KR20070035220A

KR20070035220A - Fuel cell system

Info

Publication number: KR20070035220A
Application number: KR1020050089818A
Authority: KR
Inventors: 안진구; 김주용; 이찬호; 이성철; 서동명; 김진광
Original assignee: 삼성에스디아이 주식회사
Priority date: 2005-09-27
Filing date: 2005-09-27
Publication date: 2007-03-30

Abstract

본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템은, 수소, 및 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 연료전지 본체와, 부탄을 주성분으로 하는 액화 가스 연료를 개질하여 상기 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키고, 이 개질 가스를 상기 연료전지 본체로 공급하는 개질기와, 상기 연료를 저장하는 연료 탱크를 가지면서 상기 연료를 상기 개질기로 공급하는 연료 공급원과, 공기를 상기 연료전지 본체로 공급하는 공기 펌프와, 상기 연료전지 본체와 연결되게 설치되어 상기 연료전지 본체로부터 배출되는 수증기를 응축시키기 위한 열교환유닛을 포함하며, 상기 열교환유닛은 상기 수증기의 흐름을 가능케 하는 패스를 형성하면서 상기 연료 탱크에 접촉되게 설치되어 상기 수증기로부터 전달되는 열에 의해 상기 연료 탱크를 가열하면서 상기 수증기를 응축시키는 패스부재를 포함한다.A fuel cell system according to an exemplary embodiment of the present invention includes a fuel cell body that generates electrical energy by reaction of hydrogen and oxygen, and a reformed gas containing hydrogen by reforming a liquefied gas fuel mainly containing butane. And a reformer for supplying the reformed gas to the fuel cell body, a fuel supply source for supplying the fuel to the reformer while having a fuel tank for storing the fuel, and air for supplying air to the fuel cell body. And a heat exchange unit installed to be connected to the fuel cell body and condensing water vapor discharged from the fuel cell body, wherein the heat exchange unit contacts the fuel tank while forming a path to enable the flow of the water vapor. Is installed to heat the fuel tank by heat transferred from the steam And a pass member for condensing the water vapor.

연료전지, 본체, 스택, 개질기, 연료공급원, 연료탱크, 공기공급원, 공기펌프, 부탄, 열교환유닛, 패스부재, 기화, 수증기, 응축 Fuel cell, main body, stack, reformer, fuel supply source, fuel tank, air supply source, air pump, butane, heat exchange unit, pass member, vaporization, water vapor, condensation

Description

Fuel Cell System {FUEL CELL SYSTEM}

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

도 2는 도 1에 도시한 연료전지 본체의 구성을 나타내 보인 분해 사시도이다.FIG. 2 is an exploded perspective view showing the configuration of the fuel cell body shown in FIG. 1.

도 3은 도 1에 도시한 열교환유닛 부위를 나타내 보인 사시도이다3 is a perspective view showing a heat exchange unit shown in FIG.

본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 부탄과 같이 액화 가스 연료를 사용하는 연료 전지 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to a fuel cell system using liquefied gas fuel such as butane.

알려진 바와 같이, 연료 전지(Fuel Cell)는 탄화 수소 계열의 연료에 함유되어 있는 수소, 및 산소의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 발생시키는 발전 시스템으로서 구성된다.As is known, a fuel cell is configured as a power generation system that generates the chemical reaction energy of hydrogen and oxygen contained in a hydrocarbon-based fuel directly into electrical energy.

이러한 연료 전지는 크게, 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)와, 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxydation Membrane Fuel Cell)로 구분될 수 있다.Such fuel cells may be broadly classified into polymer electrolyte fuel cells and direct oxidation fuel cells.

이 중에서 고분자 전해질형 연료 전지는 다른 연료 전지에 비하여 출력 특성이 탁월하며, 작동 온도가 낮고, 빠른 시동 및 응답 특성으로 인해 자동차와 같은 이동용 전원은 물론, 주택, 공공 건물과 같은 분산용 전원 및 전자기기용과 같은 소형 전원 등 그 응용 범위가 넓은 장점을 가진다.Among these, the polymer electrolyte fuel cell has excellent output characteristics compared to other fuel cells, has a low operating temperature, and fast start-up and response characteristics, so that the mobile power source such as automobiles, as well as the distributed power source and electronics such as houses and public buildings Its application range is wide, such as small power supplies for appliances.

