KR20060000462A

KR20060000462A - Fuel cell system

Info

Publication number: KR20060000462A
Application number: KR1020040049327A
Authority: KR
Inventors: 서준원; 권호진
Original assignee: 삼성에스디아이 주식회사
Priority date: 2004-06-29
Filing date: 2004-06-29
Publication date: 2006-01-06

Abstract

본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부; 수소를 함유한 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급원; 산소를 상기 전기 발생부로 공급하는 산소 공급원; 및 상기 전기 발생부에 대한 연료와 산소의 공급 경로 및 배출 경로 상에 각각 설치되는 일방향 밸브를 포함한다.Fuel cell system according to the present invention, at least one electricity generating unit for generating electrical energy through the electrochemical reaction of hydrogen and oxygen; A fuel supply source for supplying a fuel containing hydrogen to the electricity generator; An oxygen supply source for supplying oxygen to the electricity generator; And one-way valves provided on the supply paths and the discharge paths of the fuel and the oxygen to the electricity generator, respectively.

연료전지, 스택, 전기발생부, 개질기, 공기펌프, 역류, 일방향밸브, 체크밸브Fuel Cell, Stack, Electricity Generator, Reformer, Air Pump, Backflow, One-way Valve, Check Valve

Description

Fuel Cell System {FUEL CELL SYSTEM}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 도시한 개략도이다.1 is a schematic diagram showing an overall configuration of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.

도 2는 도 1에 도시한 스택 구조를 나타내 보인 분해 사시도이다.FIG. 2 is an exploded perspective view illustrating the stack structure shown in FIG. 1.

도 3은 도 2에 도시한 세퍼레이터 중 일측 세퍼레이터를 선회한 상태의 분해 사시도이다.FIG. 3 is an exploded perspective view of the separator shown in FIG. 2 in which one side of the separator is rotated. FIG.

도 4는 도 3에 도시한 전극-전해질 합성체와 세퍼레이터가 조립된 상태의 부분 단면 구성도이다.FIG. 4 is a partial cross-sectional view of the electrode-electrolyte composite and the separator shown in FIG. 3 assembled together.

본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 스택에 대한 연료와 공기의 공급/배출 구조를 개선한 연료 전지 시스템에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly, to a fuel cell system having an improved supply / exhaust structure of fuel and air to a stack.

알려진 바와 같이, 연료 전지(Fuel Cell)는 메탄올, 에탄올, 천연 가스와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와, 산소의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다.As is known, a fuel cell is a power generation system that converts chemical reaction energy of hydrogen and oxygen contained in hydrocarbon-based materials such as methanol, ethanol, and natural gas directly into electrical energy.

이 연료 전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라, 인산형 연료전지, 용융탄산 염형 연료전지, 고체 산화물형 연료전지, 고분자 전해질형 또는 알칼리형 연료전지 등으로 분류된다. 이들 각각의 연료전지는 근본적으로 같은 원리에 의해 작동되지만 사용되는 연료의 종류, 운전 온도, 촉매, 및 전해질 등이 서로 다르다.This fuel cell is classified into a phosphate fuel cell, a molten carbonate fuel cell, a solid oxide fuel cell, a polymer electrolyte type or an alkaline fuel cell according to the type of electrolyte used. Each of these fuel cells operates on essentially the same principle, but differs in the type of fuel used, operating temperature, catalyst, and electrolyte.

이들 중 근래에 개발되고 있는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell : PEMFC, 이하 편의상 PEMFC라 한다)는 다른 연료 전지에 비하여 출력 특성이 탁월하며 작동 온도가 낮고 아울러 빠른 시동 및 응답 특성을 가지며, 자동차와 같은 이동용 전원은 물론, 주택, 공공건물과 같은 분산용 전원 및 전자기기용과 같은 소형 전원 등 그 응용 범위가 넓은 장점을 가진다.Among these, the polymer electrolyte fuel cell (PEMFC, hereinafter referred to as PEMFC for convenience), which has been developed recently, has excellent output characteristics, low operating temperature, and fast start-up and response characteristics compared to other fuel cells. In addition to mobile power supplies such as automobiles, as well as distributed power supplies such as homes and public buildings and small power supplies such as for electronic devices has a wide range of applications.

상기와 같은 PEMFC는 기본적으로 시스템을 구성하기 위해 스택(stack), 개질기(Reformer), 연료 탱크, 및 연료 펌프 등을 구비한다. 스택은 연료 전지의 본체를 형성하며, 연료 펌프는 연료 탱크 내의 연료를 개질기로 공급한다. 개질기는 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키고 그 수소 가스를 스택으로 공급한다.Such a PEMFC basically includes a stack, a reformer, a fuel tank, a fuel pump, and the like to constitute a system. The stack forms the body of the fuel cell, and the fuel pump supplies the fuel in the fuel tank to the reformer. The reformer reforms the fuel to generate hydrogen gas and supplies the hydrogen gas to the stack.

