KR100709200B1 - 연료 전지 시스템 - Google Patents

연료 전지 시스템 Download PDF

Info

Publication number
KR100709200B1
KR100709200B1 KR1020050114208A KR20050114208A KR100709200B1 KR 100709200 B1 KR100709200 B1 KR 100709200B1 KR 1020050114208 A KR1020050114208 A KR 1020050114208A KR 20050114208 A KR20050114208 A KR 20050114208A KR 100709200 B1 KR100709200 B1 KR 100709200B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
fuel cell
fuel
cell body
water vapor
heat exchange
Prior art date
Application number
KR1020050114208A
Other languages
English (en)
Inventor
이찬호
김주용
이성철
안진구
김진광
서동명
고로빈스키 레오니드
한만석
이용걸
Original Assignee
삼성에스디아이 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 삼성에스디아이 주식회사 filed Critical 삼성에스디아이 주식회사
Priority to KR1020050114208A priority Critical patent/KR100709200B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR100709200B1 publication Critical patent/KR100709200B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04029—Heat exchange using liquids
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H01M8/247—Arrangements for tightening a stack, for accommodation of a stack in a tank or for assembling different tanks
    • H01M8/2475—Enclosures, casings or containers of fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템은, 수소, 및 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 연료전지 본체와, 상기 연료전지 본체와 연결되게 설치되어 상기 연료를 개질하여 상기 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키고, 상기 개질 가스를 상기 연료전지 본체로 공급하는 개질기와, 시스템의 외관을 이루면서 상기 연료전지 본체와 상기 개질기를 내장시키는 케이스부재와, 상기 연료전지 본체와 연결되면서 상기 케이스부재의 내벽면에 접촉되게 설치되어 상기 연료전지 본체로부터 배출되는 비교적 고온의 수증기를 응축시키기 위한 열교환유닛을 포함한다.
연료전지, 본체, 스택, 개질기, 케이스부재, 열교환유닛, 패스부재

