KR20020056123A - Humidifier for fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 연료전지의 가습장치에 관한 것으로, 특히 스택을 거친 후 배기되는 배기가스중에서 물을 응축시켜 스택에 공급하는 연료전지의 가습장치에 관한 것이다.The present invention relates to a humidification apparatus of a fuel cell, and more particularly, to a humidification apparatus of a fuel cell that condenses water in exhaust gas exhausted after passing through a stack and supplies the same to the stack.
일반적인 연료전지는 연료가 가지고 있는 에너지를 전기적 에너지로 직접 변환시키는 장치로서, 통상 전해질을 사이에 두고 양극(anode)과 음극(cathode)으로 된 한 쌍의 전극을 배치함과 아울러 그 중 양극(산화전극 또는 연료극)에는 수소 또는 수소를 함유하는 연료가스를 접촉시키는 반면 다른 한 쪽의 음극(환원전극 또는 공기극)에는 산소를 함유하는 산화가스를 접촉시키고 이 과정에서 이온화된 연료가스와 산화가스의 전기화학적 반응을 통해 전기와 열을 함께 얻는 시스템이다.A typical fuel cell is a device that directly converts energy contained in a fuel into electrical energy. Usually, a pair of electrodes including an anode and a cathode are disposed between electrolytes, and an anode (oxidation) is used. Electrode or fuel electrode) is brought into contact with fuel gas containing hydrogen or hydrogen, while the other cathode (reduction electrode or cathode) is brought into contact with an oxidizing gas containing oxygen, and the ionized fuel gas and the It is a system that gets electricity and heat together through chemical reaction.
이러한 연료전지는 도 1에 도시된 바와 같이, 가솔린이나 여타의 탄화수소(LNG, LPG, CH3OH...)계열의 연료가 채워져 있는 연료탱크(1)와, 상기 연료탱크(1)에 연결되어 공급되는 연료로부터 수소를 만들어 내는 개질기(reformer)(2)와, 상기 개질기(2)에 연결되어 그 개질기(2)로부터 만들어진 수소의 산화반응 및 별도로 공급되는 산소의 환원반응이 동시에 일어나면서 전기와 열이 함께 발생되는 스택(stack)(3)과, 상기 스택(3)에 연결되어 그 스택(3)에서 얻어진 직류전기를 상용전기인 교류전기로 변환시키는 전력변환기(4)와, 상기 개질기(2) 및 스택(3)에 각각 연결되어 그 개질기(2) 및 스택(3)에서 발생되는 방출열을 저장하는축열탱크(5)로 이루어져 있다.As shown in FIG. 1, the fuel cell is connected to a fuel tank 1 filled with gasoline or other hydrocarbons (LNG, LPG, CH 3 OH ...), and the fuel tank 1. A reformer 2 for producing hydrogen from the fuel to be supplied and supplied, and an oxidation reaction of hydrogen produced from the reformer 2 and a reduction reaction of oxygen supplied separately occur simultaneously. And a stack (3) which generates heat together, a power converter (4) connected to the stack (3) and converting the direct current electricity obtained from the stack (3) into an alternating current (AC) electric electricity, and the reformer (2) and a heat storage tank (5) connected to the stack (3), respectively, to store heat emitted from the reformer (2) and the stack (3).
도면중 미설명 부호인 2A는 반응로, 2B는 버너, 3A는 전해질 막, 3B는 연료극, 3C는 공기극, 6은 급수펌프, 7은 가습기이다.In the figure, 2A is a reactor, 2B is a burner, 3A is an electrolyte membrane, 3B is an anode, 3C is an anode, 6 is a feed water pump, and 7 is a humidifier.
상기와 같은 종래 연료전지를 이용하여 전기를 발생시키는 개략적인 과정은 다음과 같다.A schematic process of generating electricity using the conventional fuel cell as described above is as follows.
