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KR100774465B1 - 연료 전지 시스템의 열손실 방지장치 - Google Patents

연료 전지 시스템의 열손실 방지장치 Download PDF

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KR100774465B1
KR100774465B1 KR1020050117703A KR20050117703A KR100774465B1 KR 100774465 B1 KR100774465 B1 KR 100774465B1 KR 1020050117703 A KR1020050117703 A KR 1020050117703A KR 20050117703 A KR20050117703 A KR 20050117703A KR 100774465 B1 KR100774465 B1 KR 100774465B1
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fuel cell
hydrogen
heat
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허성근
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엘지전자 주식회사
주식회사 엘지화학
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Abstract

본 발명의 연료 전지 시스템의 열손실 방지장치는 산소와 수소가 공급되어 전기 화학적 반응이 일어나는 스택부와, 상기 스택부와 연결되는 연결관들과, 상기 연결관들을 함께 감싸는 단열 모듈을 포함하여 구성된다. 이로 인하여, 본 발명은 스택부에 연결되는 연결관들사이에 열전달이 이루어질 뿐만 아니라 그 고온 상태의 연결관들이 단열되어 외부로 방출되는 것을 방지하게 됨으로써 열손실을 감소시키고 아울러 그 스택부의 온도 변화를 최소화시켜 스택부의 제어가 용이하게 할 수 있도록 한 것이다.

Description

연료 전지 시스템의 열손실 방지장치{APPARATUS FOR PREVENTING HEAT LOSS IN FUEL CELL SYSTEM}
도 1은 본 발명의 출원인이 연구 개발 중인 연료 전지 시스템의 배관도,
도 2는 본 발명의 연료 전지 시스템의 연손실 방지장치의 일실시예가 구비된 연료 전지 시스템의 열손실 방지장치를 도시한 배관도,
도 3은 본 발명의 연료 전지 시스템의 열손실 방지장치를 도시한 정면도,
도 4는 본 발명의 연료 전지 시스템의 열손실 방지장치를 도시한 측단면도,
도 5,6은 본 발명의 연료 전지 시스템의 열손실 방지장치의 다른 실시예를 각각 도시한 정면도.
** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **
210; 스택부 280; 단열 모듈
281; 단열 부재 282; 케이스
본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게 연료 전지의 스택부에서 발생되는 열손실을 최소화할 뿐만 아니라 그 스택부의 열 제어를 쉽게 할 수 있도록 한 연료 전지 시스템의 열손실 방지장치에 관한 것이다.
에너지원으로 주로 사용되고 있는 오일은 환경을 오염시키는 주요인이 될 뿐만 아니라 폭발적인 수요의 증가로 인하여 매장량의 한계성을 드러내고 있다. 이와 같은 화석 연료를 대체하기 위한 대안으로 연료 전지의 개발이 진행되고 있다.
연료 전지는 화학적 에너지를 직접 전기 에너지로 전환시키는 발전 장치로서, 수소를 포함하는 연료가 지속적으로 공급됨과 동시에 산소가 포함된 공기가 지속적으로 공급되고 그 공급되는 수소와 산소의 전기 화학적 반응을 거쳐 반응 전후의 에너지 차를 전기 에너지로 직접 변환시킨다. 이와 같은 연료 전지는 연료와 산소가 공급되면서 지속적으로 전기 에너지를 발생시키게 되며, 아울러 부산물로 반응열과 물이 생성된다.
이와 같은 연료 전지는 적용 분야에 따라 가정에 전기를 공급하는 가정용 연료 전지와, 전기 자동차에 사용되는 자동차용 연료 전지와, 휴대용 단말기나 노트북 등에 사용되는 소형 연료 전지 등 다양하다.
특히, 가정용 연료 전지는 가정에서 사용하고 있는 가전 제품, 조명 기기 등을 충분히 작동시킬 수 있도록 개발되고 있다.
도 1은 본 발명의 출원인이 연구 개발 중인 연료 전지 시스템의 일예를 도시한 배관도이다. 이에 도시한 바와 같이, 상기 연료 전지 시스템은 연료극(111)과 공기극(112)을 포함하여 구성되며 그 연료극(111)에 공급되는 수소와 공기극(112)에 공급되는 산소의 전기 화학적 반응에 의해 전기 에너지와 부산물을 생성시키는 스택부(110)와, 연료를 공급받아 수소를 정제하여 상기 스택부(110)의 연료극(111) 측에 수소를 공급하는 개질부(120)와, 상기 개질부(120)에 연료를 공급하는 연료 공급부(130)와, 상기 개질부(120) 및 스택부(110)의 공기극(112)에 각각 공기를 공급하는 공기 공급부(140)와, 상기 스택부(110)에서 발생되는 전기 에너지를 상용 전원으로 변환시키는 변환 출력부(150)와, 상기 스택부(110)에서 발생되는 열을 유체를 통해 회수 저장하는 저장 탱크(160)를 포함하여 구성된다.
