KR20130013644A - 연료전지 시뮬레이터 - Google Patents

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KR20130013644A
KR20130013644A KR1020110075375A KR20110075375A KR20130013644A KR 20130013644 A KR20130013644 A KR 20130013644A KR 1020110075375 A KR1020110075375 A KR 1020110075375A KR 20110075375 A KR20110075375 A KR 20110075375A KR 20130013644 A KR20130013644 A KR 20130013644A
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Abstract

내부 개질기에 선택적으로 열을 제공하여 내부 개질기의 성능을 평가하는 연료전지 시뮬레이터는, 내부 개질기를 사이로 양쪽에 배치되는 한 쌍의 플레이트와, 플레이트에 구비되고 내부 개질기에 접하여 내부 개질기에 소정의 열을 제공하는 히터를 포함하고, 상기 히터는 서로 독립적으로 작동하는 복수 개의 발열체를 구비한다.

Description

연료전지 시뮬레이터 {FUEL CELL SIMULATOR}
본 발명은 연료전지 시뮬레이터에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 연료전지 스택을 실제로 제작하지 않으면서도 연료극에서의 산화 반응에 따른 발열 환경을 내부 개질기에 부여하여 내부 개질기를 테스트할 수 있는 연료전지 시뮬레이터에 관한 것이다.
연료전지는 탄화수소 연료에 저장된 화학 에너지를 전기화학반응에 의해 전기 에너지로 직접 변환하는 장치이다. 즉, 연료전지는 연료극에서의 수소 산화반응과 공기극에서의 산소 환원반응에 의해 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환하는 장치이다. 이러한 반응을 위해 연료전지의 연료극에는 수소를 공급할 필요가 있으며, 이러한 수소는 통상적으로 연료 가스로서 탄화수소를 개질하여 얻을 수 있다. 여기서 연료극에서의 산화 반응은 발열 반응이고, 수소를 얻기 위한 개질 반응은 흡열 반응이다. 이에 따라 산화 반응에서 발생하는 열을 개질 반응에 공급하면, 연료전지 전체의 구조를 단순화시킬 수 있을 뿐만 아니라, 연료전지 전체의 열효율도 향상시킬 수 있다. 이러한 목적을 달성하기 위해 연료전지 내부에서 연료 가스를 개질하는 개질기를 내부 개질기라고 한다.
이러한 내부 개질기의 경우에는 그 위치에 따라 개질이 일어나는 정도가 다르기 때문에 그 위치에 따라 서로 다른 온도가 나타날 수 있다. 즉, 연료 가스가 주입되는 입구 부분은 개질 반응이 활발하게 일어나는 부분이기 때문에 그 온도가 상대적으로 더 낮은데 반해, 입구 부분에서 멀리 떨어진 부분은 개질 반응이 덜 일어나는 부분이기 때문에 그 온도가 상대적으로 더 높다. 이와 유사하게 연료극의 경우에도 산화 반응이 일어나는 정도에 따라 발열량에 차이가 생기기 때문에 그 위치에 따라 서로 다른 온도가 나타날 수 있다. 이와 같은 온도 차이에 따라 내부 개질기에는 온도 구배가 발생할 수 있다. 그러나 이와 같은 온도 구배는 경우에 따라서는 내부 개질기의 성능에 악영향을 미친다. 즉, 온도가 높은 부분에서는 열화가 일어날 수 있고, 온도가 낮은 부분에서는 성능이 저하될 수 있다.
이에 따라 내부 개질기를 이용하는 연료전지를 제작함에 있어 온도 구배가 내부 개질기에 미치는 영향을 사전에 평가하는 것이 중요하다. 이러한 평가 결과에 기초하여 내부 개질기에 적절한 온도 분포가 나타나도록 하면 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있기 때문이다. 예를 들어, 온도가 너무 낮게 나타나는 부분에는 개질 촉매를 덜 도포하여 개질 반응이 덜 일어나도록 하는 등의 방법으로 내부 개질기에 적절한 온도 분포가 나타나도록 할 수 있다. 그러나 이와 같은 온도 구배에 대한 정보를 입수하기 위해 연료전지 스택을 실제로 제작하면, 연료전지 스택을 제작하는 것에 많은 시간과 비용이 소요된다는 문제가 있다. 또한 연료전지 스택을 일단 제작한 다음에는 그 연료전지 스택에 다른 온도 조건을 부여하기 힘들기 때문에 필요한 시험 조건을 즉각적으로 내부 개질기에 부여할 수 없다는 문제도 있다.
