KR100481599B1 - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
본 발명은 탱크내의 수소를 공급받아 팽창시킨 후 이를 연료전지의 양극으로 공급하는 팽창 수단과; 상기 탱크와 상기 팽창장치 사이에 설치된 교축 수단과; 상기 팽창 장치로부터 팽창된 수소와 대기 중의 산소를 공급받아 이를 열교환하여 이를 각각 연료전지 및 압축수단으로 공급하는 제 1 열 교환기와; 상기 제 1 열교환기로부터 공급된 산소를 포함한 공기를 압축하여 산소를 포함한 공기의 압력을 더욱 높이는 압축수단과; 상기 압축수단으로부터 압축된 산소를 포함하는 공기 및 상기 제 1 열 교환기로부터 직접공급된 수소를 열교환하여 상기 수소를 양극에 공급하고, 상기 산소를 포함한 공기를 음극으로 공급하여 기전력을 발생시키는 연료전지와; 상기 연료전지로부터 발생된 기전력을 상기 압축수단으로 공급하여 상기 압축수단을 구동시켜주는 동력원으로 이용되는 배터리; 및 상기 팽창수단에 의한 수소 팽창에너지를 생성하여 이를 상기 배터리로 공급하는 발생수단;을 포함한 연료전지 시스템을 제공함으로써 고효율의 실현이 가능하게 된다.The present invention provides an expansion means for supplying hydrogen in a tank to expand and then supply it to the anode of the fuel cell; Throttling means provided between said tank and said expansion device; A first heat exchanger for receiving the expanded hydrogen and oxygen from the air from the expansion device and heat-exchanging them to supply them to the fuel cell and the compression means, respectively; Compression means for compressing air containing oxygen supplied from said first heat exchanger to further increase the pressure of air containing oxygen; A fuel cell for generating electromotive force by supplying the hydrogen to the anode by supplying the hydrogen containing the oxygen compressed from the compression means and the hydrogen directly supplied from the first heat exchanger, and supplying the air containing the oxygen to the cathode; ; A battery used as a power source for supplying electromotive force generated from the fuel cell to the compression means to drive the compression means; It is possible to realize high efficiency by providing a fuel cell system including a; generating means for generating hydrogen expansion energy by the expansion means and supply it to the battery.
Description
본 발명은 일반적으로 전류 발생 장치에 관한 것으로서, 특히 산소와 수소를 이용하는 연료전지에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention generally relates to current generators, and more particularly to fuel cells using oxygen and hydrogen.
일반적으로 연료전지는 연료가 산화 반응을 일으키는 동안 방출되는 에너지를 바로 전류의 형태로 이용 가능하게 만드는 장치로서, 이러한 연료 전지의 원리는 100여년 전에 이미 확립되었지만, 최근에 와서야 비로소, 합리적이며 효율적인 연료 전지의 구성이 가능해지게 되었고, 운송 수단의 추진용을 비롯한 많은 용도에서 전류를 발생시키기 위해 실용화되고 있다.In general, a fuel cell is a device that makes the energy released during the oxidation reaction available in the form of a current. The principle of such a fuel cell was established more than 100 years ago, but only recently, it is reasonable and efficient. The construction of fuel cells has become possible and has been put to practical use for generating current in many applications, including the propulsion of vehicles.
상기 연료전지에서 사용되는 산소와 수소는 각각 양극과 음극에서 화학 반응을 일으켜 기전력을 공급하게 되는데, 산소는 일반적으로 대기로부터 취해지는 산소를 접촉시켜 얻게 되며, 수소는 가압된 상태로 용기에 담겨지거나, 액화되거나, 화학적으로 결합된 상태로 사용하게 된다.Oxygen and hydrogen used in the fuel cell, respectively, by causing a chemical reaction at the anode and cathode to supply the electromotive force, the oxygen is generally obtained by contacting oxygen taken from the atmosphere, hydrogen is contained in a pressurized container , Liquefied or chemically bound.
즉 상기 산소와 수소와 같은 반응물을 사용하기 적합한 상태의 압력 및 온도 하에서 연료전지로 공급하는 것이 중요한데, 예를 들면, 산소의 경우 분압이 높은 상태에서 공급되는 반면 수소 분압의 경우에는 일반적으로, 저장 용기 내에 존재하는 액체, 또는 고압가스 상태에서의 압력을 낮추어줌으로써 양측의 압력 및 온도를 비슷한 상태로 유지하여 연료전지로 공급하는 것이 요구된다.In other words, it is important to supply the reactants such as oxygen and hydrogen to the fuel cell under pressure and temperature suitable for use, for example, oxygen is supplied at a high partial pressure, while hydrogen partial pressure is generally stored. It is required to maintain the pressure and temperature on both sides in a similar state and to supply the fuel cell by lowering the pressure in the liquid or high pressure gas state present in the container.
따라서, 대기로부터 취해지는 산소의 분압을 대기압 보다 높이기 위하여 일반적으로 압축기가 사용되며, 수소의 경우에는 팽창된 형태로 만들기 위하여 제어기 밸브나, 터어빈 등을 이용하게 된다.Therefore, a compressor is generally used to increase the partial pressure of oxygen taken from the atmosphere above atmospheric pressure, and in the case of hydrogen, a controller valve or a turbine is used to make an expanded form.
이 때 상기 압축기를 작동시키기 위하여 동력원이 필요하며 터빈은 동작되면서 에너지가 방출된다.At this time, a power source is required to operate the compressor, and the turbine is operated to release energy.