Description

연료 전지 시스템 {FUEL CELL SYSTEM}
도 1은 본 발명의 예시적인 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시한 연료전지 본체의 구성을 나타내 보인 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 예시적인 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 외관을 도시한 사시도이다.
도 4는 도 3에 도시한 패스부재를 나타내 보인 단면 구성도이다.
도 5는 본 발명의 예시적인 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 6은 본 발명의 예시적인 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 외관을 도시한 사시도이다.
본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료전지(스택)로부터 배출되는 수증기를 응축시키기 위한 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
알려진 바와 같이, 연료 전지 시스템은 탄화수소 계열의 연료에 함유되어 있는 수소의 산화 반응 및, 산소의 환원 반응에 의해 전기 에너지로 발생시키는 발전 시스템으로서 구성된다.
이러한 연료 전지 시스템은 크게, 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) 방식과, 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxidation Fuel Cell) 방식으로서 구분될 수 있다.
여기서, 고분자 전해질형 연료 전지는 연료를 개질하여 생성된 수소를 공급받아 이 수소의 산화 반응, 및 별도로 공급되는 산소의 환원 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 구조로 이루어진다. 그리고 직접 산화형 연료 전지는 연료를 직접적으로 공급받아 이 연료 중에 함유된 수소의 산화 반응, 및 별도로 공급되는 산소의 환원 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 구조로 이루어진다.
고분자 전해질형 연료 전지 방식의 시스템은 연료를 개질하여 수소를 발생시키고 이 수소를 연료전지로 공급하는 개질기와, 연료를 개질기로 공급하는 연료 공급장치와, 산소를 연료전지로 공급하는 산소 공급장치를 포함하여 구성된다.
직접 산화형 연료 전지 방식의 시스템은, 고분자 전해질형 연료 전지 방식의 시스템과 달리, 개질기를 필요로 하지 않으며, 연료를 연료전지로 직접 공급하는 연료 공급장치와, 산소를 연료전지로 공급하는 산소 공급장치를 포함하여 구성된다.
그런데, 이와 같은 종래의 연료 전지 시스템은 연료전지의 작용시 산소의 환원 반응에 의해 비교적 고온의 수증기를 배출시키게 되는 바, 이 수증기를 비교적 낮은 온도를 유지하는 대기 중으로 직접 방출할 경우, 상기한 수증기와 대기가 접촉하면서 응축이 일어나게 된다. 이로 인해 시스템의 외관을 이루는 케이스를 통해 상기 응축된 수분이 흘러 나와 사용자에게 불쾌감을 끼치게 되는 문제점이 있었다.
이에, 종래의 연료 전지 시스템은 소정의 케이스 내부에 수증기를 유동시키기 위한 유로, 및 이 유로에 대하여 냉각 공기를 송풍시키기 위한 송풍팬을 구비하여, 송풍팬의 가동에 의해 냉각 공기를 유로로 송풍시킴으로써 이 유로를 따라 유동되는 수증기를 응축시키기 위한 열교환기를 구비하고 있다.
그런데, 종래의 연료 전지 시스템은 이 시스템의 외관을 이루는 케이스 내부에 별도의 열교환기를 설치하게 되는 바, 이에 따라 열교환기를 설치하기 위한 별도의 설치 공간이 필요하게 되므로 전체 시스템의 크기를 컴팩트하게 구현하지 못하게 되는 문제점이 있다.
또한, 이와 같은 연료 전지 시스템은 연료전지에 의해 생산되는 전력을 다시 소모하여 전체 시스템을 구동하기 때문에, 그 구동에 필요한 만큼의 기생전력을 발생시킨다.
그런데, 종래의 연료 전지 시스템에 있어, 열교환기는 냉각 공기를 유로로 송풍시키기 위한 송풍팬을 구비하는 바, 이 송풍팬을 구동시키기 위한 기생전력이 증가하고 소음이 발생함에 따라 전체 시스템의 성능 및 에너지 효율이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 감안한 것으로서, 그 목적은 간단한 구조로서 연 료전지 본체로부터 배출되는 고온의 수증기를 응축시킬 수 있는 연료 전지 시스템을 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템은, 연료, 및 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 연료전지 본체와, 시스템의 외관을 이루면서 상기 연료전지 본체를 내장시키는 케이스부재와, 상기 연료전지 본체와 연결되면서 상기 케이스부재의 내벽면에 접촉되게 설치되어 상기 연료전지 본체로부터 배출되는 비교적 고온의 수증기를 응축시키기 위한 열교환유닛을 포함한다.
