KR20060092343A - 생성수 가열장치가 마련된 연료전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지에서 수소와 산소의 화학반응에 의해서 생성되는 생성수를 그대로 방출시키지 않고 연료전지의 가습에 필요한 물로 사용하므로서, 연료전지의 적당한 온도를 유지시켜주기 위한 냉각수의 부족현상을 방지하기 위한 생성수 가열장치가 마련된 연료전지에 관한 것으로,

공기 유/출입구와, 수소 유/출입구 및 냉각수 유/출입구가 형성된 센터 블럭과, 상기한 센터 블럭의 양측으로 다수겹의 단위 셀이 적층되는 스택과, 상기 스택의 양측을 감싸는 엔드 플레이트를 포함하여 구성되는 연료전지에 있어서,

상기한 공기 유입구 및 공기 유출구는 센터 블럭의 양측 하부에 위치되고, 상기한 공기 유출구에 고이는 생성수가 센터 블럭의 하측으로 이동될 수 있도록 상기 공기 유출구의 하면에 다수의 생성수 배출공이 형성되고, 상기한 센터 블럭의 하부에는 활성탄의 충진을 위한 소정용적의 챔버가 마련되고, 상기한 활성탄에 포집된 물이 공기 유입구 측으로 유입될 수 있도록 상기 공기 유입구의 하측면에 다수의 수증기 유입공이 관통형성된 것을 특징으로 한다.

연료전지, 센터 블럭, 활성탄, 스택

Description

생성수 가열장치가 마련된 연료전지{Fuel cell with a heater to heat the formation water}

도 1은 본 발명에 의한 생성수 가열장치가 마련된 연료전지의 구성도.

도 2는 본 발명에 의한 연료전지의 센터 블럭 측단면도.

도 3은 본 발명에 의한 연료전지의 작동상태도.

도 4는 일반적인 연료전지 시스템을 설명하기 위한 도면.

도 5 내지 도 7은 종래의 연료전지의 구성을 설명하기 위한 도면.

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

40 : 연료전지 41 : 엔드 플레이트

42 : 체결봉 50 : 센터 블럭

51 : 공기 유입구 52 : 공기 유출구

53 : 수소 유입구 54 : 수소 유출구

55 : 냉각수 유입구 56 : 냉각수 유출구

57 : 생성수 배출공 58 : 수증기 유입공

60 : 스택 70 : 챔버

71 : 활성탄 80 : 가열장치

본 발명은 생성수 가열장치가 마련된 연료전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료전지에서 수소와 산소의 화학반응에 의해서 생성되는 생성수를 그대로 방출시키지 않고 연료전지의 가습에 필요한 물로 사용하므로서, 연료전지의 적당한 온도를 유지시켜주기 위한 냉각수의 부족현상을 방지하기 위한 생성수 가열장치가 마련된 연료전지에 관한 것이다.

일반적으로 연료전지는 경유나 공업용 연료의 기체와 전해질 사이의 화학반응의 일부로 전력을 발생시켜 연료가 가진 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 에너지 전환 시스템으로, 일반 배터리와는 달리 연료전지는 재충전이 필요없이 연료가 공급되는 한 계속해서 전기를 만들어 낼 수 있는 발전 시스템이다.

연료전지는 전해질(Electrolyte)과 두개의 전극(Electrode)이 샌드위치처럼 포개어져 있는 형태로 산소와 수소가 각각의 전극으로 흘러갈 때, 전기와 열 그리고 물이 만들어지게 되며, 우주선과 같이 내연기관이 실질적으로 활용되지 못하는 분야 또는 전기자동차 등에 전력을 공급하기 위한 시스템으로 사용되고 있다.

연료전지에는 천연가스, 메탄올, 가솔린 등의 다양한 연료가 사용되어질 수 있는데, 연료 변환기를 이용해 연료를 수소로 개질(Reformer)하여 사용하게 된다.

최근 에너지 효율과 환경오염 문제에 대한 관심이 날로 커지면서 연료전지를 이용한 전기자동차가 내연기관 자동차를 실질적으로 대체할 수 있을 것으로 예상되고 있으며, 이러한 추세에 맞춰 메탄올, 에탄올 및 가솔린 등의 액체연료를 개질하여 수소를 발생시키고, 이중 수소만을 분리하여 연료전지의 연료로 활용하는 연료전지 자동차용 연료변환기의 개발이 진행되고 있다.

한편, 연료전지 차량에서 연료전지는 전술한 바와 같이 산소와 수소의 화학적 반응 에너지를 전기 에너지로 전환하여 구동력을 발생시키게 되는데 이 과정에서 연료전지 내의 화학적 반응에 의해 열에너지가 발생된다.

