KR20090095194A - 연료전지 시스템의 수소 재순환 장치 - Google Patents

연료전지 시스템의 수소 재순환 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지 시스템의 수소 재순환 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 2개 이상의 연료전지 스택 모듈에 대한 수소 재순환 라인을 폐루프 형태의 직렬 배열로 구성하여, 연료극(anode)에 보다 많은 재순환 수소를 공급할 수 있도록 한 연료전지 시스템의 수소 재순환 장치에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 2개 이상의 제1 및 제n 연료전지 스택에 수소를 재순환시키기 위한 연료전지 시스템의 수소 재순환 장치에 있어서, 각 연료전지 스택의 연료극쪽 공급매니폴드와 배출매니폴드에 폐루프 형성용 수소재순환 라인을 연결시켜서, 상기 연료극쪽 공급 및 배출매니폴드, 상기 폐루프 형성용 수소재순환 라인이 하나의 폐루프 순환경로로 이루며 직렬로 배열되도록 하고, 상기 폐루프 형성용 수소 재순환 라인의 원하는 위치에 수소블로어를 설치하여서 된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 수소 재순환 장치를 제공한다.
Figure P1020080020374
연료전지 시스템, 수소 재순환 라인, 폐루프, 직렬, 연료극

Description

연료전지 시스템의 수소 재순환 장치{Hydrogenre circulation device for fuel cell system}
본 발명은 연료전지 시스템의 수소 재순환 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 2개 이상의 연료전지 스택 모듈에 대한 수소 재순환 라인을 폐루프 형태의 직렬 배열로 구성하여, 연료극(anode)에 보다 많은 재순환 수소를 공급할 수 있도록 한 연료전지 시스템의 수소 재순환 장치에 관한 것이다.
연료전지 시스템은 크게 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택, 연료전지 스택에 연료(수소)를 공급하는 연료공급시스템(수소탱크, 수소 재순환라인 등), 연료전지 스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 공기중의 산소를 공급하는 공기공급 시스템(공기 공급기, 막가습기 등), 연료전지 스택의 반응열을 시스템 외부로 제거하고 연료전지 스택의 운전온도를 제어하는 열 및 물관리 시스템(냉각수 펌프, 라디에이터 등)을 포함하여 구성되어 있다.
상기 연료전지 시스템에 있어서, 연료전지 스택의 수소 출구측에 수소 재순 환 블로워를 연결하여, 연료전지 스택의 연료극(anode)측에서 사용하고 남은 수소를 다시 연료극쪽으로 재순환시켜, 수소의 재사용을 도모하고 있다.
여기서, 2개 이상의 연료전지 스택 모듈에 대한 종래의 수소 재순환 장치 및 그 동작을 살펴보면 다음과 같다.
첨부한 도 2는 종래의 수소 재순환 장치를 나타내는 개략도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 2개 이상의 연료전지 스택이 배열된 경우, 각 연료전지 스택(100,200)의 일측에는 공용분배기(300)가 장착되고, 각 연료전지 스택(100,200)에 대한 수소 공급 라인(10) 및 수소 재순환 라인(20)이 병렬로 연결되어 있다.
상기 공용분배기(300)는 각각의 연료전지 모듈에 연료전지 반응에 필요한 수소와 공기(산소)를 분배 공급하는 역할을 하며, 그에 따라 상기 공용분배기의 내부에는 공기공급 및 배출라인, 수소공급 및 배출라인, 냉각수 공급 및 배출라인 등이 소정의 배열로 설치되어 있다.
상기 수소 공급 라인(10)은 수소저장장치(500)로부터 연장된 직선공급라인(12)과, 이 직선공급라인(12)의 말단부에서 각 연료전지 스택(100,200)의 연료극쪽 공급매니폴드(102,202)로 분기된 분기공급라인(14)으로 구분되며, 이들이 서로 병렬로 연결되어 있다.
상기 수소 재순환 라인(20)도 각 연료전지 스택(100,200)의 연료극쪽 배출매니폴드(104,204)로부터 분기된 분기배출라인(22)과, 이 분기배출라인(22)이 하나로 합쳐져 수소블로어(400)에 연결되는 직선배출라인(24)과, 수소 블로어(400)로부터 상기 수소 공급을 위한 직선공급라인(12)으로 연결된 최종재순환라인(26)으로 구분되며, 마찬가지로 각 라인들이 병렬로 연결되어 있다.
