KR101179921B1 - 병렬형 멀티 연료 전지 장치 - Google Patents

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Abstract

병렬형 멀티 연료 전지 장치가 제공된다. 병렬형 멀티 연료 전지 장치는 다수의 단위 셀이 전기적으로 상호 병렬로 연결된 병렬형 연료 전지 스택; 다수의 단위 셀 중의 하나인 제1 단위 셀에 연결되어 공기를 유입받아 제1 단위 셀로 공급하는 제1 유입 라인; 제1 유입 라인에 유입된 공기를 분기받아 제2 단위 셀들로 공급하는 다수의 제1 분기 라인; 제1 단위 셀에 연결되어 수소를 유입받아 제1 단위 셀로 공급하며 중간에 분기부가 형성된 제2 유입 라인; 제2 유입 라인으로부터 순차적으로 분기되어 제2 단위 셀들에 연결되어 제2 유입 라인을 통과한 수소를 분기받아 제2 단위 셀들로 공급하는 다수의 제2 분기 라인; 다수의 단위 셀의 입구 측, 제1 유입 라인, 다수의 제1 분기 라인, 제2 유입 라인, 다수의 제2 분리 라인에 각각 설치되는 다수의 밸브; 제1 단위 셀에서 반응 완료한 공기 및 물을 외부로 배출하며 중간 지점에 합류부가 형성된 제1 배출 라인; 제2 단위 셀들에서 반응 완료한 공기 및 물을 제1 배출 라인의 합류부로 유도하여 합류하도록 하는 다수의 제1 유도 라인; 제1 단위 셀을 통과한 수소를 배출하며 중간 지점에 합류부가 형성된 제2 배출 라인; 제2 단위 셀들에서 반응 완료한 수소를 제2 배출 라인의 합류부로 유도하여 합류하도록 하는 다수의 제2 유도 라인; 및 병렬형 연료 전지 스택의 요구 출력에 따라 상기 다수의 밸브의 온/오프 동작을 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

병렬형 멀티 연료 전지 장치{Parallel multi-fuel cell apparatus}
본 발명은 연료 전지에 관한 것으로서, 더 상세하게는 수소와 산소의 전기화학 반응에 의해 화학 에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 연료 전지 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 연료 전지 시스템은 수소와 산소의 전기화학 반응에 의해 화학 에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 발전 시스템이다. 상기 수소는 순수한 수소를 직접 연료 전지 시스템에 공급할 수도 있고, 메탄올, 에탄올, 천연가스 등과 같은 수소 함유 물질을 개질하여 수소를 공급할 수도 있다. 상기 산소는 순수한 산소를 직접 연료 전지 시스템에 공급할 수도 있고, 공기 펌프 등을 이용하여 통상의 공기에 포함된 산소를 공급할 수도 있다.
종래의 연료 전지 스택의 경우 고출력을 위해 스택의 적층 수를 높여 하나의 스택을 이용하여 발전하였다. 이 경우 요구출력이 낮은 경우 정격 출력에서 남는 발전 전력을 2차 전지에 저장하거나 저출력 발전을 하여야 한다. 하지만 이 경우 2차 전지에 저장할 경우 손실이 많이 발생을 하며, 저출력 발전을 할 경우 발전 효율이 떨어진다. 또한, 하나의 고용량 스택과 직렬 증설 연결된 스택의 경우 일부 셀과 스택의 고장 시에 수리를 위하여 발전을 중단해야하는 문제점이 발생할 수 있다.
종래의 연료전지의 경우 단위셀 연료전지를 적층하여 출력을 얻고 있으나, 실링재, 분리판, 발전 집합체(MEA)의 조립 후에 연료 전지의 용량을 증설하기 위해서는 스택을 교체해야하는 어려움이 있고, 향후에 필요한 용량까지를 고려할 경우 연료 전지 스택(전체 시스템 비용의 약 70% 정도) 비용이 과하게 소요됨. 아울러 연료전지의 고장 수리나 증설 시에는 발전을 중단해야하는 문제점이 있다. 또한, 연료전지는 발전특성상 정격출력을 하지 않을 경우 효율이 저하가 발생하는 문제가 있어, 불필요한 고용량 스택을 가지고 저출력을 할 경우 효율의 저하 원인이 된다.
