KR20100051189A - 가압형 연료전지 시스템의 압력 제어 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가압형 연료전지 시스템의 압력 제어 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 스택의 후단부에 스프링식 압력 제어장치를 설치하여, 연료전지 스택의 운전압력 크기에 따라 스프링식 압력 제어장치의 압축스프링이 압축 또는 복원되도록 함으로써, 스택의 운전압력이 적당한 수준으로 유지되면서 배출가스의 배출이 용이하게 이루어지도록 한 가압형 연료전지 시스템의 압력 제어 장치에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 가스 및 냉각수가 배출되는 연료전지 스택의 후단 배출라인에 스택의 운전압력을 적정범위내로 조절하는 동시에 스택의 운전압력 크기에 따라 가스 및 냉각수의 배출량을 조절하는 스프링식 압력 제어 장치를 장착하여서 된 것을 특징으로 하는 가압형 연료전지 시스템의 압력 제어 장치를 제공한다.

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Description

가압형 연료전지 시스템의 압력 제어 장치{Pressure control device of fuel cell system}

본 발명은 가압형 연료전지 시스템의 압력 제어 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 스택의 후단부에 스프링식 압력 제어장치를 설치하여, 연료전지 스택의 운전압력 크기에 따라 스프링식 압력 제어장치의 압축스프링이 압축 또는 복원되도록 함으로써, 스택의 운전압력이 적당한 수준으로 유지되면서 배출가스의 배출이 용이하게 이루어지도록 한 가압형 연료전지 시스템의 압력 제어 장치에 관한 것이다.

고체 고분자 연료전지를 운전하는 시스템은 크게 상압형 및 가압형으로 나뉘어 개발되고 있다.

대표적인 연료전지 시스템중 상압형 연료전지의 경우, 연료전지의 환원극(cathode)에 상압의 공기를 공급하기 위해 많은 전력을 필요로 하지 않는 공기 블로어(Air Blower)를 사용하고 있는데, 이는 연료전지 시스템을 운전하기 위한 주 변 장치들의 전원을 연료전지 스택으로부터 공급받아야 된다는 사실로 볼 때, 연료전지 스택의 전력 손실이 줄어든다는 장점이 있는 반면, 스택의 운전압력이 높아질수록 연료전지의 효율이 높아진다는 관점에서 볼 때는 스택의 전력밀도가 낮아진다는 단점이 있다.

이러한 점을 감안하여, 연료전지 스택 및 그 시스템 개발에 있어서 가압형 연료전지 시스템을 개발하고 있는데, 환원극에 상압보다 높은 압력의 공기를 공급하기 위해 컴프레서(Compressor)를 사용하고 있고, 연료전지 스택을 통과하고 나오는 가스 배관에 별도의 압력 제어 장치 즉, 백프레슈어 레귤레이터(Back pressure regulator)를 장착하여 스택에 공급되는 가스 및 냉각수의 압력을 제어하고 있다.

일반적인 연료전지 상압 및 가압시스템을 비교하여 도시한 도 1을 참조로 기존의 연료전지 상압 시스템과 가압시스템을 좀 더 상세하게 살펴보면 다음과 같다.

상기 연료전지 상압시스템의 경우, 수소는 고압 수소탱크로부터 연료전지 스택(50)의 연료극(anode)로 공급되고, 냉각수는 냉각수 펌프에 의하여 연료전지 스택의 냉각수 채널로 공급되며, 그리고 공기는 에어블로어를 통해 연료전지 스택(50)의 공기극(cathode)으로 공급된다.

반면에, 상기 연료전지 가압시스템의 경우, 공기가 컴프레서를 통해 연료전지 스택(50)의 공기극으로 공급되는 점에서 차이가 있으며, 도 1의 아래쪽 도면에서 보는 바와 같이 연료전지 스택(50)의 가스(수소,공기) 및 냉각수 배출용 배관에 별도의 압력 제어장치인 백프레슈어 레귤레이터(60: back pressure regulator)를 장착하여, 스택 내에 부가되는 운전압력을 제어하게 된다.

이와 같은 연료전지 가압시스템에 있어서, 스택의 운전 압력이 가변적으로 변동될 경우 공급되는 가스들은 연료전지 스택의 출력에 비례하여 증가하게 되는데, 이때 가스의 유량을 측정하거나 출력을 측정하고, 측정된 전기적 제어신호를 제어기를 통해 상기 압력 제어장치에 보내어줌으로써, 압력 제어장치에 의하여 스택의 운전압력이 적정 수준을 유지하게 된다.

그러나, 가압형 연료전지 시스템의 경우 연료전지 스택의 운전 압력이 일정하게 고정된다면 적합하게 사용할 수 있지만, 연료전지 스택에서 생산되는 전력의 변동에 따라 낮은 출력의 전력에서는 가스의 양이 적으므로 높은 운전압력을 유지하는데 어려움이 있다.

