KR100689337B1

KR100689337B1 - Heating device using fuel cell

Info

Publication number: KR100689337B1
Application number: KR1020000087318A
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: KR20020057070A

Abstract

본 발명 연료전지를 이용한 난방장치는 탄화수소계 가스를 개질처리하는 개질기(1)와, 개질기(1)에서 정제된 수소가스와 외부에서 공급되는 공기에 의하여 발전이 이루어지는 스택(2)을 포함하여 구성되는 가정용 발전시스템에 있어서, 상기 스택(2)에서 발생되는 열과 수증기를 실내의 난방영역에 공급하기 위한 난방수단(3)을 구비하여 구성되어, 스택(2)의 발전시 발생되는 열과 수증기를 실내의 난방영역에 공급하여 난방 및 습도조절이 이루어지도록 함으로써, 가정용 자가발전 시스템 전체의 에너지 이용효율을 향상시키는 효과가 있다.The heating apparatus using the fuel cell of the present invention comprises a reformer (1) for reforming a hydrocarbon-based gas, and a stack (2) for generating power by hydrogen gas purified from the reformer (1) and air supplied from the outside. In the household power generation system is provided, comprising a heating means (3) for supplying the heat and steam generated in the stack (2) to the heating zone of the room, the heat and steam generated during power generation of the stack (2) By supplying to the heating area of the heating and humidity control to be made, there is an effect of improving the energy utilization efficiency of the entire home self-generation system.

Description

Heating device using fuel cell {HEATING APPARATUS USING FUEL CELL}

도 1은 본 발명 연료전지를 이용한 난방장치의 개략구성도.1 is a schematic configuration diagram of a heating apparatus using the fuel cell of the present invention.

도 2는 스택의 단일셀구조를 보인 종단면도.Figure 2 is a longitudinal 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

50 : 열공급라인 60 : 수증기공급라인50: heat supply line 60: steam supply line

61 : 분지라인 70 : 난방기 케이스61: branch line 70: heater case

70a : 송풍기 71 : 습도검출센서70a: blower 71: humidity detection sensor

72 : 건조기 73 : 삼방밸브72: dryer 73: three-way valve

본 발명은 연료전지를 이용한 난방장치에 관한 것으로, 특히 스택에서 발생되는 열과 수증기를 이용하여 가정의 난방이 이루어지는 동시에 습도를 조절하도록 하는데 적합한 연료전지를 이용한 난방장치에 관한 것이다.The present invention relates to a heating device using a fuel cell, and more particularly, to a heating device using a fuel cell suitable for controlling the humidity at the same time the heating of the home using the heat and steam generated in the stack.

일반적으로 각 가정에 사용되는 전기는 발전소에서 발전에 의하여 얻어진 고압의 전기를 송전선로를 통하여 송전소로 보내고, 그와 같이 송전소에 보내진 고압의 전기를 마을의 변전소로 보내서 각 가정으로 배전되어 지며, 이와 같이 각 가정으로 공급되어진 전기는 조명기기, 가전기기 및 소형기계 등의 전기기기를 구동하는데 사용되어진다.In general, the electricity used in each household sends high-voltage electricity obtained by power generation from the power plant to the transmission station through the transmission line, and sends the high-voltage electricity sent to the transmission station to the village substation and is distributed to each household. As such, the electricity supplied to each home is used to drive electrical equipment such as lighting equipment, home appliances, and small machines.

상기와 같이 가정에 공급되는 상용전원과는 별도로 최근에는 연료전지(FUEL CELL)를 이용한 자가발전 시스템이 개발되고 있는데, 이와 같은 자가발전 시스템은 탄화수소계 가스를 개질처리하여 수소가스 만을 발전장치인 스택의 양극으로 공급하고, 음극으로 공기를 공급하여 전기화학적인 반응으로 전기와 열을 얻는 방법으로, 가정에서 비상용 전원으로 사용하거나, 송전이 곤란한 섬지역, 또는 오지에서 편리하게 사용되도록 개발이 되고 있다.In addition to the commercial power supply to the home as described above, a self-power generation system using a fuel cell (FUEL CELL) has recently been developed. Such self-power generation system reforms hydrocarbon gas to produce only hydrogen gas as a power generator. It is developed to be used as an emergency power source at home, or to be easily used in remote islands or remote areas where it is difficult to transmit electricity. .

그리고, 상기와 같이 각 가정에서 사용될 수 있도록 개발된 자가발전 시스템은 전기의 에너지 효율이 약 40%정도 달하고, 그와는 별도로 발생되는 열 에너지의 에너지 효율 역시 40% 정도 달하여 고효율의 에너지를 발생시키는 장점을 가지 고 있어서 점차 그 사용 및 개발이 가속화될 전망이다.In addition, the self-powered system developed to be used in each home as described above is about 40% of the energy efficiency of electricity, the energy efficiency of thermal energy generated separately from that also reaches about 40% to generate high efficiency energy Its strengths are expected to accelerate its use and development.

