KR20020057072A - Apparatus for recycling fuel of fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 연료전지 시스템의 연료 재처리장치에 관한 것으로, 특히 연료의 효율을 높여 연료의 사용량을 감소시킬 수 있도록 연료전지 시스템의 연료 재처리장치에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel reprocessing apparatus of a fuel cell system, and more particularly, to a fuel reprocessing apparatus of a fuel cell system in order to increase fuel efficiency and reduce the amount of fuel used.
현재 건물에서 사용하고 있는 전기에너지는 발전소에서 화력이나 수력 등에 의해 발전을 일으켜 발생되는 것이다. 그리고 상기 발전소에서 발전된 전기에너지는 송전선을 통해 각 지역의 건물, 즉 가정으로 공급되며 그 공급되는 전기에너지로 텔레비젼, 형광등, 냉장고, 에어컨 등을 작동하여 생활을 편리하고 유익하게 하고 있다.The electric energy currently used in buildings is generated by power generation at thermal power plants or by hydroelectric power. In addition, the electric energy generated in the power plant is supplied to buildings of each region through the power transmission line, that is, the home, and the electric energy supplied to operate the TV, fluorescent lamps, refrigerators, air conditioners, etc. to make life convenient and beneficial.
그런데 현재 사용 중인 전기에너지를 발전소에서 얻기 위하여 발전소에서 기름이나 석탄을 연소시켜 그 열에너지를 전기에너지로 변환시켜 전기에너지를 얻게 되므로 사용되는 연료 에너지에 비해 발전 효율이 매우 낮고, 또한 그 발전소에서 발전된 전기에너지를 각 지역의 건물에 송전선을 통해 공급하는 과정에서 손실이 크게 발생되어 연료 에너지의 소모에 비해 각 건물에서 사용되는 전기에너지의 효율이 매우 낮다. 즉, 각 건물에서 사용하는 전기에너지를 얻기 위해 과다하게 많은 연료 에너지가 소모된다. 또한, 이로 인하여 많은 기름이나 석탄 등의 연료 에너지를 연소시키면서 발생되는 오염 물질에 의해 환경 오염을 유발시키게 되는 문제점이 있다.However, in order to obtain the electric energy currently used in the power plant, the oil or coal is burned in the power plant to convert the thermal energy into electric energy to obtain the electric energy. In the process of supplying energy to buildings in each region through transmission lines, losses are large, and the efficiency of electric energy used in each building is very low compared to the consumption of fuel energy. That is, excessive amount of fuel energy is consumed to obtain the electric energy used in each building. In addition, there is a problem that causes environmental pollution by pollutants generated while burning a lot of fuel energy, such as oil or coal.
따라서, 근래에는 에너지 효율이 우수할 뿐만 아니라 환경 친화적으로 전기에너지를 발생시키는 연료전지가 개발되고 있다. 이와 같은 연료전지는 외부로부터 연속적으로 공급되는 연료와 공기의 전기화학반응을 통하여 연료가 가진 화학 에너지를 직접 전기에너지로 발전시키는 장치이다.Therefore, in recent years, fuel cells which are excellent in energy efficiency and environmentally friendly to generate electric energy have been developed. Such a fuel cell is a device for directly generating chemical energy of fuel directly into electrical energy through an electrochemical reaction between fuel and air continuously supplied from the outside.
