KR100649535B1 - 연료 전지 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템은, 수소, 및 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 연료전지 본체와, 부탄을 주성분으로 하는 가스 연료와 물의 혼합 연료를 개질하여 상기 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키고, 이 개질 가스를 상기 연료전지 본체로 공급하는 개질기와, 상기 가스 연료를 액화 상태로 저장하면서 상기 가스 연료를 상기 개질기로 공급하는 연료 탱크와, 상기 물을 저장하면서 상기 물을 상기 개질기로 공급하는 물 탱크를 포함하며, 상기 물 탱크는 상기 연료 탱크의 외주면을 감싸도록 구성되어 상기 물 자체의 열 에너지를 상기 연료 탱크에 제공하는 구조로서 이루어진다.

연료전지, 본체, 스택, 개질기, 연료탱크, 물탱크, 공기펌프, 부탄, 기화, 비열

Description

연료 전지 시스템 {FUEL CELL SYSTEM}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.

도 2는 도 1에 도시한 연료전지 본체의 구성을 나타내 보인 분해 사시도이다.

도 3은 도 1에 도시한 연료 탱크와 물 탱크의 결합 구조를 나타내 보인 분해 사시도이다.

도 4는 도 3의 결합 단면 구성도이다.

본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 부탄과 같이 액화 가스 연료를 사용하는 연료 전지 시스템에 관한 것이다.

알려진 바와 같이, 연료 전지(Fuel Cell)는 탄화 수소 계열의 연료에 함유되어 있는 수소, 및 산소의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 발생시키는 발전 시스템으로서 구성된다.

이러한 연료 전지는 크게, 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)와, 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxydation Membrane Fuel Cell)로 구분될 수 있다.

이 중에서 고분자 전해질형 연료 전지는 다른 연료 전지에 비하여 출력 특성이 탁월하며, 작동 온도가 낮고, 빠른 시동 및 응답 특성으로 인해 자동차와 같은 이동용 전원은 물론, 주택, 공공 건물과 같은 분산용 전원 및 전자기기용과 같은 소형 전원 등 그 응용 범위가 넓은 장점을 가진다.

이와 같은 고분자 전해질형 연료 전지 방식을 채용한 연료 전지 시스템은 스택(stack)이라 불리는 연료전지 본체와, 열 에너지를 이용하여 연료를 개질함으로써 이 연료로부터 수소를 발생시키고 이 수소를 연료전지 본체로 공급하는 개질기와, 산소를 연료전지 본체로 공급하기 위한 공기 펌프 또는 팬을 구비하고 있다. 따라서, 연료전지 본체에서는 개질기로부터 공급되는 수소와, 공기펌프 또는 팬의 가동에 의해 공급되는 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시킨다.

한편, 최근 들어서는 부탄과 같이 시중에서 쉽게 구할 수 있는 가스 연료를 사용하여 개질기에 의한 가스 연료의 개질 반응을 통해 수소를 발생시키는 연료 전지 시스템이 개시된 바 있다. 이러한 가스 연료는 비점이 낮고 비교적 작은 압력에도 쉽게 액화되기 때문에, 통상적으로 소정의 압력을 가하여 액화된 상태로 연료 탱크에 담겨져 개질기에 공급된다.

그런데, 이와 같은 종래의 연료 전지 시스템에 있어, 연료 탱크는 대기와 접촉하게 설치되는 바, 이 연료 탱크에 저장된 액화 가스 연료가 대기 중의 열을 빼 앗아 기체로 기화되면서 배출되기 때문에, 탱크의 표면 온도가 저하되면서 가스 연료의 비점 보다 더 낮게 떨어질 경우, 연료 탱크의 표면에 결로(結露) 현상이 발생하게 되고, 이에 따라 탱크의 내부 압력이 저하되면서 가스 연료의 기화 능력이 떨어지게 된다. 따라서, 연료 탱크는 실질적으로 기화되는 액화 가스 연료의 양이 줄어 듦에 따라 개질기로 연료를 원활하게 공급하지 못하게 된다.

