KR102655968B1 - 연료전지 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 과산화수소 수용액을 저장하는 과산화수소 수용액 저장용기, 상기 과산화수소 수용액 저장용기로부터 공급된 상기 과산화수소 수용액을 물과 산소로 분해하는 반응기, 수소를 저장하는 수소 저장용기, 상기 반응기에 의해 생성된 산소를 공급받고 상기 수소 저장용기로부터 수소를 공급받아 전기에너지를 생산하는 연료전지 및 상기 반응기로부터 산소를 공급받아 감온하여 상기 연료전지에 공급하는 열교환 장치를 포함하는 연료전지 시스템으로서, 본 발명에 의하면, 공기가 희박한 환경에서 연료전지 내구성을 저하시키지 않으면서 산소를 안정적으로 공급할 수 있다.
Description
본 발명은 연료와 산화제로부터 전기에너지를 생산하는 연료전지 시스템과 그 연료전지 시스템을 위한 열교환 장치에 관한 것이다.
연료전지는 수소와 산소의 화학 반응을 통해 전기를 생산하며 반응 부산물로 물이 생성되는 친환경 전원이다. 대기 중에서 동작하는 연료전지는 공기 중의 산소를 공급받을 수 있으므로 별도의 산소공급 장치가 불필요하나 우주나 수중 등의 공기가 희박한 환경에서 연료전지를 동작하기 위해서는 산소를 별도로 공급하여야 한다.
이러한 환경에서 산소를 연료전지에 공급하는 기술로 최근 과산화수소를 이용하는 기술이 연구되고 있다. 수용액의 형태로 고밀도 및 장기 저장이 가능한 과산화수소는 필요 시 분해를 통해 물과 산소로 분리할 수 있으므로 공급이 용이하다.
그러나 과산화수소의 분해열로 인해 반응 후 고온의 습산소(기체상태의 산소와 수증기)가 방출되며, 이는 연료전지 손상을 야기하므로 습산소의 온도와 수증기를 조절하여 연료전지에 적합한 상태로 공급하기 위한 기술이 필요하다. 반응기 온도 및 압력 조건에 따라 다르기는 하나, 습산소의 온도는 90℃ 이상으로 연료전지 작동을 위한 적정온도(예로 40℃) 보다 높다. 또한 수분 역시 연료전지 작동 조건에 적합하도록 조절되어야 연료전지 내구성 저하를 방지할 수 있다.
이상의 배경기술에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 돕기 위한 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 본 발명은 공기가 희박한 환경에서 연료전지 내구성을 저하시키지 않으면서 산소를 안정적으로 공급하기 위한 연료전지 시스템 및 연료전지 시스템용 열교환 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 관점에 의한 연료전지 시스템은, 과산화수소 수용액을 저장하는 과산화수소 수용액 저장용기, 상기 과산화수소 수용액 저장용기로부터 공급된 상기 과산화수소 수용액을 물과 산소로 분해하는 반응기, 수소를 저장하는 수소 저장용기, 상기 반응기에 의해 생성된 산소를 공급받고 상기 수소 저장용기로부터 수소를 공급받아 전기에너지를 생산하는 연료전지 및 상기 반응기로부터 산소를 공급받아 감온하여 상기 연료전지에 공급하는 열교환 장치를 포함한다.
그리고, 상기 열교환 장치는 상기 수소 저장용기를 둘러싸 접하도록 구성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 반응기로부터 공급된 산소는 상기 열교환 장치 내의 열전달 유로를 통해 감온되어 상기 연료전지에 공급되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 열전달 유로의 길이는 상기 열전달 유로를 통과하는 산소가 미리 정해진 수렴온도에 도달할 수 있는 이동거리인 수렴길이 이상인 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 열전달 유로는 상기 수소 저장용기에 접하는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 수소 저장용기는 수소저장합금을 포함하고, 상기 열전달 유로를 통과하는 산소는 상기 수소저장합금과 열교환 하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 열전달 유로의 길이는 상기 열전달 유로를 통과하는 산소가 미리 정해진 수렴온도에 도달할 수 있는 이동거리인 수렴길이 이상인 것을 특징으로 한다.
