KR101084072B1 - 연료 전지 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 기재의 연료전지 시스템은, 산화제와 혼합 연료의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키고, 미반응 연료, 산화제, 수분 및 이산화탄소를 배출하는 연료전지 스택; 적어도 일부의 미반응 연료, 산화제 및 수분을 농축 연료와 혼합함으로써 상기 혼합 연료를 준비하여 상기 연료전지 스택에 공급하는 혼합기; 상기 농축 연료를 상기 혼합기로 공급하는 연료 공급부; 상기 산화제를 상기 연료전지 스택으로 공급하는 산화제 공급부; 상기 연료전지 스택의 배출구와 상기 혼합기 사이에 배치된 제1 열교환기; 및 상기 혼합기와 상기 연료전지 스택의 유입구 사이에 배치된 제2 열교환기를 포함한다.

Description

연료 전지 시스템{FUEL CELL SYSTEM}
본 기재는 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
연료 전지는 연료(수소 또는 개질 가스)와 산화제(산소 또는 공기)를 이용하여 전기 화학적으로 전력을 생산하는 장치로서, 외부에서 공급되는 연료(수소 또는 개질 가스)와 산화제(산소 또는 공기)를 전기화학 반응에 의하여 직접 전기에너지로 변환시키는 장치이다.
연료 전지의 산화제로는 순수 산소나 산소가 다량 함유되어 있는 공기를 이용하며, 연료로는 순수 수소 또는 탄화수소계 연료(LNG, LPG, CH3OH)를 개질 하여 생성된 수소가 다량 함유된 연료를 사용한다.
이하, 설명의 편의를 위하여 이러한 연료 전지 중 직접 메탄올형 연료 전지(DMFC)를 중심으로 설명한다. 직접 메탄올형 연료 전지는 고농도의 메탈올을 연료 전지 스택으로 공급하여 산소와의 반응으로 전기를 생산한다.
직접 메탄올형 연료 전지는 에너지 무게 밀도를 높이기 위해서 고농도의 연료를 사용하는데, 고농도의 연료를 사용하기 위해서는 애노드에서 소비되는 물을 캐소드에서 생성되는 물로 보충해 주어여 한다. 종래의 연료 전지 시스템은 캐소드에서 생성되는 물을 회수하기 위해서는 캐소드 출구측에서 배출되는 유체를 먼저 열교환기로 응축시킨다. 이 후, 응축된 유체와 애노드에서 배출되는 미반응 연료를 기액분리장치에서 액체와 기체로 분리한다. 기액분리장치에서 분리된 기체는 외부로 배출되고, 액체는 연료와 혼합되어 다시 연료 전지 스택으로 공급된다.
이와 같은 종래의 연료 전지 시스템은 응축된 유체와 미반응 연료가 기액분리장치에서 혼합되는 바, 기액분리장치로 유입되는 미반응 연료는 응축된 유체보다 상대적으로 높은 온도를 갖는다. 이 때문에 응축된 유체가 미반응 연료와 혼합되면서 다시 기화하는 문제가 발생한다.
응축된 유체가 기화하면 물회수 효율이 저하되므로, 적정한 양의 물을 회수하기 위해서는 캐소드에서 배출되는 유체를 응축시키는 장치의 크기가 커질 필요가 있는 문제가 있다.
또한, 외부 환경이 고온인 경우에는 기액분리장치 내의 온도가 더욱 높아지므로 물회수 효율이 더욱 떨어지는 문제가 발생하게 된다.
본 발명의 일 측면은 물 회수 효율을 향상시킬 수 있는 연료 전지 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 일 측면은 부피를 줄일 수 있는 연료 전지 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예는, 산화제와 혼합 연료의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키고, 미반응 연료, 산화제, 수분 및 이산화탄소를 배출하는 연료전지 스택; 적어도 일부의 미반응 연료, 산화제 및 수분을 농축 연료와 혼합함으로써 상기 혼합 연료를 준비하여 상기 연료전지 스택에 공급하는 혼합기; 상기 농축 연료를 상기 혼합기로 공급하는 연료 공급부; 상기 산화제를 상기 연료전지 스택으로 공급하는 산화제 공급부; 상기 연료전지 스택의 배출구와 상기 혼합기 사이에 배치된 제1 열교환기; 및 상기 혼합기와 상기 연료전지 스택의 유입구 사이에 배치된 제2 열교환기를 포함하는 연료전지 시스템을 제공한다.
