KR20030073679A

KR20030073679A - 연료전지 시스템의 냉각수 재활용 장치

Info

Publication number: KR20030073679A
Application number: KR1020020013345A
Authority: KR
Inventors: 김인규; 박명석; 이성환; 황용준; 고승태; 장창용; 허성근
Original assignee: 주식회사 엘지이아이
Priority date: 2002-03-12
Filing date: 2002-03-12
Publication date: 2003-09-19

Abstract

본 발명은 연료전지 시스템의 냉각수 재활용 장치에 관한 것으로, 본 발명은 전해질막을 사이에 두고 연료극과 공기극을 부착하는 스택부와, 스택부의 전방측에 구비하여 수소를 만들어 스택부에 공급하는 연료공급부와, 공기를 스택부에 공급하는 공기공급부와, 연료공급부와 스택부 그리고 공기공급부와 스택부 사이에 설치하여 연료와 공기를 가습하는 스택가습부와, 스택부에서 발생하는 열을 방열할 수 있도록 냉각수를 공급하는 냉각수공급부와, 스택부를 감싸고 그 내부에 냉각수를 수용하는 열회수부와, 열회수부와 냉각수공급부 사이에 냉각수순환관과 열교환기를 포함한 냉각수순환부와, 열회수부의 출구측에 연결하여 더운 냉각수를 저장하는 냉각수저장부와, 냉각수공급부와 냉각수저장부 사이에 설치하여 스택부와 연료공급부에서 발생한 배기가스로 물을 가열하여 직접 저장하는 급탕부와, 냉각수저장부의 출구를 난방/온수 시스템에 연결하는 난방/온수공급부와, 냉각수저장부의 출구를 연료공급부에 연결하는 개질용온수공급부로 구성함으로써, 냉각수를 광범위하게 활용할 수 있어 자원을 보다 효율적으로 활용할 뿐만 아니라 폐열을 효과적으로 활용하여 에너지 손실을 현저하게 줄이고 냉각수를 재가열하는데 필요한 열원을 줄여 불필요한 에너지 낭비를 막을 수 있다.

Description

연료전지 시스템의 냉각수 재활용 장치{COOLING WATER RECYCLING SYSTEM FOR FUEL CELL}

본 발명은 연료전지 시스템의 냉각수 재활용 장치에 관한 것으로, 특히 스택부를 냉각하고 난 냉각수와 스택부를 포함한 시스템 전체를 냉각하는데 사용한 냉각수를 이용하여 개질부나 스택부에 필요한 용수로 재활용하도록 한 연료전지의 냉각수 재활용 장치에 관한 것이다.

일반적인 연료전지 시스템은 연료가 가지고 있는 에너지를 전기적 에너지로 직접 변환시키는 장치로서 통상 연료전지스택(fuel cell stack)의 내부에 고분자 전해질막을 사이에 두고 다공질인 연료극과 공기극을 부착하여 연료극(산화전극)에는 수소 또는 수소를 함유하는 연료가스를 공급하는 반면 공기극(환원전극)에는 산소를 함유하는 산화가스를 공급한다. 이 과정에서 연료극에서는 연료인 수소의 전기화학적 산화가 일어나고 공기극에서는 산화제인 산소의 전기화학적 환원이 일어나며 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기와 열을 함께 얻을 수 있다.

이러한 연료전지 시스템은 고온(高溫)에서 LNG와 같은 탄화수소 계열의 연료가스에서 수소를 분리하기 위하여 연료물질에 수증기를 접촉 반응시켜 수소와 일산화탄소(일산화탄소는 다음 단계에서 제거함)를 주요 성분으로 하는 연료가스를 만드는 개질부에 적정량의 물을 수증기 상태로 공급하여야 하는 것은 물론 스택부의 전해질막이 건조해지는 것을 방지하여야 하므로 스택부에 연료와 공기를 공급할 때에도 물을 수증기 상태로 만들어 함께 공급하고 있었다.