이하 종래의 일반적인 연료전지 구성에 대하여 도면을 참조하여 설명하고자 한다. 도 1은 종래의 일반적인 연료전지의 구성을 나타내는 개략도로서, 전체 시스템은 도시된 바와 같이, 탱크에 저장된 고압 상태의 수소를 공급받아 팽창시킨 후 이를 연료전지의 양극으로 공급하는 터어빈(101)과, 대기 중의 공기로부터 산소를 공급받아 이를 압축시킨 후 고온, 고압의 상태에서 연료전지의 음극으로 공급하는 공기압축기의 임펠러(102)와, 상기 공급된 수소와 산소를 이용한 화학반응을 통해 기전력을 발생시키는 연료전지(103)로 구성된다.Hereinafter, a conventional fuel cell configuration will be described with reference to the drawings. 1 is a schematic view showing the configuration of a conventional general fuel cell, the entire system is, as shown, the turbine 101 for supplying and expanding the hydrogen in the high pressure state stored in the tank and supplying it to the anode of the fuel cell, After receiving oxygen from the air in the air and compressing it, the impeller 102 of the air compressor supplying the cathode of the fuel cell at a high temperature and high pressure to generate electromotive force through a chemical reaction using the supplied hydrogen and oxygen It consists of the fuel cell 103.
그런데 상기 구성의 경우, 공기 압축기의 임펠러를 구동시키기 위한 동력 공급을 위하여 상기 임페러의 축상에 설치되는 모터(105) 및 상기 모터를 구동하기 위한 배터리(104)가 보조적으로 사용되어야 하는 문제점을 안고 있다.However, in the case of the above configuration, in order to supply power for driving the impeller of the air compressor, the motor 105 installed on the shaft of the impeller and the battery 104 for driving the motor have to be used auxiliary. have.
즉 상기 구성에서는 연료전지에 의해 발생된 기전력의 일부를 다시 임펠러를 구동시키기 위한 동력원으로 이용해야 하는 문제점으로 인하여 효율적인 연료전지를 얻을 수 없게 된다.That is, in the above configuration, a part of the electromotive force generated by the fuel cell needs to be used as a power source for driving the impeller again, thereby making it impossible to obtain an efficient fuel cell.
또한 도 1에 도시된 연료전지 시스템은 연료전지로 들어가는 수소 및 산소의 분압과 이에 따른 온도를 적절히 제어하지 못함으로 인해, 효율이 낮은 상태의 연료전지 구성을 나타내고 있다.In addition, the fuel cell system shown in FIG. 1 shows a configuration of a fuel cell having a low efficiency because the partial pressure of hydrogen and oxygen entering the fuel cell and the temperature thereof are not properly controlled.
따라서 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 도 2에 도시된 바와 같은 연료전지가 제안되기도 하였다.Therefore, to solve this problem, a fuel cell as shown in Figure 2 has been proposed.
도시된 바와 같이, 연료전지 시스템은 탱크에 저장된 액체 상태의 수소를 공급받아 팽창시킨 후 이를 연료전지의 양극으로 공급하는 구성에 있어서, 상기 팽창 장치는 상기 탱크와의 사이에 교축을 위한 트로틀링 밸브(207)을 구비하고 있으며, 상기 팽창장치로는 수소 팽창 에너지를 얻기 위한 제 1 터어빈(201)이 사용되며, 대기 중의 공기로부터 산소를 공급받아 이를 1단 압축시키는 것으로서 상기 제 1 터어빈의 팽창에너지에 의해 구동되는 동축 상의 공기압축기 제 1 임펠러(202) 및 상기 제 1 임펠러로부터 1단 압축된 공기를 2단 압축하여 고온, 고압의 상태에서 연료전지의 음극으로 공급하는 제 2 임펠러(203)와, 상기 공급된 수소와 산소를 이용한 화학반응을 통해 기전력을 발생시키는 연료전지(204)로 구성된다.As shown, the fuel cell system is configured to receive and expand the liquid hydrogen stored in the tank and to supply it to the anode of the fuel cell, wherein the expansion device is a throttling valve for throttling with the tank A first turbine 201 for obtaining hydrogen expansion energy is used as the expansion device. The expansion energy of the first turbine is obtained by receiving oxygen from air in the air and compressing it in one stage. A second impeller 203 which is coaxially driven by a first impeller 202 and a second impeller 203 which compresses the first stage compressed air from the first impeller and supplies the cathode to the cathode of the fuel cell at a high temperature and high pressure; The fuel cell 204 generates an electromotive force through a chemical reaction using the supplied hydrogen and oxygen.
그런데 상기 구성에서 연료 전지는 막을 가로질러 산소와 수소를 배합함으로써 작동하며, 막의 양쪽에 위치한 두 전극 사이에 기전력 전위를 발생시키게 되는데, 이러한 공정은 열을 방출하게 되며, 상기 발열되는 배기 가스의 엔탈피는 터어빈 등에 사용하는 것이 가능한데, 이를테면 도시된 바와 같이 배기 가스를 이용하여 팽창시킴으로써 상기 제 2 임펠러(202)를 구동시키는 제 2 터어빈(206)의 이용이 가능한 것이다. 즉 상기 제 2 터어빈(206)에 의해 상기 제 2 임펠러 (202)가 구동 가능한 것이며, 이 경우 연료전지로부터의 에너지 소모 없이, 보다 효율적으로 작동되는 연료전지 시스템을 구성하는 것이 가능해지게 된다.In this configuration, however, the fuel cell operates by combining oxygen and hydrogen across the membrane, and generates an electromotive force potential between two electrodes located on both sides of the membrane. This process releases heat and enthalpy of the exothermic exhaust gas. May be used in a turbine or the like. For example, as shown, the second turbine 206 may be used to drive the second impeller 202 by expanding using exhaust gas. That is, the second impeller 202 can be driven by the second turbine 206, and in this case, it becomes possible to construct a fuel cell system that operates more efficiently without consuming energy from the fuel cell.
그러나 상술한 바와 같은 구성의 경우, 각 터빈과 임펠라는 동일한 축에서 같은 속도로 회전하므로 연료전지로 들어가는 수소 및 산소의 분압과 이에 따른 온도를 적절히 제어하지 못하는 문제점은 여전히 남게 되며, 이로 인해 수소 및 산소의 온도 및 압력을 상호 유사한 수준으로 유지하는데에 어려움이 따르게 된다.However, in the above-described configuration, since each turbine and the impeller rotate at the same speed on the same axis, there is still a problem that the partial pressure of hydrogen and oxygen entering the fuel cell and the temperature thereof are not properly controlled. Difficulties arise in maintaining the temperature and pressure of oxygen at mutually similar levels.
