KR20110050005A - 연료전지 스택의 연료가스 온도와 습도 조절장치 및 방법 - Google Patents

연료전지 스택의 연료가스 온도와 습도 조절장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지 스택의 연료가스 온도와 습도 조절장치 및 방법에 관한 것으로, 연료변환기(10)와 프록스반응기(20)의 사이에 스택 냉각수가 순환하는 열교환기(60)가 설치된다.
따라서, 스택 냉각수의 열회수량을 조절하여(열교환기(40)에서) 상기 열교환기(60)로 유입되는 스택 냉각수의 온도를 조절하고, 이에 따라 연료가스의 온도 및 습도를 조절할 수 있게 된다.
따라서, 별도의 가습기가 필요없게 됨으로써 시스템 구성이 단순해지고, 제조 비용이 절감되는 효과가 있다.
스택 냉각수 온도 조절, 연료가스 온도 조절, 연료가스 습도 조절

Description

연료전지 스택의 연료가스 온도와 습도 조절장치 및 방법{temperature and humidity control apparatus of fuel gas for fuel cell stack and method thereof}
본 발명은 연료전지 스택의 연료극으로 공급되는 연료가스의 온도와 습도를 조절하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
연료전지는 수소와 산소를 전해질막을 통해 반응시켜 물을 생성하면서 전류를 발생시키는 발전장치이다.
상기 전해질막을 사이에 두고 연료극과 공기극이 구비되어 그 각각으로 수소와 산소가 수소농후가스 및 공기의 형태로 공급되며, 상기의 구조로 이루어진 셀이 다수 적층되어 필요한 용량의 전력을 생산할 수 있는 스택을 구성한다.
연료전지 시스템은 통상 상기 스택과, 스택으로 공급되는 수소농후가스를 생산하는 연료변환기와, 스택에서 생산된 전력을 사용 목적에 맞는 형태로 변환하는 전력변환장치 및, 시스템의 시동과 운전 유지 및 정지를 위해 구비되는 각종 주변장치(BOP)로 이루어진다.
도 1에 연료변환기와 스택을 간략히 도시하였다.
상기 연료변환기(10)는 촉매를 이용하여 탄화수소계 연료의 개질반응을 통해 다량의 수소를 포함한 가스를 생성하는 개질반응기(reformer ;이하 개질기로 칭함)와, 상기 개질기로부터 배출된 개질가스의 일산화탄소 함량을 5000ppm 이하로 제거하는 쉬프트반응기를 포함한다.
또한, 상기 연료변환기(10)는 흡열반응인 개질반응의 유지를 위해 상기 개질기에 열을 공급하는 버너(15)를 구비한다.
도시된 예는 프록스반응기(20)라 불리우는 선택적산화반응기가 연료변환기(10)의 외부에 별도로 구성된 타입으로서, 상기 프록스반응기(20)는 쉬프트반응기에서 배출된 변성가스로부터 일산화탄소 함량을 10ppm 이하로 제거하는 역할을 한다.
한편, 상기 스택에서 정상적인 발전반응이 이루어지기 위해서는 연료극으로 공급되는 연료가스의 온도와 습도가 일정한 조건을 만족해야만 한다.
따라서, 종래에는 상기 프록스반응기(20)를 스택(30) 냉각수를 이용하여 냉각함으로써 연료가스의 온도를 조절하였다.(프록스반응기의 선택적 산화반응은 발열반으로서 시간이 지날수록 온도가 상승한다.) 이를 위해 스택(30)을 냉각하기 위한 냉각수라인이 상기 프록스반응기(20)를 경유하도록 하였다.
상기 스택 냉각수라인에는 열교환기(40)가 구비되어 스택에서 발생된 열을 회수할 수 있도록 되어 있다. 회수된 열은 난방이나 급탕에 사용된다.
한편, 스택(30)의 연료극으로 공급되는 연료가스의 습도를 조절하기 위하여 상기 프록스반응기(20)와 스택(30)의 연료공급 매니폴드의 사이에 가습기(50)를 설 치하였다.
따라서, 프록스반응기(20)에서 배출되어 스택(30)의 연료극으로 공급되는 연료가스의 습도가 부족한 경우 상기 가습기(50)로 가습을 실시하여 연료가스가 항상 최적 조건의 적절한 습도를 가질 수 있도록 조절하였다.
그러나, 상기와 같은 종래기술의 경우, 습도 조절을 위해 가습기를 이용하고 있으므로 연료전지 시스템의 구성이 복잡해지고, 제조비용이 상승되며, 시스템의 크기와 중량도 증가하게 되는 문제점이 있었다.
