KR20070099355A - 연료전지 시스템 - Google Patents

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KR20070099355A
KR20070099355A KR1020060030711A KR20060030711A KR20070099355A KR 20070099355 A KR20070099355 A KR 20070099355A KR 1020060030711 A KR1020060030711 A KR 1020060030711A KR 20060030711 A KR20060030711 A KR 20060030711A KR 20070099355 A KR20070099355 A KR 20070099355A
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김진광
안진구
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Abstract

본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로 특히, 전기 발생부와 전기 발생부에서 전기화학 반응의 부산물로 발생되는 수증기를 응축한 물을 기액 분리기로 공급하는 응축 탱크를 포함하며, 기액 분리기는 적어도 2개의 물 탱크로 구성되어 하나의 물 탱크에는 응축 탱크의 물이 유입되면서 동시에 개질기에서 공급되는 수증기를 포함하는 수소 가스로부터 수소 가스를 분리하여 전기 발생부로 공급하며, 다른 하나의 물 탱크는 개질기로 물을 공급하며, 개질기에 물을 공급하는 물 탱크의 수위에 따라 2개의 물 탱크가 서로 역할을 전환할 수 있도록 형성됨으로써 물의 재사용 효율을 높일 수 있는 연료전지 시스템에 관한 것이다.
고분자 전해질형 연료전지, 응축 탱크, 기액 분리기, 물 재사용

Description

연료전지 시스템{Fuel Cell System}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 전체적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 응축 탱크 단면도를 나타낸다.
도 3a와 도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 작용을 나타내는 구성도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 - 연료전지 시스템 110 - 전기 발생부
120 - 개질기 130 - 연료 탱크
140 - 응축탱크
150 - 기액 분리기 152, 154 - 물 탱크
160 - 산소 공급부
210, 220, 230, 240 - 쓰리웨이 밸브
본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로 특히, 전기 발생부와 전기 발생부 에서 전기화학 반응의 부산물로 발생되는 수증기를 응축한 물을 기액 분리기로 공급하는 응축 탱크를 포함하며, 기액 분리기는 적어도 2개의 물 탱크로 구성되어 하나의 물 탱크에는 응축 탱크의 물이 유입되면서 동시에 개질기에서 공급되는 수증기를 포함하는 수소 가스로부터 수소 가스를 분리하여 전기 발생부로 공급하며, 다른 하나의 물 탱크는 개질기로 물을 공급하며, 개질기에 물을 공급하는 물 탱크의 수위에 따라 2개의 물 탱크가 서로 역할을 전환할 수 있도록 형성됨으로써 물의 재사용 효율을 높일 수 있는 연료전지 시스템에 관한 것이다.
연료전지(Fuel cell)는 메탄올, 에탄올, 부탄, 천연기체와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산화제의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다.
이러한 연료전지는 연료전지 시스템은 대표적으로 고분자 전해질형 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell : 이하 "PEMFC"라 한다.) 시스템과 직접메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell : 이하 "DMFC"라 한다) 시스템을 들 수 있다.
일반적으로 PEMFC 시스템은 수소와 산소의 반응에 의해 전기에너지를 발생시키는 스택과 연료를 개질하여 수소를 발생시키는 개질기를 포함하여 구성된다. 이러한 PEMFC 시스템은 에너지 밀도가 크고, 출력이 높다는 장점을 가지고 있으나, 수소 가스의 취급에 주의를 요하고 연료가스인 수소를 생산하기 위하여 메탄이나 메탄올 및 천연 가스 등을 개질하기 위한 연료 개질 장치 등의 부대 설비를 필요로 하게 된다.
상기 PEMFC 연료전지 시스템은 일반적으로 전기 발생부, 개질기(Reformer), 연료 탱크, 연료 펌프, 물 탱크 및 에어 컴프레서 등을 구비한다. 상기 전기 발생부는 다수의 단위셀로 이루어진 스택을 포함하며 수소와 산소의 전기화학 반응에 의하여 전기를 발생하게 된다. 상기 전기 발생부는 선택적 이온투과특성을 갖는 전도성 고분자막과, 상기 고분자막의 양측에 제공된 캐소드 전극 및 애노드 전극으로 이루어진 단위전지가 복수 개로 적층된 구조로 이루어진다. 상기 애노드 전극과 캐소드 전극에 공급된 수소와 산소가 화학반응을 통하여 전기가 생성된다. 애노드 전극에 공급하고자 하는 수소는 개질기에서 수소함유 연료를 수소 가스로 개질함으로써 얻어진다. 한편, 상기 전기 발생부는 애노드 전극과 캐소드 전극에서 진행되는 수소와 산소의 화학반응의 부산물로 수증기 형태의 물과 질소를 포함하는 가스를 배출하게 되며, 수증기는 연료전지 시스템의 외부로 배출된다.
