KR20180115908A - Hydrogen pemeable membrane module for fuel cell system - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a hydrogen permeable membrane module for fuel cell systems, which secures performance stability while improving power generation efficiency in a fuel cell stack by stably supplying hydrogen permeated away from hydrogen containing gas to the fuel cell stack. According to one embodiment of the present invention, the hydrogen permeable membrane module comprises: a hydrogen permeable membrane for permeating and separating hydrogen from a hydrogen mixed gas formed by reforming gaseous fuel; and a hydrogen storage part having one end connected to the hydrogen permeable membrane to store hydrogen separated by the hydrogen permeable membrane and the other end connected to the fuel cell stack to stably supply hydrogen to the fuel cell stack.

Description

연료전지시스템용 수소투과막모듈{HYDROGEN PEMEABLE MEMBRANE MODULE FOR FUEL CELL SYSTEM}HYDROGEN PEMEABLE MEMBRANE MODULE FOR FUEL CELL SYSTEM FOR FUEL CELL SYSTEM

본 개시내용은 연료에 포함된 수소와 산화제인 산소를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시키는 연료전지시스템 내에서 기체 상태의 연료로부터 수소를 투과분리하여 연료전지스택으로 공급하는 연료전지시스템용 수소투과막모듈에 관한 것이다.The present disclosure relates to hydrogen for a fuel cell system that permeates hydrogen from a gaseous fuel into a fuel cell stack in a fuel cell system that electrochemically reacts hydrogen contained in the fuel and oxygen which is an oxidizer to generate electric energy. Permeable membrane module.

본 명세서에서 달리 표시되지 않는 한, 이 식별항목에 설명되는 내용들은 이 출원의 청구항들에 대한 종래 기술이 아니며, 이 식별항목에 기재된다고 하여 종래 기술이라고 인정되는 것은 아니다.Unless otherwise indicated herein, the description set forth in this identification section is not prior art to the claims of this application and is not to be construed as prior art as described in this identification section.

일반적으로 연료전지시스템은 공급된 연료의 산화에 의해 발생하는 화학적 에너지를 전원 공급을 위한 전기에너지로 직접 변환한다.Generally, a fuel cell system converts chemical energy generated by oxidation of supplied fuel directly into electrical energy for power supply.

이러한 연료전지시스템은 예를 들어 디젤유, 가솔린 등과 같은 연료에 포함된 수소를 연료전지스택의 음극 쪽으로 공급하고 산화제인 산소를 연료전지의 양극 쪽으로 공급하여 전기화학적으로 반응시킴으로써 전기에너지를 발생시킨다. 여기서 연료전지스택의 양극과 음극은 전해질부재에 의해 서로 분리된다.Such a fuel cell system generates electric energy by supplying hydrogen contained in a fuel such as diesel oil or gasoline to the cathode side of the fuel cell stack and supplying oxygen, which is an oxidizing agent, to the anode side of the fuel cell to electrochemically react. Here, the anode and the cathode of the fuel cell stack are separated from each other by the electrolyte member.

연료전지시스템의 발전원리는 다음와 같다. The development principle of the fuel cell system is as follows.

우선, 음극활성물질로서 연료전지스택의 음극에 공급된 수소는 수소이온(H+)과 전자(-)로 해리된다. 이 해리반응을 촉진시키기 위하여, 예를 들어 백금이 촉매로 사용된다. 수소로부터 해리된 수소이온(H+)는 연료전지스택의 전해질을 통과한 후 양극 활성물질로서 양극에 공급된 산소와 반응하여 수증기 형태의 물(H20)을 생성한다. 한편, 수소의 해리에 의해 발생된 전자(-)는 연료전지스택의 음극에서 양극으로 이동됨에 따라 양극과 음극 간에 기전력이 발생되면서 전기가 생성된다.First, the hydrogen supplied to the cathode of the fuel cell stack as the negative electrode active material is dissociated into hydrogen ions (H + ) and electrons (-). In order to promote this dissociation reaction, for example, platinum is used as a catalyst. The hydrogen ion (H + ) dissociated from hydrogen reacts with oxygen supplied to the anode as a cathode active material after passing through the electrolyte of the fuel cell stack to produce water vapor (H 2 O). On the other hand, as the electrons (-) generated by the dissociation of hydrogen move from the cathode to the anode of the fuel cell stack, electromotive force is generated between the anode and the cathode and electricity is generated.

전술한 바와 같이 화학에너지를 전기에너지로 직접 변환하는 연료전지시스템의 발전방식은 화력발전 방식에 비해 높은 에너지효율을 나타냄에 따라, 예를 들어 전기자동차를 구동하는 모터의 전력원으로서 유효하게 활용 가능한 장점이 있다.As described above, the power generation system of a fuel cell system that directly converts chemical energy into electric energy has higher energy efficiency than the thermal power generation system, and thus can be effectively utilized as a power source for a motor driving an electric vehicle There are advantages.

