KR101343446B1 - 워터 트랩 및 이를 구비한 연료전지 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 워터 트랩 및 이를 구비한 연료전지 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 개질기와 스택 사이에 설치되는 워터트랩을 수분량에 따라 기계적으로 개폐되도록 구성됨으로써, 상기 워터트랩에서 전자식 센서와 밸브의 사용을 배제하여 비용 절감은 물론 상기 기계적 밸브의 채용으로 인해 잔고장을 방지하여 가스와 수분이 원활하게 분리되면서 연료전지 시스템의 효율이 향상될 수 있다.

Description

워터 트랩 및 이를 구비한 연료전지 시스템{WATER TRAP AND FUEL CELL SYSTEM HAVING THE SAME}

본 발명은 워터 트랩 및 이를 구비한 연료전지 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 연료전지 시스템(FUEL CELL SYSTEM)은 수소와 산소가 가진 화학적 에너지를 직접 전기에너지와 열에너지로 변환시키는 전기화학적 발전장치이다. 연료전지 시스템은 발전 효율이 높고 유해물질 배출이 없는 친환경 에너지원으로 각광 받고 있다.

연료전지 시스템은 작동온도와 주연료의 형태에 따라 알카리형(AFC), 인산염형(PAGC), 용융탄산염형(MCFC), 고체전해질형(SOFC), 고분자전해질형(PEMFC) 등으로 구분될 수 있다. 상기 고분자전해질형 연료전지의 전해질은 액체가 아닌 고체 고분자 중합체(Membrane)로서 다른 연료전지와는 구별될 수 있다. 상기 고분자전해질형 연료전지는 통상 LNG, LPG 등의 탄화수소계(CH계열) 연료를 개질유닛에서 탈황공정→개질반응→수소정제공정을 거쳐 수소(H₂)만을 정제하고, 이 정제된 수소를 스택유닛의 연료극으로 공급하여 연료로 사용하고 있다.

도 1은 종래 연료전지 시스템을 개략적으로 보인 모식도이다.

이에 도시된 바와 같이 종래의 연료전지 시스템은, 탄화수소계의 연료에서 수소를 정제하는 개질기(10)와, 상기 개질기(10)에 연결되고 그 개질기(10)에서 정제된 수소를 공급받는 연료극(21)과 대기에서 산소를 공급받는 공기극(22)을 구비하여 수소와 산소의 전기화학적 반응으로 전기와 열을 생산하는 스택(20)을 포함하고 있다.

도면중 미설명 부호인 30은 DC전원을 AC전원으로 변환하여 각종 가전제품 등에 전원을 공급하는 전기변환부, 40은 개질기나 스택에서 발생되는 폐열을 이용하여 온수를 저장하는 온수통이다.

상기와 같은 종래의 연료전지 시스템은, 상기 개질기(10)에서 탄화수소계열의 연료가 개질되어 수소가 정제되고 이 수소는 상기 스택(20)의 연료극(21)으로 공급되는 한편 공기가 상기 스택(20)의 공기극(22)으로 공급됨으로써 상기 연료극(21)에서는 산화반응이, 상기 공기극(22)에서는 환원반응이 일어나게 된다. 이 과정에서 생성되는 전자이온이 상기 연료극(21)에서 공기극(22)으로 이동하면서 전기가 발생하게 되고, 이 연료전지에서 만들어지는 전기와 상용전원에서 공급되는 전기를 가정에서는 적절하게 배분하여 사용하게 됨으로써 상용전원에 대한 의존도를 낮출 수 있게 된다.

한편, 상기 연료극(21)으로 공급되는 수소를 포함한 연료(이하, 가스로 약칭함)의 온도가 개질과정에서 발생되는 열에 의해 적정 범위 이상으로 상승하면서 연료전지의 성능이 저하될 수 있었다. 이를 감안하여, 종래에는 도 2에서와 같이, 상기 개질기(10)와 스택(20) 사이에 복수 개씩의 열교환기(51,52)들과 밸브(61,62,63,64)들을 설치하여 가스의 온도를 적정하게 낮추고 있다. 그리고, 열교환기를 이용하여 가스의 온도를 낮추는 과정에서 응축수가 발생되고 이 응축수는 열교환기의 후류측에 설치되는 워터트랩(water trap)(71,72,73)들에 의해 가스와 수분으로 분리된 후 수분은 버려지거나 재활용된다.

