KR100761265B1 - 연료전지 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 연료전지 시스템에 사용되는 열교환기에 관한 것으로서, 연료공급라인을 통하여 연료를 공급하는 연료공급부와; 공기공급라인을 통하여 공기를 공급하는 공기공급부와; 상기 연료공급부에서 연료를 공급받아 수소부유가스를 발생시키며 일측에 버너를 구비한 개질기부와; 상기 공기공급부에서 공급되는 공기와 상기 개질기부에서 공급되는 수소부유가스의 전기화학적인 반응에 의해 전기에너지를 발생시키는 스택부와; 상기 공기공급라인과 연료공급라인이 경유하며 상기 버너에서 발생되는 오프가스(off-gas)가 유입되도록 내부에 소정의 밀폐공간을 갖는 케이스와, 상기 오프가스가 케이스로 유입되는 오프가스 유입라인과, 유입된 오프가스가 상기 케이스의 외부로 유출되는 오프가스 유출라인을 구비한 열교환부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 의해, 별도의 열원을 구비하지 않고 버너에서 발생되는 가스의 열을 이용하여 스택부로 공급되는 연료를 적정온도로 상승시켜 스택부의 손상을 방지할 수 있는 연료전지 시스템에 사용되는 열교환기가 제공된다.

Description

연료전지 시스템{FUEL CELL SYSTEM}
도 1은 종래의 연료전지 시스템의 구조를 개략적으로 도시한 개략도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구조를 개략적으로 도시한 개략도,
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구조를 개략적으로 도시한 개략도,
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구조를 개략적으로 도시한 개략도,
도 5는 도 2의 열교환부의 구조를 도시한 사시도,
도 6은 도 5의 다른 실시예에 따른 열교환부의 구조를 도시한 사시도 이다.
** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **
10 : 연료공급부 12 : 공기공급부
20 : 개질기부 30 : 스택부
50 : 기액분리기 51 : 제1연료공급라인
52 : 제2연료공급라인 60 : 가습기
61 : 제1공기공급라인 62 : 제2공기공급라인
70 : 열교환부 71 : 케이스
72 : 오프가스 유입라인 73 : 오프가스 유출라인
본 발명은, 연료전지 시스템에 사용되는 열교환기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 별도의 열원을 구비하지 않고 버너에서 발생되는 가스의 열을 이용하여 스택부로 공급되는 연료를 적정온도로 상승시켜 스택부의 손상을 방지할 수 있는 연료전지 시스템에 관한 것이다.
현재 건물에서 사용하고 있는 전기에너지는 발전소에서 화력이나 수력 등에 의해 발전을 일으켜 발생되는 것이다. 그리고 발전소에서 발전된 전기에너지는 송전선을 통해 각 지역의 건물, 즉 가정으로 공급되며 그 공급되는 전기에너지로 텔레비전, 형광등, 냉장고, 에어컨 등을 작동하여 생활을 편리하고 유익하게 하고 있다.
그런데 현재 사용 중인 전기에너지를 발전소에서 얻기 위하여 발전소에서 기름이나 석탄을 연소시켜 그 열에너지를 전기에너지로 변환시켜 전기에너지를 얻게 되므로 사용되는 연료 에너지에 비해 발전 효율이 매우 낮고, 또한 그 발전소에서 발전된 전기에너지를 각 지역의 건물에 송전선을 통해 공급하는 과정에서 손실이 크게 발생되어 연료 에너지의 소모에 비해 각 건물에서 사용되는 전기에너지의 효율이 매우 낮다. 즉, 각 건물에서 사용하는 전기에너지를 얻기 위해 과다하게 많은 연료 에너지가 소모된다. 또한, 이로 인하여 많은 기름이나 석탄 등의 연료 에너지 를 연소시키면서 발생되는 오염 물질에 의해 환경 오염을 유발시키게 되는 문제점이 있다.
따라서, 근래에는 에너지 효율이 우수할 뿐만 아니라 환경 친화적으로 전기에너지를 발생시키는 연료전지가 개발되고 있다. 이와 같은 연료전지는 외부로부터 연속적으로 공급되는 연료와 공기의 전기화학반응을 통하여 연료가 가진 화학 에너지를 직접 전기에너지로 발전시키는 장치이다.