도 1은 현재 개발 진행중인 상기 연료전지 시스템의 일예를 도시한, 이에 도시한 바와 같이, 다수개의 단위 전지(U)가 적층된 형태로 구성되는 스택(100)과 상기 스택(100)에 혼합 연료가 공급되도록 연결된 메인라인(110)과 상기 메인라인(110)에 장착된 혼합기(120)와 상기 스택(100)으로 공급되는 연료 및 물이 각각 저장되는 연료탱크(130) 및 물 저장탱크(140)와, 상기 연료탱크(130)의 연료가 상기 혼합기(120)로 유입되도록 상기 메인라인(110)과 연료탱크(130)를 연결하는 제1 분지라인(150)과, 상기 물 저장탱크(140)의 물이 상기 혼합기(120)로 유입되도록 상기 메인라인(110)과 물 저장탱크(140)를 연결하는 제2 분지라인(160)과 상기 제1 분지라인(150) 및 제2 분지라인(160)에 각각 장착되어 유량을 조절하는 유량조절밸브(V)와 상기 스택(100)에 공급되는 산소가 저장되는 산소저장탱크(170) 및 그 산소저장탱크(170)와 스택(100)을 연결하는 산소공급라인(180)과 그 산소공급라인(180)에 장착되는 유량조절밸브(V)를 포함하여 구성된다.1 illustrates an example of the fuel cell system currently under development, as shown in FIG. 1, a mixed fuel is included in a stack 100 and a stack 100 configured as a plurality of unit cells U stacked. A fuel tank 130 and a water storage tank 140 in which fuel and water supplied to the main line 110 and the mixer 120 mounted on the main line 110 and the stack 100 are stored to be supplied, respectively. And a first branch line 150 connecting the main line 110 and the fuel tank 130 so that the fuel of the fuel tank 130 flows into the mixer 120, and the water storage tank 140. The second branch line 160 and the first branch line 150 and the second branch line 160 connecting the main line 110 and the water storage tank 140 so that the water of the mixer 120 is introduced into the mixer 120. Are respectively mounted to the flow rate control valve (V) to control the flow rate and the acid is stored oxygen supplied to the stack (100) It is configured to include a flow control valve (V) which is mounted in the storage tank 170 and the oxygen storage tank 170 and an oxygen supply line for connecting the stack 100, 180 and the oxygen supply line 180.
그리고 상기 스택(100)을 구성하는 단위 전지(U)는, 도 2에 도시한 바와 같이, 소정의 면적을 갖는 전해질막(11)의 일측면에 전극을 구성하는 코팅막으로 이루어진 연료극(Anode; 일명, 산화전극)(12)이 형성되고 상기 전해질막(11)의 타측면에 전극을 구성하는 코팅막으로 이루어진 공기극(Cathode; 일명, 환원전극)(13)이 구비된 엠이에이(MEA; Membrane Electrode Assembly)(10)와, 소정의 면적을 가지며 그 양측면 또는 일측면에 유체가 유동하는 유로홈(F)이 형성되어 상기 엠이에이(10)의 양측에 각각 위치하는 세퍼레이터(20)(30)를 포함하여 구성된다.In addition, as shown in FIG. 2, the unit cell U constituting the stack 100 includes an anode formed of a coating film constituting an electrode on one side of an electrolyte membrane 11 having a predetermined area. , Membrane Electrode Assembly (EMA) having a cathode (12) formed on the other side of the electrolyte membrane (11) and a cathode (Cathode; also known as a cathode) 13 made of a coating film constituting the electrode on the other side of the electrolyte membrane (11) 10 and a separator groove 20 having a predetermined area and having flow path grooves F on both sides or one side thereof, respectively, positioned on both sides of the MC 10. It is configured by.