그러나, 상기와 같은 종래 연료전지 시스템의 워터트랩은, 도 3에서와 같이 하우징(701)에 가스입구(702)와 가스출구(703) 그리고 수분출구(704)가 구비되고, 상기 하우징(701)의 수분출구(704)에는 솔레노이드밸브로 된 배수밸브(705)를 갖는 배수관(706)이 연결되며, 상기 하우징(701)의 내부에는 그 하우징(701)에 남은 수분량을 검출하여 상기 배수밸브(705)의 개폐여부를 제어하기 위한 수위센서(706)가 설치되어 있다. 하지만, 상기와 같은 종래의 워터트랩은 수위센서(707)와 솔레노이드 배수밸브(705)와 같이 전자적 신호를 이용하는 장치로 이루어짐에 따라 경우에 따라서는 오작동이 발생될 수 있고 이로 인해 가스와 수분이 함께 외부로 배출되거나 또는 수분배출이 지연되는 것은 물론 별도의 전자식 센서와 밸브의 사용으로 인한 제조비용의 상승이 초래되는 문제점이 있었다.

본 발명의 목적은, 워터트랩이 수분량에 따라 기계적으로 작동되도록 하여 오작동되는 것을 미연에 방지할 수 있고 고가의 부품사용을 배제하여 제조비용을 절감할 수 있는 워터 트랩 및 이를 구비한 연료전지 시스템을 제공하는데 있다.

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 가스입구와 가스출구가 형성되는 제1 공간과, 수분출구가 형성되는 제2 공간을 갖는 하우징; 및 상기 하우징의 제2 공간에서 승강 가능하도록 설치되어 그 하우징의 내부공간에 고이는 수분량에 따라 승강하면서 상기 제1 공간과 제2 공간이 선택적으로 연통되도록 하는 밸브부재;로 이루어지는 워터 트랩이 제공된다.

또, 연료에서 수소를 정제하기 위한 개질기; 상기 개질기에 연결되어 수소와 산소의 전기화학적 반응으로 전기에너지와 열에너지가 생성되는 스택; 상기 개질기와 스택 사이에 설치되어 상기 개질기에서 스택으로 공급되는 연료를 열교환시키는 적어도 한 개 이상의 열교환기; 및 상기 열교환기에 연결되어 그 열교환기를 거치면서 발생된 수분을 포함한 가스에서 수분을 제거하는 적어도 한 개 이상의 워터트랩;을 포함하고, 상기 워터트랩은, 가스입구와 가스출구가 형성되는 제1 공간과, 수분출구가 형성되는 제2 공간을 갖는 하우징; 상기 하우징의 제2 공간에서 승강 가능하도록 설치되어 그 하우징의 내부공간에 고이는 수분량에 따라 승강하면서 상기 제1 공간과 제2 공간이 선택적으로 연통되도록 하는 밸브부재;로 이루어지는 연료전지 시스템이 제공된다.

본 발명에 의한 워터 트랩 및 이를 구비한 연료전지 시스템은, 상기 개질기와 스택 사이에 설치되는 워터트랩을 수분량에 따라 기계적으로 개폐되도록 구성됨으로써, 상기 워터트랩에서 전자식 센서와 밸브의 사용을 배제하여 비용 절감은 물론 상기 기계적 밸브의 채용으로 인해 잔고장을 방지하여 가스와 수분이 원활하게 분리되면서 연료전지 시스템의 효율이 향상될 수 있다.

도 1은 종래 연료전지 시스템을 개략적으로 보인 모식도,
도 2는 종래 연료전지 시스템에서 개질기와 스택 사이를 보인 모식도,
도 3은 도 2에 따른 워터트랩을 보인 단면도,
도 4는 본 발명 연료전지 시스템에서 개질기와 스택 사이를 보인 모식도,
도 5는 도 4에 따른 워터트랩의 일실시예를 보인 단면도,
도 6은 도 5의 "I-I"선 단면도,
도 7은 도 5에 따른 워터트랩에서 수분배출과정을 보인 단면도,
도 8은 도 4에 따른 워터트랩의 다른 예를 보인 단면도.

