KR20070037204A - 회전 가능한 물회수 장치 및 이를 채용한 연료전지 시스템 - Google Patents

회전 가능한 물회수 장치 및 이를 채용한 연료전지 시스템 Download PDF

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Abstract

전기발생부에서 발생하는 물을 효과적으로 응축하고 저장하는 회전가능한 물회수장치를 채용한 연료전지 시스템에 관한 것으로, 원료 연료를 저장하는 연료 용기, 상기 원료 연료와 물을 혼합하여 혼합 연료를 생성하는 연료혼합부, 산소를 공급하는 공기공급부, 상기 혼합 연료와 상기 산소를 전기화학반응하여 전기에너지를 생성하는 전기발생부 및 상기 전기발생부에서 배출되는 물을 응축하여 저장하고 상기 연료혼합부에 물을 공급하는 물회수장치를 포함하며, 상기 물회수장치는, 하우징, 상기 하우징 내부에 위치하며, 물회수관을 통해 상기 전기발생부와 유체소통이 가능하게 연결되고, 내부 공간 중 일부분에 다공성 부재가 밀접하게 설치된 응축부, 상기 하우징 내부에 위치하며 상기 응축부의 일단면을 형성하며 적어도 하나 이상의 개구부가 타공된 격벽, 상기 개구부를 통해 상기 응축부와 연통되고, 배출관을 통해 외부와 유체소통 가능하게 연결되는 가스 배출부 및 상기 응축부와의 경계에 상기 다공성 부재가 설치되고, 일단에 물공급관이 설치된 물저장부를 포함하는 것을 특징으로 하기 때문에 지속적으로 연료전지 시스템에 물을 공급할 수 있어서 지속적이고 고효율의 연료전지 시스템의 운전이 가능하다.
연료전지 시스템, 물회수, 소수성, 친수성

Description

회전 가능한 물회수 장치 및 이를 채용한 연료전지 시스템{rotatable water recycle apparatus and fuel cell using the same}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 개략도,
도 2는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템의 개략도,
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 물회수장치를 나타낸 사시도,
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 물회수장치의 응축부의 조립도,
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 물회수장치의 변형예를 나타낸 사시도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
110 : 연료용기 120 : 연료혼합부
130, 230 : 전기발생부 150, 160 : 물회수장치
170, 270 : 응축부 180, 280 : 가스배출부
190, 290 : 물저장부
본 발명은 물회수장치를 채용한 연료전지 시스템에 관한 것으로, 특히 연료전지 시스템의 전기발생부에서 발생하는 물을 효과적으로 응축하고 저장하는 회전가능한 물회수장치를 채용한 연료전지 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 연료전지는 수소와 산소의 전기화학 반응에 의해 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 발전 시스템이다. 상기 수소는 순수한 수소를 직접 연료전지 시스템에 공급할 수도 있고, 메탄올, 에탄올, 천연가스 등과 같은 물질을 개질하여 수소를 공급할 수도 있다. 상기 산소는 순수한 산소를 직접 연료전지 시스템에 공급할 수도 있고, 공기 펌프등을 이용하여 통상의 공기에 포함된 산소를 공급할 수도 있다.
연료전지는 상온 또는 100℃ 이하에서 작동하는 고분자 전해질형 및 직접 메탄올형 연료전지, 150∼200℃ 부근에서 작동하는 인산형 연료전지, 600∼700℃의 고온에서 작동하는 용융탄산염형 연료전지, 1000℃ 이상의 고온에서 작동하는 고체 산화물형 연료전지 등으로 분류된다. 이들 각각의 연료전지는 기본적으로 전기를 발생하는 작동원리는 동일하지만 사용되는 연료의 종류, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다.
이 중에서 고분자 전해질형 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC)는 메탄올, 에탄올, 천연가스 등의 수소를 포함하는 물질을 개질하여 생성된 수소를 사용하며, 다른 연료전지에 비하여 출력 특성이 탁월하고 작동 온도가 낮을 뿐더러 빠른 시동 및 응답 특성을 가진다. 따라서 자동차와 같은 이동용 전원은 물론 주택이나 공공건물과 같은 분산용 전원 및 휴대용 전자기기와 같은 소 형휴대기기용 전원 등으로 이용할 수 있어 그 응용범위가 넓은 장점이 있다.
기본적으로 고분자 전해질형 연료전지는 연료를 저장하는 연료용기, 연료를 개질하여 수소를 발생시키는 개질기 및 수소와 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 소정의 전압 및 전류를 발생시키는 전기발생부를 포함한다. 전기 발생부는 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 단위 연료 전지를 포함하는데, 복수의 단위 연료 전지가 적층된 스택(stack)구조를 가질 수도 있다.
상기 개질기는 수증기 개질(Steam Reforming : SR) 촉매반응을 통해 상기 전기발생부의 전기 생성에 필요한 수소가 풍부한 개질가스로 전환할 뿐만 아니라, 수성가스 전환(Water Gas Shift : WGS) 촉매 반응을 통해 상기 개질가스에 포함되어 연료 전지의 촉매를 피독시키는 일산화탄소를 제거한다. 그런데 상기 촉매반응에는 물이 필요하기 때문에 상기 개질기에는 연료와 함께 물이 공급되어야 한다. 이러한 물은 별도로 외부에서 공급할 수도 있지만, 상기 전기발생부에서 전기화학반응에 의해 생성되는 고온의 물을 회수해서 사용할 수도 있다.
