KR101142474B1 - 고분자 전해질 연료전지 시스템 - Google Patents

고분자 전해질 연료전지 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고분자 전해질 연료전지 시스템에 관한 것이다. 개시발명은 발전소의 해수 전해 설비 또는 폐기물 처리 설비 등에서 부산물로 생성되는 부생(副生)수소를 이용하여 연료전지의 연료로 사용하는 기술을 포함하고, 연료전지에 연료를 공급할 때에 펌프 대신에 이덕터를 이용하는 구성을 포함한다. 따라서, 부생수소를 직접 연료로 사용하기 때문에 시스템에 별도의 개질장치를 필요로 하지 않고 또한, 이덕터의 사용으로 시스템을 단순화, 효율화할 수 있고, 수명을 높일 수 있다.

Description

고분자 전해질 연료전지 시스템{Polymer Electrolyte Fuel Cell System}
본 발명은 고분자 전해질 연료전지 시스템에 관한 것으로, 특히 해수전해설비 등의 부생수소원과 연계하여 연료전지에 연료를 공급하고 또한 이덕터를 이용하여 연료전지에 연료를 공급하는 기술에 관한 것이다.
연료전지는 연료의 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 전기화학적 장치이다. 통상적으로는 연료극과 공기극으로 이루어진 두 개의 전극 사이에 전해질을 삽입하여 이루어진다. 연료전지의 분류를 보면, 전해질의 종류에 따라 고분자막을 이용하는 고분자 전해질 연료전지(동작온도 60℃-80℃), 수산화칼륨을 이용하는 알칼라인연료전지(동작온도 70℃-120℃), 황산을 이용하는 황산연료전지(동작온도 160℃-200℃), 리튬/탄산칼륨을 이용하는 용융탄산염연료전지(동작온도 650℃) 및 이트리아 안정화 지르 코니아(YSZ, yttria-stabilized zirconia)를 이용하는 고체 산화물 연료전지(동작온도 1000℃)로 분류된다. 전해질을 어떤 것으로 선택하느냐에 따라 연료전지의 동작온도가 크게 좌우된다.
고분자 전해질 연료전지(PEFC, Polymer Electrolyte Fuel Cell)는 고체 전해질을 사용하면서 최저의 동작온도를 가지는 특유한 연료전지이다. 전극은 통상적으로 백금이나 적정양의 아이오노머(ionomoer)를 첨가하여 이루어진 백금-탄소합금으로 구성되어 각 전극을 결합하고 양성자 이동을 촉진하게 된다. 스팀을 포함하는 수소와 공기가 흑연판에 형성된 유체장을 통하여 시스템으로 공급되고, 두 개 기공배치 모드를 가지는 기공탄소벽을 통과하여 각 전극의 활성영역에 고르게 분산되는데, 여기에서 전기화학적 산화와 환원반응이 일어나며 원하는 전력을 생산하게 된다.
연료로 이용되는 수소를 얻기 위하여 수소연료 개질장치를 사용하는데, 연소챔버의 외주에 리포머 촉매가 설치되며, 연소챔버를 가열하는 리포머 버너를 구비하는 연료 개질장치를 예로 들 수 있다. 리포머 버너는 연료가 공급되는 연료공급관과, 연료공급관의 토출구가 그 내부에 배치되도록 연료공급관을 감싸며 복수의 분사홀이 형성되어 분사홀로부터 리포머 내부로 연료가 분사되는 연료공급챔버를 구비하며, 연료공급챔버가 연소챔버 내부에 노출되며, 노출된 연료공급챔버의 표면에 열반사 영역이 형성되도록 구성된다. 이러한 연료개질장치의 사용은 시스템을 복잡하고 하고 고가의 장비로 이루어질 수밖에 없는 문제점이 있다.
또한, 연료전지에 연료를 공급하기 위하여는 연료탱크에서 연료를 빨아올려 연료전지로 압송하는 연료펌프를 사용하게 되는데, 가격이 고가이고 중량이 많이 나가는 장비로서 시스템을 단순화, 효율화 및 안정화에 장애가 될 수 있다.
