에서 작동한다.

연료극(33)과 공기극(34)은 지지체와 지지체의 양측면에 적층하는 촉매층으로 구성된다. 지지체는 다공성 카본페이퍼(Carbon Paper) 또는 카본크로스(Carbon Cloth)로 형성된다. 촉매층은 수소의 산화반응 및 산소의 환원반응에 적합한 백금이며, 촉매의 유효표면적을 늘리기 위하여 미세한 백금입자를 미세한 탄소입자 표면에 코팅하여 형성된다. 연료극(33)은 연료공급부(도 1의 24)에서 연료를 공급받고 공기극(34)은 공기공급부(도 1의 22)에서 공기를 공급받아 상호 화학반응하며 전기를 생산한다. 이를 구체적으로 설명하면, 연료극(33)과 공기극(34)에서는 그라파이트(Graphite) 같은 금속물질을 사용하여 구성된 분리기(35)가 마련된다. 연료극과 공기극으로 공급된 연료와 공기는 분리기(35)의 내측면을 통하여 다음과 같은 화학반응을 일으킨다.

화학반응에 의하여 전기가 발생함과 동시에 공기극(34)에서 발생된 물은 내부의 고온으로 인하여 수증기로 기화된다. 기화된 수증기는 배출되어 실내의 습도를 조절하는데 사용됨으로써 에너지효율을 높힌다.

집전기(37a, 37b)는 연료전지스택(30)의 양단에 마련된다. 연료와 공기의 화학반응에 의하여 발생된 전기는 집전기(37a, 37b)를 통하여 외부로 출력되어 공기조화기로 공급된다.

냉각판(36)은 냉각수가 유동되는 통로이다. 연료와 공기는 상술한 화학반응을 통하여 전기가 발생함과 동시에 고온의 열이 발생한다. 발생된 고온의 열을 연료전지(도 1의 20) 외부로 방출시키기 위하여 냉각판(36)에는 저온의 냉각수가 공급된다. 냉각판(36)에 공급된 냉각수는 섭씨 100도 이상 되는 내부의 열을 흡수하여 수증기로 기화된 후 배출된다. 배출된 수증기는 실내의 습도를 조절하는데 사용됨으로써 에너지효율을 높힌다.

이에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 1실시예에 따른 공기조화기는, 냉각수공급부(25)에서 공급된 냉각수(23)가 냉각판(36)을 통과하며 기화된 수증기를 사용하여 습도를 조절한다. 이를 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

연료공급부(24)와 공기공급부(22)에서 연료극(33)과 공기극(34)으로 연료와 공기가 공급되면 전기와 고온의 열이 발생한다. 발생된 고온의 열을 외부로 배출하 기 위하여 냉각수공급부(25)에서 냉각수가 냉각판(36)으로 공급된다.

냉각수(23)는 냉각판(36)으로 공급될 때는 액체인 물이다. 액체의 물인 냉각수(23)가 고온의 냉각판(36)을 통과하면 냉각판(36)의 열을 흡수하여 수증기로 기화되어 수증기유로(61)로 이동된다.

수증기유로(61)는 냉각판(36)에 연결되어 기화된 수증기가 실내측으로 배출되는 통로이다. 수증기유로(61)의 유로상에는 조절밸브(65)와, 배출부(70)가 마련된다.

조절밸브(65)는 기화된 수증기가 실내로 배출되는 양을 조절한다. 조절밸브(65)는 제어부(50)에 의하여 제어된다. 제어부(50)는 사용자의 선택 또는 감지된 실내습도에 따라 적절한 수증기 공급량을 결정하고, 결정된 수증기 공급량에 기초하여 제어신호를 발생하여 조절밸브(65)의 개도(開度)를 조절한다.

배출부(70)는 수증기유로(61)의 끝단에 마련된다. 제어부(50)에 의하여 개도가 제어된 조절밸브(65)를 통과한 수증기는 배출부(70)에서 실내로 배출된다. 배출부(70)에는 송풍팬(72)이 마련되어 수증기의 실내 확산을 촉진시킨다.

본 발명의 제 1실시예에 의하면, 전기계통(도 1의 40)이 화학반응에 의하여 발생된 전기를 사용하므로 정전 등의 우려없이 공기조화기의 사용이 가능함은 물론, 수증기로 기화된 냉각수(23)를 사용함으로써 별도로 히터를 작동시킬 필요가 없어 높은 에너지효율을 달성할 수 있다. 또한, 가습을 위한 별도의 물저장탱크가 필요하지 않아 설치공간이 줄어들어 공간효율이 높아진다.

이에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 2실시예에 따른 공기조화기는, 냉각수(23)가 냉각판(36)을 통과하며 기화된 수증기를 열교환기(67)에서 열교환하여 습도를 조절한다. 이를 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

연료공급부(24)와 공기공급부(22)에서 연료극(33)과 공기극(34)으로 연료와 공기가 공급되면 전기와 고온의 열이 발생한다. 발생된 고온의 열을 외부로 배출하기 위하여 냉각수공급부(25)에서 냉각수(23)가 냉각판(36)으로 공급된다.

냉각수(23)는 냉각판(36)으로 공급될 때는 액상의 물이다. 액체상태의 물인 냉각수(23)가 고온의 냉각판(36)을 통과하면 냉각판(36)의 열을 흡수하여 수증기로 기화되어 수증기유로(61)로 이동된다. 수증기유로(61)는 열교환기(67)를 거치며 냉각되며 액화되어 냉각수공급부(25)로 회수된다.