한편, 저온에서 작동하는 또 다른 형태인 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC)는 상술한 고분자 전해질형 연료전지와 유사한 구조이나, 수소 대신에 액상의 고농도 메탄올을 물과 혼합한 후 직접 연료로 사용한다. 따라서 직접 메탄올형 연료전지의 경우에도 연료와 함께 물을 상기 전기발생부에 공급해야 한다. 이러한 물은 별도로 외부에서 공급할수도 있지만, 상기 전기발생부에서 전기화학반응에 의해 생성되는 고온의 물을 회수해서 사용할 수도 있다.
그런데, 전기 발생부에서 발생하는 고온의 물을 회수할 때 효과적으로 응축하지 않으면 충분한 양의 물을 확보할 수 없게 된다. 또한 연료전지 시스템을 이동용 전원공급장치로 사용하는 경우 연료전지 시스템 자체가 요동이 심하거나 뒤집히게 되면 응축이 불가능하거나 저장된 물이 누수될 수 있다. 상기와 같은 경우 연료전지 시스템의 출력을 저하시키거나 운전을 정지시켜야 하기 때문에 지속적인 연료전지 시스템의 운전이 불가능하다.
본 발명은 상술한 문제점을 고려하여 도출된 것으로, 연료전지 시스템의 전기발생부에서 발생하는 물을 효과적으로 응축하여 저장하며 회전시에도 응축 및 저장 기능이 가능한 물회수장치를 제공함에 있다.
상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 연료전지 시스템은, 원료 연료를 저장하는 연료 용기, 상기 원료 연료와 물을 혼합하여 혼합 연료를 생성하는 연료혼합부, 산소를 공급하는 공기공급부, 상기 혼합 연료와 상기 산소를 전기화학반응하여 전기에너지를 생성하는 전기발생부 및 상기 전기발생부에서 배출되는 물을 응축하여 저장하고 상기 연료혼합부에 물을 공급하는 물회수장치를 포함하며, 상기 물회수장치는, 하우징, 상기 하우징 내부에 위치하며, 물회수관을 통해 상기 전기발생부와 유체소통이 가능하게 연결되고, 내부 공간 중 일부분에 다공성 부재 가 밀접하게 설치된 응축부, 상기 하우징 내부에 위치하며 상기 응축부의 일단면을 형성하며 적어도 하나 이상의 개구부가 타공된 격벽, 상기 개구부를 통해 상기 응축부와 연통되고, 배출관을 통해 외부와 유체소통 가능하게 연결되는 가스 배출부 및 상기 응축부와의 경계에 상기 다공성 부재가 설치되고, 일단에 물공급관이 설치된 물저장부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 연료전지 시스템은 직접 메탄올형 연료전지 시스템인 것을 특징으로 한다. 상기 응축부 내부의 모서리, 상부 및 하부에 상기 다공성 부재가 서로 이어져서 설치될 수 있고, 상기 다공성 부재는 친수성 물질로 제조되거나 피복될 수 있다. 상기 응축부와 상기 물저장부 사이에 개재된 상기 다공성 부재에 개구가 설치되며, 상기 개구에는 상기 응축부에서 상기 물저장부로만 유체소통을 가능하게 하는 제1체크밸브가 설치될 수 있다. 상기 응축부는 상기 다공성 부재가 설치되지 않은 내표면이 소수성 물질로 제조되거나 피복될 수 있고, 상기 격벽의 상기 개구부는 상기 물회수관의 개구와 일직선상으로 대면하지 않고 어긋나는 위치에 설치될 수 있다. 상기 격벽의 개구부는 전체 단면적이 상기 물회수관의 개구 단면적보다 작을 수 있고, 상기 격벽의 상기 개구부 하단에는 수위조절구멍이 타공될 수 있다. 상기 격벽은 열전도율이 높은 재질로 이루어질 수 있고, 상기 가스배출부는 내표면이 소수성 물질로 제조되거나 피복될 수 있다. 상기 가스배출부의 상기 배출구는 상기 격벽의 상기 개구부와 일직선상으로 대면하는 위치에 설치될 수 있고, 상기 가스배출부의 상기 배출구의 전체 단면적은 상기 격벽의 상기 개구부의 단면적보다 넓을 수 있다. 상기 가스배출구의 일측에는 상기 물저장부와 연통되는 개구가 타공 되며, 상기 개구에는 상기 가스배출구에서 상기 물저장부로만 유체소통이 가능하게 하는 제2체크밸브가 설치될 수 있고, 상기 물저장부는 내표면이 소수성 물질로 제조되거나 피복될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템은, 원료 연료를 저장하는 연료 용기, 상기 원료 연료와 물을 혼합하여 혼합 연료를 생성하는 연료혼합부, 상기 혼합연료로부터 개질반응을 하여 수소를 생성하는 개질기, 산소를 공급하는 공기공급부, 상기 수소와 상기 산소를 전기화학반응하여 전기에너지를 생성하는 전기발생부 및 상기 전기발생부에서 배출되는 물을 응축하여 저장하고 상기 연료혼합부에 물을 공급하는 물회수장치를 포함하며, 상기 물회수장치는, 하우징, 상기 하우징 내부에 위치하며 물회수관을 통해 상기 전기발생부와 유체소통이 가능하게 연결되고 내부 공간 중 일부분에 다공성 부재가 밀접하게 설치된 응축부, 상기 응축부의 일단면을 형성하며 적어도 하나 이상의 개구부가 타공된 격벽, 상기 개구부를 통해 상기 응축부와 연통되고 배출관을 통해 외부와 유체소통 가능하게 연결되는 가스 배출부 및 상기 응축부와의 경계에 상기 다공성 부재가 설치되고, 일단에 물공급관이 설치된 물저장부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 연료전지 시스템은 고분자 전해질형 연료전지 시스템인 것을 특징으로 한다. 