상기 연료전지 시스템은, 상기 미반응 연료, 산화제, 수분, 및 이산화탄소를 공급받고, 상기 미반응 연료, 산화제 및 수분을 제1 기체와 제1 액체로 분리하여, 상기 제1 기체는 상기 제1 열교환기로 공급하고 상기 제1 액체는 상기 혼합기로 공급하는 제1 기액 분리기; 상기 제1 열교환기로부터 배출물을 공급받고, 상기 배출물을 제2 기체와 제2 액체로 분리하여, 상기 제2 액체를 상기 혼합기로 공급하는 제2 기액 분리기를 포함할 수 있다.
상기 연료전지 시스템의 상기 제1 열교환기는 상기 제1 기액 분리기로부터 상기 제1 기체를 냉각시켜 부분적으로 응축하도록 구성되고, 상기 제2 열교환기는 상기 혼합 연료를 상기 연료전지 스택에 공급하기 전에 상기 혼합 연료를 냉각시키도록 구성될 수 있다.
상기 연료전지 시스템의 상기 제1 기액 분리기는 배출된 미반응 연료, 산화제 및 수분을 모두 공급받도록 구성될 수 있다.
상기 제1 기액 분리기는 원심분리형 펌프, 일렉트로카이네틱(electrokinetic) 펌프, 또는 분리막(separation membrane) 중 어느 하나가 될 수 있으며, 상기 분리막은 PTFE 막을 포함할 수 있다. 상기 제2 기액 분리기도 원심분리형 펌프, 일렉트로카이네틱(electrokinetic) 펌프, 또는 분리막 중 어느 하나가 될 수 있다.
상기 연료전지 시스템은 상기 혼합기와 상기 제2 열교환기 사이에 버퍼장치를 더 포함하여, 상기 혼합 연료를 임시로 저장하면서 상기 제2 열교환기로 공급되는 혼합 연료의 양을 제어할 수 있다. 상기 버퍼장치는 상기 혼합 연료로부터 불순물을 제거하는 필터를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예는, 산화제와 혼합 연료의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키고, 전기화학적 반응에서 반응하지 않은 연료, 산화제, 및 수분을 배출하는 연료전지 스택; 농축 연료를 공급하는 연료 공급부; 상기 산화제를 상기 연료전지 스택에 공급하는 산화제 공급부; 상기 배출된 연료, 산화제, 수분, 및 이산화탄소를 공급받고, 상기 배출된 연료, 산화제 및 수분을 제1 기체와 제1 액체로 분리하는 제1 기액 분리기; 상기 제1 기체를 냉각하여 적어도 부분적으로 응축시키는 제1 열교환기; 상기 부분적으로 응축된 제1 기체를 제2 기체와 제2 액체로 분리하는 제2 기액 분리기; 상기 연료 공급부로부터 공급되는 응축된 연료, 제1 액체, 및 제2 액체를 혼합하여 상기 혼합 연료를 준비는 혼합기; 및 상기 혼합 연료를 냉각시키는 제2 열교환기를 포함하는 연료전지 시스템을 제공한다.
본 발명의 또 다른 실시예는, 연료전지 스택의 적어도 하나 이상의 배출구에 연결되는 유입구와, 제1 배출구 및 제2 배출구를 구비한 제1 기액 분리기; 상기 제1 기액 분리기의 제1 배출구에 연결되는 유입구와, 배출구를 구비한 제1 열교환기; 상기 제1 열교환기의 배출구에 연결되는 유입구와, 제1 배출구 및 제2 배출구를 구비한 제2 기액 분리기; 상기 제1 기액 분리기의 제2 배출구, 상기 제2 기액 분리기의 제1 배출구 및 연료 공급부에 연결되는 적어도 하나의 유입구와, 배출구를 구비한 혼합기; 및 상기 혼합기의 배출구에 연결되는 유입구와, 상기 연료전지 스택의 유입구에 연결되는 배출구를 구비한 제2 열교환기를 포함하는 연료전지 시스템의 회수 장치를 제공한다.
