KR20060104860A - 포괄적 동력전달장치를 구비한 연료전지 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 포괄적 동력전달장치를 구비한 연료전지 시스템에 관한 것으로, 연료극과 공기극을 구비하여 수소와 산소의 전기화학적 반응으로 전기를 생성하는 스택유닛과, 스택유닛의 연료극에 수소를 공급하는 연료공급유닛과, 스택유닛의 공기극에 공기를 공급하는 공기공급유닛과, 스택유닛 또는 연료공급유닛을 냉각하도록 물을 순환 공급하는 급수유닛과, 각종 유닛에서 유체유동에 필요한 동력을 발생하는 적어도 한 개의 메인구동수단과, 메인구동수단의 동력을 각종 유닛에 구비한 복수 개의 서브구동수단에 각각 분배 전달하여 상기한 메인구동수단과 함께 복수 개의 서브구동수단이 동시에 작동되도록 하는 동력전달수단을 포함함으로써, 시스템을 제어하는 알고리즘을 단순화할 수 있고 소비전력을 낮출 수 있으며 부품수를 줄여 생산비용을 절감할 수 있다.

Description

포괄적 동력전달장치를 구비한 연료전지 시스템{FULL CELL SYSTEM WITH COMPREHENSIVE POWER TRANSMISSION DEVICE}

도 1은 종래 연료전지 시스템의 일례를 보인 계통도,

도 2는 본 발명 연료전지 시스템의 일례를 보인 계통도.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **

110 : 연료공급유닛 120 : 공기공급유닛

122,124 : 공기공급팬 130 : 스택유닛

140 : 전기출력유닛 150 : 급수유닛

153 : 물순환펌프 155 : 방열팬

160 : 구동유닛 161 : 메인모터

162a~162d : 동력전달부재

본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로, 특히 한 개의 메인모터를 동력전달장치를 이용하여 복수 개의 펌프를 일괄 구동시키도록 한 포괄적 동력전달장치를 구비한 연료전지 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 연료전지 시스템(FUEL CELL SYSTEM)은 연료가 가지고 있는 에너지를 직접 전기적 에너지로 변환하는 장치로서, 이러한 연료전지 시스템은 통상 고분자 전해질 막을 중심으로 양쪽에 각각 양극(ANODE)과 음극(CATHODE)을 설치하고, 양극(산화전극 또는 연료극)에서는 연료인 수소의 전기화학적 산화가, 그리고 음극(환원전극 또는 공기극)에서는 산화제인 산소의 전기화학적 환원이 일어나면서 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기에너지를 발생되도록 하는 전지계로서 일종의 발전장치라고 할 수 있다.

도 1은 LNG, LPG, CH₃OH, 가솔린 등의 탄화수소계(CH계열) 연료를 개질기에서 탈황공정→개질반응→수소정제공정을 거쳐 수소(H₂)만을 정제하여 연료로 사용하는 PEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)방식의 연료전지 시스템(이하, 연료전지 시스템으로 통칭함)을 보인 계통도이다.

이에 도시한 바와 같이 종래의 연료전지 시스템은, LNG에서 수소(H₂)를 정제하는 개질기(11)를 구비하여 그 개질기(11)에서 만든 수소(H₂)를 후술할 스택유닛(30)의 연료극(31)에 공급하는 연료공급유닛(10)과, 스택유닛(30)의 공기극(32)에 공기를 공급하는 공기공급유닛(20)과, 연료공급유닛(10)과 공기공급유닛(20)에서 각각 공급되는 수소와 산소의 전기화학적 반응에 의해 전기에너지와 열에너지를 동시에 생성하도록 연료극(31)과 공기극(32)을 포함하는 스택유닛(30)과, 스택유닛(30)에서 생성하는 전기에너지를 부하에 공급하는 전기출력유닛(40)과, 연료공급유닛(10)의 개질기(11)와 스택유닛(30)에 물을 공급하여 그 개질기(11)와 스택유닛 (30)을 냉각하는 급수유닛(50)과, 상기한 각 유닛(10)(20)(30)(40)(50)을 적절히 조절하는 제어부(미도시)로 구성하고 있다.

연료공급유닛(10)의 개질기(11)는 연료에 함유된 황을 제거하는 탈황반응기(11a)와, 연료와 수증기가 개질 반응하여 수소를 발생시키는 개질반응기(11b)와, 개질반응기(11b)를 거쳐 발생된 일산화탄소를 재반응시켜 수소를 추가 발생시키는 고온수반응기(11c) 및 저온수반응기(11d)와, 공기를 촉매로 하여 연료중의 일산화탄소를 제거함으로써 수소를 정제하는 부분산화반응기(11e)와, 개질반응기(11b)에 수증기를 공급하는 수증기발생기(11f)와, 수증기발생기(11f)에 필요한 열을 공급하는 버너(11g)로 이루어져 있다.