또한, 수소연료의 제공에 있어서, 수소 자체는 자연계에 존재하지 않고 화석 연료를 개질하거나 물을 전기분해하여 생성하는 연료이다. 그런데, 발전소의 해수전해설비나 폐기물처리시설 등에서는 부생(副生)수소가 계속적으로 발생 되고 있으며, 발생 되는 부생수소를 연료개질장치 필요없이 이를 연료전지에 직접 이용할 필요가 생긴다.
본 발명의 목적은 상술한 문제점을 해소하기 위하여 안출된 것으로, 해수전해설비 등의 부생수소원을 연료전지에 연계하고 또한 연료공급장치로서 펌프 대신에 이덕터를 이용하는 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 부생수소원, 부생수소원과 연결되어 부생수소원의 수소를 받아들이고 연료전지에 공급하는 연료공급장치, 공기공급장치, 상기 연료공급장치를 통하여 수소를 공급받아 양성자 및 전자를 생성하는 연료극 및 공기공급장치를 통하여 산소를 공급받아 물을 생성하는 공기극을 포함하여 전력을 생산하는 연료전지를 포함한다. 또한, 상기 연료공급장치는 부생수소원으로부터 공급받은 수소의 압력을 높이는 승압펌프, 승압펌프에 의하여 승압된 수소를 저장하는 수소저장탱크 및 수소저장탱크에 저장된 수소를 상기 연료극으로 공급하는 이덕터를 포함할 수 있다. 또한, 상기 연료극의 출구가 승압펌프와 연결되어 상기 연료전지의 미반응 수소를 상기 연료전지의 연료로 재순환하도록 구성될 수 있다.
이와 같은 본 발명에 따른 해수전해설비 등의 부생수소원과 연계된 고분자 전해질 연료전지 시스템에 의하면, 발전소의 해수전해설비 또는 폐기물 처리 설비, 제철소, 정유공장 등에서 발생하는 부생수소를 직접 개질장치 필요없이 연료전지에 연료로 공급할 수 있는 장점이 있고, 펌프가 아닌 이덕터를 이용하여 연료와 공기를 공급함으로써 시스템의 단순화, 효율화, 및 안정화에 기여할 수 있는 장점이 있다. 또한, 미반응수소의 재순화구조에 의한 수소연료의 직접적인 재활용으로 경제적이며 사용자에게 온수를 공급함으로써 에너지 효용성을 높일 수 있다.
이하 동일한 부재번호는 동일한 구성요소를 참조로 하는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적 의미로 한정되어 해석되지 아니하며, 본 발명의 기술적 사항에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 고분자 전해질 연료전지 시스템을 나타내는 블럭도이다. 도 1을 참조하면, 시스템은 부생수소원(100), 연료공급장치(300), 연료전지(200), 냉각장치(400), 및 온수공급장치(500)를 포함한다.
고분자 전해질 연료전지 시스템은 수소와 공기중에 포함된 산소를 이용하여 연료전지(200)를 작동시켜 전력을 생산하는 기술로서, 수소를 연료로 이용하고 공기와 함께 연료전지(200)에 공급된다. 수소는 전기분해에 의하여 생산할 수 있으나 소량처리에 적당하고 고가의 장비를 요하는 등의 문제가 있으므로, 본 발명의 일실시예에서는 부생수소원(100)에서 발생하는 부생수소를 이용한다.
상기 부생수소원(100)은 해수전해설비, 제철소, 정유공장 또는 폐기물처리설비 등과 같이 부생(副生)수소가 발생할 수 있는 설비이다. 상기 부생수소원(100)은 부생수소발생원(101) 및 불순물제거필터(160)를 포함하여 부생수소에 포함되어 있는 염소 등의 불순물을 제거할 수 있다.
상기 연료공급장치(300)는 공기 및 상기 부생수소원(100)으로부터 생성되는 수소를 공급받아 연료전지(200)로 공급한다.
