KR100969795B1 - 연료전지용 연료공급장치 및 이를 이용하는 연료전지시스템 - Google Patents

연료전지용 연료공급장치 및 이를 이용하는 연료전지시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 리포메이트로부터 생성된 응축수가 연료전지 스택에 공급되는 것을 방지할 수 있는 연료전지용 연료공급장치 및 이를 이용하는 연료전지 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 연료전지용 연료공급장치는 개질 반응으로 리포메이트를 생성하는 연료개질기와, 연료개질기의 유출구에 연결되며 리포메이트를 받고 리포메이트에 함유된 수분량을 조절하는 기액 세퍼레이터와, 기액 세퍼레이터의 유출구에 연결되며 리포메이트가 통과하는 배관과, 배관에 결합하며 리포메이트에서 응축되는 물이 외부로 공급되는 것을 방지하는 응축수제거장치를 포함한다.
연료전지, 개질가스(refomate), 응축, 플로딩, 물 제거

Description

연료전지용 연료공급장치 및 이를 이용하는 연료전지 시스템{Fuel supply device for fuel cell and fuel cell system using the same}
본 발명은 리포메이트로부터 생성된 응축수가 연료전지 스택에 공급되는 것을 방지할 수 있는 연료전지용 연료공급장치 및 이를 이용하는 연료전지 시스템에 관한 것이다.
연료전지는 연료와 산화제의 전기화학적 반응에 의해 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환하는 장치이다. 연료전지는 기존의 터빈 발전기와 같이 구동장치가 없으므로 효율이 높을 뿐만 아니라 대기오염, 진동, 소음과 같은 환경문제를 유발하지 않으므로 차세대 발전 기술로 주목받고 있다.
연료전지는 전해질의 종류에 따라서 인산형 연료전지, 알칼리형 연료전지, 고분자 전해질형 연료전지, 용융탄산염형 연료전지, 고체산화물형 연료전지 등으로 구분될 수 있다. 각 연료전지는 기본적으로 같은 원리에 의해 작동되지만, 연료의 종류, 운전 온도, 촉매와 전해질이 서로 다르다. 이러한 연료전지들은 산업용, 가정용, 레저용 등의 다양한 용도로 연구개발되고 있다. 특히, 일부 연료전지들은 자동차, 선박 등과 같은 이동 수단의 전원공급장치로서 활발히 연구개발되고 있다.
전술한 연료전지들 가운데 고분자 전해질형 연료전지(polymer electrolyte membrane fuel cell, PEMFC)는 액체 전해질이 아닌 고체 고분자막을 전해질로 사용하며, 인산형 연료전지에 비하여 출력 특성이 월등히 높고, 작동 온도가 낮으며, 아울러 빠른 시동 및 응답특성과 함께, 휴대용 전자기기의 전원과 같은 이동용(mobile) 전원이나 요트용 동력원과 같은 수송용 전원은 물론, 주택, 공공건물의 정지형 발전소와 같은 분산용 전원 등 그 응용 범위가 넓은 장점을 갖는다.
고분자 전해질형 연료전지는 크게 두 개의 구성 요소로 구분할 수 있는데, 하나는 스택 부분이며 다른 하나는 시스템 및 운전 부분이다. 스택은 연료와 산화제를 전기화학적으로 반응시켜 직접 전기를 생산하며, 애노드 전극촉매, 캐소드 전극촉매 및 이 전극촉매들 사이에 삽입되는 전해질로 이루어진 막-전극 어셈블리를 구비한다. 또한 스택은 복수의 막-전극 어셈블리를 적층하여 제작될 수 있는데, 이러한 적층형 스택의 경우, 막-전극 어셈블리들 사이에는 세퍼레이터가 배치된다. 시스템 및 운전 부분은 연료공급부, 산화제공급부, 열교환기, 전력변환부, 제어기 등을 구비하며, 스택의 운전을 제어한다.
