KR20080004830A - 연료전지시스템 - Google Patents

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KR20080004830A
KR20080004830A KR1020060063644A KR20060063644A KR20080004830A KR 20080004830 A KR20080004830 A KR 20080004830A KR 1020060063644 A KR1020060063644 A KR 1020060063644A KR 20060063644 A KR20060063644 A KR 20060063644A KR 20080004830 A KR20080004830 A KR 20080004830A
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김기동
류성남
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Abstract

연료전지시스템이 개시된다. 본 발명에 따른 연료전지시스템은 수소와 공기의 전기 화학적 반응에 의해 전기를 생성하는 스택유닛; 상기 스택유닛에 수소를 공급하는 연료공급유닛; 상기 스택유닛에 공기를 공급하는 공기공급유닛; 및 상기 스택유닛을 냉각시키기 위한 냉각수가 저장된 냉각탱크와 저장된 냉각수가 상기 스택유닛 내부로 순환가능하게 하는 냉각수순환라인을 구비한 냉각유닛;을 포함하며,상기 공기공급유닛으로부터 상기 스택유닛으로 공급되는 공기는 상기 냉각탱크에 저장된 냉각수의 수면위 상부공간을 통과하면서 가열 및 가습된다.
이로 인해, 스택유닛으로 공급되는 공기의 가열 및 가습이 공기가 냉각유닛에 저장된 냉각수의 수면위를 통과하면서 한꺼번에 이루어진다. 따라서, 공기를 가습하기 위한 별도의 가습유닛이 필요없게 되어, 연료전지시스템의 제작비용이 저렴하고 연료전지시스템의 크기가 작아진다.
연료전지시스템, 상부공간, 가습, 가열

Description

연료전지시스템{FUEL CELL SYSTEM}
도 1은 종래의 연료전지시스템을 나타낸 개략도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템의 계통도,
도 3은 도 2의 공기공급유닛과 냉각탱크를 연결하는 제1공기공급라인, 냉각탱크, 냉각탱크와 스택유닛을 연결하는 제2공기공급라인의 연결관계를 나타낸 도면,
도 4는 도 2의 냉각탱크를 통과하는 공기가 가습 및 가열되는 원리를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 공기공급유닛과 냉각탱크를 연결하는 제1공기공급라인, 내벽 상측에 복수개의 배플이 설치된 냉각탱크, 냉각탱크와 스택유닛을 연결하는 제2공기공급라인의 연결관계를 나타낸 도면,
도 6은 도 5의 냉각탱크를 통과하는 공기가 가습 및 가열되는 원리를 나타낸 도면이다.
** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **
110 : 연료공급유닛 120 : 공기공급유닛
130 : 스택유닛 150 : 냉각유닛
151 : 냉각탱크 151a : 공기유입커넥터
151b : 공기유출커넥터 152 : 배플
Li : 제1공기공급라인 Lo : 제2공기공급라인
Sa : 상부공간 Sw : 냉각수저장공간
본 발명은 연료전지시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 스택유닛을 냉각시키는 냉각유닛을 이용하여, 스택유닛의 공기극으로 유입되는 공기의 가습 및 가열을 한꺼번에 할 수 있는 연료전지시스템에 관한 것이다.
도 1은 LNG, LPG, CH3OH, 가솔린 등의 탄화수소계(CH계열) 연료를 탈황공정→개질반응→수소정제공정을 거쳐 수소(H2)만을 정제하여 연료로 사용하는 PEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)방식의 연료전지시스템(이하, 연료전지시스템으로 통칭함)을 나타낸 개략도이다.
