KR100757441B1 - 연료전지시스템 - Google Patents

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Abstract

연료전지시스템이 개시된다. 본 발명에 따른 연료전지시스템은 연료극과 공기극을 구비하며 수소와 산소의 전기화학적 반응으로 전기를 생성하는 스택유닛; 상기 스택유닛의 연료극에 수소를 공급하는 연료공급유닛; 상기 스택유닛의 공기극에 공기를 공급하는 공기공급유닛; 및 상기 스택유닛과 상기 연료공급유닛 사이에 설치되며, 상기 오프개스와 접촉하여 상기 오프개스속의 수분을 응축시키는 냉각장치를 구비한 기액분리유닛;을 포함하는 것을 특징으로 한다. 이러한 연료전지시스템의 기액분리유닛으로 인해 오프개스속에 포함된 수분이 제거되어 버너내 연소가 활발하게 이루어지며, 결과적으로 수증기가 안정적으로 개질반응기에 공급되어 개질반응이 원활하게 이루어져 연료전지시스템의 전체성능이 향상된다.
연료전지시스템, 기액분리유닛, 냉각수관, 요철, 엠보싱

Description

연료전지시스템{FUEL CELL SYSTEM}
도 1은 종래 연료전지시스템을 나타낸 개략도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템의 계통도,
도 3은 도 2의 기액분리유닛의 확대 평면도,
도 4는 도 3의 커버를 제거한 기액분리유닛의 평면도,
도 5는 도 3의 냉각관에 꽈배기형태의 홈을 형성한 평면도,
도 6은 도 3의 수용용기의 내벽에 요철을 형성한 평면도,
도 7은 도 6의 단면 Ⅶ-Ⅶ을 나타낸 도면,
도 8은 도 3의 수용용기의 내벽에 엠보싱을 형성한 평면도,
도 9는 도 8의 단면 Ⅸ-Ⅸ을 나타낸 도면이다.
** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **
110 : 연료공급유닛 120 : 공기공급유닛
122 : 공기공급팬 130 : 스택유닛
140 : 전기출력유닛 150 : 급수유닛
200 : 기액분리유닛 210 : 기액분리몸체
211 : 수용용기 212 : 커버
213 : 체결부재 220 : 개스유입관
230 : 개스유출관 240 : 수분배출관
250 : 냉각수관 260 : 격벽
270 : 요철 280: 엠보싱
본 발명은 연료전지시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 스택유닛에서 연료공급유닛의 버너로 공급되는 오프개스(off-gas)속에 포함된 수분을 제거하는 기액분리유닛을 구비한 연료전지시스템에 관한 것이다.
도 1은 LNG, LPG, CH3OH, 가솔린 등의 탄화수소계(CH계열) 연료를 탈황공정→개질반응→수소정제공정을 거쳐 수소(H2)만을 정제하여 연료로 사용하는 PEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)방식의 종래 연료전지시스템(이하, 연료전지시스템으로 통칭함)를 나타낸 개략도이다.
도 1에 도시된 바와 같이 종래 연료전지시스템은, LNG에서 수소(H2)만을 추출하여 스택유닛(30)에 공급하는 연료공급유닛(10)과, 공기를 스택유닛(30) 및 연료공급유닛(10)에 공급하는 공기공급유닛(20)과, 공급된 수소(H2) 및 공기로 전기를 생성하는 스택유닛(30)과, 스택유닛(30)에서 생성된 전기를 교류로 변환하여 부하에 공급하는 전기출력유닛(40)을 포함하여 구성된다.
상술한 연료공급유닛(10)에서 연료와 수증기가 개질 반응하여 수소가 발생된 다. 이때 개질 반응에 필요한 수증기를 생성하기 위해 연료공급유닛(10)에는 수증기발생기(10b)와, 수증기발생기(10b)에 필요한 열을 공급하는 버너(10a)가 구비된다.
