KR101369259B1 - 열 펌프 일체형 연료 전지 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 터보과급기(turbocharger)를 포함하는 열 펌프 일체형 연료 전지 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 열 펌프 일체형 연료 전지 시스템은, 수소와 산소의 전기화학적 반응에 의해 전류를 발생시키고, 부가적으로 고온의 캐소드 오프 가스(cathode off gas)를 발생시키는 연료 전지부; 증발기, 압축기, 기화기 및 팽창 밸브를 구비하며, 냉난방기로 활용할 수 있는 열 펌프부; 및 상기 연료 전지부 및 상기 열 펌프부를 연결하는 가변 면적형 터보과급기(turbocharger)를 포함한다. 상기 가변 면적형 터보과급기는, 상기 연료 전지부로부터 상기 캐소드 오프 가스를 공급받아 상기 연료 전지부의 열 교환기에 전달하고, 상기 캐소드 오프 가스를 이용하여 구동력을 발생시키며, 상기 구동력을 이용하여 상기 열 펌프부의 내부에 순환하는 냉매의 압력 및 유속을 제어할 수 있다.

Description

열 펌프 일체형 연료 전지 시스템{HEAT PUMP ALL-IN-ONE FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 열 펌프 일체형 연료 전지 시스템에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로 터보과급기(turbocharger)를 포함하는 열 펌프 일체형 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
열 펌프(heat pump)는 냉매의 발열 또는 응축열을 이용해 저온의 열원을 고온으로 전달하거나 고온의 열원을 저온으로 전달하는 냉난방장치를 말한다. 열 펌프는 대부분 냉방과 난방을 겸용하는 구조로 되어있다. 일반적으로, 열 펌프는 압축기, 증발기, 응축기 및 팽창 밸브로 이루어져 있다.
이러한 열 펌프의 구동을 위해 열 펌프와 연료 전지를 일체형으로 결합한 열 펌프 일체형 연료 전지 시스템, 기존의 발전 시스템과 연계된 열 펌프 시스템, 축열식 열 펌프 시스템 등이 개발되고 있다.
이 중에서, 열 펌프 일체형 연료 전지 시스템은, 연료 전지에서 발생하는 폐열을 증발기의 열원으로 사용하는 수준에 그치고 있다. 이때, 압축기의 구동을 위해 상당한 양의 외부 전원이 공급되어야 한다는 문제가 있다.
또한, 기존의 발전 시스템과 연계된 열 펌프 시스템은, 냉방 및 난방 부하에 대응하기 위한 인버터 등의 제어 시스템을 부가적으로 필요로 하며, 부분 부하 운전에 의해 효율성이 떨어진다는 문제가 있다. 마찬가지로, 축열식 열 펌프 시스템은, 계통 전원을 필요로 한다는 문제가 있다.
본 발명의 목적은 전력 부하의 변동 없이도, 열 펌프의 냉방 또는 난방 부하의 변동에 대응할 수 있는 열 펌프 일체형 연료 전지 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 열 펌프 일체형 연료 전지 시스템은, 수소와 산소의 전기화학적 반응에 의해 전류를 발생시키고, 부가적으로 고온의 캐소드 오프 가스(cathode off gas)를 발생시키는 연료 전지부; 증발기, 압축기, 기화기 및 팽창 밸브를 구비하며, 냉난방기로 활용할 수 있는 열 펌프부; 및 상기 연료 전지부 및 상기 열 펌프부를 연결하는 가변 면적형 터보과급기(turbocharger)를 포함한다. 상기 가변 면적형 터보과급기는, 상기 연료 전지부로부터 상기 캐소드 오프 가스를 공급받아 상기 연료 전지부의 열 교환기에 전달하고, 상기 캐소드 오프 가스를 이용하여 구동력을 발생시키며, 상기 구동력을 이용하여 상기 열 펌프부의 내부에 순환하는 냉매의 압력 및 유속을 제어할 수 있다. 여기에서, 상기 가변 면적형 터보과급기의 터빈(turbine)은 연료 전지부에 포함되고, 압축기(compressor)는 열 펌프부에 포함된다.
