KR20100101403A - 연료 전지 시스템 및 연료 전지 시스템의 구동 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 연료 전지 시스템은 적정한 농도의 연료를 연료 전지 스택으로 공급할 수 있도록, 연료와 산화제의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 연료 전지 스택과, 연료를 상기 연료 전지 스택으로 공급하는 연료 공급부와, 산화제를 상기 연료 전지 스택으로 공급하는 산화제 공급부와 상기 연료 전지 스택에서 배출되는 유체를 공급받아 기체와 액체를 분리하는 기액 분리기, 및 상기 기액 분리기의 입구 측에 연결 설치되어 압력을 측정하는 압력계를 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구동 방법은 연료 전지 스택에서 배출되는 수분을 기액 분리기로 공급하는 회수 단계와, 상기 기액 분리기 내부의 입구단 압력을 측정하는 압력 측정 단계와, 상기 압력을 바탕으로 상기 기액 분리기로 유입되는 수분의 양을 조절하는 유량 조절 단계, 및 상기 기액 분리기에서 배출된 액체와 연료를 혼합하여 상기 연료 전지 스택으로 공급하는 혼합 공급 단계를 포함한다.
연료 전지, 열 교환기, 기액분리기, 혼합기

Description

연료 전지 시스템 및 연료 전지 시스템의 구동 방법{FUEL CELL SYSTEM AND DRIVING METHOD THEREOF}
본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 미반응 연료 및 수분을 회수하는 구조를 개선한 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
연료 전지는 연료(수소 또는 개질 가스)와 산화제(산소 또는 공기)를 이용하여 전기 화학적으로 전력을 생산하는 장치로서, 외부에서 지속적으로 공급되는 연료(수소 또는 개질 가스)와 산화제(산소 또는 공기)를 전기 화학 반응에 의하여 직접 전기에너지로 변환시키는 장치이다.
연료 전지의 산화제로는 순수 산소나 산소가 다량 함유되어 있는 공기를 이용하며, 연료로는 순수 수소 또는 탄화수소계 연료(LNG, LPG, CH3OH)를 개질 하여 생성된 수소가 다량 함유된 연료를 사용한다.
이러한 연료 전지는 크게, 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC)와, 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxydation Fuel Cell)와 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC)로 구분될 수 있다.
고분자 전해질형 연료 전지는 스택(stack)이라 불리는 연료 전지 본체를 포함하며, 개질기로부터 공급되는 수소 가스와, 공기펌프 또는 팬의 가동에 의해 공급되는 공기의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 구조로서 이루어진다. 여기서 개질기는 연료를 개질하여 이 연료로부터 수소 가스를 발생시키고, 이 수소 가스를 스택으로 공급하는 연료처리장치로서의 기능을 한다.
직접 산화형 연료 전지는 고분자 전해질형 연료 전지와 달리, 수소 가스를 사용하지 않고 연료인 알코올류를 직접적으로 공급받아 이 연료 중에 함유된 수소와, 별도로 공급되는 공기의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 구조로서 이루어진다. 직접 메탄올형 연료 전지는 직접 산화형 연료 전지 중에서 메탄올을 연료로 사용하는 전지를 말한다.
이하, 설명의 편의를 위하여 이러한 연료 전지 중 직접 메탄올형 연료 전지(DMFC)를 중심으로 설명한다.
직접 메탄올형 연료 전지는 에너지 무게 밀도를 높이기 위해서 고농도의 연료를 사용하는데, 고농도의 연료를 사용하기 위해서는 애노드에서 소비되는 물을 캐소드에서 생성되는 물로 보충해 주어여 한다.
하지만 전기 화학 반응을 하고 나면 애노드에서는 CO2가 생성되어 미반응 연료와 혼합되어 유동하며, 캐소드에서도 기존의 공기에 새로 생성된 물이 혼합되어 유동한다. 양쪽 유체에서 미반응 연료와 물을 회수하기 위해서는 기체와 액체를 분리하는 기액 분리 장치가 필수적이다.
