KR100915267B1 - 연료전지 발전시스템을 이용한 흡수식 냉방 시스템 및 방법 - Google Patents

연료전지 발전시스템을 이용한 흡수식 냉방 시스템 및 방법

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Abstract

본 발명은, 연료전지 발전시스템을 이용한 흡수식 냉방 시스템 및 방법에 관한 것으로, 열원을 이용하여 수소기체를 생성하는 개질기; 상기 개질기에 열원을 공급하는 가열수단; 외부로부터 공급된, 산소가 포함된 기체와 상기 개질기로부터 공급된 수소기체를 전극에 노출시켜 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택; 열원을 이용하여 흡수제와 냉매로 분리시키는 재생기; 상기 재생기에서 분리된 냉매를 냉각하여 액화시키는 응축기; 상기 냉매의 증발에 의해 발생된 증발열로 냉방용수를 냉각시키는 증발기; 상기 증발기에서 증발된 냉매증기를 흡수하는 흡수기; 및 상기 응축기에서 발생된 폐열을 냉각하는 냉각탑을 포함하며, 상기 재생기에 공급되는 열원은 상기 개질기에 열원을 공급하는 가열수단에서 공급받는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면 연료전지 발전 시스템의 가열수단을 재생기의 열원으로 사용함으로써 효율적인 흡수식 냉방 시스템을 실현할 수 있다.