그러나, 상기와 같은 연료전지에 있어서는, 개질부와 스택부에서 필요한 물을 수증기 상태로 공급하여야 함에도 불구하고 종래에는 일반 상수(上水)를 활용함에 따라 물을 수증기로 변환시키기 위한 별도의 열원장치가 필요할 뿐만 아니라 물을 최적온도(약 70~80℃)까지 가열하기 위하여는 그만큼 많은 열량이 필요하게 되므로 연료전지 시스템의 효율을 크게 저하시키는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래 연료전지 시스템이 가지는 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 개질부와 스택부에 공급하는 물을 일반 상수를 활용하면서도 그 개질부와 스택부에서 발생하는 폐열을 이용하여 미리 가열한 후 공급할 수 있는 연료전지 시스템의 냉각수 재활용 장치를 제공하려는데 본 발명의 목적이 있다.

도 1은 본 발명 연료전지 시스템의 일실시예를 보인 계통도.

도 2는 본 발명 연료전지 시스템의 다른 실시예를 보인 계통도.

도 3은 본 발명 연료전지 시스템의 또 다른 실시예를 보인 계통도.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **

10 : 스택부 20 : 연료공급부

30 : 공기공급부 40 : 스택가습부

50 : 냉각수공급부 60 : 열회수부

70 : 냉각수저장부 81 : 난방/온수공급부

85 : 개질용온수공급부 90 : 가습용수공급부

110 : 냉각수순환부 210 : 급탕부

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 전해질막을 사이에 두고 연료극과 공기극을 부착하고 그 중 연료극에는 수소를 함유한 연료가스를 공급하는 반면 공기극에는 산소를 함유한 산화가스를 공급하여 수소의 산화반응과 산소의 환원반응으로 전기와 열을 발생하는 스택부와, 스택부의 전방측에 구비하여 개질 반응시켜 수소를 만들어 스택부에 공급하는 연료공급부와, 공기를 스택부에 공급하는 공기공급부와, 연료공급부와 스택부 그리고 공기공급부와 스택부 사이에 설치하여 연료와 공기를 가습하는 스택가습부와, 스택부에서 발생하는 열을 방열할 수 있도록 냉각수를 공급하는 냉각수공급부와, 소정의 내부체적을 구비하여 스택부를 감싸고 그 내부에 냉각수를 수용하여 스택부에서 발생하는 열을 회수하는 열회수부와, 열회수부의 출구측에 연결하여 스택부를 냉각하면서 생긴 더운 냉각수를 저장하는 냉각수저장부와, 냉각수저장부의 출구를 난방/온수 시스템에 연결하여 그 냉각수저장부의 더운 냉각수를 난방/온수로 활용하는 난방/온수공급부와, 냉각수저장부의 출구를 연료공급부에 연결하여 그 냉각수저장부의 더운 냉각수를 개질반응에 필요한 개질용온수로 공급하는 개질용온수공급부로 구성한 연료전지 시스템의 냉각수 재활용 장치를 제공한다.

또, 열회수부와 냉각수공급부 사이에 냉각수순환관과 열교환기를 포함한 냉각수순환부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 냉각수 재활용 장치를 제공한다.

또, 냉각수공급부와 냉각수저장부 사이에 보조물공급관을 연결하고, 그 보조물공급관의 중간에 보조열교환기를 구비하되 보조열교환기는 스택부와 연료공급부에서 인출한 배기가스관을 접촉하여 배기가스에 의해 물이 가열된 후 냉각수저장부에 열회수부를 거친 냉각수와 함께 저장되도록 구성한 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 냉각수 재활용 장치를 제공한다.

이하, 본 발명 연료전지의 냉각수 재활용 장치를 첨부도면에 도시한 일실시예에 의거하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명 연료전지 시스템의 일실시예를 보인 계통도이고, 도 2는 본 발명 연료전지 시스템의 다른 실시예를 보인 계통도이며, 도 3은 본 발명 연료전지 시스템의 또 다른 실시예를 보인 계통도이다.

