KR100664086B1 - Water separator and fuel cell with this - Google Patents

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박명석
육형규
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엘지전자 주식회사
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Abstract

Provided is a gas-liquid separator, which is formed in a fuel cell integrally with a water storage section, avoids a need for forming a separator water drainage system therein, prevents hydrogen gas from leaking, and improves the reliability of a fuel cell. The gas-liquid separator comprises: at least one gas-liquid separation section(131,132), which condensates water contained in hydrogen gas that does not react in an anode of a fuel cell stack generating electricity via electrochemical reactions between hydrogen and oxygen and is discharged as it is, or in hydrogen gas supplied to the anode so as to separate the water; and a water storage section(133), which is formed integrally with the gas-liquid separation section so that it communicates with the latter, and stores the water separated from the gas in the gas-liquid separation section.

Description

기액분리기 및 이를 적용한 연료전지{WATER SEPARATOR AND FUEL CELL WITH THIS}Gas-liquid separator and fuel cell using same {WATER SEPARATOR AND FUEL CELL WITH THIS}

도 1은 종래 연료전지의 일례를 보인 계통도,1 is a system diagram showing an example of a conventional fuel cell;

도 2 및 도 3은 종래 연료전지의 기액분리기를 보인 개략도,2 and 3 is a schematic view showing a gas-liquid separator of a conventional fuel cell,

도 4는 본 발명 연료전지의 일례를 보인 계통도,4 is a system diagram showing an example of the fuel cell of the present invention;

도 5 내지 도 7은 본 발명 연료전지의 기액분리유닛을 보인 개략도,5 to 7 is a schematic view showing a gas-liquid separation unit of the fuel cell of the present invention,

도 8은 본 발명 연료전지의 다른실시예를 보인 계통도,8 is a system diagram showing another embodiment of the fuel cell of the present invention;

도 9는 본 발명 연료전지의 다른실시예에 적용하는 기액분리유닛를 보인 개략도.Figure 9 is a schematic view showing a gas-liquid separation unit applied to another embodiment of the fuel cell of the present invention.

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

110 : 개질유닛 111 : 버너110: reforming unit 111: burner

120 : 스택유닛 121 : 연료극120: stack unit 121: fuel electrode

130 : 기액분리유닛 131,132 : 제1,제2 기액분리부130: gas-liquid separation unit 131,132: first and second gas-liquid separation unit

133 : 물저장부 151 : 연료공급라인133: water storage unit 151: fuel supply line

152 : 연료회수라인 161 : 저수통152: fuel recovery line 161: reservoir

162 : 냉각수라인 171 : 물라인162: cooling water line 171: water line

172 : 배수관 174,175 : 수위센서172: drain pipe 174,175: water level sensor

본 발명은 기액분리기 및 이를 적용한 연료전지에 관한 것으로, 특히 저렴하면서도 가스의 누설을 방지할 수 있고 물탱크 기능도 포함하는 기액분리기 및 이를 적용한 연료전지에 관한 것이다.The present invention relates to a gas-liquid separator and a fuel cell using the same, and more particularly, to a gas-liquid separator and a fuel cell using the same, which can prevent gas leakage and include a water tank function.

일반적으로 연료전지(FUEL CELL SYSTEM)는 수소와 산소가 가진 화학적 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 전기화학적 장치이다. 연료전지는 작동온도와 주연료의 형태에 따라 알카리형(AFC), 인산염형(PAGC), 용융탄산염형(MCFC), 고체전해질형(SOFC), 고분자전해질형(PEMFC) 등으로 구분된다. 이 중에서 고분자전해질형 연료전지의 전해질은 액체가 아닌 고체 고분자 중합체(Membrane)로써 다른 연료전지와 구별된다. 이러한 고분자전해질형 연료전지는 통상 LNG, LPG 등의 탄화수소계(CH계열) 연료를 개질유닛에서 탈황공정→개질반응→수소정제공정을 거쳐 수소(H2)만을 정제하고, 이 정제된 수소를 스택유닛의 연료극으로 공급하여 그 연료극에서는 연료인 수소의 전기화학적 산화가, 그리고 공기극에서는 산화제인 산소의 전기화학적 환원이 일어나면서 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기에너지가 발생되도록 하는 것이다.In general, a fuel cell system is an electrochemical device that directly converts chemical energy of hydrogen and oxygen into electrical energy. Fuel cells are classified into alkali type (AFC), phosphate type (PAGC), molten carbonate type (MCFC), solid electrolyte type (SOFC), and polymer electrolyte type (PEMFC) according to operating temperature and type of main fuel. Among them, the electrolyte of the polymer electrolyte fuel cell is not a liquid but a solid polymer (Membrane) to distinguish it from other fuel cells. In such a polymer electrolyte fuel cell, hydrocarbon-based (CH-based) fuels such as LNG and LPG are usually purified in a reforming unit through a desulfurization process → reforming reaction → hydrogen purification process to purify only hydrogen (H 2 ) and stack the purified hydrogen. It is supplied to the anode of the unit so that the electrical energy is generated by the electrochemical oxidation of hydrogen as fuel at the anode and the electrochemical reduction of oxygen as oxidant at the cathode.

도 1은 종래 PEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)방식의 연료전지를 보인 계통도이다.1 is a system diagram showing a fuel cell of a conventional PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) method.

이에 도시된 바와 같이 종래의 연료전지는, 개질유닛(10)에서 탄화수소계열의 연료를 개질하여 수소를 정제하고, 이 정제된 수소를 스택유닛(20)의 연료극(21)으로 공급하는 한편 공기를 상기 스택유닛(20)의 공기극(22)으로 공급하여 상기 연료극(21)에서는 산화반응이, 공기극(22)에서는 환원반응이 일어나게 한다. 이 과정에서 생성되는 전자가 상기 연료극(21)에서 공기극(22)으로 이동하면서 전기를 발생시키고, 그 전기는 전기변환유닛(미도시)에서 교류전기로 전환시켜 각종 전기제품에 공급하도록 구성되어 있다.As shown in the drawing, the conventional fuel cell reforms hydrogen by reforming a hydrocarbon-based fuel in the reforming unit 10, and supplies the purified hydrogen to the fuel electrode 21 of the stack unit 20 while supplying air. It is supplied to the cathode 22 of the stack unit 20 to cause an oxidation reaction at the fuel electrode 21 and a reduction reaction at the cathode 22. The electrons generated in this process generate electricity while moving from the fuel electrode 21 to the air electrode 22, and the electricity is converted into an alternating current in an electric conversion unit (not shown) and supplied to various electric products. .