상기 응축부 내부의 모서리, 상부 및 하부에 상기 다공성 부재가 서로 이어져서 설치될 수 있고, 상기 다공성 부재는 친수성 물질로 제조되거나 피복될 수 있다. 상기 응축부는 상기 다공성 부재가 설치되지 않은 내표면이 소수성 물질로 피복될 수 있고, 상기 격벽의 상기 개구부 하단에는 수위조절구멍이 타공될 수 있다. 상기 가스배출부는 내표면이 소수성 물질로 제조되거나 피복될 수 있고, 상기 물저장부는 내표면이 소수성 물질로 제조되거나 피복될 수 있다.
이하, 첨부한 도면에 의거하여 본 발명을 명확히 하기 위한 바람직한 실시예를 상세히 설명하도록 한다. 도면상에서 동일한 참조부호는 동일하거나 유사한 구성요소를 가리킨다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 개략도이다.
도 1의 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템에 있어 연료라 함은 통상의 메탄올을 의미하며, 특히 원료 연료라 함은 고농도의 메탄올을 의미하고, 혼합 연료라 함은 상기 원료 연료와 물의 혼합물을 의미한다.
도 1을 참조하면 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템은, 연료용기(110), 연료혼합부(120), 전기발생부(130), 공기공급부(140) 및 물회수장치(150)로 구성된다.
상기 연료전지 시스템은 직접 메탄올형 연료 전지 방식으로서, 물회수장치(150)에 저장된 물 및 연료용기(110)에 저장된 상기 원료 연료가 연료혼합부(120)에 공급되고, 연료혼합부(120)는 상기 원료연료 및 상기 물을 혼합하여 상기 혼합 연료를 생성하여 전기발생부(130)에 공급하며, 전기발생부(130)는 상기 혼합연료 및 공기공급부(140)에서 공급하는 산소를 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시킨다.
연료용기(110)에 저장된 상기 원료 연료는 연료혼합부(120)와 유체소통이 가능하게 연결된 원료연료 공급관(121)을 통해 연료혼합부(120)에 공급된다. 또한 후 술하는 물회수장치(150)에 저장된 물은 연료혼합부(120)와 유체소통 가능하게 연결된 물공급관(123)을 통해 연료혼합부(120)에 공급된다. 연료혼합부(120)에서 상기 원료 연료와 상기 물이 혼합된 상기 혼합연료는 전기발생부(130)와 유체소통이 가능하게 연결된 혼합연료 공급관(122)을 통해 전기발생부(130)에 공급된다.
전기발생부(130)는 공기공급부(140)를 통해 공급된 통상의 공기에 포함된 산소와 상기 혼합연료를 전기화학 반응을 시켜 전기에너지를 발생한다. 전기발생부(130)는 전기에너지를 발생하는 적어도 하나의 단위 연료 전지로써 상기 연료와 산소를 각각 산화/환원시키는 전극-전해질 합성체(134)와, 상기 연료와 산소를 전극-전해질 합성체(134)로 공급하고 전극-전해질 합성체(134)에서 발생하는 생성물을 배출하기 위한 바이폴라 플레이트(135)를 포함할 수 있다. 전극-전해질 합성체(134)는 양측면을 이루는 애노드전극(132)과 캐소드전극(133)사이에 전해질막(131)이 개재된 통상적인 전극-전해질 합성체의 구조를 가질 수 있다. 또한 전기발생부(130)는 복수의 단위 연료 전지가 적층된 스택구조를 가질 수도 있다.
상기 구성을 통하여 상기 혼합연료는 애노드 전극(132)에 인접한 바이폴라 플레이트(135)를 통해 애노드 전극(132)에 공급된다. 또한 상기 산소는 캐소드 전극(133)에 인접한 또다른 바이폴라 플레이트(135)를 통해 캐소드 전극(133)에 공급된다. 또한 애노드 전극(132) 및 캐소드 전극(133)에서 발생된 생성물은 각각 인접한 바이폴라 플레이트(135)를 통해 배출된다.
전기발생부(130)의 전기화학반응을 반응식으로 나타내면 하기 반응식 4와 같다.