도 1에 도시된 바와 같이 종래 연료전지시스템은, 연료에서 수소(H2)만을 추출하여 스택유닛(30)에 공급하는 연료공급유닛(10)과, 공기를 스택유닛(30) 및 연료공급유닛(10)에 공급하는 공기공급유닛(20)과, 공급된 수소(H2) 및 공기로 전기를 생성하는 스택유닛(30)과, 스택유닛(30)에서 생성된 전기를 교류로 변환하여 부하(Load)에 공급하는 전기출력유닛(40)과, 스택유닛(30)을 냉각시키는 동시에 공기공급유닛(20)에서 스택유닛(30)의 공기극(32)으로 공급되는 공기를 가열시키는 열 교환기 역할을 하는 냉각유닛(50)과, 공기공급유닛(20)에서 스택유닛(30)의 공기극(32)으로 공급되는 공기가 적절한 습도를 가지도록 공기를 가습시키는 가습유닛(60)을 포함한다.
이러한, 종래의 연료전지시스템은 공기를 가습하기 위한 가습유닛(60)이 반드시 필요하게 되어, 연료전지시스템의 제작비용이 상승하고, 연료전지시스템의 크기가 커지는 문제점이 있었다.
또한, 공기공급유닛(20)에서 스택유닛(30)의 공기극(32)으로 공급되는 공기를 가습하고 가열시키기 위해, 공기공급유닛(20)에서 스택유닛(30)으로 연결된 공기공급배관(L1)이 가습유닛(60)과 냉각유닛(50)을 반드시 거쳐야 한다. 따라서, 공기공급배관(L1)이 불필요하게 길어지게 되어 연료전지시스템의 구성이 복잡해지는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 종래 연료전지시스템이 가지는 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 스택유닛의 공기극으로 유입되는 공기의 가습 및 가열을 한꺼번에 할 수 있는 구조가 간단한 연료전지시스템을 제공하는 데 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 연료전지시스템은 수소와 공기의 전기 화학적 반응에 의해 전기를 생성하는 스택유닛; 상기 스택유닛에 수소를 공급하는 연료공급유닛; 상기 스택유닛에 공기를 공급하는 공기공급유닛; 및 상기 스택유닛을 냉각시키기 위한 냉각수가 저장된 냉각탱크와 저장된 냉각수를 상기 스 택유닛 내부로 순환가능하게 하는 냉각수순환라인을 구비한 냉각유닛;을 포함하며, 상기 공기공급유닛으로부터 상기 스택유닛으로 공급되는 공기는 상기 냉각탱크에 저장된 냉각수의 수면위 상부공간을 통과하면서 가열 및 가습된다.
여기서, 연료전지시스템은, 상기 공기공급유닛으로부터 공급된 공기가 상기 냉각탱크에 저장된 냉각수의 수면위 상부공간을 통과하도록, 상기 공기공급유닛과 상기 냉각탱크를 연결하는 제1공기공급라인 및; 상기 냉각수의 수면위 상부공간을 통과하여 가열 및 가습된 공기가 상기 스택유닛으로 공급되기 위해, 상기 냉각탱크와 상기 스택유닛을 연결하는 제2공기공급라인;을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 냉각탱크는, 상기 제1공기공급라인과 연결되며 냉각수의 수면보다 높은 위치에 형성된 공기유입커넥터; 및 상기 제2공기공급라인과 연결되며 냉각수의 수면보다 높은 위치에 형성된 공기유출커넥터;를 포함하는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 냉각탱크의 내부공간은, 냉각수가 채워진 냉각수저장공간; 및냉각수가 채워지고 남겨진 상부공간;으로 구성되며, 상기 공기공급유닛으로부터 상기 스택유닛으로 공급되는 공기의 가열 및 가습 정도는 상기 냉각수저장공간의 높이에 따라 달라지는 것이 바람직하다.
또한, 상기 냉각탱크 내벽 상측에 복수개의 배플이 하측으로 연장되게 설치되어, 냉각탱크의 상부공간을 지나는 공기가 보다 오랜 시간에 걸쳐 상부공간을 지나가도록 하여 공기가 가열 및 가습되는 시간을 늘리는 것이 바람직하다.