이를 보다 상세히 살펴보면, LNG와 같은 탄화수소계열의 연료가 개질유닛(10)에서 각 단계를 거치면서 수소가 발생되고, 이 수소는 수분이 함유된 상태로 연료공급라인(31)을 통해 상기 스택유닛(20)의 연료극(21)으로 공급된다. 이 연료극(21)으로 공급되는 연료중에서 일부는 공기극(22)으로 공급되는 산소와 전기화학적 반응을 하여 소모되는 반면 일부는 산소와 반응하지 않은 상태의 남은 가스(off-gas)로 배출되어 연료회수라인(32)을 따라 다시 개질유닛(10)의 증기발생용 버너(11)로 회수되면서 연소용 연료로 재활용된다. Looking at this in more detail, hydrogen is generated as the hydrocarbon-based fuel such as LNG passes through each stage in the reforming unit 10, and the hydrogen is contained in the stack unit through the fuel supply line 31 in a state of containing water. It is supplied to the fuel electrode 21 of 20. Some of the fuel supplied to the anode 21 is consumed by electrochemical reaction with oxygen supplied to the cathode 22, while some are discharged to the remaining off-gas which is not reacted with oxygen to recover the fuel. Along with the line 32 is again recovered to the steam generating burner 11 of the reforming unit 10 is recycled as fuel for combustion.

여기서, 상기 개질유닛(10)에서 정제되는 수소는 여러 단계를 거치면서 대략 100~120°정도의 온도로 배출되나 상기 스택유닛(20)은 대략 50°안팎의 온도를 유지하여야 연료전지의 전체 효율을 높일 수 있으므로 결국 상기 스택유닛(20)으로 유입되기 전에 수소의 온도를 스택유닛(20)의 요구온도만큼 낮출 필요가 있다. Here, the hydrogen purified in the reforming unit 10 is discharged to a temperature of about 100 ~ 120 ° through several steps, but the stack unit 20 must maintain a temperature of about 50 ° or less overall efficiency of the fuel cell Since it can be increased, it is necessary to lower the temperature of hydrogen by the required temperature of the stack unit 20 before finally flowing into the stack unit 20.

한편, 탄화수소계열의 연료가 개질되는 과정에서 다량의 수분을 함유하게 되나 이 수분이 적정량 이상일 경우에는 오히려 연료전지의 성능을 저하시킬 수 있으 므로 수소에 함유된 수분의 일정량을 상기 스택유닛(20)으로 유입되기 전에 탈수시켜야 할 필요가 있다. 또, 상기 스택유닛(20)에서 사용되고 남은 가스에도 다량의 수분이 함유되어 있어 상기 개질유닛(10)에서의 연소효율을 높일 수 있으므로 회수되는 수소에서도 수분을 제거할 필요가 있다.On the other hand, the hydrocarbon-based fuel contains a large amount of water in the process of reforming, but when the moisture is more than the appropriate amount, rather than reducing the performance of the fuel cell, the amount of water contained in the hydrogen to the stack unit 20 It needs to be dewatered before it enters. In addition, since a large amount of moisture is contained in the gas used in the stack unit 20 and thus the combustion efficiency in the reforming unit 10 may be increased, it is necessary to remove moisture from the recovered hydrogen.

이를 위해, 종래에는 도 1에서와 같이 상기 스택유닛(20)과 개질유닛(10)의 버너(11a) 사이에 제1 기액분리기(41)를 설치하고 상기 개질유닛(10)과 스택유닛(20)의 사이에 제2 개액분리기(42)를 설치하여 상기 스택유닛(20)에서 개질유닛(10)으로 회수되는 수소에서도 수분을 응축시켜 분리하는 동시에 상기 스택유닛(20)으로 공급되는 수소에서 일정량의 수분을 응축시켜 분리하고 있다. 상기 각 기액분리기(41)(42)에서 분리되는 응축수는 응축수회수라인(43,44)를 통해 물탱크(51)로 모여 상기 스택유닛(20) 등을 냉각하는 냉각수로 활용하고 있다.To this end, conventionally, the first gas-liquid separator 41 is installed between the stack unit 20 and the burner 11a of the reforming unit 10 as shown in FIG. 1, and the reforming unit 10 and the stack unit 20 are installed. A second amount of liquid separation separator 42 is installed between the condensation and separation of the hydrogen even in the hydrogen recovered from the stack unit 20 to the reforming unit 10, and at the same time a predetermined amount from the hydrogen supplied to the stack unit 20. The water is condensed and separated. The condensate separated by the gas-liquid separators 41 and 42 is gathered into the water tank 51 through the condensate recovery lines 43 and 44 and used as cooling water for cooling the stack unit 20 and the like.

이러한 종래의 기액분리기(41)(42)는 도 2에서와 같은 높이 수두차(△H)를 이용하거나 도 3와 같이 각 기액분리기(41)(42)의 응축수수회수관(43)(44)마다 별도로 전동밸브(45)를 설치하여 그 전동밸브(45)를 이용한 방식이 널리 알려져 있다. 도면중 미설명 부호인 46은 수위센서, 52는 물라인, 61은 저수통, 62는 냉각수라인이다.The conventional gas-liquid separators 41 and 42 use the height head difference ΔH as shown in FIG. 2 or the condensed water recovery pipes 43 and 44 of each gas-liquid separators 41 and 42 as shown in FIG. In each case, an electric valve 45 is provided separately, and a method using the electric valve 45 is widely known. In the drawings, reference numeral 46 is a water level sensor, 52 is a water line, 61 is a reservoir, 62 is a coolant line.

