KR20130133875A - 연료 전지용 내부 스팀 생성 - Google Patents

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Abstract

연료 전지 시스템은 양성자 교환막의 대향하는 양면에 배열되는 애노드판과 캐소드판을 가지는 연료 전지 스택을 포함한다. 냉각 채널은 애노드판과 캐소드판 중 적어도 하나와 열 접촉하며 내부 냉각액 통로를 포함한다. 압력 강하 장치가 냉각액 채널에 마련되며 냉각액 통로 내부에 아대기압을 제공하도록 구성된다. 일 실시예에서 냉각액 통로 내부의 냉각액은 대기압 미만이다. 압축 장치는 아대기압의 냉각액 스팀을 운반하도록 구성되는 냉각액 스팀 루프에 의해 내부 냉각액 통로의 하류에서 내부 냉각액 통로에 유체적으로 상호연결된다. 압축 장치는 아대기압 냉각액 스팀의 압력과 온도를 초대기압까지 증가시키고 압력-엔탈피 곡선의 스팀 영역 이내에서 냉각액 스팀을 유지하도록 구성된다.

Description

연료 전지용 내부 스팀 생성{INTERNAL STEAM GENERATION FOR FUEL CELL}
본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 연료 전지 시스템의 연료 전지 스택 내부에 스팀을 생성하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
통상적인 연료 전지 시스템은 양성자 교환막의 양면에 배열되는 애노드판과 캐소드판을 가지는 연료 전지 스택을 포함한다. 연료 전지 스택은 또한 연료 전지 시스템 내부의 냉각액 루프에 냉각액을 순환시키는 냉각액 채널을 통상적으로 포함한다. 통상적인 냉각액 중 하나는 물이다.
몇몇 연료 전지 스택은 연료 전지 스택의 냉각제 주변 압력에 따른 비등점 미만의 온도의 냉각액을 생성한다. 따라서, 이런 연료 전지 스택 내부에는 스팀이 생성되지 않는다. 이런 조건 하에서 스팀을 생성하기 위해 예시적인 연료 전지 시스템에는 저온의 냉각액을 스팀으로 변환하도록 연료 전지 스택의 외부에 배열되는 순간 증발기와 밸브가 합체된다. 스팀은 연료 개질 시스템에 사용된다.
연료 전지 시스템은 양성자 교환막의 대향하는 양면에 배열되는 애노드판과 캐소드판을 가지는 연료 전지 스택을 포함한다. 냉각 채널은 애노드판과 캐소드판 중 적어도 하나와 열 접촉하며 내부 냉각액 통로를 포함한다. 압력 강하 장치가 냉각액 채널에 마련되며 냉각액 통로 내부에 아대기압(sub-atmospheric pressure)을 제공하도록 구성된다. 압축 장치는 아대기압 냉각액 스팀을 운반하도록 구성되는 냉각액 스팀 루프에 의해 내부 냉각액 통로의 하류에서 내부 냉각액 통로에 유체적으로 상호연결된다. 압축 장치는 아대기압 냉각액 스팀의 압력과 온도를 초대기압까지 증가시키고 압력-엔탈피 곡선의 스팀 영역 이내에서 냉각액 스팀을 유지하도록 구성된다.
연료 전지 시스템 내부에 스팀을 생성하는 방법은 연료 전지 스택 내부의 냉각액의 비등점을 낮추기 위해 연료 전지 스택 내부에 압력 강하를 창출하는 단계를 포함한다. 냉각액은 연료 전지 스택 내부에서 비등하여 스팀을 생성한다. 스팀은 냉각액 스팀 루프를 통해 연료 전지 스택 외부의 구성요소에 공급된다.
본 개시는 첨부도면과 연계하여 다음의 상세한 설명을 참조함으로써 더 잘 이해될 수 있다.
도 1은 연료 전지 스택 내부에 스팀이 생성되는 예시적인 연료 전지 시스템의 개략도이다.