상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 열교환유닛은 상기 수증기의 흐름을 가능케 하는 패스를 형성하면서 지그재그 형태로 절곡되게 구성되는 패스부재를 포함할 수 있다. 이 경우 상기 패스부재는 열전도성을 지닌 금속 소재의 파이프 라인 형태로서 이루어질 수 있다.
상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 케이스부재는 열전도성을 지닌 금속 소재로서 이루어질 수 있다.
상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 연료전지 본체는 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode assembly: MEA)를 중심에 두고 이의 양측에 세퍼레이터를 밀착되게 배치하여 구성되는 적어도 하나의 전기 발생부를 포함할 수 있다. 이 경우 상기 연료전지 본체는 상기 열교환유닛과 연결되어 상기 수증기를 상기 열교환유닛으로 배출시키기 위한 수증기 배출부를 포함할 수 있다. 그리고 상기 열교환유닛은 상기 수증기의 흐름을 가능케 하는 패스를 형성하면서 지그재그 형태로 절곡되게 구성되는 패스부재를 포함하며, 상기 패스부재는 상기 수증기 배출부에 연결되면서 상기 케이스부재의 내벽면에 접촉되게 설치될 수 있다.
상기 연료 전지 시스템은, 상기 연료전지 본체가 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxydation Fuel Cell)로서 구성될 수 있다.
또한, 본 발명의 예시적인 다른 실시예에 따른 연료 전지 시스템은, 수소, 및 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 연료전지 본체와, 상기 연료전지 본체와 연결되게 설치되어 상기 연료를 개질하여 상기 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키고, 상기 개질 가스를 상기 연료전지 본체로 공급하는 개질기와, 시스템의 외관을 이루면서 상기 연료전지 본체와 상기 개질기를 내장시키는 케이스부재와, 상기 연료전지 본체와 연결되면서 상기 케이스부재의 내벽면에 접촉되게 설치되어 상기 연료전지 본체로부터 배출되는 비교적 고온의 수증기를 응축시키기 위한 열교환유닛을 포함한다.
상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 열교환유닛은 상기 수증기의 흐름을 가능케 하는 패스를 형성하면서 지그재그 형태로 절곡되게 구성되며, 열전도성을 지닌 파이프 라인 형태로서 이루어지는 패스부재를 포함할 수 있다.
상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 케이스부재는 열전도성을 지닌 금속 소재로서 이루어질 수 있다.
상기 연료 전지 시스템은, 상기 연료전지 본체가 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrance Fuel Cel)로서 구성될 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 예시적인 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
이 도면을 참조하여 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)을 설명하면, 이 연료 전지 시스템(100)은 연료, 및 산화제 가스의 전기 화학적인 반응을 통해 소정의 로드에 전기 에너지를 제공하는 발전 시스템으로서 구성된다.
본 시스템(100)은 연료 및 산화제 가스를 직접적으로 제공받아 연료 중에 함유된 수소의 산화 반응, 및 산화제 가스 중에 함유된 산소의 환원 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxydation Fuel Cell)(당 업계에서는 통상적으로 "직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC)" 라고도 한다.) 방식으로서 구성될 수 있다.
이러한 연료 전지 시스템(100)에 사용되는 연료는 메탄올, 에탄올 등과 같은 알코올계 액체 연료를 포함할 수 있다. 그러나 이하에서 설명하는 연료는 상기한 액체 연료와 물이 혼합된 연료를 의미한다.
그리고 본 시스템(100)은 산화제 가스로서 별도의 저장수단에 저장된 산소 가스를 사용할 수 있으며, 산소를 함유하고 있는 공기를 그대로 사용할 수도 있다. 그러나 이하에서는 후자를 예로 하여 설명한다.
이와 같은 연료 전지 시스템(100)은, 직접 산화형 연료 전지로서 구성되는 연료전지 본체(10)와, 이 연료전지 본체(10)로 연료를 공급하기 위한 연료 공급장치(50)와, 공기를 연료전지 본체(10)로 공급하기 위한 공기 공급장치(70)를 포함한다.