그러나, 상기와 같은 높이수두차를 이용한 기액분리기(41)(42)는 수두차이에 의해 견디는 압력이 배수되는 압력보다 낮을 경우에는 응축수가 배수되지 않으며 반대의 경우에는 기액분리기(41)(42) 내부의 응축수가 모두 배수되어 상기 스택유닛(20)으로 공급되거나 개질유닛(10)으로 회수되어야할 수소가 배수관을 통해 빠져 나가는 현상이 발생할 우려가 있었다.However, the gas-liquid separators 41 and 42 using the height head difference as described above are not drained when the pressure tolerated by the head difference is lower than the drained pressure, and in the opposite case, the gas-liquid separators 41 and 42 are reversed. There was a risk that the condensate inside all drained and the hydrogen to be supplied to the stack unit 20 or to be recovered to the reforming unit 10 escape through the drain pipe.

또, 전동밸브를 이용한 기액분리기(41)(42)는 그 전동밸브의 구동을 위해 별도의 전력소비가 발생할 뿐만 아니라 일정 수위를 유지할 수 있도록 수위센서(46)와 전동밸브(45)를 연결한 제어장치가 필요하여 원가상승을 초래하는 문제점이 있었다.In addition, the gas-liquid separator (41) (42) using the electric valve is connected to the water level sensor (46) and the electric valve (45) to maintain a constant water level as well as a separate power consumption for driving the electric valve. There is a problem that the cost increase because a control device is required.

또, 상기 기액분리기(41)(42)에서 분리되는 수분은 물임에도 불구하고 이 기액분리기(41)(42)와 물탱크를 별도로 구성함에 따라 그만큼 비용의 상승과 연료전지의 비대화를 초래하는 문제점도 있었다.In addition, even though the water separated from the gas-liquid separators 41 and 42 is water, the gas-liquid separators 41 and 42 are formed separately from the water tank, thereby causing an increase in cost and an increase in fuel cell size. There was also.

본 발명은 상기와 같은 종래 기액분리기 및 이를 적용한 연료전지가 가지는 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 수소로부터 수분을 분리 제거하는 기액분리기를 저렴하면서 오작동이 없는 신뢰성 높은 기액분리기를 제공하려는데 본 발명의 목적이 있다.The present invention has been made in view of the above problems with the conventional gas-liquid separator and the fuel cell to which the same is applied. The present invention provides a gas-liquid separator with low cost and no malfunction in a gas-liquid separator that separates and removes moisture from hydrogen. There is this.

또, 본 발명은 기액분리 기능과 물저장 기능을 공유할 수 있도록 하여 원가가 절감되고 소형화를 이룰 수 있는 연료전지를 제공하려는데 본 발명의 목적이 있다.In addition, an object of the present invention is to provide a fuel cell that can share the gas-liquid separation function and the water storage function to reduce the cost and achieve miniaturization.

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 수소와 산소의 전기화학적 반응을 일으켜 전기를 발생하는 스택의 연료극에서 반응하지 않고 배출되거나 상기 연료극으로 공급되는 수소가스 중에 함유된 수분을 응축시켜 분리하는 적어도 한 개 이상의 기 액분리부와, 상기 기액분리부에 직접 연통하도록 일체로 형성되고 그 내부공간에 상기 기액분리부에서 가스와 분리된 물을 저장하는 물저장부를 포함한 기액분리기를 제공한다.In order to achieve the object of the present invention, at least one that condenses and separates the moisture contained in the hydrogen gas discharged without being reacted at the anode of the stack that generates electricity by generating an electrochemical reaction of hydrogen and oxygen to be supplied to the anode The gas-liquid separator and the gas-liquid separator are integrally formed to directly communicate with the gas-liquid separator, and a water storage unit for storing water separated from the gas in the gas-liquid separator in the inner space thereof.

또, 탄화수소계열의 연료에서 수소를 정제하는 개질유닛; 상기 개질유닛에 연결하여 정제된 수소와 공기를 공급받아 수소와 공기의 전기화학적 반응으로 전기를 생산하는 스택유닛; 및 상기 스택유닛의 연료극에서 반응하지 않고 배출되는 수소가스 중에 함유된 수분을 응축시켜 분리하는 제1 기액분리부와, 상기 스택유닛의 연료극으로 공급되는 수소가스 중에 함유된 수분을 응축시켜 분리하는 제2 기액분리부와, 상기 제1 기액분리부와 제2 기액분리부에 직접 연통하도록 일체로 형성되고 그 내부공간에 상기 제1 기액분리부와 제2 기액분리부에서 가스와 분리된 물을 저장하는 한 개의 물저장부로 된 기액분리유닛;을 포함한 연료전지를 제공한다.In addition, a reforming unit for purifying hydrogen from a hydrocarbon-based fuel; A stack unit connected to the reforming unit and receiving purified hydrogen and air to generate electricity by an electrochemical reaction of hydrogen and air; And a first gas-liquid separator for condensing and separating moisture contained in hydrogen gas discharged without reacting at the anode of the stack unit, and condensing and separating moisture contained in hydrogen gas supplied to the anode of the stack unit. 2 gas-liquid separator, integrally formed to directly communicate with the first gas-liquid separator and the second gas-liquid separator, and stores water separated from the gas in the first gas-liquid separator and the second gas-liquid separator in the interior space thereof. It provides a fuel cell comprising; a gas-liquid separation unit consisting of a water storage unit.

또, 탄화수소계열의 연료에서 수소를 정제하는 개질유닛; 상기 개질유닛에 연결하여 정제된 수소와 공기를 공급받아 수소와 공기의 전기화학적 반응으로 전기를 생산하는 스택유닛; 및 상기 스택유닛의 연료극에서 반응하지 않고 배출되는 수소가스 중에 함유된 수분을 응축시켜 분리하는 기액분리부와, 상기 기액분리부에 직접 연통하도록 일체로 형성되고 그 내부공간에 상기 기액분리부에서 가스와 분리된 물을 저장하는 물저장부로 된 제1 기액분리유닛; 상기 스택유닛의 연료극으로 공급되는 수소가스 중에 함유된 수분을 응축시켜 분리하는 기액분리부와, 상기 기액분리부에 직접 연통하도록 일체로 형성되고 그 내부공간에 상기 기액분리부에서 가스와 분리된 물을 저장하는 물저장부와로 된 제2 기액분리유닛;을 포함한 연료전 지를 제공한다.In addition, a reforming unit for purifying hydrogen from a hydrocarbon-based fuel; A stack unit connected to the reforming unit and receiving purified hydrogen and air to generate electricity by an electrochemical reaction of hydrogen and air; And a gas-liquid separator for condensing and separating moisture contained in the hydrogen gas discharged without reacting at the anode of the stack unit, and integrally formed to directly communicate with the gas-liquid separator, and the gas in the gas-liquid separator in the inner space thereof. A first gas-liquid separation unit comprising a water storage unit for storing the water separated from the first gas liquid; A gas-liquid separator for condensing and separating moisture contained in the hydrogen gas supplied to the fuel electrode of the stack unit, and integrally formed to directly communicate with the gas-liquid separator, and water separated from the gas in the gas-liquid separator in the inner space It provides a fuel cell comprising; a second gas-liquid separation unit consisting of a water storage unit for storing the.

