KR20080048215A - 연료전지 시스템의 수분제거장치 - Google Patents

연료전지 시스템의 수분제거장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지 시스템 중에서 연료전지스택을 통과한 잔여 개질가스에 함유된 수분을 보다 효율적으로 분리 제거하는 수분제거장치에 관한 것으로서, 연료전지스택으로부터 잔여 개질가스가 유입되게 개질가스 입구가 형성되고 연료처리장치의 연소기로 잔여 개질가스가 배출되게 개질가스 출구가 형성되며 일정한 체적의 내부공간이 마련되는 몸체, 몸체의 내부에 설치되어 내부공간을 상하로 구획하고 상하부 내부공간이 소통할 수 있도록 하나 이상의 구멍이 형성되는 분리판, 및 상기 분리판의 상부에 놓여지며 잔여 개질가스와 접촉하면서 그 표면에 잔여 개질가스로부터 분리된 수분이 맺히는 충전물로 구성된다. 이로 인해, 본 발명의 연료전지 시스템은 잔여 개질가스에 함유된 수분을 수분제거장치가 효율적으로 분리 제거함으로써, 종래기술에 비해 연료처리장치의 반응기 온도 제어가 보다 용이해질 뿐만 아니라 연료처리장치에서 수분을 열발산시키는데 필요했던 발전원료만큼의 소비도 감소되는 장점이 있다.
연료전지 시스템, 연료전지스택, 연료처리장치, 잔여 개질가스, 수분 분리

Description

연료전지 시스템의 수분제거장치{Water Removing Apparatus for Fuel Cell System}
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 연료전지 시스템의 개략도이다.
도 2는 도 1에 도시된 수분제거장치를 나타낸 개략도이다.
도 3은 도 2에 도시된 수분제거장치 내의 충전물과 응축수를 분리시키기 위한 분리판의 개략도이다.
도 4는 도 2에 도시된 수분제거장치의 성능을 평가하기 위한 성능 평가 장치의 개략도이다.
도 5는 도 4에 도시된 성능 평가 장치에 의해 측정된 수분제거장치의 성능 결과표이다.
※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ※
100 : 연료전지 시스템 110 : 연료전지스택
120 : 연료처리장치 130 : 산소공급장치
140 : 냉각장치 150 : 전력변환기
160 : 수분제거장치 164 : 분리판
165 : 충전물 170 : 흡열기
본 발명은 전기화학반응에 의해 전력을 생산하는 연료전지 시스템에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 연료전지 시스템 중에서 연료전지스택을 통과한 잔여 개질가스에 함유된 수분을 보다 효율적으로 분리 제거하는 수분제거장치에 관한 것이다.
연료전지 시스템은 일반적으로 다음과 같은 구성을 갖는다. 즉, 종래기술에 따른 연료전지 시스템은 수소와 산소의 전기화학반응에 의해 직류전력을 생산하는 연료전지스택과, 발전원료(F)를 이용하여 수소가 많은 가스로 개질하는 연료처리장치와, 연료전지스택에 산소를 공급하는 산소공급장치, 연료전지스택을 냉각시키는 냉각장치와, 연료전지스택에서 생산된 직류(DC)전력을 교류(AC)전력으로 변환하는 전력변환기를 주된 구성요소로 구비하며, 그 외에도 각종 주변장치(BOP ; balance of plants) 및 제어기를 구비한다.
그리고, 종래기술의 연료전지 시스템은 연료처리장치에서 생성된 개질가스를 연료전지스택으로 공급하는 개질가스 공급배관, 및 연료전지스택에서 소비되지 않은 잔여 개질가스를 연료처리장치의 연소기로 다시 도입하는 잔여 개질가스 배출배관을 구비한다.