본 발명은 상술한 문제점을 감안한 것으로서, 그 목적은 간단한 구조로서 연료 탱크에 제공되는 열 에너지를 극대화시킬 수 있는 연료 전지 시스템을 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템은, 수소, 및 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 연료전지 본체와, 부탄을 주성분으로 하는 가스 연료와 물의 혼합 연료를 개질하여 상기 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키고, 이 개질 가스를 상기 연료전지 본체로 공급하는 개질기와, 상기 가스 연료를 액화 상태로 저장하면서 상기 가스 연료를 상기 개질기로 공급하는 연료 탱크와, 상기 물을 저장하면서 상기 물을 상기 개질기로 공급하는 물 탱크를 포함하며, 상기 물 탱크는 상기 연료 탱크의 외주면을 감싸도록 구성되어 상기 물 자체의 열 에너지를 상기 연료 탱크에 제공하는 구조로서 이루어진다.

상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 물 탱크는 상기 물을 저장할 수 있는 소정의 저장 공간, 및 상기 연료 탱크와 형태의 결합을 이루는 수납부를 포함할 수 있다.

상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 연료 탱크는 상기 개질기와 연결되게 설치되며, 상기 수납부에 수납되는 원형의 캔 형태로서 구비될 수 있다. 여기서, 상기 수납부는 상기 연료 탱크의 길이에 상응하는 깊이를 가지면서 원형의 홈 형태로서 형성될 수 있다.

상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 물 탱크는 열전도성을 갖는 스테인레스 강으로서 이루어질 수 있다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.

이 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)을 설명하면, 이 연료 전지 시스템(100)은 연료, 및 산화제 가스를 이용하여 소정의 로드에 전기 에너지를 제공하는 발전 시스템으로서 구성된다.

구체적으로, 본 시스템(100)은 연료를 개질하여 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키고, 이 개질 가스의 산화 반응 및 산화제 가스의 환원 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrode Membrane Fuel Cell) 방식으로서 구성된다.

이러한 연료 전지 시스템(100)에 사용되는 연료는 메탄올, 에탄올, LPG, LNG, 가솔린 등과 같이 수소를 함유한 탄화수소 계열의 액체 또는 기체 연료를 포함할 수 있다. 그러나, 이하에서 설명하는 연료는 LPG 또는 LNG와 같은 기체 연료, 바람직하게는 부탄을 주성분으로 하는 가스 연료를 의미하며, 이러한 가스 연료와 물이 혼합된 연료를 이하에서는 혼합 연료라고 한다.

그리고 본 시스템(100)은 산화제 가스로서 별도의 저장수단에 저장된 산소 가스를 사용할 수 있으며, 산소를 함유하고 있는 공기를 그대로 사용할 수도 있다. 그러나 이하에서는 후자를 예로 하여 설명한다.

이와 같은 연료 전지 시스템(100)은, 고분자 전해질형 연료 전지로서 구성되는 연료전지 본체(10)와, 혼합 연료를 개질하여 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키고 이 개질 가스를 연료전지 본체(10)로 공급하는 개질기(30)와, 이 개질기(30)로 가스 연료를 공급하기 위한 연료 탱크(50)와, 개질기(30)로 물을 공급하기 위한 물 탱크(70)와, 공기를 연료전지 본체(10)로 공급하기 위한 공기 펌프(90)를 포함하여 구성된다.

연료전지 본체(10)는 개질기(30)와 공기 펌프(90)에 연결되게 설치되며, 이 개질기(30)로부터 개질 가스를 공급받고 공기 펌프(90)로부터 공기를 제공받아 개질 가스 중에 함유된 수소, 및 공기 중에 함유된 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 셀(cell) 단위의 전기 발생부(11)를 구비한다.

따라서, 본 실시예에 의한 연료전지 본체(10)는 이와 같은 전기 발생부(11) 를 복수로 구비하고, 이들 전기 발생부(11)를 연속적으로 배치함으로써 전기 발생부들(11)의 집합체 구조에 의한 스택(stack)으로서 구성될 수 있다.