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 연료 전지의 양극 및 음극으로 각각 유입되는 수소 및 산소의 분압을 적정한 수준으로 유지하며 이에 따른 각 기체의 폴리트로픽 지수에 의한 온도를 상호 최적의 상태인 80℃ 정도로 유지하는 것이 가능하도록 하기 위하여 다단 압축되는 임펠러의 제공 및 이를 구동하기 위한 효율적인 수단을 제공함을 특징으로 한다.The present invention has been made to solve the problems described above, and maintains the partial pressures of hydrogen and oxygen introduced into the anode and cathode of the fuel cell, respectively, at an appropriate level and thus the temperature by the polytropic index of each gas In order to be able to maintain the optimum state of about 80 ° C it is characterized in that the provision of the multi-stage compression impeller and an efficient means for driving it.
본 발명에 의한 연료전지는 탱크에 저장된 액체 상태의 수소를 공급받아 팽창시킨 후 이를 연료전지의 양극으로 공급하는 팽창 수단과; 상기 탱크와 상기 팽창장치 사이에 설치된 교축 수단과; 상기 팽창 장치로부터 팽창된 수소와 대기 중의 산소를 공급받아 이를 열교환하여 상기 수소의 온도는 높이고 상기 산소를 포함한 공기의 온도는 낮춘 후 이를 각각 연료전지 및 압축수단으로 공급하는 제 1 열 교환기와; 상기 제 1 열교환기로부터 공급된 산소를 포함한 공기를 압축하여 산소를 포함한 공기의 압축과 온도를 높이는 압축수단과; 상기 압축수단으로부터 압축된 산소를 포함하는 공기 및 상기 제 1 열 교환기로부터 직접 공급된 수소를 열교환하여 상기 수소의 온도는 더욱 높여 상기 수소를 양극에 공급하고, 상기 산소를 포함한 공기의 온도는 상기 압축수단을 통과한 상태보다 낮고 상기 제 1열교환기를 통과한 상태보다는 높은 상태로 유지하여 음극으로 공급하여 기전력을 발생시키는 연료전지와; 상기 연료전지로부터 발생된 기전력을 상기 압축수단으로 공급하여 상기 압축수단을 구동시켜주는 동력원으로 이용되는 배터리; 및 상기 팽창수단에 의한 수소 팽창에너지를 생성하여 이를 상기 배터리로 공급하는 발생수단;을 포함하는 것을 특징으로 한다.The fuel cell according to the present invention comprises: expansion means for supplying hydrogen in a liquid state stored in a tank and expanding the same and supplying the hydrogen to the anode of the fuel cell; Throttling means provided between said tank and said expansion device; A first heat exchanger which receives the expanded hydrogen from the expansion device and oxygen in the atmosphere and heat-exchanges it to increase the temperature of the hydrogen and lower the temperature of the air containing the oxygen and then supply them to the fuel cell and the compression means, respectively; Compression means for compressing air including oxygen supplied from the first heat exchanger to increase the temperature and temperature of the air including oxygen; The air containing oxygen compressed from the compression means and the hydrogen directly supplied from the first heat exchanger are exchanged to supply the hydrogen to the anode by raising the temperature of the hydrogen further, and the temperature of the air including the oxygen is compressed A fuel cell which is lower than the state passing through the means and is higher than the state passing through the first heat exchanger to supply to the cathode to generate electromotive force; A battery used as a power source for supplying electromotive force generated from the fuel cell to the compression means to drive the compression means; And generating means for generating hydrogen expansion energy by the expansion means and supplying it to the battery.
본 발명의 바람직한 실시를 위하여, 상기 팽창 수단은 상기 탱크 내로부터 교축 수단을 통과한 상태의 수소를 이용한 가스정압 베어링을 구비한 구동축을 포함하는 것을 특징으로 한다.According to a preferred embodiment of the present invention, the expansion means includes a drive shaft having a gas hydrostatic bearing using hydrogen in a state of passing through the throttling means from within the tank.
또한 본 발명의 바람직한 실시를 위하여, 상기 팽창 수단은 2단 팽창을 위하여 제 1 팽창 수단 및 제 2 팽창 수단을 포함하며 상기 제 1 및 제 2 팽창수단은 서로 직렬로 연결되어 있는 것을 특징으로 한다.In addition, for the preferred embodiment of the present invention, the expansion means comprises a first expansion means and a second expansion means for two-stage expansion, characterized in that the first and second expansion means are connected in series with each other.
또한 본 발명의 바람직한 실시를 위하여, 상기 압축 수단은 2단 압축을 위하여 제 1 압축 수단 및 제 2 압축 수단을 포함하며 상기 제 1 및 제 2 압축수단은 동축으로 연결되어 있는 것을 특징으로 하며, 경우에 따라서는 는 3단 압축을 위하여 제 1 압축 수단, 제 2 압축 수단 및 제 3 압축수단을 포함하며 상기 제 1 및 제 2 압축 수단은 동축으로 연결되어 있으며, 나머지 제 3 압축 수단은 상기 팽창수단과 동축으로 연결되어 있는 것을 특징으로 한다.In addition, for the preferred embodiment of the present invention, the compression means comprises a first compression means and a second compression means for two-stage compression, characterized in that the first and second compression means are connected coaxially, In some embodiments, the first compression means, the second compression means and the third compression means for three-stage compression, wherein the first and second compression means are coaxially connected, the remaining third compression means is the expansion means It is characterized in that it is connected coaxially with.
아울러 본 발명의 바람직한 실시를 위하여, 상기 제 2 열교환기에 의해 열교환된 후 양극으로 공급되는 수소의 온도와, 상기 제 2 열교환기에 의해 열교환된 후 음극으로 공급되는 산소를 포함한 공기의 온도는 동일 대역인 것을 특징으로 한다.In addition, for the preferred embodiment of the present invention, the temperature of the hydrogen supplied to the anode after heat exchanged by the second heat exchanger, and the temperature of the air including oxygen supplied to the cathode after heat exchanged by the second heat exchanger is the same zone It is characterized by.
