KR20060118128A - 고분자 전해질 연료전지의 공기 재순환 장치 - Google Patents

고분자 전해질 연료전지의 공기 재순환 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고분자 전해질 연료전지의 공기 재순환 장치에 관한 것으로, 연료가스와 산화가스를 고분자 전해질막을 거쳐서 전기화학적으로 반응시켜 기전력을 얻는 고분자 전해질 연료전지에 있어서, 산화가스를 압축하기 위한 압축기(110)와; 상기 압축기에서 압축된 산화가스의 습도를 조절하기 위한 가습기(120)와; 상기 가습기(120)와 연결된 연료전지(130)로부터 배기되는 산화가스를 응축하기 위한 응축기(140)와; 상기 연료전지(130)로부터 배기되는 산화가스의 습도와 압력을 체크하기 위한 센서부(150)와; 상기 연료전지로부터 배기되는 산화가스를 상기 연료전지 입력 측으로 재공급하기 위한 바이패스부(160)와; 상기 바이패스부(160)에 구비되어 산화가스의 흐름을 단속하기 위한 제어밸브(170)와; 상기 센서부(150)의 신호를 수신하여 상기 제어밸브(170)의 개폐를 제어하기 위한 제어부(180)로 구성되어, 연료전지의 스택에서 반응된 공기의 일정량을 바이패스시켜 다시 연료전지의 스택 내로 재순환 공급되도록 함으로써, 연료전지의 스택 내에서 반응에 필요한 공기를 공급하기 위한 압축기의 용량을 소형화할 수 있는 효과가 있는 발명인 것이다.
고분자 전해질 연료전지, 산화제, 재순환, 압축기.

