KR100677272B1

KR100677272B1 - 연료전지 시스템의 공기 가습 장치

Info

Publication number: KR100677272B1
Application number: KR1020050032100A
Authority: KR
Inventors: 황용준; 김정철; 허성근
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2005-04-18
Filing date: 2005-04-18
Publication date: 2007-02-02
Also published as: KR20060109778A

Abstract

본 발명에 의한 연료전지 시스템의 공기 가습 장치는, 연료극과 공기극을 구비하여 수소와 산소의 전기화학적 반응으로 전기를 생성하는 스택유닛; 연료공급원에서 공급되는 연료로부터 수소를 정제하도록 개질기를 구비하여 상기 스택유닛의 연료극에 공급하는 연료공급유닛; 상기 스택유닛의 공기극에 공기를 공급하는 공기공급유닛; 상기 공기공급유닛과 교차하도록 설치하여 상기 연료공급유닛을 적절하게 냉각하도록 물을 순환 공급하는 급수유닛; 및 상기 공기공급유닛과 급수유닛이 교차하는 지점에 설치하여 상기 급수유닛을 통해 순환하는 물이 상기 공기공급유닛을 통과하는 공기와 접촉되면서 그 공기를 가습하도록 공기가습유닛;을 포함함으로써, 개질기의 반응시 발생하는 폐열을 활용하여 공기를 가습할 수 있고 이를 통해 시스템의 효율을 높일 수 있을 뿐만 아니라 부품수를 줄여 생산비용과 유지관리비용을 절감할 수 있다.

Description

연료전지 시스템의 공기 가습 장치{HUMIDIFICATION DEVICE FOR FULL CELL SYSTEM}

도 1은 종래 연료전지 시스템의 일례를 보인 계통도,

도 2는 본 발명 연료전지 시스템의 일례를 보인 계통도,

도 3은 본 발명 연료전지 시스템의 공기 가습 장치를 보인 개략도.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **

110 : 연료공급유닛 120 : 공기공급유닛

121 : 공기공급라인 130 : 스택유닛

140 : 전기출력유닛 150 : 급수유닛

152 : 순환라인 160 : 공기가습유닛

본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로, 특히 개질기의 반응열을 이용하여 스택유닛으로 공급되는 공기를 가습하도록 하는 연료전지 시스템의 공기 가습 장치에 관한 것이다.

일반적으로 연료전지 시스템(FUEL CELL SYSTEM)은 연료가 가지고 있는 에너 지를 직접 전기적 에너지로 변환하는 장치로서, 이러한 연료전지 시스템은 통상 고분자 전해질 막을 중심으로 양쪽에 각각 양극(ANODE)과 음극(CATHODE)을 설치하고, 양극(산화전극 또는 연료극)에서는 연료인 수소의 전기화학적 산화가, 그리고 음극(환원전극 또는 공기극)에서는 산화제인 산소의 전기화학적 환원이 일어나면서 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기에너지를 발생되도록 하는 전지계로서 일종의 발전장치라고 할 수 있다.

도 1은 LNG, LPG, CH₃OH, 가솔린 등의 탄화수소계(CH계열) 연료를 개질기에서 탈황공정→개질반응→수소정제공정을 거쳐 수소(H₂)만을 정제하여 연료로 사용하는 PEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)방식의 연료전지 시스템(이하, 연료전지 시스템으로 통칭함)을 보인 계통도이다.

이에 도시한 바와 같이 종래의 연료전지 시스템은, LNG에서 수소(H₂)를 정제하는 개질기(11)를 구비하여 그 개질기(11)에서 만든 수소(H₂)를 후술할 스택유닛(30)의 연료극(31)에 공급하는 연료공급유닛(10)과, 스택유닛(30)의 공기극(32)에 공기를 공급하는 공기공급유닛(20)과, 연료공급유닛(10)과 공기공급유닛(20)에서 각각 공급되는 수소와 산소의 전기화학적 반응에 의해 전기에너지와 열에너지를 동시에 생성하도록 연료극(31)과 공기극(32)을 포함하는 스택유닛(30)과, 스택유닛(30)에서 생성하는 전기에너지를 부하에 공급하는 전기출력유닛(40)과, 연료공급유닛(10)의 개질기(11)와 스택유닛(30)에 물을 공급하여 그 개질기(11)와 스택유닛(30)을 냉각하는 급수유닛(50)과, 상기한 각 유닛(10)(20)(30)(40)(50)을 적절히 조절하는 제어부(미도시)로 구성하고 있다.

