KR20070023223A - 연료전지시스템 - Google Patents

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KR20070023223A
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Abstract

연료전지시스템이 개시된다. 본 발명에 따른 연료전지시스템은 연료극과 공기극을 구비하며 수소와 산소의 전기화학적 반응으로 전기를 생성하는 스택유닛; 상기 스택유닛의 연료극에 수소를 공급하는 연료공급유닛; 상기 스택유닛의 공기극에 공기를 공급하는 공기공급유닛; 및 상기 스택유닛에서 상기 연료공급유닛의 버너로 공급되는 오프개스(off-gas)속에 포함된 수분을 제거하는 기액분리유닛;을 포함하는 것을 특징으로 한다. 이러한 연료전지시스템의 기액분리유닛(200)으로 인해 오프개스속에 포함된 수분이 제거되어 버너(111g) 내 연소가 활발하게 이루어지며, 결과적으로 수증기가 안정적으로 개질반응기(111b)에 공급되어 개질반응이 원활하게 이루어져 연료전지시스템의 전체성능이 향상된다.
연료전지시스템, 기액분리유닛, 오프개스, 버너

Description

연료전지시스템{FUEL CELL SYSTEM}
도 1은 종래 연료전지시스템을 나타낸 개략도,
도 2는 본 발명 연료전지시스템의 일 실시예에 따른 계통도,
도 3은 도 2의 기액분리유닛의 확대도,
도 4는 도 2의 기액분리유닛의 제1변형예를 나타낸 도면,
도 5는 도 2의 기액분리유닛의 제2변형예를 나타낸 도면,
도 6은 도 2의 기액분리유닛의 제3변형예를 나타낸 도면,
도 7은 도 2의 기액분리유닛과 추가된 제어부 및 화염센서의 상호작용을 나타낸 블록도,
도 8은 도 2의 기액분리유닛과 추가된 제어부 및 온도센서의 상호작용을 나타낸 블록도,
도 9는 도 2의 기액분리유닛과 추가된 제어부 및 습도센서의 상호작용을 나타낸 블록도이다.
** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **
110 : 연료공급유닛 120 : 공기공급유닛
122 : 공기공급팬 130 : 스택유닛
140 : 전기출력유닛 150 : 급수유닛
200 : 기액분리유닛 210 : 기액분리몸체
220 : 배출관 230 : 냉각팬
240 : 냉각관 250 : 냉각핀
260: 다공질부재 310 : 제어부
320 : 화염센서 330 : 온도센서
340 : 습도센서
본 발명은 연료전지시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 스택유닛에서 연료공급유닛의 버너로 공급되는 오프개스(off-gas)속에 포함된 수분을 제거하는 기액분리유닛을 구비한 연료전지시스템에 관한 것이다.
도 1은 LNG, LPG, CH3OH, 가솔린 등의 탄화수소계(CH계열) 연료를 탈황공정→개질반응→수소정제공정을 거쳐 수소(H2)만을 정제하여 연료로 사용하는 PEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)방식의 종래 연료전지시스템(이하, 연료전지시스템으로 통칭함)를 나타낸 개략도이다.
도 1에 도시된 바와 같이 종래 연료전지시스템은, LNG에서 수소(H2)만을 추출하여 스택유닛(30)에 공급하는 연료공급유닛(10)과, 공기를 스택유닛(30) 및 연료공급유닛(10)에 공급하는 공기공급유닛(20)과, 공급된 수소(H2) 및 공기로 전기를 생성하는 스택유닛(30)과, 스택유닛(30)에서 생성된 전기를 교류로 변환하여 부하에 공급하는 전기출력유닛(40)을 포함하여 구성된다.
상술한 연료공급유닛(10)에서 연료와 수증기가 개질반응하여 수소가 발생된다. 이때 개질반응에 필요한 수증기를 생성하기 위해 연료공급유닛(10)에는 수증기발생기(10b)와, 수증기발생기(10b)에 필요한 열을 공급하는 버너(10a)가 구비된다.