연료전지 시스템에 사용되는 개질가스는 발전원료와 물을 이용한 개질 반응에 의해 생성되며, 이런 개질 반응 외에도 여러 반응 및 연료전지스택에서의 전기화학반응을 거치면서 일정량 이상의 수분을 포함한다. 더욱이, 연료전지스택을 통 과한 잔여 개질가스는 폐열 회수를 위해 흡열기를 통과하면서 냉각되어, 응축수와 포화수증기를 함유하게 된다. 그리고, 잔여 개질가스는 연료처리장치의 연소기로 다시 도입되어, 연료처리장치의 반응기를 일정한 온도로 가열하기 위해 발전원료와 함께 소비된다.
하지만, 잔여 개질가스는 수분을 많이 함유하면 할수록 연료처리장치의 연소기에서 동일한 양이 소모되더라도 발열량이 일정하지 않고 불규칙적으로 변화된다. 이렇게 수분이 함유된 잔여 개질가스로 인해서 종래기술의 연료전지 시스템은 연료처리장치의 반응기를 일정한 온도로 제어하기가 어려우며, 잔여 개질가스에 함유된 수분을 열발산시키기 위해서 그에 해당하는 만큼의 발전원료가 더 투입되어야 하는 문제점이 있다.
아래에는 수분이 함유된 잔여 개질가스로 인해 추가적으로 필요로 하는 발전원료의 양을 계산한 것이다. 일예로, 50℃의 1g/min 수분을 함유한 잔여 개질가스가 연료처리장치의 연소기로 공급되는 경우에 연소기의 온도를 800℃로 유지하기 위해 추가적으로 필요로 하는 발전원료(CH4) 양을 계산한 것이다.
1) 50℃의 물(액체)을 100℃의 물(액체)가 되기 위해 필요한 열량
1 g/min * 1 cal/g/℃ * (100-50)℃ * 4.184 J/cal = 209.2 J/min
2) 100℃의 물(액체)이 100℃의 물(기체)가 되기 위해 필요한 열량
H2O (액체) → H2O (기체) ΔH = 44,012 J/mol
1 g/min * 1/18 mol/g * 44,012 J/cal = 2,445.1 J/min
3) 100℃의 물(기체)이 800℃의 물(기체)로 되기 위해 필요한 열량
ΔH = CPmh(T2-T1)
CPmh/R = A + BTam + C/3 * (4T2am - T1*T2) + D/T1/T2
여기서, CPmh = 물(기체) 열용량, Tam = 평균온도, A,B,C,D = 상수이다.
위 열용량 식에 의해서 ΔH = 15,323.98 J/min 이다.
연소기에서 필요한 총 열량은 1) + 2) + 3) = 17.978 kJ/min 이다.
그리고, 발전원료(CH4)의 발열량은 다음과 같다.
CH4 + 2O2 → CO2 + H2O ΔH = -802.625 kJ/mol
결국, 17.978 kJ/min ÷ 802.625kJ/mol * 22.4 L/mol = 0.502 L/min 이다.
이와 같이 종래에는 잔여 개질가스에 함유된 수분으로 인해서 추가적인 발전원료가 더 소비된다. 따라서, 연료전지 시스템은 상기와 같이 추가적인 발전원료 소비를 감소시키면서 연료처리장치의 온도를 보다 용이하게 제어하기 위해서 잔여 개질가스에 함유된 수분을 제거하는 장치가 필요한 실정이다.
본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 연료전지 시스템에서 연료전지스택을 통과한 잔여 개질가스에 함유된 수분을 보다 효율적으로 분리 제거하는 수분제거장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 연료전지 시스템은 연료전지스택으로부터 잔여 개질가스가 유입되게 개질가스 입구가 형성되고 연료처리장치의 연소기로 잔여 개질가스가 배출되게 개질가스 출구가 형성되며 일정한 체적의 내부공간이 마련되는 몸체, 상기 몸체의 내부에 설치되어 내부공간을 상하로 구획하고 상하부 내부공간이 소통할 수 있도록 하나 이상의 구멍이 형성되는 분리판, 및 상기 분리판의 상부에 놓여지며 잔여 개질가스와 접촉하면서 그 표면에 잔여 개질가스로부터 분리된 수분이 맺히는 충전물을 포함한다.