기액 분리 장치는 중력을 이용하는 방식과, 원심력을 이용하는 방식, 그리고 기액 분리막을 이용하는 방식이 있다.
그러나 휴대용 연료전지의 경우 중력 방향에 관계 없이 정상 작동을 해야 하므로 중력을 이용하는 방식은 사용할 수 없고, 기액 분리막의 경우에는 내구성과 신뢰성에 중대한 결함이 있어서 오랜 시간 사용할 수 없다.
따라서 소모전력이 발생하더라도 원심 분리형 기액 분리 장치를 사용하게 되는데, 원심 분리 방식은 원심 분리기 내에 남아 있는 물의 양을 측정하기가 힘들어서 회수할 물의 양을 결정하기가 어려운 문제가 있다.
원심 분리기 내에 잔류하는 물의 양을 측정하는 방법으로는 원심력 방향으로 전극을 꽂아 놓고, 전극들이 물이 닿아 있으면 반응을 하여 물의 양을 간접적으로 측정하는 방법이 있다. 그러나 이 방법은 중력의 방향이 바뀌거나 진동이 심하여 물이 전극에 튀면 측정에 오류가 생기는 문제가 있다.
이와 같이 오류가 생기면 물이 부족한데도 응축기를 제어하지 않아서 결국 고농도의 연료가 스택으로 공급되어 스택이 손상되는 문제가 발생한다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 적정한 농도의 연료를 스택으로 공급할 수 있는 연료 전지 시스템을 제공함에 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템은 연료와 산화제의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 연료 전지 스택과, 연료를 상기 연료 전지 스택으로 공급하는 연료 공급부와, 산화제를 상기 연료 전지 스택으로 공급하는 산화제 공급부와 상기 연료 전지 스택에서 배출되는 유체를 공급받아 기체와 액체를 분리하는 기액 분리기, 및 상기 기액 분리기의 입구 측에 연결 설치되어 압력을 측정하는 압력계를 포함한다.
상기 연료 전지 시스템은 상기 압력계와 연결되어 상기 압력계를 통해서 상기 기액 분리기 내부의 유량을 검출하여 상기 기액 분리기로 유입되는 유체의 유량을 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 연료 전지 시스템은 상기 연료 전지 스택에서 나오는 수증기를 응축하여 상기 기액 분리기로 공급하는 열 교환기를 더 포함할 수 있다.
상기 열 교환기는 상기 제어부와 연결되어 상기 제어부의 작동에 따라 응축되는 수분의 양이 조절될 수 있다. 또한, 상기 연료 전지 시스템은 상기 연료 전지 스택과 연결된 산화제 배출관에 설치되어, 상기 기액 분리기로 유입되는 수분의 양을 조절하는 제어 밸브를 더 포함할 수 있다.
상기 기액 분리기에서 분리된 액체와 상기 연료 공급부에서 공급된 연료를 혼합하는 혼합기를 더 포함할 수 있으며, 상기 기액 분리기는 원심 분리 방식으로 액체와 기체를 분리할 수 있다.
상기 연료 전지 시스템은 휴대 가능한 연료 전지 시스템일 수 있으며, 상기 압 력계는 상기 원심 분리기의 유입구에 설치될 수 있다. 또한, 상기 압력계는 배출관을 통해서 상기 연료 전지 스택과 연통될 수 있으며 상기 압력계는 상기 배출관에 설치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구동 방법은 연료 전지 스택에서 배출되는 수분을 기액 분리기로 공급하는 회수 단계와, 상기 기액 분리기 내부의 입구단 압력을 측정하는 압력 측정 단계와, 상기 압력을 바탕으로 상기 기액 분리기로 유입되는 수분의 양을 조절하는 유량 조절 단계, 및 상기 기액 분리기에서 배출된 액체와 연료를 혼합하여 상기 연료 전지 스택으로 공급하는 혼합 공급 단계를 포함한다.
