KR100652604B1

KR100652604B1 - 기액분리기를 구비한 연료전지

Info

Publication number: KR100652604B1
Application number: KR1020050082317A
Authority: KR
Inventors: 육형규; 김선회
Original assignee: 엘지전자 주식회사; 주식회사 엘지화학
Priority date: 2005-09-05
Filing date: 2005-09-05
Publication date: 2006-12-01

Abstract

본 발명은, 기액분리기를 구비한 연료전지에 관한 것으로서, 일정비율의 연료를 공급하는 연료공급부와; 상기 연료공급부에서 연료를 공급받아 수소가스를 포함하는 수소부유가스를 발생시키며 버너를 구비한 개질기부와; 상기 개질기부에서 발생되는 수소부유가스와 별도로 공급되는 산소의 전기화학반응으로 전기와 열을 발생시키는 스택부와; 잔류된 수소부유가스를 상기 버너로 공급하는 공급라인의 중간에 구비되어 기체와 액체를 분리하는 기액분리기와; 상기 스택부에서 발생되는 고온의 수증기를 냉각하여 상기 개질기부로 공급하는 열교환기와; 상기 기액분리기를 냉각시킬 수 있도록 상기 기액분리기의 일측면과 접촉되는 냉각부와, 상기 열교환기의 일측면과 접촉되어 방열이 가능하도록 하는 방열부로 구성되는 강제냉각수단을 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 의해, 기액분리기의 효율을 증가시켜 수분 함유량이 적은 연료를 버너에 공급함으로써 버너가 꺼지는 현상을 방지할 수 있는 기액분리기를 구비한 연료전지가 제공된다.

Description

기액분리기를 구비한 연료전지{FUEL CELL HAVING GAS-LIQUID SEPARATOR}

도 1은 종래의 연료전지의 구조를 도시한 개략도,

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 기액분리기를 구비한 연료전지의 구조를 도시한 개략도,

도 3은 열전소자의 구조를 도시한 평면도,

도 4는 도 2의 ‘Α’를 확대한 요부확대도이다.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **

10 : 연료공급부 20 : 개질기부

27 : 버너 30 : 스택부

40 : 전력변환기 50 : 기액분리기

51 : 냉각수유입관 52 : 냉각수유출관

53 : 배수관 60 : 열교환기

70 : 열전소자 71 : 냉각부

72 : 방열부 73 : 열전쌍

본 발명은, 기액분리기를 구비한 연료전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 기액분리기의 효율을 증가시켜 수분 함유량이 적은 연료를 버너에 공급함으로써 버너가 꺼지는 현상을 방지할 수 있는 기액분리기를 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 연료 전지의 구조를 도시한 개략도이다.

도면에 도시한 바와 같이, 연료전지 시스템은 일정량의 연료를 공급하는 연료공급부(10)와, 연료공급부(10)의 연료를 공급받아 수소가스와 열을 포함하는 수소부유가스를 발생시키는 개질기부(20)와, 개질기부(20)에서 발생되는 수소부유가스와 별도로 공급되는 산소의 전기화학반응으로 전기와 열을 발생시키는 스택부(30)와, 스택부(30)에서 발생된 전기를 변환시키는 전력변환기(40)로 구성되어 있다.

개질기부(200)는 연료공급부(100)를 통해 공급되는 연료가 물과 공기와 함께 유입되어 상기 연료에 함유된 황을 제거하는 탈황반응기(DS, 210)와, 연료와 수증기가 반응하는 수증기 개질반응기(SR, 220)와, 일산화탄소와 수증기가 반응하도록 하는 고온수반응기(HTS, 230)와, 일산화탄소를 이산화탄소로 변환시키는 저온수반응기(LTS, 240)와, 산화되지 않은 일산화탄소를 이산화탄소로 변환시키는 부분산화반응기(PRO, 250) 및 개질반응 그리고 수소정제반응이 일어나면서 연료로부터 수소가 생성되는 반응로(260)와, 반응로(260)에 결합되어 반응로(260)에서 필요한 열을 공급하는 버너(270)로 이루어진다.

스택부(30)는 연료극(31)과 전해질막(32) 그리고 공기극(33)을 포함하여 구성되는 단위 전지가 다수개 적층되어 이루어진다.

스택부(30)의 연료극(31)과 버너(27)를 연결하는 라인에는 연료극(31)에서 반응하지 못하고 잔류한 수소부유가스를 분리하여 개질기(20)를 적정온도로 유지시키는 버너(27)의 연료로 사용할 수 있도록 기액분리기(50)가 구비되어 있다.

기액분리기(50)의 일측에는 스택부(30)에서 발생되어 공급되는 고온의 가스를 응축하여 수증기와 분리할 수 있도록 냉각수가 공급되는 냉각수유입관(51)이 설치되어 있으며, 타측에는 고온의 가스와 열교환 후에 데워진 냉각수가 유출되는 냉각수유출관(52)과, 응축된 물이 배수되는 배수관(53)이 설치되어 있다.