한편, 이러한 버너(10a)를 구동시키기 위해 초기에는 연료(Fuel)가 버너(10a)에 공급되고, 이후에는 스택유닛(30)에서 발전을 위해 사용하고 남은 오프개스가 공급된다. 그러나, 이렇게 공급되는 오프개스는 고온다습하기 때문에 오프개스속에 포함된 수분에 의해 버너(10a)가 제대로 작동하지 못하고 심하면 버너(10a)가 꺼지는 문제점이 발생한다. 이로 인해 개질반응이 원활하게 이루어지지 못해 연료전지시스템의 전체 성능이 저하된다.
본 발명은 상기와 같은 종래 연료전지시스템이 가지는 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 스택유닛에서 연료공급유닛으로 공급되는 오프개스속에 포함된 수분을 제거할 수 있는 연료전지시스템를 제공하는 데 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 연료전지시스템은 연료극과 공기극을 구비하며 수소와 산소의 전기화학적 반응으로 전기를 생성하는 스택유닛; 상기 스택유닛의 연료극에 수소를 공급하는 연료공급유닛; 상기 스택유닛의 공기극에 공기를 공급하는 공기공급유닛; 및 상기 스택유닛에서 상기 연료공급유닛의 버 너로 공급되는 오프개스(off-gas)속에 포함된 수분을 제거하는 기액분리유닛;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명에 따른 연료전지시스템을 첨부도면에 의거하여 상세히 설명한다. 도 2는 본 발명 연료전지시스템의 일 실시예에 따른 계통도이고, 도 3은 도 2의 기액분리유닛의 확대도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 일 실시예에 따른 연료전지시스템은 연료공급유닛(110), 공기공급유닛(120), 스택유닛(130), 전기출력유닛(140), 급수유닛(150), 기액분리유닛(200)을 포함한다.
상기 연료공급유닛(110)은 LNG에서 수소(H2)를 정제하여 스택유닛(130)의 연료극(131)에 공급하는 개질기(111) 및 배관(112)을 포함한다. 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.
상기 공기공급유닛(120)은 스택유닛(130)의 공기극(132)에 공기를 공급하며, 제1,2공급라인(121,123), 공기공급팬(122)을 포함한다.제1공기공급라인(121)은 공기극(132)에 대기중의 공기를 공급하기 위해 공기공급팬(122)과 제2예열기(162)사 이에 설치된다. 제2공기공급라인(123)은 버너(111g)에 대기중의 공기를 공급하기 위해 공기공급팬(122)과 버너(111g)사이에 설치된다.
상기 스택유닛(130)은 연료공급유닛(10)과 공기공급유닛(20)에서 각각 공급되는 수소와 산소의 전기화학적 반응에 의해 전기에너지와 열에너지를 동시에 생성하도록 연료극(131)과 공기극(132)을 포함한다.
상기 전기출력유닛(140)은 스택유닛(130)에서 생성된 전기에너지를 교류로 변환하여 부하에 공급한다.
상기 급수유닛(150)은 연료공급유닛(110)의 개질기(111)와 스택유닛(130)에 물을 공급하여 개질기(111)와 스택유닛(130)을 냉각한다. 급수유닛(150)은 소정량의 물을 충전하는 급수통(151)과, 스택유닛(130)과 급수통(151) 사이를 순환식으로 연결하는 물순환라인(152)과, 물순환라인(152)의 중간에 설치되며 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. 또한, 급수통(151)의 물 또는 일반 상수(도면에선, 일반상수를 도시)를 개질기(111)에 공급하는 상수공급라인(156)으로 이루어진다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 기액분리유닛(200)은 스택유닛(130)에서 배출되어 연료공급유닛(110)의 버너(111g)로 공급되는 오프개스(off-gas)속에 포함된 수분을 제거한다. 이를 위해 기액분리유닛(200)은 기액분리몸체(210), 배출관(220), 기액분리촉진부인 냉각팬(230)을 포함한다.