상기와 같이 본 발명에 따르면 제1 기액분리기에서 분리된 기체만을 냉각시키고, 냉각된 유체에서 액체를 분리함으로써 물회수 효율이 향상된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시한 연료 전지 스택의 구조를 나타낸 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 스택 운전을 평가한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 스택의 온도와 스택에서 배출되는 미반응 연료의 온도를 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 당업자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 개략적으로 도시한 구성도이다.
상기한 도면을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)은 메탄올과 산소의 직접적인 반응에 의하여 전기 에너지를 발생시키는 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell) 방식을 채용할 수 있다.
다만 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 본 실시예에 따른 연료 전지 시스템은 에탄올, LPG, LNG, 가솔린, 부탄 가스 등과 같이 수소를 함유한 액체 또는 기체 연료를 산소와 반응시키는 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxidation Fuel Cell) 방식으로서 구성될 수 있다. 또한, 연료를 수소가 풍부한 개질가스로 개질하여 사용하는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell; PEMFC)로 이루어질 수도 있다.
이러한 연료 전지 시스템(100)에 사용되는 연료라 함은 메탄올, 에탄올 또는 천연가스, LPG 등과 같이 액상 또는 기체 상태로 이루어진 탄화수소계 연료를 통칭한다.
그리고 본 연료 전지 시스템(100)은 수소와 반응하는 산화제로서 별도의 저장 수단에 저장된 산소 가스를 사용할 수 있으며, 공기를 사용할 수도 있다.
본 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)은 연료와 산화제를 이용하여 전력을 발생시키는 연료 전지 스택(30)과 연료 전지 스택(30)으로 연료를 공급하는 연료 공급부(10)와, 전기 생성을 위한 산화제를 연료 전지 스택(30)으로 공급하는 산화제 공급부(20), 및 연료 전지 스택(30)에서 배출되는 미반응 연료 및 공기를 회수하여 연료 전지 스택(30)으로 재공급하는 회수부(40)를 포함하여 구성된다.
연료 공급부(10)는 연료 전지 스택(30)과 연결 설치되는 것으로서, 액상의 연료를 저장하는 연료 탱크(12)와, 연료 탱크(12)에 연결 설치되는 연료 펌프(14)를 구비한다. 상기한 연료 펌프(14)는 소정의 펌핑력에 의해 연료 탱크(12)에 저장된 액상의 연료를 배출시키는 기능을 갖는다. 본 실시예에서 연료 공급부(10)에 저장된 연료는 거의 100%의 MeOH로 구성된 고농도 메탄올로 이루어질 수 있다.
산화제 공급부(20)는 연료 전지 스택(30)과 연결 설치되며, 소정의 펌핑력으로 외부 공기를 연료 전지 스택(30)으로 공급할 수 있는 산화제 펌프(25)를 구비한다. 이 때 연료 전지 스택(30)과 산화제 공급부(20) 사이에는 산화제의 공급량을 조절하는 산화제 제어 밸브(26)가 설치된다.
도 2는 도 1에 도시한 연료 전지 스택의 구조를 나타낸 분해 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하여 설명하면, 연료 전지 스택(30)은 연료와 산화제 사이의 산화/환원 반응을 유도하여 전기 에너지를 발생시키는 복수의 전기 생성부들(35)을 구비한다.
각각의 전기 생성부(35)는 전기를 발생시키는 단위 셀을 의미하며, 연료와 산화제를 산화/환원시키는 막-전해 집합체(Membrane Electrode assembly: MEA)(31) 및, 연료와 산화제를 막-전극 집합체로 공급하기 위한 세퍼레이터(바이폴라 플레이트라고도 함)(32, 33)를 포함한다.