상기 충전물은 그 표면이 발수 처리된 다수 개의 알갱이들로 구성되는 것이바람직하다.
상기 몸체의 개질가스 입구는 상기 충전물이 놓여지는 영역의 몸체 측부에 형성되고, 상기 몸체의 개질가스 출구는 상기 충전물이 놓여지는 몸체 상부에 형성되는 것이 바람직하다.
상기 충전물과 상기 개질가스 출구 사이의 몸체 내부에 설치되는 메쉬(mesh)부재를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 분리판은 외측에서 중앙 부위로 진행할수록 경사지게 형성되고, 상기 중앙 부위에 구멍이 형성되고, 상기 중앙 부위의 구멍으로부터 하부로 연장되는 관로가 결합되며, 상기 분리판에는 구멍이 형성된 영역을 덮는 망사구조 부재가 놓여지는 것이 바람직하다.
상기 몸체의 하부에는 하부 내부공간에 저장되는 물을 배출하기 위한 물 배출관로가 형성되고, 상기 물 배출관로에는 밸브가 설치되는 것이 바람직하다.
상기 몸체에는 하부 내부공간에 저장되는 물의 높이를 측정하는 수위센서가 설치되고, 상기 수위센서는 상기 밸브의 작동여부를 판단하는 정보를 제공하는 것이 바람직하다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 연료전지 시스템의 개략도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 연료전지 시스템(100)은 수소와 산소의 전기화학반응에 의해 직류전력을 생산하는 연료전지스택(110)과, 천연가스(LNG) 또는 액화석유가스(LPG)와 같은 발전원료(F)를 이용하여 수소가 많은 가스로 개질하는 연료처리장치(120)와, 연료전지스택(110)에 산소를 공급하도록 공기펌프(131)와 가습기(132)를 구비한 산소공급장치(130)와, 연료전지스택(110)을 냉각시키는 냉각장치(140)와, 연료전지스택(110)에서 생산된 직류(DC)전력을 교류(AC)전력으로 변환하는 전력변환기(150)를 주된 구성요소로 구비한다.
그리고, 연료전지 시스템(100)은 연료처리장치(120)에서 생성된 개질가스를 연료전지스택(110)으로 공급하는 개질가스 공급배관(180), 및 연료전지스택(110)에서 소비되지 않은 잔여 개질가스를 연료처리장치(120)의 연소기(121)로 다시 도입하는 잔여 개질가스 배출배관(181)을 구비한다.
그 외에도 연료전지 시스템(100)은 연료전지스택(110)과 연료처리장치(120) 와 관련되는 공기펌프, 물펌프, 발전원료 가스 압축기 및 솔레노이드 밸브, 온도 센서, 압력 센서 등과 같은 각종 주변장치(BOP ; balance of plants) 및 여러 구성요소들의 작동을 제어하는 제어기를 구비한다.
특히, 연료전지 시스템(100)은 잔여 개질가스에 함유된 수분 응축 및 폐열을 회수하기 위해 흡열기(170)가 잔여 개질가스 배출배관(181)에 설치된다. 이런 흡열기(170)는 보조 냉각장치(141)의 냉각수를 이용하여 잔여 개질가스에 함유된 열을 저감시킨다. 이로 인해, 흡열기(170)를 통과한 잔여 개질가스는 흡열작용에 의해 냉각되어, 응축수와 포화수증기를 함유한다. 이렇게 생성된 응축수는 잔여 개질가스로부터 분리하지 못하는 경우에 연료처리장치(120)의 반응기를 일정한 온도로 제어하기가 더 어렵게 만들며, 함유된 수분을 열발산시키기 위해서 연료처리장치(120)에 발전원료가 더 투입되어야 하는 문제점이 있다. 그래서, 본 실시예는 잔여 개질가스에 함유된 수분을 분리 제거하기 위해서 연료처리장치(120)와 흡열기(170) 사이의 개질가스 배출배관(181)에 설치되는 수분제거장치(160)를 구비한다.