이하, 본 발명에 의한 워터 트랩 및 이를 구비한 연료전지 시스템을 첨부도면에 도시된 일실시예에 의거하여 상세하게 설명한다.

도 4는 본 발명 연료전지 시스템에서 개질기와 스택 사이를 보인 모식도이고, 도 5는 도 4에 따른 워터트랩의 일실시예를 보인 단면도이며, 도 6은 도 5의 "I-I"선 단면도이다.

이에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 연료전지 시스템은, 건물의 지하에 마련된 기계실에는 탄화수소계열의 연료에서 수소를 정제하는 개질기(10)가 설치되고, 각 가정에는 상기 개질기(10)에 병렬 연결되어 수소와 산소의 전기화학적 반응으로 전기에너지와 열에너지를 생성하는 스택(20)이 설치된다.

상기 개질기(10)는 버너(미도시)를 이용하여 탄화수소계열의 연료와 반응하기 위한 증기를 발생하는 증기발생단계와, 연료와 수증기가 개질 반응하여 수소를 발생시키는 증기반응단계와, 증기반응단계를 거치면서 부산물로 발생된 일산화탄소를 재반응시켜 수소를 추가 발생시키는 중온수반응단계와, 상기 중온수반응기를 통과한 연료에 공기를 공급하여 그 공기를 촉매로 연료중의 일산화탄소를 제거하는 부분산화반응단계를 차례대로 진행할 수 있도록 이루어진다.

또, 상기 개질기(10)에는 LNG와 같은 탄화수소계열의 연료를 공급하여 탈황공정→개질반응→수소정제공정을 거쳐 정제된 수소(H₂)를 스택(20)으로 공급하도록 수소공급관(11)이 연결된다.

상기 수소공급관(11)의 중간, 즉 상기 개질기(10)와 스택(20) 사이에는 상기 개질기(10)에서 수소를 정제하는 과정에서 발생되는 열을 방열하기 위한 열교환기(51)(52)가 설치되고, 상기 열교환기(51)(52)의 출구측에는 그 열교환기(51)(52)에서의 열교환 과정에서 가스에 발생되는 수분을 제거하기 위한 워터트랩(water trap)(171)(172)(173)이 각각 설치된다.

상기 워터트랩(이하에서는, 복수 개의 워터트랩 중에서 최상류측 워터트랩을 예로 들어 살펴본다)(171)은 도 5에서와 같이, 가스입구(111)와 가스출구(112) 그리고 수분출구(113)를 갖는 하우징(110)과, 상기 하우징(110)의 내부에 설치되어 그 하우징(110)에서 분리되는 수분을 선택적으로 배출하기 위한 밸브부재(120)로 이루어진다.

상기 하우징(110)은 소정의 내부공간(101)이 구비되고, 상기 내부공간(101)은 가스입구(111)와 가스출구(112)가 형성되는 제1 공간(102)과 상기 수분출구(113)가 형성되는 제2 공간(103)으로 구획된다. 상기 하우징(110)의 내부공간(101)에는 상기 제1 공간(102)과 제2 공간(103) 사이를 구획하는 구획판(105)이 형성된다. 상기 구획판(105)은 상기 하우징(110)의 내주면에 일체로 연장 형성되고, 그 구획판(105)의 중앙에는 상기 제1 공간(102)과 제2 공간(103) 사이를 연통시키는 연통구멍(106)이 형성된다. 그리고 상기 구획판(105)은 상기 연통구멍(106)의 중심을 향해 함몰지도록 깔때기 모양으로 형성될 수 있다.

상기 가스입구(111)와 가스출구(112)는 상기 하우징(110)의 상면에 각각 연통되도록 형성되는 반면, 상기 수분출구(113)는 상기 하우징(110)의 바닥면에서 소정의 높이만큼 돌출되어 연통되도록 형성된다.

