KR101107221B1 - 연료전지 시스템 - Google Patents

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KR101107221B1 KR1020110127827A KR20110127827A KR101107221B1 KR 101107221 B1 KR101107221 B1 KR 101107221B1 KR 1020110127827 A KR1020110127827 A KR 1020110127827A KR 20110127827 A KR20110127827 A KR 20110127827A KR 101107221 B1 KR101107221 B1 KR 101107221B1
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지현진
김영철
조성백
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국방과학연구소
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Abstract

본 발명은 밑판을 형성하는 베이스와, 상기 베이스에 세워지고 서로 이격되게 배치되는 복수의 프레임들과, 상기 복수의 프레임들 각각의 내부에 형성되는 중공부와, 상기 복수의 프레임들 중 적어도 하나의 중공부에 수용되는 탄화수소계열의 연료와, 상기 복수의 프레임들 중 적어도 다른 하나의 중공부에 수용되며 상기 연료와 개질 반응을 일으키는 물과, 상기 연료를 수용하는 프레임 및 상기 물을 수용하는 프레임과 연결되고, 상기 개질 반응을 통해 수소를 발생시키도록 형성되는 연료개질기, 및 상기 연료개질기와 연결되며 상기 수소를 이용하여 에너지를 발생시키도록 형성되는 연료전지를 포함하는 연료전지 시스템을 제공한다.

Description

연료전지 시스템{FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 구조용 프레임을 구비하는 연료전지 시스템에 관한 것이다.
연료전지(fuel cell)는 연료의 산화에 의해서 생기는 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 전지이다.
대부분의 연료전지는 수소를 연료로 사용한다. 그러나 현재와 같이 수소 연료에 대한 보급 체계가 구축되어 있지 않은 상태에서 수소를 이용한 연료전지의 사용은 한계가 있다. 따라서, 탄화수소계열의 연료를 개질(reforming)하여 수소를 발생시키고, 상기 수소를 연료로 사용하는 과도기적 시스템이 필요하다. 현재 개발되고 있는 연료전지 시스템은 이러한 이유로 연료개질기(fuel reformer)를 구비하고 있다.
연료개질기는 연료전지 시스템에서 차지하는 무게 비중이 크기 때문에 연료개질기를 장착할 수 있는 구조용 프레임의 설계가 중요하다. 대부분의 연료전지 시스템은 가정, 빌딩 또는 공장에 고정식으로 설치되므로, 구조용 프레임은 구성품이 가지는 정하중만 고려하여 설계된다. 또한 고정식 연료전지 시스템의 경우, 한번 설치된 이후에는 다른 장소로 이동하지 않기 때문에 무게, 진동/충격에 대한 제약이 엄격하지 않다.
그러나 연료전지 시스템이 자동차, 선박용과 같이 이동식으로 개발될 경우에는 연료개질기를 포함한 무거운 구성품들에 대한 동하중까지 고려하여 설계되어야 한다. 특히 군에서 사용하는 차량의 경우, 아스팔트와 같은 포장도로보다는 산악과 같은 비포장도로에서 운행될 가능성이 높으므로, 이동식으로 개발되는 연료전지 시스템은 보다 엄격한 내진동/내충격 규격을 만족해야 한다.
본 발명의 일 목적은 기계적 강도를 확보하면서도 공간 활용도를 향상시킬 수 있는 프레임 구조를 구비하는 연료전지 시스템을 제안하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 일 목적은 공정 반응 간에 생성되는 물의 회수 효율을 향상시킬 수 있으며, 프레임에 전달되는 기계적 하중을 분산시키는 구조를 가지면서도 정비 및 유지 보수가 용이한 연료전지 시스템을 제시하기 위한 것이다.
이와 같은 본 발명의 해결 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르는 연료전지 시스템은 밑판을 형성하는 베이스와, 상기 베이스에 세워지고 서로 이격되게 배치되는 복수의 프레임들과, 상기 복수의 프레임들 각각의 내부에 형성되는 중공부와, 상기 복수의 프레임들 중 적어도 하나의 중공부에 수용되는 탄화수소계열의 연료와, 상기 복수의 프레임들 중 적어도 다른 하나의 중공부에 수용되며 상기 연료와 개질 반응을 일으키는 물과, 상기 연료를 수용하는 프레임 및 상기 물을 수용하는 프레임과 연결되고 상기 개질 반응을 통해 수소를 발생시키도록 형성되는 연료개질기, 및 상기 연료개질기와 연결되며 상기 수소를 이용하여 에너지를 발생시키도록 형성되는 연료전지를 포함한다.
