KR101478115B1 - 흡수식 히트펌프를 이용한 연료전지의 배가스 폐열 회수장치 - Google Patents

흡수식 히트펌프를 이용한 연료전지의 배가스 폐열 회수장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 흡수식 히트펌프를 활용하여 연료전지의 배가스 폐열 회수 효율을 개선할 수 있는 연료전지의 배가스 폐열 회수장치에 관한 것으로, 연료가스가 공급되어 전기 화학 반응에 의해 고온의 배가스를 발생시키는 연료전지모듈(10)에서 배출된 배가스와 열교환이 이루어져 열수요처(20)의 난방열원 일부를 승온하여 열수요처(20)의 난방열원으로 공급하게 되는 열교환부(110)와; 재생기(121), 응축기(122), 증발기(123), 및 흡수기(124)를 포함하여 상기 연료전지모듈(10)로부터 상기 열교환부(110)로 공급되는 배가스가 상기 재생기(121)를 경유하여 상기 재생기(121)의 구동열원으로 공급되며, 상기 열교환부(110)를 경유한 배가스가 상기 증발기(123)의 열원으로 공급되며, 상기 흡수기(124)에서의 흡수열과 상기 응축기(122)에서의 응축열에 의해 열수요처(20)의 난방열원 일부를 승온하여 열수요처(20)의 난방열원으로 공급하게 되는 흡수식 히트펌프(120)를 포함하여, 연료전지에서 배출되는 배가스 폐열 회수 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

흡수식 히트펌프를 이용한 연료전지의 배가스 폐열 회수장치{Waste heat recovery system of a fuel cell utilizing an absorption heat pump}
본 발명은 흡수식 히트펌프를 활용하여 연료전지의 배가스 폐열 회수 효율을 개선할 수 있는 연료전지의 배가스 폐열 회수장치에 관한 것이다.
연료전지는 전기 화학 반응에 의해 연료의 산화에 의해 발생된 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 발전장치로서 기존의 내연기관과 달리 유독공해물질의 배출이 없고 이산화탄소 배출량도 획기적으로 줄일 수 있는 친환경적이다.
이러한 연료전지는 전기 화학 반응에 의해 전류를 발생시키고 부산물로서 고온의 열과 물이 발생되며, 연료전지에서 발생된 폐열을 회수하여 급탕 또는 난방용 등으로 활용하기 위한 다양한 제안이 있다.
예를 들어, 등록특허공보 제10-1032974호(등록일자: 2011.04.27)에서는 연료전지스택에서 발생되는 배가스의 열기를 복합 발전계통과 연계하여 연료전지로부터 발생되는 폐열을 재활용할 수 있는 연료전지를 이용한 복합 발전 시스템을 제안하고 있으며, 등록특허공보 제10-0802571호(등록일자: 2008.02.01)에서는 난방 작동시에 연료전지의 폐열을 압축기의 흡입부 쪽에 제공하여 난방 효율을 향상시킬 수 있도록 하는 연료전지의 폐열을 이용한 냉난방 장치를 보여주고 있다.
한편, 도 1은 종래기술의 배열회수유니트를 이용한 연료전지의 배가스 폐열 회수장치의 구성도를 보여주고 있다.
도 1을 참고하면, 연료전지모듈(10)에서 배출된 배가스는 배열회수유니트(30)에서 열수요처(20)의 난방열원과 열교환이 이루어져 대기 중으로 배출되며, 배열회수유니트(30)에서 열교환이 이루어진 난방열원은 50℃에서 90℃까지 승온되어 열수요처(20)로 공급이 이루어진다.
연료전지모듈(10)에서 약 355℃로 배출된 배가스는 배열회수유니트(30)를 경유하여 열교환이 이루어진 후에 120℃까지 낮아져서 대기로 배출되는 과정에서 배열(2,919Mcal/h)의 40%인 1,148Mcal/h 정도가 회수가 가능하며, 이때 전체 시스템 효율은 약 66%가 된다.
