KR100700553B1 - 연료전지 시스템 - Google Patents

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KR100700553B1
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육형규
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Abstract

본 발명은, 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 연료공급부와; 상기 연료공급부에서 연료를 공급받아 수소가스를 포함하는 수소부유가스를 발생시키는 개질기부와; 상기 개질기부에서 발생되는 수소부유가스와 별도로 공급되는 산소의 전기화학반응으로 전기와 열을 발생시키는 스택부와; 상기 스택부와 연결되어 상기 스택부를 냉각시킬 수 있도록 내부에 물을 저장하는 제1물탱크와; 상기 개질기부와 연결되며 온수를 공급할 수 있도록 내부에 물을 저장하는 제2물탱크; 및 상기 제2물탱크의 내부에 저장된 물을 냉각하는 냉각부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다. 이에 의해, 연료전지 시스템의 물탱크 내부에 저장된 물의 온도를 사용자가 설정한 온도로 유지할 수 있도록 하여 온수를 지속적으로 공급함과 동시에 스택부를 원활하게 냉각시킬 수 있는 연료전지 시스템이 제공된다.

Description

연료전지 시스템{FUEL CELL SYSTEM}
도 1은 연료전지 시스템의 구조를 개략적으로 도시한 개략도,
도 2와 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구조를 개략적으로 도시한 개략도,
도 4와 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구조를 개략적으로 도시한 개략도이다.
** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **
500 : 제1물탱크 510 : 제1열회수라인
520 : 제1열교환라인 530 : 냉수유입라인
540 : 온수유출라인 550 : 온도감지센서
600 : 제2물탱크 610 : 제2열회수라인
620 : 제2열교환라인 700 : 냉각부
710 : 라디에이터 711 : 냉각핀
712 : 냉각관 720 : 냉각팬
본 발명은, 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 연료전지 시스템의 물탱크 내부에 저장된 물의 온도를 사용자가 설정한 온도로 유지할 수 있도록 하여 온수를 지속적으로 공급함과 동시에 스택부를 원활하게 냉각시킬 수 있는 연료전지 시스템에 관한 것이다.
도 1은 본 출원인이 개발중인 연료전지 시스템의 구조을 개략적으로 도시한 개략도이다.
도면에 도시한 바와 같이, 상기 연료전지 시스템은 일정량의 연료를 공급하는 연료공급부(10)와, 연료공급부(10)의 연료를 공급받아 수소가스와 열을 포함하는 수소부유가스를 발생시키는 개질기부(20)와, 개질기부(20)에서 발생되는 수소가스와 별도로 공급되는 산소의 전기화학반응으로 전기와 열을 발생시키는 스택부(30)와, 스택부(30)에서 발생된 전기를 변환시키는 전력변환기(40)와, 개질기부(20)와 연결되어 개질기부(20)에서 발생된 열을 회수하여 내부에 저장된 물을 가열시키는 제1물탱크(50)와; 스택부(30)와 연결되어 스택부(30)에서 발생되는 열을 회수하여 스택부(30)를 냉각시키는 제2물탱크(60)를 포함하여 구성되어 있다.
개질기부(20)는 연료공급부(10)를 통해 공급되는 연료가 물과 공기와 함께 유입되어 상기 연료에 함유된 황을 제거하는 탈황반응기(21)와, 연료와 수증기가 반응하는 수증기 개질반응기(22)와, 일산화탄소와 수증기가 반응하도록 하는 고온수반응기(23)와, 일산화탄소를 이산화탄소로 변환시키는 저온수반응기(24)와, 산화되지 않은 일산화탄소를 이산화탄소로 변환시키는 부분산화반응기(25) 및 개질반응 그리고 수소정제반응이 일어나면서 연료로부터 수소가 생성되는 반응로(26)와, 반 응로(26)에 접촉 결합되어 반응로(26)에서 필요한 열을 공급하는 버너(27)로 이루어진다.
스택부(30)는 단위 전지가 하나 또는 하나 이상이 적층되어 이루어지며 상기 단위전지는 두개의 바이폴라 플레이트와 그 바이폴라 플레이트 사이에 위치하는 엠이에이(MEA : Membrane Electrode Assembly, 32)를 포함하여 구성되며 상기 바이폴라 플레이트와 엠이에이의 일면에 의해 형성되며 연료가 유동하는 유로가 형성되고 그 엠이에이의 다른 일면과 그 일면에 대면되는 바이폴라 플레이트 사이에 공기가 유동하는 유로가 형성되며, 그 연료가 유동하는 측이 연료극(31)이 되고 공기가 유동하는 측이 공기극(32)이 된다.
