KR101309901B1 - 연료전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지의 스택 및 상기 스택에 제공되되, 열교환기, 촉매연소기 또는 개질기가 하나의 모듈로 제공되는 모듈형 매니폴드부를 포함하여 구성되는 연료전지에 관한 것으로서, 본 발명에 의하면, 스택에 공급되는 연료가스 및 공기의 온도를 제어하면서, 연료전지의 소형화 또는 경량화를 구현할 수 있고, 또한, 고온에서 내열성 및 신뢰성을 갖는 고가의 소재 사용량을 감소시켜 경제성을 향상시키는 효과가 있다.

Description

연료전지{FUEL CELL}
본 발명은 연료전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료전지의 스택 및 상기 스택에 제공되되, 스택에 공급되는 연료가스 및 공기의 온도를 제어하면서, 연료전지의 소형화 또는 경량화를 구현토록, 열교환기, 촉매연소기 또는 개질기가 하나의 모듈로 제공되는 모듈형 매니폴드부를 포함하여 구성되는 연료전지에 관한 것이다.
과거 수세기 동안 에너지에 대한 수요는 기하급수적으로 증가하여 왔다. 에너지에 대한 수요가 증가함에 따라, 많은 다양한 에너지원이 탐사되고 개발되어 왔다.
탄화수소의 연소는 기초적인 에너지원 중 하나이나, 탄화수소의 연소에 의해 생성되는 오염물질로 인해, 최근에는 청정 에너지원에 대한 요구가 증가하고 있다.
이러한 청정 에너지원에 대한 관심이 증가함에 따라, 연료전지에 대한 관심과 연구가 증가하고 있다. 연료전지에 대한 연구 개발은 거대한 양의 도시전력을 생산하는 가스 터빈, 자동차 동력용 내연기관 및 다양한 크고 작은 전자제품을 작동시키는 배터리와 곧 경쟁할 것이라는 점에 맞추어져 왔다.
연료전지는 수소 및 산소를 전기 및 열로 전환시키는 전기화학적 에너지 전환을 이용한다. 연료전지는 배터리와 비슷하지만, 전력을 공급하면서도 충전될 수 있다. 많은 경우, 연료전지는 휴대용 전력 공급원으로서 1차 및 2차 배터리를 대체할 것으로 기대되고 있다.
연료전지의 한 종류인 고체산화물 연료전지(SOFC)는 효율적인 작동을 위해서 일반적으로 고온 환경을 요구한다. 고체산화물 연료전지에 대한 고온 요구는 연료전지를 시동할 때 심각한 지연을 발생시킨다. 고체산화물 연료전지가 기능성 면에서 배터리를 대체하기 위해서는, 고체산화물 연료전지가 상승된 작동온도에 신속하게 도달할 수 있어야 한다.
그 결과, 일부 연료전지는 연료전지가 효율적인 작동 온도에 더욱 신속하게 도달하도록 하기 위하여 연료전지 가열 수단을 포함한다.
그러나, 연료전지를 작동 온도로 가열하기 위한 대부분의 종래 장치들은 비효율적이고 느리다. 또한, 종래의 연료전지 시스템은 부가적인 하드웨어를 연료전지 스택에 추가함으로써 이미 복잡해진 연료전지 스택을 종종 더욱 복잡하고 거대하게 만드는 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해소하기 위하여 제안된 것으로서, 연료전지의 스택 및 상기 스택에 제공되되, 열교환기, 촉매연소기 또는 개질기가 하나의 모듈로 제공되는 모듈형 매니폴드부를 포함하여, 스택에 공급되는 연료가스 및 공기의 온도를 제어하면서, 연료전지의 소형화 또는 경량화를 구현할 수 있는 연료전지를 제공한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 기술적인 측면으로서 본 발명은 연료전지의 스택 및 상기 스택에 제공되되, 스택 내부로 공급되는 가스와 관련된 부품의 모듈화를 통해 연료전지의 소형화 또는 경량화가 가능토록 제공되는 모듈형 매니폴드부를 포함하여 구성되는 연료전지를 제공한다.