상기에서, 연료전지 본체(10)는 연료 공급장치(50)와 공기 공급장치(70)에 연결되게 설치되며, 이 연료 공급장치(50)로부터 연료를 공급받고 공기 공급장치(70)로부터 공기를 제공받아 연료, 및 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 셀(cell) 단위의 전기 발생부(11)를 구비한다.
따라서, 본 실시예에 의한 연료전지 본체(10)는 이와 같은 전기 발생부(11)를 복수로 구비하고, 이들 전기 발생부(11)를 연속적으로 배치함으로써 전기 발생부들(11)의 집합체 구조에 의한 스택(stack)으로서 구성될 수 있다.
도 2는 도 1에 도시한 연료전지 본체의 구성을 나타내 보인 분해 사시도이다.
도면을 참고하면, 본 실시예에 의한 연료전지 본체(10)는 언급한 바와 같이 전기 발생부들(11)의 집합체 구조로서 이루어지는 바, 이 전기 발생부(11)는 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode Assembly: MEA)(12)를 중심에 두고 이의 양면에 세퍼레이터(Separator)(13)를 밀착되게 배치하여 구성될 수 있다.
여기서, 막-전극 어셈블리(12)는 일면에 애노드 전극을 형성하고, 다른 일면에 캐소드 전극을 형성하며, 이들 두 전극 사이에 전해질막을 형성하고 있다. 애노드 전극은 연료의 산화 반응에 의해 이 연료에 함유된 수소를 전자와 수소 이온으 로 분리시키며, 전해질막은 수소 이온을 캐소드 전극으로 이동시키고, 캐소드 전극은 애노드 전극으로부터 받은 전자, 수소 이온, 및 별도로 제공되는 공기 중의 산소를 환원 반응시켜 비교적 고온의 수증기와 열을 생성하는 기능을 하게 된다.
그리고 세퍼레이터(13)는 연료를 막-전극 어셈블리(12)의 애노드 전극으로 공급하고, 공기를 막-전극 어셈블리(12)의 캐소드 전극으로 공급하기 위한 연료 및 공기 이동 채널을 형성하며, 막-전극 어셈블리(12)의 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체로서의 기능을 하게 된다.
이와 같은 연료전지 본체(10)는 연료를 전기 발생부들(11)로 주입시키기 위한 연료 주입부(15)(이하, "제1 주입부" 라고 한다.)와, 공기를 전기 발생부들(11)로 주입시키기 위한 공기 주입부(16)(이하, "제2 주입부" 라고 한다.)와, 전기 발생부들(11)에서 반응하고 남은 연료를 배출시키기 위한 미반응 연료 배출부(17)(이하, "제1 배출부" 라고 한다.)와, 전기 발생부들(11)에서 환원 반응에 의해 생성되는 수증기를 배출시키기 위한 수증기 배출부(18)(이하, "제2 배출부" 라고 한다.)를 형성하고 있다.
상기한 연료전지 본체(10)로 연료를 공급하기 위한 연료 공급장치(50)는 도 1에 도시한 바와 같이, 연료를 저장하는 연료 탱크(51)를 가지면서 펌프(도면에 도시되지 않음)의 펌핑 압력에 의해 연료 탱크(51)에 저장된 연료를 연료전지 본체(10)로 압송시키는 구조로서 이루어진다. 이 때, 연료 탱크(51)는 통상적인 파이프 라인 등에 의해 연료전지 본체(10)의 제1 주입부(15)와 연결되게 설치된다.
그리고 상기한 연료전지 본체(10)로 공기를 공급하기 위한 공기 공급장치 (70)는 도 1에 도시한 바와 같이, 공기를 흡입하는 통상적인 공기 펌프(71)로서 구비된다. 이 때, 공기 펌프(71)는 통상적인 파이프 라인 등에 의해 연료전지 본체(10)의 제2 주입부(16)와 연결되게 설치된다.
상기와 같이 구성되는 연료 전지 시스템(100)의 작용시, 연료전지 본체(10)는 전기 발생부들(11)에 의한 산소의 환원 반응을 통해 비교적 고온의 수증기를 발생시키게 되는 바, 이 수증기를 제2 배출부(18)를 통해 배출시키게 된다.
이에, 본 실시예에 의한 연료 전지 시스템(100)은 도 3에 도시한 바와 같이, 연료전지 본체(10)의 제2 배출부(18: 도 2)를 통해 배출되는 비교적 고온의 수증기를 수분으로 응축시키기 위한 열교환유닛(80)을 포함하고 있다.
이러한 열교환유닛(80)은 연료전지 본체(10)의 제2 배출부(18)에 연결되게 설치되며, 이 제2 배출부(18)를 통해 배출되는 수증기의 유동 경로를 형성하는 패스부재(81)를 구비한다.
이 패스부재(81)는 일측 단부가 연료전지 본체(10)의 제2 배출부(18)에 연결되며, 다른 일측 단부가 별도의 포집수단(도면에 도시되지 않음) 또는 연료 공급장치(50: 도 1)의 연료 탱크(51: 도 1)에 연결될 수 있다.
구체적으로, 이 패스부재(81)는 도 4에 도시한 바와 같이, 열전도성을 지닌 금속 소재의 파이프 라인 형태로서 구비되며, 지그재그 형태로서 밴딩되게 형성된다. 이와 같이 패스부재(81)를 지그재그 형태로 밴딩되게 형성하는 이유는, 연료전지 본체(10)의 제2 배출부(18)를 통해 배출되는 수증기의 유동 경로를 더욱 연장시키기 위함이다. 이 때, 패스부재(81)는 열전도성을 갖는 통상적인 금속 소재 예컨 대, 알루미늄, 구리, 철 등으로 형성될 수 있다.
