KR100757440B1 - 연료전지의 퍼지 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의한 연료전지의 퍼지 장치는, 개질부의 입구측 연료공급관에서 바이패스되어 스택부의 입구측 연료공급관에 연결되는 연료바이패스관과, 그 연료바이패스관을 통해 바이패스되는 연료를 완전 연소시켜 불활성가스를 생산하여 상기 스택부의 연료극에 공급하도록 상기 연료바이패스관의 중간에 설치되는 연소기와, 상기 연소기의 입구측 연료바이패스관에 설치되어 연료가 연소기로 공급되는 것을 조절하는 퍼지가스밸브를 구비함으로써, 별도의 퍼지가스통을 구비할 필요가 없어 시스템의 안전성을 높이고 퍼지가스통을 교체할 필요가 없어 사용상의 편리성을 높일 수 있다.

Description

연료전지의 퍼지 장치{PURGE SYSTEM FOR FUEL CELL}

도 1은 종래 연료전지의 일례를 보인 계통도,

도 2는 본 발명 퍼지 장치를 구비한 연료전지의 일례를 보인 계통도,

도 3은 본 발명 연료전지의 운전시 연료의 이동과정을 보인 개략도,

도 4는 본 발명 연료전지의 기동/정지시 연료의 이동과정을 보인 개략도.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **

110 : 개질부 120 : 스택부

130 : 전기출력부 140 : 퍼지부

141 : 촉매연소기 142 : 연료분배관

143 : 퍼지가스밸브

본 발명은 연료전지의 퍼지 장치에 관한 것으로, 특히 별도의 퍼지장비를 갖추지 않고 연료에서 질소가스(N₂)를 생성하여 시스템을 퍼지시킬 수 있도록 하는 연료전지의 퍼지 장치에 관한 것이다.

일반적으로 연료전지(FUEL CELL SYSTEM)는 연료가 가지고 있는 에너지를 직접 전기적 에너지로 변환하는 장치로서, 이러한 연료전지는 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 등의 탄화수소계(CH계열) 연료(도면은 LNG)를 개질기에서 탈황공정→개질반응→수소정제공정을 거쳐 수소(H₂)만을 정제하여 연료로 사용하는 PEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)방식의 연료전지를 보인 계통도이다.

이에 도시한 바와 같이 종래의 연료전지는, 연료공급펌프(1)를 통해 공급되는 LNG에서 수소를 정제하는 개질부(10)와, 상기 개질부(10)에 연결하여 정제된 수소를 공급받는 연료극(21)과 공기를 공급받는 공기극(22)을 구비하여 수소와 공기의 전기화학적 반응으로 전기와 열을 생산하는 스택부(20)와, 상기 스택부(20)의 출력측에 연결하여 전기를 부하에 공급하는 전기출력부(30)와, 상기 스택부(20)의 연료극(21)과 공기극(22)의 상류에 질소공급관을 연결하여 시스템의 정지시 질소로 스택부(20)를 퍼지(Purge)하는 퍼지부(40)와, 상기 각 부(10)(20)(30)(40)에 전기적으로 연결하여 제어하는 제어부(미도시)로 구성하고 있다.

상기 퍼지부(40)는 불활성가스인 소정량의 질소를 고압 상태로 수용하는 질소통(41)과, 질소통(41)을 개질부(10)와 스택부(20)의 연료극(21) 사이의 연료공급관 중간에 연결하는 질소공급관(42)과, 질소공급관(42)의 중간에 설치하여 상기 제어부에 의해 개폐되는 질소공급밸브(43)로 이루어져 있다.

상기와 같은 종래 연료전지는 다음과 같이 동작한다.

즉, 상기 개질부(10)에서 탄화수소계열의 연료를 개질하여 수소를 정제하고 이 수소를 스택부(20)의 연료극(21)으로 공급하는 한편 공기를 스택부(20)의 공기극(22)으로 공급함으로써 연료극(21)에서는 산화반응이, 공기극(22)에서는 환원반응이 일어나게 한다. 이 과정에서 생성되는 전자가 연료극(21)에서 공기극(22)으로 이동하면서 전기를 발생시키고, 그 전기는 전기출력부(30)에서 교류전기로 전환시켜 각종 전기제품에 공급한다.

여기서, 상기 스택부(20)가 운전중인 경우에는 상기 제어부에 의해 질소공급밸브(43)가 닫혀 연료(LNG)가 개질부(10)에서 개질되어 스택부(20)의 연료극(21)으로 공급되는 동시에 공기극(22)으로는 공기가 공급되어 정상적으로 산화반응과 환원반응이 일어나면서 전기와 열을 생산한다.