또한 본 발명의 더욱 바람직한 실시를 위하여, 상기 제 1 팽창 수단 및 제 2 팽창 수단 사이에는 상기 발생기가 동축으로 연결 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.In addition, for the further preferred embodiment of the invention, the generator is characterized in that the generator is connected coaxially between the first expansion means and the second expansion means.
또한 본 발명의 더욱 바람직한 실시를 위하여, 상기 제 1 압축 수단 및 제 2 압축 수단 사이에 동축으로 연결 설치되어 상기 제 1 압축 수단 및 제 2 압축 수단의 구동축을 구동시키는 모터를 포함하는 것을 특징으로 하며, 상기 배터리는 상기 압축 수단내의 상기 제 1 압축 수단 및 제 2 압축수단 사이의 구동축에 연결 설치된 모터를 구동시켜주는 것을 특징으로 한다.In addition, for a more preferred embodiment of the present invention, it is characterized in that it comprises a motor which is installed coaxially between the first compression means and the second compression means to drive the drive shaft of the first compression means and the second compression means; The battery is characterized in that for driving the motor connected to the drive shaft between the first compression means and the second compression means in the compression means.
아울러, 상기 압축수단으로부터 압축된 산소를 포함하는 공기 및 상기 제 1 열 교환기로부터 직접 공급된 수소를 열교환한 후 연료전지의 양극으로 공급되는 수소의 온도와 연료전지의 음극으로 공급되는 산소를 포함한 공기의 온도는 80℃ 근방인 것을 특징으로 한다. 참고로 연료전지의 효율은 공급되는 수소와 산소의 압력과 온도가 높을수록 높은 효율을 낼 수 있으나 내구성의 문제로 현재의 기술로는 연료전지로 공급되는 수소와 산소의 온도는 80℃ 이하, 그리고 압력은 2.5∼3기압 이하로 제한을 받는다.In addition, the air including the oxygen compressed from the compression means and the hydrogen supplied directly from the first heat exchanger, the temperature of the hydrogen supplied to the anode of the fuel cell and the oxygen supplied to the cathode of the fuel cell The temperature of is characterized in that around 80 ℃. For reference, the efficiency of the fuel cell may be higher as the pressure and temperature of hydrogen and oxygen are supplied. However, due to the durability, the current technology of hydrogen and oxygen to be supplied to the fuel cell is 80 ° C. or less. The pressure is limited to 2.5 to 3 atmospheres or less.
이하 첨부된 도면에 의해 본 발명에 의한 연료전지 시스템의 제 1 실시 예에 관한 구성 및 작동에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the configuration and operation of the first embodiment of a fuel cell system according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 3에 도시된 바와 같이, 수소는 액체, 또는 고압 가스 상태로 탱크에 저장된 것을 이용하게 되는데 이 때 수소의 온도를 Th로 정의한다.As shown in FIG. 3, hydrogen is used as a liquid or a gas stored in a tank in a high pressure gas state, and the temperature of hydrogen is defined as Th.
상기 수소는 연료전지의 양극에서 활발한 반응을 하도록 하기 위하여 교축수단(1)에 의해 교축하게 되는데 교축을 거친 온도를 Th1라 한다. 상기 교축과정 이후 일부 가스는 정압 베어링 (2)의 역할을 위하여 사용되며, 대부분은 수소 팽창을 하도록 팽창수단(3a, 3b)에 공급된다.The hydrogen is throttled by the throttling means (1) in order to actively react at the anode of the fuel cell, the temperature after the throttling is called Th1. After the throttling process, some of the gas is used for the role of the static bearing 2, and most of the gas is supplied to the expansion means 3a and 3b for hydrogen expansion.
상기 팽창수단은 2단 팽창을 하도록 제 1 터어빈과(3a) 제 2 터어빈 (3b)로 구성되어 있으며 이들 사이에는 수소 팽창에 의해 발생된 에너지를 발생시키는 발생기 (4)가 동축으로 연결되어 있다. 상기 팽창과정을 거친 수소는 온도가 하강하여 Th2가 되는데 전술한 바와 같이 Th1>Th2인 관계를 갖는다.The expansion means comprises a first turbine (3a) and a second turbine (3b) for two-stage expansion, with a generator (4) coaxially connected between them to generate energy generated by hydrogen expansion. The hydrogen, which has undergone the expansion process, becomes a Th2 due to a temperature drop, and has a relationship of Th1> Th2 as described above.
한편 산소는 순수한 분자 형태로 공급될 수도 있지만 우주선이나 잠수함에서 이용하는 극히 일부의 경우를 제외하고는 주로 대기중의 공기를 직접 사용하게 되기 때문에 압축 과정이 필요하게 되는데, 잘 알려진 바와 같이 압축기 임펠라의 압축효율을 높이기 위하여 압축 과정을 거치기 전에 열교환을 수행하여 상온 이하로 온도를 떨어뜨려 공급하는 것이 요구된다. 본 발명에서는 이를 위하여 제 1 열교환기 (5)를 이용하고 있으며, 상기 제 1 열교환기(5)에서는 상기 팽창수단(3a, 3b)을 통해 팽창된 온도 Th2의 수소와 상기 대기 중으로부터 공급된 온도 Ta의 산소를 열교환하여 상기 수소의 온도는 Th3로 상승시켜 주고 상기 대기로부터 공급되는 산소의 온도는 Ta1으로 하강시켜 주게 된다.Oxygen can also be supplied in pure molecular form, but with the exception of a few cases used in spacecraft or submarines, the compression process is necessary because it uses the air directly from the atmosphere. In order to increase the efficiency, it is required to perform a heat exchange before the compression process to drop the temperature below room temperature to supply it. In the present invention, a first heat exchanger (5) is used for this purpose, and in the first heat exchanger (5), the temperature supplied from the hydrogen at the temperature Th2 expanded through the expansion means (3a, 3b) and the temperature supplied from the atmosphere By heat-exchanging the oxygen of Ta, the temperature of hydrogen is raised to Th3 and the temperature of oxygen supplied from the atmosphere is lowered to Ta1.