상기 밸브부재(120)는 상기 연통구멍(106)을 선택적으로 개폐하는 밸브판(121)과, 상기 밸브판(121)을 탄력 지지하는 지지스프링(122)과, 상기 밸브판(121)이 상하방향으로 움직이도록 안내하는 가이드(123)로 이루어진다.

상기 밸브판(121)은 상면(개폐면)이 상기 연통구멍(106)에 대응되도록 돔 모양으로 곡면지게 형성될 수 있다. 그리고 상기 밸브판(121)의 저면은 편평하게 형성되어 그 중앙에 후술할 가동측 가이드(126)가 소정의 길이를 갖는 봉 모양으로 돌출 형성된다. 그리고 상기 밸브판(121)은 상기 구획판(105)에 충돌할 수 있으므로 탄성재질로 형성되는 것이 바람직할 수 있다.

상기 지지스프링(122)은 압축 코일스프링으로 이루어져 후술할 고정측 가이드(125)에 삽입되어 결합된다. 그리고 상기 지지스프링(122)의 상단은 상기 밸브판(121)의 저면에 지지되는 반면 그 하단은 상기 하우징(110)의 바닥면에 지지된다.

상기 가이드(123)는 하우징(110)의 바닥면에 소정의 높이로 돌출되는 고정측 가이드(125)와, 상기 고정측 가이드(125)에 대해 상하 방향으로 미끄러지게 삽입되도록 상기 밸브판(121)의 저면에 소정의 길이만큼 돌출 형성되는 가동측 가이드(126)로 이루어진다.

상기 고정측 가이드(125)와 가동측 가이드(126) 중에서 적어도 어느 한 쪽에는 상하 방향으로 길게 홈(도면에선, 고정측 가이드에 홈(1251)이 형성됨)이 형성되어 상대쪽 가이드가 미끄러지게 삽입되도록 하는 것이 바람직하다.

도면중 종래와 동일한 부분에 대하여는 동일한 부호를 부여하였다.

상기와 같은 본 발명에 의한 워터 트랩 및 이를 구비한 연료전지 시스템은 다음과 같은 작용 효과가 있다.

즉, 상기 개질기(10)에서 탄화수소계열의 연료를 개질하여 수소를 정제하고, 이 수소가 상기 스택(20)의 연료극(21)으로 공급되는 한편 공기가 상기 스택(20)의 공기극(22)으로 공급됨으로써 상기 연료극(21)에서는 산화반응이, 상기 공기극(22)에서는 환원반응이 일어나게 한다. 이 과정에서 생성되는 전자가 상기 연료극(21)에서 공기극(22)으로 이동하면서 전기에너지가 발생되고, 그 전기에너지는 상기 전기변환유닛(미도시)에서 교류전기로 전환된다.

여기서, 상기 개질기(10)에서 정제된 수소를 포함한 가스는 수소공급관(11)으로 연결된 워터트랩(171)(172)(173)으로 유입되고, 상기 워터트랩(171)(172)(173)에서 가스와 수분이 분리되어 가스는 상기 수소공급관(11)을 통해 스택(20)으로 공급되는 반면 수분은 배수관을 통해 외부로 배출된다.

이때, 도 7에서와 같이, 상기 워터트랩의 하우징(110)으로 유입되는 가스는 제1 공간(102)에서 가스와 수분으로 분리되고, 가스에서 분리된 수분은 상기 구획판(105)에 고이게 된다. 그러면, 상기 구획판(105)의 상면에 고인 수분의 양이 일정량 이상이 되면 밸브판(121)을 눌러 밸브판(121)이 지지스프링(122)의 탄성력을 이기면서 하향 이동하여 연통구멍(106)이 열리게 된다. 그러면 상기 제1 공간(102)에 채워졌던 수분이 연통구멍(106)을 통해 제2 공간(103)으로 이동하게 되고, 그 제2 공간(103)을 일정정도 채우면 수분출구(113)를 통해 배수관으로 이동하여 외부로 배출된다.

그리고 상기 구획판(105)의 상면에 고인 수분의 양이 감소하면 그 수분에 의해 밸브판(121)을 누르던 힘이 약해지면서 상기 밸브판(121)은 지지스프링(122)의 탄성력에 의해 상승하여 상기 연통구멍(106)을 다시 차단하게 된다.