이에 도시한 바와 같이 본 발명에 의한 연료전지의 스택 냉각 시스템은, 고분자 전해질막(미도시)을 사이에 두고 다공질인 연료극(11)과 공기극(12)을 부착하여 전기와 열을 함께 발생하는 스택부(10)와, 스택부(10)의 전방측에 배치하여 그 스택부(10)에 가솔린이나 여타 탄화수소 계열의 연료에서 수소를 만들어 스택부(10)의 연료극(11)에 공급하는 연료공급부(20)와, 연료공급부(20)와 같이 스택부(10)의 전방측에 배치하여 대기 중의 공기를 상기한 스택부(10)의 공기극(12)에 공급하는 공기공급부(30)와, 연료공급부(20)와 스택부(10) 사이 그리고 공기공급부(30)와 스택부(10)의 사이에 배치하여 연료공급부(20)에서 공급하는 연료와 공기공급부(30)에서 공급하는 공기에 수증기를 혼합하는 스택가습부(40)와, 스택부(10)에서 발생하는 열을 방열할 수 있도록 냉각수를 공급하는 냉각수공급부(50)와, 소정의 내부체적을 구비하여 스택부(10)를 감싸고 그 내부에 냉각수를 수용하여 스택부(10)에서 발생하는 열을 회수하는 열회수부(60)와, 열회수부(60)의 출구측에 연결하여 스택부(10)를 냉각하면서 생긴 더운 냉각수를 저장하는 냉각수저장부(70)와, 냉각수저장부(70)에 연결하여 그 냉각수저장부(70)의 더운 냉각수를 난방/온수로 활용하는 난방/온수공급부(81)와, 냉각수저장부(70)에 연결하여 그 냉각수저장부(70)의 더운 냉각수를 연료공급부(20)에 필요한 개질용온수로 공급하는 개질용온수공급부(85)와, 냉각수저장부(70)에 연결하여 그 냉각수저장부(70)의 더운 냉각수를 스택가습부(40)에 필요한 스택가습용온수로 공급하는 스택가습용온수공급부(90)로 구성한다.

연료공급부(20)는 연료공급원(21)과, 이 연료공급원(21)에서 연료공급관(22)으로 연결하여 LNG 등으로부터 수소를 생성하는 개질부(23)와, 연료공급원(21)의 중간에 설치하여 연료를 펌핑하는 연료압축기(24) 등으로 이루어진다.

공기공급부(30)는 대기중의 공기를 흡입하기 위한 공기압축기(31)와, 공기압축기(31)의 출구를 연료전지스택부(10)의 공기극(12)에 연결하는 공기공급관(32)으로 이루어진다.

스택가습부(40)는 연료가습측(41)과 공기가습측(42)으로 구분하고 그 중 연료가습측(41)은 개질부(23)와 연료공급관(22)으로 연결하는 동시에 냉각수저장부(70)에 후술할 가습용수공급관(91)으로 연결한다. 또, 공기가습측(42)은 공기공급부(30)에 공기공급관(32)으로 연결하는 동시에 냉각수저장부(70)에 후술할 가습용수공급관(91)으로 함께 연결한다.

또, 연료가습측(41)의 출구와 공기가습측(42)의 출구에는 각각 연료측가습용수배출밸브(43a)를 구비한 연료측가습용수배출관(43)과 공기측가습용수배출밸브(44a)를 구비한 공기측가습용수배출관(44)을 각각 연결한다.

또, 스택가습부(40)에는 그 스택가습부(40)의 적정 수위를 저장하고 있는 제어부(미도시)에 연결하여 연료가습측(41)과 공기가습측(42)의 현재 수위를 연속적으로 감지하는 수위센서(L1)(L2)를 각각 설치하는 것이 바람직하다.