이하, 본 발명에 의한 기액분리기 및 이를 적용한 연료전지를 첨부도면에 도시한 일실시예에 의거하여 상세히 설명한다.Hereinafter, a gas-liquid separator according to the present invention and a fuel cell to which the same is applied will be described in detail based on an embodiment shown in the accompanying drawings.

도 4는 본 발명 연료전지의 일례를 보인 계통도이고, 도 5 내지 도 7은 본 발명 연료전지의 기액분리유닛을 보인 개략도이다.4 is a system diagram showing an example of the fuel cell of the present invention, and FIGS. 5 to 7 are schematic views showing the gas-liquid separation unit of the fuel cell of the present invention.

이에 도시한 바와 같이 본 발명에 의한 연료전지는, 탄화수소계열의 연료에서 수소를 정제하는 개질유닛(110)과, 상기 개질유닛(110)에 연결하여 정제된 수소를 공급받는 연료극(121)과 공기를 공급받는 공기극(122)을 구비하여 수소와 공기의 전기화학적 반응으로 전기와 열을 생산하는 스택유닛(120)과, 상기 스택유닛(120)에서 사용되지 않은 수소를 개질유닛(110)으로 재공급하거나 상기 개질유닛(110)에서 스택유닛(120)으로 수소를 공급할 때 그 수소에서 수분을 분리하는 기액분리유닛(130)을 포함한다.As shown in the drawing, the fuel cell according to the present invention includes a reforming unit 110 for purifying hydrogen from a hydrocarbon-based fuel, a fuel electrode 121 and air connected to the reforming unit 110 to receive purified hydrogen. It is provided with a cathode 122 is supplied with a stack unit 120 for producing electricity and heat by the electrochemical reaction of hydrogen and air, and the unused hydrogen from the stack unit 120 to the reforming unit 110 When supplying or supplying hydrogen from the reforming unit 110 to the stack unit 120 includes a gas-liquid separation unit 130 for separating the water from the hydrogen.

상기 개질유닛(110)은 버너(111)를 이용하여 탄화수소계열의 연료와 반응하기 위한 증기를 발생하는 증기발생단계와, 연료와 수증기가 개질 반응하여 수소를 발생시키는 증기반응단계와, 증기반응단계를 거치면서 부산물로 발생된 일산화탄소를 재반응시켜 수소를 추가 발생시키는 중온수반응단계와, 상기 중온수반응기를 통과한 연료에 공기를 공급하여 그 공기를 촉매로 연료중의 일산화탄소를 제거하는 부분산화반응단계를 차례대로 진행할 수 있도록 구성된다.The reforming unit 110 is a steam generating step of generating a steam for reacting with a hydrocarbon-based fuel using a burner 111, a steam reaction step of generating a hydrogen by reforming the fuel and steam, and a steam reaction step The hot and hot water reaction step of generating hydrogen by re-reacting carbon monoxide generated as a by-product while passing through the gas, and supplying air to the fuel passing through the hot and hot water reactor, and partially oxidizing carbon monoxide in the fuel by using the air as a catalyst. It is configured to progress the reaction steps one by one.

상기 스택유닛(120)은 전해질막(미도시)을 사이에 두고 연료극(121)과 공기극(122)이 배치되고, 그 연료극(121)과 공기극(122)의 외측면에는 연료유로와 공기 유로를 각각 구비한 분리판(미도시)이 배치되어 단위셀을 이룬다. 상기 단위셀을 복수 개 적층하여 상기한 스택유닛이 이루어진다.The stack unit 120 includes a fuel electrode 121 and an air electrode 122 with an electrolyte membrane (not shown) interposed therebetween, and a fuel flow path and an air flow path are formed on outer surfaces of the fuel electrode 121 and the air electrode 122. Separation plates (not shown) provided with each are arranged to form a unit cell. The stack unit is formed by stacking a plurality of unit cells.

상기 기액분리유닛(130)은 개질유닛(110)의 부분산화반응단계를 위한 부품과 스택유닛(120)의 연료극(121) 사이를 연결하는 연료공급라인(151)과 상기 스택유닛(120)의 연료극(121)과 개질유닛(110)의 버너(111) 사이를 연결하는 연료회수라인(152)이 함께 연통하도록 기액분리 기능과 물저장 기능을 함께 가지도록 구성된다.The gas-liquid separation unit 130 of the fuel supply line 151 and the stack unit 120 connecting between the component for the partial oxidation reaction step of the reforming unit 110 and the anode 121 of the stack unit 120 The fuel recovery line 152 connecting the anode 121 and the burner 111 of the reforming unit 110 is configured to have a gas-liquid separation function and a water storage function to communicate with each other.

상기 기액분리유닛(130)은 도 5에서와 같이 상기 스택유닛(120)의 연료극(121)에서 반응하지 않고 배출되는 수소가스 중에 함유된 수분을 응축시켜 분리하는 제1 기액분리부(131)와, 상기 스택유닛(120)의 연료극(121)으로 공급되는 수소가스 중에 함유된 수분을 응축시켜 분리하는 제2 기액분리부(132)와, 상기 제1 기액분리부(131)와 제2 기액분리부(132)에 직접 연통하도록 일체로 형성되고 그 내부공간에 상기 제1 기액분리부(131)와 제2 기액분리부(132)에서 가스와 분리된 물을 저장하는 한 개의 물저장부(133)로 이루어진다.The gas-liquid separation unit 130 and the first gas-liquid separator 131 to condense and separate the moisture contained in the hydrogen gas discharged without reacting in the fuel electrode 121 of the stack unit 120 as shown in FIG. A second gas liquid separator 132 for condensing and separating water contained in hydrogen gas supplied to the anode 121 of the stack unit 120, and the first gas liquid separator 131 and the second gas liquid separator. One water storage unit 133 is integrally formed to directly communicate with the unit 132 and stores the water separated from the gas in the first gas-liquid separator 131 and the second gas-liquid separator 132 in the inner space. )

