KR101101049B1 - 연료전지의 스택 예열 시스템 - Google Patents

연료전지의 스택 예열 시스템 Download PDF

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Abstract

연료전지의 스택 예열 시스템이 개시된다. 본 발명에 따르면, 연료극과 공기극을 통해 공급되는 수소와 산소를 전기화학적으로 반응시켜 전기를 생산하는 스택, 연료물질로부터 수소를 추출하여 상기 스택으로 공급하는 개질기 및 상기 스택으로 산소를 공급하는 산소 공급 펌프를 이용하여 연료물질로부터 전기를 생산하는 연료전지에 있어서, 상기 개질기가 수소를 추출할 때 발생하는 고온의 공기가 외부로 유출되는 것을 차단하기 위한 개질기 존; 및 상기 스택을 예열하기 위해 상기 고온의 공기를 상기 스택으로 공급하는 스택 예열 펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 스택 예열 시스템이 제공된다. 본 발명에 따른 스택 예열 시스템은 연료전지에서 개질기가 작동하면서 발생하는 열에너지를 이용하여 스택을 예열함으로써 연료전지의 저온 시동성을 향상시키는 효과가 있다.

Description

연료전지의 스택 예열 시스템{A system for warming up a stack in a fuel cell}
본 발명은 연료전지에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 연료전지의 저온 시동성을 향상시키는 스택 예열 시스템에 관한 것이다.
근래에는 연료전지가 내연기관보다 효율이 높고 공해 배출량이 적으므로, 종래의 내연기관을 대체할 유망한 대체수단으로 각광받고 있다. 이와 같은 연료 전지는 적용 분야에 따라 가정에 전기를 공급하는 가정용 연료 전지와, 전기 자동차에 사용되는 자동차용 연료 전지와, 휴대용 단말기나 노트북 등에 사용되는 소형 연료 전지 등 다양하다.
연료전지는 연료가 가지고 있는 에너지를 전기적으로 에너지로 변환시키는 장치로서, 전해질을 사이에 두고 양극(anode)과 음극(cathode)으로 된 한 쌍의 전극을 배치하며, 그 중 양극(산화전극 또는 연료극)에는 수소 또는 수소를 함유하는 연료가스와 접촉시키고 음극(환원전극 또는 공기극)에는 산소를 함유하는 산화가스를 접촉시키고, 이 과정에서 이온화된 연료가스와 산화가스의 전기화학적 반응을 통해 전기와 열을 함께 얻는 시스템이다.
이러한 연료전지에 있어서, 전기를 실질적으로 발생시키는 스택은 전극-전해질 합성체(Membrane Electrode Assembly: MEA)와 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)로 이루어진 단위 셀이 수 개 내지 수 백 개로 적층된 구조를 가진다. 전극-전해질 합성체는 전해질막을 사이에 두고 애노드 전극(일명, "연료극" 또는 "산화전극"이라고 한다)과 캐소드 전극(일명, "공기극" 또는 "환원전극"이라고 한다)이 부착된 구조를 가진다.
이때, 전해질막을 통해 공기극으로 이동한 수소이온은 공기극으로 공급되는 산소와 전기 화학적 환원반응을 일으키면서 전자의 이동으로 전기에너지가 발생됨과 동시에 반응열과 물을 생성하게 된다.
따라서, 만일 외부의 온도가 물의 빙점 이하인 상태에서 연료전지의 운전이 정지되면, 가습기체를 통해 공급된 물과 전기화학적 반응에 의해 생성된 물은 얼게 되고, 이로 인해 연료전지가 시동되지 않거나 물의 부피팽창으로 인해 전극-전해질 합성체가 손상되어 연료전지의 성능저하가 일어나게 된다.
이를 방지하기 위한 종래의 기술로는 불활성 건조가스를 오랫동안 흘려주어 유로와 전극-전해질 합성체의 수분을 제거시키는 방법이 있으나, 이 방법의 경우에는 내부의 물을 충분히 제거시키기 위해 많은 양의 불활성 가스를 오랫동안 흘려주어야 하는 문제점이 있다. 특히, 이 경우에 분리판 유로의 물제거는 용이하지만, 전극-전해질 합성체 내의 물제거는 매우 어렵다.
