KR20070102311A - Fuel cell system using fuel feeding apparatus with on-off valve - Google Patents

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KR20070102311A
KR20070102311A KR1020060034303A KR20060034303A KR20070102311A KR 20070102311 A KR20070102311 A KR 20070102311A KR 1020060034303 A KR1020060034303 A KR 1020060034303A KR 20060034303 A KR20060034303 A KR 20060034303A KR 20070102311 A KR20070102311 A KR 20070102311A
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Abstract

A fuel cell system is provided to control the flowage amount of fuel precisely by using a fuel feeding apparatus with a compact size and to supply the fuel of an amount necessary for the fuel cell system. A fuel cell system includes an electricity-generating portion(160) for generating electricity by electrochemical reaction of a hydrogen-containing fuel and oxygen; a fuel feeding portion(100) for controlling the amount of the hydrogen-containing fuel to be supplied to the electricity-generating portion; a fuel container(140) for storing the hydrogen-containing fuel to be supplied to the electricity-generating portion; and a first pump(152) for supplying oxygen contained in atmospheric air to the electricity-generating portion, wherein the fuel feeding portion includes a second pump(151) which is connected to be fluidly communicated with the fuel container; at least one pipe(131-136) which is diverged from the second pump; an on-off valve(121-126) which is installed on each pipe; and a control portion(110) for controlling the opening and shutting of the on-off valve.

Description

개폐밸브를 이용한 연료공급장치를 이용한 연료전지 시스템{fuel cell system using fuel feeding apparatus with on-off valve}Fuel cell system using fuel feeding apparatus with on-off valve

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료공급장치를 포함하는 연료전지 시스템의 개략도1 is a schematic diagram of a fuel cell system including a fuel supply device according to an embodiment of the present invention;

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료공급장치를 포함하는 연료전지 시스템의 개략도2 is a schematic diagram of a fuel cell system including a fuel supply device according to another embodiment of the present invention;

<도면의 주요 부호에 대한 설명><Description of Major Symbols in Drawing>

100 : 연료공급장치 110 : 제어부100: fuel supply device 110: control unit

121 내지 126 : 밸브 131 내지 136 : 도관121 to 126: valves 131 to 136: conduits

140 : 연료용기 160 : 전기발생부140: fuel container 160: electricity generating unit

본 발명은 개폐밸브를 이용한 연료공급장치를 이용한 연료전지 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 서로 다른 개도율을 갖는 수 개의 개폐밸브를 병렬연결하여 구성되는 연료공급장치를 이용한 연료전지 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell system using a fuel supply device using an open / close valve, and more particularly, to a fuel cell system using a fuel supply device configured by connecting several open / close valves having different opening ratios in parallel. .

일반적으로 연료전지 시스템은 수소와 산소의 전기화학 반응에 의해 화학에 너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 발전 시스템이다. 상기 수소는 순수한 수소를 직접 연료전지 시스템에 공급할 수도 있고, 메탄올, 에탄올, 천연가스 등과 같은 수소함유물질을 개질하여 수소를 공급할 수도 있다. 상기 산소는 순수한 산소를 직접 연료전지 시스템에 공급할 수도 있고, 공기 펌프 등을 이용하여 통상의 공기에 포함된 산소를 공급할 수도 있다.In general, a fuel cell system is a power generation system that converts chemical energy directly into electrical energy by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. The hydrogen may supply pure hydrogen directly to the fuel cell system, or may supply hydrogen by reforming a hydrogen-containing material such as methanol, ethanol, natural gas, or the like. The oxygen may directly supply pure oxygen to the fuel cell system, or may supply oxygen included in normal air using an air pump or the like.

이러한 연료전지는 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 유사한 원리에 의해 작동되지만 사용되는 연료의 종류, 촉매, 전해질막 등이 서로 다르다. These fuel cells are polymer electrolyte type and direct methanol type fuel cells operating below 100 ° C, phosphoric acid type fuel cells operating near 150 ~ 200 ° C, molten carbonate type fuel cells operating at high temperature of 600 ~ 700 ° C, and 1000 ° C. It is classified into the solid oxide fuel cell etc. which operate at the above high temperature. Each of these fuel cells is basically operated on a similar principle, but differs in the type of fuel used, catalyst, electrolyte membrane, and the like.

