KR100259021B1 - 고분자 전해질 연료전지 운전 설비용 가스 공급 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고분자 전해질 연료전지 운전 설비용 가스 공급 장치에 관한 것으로, 그 목적은 고분자 전해질 연료전지 운전 설비용 가스 공급장치의 가습병 증류수 재보급을 용이하게 하고, 고분자 전해질 연료전지 본체로 공급되는 반응 가스의 가습량과 온도를 적정상태로 유지하는 고분자 전해질 연료전지 운전 설비용 가스 공급 장치를 제공하는 것이다.

본 발명은 연료가스와 산화제 가스가 가스 공급원으로부터 공급되는 가스 인입관, 공급된 가스의 역류를 방지해 주는 역류 방지 밸브, 반응 가스의 연료전지 본체로의 공급량을 조절하는 가스 유량계, 반응 가스를 가습시켜 주는 가습병, 가습 가스를 전지 본체로 공급시켜 주는 본체 공급관, 전력 생산 반응이 일어나는 연료 전지 본체, 연료 전지 본체내에서 반응후의 잔여 가스를 배출하는 가스 배출관, 연료 전지 본체내의 반응 가스 압력을 조절해 주는 후압 조절계로 이루어진 가스 조절부와; 가습병을 가열하여 공급 가스의 가습을 최적화 시키는 가습병 가열기, 가습병 내의 수온을 감지하여 온도 조절장치와 교신하는 가습부 열전대, 가습병의 온도를 조절하는 가습부 온도 조절기, 연료전지 본체 가열기, 연료 전지 본체 열전대, 연료 전지 본체 온도 조절기로 이루어진 온도 조절부와; 상기 가스조절부와 온도 조절부 장치들을 내장하는 포함용기로 구성된 고분자 전해질 연료전지 운전 설비용 가스 공급 장치에 있어서; 상기 가습병은 가습병 공급관에 의해 가스유량계와 연결되고, 본체 공급관에 의해 연료 전지와 연결되며, 포함용기 외부에 마개를 구비하고 별도 설치된 고분자 전해질 연료전지 운전 설비용 가스 공급 장치를 제공함에 있다.

Description

고분자 전해질 연료전지 운전 설비용 가스 공급 장치

본 발명은 고분자 전해질 연료전지 운전 설비용 가스 공급 장치에 관한 것으로, 고분자 전해질 연료전지의 개발 시험 및 실제 운전에 필요한 운전설비 특히, 고분자 전해질 연료 전지의 운전설비중 본체 및 가습병의 온도, 산화제 가스의 압력 및 유량등의 운전변수 조절이 가능한 연료 전지 본체로의 반응 가스 공급장치에 관한 것이다.

일반적으로 연료전지는 기존의 내부 연소 엔진이나 충,방전형 전지와는 달리 고효율, 청정에너지 기관이라는 뚜렷한 장점을 갖고 있는 차세대 에너지 기술이다. 연료가스와 산화제 가스의 전기 화학적인 반응에 의해 생성되는 전기와 그 부산물인 초순수의 온수를 동시에 사용할 수 있다는 특징을 갖고 있고, 연료 가스와 산화제 가스의 전기 화학적인 반응을 유도하는 전해질의 종류에 따라 알칼리형, 고체 고분자형, 인사형, 용융탄산염형, 고체 산화물형으로 구분된다. 각 종류의 연료 전지는 운전 및 출력 특성에 따라 알칼리형, 고체 고분자형은 소형 이동형 전원용으로, 인산형 연료전지는 현지 중용량 발전용으로 용융 탄산염형 및 고체 산화물형은 지상 고정용 대용량 발전 설비로의 사용이 가능하다. 이중 고분자 전해질 연료전지는 다른 연료전지 발전 설비와는 달리 전해질이 고체로서 전해질 관리가 용이하고, 단위 전력 밀도가 우수하며, 작동온도가 낮아 기동 시간이 짧고 설비 유지 및 보수가 간편하다는 등의 특징을 가지고 있다. 고분자 전해질 연료전지의 이온 전도성 전해질막은 양극과 전해질 계면의 촉매 표면에서 생성된 수소 양이온을 음극과 전해질 계면의 촉매 표면으로 이동시켜 음극으로 공급되는 산소와 양극으로부터 외부회로를 따라 이동해 온 전자가 반응하여 물을 생성하도록 해준다. 이때 전해질막은 적절히 수분을 함유하고 있어야 하며, 반응 온도도 최적의 조건을 유지하여야만 수소 원자의 이온화, 수소 이온의 전도, 물생성 반응이 연속적으로 용이하게 일어날 수 있을 것이다. 따라서 고분자 전해질 연료전지 본체내의 수분 관리 및 열관리는 그 핵심기술이라 할 수 있다.