또한 연료전지시스템으로부터 배기되는 가스는 대부분이 수증기(H20)로, 화석연료를 이용하는 통상의 내연기관과 같이 일산화탄소 등의 유해가스를 배출하지도 않는 장점도 있다.Also, most of the gas exhausted from the fuel cell system is water vapor (H 2 O), which is also advantageous in that it does not emit harmful gas such as carbon monoxide as in a conventional internal combustion engine using fossil fuel.

한편 연료전지시스템의 작동을 위해서는, 전술한 연료전지스택 이외에 연료전지스택의 음극에 수소를 공급하기 위한 수단이나 연료전지스택의 양극에 산소를 공급하기 위한 수단 등이 필요하다.For operation of the fuel cell system, in addition to the above-described fuel cell stack, means for supplying hydrogen to the cathode of the fuel cell stack or means for supplying oxygen to the anode of the fuel cell stack are required.

연료전지스택에 수소를 공급하는 수단으로는 예를 들어 압력용기에 충진된 수소를 압송하거나, 연료를 기화시킨 수소함유가스를 개질하여 얻어지는 수소를 압송하는 방법을 들 수 있다.As a means for supplying hydrogen to the fuel cell stack, for example, a method of feeding hydrogen filled in a pressure vessel or modifying hydrogen-containing gas in which the fuel is vaporized may be pressure-fed.

이 중에서 압력용기에 충진된 수소를 압송하는 방법은 그 구성이 비교적 간단한 반면에 수소의 고압충전과 관련한 인프라 구축에 상당한 문제가 있는 바, 연료를 기화시킨 수소함유가스를 개질하여 얻어지는 수소를 압송하는 방법이 주로 이용되고 있다.Among them, the method of pressurizing the hydrogen filled in the pressure vessel has a relatively simple structure, but there is a considerable problem in constructing the infrastructure related to the high-pressure charging of the hydrogen, so that the hydrogen- Method is mainly used.

수소함유가스를 개질하여 수소를 얻는 방법으로, 수소함유가스에 수증기를 접촉시키는 방법과, 수소함유가스의 일부를 산화하는 방법이 공지되어 있는데, 이들 방법을 통해 수소함유가스를 개질할 경우에는 이산화탄소와 함께 미량의 일산화탄소가 생성된다. 이로 인해 연료전지스택의 음극으로 공급되는 수소는 이산화탄소와 미량의 일산화탄소 등이 혼합된 혼합가스로 형성된다.A method of contacting water vapor with a hydrogen-containing gas and a method of oxidizing a part of a hydrogen-containing gas are known as a method of producing hydrogen by reforming a hydrogen-containing gas. In the case of modifying a hydrogen- A small amount of carbon monoxide is produced. As a result, the hydrogen supplied to the cathode of the fuel cell stack is formed of a mixed gas in which carbon dioxide and a small amount of carbon monoxide are mixed.

연료전지스택의 음극에서는 주로 백금을 촉매로 사용하는데, 이러한 백금촉매는 수소함유가스 중에 함유된 일산화탄소에 의해 피독(被毒)되어 활성이 서서히 저하됨은 물론 수명도 단축된다.In the cathode of the fuel cell stack, platinum is mainly used as a catalyst. Such a platinum catalyst is poisoned by the carbon monoxide contained in the hydrogen-containing gas so that the activity is gradually lowered and the lifetime is shortened.

일산화탄소로 인한 백금촉매의 피독 현상을 방지하기 위하여, 개질된 수소함유가스 중에 함유된 일산화탄소를 산화모듈을 통해 이산화탄소로 산화처리한 후 연료전지스택에 공급하는 방법과, 수소투과막을 통해 개질된 수소함유가스로부터 순수 수소를 분리하여 연료전지스택에 공급하는 방법이 사용된다.A method of oxidizing carbon monoxide contained in a reformed hydrogen-containing gas with carbon dioxide through an oxidation module and supplying the carbon monoxide contained in the reformed hydrogen-containing gas to a fuel cell stack in order to prevent poisoning of the platinum catalyst due to carbon monoxide, A method of separating pure hydrogen from the gas and supplying it to the fuel cell stack is used.

이러한 연료전지시스템용 수소투과막은 대한민국 특허공개 제10-2007-0020007호(2007.02.16. 공개), 대한민국 특허공개 제10-2012-0060987호(2012.06.12. 공개) 등에 개시되어 있다.Such a hydrogen permeable membrane for a fuel cell system is disclosed in Korean Patent Application Laid-Open No. 10-2007-0020007 (published on Mar. 16, 2007), Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2012-0060987 (published on June 12, 2012)

그러나 종래의 연료전지시스템용 수소투과막은 단순히 수소함유가스로부터 수소를 투과분리하여 연료전지스택에 공급하는 단순한 멤브레인 구조체로만 형성됨에 연료전지스택에 수소를 안정적으로 제공하지 못하는 문제점이 있었다. However, the conventional hydrogen permeable membrane for a fuel cell system is merely formed of a simple membrane structure that permeates hydrogen from a hydrogen-containing gas and supplies the permeated hydrogen to the fuel cell stack, thus failing to stably provide hydrogen to the fuel cell stack.