반면, 상기 스택부(20)가 기동시 또는 정지시에는 상기 제어부에 의해 질소공급밸브(43)가 열려 질소통(41)에 채워져 있던 고압의 질소가스(N₂)가 상기한 질소공급관(42)을 통해 시스템의 관로로 공급되어 각 관로에 잔류하던 연료와 공기를 배기시킴으로써 촉매의 산화를 방지하여 시스템의 내구성 및 안정성을 유지하도록 하는 것이었다.

그러나, 상기와 같은 종래 연료전지에 있어서는, 아파트 등 실내에 연료전지를 설치할 경우 연료전지 시스템 외에 고압의 질소통(41)을 더 구비하여야 하는 것은 물론 질소를 충전하여야 하는 등 안전성과 사용상의 번거로움이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래 연료전지가 가지는 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 별도의 질소공급장치를 구비하지 않고도 연료를 완전 연소시켜 나오는 불활성 가스를 이용하여 자체적으로 시스템을 퍼지시킬 수 있도록 하는 연료전지의 퍼지 장치를 제공하려는데 본 발명의 목적이 있다.

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 연료공급부; 상기 연료공급부에 연료공급관으로 연결되고 탄화수소계열의 연료에서 수소를 정제하는 개질부; 상기 개질부에서 연료공급관으로 연결되어 정제된 수소를 공급받는 연료극과 공기중에서 산소를 공급받는 공기극이 구비되고 수소와 산소의 전기화학적 반응으로 전기에너지와 열에너지를 생성하는 스택부; 상기 개질부의 입구측 연료공급관에서 바이패스되어 상기 스택부의 입구측 연료공급관에 연결되는 연료바이패스관과, 그 연료바이패스관을 통해 바이패스되는 연료를 완전 연소시켜 불활성가스를 생산하여 상기 스택부의 연료극에 공급하도록 상기 연료바이패스관의 중간에 설치되는 연소기와, 상기 연소기의 입구측 연료바이패스관에 설치되어 연료가 연소기로 공급되는 것을 조절하는 퍼지가스밸브를 구비한 퍼지부; 및 상기 퍼지부에 전기적으로 연결되어 그 퍼지부의 작동을 제어하는 제어부;를 포함한 연료전지의 퍼지 장치를 제공한다.

이하, 본 발명에 의한 연료전지의 퍼지 장치를 첨부도면에 도시한 일실시예에 의거하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명 퍼지 장치를 구비한 연료전지의 일례를 보인 계통도이고, 도 3은 본 발명 연료전지의 운전시 연료의 이동과정을 보인 개략도이며, 도 4는 본 발명 연료전지의 기동/정지시 연료의 이동과정을 보인 개략도이다.

이에 도시한 바와 같이 본 발명에 의한 연료전지는, 연료공급펌프(1)를 통해 공급되는 LNG에서 수소를 정제하는 개질부(110)와, 상기 개질부(110)에 연결하여 정제된 수소를 공급받는 연료극(121)과 공기를 공급받는 공기극(122)을 구비하여 수소와 공기의 전기화학적 반응으로 전기와 열을 생산하는 스택부(120)와, 상기 스택부(120)의 출력측에 연결하여 전기를 부하에 공급하는 전기출력부(130)와, 상기 스택부(120)의 운전 여부에 따라 상기한 연료를 선택적으로 공급받아 완전 연소시켜 불활성가스를 생성하고 이 불활성가스로 상기 스택부(120)를 퍼지(Purge)하는 퍼지부(140)와, 상기 각 부(110)(120)(130)(140)에 전기적으로 연결하여 제어하는 제어부(미도시)로 구성한다.

상기 퍼지부(140)는 연료공급펌프(1)와 개질부(110) 그리고 스택부(120)의 연료극(121) 사이를 연결하는 연료공급관의 중간에 설치하여 연료를 완전 연소시키면서 불활성가스를 생성하는 촉매연소기(141)와, 상기 연료공급관의 중간에서 분관하여 상기한 촉매연소기(141)를 장착하고 그 촉매연소기(141)의 출구측을 다시 스택부(120)의 입구측 연료공급관에 연결하는 연료분배관(142)과, 상기 촉매연소기(141)의 상류측 연료분배관(142)에 설치하여 제어부에 의해 선택적으로 개폐되는 퍼지가스밸브(143)로 이루어진다.

상기 촉매연소기(141)는 백금(Pt)계열의 원소를 주로 사용하는데, 예를 들어 백금보다 값이 싸고 가벼운 팔라듐(Pd)를 촉매로 사용할 수 있다.

도면중 종래와 동일한 부분에 대하여는 동일한 부호를 부여하였다.

상기와 같은 본 발명 연료전지의 퍼지 장치가 가지는 작용효과는 다음과 같다.

