KR20070074056A - 평판형 열교환기 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템은, 수소, 및 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 연료전지 본체와, 연료와 물의 혼합 연료를 개질하여 상기 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키고, 상기 개질 가스를 상기 연료전지 본체로 공급하는 개질기와, 상기 연료를 상기 개질기로 공급하기 위한 연료 공급원과, 상기 물을 저장하는 물 탱크를 가지면서 상기 물을 상기 개질기로 공급하기 위한 물 공급원과, 상기 연료전지 본체로부터 배출되는 고온의 수증기를 수분으로 응축시키기 위한 열교환기를 포함하며, 상기 열교환기는, 상기 연료전지 본체 및 상기 물 탱크와 연결되게 설치되며, 상기 수증기를 유동시키는 제1 통로 및 상기 물을 유동시키는 제2 통로를 가지면서 플레이트 타입으로 이루어진다.
연료전지, 본체, 스택, 개질기, 연료탱크, 물탱크, 공기펌프, 평판형, 열교환기, 기판, 채널, 통로, 수증기, 물, 열교환
Description
도 1은 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시한 연료전지 본체의 구성을 나타내 보인 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템용 평판형 열교환기를 도시한 분해 사시도이다.
도 4는 도 3의 결합 사시도이다.
도 5는 도 4의 단면 구성도이다.
도 6은 본 발명의 예시적인 다른 실시예에 따른 연료 전지 시스템용 평판형 열교환기를 도시한 분해 사시도이다.
도 7은 도 6의 결합 사시도이다.
도 8은 도 7의 단면 구성도이다.
본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료전지(스택)로부터 배출되는 수증기를 응축시키기 위한 열교환기에 관한 것이다.
알려진 바와 같이, 연료 전지 시스템은 탄화수소 계열의 연료에 함유되어 있는 수소의 산화 반응 및, 산소의 환원 반응에 의해 전기 에너지로 발생시키는 발전 시스템으로서 구성된다.
이러한 연료 전지 시스템은 크게, 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) 방식과, 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxidation Fuel Cell) 방식으로서 구분될 수 있다.
이 중에서, 고분자 전해질형 연료 전지는 연료를 개질하여 생성된 수소를 공급받아 이 수소의 산화 반응, 및 별도로 공급되는 산소의 환원 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 구조로서 이루어진다.
이러한 고분자 전해질형 연료 전지 방식의 시스템은 연료를 개질하여 수소를 발생시키고 이 수소를 연료전지로 공급하는 개질기와, 연료를 개질기로 공급하는 연료 공급장치와, 산소를 연료전지로 공급하는 산소 공급장치를 포함하여 구성된다.
그런데, 이와 같은 종래의 연료 전지 시스템은 연료전지의 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 패키지를 통해 상기 응축된 수분이 흘러 나와 사용자에게 불쾌감을 끼치게 되는 문제점이 있었다.
이에, 종래의 연료 전지 시스템은 소정의 케이스 내부에 수증기를 유동시키기 위한 유로부재, 및 이 유로부재에 대하여 냉각 공기를 송풍시키기 위한 송풍팬을 구비하여, 송풍팬의 가동에 의해 냉각 공기를 유로부재로 송풍시킴으로써 이 유로부재를 따라 유동되는 수증기를 응축시키는 열교환기를 채용하고 있다.
그런데, 종래의 연료 전지 시스템은 시스템의 외관을 이루는 패키지 내부에 유로부재와 송풍팬을 가진 별도의 케이스를 설치하게 되는 바, 이에 따라 케이스를 설치하기 위한 별도의 공간이 필요하게 되므로 전체 시스템의 크기를 컴팩트하게 구현하지 못하게 되는 문제점이 있었다.
또한, 이와 같은 연료 전지 시스템은 연료전지로부터 생산되는 전력을 다시 소모하여 전체 시스템을 구동하기 때문에, 그 구동에 필요한 만큼의 기생전력을 발생시킨다.
그런데, 종래의 연료 전지 시스템에 있어, 열교환기는 냉각 공기를 유로부재로 송풍시키기 위한 송풍팬을 구비하는 바, 이 송풍팬을 구동시키기 위한 기생전력이 증가하게 되고 송풍팬에 의해 소음이 발생함에 따라 전체 시스템의 성능 및 에너지 효율이 저하되는 문제점이 있었다.
한편, 종래의 연료 전지 시스템에 있어, 개질기는 연료를 직접적으로 연소시켜 열 에너지를 발생시키고, 이 열 에너지를 이용한 연료와 물의 수증기 개질 반응에 의해 개질 가스를 발생시키는 구조로서 이루어진다.
