KR100536218B1 - 연료 전지 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 외부 공기를 이용하여 스택을 냉각하면서 데워진 공기와 스택을 통해 배출되는 미반응 공기를 혼합하여 그 미반응 공기를 응축되지 않은 기화된 상태로 배출시킬 수 있는 구조를 가진 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
이를 위하여 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 수소를 함유한 연료와 외부의 공기를 공급받아 수소 가스와 산소 가스의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 복수의 단위 셀을 구비한 스택과, 상기 연료를 저장하고 이 연료를 상기 스택으로 공급하는 연료 공급장치와, 외부 공기를 송풍하여 전기의 생성시 상기 단위 셀에서 발생하는 열을 냉각하는 송풍부재와, 상기 송풍부재에 의해 단위 셀을 냉각하면서 데워진 공기와, 상기 스택에서 미반응되고 수분을 함유한 상태로 배출되는 공기를 혼합하여 외부로 배출시키기 위한 공기 혼합부재와, 상기 복수의 단위 셀 전체를 감싸고 상기 송풍부재 및 공기 혼합부재에 각각 연결 설치되는 하우징을 포함하며, 상기 공기 혼합부재는 하우징 및 상기 미반응 공기가 배출되는 배출부와 연결 설치되고 상기 더운 공기와 미반응 공기가 혼합된 혼합 공기를 외부로 배출시키기 위한 유출구를 가진 공기 혼합탱크와, 상기 하우징과 공기 혼합탱크를 소정 유로로 연결하는 제1회수라인과, 상기 배출부와 공기 혼합탱크를 소정 유로로 연결하는 제2회수라인을 포함한다.

Description

연료 전지 시스템 {FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 외부 공기를 이용하여 스택을 냉각하면서 데워진 공기와 스택을 통해 배출되는 미반응 공기를 혼합하여 그 미반응 공기를 응축되지 않은 기화된 상태로 배출시킬 수 있는 구조를 가진 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 연료 전지는 메탄올이나 천연가스 등 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 공기 중의 산소를 연료로 하여 일어나는 전기화학 반응에 의하여 화학에너지를 직접 전기에너지로 변화시키는 발전 시스템이다. 특히, 연료 전지는 연소 과정 없이 연료가스와 산화제 가스의 전기 화학적인 반응에 의해 생성되는 전기와 그 부산물인 열을 동시에 사용할 수 있다는 특징을 갖고 있다.
이러한 연료 전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라, 150∼200℃ 부근에서 작동하는 인산형 연료전지, 600∼700℃의 고온에서 작동하는 용융탄산염 형 연료전지, 1000℃ 이상의 고온에서 작동하는 고체 산화물형 연료전지, 상온 내지 100℃ 이하에서 작동하는 고분자 전해질형 및 알칼리형 연료전지 등으로 분류되며, 이들 각각의 연료전지는 근본적으로 같은 원리에 의해 작동하나, 연료의 종류, 운전 온도, 촉매 및 전해질이 서로 다르다.
이 중에서 근래에 개발되고 있는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrance Fuel Cell: PEMFC)는, 다른 연료 전지에 비하여 출력 특성이 탁월하고 작동 온도가 낮을뿐더러 빠른 시동 및 응답 특성을 가지고 있으며, 메탄올, 천연 가스 등을 개질하여 만들어진 수소를 연료로 사용하여 자동차와 같은 이동용 전원은 물론, 주택, 공공건물과 같은 분산용 전원 및 전자기기용과 같은 소형 전원 등 그 응용 범위가 넓은 장점을 가지고 있다.
상기와 같은 고분자 전해질형 연료 전지가 기본적으로 시스템의 구성을 갖추기 위해서는, 스택(stack)이라 불리는 연료 전지 본체(이하, 편의상 스택이라 칭한다.), 연료 탱크 및 이 연료 탱크로부터 상기 스택으로 연료를 공급하기 위한 연료 펌프 등이 필요하다. 그리고, 연료 탱크에 저장된 연료를 스택으로 공급하는 과정에서 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키고 그 수소 가스를 스택으로 공급하는 개질기(reformer)가 더욱 포함된다. 따라서, 고분자 전해질형 연료 전지는 연료 펌프의 펌핑력에 의해 연료 탱크에 저장된 연료를 개질기로 공급하고, 개질기가 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키며, 스택이 수소 가스와 산소를 전기 화학적으로 반응하여 전기에너지를 생산해 내게 된다.
한편, 연료 전지는 액상의 메탄올 연료를 직접 스택에 공급할 수 있는 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC) 방식을 채용할 수 있다. 이러한 직접 메탄올형 연료 방식의 연료 전지는 고분자 전해질형 연료 전지와 달리, 개질기가 배제된다.
