KR100778479B1 - 연료전지시스템 - Google Patents

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KR100778479B1
KR100778479B1 KR1020060047258A KR20060047258A KR100778479B1 KR 100778479 B1 KR100778479 B1 KR 100778479B1 KR 1020060047258 A KR1020060047258 A KR 1020060047258A KR 20060047258 A KR20060047258 A KR 20060047258A KR 100778479 B1 KR100778479 B1 KR 100778479B1
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김기동
류성남
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엘지전자 주식회사
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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; 상기 연료공급유닛에서 공급되는 수소 또는 상기 스택유닛에서 배출되는 잔여수소를 촉매와 반응시키는 촉매반응유닛; 및 상기 촉매반응유닛으로부터 배출되는 고온의 폐가스를 이용하여, 상기 스택유닛으로 공급되는 수소 및 공기를 승온시키는 승온유닛;을 포함한다. 이에 따르면, 촉매반응유닛에서 배출되는 고온의 폐가스의 열을 스택유닛으로 공급되는 수소 및 공기의 승온을 위해 사용할 수 있다. 이로 인해, 버려지는 고온의 폐가스를 다시 한번 더 활용함으로서 연료전지시스템의 열효율이 향상된다. 또한, 고온의 폐가스의 온도를 낮출 수 있어, 폐가스의 대기배출조건을 충족시키기 위한 별도의 구성이 필요없게 되어 연료전지시스템이 단순해지고 이로 인한 비용이 감소한다.
연료전지시스템, 승온유닛, 연료라인, 공기라인

Description

연료전지시스템{FUEL CELL SYSTEM}
도 1은 종래의 연료전지시스템을 나타낸 개략도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템의 계통도,
도 3은 도 2의 승온유닛을 나타낸 사시도이다.
도 4는 도 2의 승온유닛의 다른 변형예를 나타낸 도면으로, 승온유닛의 연료라인 및 공기라인에 복수개의 핀이 설치된 것을 나타내기 위해 승온유닛의 몸체를 부분 절개한 사시도이다.
** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **
110 : 연료공급유닛 120 : 공기공급유닛
130 : 스택유닛 150 : 냉각유닛
170 : 온수유닛 180 : 촉매반응유닛
200 : 승온유닛 210 : 승온유닛의 몸체
220 : 폐가스유입라인 230 : 폐가스배출라인
240 : 공기라인 250 : 연료라인
P : 핀
본 발명은 연료전지시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 촉매연소장치에서 배출되는 폐가스의 열을, 스택유닛으로 공급되는 수소 및 공기의 승온에 사용할 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)에서 배출되는 잔여수소 및 연료공급유닛(10)에서 공급되는 수소를 공급받아 촉매와 반응시키는 촉매반응유닛(50)을 구비한다.
이러한 촉매반응유닛(50)은 스택유닛(30)에서 배출되는 잔여수소속의 불순물을 제거하고, 온수 및 난방을 위해 급하게 열이 필요할 경우에 연료공급유닛(10)으로부터 직접 수소를 공급받아 촉매와 반응시켜 열을 생성한다. 이렇게 생성된 열은 열교환기(미도시)를 거쳐 온수 또는 난방이 필요한 장소에 공급된다.
한편, 종래의 촉매반응유닛(50)을 구비한 연료전지시스템은, 수소와 촉매의 반응시에 발생하는 열을 온수 및 난방을 위해 사용하였으나, 반응 후에 촉매반응유닛(50)으로부터 배출되는 고온의 폐가스(discharged gas)는 더 이상 사용하지 않고 그대로 버렸다. 이로 인해, 고온의 폐가스가 온수, 난방 또는 스택유닛의 승온등 여러가지 목적으로 사용될 수 있음에도 불구하고 그대로 버려짐으로 인해, 연료전지시스템의 열효율이 떨어지는 문제점이 있었다.