나아가, 상기 열전달 장치는 상기 열전달 유로를 감싸는 단열재를 더 포함하고, 상기 단열재는 상기 수렴길이를 초과하는 영역의 상기 열전달 유로를 감싸도록 배치된 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 열교환 장치의 하면에 하향 경사진 형태로 형성된 배수로 및 상기 배수로와 연결된 물저장 탱크를 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 열전달 유로와 상기 연료전지 간에 구비되어, 미분해 과산화수소 및 수증기를 제거하는 필터를 더 포함할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 일 관점에 의한 연료전지용 열교환 장치는, 연료전지에 수소를 공급하는 수소 저장용기에 접하는 열전달 유로를 포함하고, 과산화수소 수용액으로부터 분해된 산소가 상기 열전달 유로를 경유하여 상기 연료전지에 공급되며, 상기 열전달 유로를 경유하는 산소는 상기 수소 저장용기와의 열교환을 통해 감온되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 열전달 유로의 길이는 상기 열전달 유로를 통과하는 산소가 미리 정해진 수렴온도에 도달할 수 있는 이동거리인 수렴길이 이상인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 열전달 유로를 감싸는 단열재를 더 포함하고, 상기 단열재는 상기 수렴길이를 초과하는 영역의 상기 열전달 유로를 감싸도록 배치된 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 열교환 장치의 하면에는 하향 경사진 형태의 배수로가 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 공기가 희박한 환경에서 과산화수소 분해를 통해 산소를 공급받는 연료전지 시스템에서, 통합 열교환 장치를 통해 반응물인 고온의 습산소가 냉각 및 기액분리되어 연료전지에 유입됨으로써 연료전지 손상을 방지할 수 있다.
또한 수소 방출을 위해 탈착열 등의 추가 열량이 필요한 시스템에서 분해열의 일부를 수소저장용기 내부로 전달함으로써 수소 방출 성능을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 연료전지 시스템을 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 연료전지 시스템용 열교환 장치를 별도 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 연료전지 시스템용 열교환 장치의 열교환 과정을 등가 열회로로 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 연료전지 시스템용 열교환 장치의 응용 실시예를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 열유로 두께에 대한 열유로 내부 온도 구배를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 흡착열에 대한 열유로 내부 온도 구배를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 외부 환경에 대한 열유로 내부 온도 구배를 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 연료전지 시스템용 열교환 장치를 별도 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 연료전지 시스템용 열교환 장치의 열교환 과정을 등가 열회로로 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 연료전지 시스템용 열교환 장치의 응용 실시예를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 열유로 두께에 대한 열유로 내부 온도 구배를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 흡착열에 대한 열유로 내부 온도 구배를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 외부 환경에 대한 열유로 내부 온도 구배를 나타낸 그래프이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지의 기술이나 반복적인 설명은 그 설명을 줄이거나 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 연료전지 시스템을 개략적으로 도시한 것이고, 도 2는 본 발명의 연료전지 시스템용 열교환 장치를 별도 도시한 것이다.
이하, 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 의한 연료전지 시스템 및 연료전지 시스템용 열교환 장치를 설명하기로 한다.
연료전지는 연료와 산화제를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시키는 장치로서, 연료와 산소의 지속적 공급을 요하는 전력생산 수단이다.
본 발명은 산소 공급이 희박한 우주나 수중 공간 등의 환경에서 운영되는 설비나 기체에서 연료전지에 산소를 안정적으로 공급하기 위한 시스템에 관한 것이다.
이를 위한 본 발명의 연료전지 시스템은 산소의 고밀도, 장기 저장을 위해 과산화수소로부터 분리된 산소를 안정적으로 공급하기 위한 것으로서, 과산화수소 수용액 저장용기(21), 수소 저장용기(22), 연료전지(23), 열교환 장치(10) 및 반응기(31)를 포함한다.