상기와 같은 연료 전지 시스템에 있어 스택의 작용시 개질기로부터 공급되는 수소 가스와 별도의 펌프 등을 통해 공급되는 공기 중의 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 기설정된 전기 용량을 출력시키고, 상기 수소 가스와 공기 중 반응을 일으키지 않은 미반응 수소 가스와 공기를 배출시킨다.In the fuel cell system as described above, upon operation of the stack, a predetermined electric capacity is output through an electrochemical reaction of hydrogen gas supplied from a reformer and oxygen in air supplied through a separate pump, and the hydrogen gas and air. Unreacted hydrogen gas and air that did not cause heavy reactions are discharged.

그런데, 종래의 연료 전지 시스템은 시스템의 운전 정지시 등 스택으로 공급되는 수소 가스와 공기가 역류하게 되고 그 스택으로부터 배출되는 미반응 수소 가스와 미반응 공기가 역류하게 되는 바, 이러한 역류 현상으로 인해 시스템의 재가동시 스택의 기설정된 전기 출력 용량을 출력시키지 못하게 된다. 따라서 전체적인 시스템의 성능 및 효율이 저하되는 문제점이 있다.However, in the conventional fuel cell system, the hydrogen gas and the air supplied to the stack flow back when the system stops operating, and the unreacted hydrogen gas and the unreacted air discharged from the stack flow back. When the system is restarted, it will not output the preset electrical output capacity of the stack. Therefore, there is a problem that the performance and efficiency of the overall system is reduced.

본 발명은 상술한 문제점을 감안한 것으로서, 그 목적은 스택에 대한 연료와 공기의 공급 경로 및 배출 경로 상에서 연료와 공기의 역류를 방지할 수 있는 구조를 가진 연료 전지 시스템을 제공하는데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object thereof is to provide a fuel cell system having a structure capable of preventing backflow of fuel and air on a supply path and a discharge path of fuel and air to a stack.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부; 수소를 함유한 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급원; 산소를 상기 전기 발생부로 공급하는 산소 공급원; 및 상기 전기 발생부에 대한 연료와 산소의 공급 경로 상에 설치되는 일방향 밸브를 포함한다.A fuel cell system according to the present invention for achieving the above object, at least one electricity generating unit for generating electrical energy through the electrochemical reaction of hydrogen and oxygen; A fuel supply source for supplying a fuel containing hydrogen to the electricity generator; An oxygen supply source for supplying oxygen to the electricity generator; And a one-way valve installed on a supply path of fuel and oxygen to the electricity generator.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 연료 공급원은, 상기 연료를 저장하는 연료 탱크; 및 상기 연료 탱크에 연결 설치되는 연료 펌프를 포함할 수 있다.A fuel cell system according to the present invention, wherein the fuel supply source comprises: a fuel tank for storing the fuel; And a fuel pump connected to the fuel tank.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 연료 공급원은, 상기 전기 발생부와 연료 탱크에 연결 설치되어 상기 연료 탱크로부터 연료를 공급받아 수소 가스를 발생시키고, 상기 수소 가스를 전기 발생부로 공급하는 개질기를 포함하며, 이 경우 상기 연료 탱크와 개질기가 제1 공급라인에 의해 연결되고, 상기 개질기와 전기 발생부가 제2 공급라인에 의해 연결될 수 있다.In the fuel cell system according to the present invention, the fuel supply source is connected to the electricity generation unit and the fuel tank to receive fuel from the fuel tank to generate hydrogen gas, and supply the hydrogen gas to the electricity generation unit. A reformer may be included. In this case, the fuel tank and the reformer may be connected by a first supply line, and the reformer and an electricity generator may be connected by a second supply line.

그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 일방향 밸브는, 상 기 제2 공급라인 상에 설치되는 제1 체크밸브를 구비할 수 있다.In the fuel cell system according to the present invention, the one-way valve may include a first check valve installed on the second supply line.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 산소 공급원은 공기를 흡입하는 공기 펌프를 포함하며, 상기 공기 펌프와 전기 발생부가 제3 공급라인에 의해 연결될 수 있다.In addition, in the fuel cell system according to the present invention, the oxygen supply source includes an air pump that sucks air, and the air pump and the electricity generating unit may be connected by a third supply line.

그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 일방향 밸브는 상기 제3 공급라인 상에 설치되는 제2 체크밸브를 구비할 수 있다.In the fuel cell system according to the present invention, the one-way valve may include a second check valve installed on the third supply line.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 전기 발생부가 복수로 구비되며, 상기 복수의 전기 발생부에 의한 적층 구조의 스택을 형성한다.In addition, the fuel cell system according to the present invention is provided with a plurality of electricity generating units, and forms a stack of a laminated structure by the plurality of electricity generating units.

그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrance Fuel Cell: PEMFC) 방식 또는 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC) 방식을 채용할 수 있다.In addition, the fuel cell system according to the present invention may employ a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) method or a direct methanol fuel cell (DMFC) method.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 전기 발생부에 대한 연료와 산소의 배출 경로 상에 설치되는 일방향 밸브를 포함할 수 있다.In addition, the fuel cell system according to the present invention may include a one-way valve installed on the discharge path of the fuel and oxygen for the electricity generating unit.

