KR101411509B1 - 연료전지 스케일 업 시스템 - Google Patents

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성용욱
유현수
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삼성중공업 주식회사
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Abstract

연료전지 스케일 업 시스템이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스케일 업 시스템은, 산화환원반응에 의해 전기를 생산하는 복수의 단위 연료전지; 복수의 단위 연료전지에서 환원된 음극액을 공급받아 산화반응시키고, 산화된 음극액을 복수의 각 단위 연료전지로 이송시키는 공동 재생반응기; 및 공동 재생반응기와 단위 연료전지에 각각 결합되며, 음극액을 공동 재생반응기와 단위 연료전지 사이로 순환시키는 복수의 음극액 순환관을 포함한다.

Description

연료전지 스케일 업 시스템{A Fuel Cell Scale Up System}
본 발명은, 연료전지 스케일 업 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 복수의 단위 연료전지들을 조합하여 용량을 증가시킬 수 있는 연료전지 스케일 업 시스템에 관한 것이다.
물을 전기분해하면 전극에서 산소와 수소가 발생하게 된다. 연료전지는 물의 전기분해의 역반응을 이용하는 것으로 수소와 산소로부터 전기와 물을 만들어 내는 것이다.
연료전지에는 여러 가지 종류가 있으나 그 중에서 고분자 전해질 막 연료전지(PEMFC, Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)는 액체가 아닌 고체 고분자 중합체(Membrane)를 연료전지의 전해질로 사용하는 것으로서, 작동온도가 약 섭씨 80도로 연료전지 중 가장 낮고 출력 밀도가 크므로 소형화가 가능하며 응용 기술의 적용이 쉽기 때문에 자동차와 선박 등의 휴대용 발전과 중소형 발전에서 사용하기에 적합하다.
다만, 일반적으로 고가의 백금 촉매를 사용하므로 비용이 많이 들기 때문에 비용 대비 발전효율이 떨어지는 단점이 있다.
이에 비해 산화환원 연료전지(Redox Fuel Cell)는 고분자 전해질 막 연료전지(PEMFC)와 작동 원리가 유사하지만 연료전지의 음극의 전해질을 촉매용액으로 대신하는 특징이 있다. 따라서 고가의 백금 촉매 저감 효과에 의해 총 시스템 비용을 절감할 수 있어 비용 대비 발전 효과가 좋은 장점이 있다.
그런데, 이러한 종래의 산화환원 연료전지 시스템에 있어서, 각각의 단위 산화환원 연료전지는 촉매용액인 음극액을 산화반응에 의해 재생시키기 위한 재생반응기(Regenerator)를 필요로 하며, 또한 이러한 재생반응기를 작동시키기 위하여 재생반응기에 공기를 공급하는 블로워(Blower)와 음극액을 단위 산화환원 연료전지와 재생반응기 사이로 이동시키는 펌프(Pump)가 재생반응기에 마련되어야 한다.
따라서 복수의 단위 산화환원 연료전지들을 조합하여 용량을 키우기 위해 연료전지 스케일 업 시스템을 개발함에 있어서, 각각의 단위 연료전지별로 전력을 소모하는 구성 요소인 블로워와 펌프를 구비하도록 구성하게 되면, 연료전지 스케일 업 시스템의 구성비용이 증가하게 되고, 또한 각각의 블로워와 펌프에서 전력 소모가 발생하므로 시스템의 운용 비용이 증가하는 문제점이 있다.
대한민국 공개특허 제10-2010-0125256호, 2010.11.30.
따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 효율적인 구조로써 복수의 단위 연료전지들을 조합하여 용량을 증가시킬 수 있는 연료전지 스케일 업 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 산화환원반응에 의해 전기를 생산하는 복수의 단위 연료전지; 상기 복수의 단위 연료전지에서 환원된 음극액을 공급받아 산화반응시키고, 산화된 상기 음극액을 상기 복수의 각 단위 연료전지로 이송시키는 공동 재생반응기; 및 상기 공동 재생반응기와 상기 단위 연료전지에 각각 결합되며, 상기 음극액을 상기 공동 재생반응기와 상기 단위 연료전지 사이로 순환시키는 복수의 음극액 순환관을 포함하는 연료전지 스케일 업 시스템이 제공될 수 있다.