상기 개질기는 수소를 함유하는 연료와 수증기의 열에너지에 의한 화학 촉매 반응에 의하여 수소를 주성분으로 하는 수소가스를 생성하여 전기 발생부의 스택으로 공급한다. 상기 개질기는 연료와 수증기의 열에너지에 의한 화학 촉매 반응이 진행되는 개질부와, 연료와 수증기의 열에너지에 의한 화학 촉매 반응을 촉진하기 위하여 개질부를 소정 온도 범위로 가열하는 연소부를 포함하여 형성된다. 따라서, 상기 개질부는 연료 펌프에 의하여 수소를 포함하며 연료 탱크 내에 저장되어 있는 연료를 공급받게 된다. 또한, 상기 개질부는 펌프와 같은 별도의 물 공급수단에 의하여 물 탱크 내에 저장되어 있는 물을 공급받게 된다. 한편, 상기 연소부는 별도의 에어 컴프레서에 의하여 공급되는 공기를 공급받아 연료와 함께 연소시켜 열 에 너지를 발생시키게 된다.
상기에서 살펴본 바와 같이 종래의 연료전지 시스템은 전기 발생부에서 배출되는 수증기를 외부로 배출함으로써 연료전지 내부에서 필요한 물을 재사용하지 못하고 낭비하는 문제점이 있다. 또한, 상기 연료전지 시스템은 수증기 상태로 또는 물 상태로 외부로 방출함으로써 연료전지 시스템의 사용에 불편함을 초래하게 된다. 즉, 상기 연료전지 시스템은 수증기를 응축하여 방출하는 경우에는 사용자에게 화상을 입히거나 연료전지 시스템이 사용되는 전자기기에 응축됨으로써 전자기기의 고장을 유발하는 문제점이 있다. 또한, 상기 연료전지 시스템은 별도로 수증기를 응축하여 외부로 방출하는 경우에는 응축된 물을 일시적으로 저장하는 용기가 별도로 준비되어야 하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서 전기 발생부와 전기 발생부에서 전기화학 반응의 부산물로 발생되는 수증기를 응축한 물을 기액 분리기로 공급하는 응축 탱크를 포함하며, 기액 분리기는 적어도 2개의 물 탱크로 구성되어 하나의 물 탱크에는 응축 탱크의 물이 유입되면서 동시에 개질기에서 공급되는 수증기를 포함하는 수소 가스로부터 수소 가스를 분리하여 전기 발생부로 공급하며, 다른 하나의 물 탱크는 개질기로 물을 공급하며, 개질기에 물을 공급하는 물 탱크의 수위에 따라 2개의 물 탱크가 서로 역할을 전환할 수 있도록 형성됨으로써 물의 재사용 효율을 높일 수 있는 연료전지 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위해서 안출된 본 발명의 연료전지 시스템은 수소와 산소의 전기화학반응에 의하여 전기를 생성하는 전기 발생부와, 상기 전기 발생부로 산소함유 기체를 공급하는 산소 공급부와, 상기 전기 발생부로 공급되는 수소 가스를 생성하는 개질기와, 상기 개질부로 상기 연료를 공급하는 연료 탱크와, 상기 전기 발생부에서 배출되는 수증기를 포함하는 물을 응축하는 응축 탱크 및 상기 응축탱크로부터 공급되는 물을 저장하여 상기 개질기로 공급하며, 상기 개질부에서 공급되는 수소 가스와 수증기를 포함하는 개질 가스로부터 수소 가스를 분리하여 상기 전기 발생부로 공급하는 기액 분리기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에서 상기 응축 탱크는 상기 전기 발생부와 연결되는 수증기 유입구와 상기 기액 분리기와 연결되는 물 배출구를 포함하여 형성될 수 있다. 또한, 상기 응축 탱크는 상기 전기 발생부로부터 유입되는 기체를 배출하는 기체 배출구가 상부에 형성되며, 상기 기체 배출구는 소수성막에 의하여 차폐되도록 형성될 수 있다.
또한, 본 발명에서 상기 기액 분리기는 제1탱크와 제2탱크를 포함하며, 상기 제1탱크와 제2탱크는 교대로 상기 응축 탱크에서 공급되는 물을 저장하여 상기 개질기로 물을 공급하는 물 탱크와 상기 개질기에서 공급되는 개질 가스로부터 수소 가스를 분리하여 상기 전기 발생부에 공급하는 기액분리 탱크의 역할을 하도록 형성될 수 있다. 이때, 상기 제1탱크와 제2탱크는 물 탱크 역할을 하는 탱크에 저장 되어 있는 물의 수위가 정해진 수위보다 낮아지면 기액분리 탱크로 전환되고, 기액분리 탱크가 물 탱크로 전환되도록 형성될 수 있다. 또한, 상기 제1탱크와 제2탱크는 내부에 저장되는 물의 수위를 검출하는 레벨센서를 더 포함하여 형성될 수 있다.
또한, 본 발명에서 상기 제1탱크와 제2탱크는 어느 하나가 상기 개질기의 개질 가스 배출구에 선택적으로 연결되도록 형성될 수 있다. 이때, 상기 제1탱크와 제2탱크는 제1쓰리웨이(three-way) 밸브에 의하여 상기 개질기에 선택적으로 연결되도록 형성될 수 있다.
