KR20040011289A - 연료전지의 연료/공기 가열장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지의 연료/공기 가열장치에 관한 것으로, 본 발명은 전해질막과 이 전해질막의 양측에 설치하는 연료극과 공기극으로 이루어져 연료극에는 수소를 가지는 연료를 공급하는 반면 공기극에는 산소를 가지는 공기를 공급하여 수소와 산소의 전기화학적 반응으로 전기를 발생하도록 하는 연료전지스택과, 연료전지스택의 연료극에 연결하여 연료를 공급하는 연료공급부와, 연료전지스택의 공기극에 연결하여 공기를 공급하는 공기공급부와, 연료전지스택의 두 전극에 연결하여 전기를 상용전원이나 직류전원으로 변환하면서 부하에 전달하는 전기에너지 출력부를 포함한 연료전지에 있어서, 전기에너지 출력부에 방열부를 형성하고, 그 방열부에 연료공급부와 공기공급부 중에서 적어도 어느 한 쪽이 접촉하여 연료전지스택의 연료극 또는 공기극으로 공급하는 연료 또는 공기를 예열하도록 구성함으로써, 연료와 공기를 가열 또는 가습하기 위한 히터를 제거하여 전기소모량과 비용을 줄이고 연료전지를 소형화할 수 있으며 전기에너지 출력부를 효과적으로 냉각시켜 연료전지의 효율을 높일 수 있다.

Description

연료전지의 연료/공기 가열장치{DEVICE FOR HEATING FUEL/AIR OF FUEL CELL}

본 발명은 연료전지를 이용하여 전기에너지를 얻는 에너지 발생시스템에 관한 것으로, 특히 전기에너지 출력부에서 발생하는 열을 이용하여 연료를 예열하고 공기를 가습하도록 하는 연료전지의 연료/공기 가열장치에 관한 것이다.

인류가 사용하고 있는 에너지 중 대부분은 화석 연료에서 얻고 있다. 그러나 이러한 화석 연료의 사용은 대기오염 및 산성비, 지구 온난화 등의 환경에 심각한 악영향을 미치고 있으며, 에너지 효율도 낮은 등의 문제점이 있었다.

연료전지는 이러한 화석 연료의 대안으로 제시하는 것으로 통상의 전지(2차 전지)와는 달리 음극(anode)에 연료(수소가스나 탄화수소)를, 양극(cathode)에 산소를 외부로부터 공급하여 물의 전기분해 역반응으로 전기화학반응이 진행되어 전기와 열을 발생하는 전지계로서 실제로는 발전장치라고 볼 수 있다.

연료전지에 의한 발전 방법은 연료의 연소(산화)반응을 거치지 않고 수소와 산소의 전기화학적 반응을 거쳐 반응 전후의 에너지 차를 전기에너지로 직접 변환하는 방법이다.

연료전지를 전해질의 유형에 따라 분류하면, 200℃ 부근에서 작동하는 인산형 연료전지, 60 ~ 110℃에서 작동하는 알칼리 전해질형 연료전지, 상온 ~ 80 ℃에서 작동하는 고분자 전해질 연료전지, 약 500 ~ 700℃의 고온에서 작동하는 용융탄산염 전해질형 연료전지, 그리고 1000℃ 이상의 고온에서 작동하는 고체 산화물 연료전지 등이 있다.

이러한 연료전지는 도 1에서와 같이 통상 수소와 산소의 전기화학적 반응에 의해 전기에너지를 생성하도록 연료극(11)과 공기극(12)을 구비하는 연료전지스택(10)과, 수소를 포함한 연료(LNG,CH₃OH,NaBH₄...등)를 상기한 연료극(11)에 공급하는 연료공급부(20)와, 산소를 포함한 공기를 상기한 공기극(12)에 공급하는 공기공급부(30)와, 연료전지스택(10)에서 생성하는 전기에너지를 부하에 공급하는 전기에너지 출력부(40)를 포함하고 있다.

연료공급부(20)는 연료를 연료극(11)에 순환 공급할 수 있도록 연료전지스택(10)의 연료극(11)에 폐루프 형상으로 연결하는 연료공급관(21)과, 연료공급관(21)의 중간에 착탈 가능하게 연결하여 일정량의 수소화붕소나트륨을 채운 연료통(22)과, 연료극(11)으로 공급하는 연료를 미리 예열하여 연료전지스택(10)내 촉매층과의 반응을 활성화하도록 상기 연료통(22)의 출구측에 설치하여 히터(23)를 포함하고 있다.

공기공급부(30)는 대기 중의 공기를 연료전지스택(10)의 공기극(12)으로 유도하는 공기공급관(31)과, 공기공급관(31)의 중간에 설치하여 공기를 적정하게 습윤하도록 가습하는 가습기(32)로 이루어져 있다.

상기와 같은 종래 연료전지에 연료를 공급할 때 전기에너지가 발생하는 과정은 다음과 같다.