1. 등록특허공보 제10-1032974호(등록일자: 2011.04.27)
2. 등록특허공보 제10-0802571호(등록일자: 2008.02.01)
본 발명은 이러한 연료전지에서 발생되는 배가스 폐열을 회수하여 활용함에 있어서 흡수식 히트펌프를 활용하여 연료전지의 배가스 폐열 회수 효율을 개선할 수 있는 연료전지의 배가스 폐열 회수장치를 제공하고자 한다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지의 배가스 폐열 회수장치는, 연료가스가 공급되어 전기 화학 반응에 의해 고온의 배가스를 발생시키는 연료전지모듈에서 배출된 배가스와 열교환이 이루어져 열수요처의 난방열원 일부를 승온하여 열수요처의 난방열원으로 공급하게 되는 열교환부와; 재생기, 응축기, 증발기, 및 흡수기를 포함하여 상기 연료전지모듈로부터 상기 열교환부로 공급되는 배가스가 상기 재생기를 경유하여 상기 재생기의 구동열원으로 공급되며, 상기 열교환부를 경유한 배가스가 상기 증발기의 열원으로 공급되며, 상기 흡수기에서의 흡수열과 상기 응축기에서의 응축열에 의해 열수요처의 난방열원 일부를 승온하여 열수요처의 난방열원으로 공급하게 되는 흡수식 히트펌프를 포함한다.
바람직하게는 본 발명에 있어서, 열수요처에서 상기 열교환부 및 상기 흡수식 히트펌프로 전달되는 저온 난방열원을 유량 제어하여 분배하게 되는 유량제어밸브를 더 포함하며, 보다 바람직하게는, 상기 흡수식 히트펌프의 재생기로 공급되는 배가스의 온도 및 유량을 검출하는 온도/유량 검출부와; 상기 온도/유량 검출부의 검출 신호에 따라서 상기 유량제어밸브를 제어하여 열교환부와 흡수식 히트펌프로 분배되는 저온 난방열원의 유량을 제어하게 되는 제어부를 더 포함한다.
바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 증발기는 열원으로 공급되는 배가스 중의 응축수를 배수하기 위한 배수수단을 더 포함한다.
바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 증발기의 열원으로 공급되는 배가스의 온도는 60℃ ~ 65℃인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 연료전지의 배가스 폐열 회수장치는 연료전지 후단에 열교환부와 함께 흡수식 히트펌프를 연계하여 연료전지에서 배출되는 배가스 폐열 회수 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래기술의 연료전지의 배가스 폐열 회수장치의 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 연료전지의 배가스 폐열 회수장치의 구성도,
도 3은 본 발명에 따른 연료전지의 배가스 폐열 회수장치에 있어서, 흡수식 히트펌프의 바람직한 일례를 보여주는 도면.
본 발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
한편, 본 발명에서 제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소들과 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 제1구성요소는 제2구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2구성요소는 제1구성요소로도 명명될 수 있다.
어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다거나 "접속되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다거나 또는 "직접 접촉되어"있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하기 위한 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 인접하는"과 "~에 직접 인접하는"등의 표현도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서 "포함한다" 또는 "가지다"등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참고하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2에 예시된 것과 같이, 본 발명은 연료가스가 공급되어 전기 화학 반응에 의해 고온의 배가스를 발생시키는 연료전지모듈(10)에서 배출된 배가스와 열교환이 이루어져 열수요처(20)의 난방열원 일부를 승온하여 열수요처(20)의 난방열원으로 공급하게 되는 열교환부(110)와; 재생기(121), 응축기(122), 증발기(123), 및 흡수기(124)를 포함하여 연료전지모듈(10)로부터 열교환부(110)로 공급되는 배가스가 재생기(121)를 경유하여 재생기(121)의 구동열원으로 공급되며, 열교환부(110)를 경유한 배가스가 증발기(123)의 열원으로 공급되며, 흡수기(124)에서의 흡수열과 응축기(122)에서의 응축열에 의해 열수요처(20)의 난방열원 일부를 승온하여 열수요처(20)의 난방열원으로 공급하게 되는 흡수식 히트펌프(120)(이하, "히트펌프"로도 약칭함)를 포함한다.