본 발명과 관련된 일 예에 따르면, 상기 중공부는 상기 복수의 프레임들 각각의 축을 따라 연장되게 형성된다.
본 발명과 관련된 다른 일 예에 따르면, 상기 연료전지 시스템은 상기 복수의 프레임들 중 적어도 또 다른 하나의 중공부에 수용되고 상기 연료전지를 냉각시키도록 이루어지는 냉각수를 더 포함한다.
본 발명과 관련된 다른 일 예에 따르면, 상기 복수의 프레임들은 상기 연료개질기와 상기 연료전지를 감싸도록 상기 베이스의 둘레를 따라 기설정된 간격을 두고 이격되게 배치된다.
본 발명과 관련된 다른 일 예에 따르면, 상기 연료전지 시스템은 상기 베이스로부터 이격되게 배치되고 상기 복수의 프레임들에 의해 지지되는 평면 형상의 미드 프레임을 더 포함하며, 상기 연료개질기와 상기 연료전지는 상기 미드 프레임에 장착된다. 상기 연료전지 시스템은 상기 베이스와 상기 미드 프레임 사이에 배치되고 상기 복수의 프레임들과 결합되며 외부로부터 전달되는 충격을 흡수하도록 이루어지는 현가장치를 더 포함할 수 있다.
본 발명과 관련된 다른 일 예에 따르면, 상기 연료전지 시스템은 상기 복수의 프레임들 중 적어도 하나에 장착되고 냉각을 통해 수분을 회수하도록 형성되는 기액분리기를 더 포함한다. 상기 기액분리기는 상기 물을 수용하는 프레임에 상기 수분을 공급하도록 상기 물을 수용하는 프레임과 연결될 수 있다.
본 발명과 관련된 다른 일 예에 따르면, 상기 연료전지 시스템은 상기 베이스, 상기 복수의 프레임들, 상기 연료개질기 및 상기 연료전지를 수용하고 상기 복수의 프레임들과 결합되는 하우징을 더 포함한다. 상기 복수의 프레임들과 상기 하우징 사이에는 외부로부터 전달되는 진동을 경감시키도록 형성되는 댐퍼가 구비될 수 있다. 상기 하우징의 내측벽에는 상기 복수의 프레임들 사이에 각각 삽입되어 횡방향으로 전달되는 힘을 지지하도록 이루어지는 보강재가 설치될 수 있다.
상기와 같은 구성의 본 발명에 의하면, 복수의 프레임들 각각의 내부에는 중공부가 형성되고, 각각의 중공부에 연료 및 물이 수용되므로, 연료전지 시스템의 기계적 강도가 확보되면서도 공간 활용도가 향상될 수 있다. 아울러, 프레임이 중공 형상으로 이루어져 무게 대비 높은 단면 2차 모멘트와 공진 주파수를 가지는바, 연료전지 시스템의 내진동/내충격 특성이 향상될 수 있다.
또한, 연료나 물을 포함하는 열용량이 큰 프레임에 기액분리기가 장착됨으로써, 공정 반응 간에 생성되는 물의 회수 효율이 향상될 수 있다. 그리고 하우징이 프레임과 구성품들을 수용하며, 기계적 하중을 분산시키는 역할을 하게 되므로, 정비 및 유지 보수가 용이한 연료전지 시스템이 제공될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템을 보인 사시도.
도 2 내지 4는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 연료전지 시스템을 각각 보인 사시도들.
이하, 본 발명에 관련된 연료전지 시스템에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템(100)을 보인 사시도이다.
도 1을 참조하면, 연료전지 시스템(100)은 구조적 지지체 역할을 하는 베이스(110)와 복수의 프레임들(120), 개질 반응을 위한 연료(130)와 물(140), 연료개질기(160) 및 연료전지(170)를 포함한다.
각각의 구성요소들을 연결하는 배관(181)은 일 예로서 도시된 것일 뿐, 도시된 배열에 한정되는 것은 아니다. 배관(181)은 다양한 방법으로 각각의 구성 요소들을 연결하도록 구성될 수 있다.
베이스(110)는 밑판을 형성하며, 판 형상으로 이루어질 수 있다. 복수의 프레임들(120)은 베이스(110)에 세워지고, 서로 이격되게 배치된다. 복수의 프레임들(120)은 베이스(110)에 수직으로 세워지는 기둥으로 이해될 수 있으며, 베이스(110)에 볼트(182) 결합되어 견고하게 고정될 수 있다. 복수의 프레임들(120)은 도시된 바와 같이 베이스(110)의 각 모서리 마다 하나씩 배치될 수 있다.
