KR101314982B1 - 부탄연료전지 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 부가적인 동력원을 필요로 하지 않는 공기공급부 및 냉각장치를 포함하는 연료전지 시스템에 관한 것으로, 가압하여 액화된 연료를 저장하는 연료용기; 열 에너지에 의한 촉매 반응을 통해 상기 연료로부터 수소를 발생시키는 개질기; 상기 수소와 산소의 전기화학 반응에너지를 전기 에너지로 변환시켜 전기를 생산하는 전기발생부; 상기 전기발생부에서 생성되는 물을 응축하는 응축기; 및 상기 응축기를 경유하며, 상기 연료의 잠열에 의해 상기 응축기를 냉각하는 열교환기를 포함하는 것을 특징으로 하기 때문에, 별도의 냉각장치를 이용하지 않고 연료용기의 잠열을 이용하여 냉각된 냉각수를 이용하여 응축기를 냉각할 수 있다. 또한 별도의 동력장치를 부가하지 않고 부탄 연료에 공기를 혼합함으로써 전체적으로 보다 컴팩트하고 고효율의 연료전지의 구현이 가능하다.
Figure R1020060005089
연료전지, 부탄연료, 벤츄리관, 잠열

Description

부탄연료전지 시스템{fuel cell system using butane}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고분자 전해질형 연료전지 시스템을 나타낸 개략도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 연료용기에 냉각수용기가 설치된 사시도,
도 3은 본 발명에 실시예에 따라 응축기에 열교환기가 설치된 사시도,
도 4는 종래의 고분자 전해질형 연료전지 시스템을 나타내는 개략도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
110 : 연료용기 120 : 냉각수용기
121 : 절연재 130 : 분배기
133 : 공기혼합기 140 : 개질기
150 : 전기발생부 174 : 열교환기
175 : 응축기 180 : 물저장용기
본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로, 특히 휴대용 부탄연료를 이용한 연료전지 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 연료전지는 수소와 산소의 전기화학 반응에 의해 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 발전시스템이다. 상기 수소는 순수한 수소를 직접 연료전지 시스템에 공급할 수도 있고, 메탄올, 에탄올, 천연가스 등과 같은 물질을 개질하여 수소를 공급할 수도 있다. 상기 산소는 순수한 산소를 직접 연료전지 시스템에 공급할 수도 있고, 공기 펌프 등을 이용하여 통상의 공기에 포함된 산소를 공급할 수도 있다.
연료전지는, 상온 또는 100℃ 이하에서 작동하는 고분자 전해질형 연료전지 및 직접 메탄올형 연료전지, 150∼200℃ 부근에서 작동하는 인산형 연료전지, 600∼700℃의 고온에서 작동하는 용융 탄산염형 연료전지, 1000℃ 이상의 고온에서 작동하는 고체 산화물형 연료전지 등으로 분류된다. 이들 각각의 연료전지는 기본적으로 전기를 발생하는 작동원리는 유사하지만, 사용되는 연료의 종류, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다.
이 중에서 고분자 전해질형 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC)는 메탄올, 에탄올, 천연가스 등의 물질을 개질하여 생성된 수소를 사용하며, 다른 연료전지에 비하여 출력 특성이 탁월하고 작동 온도가 낮을 뿐더러 빠른 시동 및 응답 특성을 가진다. 따라서 자동차와 같은 이동용 전원은 물론 주택이나 공공건물과 같은 분산용 전원 및 휴대용 전자기기와 같은 소형휴대기기용 전 원 등으로 이용할 수 있어 그 응용범위가 넓은 장점이 있다.
도 4는 종래의 고분자 전해질형 연료전지 시스템을 나타내는 개략도이다.
도면상에서 동일한 참조부호는 동일하거나 유사한 구성요소를 가리키며, 도 4의 구성요소 중 설명하지 도면 부호는 후술하는 실시예에서 동일한 도면 부호의 구성요소의 설명을 참조한다.
도 4의 종래의 고분자 전해질형 연료전지 시스템에 있어 연료라 함은 메탄올, 에탄올, 천연가스 등 개질하여 수소를 생성할 수 있는 물질을 의미한다. 또한 상기 부탄연료와 물의 혼합물을 혼합연료라고 정의한다.
도 4를 참조하면, 기본적으로 고분자 전해질형 연료전지는 연료를 저장하는 연료용기(110), 상기 연료를 개질하여 수소를 발생시키는 개질기(140) 및 상기 수소와 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 소정의 전압 및 전류를 발생시키는 전기 발생부(150)를 포함한다.