그런데, 종래의 연료 전지 시스템은 상온을 유지하는 물을 연료와 함께 개질기로 공급하고, 이 개질기는 열 에너지에 의해 연료와 물을 수증기 개질 반응의 고 유한 반응 개시 온도 범위로 가열한 상태에서 수증기 개질 반응을 일으키게 된다. 따라서 종래의 연료 전지 시스템에 있어, 개질기는 상온의 연료와 물을 수증기 개질 반응의 고유한 반응 개시 온도 범위로서 가열함에 따라, 전체 개질기의 열 효율 및 성능 효율이 떨어지게 되는 문제점이 있었다.
본 발명은 상술한 문제점을 감안한 것으로서, 그 목적은 간단한 구조로서 연료전지 본체로부터 배출되는 고온의 수증기를 응축시킬 수 있는 평판형 열교환기를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 고온의 수증기를 응축하는 과정에서 수증기 자체의 열 에너지를 이용하여 개질기로 공급되는 물을 예열시킬 수 있는 연료 전지 시스템을 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템용 평판형 열교환기는, 연료전지 본체로부터 배출되는 고온의 수증기를 수분으로 응축시키기 위한 것으로서, 상기 수증기를 유동시키기 위한 제1 채널을 일면에 형성하고, 개질기로 공급되는 비교적 저온의 물을 유동시키기 위한 제2 채널을 다른 일면에 형성하는 기판과, 상기 기판의 양면에 접합되게 설치되는 덮개 플레이트를 포함한다.
상기 연료 전지 시스템용 평판형 열교환기는, 상기 기판이 열전도성을 지닌 금속 소재로서 이루어질 수 있다.
상기 연료 전지 시스템용 평판형 열교환기는, 상기 기판의 양면에 상기 덮개 플레이트가 접합되어 상기 제1 채널에 의한 제1 통로, 및 상기 제2 채널에 의한 제2 통로를 각각 형성할 수 있다.
상기 연료 전지 시스템용 평판형 열교환기는, 상기 제1 통로의 시작단에 형성되는 제1 유입구와, 상기 제1 통로의 끝단에 형성되는 제1 유출구와, 상기 제2 통로의 시작단에 형성되는 제2 유입구와, 상기 제2 통로의 끝단에 형성되는 제2 유출구를 포함할 수 있다.
상기 연료 전지 시스템용 평판형 열교환기는, 상기 제1 채널 및 상기 제2 채널이 사행(蛇行: meander)의 형태로서 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명의 예시적인 다른 실시예에 따른 연료 전지 시스템용 평판형 열교환기는, 연료전지 본체로부터 배출되는 고온의 수증기를 수분으로 응축시키기 위한 것으로서, 상기 수증기를 유동시키기 위한 제1 채널을 일면에 형성하는 제1 기판과, 개질기로 공급되는 비교적 저온의 물을 유동시키기 위한 제2 채널을 일면에 형성하는 제2 기판과, 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판의 일면에 접합되게 설치되는 덮개 플레이트를 포함하며, 상기 제1 기판의 다른 일면과 상기 제2 기판의 다른 일면이 상호 밀착되게 설치된다.
상기 연료 전지 시스템용 평판형 열교환기는, 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판이 열전도성을 지닌 금속 소재로서 이루어질 수 있다.
상기 연료 전지 시스템용 평판형 열교환기는, 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판의 일면에 상기 덮개 플레이트가 접합되어 상기 제1 채널에 의한 제1 통로, 및 상기 제2 채널에 의한 제2 통로를 각각 형성할 수 있다.
또한, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템은, 수소, 및 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 연료전지 본체와, 연료와 물의 혼합 연료를 개질하여 상기 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키고, 상기 개질 가스를 상기 연료전지 본체로 공급하는 개질기와, 상기 연료를 상기 개질기로 공급하기 위한 연료 공급원과, 상기 물을 저장하는 물 탱크를 가지면서 상기 물을 상기 개질기로 공급하기 위한 물 공급원과, 상기 연료전지 본체로부터 배출되는 고온의 수증기를 수분으로 응축시키기 위한 열교환기를 포함하며, 상기 열교환기는, 상기 연료전지 본체 및 상기 물 탱크와 연결되게 설치되며, 상기 수증기를 유동시키는 제1 통로 및 상기 물을 유동시키는 제2 통로를 가지면서 플레이트 타입으로 이루어진다.