그리고, 도 4에 도시된 바와 같이 연료전지(10)의 스택(20)은 보통 65℃ ~ 85℃의 온도 조건에서 이상적으로 반응하므로 항상 이 온도 조건을 유지될 수 있도록 하기 위하여 냉각수 펌프(11)를 통한 냉각수의 공급이 필요하고, 공기 및 수소의 공급을 위한 공기 공급기(12) 및 수소 탱크(13)의 장착이 필요하며, 산소와 수소의 원활한 화학반응을 위해서 산소와 수소가 공급되는 유입구의 도중에는 가습기(14)의 설치가 필요하게 된다.

도 5 내지 도 7은 일반적인 연료전지의 구성을 설명하기 위한 도면으로서, 연료전지(10)의 중앙부에는 센터 블럭(30)이 위치되고, 상기 센터 블럭(30)의 양측으로는 필요한 에너지의 정도에 따라서 다수의 단위 셀이 쌓여 있는 스택(20)이 형성되어 있다.

상기한 센터 블럭(30)의 양측에 쌓인 스택(20)은 체결봉(22)을 통해서 연료 전지(10)의 양측에 각각 위치된 엔드 플레이트(21)에 고정된 상태가 유지된다.

한편, 상기한 센터 블럭(30)의 전방과 후방에는 각각 공기 유/출입구(33,34), 수소 유/출입구(35,36), 냉각수 유/출입구(37,38)가 형성된다. 그리고 상기한 스택(20)을 구성하는 각각의 단위 셀들에는 도면에서는 표현하기 곤란하여 생략되었지만, 스택(20)에 마련된 공기 유입구(23)에서 입력되어 공기 유출구(24)로 출력되는 공기만이 통과되기 위한 공기통로와, 수소 유입구(25)에서 입력되어 수소 유출구(26)로 출력되는 수소만이 통과되기 위한 수소통로가 형성되어 있고, 상기한 공기통로와 수소통로 사이에는 백금 등의 촉매가 함유된 멤브레인이 위치되어 상기한 공기통로와 수소통로에 각각 공기와 산소가 통과될 때에 산소와 수소의 화학적 반응이 이루어져 전기가 발생되게 된다. 또한, 상기한 공기 유입구(23)와 수소 유출구(26)의 사이 및 수소 유입구(25)와 공기 유출구(24)의 사이에는 각각 냉각수 유출구(28) 및 냉각수 유입구(27)이 형성된다.

그리고, 상기와 같이 산소와 수소의 화학적 반응이 이루어지는 과정에서 전기 이외에 발생되는 물(H₂O)이 상기한 공기통로를 통해서 공기 유출구(24)에 고이게 되는 현상이 발생된다.

따라서 상기와 같은 산소와 수소의 화학반응과정에서 발생되는 생성수에 의해서 공기 유출구의 통로가 막히게 되는 것을 방지하기 위하여 기존의 연료전지 시스템에서는 공기 유출구에 강한 압력을 주기적으로 제공될 수 있도록 공기 유입구와 수소 유입구에 고압의 공기 및 수소를 가하는 방법이 적용되고 있다. 이는 불필 요한 수소의 소모를 일으키게 되지만, 연료전지의 특성상 공기 유출구의 길이가 긴 관계로 인하여 생성수는 완전히 제거되지 못하고, 스택의 출구쪽이나 배관 내에 잔류되는 현상을 일으키게 되는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 연료전지에서 수소와 산소의 화학반응에 의해서 생성되는 생성수를 그대로 방출시키지 않고 연료전지의 가습에 필요한 물로 사용하므로서, 연료전지의 적당한 온도를 유지시켜주기 위한 냉각수의 부족현상을 방지하기 위한 생성수 가열장치가 마련된 연료전지를 제공하는 데 목적이 있다.

본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로서,

공기 유/출입구와, 수소 유/출입구 및 냉각수 유/출입구가 형성된 센터 블럭과, 상기한 센터 블럭의 양측으로 다수겹의 단위 셀이 적층되는 스택과, 상기 스택의 양측을 감싸는 엔드 플레이트를 포함하여 구성되는 연료전지에 있어서,

상기한 공기 유입구 및 공기 유출구는 센터 블럭의 양측 하부에 위치되고, 상기한 공기 유출구에 고이는 생성수가 센터 블럭의 하측으로 이동될 수 있도록 상기 공기 유출구의 하면에 다수의 생성수 배출공이 형성되고, 상기한 센터 블럭의 하부에는 활성탄의 충진을 위한 소정용적의 챔버가 마련되고, 상기한 활성탄에 포집된 물이 공기 유입구 측으로 유입될 수 있도록 상기 공기 유입구의 하측면에 다수의 수증기 유입공이 관통형성된 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 의한 생성수 가열장치가 마련된 연료전지의 구성 및 작동에 따른 바람직한 실시예를 첨부한 도면과 함께 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 의한 생성수 가열장치가 마련된 연료전지의 구성도이고, 도 2는 본 발명에 의한 연료전지 센터 블럭의 측단면도이고, 도 3은 본 발명에 의한 연료전지의 작동상태도이다.