즉, 상기 제어부(미도시)에 의해 연료탱크(1)로부터 가솔린이나 탄화수소(CH)계열의 연료가 개질기(2)의 반응로(2A)로 유입되고 나면, 그 반응로(2A)에 채워진 연료에 수증기 및 산소가 공급됨과 아울러 상기 개질기(2)의 버너(2B)가 동작하여 개질반응이 진행되고, 이 개질반응을 통해 생성되는 수소(H2)가 스택(3)의 연료극(3B)으로 공급됨과 아울러 다른 한 쪽의 공기극(3C)으로는 산소(O2)가 공급되어 상기한 연료극(3B)에서는 산화반응이 또 공기극(3C)에서는 환원반응이 일어나게 되며, 이 과정에서 생성되는 전자가 연료극(3B)에서 공기극(3C)으로 이동하면서 전기와 열이 발생되고, 이 전기는 전력변환기(4)를 거치면서 교류전기로 전환되어 각종 전기제품을 구동시키는데 사용되는 반면 열은 축열탱크(5)에 저장되었다가 난방이나 온수를 만드는데 주로 사용되는 것이었다.That is, when the fuel of the gasoline or hydrocarbon (CH) series flows into the reactor 2A of the reformer 2 from the fuel tank 1 by the said control part (not shown), the fuel filled in the reactor 2A is carried out. Steam and oxygen are supplied to the burner, and the burner 2B of the reformer 2 is operated to perform a reforming reaction, and hydrogen (H 2 ) generated through the reforming reaction is transferred to the fuel electrode 3B of the stack 3. In addition, oxygen (O 2 ) is supplied to the other cathode 3C, so that an oxidation reaction occurs at the anode 3B and a reduction reaction occurs at the cathode 3C. Electricity and heat are generated while moving from the anode 3B to the cathode 3C. The electricity is converted into alternating current through the power converter 4 and used to drive various electrical appliances. Is used to create heating or hot water. Was that.
그러나, 상기와 같은 종래 연료전지에 있어서는, 스택의 전해질막이 건조해지면 수소이온(H+)의 전도도가 떨어지게 되거나 전해질막이 수축되면서 막과 전극 사이의 접촉저항이 증가하게 되므로 스택으로의 수소공급시 항상 물을 함께 공급하도록 하는데 반해, 이 스택에서 연료극으로 공급된 수소와 공기극으로 공급된 산소가 서로 반응하면서 생성되는 수증기 상태의 물을 질소 등과 같은 다른 배기가스와 배출시킴으로써 물 낭비를 초래하게 되는 문제점이 있었다.However, in the conventional fuel cell as described above, when the electrolyte membrane of the stack is dried, the conductivity of hydrogen ions (H + ) is reduced or the electrolyte membrane shrinks, thereby increasing the contact resistance between the membrane and the electrode, so that hydrogen is always supplied to the stack. While the water is supplied together, the problem of water waste is caused by discharging the water in the steam state generated by the reaction of hydrogen supplied to the anode and oxygen supplied to the cathode with other exhaust gases such as nitrogen. there was.
본 발명은 상기와 같은 종래 연료전지가 가지는 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 물의 소비량을 최소화할 수 있는 연료전지의 가습장치를 제공하려는데 그 목적이 있다.The present invention has been made in view of the above problems of the conventional fuel cell, and an object of the present invention is to provide a humidification apparatus of a fuel cell capable of minimizing water consumption.
도 1은 종래 연료전지의 일례를 보인 개략도.1 is a schematic view showing an example of a conventional fuel cell.
도 2는 본 발명 연료전지의 일례를 보인 개략도.2 is a schematic view showing an example of the fuel cell of the present invention;
도 3은 본 발명 연료전지의 스택에서 단일셀의 구성을 보인 개략도.Figure 3 is a schematic diagram showing the configuration of a single cell in the stack of the fuel cell of the present invention.
도 4는 본 발명 연료전지의 변형예를 보인 개략도.4 is a schematic view showing a modification of the fuel cell of the present invention.
** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **** Description of symbols for the main parts of the drawing **
11 : 연료탱크 12 : 개질기11 fuel tank 12 reformer
13 : 스택 13A : 전해질막13: stack 13A: electrolyte membrane
13B : 연료극 13C : 공기극13B: fuel electrode 13C: air electrode
14 : 전력변환기 15 : 축열탱크14 power converter 15 heat storage tank
16 : 응축용 열교환기 17 : 초음파 가습기16: heat exchanger for condensation 17: ultrasonic humidifier
L1 : 배기관 L2 : 응축수관L1: Exhaust Pipe L2: Condensate Pipe
L3 : 가습관L3: Humidifier
본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 전해질을 사이에 두고 양쪽에 각각 연료극과 공기극이 배치됨과 아울러 그 중 연료극에는 수소 또는 수소를 함유한 연료물질이 공급되는 반면 공기극에는 산소를 함유한 산화제가 공급되어 상기한 연료물질과 산화제의 전기화학적 반응에 의해 전기와 열을 발생시키는 스택과, 상기 스택의 배출측에 장착되어 그 스택으로 공급된 수소와 산소의 결합반응으로 생성되는 수분을 다시 스택의 연료극쪽으로 공급하는 물 회수수단이 구비된 것을 특징으로 하는 연료전지의 가습장치가 제공된다.In order to achieve the object of the present invention, a fuel electrode and a cathode are disposed on both sides of the electrolyte, and the fuel electrode is supplied with hydrogen or a hydrogen-containing fuel material, while the cathode is supplied with an oxidant containing oxygen. The stack generates electricity and heat by the electrochemical reaction between the fuel material and the oxidant, and the moisture generated by the combined reaction of hydrogen and oxygen supplied to the stack and supplied to the stack is returned to the anode of the stack. There is provided a humidification apparatus of a fuel cell, characterized in that a water recovery means for supplying is provided.
