KR100445380B1 - 연료전지 운전용 가스 공급 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지 운전용 가스 공급 장치에 관한 것으로, 특히 고압에서도 운전이 가능하고, 연료전지에 공급되는 가스의 가습 상태를 간단하게 조절할 수 있으며, 운전 중에도 가습에 필요한 물을 보충할 수 있는 연료전지 운전용 가스 공급 장치에 관한 것이다.

종래 연료전지 가스 공급 장치는 항상 반응가스를 가습시킨 후에 연료전지에 공급하기 때문에 가습에 필요한 물을 빈번하게 보충해야 하고, 개폐식 마개가 구비된 가습병을 사용하기 때문에 가습병에 물을 보충 할 경우 연료전지 운전을 중지해야 하며, 가습된 반응가스와 연료전지 가스 공급관의 온도차로 인하여 반응가스가 응축되어 연료전지의 성능이 감소하는 문제점이 있었다.

본 발명은 가습 상태 조절 밸브를 통해 무가습 상태에서도 연료전지를 운전할 수 있고, 일체형 금속으로 제작된 밀폐된 용기를 사용함으로써 고압에서도 연료전지 운전이 가능하며, 물 보충용 밸브를 통해 연료전지를 운전하는 중에도 가습에 필요한 물을 보충할 수 있으며, 연료전지 가스 공급관의 가열 및 단열을 통해 가습된 반응가스가 연료전지에 공급될 때까지 동일한 가습 상태를 유지하게 함으로써, 반응가스의 응축 및 냉각으로 연료전지의 성능이 감소하는 것을 방지하는 효과가 있다.

Description

연료전지 운전용 가스 공급 장치{Apparatus of Gas Supply for Fuel Cell Operation}

본 발명은 고분자 전해질 연료전지 운전용 가스 공급 장치에 관한 것으로, 특히 고압에서도 운전이 가능하고, 연료전지에 공급되는 반응가스의 가습 상태를 간단하게 조절할 수 있으며, 연료전지 운전 중에도 반응가스의 가습에 필요한 물을 보충할 수 있는 연료전지 운전용 가스 공급 장치에 관한 것이다.

일반적으로 연료전지는 전기 화학 반응에 의해서 전기를 생산하는 발전 장치로서 기존의 내부 연소 엔진이나 충,방전형 전지에 비해서 에너지 효율이 높고, 공해 물질의 배출이 없기 때문에 소형에서 대규모 시스템에 이르기까지 그 적용 범위가 매우 넓다.

고분자 전해질을 사용하는 연료전지는 고분자막을 전해질로 사용하는데, 전해질 막이 건조되면 이온 전도성이 떨어져 연료전지의 운전이 불가능하므로 이온 전도성을 유지하기 위하여 전해질 막은 적절한 수분을 함유하고 있어야 하고, 이를 위해 고분자 전해질을 사용하는 연료전지의 가습은 반드시 필요한 공정이라 할 수있다.

종래 연료전지 운전용 가습기를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

첨부된 도면 도 1은 연료전지 운전용 가스 공급 장치를 개략적으로 도시한 도면으로서, 연료전지 운전용 가스 공급 장치(10)는 연료가스와 산화제 가스(이하 '반응가스'라고 칭함)가 가스 공급원(도면에 도시되어 있지 않음)으로부터 공급되는 가스 도입관(11)과 공급된 반응가스의 유량을 조절하는 유량 조절계 (12), 가습기 가스 공급관(13)을 통해 반응가스를 공급받아 이를 가습시키는 가습기(14), 가습된 반응가스를 연료전지(16)에 공급하는 연료전지 가스 공급관(15), 연료전지(16)에서 반응 후 반응가스를 배출하는 연료전지 가스 배출관(17) 및 연료전지 내부의 가스 압력을 조절하는 후압 조절계(18)로 구성된다.

여기서, 가습기(14)는 가스 공급원과 연료전지(16) 사이에 위치하여 가스 공급원으로부터 공급되는 반응가스를 가열된 물에 통과시켜 가습시킨 후 연료전지(16)에 공급하는데 그 상세한 구성은 첨부된 도 2에 도시된 바와 같다.

