KR20080081523A - 고온형 연료 전지 시스템을 이용하는 가전 시스템 및 그과열 스팀 공급 방법 - Google Patents

고온형 연료 전지 시스템을 이용하는 가전 시스템 및 그과열 스팀 공급 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고온형 연료 전지 시스템을 이용하는 가전 시스템 및 그 과열 스팀 공급 방법에 관한 것으로, 본 발명의 가전 시스템은 연료와 산소가 반응하여 전기와 과열 스팀을 생성하는 고온형 연료 전지 시스템과, 상기 과열 스팀이 이동하는 스팀 배관과, 상기 스팀 배관에 연결되며, 상기 과열 스팀을 사용하는 가전기기를 포함한다.

Description

고온형 연료 전지 시스템을 이용하는 가전 시스템 및 그 과열 스팀 공급 방법{A home appliance system using high temperature fuel cell system and method to supply super heated steam}
도1은 본 발명의 일실시예에 따른 고온형 연료 전지 시스템을 이용하는 가전 시스템의 구성도이다.
도2는 도1의 고온형 연료 전지 시스템을 상세하게 도시한 블록도이다.
도3은 본 발명의 일실시예에 따른 고온형 연료 전지 시스템을 이용하는 가전 시스템의 블록도이다.
도4는 본 발명의 일실시예에 따른 고온형 연료 전지 시스템을 이용하는 가전 시스템의 과열 스팀 공급 방법을 도시한 흐름도이다.
*도면의 주요 기능에 대한 부호의 설명*
10:고온형 연료 전지 시스템 14:연료전지
20:스팀배관 21:세탁기
22,25,28,32:스팀밸브 24:식기 세척기
27:스팀오븐 31:온수탱크
본 발명은 고온형 연료 전지 시스템을 이용하는 가전 시스템 및 그 과열 스팀 공급 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고온형 연료 전지 시스템에서 생성된 과열 스팀을 조리기 또는 세탁기 등으로 전달하여 조리 또는 세탁 등을 수행하는 가전 시스템 및 그 과열 스팀 공급 방법에 관한 것이다.
연료 전지 시스템은 연료의 산화에 의해서 생기는 화학에너지를 전기에너지로 변환시키는 장치인데, 연료의 산화과정에서는 전기 및 물과 함께 다량의 열이 방출되고, 이 열은 난방 또는 급탕에 이용되거나, 조리 또는 세탁에 이용되기도 하였다. 연료 전지 시스템의 열을 이용하는 조리기와 세탁기는 각각 대한민국 공개특허공보 특2002-56171호(연료 전지를 이용한 조리기기)와, 대한민국 공개특허공보 특2002-56173호(연료 전지를 이용한 세탁기)에 잘 개시되어 있다.
종래의 연료 전지를 이용하는 조리기는 특2002-56171호에 기재된 바와 같이 연료전지와, 연료전지의 개질기 및 스택으로부터 연장되는 전열관의 끝단에 장착되어 스팀을 발생시키는 스팀발생기를 가진다. 그리고, 연료전지 내부에는 개질기 또는 스택에서 발생된 폐열을 저장하는 축열탱크가 구비된다. 스팀발생기는 스팀용기의 내부에 물이 채워진 상태로 배치되고, 개질기, 스택 또는 축열탱크로부터 전달받은 열에 의해 스팀용기 내의 물이 증발되면서 스팀이 발생된다. 그리고, 이 스팀은 별도의 송출수단 등에 의해 조리실로 공급된다.
한편, 종래의 연료 전지를 이용하는 세탁기는 특2002-56173호에 기재된 바와 같이 수소와 산소의 화학반응시 발생되는 폐열을 저장하는 축열수단과, 축열수단에 열교환되도록 설치되어 축열수단에 의해 가열된 온수를 세탁기 내조에 공급하는 온수 공급수단과, 축열수단의 일측에 연결되어 스팀(steam)을 생성시키고, 세탁기 내조에 연통되도록 장착된 스팀발생기를 가진다.
전술한 종래의 조리기기와 세탁기는 모두 연료 전지를 구동하여 열을 발생시키고, 이 열을 축열탱크에 저장하고, 축열탱크에 연결된 스팀발생기에서 스팀을 발생시켜 조리실 또는 세탁기 내조로 공급하였다.
그러나, 이와 같은 종래의 연료 전지를 이용한 조리기 및 세탁기는 연료 전지에서 직접 스팀이 발생되지 않으므로 스팀을 생성하기 위해 축열수단과 스팀발생기를 부가적으로 가질 수 밖에 없어 제조 비용이 증가되는 문제점이 있었다.