상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 열교환기는 상기 수증기를 유동시키기 위한 제1 채널을 일면에 형성하고, 상기 물을 유동시키기 위한 제2 채널을 다른 일면에 형성하는 기판과, 상기 기판의 양면에 접합되게 설치되는 덮개 플레이트를 포함할 수 있다. 이 경우 상기 열교환기는 상기 기판의 양면에 상기 덮개 플레이트가 접합되어 상기 제1 채널에 의한 상기 제1 통로, 및 상기 제2 채널에 의한 상기 제2 통로를 각각 형성할 수 있다.
상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 열교환기는 상기 수증기를 유동시키기 위한 제1 채널을 일면에 형성하는 제1 기판과, 상기 물을 유동시키기 위한 제2 채널을 일면에 형성하는 제2 기판과, 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판의 일면에 접합되게 설치되는 덮개 플레이트를 포함할 수도 있다. 이 경우 상기 열교환기는 상 기 제1 기판의 다른 일면과 상기 제2 기판의 다른 일면이 상호 밀착되게 설치될 수 있다. 그리고 상기 열교환기는 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판의 일면에 상기 덮개 플레이트가 접합되어 상기 제1 채널에 의한 상기 제1 통로, 및 상기 제2 채널에 의한 상기 제2 통로를 각각 형성할 수 있다.
상기 연료 전지 시스템은, 상기 기판이 열전도성을 지닌 금속 소재로서 이루어질 수 있다.
상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 연료전지 본체는 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode assembly: MEA)를 중심에 두고 이의 양측에 세퍼레이터를 밀착되게 배치하여 구성되는 적어도 하나의 전기 발생부를 포함할 수 있다. 이 경우 상기 연료전지 본체는 상기 전지 발생부를 복수로 구비하고, 이들 전기 발생부를 연속적으로 배치하여 상기 전기 발생부의 집합체 구조에 의한 스택으로서 구성될 수 있다.
상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 연료전지 본체는 상기 열교환기와 연결되면서 상기 수증기를 배출시키기 위한 수증기 배출부를 포함할 수 있다.
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.
도 1은 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
이 도면을 참조하여 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)을 설명하면, 이 연료 전지 시스템(100)은 연료, 및 산화제 가스의 전기 화학 반응 에너지를 이용하여 소정의 로드에 전기 에너지를 제공하는 발전 시스템으로서 구성된다.
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 구성될 수 있다.
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.
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.
이와 같은 연료 전지 시스템(100)은, 고분자 전해질형 연료 전지로서 구성되는 연료전지 본체(10)와, 연료와 물의 혼합 연료를 개질하여 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키고 이 개질 가스를 연료전지 본체(10)로 공급하는 개질기(30)와, 연료를 개질기(30)로 공급하기 위한 연료 공급원(50)과, 물을 개질기(30)로 공급하기 위한 물 공급원(70)과, 공기를 연료전지 본체(10)로 공급하기 위한 공기 공급원(80)을 포함하여 구성된다.
상기에서, 연료전지 본체(10)는 개질기(30)와 공기 공급원(80)에 연결되게 설치되며, 이 개질기(30)로부터 개질 가스를 공급받고 공기 공급원(80)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.
따라서, 본 발명의 실시예에 의한 연료전지 본체(10)는 이와 같은 전기 발생부(11)를 복수로 구비하고, 이들 전기 발생부(11)를 연속적으로 밀착되게 배치함으로써 전기 발생부들(11)의 집합체 구조에 의한 스택(stack)으로서 구성될 수 있다.
도 2는 도 1에 도시한 연료전지 본체의 구성을 나타내 보인 분해 사시도로서, 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.
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 공기 중의 산소를 환원 반응시켜 소정의 열 및 수증기를 발생시키는 기능을 하게 된다.
그리고 세퍼레이터(13)는 개질 가스를 막-전극 어셈블리(12)의 애노드 전극으로 분산 공급하고, 공기를 막-전극 어셈블리(12)의 캐소드 전극으로 분산 공급하 는 기능 외에, 막-전극 어셈블리(12)의 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체로서의 기능도 하게 된다.
이에 더하여, 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.
본 실시예에서, 개질기(30)는 연료를 착화 또는 산화 반응에 의해 연소시켜 기설정된 온도 범위의 열 에너지를 발생시키고, 이 열 에너지를 이용한 혼합 연료의 개질 반응 예컨대, 수증기 개질(Steam Reforming) 반응을 통해 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키는 구조로서 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.
