KR102195297B1 - 하이브리드 제습 냉방 시스템 및 이를 포함하는 삼중열병합 연료전지 시스템 - Google Patents

하이브리드 제습 냉방 시스템 및 이를 포함하는 삼중열병합 연료전지 시스템 Download PDF

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한국기계연구원
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따르면, 하이브리드 제습 냉방 시스템으로서, 제습 영역과 재생 영역으로 이루어지며 건물 실내에서 배출된 공기 중의 수분을 상기 제습 영역에서 흡착하여 제습하는 데시칸트 휠; 데시칸트 휠을 통과한 공기를 간접 증발 방식으로 냉각하는 제1 열교환기; 상기 제1 열교환기를 통과한 공기를 목표 온도로 조절하여 건물 실내로 공급하는 히트 펌프); 및 실외 공기를 가열하는 제2 열교환기;를 포함하고, 상기 제2 열교환기가 연료전지 시스템에서 배출되는 배출가스의 폐열과 실외 공기를 열교환하여 실외 공기를 가열하고, 이 가열된 공기를 상기 데시칸트 휠의 재생 영역으로 공급하여 데시칸트 휠을 재생하도록 구성된 것을 특징으로 하는 하이브리드 제습 냉방 시스템을 제공한다.

Description

하이브리드 제습 냉방 시스템 및 이를 포함하는 삼중열병합 연료전지 시스템 {Hybrid desiccant cooling system and Fuel cell based Tri-generation system including the cooling system}
본 발명은 삼중열병합 연료전지 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 하이브리드 제습 냉방 시스템 및 이를 포함하는 삼중열병합 연료전지 시스템에 관한 것이다.
연료전지는 높은 효율, 정숙성 그리고 설치 면적이 적어 주택과 건물에 적합한 분산전원으로 개발되어 보급되고 있는데 현재까지는 주로 인산 용융탄산염을 이용한 300kW급 이상의 산업,업무용 발전시스템과 저온 고분자전해질 연료전지(PEFC)를 이용한 5kW급 이하의 주택용 연료전지가 보급되었다. PEFC는 동력밀도가 높고 제작과 운전이 용이하여 자동차용 전원이나 주택용 발전 시스템에 적용되고 있다.
그런데 저온 고분자전해질 연료전지는 주로 겨울철 난방용에 사용되었으며 그 외의 계절에는 연료전지에서 발생하는 폐열을 온수나 급탕을 위한 용도 외에는 대부분 대기로 방출하여 연간 열 사용률이 높지 않았고 더욱이 여름철에는 연료전지의 폐열을 거의 사용하지 않게 되어 폐열을 제거하는 것이 문제가 되었다.
특허문헌1: 한국 등록특허 제10-0724701호 (2007년 6월 4일 공고) 특허문헌2: 한국 공개특허 제2016-0067610호 (2016년 6월 14일 공개)
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로, 계절에 관계없이 연료전지 시스템의 폐열을 냉방/난방에 활용하도록 구성하여 전력/난방/냉방의 수요패턴에 대응 가능하고 에너지 효율화를 높일 수 있는 삼중열병합 발전 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 하이브리드 제습 냉방 시스템으로서, 제습 영역과 재생 영역으로 이루어지며 건물 실내에서 배출된 공기 중의 수분을 상기 제습 영역에서 흡착하여 제습하는 데시칸트 휠; 데시칸트 휠을 통과한 공기를 간접 증발 방식으로 냉각하는 제1 열교환기; 상기 제1 열교환기를 통과한 공기를 목표 온도로 조절하여 건물 실내로 공급하는 히트 펌프); 및 실외 공기를 가열하는 제2 열교환기;를 포함하고, 상기 제2 열교환기가 고체산화물 연료전지(SOFC)를 이용하는 연료전지 시스템에서 배출되는 배출가스의 폐열과 실외 공기를 열교환하여 실외 공기를 가열하고, 이 가열된 공기를 상기 데시칸트 휠의 재생 영역으로 공급하여 데시칸트 휠을 재생하도록 구성된 것을 특징으로 하는 하이브리드 제습 냉방 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 연료전지 시스템에 하이브리드 제습 냉방 시스템과 난방 시스템이 연결된 삼중열병합 연료전지 