도면 중에 표시되는 도면부호 40은 본 발명에 의해서 형성된 연료전지를 지시하는 것이고, 도면부호 50은 본 발명에 의해서 형성된 센터 블럭을 지시하는 것이다.

본 발명에 의한 연료전지(40)는 연료전지에서 산소와 수소가 화학 반응을 일으키는 과정에서 생성되는 생성수(H₂O)를 공기와 함께 외부로 그대로 배출시키지 않고 연료전지의 화학반응과정에서 필요로 하는 공기와 수소의 가습에 이용될 수 있도록 구성된 것이다.

이를 위해서, 상기한 연료전지(40)는 종래의 일반적인 연료전지에서와 마찬가지로 그 중앙의 위치에 센터 블럭(50)이 위치되고, 상기 센터 블럭(50)의 양측으로는 다수의 단위 셀이 적층된 스택(60)이 장착되고, 상기 스택(60)의 외측에는 각각 엔드 플레이트(41)가 위치되어 상기한 스택(60)이 센터 블럭(50)에 고정된 상태가 유지될 수 있도록 구성된다. 양측의 엔드 플레이트(41)와 스택(60) 및 센터 블 럭(50)은 종래기술에 의한 연료전지에서와 마찬가지로 체결봉(42)에 의해서 조립되어진다.

특히, 본 발명에 의한 상기한 연료전지(40)의 센터 블럭(50)에는 공기 유입구(51)과 공기 유출구(52)가 각각 센터 블럭 몸체의 전방과 후방의 하측에 위치된다. 이는 연료전지의 화학반응과정에서 생성되는 생성수의 대부분이 공기 유출구에 고이게 되는 점을 감안한 것이다. 그리고 수소 유입구(53)와 수소 유출구(54)는 센터 블럭(50)의 전방과 후방의 상부측에 위치되고, 냉각수 유입구(55) 및 냉각수 유출구(56)은 센터 블럭(50)의 전방과 후방의 중간부에 각각 형성된다.

한편, 상기한 공기 유출구(52)에 고이는 물의 포집을 위해서 상기 센터 블럭(50)의 하측에는 활성탄(71)이 채워질 챔버(70)가 마련되고, 이 챔버(70)와 상기 공기 유출구(52) 사이에는 생성수가 상기 챔버(70)로 빠질 수 있도록 하기 위한 다수의 생성수 배출공(57)이 관통형성된다.

그리고 상기한 활성탄(71)에 포집되는 생성수를 연료전지의 화학반응에 필요한 가습공기 또는 가습수소의 형성을 위한 가습기의 역할을 대신하기 위한 가열장치(80)가 상기한 챔버(70)의 하측에 마련된다. 가열장치(80)는 배터리의 전원을 인가받아 발열되는 히팅 코일을 포함하여 구성된다.

가열장치(80)는 공기 유입구(51) 측에 치우친 위치에 형성되는 것이 바람직 하며, 챔버(70)의 하부면은 생성수 배출공(57)을 통해 챔버(70)로 유입된 물이 가열장치(80) 측으로 모일 수 있도록 하기 위하여 공기 유입구(51) 측이 더 낮은 상태로 경사지게 형성되는 것이 바람직하다. 상기한 가열장치(80)는 전원이 가해졌을 경우에 발열하는 코일형태로 구성된다.

상기한 가열장치(80)를 통한 생성수의 가열에 의해서 발생되는 수증기가 상기한 공기 유입구(51)로 유입될 수 있도록 하기 위하여 상기한 공기 유입구(51)와 챔버(70) 사이의 벽에는 다수의 수증기 유입공(58)이 관통형성된다. 본 발명을 설명하기 위한 도면에서는 수증기 유입공(58)이 공기 유입구(51)와 챔버(70) 사이를 구획하는 벽에만 형성되어 있으나, 수소 유입구(53)로 유입되는 수소의 가습을 위하여 필요한 경우에 상기 수증기 유입공(58)은 수소 유입구(53)를 향하여 별도로 형성될 수도 있는 것이다.

한편, 상기한 생성수 배출공(57)과 수증기 유입공(58)에는 상기한 챔버(70)와 마찬가지로 활성탄(71)이 채워지는데, 이는 냉각수 유입구(51) 또는 냉각수 유출구(52)을 통과하는 공기는 가급적 상기한 챔버(70)로 유입되는 것이 방지되도록 하기 위한 것이다.

그리고 상기한 공기 유입구(51)와 공기 유출구(52)를 연결하는 공기통로 및 수소 유입구(53)와 수소 유출구(54)를 연결하는 수소통로는 본 발명을 설명하기 위한 도면에서는 별도로 표시되지 않았지만 연료전지의 목적이 달성될 수 있도록 배 치된다. 그리고 상기한 공기통로와 수소통로의 사이에는 종래기술의 경우와 마찬가지로 백금 등의 촉매성분이 함유된 멤브레인이 장착된다.