이러한 개질기(30)로 연료를 공급하기 위한 연료 공급원(50)은 연료를 저장하는 연료 탱크(51)를 구비하는 바, 이 연료 탱크(51)는 통상적인 파이프 라인 등에 의해 개질기(30)와 연결되게 설치된다. 본 실시예에서, 연료 탱크(51)는 연료가 액체인 경우 통상적인 펌프와 연결되게 설치되어 이 펌프의 펌핑 압력에 의해 연료를 배출시킬 수 있는 구조로서 이루어진다. 대안으로서, 연료 탱크(51)는 연료가 기체인 경우 연료 자체의 압력에 의해 연료를 개질기(30)로 공급할 수 있는 구조로서 이루어질 수도 있다.
상기한 개질기(30)로 물을 공급하기 위한 물 공급원(70)은 물을 저장하는 물 탱크(71)를 구비하는 바, 이 물 탱크(71)는 통상적인 파이프 라인 등에 의해 개질기(30)와 연결되게 설치된다. 본 실시예에서, 물 탱크(71)는 통상적인 펌프와 연결되게 설치되어 이 펌프의 펌핑 압력에 의해 물을 배출시킬 수 있는 구조로서 이루어진다.
그리고, 연료전지 본체(10)로 공기를 공급하기 위한 공기 공급원(80)은 공기를 흡입하고, 이 공기를 연료전지 본체(10)로 압송시키는 통상적인 공기 펌프(81)로서 구비되며, 이 공기 펌프(81)는 통상적인 파이프 라인 등에 의해 연료전지 본체(10)의 제2 주입부(16)와 연결되게 설치된다.
상기와 같이 구성되는 연료 전지 시스템(100)의 작용시, 연료전지 본체(10)는 전기 발생부들(11)에 의한 산소의 환원 반응을 통해 비교적 고온의 수증기를 발생시키게 되며, 이 수증기를 제2 배출부(18)를 통해 배출시키게 된다.
이에, 본 실시예에 의한 연료 전지 시스템(100)은 연료전지 본체(10)의 제2 배출부(18)를 통해 배출되는 비교적 고온의 수증기를 수분으로 응축시키기 위한 열교환기(90)를 포함하고 있다.
이 열교환기(90)은 연료전지 본체(10)와 물 탱크(71)에 각각 연결되게 설치 되며, 이 연료전지 본체(10)로부터 배출되는 수증기를 유동시키고 물 탱크(71)로부터 개질기(30)로 공급되는 물을 유동시키는 플레이트 타입으로서 이루어진다. 이러한 평판형 열교환기(90)는 고온의 수증기와 비교적 저온의 물을 유동시키면서 이 수증기 자체의 열 에너지를 물에 제공하여 수증기를 수분으로 응축시키는 기능을 하게 된다.
도 3은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템용 평판형 열교환기를 도시한 분해 사시도이고, 도 4는 도 3의 결합 사시도이며, 도 5는 도 4의 단면 구성도이다.
도면을 참고하면, 본 실시예에 의한 열교환기(90)는 일면에 대해 연료전지 본체(10: 도 1)로부터 배출되는 수증기를 유동시키고 다른 일면에 대해 개질기(30: 도 1)로 공급되는 물을 유동시키는 기판(91)과, 이 기판(91)의 양면에 접합되게 설치되는 덮개 플레이트(93)를 포함하여 구성된다.
본 실시예에서, 기판(91)은 수증기를 유동시키기 위한 제1 채널(91a)을 일면에 형성하고, 물을 유동시키기 위한 제2 채널(91b)를 다른 일면에 형성하고 있는 양면(兩面) 구조로서 이루어진다. 이 때, 기판(91)은 소정 폭과 길이를 갖는 대략 사각형의 플레이트 형상을 취하고, 열전도성을 지닌 금속 소재 예컨대, 알루미늄, 스테인레스 강, 구리, 니켈, 철 등의 금속 소재로서 형성된다.
상기에서, 제1 채널(91a)은 기판(91)의 일면에서 임의의 간격을 두고 돌출되게 형성되는 리브들 사이의 공간에 의해 형성될 수 있다. 이러한 제1 채널(91a)은 기판(91)의 일면에 대해 임의의 간격을 두고 직선 상태로 배치되고, 그 양단이 교 호적으로 연결되어 사행(蛇行: meander)의 형태로서 이루어진다.