연료공급유닛(10)의 개질기(11)는 연료에 함유된 황을 제거하는 탈황반응기(11a)와, 연료와 수증기가 개질 반응하여 수소를 발생시키는 개질반응기(11b)와, 개질반응기(11b)를 거쳐 발생된 일산화탄소를 재반응시켜 수소를 추가 발생시키는 고온수반응기(11c) 및 저온수반응기(11d)와, 공기를 촉매로 하여 연료중의 일산화탄소를 제거함으로써 수소를 정제하는 부분산화반응기(11e)와, 개질반응기(11b)에 수증기를 공급하는 수증기발생기(11f)와, 수증기발생기(11f)에 필요한 열을 공급하는 버너(11g)로 이루어져 있다.

여기서, 부분산화반응기(11e)는 제1 예열기(61)를 거쳐 스택유닛(30)의 연료극(31) 입구에 연결하고, 연료극(31)의 출구는 스택유닛(30)에서 반응하고 남은 수소를 다시 재활용하기 위하여 상기한 버너(11g)에 곧바로 연결하고 있다. 또, 스택유닛(30)의 공기극(32)은 제1 예열기(61)를 거쳐 그 공기극(32)의 입구측에 배치하는 제2 예열기(62)에 연결하고, 공기공급유닛(20)은 제2 예열기(62)를 거쳐 스택유닛(30)의 공기극(32) 입구측에 연결하고 있다.

급수유닛(50)은 소정량의 물을 충전하는 급수통(51)과, 개질기(11)와 급수통(51) 사이를 순환식으로 연결하는 순환라인(52)과, 급수통(51)과 수증기발생기(11f)를 연결하는 급수라인(53)과, 순환라인(52)과 급수라인(53)에 각각 설치하여 급수통(51)의 물을 펌핑하는 순환펌프(54) 및 급수펌프(55)로 이루어져 있다.

상기와 같은 종래 연료전지 시스템은 다음과 같이 동작한다.

즉, 연료공급유닛(10)의 개질기(11)에서 탄화수소계열의 연료를 개질하여 수 소를 정제하고 이 수소를 스택유닛(30)의 연료극(31)으로 공급하는 한편 공기공급유닛(20)을 이용하여 취합하는 공기를 스택유닛(30)의 공기극(32)으로 공급함으로써 연료극(31)에서는 산화반응이, 공기극(32)에서는 환원반응이 일어나게 한다. 이 과정에서 생성되는 전자가 연료극(31)에서 공기극(32)으로 이동하면서 전기를 발생시키고, 그 전기는 전기출력유닛(40)에서 교류전기로 전환시켜 각종 전기제품에 공급한다.

여기서, 연료공급유닛(10)의 개질기(11)에서는 고온의 반응열이 발생하므로 급수유닛(50)의 순환펌프(54)를 이용하여 급수통(51)에 채워져 있는 물을 상기한 순환라인(52)으로 개질기(11)에 순환 공급함으로써 개질기(11)를 냉각하여 적정온도를 유지하도록 한다. 이와 함께 급수유닛(50)의 급수펌프(55)를 이용하여서는 급수통(51)의 물을 급수라인(53)으로 개질기(11) 내부의 수증기발생기(11f)로 공급하여 개질기(11)에서 발생하는 수소가 적정하게 습윤상태를 유지하면서 스택유닛(30)의 연료극(31)으로 공급되도록 한다.

한편, 스택유닛(30)의 공기극(32)에서 배출되는 배기공기에는 반응열과 수분을 함유하고 있는데 이 배기공기는 제1 예열기(61)를 통과하면서 개질기(11)에서 스택유닛(30)의 연료극(31)으로 공급되는 연료를 적정온도로 예열을 하면서 수분이 응축되어 공기와 분리되고 이 중 공기는 대기중으로 배출되는 반면 수분은 제2 예열기(62)를 거치면서 새로운 흡입공기와 혼합되어 스택유닛(30)의 공기극(32)으로 공급되는 공기가 습윤상태가 되도록 하는 것이었다.

그러나, 상기와 같은 종래 연료전지 시스템에 있어서는, 개질기(11)에서 발 생하는 열을 시스템에 직접 활용하지 못하고 급수통(51)의 물을 소정의 온도로 가열하는 등 간접적으로 활용함에 따라 시스템의 효율이 저하되는 것은 물론 공기를 가습하기 위한 별도의 예열기(61)(62)와 이를 적용하기 위한 복잡한 배관 등이 필요하여 생산비용이 과다하고 유지관리가 복잡한 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래 연료전지 시스템이 가지는 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 개질기에서 발생하는 폐열의 활용도를 높여 시스템 효율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 공기를 용이하게 가습할 수 있도록 하여 생산비용을 절감하고 유지관리를 간소화할 수 있는 연료전지 시스템의 공기 가습 장치를 제공하려는데 본 발명의 목적이 있다.