즉, 연료통(22)에서 연료를 펌핑하여 연료공급관(21)을 통해연료전지스택(10)의 연료극(11)으로 공급하는 한편 대기중에서 공기를 펌핑하여 공기공급관(31)을 통해 연료전지스택(10)의 공기극(12)으로 공급함으로써 연료전지스택(10)에서는 연료극(11)으로 공급받는 연료중의 수소와 공기극(12)으로 공급받는 공기중의 산소가 전기 화학적으로 반응하면서 전기에너지를 발생한다.

이 전기에너지는 통상 6∼12V에 해당하는 저전압의 전류이므로 이를 전류에너지 출력부(40)내 DC/DC 컨버터(41)에서 상용전원으로 사용할 수 있을 정도의 고전압으로 승압을 한 다음에, 이를 다시 DC/AC 인버터(42)에서 교류전압으로 전환하여 각종 전기제품의 전원공급부에 연결 공급하는 것이었다.

그러나, 상기와 같은 종래 연료전지에 있어서는, 연료극(11)으로 공급하는 연료는 연료극(11)의 촉매층과 활발히 반응할 수 있도록 히터(23)에서 미리 적정온도로 가열하는 한편 공기극(12)으로 공급하는 공기 역시 공기극(12)의 촉매층과 활발히 반응할 수 있도록 가습기(32)에서 적정한 온도로 가열하여 습윤상태로 가습하는 것이나, 이를 위하여는 히터(23)와 가습기(32)에 별도의 가열장치를 마련하여야 하므로 전력소모량이 증가하는 문제점이 있었다.

본 발명의 목적은 상기와 같은 종래 연료전지가 가지는 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 연료전지에서 발생하는 폐열을 이용하여 연료를 예열하고 공기를 가습하는 연료전지의 연료/공기 가열장치를 제공하려는데 본 발명의 목적이 있다.

도 1은 종래 연료전지의 일례를 보인 계통도.

도 2 는 본 발명 연료전지의 일례를 보인 계통도.

도 3은 본 발명 연료전지의 연료/공기 가열장치를 보인 개략도.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **

110 : 연료전지스택 120 : 연료공급부

121 : 연료공급관 130 : 공기공급부

131 : 공기공급관 140 : 전기에너지 출력부

141 : 방열핀 142 : 파워 디바이스

143 : 피시비 기판

본 발명의 목적을 달성하기 위하여 전해질막과 이 전해질막의 양측에 설치하는 연료극과 공기극으로 이루어져 연료극에는 수소를 가지는 연료를 공급하는 반면 공기극에는 산소를 가지는 공기를 공급하여 수소와 산소의 전기화학적 반응으로 전기를 발생하도록 하는 연료전지스택과, 연료전지스택의 연료극에 연결하여 연료를 공급하는 연료공급부와, 연료전지스택의 공기극에 연결하여 공기를 공급하는 공기공급부와, 연료전지스택의 두 전극에 연결하여 전기를 상용전원이나 직류전원으로 변환하면서 부하에 전달하는 전기에너지 출력부를 포함한 연료전지에 있어서, 전기에너지 출력부에 방열부를 형성하고, 그 방열부에 연료공급부와 공기공급부 중에서 적어도 어느 한 쪽이 접촉하여 연료전지스택의 연료극 또는 공기극으로 공급하는 연료 또는 공기를 예열하도록 하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 연료/공기 가열장치를 제공한다.

이하, 본 발명에 의한 연료전지의 연료/공기 가열장치를 첨부도면에 도시한 일실시예에 의거하여 상세히 설명한다.

도 2 는 본 발명 연료전지의 일례를 보인 계통도이고, 도 3은 본 발명 연료전지의 연료/공기 가열장치를 보인 개략도이다.

이에 도시한 바와 같이 본 발명에 의한 연료전지는 수소와 산소의 전기화학적 반응에 의해 전기에너지를 생성하도록 연료극(111)과 공기극(112)을 구비하는 연료전지스택(110)과, LNG,CH₃OH,NaBH₄등과 같이 수소를 포함한 연료를 상기한 연료전지스택(110)의 연료극(111)에 공급하는 연료공급부(120)와, 산소를 포함한 공기를 상기한 연료전지스택(110)의 공기극(112)에 공급하는 공기공급부(130)와, 연료전지스택(110)의 두 전극에 연결하여 전기를 상용전원이나 직류전원으로 변환하면서 부하에 전달하고 이 과정에서 생기는 열을 방출할 수 있도록 다수 개의 방열핀(141)을 구비하는 전기에너지 출력부(140)를 포함한다.

연료공급부(120)는 연료를 연료극(111)에 순환 공급할 수 있도록 연료전지스택(110)의 연료극(111)에 폐루프 형상으로 연결하는 연료공급관(121)과, 연료공급관(121)의 중간에 착탈 가능하게 연결하여 일정량의 연료를 채운 연료통(122)으로 이루어진다.

도 3에서와 같이 연료공급관(121)은 연료전지스택(110)의 연료극(111) 입구측에 연결하는 끝단이 상기한 전기에너지 출력부(140)의 방열핀(141)을 관통하여 결합한다.