이와 같은 고분자 전해질형 연료 전지 방식을 채용한 연료 전지 시스템은 스택(stack)이라 불리는 연료전지 본체와, 열 에너지를 이용하여 연료를 개질함으로써 이 연료로부터 수소를 발생시키고 이 수소를 연료전지 본체로 공급하는 개질기와, 산소를 연료전지 본체로 공급하기 위한 공기 펌프 또는 팬을 구비하고 있다. 따라서, 연료전지 본체에서는 개질기로부터 공급되는 수소와, 공기펌프 또는 팬의 가동에 의해 공급되는 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시킨다.The fuel cell system employing such a polymer electrolyte fuel cell system generates a hydrogen from this fuel by supplying a fuel cell body called a stack and thermal energy to reform the fuel and supply the hydrogen to the fuel cell body. A reformer and an air pump or fan for supplying oxygen to the fuel cell body. Therefore, in the fuel cell body, electrical energy is generated by the electrochemical reaction of hydrogen supplied from the reformer and oxygen supplied by the operation of the air pump or the fan.

한편, 최근 들어서는 부탄과 같이 시중에서 쉽게 구할 수 있는 가스 연료를 사용하여 개질기에 의한 가스 연료의 개질 반응을 통해 수소를 발생시키는 연료 전지 시스템이 개시된 바 있다. 이러한 가스 연료는 비점이 낮고 비교적 작은 압력에도 쉽게 액화되기 때문에, 통상적으로 소정의 압력을 가하여 액화된 상태로 연료 탱크에 담겨져 개질기에 공급된다.On the other hand, recently, a fuel cell system for generating hydrogen through a reforming reaction of a gas fuel by a reformer using gas fuel, which is readily available on the market such as butane, has been disclosed. Since such gaseous fuel has a low boiling point and is easily liquefied even at a relatively small pressure, it is usually contained in a fuel tank and supplied to a reformer in a liquefied state under a predetermined pressure.

그런데, 이와 같은 종래의 연료 전지 시스템에 있어, 연료 탱크는 액화 가스 연료가 주위의 열을 빼앗아 기체로 기화되면서 배출되기 때문에, 탱크의 표면 온도가 저하되면서 가스 연료의 비점 보다 더 낮게 떨어질 경우, 연료 탱크의 표면에 결로(結露) 현상이 발생하게 되고, 이에 따라 탱크의 내부 압력이 저하되면서 가스 연료의 기화 능력이 떨어지게 된다. 따라서, 연료 탱크는 실질적으로 기화되는 액화 가스 연료의 양이 줄어 듦에 따라 개질기로 연료를 원활하게 공급하지 못하게 된다.However, in such a conventional fuel cell system, since the fuel tank is discharged while the liquefied gas fuel is taken away from the surrounding heat and vaporized into the gas, when the surface temperature of the tank falls and falls below the boiling point of the gas fuel, the fuel Condensation occurs on the surface of the tank, and as a result, the internal pressure of the tank is lowered, thereby lowering the gaseous vaporization capacity. Thus, the fuel tank is not able to smoothly supply fuel to the reformer as the amount of liquefied gas fuel vaporized substantially decreases.

또한, 종래의 연료 전지 시스템은 연료전지 본체의 작용시, 산소의 환원 반응에 의해 비교적 고온의 수증기를 배출시키게 되는 바, 이 수증기를 비교적 낮은 온도를 유지하는 대기 중으로 직접 방출할 경우, 상기한 수증기와 대기가 접촉하면서 응축이 일어나게 된다. 이로 인해 시스템의 외관을 이루는 케이스를 통해 상기 응축된 수분이 흘러 나와 사용자에게 불쾌감을 끼치게 하는 문제점이 있다.In addition, the conventional fuel cell system discharges relatively high temperature water vapor by the reduction reaction of oxygen when the fuel cell body operates, and when the water vapor is directly discharged into the atmosphere maintaining a relatively low temperature, the water vapor described above Condensation occurs as the air contacts the atmosphere. As a result, the condensed water flows out through the case forming the exterior of the system, causing inconvenience to the user.

본 발명은 상술한 문제점을 감안한 것으로서, 그 목적은 연료전지 본체로부터 배출되는 고온의 수증기를 비교적 낮은 온도의 연료 탱크로 경유시켜 수증기를 응축시킴과 동시에 수증기의 열을 이용하여 연료 탱크에 저장된 액화 가스 연료를 기화시킬 수 있는 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 condense water vapor by passing high temperature water vapor discharged from a fuel cell body into a fuel tank having a relatively low temperature, and at the same time, use liquefied gas stored in a fuel tank using heat of water vapor. The present invention provides a fuel cell system capable of vaporizing fuel.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템은, 수소, 및 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 연료전지 본체와, 부탄을 주성분으로 하는 액화 가스 연료를 개질하여 상기 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키고, 이 개질 가스를 상기 연료전지 본체로 공급하는 개질기와, 상기 연료를 저장하는 연료 탱크를 가지면서 상기 연료를 상기 개질기로 공급하는 연료 공급원과, 공기를 상기 연료전지 본체로 공급하는 공기 펌프와, 상기 연료전지 본체와 연결되게 설치되어 상기 연료전지 본체로부터 배출되는 수증기를 응축시키기 위한 열교환유닛을 포함하며, 상기 열교환유닛은 상기 수증기의 흐름을 가능케 하는 패스를 형성하면서 상기 연료 탱크에 접촉되게 설치되어 상기 수증기로부터 전달되는 열에 의해 상기 연료 탱크를 가열하면서 상기 수증기를 응축시키는 패스부재를 포함한다.In order to achieve the above object, a fuel cell system according to an exemplary embodiment of the present invention, a fuel cell body for generating electrical energy by the reaction of hydrogen and oxygen, and a liquefied gas fuel containing butane as a main component A fuel supply source for supplying the fuel to the reformer while generating a reformed gas containing hydrogen and supplying the reformed gas to the fuel cell body, a fuel tank for storing the fuel, and air. An air pump for supplying the fuel cell body, and a heat exchange unit installed to be connected to the fuel cell body to condense the water vapor discharged from the fuel cell body, wherein the heat exchange unit allows a flow of the water vapor to flow. Installed in contact with the fuel tank while forming a By-pass comprises a member for condensing the vapor while heating the fuel tank.

