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KR101142473B1 - Molten Carbonate Fuel Cell System connected with Carbonate Refrigerant-generator and Heat Pump - Google Patents

Molten Carbonate Fuel Cell System connected with Carbonate Refrigerant-generator and Heat Pump Download PDF

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KR101142473B1
KR101142473B1 KR1020090089928A KR20090089928A KR101142473B1 KR 101142473 B1 KR101142473 B1 KR 101142473B1 KR 1020090089928 A KR1020090089928 A KR 1020090089928A KR 20090089928 A KR20090089928 A KR 20090089928A KR 101142473 B1 KR101142473 B1 KR 101142473B1
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Abstract

본 발명은 히트펌프와 연계되고, 히트펌프의 냉매인 이산화탄소 냉매제조와 연계된 용융탄산염 연료전지 시스템에 관한 것이다. 개시발명은 연료극, 공기극, 및 전해질로 구성되는 연료전지; 연료극에 연결되어 연료극의 이산화탄소를 포함하는 배가스를 공기에 의하여 연소시켜 열을 발생시키는 연소기; 연소기에 연결되어 이산화탄소를 포함하는 폐가스에서 물을 분리하는 수분분리기; 및 수분분리기에 연결되어 물이 분리된 폐가스에서 이산화탄소를 분리하는 이산화탄소분리기;를 포함하고, 압축기, 응축기, 증발기로 이루어진 히트펌프; 및 압축기를 거치고 나오는 이산화탄소 중 상기 응축기로 공급되지 못한 이산화탄소를 저장하는 이산화탄소저장소;를 더 포함할 수 있다. 따라서, 히트펌프의 냉매로서 친환경적이며 오존층파괴지수와 지구온난화지수가 낮으며 가연성과 독성이 없는 이산화탄소를 효율적으로 이용할 수 있게 된다.The present invention relates to a molten carbonate fuel cell system associated with a heat pump and associated with producing a carbon dioxide refrigerant that is a refrigerant of the heat pump. The present invention relates to a fuel cell comprising a fuel electrode, an air electrode, and an electrolyte; A combustor coupled to the anode to generate heat by burning exhaust gas containing carbon dioxide of the anode by air; A water separator connected to the combustor for separating water from waste gas containing carbon dioxide; And a carbon dioxide separator connected to the water separator to separate carbon dioxide from the waste gas from which water is separated, and comprising a compressor, a condenser, and an evaporator. And a carbon dioxide storage for storing carbon dioxide that has not been supplied to the condenser among the carbon dioxide passing through the compressor. Therefore, as a refrigerant of the heat pump, it is environmentally friendly, low ozone depletion index and global warming index, and it is possible to efficiently use carbon dioxide without flammability and toxicity.

Description

이산화탄소 냉매제조 및 히트펌프 연계 용융탄산염연료전지시스템{Molten Carbonate Fuel Cell System connected with Carbonate Refrigerant-generator and Heat Pump}Molten Carbonate Fuel Cell System connected with Carbonate Refrigerant-generator and Heat Pump}

본 발명은 용융탄산염 연료전지 시스템에 관한 것으로, 특히 이산화탄소 냉매제조 및 히트펌프에 연계시키는 기술에 관한 것이다.The present invention relates to a molten carbonate fuel cell system, and more particularly, to a technology for producing carbon dioxide refrigerant and for connecting a heat pump.

기후변화가 글로벌 이슈로 급부상함에 따라 각 국의 이에 대한 대응도 활발해지고 있다. 주요국들은 온실가스 감축 목표를 설정하고 이를 위한 다양한 정책을 도입하고 있으며, 우리나라도 70년대부터 시작된 산업화 및 경제성장으로 현재 화석연료사용량 및 이산화탄소 배출량이 급격히 증가하고 있는 추세이다. 이산화탄소는 화석연료의 산화과정이나 연소과정의 부산물 등으로 생성되는 지구온난화의 가장 큰 주범이다. 2005년 교토의정서가 정식으로 발효되면서, 우리나라도 온실가스 감축의무를 피해갈 수 없는 상황에 놓여 있지만, 온실가스 배출량 증가 추세를 끌어내리기에는 부족한 실정이다.As climate change emerges as a global issue, countries are responding to it. Major countries have set targets for greenhouse gas reduction and introduced various policies for this purpose. Korea is also rapidly increasing fossil fuel consumption and carbon dioxide emissions due to industrialization and economic growth that began in the 1970s. Carbon dioxide is the biggest culprit of global warming produced by the oxidation of fossil fuels and by-products of combustion processes. As the Kyoto Protocol entered into force in 2005, Korea is in a situation where it cannot escape the obligation to reduce greenhouse gases, but it is insufficient to reduce the trend of increasing greenhouse gas emissions.

한편, 1987년 몬트리얼 의정서에 의하여 CFC(Chlorofluorocarbon) 냉매와 HCFC(Hydro-Chlorofluorocarbon) 냉매가 규제되고, 1997년 교토의정서에 의하여 HFC(Hydro-FluoroCarbon) 냉매도 규제를 받게 되었다. Meanwhile, the 1987 Montreal Protocol regulated the CFC (Chlorofluorocarbon) refrigerant and the HCFC (Hydro-Chlorofluorocarbon) refrigerant, and the 1997 Kyoto Protocol also regulated the HFC (Hydro-FluoroCarbon) refrigerant.

