KR20230081982A - 연료전지시스템 - Google Patents

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KR20230081982A
KR20230081982A KR1020220164870A KR20220164870A KR20230081982A KR 20230081982 A KR20230081982 A KR 20230081982A KR 1020220164870 A KR1020220164870 A KR 1020220164870A KR 20220164870 A KR20220164870 A KR 20220164870A KR 20230081982 A KR20230081982 A KR 20230081982A
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박달영
정재훈
이성근
이하늘
정성문
강아현
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동아퓨얼셀주식회사
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Abstract

본 개기의 연료전지시스템은, 탄화수소를 개질하여 고농도 수소의 개질가스를 제공하는 개질기; 상기 개질가스와 공기를 이용하여 전기를 생성하는 스택; 및 상기 스택에서 생성된 전기를 상용 발전전압에 맞춰 변환하는 인터버를 포함할 수 있다. 상기 개질기와 상기 스텍을 연결하여 상기 개질가스를 상기 스텍으로 연결하는 유로는, 상기 개질가스를 상기 전기를 생성하는 계통으로 공급하는 제 1 유로; 및 상기 개질가스를 상기 스택의 온도를 조절하는 계통으로 공급하는 제 2 유로를 포함할 수 있다.

Description

연료전지시스템{Fuel cell system}
본 발명은 연료전지시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 스택 온도 균일화를 위한 고온 고분자 전해질막 연료 전지에 관한 것이다.
일반적으로, 연료 전지는 고효율, 친환경, 높은 출력밀도 등과 같은 장점을 가지고 있어 유망한 미래 청정 에너지기술로 많은 관심을 받고 있다. 기존의 저온 고분자 전해질막 연료 전지(Low-Temperature Polymer electrolyte membrane fuel cell, LT-PEMFC)가 상용화 어려움을 겪고 있는 원인은 여러 가지가 있다. 저온 고분자 전해질막 연료 전지를 운전하기 위해서는 가습기, 수분 트랩 등과 같은 물 관리 시스템이 필요하다. 또한, 연료 공급의 어려움 및 특정 불순물의 농도가 낮은 수소를 사용해야 하는 단점이 있으며, 저온 고분자 전해질막 연료 전지의 운전을 통해 얻을 수 있는 열은 배열온도가 낮아 사용 목적이 제한적이다.
저온 고분자 전해질막 연료 전지의 대안으로 고온 고분자 전해질막 연료 전지(HT-PEMFC)의 연구가 활발히 진행되고 있다. 고온 고분자 전해질막 연료 전지는 인산이 도핑된 폴리벤즈이미다졸(polybenzimidazole, PBI)계 전해질막을 사용하여 별도의 가습 없이 운전이 가능하며, 연료 전지 운전을 통해 발생하는 물이 증기 형태로 발생하기 때문에 별도의 수분트랩이 필요하지 않다. 또한, 고온 고분자 전해질막 연료 전지를 150℃ ~ 180℃의 운전 온도에서 CO의 피독으로 인한 막 전극 접합체(membrane electrode assembly, MEA)의 성능저하 현상이 현저히 감소하여 CO 농도 3%까지 내성을 가지게 된다. 이러한 현상으로 인해 수소개질과정에서 CO 제거공정을 최소화할 수 있다. 또한, 100℃에 가까운 높은 배열온도를 얻을 수 있어 열에너지의 활용도가 높다.
상기 고온 고분자 전해질막 연료 전지는 아직 많은 기술 개발이 필요하다. 이론적으로 높은 전기화학 반응 속도를 갖으나 실제 개발된 고온 고분자 전해질막연료 전지의 성능은 저온 고분자 전해질막 연료 전지의 성능에 다소 미치지 못한다. 인산노출 및 고온의 가혹한 운전 조건으로 인해 내구성이 취약하며 수명이 짧은 단점이 있다.
예를 들면, 고온의 운전 조건하에서 연료 전지의 일부에 파손이 생기면, 냉매가 막 전극 접합체(MEA)로 침투됨으로써, 연료 전지 스택의 성능이 저하되는 문제점이 있었다. 그리고 고온 고분자 전해질막 연료 전지 스택의 냉매로 사용되는 오일은 물에비하여 높은 점성을 가지므로, 오일이 순환 경로 상에서 높은 차압을 일으키게 되고, 이 또한 연료 전지의 파손을 일으키는 문제점이 되어 왔다. 이때, 고온 고분자 전해질막 연료 전지 스택의 냉매로 사용되는 오일은 고온에서 작동하므로 연료 전지의 분리판 내부에 형성된 냉매 유로를 순환하는 동안 분리판의 부피 변화를 일으켜 파손을 촉진시키는 문제점이 있었다. 또한, 스택을 냉각시키기 위해 스택 사이에 결합된 냉각판과, 냉각판으로 유입되는 냉매를 안내하는 유입 통로와, 냉각판에서 토출되는 냉매를 안내하는 토출 통로가 마련되며, 냉각판, 유입 통로 및 토출 통로는 각각 조립되어 유지 보수를 용이하게 할 수 있다. 하지만, 각각 조립된 냉각판, 유입 통로 및 토출 통로에서는 냉매가 유입 및 토출되는 과정에서 냉매가 조립 위치에서 누수가 발생하게 되는 문제가 있으며, 냉매가 누수됨에 따라 스텍의 온도를 낮추지 못하여 연료 전지 스텍의 효율이 떨어지는 문제점이 있었다.