상기 연료 공급부(130)는 연료 공급관(171)에 의해 상기 개질부(120)와 연결되고, 상기 공기 공급부(140)는 제1 공기 공급관(172)에 의해 상기 개질부(120)와 연결된다.
상기 연료는 LNG, LPG, CH3OH 등의 탄화수소계(CH계열) 연료이고, 상기 개질부(120)에서는 그 연료를 탈황공정→개질반응→수소정제공정을 거쳐 수소(H2)를 정제하여 스택부(110)의 연료극(111)에 공급하게 된다.
상기 개질부(120)에서 정제된 수도는 수소 공급관(173)에 의해 상기 스택부(110)에 공급되고, 상기 스택부(110)에서 반응 후 잔류하는 수소는 수소 회수관(174)을 통해 개질부(120)로 공급된다.
상기 공기 공급부(140)의 공기가 제2 공기 공급관(175)을 통해 상기 스택부(110)에 공급되고, 그 스택부(110)에서 반응 후 남은 공기는 공기 배출관(176)을 통해 배출된다.
상기 저장 탱크(300)에서 유체가 유출되는 유체 유출관(177)이 연결되고, 그 유체 유출관(177)은 스택부(110)의 내부에 구비된 열교환 유닛(178)과 연결되며, 그 열교환 유닛(178)을 거친 유체는 그 열교환 유닛(178)과 저장 탱크(160)를 연결하는 유체 유입관(179)을 통해 저장 탱크(160)로 유입된다.
상기한 바와 같은 연료 전지 시스템의 작용을 설명하면 다음과 같다.
연료 공급부(130)를 통해 개질부(120)에 연료가 공급되고 그 개질부(120)에서 수소를 정제하여 스택부(110)의 연료극(111)에 수소를 공급하게 된다. 이와 동시에 공기 공급부(140)를 통해 개질부(120)에 공기가 공급됨과 동시에 스택부(110)의 공기극(112)에 공기가 공급된다. 상기 스택부(110)의 연료극(111)에 공급되는 수소와 공기극(112)에 공급되는 산소가 그 스택부(110)에서 전기 화학적 반응을 일으키면서 전기 에너지와 부산물로 반응열과 물을 생성시키게 된다.
상기 스택부(110)에서 발생되는 전기에너지는 변환 출력부(150)에서 변환되어 전원이 필요한 곳에 공급된다. 만일, 가정용으로 사용될 경우 그 전원은 가전 제품 및 조명 기기에 공급된다.
상기 스택부(110)에서 발생되는 열은 저장 탱크(160)에 저장된 유체가 유체 유출관(177)과 연교환 유닛(178) 그리고 유체 유입관(179)을 순환 유동하면서 저장 탱크(160)의 유체에 저장된다. 스택부(110)의 열을 회수하여 저장 탱크(160)에 저장되는 유체는 온수로 사용된다.
한편, 상기 연료 전지 시스템 중 스택부(110)는 온도에 매우 민감한 반응을 나타낸다. 즉, 스택부(110)의 온도에 따라 전기화학적 반응의 속도가 달라지게 되며 그 스택부(110)를 구성하는 단위 스택(단위 셀)의 내구성 등을 고려하여 스택의 종류에 따라 적정한 온도로 유지된 채 시스템이 가동된다. 예를 들어, PEMFC의 경 우 50도 ~ 80도를 유지하는 것이 전기화학적 반응이 잘 일어나게 된다.
이와 같이, 상기 연료 전지 시스템에서 특히 스택부(110)의 온도 제어에 따라 전기화학적 반응 속도가 변하게 되어 그 스택부(110)에서 출력되는 전기 에너지를 좌우하게 되므로 스택부(110)가 설정된 온도 상태로 유지되는 것은 중요한 과제이다.