바람직하게는, 열수요처(20)에서 열교환부(110) 및 히트펌프(120)로 전달되는 저온 난방열원을 유량 제어하여 분배하게 되는 유량제어밸브(130)를 더 포함하며, 보다 바람직하게는, 히트펌프(120)의 재생기(121)로 공급되는 배가스의 온도 및 유량을 검출하는 온도/유량 검출부(141)(142)와, 온도/유량 검출부(141)(142)의 검출 신호에 따라서 유량제어밸브(130)를 제어하여 열교환부(110)와 히트펌프(120)로 분배되는 저온 난방열원의 유량을 제어하게 되는 제어부(150)를 더 포함한다.
본 발명에서 열수요처(20)의 저온 난방열원은 유량제어밸브(130)에 의해 열교환부(110)와 히트펌프(120)로 분배되며, 저온 난방열원의 상당 량(대략 85%)은 히트펌프(120)에서 승온이 이루어지게 되며, 그 비율은 각 배관라인의 배가스의 유량, 온도 등에 따른 열량 변화를 반영하여 제어부(150)에서 제어가 이루어질 수 있을 것이며, 이를 위하여 각 배관라인에는 배가스의 유량, 온도 등을 검출할 수 있는 추가 온도/유량 검출수단이 부가될 수 있음을 이해하여야 할 것이다.
특히 연료전지모듈(10)의 배가스 량의 변화에 따라서 재생기(121)로 공급되는 구동열원의 열량이 달라질 수 있으며, 이를 검출하기 위한 온도/유량 검출부(141)(142)를 이용하여 제어부(150)는 유량제어밸브(130)를 제어하여 열교환부(110) 및/또는 히트펌프(120)로 공급되는 저온 난방열원 유량을 제어하게 된다.
도면에는 도시되지 않았으나, 열수요처(20)로 환수되는 고온의 난방열원 배관라인에도 별도의 온도 검출수단이 추가될 수 있으며, 제어부(150)는 환수되는 고온 난방열원의 온도가 낮은 경우(예를 들어, 환수 수온이 90℃ 이하)에는 열교환부(110) 및/또는 히트펌프(120)로 공급되는 저온 난방열원의 유량을 작게 제어할 수가 있을 것이다.
한편, 연료전지의 배가스는 약 60℃에서 응축이 발생하기 시작하며, 본 발명에서는 약 65℃의 배가스를 히트펌프(120)의 증발기(123) 열원으로 사용하여 배가스의 응축열까지 회수하여 열회수 효율을 높이는 것을 주요 기술상의 특징 중에 하나로 한다.
다른 한편으로, 응축열을 회수하는 과정에서 응축수가 연료전지모듈(10)로 들어가면 연료전지 셀(cell)의 성능을 악화시킬 수 있으며, 따라서 히트펌프(120)의 증발기(123)는 열원으로 공급되는 배가스 중의 응축수를 배수하기 위한 배수수단을 더 포함하는 것이 바람직할 것이다.
본 발명에서 흡수식 히트펌프(120)는 열매체, 흡수제, 열매체와 흡수제의 혼합용액을 순환물질로 하여 고온의 구동열에너지와 저온의 폐열에너지를 이용하여 중간온도의 에너지를 생산하거나, 중온의 폐열에너지를 구동열에너지로 사용하여 고온의 에너지와 저온의 에너지 생산이 가능하다.
일반적으로 흡수식 히트펌프는 높은 온도까지 승온이 가능한 냉매로서 물을 사용하며, 흡수제로서 리튬브로마이드(LiBr)가 사용된다.
