KR20040009653A

KR20040009653A - 연료전지의 연료공급장치

Info

Publication number: KR20040009653A
Application number: KR1020020043663A
Authority: KR
Inventors: 장창용
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2002-07-24
Filing date: 2002-07-24
Publication date: 2004-01-31

Abstract

본 발명은 연료전지의 연료공급장치에 관한 것으로서, 전해질막을 사이에 두고 양쪽에 각각 연료극과 공기극이 배치됨과 아울러 그 중 연료극에는 수소 또는 수소를 함유한 연료물질이 공급되는 반면 공기극에는 산소를 함유한 산화제가 공급되어 상기한 연료물질과 산화제의 전기 화학적 반응에 의해 전기와 열을 발생시키는 스택과, 상기 스택에 연통 되어 상기 스택에서 생성되는 전기가 소모되는 부하출력을 검출하여 부하출력이 상승할 시, 상기 스택의 연료공급측에 수소를 추가 공급하는 수소공급부와, 상기 스택에 연통 되어 상기 스택에서 생성되는 전기가 소모되는 부하출력을 검출하여 부하출력이 상승할 시, 상기 스택의 연료공급측에 산소를 추가 공급하는 산소공급부가 구비되어 구성됨으로써, 상기 연료전지의 부하출력이 급격히 증가할 시, 추가적으로 수소 및 산소를 공급하여, 수소 및 산소 부족에 의한 사고를 방지할 수 있도록 한 것이다.

Description

연료전지의 연료공급장치{APPARATUS FOR FUEL SUPPLY IN FUEL CELL}

본 발명은 연료전지의 연료공급장치에 관한 것으로서, 보다 상세히 설명하면 연료전지의 부하출력에 따라 스택에 공급되는 산소 및 수소의 공급이 원활히 이루어지도록 하는 연료전지의 연료공급장치에 관한 것이다.

일반적으로 연료전지는 연료가 가지고 있는 에너지를 전기적 에너지로 직접 변환시키는 장치로서, 통상 전해질을 사이에 두고 양극(anode)과, 음극(cathode)으로 된 한 쌍의 전극을 배치함과 아울러 그 중 양극(산화전극 또는 연료극)에는 수소 또는 수소를 함유하는 연료가스를 접촉시키는 반면 다른 한 쪽의 음극(환원전극 또는 공기극)에는 산소를 함유하는 산화가스를 접촉시키고 이 과정에서 이온화된 연료가스와 산화가스의 전기 화학적 반응을 통해 전기와 열을 함께 얻는 시스템이다.

이러한 연료전지는 도 1에 도시된 바와 같이 가솔린이나 여타의 탄화수소(LNG, LPG, CH₃OH...)계열의 연료가 채워져 있는 연료탱크(1)와, 상기 연료탱크(1)에 연결되어 공급되는 연료로부터 수소를 만들어 내는 개질기(reformer)(2)와, 상기 개질기(2)에 연결되어 상기 개질기(2)로부터 생성된 수소의 산화반응 및 별도로 공급되는 산소의 환원반응이 동시에 일어나면서 전기와 열이 함께 발생되는 스택(stack)(3)과, 상기 스택(3)에 연결되어 그 스택(3)에서 얻어진 직류전기를 상용전기인 교류전기로 변환시키는 전력변환기(4) 등이 구비되어 이루어진다.

도면중 미 설명 부호인 2a는 반응로, 2b는 버너, 3a는 전해질막, 3b는 연료극, 3c는 공기극, 6은 급수펌프, 7은 가습기이다.

상기와 같은 종래 구조의 연료전지를 이용하여 전기를 발생시키는 개략적인 과정은 다음과 같다.