이상과 같이 구성된 생성수 가열장치가 마련된 연료전지의 작동상태를 이하에 설명한다.

상기한 연료전지(40)에서 전기가 생성되기 위해서는 공기 유입구(51)를 통해서 충분한 양의 산소가 공급되어야 하고, 수소 유입구(53)를 통해서는 충분한 수소의 공급이 이루어져야만 한다.

공기 유입구(51)와 수소 유입구(53)를 통해서 센터 블럭(50)으로 입력된 공기와 수소는 스택(60)에 마련된 공기통로 및 수소통로를 통해서 공기 유출구(52) 및 수소 유출구(54)로 흐르게 되고, 이 과정에서 산소와 수소가 촉매가 함유된 멤브레인과 반응되어 전기 및 생성수가 발생된다.

이렇게 발생된 생성수의 대부분은 공기 유출구(52) 측으로 모이게 되고, 공기 유출구(52)의 저부에 고이는 생성수는 생성수 배출공(57)을 통하여 활성탄(71)으로 채워진 챔버(70)로 흐르게 된다.

그리고 챔버(70)의 하부면은 공기 유입구(51) 측이 저 낮은 경사면(72)으로 형성되어 있으므로서, 챔버(70)로 유입된 물은 자연히 가열장치(80)가 마련된 위치로 흐르게 된다. 가열장치(80)에 전류가 인가되어 가열되면 챔버(70) 내의 생성수는 수증기 상태로 변하게 되고 공기 유입구(51)와 챔버(70)를 구획하는 벽에 마련된 수증기 유입공(58)을 통하여 공기 유입구(51)로 흘러 스택(60)으로 유입되는 공 기를 가습하게 된다.

따라서 공기 유입구(51)를 통해서 스택(60)으로 입력되는 공기의 가습을 위한 별도의 가습기가 삭제되어도 무방하게 된다.

한편, 연료전지에서 생성수가 발생되지 않는 엔진의 시동초기시에는 초기 무가습이 가능한 멤브레인이 적용되므로서 시동 초기시에도 연료전지에서의 전기생성은 가능하게 되는 것이다. 시동 초기가 지난 후에는 상기한 가열장치에 의해서 생성수가 가열되어 발생되는 수증기가 공기 및 수소의 가습에 이용된다.

이상과 같이 구성되는 본 발명에 의하면, 연료전지의 작동과정에서 원활한 산소와 수소의 화학반응을 위한 가습수의 공급이 연료전지의 작동과정에서 발생되는 생성수가 가열장치를 통해서 상변화된 수증기의 공급으로 이루어지게 되므로서, 연료전지의 작동과정에서 발생되는 생성수가 그대로 외부로 버려지지 않고 재활용될 수 있을 뿐만 아니라, 공기 유입구 및 수소 유입구의 가습에 필요한 별도의 가습기의 장착이 삭제될 수 있는 커다란 장점이 있는 것이다.

Claims (3)

1. 공기 유/출입구와, 수소 유/출입구 및 냉각수 유/출입구가 형성된 센터 블럭과, 상기한 센터 블럭의 양측으로 다수겹의 단위 셀이 적층되는 스택과, 상기 스택의 양측을 감싸는 엔드 플레이트를 포함하여 구성되는 연료전지에 있어서,

   상기한 공기 유입구(51) 및 공기 유출구(52)는 센터 블럭(50)의 양측 하부에 각각 위치되어지되,

   상기한 센터 블럭(50)의 하부측에는 활성탄(71)이 충진되기 위한 소정 용적을 가지는 챔버(70)가 형성되고, 상기한 공기 유출구(52)의 하면에는 상기 챔버(70)와 연통되기 위한 다수의 생성수 배출공(57)이 형성되고, 상기한 공기 유입구(51)의 하면에 상기 챔버(70)와 연통되기 위한 다수의 수증기 유입공(58)이 관통형성되며, 상기한 공기 유입구(51) 측의 챔버(70)의 하부에는 물을 가열하기 위한 가열장치(80)가 장착된 것을 특징으로 하는 생성수 가열장치가 마련된 연료전지.
2. 제 1항에 있어서,

   상기한 활성탄(71)이 저장되는 챔버(70)의 하측면은 공기 유입구(51)가 위치된 측이 더 낮은 경사면(72)으로 형성된 것을 특징으로 하는 생성수 가열장치가 마련된 연료전지.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기한 가열장치(8)는 배터리의 전원을 인가받아 발열되는 히팅 코일로 형성된 것을 특징으로 하는 생성수 가열장치가 마련된 연료전지.

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