상기 제1 기액분리부(131)는 상수 또는 저수통(161)에 연결되는 냉각수라인(162)이 관통하여 결합되고, 상기 제1 기액분리부(131)를 통과한 냉각수라인(162)이 다시 제2 기액분리부(132)를 관통하여 결합된다. 상기 냉각수라인(162)은 폐루프를 형성하면서 각 기액분리부(131)(132)에 관통 결합된다.The first gas-liquid separator 131 is coupled to a cooling water line 162 connected to a constant or reservoir 161, and the cooling water line 162 passing through the first gas-liquid separator 131 is again. It is coupled through the second gas-liquid separator 132. The cooling water line 162 is coupled to each gas-liquid separator 131,132 while forming a closed loop.

또, 상기 제1 기액분리부(131)는 스택유닛(120)의 연료극(121) 출구에서 개질유닛(110)의 버너(111)에 연결되는 연료회수라(152)인이 그 내부공간에 연통하여 결합되고, 상기 제2 기액분리부(132)는 개질유닛(110)의 출구에서 스택유닛(120)의 연료극(121) 입구에 연결되는 연료공급라인(151)이 그 내부공간에 연통하여 결합된다.In addition, the first gas-liquid separator 131 is connected to the burner 111 of the reforming unit 110 at the outlet of the fuel electrode 121 of the stack unit 120 and is connected to the burner 111 in the inner space thereof. Is coupled through, the second gas-liquid separator 132 is coupled to the fuel supply line 151 connected to the inlet of the anode 121 of the stack unit 120 at the outlet of the reforming unit 110 in communication with the inner space do.

또, 상기 물저장부(133)는 스택유닛(120)에 폐루프 형상으로 연결되는 물라인(171)의 입구와 출구가 각각 소정의 깊이로 삽입되어 결합된다. 여기서, 상기 물라인(171)의 입구는 그 물저장부(133)에 채워지는 물에 잠기도록 상대적으로 깊게 삽입되는 반면 출구는 가급적 물에 잠기지 않도록 얕게 삽입되는 것이 바람직하다. In addition, the water storage unit 133 is coupled to the inlet and the outlet of the water line 171 is connected to the stack unit 120 in a closed loop shape with a predetermined depth. Here, the inlet of the water line 171 is inserted relatively deep so as to be submerged in the water filled in the water storage unit 133, the outlet is preferably inserted as shallow as possible so as not to be submerged in water.

상기 제1 기액분리부(131)와 제2 기액분리부(132)는 대략 동일한 형상과 크기로 형성되어 상기 물저장부(133)의 양측에 서로 연통되도록 배치되고, 상기 제1 기액분리부(131)와 제2 기액분리부(132)의 총 횡단면적은 물저장부(133)의 단면적과 대략 동일하게 형성하는 것이 각 부의 수면 높이를 동일하게 유지할 수 있어 바람직하나, 상기 물저장부(133)의 체적이 큰 경우에는 그 물저장부(133)에 보다 많은 양의 물이 저장될 수 있도록 물저장부(133)의 횡단면적을 양쪽 기액분리부(131)(132)의 총 횡단면적 보다 작게 형성하여야 한다.The first gas-liquid separator 131 and the second gas-liquid separator 132 are formed to have substantially the same shape and size and are disposed to communicate with each other on both sides of the water storage unit 133, and the first gas-liquid separator ( 131 and the second gas-liquid separator 132 may have a total cross sectional area that is substantially the same as that of the water storage unit 133 so that the surface height of each part may be maintained the same, but the water storage unit 133 If the volume is large, the cross sectional area of the water reservoir 133 is greater than the total cross sectional area of both gas-liquid separators 131 and 132 so that a larger amount of water can be stored in the water reservoir 133. It should be made small.

또, 상기 제1 기액분리부(131)와 물저장부(133)의 연통부(A) 단면적 또는 상기 제2 기액분리부(132)와 물저장부(133)의 연통부 단면적(B)은 상기 제1 기액분리부(131)와 제2 기액분리부(132)의 단면적 대비 1/5 이상으로 형성하는 것이 물이 각 기액분리부(131)(132)와 물저장부(133) 사이에서 원활하게 이동하는데 바람직하다.In addition, the cross-sectional area A of the communication portion A of the first gas-liquid separator 131 and the water reservoir 133 or the cross-sectional area B of the communication portion of the second gas-liquid separator 132 and the water reservoir 133 is The water may be formed between the gas-liquid separators 131 and 132 and the water storage unit 133 to be formed to be 1/5 or more than the cross-sectional area of the first gas-liquid separator 131 and the second gas-liquid separator 132. It is desirable to move smoothly.

상기 물저장부(133)에서 물이 과도하게 배수되거나 상기 제1 기액분리부(131) 또는 제2 기액분리부(132)에서 응축되는 물이 적은 경우에는 상기 각 기액분 리부(131)(132)와 물저장부(133) 사이의 연통부가 개방되면서 수소가 물저장부(133)로 이동하여 누설될 우려가 있으므로, 이를 감안하여 상기 연통부(A)(B)의 상단에 최저 수위센서(174)를 설치하여 만약 물의 수면이 그 최저 수위센서(174) 보다 낮게 되는 경우에는 연료전지가 정지되도록 하는 것이 바람직하다. 반대로, 물이 과도하게 많이 응축되는 경우에는 수소의 유통을 방해할 수 있으므로 이를 감안하여 연료공급라인(151)이나 연료회수라인(152)의 입출구 보다 낮게 최고 수위센서(175)를 설치하여 만약 물의 수면이 그 최고 수위센서(175) 보다 높게 되는 경우에는 연료전지가 정지되도록 하는 것이 바람직하다.When water is excessively drained from the water storage unit 133 or less water is condensed in the first gas-liquid separator 131 or the second gas-liquid separator 132, the respective gas-liquid separators 131 and 132 As the communication portion between the water reservoir 133 and the water reservoir 133 is opened, hydrogen may move to the water reservoir 133 and leak, so in consideration of this, the lowest water level sensor ( It is desirable to install 174 to stop the fuel cell if the water level is lower than its lowest level sensor 174. On the contrary, when excessively condensed water may interfere with the distribution of hydrogen, the highest water level sensor 175 may be installed below the inlet and outlet of the fuel supply line 151 or the fuel recovery line 152 in consideration of this. When the water level is higher than the highest level sensor 175, it is preferable to stop the fuel cell.

