KR20150070882A - 이젝터를 구비한 연료전지 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 이젝터를 구비한 연료전지 시스템은, 공급되는 공기와 연료가스를 이용하여 전기를 생성하는 스택, 상기 스택의 출구에서 배출되는 연료가스를 다시 상기 스택의 입구로 다시 재순환시키는 연료가스재순환라인, 및 상기 연료가스재순환라인에 설치되어 새로운 연료가스를 공급하면서 재순환연료가스를 순환시키는 이젝터를 포함하고, 상기 이젝터는 일측은 상기 연료가스재순환라인과 연결되는 진공흡입관, 상기 진공흡입관에 설치되어 연료가스를 분사하여 진공을 형성하는 연료가스분사노즐, 상기 연료가스분사노즐에서 분사되는 연료가스가 지나는 인터널하우징, 및 상기 인터널하우징이 내부에 배치되고, 상기 인터널하우징 사이에 응축수공간을 형성하는 아우터하우징을 포함하고, 상기 인터널하우징은 내부의 수분물질을 상기 응축수공간으로 배출할 수 있다.

Description

이젝터를 구비한 연료전지 시스템{FUEL CELL SYSTEM USING EJECTOR}
본 발명은 연료가스와 공기를 이용하여 전기에너지를 생산하는 스택으로 연료가스와 수분을 안정적으로 공급하여 전기를 안정적으로 생산하도록 하는 이젝터를 구비한 연료전지 시스템에 관한 것이다.
알려진 바와 같이, 연료전지 시스템이 탑재된 연료 전지 차량에서는 연료로 사용되는 수소를 연료전지 스택에 공급하여 전기를 생산하며, 연료전지 스택에 의해 생산된 전기로 전기모터를 작동시켜 차량을 구동시킨다.
여기서, 연료전지 시스템은 연료가 가지고 있는 화학에너지를 연소에 의해 열로 바꾸지 않고 연료전지 스택 내에서 전기 화학적으로 직접 전기에너지로 변환시키는 일종의 발전시스템이다.
이러한 연료전지 시스템은 고순도의 수소가 수소 저장 탱크로부터 연료전지의 연료극(anode)으로 운전 중 공급되고, 공기 블로워와 같은 공기 공급 장치를 이용하여 대기 중의 공기가 직접 연료 전지의 공기극(cathode)으로 공급된다.
이에, 연료전지 스택으로 공급된 수소가 연료극(anode)의 촉매에서 수소 이온과 전자로 분리되고, 분리된 수소이온은 고분자 전해질 막을 통해 공기극(cathode)으로 넘어가게 되며, 공기극에 공급된 산소는 외부 도선을 통해 공기극으로 들어온 전자와 결합하여 물을 생성하면서 전기 에너지를 발생시킨다.
연료전지 스택의 MEA에는 적절하게 수분이 유지되어야 하고, 스택을 순환하는 연료가스순환라인과 공기순환라인에는 각각 가습기가 설치되어, 스택의 운전을 도모한다.
한편, 연료전지 시스템에서 연료가스를 재순환 시키기 위해서 이젝터를 사용할 수 있으며, 이 경우 재순환연료가스에 포함된 액체 상태의 응축수가 스택으로 직접 공급될 수 있으며, 이로 인해 응축수 액적이 스택의 일부 채널을 막을 수 있다.
이와 같이, 스택의 일부 채널이 막히는 경우에 일부 채널의 연료가스 공급량이 줄어들어, 전체적인 스택의 출력저하를 일으킬 수 있다. 따라서, 스택으로 공급되는 수분을 제거하는 연구가 지속되고 있다.
