KR101339672B1 - Heating and cooling system using heat from fuel cell - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지의 열을 이용한 냉난방 공급시스템에 관한 것으로, 이는 연료공급원에서 공급되는 연료를 개질반응시켜 수소 가스를 생성하는 개질기; 외부로부터 공급되는 산소가 포함된 가스와 개질기로부터 공급된 수소 가스를 전극에 노출시켜 전기 에너지를 발생시키는 스택; 이 스택을 냉각한 후 배출되는 냉각수를 열교환하는 적어도 하나의 열교환기; 이 열교환기에서 열교환된 유체에 의해 공급된 열을 이용하여 순환수를 승온시키도록 된 히트펌프; 및 이 히트펌프를 통과하는 순환수를 순환시키도록 구비된 순환배관을 포함하여서, 연료전지의 효율 향상은 물론, 순환수를 재가열하기 위한 다른 발전시스템의 연료 투입량을 대폭 줄일 수 있으며, 연료 투입량의 감소에 따라 온실가스가 현저히 저감되는 효과가 있게 된다. The present invention relates to a cooling and heating supply system using heat of a fuel cell, which includes: a reformer for reforming a fuel supplied from a fuel supply source to generate hydrogen gas; A stack for generating electrical energy by exposing a gas containing oxygen supplied from the outside and hydrogen gas supplied from the reformer to the electrode; At least one heat exchanger for heat-exchanging cooling water discharged after cooling the stack; A heat pump configured to heat up the circulating water using heat supplied by the heat exchanged fluid in the heat exchanger; And a circulation pipe provided to circulate the circulating water passing through the heat pump, thereby improving fuel cell efficiency and significantly reducing fuel input of other power generation systems for reheating the circulating water. As the reduction, the greenhouse gas is significantly reduced.

Description

연료전지의 열을 이용한 냉난방 공급시스템 {HEATING AND COOLING SYSTEM USING HEAT FROM FUEL CELL}Cooling and heating supply system using heat of fuel cell {HEATING AND COOLING SYSTEM USING HEAT FROM FUEL CELL}

본 발명은 연료전지를 사용하는 발전시스템의 폐열을 이용한 냉난방 공급시스템에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 연료전지를 사용하는 발전시스템에서 발생하는 폐열을 히트펌프에 의해 효율적으로 회수하여 냉난방 공급시스템의 열원으로 재사용할 수 있게 함으로써, 열을 생산하기 위한 다른 발전시스템의 연료 투입량을 대폭 줄일 수 있으며, 연료 투입량의 감소에 따른 온실가스 저감의 효과가 지대한 냉난방 공급시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a cooling and heating supply system using waste heat of a power generation system using a fuel cell, and more particularly, a heat source of a cooling and heating supply system by efficiently recovering waste heat generated from a power generation system using a fuel cell by a heat pump. By reducing the fuel input of the other power generation system to produce heat, and the reduction of the fuel input to the greenhouse gas supply system has a significant effect of reducing the fuel input.

일반적으로, 연료전지를 사용하는 발전시스템은 메탄올, 에탄올 또는 천연 가스 등 탄화 수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와, 공기 중에 포함된 산소를 전기 화학반응에 의해서 분해하고, 이 과정에서 발생하는 전자들을 직접 전기 에너지로 변화시키는 발전시스템이다. 이러한 연료전지를 사용하는 발전시스템은 연소과정이 없고 연료에서 전기를 직접 생산하기 때문에 소음 및 대기오염 물질의 배출이 적어 차세대 발전 방식으로 주목받고 있다.In general, a power generation system using a fuel cell decomposes hydrogen contained in a hydrocarbon-based material such as methanol, ethanol, or natural gas, and oxygen contained in air by an electrochemical reaction. It is a power generation system that directly converts them into electrical energy. The power generation system using such a fuel cell is attracting attention as a next-generation power generation method because there is no combustion process and directly produces electricity from fuel, resulting in low noise and air pollutant emission.

연료전지를 사용하는 발전시스템은 기본적으로 수소 가스를 발생시키는 개질기 및 전자를 발생시켜 전기 에너지를 발생시키는 연료전지 스택(Stack; 이하 스택이라 함)을 구비한다.A power generation system using a fuel cell basically includes a reformer for generating hydrogen gas and a fuel cell stack (hereinafter referred to as a stack) for generating electrons to generate electrical energy.

개질기는 연료 및 물을 공급받고, 수증기 개질반응(Steam Reforming), 부분 산화(Partial Oxidation), 자열 개질반응(Autothermal Reforming), 직접 분해법(Direct Cracking), 플라즈마 촉매 개질법(Plasma Catalytic Reforming), 흡착부 과반응 개질법(Sorption Enhanced Reaction Process) 등의 방법을 통해 연료를 수소가 풍부한 개질 가스로 전환한다. 그리고 개질기에서 생성된 개질 가스에는 일산화탄소 등과 같은 유해물질이 포함되어 있는바, 개질기는 유해 물질을 정화하여 스택으로 공급한다.The reformer is supplied with fuel and water, steam reforming, partial oxidation, autothermal reforming, direct cracking, plasma catalytic reforming, adsorption Conversion of the fuel to hydrogen-rich reforming gas is carried out, for example, by the Enhanced Enhanced Reaction Process. In addition, the reformed gas generated in the reformer contains harmful substances such as carbon monoxide. The reformer purifies the hazardous substances and supplies them to the stack.