전술한 고분자 전해질형 연료전지는 수소 연료 대신에 개질가스(refomate)를 이용할 수 있다. 리포메이트는 본래 연료와 물을 이용한 개질 반응으로부터 생성되므로 상당량의 수증기를 포함한다. 따라서, 리포메이트가 연료전지 스택의 애노드에 공급되는 과정에서 별도의 수증기를 넣어주는 가습 장치는 생략될 수 있다. 다만, 적절한 가습량을 맞추기 위하여 열교환기와 기액 세퍼레이터(gas-liquid separator)를 이용하여 수분 일부를 분리해내는 공정이 필요하다. 이러한 과정에서 기액 세퍼레이터에서 나온 리포메이트는 여전히 일정 온도를 갖으며, 그 온도에 상응하는 수준에서 수분을 포함한다.
그런데, 기액 세퍼레이터와 스택 사이를 연결하는 배관은 자체 열교환 특성을 갖고 있다. 따라서 배관을 통과하는 리포메이트는 냉각되고, 리포메이트에 포함된 수증기는 응축하게 된다. 이러한 응축된 물이 스택 내부로 들어가는 경우, 스택 하부측으로 물이 흘러가거나 체류하게 된다. 그것은 스택 내부의 연료 채널을 막는 플로딩을 유발하고, 스택의 일부 셀들이 역전압을 발생시키는 원인이 된다. 이러한 현상이 반복되는 경우 스택 성능이 급속도로 저하될 수 있다.
본 발명의 목적은 리포메이트로부터 생성된 응축수가 연료전지 스택에 공급되는 것을 방지할 수 있는 연료전지용 연료공급장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 연료공급장치를 이용함으로써 시스템의 안정성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 일 측면에 의하면, 개질 반응으로 리포메이트를 생성하는 연료개질기; 연료개질기의 유출구에 연결되며 리포메이트를 받고 리포메이트에 함유된 수분량을 조절하는 기액 세퍼레이터; 기액 세퍼레이터의 유출구에 연결되며 리포메이트가 통과하는 배관; 및 배관에 결합하며 리포메이트에서 응축되는 물이 외부로 공급되는 것을 방지하는 응축수제거장치를 포함하는 연료전지용 연료공급장치가 제공된다.
본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 연료전지 스택; 연료전지 스택에 공급할 리포메이트를 생성하는 연료개질기; 연료개질기와 연료전지 스택 사이에 배치되며, 리포메이트에 함유된 수분량을 조절하기 위한 기액 세퍼레이터; 기액 세퍼레이터와 연료전지 스택의 애노드 유입구를 연결하며 리포메이트가 통과하는 배관; 및 배관에 결합하며 연료전지 스택에 응축수가 유입되는 것을 차단하는 응축수제거장치를 포함하는 연료전지 시스템이 제공된다.
상기 응축수제거장치는 배관의 일단에 직렬로 연결된 버퍼용기를 포함한다. 상기 버퍼용기는 소정 크기의 내부 공간을 구비하고, 그 상부에 위치하며 배관이 연결되는 유입구와 리포메이트가 나가는 유출구를 구비할 수 있다. 그리고 상기 버퍼용기는 그 하부에 위치하는 배수구 및 배수구에 결합된 배수밸브를 더 구비할 수 있다.
상기 연료전지용 연료공급장치는 버퍼용기에 수집되는 유체의 레벨을 검출하는 레벨센서; 및 레벨센서에서 검출된 레벨 정보에 기초하여 배수밸브를 제어하는 제어기를 더 포함할 수 있다.
상기 응축수제거장치는 배관을 둘러싸는 단열부재를 포함할 수 있다.
상기 배관은 유입구, 경사통로 및 유출구를 구비하고, 상기 배관의 유입구와 유출구는 하부를 향하여 개방되고, 상기 경사통로는 유입구에서 유출구를 향하여 오르막으로 되어 있다. 상기 단열부재는 불연재료를 포함한다.
상기 연료전지용 연료공급장치는 연료개질기에서 나오는 리포메이트의 온도를 변환하는 열교환기를 더 포함할 수 있다.
상기 연료전지용 연료공급장치는 배관과 단열부재 사이에 위치하는 온도 센서; 및 온도 센서에서 검출된 온도에 기초하여 열교환기의 동작을 제어하는 제어기를 더 포함할 수 있다.