즉, 가습기(14)는 가스 공급원으로부터 반응가스를 공급받는 가습기 가스 공급관(13)과 공급받은 반응가스의 가습을 위해 물이 들어있는 가습병(20)내로 분산시키는 가스 분산기(21), 가습병(20)을 가열하는 가습병 가열기(22), 가습병(20) 내의 물의 양을 지시하는 수위 지시관(23), 가습병(20)에서 가습된 반응가스를 연료전지(16)에 공급하는 연료전지 가스 공급관(15) 및 연료전지 가스 공급관 보온재(24)로 이루어져 있다.

그러나, 상기와 같은 종래 가습기는 연료전지에 공급되는 반응가스의 가습 상태를 조절하는 장치가 없음으로 인해 항상 가습병에서 반응가스를 가습시킨 후에 연료전지에 공급하기 때문에 가습에 필요한 물을 빈번하게 보충하여야 한다.

그리고, 개폐식 마개가 구비된 가습병을 사용하기 때문에 가습병에 반응가스의 가습을 위한 물을 보충 할 경우 연료전지 운전을 중지한 후 가습병의 마개를 열고 물을 보충해야 하며, 가습병 마개를 여는 동안 연료극에 수소가 공급되기 때문에 퍼지(purge)과정이 필수적으로 따르게 된다.

또한, 가습병에서 가습된 반응가스의 온도와 연료전지 가스 공급관의 온도 차이로 인하여 가습된 반응가스에 포함되어 있는 수증기가 응축되어 그 양이 감소하고, 이로 인해 반응가스의 가습이 불충분하여 고분자 전해질의 이온 전도도가 감소하여 연료전지의 성능이 감소하게 되는 문제점이 있었다.

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로 그 목적은, 연료전지에 공급되는 반응가스의 가습 상태를 조절할 수 있고, 연료전지의 운전 중에도 반응가스의 가습에 필요한 물을 보충할 수 있으며, 가습기에서 가습된 반응가스가 연료전지에 공급될 때까지 반응가스에 포함된 수증기의 응축을 방지하여 연료전지의 성능이 감소되는 것을 방지할 수 있는 연료전지 운전용 가스 공급 장치를 제공하는데 있다.

도 1은 연료전지 운전용 가스 공급 장치 개략도.

도 2는 종래 연료전지 운전용 가습기의 단면도.

도 3은 본 발명에 따른 연료전지 운전용 가습기의 사시도.

도 4는 본 발명에 따른 연료전지 운전용 가습기의 단면도.

도 5는 본 발명에 따른 용기 가열기의 사시도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 연료전지 운전용 가스 공급 장치 11 : 가스 도입관

12 : 유량 조절계 13 : 가습기 가스 공급관

14 : 가습기 15 : 연료전지 가스 공급관

16 : 연료전지 17 : 연료전지 가스 배출관

18 : 후압 조절계 20 : 가습병

21 : 가스 분산기 22 : 가습병 가열기

23 : 수위 지시관 24 : 연료전지 가스 공급관 보온재

30 : 용기 31 : 가습 상태 조절 밸브

32 : 액위계 33 : 물 공급관

34 : 물 보충용 밸브 35 : 용기 가열기

36 : 가스 분산기 37 : 연료전지 가스 공급관 가열기

38 : 연료전지 가스 공급관 보온재

상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은, 가스 공급원으로부터 공급되는 반응가스를 가습기에서 가습시킨 후 연료전지에 공급하는 연료전지 운전용 가스 공급 장치에 있어서, 상기 가습기는, 반응가스를 공급받아 내부에 저장된 물을 이용하여 가습시키는 용기와; 상기 용기에 일측이 삽입되어 가습을 위한 반응가스를 공급하는 가습기 가스 공급관과; 상기 용기에 반응가스의 가습을 위한 물을 공급하는 물 공급관과; 상기 용기와 일체로 연결되어 가습된 반응가스를 연료전지에 공급하는 연료전지 가스 공급관을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 운전용 가스 공급 장치를 제공하는데 있다.

여기서, 상기 가습기 가스 공급관에는, 상기 연료전지 가스 공급관에서 분기된 일측과 연결되어 개폐 상태에 따라 선택적으로 반응가스를 상기 용기에 공급하거나, 상기 용기를 거치지 않고 상기 연료전지에 직접 공급하는 가습 상태 조절 밸브가 설치되는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 용기에 일측이 삽입되는 가습기 가스 공급관의 끝단부에는, 반응가스의 미세한 분산을 위해 눈이 작은 망으로 이루어진 가스 분산기가 설치되는 것을 특징으로 하고, 상기 연료전지 가스 공급관의 외주면에는, 가습된 반응가스의 응축을 방지하기 위해 연료전지 가스 공급관 가열기가 설치되고, 상기 연료전지 가스 공급관 가열기의 외주면에는 가습된 반응가스의 냉각을 방지하기 위해 연료전지 가스 공급관 보온재가 더 설치되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 용기의 외주면에는, 용기의 가열을 통한 반응가스의 가습을 위해 탈착이 가능한 쟈켓 형태의 용기 가열기가 설치되는 것을 특징으로 하고, 상기 물 공급관에는, 상기 용기에 저장되어 있는 물의 양에 따라 물을 보충할 수 있는 물 보충용 밸브가 설치되는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 따른 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