또한, 히터로 연료전지스택을 예열하여 운전을 하는 방법이 있으나, 이 경우에도 연료전지내의 얼음이 국부적으로 녹기 시작하면서 얼음이 녹은 부분과 안 녹은 부분의 물성차이로 인하여 전극-전해질 합성체의 성능과 수명이 저하되는 문제가 있다.
저온 시동성 향상을 위한 또 다른 종래의 방법으로는, 연료전지의 연료극에 어는 점이 낮은 메탄올과 같은 용액을 충전하는 것이 있으나, 이 경우에는 연료극에서 메탄올과 백금계 촉매간의 화학반응으로 인하여 일산화탄소(CO)가 부산물로 발생하여 백금계 촉매를 피독시켜 촉매의 수명을 저하시키며, 촉매와의 반응에 참여하지 못한 메탄올이 연료극에서 공기극으로 전해질막을 크로스오버하여 공기극에서 메탄올의 산화반응이 일어나 연료전지의 성능과 수명이 저하되는 문제점이 여전히 남게 된다.
본 발명의 목적은 연료전지에서 개질기가 작동하면서 발생하는 열에너지를 이용하여 스택을 예열함으로써 연료전지의 저온 시동성을 향상시킨 스택 예열 시스템을 제공하기 위한 것이다.
또한 본 발명의 목적은 연료전지에서 개질기 작동 시 버려지는 열에너지를 이용하기 때문에 에너지 효율을 향상시킬 수 있고, 스택이 작동하지 않을 때에도 예열이 가능한 스택 예열 시스템을 제공하기 위한 것이다.
또한 본 발명의 목적은 개질기에서 발생하는 열에너지가 공기극을 통해 스택의 내부에 직접 전달됨으로써 예열의 효율성을 향상시킨 스택 예열 시스템을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 연료극과 공기극을 통해 공급되는 수소와 산소를 전기화학적으로 반응시켜 전기를 생산하는 스택, 연료물질로부터 수소를 추출하여 상기 스택으로 공급하는 개질기 및 상기 스택으로 산소를 공급하는 산소 공급 펌프를 이용하여 연료물질로부터 전기를 생산하는 연료전지에 있어서, 상기 개질기가 수소를 추출할 때 발생하는 고온의 공기가 외부로 유출되는 것을 차단하기 위한 개질기 존; 및 상기 스택을 예열하기 위해 상기 고온의 공기를 상기 스택으로 공급하는 스택 예열 펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 스택 예열 시스템이 제공된다.
여기서, 상기 고온의 공기는 상기 스택의 공기극을 통해 공급되며, 상기 스택의 예열이 끝날 때까지 상기 스택과 상기 산소 공급 펌프가 구동되지 않도록 제어하는 제어부를 더 포함한다.
이 때, 상기 제어부는 상기 스택의 온도가 미리 설정된 온도 이상으로 상승하는 경우 상기 스택 예열 펌프의 작동을 멈추고 상기 스택과 상기 산소 공급 펌프를 구동한다.
또한, 상기 제어부는 상기 개질기 존의 온도가 설정된 온도 이상으로 상승할 경우에만 상기 개질기 존의 고온의 공기가 상기 스택으로 공급되도록 상기 스택 예열 펌프를 구동한다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 연료극과 공기극을 통해 공급되는 수소와 산소를 전기화학적으로 반응시켜 전기를 생산하는 스택, 연료물질로부터 수소를 추출하여 상기 스택으로 공급하는 개질기 및 상기 스택으로 산소를 공급하는 산소 공급 펌프를 이용하여 연료물질로부터 전기를 생산하는 연료전지에 있어서, 상기 개질기가 수소를 추출할 때 발생하는 고온의 공기가 외부로 유출되는 것을 차단하기 위한 개질기 존; 상기 산소 공급 펌프로 외부의 산소가 유입되는 제1파이프; 상기 개질기 존과 상기 산소 공급 펌프를 연결하는 제2파이프; 외부로부터 상기 산소 공급 펌프로 유입되는 산소의 양을 조절하는 제1밸브; 및 상기 개질기 존으로부터 상기 산소 공급 펌프로 유입되는 공기의 양을 조절하는 제2밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 스택 예열 시스템이 제공된다.
여기서, 상기 스택을 구동하기 전 상기 제2파이프를 통해 상기 개질기 존으로부터 고온의 공기를 공급하여 상기 스택을 예열한다.