상기 공동 재생반응기는, 상기 복수의 음극액 순환관을 통해 상기 복수의 각 단위 연료전지에서 공급되는 상기 음극액을 산화반응시키기 위한 공통 하우징; 및 상기 공통 하우징의 내부에 배치되며 상기 음극액의 산화를 촉진시키고 상기 공통 하우징 내의 상기 음극액의 순환을 촉진시키는 에어레이션(aeration) 모듈을 포함할 수 있다.
상기 공동 재생반응기는, 상기 공통 하우징에 결합되어 상기 에어레이션 모듈의 작동을 증진하는 에어레이션 증진 모듈을 더 포함할 수 있다.
상기 에어레이션 증진 모듈은 상기 공동 재생반응기에서 생성된 수증기의 배출에 의하여 상기 에어레이션 모듈의 작동을 증진하는 수증기 배출 모듈이며, 상기 수증기 배출 모듈은, 상기 공통 하우징의 상부에 마련되는 수증기 배출구; 상기 수증기 배출구에 인접하게 배치되어 배출되는 수증기에 의해 회전되는 수증기 배출 임펠러; 및 상기 수증기 배출 임펠러에 결합되어 상기 수증기 배출 임펠러의 회전에 따라 함께 회전하며, 상기 수증기 배출 임펠러의 회전이 상기 에어레이션 모듈의 작동을 증진하도록 상기 에어레이션 모듈에 연결되는 수증기 임펠러 샤프트를 포함할 수 있다.
상기 수증기 임펠러 샤프트는, 상기 수증기 임펠러 샤프트의 내부에 상기 에어레이션 모듈로 공기를 공급하는 공기 이동통로가 마련되어 있을 수 있다.
상기 에어레이션 모듈은, 회전운동에 의해 상기 공동 재생반응기 내의 상기 음극액을 대류시키는 대류 임펠러; 및 상기 대류 임펠러에 결합되어 상기 대류 임펠러에 회전력을 제공하는 스테이터를 포함하며, 상기 수증기 임펠러 샤프트는 상기 대류 임펠러 및 상기 스테이터의 중앙부를 관통하도록 설치될 수 있다.
상기 에어레이션 모듈은, 상기 대류 임펠러의 회전속도를 조절하는 컨트롤러를 더 포함할 수 있다.
상기 음극액 순환관은, 상기 공동 재생반응기의 상부와 상기 단위 연료전지의 상부에 각각 결합되며, 상기 공동 재생반응기로부터 상기 단위 연료전지로 상기 음극액을 이동시키는 상부 순환관; 및 상기 공동 재생반응기의 하부와 상기 단위 연료전지의 하부에 각각 결합되며, 상기 단위 연료전지로부터 상기 공동 재생반응기로 상기 음극액을 이동시키는 하부 순환관을 포함할 수 있다.
상기 음극액 순환관은, 상기 상부 순환관 및 상기 하부 순환관 중 어느 한 곳에 설치되어 상기 공동 재생반응기와 상기 단위 연료전지 사이를 이동하는 상기 음극액의 양을 조절하는 유량조절부를 더 포함할 수 있다.
상기 공동 재생반응기가 중심에 배치되고, 상기 복수의 단위 연료전지는 상기 공동 재생반응기의 둘레를 따라 상호 이격 배치될 수 있다.
본 발명의 실시예들은, 효율적인 구조로써 복수의 단위 연료전지들을 조합하여 용량을 증가시킬 수 있는 연료전지 스케일 업 시스템을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스케일 업 시스템의 개략적인 사시도이다.
도 2는 도 1의 연료전지 스케일 업 시스템의 단면을 도시한 개략적인 사시도이다.
도 3은 도 1의 연료전지 스케일 업 시스템의 단면도로서 음극액과 수증기의 이동을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 1의 연료전지 스케일 업 시스템의 개략적인 평면도이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스케일 업 시스템의 개략적인 사시도이고, 도 2는 도 1의 연료전지 스케일 업 시스템의 단면을 도시한 개략적인 사시도이며, 도 3은 도 1의 연료전지 스케일 업 시스템의 단면도로서 음극액과 수증기의 이동을 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 도 1의 연료전지 스케일 업 시스템의 개략적인 평면도이다.