냉각수공급부(50)는 상수(上水)인 물공급원(51)에서 열회수부(60)를 연결하는 물공급관(52)과, 물공급관(52)의 중간에 설치하여 물을 열회수부에 펌핑 공급하는 물펌프(53)으로 이루어진다.

열회수부(60)는 관 형상이나 또는 자켓 형상으로 형성하여 스택부(10)를 감싸고 그 입구는 물공급관(51)에 연결하는 반면 출구는 후술할 냉각수회수관(71)에 연결하여 이루어진다.

냉각수저장부(70)는 스택부(10)를 냉각하면서 더워진 냉각수를 회수할 수 있도록 열회수부(60)의 출구에 연결하는 냉각수회수관(71)과, 냉각수회수관(71)에 연결하여 더워진 냉각수를 저장할 수 있도록 일정한 내부체적을 가지는 저탕조(72)로 이루어진다.

난방/온수공급부(81)은 저탕조(72)의 출구와 난방/온수시스템을 연결하는 난방/온수공급관(82)과, 난방/온수공급관(82)의 중간에 연결하여 더워진 냉각수의 유통을 조절하는 난방/온수공급밸브(83)로 이루어진다.

개질용온수공급부(85)는 저탕조(72)의 다른 출구와 개질기(미도시)를 연결하는 개질용온수공급관(86)과, 개질용공급관(86)의 중간에 연결하여 더워진 냉각수의 유통을 조절하는 개질용온수공급밸브(87)로 이루어진다.

스택가습용온수공급부(90)는 저탕조(72)의 또다른 출구와 연료가습측(41) 및 공기가습측(42)을 각각 연결하는 가습용수공급관(91)과, 가습용수공급관(91)의 중간에 설치하여 가습용수를 정화하는 필터(92)와, 연료가습측(41) 입구와 공기가습측(42) 입구에 각각 설치하여 가습용수의 유동을 조절하는 연료측용수조절밸브(93) 및 공기측용수조절밸브(94)로 이루어진다.

상기와 같은 본 발명 연료전지의 냉각수 재활용 장치는 다음과 같은 작용 효과가 있다.

즉, 제어부(미도시)의 지령에 따라 스택부(10)가 운전을 개시하면 그 스택부(10)에서는 전기와 함께 열이 발생하여 전기는 상용전원으로 활용하는 한편 열은 냉각수를 이용하여 스택부(10)를 냉각한 후 난방/온수로 활용하거나 개질부(미도시) 및 스택부(10)를 가습하는데 공급한다.

이를 보다 상세히 살펴보면, 스택부(10)를 냉각하면서 열회수부(60)를 거친 냉각수는 냉각수회수관(71)을 통해 저탕조(72)에 저장하고, 겨울철과 같이 난방/온수를 많이 사용할 때는 난방/온수공급관(82)을 열어 주로 난방이나 온수로 활용한다. 반면, 여름철과 같이 난방/온수를 적게 사용하는 경우에는 저탕조(72)에 담긴 더운 냉각수를 개질용온수공급관(86)을 통해 개질부(미도시)로 보내 탄화수소와 접촉 반응에 필요한 물로 활용하거나 가습용수공급관(91)을 통해 스택가습부(40)에 필요한 물로 공급한다.

이렇게 하여 스택부(10)에서 발생하는 폐열을 이용하여 난방이나 온수로 활용할 수 있으면서도 개질부나 스택부(10)에 필요한 물로도 활용할 수 있어 자원을 보다 효율적으로 이용할 수 있다. 특히, 개질부나 스택부(10)에서 필요로 하는 물은 통상 70~80℃ 이상의 수증기를 필요로 하는데 저탕조(72)에 저장하는 냉각수는 열회수부(60)를 거치면서 스택부(10)에서 발생하는 열을 상당량 흡수한 상태이므로 별도로 열원을 이용하여 재가열할 필요가 없거나 설사 재가열할 필요가 있더라도 일반 상수 보다는 덜 가열하고도 수증기로 변환시킬 수 있어 그만큼 유리하다.

