KR20080034512A - 연료전지시스템 - Google Patents

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도요다 지도샤 가부시끼가이샤
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Abstract

배관 내에 물이 보존되는 것을 방지하면서 소형화될 수 있는 연료전지시스템이 개시되어 있다. 상세하게는, 연료전지(2), 연료가스공급시스템으로부터의 연료가스의 유량을 제어하기 위한 연료가스제어유닛(3), 상기 연료전지(2)로부터 배출되는 애노드오프가스에 함유된 수증기를 분리하기 위한 기액분리장치(4) 및 상기 기액분리장치(4)로부터 배출되는 애노드오프가스를 상기 연료가스공급시스템으로부터 새롭게 공급되는 연료가스와 혼합하여, 상기 혼합된 가스를 상기 연료전지(2)로 공급하기 위한 순환유닛(5)을 포함하여 이루어지는 연료전지시스템(1)이 개시되어 있다. 상기 기액분리장치(4) 및 순환유닛(5)은 연료전지(2)의 엔드플레이트(6)에 고정되고, 상기 순환유닛(5)은 기액분리장치(4)보다 높은 위치에 배치된다.

Description

연료전지시스템{FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 연료전지시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료전지로부터 배출되는 애노드오프가스(anode off gas)를 순환하기 위한 연료전지시스템에 관한 것이다.
연료전지는 전해질멤브레인이 애노드와 캐소드 사이에 끼워지도록 구성되어 있다. 수소(연료가스)가 애노드와 접촉하고, 산소(산화제가스)가 캐소드와 접촉하게 되면, 양 전극간에는 전기화학반응이 발생하여, 기전력을 발생시키게 된다.
일반적으로, 연료전지시스템은 고압수소탱크로부터 애노드로 공급되는 연료가스를 공급하고, 이와 동시에 컴프레서에 의해 외부로부터 취한 공기를 캐소드로 공급한다. 이 때, 새롭게 공급될 연료가스량을 줄이기 위하여, 상기 애노드로부터 배출되는 애노드오프가스가 순환장치에 의해 순환된다. 상기 순환된 애노드오프가스는 외부로부터 새롭게 공급되는 연료가스와 혼합된 다음, 상기 혼합된 가스가 애노드로 공급된다.
하지만, 애노드오프가스에 함유된 수증기가 물로 응축되면, 애노드오프가스를 순환시키는 배관 내에 남아, 유동하는 애노드오프가스량을 감소시키므로, 소정량의 수소를 연료전지로 공급할 수 없게 되는 문제점이 있다.
이러한 문제의 관점에서, 연료전지의 애노드오프가스배출구와 순환장치의 애노드오프가스유입구 사이에 상기 애노드오프가스유입구보다 높게 위치하는 배관차단밸브(passage shut-off valve)를 구비한 연료전지장치가 제안되어 왔다(일본특허공개공보 제2002-231294호 참조). 이러한 장치에 따르면, 애노드오프가스가 순환되는 배관 내의 물에 의해 수소의 흐름이 차단되는 것이 방지될 수 있다.
불행히도, 상기 장치는 전체 장치의 크기가 더욱 커지기 때문에 보다 컴팩트한 장치에 대한 최근의 요구사항들을 충족시킬 수 없다.
상기 문제점의 관점에서 본 발명이 고안되었다. 다시 말해, 본 발명의 목적은 배관 내에 물이 남게 되는 것을 방지할 수 있는 보다 컴팩트한 연료전지시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적과 장점들은 후술하는 설명으로부터 명백해질 것이다.
본 발명에 따른 연료전지시스템은, 연료전지, 상기 연료전지의 애노드에 연료가스를 공급하기 위한 연료가스공급시스템, 상기 연료전지로부터 배출되는 애노드오프가스 내에 함유된 수분을 분리하기 위한 기액분리장치(gas-liquid separator), 및 상기 애노드오프가스를 상기 연료전지에 공급하기 위해 상기 기액분리장치로부터 배출되는 애노드오프가스를 순환시키기 위한 순환장치를 포함하고; 상기 연료전지시스템은 상기 기액분리장치와 상기 순환장치가 상기 연료전지의 엔드플레이트(end plate)에 부착되며; 상기 순환장치는 상기 기액분리장치보다 높게 위치하는 것을 특징으로 한다.
상기 기액분리장치는 상기 순환장치 바로 아래에, 바람직하게는 수직방향으로 하향으로 배치된다.