또한, 열을 축열탱크에 저장했다가 스팀발생 등에 이용하므로 열 저장시 열손실이 발생하여 에너지 효율이 떨어지는 문제점이 있었다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 연료 전지 시스템에서 생성된 과열 스팀을 각 가전기기에서 사용하는 고온형 연료 전지 시스템을 이용하는 가전 시스템 및 그 과열 증기 공급 방법을 제공함에 있다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 연료와 산소가 반응하여 전기와 과열 스팀을 생성하는 고온형 연료 전지 시스템과, 상기 과열 스팀이 이동하는 스팀 배관과, 상기 스팀 배관에 연결되며, 상기 과열 스팀을 사용하는 가전기기를 포함한다.
또한, 상기 고온형 연료 전지 시스템은 고온형 고분자 전해질 연료 전지(PEMFC)를 포함한다.
또한, 상기 스팀배관에는 상기 가전기기로 흐르는 과열 스팀의 양을 조절하는 스팀밸브가 설치된다.
또한, 상기 스팀밸브는 상기 가전기기에 의해 온 또는 오프된다.
또한, 상기 스팀배관에는 상기 가전기기로 흐르는 과열 스팀의 유속을 측정하는 유속센서와, 상기 과열 스팀의 온도를 측정하는 온도센서가 설치된다.
또한, 고온형 연료 전지 시스템과 스팀배관으로 연결된 적어도 하나의 가전기기에서 고온형 연료 전지 시스템에 과열 스팀을 요구하고, 상기 고온형 연료 전지 시스템이 구동되어 과열 스팀이 생성되면 상기 고온형 연료 전지 시스템은 상기 적어도 하나의 가전기기에 과열 스팀 공급 사실을 통보하고, 상기 적어도 하나의 가전기기가 과열 스팀을 공급받아 조리,세탁 또는 세척을 수행한다.
또한, 상기 과열 스팀의 공급시 상기 적어도 하나의 가전기기로 이동하는 과열 스팀의 유속 및 온도가 기준유속 및 기준온도 범위에 속하면 상기 고온형 연료 전지 시스템의 가동 사양을 유지하고, 상기 과열 스팀의 유속 및 온도가 기준유속 및 기준온도 범위에 속하지 않으면 상기 고온형 연료 전지시스템의 가동 사양을 변경한다.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 본 도면을 참조하여 상세하게 설명 하도록 한다. 도1에 도시한 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 고온형 연료 전지 시스템을 이용하는 가전 시스템은 전기 및 과열 스팀을 생성하는 고온형 연료 전지 시스템(10)과, 고온형 연료 전지 시스템(10)에서 생성된 과열 스팀이 이동하는 스팀배관(20)과, 스팀배관(20)에 연결된 세탁기(21), 식기세척기(24), 스팀오븐(27) 및 온수탱크(31)와, 고온형 연료 전지 시스템(10)과 연계된 전기계통(40)을 포함한다.
고온형 연료 전지 시스템(10)은 도2에 도시된 바와 같이 산소공급부(11)와, 연료공급부(12)와, 개질기(reformer)(13)와, 연료전지(14)와, DC/DC컨버터(15)와, DC/AC컨버터(또는 인버터)(16)로 이루어진다. 산소공급부(11)는 연료전지(14)에 산소를 공급하고, 연료공급부(12)는 개질기(13)에 연료를 공급한다. 이 때 연료는 가정에서 흔히 사용하는 도시가스를 사용함이 바람직하다.
개질기(13)는 연료를 가열하여 수소를 생성시키고, 이를 연료전지(14)로 보낸다. 개질기(13)에서의 반응 메커니즘은 이미 널리 알려져 있으므로 상세한 설명은 생략한다(대한민국 공개특허공보 특2003-72908참조).
연료전지(14)는 다수의 단위전지(스택)(미도시)로 이루어지며, 단위전지는 전해질이 함유된 전해질판(미도시), 공기극(음극)(미도시) 및 연료극(양극)(미도시)을 구비한다. 연료극으로 수소가 공급되면 수소는 수소이온과 전자로 분리되며, 수소이온은 전해질판을 거쳐 공기극으로 이동하고, 전자는 외부 회로를 거쳐 공기극으로 이동한다. 공기극에서는 공기극으로 공급된 산소와 수소이온이 만나 물을 생성한다.
