KR101070594B1 - temperature and humidity control apparatus of fuel gas for fuel cell stack and method thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지 스택의 연료가스 온도와 습도 조절장치 및 방법에 관한 것으로, 연료변환기(10)와 프록스반응기(20)의 사이에 스택 냉각수가 순환하는 열교환기(60)가 설치된다.The present invention relates to a fuel gas temperature and humidity control apparatus and method of a fuel cell stack, and a heat exchanger (60) through which stack coolant is circulated between a fuel converter (10) and a proxy reactor (20).

따라서, 스택 냉각수의 열회수량을 조절하여(열교환기(40)에서) 상기 열교환기(60)로 유입되는 스택 냉각수의 온도를 조절하고, 이에 따라 연료가스의 온도 및 습도를 조절할 수 있게 된다.Therefore, by adjusting the amount of heat recovery of the stack cooling water (in the heat exchanger 40), it is possible to control the temperature of the stack cooling water flowing into the heat exchanger 60, thereby adjusting the temperature and humidity of the fuel gas.

따라서, 별도의 가습기가 필요없게 됨으로써 시스템 구성이 단순해지고, 제조 비용이 절감되는 효과가 있다.Therefore, by eliminating the need for a separate humidifier, the system configuration is simplified and the manufacturing cost is reduced.

스택 냉각수 온도 조절, 연료가스 온도 조절, 연료가스 습도 조절 Stack Coolant Temperature Control, Fuel Gas Temperature Control, Fuel Gas Humidity Control

Description

연료전지 스택의 연료가스 온도와 습도 조절장치 및 방법{temperature and humidity control apparatus of fuel gas for fuel cell stack and method thereof}Temperature and humidity control apparatus of fuel gas for fuel cell stack and method

본 발명은 연료전지 스택의 연료극으로 공급되는 연료가스의 온도와 습도를 조절하는 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and a method for controlling the temperature and humidity of the fuel gas supplied to the anode of the fuel cell stack.

연료전지는 수소와 산소를 전해질막을 통해 반응시켜 물을 생성하면서 전류를 발생시키는 발전장치이다.A fuel cell is a power generation device that generates current while generating water by reacting hydrogen and oxygen through an electrolyte membrane.

상기 전해질막을 사이에 두고 연료극과 공기극이 구비되어 그 각각으로 수소와 산소가 수소농후가스 및 공기의 형태로 공급되며, 상기의 구조로 이루어진 셀이 다수 적층되어 필요한 용량의 전력을 생산할 수 있는 스택을 구성한다.A fuel electrode and an air electrode are provided with the electrolyte membrane interposed therebetween, and hydrogen and oxygen are supplied in the form of hydrogen rich gas and air, respectively. Configure.

연료전지 시스템은 통상 상기 스택과, 스택으로 공급되는 수소농후가스를 생산하는 연료변환기와, 스택에서 생산된 전력을 사용 목적에 맞는 형태로 변환하는 전력변환장치 및, 시스템의 시동과 운전 유지 및 정지를 위해 구비되는 각종 주변장치(BOP)로 이루어진다.A fuel cell system typically includes the stack, a fuel converter for producing hydrogen rich gas supplied to the stack, a power converter for converting the power generated from the stack into a form suitable for use, and starting and maintaining and stopping the system. It consists of various peripherals (BOP) provided for.

도 1에 연료변환기와 스택을 간략히 도시하였다.1 shows a fuel converter and a stack briefly.

상기 연료변환기(10)는 촉매를 이용하여 탄화수소계 연료의 개질반응을 통해 다량의 수소를 포함한 가스를 생성하는 개질반응기(reformer ;이하 개질기로 칭함)와, 상기 개질기로부터 배출된 개질가스의 일산화탄소 함량을 5000ppm 이하로 제거하는 쉬프트반응기를 포함한다.The fuel converter 10 includes a reformer (hereinafter referred to as a reformer) for generating a gas containing a large amount of hydrogen through reforming of a hydrocarbon-based fuel using a catalyst, and a carbon monoxide content of the reformed gas discharged from the reformer. It includes a shift reactor to remove less than 5000ppm.

또한, 상기 연료변환기(10)는 흡열반응인 개질반응의 유지를 위해 상기 개질기에 열을 공급하는 버너(15)를 구비한다.In addition, the fuel converter 10 includes a burner 15 for supplying heat to the reformer to maintain the reforming reaction which is an endothermic reaction.

도시된 예는 프록스반응기(20)라 불리우는 선택적산화반응기가 연료변환기(10)의 외부에 별도로 구성된 타입으로서, 상기 프록스반응기(20)는 쉬프트반응기에서 배출된 변성가스로부터 일산화탄소 함량을 10ppm 이하로 제거하는 역할을 한다.In the illustrated example, a selective oxidation reactor called a proxy reactor 20 is configured separately from the outside of the fuel converter 10. The proxy reactor 20 removes the carbon monoxide content from the modified gas discharged from the shift reactor to 10 ppm or less. It plays a role.