최근에는 친환경 냉매인 탄화수소, 이산화탄소, 암모니아, 물 등에 관심이 높아지고 있으며, 특히 이산화탄소 냉매는 친환경적이며 오존층파괴지수(ODP, Ozone Depletion Potential)와 지구온난화지수(GWP, Global Warming Potential)가 낮으며 가연성과 독성이 없다. Recently, interest in environmentally friendly refrigerants such as hydrocarbons, carbon dioxide, ammonia and water has increased. In particular, carbon dioxide refrigerants are eco-friendly and have low Ozone Depletion Potential (ODP) and Global Warming Potential (GWP). No toxicity

그러나 냉매가 환경에 미치는 영향은 냉매 자체뿐만이 아니라 전력생산시에 발생하는 이산화탄소의 영향도 고려되어야 하는데, 이러한 냉매의 직간접적인 영향을 함께 나타내는 척도가 총등가온난화지수(TEWI, Total Equivalent Warming Impact)이다. 즉, 친환경 냉매의 선정과 동시에 시스템 효율을 높여 TEWI를 최소화하는 것이 중요하다.However, the impact of refrigerants on the environment should be taken into account not only the refrigerant itself, but also the effects of carbon dioxide generated during power generation. The measure of the direct and indirect effects of these refrigerants is the Total Equivalent Warming Impact (TEWI). . In other words, it is important to minimize the TEWI by increasing the system efficiency while selecting eco-friendly refrigerant.

기존의 열병합발전소, 석탄화력발전소 및 복합화력발전소 등에서 전력을 생산하기 위한 연소 생성물로 다량의 이산화탄소가 발생한다. 이산화탄소는 온실효과를 일으키는 주요한 가스로서 연료전지에서 이용함으로써 저감하는 기술이 개발되었다. 즉, 이산화탄소의 저감기술과 관련하여 발전소 등에서 배출되는 배가스를 이용하여 전력을 생산할 수 있는 연료전지기술이 있다. 연료전지의 공기극에서 배가스를 이용함으로써 배가스에 포함되어 있는 이산화탄소를 감소시킬 수 있다. A large amount of carbon dioxide is generated as a combustion product for generating electric power in existing cogeneration plants, coal-fired power plants, and combined cycle power plants. Carbon dioxide is a major gas causing the greenhouse effect, and a technology for reducing carbon dioxide has been developed. In other words, there is a fuel cell technology capable of producing electric power using exhaust gas emitted from a power plant in connection with a carbon dioxide reduction technology. By using the exhaust gas at the cathode of the fuel cell, it is possible to reduce the carbon dioxide contained in the exhaust gas.

연료전지는 전해질의 특성에 따라 고체고분자전해질연료전지(PEMFC, Proton Exchange Membrane Fuel Cell), 고체산화물연료전지(SOFC, Solid Oxide Fuel Cell), 용융탄산염 연료전지(MCFC, Molted Carbonate Fuel Cell) 등으로 구분된다. 용융탄산염연료전지는 이온 전도도 역할을 수행하는 것이 탄산염에 의하여 이루어지는 연료전지를 말한다. Fuel cells are solid polymer electrolyte fuel cells (PEMFC), solid oxide fuel cells (SOFC), molten carbonate fuel cells (MCFC), etc. Are distinguished. Molten carbonate fuel cell refers to a fuel cell in which the carbonate plays a role of ionic conductivity.

석탄화력발전소에서 배출되는 이산화탄소의 양을 감소시키는 기술이 알려져 있는데, 석탄화력발전소의 배가스를 받아들여 공기극에서 이산화탄소를 분해하여 이산화탄소의 양을 저감시키는 이외에 공기극에서 반응하지 않고 연료극에서 배출되는 이산화탄소를 포집, 저장한다. It is known to reduce the amount of carbon dioxide emitted from coal-fired power plants. In addition, the exhaust gas of the coal-fired power plant receives the exhaust gas and decomposes the carbon dioxide at the cathode to reduce the amount of carbon dioxide. , Save.

히트펌프는 소비지에서 화석연료의 연소 없이 각종 배열 등에 의한 에너지 전환효율이 높아 도시환경의 정화에 기여한다고 볼 수 있으며, 큰 건물이나 백화점 등과 같이 인원밀도가 높은 건물은 난방부하에 비하여 냉방부하가 크고 내부에서 발생하는 열에 의하여 난방부하 자체가 작기 때문에 히트펌프는 유리한 열적 특성을 가진다고 볼 수 있다. 이러한 히트펌프를 구동하기 위한 열원으로서 연료전지를 이용하는 기술이 개발되었다. 다만, 연료전지로부터 생성되는 열을 직접 히트펌프의 열원으로 연계한 시스템은 있었으나, 연료전지의 배기가스인 이산화탄소를 직접 냉매로 만들어서 히트펌프를 기동하는 기술이 존재하기 않아 이산화탄소의 배출에 따른 온실효과 등의 문제를 해결할 수 없었다.Heat pump can be considered as contributing to the cleanup of the urban environment due to the high energy conversion efficiency by various arrangements without burning fossil fuels in the consumer areas.In buildings with high personnel density, such as large buildings or department stores, the cooling load is larger than the heating load. Since the heating load itself is small due to the heat generated inside, the heat pump can be said to have advantageous thermal characteristics. A technology using a fuel cell as a heat source for driving such a heat pump has been developed. However, there was a system that directly connected the heat generated from the fuel cell to the heat source of the heat pump, but since there was no technology to start the heat pump by directly making carbon dioxide, the exhaust gas of the fuel cell, as a refrigerant, the greenhouse effect due to the carbon dioxide emission, etc. Could not solve the problem.