개질기(140)에 상기 연료를 공급할 때에는 별도의 동력원을 필요로 하는 연료펌프(221, 222)를 필요로 한다. 또한 개질기(140)에는 별도의 동력원을 필요로 하는 공기공급부(224)를 통해 산소가 공급되어 상기 연료를 연소시킨다. 한편, 전기발생부(150)에서 발생되는 물은 응축기(175)에서 냉각되어 응축되는데, 응축기(175)에서의 냉각작용을 용이하게 하기 위하여 별도의 동력원을 필요로 하는 냉각기(274)를 필요로 한다.
이처럼 통상의 고분자형 연료전지 시스템을 운전할 때에는 별도의 동력원을 필요로 하는 장치들을 필요로 하게 되는데, 이는 연료전지를 구동하기 위한 전력을 추가로 필요로 하게 되어 효율적인 연료전지의 운전이 어렵게 된다.
본 발명은 상술한 문제점을 고려하여 도출된 것으로, 본 발명의 목적은 부가적인 동력원을 필요로 하지 않는 공기공급부 및 냉각장치를 포함하는 연료전지 시스템을 제공함에 있다.
상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 가압하여 액화된 연료를 저장하는 연료용기; 열 에너지에 의한 촉매 반응을 통해 상기 연료로부터 수소를 발생시키는 개질기; 상기 수소와 산소의 전기화학 반응에너지를 전기 에너지로 변환시켜 전기를 생산하는 전기발생부; 상기 전기발생부에서 생성되는 물을 응축하는 응축기; 및 상기 응축기를 경유하며, 상기 연료의 잠열에 의해 상기 응축기를 냉각하는 열교환기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 연료전지 시스템은, 상기 연료용기와 접하여 설치하며, 냉각수를 저장하는 냉각수 용기를 더 포함할 수 있고, 상기 냉각수용기의 외측에는 절연재가 설치될 수 있다.
상기 냉각수용기와 상기 열교환기는 서로 유체소통이 가능하게 연결될 수 있고, 상기 열교환기는 상기 냉각수가 유동할 수 있는 도관을 포함할 수 있다. 상기 열교환기는 상기 응축기의 적어도 한쪽에 접하여 제공될 수 있다. 상기 개질기에는 상기 연료가 벤츄리관을 통과함으로서 생기는 음압의 구동력에 의해서 공기가 공급될 수 있다.
상기 연료는 기상의 탄화수소 계열의 물질, 특히 부탄을 포함할 수 있다. 또한 상기 연료용기는 이동식 부탄 연료 용기를 포함할 수 있다.
상기 연료전지 시스템은 고분자 전해질형 연료전지 시스템일 수 있다.
이하, 본 발명을 명확히 하기 위한 바람직한 실시한 예를 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명하도록 한다. 도면상에서 동일한 참조부호는 동일하거나 유사한 구성요소를 가리킨다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고분자 전해질형 연료전지 시스템을 나타낸 개략도이다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템에 있어 연료라 함은, 통상 시중에서 판매하는 부탄연료를 의미하지만, 이에 한정하지 않고 기상의 탄화수소 계열 물질인 LNG, 프로판, 순수 부탄 등을 포함할 수 있다. 상기 부탄연료는 통상 순수한 부탄 및 프로판이 일정 비율로 혼합되어 있다. 또한 상기 부탄연료와 물의 혼합물을 혼합연료라고 정의한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 고분자 전해질형 연료전지는 연료용기(110), 냉각수용기(120), 공기혼합기(133), 개질기(140), 전기발생부(150), 열교환기(174), 응축기(175) 및 물저장용기(180)로 구성된다.
연료용기(110)는 밀폐형의 내압 용기이며, 내부에 연료를 저장한다. 연료용기(110)는 통상 시중에서 판매하는 이동식 부탄 연료 용기를 사용할 수도 있는데, 이하에서는 연료용기(110)로 이동식 부탄 연료 용기를 사용하는 것으로 상술한다. 연료용기(110)는 부탄 연료를 소정의 압력을 가하여 액화시켜 저장한다. 이러한 액상의 부탄 연료는 연료용기(110)의 주변 온도에 의해 기상의 부탄 연료로 일정량 기화된다. 이러한 기상의 부탄 연료로 인하여 연료용기(110)의 내부압이 증가하며, 따라서 별도의 부가 장치 없이 연료용기(110)의 노즐(미도시) 개방을 통해 부탄 연료가 방출되어 분배기(130)에 공급된다. 한편 부탄 연료가 액체 상태에서 기체 상태로 상변화를 하면서 잠열로 인하여 연료용기(110)는 냉각된다.