그러나 상기한 바와 같은 연료 전지 시스템은 스택부(110)에 연결되는 연결관들이 많고 그 연결관들에 의해 열 손실이 발생하게 될 뿐만 아니라 그 연결관들을 통해 열이 손실되어 그 스택부(110)의 열 제어(온도 제어)가 어려운 문제점이 있다. 상기 스택부(110)와 연결되는 연결관들은 수소가 유입되는 수소 공급관(173), 반응 후 잔류되는 수소가 개질부(120)로 유입되는 수소 회수관(174), 공기가 유입되고 유출되는 제2 공기 공급관(175) 및 공기 배출관(176), 그리고 열교환을 위하여 유체가 유입되고 유출되는 유체 유입관(177) 및 유체 유출관(179)이 있다. 상기 개질부(120)에서 정제된 고온 상태의 수소가 수소 공급관(173)을 통해 스택부(110)로 유입되면서 열손실이 발생되고, 상기 스택부(110)의 공기극(112)을 거친 가열된 공기가 공기 배출관(176)을 통해 외부로 배출되면서 열손실이 발생되며, 상기 저장 탱크(160)의 유체가 유체 유입관(177)과 유체 배출관(179)을 통해 스택부(110)에서 발생되는 열을 저장 탱크(160)로 회수하는 과정에서 열손실이 발생된다. 이와 같은 열손실은 스택부의 열 제어(온도 제어)가 수월하지 않게 된다.
상기한 바와 같은 점들을 감안하여 고안한 본 발명의 목적은 연료 전지의 스 택부에서 발생되는 열손실을 최소화할 뿐만 아니라 그 스택부의 열 제어를 쉽게 할 수 있도록 한 연료 전지 시스템의 열손실 방지장치를 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 산소와 수소가 공급되어 전기 화학적 반응이 일어나는 스택부와, 상기 스택부와 연결되는 연결관들과, 상기 연결관들을 함께 감싸는 단열 모듈을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 연료 전지 시스템의 열손실 방지장치가 제공된다.
이하, 본 발명의 연료 전지 시스템의 열손실 방지장치를 첨부도면에 도시한 실시예에 따라 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명의 연료 전지 시스템의 열손실 방지장치의 일실시예가 구비된 연료 전지 시스템을 도시한 배관도이다.
이에 도시한 바와 같이, 먼저 상기 연료 전지 시스템은 산소와 수소의 전기 화학적 반응에 의해 전기 에너지와 부산물을 생성시키는 스택부(210)와, 연료를 공급받아 수소를 정제하여 상기 스택부(210)에 공급하는 개질부(220)와, 상기 개질부(220)에 연료를 공급하는 연료 공급부(230)와, 상기 개질부(220) 및 스택부(210)에 각각 공기를 공급하는 공기 공급부(240)와, 상기 스택부(110)에서 발생되는 전기 에너지를 상용 전원으로 변환시키는 변환 출력부(250)와, 상기 스택부(210)에서 발생되는 열을 유체를 통해 회수 저장하는 저장 탱크(270)와, 상기 스택부(210)와 연결되는 연결관들을 함께 감싸는 단열 모듈(280)을 포함하여 구성된다.
상기 스택부(210)는 수소가 공급되어 산화 반응이 일어나는 연료극(211)과 공기가 공급되어 환원 반응이 일어나는 공기극(212)을 포함하여 구성된다. 상기 두 개의 바이폴라 플레이트와 그 바이폴라 플레이트사이에 위치하는 엠이에이를 포함하여 구성되는 단위 스택(213)이 하나 또는 하나 이상으로 구성되며, 그 단위 스택(213)에 연료극(211)과 공기극(212)이 구비된다.
상기 개질부(220)에 공급되는 연료는 LNG, LPG, CH3OH 등의 탄화수소계(CH계열) 연료이고, 그 개질부(220)에서 연료를 탈황공정→개질반응→수소정제공정을 거쳐 수소(H2)를 정제하게 된다.
상기 개질부(220)와 상기 스택부(210)는 수소 공급관(291)이 연결되고 그 수소 공급관(291)을 통해 상기 개질부(220)에서 정제된 수소가 스택부(210)의 연료극으로 공급된다. 그리고 상기 개질부(220)와 스택부(210)는 수소 회수관(292)이 연결되어 그 스택부(210)의 연료극(211)에서 반응되고 남은 수소가 개질부(220)로 공급된다.
상기 연료 공급부(130)는 연료 공급관(293)에 의해 상기 개질부(220)와 연결되고, 상기 공기 공급부(240)는 제1 공기 공급관(294)에 의해 상기 개질부(220)와 연결된다.
상기 스택부(210)와 상기 공기 공급부(240)는 제2 공기 공급관(295)으로 연결되며, 그 제2 공기 공급관(295)을 통해 공기 공급부(240)로 통해 공급되는 공기가 스택부(210)의 공기극(212)으로 공급된다. 그리고 상기 스택부(210)에 공기 배출관(296)이 연결되어 그 공기극(212)에서 반응 후 남은 공기가 그 공기 배출관 (296)을 통해 배출된다.
