KR100652612B1 - Fuel supply apparatus for fuel cell - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지의 연료 공급 장치에 관한 것으로, 본 발명은 연료물질로부터 수소를 생성시키는 연료개질부와, 상기 연료개질부로부터 공급되는 수소를 산소와 전기화학적으로 반응시켜 전기와 열이 함께 발생되도록 하는 스택부와, 생활오폐물을 모아 메탄가스를 발생시키는 메탄가스 발생부인 정화조와, 상기 정화조를 연료개질부에 연통시켜 메탄가스를 연료개질부로 유도하는 메탄가스 공급부인 메탄가스공급라인으로 구성함으로써, 연료전지에 사용되는 주연료의 사용량을 줄일 수 있게 되고, 이를 통해 주연료의 가공이나 운반에 투여되는 비용이 절감되는 한편 자원의 이용효율이 향상된다.The present invention relates to a fuel supply device for a fuel cell, and the present invention relates to a fuel reforming unit for generating hydrogen from a fuel material, and the hydrogen supplied from the fuel reforming unit electrochemically reacts with oxygen to generate electricity and heat together. A methane gas supply line, which is a methane gas supply unit that connects the septic tank to a fuel reformer and directs the methane gas to the fuel reformer As a result, the amount of main fuel used in the fuel cell can be reduced, thereby reducing the cost of processing and transporting the main fuel and improving resource utilization efficiency.

또한, 상기 정화조에서 발생되는 메탄가스를 연료전지의 보조연료로 활용함에 따라 정화조에서 풍기던 악취가 상당히 감소되는 효과도 얻을 수 있다.In addition, by using the methane gas generated in the septic tank as an auxiliary fuel of the fuel cell, it is also possible to obtain an effect of significantly reducing the odor smelled in the septic tank.

Description

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

도 1은 본 발명 연료전지의 일례를 보인 개략도.1 is a schematic view showing an example of the fuel cell of the present invention.

도 2는 본 발명 연료전지에서 개질기와 정화조 사이의 배관상태를 보인 상세도.Figure 2 is a detailed view showing a pipe state between the reformer and the septic tank in the fuel cell of the present invention.

도 3은 본 발명 연료전지의 변형예를 보인 개략도.3 is a schematic view showing a modification of the fuel cell of the present invention.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **** Description of symbols for the main parts of the drawing **

10 : 연료전지 시스템 12 : 개질기10 fuel cell system 12 reformer

12A : 반응로 12B : 버너12A: Reactor 12B: Burner

13 : 스택 13A : 전해질막13: stack 13A: electrolyte membrane

13B : 연료극 13C : 공기극13B: fuel electrode 13C: air electrode

15 : 축열탱크 16 : 정화조15: heat storage tank 16: septic tank

17 : 메탄가스 공급라인 18 : 메탄량 조절밸브17: methane gas supply line 18: methane amount control valve

19 : 메탄가스 압축장치 20 : 발효용 열교환기19: methane gas compression device 20: fermentation heat exchanger

21 : 전열라인 22 : 폐수라인21: heat transfer line 22: waste water line

C : 콘트롤러 G : 메탄가스 압력계C: Controller G: Methane Gas Pressure Gauge

본 발명은 연료전지의 연료 공급 장치에 관한 것으로, 본 발명은 생활오폐물에서 생성되는 메탄가스를 연료전지의 보조연료로 활용할 수 있도록 한 연료전지의 연료 공급 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel supply device for a fuel cell, and the present invention relates to a fuel supply device for a fuel cell in which methane gas generated from household waste can be utilized as an auxiliary fuel of the fuel cell.

알려진 바와 같이 연로전지는 일종의 발전장치(發電裝置)라고 할 수 있다. 이러한 연료전지는 산화 ·환원반응을 이용한 점 등 기본적으로는 보통의 화학전지와 같지만 닫힌 계내(系內)에서 전지반응(電池反應)을 하는 화학전지와 달리 반응물이 외부에서 연속적으로 공급되어 반응생성물이 연속적으로 계외(系外)로 제거되는 것으로 가장 전형적인 것으로는 수소-산소 연료전지를 들 수 있다. As is known, a fuel cell is a kind of power generation device. Such a fuel cell is basically the same as a normal chemical cell in that it uses an oxidation / reduction reaction, but unlike a chemical cell that performs a cell reaction in a closed system, reactants are continuously supplied from the outside and reactant products. A hydrogen-oxygen fuel cell is the most typical one that is continuously removed out of the system.