특히, 상기 연료전지 가압시스템은 압력 제어장치에 대한 제어 계통이 복잡해지고, 별도의 제어기를 요구함에 따른 제어기 및 압력 제어장치가 더 포함되기 때문에 구성이 복잡해지는 단점이 있고, 또한 공기 공급시스템의 경우 공기 컴프레서와 공기 백프레슈어 레귤레이터를 연계하여 제어하는 기술 적용에 어려움이 있는 단점이 있다.

즉, 가압형 연료전지 시스템을 연료전지 스택의 가변적인 운전 압력이 적용되는 시스템으로 적용하기 위하여, 스택의 출력전류에 따른 공기량 또는 수소량을 측정 및 계산하고, 그에 따른 압력범위 신호를 전기적 방법으로 별도의 압력제어장치에 보내어, 압력제어장치의 동작 제어가 이루어져야 하는데, 이러한 압력제어장치에 대한 제어 로직이 추가되어야 하는 등의 복잡한 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 연료전지 스택을 통과하여 나오는 가스 및 냉각수 배출용 배관에 기계적으로 압력을 제어할 수 있는 스프링식 압력 제어 장치를 장착하여, 연료전지 스택에 공급되는 가스 유량에 따른 운전압력 크기에 따라 스프링식 압력 제어장치의 압축스프링이 압축 또는 복원되도록 함으로써, 스택의 운전압력이 적당한 수준으로 유지되면서 배출가스의 배출이 용이하게 이루어지도록 한 가압형 연료전지 시스템의 압력 제어 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 가스 및 냉각수가 배출되는 연료전지 스택의 후단 배출라인에 스택의 운전압력을 적정범위내로 조절하는 동시에 스택의 운전압력 크기에 따라 가스 및 냉각수의 배출량을 조절하는 스프링식 압력 제어 장치를 장착하여서 된 것을 특징으로 하는 가압형 연료전지 시스템의 압력 제어 장치를 제공한다.

바람직한 구현예로서, 상기 스프링식 압력 제어 장치는: 소정 직경의 고정단과, 보다 작은 직경의 이동단이 압축스프링에 의하여 일체로 연결된 구조로 제작된 가변 스프링체와; 상기 고정단과 접합되면서 압축스프링 및 이동단을 내부에 수용하는 중공 구조로서, 다수개의 배기구멍이 관통 형성된 가스 배기파이프; 를 포함 하여 구성된 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게는, 상기 가스 배기파이프의 외경을 소정 거리를 유지하며 커버하는 가스 배기파이프 커버를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.

본 발명에 따르면 연료전지 스택을 통과하여 나오는 가스 및 냉각수 배출용 배관에 기계적으로 압력을 제어할 수 있는 스프링식 압력 제어 장치를 장착하여, 연료전지 스택에 공급되는 가스 유량에 따른 스택의 운전압력이 가변되더라도, 스택의 운전압력을 적당한 수준으로 유지하면서 배출가스의 배출이 용이하게 이루어지게 할 수 있다.

본 발명의 압력 제어 장치는 스프링을 이용한 기계식이기 때문에, 기존의 가압형 연료전지 시스템에 백프레슈어 레귤레이터를 제어하기 위한 각종 제어기가 필요없어 구조가 간단하고 비용을 절감할 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.

첨부한 2는 가압형 시스템의 가변적인 운전 압력을 위해 연료전지 스택의 후단에 장착되는 스프링식 압력 제어 장치를 나타낸 분리 사시도이고, 도 3은 그 동 작을 나타내는 사시도이다.

본 발명에 따른 가압형 연료전지 시스템의 압력 제어 장치는 스프링식 압력 제어 장치(10)로서, 가변 스프링체(20)와, 다수개의 배기구멍(32)이 관통 형성된 가스 배기파이프(30)와, 이 가스 배기파이프(30)의 외경을 소정 거리를 유지하며 커버하는 가스 배기파이프 커버(40)를 포함하여 구성된다.

상기 가변 스프링체(20)는 소정 직경의 고정단(22)과, 보다 작은 직경의 이동단(24)이 압축스프링(26)에 의하여 일체로 연결된 구조로 제작된다.

또한, 상기 가스 배기파이프(30)의 외측단부와 상기 가변 스프링체(20)의 고정단(22) 내면은 용접 등과 같은 방법에 의하여 서로 일체로 접합되고, 상기 가스 배기파이프(30)의 내측단부는 상기 가스 배기파이프 커버(40)의 내부로 삽입되어 가스 배기파이프 커버(40)의 내끝단부에 일체로 접합된다.

이때, 상기 가변 스프링체(20)의 압축스프링(26)의 전단부와 이동단(24)은 상기 가스 배기파이프(30)의 내부에 이동 가능하게 위치하게 되며, 상기 이동단(24)의 외경면은 가스 배기파이프(30)의 내경면과 슬라이딩 가능하게 접촉되는 상태가 된다.

따라서, 연료전지 시스템이 운전되면, 공급가스중 공기는 가습기를 거쳐 연료전지 스택의 공기극으로 공급되고, 수소는 연료전지 스택의 연료극으로 공급되며, 공급된 공기 및 수소는 전기 생성을 위한 반응을 마친 후, 각각 그 배출용 배관을 통해 배출되는 바, 이때 배출되는 가스(수소, 공기)는 상기와 같은 구성으로 이루어진 스프링식 압력 제어장치를 거치게 된다.