상기 저장 탱크(270)에서 유체가 유출되는 유체 유출관(297)이 연결되고, 그 유체 유출관(297)은 스택부(210)의 내부에 구비된 열교환 유닛(298)과 연결되며, 그 열교환 유닛(298)을 거친 유체는 그 열교환 유닛(298)과 저장 탱크(270)를 연결하는 유체 유입관(299)을 통해 저장 탱크(270)로 유입된다.
상기 스택부(210)와 연결되는 연결관들인 수소 공급관(291)과 수소 회수관(292)과, 제2 공기 공급관(295)과, 공기 배출관(296)과 유체 유입관(299) 그리고 유체 유출관(297)은 서로 접촉되게 배열된다.
상기 단열 모듈(280)은, 도 3, 4에 도시한 바와 같이, 상기 스택부(210)와 연결되는 수소 공급관(291)과 수소 회수관(292)과, 제2 공기 공급관(295)과, 공기 배출관(296)과 유체 유입관(299) 그리고 유체 유출관(297)을 감싸도록 그 연결관들에 설치된다.
상기 단열 모듈(280)은 상기 스택부(210)와 접촉되도록 위치하는 것이 바람직하고, 그 단열 모듈(280)이 스택부(210)와 접촉되지 못할 경우 그 스택부(210)와 최대한 인접하게 배치되는 것이 바람직하다.
상기 단열 모듈(280)은 일정 길이를 가지며 단면이 사각 형태로 형성되어 연결관들을 감싸는 단열 부재(281)와, 상기 단열 부재(281)의 외곽을 감싸는 케이스(282)를 포함하여 구성된다.
본 발명의 다른 실시예로, 도 5에 도시한 바와 같이, 상기 스택부(210)와 연결되는 연결관들, 즉 수소 공급관(291)과 수소 회수관(292)과, 제2 공기 공급관 (295)과, 공기 배출관(296)과 유체 유입관(299) 그리고 유체 유출관(297)이 각각 일부분만 접촉된다. 그리고 상기 연결관들이 서로 접촉되는 부분만 감싸도록 단열 모듈(280)이 구비된다. 상기 연결관들이 접촉되는 부분은 최대한 스택부(210)와 근접한 것이 바람직하다. 상기 단열 모듈(280)은 위에서 설명한 바와 같이, 일정 길이를 가지며 단면이 사각 형태로 형성되어 연결관들을 감싸는 단열 부재(281)와, 상기 단열 부재(281)의 외곽을 감싸는 케이스(282)를 포함하여 구성된다.
본 발명의 또다른 실시예로, 도 6에 도시한 바와 같이, 상기 스택부(210)와 연결되는 연결관들, 즉 수소 공급관(291)과 수소 회수관(292)과 제2 공기 공급관(295)과 공기 배출관(296)과 유체 유입관(299) 그리고 유체 유출관(297)이 서로 접촉되게 배열된다. 상기 연결관들은 일부분만 서로 접촉되게 배열될 수 있다. 이와 같은 경우 단열 모듈(280)이 배제되어 열손실이 발생될 수 있으나, 그 연결관들이 서로 접촉되므로 그 연결관들끼리 열전달이 이루어져 열손실을 감소시키게 된다.
이하, 본 발명의 연료 전지 시스템의 열손실 방지장치의 작용 효과를 설명한다.
먼저 상기 본 발명의 연료 전지 시스템의 열손실 방지장치가 구비된 연료 전지 시스템의 작동을 설명하면 다음과 같다.
상기 연료 공급부(230)와 공기 공급부(240)를 통해 개질부(220)에 연료와 산소가 공급되고 그 개질부(220)에서 수소를 정제하여 스택부(210)의 연료극(211)에 수소를 공급하게 된다. 이와 동시에 공기 공급부(240)를 통해 스택부(210)의 공기극(212)에 공기가 공급된다. 상기 연료 공급부(230)의 연료는 연료 공급관(293)을 통해 개질부(220)로 유입되고, 상기 공기 공급부(240)의 공기는 제1 공기 공급관(294)을 통해 개질부(220)로 유입된다. 그리고 공기 공급부(240)의 공기는 제2 공기 공급관(295)을 통해 스택부(210)로 공급되며, 상기 개질부(220)에서 정제된 수소는 수소 공급관(291)을 통해 스택부(210)로 유입되고 그 개질부(220)에서 정제된 수소는 고온 상태이다.