본 발명은 이상과 같은 종래의 문제점을 개선하기 위하여 창출된 것으로서, 필요한 저 용량 스택을 이용하여 고용량화 연결 또는 점진적인 용량 증설의 필요시에 효율 저하를 최소화하면서 병렬 방식으로 고체 고분자 연료 전지 용량을 증설하는 병렬형 멀티 연료 전지 장치를 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 연료 전지 스택의 출력을 조절하기 위하여 가스 공급을 스택별 밸브 온/오프 제어를 통해 가스를 공급하여 운전하는 병렬형 멀티 연료 전지 장치를 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 연료 전지에서 미 사용되는 수소를 재순환하기 위해 스택 수소 출구 배관인 배출 라인을 통합 연결하는 병렬형 멀티 연료 전지 장치를 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 병렬형 멀티 연료 전지 장치는 공급되는 공기 및 수소와의 전기화학적 반응에 의하여 발전하는 다수의 단위 셀이 전기적으로 상호 병렬로 연결된 병렬형 연료 전지 스택; 상기 다수의 단위 셀 중의 하나인 제1 단위 셀에 연결되어 공기를 유입받아 상기 제1 단위 셀로 공급하며 중간에 분기부가 형성된 제1 유입 라인; 상기 제1 유입 라인의 분기부로부터 순차적으로 분기되어 상기 다수의 단위 셀 중 상기 제1 단위 셀을 제외한 나머지 단위 셀들인 제2 단위 셀들에 연결되어 상기 제1 유입 라인에 유입된 상기 공기를 분기받아 상기 제2 단위 셀들로 공급하는 다수의 제1 분기 라인; 상기 제1 단위 셀에 연결되어 수소를 유입받아 상기 제1 단위 셀로 공급하며 중간에 분기부가 형성된 제2 유입 라인; 상기 제2 유입 라인으로부터 순차적으로 분기되어 상기 제2 단위 셀들에 연결되어 상기 제2 유입 라인을 통과한 수소를 분기받아 상기 제2 단위 셀들로 공급하는 다수의 제2 분기 라인; 상기 다수의 단위 셀의 입구 측, 상기 제1 유입 라인, 상기 다수의 제1 분기 라인, 상기 제2 유입 라인, 상기 다수의 제2 분리 라인에 각각 설치되는 다수의 밸브; 상기 제1 단위 셀의 출구에 연결되어 상기 제1 단위 셀에서 반응 완료한 공기 및 물을 외부로 배출하며 중간 지점에 합류부가 형성된 제1 배출 라인; 상기 제2 단위 셀들의 출구와 상기 제1 배출 라인의 합류부 사이에 각각 연결되어 상기 제2 단위 셀들에서 반응 완료한 공기 및 물을 상기 제1 배출 라인의 합류부로 유도하여 합류하도록 하는 다수의 제1 유도 라인; 상기 제1 단위 셀의 출구에 연결되어 상기 제1 단위 셀을 통과한 수소를 배출하며 중간 지점에 합류부가 형성된 제2 배출 라인; 상기 제2 단위 셀들의 출구와 상기 제2 배출 라인의 합류부 사이에 각각 연결되어 상기 제2 단위 셀들에서 반응 완료한 수소를 상기 제2 배출 라인의 합류부로 유도하여 합류하도록 하는 다수의 제2 유도 라인; 및 상기 병렬형 연료 전지 스택의 요구 출력에 따라 상기 다수의 밸브의 온/오프 동작을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서는 필요한 저용량 스택을 이용하여 고용량화 연결 또는 점진적인 용량 증설의 필요시에 효율저하를 최소화하면서 고체고분자연료전지 용량의 증설하는 병렬 방식으로 방법이다. 연료전지 스택의 출력을 조절하기 위하여 요구출력에 부합하는 스택 개수에 가스 공급을 스택 별 밸브 온/오프 제어를 통해 가스를 공급하여 요율 높은 발전이 가능한 운전 방법이며, 아울러 연료전지에서 미이용되는 수소를 재순환하기 위해 스택 수소 출구 배관의 통합 연결하여 재순환 동력을 줄이는 것이 가능하며, 고용량의 스택과 직렬연결 스택의 문제점을 해결할 수 있는 기술이다.