도 2a는 예시적인 연료 전지 스택의 개략도이다.
도 2b는 다른 예시적인 연료 전지 스택의 개략도이다.
도 2c는 다른 예시적인 연료 전지 스택의 개략도이다.
도 2d는 다른 예시적인 연료 전지 스택의 개략도이다.
도 3은 연료 전지 스택 내부에 스팀이 생성되는 다른 연료 전지 시스템의 개략도이다.
연료 전지 시스템(10)이 도 1에 개략적으로 도시되어 있다. 시스템(10)은 바람직한 양의 전기를 생산하도록 서로에 대해 적층된 다수의 전지(19)를 가지는 연료 전지 스택(12)을 포함한다. 각각의 셀(19)은 예컨대 단위 전극 조립체의 일부인 양성자 교환막(18)의 대향하는 양면에 배열되는 애노드판(14)과 캐소드판(16)을 포함한다.
냉각액 채널(20)은 연료 전지 스택(12) 전체에 걸쳐, 통상적으로는 전지(19) 사이에 배열된다. 냉각액 루프(22)가 냉각액 채널(20)과 유체 연통되며 일례로서 물인 냉각액을 시스템(10) 전체에 걸쳐 순환시켜 연료 전지 스택(12)의 온도를 조절한다. 냉각액은 필요에 따라 다른 목적을 위해 시스템(10) 내부에 사용될 수도 있다.
몇몇 저온 연료 전지 용례는 냉각액을 100℃ 미만까지 가열하는 온도에서 작동한다. 물을 냉각액으로 사용할 경우 이 조건 하에서는 스팀이 생성되지 않는다. 그러나 스팀은 시스템(10) 내부에 유용할 수 있다. 이를 위해, 시스템(10)은 연료 전지 스택(12) 내부에 배열되는 압력 강하 장치(24)를 포함한다. 도 1에 개략적으로 도시된 바와 같이, 냉각액 채널(20)은 냉각액이 비등하여 연료 전지 스택(12) 내부에 스팀을 생성하는 지점까지 냉각액의 압력을 낮추는 압력 강하 장치(24)를 갖춘 내부 냉각액 통로를 제공한다.
이 예에서, 냉각액 루프(22)는 압축 장치(26)로 아대기압 스팀을 운반하는 제1 냉각액 스팀 라인(28)을 포함한다. 압축 장치(26)는 아대기압 스팀을 압축하고, 따라서 그 온도도 상승시켜 제2 냉각액 스팀 라인(30)을 통해 연결부(34)로 운반되는 (예컨대 1.1 기압 및 150℃에 이르는) 초대기압(super-atmospheric pressure) 스팀을 생성한다.
연료원(36)은 연료와 초대기압 냉각액 스팀을 혼합하여 혼합물을 제공하는 연결부(34)에 연료를 공급한다. 연결부(34)에서 나오는 혼합물은 개질유를 생산하는 연료 처리 시스템(38)에 공급되며, 개질유는 개질유 라인(40)을 통해 애노드판(14)에 제공된다. 연료원(36)은 연료 처리 시스템(38)을 일부 구동하는 버너(42)에도 연료를 제공한다. 미사용 냉각액은 냉각액 복귀 라인(32)을 통해 냉각액 채널(20)로 복귀할 수 있다.
압축 장치(26)는 압력-엔탈피 곡선의 스팀 영역 이내에서 냉각액 스팀을 유지한다. 연료 전지 스택 내부의 아대기압에서 스팀을 생성함으로써 아대기압 냉각액 스팀이 압축 장치에 의해 준-등엔트로피적으로(quasi-isentropically) 압축될 수 있다.
예컨대 스크롤 압축기일 수 있는 압축 장치(26)는 전기 모터에 의해 구동될 수 있다. 외부가 아니라 전지 연료 스택 내부에 스팀을 생성함으로써 얻을 수 있는 추가적인 효율화는 압축 장치와 관련된 손실에 불구하고 전체 연료 전지의 효율을 증가시키기에 충분하다.