상기와 같은 연료 전지 시스템에 있어서, 전기를 실질적으로 발생시키는 스택은 전극-전해질 합성체(Membrane Electrode Assembly: MEA)와 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)로 이루어진 단위 셀이 수개 내지 수십개로 적층된 구조를 가진다. 전극-전해질 합성체는 전해질막을 사이에 두고 애노드 전극(일명, "연료극" 또는 "산화전극"이라고 한다)과 캐소드 전극(일명, "공기극" 또는 "환원전극"이라고 한다)이 부착된 구조를 가진다. 그리고 바이폴라 플레이트는 연료 전지의 반응에 필요한 산소가스와 연료가스가 공급되는 통로의 역할과 각 전극-전해질 합성체의 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체의 역할을 동시에 수행한다. 따라서, 바이폴라 플레이트에 의해 애노드 전극에는 수소를 함유하는 연료가스가 공급되는 반면, 캐소드 전극에는 산소를 함유한 산소가스가 공급된다. 이 과정에서 애노드 전극에서는 연료가스의 전기 화학적인 산화가 일어나고, 캐소드 전극에서는 산소가스의 전기 화학적인 환원이 일어나며 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기와 열 그리고 물을 함께 얻을 수 있다.
이러한 연료 전지 시스템은 스택을 항상 적정 온도로 관리를 하여야 전해질막의 안정성을 보장할 수 있을 뿐만 아니라, 성능 저하를 미연에 방지할 수 있다. 이를 위해 종래의 연료 전지 시스템은 통상적인 공랭식 냉각장치를 구비하여 운전 중에 스택에서 발생하는 열을 비교적 온도가 낮은 찬 공기로 식혀 주고, 스택을 냉각하면서 데워진 공기는 외부로 배출시킨다.
그런데, 공랭식 냉각 구조를 가진 종래의 연료 전지 시스템은 스택을 거치면서 데워진 공기를 그대로 배기하여 실질적으로 스택으로부터 회수한 열을 버리게 되므로, 그 만큼의 에너지 손실을 유발하게 되는 문제점이 있다.
또한, 종래의 연료 전지 시스템은 스택의 전기 생성을 위해 바이폴라 플레이트를 통해 전극-전해질 합성체의 캐소드 전극으로 공급되는 공기 중의 일부가 반응을 하고 나머지 공기가 미반응되어 다량의 수분을 함유한 상태로 외부로 배출된다.
그런데, 종래의 연료 전지 시스템은 이와 같이 수분이 다량 함유된 미반응 공기가 상대적으로 낮은 온도를 유지하는 대기로 방출될 경우, 그 미반응 공기가 대기와 접촉하면서 응축이 일어나게 된다. 이로 인해 미반응 공기가 응축되면서 생성되는 물을 저장하거나 재활용하기 위한 별도의 장치를 설치해야 하는 바, 전체적인 시스템의 크기를 컴팩트하게 구현하지 못하고, 그 별도의 장치를 구동하는데 따른 열 또는 전기의 부하가 가중되어 전체적인 시스템의 효율 및 성능이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 감안한 것으로서, 그 목적은 전체적인 시스템의 크기를 컴팩트하게 구현하고, 시스템의 효율 및 성능을 더욱 향상시키도록 스택을 냉각하면서 데워진 공기와 스택을 통해 배출되는 미반응 공기를 혼합하여 그 미반응 공기가 응축되지 않은 기화된 상태로 배출될 수 있는 구조를 가진 연료 전지 시스템을 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 수소를 함유한 연료와 외부의 공기를 공급받아 수소 가스와 산소 가스의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 복수의 단위 셀을 구비한 스택과, 상기 연료를 저장하고 이 연료를 상기 스택으로 공급하는 연료 공급장치와, 외부 공기를 송풍하여 전기의 생성시 상기 단위 셀에서 발생하는 열을 냉각하는 송풍부재와, 상기 송풍부재에 의해 단위 셀을 냉각하면서 데워진 공기와, 상기 스택에서 미반응되고 수분을 함유한 상태로 배출되는 공기를 혼합하여 외부로 배출시키기 위한 공기 혼합부재와, 상기 복수의 단위 셀 전체를 감싸고 상기 송풍부재 및 공기 혼합부재에 각각 연결 설치되는 하우징을 포함하며, 상기 공기 혼합부재는 하우징 및 상기 미반응 공기가 배출되는 배출부와 연결 설치되고 상기 더운 공기와 미반응 공기가 혼합된 혼합 공기를 외부로 배출시키기 위한 유출구를 가진 공기 혼합탱크와, 상기 하우징과 공기 혼합탱크를 소정 유로로 연결하는 제1회수라인과, 상기 배출부와 공기 혼합탱크를 소정 유로로 연결하는 제2회수라인을 포함한다.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 단위 셀이, 수소 가스와 산소 가스를 산화/환원시키는 전극-전해질 합성체(Membrane Electrode Assembly: MEA) 및 상기 산화/환원 반응에 필요한 가스를 전극-전해질 합성체에 공급하는 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)를 포함하며, 적어도 하나의 단위 셀 사이에 상기 송풍부재로부터 공급되는 외부의 공기가 통과할 수 있는 적어도 하나의 통과공을 구비한다.