이 중 직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC)는, 비교적 저온에서 동작이 가능하고, 수소를 생성하는 개질기를 사용하지 않고 메탄올을 직접 연료로 사용하기 때문에 보다 콤팩트하게 구성할 수 있다. 그래서 휴대용 전자 기기 등의 전원으로 사용이 가능하다. 한편 고분자 전해질형 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC)는 메탄올, 에탄올, 천연가스 등 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 소형휴대기기용 전원 등으로 이용할 수 있어 그 응용범위가 넓은 장점이 있다. Among them, the direct methanol fuel cell (DMFC) can operate at a relatively low temperature, and can be configured more compactly because methanol is directly used as a fuel without using a reformer that generates hydrogen. Therefore, it can be used as a power source for portable electronic devices. Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC), on the other hand, uses hydrogen generated by reforming hydrogen-containing materials such as methanol, ethanol, and natural gas. Is low and has fast startup and response characteristics. Therefore, as a mobile power source such as a car, as well as a distributed power source such as a house or a public building and a power supply for a small portable device such as a portable electronic device, there is a wide range of applications.

연료전지 시스템은 운전 조건에 따라 연료를 가변적으로 공급하는데, 연료전지 시스템의 효율적인 운전을 위해서는 공급되는 연료량을 얼마나 정밀하게 제어하느냐가 중요한 관건이 된다. 그런데 통상적으로 직접 메탄올 연료전지는 부피를 컴팩트하게 구성하기 때문에 직접 메탄올 연료전지에 내장되는 연료펌프도 소형이어야 한다. 이러한 소형의 연료펌프는 연료공급량을 정밀하게 제어하는 것이 어렵기 때문에 적절한 양의 연료를 공급하는 것이 어려울 수 있다. 또한 고분자 전해질형 연료전지는 사용하는 연료가 기체일 경우, 개도를 조절하여 연료공급량을 조절하는 밸브가 장착되는데, 상기 밸브의 개도를 정밀하게 제어하는 것이 어렵기 때문에 적절한 양의 연료를 고분자 전해질형 연료전지에 공급하는 것이 어렵게 된다.The fuel cell system supplies fuel variably according to operating conditions. For precise operation of the fuel cell system, how precisely the amount of fuel supplied is controlled. By the way, since the direct methanol fuel cell is generally compact in volume, the fuel pump embedded in the direct methanol fuel cell must also be small. Such a small fuel pump may be difficult to supply an appropriate amount of fuel because it is difficult to precisely control the fuel supply amount. In addition, the polymer electrolyte fuel cell is equipped with a valve for controlling the fuel supply amount by adjusting the opening degree when the fuel used is a gas, and because it is difficult to precisely control the opening degree of the valve, an appropriate amount of fuel is used in the polymer electrolyte type. Supplying fuel cells becomes difficult.

본 발명은 상술한 문제점을 고려하여 도출된 것으로, 본 발명의 목적은 유량을 보다 정밀하게 제어할 수 있는 컴팩트한 크기의 연료공급장치를 이용한 연료전지 시스템을 제공함에 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been derived in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a fuel cell system using a fuel supply device having a compact size capable of more precisely controlling the flow rate.

상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 연료전지 시스템은, 수소함유연료와 산소를 이용한 전기화학반응을 통해 발전하는 전기발생부와, 상기 전기발생부에 공급하는 상기 수소함유연료의 양을 제어하는 연료공급부와 ,상기 전기발생부에 공급하는 상기 수소함유연료를 저장하는 연료용기와, 상기 전기발생부에 통상의 공기 중에 포함된 산소를 공급하는 제1펌프를 포함하며, 상기 연료공급부는, 상기 연료용기와 유체소통가능하게 연결되는 제2펌프와, 상기 제2펌프에서 분기되는 하나 이상의 도관과, 각각의 상기 도관에 설치되는 개폐밸브와, 상기 개폐밸브의 개폐를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다. In order to achieve the above object, the fuel cell system according to the present invention, the electric generator for generating power through an electrochemical reaction using a hydrogen-containing fuel and oxygen, and the amount of the hydrogen-containing fuel supplied to the electric generator A fuel supply unit for controlling, a fuel container for storing the hydrogen-containing fuel supplied to the electricity generating unit, and a first pump for supplying oxygen contained in the normal air to the electricity generating unit, the fuel supply unit And a second pump fluidly connected to the fuel container, at least one conduit branched from the second pump, an on / off valve installed at each of the conduits, and a control unit to control the opening and closing of the on / off valve. Characterized in that.

상기 개폐밸브는 서로 다른 개도율을 가질 수 있고, 상기 제어부는 상기 제2펌프의 구동력을 조절할 수 있다. 상기 연료전지 시스템은 직접 메탄올형 연료전지 시스템일 수 있다. The opening and closing valve may have a different opening degree, and the control unit may adjust the driving force of the second pump. The fuel cell system may be a direct methanol fuel cell system.