전기 생성부(35)는 막-전극 집합체(31)를 중심에 두고 이의 양측에 세퍼레이터(32, 33)가 각각 배치된 구조를 갖는다. 막-전극 집합체(31)는 중앙에 배치된 전해질막과 전해질막의 일측에 배치된 캐소드 전극과 전해질막의 타측에 배치된 애노드 전극을 포함한다.
세퍼레이터(32, 33)는 막-전극 집합체(31)를 사이에 두고 밀착 배치되어, 막-전극 집합체(31)의 양측에 각각 연료통로와 공기통로를 형성한다. 이 때 연료통로는 막-전극 집합체(31)의 애노드 전극 측에 배치되고, 공기통로는 막-전극 집합체(31)의 캐소드 전극 측에 배치된다. 그리고 전해질막은 애노드 전극에서 생성된 수소 이온을 캐소드 전극으로 이동시켜, 캐소드 전극의 산소와 결합되어 물을 생성시키는 이온 교환을 가능하게 한다
이로써 상기 애노드 전극에서는 산화 반응을 통해 수소를 전자와 프로톤(수소이온)으로 분해한다. 그리고 프로톤(proton)이 전해질막을 통하여 캐소드 전극으로 이동되고, 전자는 전해질막을 통하여 이동되지 못하고 세퍼레이터(33)를 통해 이웃하는 막-전극 집합체(31)의 캐소드 전극으로 이동되는데 이 때 전자의 흐름으로 전류를 발생시킨다. 또한 캐소드 전극에서는 이동된 프로톤 및 전자와 산소의 환원 반응을 통해 수분이 생성된다.
본 연료 전지 시스템(100)은 위와 같은 복수의 전기 생성부(35)가 연속적으로 배치(또는 서로 인접하도록 적층)됨으로써 연료 전지 스택(30)을 구성하게 된다. 여기서 연료 전지 스택(30)의 제일 외각에는 연료 전지 스택(30)을 일체로 고정하는 엔드 플레이트(37, 38)가 설치된다.
일측 엔드 플레이트(37)에는 산화제를 스택으로 공급하기 위한 제1 주입부(37a)와 연료를 연료 전지 스택(30)으로 공급하기 위한 제2 주입부(37b)가 형성된다. 또한 타측 엔드 플레이트(38)에는 막-전극 집합체(31)의 캐소드 전극에서 수소와 산소의 결합 반응에 의해 생성된 수분을 함유한 미반응 공기를 배출시키기 위한 제1 배출부(38a)와 막-전극 집합체(31)의 애노드에서 반응하고 미반응 연료와 기타 물질(예를 들어, 이산화탄소)를 배출시키기 위한 제2 배출부(38b)가 형성된다.
한편, 회수부(40)는 배출구들(38a, 38b)에서 배출된 물질(예를 들어, 유체 등)을 수집하여 기체와 액체로 분리하는 제1 기액분리기(41)와 제1 기액분리기(41)에서 배출된 기체를 냉각하는 제1 열교환기(42)와 제1 열교환기(42)에서 배출된 유체에서 기체와 액체를 분리하는 제2 기액분리기(43), 및 제2 기액분리기(43)에서 전달된 액체와 제1 기액분리기(41)에서 전달된 액체를 혼합하는 혼합기(45)를 포함한다.
연료 전지 스택(30)의 배출구 측에 설치된 제1 기액분리기(41)는 원심분리형, 일렉트로카이네틱 펌프(electrokinetic pump) 또는 분리막(separation membrane)(예를 들어, PTFE 막) 등으로 이루어질 수 있다. 상기 제1 기액분리기(41)는 제1 배출구(38a)에서 배출된 수분을 포함하는 미반응 공기 또는 산화제와 제2 배출구(38b)에서 배출된 미반응 연료를 혼합하여, 액체와 기체로 분리한다.
제1 기액분리기(41)에서 배출된 기체는 제1 열교환기(42)로 이동하며, 액체는 혼합기(45)로 이동한다. 제1 열교환기(42)는 제1 기액분리기(41)에서 배출된 기체를 냉각하여 액체로 응축시키는 역할을 한다. 연료 전지 스택(30)에서 배출되는 미반응 연료 및 수분은 상대적으로 높은 온도를 갖는 바, 제1 열교환기(42)에서 기체의 온도를 낮추면 기체가 액체로 응축된다.
