KR100641125B1 - 충전부를 구비한 연료전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 충전부를 구비한 연료전지에 관한 것으로서, 연료를 공급하는 연료공급부와; 상기 연료공급부에서 연료를 공급받아 수소가스를 포함하는 수소부유가스를 발생시키는 개질기부와; 상기 개질기부에서 발생되는 수소가스와 별도로 공급되는 산소의 전기화학반응으로 전기와 열을 발생시키는 스택부와; 상기 스택부의 일측에 설치되어 상기 스택부에서 발생된 전기를 사용할 수 있도록 전력을 변환시키는 전력변환기와; 상기 전력변환기의 일측에 연결되어 전기기기를 충전할 수 있도록 하는 충전부를; 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다. 이에 의해, 연료전지의 야간구동에 의하여 잉여된 전기를 이용하여 전기자동차를 충전할 수 있는 충전부를 구비한 연료전지가 제공된다.

Description

충전부를 구비한 연료전지{FUEL CELL HAVING CHARGING PART}
도 1은 종래의 연료전지의 구조를 도시한 개략도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 충전부를 구비한 연료전지의 구조를 도시한 개략도,
도 3은 도 2의 충전부의 구조를 도시한 개략도.
** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **
10 : 연료공급부 20 : 개질기부
30 : 스택부 40 : 전력변환기
60 : 충전부 61 : 스위칭모드 파워서플라이
62 : 쌍극증폭기 63 : 리드선
본 발명은, 충전부를 구비한 연료전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 연료전지의 야간구동에 의하여 잉여된 전기를 이용하여 전기자동차를 충전할 수 있는 충전부를 구비한 연료전지에 관한 것이다.
현재 건물에서 사용하고 있는 전기에너지는 발전소에서 화력이나 수력 등에 의해 발전을 일으켜 발생되는 것이다. 그리고 발전소에서 발전된 전기에너지는 송전선을 통해 각 지역의 건물, 즉 가정으로 공급되며 그 공급되는 전기에너지로 텔레비전, 형광등, 냉장고, 에어컨 등을 작동하여 생활을 편리하고 유익하게 하고 있다.
그런데 현재 사용 중인 전기에너지를 발전소에서 얻기 위하여 발전소에서 기름이나 석탄을 연소시켜 그 열에너지를 전기에너지로 변환시켜 전기에너지를 얻게 되므로 사용되는 연료 에너지에 비해 발전 효율이 매우 낮고, 또한 그 발전소에서 발전된 전기에너지를 각 지역의 건물에 송전선을 통해 공급하는 과정에서 손실이 크게 발생되어 연료 에너지의 소모에 비해 각 건물에서 사용되는 전기에너지의 효율이 매우 낮다. 즉, 각 건물에서 사용하는 전기에너지를 얻기 위해 과다하게 많은 연료 에너지가 소모된다. 또한, 이로 인하여 많은 기름이나 석탄 등의 연료 에너지를 연소시키면서 발생되는 오염 물질에 의해 환경 오염을 유발시키게 되는 문제점이 있다.
따라서, 근래에는 에너지 효율이 우수할 뿐만 아니라 환경 친화적으로 전기에너지를 발생시키는 연료전지가 개발되고 있다. 이와 같은 연료전지는 외부로부터 연속적으로 공급되는 연료와 공기의 전기화학반응을 통하여 연료가 가진 화학 에너지를 직접 전기에너지로 발전시키는 장치이다.
도 1은 종래의 연료전지의 구조를 도시한 개략도이다.
도면에 도시한 바와 같이, 연료전지 시스템은 일정량의 연료를 공급하는 연료공급부(10)와, 연료공급부(10)의 연료를 공급받아 수소가스와 열을 포함하는 수 소부유가스를 발생시키는 개질기부(20)와, 개질기부(20)에서 발생되는 수소가스와 별도로 공급되는 산소의 전기화학반응으로 전기와 열을 발생시키는 스택부(30)와, 스택부(30)에서 발생된 전기를 변환시키는 전력변환기(40)로 구성되어 있다.