한편, 상기 스택에서 정상적인 발전반응이 이루어지기 위해서는 연료극으로 공급되는 연료가스의 온도와 습도가 일정한 조건을 만족해야만 한다.On the other hand, in order for a normal power generation reaction to occur in the stack, the temperature and humidity of the fuel gas supplied to the anode must satisfy certain conditions.

따라서, 종래에는 상기 프록스반응기(20)를 스택(30) 냉각수를 이용하여 냉각함으로써 연료가스의 온도를 조절하였다.(프록스반응기의 선택적 산화반응은 발열반으로서 시간이 지날수록 온도가 상승한다.) 이를 위해 스택(30)을 냉각하기 위한 냉각수라인이 상기 프록스반응기(20)를 경유하도록 하였다.Therefore, in the related art, the temperature of the fuel gas is controlled by cooling the proxy reactor 20 using the stack 30 cooling water. (The selective oxidation reaction of the proxy reactor is an exothermic panel, which increases in temperature over time.) To this end, a coolant line for cooling the stack 30 is passed through the proxy reactor 20.

상기 스택 냉각수라인에는 열교환기(40)가 구비되어 스택에서 발생된 열을 회수할 수 있도록 되어 있다. 회수된 열은 난방이나 급탕에 사용된다.The stack cooling water line is provided with a heat exchanger 40 to recover heat generated in the stack. The recovered heat is used for heating or hot water supply.

한편, 스택(30)의 연료극으로 공급되는 연료가스의 습도를 조절하기 위하여 상기 프록스반응기(20)와 스택(30)의 연료공급 매니폴드의 사이에 가습기(50)를 설 치하였다.On the other hand, in order to control the humidity of the fuel gas supplied to the anode of the stack 30, a humidifier 50 is installed between the proxy reactor 20 and the fuel supply manifold of the stack 30.

따라서, 프록스반응기(20)에서 배출되어 스택(30)의 연료극으로 공급되는 연료가스의 습도가 부족한 경우 상기 가습기(50)로 가습을 실시하여 연료가스가 항상 최적 조건의 적절한 습도를 가질 수 있도록 조절하였다.Therefore, when the humidity of the fuel gas discharged from the proxy reactor 20 and supplied to the anode of the stack 30 is insufficient, humidification is performed with the humidifier 50 to adjust the fuel gas to have an appropriate humidity at optimal conditions at all times. It was.

그러나, 상기와 같은 종래기술의 경우, 습도 조절을 위해 가습기를 이용하고 있으므로 연료전지 시스템의 구성이 복잡해지고, 제조비용이 상승되며, 시스템의 크기와 중량도 증가하게 되는 문제점이 있었다.However, in the prior art as described above, since the humidifier is used for humidity control, the fuel cell system is complicated in construction, manufacturing costs are increased, and the size and weight of the system are also increased.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 별도의 가습기를 사용하지 않고도 연료전지 스택으로 공급되는 연료가스의 온도와 습도를 적정 조건으로 제어할 수 있게 됨으로써 가습기를 설치하는 경우에 비해 시스템 구성이 간단해지고, 제조비용이 감소되며, 시스템의 크기와 중량이 감소되는 연료전지 스택의 연료가스 온도와 습도 조절장치 및 방법을 제공함에 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention has been made to solve the above problems, it is possible to control the temperature and humidity of the fuel gas supplied to the fuel cell stack to an appropriate condition without using a separate humidifier in the case of installing a humidifier It is an object of the present invention to provide a system and method for controlling fuel gas temperature and humidity of a fuel cell stack, in which a system configuration is simplified, manufacturing costs are reduced, and a size and weight of a system are reduced.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지 스택의 연료가스 온도와 습도 조절장치는,Fuel gas temperature and humidity control device of the fuel cell stack according to the present invention for achieving the above object,

개질기와 쉬프트반응기를 구비한 연료변환기와;A fuel converter having a reformer and a shift reactor;

상기 연료변환기에 연결된 프록스반응기와;A proxy reactor connected to the fuel converter;

상기 프록스반응기에 연결된 스택과;A stack coupled to the proxy reactor;

상기 스택의 냉각수 순환 라인에 설치된 스택 냉각용 열교환기와;A stack cooling heat exchanger installed in the coolant circulation line of the stack;

상기 연료변환기와 프록스반응기의 사이에 설치되고, 상기 스택 냉각수 순환라인이 경유하는 연료가스 냉각용 열교환기;A fuel gas cooling heat exchanger installed between the fuel converter and the proxy reactor and passing through the stack cooling water circulation line;

를 포함한다.It includes.