한국등록특허공보 제10-1768128호 '독립형 냉각판을 구비하는 고온 고분자 전해질 막 연료 전지 스택 및 그 제조 방법'(등록일자 : 20160216)
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 스텍 사이에 구비된 냉각판으로 냉매의 유입을 안내하는 유입 통로와, 냉각판으로부터 토출되는 냉매를 안내하는 토출 통로의 구조를 개선한다. 이를 통하여 냉매의 누수를 제거하여 연료 전지 스텍의 효율을 향상시키는 고온 고분자 전해질막 연료 전지 스택을 제공하는 것을 주요 목적으로 한다.
본 개기의 연료전지시스템은, 탄화수소를 개질하여 고농도 수소의 개질가스를 제공하는 개질기; 상기 개질가스와 공기를 이용하여 전기를 생성하는 스택; 및 상기 스택에서 생성된 전기를 상용 발전전압에 맞춰 변환하는 인터버를 포함할 수 있다.
상기 개질기와 상기 스텍을 연결하여 상기 개질가스를 상기 스텍으로 연결하는 유로는, 상기 개질가스를 상기 전기를 생성하는 계통으로 공급하는 제 1 유로; 및 상기 개질가스를 상기 스택의 온도를 조절하는 계통으로 공급하는 제 2 유로를 포함할 수 있다.
상기 제 1 유로와 상기 제 2 유로는 분리될 수 있다.
상기 제 2 유로에는 상기 개질가스의 공급량을 제어하는 개질가스공급제어기가 마련될 있다.
상기 제 2 유로를 통과하여 배출된 개질가스를 포집하는 탱크가 마련될 수 있다.
상기 제 2 유로를 통과하여 배출된 개질가스는 상기 개질기에 열을 공급하는 버너에 공급할 수 있다.
본 발명에 따른 고온 고분자 전해질막 연료 전지 스택은 복수 개의 셀 유닛 사이에 각각 냉각판이 배치되고, 냉각판으로 냉매를 안내하는 유입 통로와 토출 통로는 제1 연결관과 제2 연결관 및 원통관으로 이루어지며, 냉각판의 상하부에 연결관이 각각 냉각판에 밀착 결합되어 냉매가 냉각판으로 유입 또는 냉각판으로부터 토출될 때 유입 통로 및 토출 통로 외부로 누수되지 않는 효과를 제공한다.
또한, 제1 연결관과 제2 연결관은 일정 간격 이격 배치되고, 제1 연결관과 제2연결관의 외주면에 결합되는 원통관은 제1 연결관과 제2 연결관 사이 공간으로 연결관이 돌출 형성되어 제1 연결관 및 제2 연결관을 지지할 수 있으며, 제1 연결관과 제2 연결관이 일정 간격 배치됨에 따라 냉매의 이동에 따른 부피 팽창 및 수축에 따른 편차를 보상함으로써 파손의 위험성을 낮출 수 있는 효과를 제공한다.
또한, 제1 연결관과 원통관 사이 및 제2 연결관과 원통관 사이에는 패킹 유닛이 결합되어 냉매가 유입 통로 및 토출 통로의 외부로 누수되는 것을 방지할 수 있으며, 원통관과 연결관 간에 결합력을 향상시켜 수명 연장 및 유지 보수를 용이하게 할 수 있는 효과를 제공한다.
또한, 냉매펌프 및 냉각수와 관련한 BOP를 제거할 수 있다. 이에 따라서, 연료전지시스템으 소형과 및 원가절감을 달성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 고온 고분자 전해질막 연료 전지 스택을 나타낸 사시도이다.
도 2는 도 1의 측면도이다.
도 3은 본 발명의 지지부를 나타낸 평면도이다.
도 4는 본 발명의 제1 냉각판을 나타낸 평면도이다.
도 5는 본 발명의 제2 냉각판을 나타낸 평면도이다.
도 6은 도 2의 A부분을 나타낸 확대도이다.
도 7은 실시예의 연료전지시스템의 구성도이다.
도 8은 다른 실시예의 연료전지시스템의 구성도이다.