온도가 하강된 산소를 포함한 공기를 압축 수단으로 공급하여 압축하게 되는데, 본 발명의 제 1 실시 예에서는 제 1 임펠러 (6a)와 제 2 임펠러(6b)를 설치하여 2단 압축함으로써 원하는 압축비를 얻고 있다. 또한 전술한 바와 같이 상기 압축 과정을 거치는 동안 공기는 폴리트로픽 지수가 갖는 물리적 성질에 의해 온도가 상승하여 온도 Ta3를 얻게 되고, 상기 온도가 상승된 산소를 포함한 공기는 연료전지의 음극으로 공급될 경우 너무 높은 온도 때문에 연료전지의 내구성이 나빠지게 되는 원인이 되므로 이를 방지하기 위하여 제 2 교환기 (7)을 거치게 된다. 상기 제 2 열교환기 (7)에서는 상기 제 1 열교환기 (5)를 통과한 온도 Th3의 수소와 상기 온도 Ta3의 산소를 포함한 공기가 열교환을 수행하여 상기 수소는 온도가 약간 상승된 Th4의 수소를 얻게 되며, 상기 공기는 온도가 약간 하강된 7a4가 되는데, 이 때 상기 온도사이에는 다음의 관계가 성립하게 된다.The compressed air is compressed by supplying air having a lowered temperature to a compression means. In the first embodiment of the present invention, a first compression impeller 6a and a second impeller 6b are installed and compressed in two stages to obtain a desired compression ratio. have. In addition, as described above, during the compression process, the air rises in temperature due to the physical properties of the polytropic index to obtain a temperature Ta 3, and when the air containing the elevated oxygen is supplied to the cathode of the fuel cell. Too high a temperature causes the durability of the fuel cell to be deteriorated, so that the second exchanger 7 is passed to prevent this. In the second heat exchanger (7), air containing hydrogen at the temperature Th3 and oxygen at the temperature Ta3 which has passed through the first heat exchanger (5) performs heat exchange, and the hydrogen receives hydrogen at Th4 whose temperature is slightly increased. And the air becomes 7a4 with a slight drop in temperature, with the following relationship between the temperatures.
전술한 바와 같이, 열교환기를 거친 수소와 공기 (산소 포함)는 각각 연료전지(8)의 양극과 음극으로 공급되어 반응을 일으키게 된다. 연료전지의 반응에 의하여 발생된 기전력은 배터리 (9)에 모아지게 되는데, 이 중 일부가 상기 압축수단의 구동을 위하여 제공되는데, 제공된 구동력은 상기 압축수단(6a, 6b)들 사이에 동축으로 설치된 모터 (10)로 보내지게 된다. 일반적으로 사용되는 상기 압축수단의 동력원으로는 크게 다음의 세 가지 형태로 구분할 수 있는데, 그 첫 번째 방법으로 연료 전지의 전기적 출력의 일부로부터 동력을 빼내어 이를 다시 이용하는 형태가 있으며, 두 번 째로는 상기 수소를 팽창시키는 과정에서 발생하게 되는 수소팽창에너지를 이용하는 것이 있다. 마지막으로 이용 가능한 형태는 연료전지에서 배출되는 배출가스를 이용하는 것으로서, 상기 배출가스를 팽창시켜 얻게 되는데, 본 발명의 제 1실시예에서는 동력원으로서 상기 첫 번째 방법과 두 번째 방법을 이용하고 있는 것을 특징으로 한다.As described above, hydrogen and air (including oxygen) passing through the heat exchanger are respectively supplied to the anode and the cathode of the fuel cell 8 to cause a reaction. The electromotive force generated by the reaction of the fuel cell is collected in the battery 9, some of which is provided for driving the compression means, the driving force being provided coaxially between the compression means 6a, 6b. To the motor 10. The power source of the compression means generally used can be divided into three types, the first method is to extract the power from a part of the electrical output of the fuel cell and to use it again, secondly the There is a use of hydrogen expansion energy generated in the process of expanding hydrogen. The last available form is to use the exhaust gas discharged from the fuel cell, which is obtained by expanding the exhaust gas, in the first embodiment of the present invention is characterized by using the first method and the second method as a power source It is done.
또한 상기 팽창수단(3a, 3b)들의 수소 팽창에 의해 상기 발생기 (4)에서 생성된 에너지는 상기 배터리 (9)로 공급되어 배터리 효율을 상승시키는 작용을 하게 된다.In addition, the energy generated by the generator 4 by the hydrogen expansion of the expansion means (3a, 3b) is supplied to the battery (9) to act to increase the battery efficiency.
본 발명의 다른 실시예가 도 4에 도시되어 있다.Another embodiment of the invention is shown in FIG. 4.
이하 첨부된 도면에 의해 본 발명에 의한 연료전지 시스템의 제 2 실시 예에 관한 구성 및 작동에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the configuration and operation of a second embodiment of a fuel cell system according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 4에 도시된 바와 같이, 수소는 액체, 또는 고압 가스 상태로 탱크에 저장된 것을 이용하게 되는 점은 제 1실시 예에서와 동일하다. 이 때 수소의 온도를 Th로 정의한다. 상기 수소는 연료전지의 양극에서 활발한 반응을 하도록 하기 위하여 교축수단(11)에 의해 교축하게 되는데 교축을 거친 온도를 Th1라 한다. 상기 교축과정 이후 일부 가스는 정압 베어링(12)의 역할을 위하여 사용되며, 대부분은 수소 팽창을 하도록 팽창수단인 터어빈(13)에 공급된다. 상기 터어빈의 수소 팽창에 의해 발생된 에너지를 발생시키는 발생기(14)가 동축으로 연결되어 있다. 상기 팽창과정을 거친 수소는 온도가 하강하여 Th2가 되는데 전술한 바와 같이 Th1>Th2인 관계를 갖는다.As shown in FIG. 4, the hydrogen is used in the liquid or high pressure gas stored in the tank as in the first embodiment. At this time, the temperature of hydrogen is defined as Th. The hydrogen is throttled by the throttling means 11 in order to actively react at the anode of the fuel cell, and the temperature after the throttling is called Th1. After the throttling process, some of the gas is used for the role of the static bearing 12, and most of the gas is supplied to the turbine 13, which is an expansion means for hydrogen expansion. A generator 14 generating energy generated by hydrogen expansion of the turbine is coaxially connected. The hydrogen, which has undergone the expansion process, becomes a Th2 due to a temperature drop, and has a relationship of Th1> Th2 as described above.