그리고, 제2 채널(91b)은 기판(91)의 다른 일면에서 임의의 간격을 두고 돌출되게 형성되는 리브들 사이의 공간에 의해 형성될 수 있다. 이러한 제2 채널(91b)은 기판(91)의 일면에 대해 임의의 간격을 두고 직선 상태로 배치되며, 그 양단이 교호적으로 연결되어 사행(蛇行: meander)의 형태로서 이루어진다.
여기서, 상기한 제1 채널(91a) 및 제2 채널(91b)을 기판(91)의 양면에 대해 사행의 형태로서 형성하는 이유는, 연료전지 본체(10)의 제2 배출부(18: 도 2)를 통해 배출되는 수증기, 및 물 탱크(71: 도 1)로부터 개질기(30)로 공급되는 물의 유동 경로를 더욱 연장시키기 위함이다.
본 실시예에서, 덮개 플레이트(93)는 기판(91)의 양면을 덮는 플레이트로서, 기판(91)과 같이 열전도성을 지닌 금속 소재로서 형성될 수 있다.
이러한 덮개 플레이트(93)는 기판(91)의 양면에 대해 리브들의 표면에 밀착되면서 볼트 및 너트 등과 같은 통상적인 체결부재에 의하여 기판(91)의 양면에 밀착되게 접합될 수 있으며, 용접 또는 브레이징(brazing) 등의 통상적인 접합 방식에 의해 기판(91)의 양면에 밀착되게 접합될 수 있다.
이와 같이 덮개 플레이트(93)가 기판(91)의 양면에 접합되게 설치됨에 따라, 본 실시예에 의한 열교환기(90)는 제1 채널(91a)과 덮개 플레이트(93)의 덮개면에 의하여 연료전지 본체(10)의 제2 배출부(18)를 통해 배출되는 고온의 수증기를 유동시킬 수 있는 제1 통로(95)를 형성하며, 제2 채널(91b)과 덮개 플레이트(93)의 덮개면에 의하여 물 탱크(71)로부터 개질기(30)로 공급되는 비교적 저온의 물을 유 동시킬 수 있는 제2 통로(97)를 형성할 수 있다.
이에 더하여, 본 실시예에 의한 열교환기(90)는 제1 통로(95)의 시작단에 형성되는 제1 유입구(99a)와, 제1 통로(95)의 끝단에 형성되는 제1 유출구(99b)와, 제2 통로(97)의 시작단에 형성되는 제2 유입구(99c)와, 제2 통로(97)의 끝단에 형성되는 제2 유출구(99d)를 형성하고 있다.
여기서, 제1 유입구(99a)는 연료전지 본체(10)의 제2 배출부(18)를 통해 배출되는 수증기를 제1 통로(95)로 유입시키기 위한 것으로서, 통상적인 파이프 라인 등에 의해 연료전지 본체(10)의 제2 배출부(18)와 연결된다. 제1 유출구(99b)는 제1 통로(95)를 통해 고온의 수증기가 유동되면서 이 수증기 자체의 열 에너지가 제2 통로(97)를 통해 유동되는 비교적 저온의 물에 전달되면서 수분으로 응축되는 바, 이 수분을 배출시키기 위한 것이다. 이 때, 제1 유출구(99b)는 통상적인 파이프 라인 등에 의해 별도의 포집 수단 또는 물 탱크(71)와 연결될 수 있다. 제2 유입구(99c)는 물 탱크(71)로부터 배출되는 물을 제2 통로(97)로 유입시키기 위한 것으로서, 통상적인 파이프 라인 등에 의해 물 탱크(71)와 연결된다. 그리고 제2 유출구(99d)는 제2 통로(97)를 통해 비교적 저온의 물이 유동되면서 제1 통로(95)를 통해 유동되는 고온의 수증기로부터 열 에너지를 제공받아 소정 온도로 가열된 물을 배출시키기 위한 것으로서, 통상적인 파이프 라인 등에 의해 개질기(30)와 연결된다.
상기와 같이 구성되는 본 실시예에 의한 연료 전지 시스템(100)의 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 시스템(100)의 초기 기동시, 연료 탱크(51)에 저장된 연료와, 물 탱크 (71)에 저장된 물은 개질기(30)로 공급된다. 이 때, 물 탱크(71)에 저장된 물은 열교환기(90)의 제2 유입구(99c)를 통해 제2 통로(97)로 유입되고, 제2 통로(97)를 따라 유동되면서 제2 유출구(99d)를 통해 배출되어 개질기(30)로 공급된다. 그러면, 개질기(30)는 연료와 물(혼합 연료)의 수증기 개질 반응이 진행되면서 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키고, 이 개질 가스를 연료전지 본체(10)의 제1 주입부(15)를 통해 전기 발생부들(11)로 공급한다.