또한, 고온의 폐가스의 대기배출조건을 충족시키기 위해, 고온의 폐가스의 온도를 낮추기 위한 별도의 온도저하장치가 필요하거나, 배기파이프를 통과하는 동안 온도를 낮추기 위해 배기파이프가 길어져야 하는 등 불필요하게 연료전지시스템의 구성이 복잡해지고 이로 인한 비용이 상승하는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 종래 연료전지시스템이 가지는 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 촉매반응유닛에서 배출되는 고온의 폐가스의 열을 스택유닛으로 공급되는 수소 및 공기를 승온시키는 데 사용할 수 있는 연료전지시스템을 제공하는 데 목적이 있다.
또한, 촉매반응유닛에서 배출되는 폐가스의 대기배출조건을 충족시킬 수 있는 구성이 간단한 연료전지시스템을 제공하는 데 또 다른 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 연료전지시스템은 수소와 산소의 전기화학적 반응으로 전기를 생성하는 스택유닛; 상기 스택유닛의 연료극에 수소를 공급하는 연료공급유닛; 상기 스택유닛의 공기극에 공기를 공급하는 공기공급유닛; 상기 연료공급유닛에서 공급되는 수소 또는 상기 스택유닛에서 배출되는 잔여수소를 촉매와 반응시키는 촉매반응유닛; 및 상기 촉매반응유닛으로부터 배출되는 고온의 폐가스를 이용하여, 상기 스택유닛으로 공급되는 수소 및 공기를 승온시키는 승온유닛;을 포함한다.
여기서, 상기 승온유닛은, 폐가스를 일시적으로 수용하는 수용공간을 내부에 구비한 원통형의 몸체; 상기 몸체의 원주방향을 따라 일측의 원주면상에 설치되며, 상기 촉매반응유닛으로부터 배출된 폐가스가 상기 몸체 내부로 유입되기 위한 폐가스유입라인; 상기 몸체의 원주방향을 따라 타측의 원주면상에 설치되며, 상기 몸체 내부로 유입된 폐가스가 배출되기 위한 폐가스배출라인; 상기 몸체의 양면 및 내부를 관통하며, 상기 공기공급유닛으로부터 상기 스택유닛으로 공기가 유입되기 위한 공기라인; 및 상기 몸체의 양면 및 내부를 관통하며, 상기 연료공급유닛으로부터 상기 스택유닛으로 수소가 유입되기 위한 연료라인;을 포함하는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 열교한모듈을 구비한 연료전지시스템을 첨부도면에 의거하여 상세히 설명한다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템의 계통도이고, 도 3은 도 2의 승온유닛을 나타낸 사시도이고, 도 4는 도 2의 승온유닛의 다른 변형예를 나타낸 도면으로, 승온유닛의 연료라인 및 공기라인에 복수개의 핀이 설치된 것을 나타내기 위해 승온유닛의 몸체를 부분 절개한 사시도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템은 수소와 산 소의 전기화학적 반응으로 전기를 생성하는 스택유닛(130); 스택유닛(130)의 연료극(131)에 수소를 공급하는 연료공급유닛(110); 스택유닛(130)의 공기극(132)에 공기를 공급하는 공기공급유닛(120); 연료공급유닛(110)에서 공급되는 수소 또는 스택유닛(130)에서 배출되는 잔여수소를 촉매와 반응시키는 촉매반응유닛(180); 및 촉매반응유닛(180)으로부터 배출되는 고온의 폐가스(discharged gas)를 이용하여, 스택유닛(130)으로 공급되는 수소 및 공기를 승온시키는 승온유닛(200);을 포함한다.
상기 연료공급유닛(110)은 LNG에서 수소(H2)를 정제하여 스택유닛(130)의 연료극(131)에 공급하는 개질기(111) 및 LNG를 개질기(111)에 공급하기 위한 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 제1,2공기라인(121,123), 공기공급팬(122)을 포함한다. 제1공기라인(121)은 공기공급팬(122)과 제2예열기(162)사이를 연결한다. 제2공기라인(123)은 버너(111g)에 대기중의 공기를 공급하기 위해 공기공급팬(122)과 버너(111g)를 연결한다.