본 실시예에서, 이러한 패스부재(81)는 도 3에 도시한 바와 같이, 연료전지 본체(10) 등을 내장시키는 케이스부재(90)의 내벽면에 접촉되게 설치되는 바, 이 케이스부재(90)는 연료전지 본체(10) 등을 수용하는 소정의 수용 공간을 가지면서 열전도성을 지닌 금속 소재로서 이루어진다. 이 때, 케이스부재(90)는 패스부재(81)와 같은 알루미늄, 구리, 철 등의 금속 소재로서 형성될 수 있다.
상기와 같이 구성되는 본 실시예에 의한 연료 전지 시스템(100)의 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.
우선, 연료 탱크(51)에 저장된 연료는 펌프의 펌핑 압력에 의해 연료전지 본체(10)의 제1 주입부(15)로 압송된다. 그러면, 연료는 제1 주입부(15)를 통해 전기 발생부들(11)로 주입된다.
이와 동시에, 공기 펌프(71)는 공기를 흡입하고, 이 공기를 연료전지 본체(10)의 제2 주입부(16)로 공급한다. 그러면, 공기는 제2 주입부(16)를 통해 전기 발생부들(11)로 주입된다.
따라서, 연료전지 본체(10)는 전기 발생부들(11)에 의한 연료, 및 공기의 반응에 의해 기설정된 용량의 전기 에너지를 출력시키게 되고, 전기 발생부들(11)에 의한 공기의 환원 반응에 의해 생성되는 비교적 고온의 수증기를 제2 배출부(18)를 통해 배출시키게 된다.
이러는 과정을 거친 후, 연료전지 본체(10)의 제2 배출부(18)를 통해 배출되는 수증기는 패스부재(81)로 공급된다. 이 때, 패스부재(81)가 지그재그 형태로 밴 딩된 구조로 되어 있기 때문에, 수증기는 이 패스부재(81)를 통해 지그재그 형태의 패스를 형성하면서 유동되게 된다. 이에 따라, 패스부재(81)는 수증기 자체의 열 에너지를 전달받아 소정 온도로 가열된 상태를 유지하게 된다.
이 과정에서, 패스부재(81)가 대기 중으로 노출되는 케이스부재(90)의 내벽면에 접촉되게 설치되고 있기 때문에, 패스부재(81)에 전달된 수증기 자체의 열 에너지가 이 패스부재(81)를 통해 비교적 저온의 케이스부재(90)로 전달되게 된다. 따라서, 패스부재(81)의 유동 경로를 통해 유동되는 수증기는 자체의 열 에너지를 케이스부재(90)에 빼앗기면서 수분으로 응축되게 된다. 이 때, 상기한 수분은 패스부재(81)를 통해 별도의 포집수단(도면에 도시되지 않음)으로 포집되거나 연료 탱크(51)에 수용되게 된다.
도 5는 본 발명의 예시적인 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 도시한 블록도이고, 도 6은 본 발명의 예시적인 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 외관을 도시한 사시도이다.
도면을 참고하면, 본 실시예에 의한 연료 전지 시스템(200)은 연료를 개질하여 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키고, 이 개질 가스 중에 함유된 수소의 산화 반응 및 공기 중에 함유된 산소의 환원 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrode Membrane Fuel Cell) 방식으로서 구성된다.
본 시스템(200)에 사용되는 연료는 메탄올, 에탄올, LPG, LNG, 가솔린 등과 같이 수소를 함유한 탄화수소 계열의 액체 또는 기체 연료를 포함할 수 있다. 그러 나 이하에서 설명하는 연료는 상기한 액체 또는 기체 연료와 물이 혼합된 연료를 의미한다.
이러한 연료 전지 시스템(200)은 기본적으로, 고분자 전해질형 연료 전지로서 구성되는 연료전지 본체(110)와, 연료를 개질하여 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키고 이 개질 가스를 연료전지 본체(110)로 공급하는 개질기(130)와, 연료를 개질기(130)로 공급하는 연료 공급장치(150)와, 공기를 연료전지 본체(110)로 공급하는 공기 공급장치(170)와, 연료전지 본체(110)로부터 배출되는 수증기를 응축시키기 위한 열교환유닛(180)을 포함하여 구성된다.
본 실시예에서, 연료전지 본체(110)는 전기 실시예에서와 같은 전기 발생부들(111)에 의한 집합체 구조로서 이루어지며, 개질 가스를 전기 발생부들(111)로 주입시키기 위한 개질 가스 주입부(115)(이하, "제1 주입부" 라고 한다.)와, 공기를 전기 발생부들(111)로 주입시키기 위한 공기 주입부(116)(이하, "제2 주입부" 라고 한다.)와, 전기 발생부들(111)에서 반응하고 남은 개질 가스를 배출시키기 위한 미반응 개질 가스 배출부(117)(이하, "제1 배출부" 라고 한다.)와, 전기 발생부들(111)에서 환원 반응에 의해 생성되는 수증기를 배출시키기 위한 수증기 배출부(118)(이하, "제2 배출부" 라고 한다.)를 형성하고 있다.