본 발명의 목적은 상술한 문제점을 해소하기 위하여 안출된 것으로, 석탄화력발전소에서 배출되는 배가스를 연료전지의 연료로 이용하여 전력을 발생시키고 연료전지에서 발생하는 이산화탄소를 히트펌프의 냉매로 제공하거나 저장하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, to generate power by using the exhaust gas discharged from the coal-fired power plant as the fuel of the fuel cell and to provide or store the carbon dioxide generated from the fuel cell as the refrigerant of the heat pump It aims to do it.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 석탄화력발전소로부터 공급되는 배기가스 및 공기 중에 포함된 산소를 반응시켜 탄산염 이온을 생성하는 공기극, 공기극에서 생성된 탄산염 이온의 대부분을 흡수하는 전해질, 및 전해질로부터 공급된 탄산염 이온과 연료를 반응시켜 물과 이산화탄소를 포함하는 연료극배가스를 생성하는 연료극으로 이루어진 연료전지; 연료전지의 연료극에 연결되어 연료극에서 배출된 가스 중 수소 및 탄화수소를 공기와 반응시켜 연소시키면서 연소열을 발생시키는 연소기; 이산화탄소를 포함하는 연소기폐가스에서 물을 분리하는 수분분리기; 및 수분분리기를 거친 이산화탄소를 포함하는 연소기폐가스에서 이산화탄소를 분리하는 이산화탄소분리기;를 포함하고, 저온 저압의 액체상태인 냉매를 받아들이고 외부로부터 흡수한 열에 의하여 냉매를 액체에서 기체로 증발시켜 저온 저압의 가스상태로 변화시키는 증발기, 증발기에서 형성된 저온 저압의 가스상태의 냉매를 공급받고, 이를 압축하여 고온 고압의 가스상태로 변화시키는 압축기, 및 압축기에 서 형성된 고온 고압의 가스상태의 냉매를 받아들여 외부로 열을 방출하면서 냉매를 액화시켜 저온 고압의 액체상태로 변화시키는 응축기로 구성되는 히트펌프; 및 증발기를 거치고 나오는 이산화탄소 중 상기 압축기로 공급되지 못한 이산화탄소를 저장하는 이산화탄소저장소를 포함한다.In order to achieve the above object, the present invention provides an air electrode that generates carbonate ions by reacting the exhaust gas supplied from a coal-fired power plant and oxygen contained in the air, an electrolyte that absorbs most of the carbonate ions generated in the air electrode, and supplied from an electrolyte. A fuel cell comprising a fuel electrode reacting the carbonate ions with the fuel to produce a fuel exhaust gas including water and carbon dioxide; A combustor connected to the fuel electrode of the fuel cell and generating combustion heat while reacting and burning hydrogen and hydrocarbons in the gas discharged from the fuel electrode with air; A water separator separating water from the combustion gas containing carbon dioxide; And a carbon dioxide separator that separates carbon dioxide from a combustion gas containing carbon dioxide that passes through a water separator, and receives the refrigerant in a liquid state at low temperature and low pressure and evaporates the refrigerant from the liquid to gas by heat absorbed from the outside. It is supplied with an evaporator which changes to a state, a low-temperature low-pressure gaseous refrigerant formed in the evaporator, compresses it into a high-temperature high-pressure gas state, and receives a high-temperature high-pressure gaseous refrigerant formed in the compressor to the outside. A heat pump composed of a condenser for liquefying a refrigerant while releasing heat and changing it into a liquid state at low temperature and high pressure; And a carbon dioxide storage for storing carbon dioxide that has not been supplied to the compressor among carbon dioxide that has passed through the evaporator.

이와 같은 본 발명에 따른 히트펌프에 연계되고 이산화탄소저장소를 포함하는 이산화탄소 냉매제조 및 히트펌프 연계 용융탄산염연료전지에 의하면, 용융탄산염연료전지의 배기 이산화탄소를 이산화탄소 분리기를 통하여 가정, 빌딩, 산업단지 등의 히트펌프 시스템의 냉매로 활용이 가능하여 이산화탄소의 저감과 에너지의 효율적 이용을 도모할 수 있게 된다.According to the carbon dioxide refrigerant production and heat pump-linked molten carbonate fuel cell associated with the heat pump according to the present invention, including a carbon dioxide storage, the exhaust carbon dioxide of the molten carbonate fuel cell through a carbon dioxide separator, such as home, building, industrial complex It can be used as a refrigerant in a heat pump system, so that carbon dioxide can be reduced and energy can be efficiently used.

