KR100757443B1 - 연료전지시스템 - Google Patents

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KR100757443B1
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육형규
이상헌
박명석
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엘지전자 주식회사
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Abstract

연료전지시스템이 개시된다. 본 발명에 따른 연료전지시스템은 수소와 공기의 전기 화학적 반응에 의해 전기를 생성하는 스택유닛; 냉각수가 저장된 냉각탱크와 저장된 냉각수가 상기 스택유닛 내부를 통과하여 순환가능하게 흐르도록 하는 냉각수순환라인을 구비한 냉각유닛; 상기 냉각탱크의 내부를 통과하는 연료공급라인을 구비하며, 상기 연료공급라인을 통해 상기 스택유닛에 수소를 공급하는 연료공급유닛; 상기 냉각탱크의 내부를 통과하는 공기공급라인을 구비하며, 상기 공기공급라인을 통해 상기 스택유닛에 공기를 공급하는 공기공급유닛; 및 온수가 저장된 온수탱크와 저장된 온수가 상기 냉각탱크의 내부를 통과하여 순환가능하게 흐르도록 하는 온수순환라인을 구비한 온수공급유닛;을 포함한다. 이로 인해, 전기화학적 반응을 일으키기 위한 적정한 온도로 승온된 수소와 공기가 스택유닛에 공급되어 스택유닛의 전기생산능력이 향상된다. 또한, 수소와 공기의 응축으로 인해 연료공급라인과 공기공급라인이 막히는 것이 방지되어 수소와 공기가 스택유닛으로 원할하게 공급됨으로서 스택유닛의 전기생산능력이 향상된다.
연료전지시스템, 냉각탱크, 연료공급라인, 공기공급라인, 온수순환라인

Description

연료전지시스템{FUEL CELL SYSTEM}
도 1은 종래의 연료전지시스템을 나타낸 개략도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템의 계통도,
도 3은 도 2의 냉각탱크, 냉각탱크의 내부를 통과하여 스택유닛에 연결된 공기공급라인 및 수소공급라인, 냉각탱크의 내부를 통과하여 온수탱크로 연결된 온수순환라인을 나타낸 도면이다.
** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **
110 : 연료공급유닛 120 : 공기공급유닛
130 : 스택유닛 150 : 냉각유닛
151 : 냉각탱크 180 : 온수공급유닛
181 : 온수탱크 LA : 공기공급라인
LH : 연료공급라인 LW : 온수순환라인
LC : 냉각수순환라인
본 발명은 연료전지시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 공기공급유닛에 서 스택유닛으로 공급되는 공기와 연료공급유닛에서 스택유닛으로 공급되는 수소가, 별개의 승온장치 없이도 전기화학적 반응을 일으키기에 적정한 온도로 승온되어 상기 스택유닛으로 공급될 수 있는 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 연료전지시스템(이하, 연료전지시스템으로 통칭함)을 나타낸 개략도이다.
도 1에 도시된 바와 같이 종래 연료전지시스템은, 연료에서 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 부하(Load)에 공급하는 전기출력유닛(40)과, 스택유닛(30)을 냉각시키고 스택유닛(30)에서 발생한 열을 회수하기 위한 냉각수가 저장된 냉각탱크(50)와, 공기공급유닛(20)으로부터 스택유닛(30)으로 공급되는 산소가 적절한 습도를 유지하도록 가습시키는 가습기(60)를 포함한다. 여기서, 연료공급유닛(10)은 연료공급라인(L1)을 통해 수소를 스택유닛(30)으로 공급하고, 공기공급유닛(20)은 공기공급라인(L2)을 통해 공기를 스택유닛(30)으로 공급한다.
한편, 연료공급라인(L1)을 통해 스택유닛(30)으로 유입되는 수소의 온도와 공기공급라인(L2)을 통해 스택유닛(30)으로 유입되는 공기의 온도는 외부공기와의 열교환을 통해, 스택유닛(30)에서 요구되는 전기화학적 반응을 일으키기에 위한 적정온도인 40도 내지 60보다 낮아지게 된다. 또한, 이렇게 낮아진 온도로 인해 연료공급라인(L1) 내부에서 응축이 일어나 연료공급라인(L1)과 공기공급라인(L2)이 막히는 문제점이 있었다.
이로 인해, 전기화학적 반응을 일으키기 위한 적정한 온도에 못 미치는, 낮은 온도를 가진 수소와 공기가 스택유닛(30)에 공급되어 스택유닛(30)의 전기생산능력이 떨어진다. 마찬가지로, 낮은 온도를 가진 수소와 공기의 응축으로 인해 연료공급라인(L1)과 공기공급라인(L2)이 막혀 수소와 공기가 스택유닛(30)으로 원할하게 공급되지 못해 스택유닛(30)의 전기생산능력이 떨어진다. 결론적으로, 전체적인 연료전지시스템의 성능이 저하되었다.
