KR100675686B1

KR100675686B1 - 연료전지의 연료 공급 장치

Info

Publication number: KR100675686B1
Application number: KR1020000085430A
Authority: KR
Inventors: 윤홍식; 김인규; 김혁덕; 박일권; 박명석; 이성환; 이명호; 황용준
Original assignee: 주식회사 엘지이아이
Priority date: 2000-12-29
Filing date: 2000-12-29
Publication date: 2007-02-01
Also published as: KR20020056122A

Abstract

본 발명은 연료전지의 연료 공급 장치에 관한 것으로, 본 발명은 수소를 함유한 연료로부터 수소를 생성시키는 개질기와, 상기 개질기에 메인라인으로 연결되어 공급되는 수소 및 이 수소와는 별도로 공급되는 산소의 전기화학적 반응에 의해 전기와 열이 발생되는 스택과, 상기 개질기와 스택 사이의 메인라인에서 분관되어 다시 합관되는 서브라인의 중간에 장착되어 상기 개질기에서 만들어진 수소를 임시로 저장하였다가 필요시 스택에 공급하는 수소저장용기와, 상기 서브라인의 분관점과 합관점 사이에 장착되고 상기 수소저장용기의 입구측 서브라인과 출구측 서브라인에 각각 장착되어 상기 스택으로 공급되는 수소의 공급루트를 제어하는 복수의 수소공급 제어밸브와, 상기 수소공급 제어밸브와 연결되어 그 수소공급 제어밸브의 개폐를 제어하는 콘트롤러를 포함함으로써, 전원의 재인가시 곧바로 전기를 만들어 사용할 수 있게 됨에 따라 연료전지의 편리성과 함께 이를 통한 신뢰성을 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 3a 및 도 3b는 본 발명 연료전지에서 수소가 공급되는 과정을 보인 개략도.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **

11 : 연료탱크 12 : 개질기

13 : 스택 14 : 전력변환기

15 : 축열탱크 16 : 수소저장용기

17A,17B,17C : 수소공급 제어밸브 18 : 콘트롤러

18a : 충전부 19 : 수소감지센서

L1,L2,L3 : 수소공급라인

본 발명은 연료전지의 연료 공급 장치에 관한 것으로, 특히 연료전지의 기동시 기동시간을 최소화할 수 있도록 보조 연료통을 구비한 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 전해질 막, 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 종래 연료전지에서는, 전원의 재인가시 이에 필요한 전기가 만들어지기 위하여는 연료탱크(1)로부터 연료가 개질기(2)로 유입되어 일정시간동안 수소를 생성시키기 위한 탈황공정 및 개질공정 그리고 수소정제공정을 거친 후에야 스택(3)에 공급되어 전기를 발생시키게 되므로, 전기공급의 응답성이 저하 되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래 연료전지가 가지는 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 전기를 필요로 할 때 전기가 곧바로 공급될 수 있도록 전기공급의 응답성을 향상시킬 수 있는 연료전지의 연료 공급 장치를 제공하려는데 그 목적이 있다.

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 수소를 함유한 연료로부터 수소를 생성시키는 개질기와,
상기 개질기에 메인라인으로 연결되어 공급되는 수소 및 이 수소와는 별도로 공급되는 산소의 전기화학적 반응에 의해 전기와 열이 발생되는 스택과, 상기 개질기와 스택 사이의 메인라인에서 분관되어 다시 합관되는 서브라인의 중간에 장착되어 상기 개질기에서 만들어진 수소를 임시로 저장하였다가 필요시 스택에 공급하는 수소저장용기와, 상기 서브라인의 분관점과 합관점 사이에 장착되고 상기 수소저장용기의 입구측 서브라인과 출구측 서브라인에 각각 장착되어 상기 스택으로 공급되는 수소의 공급루트를 제어하는 복수의 수소공급 제어밸브와, 상기 수소공급 제어밸브와 연결되어 그 수소공급 제어밸브의 개폐를 제어하는 콘트롤러를 포함한 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 3a 및 도 3b는 본 발명 연료전지에서 수소가 공급되는 과정을 보인 개략도이다.