수소함유가스로부터 투과분리된 수소가 연료전지스택으로 안정적으로 제공됨에 따라 연료전지스택의 발전효율이 증대됨과 동시에 성능안정성이 확보될 수 있도록 한 연료전지시스템용 수소투과막모듈을 제공함에 있다.The present invention provides a hydrogen permeable membrane module for a fuel cell system in which hydrogen generated by permeation separation from a hydrogen-containing gas is stably supplied to a fuel cell stack, thereby increasing power generation efficiency of the fuel cell stack and ensuring performance stability.

또한 상술한 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 이하의 설명으로부터 또 다른 기술적 과제가 도출될 수도 있음은 자명하다. Further, it is obvious that the present invention is not limited to the technical problems described above, and another technical problem may be derived from the following description.

본 개시내용의 일 실시예에 의하면, 기체 상태의 연료가 개질되어 형성된 수소혼합가스로부터 수소를 투과시켜 분리하는 수소투과막과, 일단은 상기 수소투과막에 연결되어 상기 수소투과막에 의해 분리된 수소를 저장하고 타단은 연료전지스택에 연결되어 상기 연료전지스택으로 수소를 안정적으로 공급하는 수소저장소를 포함할 수 있다.According to one embodiment of the present disclosure, there is provided a fuel cell system including a hydrogen permeable membrane for permeating and separating hydrogen from a hydrogen mixed gas formed by reforming a gaseous fuel, and a hydrogen permeable membrane connected at one end to the hydrogen permeable membrane, And a hydrogen reservoir for storing hydrogen and the other end being connected to the fuel cell stack to stably supply hydrogen to the fuel cell stack.

또한 상기 연료전지시스템용 수소투과막모듈은, 상기 수소투과막의 상류에 설치되고 상기 수소혼합가스를 상기 수소투과막으로 고압 급송하는 컴프레서를 더 포함할 수 있다.The hydrogen permeable membrane module for a fuel cell system may further include a compressor installed upstream of the hydrogen permeable membrane and feeding the hydrogen mixed gas to the hydrogen permeable membrane at a high pressure.

또한 연료전지시스템용 수소투과막모듈은, 상기 수소투과막과 상기 수소저장소 사이에 설치되고 상기 수소투과막에 의해 분리된 수소를 냉각시키는 라디에이터를 더 포함할 수 있다.The hydrogen permeable membrane module for a fuel cell system may further include a radiator installed between the hydrogen permeable membrane and the hydrogen reservoir to cool the hydrogen separated by the hydrogen permeable membrane.

본 개시내용의 일 실시예에 따르면, 기체 상태의 연료가 개질되어 형성된 수소혼합가스로부터 투과분리된 수소가 별도 저장된 상태에서 연료전지스택으로 안정적으로 공급됨에 따라 연료전지스택의 발전효율이 증대됨과 동시에 연료전지스택의 성능안정성이 확보될 수 있다.According to an embodiment of the present disclosure, hydrogen is permeated and separated from a hydrogen mixed gas formed by reforming a gaseous fuel, and the hydrogen is stably supplied to the fuel cell stack in a separately stored state, The performance stability of the fuel cell stack can be secured.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The effects of the present invention are not limited to the effects mentioned above, and other effects not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the description of the claims.

도 1은 본 개시내용의 일 실시예에 따른 연료전지시스템용 수소투과막모듈의 전체 블럭구성도.
도 2 내지 도 4는 본 개시내용의 일 실시예에 따른 연료전지시스템용 수소투과막모듈이 구비된 연료전지시스템의 블럭구성도.1 is an overall block diagram of a hydrogen permeable membrane module for a fuel cell system according to one embodiment of the present disclosure;
FIG. 2 is a block diagram of a fuel cell system including a hydrogen permeable membrane module for a fuel cell system according to an embodiment of the present disclosure; FIG.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예에 따른 연료전지시스템용 수소투과막모듈의 구성, 동작 및 작용효과에 대하여 살펴본다. 참고로, 이하 도면에서, 각 구성요소는 편의 및 명확성을 위하여 생략되거나 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 반영하는 것은 아니다, 또한 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭하며 개별 도면에서 동일 구성에 대한 도면 부호는 생략하기로 한다. Hereinafter, configurations, operations, and effects of the hydrogen permeable membrane module for a fuel cell system according to a preferred embodiment will be described with reference to the accompanying drawings. For reference, in the following drawings, each component is omitted or schematically shown for convenience and clarity, and the size of each component does not reflect the actual size, and the same reference numerals denote the same components throughout the specification. And reference numerals for the same components in individual drawings are omitted.

도 1은 본 개시내용의 일 실시예에 따른 연료전지시스템용 수소투과막모듈의 전체 블럭구성도를 도시한다.1 shows an overall block diagram of a hydrogen permeable membrane module for a fuel cell system according to one embodiment of the present disclosure.