이하 동일한 부재번호는 동일한 구성요소를 참조로 하는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적 의미로 한정되어 해석되지 아니하며, 본 발명의 기술적 사항에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.Hereinafter, the same reference numerals will be described in detail with reference to the accompanying drawings, with reference to the same components preferred embodiments of the present invention. The terms and words used in the present specification and claims should not be construed as limited to ordinary or dictionary meanings and should be construed in accordance with the technical meanings and concepts of the present invention.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 히트펌프 연계 용융탄산염연료전지시스템으로서 냉방기로 이용되는 예를 도시한 블럭도이다. 도 1을 참조하면, 시스템은 석탄화력발전소(100), 연료전지(200), 연소기(300), 수분분리기(400), 이산화탄소분리기(500), 히트펌프(600), 및 이산화탄소저장소(700)를 포함한다.1 is a block diagram illustrating an example of a heat pump-linked molten carbonate fuel cell system according to an embodiment of the present invention used as a cooler. Referring to FIG. 1, the system is a coal-fired power plant 100, a fuel cell 200, a combustor 300, a water separator 400, a carbon dioxide separator 500, a heat pump 600, and a carbon dioxide storage 700. It includes.

상기 석탄화력발전소(100)는 이산화탄소를 포함하는 배가스를 방출하고 연료전지(200)의 공기극(220)으로 공급된다.The coal-fired power plant 100 emits exhaust gas containing carbon dioxide and is supplied to the cathode 220 of the fuel cell 200.

상기 연료전지(200)는 연료극(210), 전해질(230) 및 공기극(220)으로 구성되어 외부에서 공급되는 연료에 전기화학적 반응을 일으킴으로써 전력을 생산한다. The fuel cell 200 is composed of a fuel electrode 210, an electrolyte 230 and an air electrode 220 to generate electric power by causing an electrochemical reaction to a fuel supplied from the outside.

공기극(220)은 석탄화력발전소(100)로부터 공급되는 배가스 및 공기(20) 중에 포함된 산소를 반응시켜 탄산염 이온을 생성한다. 공기(20)는 연료전지의 공기극(220)의 입구측에서 공급된다.The cathode 220 reacts with the exhaust gas supplied from the coal-fired power plant 100 and oxygen contained in the air 20 to generate carbonate ions. Air 20 is supplied from the inlet side of the cathode 220 of the fuel cell.

0.5O2 + CO2 + 2e- → CO2- 3 0.5O 2 + CO 2 + 2e - → CO 2- 3

위의 반응이 원활히 이루어지려면 연료전지(200)를 운전가능 온도인 550℃ 이상의 온도로 유지시키는 것이 바람직하다. 일반적으로 공기극(220)에서의 이산화탄소 이용률은 약 70% 이상이기 때문에 그만큼의 이산화탄소가 저감되어 반응에 참여하지 않은 30% 정도의 이산화탄소가 배관을 통하여 대기로 배출된다. 이 공기극폐가스(30)를 다시 공기극(220)으로 재순환시켜 재활용하여 이산화탄소의 배출을 저감시키도록 구성할 수 있다.In order to facilitate the above reaction, it is preferable to maintain the fuel cell 200 at a temperature of 550 ° C. or higher. In general, since the utilization rate of carbon dioxide in the cathode 220 is about 70% or more, the amount of carbon dioxide is reduced so that about 30% of carbon dioxide which does not participate in the reaction is discharged to the atmosphere through the pipe. The cathode waste gas 30 may be recycled back to the cathode 220 and recycled to reduce carbon dioxide emissions.

전해질(230)은 상기 공기극(220)에서 생성된 탄산염 이온의 대부분을 흡수한다. 공기극(220)에서 생성된 탄산염 이온의 거의 60% 내지 80%를 흡수함으로써 대기로 배출되는 이산화탄소의 양을 저감시킬 수 있는 것이다.The electrolyte 230 absorbs most of the carbonate ions generated in the cathode 220. By absorbing almost 60% to 80% of the carbonate ions generated in the cathode 220, the amount of carbon dioxide discharged to the atmosphere can be reduced.

연료극(210)은 연료(10)를 상기 전해질(230)로부터 공급된 탄산염 이온과 반응시켜 물과 이산화탄소를 포함하는 연료극배가스를 생성한다.The anode 210 reacts the fuel 10 with carbonate ions supplied from the electrolyte 230 to generate a fuel exhaust gas including water and carbon dioxide.

H2 + CO2- 3 → H2O + CO2 + 2e- H 2 + CO 2- 3 → H 2 O + CO 2 + 2e -

여기서 연료(10)는 수소 및 탄화수소 성분으로 구성될 수 있으며, 탄화수소는 상기 연료전지(200)의 내부의 열에 의하여 개질반응을 하여 수소 성분으로 구성된 연료로 화학적 반응을 함으로써 연료극(210)으로 공급된다. 연료극(210) 반응의 결과로 이산화탄소와 스팀(물)이 생성되고, 미반응 수소 및 탄화수소와 함께 연료극배가스를 형성한다.Here, the fuel 10 may be composed of hydrogen and a hydrocarbon component, and the hydrocarbon is supplied to the anode 210 by chemically reacting with a fuel composed of a hydrogen component by reforming by heat inside the fuel cell 200. . As a result of the reaction of the anode 210, carbon dioxide and steam (water) are generated, and together with unreacted hydrogen and hydrocarbons, an anode gas is formed.