이는, 전해질을 사이에 두고 한 쌍의 전극을 배치함과 아울러 그 중 한 쪽의 전극에는 수소 또는 수소를 함유하는 연료물질을 접촉시키는 반면 다른 한 쪽의 전극에는 산소를 함유하는 산화물질을 접촉시켜 이온화된 연료물질과 산화물질의 전기화학적 반응시 전기와 열이 함께 발생되도록 하는 것이다.This is accomplished by placing a pair of electrodes with an electrolyte in between, and contacting one of the electrodes with hydrogen or a fuel material containing hydrogen, while the other electrode contacts an oxide containing oxygen. The electrochemical reaction between the ionized fuel material and the oxide material causes electricity and heat to be generated together.

이와 같은 연료물질로는 주로 가솔린이나 엘엔지(LNG) 또는 엘피지(LPG)와 같은 탄화수소 계열의 연료를 사용하고 있다. 이러한 탄화수소 계열의 연료물질은 전기화학적 반응성이 없어 직접 연료전지에 사용할 수 없으므로 통상 연료개질기에서의 탈황반응, 개질반응, 수소정제반응을 통해 수소로 전환시켜 사용하고 있다.As such fuel materials, hydrocarbon-based fuels such as gasoline, LNG or LPG are used. Since these hydrocarbon-based fuel materials are not electrochemically reactive and cannot be directly used in fuel cells, they are usually converted to hydrogen through desulfurization, reforming, and hydrogen purification in a fuel reformer.

그러나, 상기와 같이 탄화수소 계열의 연료를 사용하는 종래의 연료전지에 있어서는 항상 가공된 연료를 사용함에 따라 연료전지의 저공해성 특장점에도 불구하고 필요한 연료를 가공하거나 운반하는데 투여되는 부차적인 비용이 상대적으로 증가하게 되는 문제점이 있었다.However, in the conventional fuel cell using a hydrocarbon-based fuel as described above, in spite of the low-pollution characteristics of the fuel cell, the secondary cost that is administered to process or transport the fuel required is relatively high. There was a problem to increase.

본 발명은 상기와 같은 종래 연료전지가 가지는 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 연료전지에 필요한 연료를 용이하게 공급할 수 있는 연료전지의 연료 공급 장치를 제공하려는데 그 목적이 있다.The present invention has been made in view of the above problems of the conventional fuel cell, and an object thereof is to provide a fuel supply device for a fuel cell that can easily supply fuel required for the fuel cell.

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 연료물질로부터 수소를 생성시키는 연료개질부와, 상기 연료개질부로부터 공급되는 수소를 산소와 전기화학적으로 반응시켜 전기와 열이 함께 발생되도록 하는 스택부와, 생활오폐물을 모아 메탄가스를 발생시키는 메탄가스 발생부인 정화조와, 상기 정화조를 연료개질부에 연통시켜 메탄가스를 연료개질부로 유도하는 메탄가스 공급부인 메탄가스공급라인을 포함한 것을 특징으로 하는 연료전지의 연료 공급 장치가 제공된다.In order to achieve the object of the present invention, a fuel reforming unit for generating hydrogen from the fuel material, and a stack unit for generating electricity and heat together by electrochemically reacting hydrogen supplied from the fuel reforming unit with oxygen, A methane gas generation unit for collecting waste and generating methane gas, and a methane gas supply line for supplying the methane gas to the fuel reforming unit by communicating the septic tank to the fuel reforming unit. A fuel supply device is provided.

이하, 본 발명에 의한 연료전지의 연료 공급 장치를 첨부도면에 도시된 일실시예에 의거하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, a fuel supply device for a fuel cell according to the present invention will be described in detail with reference to an embodiment shown in the accompanying drawings.

도 1은 본 발명 연료전지의 일례를 보인 개략도이고, 도 2는 본 발명 연료전지에서 개질기와 정화조 사이의 배관상태를 보인 상세도이며, 도 3은 본 발명 연료전지의 변형예를 보인 개략도이다.1 is a schematic view showing an example of the fuel cell of the present invention, Figure 2 is a detailed view showing a pipe state between the reformer and the septic tank in the fuel cell of the present invention, Figure 3 is a schematic view showing a modification of the fuel cell of the present invention.

