KR102098622B1 - 유량 배분이 가능한 연료전지 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공급되는 기체와 반응하여 전기 에너지를 생성하는 셀(Cell)이 적층되는 형태로 구비되고, 상기 셀 사이에 상기 기체가 통과되게 하는 채널이 형성된 연료전지용 스텍; 상기 스텍의 일측에 설치되어 상기 기체를 저장하는 탱크; 상기 탱크에서 상기 채널을 각각 연결되는 복수 개의 연결관; 및 상기 연결관에 각각에 설치되어 개폐되는 유입밸브;가 포함된 것을 특징으로 하는 유량 배분이 가능한 연료전지 시스템을 제공한다.

Description

유량 배분이 가능한 연료전지 시스템{Fuel cell system with the flow control}

본 발명은 유량 배분이 가능한 연료전지 시스템에 관한 것으로, 기체 공급 반응에 의해 전기를 생산하는 연료전지 시스템에 각 셀에 공급되는 기체의 유량을 개별적으로 조절되게 하여 균일 또는 분균일하게 분배 가능하게 하는 기술이다.

연료전지는 수소와 산소가 가지고 있는 화학에너지를 전기화학 반응에 의해 직접 전기에너지로 변환시켜 주는 장치이다.

연료전지는 용융탄산염 연료전지용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC), 고분자전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC), 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC), 인산형 연료전지 (Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC)로 구분되며, 본 발명에서는 특히 고분자전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC), 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)와 관련된다.

본 발명에서는 특히 고분자전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC), 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)에 해당되며, 고체산화물 연료전지를 예를 들면 셀(cell)은 산소 이온전도성 전해질과 그 양면에 위치한 공기극(양극, cathode) 및 연료극(음극, anode)으로 이루어져 있다. 공기극에서 산소의 환원 반응에 의해 생성된 산소 이온이 전해질을 통해 연료극으로 이동하여, 다시 연료극에 공급된 수소와 반응함으로써 물을 생성하게 되며, 이때 연료극에서 전자가 생성되고 공기극에서 전자가 소모되므로 두 전극을 서로 연결하여 전류를 발생시키는 것이 기본 작동원리이다.

종래에는 셀(cell)에 반응하는 기체(산소, 수소)를 스텍으로 일괄적으로 공급되게 했는데, 셀의 상태나 사용환경에 따라 균일한 기체량을 공급하거나 필요에 따라 개별적으로 유량을 조절하여 공급하는 기술이 요구되고 있다.

KR 10-2007-0036502 A

본 발명은 상기의 문제를 해결하기 위한 것으로, 각 셀에 공급되는 기체의 유량을 개별적으로 조절되게 할 수 있는 유량 배분이 가능한 연료전지 시스템을 제공하고자 한다.

상기의 과제를 해결하기 위해 본 발명은 공급되는 기체와 반응하여 전기 에너지를 생성하는 셀(Cell)이 적층되는 형태로 구비되고, 상기 셀 사이에 상기 기체가 통과되게 하는 채널이 형성된 연료전지용 스텍; 상기 스텍의 일측에 설치되어 상기 기체를 저장하는 탱크; 상기 탱크에서 상기 채널을 각각 연결되는 복수 개의 연결관; 및 상기 연결관에 각각에 설치되어 개폐되는 유입밸브;가 포함된 것을 특징으로 하는 유량 배분이 가능한 연료전지 시스템을 제공한다.

상기 스텍의 타측에 설치되어 상기 채널을 통과한 기체를 배출되게 하는 배출밸브가 더 구비된 것을 특징으로 하는 유량 배분이 가능한 연료전지 시스템을 제공한다.

상기 유입밸브는, 제어기에 의해 개별적으로 개폐시간, 개구 단면적 조절이 가능한 것을 특징으로 하는 유량 배분이 가능한 연료전지 시스템을 제공한다.

상기 제어기는 상기 셀의 각각의 온도값을 측정받아 입력받아 상기 유입밸브 개폐 조절이 가능한 것을 특징으로 하는 유량 배분이 가능한 연료전지 시스템을 제공한다.

상기 유입밸브는 체크밸브, 웨이트밸브, 솔레노이드밸브 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 유량 배분이 가능한 연료전지 시스템을 제공한다.

상기 기체는 산소 또는 수소인 것을 특징으로 하는 유량 배분이 가능한 연료전지 시스템을 제공한다.

본 과제의 해결 수단에 제공된 구성에 의하면, 각 셀마다 공급되는 기체를 개별적으로 조절 가능하게 하는 밸브가 설치되어 균일한 양의 기체 공급 또는 사용환경과 셀의 상태에 따라 불균일한 유량으로 기체 공급이 가능하다.