상기 연료전지(200)는 공기 중의 산소 및 상기 연료공급장치(300)로부터 공급받은 수소를 연료로 하여 전력을 생산하고 스팀을 포함하는 배가스를 배출한다.
상기 냉각장치(400)는 상기 연료전지(200)의 작동온도를 70℃ 내지 80℃로 유지하기 위하여 냉각수를 이용하여 연료전지(200)의 내부온도를 낮춘다.
상기 온수공급장치(500))는 상기 연료전지(200)의 작동에 의하여 발생하는 열을 이용하기 위한 장치이다. 이러한 부생수소원(100)에서 발생하는 부생수소를 직접 연료전지(200)의 연료로 이용함으로써 시스템을 단순화할 수 있고 극대화된 효율을 가지는 시스템을 제공할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따라 연료공급장치에 이덕터를 포함하는 고분자 전해질 연료전지 시스템을 보여주는 블럭도이다. 도 2를 참조하면, 시스템은 부생수소원(100), 연료전지(200), 연료공급장치(300), 냉각장치(400)를 포함한다.
상기 연료전지(200)는 연료극(210), 공기극(220) 및 전해질(230)를 포함한 다.
상기 연료극(210)은 수소를 공급받아 양성자 및 전자를 생성하고, 상기 공기극(220)은 산소 및 상기 연료극(210)에서 생성된 양성자 및 전자와 반응하여 물(스팀)을 생성한다. 상기 전해질(230)은 고체 고분자 막(얇은 플라스틱 필름)을 사용하고 고분자 막은 스팀으로 포화된 양성자는 통과시키나 전자는 차단하는 기능을 한다. 수소이온(양성자)은 전해질(230)을 통하여 연료극(210)에서 공기극(220)으로 이동하며, 동시에 전자는 연료극(210)과 공기극(220) 사이에 연결된 외부회로(도시되지 않음)를 통하여 흐르면서 전력을 생산한다. 산소는 보통 공기의 형태로 공기극(220)으로 공급된다. 각 전극에서 일어나는 반응은 다음과 같은 반응식으로 나타낼 수 있다.
2H2 → 4H+ + 4e- (연료극)
O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O (공기극)
전체반응은 2H2 + O2 → 2H2O 와 같이 수소와 산소가 반응하여 물을 생성하는 반응이다.
상기 연료공급장치(300)는 연료극(210)에 연결되는 승압펌프(310), 수소저장탱크(320), 및 제1이덕터(330)와 공기극(220)에 연결되는 공기블로워(340) 및 제2이덕터(350)로 이루어진다. 또한, 상기 연료공급장치(300)는 순수저장탱크(450)를 더 포함할 수 있다. 이덕터는 유체의 흐름을 풍부하게 하여 인접유체의 유입을 도 와 두 유체를 혼합하여 주는 장치이다. 본 발명에서는 제1, 제2이덕터(330, 350)의 두 개의 이덕터를 일실시예로 설명한다.
상기 승압펌프(310)는 상기 부생수소원(100)으로부터 공급받은 수소의 압력을 높이고, 상기 수소저장탱크(320)는 상기 승압펌프(310)에 의하여 승압된 수소를 저장한다.
상기 제1이덕터(330)는 상기 수소저장탱크(320)에 저장된 수소를 연료전지(200)의 연료극(210)으로 공급하는데, 이때 공급되는 고압의 수소의 흐름은 모티브플로우(motive flow) 역할을 함으로써 상기 순수저장탱크(450)에 저장된 순수를 빨아들여 수소와 함께 연료극(210)에 공급한다.
상기 공기블로워(340)는 외부에서 공기를 공급받아 제2이덕터(350)에 공급하고,
상기 제2이덕터(350)는 상기 공기블로워(340)에서 공급받은 공기를 연료전지(200)의 공기극(220)으로 공급하는데, 이때 공급되는 고압의 공기의 흐름은 모티브플로우(motive flow) 역할을 함으로써 상기 순수저장탱크(450)에 저장된 순수를 빨아들여 공기와 함께 공기극(220)에 공급한다.