구체적으로 도 3을 참고하면, 흡수식 히트펌프(120)는, 연료전지의 배가스(약 355℃)를 구동열원으로 하여 냉매증기를 발생시키는 재생기(121)와, 재생기(121)에서 발생된 냉매증기를 응축시키기 위한 응축기(122)와, 응축기(122)에서 응축된 냉매를 열원을 이용하여 증발시키게 되는 증발기(123)와, 증발기(123)에서 발생된 냉매증기를 흡수제에 의해 흡수시켜 흡수열이 발생되는 흡수기(124)를 포함한다.
흡수기(124)에서 냉매증기를 흡수한 희용액은 흡수액 펌프(125)를 거쳐 가압되어 재생기(121)로 전달되며, 이때 사이클 효율을 높이기 위하여 재생기(121)로부터 흘러들어오는 고온의 농용액에 의해 예열되어 희용액이 재생기(121)로 전달될 수 있도록 용액 열교환기(126)가 더 포함될 수 있다.
본 실시예에서 증발기(123)의 열원 배관라인에는 배수수단으로써 배수펌프(127)를 보여주고 있으며, 앞서 설명한 것과 같이, 본 발명에서 증발기(123)의 열원으로 사용되는 배가스는 대략 65℃이며, 연료전지의 배가스는 대략 60℃에서 응축이 이루어지므로, 배가스의 응축열을 회수하는 과정에서 응축수가 발생되어 연료전지 셀로 들어가는 것을 방지하기 위하여 배수펌프(127)는 배가스 중에서 발생된 응축수를 외부로 배수하게 된다.
이와 같이 구성된 흡수식 히트펌프(120)의 작동예를 살펴보면, 연료전지모듈의 배가스(약 355℃)에 의한 구동열원이 재생기(121)에 공급되어 희용액에서 냉매증기가 발생되며, 이 냉매증기는 응축기(122)에서 열매체와 열교환이 이루어져 응축이 이루어진다.
응축기(122)에서 응축된 냉매는 증발기(123)에서 열원(약 65℃)의 열을 흡수하여 증발이 이루어진다.
한편 증발기(123)에서 증발된 냉매증기는 흡수기(124)로 전달되며, 흡수기(124)에서는 재생기(121)에서 공급되는 농용액에 흡수되어 흡수열이 발생되고 이 흡수열은 열수요처의 저온 난방열원에 의해 흡수되어 난방열원의 승온과 함께 흡수기(124) 내에는 희용액이 생성된다. 한편 흡수기(124)의 희용액은 흡수액 펌프(125)에 의해 재생기(121)로 전달되는 사이클이 반복된다.
이러한 과정에서 히트펌프(120)로 공급되는 열수요처의 저온 난방열원(약 55℃)은 흡수기(124)에서의 흡수열을 흡수하여 1차 승온이 이루어지며, 응축기(122)를 거쳐 냉매증기를 응축시키면서 2차 승온이 이루어져 히트펌프(120)에서 배출되어 고온의 난방열원(약 90℃)으로 열수요처로 환수된다.
다시 도 2를 참고하여 연료전지모듈(10)에서 발생된 배가스의 흐름을 살펴보면, 대략 355℃로 배출된 배가스는 히트펌프(120)의 재생기(121)에 구동열원으로 공급된 후에 약 135℃로 배기되어 열교환부(110)를 거쳐 저온의 난방열원 일부와 열교환이 이루어진 후에 약 65℃까지 낮아지게 되며, 60℃의 배가스는 증발기(123)에 열원으로 공급된 후에 약 46℃까지 낮아져서 대기로 배출된다.