예시적인 연료 전지 스택(12)이 도 2a에 도시되어 있다. 이 예에서, 애노드판과 캐소드판은 제1 다공성층(44)과 제2 다공성층(46)을 제공한다. 내부 냉각액 통로(48)가 제1 다공성층(44)과 제2 다공성층(46) 사이에 마련된다. 연료 전지의 작동 중에 바람직한 가습을 위해 냉각액 매니폴드(50)가 제1 다공성층(44)과 제2 다공성층(46)에 냉각액을 제공한다. 연료 전지의 작동 중에 처리된 물이 다공성층(44, 46)을 통과하는 통로는 100℃ 미만의 온도인 냉각액이 아대기압에서 비등하도록 할 수 있는 압력 강하 장치(24)를 제공한다.
다른 예시적인 연료 전지 스택(112)이 도 2b에 도시되어 있다. 이 예에서는, 다공성층에 의해 창출되는 냉각액 통로(48) 내부의 아대기압에서 스팀이 되는 물 액적을 내부 냉각액 통로(48)에 제공하기 위해 분사 노즐(52)이 사용된다.
다른 연료 전지 스택(212)이 도 2c에 도시되어 있다. 연료 전지 스택(212)은 제1 다공성층(44)과 제2 중실형 판(56)을 가지는 전지(119)를 포함한다. 즉, 다공성판은 애노드판과 캐소드판 중 하나를 제공하며, 중실형 판은 다른 하나의 판을 제공한다. 냉각액 매니폴드(150)에 의해 공급되는 냉각액은 압력 강하 장치(124)를 제공하는 제1 다공성층(44)을 가습한다. 스팀은 아대기압에서 생성된다.
도 2d를 참조하면, 연료 전지 스택(312)은 제1 중실형 판(54)과 제2 중실형 판(56)을 사용하는 전지(219)를 포함한다. 내부 냉각액 통로(248)는 예컨대 냉각액 채널을 억제함으로써 아대기압을 제공한다. 물 액적은 분사 노즐(52)에 의해 도입된다. 물은 내부 냉각액 통로(248) 내부의 아대기압에서 스팀으로 변환된다.
다른 연료 전지 시스템(110)이 도 3에 도시되어 있다. 냉각액 루프(122)는 위의 도 1과 관련하여 설명한 것과 동일한 방식으로 스팀을 생성한다. 시스템(110)은 예컨대 빌딩(58)의 유체 루프(60)와 협력하여 열교환기(64)를 통해 냉각액 루프(122)로부터 유체 루프(60)로 열을 전달한다. 열이 냉각액 루프(122)와 유체 루프(60) 사이에서 전달되어 예컨대 빌딩의 온수 시스템과 같은 빌딩의 서브시스템(62)용 유체 루프(60) 내부에 바람직한 유체 온도를 달성한다.
예시적인 실시예를 설명하긴 했지만, 본 기술분야의 기술자라면 특정한 변경이 특허청구범위의 범위 내에 속한다는 것을 알 수 있을 것이다. 그런 까닭에 그 진정한 범위와 내용을 판정하기 위해서는 하기 특허청구범위를 검토해야 한다.