삭제
본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 송풍부재는 하우징의 내부에 외부의 공기를 주입하는 송풍팬을 구비한다.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 송풍부재는 상기 하우징과 송풍팬을 소정 유로로 연결하는 송풍라인을 구비한다.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 하우징은 송풍라인과 연결되어 외부 공기를 하우징의 내부로 주입시키기 위한 공기 주입구를 구비한다.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 하우징은 제1회수라인과 연결되어 그 내부의 더운 공기를 공기 혼합탱크로 배출시키기 위한 공기 배출구를 구비한다.
삭제
삭제
본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 공기 혼합탱크는 제1회수라인과 연결되어 상기 더운 공기가 유입되는 제1유입구와, 상기 제2회수라인과 연결되어 상기 미반응 공기가 유입되는 제2유입구를 구비한다.
또한, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 공기 혼합부재는, 상기 하우징 및 상기 미반응 공기가 배출되는 배출부와 연결 설치되며, 상기 더운 공기와 미반응 공기가 혼합된 혼합 공기를 외부로 배출시키기 위한 유출구를 가진 공기 합류라인을 구비할 수도 있다.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 공기 혼합부재는 상기 하우징과 공기 합류라인을 소정 유로로 연결하는 제1회수라인과, 상기 배출부와 공기 합류라인을 소정 유로로 연결하는 제2회수라인을 구비한다.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 하우징은 제1회수라인과 연결되어 그 내부의 더운 공기를 공기 합류라인으로 배출시키기 위한 공기 배출구를 구비할 수도 있다.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 공기 합류라인은 제1회수라인과 연결되어 상기 더운 공기가 유입되는 제1유입구와, 상기 제2회수라인과 연결되어 상기 미반응 공기가 유입되는 제2유입구를 구비할 수도 있다. 그리고 상기 공기 합류라인는 3-웨이(3-WAY) 배관인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 스택과 연료 공급장치 사이에, 상기 연료 공급장치로부터 공급받은 연료를 개질하여 수소 가스를 생성시키는 개질기가 배치되어 상기 연료 공급장치와 스택에 연결 설치될 수 있다.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrance Fuel Cell: PEMFC) 방식으로 이루어진다.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC) 방식으로 이루어질 수도 있다.
따라서, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 스택을 냉각하면서 데워진 더운 공기와 스택을 통해 배출되는 미반응 공기를 혼합하여 그 미반응 공기를 응축되지 않은 기화된 상태로 배출시킬 수 있는 구조를 가지므로, 스택을 냉각하면서 손실되는 열에너지를 줄일 수 있는 점에 그 특징이 있다. 또한, 스택으로부터 배출되는 미반응 공기가 응축되면서 생기는 물을 저장하거나 재활용할 수 있는 별도의 장치를 설치할 필요가 없으므로, 이에 따른 열 또는 전기 에너지의 손실을 줄여 전체적인 시스템의 효율 및 성능을 더욱 향상시킬 수 있는 점에 또 다른 특징이 있다.
이하, 본 발명을 명확히 하기 위한 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 도시한 개략도이고, 도 2는 도 1에 도시한 스택 구조를 나타내 보인 분해 사시도이다.
도면을 참고하면, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)은, 메탄올 또는 천연 가스와 같이 탄화수소 계열의 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키고, 그 수소 가스와 공기 중의 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 생기는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrode Membrane Fuel Cell; PEMFC) 방식을 채용한다.
본 시스템(100)은 기본적으로, 수소를 함유한 연료와 공기 중의 산소를 공급받아 이들의 전기 화학적인 반응에 의해 실질적으로 전기를 생산해 내는 스택(10)과, 상기한 연료를 저장하고 그 연료를 스택(10)으로 공급하는 연료 공급장치(30)와, 연료 공급장치(30)와 연결 설치되며 이 연료 공급장치(30)로부터 공급받은 연료를 개질하여 수소 가스를 만들어 내는 개질기(50)를 포함한다.
대안으로서, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)은 액상의 메탄올 연료를 직접 스택(10)으로 공급하여 전기를 생산해 낼 수 있는 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC) 방식을 채용할 수도 있다. 이러한 직접 메탄올형 연료 방식의 연료 전지는 위와 같은 고분자 전해질형 연료 전지와 달리, 도 1에 도시한 개질기(50)가 배제된 구조를 가진다. 그러나, 이하에서는 고분자 전해질형 연료 전지 방식을 채용한 연료 전지 시스템(100)을 예로 들어 설명할 뿐, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
전술한 바 있는 개질기(50)는 통상적인 고분자 전해질형 연료 전지에 채용되는 개질기의 구성으로 이루어지므로 본 명세서에서 그 자세한 설명한 생략하기로 한다.