이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스케일 업 시스템(10)은, 복수의 단위 연료전지(100)와, 공동 재생반응기(200)와, 복수의 음극액 순환관(300)을 포함한다.
본 실시예에서는, 공동 재생반응기(200)가 중심에 배치되고, 복수의 단위 연료전지(100)는 공동 재생반응기(200)의 원주 방향 둘레를 따라 상호 이격 배치되며, 복수의 각 단위 연료전지(100)와 공동 재생반응기(200)는 음극액 순환관(300)을 통해 연결된다.
우선 복수의 단위 연료전지(100)를 살펴보면, 복수의 단위 연료전지(100)는 산화환원반응에 의해 전기를 생산하는 역할을 한다.
연료전지의 단위 셀(Single cell)은, 도시되지 않았지만, 연료극(Anode)과 공기극(Cathode)의 두 개의 다공성 전극과, 이들 사이에 결합하여 이들을 격리하는 양성자 교환 막(Proton exchange membrane)을 포함한다. 양성자 교환 막(Proton exchange membrane)은 연료극(Anode)과 공기극(Cathode) 사이로 이온의 이동통로를 제공하지만 전자(e-)의 이동은 차단한다.
연료극(Anode)에 수소연료(Hydrogen fuel)가 공급되면 다공성 전극인 연료극(Anode) 및 공기극(Cathode), 그리고 양성자 교환 막(Proton exchange membrane)을 매개로 전극반응이 일어난다.
이때 수소원자로부터 전자(e-)가 분리되어 생성된 수소이온(H+)은 이온 전도성 물질인 양성자 교환 막(Proton exchange membrane)을 통과하여 공기극(Cathode)으로 전달되고, 전자(e-)는 외부회로를 통해 공기극(Cathode)으로 전달된다.
H2와 O2의 전기화학 반응인 전극반응에 의해 정해진 공기극(Cathode)의 전위는 연료극(Anode)에 비해서 수 볼트 높으며, 이에 의해 전기가 발생된다.
음극액(Catalyst solution)은 공기극(Cathode)을 따라 흐르면서 수소이온(H+)과 결합하여 환원되고 공동 재생반응기(200)로 이동된다.
공동 재생반응기(200)로 이동한 음극액(Catalyst solution)은 수소이온(H+)과 분리되어 산화되며, 분리된 수소이온(H+)은 외부공기(Air)의 산소와 결합하여 수증기로 배출된다.
이러한 연료전지의 단위 셀(Single cell)에서 발생하는 전기는 매우 적은 양이기 때문에 연료전지의 단위 셀(Single cell)을 여러 개 포개서 많은 양의 전기를 발생시키도록 모아 놓은 것을 연료전지의 스택(stack)이라고 하는데, 본 발명의 실시예에서 단위 연료전지(100)는 연료전지의 스택을 의미한다.
한편 본 실시예에서 복수의 단위 연료전지(100)는 원형의 평단면을 갖는 형상을 가지나 본 발명의 권리범위가 이에 한정되지 않으며 각형의 평단면을 갖는 형상을 가질 수도 있을 것이다.
다음으로, 공동 재생반응기(200)는 복수의 단위 연료전지(100)가 음극액(110)을 공유할 수 있도록 한다. 즉 본 실시예에서 공동 재생반응기(200)에 복수의 단위 연료전지(100)가 결합됨으로써 복수의 각 단위 연료전지(100)에서 환원된 음극액(110)을 공동 재생반응기(200)에 모아서 공동으로 산화반응을 통해 재생시키고 다시 복수의 각 단위 연료전지(100)로 공급하게 된다.
이러한 본 실시예에 의하면, 음극액(110)의 순환 및 재생을 위해 필수적인 펌프(pump)와 블로워(blower)를 각각의 단위 연료전지(100)마다 마련하지 않고서 연료전지 스케일 업 시스템(10)을 구현함으로써, 효율적인 구조로써 복수의 단위 연료전지들(100)을 조합하여 용량을 증가시킬 수 있다.