따라서 본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 과제는 연료전지 스택을 실제로 제작하지 않으면서도 연료극에서의 산화 반응에 따른 발열 환경을 내부 개질기에 부여하여 내부 개질기를 테스트할 수 있는 연료전지 시뮬레이터를 제공하는 것이다.
상술한 본 발명의 과제를 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 내부 개질기에 선택적으로 열을 제공하여 내부 개질기의 성능을 평가하는 연료전지 시뮬레이터는, 내부 개질기를 사이로 양쪽에 배치되는 한 쌍의 플레이트와, 플레이트에 구비되고 내부 개질기에 접하여 내부 개질기에 소정의 열을 제공하는 히터를 포함하며, 상기 히터는 서로 독립적으로 작동하는 복수 개의 발열체를 구비한다.
여기서 본 발명에 따른 연료전지 시뮬레이터는 상기 히터가 상기 내부 개질기에 선택적으로 열을 제공하도록 상기 복수 개의 발열체의 발열량을 각각 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다. 그리고 본 발명에 따른 연료전지 시뮬레이터는 상기 발열체의 온도를 측정하는 열전대를 더 포함할 수 있으며, 상기 제어부는 상기 열전대에서 측정되는 온도에 기초하여 상기 발열체를 제어할 수 있다.
한편, 상기 복수 개의 발열체는 상기 플레이트 내에서 상기 내부 개질기를 따라 일 방향으로 순차적으로 배치될 수 있다. 또는 상기 복수 개의 발열체는 상기 플레이트 내에서 격자 형태로 배치될 수 있다. 그리고 상기 복수 개의 발열체 사이에는 발열체 사이의 열 간섭을 최소화하기 위해 단열재가 구비될 수 있다. 또한 본 발명에 따른 연료전지 시뮬레이터는 상기 한 쌍의 플레이트 중 어느 하나의 외측으로부터 다른 하나의 외측까지 상기 플레이트에 수직하게 연장되는 수직 바와, 상기 플레이트의 외측에서 상기 수직 바를 따라 상기 플레이트를 상기 내부 개질기를 향해 압축하는 압축 수단을 더 포함할 수 있다. 그리고 본 발명에 따른 연료전지 시뮬레이터는 상기 내부 개질기로 개질 반응에 필요한 공급 가스를 공급하는 공급부를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 시뮬레이터는 연료전지 스택을 실제로 제작하지 않으면서도 연료극에서의 산화 반응에 따른 발열을 대신하여 히터의 발열체에 의해 내부 개질기에 선택적으로 열을 제공하기 때문에, 연료전지 스택을 제작하는 데에 소요되는 시간과 비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 하나의 시뮬레이터만으로도 다양한 온도 조건을 내부 개질기에 구현할 수 있다는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시뮬레이터의 사시도
도 2는 도 1의 연료전지 시뮬레이터의 분해 사시도
도 3은 도 1의 연료전지 시뮬레이터의 정면도
도 4는 도 1의 연료전지 시뮬레이터의 상부 플레이트의 저면도
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 참고로, 본 설명에서 동일한 번호는 실질적으로 동일한 요소를 지칭하며, 이러한 규칙하에서 다른 도면에 기재된 내용을 인용하여 설명할 수 있다. 그리고 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다고 판단되거나 반복되는 내용은 생략될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시뮬레이터의 사시도이며, 도 2는 도 1의 연료전지 시뮬레이터의 분해 사시도이다. 그리고 도 3은 도 1의 연료전지 시뮬레이터의 정면도이며, 도 4는 도 1의 연료전지 시뮬레이터의 상부 플레이트의 저면도이다. 도 1, 2에서 도시하고 있는 것과 같이 본 실시예에 따른 연료전지 시뮬레이터는 플레이트(110, 120)가 내부 개질기(210)를 사이로 그 양쪽에 한 쌍으로 배치된다. 통상적으로 연료전지 스택은 상하 방향으로 적층되기 때문에, 본 실시예에 따른 플레이트(110, 120)도 내부 개질기(210)를 중심으로 상하에 각각 배치된다. 그러나 경우에 따라서는 연료전지 스택이 좌우 방향으로 적층되기도 하므로, 이러한 경우에는 플레이트가 내부 개질기를 사이로 그 좌우에 한 쌍이 배치되어야 할 것이다. 그리고 이러한 플레이트(110, 120)는 후술할 바와 같이 고온에서 작동되어야 하기 때문에 스테인레스강(SUS) 재질로 구성되는 것이 바람직하다.