또한, 스택부(30)에서 전기화학반응 후, 발생되는 수증기를 냉각하여 개질기부(20)로 공급할 수 있도록 스택부(30)와 개질기부(20)를 연결하는 라인에는 열교환기(60)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 전 자는 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.

한편, 스택부(30)의 연료극(31)에서 반응되지 못하고 잔류한 수소부유가스는 기액분리기(50)에 의하여 수증기가 제거되어 버너(27)의 연료로 공급되고 스택부(30)의 전기화학반응 후, 생성되는 수증기는 열교환기(60)를 통하여 냉각되며 개질기부(20)로 공급되어 연료로부터 수소부유가스를 생성하는 반응에 이용된다.

그런데, 이러한 종래의 연료전지에 있어서는, 기액분리기(50)에 쓰이는 냉각수를 공급하기 위하여 추가로 냉각수유입관(51)과 냉각수유출관(52)을 별도로 설치해야 하며, 또한 냉각수만으로는 기액분리의 효율이 떨어져서 버너(27)의 연료로 사용되는 수소가스의 수증기 함유량이 높아서 버너(27)의 작동이 중지된다고 하는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은, 기액분리기의 효율을 증가시켜 수분 함유량이 적은 연료를 버너에 공급함으로써 버너가 꺼지는 현상을 방지할 수 있는 기액분리기를 구비한 연료전지를 제공하는 것이다.

상기 목적은, 본 발명에 따라, 일정비율의 연료를 공급하는 연료공급부와; 상기 연료공급부에서 연료를 공급받아 수소가스를 포함하는 수소부유가스를 발생시키며 버너를 구비한 개질기부와; 상기 개질기부에서 발생되는 수소부유가스와 별도 로 공급되는 산소의 전기화학반응으로 전기와 열을 발생시키는 스택부와; 잔류된 수소부유가스를 상기 버너로 공급하는 공급라인의 중간에 구비되어 기체와 액체를 분리하는 기액분리기와; 상기 스택부에서 발생되는 고온의 수증기를 냉각하여 상기 개질기부로 공급하는 열교환기와; 상기 기액분리기를 냉각시킬 수 있도록 상기 기액분리기의 일측면과 접촉되는 냉각부와, 상기 열교환기의 일측면과 접촉되어 방열이 가능하도록 하는 방열부로 구성되는 강제냉각수단을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 기액분리기를 구비한 연료전지에 의해 달성된다.

여기서, 상기 강제냉각수단은, 복수의 N형과 P형의 열전쌍을 전기적으로는 직렬로, 열적으로는 병렬이 되도록 연결한 모듈 형태로 구성되는 열전소자인 것이 효과적이다.

또한, 상기 방열부에는 방열 면적을 증가시킬 수 있도록 복수의 방열핀이 더 설치되는 것이 바람직하다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.

다만, 종래의 구성과 동일한 부분에 대해서는 동일한 참조 부호를 부여하기로 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 다른 기액분리기를 구비한 연료전지의 구조를 도시한 개략도이고, 도 3은 열전소자의 구조를 도시한 평면도이며, 도 4는 도 2의‘Α’를 확대한 요부확대도이다.

이들 도면에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 기액분리기를 구비한 연료전지는, 일정비율의 연료를 공급하는 연료공급부(10)와, 연료공급부 (10)에서 연료를 공급받아 수소가스를 포함하는 수소부유가스를 발생시키며 버너(27)를 구비한 개질기부(20)와, 개질기부(20)에서 발생되는 수소부유가스와 별도로 공급되는 산소의 전기화학반응으로 전기와 열을 발생시키는 스택부(30)와, 잔류된 수소부유가스를 버너(27)로 공급하는 공급라인의 중간에 구비되어 기체와 액체를 분리하는 기액분리기(50)와, 스택부(30)에서 발생되는 고온의 수증기를 냉각하여 개질기부(20)로 공급하는 열교환기(60)와, 기액분리기(50)를 냉각시킬 수 있도록 기액분리기(50)와 접촉되는 냉각부(71)와, 열교환기(60)와 접촉하여 기액분리기(50)를 냉각시킨 후 발생하는 열을 방출하는 방열부(72)를 갖는 열전소자(70)를 포함하여 구성되어 있다.

기액분리기(50)의 일측에는 스택부(30)에서 발생되어 공급되는 고온의 가스를 응축되어 발생하는 물을 배수할 수 있도록 배수관(53)이 설치되어 있다.

기액분리기(50)와 열교환기(60) 사이에는 기액분리기(50)의 표면을 냉각시켜서 수소부유가스에 함유된 수증기를 분리하도록 하는 열전소자(70)가 설치되어 있다 .