제1 열교환기(42)에서 응축된 액체와 기체는 제2 기액분리기(43)로 전달된다. 제2 기액분리기(43)는 제1 기액분리기(41)와 마찬가지로 원심분리형, 일렉트로카이네틱 펌프(electrokinetic pump) 또는 분리막 등으로 이루어질 수 있다.
제2 기액분리기(43)에서 배출되는 액체는 혼합기(45)로 이동하고, 기체는 외부로 배출된다. 혼합기(45)에는 제1 기액분리기(41) 및 제2 기액분리기(43)에서 전달된 액체가 유입된다. 이 때의 액체는 미반응 연료와 수분이 혼합된 상태로 존재한다. 또한, 혼합기(45)에는 연료 공급부(10)에서 전달된 고농도 연료가 유입되는데, 고농도 연료는 혼합기에서 수분과 함께 혼합되어 적정한 농도의 연료로 희석된다.
혼합된 연료는 제2 열교환기(49)로 전달되는 바, 제2 열교환기(49)는 연료의 온도를 낮추어 연료 전지 스택(30)으로 공급한다.
제1 기액분리기(41)를 통해서 액체를 분리하고 기체를 제1 열교환기(42)로 냉각하면, 미반응 연료와 미반응 공기의 온도 차이로 인하여 연료가 기화되는 것을 최소화 하거나 줄일 수 있다. 즉, 종래와 같이 미반응 공기를 응축한 후에, 기액분리기에서 미반응 공기와 미반응 연료를 혼합하여 분리하면, 상대적으로 낮은 온도를 갖는 미반응 공기가 가열되어 응축된 액체가 기화되는 현상이 발생한다. 기화가 발생하면, 미반응 공기를 응축한 효과가 감소하고, 상기 기화상태를 수용하기 위해 부피가 큰 응축기가 필요하게 된다.
그러나 본 실시예와 같이, 기체와 액체를 분리한 후, 기체만을 냉각하면, 종래에 액체와 기체를 모두 냉각하는 장치에 비하여 열교환기기의 크기를 상당히 줄일 수 있다. 또한, 상기한 바와 같이, 열교환기가 2개로 이루어지므로 제1 열교환기(42)의 크기를 종래에 비하게 현저히 감소시킬 수 있다.
또한, 제1 열교환기(42)에서 배출된 유체를 제2 기액분리기(43)에 유입시켜서 기체와 액체를 분리함으로써 종래에 비하여 물을 회수하는 효율이 증가된다. 같은 부피의 열교환기를 사용할 경우, 종래의 기술을 사용할 경우에 비해 물 회수율이 약 30%가 증가한다. 이는 1차적으로 제1 기액분리기(41)에서 액체가 분리되고, 냉각된 기체로부터 생성된 유체를 제2 기액분리기(43)에서 액체와 기체로 분리시키기 때문이다.
또한, 혼합기(45)에서 배출된 유체를 제2 열교환기(49)에서 냉각하는 바, 이 제2 열교환기(49)를 통해서 제2 주입부(37b)로 유입되는 연료의 온도를 적절하게 조절할 수 있다. 특히, 두 개의 열교환기를 설치하여 단계적으로 온도를 낮추므로 하나의 열교환기를 사용하는 경우에 비하여 온도를 더 많이 낮출 수 있을 뿐만 아니라, 열교환기의 크기도 더 작게 형성할 수 있다. 즉, 본 실시예에 따르면 2개의 열교환기를 합한 크기가 종래의 열교환기 하나의 크기에 비하여 더 작게 된다.
도 3는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 3을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 연료 전지 시스템(200)은 혼합기(45)와 제2 열교환기(49) 사이에 설치된 버퍼장치(47)를 포함한다.
버퍼장치(47)를 제외하고는 상기한 제1 실시예와 실질적으로 동일한 구조로 이루어지므로 동일한 구조에 대한 중복된 설명은 생략한다.