상기 연료 공급장치(30)는 수소를 함유하는 연료가 저장되는 연료 탱크(미도시)와, 연료 탱크 내에 저장된 연료를 소정의 펌핑력을 이용하여 개질기(50)에 공급할 수 있는 연료 펌프(미도시)를 포함하는 통상적인 연료 공급장치를 구비한다.
상기 스택(10)은 개질기(50)를 통해 개질된 수소 가스와 공기 중의 산소를 공급받아 이들의 산화/환원 반응을 유도하여 최종적으로 전기 에너지를 발생시키는 복수의 단위 셀(11)을 구비한다.
상기 각각의 단위 셀(11)은 전기를 발생시키는 주요 부분으로서, 수소 가스와 산소 가스를 산화/환원시키는 전극-전해질 합성체(Membrane Electrode assembly: MEA )(12)와, 수소 가스와 산소 가스를 전극-전해질 합성체(12)로 공급하기 위한 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)(16)로 구성된다.
이러한 단위 셀(11)은 전극-전해질 합성체(12)를 중심에 두고 이의 양측에 바이폴라 플레이트(16)가 각각 배치된다. 이로서 스택(10)은 위와 같은 복수의 단위 셀(11)이 연속적으로 배치됨으로써 구성된다. 여기서 스택(10)의 최외측에 각각 위치하는 바이폴라 플레이트(16)는 엔드 플레이트(13)라고 정의한다.
상기 전극-전해질 합성체(12)는 양측면을 이루는 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 전해질막이 개재된 통상적인 MEA(Membrane Electrode Assembly)의 구조를 가진다. 애노드 전극은 수소 가스를 전자와 수소 이온으로 변환시키는 촉매층과, 전자와 수소 이온의 원활한 이동을 위한 지지층으로 구성된다. 캐소드 전극은 산소 가스를 전자와 산소 이온으로 변환시키는 촉매층과, 전자와 산소 이온의 원활한 이동을 위한 지지층으로 구성된다. 그리고 전해질막은 두께가 50∼200㎛인 고체 폴리머 전해질로서, 애노드 전극의 촉매층에서 생성된 수소 이온을 캐소드 전극의 촉매층으로 이동시키는 이온 교환의 기능을 가진다.
상기 바이폴라 플레이트(16)는 전극-전해질 합성체(12)의 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체의 기능을 가진다. 그리고 바이폴라 플레이트(16)는 전극-전해질 합성체(12)의 산화/환원 반응에 필요한 수소 가스와 산소 가스를 애노드 전극과 캐소드 전극에 공급하는 통로의 기능도 가진다. 이를 위해, 바이폴라 플레이트(16)의 표면에는 전극-전해질 합성체(12)의 산화/환원 반응에 필요한 반응 가스를 공급하기 위한 유로 채널(17)이 형성된다.
이러한 바이폴라 플레이트(16)는 전극-전해질 합성체(12)를 사이에 두고 그 양측에 각각 배치되어 전극-전해질 합성체(12)의 애노드 전극 및 캐소드 전극에 밀착된다. 그리고 바이폴라 플레이트(16)는 전극-전해질 합성체(12)의 애노드 전극 및 캐소드 전극에 각각 밀착되는 밀착면에 애노드 전극으로 수소 가스를 공급하고, 캐소드 전극으로 산소 가스를 공급하기 위한 상기 유로 채널(17)이 형성된다.
상기 각각의 엔드 플레이트(13)는 스택(10)의 최외측에 각각 배치되는 바이폴라 플레이트로서, 전극-전해질 합성체(12)의 애노드 전극 및 캐소드 전극 중 어느 하나의 전극에 밀착된다. 그리고 전극-전해질 합성체(12)에 밀착되는 엔드 플레이트(13)의 밀착면에는 상기 어느 하나의 전극으로 수소 가스 및 산소 가스 중 어느 하나의 가스를 공급하기 위한 유로 채널(17)이 형성된다.
또한 각각의 엔드 플레이트(13)에는 어느 하나의 유로 채널(17)에 수소 가스를 주입하기 위한 파이프 형상의 제1공급관(13a)과, 다른 하나의 유로 채널(17)에 산소 가스를 주입하기 위한 파이프 형상의 제2공급관(13b)과, 복수의 단위 셀(11)에서 최종적으로 미반응되고 남은 수소 가스를 외부로 배출시키기 위한 제1배출관(13c)과, 상기한 단위 셀(11)에서 최종적으로 미반응된 공기를 외부로 배출시키기 위한 제2배출관(13d)을 구비한다. 여기서 상기 제1공급관(13a)은 개질기(50)로부터 생성된 수소 가스를 엔드 플레이트(13)의 유로 채널(17)을 통해 전극-전해질 합성체(12)로 공급하도록 개질기(50)와 연료 공급라인(51)으로 연결된다.