본 개시내용의 일 실시예에 따른 연료전지시스템용 수소투과막모듈(1)은 기체 상태의 연료가 개질되어 형성된 수소혼합가스로부터 수소를 분리하여 연료전지스택으로 공급하는 것으로, 도 1에 도시되는 바와 같이, 기체 상태의 연료가 개질되어 형성된 수소혼합가스로부터 수소를 투과시켜 분리하는 수소투과막(10)과, 일단은 수소투과막(10)에 연결되어 수소투과막(10)에 의해 분리된 수소를 저장하고 타단은 연료전지스택에 연결되어 필요 시에 연료전지스택으로 수소를 공급하는 수소저장소(20)를 포함한다.The hydrogen permeable membrane module 1 for a fuel cell system according to an embodiment of the present disclosure separates hydrogen from a hydrogen mixed gas formed by reforming a gaseous fuel and supplies it to the fuel cell stack. A hydrogen permeable membrane 10 for permeating and separating hydrogen from a hydrogen mixed gas formed by reforming a gaseous fuel and a hydrogen permeable membrane 10 connected at one end to the hydrogen permeable membrane 10 and separated by the hydrogen permeable membrane 10 And a hydrogen reservoir 20 for storing hydrogen and the other end connected to the fuel cell stack to supply hydrogen to the fuel cell stack when necessary.

여기서, 수소투과막(10)은 수소 흡장성이 높은 금속으로 이루어질 수 있다. 이러한 수소투과막(10)은 특히 수소 흡장성이 높은 팔라듐(Pd)으로 이루어지는 것이 바람직하지만, 은(Ag), 금(Au) 및 루테늄(Ru)으로 된 군에서 선택되는 적어도 1가지의 금속과 팔라듐(Pd)의 합금으로 이루어질 수도 있다. 예를 들어 팔라듐(Pd)-은(Ag) 합금으로는 은(Ag)의 함유율이 20∼30wt%인 것이 바람직하다. 또한 팔라듐(Pd)-은(Ag)-금(Au) 합금으로는, 특히 은(Ag)의 함유율이 20∼30 wt%, 금(Au)의 함유율이 5∼10 wt%인 것이 바람직하다. 또한 팔라듐(Pd)-은(Ag)-금(Au)-루테늄(Ru) 합금으로는, 특히 은(Ag)의 함유율이 20∼30 wt%, 금(Au)의 함유율이 5∼10 wt%, 루테늄(Ru)의 함유율이 1∼5 wt%인 것이 바람직하다.Here, the hydrogen permeable membrane 10 may be made of a metal having high hydrogen absorbability. It is preferable that the hydrogen permeable membrane 10 is made of palladium (Pd) having high hydrogen absorbability, but it is preferable to use at least one metal selected from the group consisting of silver (Ag), gold (Au) and ruthenium Palladium (Pd) alloy. For example, as the palladium (Pd) -gold (Ag) alloy, the content of silver (Ag) is preferably 20 to 30 wt%. It is preferable that the content of silver (Ag) is 20 to 30 wt% and the content of gold (Au) is 5 to 10 wt% in the palladium (Pd) - silver (Ag) -gold (Au) alloy. The content of silver (Ag) is 20 to 30 wt%, the content of gold (Au) is 5 to 10 wt%, and the content of silver (Au) , And the content of ruthenium (Ru) is 1 to 5 wt%.

또한 수소투과막(10)은 수소 흡장성이 높은 고분자 재료로도 이루어질 수 있다. 이러한 고분자계 수소투과막(10)으로는 수소 분자 정도의 크기의 원자나 분자를 선택적으로 투과시키는 공극을 가진 고분자 재료, 예를 들어, 셀루로스, 아세테이트, 폴리술폰, 폴리이미드 및 폴리아미드 중 하나로 이루어지는 것이 바람직하다.The hydrogen permeable membrane 10 may also be made of a polymer material having high hydrogen absorbability. As the polymer-based hydrogen permeable membrane 10, a polymer material having pores that selectively transmit an atom or a molecule having a molecular size of about hydrogen, such as cellulose, acetate, polysulfone, polyimide, and polyamide .

수소투과막(10)은 막을 사이에 두고 양쪽의 압력차에 의하여 수소혼합가스 중 수소 분자만이 선택적으로 막을 통과하여 분리되는 구조를 가진다. 수소투과막(10)은 평막(平膜), 중공사막, 관 형태 등 공지된 다양한 형태의 막(멤브레인, Membrane) 구조를 가진다.The hydrogen permeable membrane 10 has a structure in which only hydrogen molecules in the hydrogen mixed gas selectively pass through the membrane and are separated by the pressure difference therebetween with the membrane therebetween. The hydrogen permeable membrane 10 has various known membranes (membranes) such as a flat membrane, a hollow fiber membrane, and a tube.