이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 별도의 가습기를 사용하지 않고도 연료전지 스택으로 공급되는 연료가스의 온도와 습도를 적정 조건으로 제어할 수 있게 됨으로써 가습기를 설치하는 경우에 비해 시스템 구성이 간단해지고, 제조비용이 감소되며, 시스템의 크기와 중량이 감소되는 연료전지 스택의 연료가스 온도와 습도 조절장치 및 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지 스택의 연료가스 온도와 습도 조절장치는,
개질기와 쉬프트반응기를 구비한 연료변환기와;
상기 연료변환기에 연결된 프록스반응기와;
상기 프록스반응기에 연결된 스택과;
상기 스택의 냉각수 순환 라인에 설치된 스택 냉각용 열교환기와;
상기 연료변환기와 프록스반응기의 사이에 설치되고, 상기 스택 냉각수 순환라인이 경유하는 연료가스 냉각용 열교환기;
를 포함한다.
또한, 상기 연료가스 냉각용 열교환기의 냉각수유입관과 냉각수배출관에 상기 프록스반응기의 입구와 출구에 연결되는 분지유입관과 분지배출관이 설치되어 상기 프록스반응기가 스택 냉각수에 의해 냉각되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 프록스반응기와 스택 사이에 기수분리기가 설치된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 기수분리기와, 상기 연료가스 냉각용 열교환기와 프록스반응기의 사이에 워터트랩이 각각 설치된 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명에 따른 연료전지 스택의 연료가스 온도와 습도 조절방법은,
스택 냉각용 열교환기의 열회수량을 조절하여 스택 냉각수의 온도를 조절하는 냉각수 온도조절단계와;
상기 냉각수 온도조절단계에서 온도 조절된 냉각수와 연료변환기로부터 배출된 연료가스를 열교환시켜 연료가스의 온도를 조절하는 연료가스 온도조절단계;
를 포함한다.
또한, 상기 연료가스 온도조절단계 이후에 프록스반응기를 통과하는 연료가스와 냉각를 열교환시켜 상기 연료가스의 온도를 정밀하게 재 조절하는 2차 연료가스 온도조절단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
이상 설명한 바와 같은 본 발명에 따르면,
스택 냉각수를 이용하여 연료가스의 온도를 조절하고, 그에 따라 습도를 조절함으로써 별도의 가습기 사용이 필요 없게 된다.
따라서, 가습기를 설치하는 경우에 비해 시스템 구성이 간단해지고, 제조비용이 감소되며, 시스템의 크기와 중량이 감소되는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 연료변환기와 프록스반응기의 사이에 연료가스와 열교환하는 열교환기를 설치하고, 상기 프록스반응기를 스택 냉각수를 이용하여 냉각함으로써 연료가스를 2차에 걸쳐 냉각하여 온도와 습도를 보다 정밀하게 제어할 수 있는 장점이 있다.
또한, 상기 프록스반응기와 스택의 사이에 기수분리기가 설치됨으로써 스택의 연료극으로 수분이 유입되는 것이 차단되어 과도 수분 유입으로 인한 촉매와 전해질의 손상 및 플루딩 현상에 의한 발전성능의 저하를 방지할 수 있게 되는 효과가 있다.
이하, 본 발명을 첨부된 예시도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 연료전지 스택의 연료가스 온도와 습도 조절장치의 구성도이다.
연료가스는 연료변환기(10)에서 개질기와 쉬프트반응기를 통과하여 일산화탄소(CO) 함유량 5000ppm 이하의 가스로 변환되고, 이어 프록스반응기(20)를 통과하여 선택적산화반응을 통해 연료극 촉매의 피독 우려가 없는 10ppm 이하로 연료가스중 일산화탄소를 제거한다.
스택(30)은 냉각수를 순환시켜 발전반응 중 발생한 열을 외부로 방출하여 과열을 방지하도록 되어 있다.
따라서, 냉각수 순환라인에는 열교환기(40)가 구비된다.
상기 열교환기(40)에서는 냉각수를 매개로 스택(30)의 열을 회수하여 난방 및 급탕에 이용한다.
본 발명은 상기 연료변환기(10)와 상기 프록스반응기(20) 사이에 연료가스와 냉각수를 열교환시키는 열교환기(60)가 설치된 것에 특징이 있다.
상기 열교환기(60)는 예를 들어, 냉각수 입구와 출구를 갖춘 챔버와, 상기 챔버에 내장된 분할관체로 이루어질 수 있다.
