KR100761267B1 - 연료전지 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 수소와 산소의 전기화학적인 반응으로 전기를 발생시키는 스택부와; 상기 스택부와 연결되는 복수의 유관들과; 상기 복수의 유관들이 상호 열교환할 수 있도록 상기 복수의 유관들을 집속시키는 다관모듈부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다. 이에 의해, 방열과 흡열이 필요한 유관들을 상호 열교환 할 수 있도록 일체로 제작하여 모듈화함으로써 열효율의 상승시키고 스택부로 유입되는 유입물의 온도를 일정하게 하여 스택부의 효율을 향상시킬 수 있는 연료전지 시스템이 제공된다.

Description

연료전지 시스템{FUEL CELL SYSTEM}
도 1은 종래의 연료전지의 구조를 개략적으로 도시한 개략도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 구조를 개략적으로 도시한 개략도,
도 3은 도 2의 다관 모듈의 구조를 도시한 사시도,
도 4는 도 3의 'Ⅳ-Ⅳ' 선에 따른 선단면도,
도 5는 도 2의 'Ⅴ-Ⅴ' 선에 따른 선단면도이다.
** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **
140 : 공기공급관 150 : 공기회수관
280 : 연료공급관 290 : 연료회수관
300 : 스택부 340 : 배기가스유출관
500 : 물탱크 510 : 냉각수공급관
520 : 냉각수회수관 600 : 다관모듈부
610 : 케이스 620 : 측판
본 발명은, 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 방열과 흡열이 필요한 유관들을 상호 열교환 할 수 있도록 일체로 제작하여 모듈화함으로써 열효율의 상승시키고 스택부으로 유입되는 유입물의 온도를 일정하게 하여 스택부의 효율을 향상시킬 수 있는 연료전지 시스템에 관한 것이다.
도 1은 종래의 연료전지 시스템의 구조를 개략적으로 도시한 개략도이다.
도면에 도시한 바와 같이, 종래의 연료전지 시스템은, 연료극(31)과 공기극(33)을 포함하여 구성되며 연료극(31)에 공급되는 수소와 공기극(33)에 공급되는 산소의 전기 화학적 반응에 의해 전기 에너지와 부산물을 생성시키는 스택부(30)와, 연료를 공급받아 수소를 정제하여 스택부(30)의 연료극(31)측에 수소를 공급하는 개질부(20)와, 개질부(20)에 연료를 공급하는 연료공급부(10)와, 개질부(20) 및 스택부(30)의 공기극(33)에 각각 공기를 공급하는 공기공급부(12)와, 스택부(30)에서 발생되는 전기 에너지를 상용 전원으로 변환시키는 전력변환부(40)와, 스택부(30)를 냉각시키는 냉각수를 저장하는 물탱크(50)를 포함하여 구성되어 있다.
개질부(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 이루 어진다.
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(33)이 된다.
스택부(30)의 일측에는 전력변환부(40)가 설치되어 있는데 전력변환부(40)는 스택부(30)에서 발생된 직류전류를 가정용으로 사용할 수 있도록 교류전류로 변환시키는 장치이다.
개질부(20)에서 발생되는 수소 가스를 스택부(30)의 연료극(31) 측으로 공급할 수 있도록 개질부(20)의 부분산화반응기(25)와 스택부(30)의 연료극(31)은 연료공급관(28)으로 연결되어 있으며, 스택부(30)의 전기화학반응이 끝난 후 잔류하는 수소가스를 개질부(20) 측으로 회수할 수 있도록 스택부(30)의 연료극(31)과 개질부(20)의 버너(27)는 연료회수관(29)으로 연결되어 있다.
또한, 공기공급부(12)에서 스택부(30)의 공기극(33)으로 공기를 공급할 수 있도록 공기공급부(12)와 스택부(30)의 공기극은 공기공급관(14)으로 연결되어 있으며, 전기화학반응이 끝난 후 잔류하는 공기를 회수할 수 있도록 공기극(33)의 일측에는 공기회수관(15)이 연결되어 있다.