본 발명의 다른 측면에 의한 연료전지 시스템에 의하면, 수소함유연료와 산소를 이용한 전기화학반응을 통해 발전하는 전기발생부와, 상기 전기발생부에 공기 중에 포함된 상기 산소를 공급하는 펌프와, 상기 전기발생부에 상기 수소를 공급하는 개질기와, 상기 개질기에 물을 공급하는 물용기와, 상기 개질기에 연료를 공급하는 연료공급장치와, 상기 개질기에 공급하는 연료를 저장하는 연료용기를 포함하며, 상기 연료공급장치는, 상기 연료용기와 유체소통이 가능하게 연결되며 하나 이상으로 분기되는 도관과, 각각의 상기 도관에 설치되는 개폐밸브와, 상기 개폐밸브의 개폐를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a fuel cell system comprising: an electric generator for generating electricity through an electrochemical reaction using hydrogen-containing fuel and oxygen, a pump for supplying the oxygen contained in air to the electric generator; A reformer for supplying the hydrogen to an electricity generating unit, a water container for supplying water to the reformer, a fuel supply device for supplying fuel to the reformer, and a fuel container for storing fuel for supplying the reformer, The fuel supply device may include a conduit branched in at least one conduit so as to be in fluid communication with the fuel container, an on / off valve installed in each of the conduits, and a controller for controlling the opening and closing of the on / off valve. It is done.

상기 개폐밸브는 서로 다른 개도율을 가질 수 있고, 상기 수소함유연료는 부탄일 수 있다. 상기 연료전지 시스템은 고분자 전해질형 연료전지 시스템일 수 있다.The opening and closing valve may have a different opening degree, and the hydrogen-containing fuel may be butane. The fuel cell system may be a polymer electrolyte fuel cell system.

이하, 본 발명을 명확히 하기 위한 바람직한 실시한 예를 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명하도록 한다. 도면상에서 동일한 참조부호는 동일하거나 유사한 구성요소를 가리킨다. 또한 도면상에 나타나는 각 구성요소의 형상 및 각 구성요소간의 크기의 비는 설명의 편의상 임의로 나타낼 수 있다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Like reference numerals in the drawings indicate the same or similar components. In addition, the ratio of the shape of each component and the size between each component shown in the drawings may be arbitrarily shown for convenience of description.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료공급장치(100)를 포함하는 연료전지 시스템의 개략도이다. 1 is a schematic diagram of a fuel cell system including a fuel supply device 100 according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템에 있어 연료라 함은 수소를 함유한 연료를 의미하고 특히 통상의 메탄올을 의미할 수 있다. 상기 메탄올은 고농도의 순수한 메탄올일 수도 있고, 고농도 메탄올이 물과 적절하게 혼합된 비교적 저농도의 메탄올일 수도 있다. In the fuel cell system according to the embodiment of the present invention, the fuel refers to a fuel containing hydrogen, and in particular, may refer to conventional methanol. The methanol may be a high concentration of pure methanol or may be a relatively low concentration of methanol in which a high concentration of methanol is properly mixed with water.

도 1을 참조하면 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템은, 연료공급장치(100), 연료용기(140), 전기발생부(160), 제1펌프(152)로 구성된다. 또한 연료공급장치(100)는 제2펌프(151), 제어부(110) 및 다수의 밸브(121 내지 126)로 구성된다. Referring to FIG. 1, a fuel cell system according to an exemplary embodiment of the present invention includes a fuel supply device 100, a fuel container 140, an electricity generating unit 160, and a first pump 152. In addition, the fuel supply device 100 is composed of a second pump 151, the control unit 110 and a plurality of valves (121 to 126).

본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템은 직접 메탄올 연료 전지 방식으로서, 연료용기(140)에 저장된 상기 연료를 전기발생부(160)에 공급하며, 전기발생부(160)는 상기 연료 및 제1펌프(152)를 통해 공급되는 산소를 이용하여 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시킨다.The fuel cell system according to the embodiment of the present invention is a direct methanol fuel cell system, and supplies the fuel stored in the fuel container 140 to the electricity generating unit 160, and the electricity generating unit 160 supplies the fuel and the first fuel cell. Oxygen supplied through the pump 152 is used to generate electrical energy through an electrochemical reaction.