따라서, 상기와 같은 구성을 가진 스택(10)은 다음의 반응식 1과 같은 반응에 따라 전기와 열 그리고 물을 생성하게 된다.
<반응식 1>
양극반응: H2 → 2H+ + 2e-
음극반응: O2 + 2H+ + 2e- → H2O
전체반응: H2 + O2 → H2O + 전류 + 열
반응식 1을 참고하면, 바이폴라 플레이트(16)을 통해 전극-전해질 합성체(12)의 애노드 전극으로 수소 가스가 공급되고, 캐소드 전극으로 공기가 공급된다. 상기한 수소 가스가 애노드 전극으로 흐르게 되면 촉매층에서 수소가 전자와 프로톤(수소이온)으로 분해된다. 프로톤이 전해질막을 통하여 이동되면 역시 촉매의 도움으로 캐소드 전극에서 전자와 산소이온 그리고 이동된 프로톤이 합쳐져서 물을 생성한다. 여기서 애노드 전극에서 생성된 전자는 전해질막을 통하여 이동되지 못하고 외부 회로를 통하여 캐소드 전극으로 이동된다. 이러한 과정을 거치면서 전기와 물을 생성하게 된다.
이러한 연료 전지 시스템(100)의 작용시, 스택(10)에서는 수소 가스와 산소 가스의 화학적인 반응에 의해 열이 발생하게 된다. 그리고 스택(10)에서는 바이폴라 플레이트(16)를 통해 전극-전해질 합성체(12)의 캐소드 전극으로 공급되는 공기 중의 일부가 전기 생성을 위해 반응을 하고 나머지 공기가 미반응되어 다량의 수분을 함유한 상태로 제2배출관(13d)을 통해 배출된다. 이 때, 상기한 미반응 공기를 종래와 같이, 이보다 상대적으로 낮은 온도의 대기로 방출할 경우, 그 미반응 공기가 대기와 접촉하면서 응축이 일어나게 된다.
이에 본 발명의 실시예는 스택(10)에서 발생하는 열을 외부의 공기로 냉각하고, 스택(10)을 냉각하면서 데워진 공기와 스택(10)의 제2배출관(13d)을 통해 배출되는 미반응 공기를 혼합하여 상기한 미반응 공기를 응축되지 않은 기화된 상태로 외부에 배출시킬 수 있는 구조를 가진다.
본 시스템(100)은 스택(10)의 단위 셀들(11)을 감싸도록 밀폐된 공간을 형성하는 하우징(71)과, 하우징(71)의 내부로 외부 공기를 주입하여 단위 셀(11)로부터 발생하는 열을 냉각하기 위한 송풍부재(72)와, 하우징(71)의 내부에서 단위 셀(11)을 냉각하면서 데워진 더운 공기와 스택(10)의 제2배출관(13d)을 통해 배출되는 미반응 공기를 혼합하여 기화된 상태로 외부에 배출시키기 위한 공기 혼합부재(80)를 구비한다.
상기 하우징(71)은 전극-전해질 합성체(12)와 바이폴라 플레이트(16)로 이루어진 복수의 단위 셀들(11)을 수용하기 위한 것으로서, 소정 용적의 내부 공간이 형성된 밀폐 용기를 구비한다. 하우징(71)에는 다음에 설명하는 송풍부재(72)와 연결되는 공기 주입구(71A)와, 공기 혼합부재(80)와 연결되는 공기 배출구(71B)가 각각 형성된다. 그리고 하우징(71)에는 스택(10)의 제2공급관(13b)이 관통하는 제1연결포트(71C)와, 제1공급관(13a)이 관통하는 제2연결포트(71D)와, 제2배출관(13d)이 관통하는 제3연결포트(71E)와, 제1배출관(13c)이 관통하는 제4연결포트(71F)를 구비한다.
상기 송풍부재(72)는 스택(10)의 운전시 복수의 단위 셀(11)로부터 발생하는 열을 외부의 공기를 송풍하여 냉각시키기 위한 것이다. 송풍부재(72)는 외부 공기를 흡입하는 통상적인 구조의 송풍팬(73)과, 하우징(71)의 공기 주입구(71A)와 송풍팬(73)을 연결하여 송풍팬(73)에 의해 외부로부터 흡입되는 공기를 하우징(71)의 내부 공간으로 주입하는 파이프 형태의 송풍라인(74)을 구비한다.
한편, 본 실시예에 따르면, 하우징(71)의 내부 공간으로 주입되는 외부 공기에 의해 복수의 단위 셀(11)로부터 발생하는 열을 냉각하도록 적어도 하나의 단위 셀(11) 사이에 상기한 외부 공기가 통과할 수 있는 통과공(19)이 마련된다. 통과공(19)은 바이폴라 플레이트(16)의 유로 채널(17)의 반대쪽 면에 형성된 홈(19a)을 포함한다. 따라서, 통과공(19)은 바이폴라 플레이트(16)의 상기한 반대쪽 면이 서로 밀착되면서 전술한 홈(19a)이 합쳐짐으로써 공기의 이동 통로를 형성하게 된다.