공기공급유닛(20)은 스택유닛(30)의 공기극(32)에 대기중의 공기를 공급하도록 연결 설치하는 제1 공기공급라인(21)과, 제1 공기공급라인(21)의 중간에 설치하여 공기를 펌핑하는 제1 공기공급팬(22)으로 이루어져 있다. 또, 개질기(11)의 버너(11g) 입구측에 연결 설치하여 연소를 위해 대기 중의 공기를 상기한 버너(11g)에 공급하는 제2 공기공급라인(23)과, 제2 공기공급라인(23)의 중간에 설치하여 대기 중의 공기를 펌핑하는 제2 공기공급팬(24)으로 이루어져 있다.

급수유닛(50)은 소정량의 물을 충전하는 급수통(51)과, 스택유닛(30)과 급수통(51) 사이를 순환식으로 연결하는 물순환라인(52)과, 물순환라인(52)의 중간에 설치하여 급수통(51)의 물을 펌핑하는 물순환펌프(53)와, 물순환라인(52)의 중간에 구비하여 순환 공급되는 물을 냉각하는 열교환기(54) 및 방열팬(55)으로 이루어져 있다. 또, 급수통(51)의 물 또는 일반 상수(도면에선, 일반상수를 도시)를 개질기 (11)에 공급하는 상수공급라인(56)으로 이루어져 있다.

도면중 미설명 부호인 61 및 62는 제1,제2 예열기이다.

상기와 같은 종래 연료전지 시스템은 다음과 같이 동작한다.

즉, 연료공급유닛(10)의 개질기(11)에서 탄화수소계열의 연료를 개질하여 수소를 정제하고 이 수소를 스택유닛(30)의 연료극(31)으로 공급하는 한편 공기공급유닛(20)을 이용하여 취합하는 공기를 스택유닛(30)의 공기극(32)으로 공급함으로써 연료극(31)에서는 산화반응이, 공기극(32)에서는 환원반응이 일어나게 한다. 이 과정에서 생성되는 전자가 연료극(31)에서 공기극(32)으로 이동하면서 전기를 발생시키고, 그 전기는 전기출력유닛(40)에서 교류전기로 전환시켜 각종 전기제품에 공급한다.

이때, 공기를 개질기(11)의 버너(11g)와 스택유닛(30)의 공기극(32)으로 공급하기 위하여는 제1 공기공급팬(22)과 제2 공기공급팬(24)이 각각의 구동원을 구동시켜 작동하면서 대기중의 공기를 흡입하여 상기한 버너(11g)와 공기극(32)으로 공급을 하게 된다.

또, 급수유닛(50)의 물순환펌프(53)도 별도의 구동원을 구동시켜 작동하면서 급수통(51)의 물을 순환시켜 스택유닛(30)을 냉각하는 한편 방열팬(55)도 별도의 구동원을 구동시켜 작동하면서 물순환라인(52)을 통과하는 물을 냉각시키는 것이었다.

그러나, 상기와 같은 종래 연료전지 시스템에 있어서는, 제1 공기공급팬(22)과 제2 공기공급팬(24) 그리고 물순환펌프(52)와 방열팬(55)을 모두 별개의 구동원 으로 작동시킴에 따라 제어 알고리즘이 복잡하게 되는 것은 물론 각각의 구동원을 별도로 구동시키기 위한 필요전력과 모터와 같은 부품수가 증가하여 그만큼 시스템의 효율이 저하되고 생산비용이 가중되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래 연료전지 시스템이 가지는 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 펌프와 팬을 구동시키는 구동원을 일원화하여 제어 알고리즘을 간소화하고 소비전력을 낮추며 부품수를 줄여 생산비용을 절감할 수 있는 포괄적 동력전달장치를 구비한 연료전지 시스템을 제공하려는데 본 발명의 목적이 있다.

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 연료극과 공기극을 구비하여 수소와 산소의 전기화학적 반응으로 전기를 생성하는 스택유닛과, 스택유닛의 연료극에 수소를 공급하는 연료공급유닛과, 스택유닛의 공기극에 공기를 공급하는 공기공급유닛과, 스택유닛 또는 연료공급유닛을 냉각하도록 물을 순환 공급하는 급수유닛과, 각종 유닛에서 유체유동에 필요한 동력을 발생하는 적어도 한 개의 메인구동수단과, 메인구동수단의 동력을 각종 유닛에 구비한 복수 개의 서브구동수단에 각각 분배 전달하여 상기한 메인구동수단과 함께 복수 개의 서브구동수단이 동시에 작동되도록 하는 동력전달수단을 포함한 포괄적 동력전달장치를 구비한 연료전지 시스템을 제공한다.