이하, 본 발명의 기술적 사상을 첨부된 도면을 사용하여 더욱 구체적으로 설명한다. 첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 더욱 구체적으로 설명하기 위하여 도시한 일예에 불과하므로 본 발명의 기술적 사상이 첨부된 도면의 형태에 한정되는 것은 아니다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어, 이미 공지된 기능 혹은 구성에 대한 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 고온 고분자 전해질막 연료 전지스택을 나타낸 사시도이고, 도 2는 도 1의 측면도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 고온 고분자 전해질막 연료 전지스택(1000)은 복수 개의 셀 유닛(100), 지지부(200), 냉각판(300), 유입 통로(400) 및 토출 통로(500)를 포함한다.
먼저, 상기 복수 개의 셀 유닛(100)은 각각 복수 개의 분리판(101)이 적층되어 구성되며, 일 예로, 5개의 분리판(101)이 적층되어 하나의 셀 유닛(100)을 이룰 수 있게 된다. 그리고 후술할 냉각판(300)의 사이에 하나의 셀 유닛(100)이 배치되며, 셀 유닛(100)과 냉각판(300)이 반복되면서 상하 방향으로 복수 개로 적층될 수 있다. 또한, 상기 셀 유닛(100)은 수소가 유입되는 애노드 유입 포트(A_in)와, 셀 유닛(100)으로부터 수소가 토출되는 애노드 토출 포트(A_out)와, 셀 유닛(100)으로 공기가 유입되는 캐소드 유입 포트(C_in)와, 셀 유닛(100)으로부터 공기가 토출되는 캐소드 토출 포트(C_out)가 형성된다. 여기서, 상기 분리판(101)의 내부에는 수소가 유동되는 수소 유로와, 공기가 유동되는 공기 유로를 포함하여 수소와 공기가 유입 및 토출되면서 냉각 기능을 수행할 수 있게 된다.
다음으로, 상기 지지부(200)는 복수 개의 셀 유닛(100)의 상하부에 각각 결합되며, 지지부(200)의 사이에 결합된 복수 개의 셀 유닛(100)과 냉각판(300), 유입 통로(400) 및 토출 통로(500)를 가압하여 지지할 수 있다. 이때, 상기 지지부(200) 중 셀 유닛(100)의 상부에 위치한 상측 지지부(200)에는 복수의 셀 유닛(100) 방향으로 압력을 가하는 릴리프 스프링(210)이 고정 설치된다. 상기 릴리프 스프링(210)의 위치 및 길이를 조절함으로써, 셀 유닛(100)을 구성하는 분리판에 일정한 압력 분포가 가할 수 있게 된다.
또한, 상기 지지부(200)는 복수 개의 셀 유닛(100)의 상부와 하부 외에 복수 개의 셀 유닛(100)의 중간에 위치하여 결합의 견고성을 향상시킬 수 있는 중간 지지부(도면 미도시)를 더 포함할 수 있다. 상기 중간 지지부는 상하부에 배치된 지지부(200)의 중앙부에 배치되는 판으로써, 고정력을 향상시킬 수 있으며, 본 발명의 고온 고분자 전해질막 연료 전지 스택(1000)은 고온에서 운전되는 특성상, 저온 PEMFC 스택에 비하여 열팽창의 정도가 크다. 따라서, 셀 유닛(100)을 구성하는 분리판(101)이 열팽창에 의해 파손될 위험성이 높아지기 때문에 위와 같은 문제점을 방지하기 위하여 분리판의 두께를 증가시킬 수 있으나, 분리판(101)이 두꺼워지게 되면 단순히 셀 유닛(100)의 상하부에 배치된 지지부(200)만으로는 고정하기에 무리가 있으므로, 추가적으로 셀 유닛(100)의 중앙에 중간 지지부를 삽입함으로써 고정력을 향상시킬 수 있게 된다. 이때, 상기 지지부(200)는 상기 애노드 유입 포트(A_in)와, 애노드 토출 포트(A_out)와, 캐소드 유입 포트(C_in) 및 캐소드 토출 포트(C_out)에 대응되는 유입 및 토출 포트가 형성된다.
또한, 상기 복수 개의 셀 유닛(100)과 지지부(200)는 최적의 공간 활용성을 위하여 사각형의 형상으로 형성되는 것이 바람직하다. 그리고 상기 지지부(200)는 도 3에 도시된 바와 같이, 어느 한 변에 제1 냉매 유입 포트(201)와 제1 냉매 토출 포트(203)가 형성되고, 다른 한 변에 제2 냉매 유입 포트(202)와 제2 냉매 토출 포트(204)가 형성된다. 여기서, 제1 냉매 유입 포트(201)와 제1 냉매 토출 포트(203)는 제2 냉매 유입 포트(202)와 제2 냉매 토출 포트(204)와 서로 바주보는 변에 배치될 수 있다. 이때, 상기 제1 냉매 유입 포트(201)와 제2 냉매 유입 포트(202)는 후술할 유입 통로(400)에 연결되고, 상기 제1 냉매 토출 포트(203)와 제2 냉매 토출 포트(204)는 토출 통로(500)에 연결된다.