본 명세서에서 사용되는 '수소투과막'이라는 용어는 '수소분리막'을 포괄하는 것이며, 수소투과막(10)은 공지된 다양한 재질, 구조를 가지는 수소투과막으로 형성가능함은 자명하다.It is to be understood that the term 'hydrogen permeable membrane' as used herein encompasses a 'hydrogen permeable membrane' and that the hydrogen permeable membrane 10 can be formed of a hydrogen permeable membrane having various known materials and structures.

또한 수소투과막(10)은 제 1 가열히터(11)를 포함할 수 있다. 제 1 가열히터(11)는 수소투과막(10)을 가열하여 수소투과막(10)에 흡장된 수소를 분리시킴으로써 수소저장소(20)로 유동되도록 하는 역할을 하거나 또는 개질된 수소혼합가스를 가열하여 기체 본연의 유동성을 증대시킴에 따라 수소투과막(10)의 수소투과효율을 증대시키는 역할을 하는 것으로, 공지된 다양한 형태의 발열체로 형성될 수 있다.Further, the hydrogen permeable membrane 10 may include a first heater 11. The first heating heater 11 functions to heat the hydrogen permeable membrane 10 to separate the hydrogen occluded in the hydrogen permeable membrane 10 to thereby flow to the hydrogen reservoir 20 or to heat the reformed hydrogen mixed gas Thereby enhancing the hydrogen permeation efficiency of the hydrogen permeable membrane 10 by increasing the fluidity of the gas itself, and can be formed of various known types of heating bodies.

또한 전술한 수소투과막(10)에는 수소저장소(20)가 연결된다. 수소저장소(20)는 수소투과막(10)에 의해 투과분리된 수소를 저장하였다가 연료전지스택(40)으로 안정적으로 공급될 수 있도록 하는 역할을 한다.The hydrogen permeable membrane 10 is connected to the hydrogen storage 20. The hydrogen storage 20 serves to store the hydrogen permeated and separated by the hydrogen permeable membrane 10 and to be stably supplied to the fuel cell stack 40.

수소저장소(20)는 통상의 기체탱크로도 형성될 수 있지만, 예를 들어 팔라듐(Pd)과 같이 수소 흡장성이 높은 금속재로도 형성될 수도 있다.The hydrogen reservoir 20 may be formed of a conventional gas tank, but may also be formed of a metal material having high hydrogen absorbability such as palladium (Pd).

이 때 수소저장소(20)는 수소저장소(20)에 저장된 수소를 가열하여 연료전지스택으로의 급송효율을 증대시키는 제 2 가열히터(21)를 포함할 수 있다. 제 2 가열히터(21) 또한 제 1 가열히터(11)와 마찬가지로 공지된 다양한 형태의 발열체로 형성될 수 있다.At this time, the hydrogen storage 20 may include a second heating heater 21 that heats the hydrogen stored in the hydrogen storage 20 to increase the feeding efficiency to the fuel cell stack. The second heating heater 21 may also be formed of various types of heating elements known in the same manner as the first heating heater 11.

또한 본 개시내용의 일 실시예에 따른 연료전지시스템용 수소투과막모듈(1)은 수소투과막(10)의 상류에 설치되는 컴프레서(30)를 더 포함할 수 있다.The hydrogen permeable membrane module 1 for a fuel cell system according to an embodiment of the present disclosure may further include a compressor 30 installed upstream of the hydrogen permeable membrane 10. [

컴프레서(30)는 기체 상태의 연료가 개질되어 형성된 수소혼합가스를 수소투과막(10)으로 고압으로 급송함으로써 수소투과막(10)에 의한 수소분리효율을 촉진시키는 역할을 하는 것으로, 통상의 기체펌프로 형성될 수 있다.The compressor 30 serves to promote the hydrogen separation efficiency by the hydrogen permeable membrane 10 by feeding the hydrogen mixed gas formed by reforming the gaseous fuel to the hydrogen permeable membrane 10 at a high pressure. Pump.

또한 본 개시내용의 일 실시예에 따른 연료전지시스템용 수소투과막모듈(1)은 전술한 수소투과막모듈(50)은 수소투과막(10)과 수소저장소(20) 사이에 설치되는 라디에이터(40)를 더 포함할 수 있다.The hydrogen permeable membrane module 1 for a fuel cell system according to an embodiment of the present disclosure is characterized in that the above described hydrogen permeable membrane module 50 comprises a radiator (not shown) provided between the hydrogen permeable membrane 10 and the hydrogen reservoir 20 40).

라디에이터(40)는 수소투과막(10)에 의해 분리된 수소를 수소저장소(20) 내의 저장, 특히 수소 흡장에 알맞게 냉각시키는 역할을 하는 것으로, 통상의 수냉식 열교환기 또는 공랭식 열교환기로 형성될 수 있다.The radiator 40 serves to cool the hydrogen separated by the hydrogen permeable membrane 10 in accordance with storage, particularly hydrogen occlusion, in the hydrogen storage 20, and can be formed by a normal water-cooled heat exchanger or an air-cooled heat exchanger .