도 1은 종래의 연료전지 시스템의 구조를 개략적으로 도시한 개략도이다.
도면에 도시한 바와 같이, 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)로 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, 반응로(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.
스택부(30)의 일측에는 전력변환기(40)가 설치되어 있는데 전력변환기(40)는 스택부(30)에서 발생된 직류전류를 가정용으로 사용할 수 있도록 교류전류로 변환시키는 장치이다.
개질기부(20)의 여러 반응을 거쳐서 나오는 수소부유가스가 스택부(30)의 연료극(31)으로 유입되는 연료공급라인(51)의 중간에는 기액분리기(50)가 설치되어 있으며, 기액분리기(50)에 유입된 수소부유가스는 응축에 의하여 기체와 액체로 분리되어 순수한 기체만 스택부(30)의 연료극(31)으로 유입된다.
한편, 공기공급부(12)를 통하여 공기가 스택부(30)의 공기극(33)으로 유입되는 공기공급라인(61) 중간에는 가습기(60)가 설치되어 있으며, 가습기(60)를 통하여 소정의 수분이 함유된 공기가 스택부(30)의 공기극(33)으로 유입된다.
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.
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.
그런데, 이러한 종래의 연료전지 시스템에 있어서는, 개질기부(20)에서 연료공급라인(51)을 통하여 공급되는 수소부유가스는 100℃ 이상이므로 스택부(30)의 구동에 맞는 온도로 하강시키기 위하여 열교환의 기능을 갖는 기액분리기(50)를 거치게 되는데 이때, 수소부유가스의 응축이 발생하고 응축된 응축액이 스택부(30)의 연료극(31)으로 유입될 가능성이 있으므로 스택부(30)를 손상시킬 수 있다는 문제점이 있다.
또한, 가습기(60)를 통하여 스택부(30)의 공기극(33)으로 유입되는 공기는 소정의 수분을 함유하게 되는데 공기공급라인(61)을 따라 이동하면서 소정의 수분을 함유한 공기의 온도가 하강하여 연료극(31)에서와 마찬가지로 그 응축액이 스택부(30)의 공기극(33)으로 유입되어 스택부(30)가 손상되어 스택부(30)의 수명이 단 축된다는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은, 별도의 열원을 구비하지 않고 버너에서 발생되는 가스의 열을 이용하여 스택부로 공급되는 연료를 적정온도로 상승시켜 스택부의 손상을 방지할 수 있는 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 연료공급라인을 통하여 연료를 공급하는 연료공급부와; 공기공급라인을 통하여 공기를 공급하는 공기공급부와; 상기 연료공급부에서 연료를 공급받아 수소부유가스를 발생시키며 일측에 버너를 구비한 개질기부와; 상기 공기공급부에서 공급되는 공기와 상기 개질기부에서 공급되는 수소부유가스의 전기화학적인 반응에 의해 전기에너지를 발생시키는 스택부와; 상기 연료공급라인과 공기공급라인이 경유하며 상기 버너에서 발생되는 오프가스(off-gas)가 유입되도록 내부에 소정의 밀폐공간을 갖는 케이스와, 상기 오프가스가 케이스로 유입되는 오프가스 유입라인과, 유입된 오프가스가 상기 케이스의 외부로 유출되는 오프가스 유출라인을 구비한 열교환부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템에 의해 달성된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
다만, 종래의 구성과 동일한 부분에 대해서는 동일한 참조부호를 부여하고, 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구조를 개략적으로 도시한 개략도이고, 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구조를 개략적으로 도시한 개략도이며, 도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구조를 개략적으로 도시한 개략도이고, 도 5는 도 2의 열교환부의 구조를 도시한 사시도이며, 도 6은 도 5의 다른 실시예에 따른 열교환부의 구조를 도시한 사시도이다.