또한, 본 발명에서 상기 제1탱크와 제2탱크는 어느 하나가 상기 응축 탱크에 선택적으로 연결되도록 형성될 수 있다. 이때, 상기 제1탱크와 제2탱크는 상기 개질기의 개질 가스 배출구에 연결된 탱크가 상기 응축 탱크에 연결되도록 형성될 수 있다. 또한, 상기 제1탱크와 제2탱크는 제2쓰리웨이(three-way) 밸브에 의하여 상기 응축 탱크에 선택적으로 연결되도록 형성될 수 있다.
또한, 본 발명에서 상기 제1탱크와 제2탱크는 어느 하나가 상기 전기 발생부에 선택적으로 연결되도록 형성될 수 있다. 이때, 상기 제1탱크와 제2탱크는 상기 개질기의 개질 가스 배출구에 연결된 탱크가 상기 전기 발생부에 연결되도록 형성될 수 있다. 또한, 상기 제1탱크와 제2탱크는 제3쓰리웨이(three-way) 밸브에 의하여 상기 전기 발생부에 선택적으로 연결되도록 형성될 수 있다.
또한, 본 발명에서 상기 제1탱크와 제2탱크는 어느 하나가 상기 개질기의 물 유입구에 선택적으로 연결되도록 형성될 수 있다. 이때, 상기 제1탱크와 제2탱크는 상기 개질기의 개질 가스 배출구에 연결되지 않은 탱크가 상기 개질기의 물 유입구에 연결되도록 형성될 수 있다. 또한, 상기 제1탱크와 제2탱크는 제4쓰리웨이(three-way) 밸브에 의하여 상기 개질기의 물 유입구에 선택적으로 연결되도록 형성될 수 있다.
또한, 본 발명에서 상기 전기 발생부는 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 전해질막이 적층되어 형성되는 막-전극 어셈블리를 포함하며, 기액 분리기로부터 애노드 전극으로 공급되는 수소 가스와 산소 공급부로부터 캐소드 전극으로 공급되는 산소의 전기화학 반응에 의하여 전기를 생성하도록 형성될 수 있다.
또한, 본 발명에서 상기 산소 공급부는 에어 컴프레서로 형성될 수 있다.
또한, 본 발명에서 상기 개질기는 상기 연료 탱크로부터 공급되는 연료와 상기 기액 분리기를 구성하는 제1탱크와 제2탱크 중에서 물 탱크의 역활을 하는 탱크로 부터 공급되는 수증기의 화학 촉매 반응에 의하여 수소 가스를 생성하는 수증기 개질 방식으로 형성될 수 있다.
또한, 본 발명에서 상기 연료전지 시스템은 고분자 전해질형 연료전지 시스템으로 형성될 수 있다.
이하에서, 첨부된 도면과 실시예들을 통하여 본 발명에 따른 연료전지 시스템을 보다 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 전체적인 구성도를 나타낸다. 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 응축 탱크 단면도를 나 타낸다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템(100)은, 도 1을 참조하면, 전기 발생부(110)와 개질기(120)와 연료 탱크(130)와 응축 탱크(140)와 기액 분리기(150) 및 산소 공급부(160)를 포함하여 형성된다. 또한, 상기 연료전지 시스템(100)은 전기 발생부(110)와 개질기(120) 및 응축 탱크(140)를 기액 분리기(150)와 연결하는 제1쓰리웨이 밸브 내지 제4쓰리웨이 밸브(210, 220, 230, 240)를 더 포함하여 형성된다. 상기 연료전지 시스템(100)은 수소를 포함하는 연료로부터 생성되는 수소 가스를 사용하여 전기에너지를 발생시키는 고분자 전해질형 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell : 이하 "PEMFC"라 한다.)이다. 상기 수소를 포함하는 연료로는 메탄올, 에탄올, 부탄과 같은 연료가 사용될 수 있다.
상기 전기 발생부(110)는 외부로부터 공급되는 수소와 산소의 전기화학 반응에 의하여 전기를 생성하게 된다. 보다 상세하게는 상기 전기 발생부(110)는 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode Assembly : 이하 "MEA"라 한다)와 MEA의 양측에 배치되는 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)로 구성되는 단위셀이 다수 개로 적층되어 형성되는 스택을 포함하여 형성된다. 또한, 상기 MEA는 애노드 전극(anode electrode)과 캐소드 전극(cathode electrode) 사이에 전해질막(membrane)이 적층되어 형성된다. 상기 애노드 전극과 캐소드 전극은 연료의 공급 및 확산을 위한 연료확산층(diffusion layer)과 연료의 산화/환원 반응이 일어나는 촉매층, 그리고 전극 지지체를 구비하여 이루어진다. 상기 애노드 전극은 공급되는 연료로부터 전자와 수소이온을 분리시키며, 전해질막은 수소 이온을 캐소드 전극으로 이동시키게 된다. 상기 캐소드 전극은 애노드 전극으로부터 공급된 전자 및 수소와 별도로 공급된 산소를 반응시켜 물을 생성하게 된다. 따라서, 상기 전기 발생부(110)는 수소와 산소의 전기화학적 반응을 통하여 전기 에너지를 발생시키게 된다.