또한, 상기 연료가스 냉각용 열교환기의 냉각수유입관과 냉각수배출관에 상기 프록스반응기의 입구와 출구에 연결되는 분지유입관과 분지배출관이 설치되어 상기 프록스반응기가 스택 냉각수에 의해 냉각되는 것을 특징으로 한다.In addition, a branch inlet pipe and a branch discharge pipe connected to the inlet and the outlet of the proxy reactor are installed in the coolant inlet pipe and the coolant discharge pipe of the heat exchanger for cooling the fuel gas, so that the proxy reactor is cooled by the stack cooling water. .

또한, 상기 프록스반응기와 스택 사이에 기수분리기가 설치된 것을 특징으로 한다.In addition, a separator is installed between the proxy reactor and the stack.

또한, 상기 기수분리기와, 상기 연료가스 냉각용 열교환기와 프록스반응기의 사이에 워터트랩이 각각 설치된 것을 특징으로 한다.In addition, a water trap is installed between the water separator and the fuel gas cooling heat exchanger and the proxy reactor, respectively.

한편, 본 발명에 따른 연료전지 스택의 연료가스 온도와 습도 조절방법은,On the other hand, the fuel gas temperature and humidity control method of the fuel cell stack according to the present invention,

스택 냉각용 열교환기의 열회수량을 조절하여 스택 냉각수의 온도를 조절하는 냉각수 온도조절단계와;A cooling water temperature adjusting step of controlling a temperature of the stack cooling water by adjusting a heat recovery amount of the stack cooling heat exchanger;

상기 냉각수 온도조절단계에서 온도 조절된 냉각수와 연료변환기로부터 배출된 연료가스를 열교환시켜 연료가스의 온도를 조절하는 연료가스 온도조절단계;A fuel gas temperature adjusting step of controlling the temperature of the fuel gas by heat-exchanging the coolant temperature controlled in the cooling water temperature adjusting step with the fuel gas discharged from the fuel converter;

를 포함한다.It includes.

또한, 상기 연료가스 온도조절단계 이후에 프록스반응기를 통과하는 연료가스와 냉각를 열교환시켜 상기 연료가스의 온도를 정밀하게 재 조절하는 2차 연료가스 온도조절단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.The method may further include a secondary fuel gas temperature adjusting step of precisely re-adjusting the temperature of the fuel gas by exchanging the fuel gas and the cooling gas passing through the proxy reactor after the fuel gas temperature adjusting step.

이상 설명한 바와 같은 본 발명에 따르면,According to the present invention as described above,

스택 냉각수를 이용하여 연료가스의 온도를 조절하고, 그에 따라 습도를 조절함으로써 별도의 가습기 사용이 필요 없게 된다.The stack coolant is used to control the temperature of the fuel gas and, accordingly, the humidity, thereby eliminating the need for a separate humidifier.

따라서, 가습기를 설치하는 경우에 비해 시스템 구성이 간단해지고, 제조비용이 감소되며, 시스템의 크기와 중량이 감소되는 효과가 있다.Therefore, the system configuration is simplified, manufacturing cost is reduced, and the size and weight of the system are reduced compared to the case of installing the humidifier.

또한, 본 발명은 연료변환기와 프록스반응기의 사이에 연료가스와 열교환하는 열교환기를 설치하고, 상기 프록스반응기를 스택 냉각수를 이용하여 냉각함으로써 연료가스를 2차에 걸쳐 냉각하여 온도와 습도를 보다 정밀하게 제어할 수 있는 장점이 있다.In addition, the present invention provides a heat exchanger for exchanging heat with fuel gas between the fuel converter and the proxy reactor, and cools the fuel gas through the secondary by cooling the proxy reactor with stack cooling water to more precisely control the temperature and humidity. There is an advantage to control.

또한, 상기 프록스반응기와 스택의 사이에 기수분리기가 설치됨으로써 스택의 연료극으로 수분이 유입되는 것이 차단되어 과도 수분 유입으로 인한 촉매와 전해질의 손상 및 플루딩 현상에 의한 발전성능의 저하를 방지할 수 있게 되는 효과가 있다.In addition, a water separator is installed between the proximal reactor and the stack to prevent water from entering the anode of the stack, thereby preventing damage to the catalyst and electrolyte due to excessive water inflow and deterioration of power generation performance due to flooding. It is effective to be.

이하, 본 발명을 첨부된 예시도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, the present invention will be described in detail.

도 2는 본 발명에 따른 연료전지 스택의 연료가스 온도와 습도 조절장치의 구성도이다.2 is a block diagram of a fuel gas temperature and humidity control apparatus of the fuel cell stack according to the present invention.

연료가스는 연료변환기(10)에서 개질기와 쉬프트반응기를 통과하여 일산화탄소(CO) 함유량 5000ppm 이하의 가스로 변환되고, 이어 프록스반응기(20)를 통과하여 선택적산화반응을 통해 연료극 촉매의 피독 우려가 없는 10ppm 이하로 연료가스중 일산화탄소를 제거한다.The fuel gas is converted into a gas having a carbon monoxide (CO) content of 5000 ppm or less through the reformer and the shift reactor in the fuel converter 10, and then passed through the prox reactor 20 so that there is no fear of poisoning of the anode catalyst through the selective oxidation reaction. It removes carbon monoxide in fuel gas below 10ppm.