애노드전극 반응 : CH30H ＋ H2O → CO2 ＋ 6H+ ＋ 6e-
캐소드전극 반응 : 3/2 O2 ＋ 6H+ ＋ 6e- → 3H2O
전체반응 : CH30H ＋ 3/2 O2 → CO2 ＋ 2H2O
상기 반응식을 참고하면, 상기 혼합연료는 애노드전극(132)에서 이산화탄소, 수소이온 및 전자를 생성한다. 애노드전극(132)에서 생성된 상기 수소이온은 전해질막(131)을 통과하여 캐소드전극(133)으로 이동하고, 상기 수소이온은 캐소드전극(133)에서 산소와 반응하여 물을 생성한다. 애노드전극(132)에서 생성된 상기 전자들은 화학반응의 자유에너지 변화와 함께 외부회로를 통해 이동한다.
한편, 전기발생부(130)에서 생성된 상기 물 및 기타 잔여 가스는 소정의 압력과 속도를 가지고 배출된다. 이들의 온도는 40℃ ∼ 100℃의 범위이고, 따라서 상기 물은 액상 또는 기상으로 배출될 수 있다. 상기 물 및 기타 잔여 가스는 전기발생부(130)와 물회수장치(150) 사이에 유체소통이 가능하게 연결된 물회수관(124)을 통해 물회수장치(150)로 공급된다. 물회수장치(150)는 유입된 물을 응결하고 저장하며, 연료혼합부(120)와 유체소통이 가능하게 연결된 물공급관(123)을 통해 연료혼합부(120)로 물을 공급한다. 물회수장치의 구체적인 구성 및 작용은 후술한다.
도 2는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템의 개략도이다.
도 2의 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템에 있어 연료라 함 은 메탄올, 에탄올, 천연가스 등의 수소를 포함한 물질일 수 있으며, 특히 원료 연료라 함은 순수한 고농도의 연료를 의미하고, 혼합 연료라 함은 상기 원료 연료와 물의 혼합물을 의미한다.
상기 연료전지 시스템은 고분자 전해질형 연료 전지 방식으로서, 물회수장치(150)에 저장된 물 및 연료용기(110)에 저장된 상기 원료 연료가 연료혼합부(120)에 공급되고, 연료혼합부(120)는 상기 원료연료 및 상기 물을 혼합하여 상기 혼합 연료를 생성하여 개질기(125)에 공급하며, 개질기(125)는 상기 혼합 연료로부터 수소를 발생시켜 전기발생부(230)에 공급하고, 전기발생부(230)는 상기 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시킨다.
연료용기(110) 내에는 상기 원료 연료를 저장하고, 상기 원료 연료는 연료혼합부(120)와 유체소통 가능하게 연결된 연료공급관(121)을 통해 연료혼합부(120)로 공급된다. 또한 물회수장치(150)에 저장된 물은 연료혼합부(120)와 유체소통 가능하게 연결된 물공급관(123)을 통해 연료혼합부(120)에 공급된다. 연료혼합부(120)는 상기 원료 연료와 상기 물이 혼합된 상기 혼합연료를 생성하며, 개질기(125)와 유체소통이 가능하게 연결된 혼합연료 공급관(122)을 통해 개질기(125)에 공급된다.
개질기(125)는 수증기 개질 촉매 반응을 통해 상기 혼합 연료를 개질하여 수소를 주성분으로 하는 개질가스를 생성하고, 수성가스 전호나 촉매 반응을 통해 상기 개질가스에 포함된 일산화탄소를 저감시킨다. 이렇게 생성된 수소는 전기발생부(230)로 공급된다.
예를 들면, 상기 연료가 메탄올인 경우 상기 수증기 개질 촉매 반응, 수성가스 전환 촉매반응을 반응식으로 나타내면 각각 반응식 2 및 반응식 3과 같다.
수증기 개질 촉매 반응 : CH3OH(l) ＋ H2O(l) → C02 ＋ 3H2 ΔH298 = 130.9KJ/mol
수성가스 전환 촉매반응 : CO ＋ H2O → CO2 ＋ H2 ΔH298 = -41.1 KJ/mol
전기발생부(230)는 개질기(125)를 통해 개질된 수소와 공기공급부(140)를 통해 유입된 통상의 공기에 포함된 산소를 전기화학적인 반응을 일으켜 전기 에너지를 발생시킨다. 전기발생부(230)는 수소와 산소를 각각 산화/환원시키는 전극-전해질 합성체(234)와, 수소와 산소를 전극-전해질 합성체로 공급하기 위한 바이폴라 플레이트(235)를 포함할 수 있다. 전극-전해질 합성체(234)는 양측면을 이루는 애노드 전극(232) 및 캐소드 전극(233) 사이에 전해질막(231)이 개재된 통상적인 전극-전해질 합성체의 구조를 가질 수 있다. 전기발생부(230)의 전기화학 반응을 반응식으로 나타내면 하기 반응식 4와 같다.