즉, 상기 개질부(110)에서 탄화수소계열의 연료를 개질하여 수소를 정제하고 이 수소를 스택부(120)의 연료극(121)으로 공급하여 산화반응을 일으키는 동시에 공기를 스택부(120)의 공기극(122)으로 공급하여 환원반응이 일어나게 한다. 이 과정에서 생성되는 전자가 연료극(121)에서 공기극(122)으로 이동하면서 전기를 발생시키고, 그 전기는 전기출력부(130)를 통해 각종 전기제품에 공급한다.

여기서, 연료전지가 기동하거나 또는 정지시에는 시스템을 퍼지시켜 스택부(120)의 촉매가 산화되는 것을 방지하여야 시스템의 내구성이나 안정성을 유지할 수 있는데, 본 발명에서는 연료를 이용하여 자체적으로 불활성 가스인 질소를 생성하도록 하고 이 질소를 상기한 스택부(120)에 공급하여 관로를 퍼지할 수 있도록 하는 것이다.

예컨대, 도 3에서와 같이 시스템이 정상운전을 하는 중에는 제어부에 의해 퍼지가스밸브(143)를 오프(off)시켜 연료가 촉매연소기(141)로 유입되는 것을 차단함으로써 촉매연소기(141)에서 질소가스가 발생하지 않게 된다.

반면, 도 4에서와 같이 시스템이 기동하거나 또는 정지하는 때는 제어부에 의해 퍼지가스밸브(143)를 온(on)시켜 연료가 연료공급관을 통해 백금으로 된 촉매연소기(141)로 유입되도록 하고 이 촉매연소기(141)에서 탄화수소 계열의 연료를 완전 연소시켜 질소가스(N₂)가 생성되도록 하며 이 질소가스를 기동시 시스템에 연료가 정상 공급되기 전에 또는 정지시 시스템에 연료공급을 차단한 후에 상기한 시스템에 공급함으로써 시스템에서 촉매의 산화를 방지할 수 있고 이를 통해 시스템의 내구성 및 안정성을 유지할 수 있다.

이렇게 하여, 시스템을 퍼지시키기 위한 별도의 퍼지장비, 즉 질소통을 구비하지 않고도 시스템으로 공급되는 연료를 이용하여 퍼지가스를 발생시켜 기동이나 정지시 시스템을 퍼지시킴으로써, 시스템의 설치 및 유지에 대한 안전성을 높일 수 있을 뿐만 아니라 퍼지가스통을 교체할 필요가 없어 사용상의 편리성을 높일 수 있다.

본 발명에 의한 연료전지의 퍼지 장치는, 연료를 촉매시켜 질소가스를 생성하고 이를 필요시 퍼지가스로 활용할 수 있도록 촉매연소기를 시스템상에 설치함으로써, 별도의 퍼지가스통을 구비할 필요가 없어 시스템의 안전성을 높이고 퍼지가스통을 교체할 필요가 없어 사용상의 편리성을 높일 수 있다.

Claims (4)

1. 연료공급부;

   상기 연료공급부에 연료공급관으로 연결되고 탄화수소계열의 연료에서 수소를 정제하는 개질부;

   상기 개질부에서 연료공급관으로 연결되어 정제된 수소를 공급받는 연료극과 공기중에서 산소를 공급받는 공기극이 구비되고 수소와 산소의 전기화학적 반응으로 전기에너지와 열에너지를 생성하는 스택부;

   상기 개질부의 입구측 연료공급관에서 바이패스되어 상기 스택부의 입구측 연료공급관에 연결되는 연료바이패스관과, 그 연료바이패스관을 통해 바이패스되는 연료를 완전 연소시켜 불활성가스를 생산하여 상기 스택부의 연료극에 공급하도록 상기 연료바이패스관의 중간에 설치되는 연소기와, 상기 연소기의 입구측 연료바이패스관에 설치되어 연료가 연소기로 공급되는 것을 조절하는 퍼지가스밸브를 구비한 퍼지부; 및

   상기 퍼지부에 전기적으로 연결되어 그 퍼지부의 작동을 제어하는 제어부;를 포함한 연료전지의 퍼지 장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 연소기는 백금계열의 원소를 이용하는 촉매연소기로 이루어지는 연료전지의 퍼지 장치.
3. 제1항에 있어서,

   상기 연소기의 원소로 팔라듐(Pd)이 사용되는 연료전지의 퍼지 장치.
4. 제1항에 있어서,

   상기 제어부는 상기 퍼지부와 함께 스택부가 전기적으로 연결되어 그 스택부의 작동여부에 따라 상기 퍼지부가 동작되도록 하는 연료전지의 퍼지 장치.

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