시스템으로서, 상기 연료전지 시스템은, 애노드, 캐소드, 및 그 사이에 개재된 전해질로 구성되며 수소, 스팀, 및 공기를 공급받아 전기를 생성하는 고체산화물 연료전지(SOFC) 스택; 상기 애노드로 공급되는 수소와 스팀의 혼합 가스와 상기 애노드에서 배출되는 제1 배출가스 사이를 열교환하는 제1 열교환기; 상기 제1 열교환기를 통과한 제1 배출가스와 상기 연료전지 스택에 공급할 물을 열교환하여 물을 스팀으로 가열하는 제2 열교환기; 및 상기 캐소드로 공급되는 공기와 상기 캐소드에서 배출되는 제2 배출가스 사이를 열교환하는 제3 열교환기;를 포함하고, 상기 하이브리드 제습 냉방 시스템은, 제습 영역과 재생 영역으로 이루어지며 건물 실내에서 배출된 공기 중의 수분을 상기 제습 영역에서 흡착하여 제습하는 데시칸트 휠; 데시칸트 휠을 통과한 공기를 간접 증발 방식으로 냉각하는 제4 열교환기; 상기 제4 열교환기(220)를 통과한 공기를 목표 온도로 조절하여 건물 실내로 공급하는 히트 펌프; 및 실외 공기를 가열하는 제5 열교환기;를 포함하고, 상기 제5 열교환기는 상기 연료전지 시스템의 제2 열교환기에서 배출되는 제1 배출가스와 실외 공기를 열교환하여 실외 공기를 가열하고, 이 가열된 공기를 상기 데시칸트 휠의 재생 영역으로 공급하여 데시칸트 휠을 재생하도록 구성된 것을 특징으로 하는 삼중열병합 연료전지 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 삼중열병합 연료전지 시스템에 의하면, 여름철에는 연료전지 시스템의 폐열을 하이브리드 제습 냉방 시스템의 구동 및 난방 시스템의 급탕수 생성에 사용하고 겨울철에는 연료전지 시스템의 페열을 난방 시스템의 난방수와 급탕수 생성에 사용하도록 구성함으로써 계절에 관계없이 연료전지 시스템의 폐열을 활용할 수 있도록 하여 전체 시스템의 효율을 높일 수 있는 기술적 효과를 가진다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 삼중열병합 연료전지 시스템의 블록도,
도2는 일 실시예에 따른 삼중열병합 연료전지 시스템의 예시적 구성을 설명하는 도면,
도3 및 도4는 계절에 따른 삼중열병합 연료전지 시스템의 운전 모드를 설명하는 도면이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소의 "위"(또는 "아래", "오른쪽", 또는 "왼쪽")에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소의 위(또는 아래, 오른쪽, 또는 왼쪽)에 직접 위치될 수 있거나 또는 그들 사이에 제3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 구성요소들을 기술하기 위해서 사용된 경우, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprise)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다. 아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는 데 있어 혼돈을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 삼중열병합 연료전지 시스템을 개략적으로 도시한 블록도이다. 도면을 참조하면 일 실시예에 따른 삼중열병합 연료전지 시스템은 연료전지 시스템(10), 하이브리드 제습 냉방 시스템(20), 및 난방 시스템(30)을 포함하며 건물에 전기를 공급하고 건물 실내(40)를 냉방 및/또는 난방하는데 사용될 수 있다.
일 실시예에서 연료전지 시스템(10)은 메탄 등의 연료와 물, 공기를 공급받아서 전기를 생산하며 부산물로서 고온의 배출가스를 배출한다. 연료전지 시스템(10)에 사용되는 연료전지 스택은 예컨대 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell; SOFC) 또는 용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell; MCFC) 등 고온에서(예를 들어 섭씨 600도 이상에서) 동작하는 임의의 연료전지로 구현될 수 있다.