본 발명의 목적은 이젝터를 통해서 연료가스를 스택으로 안정적으로 공급하는 동시에 이젝터에서 배출되는 응축수를 효과적으로 제거하며, 스택으로 공급되는 연료가스의 습도를 안정적으로 유지하는 이젝터를 구비한 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 이젝터를 구비한 연료전지 시스템은, 공급되는 공기와 연료가스를 이용하여 전기를 생성하는 스택, 상기 스택의 출구에서 배출되는 연료가스를 다시 상기 스택의 입구로 다시 재순환시키는 연료가스재순환라인, 및 상기 연료가스재순환라인에 설치되어 새로운 연료가스를 공급하면서 재순환연료가스를 순환시키는 이젝터를 포함하고, 상기 이젝터는 일측은 상기 연료가스재순환라인과 연결되는 진공흡입관, 상기 진공흡입관에 설치되고 연료공급배관과 연결되는 연료가스를 분사하여 진공을 형성하는 연료가스분사노즐, 상기 연료가스분사노즐에서 분사되는 연료가스가 지나는 인터널하우징, 및 상기 인터널하우징이 내부에 배치되고, 상기 인터널하우징 사이에 응축수공간을 형성하는 아우터하우징을 포함하고, 상기 인터널하우징은 내부의 수분물질을 상기 응축수공간으로 배출할 수 있다.
상기 인터널하우징에는 상기 응축수공간으로 응축수가 배출되는 배출홀이 형성될 수 있다.
상기 응축수공간에서 배출되는 응축수가 모이는 응축수리저버가 상기 연료가스순환라인에 설치될 수 있다.
상기 응축수공간에서 상기 응축수리저버로 형성되는 응축수배출관을 포함할 수 있다.
상기 배출홀은 상기 인터널하우징에서 내경이 커지는 영역에서 단부에 형성될 수 있다.
상기 배출홀은 상기 인터널하우징의 둘레를 따라서 연장되는 슬릿 형태일 수 있다.
상기 연료가스공급노즐을 통해서 분사되는 연료가스는 수소를 포함할 수 있다.
상기 인터널하우징 자체가 수분물질을 통과시키는 다공성부재일 수 있다.
상기 인터널하우징 자체가 수분물질을 통과시키는 다공성막 또는 이온교환수지일 수 있다.
상기 연료가스재순환라인의 적어도 일부에는, 상기 순환연료가스가 지나는 유로를 형성하되, 그 내부에서 외부로 수분물질을 통과시키는 수분물질통과이너파이프, 및 상기 수분물질통과이너파이프의 외측을 감싸고, 그 사이에 공간을 형성하는 아우터파이프가 형성되고, 상기 아우터파이프는 상기 응축수리저버와 연결될 수 있다.
수분물질통과이너파이프의 적어도 일부는 다공성부재 또는 이온교환수지로 만들어질 수 있다.
상기 배출홀은 상기 응축수공간의 단부에 대응하는 위치에 형성될 수 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따라서, 스택으로 수분물질이 과도하게 공급되는 것을 효과적으로 방지하고, 상기 스택으로 수분물질이 공급됨으로써 발생되는 출력저하 등의 문제를 근본적으로 줄일 수 있다.
또한, 스택에 수분물질이 채널을 막는 막힘현상을 줄임으로써 스택의 전후단 차압이 줄어들고, 연료가스재순환 효율이 증가하며, 연료가스를 적극적으로 가습함으로써 가습효율도 증가한다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 연료전지 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템의 개략적인 구성도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 연료전지 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 1을 참조하면, 연료전지 시스템은 스택(100), 연료가스순환라인(110), 응축수리저버(120), 및 이젝터(190)를 포함하고, 상기 이젝터(190)는 진공흡입관(130), 연료가스분사노즐(140), 인터널하우징(150), 아우터하우징(160), 및 응축수배출관(195)을 포함한다.
연료가스는 상기 연료가스순환라인(110)에 배치되는 상기 응축수리저버(120), 상기 진공흡입관(130), 상기 인터널하우징(150), 및 상기 이젝터(190)의 출구(180)를 통해서 상기 스택(100)을 순환하고, 상기 스택(100)은 공급되는 연료가스와 공기(도면부호 미표시)를 이용하여 전기에너지를 생성한다.
본 발명의 실시예에서, 상기 스택(100)이 전기를 발생시키는 물리화학적인 원리에 대해서는 공지기술을 참고하고, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
상기 연료가스분사노즐(140)은 상기 진공흡입관(130)의 안에 배치되고, 수소와 같은 연료가스를 상기 인터널하우징(150)의 중심부를 향하여 고속으로 분사하여 상기 진공흡입관(130)에 진공을 형성한다.
형성된 진공압이 상기 스택(100)의 출구로부터 순환연료가스를 흡입하고, 상기 스택(100)의 입구로 순환연료가스를 공급한다.