애노드 전극 : H2 → 2H+ ＋ 2e-
캐소드 전극 : ½O2 ＋ 2H+ ＋ 2e- → H2O
전체반응식 : H2 ＋ ½O2 → H2O ＋ 전류 ＋ 열
상기 반응식을 참고하면, 상기 수소는 애노드 전극(232)에서 수소이온 및 전자로 나뉘고, 애노드 전극(232)에서 생성된 상기 수소이온은 전해질막(231)을 통과하여 캐소드전극(233)으로 이동하고, 상기 수소이온은 캐소드전극(233)에서 산소와 반응하여 물을 생성한다. 캐소드전극(233)에서 생성된 상기 전자들은 화학반응의 자유에너지 변화와 함께 외부회로를 통해 이동한다.
한편, 전기발생부(230)에서 생성된 상기 물 및 기타 잔여 가스는 소정의 압력 및 속도를 가지고 배출된다. 이들의 온도는 40℃ ∼ 100℃의 범위이고, 따라서 상기 물은 액상 또는 기상으로 배출될 수 있다. 상기 물 및 기타 잔여 가스는 전기발생부(230)와 물회수장치(150) 사이에 유체소통이 가능하게 연결된 물회수관(124)을 통해 물회수장치(150)로 공급된다. 물회수장치(150)는 유입된 물을 응결하고 저장하며, 연료혼합부(120)와 유체소통이 가능하게 연결된 물공급관(123)을 통해 연료혼합부(120)로 물을 공급한다. 물회수장치(150)의 구체적인 구성 및 작용은 후술한다.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 물회수장치(150)를 나타낸 사시도이고, 도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 물회수장치(150)의 응축부(170)의 조립도이다.
도 3과 도 4를 참조하면, 물회수장치(150)는 하우징(151) 내부에 응축부(170), 가스배출부(180) 및 물저장부(190)를 포함한다.
응축부(170)는 물회수관(124)을 통해 외부와 유체소통이 가능하게 연결된다. 물회수관(124)의 반대측은 후술하는 격벽(156)으로 한정되며, 응축부(170)의 하부는 개구된다. 제1판상형 다공성부재(153) 및 제2판상형 다공성부재(154)는 친수성 물질로 제조되거나 친수성 물질로 피복되며, 응축부(170)의 수평 단면과 유사한 형상을 갖고, 응축부(170) 내부의 상부 및 하부에 각각 밀접하게 설치된다. 지주형 다공성 부재(152)들은 친수성 물질로 제조되거나 친수성 물질로 피복되며, 각각은 응축부(170)의 모서리와 유사한 형상을 갖는다. 지주형 다공성 부재(152)들은 응축부(170) 내부의 네 개의 모서리에 각각 밀접하게 설치되며, 각각의 상단 및 하단은 제1 판상형 다공성 부재(153) 및 제2 판상형 다공성 부재(154)에 접한다. 다공성 부재들(152, 153, 154)이 설치되지 않은 응축부(170)의 내표면은 소수성 물질로 제조되거나 피복한다.
격벽(156)은 응축부(170) 및 후술하는 가스배출부(180) 사이에 개재된다. 격벽(156)은 소정의 두께를 가진 판상형이며, 열전도율이 높은 재질로 이루어진다. 격벽(156)을 관통하는 개구부(157)가 격벽(156)의 상단에 적어도 한 개 이상이 타공되어 있다. 개구부(157)의 위치는 물회수관(124)의 개구와 일직선상으로 대면하지 않고 어긋나 있는 위치이며, 개구부(157)의 전체 단면적은 물회수관(124)의 단면적보다 작을 수 있다.
가스배출부(180)는 개구부(157)를 통해 응축부(170)와 유체소통가능하게 연결되며, 일측면에는 잔여가스를 배출하기 위한 배출구(158)가 외부와 유체소통이 가능하게 설치된다. 배출구(158)의 위치는 격벽(156)의 개구부(157)와 일직선상으로 대면하는 위치이며, 배출구(158)의 전체 단면적은 격벽(156)의 개구부(157)의 단면적보다 클 수 있다. 가스배출부(180)의 하부는 하부판(155)으로 한정되며, 가스배출부(180)의 내표면은 소수성 물질로 제조되거나 피복된다.
물저장부(190)는 제2판상형 다공성부재(154)를 통해 응축부(170)와 경계를 이루며, 제2판상형 다공성부재(154)를 통해 응축부(170)와 제한적으로 유체소통이 가능하게 설치된다. 물저장부(190)의 일측에는 물공급관(123)이 외부와 유체소통이 가능하게 설치된다. 물저장부(190)의 내표면은 소수성 물질로 제조되거나 피복된다.