그러나, 상기와 같은 자가발전 시스템에서 발생되는 전기는 조명기기나 각종 전자제품의 전원으로 이용되어 전기의 이용효율은 상당히 높으나, 열과 부수적으로 발생되는 수증기는 적절히 활용되지 못하여 전체적인 에너지 이용효율을 향상시키는데 한계가 있는 문제점이 있었다.However, the electricity generated in the above-described self-power generation system is used as a power source for lighting equipment or various electronic products, but the use efficiency of electricity is very high, but heat and incident water vapor are not properly utilized, which limits the overall energy utilization efficiency. There was a problem with that.

상기와 같은 문제점을 감안하여 안출한 본 발명의 목적은 스택의 발전시 발생되는 열과 수증기를 난방 및 습도조절에 이용하여 에너지 이용효율을 향상시키도록 하는데 적합한 연료전지를 이용한 난방장치를 제공하고자 한다.An object of the present invention devised in view of the above problems is to provide a heating device using a fuel cell suitable for improving the energy use efficiency by using heat and water vapor generated during power generation of the stack for heating and humidity control.

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 탄화수소계 연료를 개질 처리하여 수소가스를 정제하는 개질기와, 상기 개질기에서 공급되는 연료와 외부에서 공급되는 공기의 전기화학적인 반응에 의하여 전기와 열이 발생되도록 발전이 이루어지는 스택과, 상기 스택에서 발생되는 열을 실내로 공급하기 위한 열공급라인과, 상기 스택에서 발생되는 수증기를 실내로 공급하기 위한 수증기 공급라인과, 상기 열공급라인과 수증기 공급라인에서 공급되는 열과 수증기를 실내에 적절히 분사될 수 있도록 전면에 송풍구가 형성된 난방기 케이스와, 난방이 이루어지는 실내의 습도를 검출하기 위한 습도검출센서 및 상기 습도검출센서에서 검출되는 습도가 설정치 이상일 경우 실내에서 공급되는 수증기를 건조하기 위한 수증기 건조수단을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지를 이용한 난방장치가 제공된다.In order to achieve the above object of the present invention, electricity and heat are generated by a reforming process for refining hydrogen gas by reforming a hydrocarbon-based fuel, and an electrochemical reaction between fuel supplied from the reformer and air supplied from the outside. A stack that generates power, a heat supply line for supplying heat generated from the stack to the room, a steam supply line for supplying steam generated in the stack to the room, and a heat supply line and a steam supply line A heater case having a vent formed on its front surface to properly inject heat and steam into the room, a humidity detecting sensor for detecting humidity in a room where heating is performed, and a humidity supplied by the humidity detecting sensor when the humidity detected is higher than a set value. Including vapor drying means for drying the The heating apparatus using a fuel cell characterized in that there is provided.

이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 연료전지를 이용한 난방장치를 첨부된 도면의 실시예를 참고하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the heating device using the fuel cell of the present invention configured as described above will be described in more detail with reference to an embodiment of the accompanying drawings.

도 1은 본 발명 연료전지를 이용한 난방장치의 개략구성도로서, 도시된 바와 같이, 본 발명 연료전지를 이용한 난방장치는 탄화수소계 연료를 개질처리하여 수소가스를 정제하는 개질기(1)와, 그 개질기(1)에서 공급되는 수소가스와 외부에서 공급되는 공기의 전기화학적인 반응으로 전기를 발생시키는 스택(2)과, 그 스택(2)에서 발생되는 열과 수증기를 가정의 난방영역에 공급하기 위한 난방수단(3)을 구비한다.1 is a schematic configuration diagram of a heating apparatus using the fuel cell of the present invention. As shown, the heating apparatus using the fuel cell of the present invention includes a reformer 1 for reforming hydrogen gas by reforming a hydrocarbon-based fuel, and A stack 2 for generating electricity by an electrochemical reaction of hydrogen gas supplied from the reformer 1 and air supplied from the outside, and for supplying heat and steam generated from the stack 2 to a heating area of a home. Heating means 3 is 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 접합된 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 the platinum (Pt) catalyst layer, and 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 난방수단(3)은 상기 스택(2)에서 발생되는 열을 실내로 공급하기 위한 열공급라인(50)과, 상기 스택(2)에서 발생되는 수증기를 실내로 공급하기 위한 수증기 공급라인(60)과, 상기 열공급라인(50)과 수증기 공급라인(60)에서 공급되는 열과 수증기를 실내에 적절이 분사될 수 있도록 전면에 송풍구(70a)가 형성된 난방기 케이스(70)로 구성되어 있다.The heating means 3 is a heat supply line 50 for supplying the heat generated in the stack (2) to the room, and a steam supply line 60 for supplying the steam generated in the stack (2) to the room And, the heater case 70 is formed with a blower (70a) formed on the front surface so that the heat and steam supplied from the heat supply line 50 and the steam supply line 60 can be properly injected into the room.