또, 가습용수공급관(91)의 중간에 가습용수정화용 필터(92)를 구비하여 열회수부(60)를 거치면서 오염된 냉각수를 정화한 다음에 스택가습부(40)로 공급함에따라 냉각수로 인한 스택부(10)의 오염을 방지할 수 있다.

한편, 본 발명에 의한 연료전지의 냉각수 재활용 장치에 대한 다른 실시예가 있는 경우는 다음과 같다.

즉, 전술한 제1 실시예에서는 열회수부(60)를 거친 냉각수는 모두 저탕조(72)로 저장하는 것이었으나, 제2 실시예는 도 2에서와 같이 열회수부(60)에 냉각수순환관(111)과 열교환기(112) 그리고 물탱크(113)로 된 냉각수순환부(110)를 더 설치하는 것이다.

이 냉각수순환관(111)의 중간에 3방밸브로된 냉각수전환밸브(114)를 설치하고 그 냉각수전환밸브(114)에 상기한 냉각수회수관(71)을 연결한다. 물탱크(113)는 물공급원(51)과 함께 연결하도록 물펌프(53)의 입구측인 물공급관(52)의 중간에 설치한다.

이를 이용하여 저탕조(72)에 냉각수가 가득 채워지거나 이 저탕조(72)에 채워진 물을 덜 사용할 때 냉각수전환밸브(114)를 이용하여 냉각수회수관(71)을 닫고 대신 냉각수순환관(111)을 열어 냉각수가 냉각수순환관(111)을 거쳐 열교환기(112)에서 냉각된 다음에 물탱크(113)에 모였다가 물공급관(52)을 통해 열회수부(60)로 재공급함으로써 물자원을 보다 효과적으로 활용할 수 있다.

또 한편, 본 발명에 의한 연료전지의 냉각수 재활용 장치에 대한 또 다른 실시예가 있는 경우는 다음과 같다.

즉, 전술한 제1 실시예에서는 열회수부(60)를 거친 냉각수는 모두 저탕조(72)로 저장하는 것이고, 제2 실시예는 열회수부(60)에 냉각수순환부(110)를더 설치하여 냉각수를 다시 냉각수로 활용하는 것이었으나, 제3 실시예는 도 3에서와 같이 개질부(미도시)에서 발생하는 배기가스와 스택부(10)에서 발생하는 배기가스를 이용하여 일반 상수를 데운 다음에 이 물을 상기한 저탕조(72)에 함께 저장하는 급탕부(210)를 구비하는 것이다.

급탕부(210)는 물탱크(113) 앞단의 물공급관(52)에서 저탕조(72)로 연결하는 보조물공급관(211)을 분관하고, 그 보조물공급관(211)의 중간에 보조열교환기(212)를 설치하며, 그 보조열교환기(212)는 개질부에서 뽑아낸 배기가스관(213)과 스택부(10)에서 뽑아낸 배기가스관(214)에 접하도록 설치하여 이루어진다.

이는, 저탕조(72)의 물을 많이 사용하여 저탕조(72)에 급하게 더운 물을 채워야 할 때 보조물공급밸브(215)를 열어 일반 상수를 물공급원(51)에서 저탕조(72)로 보내되 보조물공급관(211)의 중간에 설치한 보조열교환기(212)를 이용하여 물이 배기가스와 열교환되면서 가열되도록 하는 것이다.

이렇게 하여, 연료전지 시스템의 운전시 발생하는 폐열을 냉각하면서 얻는 열과 반응후 배출하는 배기가스의 열을 모두 이용하여 냉각수를 가열하고 이 가열한 냉각수를 난방이나 온수로 활용할 뿐만 아니라 개질부나 스택부에 필요한 수증기를 용이하게 만드는데 활용함으로써 에너지를 훨씬 효과적으로 이용할 수 있다.