본 실시예에서 공동 재생반응기(200)가 원형의 평단면을 갖는 형상으로 마련되기 때문에 효율적인 공간활용이 가능한 연료전지 스케일 업 시스템(10)을 구성하기 위하여 복수의 각 단위 연료전지(100)가 전술한 바와 같이 공동 재생반응기(200)의 원주 방향 둘레를 따라 상호 이격 배치된다.
이와 같이 공동 재생반응기(200)가 원형의 평단면을 갖는 형상으로 제작되고 복수의 각 단위 연료전지(100)가 그 원주 방향 둘레를 상호 이격 배치되는 경우에는, 공동 재생반응기(200)와 복수의 각 단위 연료전지(100) 사이의 거리가 모두 동일하도록 배치할 수 있어 음극액(110)이 복수의 각 단위 연료전지(100)마다 균일하게 공급될 수 있는 이점이 있다.
이와 같이 복수의 단위 연료전지(100)에서 환원된 음극액(110)을 공급받아 산화반응을 통해 재생시키고 재생된 음극액(110)을 복수의 각 단위 연료전지(100)로 이송시키는 역할을 하는 공동 재생반응기(200)는, 공통 하우징(210)과, 에어레이션(aeration) 모듈(220)과, 에어레이션 증진 모듈(240)을 포함한다.
공통 하우징(210)은 복수의 음극액 순환관(300)을 통해 복수의 각 단위 연료전지(100)에서 공급되는 음극액(110)을 산화반응시키기 위하여 저장하는 역할을 한다.
본 실시예에서 공통 하우징(210)은 복수의 각 단위 연료전지(100)에서 공급되는 음극액(110)을 저장하기 위하여 원형의 평단면을 갖는 탱크 형태로 마련되며, 공통 하우징(210)의 내부로 공급되는 외부 공기(20)가 음극액(110)과 혼합됨으로써 음극액(110)의 산화반응이 촉진된다. 본 실시예에서 공통 하우징(210)은 원형의 평단면을 갖는 탱크 형태로 마련되나 본 발명의 권리범위가 이에 한정되지 않고 다각형의 평단면을 갖는 탱크 형태로 제작될 수 있다.
한편 에어레이션 모듈(220)은 공통 하우징(210)의 내부에 배치된다. 이러한 에어레이션 모듈(220)은, 공통 하우징(210)의 내부로 외부 공기(20)를 공급하고, 음극액(110)이 외부 공기(20)와 접촉하는 표면적이 최대가 될 수 있도록 난류 혼합을 통해 미세한 크기의 기포를 빠르게 생성하는 역할을 하여 음극액(110)의 산화를 촉진시키며, 또한 공통 하우징(210) 내의 음극액(110)의 대류 순환을 촉진시키는 역할을 한다.
이러한 에어레이션 모듈(220)은, 대류 임펠러(221)와, 스테이터(222)와, 컨트롤러(223)를 포함한다.
대류 임펠러(221)는 공통 하우징(210)의 내부로 공급된 외부 공기(20)가 음극액(110)과 접촉하는 표면적이 최대가 될 수 있도록 난류 혼합을 통해 미세한 크기의 기포를 빠르게 생성하기 위해 회전운동을 하며, 이러한 회전운동에 의해 공동 재생반응기(200) 내의 음극액(110)은 대류 순환된다. 또한 대류 임펠러(221)의 회전운동에 의해 음극액(110)은 복수의 각 단위 연료전지(100)와 공동 재생반응기(200) 사이를 순환하게 된다.
이러한 대류 임펠러(221)는 공통 하우징(210)의 중앙 하부에 마련됨으로써 대류 임펠러(221)의 회전운동에 의하여 음극액(110)은 상부를 향해 유동할 수 있게 된다. 즉, 도 3에 자세히 도시된 바와 같이, 대류 임펠러(221)의 회전운동은 대류 임펠러(221)의 하부의 'A' 위치의 음극액(110)을 'B'위치로 상승시킨다.