복수의 프레임들(120) 각각의 내부에는 중공부(121)가 형성된다. 프레임(120)에 중공부(121)가 형섬됨으로써 프레임(120) 및 이를 포함하는 연료전지 시스템(100) 전체의 무게가 감소될 수 있으며, 무게 대비 높은 단면 2차 모멘트와 공진 주파수를 가지는바, 연료전지 시스템(100)의 내진동/내충격 특성이 향상될 수 있다.
중공부(121)는 연료(130) 및 물(140)이 수용될 수 있도록 충분한 공간을 형성한다. 구체적으로, 복수의 프레임들(120) 중 적어도 하나의 중공부(121)에는 탄화수소계열의 연료(130)가 채워지고, 다른 하나의 중공부(121)에는 상기 연료(130)와 개질 반응을 일으키는 물(140)이 채워진다. 물(140)이 채워지는 프레임(120)에는 물(140)을 탈이온시킬 수 있는 레진필터가 장착될 수 있다.
추가적으로, 또 다른 하나의 중공부(121)에는 냉각수(150)가 채워져 연료전지(170)를 냉각시키도록 이루어질 수 있다. 도시된 바와 같이, 프레임(120)이 네 개로 구성될 경우, 두 개의 프레임(120)에는 연료(130)가 채워지고, 나머지 두 개의 프레임(120)에는 물(140)과 냉각수(150)가 각각 채워질 수 있다. 두 개로 분리된 연료용 프레임(120)은 배관(181), T 유니온 등을 통해 하나의 배관(181)으로 합쳐져 연료펌프(131)와 연결될 수 있다.
상기 구조에 의하면, 프레임(120)은 기계적 하중을 지탱하는 역할을 수행할 뿐만 아니라, 연료(130)와 물(140)을 수용하여 일부 BOP(Balance Of Plant) 역할을 수행하도록 이루어진다. 따라서, 연료전지 시스템(100)의 기계적 강도가 확보되면서도 공간 활용도가 향상될 수 있다.
복수의 프레임들(120) 각각은 베이스(110)에 대하여 수직으로 연장되게 형성될 수 있으며, 중공부(121)는 복수의 프레임들(120) 각각의 축을 따라 연장되게 형성될 수 있다.
연료개질기(160)는 연료(130)를 수용하는 프레임(120) 및 물(140)을 수용하는 프레임(120)과 연결되고, 개질 반응을 통해 수소를 발생시키도록 형성된다. 연료개질기(160)는 도시된 바와 같이 베이스(110)에 장착되거나, 복수의 프레임들(120) 중 적어도 하나에 고정되어 구조적으로 지지되도록 이루어질 수 있다.
연료전지(170)는 연료개질기(160)와 연결되며, 수소를 이용하여 에너지를 발생시키도록 형성된다. 연료전지(170)는 단위전지(unit cell)을 수십장, 수백장 쌓아 올려 일체화한 스택(stack)으로 이루어질 수 있다. 연료전지(170)에는 직류를 교류로 변환시키는 전력변환기가 연결될 수 있다. 연료전지(170)도 연료개질기(160)와 마찬가지로 베이스(110)에 장착되거나, 복수의 프레임들(120) 중 적어도 하나에 고정되어 구조적으로 지지되도록 이루어질 수 있다.
도시된 바와 같이, 복수의 프레임들(120)은 베이스(110)의 둘레를 따라 기설정된 간격을 두고 이격되게 배치된다. 즉, 복수의 프레임들(120)은 연료개질기(160)와 연료전지(170)를 감싸도록 이루어짐으로써, 연료전지 시스템(100) 자체의 무게에 의한 정하중을 지탱할 뿐만 아니라, 외부로부터 전달되는 진동, 충격 등과 같은 기계적 하중에 대하여 상기 연료개질기(160)와 연료전지(170)를 보호한다.
아울러, 프레임(120)이 구조적으로 강성이 확보된 중공 형상으로 이루어지고, 중공부(121)에 연료(130)와 물(140)이 채워져 프레임(120) 자체가 연료탱크와 물탱크의 역할을 하므로, 공간 활용도가 향상될 수 있다. 중공부(121)를 형성하여 프레임(120)의 두께를 감소시키고도 일반적인 프레임(120)과 동일한 굽힘 응력을 확보할 수 있고, 공진 주파수[특히, 연료개질기(160)의 반응기에 충전되는 촉매의 공진 주파수]를 회피할 수 있으며, 별도의 연료탱크나 물탱크가 불필요하므로 전체적인 연료전지 시스템(100)의 무게를 감소시킬 수 있다.
