KR101458675B1 - 연료 전지와 히트 펌프를 이용한 하이브리드 냉난방 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 하이브리드 냉난방 시스템은 냉매를 이용하여 냉방과 난방을 제공하는 히트 펌프, 냉매를 대기와 열교환시키는 방열 유닛, 냉매와 열교환되는 온수를 저장하는 온수 탱크, 연료극과 공기극을 구비하는 연료 전지, 온수 탱크의 온수와 연료 전지의 공기극으로부터 배기되는 배기가스를 열교환시키는 메인 열교환기, 및 냉매, 온수, 배기가스의 흐름을 제어하는 제어 유닛을 포함한다.
Description
본 발명은 연료 전지와 히트 펌프를 이용한 하이브리드 냉난방 시스템에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 외부의 온도에 상관없이 냉방과 난방을 모두 효율적으로 제공할 수 있는 연료 전지와 히트 펌프를 이용한 하이브리드 냉난방 시스템에 관한 것이다.
연료전지는 탄화수소 연료에 저장된 화학 에너지를 전기화학반응에 의해 전기 에너지로 직접 변환하는 장치이다. 즉, 연료전지는 연료극에서의 수소 산화반응과 공기극에서의 산소 환원반응에 의해 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환한다. 이러한 반응을 위해 연료전지 스택의 연료극에는 연료가스(수소)를 공급하여야 하고, 연료전지 스택의 공기극에는 공기(산소)를 공급하여야 한다.
그리고 이러한 반응으로 전기를 생산하는 연료전지 시스템은 크게 연료전지 스택, MBOP(Mechanical Balance of Plant), EBOP(Electrical Balance of Plant)로 구성된다. 연료전지 스택은 전기화학반응으로 전기를 생산하는 구성이고, MBOP는 연료전지 스택으로 수소와 산소를 공급하는 구성이며, EBOP는 연료전지 스택에서 생산한 직류전기를 교류전기로 변환하여 필요한 곳으로 공급하는 구성이다.
한편, 용융탄산염 연료전지(MCFC)와 같은 고온형 연료전지는 반응 중에 고온의 폐가스를 배기한다. 이에 따라 이러한 고온의 폐가스를 활용하기 위한 여러 시스템이 제안되고 있다. 그런데 기존의 시스템은 폐가스를 활용하여 스팀이나 온수를 만드는 것에 그치고 있기 때문에 냉방 시스템을 구현하는 것에 한계가 있다는 문제가 있다. 이러한 문제는 특히 건물에 설치되어 건물에 필요한 전기를 생산하는 건물용 연료 전지에서 더욱 크게 나타난다. 고온의 폐가스를 활용하여 난방 시스템을 구현한다고 하더라도 별도로 냉방 시스템을 설치하여야 하기 때문이다.
따라서 본 발명은 위와 같은 문제들을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 과제는 외부의 온도에 상관없이 냉방과 난방을 모두 효율적으로 제공할 수 있는 연료 전지와 히트 펌프를 이용한 하이브리드 냉난방 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 하이브리드 냉난방 시스템은 냉매를 이용하여 냉방과 난방을 제공하는 히트 펌프, 냉매를 대기와 열교환시키는 방열 유닛, 냉매와 열교환되는 온수를 저장하는 온수 탱크, 연료극과 공기극을 구비하는 연료 전지, 온수 탱크의 온수와 연료 전지의 공기극으로부터 배기되는 배기가스를 열교환시키는 메인 열교환기, 및 냉매, 온수, 배기가스의 흐름을 제어하는 제어 유닛을 포함한다.