상기 유량 조절 단계는 상기 산화제 출구에서 배출된 수분의 응축량을 조절하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 상기 유량 조절 단계는 밸브를 이용하여 기액 분리기로 전달되는 수분의 양을 조절하는 단계를 포함할 수 있다.
상기와 같이 본 발명에 따르면 기액 분리기 내에 잔존하는 유체의 양을 용이하게 파악하여 적정한 농도의 연료를 스택으로 공급할 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 당업자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템 개략적으로 도시한 구성도이다.
상기한 도면을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)은 메탄올과 산소의 직접적인 반응에 의하여 전기 에너지를 발생시키는 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell) 방식을 채용할 수 있다.
다만 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 본 실시예에 따른 연료 전지 시스템은 에탄올, LPG, LNG, 가솔린, 부탄 가스 등과 같이 수소를 함유한 액체 또는 기체 연료를 산소와 반응시키는 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxidation Fuel Cell) 방식으로서 구성될 수 있다. 또한, 연료를 수소가 풍부한 개질가스로 개질하여 사용하는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrode Membrane Fuel Cell; PEMFC)로 이루어질 수도 있다.
이러한 연료 전지 시스템(100)에 사용되는 연료라 함은 메탄올, 에탄올 또는 천연가스, LPG 등과 같이 액상 또는 기체 상태로 이루어진 탄화수소계 연료를 통칭한다.
그리고 본 연료 전지 시스템(100)은 수소와 반응하는 산화제로서 별도의 저장 수단에 저장된 산소 가스를 사용할 수 있으며, 공기를 사용할 수도 있다.
본 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)은 연료와 산화제를 이용하여 전력을 발생시키는 연료 전지 스택(30)과 연료 전지 스택(30)으로 연료를 공급하는 연료 공급부(10)와, 전기 생성을 위한 산화제를 연료 전지 스택(30)으로 공급하는 산화제 공급부(20), 연료 전지 스택(30)에서 배출된 유체에서 기체와 액체를 분리하는 기액 분리기(51), 및 기액 분리기(51)로 제공되는 유체의 양을 조절하는 유량 조절부(40)를 포함한다.
연료 공급부(10)는 연료 전지 스택(30)과 연결 설치되는 것으로서, 액상의 연료를 저장하는 연료 탱크(12)와, 연료 탱크(12)에 연결 설치되는 연료 펌프(14)를 구비한다. 상기한 연료 펌프(14)는 소정의 펌핑력에 의해 연료 탱크(12)에 저장된 액상의 연료를 연료 탱크(12)의 내부로부터 배출시키는 기능을 갖는다. 본 실시예에서 연료 공급부(10)에 저장된 연료는 거의 100%의 MeOH로 구성된 고농도 메탈올로 이루어질 수 있다.
산화제 공급부(20)는 연료 전지 스택(30)과 연결 설치되며, 소정의 펌핑력으로 외부 공기를 흡입하여 연료 전지 스택(30)으로 공급할 수 있는 산화제 펌프(25)를 구비한다.
도 2는 도 1에 도시한 연료 전지 스택의 구조를 나타낸 분해 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하여 연료 전지 스택에 대하여 자세히 살펴본다. 본 연료 전지 시스템(100)에 적용되는 연료 전지 스택(30)은 연료와 산화제의 산화/환원 반응을 유도하여 전기 에너지를 발생시키는 복수의 전기 생성부들(35)을 구비한다.
각각의 전기 생성부(35)는 전기를 발생시키는 단위 셀을 의미하며, 연료와 산화제 중의 산소를 산화/환원시키는 막-전극 집합체(Membrane Electrode assembly: MEA)(31) 및, 연료와 산화제를 막-전극 집합체로 공급하기 위한 세퍼레이터(당 업계에서는 바이폴라 플레이트라고도 한다.)(separator)(32, 33)를 포함한다.
전기 생성부(35)는 막-전극 집합체(31)를 중심에 두고 이의 양측에 세퍼레이 터(32, 33)가 각각 배치된 구조를 갖는다. 막-전극 집합체(31)는 중앙에 배치된 전해질막과 전해질막의 일측에 배치된 캐소드 전극과 전해질막의 타측에 배치된 애노드 전극을 포함한다.