다음으로, 상기 냉각판(300)은 본 발명의 고온 고분자 전해질막 연료 전지 스택(1000)에서 발생되는 열을 제거하기 위한 구성으로, 외부 매니폴드 방식으로 냉매를 유동시킴으로써, 셀 유닛(100)에서 발생되는 열을 제거할 수 있다. 여기서, 상기 냉각판(300)은 복수 개의 셀 유닛(100) 사이에 배치되도록 복수개로 형성되며, 일부가 셀 유닛(100)의 측면으로 돌출 형성되는 돌출부(320)와, 상기 돌출부에 관통 형성되는 한 쌍의 결합공(310)이 관통 형성된다. 이때, 상기 냉각판(300)은 도 1에 도시된 바와 같이, 셀 유닛(100)의 측면으로 돌출되는 방향이 일정한 패턴을 가지도록 반복 형성되며, 바람직하게는 홀수 번째와 짝수 번째의 돌출 방향이 서로 대향되도록 돌출 형성된다.
상세하게는, 상기 냉각판(300)은 셀 유닛(100)의 일측 방향으로 돌출 형성되는 제1 냉각판(301)과, 셀 유닛(100)의 타측 방향으로 돌출 형성되는 제2 냉각판(302)을 포함한다. 여기서, 상기 제1 냉각판(301)은 본 발명의 고온 고분자 전해질막 연료 전지 스택(1000)의 하부에서 홀수 번째에 배치되어 셀 유닛(100)의 우측으로 돌출되도록 결합되고, 제2 냉각판(302)은 제1 냉각판(301)에 대향되는 방향인 셀 유닛(100)의 좌측으로 돌출되도록 결합되어 제1 냉각판(301)과 제2 냉각판(302)이 서로 대향되도록 배치되는 것이 바람직하다. 이때, 냉각판(300)에는 한 쌍의 결합공(310)이 형성되며, 한 쌍의 결합공(310)은 유입 통로(400)가 결합되는 제1 결합공(311)과 토출 통로(500)가 결합되는 제2 결합공(312)으로 이루어진다.
그리고 상기 냉각판(300)의 재질은 셀 유닛(100)의 재질보다 강도가 높은 금속재질, 일 예로, SUS 금속으로 형성될 수 있다. 이 경우, 기존의 냉각판에 비하여 기계적인 강도가 높아지므로, 고온의 운전 조건하에서도 냉각판(300)이 파손되는 문제를 방지할 수 있게 된다. 종래의 경우, 셀 유닛의 내부에 일체로 냉각 유로를 형성하여 내부 매니폴드형 냉각 구조를 갖도록 하였으나, 고온의 운전조건으로 인하여 냉각 유로가 파손되면서, 냉매가 누출되어 성능을 저하시키는 문제점이 있었다. 또한, 셀 유닛으로는 다공성 매질 및 다공성 매질을 메우는 엔지니어링 플라스틱의 혼합물로 이루어진 흑연판을 사용할 수 있다. 이 경우 저온 PEMFC 스팩에서는 표면 장력이 높은 물을 냉매로 사용하므로 크게 문제되지 않으나, 고온 PEMFC 스택에서는 냉매로 비등점이 높은 오일을 사용하므로, 오일의 높은 온도 및 낮은 표면 장력으로 인하여 이종 재질로 이루어진 분리판 자체의 내부로 오일이 침투하여 스며드는 현상이 발생하므로 성능이 크게 저하되는 문제점이 있었다. 그러나 실시예와 같이 셀 유닛(100)을 구성하는 각각의 분리판이 냉매 유로를 포함하지 않도록 외부 매니폴드형 냉각 방식을 갖추고, 기계적 강도가 높은 금속 재질로 이루어진 독립형 냉각판(100)을 이용하면, 분리판(101)의 파손 기능성을 현저히 낮출 수 있으며, 파손되더라도 직접적으로 분리판으로 냉매가 유입되는 것을 방지할 수 있으므로 내구성이 월등하게 향상될 수 있다.
한편, 상기 냉각판(300) 및 셀 유닛(100)이 서로 다른 재질로 구성될 경우, 같은 재질로 구성되는 경우와 비교하면, 양 표면 사이에 접촉 저항이 크므로 접촉 저항을 감소시키기 위하여, 냉각판(300) 및 셀 유닛(100) 사이에 완충 레이어(도면 미도시)를 삽입할 수 있다. 즉, 본 발명의 고온 고분자 전해질막 연료 전지 스택(1000)은 냉각판(300)의 상면 및 하면에 각각 완충 레이어가 배치되며, 완충 레이어는 전도성이 높고 유연성을 갖는 재질로 이루어질 수 있다. 일 예로, 완충 레이어는 기체확산층(Gas Diffusion Layer, GDL), 미세다공층(MPL)이 적층된 기체확산층(GDL), 그라포일 및 메탈 폼으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 하나의 재질로 형성될 수 있다. 가스확산층(GDL)은 탄소섬유로 이루어진 탄소종이(Carbon Paper)나 탄소 천(Carbon Cloth)등과 같은 다기공성 탄소 기재로 형성되며, 가스확산층은 우수한 전기전도성과 기공 구조를 가지고 있어 분리판(101)과의 접촉 저항을 낮출 수 있다.