열전소자(70)는 N, P 형의 열전쌍(73)을 전기적으로는 직렬로, 열적으로는 병렬이 되도록 연결한 모듈 형태로 구성되어 있으며 직류전류를 흘렸을 때는 열전효과에 의하여 모듈의 양면에 온도차가 발생하게 된다. 이는 일반적으로 펠티어(Peltier) 현상에 의해 나타나는 냉각효과를 이용하는 고체식 핫펌프(Solid state heat pump)를 일컫는 것이다.

열전소자(70)를 이용한 냉각은 냉매를 순환시키기 위해 압축기를 가동시키는 기존의 냉각 방식을 탈피한 차세대 환경친화적인 냉각 방식으로서, 전극 전환을 통하여 언제든지 간단하게 냉각과 가열이 동시에 가능하여 상온의 대상물을 -30℃ ~ +180℃ 까지 냉각과 가열을 통해 일정 온도로 유지되도록 하는 것이다.

열전소자(70)의 냉각부(71)는 기액분리기(50)의 표면을 냉각시킬 수 있도록 기액분리기(50)의 일측면과 접촉되어 있으며, 방열부(72)에는 방열면적을 증가시켜서 방열이 신속하게 이루어 질 수 있도록 복수의 방열핀이 구비되며 열교환기(60)의 일측면과 접촉되어 있다.

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.

한편, 스택부(30)의 연료극(31)에서 반응되지 못하고 잔류한 수소부유가스는 기액분리기(50)에 의하여 수증기가 제거되어 버너(27)의 연료로 공급되고 스택부(30)의 전기화학반응 후, 생성되는 수증기는 열교환기(60)를 통하여 냉각되며 개질 기부(20)로 공급되어 연료로부터 수소부유가스를 생성하는데 이용된다.

이때, 열전소자(70)에 전류가 가해지면 열전쌍(73)의 양측에 온도차가 발생하는데 냉각부(71)는 기액분리기(50)와 접촉되어 있으므로 기액분리기(50)의 표면 을 냉각하여 기액분리의 효율을 높이고, 방열부(72)는 열교환기(60)와 접촉되어 신속한 방열이 이루어지도록 한다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 일정비율의 연료를 공급하는 연료공급부와; 상기 연료공급부에서 연료를 공급받아 수소가스를 포함하는 수소부유가스를 발생시키며 버너를 구비한 개질기부와; 상기 개질기부에서 발생되는 수소부유가스와 별도로 공급되는 산소의 전기화학반응으로 전기와 열을 발생시키는 스택부와; 잔류된 수소부유가스를 상기 버너로 공급하는 공급라인의 중간에 구비되어 기체와 액체를 분리하는 기액분리기와; 상기 스택부에서 발생되는 고온의 수증기를 냉각하여 상기 개질기부로 공급하는 열교환기와; 상기 기액분리기를 냉각시킬 수 있도록 상기 기액분리기와 접촉되는 냉각부와, 상기 열교환기와 접촉하여 상기 기액분리기를 냉각시킨 후 발생하는 열을 방출하는 방열부를 갖는 열전소자를 구비하도록 함으로써, 기액분리기의 효율을 증가시켜 수분 함유량이 적은 연료를 버너에 공급함으로써 버너가 꺼지는 현상을 방지할 수 있는 기액분리기를 구비한 연료전지가 제공된다.

Claims

일정비율의 연료를 공급하는 연료공급부와;

상기 연료공급부에서 연료를 공급받아 수소가스를 포함하는 수소부유가스를 발생시키며 버너를 구비한 개질기부와;

상기 개질기부에서 발생되는 수소부유가스와 별도로 공급되는 산소의 전기화학반응으로 전기와 열을 발생시키는 스택부와;

잔류된 수소부유가스를 상기 버너로 공급하는 공급라인의 중간에 구비되어 기체와 액체를 분리하는 기액분리기와;

상기 스택부에서 발생되는 고온의 수증기를 냉각하여 상기 개질기부로 공급하는 열교환기와;

상기 기액분리기를 냉각시킬 수 있도록 상기 기액분리기의 일측면과 접촉되는 냉각부와, 상기 열교환기의 일측면과 접촉되어 방열이 가능하도록 하는 방열부로 구성되는 강제냉각수단을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 기액분리기를 구비한 연료전지.
제1항에 있어서,

상기 강제냉각수단은, 복수의 N형과 P형의 열전쌍을 전기적으로는 직렬로, 열적으로는 병렬이 되도록 연결한 모듈 형태로 구성되는 열전소자인 것을 특징으로 하는 기액분리기를 구비한 연료전지.
제2항에 있어서,

상기 방열부에는 방열 면적을 증가시킬 수 있도록 복수의 방열핀이 더 설치되는 것을 특징으로 하는 기액분리기를 구비한 연료전지.