상기와 같이 밸브판(121)이 상하 방향으로 이동하는 과정에서 상기 밸브판(121)의 가동측 가이드(126)와 하우징(110)의 고정측 가이드(125)가 서로 반경방향으로 지지함에 따라 상기 밸브판(121)은 안정적으로 상하 이동할 수 있게 된다.

이렇게, 상기 개질기와 스택 사이에 설치되는 워터트랩에 수분량에 의해 기계적으로 작동되는 밸브부재가 구비됨에 따라 별도의 수위센서와 전자식 밸브를 설치할 필요도 없고 이를 통해 워터트랩의 제조비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라 전자식 제어밸브의 오작동으로 인한 워터트랩의 성능저하를 미연에 방지하여 연료전지 시스템의 효율을 높일 수 있다.

한편, 본 발명에 의한 연료전지 시스템의 워터트랩에 대한 다른 실시예가 있는 경우는 다음과 같다.

즉, 전술한 실시예에서는 상기 하우징의 제1 공간과 제2 공간이 구획판에 의해 고정적으로 구획되고 상기 구획판의 연통구멍을 개폐하는 별도의 밸브가 구비되는 것이었으나, 본 실시예는 상기 하우징의 제1 공간과 제2 공간이 밸브에 의해 가변적으로 구획되는 것이다.

도 8은 도 4에 따른 워터트랩의 다른 예를 보인 단면도이다.

이에 도시된 바와 같이 본 실시예에 의한 워터트랩은, 상기 하우징(210)의 내부공간에 밸브부재(220)가 상하방향으로 이동 가능하게 설치되고, 상기 하우징(210)의 상측공간에 해당하는 제1 공간(202)에는 가스입구(211)와 가스출구(212)가 연통되도록 형성되며, 상기 하우징(210)의 하측공간에 해당하는 제2 공간(203)에는 수분출구(212)가 연통되도록 형성된다. 여기서, 상기 수분출구(213)는 후술할 밸브판(221)이 하강할 때 열릴 수 있도록 하우징(210)의 측벽면에 연통되도록 형성될 수 있다.

상기 밸브부재(220)는 상기 하우징(210)의 내주면에 미끄러지게 구비되어 상기 제1 공간(202)과 제2 공간(203)의 사이를 구획하였다가 선택적으로 연통시키는 밸브판(221)과, 상기 밸브판(221)을 탄력 지지하는 지지스프링(222)과, 상기 밸브판(222)이 상하방향으로 움직이도록 안내하는 가이드(223)로 이루어진다.

상기 밸브판(221)의 외경은 상기 하우징(210)의 내경과 거의 동일하게 형성될 수 있고, 상기 밸브판(221)의 상면은 편평하게 형성될 수도 있지만 중앙부위로 함몰지거나 볼록하게 형성될 수도 있다.

상기 지지스프링(222)과 상기 가이드(223)는 전술한 실시예와 유사하게, 즉 하우징(210)에는 고정측 가이드(225)가, 밸브판(221)에는 가동측 가이드(226)가 형성될 수 있으므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다. 다만, 상기 밸브판(221)이 지지스프링(222)에 의해 복원될 때 과도하게 상승하지 못하도록 별도의 스토퍼(미도시)가 하우징(210)의 내주면에 형성될 수 있다. 그리고 상기 가이드(223)는 도면에서와 같이 밸브판(221)의 저면 중앙에 형성될 수도 있지만 경우에 따라서는 밸브판(221)의 외주면과 하우징(210)의 내주면에 각각 돌기와 홈 모양으로 형성될 수도 있다.

상기와 같은 본 실시예에 의한 워터트랩이 구비되는 연료전지 시스템의 기본적인 구성과 이에 따른 작용 효과는 전술한 실시예와 대동소이하다. 다만, 본 실시예와 같이 밸브판(221)을 이용하여 하우징(210)의 내부공간(201)을 제1 공간(202)과 제2 공간(203)으로 구획하는 경우에는 하우징(210)의 제작이 용이하고 상기 밸브판(221)의 외주면이 하우징(210)의 내주면에 접촉되어 움직이게 되므로 상기 밸브판(221)의 직진성이 향상되어 하우징(210)과 밸브판(221)의 동심도가 유지될 수 있다.