상기 연료 전지 시스템은, 상기 패스부재가 상기 연료 탱크의 외주면에 코일 형태로 감기면서 형성될 수 있다.The fuel cell system may be formed while the pass member is wound in a coil form on an outer circumferential surface of the fuel tank.

상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 패스부재는 상기 수증기를 유통시키는 파이프 라인 형태로서 이루어질 수 있다.In the fuel cell system, the pass member may be in the form of a pipeline through which the water vapor flows.

상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 연료전지 본체는, 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode assembly: MEA)를 중심에 두고 이의 양측에 세퍼레이터를 배치하여 구성되는 적어도 하나의 전기 발생부를 포함할 수 있다.In the fuel cell system, the fuel cell body may include at least one electricity generating unit configured by placing a separator on both sides of a membrane-electrode assembly (MEA).

상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 연료전지 본체는, 상기 유로부와 연결되게 설치되어 상기 전기 발생부에서 생성되는 상기 수증기를 상기 유로부로 배출시키기 위한 수증기 배출부를 포함할 수 있다.In the fuel cell system, the fuel cell body may include a water vapor discharge part installed to be connected to the flow path part to discharge the water vapor generated by the electricity generating part to the flow path part.

상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 패스부재는 상기 수증기 배출부에 연결되면서 상기 연료 탱크의 외주면에 코일 형태로 감기긴 구조로 이루어질 수 있다.In the fuel cell system, the pass member may be configured to be wound in a coil form on an outer circumferential surface of the fuel tank while being connected to the water vapor discharge unit.

상기 연료 전지 시스템은, 상기 연료 탱크가 원형의 캔 형태로서 구비될 수 있다.The fuel cell system may include the fuel tank as a circular can.

상기 연료 전지 시스템은, 상기 연료전지 본체가 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrance Fuel Cel)로서 구성될 수 있다.In the fuel cell system, the fuel cell body may be configured as a polymer electrolyte fuel cell (Polymer Electrolyte Membrance Fuel Cel).

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.

이 도면을 참조하여 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)을 설명하면, 이 연료 전지 시스템(100)은 연료, 및 산화제 가스를 이용하여 노트북 PC, PDA, 이동통신 단말기기 등과 같은 소형 전자기기에 전기 에너지를 제공하는 발전 시스템으로서 구성된다.Referring to the fuel cell system 100 according to the present invention with reference to the drawings, the fuel cell system 100 is a small electronic device such as a notebook PC, PDA, mobile communication terminal device using the fuel and oxidant gas It is configured as a power generation system for providing electrical energy.

구체적으로, 본 시스템(100)은 연료를 개질하여 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키고, 이 개질 가스의 산화 반응 및 산화제 가스의 환원 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrode Membrane Fuel Cell) 방식으로서 구성된다.Specifically, the system 100 reforms a fuel to generate a reformed gas containing hydrogen, and generates a polymer electrolyte fuel cell that generates electrical energy through an oxidation reaction of the reformed gas and a reduction reaction of an oxidant gas. It is configured as a Membrane Fuel Cell) method.

이러한 연료 전지 시스템(100)에 사용되는 연료는 메탄올, 에탄올, LPG, LNG, 가솔린 등과 같이 수소를 함유한 탄화수소 계열의 액체 또는 기체 연료를 포함할 수 있다. 그러나, 이하에서 설명하는 연료는 LPG 또는 LNG와 같은 기체 연료, 바람직하게는 부탄을 주성분으로 하는 액화 가스 연료를 의미하며, 본 발명의 실시 예에서는 이 액화 가스 연료를 개질하여 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키는 예를 설명한다.The fuel used in the fuel cell system 100 may include a hydrocarbon-based liquid or gaseous fuel containing hydrogen such as methanol, ethanol, LPG, LNG, gasoline, and the like. However, the fuel described below means a gaseous fuel such as LPG or LNG, preferably a liquefied gas fuel mainly containing butane, and in the embodiment of the present invention, the reformed gas containing hydrogen by reforming the liquefied gas fuel An example of generating a will be described.

