KR100652609B1 - 연료전지의 연료 공급 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지의 연료 공급 장치에 관한 것으로, 본 발명은 전해질을 사이에 두고 한 쌍의 전극을 배치함과 아울러 그 중 한 쪽 전극의 표면에 수소 또는 수소를 함유하는 연료물질을 접촉시키는 반면 다른 한 쪽 전극의 표면에는 산소를 함유하는 산화물질을 접촉시켜 이온화된 연료물질과 산화물질의 전기화학적 반응을 통해 전기와 열을 발생시키는 스택과, 상기 스택에 연통되어 연료물질과 산화물질의 반응후 배출되는 가스의 농도를 분석하여 그 중 수소농도가 일정치 이상인 경우 스택의 연료공급측으로 유도하여 다시 공급하는 수소회수수단으로 구성함으로써, 상기 스택에서 반응하지 않고 배출되는 수소를 재활용할 수 있게 되어 연료가스의 사용량을 줄일 수 있게 됨과 아울러 연료의 이용효율을 향상시킬 수 있다.

Description

연료전지의 연료 공급 장치{FUEL SUPPLY APPARATUS FOR FUEL CELL}

도 1은 종래 연료전지의 일례를 보인 개략도.

도 2는 본 발명 연료전지의 일례를 보인 개략도.

도 3은 본 발명 연료전지에서 연료 공급 장치의 일부를 보인 개략도.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **

11 : 연료탱크 12 : 개질기

13 : 스택 14 : 전력변환기

15 : 축열탱크 16 : 수소농도 감지센서

17 : 콘트롤러 18 : 배기관 개폐밸브

19 : 연료액 조절밸브 L1 : 연료공급관

L2 : 수소공급관 L3 : 배기관

본 발명은 연료전지의 연료 공급 장치에 관한 것으로, 특히 스택을 거친 연료를 다시 스택으로 환류시켜 연료의 이용율을 높이는 데 적합한 연료전지의 연료 공급 장치에 관한 것이다.

일반적인 연료전지는 연료가 가지고 있는 에너지를 전기적 에너지로 직접 변환시키는 장치로서, 통상 전해질을 사이에 두고 양극(anode)과 음극(cathode)으로 된 한 쌍의 전극을 배치함과 아울러 그 중 양극(산화전극 또는 연료극)에는 수소 또는 수소를 함유하는 연료가스를 접촉시키는 반면 다른 한 쪽의 음극(환원전극 또는 공기극)에는 산소를 함유하는 산화가스를 접촉시키고 이 과정에서 이온화된 연료가스와 산화가스의 전기화학적 반응을 통해 전기와 열을 함께 얻는 시스템이다.

이러한 연료전지는 도 1에 도시된 바와 같이, 가솔린이나 여타의 탄화수소(LNG, LPG, CH₃OH...)계열의 연료가 채워져 있는 연료탱크(1)와, 상기 연료탱크(1)에 연결되어 공급되는 연료로부터 수소를 만들어 내는 개질기(reformer)(2)와, 상기 개질기(2)에 연결되어 그 개질기(2)로부터 만들어진 수소의 산화반응 및 별도로 공급되는 산소의 환원반응이 동시에 일어나면서 전기와 열이 함께 발생되는 스택(stack)(3)과, 상기 스택(3)에 연결되어 그 스택(3)에서 얻어진 직류전기를 상용전기인 교류전기로 변환시키는 전력변환기(4)와, 상기 개질기(2) 및 스택(3)에 각각 연결되어 그 개질기(2) 및 스택(3)에서 발생되는 방출열을 저장하는 축열탱크(5)로 이루어져 있다.

도면중 미설명 부호인 2A는 반응로, 2B는 버너, 3A는 전해질막, 3B는 연료극, 3C는 공기극이다.

상기와 같은 종래 연료전지를 이용하여 전기를 발생시키는 개략적인 과정은 다음과 같다.

즉, 상기 제어부(미도시)에 의해 연료탱크(1)로부터 가솔린이나 탄화수소(CH)계열의 연료가 개질기(2)의 반응로(2A)로 유입되고 나면, 그 반응로(2A)에 채워진 연료에 수증기 및 산소가 공급됨과 아울러 상기 개질기(2)의 버너(2B)가 동작하여 개질반응이 진행되고, 이 개질반응을 통해 생성되는 수소(H₂)가 스택(3)의 연료극(3B)으로 공급됨과 아울러 다른 한 쪽의 공기극(3C)으로는 산소(O₂)가 공급되어 상기한 연료극(3B)에서는 산화반응이 또 공기극(3C)에서는 환원반응이 일어나게 되며, 이 과정에서 생성되는 전자가 연료극(3B)에서 공기극(3C)으로 이동하면서 전기와 열이 발생되고, 이 전기는 전력변환기(4)를 거치면서 교류전기로 전환되어 각종 전기제품을 구동시키는데 사용되는 반면 열은 축열탱크(5)에 저장되었다가 난방이나 온수를 만드는데 주로 사용되는 것이었다.