본 발명에 따른 하이브리드 냉난방 시스템은 히트 펌프를 활용하기 때문에 난방뿐만 아니라 냉방도 제공할 수 있을 뿐만 아니라, 외부의 온도가 소정 온도 이하라 하더라도 필요한 열을 연료 전지의 폐가스로부터 히트 펌프로 제공하기 때문에 원활하게 난방을 제공할 수 있으며, 제어 유닛을 통해 각 단계별로 적절히 제어를 수행하기 때문에 보다 효율적으로 냉방과 난방을 제공할 수 있다는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 냉난방 시스템을 도시하고 있는 개념도
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 냉난방 시스템을 도시하고 있는 개념도이다. 도 1에서 도시하고 있는 것과 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 냉난방 시스템은 기본적으로 히트 펌프(110), 방열 유닛(120), 온수 탱크(130), 연료 전지(140), 메인 열교환기(150) 및 제어 유닛(미도시)을 포함한다.
여기서 히트 펌프(110)는 냉매를 이용하여 냉방과 난방을 모두 제공하는 일반적인 히트 펌프를 말한다. 즉, 히트 펌프(110)는 저온의 냉매 또는 고온의 냉매를 통해 실내를 냉방 또는 난방할 수 있다. 이러한 히트 펌프(110)는 도 1에서 구체적으로 도시하고 있지는 않지만 압축기 등을 포함할 수 있다. 다만, 히트 펌프(110)를 구성하는 구체적인 구성은 일반적이므로 여기에서는 그에 대한 구체적인 설명을 생략한다.
그런데 히트 펌프(110)를 통해 냉방과 난방을 모두 제공하려면 히트 펌프(110)의 냉매를 냉각하거나 가열하는 것이 필요하다. 방열 유닛(120)과 온수 탱크(130)는 이러한 냉각과 가열을 위해 필요한 구성이다. 즉, 방열 유닛(120)은 냉매의 냉각을 위해 냉매를 대기와 열교환시키는 구성이고, 온수 탱크(130)는 냉매의 가열을 위해 냉매와 열교환되는 온수를 저장하는 구성이다.
다시 말해, 히트 펌프(110)의 냉매는 방열 유닛(120)을 거치면서 대기와 열교환을 하기 때문에 그 온도가 낮아질 수 있다. 그리고 히트 펌프(110)의 냉매는 온수 탱크(130)의 온수와 열교환을 하기 때문에 그 온도가 높아질 수 있다. 참고로 히트 펌프(110)의 냉매와 온수 탱크(130)의 온수는 히트 펌프(110)의 내부에 구비된 열교환기 또는 히트 펌프(110)의 외부에 별도로 구비된 열교환기를 통해 서로 열교환을 할 수 있다. (도 1은 히트 펌프의 내부에 구비된 열교환기를 예시하고 있다.) 그리고 방열 유닛은 일반적으로 히트 펌프의 일 구성으로서 마련된다.
한편, 온수 탱크(130)의 온수는 연료 전지(140)로부터 배기되는 배기가스를 통해 가열될 수 있다. 이에 대해서 보다 상술하면, 연료 전지(140)는 통상적으로 연료극과 공기극을 구비한다. 이러한 연료전지는 연료극에서의 수소 산화반응과 공기극에서의 산소 환원반응에 의해 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시킨다. 그런데 공기극은 반응 중에 통상적으로 약 360 ℃의 배기가스를 배기한다. 따라서 이러한 배기가스를 이용하면 온수 탱크(130)의 온수를 가열시킬 수 있다. 메인 열교환기(150)는 이러한 가열을 위한 구성이다. 즉, 메인 열교환기(150)는 온수 탱크(130)의 온수와 연료 전지(140)의 배기가스를 열교환시켜 온수 탱크(130)의 온수를 가열시킨다.
본 실시예에 따른 하이브리드 냉난방 시스템은 이와 같이 연료 전지(140)로부터 배기되는 폐가스를 활용하여 일단 온수 탱크(130)의 온수를 가열한 다음에 이러한 온수를 이용하여 히트 펌프(110)로 필요한 열을 공급한다는 점에 특징이 있다. 이와 같이 하이브리드 냉난방 시스템을 구성하면 연료 전지(140)의 폐가스를 활용하면서 발생하는 문제와 히트 펌프(110)를 활용하면서 발생하는 문제를 모두 개선시킬 수 있다.