이렇게 스택유닛으로 공급되는 공기의 가열 및 가습이 공기가 냉각유닛에 저장된 냉각수의 수면위를 통과하면서 한꺼번에 이루어진다. 따라서, 공기를 가습하 기 위한 별도의 가습유닛이 필요없게 되어, 연료전지시스템의 제작비용이 저렴하고 연료전지시스템의 크기가 작아진다. 또한, 가습유닛이 없어짐으로 인해 공기공급유닛에서 스택유닛으로 연결된 공기공급배관이 가습유닛을 거칠 필요가 없다. 따라서, 공기공급배관이 짧아지게 되어 연료전지시스템의 구성이 간단해 진다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템을 첨부도면에 의거하여 상세히 설명한다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템의 계통도이고, 도 3은 도 2의 공기공급유닛과 냉각탱크를 연결하는 제1공기공급라인과 냉각탱크와 냉각탱크와 스택유닛을 연결하는 제2공기공급라인의 연결관계를 나타낸 도면이고, 도 4는 도 2의 냉각탱크를 통과하는 공기가 가습 및 가열되는 원리를 나타 낸 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템은 수소와 산소의 전기화학적 반응으로 전기를 생성하는 스택유닛(130); 스택유닛(130)의 연료극(131)에 수소를 공급하는 연료공급유닛(110); 스택유닛(130)의 공기극(132)에 공기를 공급하는 공기공급유닛(120); 스택유닛(130)을 냉각시키기 위한 냉각수가 저장된 냉각탱크(151)를 구비한 냉각유닛(150); 공기공급유닛(120)으로부터 공급된 공기가 냉각탱크(151)에 저장된 냉각수의 수면 위 상부공간(Sa)을 통과하도록, 공기공급유닛(12O)과 냉각탱크(151)를 연결하는 제1공기공급라인(Li) 및; 냉각수의 수면위 상부공간(Sa)을 통과한 공기가 스택유닛(130)으로 공급되기 위해, 냉각탱크(151)와 스택유닛(130)을 연결하는 제2공기공급라인(Lo);을 포함한다.
상기 연료공급유닛(110)은 LNG에서 수소(H2)를 정제하여 스택유닛(130)의 연료극(131)에 공급하는 개질기(111) 및 LNG를 개질기(111)에 공급하기 위한 배관(112)을 포함한다. 개질기(111)는 연료에 함유된 황을 제거하는 탈황반응기(111a)와, 연료와 수증기가 개질 반응하여 수소를 발생시키는 개질반응기(111b)와, 개질반응기(111b)를 거쳐 발생된 일산화탄소를 재반응시켜 수소를 추가 발생시키는 고온수반응기(111c) 및 저온수반응기(111d)와, 공기를 촉매로 하여 연료중의 일산화탄소를 제거함으로써 수소를 정제하는 부분산화반응기(111e)와, 개질반응기(111b)에 수증기를 공급하는 수증기발생기(111f)와, 수증기발생기(111f)에 필요한 열을 공급하는 버너(111g)로 이루어진다.
상기 공기공급유닛(120)은 외부공기를 정화시키기 위한 공기필터(123)와, 정화된 공기를 냉각탱크(151)을 거쳐 스택유닛(130)의 공기극(132)와, 연료공급유닛(110)의 버너(111g)로 불어주기 위한 공기펌프(122)을 포함한다.
상기 스택유닛(130)은 연료공급유닛(110)과 공기공급유닛(120)에서 각각 공급되는 수소와 산소의 전기화학적 반응에 의해 전기에너지와 열에너지를 동시에 생성하도록 연료극(131)과 공기극(132)을 포함한다.
상기 전기출력유닛(140)은 스택유닛(130)에서 생성된 전기에너지를 교류로 변환시켜 부하(Load)에 공급한다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 냉각유닛(150)은 연료공급유닛(110)의 스택유닛(130)에 물을 공급하여 스택유닛(130)을 냉각한다. 냉각유닛(150)은 소정량의 물을 충전하는 냉각탱크(151)와, 스택유닛(130)과 냉각탱크(151) 사이를 순환식으로 연결하는 냉각수순환라인(Lc)과, 냉각수순환라인(Lc)의 중간에 설치되며 냉각탱크(151)의 물을 펌핑하여 냉각수순환라인(Lc)을 흐르도록 하는 물순환펌프(153)로 이루어져 있다.