이에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 연료전지는, 수소를 함유한 연료가 저장되는 연료탱크(11)와, 상기 연료탱크(11)에 연결되어 공급되는 연료로부터 수소를 만들어 내는 개질기(12)와, 상기 개질기(12)에 연결되어 그 개질기(12)로부터 만들어진 수소(H2)와 이와 별도로 공급되는 산소(O2)의 전기화학적 반응으로 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)에서 발생되는 폐열(廢熱)을 저장하였다가 난방시스템(미부호)에 전달하는 축열탱크(15)와, 상기 연료탱크(11)의 일측에 구비되어 싱활오폐물로부터 메탄가스를 생성시켜 개질기(12)에 공급하도록 메탄가스 발생부인 정화조(16)와, 상기 정화조(16)를 개질기(12)에 연통시켜 메탄가스를 개질기(12)로 유도하는 메탄가스 공급부인 메탄가스공급라인(17)으로 이루어진다.As shown therein, the fuel cell according to the present invention includes a fuel tank 11 in which hydrogen-containing fuel is stored, and a reformer 12 for producing hydrogen from fuel supplied and connected to the fuel tank 11; A stack 13 connected to the reformer 12 to generate electricity and heat by an electrochemical reaction of hydrogen (H 2 ) produced from the reformer 12 and oxygen (O 2 ) supplied separately from the reformer 12, and the stack A power converter 14 connected to (13) and converting the direct current electricity obtained from the stack 13 into alternating current electricity, and the waste heat generated from the reformer 12 and the stack 13, and then heated. A heat storage tank 15 to be delivered to the system (unsigned) and a septic tank 16 which is provided on one side of the fuel tank 11 to generate methane gas from fresh waste and supply it to the reformer 12. And methane number by communicating the septic tank 16 to the reformer 12. It consists of a methane gas supply line 17 which is a methane gas supply unit to guide the gas to the reformer 12.

상기 개질기(12)는 연료탱크(11)를 통해 공급되는 연료가 물과 공기와 함께 유입되어 탈황반응 및 개질반응 그리고 수소정제반응이 일어나면서 연료로부터 수소가 생성되는 반응로(12A)와, 상기 반응로(12A)에 접촉 결합되어 그 반응로(12A)에서 필요한 열을 공급하는 버너(12B)로 이루어진다.The reformer 12 includes a reactor 12A in which hydrogen is generated from the fuel while the fuel supplied through the fuel tank 11 is introduced together with water and air to cause desulfurization, reforming, and hydrogen purification. It consists of a burner 12B which is brought into contact with the reactor 12A and supplies heat required by the reactor 12A.

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 단일셀을 형성하고, 이러한 단일셀이 다수개 겹쳐져 이루어진다.The stack 13 has an electrolyte membrane 13A interposed therebetween, and both sides are supplied with a fuel electrode (or anode) 13B to which hydrogen or a fuel material containing hydrogen is supplied and an oxidant containing oxygen. A cathode (or cathode) 13C is disposed to form a single cell, and a plurality of such single cells overlap each other.

상기 정화조(16)는 도 2에 도시된 바와 같이 메탄가스 공급라인(17)을 통해 개질기(12)에 연통되고, 그 메탄가스 공급라인(17)의 중간에는 생성된 메탄가스의 양을 감안하여 메탄가스를 압축 공급하는 메탄가스 압축장치(19)가 구비되는 것이 바람직하다. The septic tank 16 is connected to the reformer 12 through the methane gas supply line 17, as shown in Figure 2, in the middle of the methane gas supply line 17 in consideration of the amount of methane gas generated It is preferable that a methane gas compression device 19 for compressing and supplying methane gas is provided.                     

또한, 상기 정화조(16)에는 도 3에 도시된 바와 같이 축열탱크(15)에 저장된 열을 정화조(16)로 전달하여 그 정화조(16)에 적재되어 있는 각종 생활오폐물을 발효시키도록 하는 발효용 열교환기(20)가 전열라인(21)을 거쳐 상기한 정화조에 연결되어 결합되고, 상기 스택(13)에서 반응후 생성되는 물이 역시 정화조(16)로 공급되도록 하는 폐수라인(22)이 스택(13)과 정화조(16) 사이에 연통 결합된다.In addition, as shown in FIG. 3, the septic tank 16 transfers heat stored in the heat storage tank 15 to the septic tank 16 to ferment various household wastes loaded in the septic tank 16. The heat exchanger 20 is connected to the septic tank through the heat transfer line 21 and coupled thereto, and the wastewater line 22 for supplying the water generated after the reaction in the stack 13 to the septic tank 16 is also provided. It is communicatively coupled between the stack 13 and the septic tank 16.