고분자 전해질 연료 전지 발전 장치의 전력 산출 특성은 단위 전지의 제조 및 초기 운전 기술에 의해 향상될 수 있고 이외에 본 성능 운전시의 공급 연료 가스 및 산화제 가스의 압력 및 유량, 본체의 온도 및 가습병 온도 등의 운전 변수에 의해 크게 변화될 수 있다. 이러한 운전 변수의 조절이 가능하도록 하는 것이 가스 공급장치이다.

종래의 가스공급장치는 도 1 에 도시된 바와 같이 연료가스와 산화제 가스가 가스 공급원으로부터 공급되는 가스 인입관, 공급된 가스의 역류를 방지해 주는 역류 방지 밸브, 반응 가스의 연료전지 본체로의 공급량을 조절하는 가스 유량계, 반응 가스를 가습시켜 주는 가습병, 가습 가스를 전지 본체로 공급시켜 주는 본체 공급관, 전력 생산 반응이 일어나는 연료 전지 본체, 연료 전지 본체내에서 반응후의 잔여 가스를 배출하는 가스 배출관, 연료 전지 본체내의 반응 가스의 압력을 조절해 주는 후압 조절계로 이루어진 가스 조절부와 가습병을 가열하여 공급 가스의 가습을 최적화 시키는 가습병 가열기, 가습병 내의 수온을 감지하여 온도 조절장치와 교신하는 가습부 열전대, 가습병의 온도를 조절하는 가습부 온도 조절기, 연료전지 본체 가열기, 연료 전지 본체 열전대, 연료 전지 본체 온도 조절기로 이루어진 온도 조절부, 그리고 이 가스조절부와 온도 조절부 장치들을 내장하는 포함용기로 이루어져 있으며, 상기 가습병은 가습병내로 반응가스를 공급하는 가습병 공급관, 가습병내의 증류수의 온도를 감지하는 열전대, 가습된 반응 가스를 연료 전지 본체로 공급하는 본체 공급관, 가습병을 가열하는 가열기, 가열된 가습병을 보온하는 보온재, 가습병 내의 수량을 지시하는 수위 지시관으로 이루어져 있다.

그러나, 종래의 가습병은 도 1 및 도 2 에 도시된 바와 같이 가스 공급 설비의 본체에 내장되어 있는 관계로 가습용 증류수의 재보급시 별도의 보급장치가 필요하였다. 즉, 본체 공급관과 가습병의 체결부위를 해체한 후, 일정한 압력으로 질소 등의 불활성 가스를 압축된 증류수병을 연결·공급하여 증류수를 재보급하였다. 또한, 가습 가스의 온도는 고분자 전해질 연료전지 본체의 온도보다 5∼10℃ 정도 높게 유지되는 것이 최적의 조건이나 연료 전지 본체와 가습병 사이에 존재하는 본체 공급관의 불필요한 연장으로 인하여 공급 가스의 온도가 저하되는 문제점이 있었다.

또한 가습병으로 공급되는 가스의 기포가 상대적으로 크게 발생하기 때문에 가습량이 충분하지 못하고 바로 수면으로 떠올라 본체 공급관을 통해 전지 본체에 공급될 뿐만 아니라 가습병 내에 체류하는 시간이 짧아 전지 본체보다 5∼10℃ 높게 설정된 가습 가스의 온도를 적절하게 유지하기 어려운 점이 있는 등 여러 가지 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 이루어진 것으로, 그 목적은 고분자 전해질 연료전지 운전 설비용 가스 공급장치의 가습병 증류수 재보급을 용이하게 하고, 고분자 전해질 연료전지 본체로 공급되는 반응 가스의 가습량과 온도를 적정상태로 유지하는 고분자 전해질 연료전지 운전 설비용 가스 공급 장치를 제공하는 것이다.