상기 냉각탱크(151)는 제1공기공급라인(Li)과 연결되며 냉각수의 수면보다 높은 위치에 형성된 공기유입커넥터(151a); 및 제2공기공급라인(Lo)과 연결되며 냉각수의 수면보다 높은 위치에 형성된 공기유출커넥터(151b);를 포함한다. 물론, 공기의 가습양을 조절할 필요가 없고 공기의 가열에만 초점을 둔다면, 공기유입커넥터(151a)을 냉각수의 수면보다 낮은 위치에 형성할 수도 있을 것이다. 즉, 공기가 냉각수를 통과하게 할 수도 있을 것이다.
한편, 냉각탱크(151)의 내부공간은, 냉각수가 채워진 냉각수저장공간(Sw); 및 냉각수가 증발되어 생성된 습기(V)로 채워진 상부공간(Sa);으로 구성된다.
여기서, 공기공급유닛(120)으로부터 스택유닛(130)으로 공급되는 공기의 가열 및 가습 정도는 냉각수저장공간(Sw)의 높이(H)에 따라 달라진다. 다시 말해, 냉각수저장공간(Sw)의 높이(H)가 높아지면 냉각수저장공간(Sw)에 채워진 냉각수의 양이 많아지고 냉각수는 그 만큼 많은 열과 습기를 제공할 수 있다. 반면, 냉각수저장공간(Sw)의 높이(H)가 낮아서 냉각수저장공간(Sw)에 채워진 냉각수의 양이 줄어들면냉각수는 그 만큼 적은 열과 습기를 제공할 수 있다. 따라서, 냉각수가 채워진 냉각수저장공간(Sw)의 높이(H)를 조절하여 공기의 가열 및 가습정도를 조절할 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 공기공급유닛과 냉각탱크를 연결하는 제1공기공급라인, 내벽 상측에 복수개의 배플이 설치된 냉각탱크, 냉각탱크와 스택유닛을 연결하는 제2공기공급라인의 연결관계를 나타낸 도면이다. 전술 및 도시한 구성과 동일 및 동일 상당부분에 대해서는 동일한 참조부호를 부여하고, 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 냉각탱크(151)의 내벽(151c) 상측에 복수개의 배플(151)이 하측으로 연장되게 설치된다. 이럴 경우, 배플(151)이 냉각탱크의 상부공간(Sa)을 지나는 공기의 흐름을 방해하여 공기가 보다 오랜 시간에 걸쳐 상부공간을 도시된 바와 같이 꼬불꼬불하게 보다 긴 경로를 거쳐서 지나갈 수 있다. 따라서, 보다 효과적으로 공기를 가열 및 가습시킬 수 있다.
상술한 바와 같은 연료전지시스템은, 스택유닛(130)에 공급되는 공기의 가열 및 가습이 공기가 냉각유닛(150)에 저장된 냉각수의 수면위 상부공간을 통과하면서 한꺼번에 이루어지게 된다. 따라서, 공기를 가습하기 위한 별도의 가습유닛이 필요없게 되어, 연료전지시스템의 제작비용이 저렴해지고 연료전지시스템의 크기가 작아진다.
또한, 가습유닛이 없어짐으로 인해 공기공급유닛(120)에서 스택유닛(130)으로 연결된 공기공급배관이 가습유닛을 거칠 필요가 없게 된다. 따라서, 공기공급배관이 짧아지게 되어 연료전지시스템의 구성이 간단해 진다.
이하, 상술한 구성을 가진 연료전지시스템의 동작을 설명하면 다음과 같다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 공기공급유닛(120)은 공기펌프(122)를 가동시켜 외부공기를 공기필터(123)와 제1공기공급라인(Li)과 공기유입커넥터(151a)를 거쳐 냉각탱크(151)의 상부공간(Sa)으로 유입시킨다.