그래서, 연료전지(23)는 과산화수소 수용액 저장용기(21)에 저장된 과산화수소가 반응기(31)에 의해 분해되어 생성된 산소를 공급받고, 수소 저장용기(22)로부터 수소를 공급받는다.
반응기(31)에서 과산화수소의 분해열로 인해 반응 후 고온의 습산소가 방출이 되며, 방출된 고온의 습산소는 열교환 장치(10)에 의해 감온시켜 연료전지(23)에 공급함으로써 연료전지(23)의 내구성 저하를 방지할 수 있도록 구성된다.
열교환 장치(10)는 열전달 유로(11)를 포함하고, 반응기(31)에 의해 분해된 산소가 열전달 유로(11)를 통과함으로써 열전달 유로(11)의 외부 환경과 열교환하여 감온되어 연료전지(23)에 공급되게 한다.
나아가, 열교환 장치(10)는 수소 저장용기(22)를 둘러싸 접하도록 구성되어, 외부 환경과 열교환과 더불어 수소 저장용기(22) 내의 수소와 열교환되게 구성될 수 있다.
열교환 장치(10) 내부에 구성되는 열전달 유로(11)를 통해 산소가 이동하며, 열전달 유로(11)가 수소 저장용기(22)의 외면에 접함으로써, 열전달 유로(11)를 통과하는 산소가 수소 저장용기(22)의 수소와 열교환하게 된다.
더 나아가, 수소 저장용기(22) 외면에 밀착되어 수소 저장용기(22)가 열량을 필요로 하는 경우 열을 전달할 수 있으며, 열교환 장치(10)를 통과하는 동안 수소저장 용기(22) 및 외부와의 열교환과 함께 기액 분리가 일어나게 하여 통합 열교환 장치로서 기능하게 할 수 있다.
과산화수소의 분해 반응은 발열 반응으로 반응열은 -98.1 kJ/mol 이며, 반응 후 생성되는 물과 산소의 열역학적 상태는 수용액의 농도 및 반응기의 온도와 압력 조건에 따라 다르다. 예를 들어 상온 상압 조건에서 60 wt.% 농도의 과산화수소 수용액이 100% 분해되었을 때 예측되는 반응물의 온도는 94℃로 예측된다. 반응물은 고온의 산소와 수증기가 혼합된 습산소 상태로 열교환 장치(10)에 유입된다. 반응기(31) 연결부의 크기와 위치는 연료전지(23) 운전에 필요한 산소 유량 및 압력에 따라 설계할 수 있으며 반응물 유동을 균일하게 하기 위하여 여러 개의 다관 형태로 설계될 수 있다.
고온의 습산소는 통합 열교환 장치(10)를 지나는 동안 장치 외부 또는 수소저장용기(22)로 열을 전달하면서 냉각된다. 예를 들어, 수소 저장용기(22)는 수소저장을 위해 수소저장합금일 수 있으며, 이때 열전달을 통해 수소 탈착열을 공급할 수 있다. 외부와의 열전달 예는 수중 또는 우주 환경으로의 열손실을 들 수 있다.
열전달을 통해 습산소의 온도가 감소함에 따라 과포화된 양만큼의 수증기가 응축되므로 열전달과 기액 분리의 동시 진행이 가능하다.
따라서, 기액 분리를 위해 열교환 장치(10)의 하면에 배수로(13)가 형성되고, 응축된 물은 배수로를 통해 배출되며 일부는 물질전달로 인해 다시 증발된다.
즉, 배수로(13)는 도시와 같이 열교환 장치(10) 하면에 하향 경사진 형태로 형성되어, 열교환 장치(10)로부터 발생된 응축된 물이 배수로(13)를 통해 물저장 탱크(40)로 배출되게 된다.