상기 연소기(300)는 연료극(210)에서 배출된 연료극배가스 중 수소 및 탄화수소를 공기(20)와 반응시켜 연소시키면서 물 및 이산화탄소를 포함하는 연소기폐가스(40)를 생성하고 또한, 연소열을 발생시킨다. 이때 생성된 열은 용융탄산염 연료전지(200)의 작동 온도를 550℃ 내지 600℃로 유지시키는데 이용될 뿐만 아니라 히트펌프(600)를 작동하기 위한 열원으로 사용될 수 있다.The combustor 300 generates a combustion exhaust gas 40 including water and carbon dioxide while generating hydrogen and hydrocarbon in the anode exhaust gas discharged from the anode 210 by reacting with air 20 to generate combustion heat. In this case, the generated heat may be used to maintain the operating temperature of the molten carbonate fuel cell 200 at 550 ° C. to 600 ° C. as well as a heat source for operating the heat pump 600.

상기 수분분리기(400)는 연소기(300)의 후단에 연결되어 연소기폐가스(40)에서 물을 분리한다. 연소기폐가스(40)는 연료전지(200)에서 저감되지 않은 이산화탄소를 함유하고 있는데 여기에서 증기화된 물인 스팀을 분리하여 물배관(50)을 통하여 배출되거나 연료극(210)으로 재순환시켜 연료극(210)의 반응에 필요한 스팀으로 재공급될 수 있다. 또한, 이 고온의 스팀은 시스템 내의 열교환 또는 히트펌프(600)의 열원 등의 목적으로 활용될 수 있다.The water separator 400 is connected to the rear end of the combustor 300 to separate the water from the combustion gas (40). The combustion gas 40 contains carbon dioxide that is not reduced in the fuel cell 200. The steam, which is vaporized therein, is separated and discharged through the water pipe 50, or recycled to the fuel electrode 210. It can be resupplied with the steam necessary for the reaction. In addition, the high temperature steam may be used for the purpose of heat exchange in the system or a heat source of the heat pump 600.

상기 이산화탄소분리기(500)는 수분분리기(400)를 거친 이산화탄소를 포함하는 연소기폐가스에서 이산화탄소만을 분리하고, 이산화탄소가 분리된 폐가스는 배관(60)을 통하여 대기로 배출된다. 분리된 이산화탄소는 히트펌프(600)의 압축기(620)로 보내지거나, 고압으로 압축되어 이산화탄소저장소(700)로 이동되어 저장될 수 있다. 이와 같이 본 발명의 일실시예로서 히트펌프(600)와 연계되지 않고 직접 이산화탄소저장소(700)에서 이산화탄소를 저장하여 이산화탄소 냉매를 제조하는 시스템으로 이용할 수 있다.The carbon dioxide separator 500 separates only carbon dioxide from a combustion gas containing carbon dioxide that passes through the water separator 400, and the waste gas from which carbon dioxide is separated is discharged to the atmosphere through the pipe 60. The separated carbon dioxide may be sent to the compressor 620 of the heat pump 600, or may be compressed and compressed and moved to a carbon dioxide storage 700. As described above, as an embodiment of the present invention, the carbon dioxide may be directly stored in the carbon dioxide storage 700 without being associated with the heat pump 600 and used as a system for manufacturing the carbon dioxide refrigerant.

상기 히트펌프(600)는 증발기(610), 압축기(620), 및 응축기(630)를 포함하여 구성되며, 열을 운반하는 냉매로서 연료전지(600)의 반응에서 나온 이산화탄소를 이용할 수 있다.The heat pump 600 includes an evaporator 610, a compressor 620, and a condenser 630, and may use carbon dioxide from the reaction of the fuel cell 600 as a refrigerant to carry heat.

증발기(610)는 저온 저압의 액체상태인 냉매를 받아들이고 외부로부터 흡수한 열(QH)에 의하여 냉매를 액체에서 기체로 증발시켜 저온 저압의 가스상태로 변화시키는 장치이다. The evaporator 610 is a device that receives a coolant in a low temperature low pressure liquid state and evaporates the coolant from a liquid to a gas by heat (Q H ) absorbed from the outside to change the low temperature low pressure gas state.

압축기(620)는 증발기(610)에서 형성된 저온 저압의 가스상태의 냉매를 사방밸브(640)를 통하여 공급받고, 이를 압축하여 고온 고압의 가스상태로 변화시킨다. 압축기는 상기 이산화탄소분리기(500)로부터 히트펌프(600)에 필요한 냉매를 직접 공급받아 보충될 수 있도록 연계시킴으로써 에너지의 효율적 이용을 도모할 수 있다.The compressor 620 is supplied with the refrigerant of the low temperature low pressure gas state formed in the evaporator 610 through the four-way valve 640, and compresses it to change the gas state of the high temperature and high pressure. Compressor may be connected to the refrigerant supplied to the heat pump 600 directly from the carbon dioxide separator 500 to be replenished so that the energy can be efficiently used.