그리고 본 시스템(100)은 산화제 가스로서 별도의 저장수단에 저장된 산소 가스를 사용할 수 있으며, 산소를 함유하고 있는 공기를 그대로 사용할 수도 있다. 그러나 이하에서는 후자를 예로 하여 설명한다.The system 100 may use oxygen gas stored in a separate storage means as an oxidant gas, and may use air containing oxygen as it is. However, hereinafter, the latter will be described as an example.

이와 같은 연료 전지 시스템(100)은, 고분자 전해질형 연료 전지로서 구성되는 연료전지 본체(10)와, 연료를 개질하여 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키고 이 개질 가스를 연료전지 본체(10)로 공급하는 개질기(30)와, 이 개질기(30)로 연료를 공급하기 위한 연료 공급원(50)과, 공기를 연료전지 본체(10)로 공급하기 위한 공기 공급원(70)를 포함하여 구성된다.The fuel cell system 100 includes a fuel cell body 10 configured as a polymer electrolyte fuel cell and a reformed gas containing hydrogen by reforming the fuel, and converting the reformed gas into the fuel cell body 10. And a reformer 30 to supply, a fuel supply source 50 for supplying fuel to the reformer 30, and an air supply source 70 for supplying air to the fuel cell body 10.

연료전지 본체(10)는 개질기(30)와 공기 공급원(70)에 연결되게 설치되며, 이 개질기(30)로부터 개질 가스를 공급받고 공기 공급원(70)으로부터 공기를 제공받아 개질 가스 중에 함유된 수소, 및 공기 중에 함유된 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 셀(cell) 단위의 전기 발생부(11)를 구비한다.The fuel cell body 10 is installed to be connected to the reformer 30 and the air source 70, and receives the reformed gas from the reformer 30 and receives air from the air source 70 to contain hydrogen contained in the reformed gas. And an electric generator 11 in a cell unit for generating electrical energy by an electrochemical reaction of oxygen contained in the air.

따라서, 본 실시예에 의한 연료전지 본체(10)는 이와 같은 전기 발생부(11)를 복수로 구비하고, 이들 전기 발생부(11)를 연속적으로 배치함으로써 전기 발생부들(11)의 집합체 구조에 의한 스택(stack)으로 구성될 수 있다.Therefore, the fuel cell main body 10 according to the present embodiment includes a plurality of such electric generators 11, and by arranging these electricity generators 11 successively, the fuel cell body 10 is arranged in the aggregate structure of the electricity generators 11. It can be configured as a stack (stack) by.

도면을 참고하면, 본 실시예에 의한 연료전지 본체(10)는 언급한 바와 같이 전기 발생부들(11)의 집합체 구조로서 이루어지는 바, 이 전기 발생부(11)는 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode Assembly: MEA)(12)를 중심에 두고 이의 양면에 세퍼레이터(Separator)(13)를 밀착되게 배치하여 구성될 수 있다.Referring to the drawings, the fuel cell main body 10 according to the present embodiment is formed as an aggregate structure of the electricity generating units 11 as mentioned above, and the electricity generating unit 11 is a membrane-electrode assembly (Membrane-Electrode). Assembly (MEA) 12 can be configured to be in close contact with the separator (Separator) 13 on both sides thereof.

여기서, 막-전극 어셈블리(12)는 일면에 애노드 전극을 형성하고, 다른 일면에 캐소드 전극을 형성하며, 이들 두 전극 사이에 전해질막을 형성하고 있다. 애노드 전극은 개질 가스 중에 함유된 수소를 산화 반응시켜 이 수소를 전자와 수소 이온으로 분리시키며, 전해질막은 수소 이온을 캐소드 전극으로 이동시키고, 캐소드 전극은 애노드 전극으로부터 받은 전자, 수소 이온, 및 별도로 제공되는 공기 중의 산소를 환원 반응시켜 비교적 고온의 수증기를 생성하는 기능을 하게 된다.Here, the membrane-electrode assembly 12 forms an anode electrode on one surface, a cathode electrode on the other surface, and forms an electrolyte membrane between these two electrodes. The anode electrode oxidizes hydrogen contained in the reforming gas to separate the hydrogen into electrons and hydrogen ions, and the electrolyte membrane transfers hydrogen ions to the cathode electrode, and the cathode electrode provides electrons, hydrogen ions, and separately provided from the anode electrode. Reducing the oxygen in the air is a reaction to generate a relatively high temperature water vapor.