제1물탱크(50)의 일측에는 개질기부(20)와 연결되어 개질기부(20)에서 발생되는 열을 회수하고, 그 회수된 열을 이용하여 물탱크(50) 내부에 저장된 물을 가열시키는 제1열회수라인(51)이 구비되어 있으며 타측에는 제2물탱크(60)와 상호 열교환되도록 하는 제1열교환라인(52)이 연결되어 있다. 그리고, 제1물탱크(50)의 소정의 위치에는 제1물탱크(50)로 수도물을 공급하는 냉수유입라인(53)과 가열된 온수를 사용자에게 공급하는 온수유출라인(54)이 구비되어 있다.
제2물탱크(60)의 일측에는 스택부(30)와 연결되어 스택부(30)에서 발생되는 열을 회수하고, 그 회수된 열을 이용하여 스택부(30)를 냉각시키는 제2열회수라인(61)이 구비되어 있으며, 타측에는 제1물탱크(50)와 상호 열교환되도록 하는 제2열교환라인(62)이 설치되어 있다.
제1물탱크(50)와 제2물탱크(60) 사이에는 제1물탱크(50)의 내부에 저장된 물 과 제2물탱크(60)의 내부에 저장된 물이 상호 열교환되도록 하는 열교환기(70)가 구비되어 있다.
도면 중 미설명 부분인 11, 13은 압축기이다.
이러한 구성에 의하여, 연료공급부(10)에서 메탄올이나 천연액화가스(일명; LNG) 또는 가솔린 등의 연료와 물을 개질기부(20)에 공급하게 되면 개질기부(20)에서 수증기 개질 반응(Steam Reforming) 및 부분 산화 반응(Partial Oxidation)이 복합적으로 일어나면서 수소가스와 반응열과 그리고 물을 포함하는 수소부유가스를 발생시키게 된다.
개질기부(20)에서 발생되는 열은 개질기부(20)와 연결되어 있는 제1열회수라인(51)을 통하여 회수되어 제1물탱크(50)의 내부에 저장된 물을 가열하고, 스택부(30)에서 발생되는 열은 제2열회수라인(61)을 통하여 회수되어 제2물탱크(60)의 내부에 저장된 물을 가열하게 된다.
상기 수소부유가스를 공급받은 스택부(30)에서는 수소가스(H2)가 연료극(Anode; 일명, 산화전극)(31)측에 공급되어 전기 화학적 산화 반응이 일어나면서 수소이온 H+ 과 전자 e- 로 이온화되면서 산화된다. 이온화된 수소이온은 전해질막(32)을 통해 공기극(Cathode; 일명, 환원전극)(33)측으로 이동하게 되고 아울러 전자는 연료극(31)을 통해 이동하게 되어 전기와 열과 물을 발생시키게 된다. 스택부(30)에서 발생된 전기는 전력변환기(40)에 의해 변환되면서 전기 제품을 가동시키게 된다.
여기서, 제1열교환라인(52)과 제2열교환라인(62)의 열교환을 통하여 스택부(30)의 초기 구동시에는 제2물탱크(60)의 내부에 저장된 물의 온도를 높이고, 스택부(30)의 구동이 진행되어 스택부(30)의 온도가 높아지게 되면 제2물탱크(60)의 내부에 저장된 물을 이용하여 스택부(30)를 냉각시킬 수 있도록 제2물탱크(60)의 내부에 저장된 물의 온도는 낮추게 된다.
그런데, 이러한 연료전지 시스템에 있어서는, 연료전지 시스템이 지속적으로 구동될 경우에 개질기부(20)와 스택부(30)에서 발생되는 열이 지속적으로 물탱크(50)의 내부로 공급되어 물탱크(50) 내부에 존재하는 물의 온도가 과잉 상승되므로 사용자에게 온수는 지속적으로 공급할 수 있지만, 과잉 상승된 온수로는 스택부(30)를 원할하게 냉각시킬 수 없게 되므로 연료전지 시스템 시스템이 손상된다는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은, 연료전지 시스템의 물탱크 내부에 저장된 물의 온도를 사용자가 설정한 온도로 유지할 수 있도록 하여 온수를 지속적으로 공급함과 동시에 스택부를 원활하게 냉각시킬 수 있는 연료전지 시스템를 제공하는 것이다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 연료공급부와; 상기 연료공급부에서 연료를 공급받아 수소가스를 포함하는 수소부유가스를 발생시키는 개질기부와; 상기 개질기부에서 발생되는 수소부유가스와 별도로 공급되는 산소의 전기화학반응으로 전기 와 열을 발생시키는 스택부와; 상기 스택부와 연결되어 상기 스택부를 냉각시킬 수 있도록 내부에 물을 저장하는 제1물탱크와; 상기 개질기부와 연결되며 온수를 공급할 수 있도록 내부에 물을 저장하는 제2물탱크; 및 상기 제2물탱크의 내부에 저장된 물을 냉각하는 냉각부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템에 의해 달성된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
다만, 종래의 구성과 동일한 부분에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 2와 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구조를 개략적으로 도시한 개략도이고, 도 4와 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구조를 개략적으로 도시한 개략도이다.