그리고, 열전달 유로(11)는 필터(미도시)를 거쳐 연료전지(23)에 연결될 수 있으며, 필터를 통해 기액 분리 후 수증기의 추가 제거와 미분해 과산화수소의 유입방지가 가능하게 한다.
통합 열교환 장치(10)를 설계하기 위해서는 온도 차이에 의한 열전달 뿐만 아니라 응축/증발로 인한 열전달을 함께 고려한 복합 열전달 현상이 포함된 열해석이 필요하다. 장치의 열회로는 도 3과 같이 구성되는데, 반응물이 가지는 열량은 수소저장용기로 전달되는 열량 Qin과 외부로의 열손실 Qout의 합이 된다. Qin과 Qout의 비율은 Rthermal,in과 Rthermal,out에 따라 정해지는데, Rthermal,in은 수소저장합금의 종류 및 직경, 수소저장용기의 종류 및 두께에 영향을 받고, Rthermal,out은 단열재 등 외부 환경과 접촉하는 과정에 있는 모든 물질의 영향을 받는다. 반응물이 유입되어 장치 내의 열유로에서 이동하는 거리를 x라고 할 때 반응물의 온도는 x가 증가함에 따라 감소하며 감소 거동은 외부 온도와 수소저장 용기로 전달되는 열량에 따라 차이가 있다. 반응물의 온도가 수렴온도 Tconv.보다 낮아지기 시작하는 지점에서의 x를 Tconv.에 대한 수렴길이로 정의하며, 아래와 같이 정의한다.
수렴온도는 사용 용도에 맞게 미리 설정될 수 있다. 예를 들면 연료전지에서 요구되는 적정온도를 수렴온도로 설정할 수 있다.
통합 열교환 장치(10) 설계를 위해서는 수소 저장용기(22)에 전달되는 열량 및 외부 환경에 따른 열손실에 의해 결정되는 수렴길이 이상으로 열전달 유로(11)가 확보될 수 있도록 설계되는 것이 바람직하며, 수소저장용기(22) 내부로의 열전달이 목적인 경우 수렴길이 이상에서 열손실이 발생하므로, 도 4와 같이 열전달 유로(11)에 단열재(12)를 추가하는 것이 바람직하다. 즉, 열전달 유로(11)의 수렴길이 이상의 구간에서 단열재(12)가 열전달 유로(11)를 감싸도록 형성될 수 있으며, 단열재(12)의 구체적인 형상 및 재질은 도 4의 예시에 국한되지 않는다.
예를 들면 과산화수소 반응기(31)에서 출력된 94℃의 습산소가 열전달 장치(10)로 유입되고, 15℃의 외부 환경에서 운용되며 수소저장 용기 내부로 열전도를 통해 전달되는 열량이 160W이고, 연료전지에 유입되는 산소는 40℃ 일 때, 열전달 유로(11) 내에서 습산소 거동은 도 5와 같다. 습산소의 온도는 유로를 지남에 따라 감소하여 열유로 두께가 1.5 cm인 경우의 수렴길이인 15 cm 이후에는 40℃ 이하로 감소하여 오히려 수소저장 용기의 열손실이 발생하므로, 수렴길이 이후의 유로를 지나는 반응물은 열전달 경로 역할만 수행한다. 수소저장 용기가 수렴길이보다 길어야 하는 경우, 이러한 열손실을 방지하기 위해서 수렴길이 이후 구간에서는 단열재 설계가 필수일 수 있다.
통합 열교환 장치(10)의 설계 인자에 따라 수렴길이는 다양하게 나타난다. 설계 인자의 한 예시로 흡착열이 있다. 수소 저장용기(22) 흡착열 전달에 따른 열전달 유로(11) 내에서 습산소 거동은 도 6과 같다. 그리고, 설계 인자의 또 다른 예시로 외부 환경이 있다. 70 W 흡착열 조건에서 외부 환경 변화에 따른 열전달 유로(11) 내 습산소 거동은 도 7과 같다.