상기 연료전지 시스템의 작동은 먼저 연료탱크(130)와 물 저장탱크(140)에서 연료와 물이 설정된 유량으로 상기 혼합기(120)로 공급되면 그 혼합기(120)에서 혼합된 혼합 연료가 메인라인(110)을 통해 스택(100)으로 공급되며, 이와 동시에 상기 산소공급탱크1(70)에서 산소가 산소공급라인(180)을 통해 스택(100)에 공급된다. 상기 스택(100)에 공급된 연료와 산소가 스택(100)의 연료공급패스(미도시)와 공기공급패스(미도시)를 통해 스택(100)을 구성하는 각 단위 전지(U)에 공급되어 전기화학반응을 일으키면서 전기와 열과 물을 생성시키게 되며 그 부산물 등은 외부로 배출된다. 상기 각 단위 전지(U)에서 연료와 산소가 전기화학반응을 일으키는 과정은 엠이에이(10)의 연료극(11)측에 위치하는 세퍼레이터(20)의 유로홈(12)을 통해 연료가 공급되고 이와 동시에 공기극(13)측에 위치하는 세퍼레이터(30)의 유로홈(F)을 통해 산소가 공급되면, 도 3에 도시한 바와 같이, 상기 연료극(12)에서 전기 화학적 산화 반응이 일어나면서 수소이온 H+과 전자 e-로 이온화되면서 산화된다. 그 이온화된 수소 이온은 전해질막(11)을 통해 공기극(13)측으로 이동하게 되고 아울러 전자는 연료극(12)을 통해 이동하게 된다. 상기 공기극(13)으로 이동한 수소이온은 공기극(13)으로 공급되는 산소와 전기 화학적 환원 반응을 일으키면서 반응열과 물을 발생시키게 됨과 아울러 전자의 이동으로 전기에너지가 발생된다.In the operation of the fuel cell system, fuel and water are first supplied from the fuel tank 130 and the water storage tank 140 to the mixer 120 at a set flow rate. It is supplied to the stack 100 via 110, and at the same time oxygen is supplied to the stack 100 through the oxygen supply line 180 in the oxygen supply tank 1 (70). Fuel and oxygen supplied to the stack 100 are supplied to each unit cell U constituting the stack 100 through a fuel supply path (not shown) and an air supply path (not shown) of the stack 100. Electrochemical reactions generate electricity, heat and water, and the by-products are discharged to the outside. In the unit cell U, a process in which fuel and oxygen cause an electrochemical reaction is performed by supplying fuel through a flow path groove 12 of the separator 20 located on the anode 11 side of the MC 10. At the same time, when oxygen is supplied through the flow path groove F of the separator 30 located on the cathode 13 side, as shown in FIG. and e + e - to ionize is oxidized. The ionized hydrogen ions move to the cathode 13 side through the electrolyte membrane 11, and electrons move through the fuel electrode 12. The hydrogen ions moved to the cathode 13 generate the heat of reaction and water while generating an electrochemical reduction reaction with oxygen supplied to the cathode 13, and electrical energy is generated by the movement of electrons.
상기 각 단위 전지에서 발생되는 전기에너지를 합쳐져 출력되고 아울러 전기화학반응을 마친 연료 및 공기 그리고 부산물들은 상기 공기공급패스와 연료공급패스를 통해 배출된다.Fuel, air, and by-products, which are combined with the electric energy generated from each unit cell and output, and which have undergone the electrochemical reaction, are discharged through the air supply path and the fuel supply path.
그러나 상기한 바와 같은 종래 연료전지 시스템은 스택(100)에 공급된 연료와 산소가 전기화학반응을 일으킨 후 부산물들과 함께 배출되는 과정에서 미반응한 연료가 그대로 배출되어 연료가 효율적으로 사용되지 못하여 연료의 소모를 증가시키게 되는 단점이 있었다.However, in the conventional fuel cell system as described above, unreacted fuel is discharged as it is in the process of being discharged together with by-products after the fuel and oxygen supplied to the stack 100 cause an electrochemical reaction, and thus the fuel is not efficiently used. There was a drawback to increased fuel consumption.
상기한 바와 같은 점을 감안하여 안출한 본 발명의 목적은 연료의 효율을 높여 연료의 사용량을 감소시킬 수 있도록 연료전지 시스템의 연료 재처리장치를 제공함에 있다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention devised in view of the above-described aspects is to provide a fuel reprocessing apparatus of a fuel cell system in order to increase fuel efficiency and reduce fuel usage.