실시 예에 있어서, 상기 연료 전지부는, 상기 캐소드 오프 가스를 발생시키는 연료 전지 스택(stack); 및 상기 연료 전지 스택과 연결되며, 상기 연료 전지 스택으로부터 상기 캐소드 오프 가스를 공급받고, 상기 캐소드 오프 가스를 상기 가변 면적형 터보과급기에 공급하는 캐소드 리사이클 팬(cathode recycle fan)을 포함할 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 가변 면적형 터보과급기는, 상기 캐소드 리사이클 팬과 연결되며, 상기 캐소드 리사이클 팬으로부터 상기 캐소드 오프 가스를 공급받고, 상기 캐소드 오프 가스를 이용하여 상기 구동력을 발생시키는 터빈(turbine); 일단이 상기 터빈과 연결되며, 상기 구동력을 이용하여 앞뒤로 움직이는 축; 및 상기 축의 타단과 인접하며, 상기 축의 움직임에 연동하여 상기 냉매가 통과하는 유로의 면적을 변경하는 압축기(compressor)를 포함할 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 터빈은, 상기 캐소드 오프 가스에 의해 피스톤을 이동시키는 유압 실린더; 및 일단이 상기 유압 실린더와 연결되고, 타단이 상기 축의 상기 타단과 연결되며, 상기 피스톤의 이동에 따른 상기 구동력을 전달받아 상기 축이 앞뒤로 움직이도록 상기 축을 제어하는 링크 구조를 포함할 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 압축기는, 상기 축의 상기 타단과 인접하며, 상기 냉매가 통과하는 상기 유로의 면적이 변경되도록, 상기 축의 움직임에 연동하여 앞뒤로 움직이는 베인(vain)을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 열 펌프 일체형 연료 전지 시스템은, 연료 전지부에서 공급받은 캐소드 오프 가스의 운동 에너지를 이용하여 열 펌프부의 압축기를 구동함으로써, 전력 부하의 변동 없이도, 즉, 연료 전지부의 발전량과 관계없이, 냉방 또는 난방 부하의 변동에 대응할 수 있다. 이에 따라, 연료 전지부의 발전량에 따라 달라지는 캐소드 오프 가스의 열량(온도 및 유량)에 따라 냉난방이 좌우되는 상황이 방지될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 열 펌프 일체형 연료 전지 시스템은, 가변 면적형 터보과급기를 공유함에 따라 연료 전지부와 열 펌프부를 일체화함으로써, 열 펌프부의 구동에 필요한 외부 동력을 최소화하는 동시에, 인버터와 같은 별도의 열 펌프 제어 시스템을 필요로 하지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 열 펌프 일체형 연료 전지 시스템을 보여주는 개념도이다.
도 2는 본 발명에 따른 가변 면적형 터보과급기의 일 실시 예를 보여주는 개념도이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위하여, 본 발명의 실시 예가 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 하지만, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고, 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통해 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 열 펌프 일체형 연료 전지 시스템을 보여주는 개념도이다. 열 펌프 일체형 연료 전지 시스템은 연료 전지부 및 열 펌프부를 포함할 수 있다.
여기에서, 연료 전지부는, 탈황기(201), 선개질기(202), 연료 전지 스택(stack)(203), 물 공급 수단(204), 열 교환기(205), 촉매 연소기(206), 캐소드 리사이클 팬(cathode recycle fan)(207) 및 송풍기(208)를 포함할 수 있다.
연료 전지부는 연료를 산화시켜 전기 에너지를 생성할 수 있다. 여기에서, 연료, 예를 들어, 천연 가스는 THT(Tetra-Hydrothiophene), TBM(Tertiary Buthyl Mercaptan) 등 황이 주성분인 부취제를 포함할 수 있다. 이에 따라, 선개질기(202) 또는 연료 전지 스택(203) 내의 촉매 보호를 위해, 천연 가스는 탈황기(201)를 통과함으로써 부취제를 제거한다. 이후, 부취제가 제거된 천연 가스는 선개질기(202)로 공급될 수 있다.
이후, 천연 가스의 일부는 선개질기(202)에서 수소로 변환될 수 있다. 이때, 개질 방식으로 Steam reforming 방식, Partial Oxidation Reforming 방식 및 이 두 가지 개질 방식을 조합한 Auto Thermal Reforming 방식이 있다. 일반적으로, 흡열 반응인 Steam reforming 방식이 가장 많이 사용되는데, 이를 위해 필요한 증기(steam)는, 연료 전지 스택(203)의 음극(cathode)으로부터 배출되는 폐열과 물 공급 수단(204)에서 공급되는 물이 열 교환기(205)를 통과함으로써 선개질기(202)로 공급될 수 있다.