이에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 연료 공급 장치가 구비된 연료전지 는, 수소를 포함하고 있는 연료액이 저장되는 연료탱크(11)와, 상기 연료탱크(11)에 연결되어 연료액으로부터 수소를 생성시키는 개질기(12)와, 상기 개질기(12)에 연결되어 전기와 열을 발생시키는 스택(13)과, 상기 스택(13)의 출력측에 연결되어 직류전기를 교류전기로 전환시키는 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 개질기(12)와 스택(13) 사이의 수소공급라인(L)에 장착되어 수소를 저장하는 수소저장용기(16)와, 상기 개질기(12)와 스택(13) 사이 또는 개질기(12)와 수소저장용기(16) 또는 수소저장용기(16)와 스택(13) 사이의 수소공급라인(L)에 장착되어 수소의 공급루트를 결정하는 수소공급 제어밸브(17A)(17B)(17C)와, 상기 수소공급 제어밸브(17A)(17B)(17C)의 개폐를 제어하는 콘트롤러(18)로 구성된다.

상기 수소공급라인(L)은 개질기(12)의 출구와 스택(13)의 입구를 연통시키는 메인라인(L1)과, 상기 메인라인(L1)의 중간에서 분관되어 수소저장용기(16)의 입구에 연결되는 제1 서브라인(L2)과, 상기 수소저장용기(16)의 출구와 상기한 메인라인(L1)에 다시 연결되는 제2 서브라인(L3)으로 이루어진다. 상기 제2 서브라인(L3)과 메인라인(L1)의 연결점은 제1 서브라인(L2)과 메인라인(L1)의 분기점 보다 수소의 진행방향으로 후방측에 위치한다.

상기 수소공급 제어밸브(17A)(17B)(17C)는 메인라인(L1)의 중간지점, 즉 제1 서브라인(L2)과의 분기점과 제2 서브라인(L3)과의 연결점 사이에 장착되는 메인밸브(17A)와, 상기 제1 서브라인(L2) 및 제2 서브라인(L3)에 각각 장착되는 제1 서브 밸브(17B) 및 제2 서브밸브(17C)로 이루어진다.

상기 메인라인(L1)의 전방측, 즉 제1 서브라인(L2)과의 분기점 앞단에는 개질기(12)에서의 수소발생 여부를 감지하는 수소감지센서(19)가 상기한 콘트롤러(18)의 입력부에 연결되도록 설치된다.

상기 콘트롤러(18)는 상기한 수소감지센서(19)와 연결되는 입력부(미부호)와, 그 입력부(미부호)로 전달되는 수소발생 여부에 따라 상기한 각각의 수소공급 제어밸브(17A)(17B)(17C)의 개폐를 판단하는 연산부(미부호)와, 그 연산부(미부호)의 판단에 따라 각각의 수소공급 제어밸브(17A)(17B)(17C)를 동작시키도록 상기한 각각의 제어밸브(17A)(17B)(17C)와 연결되는 출력부(미부호)로 이루어진다.

상기 콘트롤러(18)는 스택(13)의 전기출력측(정확하게는 전력변환기의 출력측)에 연결되어 충전되도록 하는 충전부(18a)가 내장된다.

도면중 미설명 부호인 12A는 반응로, 12B는 버너, 13A는 전해질 막, 13B는 연료극, 13C는 공기극이다.

상기와 같이 구성되는 본 발명에 의한 연료전지의 연료 공급 장치는 다음과 같은 작용효과를 갖는다.

즉, 전원인가시 상기 연료탱크(11)로부터 공급되는 연료액이 물과 공기와 혼합되면서 연료공급라인(미부호)을 통해 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 되고, 이 수소는 스택(13)의 연료극(13B)으로 공급되어 공기극(13C)으로 공급되는 산소와 함께 전기화학적 반응을 거치면서 전기와 열을 발생시키게 되며, 이 중 전기는 전력변환기(14)를 거쳐 각각의 전기제품에 인가되면서 전원으로 사용되는 반면 열은 별도의 열회수장치인 축열탱크(15)에 저장되어 난방이나 온수를 위한 열원으로 이용된다.

이때, 상기 개질기(12)에서는 연료탱크(11)를 통해 유입되는 연료액을 전술한 바와 같이 탈황반응 및 개질반응 그리고 수소정제반응을 수행한 다음에 순수한 수소를 스택(13)에 공급함에 따라 상당한 공정시간이 소요되므로, 이를 감안하여 개질기(12)와 스택(13)의 사이에 구비된 수소저장용기(16)내의 수소가 개질기(12)에서 수소가 생성되기 전에 먼저 스택(13)에 공급되어 임시로 전기를 만들어 내도록 함으로써 전기제품의 기동을 가능하게 되고, 이후 개질기(12)에서 수소가 생성되어 이 개질기(12)를 통한 수소공급이 가능하게 되면 수소저장용기(16)로부터의 수소공급은 중단되는 반면 개질기(12)와 스택(13)이 직접 연결되어 수소가 정상적으로 공급된다.