기액분리몸체(210)는 오프개스를 일시적으로 수용되는 용기로서, 스택유닛 (130)에서 연료공급유닛(110)의 버너(111g)를 연결하는 배관상에 설치된다. 이러한 기액분리몸체(210)내에서 오프개스속에 포함된 수분이 분리된다.
배출관(220)은 기액분리몸체(210)의 일측에 설치되며, 기액분리몸체(210)에서 분리된 수분이 배출되는 파이프이다.
냉각팬(230)은 기액분리몸체(210)의 타측에 설치되며, 기액분리몸체(210)내기액분리를 촉진한다. 상술한 구성을 가진 기액분리유닛(200)에 의해 오프개스속에 포함된 수분이 냉각팬(230)에 의해 냉각되어 오프개스로부터 분리된 후, 배출관(220)을 통해 배출된다. 따라서, 오프개스속에 포함된 수분으로 인해 버너(111g, 도 2참조)가 꺼지는 것이 방지된다.
한편, 기액분리유닛(200)을 도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같이 다르게 구성할 수도 있다. 참고적으로, 동일한 작용을 하는 구성요소에는 동일한 도면부호를 부여하고 이의 설명을 생략하였다. 도 4는 도 2의 기액분리유닛의 제1변형예를 나타낸 도면이고, 도 5는 도 2의 기액분리유닛의 제2변형예를 나타낸 도면이고, 도 6은 도 2의 기액분리유닛의 제3변형예를 나타낸 도면이다.
도 4에 도시된 제1변형예에 따른 기액분리유닛(200)에는 기액분리촉진부로서 냉각팬(230) 대신 냉간관(240)을 사용된다. 상기 냉각관(240)은 기액분리몸체(210)의 내부를 거치도록 설치되며, 열교환 면적을 늘리기 위해 구불구불하게 기액분리몸체(210) 내부를 통과한다. 상술한 구성를 가진 기액분리유닛(200)에 의해 오프개스속에 포함된 수분이 냉각관(240)에 의해 냉각되어 오프개스로부터 분리된 후, 배출관(220)을 통해 배출된다. 따라서, 오프개스속에 포함된 수분으로 인해 버너 (111g, 도 2참조)가 꺼지는 것이 방지된다.
도 5에 도시된 제2변형예에 따른 기액분리유닛(200)에는 기액분리촉진부로서 냉각팬(230) 대신 냉각핀(250)이 사용된다. 상기 냉각핀(250)은 기액분리몸체(210)의 외벽에 설치되며, Z열교환 면적을 늘리기 위해 기액분리몸체(210)에 일정간격으로 복수개가 돌출된다. 상술한 구성을 가진 기액분리유닛(200)에 의해 오프개스속에 포함된 수분이 냉각핀(250)에 의해 냉각되어 오프개스로부터 분리된 후, 배출관(220)을 통해 배출된다. 따라서, 오프개스속에 포함된 수분으로 인해 버너(111g, 도 2참조)가 꺼지는 것이 방지된다.
도 6에 도시된 제3변형예에 따른 기액분리유닛(200)에는 기액분리촉진부로서 냉각팬(230) 대신에 다공질부재(260)가 사용된다. 상기 다공질부재(260)는 기액분리몸체(210) 내부에 설치되었다. 상술한 구성을 가진 기액분리유닛(200)에 의해 오프개스속에 포함된 수분이 다공질부재(260)를 통과하면서 오프개스로부터 분리된 후, 배출관(220)을 통해 배출된다. 따라서, 오프개스속에 포함된 수분으로 인해 버너(111g, 도 2참조)가 꺼지는 것이 방지된다.
물론, 필요에 따라서는 이상에서 설명한 냉각팬(230), 냉각관(240), 냉각핀(250), 다공질부재(260)를 기액분리유닛(200)에 동시에 또는 둘이상 짝을 이루어 설치할 수도 있을 것이다.
한편, 상술한 바와 같은 기액분리유닛(200)에 수분분리효과를 높히기 위해 상기 버너(111g)내 연소 정도를 측정하여 신호를 발생하는 센서부와, 이의 신호를 받아 기액분리유닛(200)을 제어하는 제어부(310)를 추가적으로 설치할 수 있다.