여기서, 전기 발생부(111)는 막-전극 어셈블리(112)의 양측에 세퍼레이터(113)를 밀착되게 배치하여 구성되는 바, 막-전극 어셈블리(112)는 일면에 애노드 전극을 형성하고, 다른 일면에 캐소드 전극을 형성하며, 이들 두 전극 사이에 전해질막을 형성하고 있다. 애노드 전극은 개질 가스에 함유된 수소의 산화 반응을 일 으켜 이 수소를 전자와 수소 이온으로 분리시키며, 전해질막은 수소 이온을 캐소드 전극으로 이동시키고, 캐소드 전극은 애노드 전극으로부터 받은 전자, 수소 이온, 및 별도로 제공되는 공기 중의 산소를 환원 반응시켜 비교적 고온의 수증기와 열을 생성하는 기능을 하게 된다. 그리고 세퍼레이터(113)는 개질 가스를 막-전극 어셈블리(112)의 애노드 전극으로 공급하고, 공기를 막-전극 어셈블리(112)의 캐소드 전극으로 공급하기 위한 개질 가스 및 공기 이동 채널을 형성하며, 막-전극 어셈블리(112)의 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체로서의 기능을 하게 된다.
본 실시예에서, 개질기(130)는 연료의 개질 반응 예컨대, 수증기 개질, 부분 산화 또는 자열 반응 등의 촉매 반응, 더욱 바람직하게는 열 에너지를 이용한 연료와 물의 수증기 개질(Steam Reforming) 반응을 통해 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키는 구조로 이루어진다. 이 때, 개질기(130)는 통상적인 파이프 라인 등에 의해 연료전지 본체(110)의 제1 주입부(115)와 연결되게 설치될 수 있다. 이러한 개질기(130)는 고분자 전해질형 연료 전지 방식의 시스템에 채용되는 통상적인 개질기의 구성으로 이루어지므로 본 명세서에서 그 자세한 설명은 생략하기로 한다.
상기한 개질기(130)로 연료를 공급하기 위한 연료 공급장치(150)는 연료를 저장하는 연료 탱크(151)를 구비하는 바, 이 연료 탱크(151)는 통상적인 파이프 라인 등에 의해 개질기(130)와 연결되게 설치된다.
그리고, 연료전지 본체(110)로 공기를 공급하기 위한 공기 공급장치(170)는 공기를 흡입하는 통상적인 공기 펌프(171)로서 구비되며, 이 공기 펌프(171)는 파 이프 라인 등에 의해 연료전지 본체(110)의 제2 주입부(116)와 연결되게 설치된다.
본 실시예에 의한 연료 전지 시스템(200)에 있어, 열교환유닛(180)은 도 6에 도시한 바와 같이, 연료전지 본체(110)와 개질기(130) 등을 내장시키는 케이스부재(190)의 내벽면에 접촉되면서 연료전지 본체(110)의 제2 배출부(118)와 연결되게 설치되는 패스부재(181)를 포함한다. 이러한 패스부재(181)의 구성은 전기 실시예에서와 같으므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.
상기와 같이 구성되는 본 실시예에 의한 연료 전지 시스템(200)의 작용시, 연료 탱크(151)에 저장된 연료는 개질기(130)로 공급된다. 그러면, 개질기(130)는 연료의 수증기 개질 반응이 진행되면서 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키고, 이 개질 가스를 연료전지 본체(110)의 제1 주입부(115)로 공급한다. 이와 동시에, 공기 펌프(171)는 공기를 흡입하고, 이 공기를 연료전지 본체(110)의 제2 주입부(116)로 공급한다.
따라서, 연료전지 본체(110)는 전기 발생부들(111)에 의한 개질 가스의 산화 반응, 및 공기의 환원 반응을 통해 기설정된 용량의 전기 에너지를 출력시키게 되고, 전기 발생부들(111)에 의한 공기의 환원 반응에 의해 생성되는 비교적 고온의 수증기를 제2 배출부(118)를 통해 배출시키게 된다.
이로써, 연료전지 본체(110)의 제2 배출부(118)를 통해 배출되는 비교적 고온의 수증기는 패스부재(181)를 통해 유동되는 바, 이 패스부재(181)가 대기 중으로 노출되는 케이스부재(190)의 내벽면에 접촉되게 설치되고 있기 때문에, 패스부재(181)에 전달된 수증기 자체의 열 에너지가 이 패스부재(181)를 통해 비교적 저 온의 케이스부재(190)로 전달되게 된다. 이로 인해, 패스부재(181)의 유동 경로를 따라 유동되는 수증기는 자체의 열 에너지가 패스부재(181)를 통해 케이스부재(190)로 전달되면서 수분으로 응축되게 된다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
상술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 시스템의 외관을 이루는 케이스부재의 내벽면에 접촉되게 설치되는 패스부재에 의하여 연료전지 본체로부터 배출되는 수증기를 응축시킬 수 있는 열교환유닛을 구비함에 따라, 종래와 같은 열교환기를 필요로 하지 않으므로 전체 시스템의 크기를 컴팩트하게 구현할 수 있으며, 시스템의 구동에 소모되는 기생전력 및 소음을 줄여 전체 시스템의 성능 및 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.