이와 같은 본 발명은 연료전지 시스템에서의 발전 용량을 높이거나 증량을 할 경우에 연료전지의 발전효율을 극대화하기 위하여 연료전지 스택의 배열하여 연결하는 방법과 그 운전 방법에 관한 것이다. 분산형 발전과 모듈화에 의한 발전용량의 증설이 가능한 장점을 가진 저용량 PEMFC 스택의 출력을 증설과 연료전지의 출력을 요구부하에 맞추어 가장 효율적으로 발전을 하기 위한 배열 방법으로 저용량 스택을 병렬로 연결하여 정격출력 이외의 출력에서도 효율을 극대화하며, 저용량 스택에서 필요시 고용량 스택으로 효율 높은 발전을 할 수 있는 연료전지 스택의 증설과 연결한다.
즉, 본 발명은 필요시에 운전 중에도 연료전지 용량의 증설이 가능하며, 요구 출력에 따라서 밸브의 온/오프 제어를 통해 요구 출력에 부합되는 연료전지 스택들로 수소와 공기(산소)를 더욱 정확하게 공급함으로써 연료전지의 부하에 따른 최고 효율의 출력을 발전하며, 미이용 수소의 재순환에 소요되는 동력을 최소화하여 연료전지 스택 및 시스템의 성능 저하를 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고체 고분자 연료 전지의 발전 원리를 설명하는 도면이다.
도 2는 연료 전지의 I-V 출력 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 3은 발전 접합체가 하나인 단일 셀 연료 전지 스택을 나타낸 도면이다.
도 4는 발전 접합체가 다수인 연료 전지 스택을 나타낸 도면이다.
도 5는 직렬형 연료 전지 스택을 나타낸 도면들이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 병렬형 멀티 연료 전지 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 병렬형 멀티 연료 전지 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 8은 직렬 및 병렬 연결의 발전 출력 비교 결과를 나타낸 그래프이다.
도 9는 초기 기동 시간 검사 결과를 나타낸 그래프이다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예에 따른 병렬형 멀티 연료 전지 장치를 상세히 설명한다.
본 발명의 실시예에 따른 병렬형 멀티 연료 전지 장치는 병렬형 연료 전지 스택(100), 제1 유입 라인(200), 다수의 제1 분기 라인(300), 제2 유입 라인(400), 다수의 제2 분기 라인(500), 다수의 밸브(600), 제1 배출 라인(700), 다수의 제1 유도 라인(800), 제2 배출 라인(900), 다수의 제2 유도 라인(1000), 및 제어부(1100)를 포함한다.
병렬형 연료 전지 스택(100)은 공급되는 공기 및 수소와의 전기화학적 반응에 의하여 발전하는 다수의 단위 셀이 전기적으로 상호 병렬로 연결된다.
상기 병렬형 연료 전지 스택(100)에서의 공기 및 수소와의 전기화학적 반응은 하기 반응식 1과 같다.
Figure 112010041519724-pat00001
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고체 고분자 연료 전지의 발전 원리를 설명하는 도면이다. 도 1과 같이 고분자형의 전해질을 이용하는 고체고분자연료전지는 수소와 공기(산소)를 연료로 공급하여 물이 생성되는 과정에서 발생하는 전기(전자의 흐름)를 발생시키며, 이론적인 전압은 1.23V로 일정하나, 활성화 분극, 저항 분극, 농도 분극으로 인하여 실제의 출력은 출력 전류의 크기에 따라서 그림 2의 S자형 곡선과 같이 발전 전압이 현저하게 저하된다.