상기 개질기(120)는 수소를 포함하는 연료를 개질하여 수소 가스를 주성분으로 하는 개질 가스를 생성하게 된다. 상기 개질기(120)는 기액 분리기(150)에 연결되어 개질 가스를 공급하는 개질 가스 배출구(124)와 기액 분리기(150)와 연결되어 물을 공급받는 물 유입구(126)를 포함하여 형성된다. 또한, 상기 개질기(120)는 연료탱크(130)와 연결되어 연료를 공급받는 연료 유입구(122)를 포함하여 형성된다. 따라서, 상기 개질기(120)는 연료 유입구(122)를 통하여 공급되는 연료와 물 유입구(126)를 통하여 공급되는 물을 사용하여 개질 가스를 생성하게 된다. 또한, 상기 개질기(120)는 개질 가스 배출구(124)를 통하여 개질 가스를 기액 분리기(150)로 공급하게 된다. 상기 개질기(120)에서 생성되는 개질 가스는 수소 가스를 주성분으로 하며 일부 수증기를 포함하게 되므로 기액 분리기(150)를 통하여 수소 가스로 분리되어 전기 발생부(110)로 공급된다.
일반적으로 연료전지 시스템에 적용되는 개질기는 개질 방식에 따라 수증기 개질 방식(SR: steam reforming), 자열 개질 방식(ATR: autothermal reforming) 및 부분산화방식(POX: partial oxidation)으로 분류 될 수 있다. 상기 부분산화방식과 자열 개질 방식은 초기시동 및 부하변동에 따른 응답특성이 우수한 반면에, 수증기 개질 방식은 수소생산효율 측면에서 우수하다는 장점이 있다. 상기 수증기 개질 방식은 연료와 수증기의 화학반응, 즉 열에너지에 의한 화학 촉매 반응에 의해 서 수소를 주성분으로 하는 개질 가스, 즉 수소 가스를 얻는다. 상기 수증기 개질 방식은 열에너지에 의한 화학 촉매 반응을 수행하기 위하여 외부로부터 많은 양의 열 에너지를 필요로 하지만, 개질 가스 공급이 안정적이고 상대적으로 고농도의 수소를 얻을 수 있으므로 가장 보편적으로 사용된다. 따라서, 상기 개질기(120)는 바람직하게는 수증기 개질 방식을 사용하는 개질기로 형성된다.
또한, 상기 개질기(120)는 보다 상세하게는 개질부와 연소부를 포함하여 형성된다. 상기 개질부는 연료 탱크(130)로부터 공급되는 연료와 기액 분리기(150)로부터 공급되는 물로부터 열에너지에 의한 촉매 산화반응에 의하여 개질 가스를 생성하여 기액 분리기(150)로 공급하게 된다. 상기 연소부는 연료 탱크로부터 공급되는 연료와 별도의 공급수단(도면에 도시되지 않음)에 의하여 공급되는 공기를 연소시켜 열 에너지를 발생시키며 개질부에 열에너지를 공급하여 개질부를 소정 온도로 상승시키게 된다. 상기 개질부에서 진행되는 반응은 흡열 반응이므로 연소부에서 발생되는 열 에너지가 개질부로 공급되어 흡열 반응이 원활하게 이루어질 수 있도록 한다. 따라서, 상기 연료 탱크(130)로부터 공급되는 연료는 일부가 개질부로 공급되어 수소 가스를 생성하는데 소요되며, 일부가 연소부로 공급되어 개질부의 온도를 흡열 반응의 활성화 온도까지 상승시키는데 필요한 열 에너지를 생성하는데 소요된다. 상기 개질기(120)의 개질부와 연소부에 대한 구조는 당업자의 기술 수준에서 용이하게 구현할 수 있으므로 여기서 상세한 설명은 생략한다. 한편, 상기 개질기(120)는 개질부와 연소부가 별도로 형성되어 연소부에서 발생되는 열 에너지를 개질부로 전달하도록 형성될 수 있다.
한편, 상기 개질기(120)에서 생성되는 개질 가스는 주성분인 수소 가스와 함께 수증기, 미량의 일산화탄소, 이산화탄소, 메탄을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 수증기는 별도의 기액 분리기(150)에서 개질 가스로부터 분리되고, 수소 가스가 전기 발생부(110)로 공급된다. 또한, 상기 일산화탄소는 전기 발생부(110)의 전극으로 사용되는 백금 촉매를 피독시켜 연료전지 시스템(100)의 성능을 저하시키므로 별도의 일산화탄소 제거 수단(도면에 표시되지 않음)을 사용하여 제거하게 된다.
상기 연료 탱크(130)는 수소를 포함하는 메탄올 또는 에탄올 또는 부탄과 같은 연료를 저장하며, 별도의 연료 공급수단(도면에 도시되지 않음)에 의하여 연료를 개질기(120)의 연료 유입구(122)를 통하여 개질기(120)로 공급하게 된다. 상기 연료공급수단은 공압펌프, 다이아프램 펌프, 모터펌프를 포함하는 다양한 펌프가 사용될 수 있다.