도 7은 도 2의 기액분리유닛과 추가된 제어부 및 화염센서의 상호작용을 나타낸 블록도이고, 도 8은 도 2의 기액분리유닛과 추가된 제어부 및 온도센서의 상호작용을 나타낸 블록도이고, 도 9는 도 2의 기액분리유닛과 추가된 제어부 및 습도센서의 상호작용을 나타낸 블록도이다. 참고적으로, 동일한 작용을 하는 구성요소에는 동일한 도면부호를 부여하고 이의 설명을 생략하였다.
도 7을 참조하면, 도 7에 도시된 연료전지시스템에는 센서부로서 화염센서(320)와, 화염센서(320)의 신호에 따라 기액분리유닛(200)의 수분분리량을 조절하는 제어부(310)가 추가 설치된다.
상기 화염센서(320)은 버너(111g)의 내부에 설치되며, 버너(111g)의 화염을 감지하여 제어부(310)로 신호를 보낸다. 상기 제어부(310)는 상기 신호에 따라 냉각팬(230)의 속도를 조절하거나 또는 냉각관(240)내에 흐르는 냉각수의 유량을 조절하여 기액분리량을 조절한다.
보다 구체적으로, 버너(111g)의 화염이 약할 때는 냉각팬(230)이 속도를 크게하거나, 냉각관(240) 내에 흐르는 냉각수의 유량을 늘려 기액분리유닛(200)의 수분분리량을 늘린다. 반면, 버너(111g)의 화염이 강할 때는 냉각팬(230)이 속도를 작게하거나, 냉각관(240) 내에 흐르는 냉각수의 유량을 줄여 기액분리유닛(200)의 수분분리량을 줄인다. 따라서, 상황에 맞게 기액분리유닛(200)의 수분분리량을 조절할 수 있다.
도 8을 참조하면, 도 8에 도시된 연료전지시스템에는 센서부로서 온도센서(330)와, 온도센서(330)의 신호에 따라 기액분리유닛(200)의 기액분리량을 조절하 는 제어부(310)가 추가 설치된다.
상기 온도센서(330)는 버너(111g)의 내부에 설치되며, 버너(111g)의 온도를 측정하여 제어부(310)로 신호를 보낸다. 상기 제어부(310)는 상기 신호에 따라 냉각팬(230)의 속도를 조절하거나 또는 냉각관(240) 내에 냉각수의 유량을 조절하여 기액분리량을 조절한다.
보다 구체적으로, 버너(111g)내 온도가 낮을 때는 냉각팬(230)이 속도를 크게하거나, 냉각관(240) 내에 흐르는 냉각수의 유량을 늘려 기액분리유닛(200)의 수분분리량을 늘린다. 반면, 버너(111g)의 온도가 높을 때는 냉각팬(230)이 속도를 작게하거나, 냉각관(240) 내에 흐르는 냉각수의 유량을 줄여 기액분리유닛(200)의 수분분리량을 줄인다. 따라서, 상황에 맞게 기액분리유닛(200)의 수분분리량을 조절할 수 있다.
도 9을 참조하면, 도 9에 도시된 연료전지시스템에는 센서부로서 습도센서(340)와, 습도센서(340)의 신호에 따라 기액분리유닛(200)의 기액분리량을 조절하는 제어부(310)가 추가 설치된다.
상기 습도센서(340)는 기액분리유닛(200)과 버너(111g)를 연결하는 배관상에 설치되며, 기액분리유닛(200)에서 배출되어 버너(111g)로 공급되는 오프개스속에 포함된 습도를 측정한다. 상기 제어부(310)는 상기 신호에 따라 냉각팬(230)의 속도를 조절하거나 냉각관(240)내에 냉각수의 유량을 조절하여 기액분리량을 조절한다.