이동식 연료전지 시스템(100)은 외부로부터 추가로 물을 공급받기가 수월하지 않다. 물(140)의 회수를 위해 일반적으로 기액분리기(122)를 이용하고 있으며, 회수 효율은 약 70~80% 수준이다. 그러나 회수 효율이 낮으면 시스템 전체의 물 균형을 맞추기가 어렵기 때문에 기액분리기(122)의 회수 효율을 최대한 높여야 한다. 기액분리기(122)의 수분 회수 효율을 높이기 위해서는 포화수증기압을 고려하여 기액분리기(122)의 온도를 낮춰야 한다.
연료개질기(160)의 후단이나 연료전지(170)의 후단 배관(181)에는 수분을 포함한 기체의 온도가 대략 65~70℃ 정도이다. 상기한 바와 같이, 기액분리기(122)를 통해 기체에 포함된 수분을 분리하기 위해서는 기액분리기(122)의 온도를 낮춰야 한다.
본 발명의 연료전지 시스템은 연료개질기(160)나 연료전지(170)에서 발생하는 수분을 회수할 수 있도록 기액분리기(122)가 복수의 프레임들(120) 중 적어도 하나에 장착된다. 본 발명의 프레임(120)은 중공부(121)에 연료(130)나 물(140)이 채워져 있으므로 열용량이 크다. 따라서, 기액분리기(122)를 구조용 프레임(120)에 장착하게 되면 기액분리기(122)를 충분히 냉각시킬 수 있어 수분의 회수 효율이 향상될 수 있다.
기액분리기(122)는 프레임(120)과의 효과적인 열전달을 위하여 프레임(120)에 최대한 넓은 접촉 면적을 갖도록 장착되는 것이 바람직하다. 상기 기액분리기(122)는 상기 물(140)을 수용하는 프레임(120)과 연결되어 상기 프레임(120)에 수분을 공급하도록 이루어진다. 상기 구조에 의하면, 추가적인 물 공급 및 기액분리기(122)를 낮은 온도로 유지하기 위한 냉각장치가 불필요하므로, 보다 간단한 구조의 연료전지 시스템(100)을 구현할 수 있으며, 연료전지 시스템 전체의 무게도 줄어들 수 있다.
도 2 내지 4는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 연료전지 시스템(200, 300, 400)을 각각 보인 사시도들이다. 이하, 설명되는 본 발명의 다른 실시예들에서 앞선 실시예와 동일 또는 유사한 구성에 대해서는 동일·유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다.
도 2를 참조하면, 베이스(210)로부터 이격된 위치에는 평면 형상의 미드 프레임(215)이 배치된다. 미드 프레임(215)은 볼트(283) 결합을 통해 복수의 프레임들(220)에 결합될 수 있다. 연료개질기(260)와 연료전지(270)는 상기 미드 프레임(215)에 장착된다.
베이스(210)와 미드 프레임(215) 사이에는 현가장치(290)가 구비되어 외부로부터 전달되는 충격을 흡수하도록 이루어진다. 상기 현가장치(290)는 볼트 결합을 통해 복수의 프레임들(220)에 결합될 수 있다. 본 발명의 프레임(220)은 단면적이 넓기 때문에 현가장치(290)를 설치하기 위한 브래킷의 장착이 용이하다.
상기 구조에 의하면, 현가장치(290)가 미드 프레임(215)에 장착되는 연료개질기(260)와 연료전지(270)에 진동이나 충격이 전달되지 않도록 이를 흡수하도록 이루어지므로, 연료전지 시스템(200)이 보다 안정적으로 운용될 수 있다.
도 3을 참조하면, 연료전지 시스템(300)은 베이스(310), 복수의 프레임들(320), 연료개질기(360) 및 연료전지(370)를 수용하는 하우징(301)을 더 포함한다. 하우징(301)은 박스 형태로 이루어질 수 있으며, 복수의 프레임들(320)과 볼트를 통해 결합된다.
복수의 프레임들(320)과 하우징(301) 사이에는 댐퍼(302)가 배치되어 외부로부터 전달되는 진동을 경감시키도록 형성된다. 댐퍼(302)는 프레임(320)과 마주하는 하우징(301)의 내측벽을 따라 부착될 수 있으며, 탄성 변형이 가능한 실리콘 또는 러버 재질로 형성될 수 있다.