상기 분할관체는 다수의 작은 관으로 이루어진 관다발로서 관과 관 사이는 냉각수가 흐를 수 있도록 상호 이격되어 있으며, 상기 챔버의 외측으로 입구와 출구가 형성되어 있다.
따라서, 연료변환기(10)의 출구와 상기 분할관체의 입구가 연결되고 상기 분할관체의 출구와 상기 프록스반응기(20)의 입구가 연결되어 연료변환기(10)로부터 프록스반응기(20)까지의 연료가스 공급이 정상적으로 이루어진다.(상기 입구와 출구의 연결은 관을 매개로 이루어짐은 물론이다.)
또한, 상기 스택 냉각용 열교환기(40)의 냉각수 출구와 상기 연료가스 냉각용 열교환기(60) 챔버의 냉각수 입구가 냉각수유입관(100)으로 연결되고, 상기 연료가스 냉각용 열교환기(60)의 냉각수 출구와 스택(30)의 냉각수 유입구가 냉각수배출관(200)으로 연결된다.
따라서, 스택 냉각수는 스택(30), 스택 냉각용 열교환기(40), 연료가스 냉각용 열교환기(60), 다시 스택(30)으로 연결되는 냉각수 라인을 정상적으로 순환하면 서 스택(30)에서 발생한 열을 상기 스택 냉각용 열교환기(40)에서 외부 열교환수와 열교환하여 스택(30) 냉각작용을 한다.
한편, 상기 프록스반응기(20)의 냉각을 위해 상기 냉각수유입관(100)과 프록스반응기(20)를 연결하는 분지유입관(101)을 설치하고, 상기 프록스반응기(20)와 상기 냉각수배출관(200)을 연결하는 분지배출관(201)을 설치한다.
따라서, 스택 냉각용 열교환기(40)로부터 배출된 냉각수 중 일부가 상기 분지유입관(101)을 통해 프록스반응기(20)로 유입되고, 프록스반응기(20)에서 열교환뒤 배출된 냉각수는 상기 분지배출관(201)을 통해 냉각수배출관(200)의 냉각수와 합류되어 스택(30)으로 재유입된다.
따라서, 상기 프록스반응기(20)의 발열량을 제거할 수 있으므로 프록스반응기(20)의 과열을 방지할 수 있다.
이제 상기 구성에 따른 연료전지 스택의 연료가스 온도와 습도 조절장치의 작용 및 효과를 설명한다.
연료변환기(10)에서 개질 및 일산화탄소의 1차제거가 이루어지고 배출된 연료가스는 상기 열교환기(60)로 유입된다.
연료가스는 상기 열교환기(60)에서 스택 냉각수와 열교환하여 냉각수 온도로 감온된다.
따라서, 상기 스택 냉각용 열교환기(40)에서 열회수량을 조절하여 냉각수유입관(100)으로 배출되는 냉각수의 온도를 조절함으로써 상기 연료가스 냉각용 열교환기(60)를 통과한 후의 연료가스 온도를 조절할 수 있게 된다.
상기와 같이 연료가스의 온도를 조절할 수 있게 되므로 연료가스의 이슬점(dew point)이 조절되고, 이에 연료가스의 습도가 조절된다.
이후, 상기 연료가스 냉각용 열교환기(60)를 통과하여 냉각수 온도로 감온된 연료가스는 상기 프록스반응기(20)로 유입된다.
상기 프록스반응기(20)는 발열반응기이지만 분지유입관(101) 및 분지배출관(201)을 통해 냉각수의 공급 및 배출이 이루어지므로 냉각수량의 조절을 통해 상기 열교환기(60)에서 1차 온도 조절된 연료가스의 온도를 다시 조절하여 원하는 온도로 조절할 수 있다.
이에 전술한 바와 같이 이슬점이 조절되고, 그 결과 연료가스의 습도를 조절할 수 있게 된다.
상기와 같이 냉각수 온도를 조절하여 연료가스의 온도 및 습도를 조절할 수 있게 된다.
예를 들어, 스택(30)으로 공급해야 할 연료가스의 온도와 습도가 60℃, 100%라고 가정한다. 이 경우, 상기 스택 냉각용 열교환기(40)의 열회수량을 조절하여 연료가스 냉각용 열교환기(60)로 공급되는 냉각수의 온도를 60℃로 조절하면 연료변환기(10)에서 배출된 연료가스의 온도와 습도가 상기 열교환기(60)를 거치면서 60℃, 100%가 되고, 이후 프록스반응기(20)를 통과하면서도 프록스반응기의 발열반응에도 불구하고 냉각수에 의해 그 온도와 습도가 유지되어 스택(30)으로 공급되는 연료가스의 온도와 습도가 60℃, 100%가 되어 유입 조건을 만족시킬 수 있게 된다.