그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 전기 발생부는, 이 전기 발생부에서 반응하고 남은 미반응 수소 가스를 배출시키는 제1 배출부와, 이 전기 발생부에서 반응하고 남은 미반응 공기를 배출시키는 제2 배출부를 포함하며, 상기 제1 배출부에 제1 배출라인를 연결 설치하고, 상기 제2 배출부에 제2 배출라인을 연결 설치할 수 있다.In the fuel cell system according to the present invention, the electricity generating unit discharges the first discharge unit for discharging the unreacted hydrogen gas remaining after reacting in the electricity generating unit, and the unreacted air remaining after reacting in the electricity generating unit. It includes a second discharge unit to be connected, the first discharge line is connected to the first discharge line and installed, the second discharge line may be connected to the second discharge line.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 일방향 밸브는 상기 제1 배출라인 상에 설치되는 제3 체크밸브와, 상기 제2 배출라인 상에 설치되는 제4 체크밸브를 구비할 수 있다.In the fuel cell system according to the present invention, the one-way valve may include a third check valve installed on the first discharge line, and a fourth check valve installed on the second discharge line.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the present invention. As those skilled in the art would realize, the described embodiments may be modified in various different ways, all without departing from the spirit or scope of the present invention.

도 1을 참고하면, 본 시스템(100)은 수소를 함유한 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키고, 이 수소 가스와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrode Membrane Fuel Cell; PEMFC) 방식을 채용할 수 있다.Referring to FIG. 1, the system 100 generates a hydrogen gas by reforming a fuel containing hydrogen, and generates a polymer electrolyte fuel cell that generates electrical energy through an electrochemical reaction between the hydrogen gas and oxygen. Electrode Membrane Fuel Cell (PEMFC) can be adopted.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)에 있어 전기를 생성하기 위한 연료라 함은 메탄올, 에탄올 또는 천연 가스와 같이 수소를 함유한 협의(狹義)의 연료 이 외에, 광의(廣義)의 연료로서 물 및 산소가 더욱 포함된다. 그러나 이하에서 설명하는 연료는 상기 협의의 연료로서 편의상 액상으로 이루어진 연료라 정의한다.In the fuel cell system 100 according to the present invention, a fuel for generating electricity is a broad fuel, in addition to a narrow fuel containing hydrogen such as methanol, ethanol or natural gas. And oxygen further. However, the fuel to be described below is defined as a fuel composed of a liquid phase for convenience of the above-mentioned narrow discussion.

그리고 본 시스템(100)은 상기 연료에 함유된 수소와 반응하는 산소 연료로서 별도의 저장수단에 저장된 순수한 산소 가스를 사용할 수 있으며, 산소를 함유하고 있는 공기를 그대로 사용할 수도 있다. 그러나 이하에서는 상기한 산소 연료로서 공기를 사용하는 후자의 예를 설명한다.In addition, the system 100 may use pure oxygen gas stored in a separate storage means as oxygen fuel reacting with hydrogen contained in the fuel, and may use air containing oxygen as it is. However, the latter example of using air as the oxygen fuel described above will be described below.

상기 연료 전지 시스템(100)은 기본적으로, 수소와 산소의 전기 화학적인 반 응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부(11)를 구비한 스택(10)과, 수소를 함유한 연료로부터 수소 가스를 발생시키고 이 수소 가스를 전기 발생부(11)로 공급하는 연료 공급원(30)과, 산소를 전기 발생부(11)로 공급하는 산소 공급원(50)를 포함하여 구성된다.The fuel cell system 100 basically includes a stack 10 having at least one electric generator 11 for generating electrical energy through an electrochemical reaction of hydrogen and oxygen, and a fuel containing hydrogen. And a fuel supply source 30 for generating hydrogen gas from the hydrogen gas and supplying the hydrogen gas to the electricity generation unit 11, and an oxygen supply source 50 for supplying oxygen to the electricity generation unit 11.

스택(10)은 복수로 구비되는 상기 전기 발생부(11)의 적층 구조로 이루어지는 바, 이러한 스택(10)을 구성하는 전기 발생부(11)의 자세한 구조는 뒤에서 더욱 설명하기로 한다.The stack 10 has a stack structure of the plurality of electricity generating units 11 provided therein, and the detailed structure of the electricity generating units 11 constituting the stack 10 will be described later.

연료 공급원(30)은 전술한 바 있는 액상의 연료를 저장하는 연료 탱크(31)와, 이 연료 탱크(31)에 연결 설치되는 연료 펌프(33)와, 연료 탱크(31)와 연결 설치되어 상기 액상의 연료로부터 수소 가스를 발생시키고 이 수소 가스를 전기 발생부(11)로 공급하는 개질기(35)를 포함한다. 그리고 산소 공급원(50)은 공기를 흡입하여 전기 발생부(11)로 공급하는 공기 펌프(51)를 포함하고 있다. 이 때 상기 연료 탱크(31)와 개질기(35)는 파이프 형태의 제1 공급라인(91)에 의해 연결 설치되며, 상기 개질기(35)와 스택(10)은 파이프 형태의 제2 공급라인(92)에 의해 연결 설치될 수 있다. 그리고 상기 공기 펌프(51)와 스택(10)은 파이프 형태의 제3 공급라인(93)에 의해 연결 설치될 수 있다.The fuel supply source 30 is connected to the fuel tank 31 for storing the liquid fuel as described above, the fuel pump 33 connected to the fuel tank 31, and the fuel tank 31, and The reformer 35 generates hydrogen gas from the liquid fuel and supplies the hydrogen gas to the electricity generating unit 11. In addition, the oxygen supply source 50 includes an air pump 51 that sucks air and supplies it to the electricity generating unit 11. At this time, the fuel tank 31 and the reformer 35 are connected and installed by the first supply line 91 in the form of a pipe, and the reformer 35 and the stack 10 are the second supply lines 92 in the form of a pipe. Can be installed by connecting. The air pump 51 and the stack 10 may be connected by a third supply line 93 in the form of a pipe.