세퍼레이터(32, 33)는 막-전극 집합체(31)를 사이에 두고 밀착 배치되어, 막-전극 집합체(31)의 양측에 각각 연료통로와 공기통로를 형성한다. 이 때 연료통로는 막-전극 집합체(31)의 애노드 전극 측에 배치되고, 공기통로는 막-전극 집합체(31)의 캐소드 전극 측에 배치된다. 그리고 전해질막은 애노드 전극에서 생성된 수소 이온을 캐소드 전극으로 이동시켜, 캐소드 전극의 산소와 결합되어 물을 생성시키는 이온 교환을 가능하게 한다
이로써 상기 애노드 전극에서는 산화 반응을 통해 수소를 전자와 프로톤(수소이온)으로 분해한다. 그리고 프로톤이 전해질막을 통하여 캐소드 전극으로 이동되고, 전자는 전해질막을 통하여 이동되지 못하고 세퍼레이터(33)를 통해 이웃하는 막-전극 집합체(31)의 캐소드 전극으로 이동되는데 이 때 전자의 흐름으로 전류를 발생시킨다. 또한 캐소드 전극에서는 이동된 프로톤 및 전자와 산소의 환원 반응을 통해 수분이 생성된다.
본 연료 전지 시스템(100)은 위와 같은 복수의 전기 생성부(35)가 연속적으로 배치됨으로써 연료 전지 스택(30)을 구성하게 된다. 여기서 연료 전지 스택(30)의 제일 외각에는 연료 전지 스택(30)을 일체로 고정하는 엔드 플레이트(37, 38)가 설치된다.
일측 엔드 플레이트(37)에는 산화제를 스택으로 공급하기 위한 제1 주입 부(37a)와 연료를 연료 전지 스택(30)으로 공급하기 위한 제2 주입부(37b)가 형성된다. 또한 타측 엔드 플레이트(38)에는 막-전극 집합체(31)의 캐소드 전극에서 수소와 산소의 결합 반응에 의해 생성된 수분을 함유한 미반응 공기를 배출시키기 위한 제1 배출부(38a)와 막-전극 집합체(31)의 애노드에서 반응하고 남은 미반응 연료를 배출시키기 위한 제2 배출부(38b)가 형성된다.
한편, 제1 배출부(38a)에는 수분 배출관(61)이 연결 설치되고, 제2 배출부(38b)에는 연료 배출관(62)이 연결 설치된다. 수분 배출관(61) 및 연료 배출관(62)은 회수관(63)에 연결 설치되며 회수관(63)에서 수분 및 연료가 합류하여 기액 분리기(51)로 전달된다.
기액 분리기(51)는 원심 분리형 기액 분리기로 이루어지는 데, 내부에 구비된 블레이드(51a)가 회전하면서 액체는 밀어내고 기체는 위로 배출시킨다. 기액 분리기(51)에서 나온 기체는 외부로 배출되고, 액체는 혼합기(54)로 전달된다.
혼합기(54)는 기액 분리기(51)에서 전달된 회수 유체와 연료 공급부(10)에서 전달된 연료가 혼합하는 장치로서, 회수 유체의 유량에 따라 혼합기(54)에서 혼합되는 연료의 농도가 결정된다. 혼합기(54)에서 혼합된 연료는 이송 펌프(56)에 의하여 연료 전지 스택(30)으로 공급되어 발전에 사용된다.
혼합기(54)와 연료 전지 스택(30) 사이에는 유량 조절부(40)가 연결 설치된다. 유량 조절부(40)는 연료 전지 스택(30)에서 배출되는 유체를 응축시키는 열 교환기(45)와 기액 분리기(51)의 입구 측에 설치된 압력계(41), 및 압력계(41)와 열 교환기(45)에 연결되어 열 교환기(45)에서 응축되는 유체의 양을 조절하는 제어 기(43)를 포함한다.