연료용기(140)와 유체소통이 가능하도록 연결된 연료공급장치(100)는, 제2펌프(151)에서 각각의 제1도관(131), 제2도관(132), 제3도관(133), 제4도관(134), 제5도관(135), 제6도관(136)이 분기되어 구성된다. 각각의 도관(131 내지 136)은 유사한 직경을 가지고 있고 각각의 도관(131 내지 136)에는 제1밸브(121), 제2밸브(122), 제3밸브(123), 제4밸브(124), 제5밸브(125), 제6밸브(126)가 설치된다. 각각의 밸브(121 내지 126)는 서로 다른 개도율을 갖는 개폐밸브이며, 제어부(110) 의 제어신호에 따라 개폐된다. 상기 개도율이란, 각각의 밸브가 설치된 도관에 흐르는 전체 유량에 대하여 각각의 밸브를 완전개방하였을 때 흐르는 유량의 비를 말한다. 예를 들면, 제1밸브(121)의 개도율을 5% 라고 한다면, 제1밸브(121)를 완전개방하였을 때 제1도관(131)에 흐르는 유량의 5%를 통과시킨다. 한편 제어부(110)는 각각의 밸브(121 내지 126)의 작동에 따라 제1펌프(151)의 구동력을 조절할 수 있다.The fuel supply device 100 connected to the fuel container 140 to be in fluid communication with each other includes the first conduits 131, the second conduits 132, the third conduits 133, and the second conduits 151. The fourth conduit 134, the fifth conduit 135, and the sixth conduit 136 are branched. Each conduit 131-136 has a similar diameter and each conduit 131-136 has a first valve 121, a second valve 122, a third valve 123, and a fourth valve 124. The fifth valve 125 and the sixth valve 126 are installed. Each of the valves 121 to 126 is an on / off valve having a different opening degree, and is opened and closed according to a control signal of the controller 110. The said opening degree means the ratio of the flow volume which flows when each valve is completely opened with respect to the total flow volume which flows through the conduit in which each valve was installed. For example, if the opening degree of the first valve 121 is 5%, 5% of the flow rate flowing through the first conduit 131 when the first valve 121 is completely opened is passed. Meanwhile, the controller 110 may adjust the driving force of the first pump 151 according to the operation of the valves 121 to 126.

상기와 같은 연료공급장치(100)의 구성을 통하여 연료공급장치(100)의 작용을 설명하면 다음과 같다. Referring to the operation of the fuel supply device 100 through the configuration of the fuel supply device 100 as described above are as follows.

연료용기(140)에 저장된 상기 연료는 제2펌프(151)의 구동력을 이용하여 각각의 도관(131 내지 136)으로 유입되며, 이 때 각각의 밸브(121 내지 126)의 개폐 여부에 따라 각각의 도관(131 내지 136)을 흐르는 연료의 유량을 제어하여 연료공급장치(100)를 통해 공급되는 연료의 양을 제어할 수 있다. The fuel stored in the fuel container 140 flows into the respective conduits 131 to 136 by using the driving force of the second pump 151, and at this time, each of the valves 121 to 126 is opened or closed. The amount of fuel supplied through the fuel supply device 100 may be controlled by controlling the flow rate of the fuel flowing through the conduits 131 to 136.

예를 들어 연료공급장치(100)를 통해 공급되는 연료의 유량을 20단계로 조절하고 싶다면, 제1밸브(121)와 제2밸브(122)의 개도율은 5%, 제3밸브(123) 및 제4밸브(124)의 개도율은 10%, 제5밸브(125)의 개도율은 20%, 제6밸브(126)의 개도율은 50%로 설정한다. 이 때 각각의 밸브(121 내지 126)의 구동에 따라 연료공급장치(100)를 통해 공급되는 연료의 유량은 하기의 표 1과 같다.For example, if you want to adjust the flow rate of the fuel supplied through the fuel supply device 100 in 20 steps, the opening rate of the first valve 121 and the second valve 122 is 5%, the third valve 123 And the open rate of the fourth valve 124 is 10%, the open rate of the fifth valve 125 is 20%, and the open rate of the sixth valve 126 is 50%. At this time, the flow rate of the fuel supplied through the fuel supply device 100 according to the driving of each valve 121 to 126 is shown in Table 1 below.