이때 대류 임펠러(221)의 회전축을 중심으로 음극액(110)이 소용돌이를 형성하며 상승하고, 공기 이동통로(244)를 통하여 공급되어 'A' 위치에 도달한 외부 공기(20)는 음극액(110)과 함께 'B' 위치로 상승하는 도중에 대류 임펠러(221)의 회전운동에 의하여 더욱 미세한 기포로 나누어지므로, 음극액(110)과 접촉하는 면적이 증가하여 음극액(110)의 산화가 촉진된다.
본 실시예에서는 공기 이동통로(244)를 이용하여 외부 공기(20)를 공동 재생반응기(200)의 내부로 공급하고 있으나 본 발명의 권리범위가 이에 한정되지 않고 별도의 공기 공급장치를 마련하여 외부 공기(20)를 공동 재생반응기(200)의 내부로 공급할 수도 있을 것이다.
스테이터(222)는 대류 임펠러(221)에 결합되어 대류 임펠러(221)에 회전력을 제공하는 역할을 한다.
그리고 컨트롤러(223)는 대류 임펠러(221)의 회전속도를 조절함으로써, 음극액(110)의 산화를 촉진시키는 정도를 조절할 수 있고, 또한 음극액(110)이 공동 재생반응기(200)와 복수의 각 단위 연료전지(100) 사이를 순환하는 속도를 조절할 수 있다.
한편, 에어레이션 증진 모듈(240)은 공통 하우징(210)에 결합되어 에어레이션 모듈(220)의 작동을 증진한다. 본 실시예에서 에어레이션 증진 모듈(240)은, 공동 재생반응기(200)에서 생성된 수증기를 배출시켜 에어레이션 모듈(220)의 작동을 증진하는 수증기 배출 모듈(240)로 구현된다.
본 실시예에서 수증기 배출 모듈(240)은, 음극액(110)의 산화반응에 의해 발생된 수증기(30)가 배출되는 압력을 이용하여 별도의 전력을 소모하지 않고 에어레이션 모듈(220)의 작동을 증진시킨다.
또한 본 실시예에서 수증기 배출 모듈(240)은 대류 임펠러(221)의 회전력을 증진시키는 역할 외에도 에어레이션 모듈(230)로 외부 공기(20)를 공급하는 역할을 함께 수행하도록 구성된다.
이러한 수증기 배출 모듈(240)은, 수증기 배출구(241)와, 수증기 배출 임펠러(242)와, 수증기 임펠러 샤프트(243)를 포함한다.
수증기 배출구(241)는 공통 하우징(210)의 상부에 마련되며, 음극액(110)의 산화반응에 의해 발생된 수증기(30)는 이 수증기 배출구(241)로 배출된다. 그리고 수증기 배출구(241)에는 외부로부터 이물질이 들어오는 것을 방지하기 위하여 필터(미도시)가 마련될 수 있다.
수증기 배출 임펠러(242)는 수증기 배출구(241)에 인접하게 배치되어 수증기의 배출 압력에 의하여 회전된다.
그리고 수증기 임펠러 샤프트(243)는 수증기 배출 임펠러(242)에 결합되어 수증기 배출 임펠러(242)의 회전에 따라 함께 회전하며, 수증기 배출 임펠러(242)의 회전이 에어레이션 모듈(230)의 작동을 증진하도록 에어레이션 모듈(230)에 연결된다. 본 실시예에서 수증기 임펠러 샤프트(243)는 대류 임펠러(221) 및 스테이터(222)의 중앙부를 관통하도록 설치되어 수증기(30)의 배출 압력에 의해 수증기 배출 임펠러(242)가 회전하게 되면 함께 회전하여 대류 임펠러(221)의 회전을 유도한다.
또한 수증기 임펠러 샤프트(243)의 내부에는 에어레이션 모듈(220)로 공기를 공급하는 공기 이동통로(244)가 마련되어 있다. 공기 이동통로(244)로 공급되는 공기는 음극액(110)의 산화를 촉진시킨다.
이러한 구성을 갖는 수증기 배출 모듈(240)의 작동에 대해서 간략히 설명하기로 한다.