일 실시예에서 하이브리드 제습 냉방 시스템(20)은 데시칸트 방식의 제습 장치로서 데시칸트 휠, 간접증발 냉각 방식의 열교환기, 및 능동형 히트 펌프를 구비한다. 건물 실내(40)의 공기가 배출 덕트(D1)를 통해 하이브리드 제습 냉방 시스템(20)으로 공급되어 목표로 하는 온도와 습도로 제습 및 냉각된 후 공급 덕트(D2)를 통해 다시 실내로 공급될 수 있다.
이 때 데시칸트 휠의 재생을 위해 열이 필요한데 본 발명에서는 연료전지 시스템(10)의 폐열, 즉 연료전지 시스템(10)에서 배출되는 배출가스의 열을 이용한다. 이를 위해 연료전지 시스템(10)은 고온에서 동작하는 고온 연료전지인 것이 바람직하며, 연료전지 시스템(10)에서 배출되는 배출가스는 예컨대 대략 섭씨 300도 내지 섭씨 400도의 온도를 가질 수 있다.
또한 하이브리드 제습 냉방 시스템(20)의 히트펌프는 냉매가 폐경로를 따라 압축, 응축, 팽창, 및 증발로 이루어진 사이클을 반복하도록 구성되는데 이 때 본 발명은 히트 펌프를 각종 구성요소(예컨대 압축기의 구동모터 등)를 연료전지 시스템(10)에서 생성된 전기 에너지로 구동하며 전기가 부족할 경우 보조적으로 그리드에서 전기 에너지를 공급받도록 구성한다.
도시한 실시예에서 난방 시스템(30)은 건물 실내를 난방하거나 급탕수를 공급하는 시스템으로, 연료전지 시스템(10)의 폐열을 이용하도록 구성된다. 예컨대 도시한 것처럼 연료전지 시스템(10)의 배출가스가 일차적으로 하이브리드 제습 냉방 시스템(20)을 통과하며 폐열을 전달하며 그 후 하이브리드 제습 냉방 시스템(20)에서 배출되어 난방 시스템(30)으로 공급되어 물을 가열하는데 사용되며 이 가열된 물은 난방수로 및/또는 급탕수로 이용된다.
이제 상술한 실시예의 구체적인 구성과 동작을 도2를 참조하여 설명하기로 한다.
도2를 참조하면 일 실시예에 따른 삼중열병합 연료전지 시스템의 예시적 구성을 개략적으로 도시하였다.
도면을 참조하면, 일 실시예 따른 연료전지 시스템(10)은 연료전지 스택(110), 개질기(120), 탈황기(130), 촉매연소기(140), 다수의 열교환기(151,152,153,154), 그리고 다수의 펌프 및/또는 블로워, 및 이들 구성요소 사이를 연결하는 다수의 유로로 구성될 수 있다.
연료전지 스택(110)은 애노드(111), 캐소드(112), 및 그 사이에 개재된 전해질로 구성되며, 애노드(111)에서 수소와 스팀을 공급받고 캐소드(112)에서 공기를 공급받아 전기를 생산한다. 생산된 전기는 예컨대 에너지 저장장치(ESS)(170)에 저장될 수 있고 그 중 일부는 도1에 도시한 것처럼 하이브리드 제습 냉방 시스템(20)에 공급될 수 있다.
연료전지 스택(110)이 전기를 생산할 때 반응에 이용되지 못한 미반응 수소와 물(스팀)이 애노드 오프가스(본 명세서에서 "제1 배출가스"라고도 함)로서 애노드(111)에서 배출되고 캐소드(112)에서는 질소를 포함한 미반응 공기가 캐소드 오프가스(본 명세서에서 "제2 배출가스"라고도 함)로서 캐소드(112)에서 배출된다.
