KR20190123979A - 연료전지용 공기 공급장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지용 공기 공급장치에 관한 것으로써, 보다 상세하게는, 공기 공급부가 수분 응축기 및 필터를 포함함으로써, 유입되는 외부 공기의 유분, 수분 및 먼지 입자를 제거하여 연료전지 공기극에 질이 높은 공기를 공급하는 연료전지용 공기 공급장치에 관한 것이다.

Description

연료전지용 공기 공급장치{AIR SUPPLY DEVICE FOR FUEL CELL}

본 발명은 연료전지용 공기 공급장치에 관한 것으로써, 보다 상세하게는, 공기 공급부가 수분 응축기 및 필터를 포함함으로써, 유입되는 외부 공기의 유분, 수분 및 먼지 입자를 제거하여 연료전지 공기극에 질이 높은 공기를 공급하는 연료전지용 공기 공급장치에 관한 것이다.

일반적으로, 연료가 가지고 있는 에너지를 직접 전기적 에너지로 변환하는 장치로서 연료전지에 관한 기술이 공지되어 있으며, 이러한 연료전지는 통상 고분자 전해질을 중심으로 양쪽에 다공질의 양극(ANODE)과 음극(CATHODE)이 부착되어 있으며, 양극(산화전극 또는 연료극)에서는 연료인 수소의 전기화학적 산화가, 그리고 음극(환원전극 또는 공기극)에서는 산화제인 산소의 전기화학적 환원이 일어나며 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기에너지가 발생된다.

이와 같은 연료전지에 공급되는 수소는 LNG, LPG, CH3OH, 가솔린 등의 탄화수소계(CH계열) 연료를 개질기에서 탈황공정→개질반응→수소정제공정을 거쳐 수소(H2)만을 정제하여 가스형태로 사용되거나 액체 상태의 메탄올을 직접 연료로 사용하는 직접 메탄올 연료전지(DMFC; DIRECT METHANOL FUEL CELL)방식으로 사용 되어진다.

그러나, 상기와 같이 종래 연료전지는 음극에 공급되는 공기가 대기중의 먼지가 혼합된 상태로 공급되기 때문에 음극에서의 환원반응이 활발하게 이루어지지 못하여 발전효율을 떨어뜨리고 장기 운전 시 연료전지의 내구성을 저하시키는 문제점이 있었다. 이와 같은 점은 연료전지가 장착되는 청소기와 같은 전자제품의 배기구로 배출되는 다량의 불순물 입자가 포함된 공기를 공급하여 발전을 하는 경우에는 더욱 심하여 발전효율과 내구성이 극단적으로 저하되는 문제점이 있었다.

이와 관련하여, 연료전지의 발전을 위하여 스택에 공급되는 공기를 정화하여 순수한 공기만을 스택에 공급되도록 함으로써 발전효율을 증대시키도록 하는데 적합한 연료전지용 공기 공급장치가 필요한 실정이다.

한국등록특허 제10-2017-0134130호

본 발명은 상술된 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 필터 및 수분 응축기를 포함함으로써, 외부 공기의 수분, 유분 및 먼지 입자를 필터링하여 연료전지에 질 높은 공기를 공급하는 연료전지용 공기 공급장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 공기 공급장치는 연료극, 전해질 및 공기극으로 이루어진 연료전지를 하나 이상 포함하는 스택(stack); 및 상기 공기극에 외부 공기를 공급하는 공기 공급부;을 포함하고, 상기 공기 공급부은, 공급된 상기 외부 공기의 유분, 수분 및 먼지 입자를 제거하는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에서, 상기 공기 공급부는, 상기 외부 공기가 공급되고, 공급된 상기 외부 공기의 먼지를 여과하는 공기 주입기(air inlet); 상기 공기 주입구를 통해 공급되는 공기를 응축하여 수분을 제거하는 수분 응축기(condenser); 상기 수분이 제거된 공기의 유분, 수분 및 먼지 입자를 제거하는 필터(filter); 상기 필터를 통해 필터링된 공기를 상기 공기극에 직접 공급하는 송풍기(blower); 및 상기 각 구성을 연결하는 연결관;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에서, 상기 공기 공급부는, 상기 공기 주입기를 통해 공급된 공기를 압축하여 상기 수분 응축기에 공급하는 압축기(compressor);를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에서, 상기 공기 공급부는, 상기 수분 응축기와 상기 필터 사이에 위치되어, 수분이 제거된 상기 공기를 저장하는 공기 탱크(air tank);를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에서, 상기 공기 공급부는, 상기 송풍기를 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 필터 및 수분 응축기를 포함함으로써, 외부 공기의 수분, 유분 및 먼지 입자를 필터링하여 연료전지에 질 높은 공기를 공급하고, 정화된 순수한 공기에 의해 공기극 내 전기화학반응이 활발하게 이루어져 발전효율이 증대되며, 유입되는 불순물 입자, 수분 및 유분에 의한 전극효율 감소 및 내구성 저하를 억제할 수 있는 효과가 발생하게 된다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지용 공기 공급장치를 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 연료전지용 공기 공급장치를 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.