열 교환기(45)는 수분 배출관(61)에 연결 설치되며 연료 전지 스택(30)에서 배출되는 수분을 냉각하여 응축하는 역할을 한다. 본 실시예에서는 열 교환기(45)가 수분 배출관(61)에 연결 설치된 것으로 예시하고 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 열 교환기(45)는 회수관(63)에 연결 설치되어 수분과 함께 연료를 응축할 수도 있다.
압력계(41)는 기액 분리기(51)의 입구 측에 연결 설치되는데, 기액 분리기(51)의 입구에 설치되거나, 기액 분리기(51)의 입구와 가까운 회수관(63)에 연결 설치될 수 있다.
압력계(41)는 기액 분리기(51)로 유입되는 유체의 압력을 측정하며, 이 압력은 기액 분리기(51) 내에 존재하는 유체의 양에 따라 달라진다. 기액 분리기(51)로 유입되는 유체는 내부의 유체를 밀어내면서 기액 분리기(51)로 유입되므로 내부에 잔류하는 유체가 많을 경우 높은 압력을 나타낸다.
도 4는 압력계로 측정한 압력과 기액 분리기 내의 유체 양을 나타낸 그래프이다. 압력과 유량의 관계를 확인하기 위해서 4차례의 평가를 실시하였다. 도 4에 도시된 바와 같이 압력과 유량은 거의 선형적으로 비례한다. 따라서 압력과 유량과의 관계를 식으로 도출하여 압력을 통해서 유량을 용이하게 측정할 수 있다.
압력계(41)에서 측정된 압력 정보는 제어기(43)로 전달되며 제어기(43)는 압력 정보를 바탕으로 열 교환기(45)의 작동을 제어하여 응축되는 수분을 양을 조절한다. 즉, 압력이 높으면 응축되는 수분의 양을 감소시키고, 압력이 낮으면 응축 되는 수분의 양을 증가시켜서 기액 분리기(51)로 유입되는 수분의 양을 조절한다.
이와 같이 본 실시예에 따르면 압력계(41)를 이용하여 기액 분리기(51) 내에 잔류하는 유체의 양을 측정함으로써 유체가 진동하거나 중력의 영향으로 기울어지더라도 정확하게 유량을 측정할 수 있다.
따라서 기액 분리기(51)는 정량의 유체를 혼합기(54)로 공급하여 연료 전지 스택(30)으로 유입되는 연료의 농도를 적절하게 제어할 수 있다.
상기한 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)을 구동하는 방법을 살펴보면 다음과 같다.
본 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)의 구동 방법은 연료 전지 스택(30)에서 배출되는 수분과 연료를 기액 분리기(51)로 공급하는 회수 단계와, 기액 분리기(51) 내부로 유입되는 유체의 압력을 측정하는 압력 측정 단계와, 측정된 압력을 바탕으로 기액 분리기(51)로 유입되는 수분의 양을 조절하는 유량 조절 단계, 및 기액 분리기(51)에서 배출된 액체와 연료를 혼합하여 연료 전지 스택(30)으로 공급하는 혼합 공급 단계를 포함한다.
회수 단계에서는 연료와 수분을 기액 분리기(51)로 공급한다. 본 실시예에서는 연료와 수분을 모두 기액 분리기(51)로 공급하는 것으로 예시하고 있으나 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 수분만 기액 분리기(51)로 공급하여 회수할 수도 있다.
압력 측정 단계에서는 기액 분리기(51)의 입구단에 설치된 압력계(41)를 이용하여 기액 분리기(51)로 유입되는 유체의 압력을 측정한다.
유량 조절 단계는 측정된 압력 정보를 제어기(43)로 전달하는 단계와 제어기(43)를 이용하여 열 교환기(45)에 응축되는 수분의 양을 조절하는 단계를 포함한다.
제어기(43)는 압력 정보를 바탕으로 기액 분리기(51) 내부의 유량을 판단한다. 열 교환기(45)의 작동은 제어기(43)의 명령에 의하여 제어되는 바, 열 교환기(45)는 압력 정이 높은 경우에는 적게 응축하고, 압력이 낮은 경우에는 많이 응축한다.