본 발명은 연료가스와 산화제 가스가 가스 공급원으로부터 공급되는 가스 인입관, 공급된 가스의 역류를 방지해 주는 역류 방지 밸브, 반응 가스의 연료전지 본체로의 공급량을 조절하는 가스 유량계, 반응 가스를 가습시켜 주는 가습병, 가습 가스를 전지 본체로 공급시켜 주는 본체 공급관, 전력 생산 반응이 일어나는 연료 전지 본체, 연료 전지 본체내에서 반응후의 잔여 가스를 배출하는 가스 배출관, 연료 전지 본체내의 반응 가스 압력을 조절해 주는 후압 조절계로 이루어진 가스 조절부와; 가습병을 가열하여 공급 가스의 가습을 최적화 시키는 가습병 가열기, 가습병 내의 수온을 감지하여 온도 조절장치와 교신하는 가습부 열전대, 가습병의 온도를 조절하는 가습부 온도 조절기, 연료전지 본체 가열기, 연료 전지 본체 열전대, 연료 전지 본체 온도 조절기로 이루어진 온도 조절부와; 상기 가스조절부와 온도 조절부 장치들을 내장하는 포함용기로 구성된 고분자 전해질 연료전지 운전 설비용 가스 공급 장치에 있어서; 상기 가습병은 가습병 공급관에 의해 가스유량계와 연결되고, 본체 공급관에 의해 연료 전지와 연결되며, 포함용기 외부에 마개를 구비하고 별도 설치된 고분자 전해질 연료전지 운전 설비용 가스 공급 장치를 제공함에 있다.

도 1 은 고분자 전해질 연료 전지의 운전 설비용 가스 공급 설비 개략도

도 2 는 종래의 가스 공급 설비의 가습병 분해도

도 3 은 본 발명에 따른 가스 공급 설비 가습부의 부분 개략도

도 4 는 본 발명의 가스 공급 설비 가습병 분해도

* 도면의 주요 부분에 부호의 설명

(1) : 가스 인입관 (2) : 역류방지밸브

(3) : 가스 유량계 (4) : 가습병

(5) : 본체 공급관 (6) : 연료전지 본체

(7) : 가스 배출관 (8) : 후압조절계

(9) : 가습병 가열기 (10) : 가습부 열전대

(11) : 가습부 온도 조절기 (12) : 연료전지 본체 가열기

(13) : 연료전지 본체 열전대 (14) : 연료전지 본체 온도 조절기

(15) : 포함용기 (16) : 가습병 공급관

(17) : 본체 공급관 보온재 (41) : 가열기

(42) : 가습병 보온재 (43) : 수위 지시관

(44) : 가스 분산기 (100): 가스공급장치

도 3 은 본 발명에 따른 가스 공급 설비 가습부의 부분 개략도를 도시한 것으로, 연료가스와 산화제 가스가 가스 공급원으로부터 공급되는 가스 인입관(1), 공급된 가스의 역류를 방지해 주는 역류 방지 밸브(2), 반응 가스의 연료전지 본체로의 공급량을 조절하는 가스 유량계(3), 반응 가스를 가습시켜 주는 가습병(4), 가습 가스를 전지 본체로 공급시켜 주는 본체 공급관(5), 전력 생산 반응이 일어나는 연료 전지 본체(6), 연료 전지 본체내에서 반응후의 잔여 가스를 배출하는 가스 배출관(7), 연료 전지 본체내의 반응 가스 압력을 조절해 주는 후압 조절계(8)로 이루어진 가스 조절부와; 가습병(4)을 가열하여 공급 가스의 가습을 최적화 시키는 가습병 가열기(9), 가습병(4) 내의 수온을 감지하여 온도 조절장치(11)와 교신하는 가습부 열전대(10), 가습병(4)의 온도를 조절하는 가습부 온도 조절기(10), 연료전지 본체(6)를 가열하는 연료전지 본체 가열기(12), 연료 전지 본체 열전대(13), 연료 전지 본체 온도 조절기(14)로 이루어진 온도 조절부와; 상기 가스조절부와 온도 조절부 장치들을 내장하는 포함용기(15)로 구성된 고분자 전해질 연료전지 운전 설비용 가스 공급 장치(100)의 포함용기(15) 외부, 연료전지 본체 근처에 상기 가습병(4)을 설치하도록 되어 있다. 즉, 상기 가습병(4)은 가습병 공급관(16)에 의해 포함용기(15)내에 설치된 가스 유량계(3)와 연결되고, 본체 공급관(5)에 의해 연료전지 본체(6)와 연결된다. 이때 상기 본체공급관(5)은 가습병(4)이 연료 전지 본체 근처에 설치되어 있어 길이가 짧고, 외부에 보온재(17)가 설치되어 있다. 즉, 가습병(4)을 연료전지 본체(6) 근처에 설치하여 가습병(4)과 연료전지 본체(6)간의 본체 공급관(5) 거리를 단축하고, 적절한 보온재(17)로 공급관(5)을 보온하여 가습병(4)과 연료전지 본체(6) 사이에서의 공급가스 온도 저하를 최소화하였다.