그리고 세퍼레이터(13)는 개질 가스를 막-전극 어셈블리(12)의 애노드 전극으로 공급하고, 공기를 막-전극 어셈블리(12)의 캐소드 전극으로 공급하기 위한 개질 가스 및 공기 이동 채널을 형성하며, 막-전극 어셈블리(12)의 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체로서의 기능을 하게 된다.And the separator 13 forms a reformed gas and an air movement channel for supplying the reformed gas to the anode electrode of the membrane-electrode assembly 12, and for supplying air to the cathode electrode of the membrane-electrode assembly 12. It functions as a conductor connecting the anode electrode and the cathode electrode of the electrode assembly 12 in series.

이와 같은 연료전지 본체(10)는 개질 가스를 전기 발생부들(11)로 주입시키기 위한 개질 가스 주입부(15)(이하, "제1 주입부" 라고 한다.)와, 공기를 전기 발생부들(11)로 주입시키기 위한 공기 주입부(16)(이하, "제2 주입부" 라고 한다.)와, 전기 발생부들(11)에서 반응하고 남은 개질 가스를 배출시키기 위한 미반응 개질 가스 배출부(17)(이하, "제1 배출부" 라고 한다.)와, 전기 발생부들(11)에서 환원 반응에 의해 생성되는 수증기를 배출시키기 위한 수증기 배출부(18)(이하, "제2 배출부" 라고 한다.)를 형성하고 있다(도 1 참조).The fuel cell body 10 includes a reformed gas injector 15 (hereinafter, referred to as a “first injector”) for injecting reformed gas into the electricity generators 11, and air into electricity generators ( 11, an air injection unit 16 (hereinafter referred to as a "second injection unit") for injection, and an unreacted reformed gas discharge unit for discharging the reformed gas remaining after reacting in the electricity generating units 11 ( 17) (hereinafter referred to as " first outlet ") and steam outlet 18 (hereinafter, " second outlet ") for discharging water vapor generated by the reduction reaction in the electricity generating units 11; (See Fig. 1).

본 실시예에서, 개질기(30)는 도 1에 도시한 바와 같이, 연료의 개질 반응 예컨대, 수증기 개질, 부분 산화 또는 자열 반응 등의 촉매 반응을 통해 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키는 구조로 이루어진다. 이 때, 개질기(30)는 통상적인 파이프 라인 등에 의해 연료전지 본체(10)의 제1 주입부(15)와 연결되게 설치될 수 있다. 이러한 개질기(30)는 고분자 전해질형 연료 전지 방식의 시스템에 채용되는 통상적인 개질기의 구성으로 이루어지므로 본 명세서에서 그 자세한 설명은 생략하기로 한다.In this embodiment, the reformer 30 has a structure that generates a reformed gas containing hydrogen through a catalytic reaction such as steam reforming, steam reforming, partial oxidation or autothermal reaction, as shown in FIG. 1. . In this case, the reformer 30 may be installed to be connected to the first injection unit 15 of the fuel cell body 10 by a conventional pipeline or the like. Since the reformer 30 is made of a conventional reformer that is employed in a polymer electrolyte fuel cell system, a detailed description thereof will be omitted.

상기한 개질기(30)로 연료를 공급하기 위한 연료 공급원(50)은 도 1에 도시한 바와 같이, 액화 가스 연료를 압축 저장하는 연료 탱크(51)를 포함하고 있다. 이 때, 연료 탱크(51)는 가스 연료 자체의 압력에 의해 이 연료를 배출시키기 위한 배출부(도면에 도시하지 않음)를 가진 캔 형태로 이루어지며, 통상적인 파이프 라인 등에 의해 개질기(30)와 연결되게 설치될 수 있다.The fuel supply source 50 for supplying fuel to the reformer 30 includes a fuel tank 51 for compressing and storing liquefied gas fuel, as shown in FIG. 1. At this time, the fuel tank 51 is in the form of a can having a discharge portion (not shown) for discharging the fuel by the pressure of the gas fuel itself, and the reformer 30 and the like by a conventional pipeline or the like. Can be installed to be connected.

그리고, 상기한 연료전지 본체(10)로 공기를 공급하기 위한 공기 공급원(70)은 도 1에 도시한 바와 같이, 공기를 흡입하는 통상적인 공기 펌프(71)로서 구비된다. 이 때, 공기 펌프(71)는 통상적인 파이프 라인 등에 의해 연료전지 본체(10)의 제2 주입부(16)와 연결되게 설치될 수 있다.An air supply source 70 for supplying air to the fuel cell body 10 is provided as a conventional air pump 71 that sucks air as shown in FIG. 1. In this case, the air pump 71 may be installed to be connected to the second injection unit 16 of the fuel cell body 10 by a conventional pipeline or the like.