이하, 본 발명에 의한 포괄적 동력전달장치를 구비한 연료전지 시스템을 첨부도면에 도시한 일실시예에 의거하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명 연료전지 시스템의 일례를 보인 계통도이다.

이에 도시한 바와 같이 본 발명에 의한 연료전지 시스템은, LNG에서 수소(H₂)를 정제하여 스택유닛(130)의 연료극에 공급하는 연료공급유닛(110)과, 스택유닛(130)의 공기극(132)에 공기를 공급하는 공기공급유닛(120)과, 수소와 산소의 전기화학적 반응에 의해 전기에너지와 열에너지를 동시에 생성하는 스택유닛(130)과, 전기에너지를 부하에 공급하는 전기출력유닛(140)과, 연료공급유닛(110)의 개질기(111)와 스택유닛(130)에 물을 공급하여 그 개질기(111)와 스택유닛(130)을 냉각하는 급수유닛(150)과, 공기공급유닛(120)과 스택유닛(130) 그리고 급수유닛(150)에 각각 결합하여 공기와 물의 공급에 필요한 동력을 일괄 제공하는 구동유닛(160)과, 상기한 각 유닛(110)(120)(130)(140)(150)(160)을 적절히 조절하는 제어부(미도시)로 구성한다.

연료공급유닛(110)의 개질기(111)는 연료에 함유된 황을 제거하는 탈황반응기(111a)와, 연료와 수증기가 개질 반응하여 수소를 발생시키는 개질반응기(111b)와, 개질반응기(111b)를 거쳐 발생된 일산화탄소를 재반응시켜 수소를 추가 발생시키는 고온수반응기(111c) 및 저온수반응기(111d)와, 공기를 촉매로 하여 연료중의 일산화탄소를 제거함으로써 수소를 정제하는 부분산화반응기(111e)와, 개질반응기(111b)에 수증기를 공급하는 수증기발생기(111f)와, 수증기발생기(111f)에 필요한 열을 공급하는 버너(111g)로 이루어진다.

공기공급유닛(120)은 스택유닛(130)의 공기극(132)에 대기중의 공기를 공급 하도록 연결 설치하는 제1 공기공급라인(121)과, 제1 공기공급라인(121)의 중간에 설치하여 공기를 펌핑하는 제1 공기공급팬(122)으로 이루어진다. 또, 개질기(111)의 버너(111g) 입구측에 연결 설치하여 연소를 위해 대기 중의 공기를 상기한 버너(111g)에 공급하는 제2 공기공급라인(123)과, 제2 공기공급라인(123)의 중간에 설치하여 대기 중의 공기를 펌핑하는 제2 공기공급팬(124)으로 이루어진다.

급수유닛(150)은 소정량의 물을 충전하는 급수통(151)과, 스택유닛(130)과 급수통(151) 사이를 순환식으로 연결하는 물순환라인(152)과, 물순환라인(152)의 중간에 설치하여 급수통(151)의 물을 펌핑하는 물순환펌프(153)와, 물순환라인(152)의 중간에 구비하여 순환 공급되는 물을 냉각하는 열교환기(154) 및 방열팬(155)으로 이루어져 있다. 또, 급수통(151)의 물 또는 일반 상수(도면에선, 일반상수를 도시)를 개질기(111)에 공급하는 상수공급라인(156)으로 이루어진다.

여기서, 제1 공기공급팬(122)과 제2 공기공급팬(124) 그리고 물순환펌프(153)와 방열팬(155)은 모두 구동원을 개별적으로 구비하지 않고 시스템에 구비한 한 개의 메인모터, 즉 후술할 구동유닛(160)의 메인모터(161)에 유니버셜 죠인트와 같은 동력전달부재(162a~162d)로 각각 연결하여 그 메인모터(161)의 구동력을 전달받아 동시에 작동하도록 이루어진다.

구동유닛(160)은 시스템의 내부에 고정 설치하여 구동력을 발생하는 메인모터(161)와, 메인모터(161)의 구동력을 상기한 각각의 공기공급팬(122)(124)과 물순환펌프(153) 그리고 방열팬(155)에 전달하도록 연결하는 동력전달부재(162a~162d)로 이루어진다.

메인모터(161)는 도 2에서와 같이 시스템 내부에 별도로 설치할 수도 있으나, 경우에 따라서는 상기한 각 공기공급팬(122)(124)이나 물순환펌프(153) 그리고 방열팬(155) 중에서 어느 한 개를 메인모터로 활용하고 나머지를 동력전달부재로 연결할 수도 있다.

동력전달부재(162a~162d)는 각각의 공기공급팬(122)(124)과 물순환펌프(153) 그리고 방열팬(155)에 서로 다른 구동속도를 전달하여야 하므로 이를 위해서 상기 동력전달부재에 감속기어와 같은 속도변환수단(미도시)을 구비하는 것이 바람직하다.