상기 연료 공급원(30)에 있어 개질기(35)는 연료 탱크(31)와 스택(10) 사이에 배치되어 열 에너지에 의한 화학 촉매 반응을 통해 상기 액상의 연료로부터 수소 가스를 발생시키고, 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 통상적인 개질기의 구조를 갖는다. In the fuel supply 30, a reformer 35 is disposed between the fuel tank 31 and the stack 10 to generate hydrogen gas from the liquid fuel through a chemical catalytic reaction by thermal energy, and the hydrogen gas It has the structure of the conventional reformer which reduces the density | concentration of the carbon monoxide contained in it.

대안으로서, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)은 상기 액상의 연료를 직접 전기 발생부(11)로 공급하여 전기를 생산해 낼 수 있는 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC) 방식을 채용할 수도 있다. 이러한 직접 메탄올형 연료 방식의 연료 전지는 고분자 전해질형 연료 전지와 달리, 전술한 바 있는 개질기(35)를 필요로 하지 않는다.As an alternative, the fuel cell system 100 according to the present invention uses a direct methanol fuel cell (DMFC) method capable of producing electricity by supplying the liquid fuel directly to the electricity generating unit 11. It is also possible to employ. This direct methanol fuel cell fuel cell, unlike the polymer electrolyte fuel cell, does not require the reformer 35 described above.

상기 연료 공급원(30)으로부터 수소 가스를 공급받고, 산소 공급원(50)으로부터 공기를 공급받아 이 수소 가스와 공기 중에 함유된 산소의 산화/환원 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 전기 발생부(11)는 도 2 내지 도 4를 참조하여 설명한다.An electricity generation unit 11 that receives hydrogen gas from the fuel supply source 30 and receives air from an oxygen source 50 to generate electrical energy through an oxidation / reduction reaction between the hydrogen gas and oxygen contained in the air. Will be described with reference to FIGS. 2 to 4.

도 2는 도 1에 도시한 스택의 분해 사시도이고, 도 3은 도 2에 도시한 세퍼레이터 중 일측 세퍼레이터를 선회한 상태의 분해 사시도이고, 도 4는 도 3에 도시한 전극-전해질 합성체와 세퍼레이터가 조립된 상태의 부분 단면 구성도이다.FIG. 2 is an exploded perspective view of the stack shown in FIG. 1, FIG. 3 is an exploded perspective view of one of the separators shown in FIG. 2 in a pivoted state, and FIG. 4 is an electrode-electrolyte composite and separator shown in FIG. 3. Is a partial cross-sectional configuration of the assembled state.

도 2 내지 도 4를 참고하면, 전술한 바 있는 전기 발생부(11)는 전극-전해질 합성체(Membrane Electrode Assembly: MEA)( 이하, 'MEA"라고 한다.)(12)를 중심에 두고 이의 양측에 세퍼레이터(Separator)('바이폴라 플레이트'라고도 한다.)(14, 15)를 배치하여 단일 스택을 형성하며, 이 전기 발생부(11)가 복수로 구비되어 본 실시예와 같은 적층 구조의 스택(10)을 형성한다.2 to 4, the above-described electricity generating unit 11 has an electrode-electrolyte assembly (MEA) (hereinafter, referred to as 'MEA') 12 centered thereon. Separators (also referred to as bipolar plates) 14 and 15 are arranged on both sides to form a single stack, and a plurality of electrical generators 11 are provided to stack a stack having the same structure as in the present embodiment. To form (10).

그리고 스택(10)의 최 외곽에는 상기한 복수의 전기 발생부(11)를 밀착시키는 밀착 플레이트(13)가 위치할 수도 있다. 그러나 본 발명에 의한 스택(10)은 상기한 밀착 플레이트(13)를 배제하고, 최 외곽에 위치하는 세퍼레이터(14, 15)가 상 기 밀착 플레이트의 역할을 대신하도록 구성할 수 있다. 또한 밀착 플레이트(13)가 복수의 전기 발생부(11)를 밀착시키는 기능 외에, 상기 세퍼레이터(14, 15)의 고유한 기능을 갖도록 구성할 수도 있다. In addition, the outermost surface of the stack 10 may be a close contact plate 13 for contacting the plurality of electricity generating units 11 described above. However, the stack 10 according to the present invention may be configured such that the separators 14 and 15 positioned at the outermost positions may exclude the adhesion plates 13 and replace the role of the adhesion plates. In addition to the function of bringing the adhesion plate 13 into close contact with the plurality of electricity generating units 11, the adhesion plate 13 may be configured to have a unique function of the separators 14 and 15.