전해질판은 인산을 폴리벤지미다졸(polybenzimidazole)에 도핑시켜 제조한 고분자 전해질판(Polymer Electrolyte)을 사용하며, 연료전지의 동작온도는 약 150℃(고온형)에 이른다. 이에 반해 기존의 고분자 전해질 연료 전지(PEMFC,Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)는 본 발명의 전해질판과 달리 불소수지, SO3H(술폰산기) 등으로 구성된 고분자 전해질판을 사용하여 동작온도가 상온~80℃(저온형)를 넘지 못하였다.
따라서, 기존의 PEMFC에서는 공기극에서 생성된 물이 액체 상태로 남아 있었으나, 본 발명의 PEMFC에서는 공기극에서 생성된 물이 가열되어 과열 스팀 상태가 된다. 그리고, 이 과열 스팀은 연료 전지(14)와 연결된 스팀배관(20)으로 이동한다.
DC/DC컨버터(15)는 연료전지(14)에서 생성된 직류전기를 승압하여 DC/AC컨버터(16)로 보낸다. 연료전지(14)에서 출력되는 직류전기는 저압이고 변동폭이 크므로 DC/DC컨버터(15)를 사용하여 전압을 높이면서도 안정된 출력전압을 얻을 수 있다. DC/AC컨버터(16)는 DC/DC컨버터(15)에서 승압되어 전달된 직류전기를 교류전기로 변환하여 세탁기(21) 등의 부하로 출력한다.
스팀배관(20)에는 세탁기(21), 식기세척기(24), 스팀오븐(27) 및 온수탱크(31)로 흐르는 과열 스팀의 양을 조절하기 위한 스팀밸브(22,25,28,32)가 설치되며, 스팀밸브(22,25,28,32)는 개도 조절이 가능한 전동변을 사용하거나, 단순히 온 또는 오프동작만 가능한 온오프 밸브를 사용할 수도 있다. 또한, 스팀배관(20)에는 스팀배관(20)을 흐르는 과열 스팀의 유속을 측정하는 유속센서(34)와, 과열 스팀의 온도를 측정하는 온도센서(35)가 설치된다.
세탁기(21), 식기세척기(24) 또는 스팀오븐(27)은 과열 스팀으로 세탁, 세척 또는 조리를 수행하며, 온수탱크(31)에서는 스팀배관(20)의 과열 스팀과 물 사이에 열교환이 일어나서 물이 가열되고, 가열된 물은 온수탱크(31)와 연결된 난방배관(33)으로 공급된다.
도3에 도시한 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 고온형 연료 전지 시스템을 이용하는 가전 시스템은 도1 및 도2에 도시한 구성요소 외에 각 가전기기(21,24,27)로 흐르는 스팀의 양을 조절하는 스팀밸브(22,25,28) 및 각 가전기기(21,24,27)를 제어하는 가전기기의 마이컴들(23,26,29)과, 온수탱크로 흐르는 과열 스팀의 양을 조절하는 스팀밸브(32) 및 고온형 연료 전지 시스템(10)을 제어하는 마이컴(17)을 더 포함한다.
이하에서는 도4를 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 고온형 연료 전지 시스템을 이용하는 가전 시스템의 과열 스팀 공급 방법을 설명한다. 사용자가 세탁기(21) 등에 운전명령을 입력하면 각 가전기기(21,24,27)의 마이컴(23,26,29)은 과열 스팀이 필요한 운전인지 판단하고, 과열 스팀이 필요한 운전이면 데이터 통신으로 고온형 연료 전지 시스템(10)의 마이컴(17)에 과열 스팀을 요구한다(50,52).
고온형 연료 전지 시스템(10)의 마이컴(17)은 세탁기(21) 등에서 과열 스팀을 요구하면 연료 전지(14)에 산소와 연료를 공급하여 연료 전지(14)에서 과열 스팀이 생성되도록 한다(54). 그리고, 과열 스팀의 공급 사실을 과열 스팀을 요구한 각 가전기기(21,24,27)의 마이컴(23,26,29)에 데이터 통신으로 전송한다(56).
과열 스팀을 요구한 가전기기(21,24,27)는 고온형 연료 전지 시스템(10)에서 과열 스팀의 공급 사실이 통보되면 스팀밸브(22,25,28)를 개방시킨다(58). 연료 전지(14)에서 과열 스팀이 생성되고, 스팀밸브(22,25,28)가 열리면 과열 스팀은 연료 전지(14)에서 스팀배관(20)을 거쳐 각 가전기기(21,24,27)로 이동한다.
유속센서(34)와 온도센서(35)는 스팀배관(20)을 흐르는 과열 스팀의 유속 및 온도를 측정하여 고온형 연료 전지 시스템(10)의 마이컴(17)으로 출력한다(60). 고온형 연료 전지 시스템(10)의 마이컴(17)은 유속센서(34)와 온도센서(35)의 측정값이 기준유속 및 기준온도 범위에 속하는지 판단한다(62).