바람직하게는, 상기 모듈형 매니폴드부는, 스택의 배기가스 유로와 연통되는 적어도 하나 이상의 열교환기와 촉매연소기가 모듈화되어 포함되는 것을 특징으로 한다.
더 바람직하게는, 상기 모듈형 매니폴드부는, 개질기를 더 포함하여 모듈화하되, 상기 개질기의 적정 반응온도를 제어토록, 상기 열교환기, 촉매연소기 및 개질기는 소정 패턴으로 배열되는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 연료전지의 스택 및 상기 스택에 제공되되, 열교환기, 촉매연소기 또는 개질기가 하나의 모듈로 제공되는 모듈형 매니폴드부를 포함하여, 스택에 공급되는 연료가스 및 공기의 온도를 제어하면서, 연료전지의 소형화 또는 경량화를 구현할 수 있는 효과가 있다.
즉, 모듈형 매니폴드부에 열교환기, 촉매연소기 또는 개질기를 포함시켜, 연료전지의 기계적 장치의 개수를 줄임으로써 연료전지의 크기 및 무게를 감소시키는 효과가 있다.
이에 따라, 고온에서 내열성 및 신뢰성을 갖는 고가의 소재 사용량을 감소시켜 경제성을 향상시키는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 연료전지를 나타내는 개략도
도 2는 본 발명에 따른 모듈형 매니폴드부의 일 실시예를 나타내는 개략도
도 3은 본 발명에 따른 모듈형 매니폴드부의 다른 실시예를 나타내는 개략도
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 연료전지를 상세하게 설명한다.
도 1에서 본 발명에 따른 연료전지를 개략적으로 나타낸다.
본 발명의 연료전지 스택은, 단위전지들이 직렬로 연결되어 이루어진 스택, 상부판, 체결봉, 모듈형 매니폴드부 및 스택 단열부로 이루어진다.
여기서, 체결봉은 상부판과 모듈형 매니폴드부를 연결하여 스택에 일정한 면압을 제공하는 역할을 한다.
모듈형 매니폴드부에는 스택에 공급되는 연료가스 및 공기를 적당한 반응온도로 공급하기 위한 기계적인 주변장치기능을 통합하여 구성된다.
상기에서 설명한 바와 같이 종래의 연료전지는 주변장치들을 연료전지 스택에 추가함으로써 연료전지 스택을 더욱 복잡하고 거대하게 만드는 문제가 있다.
본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위한 것으로, 스택에 공급되는 연료가스 및 공기를 적당한 반응온도로 공급하기 위한 주변장치들을 모듈화하여 소형화 및 경량화된 연료전지에 관한 것이다.
즉, 본 발명에 따른 연료전지는, 연료전지의 스택 및 상기 스택에 제공되되, 스택에 공급되는 연료가스 및 공기의 온도를 제어하면서, 연료전지의 소형화 또는 경량화를 구현토록 제공되는 모듈형 매니폴드부를 포함하여 구성된다.
구체적으로, 본 발명의 상기 모듈형 매니폴드부는, 스택에 공급되는 연료가스 및 공기를 가열토록, 적어도 하나 이상의 열교환기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
스택의 연료극 배기가스와 공기극 배기가스는 고온이다. 상기 배기가스들은 열교환기를 통해 스택에 공급되는 저온의 연료가스와 공기와 열교환이 이루어진다. 이에 따라, 저온의 연료가스와 공기는 반응온도로 상승되어 스택에 공급된다.
이와 같이 스택에 공급되는 저온의 연료가스와 공기를 반응온도로 상승시키기 위해서는 적어도 열교환기는 구비되어야 한다.
또한, 열교화기의 개수에 제한은 없다. 즉, 하나의 열교환기에서 고온의 배기가스들과 스택에 공급되는 저온의 연료가스 및 공기의 열교환이 이루어지도록 구성될 수 있다.