이와 동시에, 공기 펌프(81)는 공기를 흡입하고, 이 공기를 연료전지 본체(10)의 제2 주입부(16)를 통해 전기 발생부들(11)로 공급한다.
이러한 과정을 거치면서, 본 시스템(100)의 정상적인 구동이 이루어지게 되는 바, 연료전지 본체(10)는 개질 가스, 및 공기를 제공받아 전기 발생부들(11)에 의한 개질 가스의 산화 반응, 및 산소의 환원 반응을 통해 기설정된 용량의 전기 에너지를 발생시키게 된다. 이 때, 연료전지 본체(10)는 전기 발생부들(11)에 의한 산소의 환원 반응에 의해 고온의 수증기를 발생시키게 되고, 이 수증기를 제2 배출부(18)를 통해 배출시키게 된다. 한편, 물 탱크(71)에 저장된 물은 열교환기(90)의 제2 통로(97)를 따라 계속적으로 유동되면서 개질기(30)로 공급되고 있는 상태에 있다.
이 상태에서, 연료전지 본체(10)의 제2 배출부(18)를 통해 배출되는 고온의 수증기는 열교환기(90)의 제1 유입구(99a)를 통해 제1 통로(95)로 유입된다. 이러는 과정에서, 비교적 저온의 물이 제2 통로(97)를 따라 유동되고 있기 때문에, 제1 통로(95)를 따라 유동되는 수증기 자체의 열 에너지는 기판(91)을 통해 제2 통로 (97)를 따라 유동되는 물에 제공되면서 이 물을 소정 온도로 가열시키게 된다. 따라서, 제1 통로(95)를 따라 유동되는 수증기는 자체의 열 에너지를 제2 통로(97)를 따라 유동되는 물에 빼앗기면서 수분으로 응축되게 된다. 이 때, 상기한 수분은 제1 유출구(99b)를 통해 배출되고, 별도의 포집수단(도면에 도시되지 않음)으로 포집되거나 물 탱크(71)에 수용되게 된다. 이와 함께, 제2 통로(97)를 따라 유동되면서 수증기의 열 에너지를 제공받은 물은 제2 유출구(99d)를 통해 배출되면서 개질기(30)로 공급된다.
도 6은 본 발명의 예시적인 다른 실시예에 따른 연료 전지 시스템용 평판형 열교환기를 도시한 분해 사시도이고, 도 7은 도 6의 결합 사시도이며, 도 8은 도 7의 단면 구성도이다.
도면을 참고하면, 본 실시예에 의한 열교환기(190)는 전기 실시예에서와 같은 구조를 기본으로 하면서, 연료전지 본체(10: 도 1)로부터 배출되는 고온의 수증기를 유동시키기 위한 제1 기판(191)과, 물 탱크(71: 도 1)로부터 개질기(30: 도 1)로 공급되는 비교적 저온의 물을 유동시키기 위한 제2 기판(192)을 포함하며, 이들 제1 기판(191) 및 제2 기판(192)이 상호 밀착되게 배치되는 구조로서 이루어진다.
본 실시예에 의하면, 제1 기판(191)은 고온의 수증기를 유동시키기 위한 제1 채널(191a)을 일면에 형성하고, 다른 일면이 편평한 단면(單面) 구조로서 이루어진다. 그리고 제2 기판(192)은 비교적 저온의 물을 유동시키기 위한 제2 채널(192a)을 일면에 형성하고, 다른 일면이 편평한 단면(單面) 구조로서 이루어진다. 여기 서, 제1 기판(191), 및 제2 기판(192)은 소정 폭과 길이를 갖는 대략 사각형의 플레이트 형상을 취하고, 열전도성을 지닌 금속 소재 예컨대, 알루미늄, 스테인레스 강, 구리, 니켈, 철 등의 금속 소재로서 형성된다.
이에 더하여, 제1 기판(191) 및 제2 기판(192) 각각의 일면에는 덮개 플레이트(193)가 접합되게 설치된다. 따라서, 본 실시예에 의한 열교환기(190)는 제1 기판(191)의 제1 채널(191a)과 덮개 플레이트(193)에 의하여 고온의 수증기를 유동시킬 수 있는 제1 통로(195)를 형성하며, 제2 기판(192)의 제2 채널(192a)과 덮개 플레이트(193)에 의하여 비교적 저온의 물을 유동시킬 수 있는 제2 통로(197)를 형성할 수 있다.