도 2는 도 1에 도시된 수분제거장치를 나타낸 개략도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 수분제거장치(160)는 일정한 체적의 내부공간이 마련된 몸체(161)을 구비한다. 몸체(161)에는 연료전지스택(110)으로부터 잔여 개질가스가 유입되게 개질가스 입구(162)가 형성되고, 연료처리장치(120)의 연소기(121)로 잔여 개질가스가 배출되게 개질가스 출구(163)가 형성된다. 개질가스 입구(162)와 개질가스 출구(163)는 몸체(161)에 형성된 구멍 이거나, 돌출된 배관일 수 있다. 그리고, 개질가스 입구(162)와 개질가스 출구(163)는 각각 대응하여 잔여 개질가스 배출배관(181)의 유동 통로에 연결된다. 개질가스 입구(162)는 아래에서 설명할 충전물(165)이 놓여지는 영역에 해당하는 몸체(161) 측부에 형성되고, 개질가스 출구(163)는 충전물(165)이 놓여지는 몸체(161) 상부에 형성된다.
도 3은 도 2에 도시된 수분제거장치 내의 충전물과 응축수를 분리시키기 위한 분리판의 개략도이다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 분리판(164)은 몸체(161)의 내부에 설치되어, 내부공간을 상하로 구획한다. 이런 분리판(164)은 상하부 내부공간이 소통할 수 있도록 하나 이상의 구멍이 형성된다. 그러면, 본 실시예는 충전물(165)에 의해 잔여 개질가스로부터 수분이 분리되고, 분리판(164)의 구멍을 통해 몸체(161)의 내부공간 하부(168)로 이동된다.
본 실시예의 분리판(164)은 도 3과 같이 판상부재(164a)가 평평하게 형성되지만, 바람직하게는 판상부재(164a)의 외측에서 중앙 부위로 진행할수록 경사지게 형성된다. 그리고, 분리판(164)은 판상부재(164a)의 중앙 부위에 하나의 구멍이 형성되고, 이런 중앙 부위의 구멍으로부터 하부로 연장된 관로(164b)가 결합된다. 관로(164b)는 분리판(164)이 몸체(161)의 내벽에 고정되지 않는 경우에 몸체(161)의 내부공간 하부면에 접하면서 지지하는 역할도 수행한다. 이때, 분리판(164)에는 구멍이 형성된 영역에 망사구조 부재가 놓여져서, 충전물(165)이 내부공간 하부(168)로 빠져 나가지 못하도록 방지하는 것이 바람직하다. 분리판(164)은 내부 공간 하부(168)에 저장되는 응축수가 다시 증발하여, 잔여 개질가스와 결합되는 것을 방지하는 역할도 수행한다.
충전물(165)은 분리판(164)의 상부에 놓여진다. 이런 충전물(165)은 그 표면이 발수 처리된 다수 개의 알갱이들로 구성된다. 이로 인해, 충전물(165)은 개질가스 입구(162)로부터 유입되는 잔여 개질가스와 접촉하면서, 그 표면에 잔여 개질가스로부터 분리되는 수분이 미세한 액적 형태로 맺히게 된다. 그런 다음에 충전물(165)에 맺힌 수분은 일정 크기의 응축수로 성장한 후에 중력에 의해 하부로 떨어지게 된다. 그러면, 잔여 개질가스로부터 분리된 수분은 분리판(164)의 구멍을 통해 내부공간 하부(168)에 응축수로 저장된다.