도 2는 연료 전지의 I-V 출력 곡선을 나타낸 그래프이다. 이와 같이 연료전지의 발전출력(I-V출력 곡선)의 특징으로 인하여 최대 효율의 출력(Pmax)은 도 2에서와 같이 최고 효율 전압(Vmax)과 최고 효율 전류(Imax)의 곱이 나타내는 최대 효율 출력인 사선부 면적이 최대를 나타내는 최대 출력을 산출되어, 이 경우의 전압 Vmax와 전류 Imax를 출력으로 사용한다. 따라서 Vmax와 Imax이 나타내는 출력 이외에서는 연료전지의 발전 효율이 저하된다.
도 3은 발전 접합체가 하나인 단일 셀 연료 전지 스택을 나타낸 도면이다. 도 4는 발전 접합체가 다수인 연료 전지 스택을 나타낸 도면이다. 도 5는 직렬형 연료 전지 스택을 나타낸 도면들이다. 도 5는 직렬연결의 경우이다. 첫 번째 스택 입구에 밸브를 설치하고, 첫 번째 스택에 연료와 산소가 공급되고, 첫 번째 스택의 남은 연료와 산소를 이용하여 두 번째 스택이 발전하고, 세 번째 스택은 두 번째 스택의 반응 후의 연료와 산소를 이용하여 발전하는 방식이다. 또한, 계속하여 직렬로 증설하여 사용할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 병렬형 멀티 연료 전지 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 6을 참조하면, 제1 유입 라인(200)은 상기 다수의 단위 셀(110) 중의 하나인 제1 단위 셀에 연결되어 공기를 유입받아 상기 제1 단위 셀로 공급하며 중간에 분기부(210)가 형성된다. 다수의 제1 분기 라인(300)은 상기 제1 유입 라인(200)의 분기부(210)로부터 순차적으로 분기되어 상기 다수의 단위 셀(110) 중 상기 제1 단위 셀을 제외한 나머지 단위 셀들인 제2 단위 셀들에 연결되어 상기 제1 유입 라인(200)에 유입된 상기 공기를 분기받아 상기 제2 단위 셀들로 공급한다.
제2 유입 라인(400)은 상기 제1 단위 셀에 연결되어 수소를 유입받아 상기 제1 단위 셀로 공급하며 중간에 분기부(410)가 형성된다. 다수의 제2 분기 라인(500)은 상기 제2 유입 라인(400)으로부터 순차적으로 분기되어 상기 제2 단위 셀들에 연결되어 상기 제2 유입 라인(400)을 통과한 수소를 분기받아 상기 제2 단위 셀들로 공급한다.
다수의 밸브(600)는 상기 다수의 단위 셀(110)의 입구 측, 상기 제1 유입 라인(200), 상기 다수의 제1 분기 라인(300), 상기 제2 유입 라인(400), 상기 다수의 제2 분리 라인(500)에 각각 설치된다. 제1 배출 라인(700)은 상기 제1 단위 셀의 출구에 연결되어 상기 제1 단위 셀에서 반응 완료한 공기 및 물을 외부로 배출하며 중간 지점에 합류부(710)가 형성되어 있다.
다수의 제1 유도 라인(800)은 상기 제2 단위 셀들의 출구와 상기 제1 배출 라인(700)의 합류부(710) 사이에 각각 연결되어 상기 제2 단위 셀들에서 반응 완료한 공기 및 물을 상기 제1 배출 라인(700)의 합류부(710)로 유도하여 합류하도록 한다. 제2 배출 라인(900)은 상기 제1 단위 셀의 출구에 연결되어 상기 제1 단위 셀을 통과한 수소를 배출하며 중간 지점에 합류부(910)가 형성된다. 상기 제2 배출 라인(900)은 상기 합류부(910)에서 합류된 상기 수소를 상기 제2 유입 라인(400)으로 재순환하여 재사용할 수 있도록 한다.