이와 같이, 연료전지 스택과 수소저장탱크간의 수소 공급 라인을 병렬로 연결하여 수소를 공급하고, 스택에서 미반응된 수소 전체(혼합기체 = 수소+증기+일부 질소)를 수소블로어로 흡입하는 수소 재순환 라인도 병렬로 연결하여 미반응된 수소를 새로운 수소와 함께 재순환시키고 있다.
통상, 연료전지 모듈별 수소 재순환률(SR_H2)은 다음과 같은 수학식1로 표현된다.
상기 연료전지 모듈별 수소 재순환률(SR_H2)은 수소극에서의 화학적 양론비(SR, Stoichiometry Ratio)를 의미하며, 실제 공급하는 수소량을 이론적으로 필요한 수소량으로 나눈 값으로 이 값이 보통 1.3~1.5를 유지해야 스택의 성능이 안정적으로 운전 가능한 것으로 알려져 있다.
SR_H2 = m_mix + m_H2 / m_H2 = 1 + (m_mix / m_H2)
위의 수학식 1에서,
m_mix : 스택에서 재순환되는 가스 혼합물량(수소, 질소, 수증기 등),
m_H2: 수소저장장치(탱크)로부터 공급되는 수소량(= 수소필요(요구)량),
m_mix + m_H2 : 실제수소공급량,
을 각각 나타낸다.
상기와 같이, 수소 공급 및 수소 재순환 라인이 병렬로 연결된 경우, 각 연 료전지 모듈별 수소 재순환률(SR_H2)은 다음과 같은 수학식2로 표현될 수 있다.
SR_H2 = [1/2 × (m_mix + m_H2)] / [1/2 × m_H2]
위의 수학식 2에서,
1/2 × (m_mix + m_H2) : 수소 공급 라인(10)의 각 분기공급라인(14)을 흐르는 새로운 수소 및 재순환 수소의 혼합 공급량(= 실제수소공급량),
1/2 × m_H2 : 수소저장장치(탱크)로부터 공급되는 수소량(= 수소필요(요구)량,
m_mix : 각 스택의 수소 재순환 라인(20)의 각 분기배출라인(22)을 흐르는 수소 재순환량(1/2 × m_mix)의 합,
을 각각 나타낸다.
실제로, 연료전지 시스템에서는 요구되는 연료전지 모듈별 수소 재순환률 즉, SR_H2 = 1.3~1.5 이며, 이 사이에서 연료전지시스템이 안정적으로 운전되는 것으로 판명되고 있다.
그러나, 종래에 수소 공급 및 재순환 라인을 병렬로 배열함에 따라 다음과 같은 문제점이 있었다.
각 연료전지 모듈별 수소 재순환률(SR_H2) 즉, [1/2 × (m_mix + m_H2)] / [1/2 × m_H2]의 비가가 충분히 크지 않을 경우, 즉 재순환량이 공급되는 수소에 비해 적을 경우 스택의 입구에서 드라이 아웃(dry-out)현상이 발생하고, 출구에서 는 플러딩(flooding)현상에 의한 저항 영향을 받게 되는 문제점이 있고, 이는 스택 출력 및 내구성 저하를 초래하고, 그리고 스택 출구에서의 플러딩 현상으로 인해 수소블로어쪽으로 물유입이 증가되어 수소블로어의 수명저하를 초래하게 된다.
상기 드라이 아웃 현상이란, 스택의 전해질막은 적절한 수분을 함유해야 수소 이온(H+)이 용이하게 이동할 수 있는데 공급되는 수소가스의 습도가 낮을 경우, 이온전도도가 저하되는 현상을 말한다.
상기 플러딩 현상은 연료전지 스택내의 공기극에서 가습을 요하지 않을 정도로 물이 생성되는 현상으로서, 이 응축된 물은 촉매를 둘러쌓면서 촉매와 반응가스의 접촉을 방해하고, 또한 공급되는 가스의 유로를 막아 셀 성능의 저하를 초래하는 현상을 말한다.
특히, 연료전지 스택 모듈을 2개 이상으로 구성한 경우, 연료극(anode)의 수소재순환량을 충분히 확보하지 않으면, 연료전지 스택의 출력변화에 따라 연료극(anode)에서의 수소 부족(열화: starvation), 수소 분압의 감소등이 발생하는 문제점이 있으며, 이 또한 스택의 효율 및 성능 및 내구성 저하의 원인이 된다.