혼합 공급 단계에서는 혼합기(54)를 이용하여 회수된 유체와 연료를 적정한 농도로 혼합하며, 이송 펌프(56)를 이용하여 혼합된 연료를 연료 전지 스택(30)으로 공급한다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 3을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 연료 전지 시스템(200)은 유량 조절부(40)의 구성을 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템과 동일한 구조로 이루어지므로 동일한 구조에 대한 중복된 설명은 생략한다.
도 3에 도시된 바와 같이 유량 조절부(40)는 연료 전지 스택(30)과 기액 분리기(51) 사이에 설치되며 기액 분리기(51)로 유입되는 수분의 유량을 제어한다.
연료 전지 스택(30)의 제1 배출부(38a)에는 수분 배출관(65)이 연결 설치되고, 제2 배출부(38b)에는 연료 배출관(67)이 연결 설치된다. 수분 배출관(65)에 상기한 유량 조절부(40)가 연결 설치되며, 연료 배출관(67)은 기액 분리기(51)와 직접 연결된다.
기액 분리기(51)는 원심 분리형 기액 분리기로 이루어지며 액체와 기체를 분리하여 기체는 외부로 배출되고, 액체는 혼합기(54)로 전달한다.
유량 조절부(40)는 연료 전지 스택(30)에서 배출되는 유체를 응축시키는 열 교환기(45)와 기액 분리기(51)의 입구 측에 설치된 압력계(41), 밸브(47), 및 압력계(41)와 열 교환기(45)와 밸브(47)에 연결 설치되어 열 교환기(45)에서 응측되는 유체의 양을 조절하는 제어기(43)를 포함한다.
열 교환기(45)는 수분 배출관(65)에 연결 설치되며 연료 전지 스택(30)에서 배출되는 수분을 냉각하여 응축 한다.
압력계(41)는 기액 분리기(51)의 입구 측에 설치되는데, 기액 분리기(51)의 입구에 연결 설치되거나, 기액 분리기(51)의 입구와 가까운 수분 배출관에 연결 설치될 수 있다.
압력계(41)와 열 교환기(45) 사이에는 밸브(47)가 설치되는 바, 밸브(47)는 기액 분리기(51)로 유입되는 수분의 유량을 제어한다.
압력계(41)는 기액 분리기(51)로 유입되는 유체의 압력을 측정하며, 압력계(41)로 측정된 압력은 제어기(43)로 전달된다. 제어기(43)로 전달된 압력 정보는 열 교환기(45)와 밸브(47)로 전달되어 기액 분리기(51)로 유입되는 수분의 양을 제어한다.
밸브(47)는 3방향 밸브로 이루어질 수 있으며, 제어기(43)의 명령에 따라 기액 분리기(51)로 유입되는 수분의 유량을 감소시키거나 상황에 따라 일부의 수분을 외부로 배출할 수 있다.
본 실시예에 따른 연료 전지 시스템(200)의 구동 방법은 연료 전지 스택(30)에서 배출되는 수분과 연료를 기액 분리기(51)로 공급하는 회수 단계와, 상기 기액 분리기(51) 내부로 유입되는 유체의 압력을 측정하는 압력 측정 단계와, 측정된 압력을 바탕으로 기액 분리기(51)로 유입되는 수분의 양을 조절하는 유량 조절 단계, 및 기액 분리기(51)에서 배출된 액체와 연료를 혼합하여 연료 전지 스택(30)으로 공급하는 혼합 공급 단계를 포함한다.
유량 조절 단계는 측정된 압력 정보를 제어기(43)로 전달하는 단계와 제어기(43)를 이용하여 열 교환기(45)에 응축되는 수분의 양을 조절하는 단계, 및 밸브(47)를 조절하여 기액 분리기(51)로 유입되는 수분의 양을 조절하는 단계를 더 포함한다.