스택(30)은 냉각수를 순환시켜 발전반응 중 발생한 열을 외부로 방출하여 과열을 방지하도록 되어 있다.The stack 30 circulates the cooling water to release heat generated during the power generation reaction to the outside to prevent overheating.

따라서, 냉각수 순환라인에는 열교환기(40)가 구비된다.Therefore, the heat exchanger 40 is provided in the cooling water circulation line.

상기 열교환기(40)에서는 냉각수를 매개로 스택(30)의 열을 회수하여 난방 및 급탕에 이용한다.The heat exchanger 40 recovers heat from the stack 30 through cooling water and uses the same for heating and hot water supply.

본 발명은 상기 연료변환기(10)와 상기 프록스반응기(20) 사이에 연료가스와 냉각수를 열교환시키는 열교환기(60)가 설치된 것에 특징이 있다.The present invention is characterized in that a heat exchanger 60 is installed between the fuel converter 10 and the proxy reactor 20 to heat-exchange fuel gas and cooling water.

상기 열교환기(60)는 예를 들어, 냉각수 입구와 출구를 갖춘 챔버와, 상기 챔버에 내장된 분할관체로 이루어질 수 있다.The heat exchanger 60 may include, for example, a chamber having a coolant inlet and an outlet, and a split pipe body embedded in the chamber.

상기 분할관체는 다수의 작은 관으로 이루어진 관다발로서 관과 관 사이는 냉각수가 흐를 수 있도록 상호 이격되어 있으며, 상기 챔버의 외측으로 입구와 출구가 형성되어 있다.The split pipe is a tube bundle made up of a plurality of small pipes and spaced apart from each other to allow the coolant to flow between the pipes and the pipes, and an inlet and an outlet are formed outside the chamber.

따라서, 연료변환기(10)의 출구와 상기 분할관체의 입구가 연결되고 상기 분할관체의 출구와 상기 프록스반응기(20)의 입구가 연결되어 연료변환기(10)로부터 프록스반응기(20)까지의 연료가스 공급이 정상적으로 이루어진다.(상기 입구와 출구의 연결은 관을 매개로 이루어짐은 물론이다.)Therefore, the outlet of the fuel converter 10 and the inlet of the split pipe are connected, and the outlet of the split pipe and the inlet of the proxy reactor 20 are connected to the fuel gas from the fuel converter 10 to the proxy reactor 20. Supply is normally performed. (The connection between the inlet and the outlet is of course made through a pipe.)

또한, 상기 스택 냉각용 열교환기(40)의 냉각수 출구와 상기 연료가스 냉각용 열교환기(60) 챔버의 냉각수 입구가 냉각수유입관(100)으로 연결되고, 상기 연료가스 냉각용 열교환기(60)의 냉각수 출구와 스택(30)의 냉각수 유입구가 냉각수배출관(200)으로 연결된다.In addition, the cooling water outlet of the stack cooling heat exchanger 40 and the cooling water inlet of the fuel gas cooling heat exchanger 60 chamber are connected to the cooling water inlet pipe 100, and the fuel gas cooling heat exchanger 60 is connected. Cooling water outlet and the cooling water inlet of the stack 30 is connected to the cooling water discharge pipe (200).

따라서, 스택 냉각수는 스택(30), 스택 냉각용 열교환기(40), 연료가스 냉각용 열교환기(60), 다시 스택(30)으로 연결되는 냉각수 라인을 정상적으로 순환하면 서 스택(30)에서 발생한 열을 상기 스택 냉각용 열교환기(40)에서 외부 열교환수와 열교환하여 스택(30) 냉각작용을 한다.Therefore, the stack coolant is generated in the stack 30 while circulating the coolant line connected to the stack 30, the stack cooling heat exchanger 40, the fuel gas cooling heat exchanger 60, and the stack 30 again. Heat is exchanged with the external heat exchange water in the stack cooling heat exchanger 40 to cool the stack 30.

한편, 상기 프록스반응기(20)의 냉각을 위해 상기 냉각수유입관(100)과 프록스반응기(20)를 연결하는 분지유입관(101)을 설치하고, 상기 프록스반응기(20)와 상기 냉각수배출관(200)을 연결하는 분지배출관(201)을 설치한다.On the other hand, a branch inlet pipe (101) connecting the coolant inlet pipe (100) and the proxy reactor (20) for cooling the proxy reactor (20) is installed, and the proxy reactor (20) and the coolant discharge pipe (200) Install a branch discharge pipe (201) connecting.