도 2는 도 1에 도시한 연료전지 본체의 구성을 나타내 보인 분해 사시도로서, 본 실시예에 의한 연료전지 본체(10)는 언급한 바와 같이 전기 발생부들(11)의 집합체 구조로서 이루어지는 바, 이 전기 발생부(11)는 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode Assembly: MEA)(12)를 중심에 두고 이의 양면에 세퍼레이터(Separator)(13)를 밀착되게 배치하여 구성될 수 있다.

여기서, 막-전극 어셈블리(12)는 일면에 애노드 전극을 형성하고, 다른 일면에 캐소드 전극을 형성하며, 이들 두 전극 사이에 전해질막을 형성하고 있다. 애노드 전극은 개질 가스 중에 함유된 수소를 산화 반응시켜 이 수소를 전자와 수소 이온으로 분리시키며, 전해질막은 수소 이온을 캐소드 전극으로 이동시키고, 캐소드 전극은 애노드 전극으로부터 받은 전자, 수소 이온, 및 공기 중의 산소를 환원 반응시켜 수분을 생성하는 기능을 하게 된다.

그리고 세퍼레이터(13)는 개질 가스를 막-전극 어셈블리(12)의 애노드 전극으로 공급하고, 공기를 막-전극 어셈블리(12)의 캐소드 전극으로 공급하기 위한 개질 가스 및 공기 이동 채널을 형성하며, 막-전극 어셈블리(12)의 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체로서의 기능을 하게 된다.

본 실시예에서, 개질기(30)는 혼합 연료의 개질 반응 예컨대, 수증기 개질, 부분 산화 또는 자열 반응 등의 촉매 반응을 통해 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키는 구조로 이루어진다. 바람직하게, 본 실시예에 의한 개질기(30)는 가스 연료 를 연소시켜 이 때 발생하는 열 에너지를 제공받아 혼합 연료의 수증기 개질(Steam Reforming: SR) 반응에 의해 개질 가스를 발생시키는 구조로서 이루어진다. 이 때, 개질기(30)는 파이프 라인 등에 의해 연료전지 본체(10)와 연결되게 설치될 수 있다. 이러한 개질기(30)는 고분자 전해질형 연료 전지 방식의 시스템에 채용되는 통상적인 개질기의 구성으로 이루어지므로 본 명세서에서 그 자세한 설명은 생략하기로 한다.

이러한 개질기(30)로 가스 연료를 공급하기 위한 연료 탱크(50)는 이 가스 연료를 소정의 압력으로 압축하여 액화된 상태로 저장하는 저장용기로서 구비된다. 이 연료 탱크(50)는 파이프 라인 등에 의해 개질기(30)와 연결되게 설치되며, 가스 연료 자체의 압력에 의해 이 가스 연료를 배출시키기 위한 배출부(도면에 도시하지 않음)를 가진 원형의 캔 형태로서 이루어진다.

그리고, 상기한 개질기(30)로 물을 공급하기 위한 물 탱크(70)는 물을 저장하는 소정의 저장 공간을 가지면서 파이프 라인 등에 의해 개질기(30)와 연결되게 설치된다.

본 실시예에서, 물 탱크(70)는 이의 저장 공간에 저장된 물을 통상적인 펌프의 펌핑 압력에 의해 개질기(30)로 공급하거나 또는 연료 탱크(50)에 저장된 가스 연료를 이의 저장 공간으로 제공받아 이 가스 연료 자체의 압력에 의해 개질기(30)로 공급할 수 있는 구조로서 이루어진다.

그리고, 연료전지 본체(10)로 공기를 공급하기 위한 공기 펌프(90)는 공기를 흡입하여 이 공기를 연료전지 본체(10)로 압송시키는 통상적인 공기 펌프로서 구비 되며, 파이프 라인 등에 의해 연료전지 본체(10)와 연결되게 설치된다.