먼저 음극액(110)의 산화반응에 의해 발생된 수증기(30)가 배출되는 압력에 의해 수증기 배출 임펠러(242)가 회전하게 되고, 수증기 배출 임펠러(242)에 결합된 수증기 임펠러 샤프트(243)가 함께 회전한다.
에어레이션 모듈(220)의 대류 임펠러(221)는 독자적인 구동부에 의해 회전하고 있지만 수증기(30)가 배출되는 압력에 의해 발생된 수증기 임펠러 샤프트(243)의 회전에 따라 에어레이션 모듈(220)의 대류 임펠러(221)의 회전운동이 증진된다. 즉 별도의 전력을 소비하지 않고 수증기(30)의 배출 압력을 이용하여 에어레이션 모듈(220)의 대류 임펠러(221)의 회전운동의 효율을 높일 수 있다.
그리고 수증기 임펠러 샤프트(243)의 내부에 마련된 공기 이동통로(244)를 통하여 에어레이션 모듈(220)로 공기가 공급되며, 에어레이션 모듈(220)은 이렇게 공급된 공기와 음금액(110)이 혼합되도록 함으로써 음극액(110)의 산화를 촉진시킨다.
만약 복수의 단위 연료전지(100)를 조합하여 연료전지의 스케일 업 시스템(10)을 구성할 때에 복수의 각 단위 연료전지(100) 별로 각각의 블로워(미도시)를 마련하는 경우에는 별도의 전력을 소모하게 되지만, 본 실시예에서는 수증기 임펠러 샤프트(243)의 내부에 마련되는 하나의 공기 이동통로(244)를 이용하여 외부 공기(20)를 에어레이션 모듈(220)로 공급하고 있으며, 이에 의하여 효율적인 구조로써 연료전지의 스케일 업 시스템을 구성할 수 있게 되며, 따라서 시스템의 구성비용 및 시스템의 운용 비용을 낮출 수 있게 된다.
그리고 본 실시예에서는 블로워를 따로 설치하지 않고 공기 이동통로(244)만 마련함으로써 에어레이션 모듈(220)로 외부 공기(20)를 공급하도록 하였으나, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되지 않으며, 연료전지 스케일 업 시스템(10)의 용량에 따라 외부 공기(20)를 빠른 시간 내에 많이 공급하여야 할 필요가 있는 경우에는 별도의 블로워를 마련할 수 있을 것이다. 이 경우에도 하나의 블로워만 설치하여 외부 공기(20)를 공급할 수 있기 때문에 복수의 단위 연료전지(100)가 하나의 블로워를 공동으로 활용할 수 있어 다수의 블로워를 설치하는 것에 비하여 효율적인 구조로써 연료전지의 스케일 업 시스템을 구성할 수 있게 된다.
한편, 음극액 순환관(300)은 음극액(110)을 공동 재생반응기(200)와 단위 연료전지(100) 사이로 순환시키기 위하여 마련된다.
이러한 음극액 순환관(300)은 공동 재생반응기(200)와 단위 연료전지(100)에 각각 결합되며, 상부 순환관(310)과, 하부 순환관(320)과, 유량조절부(미도시)를 포함한다.
상부 순환관(310)은 공동 재생반응기(200)의 상부와 단위 연료전지(100)의 상부에 각각 결합되며, 공동 재생반응기(200)로부터 단위 연료전지(100)로 음극액(110)을 이동시키기 위하여 마련된다.
그리고 하부 순환관(320)은 공동 재생반응기(200)의 하부와 단위 연료전지(100)의 하부에 각각 결합되며, 단위 연료전지(100)로부터 공동 재생반응기(200)로 음극액(110)을 이동시키기 위하여 마련된다.
유량조절부(미도시)는 상부 순환관(310) 및 하부 순환관(320) 중 어느 한 곳에 설치되어 공동 재생반응기(200)와 단위 연료전지(100) 사이를 이동하는 음극액(110)의 양을 조절한다.
이하에서는 본 실시예에 따른 연료전지 스케일 업 시스템(10)의 작동과정을 설명한다.