다음으로, 상기 유입 통로(400)는 제1 결합공(311)에 결합되며, 복수 개의 냉각판(300)으로 각각 유입되는 냉매를 안내하도록 배치된다. 상세하게는, 상기 유입 통로(400)는 제1 냉각판(301)의 제1 결합공(311)에 결합되는 제1 유입 통로(401)와, 제2 냉각판(302)의 제1 결합공(311)에 결합되는 제2 유입통로(402)와, 제1 유입 통로(401)와 제2 유입 통로(402)를 연결하며 냉매를 제1 유입통로(401)와 제2 유입 통로(402)에 각각 안내하는 제1 연결 통로(403)를 포함한다. 그리고 상기 토출 통로(500)는 제2 결합공(312)에 결합되며, 복수 개의 냉각판(300)으로부터 각각 토출되는 냉매를 안내하도록 배치된다.
또한, 상기 토출 통로(500)는 제1 냉각판(301)의 제2 결합공(312)에 결합되는 제1 토출 통로(501)와, 제2 냉각판(302)의 제2 결합공(312)에 결합되는 제2 토출 통로(502)와, 제1 토출 통로(501)와 제2 토출 통로(502)를 연결하며 제1 토출 통로(501)와 제2 토출 통로(502)로부터 토출되는 냉매를 외부로 배출시키는 제2 연결 통로(503)를 포함한다.
이때, 상기 제1 냉각판(301)은 도 4를 추가로 참조하면, 제1 유입 통로(401)와 제1 토출 통로(501)와 각각 연결되며, 내부에 형성된 냉매 유로와 연통되는 제1 결합공(311) 및 제2 결합공(312)이 형성된다. 제1 냉각판(301)에서는 제1 유입 통로(401)를 통해 유입되는 냉매는 복수 개의 제1 냉각판(301)에 형성된 각각의 제1 결합공(311)으로 유입되고, 각각의 제1 냉각판(301)의 내부를 유동하면서 셀 유닛(100)에서 발생된 열을 제거하며, 각각의 제2 결합공(312)을 통하여 제1 토출 통로(501)로 토출되게 된다.
또한, 도 5에 도시된 바와 같이, 제2 냉각판(302)은 제2 유입 통로(402)와 제2 토출 통로(502)와 각각 연결되며, 내부에 형성된 냉매 유로와 연통되는 제1 결합공(311) 및 제2 결합공(312)이 형성된다. 여기서, 제2 냉각판(302)에서는 제1 유입 통로(402)를 통해 유입되는 냉매는 복수 개의 제2 냉각판(302)에 형성된 각각의 제1 결합공(311)으로 유입되고, 각각의 제2 냉각판(302)의 내부를 유동하면서 셀 유닛(100)에서 발생된 열을 제거하며, 각각 의 제2 결합공(312)을 통하여 제2 토출 통로(502)로 토출되게 된다.
상술한 바와 같이, 4개의 외부 매니폴드형 냉각 구조에 의하면, 서로 반대편에서 각각 지그재그 형태로 냉매가 유동하면서 셀 유닛(100)을 냉각시킬 수 있게 된다. 또한, 냉매 유입 통로 및 냉매 토출 통로를 각각 복수 개로 설치함으로써, 냉매 유입 통로(400) 및 토출 통로(500)를 각각 복수 개로 설치함으로써, 하나의 유입통로 및 토출 통로가 형성된 것에 비하여 냉매의 유동성을 향상시킬 수 있다.
이때, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 유입 통로(400)는 냉각판(300)의 하면에 결합되는 제1 연결관(410)와, 냉각판(300)의 상면에 결합되는 제2 연결관(420)와, 제1연결관(410) 및 제2 연결관(420)의 외주면을 덮도록 형성되는 원통관(430)을 포함한다. 상세하게는, 상기 제1 연결관(410)는 냉각판(300)의 돌출부(320) 하면에 결합되고, 결합공(310)에 연통되도록 원통형으로 형성된다. 그리고 상기 제2 연결관(420)은 냉각판(300)의 돌출부(320) 상면에 결합되며, 결합공(310)에 연통되면서, 제2 연결관(420)의 상면이 상기 제1 연결관(410)의 하면과 일정 간격 이격되도록 배치된다.