이들 도면에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템는, 연료공급부(100)와, 연료공급부(100)에서 연료를 공급받아 수소가스를 포함하는 수소부유가스를 발생시키는 개질기부(200)와, 개질기부(200)에서 발생되는 수소부유가스와 별도로 공급되는 산소의 전기화학반응으로 전기와 열을 발생시키는 스택부(300)와, 스택부(300)와 연결되어 스택부(300)를 냉각시킬 수 있도록 내부에 물을 저장하는 제1물탱크(500)와, 개질기부(200)와 연결되며 온수를 공급할 수 있도록 내부에 물을 저장하는 제2물탱크(600) 및 제2물탱크(600)의 내부에 저장된 물을 냉각하는 냉각부(700)를 포함하여 구성되어 있다.
제1물탱크(500)의 일측에는 개질기부(200)와 연결되어 개질기부(200)에서 발생되는 열을 회수하고, 그 회수된 열을 이용하여 물탱크(500) 내부에 저장된 물을 가열시키는 제1열회수라인(510)이 구비되어 있으며, 타측에는 제2물탱크(600)와 상호 열교환되도록 하는 제1열교환라인(520)이 연결되어 있다. 그리고, 제1물탱크(500)의 소정의 위치에는 제1물탱크(500)로 수도물을 공급하는 냉수유입라인(530)과 가열된 온수를 사용자에게 공급하는 온수유출라인(540)이 구비되어 있다.
제2물탱크(600)의 일측에는 스택부(300)와 연결되어 스택부(300)에서 발생되는 열을 회수하고, 그 회수된 열을 이용하여 스택부(300)를 냉각시키는 제2열회수라인(610)이 구비되어 있으며, 타측에는 제1물탱크(500)와 상호 열교환되도록 하는 제2열교환라인(620)이 설치되어 있다.
또한, 물탱크(500)의 일측에는 물탱크(500) 내부에 저장된 물의 온도를 감지하여 사용자자 초기에 설정한 온도로 물탱크(500)에 저장된 물의 온도를 조절할 수 있도록 온도감지센서(550)가 구비되어 있다.
한편, 냉각부(700)는 굴곡지게 중첩배치되는 복수의 냉각관(711)과, 냉각관(711)의 외주면에 연접되게 설치되어 공기와의 접촉 면적을 넓혀서 신속하게 열을 공기 중으로 자연 방사시키는 복수의 냉각핀(712)을 구비한 라이에이터(710)와, 온도감지센서(550)에서 감지된 온도가 사용자가 설정한 온도 이상이 될 경우에 구동되어 냉각관(711)을 강제 냉각시키는 냉각팬(720)으로 구성되어 있다.
도 2와 도 3에 각각 도시한 바와 같이, 냉각부(700)의 냉각관(711)은 제1물탱크(500) 혹은 제2물탱크(600)와 이격되도록 제1열회수라인(510)이나 혹은 제2열회수라인(610)상에 설치할 수도 있으며, 도 4와 도 5에 각각 도시한 바와 같이, 냉각부(700)의 냉각관(711)은 제1물탱크(500)와 제2물탱크(600)의 일측 외면과 접촉 되게 설치할 수도 있다.
그리고, 제1물탱크(500)와 연결되는 제1열회수라인(510), 냉수유입라인(530), 온수유출라인(540)의 단부는 제1물탱크(500)의 내측으로 소정 길이 연장 형성되어 있다.
또한, 제1물탱크(500)와 제2물탱크(600) 사이에는 제1물탱크(500)의 내부에 저장된 물과 제2물탱크(600)의 내부에 저장된 물이 상호 열교환되도록 하는 열교환기(700)가 구비되어 있다.
이러한 구성에 의하여, 우선 제1물탱크(500)의 내부에 저장된 물의 온도를 개질기부(200)와, 스택부(300)를 냉각시킴과 동시에 온수로 사용될 수 있는 소정의 온도로 설정한다. 그 후, 연료전지 시스템이 구동되면 제1물탱크(500)와 제2물탱크(600)의 내부에 저장된 물은 각각 제1열회수라인(510)과 제2열회수라인(610)을 통하여 개질기부(200)와 스택부(300)로 유동하면서 가열된다.