상기 스택유닛(130)은 연료공급유닛(110)과 공기공급유닛(120)에서 각각 공급되는 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 변환시켜 부하(Load)에 공급한다.
상기 냉각유닛(150)은 연료공급유닛(110)의 스택유닛(130)에 물을 공급하여 스택유닛(130)을 냉각한다. 냉각유닛(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.
상기 온수공급유닛(170)은 저장된 온수를 배관(156)을 통해 수증기발생기(111f)에 공급한다.
상기 촉매반응유닛(180)은 스택유닛(130)에서 배출되는 잔여수소속의 불순물을 제거하거나, 온수 및 난방을 위해 급하게 열이 필요할 경우에 연료공급유닛(10)으로부터 직접 수소를 공급받아 촉매와 반응시켜 열을 생성한다.
도 3을 참조하면, 상기 승온유닛(200)은, 촉매반응유닛(180, 도 2참조)으로부터 배출되는 폐가스를 일시적으로 수용하는 수용공간을 내부에 구비한 원통형의 몸체(210); 몸체(210)의 원주방향을 따라 일측에 설치되며, 촉매반응유닛(180)으로 부터 배출된 폐가스가 몸체(210) 내부로 유입되기 위한 폐가스유입라인(220); 몸체(210)의 원주방향을 따라 타측에 설치되며, 몸체(210) 내부로 유입되기 위한 폐가스가 배출되는 폐가스배출라인(230); 몸체(210)의 양면(211, 212) 및 내부를 관통하며, 공기공급유닛(120)으로부터 스택유닛(130)으로 공기가 유입되기 위한 공기라인(240); 및 몸체(210)의 양면(211, 212) 및 내부를 관통하며, 연료공급유닛(110)으로부터 스택유닛(130)으로 수소가 유입되기 위한 연료라인(250);을 포함한다.
상기 폐가스유입라인(220)은 몸체(210)의 원주방향을 따라 일측 끝단 원주면상에 설치되며, 폐가스배출라인(230)은 몸체의 원주방향을 따라 타측 끝단 원주면상에 설치된다. 이렇게 설치됨으로서 폐가스의 유출입경로가 길어지게 된다. 따라서, 폐가스가 몸체(210) 내부에 머무르는 시간이 길어지게 되어, 공기라인(240) 내부를 흐르는 공기와 연료라인(250)을 흐르는 수소에 폐가스의 열이 보다 많이 전달될 수 있다.
여기서, 폐가스유입라인(220)을 통해 몸체(210)내부로 유입되는 폐가스의 온도는 200도 이상이며, 열교환이 끝나고 폐가스배출라인(230)을 통해 몸체(210)를 빠져나가는 폐가스의 온도는 80도이다. 따라서, 별도의 폐가스 온도 저감장치 없이도, 폐가스의 온도를 낮출 수 있어 폐가스의 대기배출조건을 만족시킬 수 있다. 다시 말해, 고온의 폐가스의 대기배출조건을 충족시키기 위한 별도의 구성이 필요 없게 되어, 연료전지시스템이 단순해지고 이로 인한 비용이 감소한다.
상기 공기라인(240)이 몸체(210)의 양면(211, 212) 및 내부를 관통하는 이유 는, 공기라인(240)의 내부를 흐르는 공기가 폐가스로부터 최대한의 열을 전달받기 위한, 열전달 시간 및 열전달 면적을 최대화하기 위함이다.
또한, 공기라인(240)이 몸체(210)의 내부를 직선방향이 아닌 대각선방향으로 가로지른 것도 열전달 시간 및 열전달 면적을 최대한 늘리기 위함이다. 물론, 열전달 시간 및 열전달 면적을 더욱 늘리기 위해, 공기라인(240)이 몸체(210)의 내부에서 꽈배기 형태를 가질 수도 있다.
또한, 도 4에 도시된 바와 같이 열전달 시간 및 열전달 면적을 더욱 늘리기 위해, 공기라인(240) 중 몸체(210)를 통과하는 공기라인(240) 외주면에 복수개의 핀(P)을 설치할 수 있다.