상기와 같이 구성되는 연료 전지 시스템(100)의 작용시 연료전지 본체(10)는 전기 발생부들(11)에 의한 공기의 환원 반응을 통해 비교적 고온의 수증기를 발생시키게 되는 바, 이 수증기를 제2 배출부(18)를 통해 배출시키게 된다(도 1 참조).When the fuel cell system 10 is configured as described above, the fuel cell body 10 generates relatively high temperature water vapor through a reduction reaction of air by the electricity generating units 11. It is discharged through the discharge portion 18 (see Fig. 1).

또한, 연료 전지 시스템(100)의 작용시 연료 탱크(51)는 이 연료 탱크(51)에 저장된 액화 가스 연료가 주위의 열을 빼앗아 기체로 기화되면서 배출되기 때문에(통상적으로 "기화 잠열" 이라고 한다.), 연료 탱크(51)의 온도가 저하되는 바, 이 탱크의 표면 온도가 가스 연료의 비점 보다 더 낮게 떨어질 경우, 연료 탱크(51)의 표면에 결로(結露) 현상이 발생하게 되고, 탱크 내부의 압력이 저하되면서 가스 연료의 기화 능력이 떨어지게 된다. 이로 인해 연료 탱크(51)는 실질적으로 기화되는 가스 연료의 양이 줄어 듦에 따라 개질기(30)로 연료를 원활하게 공급하지 못하게 된다(도 1 참조).In addition, when the fuel cell system 100 operates, the fuel tank 51 is discharged as the liquefied gas fuel stored in the fuel tank 51 is discharged as it takes away the surrounding heat and vaporizes into a gas (commonly referred to as "latent heat of vaporization"). .), When the temperature of the fuel tank 51 is lowered, when the surface temperature of the tank falls lower than the boiling point of the gas fuel, condensation occurs on the surface of the fuel tank 51, and the tank As the pressure inside decreases, the gaseous fuel vaporization capacity is reduced. This prevents the fuel tank 51 from smoothly supplying fuel to the reformer 30 as the amount of gaseous fuel vaporized substantially decreases (see FIG. 1).

이에, 본 발명의 실시예에서는 도 1에 도시한 바와 같이, 수증기의 열을 연료 탱크(51)에 전달하기 위한 열교환유닛(90)이 제공되는 바, 이 열교환유닛(90)은 연료전지 본체(10)의 제2 배출부(18)를 통해 배출되는 수증기를 결로 현상이 발생된 연료 탱크(51)로 경유시켜, 수증기의 열을 온도가 낮은 연료 탱크(51)로 전달하여 수증기를 수분으로 응축시킴과 동시에, 상기한 열에 의해 연료 탱크(51)를 가열하여 이 연료 탱크(51)에 저장된 액화 가스 연료를 기화시키는 기능을 하게 된다.Thus, in the embodiment of the present invention, as shown in FIG. 1, a heat exchange unit 90 is provided for transferring heat of steam to the fuel tank 51, and the heat exchange unit 90 includes a fuel cell body ( The steam discharged through the second discharge unit 18 of 10) is transferred to the fuel tank 51 in which condensation occurs, and the heat of the steam is transferred to the fuel tank 51 having a low temperature to condense the water vapor into water. At the same time, the fuel tank 51 is heated by the heat described above to vaporize the liquefied gas fuel stored in the fuel tank 51.

도 3은 도 1에 도시한 열교환유닛 부위를 나타내 보인 사시도이다.3 is a perspective view showing a heat exchange unit shown in FIG.

도 1 및 도 3을 참고하면, 본 실시예에 의한 열교환유닛(90)은 연료전지 본체(10)의 제2 배출부(18)를 통해 배출되는 수증기를 유통시키기 위한 패스부재(91)를 구비한다.1 and 3, the heat exchange unit 90 according to the present embodiment includes a pass member 91 for distributing water vapor discharged through the second discharge unit 18 of the fuel cell body 10. do.

이러한 패스부재(91)는 연료전지 본체(10)의 제2 배출부(18)와 연결되게 설치되는 금속 소재의 파이프 라인 형태로서 구비되며, 연료 탱크(51)의 외주면에 접 촉되게 설치된다. 이 때, 패스부재(91)는 열전도성을 갖는 통상적인 금속 소재 예컨대, 알루미늄, 구리, 철 등으로 형성될 수 있다.The pass member 91 is provided in the form of a metal pipeline installed to be connected to the second discharge unit 18 of the fuel cell body 10, and is provided to be in contact with the outer circumferential surface of the fuel tank 51. In this case, the pass member 91 may be formed of a conventional metal material having thermal conductivity, for example, aluminum, copper, iron, or the like.