버퍼장치(47)는 설정된 양의 연료를 연료 전지 스택(30)으로 공급할 수 있도록 임시적으로 연료를 저장하는 역할을 하며, 버퍼장치(47) 내에는 불순물이 연료 전지 스택(30)으로 유입되는 것을 차단하거나 불순물을 걸러주는 필터(47a)가 설치될 수 있다. 필터(47a)는 액체에 포함된 불순물을 여과시키는 다양한 종류가 적용될 수 있다.
본 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템(200)을 45℃의 외부 환경에서 운전한 결과 상기 연료전지 시스템(200)의 여러 부분에서의 유체의 온도를 아래에서 살펴본다.
연료 전지 스택(30)에서 배출되는 미반응 연료 및 미반응 공기의 온도는 68.08℃로 상대적으로 높았다. 이러한 유체가 제1 기액분리기(41)에서 배출되는 액체와 기체의 온도도 68.08℃로 유지되었으며, 기체는 제1 열교환기(42)에서 50.83℃로 냉각된다. 제1 열교환기(42)에서 냉각된 유체는 제2 기액분리기(43)에서 액체와 기체로 분리되는데, 제2 기액분리기(43)에서 배출되는 유체의 온도는 50.83℃이다.
제2 기액분리기(43)에서 배출된 액체는 혼합기(45)로 유입되는데, 혼합기(45)에서는 제1 기액분리기(41)에서 분리된 액체와 혼합되어 혼합된 유체의 온도가 67.88℃까지 상승하였다. 혼합기(45)에서 배출된 유체는 버퍼장치(47)를 거치는 과정에서 65.08℃로 낮아졌으며, 이 유체는 다시 제2 열교환기(49)를 통해서 58℃까지 낮아져 연료 전지 스택으로 공급된다.
이상에서 살펴본 바와 같이 제1 열교환기(42)는 상기 제1 기액분리기(41)로부터 배출된 기체를 액체로 응축시키는 역할을 하며 제2 열교환기(49)는 연료 전지 스택(30) 내로 유입되는 연료의 온도를 낮추는 역할을 하므로 연료 전지 스택(30) 내로 유입되는 연료의 온도를 제어할 수 있다.
이와 같이 연료 전지 스택(30)으로 유입되는 연료의 온도를 제어하면, 연료 전지 스택(30) 내부의 온도를 쉽게 제어할 수 있을 뿐만 아니라, 연료 전지 스택(30)에서 배출되는 유체의 온도를 정적하게 제어할 수 있다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 스택 운전을 평가한 그래프이고, 도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 스택의 온도와 스택에서 배출되는 미반응 연료의 온도를 나타낸 그래프이다.
도 4 및 도 5를 참조하여 설명하면, 도 4 및 도 5는 외부 온도가 45℃인 상황에서 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 운전한 결과를 나타낸다.
테스트에 사용된 연료 전지는 시스템 출력 25W (스택 출력 36W), 시스템 전압 16.4V, 희석된 연료 유량 25cc/min, 무게 1.8kg로 이루어진다. 도 4에 도시된 바와 같이, 본 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템은 안정적인 출력을 갖는 것을 알 수 있다.
또한, 도 5를 살펴보면 외부온도가 45℃일 때, 스택의 온도가 거의 60℃이하로 균일하게 유지되는 것을 알 수 있다. 반대로, 종래의 연료전지 시스템에서 같은 부피의 열교환기를 사용할 경우, 스택의 온도가 대략 65℃ 이상이 된다.