아울러, 스택부(30)를 냉각시킬 수 있도록 물탱크(50)와 스택부(30)는 냉각수공급관(51)과 냉각수회수관(52)으로 연결되어 있다.
이러한 구성에 의하여, 연료공급부(10)에서 메탄올이나 천연액화가스(일명; LNG) 또는 가솔린 등의 연료와 물을 개질부(20)에 공급하게 되면 개질부(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, 스택부(30)와 연결되는 복수의 연결관들이 소정 거리 이격되어 배치되므로 상기 연결관들에서 발생되는 열을 이용하지 못하고 그대로 공기중으로 방출하므로 열효율의 저하되며 또한, 스택부로 유입되는 유입물의 온도가 스택부의 구동에 적절하지 못하여 스택부의 효율이 저하된다는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은, 방열과 흡열이 필요한 유관들을 상호 열교환 할 수 있도록 일체로 제작하여 모듈화함으로써 열효율의 상승시키고 스택부으로 유입되는 유입물의 온도를 일정하게 하여 스택부의 효율을 향상시킬 수 있는 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 수소와 산소의 전기화학적인 반응으로 전기를 발생시키는 스택부와; 상기 스택부와 연결되는 복수의 유관들과; 상기 복수의 유관들이 상호 열교환할 수 있도록 상기 복수의 유관들을 집속시키는 다관모듈부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템에 의해 달성된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 구조를 개략적으로 도시한 개략도이고, 도 3은 도 2의 다관 모듈의 구조를 도시한 사시도이며, 도 4는 도 3의 'Ⅳ-Ⅳ' 선에 따른 선단면도이고, 도 5는 도 2의 'Ⅴ-Ⅴ' 선에 따른 선단면도이다.
이들 도면에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템은, 연료극(310)과 공기극(330)을 포함하여 구성되며 연료극(310)에 공급되는 수소와 공기극(330)에 공급되는 산소의 전기 화학적 반응에 의해 전기 에너지와 부산물을 생성시키는 스택부(300)와, 연료를 공급받아 수소를 정제하여 스택부(300)의 연료극(310)측에 수소를 공급하는 개질부(200)와, 개질부(200)에 연료를 공급하는 연료공급부(100)와, 개질부(200) 및 스택부(300)의 공기극(330)에 각각 공기를 공 급하는 공기공급부(120)와, 스택부(300)에서 발생되는 전기 에너지를 상용 전원으로 변환시키는 전력변환부(400)와, 스택부(300)를 냉각시키는 냉각수를 저장하는 물탱크(500)와, 스택부(300)와 연결되는 복수의 유관들(140, 150, 280, 290, 340, 510, 520)과, 복수의 유관들(140, 150, 280, 290, 340, 510, 520)이 상호 열교환할 수 있도록 복수의 유관들(140, 150, 280, 290, 340, 510, 520)을 집속시키는 다관모듈부(600)를 포함하여 구성되어 있다.
개질부(200)는 연료공급부(100)를 통해 공급되는 연료가 물과 공기와 함께 유입되어 상기 연료에 함유된 황을 제거하는 탈황반응기(210)와, 연료와 수증기가 반응하는 수증기 개질반응기(220)와, 일산화탄소와 수증기가 반응하도록 하는 고온수반응기(230)와, 일산화탄소를 이산화탄소로 변환시키는 저온수반응기(240)와, 산화되지 않은 일산화탄소를 이산화탄소로 변환시키는 부분산화반응기(250) 및 개질반응 그리고 수소정제반응이 일어나면서 연료로부터 수소가 생성되는 반응로(260)와, 반응로(260)에 접촉 결합되어 반응로(260)에서 필요한 열을 공급하는 버너(270)로 이루어진다.