즉, 상기 제어부(미도시)에 의해 상기 연료탱크(1)로부터 가솔린이나 탄화수소계열의 연료가 상기 개질기(2)의 반응로(2a)로 유입되고 나면, 그 반응로(2a)에 채워진 연료에 수증기 및 산소가 공급됨과 아울러 상기 개질기(2)의 버너(2b)가 동작하여 개질 반응이 진행되고, 이 개질 반응을 통해 생성되는 수소가 상기 스택(3)의 연료극(3b)으로 공급됨과 아울러 다른 한 쪽의 공기극(3c)으로는 산소(O₂)가 공급되어 상기 연료극(3b)에서는 산화반응이 또 공기극(3c)에서는 환원반응이 일어나게 되며, 이 과정에서 생성되는 전자가 상기 연료극(3b)에서 공기극(3c)으로 이동하면서 전기 와 열이 발생되고, 이 전기는 상기 전력변환기(4)를 거치면서 교류전기로 전환되어 각종 전기제품을 구동시키는데 사용된다.

또한, 상기 연료전지에 있어서는 상기 스택(3)의 전해질막(3a)이 건조해지면 수소이온(H⁺)의 전도도가 떨어지게 되거나 전해질막이 수축되면서 막과 전극 사이의 접촉저항이 증가하게 되므로 상기 스택(3)으로의 수소 공급 시, 항상 물을 함께 공급하도록 한다.

그러나 상기와 같은 종래 구조의 연료전지는 상기 스택에 공급되는 수소 및 산소 공급량이 부하단의 부하출력에 비해 응답속도가 늦으므로, 급격한 부하변동이발생할 시, 공급되는 수소 및 산소량이 부족하게 되어 운전 중 사고가 발생될 문제가 있다.

상기와 같은 점을 감안하여 안출한 본 발명의 목적은 연료전지 부하단의 부하출력에 대해 신속하게 응답할 수 있도록 스택에 수소 및 산소의 공급이 원활히 이루어지도록 하는 연료전지의 연료공급장치를 제공함에 있다.

도 1은 일반적인 연료전지를 도시한 블록 다이어그램,

도 2는 본 발명의 일 실시예인 연료공급장치가 장착된 연료전지를 도시한 블록 다이어그램,

**도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명**

11 : 연료탱크 12 : 개질기

12a : 반응로 12b : 버너

13 : 스택 13a : 전해질막

13b : 연료극 13c : 공기극

14 : 전력변환기 15 : 수소공급로

20 : 가습부 30 : 수소공급부

31 : 유량계 32 : 수소압축기

33 : 삼방밸브 34 : 수소저장로

35 : 수소저장용기 36 : 수소압력계

37 : 수소추가공급로 37a : 제1개폐밸브

40 : 산소공급부 41 : 산소발생기

42 : 산소저장로 42a : 산소압축기

43 : 산소저장용기 44 : 산소압력계

45 : 산소추가공급로 45a : 제3개폐밸브

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 연료전지의 연료공급장치는 전해질막을 사이에 두고 양쪽에 각각 연료극과 공기극이 배치됨과 아울러 그 중 연료극에는 수소 또는 수소를 함유한 연료물질이 공급되는 반면 공기극에는 산소를 함유한 산화제가 공급되어 상기한 연료물질과 산화제의 전기 화학적 반응에 의해 전기와 열을 발생시키는 스택과, 상기 스택에 연통 되어 상기 스택에서 생성되는 전기가 소모되는 부하출력을 검출하여 부하출력이 상승할 시, 상기 스택의 연료공급측에 수소를 추가 공급하는 수소공급부와, 상기 스택에 연통 되어 상기 스택에서 생성되는 전기가 소모되는 부하출력을 검출하여 부하출력이 상승할 시, 상기 스택의 연료공급측에 산소를 추가 공급하는 산소공급부가 구비되어 구성된다.