상기 제1, 제2이덕터(330, 350)를 사용함으로써 펌프에 의하지 않고 연료전지에 연료 및 공기를 공급할 수 있어서 시스템을 단순화할 수 있고 시스템의 수명과 효율을 높일 수 있다.
상기 냉각장치(400)는 순수공급탱크(430), 순수저장탱크(450), 및 순수순환펌프(460)를 포함한다.
상기 순수공급탱크(430)는 수도관(410)으로부터 공급받은 물이 이온교환수지(420)를 통과하여 순수(純水)로 정화된 후 이를 저장해 두었다가 시스템에 공급한다.
상기 순수저장탱크(450)는 상기 순수공급탱크(430)에 저장된 순수를 공급펌프(440)에 의하여 수송받아 저장한다. 상기 순수공급탱크(430)는 순수저장탱크(450)의 수위센서(도시되지 않음)에 의하여 공급펌프(440)를 작동시켜 순수저장탱크(450)로 물을 공급할 수 있다. 저장된 순수는 연료전지(200)의 내부반응을 위하여 이용될 뿐만 아니라, 연료전지(200)의 냉각작용을 위하여도 이용될 수 있다.
연료전지(200)의 내부반응을 위하여 이용되는 경우는 상기 제1, 제2이덕터(330, 350)에서 순수를 빨아들여 연료전지(200)의 공기극(220)과 연료극(210)으로 공급하게 되고, 연료전지(200)의 냉각작용을 위하여 이용되는 경우는 순수순환펌프(460)에 의하여 연료전지(200)에 공급하게 된다.
상기 순수순환펌프(460)는 상기 순수저장탱크(450)에 저장된 순수를 연료전지(200)에 공급하여 연료전지(200)의 발전(發電)을 위한 바람직한 온도인 70℃ 내지 80℃로 유지시킨다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따라 연료극에서의 미반응수소를 공급펌프로 되돌려 재순환하는 구조를 가지는 고분자 전해질 연료전지 시스템을 보여주는 블럭도이다. 도 3을 참조하면, 시스템은 부생수소원(100), 연료공급장치(300), 연료전지(200), 제1열교환기(360), 제2열교환기(370), 온수공급장치(500), 순수공급탱 크(430) 및 순수저장탱크(450)를 포함한다.
상기 연료공급장치(300)는 승압펌프(310), 수소저장탱크(320) 및 이덕터(330)를 포함한다.
상기 연료전지(200)는 연료극(210), 공기극(220) 및 전해질(230)을 포함하는데, 상기 연료극(210)의 출구에 연결된 상기 제1열교환기(360)는 상기 승압펌프(310)의 전단에 연결되어 연료극(210)에서 배출되는 미반응수소를 다시 연료극(210)의 연료로 재사용할 수 있도록 구성할 수 있다.
상기 제1열교환기(360)는 연료극(210)의 배가스인 스팀을 포함하는 고온의 미반응수소를 공급받고 온수저장탱크(520)에서 유래하는 저온의 물에 열을 방출시키면서 온도가 낮아진다. 열을 방출하여 온도가 낮아진 배가스 중 스팀은 물로 액화되어 순수공급탱크(430)로 이동하여 저장되고 미반응수소는 배관(10)을 따라 이동하여 상기 승압펌프(310)로 공급되어 재활용된다.
상기 제2열교환기(370)는 공기극(220)의 배가스인 스팀을 포함하는 고온의 미반응가스를 공급받고 온수저장탱크(520)에서 유래하는 저온의 물에 열을 방출시키면서 온도가 낮아진다. 열을 방출하여 온도가 낮아진 배가스 중 스팀은 물로 액화하여 순수공급탱크(430)로 이동하여 저장되고 미반응가스는 대기로 방출된다.
상기 온수공급장치(500)는 온수저장탱크(520), 온수공급배관(60) 및 배가스열회수순환펌프(530)로 구성할 수 있다.