상기 스택부(210)의 연료극(211)에 공급되는 수소와 공기극(212)에 공급되는 공기 중의 산소가 그 스택부(210)에서 전기 화학적 반응을 일으키면서 전기 에너지와 부산물로 반응열과 물을 생성시키게 된다. 상기 스택부(210)의 연료극(211)에서 반응되고 남은 수소는 수소 회수관(292)을 통해 스택부(210)로 유입되며, 그 스택부(210)에서 반응되고 남은 수소는 반응열에 의해 고온 상태가 된다. 또한 스택부(210)의 공기극(212)에서 반응하고 남은 공기는 공기 배출관(296)을 통해 외부로 배출되며, 그 공기극(212)에서 반응하고 남은 공기는 고온상태이다.
상기 스택부(210)에서 발생되는 전기에너지는 변환 출력부(250)에서 변환되어 전원이 필요한 곳에 공급된다. 만일, 가정용으로 사용될 경우 그 전원은 가전 제품 및 조명 기기에 공급된다.
상기 스택부(210)에서 발생되는 열은 저장 탱크(270)에 저장된 유체가 유체 유출관(297)과 연교환 유닛(298) 그리고 유체 유입관(299)을 순환 유동하면서 저장 탱크(270)의 유체에 저장된다. 스택부(210)의 열을 회수하여 저장 탱크(270)에 저장되는 유체는 온수로 사용된다.
이와 같은 과정에서, 상기 스택부(210)와 연결되는 연결관들, 즉 수소 공급 관(291)과 수소 회수관(292)과, 제2 공기 공급관(295)과, 공기 배출관(296)과 유체 유입관(299) 그리고 유체 유출관(297)이 단열 모듈(280)에 의해 감싸져 있으므로 고온 상태의 연결관들과 저온 상태의 연결관들사이에 열전달이 이루어지게 될 뿐만 아니라 그 고온 상태의 연결관들이 단열되어 외부로 열이 방열되는 것을 감소시키게 된다.
예를 들면, 상기 공기 배출관(296)을 통해 배기되는 공기는 고온 상태이므로 그 고온 상태의 열이 제2 공기 공급관(295)으로 통해 스택부(210)로 유입되는 공기에 전달되어 그 스택부(210)로 가열된 공기가 유입되므로 스택부(210)의 온도가 급격히 저하되는 것을 방지할 뿐만 아니라 스택부(210)의 온도를 적정 상태로 유지시키게 된다. 상기 제2 공기 공급관(295)의 경우 수소 공급관(291)이나 수소 회수관(292)을 통해 유출되는 수소의 열이 전달될 수 있다.
또한 상기 스택부(210)에서 발생되는 열을 저장 탱크(270)에 저장시키는 유체 유입관(299)과 유체 유출관(297)의 경우 수소 공급관(291)과 수소 회수관(292) 그리고 공기 배출관(296)에서 방출되는 열이 그 유체 유출관(297)의 유체에 전달되어 저장 탱크(270)에 저장될 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예로, 스택부(210)에 연결되는 연결관들이 서로 접촉되고 단열 모듈(280)이 배제된 경우 연결관들사이에 열전달이 이루어지게 되며, 이때 단열 모듈(280)을 구비할 때보다 효율이 다소 떨어지게 된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 연료 전지 시스템의 열손실 방지장치 는 스택부에 연결되는 연결관들사이에 열전달이 이루어질 뿐만 아니라 그 고온 상태의 연결관들이 단열되어 외부로 방출되는 것을 방지하게 됨으로써 열손실을 감소시키고 아울러 그 스택부의 온도 변화를 최소화시켜 스택부의 제어가 용이하게 되며, 이로 인하여 시스템의 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.

Claims (7)

  1. 산소와 수소가 공급되어 전기 화학적 반응이 일어나는 스택부와;
    상기 스택부와 연결되는 연결관들과;
    상기 연결관들을 함께 감싸는 단열 모듈을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 연료 전지 시스템의 열손실 방지장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 단열 모듈내에 위치하는 연결관들은 서로 접촉되는 것을 특징을 하는 연료 전지 시스템의 열손실 방지장치.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 단열 모듈은 상기 스택부와 접촉되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템의 열손실 방지장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 단열 모듈은 단면이 사각 형태로 형성되어 연결관들을 감싸는 단열 부재와, 상기 단열 부재의 외곽을 감싸는 케이스를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템의 열손실 방지장치.
  6. 연료 전지의 스택부와 연결되는 모든 연결관들이 서로 접촉되는 접촉부와, 그 접촉부를 감싸는 단열재로 형성된 단열 모듈을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 연료 전지 시스템의 열손실 방지장치.
  7. 연료 전지의 스택부와 연결되는 모든 연결관들이 서로 접촉되도록 하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템의 열손실 방지장치.
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