도면중 종래와 동일한 부분에 대하여는 동일한 부호를 부여하였다.

도면중 미설명 부호인 171 및 172는 각각 제1,제2 예열기이다.

상기와 같은 본 발명 연료전지 시스템이 가지는 작용효과는 다음과 같다.

즉, 연료공급유닛(110)의 개질기(111)에서 탄화수소계열의 연료를 개질하여 수소를 정제하고, 이 수소를 스택유닛(130)의 연료극(131)으로 공급하는 한편 공기공급유닛(120)을 이용하여 취합하는 공기를 스택유닛(130)의 공기극(132)으로 공급함으로써 상기한 스택유닛(130)에서 전기를 발생시키고 이 전기는 전기출력유닛(150)에서 교류로 바꿔 각종 전기제품에 공급한다.

이때, 공기를 개질기(111)의 버너(111g)와 스택유닛(130)의 공기극(132)으로 공급하기 위하여는 메인모터(161)가 작동하여 그 회전력을 각각의 동력전달부재(162a~162d)에 의해 제1 공기공급팬(122)과 제2 공기공급팬(124)이 상기한 메인모터(161)와 함께 구동되면서 대기 중의 공기를 각각 버너(111g)와 공기극(132)으로 공급된다.

또, 급수유닛(150)의 물순환펌프(153)도 상기한 메인모터(161)가 작동할 때 동력전달부재(162c)에 의해 함께 작동하면서 급수통(151)의 물을 순환시켜 스택유닛(130)을 냉각하는 한편 방열팬(155)도 메인모터(161)와 함께 작동하면서 물순환라인(152)을 통과하는 물을 냉각시키게 된다.

여기서, 각각의 동력전달부재(162a~162d)에는 감속기어와 같은 속도조절부재(미도시)를 더 구비함에 따라 각 공기공급팬(122)(124)과 물순환펌프(153) 그리고 방열팬(155)을 항상 적정한 속도로 조절하여 구동하게 되는 것이다.

이렇게, 한 개의 메인모터를 이용하여 복수 개의 펌프나 팬을 함께 구동함으로써 메인모터만 제어하여 시스템에 필요한 공기와 냉각수 공급을 조절할 수 있고 이를 통해 시스템을 제어하는 알고리즘을 단순화할 수 있고 각각의 펌프나 팬을 개별 구동시킬 때 발생할 수 있는 소비전력의 증가를 미연에 방지하여 시스템의 효율을 높일 수 있을 뿐만 아니라 모터가 없는 펌프나 팬을 사용할 수 있어 그만큼 부품수를 줄여 생산비용을 절감할 수 있다.

본 발명에 의한 포괄식 동력전달장치를 구비한 연료전지 시스템은, 메인모터에 복수 개의 펌프나 팬을 연결하여 함께 구동하도록 구성함으로써, 시스템을 제어하는 알고리즘을 단순화할 수 있고 소비전력을 낮출 수 있으며 부품수를 줄여 생산비용을 절감할 수 있다.

Claims (4)

1. 연료극과 공기극을 구비하여 수소와 산소의 전기화학적 반응으로 전기를 생성하는 스택유닛과,

   스택유닛의 연료극에 수소를 공급하는 연료공급유닛과,

   스택유닛의 공기극에 공기를 공급하는 공기공급유닛과,

   스택유닛 또는 연료공급유닛을 냉각하도록 물을 순환 공급하는 급수유닛과,

   각종 유닛에서 유체유동에 필요한 동력을 발생하는 적어도 한 개의 메인구동수단과,

   메인구동수단의 동력을 각종 유닛에 구비한 복수 개의 서브구동수단에 각각 분배 전달하여 상기한 메인구동수단과 함께 복수 개의 서브구동수단이 동시에 작동되도록 하는 동력전달수단을 포함한 포괄적 동력전달장치를 구비한 연료전지 시스템.
2. 제1항에 있어서,

   메인구동수단은 각각의 서브구동수단에 동력을 공급하도록 시스템의 내부에 독립적으로 설치하는 것을 특징으로 하는 포괄적 동력전달장치를 구비한 연료전지 시스템.
3. 제1항에 있어서,

   메인구동수단은 각각의 서브구동수단 중에서 어느 한 개를 활용하는 것을 특징으로 하는 포괄적 동력전달장치를 구비한 연료전지 시스템.
4. 제2항 또는 제3항에 있어서,

   동력전달수단은 메인구동수단의 구동속도를 조절하여 해당 서브구동수단에 적합하게 변환 공급할 수 있도록 속도변환수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 포괄적 동력전달장치를 구비한 연료전지 시스템.

Images