전술한 플레이트(110, 120)에는 도 4에서 도시하고 있는 것과 같이 히터(310)가 구비된다. 이러한 히터(310)는 필요에 따라 2개의 플레이트 모두에, 또는 어느 1개의 플레이트에 구비될 수 있다. 그리고 히터(310)는 내부 개질기(210)에 접하여 내부 개질기(210)로 소정의 열을 제공한다. 이러한 히터(310)는 서로 독립적으로 작동하는 복수 개의 발열체(311, 312, 313)를 구비한다. 복수 개의 발열체(311, 312, 313)가 서로 독립적으로 작동하기 때문에 각각의 발열체(311, 312, 313)가 서로 다른 온도를 가질 수 있다. 이에 따라 본 실시예에 따른 히터(310)는 복수 개의 발열체(311, 312, 313)를 통해 내부 개질기(210)에 선택적으로 열을 제공할 수 있다. 즉, 본 실시예에 따른 히터(310)는 내부 개질기(210)의 특정 위치마다 각 발열체(311, 312, 313)에 대응하여 서로 다른 온도를 부여할 수 있다.
다시 말해, 본 실시예에 따른 연료전지 시뮬레이터는 연료극에서의 산화 반응에 따른 발열에 대신하여 히터(310)의 발열체(311, 312, 313)를 통해 테스트 하고자 하는 온도 분포를 임의로 만들어 낼 수 있다. 즉, 발열체(311, 312, 313)를 원하는 온도 분포에 대응하도록 배치한 다음, 각각의 발열체(311, 312, 313)를 적절히 작동시키면, 발열체(311, 312, 313)의 배치에 대응하는 적절한 온도 분포가 내부 개질기(210)에 나타날 수 있다. 예를 들어, 도 4에서 도시하고 있는 것과 같이 복수 개의 발열체(311, 312, 313)를 내부 개질기(210)를 따라 일 방향으로 순차적으로 배치한 다음, 그 배치 방향을 따라 점차적으로 발열체(311, 312, 313)의 발열량을 증가시키면, 내부 개질기(210)에는 각각의 발열체(311, 312, 313)에 대응하여 점차적으로 온도가 증가하는 형태가 나타날 수 있다.
참고로, 본 실시예에서는 3개의 발열체가 예시되고 있으나, 발열체의 개수는 이에 한정되지 않으며, 원하는 온도 분포를 얻기 위해 필요한 적절한 개수의 발열체가 사용될 수 있다. 그리고 복수 개의 발열체는 도 4에서 도시하고 있는 것과 같이 일 방향으로 순차적으로 배치될 수도 있으나, 발열체의 배치가 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 보다 세밀하게 온도 분포를 형성하여야 하는 경우에는, 복수 개의 발열체를 격자 형태로 배치할 수도 있다. 즉, 6개의 발열체를 예로 들면, 3개의 발열체를 상측에 순차적으로 배치하고, 나머지 3개의 발열체를 하측에 순차적으로 배치할 수도 있다.