이에 대해서 보다 상술하면 연료 전지(140)의 폐가스를 활용하면 기본적으로 냉방이 어렵다는 문제가 발생한다. 그리고 공기열 히트 펌프(110)를 활용하면 외부의 온도가 영하 5 ℃ 이하일 때 난방이 어렵다는 문제가 발생한다. 그러나 본 실시예에 따른 하이브리드 냉난방 시스템은 히트 펌프(110)를 활용하기 때문에 난방뿐만 아니라 냉방도 제공할 수 있을 뿐만 아니라, 외부의 온도가 영하 5 ℃ 이하라 하더라도 필요한 열을 연료 전지(140)의 폐가스로부터 히트 펌프(110)로 제공하기 때문에 원활하게 난방을 제공할 수 있다.
따라서 건물용 연료 전지를 설치할 때 본 실시예에 따른 하이브리드 냉난방 시스템을 함께 설치하면 보다 효율적으로 건물의 냉난방을 실현할 수 있다. 더욱이 본 실시예에 따른 하이브리드 냉난방 시스템은 온수 탱크(130)를 별도로 구비하기 때문에 계절에 상관없이 온수 탱크(130)의 온수를 계속 사용할 수 있다는 효과도 더불어 가진다.
한편, 본 실시예에 따른 하이브리드 냉난방 시스템은 냉매, 온수, 배기가스의 흐름을 제어하기 위해 도 1 에서 도시하고 있는 것과 같이 제1, 제2, 제3, 제4 밸브(161, 162, 163, 164)와 이송 펌프(170)를 포함한다. 제1 밸브(161)는 배기가스를 연료 전지(140)로부터 외부로 방출시키는 유로 중에 설치되고, 제2 밸브(162)는 배기가스를 연료 전지(140)로부터 메인 열교환기(150)로 안내하는 유로 중에 설치되며, 제3 밸브(163)는 온수 탱크(130)와 히트 펌프(110) 사이에서 온수가 유동하는 유로 중에 설치되고, 제4 밸브(164)는 히트 펌프(110)와 방열 유닛(120) 사이에서 냉매가 유동하는 유로 중에 설치된다. 그리고 이송 펌프(170)는 온수 탱크(130)의 온수를 메인 열교환기(150)로 보내는 펌프이다. 이러한 밸브들(161, 162, 163, 164)과 이송 펌프(170)는 제어 유닛에 의해 제어된다. 이하에서는 제어 유닛을 통한 단계별 제어를 보다 구체적으로 설명한다.
(1) 대기 단계
하이브리드 냉난방 시스템은 우선 대기 단계에 있다. 대기 단계는 하이브리드 냉난방 시스템을 시동시키기 전의 단계를 말한다. (다만, 이러한 단계라 하더라도 발전을 위해 연료 전지는 계속 작동 중일 수 있다.) 이러한 대기 단계에서 제어 유닛은 제3 및 제4 밸브(163, 164)를 모두 폐쇄하고 이송 펌프(170)를 정지시킨다. 히트 펌프(110)의 가동 전이기 때문이다. 그리고 제어 유닛은 연료 전지(140)의 배기가스를 배출시키기 위해 제1 및 제2 밸브(161, 162)를 모두 개방한다. 그런 다음 제어 유닛은 소정 시간(대략 30초)의 경과 후에 제2 밸브(162)를 폐쇄한다.
이와 같이 제1 및 제2 밸브(161, 162)를 모두 개방하였다가 소정 시간의 경과 후에 제2 밸브(162)를 폐쇄하면 연료 전지(140)로 가해지는 영향을 최소화할 수 있다. 즉, 이와 같이 제어하면 연료 전지(140)로부터 배기되는 배기가스를 순차적으로 배기할 수 있기 때문에, 연료 전지(140)의 내부에서 일어나는 압력 강하를 최소화할 수 있다. 그리고 이와 같이 압력 강하를 최소화하면 연료 전지(140)를 연속적으로 가동시키면서 배기가스(즉, 열원)를 지속적으로 얻을 수 있다. 또한 이와 같이 연료 전지(140)를 연속적으로 가동시키면 연료 전지(140)의 수명도 증가시킬 수 있다.