스택부(300)는 단위 전지가 하나 또는 하나 이상이 적층되어 이루어지며 상기 단위전지는 두개의 바이폴라 플레이트와 그 바이폴라 플레이트 사이에 위치하는 엠이에이(MEA : Membrane Electrode Assembly, 320)를 포함하여 구성되며, 그 일측에는 전기화학반응이 끝난 후에 발생되는 배기가스를 배출할 수 있는 배기가스배출관(340)이 연결되어 있다.
상기 바이폴라 플레이트와 엠이에이(320)의 일면에 의해 형성되며 연료가 유 동하는 유로가 형성되고 그 엠이에이(320)의 다른 일면과 그 일면에 대면되는 바이폴라 플레이트 사이에 공기가 유동하는 유로가 형성되며, 그 연료가 유동하는 측이 연료극(310)이 되고 공기가 유동하는 측이 공기극(330)이 된다.
다관모듈부(600)는, 상호 다른 직경을 갖고 원통 형상으로 형성되는 복수의 케이스(610)와, 복수의 케이스(610)가 상호 소정거리 이격되어 동심 형태로 중첩 배치되도록 복수의 케이스(610)를 지지하는 측판(620)으로 구성되어 있다.
복수의 유관들(140, 150, 280, 290, 340, 510, 520)은, 공기가 유동하는 공기유동관(140, 150)과, 연료가 유동하는 연료유동관(280, 290)과, 스택부(300)를 냉각시키는 냉각수가 유동하는 냉각수유동관(510, 520)과, 스택부(300)의 배기가스가 배출되는 배기가스배출관(340)으로 구성되어 있으며, 복수의 유관들(140, 150, 280, 290, 340, 510, 520)은, 복수의 케이스(610)가 소정거리 이격되어 형성하는 복수의 이격공간을 각각 경유하도록 구성되어 있다.
연료유동관(280, 290)은 개질부(20)에서 발생되는 수소 가스를 스택부(300)의 연료극(310) 측으로 공급할 수 있도록 개질부(200)의 부분산화반응기(250)와 스택부(300)의 연료극(310)을 연결하는 연료공급관(280)과, 스택부(300)의 전기화학반응이 끝난 후 잔류하는 수소가스를 개질부(200) 측으로 회수할 수 있도록 스택부(300)의 연료극(310)과 개질부(200)의 버너(270)를 연결하는 연료회수관(290)으로 구성되어 있다.
또한, 공기공급관(140, 150)은 공기공급부(120)에서 스택부(300)의 공기극(330)으로 공기를 공급할 수 있도록 공기공급부(120)와 스택부(300)의 공기극(330) 을 연결하는 공기공급관(140)과, 전기화학반응이 끝난 후 잔류하는 공기를 회수할 수 있도록 공기극(330)의 일측에 연결되는 공기회수관(150)으로 구성되어 있다.
아울러, 냉각수유동관(510, 520)는 스택부(300)를 냉각시킬 수 있도록 물탱크(500)와 스택부(300)를 연결하는 냉각수공급관(510)과 냉각수회수관(520)으로
구성되어 있다.
다관모듈부(600)의 중심에는 배기가스배출관(340)이 배치되고 케이스(610)의 반경 방향을 따라 외측으로는 냉각수유동관(510, 520), 연료유동관(280, 290), 공기유동관(140, 150)이 상기 이격공간에 순차적으로 배치되어 있으며, 복수의 유관들(140, 150, 280, 290, 340, 510, 520) 사이에 열교환이 효과적으로 발생하도록 복수의 유관들(140, 150, 280, 290, 340, 510, 520)의 외면과 케이스(610)의 외면은 상호 접촉되어 있다.
다관모듈부(600)를 경유하는 복수의 유관들(140, 150, 280, 290, 340, 510, 520)의 배열은 필요에 따라서 상술한 바와 상이하게 배치하여 각각의 유관들을 따라 유동하는 유동물(연료, 공기, 배기가스, 냉각수)의 온도를 조절할 수 있다.