110 : 하우징 102 : 제1 공간
103 : 제2 공간 105 : 구획판
106 : 연통구멍 111 : 가스입구
112 : 가스출구 113 : 수분출구
120 : 밸브부재 121 : 밸브판
122 : 지지스프링 123 : 가이드
125 : 고정측 가이드 126 : 가동측 가이드

Claims (8)

1. 가스입구와 가스출구가 형성되는 제1 공간과, 수분출구가 형성되는 제2 공간을 갖는 하우징; 및
   상기 하우징의 제2 공간에서 승하강이 가능하도록 설치되어 그 하우징의 내부공간에 고이는 수분량에 따라 승하강하면서 상기 제1 공간과 제2 공간이 선택적으로 연통되도록 하는 밸브부재;를 포함하고,
   상기 하우징은 제1 공간과 제2 공간이 상하방향으로 구획되도록 구획판이 형성되고, 상기 구획판은 중앙부가 하향 함몰되도록 형성되며, 상기 구획판의 중앙에는 수분이 제1 공간에서 제2 공간으로 배출되도록 연통구멍이 형성되고,
   상기 밸브부재는 상기 연통구멍을 개폐하도록 설치되는 워터 트랩.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 상기 밸브부재는,
   상기 연통구멍을 개폐하는 밸브판;
   상기 밸브판을 탄력 지지하는 스프링; 및
   상기 밸브판이 상하방향으로 움직이도록 안내하는 가이드;로 이루어지는 워터 트랩.
4. 제3항에 있어서, 상기 가이드는,
   상기 밸브판의 저면에 상하방향으로 돌출 형성되는 가동측 가이드; 및
   상기 가동측 가이드가 상하방향으로 미끄러지게 삽입되도록 상기 하우징의 저면에 형성되는 고정측 가이드;로 이루어지는 워터 트랩.
5. 가스입구와 가스출구가 형성되는 제1 공간과, 수분출구가 형성되는 제2 공간을 갖는 하우징; 및
   상기 하우징의 제2 공간에서 승하강이 가능하도록 설치되어 그 하우징의 내부공간에 고이는 수분량에 따라 승하강하면서 상기 제1 공간과 제2 공간이 선택적으로 연통되도록 하는 밸브부재;를 포함하고,
   상기 하우징은 상기 밸브부재에 의해 상기 제1 공간과 제2 공간이 가변되도록 구획되며,
   상기 밸브부재는,
   상기 하우징의 내주면에 외주면이 미끄러지게 형성되어 상기 제1 공간과 제2 공간 사이를 구획하는 동시에 선택적으로 연통시키는 밸브판;
   상기 밸브판을 탄력 지지하는 스프링; 및
   상기 밸브판이 상하방향으로 움직이도록 안내하는 가이드;를 포함하는 워터 트랩.
6. 삭제
7. 제5항에 있어서, 상기 가이드는,
   상기 밸브판의 저면에 상하방향으로 돌출 형성되는 가동측 가이드; 및
   상기 가동측 가이드가 상하방향으로 미끄러지게 삽입되도록 상기 하우징의 저면에 형성되는 고정측 가이드;로 이루어지는 워터 트랩.
8. 연료에서 수소를 정제하기 위한 개질기;
   상기 개질기에 연결되어 수소와 산소의 전기화학적 반응으로 전기에너지와 열에너지가 생성되는 스택;
   상기 개질기와 스택 사이에 설치되어 상기 개질기에서 스택으로 공급되는 연료를 열교환시키는 적어도 한 개 이상의 열교환기; 및
   상기 열교환기에 연결되어 그 열교환기를 거치면서 발생된 수분을 포함한 가스에서 수분을 제거하는 적어도 한 개 이상의 워터트랩;을 포함하고,
   상기 워터트랩은 제1항 또는 제3항 내지 제5항 또는 제7항의 어느 한 항으로 이루어지는 연료전지 시스템.

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