Description

연료전지 발전시스템을 이용한 흡수식 냉방 시스템 및 방법{Absorptive type cooler system using fuel cell generation system and method thereof}
본 발명은 연료전지 발전시스템을 이용한 흡수식 냉방 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 연료전지 발전시스템의 개질기에 열원을 공급하는 가열수단에서 흡수식 냉방기의 재생기에 필요한 열원을 공급받아 흡수식 냉방 시스템을 실현할 수 있는 연료전지 발전시스템을 이용한 흡수식 냉방 시스템 및 방법에 관한 것이다.
연료전지를 이용한 발전 시스템은 메탄올, 에탄올 또는 천연 가스 등 탄화 수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소를 포함하는 공기를 전기 화학반응을 통해서 분해하고, 이 과정에서 발생되는 전자들을 직접 전기 에너지로 변화시키는 발전 시스템이다. 이러한 연료전지를 이용한 발전 시스템은 연소과정이 없고 연료에서 전기를 직접 생산하기 때문에 소음 및 대기오염 물질 배출이 적어 차세대 발전 방식으로 주목받고 있다.
연료전지를 이용한 발전 시스템은 기본적으로 수소기체를 발생시키는 개질기 및 전자를 발생시켜 전기 에너지를 발생시키는 연료전지 스택(이하, 스택으로 지칭함)을 구비한다.
개질기는 연료 및 물을 공급받고, 상기 연료 및 물을 수증기 개질반응(Steam reforming), 부분 산화(Partial Oxidation), 자열 개질 반응(Autothermal Reforming), 직접분해법(Direct Cracking), 플라즈마 촉매개질법(Plasma Catalytic Reforming), 흡착부 과반응 개질법(Sorption Enhanced reaction Process)등의 방법을 통해 상기한 연료를 수소가 풍부한 개질 가스로 전환한다. 그리고, 개질기에서 생성된 개질가스에는 일산화탄소 등과 같은 유해물질이 포함되어 있는 바, 개질기는 유해물질을 정화하여 스택으로 공급한다.
한편, 스택은 애노드 전극과 캐소드 전극을 구비하며, 개질기로부터 공급받은 수소 기체가 애노드 전극으로 주입되고, 외부 공기로부터 공급받은 산소는 캐소드 전극으로 주입된다. 이에 따라, 애노드 전극에서는 수소 기체의 산화 반응이 일어나고, 캐소드 전극에서는 산소의 환원 반응이 일어난다. 결국, 스택에는 기체의 산화 및 환원반응으로 인해 전자들이 발생하고, 상기 전자의 이동으로 전기에너지가 생성된다. 또한, 산화 및 환원반응으로 인해 스택에는 소정의 열 에너지가 발생된다.
상기와 같이 구성된 연료전지를 이용한 발전 시스템에는 상기 개질기 및 연료전지 스택에서 열에너지가 발생되는데, 이러한 열에너지를 활용하기 위해 친환경적 또는 여름철 냉방부하를 줄일 수 있는 흡수식 냉방 시스템을 많은 곳에서 적용하고 있다.
그러나, 연료전지를 이용한 발전 시스템에서 발생되는 폐열을 흡수식 냉방기의 열원으로 사용하는 경우, 기존의 연료전지 발전시스템은 흡수식 냉방시스템의 구동을 위해 부가적인 열원공급장치 또는 열 저장장치를 장착해야 하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 연료전지 발전 시스템의 개질기에 열원을 공급하는 가열수단에서 흡수식 냉방 시스템의 열원을 공급받음으로써, 추가적인 열원공급장치를 설치하지 않아도 되며 구조가 단순한 흡수식 냉방 시스템을 실현할 수 있는 연료전지 발전시스템을 이용한 흡수식 냉방 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 본 발명의 실시예에 의해 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타난 구성과 구성의 조합에 의해 실현될 수 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 연료전지 발전시스템을 이용한 흡수식 냉방 시스템은, 열원을 이용하여 수소기체를 생성하는 개질기; 상기 개질기에 열원을 공급하는 가열수단; 외부로부터 공급된, 산소가 포함된 기체와 상기 개질기로부터 공급된 수소기체를 전극에 노출시켜 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택; 열원을 이용하여 흡수제와 냉매로 분리시키는 재생기; 상기 재생기에서 분리된 냉매를 냉각하여 액화시키는 응축기; 상기 냉매의 증발에 의해 발생된 증발열로 냉방용수를 냉각시키는 증발기; 상기 증발기에서 증발된 냉매증기를 흡수하는 흡수기; 및 상기 응축기에서 발생된 폐열을 냉각하는 냉각탑을 포함하며, 상기 재생기에 공급되는 열원은 상기 개질기에 열원을 공급하는 가열수단에서 공급받는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 연료전지 발전시스템을 이용한 흡수식 냉방 시스템은 상기 연료전지 스택의 냉각 후 배출되는 냉각수 또는 상기 가열기에서 배출되는 배기가스가 난방 또는 온수의 열원으로 활용되는 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 열원을 이용하여 수소기체를 생성하는 개질단계; 상기 개질단계에 열원을 공급하는 가열단계; 연료전지 스택이 외부로부터 공급받는, 산소가 포함된 기체와 상기 개질단계로부터 공급받은 수소기체를 전극에 노출시켜 전기에너지를 발생시키는 발전단계; 열원을 이용하여 흡수제와 냉매로 분리시키는 재생단계; 상기 재생단계에서 분리된 냉매를 냉각하여 액화시키는 응축단계; 상기 냉매의 증발에 의해 발생된 증발열로 냉방용수를 냉각시키는 증발단계; 상기 증발단계에서 증발된 냉매증기를 흡수하는 흡수단계; 및 상기 응축단계에서 발생된 폐열을 냉각하는 냉각단계를 포함하며, 상기 재생단계에 공급되는 열원은 상기 개질단계에 열원을 공급하는 가열단계에서 공급받는 것을 특징으로 하는 연료전지 발전시스템을 이용한 흡수식 냉방 방법이 제공된다.
본 발명의 연료전지 발전시스템한 흡수식 냉방 시스템 및 방법에 따르면,
첫째, 흡수식 냉방 시스템의 열원공급장치를 개질기에 열원을 공급하는 가열수단과 통합시켜 중복되는 장치를 제거하여 기존의 시스템을 단순화 시킬 수 있는 효과가 있다.
둘째, 열원공급장치의 통합을 통해 공간상의 절약효과를 가져올 수 있으며, 열원을 한 곳으로 모아 열 손실을 줄일 수 있는 효과가 있다.
셋째, 개질기와 연료전지 스택에서 발생되는 폐열을 회수하여 난방 또는 온수의 열원으로 활용함으로써, 냉방과 난방을 동시에 실현할 수 있는 효과가 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 전술된 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 발전시스템을 이용한 흡수식 냉방 시스템의 구성을 나타내는 블록도,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 발전시스템을 설명하는 흐름도,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 발전시스템을 이용한 흡수식 냉방 방법을 설명하는 흐름도이다.