이 때, 상기 스택이 구동될 때는 상기 제1파이프를 통해 산소가 공급된다.
또한, 상기 스택을 구동하기 전에는 상기 제2파이프를 통해 상기 개질기 존으로부터 고온의 공기가 공급되며, 상기 스택을 구동할 때는 상기 제1파이프를 통해 산소가 공급되도록 상기 제1밸브 및 상기 제2밸브를 제어하는 제어부를 더 포함한다.
여기서, 상기 제어부는 상기 개질기 존의 온도가 설정된 온도 이상으로 상승할 경우에만 상기 산소 공급 펌프가 작동하고 제2파이프가 열리도록 상기 산소 공급 펌프와 상기 제2밸브를 제어한다.
또한, 상기 제어부는 제1파이프가 닫혀 외부로부터 유입되는 산소가 차단되도록 제1밸브를 제어한다.
또한, 상기 제어부는 상기 스택의 온도가 설정된 온도 이상으로 상승할 경우 상기 스택이 작동되고 상기 제1파이프를 열리도록 상기 스택과 상기 제1밸브를 제어한다.
본 발명에 따른 스택 예열 시스템은 연료전지에서 개질기가 작동하면서 발생하는 열에너지를 이용하여 스택을 예열함으로써 연료전지의 저온 시동성을 향상시키는 효과가 있다.
또한 본 발명에 따른 스택 예열 시스템은 연료전지에서 개질기 작동 시 버려지는 열에너지를 이용하기 때문에 에너지 효율을 향상시킬 수 있고, 스택이 작동하지 않을 때에도 예열이 가능하다는 효과가 있다.
또한 본 발명에 따른 스택 예열 시스템은 개질기에서 발생하는 열에너지가 공기극을 통해 스택의 내부에 직접 전달됨으로써 예열의 효율성을 향상시키는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 연료전지의 구성을 나타내는 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 스택 예열 시스템을 나타내는 구성도.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지의 스택 예열 시스템을 나타내는 구성도.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
연료전지의 연료는 수소와 산소인데, 그 가운데 산소는 공기 중에서 취할 수 있지만 수소는 단독으로 자연계에 존재하지 않기 때문에 천연 가스, 메탄올(methanol), 석유 등 여러 가지 연료로부터 수소를 추출하는데 이를 '개질(reforming)'이라고 한다. 개질은 연료물질에 물이나 공기 등을 가열하는 방법이 일반적이다.
도 1은 일반적인 연료전지의 구성을 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 연료전지는 연료물질이 채워져 있는 연료탱크(110), 연료탱크(110)에 연결되어 공급되는 연료물질로부터 수소를 만들어 내는 개질기(120), 산소 공급 펌프(130) 및 개질기(120)와 산소 공급 펌프(130)에 연결되어 개질기(120)로부터 생성된 수소와 산소 공급 펌프(130)로부터 공급되는 산소를 반응시켜 전기와 열을 발생하는 스택(140)을 포함한다. 이 때 연료물질은 수소를 포함하는 물질로써, 가솔린이나 여타의 탄화수소(LNG, LPG, CH3OH...)계열의 물질일 수 있다.
이 때 개질기(120)는 반응로(122)와 가열기(124)로 구성되어, 연료탱크(110)로부터 연료물질이 개질기(120)의 반응로(122)로 유입되면, 반응로(122)에 채워진 연료에 수증기 및 산소가 공급되고 가열기(124)가 동작하여 개질반응이 진행된다. 이 과정에서 개질기(120)는 100도 이상의 고온의 열을 발생하게 된다.
본 발명은 연료전지의 개질기(120)가 작동할 때 발생하는 열에너지를 이용하여 스택을 예열하는 시스템으로, 개질기(120) 영역에서 발생하는 고온의 공기를 스택의 공기극에 유입시켜 예열이 필요한 스택 내부를 직접 예열하는 것이 가능하다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 스택 예열 시스템을 나타내는 구성도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지는 스택 예열 펌프(200)를 더 포함한다. 스택 예열 펌프(200)는 저온 환경에서 스택(140)을 구동하기 전에 개질기(120)가 작동하면서 발생하는 열에 의해 가열된 고온의 공기를 스택(140)에 공급한다. 이 때, 개질기(120)에 의해 가열된 고온의 공기가 외부로 유출되는 것을 차단하기 위해, 개질기(120)는 열전도율이 낮은 물질로 제작된 외벽으로 둘러싸일 수 있다. 이를 개질기 존(250)이라 하며, 스택 예열 펌프(200)는 개질기 존(250)과 파이프로 연결되어 개질기 존에서 가열된 고온의 공기를 스택(140)으로 전달시킨다.