참고로 제1 및 제2 밸브(161, 162)는 XV(on-off valve)일 수 있고, 제3 및 제4 밸브(163, 164)는 MOV(motor operated valve)일 수 있다. 그리고 제3 및 제4 밸브(163, 164)는 한 쌍으로 구비될 수도 있다. 예를 들어, 도 1에서 도시하고 있는 것과 같이 온수 탱크(130)에서 히트 펌프(110)로 향하는 유로 중에, 그리고 히트 펌프(110)에서 온수 탱크(130)로 향하는 유로 중에 각각 제3 밸브(163)가 구비될 수도 있다.
(2) 시동 단계
시동 단계는 하이브리드 냉난방 시스템을 가동시키기 위해 히트 업(heat up) 하는 단계이다. 이러한 시동 단계를 통해 하이브리드 냉난방 시스템의 연료 전지(140)는 그 기동을 위한 온도까지 가열된다. (이러한 기동을 위한 조건은 연료 전지의 종류마다 서로 다를 수 있다.)
이러한 시동 단계에서 제어 유닛은 연료 전지(140)의 배기가스를 배출시키기 위해 제1 및 제2 밸브(161, 162)를 모두 개방한다. 그런 다음 제어 유닛은 소정 시간(대략 30초)의 경과 후에 제2 밸브(162)를 폐쇄한다. 이러한 폐쇄를 통해 연료 전지(140)는 시동 단계에서 그 내부의 열을 보다 안정적으로 보관할 수 있다.
이러한 폐쇄 후에 다시 연료 전지(140)를 체크하였으나 연료 전지(140)가 아직 그 기동을 위한 조건까지 가열되지 않았으면, 제2 밸브(162)를 다시 개방하여 제1 및 제2 밸브(161, 162)를 모두 개방한다. 이러한 개방을 통해 연료 전지(162)는 그 내부의 폐가스를 외부로 배출할 수 있다. 그런데 이와 같은 배출을 수행하지 않으면 연료 전지(140)에 트립이 발생할 수 있다. 이러한 개방 후에 제어 유닛은 소정 시간(대략 30초)이 경과한 다음에 제2 밸브(162)를 다시 폐쇄한다
(3) 온수 온도의 유지 단계
히트 펌프(110)로 일정한 온도 범위 내의 온수를 공급하기 위해 온수 탱크(130)의 온수를 일정한 온도 범위 내로 유지하는 단계를 말한다. 이러한 유지를 위해 제어 유닛은 온수 탱크(130)의 온수의 온도가 소정 값(예를 들어, 30 ℃) 이하이면 제1 밸브(161)를 폐쇄하고 제2 밸브(162)를 개방하며 이송 펌프(170)를 가동시킨다. 이와 같이 제어하면 온수 탱크(130)의 온수와 연료 전지(140)의 배기가스 사이에서 열교환이 일어날 수 있다. 즉, 연료 전지(140)의 배기가스로 온수 탱크(130)의 온수를 가열할 수 있다. 그리고 제어 유닛은 온수 탱크(130)의 온수의 온도가 소정 값(예를 들어, 40 ℃) 이상이면 제1 밸브(161)를 개방하고 제2 밸브(162)를 폐쇄하며 이송 펌프(170)를 정지시킨다. 이와 같이 제어하면 온수 탱크(130)의 온수와 연료 전지(140)의 배기가스 사이에서 더 이상 열교환이 일어날 수 없다.