MEA(12)는 전해질막(Membrane)(16)을 사이에 두고 이의 양측에 위치하는 애노드 전극(17)과 캐소드 전극(18)으로 구성된다. 세퍼레이터(14, 15)는 MEA(12)를 사이에 두고 밀착 배치되어, MEA(12)의 양측에 각각 수소통로(19a)와 공기통로(19b)를 형성한다. 이 때 수소통로(19a)는 MEA(12)의 애노드 전극(17) 측에 배치되고, 공기통로(19b)는 MEA(12)의 캐소드 전극(18) 측에 배치된다. 그리고 전해질막(16)은 두께가 50∼200㎛인 고체 폴리머 전해질로 형성되어, 애노드 전극(17)에서 생성된 수소 이온을 캐소드 전극(18)으로 이동시켜, 캐소드 전극(18)의 산소와 결합되어 물을 생성시키는 이온 교환을 가능하게 한다.The MEA 12 is composed of an anode electrode 17 and a cathode electrode 18 positioned on both sides thereof with an electrolyte membrane 16 interposed therebetween. The separators 14 and 15 are arranged in close contact with the MEA 12 interposed therebetween to form hydrogen passages 19a and air passages 19b on both sides of the MEA 12, respectively. At this time, the hydrogen passage 19a is disposed on the anode electrode 17 side of the MEA 12, and the air passage 19b is disposed on the cathode electrode 18 side of the MEA 12. The electrolyte membrane 16 is formed of a solid polymer electrolyte having a thickness of 50 to 200 μm, and transfers hydrogen ions generated at the anode electrode 17 to the cathode electrode 18 to bond with oxygen of the cathode electrode 18. To enable ion exchange to produce water.

한편 상기 밀착 플레이트(13)에는 개질기(35)로부터 발생되는 수소 가스를 세퍼레이터(14)의 수소 통로(19a)로 공급하기 위한 제1 주입부(13a)와, 산소 공급원(50)으로부터 공급되는 공기를 세퍼레이터(15)의 공기 통로(19b)로 공급하기 위한 제2 주입부(13b)와, MEA(12)의 애노드 전극(17)에서 반응하고 남은 미반응 수소 가스를 배출시키기 위한 제1 배출부(13c)와, MEA(12)의 캐소드 전극(18)에서 수소와 산소의 결합 반응에 의해 생성된 수분을 함유한 미반응 공기를 배출시키기 위한 제2 배출부(13d)를 형성하고 있다. 이 때 상기 제1 주입부(13a)는 전술한 바 있는 제2 공급라인(92)에 의해 개질기(35)와 연결 설치될 수 있다. 그리고 제2 주입부(13b)는 전술한 바 있는 제3 공급라인(93)에 의해 공기 펌프(51)와 연결 설 치될 수 있다. 아울러, 상기 제1 배출부(13c)에는 파이프 형태의 제1 배출라인(94)이 연결 설치되고, 상기 제2 배출부(13d)에는 파이프 형태의 제2 배출라인(94)이 연결 설치될 수 있다.On the other hand, the adhesion plate 13 has a first injection portion 13a for supplying hydrogen gas generated from the reformer 35 to the hydrogen passage 19a of the separator 14 and air supplied from the oxygen supply source 50. To the air passage (19b) of the separator (15), the second injection portion (13b) and the first discharge portion for discharging the remaining unreacted hydrogen gas from the anode electrode (17) of the MEA (12) 13c and a second discharge portion 13d for discharging the unreacted air containing water generated by the hydrogen-oxygen combined reaction at the cathode electrode 18 of the MEA 12. At this time, the first injection part 13a may be connected to the reformer 35 by the second supply line 92 as described above. In addition, the second injection part 13b may be connected and installed with the air pump 51 by the third supply line 93 described above. In addition, a first discharge line 94 in the form of a pipe may be connected to the first discharge portion 13c, and a second discharge line 94 in the form of a pipe may be connected to the second discharge portion 13d. have.

상기와 같이 구성된 연료 전지 시스템(100)의 작용시 이 시스템(100)의 운전을 정지시키는 경우, 제2 공급라인(92) 및 제3 공급라인(93) 상의 수소 가스와 공기가 역류하게 되고 제1 배출라인(94) 및 제2 배출라인(93) 상의 미반응 수소 가스와 미반응 공기가 역류하게 되는 바, 시스템(100)의 재가동시 스택(10)의 기설정된 전기 출력 용량을 출력시키지 못하게 된다.When the operation of the fuel cell system 100 configured as described above stops the operation of the system 100, hydrogen gas and air on the second supply line 92 and the third supply line 93 are reversed, and The unreacted hydrogen gas and the unreacted air on the first discharge line 94 and the second discharge line 93 are reversed to prevent output of the preset electric output capacity of the stack 10 upon restart of the system 100. do.