응축기(630)는 압축기(620)에서 형성된 고온 고압의 가스상태의 냉매를 사방 밸브(640)를 통하여 받아들여 외부로 열을 방출(QL)하면서 냉매를 액화시켜 저온 고압의 액체상태로 변화시킨다. 응축기(630)에서 형성된 저온 고압의 액체상태의 냉매는 팽창밸브(650)에 의하여 팽창하면서 압력이 감소하여 저온 저압의 액체상태인 냉매로 복귀하고 다시 상기 증발기(620)로 공급되어 사이클을 반복한다. 이러한 사이클을 반복하면서 히트펌프(600)는 저온의 열을 회수하여 압축기(620)의 동력에 의하여 필요한 고온의 열을 발생시킨다.The condenser 630 receives the high-temperature, high-pressure gaseous refrigerant formed by the compressor 620 through the four-way valve 640 to liquefy the refrigerant while releasing heat (Q L ) to the low-temperature, high-pressure liquid state. . The low temperature and high pressure liquid refrigerant formed in the condenser 630 is expanded by the expansion valve 650 and the pressure decreases to return to the low temperature low pressure liquid refrigerant and is supplied to the evaporator 620 to repeat the cycle. . Repeating this cycle, the heat pump 600 recovers the low temperature heat to generate the high temperature heat required by the power of the compressor 620.

히트펌프(600)를 냉방기로 이용하고자 하는 경우, 증발기(610)를 실내(660)의 공기로부터 열을 공급받도록(QH) 설치하고 응축기(630)는 실외(670)로 고온의 열을 방출하도록(QL) 설치할 수 있다.If the heat pump 600 is to be used as a cooler, the evaporator 610 is installed to receive heat from the air of the indoor 660 (Q H ) and the condenser 630 emits high temperature heat to the outdoor 670. Can be installed (Q L ).

상기 이산화탄소저장소(700)는 압축기(620)의 냉매(이산화탄소)가 사방밸브(640)를 거쳐 응축기(630)로 공급되고 남은 이산화탄소를 저장하거나, 상기 이산화탄소분리기(500)에서 분리된 이산화탄소를 저장하여 필요한 경우에 냉매로 이용하도록 하기 위한 장소이다.The carbon dioxide storage 700 stores the carbon dioxide remaining after the refrigerant (carbon dioxide) of the compressor 620 is supplied to the condenser 630 through the four-way valve 640, or by storing the carbon dioxide separated from the carbon dioxide separator 500 It is a place for use as a refrigerant when necessary.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 히트펌프 연계 용융탄산염연료전지시스템으로서 난방기로 이용되는 예를 도시한 블럭도이다. 도 2를 참조하면, 시스템은 석탄화력발전소(100), 연료전지(200), 연소기(300), 수분분리기(400), 이산화탄소분리기(500), 히트펌프(600), 및 이산화탄소저장소(700)를 포함한다.2 is a block diagram illustrating an example of a heat pump-linked molten carbonate fuel cell system used as a heater according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 2, the system is a coal-fired power plant 100, a fuel cell 200, a combustor 300, a water separator 400, a carbon dioxide separator 500, a heat pump 600, and a carbon dioxide storage 700. It includes.

히트펌프(600)를 난방기로 이용하고자 하는 경우, 증발기(610)를 실외(660) 의 공기로부터 열을 공급받도록 설치하고 응축기(630)는 실내(660)로 고온의 열을 방출하도록 설치할 수 있다. 기타 도면에 나타나 있고 설명되지 않은 구성은 도 1의 설명에 의하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 기술을 가진 자에 의하여 용이하게 파악 가능한 것이다.When the heat pump 600 is to be used as a heater, the evaporator 610 may be installed to receive heat from the air of the outdoor 660 and the condenser 630 may be installed to radiate high temperature heat to the room 660. . Other configurations that are not shown and described in the drawings are easily understood by those skilled in the art to which the present invention pertains by the description of FIG. 1.

이상 상술한 바와 같은 히트펌프 연계 용융탄산염연료전지시스템을 작동함에 있어서, 화력발전소 및 연료전지의 폐열, 시스템 냉각수, 고온의 생성물을 구동 열원으로 하여 히트펌프를 구동하도록 구성할 수 있다.In the operation of the heat pump-linked molten carbonate fuel cell system as described above, the heat pump may be configured to drive heat pumps using waste heat, system cooling water, and high-temperature products of thermal power plants and fuel cells as driving heat sources.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 히트펌프 연계 용융탄산염연료전지시스템를 간헐적으로 구동할 수 있는 구성을 보여주는 불럭도이다. 도 3을 참조하면, 연료전지(200)와 히트펌프(600)를 포함하는 시스템(1)은 이산화탄소저장소(700)에 연결되는 시스템기동결정부(800)를 더 포함하며, 3 is a block diagram showing a configuration capable of intermittently driving a heat pump-linked molten carbonate fuel cell system according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 3, the system 1 including the fuel cell 200 and the heat pump 600 further includes a system start determining unit 800 connected to the carbon dioxide storage 700.

상기 시스템기동결정부(800)는 이산화탄소측정기(810), 작동판단부(820), 및 스위칭부(830)를 포함할 수 있다.The system start determining unit 800 may include a carbon dioxide measuring instrument 810, an operation determining unit 820, and a switching unit 830.