한편, 온수 탱크(130)의 온수는 히트 펌프(110) 외에 사용자에게도 공급될 수 있다. 이와 같이 사용자에게 온수가 공급되면 온수 탱크(130)의 수위가 낮아질 수밖에 없다. 따라서 온수 탱크(130)의 수위에 따라 물을 온수 탱크(130)로 보충할 필요가 있다. 이를 위해 제어 유닛은 온수 탱크(130)로 물을 보충하는 보충 밸브(165)의 개폐를 제어한다. 즉, 제어 유닛은 온수 탱크(130)의 수위가 소정 값(예를 들어, 중간 수위) 이하이면 보충 밸브(165)를 개방하고, 온수 탱크(130)의 수위가 소정 값 이상(예를 들어, 만수위)이면 보충 밸브(165)를 폐쇄한다. 그런데 이러한 제어는 온수 탱크(130)의 온수의 온도가 소정 값 이하일 때만 이루어질 수도 있다.
그런데 온수의 온도는 그 상한과 그 하한이 어느 정도 차이가 나는 것이 바람직하다. 온도의 상한과 하한이 어느 정도 차이가 나지 않으면 제1 밸브(161)나 제2 밸브(162)가 너무 자주 개폐를 반복하여야 하는데, 이와 같이 자주 개폐를 반복하면 그에 따른 압력의 변화가 연료 전지(40)에 트립(trip)을 유발시키기 때문이다.
(4) 난방 또는 냉방 단계
사용자가 설정한 설정 온도가 실내 온도보다 높으면 제어 유닛은 제3 밸브(163)를 개방하고 제4 밸브(164)를 폐쇄하며 히트 펌프(110)를 가동시켜 난방을 실시한다. 이와는 반대로 설정 온도가 실내 온도보다 낮으면 제어 유닛은 제3 밸브(163)를 폐쇄하고 제4 밸브(164)를 개방하며 히트 펌프(110)를 가동시켜 냉방을 실시한다.
(5) 이상 발생 단계
연료 전지(140)에 이상이 발생하면 제어 유닛은 모든 밸브를 폐쇄하고 이송 펌프(170)도 정지시킨다. 그리고 히트 펌프(110)에 이상이 발생하면 제어 유닛은 제3 및 제4 밸브(163, 164)를 폐쇄하고, 이송 펌프(170)를 정지시키며, 제1 및 제2 밸브(161, 162)를 개방한다. 그런 다음 제어 유닛은 소정 시간의 경과 후에 제2 밸브(162)를 폐쇄한다.
110: 히트 펌프 120: 방열 유닛
130: 온수 탱크 140: 연료 전지
150: 메인 열교환기 161: 제1 밸브
162: 제2 밸브 163: 제3 밸브
164: 제4 밸브 165: 보충 밸브
170: 이송 펌프
130: 온수 탱크 140: 연료 전지
150: 메인 열교환기 161: 제1 밸브
162: 제2 밸브 163: 제3 밸브
164: 제4 밸브 165: 보충 밸브
170: 이송 펌프
Claims (11)
- 냉매를 이용하여 냉방과 난방을 제공하는 히트 펌프;
상기 냉매를 대기와 열교환시키는 방열 유닛;
상기 냉매와 열교환되는 온수를 저장하는 온수 탱크;
연료극과 공기극을 구비하는 연료 전지;
상기 온수 탱크의 온수와 상기 연료 전지의 공기극으로부터 배기되는 배기가스를 열교환시키는 메인 열교환기; 및
상기 냉매, 상기 온수 및 상기 배기가스의 흐름을 제어하는 제어 유닛을 포함하며,
상기 배기가스를 상기 연료 전지로부터 외부로 방출시키는 유로 중에 설치되는 제1 밸브, 상기 배기가스를 상기 연료 전지로부터 상기 메인 열교환기로 안내하는 유로 중에 설치되는 제2 밸브, 상기 온수 탱크의 온수를 상기 메인 열교환기로 보내는 이송 펌프, 상기 온수 탱크와 상기 히트 펌프 사이에서 상기 온수가 유동하는 유로 중에 설치되는 제3 밸브, 및 상기 히트 펌프와 상기 방열 유닛 사이에서 상기 냉매가 유동하는 유로 중에 설치되는 제4 밸브를 더 포함하며,
상기 제어 유닛은 대기 단계에서 상기 제1 및 제2 밸브를 개방하고, 상기 제1 및 제2 밸브를 개방하고 나서 소정 시간이 경과한 다음에 상기 제2 밸브를 폐쇄하며, 상기 제3 및 제4 밸브를 폐쇄하고, 상기 이송 펌프를 정지시키는 것을 특징으로 하는 하이브리드 냉난방 시스템. - 삭제