우선 하나의 공동 재생반응기(200)와 복수의 단위 연료전지(100)가 음극액(110)을 공유할 수 있도록 음극액 순환관(300)을 통해 결합된 상태에서 에어레이션 모듈(200)이 작동하면, 대류 임펠러(221)가 'A' 위치의 음극액(110)을 'B' 위치로 상승시킨다.
대류 임펠러(221)의 회전축을 중심으로 음극액(110)이 소용돌이를 형성하며 상승하고, 공기 이동통로(244)를 통해 공통 하우징(210) 내부의 'A' 위치로 공급된 외부 공기(20)는 음극액(110)과 함께 'B' 위치로 상승하는 도중에 대류 임펠러(221)의 회전운동에 의하여 더욱 미세한 기포로 나누어지므로, 음극액(110)과 접촉하는 면적은 증가하여 음극액(110)의 산화가 촉진된다.
공통 하우징(210)의 중심부에서 'B' 위치로 상승하면서 산화반응을 마친 음극액(210)은 공통 하우징(210)의 중심부로부터 상부 순환관(310)이 결합된 주변부로 퍼지게 되고 이에 의하여 상부 순환관(310)을 통해 각각의 단위 연료전지(100)로 이동하게 된다.
단위 연료전지(100)의 내부에서는 음극액(110)이 하강하면서 환원되며 단위 연료전지(100)가 전기를 발생시킨다. 환원반응을 마치고 하강한 음극액(110)은 에어레이션 모듈(200)에 의해 음극액(110)이 상승한 'A' 위치의 빈자리를 메우기 위하여 하부 순환관(320)을 통해 단위 연료전지(100)에서 공통 하우징(210)의 하부 중심부로 이동하게 된다.
이렇게 한 사이클을 이루며 단위 연료전지(100)와 공동 재생반응기(200) 사이를 순환하는 음극액(110)은 단위 연료전지(100)에서 환원되며 전기를 발생시킨 후 공동 재생반응기(200)로 이동하여 산화반응에 의해 재생되고 다시 단위 연료전지(100)로 이동하는 것을 반복하며 순환하게 된다.
이와 같이, 본 실시예에 따르면, 복수의 단위 연료전지들을 조합하여 용량을 증가시키는 경우에 있어서, 하나의 공동 재생반응기(200)와 복수의 단위 연료전지(100)가 음극액(110)을 공유할 수 있도록 음극액 순환관(300)을 통해 결합되도록 구성함으로써 복수의 단위 연료전지(100)에서 환원된 음극액(110)을 하나의 공동 재생반응기(200)에서 공동으로 재생시킬 수 있으며, 에어레이션 모듈(220)을 이용하여 음극액(110)의 산화반응을 촉진시키고 공동 재생반응기(200)와 복수의 각 단위 연료전지(100) 사이로 음극액(110)을 순환시킬 수 있어 효율적인 구조로써 복수의 단위 연료전지들을 조합하여 용량을 증가시킬 수 있다.
전술한 실시예에서는 하나의 공동 재생반응기(200)와 복수의 단위 연료전지(100)가 음극액(110)을 공유할 수 있도록 음극액 순환관(300)을 통해 결합되도록 구성된 것에 대하여 상술하였으나, 복수의 단위 연료전지(100)가 음극액(110)을 공유하는 경우라면 공동 재생반응기(200)가 복수개 마련될 수도 있을 것이다.