상기 공기 혼합부재(80)는 하우징(71)의 내부에서 복수의 단위 셀(11)을 냉각하면서 소정 온도로 데워진 더운 공기와, 스택(10)에서 완전히 반응하지 못하고 수분을 다량 함유한 상태로 제2배출관(13d)을 통해 배출되는 미반응 공기를 혼합하여 외부로 배출시키기 위한 것이다. 이와 같이 혼합부재(80)를 이용하여 상기한 더운 공기와 미반응 공기를 혼합하는 이유는 복수의 단위 셀(11)을 냉각하면서 대략 30~40℃의 온도로 데워진 공기가 수분을 함유할 수 있는 능력 즉, 이슬점(Dew Point)이 높기 때문에, 이러한 더운 공기를 수분이 다량 함유된 미반응 공기와 혼합시킴으로써 미반응 공기를 응축되지 않은 기화된 상태로 외부에 배출시키기 위함이다. 또 다른 이유는 수분을 다량 함유한 미반응 공기에 수분이 거의 함유되지 않은 더운 공기를 혼합하게 되면, 그 미반응 공기에 공기량이 더욱 증가됨에 따라 미반응 공기가 응축되지 않은 상태를 유지하기 때문이다. 여기서 공기 혼합부재(80) 내부의 혼합 공기는 응축이 되지 않은 기화된 상태로 스택(10)의 외측으로 배출되는 것을 의미한다.
이와 같은 공기 혼합부재(80)는 하우징(71)과 스택(10)의 제2배출관(13d)이 연결 설치되는 공기 혼합탱크(81)와, 하우징(71)과 공기 혼합탱크(81)를 소정 유로로 연결하는 제1회수라인(82)과, 스택(10)의 제2배출관(13d)과 공기 혼합탱크(81)를 소정 유로로 연결하는 제2회수라인(83)을 구비한다.
상기 공기 혼합탱크(81)는 소정 용적의 내부 공간을 가진 밀폐 탱크로서, 하우징(71) 내부의 더운 공기가 유입되는 제1유입구(81a)와, 스택(10)의 제2배출관(13d)을 통해 배출되는 미반응 공기가 상기 내부 공간으로 유입될 수 있는 제2유입구(81b)와, 그 내부 공간에서 서로 혼합된 더운 공기와 미반응 공기의 혼합 공기를 외부로 배출시키기 위한 유출구(81c)를 구비한다. 여기서 하우징(71) 내부의 더운 공기는 송풍부재(72)로부터 작용하는 송풍 압력에 의해 제1유입구(81a)를 통해 공기 혼합탱크(81)의 내부 공간으로 유입될 수 있다. 그리고 공기 혼합탱크(81) 내부의 혼합 공기는 송풍부재(72)로부터 작용하는 송풍 압력에 의해 유출구(81c)를 통해 외부로 배출될 수 있다.
대안으로서, 상기 공기 혼합부재(80)는 공기 혼합탱크(81) 내부의 혼합 공기를 유출구(81c)를 통해 외부로 배출시키기 위한 별도의 펌프(미도시)가 공기 혼합탱크(81)의 내부 공간에 설치될 수도 있다.
상기 제1회수라인(82)은 하우징(71)의 공기 배출구(71B)와 제1유입구(81a)를 연결하는 파이프 형상의 배관을 구비한다. 그리고 제2회수라인(83)은 스택(10)의 제2배출관(13d)과 제2유입구(81b)를 연결하는 파이프 형상의 배관을 구비한다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 동작을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 동작을 설명하기 위한 개략도이다.
도면을 참고하면, 전술한 바 있는 스택(10)의 구동에 의해 전기를 발생하는 도중, 스택(10)의 단위 셀(11)에서는 수소 가스와 산소 가스의 화학적인 반응에 의해 열이 발생하게 된다.
단위 셀(11)에서 발생하는 열을 냉각하기 위해, 송풍팬(73)이 외부의 공기를 흡입하여 하우징(71)의 내부 공간으로 주입시킨다. 그러면, 외부 공기가 단위 셀(11)의 통과공(19)을 통과하게 된다. 따라서, 단위 셀(11)에서 발생하는 열은 통과공(19)을 통과하는 비교적 차가운 외부 공기에 의해 냉각되고, 외부 공기는 그 열을 회수하여 소정 온도로 데워지게 된다.
하우징(71) 내부의 더운 공기는 송풍팬(73)의 송풍 압력에 의해 공기 배출구(71B)를 통해 배출되고, 이어서 제1회수라인(82)을 따라 공기 혼합탱크(81)의 내부 공간으로 주입된다.