이를 방지하기 위해서, 수소 재순환량을 증가시키고, 또한 유량 증가에 비례하여 증가하는 스택내의 압력강하(pressure drop)를 극복하기 위하여 수소재순환 블로어의 성능을 증대시킬 수 있지만, 이는 수소블로어의 소모동력 증가를 초래하고, 소음을 증가시키는 원인이 된다.
즉, 충분한 수소재순환량을 확보하기 위해서 수소블로어의 용량을 증대시켜야 하나, 이는 소모동력 및 소음의 증가와 더블어 수소블로어의 무게/부피 및 원가 를 증가시키는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 감안하여 안출한 것으로서, 2개 이상의 연료전지 스택 모듈에 대한 수소 재순환 라인을 폐루프 형태의 직렬 배열로 구성하여, 연료극(anode)에 보다 많은 재순환 수소 유량비를 확보할 수 있도록 함으로써, 수소 재순환 블로어의 소모동력을 최소화시킬 수 있고, 연료극(Anode)쪽의 물균형을 균일하게 유지하여 드라이 아웃(dry-out)이나 플러딩(flooding) 현상을 방지할 수 있는 연료전지 시스템의 수소 재순환 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 2개 이상의 제1 및 제n 연료전지 스택에 수소를 재순환시키기 위한 연료전지 시스템의 수소 재순환 장치에 있어서, 각 연료전지 스택의 연료극쪽 공급매니폴드와 배출매니폴드에 폐루프 형성용 수소재순환 라인을 연결시켜서, 상기 연료극쪽 공급 및 배출매니폴드, 상기 폐루프 형성용 수소재순환 라인이 하나의 폐루프 순환경로로 이루며 직렬로 배열되도록 하고, 상기 폐루프 형성용 수소 재순환 라인의 원하는 위치에 수소블로어를 설치하여서 된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 수소 재순환 장치를 제공한다.
바람직한 일 구현예로서, 상기 폐루프 형성용 수소재순환 라인은: 수소저장 장치로부터 연장되어 제1 및 제n 연료전지 스택의 연료극쪽 공급매니폴드에 연결되는 제1 및 제n 수소공급라인과; 상기 제1 연료전지 스택의 연료극쪽 배출매니폴드로부터 연장되어 상기 제n 수소공급라인에 연결되는 중간순환라인과; 상기 제n 연료전지 스택의 연료극쪽 배출매니폴드로부터 연장되어 상기 제1수소공급라인에 연결되는 최종순환라인; 으로 구성된 것을 특징으로 한다.
바람직한 다른 구현예로서, 상기 수소블로어는 상기 중간순환라인에만, 또는 상기 중간순환라인 및 최종순환라인에 설치되는 것을 특징으로 한다.
바람직한 또 다른 구현예로서, 상기 제n 수소공급라인과 상기 중간순환라인이 바이패스 라인으로 연결된 것을 특징으로 한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공할 수 있다.
2개 이상의 연료전지 스택 모듈에 대한 수소 재순환 라인을 기존의 병렬 연결 방식에서 폐루프 형태의 직렬 배열로 개선하여, 연료극(anode)에 보다 많은 재순환 수소 유량을 공급할 수 있다.
또한, 수소 재순환 블로어의 용량을 증가시키지 않으면서도 그 소모동력을 최소화시킬 수 있다.
또한, 연료전지 스택 모듈의 연료극에 수소 재순환량이 보다 많이 공급되어, 연료극(Anode)쪽의 물균형을 균일하게 유지할 수 있고, 그에 따라 드라이 아 웃(dry-out)이나 플러딩(flooding) 현상을 방지하는데 기여할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
첨부한 도 1은 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 수소 재순환 장치를 나타내는 개략도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명은 2개 이상의 제1 및 제n 연료전지 스택에 수소를 재순환시키기 위한 수소 재순환 라인을 기존의 병렬 연결 방식에서 폐루프 형태의 직렬 배열로 개선시킨 점에 특징이 있다.
즉, 제1 및 제n 연료전지 스택(100,200)의 연료극쪽 공급매니폴드(102,202)와 배출매니폴드(104,204)에 폐루프 형성용 수소 재순환 라인(30)을 연결시킨다.
이렇게 상기 폐루프 형성용 수소 재순환 라인(30)을 구축함으로써, 상기 연료극쪽 공급매니폴드(102,202) 및 배출매니폴드(104,204), 그리고 상기 폐루프 형성용 수소재순환 라인(30)은 하나의 폐루프 순환경로로 이루며 서로 직렬 상태로 연결되어진다.