이러한 열교환기(190)는 제1 기판(191)의 다른 일면과 제2 기판(192)의 다른 일면이 서로 밀착되게 결합되는 바, 이들 제1 기판(191)과 제2 기판(192)은 볼트 및 너트 등과 같은 통상적인 체결부재에 의하여 각각의 다른 일면이 밀착되게 결합될 수 있으며, 용접 또는 브레이징(brazing) 등의 통상적인 접합 방식에 의해 각각의 다른 일면이 밀착되게 접합될 수 있다.
상기와 같이 구성되는 본 실시예에 의하면, 연료전지 본체(10: 도 1)로부터 배출되는 고온의 수증기가 제1 통로(195)를 통해 유동되고, 물 탱크(71: 도 1)로부터 개질기(30: 도 1)로 공급되는 비교적 저온의 물이 제2 통로(197)를 통해 유동됨에 따라, 제1 통로(195)를 따라 유동되는 수증기의 열 에너지는 제1 기판(191)으로 전달되면서 이 제1 기판(191)을 소정 온도로 가열시키게 된다.
따라서, 상기한 열 에너지는, 제1 기판(191)과 제2 기판(192)이 서로 밀착되 게 배치되고 있기 때문에, 제1 기판(191)을 통해 제2 기판(192)으로 전달되면서 제2 통로(197)를 따라 유동되는 물에 제공된다.
이로써, 제1 통로(195)를 따라 유동되는 수증기는 자체의 열 에너지를 제2 통로(197)를 따라 유동되는 물에 빼앗기면서 수분으로 응축된다. 그리고, 상기한 열 에너지를 제공받은 물은 소정 온도로 가열된 상태에서 개질기(30: 도 1)로 공급된다.
본 실시예에 의한 평판형 열교환기(190)의 나머지 구성 및 작용은 전기 실시예와 같으므로 자세한 설명은 생략한다.
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.
상술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 연료전지 본체로부터 배출되는 수증기 자체의 열 에너지를 개질기로 공급되는 비교적 저온의 물에 제공하여 수증기를 응축시킬 수 있는 플레이트 타입의 열교환기를 구성함에 따라, 종래와 같은 열교환기의 케이스 및 송풍팬 등을 필요로 하지 않으므로 전체 시스템의 크기를 컴팩트하게 구현할 수 있으며, 송풍팬의 가동에 의해 소모되는 기생전력 및 송풍팬의 소음을 줄여 전체 시스템의 성능 및 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 수증기를 응축시키는 과정에서 수증기 자체의 열 에너지를 이용하여 개질기로 공급되는 물을 예열시킬 수 있는 열교환기를 구비함에 따라, 전체 개질기의 열 효율 및 성능 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
Claims (18)
- 연료전지 본체로부터 배출되는 고온의 수증기를 수분으로 응축시키기 위한 연료 전지 시스템용 평판형 열교환기에 있어서,상기 수증기를 유동시키기 위한 제1 채널을 일면에 형성하고, 개질기로 공급되는 비교적 저온의 물을 유동시키기 위한 제2 채널을 다른 일면에 형성하는 기판; 및상기 기판의 양면에 접합되게 설치되는 덮개 플레이트를 포함하는 연료 전지 시스템용 평판형 열교환기.
- 제1 항에 있어서,상기 기판이 열전도성을 지닌 금속 소재로서 이루어지는 연료 전지 시스템용 평판형 열교환기.
- 제1 항에 있어서,상기 기판의 양면에 상기 덮개 플레이트가 접합되어 상기 제1 채널에 의한 제1 통로, 및 상기 제2 채널에 의한 제2 통로를 각각 형성하는 연료 전지 시스템용 평판형 열교환기.
- 제3 항에 있어서,상기 제1 통로의 시작단에 형성되는 제1 유입구와,상기 제1 통로의 끝단에 형성되는 제1 유출구와,상기 제2 통로의 시작단에 형성되는 제2 유입구와,상기 제2 통로의 끝단에 형성되는 제2 유출구를 포함하는 연료 전지 시스템용 평판형 열교환기.
- 제1 항에 있어서,상기 제1 채널 및 상기 제2 채널이 사행(蛇行: meander)의 형태로서 이루어지는 연료 전지 시스템용 평판형 열교환기.