개질기부(20)는 연료공급부(10)를 통해 공급되는 연료가 물과 공기와 함께 유입되어 상기 연료에 함유된 황을 제거하는 탈황반응기(DS, 21)와, 연료와 수증기가 반응하는 수증기 개질반응기(SR, 22)와, 일산화탄소와 수증기가 반응하도록 하는 고온수반응기(HTS, 23)와, 일산화탄소를 이산화탄소로 변환시키는 저온수반응기(LTS, 24)와, 산화되지 않은 일산화탄소를 이산화탄소로 변환시키는 부분산화반응기(PRO, 25) 및 개질반응 그리고 수소정제반응이 일어나면서 연료로부터 수소가 생성되는 반응로(26)와, 반응로(26)에 접촉 결합되어 반응로(26)에서 필요한 열을 공급하는 버너(27)로 이루어진다.
스택부(30)는 연료극(31)과 전해질막(32) 그리고 공기극(33)을 포함하여 구성되는 단위 전지가 다수개 적층되어 이루어지며 스택부(30)의 일측에는 전력변환기(40)가 설치되어 있는데 전력변환기(40)는 스택부(30)에서 발생된 직류전류를 가정용으로 사용할 수 있도록 교류전류로 변환시키는 장치이다.
개질기부(20)에서 발생된 수소부유가스를 스택부(30)로 공급하는 공급라인(34)의 중간에는 상기 수소부유가스가 포함하고 있는 일산화탄소의 농도를 검출할 수 있도록 농도검출센서(50)가 설치되어 있다.
도면 중 미설명 부분인 11, 13은 압축기이고 12는 공기 공급부이다.
상기한 바와 같은 구조를 갖는 종래의 연료전지의 작동은 다음과 같다.
먼저, 연료공급부(10)에서 메탄올이나 천연액화가스(일명; LNG) 또는 가솔린 등의 연료와 물을 개질기부(20)에 공급하게 되면 개질기부(20)에서 수증기 개질 반응(Steam Reforming) 및 부분 산화 반응(Partial Oxidation)이 복합적으로 일어나면서 수소가스와 반응열과 그리고 물을 포함하는 수소부유가스를 발생시키게 된다.
상기 수소부유가스를 공급받은 스택부(30)에서는 수소가스(H2)가 연료극(Anode; 일명, 산화전극)(31)측에 공급되어 전기 화학적 산화 반응이 일어나면서 수소이온 H+ 과 전자 e- 로 이온화되면서 산화된다. 이온화된 수소이온은 전해질막(32)을 통해 공기극(Cathode; 일명, 환원전극)(33)측으로 이동하게 되고 아울러 전자는 연료극(31)을 통해 이동하게 되어 전기와 열과 물을 발생시키게 된다. 스택부(30)에서 발생된 전기는 전력변환기(40)에 의해 변환되면서 전기 제품을 가동시키게 된다.
그런데, 종래의 연료전지에 있어서는, 냉장고 등과 같은 가전제품은 24시간동안 전력이 공급되어야 하므로 연료전지가 계속 구동되어, 사용되는 가전제품의 개수와 관계없이 동일한 전력이 공급되지만, 야간시간에는 사용되는 가전제품의 개수가 줄어들어 사용되지 않은 잉여전기는 버려지므로 연료전지에 사용되는 연료에 비하여 사용되는 소비전력은 적으므로 연료가 불필요하게 낭비된다고 하는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은, 연료전지의 야간구동에 의하여 잉여된 전기를 이 용하여 전기자동차를 충전할 수 있는 충전부를 구비한 연료전지를 제공하는 것이다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 연료를 공급하는 연료공급부와; 상기 연료공급부에서 연료를 공급받아 수소가스를 포함하는 수소부유가스를 발생시키는 개질기부와; 상기 개질기부에서 발생되는 수소가스와 별도로 공급되는 산소의 전기화학반응으로 전기와 열을 발생시키는 스택부와; 상기 스택부의 일측에 설치되어 상기 스택부에서 발생된 전기를 사용할 수 있도록 전력을 변환시키는 전력변환기와; 상기 전력변환기의 일측에 연결되어 전기기기를 충전할 수 있도록 하는 충전부를; 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 충전부를 구비한 연료전지에 의해 달성된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 충전부를 구비한 연료전지의 구조를 도시한 개략도, 도 3은 도 2의 충전부의 구조를 도시한 개략도이다.