상기 순환장치는 순환펌프일 수 있고, 상기 애노드오프가스 및 상기 연료가스는 함께 상기 순환펌프의 가스배출구 부근에서 합류하는 것이 바람직하다.
상기 순환장치는 이젝터(ejector)일 수 있다.
연료가스공급시스템으로부터 유동하는 연료가스량을 제어하기 위한 연료가스유량제어장치를 더 포함하는 연료전지시스템의 경우에 있어서, 상기 연료가스유량제어장치는 상기 순환장치 바로 아래에 배치되는 것이 바람직하다.
상기 연료전지시스템은, 상기 연료가스유량제어장치로부터 상기 애노드오프가스와 상기 연료가스가 합류하는 합류부까지 연장되는 배관의 합류부보다 높게 위치하는 단차부를 포함하는 것이 바람직하다. 이 경우, 상기 단차부는 스프링 특성을 갖는 형상의 일부분에 포함될 수 있다. 여기서, 상기 합류부와 상기 단차부 사이의 배관에는 하향으로 볼록하게 만곡된 만곡부가 배치되고, 상기 만곡부 부근에는 발열부재가 배치되는 것이 바람직하다.
상기 연료가스공급시스템으로부터 유동하는 연료가스량을 제어하기 위한 연료가스유량제어장치를 더 포함하는 연료전지시스템의 경우에 있어서, 상기 연료가스유량제어장치로부터 상기 애노드오프가스와 상기 연료가스가 합류하는 합류부까지 연장되는 배관에는 하향으로 볼록하게 만곡된 만곡부가 배치되는 것이 바람직하다. 상기 만곡부는 스프링 특성을 갖는 형상의 일부분에 포함되는 것이 바람직하다.
상기 연료가스유량제어장치는 레귤레이터(regulator), 셧밸브(shut valve) 또는 인젝터(injector)일 수 있다.
본 발명에 따르면, 기액분리장치와 순환장치가 연료전지의 엔드플레이트에 부착되어, 공간을 효율적으로 사용할 수 있고 더욱 컴팩트한 장치를 제공하게 된다. 부가적으로, 상기 순환장치는 기액분리장치보다 높게 위치하므로, 상기 순환장치 내부에 수증기가 물로 응축되더라도, 상기 물이 기액분리장치 안으로 떨어짐으로써, 상기 순환장치 내부에 물이 남게 되는 것을 방지하게 된다.
도 1은 본 실시예에 따른 연료전지시스템의 개략적인 측면도;
도 2는 본 실시예에 따른 연료전지시스템의 또다른 개략적인 측면도;
도 3은 연료가스유량제어장치와 합류부 사이에 제공된 만곡부의 개략도; 및
도 4는 본 실시예에 따른 연료전지시스템의 또다른 개략적인 측면도이다.
도 1은 본 실시예에 따른 연료전지시스템의 개략적인 측면도이다. 이 연료전지시스템은 차량용으로 적합하지만, 거치형과 기타 용도에도 적용가능하다는 점에 유의한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 연료전지시스템(1)은 연료가스와 산화제가스에 의해 기전력을 발생시키는 연료전지(2); 연료가스유량제어장치(3); 상기 연료전지(2)로부터 배출되는 애노드오프가스로부터 물을 분리시키는 기액분리장치(4); 및 상기 연료전지(2)로 공급될 기액분리장치(4)로부터 배출되는 애노드오프가스를 순환시키 는 순환장치(5)를 포함한다. 상기 연료가스유량제어장치(3)는 연료가스공급시스템(도시안됨)에 연결되고, 최적의 연료가스량이 연료가스공급시스템으로부터 애노드로 공급되도록 제어한다.
예를 들어, 연료가스유량제어장치(3)로는 레귤레이터, 셧밸브 또는 인젝터가 사용될 수도 있다. 부가적으로, 본 실시예에 따르면, 순환장치(5)로서 순환펌프가 사용된다. 본 발명이 이것으로 국한되는 것은 아니며, 예컨대 순환펌프 대신에 이젝터가 사용될 수도 있음에 유의한다.
