KR100689336B1

KR100689336B1 - Generator for home having structure of connecting boiler

Info

Publication number: KR100689336B1
Application number: KR1020000087314A
Authority: KR
Inventors: 윤홍식; 김인규; 김혁덕; 박일권; 박명석; 이성환; 이명호; 황용준
Original assignee: 주식회사 엘지이아이
Priority date: 2000-12-30
Filing date: 2000-12-30
Publication date: 2007-03-08
Also published as: KR20020057066A

Abstract

본 발명 보일러 연결구조를 갖는 가정용 발전장치는 개질기(1)로 탄화수소계 연료가 공급이되는 연료공급라인(41)과 보일러(3)를 연결하는 연결라인(42)을 설치하고, 그 연료공급라인(41)과 연결라인(42)의 연결부위에 연료공급을 조절하는 삼방밸브(43)를 설치하여, 가정에서 난방을 주로 하는 경우에는 삼방밸브(43)에서 연료의 일부를 보일러(3)로 공급하고, 보일러(3)에서 발생되는 열에 의하여 난방이 이루어지도록 하여, 스택(2)에서 발생되는 열과 보일러(3)에서 발생되는 열에 의하여 집중적인 난방이 이루어지게 된다.The household power generation apparatus having a boiler connection structure of the present invention is provided with a fuel supply line (41) for supplying hydrocarbon fuel and a connection line (42) for connecting the boiler (3) to the reformer (1), and the fuel supply line. A three-way valve 43 for controlling fuel supply is provided at the connection portion between the 41 and the connection line 42, so that a part of the fuel is transferred from the three-way valve 43 to the boiler 3 when the home is mainly heated. The heating is performed by the heat generated by the boiler 3, and intensive heating is achieved by the heat generated by the stack 2 and the heat generated by the boiler 3.

Description

Household generator with boiler connection structure {GENERATOR FOR HOME HAVING STRUCTURE OF CONNECTING BOILER}

도 1은 본 발명의 보일러 연결구조를 갖는 가정용 발전장치의 개략구성도.1 is a schematic configuration diagram of a household power generation apparatus having a boiler connection structure of the present invention.

도 2는 스택의 단일셀 구조를 보인 단면도.Figure 2 is a cross-sectional view showing a single cell structure of the stack.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings

1 : 개질기 2 : 스택1: reformer 2: stack

3 : 보일러 4 : 보일러 연료공급수단3: boiler 4: boiler fuel supply means

41 : 연료공급라인 42 : 연결라인41: fuel supply line 42: connection line

43 : 삼방밸브 43: three-way valve

본 발명은 보일러 연결구조를 갖는 가정용발전장치에 관한 것으로, 특히 난방이 집중적으로 이루어지는 경우에는 개질기로 공급되는 연료의 일부를 보일러로 공급되도록 하여 스택에서 공급되는 열과 보일러에서 발생되는 열에 의하여 난방이 집중적으로 이루어지도록 하여 난방효율을 향상시키도록 하는데 적합한 보일러 연결구조를 갖는 가정용발전장치에 관한 것이다.The present invention relates to a household power generation apparatus having a boiler connection structure, and in particular, when heating is concentrated, a portion of fuel supplied to the reformer is supplied to the boiler so that heating is concentrated by heat supplied from the stack and heat generated from the boiler. The present invention relates to a household power generator having a boiler connection structure suitable for improving heating efficiency.

일반적으로, 연료가 가지고 있는 에너지를 직접 전기적 에너지로 변환하는 장치로서 연료전지에 관한 기술이 공지되어 있으며, 이러한 연료전지는 통상 고분자 전해질을 중심으로 양쪽에 다공질의 양극(ANODE)과 음극(CATHODE)이 부착되어 있으며, 양극(산화전극 또는 연료극)에서는 연료인 수소의 전기화학적 산화가, 그리고 음극(환원전극 또는 공기극)에서는 산화제인 산소의 전기화학적 환원이 일어나며 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기에너지가 발생된다.In general, a technique related to a fuel cell is known as a device for directly converting energy contained in a fuel into electrical energy, and such a fuel cell generally has a porous anode (ANODE) and a cathode (CATHODE) on both sides of a polymer electrolyte. Is attached, the electrochemical oxidation of hydrogen as a fuel occurs at the anode (anode or anode) and the electrochemical reduction of oxygen as an oxidant at the cathode (reduction electrode or cathode). Is generated.