여기서, 상기 제1 연결관(410) 및 제2 연결관(420)는 돌출부(320)에 용접을 통해 결합되며, 돌출부(320)와 연결관(410) 사이로 냉매가 누수되는 것을 방지하게 된다. 또한, 상기 원통관(430)은 제1 연결관(410)과 제2 연결관(420)의 외주면을 덮도록 형성되며, 제1 연결관(410)의 하부와 제2 연결관(420)의 상부가 서로 접촉되지 않도록 형성된다. 그리고 원통관(430)은 PEEK(Poly Ether Ether Ketone) 재질로 이루어지며, PEEK 재질은 연속 사용 온도가 250℃에 달하며, 고온 PEMFC 스팩에서 내열성, 내화학성 및 내마모성을 강화할 수 있게 된다. 이때, 상기 원통관(430)은 제1 연결관(410)의 하부와 제2 연결관(420)의 상부를 지지하도록 내측으로 연결관(431)이 돌출 형성된다.
상기 원통관(430)은 상부에 위치한 냉각판(300)의 하면과, 하부에 위치한 냉각 판(300)의 상면과 일정 간격 이격 배치되어 직접적으로 접촉하지 않도록 제작된다. 그리고 상기 제1 연결관(410)의 외주면과 원통관(430)의 내주면 사이 및 제2 연결관(420)의 외주면과 원통관(420)의 내주면 사이에는 패킹 유닛(440)이 결합되며, 상기 패킹 유닛(440)은 제1 및 제2 연결관(410, 420)과 원통관(430) 사이로 냉매가 누수되는 것을 방지하면서 제1 및 제2 연결관(410, 420)과 원통관(430)을 고정시키게 된다.
상기 연결관(431)은 제1 연결관(410)의 하면과 제2 연결관(420)의 상면이 접촉되지 않도록 사이에 형성되며, 하측 냉각판(300)의 상면에 제2 연결관(420)가 용접된 상태에서 원통관(430)을 제2 연결관(420)의 상부로 결합시키고, 제1 연결관(410)를 원통관(430)의 상부로 삽입하여 결합되게 된다. 또한, 상기 토출 통로(500)는 상기 유입 통로(400)와 동일하게 제1 연결관(510), 제2 연결관(520) 및 원통관(530)으로 구성되어 냉각판(300)과 결합될 수 있으며, 이에 대한 상세한 설명은 생략하도록 한다. 여기서, 상기 유입 통로(400) 및 토출 통로(500) 중 적어도 하나는 상기 제1 연결관, 제2 연결관 및 원통관으로 구성될 수 있으며, 유입 통로(400) 및 토출 통로(500) 모두 제1 연결관, 제2 연결관 및 원통관을 포함하여 구성될 수 있음은 자명하다.
상술한 바와 같이, 유입 통로(400) 및 토출 통로(500)는 제1 연결관(410), 제2 연결관(420) 및 원통관(430)으로 이루어져 냉각판(300)과 결합이 용이하며, 제1 및 제2 연결관(410, 420)과 냉각판(300) 사이에는 용접을 통해 결합되므로 냉매가 누수되는 것을 방지하고, 제1 및 제2 연결관(410, 420)과 원통관(430) 사이에는 패킹 유닛(440)이 개재되어 냉매가 누수되는 것을 방지할 수 있으며, 원통관(430) 내부에 이동되는 냉매의 온도 변화에 따른 부피 팽창 및 수축에 의해 파손 시 원통관(430)을 용이하게 분리하여 조립 후 유지 보수가 용이한 효과를 제공한다.
도 7은 실시예의 연료전지시스템을 보이는 도면이다.
도 7을 참조하면, 연료전지시스템은 스택(1000), 인버터(2000), 및 개질기(3000)를 포함할 수 있다. 상기 개질기(reformer or fule processor)(3000)는 연료로서 탄화수소를 수소로 변환시키는 장치이다. 상기 탄화수소는 천연가스(LNG)를 사용할 수 있다. 상기 개질기는 상기 스택과 인접하여 설치할 수 있다. 상기 개질기와 상기 스택은 단일의 시스템으로 묶여서 제공될 수 있다. 상기 개질기에서 발생한 수소는 바로 스택으로 공급할 수 있다. 이 경우에 상기 개질기와 상기 스택은 연계해서 운전할 수 있다. 상기 개질기와 상기 스택이 연계해서 동작해야만, 최고의 발전효율을 얻어낼 수 있다. 상기 스택(1000)은 수소와 산소를 결합하여 물과 전기를 생성시키는 장치이다. 상기 스택의 상세구성은 위에서 살펴본 바와 같다. 상기 인버터(2000)는 스택에서 생성된 전기를 상용 발전전압에 맞춰 변환하는 장치이다. 상기 장치들이 최적화 운전해야 시스템의 최대 효율을 얻을 수 있다.