물론, 연료공급라인(L1)과 공기공급라인(L2)을 흐르는 수소와 공기가 외부공기로 인해 온도가 떨어지지 않도록 연료공급라인(L1)과 공기공급라인(L2)을 단열재로 감싸는 방법이 있다. 그러나, 이는 연료공급라인(L1)과 공기공급라인(L2)을 흐르는 수소와 공기의 현재온도를 유지시킬 수는 있으나, 스택유닛(30)으로 공급되기 위한 적정 온도가 아닐 경우에 이를 다시 상승시킬 수는 없다는 문제점이 있었다. 또한, 별도의 단열재가 필요하게 됨으로서 비용상승 및 구조가 복잡해 진다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 연료전지시스템이 가지는 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 공기공급유닛에서 스택유닛으로 공급되는 공기와 연료공급유닛에서 스택유닛으로 공급되는 수소가 스택유닛으로 유입될 때까지 전기화학적 반응을 일으키기에 적정한 온도로 승온될 수 있는 구조가 간단한 연료전지시스템을 제공하는 데 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 연료전지시스템은 수소와 공기의 전기 화학적 반응에 의해 전기를 생성하는 스택유닛; 냉각수가 저장된 냉각탱크와 저장된 냉각수가 상기 스택유닛 내부를 통과하여 순환가능하게 흐르도록 하는 냉각수순환라인을 구비한 냉각유닛; 상기 냉각탱크의 내부를 통과하는 연료공급라인을 구비하며, 상기 연료공급라인을 통해 상기 스택유닛에 수소를 공급하는 연료공급유닛; 상기 냉각탱크의 내부를 통과하는 공기공급라인을 구비하며, 상기 공기공급라인을 통해 상기 스택유닛에 공기를 공급하는 공기공급유닛; 및 온수가 저장된 온수탱크와 저장된 온수가 상기 냉각탱크의 내부를 통과하여 순환가능하게 흐르도록 하는 온수순환라인을 구비한 온수공급유닛;을 포함한다.
이렇게 상기 연료공급라인 및 공기공급라인이 냉각탱크의 내부를 통과함으로 인해, 스택유닛에 전기화학적 반응을 일으키기 위한 적정한 온도로 승온 된 수소와 공기가 공급되어 스택유닛의 전기생산능력이 향상된다. 또한, 수소와 공기의 응축으로 인해 연료공급라인과 공기공급라인이 막히는 것이 방지되어 수소와 공기가 스택유닛으로 원할하게 공급됨으로서 스택유닛의 전기생산능력이 향상된다.
여기서, 수소 및 공기의 열교환효율을 보다 높이기 위해, 상기 연료공급라인 및 공기공급라인 중 상기 냉각탱크를 관통하는 부분은 나선형으로 꼬여진 것이 바 람직하다.
또한, 상기 연료공급라인 및 공기공급라인이 산화되어 냉각수가 이온화되는 것을 방지하기 위해 상기 연료공급라인 및 공기공급라인은 전도성 금속 위에 크롬이 코팅된 재질로 형성된 것이 바람직하다. 같은 맥락으로, 상기 냉각탱크의 내벽은 비금속재질로 형성되거나, 테프론 코팅된 것이 바람직하다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템을 첨부도면에 의거하여 상세히 설명한다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템의 계통도이고, 도 3은 도 2의 냉각탱크, 냉각탱크의 내부를 통과하여 스택유닛에 연결된 공기공급라인 및 수소공급라인, 냉각탱크의 내부를 통과하여 온수탱크로 연결된 온수순환라인을 나타낸 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템은 스택유닛(130)에 연료공급라인(LH)을 통해 수소를 공급하는 연료공급유닛(110); 스택유닛(130)에 공기공급라인(LA)을 통해 공기를 공급하는 공기공급유닛(120); 및 공급된 수소와 공기의 전기 화학적 반응에 의해 전기를 생성하는 스택유닛(130); 스택유닛(130)의 냉각 및 스택유닛(130)에서 발생한 열을 회수하도록 냉각수가 저장된 냉각탱크(151)를 구비한 냉각유닛(150); 공기공급유닛(120)에서 스택유닛(130)으로 유입되는 공기를 적절히 가습시키기 위해 공기공급라인(LA) 상에 설치된 가습기(170); 온수가 저장된 온수탱크(181)와 상기 온수가 순환되면서 상기 냉각탱크(151)에 저장된 냉각수와 열교환 되도록 상기 냉각탱크의 내부를 관통하는 온수순환라인(LW)을 구비한 온수공급유닛(180);를 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 공급되는 수소와 산소의 전기화학적 반응에 의해 전기에너지와 열에너지를 동시에 생성하도록 연료극(131)과 공기극(132)을 포함한다.