상기 구성을 통하여, 전기발생부(130)에서 생성된 상기 액상 또는 기상의 물은 잔여 가스와 함께 소정의 압력과 속도를 가지고 물회수관(124)을 통해 응축부(170)에 유입된다. 격벽(156)의 개구부(157)의 전체 단면적은 물회수관(124)의 단면적보다 작고, 개구부(157)와 물회수관(124)의 개구는 서로 일직선상으로 설치되지 않기 때문에, 응축부(170)에 유입되는 상기 기상의 물과 상기 잔여 가스는 바로 개구부(157)를 통해 가스배출부(180)로 배출되지 않고 소정시간동안 응축부(170)에서 적체된다. 따라서 상기 기상의 물이 응축부(170)의 내표면에 접하여 응결될 수 있는 시간이 확보되어 용이하게 응결될 수 있으며, 동시에 응축부(170) 내부는 소정의 압력을 유지할 수 있다. 상기 응결된 물은 응축부(170) 내표면의 소수성 피복에 의하여 용이하게 유동하여 다공성 부재들(152, 153, 154)에 함수된다. 다공성 부재들(152, 153, 154)에는 친수성 물질로 제조되거나 피복되어 있어 함수작용이 더욱 용이할 수 있다. 상기 격벽(156)은 열전도율이 높은 재질이기 때문에 물의 응결작용을 촉진할 수 있다. 제2판상형 다공성부재(154)에 함수된 물은 전술한 응축 부(170) 내부의 소정의 압력으로 인하여 응축부(170)와 연통된 물저장부(190)로 유입된다. 또한 지주형 다공성부재(152) 및 제1판상형 다공성 부재(153)에 함수된 물은 모세관 현상을 통해 제2판상형 다공성부재(154)로 지속적으로 공급된다.
물저장부(190)에 저장된 물은 물저장부(190)의 내표면에 피복된 소수성 물질로 인하여 더욱 용이하게 물공급관(123)을 통해 외부로 방출된다. 한편 응축부(170)에서 상기 물이 응결된 후의 잔여 가스는 개구부(157)를 통해 가스배출부(180)로 유입되고, 가스배출부(180)의 내표면에 피복된 소수성 물질로 인하여 더욱 용이하게 배출구(158)로 배출된다.
한편, 상기 물회수장치(150)가 전복되었을 시에도 응축부(170)에서는 전술한 작용에 의하여 상기 물이 응결하여 다공성 부재들(152, 153, 154)에 지속적으로 함수될 수 있다. 또한 제2판상형 다공성부재(154)에 함수된 물은 전술한 응축부(170) 내부의 소정의 압력으로 인하여 응축부(170)와 연통된 물저장부(190)로 유입될 수 있고 지주형 다공성 부재(152) 및 제1 판상형 다공성 부재(153)에 함수된 물은 모세관 현상을 통해 제2 판상형 다공성 부재(154)로 지속적으로 공급될 수 있다.
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 물회수장치(160)의 변형예를 나타낸 사시도이다.
도 5를 참조하면, 물회수장치(160)는 하우징(251) 내부에 응축부(270), 가스배출부(280) 및 물저장부(290)를 포함한다.
응축부(270)는 물회수관(124)을 통해 외부와 유체소통이 가능하게 연결된다. 물회수관(124)의 반대측은 후술하는 격벽(256)으로 한정되며, 응축부(270)의 하부 는 개구된다. 제1판상형 다공성부재(253) 및 제2판상형 다공성부재(254)는 친수성 물질로 제조되거나 친수성 물질로 피복되며, 응축부(270)의 수평 단면과 유사한 형상을 갖고, 응축부(270) 내부의 상부 및 하부에 각각 밀접하게 설치된다. 또한 제2 판상형 다공성부재(254)는 적어도 하나 이상의 개구가 타공되어 내부에 제1체크밸브(261)가 설치된다. 제1체크밸브(261)는 응축부(270)에서 물저장부(290)로의 유체소통만 가능하게 한다. 지주형 다공성 부재(252)들은 각각 친수성 물질로 제조되거나 친수성 물질로 피복되며, 각각은 응축부(270)의 모서리와 유사한 형상을 갖는다. 지주형 다공성 부재(252)들은 응축부(270) 내부의 네 개의 모서리에 각각 밀접하게 설치되며, 각각의 상단 및 하단은 제1 판상형 다공성 부재(253) 및 제2 판상형 다공성 부재(254)에 각각 접한다. 다공성 부재들(252, 253, 254)이 설치되지 않은 응축부(270)의 내표면은 소수성 물질로 제조되거나 피복된다.
격벽(256)은 응축부(270) 및 후술하는 가스배출부(280) 사이에 개재된다. 격벽(256)은 소정의 두께를 가진 판상형이며, 열전도율이 높은 재질로 이루어진다. 격벽(256)을 관통하는 개구부(257)가 격벽(256)의 상단에 적어도 한 개 이상이 타공되어 있다. 개구부(257)의 위치는 물회수관(124)의 개구와 일직선상으로 대면하지 않고 어긋나 있는 위치이며, 개구부(257)의 전체 단면적은 물회수관(124)의 단면적보다 작을 수 있다. 격벽(256)에서 개구부(257)의 하단에는 수위조절개구(260)가 타공된다.
가스배출부(280)는 개구부(257)를 통해 응축부(270)와 유체소통이 가능하게 연결되며, 일측면에는 잔여가스를 배출하기 위한 배출구(258)가 외부와 유체소통이 가능하게 설치된다. 배출구(258)의 위치는 격벽(256)의 개구부(257)와 일직선상으로 대면하는 위치이며, 배출구(258)의 전체 단면적은 격벽(256)의 개구부(257)의 단면적보다 클 수 있다. 배출구(258)의 개구에는 기액분리막(259)이 설치된다. 기액분리막(259)은 공극 크기가 기체 분자보다 크고 물분자보다 작게 형성되어 물은 투과하지 않으면서 기체는 용이하게 투과시킨다. 가스배출부(280)의 하부는 하부판(255)으로 한정되며, 적어도 하나 이상의 개구가 타공되어 내부에 제2체크밸브(262)가 설치된다. 제2체크밸브(262)는 가스배출부(280)에서 후술하는 물저장부(290)로의 유체소통만 가능하게 한다. 가스배출부(280)의 내표면은 소수성 물질로 제조되거나 피복된다.