상기 개질기(3000)는 열을 제공하는 버너(3001)를 가질 수 있다. 상기 버너는 연료의 공급량을 제어하는 연료공급기(3003)를 가질 수 있다. 상기 버너는 연료의 공급량에 맞추어 공기공급을 제어하는 공기제어기(3004)를 가질 수 있다. 상기 버너의 발열량은 상기 연료와 상기 공기의 공급량에 의해서 제어할 수 있다. 상기 개질기(3000)는 개질되는 연료를 탄화수소의 공급량을 제어하는 연료공급제어기(3005)를 포함할 수 있다. 상기 개질기(3000)는 상기 탄화수소에서 제거하는 탄소를 산화탄소로 변화시키는 산소의 공급원인 물의 공급을 제어하는 물공급기(3002)를 포함할 수 있다. 상기 개질기는 탄화수소를 개질하여수소(H2)를 공급할 수 있다. 상기 수소와 함께 산화탄소가 발생할 수 있다. 상기 개질기에서 출력하는 출력물에는 물이 포함될 수도 있다.
상기 스택(1000)의 냉각을 위해서는 냉매를 공급하는 것은 이미 설명한 바가 있다. 상기 냉매는 순환계통을 통하여 유동할 수 있다. 상기 냉매의 순환계통은 냉매를 저장하는 냉매통(1001)을 포함할 수 있다. 상기 냉매의 순환계통은 고온의 냉매를 냉각하는 열교환기(1002)를 포함할 수 있다. 상기 냉매의 순환계통은 펌프를 제공하여 냉매가 강제 순환하도록 할 수 있다. 상기 펌프에 의해서 유동하는 냉매는, 스택(1000), 열교환기(1002), 및 냉매통(1001)을 순차로 유동할 수 있다. 상기 냉매는 스택에서 열을 흡수할 수 있다. 상기 스택에서 흡수한 열은 열교환기에서 방출할 수 있다. 열교환기에서 식은 냉매는 상기 냉매통에 저장할 수 있다. 상기 냉매통의 냉매는 다시 스택으로 유동할 수 있다.
상기 열교환기(1002)의 고온측 매체는 상기 스택을 통과할 수 있다. 여기서 고온측 매체는 상기 냉매일 수 있다. 상기 열교환기(1002)의 저온측 매체는 외부에서공급할 수 있다. 상기 저온측 매체의 공급을 위하여 별도의 저수탱크(1003)를 가질 수 있다. 상기 저수탱크는 고온의 물을 저장할 수 있다. 상기 물은 상기 냉매로부터 열을 받아 가열할 수 있다. 상기 저수탱크의 물은 필요시에 외부로 인출하여 사용할 수 있다. 상기 저수탱크와 상기 열교환기에는 펌프를 설치하여 물이 순환하도록 할 수 있다. 이 경우에 상기 저수탱크는 소정의 냉각장치를 더 가질 수 있다. 상기 저수탱크는 외부로 인출하는 물만큼 저온의 물을 더 받을 수 있다.
상기 인버터(2000)는 상기 스택의 파워출력측에 제공할 수 있다. 상기 스택은 전기 외에 미처리된 수소, 물, 및 부수가스을 배출할 수 있다. 상기 인버터는 스택의 출력에 따라서 적절히 운전을 변경해야만, 최고의 출력을 외부로 공급할 수 있다.
상기 실시예는 냉각재로 물 대신 작동온도가 180°C 의 높은 작동온도를 가진 오일을 냉매로 사용한다. 상기 냉각판으로는, 금속재료의 독립형 냉각판을 이용하여, 냉각오일유입에 따른 성능 저하를 차단할 수 있다. 그러나, 장기적인 운전 시에 오일누유현상으로 인한 단점이 발생할 수 있다. 이하에서는 상기되는 문제점을 해결하는 다른 실시예를 제안한다.
도 8은 실시예에 따른 연료전지시스템을 보이는 도면이다.
도 8을 참조하면, 상기 실시예에서 오일의 냉매로 인한 문제를 해결하기 위하여 본 실시예는 개질가스를 사용할 수 있다. 상기 개질기에서 배출하는 개질가스는 대략 130℃ 또는 그 이상에 이를 수 있다. 상기 개질가스는 스택을 내부 온도를 제어하는 가스로 이용할 수 있다. 상기 개질가스는 100℃ 이상에서는 추가 잠열을 포함할 수 있다. 이에 따라서 펌핑효과를 얻을 있다. 상기 펌핑효과는 밀도 차이로 인해 발생하는 것이다. 상기 펌핑효과는, 증기상태의 개질가스와 액체상태의 개질가스에서 발생하는 부력효과를 가리킬 수 있다. 그러므로, 상기 개질가스를 추가 펌프나 송풍기가 필요하지 않다. 또한, 냉각유로의 흐름 내에서 상태 변화가 온도 변화를 유발하는데, 상태가 변경되지 않은 상태로 유지된다면 스택의 온도를 균일하게 유지하는 데 도움이 될 수 있다.