도 1에서, 연료전지(2)는 연료전지스택(도시안됨)이 중앙선 A-A'의 좌우에 병렬로 배치되도록 구성된다. 여기서, 상기 연료전지스택은 복수의 셀(예컨대, 20개의 셀)이 적층되도록 구성된다. 부가적으로, 셀은 전해질멤브레인이 애노드와 캐소드로 이루어진 한 쌍의 전극 사이에 끼워지도록 구성된다. 상기 연료전지스택은 서브 스택을 형성하도록 복수의 셀을 적층시키고, 복수의 서브 스택을 추가로 적층시켜 형성될 수도 있음에 유의한다. 상기 셀의 적층방향으로 양 단부에는 터미널, 인슐레이터 및 엔드플레이트가 배치되고, 이들은 연료전지(2)를 형성하도록 고정된다.
본 실시예에 따르면, 연료가스유량제어장치(3), 기액분리장치(4) 및 순환장치(5)가 연료전지(2)의 엔드플레이트(6)에 부착된다. 이러한 구성은 그 공간을 효율적으로 사용하여 연료전지시스템(1)을 컴팩트하게 만들 수 있다.
애노드로 공급될 연료가스는 탄화수소계 화합물의 개질 반응(reforming reaction)에 의해 생성되는 수소가스 또는 수소-리치개질가스(hydrogen-rich reformed gas)일 수도 있다. 수소가스가 공급되면, 연료가스공급시스템은 고압 상태의 건조한 수소를 함유하는 수소탱크를 이용하여 구성될 수도 있다. 개질가스가 공급되면, 탄화수소계 화합물을 함유하는 탱크와 상기 탄화수소계 화합물을 수소로 개질하기 위한 개질기(reformer)가 사용될 수도 있다.
상기 연료가스공급시스템으로부터 공급되는 연료가스는 배관(7)을 통과하여, 분기점(x)에서 분기된다. 그 후, 연료가스는 각각의 공급구(8, 9)로부터 각각의 연료전지스택의 공급매니폴드(도시안됨)로 공급된다. 다음으로, 각각의 공급매니폴드로부터 각각의 셀의 애노드로 공급되는 연료가스는 전해질멤브레인을 통해 캐소드로 공급되는 공기와 같은 산화제가스와 전기화학적으로 반응한다. 그 후, 반응하지 않은 연료가스는 애노드오프가스로서 배출구(10, 11)로부터 배출매니폴드(도시안됨)를 통해 배출된다.
연료전지(2)로부터 배출되는 애노드오프가스는 배관(12)을 통해 기액분리장치(4)로 이동하여 수분이 제거된다. 그 후, 애노드오프가스는 배관(13)을 통해 순환장치(5)로 이동한다. 상기 순환장치(5)로부터 배출되는 애노드오프가스는 배관(14)을 통과한 다음, 배관(7)으로 이동하여, 상기 애노드오프가스가 상기 연료가스공급시스템(3)으로부터 새롭게 공급되는 연료가스와 합류한다. 그 후, 애노드오프가스와 연료가스는 연료전지(2)의 애노드로 공급되는 혼합가스로 혼합된다. 이러한 애노드오프가스의 재활용은 새롭게 공급될 연료가스량을 감소시킬 수 있다.
본 실시예는 순환장치(5)가 기액분리장치(4)보다 높게 위치하는 것을 특징으로 한다. 다시 말해, 순환장치(5)가 중력방향(도 1의 y 방향)에 평행한 축에 대해 기액분리장치(4) 위쪽에 있다. 이러한 구성으로, 순환장치(5) 내부에서 수증기가 물로 응축되더라도, 물이 기액분리장치(4) 안으로 떨어져, 상기 순환장치(5) 내부에 물이 남게 되는 것을 방지하게 된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 기액분리장치(4)는 순환장치(5) 바로 아래에, 바람직하게는 그 수직방향으로 하향으로 배치된다. 이러한 구성은 순환장치(5)를 보다 높은 위치로 이동시켜 발생되는 공간 내에 기액분리장치(4)를 배치시킴으로써, 공간을 효율적으로 사용할 수 있게 한다. 부가적으로, 이 경우에는 가스배출구(15)가 상향이 되도록 순환장치(5)가 구성되는 것이 바람직하다. 이러한 구성에서는, 순환장치(5)의 가스배출구(15) 부근에서 수증기가 물로 응축되더라도, 물이 순환장치(5)를 통과하여 기액분리장치(4) 안으로 떨어지게 되어, 상기 순환장치(5)의 상류의 배관(14, 7) 내에 물이 남게 되는 것을 방지하게 된다.