물론, 저온의 연료가스와 공기가 각각의 열교환기에서 고온의 배기가스들과 열교환이 이루어지도록 구성될 수도 있다.
다만, 연료전지의 열효율을 향상시키기 위해 다른 주변장치들도 함께 모듈화하는 것이 바람직하다.
본 발명의 상기 모듈형 매니폴드부는, 촉매연소기 또는 개질기 중 적어도 하나 이상을 더 포함하되, 연료전지의 소형화 또는 경량화를 구현토록, 열교환기, 촉매연소기 또는 개질기는 하나의 모듈로 구성되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 촉매연소기는 고온의 연료극 배기가스와 송풍기로부터 공급되는 공기를 촉매연소하여 완전연소시키는 장치이다. 촉매연소기에서의 연소반응에 따라 고온의 연소가스가 생성된다. 상기 연소반응과 고온의 연소가스를 열교환에 이용하여, 스택에 공급되는 저온의 연료가스와 공기를 반응온도로 상승시킨다.
또한, 개질기는 연료가스를 수소를 포함하는 연료가스로 전화시키는 장치이다. 연료가스에 수소가 포함되어 스택 내에서의 반응이 효과적으로 일어나 연료전지의 효율 및 성능이 향상된다.
즉, 본 발명에서 열교환기에 촉매연소기 또는 개질기를 추가하여 연료전지의 효율성을 증대시킨다.
또한, 열교환기, 촉매연소기 또는 개질기를 하나의 모듈로 구성하여, 연료전지의 소형과 및 경량화할 수 있는 효과가 있다.
이하, 본 발명에 따른 모듈형 매니폴더부에 대한 구체적인 실시예들을 설명한다.
먼저, 도 2는 본 발명에 따른 모듈형 매니폴드부의 일 실시예를 개략적으로 나타낸다. 도시된 바와 같이, 기본적으로 모듈형 매니폴드부는 연료극 열교환기, 공기극 열교환기 및 촉매연소기로 구성되어 있다.
구체적으로, 도 2의 (a) 실시예에 따른 모듈형 매니폴드부(20)는 스택 아래에 연료극 열교환기(30), 공기극 열교환기(32) 및 촉매연소기(40) 순으로 구성된다. 그리고, 연료극 열교환기(30)에서 연료전지 스택(10)에 연료가스를 유입시키고, 공기극 열교환기(32)에서 공기를 유입시키는 구조로 이루어져 있다.
먼저, 수소 또는 탄화수소로 구성된 저온의 연료가스는 연료극 열교환기(30)를 통과하는 연료가스 공급유로(60)를 통해 스택(10)에 공급된다. 그리고, 연료극 열교환기(30)에는 연료극 배기가스 유로(70)가 구비되어, 고온의 연료극 배기가스와 스택(10)에 공급되는 저온의 연료가스 간에 열교환이 이루어진다. 이에 따라, 저온의 연료가스 온도가 상승한다.
또한, 촉매연소기(40)에서 고온의 연료극 배기가스와 공기의 혼합가스가 촉매연소되어 고온의 연소가스를 발생시키고, 고온의 연소가스는 연소가스 유로(80)를 통해 연료극 열교환기(30)로 유입된다.
이처럼, 촉매연소기(40)의 연소가스 유로(80)가 연료극 열교환기(30)를 통과하여 구성되어, 고온의 연소가스와 저온의 연료가스 간에 열교환이 이루어져, 연료가스의 온도를 상승시킨다.
즉, 스택(10)에 공급되는 저온의 연료가스는, 고온의 연료극 배기가스와 촉매연소기(40)의 연소가스와 열교환되어, 적정 반응온도로 상승된다.
그리고, 저온의 공기는 공기 공급유로(62)를 통해 스택(10)에 공급된다. 그리고, 공기극 열교환기(32)에는 공기극 배기가스 유로(72)가 구비되어, 고온의 공기극 배기가스와 스택(10)에 공급되는 저온의 공기 간에 열교환이 이루어진다. 이에 따라, 저온의 연료가스의 온도가 상승한다.