또한, 연료전지는 개질기(120), 산소 공급 펌프(130), 스택(140) 및 스택 예열 펌프(200)를 제어하기 위한 제어부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 제어부(미도시)는 스택(140)의 예열이 끝날 때까지 스택(140)과 산소 공급 펌프(130)가 구동되지 않도록 제어하거나, 스택(140)의 온도가 상온으로 예열되면 스택 예열 펌프(200)가 작동을 멈추고 상기 스택(140)과 산소 공급 펌프(130)가 구동되도록 제어한다. 또한 개질기 존(250)의 온도를 감지하여 개질기 존(250)의 온도가 설정된 온도 이상으로 상승할 경우 개질기 존(250)의 고온의 공기가 스택(140)에 공급되도록 스택 예열 펌프(200)의 동작을 제어할 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지의 스택 예열 시스템을 나타내는 구성도이다.
도 3을 참조하면, 개질기(120)에 의해 가열된 고온의 공기는 산소 공급 펌프(130)로 유입될 수 있다. 이는 도 2에서와 같이 별도의 스택 예열 펌프(200)을 구비하지 않고 기존의 산소 공급 펌프(130)를 이용하기 위한 구조이다. 이에 따라 연료 전지는 외부로부터 산소 공급 펌프(130)로 산소가 유입되는 제1파이프(310)와 유입되는 산소의 양을 조절하기 위한 제1밸브(320), 개질기(120)로부터 고온의 공기가 유입되는 제2파이프(330)와 유입되는 고온의 공기의 양을 조절하기 위한 제2밸브(340)를 포함한다.
저온 환경에서 스택(140)을 구동하기 전에는 제2파이프(330)를 통해 개질기(120)에 의해 가열된 고온의 공기가 산소 공급 펌프(130)에 공급되도록 제1밸브(320)를 조절하여 제1파이프(310)로 유입되는 외부의 산소를 차단하며, 스택(140)을 예열한 후 전기를 생산할 때에는 제1파이프(310)를 통해 외부의 산소가 유입되도록 제1밸브(320)를 열고, 제2밸브를 조절하여 개질기(120)에 의해 가열된 고온의 공기는 차단시킨다. 이 시스템은 별도의 펌프를 구성하지 않고 산소 공급 펌프(130)의 동력을 함께 이용할 수 있다는 장점이 있다.
또한 도 2에서와 마찬가지로, 개질기(120)에 의해 가열된 고온의 공기가 외부로 유출되는 것을 차단하기 위한 개질기 존(350)을 구비할 수 있으며, 제2파이프(330)는 산소 공급 펌프(130)와 개질기 존(350)를 연결한다.