첨언하면, 애노드오프가스가 연료가스와 혼합되어, 상기 애노드오프가스의 온도가 낮아지면, 이들 가스가 합류하는 부근에서 수증기가 물로 응축된다. 본 실시예에 따르면, 도 1에 도시된 바와 같이, 합류부(16)가 순환장치(5)의 가스배출구(15) 부근에 배치되는 것이 바람직하다. 이러한 구성에서는, 합류부(16)의 부근에서 생성된 물이 순환장치(5) 내부를 통과하여, 기액분리장치(4) 안으로 떨어지게 됨으로써, 물이 순환장치(5)의 배관(7) 내에 남게 되는 것을 방지하게 된다.
본 실시예에 따르면, 연료가스유량제어장치(3) 또한 순환장치(5) 바로 아래에, 바람직하게는 그 수직방향으로 하향으로 배치된다. 이러한 구성 또한 순환장치(5)를 보다 높은 위치로 이동시켜 발생되는 공간을 효율적으로 사용할 수 있게 한다. 첨언하면, 연료가스유량제어장치(3)로부터 합류부(16)까지 연장되는 배관(7)의 길이가 상기 연료가스유량제어장치(3)를 상기 순환장치(3) 바로 아래에 배치시킴으로써 단축될 수 있다.
본 실시예가 도 1의 구성으로 국한되는 것은 아니며, 도 2에 도시된 바와 같이, 연료가스유량제어장치(3')가 순환장치(5') 옆에 배치될 수도 있음에 유의한다. 도 2에서, 도 1에서와 같은 구성요소들은 동일한 부호들로 표시되어 있음에 유의한다. 또한, 도 2에서, 순환장치(5')와 기액분리장치(4) 및 연료가스유량제어장치(3')는 중앙선 A-A'에 대해 대칭으로 배치될 수도 있다.
첨언하면, 합류부(16)보다 높게 위치한 단차부(17)는 연료가스유량제어장치(3)로부터 합류부(16)까지 연장되는 배관(7) 내에 배치되는 것이 바람직하다(도 1에서, 단차부(17)는 연료가스유량제어장치(3)를 향한 상향 슬로프를 가짐). 이러한 구성에서는, 연료전지시스템이 그 동작을 정지한 후에 합류부(16)로부터 연료전지(2)로 연장되는 배관 내에서 이슬 응축(dew condensation)이 발생하더라도, 물이 연료가스유량제어장치(3) 안으로 흐르는 것을 방지할 수 있다.
또한, 연료전지시스템(1)이 차량 내에 탑재되면, 단차부(17)의 경사각(θ)이 차량의 허용가능한 경사각보다 크거나 같은 것이 바람직하다(보다 상세하게는 20 내지 30도). 이러한 구성에서는, 차량이 기울어진 상태에서도, 물이 단차부(17)를 넘어 연료가스유량제어장치(3) 안으로 흐르는 것을 방지할 수 있게 된다.
또한, 펌프와 같은 진동발생장치가 캐소드오프가스를 순환시키는 데 사용되면, 상기 단차부는 스프링 특성을 갖는 형상의 일부분에 포함되는 것이 바람직하 다. 보다 상세하게는, U형상의 만곡부가 연료가스유량제어장치(3)로부터 합류부(16)까지 연장되는 배관(7)의 일부분에 배치되는 것이 바람직하다.
도 3은 배관(7) 내에 제공된 만곡부(18)의 부분확대도이다. 상기 만곡부(18)는 연료가스유량제어장치(3)를 향한 상향 슬로프를 갖는 단차부(18a)를 포함한다. 이에 따라, 합류부(16)로부터 연료전지(2)까지 연장되는 배관 내에서 이슬 응축이 발생하더라도, 물이 상기 연료가스유량제어장치(3) 안으로 흐르는 것이 방지될 수 있다. 또한, 스프링 특성을 갖는 만곡부(18)는 펌프의 진동을 흡수하여, 상기 진동이 연료가스유량제어장치(3)로 전달되는 것을 방지하게 된다. 첨언하면, 연료가스유량제어장치(3)로부터 합류부(16)까지의 거리가 증가되어, 펌프에 의해 발생되는 열이 연료가스유량제어장치(3)로 전달되는 것이 방지된다.
또한, 본 실시예에 따르면, 합류부(16)보다 낮은 부분이 도 1의 단차부(17)와 합류부(16) 사이에 배치되는 것이 바람직하다. 여기서, 상기 합류부(16)보다 낮은 부분은 도 1에 도시된 하향으로 볼록하게 만곡되는 만곡부(19)를 말한다. 이러한 부분은 물이 합류부(16)로부터 연료가스유량제어장치(3)로 유동하는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.