여기서, 공기라인(240)을 통해 몸체(210) 내부로 유입되는 공기의 온도는 상온이며, 폐가스로부터 열을 전달받아 공기라인(240)을 통해 몸체(210)를 빠져나가는 공기의 온도는, 스택유닛(130)이 전기를 생성하기 위해 적당한 온도인 40 내지 60도이다. 따라서, 상술한 승온유닛(200)으로 인해, 촉매반응유닛(180, 도 2참조)으로부터 배출되는 폐가스를 공기의 승온을 위해 효과적으로 사용할 수 있다.
상기 연료라인(250)이 몸체(210)의 양면(211, 212) 및 내부를 관통하는 이유는, 연료라인(250)의 내부를 흐르는 수소가 폐가스로부터 최대한의 열을 전달받기 위한, 열전달 시간 및 열전달 면적을 최대화하기 위함이다.
또한, 연료라인(250)이 몸체(210)의 내부를 직선방향이 아닌 대각선방향으로 가로지른 것도 열전달 시간 및 열전달 면적을 최대한 늘리기 위함이다. 물론, 열전달 시간 및 열전달 면적을 더욱 늘리기 위해, 연료라인(250)을 몸체(210)의 내부에 서 꽈배기 형태를 가질 수도 있다.
또한, 도 4에 도시된 바와 같이 열전달 시간 및 열전달 면적을 더욱 늘리기 위해, 연료라인(250) 중 몸체(210)를 통과하는 연료라인(250) 외주면에 복수개의 핀(P)을 설치할 수 있다.
여기서, 연료라인(250)을 통해 몸체(210) 내부로 유입되는 수소의 온도는 상온이며, 폐가스로부터 열을 전달받아 연료라인(250)을 통해 몸체(210)를 빠져나가는 수소의 온도는, 스택유닛(130)이 전기를 생성하기 위해 적당한 온도인 40도 이상이다. 따라서, 상술한 승온유닛(200)으로 인해, 촉매반응유닛(180, 도 2참조)으로부터 배출되는 폐가스를 수소의 승온을 위해 효과적으로 사용할 수 있다.
이하, 상술한 구성을 가진 연료전지시스템의 동작을 설명하면 다음과 같다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 촉매반응유닛(180)은 스택유닛(130)에서 배출되는 잔여수소속의 불순물을 제거한다. 또한, 온수 및 난방을 위해 급하게 열이 필요할 경우에 연료공급유닛(110)으로부터 직접 수소를 공급받아 촉매와 반응시켜 열을 생성한다. 이렇게 생성된 열은 열교환기(미도시)를 거쳐 온수 또는 난방이 필요한 장소에 제공된다.
촉매반응유닛(180)에서 배출되는 폐가스는 승온유닛(200)으로 유입된 후 배출된다. 보다 구체적으로, 폐가스유입라인(220)을 통해 몸체(210)로 유입된 폐가스는 일정시간 동안 몸체(210) 내부에서 머무른 후, 폐가스배출라인(230)을 통해 몸체(210)를 빠져나간다.
한편, 공기공급유닛(120)으로부터 스택유닛(130)으로 공기를 공급하기 위한 공기라인(240)이 몸체(210) 내부를 통과하는 동안, 공기라인(240)의 내부를 흐르는 공기는 폐가스로부터 열을 전달받아 적정한 온도로 승온된다. 이렇게 승온된 공기는 스택유닛(130)의 공기극(132)에 공급된다.
한편, 연료공급유닛(110)으로부터 스택유닛(130)으로 수소를 공급하기 위한 연료라인(250)이 몸체(210) 내부를 통과하는 동안, 연료라인(250)의 내부를 흐르는 수소는 폐가스로부터 열을 전달받아 적정한 온도로 승온된다. 이렇게 승온된 수소는 스택유닛(130)의 연료극(131)에 공급된다.