제1밸브1st valve 제2밸브2nd valve 제3밸브3rd valve 제4밸브4th valve 제5밸브5th valve 제6밸브6th valve 연료공급장치의 공급유량Supply flow rate of fuel supply device OO XX XX XX XX XX 5%5% XX XX OO XX XX XX 10%10% OO XX OO XX XX XX 15%15% XX XX XX XX OO XX 20%20% OO XX XX XX OO XX 25%25% 생략skip OO XX OO OO OO XX 45%45% XX XX XX XX XX OO 50%50% OO XX XX XX XX OO 55%55% 생략skip OO XX OO XX OO OO 85%85% XX XX OO OO OO OO 90%90% OO XX OO OO OO OO 95%95% OO OO OO OO OO OO 100%100%

(O:밸브개방 X:밸브폐쇄)(O: Valve open X: Valve closed)

각각의 밸브(121 내지 126)의 구동은 제어부(110)를 통해 이루어지며, 제어부(110)는 연료공급장치(100)의 연료의 유량에 따라 제2펌프(151)의 구동력을 대략적으로 조절할 수 있다. 예를 들어 특히 연료공급장치(100)에서 공급하는 연료의 유량이 적을 때에는 제2펌프(151)의 구동력을 감쇄시킬 수 있다. 하지만 제어부(110)에서 제2펌프(151)의 구동력을 정밀하게 제어할 필요는 없고, 다만 제2펌프(151)에 과도한 부하가 걸리는 것을 방지하는 작용에 한한다. Each of the valves 121 to 126 is driven through the controller 110, and the controller 110 may adjust the driving force of the second pump 151 according to the flow rate of the fuel of the fuel supply device 100. have. For example, when the flow rate of the fuel supplied from the fuel supply device 100 is small, the driving force of the second pump 151 may be attenuated. However, the control unit 110 does not need to precisely control the driving force of the second pump 151, but is limited to the action of preventing excessive load on the second pump 151.

전기발생부(160)는 전기에너지를 발생하는 적어도 하나의 단위 연료 전지로써, 양측면을 이루는 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 전해질막이 개재된 통상의 전해질막-전극 접합체로 구성된다. 전기발생부(160)의 전기화학반응을 반응식으로 나타내면 하기 반응식 1과 같다.The electricity generating unit 160 is at least one unit fuel cell for generating electrical energy, and is composed of a conventional electrolyte membrane-electrode assembly in which an electrolyte membrane is interposed between an anode electrode and a cathode electrode forming both sides. Representation of the electrochemical reaction of the electricity generating unit 160 is shown in Scheme 1 below.

애노드 전극 반응 : CH30H ＋ H2O → CO2 ＋ 6H+ ＋ 6e- The anode reaction: CH 3 0H + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e -

캐소드 전극 반응 : 3/2 O2 ＋ 6H+ ＋ 6e- → 3H2OCathode Electrode Reaction: 3/2 O 2 + 6H + + 6e - → 3H 2 O

전체반응 : CH30H ＋ 3/2 O2 → CO2 ＋ 2H2O Total reaction: CH 3 0H + 3/2 O 2 → CO 2 + 2H 2 O

상기 반응식 1을 참조하면, 상기 애노드 전극에서는 상기 연료를 산화시키고, 상기 캐소드 전극에서는 산소를 환원시킴으로서 발생하는 전자의 이동을 통해 전기를 생산한다. 한편 전기발생부(160)는 복수의 상기 단위 연료 전지가 적층된 스택 구조를 가질 수도 있다. Referring to Reaction Scheme 1, electricity is generated through the movement of electrons generated by oxidizing the fuel at the anode and reducing oxygen at the cathode. Meanwhile, the electricity generation unit 160 may have a stack structure in which a plurality of unit fuel cells are stacked.

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료공급장치(200)를 포함하는 연료전지 시스템의 개략도이다. 2 is a schematic diagram of a fuel cell system including a fuel supply device 200 according to another embodiment of the present invention.

본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템에 있어 연료라 함은 메탄올, 에탄올, 천연가스 등의 수소를 함유한 물질을 포함할 수 있다. 하지만 이하에서는 설명의 편의상 상기 연료는 압축용기에 저장되는 탄화수소계열의 기체를 의미하며, 이러한 상기 연료는 노즐의 개방을 통해 저절로 외부로 분출되어 공급될 수 있다.In the fuel cell system according to another embodiment of the present invention, the fuel may include a substance containing hydrogen such as methanol, ethanol, natural gas, and the like. However, hereinafter, for convenience of description, the fuel refers to a hydrocarbon-based gas stored in a compression vessel, and the fuel may be spontaneously ejected and supplied through the opening of a nozzle.

도 2를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템은, 연료공급장치(200), 연료용기(240), 물용기(280), 개질기(250), 전기발생부(260), 제1펌프(271), 제2펌프(272)로 구성된다. 또한 연료공급장치(200)는 제어부(210) 및 개폐밸브인 밸브(221 내지 224)로 구성된다. 2, the fuel cell system according to another embodiment of the present invention, the fuel supply device 200, fuel container 240, water container 280, reformer 250, electricity generating unit 260, The first pump 271 and the second pump (272). In addition, the fuel supply device 200 is composed of a control unit 210 and the valve (221 to 224) that is an opening and closing valve.