따라서, 스택 냉각용 열교환기(40)로부터 배출된 냉각수 중 일부가 상기 분지유입관(101)을 통해 프록스반응기(20)로 유입되고, 프록스반응기(20)에서 열교환뒤 배출된 냉각수는 상기 분지배출관(201)을 통해 냉각수배출관(200)의 냉각수와 합류되어 스택(30)으로 재유입된다.Therefore, a part of the cooling water discharged from the stack cooling heat exchanger 40 is introduced into the proxy reactor 20 through the branch inlet pipe 101, and the cooling water discharged after the heat exchange from the proxy reactor 20 is discharged from the branch discharge pipe. Joined with the cooling water of the cooling water discharge pipe 200 through the 201 is re-introduced into the stack (30).

따라서, 상기 프록스반응기(20)의 발열량을 제거할 수 있으므로 프록스반응기(20)의 과열을 방지할 수 있다.Therefore, since the calorific value of the proxy reactor 20 can be removed, overheating of the proxy reactor 20 can be prevented.

이제 상기 구성에 따른 연료전지 스택의 연료가스 온도와 습도 조절장치의 작용 및 효과를 설명한다.The operation and effects of the fuel gas temperature and humidity control device of the fuel cell stack according to the above configuration will now be described.

연료변환기(10)에서 개질 및 일산화탄소의 1차제거가 이루어지고 배출된 연료가스는 상기 열교환기(60)로 유입된다.Reforming and primary removal of carbon monoxide are performed in the fuel converter 10, and the discharged fuel gas is introduced into the heat exchanger 60.

연료가스는 상기 열교환기(60)에서 스택 냉각수와 열교환하여 냉각수 온도로 감온된다.The fuel gas is heat-exchanged with the stack cooling water in the heat exchanger 60 to reduce the cooling water temperature.

따라서, 상기 스택 냉각용 열교환기(40)에서 열회수량을 조절하여 냉각수유입관(100)으로 배출되는 냉각수의 온도를 조절함으로써 상기 연료가스 냉각용 열교환기(60)를 통과한 후의 연료가스 온도를 조절할 수 있게 된다.Therefore, the temperature of the fuel gas after passing through the fuel gas cooling heat exchanger 60 by controlling the temperature of the cooling water discharged to the cooling water inlet pipe 100 by adjusting the amount of heat recovery in the stack cooling heat exchanger 40. It can be adjusted.

상기와 같이 연료가스의 온도를 조절할 수 있게 되므로 연료가스의 이슬점(dew point)이 조절되고, 이에 연료가스의 습도가 조절된다.Since the temperature of the fuel gas can be adjusted as described above, the dew point of the fuel gas is adjusted, and thus the humidity of the fuel gas is controlled.

이후, 상기 연료가스 냉각용 열교환기(60)를 통과하여 냉각수 온도로 감온된 연료가스는 상기 프록스반응기(20)로 유입된다.Thereafter, the fuel gas passed through the fuel gas cooling heat exchanger 60 and reduced to the coolant temperature is introduced into the proxy reactor 20.

상기 프록스반응기(20)는 발열반응기이지만 분지유입관(101) 및 분지배출관(201)을 통해 냉각수의 공급 및 배출이 이루어지므로 냉각수량의 조절을 통해 상기 열교환기(60)에서 1차 온도 조절된 연료가스의 온도를 다시 조절하여 원하는 온도로 조절할 수 있다.The proxy reactor 20 is an exothermic reactor, but since the supply and discharge of the cooling water is made through the branch inlet pipe 101 and the branch discharge pipe 201, the primary temperature is controlled in the heat exchanger 60 by controlling the amount of cooling water. The temperature of the fuel gas can be adjusted again to the desired temperature.

이에 전술한 바와 같이 이슬점이 조절되고, 그 결과 연료가스의 습도를 조절할 수 있게 된다.As described above, the dew point is adjusted, and as a result, the humidity of the fuel gas can be adjusted.

상기와 같이 냉각수 온도를 조절하여 연료가스의 온도 및 습도를 조절할 수 있게 된다.As described above, the temperature and humidity of the fuel gas can be adjusted by adjusting the coolant temperature.

예를 들어, 스택(30)으로 공급해야 할 연료가스의 온도와 습도가 60℃, 100%라고 가정한다. 이 경우, 상기 스택 냉각용 열교환기(40)의 열회수량을 조절하여 연료가스 냉각용 열교환기(60)로 공급되는 냉각수의 온도를 60℃로 조절하면 연료변환기(10)에서 배출된 연료가스의 온도와 습도가 상기 열교환기(60)를 거치면서 60℃, 100%가 되고, 이후 프록스반응기(20)를 통과하면서도 프록스반응기의 발열반응에도 불구하고 냉각수에 의해 그 온도와 습도가 유지되어 스택(30)으로 공급되는 연료가스의 온도와 습도가 60℃, 100%가 되어 유입 조건을 만족시킬 수 있게 된다.For example, assume that the temperature and humidity of the fuel gas to be supplied to the stack 30 are 60 ° C and 100%. In this case, when the temperature of the cooling water supplied to the fuel gas cooling heat exchanger 60 is adjusted to 60 ° C. by adjusting the heat recovery amount of the stack cooling heat exchanger 40, the fuel gas discharged from the fuel converter 10 Temperature and humidity is 60 ℃, 100% while passing through the heat exchanger (60), and after passing through the proximal reactor 20, despite the exothermic reaction of the proximal reactor, the temperature and humidity is maintained by the coolant stack ( The temperature and humidity of the fuel gas supplied to 30) become 60 ° C. and 100% to satisfy the inflow conditions.