이러는 과정을 거치는 동안, 스택(10)의 제2공급관(13b)을 통해 바이폴라 플레이트(16)로 공급되는 외부 공기는 그 일부가 전기 생성을 위해 반응되고 나머지는 미반응되어 수분을 다량 함유한 상태로 제2배출관(13d)을 통해 배출된다.
상기 제2배출관(13d)을 통해 배출되는 미반응 공기는 제2회수라인(83)을 따라 공기 혼합탱크(81)의 내부 공간으로 주입되어 이미 그 내부 공간에 주입된 더운 공기와 혼합된다. 그러면, 공기 혼합탱크(81)의 내부 공간에 주입된 미반응 공기는 상대적으로 높은 온도를 유지하는 더운 공기와 혼합되면서 응축 현상이 발생하지 않게 된다.
마지막으로, 공기 혼합탱크(81)의 내부 공간에 수용된 혼합 공기는 미반응 공기가 더운 공기에 의해 기화된 상태로 유출구(81c)를 통해 외부로 배출된다. 이 때 상기 혼합 공기는 송풍팬(73)으로부터 작용하는 송풍 압력에 의해 혼합탱크(81)의 외부로 배출된다.
따라서, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은 이와 같은 일련의 반복적인 동작에 의해 스택의 전기 생성 및 냉각이 이루어지게 되고, 스택을 냉각하면서 데워진 공기와 스택으로부터 배출되는 미반응 공기를 혼합하여 그 혼합 공기를 응축이 되지 않은 기화된 상태로 외부에 배출시키게 된다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 도시한 상세도이다.
도면을 참고하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템(200)은 전기 제1 실시예와 달리, 스택(10)의 단위 셀(11)을 냉각하면서 데워진 더운 공기와, 스택(10)의 제2배출관(13d)을 통해 배출되는 미반응 공기를 혼합하는 공기 합류라인(91)을 가진 공기 혼합부재(90)가 구비된다.
상기 공기 합류라인(91)은 소정의 유체가 3 군데의 분기된 통로로 유,출입될 수 있는 통상적인 3-웨이(WAY) 배관을 구비한다. 이러한 합류라인(91)은 제1회수라인(82)과 연결되어 하우징(71) 내부의 더운 공기가 유입되는 제1유입구(91a)와, 제2회수라인(83)과 연결되어 스택(10)의 제2배출관(13d)을 통해 배출되는 미반응 공기가 상기 내부 공간으로 유입될 수 있는 제2유입구(91b)와, 그 내부 공간에서 서로 혼합된 더운 공기와 미반응 공기의 혼합 공기를 외부로 배출시키기 위한 유출구(91c)를 구비한다.
대안으로서, 공기 합류라인(91)은 도면에 도시한 형상에 한정되지 않고, 3 군데의 분기된 통로 중 어느 하나의 통로가 유출구(91c)이고, 나머지 통로가 제1유입구(91a) 또는 제2유입구(91b) 중 어느 하나로 이루어질 수도 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 하우징(71) 내부의 더운 공기는 송풍부재(72)의 송풍 압력에 의해 제1회수라인(82)을 따라 공기 합류라인(91)의 제1유입구(91a)로 유입된다.
이와 동시에, 스택(10)의 제2배출관(13d)을 통해 배출되는 미반응 공기는 제2회수라인(83)을 따라 공기 합류라인(91)의 제2유입구(91b)로 유입된다.
따라서, 제1유입구(91a)를 통해 유입되는 더운 공기와 제2유입구(91b)를 통해 유입되는 미반응 공기가 공기 합류라인(91)의 관로 내에서 서로 합류된다. 그러면, 다량의 수분을 함유하고 있는 미반응 공기는 상대적으로 높은 온도를 유지하는 더운 공기와 혼합되면서 응축 현상이 발생하지 않게 된다. 마지막으로, 이와 같이 혼합된 혼합 공기는 미반응 공기가 더운 공기에 의해 기화된 상태로 공기 합류라인(91)의 유출구(91c)를 통해 외부로 배출된다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 도시한 상세도이다.
도면을 참고하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료 전지 시스템(300)은 전기 제1 실시예와 달리, 송풍팬(93)이 하우징(71)의 공기 주입구(71A)(도 1 참조) 측에 설치되어 외부 공기를 송풍라인(74)(도 1 참조)을 거치지 않고 직접 하우징(71)의 내부 공간으로 공급할 수 있는 송풍부재(92)가 구비된다.
따라서 상기한 송풍부재(92)를 채용한 본 발명은 전기 실시예와 달리, 송풍라인(74)이 배재된 구조로서 전체적인 시스템을 보다 컴팩트하게 구현할 수 있다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 의하면, 스택을 냉각하면서 데워진 더운 공기와 스택을 통해 배출되는 미반응 공기를 혼합하여 그 미반응 공기를 응축되지 않은 기화된 상태로 배출시킬 수 있는 구조를 가지므로, 스택을 냉각하면서 손실되는 열에너지를 줄일 수 있다.