또한, 촉매연소기(40)의 연소가스 유로(80)가 분배되어 공기극 열교환기(32)를 통과하도록 구성되어, 고온의 연소가스와 저온의 공기 간에 열교환이 이루어져, 공기의 온도를 상승시킨다.
즉, 스택(10)에 공급되는 저온의 공기는, 고온의 공기극 배기가스와 촉매연소기(40)의 연소가스와 열교환되어, 적정 반응온도로 상승된다.
덧붙여, 촉매연소기(40)는 내부에서 연소반응이 일어나 고온이다. 고온의 촉매연소기(40)와 상대적으로 저온의 공기극 열교환기(32) 사이에 열전달이 이루어져 공기극 열교환기(32)를 통과하는 저온의 공기를 가열한다.
다음, 도 2의 (b) 실시예에 따른 모듈형 매니폴드부(20)는 스택 아래에 연료극 열교환기(30), 촉매연소기(40), 공기극 열교환기(32) 및 촉매연소기(42) 순으로 구성된다.
먼저, 수소 또는 탄화수소로 구성된 저온의 연료가스는 연료극 열교환기(30)를 통과해 스택(10)에 공급된다. 그리고, 연료극 열교환기(30)에는 연료극 배기가스 유로(70)가 구비되어, 고온의 연료극 배기가스와 연료가스 공급유로(60)를 통해 스택(10)에 공급되는 저온의 연료가스 간에 열교환이 이루어진다. 이에 따라, 저온의 연료가스의 온도가 상승한다.
즉, 스택(10)에 공급되는 저온의 연료가스는, 고온의 연료극 배기가스와 열교환되어, 적정 반응온도로 상승된다.
그리고, 저온의 공기는 공기 공급 유로(62)를 통해 스택에 공급된다. 그리고, 공기극 열교환기(32)에는 공기극 배기가스 유로(72)가 구비되어, 고온의 공기극 배기가스와 스택에 공급되는 저온의 공기 간에 열교환이 이루어진다. 이에 따라, 저온의 연료가스의 온도가 상승한다.
즉, 스택(10)에 공급되는 저온의 공기는, 고온의 공기극 배기가스와 열교환되어, 적정 반응온도로 상승된다.
덧붙여, 촉매연소기(40)(42)는 내부에서 연소반응이 일어나 고온이다. 고온의 촉매연소기(40)(42)와 상대적으로 저온의 연료극 열교환기(30) 및 공기극 열교환기(32) 사이에 열전달이 이루어져 연료극 열교화기 및 공기극 열교환기를 통과하는 저온의 공기를 가열한다.
다음, 도 3은 본 발명에 따른 모듈형 매니폴드부(20)의 다른 실시예를 개략적으로 나타낸다. 도시된 바와 같이, 기본적으로 모듈형 매니폴드부는 연료극 열교환기(30), 공기극 열교환기(32), 촉매연소기(40)(42) 및 개질기(50)로 구성되어 있다.
구체적으로, 도 3의 (a) 실시예에 따른 모듈형 매니폴드부(20)는 스택 아래에 연료극 열교환기(30), 공기극 열교환기(32), 촉매연소기(40), 개질기(50) 및 촉매연소기(42) 순으로 구성된다. 그리고, 연료극 열교환기(30)에서 연료전지 스택(10)에 연료가스를 유입시키고, 공기극 열교환기(32)에서 공기를 유입시키는 구조로 이루어져 있다.
먼저, 수소 또는 탄화수소로 구성된 저온의 연료가스는 개질기(50)에서 수소를 포함하는 연료가스로 전환된 후, 연료극 열교환기(30)를 통과하는 연료가스 공급유로(60)를 통해 스택(10)에 공급된다. 그리고, 연료극 열교환기(30)에는 연료극 배기가스 유로(70)가 구비되어, 고온의 연료극 배기가스와 스택(10)에 공급되는 저온의 연료가스 간에 열교환이 이루어진다. 이에 따라, 저온의 연료가스 온도가 상승한다.