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 연료극과 공기극을 구비하여 수소와 산소의 전기화학적 반응으로 전기를 생성하는 스택유닛; 연료공급원에서 공급되는 연료로부터 수소를 정제하도록 개질기를 구비하여 상기 스택유닛의 연료극에 공급하는 연료공급유닛; 상기 스택유닛의 공기극에 공기를 공급하는 공기공급유닛; 상기 공기공급유닛과 교차하도록 설치하여 상기 연료공급유닛을 적절하게 냉각하도록 물을 순환 공급하는 급수유닛; 및 상기 공기공급유닛과 급수유닛이 교차하는 지점에 설치하여 상기 급수유닛을 통해 순환하는 물이 상기 공기공급유닛을 통과하는 공기와 접촉되면서 그 공기를 가습하도록 공기가습유닛;을 포함한 연료전지 시스템의 공기 가습 장치를 제공한다.

이하, 본 발명에 의한 연료전지 시스템의 공기 가습 장치를 첨부도면에 도시 한 일실시예에 의거하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명 연료전지 시스템의 일례를 보인 계통도이고, 도 3은 본 발명 연료전지 시스템의 공기 가습 장치를 보인 개략도이다.

이에 도시한 바와 같이 본 발명에 의한 연료전지 시스템은, LNG에서 수소(H₂)를 정제하여 후술할 스택유닛(130)의 연료극에 공급하는 연료공급유닛(110)과, 스택유닛(130)의 공기극(132)에 공기를 공급하는 공기공급유닛(120)과, 수소와 산소의 전기화학적 반응에 의해 전기에너지와 열에너지를 동시에 생성하는 스택유닛(130)과, 전기에너지를 부하에 공급하는 전기출력유닛(140)과, 연료공급유닛(110)의 개질기(111)에 물을 공급하여 그 개질기(111)를 냉각하는 급수유닛(150)과, 공기공급유닛(120)과 급수유닛(150)의 사이에 설치하여 스택유닛(130)의 개질기(111)에서 배출되는 물로 스택유닛(130)의 공기극(132)으로 공급되는 공기를 가습하는 공기가습유닛(160)과, 상기한 각 유닛(110)(120)(130)(140)(150)(160)을 적절히 조절하는 제어부(미도시)로 구성한다.

연료공급유닛(110)의 개질기(111)는 연료에 함유된 황을 제거하는 탈황반응기(111a)와, 연료와 수증기가 개질 반응하여 수소를 발생시키는 개질반응기(111b)와, 개질반응기(111b)를 거쳐 발생된 일산화탄소를 재반응시켜 수소를 추가 발생시키는 고온수반응기(111c) 및 저온수반응기(111d)와, 공기를 촉매로 하여 연료중의 일산화탄소를 제거함으로써 수소를 정제하는 부분산화반응기(111e)와, 개질반응기(111b)에 수증기를 공급하는 수증기발생기(111f)와, 수증기발생기(111f)에 필요한 열을 공급하는 버너(111g)로 이루어진다.

여기서, 부분산화반응기(111e)는 스택유닛(130)의 연료극(131) 입구에 곧바로 연결하고, 연료극(131)의 출구는 스택유닛(130)에서 반응하고 남은 수소를 다시 재활용하기 위하여 상기한 버너(111g)에 곧바로 연결한다. 또, 스택유닛(130)의 공기극(132)은 후술할 급수유닛(150)의 순환라인(152)과 교차 연결되는 공기공급라인(121)과 직접 연결한다.

공기공급유닛(120)은 공기를 스택유닛(130)의 공기극(132)에 공급하도록 연결함과 아울러 상기 급수유닛(150)의 순환라인(152)과 교차 연통하는 공기공급라인(121)과, 공기공급라인(121)의 중간에 설치하여 공기를 펌핑하는 공기펌프(122)로 이루어진다.

급수유닛(150)은 소정량의 물을 충전하는 급수통(151)과, 개질기(111)와 급수통(151) 사이를 순환식으로 연결함과 아울러 공기공급라인(121)과 교차하도록 배치하는 순환라인(152)과, 급수통(151)과 수증기발생기(111f)를 연결하는 급수라인(153)과, 순환라인(152)과 급수라인(153)에 각각 설치하여 급수통(151)의 물을 펌핑하는 순환펌프(154) 및 급수펌프(155)로 이루어진다.

공기가습유닛(160)은 상기 급수유닛(150)의 순환라인(152)과 공기공급라인(121)이 교차하는 지점에 설치하여 상기한 순환라인(152)을 유동하던 물 또는 증기가 공기공급라인(121)을 통해 스택유닛(130)의 공기극(132)으로 공급되던 공기에 혼합되도록 하는 가습조절부재로 이루어진다.