상기 연료개질기는 수증기개질 장치를 포함한다.
상기 연료전지 스택은 고분자 전해질형 연료전지 방식의 스택을 포함한다.
본 발명에 의하면, 연료전지 스택으로 물이 유입되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 연료전지 시스템의 애노드 플로딩을 방지할 수 있고, 아울러 안정적인 스택 운전이 가능하며 시스템 운전의 안정성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다. 이하의 실시예는 본 기술 분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 충분히 이해하도록 하기 위한 것이며, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
단, 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여, 설명과 관계없는 부분은 도면에서 생략하였으며, 도면상에서 동일 부호는 동일하거나 유사한 요소를 지칭하며, 각 요소의 두께나 크기는 설명의 편의성 및 명확성을 위하여 과장될 수 있다. 명세서 전체에 있어서 두 구성요소가 연결되었다는 것은 직접적인 연결뿐만 아니라 또 다른 구성요소를 게재한 연결도 포함한다. 또한 명세서 전체에 연료전지 스택이라는 용어를 사용하였지만, 이는 용어 사용의 편의를 위한 것이며, 연료전지 스택은 적층형 스택이나 평판형 스택을 포함할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지용 연료공급장치를 이용하는 연료전지 시스템의 블록도이다.
도 1을 참조하면, 연료전지 시스템은 연료공급장치(10), 및 연료공급장치(10)에서 공급되는 리포메이트와 산화제의 전기화학 반응에 의해 전기에너지를 생성하는 연료전지 스택(100)을 포함한다. 리포메이트는 애노드 유입구(112)를 통 해 연료전지 스택(100)에 공급되고, 산화제는 캐소드 유입구(114)를 통해 연료전지 스택(100)에 공급된다. 전기화학 반응에 사용되고 남은 리포메이트와 산화제 및 전기화학 반응의 부산물은 애노드 유출구(116)와 캐소드 유출구(118)를 통해 배출된다. 리포메이트를 생성하기 위한 원료로는 수소, 천연가스, 메탄올, 에탄올 등이 이용될 수 있다.
연료전지 스택(100)은 기본적으로 애노드 전극촉매, 캐소드 전극촉매, 및 이 전극촉매들 사이에 삽입되는 전해질로 이루어진 막-전극 어셈블리를 구비한다. 연료전지 스택(100)은 복수의 막-전극 어셈블리를 적층하여 제작될 수 있는데, 이러한 적층형 스택의 경우, 막-전극 어셈블리들 사이에는 세퍼레이터가 배치된다.
한편, 도 1에서는 도시의 편의상 연료전지 스택(100)의 하부에 애노드 유입구(112) 및 캐소드 유입구(114)를 배치하고, 연료전지 스택(100)의 상부에 애노드 유출구(116) 및 캐소드 유출구(118)를 배치하였다. 그러나, 본 실시예에서 연료전지 스택(100)의 애노드 유입구(112), 캐소드 유입구(114), 애노드 유출구(116) 및 캐소드 유출구(118)은, 연료전지 스택(100)이 대략 육면체 형상이라고 가정할 때, 버퍼용기(60)와 결합하는 하부측 일면에 모두 배치되는 것이 바람직하다.
전술한 연료전지 시스템의 전기화학 반응을 간략히 나타내면 반응식 1 내지 반응식 3과 같다.
애노드: H2(g) → 2H+ + 2e-
캐소드: 1/2O2(g) + 2H+ + 2e- → H2O(l)
전체: H2(g) + 1/2O2(g) → H2O(l) + 전기에너지 + 열
한편, 리포메이트는 통상 연료와 물을 이용한 수증기 개질 과정을 통해 생성된 후 연료전지 스택(100)으로 공급된다. 이때, 수증기를 포함한 리포메이트의 온도는 이송 배관상에서 온도가 저하될 수 있다. 그러면, 리포메이트에 함유된 수증기의 일부는 응축되며, 응축된 물은 리포메이트와 함께 연료전지 스택(100)에 공급될 수 있다. 전술한 경우, 연료전지 스택(100) 내부에 유입된 응축수는 스택 하부에 배치된 일부 셀들에서 전압 저하 현상과 역전압 현상을 발생시킬 수 있다. 따라서 본 실시예의 연료전지 시스템은 이송 배관상에서 응축된 물이 연료전지 스택(100)으로 유입되지 않도록 응축수제거장치를 구비하는 연료전지용 연료공급장치(10)를 이용한다.