물저장부(290)는 제2판상형 다공성부재(254)를 통해 응축부(270)와 경계를 이루며, 제2판상형 다공성부재(254)를 통해 응축부(270)와 제한적으로 유체소통이 가능하게 설치된다. 물저장부(290)의 일측에는 물공급관(123)이 외부와 유체소통이 가능하게 설치된다. 물저장부(290)의 내표면은 소수성 물질로 제조되거나 피복된다.
상기 구성을 통하여, 전기발생부(130)에서 생성된 상기 액상 및 기상의 물은 잔여 가스와 함께 소정의 압력과 속도를 가지고 물회수관(124)을 통해 응축부(270)에 유입된다. 격벽(256)의 개구부(257)의 전체 단면적은 물회수관(124)의 단면적보다 작고, 개구부(257)와 물회수관(124)의 개구는 서로 일직선상으로 설치되지 않기 때문에, 응축부(270)에 유입되는 상기 기상의 물과 상기 잔여 가스는 바로 개구부(257)를 통해 가스배출부(180)로 배출되지 않고 소정시간동안 응축부(270)에서 적 체된다. 따라서 상기 기상의 물이 응축부(270)의 내표면에 접하여 응결될 수 있는 시간이 확보되어 용이하게 응결될 수 있으며, 동시에 응축부(270) 내부는 소정의 압력을 유지할 수 있다. 상기 격벽(256)은 열전도율이 높은 재질이기 때문에 물의 응결작용을 촉진할 수 있다. 상기 응결된 물은 내표면의 소수성 피복에 의하여 용이하게 유동하여 다공성 부재들(252, 253, 254)에 함수된다. 다공성 부재들(252, 253, 254)의 친수성 재료 또는 친수성 피복으로 인하여 상기 함수 작용이 더욱 용이할 수 있다.
제2판상형 다공성 부재(254)에 함수된 물은 전술한 응축부(270) 내부의 소정의 압력으로 인하여 응축부(270)와 연통된 물저장부(290)로 유입된다. 상기 물은 제1체크밸브(261)를 통해서도 물저장부(290)로 유입되어 더욱 용이하게 물이 배출될 수 있다. 또한 지주형 다공성 부재(252) 및 제1 판상형 다공성 부재(253)에 함수된 물은 모세관 현상을 통해 제2 판상형 다공성 부재(254)로 지속적으로 공급된다.
한편, 응축부(270) 내부에 물이 다량 응결하여 응축부(270)에 과량 적체되었을 시에는 물이 응결될 수 있는 응축부(270)의 내표면이 감소하여 응결효율이 감소하게 된다. 이 때에는 격벽(256)에 타공된 수위조절개구(260)를 통해 가스배출부(280)로 물이 배출됨으로써 물이 응결될 수 있는 최소한의 응축부(270)의 내표면을 확보할 수 있다. 가스배출부(280)는 응축부(270)와 개구부(257)를 통해 유체소통이 가능하게 연결되어 있으므로 소정의 내부압을 유지할 수 있다. 이로 인하여 가스배출부(280)로 유입된 상기 물은 물저장부(290)의 물이 만수위가 아닐 때 제2체크밸 브(262)를 통해 물저장부(290)로 유입된다.
물저장부(290)에 저장된 물은 물저장부(290)의 내표면에 피복된 소수성 물질로 인하여 더욱 용이하게 물공급관(123)을 통해 외부로 방출된다. 한편 응축부(270)에서 상기 물이 응결된 후의 잔여 가스는 개구부(257)를 통해 가스배출부(280)로 유입되고, 가스배출부(280)의 내표면의 소수성 물질로 인하여 더욱 용이하게 배출구(258)로 배출된다. 또한 기액분리막(259)의 작용으로 인하여 잔여하는 물은 더욱 분리되고 물이 제거된 잔여 가스만 배출구(258)를 통해 배출할 수 있다.
한편, 상기 물회수장치(160)가 전복되었을 시에도 응축부(270)에서는 전술한 작용에 의하여 상기 물이 응결하여 다공성 부재들(252, 253, 254)에 지속적으로 함수되고 응축부(270)의 내부압으로 인하여 지속적으로 물저장부(290)에 물이 공급된다. 또한, 물저장부(290)에 저장된 물은 제1체크밸브(261) 및 제2체크밸브(262)의 작용으로 인하여 응축부(270) 및 가스배출구(280)로 역류하지 않는다. 가스배출구(280)에 유입된 물은 기액분리막(259)의 작용으로 배출구(258)로 배출되지 않는다.
본 발명에 따른 물회수장치를 채용한 연료전지 시스템에 의하면, 전기발생부에서 발생하는 물을 효과적으로 응축하고 저장하는 회전가능한 물회수장치를 통해 지속적으로 연료전지 시스템에 물을 공급할 수 있어서 지속적이고 고효율의 연료전지 시스템의 운전이 가능하다.