여기서, 상기 폐루프 형성용 수소재순환 라인의 각 구성 및 그 연결관계를 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
일단, 각 연료전지 스택(100,200)에 수소를 공급할 수 있도록 수소저장장치(500: 예를들어, 수소저장탱크)로부터 연장된 제1 및 제n 수소공급라인(32,34)이 상기 제1 및 제n 연료전지 스택(100,200)의 연료극쪽 공급매니폴드(102,202)에 각각 연결된다.
또한, 상기 제1 연료전지 스택(100)의 연료극쪽 배출매니폴드(104)로부터 연장된 중간순환라인(36)이 상기 제n 수소공급라인(34)에 연결된다.
또한, 상기 제n 연료전지 스택(200)의 연료극쪽 배출매니폴드(204)로부터 연장된 최종순환라인(38)이 상기 제1수소공급라인(32)에 연결된다.
띠라서, 상기 제1 수소공급라인(32)→ 제1 연료전지 스택(100)의 연료극쪽 공급매니폴드(102)→ 제1 연료전지 스택(100)의 연료극쪽 배출매니폴드(104)→ 중간순환라인(36)→ 제n 수소공급라인(34)→ 제n 연료전지 스택(200)의 연료극쪽 공급매니폴드(202)→ 제n 연료전지 스택(200)의 연료극쪽 배출매니폴드(204)→ 최종순환라인(38)→ 제1수소공급라인(32)이 폐루프 순환경로를 이루며 서로 직결로 연결되는 상태가 된다.
한편, 상기 폐루프 형성용 수소 재순환 라인(30)의 원하는 위치에 수소블로어(400)를 설치하되, 이 수소블로어(400)는 상기 중간순환라인(36)상에 하나만 설치하는 것이 바람직하며, 그 이유는 수소 재순환 라인(30)이 직렬의 폐루프를 이루기 때문에 수소를 용이하게 재순환시킬 수 있고, 비용적인 측면에서 유리하기 때문이다.
물론, 상기 중간순환라인(36) 및 최종순환라인(38)에 각각 하나씩 설치하여 제2연료전지 스택(200)으로부터 제1연료전지 스택(100)쪽으로 수소를 보다 용이하게 순환시킬 수 있다.
또한, 상기 제n 수소공급라인(34)의 입구측과 상기 중간순환라인(36)간을 바이패스 라인(40)으로 연결하여도 동일한 수소 재순환량을 공급할 수 있다.
즉, 제n 수소공급라인(34)에서 제n 연료전지 스택(200)의 연료극쪽 공급매니폴드(202)로 수소가 공급될 때, 상기 제1 연료전지 스택(100)의 연료극쪽 배기매니폴드(104)로부터 중간순환라인(36)을 통해 배출된 재순환 수소가 합쳐져 공급되므로, 상기 제n 수소공급라인(34)의 입구측과 상기 중간순환라인(36)간을 바이패스 라인(40)으로 연결하여도 동일한 수소 재순환량을 제n 연료전지 스택(200)으로 공급할 수 있다.
여기서, 본 발명의 직렬식 수소 재순환 장치가 종래의 병렬식 수소 재순환 장치에 비하여, 연료전지 모듈별 수소 재순환률을 상승시킬 수 있는 동작 원리를 설명하면 다음과 같다.
전술한 내용중, 각 연료전지 모듈에 수소 재순환 라인이 병렬로 구성된 경우, 연료전지 모듈별 수소 재순환률(SR_H2)은 수학식2, 즉 SR_H2 = [1/2 × (m_mix + m_H2)] / [1/2 × m_H2]로 표현됨을 설명한 바 있으며, 이 수학식 2를 다시 계산하면, SR_H2 = 1 + (m_mix/m_H2) 로 표현된다.
반면에, 본 발명의 직렬식 수소 재순환 장치에 의한 연료전지 모듈별 수소 재순환률(SR_H2)은 [실제수소공급량/수소필요(요구)량]에 근거하여, 아래의 수학식 3으로 표현될 수 있다.