상기 이산화탄소량측정기(810)는 이산화탄소저장소(700)의 이산화탄소량을 측정하고, 상기 작동판단부(820)는 이산화탄소량측정기(810)에서 측정된 이산화탄소량이 기준치 이상일 때는 시스템(1)이 작동을 중단하도록 판단하거나 연료전지(200)를 히트펌프(600)와 분리시켜 연료전지(200)로부터 발생하는 이산화탄소를 분리저장하도록 판단하고, 기준치 이하일 때는 시스템(1)이 작동을 개시하도록 판단할 수 있고, 상기 스위칭부(830)는 작동판단부(820)의 판단에 따라 시스템이 동 작하도록 개폐스위치를 작동한다. The carbon dioxide amount measuring instrument 810 measures the amount of carbon dioxide in the carbon dioxide storage 700, and the operation determining unit 820 stops the operation of the system 1 when the amount of carbon dioxide measured by the carbon dioxide amount measuring instrument 810 is greater than or equal to a reference value. Or to separate and store the fuel cell 200 from the heat pump 600 to separate and store the carbon dioxide generated from the fuel cell 200, and when it is below the reference value, the system 1 may be determined to start operation. The switching unit 830 operates the opening and closing switch to operate the system according to the determination of the operation determination unit 820.

산업단지의 열병합 발전소와 용융탄산염 연료전지를 연계하여 본 발명의 시스템(1)을 지속적으로 구동시켜 고효율의 이산화탄소 저감장치로 이용할 수도 있지만, 상기 이산화탄소량을 측정하여 시스템의 기동여부를 판단하는 구성을 부가함으로써 지역 전원의 히트펌프 냉매제조를 주목적으로 하여 소규모의 용융탄산염 연료전지를 연결하여 넓은 지역에서 대용량의 냉매제조를 담당하게 할 수 있고, 냉매의 누설이 있는 경우나 시스템 유지 보수시에 냉매를 보충하기 위하여 간헐적으로 기동하게 할 수 있다.Although the cogeneration plant of an industrial complex and a molten carbonate fuel cell may be linked to continuously drive the system (1) of the present invention to be used as a high-efficiency carbon dioxide reduction device, the system may be configured to determine whether the system is started by measuring the amount of carbon dioxide. In addition, it is possible to connect large-scale molten carbonate fuel cells to produce large-capacity refrigerants in large areas by mainly producing heat pump refrigerants of local power sources. It can be intermittently maneuvered to supplement.

도 4 및 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 히트펌프 연계 용융탄산염연료전지시스템을 현장에 배치하는 구조를 보여주는 블럭도이다. 도 4에서는 화력발전소(100)에서 연료를 공급받고 빌딩, 공장, 가정 등에 별도로 설치된 히트펌프 연계 용융탄산염연료전지시스템(10)을 이용하여 빌딩, 공장, 가정 등의 냉방, 난방에 공급할 수 있다. 도 5는 이와 달리 화력발전소(100)에서 연료를 공급받고 대규모의 히트펌프 연계 용융탄산염연료전지시스템(1)을 구비하고 이를 운전하여 각 빌딩, 공장, 가정 등으로 분배하는 구조를 가진다.4 and 5 are block diagrams showing a structure in which a heat pump-linked molten carbonate fuel cell system according to an embodiment of the present invention is disposed on-site. In FIG. 4, the fuel is supplied from the thermal power plant 100 and supplied to cooling and heating of a building, a factory, and a home using a heat pump-linked molten carbonate fuel cell system 10 installed separately in a building, a factory, and a home. 5 has a structure that is supplied with fuel from the thermal power plant 100 and equipped with a large scale heat pump-linked molten carbonate fuel cell system 1 and operated to distribute the fuel to each building, factory, home, and the like.

이상 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 다양한 변형실시가 가능하다. 또한, 첨부한 도면으로부터 용이하게 유추할 수 있는 사항은 상세한 설명에 기재되어 있지 않더라도 본 발명의 내용에 포함되는 것으로 보아야 할 것이며, 다양한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 아니 될 것이다.While the preferred embodiments of the present invention have been shown and described, the present invention is not limited to the specific embodiments described above, and the present invention is not limited to the specific embodiments of the present invention, without departing from the spirit of the invention as claimed in the claims. Many modifications are possible to those skilled in the art. In addition, matters that can be easily inferred from the accompanying drawings are to be regarded as included in the contents of the present invention even if they are not described in the detailed description, and various modifications may be separately understood from the technical spirit or the prospect of the present invention. Will not be.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 히트펌프 연계 용융탄산염연료전지시스템으로서 냉방기로 이용되는 예를 도시한 블럭도,1 is a block diagram showing an example used as a cooler as a heat pump linked molten carbonate fuel cell system according to an embodiment of the present invention,

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 히트펌프 연계 용융탄산염연료전지시스템으로서 난방기로 이용되는 예를 도시한 블럭도,Figure 2 is a block diagram showing an example used as a heater as a molten carbonate fuel cell system heat pump associated in accordance with an embodiment of the present invention,

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 히트펌프 연계 용융탄산염연료전지시스템를 간헐적으로 구동할 수 있는 구성을 보여주는 블럭도, 및3 is a block diagram showing a configuration capable of intermittently driving a heat pump-linked molten carbonate fuel cell system according to an embodiment of the present invention; and

도 4 및 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 히트펌프 연계 용융탄산염연료전지시스템을 현장에 배치하는 구조를 보여주는 블럭도이다.4 and 5 are block diagrams showing a structure in which a heat pump-linked molten carbonate fuel cell system according to an embodiment of the present invention is disposed on-site.