이하 본 발명의 일 실시예인 연료전지의 연료공급장치를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명의 일 실시예인 연료공급장치가 장착된 연료전지를 도시한 블록 다이어그램으로써, 도 2에 도시한 바와 같이 연료공급장치가 장착된 연료전지는가솔린이나 여타의 탄화수소(LNG, LPG, CH₃OH...)계열의 연료가 채워져 있는 연료탱크(11)와, 상기 연료탱크(11)에 연결되어 공급되는 연료로부터 수소를 만들어 내는 개질기(reformer)(12)와, 상기 개질기(12)에 연결되어 상기 개질기(12)로부터 생성된 수소의 산화반응 및 별도로 공급되는 산소의 환원반응이 동시에 일어나면서 전기와 열이 함께 발생되는 스택(stack)(13)과, 상기 스택(13)의 연료공급측에 연통 되어 응축수를 수증기 상태로 전환시켜 상기 스택(13)으로 공급하는 가습부(20)와, 상기 스택(13)에 연통 되어 상기 스택(13)에서 생성되는 전기가 소모되는 부하출력을 검출하여 부하출력이 상승할 시, 상기 스택(13)의 연료공급측에 수소를 추가 공급하는 수소공급부(30)와, 상기 스택(13)에 연통 되어 상기 스택(13)에서 생성되는 전기가 소모되는 부하출력을 검출하여 부하출력이 상승할 시, 상기 스택(13)의 연료공급측에 산소를 추가 공급하는 산소공급부(40)와, 상기 스택(13)에 연결되어 그 스택(13)에서 얻어진 직류전기를 상용전기인 교류전기로 변환시키는 전력변환기(14) 등이 구비되어 구성된다.

상기 스택(13)은 전해질막(13a)을 사이에 두고 그 양쪽에 각각 수소 또는 수소를 함유한 연료물질이 공급되는 연료극(또는 양극)(anode)(13b)과 산소를 함유하는 산화제가 공급되는 공기극(또는 음극)(cathode)(13c)이 배치되어 이루어진다.

상기 수소공급부(30)는 상기 스택(13)의 연료극(13b)에 연통 되어 상기 개질기(12)에서 발생된 수소를 공급하는 연료공급측인 수소공급로(15)에 장착된 유량계(31) 및 수소압축기(32)와, 상기 수소공급로(15)에 장착된 삼방밸브(33)에서 분기된 수소저장로(34)를 통해 상기 수소압축기(32)에서 압축된 수소를 저장하는수소저장용기(35)와, 상기 수소저장용기(35)의 압력을 측정하는 수소압력계(36)와, 상기 수소저장용기(35)와 상기 수소공급로(15)를 연통하고 중간에 제1개폐밸브(37a)가 장착되어 수소를 추가 공급하는 수소추가공급로(37)와, 상기 스택(13)에서 생성된 전기의 부하출력 및 상기 유량계(31)의 유량을 검출하고 상기 제1개폐밸브(37a)를 조절하여 수소의 추가 공급을 제어하며, 상기 수소압력계(36)의 신호를 받아 상기 삼방밸브(33)를 조절하여 수소저장용기(35)에 저장되는 수소량을 제어하는 컨트롤러(50)가 구비되어 구성된다.

상기 산소공급부(40)는 외부 공기를 유입하여 산소를 발생시키는 산소발생기(41)와, 상기 산소발생기(41)에 연통 되고 산소압축기(42a) 및 제2개폐밸브(42b)가 장착된 산소저장로(42)를 통해 상기 산소발생기(41)에서 발생된 산소를 저장하는 산소저장용기(43)와, 상기 산소저장용기(43)의 압력을 측정하는 산소압력계(44)와, 상기 산소저장용기(43)와 상기 스택(13)을 연통하고 중간에 제3개폐밸브(45a)가 장착되어 산소를 추가 공급하는 산소추가공급로(45)와, 상기 스택(13)에서 생성된 전기의 부하출력을 검출하고 상기 제3개폐밸브(45a)를 조절하여 산소의 추가 공급의 제어와, 상기 산소압력계(44)의 신호를 받아 상기 산소압축기(42a) 및 제2개폐밸브(42b)를 조절하여 상기 산소저장용기(43)에 저장되는 산소량의 제어는 상기 컨트롤러(50)에 의해 제어된다.