스택은 애노드(Anode) 전극과 캐소드(Cathode) 전극을 구비하며, 개질기로부터 공급받은 수소 가스가 애노드 전극으로 주입되고, 외부 공기로부터 공급받은 산소는 캐소드 전극으로 주입된다. 이에 따라, 애노드 전극에서는 수소 가스의 산화반응이 일어나고, 캐소드 전극에서는 산소의 환원반응이 일어난다. 결국, 스택에는 가스의 산화 및 환원반응으로 인해 전자들이 발생하고, 이러한 전자들의 이동으로 전기 에너지가 생성된다. 또한, 산화 및 환원반응으로 인해 스택에는 소정의 열 에너지가 발생한다.The stack includes an anode electrode and a cathode electrode, and hydrogen gas supplied from a reformer is injected into the anode electrode, and oxygen supplied from outside air is injected into the cathode electrode. Accordingly, the oxidation reaction of hydrogen gas occurs at the anode electrode, and the reduction reaction of oxygen occurs at the cathode electrode. As a result, electrons are generated in the stack due to oxidation and reduction of gases, and electrical energy is generated by the movement of these electrons. In addition, some thermal energy is generated in the stack due to oxidation and reduction reactions.

이와 같이 구성된 연료전지를 사용하는 발전시스템에서는 개질기 및 스택에서 열 에너지가 발생하는데, 특히 스택에서는 이러한 열로 인하여 스택의 효율이 저하되므로, 일정 온도를 유지하기 위해 냉각수를 공급받게 된다. 하지만, 스택을 냉각하고 배출되는 고온의 냉각수가 가진 열 에너지는 적당한 활용처가 없어 냉각팬을 통해 대기로 방출되면서 에너지의 손실과 더불어, 연료의 전환 효율이 떨어지는 문제점이 있다. In the power generation system using the fuel cell configured as described above, heat energy is generated in the reformer and the stack. In particular, the stack reduces the efficiency of the stack due to the heat, and thus the coolant is supplied to maintain a constant temperature. However, the heat energy having the high temperature coolant discharged to cool the stack is not properly utilized and is released into the atmosphere through the cooling fan, resulting in a loss of energy and a decrease in fuel conversion efficiency.

이에 본 발명은 연료전지를 사용하는 발전시스템에서 전기를 생산할 때 스택에서 발생하는 폐열을 회수하여 냉난방 공급시스템의 열원으로 사용함으로써, 연료전지의 효율 향상은 물론, 수용가로 공급된 순환수를 재가열하기 위한 열원을 제공하는 다른 발전시스템의 연료 투입량을 대폭 줄일 수 있으며, 이러한 연료 투입량의 감소에 따른 온실가스 저감의 효과가 지대한 냉난방 공급시스템을 제공하는 데에 그 목적이 있다.Therefore, the present invention recovers the waste heat generated from the stack when producing electricity in the power generation system using the fuel cell and use it as a heat source of the cooling and heating supply system, thereby improving the efficiency of the fuel cell, as well as reheating the circulation water supplied to the consumer. It is possible to drastically reduce the fuel input of other power generation systems that provide a heat source for the purpose, and to provide a cooling and heating supply system with the effect of reducing the greenhouse gas caused by the reduction of such fuel input.

본 발명에 따른 연료전지의 열을 이용한 냉난방 공급시스템은, 연료공급원에서 공급되는 연료를 개질반응시켜 수소 가스를 생성하는 개질기; 외부로부터 공급되는 산소가 포함된 가스와 상기 개질기로부터 공급된 수소 가스를 전극에 노출시켜 전기 에너지를 발생시키는 스택; 상기 스택을 냉각한 후 배출되는 냉각수를 열교환하는 적어도 하나의 열교환기; 상기 열교환기에서 열교환된 유체에 의해 공급된 열을 이용하여 순환수를 승온시키도록 된 히트펌프; 및 상기 히트펌프를 통과하는 상기 순환수를 순환시키도록 구비된 순환배관을 포함하고 있다. A heating and cooling supply system using heat of a fuel cell according to the present invention includes: a reformer for reforming a fuel supplied from a fuel supply source to generate hydrogen gas; A stack for generating electrical energy by exposing a gas containing oxygen supplied from the outside and a hydrogen gas supplied from the reformer to an electrode; At least one heat exchanger for exchanging coolant discharged after cooling the stack; A heat pump configured to heat up the circulating water using heat supplied by the heat exchanged fluid in the heat exchanger; And a circulation pipe provided to circulate the circulation water passing through the heat pump.

본 발명의 제1실시예에 따른 연료전지의 열을 이용한 냉난방 공급시스템은, 상기 히트펌프가 전기식 히트펌프인 것을 특징으로 한다. In a cooling and heating supply system using heat of a fuel cell according to a first embodiment of the present invention, the heat pump is an electric heat pump.

본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지의 열을 이용한 냉난방 공급시스템은, 상기 히트펌프가 흡수식 히트펌프인 것을 특징으로 한다. In a cooling and heating supply system using heat of a fuel cell according to a second embodiment of the present invention, the heat pump is an absorption type heat pump.

본 발명의 제3실시예에 따른 연료전지의 열을 이용한 냉난방 공급시스템은, 상기 히트펌프가 흡수식 히트펌프이고, 상기 히트펌프의 재생기는 가열기를 구비하는 것을 특징으로 한다.In a cooling and heating supply system using heat of a fuel cell according to a third embodiment of the present invention, the heat pump is an absorption heat pump, and the regenerator of the heat pump includes a heater.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 연료전지를 사용하는 발전시스템에서 발생하는 폐열을 회수하여 냉난방 공급시스템의 열원으로 사용함으로써, 연료전지의 효율 향상은 물론, 수용가로 공급된 순환수를 재가열하기 위한 열원을 제공하는 다른 발전시스템의 연료 투입량을 대폭 줄일 수 있으며, 이러한 연료 투입량의 감소에 따라 온실가스가 현저히 저감되는 효과가 있게 된다. As described above, according to the present invention, by recovering the waste heat generated in the power generation system using the fuel cell and using it as a heat source of the cooling and heating supply system, the heat source for improving the efficiency of the fuel cell as well as reheating the circulating water supplied to the consumer. The fuel inputs of other power generation systems that provide fuel consumption can be greatly reduced, and the reduction of such fuel inputs has the effect of significantly reducing greenhouse gases.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 연료전지의 열을 이용한 냉난방 공급시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지의 열을 이용한 냉난방 공급시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 3은 본 발명의 제3실시예에 따른 연료전지의 열을 이용한 냉난방 공급시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 블록도이다.1 is a block diagram schematically showing a configuration of a cooling and heating supply system using heat of a fuel cell according to a first embodiment of the present invention.
2 is a block diagram schematically illustrating a configuration of a cooling and heating supply system using heat of a fuel cell according to a second embodiment of the present invention.
3 is a block diagram schematically illustrating a configuration of a cooling and heating supply system using heat of a fuel cell according to a third embodiment of the present invention.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the drawings, the same reference numerals are used to designate the same or similar components throughout the drawings. In describing the present invention, when it is determined that the detailed description of the related well-known configuration or function may obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.