다수의 제2 유도 라인(1000)은 상기 제2 단위 셀들의 출구와 상기 제2 배출 라인(900)의 합류부(910) 사이에 각각 연결되어 상기 제2 단위 셀들에서 반응 완료한 수소를 상기 제2 배출 라인(900)의 합류부(910)로 유도하여 합류하도록 한다. 상기 제어부(1100)는 상기 병렬형 연료 전지 스택(100)의 요구 출력에 따라 상기 다수의 밸브(600)의 온/오프 동작을 제어한다. 상기 제어부(1100)는 상기 병렬형 연료 전지 스택(100)의 요구출력이 높을수록 많은 수의 밸브(600)를 온 상태로 제어한다. 도 6은 도 5와는 달리 병렬연결의 경우이다. 요구 부하가 낮은 경우 단지 첫 번째 스택에 밸브의 온/오프 제어를 통하여 연료를 공급하며, 요구부하가 높아질 경우 두 번째, 세 번째 ... 스택 스택으로 밸브의 온/오프 제어를 통하여 연료의 공급이 동시에 이루어져 발전하는 방식이다. 아울러 스택의 수소 배출구를 하나의 배출구로 연결하여 미이용 수소의 재순환 동력을 줄일 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 병렬형 멀티 연료 전지 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 6 및 도 7에는 병렬형 연료 전지 스택(100)이 각각 3개 및 2개가 도시되어 있지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 즉, 4개의 이상의 병렬형 연료 전지 스택도 적용 가능하다.
수소를 연료로 하는 발전 접합체가 하나인 연료전지의 단셀(도 3)의 경우 출력전압(Vmax)이 매우 낮아 필요한 출력에 맞추어 적층한 다셀 스택(도 4)으로 사용을 한다. 그러나 분산전원과 발전용량의 증설이 가능한 장점을 가진 연료전지는 스택과 스택의 원활한 운전을 위한 주변장치로 이루어지며, 이와 같은 연료 전지 시스템에서 스택의 가격 비중은 약 70%를 점하고 있다. 이와 같이 연료전지시스템에서 가장 높은 가격 비중을 가진 연료 전지의 경우 향후의 발전 용량을 고려한 고용량 스택을 사용할 경우 시스템 비용이 지나치게 높아지기 때문에 저 용량 스택으로 시작하여 필요시 스택을 증설하여 발전할 수 있다. 이와 같이 증설을 할 경우는 도 5과 같이 직렬로 증설 연결하여 사용하는 경우와 도 6와 같이 별렬로 증설 연결하여 사용할 수가 있다. 직렬 증설 연결의 경우 직렬 증설 연결시에 발전을 중지시켜야 하는 문제점과 다수의 스택에서 1개의 스택이 고장이 날 경우 수리를 위하여 전체 스택의 발전을 중단해야 한다. 아울러 직렬 증설 연결의 경우 그림 5와 그림 6에서 알 수 있듯이 병렬 연결 방식과 비교하여 출력(효율)이 낮으며 또한 정상상태 도달까지의 기동시간이 늦고 출력이 비안정적인 발전을 한다. 그러나 병렬 증설 연결의 경우 병렬 증설 연결시에도 발전을 계속할 수 있으며, 다수의 스택에서 1개의 스택이 고장이 날 경우 발전의 중단없이 고장난 스택의 수리가 가능하며, 도 5 및 도 6에서 알 수 있듯이 직렬연결 방식과 비교하여 출력(효율)이 높고, 정상상태 도달까지의 기동시간이 빠르고 출력이 안정적이다.
또한 병렬 연결의 경우 발전이 필요한(요구 출력에 부합되는) 스택 개수에만 연료의 공급이 밸브의 작동을 통하여 동시에 이루어져 발전을 하여 고용량의 스택에서 저 출력시에 발생하는 효율의 저하는 방지할 수 있는 고효율 발전이 가능하다.