상기와 같이 구성되는 연료 전지 시스템(100)의 작용시, 연료 탱크(50)가 종래와 같이 대기 중에 노출된 상태에서 이 연료 탱크(50)에 저장된 가스 연료를 개질기(30)로 공급하는 경우, 이 연료 탱크(50)에 저장된 액화 가스 연료는 연료 탱크(50) 주위의 열을 빼앗아 기체로 기화되면서 배출되기 때문에(통상적으로 "기화 잠열" 이라고 한다.), 연료 탱크(50)의 표면 온도가 떨어지게 된다. 이로 인해 연료 탱크(50)는 이의 표면 온도가 가스 연료의 비점 보다 더 낮게 떨어질 경우, 탱크의 내부 압력이 저하되면서 가스 연료의 기화 능력이 떨어지게 된다. 이로써, 연료 탱크(50)는 실질적으로 기화되는 가스 연료의 양이 줄어 듦에 따라 개질기(30)로 가스 연료를 원활하게 공급하지 못하게 된다.

이에, 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)은 물 탱크(70)가 연료 탱크(50)의 외주면을 감싸는 형태로서 구성되어 물 탱크(70)에 저장된 물 자체의 열 에너지를 연료 탱크(50)에 제공하는 구조로 이루어진다.

도 3은 도 1에 도시한 연료 탱크와 물 탱크의 결합 구조를 나타내 보인 분해 사시도이고, 도 4는 도 3의 결합 단면 구성도이다.

도면을 참고하면, 본 실시예에 의한 물 탱크(70)는 소정의 물을 수용할 수 있는 저장 공간(73)을 가지면서 연료 탱크(50)와 형태의 결합을 이루는 수납부(75)를 형성하고 있는 본체(71)를 구비한다.

이러한 본체(71)는 원형의 외형을 이루는 탱크로서 구비되며, 이의 중심부에 길이 방향을 따라 형성되는 수납부(75)를 구비하며, 이 수납부(75)에 연료 탱크 (50)가 수납되는 구조로서 이루어진다. 이 때, 본체(71)는 연료 탱크(50)에 대한 열전도성이 양호한 스테인레스 강(통상적으로, "써스(SUS)" 라고도 한다.)으로서 형성된다.

여기서, 수납부(75)는 연료 탱크(50)의 길이에 상응하는 깊이를 가지면서 이 연료 탱크(50)의 외형에 상응하는 원형의 홈 형태로서 형성된다. 이러한 수납부(75)는 본체(71)의 중심부에 대하여 연료 탱크(50)가 삽입될 수 있는 개구, 및 이 연료 탱크(50)의 형태에 상응하는 수용 공간을 형성하고 있다. 즉, 수납부(75)는 연료 탱크(50)의 외주면과 밀착되는 내벽면, 및 이 연료 탱크(50)의 단부를 지지하는 바닥면을 형성하고 있다.

상기와 같이 구성되는 본 실시예에 의한 연료 전지 시스템(100)의 작용을 살펴 보면, 연료 탱크(50)에 저장된 액화 가스 연료는 주위의 열을 빼앗아 기체로 기화되면서 자체의 압력에 의해 배출되면서 개질기(30)로 공급된다. 그러면, 개질기(30)에서는 이 가스 연료를 연소시켜 기설정된 온도 범위의 열 에너지를 발생시키고, 물 탱크(70)로부터 공급되는 물을 상기한 열 에너지를 이용하여 증발시킨 상태에서 이 수증기와 상기한 가스 연료의 수증기 개질 반응이 진행되면서 수소를 함유하고 있는 개질 가스를 발생시키게 된다.

이러한 상태에서, 개질기(30)는 개질 가스를 연료전지 본체(10)로 공급함과 동시에, 공기 펌프(90)는 공기를 흡입하고 이 공기를 연료전지 본체(10)로 공급한다.

따라서, 연료전지 본체(10)는 개질 가스, 및 공기를 제공받아 전기 발생부들 (11)에 의한 개질 가스의 산화 반응, 및 산소의 환원 반응을 통해 기설정된 용량의 전기 에너지를 출력시키게 된다.