연료전지 시스템의 구동이 지속되어 온도감지센서(550)에서 감지한 제1물탱크(500) 내부의 온도가 사용자가 설정한 소정의 온도이상이 되면, 도 2의 경우에는 제1열회수라인(510)을 따라 유동하는 물이 냉각관(711)을 통과하면서 냉각핀(712)과 냉각팬(720)에 의하여 온도가 낮아지게 되고 그 냉각된 물이 다시 제1물탱크(500)의 내부로 유입되므로 제1물탱크(500) 내부 전체 물의 온도는 낮아지게 되어 온도를 일정하게 유지할 수 있게 된다.
도 3의 경우에는, 제2열회수라인(610)을 따라 유동하는 물이 냉각관(711)을 통과하면서 냉각핀(712)과 냉각팬(720)에 의하여 온도가 낮아지게 되고 그 냉각된 물이 다시 제2물탱크(600)의 내부로 유입되므로 제2물탱크(600) 내부 전체 물의 온도는 낮아지게 되어 온도를 일정하게 유지할 수 있게 된다.
도 4의 경우에는, 제1열회수라인(510)을 따라 유동하는 물은 냉각관(711)을 통과하면서 그 온도가 냉각핀(712)과 냉각팬(720)에 의하여 낮아지게 되고 아울러, 제1물탱크(500)의 외면과 접촉된 냉각부(700)의 냉각핀(712)을 통하여 제1물탱크(500) 자체의 열이 공기중으로 방출되므로 그 온도가 낮아지게 되어, 그 냉각된 물이 다시 제1물탱크(500)의 내부로 유입되므로 제1물탱크(500) 내부 전체 물의 온도는 낮아지게 되어 온도를 일정하게 유지할 수 있게 된다.
도 5의 경우에는, 제2열회수라인(610)을 따라 유동하는 물은 냉각관(711)을 통과하면서 그 온도가 냉각핀(712)과 냉각팬(720)에 의하여 낮아지게 되고 아울러, 제2물탱크(600)의 외면과 접촉된 냉각부(700)의 냉각핀(712)을 통하여 제2물탱크(600) 자체의 열이 공기중으로 방출되므로 그 온도가 낮아지게 되어, 그 냉각된 물이 다시 제2물탱크(600)의 내부로 유입되므로 제2물탱크(600) 내부 전체 물의 온도는 낮아지게 되어 온도를 일정하게 유지할 수 있게 된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지 시스템은, 연료전지 시스템의 물탱크 내부에 저장된 물의 온도가 설정한 온도 이상이 되면 별도로 구비된 냉각부가 구동되어 물탱크 내부의 온도를 일정하게 유지할 수 있도록 함으로써, 사용자에게 온수를 지속적으로 공급함과 동시에 스택부를 원활하게 냉각시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (6)

  1. 삭제
  2. 연료공급부와;
    상기 연료공급부에서 연료를 공급받아 수소가스를 포함하는 수소부유가스를 발생시키는 개질기부와;
    상기 개질기부에서 발생되는 수소부유가스와 별도로 공급되는 산소의 전기화학반응으로 전기와 열을 발생시키는 스택부와;
    상기 개질기부와 연결되며 온수를 공급할 수 있도록 내부에 물을 저장하는 물탱크; 및
    상기 물탱크의 내부에 저장된 물을 냉각하는 냉각부를 포함하여 구성되는 것 을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  3. 연료공급부와;
    상기 연료공급부에서 연료를 공급받아 수소가스를 포함하는 수소부유가스를 발생시키는 개질기부와;
    상기 개질기부에서 발생되는 수소부유가스와 별도로 공급되는 산소의 전기화학반응으로 전기와 열을 발생시키는 스택부와;
    상기 스택부와 연결되어 상기 스택부를 냉각시킬 수 있도록 내부에 물을 저장하는 제1물탱크와;
    상기 개질기부와 연결되며 온수를 공급할 수 있도록 내부에 물을 저장하는 제2물탱크; 및
    상기 제2물탱크의 내부에 저장된 물을 냉각하는 냉각부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 냉각부는 상기 제2물탱크의 일측 외면과 접촉되게 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 냉각부는 상기 제2물탱크와 상기 개질기부가 연결되는 라인 상에 설치 되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 냉각부는, 굴곡지게 중첩 배치되는 복수의 냉각관과, 상기 냉각관의 외주면에 연접되게 설치되어 열을 방출시키는 복수의 냉각핀을 구비한 라이에이터와; 상기 물탱크 내부의 물의 온도가 설정 온도 이상일 경우에 구동되는 냉각팬으로; 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
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