이와 같은 연료전지에 공급되는 수소는 LNG, LPG, CH₃OH, 가솔린 등의 탄화수소계(CH계열) 연료를 개질기에서 탈황공정→개질반응→수소정제공정을 거쳐 수소(H₂)만을 정제하여 가스형태로 사용되거나 액체 상태의 메탄올을 직접 연료로 사용하는 직접 메탄올 연료전지(DMFC; DIRECT METHANOL FUEL CELL)방식으로 사용되어진다. Hydrogen supplied to such a fuel cell is purified by purifying only hydrogen (H ₂ ) from a hydrocarbon-based (CH-based) fuel such as LNG, LPG, CH ₃ OH, and gasoline through a desulfurization process → reforming reaction → hydrogen purification process. It is used in the form of direct methanol fuel cell (DMFC), which is used in the form or uses liquid methanol as a direct fuel.

그리고, 상기와 같이 발전이 이루어지는 연료전지는 발생되는 전기에너지와 열에너지가 각각 40%에 달하므로, 전체적인 효율이 상당히 높은 특징을 가진다.In addition, the fuel cell in which power generation is performed as described above, since the generated electrical energy and thermal energy reaches 40%, respectively, the overall efficiency is quite high.

그러나, 상기와 같은 종래의 연료전지는 가정에서 주로 난방을 하는 경우에도 전체 발전을 하여 불필요한 전기를 발전하게 되고, 따라서 연료도 불필요하게 소모되어 전체의 효율을 저하시키는 문제점을 가지고 있는 것이었다.However, the conventional fuel cell as described above has a problem in that even when the home is mainly heated, the entire power generation generates unnecessary electricity, and thus the fuel is also consumed unnecessarily to lower the overall efficiency.

상기와 같은 문제점을 감안하여 안출한 본 발명의 목적은 가정에서 난방을 주로 하는 경우에 연료의 일부를 보일러로 공급하여 난방이 이루어지도록 함으로써 난방이 집중적으로 이루어지도록 하는데 적합한 보일러 연결구조를 갖는 가정용 발전장치를 제공함에 있다.An object of the present invention devised in view of the above problems is to provide a part of the fuel to the boiler in the case of mainly heating in the home to generate heating by heating the heating power generation having a boiler connection structure suitable for intensive heating In providing a device.

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 탄화수소계 연료를 개질처리하는 개질기와, 그 개질기에서 정제된 수소와 외부의 공기에 의한 전기화학적인 반응에 의하여 전기와 열을 발생시키는 스택과, 연료를 공급받아 연소에 의한 열에너지를 발생시키는 보일러와, 난방을 주로하는 경우에 상기 개질기로 공급되는 연료의 일부를 보일러로 공급하기 위한 보일러 연료공급수단 및 각 종류의 제어를 하는 제어부를 포함하여서 구성되는 것을 특징으로 하는 보일러 연결구조를 갖는 가정용발전장치가 제공된다.In order to achieve the above object of the present invention, a reformer for reforming a hydrocarbon-based fuel, a stack for generating electricity and heat by electrochemical reaction of hydrogen and external air purified from the reformer, and a fuel And a boiler for supplying heat energy by combustion, a boiler fuel supply means for supplying a part of the fuel supplied to the reformer to the boiler in the case of mainly heating, and a control unit for controlling each type. Provided is a domestic power generator having a boiler connection structure.

이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 보일러 연결구조를 갖는 가정용발전장치를 첨부된 도면의 실시예를 참고하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, with reference to the embodiment of the accompanying drawings, a domestic power generator having a boiler connection structure of the present invention configured as described above in more detail as follows.

도 1은 본 발명 보일러 연결구조를 갖는 가정용발전장치의 개략구성도로서, 도시된 바와 같이, 본 발명은 탄화수소계 연료를 개질처리하여 수소가스를 정제하는 개질기(1)와, 그 개질기(1)에서 공급되는 수소가스와 외부에서 공급되는 공기의 전기화학적인 반응으로 전기와 열을 발생시키는 스택(2)과, 연료를 공급받아 연소에 의한 열에너지를 발생시키는 보일러(3)와, 난방을 주로하는 경우에 상기 개질기(1)로 공급되는 연료의 일부를 보일러(3)로 공급하기 위한 보일러 연료공급수단(4) 및 각 종류의 제어를 하는 제어부(5)를 구비한다.1 is a schematic configuration diagram of a domestic power generator having a boiler connection structure according to the present invention, as shown in the present invention, a reformer 1 for reforming hydrogen gas by reforming a hydrocarbon fuel and a reformer 1 thereof. The stack 2 which generates electricity and heat by the electrochemical reaction of hydrogen gas supplied from the air and the air supplied from the outside, the boiler 3 which receives fuel and generates thermal energy by combustion, In this case, a boiler fuel supply means 4 for supplying a part of the fuel supplied to the reformer 1 to the boiler 3 and a control unit 5 for controlling each type are provided.