도 1은 종래 연료전지 시스템을 개략적으로 도시한 배관도,1 is a piping diagram schematically showing a conventional fuel cell system,
도 2는 상기 연료전지 발전 시스템을 구성하는 스택의 단위 전지 단면도,2 is a cross-sectional view of a unit cell of a stack constituting the fuel cell power generation system;
도 3은 상기 단위 전지에서 발생되는 전기화학반응을 도시한 측면도,3 is a side view showing an electrochemical reaction occurring in the unit cell;
도 4는 본 발명의 연료전지 시스템의 연료 재처리장치를 도시한 배관도.Figure 4 is a piping diagram showing a fuel reprocessing apparatus of the fuel cell system of the present invention.
(도면의 주요부분에 대한 부호의 설명)(Explanation of symbols for the main parts of the drawing)
100 ; 스택 130 ; 연료탱크100; Stack 130; Fuel tank
140 ; 물 저장탱크 210 ; 전처리 여과수단140; Water storage tank 210; Pretreatment filter
220 ; 증류수단 230,240 ; 안내라인220; Distillation means 230,240; Guideline
상기한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 연료탱크와 물 저장탱크에서 각각 공급되는 연료와 물이 혼합되어 스택에 공급됨과 아울러 별도로 산소가 공급되어 전기화학반응을 일으키면서 전기를 발생시키는 연료전지 시스템에 있어서, 상기 스택에서 전기화학반응이 진행된 반응후의 연료를 공급받아 그 연료에 섞인 불순물을 여과하는 전처리 여과수단과, 상기 전처리 여과수단에서 여과된 연료를 가열하여 순수 연료와 물을 분리하는 증류수단과 상기 증류수단에서 분리되는 순수 연료와 물을 각각 상기 연료탱크와 물 저장탱크로 안내하는 안내라인을 포함하여 구성함을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 연료 재처리장치가 제공된다.In order to achieve the object of the present invention as described above, fuel and water supplied from the fuel tank and the water storage tank are respectively mixed and supplied to the stack, and oxygen is supplied to the fuel cell to generate electricity while generating an electrochemical reaction. A system comprising: pretreatment filtration means for receiving a fuel after a reaction undergoing an electrochemical reaction in the stack and filtering impurities mixed with the fuel; and distilled water for heating the fuel filtered by the pretreatment filtration means to separate pure fuel and water. Provided is a fuel reprocessing apparatus of a fuel cell system comprising a guide line for guiding the pure fuel and water separated from the distillation means to the fuel tank and the water storage tank, respectively.
이하, 본 발명의 연료전지 시스템의 연료 재처리장치를 첨부도면에 도시한 실시예에 따라 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the fuel reprocessing apparatus of the fuel cell system of the present invention will be described according to the embodiment shown in the accompanying drawings.
도 4는 본 발명의 연료전지 시스템의 재처리장치의 일실시예가 구비된 연료전지 시스템을 도시한 것으로, 이에 도시한 바와 같이, 먼저 연료전지 시스템은 다수개의 단위 전지(U)가 적층된 형태로 구성되는 스택(100)에 혼합 연료가 공급되도록 메인라인(110)이 연결되고 그 메인라인(110)에 혼합기(120)가 장착되며 그 혼합기(120)에 이은 메인라인(110)에서 두 개로 분지되어 제1 분지라인(150)과 제2 분지라인(160)이 연결된다. 그리고 그 제1 분지라인(150)에 연료탱크(130)가 연결되고 그 제2 분지라인(160)에 물 저장탱크(140)가 연결되며 그 제1 분지라인(150)과 제2 분지라인(160)에 유량을 조절하는 유량조절밸브(V)가 각각 장착된다.Figure 4 shows a fuel cell system with one embodiment of a reprocessing apparatus of the fuel cell system of the present invention, as shown in the first, the fuel cell system is a stack of a plurality of unit cells (U) The main line 110 is connected so that the mixed fuel is supplied to the stack 100, and the mixer 120 is mounted on the main line 110, and branched into two branches of the main line 110 following the mixer 120. Thus, the first branch line 150 and the second branch line 160 are connected. And the fuel tank 130 is connected to the first branch line 150 and the water storage tank 140 is connected to the second branch line 160, the first branch line 150 and the second branch line ( 160 is provided with a flow rate control valve (V) for adjusting the flow rate.