한편, 위와 같은 발열체(311, 312, 313)의 발열량 제어는 제어부(미도시)에서 이루어질 수 있다. 즉, 본 실시예에 따른 연료전지 시뮬레이터에는 복수 개의 발열체(311, 312, 313)의 발열량을 각각 제어하는 제어부가 구비된다. 이러한 제어부는 필요로 하는 시험 환경에 따라 다양하게 발열체(311, 312, 313)를 제어할 수 있다. 예를 들어, 연료극에서의 산화 반응이 일 방향을 따라 점차적으로 감소하는 경우에 따른 온도 분포를 시험하고자 하는 경우에는, 복수 개의 발열체(311, 312, 313)를 내부 개질기(210)를 따라 그 일단에서 타단으로 순차적으로 배치한 다음에, 그 일단에서 타단으로 점차적으로 발열량이 감소하도록 복수 개의 발열체(311, 312, 313)를 제어하면 된다.
통상적으로 연료전지 스택에는 연료 가스와 산화 가스가 공급된다. 이러한 연료 가스와 산화 가스는 서로 같은 방향으로 공급될 수도 있고, 서로 반대 방향으로 공급될 수도 있으며, 서로 직교하는 방향으로 공급될 수도 있다. 이러한 공급 방향에 따라 연료전지 스택에는 서로 다른 열 분포가 나타날 수 있다. 이러한 다양한 열 분포를 시험하기 위해 제어부는 히터(310)의 발열체(311, 312, 313)를 적절하게 제어할 수 있다. 그리고 이러한 열 분포를 구현하기 위해 플레이트(110, 120)에는 발열체가 다양한 형태로, 그리고 다양한 개수로 배치될 수 있다.
이러한 제어부에 의한 제어는 발열체(311, 312, 313)에 의한 온도 분포에 기초하여 이루어지는 것이 바람직하다. 이를 위해 본 실시예에 따른 연료전지 시뮬레이터에는 발열체(311, 312, 313)의 온도를 측정하는 열전대(미도시)가 구비된다. 제어부는 이러한 열전대에서 측정되는 온도에 기초하여 복수 개의 발열체(311, 312, 313)를 각각 제어한다. 예를 들어, 열전대를 통해 발열체(311, 312, 313)의 특정 영역에서의 온도를 측정한 결과, 그 온도가 목표 온도 이하이면 발열체(311, 312, 313)를 온(on) 상태로 유지하고, 그 온도가 목표 온도 이상이면 발열체(311, 312, 313)를 오프(off) 상태로 유지한다. 다만, 열전대에서 측정한 온도에 기초하여 발열체(311, 312, 313)를 제어하는 방법은 이에 한정되지 않는다.
통상적으로 연료전지 스택은 밀봉 등을 위해 내측 방향으로 강하게 가압된다. 이러한 환경을 그대로 구현하기 위해 본 실시예에 따른 연료전지 시뮬레이터에는 수직 바(410)와 압축 수단(420)이 구비된다. 수직 바(410)는 도 1에서 도시하고 있는 것과 같이, 전술한 한 쌍의 플레이트(110, 120) 중 어느 하나의 외측으로부터 다른 하나의 외측까지 플레이트(110, 120)에 수직한 방향으로 연장된다. 그리고 압축 수단(420)은 플레이트(110, 120)의 외측에서 수직 바(410)를 따라 플레이트(110, 120)를 내측 방향으로, 즉 내부 개질기(210)를 향해 압축한다. 플레이트(110, 120)의 외측으로 연장되어 있는 수직 바(410)를 따라 플레이트(110, 120)의 외측에서 압축 수단(420)을 통해 플레이트(110, 120)를 내부 개질기(210)를 향해 압축하면, 2개의 플레이트(110, 120)에 의해 내부 개질기(210)가 압축될 수 있다. 여기서 전술한 압축 수단(420)은 통상의 너트 등일 수 있다. 또는 압축 수단은 탄성 부재로 구성되어 내측 방향으로 플레이트(110, 120)를 탄성력으로 압축하는 형태를 가질 수도 있다.