도시한 실시예에서 연료는 연료공급 유로(L11)를 통해 연료전지 시스템(10)으로 공급된다. 연료는 예컨대 메탄 등의 천연가스일 수 있다. 연료공급 유로(L11)로 유입된 연료는 열교환기(152)에서 가열된 후 탈황기(130) 및 개질기(120)로 공급되며, 개질기(120)에서 수소가 생성된다. 한편 물공급 유로(L12)를 통해 공급되는 물은 열교환기(152)에서 스팀으로 가열된 후 연료와 혼합되어 혼합가스로서 유로(L2)를 따라 이송된다. 유로(L2)를 통해 공급되는 혼합가스는 열교환기(151)에서 추가적으로 더 가열된 후 연료전지 스택(110)의 애노드(111)로 공급된다.
이 때 상술한 열교환기(151,152,153)는 연료전지 스택(110)의 제1 배출가스의 폐열이 이용된다. 즉, 배출가스 경로(L3)를 통해 배출된 제1 배출가스가 제1 열교환기(151)에서 혼합가스를 가열하며, 그 후 촉매 연소기(140)에서 미반응의 연료를 연소시키고 이 때 발생하는 열은 예컨대 개질기(120)의 개질 작용에 이용할 수 있으며, 촉매 연소기(140)를 통과한 제1 배출가스는 제2 열교환기(152)와 제2 열교환기(153)를 순차적으로 통과하며 연료와 물을 각각 가열할 수 있다.
한편 캐소드(112)에서 배출가스 유로(L5)를 따라 배출되는 제2 배출가스는 제4 열교환기(154)에서 유로(L4)를 따라 캐소드(112)로 공급되는 공기를 가열하는데 사용되며, 그 후 제2 배출가스의 대부분은 제1 분기유로(L51)를 따라 제1 배출가스의 배출 유로(L3)에 합류하고 일부는 제2 분기유로(L52)로 분기되어 제3 열교환기(153)를 통과한 제1 배출가스와 혼합되어 외부로 배출된다. 이 때 제1 분기유로(L51)와 제2 분기유로(L52)로 분기되는 제2 배출가스의 유량비는 예컨대 0.93:0.07일 수 있으며 구체적 실시예에 따라 달라질 수 있다. 예컨대 대안적 실시예에서 제2 분기유로(L52)로 전혀 분기되지 않고 제2 배출가스가 모두 제1 분기유로(L51)를 따라 이송될 수도 있다.
제1 및 제2 배출가스는 배출유로(L6)에서 혼합되어 외부로 배출된다. 본 발명의 실시예에서 이 혼합된 배출가스는 축열조(180)를 통과하며 열에너지를 축열조(180)에 저장하고 그 후 배출유로(L7)를 통해 하이브리드 제습 냉방 시스템(20)과 난방 시스템(30)으로 전달된다. 대안적 실시예에서 축열조(180)가 생략될 수 있고 이 경우 배출유로(L6)에서 직접 배출유로(L7)를 통해 하이브리드 제습 냉방 시스템(20)과 난방 시스템(30)으로 공급될 수도 있다.
도시한 실시예에서 배출유로(L7)에는 하이브리드 제습 냉방 시스템(20)으로 분기되는 분기경로(L81) 및 하이브리드 제습 냉방 시스템(20)을 통과한 배출가스를 배출유로(L7)로 합류시키는 합류경로(L82)가 설치될 수 있다. 또한 이 때 배출유로(L7)와 분기경로(L81)의 분기점에 제1 경로선택 밸브(V1)가 설치되고 배출유로(L7)와 합류경로(L82)의 합류점에 제2 경로선택 밸브(V2)가 설치될 수 있다. 제1 경로선택 밸브(V1)와 제2 경로선택 밸브(V2)는 각각 삼방밸브로 구현될 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
일 실시예에서 하이브리드 제습 냉방 시스템(20)은 데시칸트 휠(210), 간접증발 냉각 방식의 제1 열교환기(220), 연료전지 시스템(10)의 배출가스와 열교환하는 제2 열교환기(230), 및 능동형 히트 펌프(240)를 포함할 수 있다.