Claims (15)

  1. 양성자 교환막의 대향하는 양면에 배열되는 애노드판과 캐소드판, 그리고 상기 캐소드판과 애노드판 중 적어도 하나와 열 접촉하는 내부 냉각액 통로를 포함하는 냉각액 채널을 포함하는 연료 전지 스택과,
    상기 냉각액 채널에 마련되고 상기 냉각액 통로 내부에 아대기압을 제공하도록 구성되는 압력 강하 장치와,
    아대기압 냉각액 스팀을 운반하도록 구성되는 냉각액 스팀 루프에 의해 상기 내부 냉각액 통로의 하류에서 상기 내부 냉각액 통로에 유체적으로 상호연결되며, 상기 아대기압 냉각액 스팀의 압력과 온도를 초대기압까지 증가시키고 압력-엔탈피 곡선의 스팀 영역 이내에서 상기 냉각액 스팀을 유지하도록 구성되는 압축 장치를 포함하는 연료 전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 냉각액 채널은 상기 애노드판과 캐소드판 중 적어도 하나의 다공성층에 의해 제공되는 연료 전지 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 다공성층은 상기 압력 강하 장치를 제공하는 연료 전지 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 냉각액 스팀으로의 변환을 위해 상기 냉각액 통로 내로 비말 물 액적을 제공하도록 구성되어 상기 냉각액 통로에 배열되는 분사 노즐을 포함하는 연료 전지 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 냉각액 채널은 상기 애노드판과 캐소드판 중 적어도 하나에 의해 제공되는 비다공성 중실형 판에 의해 제공되는 연료 전지 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 냉각액 스팀으로의 변환을 위해 상기 냉각액 통로 내로 비말 물 액적을 제공하도록 구성되어 상기 냉각액 통로에 배열되는 분사 노즐을 포함하는 연료 전지 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 압축 장치는 스크롤 압축기를 포함하는 연료 전지 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 연료 공급 라인을 통해 연결부에서 상기 냉각액 스팀 루프와 유체 연통되는 연료원을 포함하되, 상기 연결부는 상기 압축 장치의 하류에 배치되고 연료와 초대기압 냉각액 스팀을 혼합하여 혼합물을 제공하도록 구성되는 연료 전지 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 연결부와 유체 연통되고 상기 혼합물을 수취하도록 구성되는 연료 처리 시스템을 포함하되, 상기 연료 처리 시스템은 개질유 라인을 통해 상기 애노드판에 유체적으로 상호연결되고 상기 개질유 라인을 통해 개질유를 상기 애노드판에 제공하도록 구성되는 연료 전지 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 상기 연료 전지 스택은 100℃ 미만의 내부 전지 스택 냉각액 온도를 제공하는 평형 작동 조건에서 작동하도록 구성되는 연료 전지 시스템.
  11. 제1항에 있어서, 빌딩의 유체 루프와, 상기 빌딩의 유체 루프 및 상기 냉각액 스팀 루프 사이에서 열을 전달하도록 구성되는 열교환기를 포함하는 연료 전지 시스템.
  12. 제1항에 있어서, 상기 냉각액 스팀은 상기 연료 전지 스택 내부의 상기 냉각액 스팀의 엔트로피와 비교하여 상기 압축 장치에서 준-등엔트로피적인 압축을 받도록 구성되는 연료 전지 시스템.
  13. 연료 전지 시스템 내부에 스팀을 생성하는 방법이며,
    연료 전지 스택 내부의 냉각액의 비등점을 낮추기 위해 상기 연료 전지 스택 내부에 압력 강하를 창출하는 단계와,
    상기 연료 전지 스택 내부의 상기 냉각액를 비등시켜 스팀을 생성하는 단계와,
    냉각액 스팀 루프를 통해 상기 연료 전지 스택 외부의 구성요소에 상기 스팀을 공급하는 단계를 포함하는 스팀 생성 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 압력 강하 창출 단계는 100℃ 미만의 스택 내부 냉각액 온도와 대기압 미만의 압력을 제공하는 단계를 포함하는 스팀 생성 방법.
  15. 제13항에 있어서, 상기 스팀 공급 단계는 상기 연료 전지 스택 내부의 스팀의 엔트로피와 비교하여 준-등엔트로피적으로 상기 스팀을 대기압보다 높은 압력까지 압축하는 단계와, 압력-엔탈피 곡선의 스팀 영역 이내에서 상기 스팀을 유지하는 단계를 포함하는 스팀 생성 방법.
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