이후, 연료 전지 스택(203)의 양극(anode)에 공급되는 선개질기(202)에서 일부 개질되지 않은 천연 가스는, 연료 전지 스택(203) 내에서 개질됨으로써, 화학 반응에 필요한 수소를 생성할 수 있다. 생성된 수소는, 연료 전지 스택(203)의 음극으로부터 전해질을 통해 공급되는 탄산염(CO3 2 -)과 화학 반응하여 물(H2O), 이산화탄소(CO2) 및 전자(e-)를 생성할 수 있다. 생성된 전자의 이동을 통해 전기 에너지가 생성될 수 있다.
일반적으로, 연료 전지에 공급되는 연료의 일정 비율은 이러한 화학 반응에 참여하지 않고, 물 및 이산화탄소와 함께 외부로 배출될 수 있다. 이러한 미반응 연료를 포함하는 애노드 오프 가스(anode off gas)는 촉매 연소기(206)에 공급되며, 송풍기(208)를 통해 외부에서 공급되는 산소와 화학 반응함으로써 완전히 연소되고, 캐소드 오프 가스의 온도를 높이는 동시에, 연료 전지 스택(203)에 이산화탄소를 공급할 수 있다.
연료 전지 스택(203)에 공급된 산소 및 이산화탄소는 화학 반응을 통해 탄산염의 생성에 기여하고, 탄산염은 전해질을 통해 연료 전지 스택(203)의 양극으로 이동할 수 있다.
용융탄산염형 연료 전지(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC)와 같은 고온형 연료 전지의 경우, 연료 전지 스택(203)의 음극에 공급되는 천연 가스는 화학 반응에 이용됨과 동시에, 연료 전지 스택(203)의 운전 온도를 일정하게 유지하는 기능을 할 수 있다.
일반적으로, 용융탄산염형 연료 전지의 연료 전지 스택(203) 음극에서 배출되는 캐소드 오프 가스의 온도는 650~700℃ 정도이다. 캐소드 오프 가스의 일부는 캐소드 리사이클 팬(207)을 통해 촉매 연소기(206)의 전단 또는 후단으로 공급됨으로써, 연료 전지 스택(203)의 음극에서 이루어지는 화학 반응에 필요한 이산화탄소 및 열원을 공급할 수 있다. 또한, 캐소드 오프 가스의 나머지는 연료 전지 스택(203)의 양극으로 공급되는 연료 가스(또는 양극 가스)와의 열 교환 또는 증기 생산 등을 하는 데 이용된 후, 외부로 배출될 수 있다.
한편, 연료 전지 스택(203)의 음극에서 배출되는 캐소드 오프 가스의 일부는, 가변 면적형 터보과급기(turbocharger)(301)를 통해 열 교환기(205)에 공급되며, 가변 면적형 터보과급기(301)는 캐소드 오프 가스를 열 교환기(205)에 공급하는 과정에서 열 펌프부의 냉매를 압축시킬 수 있다. 또한, 캐소드 오프 가스의 일부는, 열 교환기(205)에 유입되어 연료 전지 스택(203)의 양극에 공급되는 천연 가스의 개질에 필요한 증기를 생성한 후, 외부로 배출될 수 있다.
한편, 열 펌프부는, 증발기(evaporation)(302), 응축기(Condenser)(303) 및 팽창 밸브(304)를 포함할 수 있다. 또한, 가변 면적형 터보과급기(301)는 터빈(turbine)(301A)과 압축기(Compressor)(301B)를 포함할 수 있다. 여기에서, 터빈(301A)은 연료 전지부에 포함되며, 압축기(301B)는 열 펌프부에 포함된다.