도면중 미 설명 부호인 12a는 반응로, 12b는 버너이다.

상기와 같이 구성된 연료전지의 연료공급장치는 다음과 같은 작동 및 작용효과를 갖는다.

상기 연료탱크(11)로부터 공급되는 연료액이 물 및 공기와 혼합되어 상기 개질기(12)로 유입되고, 그 연료액의 일부는 상기 개질기(12)의 버너(12b)로 유입되어 연소되고, 나머지는 상기 반응로(12a)로 유입되어 탈황반응 및 개질 반응 그리고 수소정제반응을 거치면서 수소를 발생시키게 되고, 이 수소는 상기 스택(13)의 연료극(13b)으로 공급되어 공기극(13c)으로 공급되는 산소와 함께 전기 화학적 반응을 거치면서 전기와 열을 발생시키게 되며, 이 중 전기는 전력변환기(14)를 거쳐 각각의 전기제품에 인가되면서 전원으로 사용된다.

이때, 상기 연료전지에 있어서는 상기 스택(13)의 전해질막(13a)이 건조해지면 수소이온(H⁺)의 전도도가 떨어지게 되거나 전해질막(13a)이 수축되면서 막과 전극 사이의 접촉저항이 증가하게 되므로 상기 스택(13)으로의 수소 공급 시, 항상 물을 함께 공급하도록 한다.

또한, 상기 스택(13)에서 생성되어 상기 전력변환기(14)를 통해 각각의 전기제품에 인가되는 전력의 부하출력을 검출하고, 그 부하출력이 급격히 증가하여 상기 개질기(12) 및 외부공기를 통해 상기 스택(13)에 공급되는 수소 및 산소의 양이 일시적으로 부족하게 될 시에는 상기 부하출력을 검출하여 발생된 신호가 상기 컨트롤러(50)에 입력되고, 입력된 신호를 인식한 상기 컨트롤러(50)는 상기 제1개폐밸브(37a)를 열고 상기 수소저장용기(35)에 저장된 수소가 상기 수소추가공급로(37)를 통해 상기 스택(13)의 연료극(13b)에 추가적으로 공급되며, 마찬가지로 입력된 신호를 인식한 상기 컨트롤러(50)는 상기 제3개폐밸브(45a)를 열고 상기 산소저장용기(43)에 저장된 수소가 상기 산소추가공급로(45)를 통해 상기 스택(13)의 공기극(13c)에 추가적으로 공급되어 부하출력의 변동에 신속하게 대응하도록 한다.

상기 제1개폐밸브(37a) 및 제3개폐밸브(45a)는 수동조작도 가능하다.

상기 수소저장용기(35) 및 산소저장용기(43)에 수소 및 산소가 저장되는 과정은 다음과 같다.

상기 수소압력계(36) 및 산소압력계(44)를 통해 상기 수소저장용기(35)에 저장된 수소량 및 상기 산소저장용기(43)에 저장된 산소량을 감지하고, 그 수소의 양이 부족할 시에는 상기 수소압축기(32)를 작동시켜 수소를 압축하고, 상기 컨트롤러(50)에 의해 상기 삼방밸브(33)가 작동되어 상기 수소공급로(15)를 통해 상기 스택(13)의 연료극(13b)에 공급되는 수소의 일부를 상기 수소저장로(34)를 통해 상기 수소저장용기(35)에 저장한다. 또한, 상기 양이 부족할 시에는 상기 컨트롤러(50)에 의해 상기 산소발생기(41) 및 산소압축기(42a)를 작동시켜 생성된 산소를 압축하고, 상기 컨트롤러(50)에 의해 상기 제2개폐밸브(42b)를 열어 상기 산소저장로(42)를 통해 상기 산소를 상기 산소저장용기(43)에 저장한다.