본 실시예에서 응축수제거장치는 버퍼용기(60)를 포함하다. 아래에서 본 실시예의 연료전지용 연료공급장치(10)를 상세히 설명한다.
연료전지용 연료공급장치(10)는 연료전지 스택(100)에 공급할 리포메이트를 생성하는 연료개질기(20), 연료개질기(20)에서 나오는 리포메이트의 온도를 변환하는 열교환기(30), 열교환기(30)를 통해 나오는 리포메이트의 수분량을 조절하는 기액 세퍼레이터(40), 기액 세퍼레이터(40)와 연료전지 스택(100)을 연결하는 배 관(50), 및 배관(50)을 통과하면서 리포메이트의 온도 변화에 의해 생성된 응축수를 저장하는 버퍼용기(60)를 포함한다.
연료개질기(20)는 연료전지 스택(100)에 적합한 최적의 연료인 수소를 공급하기 위한 장치이다. 연료개질기(20)는 천연가스, 가솔린, 메탄올 등의 원료를 개질하여 수소가 풍부한 리포메이트를 생성한다. 연료개질기(20)는 수증기 개질(steam reforming), 부분 산화 개질(partial oxidation reforming), 자열 개질(autothermal reforming), 또는 이들의 조합으로 이루어지는 개질 반응을 위한 촉매 공정을 포함할 수 있다. 또한, 연료개질기(20)는 리포메이트 원료 내의 일산화탄소와 황 등의 불순물을 제거하기 위한 촉매 공정을 포함할 수 있다. 전술한 촉매 공정은 수성가스 전환(water gas shift, WGS)을 위한 촉매 공정, 선택적 산화(preferential oxidation)를 위한 촉매 공정을 포함한다.
열교환기(30)는 연료전지 시스템 운전시에 발생하는 열을 변환하는 장치이다. 열교환기(30)는 연료전지 스택(10), 모터, 각종 제어기 등이 일정한 온도로 작동되도록 기능한다. 특히, 본 실시예의 열교환기(30)는 연료개질기(20)의 유출구(22)에서 나오는 리포메이트의 온도를 기설정된 온도로 변환하고, 열교환된 리포메이트를 기액 세퍼레이터(40)로 공급한다.
열교환된 리포메이트는 유입구(42)를 통해 기액 세퍼레이터(40)에 공급된다. 기액 세퍼레이터(40)에서 리포메이트는 현재의 온도에 따른 포화수증기량만큼의 수분을 함유하고 유출구(44)를 통해 흘러나간다. 기액 세퍼레이터(40)는 소정 크기의 내부 공간을 갖는 챔버와, 이 챔버에 소정 레벨로 채워진 물을 포함한다.
기액 세퍼레이터(40)의 유출구(44)를 통해 나온 리포메이트는 배관(50)을 통해 연료전지 스택(100)의 애노드 유입구(112)로 공급된다. 이때, 배관(50)을 지나는 리포메이트는 배관(50)과의 온도 차이에 의해 냉각되고, 냉각된 온도만큼 응축수를 발생시킨다.
버퍼용기(60)는 배관(50)의 일단에 소정 크기의 내부 공간을 갖고 직렬로 연결된다. 즉, 버퍼용기(60)는 소정 크기의 내부 공간(61)을 구비하고, 그 상부에 위치하며 배관(50)이 연결되는 유입구(62a)와 상기 내부 공간(61)에 유입된 리포메이트가 나가는 유출구(62b)를 구비한다. 버퍼용기(60)의 유출구(62b)는 연료전지 스택(100)의 하부에 배치된 애노드 유입구(112)에 맞닿아 직접 연결되거나 커플링과 같은 짧은 연결배관을 통해 인접하게 결합될 수 있다.