도 8은 직렬 및 병렬 연결의 발전 출력 비교 결과를 나타낸 그래프이다. 도 8에서 병렬연결 방식이 직렬연결 방식보다 높은 출력(효율)을 보임을 알 수 있다.
도 9는 초기 기동 시간 검사 결과를 나타낸 그래프이다. 도 9에서 병렬 연결 방식이 직렬연결 방식보다 정상상태 도달까지의 기동시간이 안정적이고 짧게 나타났다.
100: 병렬형 연료 전지 스택 200: 제1 유입 라인
210, 410: 분기부 300: 제1 분기 라인
400: 제2 유입 라인 500: 제2 분기 라인
600: 밸브 700: 제1 배출 라인
710, 910: 합류부 900: 제2 배출 라인
1000: 제2 유도 라인 1100: 제어부

Claims (3)

  1. 삭제
  2. 공급되는 공기 및 수소와의 전기화학적 반응에 의하여 발전하는 다수의 단위 셀이 전기적으로 상호 병렬로 연결된 병렬형 연료 전지 스택과;
    상기 다수의 단위 셀 중의 하나인 제1 단위 셀에 연결되어 공기를 유입받아 상기 제1 단위 셀로 공급하며 중간에 분기부가 형성된 제1 유입 라인;
    상기 제1 유입 라인의 분기부로부터 순차적으로 분기되어 상기 다수의 단위 셀 중 상기 제1 단위 셀을 제외한 나머지 단위 셀들인 제2 단위 셀들에 연결되어 상기 제1 유입 라인에 유입된 상기 공기를 분기받아 상기 제2 단위 셀들로 공급하는 다수의 제1 분기 라인;
    상기 제1 단위 셀에 연결되어 수소를 유입받아 상기 제1 단위 셀로 공급하며 중간에 분기부가 형성된 제2 유입 라인;
    상기 제2 유입 라인으로부터 순차적으로 분기되어 상기 제2 단위 셀들에 연결되어 상기 제2 유입 라인을 통과한 수소를 분기받아 상기 제2 단위 셀들로 공급하는 다수의 제2 분기 라인;
    상기 다수의 단위 셀의 입구 측, 상기 제1 유입 라인, 상기 다수의 제1 분기 라인, 상기 제2 유입 라인, 상기 다수의 제2 분리 라인에 각각 설치되는 다수의 밸브;
    상기 제1 단위 셀의 출구에 연결되어 상기 제1 단위 셀에서 반응 완료한 공기 및 물을 외부로 배출하며 중간 지점에 합류부가 형성된 제1 배출 라인;
    상기 제2 단위 셀들의 출구와 상기 제1 배출 라인의 합류부 사이에 각각 연결되어 상기 제2 단위 셀들에서 반응 완료한 공기 및 물을 상기 제1 배출 라인의 합류부로 유도하여 합류하도록 하는 다수의 제1 유도 라인;
    상기 제1 단위 셀의 출구에 연결되어 상기 제1 단위 셀을 통과한 수소를 배출하며 중간 지점에 합류부가 형성된 제2 배출 라인;
    상기 제2 단위 셀들의 출구와 상기 제2 배출 라인의 합류부 사이에 각각 연결되어 상기 제2 단위 셀들에서 반응 완료한 수소를 상기 제2 배출 라인의 합류부로 유도하여 합류하도록 하는 다수의 제2 유도 라인; 및
    상기 병렬형 연료 전지 스택의 요구 출력에 따라 상기 다수의 밸브의 온/오프 동작을 제어하며, 상기 병렬형 연료 전지 스택의 요구 출력이 높을 수록 많은 수의 밸브를 온 상태로 제어하는 제어부를 포함하되,
    상기 제2 배출 라인은 상기 합류부에서 합류된 상기 수소를 상기 제2 유입 라인으로 재순환하는 병렬형 멀티 연료 전지 장치.
  3. 삭제
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