도 1은 본원발명의 스텍 사시도이다.
도 2(a),(b)는 본원발명의 실시예에 따른 유량 배분이 가능한 연료전지 시스템의 제1실시예를 나타낸 도면이다.
도 3(a),(b)은 본원발명의 실시예에 따른 유량 배분이 가능한 연료전지 시스템의 제2실시예를 나타낸 도면이다.

이하에서는 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하고자 한다. 하기 설명 및 첨부 도면에 나타난 바는 본 발명의 전반적인 이해를 위해 제시된 것이므로 본 발명의 기술적 범위가 그것들에 한정되는 것은 아니다 그리고 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 구성 및 기능에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 본원발명의 사시도이고, 본원발명의 스텍(100)은 공급되는 기체와 반응하여 전기 에너지를 생성하게 된다. 여기서 스텍(100)은 셀(10, cell)이 적층된 것으로, 도 1에 기재된 바와 같이 상부채널(12)과 하부채널(14)이 직교하도록 배치되되, 셀 사이에 기체가 통과되어 셀과 화학적 반응에 의해 전기를 생산하게 된다.

여기서, 기체는 산소와 수소이며 셀(10)의 상부채널(12)에는 수소가 유입되게 되며 셀의 하부채널(14)에는 산소가 유입되게 구성되어 있다.

상기 셀(10)은 산소 이온전도성 전해질과, 그 상면에는 연료극(음극, Anode)이 위치하고, 하면에 위치한 공기극(양극, Cathode)으로 이루어져 있다. 공기극에서 산소의 환원 반응에 의해 생성된 산소 이온이 전해질을 통해 연료극으로 이동하여, 다시 연료극에 공급된 수소와 반응함으로써 물을 생성하게 되게 된다.

먼저, 본원발명 유량배분이 가능한 연료전지 시스템의 제1실시예를 설명한다.

<제1실시예>

도 2(a),(b)는 본원발명의 실시예에 따른 유량 배분이 가능한 연료전지 시스템의 제1실시예를 나타낸 도면이다. 도 2(a)는 스텍에 수소가 유입되는 흐름을 나타낸 것이고, 도 2(b)는 스텍에 산소가 유입되는 흐름을 나타낸 것이다.

도 2(a),(b)를 참조하면, 본원발명은 스텍(100), 탱크(200), 연결관(300) 및 유입밸브(400)를 포함하여 구성된다.

상기 스텍(100)은 공급되는 기체와 반응하여 전기 에너지를 생성하는 셀(10, Cell)이 적층되는 형태로 구비되고, 상기 셀(10) 사이에 상기 기체가 통과되게 하는 채널이 형성되게 된다. 여기서 채널은 상기 셀(10)의 상부채널(12)과 하부채널(14)에 각각 형성되며, 상기 셀(10)의 상부채널(12)에는 수소가 유입되고, 상기 셀(10)의 하부채널(14)에는 산소가 유입되게 된다.

상기 탱크(200)는 상기 스텍(100)의 일측에 설치되어 상기 기체를 저장하여 상기 스텍(100)으로 공급할 수 있다. 여기서 상기 스텍(100)의 일측은 기체가 유입되는 입구부분을 의미한다.

상기 연결관(300)은 상기 탱크(200)와 상기 스텍(100)의 채널을 각각 연결하는 관이다. 상기 연결관(300)은 상기 채널의 개수에 대응되게 복수 개가 형성되어 각 채널을 개별적으로 연결하게 된다.

상기 유입밸브(400)는 상기 연결관(300)에 각각 설치되어 개폐에 의해 각 셀에 공급되는 기체의 유량을 조절할 수 있는 밸브이다.

상기 유입밸브(400)는 체크밸브, 웨이트밸브, 솔레노이드밸브 중 어느 하나인 것을 특징으로 하여 실시할 수 있다.

여기서, 상기 유입밸브(400)를 체크밸브로 실시하여 일정압력이 이상이 되면 개구되게 하여 각각의 연결관(300)에 정압으로 각 셀(10)에 기체를 공급할 수 있는 이점이 있다.

또한, 상기 유입밸브(400)를 웨이트밸브로 실시하도록 하는데, 각 채널별로 웨이트를 달리하여 각 셀의 상태나 사용환경에 맞게 유입되는 압력을 조절할 수 있는 이점이 있다.

마지막으로, 상기 유입밸브(400)를 전자적시스템에 의해서 개폐를 조절할 수 있으며 이때는 솔레노이드밸브를 사용하는 것이 바람직하다. 여기서 솔레노이드밸브는 제어기의 설정된 프로그램에 의해 제어되게 한다. 즉 프로그램에 의해 개폐시간을 설정하거나, 개구 단면적을 조절하여 각 채널별로 다양하게 기체를 공급할 수 있다.