한편 산소는 대기중의 공기를 직접 사용하게 되는 점은 제 1 실시예에서와 같으며, 압축기 임펠라의 압축효율을 높이기 위하여 압축 과정을 거치기 전에 열교환을 수행하여 상온 이하로 온도를 떨어뜨려 공급하는 것이 요구된다. 본 발명에서는 이를 위하여 제 1 열교환기(15)를 이용하고 있으며, 상기 제 1 열교환기(15)에서는 상기 팽창수단인 터어빈(13)을 통해 팽창된 온도 Th2의 수소와 상기 대기 중으로부터 공급된 온도 Ta의 산소를 열교환하여 상기 수소의 온도는 Th3로 상승시켜 주고 상기 대기로부터 공급되는 산소의 온도는 Ta1으로 하강시켜 주게 된다.On the other hand, oxygen directly uses the air in the atmosphere as in the first embodiment, and in order to increase the compression efficiency of the compressor impeller, to perform a heat exchange before the compression process to drop the temperature below room temperature to supply Required. In the present invention, a first heat exchanger (15) is used for this purpose, and the first heat exchanger (15) is a temperature supplied from hydrogen and the temperature of the temperature Th2 expanded through the turbine (13) as the expansion means. By heat-exchanging the oxygen of Ta, the temperature of hydrogen is raised to Th3 and the temperature of oxygen supplied from the atmosphere is lowered to Ta1.
온도가 하강된 산소를 포함한 공기를 압축 수단으로 공급하여 압축하게 되는데, 본 발명의 제 2 실시 예에서는 제 1 임펠러(16a)와 제 2 임펠러(16b)를 설치하여 2단 압축함으로써 원하는 압축비를 얻고 있다. 또한 전술한 바와 같이 상기 압축 과정을 거치는 동안 공기는 폴리트로픽 지수가 갖는 물리적 성질에 의해 온도가 상승하여 온도 Ta3를 얻게 되고, 상기 온도가 상승된 산소를 포함한 공기는 연료전지의 음극으로 공급될 경우 연료전지의 내구성이 나빠지게 되는 원인이 되므로 이를 방지하기 위하여 제 2 교환기(17)을 거치게 된다. 상기 제 2 열교환기(17)에서는 상기 제 1 열교환기(15)를 통과한 온도 Th3의 수소와 상기 온도 Ta3의 산소를 포함한 공기가 열교환을 수행하여 상기 수소는 온도가 약간 상승된 Th4의 수소를 얻게 되며, 상기 공기는 온도가 약간 하강된 Ta4가 되는데, 이 때 상기 온도사이에는 다음의 관계가 성립하게 된다.The compressed air is compressed by supplying air having a lowered temperature to a compression means. In the second embodiment of the present invention, a first compression impeller 16a and a second impeller 16b are installed and compressed in two stages to obtain a desired compression ratio. have. In addition, as described above, during the compression process, the air rises in temperature due to the physical properties of the polytropic index to obtain a temperature Ta 3, and when the air containing the elevated oxygen is supplied to the cathode of the fuel cell. Since the durability of the fuel cell is a cause of deterioration, the second exchanger 17 is passed to prevent this. In the second heat exchanger (17), air containing hydrogen at the temperature Th3 and oxygen at the temperature Ta3 that has passed through the first heat exchanger (15) performs heat exchange, so that the hydrogen receives hydrogen of Th4 having a slightly elevated temperature. And the air becomes Ta4 with a slight drop in temperature, with the following relationship between the temperatures.
전술한 바와 같이, 열교환기를 거친 수소와 공기 (산소 포함)는 각각 연료전지(18)의 양극과 음극으로 공급되어 반응을 일으키게 된다. 연료전지의 반응에 의하여 발생된 기전력은 배터리 (19)에 모아지게 되는데, 이중 일부가 상기 압축수단의 구동을 위하여 제공되는데, 제공된 구동력은 상기 압축수단(16a, 16b)들 사이에 동축으로 설치된 모터 (20)로 보내지게 된다. 일반적으로 사용되는 상기 압축수단의 동력원으로는 크게 다음의 세가지 형태로 구분할 수 있는데, 그 첫 번째 방법으로 연료 전지의 전기적 출력의 일부로부터 동력을 빼내어 이를 다시 이용하는 형태가 있으며, 두번 째로는 상기 수소를 팽창시키는 과정에서 발생하게 되는 수소팽창에너지를 이용하는 것이 있다. 마지막으로 이용 가능한 형태는 연료전지에서 배출되는 배출가스를 이용하는 것으로서, 상기 배출가스를 팽창시켜 얻게 되는데, 본 발명의 제 2 실시예에서는 동력원으로서 상기 첫 번째 방법과 두번째 방법을 이용하고 있는 것을 특징으로 한다.As described above, hydrogen and air (including oxygen) passing through the heat exchanger are supplied to the anode and the cathode of the fuel cell 18 to cause a reaction. Electromotive force generated by the reaction of the fuel cell is collected in the battery 19, a part of which is provided for driving the compression means, the driving force provided is a motor coaxially installed between the compression means 16a, 16b. Will be sent to (20). The power source of the compression means generally used can be divided into three types, the first method is to extract the power from a part of the electrical output of the fuel cell and to use it again, the second is to use the hydrogen There is a use of hydrogen expansion energy generated in the expansion process. The last available form is to use the exhaust gas discharged from the fuel cell, which is obtained by expanding the exhaust gas, in the second embodiment of the present invention is characterized in that using the first method and the second method as a power source do.