공기공급부(130)는 대기 중의 공기를 연료전지스택(110)의 공기극(112)으로 유도하는 공기공급관(131)과, 공기공급관(131)의 중간에 설치하여 공기를 적정하게 습윤하도록 가습하는 가습기(132)로 이루어진다.

공기공급관(131) 역시 도 3에서와 같이 상기한 연료공급관(121)과 같이 연료전지스택(110)의 공기극(131) 입구측에 연결하는 끝단이 상기 전기에너지 출력부(140)의 방열핀(141)을 관통하여 결합한다.

도면중 미설명 부호인 142는 파워디바이스, 143은 피시비기판이다.

상기와 같은 본 발명 연료전지의 연료/공기 가열장치는 다음과 같은 작용 효과를 갖는다.

즉, 연료전지가 구동하면 연료통(122)에서 연료를 펌핑하여 연료공급관(121)을 통해 연료전지스택(110)의 연료극(111)으로 공급하는 한편 대기중에서 공기를 펌핑하여 공기공급관(131)을 통해 연료전지스택(110)의 공기극(112)으로 공급함으로써 연료전지스택(110)에서는 연료극(111)으로 공급받는 연료중의 수소와 공기극(112)으로 공급받는 공기중의 산소가 전기 화학적으로 반응하면서 전기에너지를 발생한다.

이 전기에너지를 전류에너지 출력부(140) 내 DC/DC 컨버터(미도시)에서 고전압으로 승압을 한 후에 다시 DC/AC 인버터(미도시)에서 교류전압으로 전환하여 각종 전기제품의 전원공급부에 연결 공급한다.

이때, 전기에너지 출력부(140)에서는 DC→DC, DC→AC 등 잦은 스위칭 동작으로 인해 파워 디바이스(142)에서 상당한 열이 발생하므로 이를 냉각하기 위하여 다수 개의 방열핀(143)을 장착하는데, 이 방열핀(143)을 연료공급관(121)이 접촉하여 통과하므로 이 연료공급관(121)의 연료는 방열핀(141)을 통해 방출되는 열을 전달받아 미리 적정 온도로 가열된 후 연료극(111)으로 공급되어 그 연료극(111)의 촉매층과 보다 활발하게 반응하게 된다.

또, 공기공급관(131)의 공기 역시 상기한 방열핀(141)을 통과하면서 미리 적정 온도로 가열된 후 가습기(미도시) 내부로 유입되어 가습된 후 공기극(112)으로 공급되므로 공기극(1120의 촉매층과 활발하게 반응할 수 있게 되는 것이다.

이렇게 하여, 별도의 연료 가열장치나 공기 가습장치를 구비하지 않고도 연료전지의 일부를 이루는 전기에너지 출력부에서 발생하는 폐열을 이용하여 상기한 연료와 공기를 가열함에 따라 전기소모량을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 히터에 대한부담을 제거하여 비용을 절감함과 아울러 연료전지를 소형화할 수 있다.

또, 전기에너지 출력부를 보다 용이하고 효과적으로 냉각할 수 있어 연료전지 효율을 높일 수 있다.

본 발명에 의한 연료전지의 연료/공기 가열장치는, 전기에너지 출력부에서 발생하는 폐열을 이용하여 연료와 공기를 가열하도록 구성함으로써, 연료와 공기를 가열 또는 가습하기 위한 히터를 제거하여 전기소모량과 비용을 줄이고 연료전지를 소형화할 수 있으며 전기에너지 출력부를 효과적으로 냉각시켜 연료전지의 효율을 높일 수 있다.

Claims (3)

1. 전해질막과 이 전해질막의 양측에 설치하는 연료극과 공기극으로 이루어져 연료극에는 수소를 가지는 연료를 공급하는 반면 공기극에는 산소를 가지는 공기를 공급하여 수소와 산소의 전기화학적 반응으로 전기를 발생하도록 하는 연료전지스택과, 연료전지스택의 연료극에 연결하여 연료를 공급하는 연료공급부와, 연료전지스택의 공기극에 연결하여 공기를 공급하는 공기공급부와, 연료전지스택의 두 전극에 연결하여 전기를 상용전원이나 직류전원으로 변환하면서 부하에 전달하는 전기에너지 출력부를 포함한 연료전지에 있어서,

   전기에너지 출력부에 방열부를 형성하고, 그 방열부에 연료공급부와 공기공급부 중에서 적어도 어느 한 쪽이 접촉하여 연료전지스택의 연료극 또는 공기극으로 공급하는 연료 또는 공기를 예열하도록 하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 연료/공기 가열장치.
2. 제1항에 있어서,

   연료공급부 또는 공기공급부는 연료전지스택의 연료극 입구측 또는 공기극 입구측에서 전기에너지 출력부의 방열부와 접촉하도록 배열하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 연료/공기 가열장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   방열부는 다수 개의 방열핀으로 이루어지고, 그 방열핀을 연료를 연료극에 공급하는 연료공급관 또는 공기를 공기극에 공급하는 공기공급관이 통과하도록 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 연료/공기 가열장치.