본 발명에 따른 연료전지의 열을 이용한 냉난방 공급시스템은, 연료공급원에서 공급되는 연료를 개질반응시켜 수소 가스를 생성하는 개질기; 외부로부터 공급되는 산소가 포함된 가스와 개질기로부터 공급된 수소 가스를 전극에 노출시켜 전기 에너지를 발생시키는 스택; 이 스택을 냉각한 후 배출되는 냉각수를 열교환하는 적어도 하나의 열교환기; 이 열교환기에서 열교환된 유체에 의해 공급된 열을 이용하여 순환수를 승온시키도록 된 히트펌프; 및 이 히트펌프를 통과하는 순환수를 순환시키도록 구비된 순환배관을 포함하고 있다. A heating and cooling supply system using heat of a fuel cell according to the present invention includes: a reformer for reforming a fuel supplied from a fuel supply source to generate hydrogen gas; A stack for generating electrical energy by exposing a gas containing oxygen supplied from the outside and hydrogen gas supplied from the reformer to the electrode; At least one heat exchanger for heat-exchanging cooling water discharged after cooling the stack; A heat pump configured to heat up the circulating water using heat supplied by the heat exchanged fluid in the heat exchanger; And a circulation pipe provided to circulate the circulating water passing through the heat pump.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 연료전지의 열을 이용한 냉난방 공급시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 블록도이다. 이에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 연료전지의 열을 이용한 냉난방 공급시스템은, 연료공급원(미도시)에서 공급되는 연료를 개질반응시켜 수소 가스를 생성하는 개질기(110); 외부로부터 공급되는 산소가 포함된 가스와 개질기(110)로부터 공급된 수소 가스를 전극에 노출시켜 전기 에너지를 발생시키는 스택(120); 이 스택(120)을 냉각한 후 배출되는 냉각수를 열교환하는 적어도 하나의 열교환기(130); 이 열교환기(130)에서 열교환된 유체에 의해 공급된 열을 이용하여 순환수를 승온시키도록 된 히트펌프(210); 및 이 히트펌프(210)를 통과하는 순환수를 순환시키도록 구비되어 냉난방 또는 급탕을 위한 열원을 제공하는 순환배관(300)을 포함하고 있는데, 여기서 히트펌프(210)가 전기식 히트펌프인 것을 특징으로 한다. 1 is a block diagram schematically showing a configuration of a cooling and heating supply system using heat of a fuel cell according to a first embodiment of the present invention. As shown in the drawing, a cooling and heating supply system using heat of a fuel cell according to a first embodiment of the present invention includes: a reformer 110 for generating hydrogen gas by reforming a fuel supplied from a fuel supply source (not shown); A stack 120 for generating electrical energy by exposing a gas containing oxygen supplied from the outside and hydrogen gas supplied from the reformer 110 to the electrodes; At least one heat exchanger (130) for exchanging cooling water discharged after cooling the stack (120); A heat pump 210 for raising the circulating water by using heat supplied by the heat exchanged heat in the heat exchanger 130; And a circulation pipe 300 provided to circulate the circulating water passing through the heat pump 210 to provide a heat source for cooling, heating, or hot water supply, wherein the heat pump 210 is an electric heat pump. It is done.

연료공급원은 공급관을 통하여 개질기(110)에 연결되며, 연료를 공급한다. 공급관의 도중에는 공급밸브와 공급펌프가 설치될 수 있다.The fuel supply source is connected to the reformer 110 through a supply pipe and supplies fuel. A supply valve and a supply pump may be installed in the middle of the supply pipe.

개질기(110)는 외부의 연료공급원으로부터 공급되는 연료(메탄올, 에탄올, LPG, 또는 천연가스 등)와 물의 개질반응을 통해 연료를 수소가 풍부한 개질 가스로 전환한다. 개질기(110)는 수소를 생산하는 개질반응 및 생산된 수소 가스를 정제하는 수소정제공정을 수행하게 된다. 생성된 수소 가스는 스택(120)으로 공급된다. The reformer 110 converts the fuel into hydrogen-rich reformed gas through a reforming reaction of fuel (methanol, ethanol, LPG, or natural gas) and water supplied from an external fuel supply source. The reformer 110 performs a reforming reaction for producing hydrogen and a hydrogen purification process for purifying the produced hydrogen gas. The generated hydrogen gas is supplied to the stack 120.

개질반응은 고온의 열원이 필요하며, 이러한 열원은 버너 등과 같은 가열수단에서 연소반응으로 얻게 된다. 또한, 개질기(110)에서는 개질반응으로 미량의 이산화탄소, 메탄가스, 일산화탄소 등의 가스가 함께 발생한다. The reforming reaction requires a high temperature heat source, which is obtained by combustion in a heating means such as a burner. In addition, in the reformer 110, a small amount of gas such as carbon dioxide, methane gas, carbon monoxide is generated together with the reforming reaction.