스택유닛(130)은 적정하게 승온되어 공급된 수소와 공기로 전기를 발생시킨다. 발생 된 전기는 각종 전기제품(도면상에는 Load로 표시)에 공급한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 연료전지시스템은 승온유닛을 구비하고 있어, 촉매반응유닛에서 배출되는 고온의 폐가스의 열을 스택유닛으로 공급되는 수소 및 공기의 승온을 위해 사용할 수 있다. 이로 인해, 버려지는 고온의 폐가스를 다시 한번 더 활용함으로서, 연료전지시스템의 열효율이 향상된다.
또한, 고온의 폐가스의 온도를 낮출 수 있어, 폐가스의 대기배출조건을 충족시키기 위한 별도의 구성이 필요없게 되어, 연료전지시스템이 단순해지고 이로 인한 비용이 감소한다.

Claims (5)

  1. 삭제
  2. 수소와 산소의 전기화학적 반응으로 전기를 생성하는 스택유닛;
    상기 스택유닛의 연료극에 수소를 공급하는 연료공급유닛;
    상기 스택유닛의 공기극에 공기를 공급하는 공기공급유닛;
    상기 연료공급유닛에서 공급되는 수소 또는 상기 스택유닛에서 배출되는 잔여수소를 촉매와 반응시키는 촉매반응유닛; 및
    상기 촉매반응유닛으로부터 배출되는 고온의 폐가스를 이용하여, 상기 스택유닛으로 공급되는 수소 및 공기를 승온시키는 승온유닛;을 포함하며,
    상기 승온유닛은,
    몸체;
    상기 촉매반응유닛으로부터 배출된 폐가스가 상기 몸체 내부로 유입되기 위한 폐가스유입라인;
    상기 몸체 내부로 유입된 폐가스가 배출되기 위한 폐가스배출라인;
    상기 몸체를 관통하며, 상기 공기공급유닛으로부터 상기 스택유닛으로 공기가 유입되기 위한 공기라인; 및
    상기 몸체를 관통하며, 상기 연료공급유닛으로부터 상기 스택유닛으로 수소가 유입되기 위한 연료라인;을 포함하는 연료전지시스템.
  3. 수소와 산소의 전기화학적 반응으로 전기를 생성하는 스택유닛;
    상기 스택유닛의 연료극에 수소를 공급하는 연료공급유닛;
    상기 스택유닛의 공기극에 공기를 공급하는 공기공급유닛;
    상기 연료공급유닛에서 공급되는 수소 또는 상기 스택유닛에서 배출되는 잔여수소를 촉매와 반응시키는 촉매반응유닛; 및
    상기 촉매반응유닛으로부터 배출되는 고온의 폐가스를 이용하여, 상기 스택유닛으로 공급되는 수소 및 공기를 승온시키는 승온유닛;을 포함하며,
    상기 승온유닛은,
    상기 촉매반응유닛으로부터 배출되는 폐가스를 일시적으로 수용하는 수용공간을 내부에 구비한 원통형의 몸체;
    상기 몸체의 원주방향을 따라 일측 원주면상에 설치되며, 상기 촉매반응유닛으로부터 배출된 폐가스가 상기 몸체 내부로 유입되기 위한 폐가스유입라인;
    상기 몸체의 원주방향을 따라 타측 원주면상에 설치되며, 상기 몸체 내부로 유입된 폐가스가 배출되기 위한 폐가스배출라인;
    상기 몸체의 양면 및 내부를 관통하며, 상기 공기공급유닛으로부터 상기 스택유닛으로 공기가 유입되기 위한 공기라인; 및
    상기 몸체의 양면 및 내부를 관통하며, 상기 연료공급유닛으로부터 상기 스택유닛으로 수소가 유입되기 위한 연료라인;을 포함하는 연료전지시스템.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 폐가스유입라인은 상기 몸체의 원주방향을 따라 일측 끝단 원주면상에 설치되며, 상기 폐가스배출라인은 상기 몸체의 원주방향을 따라 타측 끝단 원주면상에 설치된 연료전지시스템.
  5. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 공기라인 및 연료라인중, 상기 몸체를 통과하는 상기 공기라인 및 연료라인 외주면에 복수개의 핀이 설치된 연료전지시스템.
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