이하, 본 발명에 의한 연료전지의 가습장치를 첨부도면에 도시된 일실시예에 의거하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, a humidification apparatus of a fuel cell according to the present invention will be described in detail with reference to an embodiment shown in the accompanying drawings.
도 2는 본 발명 연료전지의 일례를 보인 개략도이고, 도 3은 본 발명 연료전지의 스택에서 단일셀의 구성을 보인 개략도이다.Figure 2 is a schematic diagram showing an example of the fuel cell of the present invention, Figure 3 is a schematic diagram showing the configuration of a single cell in the stack of the fuel cell of the present invention.
이에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 가습장치가 구비된 연료전지는, 수소를 포함하고 있는 연료액이 저장되는 연료탱크(11)와, 상기 연료탱크(11)에 연결되어 연료액으로부터 수소를 생성시키는 개질기(12)와, 상기 개질기(12)에 연결되어 전기와 열을 발생시키는 스택(13)과, 상기 스택(13)의 출력측에 연결되어 직류전기를 교류전기로 전환시키는 전력변환기(14)와, 상기 개질기(12) 및 스택(13)에 각각 연결되어 그 개질기(12) 및 스택(13)에서 발생되는 폐열을 저장하는 축열탱크(15)와, 상기 스택(13)에 장착되어 배기가스로부터 물을 응축시켜 분리하는 응축용 열교환기(16)와, 상기 응축용 열교환기(16)의 출구측에 연통되는 동시에 스택(13)의 연료공급측에 연통되어 응축수를 수증기 상태로 전환시켜 스택(13)으로 공급하는 초음파 가습기(17)로 구성된다.As shown in the drawing, a fuel cell equipped with a humidification device according to the present invention includes a fuel tank 11 in which a fuel liquid containing hydrogen is stored, and a fuel tank 11 connected to the fuel tank 11 to generate hydrogen from fuel liquid. A reformer 12 to connect to the reformer 12, a stack 13 connected to the reformer 12 to generate electricity and heat, and a power converter 14 connected to an output side of the stack 13 to convert direct current electricity into alternating current electricity. And a heat storage tank 15 connected to the reformer 12 and the stack 13 to store waste heat generated from the reformer 12 and the stack 13, and mounted on the stack 13 to exhaust gas. A condensation heat exchanger 16 for condensing and separating water from the condensation heat exchanger 16 and an outlet side of the condensation heat exchanger 16 and a fuel supply side of the stack 13 to convert the condensed water into a vapor state so as to obtain a stack ( 13) is composed of an ultrasonic humidifier 17 to be supplied.
상기 스택(13)은 전해질막(13A)을 사이에 두고 그 양쪽에는 각각 수소 또는 수소를 함유한 연료물질이 공급되는 연료극(또는, 양극)(anode)(13B)과 산소를 함유하는 산화제가 공급되는 공기극(또는, 음극)(cathode)(13C)이 배치되어 이루어진다.The stack 13 has an electrolyte membrane 13A interposed therebetween, and both sides are supplied with a fuel electrode (or anode) 13B to which hydrogen or a fuel material containing hydrogen is supplied and an oxidant containing oxygen. 13C of cathodes (or cathodes) are arranged.
상기 응축용 열교환기(16)는 스택(13)의 일측에 구비되어 수소(H2)와 산소(O2)의 전기화학적 반응후 남은 배기가스를 배출시키는 배기관(L1)의 중간에 장착되어 이루어진다.The condensation heat exchanger 16 is provided on one side of the stack 13 and is mounted in the middle of an exhaust pipe L1 for discharging the remaining exhaust gas after the electrochemical reaction of hydrogen (H 2 ) and oxygen (O 2 ). .