또한, 버퍼용기(60)는 챔버의 하부에 위치하는 배수구(62c), 및 배수구(62c)의 구멍 크기를 조절할 수 있는 배수밸브(64)를 구비한다. 그리고 버퍼용기(60)의 내부에는 레벨 센서(66)가 설치될 수 있다. 레벨 센서(66)는 버퍼용기(60)의 하부에 위치하며 버퍼용기(60)의 내부공간(61)에 저장되는 물의 레벨을 검출한다.
제어기(70)는 레벨 센서(66)에서 검출된 레벨 신호를 입력 포트를 통해 받고, 받은 레벨 신호로부터 버퍼용기(60)에 저장된 물의 레벨을 감지한다. 제어기(70)의 입력 포트는 아날로그 디지털 컨버터를 포함할 수 있다. 제어기(70)는 마이크로프로세서나 플립플롭을 이용한 논리회로로 구현될 수 있다.
또한, 제어기(70)는 감지한 물의 레벨이 기설정된 기준 레벨보다 높은 경우, 배수밸브(64)를 제어하여 버퍼용기(60)에 저장된 물을 외부로 방출한다.
도 2a는 비교예의 연료전지 시스템에 대한 출력 변화를 보여주는 그래프이다. 그리고, 도 2b는 본 발명의 연료전지 시스템에 대한 출력 변화를 보여주는 그래프이다.
도 2a에 도시한 바와 같이, 비교예의 연료전지 시스템은 운전이 진행되면서 스택 성능이 점차 감소하는 경향을 나타내었다. 연료전지 스택은 초기 출력 332W에서 4시간을 지나면서 그 성능 감소가 두드러지게 나타났고, 7시간 이후에는 그 출력이 310W로 저하되었다. 스택 성능의 저하에 따라서 시스템 출력도 초기 233W에서 7시간 경과 후에 180W로 저하하였다. 이러한 성능 저하에 대하여 본 발명자는 리포메이트와 함께 연료전지 스택 내부로 유입되는 응축수가 그 주된 원인이라고 판단하였다. 그래서, 본 발명자는 응축수가 연료전지 스택 내부로 유입되지 않도록 애노드 유입구에 연결되는 기존 배관에 병렬로 응축수제거장치를 설치하고 응축수제거장치를 작동시키지 않았을 때와 작동시켰을 때를 비교하여 실험하였다.
도 2b에 도시한 바와 같이, 본 실시예의 연료전지 시스템은 장시간 운전에도 스택 성능이 유지되는 경향을 나타내었다. 특히 운전 초기 약 7시간 동안 응축수제거장치를 작동시키지 않았을 때, 스택 성능은 점차 감소하였다. 그러나, 응축수제거장치를 작동시켰을 때, 스택 성능은 즉시 회복되고 장시간 동안 유지되었다.
본 실시예에 의하면, 연료전지 스택에 유입되는 응축수를 효과적으로 제거할 수 있다. 따라서 연료전지 스택의 성능을 유지하면서 연료전지 시스템의 장시간 안정적인 운전을 가능케 한다. 또한, 연료전지 스택 내부에 유입된 응축수에 의해 스택에 악영향이 미치는 것을 방지할 수 있고, 연료전지 시스템의 안정성 및 신뢰성 을 향상시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지용 연료공급장치를 이용하는 연료전지 시스템의 블록도이다. 도 4는 도 3의 연료전지 시스템의 주요 부분에 대한 단면도이다.
도 3을 참조하면, 연료전지 시스템은 연료와 산화제의 전기화학 반응에 의해 전기에너지를 생성하는 연료전지 스택(100)과 연료전지 스택(100)에 연료로서 리포메이트를 공급하는 연료공급장치(10a)를 포함한다.
본 실시예의 연료전지 시스템은 전술한 제1 실시예의 연료전지 시스템과 대비할 때 또 다른 구조의 응축수제거장치를 구비한 연료공급장치(10a)를 포함하는 것을 주된 특징으로 한다.