메쉬(mesh)부재(166)는 개질가스 출구(163)와 충전물(165) 사이의 몸체(161) 내부에 설치된다. 메쉬부재(166)는 얇은 금속선이 직조된 금속 철망으로서, 충전물(165)에서 1차적으로 수분이 분리된 잔여 개질가스가 통과되면서 접촉된다. 그러면, 메쉬부재(166)는 그 표면에 수분이 미세한 액적 형태로 맺히게 되어, 충전물(165)에서 미처 분리되지 못한 잔여 개질가스에 함유된 수분을 추가적으로 제거할 수 있다.
솔레노이드 밸브(167)는 몸체(161)의 하부에 형성되는 물 배출관로에 설치된다. 내부공간 하부(168)에 저장되는 응축수는 일정량 이상으로 저장되는 경우에 배출되는 것이 바람직하다. 이를 위해 솔레노이드 밸브(167)는 제어기 신호 또는 사람의 조작에 의해 개방 또는 차단하도록 작동되어, 내부공간 하부(168)에 저장된 응축수를 배출시킨다.
수위센서(169)는 내부공간 하부(168)에 저장되는 물의 높이를 측정하기 위해 설치되며, 솔레노이드 밸브(167)가 작동되기 위한 정보를 전달한다. 이런 수위센서(169)는 몸체(161)의 내부에 설치되거나, 물의 수위를 공유하면서 몸체(161)의 외측에 별도로 설치될 수 있다.
아래에서는 본 실시예에 따른 연료전지 시스템의 수분제거장치에 대한 성능 평가결과에 대해 살펴보겠다.
도 4는 도 2에 도시된 수분제거장치의 성능을 평가하기 위한 성능 평가 장치의 개략도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 수분제거장치(160)는 다음과 같은 구성된 성능 평가 장치(200)를 통해 잔여 개질가스로부터 수분이 어느 정도 분리되는지를 확인할 수 있다.
즉, 성능 평가 장치(200)는 수분제거장치(160)에 일정량의 공기(10.5l/min)를 공급하기 위한 공기펌프(210), 공기의 온도(TC1, 73℃)를 올려 주고 습도(73℃ 포화수증기)를 높이기 위한 가습기(220), 수분을 함유한 혼합 공기를 일정 온도(TC2, 69℃)까지 냉각을 시켜주기 위한 제1 흡열기(230), 이런 제1 흡열기(230)의 냉각수를 공급하는 제1 냉각장치(240), 및 수분제거장치(160)에서 배출되는 응축수를 보관하기 위한 제1 용기(250)를 구비한다. 그리고, 성능 평가 장치(200)는 수분제거장치(160)에서 혼합 공기로부터 수분을 분리한 후에, 혼합 공기에 수분(TC3, 64℃ 포화수증기)이 함유되어 있는지를 확인하기 위해 다음과 같이 구성된다. 즉, 성능 평가 장치(200)는 수분제거장치(160)를 통과한 혼합 공기를 상 온(TC4, 30℃) 까지 냉각시키는 제2 흡열기(231)와 제2 냉각장치(241)가 설치된다. 그리고, 성능 평가 장치(200)는 제2 흡열기(231)의 후방에 제2 용기(251)를 설치하여, 제2 흡열기(231)의 냉각 과정에서 응축수가 분리 배출되는지를 확인한다. 마지막으로 성능 평가 장치(200)는 제2 용기(251)의 후방에 유량 측정장치(260)이 설치되어, 공기펌프(210)에 의해 수분제거장치(160)에 공급되는 혼합 공기의 양이 측정된다. 그리고, 성능 평가 장치(200)는 각 구성요소들 사이사이에 온도 센서(271, 272, 273, 274)가 설치되어, 혼합 공기의 온도가 측정된다.
이와 같이 본 실시예의 수분제거장치(160)는 상기 성능 평가 장치(200)에 의한 실험을 통해 수분이 효과적으로 제거되었는지 확인되며, 그 결과는 도 5의 표에 도시된 바와 같다. 그리고, 도 5에 도시된 수분(응축수) 이론값은 다음과 같은 계산에 의해 얻어진다.