본 발명의 다른 실시예에 따른 상기 연료전지 시스템은 고분자 전해질형 연료 전지로서, 연료용기(240)에 저장된 상기 연료와 물용기(280)에 저장된 물을 개질기(250)에 공급하며, 개질기(250)는 상기 연료와 물을 이용하여 수소를 생성하여 전기발생부(260)에 공급하고, 전기발생부(260)는 상기 수소 및 제2펌프(272)를 통해 공급되는 산소를 이용하여 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시킨다.The fuel cell system according to another embodiment of the present invention is a polymer electrolyte fuel cell, and supplies the fuel stored in the fuel container 240 and the water stored in the water container 280 to the reformer 250, the reformer 250 ) Generates hydrogen using the fuel and water and supplies the hydrogen to the electricity generator 260, and the electricity generator 260 is electrochemically prepared using oxygen supplied through the hydrogen and the second pump 272. The reaction generates electrical energy.

연료용기(240)의 일측과 유체소통이 가능하도록 연결된 연료공급장치(200)는 제1도관(231), 제2도관(232), 제3도관(233), 제4도관(234)으로 분기되어 병렬로 구성된다. 각각의 도관(231 내지 234)은 유사한 직경을 가지고 있고 각각의 도관(231 내지 234)에는 제1밸브(221), 제2밸브(222), 제3밸브(223), 제4밸브(224)가 설치된다. 각각의 밸브(221 내지 224)는 서로 다른 상기 개도율을 갖는 개폐밸브이며, 제어부(210)의 제어신호에 따라 개폐된다. The fuel supply device 200 connected to one side of the fuel container 240 to allow fluid communication is branched into the first conduit 231, the second conduit 232, the third conduit 233, and the fourth conduit 234. In parallel. Each conduit 231-234 has a similar diameter and each conduit 231-234 has a first valve 221, a second valve 222, a third valve 223, and a fourth valve 224. Is installed. Each of the valves 221 to 224 is an on / off valve having a different opening degree, and is opened and closed according to a control signal of the controller 210.

상기와 같은 연료공급장치(200)의 구성을 통하여 연료공급장치(200)의 작용을 설명하면 다음과 같다. Referring to the operation of the fuel supply device 200 through the configuration of the fuel supply device 200 as described above are as follows.

연료용기(240)에 저장된 상기 연료는 연료용기(240)의 내압에 의해 각각의 도관(231 내지 234)으로 공급된다. 이 때 각각의 밸브(221 내지 224)의 개폐 여부에 따라 각각의 도관(231 내지 234)을 흐르는 연료의 유량을 제어하여 연료공급장치(200)를 통해 공급되는 연료의 양을 제어할 수 있다. The fuel stored in the fuel container 240 is supplied to the respective conduits 231 to 234 by the internal pressure of the fuel container 240. In this case, the amount of fuel supplied through the fuel supply device 200 may be controlled by controlling the flow rate of the fuel flowing through the respective conduits 231 to 234 according to whether the valves 221 to 224 are opened or closed.

예를 들어 연료공급장치(200)를 통해 공급하는 연료의 유량을 10단계로 조절하고자 할 때, 제1밸브(221)의 개도율은 10%, 제2밸브(222)의 개도율은 20%, 제3밸브(223)의 개도율은 30%, 제4밸브(224)의 개도율은 40%로 한다. 이 때 각각의 밸브(221 내지 224)의 구동에 따라 연료공급장치(200)로 공급되는 연료의 유량은 하기의 표 2 같다.For example, when the flow rate of the fuel supplied through the fuel supply device 200 is adjusted in 10 steps, the opening rate of the first valve 221 is 10% and the opening rate of the second valve 222 is 20%. The opening rate of the third valve 223 is 30%, and the opening rate of the fourth valve 224 is 40%. At this time, the flow rate of the fuel supplied to the fuel supply device 200 according to the driving of each valve 221 to 224 is shown in Table 2 below.