한편, 이러한 버너(10a)를 구동시키기 위해 초기에는 연료(Fuel)가 버너(10a)에 공급되고, 이후에는 스택유닛(30)에서 발전을 위해 사용하고 남은 오프개스가 공급된다. 그러나, 이렇게 공급되는 오프개스는 고온다습하기 때문에 오프개스속에 포함된 수분에 의해 버너(10a)가 제대로 작동하지 못하고 심하면 버너(10a)가 꺼지는 문제점이 발생한다. 이로 인해 개질 반응이 원활하게 이루어지지 못해 연료전지시스템의 전체 성능이 저하된다.
본 발명은 상기와 같은 종래 연료전지시스템이 가지는 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 스택유닛에서 연료공급유닛으로 공급되는 오프개스속에 포함된 수분을 제거할 수 있는 연료전지시스템를 제공하는 데 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 연료전지시스템은 연료극과 공기극을 구비하며 수소와 산소의 전기화학적 반응으로 전기를 생성하는 스택유닛; 상기 스택유닛의 연료극에 수소를 공급하는 연료공급유닛; 상기 스택유닛의 공기극에 공기를 공급하는 공기공급유닛; 및 상기 스택유닛과 상기 연료공급유닛 사이에 설치되며, 상기 오프개스와 접촉하여 상기 오프개스속의 수분을 응축시키는 냉각장치를 구비한 기액분리유닛;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명에 따른 연료전지시스템을 첨부도면에 의거하여 상세히 설명한다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템의 계통도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 일 실시예에 따른 연료전지시스템은 연료공급유닛(110), 공기공급유닛(120), 스택유닛(130), 전기출력유닛(140), 급수유닛(150), 기액분리유닛(200)을 포함한다.
상기 연료공급유닛(110)은 LNG에서 수소(H2)를 정제하여 스택유닛(130)의 연료극(131)에 공급하는 개질기(111) 및 배관(112)을 포함한다. 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.
상기 공기공급유닛(120)은 스택유닛(130)의 공기극(132)에 공기를 공급하며, 제1,2공급라인(121,123), 공기공급팬(122)을 포함한다.제1공기공급라인(121)은 공기극(132)에 대기중의 공기를 공급하기 위해 공기공급팬(122)과 제2예열기(162)사이에 설치된다. 제2공기공급라인(123)은 버너(111g)에 대기중의 공기를 공급하기 위해 공기공급팬(122)과 버너(111g)사이에 설치된다.
상기 스택유닛(130)은 연료공급유닛(10)과 공기공급유닛(20)에서 각각 공급 되는 수소와 산소의 전기화학적 반응에 의해 전기에너지와 열에너지를 동시에 생성하도록 연료극(131)과 공기극(132)을 포함한다.
상기 전기출력유닛(140)은 스택유닛(130)에서 생성된 전기에너지를 교류로 변환하여 부하에 공급한다.
상기 급수유닛(150)은 연료공급유닛(110)의 개질기(111)와 스택유닛(130)에 물을 공급하여 개질기(111)와 스택유닛(130)을 냉각한다. 급수유닛(150)은 소정량의 물을 충전하는 급수통(151)과, 스택유닛(130)과 급수통(151) 사이를 순환식으로 연결하는 물순환라인(152)과, 물순환라인(152)의 중간에 설치되며 급수통(151)의 물을 펌핑하는 물순환펌프(153)와, 물순환라인(152)의 중간에 구비하여 순환 공급되는 물을 냉각하는 열교환기(154) 및 방열팬(155)으로 이루어져 있다. 또한, 급수통(151)의 물 또는 일반 상수(도면에선, 일반상수를 도시)를 개질기(111)에 공급하는 상수공급라인(156)으로 이루어진다.
상기 기액분리유닛(200)은 스택유닛(130)에서 배출되어 연료공급유닛(110)의 버너(111g)로 공급되는 오프개스(off-gas)속에 포함된 수분을 제거하며, 스택유닛(130)과 연료공급유닛(110)사이에 설치된다.