도 2는 연료용기(110)에 냉각수용기(120)가 설치된 사시도이다.
도 2를 참조하면, 연료용기(110)의 외측에는 냉각수용기(120)가 접하여 설치되고, 냉각수용기(120)의 외측에는 단열재(121)가 설치된다. 냉각수용기(120)에 저장된 냉각수는, 전술한 작용으로 인하여 냉각된 연료용기(110)의 표면과 접하여 냉각되며 단열재(121)를 통해 냉각상태가 유지된다.
다시 도 1을 참조하면, 상기 냉각수는 펌프(171)를 통해 냉각수공급관(172)을 따라 열교환기(174)로 공급된다. 펌프(171)는 되도록이면 최소한의 동력을 필요로 하는 소형으로 채택한다. 상기 냉각수는 열교환기(174)에 형성된 유로를 따라 이동하며 열교환을 통해 열교환기(174)를 냉각한다. 그러면 열교환기(174)와 접하 여 설치된 응축기(175)가 냉각되어, 응축기(175)의 응축작용이 더욱 효율적이 된다. 한편, 열교환기(174)에서 열교환이 끝난 상기 냉각수는 냉각수회수관(173)을 통해 냉각수용기(120)로 회수되어 다시 냉각된다. 이와 같은 구성을 통하여, 별도로 많은 동력을 사용하는 냉각기를 장착할 필요 없이 보다 적은 동력을 사용하는 펌프(171)만을 이용하며, 연료용기(110)의 냉각작용을 이용하여 응축기(175)를 냉각함으로써 보다 컴팩트하고 고효율의 연료전지 운전이 가능하다.
연료용기(110)에서 분배기(130)로 공급된 부탄 연료는 이분된다. 부탄 연료의 일부는 개질 연료로서 제1연료공급관(134)을 통해 후술하는 개질기(140)의 개질반응부(141)로 공급된다. 부탄 연료의 나머지 일부는 연소연료로서 제2연료공급관(135)을 통해 개질기(140)의 열원부(142)로 공급된다. 제1연료공급관(134) 및 제2연료공급관(135)에는 각각 밸브(131, 132)가 설치된다. 밸브(131, 132)의 개도를 조절함으로서 별도의 구동장치가 필요없이 상기 개질연료 또는 상기 연소연료의 공급량을 조절할 수 있다.
한편, 상기 연소연료에는 연소반응에 필요한 일정량의 공기를 혼합하여 개질기(140)의 열원부(142)로 공급해야 한다. 이러한 공기는 동력을 필요로 하는 별도의 장치가 필요없이 공기혼합기(133)를 통해 상기 연소연료와 혼합될 수 있다. 공기혼합기(133)의 중심부는 벤츄리관(136)이 형성되며, 벤츄리관(136)의 중심부는 외기와 유체소통이 가능하도록 흡기관(137)이 설치된다. 벤츄리관(136)을 통해 상기 연소연료가 유입되면, 협소해지는 유로로 인해 상기 연소연료의 유속이 증가한다. 그러면 베르누이의 정리에 의해 압력이 낮아져서 음압이 발생하여 흡기관(137) 을 통해 외기가 흡입된다. 따라서 상기 연소연료와 공기가 혼합되고, 이들은 제2연료공급관(135)를 통해 개질기(140)의 열원부(142)로 공급된다. 따라서 동력을 필요로 하는 별도의 장치 없이 연소연료에 공기를 혼합할 수 있다. 유사한 구조로 별도의 동력장치 없이 상기 개질연료에 물용기(180)에 저장된 물을 혼합할 수 있다.
개질기(140)는 개질반응부(141)와 열원부(142)를 포함한다. 개질반응부(141)는 수증기 개질 촉매 반응을 통해 상기 개질 연료를 개질하여 수소를 주성분으로 하는 개질가스를 생성한다. 상기 연소 연료는 공기와 함께 열원부(142)에 유입되어 연소되어 개질반응부(141)에 열원을 공급한다. 한편 상기 개질 가스에는 일산화탄소가 일정량 포함되어 있기 때문에 상기 개질 가스가 전기발생부(150)에 그대로 유입되면 촉매를 피독시켜 연료전지 시스템의 성능이 저하된다. 따라서 상기 개질 가스에 포함된 일산화탄소를 저감시키기 위하여, 수성가스 전환부(143) 및 선택적 산화부(144)를 통해 각각 수성가스 전환 촉매반응과 선택적 산화 촉매반응을 한다. 이를 통하여, 상기 개질 가스에 포함된 일산화탄소를 제거하고, 고농도의 수소를 얻을 수 있다.