상기 응축 탱크(140)는, 도 2를 참조하면, 전기 발생부(110)에 연결되며, 전기 발생부(110)에서 진행되는 전기 화학반응의 부산물인 수증기가 유입되어 응축되거나 응축된 물이 유입된다. 또한, 상기 응축 탱크(140)는 기액 분리기(150)에 연결되며, 응축된 물을 별도의 공급수단(도면에 도시하지 않음)에 의하여 공급하게 된다. 상기 응축 탱크(140)는 상부에 전기 발생부(110)로부터 수증기가 유입되는 수증기 유입구(142)가 형성되며, 하부에는 기액 분리기(150)로 물을 배출하는 물 배출구(144)가 형성된다. 상기 응축 탱크(140)에는 전기 발생부(110)로부터 수증기와 함께 질소를 포함하는 기체가 함께 유입된다. 그러나, 상기 응축 탱크(140)로 유입되는 질소는 물과 함께 기액 분리기(150)로 공급될 수 있으며, 이러한 경우에 수소 가스와 함께 전기 발생부(110)로 공급되어 바람직하지 않게 된다. 따라서, 상기 응축 탱크(140)는 바람직하게는 기액 분리기(150)로 공급되는 물에 질소와 같은 기체가 포함되지 않도록 하기 위하여 응축 탱크(140)의 하부에 물 배출구(144)가 형성된다.
한편, 상기 응축 탱크(140)는 질소와 같은 기체를 외부로 배출하는 기체 배출구(146)가 상부에 형성될 수 있다. 상기 기체 배출구(146)는 응축 탱크(140) 내부를 대기압 상태로 유지하면서 전기 발생부(110)에서 공급되는 질소를 포함하는 기체를 외부로 배출하게 된다. 또한, 상기 기체 배출구(146)는 수증기 또는 물은 통과시키지 않으며 질소와 같은 기체만을 선택적으로 통과시킬 수 있는 소수성막(148)으로 차폐되어 형성될 수 있다. 상기 소수성막(148)은 응축 탱크(140)의 내면에서 적어도 기체 배출구(146)가 형성된 영역을 포함한 영역 또는 기체 배출구(146)를 구성하는 배관 내에 형성된다. 상기 소수성막(148)은 미세기공(micro pore)을 가진 소수성 폴리머 재질로 형성되며, 응축 탱크(140) 내부로 유입된 기체를 외부로 방출하지만 내부의 수증기 또는 물이 외부로 방출되는 것을 차단하게 된다. 상기 소수성막(148)은 사불화폴리에틸렌(PTFE), 실리콘 수지를 포함하는 소수성 멤브레인(hydrophobic membrane) 중의 어느 하나로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 소수성막(148)은 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 중 어느 하나로 이루어질 수 있다. 다만 여기서 상기 소수성막(148)의 재질을 한정하는 것은 아니며, 소수성을 갖는 다양한 수지 재질로 형성될 수 있다.
상기 기액 분리기(150)는 제1탱크(152)와 제2탱크(154)를 포함하며, 응축 탱크(140)로부터 공급되는 물을 응축하여 개질기(120)로 공급하고, 개질기(120)에서 생성되어 공급되는 개질 가스로부터 수소 가스를 분리하여 전기 발생부(110)로 공급하게 된다. 따라서, 상기 기액 분리기(150)의 제1탱크(152)와 제2탱크(154)는 개질기(120)로 물을 공급하는 물 탱크의 역할과 개질 가스로부터 수소 가스를 분리하는 기액분리 탱크의 역할을 교대로 수행하게 된다.
상기 제1탱크(152)와 제2탱크(154)는 상부에 형성되어 개질기(120)로부터 개질 가스가 유입되는 개질 가스 유입구(155)와 상부에 형성되어 응축 탱크(140)로부터 물이 유입되는 물 유입구(156)와 상부에 형성되어 전기 발생부(110)로 수소 가스를 공급하는 수소 가스 공급구(157) 및 하부에 형성되어 개질기(120)로 물을 공급하는 물 공급구(158)가 각각 형성된다. 또한, 상기 제1탱크(152)와 제2탱크(154)는 내부에 저장되는 물의 수위를 감지할 수 있는 레벨 센서를 포함하게 된다. 따라서, 상기 제1탱크(152)와 제2탱크(154)는 물 탱크 역할을 하는 탱크에 저장되어 있는 물의 수위가 정해진 수위보다 낮아지면 기액분리 탱크로 전환되고, 기액분리 탱크가 물 탱크로 전환되도록 형성된다.