구체적으로, 본 실시예에 의한 패스부재(91)는 연료 탱크(51)의 외주면에 코일 형태로 감긴 구조로 이루어지는 바, 연료전지 본체(10)의 제2 배출부(18)를 통해 배출되는 수증기는 이 패스부재(91)의 유로를 따라 유동하면서 나선형의 패스를 형성하게 된다.Specifically, the pass member 91 according to the present embodiment has a structure wound in the form of a coil wound around the outer circumferential surface of the fuel tank 51, and vapor discharged through the second discharge part 18 of the fuel cell body 10. While flowing along the flow path of the pass member 91 forms a spiral path.

이와 같이, 패스부재(91)를 연료 탱크(51)의 외주면에 코일 형태로 감아 구성한 이유는, 연료 탱크(51)의 외주면에 대한 패스부재(91)의 접촉 면적을 극대화시키고, 연료전지 본체(10)의 제2 배출부(18)를 통해 배출되는 수증기의 유동 경로를 더욱 연장시키기 위함이다.The reason why the pass member 91 is wound around the outer circumferential surface of the fuel tank 51 in the form of a coil is to maximize the contact area of the pass member 91 with respect to the outer circumferential surface of the fuel tank 51. This is to further extend the flow path of the water vapor discharged through the second discharge portion 18 of 10).

상기와 같이 구성되는 본 실시예에 의한 연료 전지 시스템(100)의 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.Referring to the operation of the fuel cell system 100 according to the present embodiment configured as described above in detail as follows.

우선, 연료 탱크(51)에 저장된 액화 가스 연료는 주위의 열을 빼앗아 기체로 기화되면서 자체의 압력에 의해 연료 탱크(51)로부터 배출되면서 개질기(30)로 공급된다. 그러면, 개질기(30)는 연료의 개질 반응이 진행되면서 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키고, 이 개질 가스를 연료전지 본체(10)의 제1 주입부(15)로 공급한다.First, the liquefied gas fuel stored in the fuel tank 51 is supplied to the reformer 30 while being discharged from the fuel tank 51 by its own pressure while being vaporized into gas by taking away surrounding heat. Then, the reformer 30 generates a reformed gas containing hydrogen as the reforming reaction of the fuel proceeds, and supplies the reformed gas to the first injection unit 15 of the fuel cell body 10.

이와 동시에, 공기 펌프(71)는 공기를 흡입하고, 이 공기를 연료전지 본체(10)의 제2 주입부(16)로 공급한다.At the same time, the air pump 71 sucks air and supplies this air to the second injection portion 16 of the fuel cell body 10.

따라서, 연료전지 본체(10)는 전기 발생부들(11)에 의한 개질 가스의 산화 반응, 및 공기의 환원 반응을 통해 기설정된 용량의 전기 에너지를 출력시키게 되고, 전기 발생부들(11)에 의한 공기의 환원 반응에 의해 생성되는 비교적 고온의 수증기를 제2 배출부(18)를 통해 배출시키게 된다.Therefore, the fuel cell body 10 outputs electric energy of a predetermined capacity through oxidation reaction of reformed gas by the electricity generating units 11 and reduction reaction of air, and the air by the electricity generating units 11. The relatively high temperature water vapor generated by the reduction reaction of is discharged through the second discharge unit 18.

이어서, 연료전지 본체(10)의 제2 배출부(18)를 통해 배출되는 상기 수증기는 패스부재(91)로 공급된다. 이 때, 패스부재(91)가 연료 탱크(51)의 외주면에 코일 형태로 감긴 구조로 되어 있기 때문에, 수증기는 이 패스부재(91)를 통해 나선형의 패스를 형성하면서 유통되게 된다. 이에 따라, 상기 패스부재(91)는 고온의 수증기가 이의 유로를 따라 유통됨에 따라 소정 온도로 가열된 상태를 유지하게 된다.Subsequently, the water vapor discharged through the second discharge part 18 of the fuel cell body 10 is supplied to the pass member 91. At this time, since the pass member 91 has a structure wound in a coil form on the outer circumferential surface of the fuel tank 51, water vapor flows through the pass member 91 while forming a spiral path. Accordingly, the pass member 91 maintains a heated state to a predetermined temperature as hot steam flows along its flow path.

한편, 연료 탱크(51)는 이 연료 탱크(51)에 저장된 액화 가스 연료가 주위의 열을 빼앗아 기체로 기화되면서 배출되기 때문에, 연료 탱크(51)의 표면 온도가 떨어지게 된다. 이 때, 연료 탱크(51)의 표면 온도가 가스 연료의 비점 보다 더 낮게 떨어질 경우, 연료 탱크(51)의 표면에 결로(結露) 현상이 발생하게 되고, 이로 인해 탱크 내부의 압력이 저하되면서 가스 연료의 기화 능력이 떨어지게 된다.On the other hand, since the fuel tank 51 is discharged while the liquefied gas fuel stored in the fuel tank 51 is taken away by surrounding heat and vaporized into gas, the surface temperature of the fuel tank 51 falls. At this time, when the surface temperature of the fuel tank 51 falls below the boiling point of the gaseous fuel, condensation occurs on the surface of the fuel tank 51, and as a result, the pressure inside the tank is lowered and the gas is reduced. The vaporization capacity of the fuel is reduced.