열교환기(67)는 수증기유로(61) 상에 마련된다. 열교환기(67)는 고온의 수증기가 통과하는 수증기유로(61)와 저온의 공급수(63)가 통과하는 공급수유로(64)가 상호 교차되며 마련된다. 열역학법칙에 의하여 수증기유로(61)상의 열은 저온인 공급수유로(64)로 이동된다.

공급수유로(64)는 열교환기(67)에서 열을 공급받으며, 액상의 공급수(63)가 수증기로 기화된다. 기화된 수증기는 제어부(50)에 의하여 개도가 조절되는 조절밸브(65)를 거친다. 조절밸브(65)를 거치며 공급량이 조절된 공급수유로(64) 상의 수증기는, 송풍팬(72)이 설치된 배출부(70)를 통하여 실내로 확산된다.

본 발명의 제 2실시예에 의하면, 전기계통(도 1의 40)이 화학반응에 의하여 발생된 전기를 사용하므로 정전 등의 우려없이 공기조화기의 사용이 가능함은 물 론, 수증기로 기화된 공급수(63)를 사용함으로써 별도로 히터를 작동시킬 필요가 없어 높은 에너지효율을 달성할 수 있다.

도 5는 본 발명의 제 3실시예에 따른 공기조화기의 구성을 도시한 도면이다.

이에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 3실시예에 따른 공기조화기는, 공기공급부(22)에서 공급된 공기(21)가 공기극(34)을 통과하며 공급받은 수증기를 사용하여 습도를 조절한다. 이를 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

연료공급부(24)와 공기공급부(22)에서 연료극(33)과 공기극(34)으로 연료와 공기가 공급되면 전기와 고온의 열이 발생한다. 또한, 전기가 발생되는 과정에서 물이 생성된다. 생성된 물은 내부의 고온으로 인하여 수증기로 기화된다. 고온의 수증기는 공기극유로(62)로 배출된다.

공기극유로(62)는 공기극(34)을 거치며 고온의 수증기를 공급받은 공기가 통과하는 유로이다. 공기극유로(62)에는 제어부(50)의 제어신호에 따라 수증기 배출량을 조절하는 조절밸브(65)가 마련된다. 공기극유로(62)의 끝단에는 송풍팬(72)이 마련된 배출부(70)가 형성되어, 공기극유로(62)를 따라 유동된 수증기를 실내로 확산시킨다.

본 발명의 제 3실시예에 의하면, 전기계통(도 1의 40)이 화학반응에 의하여 발생된 전기를 사용하므로 정전 등의 우려없이 공기조화기의 사용이 가능함은 물론, 수증기로 기화된 냉각수(23)를 사용함으로써 별도로 히터를 작동시킬 필요가 없어 높은 에너지효율을 달성할 수 있다. 또한, 가습을 위한 별도의 물저장탱크가 필요하지 않아 설치공간이 줄어들어 공간효율이 높아진다.

전술한 실시예에서는, 열부산물로서 기화된 수증기인 경우에 대하여 설명하였으나, 고온의 열을 보유한다면 수증기에 한정되는 것이 아님은 물론이다.

이와 같이 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서, 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.

이상 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 공기조화기 및 공기조화방법은 연료전지 작동시 발생되는 전기를 사용하여 정전 등의 우려없이 공기조화기를 사용할 수 있음은 물론, 연료전지 작동에 따른 열부산물을 활용하여 에너지효율을 높일 수 있다.

Claims

연료가스와 공기를 공급받아 전기와 열부산물을 생산하는 연료전지;

상기 열부산물의 배출량을 조절하는 제어부; 및

상기 제어부에 의하여 조절된 상기 열부산물이 배출되며 실내습도를 조절하는 배출부를 포함하되,

상기 연료전지는 고온형 고분자전해질연료전지(PEMFC)인 것을 특징으로 하는 공기조화기.
제 1항에 있어서,

상기 연료전지는,

상기 연료가스를 공급받는 연료극과, 상기 공기를 공급받는 공기극과, 상기 연료극과 상기 공기극 사이에 마련되어 냉각수가 유동하는 냉각판을 구비한 연료전지스택을 포함하는 것을 특징으로 하는 공기조화기.
제 2항에 있어서,

상기 열부산물은, 상기 냉각수가 상기 냉각판을 통과하며 기화된 수증기인 것을 특징으로 하는 공기조화기.
제 2항에 있어서,

상기 열부산물은, 상기 냉각판을 통과한 냉각수와 열교환하며 기화된 수증기 인 것을 특징으로 하는 공기조화기.
제 2항에 있어서,

상기 열부산물은, 상기 공기가 상기 공기극을 통과하며 공급받은 수증기인 것을 특징으로 하는 공기조화기.
연료가스를 공급받는 연료극과 공기를 공급받는 공기극과 상기 연료극과 상기 공기극 사이에 마련되어 냉각수가 유동하는 냉각판이 마련된 연료전지스택을 구비하여 전기와 열부산물을 배출하는 고온형 고분자전해질연료전지(PEMFC)와, 상기 열부산물의 배출량을 조절하는 제어부와, 상기 고온형 고분자전해질연료전지에서 발생된 전기를 사용하는 배출부가 마련된 공기조화기의 공기조화방법에 있어서,

상기 배출부는 상기 제어부에 의하여 조절된 상기 열부산물이 배출되며 실내습도를 조절하는 것을 특징으로 하는 공기조화방법.
제 6항에 있어서,

상기 열부산물은,

상기 냉각수가 상기 냉각판을 통과하며 기화된 수증기, 상기 냉각판을 통과한 냉각수와 열교환하며 기화된 수증기, 또는 상기 공기가 상기 공기극을 통과하며 공급받은 수증기 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 공기조화방법.