이러는 과정에서, 연료 탱크(50)에 저장된 액화 가스 연료가 연료 탱크(50) 주위의 열을 빼앗아 기체로 기화되면서 배출되기 때문에, 연료 탱크(50)는 이의 표면 온도가 가스 연료의 비점 보다 더 낮게 떨어질 경우, 탱크의 내부 압력이 저하되면서 가스 연료의 기화 능력이 떨어지게 된다.

이를 방지하기 위해, 본 실시예에서는 연료 탱크(50)가 물 탱크(70)의 수납부(75)에 수납되는 구조로서 이루어지는 바, 연료 탱크(50)가 대기 중으로 노출되게 설치되는 종래와 비교해 볼 때, 비교적 고온의 물 탱크(70)로부터 비교적 저온의 연료 탱크(50)로 이동하는 열 에너지의 크기(열량: Q1)가 종래에서와 같이 비교적 고온의 대기로부터 저온의 연료 탱크(50)로 이동하는 열 에너지의 크기(열량: Q2) 보다 크기 때문에, 연료 탱크(50)는 물 탱크(70)로부터 종래 보다 더 많은 열 에너지를 제공받게 된다. 이러한 작용 원리는 고온에서 저온으로 이동하는 열 에너지의 크기(열량)가 비열에 비례하는 관계로부터 물의 비열이 공기의 비열 보다 크기 때문에 성립될 수 있다.

따라서, 상술한 바와 같이 공기 보다 비열이 큰 물 자체의 열 에너지가 연료 탱크(50)에 제공됨에 따라, 연료 탱크(50)의 내부 압력이 급격히 변화하는 것을 방지할 수 있게 된다. 이로써, 본 실시예에서는 연료 탱크(50)에 저장된 가스 연료의 기화 능력이 향상됨에 따라 이 가스 연료를 개질기(30)로 원활하게 공급할 수 있게 된다.

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.

상술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 물 탱크에 연료 탱크가 수납되는 구조로서 이루어지므로, 공기 보다 물의 비열이 크기 때문에 연료 탱크에 제공되는 열 에너지의 크기를 극대화시킬 수 있다.

이로써, 액화 가스 연료에 대한 연료 탱크의 기화 능력이 더욱 향상됨에 따라, 가스 연료를 개질기로 원활하게 공급할 수 있게 된다. 이로 인해 액화 가스 연료를 개질기로 신뢰성 있게 공급함으로써 시스템의 지속적인 가동이 가능하고, 시스템의 고효율 운전이 가능하다.

Claims (5)

1. 수소, 및 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 연료전지 본체;

   부탄을 주성분으로 하는 가스 연료와 물의 혼합 연료를 개질하여 상기 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키고, 이 개질 가스를 상기 연료전지 본체로 공급하는 개질기;

   상기 가스 연료를 액화 상태로 저장하면서 이 가스 연료를 상기 개질기로 공급하는 연료 탱크; 및

   상기 물을 저장하면서 상기 물을 상기 개질기로 공급하는 물 탱크

   를 포함하며,

   상기 물 탱크는 상기 연료 탱크의 외주면을 감싸도록 구성되어 상기 물 자체의 열 에너지를 상기 연료 탱크에 제공하는 연료 전지 시스템.
2. 제1 항에 있어서,

   상기 물 탱크는,

   상기 물을 저장할 수 있는 소정의 저장 공간, 및 상기 연료 탱크와 형태의 결합을 이루는 수납부를 포함하는 연료 전지 시스템.
3. 제2 항에 있어서,

   상기 연료 탱크는 상기 개질기와 연결되게 설치되며, 상기 수납부에 수납되 는 원형의 캔 형태로서 구비되는 연료 전지 시스템.
4. 제3 항에 있어서,

   상기 수납부는 상기 연료 탱크의 길이에 상응하는 깊이를 가지면서 원형의 홈 형태로서 형성되는 연료 전지 시스템.
5. 제1 항에 있어서,

   상기 물 탱크는 열전도성을 갖는 스테인레스 강으로서 이루어지는 연료 전지 시스템.

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