SR_H2 = 1/2(m_H2) + m_mix / 1/2(m_H2)
위의 수학식 3에서,
m_mix : 각 스택에서 재순환되는 가스 혼합물(수소, 질소, 수증기 등)량, 즉 중간순환라인(36)과 최종순환라인(38)을 흐르는 수소 재순환량,
1/2(m_H2): 수소저장장치로부터 각 스택으로 공급되는 수소량(= 수소필요(요구)량,
1/2(m_H2) + m_mix : 각 스택으로의 실제수소공급량, 즉 제1 수소공급라인(32)와 제n 수소공급라인(34)을 흐르는 실제 수소 공급량,
을 각각 나타낸다.
상기 수학식 3을 다시 계산하면, SR_H2 = 1 + (2m_mix/m_H2)로 표현된다.
결국, 각 연료전지 모듈에 수소 재순환 라인이 병렬로 구성된 종래의 연료전지 모듈별 수소 재순환률(SR_H2)은 SR_H2 = 1 + (m_mix/m_H2)이고, 반면에 본 발명의 직렬식 수소 재순환 장치에 의한 연료전지 모듈별 수소 재순환률(SR_H2)은 SR_H2 = 1 + (2m_mix/m_H2)인 바, 본 발명의 수소 재순환량이 약 2배 높음을 알 수 있다.
이와 같이, 종래의 병렬식 수소 재순환 라인과, 본 발명의 직렬식 수소 재순환 라인에 있어서, 동일한 수소 블로어를 사용할 경우, 본 발명이 종래 대비 수치상 0.5정도의 SR_H2 상승 효과를 얻을 수 있다.
이는, 본 발명과 종래의 수소 재순환 라인이 동일한 수소재순환율을 달성함에 있어서, 본 발명은 수소 블로어의 용량을 줄일 수 있음을 의미한다.
따라서, 본 발명에 따른 직렬식 수소 재순환 장치는 수소 블로어의 용량을 줄여서 그 소모동력을 최소화시킬 수 있다.
또한, 연료극에 공급되는 가스혼합물의 상대습도가 높아 수소극 입구에서 드라이 아웃(dry-out) 현상을 방지할 수 있고, 연료전지 스택의 분리판 채널내 유체 유동량이 많아 플러딩(flooding) 현상에 의한 유로 막힘을 방지하는데 기여할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 수소 재순환 장치를 나타내는 개략도,
도 2는 종래의 연료전지 시스템의 수소 재순환 장치를 나타내는 개략도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 수소 공급 라인 12 : 직선공급라인
14 : 분기공급라인 20 : 수소 재순환 라인
22 : 분기배출라인 24 : 직선배출라인
26 : 최종재순환라인 32 : 제1 수소공급라인
34 : 제n 수소공급라인 36 : 중간순환라인
38 : 최종순환라인 40 : 바이패스 라인
100, 200 : 연료전지 스택 102, 202 : 연료극쪽 공급매니폴드
104, 204 : 연료극쪽 배출매니폴드 300 : 공용분배기
400 : 수소블로어 500 : 수소저장장치

Claims (4)

  1. 2개 이상의 제1 및 제n 연료전지 스택에 수소를 재순환시키기 위한 연료전지 시스템의 수소 재순환 장치에 있어서,
    상기 각 연료전지 스택의 연료극쪽 공급매니폴드와 배출매니폴드에 폐루프 형성용 수소재순환 라인을 연결시켜서, 상기 연료극쪽 공급 및 배출매니폴드, 상기 폐루프 형성용 수소재순환 라인이 하나의 폐루프 순환경로로 이루며 직렬로 배열되도록 하고;
    상기 폐루프 형성용 수소 재순환 라인의 원하는 위치에 수소블로어를 설치하여서 된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 수소 재순환 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 폐루프 형성용 수소재순환 라인은:
    수소저장장치로부터 연장되어 제1 및 제n 연료전지 스택의 연료극쪽 공급매니폴드에 연결되는 제1 및 제n 수소공급라인과;
    상기 제1 연료전지 스택의 연료극쪽 배출매니폴드로부터 연장되어 상기 제n 수소공급라인에 연결되는 중간순환라인과;
    상기 제n 연료전지 스택의 연료극쪽 배출매니폴드로부터 연장되어 상기 제1수소공급라인에 연결되는 최종순환라인;
    으로 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 수소 재순환 장치.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 수소블로어는 상기 중간순환라인에만, 또는 상기 중간순환라인 및 최종순환라인에 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 수소 재순환 장치.
  4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제n 수소공급라인과 상기 중간순환라인이 바이패스 라인으로 연결된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 수소 재순환 장치.
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