도 4 는 본 발명의 가스 공급 설비 가습병 분해도를 도시한 것으로, 상기 가습병(4)은 포함용기(15) 외부에 별도로 설치되는 것으로, 가습병(4)내로 반응가스를 공급하는 가습병 공급관(16)과, 가습병(4)내의 증류수 온도를 감지하는 열전대(11)와, 가습된 반응 가스를 연료 전지 본체(6)로 공급하는 본체 공급관(5)과, 가습병(4)을 가열하는 가열기(41)와, 가열된 가습병(4)을 보온하는 보온재(42) 및 가습병(4) 내의 수량을 지시하는 수위 지시관(43)으로 이루어져 있다.

상기 가습병 공급관(16)은 일측이 가습병(4)내로 삽입되어 반응가스를 공급하는 것으로, 상기 가습병(4)내로 삽입된 끝단부에 가스 분산기(44)가 설치되어 있다.

상기 본체공급관(5)은 가습된 반응 가스를 연료 전지 본체(6)로 공급하는 것으로, 가습병(4)내로 삽입된 끝단부가 'L'자 형상을 구비하며, 가습병(4) 하부에 연결·설치되어 있다. 즉, 상기 본체 공급관(5)은 가습병(4) 하부에 연결·설치되나, 본체 공급관(5)의 끝단부가 'L'자 형상을 구비하므로 가습병(4)내로 삽입된 본체 공급관(5)의 끝단은 가습병(4)내 상부에 위치한다.

이와 같이 본 발명은 가습병을 가스 공급 장치 본체와 별도로 외부에 설치하여 증류수의 재보급시, 단순히 가습병 마개를 열고 증류수를 재충전하므로 별도의 장치가 필요 없고, 증류수의 재충전을 용이하게 할 수 있다.

또한, 연료전지 본체와 가습병의 불필요한 거리를 단축하여 연료전지 본체로 공급되는 공급 가스의 온도 저하를 최소화 하고, 가습병내의 공급관에 가스 분산기를 설치하여 공급 가스의 가습량을 극대화하며, 배출관의 형태를 변경함과 동시에 보온 처리 및 연료전지 본체까지의 거리를 최소화하여 전지 본체의 성능을 향상시키는 등 많은 효과가 있다.

Claims (3)

1. 연료가스와 산화제 가스가 가스 공급원으로부터 공급되는 가스 인입관, 공급된 가스의 역류를 방지해 주는 역류 방지 밸브, 반응 가스의 연료전지 본체로의 공급량을 조절하는 가스 유량계, 반응 가스를 가습시켜 주는 가습병, 가습 가스를 전지 본체로 공급시켜 주는 본체 공급관, 전력 생산 반응이 일어나는 연료 전지 본체, 연료 전지 본체내에서 반응후의 잔여 가스를 배출하는 가스 배출관, 연료 전지 본체내의 반응 가스 압력을 조절해 주는 후압 조절계로 이루어진 가스 조절부와; 가습병을 가열하여 공급 가스의 가습을 최적화 시키는 가습병 가열기, 가습병 내의 수온을 감지하여 온도 조절장치와 교신하는 가습부 열전대, 가습병의 온도를 조절하는 가습부 온도 조절기, 연료전지 본체 가열기, 연료 전지 본체 열전대, 연료 전지 본체 온도 조절기로 이루어진 온도 조절부와; 상기 가스조절부와 온도 조절부 장치들을 내장하는 포함용기로 구성된 고분자 전해질 연료전지 운전 설비용 가스 공급 장치에 있어서;

   상기 가습병은 가습병 공급관에 의해 가스유량계와 연결되고, 본체 공급관에 의해 연료 전지와 연결되며, 포함용기 외부에 마개를 구비하고 별도 설치된 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 연료전지 운전 설비용 가스 공급 장치.
2. 제 1 항에 있어서;

   상기 가습병내로 일측이 삽입된 가습병 공급관의 끝단부에 가스 분산기가 더 설치된 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 연료전지 운전 설비용 가스 공급 장치.
3. 제 1 항에 있어서;

   상기 가습병 하단부에 일측이 연결·설치된 본체 공급관은 가습된 반응가스가 가습병내에 오래 유지될 수 있도록 가습병 내부로 삽입된 일측단부가 'L'자형을 구비하며 형성되고, 외부에 보온재가 더 설치된 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 연료전지 운전 설비용 가스 공급 장치.