전기발생부(150)는 개질기(140)를 통해 개질된 상기 수소와 공기 공급부(160)를 통해 유입된 통상의 공기에 포함된 산소를 전기화학적인 반응을 일으켜 전기 에너지를 발생시킨다. 전기발생부(150)는 수소와 산소를 각각 산화/환원시키는 전해질막-전극 접합체(154)와, 상기 수소와 상기 산소를 전해질막-전극 접합체(154)로 공급하기 위한 바이폴라 플레이트(155)를 포함할 수 있다. 전해질막-전극 접합체(154)는 양측면을 이루는 애노드 전극(152) 및 캐소드 전극(153) 사이에 전 해질막(151)이 개재된 통상적인 전해질막-전극 접합체의 구조를 가질 수 있다. 전기 발생부(150)의 전기화학 반응을 반응식으로 나타내면 하기 반응식 1와 같다.
애노드 전극 : H2 → 2H+ ＋ 2e-
캐소드 전극 : ½O2 ＋ 2H+ ＋ 2e- → H2O
전체반응식 : H2 ＋ ½O2 → H2O ＋ 전류 ＋ 열
전기 발생부(150)의 일단에는 전술한 응축기(175)가 연결설치된다. 응축기(175)는 전술한 바와 같은 냉각작용을 통해 전기발생부(150)에서 배출된 고온의 수증기를 응축하고, 응축된 물은 물용기(180)에 저장된다.
도 3은 본 발명에 따라 응축기(175)에 열교환기(174)가 설치된 사시도이다. 도 3을 참조하면, 열교환기(174)는 중공관으로 형성되며, 응축기(175)의 상부 및 하부에 접하고, 충분한 열교환이 가능한 적절한 수로 만곡하여 설치된다. 열교환기(174)의 일단은 냉각수공급관(172)과 연통되고, 타단은 냉각수회수관(173)과 연통된다. 상기 냉각수는 냉각수공급관(172)을 통해 열교환기(174)에 유입되어 열교환기(174) 내부를 따라 유동하면서 냉각기(174)와 열교환을 한다. 따라서 냉각기(174)는 냉각되고, 냉각기(174)는 냉각기와 접하여 설치된 응축기(175)와 열교환을 한다. 따라서 응축기(175)는 냉각되어 전기발생부(150)에서 생성된 고온의 수증기 를 보다 용이하게 응축할 수 있다. 열교환이 끝난 상기 냉각수는 냉각수회수관(173)을 통해 유출된다. 본 실시예에서, 열교환기(174)는 응축기(175)의 양측면에 설치하는 것으로 도시하였지만, 열교환기(174)를 응축기(175)의 일측면에만 설치할 수 있다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템에 의하면, 별도의 냉각장치를 이용하지 않고 연료용기의 잠열을 이용하여 냉각된 냉각수를 이용하여 응축기를 냉각할 수 있다. 또한 별도의 동력장치를 부가하지 않고 부탄 연료에 공기를 혼합함으로써 전체적으로 보다 컴팩트하고 고효율의 연료전지의 구현이 가능하다.

Claims (11)

  1. 가압하여 액화된 연료를 저장하는 연료용기;
    열 에너지에 의한 촉매 반응을 통해 상기 연료로부터 수소를 발생시키는 개질기;
    상기 수소와 산소의 전기화학 반응에너지를 전기 에너지로 변환시켜 전기를 생산하는 전기발생부;
    상기 전기발생부에서 생성되는 물을 응축하는 응축기; 및
    상기 응축기를 경유하며, 상기 연료의 잠열에 의해 상기 응축기를 냉각하는 열교환기를 포함하고,
    상기 연료용기와 접하여 설치하며, 냉각수를 저장하는 냉각수 용기를 더 포함하며,
    상기 냉각수는 상기 냉각수 용기와 상기 열교환기 간을 순환하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 냉각수용기의 외측에는 절연재가 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 열교환기는 상기 냉각수가 유동할 수 있는 도관을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 열교환기는 상기 응축기의 적어도 한쪽에 접하여 제공되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 개질기에는 상기 연료가 벤츄리관을 통과함으로서 생기는 음압의 구동력에 의해서 공기가 공급되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 연료는 기상의 탄화수소 계열의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 연료는 부탄을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 연료용기는 이동식 부탄 연료 용기를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  11. 제1항, 제3항, 및 제5항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료전지 시스템은 고분자 전해질형 연료전지 시스템인 것을 특징으로하는 연료전지 시스템.
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