도 2 내지 도 4는 본 개시내용의 일 실시예에 따른 연료전지시스템용 수소투과막모듈이 구비된 연료전지시스템의 블럭구성도를 도시한다.FIGS. 2 to 4 show block diagrams of a fuel cell system including a hydrogen-permeable membrane module for a fuel cell system according to an embodiment of the present disclosure.

도 2에 도시되는 바와 같이, 본 개시내용의 일 실시예에 따른 연료전지시스템용 수소투과막모듈(1)은 예를 들어 디젤유, 가솔린 등과 같은 연료가 저장되는 연료탱크(2)와, 연료탱크(2)로부터 공급되는 기체 상태의 연료를 개질하여 수소혼합가스를 발생시키는 개질모듈(3)과, 개질모듈(3)에 연결되고 개질모듈(3)로부터 공급되는 수소혼합가스에 함유된 수소와 별도의 산소공급원(6)으로부터 공급되는 산소를 전기화학적으로 반응시켜 전기를 발생시키는 연료전지스택(5)를 포함하는 연료전지시스템 내에서, 개질모듈(3)과 연료전지스택(5) 사이에 직렬로 설치될 수 있다.2, the hydrogen permeable membrane module 1 for a fuel cell system according to one embodiment of the present disclosure includes a fuel tank 2 in which fuel such as diesel oil, gasoline, etc. is stored, A reforming module 3 for reforming the gaseous fuel supplied from the tank 2 to generate a hydrogen-mixed gas; a reforming module 3 connected to the reforming module 3 and containing hydrogen And a fuel cell stack 5 for generating electricity by electrochemically reacting oxygen supplied from a separate oxygen supply source 6 and a separate oxygen source 6 between the reforming module 3 and the fuel cell stack 5 As shown in FIG.

이 경우에 연료탱크(2)로부터 공급되는 기체 상태의 연료는 개질모듈(2)에 의해 수소혼합가스로 개질된 후, 연료전지시스템용 수소투과막모듈(1)의 수소투과막(10)을 거치면서 그 내부에 포함된 수소만 수소투과막(10)에 의해 투과분리된 다음, 수소저장소(20)에 저장된다. In this case, the gaseous fuel supplied from the fuel tank 2 is reformed into a hydrogen mixed gas by the reforming module 2, and then the hydrogen permeable membrane 10 of the hydrogen permeable membrane module 1 for a fuel cell system Only the hydrogen contained therein is permeated and separated by the hydrogen permeable membrane 10, and then stored in the hydrogen storage 20.

수소가 수소저장소(20)에 별도 저장된 상태에서 연료전지스택(5)으로 안정적으로 공급가능함에 따라 연료전지스택(5)의 발전효율이 증대됨과 동시에 연료전지스택의 성능안정성이 확보될 수 있다.Since the hydrogen can be stably supplied to the fuel cell stack 5 while being stored separately in the hydrogen reservoir 20, the power generation efficiency of the fuel cell stack 5 can be increased and the performance stability of the fuel cell stack can be ensured.

또한 도 3에 도시되는 바와 같이, 예를 들어 디젤유, 가솔린 등과 같은 연료가 저장되는 연료탱크(2)와, 연료탱크(2)로부터 공급되는 기체 상태의 연료를 개질하여 수소혼합가스를 발생시키는 개질모듈(3)과, 개질모듈(3)에 연결되고 개질모듈(3)로부터 공급되는 수소혼합가스를 산화시켜 일산화탄소를 저감시키는 산화모듈(4)과, 산화모듈(4)로부터 공급되는 수소혼합가스에 함유된 수소와 별도의 산소공급원(6)으로부터 공급되는 산소를 전기화학적으로 반응시켜 전기를 발생시키는 연료전지스택(5)를 포함하는 연료전지시스템 내에서, 본 개시내용의 일 실시예에 따른 연료전지시스템용 수소투과막모듈(1)은 산화모듈(4)과 연료전지스택(5) 사이에 직렬로 설치될 수 있다.As shown in Fig. 3, the fuel tank 2 includes a fuel tank 2 for storing fuel such as diesel oil and gasoline, and a fuel tank 2 for reforming the gaseous fuel supplied from the fuel tank 2 to generate a hydrogen- An oxidation module 4 connected to the reforming module 3 for reducing carbon monoxide by oxidizing a hydrogen mixture gas supplied from the reforming module 3 and a hydrogen mixing module 4 for supplying hydrogen from the oxidation module 4, In a fuel cell system including a fuel cell stack 5 that electrochemically reacts hydrogen supplied from a gas and oxygen supplied from a separate oxygen supply source 6 to generate electricity, in one embodiment of the present disclosure The hydrogen permeable membrane module 1 for a fuel cell system according to the present invention can be installed in series between the oxidation module 4 and the fuel cell stack 5.