이와 같이 본 발명의 실시예들에 따르면 스택의 내부 온도를 적절하게 조절할 수 있을 뿐만 아니라 안정적인 출력을 얻을 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
100: 연료 전지 시스템 10: 연료 공급부
12: 연료 탱크 20: 산화제 공급부
25: 산화제 펌프 26: 산화제 제어 밸브
30: 연료 전지 스택 31: 전극 집합체
32, 33: 세퍼레이터 35: 전기 생성부
37, 38: 엔드 플레이트 37a: 제1 주입부
37b: 제2 주입부 38: 엔드 플레이트
38a: 제1 배출부 38b: 제2 배출부
40: 회수부 41: 제1 기액분리기
42: 제1 열교환기 43: 제2 기액분리기
45: 혼합기 47: 버퍼장치
47a: 필터 48: 제2 열교환기

Claims (16)

  1. 산화제와 혼합 연료의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키고, 미반응 연료, 산화제, 수분 및 이산화탄소를 배출하는 연료전지 스택;
    적어도 일부의 미반응 연료, 산화제 및 수분을 농축 연료와 혼합함으로써 상기 혼합 연료를 준비하여 상기 연료전지 스택에 공급하는 혼합기;
    상기 농축 연료를 상기 혼합기로 공급하는 연료 공급부;
    상기 산화제를 상기 연료전지 스택으로 공급하는 산화제 공급부;
    상기 연료전지 스택의 배출구와 상기 혼합기 사이에 배치된 제1 열교환기; 및
    상기 혼합기와 상기 연료전지 스택의 유입구 사이에 배치된 제2 열교환기
    를 포함하는 연료전지 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 미반응 연료, 산화제, 수분, 및 이산화탄소를 공급받고, 상기 미반응 연료, 산화제 및 수분을 제1 기체와 제1 액체로 분리하여, 상기 제1 기체는 상기 제1 열교환기로 공급하고 상기 제1 액체는 상기 혼합기로 공급하는 제1 기액 분리가;
    상기 제1 열교환기로부터 배출물을 공급받고, 상기 배출물을 제2 기체와 제2 액체로 분리하여, 상기 제2 액체를 상기 혼합기로 공급하는 제2 기액 분리기
    를 포함하는 연료전지 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 열교환기는 상기 제1 기액 분리기로부터 상기 제1 기체를 냉각시켜 부분적으로 응축하도록 구성되고, 상기 제2 열교환기는 상기 혼합 연료를 상기 연료전지 스택에 공급하기 전에 상기 혼합 연료를 냉각시키도록 구성된 연료전지 시스템.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 기액 분리기는 배출된 미반응 연료, 산화제 및 수분을 모두 공급받도록 구성된 연료전지 시스템.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 기액 분리기는 원심분리형 펌프, 일렉트로카이네틱(electrokinetic) 펌프, 또는 분리막(separation membrane) 중 어느 하나인 연료전지 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 분리막은 PTFE 막을 포함하는 연료전지 시스템.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 제2 기액 분리기는 원심분리형 펌프, 일렉트로카이네틱(electrokinetic) 펌프, 또는 분리막(separation membrane) 중 어느 하나인 연료전지 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 혼합기와 상기 제2 열교환기 사이에 버퍼장치를 더 포함하여, 상기 혼합 연료를 임시로 저장하면서 상기 제2 열교환기로 공급되는 혼합 연료의 양을 제어하는 연료전지 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 버퍼장치는 상기 혼합 연료로부터 불순물을 제거하는 필터를 포함하는 연료전지 시스템.
  10. 산화제와 혼합 연료의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키고, 전기화학적 반응에서 반응하지 않은 연료, 산화제, 및 수분을 배출하는 연료전지 스택;
    농축 연료를 공급하는 연료 공급부;
    상기 산화제를 상기 연료전지 스택에 공급하는 산화제 공급부;
    상기 배출된 연료, 산화제, 수분, 및 이산화탄소를 공급받고, 상기 배출된 연료, 산화제 및 수분을 제1 기체와 제1 액체로 분리하는 제1 기액 분리기;
    상기 제1 기체를 냉각하여 적어도 부분적으로 응축시키는 제1 열교환기;
    상기 부분적으로 응축된 제1 기체를 제2 기체와 제2 액체로 분리하는 제2 기액 분리기;
    상기 연료 공급부로부터 공급되는 응축된 연료, 제1 액체, 및 제2 액체를 혼합하여 상기 혼합 연료를 준비는 혼합기; 및
    상기 혼합 연료를 냉각시키는 제2 열교환기
    를 포함하는 연료전지 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 배출된 연료, 산화제, 및 수분은 상기 연료전지 스택의 막-전극 어셈블리의 캐소드측으로부터 배출되는 미반응 산화제와 상기 연료전지 스택의 막-전극 어셈블리의 애노드측으로부터 배출되는 미반응 연료를 포함하고, 상기 미반응 산화제 및 미반응 연료는 상기 제1 기액 분리기로 공급되는 연료전지 시스템.