- 연료전지 본체로부터 배출되는 고온의 수증기를 수분으로 응축시키기 위한 연료 전지 시스템용 평판형 열교환기에 있어서,상기 수증기를 유동시키기 위한 제1 채널을 일면에 형성하는 제1 기판;개질기로 공급되는 비교적 저온의 물을 유동시키기 위한 제2 채널을 일면에 형성하는 제2 기판; 및상기 제1 기판 및 상기 제2 기판의 일면에 접합되게 설치되는 덮개 플레이트를 포함하며,상기 제1 기판의 다른 일면과 상기 제2 기판의 다른 일면이 상호 밀착되게 설치되는 연료 전지 시스템용 평판형 열교환기.
- 제6 항에 있어서,상기 제1 기판 및 상기 제2 기판이 열전도성을 지닌 금속 소재로서 이루어지는 연료 전지 시스템용 평판형 열교환기.
- 제6 항에 있어서,상기 제1 기판 및 상기 제2 기판의 일면에 상기 덮개 플레이트가 접합되어 상기 제1 채널에 의한 제1 통로, 및 상기 제2 채널에 의한 제2 통로를 각각 형성하는 연료 전지 시스템용 평판형 열교환기.
- 수소, 및 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 연료전지 본체;연료와 물의 혼합 연료를 개질하여 상기 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키고, 상기 개질 가스를 상기 연료전지 본체로 공급하는 개질기;상기 연료를 상기 개질기로 공급하기 위한 연료 공급원;상기 물을 저장하는 물 탱크를 가지면서 상기 물을 상기 개질기로 공급하기 위한 물 공급원; 및상기 연료전지 본체로부터 배출되는 고온의 수증기를 수분으로 응축시키기 위한 열교환기를 포함하며,상기 열교환기는, 상기 연료전지 본체 및 상기 물 탱크와 연결되게 설치되며, 상기 수증기를 유동시키는 제1 통로 및 상기 물을 유동시키는 제2 통로를 가지 면서 플레이트 타입으로 이루어지는 연료 전지 시스템.
- 제9 항에 있어서,상기 열교환기는,상기 수증기를 유동시키기 위한 제1 채널을 일면에 형성하고, 상기 물을 유동시키기 위한 제2 채널을 다른 일면에 형성하는 기판과,상기 기판의 양면에 접합되게 설치되는 덮개 플레이트를 포함하는 연료 전지 시스템.
- 제10 항에 있어서,상기 열교환기는,상기 기판의 양면에 상기 덮개 플레이트가 접합되어 상기 제1 채널에 의한 상기 제1 통로, 및 상기 제2 채널에 의한 상기 제2 통로를 각각 형성하는 연료 전지 시스템.
- 제9 항에 있어서,상기 열교환기는,상기 수증기를 유동시키기 위한 제1 채널을 일면에 형성하는 제1 기판과,상기 물을 유동시키기 위한 제2 채널을 일면에 형성하는 제2 기판과,상기 제1 기판 및 상기 제2 기판의 일면에 접합되게 설치되는 덮개 플레이트를 포함하는 연료 전지 시스템.
- 제12 항에 있어서,상기 열교환기는,상기 제1 기판의 다른 일면과 상기 제2 기판의 다른 일면이 상호 밀착되게 설치되는 연료 전지 시스템.
- 제12 항에 있어서,상기 열교환기는,상기 제1 기판 및 상기 제2 기판의 일면에 상기 덮개 플레이트가 접합되어 상기 제1 채널에 의한 상기 제1 통로, 및 상기 제2 채널에 의한 상기 제2 통로를 각각 형성하는 연료 전지 시스템.
- 제10 항 또는 제12 항에 있어서,상기 기판이 열전도성을 지닌 금속 소재로서 이루어지는 연료 전지 시스템.
- 제9 항에 있어서,상기 연료전지 본체는,막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode assembly: MEA)를 중심에 두고 이의 양측에 세퍼레이터를 밀착되게 배치하여 구성되는 적어도 하나의 전기 발생부를 포 함하는 연료 전지 시스템.
- 제16 항에 있어서,상기 연료전지 본체는,상기 전지 발생부를 복수로 구비하고, 이들 전기 발생부를 연속적으로 배치하여 상기 전기 발생부의 집합체 구조에 의한 스택으로서 구성되는 연료 전지 시스템.
- 제16 항에 있어서,상기 연료전지 본체는,상기 열교환기와 연결되면서 상기 수증기를 배출시키기 위한 수증기 배출부를 포함하는 연료 전지 시스템.
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