또한, 상기 만곡부(19)는 연료전지시스템 내부에서 발열부 부근에 배치되는 것이 바람직하다. 이러한 구성에서는, 물이 만곡부(19) 내에서 또는 만곡부(19) 부근에서 어는 경우, 배관(7)이 얼음에 의해 차단되는 것을 방지할 수 있다. 첨언하면, 물이 얼더라도, 발열부로부터의 열전달에 의해 얼음이 용이하게 녹게 될 수 있다. 발열부의 예로는 순환장치(5)로 사용되는 펌프의 모터부를 포함할 수 있음에 유의한다.
또한, 본 실시예에 따르면, 도 1에 도시된 바와 같이, 순환장치(5)의 가스배출구(15)가 중앙선 A-A'에 가능한 한 가깝게 배치되는 것이 바람직하다. 이러한 형태는 좌우 병렬로 배치되는 연료전지스택을 가로질러 가스가 가능한 한 고르게 전달되도록 한다. 첨언하면, 상기 합류부(16)와 연료가스유량제어장치(3) 사이에 룸을 제공하는, 가스배출구(15) 부근에 합류부(16)가 제공된다. 따라서, 단차부(17) 및 만곡부(19)가 그 사이에 용이하게 배치될 수 있다.
본 발명이 상기 실시예로 국한되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상에서 벗어나지 않으면서 다양한 수정예들이 가능하다는 점에 유의한다.
예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, 하향으로 볼록하게 만곡된 만곡부(23)는 연료가스유량제어장치(20)로부터 애노드오프가스와 연료가스가 합류하는 합류부(21)까지 연장되는 배관(22) 내에 배치될 수도 있다. 이 경우, 상기 만곡부(23)는 스프링 특성을 갖는 형상의 일부분에 포함되는 것이 바람직하다. 도 4에는, 도 2에서와 같은 구성요소들이 동일한 부호로 표시되어 있음에 유의한다. 또한, 도 4에서, 순환장치(5')와 기액분리장치(4) 및 연료가스유량제어장치(20)는 중앙선 A-A'에 대하여 대칭으로 배치될 수도 있다.

Claims (11)

  1. 연료전지시스템에 있어서,
    연료전지;
    상기 연료전지의 애노드에 연료가스를 공급하기 위한 연료가스공급시스템;
    상기 연료전지로부터 배출되는 애노드오프가스 내에 함유된 수분을 분리하기 위한 기액분리장치; 및
    상기 애노드오프가스를 상기 연료전지에 공급하기 위해 상기 기액분리장치로부터 배출되는 애노드오프가스를 순환시키기 위한 순환장치를 포함하여 이루어지고,
    상기 연료전지시스템은 상기 기액분리장치와 상기 순환장치가 상기 연료전지의 엔드플레이트에 부착되며,
    상기 순환장치는 상기 기액분리장치보다 높게 위치하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기액분리장치는 상기 순환장치 바로 아래에 배치되는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 순환장치는 순환펌프이고, 상기 애노드오프가스 및 상기 연료가스는 함께 상기 순환펌프의 가스배출구 부근에서 합류하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 순환장치는 이젝터인 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료가스공급시스템으로부터 유동하는 연료가스량을 제어하기 위한 연료가스유량제어장치를 더 포함하여 이루어지고,
    상기 연료가스유량제어장치는 상기 순환장치 바로 아래에 배치되는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 연료가스유량제어장치로부터 상기 애노드오프가스와 상기 연료가스가 합류하는 합류부까지 연장되는 배관의 합류부보다 높게 위치하는 단차부를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 단차부는 스프링 특성을 갖는 형상의 일부분에 포함되는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 합류부와 상기 단차부 사이의 배관에는 하향으로 볼록하게 만곡된 만곡부가 배치되고, 상기 만곡부 부근에는 발열부재가 배치되는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  9. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료가스공급시스템으로부터 유동하는 연료가스량을 제어하기 위한 연료가스유량제어장치를 더 포함하여 이루어지고,
    상기 연료가스유량제어장치로부터 상기 애노드오프가스와 상기 연료가스가 합류하는 합류부까지 연장되는 배관에는 하향으로 볼록하게 만곡된 만곡부가 배치되는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 만곡부는 스프링 특성을 갖는 형상의 일부분에 포함되는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  11. 제5항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료가스유량제어장치는 레귤레이터, 셧밸브 또는 인젝터인 것을 특징 으로 하는 연료전지시스템.
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