이에 상기 연료 전지 시스템(100)은 개질기(35)와 스택(10)의 제1 주입부(13a)를 연결하는 제2 공급라인(92)과, 공기 펌프(51)와 스택(10)의 제2 주입부(13b)를 연결하는 제3 공급라인(93) 상에 본 발명에 따른 일방향 밸브(70)를 구비하고 있다.Accordingly, the fuel cell system 100 includes a second supply line 92 connecting the reformer 35 and the first injection portion 13a of the stack 10, and the air pump 51 and the stack 10. The one-way valve 70 according to the present invention is provided on the third supply line 93 connecting the two injection portions 13b.

상기한 일방향 밸브(70)는 제2 공급라인(92) 상에 설치되는 제1 체크밸브(71)와, 제3 공급라인(93) 상에 설치되는 제2 체크밸브(72)를 포함한다. The one-way valve 70 includes a first check valve 71 installed on the second supply line 92 and a second check valve 72 installed on the third supply line 93.

상기 제1 체크 밸브(71)는 제2 공급라인(92) 상에 설치되어 연료 펌프(31)의 기설정된 펌핑력에 의해 제2 공급라인(92)을 따라 스택(10)의 제1 주입부(13a)로 공급되는 수소 가스의 역류를 방지하기 위한 것이다. 이 때 상기한 연료 펌프(31)는 스택(10)의 기설정된 전기 출력 용량에 상응하는 수소 가스량을 개질기(35)를 통해 스택(10)의 제1 주입부(13a)로 공급하기 위한 펌핑력을 제공한다.The first check valve 71 is installed on the second supply line 92 so that the first injection portion of the stack 10 along the second supply line 92 by a predetermined pumping force of the fuel pump 31. It is for preventing the backflow of the hydrogen gas supplied to 13a. At this time, the fuel pump 31 has a pumping force for supplying the amount of hydrogen gas corresponding to the preset electric output capacity of the stack 10 to the first injection portion 13a of the stack 10 through the reformer 35. To provide.

그리고 제2 체크 밸브(72)는 제3 공급라인(93) 상에 설치되어 공기 펌프(51) 의 기설정된 펌핑력에 의해 제3 공급라인(93)을 따라 스택(10)의 제2 주입부(13b)로 공급되는 공기의 역류를 방지하기 위한 것이다. 이 때 상기한 공기 펌프(51)는 스택(10)의 기설정된 전기 출력 용량에 상응하는 공기량을 스택(10)의 제2 주입부(13b)로 공급하기 위한 펌핑력을 제공한다.The second check valve 72 is installed on the third supply line 93 so that the second inlet of the stack 10 along the third supply line 93 by a predetermined pumping force of the air pump 51. It is for preventing the backflow of the air supplied to 13b. At this time, the air pump 51 provides a pumping force for supplying the air amount corresponding to the preset electric output capacity of the stack 10 to the second injecting portion 13b of the stack 10.

이러한 제1 체크밸브(71) 및 제2 체크밸브(72)는 소정의 유로를 따라 흐르는 유체의 역류를 막고 한 방향으로만 흐르게 하는 밸브체의 구조를 갖는다. 이 체크 밸브의 구성은 예컨대, 리프트 방식의 밸브체 또는 힌지핀을 통한 스윙 방식의 밸브체를 갖는 통상적인 체크 밸브의 구성으로 이루어질 수 있다. 그러나 이러한 밸브체의 구성은 통상적인 체크 밸브에 채용되는 공지의 것이므로 본 명세서에서 그 자세한 설명한 생략하기로 한다.The first check valve 71 and the second check valve 72 have a structure of a valve body which prevents the backflow of the fluid flowing along a predetermined flow path and flows only in one direction. The configuration of the check valve may be, for example, a configuration of a conventional check valve having a valve body of a lift type or a valve body of a swing type through a hinge pin. However, since the configuration of such a valve body is a known one employed in a conventional check valve, detailed description thereof will be omitted herein.

또한 본 실시예에 따르면, 스택(10)의 제1 배출부(13c)에 연결되는 제1 배출라인(94)과, 스택(10)의 제2 배출부(13d)에 연결되는 제2 배출라인(95) 상에 본 발명에 따른 일방향 밸브(70)를 구비하고 있다.In addition, according to the present embodiment, the first discharge line 94 is connected to the first discharge portion 13c of the stack 10 and the second discharge line is connected to the second discharge portion 13d of the stack 10. The one-way valve 70 which concerns on this invention on 95 is provided.

상기한 일방향 밸브(70)는 제1 배출라인(94) 상에 설치되는 제3 체크밸브(73)와, 제2 배출라인(95) 상에 설치되는 제4 체크밸브(74)를 포함한다.The one-way valve 70 includes a third check valve 73 installed on the first discharge line 94 and a fourth check valve 74 installed on the second discharge line 95.

상기 제3 체크 밸브(73)는 연료 펌프(31)의 기설정된 펌핑력에 의해 스택(10)의 제1 배출부(13c)를 통해 배출되어 제1 배출라인(94)을 따라 흐르는 미반응 수소 가스의 역류를 방지하기 위한 것이다.The third check valve 73 is discharged through the first discharge portion 13c of the stack 10 by a predetermined pumping force of the fuel pump 31 and flows along the first discharge line 94. This is to prevent backflow of the gas.