상기 인터널하우징(150)은 상기 아우터하우징(160)의 내부에 배치되고, 상기 인터널하우징(150)의 외주면과 상기 아우터하우징(160)의 내주면 사이에는 응축수공간(155)이 형성되고, 상기 인터널하우징(150)에는 상기 응축수공간(155)으로 연결되는 배출홀의 기능을 갖는 슬릿(170)이 형성된다.
상기 슬릿(170)은 상기 인터널하우징(150)의 내부에서 외부로 형성되는 것으로, 상기 인터널하우징(150)의 내주면에 형성되는 수분물질을 상기 응축수공간(155)으로 배출하는 기능을 수행한다.
상기 응축수리저버(120)는 상기 연료가스순환라인(110)에 배치되고, 그 상부 일측은 상기 진공흡입관(130)과 연결되고, 그 상부 타측은 상기 응축수배출관(195)을 통해서 상기 아우터하우징(160)과 연결된다.
따라서, 상기 응축수공간(155)으로 모인 응축수는 상기 응축수배출관(195)을 통해서 상기 응축수리저버(120)로 모인다.
그리고, 상기 연료가스순환라인(110)을 순환하는 연료가스가 상기 응축수리저버(120)를 지나면서 습도가 적절하게 조절되고, 상기 이젝터(190)의 후단에서 발생되는 수분물질은 상기 슬릿(170), 상기 응축수공간(155), 및 상기 응축수배출관(195)을 통해서 상기 응축수리저버(120)로 모인다. 따라서, 상기 스택(100)으로 수분물질이 과도하게 공급되는 것을 효과적으로 방지한다.
도시한 바와 같이, 상기 슬릿(170)은 상기 인터널하우징(150)과 상기 아우터하우징(160) 사이에 형성되는 상기 응축수공간(155)이 끝나는 지점에 대응하여 상기 인터널하우징(150)에 형성되고, 상기 인터널하우징(150)에서 그 내경이 점차 커지는 영역에서 그 단부에 형성될 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 2에서는 도 1과 비교하여 구별되는 부분에 대해서 주로 설명하고, 동일 또는 유사한 부분에 대해서는 그 설명을 생략한다.
도 2를 참조하면, 상기 인터널하우징(150)에는 슬릿이 형성되지 않고, 상기 인터널하우징(150)은 다공성부재, 다공성막, 및 이온교환수지 중 적어도 하나의 재질로 형성될 수 있다.
상기 다공성부재 또는 상기 다공성막으로 만들어진 상기 인터널하우징(150)은 내부에 형성되는 압력이 외부로 누출되는 것을 방지하고, 수분물질만 외부로 배출시키는 기능을 수행한다.
아울러, 상기 다공성부재 또는 상기 다공성막으로 만들어진 상기 인터널하우징(150)은 수분물질에 포함된 이물질을 걸러내는 기능도 수행한다.
상기 이온교환수지로 만들어진 상기 인터널하우징(150)도 응축수를 배출하면서, 내부에 형성되는 압력이 외부로 해소되는 것을 방지하며, 수분물질에 포함된 이온물질을 포집할 수 있다.
상기 연료가스분사노즐(140)에서 분사되는 수소(연료가스)와 재순환 연료가스가 나선형으로 회전하고, 질량이 큰 수분물질은 상기 인터널하우징의 내주면을 따라서 이동하는 구조로, 다공성부재, 다공성막, 또는 이온교환수지를 통해서 수분물질이 용이하게 배출된다.
본 발명의 실시예에서, 상기 응축수리저버(120)는 상기 연료가스순환라인(110) 상에 배치되는 것으로 설명하였으나, 상기 연료가스순환라인 외에 별도로 구비될 수 있다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 3에서는 도 1 및 도 2와 비교하여 구별되는 부분에 대해서 주로 설명하고, 동일 또는 유사한 부분에 대해서는 그 설명을 생략한다.
도 3을 참조하면, 연료가스가 순환하는 상기 연료가스순환라인(110)에서 아우터파이프(300) 내부에 수분물질통과이너파이프(310)가 배치되고, 상기 아우터파이프(300)와 상기 수분물질통과이너파이프(310) 사이에 공간(320)이 형성된다.