제1밸브1st valve 제2밸브2nd valve 제3밸브3rd valve 제4밸브4th valve 연료공급장치의 공급유량Supply flow rate of fuel supply device OO XX XX XX 10%10% XX OO XX XX 20%20% XX XX OO XX 30%30% XX XX XX OO 40%40% OO XX XX OO 50%50% XX OO XX OO 60%60% XX XX OO OO 70%70% OO XX OO OO 80%80% XX OO OO OO 90%90% OO OO OO OO 100%100%

(O:밸브개방 X:밸브폐쇄)(O: Valve open X: Valve closed)

개질기(250)에는 연료용기(240)에 저장된 상기 연료가 연료공급장치(200)를 통해 공급되고, 제1펌프(271)의 구동력을 통해 물용기(280)에 저장된 물이 공급된다. 개질기(250)는 수증기 개질 촉매 반응, 자열개질반응 등을 통해 상기 연료와 물을 개질하여 수소가스를 생성한다. 이 때 필요한 공기 중 포함된 산소는 제2펌프(272)에 의해 공급된다.The reformer 250 supplies the fuel stored in the fuel container 240 through the fuel supply device 200, and supplies the water stored in the water container 280 through the driving force of the first pump 271. The reformer 250 generates hydrogen gas by reforming the fuel and water through a steam reforming catalytic reaction, an autothermal reforming reaction, and the like. At this time, oxygen contained in the air is supplied by the second pump 272.

전기발생부(260)에는 개질기(250)에서 생성된 의해 수소와 제2펌프(272)에 의해 공기 중에 포함된 산소가 공급된다. 전기발생부(260)는 전기에너지를 발생하는 적어도 하나의 단위 연료 전지로써, 양측면을 이루는 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 전해질막이 개재된 통상의 전해질막-전극 접합체로 구성된다. 전기발생부(260)의 전기화학반응을 반응식으로 나타내면 하기 반응식 2과 같다.The electricity generator 260 is supplied with hydrogen contained in the air by the hydrogen generated by the reformer 250 and the second pump 272. The electricity generator 260 is at least one unit fuel cell that generates electrical energy, and is composed of a conventional electrolyte membrane-electrode assembly in which an electrolyte membrane is interposed between an anode electrode and a cathode electrode forming both sides. The electrochemical reaction of the electricity generating unit 260 is shown in Scheme 2 below.

애노드전극 : H2 → 2H+ ＋ 2e- The anode: H 2 → 2H + + 2e -

캐소드전극 : ½O2 ＋ 2H+ ＋ 2e- → H2O Cathode: ½O 2 + 2H + + 2e - → H 2 O

전체반응식 : H2 ＋ ½O2 → H2O ＋ 전류 ＋ 열Overall reaction equation: H 2 + ½O 2 ¡Æ H 2 O + current + Heat

상기 반응식 2를 참고하면, 상기 수소는 애노드 전극에서 수소이온 및 전자로 나뉘고, 애노드 전극에서 생성된 상기 수소이온은 전해질막을 통과하여 캐소드전극으로 이동한다. 상기 수소이온은 캐소드전극에서 산소와 반응하여 물을 생성하고 캐소드전극에서 생성된 상기 전자들은 화학반응의 자유에너지 변화와 함께 외부회로를 통해 이동한다. Referring to Scheme 2, the hydrogen is divided into hydrogen ions and electrons at the anode, and the hydrogen ions generated at the anode move through the electrolyte membrane to the cathode. The hydrogen ions react with oxygen at the cathode to generate water, and the electrons generated at the cathode move through an external circuit with a change in free energy of the chemical reaction.

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.

예를 들면 본 발명의 실시예에 따른 연료공급장치(100)는 공급되는 연료의 유량을 20단계로 조절하고, 이에 따라 각각의 도관 및 밸브의 개수를 6개로 구성하고 각각의 밸브의 개도율을 전술한 바와 같이 구성하였지만 이에 한정하지 않는다. 연료공급장치(100)를 통해 연료의 유량을 공급하는 단계는 사용자가 임의로 설정할 수 있고, 이에 따라 도관과 밸브의 개수 및 각각의 밸브의 개도율은 임의로 정할 수 있는 것은 당연하다. For example, the fuel supply device 100 according to the embodiment of the present invention adjusts the flow rate of the supplied fuel in 20 stages, and accordingly, configures the number of each conduit and the valve to six and the opening degree of each valve. The configuration as described above is not limited thereto. The step of supplying the flow rate of the fuel through the fuel supply device 100 can be arbitrarily set by the user. Accordingly, the number of conduits and valves and the opening degree of each valve can be arbitrarily determined.