열교환부(110)에서 열교환이 이루어져 승온된 난방열원의 온도(약 90℃)를 감안하여 재생기(121) 출구의 배가스 온도는 최소한 △T=45℃인 135℃를 유지하는 것이 바람직할 것이나, 배가스의 압력손실 발생을 무시한다면 재생기(121)의 사이즈를 크게 하여 재생기(121)에서 열교환부(110)로 공급되는 배가스 온도를 120℃까지 낮출 수도 있을 것이다.
이와 같이 연료전지 후단의 배열(2,919Mcal/h)은 히트펌프(120)의 재생기(121), 열교환부(110), 및 증발기(123)를 차례로 경유하면서 열회수가 이루어지게 되며, 최종 배가스 온도를 46℃까지 낮춤으로써 총 2,102Mcal/h(=1019Mcal/h+315Mcal/h+768Mcal/h)의 열량 회수가 가능하여 배열의 72%를 회수할 수 있으며, 이때 전체 시스템효율을 약 84%까지 개선할 수 있다. 참고로, 종래기술에서 설명된 배열회수유니트를 활용한 배가스 폐열 회수와 비교하여 약 18%(66%->84%)의 열효율 개선이 이루어질 수가 있다.
한편 열수요처(20)의 저온 난방열원(약 55℃)은 열교환부(110)와 히트펌프(120)를 경유하여 열교환이 이루어져 고온 난방열원(약 90℃)으로 열수요처(20)에 공급될 수가 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다. 또한 본 실시예에서 예시된 일부 온도 조건은 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로 이에 한정되는 것이 아니다.
10 : 연료전지모듈 20 : 열수요처
30 : 배열회수유니트 110 : 열교환부
120 : 흡수식 히트펌프 111 : 재생기
122 : 응축기 123 : 증발기
124 : 흡수기 125 : 흡수액 펌프
126 : 용액 열교환기 127 : 배수펌프
130 : 유량제어밸브 141 : 온도 검출부
142 : 유량 검출부 150 : 제어부

Claims (5)

  1. 연료가스가 공급되어 전기 화학 반응에 의해 고온의 배가스를 발생시키는 연료전지모듈에서 배출된 배가스와 열교환이 이루어져 열수요처의 난방열원 일부를 승온하여 열수요처의 난방열원으로 공급하게 되는 열교환부와;
    재생기, 응축기, 증발기, 및 흡수기를 포함하여 상기 연료전지모듈로부터 상기 열교환부로 공급되는 배가스가 상기 재생기를 경유하여 상기 재생기의 구동열원으로 공급되며, 상기 열교환부를 경유한 배가스가 상기 증발기의 열원으로 공급되며, 상기 흡수기에서의 흡수열과 상기 응축기에서의 응축열에 의해 열수요처의 난방열원 일부를 승온하여 열수요처의 난방열원으로 공급하게 되는 흡수식 히트펌프를 포함하는 연료전지의 배가스 폐열 회수장치.
  2. 제1항에 있어서, 열수요처에서 상기 열교환부 및 상기 흡수식 히트펌프로 전달되는 저온 난방열원을 유량 제어하여 분배하게 되는 유량제어밸브를 더 포함하는 연료전지의 배가스 폐열 회수장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 흡수식 히트펌프의 재생기로 공급되는 배가스의 온도 및 유량을 검출하는 온도/유량 검출부와;
    상기 온도/유량 검출부의 검출 신호에 따라서 상기 유량제어밸브를 제어하여 열교환부와 흡수식 히트펌프로 분배되는 저온 난방열원의 유량을 제어하게 되는 제어부를 더 포함하는 연료전지의 배가스 폐열 회수장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 증발기는 열원으로 공급되는 배가스 중의 응축수를 배수하기 위한 배수수단을 더 포함하는 연료전지의 배가스 폐열 회수장치.
  5. 제1항 또는 제4항에 있어서, 상기 증발기의 열원으로 공급되는 배가스의 온도는 60℃ ~ 65℃인 것을 특징으로 하는 연료전지의 배가스 폐열 회수장치.
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