수소정제공정에서는 이산화탄소, 메탄가스, 일산화탄소, 질소, 물 등을 수소와 분리하여 순수한 수소를 스택(120)에 공급할 수 있도록 처리하는 것이다.In the hydrogen purification process, carbon dioxide, methane gas, carbon monoxide, nitrogen, water, and the like are separated from hydrogen to process pure hydrogen to be supplied to the stack 120.

개질기(110)의 개질과정에서 발생하는 가스상의 부산물은 필터를 거쳐 정화된 후 배출되는 것이 바람직하다. Gaseous by-products generated in the reforming process of the reformer 110 are preferably discharged after being purified through a filter.

도시되지는 않았지만, 개질기(110)는 공급관을 매개로 물공급원과 연결되고, 공급관에는 공급밸브가 설치될 수 있다.Although not shown, the reformer 110 may be connected to a water supply source through a supply pipe, and a supply valve may be installed in the supply pipe.

스택(120)은 개질기(110)로부터 공급받은 수소 가스와 외부로부터 공급되는 공기를 이용하여, 전기 화학반응에 의해 전기 및 열을 발생시킨다.The stack 120 generates electricity and heat by electrochemical reaction using hydrogen gas supplied from the reformer 110 and air supplied from the outside.

애노드 전극에는 수소 가스가 공급되고 캐소드 전극에는 공기가 공급된다. 애노드 전극으로 공급된 수소 가스는 촉매층에서 전자(e-)와 수소 이온(H+)으로 변환된다. 그리고 캐소드 전극으로 공급된 공기 역시 촉매로 인해 전자(e-)와 산소 이온(O2 -)이 변환된다. 이때, 수소 이온(H+)이 전해질 막을 통하여 캐소드 전극으로 이동되면 산소 이온(O2 -)과 반응하여 물(H2O)로 변환된다. 여기서, 애노드 전극에서 생성된 전자(e-)는 전해질 막을 통해 이동하지 않고, 외부 회로를 통해 캐소드 전극으로 이동함으로써, 전류를 형성하게 된다. 이러한 전류는 집전기(미도시)를 통하여 출력되고, 이 집전기에서 출력되는 전류는 부하로 공급된다.Hydrogen gas is supplied to the anode electrode and air is supplied to the cathode electrode. The hydrogen gas supplied to the anode electrode is converted into electrons (e − ) and hydrogen ions (H + ) in the catalyst layer. And supplied to the cathode air also electron (e -) because of the catalyst is converted and the oxygen ions (O 2). At this time, through the membrane when the hydrogen ion (H +) move to the cathode electrolyte oxygen ions are converted to and reacts with water (H 2 O) (O 2 ). Here, electrons (e − ) generated at the anode electrode do not move through the electrolyte membrane, but move to the cathode through an external circuit, thereby forming a current. This current is output through a current collector (not shown), and the current output from the current collector is supplied to a load.

전술한 전기 화학반응에는 발열반응을 포함하여 열이 발생하게 되는데, 이러한 열로 인하여 스택(120)의 효율이 저하되므로, 스택(120)의 일정 온도를 유지하기 위해 냉각수를 공급하게 된다.In the above-described electrochemical reaction, heat is generated including an exothermic reaction. Due to the heat, the efficiency of the stack 120 is reduced, so that cooling water is supplied to maintain a constant temperature of the stack 120.

열교환기(130)는 스택(120)을 냉각하고 배출되는 냉각수를 유체와 열교환시키고, 냉각수와 열교환이 이루어진 유체는 히트펌프(210)의 증발기(211)로 공급된다. 이때, 예를 들어 대략 200 ℃인 고온의 냉각수에 대해 제1열교환기(131)에서 열교환이 이루어져 100 ℃ 정도의 중온수가 된 제1유체를 제2열교환기(132)에서 제2유체와 열교환이 이루어지게 할 수도 있다.The heat exchanger 130 cools the stack 120 and heat-exchanges the cooling water discharged with the fluid, and the fluid having heat exchanged with the cooling water is supplied to the evaporator 211 of the heat pump 210. At this time, for example, heat exchange is performed in the first heat exchanger 131 with respect to the high temperature coolant having a temperature of about 200 ° C., and heat exchange with the second fluid in the second heat exchanger 132 is performed. It can also be done.

전술한 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 연료전지의 열을 이용한 냉난방 공급시스템은 전기식 히트펌프(210)를 포함한다. 히트펌프(210)는 증발기(211), 압축기(212), 응축기(213), 및 팽창밸브(214)로 구성되며, 이들 부재로 이루어진 사이클 내에는 냉매가 들어 있어, 이 냉매가 증발, 압축, 응축, 팽창의 과정을 거치면서 열을 흡수 또는 방출하게 된다. As described above, the air-conditioning supply system using heat of the fuel cell according to the first embodiment of the present invention includes an electric heat pump 210. The heat pump 210 is composed of an evaporator 211, a compressor 212, a condenser 213, and an expansion valve 214, the refrigerant is contained in the cycle consisting of these members, the refrigerant is evaporated, compressed, During the process of condensation and expansion, heat is absorbed or released.

또한, 열교환기(130)에서 열교환된 유체, 즉 가열매체를 이송하기 위한 펌프 및 관로가 설치되어, 열교환기(130)와 히트펌프(210)를 연계시킬 수 있다. In addition, a pump and a conduit for transferring the heat exchanged fluid, that is, the heating medium, in the heat exchanger 130 may be installed to connect the heat exchanger 130 and the heat pump 210.

히트펌프(210)에서, 증발기(211)는 예컨대 60 ~ 100 ℃ 정도로 열교환된 가열매체를 이송하는 관로로부터 열을 흡수하여 냉매를 증발시킴으로써 저온 저압의 냉매증기를 만든다. 이때, 상변화가 일어나므로 냉매의 증발잠열이 가열매체로 방출된다. In the heat pump 210, the evaporator 211, for example, by absorbing heat from the pipeline for conveying the heat exchanged heat medium to 60 ~ 100 ℃ to evaporate the refrigerant to produce a low-temperature low-pressure refrigerant vapor. At this time, since the phase change occurs, the latent heat of evaporation of the refrigerant is released to the heating medium.