<도면의 주요 참조부호에 대한 설명>
100 : 가열수단 102 : 개질기
104 : 연료전지 스택 110 : 재생기
112 : 응축기 114 : 증발기
116 : 흡수기 118 : 냉각탑
이하, 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명이 바람직한 실시예에 따른 연료전지 발전시스템을 이용한 흡수식 냉방 시스템을 나타내는 블록도이고, 도 2 및 도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 발전시스템을 이용한 흡수식 냉방 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 1 내지 도 3를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 발전시스템을 이용한 흡수식 냉방 시스템은 가열수단(100), 개질기(102), 연료전지 스택(104), 재생기(110), 응축기(112), 증발기(114), 흡수기(116), 냉각탑(118)를 포함하여 구성된다.
상기 가열수단(100)은 버너 등과 같은 열원 공급장치이며, 연소반응으로 얻어지는 열원을 개질기(102) 또는 재생기(110)에 공급한다(S200). 이때, 고온을 요구하는 개질기(102)는 상기 가열수단에 근접하게 설치하며, 주변부에 상기 재생기(110)를 설치하여 차별적으로 열을 공급 받도록 한다.
여기서, 상기 개질기(102)에서 일어나는 개질반응은 버너 등과 같은 가열수단(100)을 통해 열원을 공급받아 일어나는 반응이며, 하기 설명에서는 열원을 공급받아 일어나는 반응중 대표적인 수증기 개질반응을 예를 들어 설명한다.
상기 개질기(102)는 외부로부터 공급되는 연료(메탄올, 에탄올, LPG, 또는 천연가스 등)와 물이 상기 가열수단(100)으로부터 열원을 공급받아 수증기 개질반응을 통해 수소가스를 생성하고, 상기 생성된 수소가스를 연료전지 스택(104)으로 공급한다(S202). 이때 상기 연소반응으로 600 내지 700℃의 고온의 배기가스가 발생한다. 또한, 상기 개질기(102)에서는 개질반응으로 미량의 이산화탄소, 메탄가스, 및 일산화탄소 등의 개질가스가 발생한다.
상기 개질기(102)에서 발생되는 일산화탄소는 연료전지 스택(104)으로 유입되어 촉매 반응에 악영향을 미칠 수 있다. 따라서, 개질기(102)는 필터(미도시)를 구비하여 상기 일산화탄소를 제거하는 것이 바람직하다.
상기 연료전지 스택(104)은 개질기(102)로부터 공급받은 수소가스와 외부로부터 공급되는 공기를 이용하여, 하기 반응식 1에 따른 반응에 따라 전기 및 열을 발생시킨다(S204).
애노드 반응 : H2 -> 2H+ + 2e-
캐소드 반응 : O2 + 2H+ + 2e- -> H2O
전체반응 : H2 + O2 -> H2O + 전기 + 잔열
반응식 1을 참고하면, 애노드 전극에는 수소가스가 공급되고 캐소드 전극에는 공기가 공급된다. 애노드 전극으로 공급된 상기 수소가스는 촉매층에서 전자(e-)와 수소이온(H+)으로 변환된다. 그리고, 캐소드 전극으로 공급된 공기 역시 촉매로 인해 전자(e-)와 산소이온(O2 -)이 변환된다. 이때, 수소이온(H+)이 전해질 막을 통하여 캐소드 전극으로 이동되면 산소이온(O2 -)과 반응하여 물(H2O)로 변환된다. 여기서, 애노드 전극에서 생성된 전자(e-)는 전해질 막을 통해 이동하지 않고, 외부회로를 통해 캐소드 전극으로 이동함으로써, 전류를 형성하게 된다.
상기와 같은 산화반응은 발열반응으로 열이 발생하고 이러한 열로 인하여 상기 연료전지 스택(104)의 효율이 저하되므로, 일정온도를 유지하기 위해 냉각탑(118)에서 냉각수를 공급받게 된다(S206).
상기 연료전지 스택(104)을 냉각하고 배출되는 상기 냉각수는 상기 가열수단(100)에서 배출되는 배기가스와 함께 예를 들어, 전열관 등을 이용하여 열교환시켜 난방 또는 온수의 열원으로 활용되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 연료전지 스택(104)을 냉각하고 배출되는 냉각수는 배기가스와 함께 열교환을 통해 난방으로 사용된다. 아울러, 상기 냉각수는 전기적 저항값을 높여 절연성을 높여주기 위해 탈-이온 상태를 유지하는 것이 바람직하다.
여기서, 재생기(110), 응축기(112), 증발기(114), 흡수기(116) 및 냉각탑(118)을 포함하는 흡수식 냉방 시스템은, 하기에서 가장 기본이 되는 1중 효용 흡수식을 예를 들어 설명하지만 2중 효용 흡수식도 가능함은 물론이며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 아울러, 도면에 있어서 점선은 냉매의 흐름을 나타낸다.
상기 재생기(110)는 상기 가열수단(100)에서 공급된 열원으로 흡수제가 냉매를 흡수하여 묽어진 희용액을 가열하여 흡수제와 냉매로 분리시킨다(S210).
이에 따라, 상기 재생기(110) 내부에 저장된 냉매증기를 흡수한 희용액이 가열되어 어느 일정온도에서 냉매가 먼저 증발되어 흡수제와 분리된다. 이와 같이, 분리된 냉매증기는 응축기(112)로 공급되며 흡수제는 흡수기(116)로 공급된다.
상기 응축기(112)는 상기 재생기(110)에서 증발한 냉매증기를 냉각하여 응축시키며, 상기 응축된 냉매는 오리피스(미도시) 같은 감압장치를 통과하여 감압된 후 증발기(114)로 공급된다(S212).
이때, 상기 냉매증기가 응축되면서 상변화로 인해 열을 발산하고, 이러한 열로 인하여 응축기(112)의 효율을 저하되므로, 일정온도를 유지하기 위해 냉각탑(118)에서 냉각수를 공급받게 된다(S214).
상기 증발기(114)는 냉매를 증발시켜 증기를 생성한다(S216). 상기 냉매는 분사노즐을 통해 냉매보다 고온의 물이 흐르는 전열관(미도시) 상에 뿌려지거나, 트레이에서 전열관으로 흘려보내진다. 전열관과 접촉된 냉매는 물로부터 기화열을 빼앗아 증기로 변한다. 이때 증발되지 않은 냉매는 바닥에 구비된 트레이에 모여지며, 축적된 냉매는 순환펌프(미도시)에 의해 증발기(114) 내로 다시 유입되어 순환하게 된다.
상기 흡수기(116)는 증발된 냉매증기를 흡수하여 희용액을 생성한다(S218). 냉매증기를 흡수하기 위한 흡수제는 흡수기(116) 상부에서 분사노즐 또는 트레이 형태로 냉각관에 뿌려진다. 그 결과, 흡수제는 증발기(114)에서 발생된 냉매증기를 흡수하여 농도가 묽어지고, 흡수기(116) 내부에 배치된 냉각관에 의해 액화되면서 희용액으로 변한다.
상기 흡수기(116)로 유입된 냉매는 흡수제와 혼합하여 희용액상태가 되어 다시 재생기(110)로 압송됨을 반복하게 된다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나,본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