한편, 상기 연료가스는 상기 프록스반응기(20)를 거치면서 응축수가 발생하 게 되는데, 상기 응축수가 연료가스와 함께 스택(30)의 연료극으로 유입되면 전해질막이 손상되거나, 플루딩(flooding) 현상으로 인해 발전반응이 저해되어 스택(30)의 출력이 감소된다.On the other hand, the fuel gas is condensed water is generated while passing through the proxy reactor 20, when the condensed water is introduced into the fuel electrode of the stack 30 with the fuel gas, the electrolyte membrane is damaged, or due to the flooding (flooding) phenomenon The power generation reaction is inhibited and the output of the stack 30 is reduced.

따라서, 도 3과 같이 프록스반응기(20)와 스택(30)의 사이에 기수분리기(70)를 설치하여 연료가스로부터 응축수를 제거할 수 있도록 되어 있다.Therefore, as shown in FIG. 3, a water separator 70 may be installed between the proxy reactor 20 and the stack 30 to remove condensed water from the fuel gas.

상기 기수분리기(70)는 스택(30)의 연료가스 유입 매니폴드의 입구 이전 부분에만 설치되면 되고, 그 설치위치에 크게 제한은 없다.The separator 70 need only be installed before the inlet of the fuel gas inlet manifold of the stack 30, and the installation position is not particularly limited.

또한, 상기 기수분리기(70)는 하부에 워터트랩(80)을 구비한다.In addition, the separator 70 has a water trap 80 at the bottom.

따라서, 연료가스로부터 분리된 응축수(70)의 양이 일정 량 이상이 되면 워터트랩(80)을 통해 배출하고, 평소에는 기수분리기(70) 즉, 연료가스 공급라인을 외부에 대해 차단된 상태로 유지할 수 있다.Therefore, when the amount of the condensed water 70 separated from the fuel gas is a predetermined amount or more, it is discharged through the water trap 80, and normally, the water separator 70, that is, the fuel gas supply line is cut off to the outside. I can keep it.

한편, 경우에 따라서 연료가스는 상기 연료가스 냉각용 열교환기(60)를 통과한 후에도 응축수가 발생할 수 있다.In some cases, the fuel gas may generate condensed water even after passing through the fuel gas cooling heat exchanger 60.

따라서, 상기 응축수의 제거를 위해 상기 열교환기(60)와 프록스반응기(20)의 사이에도 워터트랩(90)을 설치할 수 있다.Therefore, the water trap 90 may be installed between the heat exchanger 60 and the proxy reactor 20 to remove the condensate.

상기 워터트랩(90)의 작용은 프록스반응기(20) 이후에 설치된 상기 워터트랩(80)의 작용과 동일하다.The action of the water trap 90 is the same as that of the water trap 80 installed after the proxy reactor 20.

이제, 상기 장치를 이용한 본 발명에 따른 연료전지 스택의 연료가스 온도와 습도 조절방법에 대해 설명한다.Now, the fuel gas temperature and humidity control method of the fuel cell stack according to the present invention using the above device will be described.

본 발명은 스택 냉각용 열교환기(40)에서의 열회수량을 조절하여 스택 냉각수의 온도를 조절하는 냉각수 온도조절단계와, 상기 열교환기(40)에서 냉각수와 연료가스를 열교환시켜 연료가스의 온도를 조절하는 연료가스 온도조절단계를 포함한다.The present invention adjusts the amount of heat recovery in the stack cooling heat exchanger 40 to adjust the temperature of the stack cooling water, and the temperature of the fuel gas by heat-exchanging the coolant and the fuel gas in the heat exchanger 40. Fuel gas temperature control step of adjusting.

상기 스택 냉각용 열교환기(40)는 스택 냉각수의 열을 흡수하여 난방 및 급탕에 이용하는 부분으로서 난방 및 급탕수의 온도를 조절함으로써 스택 냉각수로부터의 회수열량을 조절할 수 있으며, 이와 같이 스택 냉각수로부터의 열회수량을 조절함으로써 상기 열교환기(40)에서 배출되는 스택 냉각수의 온도를 조절할 수 있다. 즉, 상기 연료가스 냉각용 열교환기(60)로 공급되는 냉각수의 온도를 조절할 수 있다.The stack cooling heat exchanger 40 absorbs the heat of the stack cooling water and uses the heating and hot water supply to adjust the amount of heat recovered from the stack cooling water by adjusting the temperature of the heating and hot water supply. By controlling the amount of heat recovery, the temperature of the stack cooling water discharged from the heat exchanger 40 may be controlled. That is, the temperature of the cooling water supplied to the fuel gas cooling heat exchanger 60 may be adjusted.