첨부된 도면 도 3과 도 4는 각각 본 발명에 따른 연료전지 운전용 가습기의 사시도와 단면도로서, 상기 가습기는 가습기 가스 공급관(13)을 통해 공급되는 반응가스를 가습시키는 용기(30)와 가습 상태 조절 밸브(31), 용기(30) 내부에 있는 물의 양을 확인할 수 있는 액위계(32), 액위계(32)와 연결되어 반응가스의 가습에 필요한 물을 용기(30)에 공급하는 물 공급관(33), 용기(30) 내부에 저장되어 있는 물의 양에 따라 물을 보충하기 위한 물 보충용 밸브(34), 용기 가열기(35), 가스 분산기(36) 및 가습된 반응가스를 연료전지에 공급하는 연료전지 가스 공급관(15)으로 구성된다.

여기서, 용기(30)는 가습기 가스 공급관(13)의 일측이 내부로 삽입되어 있고 연료전지 가스 공급관(15)의 일측이 일체로 연결되어 있는 밀폐된 가습통으로서, 고압에서도 사용할 수 있으므로 연료전지의 상압운전 뿐만 아니라 가압운전에도 사용할 수 있다.

그리고, 가습 상태 조절 밸브(31)는 가습기 가스 공급관(13)에 위치하여 연료전지 가스 공급관(15)에서 분기된 일측과 연결되어 개폐 상태에 따라 반응가스의 유로 변경을 통해 반응가스의 가습 상태를 조절한다.

즉, 반응가스를 용기(30)에서 가습시킨 후 연료전지에 공급하는 가습 운전의 경우, 가습 상태 조절 밸브(31)를 가습 상태로 하여 용기(30) 하단으로 삽입된 가습기 가스 공급관(13)을 통해 공급되는 반응가스가 용기(30)에서 가습된 후 연료전지 가스 공급관(15)을 통해 연료전지에 공급되도록 한다.

그리고, 반응가스를 가습시키지 않고 연료전지에 공급하는 무가습 운전의 경우, 가습 상태 조절 밸브(31)를 무가습 상태로 하여 가습 상태 조절 밸브(31)를 통과한 반응가스가 용기(30)를 거치지 않고 연료전지 가스 공급관(15)을 통해 직접 연료전지에 공급되도록 한다.

여기서, 연료전지의 무가습 운전은 대용량 가습기에 필요한 물 공급의 한계를 극복하는 하나의 방법으로서, 연료전지의 운전 초기에만 반응가스를 가습하여 연료전지에 공급하고 정상 상태에서는 반응가스를 무가습 상태로 연료전지에 공급하는 것이다.

또한, 연료전지 운전 장치를 보수하는 경우나 용기(30)에 반응가스의 가습에 필요한 물을 보충하는 경우에도 무가습 운전을 하게 된다.

물 보충용 밸브(34)는 용기(30)에 저장되어 있는 물의 양을 지시하는 액위계(32)의 상단에 연결되어 있는 물 공급관(33)에 위치하여 액위계(32)가 지시하는 물의 양에 따라 용기(30)에 물을 보충하게 함으로써, 물 보충시 연료전지의 운전을 멈추지 않은 상태에서도 가습에 필요한 물을 보충할 수 있게 한다.

이때, 첨부된 도면 도 3 및 도 4에는 물 보충용 밸브(34)가 액위계(32)의 상단에 연결된 물 공급관(33)에 위치하고 있으나, 본 발명의 다른 실시예에서는 액위계(32)의 하단에 물 공급관(33)을 연결하고 그 물 공급관(33)에 물 보충용 밸브(34)를 설치함으로써, 물 보충 중에도 용기(30)에 보충되는 물의 양을 확인하게 할 수 있다.