상기 스택(2)은 도 2에 도시된 바와 같이, 전기화학반응이 일어나는 단일셀(SINGLE CELL) 또는 여러개의 단일셀을 연속적으로 적층하여 볼트로 조립한 형태가 가능한데, 단일셀구조를 설명하면, 전해질 막(21)의 양측에 가스를 확산시키기 위한 양극(22)과 음극(23)이 접합되어 이루어진 막-전극 접합체(MEA:MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY)(24)와, 그 막-전극 접합체(24)의 양측에 밀착되도록 조립되어 양극(22)과 음극(23)에서 연료가스 및 산소함유가스의 유로를 형성하는 분리판(SEPARATOR)(25)과, 그 분리판(25)의 양측에 배치되어 양극(22)과 음극(23)의 집전극이 되는 집전판(26)(27)으로 구성되어 있다.As shown in FIG. 2, the stack 2 may be a single cell in which an electrochemical reaction occurs or a plurality of single cells may be sequentially stacked and assembled into bolts. A membrane-electrode assembly (MEA: MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY) 24 formed by bonding the anode 22 and the cathode 23 for diffusing gas to both sides of the electrolyte membrane 21, and the membrane-electrode assembly 24. And a separator 25 which are assembled so as to be in close contact with both sides of the anode 22 and the cathode 23 to form a flow path of fuel gas and oxygen-containing gas, and on both sides of the separator 25. It is comprised by the collector plates 26 and 27 used as the collector electrode of the positive electrode 22 and the negative electrode 23.

막-전극 접합체(24)의 전해질 막(21)은 고분자재료로 이루어진 이온교환막으로서 대표적으로 상품화된 전해질막(21)으로는 듀폰사의 Nafion막이 있으며 수소이온의 전달체 역할을 하는 동시에 산소와 수소의 접촉을 막는 역할을 하게 되고, 양극(22)과 음극(23)은 백금(Pt) 촉매층을 지지하는 지지체로서 다공성 탄소지(CARBON PAPER) 혹은 탄소천(CARBON CLOTH)이 전해질 막(21)의 양측에 접합 된 구조로 되어 있다. The electrolyte membrane 21 of the membrane-electrode assembly 24 is an ion exchange membrane made of a polymer material, and an electrolyte membrane 21 commercially available includes a Nafion membrane of DuPont, which serves as a carrier for hydrogen ions, and contacts oxygen with hydrogen. The anode 22 and the cathode 23 serve as a support for supporting the platinum (Pt) catalyst layer, and a porous carbon paper or carbon cloth is bonded to both sides of the electrolyte membrane 21. Structure.

분리판(25)은 치밀질의 카본 플레이트에 의해 형성되어 있고, 복수개의 리브가 형성되어 있어서 조립시 양극(22)의 표면에서 연료가스 유로홈(31)을 형성하고, 음극(23)의 표면에서는 산소함유가스 유로홈(32)을 형성한다.The separation plate 25 is formed of a dense carbon plate, and a plurality of ribs are formed to form a fuel gas flow path groove 31 on the surface of the anode 22 during assembly, and oxygen on the surface of the cathode 23. The containing gas flow path groove 32 is formed.

집전판(26)(27)은 전기전도성이 우수하고, 내식성이 우수하며, 수소취성이 발생되지 않는 것이 바람직 할 것이며, 구체적으로는 티타늄, 스테인레스, 동 등 상기 요구성능이 만족되는 것이라면 어느 것이라도 좋다.It is preferable that the current collector plates 26 and 27 have excellent electrical conductivity, excellent corrosion resistance, and do not generate hydrogen embrittlement. good.

상기 연료공급수단(4)은 상기 연료공급라인(41)과 보일러(3)가 연결되도록 연결라인(42)을 설치하고, 상기 연료공급라인(41)과 연결라인(42)의 연결부위에 삼방밸브(3-WAY VALVE)(43)를 설치하여 구성된다.The fuel supply means 4 is provided with a connection line 42 so that the fuel supply line 41 and the boiler 3 is connected, three-way at the connection portion of the fuel supply line 41 and the connection line 42. It is comprised by installing the valve (3-WAY VALVE) 43.

상기와 같이 구성되어 있는 본 발명의 보일러 연결구조를 갖는 가정용발전장치는 조작자가 동작 스위치를 조작하면 제어부(미도시)에서 미리 설정된 제어 프로그램에 따라 밸브를 동작시켜서 개질기(1)로 탄화수소계 연료와 물을 공급하여 수소가스를 정제하고, 그와 같이 정제된 수소가스를 스택(2)의 양극(22)에 공급되도록 하며, 외부의 공기를 음극(23)에 공급되도록 한다.The household power generation apparatus having the boiler connection structure according to the present invention configured as described above operates a valve according to a control program preset by a controller (not shown) when an operator operates an operation switch, thereby reforming the hydrocarbon-based fuel and the hydrocarbon-based fuel. Water is supplied to purify the hydrogen gas, and the purified hydrogen gas is supplied to the anode 22 of the stack 2, and external air is supplied to the cathode 23.