따라서, 상술한 바와 같이 패스부재(91)로 전달된 수증기의 열은 연료 탱크(51)의 표면에 빼앗기면서 이 연료 탱크(51)를 가열함으로써 연료 탱크(51)에 저장된 액화 가스 연료를 기화시키게 된다. 이로써, 연료 탱크(51)는 내부 압력이 일정 수준으로 상승하면서 가스 연료의 기화 능력이 향상됨에 따라, 가스 연료를 개질기(30)로 원활하게 공급할 수 있게 된다. 이와 동시에, 패스부재(91)를 따라 유통되는 수증기는, 자체의 열이 패스부재(91)를 통해 연료 탱크(51)로 전달됨에 따라, 패스부재(91)가 연료 탱크(51)에 의해 냉각되면서 수분으로 응축되게 된다. 이 때, 수분은 패스부재(91)로부터 배출되면서 별도의 저장공간(도시하지 않음)으로 포집되게 된다.Therefore, as described above, the heat of the steam delivered to the pass member 91 is lost to the surface of the fuel tank 51, thereby heating the fuel tank 51 to vaporize the liquefied gas fuel stored in the fuel tank 51. do. As a result, the fuel tank 51 can smoothly supply the gas fuel to the reformer 30 as the internal pressure rises to a certain level, thereby improving the vaporization capacity of the gas fuel. At the same time, the water vapor flowing along the pass member 91 is cooled by the fuel tank 51 as its heat is transferred to the fuel tank 51 through the pass member 91. As it condenses into moisture. At this time, the moisture is discharged from the pass member 91 is collected in a separate storage space (not shown).

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.

상술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 연료전지 본체로부터 배출되는 고온의 수증기를 비교적 낮은 온도의 연료 탱크로 경유시켜 수증기를 응축시킴과 동시에 수증기의 열을 이용하여 연료 탱크에 저장된 액화 가스 연료를 기화시킬 수 있는 열교환유닛을 구비함에 따라, 액화 가스 연료를 개질기로 신뢰성 있게 공급함으로써 시스템의 지속적인 가동이 가능하고, 전체 시스템의 성능이 향상되어 고효율의 운전이 가능해진다.According to the present invention as described above, the high temperature water vapor discharged from the fuel cell body via the fuel tank of a relatively low temperature condenses the water vapor and at the same time to vaporize the liquefied gas fuel stored in the fuel tank using the heat of the water vapor. By providing a heat exchange unit capable of reliably supplying liquefied gas fuel to the reformer, the system can be continuously operated, and the performance of the entire system is improved to enable high efficiency operation.

또한, 본 발명에 의하면, 열교환유닛에 의해 응축된 수분을 별도로 관리할 수 있으므로, 전체 시스템의 성능 효율 및 사용자에 대한 시스템의 신뢰성을 더욱 향상시킬 수 있다.In addition, according to the present invention, since the moisture condensed by the heat exchange unit can be separately managed, the performance efficiency of the entire system and the reliability of the system for the user can be further improved.

Claims

A fuel cell body generating electrical energy by reaction of hydrogen and oxygen;

A reformer for reforming a liquefied gas fuel mainly composed of butane to generate the reformed gas containing hydrogen, and supplying the reformed gas to the fuel cell body;

A fuel supply source having a fuel tank for storing the fuel and supplying the fuel to the reformer;

An air pump supplying air to the fuel cell body; And

Heat exchange unit is installed to be connected to the fuel cell body to condense the water vapor discharged from the fuel cell body

Including;

The heat exchange unit,

And a pass member installed to be in contact with the fuel tank while forming a pass to enable the flow of the water vapor to condense the water vapor while heating the fuel tank by heat transferred from the water vapor.

According to claim 1,

And a passage member wound around the outer circumferential surface of the fuel tank in a coil shape.

The method of claim 2,

And the pass member is in the form of a pipeline through which the water vapor flows.

According to claim 1,

The fuel cell body,

A fuel cell system comprising at least one electricity generating unit configured by centering a membrane-electrode assembly (MEA) and disposing separators on both sides thereof.

The method of claim 4, wherein

The fuel cell body,

And a water vapor discharge part installed to be connected to the flow path part to discharge the water vapor generated by the electricity generation part to the flow path part.

The method of claim 5,

The pass member is connected to the water vapor discharge portion of the fuel cell system made of a structure wound in a coil form on the outer peripheral surface of the fuel tank.

According to claim 1,

And the fuel tank is provided in the form of a circular can.

According to claim 1,

The fuel cell body is configured as a polymer electrolyte fuel cell (Polymer Electrolyte Membrance Fuel Cel).