도 3은 도 2의 기액분리유닛의 확대 평면도이고, 도 4는 도 3의 커버를 제거한 기액분리유닛의 평면도이고, 도 5는 도 3의 냉각관에 꽈배기형태의 홈을 형성한 평면도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 기액분리유닛(200)은 기액분리몸체(210), 개스유입관(220), 개스유출관(230), 수분배출관(240), 냉각장치인 냉각수관(250), 격벽 (260)을 포함한다.
상기 기액분리몸체(210)는 오프개스가 일시적으로 수용용기(211)와, 상기 수용용기(211)의 전면에 덮히는 커버(212)와, 수용용기(211)와 커버(212)를 체결하는 체결부재(213)로 구성된다. 상기 커버(212)는 기액분리몸체(210)의 내부에서 일어나는 수분분리현상을 외부에서 관찰할 수 있게 투명한 아크릴판인 것이 바람직하다. 상기 체결부재(213)는 체결의 편의를 위해 나사인 것이 바람직하며, 나사가 체결되기 위해 수용용기(211)의 전면에는 나사홈(211e)이 형성된다.
상기 개스유입관(220)은 오프개스를 기액분리몸체(210)의 내부로 유도하는 관으로, 수용용기(211)의 좌벽(211a) 하단을 관통하도록 설치된다. 개스유입관(220)의 끝단은 오프개스가 개스유출관(230)으로 직접 배출되는 것을 방지하기 위하여 수용용기(211)내부에서 끝단이 수용용기(211)의 하벽(211c) 방향으로 꺽여져 있다.
상기 개스유출관(230)은 기액분리몸체(210)의 내부에서 수분이 제거된 오프개스가 연료공급유닛(110, 도 2 참조)으로 빠져나가는 관이다. 개스유출관(230)은 오프개스가 기액분리몸체(210)를 빠져나가는 시간을 늦추기 위해 수용용기(211)의 좌벽(211a)의 최상단을 관통하도록 설치된다.
상기 수분배출관(240)은 오프개스에서 분리된 수분이 배출되는 관으로, 수용용기(211)의 우벽(211b) 하단에 설치되며, 급수통(151, 도 2 참조)과 연결된다.
도 4 및 도 5를 참조하면 상기 냉각수관(250)은 기액분리몸체(210)의 내부에 설치되며, 오프개스와의 접촉면적을 늘려 열전달 효율을 높이기 위해, 수용용기 (211) 내부에서 지그재그로 구불어져 일정높이(H)로 쌓여진다.
냉각수관(250)은 곡률반경(R)이 허용하는 만큼, 상호 일정간격(h)만큼 떨어지도록 구부러지는데, 이는 냉각수관(250)을 최대한 길게 수용용기(211)내에 배치하여 오프개스와의 접촉면적을 늘리기 위함이다. 그리고, 냉각수관(250)의 재질로는 녹이 슬지 않고 열교환효율을 높이기 위한 서스(SUS) 재질인 것이 바람직하다.
냉각수관(250)의 외주면에 오프개스가 접촉되면, 오프개스가 냉각수관(250)의 내부를 흐르는 차가운 냉각수에 열을 빼앗겨 오프개스속의 수분이 응축되면서 오프개스로부터 분리된다. 이렇게 분리된 수분은 상술한 수분배출관(240)을 통해 급수통(151, 도 2참조)으로 배출된다. 이때, 오프개스와의 열교환에 의해 뜨거워진 냉각수는 난방용 급수로 활용할 수 있다.
한편, 오프개스와 접촉면적을 더욱 높이기 위해 도 5에 도시된 바와 같이 냉각수관(250)의 외주면에 꽈대기 형태를 갖는 홈(250a)을 형성하였다. 물론 꽈대기 형태외에 냉각수관(250)의 외주면에 요철 또는 앰보싱을 형성할 수도 있을 것이다.
본 실시예에서는 오프개스속의 수분을 응축시키기 위해 냉각수관(250)을 사용하였으나, 냉각수관(250)관 같은 역할을 하는 라지에이터나, 복수개의 핀 등으로 냉각장치를 구성할 수 있음은 물론이다.