상기 냉각유닛(150)은 소정량의 물을 충전하는 냉각탱크(151)와, 스택유닛(130)과 냉각탱크(151) 사이를 순환식으로 연결하는 냉각수순환라인(LC)과, 냉각수순환라인(LC)의 중간에 설치되며 냉각탱크(151)의 물을 펌핑하는 물순환펌 프(153)를 포함한다.
상기 연료공급라인(LH) 및 공기공급라인(LA)을 흐르는 수소 및 공기가 냉각탱크(151)에 저장된 냉각수와 열교환 되도록 연료공급라인(LH) 및 공기공급라인(LA)은 냉각탱크(151)의 내부를 통과한다.
여기서, 연료공급라인(LH) 및 공기공급라인(LA) 중 냉각탱크(151)를 관통하는 부분은 냉각수와 열교환 면적을 최대로 하기 위하여 나선형으로 꼬여져 있다. 보다 넓은 열교환 면적을 확보하기 위하여 연료공급라인(LH) 및 공기공급라인(LA)의 외부면에 핀을 설치할 수도 있을 것이다.
한편, 연료공급라인(LH) 및 공기공급라인(LA)이 산화됨으로 인해 순수인 냉각수(Deionized Water)가 이온화 되는 것을 방지하기 위하여, 연료공급라인(LH) 및 공기공급라인(LA)은 전도성 금속(동, 알류미늄등) 위에 크롬이 코팅된 재질로 형성된다.
같은 맥락으로, 냉각탱크(151)가 산화됨으로 인해 순수(Deionized Water)인 냉각수가 이온화 되는 것을 방지하기 위하여, 냉각탱크(151)는 비금속재질로 형성되거나 냉각탱크(151)의 내벽(151a)은 테프론 코팅된다.
상술한 바와 같이, 연료공급라인(LH) 및 공기공급라인(LA)을 흐르는 수소 및 공기가, 냉각탱크(151)에 저장된 냉각수와 열교환 되도록, 연료공급라인(LH) 및 공기공급라인(LA)이 냉각탱크(151)의 내부를 통과함으로 인해, 전기화학적 반응을 일으키기 위한 적정한 온도로 승온된 수소와 공기가 스택유닛(130)에 공급되어 스택유닛(130)의 전기생산능력이 향상된다. 또한, 수소와 공기의 응축으로 인해 연료공 급라인(LH)과 공기공급라인(LA)이 막히는 것이 방지되어 수소와 공기가 스택유닛(130)으로 원할하게 공급됨으로서 스택유닛(130)의 전기생산능력이 향상된다.
한편, 연료공급라인(LH) 및 공기공급라인(LA)을 흐르는 수소 및 공기가, 냉각탱크(151)에 저장된 냉각수와 열교환 하면서 빼앗는 열량은 온수순환라인(LW)을 통해 온수공급유닛(180)에 공급되는 열량의 10%미만이므로, 온수공급유닛(180)의 온수의 열을 높이는 데 지장이 없으면서도 스택유닛(130)의 효율을 안정적으로 높일 수 있다. 즉, 급탕 및 난방을 위해 온수공급유닛(180)의 온수를 이용하는 본 실시예와 같은 코젠(Co-gen) 연료전지시스템에서 급탕 및 난방을 위한 열을 거의 빼앗지 않으면서, 동시에 스택유닛(130)으로 유입되는 수소 및 공기의 승온을 할 수 있다.
그리고, 기존의 냉각탱크(151)에 저장된 냉각수가 연료공급라인(LH) 및 공기공급라인(LA)을 흐르는 수소 및 공기의 승온에 사용됨으로서, 수소 및 공기의 승온을 위해 별도의 장치가 필요 없게 된다. 따라서, 비용이 저렴하고 구조가 간단한 연료전지시스템이 제공된다.
이하, 상술한 구성을 가진 연료전지시스템의 동작을 설명하면 다음과 같다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 공기가 공기공급라인(LA)을 통해 공기공급유닛(120)으로부터 스택유닛(130)의 공기극(132)으로 공급된다. 공기공급라인(LA)이 냉각탱크(151) 내부를 통과하는 동안, 공기공급라인(LA)의 내부를 흐르는 공기는 냉각탱크(151)에 저장된 냉각수로부터 열을 공급받아 적정한 온도로 승온된다.