이상과 같은 본 발명은 예시된 도면을 참조하여 설명되었지만, 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형될 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이며, 본 발명의 권리범위는 첨부된 특허청구범위에 기초하여 해석되어야 할 것이다.
10 : 열교환 장치
11 : 열전달 유로
12 : 단열재
13 : 배수로
21 : 과산화수소 수용액 저장용기
22 : 수소저장용기
23 : 연료전지
31 : 반응기
40 : 물저장 탱크
11 : 열전달 유로
12 : 단열재
13 : 배수로
21 : 과산화수소 수용액 저장용기
22 : 수소저장용기
23 : 연료전지
31 : 반응기
40 : 물저장 탱크
Claims (14)
- 과산화수소 수용액을 저장하는 과산화수소 수용액 저장용기;
상기 과산화수소 수용액 저장용기로부터 공급된 상기 과산화수소 수용액을 물과 산소로 분해하는 반응기;
수소를 저장하는 수소 저장용기;
상기 반응기에 의해 생성된 산소를 공급받고 상기 수소 저장용기로부터 수소를 공급받아 전기에너지를 생산하는 연료전지; 및
상기 반응기로부터 산소를 공급받아 감온하여 상기 연료전지에 공급하는 열교환 장치를 포함하고,
상기 열교환 장치는 원통형의 상기 수소 저장용기를 둘러싸 접하도록 구성되며,
상기 열교환 장치는 상기 수소 저장용기 측 내측면에 형성된 열전달 유로를 포함하여,
상기 반응기로부터 공급된 산소는 상기 열교환 장치 내의 상기 열전달 유로를 통과함으로써, 상기 수소 저장용기 내의 수소와 열교환하는 것을 특징으로 하고,
상기 산소는 습산소 상태로 상기 열교환 장치에 유입되며, 상기 열교환 장치에서 상기 산소와 상기 수소 간 열교환 및 습산소의 감온에 의한 기액 분리가 동시에 진행되는 것을 특징으로 하는,
연료전지 시스템. - 삭제
- 삭제
- 청구항 1에 있어서,
상기 열전달 유로의 길이는 상기 열전달 유로를 통과하는 산소가 미리 정해진 수렴온도에 도달할 수 있는 이동거리인 수렴길이 이상인 것을 특징으로 하는,
연료전지 시스템. - 삭제
- 청구항 1에 있어서,
상기 수소 저장용기는 수소저장합금을 포함하고, 상기 열전달 유로를 통과하는 산소는 상기 수소저장합금과 열교환 하는 것을 특징으로 하는,
연료전지 시스템. - 청구항 6에 있어서,
상기 열전달 유로의 길이는 상기 열전달 유로를 통과하는 산소가 미리 정해진 수렴온도에 도달할 수 있는 이동거리인 수렴길이 이상인 것을 특징으로 하는,
연료전지 시스템. - 청구항 7에 있어서,
상기 열교환 장치는 상기 열전달 유로를 감싸는 단열재를 더 포함하고,
상기 단열재는 상기 수렴길이를 초과하는 영역의 상기 열전달 유로를 감싸도록 배치된 것을 특징으로 하는,
연료전지 시스템. - 청구항 1에 있어서,
상기 열교환 장치의 하면에 하향 경사진 형태로 형성된 배수로; 및
상기 배수로와 연결된 물저장 탱크를 더 포함하는,
연료전지 시스템. - 청구항 9에 있어서,
상기 열전달 유로와 상기 연료전지 간에 구비되어, 미분해 과산화수소 및 수증기를 제거하는 필터를 더 포함하는,
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- 삭제
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| KR1020210086625A KR102655968B1 (ko) | 2021-07-01 | 2021-07-01 | 연료전지 시스템 |
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| KR20230005650A KR20230005650A (ko) | 2023-01-10 |
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| JP2011229268A (ja) | 2010-04-19 | 2011-11-10 | Toppan Printing Co Ltd | 電力制御システムおよび電力制御方法 |
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