가습조절부재는 냉각수를 분무 공급하는 분무기 또는 증기를 연통 공급하는 체크밸브로 이루어진다.

상기와 같은 본 발명 연료전지 시스템의 공기 가습 장치가 가지는 작용효과는 다음과 같다.

즉, 연료공급유닛(110)의 개질기(111)에서 탄화수소계열의 연료를 개질하여 수소를 정제하고, 이 수소를 스택유닛(130)의 연료극(131)으로 공급하는 한편 공기공급유닛(120)을 이용하여 취합하는 공기를 스택유닛(130)의 공기극(132)으로 공급함으로써 상기한 스택유닛(130)에서 전기를 발생시키고 이 전기는 전기출력유닛(150)에서 교류로 바꿔 각종 전기제품에 공급한다.

이 과정에서 급수유닛(150)을 이용하여 개질기(111)에서 발생하는 고온의 반응열을 냉각하고 그 개질기(111)를 냉각한 후 배출되는 냉각수 또는 증기는 순환라인(152)을 따라 급수통(151)으로 회수되는데, 이때 순환라인(152)의 중간이 공기공급라인(121)과 교차 연통되고 그 교차 지점에 분무기 또는 체크밸브로 된 공기가습유닛(또는 가습조절부재라고도 함)(160)를 설치하여 회수되는 유체가 냉각수일 경우에는 분무 형태로, 스팀일 경우에는 냉각수 또는 증기가 공기공급라인(121)을 따라 스택유닛(130)의 공기극(132)으로 공급되는 공기를 가습하게 되는 것이다.

이렇게 하여, 개질기에서 생성되는 열을 이용하여 공기를 가습하는 열원으로 사용함으로써 시스템의 효율을 높일 수 있고 공기가습을 위한 별도의 예열기를 배제할 수 있을 뿐만 아니라 배관을 간소화하여 생산비용을 줄이고 유지관리비용을 절감할 수 있다.

본 발명에 의한 연료전지 시스템의 공기 가습 장치는, 개질기 냉각용 순환라인을 공기공급라인과 교차 연통하도록 하고 그 교차 지점에 가습조절부재를 설치함으로써, 개질기의 반응시 발생하는 폐열을 활용하여 공기를 가습할 수 있고 이를 통해 시스템의 효율을 높일 수 있을 뿐만 아니라 부품수를 줄여 생산비용과 유지관리비용을 절감할 수 있다.

Claims

연료극과 공기극을 구비하여 수소와 산소의 전기화학적 반응으로 전기를 생성하는 스택유닛;

연료공급원에서 공급되는 연료로부터 수소를 정제하도록 개질기를 구비하여 상기 스택유닛의 연료극에 공급하는 연료공급유닛;

상기 스택유닛의 공기극에 공기를 공급하는 공기공급유닛;

상기 공기공급유닛과 교차하도록 설치하여 상기 연료공급유닛을 적절하게 냉각하도록 물을 순환 공급하는 급수유닛; 및

상기 공기공급유닛과 급수유닛이 교차하는 지점에 설치하여 상기 급수유닛을 통해 순환하는 물이 상기 공기공급유닛을 통과하는 공기와 접촉되면서 그 공기를 가습하도록 공기가습유닛;을 포함한 연료전지 시스템의 공기 가습 장치.
제1항에 있어서,

상기 급수유닛은 연료공급유닛의 개질기를 냉각한 후 배출되는 물이 상기 스택유닛으로 공급되는 공기와 접촉하도록 구성하는 연료전지 시스템의 공기 가습 장치.
제1항에 있어서,

상기 공기가습유닛은 급수유닛의 순환라인과 공기공급유닛의 공기공급라인이 교차하는 지점에 냉각수를 분무 공급하는 분무기 또는 증기를 연통 공급하는 체크밸브로 된 가습량조절부재를 포함한 연료전지 시스템의 공기 가습 장치.
제1항에 있어서,

상기 급수유닛은 소정량의 물이 채워지는 급수통과, 상기 급수통의 물을 개질기에 순환공급하도록 연결하는 순환라인과, 상기 순환라인의 중간에 설치하여 급수통의 물을 펌핑하는 순환펌프로 구성하고,

상기 공기공급유닛은 공기를 스택유닛의 공기극에 공급하도록 연결함과 아울러 상기 급수유닛의 순환라인과 교차 연통하는 공기공급라인과, 상기 공기공급라인의 중간에 설치하여 공기를 펌핑하는 공기펌프로 구성하며,

상기 공기가습유닛은 상기 순환라인과 공기공급라인이 교차하는 지점에 설치하는 가습량조절부재로 구성하여서 된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 공기 가습 장치.