또한, 상기 난방기 케이스(70)의 전면에는 실내의 습도를 검출하기 위한 습도검출센서(71)가 설치되어 있고, 상기 수증기 공급라인(60)의 일정부분을 우회하도록 연결된 분지라인(61)에는 응축기(72)가 설치되어 있으며, 상기 수증기공급라인(60)과 분지라인(61)이 연결된 부분에는 삼방밸브(3-WAY VALVE)(73)가 연결되어 있어서, 습도센서(71)에 검출되는 실내습도에 따라 일정양의 수증기가 건조기(72) 측으로 흐르도록 하여 실내에 분사되는 수증기의 습도를 조절할 수 있도록 되어 있다. In addition, the front of the heater case 70 is provided with a humidity detection sensor 71 for detecting the humidity of the room, the condenser in the branch line 61 connected to bypass a portion of the steam supply line 60. 72 is installed, the three-way valve (73) is connected to the portion of the steam supply line 60 and the branch line 61 is connected, the room detected by the humidity sensor 71 According to the humidity, a certain amount of water vapor flows to the dryer 72 to control the humidity of the water vapor injected into the room.

상기와 같이 구성되어 있는 본 발명 연료전지를 이용한 난방장치는 조작자가 동작 스위치를 조작하면 전자제어부(미도시)에서 미리 설정된 제어 프로그램에 따라 밸브를 동작시켜서 개질기(1)로 탄화수소계 연료와 공기를 공급하여 수소가스를 정제하고, 그와 같이 정제된 수소가스와 공기가 스택(2)에 공급되도록 한다.Heating device using the fuel cell of the present invention configured as described above operates a valve according to a control program set in advance in an electronic control unit (not shown) when the operator operates the operation switch to convert hydrocarbon-based fuel and air to the reformer 1. Supply to purify the hydrogen gas, such that the purified hydrogen gas and air are supplied to the stack 2.

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

상기와 같이 스택(2)의 발전시에는 전기와는 별도로 열과 수증기가 발생되는데, 상기와 같이 발생되는 열은 열공급라인(50)을 통하여 실내의 난방기 케이스(70)로 보내지고, 난방기 케이스(70)의 송풍구(70a)를 통하여 실내로 송풍되어 난방이 이루어짐과 아울러 수증기는 수증기 공급라인(60)을 통하여 난방기 케이 스(70)로 보내져서 난방기 케이스(70)의 송풍구(70a)를 통하여 실내로 송풍되어 실내가 지나치게 건조하게 되는 것을 방지하게 된다.When generating the stack 2 as described above, heat and steam are generated separately from electricity, and the heat generated as described above is sent to the heater case 70 in the room through the heat supply line 50, and the heater case 70. The air is blown into the room through the air inlet 70a of the heating), and the water vapor is sent to the heater case 70 through the steam supply line 60 to the room through the air outlet 70a of the heater case 70. It is blown to prevent the room from becoming too dry.

또한, 상기 난방기 케이스(70)의 전면에 설치된 습도조절센서(71)에서 검출되는 실내습도가 지나치게 높을 경우에는 삼방밸브(73)에서 수증기가 분지라인(61)을 통하여 건조기(72)를 통과하도록 하여 수증기의 습기가 일부 제거된 후, 난방기 케이스(70)의 송풍구(70a)를 통하여 실내에 송풍되도록 함으로써 실내의 습도를 조절하게 된다.In addition, when the indoor humidity detected by the humidity control sensor 71 installed on the front of the heater case 70 is too high, the three-way valve (73) so that the water vapor passes through the dryer 72 through the branch line (61). After some of the moisture in the water vapor is removed, the room humidity is controlled by allowing the air to be blown through the air inlet 70a of the heater case 70.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명 연료전지를 이용한 난방장치는 스택에서 발생되는 열과 수증기를 가정의 실내에 공급하기 위한 난방수단을 구비하여, 스택의 발전시 발생되는 열과 수증기를 실내의 난방영역으로 공급함으로써, 종래에 스택의 발전시에 버려지던 열과 수증기를 에너지 원으로 이용하는데 따른 에너지 이용효율이 향상되는 효과가 있다. As described above in detail, the heating apparatus using the fuel cell of the present invention includes a heating means for supplying heat and steam generated from the stack to the indoors of the home, and heat and steam generated during the generation of the stack to the heating area of the room. By supplying, there is an effect of improving the energy utilization efficiency by using heat and water vapor, which have been conventionally discarded at the time of power generation of the stack, as an energy source.

Claims

A reformer for reforming hydrocarbon gas by reforming a hydrocarbon-based fuel, a stack for generating electricity and heat to generate electricity and heat by an electrochemical reaction between the fuel supplied from the reformer and the air supplied from the outside; A heat supply line for supplying the heat to the room, a steam supply line for supplying the steam generated in the stack to the room, and a front surface to properly spray the heat and steam supplied from the heat supply line and the steam supply line to the room And a heater case having a vent formed therein, a humidity detecting sensor for detecting humidity in a room where heating is performed, and steam drying means for drying steam supplied from a room when the humidity detected by the humidity detecting sensor is higher than a set value. Egg using a fuel cell, characterized in that Room equipment.

The method of claim 1,

The steam drying means connects a branch line bypassing a predetermined portion of the steam supply line, installs a dryer on the branch line, and provides a 3-way valve at a portion where the steam supply line and the branch line are connected. The heating device using a fuel cell, characterized in that the installation so that the steam can be dried in the dryer when the room humidity is high.