상기 구조에 의하면, 하우징(301)이 프레임(320)과 구성품들을 수용하며, 기계적 하중을 분산시키는 역할을 하게 되므로, 정비 및 유지 보수가 용이한 연료전지 시스템(300)이 제공될 수 있다.
도 4를 참조하면, 하우징(401)의 내측벽 각 모서리에는 댐퍼(402)가 장착된다. 프레임(420)은 하우징(401)에 수용되어 댐퍼(402)와 접촉되며, 댐퍼(402)는 외부로부터 프레임(420)으로 전달되는 진동을 경감시키도록 이루어진다. 프레임(420)의 상부에는 덮개(423)가 중공부(421)를 덮도록 설치된다. 덮개(423)는 댐퍼(402)와 같이 탄성 변형이 가능한 실리콘 또는 러버 재질로 형성되어 외부로부터 전달되는 충격을 흡수하도록 이루어질 수 있다.
프레임(420)은 체결부재(484, 485)를 통해 하우징(401)에 견고하게 결합될 수 있다. 도시된 바와 같이, 체결부재(484, 485)는 댐퍼(402), 덮개(423)를 관통하도록 이루어질 수 있다. 상기 구조에 의하면, 하우징(401)과 각 프레임(420) 간의 체결 과정에서 발생할 수 있는 뒤틀림이 방지되면서도 견고한 결합 상태가 유지될 수 있다.
하우징(401)의 내측벽 중 프레임(420)의 설치 공간을 제외한 부분에는 소정 두께를 갖는 보강재(403)가 장착된다. 보강재(403)는 하우징(401)을 보강하여 강성을 확보하는 역할을 할 뿐만 아니라, 프레임(420) 사이에 삽입되어 횡방향으로 전달되는 힘을 지지하도록 이루어진다. 보강재(403)는 프레임(420)의 굽힘 방지를 고려하여 베이스(410)로부터 기설정된 거리만큼 이격된 위치에 설치된다.
이상에서 설명한 연료전지 시스템은 위에서 설명된 실시예들의 구성과 방법에 한정되는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

Claims (11)

  1. 밑판을 형성하는 베이스;
    상기 베이스에 세워지고, 서로 이격되게 배치되는 복수의 프레임들;
    상기 복수의 프레임들 각각의 내부에 형성되는 중공부;
    상기 복수의 프레임들 중 적어도 하나의 중공부에 수용되는 탄화수소계열의 연료;
    상기 복수의 프레임들 중 적어도 다른 하나의 중공부에 수용되며, 상기 연료와 개질 반응을 일으키는 물;
    상기 연료를 수용하는 프레임 및 상기 물을 수용하는 프레임과 연결되고, 상기 개질 반응을 통해 수소를 발생시키도록 형성되는 연료개질기; 및
    상기 연료개질기와 연결되며, 상기 수소를 이용하여 에너지를 발생시키도록 형성되는 연료전지를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 중공부는 상기 복수의 프레임들 각각의 축을 따라 연장되게 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 복수의 프레임들 중 적어도 또 다른 하나의 중공부에 수용되고, 상기 연료전지를 냉각시키도록 이루어지는 냉각수를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 복수의 프레임들은 상기 연료개질기와 상기 연료전지를 감싸도록 상기 베이스의 둘레를 따라 기설정된 간격을 두고 이격되게 배치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 베이스로부터 이격되게 배치되고, 상기 복수의 프레임들에 의해 지지되는 평면 형상의 미드 프레임을 더 포함하며,
    상기 연료개질기와 상기 연료전지는 상기 미드 프레임에 장착되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 베이스와 상기 미드 프레임 사이에 배치되고, 상기 복수의 프레임들과 결합되며, 외부로부터 전달되는 충격을 흡수하도록 이루어지는 현가장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 복수의 프레임들 중 적어도 하나에 장착되고, 냉각을 통해 수분을 회수하도록 형성되는 기액분리기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 기액분리기는 상기 물을 수용하는 프레임에 상기 수분을 공급하도록 상기 물을 수용하는 프레임과 연결되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 베이스, 상기 복수의 프레임들, 상기 연료개질기 및 상기 연료전지를 수용하고, 상기 복수의 프레임들과 결합되는 하우징을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 복수의 프레임들과 상기 하우징 사이에는 외부로부터 전달되는 진동을 경감시키도록 형성되는 댐퍼가 구비되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 하우징의 내측벽에는 상기 복수의 프레임들 사이에 각각 삽입되어 횡방향으로 전달되는 힘을 지지하도록 이루어지는 보강재가 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
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