이 때 기준유속 범위는 어떤 가전기기에 과열 스팀을 보내는지에 따라 달라지며, 과열 스팀을 요구한 가전기기의 수에 따라서 달라질 수도 있다. 따라서, 고온형 연료 전지 시스템(10)의 마이컴(17)은 과열 스팀을 요구한 가전기기의 종류 또는 수에 상응하는 기준유속 범위를 저장하고 있는 것이 바람직하다.
기준온도 범위는 너무 낮은 온도의 과열 스팀이 각 가전기기로 공급되는 것을 방지하기 위해 설정된 온도범위이며, 기준온도 범위는 가전 시스템에 포함되는 가전기기들의 종류에 따라 달라질 수 있다.
만약 스팀배관(20)을 흐르는 과열 스팀의 유속 및 온도가 기준유속 및 기준온도 범위에 속하면 고온형 연료 전지 시스템(10)의 마이컴(17)은 가동 사양을 유지한다. 그러나, 과열 스팀의 유속 및 온도가 기준유속 및 기준온도 범위에 속하지 않으면 고온형 연료 전지 시스템(10)의 마이컴(17)은 연료 공급량 등을 변경하여 과열 스팀의 유속 및 온도가 기준유속 및 기준온도 범위에 들어가도록 하고, 60단계로 리턴한다.
이처럼 연료 전지(14)에서 생성된 과열 스팀이 세탁기(21) 등에 공급되면 과열 스팀은 세탁물 또는 조리물 등을 가열하여 세척 또는 조리가 수행되도록 한다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명은 연료 전지에서 생성된 과열 스팀을 가전기기에 전달하여 세척 또는 조리 등이 이루어지게 하므로 스팀의 생산을 위한 별도의 축열탱크 또는 스팀 발생기 등이 필요하지 않다.
따라서, 각 가전기기의 제조비가 감소되며, 축열탱크에 폐열 저장시 발생되는 열손실을 막을 수 있다.

Claims (7)

  1. 연료와 산소가 반응하여 전기와 과열 스팀을 생성하는 고온형 연료 전지 시스템과,
    상기 과열 스팀이 이동하는 스팀 배관과,
    상기 스팀 배관에 연결되며, 상기 과열 스팀을 사용하는 가전기기를 포함하는 고온형 연료 전지 시스템을 이용하는 가전 시스템
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고온형 연료 전지 시스템은 고온형 고분자 전해질 연료 전지(PEMFC)를 포함하는 고온형 연료 전지 시스템을 이용하는 가전 시스템
  3. 제1항에 있어서,
    상기 스팀배관에는 상기 가전기기로 흐르는 과열 스팀의 양을 조절하는 스팀밸브가 설치되는 고온형 연료 전지 시스템을 이용하는 가전 시스템
  4. 제3항에 있어서,
    상기 스팀밸브는 상기 가전기기에 의해 온 또는 오프되는 고온형 연료 전지 시스템을 이용하는 가전 시스템
  5. 제1항에 있어서,
    상기 스팀배관에는 상기 가전기기로 흐르는 과열 스팀의 유속을 측정하는 유속센서와, 상기 과열 스팀의 온도를 측정하는 온도센서가 설치되는 고온형 연료 전지 시스템을 이용하는 가전 시스템
  6. 고온형 연료 전지 시스템과 스팀배관으로 연결된 적어도 하나의 가전기기에서 고온형 연료 전지 시스템에 과열 스팀을 요구하고,
    상기 고온형 연료 전지 시스템이 구동되어 과열 스팀이 생성되면 상기 고온형 연료 전지 시스템은 상기 적어도 하나의 가전기기에 과열 스팀 공급 사실을 통보하고,
    상기 적어도 하나의 가전기기가 과열 스팀을 공급받아 조리,세탁 또는 세척을 수행하는 고온형 연료 전지 시스템을 이용하는 가전 시스템의 과열 스팀 공급 방법
  7. 제6항에 있어서,
    상기 과열 스팀의 공급시 상기 적어도 하나의 가전기기로 이동하는 과열 스팀의 유속 및 온도가 기준유속 및 기준온도 범위에 속하면 상기 고온형 연료 전지 시스템의 가동 사양을 유지하고, 상기 과열 스팀의 유속 및 온도가 기준유속 및 기준온도 범위에 속하지 않으면 상기 고온형 연료 전지시스템의 가동 사양을 변경하는 고온형 연료 전지 시스템을 이용하는 가전 시스템의 과열 스팀 공급 방법
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