상기 수분물질통과이너파이프(310)를 통해서 재순환 연료가스가 순환하면서, 수분물질은 상기 수분물질통과이너파이프(310)를 통과해서 상기 공간(320)으로 모이고, 상기 공간(320)에 모인 수분물질은 상기 응축수리저버(120)로 배출될 수 있다.
따라서, 상기 스택(100)으로 수분물질이 과도하게 공급되는 것을 효과적으로 방지하고, 상기 스택(100)으로 수분물질이 공급됨으로써 발생되는 출력저하 등의 문제를 근본적으로 줄일 수 있다.
이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당 해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.
100: 스택 110: 연료가스순환라인
120: 응축수리저버 130: 진공흡입관
140: 연료가스분사노즐 150: 인터널하우징
155: 응축수공간 160: 아우터하우징
170: 슬릿 180: 출구
190: 이젝터 195: 응축수배출관
300: 아우터파이프 310: 수분물질통과이너파이프
320: 공간

Claims (11)

  1. 공급되는 공기와 연료가스를 이용하여 전기를 생성하는 스택;
    상기 스택의 출구에서 배출되는 연료가스를 다시 상기 스택의 입구로 다시 재순환시키는 연료가스재순환라인; 및
    상기 연료가스재순환라인에 설치되어 새로운 연료가스를 공급하면서 재순환연료가스를 순환시키는 이젝터; 를 포함하고,
    상기 이젝터는
    일측은 상기 연료가스재순환라인과 연결되는 진공흡입관;
    상기 진공흡입관에 설치되어 연료가스를 분사하여 진공을 형성하는 연료가스분사노즐;
    상기 연료가스분사노즐에서 분사되는 연료가스가 지나는 인터널하우징; 및
    상기 인터널하우징이 내부에 배치되고, 상기 인터널하우징 사이에 응축수공간을 형성하는 아우터하우징; 을 포함하고,
    상기 인터널하우징은 내부의 수분물질을 상기 응축수공간으로 배출하는 것을 특징으로 하는 이젝터를 구비한 연료전지 시스템.
  2. 제1항에서,
    상기 인터널하우징에는 상기 응축수공간으로 응축수가 배출되는 배출홀이 형성되는 것을 특징으로 하는 이젝터를 구비한 연료전지 시스템.
  3. 제1항에서,
    상기 응축수공간에서 배출되는 응축수가 모이는 응축수리저버가 상기 연료가스순환라인에 설치되는 이젝터를 구비한 연료전지 시스템.
  4. 제1항에서,
    상기 응축수공간에서 상기 응축수리저버로 형성되는 응축수배출관을 포함하는 이젝터를 구비한 연료전지 시스템.
  5. 제1항에서,
    상기 배출홀은 상기 인터널하우징에서 내경이 커지는 영역에서 단부에 형성되는 이젝터를 구비한 연료전지 시스템.
  6. 제1항에서,
    상기 배출홀은 상기 인터널하우징의 둘레를 따라서 연장되는 슬릿 형태인 이젝터를 구비한 연료전지 시스템.
  7. 제1항에서,
    상기 연료가스공급노즐을 통해서 분사되는 연료가스는 수소를 포함하는 이젝터를 구비한 연료전지 시스템.
  8. 제1항에서,
    상기 인터널하우징 자체가 수분물질을 통과시키는 다공성부재, 다공성막, 또는 이온교환수지인 것을 특징으로 하는 이젝터를 구비한 연료전지 시스템.
  9. 제1항에서,
    상기 연료가스재순환라인의 적어도 일부에는,
    상기 순환연료가스가 지나는 유로를 형성하되, 그 내부에서 외부로 수분물질을 통과시키는 수분물질통과이너파이프; 및
    상기 수분물질통과이너파이프의 외측을 감싸고, 그 사이에 공간을 형성하는 아우터파이프; 가 형성되고,
    상기 아우터파이프는 상기 응축수리저버와 연결되는 것을 특징으로 하는 이젝터를 구비한 연료전지 시스템.
  10. 제9항에서,
    수분물질통과이너파이프의 적어도 일부는 다공성부재 또는 이온교환수지로 만들어지는 것을 특징으로 하는 이젝터를 구비한 연료전지 시스템.
  11. 제1항에서,
    상기 배출홀은 상기 응축수공간의 단부에 대응하는 위치에 형성되는 이젝터를 구비한 연료전지 시스템.
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