상기 초음파 가습기(17)는 그 입구측이 응축용 열교환기의 출구측에 연통된 응축수관(L2)에 결합되는 한편 그 출구측은 상기한 개질기(12)와 스택(13) 사이의 수소공급관(미부호)에 연통되는 가습관(L3)이 결합되어 이루어진다.The ultrasonic humidifier 17 is coupled to the condensate pipe (L2) of its inlet side is communicated to the outlet side of the heat exchanger for condensation, while the outlet side of the ultrasonic humidifier (17) is a hydrogen supply pipe (not shown) between the reformer 12 and the stack 13 And a humidification tube (L3) communicating with reference numeral).
도면중 미설명 부호인 12A는 반응로, 12B는 버너,18은 펌프이다.In the figure, reference numeral 12A is a reactor, 12B is a burner, and 18 is a pump.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 의한 연료전지의 가습장치는 다음과 같은 작용효과를 갖는다.A humidifier of a fuel cell according to the present invention configured as described above has the following effects.
즉, 전원인가시 상기 연료탱크(11)로부터 공급되는 연료액이 물과 공기와 혼합되면서 연료공급관(미부호)을 통해 개질기(12)로 유입되고, 이 연료액의 일부는 개질기(12)의 버너(12B)로 유입되어 연소되고 나머지는 반응로(12A)로 유입되어 탈황반응 및 개질반응 그리고 수소정제반응을 거치면서 수소를 발생시키게 되고, 이 수소는 스택(13)의 연료극(13B)으로 공급되어 공기극(13C)으로 공급되는 산소와 함께 전기화학적 반응을 거치면서 전기와 열을 발생시키게 되며, 이 중 전기는 전력변환기(14)를 거쳐 각각의 전기제품에 인가되면서 전원으로 사용되는 반면 열은 별도의 열회수장치인 축열탱크(15)에 저장되어 난방이나 온수를 위한 열원으로 이용된다.That is, when the power is applied, the fuel liquid supplied from the fuel tank 11 is introduced into the reformer 12 through a fuel supply pipe (unsigned) while being mixed with water and air, and a part of the fuel liquid is supplied to the reformer 12. It is introduced into the burner 12B and burned, and the remainder is introduced into the reactor 12A to generate hydrogen through desulfurization, reforming, and hydrogen purification. The hydrogen is transferred to the fuel electrode 13B of the stack 13. While supplied with oxygen supplied to the cathode 13C, the electrochemical reaction is performed to generate electricity and heat. Among them, electricity is applied to each electric product through the power converter 14 to be used as a power source, while heat Is stored in a heat storage tank 15 which is a separate heat recovery device is used as a heat source for heating or hot water.
이때, 상기 스택(13)에서는 도 3에서와 같이 연료극(13B)으로 공급되는 수소(H2)가 공기극(13C)으로 공급되는 산소(O2)와 결합되어 수증기 상태의 물분자(H2O(g))를 이루면서 질소(N2)나 기타 가스와 함께 혼합되어 배기관(L1)으로 배출되나, 상기 배기관(L1)의 중간에는 도 2와 같이 응축용 열교환기(16)가 장착되어 있어 배기가스가 이 응축용 열교환기(16)를 지나면서 수증기(H2O(g))가 응축수(H2O(l))로 전환되고, 이 응축수(H2O(l))는 응축수관(L2)을 따라 초음파 가습기(17)로 유입되어 다시 수증기(H2O(g)) 상태로 기화되며, 이 수증기(H2O(g))는 가습관(L3)을 따라 개질기(12)와 스택(13) 사이의 수소공급관(미부호)으로 유입되어수소(H2)와 결합되어 스택(13)의 연료극(13B)으로 공급된다.At this time, in the stack 13, as shown in FIG. 3, hydrogen (H 2 ) supplied to the anode 13B is combined with oxygen (O 2 ) supplied to the cathode (13C) to form a water molecule (H 2 O) in a water vapor state. (g)) and mixed with nitrogen (N 2 ) or other gas is discharged to the exhaust pipe (L1), but in the middle of the exhaust pipe (L1) as shown in Figure 2 is equipped with a heat exchanger 16 for exhaust gas is a condensate pipe over the heat exchanger 16 for condensing water vapor (H 2 O (g)), the condensed water is converted to (H 2 O (l)), the condensed water (H 2 O (l)) ( L2) (the inlet 17), back to the water vapor (H 2 O (g) ultrasonic humidifier according to and vaporized by) state, and the water vapor (H 2 O (g)) is a reformer 12 in accordance with the humidifying tubes (L3) It is introduced into the hydrogen supply pipe (unsigned) between the stack 13 and combined with hydrogen (H 2 ) is supplied to the fuel electrode (13B) of the stack (13).