또한 상기 터어빈(13)의 수소 팽창에 의해 상기 발생기(14)에서 생성된 에너지는 상기 배터리(19)로 공급되어 배터리 효율을 상승시키는 작용을 하게 된다.In addition, the energy generated by the generator 14 by hydrogen expansion of the turbine 13 is supplied to the battery 19 to increase the battery efficiency.
마지막으로 본 발명의 제 3실시예에 대하여 설명하고자 한다.Finally, a third embodiment of the present invention will be described.
본 발명에 의한 연료전지의 제 3실시예는 도 5에 도시되어 있다.A third embodiment of a fuel cell according to the present invention is shown in FIG.
도시된 바와 같이, 수소는 액체, 또는 고압 가스 상태로 탱크에 저장된 것을 이용하게 되는 점은 전술한 실시 예들과 동일하다. 이 때 수소의 온도를 Th로 정의한다. 상기 수소는 연료전지의 양극에서 활발한 반응을 하도록 하기 위하여 교축수단(21)에 의해 교축하게 되는데 교축을 거친 온도를 Th1라 한다. 상기 교축과정 이후 일부 가스는 정압 베어링(22)의 역할을 위하여 사용되며, 대부분은 수소 팽창을 하도록 팽창수단인 터어빈(23)에 공급된다. 상기 터어빈의 수소 팽창에 의해 발생된 에너지는 동축으로 연결된 임펠러를 구동시키는 점이 전술한 실시예들과는 다른 점이다. 상기 팽창과정을 거친 수소는 온도가 하강하여 Th2가 되는데 전술한 바와 같이 Th1>Th2인 관계를 갖는다.As shown, the hydrogen is used in the liquid or high pressure gas stored in the tank is the same as the above-described embodiments. At this time, the temperature of hydrogen is defined as Th. The hydrogen is throttled by the throttling means 21 in order to actively react at the anode of the fuel cell. The temperature after the throttling is referred to as Th1. After the throttling process, some of the gas is used for the role of the hydrostatic bearing 22, and most of the gas is supplied to the turbine 23, which is an expansion means for hydrogen expansion. The energy generated by the hydrogen expansion of the turbine is different from the above-described embodiments in that it drives the impeller coaxially connected. The hydrogen, which has undergone the expansion process, becomes a Th2 due to a temperature drop, and has a relationship of Th1> Th2 as described above.
한편 산소는 대기중의 공기를 직접 사용하게 되는 점은 전술한 실시예들과 같으며, 연료전지에서의 최적 효율을 얻기 위하여 압축 과정을 거치기 전에 열교환을 수행하여 상온 이하로 온도를 떨어뜨려 공급하는 것이 마찬가지로 요구된다. 본 발명에서는 이를 위하여 제 1 열교환기(25)를 이용하고 있으며, 상기 제 1 열교환기(25)에서는 상기 팽창수단인 터어빈(23)을 통해 팽창된 온도 Th2의 수소와 상기 대기 중으로부터 공급된 온도 Ta의 산소를 열교환하여 상기 수소의 온도는 Th3로 상승시켜 주고 상기 대기로부터 공급되는 산소의 온도는 Ta1으로 하강시켜 주게 된다.On the other hand, oxygen is used directly in the atmosphere of the air is the same as the above-described embodiments, in order to obtain the optimum efficiency in the fuel cell by performing a heat exchange before going through the compression process to drop the temperature below room temperature Is required as well. In the present invention, a first heat exchanger (25) is used for this purpose, and the first heat exchanger (25) uses a temperature Th2 that is expanded through the turbine (23), the expansion means, and the temperature supplied from the atmosphere. By heat-exchanging the oxygen of Ta, the temperature of hydrogen is raised to Th3 and the temperature of oxygen supplied from the atmosphere is lowered to Ta1.
온도가 하강된 산소를 포함한 공기를 압축 수단으로 공급하여 압축하게 되는데, 본 발명의 제 3 실시 예에서는 제 1 임펠러(26a) 및 제 2 임펠러(26b)외에 별도로 제 3 임펠러(26c)를 구비하게 된다. 상기 제 3임펠러(26c)는 상기 터어빈(23)과 동축으로 설치되어 상긴 수소 팽창에 의한 에너지에 의해 구동되는 점이 특색이다. 따라서 3단 압축을 수행함으로써 원하는 압축비를 원활하게 얻을 수 있는 점이 본 발명의 제 3실시예의 특징이라 하겠다. 전술한 바와 같이 상기 압축 과정을 거치는 동안 공기는 폴리트로픽 지수가 갖는 물리적 성질에 의해 온도가 상승하여 온도 Ta3를 얻게 되고, 상기 온도가 상승된 산소를 포함한 공기는 연료전지의 음극으로 공급될 경우 연료전지의 내구성이 나빠지게 되는 원인이 되므로 이를 방지하기 위하여 제 2 교환기(27)을 거치게 된다. 상기 제 2 열교환기(27)에서는 상기 제 1 열교환기(25)를 통과한 온도 Th3의 수소와 상기 온도 Ta3의 산소를 포함한 공기가 열교환을 수행하여 상기 수소는 온도가 약간 상승된 Th4의 수소를 얻게 되며, 상기 공기는 온도가 약간 하강된 Ta4가 되는데, 이 때 상기 온도사이에는 다음의 관계가 성립하게 된다.The compressed air is compressed by supplying air having a lowered temperature to a compression means. In the third embodiment of the present invention, the third impeller 26c is provided separately from the first impeller 26a and the second impeller 26b. do. The third impeller 26c is installed coaxially with the turbine 23 and is driven by energy due to long-term hydrogen expansion. Therefore, it is a feature of the third embodiment of the present invention that the desired compression ratio can be smoothly obtained by performing three-stage compression. As described above, during the compression process, the air rises in temperature due to the physical properties of the polytropic index to obtain a temperature Ta3. When the air containing oxygen having the elevated temperature is supplied to the cathode of the fuel cell, the fuel Since the durability of the battery is a cause of deterioration is passed through the second exchanger (27) to prevent this. In the second heat exchanger 27, air containing hydrogen of the temperature Th3 and oxygen of the temperature Ta3 that has passed through the first heat exchanger 25 performs heat exchange, so that the hydrogen is hydrogen of Th4 whose temperature is slightly increased. And the air becomes Ta4 with a slight drop in temperature, with the following relationship between the temperatures.