상기와 같이 스택(2)에 공급되는 수소가스는 연료 유로홈(31)을 따라 흐르며 막-전극 접합체(24)의 양극(22) 전면에 확산이 되어 수소의 전기화학적 산화가 진행되고, 공기는 산소함유가스 유로홈(32)을 따라 흐르며 막-전극 접합체(24)의 음극(23) 전면에 확산되어 산소의 전기화학적 환원이 일어나며, 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기가 발생되는데, 이때 발생되는 전기를 집전판(26)(27)에서 집전하여 조명기기 또는 가정기기의 에너지원으로 사용하게 된다.As described above, the hydrogen gas supplied to the stack 2 flows along the fuel flow path groove 31 and diffuses to the entire surface of the anode 22 of the membrane-electrode assembly 24 to proceed with electrochemical oxidation of hydrogen. It flows along the oxygen-containing gas flow path 32 and diffuses across the cathode 23 of the membrane-electrode assembly 24 to cause electrochemical reduction of oxygen, and electricity is generated due to the movement of electrons generated. The electricity is collected in the current collector plates 26 and 27 to be used as an energy source of lighting equipment or home appliances.

이때 각극에서의 반응식과 총 반응식은 다음과 같다.At this time, the reaction formula and total reaction formula at each pole are as follows.

양극(ANODE): H₂(g) → 2H⁺ + 2e^- Anode _{(ANODE): H 2 (g} ) → 2H + + 2e -

음극(CATHODE): 1/2O₂(g) + 2H⁺+ 2e^_→ H₂OCathode (CATHODE): 1 / 2O ₂ (g) + 2H ⁺ + 2e ^_ → H ₂ O

총반응식 : H₂ + 1/2O₂ → H₂OTotal Reaction: H ₂ + 1 / 2O ₂ → H ₂ O

그리고, 상기의 가정용발전장치가 설치된 가정에서 난방을 주로 하는 경우에는 제어부(5)의 제어처리에 의하여 삼방밸브(43)의 개도를 조절하여 연결라인(42)을 통하여 보일러(3)로 연료의 일부가 공급되도록 하고, 그와 같이 공급되는 연료를 이용하여 보일러(3)를 가동하여 난방이 되도록 함으로써, 스택(2)에서 발생되는 열과 보일러(3)에서 발생되는 열에 의하여 집중적인 난방이 이루어지며, 개질기(1)에도 일부의 연료가 공급되어 필요한 만큼의 전기발전이 이루어지게 된다.In addition, in the case where the home generator is installed in the home, the heating is mainly performed by controlling the opening degree of the three-way valve 43 by the control process of the control unit 5 to supply the fuel to the boiler 3 through the connection line 42. By supplying a part and using the fuel supplied as such to operate the boiler 3 to be heated, intensive heating is achieved by the heat generated in the stack (2) and the heat generated in the boiler (3). In addition, some of the fuel is also supplied to the reformer 1 so that electric power generation is performed as necessary.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명 보일러 연결구조를 갖는 가정용발전장치는 연료가 공급되는 연료공급라인과 보일러를 연결하는 연결라인을 설치하고, 그 연료공급라인과 연결라인의 연결부위에 연료를 공급을 조절하는 삼방밸브를 설치하여, 가정에서 난방을 주로 하는 경우에는 삼방밸브에서 연료의 일부를 보일러로 공급하고, 보일러에서 발생되는 열에너지에 의하여 난방이 이루어지도록 하여, 스택에서 발생되는 열과 보일러에서 발생되는 열에 의하여 집중적인 난방이 이루어짐으로써, 전체 에너지효율이 향상되는 효과가 있다.As described in detail above, the household power generation apparatus having the boiler connection structure of the present invention is provided with a fuel supply line to supply the fuel and a connection line for connecting the boiler, and supply the fuel to the connection portion of the fuel supply line and the connection line When the three-way valve is installed to control the heating, the three-way valve supplies a part of the fuel to the boiler, and the heating is performed by the heat energy generated by the boiler so that the heat generated from the stack and the boiler are generated. By intensive heating by the heat that is, there is an effect that the overall energy efficiency is improved.

Claims

A reformer for reforming hydrocarbon-based fuel, a stack for generating electricity and heat by electrochemical reaction of hydrogen and external air purified from the reformer, a boiler for supplying fuel and generating thermal energy by combustion; In the case of mainly heating, the domestic power generation device having a boiler connection structure comprising a boiler fuel supply means for supplying a part of the fuel supplied to the reformer to the boiler and a control unit for each type of control .

According to claim 1, wherein the boiler fuel supply means is provided with a connecting line for connecting the fuel supply line and the boiler for supplying fuel to the reformer, by installing a three-way valve connecting the connection line and the fuel supply line, heating When this concentration is made, a household power generation apparatus having a boiler connection structure, characterized in that part of the fuel to be supplied to the boiler.