상기 격벽(260)은 오프개스가 개스유출관(230)으로 직접 배출되는 것을 방지한다. 이를 위해 구불어진 냉각수관(250)의 사이에 끼워지도록 수용용기(211)의 좌벽(211a)과 우벽(211b)에서 지그재그로 순차적으로 돌출된다. 물론, 좌벽(211a) 또는 우벽(211b)중 어느 한쪽에만 설치할 수도 있으나, 보다 효과적으로 오프개스가 개스유출관(230)으로 직접 배출되는 것을 차단하기 위하여 양벽에 설치되는 것이 바람직하다. 또한, 공간의 활용상 본 실시예와 같이 냉각수관(250)의 사이에 지그재그로 순차적으로 끼워지는 것이 바람직하다.
도 6은 도 3의 수용용기의 내벽에 요철을 형성한 평면도이고, 도 7은 도 6의 단면 Ⅶ-Ⅶ을 나타낸 도면이다. 도 6 및 도 7을 참조하면, 수용용기(211)의 내벽(211d)에 요철(270)을 형성하였다. 요철(270)은 몰딩물에 의해 수용용기(211)와 일체로 형성할 수도 있고 별도로 제작하여 용접 또는 접착제로 수용용기(211)의 내벽에 설치할 수도 있다. 또한, 필요에 따라서는 요철(270)을 커버(212)에 형성할 수도 있다. 오프개스가 요철(270)에 충돌함에 따라 오프개스의 열전달 특성이 개선되고, 오프개스가 요철(270) 사이를 지나침에 따라 난류가 발생한다. 이로 인해, 유입된 오프개스속의 수분분리 효과가 더욱 커진다.
도 8은 도 3의 수용용기의 내벽에 엠보싱을 형성한 평면도이고, 도 9는 도 8의 단면 Ⅸ-Ⅸ을 나타낸 도면이다. 도 8 및 도 9를 참조하면, 또 다른 방안으로, 수용용기(211)의 내벽(211d)에 엠보싱(280)을 형성하였다. 엠보싱(280)은 몰딩물에 의해 수용용기(211)와 일체로 형성할 수도 있고 별도로 제작하여 용접 또는 접착제로 수용용기(211)의 내벽에 설치할 수 있다. 또한, 필요에 따라서는 엠보싱(280)을 커버(212)에 형성할 수도 있다. 오프개스가 엠보싱(280)에 충돌함에 따라 오프개스의 열전달 특성이 개선되고, 오프개스가 엠보싱(280) 사이를 지나침에 따라 난류가 발생한다. 이로 인해, 유입된 오프개스속의 수분분리 효과가 더욱 커진다.
이하, 상술한 구성을 가진 연료전지시스템의 동작을 설명하면 다음과 같다.
도 2를 참조하면, 연료공급유닛(110)에서 LNG와 수증기를 개질하여 수소를 발생시킨 후 이 수소를 스택유닛(130)의 연료극(131)으로 공급한다. 공기공급유닛(120)은 공기를 스택유닛(130)의 공기극(132)으로 공급한다. 스택유닛(130)은 공급된 수소와 공기로 전기를 발생시키고, 발생 된 전기는 전기출력유닛(150)에서 교류로 바꿔 각종 전기제품(도면상에는 Load로 표시)에 공급한다.
한편, 개질반응에 필요한 수증기를 생성하기 위해 수증기발생기(111f)에 상수가 공급되고, 이러한 상수를 가열하여 수증기를 발생시키기 위해 버너(111g)에는 스택유닛(30)에서 발전을 위해 사용하고 남은 오프개스가 공급된다. 이때, 오프개스속에 포함된 수분은 기액분리유닛(200)을 거치면서 제거된다.
이를 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 도 4를 참조하면, 오프개스가 개스유입관(220)을 통해 기액분리몸체(210)의 내부로 유입된다. 참고로 점선 화살표는 냉각수의 흐름을 나타내며, 실선 화살표는 오프개스의 흐름을 나타낸다.