이들 도면에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 충전부(60)를 구비한 연료전지는, 연료를 공급하는 연료공급부(10)와, 연료공급부(10)에서 연료를 공급받아 수소가스를 포함하는 수소부유가스를 발생시키는 개질기부(20)와, 개질기부(20)에서 발생되는 수소가스와 별도로 공급되는 산소의 전기화학반응으로 전기와 열을 발생시키는 스택부(30)와, 스택부(30)의 일측에 설치되어 스택부(30)에서 발생된 전기를 사용할 수 있도록 전력을 변환시키는 전력변환기(40)와, 전력변환기(40)의 일측에 연결되어 전기기기를 충전할 수 있도록 하는 충전부(60)를 포함 하여 구성되어 있다.
개질기부(20)는 연료공급부(10)를 통해 공급되는 연료가 물과 공기와 함께 유입되어 상기 연료에 함유된 황을 제거하는 탈황반응기(DS, 21)와, 연료와 수증기가 반응하는 수증기 개질반응기(SR, 22)와, 일산화탄소와 수증기가 반응하도록 하는 고온수반응기(HTS, 23)와, 일산화탄소를 이산화탄소로 변환시키는 저온수반응기(LTS, 24)와, 산화되지 않은 일산화탄소를 이산화탄소로 변환시키는 부분산화반응기(PRO, 25) 및 개질반응 그리고 수소정제반응이 일어나면서 연료로부터 수소가 생성되는 반응로(26)와, 반응로(26)에 접촉 결합되어 반응로(26)에서 필요한 열을 공급하는 버너(27)로 이루어진다.
스택부(30)는 연료극(31)과 전해질막(32) 그리고 공기극(33)을 포함하여 구성되는 단위 전지가 다수개 적층되어 이루어지며 스택부(30)의 일측에는 전력변환기(40)가 설치되어 있는데 전력변환기(40)는 스택부(30)에서 발생된 직류전류를 가정용으로 사용할 수 있도록 교류전류로 변환시키는 장치이다.
개질기부(20)에서 발생된 수소부유가스를 스택부(30)로 공급하는 공급라인(34)의 중간에는 상기 수소부유가스가 포함하고 있는 일산화탄소의 농도를 검출할 수 있도록 농도검출센서(50)가 설치되어 있다.
충전부(60)는 상기 전력변환기와 연결되어 각각 전기기기에 맞도록 전기를 변환시키는 스위칭모드 파워서플라이(SMPS, 61)와, 스위칭모드 파워서플라이(SMPS, 61)와 연결되어 스위칭모드 파워서플라이(SMPS, 61)를 통하여 변환된 전기를 증폭시키는 쌍극증폭기(BOP, 62)와, 쌍극증폭기(BOP, 62)와 연결되며 상기 전기기기를 충전할 수 있도록 하는 리드선(63)를 포함하여 구성되어 있다.
스위칭모드 파워서플라이(SMPS, 61)는 외부로부터 공급되는 전기를 컴퓨터, 컬러 텔레비전, 비디오 카트리지 녹화기(VCR), 교환기, 무선 통신 기기 등 각종 전기기기에 맞도록 변환시켜 주는 모듈형의 전원 공급 장치로서 반도체 스위칭 특성을 이용해 상용 주파수 이상의 고주파에 단속 제어를 하고 충격을 완화시켜 주는 역할을 한다.