이 경우에 연료탱크(2)로부터 공급되는 기체 상태의 연료는 개질모듈(2)에 의해 수소혼합가스로 개질되고 산화모듈(4)을 거쳐 일산화탄소가 저감된 후, 연료전지시스템용 수소투과막모듈(1)의 수소투과막(10)을 거치면서 그 내부에 포함된 수소만 수소투과막(10)에 의해 투과분리된 다음, 수소저장소(20)에 저장된다. In this case, the gaseous fuel supplied from the fuel tank 2 is reformed into a hydrogen-mixed gas by the reforming module 2 and the carbon monoxide is reduced through the oxidation module 4, Only the hydrogen contained in the hydrogen permeable membrane 10 of the fuel cell 1 is permeated and separated by the hydrogen permeable membrane 10 and then stored in the hydrogen storage 20.

수소가 수소저장소(20)에 별도 저장된 상태에서 연료전지스택(5)으로 안정적으로 공급가능함에 따라 연료전지스택(5)의 발전효율이 증대됨과 동시에 연료전지스택(5)의 성능안정성이 확보될 수 있다.Since hydrogen can be stably supplied to the fuel cell stack 5 while being stored separately in the hydrogen storage 20, the power generation efficiency of the fuel cell stack 5 is increased and the performance stability of the fuel cell stack 5 is secured .

또한 도 4에 도시되는 바와 같이, 예를 들어 디젤유, 가솔린 등과 같은 연료가 저장되는 연료탱크(2)와, 연료탱크(2)로부터 공급되는 기체 상태의 연료를 개질하여 수소혼합가스를 발생시키는 개질모듈(3)과, 개질모듈(3)에 연결되고 개질모듈(3)로부터 공급되는 수소혼합가스를 산화시켜 일산화탄소를 저감시키는 산화모듈(4)과, 산화모듈(4)로부터 공급되는 수소혼합가스에 함유된 수소와 별도의 산소공급원(6)으로부터 공급되는 산소를 전기화학적으로 반응시켜 전기를 발생시키는 연료전지스택(5)를 포함하는 연료전지시스템 내에서, 본 개시내용의 일 실시예에 따른 연료전지시스템용 수소투과막모듈(1)은 개질모듈(3)과 연료전지스택(5) 사이에 산화모듈(4)과 병렬되게 설치될 수 있다.As shown in FIG. 4, the fuel tank 2 includes a fuel tank 2 for storing fuel such as diesel oil and gasoline, and a fuel tank 2 for reforming the gaseous fuel supplied from the fuel tank 2 to generate a hydrogen- An oxidation module 4 connected to the reforming module 3 for reducing carbon monoxide by oxidizing a hydrogen mixture gas supplied from the reforming module 3 and a hydrogen mixing module 4 for supplying hydrogen from the oxidation module 4, In a fuel cell system including a fuel cell stack 5 that electrochemically reacts hydrogen supplied from a gas and oxygen supplied from a separate oxygen supply source 6 to generate electricity, in one embodiment of the present disclosure The hydrogen permeable membrane module 1 for a fuel cell system according to the present invention can be installed in parallel with the oxidation module 4 between the reforming module 3 and the fuel cell stack 5.

이 경우에 본 개시내용의 일 실시예에 따른 연료전지시스템용 수소투과막모듈(1)은 개질모듈(3)을 거친 수소혼합가스로부터 수소를 분리저장한 후 예를 들어 개질모듈(3) 또는 산화모듈(4)에 이상이 발생되거나 연료전지스택(5)의 전극 피독에 따라 발전효율이 저하되는 경우와 같이 필요 시에만 연료전지스택(5)로 미리 저장된 수소를 공급함에 따라 연료전지스택(5)의 발전효율을 더욱 증대시키고 연료전지스택(5)의 발전성능이 안정적으로 유지될 수 한다.In this case, the hydrogen permeable membrane module 1 for a fuel cell system according to an embodiment of the present disclosure separates and stores hydrogen from a hydrogen mixed gas passing through the reforming module 3, and then, for example, The hydrogen stored in the fuel cell stack 5 is supplied to the fuel cell stack 5 only when necessary, such as when an abnormality occurs in the oxidation module 4 or power generation efficiency is lowered due to electrode poisoning of the fuel cell stack 5, The power generation efficiency of the fuel cell stack 5 can be further increased and the power generation performance of the fuel cell stack 5 can be stably maintained.

또한 연료전지시스템의 초기 가동 시에 개질모듈(3)에 의해 개질된 수소함유가스에 포함된 수소까지도 전술한 연료전지시스템용 수소투과막모듈(1)에 의해 분리저장되어 차후 연료전지스택(5)의 발전을 위해 사용될 수 있다.The hydrogen contained in the hydrogen-containing gas modified by the reforming module 3 at the time of initial operation of the fuel cell system is also separated and stored by the hydrogen permeable membrane module 1 for the fuel cell system described above, ). ≪ / RTI >

전술한 연료전지시스템용 수소투과막모듈(1)의 필요시 선택적인 동작을 위해 연료전지시스템용 수소투과막모듈(1)의 병렬 설치지점에는 개질모듈(3)을 통해 개질된 수소혼합가스를 연료전지시스템용 수소투과막모듈(1)로 제공하기 위한 밸브부재(미도시)가 설치된다.For selective operation of the hydrogen permeable membrane module 1 for a fuel cell system described above, a hydrogen mixed gas, which is modified through the reforming module 3, is supplied to the parallel mounting point of the hydrogen permeable membrane module 1 for a fuel cell system A valve member (not shown) for providing the hydrogen permeable membrane module 1 for a fuel cell system is provided.