한편, 상기 열교환기(40)가 반드시 스택 냉각수와 외부 유입수를 열교환시키는 수냉식일 필요는 없다.On the other hand, the heat exchanger 40 does not necessarily have to be water-cooled to heat exchange the stack cooling water and the external inflow water.

상기 열교환기(40)를 외기와 열교환시키는 공랭식으로 구성하고, 추가로 전동 냉각팬을 설치하여 상기 냉각팬의 회전속도를 제어함으로써 냉각수로부터의 열회수량을 조절할 수 있다. 즉, 냉각팬 회전속도가 증가되면 송풍량이 많아져서 냉각수로부터 많은 양의 열을 방출시킬 수 있게 되고, 반대로 냉각팬 회전속도가 감소되면 송풍량이 감소하여 상대적으로 냉각수로부터 방출되는 열량이 감소하게 되는 것이다.The heat exchanger 40 is configured in an air-cooling type for exchanging heat with the outside air, and further, by installing an electric cooling fan to control the rotational speed of the cooling fan, the amount of heat recovery from the cooling water can be adjusted. In other words, if the cooling fan rotation speed is increased, the amount of air flow increases, so that a large amount of heat can be released from the cooling water. On the contrary, if the cooling fan rotation speed is decreased, the air volume is decreased and the amount of heat released from the cooling water is relatively decreased. .

상기와 같이 냉각수 온도조절단계를 통해 온도가 조절된 냉각수는 상기 연료가스 냉각용 열교환기(60)로 유입되고 이에 냉각수와 연료가스의 열교환이 이루어 져 연료가스 온도조절단계가 수행된다.The cooling water whose temperature is adjusted through the cooling water temperature adjusting step is introduced into the fuel gas cooling heat exchanger 60, and heat exchange between the cooling water and the fuel gas is performed to perform the fuel gas temperature adjusting step.

상기 연료가스 온도조절단계에서 냉각수가 연료가스의 열을 흡수하여 연료가스의 온도가 의도한대로 감온되며, 이에 이슬점이 변경되어 습도가 조절될 수 있다.In the fuel gas temperature control step, the cooling water absorbs the heat of the fuel gas to reduce the temperature of the fuel gas as intended, and thus the dew point is changed to control humidity.

한편, 상기와 같은 1차 연료가스 온도조절단계만으로는 연료가스의 온도와 습도를 정밀하게 제어할 수 없고, 또한 이후에 구비된 프록스반응기(20)에서 온도가 상승하여 온도 및 습도가 스택 유입 조건에서 벗어날 수 있으므로 상기 프록스반응기(20)에서도 냉각수와 연료가스의 열교환이 이루어지도록 되어 있다.(2차 연료가스 온도조절단계)On the other hand, only the first fuel gas temperature control step as described above can not accurately control the temperature and humidity of the fuel gas, and further increases the temperature in the proximal reactor 20 provided thereafter temperature and humidity in the stack inlet conditions Since it can escape, the heat exchanger of the cooling water and the fuel gas is also made in the proxy reactor 20. (second fuel gas temperature control step)

즉, 프록스반응기(20)를 냉각시키는 냉각수의 온도는 전술한 바와 같이 스택 냉각수 냉각용 열교환기(40)의 열회수량 조절을 통해 조절되고, 필요에 따라 그 양(유입분지관(101)에 밸브를 설치함으로써 간단히 조절할 수 있으므로 별도 설명은 생략한다.)을 조절하여 프록스반응기(20)의 온도를 조절함으로써 프록스반응기(20)를 통과하는 연료가스의 온도 및 습도를 재 조절할 수 있다.That is, the temperature of the cooling water for cooling the proxy reactor 20 is adjusted by adjusting the heat recovery amount of the heat exchanger 40 for cooling the stack cooling water as described above, and the amount (valve in the inlet branch pipe 101 as necessary) Since it can be simply adjusted by installing a separate description will be omitted.) By adjusting the temperature of the proxy reactor 20 can be re-adjusted the temperature and humidity of the fuel gas passing through the proxy reactor 20.

상기와 같이 2단계에 걸친 온도와 습도 조절과정을 통해 연료가스의 온도와 습도를 정밀하게 제어할 수 있게 됨으로써 스택(30) 유입조건에 맞는 온도와 습도를 갖는 연료가스를 스택(30)에 공급하여 연료극 촉매 및 전해질의 손상을 방지하고, 원활한 발전반응을 유도하여 스택의 성능을 향상시킬 수 있다.As described above, the temperature and humidity of the fuel gas can be precisely controlled through the temperature and humidity control process in two steps, thereby supplying the fuel gas having the temperature and humidity suitable for the stack 30 inflow condition to the stack 30. Thus, damage to the anode catalyst and the electrolyte may be prevented, and smooth power generation reaction may be induced to improve stack performance.