Claims (4)

  1. 열원을 이용하여 수소기체를 생성하는 개질기;
    상기 개질기에 열원을 공급하는 가열수단;
    외부로부터 공급된, 산소가 포함된 기체와 상기 개질기로부터 공급된 수소기체를 전극에 노출시켜 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택;
    열원을 이용하여 흡수제와 냉매로 분리시키는 재생기;
    상기 재생기에서 분리된 냉매를 냉각하여 액화시키는 응축기;
    상기 냉매의 증발에 의해 발생된 증발열로 냉방용수를 냉각시키는 증발기;
    상기 증발기에서 증발된 냉매증기를 흡수하는 흡수기; 및
    상기 응축기에서 발생된 폐열을 냉각하는 냉각탑을 포함하며,
    상기 재생기에 공급되는 열원은 상기 개질기에 열원을 공급하는 가열수단에서 공급받는 것을 특징으로 하는 연료전지 발전시스템을 이용한 흡수식 냉방 시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 연료전지 스택의 냉각 후 배출되는 냉각수 또는 상기 가열기에서 배출되는 배기가스는,
    난방 또는 온수의 열원으로 활용되는 것을 특징으로 하는 연료전지 발전시스템을 이용한 흡수식 냉방 시스템.
  3. 열원을 이용하여 수소기체를 생성하는 개질단계;
    상기 개질단계에 열원을 공급하는 가열단계;
    연료전지 스택이 외부로부터 공급받는, 산소가 포함된 기체와 상기 개질단계로부터 공급받은 수소기체를 전극에 노출시켜 전기에너지를 발생시키는 발전단계;
    열원을 이용하여 흡수제와 냉매로 분리시키는 재생단계;
    상기 재생단계에서 분리된 냉매를 냉각하여 액화시키는 응축단계;
    상기 냉매의 증발에 의해 발생된 증발열로 냉방용수를 냉각시키는 증발단계;
    상기 증발단계에서 증발된 냉매증기를 흡수하는 흡수단계; 및
    상기 응축단계에서 발생된 폐열을 냉각하는 냉각단계를 포함하며,
    상기 재생단계에 공급되는 열원은 상기 개질단계에 열원을 공급하는 가열단계에서 공급받는 것을 특징으로 하는 연료전지 발전시스템을 이용한 흡수식 냉방 방법.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 연료전지 스택의 냉각 후 배출되는 냉각수 또는 상기 가열단계에서 배출되는 배기가스는,
    난방 또는 온수의 열원으로 활용되는 것을 특징으로 하는 연료전지 발전시스템을 이용한 흡수식 냉방 방법.
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