상기 제1탱크(152)와 제2탱크(154)는 제1쓰리웨이 밸브(210)에 의하여 개질기(120)에 선택적으로 연결된다. 즉, 상기 제1탱크(152)와 제2탱크(154) 중 어느 하나의 탱크만이 제1쓰리웨이 밸브(210)의 작동에 의하여 개질기(120)에 연결되어 기액분리 탱크로서 작용하게 된다. 이때, 상기 제1탱크(152) 또는 제2탱크(154)는 상부에 형성되는 개질 가스 유입구(155)가 개질기(120)의 개질 가스 배출구(124)에 연결된다. 따라서, 상기 개질기(120)의 개질 가스 배출구(124)에 연결되는 제1탱크(152)또는 제2탱크(154)는 개질 가스 유입구(155)를 통하여 개질기(120)에서 생성되어 공급되는 개질 가스를 공급받게 된다. 상기 제1탱크(152)와 제2탱크(154) 및 개질기(120)는 제1쓰리웨이 밸브(210)와 각각 배관을 통하여 연결될 수 있다. 상기 제1쓰리웨이 밸브(210)는 개질기(120)의 개질 가스 배출구(124)에 연결되는 하나의 공급 배관과 제1탱크(152)와 제2탱크(154)의 개질 가스 유입구(155)에 각각 연결되는 두 개의 배관 사이에 연결되어 공급 배관과 어느 하나의 배출 배관을 선택적으로 연결하게 되며, 제1쓰리웨이 밸브(210)는 일반적인 쓰리웨이 밸브로 형성되며, 쓰리웨이 밸브는 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 사람들에게 많이 알려져 있으므로 여기서 그 상세한 설명을 생략한다. 이하에서 설명하는 제2쓰리웨이 밸브(220)와 제3쓰리웨이 밸브(230) 및 제4쓰리웨이 밸브(240)의 경우에도 동일하게 된다.
상기 제1탱크(152)와 제2탱크(154)는 제2쓰리웨이 밸브(220)에 의하여 응축 탱크(140)에 선택적으로 연결된다. 즉, 상기 제1탱크(152)와 제2탱크(154) 중 어느 하나의 탱크만이 제2쓰리웨이 밸브(220)의 작동에 의하여 응축 탱크(140)에 연결되어 물을 공급받게 된다. 이때, 상기 제1탱크(152) 또는 제2탱크(154)는 상부에 형성되는 물 유입구(156)가 응축 탱크(140)의 물 배출구(144)와 연결된다. 또한, 상기 제1탱크(152)와 제2탱크(154)에서 개질기(120)의 개질 가스 배출구(124)에 연결되는 제1탱크(152) 또는 제2탱크(154)가 응축 탱크(140)에 연결되어 기액분리 탱크로 작용하며 응축 탱크(140)로부터 물을 공급받게 된다. 상기 제1탱크(152)와 제2 탱크(154) 및 응축 탱크(140)는 제2쓰리웨이 밸브(220)와 각각 배관을 통하여 연결될 수 있다.
상기 제1탱크(152)와 제2탱크(154)는 제3쓰리웨이 밸브(230)에 의하여 전기 발생부(110)에 선택적으로 연결된다. 즉, 상기 제1탱크(152)와 제2탱크(154) 중 어느 하나의 탱크만이 제3쓰리웨이 밸브(230)의 작동에 의하여 전기 발생부(110)에 연결되어 수소 가스를 공급하게 된다. 이때, 상기 제1탱크(152) 또는 제2탱크(154)는 상부에 형성되는 수소 가스 공급구(157)가 전기 발생부(110)에 연결된다. 또한, 상기 제1탱크(152) 또는 제2탱크(154)는 개질기(120)의 개질 가스 배출구(124)에 연결되는 제1탱크(152) 또는 제2탱크(154)가 전기 발생부(110)에 연결되어 기액분리 탱크로 작용하여 수소 가스를 공급하게 된다. 상기 제1탱크(152)와 제2탱크(154) 및 전기 발생부(110)는 제3쓰리웨이 밸브(230)와 각각 배관을 통하여 연결될 수 있다.
따라서, 상기 기액분리 탱크로 작용하는 제1탱크(152) 또는 제2탱크(154)는 개질기(120)와 응축 탱크(140) 및 전기 발생부(110)에 동시에 연결되어 개질기(120)로부터 공급되는 개질 가스에서 수소 가스를 분리하여 전기 발생부(110)로 공급하며, 응축 탱크(140)로부터 물을 공급받게 된다.
또한, 상기 제1탱크(152)와 제2탱크(154)는 제4쓰리웨이 밸브(240)에 의하여 개질기(120)의 물 유입구(126)에 선택적으로 연결된다. 즉, 상기 제1탱크(152)와 제2탱크(154)중 어느 하나의 탱크만이 제4쓰리웨이 밸브(230)의 작동에 의하여 하부에 형성되는 물 공급구(158)가 개질기(120)의 물 유입구(126)에 연결된다. 이때, 상기 제1탱크(152) 또는 제2탱크(154)는 하부에 형성되는 물 공급구(158)가 개질기(120)의 물 유입구(126)와 연결된다. 따라서, 상기 개질기(120)의 물 유입구(126)에 연결되는 제1탱크(152) 또는 제2탱크(154)는 물 탱크로 작용하여 개질기(120)의 물 유입구(126)로 물을 공급하게 된다. 상기 제1탱크(152)와 제2탱크(154) 및 개질기(120)의 물 유입구(126)는 제4쓰리웨이 밸브(230)와 각각 배관을 통하여 연결될 수 있다.