Claims (7)

삭제delete 이산화탄소, 산소, 및 수소를 이용하여 물과 이산화탄소를 생성하고 전력을 생산하는 연료전지;A fuel cell that generates water and carbon dioxide and generates electric power using carbon dioxide, oxygen, and hydrogen; 상기 연료전지의 수소를 포함하는 미반응 배가스를 공기와 연소반응시켜 물과 이산화탄소를 생성하는 연소기;A combustor for generating water and carbon dioxide by combustion reaction of unreacted exhaust gas containing hydrogen in the fuel cell with air; 상기 연소기에서 배출되는 이산화탄소를 포함하는 폐가스에서 물을 분리하는 수분분리기;A water separator separating water from waste gas including carbon dioxide discharged from the combustor; 상기 수분분리기에서 물이 분리된 폐가스에서 이산화탄소를 분리하는 이산화탄소분리기;A carbon dioxide separator separating carbon dioxide from waste gas from which water is separated from the water separator; 저온 저압의 액체상태인 이산화탄소를 받아들이고 외부로부터 흡수한 열에 의하여 상기 이산화탄소를 액체에서 기체로 증발시켜 저온 저압의 가스상태로 변화시키는 증발기, 상기 증발기에서 형성된 저온 저압의 가스상태의 이산화탄소 및 상기 이산화탄소분리기에서 분리된 이산화탄소를 공급받고, 이를 압축하여 고온 고압의 가스상태로 변화시키는 압축기, 및 상기 압축기에서 형성된 고온 고압의 가스상태의 이산화탄소를 받아들여 외부로 열을 방출하면서 상기 이산화탄소를 액화시켜 저온 고압의 액체상태로 변화시키는 응축기로 구성되는 히트펌프; 및In the evaporator which receives the carbon dioxide in the liquid state of low temperature low pressure and absorbs it from the outside and evaporates the carbon dioxide from the liquid to the gas to change to the gas state of the low temperature low pressure, in the low temperature low pressure gaseous carbon dioxide formed in the evaporator and the carbon dioxide separator The compressor receives the separated carbon dioxide, compresses it, and converts it into a gaseous state of high temperature and high pressure; A heat pump composed of a condenser for changing to a state; And 상기 압축기를 거치고 나오는 이산화탄소 중 상기 응축기로 공급되지 못한 이산화탄소를 저장하는 이산화탄소저장소;를 더 포함하는 히트펌프 연계 용융탄산염연료전지시스템.And a carbon dioxide reservoir for storing carbon dioxide that has not been supplied to the condenser among the carbon dioxide that has passed through the compressor. 제2항에 있어서,3. The method of claim 2, 화력발전소에서 배출되는 이산화탄소를 연료전지로 공급하는 것을 특징으로 하는 히트펌프 연계 용융탄산염연료전지시스템. A heat pump-linked molten carbonate fuel cell system comprising supplying carbon dioxide discharged from a thermal power plant to a fuel cell. 제2항에 있어서, 히트펌프는The method of claim 2, wherein the heat pump 화력발전소 및 연료전지의 폐열, 시스템 냉각수, 고온의 생성물을 구동 열원으로 하여 구동하는 것을 특징으로 하는 히트펌프 연계 용융탄산염연료전지시스템.A heat pump-linked molten carbonate fuel cell system characterized in that it is driven by the waste heat of the thermal power plant and fuel cells, system cooling water, high temperature products as a driving heat source. 제2항에 있어서,3. The method of claim 2, 상기 이산화탄소저장소의 이산화탄소량을 측정하는 이산화탄소량측정기;A carbon dioxide amount measurer for measuring the amount of carbon dioxide of the carbon dioxide storage; 상기 이산화탄소량측정기에서 측정된 이산화탄소량이 Carbon dioxide amount measured by the carbon dioxide meter 기준치 이상일 때는 시스템이 작동을 중단하도록 판단하거나 상기 연료전지를 상기 히트펌프와 분리시켜 상기 연료전지로부터 발생하는 이산화탄소를 분리저장하도록 판단하고, If it is above the reference value, the system is determined to stop the operation or the fuel cell is separated from the heat pump to determine to store and separate the carbon dioxide generated from the fuel cell, 기준치 이하일 때는 시스템이 작동을 개시하도록 판단하는 작동판단부; 및An operation determining unit which determines when the system is below a reference value to start operation; And 상기 작동판단부의 판단에 따라 시스템의 기동을 개시하거나 중단시키는 스위칭부;로 구성되는 시스템기동결정부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 히트펌프 연계 용융탄산염연료전지시스템.And a switching unit for starting or stopping the starting of the system according to the determination of the operation determining unit. 제2항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, The method according to any one of claims 2 to 5, 상기 증발기를 실내의 공기로부터 열을 공급받도록 설치하고, The evaporator is installed to receive heat from the air in the room, 상기 응축기는 실외로 고온의 열을 방출하도록 설치하는 것을 특징으로 하는 히트펌프 연계 용융탄산염연료전지시스템.The condenser is installed in the heat pump coupled molten carbonate fuel cell system, characterized in that installed to discharge the high temperature heat. 제2항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 2 to 5, 상기 증발기를 실외의 공기로부터 열을 공급받도록 설치하고, The evaporator is installed to receive heat from outdoor air, 상기 응축기는 실내로 고온의 열을 방출하도록 설치하는 것을 특징으로 하는 히트펌프 연계 용융탄산염연료전지시스템.The condenser is installed in the heat pump coupled molten carbonate fuel cell system, characterized in that installed to discharge the high temperature heat.
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