Claims (12)

  1. 연료, 및 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 연료전지 본체;
    시스템의 외관을 이루면서 상기 연료전지 본체를 내장시키는 케이스부재; 및
    상기 연료전지 본체와 연결되면서 상기 케이스부재의 내벽면에 접촉되게 설치되어 상기 연료전지 본체로부터 배출되는 고온의 수증기를 응축시키기 위한 열교환유닛
    을 포함하며,
    상기 케이스부재는 열전도성을 지닌 금속 소재로서 이루어지는 연료 전지 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 열교환유닛은,
    상기 수증기의 흐름을 가능케 하는 패스를 형성하면서 지그재그 형태로 절곡되게 구성되는 패스부재를 포함하는 연료 전지 시스템.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 패스부재는 열전도성을 지닌 금속 소재의 파이프 라인 형태로서 이루어지는 연료 전지 시스템.
  4. 삭제
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 연료전지 본체는,
    막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode assembly: MEA)를 중심에 두고 이의 양측에 세퍼레이터를 밀착되게 배치하여 구성되는 적어도 하나의 전기 발생부를 포함하는 연료 전지 시스템.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 연료전지 본체는,
    상기 열교환유닛과 연결되어 상기 수증기를 상기 열교환유닛으로 배출시키기 위한 수증기 배출부를 포함하는 연료 전지 시스템.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 열교환유닛은 상기 수증기의 흐름을 가능케 하는 패스를 형성하면서 지그재그 형태로 절곡되게 구성되는 패스부재를 포함하며,
    상기 패스부재는 상기 수증기 배출부에 연결되면서 상기 케이스부재의 내벽면에 접촉되게 설치되는 연료 전지 시스템.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 연료전지 본체가 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxydation Fuel Cell)로서 구성되는 연료 전지 시스템.
  9. 수소, 및 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 연료전지 본체;
    상기 연료전지 본체와 연결되게 설치되어 상기 연료를 개질하여 상기 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키고, 상기 개질 가스를 상기 연료전지 본체로 공급하는 개질기;
    시스템의 외관을 이루면서 상기 연료전지 본체와 상기 개질기를 내장시키는 케이스부재; 및
    상기 연료전지 본체와 연결되면서 상기 케이스부재의 내벽면에 접촉되게 설치되어 상기 연료전지 본체로부터 배출되는 고온의 수증기를 응축시키기 위한 열교환유닛
    을 포함하며,
    상기 케이스부재는 열전도성을 지닌 금속 소재로서 이루어지는 연료 전지 시스템.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 열교환유닛은,
    상기 수증기의 흐름을 가능케 하는 패스를 형성하면서 지그재그 형태로 절곡되게 구성되며, 열전도성을 지닌 파이프 라인 형태로서 이루어지는 패스부재를 포함하는 연료 전지 시스템.
  11. 삭제
  12. 제9 항에 있어서,
    상기 연료전지 본체가 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrance Fuel Cel)로서 구성되는 연료 전지 시스템.
KR1020050114208A 2005-11-28 2005-11-28 연료 전지 시스템 KR100709200B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020050114208A KR100709200B1 (ko) 2005-11-28 2005-11-28 연료 전지 시스템