  12. 연료전지 스택의 적어도 하나 이상의 배출구에 연결되는 유입구와, 제1 배출구 및 제2 배출구를 구비한 제1 기액 분리기;
    상기 제1 기액 분리기의 제1 배출구에 연결되는 유입구와, 배출구를 구비한 제1 열교환기;
    상기 제1 열교환기의 배출구에 연결되는 유입구와, 제1 배출구 및 제2 배출구를 구비한 제2 기액 분리기;
    상기 제1 기액 분리기의 제2 배출구, 상기 제2 기액 분리기의 제1 배출구 및 연료 공급부에 연결되는 적어도 하나의 유입구와, 배출구를 구비한 혼합기; 및
    상기 혼합기의 배출구에 연결되는 유입구와, 상기 연료전지 스택의 유입구에 연결되는 배출구를 구비한 제2 열교환기
    를 포함하는 연료전지 시스템의 회수 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제1 기액 분리기는, 상기 연료전지 스택으로부터 미반응 연료, 산화제, 수분 및 이산화탄소를 공급받고, 상기 미반응 연료, 산화제 및 수분을 제1 기체와 제1 액체로 분리하고, 상기 제1 기체를 상기 제1 열교환기에 공급하고 상기 제1 액체를 상기 혼합기에 공급하며,
    상기 제1 열교환기는 상기 제1 기액 분리기로부터 상기 제1 기체를 공급받고, 상기 제1 기체를 냉각하여 부분적으로 응축시키고, 상기 부분적으로 응축된 제1 기체를 상기 제2 기액 분리기로 공급하며,
    상기 제2 기액 분리기는, 상기 제1 열교환기로부터 상기 부분적으로 응축된 제1 기체를 공급받고, 상기 부분적으로 응축된 제1 기체를 제2 기체와 제2 액체로 분리하고, 상기 제2 액체를 상기 혼합기에 공급하며,
    상기 혼합기는, 상기 제1 기액 분리기로부터 상기 제1 액체를 공급받고, 상기 제2 기액 분리기로부터 상기 제2 기체를 공급받고, 상기 연료공급부로부터 농축 연료를 공급받으며, 상기 제1 액체, 제2 액체 및 농축 연료를 혼합함으로써 상기 혼합 연료를 준비하여, 상기 혼합 연료를 상기 제2 열교환기로 공급하며,
    상기 제2 열교환기는 상기 혼합기로부터 상기 혼합 연료를 공급받고, 상기 혼합 연료를 냉각하고, 상기 냉각된 혼합 연료를 상기 연료전지 스택으로 공급하는
    연료전지 시스템의 회수 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 혼합기의 배출구와 상기 제2 열교환기의 유입구 사이에 연결되는 버퍼장치를 더 포함하고,
    상기 버퍼장치는 상기 제2 열교환기로 공급되는 혼합 연료의 양을 제어하도록 상기 혼합 연료를 임시로 저장하는 연료전지 시스템의 회수 장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 버퍼장치는 상기 혼합 연료로부터 불순물을 제거하는 필터를 포함하는 연료전지 시스템의 회수 장치.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 연료전지 스택을 더 포함하고,
    상기 연료전지 스택은 상기 제2 열교환기로부터 냉각된 혼합 연료를 공급받고 상기 산화제 공급부로부터 산화제를 공급받아, 상기 냉각된 혼합 연료와 산화제를 전기화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키며, 상기 전기화학적 반응 후 남겨진 미반응 연료, 산화제, 및 수분을 상기 제1 기액 분리기로 배출하는 연료전지 시스템의 회수 장치.
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