한편, 상기 제어기는 상기 셀(10)의 각각의 온도값을 측정받아 입력받고, 설정된 프로그램에 의해 상기 유입밸브(400) 개폐 조절이 가능한 것을 특징으로 하여 셀(10)의 상태에 맞게 기체를 공급할 수 있다. 여기서 셀(10)은 공급되는 기체와 반응하여 고온이 되고, 사용환경과 셀(10)의 상태에 따라서 각 셀(10)마다 온도 차이가 있을 수 있기 때문에 기설정된 온도값에 도달하도록 기체의 유량을 조절할 수 있다.

따라서, 본원발명은 탱크(200)에서 기체를 저장하고 있으며, 연결관(300)과 유입밸브(400)를 통해 스텍(100)에 각 셀(10) 별로 기체의 유량을 배분하고 또한 조절할 수 있는 이점이 있다.

다음은, 본원발명 팽창탱크를 이용한 연료전지 시스템의 제2실시예를 설명한다.

<제2실시예>

도 3(a),(b)은 본원발명의 실시예에 따른 유량배분이 가능한 연료전지 시스템의 제2실시예이다. 도 3(a)은 스텍에 수소가 유입되는 흐름을 도시한 것이고, 도 3(b)는 스텍에 산소가 유입되는 흐름을 도시한 것이다.

도 3(a),(b)을 참조하면 앞서 설명한 제1실시예와 같이 그 구성이 스텍(100), 탱크(200), 연결관(300) 및 유입밸브(400)를 포함하여 구성되는 것은 동일하고, 추가로 배출밸브(500)가 더 구비되게 하였다.

상기의 구성 중 스텍(100), 탱크(200), 연결관(300), 유입밸브(400)는 제1실시예와 동일하다. 상기 탱크(200)에 기체가 저장되어 있고 이 기체는 유입밸브(400)의 개폐에 의해 상기 연결관(300)을 통해 스텍(100)으로 이동되어 반응하게 된다. 기본적인 위의 구성과 작동과정을 동일하므로 중복되는 상세한 설명은 생략하기로 하고 배출밸브(500)에 관해서 설명하기로 한다.

상기 배출밸브(500)은 도 3에 기재된 바와 같이, 상기 스텍(100)의 타측 즉 기체가 빠져나가는 출구부분에 단수개 설치되어 상기 채널을 통과한 기체를 배출되게 한다. 여기서, 상기 배출밸브(500)는 체크밸브로 실시하였는데, 웨이트밸브 또는 솔레노이드밸브도 실시가 가능하다. 상기 배출밸브(500)가 설치됨으로써 개폐를 조절하여 상기 스텍(100)으로 유입된 기체가 셀(10)과의 반응 시간을 조절할 수 있게 된다.

이상에서 설명한 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양하게 변경하여 실시할 수 있는 범위까지 특허청구범위의 보호범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

100: 스텍
200: 탱크
300: 연결관
400: 유입밸브
500: 배출밸브

Claims (6)

1. 공급되는 기체와 반응하여 전기 에너지를 생성하는 셀(Cell)이 적층되는 형태로 구비되되, 상기 셀 사이에 상기 기체가 통과되도록 직교배치된 상부채널과 하부채널로 형성된 연료전지용 스텍;
   상기 스텍의 일측에 설치되어 상기 기체를 저장하는 탱크;
   상기 상부채널과 상기 하부채널의 개수에 대응되게 형성되어, 상기 탱크에서 상기 상부채널과 상기 하부채널로 각각 연결되는 복수개의 연결관;
   상기 연결관에 각각 설치되어 상기 셀의 상태나 사용환경에 따라 개폐되는 유입밸브; 및
   상기 스텍의 타측 상부에 단수개 설치되어 상기 상부채널과 상기 하부채널을 통과한 기체가 배출되도록 상기 셀의 상태나 사용환경에 따라 개폐되는 배출밸브;가 포함된 것을 특징으로 하는 유량 배분이 가능한 연료전지 시스템.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 유입밸브는,
   제어기에 의해 개별적으로 개폐시간, 개구 단면적 조절이 가능한 것을 특징으로 하는 유량 배분이 가능한 연료전지 시스템.
4. 제3항에 있어서,
   상기 제어기는 상기 셀 각각의 측정된 온도값이 입력되어 상기 유입밸브 개폐 조절이 가능한 것을 특징으로 하는 유량 배분이 가능한 연료전지 시스템.
5. 제1항에 있어서,
   상기 유입밸브는,
   체크밸브, 웨이트밸브, 솔레노이드밸브 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 유량 배분이 가능한 연료전지 시스템.
6. 제1항에 있어서,
   상기 기체는,
   산소 또는 수소인 것을 특징으로 하는 유량 배분이 가능한 연료전지 시스템.

Images