그리고 제4 체크 밸브(74)는 공기 펌프(51)의 기설정된 펌핑력에 의해 스택(10)의 제2 배출부(13d)를 통해 배출되어 제2 배출라인(95)을 따라 흐르는 미 반응 공기의 역류를 방지하기 위한 것이다.The fourth check valve 74 is discharged through the second discharge portion 13d of the stack 10 by a predetermined pumping force of the air pump 51 and flows along the second discharge line 95. It is to prevent the backflow of the.

이러한 상기 제3 체크밸브(73) 및 제4 체크밸브(74)는 전술한 제1 및 제2 체크밸브(71, 72)와 마찬가지로 소정의 유로를 따라 흐르는 유체의 역류를 막고 한 방향으로만 흐르게 하는 통상적인 구조의 체크 밸브로 이루어진다.Like the first and second check valves 71 and 72 described above, the third check valve 73 and the fourth check valve 74 prevent the reverse flow of the fluid flowing along a predetermined flow path and flow in only one direction. It consists of a check valve of a conventional structure.

상기와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 동작을 상세히 설명하면 다음과 같다.Referring to the operation of the fuel cell system according to an embodiment of the present invention configured as described above in detail as follows.

우선, 연료 펌프(33)를 가동시켜 연료 탱크(31)에 저장된 액상의 연료를 제1 공급라인(91)을 통해 개질기(35)로 공급한다. 그러면 개질기(35)는 열 에너지에 의한 화학 촉매 반응을 통해 상기 액상의 연료로부터 수소 가스를 발생시키고, 상기한 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시킨다.First, the fuel pump 33 is operated to supply liquid fuel stored in the fuel tank 31 to the reformer 35 through the first supply line 91. The reformer 35 then generates hydrogen gas from the liquid fuel through a chemical catalytic reaction by thermal energy, and reduces the concentration of carbon monoxide contained in the hydrogen gas.

이어서, 상기 수소 가스를 연료 펌프(33)의 펌핑력을 이용하여 제2 공급라인(92)을 통해 스택(10)의 제1 주입부(13a)로 공급한다. Subsequently, the hydrogen gas is supplied to the first injection part 13a of the stack 10 through the second supply line 92 using the pumping force of the fuel pump 33.

이와 동시에, 공기 펌프(51)를 가동시켜 제3 공급라인(93)을 통해 공기를 스택(10)의 제2 주입부(13b)로 공급한다.At the same time, the air pump 51 is operated to supply air to the second inlet 13b of the stack 10 through the third supply line 93.

따라서 상기 수소 가스는 세퍼레이터(14)의 수소통로(19a)를 통해 MEA(12)의 애노드 전극(17)으로 공급되고, 상기 공기는 세퍼레이터(15)의 공기통로(19b)를 통해 MEA(12)의 캐소드 전극(18)으로 공급된다.Therefore, the hydrogen gas is supplied to the anode electrode 17 of the MEA 12 through the hydrogen passage 19a of the separator 14, and the air is supplied to the MEA 12 through the air passage 19b of the separator 15. Is supplied to the cathode electrode 18.

이로써 상기 애노드 전극(17)에서는 산화 반응을 통해 수소를 전자와 프로톤(수소이온)으로 분해한다. 그리고 프로톤이 전해질막(16)을 통하여 캐소드 전극(18)으로 이동되고, 전자는 전해질막(16)을 통하여 이동되지 못하고 세퍼레이 터(14)를 통해 이웃하는 MEA(12)의 캐소드 전극(18)으로 이동되는데 이 때 전자의 흐름으로 전류를 발생시킨다. 또한 캐소드 전극(18)에서는 상기 이동된 프로톤 및 전자와 산소의 환원 반응을 통해 수분을 생성하게 된다.As a result, the anode 17 decomposes hydrogen into electrons and protons (hydrogen ions) through an oxidation reaction. Then, the proton is moved to the cathode electrode 18 through the electrolyte membrane 16, and the electrons are not moved through the electrolyte membrane 16 and the cathode electrode 18 of the MEA 12 neighboring through the separator 14. At this time, the current flows through the flow of electrons. In addition, the cathode 18 generates moisture through the reduced reaction of the transferred protons and electrons and oxygen.

한편, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)의 작용시, 전기 발생부(11)로 공급되는 수소 가스 중의 일부가 전기 생성을 위해 반응을 하고 나머지 수소 가스가 미반응 되어 스택(10)의 제1 배출부(13c)를 통해 배출되게 된다. 그리고 전기 발생부(11)로 공급되는 공기 중의 일부가 전기 생성을 위해 반응을 하고 나머지 공기가 미반응 되어, 상기 일부 공기 중의 산소와 수소 가스의 결합 반응을 통해 생성되는 수분을 함유한 고온의 수증기 상태로 스택(10)의 제2 배출부(13d)를 통해 배출되게 된다.On the other hand, during the operation of the fuel cell system 100 according to the present invention, part of the hydrogen gas supplied to the electricity generating unit 11 reacts to generate electricity, and the remaining hydrogen gas is unreacted to remove the stack 10. 1 is discharged through the discharge portion (13c). And some of the air supplied to the electricity generating unit 11 reacts to generate electricity and the remaining air is unreacted, the high temperature water vapor containing water generated through the combined reaction of oxygen and hydrogen gas in the air It is discharged through the second discharge portion 13d of the stack 10 in a state.