상기 온수저장탱크(520)는 수도관(510)을 통하여 저온의 물을 공급받아 저장 하고, 상기 배가스열회수순환펌프(530)는 상기 온수저장탱크에 저장된 물을 배관(40)을 통하여 상기 제2열교환기(370)로 수송하고, 상기 제2, 제1열교환기(370, 360)를 거치면서 연료전지의 공기극(220) 및 연료극(210)의 배가스의 온도를 낮추어 스팀을 물로 액화시키게 된다. 상기 제1, 제2열교환기(360, 370)를 거치고 배관(40, 50)을 통하여 회수된 열에 의하여 상기 온수저장탱크(520)의 수온이 상승하고, 이러한 온수는 온수공급배관(60)을 통하여 사용자에게 공급될 수 있다. 기타 도 3에서 설명하지 않은 구성들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 도 1 및 도 2의 설명으로부터 자명하게 파악할 수 있으므로 여기서는 생략하였다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 부생수소원으로서 해수전해설비를 이용한 고분자 전해질 연료전지 시스템을 보여주는 블럭도이다. 도 4를 참조하면, 시스템은 해수전해설비(100), 연료공급장치(300), 연료전지(200), 냉각장치(400), 및 온수공급장치(500)를 포함한다.
상기 해수전해설비(100)는 정류기(110), 해수공급펌프(130), 전해조(120), 기액분리기(140), 차아염소산나트륨저장소(150) 및 불순물제거용필터(160)를 포함한다.
상기 정류기(110)는 전해조(120)를 작동하기 위한 직류전원을 만들고, 전해조(120)는 상기 정류기(110)에서 만들어진 직류전원에 의하여 구동되어 해수공급펌 프(130)에 의하여 수송된 해수로부터 수소(H2)와 차아염소산나트륨(NaOCl)을 생성한다. 상기 전해조(120)에서의 수소생성반응을 살펴보면, 전해조(120)의 (+)극에서는 해수에 포함된 NaCl을 Na+과 Cl-로 분리하고 (-)극에서는 차아염소산(HOCl)과 염산(HCl)을 생성한다. 따라서 Na+이온과 차아염소산의 OCl-이온에 의하여 차아염소산나트륨(NaOCl)이 생성된다. 이들 수소와 차아염소산나트륨은 기액분리기(140)를 통과하면서 분리되어 차아염소산나트륨은 차아염소산나트륨저장소(150)에 저장되고 수소는 불순물제거용필터(160)에서 활성탄을 이용한 염소제거 과정을 거쳐 염소가 제거된 후에 연료전지(200)에 제공된다.
이러한 해수전해설비와 연계된 연료전지에 의함으로써 직접 부생수소를 연료로 이용하여 효율적인 시스템을 운영할 수 있다. 기타 도 4에서 설명하지 않은 구성들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 도 1 내지 도 3의 설명으로부터 자명하게 파악할 수 있으므로 여기서는 생략하였다.
이상 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정하지 아니하며, 청구범위에서 청구ㅎ는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 다양한 변형실시가 가능하다. 또한, 첨부한 도면으로부터 용이하게 유추할 수 있는 사항은 상세한 설명에 기재되어 있지 않더라도 본 발명의 내용에 포함되는 것으로 보아야 할 것이며, 다양한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예로서 부생수소원과 연계된 고분자 전해질 연료전지 시스템을 나타내는 블럭도,
도 2는 본 발명의 일실시예로서 연료공급장치로서 이덕터를 구비한 고분자 전해질 연료전지 시스템을 나타내는 블럭도,
도 3은 본 발명의 일실시예로서 미반응수소를 승압펌프로 재순환하는 구조를 가지는 고분자 전해질 연료전지 시스템을 나타내는 블럭도, 및
도 4는 본 발명의 일실시예로서 해수전해설비를 부생수소원으로 하는 고분자 전해질 연료전지 시스템을 나타내는 블럭도이다.