한편, 상기 연료가스는 상기 프록스반응기(20)를 거치면서 응축수가 발생하 게 되는데, 상기 응축수가 연료가스와 함께 스택(30)의 연료극으로 유입되면 전해질막이 손상되거나, 플루딩(flooding) 현상으로 인해 발전반응이 저해되어 스택(30)의 출력이 감소된다.
따라서, 도 3과 같이 프록스반응기(20)와 스택(30)의 사이에 기수분리기(70)를 설치하여 연료가스로부터 응축수를 제거할 수 있도록 되어 있다.
상기 기수분리기(70)는 스택(30)의 연료가스 유입 매니폴드의 입구 이전 부분에만 설치되면 되고, 그 설치위치에 크게 제한은 없다.
또한, 상기 기수분리기(70)는 하부에 워터트랩(80)을 구비한다.
따라서, 연료가스로부터 분리된 응축수(70)의 양이 일정 량 이상이 되면 워터트랩(80)을 통해 배출하고, 평소에는 기수분리기(70) 즉, 연료가스 공급라인을 외부에 대해 차단된 상태로 유지할 수 있다.
한편, 경우에 따라서 연료가스는 상기 연료가스 냉각용 열교환기(60)를 통과한 후에도 응축수가 발생할 수 있다.
따라서, 상기 응축수의 제거를 위해 상기 열교환기(60)와 프록스반응기(20)의 사이에도 워터트랩(90)을 설치할 수 있다.
상기 워터트랩(90)의 작용은 프록스반응기(20) 이후에 설치된 상기 워터트랩(80)의 작용과 동일하다.
이제, 상기 장치를 이용한 본 발명에 따른 연료전지 스택의 연료가스 온도와 습도 조절방법에 대해 설명한다.
본 발명은 스택 냉각용 열교환기(40)에서의 열회수량을 조절하여 스택 냉각수의 온도를 조절하는 냉각수 온도조절단계와, 상기 열교환기(40)에서 냉각수와 연료가스를 열교환시켜 연료가스의 온도를 조절하는 연료가스 온도조절단계를 포함한다.
상기 스택 냉각용 열교환기(40)는 스택 냉각수의 열을 흡수하여 난방 및 급탕에 이용하는 부분으로서 난방 및 급탕수의 온도를 조절함으로써 스택 냉각수로부터의 회수열량을 조절할 수 있으며, 이와 같이 스택 냉각수로부터의 열회수량을 조절함으로써 상기 열교환기(40)에서 배출되는 스택 냉각수의 온도를 조절할 수 있다. 즉, 상기 연료가스 냉각용 열교환기(60)로 공급되는 냉각수의 온도를 조절할 수 있다.
한편, 상기 열교환기(40)가 반드시 스택 냉각수와 외부 유입수를 열교환시키는 수냉식일 필요는 없다.
상기 열교환기(40)를 외기와 열교환시키는 공랭식으로 구성하고, 추가로 전동 냉각팬을 설치하여 상기 냉각팬의 회전속도를 제어함으로써 냉각수로부터의 열회수량을 조절할 수 있다. 즉, 냉각팬 회전속도가 증가되면 송풍량이 많아져서 냉각수로부터 많은 양의 열을 방출시킬 수 있게 되고, 반대로 냉각팬 회전속도가 감소되면 송풍량이 감소하여 상대적으로 냉각수로부터 방출되는 열량이 감소하게 되는 것이다.
상기와 같이 냉각수 온도조절단계를 통해 온도가 조절된 냉각수는 상기 연료가스 냉각용 열교환기(60)로 유입되고 이에 냉각수와 연료가스의 열교환이 이루어 져 연료가스 온도조절단계가 수행된다.
상기 연료가스 온도조절단계에서 냉각수가 연료가스의 열을 흡수하여 연료가스의 온도가 의도한대로 감온되며, 이에 이슬점이 변경되어 습도가 조절될 수 있다.