그러나, 상기와 같은 종래의 연료전지에 있어서는, 상기 스택(3)의 연료극(3B)으로 공급되는 수소와 공기극(3C)으로 공급되는 공기중의 산소가 전기화학적 반응을 하면서 전기와 열을 발생시키게 되나, 상기 연료극(3B)으로 공급되는 수소의 일부가 반응하지 않고 공기극(3C)으로 공급되었던 공기에 뒤섞여 함께 배출 되므로 연료의 이용율이 저하되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래 연료전지가 가지는 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 스택에서 반응하지 않고 배출되는 연료를 재활용 할 수 있는 연료전지의 연료 공급 장치를 제공하려는데 본 발명의 목적이 있다.

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 전해질을 사이에 두고 한 쌍의 전극을 배치함과 아울러 그 중 한 쪽 전극의 표면에 수소 또는 수소를 함유하는 연료물질을 접촉시키는 반면 다른 한 쪽 전극의 표면에는 산소를 함유하는 산화물질을 접촉시켜 이온화된 연료물질과 산화물질의 전기화학적 반응을 통해 전기와 열을 발생시키는 스택과, 상기 스택에 연통되어 연료물질과 산화물질의 반응후 배출되는 가스의 농도를 분석하여 그 중 수소농도가 일정치 이상인 경우 스택의 연료공급측으로 유도하여 다시 공급하는 수소회수수단과, 상기 수소회수수단으로 유동되는 수소량을 감안하여 그 개폐량이 조절되도록 연료가스의 공급경로를 기준으로 수소회수수단의 앞단에 장착되는 연료가스 조절밸브를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 연료 공급 장치가 제공된다.

이하, 본 발명에 의한 연료전지의 연료 공급 장치를 첨부도면에 도시된 일실시예에 의거하여 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명 연료전지의 일례를 보인 개략도이고, 도 3은 본 발명 연료전지에서 연료 공급 장치의 일부를 보인 개략도이다.

이에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 연료 공급 장치를 갖는 연료전지는, 가솔린이나 엘엔지와 같은 탄화수소계열의 연료액이 수납되는 연료탱크(11)와, 상 기 연료탱크(11)에 연료공급관(L1)으로 연결되어 그 연료탱크(11)에서 공급되는 연료물질로부터 수소를 만들어 내는 개질기(12)와, 상기 개질기(12)에 수소공급관(L2)으로 연결되어 그 개질기(12)로부터 만들어진 수소와 이와는 별도로 공급되는 산소의 전기화학적 반응이 일어나면서 전기와 열을 발생시키는 스택(13)과, 상기 스택(13)에 연결되어 그 스택(13)에서 얻어진 직류전기를 교류전기로 변환시키는 전력변환기(14)와, 상기 개질기(12) 및 스택(13)에 각각 연결되어 그 개질기(12) 및 스택(13)에서 발생되는 폐열을 저장하는 축열탱크(15)와, 상기 스택(13)에 연결되어 그 스택(13)에서 반응하고 남은 수소를 다시 스택(13)으로 환류시키는 수소회수수단을 포함하여 구성된다.

상기 스택(13)은 전해질막(13A)을 사이에 두고 그 양쪽에는 각각 수소 또는 수소를 함유한 연료물질이 공급되는 연료극(또는, 양극)(anode)(13B)과 산소를 함유하는 산화제가 공급되는 공기극(또는, 음극)(cathode)(13C)이 배치되어 이루어진다.

상기 수소회수수단은 스택(13)의 일측에 연통되어 반응후 남은 가스를 배출하는 배기관(L3)의 중간에 설치되어 그 배기관(L3)을 흐르는 가스의 수소농도를 측정하는 수소농도센서(16)와, 상기 수소농도센서(16)에 연결되어 배출되는 가스를 회수할 것인지를 판단하는 콘트롤러(17)와, 상기 콘트롤러(17)에 연결되어 수소회수시 배기관(L3)을 닫는 배기관 개폐밸브(18)와, 상기 배기관 개폐밸브(18)의 도입측에서 상기한 스택(13)의 연료공급측인 수소공급관(L2)으로 연통되어 회수된 배기가스를 환류시키는 수소회수관(19)으로 이루어진다.

또한, 상기 콘트롤러(17)는 연료탱크(11)와 개질기(12) 사이의 연료공급관(L1)에 장착되어 연료탱크(11)로부터 개질기(12)로 공급되는 연료량을 조절하는 연료액 조절밸브(20)에도 연결된다.

또한, 상기 배기관(L3)과 수소회수관(19)의 연결점 또는 수소회수관(19)의 중간에는 배기가스의 회수시 그 배기가스로부터 수소를 분리하는 수소분리장치(21)가 부가되는 것이 바람직하다.

상기와 같은 본 발명 연료전지의 연료 공급 장치는 다음과 같은 작용효과를 갖는다.