도면중 미설명 부호인 153은 공기공급라인, 172는 배수관, 173은 배수조절밸브이다.In the drawings, reference numeral 153 denotes an air supply line, 172 a drain pipe, and 173 a drain control valve.

상기와 같은 본 발명 기액분리기 및 이를 적용한 연료전지는 다음과 같은 작용효과를 갖는다.The gas-liquid separator of the present invention as described above and a fuel cell using the same have the following effects.

즉, 상기 개질유닛(110)에서 탄화수소계열의 연료를 개질하여 수소를 정제하고, 이 정제된 수소를 상기 스택유닛(120)의 연료극(121)으로 공급하는 한편 공기를 스택유닛(120)의 공기극(122)으로 공급하여 상기 연료극(121)에서는 산화반응이, 공기극(122)에서는 환원반응이 일어나게 한다. 이 과정에서 생성되는 전자가 상기 연료극(121)에서 공기극(122)으로 이동하면서 전기를 발생시키고, 그 전기는 교류전기로 전환되어 각종 전기제품에 공급된다.That is, the reforming unit 110 reforms hydrogen by reforming a hydrocarbon-based fuel, and supplies the purified hydrogen to the fuel electrode 121 of the stack unit 120 while supplying air to the cathode of the stack unit 120. Supply to 122 to cause the oxidation reaction in the anode 121, the reduction reaction in the cathode 122. Electrons generated in this process generate electricity while moving from the anode 121 to the cathode 122, and the electricity is converted into alternating current electricity and supplied to various electrical products.

여기서, 상기 개질유닛(110)에서는 증기발생단계와, 증기반응단계와, 중온수반응단계와, 그리고 부분산화반응단계를 차례대로 진행하면서 수소를 분리 생산하 는데, 이 과정에서 상기 수소에 다량의 수분이 함유됨에 따라 연료전지의 효율을 높이기 위하여는 상기 스택유닛(120)으로 수소가 공급되기 전에 기액분리유닛을 설치하여 수소에서 일정량의 수분을 제거하여야 한다. 이를 위해, 상기 개질유닛(110)에서 스택유닛(120)으로 수소를 공급하기 전에 그 수소가 기액분리유닛(130)의 제2 기액분리부(132)를 통과하도록 함으로써 상기 수소가 제2 기액분리부(132)를 관통하는 냉각수라인(찬 냉각수)(162)과 열교환되어 일정량의 응축수(탈이온수)가 분리되고 이 응축수는 제2 기액분리부(132)에 채워졌다가 후술할 제1 기액분리부(131) 및 물저장부(133)와의 압력차에 따라 상기 물저장부에 채워지게 된다.Here, the reforming unit 110 separates and produces hydrogen while sequentially generating a steam generation step, a steam reaction step, a hot water reaction step, and a partial oxidation step, in which a large amount of hydrogen is produced. In order to increase the efficiency of the fuel cell as the water is contained, a gas-liquid separation unit must be installed before hydrogen is supplied to the stack unit 120 to remove a certain amount of water from the hydrogen. To this end, the hydrogen passes through the second gas-liquid separator 132 of the gas-liquid separation unit 130 before the hydrogen is supplied from the reforming unit 110 to the stack unit 120 to separate the second gas-liquid separation. Heat exchanged with the cooling water line (cold cooling water) 162 passing through the portion 132, a predetermined amount of condensed water (deionized water) is separated and the condensed water is filled in the second gas-liquid separator 132, the first gas-liquid separation to be described later According to the pressure difference between the portion 131 and the water storage unit 133 is filled in the water storage unit.

그리고, 상기 스택유닛(120)의 연료극(121)을 통과하면서 반응하지 못한 수소는 다시 개질유닛(110)의 버너(111)로 재공급되어 연소용 연료로 사용하게 되는데, 이 경우에도 상기 버너(111)의 효율을 높이기 위하여는 수소에서 수분을 제거하여야 한다. 이를 위해, 상기 스택유닛(120)에서 개질유닛(110)으로 수소를 재공급하기 전에 그 수소가 기액분리유닛(130)의 제1 기액분리부(131)를 통과하도록 함으로써 상기 수소가 제1 기액분리부(131)를 관통하는 냉각수라인(찬 냉각수)(162)과 열교환되어 응축수(탈이온수)가 분리되고 이 응축수는 제1 기액분리부(131)에 채워졌다가 상기한 제2 기액분리부(132) 및 물저장부(133)와의 압력차에 따라 상기 물저장부(133)에 채워지게 된다.Hydrogen that has not reacted while passing through the fuel electrode 121 of the stack unit 120 is supplied back to the burner 111 of the reforming unit 110 to be used as fuel for combustion. In this case, the burner ( To increase the efficiency of 111), water must be removed from the hydrogen. To this end, the hydrogen passes through the first gas-liquid separator 131 of the gas-liquid separation unit 130 before the hydrogen is re-supplied from the stack unit 120 to the reforming unit 110 so that the hydrogen is the first gas-liquid. Condensed water (deionized water) is separated by heat exchange with a coolant line (cold coolant) 162 passing through the separator 131, and the condensed water is filled in the first gas-liquid separator 131, and the second gas-liquid separator is described above. 132 and the water storage unit 133 is filled in the water storage unit 133 according to the pressure difference.

한편, 상기 기액분리유닛(230)은 도 6에서와 같이 양측 기액분리부(231)(232)가 물저장부(233) 보다 높게 위치하도록 형성할 수도 있다. 이 경우 물이 물저장부(233)에서 스택유닛(120)으로 공급되는 만큼 각 기액분리부(231)(232) 에서 물이 물저장부(233)로 보다 쉽게 이동할 수 있어 스택유닛(120)으로의 물 공급이 용이하게 될 수 있다.Meanwhile, the gas-liquid separation unit 230 may be formed such that both gas-liquid separation units 231 and 232 are positioned higher than the water storage unit 233 as shown in FIG. 6. In this case, as water is supplied from the water storage unit 233 to the stack unit 120, water may be more easily moved from each gas-liquid separator 231 and 232 to the water storage unit 233, thereby stack unit 120. The supply of water to the can be facilitated.