구체적으로, 가변 면적형 터보과급기(301)는 캐소드 리사이클 팬과 연결되며, 캐소드 오프 가스를 공급받고, 이를 이용하여 구동력을 발생시키는 터빈(301A)과, 터빈(301A)과 연결된 축을 통해 구동력을 전달받고 이을 이용하여 증발기(302)로부터 공급받은 냉매의 압력 및 유속을 제어하는 압축기(Compressor)(301B)를 포함할 수 있다. 이에 따라, 증발기(302)로부터 공급된 냉매는 고온, 저압 상태에서 고온, 고압 상태가 되도록 가변 면적형 터보과급기(301)에서 압축될 수 있다. 압축된 냉매는 응축기(303)에서의 열 교환을 통해 외부로 고온의 가스를 방출하고, 이후, 저온, 고압 상태로 팽창 밸브(304)에 공급될 수 있다.
한편, 열 펌프부가 난방 모드로 동작하는 경우, 응축기(303)에서 배출되는 고온의 가스가 난방에 활용될 수 있다. 팽창 밸브(304)에서 감압된 저온, 저압 상태의 냉매는 다시 증발기(302)에 공급되며, 냉매는 증발기(302)에서의 열 교환을 통해 흡수된 열에 의해 기화될 수 있다. 반면, 열 펌프부가 냉방 모드로 동작하는 경우, 증발기(난방 모드에서의 응축기)(303)에서 배출되는 저온의 가스가 냉방에 활용될 수 있다.
구체적으로, 열 펌프부는 팽창 밸브(304)로서 사방 밸브를 이용한다. 사방 밸브는 냉매의 흐름을 경우에 따라 스위칭할 수 있다. 즉, 열 펌프부가 난방 모드로 동작하는 경우, 응축기(303)는 외부로부터 유입된 저온의 가스와, 고온, 고압 상태의 냉매 간의 열 교환을 통해 고온의 가스를 실내에 배출할 수 있다. 또한, 증발기(302)는 외부로부터 유입된 고온의 가스와, 저온, 저압 상태의 냉매 간의 열 교환을 통해 냉매를 증발시키고 저온의 가스를 외부에 배출할 수 있다.
반면, 열 펌프부가 냉방 모드로 동작하는 경우, 사방 밸브에 의해 냉매의 유동 방향은 난방 모드일 때의 냉매의 유동 방향과 반대 방향이 된다. 이 경우, 난방 모드일 때의 응축기(303) 및 증발기(302)는 냉방 모드에서 각각 증발기 및 응축기로서 동작할 수 있다. 이때의 증발기(난방 모드에서의 응축기)(303)는 저온의 가스를 실내에 배출할 수 있다. 또한, 응축기(난방 모드에서의 증발기)(302)는 고온의 가스를 외부에 배출할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 열 펌프 일체형 연료 전지 시스템은, 연료 전지부와 열 펌프부를 일체화함으로써, 열 펌프부의 구동에 필요한 외부 동력을 최소화하는 동시에, 인버터와 같은 별도의 열 펌프 제어 시스템을 필요로 하지 않는다.
도 2는 본 발명에 따른 가변 면적형 터보과급기(600)의 일 실시 예를 보여주는 개념도이다.
여기에서, 가변 면적형 터보과급기(600)는 터빈(601), 압축기(602) 및 일단이 터빈(601)과 연결되며 타단이 압축기(602)와 인접하는 축(603)을 포함할 수 있다.
터빈(601)은 캐소드 리사이클 팬(207, 도 1 참조)과 연결되며, 캐소드 리사이클 팬(207)으로부터 캐소드 오프 가스를 공급받을 수 있다. 또한, 터빈(601)은 캐소드 오프 가스를 이용하여 구동력을 발생시킬 수 있다.
구체적으로, 터빈(601)의 유압 실린더(605)는 캐소드 오프 가스에 의해 피스톤을 이동시킬 수 있다. 유압 실린더(605)는 링크 구조(604)의 일단과 연결될 수 있다. 링크 구조(604)는 피스톤의 이동에 따른 구동력을 전달받아, 링크 구조(604)의 타단과 연결된 축(603)이 앞뒤로 움직이도록 축(603)을 제어할 수 있다.
압축기(602)는 축(603)의 타단과 인접하며, 축(603)의 움직임에 연동하여 냉매가 통과하는 유로의 면적을 변경할 수 있다.