본 실시예에서는 밸브(47)를 추가로 설치하여 압력 정보에 따라 보다 빨리 기액 분리기(51)로 유입되는 수분의 유량을 제어할 수 있다. 이에 따라 기액 분리기(51)에서 혼합기로 전달되는 유량을 일정하게 유지하여 연료의 농도를 더욱 정밀하게 제어할 수 있다.
상기에서는 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 것은 당연하다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시한 연료 전지 스택의 구조를 나타낸 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 4는 압력계로 측정한 압력과 기액 분리기 내의 유체 양을 나타낸 그래프이다.
- 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 -
100: 연료 전지 시스템 10: 연료 공급부
12: 연료 탱크 14: 연료 펌프
20: 산화제 공급부 25: 산화제 펌프
30: 연료 전지 스택 31: 막-전극 집합체
32, 33: 세퍼레이터 35: 전기 생성부
37, 38: 엔드 플레이트 40: 유량 조절부
41: 압력계 43: 제어기
45: 열 교환기 47: 밸브
51: 기액 분리기 54: 혼합기
56: 이송 펌프

Claims (13)

  1. 연료와 산화제의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 연료 전지 스택;
    연료를 상기 연료 전지 스택으로 공급하는 연료 공급부;
    산화제를 상기 연료 전지 스택으로 공급하는 산화제 공급부;
    상기 연료 전지 스택에서 배출되는 유체를 공급받아 기체와 액체를 분리하는 기액 분리기; 및
    상기 기액 분리기의 입구 측에 연결 설치되어 압력을 측정하는 압력계;
    를 포함하는 연료 전지 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 압력계와 연결되어 상기 압력계를 통해서 상기 기액 분리기 내부의 유량을 검출하여 상기 기액 분리기로 유입되는 유체의 유량을 제어하는 제어부를 더 포함하는 연료 전지 시스템.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 연료 전지 스택에서 나오는 수증기를 응축하여 상기 기액 분리기로 공급하는 열 교환기를 더 포함하는 연료 전지 시스템.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 열 교환기는 상기 제어부와 연결되어 상기 제어부의 작동에 따라 응축되는 수분의 양이 조절되는 연료 전지 시스템.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 연료 전지 스택과 연결된 산화제 배출관에 설치되어, 상기 기액 분리기로 유입되는 수분의 양을 조절하는 제어 밸브를 더 포함하는 연료 전지 시스템.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 기액 분리기에서 분리된 액체와 상기 연료 공급부에서 공급된 연료를 혼합하는 혼합기를 더 포함하는 연료 전지 시스템.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 기액 분리기는 원심 분리 방식으로 액체와 기체를 분리하는 연료 전지 시스템.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 연료 전지 시스템은 휴대 가능한 연료 전지 시스템.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 압력계는 상기 원심 분리기의 유입구에 설치된 연료 전지 시스템.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 압력계는 배출관을 매개로 상기 연료 전지 스택과 연통되고,
    상기 압력계는 상기 배출관에 설치된 연료 전지 시스템.
  11. 연료 전지 스택에서 배출되는 수분을 기액 분리기로 공급하는 회수 단계;
    상기 기액 분리기로 유입되는 유체의 압력을 측정하는 압력 측정 단계;
    상기 압력을 바탕으로 상기 기액 분리기로 유입되는 수분의 양을 조절하는 유량 조절 단계; 및
    상기 기액 분리기에서 배출된 액체와 연료를 혼합하여 상기 연료 전지 스택으로 공급하는 혼합 공급 단계;
    를 포함하는 연료 전지 시스템의 구동 방법.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 유량 조절 단계는 상기 산화제 출구에서 배출된 수분의 응축량을 조절하는 단계를 더 포함하는 연료 전지 시스템의 구동 방법.
  13. 제11 항에 있어서,
    상기 유량 조절 단계는 밸브를 이용하여 기액 분리기로 전달되는 수분의 양 을 조절하는 단계를 포함하는 연료 전지 시스템의 구동 방법.
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