보다 상세하게는, 상기 연료전지 스택(50)에서 배출되는 가스는 가스 배기파이프 커버(40)를 통해 가스 배기파이프(30)의 내부로 들어간 후, 가스 배기파이프(30)의 배기구멍(32)을 통해 배출된다.

이때, 상기 가스의 배출유량 및 스택의 운전압력이 크면 상기 이동단(24)이 압축스프링(26)을 압축하면서 외측방향으로 이동됨에 따라, 외부와 연통되는 상기 가스 배기파이프(30)의 배기구멍(32) 갯수가 증가하게 되어, 스택의 큰 운전압력에 맞게 가스의 배출이 용이하게 이루어질 수 있다.

반면에, 상기 가스의 배출유량 및 스택의 운전압력이 작으면 상기 이동단(24)이 압축스프링(26)의 복원력에 의하여 내측방향으로 이동됨에 따라, 외부와 연통되는 상기 가스 배기파이프(30)의 배기구멍(32) 갯수가 감소하게 되어, 스택의 작은 운전압력에 맞게 운가스의 배출이 용이하게 이루어질 수 있다.

연료전지에서 높은 전류(Load)를 뽑아내게 되면 공기 및 수소의 유량 및 공급압력을 증가시켜야 하는데, 스택의 증가하는 운전압력에 따라 상기 압축스프링(26)이 자동적으로 압축되는 동시에 상기 가스 배기파이프(30)에 뚫려있는 더 많은 배기구멍(32)을 통해 가스가 용이하게 배출된다.

즉, 연료전지 스택(50)으로 공급되는 가스의 압력에 따라 상기 스프링식 압력 제어장치(10)의 압축스프링(26)이 적당히 압축되고, 이에 상기 스택의 운전압력이 적당한 수준으로 유지되면서 배출가스의 배출이 이루어지게 된다.

이와 같이, 상기 스프링식 압력 제어 장치를 구성하는 부품중 압축스프링의 압축 및 복원이 스택의 운전압력에 따라 조절됨으로서, 스택의 운전압력을 적정 수 준으로 조절할 수 있다.

즉, 스택의 출력 전류에 따라 압축스프링의 압축 및 복원 정도가 변화됨으로서, 가스 배기량이 용이하게 조절되므로, 종래와 같이 압력 조절을 위한 복잡한 전기적 제어 신호를 필요로 하지 않는다.

첨부한 도 4는 본 발명에 따른 스프링식 압력 제어 장치가 구비된 가압형 연료전지 시스템과, 종래의 가압형 연료전지 시스템을 비교한 도면이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명은 기존의 가압형 연료전지 시스템에 채택된 백프레슈어 레귤레이터(60) 대신 스프링식 압력 제어 장치(10)를 도입함으로서, 각 시스템별(공기, 수소, 물) 제어기의 삭제가 가능하고, 컴프레서 구동을 위한 공기공급제어기와 연계할 필요성이 배제되므로, 연료전지 시스템의 제어 측면에서 볼 때 간소화를 이룰 수 있다.

도 1은 기존의 상압형 연료전지 시스템과 가압형 연료전지 시스템을 비교한 모식도,

도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 가압형 연료전지 시스템의 압력 제어 장치를 나타내는 사시도,

도 4는 본 발명에 따른 가압형 연료전지 시스템과, 기존의 가압형 연료전지 시스템을 비교한 모식도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 스프링식 압력 제어 장치 20 : 가변 스프링체

22 : 고정단 24 : 이동단

26 : 압축스프링 30 : 가스 배기파이프

32 : 배기구멍 40 : 가스 배기파이프 커버

50 : 연료전지 스택 60 : 백프레슈어 레귤레이터

Claims (3)

1. 가스 및 냉각수가 배출되는 연료전지 스택의 후단 배출라인에 스택의 운전압력을 적정범위내로 조절하는 동시에 스택의 운전압력 크기에 따라 가스 및 냉각수의 배출량을 조절하는 스프링식 압력 제어 장치를 장착하여서 된 것을 특징으로 하는 가압형 연료전지 시스템의 압력 제어 장치.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 스프링식 압력 제어 장치는:

   소정 직경의 고정단과, 보다 작은 직경의 이동단이 압축스프링에 의하여 일체로 연결된 구조로 제작된 가변 스프링체와;

   상기 고정단과 접합되면서 압축스프링 및 이동단을 내부에 수용하는 중공 구조로서, 다수개의 배기구멍이 관통 형성된 가스 배기파이프;

   를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 가압형 연료전지 시스템의 압력 제어 장치.
3. 청구항 2에 있어서,

   상기 가스 배기파이프의 외경을 소정 거리를 유지하며 커버하는 가스 배기파 이프 커버를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가압형 연료전지 시스템의 압력 제어 장치.

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