전술한 바와 같이, 열교환기를 거친 수소와 공기(산소 포함)는 각각 연료전지 (28)의 양극과 음극으로 공급되어 반응을 일으키게 된다. 연료전지의 반응에 의하여 발생된 기전력은 배터리 (29)에 모아지게 되는데, 이중 일부가 상기 압축수단의 구동을 위하여 제공되는데, 제공된 구동력은 상기 압축수단(26a, 26b)들 사이에 동축으로 설치된 모터(30)로 보내지게 된다. 일반적으로 사용되는 상기 압축수단의 동력원으로는 크게 다음의 세가지 형태로 구분할 수 있는데, 그 첫 번째 방법으로 연료 전지의 전기적 출력의 일부로부터 동력을 빼내어 이를 다시 이용하는 형태가 있으며, 두번 째로는 상기 수소를 팽창시키는 과정에서 발생하게 되는 수소팽창에너지를 이용하는 것이 있다. 마지막으로 이용 가능한 형태는 연료전지에서 배출되는 배출가스를 이용하는 것으로서, 상기 배출가스를 팽창시켜 얻게 되는데, 본 발명의 제 3 실시예에서는 동력원으로서 상기 첫 번째 방법과 두번째 방법을 이용하고 있는 것을 특징으로 한다.As described above, hydrogen and air (including oxygen) passing through the heat exchanger are respectively supplied to the anode and the cathode of the fuel cell 28 to cause a reaction. Electromotive force generated by the reaction of the fuel cell is collected in the battery 29, a part of which is provided for driving the compression means, the driving force provided is a motor coaxially installed between the compression means 26a, 26b. Will be sent to (30). The power source of the compression means generally used can be divided into three types, the first method is to extract the power from a part of the electrical output of the fuel cell and to use it again, the second is to use the hydrogen There is a use of hydrogen expansion energy generated in the expansion process. The last available form is the use of the exhaust gas discharged from the fuel cell, which is obtained by expanding the exhaust gas. In the third embodiment of the present invention, the first and second methods are used as power sources. do.
특히 터어빈(23)의 수소 팽창에 의한 에너지를 직접 제 3 임펠러(26c)에 연결시킴으로써, 상기 터어빈(23)의 회전속도와 일치시키는 구성이 특징이 된다.In particular, by connecting the energy by hydrogen expansion of the turbine 23 directly to the third impeller (26c), it is characterized by a configuration that matches the rotational speed of the turbine (23).
전술한 실시 예들은 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명한 것에 불과하고, 본 발명의 적용 범위는 이와 같은 것에 한정되는 것이 아니며 동일 사상의 범주 내에서 적절하게 변경 가능한 것이다.The above-described embodiments are merely illustrative of the preferred embodiments of the present invention, and the scope of application of the present invention is not limited thereto, and may be appropriately changed within the scope of the same idea.
이상에서 상술한 바와 같이 본 발명은 연료 전지의 양극 및 음극으로 각각 유입되는 수소 및 산소의 분압을 적정한 수준으로 유지하며 이에 따른 각 기체의 폴리트로픽 지수에 의한 온도를 연료전지의 효율과 내구성을 고려해 상호 최적의 상태인 80℃ 정도로 유지하는 것이 가능하도록 하기 위하여 다단 압축되는 임펠러의 제공 및 이를 구동하기 위한 수단을 제공함으로써, 보다 고효율의 연료전지를 얻을 수 있는 효과가 있다. As described above, the present invention maintains partial pressures of hydrogen and oxygen introduced into the anode and cathode of the fuel cell, respectively, at an appropriate level, and the temperature according to the polytropic index of each gas is considered in consideration of the efficiency and durability of the fuel cell. In order to be able to maintain about 80 ° C., which is an optimal state, the provision of an impeller that is multistage compressed and a means for driving the same may provide a fuel cell of higher efficiency.
도 1은 종래 연료전지 시스템의 제 1 실시예를 나타내는 도면이며,1 is a view showing a first embodiment of a conventional fuel cell system,
도 2는 종래 연료전지 시스템의 제 2 실시예를 나타내는 도면이며,2 is a view showing a second embodiment of a conventional fuel cell system,
도 3은 본 발명에 의한 연료전지 시스템의 제 1 실시예를 나타내는 도면이며,3 is a view showing a first embodiment of a fuel cell system according to the present invention;
도 4는 본 발명에 의한 연료전지 시스템의 제 2 실시예를 나타내는 도면이며,4 is a view showing a second embodiment of a fuel cell system according to the present invention;
도 5는 본 발명에 의한 연료전지 시스템의 제 3 실시예를 나타내는 도면이다.5 is a view showing a third embodiment of a fuel cell system according to the present invention.
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉<Explanation of symbols for main parts of drawing>
1, 11, 21 : 교축수단 2, 12, 22 : 가스 정압 베어링1, 11, 21: throttle means 2, 12, 22: gas constant pressure bearing
3a, 3b, 13, 23 : 팽창수단 4, 14 : 발생기3a, 3b, 13, 23: expansion means 4, 14: generator
5, 15, 25 : 제 1 열교환기 6a, 16a , 26a : 제 1 임펠러5, 15, 25: 1st heat exchanger 6a, 16a, 26a: 1st impeller
6b, 16b, 26b : 제 2 임펠러 26c : 제 3 임펠러6b, 16b, 26b: second impeller 26c: third impeller
7, 17, 27 : 제 2 열교환기 8, 18, 28 : 연료전지7, 17, 27: second heat exchanger 8, 18, 28: fuel cell
9, 19, 29 : 배터리 10, 20, 30 : 모터9, 19, 29: battery 10, 20, 30: motor
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