- 청구항 1에 있어서,
상기 제어 유닛은 상기 온수 탱크의 온수의 온도가 소정 값 이하이면 상기 제1 밸브를 폐쇄하고 상기 제2 밸브를 개방하며 상기 이송 펌프를 가동시키고, 상기 온수 탱크의 온수의 온도가 소정 값 이상이면 상기 제1 밸브를 개방하고 상기 제2 밸브를 폐쇄하며 상기 이송 펌프를 정지시키는 것을 특징으로 하는 하이브리드 냉난방 시스템. - 청구항 3에 있어서,
상기 제어 유닛은 상기 온수 탱크의 수위가 소정 값 이하이면 상기 온수 탱크로 물을 보충하는 보충 밸브를 개방하고, 상기 온수 탱크의 수위가 소정 값 이상이면 상기 온수 탱크로 물을 보충하는 보충 밸브를 폐쇄하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 냉난방 시스템. - 청구항 1에 있어서,
상기 제어 유닛은 설정 온도가 실내 온도보다 높으면 난방을 위해 상기 제3 밸브를 개방하고 상기 제4 밸브를 폐쇄하며 상기 히트 펌프를 가동시키는 것을 특징으로 하는 하이브리드 냉난방 시스템. - 청구항 1에 있어서,
상기 제어 유닛은 설정 온도가 실내 온도보다 낮으면 냉방을 위해 상기 제3 밸브를 폐쇄하고 상기 제4 밸브를 개방하며 상기 히트 펌프를 가동시키는 것을 특징으로 하는 하이브리드 냉난방 시스템. - 청구항 1에 있어서,
상기 제어 유닛은 상기 연료 전지에 이상이 발생하면 상기 제1, 제2, 제3 및 제4 밸브를 폐쇄하고 상기 이송 펌프를 정지시키는 것을 특징으로 하는 하이브리드 냉난방 시스템. - 청구항 1에 있어서,
상기 제어 유닛은 상기 히트 펌프에 이상이 발생하면, 상기 제1 및 제2 밸브를 개방하고, 상기 제1 및 제2 밸브를 개방하고 나서 소정 시간이 경과한 다음에 상기 제2 밸브를 폐쇄하며, 상기 제3 및 제4 밸브를 폐쇄하고, 상기 이송 펌프를 정지시키는 것을 특징으로 하는 하이브리드 냉난방 시스템. - 삭제
- 청구항 1에 있어서,
상기 제어 유닛은 시동 단계에서 상기 제1 및 제2 밸브를 개방하고, 상기 제1 및 제2 밸브를 개방하고 나서 소정 시간이 경과한 다음에 상기 제2 밸브를 폐쇄하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 냉난방 시스템. - 청구항 10에 있어서,
상기 제어 유닛은 시동 단계에서 상기 연료 전지가 기동을 위한 조건을 만족하지 못하면, 상기 제2 밸브를 다시 개방하고, 상기 제2 밸브를 개방하고 나서 소정 시간이 경과한 다음에 상기 제2 밸브를 다시 폐쇄하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 냉난방 시스템.
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|---|---|---|---|
| KR1020120113003A KR101458675B1 (ko) | 2012-10-11 | 2012-10-11 | 연료 전지와 히트 펌프를 이용한 하이브리드 냉난방 시스템 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR1020120113003A KR101458675B1 (ko) | 2012-10-11 | 2012-10-11 | 연료 전지와 히트 펌프를 이용한 하이브리드 냉난방 시스템 |
Publications (2)
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| KR20140046836A KR20140046836A (ko) | 2014-04-21 |
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