상기 산소 공급부(160)는 전기 발생부(110)에 연결되어 산소를 함유한 기체를 공급하게 된다. 상기 산소 공급부(160)는 바람직하게는 산소를 포함하는 공기를 공급하는 에어 컴프레서로 형성되며, 소정 공급 압력으로 공기를 공급하게 된다. 보다 상세하게는 상기 산소 공급부(150)는 전기 발생부(110)의 캐소드 전극으로 공기를 공급하여 전기 발생부(110)에서 전기화학 반응이 진행되도록 한다.
다음은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 작용에 대하여 설명한다. 도 3a와 도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 작용을 나타내는 구성도이다.
먼저, 도 3a에서 보는 바와 같이, 상기 연료전지 시스템(100)에서 상기 기액 분리기(150)의 제1탱크(152)가 기액 분리 탱크로 작용하는 경우를 중심으로 설명한다. 상기 연료전지 시스템(100)은 상기에서 설명한 바와 같이 연료탱크(130)에 저장되어 있는 수소를 포함하는 연료와 산소 공급부(160)에서 공급되는 산소를 포함 하는 기체가 전기 발생부(110)로 공급되어 전기화학 반응에 의하여 전기를 생산하게 된다.
상기 연료 탱크(130)는 저장되어 있는 수소를 포함하는 연료를 연료 공급수단에 의하여 개질기(120)로 공급한다. 상기 개질기(120)는 수소를 포함하는 연료를 개질하여 수소 가스와 수증기를 포함하는 개질 가스를 기액 분리기(150)의 제1탱크(152)의 개질 가스 유입구(155)를 통하여 공급하게 된다. 이때, 상기 제1쓰리웨이 밸브(210)는 개질기(120)의 개질 가스 배출구(124)와 제1탱크(152)의 개질 가스 유입구(155)를 연결하게 된다. 상기 기액 분리기(150)의 제1탱크(152)는 공급되는 개질 가스로부터 수소 가스를 분리하여 수소 가스 공급구(157)를 통하여 전기 발생부(110)로 수소 가스를 공급하게 된다. 이때, 상기 제3쓰리웨이 밸브(230)는 기액 분리기(150)의 제1탱크(152)와 전기 발생부(110)를 연결하게 된다. 상기 전기 발생부(110)는 기액 분리기(150)에서 공급되는 수소 가스와 산소 공급부(160)에서 공급되는 산소를 이용하여 전기 화학반응을 수행하여 전기를 발생시키게 된다. 또한, 상기 전기 발생부(110)는 전기 화학반응의 부산물인 수증기를 포함하는 물을 응축 탱크(140)의 수증기 유입구(142)로 공급하게 된다. 상기 제2쓰리웨이 밸브(220)는 응축 탱크(140)의 물 배출구(144)와 제1탱크(152)의 물 유입구(156)를 연결하게 되므로, 응축 탱크(140)에 저장되는 물은 물 배출구(144)와 연결되는 제1탱크(152)의 물 유입구(156)를 통하여 제1탱크(152)로 공급된다. 따라서, 상기 제1탱크(152)는 전기 화학 반응이 진행됨에 따라 물의 저장량이 많아지게 된다. 한편, 상기 기액 분리기(150)의 제2탱크(154)는 물 탱크로 작용하게 되므로 제4쓰리웨이 밸브(240) 에 의하여 개질기(120)의 물 유입구(126)와 연결된다. 즉, 상기 제2탱크(154)의 물 공급구(158)는 개질기(120)의 물 유입구(126)와 연결되어 물을 공급하게 된다. 따라서 상기 제2탱크(154)는 저장되어 있는 물의 양이 점차적으로 감소하게 되며 내부에 설치되어 있는 레벨센서는 물의 수위를 감지하게 된다
상기 제2탱크(154)의 물의 양이 설정된 레벨 이하로 감소하게 되면, 도 3b에서 보는 바와 같이, 제1쓰리웨이 밸브 내지 제4쓰리웨이 밸브(210, 220, 230, 240)가 각각 연결 방향을 변경하여 제2탱크(154)는 기액분리 탱크로 전환되며, 제1탱크(152)가 물 탱크로 작용하게 된다. 따라서, 상기 제1탱크(152)는 물 공급구(158)가 개질기(120)의 물 유입구(126)에 연결되어 저장되어 있는 물을 공급하게 된다. 또한, 상기 제2탱크(154)는 개질기(120)와 응축 탱크(140) 및 전기 발생부(110)와 연결되어 개질기(120)로부터 개질 가스를 공급받으며, 전기 발생부(110)로 수소 가스를 공급하게 된다.