이를 보다 상세히 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 도 3a에서 도시된 같이, 전원이 인가되면 콘트롤러(18)에 의해 메인밸브(17A)와 제1 서브밸브(17B)가 닫힌 상태에서 제2 서브밸브(17C)만이 열려 수소저장용기(16)에 채워져 있던 수소가 제2 서브라인(17C)을 통해 스택(13)의 연료극(13B)으로 공급된다.

이후, 도 3b에 도시된 바와 같이 상기 개질기(12)에서 생성되는 수소를 수소감지센서(19)가 감지하여 콘트롤러(18)에 전달하게 되면 이를 감지한 콘트롤러(18) 에서는 개질기(12)를 통한 수소공급이 가능하다고 판단하여 제2 서브밸브(17C)를 닫는 반면 메인밸브(17A)를 열어 수소가 개질기(12)에서 스택(13)의 연료극(13B)으로 직접 공급되도록 한다.

이와 같이 개질기(12)에서 스택(13)으로 수소가 직접 공급될 때 상기 제1 서브밸브(17B)를 열어 메인라인(L1)을 통해 개질기(12)에서 스택(13)으로 공급되는 수소의 일부를 다시 수소저장용기(16)에 저장시키게 된다.

또한편, 상기 스택(13)을 통해 생성되는 전기는 전력변환기(14)를 거쳐 각종 전기제품에 전력원으로 활용됨과 아울러 그 일부는 콘트롤러(18)에 내장된 충전부(18a)에 인가되어 콘트롤러(18)를 미리 충전시키게 된다.

이렇게 하여, 장기간 여행이나 출장 또는 전원시스템의 교체나 수리 등으로 인해 연료전지의 전원을 완전히 오프(OFF)시켰다가 전원의 재인가시 개질기에서 수소가 만들어지는 동안 수소저장용기에 준비되어 있던 수소를 이용하여 스택을 구동시킴으로써 필요한 때 곧바로 전기를 만들어 사용할 수 있게 됨에 따라 연료전지의 편리성은 물론 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

본 발명에 의한 연료전지의 연료 공급 장치는, 구동시 개질기로부터 발생되는 수소의 일부를 미리 저장하였다가 이 수소를 전원의 재인가시 개질기에서 수소가 만들어지는 동안 활용함으로써, 전원의 재인가시 곧바로 전기를 만들어 사용할 수 있게 됨에 따라 연료전지의 편리성과 함께 이를 통한 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

Claims

수소를 함유한 연료로부터 수소를 생성시키는 개질기와,

상기 개질기에 메인라인으로 연결되어 공급되는 수소 및 이 수소와는 별도로 공급되는 산소의 전기화학적 반응에 의해 전기와 열이 발생되는 스택과,

상기 개질기와 스택 사이의 메인라인에서 분관되어 다시 합관되는 서브라인의 중간에 장착되어 상기 개질기에서 만들어진 수소를 임시로 저장하였다가 필요시 스택에 공급하는 수소저장용기와,

상기 서브라인의 분관점과 합관점 사이에 장착되고 상기 수소저장용기의 입구측 서브라인과 출구측 서브라인에 각각 장착되어 상기 스택으로 공급되는 수소의 공급루트를 제어하는 복수의 수소공급 제어밸브와,

상기 수소공급 제어밸브와 연결되어 그 수소공급 제어밸브의 개폐를 제어하는 콘트롤러를 포함한 연료전지의 연료 공급 장치.
제1항에 있어서, 상기 개질기의 출구측 메인라인에는 수소의 발생여부를 감지하여 콘트롤러에 전달하고 이를 통해 콘트롤러가 상기한 수소공급 제어밸브의 개폐를 명령하도록 하는 수소감지센서가 장착되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지의 연료 공급 장치.
제1항에 있어서, 상기 스택의 전기출력측은 콘트롤러의 충전부에 연결되어 스택에서 발생되는 전기의 일부를 이용하여 콘트롤러가 충전되도록 하는 것을 특징 으로 하는 연료전지의 연료 공급 장치.