Claims (23)

  1. 원료 연료를 저장하는 연료 용기;
    상기 원료 연료와 물을 혼합하여 혼합 연료를 생성하는 연료혼합부;
    산소를 공급하는 공기공급부;
    상기 혼합 연료와 상기 산소를 전기화학반응하여 전기에너지를 생성하는 전기발생부; 및
    상기 전기발생부에서 배출되는 물을 응축하여 저장하고 상기 연료혼합부에 물을 공급하는 물회수장치를 포함하며,
    상기 물회수장치는,
    하우징;
    상기 하우징 내부에 위치하며, 물회수관을 통해 상기 전기발생부와 유체소통이 가능하게 연결되고, 내부 공간 중 일부분에 다공성 부재가 밀접하게 설치된 응축부;
    상기 하우징 내부에 위치하며 상기 응축부의 일단면을 형성하며 적어도 하나 이상의 개구부가 타공된 격벽;
    상기 개구부를 통해 상기 응축부와 연통되고, 배출관을 통해 외부와 유체소통 가능하게 연결되는 가스 배출부; 및
    상기 응축부와의 경계에 상기 다공성 부재가 설치되고, 일단에 물공급관이 설치된 물저장부를 포함하는 연료전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지 시스템은 직접 메탄올형 연료전지 시스템인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 응축부 내부의 모서리, 상부 및 하부에 상기 다공성 부재가 서로 이어져서 설치된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 다공성 부재는 친수성 물질로 제조되거나 피복되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 응축부와 상기 물저장부 사이에 개재된 상기 다공성 부재에 개구가 설치되며, 상기 개구에는 상기 응축부에서 상기 물저장부로만 유체소통을 가능하게 하는 제1체크밸브가 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 응축부는 상기 다공성 부재가 설치되지 않은 내표면이 소수성 물질로 제조되거나 피복되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 격벽의 상기 개구부는 상기 물회수관의 개구와 일직선상으로 대면하지 않고 어긋나는 위치에 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 격벽의 개구부는 전체 단면적이 상기 물회수관의 개구 단면적보다 작은 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 격벽의 상기 개구부 하단에는 수위조절구멍이 타공되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 격벽은 열전도율이 높은 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 가스배출부는 내표면이 소수성 물질로 제조되거나 피복되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 가스배출부의 상기 배출구는 상기 격벽의 상기 개구부와 일직선상으로 대면하는 위치에 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 가스배출부의 상기 배출구의 전체 단면적은 상기 격벽의 상기 개구부의 단면적보다 넓은 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 가스배출구의 일측에는 상기 물저장부와 연통되는 개구가 타공되며, 상기 개구에는 상기 가스배출구에서 상기 물저장부로만 유체소통이 가능하게 하는 제2체크밸브가 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 물저장부는 내표면이 소수성 물질로 제조되거나 피복되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  16. 원료 연료를 저장하는 연료 용기;
    상기 원료 연료와 물을 혼합하여 혼합 연료를 생성하는 연료혼합부;
    상기 혼합연료로부터 개질반응을 하여 수소를 생성하는 개질기;
    산소를 공급하는 공기공급부;
    상기 수소와 상기 산소를 전기화학반응하여 전기에너지를 생성하는 전기발생부; 및
    상기 전기발생부에서 배출되는 물을 응축하여 저장하고 상기 연료혼합부에 물을 공급하는 물회수장치를 포함하며,
    상기 물회수장치는,
    하우징;
    상기 하우징 내부에 위치하며 물회수관을 통해 상기 전기발생부와 유체소통이 가능하게 연결되고 내부 공간 중 일부분에 다공성 부재가 밀접하게 설치된 응축부;
    상기 응축부의 일단면을 형성하며 적어도 하나 이상의 개구부가 타공된 격벽;
    상기 개구부를 통해 상기 응축부와 연통되고 배출관을 통해 외부와 유체소통 가능하게 연결되는 가스 배출부; 및
    상기 응축부와의 경계에 상기 다공성 부재가 설치되고, 일단에 물공급관이 설치된 물저장부를 포함하는 연료전지 시스템.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 연료전지 시스템은 고분자 전해질형 연료전지 시스템인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 응축부 내부의 모서리, 상부 및 하부에 상기 다공성 부재가 서로 이어져서 설치된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 다공성 부재는 친수성 물질로 제조되거나 피복되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 응축부는 상기 다공성 부재가 설치되지 않은 내표면이 소수성 물질로 피복되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 격벽의 상기 개구부 하단에는 수위조절구멍이 타공되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 가스배출부는 내표면이 소수성 물질로 제조되거나 피복되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 물저장부는 내표면이 소수성 물질로 제조되거나 피복되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
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KR100823205B1 (ko) * 2007-05-18 2008-04-18 주식회사 프로파워 직접 메탄올 연료전지용 희석연료 혼합탱크
KR100842229B1 (ko) * 2006-05-29 2008-06-30 주식회사 엘지화학 연료전지용 유체 탱크
KR101358129B1 (ko) * 2012-02-01 2014-02-07 삼성중공업 주식회사 연료전지 배기가스 응축장치

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