유입된 오프개스는 격벽(260)사이를 지나가면서 냉각수관(250)의 외주면과 접촉하게 된다. 이때 냉각수관(250)의 내부에는 차가운 냉각수가 흐르므로, 오프개스가 냉각수관(250)의 외주면과 접촉되게 되면, 열을 빼앗겨 오프개스속의 수분이 응축되면서 오프개스로부터 분리된다. 또한, 도 5에 도시된 바와 같은 냉각수관(250)의 외주면에 형성된 꽈대기 형태의 홈(250a)으로 인해 오프개스와 접촉면적이 넓어지고, 도 7 및 도 9에 도시된 바와 같은 수용용기(211)의 내벽(211d)에 형성된 요철(270) 또는 엠보싱(280)에 의해 오프개스의 열전달 특성이 개선되고 난류가 증가 되어 오프개스속에 포함된 수분의 분리효과가 더욱 커지게 된다.
이렇게 분리된 수분은 수분배출관(240)을 통해 급수통(151, 도 2참조)으로 배출된다. 이때, 오프개스와의 열교환에 의해 뜨거워진 냉각수는 난방용 급수로 활용할 수 있다. 그리고, 수분이 제거된 오프개스는 개스유출관(230)을 통해 연료공급유닛(110)의 버너(111g)로 공급된다. 이렇게 수분이 분리된 오프개스로 인해 결과적으로 버너(111g)내 연소가 활발하게 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 연료전지시스템에 따르면, 기액분리유닛이 구비되어 있어 오프개스속에 포함된 수분이 제거되어 버너 내 연소가 활발하게 이루어진다. 따라서, 수증기가 안정적으로 개질반응기에 공급되어 개질반응이 원활하게 이루어져 연료전지시스템의 전체 성능이 향상된다.
또한, 기액분리유닛의 냉각수관을 흐르는 냉각수가 오프개스와의 열교환에 의해 뜨거워져, 이를 난방용 급수로 활용할 수 있는 등 폐열을 회수할 수 있는 효과가 있다.

Claims (9)

  1. 연료극과 공기극을 구비하며 수소와 산소의 전기화학적 반응으로 전기를 생성하는 스택유닛;
    상기 스택유닛의 연료극에 수소를 공급하는 연료공급유닛;
    상기 스택유닛의 공기극에 공기를 공급하는 공기공급유닛; 및
    상기 스택유닛과 상기 연료공급유닛 사이에 설치되며, 상기 스택유닛으로부터 배출된 오프개스와 접촉하여 그 오프개스속의 수분을 응축시키는 냉각수관과, 그 냉각수관 사이에 설치된 격벽을 구비한 기액분리유닛;을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 기액분리유닛은,
    상기 스택유닛에서 상기 연료공급유닛의 버너를 연결하는 배관상에 설치되는 기액분리몸체;
    상기 기액분리몸체 내부로 상기 오프개스가 유입되기 위한 개스유입관;
    상기 연료공급유닛으로 수분이 제거된 상기 오프개스가 유출되기 위한 개스유출관; 및
    상기 오프개스로부터 분리된 수분이 배출되는 수분배출관;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 냉각수관의 외주면에는 꽈배기 형태의 홈이 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 기액분리몸체는,
    상기 오프개스가 일시적으로 수용용기;
    상기 수용용기의 전면에 덮히는 커버; 및
    상기 수용용기와 상기 커버를 체결하는 체결부재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  6. 삭제
  7. 제 2 항에 있어서, 상기 냉각수관은 상기 기액분리몸체 내부에서 지그재그로 구불어져 일정높이로 쌓여지며, 상기 격벽은 상기 구불어진 냉각수관 사이에 끼워지도록 상기 기액분리몸체내에서 지그재그로 순차적으로 돌출된 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  8. 제 5 항에 있어서, 상기 수용용기의 내벽에는 요철이 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  9. 제 5 항에 있어서, 상기 수용용기의 내벽에는 엠보싱이 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
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