한편, 본 발명에 의한 변형예가 있는 경우는 다음과 같다.On the other hand, when there is a modification according to the present invention is as follows.
즉, 전술한 일례에서는 스택(13)의 배기관(L2)에 응축용 열교환기(16)를 연통시키고, 그 응축용 열교환기(16)에 초음파 가습기(17)를 연통시켜 응축용 열교환기(16)를 거치면서 생성된 응축수(H2O(l)) 전부를 초음파 가습기(17)에서 수증기(H2O(g))로 만들어 스택(13)의 연료공급측에 공급하도록 하는 것이었으나, 본 변형예는 도 3에 도시된 바와 같이 스택(13)의 배기관(L1)에 응축용 열교환기(16)를 연통시키고, 그 응축용 열교환기(16)의 출구를 분관하여 한 쪽은 전술한 일례에서와 같이 초음파 가습기(17)에 연통시켜 상기한 응축용 열교환기(16)를 통해 만들어진 응축수(H2O(l))를 수증기(H2O(g))로 만들어 스택(13)으로 유입되는 수소(H2)와 혼합하는 반면 다른 한 쪽은 개질기(12) 입구측에 연통시켜 응축용 열교환기(16)를 통해 만들어진 응축수(H2O(l))를 개질기(12)로 유입되는 연료와 혼합시켜 가솔린이나 탄화수소계열의 연료로부터 수소(H2)를 만들어내는데 필요한 촉매제로 활용하는 것이다.That is, in the above-mentioned example, the heat exchanger 16 for condensation communicates with the exhaust pipe L2 of the stack 13, and the ultrasonic humidifier 17 communicates with the heat exchanger 16 for the condensation heat exchanger 16. The condensate (H 2 O (l)) generated while passing through) to make the water vapor (H 2 O (g)) in the ultrasonic humidifier 17 to supply to the fuel supply side of the stack 13, but this modification For example, as shown in FIG. 3, the condensation heat exchanger 16 is connected to the exhaust pipe L1 of the stack 13, and the outlet of the condensation heat exchanger 16 is piped, and one of the examples is described in the foregoing example. The condensed water (H 2 O (l)) made through the condensation heat exchanger (16) by communicating with the ultrasonic humidifier (17) as shown in the vapor (H 2 O (g)) is introduced into the stack 13 While mixing with hydrogen (H 2 ) while the other side is connected to the inlet side of the reformer 12, the condensed water (H 2 O (l)) made through the condensation heat exchanger 16 to the reformer 12 It is mixed with the incoming fuel and used as a catalyst for producing hydrogen (H 2 ) from gasoline or hydrocarbon fuels.
이렇게, 상기 개질기에서 수소를 만들어내는데 필요한 촉매제로서의 물이나 또는 스택에서 전해질막을 가습시키는데 필요한 물을 상기 스택에서 생성되는 물을 회수하여 공급함으로써, 상기 개질기나 스택에 필요한 물의 사용량을 줄일 수 있게 된다.In this way, the amount of water required for the reformer or stack can be reduced by recovering and supplying water as a catalyst required to generate hydrogen in the reformer or water required for humidifying the electrolyte membrane in the stack to recover the water generated in the stack.
본 발명에 의한 연료전지의 가습장치는, 스택의 배기관에 응축용 열교환기를 장착하고, 상기 응축용 열교환기의 출구에 가습기를 연통시켜 그 가습기에서 만들어진 수증기를 스택에 재공급하거나 또는 상기 응축용 열교환기를 거쳐 생성된 응축수를 개질기로 직접 공급함으로써, 상기 스택에서 반응후 배출되는 물을 재활용할 수 있게 되어 물의 소비량이 최소화됨에 따라 환경친화적인 연료전지를 구축할 수 있다.In the fuel cell humidification apparatus according to the present invention, a condensation heat exchanger is mounted on an exhaust pipe of a stack, a humidifier is connected to an outlet of the heat exchanger for condensation, and the steam produced in the humidifier is supplied to the stack or the heat exchanger for condensation is provided. By directly supplying the condensate generated through the reactor to the reformer, it is possible to recycle the water discharged after the reaction in the stack, thereby minimizing the consumption of water, thereby building an environmentally friendly fuel cell.
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