Description

고분자 전해질 연료전지의 공기 재순환 장치{Air recycling device for proton exchange membrane fuel cell}
도 1은 고분자 전해질 연료전지의 개략적 구성도,
도 2는 종래의 연료전지의 산화제 공급계통을 보여주는 도면,
도 3은 본 발명에 따른 연료전지의 산화제 공급계통을 보여주는 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
110 : 압축기 120 : 가습기
130 : 연료전지 140 : 응축기
150 : 센서부 160 : 바이패스부
170 : 제어밸브 180 : 제어부
본 발명은 고분자 전해질 연료전지의 공기 재순환 장치에 관한 것으로, 특히 반응한 공기를 스택으로 재순환 공급하도록 하여 공기를 압축하여 공급하기 위한 압축기를 소형화할 수 있는 연료전지의 공기 재순환 장치에 관한 것이다.
고분자 전해질 연료전지는 연료(수소)의 화학에너지가 전기에너지로 직접 변환되어 직류 전류를 생산하는 능력을 갖는 전지(Cell)로 정의되며, 종래의 전지와는 다르게 외부에서 연료와 공기를 공급하여 연속적으로 전기를 생산할 수 있다.
고분자 전해질 연료전지의 기본 개념은 수소와 산소의 전기화학 반응에 의하여 물이 생성되며, 동시에 발생하는 전기를 이용하는 것으로 설명할 수 있다.
도 1을 참고하면, 수소는 연료극(1)으로 공급되고 산소는 공기극(2)으로 공급된다. 연료극(1)으로 공급된 수소는 전극촉매상에 수소이온(H+)과 전자(e-)로 분해되고, 이 중 수소이온만이 선택적으로 고분자 전해질막(3)을 통과하여, 공기극(2)으로 전달된다. 동시에 전자는 외부 도선을 통해서 공기극(2)으로 이동하는데, 이들이 공기극(2)에 공급된 산소와 만나서 물을 생성하는 반응을 일으킨다. 이때에 일어난 전자의 흐름으로 인해 전류가 생성되고, 물생성 반응으로부터 부수적으로 열이 발생한다.
연료전지의 연료인 수소는 순수 수소를 이용하거나, 도시가스, 메탄올, 에탄 올 같은 탄화수소를 이용하여 개질이라는 과정을 통해 생산된 수소를 이용할 수 있다. 다음으로, 공기극으로 공급되는 산화제인 산소의 경우, 순수한 산소를 이용하면 연료전지의 성능을 높일 수 있지만 산소 저장에 따른 비용과 무게가 증가하는 문제가 있어 공기를 그대로 이용하는 방식을 이용한다.
한편, 도 2는 종래의 연료전지의 산화제인 공기의 공급계통을 보여주는 도면으로, 공기는 압축기(10)를 지나 가습기(20)를 통해 적절한 습도를 유지하며 연료전지(30)로 공급된다. 연료전지(30)에서 반응 후 공기는 응축기(40)를 통과하여 외부로 배기된다.
그러나, 이와 같은 종래의 고분자 전해질 연료전지의 공기 공급계통은 충분한 양을 화학반응에 사용하기 위하여 고효율, 고성능의 압축기를 필요로 한다.
본 발명은 종래의 연료전지의 공기 공급계통을 개선하여, 충분한 공기를 공급할 수 있도록 공기를 압축하기 위한 압축기의 용량을 소형화하면서도 충분한 공기가 연료전지 내로 공급될 수 있도록 연료전지의 스택 내에서 반응한 공기를 스택으로 재순환 공급되도록 하여 압축기를 소형화할 수 있도록 하는 고분자 전해질 연료전지의 공기 재순환 장치를 제공하고자 한다.
이러한 본 발명의 고분자 전해질 연료전지의 공기 재순환 장치는 연료가스와 산화가스를 고분자 전해질막을 거쳐서 전기 화학적으로 반응시켜 기전력을 얻는 고분자 전해질 연료전지에 있어서, 산화가스를 압축하기 위한 압축기와; 상기 압축기에서 압축된 산화가스의 습도를 조절하기 위한 가습기와; 상기 가습기와 연결된 연료전지로부터 배기되는 산화가스를 응축하기 위한 응축기와; 상기 연료전지로부터 배기되는 산화가스의 습도와 압력을 체크하기 위한 센서부와; 상기 연료전지로부터 배기되는 산화가스를 상기 연료전지 입력 측으로 재공급하기 위한 바이패스부와; 상기 바이패스부에 구비되어 산화가스의 흐름을 단속하기 위한 제어밸브와; 상기 센서부의 신호를 수신하여 상기 제어밸브의 개폐를 제어하기 위한 제어부로써 달성된다.
도 3은 본 발명에 따른 연료전지의 산화제 공급계통을 보여주는 도면이다.
본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참고하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 3을 참고하면, 본 발명의 고분자 전해질 연료전지의 공기 재순환 장치의 산화제 공급계통에 있어 산화가스를 압축하기 위한 압축기(110), 압축된 산화가스의 습도를 조절하기 위한 가습기(120), 연료전지(130)로부터 배기된 산화가스를 응축하기 위한 응축기(140)의 구성은 종래에서 설명한 바와 동일하다.
반면에 본 발명의 연료전지의 공기 재순환 장치는 연료전지(130)의 스택으로부터 배기되는 산화가스의 습도와 압력을 체크하기 위한 센서부(150)와; 연료전지(130)로부터 배기되는 산화가스를 연료전지(130) 입력 측으로 재공급하기 위한 바이패스부(160)와; 이 바이패스부(160)에 구비되어 산화가스의 흐름을 단속하기 위 한 제어밸브(170)와; 센서부(150)의 신호를 수신하여 제어밸브(170)의 개폐를 제어하기 위한 제어부(180)로 추가로 구성되는 것을 기술상의 특징으로 한다.
센서부(150)는 연료전지(130)의 스택 내에서 반응한 후에 배기되는 공기의 습도와 압력을 체크하여 제어부(180)로 측정된 값을 전달한다.
한편, 바이패스부(160)는 연료전지(130)의 스택 내에서 반응한 후에 배기되는 공기를 연료전지의 공급단으로 재공급되도록 배관되며, 재공급되는 공기의 량을 조절할 수 있도록 유로를 차단 또는 개방할 수 있는 제어밸브(170)가 구비된다.
제어부(180)는 센서부(150)로부터 전달된 신호를 판단하여 제어밸브(170)의 개방 정도를 제어한다.
이와 같이 구성된 본 발명의 고분자 전해질 연료전지의 공기 재순환 장치는 연료전지(130)의 스택에서 반응된 공기의 습도와 압력을 체크한 후에 일정량을 바이패스부(160)를 통해 다시 연료전지(130)의 스택 내에 재순환시켜 압축기(110)를 통해 공급되야 하는 공기량을 줄일 수가 있다. 따라서, 재순환되는 공기 공급량만큼 압축기의 용량을 줄일 수가 있어 소형의 압축기만으로 연료전지 내에서 충분한 공기가 반응될 수 있다.
이상과 같은 본 발명의 고분자 전해질 연료전지의 공기 재순환 장치는 연료전지의 스택에서 반응된 공기의 습도와 압력을 체크한 후에 일정량을 바이패스시켜 다시 연료전지의 스택 내로 재순환 공급되도록 함으로써, 연료전지의 스택 내에서 반응에 필요한 공기를 공급하기 위한 압축기의 용량을 소형화할 수 있는 효과가 있는 발명인 것이다.

Claims (1)

  1. 연료가스와 산화가스를 고분자 전해질막을 거쳐서 전기화학적으로 반응시켜 기전력을 얻는 고분자 전해질 연료전지에 있어서,
    산화가스를 압축하기 위한 압축기와;
    상기 압축기에서 압축된 산화가스의 습도를 조절하기 위한 가습기와;
    상기 가습기와 연결된 연료전지로부터 배기되는 산화가스를 응축하기 위한 응축기와;
    상기 연료전지로부터 배기되는 산화가스의 습도와 압력을 체크하기 위한 센서부와;
    상기 연료전지로부터 배기되는 산화가스를 상기 연료전지 입력 측으로 재공급하기 위한 바이패스부와;
    상기 바이패스부에 구비되어 산화가스의 흐름을 단속하기 위한 제어밸브와;
    상기 센서부의 신호를 수신하여 상기 제어밸브의 개폐를 제어하기 위한 제어부로 구성되는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 연료전지의 공기 재순환 장치.
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