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020050114208A KR100709200B1 (ko) 2005-11-28 2005-11-28 연료 전지 시스템

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR100709200B1 true KR100709200B1 (ko) 2007-04-18

Family

ID=38181757

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020050114208A KR100709200B1 (ko) 2005-11-28 2005-11-28 연료 전지 시스템

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR100709200B1 (ko)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101012404B1 (ko) 2008-09-09 2011-02-09 삼성전기주식회사 연료전지 발전시스템
WO2017222265A1 (ko) * 2016-06-23 2017-12-28 주식회사 경동나비엔 온도 조절용 열교환 수단을 구비한 연료전지
WO2020005987A1 (en) * 2018-06-25 2020-01-02 Saint-Gobain Ceramics & Plastics, Inc. Electrochemical assembly including heat exchanger
WO2021107529A1 (ko) * 2019-11-25 2021-06-03 주식회사 엘지에너지솔루션 전지 모듈, 이의 제조 방법 및 전지 팩
US11557775B2 (en) 2019-12-20 2023-01-17 Saint-Gobain Ceramics & Plastics, Inc. Apparatus including electrochemical devices and heat exchanger

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0981002A (ja) * 1995-09-09 1997-03-28 Ricoh Co Ltd 画像形成装置
JPH10284107A (ja) 1997-03-31 1998-10-23 Sanyo Electric Co Ltd 燃料電池発電システム
JPH1160104A (ja) * 1997-08-25 1999-03-02 Mitsubishi Denki Bill Techno Service Kk 油圧エレベーターのプランジャー垂直度測定装置
JP2000260456A (ja) 1999-03-08 2000-09-22 Sanyo Electric Co Ltd 燃料電池
KR20040037411A (ko) * 2002-10-28 2004-05-07 현대자동차주식회사 연료전지 스택용 외부 냉각 모듈

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0981002A (ja) * 1995-09-09 1997-03-28 Ricoh Co Ltd 画像形成装置
JPH10284107A (ja) 1997-03-31 1998-10-23 Sanyo Electric Co Ltd 燃料電池発電システム
JPH1160104A (ja) * 1997-08-25 1999-03-02 Mitsubishi Denki Bill Techno Service Kk 油圧エレベーターのプランジャー垂直度測定装置
JP2000260456A (ja) 1999-03-08 2000-09-22 Sanyo Electric Co Ltd 燃料電池
KR20040037411A (ko) * 2002-10-28 2004-05-07 현대자동차주식회사 연료전지 스택용 외부 냉각 모듈

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101012404B1 (ko) 2008-09-09 2011-02-09 삼성전기주식회사 연료전지 발전시스템
WO2017222265A1 (ko) * 2016-06-23 2017-12-28 주식회사 경동나비엔 온도 조절용 열교환 수단을 구비한 연료전지
WO2020005987A1 (en) * 2018-06-25 2020-01-02 Saint-Gobain Ceramics & Plastics, Inc. Electrochemical assembly including heat exchanger
WO2021107529A1 (ko) * 2019-11-25 2021-06-03 주식회사 엘지에너지솔루션 전지 모듈, 이의 제조 방법 및 전지 팩
US11557775B2 (en) 2019-12-20 2023-01-17 Saint-Gobain Ceramics & Plastics, Inc. Apparatus including electrochemical devices and heat exchanger

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7537851B2 (en) Fuel cell system including separator having cooling water flow channels
US7514170B2 (en) Fuel cell system
US7485384B2 (en) Cooling apparatus for fuel cell and fuel cell system having the same
KR20060081728A (ko) 연료 전지 시스템, 개질기 및 버너
KR100709200B1 (ko) 연료 전지 시스템
KR101155924B1 (ko) 연료 전지 시스템, 개질기 및 버너
JP4329939B2 (ja) 燃料処理装置，燃料電池システム及び燃料電池システムの駆動方法
KR101256076B1 (ko) 평판형 열교환기 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템
JP4351641B2 (ja) 燃料電池システム
KR100796656B1 (ko) 연료 전지 시스템
KR100684781B1 (ko) 스택 및 이를 포함하는 연료 전지 장치
KR20070013946A (ko) 냉각 효율을 증대시킨 개질기 및 연료전지 시스템
KR100560495B1 (ko) 연료 전지 시스템의 개질기 및 이를 채용한 연료 전지시스템
KR20070035218A (ko) 연료 전지 시스템
KR101084078B1 (ko) 연료 전지 시스템 및 그 구동 방법
KR100709246B1 (ko) 연료 전지 시스템
KR100649535B1 (ko) 연료 전지 시스템
KR20070038648A (ko) 연료 전지 시스템
KR20070038647A (ko) 연료 전지 시스템
KR101126204B1 (ko) 연료 전지 시스템
KR100696682B1 (ko) 연료 전지용 스택 및 이를 포함하는 연료 전지 장치
KR101126209B1 (ko) 개질기용 미반응 연료 회수장치를 갖는 연료 전지 시스템
KR20070056608A (ko) 연료 전지 시스템
KR20070035220A (ko) 연료 전지 시스템
KR100627389B1 (ko) 연료 전지 시스템 및 그 스택

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20120326

Year of fee payment: 6

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20130322

Year of fee payment: 7

LAPS Lapse due to unpaid annual fee