한편, 상기와 같은 1차 연료가스 온도조절단계만으로는 연료가스의 온도와 습도를 정밀하게 제어할 수 없고, 또한 이후에 구비된 프록스반응기(20)에서 온도가 상승하여 온도 및 습도가 스택 유입 조건에서 벗어날 수 있으므로 상기 프록스반응기(20)에서도 냉각수와 연료가스의 열교환이 이루어지도록 되어 있다.(2차 연료가스 온도조절단계)
즉, 프록스반응기(20)를 냉각시키는 냉각수의 온도는 전술한 바와 같이 스택 냉각수 냉각용 열교환기(40)의 열회수량 조절을 통해 조절되고, 필요에 따라 그 양(유입분지관(101)에 밸브를 설치함으로써 간단히 조절할 수 있으므로 별도 설명은 생략한다.)을 조절하여 프록스반응기(20)의 온도를 조절함으로써 프록스반응기(20)를 통과하는 연료가스의 온도 및 습도를 재 조절할 수 있다.
상기와 같이 2단계에 걸친 온도와 습도 조절과정을 통해 연료가스의 온도와 습도를 정밀하게 제어할 수 있게 됨으로써 스택(30) 유입조건에 맞는 온도와 습도를 갖는 연료가스를 스택(30)에 공급하여 연료극 촉매 및 전해질의 손상을 방지하고, 원활한 발전반응을 유도하여 스택의 성능을 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 연료전지 시스템의 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 연료가스 온도와 습도 조절장치가 적용된 연료전지 시스템의 구성도,
도 3은 도 2에 기수분리기가 더 설치된 상태를 도시한 연료전지 시스템의 구성도이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
10 : 연료변환기 20 : 프록스반응기
30 : 스택 40, 60 : 열교환기
70 : 기수분리기 80, 90 : 워터트랩

Claims (6)

  1. 개질기와 쉬프트반응기를 구비한 연료변환기와;
    상기 연료변환기에 연결된 프록스반응기와;
    상기 프록스반응기에 연결된 스택과;
    상기 스택의 냉각수 순환 라인에 설치된 스택 냉각용 열교환기와;
    상기 연료변환기와 프록스반응기의 사이에 설치되고, 상기 스택 냉각수 순환라인이 경유하는 연료가스 냉각용 열교환기;
    를 포함하는 연료전지 스택의 연료가스 온도와 습도 조절장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 연료가스 냉각용 열교환기의 냉각수유입관과 냉각수배출관에 상기 프록스반응기의 입구와 출구에 연결되는 분지유입관과 분지배출관이 설치되어 상기 프록스반응기가 스택 냉각수에 의해 냉각되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 연료가스 온도와 습도 조절장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 프록스반응기와 스택 사이에 기수분리기가 설치된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 연료가스 온도와 습도 조절장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 기수분리기와, 상기 연료가스 냉각용 열교환기와 프록스반응기의 사이에 워터트랩이 각각 설치된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 연료가스 온도와 습도 조절장치.
  5. 스택 냉각용 열교환기의 열회수량을 조절하여 스택 냉각수의 온도를 조절하는 냉각수 온도조절단계와;
    상기 냉각수 온도조절단계에서 온도 조절된 냉각수와 연료변환기로부터 배출된 연료가스를 열교환시켜 연료가스의 온도를 조절하는 연료가스 온도조절단계;
    를 포함하는 연료전지 스택의 연료가스 온도와 습도 조절방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 연료가스 온도조절단계 이후에 프록스반응기를 통과하는 연료가스와 냉각를 열교환시켜 상기 연료가스의 온도를 정밀하게 재 조절하는 2차 연료가스 온도조절단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 연료가스 온도와 습도 조절방법.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9021824B2 (en) 2012-12-07 2015-05-05 Hyundai Motor Company Apparatus for supplying air of fuel cell vehicle
CN112086663A (zh) * 2020-09-14 2020-12-15 中国第一汽车股份有限公司 一种集成冷却加湿功能的燃料电池系统装置及其控制方法

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3832271B2 (ja) 2001-04-16 2006-10-11 日産自動車株式会社 燃料電池システム
JP2003068337A (ja) 2001-08-24 2003-03-07 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
US7069981B2 (en) 2002-11-08 2006-07-04 Modine Manufacturing Company Heat exchanger

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9021824B2 (en) 2012-12-07 2015-05-05 Hyundai Motor Company Apparatus for supplying air of fuel cell vehicle
CN112086663A (zh) * 2020-09-14 2020-12-15 中国第一汽车股份有限公司 一种集成冷却加湿功能的燃料电池系统装置及其控制方法
CN112086663B (zh) * 2020-09-14 2021-11-12 中国第一汽车股份有限公司 一种集成冷却加湿功能的燃料电池系统装置及其控制方法

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