데시칸트 휠(210)은 실리카겔 등의 제습제로 이루어진 원통 형상의 부재이며 제습 냉방 시스템(20)에 설치시 데시칸트 휠(210)의 중심축을 가로지르는 격벽에 의해 제습 영역과 재생 영역으로 구분된다. 건물 실내에서 배출되는 공기가 제1 덕트(D1)를 통해 데시칸트 휠(210)의 제습 영역으로 공급되어 데시칸트 휠(210)은 공기의 수분을 흡착하여 공기를 건조시킨다. 그 후 데시칸트 휠(210)을 통과한 공기는 제1 열교환기(220)에서 냉각된다. 바람직한 일 실시예에서 제1 열교환기(220)는 간접증발 냉각식의 열교환기이다. 직접증발냉각 방식은 공기에 직접 물을 분사하여 물의 증발열로서 공기를 냉각하는 방식이지만 공기의 감온 정도에 한계가 있고 공기의 습도가 높이지는 단점이 있다. 이에 대해 간접증발냉각 방식은 공기 중 일부(예컨대 30%)를 다른 채널로 분리시켜 그 채널에 물을 분사하여 물의 증발열로서 실내 유입 공기를 냉각하는 방식으로 직접 증발 방식에 비해 공기의 습도를 낮게 유지할 수 있다.
제1 열교환기(220)에서 냉각된 공기는 히트 펌프(240)를 통과하며 목적하는 온도와 습도로 조절되어 제2 덕트(D2)를 통해 실내로 다시 공급된다. 히트 펌프(240)는 압축기(241), 응축기(242), 팽창기(243), 증발기(244), 및 이들 사이를 폐경로를 따라 순차적으로 통과하며 순환하는 냉매로 구성된다. 일 실시예에서 제1 열교환기(220)를 통과하여 히트 펌프(240)로 공급되는 공기가 히트 펌프(240)의 증발기(244)에서 냉매와의 열교환에 의해 냉각된다. 히트 펌프(240)에서는 예컨대 압축기(241)에 의한 공기의 압축 정도를 설정하여 공기를 냉각하는 정도를 조절할 수 있다. 이 때 본 발명에서는 압축기(244)를 구동하는 구동모터(도시 생략)를 연료전지 시스템(10)에서 생산된 전기 에너지를 이용하여 구동할 수 있다.
이와 같이 본 발명은 간접증발냉각식의 제1 열교환기(220)의 후단에 능동적인 히트 펌프(240)를 설치하고 연료전지 시스템(10)의 전기 에너지를 활용함으로써 실내공기를 목표 온도 및 습도로 제어할 수 있는 장점이 있다.
한편 데시칸트 휠(210)의 재생을 위해 고온의 공기를 데시칸트 휠(210)의 재생 영역으로 공급해야 하며, 본 발명에서는 연료전지 시스템(10)의 폐열을 이용한다. 도시한 실시예에서, 실외 공기가 제3 덕트(D3)를 통해 유입되어 제2 열교환기(230)로 공급된다. 이 때 일 실시예에서 유입되는 실외 공기를 히트 펌프(240)의 응축기(242)로 통과시켜서 예열을 할 수 있다. 응축기(242)를 통과한 공기는 제2 열교환기(230)에서 연료전지 시스템(10)의 배출가스와 열교환된다. 즉 배출유로(L7)의 분기경로(L81)를 통해 이송되는 배출가스와 열교환되어 가열된다. 예를 들어 분기경로(L81)의 배출가스가 예컨대 섭씨 300도 내지 섭씨 400도인 경우 제3 덕트(D3)의 공기는 데시칸트 휠(210)의 재생에 필요한 온도(예컨대 섭씨 50도 내지 60도 이상)로 가열될 수 있다. 이렇게 가열된 공기는 데시칸트 휠(210)의 재생 영역으로 공급되어 데시칸트 휠(210)을 재생하며 그 후 제4 덕트(D4)를 통해 실외로 배출된다.