또, 상기 기액분리유닛(330)은 도 7에서와 같이 통체로 형성하고, 그 내부 상단에서 수직방향으로 차단판(311)(312)을 설치하여 제1,제2 기액분리부(331)(332)와 물저장부(333)를 형성할 수도 있다. 이 경우 상기 차단판(311)(312)은 적어도 그 하단이 통체의 바닥면과 소정의 높이만큼 이격되도록 하여 물이 유통할 수 있도록 하여야 한다.In addition, the gas-liquid separation unit 330 is formed in a cylindrical body as shown in Figure 7, the first and second gas-liquid separator 331 (installing a blocking plate 311, 312 in the vertical direction from the upper end of the inside) ( 332 and the water storage unit 333 may be formed. In this case, the blocking plates 311 and 312 should be spaced apart from the bottom surface of the cylinder by a predetermined height so that water can flow.

도면중 미설명 부호인 251 및 351은 연료공급라인, 252 및 352는 연료회수라인, 262 및 362는 냉각수라인, 271 및 371은 물라인, 272 및 372는 배수관, 273 및 373은 배수조절밸브, 274 및 374는 최저 수위센서, 275 및 375는 최고 수위센서이다.In the drawings, 251 and 351 are fuel supply lines, 252 and 352 are fuel recovery lines, 262 and 362 are cooling water lines, 271 and 371 are water lines, 272 and 372 are drain lines, 273 and 373 are drain control valves, The 274 and 374 are the lowest level sensors, and the 275 and 375 are the highest level sensors.

본 발명에 의한 기액분리기 및 이를 적용한 연료전지에 대한 다른 실시예가 있는 경우는 다음과 같다.If there is another embodiment of the gas-liquid separator and the fuel cell to which the present invention is applied are as follows.

즉, 전술한 일실시예에서는 한 개의 기액분리유닛을 이용하여 스택유닛의 입구측에서의 기액분리기능과 출구에서의 기액분리기능을 동시에 하도록 하는 것이나, 본 실시예는 도 8에서 같이 상기 스택유닛(120)의 연료극(121)과 개질유닛(110)의 버너(111) 사이를 연결하는 연료회수라인(152)의 중간에 제1 기액분리유닛(180)이 설치되고 상기 개질유닛(110)과 스택유닛(120)의 연료극(121)을 연결하는 연료공급라인(151)의 중간에 제2 기액분리유닛(190)이 상기한 제1 기액분리유닛(180)과는 별도로 설치되어 구성된다.That is, in the above-described embodiment, one gas-liquid separation unit is used to simultaneously perform the gas-liquid separation function at the inlet side of the stack unit and the gas-liquid separation function at the outlet, but the present embodiment shows the stack unit 120 as shown in FIG. The first gas-liquid separation unit 180 is installed in the middle of the fuel recovery line 152 connecting the anode 121 and the burner 111 of the reforming unit 110 and the reforming unit 110 and the stack unit. The second gas-liquid separation unit 190 is installed separately from the first gas-liquid separation unit 180 in the middle of the fuel supply line 151 connecting the anode 121 of 120.

이 경우 상기 제1 기액분리유닛(180)과 제2 기액분리유닛(190)은 도 9에서와 같이 한 개씩의 기액분리부(181)(191)와 물저장부(182)(192)를 서로 연통하도록 일체로 형성하고, 제1 기액분리유닛(180)의 기액분리부(181)에는 연료회수라인(152)을 연통시키는 반면 제2 기액분리유닛(190)의 기액분리부(191)에는 연료공급라인(151)을 연통시킨다. 또, 상기 제1 기액분리유닛(180)의 기액분리부(181)를 관통하는 냉각수라인(162)은 제2 기액분리유닛(190)의 기액분리부(191)를 관통하기 전에 열교환기(200)가 설치되도록 하여 상기 열교환기(200)에서 제1 기액분리유닛(180)을 거치면서 흡수한 열을 일부 방출한 후 제2 기액분리유닛(190)에서 스택유닛(120)으로 공급되는 수소와 열교환되도록 하는 것이 바람직하다. 다른 구성이나 작용효과는 전술한 일실시예와 대동소이하므로 구체적인 설명은 생략한다.In this case, the first gas-liquid separation unit 180 and the second gas-liquid separation unit 190 each one of the gas-liquid separator 181, 191 and the water storage unit 182, 192 as shown in FIG. It is formed integrally to communicate, and the fuel recovery line 152 is communicated to the gas-liquid separator 181 of the first gas-liquid separation unit 180 while the fuel is separated into the gas-liquid separator 191 of the second gas-liquid separation unit 190. The supply line 151 is communicated. In addition, the coolant line 162 penetrating the gas-liquid separator 181 of the first gas-liquid separator 180 is before passing through the gas-liquid separator 191 of the second gas-liquid separator 190. ) Is installed so that the heat absorber passes through the first gas-liquid separation unit 180 to partially discharge the heat absorbed, and then hydrogen is supplied from the second gas-liquid separation unit 190 to the stack unit 120. It is desirable to allow heat exchange. Other configurations or effects are similar to those of the above-described embodiment, so detailed description thereof will be omitted.

본 발명에 의한 기액분리기 및 이를 구비한 연료전지는, 기액분리부와 물저장부를 일체로 연통 형성함에 따라 상기 기액분리부에서 생성되는 물이 물저장부로 곧바로 이동하여 저장되도록 할 수 있고 이를 통해 상기 기액분리부에 별도의 배수장치를 설치할 필요가 없어 원가를 낮출 수 있을 뿐만 아니라 오작동으로 인한 수소가스의 누설을 막아 연료전지의 신뢰성을 높일 수 있다.According to the gas-liquid separator and the fuel cell having the same, the gas-liquid separator and the water storage unit are integrally formed so that the water generated in the gas-liquid separator can be immediately moved to the water storage unit and stored therein. There is no need to install a separate drainage unit in the gas-liquid separator, which can reduce the cost and improve the reliability of the fuel cell by preventing the leakage of hydrogen gas due to malfunction.

