KR20040009651A

KR20040009651A - 연료전지의 가습장치

Info

Publication number: KR20040009651A
Application number: KR1020020043661A
Authority: KR
Inventors: 이성환
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2002-07-24
Filing date: 2002-07-24
Publication date: 2004-01-31

Abstract

전해질막을 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 스택에 공급되는 수증기를 생성하는 진동자가 장착된 가습부가 구비되어 구성됨으로써, 스택에 공급되는 수증기량을 효율적으로 제어할 수 있도록 한 것이다.

Description

연료전지의 가습장치{HUMIDIFIER FOR FUEL CELL}

본 발명은 연료전지의 가습장치에 관한 것으로서, 보다 상세히 설명하면 진동자에 의해 수분을 공급하는 연료전지의 가습장치에 관한 것이다.

일반적으로 연료전지는 연료가 가지고 있는 에너지를 전기적 에너지로 직접 변환시키는 장치로서, 통상 전해질을 사이에 두고 양극(anode)과, 음극(cathode)으로된 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.

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 상기 개질기(2)로부터 생성된 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) 등이 구비되어 이루어진다.

도면중 미 설명 부호인 2a는 반응로, 2b는 버너, 3a는 전해질막, 3b는 연료극, 3c는 공기극, 6은 급수펌프, 7은 가습기이다.

상기와 같은 종래 구조의 연료전지를 이용하여 전기를 발생시키는 개략적인 과정은 다음과 같다.

즉, 상기 제어부(미도시)에 의해 상기 연료탱크(1)로부터 가솔린이나 탄화수소계열의 연료가 상기 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 수소가 상기 스택(3)의 연료극(3b)으로 공급됨과 아울러 다른 한 쪽의 공기극(3c)으로는 산소(O₂)가 공급되어 상기 연료극(3b)에서는 산화반응이 또 공기극(3c)에서는 환원반응이 일어나게 되며, 이 과정에서 생성되는 전자가 상기 연료극(3b)에서 공기극(3c)으로 이동하면서 전기 와 열이 발생되고, 이 전기는 상기 전력변환기(4)를 거치면서 교류전기로 전환되어 각종 전기제품을 구동시키는데 사용된다.

또한, 상기 연료전지에 있어서는 상기 스택(3)의 전해질막(3a)이 건조해지면 수소이온(H⁺)의 전도도가 떨어지게 되거나 전해질막이 수축되면서 막과 전극 사이의 접촉저항이 증가하게 되므로 상기 스택(3)으로의 수소 공급 시, 항상 물을 함께 공급하도록 한다.

그러나, 상기와 같은 종래 구조의 연료전지에 있어서는 상기 가습기(7)가 버블링 방식으로 수증기를 공급하는 구조로 이루어져 있으므로, 가습량을 증가시키기 위해서는 공급되는 물의 온도를 높여야 하며, 가습량을 효율적으로 제어하는데 한계가 있다.

또한, 상기 스택(3)에서 발생되는 전기의 사용량이 급격히 커져 상기 스택(3)에 공급되는 연료 및 공기의 양이 증가하거나, 반대로 전기의 사용량이 급격히 작아져 공급되는 연료 및 공기의 양이 감소할 경우, 건조에 의한 상기 스택(3)의 성능저하 및 수증기의 과잉공급에 의한 출력저하가 발생될 수 있으며, 이를 방지하기 위해서는 공급되는 물의 온도를 증가시키고자 할 시에는 높은 에너지가 필요하며, 물의 온도를 낮추기 위해서는 별도의 냉각장치가 장착되어야 하는 문제점이 있다.

상기와 같은 점을 감안하여 안출한 본 발명의 목적은 스택에 공급되는 수증기의 양을 효율적으로 제어할 수 있는 연료전지의 가습장치를 제공함에 있다.

도 1은 일반적인 연료전지의 가습장치를 도시한 블록 다이어그램,

도 2는 본 발명의 일 실시예인 연료전지의 가습장치를 도시한 블록 다이어그램,

도 3은 도 2에 도시된 연료전지의 가습장치를 부분적으로 도시한 블록 다이어그램.

**도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명**

11 : 연료탱크 12 : 개질기

12a : 반응로 12b : 버너

13 : 스택 13a : 전해질막

13b : 공기극 13c : 연료극

14 : 전력변환기 18 : 펌프

20 : 가습부 21 : 물탱크

22 : 정수공급로 23 : 진동자

24 : 수증기공급로

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 연료전지의 가습장치는 전해질막을 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 스택에 공급되는 수증기를 생성하는 진동자가 장착된 가습부가 구비되어 구성된다.