이와 같은 일련의 과정을 거치는 동안, 시스템(100)의 운전 정지시 제2 공급라인(92) 상에 제1 체크밸브(71)가 설치되어 있기 때문에 제2 공급라인(92)을 통과하는 수소 가스가 역류하지 않게 되고, 제3 공급라인(93) 상에 제2 체크밸브(72)가 설치되어 있기 때문에 제3 공급라인(93)을 통과하는 수소 가스가 역류하지 않게 된다.During this process, the hydrogen gas passing through the second supply line 92 because the first check valve 71 is installed on the second supply line 92 when the system 100 is stopped. Since the second check valve 72 is provided on the third supply line 93, the hydrogen gas passing through the third supply line 93 does not flow backward.

그리고 상기 제1 배출라인(94) 상에 제3 체크밸브(73)가 설치되어 있기 때문에 제1 배출라인(94)을 통과하는 미반응 수소 가스가 역류하지 않게 되고, 제2 배출라인(95) 상에 제4 체크밸브(74)가 설치되어 있기 때문에 제2 배출라인(95)을 통과하는 미반응 공기가 역류하지 않게 된다.Since the third check valve 73 is installed on the first discharge line 94, the unreacted hydrogen gas passing through the first discharge line 94 does not flow back, and the second discharge line 95 is disposed. Since the fourth check valve 74 is installed in the upper portion, unreacted air passing through the second discharge line 95 does not flow back.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.Although the preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited thereto, and various modifications and changes can be made within the scope of the claims and the detailed description of the invention and the accompanying drawings. Naturally, it belongs to the scope of the invention.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 의하면, 스택에 대한 공급 경로 및 배출 경로 상에 일방향 밸브를 구비함에 따라, 시스템의 운전 정지시 스택의 공급 경로를 통과하는 수소 가스와 공기의 역류를 방지하고 스택의 배출 경로를 통과하는 미반응 수소 가스와 미반응 공기의 역류를 방지할 수 있다. 따라서 시스템의 재가동시 스택의 기설정된 전기 용량을 출력시킬 수 있으므로, 종래와 달리 전체적인 시스템의 성능 및 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.According to the fuel cell system according to the present invention, by providing a one-way valve on the supply path and the discharge path to the stack, it prevents backflow of hydrogen gas and air through the supply path of the stack when the system stops operating, Reverse flow of unreacted hydrogen gas and unreacted air through the discharge path can be prevented. Therefore, since the preset electric capacity of the stack can be output when the system is restarted, there is an effect of improving the performance and efficiency of the overall system, unlike the prior art.

Claims

At least one electricity generating unit generating electrical energy through an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen;

A fuel supply source for supplying a fuel containing hydrogen to the electricity generator;

An oxygen supply source for supplying oxygen to the electricity generator; And

One-way valve installed on the supply path of fuel and oxygen to the electricity generating unit

Fuel cell system comprising a.

The method of claim 1,

The fuel supply source,

A fuel tank for storing the fuel; And

A fuel cell system comprising a fuel pump connected to the fuel tank.

The method of claim 2,

The fuel supply source includes a reformer connected to the electricity generating unit and the fuel tank to receive fuel from the fuel tank to generate hydrogen gas, and supply the hydrogen gas to the electricity generating unit.

And the fuel tank and the reformer are connected by a first supply line, and the reformer and the electricity generator are connected by a second supply line.

The method of claim 3, wherein

The one-way valve is a fuel cell system having a first check valve is provided on the second supply line.

The method of claim 1,

The oxygen source comprises an air pump for sucking air,

A fuel cell system in which the air pump and the electricity generator are connected by a third supply line.

The method of claim 5,

The one-way valve is a fuel cell system having a second check valve installed on the third supply line.

The method of claim 1,

And a plurality of electricity generating units, and forming a stack having a stacked structure by the plurality of electricity generating units.

The method according to claim 1 or 3,

The fuel cell system is a fuel cell system comprising a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) method.

The method of claim 1,

The fuel cell system is a fuel cell system comprising a direct methanol fuel cell (DMFC) system.

The method of claim 1,

And a one-way valve installed on a discharge path of fuel and oxygen for the electricity generator.

The method of claim 10,

The electricity generation unit includes a first discharge unit for discharging the unreacted hydrogen gas remaining in the electricity generation unit and a second discharge unit for discharging the unreacted air remaining in the electricity generation unit.

And a first discharge line connected to the first discharge unit and a second discharge line connected to the second discharge unit.

The method of claim 11,

The one-way valve is a fuel cell system having a third check valve installed on the first discharge line.

The method of claim 12,

The one-way valve is a fuel cell system having a fourth check valve is installed on the second discharge line.