일 실시예에서 난방 시스템(30)은 제6 열교환기(310) 및 물을 공급하는 펌프(320)를 포함할 수 있다. 난방 시스템(30)은 배출유로(L7)의 제2 경로선택 밸브(V2)의 후단에 연결되어 연료전지 시스템(10)의 폐열을 이용하도록 구성된다. 제6 열교환기(310)는 유로(P1)를 통해 외부에서 공급되는 물과 배출유로(L7)의 배출가스를 열교환하여 난방수를 생성하고 이를 유로(P2)로 이송한다. 유로(P2)로 배출되는 난방수는 필요에 따라 건물 실내의 난방수나 급탕수로 이용된다.
도3 및 도4는 계절에 따른 삼중열병합 연료전지 시스템의 운전 모드를 나타낸다.
도3은 예컨대 여름철과 같이 건물 실내의 냉방이 필요한 경우의 운전 모드("냉방 모드")이다. 냉방 모드에서 제1 경로선택 밸브(V1)는 배출유로(L7)에서 분기경로(L81)로 배출가스를 이송하도록 설정되고 제2 경로선택 밸브(V2)는 합류경로(L82)에서 배출경로(L7)로 배출가스를 이송하도록 설정된다. 이에 따라, 도3에 화살표로 표시한 것처럼 배출유로(L7)의 배출가스가 분기경로(L81)를 따라 열교환기(230)로 공급되어 실외 공기를 가열한 후 합류경로(L82)를 따라 배출유로(L7)에 다시 합류한다. 이렇게 일차적으로 하이브리드 제습 냉방 시스템(20)에 폐열을 전달한 배출가스는 배출유로(L7)를 따라 난방 시스템(30)으로 이송되어 난방수/급탕수의 생성에 나머지 폐열이 사용된다.
도4는 예컨대 겨울철과 같이 건물 실내의 난방이 필요한 경우의 운전 모드("난방 모드")이다. 난방 모드에서 제1 경로선택 밸브(V1)는 배출가스가 분기경로(L81)로 분기되지 않도록 설정되고 제2 경로선택 밸브(V2)는 합류경로(L82)와의 연통을 끊도록 설정된다. 이에 따라 도4에 화살표로 표시한 것처럼 배출유로(L7)의 배출가스가 분기경로(L81)와 합류경로(L82)를 바이패스하여 난방 시스템(30)으로 직접 공급되고 하이브리드 제습 냉방 시스템(20)은 동작을 하지 않는다.
이와 같이 일 실시예에서 수요처의 냉방 부하를 파악하여 목표 냉방 성능을 달성하기 위한 하이브리드 제습 냉방 시스템(20)의 필요 전기와 열 부하비에 대한 운전 맵을 설정하고 이에 따라 본 발명의 삼중열병합 연료전지 시스템을 운전할 수 있다.
예를 들어 여름철에는 도3을 참조하여 설명한 것처럼 연료전지 시스템(10)에서 생산하는 전기를 수요처의 일반 전기 에너지원으로 사용하고 그 중 일부를 하이브리드 제습 냉방 시스템(20)을 구동할 때 사용하며, 연료전지 시스템(10)에서 발생하는 배출가스로는 하이브리드 제습 냉방 시스템(20)의 데시칸트 휠(120)의 재생과 난방 시스템(30)의 급탕수 생성에 사용한다.
겨울철에는 도4에 도시한 것처럼 연료전지 시스템(10)의 배출가스를 난방 시스템(30)으로 전달하여 수요처의 난방과 급탕에 이용하며 연료전지 시스템(10)에서 생산되는 전기는 수요처의 일반 전기 에너지원으로 사용한다. 봄과 가을철에는 연료전지 시스템(10)의 배출가스를 난방 시스템(30)에서 수요처의 급탕수 생성에 사용하며 연료전지 시스템(10)이 생산하는 전기를 수요처의 일반 전기 에너지원으로 사용할 수 있다.