압축기(212)는 증발기(211)로부터 저온 저압의 냉매증기를 흡입하고 압축하여 고온 고압의 냉매증기로 만든다. 냉매는 가스상태이고 압축과정 중에 상변화는 없으나, 냉매에 압축력이 가해지므로 저온 저압에서 고온 고압의 상태로 변화한다. 이 압축기(212)의 구동에는 전기 에너지가 사용된다.The compressor 212 sucks and compresses the refrigerant vapor of low temperature and low pressure from the evaporator 211 to make the refrigerant vapor of high temperature and high pressure. The refrigerant is in a gaseous state and there is no phase change during the compression process, but the compressive force is applied to the refrigerant to change the state from low pressure to high pressure. Electrical energy is used to drive the compressor 212.

응축기(213)는 압축기(212)에서 압축되어 들어온 고온 고압의 냉매증기를 냉각시켜, 열병합발전 열교환기(140) 또는 축열조로 공급되는 순환수에 열을 방출하고 냉매증기를 액체상태로 응축시킨다. 이때, 냉매는 고온 고압의 가스에서 고온 고압의 액체로 변화하며 상변화가 일어나므로 냉매의 응축잠열이 순환수로 방출된다. The condenser 213 cools the high-temperature, high-pressure refrigerant vapor compressed by the compressor 212, releases heat to the circulating water supplied to the cogeneration heat exchanger 140 or the heat storage tank, and condenses the refrigerant vapor in a liquid state. At this time, since the refrigerant changes from a gas of high temperature and high pressure to a liquid of high temperature and high pressure and a phase change occurs, the latent heat of condensation of the refrigerant is released into the circulating water.

이어서, 팽창밸브(214)는 응축기(213)로부터 전달받은 고온 고압의 액체상태인 냉매를 팽창시켜 저온 저압의 가스와 액체가 혼합된 상태의 냉매를 만드는데, 이는 다시 순환되는 증발기(211)에서 냉매의 증발이 용이하게 하기 위한 것으로, 상변화는 일어나지만 기계적 팽창이므로 열의 흡수나 방출은 없다. Subsequently, the expansion valve 214 expands the high temperature and high pressure liquid refrigerant delivered from the condenser 213 to form a refrigerant in a state where the low temperature low pressure gas and the liquid are mixed, which is again circulated in the evaporator 211. This is to facilitate the evaporation of the phase change, but because of the mechanical expansion there is no absorption or release of heat.

냉매로는 HFC, 탄화수소, 이산화탄소, 암모니아, 기타 혼합냉매 등에서 선택되어 사용될 수 있다. The refrigerant may be selected from HFC, hydrocarbons, carbon dioxide, ammonia, and other mixed refrigerants.

이러한 히트펌프(210)에 의해, 예를 들면 대략 50 ~ 55 ℃의 순환수가 약 70 ℃로 가열되어 열병합발전 열교환기(140)로 공급되게 된다. 이 열병합발전 열교환기(140)에서는 다른 발전시스템 또는 소각장 등에서 배출되는 고온의 증기에 의해 순환수를 수용가가 요구하는 온도까지 승온되도록 열교환하게 된다. 이어서, 승온된 순환수는 순환배관(300)을 통해 수용가로 공급되게 된다. By the heat pump 210, for example, circulating water of about 50 to 55 ° C is heated to about 70 ° C is supplied to the cogeneration heat exchanger (140). In the cogeneration heat exchanger (140), the high temperature steam discharged from another power generation system or incinerator, etc., heats the circulating water to a temperature required by the consumer. Subsequently, the elevated circulating water is supplied to the customer through the circulation pipe 300.

한편, 연료전지에서 발생한 폐열을 흡수한 순환수 중 일부는 축열에 이용될 수 있으며, 그 후에 고온의 순환수는 펌프를 통해 수용가로 공급될 수 있다. On the other hand, some of the circulating water absorbing the waste heat generated in the fuel cell can be used for the heat storage, after which the high temperature circulating water can be supplied to the customer through the pump.

결국, 열교환기(130)를 통해 회수된 연료전지의 폐열을 히트펌프(210)로 통과시켜 냉매로 재회수한 다음에 냉매의 압축 및 응축 과정을 거쳐 순환수를 가열함으로써, 열병합발전 열교환기(140)에서 재가열되어 수용가로 공급될 순환수를 미리 가열하게 되기 때문에, 순환수에 투입되는 열량을 감소시킬 수 있게 되고, 그 결과 사용되는 연료 투입량도 절감할 수 있으며, 시스템 전체가 공급가능한 열출력을 증대시킬 수 있게 된다. As a result, the waste heat of the fuel cell recovered through the heat exchanger 130 is passed through the heat pump 210 to be recovered as a refrigerant, and then the circulating water is heated through the compression and condensation process of the refrigerant. Since the circulating water to be reheated and supplied to the consumer in advance is heated in step 140, it is possible to reduce the amount of heat input to the circulating water, thereby reducing the amount of fuel used and the heat output that can be supplied to the entire system. Can be increased.

물론, 제1열교환기(131)에서 열교환이 이루어져 예컨대 100 ℃ 정도의 중온수가 된 제1유체를 이용하는 경우에는, 열병합발전 열교환기(140)에서의 재가열 없이 히트펌프(210)를 매개로 하여 가열된 순환수가 직접 수용가에 공급되어 냉난방용 또는 급탕용 열원으로 사용될 수 있다.Of course, when the first heat exchange is performed in the first heat exchanger 131 to use the first fluid having, for example, about 100 ° C., medium temperature water, heating is performed through the heat pump 210 without reheating in the cogeneration heat exchanger 140. The circulated water can be directly supplied to the consumer and used as a heat source for heating and cooling.