구체적으로 각 구성요소를 설명하면, 연료전지 스택(100)은 애노드 유입구(112), 캐소드 유입구(114), 애노드 유출구(116) 및 캐소드 유출구(118)를 구비한다. 도 3에서는 도시의 편의상 애노드 유입구(112) 및 캐소드 유입구(114)를 스택(100)의 하부측 일면에 배치하고, 애노드 유출구(116) 및 캐소드 유출구(118)를 스택(100)의 상부측 일면에 배치하였다. 여기서 스택(100)의 하부측 일면은 배관(50a)이 연결되는 제1 측면을 가리키고 스택(100)의 상부측 면은 대략 제1 측면과 마주하는 제2 측면을 가리킨다.
한편, 본 실시예의 연료전지 스택(100)의 애노드 유입구(112), 캐소드 유입구(114), 애노드 유출구(116) 및 캐소드 유출구(118)는 스택(100)의 하부측 일면에 모두 배치될 수 있다. 이 경우, 연료전지 스택(100) 내부에 적층된 복수의 셀들은 하부측에서부터 순서대로 제1번 셀에서 제n번 셀로 언급될 수 있다. 다른 한편으로 연료전지 스택(100)의 애노드 유입구(112), 캐소드 유입구(114), 애노드 유출구(116) 및 캐소드 유출구(118)는 물론 스택(100)의 두 측면 이상에 각각 배치될 수도 있다.
연료공급장치(10a)는 연료와 물을 개질하여 리포메이트를 생성하는 연료개질기(20), 연료개질기(20)에서 나오는 리포메이트의 온도를 변환하는 열교환기(30), 열교환기(30)를 통해 나오는 리포메이트의 수분량을 조절하는 기액 세퍼레이터(40), 기액 세퍼레이터(40)와 연료전지 스택(100)을 연결하는 배관(50a), 및 배관(50a)을 둘러싸는 단열부재(60a)를 포함한다.
특히 단열부재(60a)로 둘러싸인 배관(50a)은 배관의 유입구와 유출구 사이에 경사통로(63)를 구비한다. 배관의 유입구는 기액 세퍼레이터의 유출구(44)에 연결되고, 배관의 유출구는 연료전지 스택(100)의 애노드 유입구(112)에 연결된다.
경사통로(63)는, 도 4에 도시한 바와 같이, 중력 방향(Fg)에 직교하는 수평 방향을 기준으로 배관(50a)의 유입구에서 유출구를 향하여 오르막으로 되어 있는 부분을 말한다. 즉, 경사통로(63)는 중력 방향(Fg)에 직교하는 수평 방향에 대하여 소정 각도(θ)만큼 기울어져 있는 배관(50a)의 중간 부분을 포함한다. 전술한 경사통로(63)는 특히 연료전지 시스템의 운전 중 시스템이 잠시 정지될 때나 운전 정지될 때 배관(50a)에서 응축된 물이 기액 세퍼레이터(40) 쪽으로 흘러가기에 유용하다.
다시 말해서, 본 실시예의 응축수제거장치를 이용하면, 기액 세퍼레이터(40) 와 연료전지 스택(100)의 애노드 유입구(112)를 연결하는 배관(50a)을 단열부재(60a)로 감싸고, 그것에 의해 배관(50a)을 통과하는 리포메이트에서 수증기가 응축하는 것을 억제한다. 또한, 단열부재(60a)로 배관(50a)을 감싸놓았음에도 불구하고 리포메이트가 배관(50a)을 통과할 때 배관(50a) 내에서 응축수가 생성되는 경우에도 응축수가 기액 세퍼레이터(40) 쪽으로 흘러나가도록 함으로써 연료전지 스택(100)으로 응축수가 유입되는 것을 방지한다.
또한, 본 실시예의 연료전지 시스템은 배관(50a)과 단열부재(60a) 사이에 배치되는 온도 센서(67), 및 온도 센서(67)에서 검출된 온도 신호(DS)에 기초하여 열교환기(30)의 동작을 제어하는 제어기(70a)를 포함할 수 있다. 온도 센서(67)는 서미스터(thermister), 저항온도 감지기(resistance temperature detector), 열전대(thermocouple), 반도체 온도센서 등에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 전술한 경우, 단열처리된 배관(50a)의 온도를 측정함으로써 현재 연료전지 스택(100)에 공급되는 리포메이트의 온도를 예측할 수 있다. 그리고 예측된 리포메이트의 온도를 토대로 연료전지 스택(100)에 최적 온도의 리포메이트가 공급되도록 열교환기를 제어할 수 있다.