한편, 냉각탱크(151)에 저장되며 스택유닛(130)을 냉각시키기 위해 냉각수순환라인(Lc)의 내부를 계속적으로 순환하는 상온의 냉각수(Deionized Water)는 55~60℃의 온도를 유지하고 있으며, 냉각탱크(151)의 상부공간(Sa)은 상기 냉각수에 의해서 계속적으로 발생된 증기(V)로 채워져 있다. 이러한 증기는 냉각탱크(151)로 유입된 공기를 충분히 가열 및 가습시킬 높은 온도와 습도를 가지고 있다.
따라서, 냉각탱크(151)로 유입된 공기는 냉각탱크(151)의 상부공간(Sa)을 거치는 동안 가열 및 가습되고, 이렇게 가열 및 가습된 공기는 공기유출커넥터(151b)와 제2공기공급라인(Lo)을 거쳐 스택유닛(130)의 공기극(132)에 공급된다.
연료공급유닛(110)은 스택유닛(130)의 연료극(131)에 수소를 공급하고, 스택유닛(130)은 이렇게 공급받은 공기와 수소로 전기를 생성한다. 생성 된 전기는 각종 전기제품에 공급된다.
본 발명의 일 실시예에 의한 연료전지시스템은 스택유닛으로 공급되는 공기의 가열 및 가습이 공기가 냉각유닛에 저장된 냉각수의 수면위 상부공간을 통과하면서 한꺼번에 이루어진다. 따라서, 공기를 가습하기 위한 별도의 가습유닛이 필요없게 되어, 연료전지시스템의 제작비용이 저렴하고 연료전지시스템의 크기가 작아진다.
또한, 가습유닛이 없어짐으로 인해 공기공급유닛에서 스택유닛으로 연결된 공기공급배관이 가습유닛을 거칠 필요가 없다. 따라서, 공기공급배관이 짧아지게 되어 연료전지시스템의 구성이 간단해 진다.
또한, 냉각탱크의 내벽 상측에 복수개의 배플이 하측으로 연장되게 설치되어 있어, 보다 효과적으로 공기를 가열 및 가습시킬 수 있다.

Claims (5)

  1. 수소와 공기의 전기 화학적 반응에 의해 전기를 생성하는 스택유닛;
    상기 스택유닛에 수소를 공급하는 연료공급유닛;
    상기 스택유닛에 공기를 공급하는 공기공급유닛; 및
    상기 스택유닛을 냉각시키기 위한 냉각수가 저장된 냉각탱크와 저장된 냉각수가 상기 스택유닛 내부로 순환가능하게 하는 냉각수순환라인을 구비한 냉각유닛;을 포함하며,
    상기 공기공급유닛으로부터 상기 스택유닛으로 공급되는 공기는 상기 냉각탱크에 저장된 냉각수의 수면위 상부공간을 통과하면서 가열 및 가습되는 연료전지시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 공기공급유닛으로부터 공급된 공기가 상기 냉각탱크에 저장된 냉각수의 수면위 상부공간을 통과하도록, 상기 공기공급유닛과 상기 냉각탱크를 연결하는 제1공기공급라인 및;
    상기 냉각수의 수면위 상부공간을 통과하여 가열 및 가습된 공기가 상기 스택유닛으로 공급되기 위해, 상기 냉각탱크와 상기 스택유닛을 연결하는 제2공기공급라인;을 포함하는 연료전지시스템.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 냉각탱크는,
    상기 제1공기공급라인과 연결되며 냉각수의 수면보다 높은 위치에 형성된 공기유입커넥터; 및
    상기 제2공기공급라인과 연결되며 냉각수의 수면보다 높은 위치에 형성된 공기유출커넥터;를 포함하는 연료전지시스템.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 냉각탱크의 내부공간은,
    냉각수가 채워진 냉각수저장공간; 및
    냉각수가 채워지고 남겨진 상부공간;으로 구성되며,
    상기 공기공급유닛으로부터 상기 스택유닛으로 공급되는 공기의 가열 및 가습 정도는 상기 냉각수저장공간의 높이에 따라 달라지는 연료전지시스템.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 냉각탱크 내벽 상측에는 복수개의 배플이 하측으로 연장되어 설치된 연료전지시스템.
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