선택적으로, 제1열교환기(131)와 제2열교환기(132) 사이에, 온도제어를 위한 열교환기(미도시)가 더 개재될 수 있다. Optionally, a heat exchanger (not shown) for temperature control may be further interposed between the first heat exchanger 131 and the second heat exchanger 132.

도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지의 열을 이용한 냉난방 공급시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 블록도이다. 2 is a block diagram schematically illustrating a configuration of a cooling and heating supply system using heat of a fuel cell according to a second embodiment of the present invention.

본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지의 열을 이용한 냉난방 공급시스템은 히트펌프(220)가 흡수식 히트펌프인 것을 특징으로 한다. 따라서 히트펌프의 구성만 제외하고 개질기(110), 스택(120), 열교환기(130)의 구성 및 작용이 제1실시예에 따른 연료전지의 열을 이용한 냉난방 공급시스템과 동일하기 때문에, 본 발명의 제2실시예를 설명함에 있어, 제1실시예와 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 부여하면서 그 구성 및 기능의 상세한 설명을 생략하기로 한다.In a cooling and heating supply system using heat of a fuel cell according to a second embodiment of the present invention, the heat pump 220 is an absorption type heat pump. Therefore, the configuration and operation of the reformer 110, the stack 120, the heat exchanger 130 except for the configuration of the heat pump is the same as the cooling and heating supply system using the heat of the fuel cell according to the first embodiment, the present invention In describing the second embodiment of the present invention, the same components as those of the first embodiment will be denoted by the same reference numerals, and detailed descriptions of the structure and function will be omitted.

본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지의 열을 이용한 냉난방 공급시스템에 적용되는 히트펌프(220)는 증발기(221), 흡수기(223), 재생기(226), 응축기(228), 및 용액 열교환기(225)로 구성되며, 이들 부재로 이루어진 사이클 내에는 냉매가 들어 있어, 이 냉매가 증발, 흡수, 재생, 응축의 과정을 거치면서 열을 흡수 또는 방출하게 된다. Heat pump 220 applied to the heating and cooling supply system using the heat of the fuel cell according to the second embodiment of the present invention is the evaporator 221, absorber 223, regenerator 226, condenser 228, and solution heat exchange It consists of a group 225, the refrigerant is contained in the cycle consisting of these members, the refrigerant absorbs or releases heat through the process of evaporation, absorption, regeneration, condensation.

스택(120)을 냉각하고 배출된 냉각수와 열교환기(130)에서 열교환이 이루어진 유체, 즉 가열매체는 히트펌프(220)의 증발기(221)로 공급된다.Cooling the stack 120 and the discharged cooling water and the heat-exchanged fluid, that is, the heating medium in the heat exchanger 130 is supplied to the evaporator 221 of the heat pump 220.

히트펌프(220)에서, 증발기(221)는 예컨대 60 ~ 100 ℃ 정도로 열교환된 가열매체를 이송하는 관로로부터 열을 흡수하여 냉매를 증발시킴으로써 저온의 냉매증기를 만든다. In the heat pump 220, the evaporator 221, for example, by absorbing heat from the pipeline for transporting the heat medium heat exchanged to about 60 ~ 100 ℃ to evaporate the refrigerant to produce a low-temperature refrigerant vapor.

증발기(221)에서 증발한 냉매증기는 증발기(221)로부터 증기공급관(222)을 통해 흡수기(223)로 유입되고 이 흡수기(223) 내에서 물과 리튬브로마이드로 조성된 용액에 흡수된다. The refrigerant vapor evaporated in the evaporator 221 flows into the absorber 223 from the evaporator 221 through the steam supply pipe 222 and is absorbed in the solution composed of water and lithium bromide in the absorber 223.

흡수기(223)와 재생기(226) 사이에는 용액 열교환기(225)가 설치되어 있는데, 냉매증기가 공급된 흡수기(223)에서 나오는 저온의 묽은 용액이 펌프(229)에 의해 배관(224)을 거쳐 용액 열교환기(225)를 지나 재생기(226)로 공급된 다음, 다시 예컨대 150 ℃ 정도의 열원을 이송하는 열병합발전 배관(240)으로부터 열교환됨으로써 열을 공급받아 고온의 냉매증기가 분리된 진한 용액이 배관(224)을 통해 용액 열교환기(225)를 거쳐서 흡수기(223)로 이동하도록 되어 있다. A solution heat exchanger 225 is installed between the absorber 223 and the regenerator 226. The low-temperature thin solution coming from the absorber 223 supplied with the refrigerant vapor passes through the pipe 224 by the pump 229. After passing through the solution heat exchanger 225 to the regenerator 226, and then heat exchanged from the cogeneration line 240 for transferring a heat source of about 150 ℃, for example, a thick solution in which the high-temperature refrigerant vapor is separated The pipe 224 is moved to the absorber 223 via the solution heat exchanger 225.

열병합발전 배관(240)으로는 다른 발전시스템 또는 소각장 등에서 배출되는 고온의 증기가 유입되게 되고, 이는 재생기(226) 내에서 열교환한 후에 다른 시스템의 급수저장조로 나아가게 된다. Cogeneration pipe 240 is a high-temperature steam discharged from the other power generation system or incinerator, etc. is introduced, which goes to the water storage tank of the other system after heat exchange in the regenerator 226.

재생기(226)에서 열병합발전 배관(240)으로 유입되는 열원에 의해 용액과 분리된 고온의 냉매증기는 증기공급관(222)을 통해 응축기(228)로 보내어진다.The high-temperature refrigerant vapor separated from the solution by the heat source flowing into the cogeneration line 240 from the regenerator 226 is sent to the condenser 228 through the steam supply pipe 222.