이하 본 발명의 일 실시예인 연료전지의 가습장치를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명의 일 실시예인 가습장치가 장착된 연료전지 시스템을 도시한 블록다이어그램으로써, 도 2에 도시한 바와 같이 가습장치가 장착된 연료전지는 가솔린이나 여타의 탄화수소(LNG, LPG, CH₃OH...)계열의 연료가 채워져 있는 연료탱크(11)와, 상기 연료탱크(11)에 연결되어 공급되는 연료로부터 수소를 만들어 내는 개질기(reformer)(12)와, 상기 개질기(12)에 연결되어 상기 개질기(12)로부터 생성된 수소의 산화반응 및 별도로 공급되는 산소의 환원반응이 동시에 일어나면서 전기와 열이 함께 발생되는 스택(stack)(13)과, 상기 스택(13)의 연료공급측에 연통 되어 응축수를 수증기 상태로 전환시켜 상기 스택(13)으로 공급하는 가습부(20)와, 상기 스택(13)에 연결되어 그 스택(13)에서 얻어진 직류전기를 상용전기인 교류전기로 변환시키는 전력변환기(14) 등이 구비되어 구성된다.

상기 스택(13)은 전해질막(13a)을 사이에 두고 그 양쪽에 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.

상기 가습부(20)는 소정의 내부체적이 형성되어 물이 저장되는 물탱크(21)와, 상기 물탱크(21)에 정수를 공급하는 정수공급로(22)와, 상기 물탱크(21)의 내부에 장착되고 진동에 의해 수증기 입자를 생성하는 다수개의 진동자(23)와, 상기 진동자(23)에 의해 발생된 수증기가 안내되어 상기 스택에 공급하는 수증기공급로(24)로 구성된다.

도면중 미 설명 부호인 12a는 반응로, 12b는 버너, 18은 펌프이다.

상기와 같이 구성된 연료전지의 가습장치는 다음과 같은 동작 및 작용효과를 갖는다.

상기 연료탱크(11)로부터 공급되는 연료액이 물 및 공기와 혼합되어 상기 개질기(12)로 유입되고, 그 연료액의 일부는 상기 개질기(12)의 버너(12b)로 유입되어 연소되고, 나머지는 상기 반응로(12a)로 유입되어 탈황반응 및 개질반응 그리고 수소정제반응을 거치면서 수소를 발생시키게 되고, 이 수소는 상기 스택(13)의 연료극(12b)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 사용된다.

이때, 도 3에 도시한 바와 같이 상기 정수공급로(22)를 통해 공급된 물이 상기 물탱트(21)의 내부에 장착된 상기 진동자(23)의 작동에 의해 아주 작은 입자로 만들어지며, 미세한 물입자는 상기 스택(13)에 투입되는 연료 및 공기와 함께 공급됨으로써, 상기 스택(13)의 전해질막(13a)이 건조해져 수소이온의 전도도가 떨어지거나, 상기 전해질막(13a)이 수축되면서 막과 전극 사이의 접촉저항이 증가되는 것을 방지한다.

또한, 상기 물탱크(21) 내부에는 다수개의 진동자(23)가 장착되고, 상기 스택(13)에 공급해야 하는 수증기량에 따라 가동되는 진동자(23)의 개수를 조절하는 것을 특징으로 한다, 즉 수증기 공급량이 많을 시에는 다수개의 진동자(23)를 가동시키고, 수증기 공급량이 적을 시에는 소수개의 진동자(23)를 가동시키는 것이다.

이와 같이 본 발명에 의한 연료전지의 가습장치는 내부에 물이 저장된 물탱크(21)에 장착된 진동자(23)를 발생하고자 하는 수증기량에 따라 차례로 작동시켜 수증기를 생성하고 상기 스택(13)에 공급하는 것을 특징으로 한다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 의한 연료전지의 가습장치는 진동자를 사용하여 스택에 수분을 공급함으로써, 종래 가열에 의한 버블링방식보다 가습량을 효율적으로 제어할 수 있는 효과가 있다.

또한, 종래 구조에서 가습량이 높은 상태에서 가습량을 줄이기 위해 별도의 냉각장치가 장착되어야 하지만, 진동자에 의한 가습장치는 별도의 냉각장치가 필요치 않음으로써, 구조가 간단해지고, 경비가 절감되는 효과가 있다.

Claims

전해질막을 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 스택에 공급되는 수증기를 생성하는 진동자가 장착된 가습부가 구비되어 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 가습장치.
제 1항에 있어서, 상기 가습부는 소정의 내부체적이 형성된 물탱크와, 상기 물탱크에 정수를 공급하는 정수공급로와, 상기 물탱크의 내부에 장착되어 수증기 입자를 생성하는 진동자와, 상기 스택에 수증기를 공급하는 수증기공급로가 구비되어 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 가습장치.
제 2항에 있어서, 상기 진동자는 가동되는 진동자의 수량으로 공급되는 수증기의 공급량을 조절하도록 다수개 장착되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 가습장치.