보다 구체적으로, 버너(111g)로 공급되는 오프개스속에 포함된 습도가 높을 때는 냉각팬(230)의 속도를 크게 하거나, 냉각관(240)내에 흐르는 냉각수의 유량을 늘려 기액분리유닛(200)의 수분분리량을 늘린다. 반면, 오프개스속에 포함된 습도가 낮을 때는 냉각팬(230)의 속도를 작게 하거나, 냉각관(240)내에 흐르는 냉각수의 유량을 줄여 기액분리유닛(200)의 수분분리량을 줄인다. 따라서, 상황에 맞게 기액분리유닛(200)의 수분분리량을 조절할 수 있다.
이하, 도 2 및 도 7을 참조하여 연료전지시스템의 동작을 설명하면 다음과 같다.
연료공급유닛(110)에서 LNG와 수증기를 개질하여 수소를 발생시킨 후 이 수소를 스택유닛(130)의 연료극(131)으로 공급한다. 공기공급유닛(120)은 공기를 스택유닛(130)의 공기극(132)으로 공급한다. 스택유닛(130)은 공급된 수소와 공기로 전기를 발생시키고, 발생 된 전기는 전기출력유닛(150)에서 교류로 바꿔 각종 전기제품(도면상에는 Load로 표시)에 공급한다.
한편, 개질반응에 필요한 수증기를 생성하기 위해 수증기발생기(111f)에 상수가 공급되고, 이러한 상수를 가열하여 수증기를 발생시키기 위해 버너(111g)에는 스택유닛(30)에서 발전을 위해 사용하고 남은 오프개스가 공급된다.
이때, 오프개스속에 포함된 수분은 기액분리유닛(200)을 거치면서 제거된다. 따라서, 수분이 제거된 오프개스로 인해 버너(111g)내 연소가 활발하게 이루어진다.
본 발명의 일 실시예에 의한 연료전지시스템에 따르면, 기액분리유닛(200)이 구비되어 있어 오프개스속에 포함된 수분이 제거되어 버너(111g) 내 연소가 활발하게 이루어진다. 따라서, 수증기가 안정적으로 개질반응기(111b)에 공급되어 개질반응이 원활하게 이루어져 연료전지시스템의 전체 성능이 향상된다.

Claims (10)

  1. 연료극과 공기극을 구비하며 수소와 산소의 전기화학적 반응으로 전기를 생성하는 스택유닛;
    상기 스택유닛의 연료극에 수소를 공급하는 연료공급유닛;
    상기 스택유닛의 공기극에 공기를 공급하는 공기공급유닛; 및
    상기 스택유닛에서 상기 연료공급유닛의 버너로 공급되는 오프개스(off-gas)속에 포함된 수분을 제거하는 기액분리유닛;을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 기액분리유닛은,
    오프개스(off-gas)가 일시적으로 수용되는 기액분리몸체;
    오프개스속에 포함한 수분의 분리를 촉진하는 기액분리촉진부; 및
    오프개스로부터 분리된 수분이 배출되는 배출관;을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 기액분리촉진부는,
    상기 기액분리몸체의 일측에 설치된 냉각팬;인 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 기액분리촉진부는,
    상기 기액분리몸체의 내부를 거치도록 설치된 냉각관;인 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 기액분리촉진부는,
    상기 기액분리몸체의 일측에 설치된 냉각핀;인 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  6. 제 2 항에 있어서, 상기 기액분리촉진부는,
    상기 기액분리몸체의 내부에 설치된 다공질부재;인 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 연료전지시스템은,
    상기 버너 내 연소 정도를 측정하여 신호를 발생하는 센서부; 및
    상기 신호에 따라 상기 기액분리유닛의 기액분리량을 제어하는 제어부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 센서부는,
    상기 버너 내 화염을 감지하는 화염센서;인 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 센서부는,
    상기 버너 내 화염의 온도를 측정하는 온도센서;인 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  10. 제 7 항에 있어서, 상기 센서부는,
    상기 기액분리유닛으로부터 배출되는 오프개스속에 포함된 습도를 측정하는 습도센서;인 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
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