용기 가열기(35)는 첨부된 도면 도 5에 도시된 바와 같이 체결부를 구비한 원통형으로 이루어져 용기(30)에 쟈켓 형태로 탈착이 가능하도록 되어 용기 가열기(35)나 용기(30)에 장애가 발생한 경우 연료전지 운전 중에도 용기 가열기(34)를 간단하게 분리하여 장애에 대처할 수 있다.

용기(30)의 하단에서 내부로 삽입된 가습기 가스 공급관(13)의 종단에 위치한 가스 분산기(36)는 눈이 작은 망을 사용하여 반응가스를 미세하게 만들어 반응가스가 용기(30)에 들어있는 물과 접촉하는 면적을 넓게 하여 반응가스의 가습을 용이하게 한다.

가습된 반응가스가 연료전지로 공급되는 연료전지 가스 공급관(15)의 외주면에는, 용기(30)에서 가습된 반응가스가 연료전지로 공급되면서 용기(30)와 연료전지 가스 공급관(15)의 온도차에 의해 반응가스에 포함된 수증기가 응축되는 것을 방지하기 위하여 연료전지 가스 공급관 가열기(37)가 설치되고, 상기 수증기의 냉각을 방지하기 위하여 연료전지 가스 공급관 가열기(37)의 외주면에는 연료전지 가스 공급관 보온재(38)가 설치되어 있다.

또한, 본 발명에 따른 실시예는 상술한 것으로 한정되지 않고, 본 발명과 관련하여 통상의 지식을 가진자에게 자명한 범위내에서 여러 가지의 대안, 수정 및 변경하여 실시할 수 있다.

이상과 같이, 본 발명은 연료전지 운전용 가스 공급장치에 가습 상태 조절 밸브를 설치함으로써, 가습 상태에서 뿐만 아니라 무가습 상태에서도 연료전지를 운전할 수 있다.

또한, 일체형 금속으로 제작되는 밀폐된 용기를 사용함으로써, 고압에서도 연료전지 운전이 가능하고, 액위계에 연결된 물 보충용 밸브를 통해 연료전지의 운전 중에도 가습에 필요한 물을 보충할 수 있으며, 연료전지 가스 공급관의 가열 및 단열을 통해 가습된 반응가스가 연료전지에 공급될 때까지 동일한 가습 상태를 유지하게 함으로써, 반응가스의 응축 및 냉각으로 연료전지의 성능이 감소하는 것을 방지하는 효과가 있다.

Claims (6)

1. 가스 공급원으로부터 공급되는 반응가스를 가습기에서 가습시킨 후 연료전지에 공급하는 연료전지 운전용 가스 공급 장치에 있어서,

   상기 가습기는, 반응가스를 공급받아 내부에 저장된 물을 이용하여 가습시키는 용기;

   상기 용기에 일측이 삽입되어 상기 용기 내부에 가습을 위한 반응가스를 공급하는 가습기 가스 공급관;

   상기 용기에 반응가스의 가습을 위한 물을 공급하는 물 공급관;

   일측은 분기되어 상기 용기 및 상기 가습기 가스 공급관의 중간부에 각각 연결되며, 타측은 상기 연료전지와 연결되는 연료전지 가스 공급관; 및

   상기 연료전지 가스 공급관과 상기 가습기 가스 공급관의 연결부위에 설치되어, 그 개폐에 따라 반응가스의 흐름을 상기 용기 내부 또는 상기 연료전지 가스 공급관 방향으로 선택적으로 변화 시키는 가습 상태 조절 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 운전용 가스 공급 장치.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,

   상기 용기에 일측이 삽입되는 가습기 가스 공급관의 끝단부에는, 반응가스의 미세한 분산을 위해 눈이 작은 망으로 이루어진 가스 분산기가 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 운전용 가스 공급 장치.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 연료전지 가스 공급관의 외주면에는, 가습된 반응가스의 응축을 방지하기 위해 연료전지 가스 공급관 가열기가 설치되고, 상기 연료전지 가스 공급관 가열기의 외주면에는 가습된 반응가스의 냉각을 방지하기 위해 연료전지 가스 공급관 보온재가 더 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 운전용 가스 공급 장치.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 용기의 외주면에는, 용기의 가열을 통한 반응가스의 가습을 위해 탈착이 가능한 쟈켓 형태의 용기 가열기가 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 운전용 가스 공급 장치.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 물 공급관에는, 상기 용기에 저장되어 있는 물의 양에 따라 물을 보충할 수 있는 물 보충용 밸브가 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 운전용 가스 공급 장치.