이와 같이 본 발명에 의한 연료전지의 연료공급장치는 상기 연료전지의 부하출력이 급격히 증가할 시, 일시적으로 상기 스택에 공급되는 수소 및 산소의 양이 부족하게되면, 상기 수소저장용기 및 산소저장용기에 저장된 수소 및 산소를 추가적으로 공급하여 수소 및 산소 부족에 의한 사고를 방지할 수 있도록 한 것이다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 의한 연료전지의 연료공급장치는 개질기 및 외부공기를 통해 상기 스택에 공급되는 수소 및 산소 이외에 수소공급부 및 산소공급부를 두어 연료전지의 부하출력이 급격히 증가하여 일시적으로 수소 및 산소의 공급량이 부족하게 될 시, 추가적으로 수소 및 산소를 공급하여 수소 및 산소부족에 의한 사고를 방지하여 연료전지의 원활한 작동을 이룰 수 있는 효과가 있다.

Claims

전해질막을 사이에 두고 양쪽에 각각 연료극과 공기극이 배치됨과 아울러 그 중 연료극에는 수소 또는 수소를 함유한 연료물질이 공급되는 반면 공기극에는 산소를 함유한 산화제가 공급되어 상기한 연료물질과 산화제의 전기 화학적 반응에 의해 전기와 열을 발생시키는 스택과,

상기 스택에 연통 되어 상기 스택에서 생성되는 전기가 소모되는 부하출력을 검출하여 부하출력이 상승할 시, 상기 스택의 연료공급측에 수소를 추가 공급하는 수소공급부와,

상기 스택에 연통 되어 상기 스택에서 생성되는 전기가 소모되는 부하출력을 검출하여 부하출력이 상승할 시, 상기 스택의 연료공급측에 산소를 추가 공급하는 산소공급부가 구비되어 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 연료공급장치.
제 1항에 있어서, 상기 수소공급부는

상기 스택의 연료극에 연통 되어 개질기에서 발생된 수소를 공급하는 수소공급로에 장착된 유량계 및 수소압축기와,

상기 수소공급로에 장착된 삼방밸브에서 분기된 수소저장로를 통해 상기 압축기에서 압축된 수소를 저장하는 수소저장용기와,

상기 수소저장용기의 압력을 측정하는 수소압력계와,

상기 수소저장용기와 상기 수소공급로를 연통하고 중간에 제1개폐밸브가 장착되어 수소를 추가 공급하는 수소추가공급로와,

상기 스택에서 생성된 전기의 부하출력 및 상기 유량계의 유량을 검출하고 상기 제1개폐밸브를 조절하여 수소의 추가 공급을 제어하며, 상기 수소압력계의 신호를 받아 상기 삼방밸브를 조절하여 수소저장용기에 저장되는 수소량을 제어하는 컨트롤러가 구비되어 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 연료공급장치.
제 1항에 있어서, 상기 산소공급부는

외부 공기를 유입하여 산소를 발생시키는 산소발생기와,

상기 산소발생기에 연통 되고 산소압축기 및 제2개폐밸브가 장착된 산소저장로를 통해 상기 산소발생기에서 발생된 산소를 저장하는 산소저장용기와,

상기 산소저장용기의 압력을 측정하는 산소압력계와,

상기 산소저장용기와 상기 스택을 연통하고 중간에 제3개폐밸브가 장착되어 산소를 추가 공급하는 산소추가공급로와,

상기 스택에서 생성된 전기의 부하출력을 검출하고 상기 제3개폐밸브를 조절하여 산소의 추가 공급을 제어하며, 상기 산소압력계의 신호를 받아 상기 산소압축기 및 제2개폐밸브를 조절하여 상기 산소저장용기에 저장되는 산소량을 제어하는 컨트롤러가 구비되어 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 연료공급장치.