그리고 상기 스택(100)에 전기화학반응이 진행된 연료를 배출시키는 배출라인(200)이 연결되고 그 배출라인(200)에 배출되는 연료를 여과하는 전처리 여과수단(210)이 장착되고 그 전처리 여과수단(210)에 이어 상기 배출라인(200)에 상기 전처리 여과수단(210)에서 여과된 연료를 가열하여 순수 연료와 물을 분리하는 증류수단(220)이 장착되며 그 증류수단(220)에서 분리되는 순수 연료와 물을 각각 상기 연료탱크(130)와 물 저장탱크(140)로 안내하는 안내라인(230)(240)이 상기 증류수단(220)에 이어 상기 연료탱크(130)와 물 저장탱크(140)에 각각 연결된다.The stack 100 is connected to a discharge line 200 for discharging the fuel undergoing the electrochemical reaction and is equipped with a pretreatment filtration means 210 for filtering the fuel discharged to the discharge line 200. Subsequently, the discharge line 200 is equipped with a distillation means 220 for separating the pure fuel and water by heating the fuel filtered by the pretreatment filtration means 210 and separated from the distillation means 220. Guide lines 230 and 240 for guiding pure fuel and water to the fuel tank 130 and the water storage tank 140 are respectively followed by the distillation unit 220 and the fuel tank 130 and the water storage tank ( 140, respectively.
상기 전처리 여과수단(210)은 전기화학반응을 마친 후 배출되는 연료 및 부산물에 포함된 미세 먼지 등의 물리적 입자를 여과하는 미세 필터를 포함하여 구성되며, 상기 증류수단(220)은 상기 전처리 여과수단(210)을 거친 연료를 가열하여 순수 연료와 물, 즉 순수 연료와 증류수를 분리하도록 버너와 증류용기를 포함하여 구성된다.The pretreatment filtering means 210 is configured to include a fine filter for filtering physical particles such as fine dust contained in the fuel and by-products discharged after the electrochemical reaction, the distillation means 220 is the pretreatment filtering means And a burner and a distillation vessel to heat the fuel having passed through 210 to separate pure fuel and water, that is, pure fuel and distilled water.
이하, 본 발명의 연료전지 시스템의 연료 재처리장치의 작용효과를 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the operational effects of the fuel reprocessing apparatus of the fuel cell system of the present invention will be described.
먼저, 상기 연료탱크(130)와 물 저장탱크(140)에 연료와 물이 채워진다. 상기 연료로 주로 메탄올이 사용된다. 이와 같은 상태에서 상기 연료탱크(130)와 물 저장탱크(140)에서 연료와 물이 유량조절밸브(V)의 조절에 의해 설정된 유량으로 제1 분지라인(150)과 제2 분지라인(160)을 통해 상기 혼합기(120)로 공급되면 그 혼합기(120)에서 혼합된 혼합 연료가 메인라인(110)을 통해 스택(100)으로 공급되며, 이와 동시에 상기 산소공급탱크(170)에서 산소가 산소공급라인(180)을 통해 스택(100)에 공급된다.First, fuel and water are filled in the fuel tank 130 and the water storage tank 140. Methanol is mainly used as the fuel. In this state, the fuel and water tanks 130 and the water storage tank 140 have a first branch line 150 and a second branch line 160 at a flow rate set by the control of the flow control valve V. When supplied to the mixer 120 through the mixed fuel mixed in the mixer 120 is supplied to the stack 100 through the main line 110, at the same time oxygen is supplied oxygen from the oxygen supply tank 170 Supplyed to stack 100 via line 180.