Claims (7)

  1. 수소를 발생시키는 부생수소원;
    상기 부생수소원과 연결되어 부생수소원에서 발생한 수소를 공급받고, 상기 수소를 공기와 함께 연료전지에 공급하는 연료공급장치; 및
    상기 연료공급장치를 통하여 수소 및 산소를 공급받고 반응에 의하여 전력을 생산하는 연료전지를 포함하며,
    상기 연료전지는 수소를 공급받아 양성자 및 전자를 생성하는 연료극 및 산소를 공급받아 물을 생성하는 공기극을 포함하고,
    상기 연료공급장치는 순수를 저장하는 순수저장탱크; 상기 부생수소원으로부터 공급받은 수소의 압력을 높이는 승압펌프; 상기 승압펌프에 의하여 승압된 수소를 저장하는 수소저장탱크; 상기 수소저장탱크에 저장된 수소를 상기 연료극으로 공급하는 제1이덕터; 산소를 포함하는 공기를 받아들여 상기 공기극에 공급하는 공기블로워; 및 상기 공기블로워로부터 공급받은 공기를 상기 공기극으로 공급하는 제2이덕터를 포함하며,
    상기 제1, 제2이덕터는 상기 수소 및 상기 공기를 공급할 때의 압력에 의하여 상기 순수저장탱크에 저장된 물을 빨아 들여 상기 연료전지의 동작에 필요한 스팀을 공급하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 연료전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 부생수소원은 해수전해설비, 제철소, 정유공장 및 폐기물처리설비 중 어느 하나로부터 수소를 공급받는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 연료전지 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 부생수소원은
    교류를 직류로 바꾸는 정류기;
    상기 정류기를 통하여 나온 직류를 이용하여 해수로부터 수소 및 차아염소산 나트륨을 생성하는 전해조;
    상기 전해조에서 생성된 수소 및 차아염소산나트륨을 분리하여 상기 연료공급장치에 상기 분리된 수소를 공급하는 기액분리기; 및
    상기 기액분리기에서 상기 수소와 분리된 차아염소산나트륨을 저장하는 차아염소산나트륨저장소;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 연료전지 시스템.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 상기 연료극의 출구가 상기 승압펌프와 연결되어 상기 연료전지의 미반응 수소를 상기 연료전지의 연료극으로 재순환하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 연료전지 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    수도관을 통하여 공급된 물을 순수로 바꾸는 이온교환수지;
    상기 이온교환수지를 통과한 순수를 저장하고 공급하는 순수공급탱크;
    상기 순수공급탱크로부터 순수를 받아들여 저장하고 공급하는 순수저장탱크; 및
    상기 순수저장탱크에 저장된 순수를 상기 연료전지로 수송시키는 순수순환펌프로 구성되는 냉각장치를 더 포함하는 고분자 전해질 연료전지 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    물을 저장하는 온수저장탱크;
    상기 연료극으로부터 기체상인 상기 연료전지의 미반응수소 및 반응 생성물인 스팀을 공급받고, 상기 온수저장탱크에서 공급받은 물에 의하여 상기 스팀을 액화시켜 상기 순수저장탱크로 공급하고 상기 기체상의 수소를 분리하여 상기 승압펌프로 공급하는 제1열교환기;
    상기 공기극으로부터 기체상인 상기 연료전지의 미반응가스 및 스팀을 공급받고, 상기 온수저장탱크에서 공급받은 물에 의하여 상기 스팀을 액화시켜 상기 순수저장탱크로 공급하고 상기 기체상의 미반응가스를 분리하여 대기로 배출시키는 제2열교환기; 및
    상기 온수저장탱크의 물을 상기 제1열교환기 또는 상기 제2열교환기로 수송하는 배가스열회수순환펌프로 구성되며,
    상기 배가스열회수순환펌프에서 공급된 물은 상기 제1열교환기 또는 상기 제2열교환기를 거쳐 다시 상기 온수저장탱크로 회수하는 온수공급장치를 더 포함하는 고분자 전해질 연료전지 시스템.
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