구체적으로, 압축기(602)는 축(603)의 움직임에 연동하여 앞뒤로 움직이는 베인(vain)(606)을 포함할 수 있다. 베인(606)의 움직임에 따라, 냉매가 통과하는 유로의 면적이 변경될 수 있다. 예를 들어, 유로의 면적이 감소하는 경우, 냉매의 압력 및 유속이 증가하고, 반대로 유로의 면적이 증가하는 경우, 냉매의 압력 및 유속이 감소할 수 있다. 이에 따라, 가변 면적형 터보과급기(600)의 터빈(601)에 공급되는 캐소드 오프 가스의 변동 없이, 냉매의 압력 및 유속이 변경될 수 있다. 이는 연료 전지의 발전량이 일정한 상태에서 냉매의 압력 및 유속이 변경될 수 있음을 의미한다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 열 펌프 일체형 연료 전지 시스템은, 연료 전지부에서 공급받은 캐소드 오프 가스의 운동 에너지를 이용하여 열 펌프부의 압축기(602)를 구동함으로써, 전력 부하의 변동 없이도, 즉, 연료 전지부의 발전량과 관계없이, 냉방 또는 난방 부하의 변동에 대응할 수 있다. 이에 따라, 연료 전지부의 발전량에 따라 달라지는 캐소드 오프 가스의 열량(온도 및 유량)에 따라 냉난방이 좌우되는 상황이 방지될 수 있다.
본 명세서에 개시된 실시 예들의 구성과 방법은 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 실시 예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

Claims (5)

  1. 수소와 산소의 전기화학적 반응에 의해 전류를 발생시키고, 부가적으로 고온의 캐소드 오프 가스(cathode off gas)를 발생시키는 연료 전지부;
    증발기, 압축기, 기화기 및 팽창 밸브를 구비하며, 냉난방기로 활용할 수 있는 열 펌프부; 및
    상기 연료 전지부 및 상기 열 펌프부를 연결하는 가변 면적형 터보과급기(turbocharger)를 포함하고,
    상기 가변 면적형 터보과급기는,
    상기 연료 전지부로부터 상기 캐소드 오프 가스를 공급받아 상기 연료 전지부의 열 교환기에 전달하고, 상기 캐소드 오프 가스를 이용하여 구동력을 발생시키며, 상기 구동력을 이용하여 상기 열 펌프부의 내부에 순환하는 냉매의 압력 및 유속을 제어하는 것을 특징으로 하는 열 펌프 일체형 연료 전지 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 전지부는,
    상기 캐소드 오프 가스를 발생시키는 연료 전지 스택(stack); 및
    상기 연료 전지 스택과 연결되며, 상기 연료 전지 스택으로부터 상기 캐소드 오프 가스를 공급받고, 상기 캐소드 오프 가스를 상기 가변 면적형 터보과급기에 공급하는 캐소드 리사이클 팬(cathode recycle fan)을 포함하는 것을 특징으로 하는 열 펌프 일체형 연료 전지 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 가변 면적형 터보과급기는,
    상기 캐소드 리사이클 팬과 연결되며, 상기 캐소드 리사이클 팬으로부터 상기 캐소드 오프 가스를 공급받고, 상기 캐소드 오프 가스를 이용하여 상기 구동력을 발생시키는 터빈(turbine);
    일단이 상기 터빈과 연결되며, 상기 구동력을 이용하여 앞뒤로 움직이는 축; 및
    상기 축의 타단과 인접하며, 상기 축의 움직임에 연동하여 상기 냉매가 통과하는 유로의 면적을 변경하는 압축기(compressor)를 포함하는 것을 특징으로 하는 열 펌프 일체형 연료 전지 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 터빈은,
    상기 캐소드 오프 가스에 의해 피스톤을 이동시키는 유압 실린더; 및
    일단이 상기 유압 실린더와 연결되고, 타단이 상기 축의 상기 타단과 연결되며, 상기 피스톤의 이동에 따른 상기 구동력을 전달받아 상기 축이 앞뒤로 움직이도록 상기 축을 제어하는 링크 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 열 펌프 일체형 연료 전지 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 압축기는,
    상기 축의 상기 타단과 인접하며, 상기 냉매가 통과하는 상기 유로의 면적이 변경되도록, 상기 축의 움직임에 연동하여 앞뒤로 움직이는 베인(vain)을 포함하는 것을 특징으로 하는 열 펌프 일체형 연료 전지 시스템.
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