또한 일 실시예에서, 위와 같은 운전 모드에 따라 운전시, 수요처에서 필요한 전기 부하를 우선적으로 맞추는 운전 모드로 동작할 수 있다. 이 경우 연료전지 시스템(10)은 수요처의 일반 전기수요와 냉방/난방에 필요한 전기수요 만큼을 생산하며 이 과정에서 연료전지 시스템(10)의 발생열이 부족하면 예컨대 난방공사로부터 난방수를 가져올 수 있고 발생열이 남으면 축열조(180)에 저장할 수 있다.
대안적으로 예컨대 수요처에서 필요한 열부하를 우선적으로 맞추는 운전 모드로 동작할 경우, 연료전지 시스템(10)이 생산하는 전기가 부족하면 그리드에서 전기를 추가 공급받을 수 있고 전기가 남으면 에너지 저장 장치(170)에 저장할 수 있다.
이상과 같이 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상술한 명세서의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
10: 연료전지
20: 하이브리드 제습 냉방 시스템
30: 난방 시스템
110: 연료전지 스택
120: 개질기
130: 탈황기
140: 촉매연소기
170: 에너지 저장 시스템(ESS)
180: 축열조
210: 데시칸트 휠
220: 간접증발방식 열교환기'
230: 열교환기
310: 열교환기
320: 워터펌프

Claims (11)

  1. 하이브리드 제습 냉방 시스템으로서,
    제습 영역과 재생 영역으로 이루어지며 건물 실내에서 배출된 공기 중의 수분을 상기 제습 영역에서 흡착하여 제습하는 데시칸트 휠(210);
    데시칸트 휠을 통과한 공기를 간접 증발 방식으로 냉각하는 제1 열교환기(220);
    상기 제1 열교환기(220)를 통과한 공기를 목표 온도로 조절하여 건물 실내로 공급하는 히트 펌프(240); 및
    실외 공기를 가열하는 제2 열교환기(230);를 포함하고,
    상기 제2 열교환기가 고체산화물 연료전지(SOFC)를 이용하는 연료전지 시스템에서 배출되는 배출가스의 폐열과 실외 공기를 열교환하여 실외 공기를 가열하고, 이 가열된 공기를 상기 데시칸트 휠(210)의 재생 영역으로 공급하여 데시칸트 휠을 재생하도록 구성된 것을 특징으로 하는 하이브리드 제습 냉방 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 히트 펌프(240)가 압축기, 응축기, 팽창기, 증발기, 및 이들 사이를 순차적으로 통과하며 순환하는 냉매로 구성되고,
    상기 제1 열교환기(220)를 통과하여 상기 히트 펌프로 공급된 공기가 히트 펌프의 증발기에서 냉매와 열교환에 의해 냉각되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 제습 냉방 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 히트 펌프의 압축기를 구동하는 구동모터가 상기 연료전지 시스템에서 생성된 전기 에너지에 의해 구동되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 제습 냉방 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 연료전지 시스템에서 배출되어 상기 제2 열교환기(230)로 공급되는 배출가스의 온도가 섭씨 300도 내지 섭씨 400도인 것을 특징으로 하는 하이브리드 제습 냉방 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제2 열교환기(230)를 통과한 배출가스의 배출유로(L7) 후단에 연결되며 건물에 필요한 난방수를 공급하는 난방 시스템을 더 포함하고,
    상기 난방 시스템은 상기 배출유로(L7)를 통해 공급되는 배출가스의 폐열로 물을 가열하여 난방수를 생성하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 제습 냉방 시스템.