본 발명에 따른 연료전지는 제1밸브(320), 제2밸브(340), 산소 공급 펌프(130), 개질기(120) 및 스택(140)을 제어하기 위한 제어부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 제어부(미도시)는 개질기(120), 산소 공급 펌프(130) 및 스택(140)의 구동을 제어하며, 스택(140)의 구동에 따라 제1밸브(320)와 제2밸브(340)를 제어할 수 있다. 예를 들어, 스택(140)을 구동하기 전에 개질기(120)과 산소 공급 펌프(130)를 구동시키고 제1밸브(320)를 닫아 외부의 산소를 차단한다. 스택(140)의 예열이 완료되면, 제1밸브(320)를 열고 제2밸브(340)를 차단하여 개질기 존(350)으로부터 유입되는 고온의 공기를 차단하고 외부로부터 산소를 유입시킨다. 또한, 제어부(미도시)는 개질기 존(350)의 온도에 따라 산소 공급 펌프(130)의 구동을 제어할 수 있는데, 예를 들어, 제어부(미도시)는 개질기 존(250)의 온도가 설정된 온도 이상으로 상승할 경우에 산소 공급 펌프(130)가 동작시키고 제2파이프가 열리도록 제2밸브를 제어한다. 또는 스택(140)의 온도가 설정된 온도 이상으로 상승할 경우에만 제1파이프가 열리고 스택(140)이 작동하도록 제1밸브 및 스택(140)을 제어한다. 또는 제어부(미도시)는 스택(140)이 구동되고 있을 때만 개질기(120)으로부터 수소가 공급되도록 개질기(120)를 제어한다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
120: 개질기
200: 스택 예열 펌프
250: 개질기 존

Claims (12)

  1. 연료극과 공기극을 통해 공급되는 수소와 산소를 전기화학적으로 반응시켜 전기를 생산하는 스택, 연료물질로부터 수소를 추출하여 상기 스택으로 공급하는 개질기 및 상기 스택으로 산소를 공급하는 산소 공급 펌프를 이용하여 연료물질로부터 전기를 생산하는 연료전지에 있어서,
    상기 개질기가 수소를 추출할 때 발생하는 고온의 공기가 외부로 유출되는 것을 차단하기 위한 개질기 존; 및
    상기 스택을 예열하기 위해 상기 고온의 공기를 상기 스택으로 공급하는 스택 예열 펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 스택 예열 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 고온의 공기는 상기 스택의 공기극을 통해 공급되는 것을 특징으로 하는 스택 예열 시스템.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 스택의 예열이 끝날 때까지 상기 스택과 상기 산소 공급 펌프가 구동되지 않도록 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스택 예열 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 스택의 온도가 미리 설정된 온도 이상으로 상승하는 경우 상기 스택 예열 펌프의 작동을 멈추고 상기 스택과 상기 산소 공급 펌프를 구동하는 것을 특징으로 하는 스택 예열 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 개질기 존의 온도가 설정된 온도 이상으로 상승할 경우에만 상기 개질기 존의 고온의 공기가 상기 스택으로 공급되도록 상기 스택 예열 펌프를 구동하는 것을 특징으로 하는 스택 예열 시스템.
  6. 연료극과 공기극을 통해 공급되는 수소와 산소를 전기화학적으로 반응시켜 전기를 생산하는 스택, 연료물질로부터 수소를 추출하여 상기 스택으로 공급하는 개질기 및 상기 스택으로 산소를 공급하는 산소 공급 펌프를 이용하여 연료물질로부터 전기를 생산하는 연료전지에 있어서,
    상기 개질기가 수소를 추출할 때 발생하는 고온의 공기가 외부로 유출되는 것을 차단하기 위한 개질기 존;
    상기 산소 공급 펌프로 외부의 산소가 유입되는 제1파이프;
    상기 개질기 존과 상기 산소 공급 펌프를 연결하는 제2파이프;
    외부로부터 상기 산소 공급 펌프로 유입되는 산소의 양을 조절하는 제1밸브; 및
    상기 개질기 존으로부터 상기 산소 공급 펌프로 유입되는 공기의 양을 조절하는 제2밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 스택 예열 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 스택을 구동하기 전 상기 제2파이프를 통해 상기 개질기 존으로부터 고온의 공기를 공급하여 상기 스택을 예열하는 것을 특징으로 하는 스택 예열 시스템.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 스택이 구동될 때는 상기 제1파이프를 통해 산소가 공급되는 것을 특징으로 하는 스택 예열 시스템.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 스택을 구동하기 전에는 상기 제2파이프를 통해 상기 개질기 존으로부터 고온의 공기가 공급되며, 상기 스택을 구동할 때는 상기 제1파이프를 통해 산소가 공급되도록 상기 제1밸브 및 상기 제2밸브를 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스택 예열 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 개질기 존의 온도가 설정된 온도 이상으로 상승할 경우에만 상기 산소 공급 펌프가 작동하고 제2파이프가 열리도록 상기 산소 공급 펌프와 상기 제2밸브를 제어하는 것을 특징으로 하는 스택 예열 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제어부는 제1파이프가 닫혀 외부로부터 유입되는 산소가 차단되도록 제1밸브를 제어하는 것을 특징으로 하는 스택 예열 시스템.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 스택의 온도가 설정된 온도 이상으로 상승할 경우 상기 스택이 작동되고 상기 제1파이프를 열리도록 상기 스택과 상기 제1밸브를 제어하는 것을 특징으로 하는 스택 예열 시스템.
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