이와 같이 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
10 : 연료전지 스케일 업 시스템 20 : 외부 공기
30 : 수증기 100 : 단위 연료전지
110 : 음극액 200 : 공동 재생반응기
210 : 공통 하우징 220 : 에어레이션 모듈
221 : 대류 임펠러 222 : 스테이터
230 : 에어레이션 증진 모듈 240 : 수증기 배출 모듈
241 : 수증기 배출구 242 : 수증기 배출 임펠러
243 : 수증기 임펠러 샤프트 244 : 공기 이동통로
300 : 음극액 순환관 310 : 상부 순환관
320 : 하부 순환관

Claims (10)

  1. 산화환원반응에 의해 전기를 생산하는 복수의 단위 연료전지;
    상기 복수의 단위 연료전지에서 환원된 음극액을 공급받아 산화반응시키고, 산화된 상기 음극액을 상기 복수의 각 단위 연료전지로 이송시키는 공동 재생반응기; 및
    상기 공동 재생반응기와 상기 단위 연료전지에 각각 결합되며, 상기 음극액을 상기 공동 재생반응기와 상기 단위 연료전지 사이로 순환시키는 복수의 음극액 순환관을 포함하는 연료전지 스케일 업 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 공동 재생반응기는,
    상기 복수의 음극액 순환관을 통해 상기 복수의 각 단위 연료전지에서 공급되는 상기 음극액을 산화반응시키기 위한 공통 하우징; 및
    상기 공통 하우징의 내부에 배치되며 상기 음극액의 산화를 촉진시키고 상기 공통 하우징 내의 상기 음극액의 순환을 촉진시키는 에어레이션(aeration) 모듈을 포함하는 연료전지 스케일 업 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 공동 재생반응기는,
    상기 공통 하우징에 결합되어 상기 에어레이션 모듈의 작동을 증진하는 에어레이션 증진 모듈을 더 포함하는 연료전지 스케일 업 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 에어레이션 증진 모듈은 상기 공동 재생반응기에서 생성된 수증기의 배출에 의하여 상기 에어레이션 모듈의 작동을 증진하는 수증기 배출 모듈이며,
    상기 수증기 배출 모듈은,
    상기 공통 하우징의 상부에 마련되는 수증기 배출구;
    상기 수증기 배출구에 인접하게 배치되어 배출되는 수증기에 의해 회전되는 수증기 배출 임펠러; 및
    상기 수증기 배출 임펠러에 결합되어 상기 수증기 배출 임펠러의 회전에 따라 함께 회전하며, 상기 수증기 배출 임펠러의 회전이 상기 에어레이션 모듈의 작동을 증진하도록 상기 에어레이션 모듈에 연결되는 수증기 임펠러 샤프트를 포함하는 연료전지 스케일 업 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 수증기 임펠러 샤프트는,
    상기 수증기 임펠러 샤프트의 내부에 상기 에어레이션 모듈로 공기를 공급하는 공기 이동통로가 마련되어 있는 연료전지 스케일 업 시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 에어레이션 모듈은,
    회전운동에 의해 상기 공동 재생반응기 내의 상기 음극액을 대류시키는 대류 임펠러; 및
    상기 대류 임펠러에 결합되어 상기 대류 임펠러에 회전력을 제공하는 스테이터를 포함하며,
    상기 수증기 임펠러 샤프트는 상기 대류 임펠러 및 상기 스테이터의 중앙부를 관통하도록 설치되는 연료전지 스케일 업 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 에어레이션 모듈은,
    상기 대류 임펠러의 회전속도를 조절하는 컨트롤러를 더 포함하는 연료전지 스케일 업 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 음극액 순환관은,
    상기 공동 재생반응기의 상부와 상기 단위 연료전지의 상부에 각각 결합되며, 상기 공동 재생반응기로부터 상기 단위 연료전지로 상기 음극액을 이동시키는 상부 순환관; 및
    상기 공동 재생반응기의 하부와 상기 단위 연료전지의 하부에 각각 결합되며, 상기 단위 연료전지로부터 상기 공동 재생반응기로 상기 음극액을 이동시키는 하부 순환관을 포함하는 연료전지 스케일 업 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 음극액 순환관은,
    상기 상부 순환관 및 상기 하부 순환관 중 어느 한 곳에 설치되어 상기 공동 재생반응기와 상기 단위 연료전지 사이를 이동하는 상기 음극액의 양을 조절하는 유량조절부를 더 포함하는 연료전지 스케일 업 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 공동 재생반응기가 중심에 배치되고, 상기 복수의 단위 연료전지는 상기 공동 재생반응기의 원주 방향 둘레를 따라 상호 이격 배치되는 연료전지 스케일 업 시스템.
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US5851694A (en) 1996-06-19 1998-12-22 Kashima-Kita Electric Power Corporation Redox flow type battery
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