즉, 상기 연료탱크(11)로부터 연료액이 연료공급관(L1)을 통해 개질기(12)로 공급되어 그 개질기(12)에서 연료액으로부터 수소가 분리되고, 이 수소는 수소공급관(L2)을 통해 스택(13)의 연료극(13B)으로 공급되어 이와는 별도로 스택(13)의 공기극(13C)으로 공급되는 산소와 함께 전기화학적 반응을 하면서 전기와 열을 발생시키게 되며, 이 중 전기는 전력변환기(14)를 통해 교류전기로 전환되어 필요한 전원으로 활용되는 반면 열은 축열탱크(15)에 저장되었다가 필요한 열원으로 활용된다.

이때, 상기 스택(13)에서는 공급되었던 수소의 일부가 반응을 하지 않은 상태로 상기한 수소와 산소의 반응시 생성되는 수증기 또는 공기극(13C)으로 공급되는 공기속의 여타 기체들과 함께 배기관(L3)으로 배출되는데, 이 배기관(L3)의 중간에는 수소의 농도를 검지하기 위한 수소농도 감지센서(16)가 장착되어 있어 배출되는 가스중의 수소농도를 측정하여 콘트롤러(17)에 전달하게 되고, 이 측정값을 전달받은 콘트롤러(17)에서는 측정값과 설정값을 비교하여 수소농도가 일정치 이상일 경우에는 배기관 개폐밸브(18)를 닫아 배기가스의 배출을 차단하게 되며, 별도의 수소분리장치(21)에서 배기가스로부터 수소를 분리하여 그 분리된 수소를 수소회수관(19)을 통해 스택(13)으로 재공급하게 된다.
또한, 스택(13)으로 재공급되는 되는 연료의 양이 연료전지를 구동시킬 수 있을 정도로 충분한 경우에는 연료공급 조절밸브(20)를 닫아 새로운 연료가 공급됨을 방지하여 연료를 절약할 수 있다.

이 과정에서 상기 콘트롤러(17)는 환류되는 수소량에 비례하여 연료액 조절밸브(20)의 열림정도를 조절함에 따라 연료탱크(11)로부터 개질기(12)로 공급되는 연료액의 양을 조절함으로써 과도한 수소의 생성을 미연에 방지하게 된다.

이렇게 하여, 상기 스택에서 반응하지 않고 배출되는 수소를 재활용할 수 있게 됨에 따라 연료탱크에서 개질기로 공급되는 연료가스의 양을 재활용되는 수소의 양만큼 줄일 수 있게 되므로 연료의 사용량을 줄일 수 있게 되는 것은 물론 연료의 이용율을 향상시킬 수 있게 된다.

본 발명에 의한 연료전지의 연료 공급 장치는, 스택의 배기관으로 배출되는 가스중에서 수소의 농도를 측정하여 필요하면 그 배기가스로부터 수소를 분리하여 스택의 연료공급측으로 환류시키도록 구성함으로써, 상기 스택에서 반응하지 않고 배출되는 수소를 재활용할 수 있게 되어 연료가스의 사용량을 줄일 수 있게 됨과 아울러 연료의 이용효율을 향상시킬 수 있다.

Claims (4)

1. 전해질을 사이에 두고 한 쌍의 전극을 배치함과 아울러 그 중 한 쪽 전극의 표면에 수소 또는 수소를 함유하는 연료물질을 접촉시키는 반면 다른 한 쪽 전극의 표면에는 산소를 함유하는 산화물질을 접촉시켜 이온화된 연료물질과 산화물질의 전기화학적 반응을 통해 전기와 열을 발생시키는 스택과,

   상기 스택에 연통되어 연료물질과 산화물질의 반응후 배출되는 가스의 농도를 분석하여 그 중 수소농도가 일정치 이상인 경우 스택의 연료공급측으로 유도하여 다시 공급하는 수소회수수단과,

   상기 수소회수수단으로 유동되는 수소량을 감안하여 그 개폐량이 조절되도록 연료가스의 공급경로를 기준으로 수소회수수단의 앞단에 장착되는 연료가스 조절밸브를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 연료 공급 장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 수소회수수단은 스택의 일측에 연통되어 반응후 생성된 가스를 배출하는 배기관의 중간에 설치되어 그 배기관을 흐르는 가스의 수소농도를 측정하는 수소농도센서와, 상기 수소농도센서에 연결되어 배출되는 가스를 회수할 것인지를 판단하는 제어부와, 상기 제어부에 연결되어 가스회수시 배기관을 닫는 배기관 개폐밸브와, 상기 배기관 개폐밸브의 도입측에서 상기한 스택의 연료공급관으로 연통되어 가스를 환류시키는 수소회수관으로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지의 연료 공급 장치.
3. 삭제
4. 제2항에 있어서, 상기 수소회수관에는 그 수소회수관으로 환류되는 가스중에서 수소만을 분리하는 수소분리장치가 구비되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지의 연료 공급 장치.

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