  6. 연료전지 시스템에 하이브리드 제습 냉방 시스템과 난방 시스템이 연결된 삼중열병합 연료전지 시스템으로서,
    상기 연료전지 시스템은, 애노드, 캐소드, 및 그 사이에 개재된 전해질로 구성되며 수소, 스팀, 및 공기를 공급받아 전기를 생성하는 고체산화물 연료전지(SOFC) 스택(110); 상기 애노드로 공급되는 수소와 스팀의 혼합 가스와 상기 애노드에서 배출되는 제1 배출가스 사이를 열교환하는 제1 열교환기(151); 상기 제1 열교환기(151)를 통과한 제1 배출가스와 상기 연료전지 스택에 공급할 물을 열교환하여 물을 스팀으로 가열하는 제2 열교환기(153); 및 상기 캐소드로 공급되는 공기와 상기 캐소드에서 배출되는 제2 배출가스 사이를 열교환하는 제3 열교환기(154);를 포함하고,
    상기 하이브리드 제습 냉방 시스템은, 제습 영역과 재생 영역으로 이루어지며 건물 실내에서 배출된 공기 중의 수분을 상기 제습 영역에서 흡착하여 제습하는 데시칸트 휠(210); 데시칸트 휠을 통과한 공기를 간접 증발 방식으로 냉각하는 제4 열교환기(220); 상기 제4 열교환기(220)를 통과한 공기를 목표 온도로 조절하여 건물 실내로 공급하는 히트 펌프(240); 및 실외 공기를 가열하는 제5 열교환기(230);를 포함하고,
    상기 제5 열교환기(230)는 상기 연료전지 시스템의 제2 열교환기(153)에서 배출되는 제1 배출가스와 실외 공기를 열교환하여 실외 공기를 가열하고, 이 가열된 공기를 상기 데시칸트 휠(210)의 재생 영역으로 공급하여 데시칸트 휠을 재생하도록 구성된 것을 특징으로 하는 삼중열병합 연료전지 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 연료전지 시스템의 제2 열교환기(153)에서 배출되는 제1 배출가스의 배출유로(L7)에서 상기 제5 열교환기(230)로 분기되는 분기경로(L81); 및
    상기 제5 열교환기(230)를 통과한 제1 배출가스를 상기 배출유로(L7)로 합류시키는 합류경로(L82);
    상기 배출유로(L7)와 상기 분기경로(L81)의 분기점에 설치된 제1 경로선택 밸브(V1); 및
    상기 배출유로(L7)와 상기 합류경로(L82)의 합류점에 설치된 제2 경로선택 밸브(V2);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 삼중열병합 연료전지 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 난방 시스템은 외부에서 공급되는 물과 상기 배출유로(L7)를 통해 공급되는 제1 배출가스를 열교환하여 난방수를 생성하는 제6 열교환기(310)를 포함하는 것을 특징으로 하는 삼중열병합 연료전지 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 삼중열병합 연료전지 시스템은 냉방 모드와 난방 모드에서 동작 가능하며,
    냉방 모드에서, 상기 배출유로(L7)의 제1 배출가스가 분기경로(L81)를 따라 제5 열교환기(230)로 공급된 후 합류경로(L82)를 따라 배출유로(L7)에 다시 합류하도록 제1 및 제2 경로선택 밸브(V1,V2)를 제어하고,
    난방 모드에서, 상기 배출유로(L7)의 제1 배출가스가 분기경로(L81)와 합류경로(L82)를 바이패스하여 상기 난방 시스템으로 직접 공급되도록 제1 및 제2 경로선택 밸브(V1,V2)를 제어하는 것을 특징으로 하는 삼중열병합 연료전지 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 히트 펌프(240)가 압축기, 응축기, 팽창기, 증발기, 및 이들 사이를 순차적으로 통과하며 순환하는 냉매로 구성되고,
    상기 제4 열교환기(220)를 통과하여 상기 히트 펌프로 공급된 공기가 히트 펌프의 증발기에서 냉매와 열교환에 의해 냉각되는 것을 특징으로 하는 삼중열병합 연료전지 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 히트 펌프의 압축기를 구동하는 구동모터가 상기 연료전지 시스템에서 생성된 전기 에너지에 의해 구동되는 것을 특징으로 하는 삼중열병합 연료전지 시스템.
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