도 5a는 비교예에 따른 연료전지 시스템의 각 셀들의 성능을 보여주는 그래프이다. 도 5b는 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 각 셀들의 성능을 보여주는 그래프이다. 비교예의 연료전지 시스템은 도 4의 연료전지 시스템의 응축수제거장치와 같이 단열부재를 구비하지 않도록 설정되었다.
도 5a에 도시한 바와 같이, 응축수제거장치를 사용하지 않은 비교예의 연료 전지 시스템에서 대부분의 셀들은 0.67V나 0.68V의 전압을 나타내었지만, 제1번 셀, 제2번 셀 및 제3번 셀은 각각 0.25V, 0.26V 및 0.25V의 전압을 나타내었다. 이러한 제1번 내지 제3번 셀들은 운전 시간이 지속될 때 쉽게 역전압을 발생시킬 염려가 있다. 제1번 내지 제3번 셀들의 셀 전압이 낮은 주된 이유는 스택의 애노드 유입구로 리포메이트와 함께 배관에서 생성된 응축수가 유입되었기 때문이다.
한편, 도 5b에 도시한 바와 같이, 본 실시예의 연료전지 시스템에서 모든 셀들의 셀 전압이 거의 균일하게 0.67V 내지 0.69V의 전압을 나타내었다. 특히, 연료전지 스택의 하부측에 위치하는 제1번 셀, 제2번 셀 및 제3번 셀의 전압이 저하하지 않았다. 따라서 이 셀들에서 역전압이 발생하는 것이 방지될 수 있다.
이와 같이, 본 실시예에 의하면, 50℃ 내지 60℃ 정도의 저온 리포메이트를 연료로 사용하는 고분자 전해질형 연료전지 시스템에 있어서, 응축수의 생성을 방지할 뿐 아니라 응축수가 연료전지 스택에 유입되는 것을 방지할 수 있다. 따라서 연료전지 스택의 성능을 유지하면서 연료전지 시스템의 장시간 안정적인 운전을 가능케 한다. 또한, 연료전지 스택 내부에 유입된 응축수에 의해 스택에 악영향이 미치는 것을 방지할 수 있고, 연료전지 시스템의 안정성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
전술한 발명에 대한 권리범위는 이하의 특허청구범위에서 정해지는 것으로써, 명세서 본문의 기재에 구속되지 않으며, 청구범위의 균등 범위에 속하는 변형과 변경은 모두 본 발명의 범위에 속할 것이다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 연료전지용 연료공급장치를 이용하는 연료전지 시스템의 블록도.
도 2a는 비교예의 연료전지 시스템에 대한 출력 변화를 보여주는 그래프.
도 2b는 본 발명의 연료전지 시스템에 대한 출력 변화를 보여주는 그래프.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지용 연료공급장치를 이용하는 연료전지 시스템의 블록도.
도 4는 도 3의 연료전지 시스템의 주요 부분에 대한 단면도.
도 5a는 비교예의 연료전지 시스템의 각 셀들의 성능을 보여주는 그래프.