이러한 구성에 의하여, 연료공급부(100)에서 메탄올이나 천연액화가스(일명; LNG) 또는 가솔린 등의 연료와 물이 개질부(200)에 공급되면 개질부(200)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 연료공급관(280)을 통하여 스택부(300)에 공급되고 상 기 수소부유가스를 공급받은 스택부(300)에서는 수소가스(H2)가 연료극(Anode; 일명, 산화전극)(310)측에 공급되고, 그 수소가스(H2)는 공기공급관(140)을 통하여 공급된 공기와 전기 화학적 산화 반응하여 수소이온 H+ 과 전자 e- 로 이온화되어 산화된다.
이온화된 수소이온은 전해질막(320)을 통해 공기극(Cathode; 일명, 환원전극)(330)측으로 이동하게 되고 아울러 전자는 연료극(310)을 통해 이동하게 되어 전기와 열과 물을 발생시키게 된다.
반응이 끝난 후 잔류하는 연료와 공기는 각각 연료회수관(290)과 공기회수관(150)을 통하여 각각 스택부(300)의 외부로 유출되고 배기가스는 배기가스유출관(340)을 통하여 스택부(300)의 외부로 유출되고, 스택부(300)에서 발생된 전기는 전력변환기(400)에 의해 변환되면서 전기 제품을 가동시키게 된다.
상술한 복수의 유관들(140, 150, 280, 290, 340, 510, 520)은 다관모듈부(600)의 복수의 케이스(610)의 외면과 접촉되어 상호 열교환하게 되므로 공기공급부(120)에서 스택부(300)로 유입되는 공기는 온도가 상승되어 스택부(300)로 유입되고, 개질부(200)에서 스택부(300)로 유입되는 연료는 온도가 하강하여 스택부(300)로 유입되므로 스택부(300)의 구동에 최적화된 온도를 갖는 공기와 연료가 공급되므로 스택부(300)의 효율을 극대화시킬 수 있으며 아울러, 스택부(300)에서 배기되는 배기가스는 열교환을 통하여 온도가 하강하므로 안정된 상태로 스택부(300)의 외부로 배출될 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 수소와 산소의 전기화학적인 반응으로 전기를 발생시키는 스택부와; 상기 스택부와 연결되는 복수의 유관들과; 상기 복수의 유관들이 상호 열교환할 수 있도록 상기 복수의 유관들을 집속시키는 다관모듈부를 구비하도록 함으로써, 방열과 흡열이 필요한 유관들을 상호 열교환 할 수 있도록 일체로 제작하여 모듈화함으로써 열효율의 상승시키고 스택부으로 유입되는 유입물의 온도를 일정하게 하여 스택부의 효율을 향상시킬 수 있는 연료전지 시스템이 제공된다.

Claims (6)

  1. 수소와 산소의 전기화학적인 반응으로 전기를 발생시키는 스택부와;
    상기 스택부와 연결되는 복수의 유관들과;
    상기 복수의 유관들이 상호 열교환할 수 있도록 상기 복수의 유관들을 집속시키는 다관모듈부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 다관모듈부는, 상호 다른 직경을 갖고 원통 형상으로 형성되는 복수의 케이스와; 상기 복수의 케이스가 상호 이격되어 동심 형태로 중첩 배치되도록 상기 복수의 케이스를 지지하는 측판으로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 유관들은, 상기 복수의 케이스가 이격되어 형성하는 복수의 이격공간을 각각 경유하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 복수의 유관들은, 공기가 유동하는 공기유동관과, 연료가 유동하는 연료유동관과, 상기 스택부를 냉각시키는 냉각수가 유동하는 냉각수유동관과, 상기 스택부의 배기가스가 배출되는 배기가스배출관으로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 다관모듈부의 중심에는 배기가스배출관이 배치되고 상기 케이스의 반경 방향을 따라 외측으로는 냉각수유동관, 연료유동관, 공기유동관이 상기 이격공간에 순차적으로 배치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  6. 제2항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 유관들의 외면과 상기 케이스의 외면은 상호 접촉되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
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한국공개특허공보 10-2004-0018246
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한국공개특허공보 특1999-023358
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