또한, 촉매연소기(42)에서 고온의 연료극 배기가스와 공기의 혼합가스가 촉매연소되어 고온의 연소가스를 발생시키고, 고온의 연소가스는 연소가스 유로(80b)를 통해 연료극 열교환기(30)로 유입된다.
이처럼, 촉매연소기(42)의 연소가스 유로(80b)가 연료극 열교환기(30)를 통과하여 구성되어, 고온의 연소가스와 저온의 연료가스 간에 열교환이 이루어져, 연료가스의 온도를 상승시킨다.
즉, 스택(10)에 공급되는 저온의 연료가스는, 고온의 연료극 배기가스와 촉매연소기(42)의 연소가스와 열교환되어, 적정 반응온도로 상승된다.
그리고, 저온의 공기는 공기 공급유로(62)를 통해 스택(10)에 공급된다. 그리고, 공기극 열교환기(32)에는 공기극 배기가스 유로(72)가 구비되어, 고온의 공기극 배기가스와 스택(10)에 공급되는 저온의 공기 간에 열교환이 이루어진다. 이에 따라, 저온의 연료가스의 온도가 상승한다.
또한, 촉매연소기(40)의 연소가스 유로(80a)가 분배되어 공기극 열교환기(32)를 통과하도록 구성되어, 고온의 연소가스와 저온의 공기 간에 열교환이 이루어져, 공기의 온도를 상승시킨다.
즉, 스택(10)에 공급되는 저온의 공기는, 고온의 공기극 배기가스와 촉매연소기(40)의 연소가스와 열교환되어, 적정 반응온도로 상승된다.
덧붙여, 촉매연소기(40)는 내부에서 연소반응이 일어나 고온이다. 고온의 촉매연소기(40)와 상대적으로 저온의 공기극 열교환기(32) 사이에 열전달이 이루어져 공기극 열교환기(32)를 통과하는 저온의 공기를 가열한다.
다음, 도 3의 (b) 실시예에 따른 모듈형 매니폴드부(20)는 스택 아래에 연료극 열교환기(30), 촉매연소기(40), 공기극 열교환기(32), 촉매연소기(42) 및 개질기(50) 순으로 구성된다.
먼저, 수소 또는 탄화수소로 구성된 저온의 연료가스는 개질기(50)를 통과하면서 수소를 포함한 연료가스로 전환된 후 연료극 열교환기(30)를 통과해 스택(10)에 공급된다. 그리고, 연료극 열교환기(30)에는 연료극 배기가스 유로(70)가 구비되어, 고온의 연료극 배기가스와 연료가스 공급유로(60)를 통해 스택(10)에 공급되는 저온의 연료가스 간에 열교환이 이루어진다. 이에 따라, 저온의 연료가스의 온도가 상승한다.
즉, 스택(10)에 공급되는 저온의 연료가스는, 고온의 연료극 배기가스와 열교환되어, 적정 반응온도로 상승된다.
그리고, 저온의 공기는 공기 공급 유로(62)를 통해 스택에 공급된다. 그리고, 공기극 열교환기(32)에는 공기극 배기가스 유로(72)가 구비되어, 고온의 공기극 배기가스와 스택에 공급되는 저온의 공기 간에 열교환이 이루어진다. 이에 따라, 저온의 연료가스의 온도가 상승한다.
즉, 스택(10)에 공급되는 저온의 공기는, 고온의 공기극 배기가스와 열교환되어, 적정 반응온도로 상승된다.
덧붙여, 촉매연소기(40)(42)는 내부에서 연소반응이 일어나 고온이다. 고온의 촉매연소기(40)(42)와 상대적으로 저온의 연료극 열교환기(30) 및 공기극 열교환기(32) 사이에 열전달이 이루어져 연료극 열교화기 및 공기극 열교환기를 통과하는 저온의 공기를 가열한다.