이들 도면에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템은, 연료공급라인을 통하여 연료를 공급하는 연료공급부(10)와, 공기공급라인을 통하여 공기를 공급하는 공기공급부(12)와, 연료공급부(10)에서 연료를 공급받아 수소부유가스를 발생시키며 일측에 버너를 구비한 개질기부(20)와, 공기공급부(12)에서 공급되는 공기와 개질기부(20)에서 공급되는 수소부유가스의 전기화학적인 반응에 의해 전기에너지를 발생시키는 스택부(30)와, 상기 연료공급라인이 경유하며 버너(27)에서 발생되는 오프가스(off-gas)가 유입되도록 내부에 소정의 밀폐공간을 갖는 케이스(71)와, 상기 오프가스가 케이스(71)로 유입되는 오프가스 유입라인(72)과, 유입된 오프가스가 케이스(71)의 외부로 유출되는 오프가스 유출라인(73)을 구비한 열교환부를 포함하여 구성되어 있다.
공기공급부(12)와 스택부(30) 사이에는 스택부(30)로 공급되는 공기에 수분을 공급하는 가습기(60)가 구비되어 있으며, 공기공급부(12)와 가습기(60)는 제1공기공급라인(61)을 통하여 연결되고 가습기(60)와 스택부(30)는 제2공기공급라인(62)을 통하여 연결되어 있다.
개질기부(20)와 스택부(30) 사이에는 기체를 응축하여 발생되는 액체를 분리 하는 기액분리기(50)가 구비되어 있으며, 개질기부(20)와 기액분리기(50)는 제1연료공급라인(51)을 통하여 연결되고, 기액분리기(50)와 스택부(30)는 제2연료공급라인(52)을 통하여 연결되어 있다.
한편, 열교환부(70)는 버너(27)에서 배출되는 오프가스(off-gas)가 수용되는 소정의 공간을 갖으며 제2공기공급라인(62)과, 제2연료공급라인(52)이 경유하는 케이스(71)와, 상기 오프가스가 케이스(71)로 유입되는 오프가스 유입라인(72)과, 상기 오프가스가 케이스(71)에서 외부로 유출되는 오프가스 유출라인(73)으로 구성되어 있다.
제2공기공급라인(62)은 케이스(71)의 중심에 일직선으로 배치되고, 케이스(71)의 내측에 배치되는 제2연료공급라인(52)은 제2공기공급라인(62)의 주연부에 나선 형태로 설치되어 있다.
이는, 개질기부(20)에서 제2연료공급라인(52)을 통하여 스택부(30)로 공급되는 수소부유가스가 갖고 있는 고온의 온도를 케이스(71)의 버너(27)에서 발생되어 케이스(71)의 내부로 유입되는 오프가스(off-gas)와의 접촉 면적을 증가시켜 상대적으로 낮은 온도를 갖으며 제2공기공급라인(62)을 통하여 스택부(30)로 공급되는 공기의 온도를 신속하게 높힘과 동시에 수소부유가스의 온도를 신속하게 낮추기 위함이다.
필요에 따라서는 제2연료공급라인(52)과 제2공기공급라인(62)을 통하여 각각 스택부(30)로 공급되는 연료와 공기의 온도를 조절하기 위하여 케이스(71) 내부에 배치되는 제2연료공급라인(52)과 제2공기공급라인(62)의 형태는 다양하게 변화가능 하다.
예를 들어, 제2연료공급라인(52)을 통하여 스택부(30)로 공급되는 연료의 온도를 더 낮추고 싶을 경우에는 나선을 더욱 촘촘히 배열하여 케이스(71)의 내부에 존재하는 제2연료공급라인(52)의 전체 길이를 늘여서 열교환부(70)를 구성하는 것이 효과적이며, 제2공기공급라인(62)을 통하여 스택부(30)로 공급되는 공기의 온도를 더 높이고 싶을 경우에는 케이스(71) 내부에 존재하는 제2공기공급라인(62)을 굴곡지게 설치하여 제2공기공급라인(62)의 전체 길이를 늘여서 열교환부(70)를 구성하는 것이 효과적이다.
그리고, 제2연료공급라인(52)와 제2공기공급라인(62) 사이의 열교환이 더욱 신속하게 수행될 수 있도록 제2연료공급라인(52)의 외면과 제2공기공급라인(62)의 외면을 상호 접촉되게 설치할 수도 있다.
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.