도 1은 종래 기술에 따른 연료전지 시스템의 구성도,1 is a block diagram of a fuel cell system according to the prior art,

도 2는 본 발명에 따른 연료가스 온도와 습도 조절장치가 적용된 연료전지 시스템의 구성도,2 is a configuration diagram of a fuel cell system to which a fuel gas temperature and humidity control device is applied according to the present invention;

도 3은 도 2에 기수분리기가 더 설치된 상태를 도시한 연료전지 시스템의 구성도이다.3 is a configuration diagram of a fuel cell system showing a state in which a separator is further installed in FIG. 2.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명** Description of the symbols for the main parts of the drawings *

10 : 연료변환기 20 : 프록스반응기10: fuel converter 20: proxy reactor

30 : 스택 40, 60 : 열교환기30: stack 40, 60: heat exchanger

70 : 기수분리기 80, 90 : 워터트랩70: separator separator 80, 90: water trap

Claims (6)

개질기와 쉬프트반응기를 구비한 연료변환기와;A fuel converter having a reformer and a shift reactor; 상기 연료변환기에 연결된 프록스반응기와;A proxy reactor connected to the fuel converter; 상기 프록스반응기에 연결된 스택과;A stack coupled to the proxy reactor; 상기 스택의 냉각수 순환 라인에 설치된 스택 냉각용 열교환기와;A stack cooling heat exchanger installed in the coolant circulation line of the stack; 상기 연료변환기와 프록스반응기의 사이에 설치되고, 상기 스택 냉각수 순환라인이 경유하는 연료가스 냉각용 열교환기;A fuel gas cooling heat exchanger installed between the fuel converter and the proxy reactor and passing through the stack cooling water circulation line; 를 포함하는 연료전지 스택의 연료가스 온도와 습도 조절장치.Fuel gas temperature and humidity control device of the fuel cell stack comprising a. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 연료가스 냉각용 열교환기의 냉각수유입관과 냉각수배출관에 상기 프록스반응기의 입구와 출구에 연결되는 분지유입관과 분지배출관이 설치되어 상기 프록스반응기가 스택 냉각수에 의해 냉각되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 연료가스 온도와 습도 조절장치.A fuel cell comprising a branch inlet pipe and a branch discharge pipe connected to the inlet and the outlet of the proxy reactor in the coolant inlet pipe and the coolant discharge pipe of the heat exchanger for fuel gas cooling, wherein the proxy reactor is cooled by the stack coolant. Fuel gas temperature and humidity controls in the stack. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 프록스반응기와 스택 사이에 기수분리기가 설치된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 연료가스 온도와 습도 조절장치.Fuel gas temperature and humidity control device of the fuel cell stack, characterized in that the separator is installed between the proxy reactor and the stack. 청구항 3에 있어서,The method of claim 3, 상기 기수분리기와, 상기 연료가스 냉각용 열교환기와 프록스반응기의 사이에 워터트랩이 각각 설치된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 연료가스 온도와 습도 조절장치.Fuel gas temperature and humidity control device of the fuel cell stack, characterized in that the water trap is installed between the separator, the fuel gas cooling heat exchanger and the proxy reactor. 스택 냉각용 열교환기의 열회수량을 조절하여 스택 냉각수의 온도를 조절하는 냉각수 온도조절단계와;A cooling water temperature adjusting step of controlling a temperature of the stack cooling water by adjusting a heat recovery amount of the stack cooling heat exchanger; 상기 냉각수 온도조절단계에서 온도 조절된 냉각수와 연료변환기로부터 배출된 연료가스를 열교환시켜 연료가스의 온도를 조절하는 연료가스 온도조절단계;A fuel gas temperature adjusting step of controlling the temperature of the fuel gas by heat-exchanging the coolant temperature controlled in the cooling water temperature adjusting step with the fuel gas discharged from the fuel converter; 를 포함하는 연료전지 스택의 연료가스 온도와 습도 조절방법.Fuel gas temperature and humidity control method of the fuel cell stack comprising a. 청구항 5에 있어서,The method according to claim 5, 상기 연료가스 온도조절단계 이후에 프록스반응기를 통과하는 연료가스와 냉각를 열교환시켜 상기 연료가스의 온도를 정밀하게 재 조절하는 2차 연료가스 온도조절단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 연료가스 온도와 습도 조절방법.After the fuel gas temperature control step, the fuel gas of the fuel cell stack further comprises a secondary fuel gas temperature control step of accurately re-adjusting the temperature of the fuel gas by heat-exchanging the fuel gas passing through the proxy reactor and the cooling How to control gas temperature and humidity.
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