여기서, 도 2 및 3의 실시예에 따른 모듈형 매니폴드부(20)의 열교환기(30)(32)에서 열교환이 이루어진 후의 연료가스 및 공기의 온도는 촉매연소기(40)(42)에 유입되는 공기의 유량을 조절하여 제어한다.
즉, 촉매연소기(40)(42)에 유입되는 공기의 유량을 증가시키는 경우에는 촉매연소기에서의 연소반응이 더 활발하게 일어나 촉매연소기 및 연소가스의 온도가 더 높아진다. 따라서, 저온의 연료가스 및 공기와의 열교환량이 증가하여 열교환이 이루어진 후의 연료가스 및 공기의 온도가 보다 높아진다.
촉매연소기(40)(42)에 유입되는 공기의 유량을 감소시키는 경우에는 반대로 열교환이 이루어진 후의 연료가스 및 공기의 온도가 보다 낮아진다.
그리고, 열교환기(30)(32)는 관형, 핀듀브형, 플레이트형 등의 컴팩드형 구조를 사용하고, 촉매연소기(40)(42)도 플레이트형 등의 컴팩트형 구조를 사용하여 모듈형 매니폴드부를 소형화 및 경량화하는 것이 바람직하다.
또한, 개질기는 탄화수소 연료의 종류에 따라 수증기 개질, 부분산화개진 및 자기발열 개질 등의 반응기를 컴팩트형으로 제작하여 구성한다.
이 때, 개질기 종류에 따른 반응온도 유지 및 스택 매니폴드 모듈부에서의 온도편차를 최소하기 위하여 한 개 이상의 열교환기, 촉매연소기 및 개질기를 순차적으로 반복하여 구성할 수 있다.
즉, 본 발명의 상기 열교환기, 촉매연소기 또는 개질기는, 스택에 공급되는 연료가스 및 공기의 온도를 제어토록, 소정 패턴으로 배열되는 것을 특징으로 한다.
따라서, 열교환기, 촉매연소기 및 개질기의 구성에 따라 모듈형 매니폴드부에서의 가스들의 흐름방향 및 개수 등을 유동적으로 변경하여 구성할 수 있다.
다시 말해, 본 발명의 상기 열교환기는, 연료전지 스택의 연료극 배기가스, 공기극 배기가스 또는 상기 촉매연소기의 연소가스 중 적어도 하나 이상을 이용하여, 스택에 공급되는 저온의 연료가스 및 공기를 가열시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 지금까지 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 마련되는 본 발명의 정신이나 분야를 벗어나지 않는 한도 내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변화될 수 있다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자는 용이하게 알 수 있음을 밝혀두고자 한다.
10 ... 스택 20 ... 모듈형 매니폴드부
30 ... 연료극 열교환기 32 ... 공기극 열교환기
40, 42 ... 촉매연소기 50 ... 개질기
60 ... 연료가스 공급유로 62 ... 공기 공급유로
70 ... 연료극 배기가스 유로 72 ... 공기극 배기가스 유로
80, 80a, 80b ... 연소가스 유로

Claims (3)

  1. 연료전지의 스택(10); 및
    상기 스택(10)에 제공되되, 스택 내부로 공급되는 가스와 관련된 부품의 모듈화를 통해 연료전지의 소형화 또는 경량화가 가능토록, 상기 스택(10)의 연료극 배기가스 유로(70)와 연통되는 연료극 열교환기(30) 및 공기극 배기가스 유로(72)와 연통되는 공기극 열교환기(32) 사이에, 상기 연료극 열교환기(30) 및 공기극 열교환기(32)보다 고온의 촉매연소기(40)가 모듈화되어 제공되는 모듈형 매니폴드부(20);
    를 포함하여 구성되며,
    상기 열교환기(30)(32)에서 열교환이 이루어진 후의 연료가스 및 공기의 온도는 촉매연소기(40)에 유입되는 공기의 유량을 조절하여 제어하는 연료전지.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 모듈형 매니폴드부(20)는, 개질기(50)를 더 포함하여 모듈화되는 것을 특징으로 하는 연료전지.
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