상기 개질기(3000)에서 배출되는 개질가스를 스택의 냉각유로로 공급하는 분지로(4001)을 가질 수 있다. 상기 스택에서 발전을 위한 개질가스를 공급하는 유로를 제 1 유로라고 할 때, 상기 분지로는 제 2 유로라고 할 수 있다. 상기 분지로에는 냉매공급제어기(4003)을 제공할 수 있다. 상기 스텍의 온도조절에 이용한 개질가스는, 스텍의 외부로 배출할 수 있다. 배출한 개질가스는 고수소농도이므로, 별도의 탱크(4002)에 포집할 수 있다. 포집한 개질가스는 산업적인 목적으로 이용할 수 있다. 배출한 개질가스는 고수소농도이므로, 상기 버너(3001)에 공급하여 열을 제공할 수 있다. 이를 위한 별도의 개질가스공급제어기(3006)을 마련할 수 있다.
상기 분지로를 통하여 공급된 개질가스의 유로는, 스텍의 내부에서 발전을 위한 수소와 공기의 유로와는 분리될 수 있다. 상기 분지로로 공급한 냉매는 도 1 내지 도 6에 제공한 냉각장치에서 냉매인 오일을 대신하여 이용할 수 있다. 상기 개질가스는 도 1 내지 도 6의 냉각장치에서 오일의 유동경로를 유동할 수 있다. 상기 분지로로 공급한 냉매는 순환계통이 아니라 유입 및 배출계통을 이를 수 있다.
이 경우에는 상기 탱크(4002), 및 상기 개질가스공급제어기(3006) 중의 어느 하나를 이용하여 재활용할 수 있다.
상기 분지로로 공급한 개질가스는, 스텍의 온도상태의 제어에 이용할 수 있다. 예를 들어, 상기 개질가스는 스택의 예열에 이용할 수 있다. 상기 개질가스는 상기 스택의 냉각에 이용할 수 있다.
상기 개질가스를 이용하는 온도조절시스템과, 도 1 내지 도 6의 냉각시스템이 함께 마련되는 연료전지시스템이 가능할 수 있다.
상기 개질가스를 스택의 온도제어용으로 사용가능한 지의 여부를 실험하였다. 실험은 개질기의 개질 반응이 시작되는 시점에 Coolant Heating을 하여 스택 운전 가능 온도에 도달하면 스택 발전을 시작하고, 부하를 올려주어 정격에 도달시킨다. 정격 도달 후에는 스택이 전기화학 반응에 의해 열이 발생하므로 판형 열교환기를 이용해 물로 냉각 시켜 스택 적정온도인 140-150°C를 유지해 주었을 때, 각 분리판 온도 측정용 온도센서를 통해 스택 온도 분포 및 스택 성능 저하 및 수소 감지 센서를 통해 가스 누출을 확인해 본다.
기존 냉매와 비교해 보았을 때, 스택 성능 저하가 일어났는지, 개질가스는 가연성이기 때문에 수소가 외부로 누출되진 않았는지, 마지막으로 개질가스가 스택 반응 채널로 누출되지 않았는 지 확인해야 한다. 스택 평가 장치에서 총 1000시간 운전해 보았을 때, 처음 전압 값을 유지하였으므로 성능 저하가 일어나지 않았음을 확인할 수 있었고, 또 개질가스가 스택 반응 채널로 누출 되었더라면 정격 운전 시 스택 냉각이 제대로 이루어지지 않았을 텐데, 분리판 온도측정용 온도센서 모두 140-150°C를 유지함을 확인 할 수 있었다.
이러한 실험 결과는 HT-PEMFC의 REFORMER 개질가스를 이용해 시스템 냉각을 한다면, 기존에 냉매 펌프 및 냉각수 관련 BOP를 제거할 수 있으며, 시스템 소형화 및 원가 절감을 예상할 수 있을 것이다.
1000 : 고온고분자전해질막 연료전지스택
2000 : 인버터
3000 : 개질기

Claims (1)

  1. 탄화수소를 개질하여 고농도 수소의 개질가스를 제공하는 개질기; 상기 개질가스와 공기를 이용하여 전기를 생성하는 스택; 및 상기 스택에서 생성된 전기를 상용 발전전압에 맞춰 변환하는 인터버를 포함하는 연료전지시스템이고,
    상기 개질기와 상기 스텍을 연결하여 상기 개질가스를 상기 스텍으로 연결하는 유로는,
    상기 개질가스를 상기 전기를 생성하는 계통으로 공급하는 제 1 유로; 및
    상기 개질가스를 상기 스택의 온도를 조절하는 계통으로 공급하는 제 2 유로를 포함하고,
    상기 제 1 유로와 상기 제 2 유로는 분리되고,
    상기 제 2 유로에는 상기 개질가스의 공급량을 제어하는 개질가스공급제어기가 마련되고,
    상기 제 2 유로를 통과하여 배출된 개질가스를 포집하는 탱크가 마련되거나, 상기 제 2 유로를 통과하여 배출된 개질가스는 상기 개질기에 열을 공급하는 버너로 공급하는 연료전지시스템.

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