한편, 전술한 복수 개의 발열체(311, 312, 313)는 서로 인접하게 배치되기 때문에, 상호간에 열 간섭이 발생할 수 있다. 예를 들어, 오프(off) 상태의 발열체에 대응하는 영역이 인접한 발열체의 온(on) 상태로 인해 의도치 않게 가열될 수도 있다. 이러한 열 간섭을 최소화하기 위해 본 실시예에 따른 연료전지 시뮬레이터에는 발열체(311, 312, 313) 사이에 단열재(320)가 구비된다. 이때 단열재는 연료전지의 열 특성을 고려할 때 운도(mica) 성분으로 이루어지는 것이 바람직하다.
그리고 연료전지 시뮬레이터를 이용하여 연료전지 스택의 운전 상태를 구현하기 위해서는 내부 개질기(210)에 적절한 공급 가스를 제공할 필요가 있다. 이를 위해 본 실시예에 따른 연료전지 시뮬레이터에는 내부 개질기(210)로 개질 반응에 필요한 공급 가스를 공급하는 공급부(미도시)가 더 구비될 수 있다. 연료전지의 종류에 따라 내부 개질기(210)로 공급하여야 하는 공급 가스의 성분에는 차이가 있으므로, 공급부는 필요에 따라 다양한 성분의 공급 가스를 공급할 수 있는 구조를 가지는 것이 바람직하다.
전술한 바와 같이 본 실시예에 따른 연료전지 시뮬레이터는 연료전지 스택을 실제로 제작하지 않으면서도 내부 개질기에 테스트 하고자 하는 온도 분포를 임의로 만들어 낼 수 있다. 즉, 본 실시예에 따른 연료전지 시뮬레이터는 연료극에서의 산화 반응에 따른 발열을 대신하여 히터의 발열체에 의해 내부 개질기에 선택적으로 열을 제공할 수 있다. 이에 따라 본 실시예에 따른 연료전지 시뮬레이터는 연료전지 스택을 제작하는 데에 소요되는 시간과 비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 하나의 시뮬레이터만으로도 다양한 온도 조건을 내부 개질기에 구현할 수 있다. 한편, 이러한 구성의 연료전지 시뮬레이터에는 추가적으로 내부 개질기의 개질 성능 등을 평가하기 위한 통상의 장치가 더 구비될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 본 발명을 설명하였지만 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두가 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
110: 상부 플레이트 120: 하부 플레이트
210: 내부 개질기 300: 히터
311, 312, 313: 발열체 320: 단열재
410: 수직 바 420: 압축 수단

Claims (8)

  1. 내부 개질기에 선택적으로 열을 제공하여 내부 개질기의 성능을 평가하는 연료전지 시뮬레이터에 있어서,
    상기 내부 개질기를 사이로 양쪽에 배치되는 한 쌍의 플레이트; 및
    상기 플레이트에 구비되고 상기 내부 개질기에 접하여 상기 내부 개질기에 소정의 열을 제공하는 히터를 포함하며,
    상기 히터는 서로 독립적으로 작동하는 복수 개의 발열체를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시뮬레이터.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 히터가 상기 내부 개질기에 선택적으로 열을 제공하도록 상기 복수 개의 발열체의 발열량을 각각 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시뮬레이터.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 발열체의 온도를 측정하는 열전대를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 열전대에서 측정되는 온도에 기초하여 상기 발열체를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시뮬레이터.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수 개의 발열체는 상기 플레이트 내에서 상기 내부 개질기를 따라 일 방향으로 순차적으로 배치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시뮬레이터.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수 개의 발열체는 상기 플레이트 내에서 격자 형태로 배치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시뮬레이터.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수 개의 발열체 사이에는 발열체 사이의 열 간섭을 최소화하기 위해 단열재가 구비되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시뮬레이터.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 한 쌍의 플레이트 중 어느 하나의 외측으로부터 다른 하나의 외측까지 상기 플레이트에 수직하게 연장되는 수직 바, 및 상기 플레이트의 외측에서 상기 수직 바를 따라 상기 플레이트를 상기 내부 개질기를 향해 압축하는 압축 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시뮬레이터.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 내부 개질기로 개질 반응에 필요한 공급 가스를 공급하는 공급부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시뮬레이터.
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