본 발명에 따른 연료공급장치를 이용한 연료전지 시스템에 의하면, 소형의 연료펌프를 이용하더라도 연료전지 시스템에 공급되는 연료 유량을 정밀하게 제어할 수 있다. 또한 연료전지 시스템에 밸브의 개도를 조절하여 연료를 공급하는 것에 비해 보다 정밀하게 연료 유량을 제어할 수 있다. 이와 같이 연료전지 시스템에 필요한 연료의 양을 정확하게 공급할 수 있기 때문에 보다 고효율의 연료전지 시스템이 가능하다.According to the fuel cell system using the fuel supply device according to the present invention, it is possible to precisely control the fuel flow rate supplied to the fuel cell system even if a small fuel pump is used. In addition, it is possible to control fuel flow more precisely than to supply fuel by adjusting the opening degree of the valve to the fuel cell system. As such, since the amount of fuel required for the fuel cell system can be accurately supplied, a more efficient fuel cell system is possible.

Claims (8)

수소함유연료와 산소를 이용한 전기화학반응을 통해 발전하는 전기발생부;An electricity generation unit generating electricity through an electrochemical reaction using hydrogen-containing fuel and oxygen; 상기 전기발생부에 공급하는 상기 수소함유연료의 양을 제어하는 연료공급부;A fuel supply unit controlling an amount of the hydrogen-containing fuel supplied to the electricity generation unit; 상기 전기발생부에 공급하는 상기 수소함유연료를 저장하는 연료용기; 및A fuel container for storing the hydrogen-containing fuel supplied to the electricity generating unit; And 상기 전기발생부에 통상의 공기 중에 포함된 산소를 공급하는 제1펌프를 포함하며,It includes a first pump for supplying oxygen contained in the normal air to the electricity generating unit, 상기 연료공급부는,The fuel supply unit, 상기 연료용기와 유체소통가능하게 연결되는 제2펌프;A second pump in fluid communication with the fuel container; 상기 제2펌프에서 분기되는 하나 이상의 도관;One or more conduits branching out of the second pump; 각각의 상기 도관에 설치되는 개폐밸브; 및On-off valves installed in the respective conduits; And 상기 개폐밸브의 개폐를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.A fuel cell system comprising a control unit for controlling the opening and closing of the on-off valve. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 개폐밸브는 서로 다른 개도율을 갖는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.The on-off valve has a fuel cell system, characterized in that having a different opening degree. 제2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 제어부는 상기 제2펌프의 구동력을 조절하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.The control unit is a fuel cell system, characterized in that for adjusting the driving force of the second pump. 제3항에 있어서,The method of claim 3, 상기 연료전지 시스템은 직접 메탄올형 연료전지 시스템인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.The fuel cell system is a fuel cell system, characterized in that the direct methanol fuel cell system. 수소함유연료와 산소를 이용한 전기화학반응을 통해 발전하는 전기발생부;An electricity generation unit generating electricity through an electrochemical reaction using hydrogen-containing fuel and oxygen; 상기 전기발생부에 공기 중에 포함된 상기 산소를 공급하는 펌프;A pump for supplying the oxygen contained in air to the electricity generating unit; 상기 전기발생부에 상기 수소를 공급하는 개질기;A reformer for supplying the hydrogen to the electricity generator; 상기 개질기에 물을 공급하는 물용기;A water container for supplying water to the reformer; 상기 개질기에 연료를 공급하는 연료공급장치; 및A fuel supply device for supplying fuel to the reformer; And 상기 개질기에 공급하는 연료를 저장하는 연료용기를 포함하며,A fuel container for storing the fuel supplied to the reformer, 상기 연료공급장치는,The fuel supply device, 상기 연료용기와 유체소통이 가능하게 연결되며 하나 이상으로 분기되는 도관;A conduit branched to one or more fluid communication with the fuel container; 각각의 상기 도관에 설치되는 개폐밸브; 및On-off valves installed in the respective conduits; And 상기 개폐밸브의 개폐를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.A fuel cell system comprising a control unit for controlling the opening and closing of the on-off valve. 제5항에 있어서,The method of claim 5, 상기 개폐밸브는 서로 다른 개도율을 갖는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.The on-off valve has a fuel cell system, characterized in that having a different opening degree. 제6항에 있어서,The method of claim 6, 상기 수소함유연료는 부탄인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.The fuel cell system, characterized in that the hydrogen-containing fuel is butane. 제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 연료전지 시스템은 고분자 전해질형 연료전지 시스템인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.The fuel cell system is a fuel cell system, characterized in that the polymer electrolyte fuel cell system.
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KR101065387B1 (en) * 2009-03-19 2011-09-16 삼성에스디아이 주식회사 Fuel cell system and operating method thereof
US8227125B2 (en) 2008-09-09 2012-07-24 Samsung Electronics Co., Ltd. Fuel cell system and fuel supply method thereof

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