SMPS는 회로 방식 및 입출력 전원의 종류에 따라 여러 가지로 구분되는데, 회로 방식 가운데 최신 기술로 꼽히는 것은 공진형(Resonant) 방식이고, 전원의 종류별로는 110V나 220V로 공급되는 교류(AC) 전기를 5~48V의 직류(DC)로 변환해 주는 AC/DC 변환기와 이를 다시 3.3~48V의 DC로 변환해 주는 DC/DC 변환기가 가장 많이 쓰이고 있다.
이러한 구성에 의하여, 연료공급부(10)에서 메탄올이나 천연액화가스(일명; LNG) 또는 가솔린 등의 연료와 물을 개질기부(20)에 공급하게 되면 개질기부(20)에서 수증기 개질 반응(Steam Reforming) 및 부분 산화 반응(Partial Oxidation)이 복합적으로 일어나면서 수소가스와 반응열과 그리고 물을 포함하는 수소부유가스를 발생시키게 된다.
상기 수소부유가스를 공급받은 스택부(30)에서는 수소가스(H2)가 연료극(Anode; 일명, 산화전극)(31)측에 공급되어 전기 화학적 산화 반응이 일어나면서 수소이온 H+ 과 전자 e- 로 이온화되면서 산화된다. 이온화된 수소이온은 전해질막 (32)을 통해 공기극(Cathode; 일명, 환원전극)(33)측으로 이동하게 되고 아울러 전자는 연료극(31)을 통해 이동하게 되어 전기와 열과 물을 발생시키게 된다.
스택부(30)에서 발생된 전기는 전력변환기(40)에 의해 변환되면서 각종 가정용 전기기기에 공급되어 전기기기를 가동시키게 되며, 야간 시간에는 사용되는 전기기기의 수가 감소되어 발생된 전기를 모두 소비하지 못하므로 야간 시간에 발생된 잉여 전기는 충전부(60)를 이용하여 전기자동차 뿐만 아니라 다른 충전이 필요한 전기기기를 충전하는데 이용함으로써 에너지효율을 높일 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 연료를 공급하는 연료공급부와; 상기 연료공급부에서 연료를 공급받아 수소가스를 포함하는 수소부유가스를 발생시키는 개질기부와; 상기 개질기부에서 발생되는 수소가스와 별도로 공급되는 산소의 전기화학반응으로 전기와 열을 발생시키는 스택부와; 상기 스택부의 일측에 설치되어 상기 스택부에서 발생된 전기를 사용할 수 있도록 전력을 변환시키는 전력변환기와; 상기 전력변환기의 일측에 연결되어 전기기기를 충전할 수 있도록 하는 충전부를; 구비하도록 함으로써, 연료전지의 야간구동에 의하여 잉여된 전기를 이용하여 전기자동차를 충전할 수 있는 충전부를 구비한 연료전지가 제공된다.

Claims (2)

  1. 연료를 공급하는 연료공급부와;
    상기 연료공급부에서 연료를 공급받아 수소가스를 포함하는 수소부유가스를 발생시키는 개질기부와;
    상기 개질기부에서 발생되는 수소가스와 별도로 공급되는 산소의 전기화학반응으로 전기와 열을 발생시키는 스택부와;
    상기 스택부의 일측에 설치되어 상기 스택부에서 발생된 전기를 사용할 수 있도록 전력을 변환시키는 전력변환기와;
    상기 전력변환기의 일측에 연결되어 전기기기를 충전할 수 있도록 하는 충전부를; 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 충전부를 구비한 연료전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 충전부는 상기 전력변환기와 연결되어 상기 전기기기에 맞도록 전기를 변환시키는 스위칭모드 파워서플라이(SMPS)와, 상기 스위칭모드 파워서플라이(SMPS)와 연결되어 상기 스위칭모드 파워서플라이(SMPS)를 통하여 변환된 전기를 증폭시키는 쌍극증폭기(BOP)와, 상기 쌍극증폭기(BOP)와 연결되며 상기 전기기기를 충전할 수 있도록 하는 리드선를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 충전부를 구비한 연료전지.
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