또한, 스택으로부터 배출되는 미반응 공기가 응축되면서 생기는 물을 저장하거나 재활용할 수 있는 별도의 장치를 설치할 필요가 없으므로, 이에 따른 열 또는 전기 에너지의 손실을 줄여 전체적인 시스템의 효율 및 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 도시한 개략도이다.
도 2는 도 1에 도시한 스택 구조를 나타내 보인 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 동작을 설명하기 위한 개략도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 도시한 개략도이다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 도시한 개략도이다.

Claims (18)

  1. 수소를 함유한 연료와 외부의 공기를 공급받아 수소 가스와 산소 가스의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 복수의 단위 셀을 구비한 스택;
    상기 연료를 저장하고 이 연료를 상기 스택으로 공급하는 연료 공급장치;
    외부 공기를 송풍하여 전기의 생성시 상기 단위 셀에서 발생하는 열을 냉각하는 송풍부재;
    상기 송풍부재에 의해 단위 셀을 냉각하면서 데워진 공기와, 상기 스택에서 미반응되고 수분을 함유한 상태로 배출되는 공기를 혼합하여 외부로 배출시키기 위한 공기 혼합부재; 및
    상기 복수의 단위 셀 전체를 감싸고 상기 송풍부재 및 공기 혼합부재에 각각 연결 설치되는 하우징
    을 포함하며,
    상기 공기 혼합부재는, 하우징 및 상기 미반응 공기가 배출되는 배출부와 연결 설치되고 상기 더운 공기와 미반응 공기가 혼합된 혼합 공기를 외부로 배출시키기 위한 유출구를 가진 공기 혼합탱크와, 상기 하우징과 공기 혼합탱크를 소정 유로로 연결하는 제1회수라인과, 상기 배출부와 공기 혼합탱크를 소정 유로로 연결하는 제2회수라인을 포함하는 연료 전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 단위 셀이, 수소 가스와 산소 가스를 산화/환원시키는 전극-전해질 합성체(Membrane Electrode Assembly: MEA) 및 상기 산화/환원 반응에 필요한 가스를 전극-전해질 합성체에 공급하는 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)를 포함하며,
    적어도 하나의 단위 셀 사이에 상기 송풍부재로부터 공급되는 외부의 공기가 통과할 수 있는 적어도 하나의 통과공을 구비하는 연료 전지 시스템.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 송풍부재는 하우징의 내부에 외부의 공기를 주입하는 송풍팬을 구비하는 연료 전지 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 하우징과 송풍팬을 소정 유로로 연결하는 송풍라인을 구비하는 연료 전지 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 하우징은 송풍라인과 연결되어 외부 공기를 하우징의 내부로 주입시키기 위한 공기 주입구를 구비하는 연료 전지 시스템.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 하우징은 제1회수라인과 연결되어 그 내부의 더운 공기를 공기 혼합탱크로 배출시키기 위한 공기 배출구를 구비하는 연료 전지 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 공기 혼합탱크는 제1회수라인과 연결되어 상기 더운 공기가 유입되는 제1유입구와, 상기 제2회수라인과 연결되어 상기 미반응 공기가 유입되는 제2유입구를 구비하는 연료 전지 시스템.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 공기 혼합부재는, 상기 하우징 및 상기 미반응 공기가 배출되는 배출부와 연결 설치되며, 상기 더운 공기와 미반응 공기가 혼합된 혼합 공기를 외부로 배출시키기 위한 유출구를 가진 공기 합류라인을 구비하는 연료 전지 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 하우징과 공기 합류라인을 소정 유로로 연결하는 제1회수라인과, 상기 배출부와 공기 합류라인을 소정 유로로 연결하는 제2회수라인을 구비하는 연료 전지 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 하우징은 제1회수라인과 연결되어 그 내부의 더운 공기를 공기 합류라인으로 배출시키기 위한 공기 배출구를 구비하는 연료 전지 시스템.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 공기 합류라인은 제1회수라인과 연결되어 상기 더운 공기가 유입되는 제1유입구와, 상기 제2회수라인과 연결되어 상기 미반응 공기가 유입되는 제2유입구를 구비하는 연료 전지 시스템.
  15. 제 11 항 내지 제 14 항 중 선택된 어느 한 항에 있어서,
    상기 공기 합류라인는 3-웨이(3-WAY) 배관인 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 스택과 연료 공급장치 사이에, 상기 연료 공급장치로부터 공급받은 연료를 개질하여 수소 가스를 생성시키는 개질기가 배치되어 상기 연료 공급장치와 스택에 연결 설치되는 연료 전지 시스템.
  17. 제 1 항 또는 제 16 항에 있어서,
    상기 연료 전지 시스템이, 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrance Fuel Cell: PEMFC) 방식으로 이루어지는 연료 전지 시스템.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 전지 시스템이, 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC) 방식으로 이루어지는 연료 전지 시스템.
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