예컨대 55 ℃ 정도의 순환수는, 순환배관(300)을 통해 흡수기(223)를 거치면서 증발기(221)로부터 공급된 냉매증기와 열교환되어 1차 가열되고, 1차 승온된 순환수는 응축기(228)를 거치면서 재생기(226)로부터 발생한 고온의 냉매증기에 의해 2차 가열되어 예컨대 85 ℃ 정도인 고온의 순환수로 수용가에 공급된다.For example, the circulating water of about 55 ° C. is heat-exchanged with the refrigerant vapor supplied from the evaporator 221 while passing through the absorber 223 through the circulation pipe 300, and is primarily heated. The secondary heating is performed by the high temperature refrigerant steam generated from the regenerator 226 while passing through), and is supplied to the consumer with a high temperature circulation water having, for example, about 85 ° C.

한편, 발생한 고온의 냉매증기는 응축기(228)에서 응축된 후 배관(227)을 거쳐 다시 증발기(221)로 보내어져 증발기(221)에서 열교환기(130)로부터 열을 빼앗아 증발한다.On the other hand, the generated high-temperature refrigerant vapor is condensed in the condenser 228 and then sent to the evaporator 221 again through the pipe 227 to take heat from the heat exchanger 130 in the evaporator 221 to evaporate.

이러한 히트펌프(220)에 의해, 예를 들면 대략 50 ~ 55 ℃의 순환수가 약 85 ℃로 가열되어 열병합발전 열교환기(140)로 공급되거나 그 일부가 축열에 이용될 수 있다. 열병합발전 열교환기(140)에서는 다른 발전시스템 또는 소각장 등에서 배출되는 고온의 증기에 의해 순환수를 수용가가 요구하는 온도까지 승온되도록 열교환하게 된다. 이어서, 승온된 순환수는 순환배관(300)을 통해 수용가로 공급되게 된다. By such a heat pump 220, for example, circulating water of about 50 to 55 ° C is heated to about 85 ° C to be supplied to the cogeneration heat exchanger 140 or a portion thereof may be used for heat storage. In the cogeneration heat exchanger (140), the high temperature steam discharged from another power generation system or incinerator, etc., heats the circulating water to a temperature required by the consumer. Subsequently, the elevated circulating water is supplied to the customer through the circulation pipe 300.

결국, 열교환기(130)를 통해 회수된 연료전지의 폐열을 히트펌프(220)로 통과시켜 냉매로 재회수한 다음에 냉매의 가열 및 응축, 그리고 용액과의 흡수 및 분리 과정을 거쳐 순환수를 가열함으로써, 열병합발전 열교환기(140)에서 재가열되어 수용가로 공급될 순환수를 미리 가열하게 되기 때문에, 순환수에 투입되는 열량을 감소시킬 수 있게 되고, 그 결과 사용되는 연료 투입량도 절감할 수 있으며, 시스템 전체가 공급가능한 열출력을 증대시킬 수 있게 된다. As a result, the waste heat of the fuel cell recovered through the heat exchanger 130 is passed through the heat pump 220 to be recovered as a refrigerant, and thereafter, the refrigerant is heated and condensed, and absorbed and separated from the solution. By heating, since the circulating water to be reheated in the cogeneration heat exchanger 140 to be supplied to the customer in advance is heated, the amount of heat input to the circulating water can be reduced, and as a result, the amount of fuel used is reduced. As a result, the heat output of the entire system can be increased.

도 3은 본 발명의 제3실시예에 따른 연료전지의 열을 이용한 냉난방 공급시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 블록도이다.3 is a block diagram schematically illustrating a configuration of a cooling and heating supply system using heat of a fuel cell according to a third embodiment of the present invention.

본 발명의 제3실시예에 따른 연료전지의 열을 이용한 냉난방 공급시스템은 히트펌프(220)가 흡수식 히트펌프이되, 히트펌프(220)의 재생기(226)에 공급되는 열원이 재생기(226)에 구비된 가열기(250)로부터 공급되는 것을 특징으로 한다. 따라서 재생기(226)에 가열기(250)가 구비된 것만 제외하고 개질기(110), 스택(120), 열교환기(130), 히트펌프(220)의 구성 및 작용이 제2실시예에 따른 연료전지의 열을 이용한 냉난방 공급시스템과 동일하기 때문에, 본 발명의 제3실시예를 설명함에 있어, 제1실시예 또는 제2실시예와 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 부여하면서 그 구성 및 기능의 상세한 설명을 생략하기로 한다.In the cooling and heating supply system using the heat of the fuel cell according to the third embodiment of the present invention, the heat pump 220 is an absorption type heat pump, and a heat source supplied to the regenerator 226 of the heat pump 220 is supplied to the regenerator 226. It is characterized in that supplied from the heater 250 provided. Therefore, the structure and operation of the reformer 110, the stack 120, the heat exchanger 130, the heat pump 220 except for the heater 250 is provided in the regenerator 226 according to the second embodiment In the description of the third embodiment of the present invention, the same components as those of the first or second embodiment are denoted by the same reference numerals, and the structure and function thereof are detailed. The description will be omitted.

가열기(250)는 LPG 또는 천연가스 등과 같은 연료를 사용하는 가스 버너가 바람직하나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 용액 열교환기(225)를 거쳐 재생기(226)로 공급된 저온의 묽은 용액이 가열기(250)에 의해 직접 가열됨으로써 열을 공급받아 고온의 냉매증기가 분리된 진한 용액이 배관(224)을 통해 용액 열교환기(225)를 거쳐서 흡수기(223)로 이동하게 된다. The heater 250 is preferably a gas burner using a fuel such as LPG or natural gas, but is not necessarily limited thereto. The low-temperature dilute solution supplied to the regenerator 226 via the solution heat exchanger 225 is directly heated by the heater 250 so that a thick solution in which the high-temperature refrigerant vapor is separated from the solution through the pipe 224. The heat exchanger 225 is moved to the absorber 223.