따라서, 상기 연료전지 시스템은 전기 발생부(110)에서 발생되는 수증기를 포함하는 물을 응축 탱크(140)에 저장하여 개질기(120)로 공급함으로써 물의 재사용 효율을 증가시킬 수 있게 된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형의 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 특허청구범위 기재의 범위 내에 있 게 된다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템에 의하면 전기 발생부에서 전기 화학반응의 부산물로 발생되는 물을 저장하여 개질기로 공급함으로써 물의 재사용 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면 전기 발생부에서 발생되는 물을 재사용함으로써 물을 연료전지 시스템의 외부로 방출할 필요가 없게 되므로 물을 처리하기 위한 별도의 수단이 필요 없게 되며, 사용자의 편의를 증가시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (21)

  1. 수소와 산소의 전기화학반응에 의하여 전기를 생성하는 전기 발생부;
    상기 전기 발생부로 산소함유 기체를 공급하는 산소 공급부;
    상기 전기 발생부로 공급되는 수소 가스를 생성하는 개질기;
    상기 개질부로 상기 연료를 공급하는 연료 탱크;
    상기 전기 발생부에서 배출되는 수증기를 포함하는 물을 응축하는 응축 탱크 및
    상기 응축탱크로부터 공급되는 물을 저장하여 상기 개질기로 공급하며, 상기 개질부에서 공급되는 수소 가스와 수증기를 포함하는 개질 가스로부터 수소 가스를 분리하여 상기 전기 발생부로 공급하는 기액 분리기를 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 응축 탱크는 상기 전기 발생부와 연결되는 수증기 유입구와 상기 기액 분리기와 연결되는 물 배출구를 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 응축 탱크는 상기 전기 발생부로부터 유입되는 기체를 배출하는 기체 배출구가 상부에 형성되며, 상기 기체 배출구는 소수성막에 의하여 차폐되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 기액 분리기는 제1탱크와 제2탱크를 포함하며, 상기 제1탱크와 제2탱크는 교대로 상기 응축 탱크에서 공급되는 물을 저장하여 상기 개질기로 물을 공급하는 물 탱크와 상기 개질기에서 공급되는 개질 가스로부터 수소 가스를 분리하여 상기 전기 발생부에 공급하는 기액분리 탱크의 역할을 하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 제1탱크와 제2탱크는 물 탱크 역할을 하는 탱크에 저장되어 있는 물의 수위가 정해진 수위보다 낮아지면 기액분리 탱크로 전환되고, 기액분리 탱크가 물 탱크로 전환되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  6. 제 4항 또는 제 5항에 있어서,
    상기 제1탱크와 제2탱크는 내부에 저장되는 물의 수위를 검출하는 레벨센서를 더 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  7. 제 4항에 있어서,
    상기 제1탱크와 제2탱크는 어느 하나가 상기 개질기의 개질 가스 배출구에 선택적으로 연결되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 제1탱크와 제2탱크는 제1쓰리웨이(three-way) 밸브에 의하여 상기 개질기에 선택적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 제1탱크와 제2탱크는 어느 하나가 상기 응축 탱크에 선택적으로 연결되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 제1탱크와 제2탱크는 상기 개질기의 개질 가스 배출구에 연결된 탱크가 상기 응축 탱크에 연결되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 제1탱크와 제2탱크는 제2쓰리웨이(three-way) 밸브에 의하여 상기 응축 탱크에 선택적으로 연결되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  12. 제 7항에 있어서,
    상기 제1탱크와 제2탱크는 어느 하나가 상기 전기 발생부에 선택적으로 연결되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 제1탱크와 제2탱크는 상기 개질기의 개질 가스 배출구에 연결된 탱크가 상기 전기 발생부에 연결되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  14. 제 12항에 있어서,
    상기 제1탱크와 제2탱크는 제3쓰리웨이(three-way) 밸브에 의하여 상기 전기 발생부에 선택적으로 연결되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  15. 제 7항에 있어서,
    상기 제1탱크와 제2탱크는 어느 하나가 상기 개질기의 물 유입구에 선택적으로 연결되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 제1탱크와 제2탱크는 상기 개질기의 개질 가스 배출구에 연결되지 않은 탱크가 상기 개질기의 물 유입구에 연결되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  17. 제 15항에 있어서,
    상기 제1탱크와 제2탱크는 제4쓰리웨이(three-way) 밸브에 의하여 상기 개질기의 물 유입구에 선택적으로 연결되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  18. 제 1항에 있어서,
    상기 전기 발생부는 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 전해질막이 적층되어 형성되는 막-전극 어셈블리를 포함하며, 기액 분리기로부터 애노드 전극으로 공급되는 수소 가스와 산소 공급부로부터 캐소드 전극으로 공급되는 산소의 전기화학 반응에 의하여 전기를 생성하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  19. 제 1항에 있어서,
    상기 산소 공급부는 에어 컴프레서로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  20. 제 4항에 있어서,
    상기 개질기는 상기 연료 탱크로부터 공급되는 연료와 상기 기액 분리기의 물 탱크로부터 공급되는 수증기의 화학 촉매 반응에 의하여 수소 가스를 생성하는 수증기 개질 방식으로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  21. 제 1항에 있어서,
    상기 연료전지 시스템은 고분자 전해질형 연료전지 시스템인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101325144B1 (ko) * 2012-04-30 2013-11-06 지에스칼텍스 주식회사 연료전지 시스템의 자동 기액 분리 장치 및 방법

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