1) 이론 응축량은 다음과 같이 포화수증기량을 계산함으로써 얻어진다.
이론 응축량 = (온도 TC3에 대한 포화수증기량 - 온도 TC4에 대한 포화수증기량)
2) 포화 수증기량은 다음과 같은 방법으로 계산될 수 있다.
MH2O / (Mair+MH2O) = 포화수증기압(kPa, 포화온도에 대한) / 101.3 (kPa)
여기서, MH2O는 어느 포화온도에 대한 포화 수증기량(mol)이고, Mair는 공기 유량(mol)이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 성능 평가 장치(200)는 TC3 지점에서의 포화수증 기량과 TC4 지점에서의 포화수증기량을 비교한 결과, 이론상 계산된 값과 실제 제2 용기(251)에서 얻어진 응축수 값의 차이가 크지 않았다. 이를 통해 본 실시예의 수분제거장치(160)는 제1 흡열기(230)를 통과한 혼합 공기로부터 수분(응축수)를 매우 효과적으로 제거하였음이 확인된다.
이상, 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 것이 당연하다.
앞서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 연료전지 시스템은 잔여 개질가스에 함유된 수분을 수분제거장치가 효율적으로 분리 제거함으로써, 연료처리장치의 연소기에 유입되는 잔여 개질가스가 보다 안정적으로 발열 소비되어, 종래기술에 비해 연료처리장치의 반응기 온도 제어가 보다 용이해지는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 수분제거장치가 설치됨으로써, 종래기술에 비해 연료처리장치에서 수분을 열발산시키는데 필요했던 발전원료만큼의 소비가 감소되는 장점이 있다.

Claims (7)

  1. 연료전지스택을 통과한 잔여 개질가스에 함유된 수분을 제거하기 위한 연료전지 시스템의 수분제거장치에 있어서,
    상기 연료전지스택으로부터 잔여 개질가스가 유입되게 개질가스 입구가 형성되고, 연료처리장치의 연소기로 잔여 개질가스가 배출되게 개질가스 출구가 형성되며, 일정한 체적의 내부공간이 마련되는 몸체;
    상기 몸체의 내부에 설치되어 내부공간을 상하로 구획하고, 상하부 내부공간이 소통할 수 있도록 하나 이상의 구멍이 형성되는 분리판; 및
    상기 분리판의 상부에 놓여지며, 잔여 개질가스와 접촉하면서 그 표면에 잔여 개질가스로부터 분리된 수분이 맺히는 충전물을 포함하는 연료전지 시스템의 수분제거장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 충전물은 그 표면이 발수 처리된 다수 개의 알갱이들로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 수분제거장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 몸체의 개질가스 입구는 상기 충전물이 놓여지는 영역의 몸체 측부에 형성되고, 상기 몸체의 개질가스 출구는 상기 충전물이 놓여지는 몸체 상부에 형성 되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 수분제거장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 충전물과 상기 개질가스 출구 사이의 몸체 내부에 설치되는 메쉬(mesh)부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 수분제거장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 분리판은 외측에서 중앙 부위로 진행할수록 경사지게 형성되고, 상기 중앙 부위에 구멍이 형성되고, 상기 중앙 부위의 구멍으로부터 하부로 연장되는 관로가 결합되며,
    상기 분리판에는 구멍이 형성된 영역을 덮는 망사구조 부재가 놓여지는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 수분제거장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 몸체의 하부에는 하부 내부공간에 저장되는 물을 배출하기 위한 물 배출관로가 형성되고, 상기 물 배출관로에는 밸브가 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 수분제거장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 몸체에는 하부 내부공간에 저장되는 물의 높이를 측정하는 수위센서가 설치되고, 상기 수위센서는 상기 밸브의 작동여부를 판단하는 정보를 제공하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 수분제거장치.
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