상기 스택(100)에 공급된 연료와 산소가 스택(100)의 연료공급패스와 공기공급패스를 통해 스택(100)을 구성하는 각 단위 전지(U)에 공급되어 전기화학반응을 일으키면서 전기와 열과 물 그리고 부산물을 발생시키게 되며 그 발생되는 전기와 열은 별도의 라인에 의해 출력되고 그 반응 후 남은 연료 및 물 그리고 부산물 등은 배출라인(200)을 통해 배출된다. 상기 배출라인(200)을 통해 배출되는 반응 후의 연료 및 물 등은 전처리 여과수단(210)에 의해 미세 먼지 및 이물질 등이 여과되고 그 전처리 여과수단(210)을 거친 연료와 물은 증류수단(220)으로 유입된다. 그리고 그 증류수단(220)에서 혼합된 연료와 물은 가열되면서 연료와 물로 분리되어 그 분리된 순수 연료는 상기 안내라인(230)을 통해 상기 연료탱크(130)로 유입되고 그 증류수로 분리되는 물은 상기 안내라인(240)을 통해 상기 물 저장탱크(140)로 유입된다. 상기 증류수단(220)에서 물과 혼합된 연료는 증류 과정에서 메탄올의 경우 먼저 증류되고 물이 나중 증류되어 분리가 간단하게 된다. 그리고 그 연료탱크(130) 및 물 저장탱크(140)로 각각 유입된 연료와 물은 다시 스택(100)으로 공급되며 이와 같은 순환과정을 반복하게 된다.Fuel and oxygen supplied to the stack 100 are supplied to each unit cell U constituting the stack 100 through a fuel supply path and an air supply path of the stack 100 to generate an electrochemical reaction. Heat and water and by-products are generated, and the generated electricity and heat are output by separate lines, and the remaining fuel, water, and by-products after the reaction are discharged through the discharge line 200. Fuel and water after the reaction discharged through the discharge line 200 are filtered by the pretreatment filtration means 210, fine dust and foreign matter, etc. and the fuel and water passed through the pretreatment filtration means 210 is distillation means 220 Inflow). The fuel and water mixed in the distillation means 220 are separated into fuel and water while being heated, and the separated pure fuel is introduced into the fuel tank 130 through the guide line 230 and separated into the distilled water. Is introduced into the water storage tank 140 through the guide line 240. The fuel mixed with water in the distillation means 220 is first distilled in the case of methanol in the distillation process and the water is later distilled to simplify the separation. In addition, the fuel and water introduced into the fuel tank 130 and the water storage tank 140 are supplied to the stack 100 again, and such a circulation process is repeated.
이와 같은 과정이 반복되면서 상기 스택(100)에서 연료와 산소가 전기화학반응을 일으키고 그 반응된 연료, 즉 수소가 다량 배출된 연료를 다시 정제하여 사용하게 되므로 연료의 효율을 높이게 된다.As this process is repeated, the fuel and oxygen in the stack 100 cause an electrochemical reaction, and the reacted fuel, that is, the fuel which is a large amount of hydrogen discharged is used again to increase fuel efficiency.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 연료전지 시스템의 연료 재처리장치는 연료탱크에서 연료가 스택으로 공급되어 그 스택에서 전기화학반응이 진행된 후 배출되는 미반응된 연료를 정제하여 연료탱크로 재공급하여 스택으로 공급하게 되어 연료의 효율을 높이게 됨으로써 적은 연료로 많은 전기에너지를 출력시키게 되어 연료의 소모를 줄일 수 있는 효과가 있다.As described above, the fuel reprocessing apparatus of the fuel cell system according to the present invention purifies the unreacted fuel discharged after the fuel is supplied to the stack from the fuel tank and the electrochemical reaction is progressed from the stack, and the fuel reprocessing apparatus is returned to the fuel tank. By supplying to the stack by supplying the fuel efficiency is increased to output a lot of electrical energy with a small fuel has the effect of reducing the consumption of fuel.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant | ||
| LAPS | Lapse due to unpaid annual fee |