상기 수소부유가스는 제1연료공급라인(51)을 따라 기액분리기(50)의 내부로 유입되고 기액분리기(50)의 응축작용에 의하여 액체와 기체로 분리되고 기체는 다시 제2연료공급라인(52)을 따라 케이스(71)의 내부로 유입되고 열교환 된 후, 소정의 온도로 냉각되어 스택부(30)의 연료극(31)으로 공급된다.
한편, 공기공급부(12)에서 제1공기공급라인(61)을 따라 공급되는 공기는 가습기(60)를 통과하면서 소정의 수분을 공급받게 되고 다시 제2공기공급라인(62)을 따라 케이스(71)의 내부로 유입되고 열교환 된 후, 소정의 온도로 승온되어 스택부(30)의 공기극(33)으로 공급된다.
상술한 바와 같은 방법으로 스택부(30)의 구동에 필요한 최적의 온도를 갖는 연료와 공기를 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.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 개질기부에서 스택부로 공급되는 연료와, 공기공급부에서 스택부로 공급되는 공기의 온도를 별도의 열원을 구비하지 않고 버너에서 발생되는 가스의 열을 이용하여 최적 온도가 되도록 유지함으로써 스택부의 손상을 방지할 수 있는 효과가 있다.

Claims (7)

  1. 연료공급라인을 통하여 연료를 공급하는 연료공급부와;
    공기공급라인을 통하여 공기를 공급하는 공기공급부와;
    상기 연료공급부에서 연료를 공급받아 수소부유가스를 발생시키며 일측에 버너를 구비한 개질기부와;
    상기 공기공급부에서 공급되는 공기와 상기 개질기부에서 공급되는 수소부유가스의 전기화학적인 반응에 의해 전기에너지를 발생시키는 스택부와;
    상기 연료공급라인이 경유하고 상기 버너에서 발생되는 오프가스(off-gas)가 유입되도록 내부에 소정의 밀폐공간을 갖는 케이스와, 상기 오프가스가 케이스로 유입되는 오프가스 유입라인과, 유입된 오프가스가 상기 케이스의 외부로 유출되는 오프가스 유출라인을 구비한 열교환부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  2. 연료공급라인을 통하여 연료를 공급하는 연료공급부와;
    공기공급라인을 통하여 공기를 공급하는 공기공급부와;
    상기 연료공급부에서 연료를 공급받아 수소부유가스를 발생시키며 일측에 버너를 구비한 개질기부와;
    상기 공기공급부에서 공급되는 공기와 상기 개질기부에서 공급되는 수소부유가스의 전기화학적인 반응에 의해 전기에너지를 발생시키는 스택부와;
    상기 공기공급라인을 경유하고 상기 버너에서 발생되는 오프가스(off-gas)가 유입되도록 내부에 소정의 밀폐공간을 갖는 케이스와, 상기 케이스의 외부로 유출되는 오프가스 유출라인을 구비한 열교환부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  3. 연료공급라인을 통하여 연료를 공급하는 연료공급부와;
    공기공급라인을 통하여 공기를 공급하는 공기공급부와;
    상기 연료공급부에서 연료를 공급받아 수소부유가스를 발생시키며 일측에 버너를 구비한 개질기부와;
    상기 공기공급부에서 공급되는 공기와 상기 개질기부에서 공급되는 수소부유가스의 전기화학적인 반응에 의해 전기에너지를 발생시키는 스택부와;
    상기 연료공급라인과 상기 공기공급라인을 경유하고 상기 버너에서 발생되는 오프가스(off-gas)가 유입되도록 내부에 소정의 밀폐공간을 갖는 케이스와, 상기 케이스의 외부로 유출되는 오프가스 유출라인을 구비한 열교환부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공기공급라인에는 수분을 공급하는 가습기가 구비되고 상기 연료공급라 인에는 기체와 액체를 분리하는 기액분리기가 구비되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 열교환부는 상기 가습기와 상기 기액분리기의 하류 측에 배치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 공기공급라인은 상기 케이스의 중심에 일직선으로 배치되고, 상기 케이스의 내측에 배치되는 상기 연료공급라인은 상기 공기공급라인의 주연부에 상기 케이스의 원주 방향을 따라 나선 형태로 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 케이스의 내부에 배치되는 상기 공기공급라인의 외면과, 상기 연료공급라인의 외면은 상호 접촉되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
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