Claims (6)

수소와 산소의 전기화학적 반응을 일으켜 전기를 발생하는 스택의 연료극에서 반응하지 않고 배출되거나 상기 연료극으로 공급되는 수소가스 중에 함유된 수분을 응축시켜 분리하는 적어도 한 개 이상의 기액분리부와,At least one gas-liquid separator for electrochemical reaction of hydrogen and oxygen to condense and separate moisture contained in the hydrogen gas discharged without being reacted at the anode of the stack generating electricity or supplied to the anode; 상기 기액분리부에 직접 연통하도록 일체로 형성되고 그 내부공간에 상기 기액분리부에서 가스와 분리된 물을 저장하는 물저장부를 포함한 기액분리기.And a water storage unit integrally formed to directly communicate with the gas-liquid separator and storing water separated from the gas in the gas-liquid separator in an inner space thereof. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 기액분리부는 수소가스가 통과하는 연료라인이 상기 기액분리부의 내부공간에 연통하도록 결합되는 동시에 냉각수가 통과하는 냉각수라인이 상기 수소가스와 접촉하도록 상기 기액분리부를 관통하여 결합되는 반면,The gas-liquid separator is coupled to the fuel line through which the hydrogen gas passes to communicate with the internal space of the gas-liquid separator, and is coupled through the gas-liquid separator so that the coolant line through which the coolant passes is in contact with the hydrogen gas. 상기 물저장부는 그 내부의 물을 이용하여 상기 스택을 냉각하도록 물순환라인의 입출구가 연통 결합되는 기액분리기.The water storage unit is a gas-liquid separator is connected to the inlet and outlet of the water circulation line to cool the stack using the water therein. 제1항 또는 제2항에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 상기 기액분리부와 물저장부 중에서 적어도 어느 한 쪽에는 물의 수위를 검출하도록 수위센서가 설치되는 기액분리기.At least one of the gas-liquid separator and the water storage unit is a gas-liquid separator is installed to detect the water level of the water level. 탄화수소계열의 연료에서 수소를 정제하는 개질유닛; A reforming unit for purifying hydrogen from a hydrocarbon-based fuel; 상기 개질유닛에 연결하여 정제된 수소와 공기를 공급받아 수소와 공기의 전기화학적 반응으로 전기를 생산하는 스택유닛; 및A stack unit connected to the reforming unit and receiving purified hydrogen and air to generate electricity by an electrochemical reaction of hydrogen and air; And 상기 스택유닛의 연료극에서 반응하지 않고 배출되는 수소가스 중에 함유된 수분을 응축시켜 분리하는 제1 기액분리부와, 상기 스택유닛의 연료극으로 공급되는 수소가스 중에 함유된 수분을 응축시켜 분리하는 제2 기액분리부와, 상기 제1 기액분리부와 제2 기액분리부에 직접 연통하도록 일체로 형성되고 그 내부공간에 상기 제1 기액분리부와 제2 기액분리부에서 가스와 분리된 물을 저장하는 한 개의 물저장부로 된 기액분리유닛;을 포함한 연료전지.A first gas-liquid separator for condensing and separating moisture contained in hydrogen gas discharged without reacting at the anode of the stack unit, and a second for condensing and separating moisture contained in hydrogen gas supplied to the anode of the stack unit A gas-liquid separator and the first gas-liquid separator and the second gas-liquid separator are integrally formed so as to directly communicate with each other and store water separated from the gas in the first gas-liquid separator and the second gas-liquid separator. Fuel cell comprising; a gas-liquid separation unit of one water storage unit. 탄화수소계열의 연료에서 수소를 정제하는 개질유닛; A reforming unit for purifying hydrogen from a hydrocarbon-based fuel; 상기 개질유닛에 연결하여 정제된 수소와 공기를 공급받아 수소와 공기의 전기화학적 반응으로 전기를 생산하는 스택유닛;A stack unit connected to the reforming unit and receiving purified hydrogen and air to generate electricity by an electrochemical reaction of hydrogen and air; 상기 스택유닛의 연료극에서 반응하지 않고 배출되는 수소가스 중에 함유된 수분을 응축시켜 분리하는 기액분리부와, 상기 기액분리부에 직접 연통하도록 일체로 형성되고 그 내부공간에 상기 기액분리부에서 가스와 분리된 물을 저장하는 제1 물저장부와로 된 제1 기액분리유닛; 및A gas-liquid separator for condensing and separating moisture contained in the hydrogen gas discharged without reacting at the anode of the stack unit, and integrally formed to directly communicate with the gas-liquid separator, and the gas from the gas-liquid separator in the inner space. A first gas-liquid separation unit comprising a first water storage unit for storing the separated water; And 상기 스택유닛의 연료극으로 공급되는 수소가스 중에 함유된 수분을 응축시켜 분리하는 기액분리부와, 상기 기액분리부에 직접 연통하도록 일체로 형성되고 그 내부공간에 상기 기액분리부에서 가스와 분리된 물을 저장하는 물저장부로 된 제2 기액분리유닛;을 포함한 연료전지.A gas-liquid separator for condensing and separating moisture contained in the hydrogen gas supplied to the fuel electrode of the stack unit, and integrally formed to directly communicate with the gas-liquid separator, and water separated from the gas in the gas-liquid separator in the inner space And a second gas-liquid separation unit comprising a water storage unit for storing the fuel cell. 제4항 또는 제5항에 있어서,The method according to claim 4 or 5, 상기 기액분리부는 수소가스가 통과하는 연료라인이 상기 기액분리부의 내부공간에 연통하도록 결합되는 동시에 냉각수가 통과하는 냉각수라인이 상기 수소가스와 접촉하도록 상기 기액분리부를 관통하여 결합되는 반면,The gas-liquid separator is coupled to the fuel line through which the hydrogen gas passes to communicate with the internal space of the gas-liquid separator, and is coupled through the gas-liquid separator so that the coolant line through which the coolant passes is in contact with the hydrogen gas. 상기 물저장부는 그 내부의 물을 이용하여 상기 스택유닛을 냉각하도록 물순환라인의 입출구가 연통 결합되는 연료전지.The water storage unit is a fuel cell that is coupled to the inlet and outlet of the water circulation line to cool the stack unit using the water therein.
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