본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위하여 과장될 수 있다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 용이하게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.

<연료전지용 공기 공급장치>

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지용 공기 공급장치(100)를 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.

본 발명에 따른 연료전지용 공기 공급장치(100)는 스택(10) 및 공기 공급부(20)을 포함할 수 있다.

여기서, 스택(10)은 연료극, 전해질 및 공기극으로 이루어진 연료전지를 적층함으로써 형성되는 구성이다. 공기극은 공기 공급부(20)을 통해 유입되는 공기와 반응하여 전자를 생성할 수 있다.

그리고, 공기 공급부(20)은 공기극에 외부 공기를 공급하는 구성으로 주입된 외부 공기의 유분, 수분 및 먼지를 제거하여 정화된 공기를 스택(10)에 공급할 수 있다. 여기서, 공기 공급부(20)은 공기 주입기(21), 수분 응축기(22), 필터(23), 송풍기(24) 및 연결관(25)를 포함할 수 있다.

공기 주입구(21)는 외부 공기를 스택(10)에 공급하기 위한 구성으로, 필터가 내장되어 있어 주입된 외부 공기에 포함된 먼지를 1차적으로 여과할 수 있다. 또한, 연료전지 스택(10)의 출력량에 따라 주입하는 공기의 양을 조절할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 스택(10)이 고출력 작동을 하게 되면 공기 주입구(21)에 많은 양의 외부 공기가 공급되어 다량의 공기를 스택(10)에 공급할 수 있다. 스택(10)에 외부 공기를 공급하는 양은 후술되는 송풍기(24)로도 조절 가능하다.

수분 응축기(22)는 공기 주입구(21)를 통해 1차적으로 먼지가 제거된 공기를 응축하는 구성으로, 외부 공기에 포함된 수분을 1차적으로 제거할 수 있다. 수분 응축기(22)는 외부 공기를 급 냉각 및 압력을 가하여 수증기(기체)로 포함되어 있던 수분을 물(액체)의 형태로 변형시켜 제거할 수 있다.

외부 공기를 응축시키기 위해 본 발명에 따른 수분 응축기(22)는 냉매 제공부(도시되지 않음)가 더 포함될 수 있다. 또한, 수분 응축기(22)는 외부 공기와 열교환으로 온도가 상승된 냉매를 배출하기 위해 냉매 배출부(도시되지 않음)를 더 포함할 수 있다.

필터(23)는 공기 주입기(21) 및 수분 응축기(22)를 통해 1차적으로 먼지 및 수분이 제거된 외부 공기의 먼지 및 수분을 2차적으로 제거하고, 유분을 제거할 수 있다. 필터(23)는 공기 주입기(21) 및 수분 응축기(22)에서 제거되지 않은 먼지 및 수분을 제거하여 스택(10) 공기극의 전기화학반응을 활발하게 하여 연료전지 스택(10)의 효율을 증가시킬 수 있다. 또한, 필터(23)는 외부 공기에 포함된 유분을 필터링할 수 있다.

송풍기(24)는 필터링된 공기를 공기극에 직접 공급하는 구성으로, 연료전지 스택(10)의 출력량에 따라 공급하는 공기의 양을 조절할 수 있다. 일 실시 예에 있어서, 연료전지 스택(10)의 작동초기 및 저출력으로 작동할 경우, 송풍기(24)는 팬(fan)의 회전 속도가 감소하여 연료전지 스택(10)에 공급되는 공기량을 감소시킬 수 있다. 또한, 연료전지 스택(10)이 고출력으로 작동할 경우, 송풍기(24)는 팬의 회전 속도가 증가하여 연료전지 스택(10)에 공급되는 공기량을 증가시킬 수 있다.

그리고, 송풍기(24)는 공기 주입기(21)와 연동되어 공기 공급량을 조절할 수 있다. 즉, 연료전지 스택(10)이 출력이 높아 많은 양의 공기가 필요하면 공기 주입기(21)는 많은 양의 외부 공기를 유입하고 송풍기(24)는 팬의 회전수가 증가되어 공기 주입기(21)를 통해 주입된 많은 양의 공기를 압축하여 연료전지 스택(10)에 공급할 수 있다.