도 5b는 본 발명의 연료전지 시스템의 각 셀들의 성능을 보여주는 그래프.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 연료공급장치
20 : 연료개질기
30 : 열교환기
40 : 기액 세퍼레이터
50, 50a : 배관
60 : 버퍼용기
60a : 단열부재
70, 70a : 제어기
100 : 연료전지 스택

Claims (19)

  1. 개질 반응으로 리포메이트를 생성하는 연료개질기;
    상기 연료개질기의 유출구에 연결되며 상기 리포메이트를 받고 상기 리포메이트에 함유된 수분량을 조절하는 기액 세퍼레이터;
    상기 기액 세퍼레이터의 유출구에 연결되며 상기 리포메이트가 통과하는 배관; 및
    상기 배관에 결합하며 상기 리포메이트에서 응축되는 물이 외부로 공급되는 것을 방지하는 응축수제거장치를 포함하되,
    상기 배관은 유입구, 경사통로 및 유출구를 구비하고,
    상기 배관의 유입구와 유출구는 하부측을 향하여 개방되고,
    상기 경사통로는 상기 유입구에서 상기 유출구를 향하여 오르막으로 되어 있는 연료전지용 연료공급장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 응축수제거장치는 상기 배관의 일단에 직렬로 연결된 버퍼용기를 포함하며,
    상기 버퍼용기는 소정 크기의 내부 공간을 구비하고, 그 상부에 위치하며 상기 배관이 연결되는 유입구와 상기 리포메이트가 나가는 유출구를 구비하는 연료전지용 연료공급장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 버퍼용기는 그 하부에 위치하는 배수구 및 상기 배수구에 결합된 배수밸브를 더 구비하는 연료전지용 연료공급장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 버퍼용기에 수집되는 유체의 레벨을 검출하는 레벨센서; 및
    상기 레벨센서에서 검출된 레벨 정보에 기초하여 상기 배수밸브를 제어하는 제어기를 더 포함하는 연료전지용 연료공급장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 응축수제거장치는 상기 배관을 둘러싸는 단열부재를 포함하는 연료전지용 연료공급장치.
  6. 삭제
  7. 제5항에 있어서,
    상기 단열부재는 불연재료를 포함하는 연료전지용 연료공급장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 연료개질기에서 나오는 상기 리포메이트의 온도를 변환하는 열교환기를 더 포함하는 연료전지용 연료공급장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 배관과 상기 단열부재 사이에 위치하는 온도 센서; 및
    상기 온도 센서에서 검출된 온도에 기초하여 상기 열교환기의 동작을 제어하는 제어기를 더 포함하는 연료전지용 연료공급장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 연료개질기는 수증기개질 장치를 포함하는 연료전지용 연료공급장치.
  11. 연료전지 스택;
    상기 연료전지 스택에 공급할 리포메이트를 생성하는 연료개질기;
    상기 연료개질기와 상기 연료전지 스택 사이에 배치되며, 상기 리포메이트에 함유된 수분량을 조절하기 위한 기액 세퍼레이터;
    상기 기액 세퍼레이터와 상기 연료전지 스택의 애노드 유입구를 연결하며 상기 리포메이트가 통과하는 배관; 및
    상기 배관에 결합하며 상기 연료전지 스택에 응축수가 유입되는 것을 차단하는 응축수제거장치를 포함하되,
    상기 배관은 유입구, 경사통로 및 유출구를 구비하고,
    상기 배관의 유입구와 유출구는 하부측을 향하여 개방되고,
    상기 경사통로는 상기 유출구에서 상기 유입구를 향하여 오르막으로 되어 있는 연료전지 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 응축수제거장치는 상기 배관의 유출구 부근에 직렬로 결합된 버퍼용기를 포함하며,
    상기 버퍼용기는 소정 크기의 내부공간을 구비하고, 그 상부에 위치하며 상기 배관이 연결되는 유입구와 상기 리포메이트가 나가는 유출구를 구비하는 연료전지 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 버퍼용기는 그 하부에 위치하는 배수구 및 상기 배수구에 결합된 배수밸브를 더 구비하는 연료전지 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 버퍼용기에 수집되는 유체의 레벨을 검출하는 레벨센서; 및
    상기 레벨센서에서 검출된 레벨 정보에 기초하여 상기 배수밸브를 제어하는 제어기를 더 포함하는 연료전지 시스템.
  15. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 응축수제거장치는 상기 배관을 둘러싸는 단열부재를 포함하는 연료전지 시스템.
  16. 삭제
  17. 제11항에 있어서,
    상기 연료개질기에서 나오는 상기 리포메이트의 온도를 변환하는 열교환기를 더 포함하는 연료전지 시스템.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 배관과 상기 단열부재 사이에 위치하는 온도 센서; 및
    상기 온도 센서에서 검출된 온도에 기초하여 상기 열교환기의 동작을 제어하는 제어기를 더 포함하는 연료전지 시스템.
  19. 제11항에 있어서,
    상기 연료개질기는 수증기개질 장치를 포함하는 연료전지 시스템.
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