이상의 설명은 본 발명을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 명세서에 개시된 실시예는 본 발명을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동일한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The above description is merely illustrative of the present invention, and those skilled in the art will appreciate that various modifications and variations can be made without departing from the essential features of the present invention. Therefore, the embodiments disclosed herein are not intended to limit the present invention but to describe the present invention, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments. The protection scope of the present invention should be interpreted by the following claims, and all technical ideas within the same scope should be interpreted as being included in the scope of the present invention.

110: 개질기
120: 스택
130: 열교환기
140: 열병합발전 열교환기
210, 220: 히트펌프
240: 열병합발전 배관
250: 가열기
300: 순환배관
110: reformer
120: stack
130: heat exchanger
140: cogeneration heat exchanger
210, 220: heat pump
240: cogeneration pipe
250: burner
300: circulation pipe

Claims (13)

연료공급원에서 공급되는 연료를 개질 반응시켜 수소 가스를 생성하는 개질기;
외부로부터 공급되는 산소가 포함된 가스와 상기 개질기로부터 공급된 수소 가스를 전극에 노출시켜 전기 에너지를 발생시키는 스택;
상기 스택을 냉각한 후 배출되는 냉각수를 제1유체와 열교환시키는 제1열교환기;
상기 제1유체를 제2유체와 열교환시키는 제2열교환기;
상기 제2유체에 의해 공급된 열을 이용하여 순환수를 승온시키도록 된 히트펌프; 및
상기 히트펌프를 통과하는 상기 순환수를 순환시키도록 구비된 순환배관
을 포함하는 냉난방 공급시스템. A reformer for reforming the fuel supplied from the fuel supply source to generate hydrogen gas;
A stack for generating electrical energy by exposing a gas containing oxygen supplied from the outside and a hydrogen gas supplied from the reformer to an electrode;
A first heat exchanger configured to heat-exchange the cooling water discharged after cooling the stack with a first fluid;
A second heat exchanger for exchanging the first fluid with a second fluid;
A heat pump configured to heat up the circulating water by using the heat supplied by the second fluid; And
Circulation piping provided to circulate the circulating water passing through the heat pump
Heating and cooling supply system comprising a. 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 제1열교환기와 상기 제2열교환기의 사이에는 온도제어를 위한 열교환기가 추가로 개재되는 냉난방 공급시스템. The method of claim 1,
And a heat exchanger for controlling temperature between the first heat exchanger and the second heat exchanger. 제1항에 있어서,
상기 순환배관에는, 상기 히트펌프를 통과한 상기 순환수를 승온시키는 열병합발전 열교환기가 추가로 설치되는 냉난방 공급시스템. The method of claim 1,
And a cogeneration heat exchanger for heating up the circulating water passing through the heat pump. 제4항에 있어서,
상기 열병합발전 열교환기에서는 별개의 시스템에서 배출되는 고온의 열매체를 상기 순환수와 열교환시키는 냉난방 공급시스템. 5. The method of claim 4,
The cogeneration heat exchanger is a heating and cooling supply system for heat-exchanging the high temperature heat medium discharged from a separate system with the circulating water. 제1항에 있어서,
상기 히트펌프는 증발기, 압축기, 응축기, 및 팽창밸브를 구비하는 전기식 히트펌프인 냉난방 공급시스템. The method of claim 1,
The heat pump is an electric heat pump having an evaporator, a compressor, a condenser, and an expansion valve. 제6항에 있어서,
상기 제2유체는 상기 히트펌프의 증발기로 공급되는 냉난방 공급시스템. The method according to claim 6,
And the second fluid is supplied to the evaporator of the heat pump. 제6항에 있어서,
상기 응축기에서는 냉매의 응축잠열이 상기 순환수로 방출되는 냉난방 공급시스템. The method according to claim 6,
The condenser is a cooling and heating supply system in which the latent heat of condensation of the refrigerant is discharged to the circulating water. 제1항에 있어서,
상기 히트펌프는 증발기, 흡수기, 재생기, 응축기, 및 용액 열교환기를 구비하는 흡수식 히트펌프인 냉난방 공급시스템. The method of claim 1,
And the heat pump is an absorption heat pump including an evaporator, an absorber, a regenerator, a condenser, and a solution heat exchanger. 제9항에 있어서,
상기 제2유체는 상기 히트펌프의 증발기로 공급되는 냉난방 공급시스템. 10. The method of claim 9,
And the second fluid is supplied to the evaporator of the heat pump. 제9항에 있어서,
상기 재생기는, 별개의 시스템에서 배출되는 고온의 열매체를 이송하는 열병합발전 배관으로부터 열교환됨으로써 열을 공급받는 냉난방 공급시스템. 10. The method of claim 9,
The regenerator is a cooling and heating supply system that receives heat by heat exchange from a cogeneration pipe for transporting a high temperature heat medium discharged from a separate system. 제9항에 있어서,
상기 재생기는 가열기를 구비하여, 상기 가열기에 의한 직접 가열에 의해 열을 공급받는 냉난방 공급시스템.10. The method of claim 9,
And the regenerator is provided with a heater to receive heat by direct heating by the heater. 제9항에 있어서,
상기 순환수는, 상기 순환배관을 통해 상기 흡수기를 거치면서 상기 증발기로부터 공급된 냉매증기와 열교환되어 1차 가열되고,
상기 응축기를 거치면서 상기 재생기로부터 발생한 고온의 냉매증기에 의해 2차 가열되는 냉난방 공급시스템.
10. The method of claim 9,
The circulating water is first heated by heat exchange with refrigerant vapor supplied from the evaporator while passing through the absorber through the circulation pipe,
Cooling and heating supply system that is heated second by the high temperature refrigerant vapor generated from the regenerator while passing through the condenser.
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