또한, 수소가 연료공급라인(LH)을 통해 연료공급유닛(110)으로부터 스택유 닛(130)의 연료극(131)으로 공급된다. 연료공급라인(LH)이 냉각탱크(151) 내부를 통과하는 동안, 연료공급라인(LH)의 내부를 흐르는 수소는 냉각탱크(151)에 저장된 냉각수로부터 열을 공급받아 적정한 온도로 승온된다. 스택유닛(130)은 이렇게 적정한 온도(대략 40°내지 60°사이임)로 승온된 수소와 공기로 전기를 발생시킨다. 발생 된 전기는 각종 전기제품(도면상에는 Load로 표시)에 공급한다.
한편, 온수공급유닛(180)은 온수순환라인(LW)의 내부를 흐르는 온수는 냉각탱크(151)에 저장된 냉각수로부터 열을 공급받아 승온된다. 이때, 연료공급라인(LH) 및 공기공급라인(LA)을 흐르는 수소 및 공기가 냉각탱크(151)에 저장된 냉각수와 열교환 하면서 빼앗는 열량은 온수순환라인(LW)을 통해 온수공급유닛(180)에 공급되는 열량의 10%미만이므로, 온수공급유닛(180)의 온수의 열을 높이는 데는 지장은 없다. 이렇게 승온된 온수는 급탕 또는 난방에 사용된다.
본 발명의 일 실시예에 의한 연료전지시스템에 따르면,
첫째, 연료공급라인 및 공기공급라인을 흐르는 수소 및 공기가, 냉각탱크에 저장된 냉각수와 열교환 되도록, 상기 연료공급라인 및 공기공급라인이 냉각탱크의 내부를 통과한다. 이로 인해, 전기화학적 반응을 일으키기 위한 적정한 온도로 승온된 수소와 공기가 스택유닛에 공급되어 스택유닛의 전기생산능력이 향상된다. 또한, 수소와 공기의 응축으로 인해 연료공급라인과 공기공급라인이 막히는 것이 방지되어 수소와 공기가 스택유닛으로 원할하게 공급됨으로서 스택유닛의 전기생산능력이 향상된다.
둘째, 연료공급라인 및 공기공급라인을 흐르는 수소 및 공기가, 냉각탱크에 저장된 냉각수와 열교환 하면서 빼앗는 열량은 온수순환라인을 통해 온수공급유닛에 공급되는 열량의 10%미만이므로, 온수공급유닛의 온수의 열을 높이는 데 지장이 없으면서도 스택유닛의 효율을 안정적으로 높일 수 있다. 즉, 급탕 및 난방을 위해온수공급유닛의 온수를 이용하는 본 실시예와 같은 코젠(Co-gen) 연료전지시스템에서 급탕 및 난방을 위한 열을 거의 빼앗지 않으면서, 동시에 스택유닛으로 유입되는 수소 및 공기의 승온을 할 수 있다.
셋째, 기존의 냉각탱크에 저장된 냉각수가 연료공급라인 및 공기공급라인을 흐르는 수소 및 공기의 승온에 사용됨으로서, 수소 및 공기의 승온을 위해 별도의 장치가 필요 없게 된다. 따라서, 비용이 저렴하고 구조가 간단한 연료전지시스템이 제공된다.

Claims (5)

  1. 수소와 공기의 전기 화학적 반응에 의해 전기를 생성하는 스택유닛;
    냉각수가 저장된 냉각탱크와 저장된 냉각수가 상기 스택유닛 내부를 통과하여 순환가능하게 흐르도록 하는 냉각수순환라인을 구비한 냉각유닛;
    상기 냉각탱크의 내부를 통과하는 연료공급라인을 구비하며, 상기 연료공급라인을 통해 상기 스택유닛에 수소를 공급하는 연료공급유닛;
    상기 냉각탱크의 내부를 통과하는 공기공급라인을 구비하며, 상기 공기공급라인을 통해 상기 스택유닛에 공기를 공급하는 공기공급유닛; 및
    온수가 저장된 온수탱크와 저장된 온수가 상기 냉각탱크의 내부를 통과하여 순환가능하게 흐르도록 하는 온수순환라인을 구비한 온수공급유닛;을 포함하는 연료전지시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 연료공급라인 및 공기공급라인 중 상기 냉각탱크를 관통하는 부분은 나선형으로 꼬여진 연료전지시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료공급라인 및 공기공급라인은, 전도성 금속 위에 크롬이 코팅된 재질로 형성된 연료전지시스템.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉각탱크는 비금속재질로 형성된 연료전지시스템.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉각탱크의 내벽은 테프론 코팅된 연료전지시스템.
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JP2001313048A (ja) 2000-02-22 2001-11-09 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd 固体高分子電解質型燃料電池発電装置
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