본 발명에 의한 연료전지 시스템의 냉각수 재활용 장치는, 스택부를 냉각하면서 더워진 냉각수와 개질부나 스택부에서 발생한 배기가스로 가열하여 더워진 냉각수를 저장하였다가 난방이나 온수로 활용함과 아울러 개질부나 스택부에 필요한 수증기를 만드는데 활용함으로써, 냉각수를 보다 광범위하게 활용할 수 있어 자원을 보다 효율적으로 활용할 뿐만 아니라 폐열을 효과적으로 활용하여 에너지 손실을 현저하게 줄이고 냉각수를 재가열하는데 필요한 열원을 줄여 불필요한 에너지 낭비를 막을 수 있다.

Claims

전해질막을 사이에 두고 연료극과 공기극을 부착하고 그 중 연료극에는 수소를 함유한 연료가스를 공급하는 반면 공기극에는 산소를 함유한 산화가스를 공급하여 수소의 산화반응과 산소의 환원반응으로 전기와 열을 발생하는 스택부와,

스택부의 전방측에 구비하여 개질 반응시켜 수소를 만들어 스택부에 공급하는 연료공급부와,

공기를 스택부에 공급하는 공기공급부와, 연료공급부와 스택부 그리고 공기공급부와 스택부 사이에 설치하여 연료와 공기를 가습하는 스택가습부와,

스택부에서 발생하는 열을 방열할 수 있도록 냉각수를 공급하는 냉각수공급부와,

소정의 내부체적을 구비하여 스택부를 감싸고 그 내부에 냉각수를 수용하여 스택부에서 발생하는 열을 회수하는 열회수부와,

열회수부의 출구측에 연결하여 스택부를 냉각하면서 생긴 더운 냉각수를 저장하는 냉각수저장부와,

냉각수저장부의 출구를 난방/온수 시스템에 연결하여 그 냉각수저장부의 더운 냉각수를 난방/온수로 활용하는 난방/온수공급부와,

냉각수저장부의 출구를 연료공급부에 연결하여 그 냉각수저장부의 더운 냉각수를 개질반응에 필요한 개질용온수로 공급하는 개질용온수공급부로 구성한 연료전지 시스템의 냉각수 재활용 장치.
제1항의 열회수부와 냉각수공급부 사이에 냉각수순환관과 열교환기를 포함한 냉각수순환부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 냉각수 재활용 장치.
제2항의 냉각수공급부와 냉각수저장부 사이에 보조물공급관을 연결하고, 그 보조물공급관의 중간에 보조열교환기를 구비하되 보조열교환기는 스택부와 연료공급부에서 인출한 배기가스관을 접촉하여 배기가스에 의해 물이 가열된 후 냉각수저장부에 열회수부를 거친 냉각수와 함께 저장되도록 구성한 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 냉각수 재활용 장치.
제1항 내지 제3항의 어느 한 항에 있어서,

냉각수저장부에 연결하여 그 냉각수저장부의 더운 냉각수를 스택가습부에 필요한 스택가습용온수로 공급하는 스택가습용온수공급부를 더 부가한 것을 특징으로 하는 연료전지의 냉각수 재활용 장치.
제4항에 있어서,

냉각수저장부와 스택가습용온수공급부의 사이에는 가습용수정수부재를 부가하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 냉각수 재활용 장치.
제1항 내지 제3항의 어느 한 항에 있어서,

스택가습부에 수위센서를 설치하고 이 수위센서를 스택가습부의 적정 수위를 저장한 제어부에 연결하여 그 제어부가 저장된 적정 수위와 수위센서에서 감지한 현재 수위를 비교하여 스택가습부로 유입하는 가습용수의 유입량을 제어하도록 한 것을 특징으로 하는 연료전지의 냉각수 재활용 장치.