도면중 미설명 부호인 18은 메탄량 조절밸브, G는 메탄가스 압력계이다.In the figure, reference numeral 18 denotes a methane amount control valve, and G denotes a methane gas pressure gauge.

상기와 같은 본 발명에 의한 연료전지의 연료 공급 장치는 다음과 같은 작용효과를 갖는다.The fuel supply device for a fuel cell according to the present invention as described above has the following effects.

즉, 상기 연료탱크(11)로부터 공급되는 주연료인 연료액이 물과 공기와 혼합되면서 개질기(12)로 유입되고, 이 연료액의 일부는 개질기(12)의 버너(12B)로 유입되어 연소되고 나머지는 반응로(12A)로 유입되어 탈황반응 및 개질반응 그리고 수소정제반응을 거치면서 수소를 발생시키게 되며, 이 수소는 스택(13)의 연료극(13B)으로 공급되어 공기극(13C)으로 공급되는 산소와 함께 전기화학적 반응을 거치면서 전기와 열을 발생시키게 되고, 이 중 전기는 전력변환기(14)를 거쳐 각각의 전기제품에 인가되면서 전원으로 사용되는 반면 열은 별도의 열회수장치인 축열탱크(15)에 저장되어 그 일부가 난방시스템(미부호)의 열원으로 이용된다.That is, the fuel liquid which is the main fuel supplied from the fuel tank 11 is introduced into the reformer 12 while being mixed with water and air, and a part of the fuel liquid flows into the burner 12B of the reformer 12 and burns. The remainder is introduced into the reactor 12A to generate hydrogen through desulfurization, reforming and hydrogen purification. The hydrogen is supplied to the fuel electrode 13B of the stack 13 and supplied to the cathode 13C. Electricity and heat are generated while undergoing an electrochemical reaction with oxygen, which is used as a power source while being applied to each electric product through a power converter 14, while heat is used as a separate heat recovery device. It is stored in (15) and part of it is used as a heat source of a heating system (unsigned).

이때, 상기 스택(13)에서 반응후 생성되는 물은 폐수라인(22)을 따라 정화조(16)로 유입되는 한편 상기 축열탱크(15)에 저장된 열의 일부는 전열라인(21)을 따라 발효용 열교환기(20)로 전달되어 상기한 정화조(16)에 적재되어 있는 각종 생활오폐물을 부폐 발효시키게 되고, 이 과정에서 생성되는 메탄가스 는 메탄가스 공급라인(17)을 따라 개질기(12)로 유입되어 보조 연료로 사용된다.At this time, the water generated after the reaction in the stack 13 is introduced into the septic tank 16 along the waste water line 22 while a part of the heat stored in the heat storage tank 15 is heat exchange for fermentation along the heat transfer line 21 It is delivered to the gas 20 to ferment the various wastes of life loaded in the septic tank 16, the methane gas generated in this process is introduced into the reformer 12 along the methane gas supply line (17) Used as an auxiliary fuel.

한편, 상기 메탄가스 공급라인(17)을 통해 이동하는 메탄가스는 그 메탄가스 공급라인(17)에 구비된 메탄가스 압력계(G)에 검지되어 현재 메탄가스의 압력을 콘트롤러(C)에 전달하게 되면, 이를 전달받은 콘트롤러(C)는 메탄량 조절밸브(18)를 닫은 상태에서 메탄가스 압축장치(19)를 구동시켜 메탄가스를 적정압력으로 압축한 후 메탄량 조절밸브(18)를 열어 메탄가스를 개질기(12)에 공급하게 된다. 이 과정에서도 메탄가스 압력계(G)는 메탄가스의 압력을 연속적으로 측정하여 콘트롤러(C)에 전달함으로써 메탄가스 압축장치의 구동여부를 제어하도록 한다.On the other hand, the methane gas moving through the methane gas supply line 17 is detected by the methane gas pressure gauge (G) provided in the methane gas supply line 17 to transmit the current methane gas pressure to the controller (C). Then, the controller (C) received this drive the methane gas compression device 19 in the state of closing the methane amount control valve 18 to compress the methane gas to the appropriate pressure and then open the methane amount control valve 18 to open the methane. The gas is supplied to the reformer 12. In this process, the methane gas pressure gauge G continuously measures the pressure of the methane gas and transmits it to the controller C to control whether the methane gas compression device is driven.