공기 주입기(21) 및 송풍기(24)를 이용하여 공기 공급량을 조절함으로써, 불필요하게 많은 공기를 공급하지 않음은 물론 미 구동에 따른 소모 동력 감소만큼 연료전지 스택(10)의 효율을 높일 수 있는 효과가 발생할 수 있다.

본 발명에 따른 공기 공급부(20)는 연결관(도시되지 않음)를 통해 각 구성을 연결할 수 있다.

도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 연료전지용 공기 공급장치(100')를 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.

본 발명의 다른 실시 예에 따른 연료전지용 공기 공급장치(100')는 압축기(25) 및 공기 탱크(26)를 더 포함할 수 있다.

압축기(25)는 공기 주입기(21)를 통해 공급된 공기를 압축하는 구성으로, 압축된 공기를 수분 응축기(22)에 공급할 수 있다. 그리고, 압축기(25)는 공기를 압축함으로써 연료전지 스택(10)에 공급되는 공기의 양을 늘릴 수 있다.

본 발명에 따른 연료전지용 공기 공급부(20)는 압축기(25)에 의해 압축된 공기의 온도를 냉각시킬 수 있는 공기 냉각모듈(도시되지 않음)을 더 포함할 수 있다.

공기 탱크(26)는 외부에서 공급된 공기를 저장하는 구성으로, 송풍기(24)의 공기량 조절을 위해 공기를 저장할 수 있다. 즉, 연료전지 스택(10)이 낮은 출력으로 작동할 때, 공기 공급부(20)은 공기 주입기(21)를 통해 공급된 공기를 공기 탱크(26)에 일부 저장한 후, 필요한 양만큼의 공기만 스택(10)에 공급해 줄 수 있다. 아울러, 연료전지 스택(10)이 높은 출력으로 작동할 경우, 송풍기(24)는 스택(10)이 저출력으로 작동할 때 공기 탱크(27)에 저장된 공기를 출력하여 스택(10)에 공급할 수 있다.

이때, 공기 탱크(27)에서 공급되는 공기는 스택(10)에 공급되기 전 다시 한번 응축기(22)와 필터(23)를 거처 공급될 수 있다.

그리고, 본 발명에 따른 공기 공급부(20)은 송풍기(24)를 하나 이상 포함할 수 있다. 공기 주입기(21)와 스택(10) 사이 제1 송풍기(24), 압축기(25), 수분 응축기(22), 공기 탱크(26), 필터(23), 제2 송풍기(24) 순서로 위치될 수 있다.

제1 송풍기(24)는 공기 주입기(21)를 통해 공급된 외부 공기를 압축기(25)로 공급해 줄 수 있고, 제2 송풍기(24)는 필터(23)를 통해 이물질이 제거된 공기를 스택(10)에 공급해 줄 수 있다. 제1 및 2 송풍기(24)는 압축기(25) 및 스택(10)에 공급하는 공기의 양을 조절 할 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

10: 스택
20: 공기 공급부
21: 공기 주입기
22: 수분 응축기
23: 필터
24: 송풍기
25: 압축기
26: 공기 탱크
100, 100': 연료전지용 공기 공급장치

Claims (5)

1. 연료극, 전해질 및 공기극으로 이루어진 연료전지를 하나 이상 포함하는 스택(stack); 및
   상기 공기극에 외부 공기를 공급하는 공기 공급부;을 포함하고,
   상기 공기 공급부은,
   공급된 상기 외부 공기의 유분, 수분 및 먼지 입자를 제거하는 것을 특징으로 하는,
   연료전지용 공기 공급장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 공기 공급부는,
   상기 외부 공기가 공급되고, 공급된 상기 외부 공기의 먼지를 여과하는 공기 주입기(air inlet);
   상기 공기 주입구를 통해 공급되는 공기를 응축하여 수분을 제거하는 수분 응축기(condenser);
   상기 수분이 제거된 공기의 유분, 수분 및 먼지 입자를 제거하는 필터(filter);
   상기 필터를 통해 필터링된 공기를 상기 공기극에 직접 공급하는 송풍기(blower); 및
   상기 각 구성을 연결하는 연결관;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 연료전지용 공기 공급장치.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 공기 공급부는,
   상기 공기 주입기를 통해 공급된 공기를 압축하여 상기 수분 응축기에 공급하는 압축기(compressor);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 연료전지용 공기 공급장치.
   
4. 제2항에 있어서,
   상기 공기 공급부는,
   상기 수분 응축기와 상기 필터 사이에 위치되어, 수분이 제거된 상기 공기를 저장하는 공기 탱크(air tank);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 연료전지용 공기 공급장치.
   
5. 제2항에 있어서,
   상기 공기 공급부는,
   상기 송풍기를 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 하는, 연료전지용 공기 공급장치.
   

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