이렇게, 가정이나 회사 등에서 사용하고 남은 생활오폐물을 정화시키는 과정에서 자연적으로 생성되는 메탄가스를 연료전지의 보조연료로 활용함에 따라 상대적으로 주연료의 사용량을 줄어들게 되고, 이를 통해 주연료의 가공이나 운반에 투여되는 비용의 절감과 아울러 생활오폐물의 재활용에 따른 자원의 이용효율이 향상된다.In this way, the use of naturally produced methane gas as a secondary fuel for fuel cells in the process of purifying the remaining household wastes used in homes and businesses, etc., relatively reduces the amount of main fuel used, thereby processing the main fuel. In addition to reducing the cost of transportation, the use of resources from the recycling of household waste is improved.

또한, 상기 정화조에서 발생되는 메탄가스를 연료전지의 보조연료로 활용함에 따라 정화조에서 풍기는 악취를 상당히 감소시킬 수도 있다.In addition, as the methane gas generated in the septic tank is used as an auxiliary fuel of the fuel cell, odors emitted from the septic tank may be significantly reduced.

본 발명에 의한 연료전지의 연료 공급 장치는, 생활오폐물에서 생성되는 메탄가스를 연료전지의 보조연료로 활용할 수 있도록 정화조를 연료전지의 개질기에 연통시켜 구성함으로써, 연료전지에 사용되는 주연료의 사용량을 줄일 수 있게 되고, 이를 통해 주연료의 가공이나 운반에 투여되는 비용이 절감되는 한편 자원의 이용효율이 향상된다.A fuel supply device for a fuel cell according to the present invention is configured by communicating a septic tank with a reformer of a fuel cell so that methane gas generated from household waste can be utilized as an auxiliary fuel of a fuel cell, thereby providing a fuel for the main fuel used in the fuel cell. The amount used can be reduced, thereby reducing the cost of processing and transporting the main fuel, while improving resource utilization efficiency.

또한, 상기 정화조에서 발생되는 메탄가스를 연료전지의 보조연료로 활용함에 따라 정화조에서 풍기던 악취가 상당히 감소되는 효과도 얻을 수 있다.In addition, by using the methane gas generated in the septic tank as an auxiliary fuel of the fuel cell, it is also possible to obtain an effect of significantly reducing the odor smelled in the septic tank.

Claims (4)

연료물질로부터 수소를 생성시키는 연료개질부와, A fuel reformer for generating hydrogen from the fuel material; 상기 연료개질부로부터 공급되는 수소를 산소와 전기화학적으로 반응시켜 전기와 열이 함께 발생되도록 하는 스택부와,A stack unit for electrochemically reacting hydrogen supplied from the fuel reformer with oxygen to generate electricity and heat together; 생활오폐물을 모아 메탄가스를 발생시키고 상기 연료개질부 및 스택부와 연결되는 발효용 열교환기가 내장되어 그 연료개질부와 스택부에서 발생되는 열이 전달되도록 한 메탄가스 발생부와, A methane gas generating unit for collecting methane gas to generate methane gas and having a fermentation heat exchanger connected to the fuel reforming unit and the stack unit to transfer heat generated from the fuel reforming unit and the stack unit; 상기 메탄가스 발생부를 연료개질부에 연통시켜 메탄가스를 연료개질부로 유도하는 메탄가스 공급부를 포함한 것을 특징으로 하는 연료전지의 연료 공급 장치.And a methane gas supply unit communicating the methane gas generating unit to a fuel reforming unit to direct methane gas to the fuel reforming unit. 제1항에 있어서, 상기 메탄가스 공급부는 메탄가스 발생부와 메탄가스 공급부를 연통시키는 메탄가스 공급라인의 중간에 장착되어 메탄가스를 압축시키는 메탄가스 압축장치가 구비되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지의 연료 공급 장치.The fuel cell of claim 1, wherein the methane gas supply unit is mounted in the middle of a methane gas supply line communicating the methane gas generator and the methane gas supply unit, and a methane gas compressor is provided to compress the methane gas. Fuel supply. 삭제delete 제1항에 있어서, 상기 스택부에서 반응후 생성되는 물을 메탄가스 발생부로 유도하는 폐수라인이 상기한 스택부와 메탄가스 발생부 사이에 연통 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 연료 공급 장치.The fuel supply device according to claim 1, wherein a wastewater line for inducing water generated after the reaction in the stack unit to the methane gas generator is in communication with the stack unit and the methane gas generator.
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