이 밸브부재는 삼방밸브의 형태로 형성되는데, 특히 개질모듈(3)을 통해 개질된 수소혼합가스 중 일부분이 연료전지시스템용 수소투과막모듈(1)로 제공될 수 있도록 개도가 조절될 수도 있고, 개질모듈(3)을 통해 개질된 수소혼합가스가 산화모듈(4) 또는 연료전지시스템용 수소투과막모듈(1)로 선택적으로 공급되도록 유로가 절환될 수도 있다.This valve member is formed in the form of a three-way valve. In particular, the degree of opening may be adjusted so that a part of the hydrogen mixed gas modified through the reforming module 3 is supplied to the hydrogen permeable membrane module 1 for a fuel cell system , The flow path may be switched so that the reformed hydrogen mixed gas is selectively supplied to the oxidation module 4 or the hydrogen permeable membrane module 1 for a fuel cell system through the reforming module 3. [

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였지만, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다. While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is clearly understood that the same is by way of illustration and example only and is not to be taken in conjunction with the present invention. It is to be understood that various equivalents and modifications may be substituted for those at the time of the present application. It is to be understood, therefore, that the above description is intended to be illustrative, and not restrictive, and that the scope of the present invention will be defined by the appended claims rather than by the foregoing description, All changes or modifications that come within the scope of the equivalent concept are to be construed as being included within the scope of the present invention.

1 : 연료전지시스템용 수소투과막모듈
2 : 연료탱크
3 : 개질모듈
4 : 산화모듈
5 : 연료전지스택
6 : 산소공급원
10 : 수소투과막
11 : 제 1 가열히터
20 : 수소저장소
21 : 제 2 가열히터
30 : 컴프레서
40 : 라디에이터1: Hydrogen Permeable Membrane Module for Fuel Cell System
2: Fuel tank
3: Modification module
4: oxidation module
5: Fuel cell stack
6: Oxygen source
10: Hydrogen permeable membrane
11: First heating heater
20: hydrogen storage
21: Second heating heater
30: Compressor
40: Radiator

Claims (8)

기체 상태의 연료가 개질되어 형성된 수소혼합가스로부터 수소를 분리하여 연료전지스택으로 공급하는 연료전지시스템용 수소투과막모듈에 있어서,
상기 수소혼합가스로부터 수소를 투과시켜 분리하는 수소투과막; 및
일단은 상기 수소투과막에 연결되어 상기 수소투과막에 의해 분리된 수소를 저장하고 타단은 상기 연료전지스택에 연결되어 상기 연료전지스택으로 수소를 안정적으로 공급하는 수소저장소를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템용 수소투과막모듈.A hydrogen permeable membrane module for a fuel cell system for separating hydrogen from a hydrogen mixed gas formed by reforming a gaseous fuel and supplying the hydrogen to the fuel cell stack,
A hydrogen permeable membrane for permeating and separating hydrogen from the hydrogen mixed gas; And
And a hydrogen reservoir connected to the hydrogen permeable membrane at one end to store the hydrogen separated by the hydrogen permeable membrane and at the other end to the fuel cell stack to stably supply hydrogen to the fuel cell stack. Hydrogen Permeable Membrane Module for Fuel Cell Systems. 청구항 1에 있어서,
상기 수소투과막의 상류에 설치되고 상기 수소혼합가스를 상기 수소투과막으로 고압 급송하는 컴프레서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템용 수소투과막모듈. The method according to claim 1,
Further comprising a compressor installed upstream of the hydrogen permeable membrane and adapted to feed the hydrogen mixed gas to the hydrogen permeable membrane at a high pressure. 청구항 1에 있어서,
상기 수소투과막과 상기 수소저장소 사이에 설치되고 상기 수소투과막에 의해 분리된 수소를 냉각시키는 라디에이터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템용 수소투과막모듈.The method according to claim 1,
Further comprising a radiator disposed between the hydrogen permeable membrane and the hydrogen reservoir and cools the hydrogen separated by the hydrogen permeable membrane. 청구항 1에 있어서,
상기 수소투과막은 제 1 가열히터를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템용 수소투과막모듈.The method according to claim 1,
Wherein the hydrogen permeable membrane comprises a first heating heater. 청구항 1에 있어서,
상기 수소저장소는, 상기 수소저장소에 저장된 수소를 가열하여 상기 연료전지스택으로의 급송효율을 증대시키는 제 2 가열히터를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템용 수소투과막모듈.The method according to claim 1,
Wherein the hydrogen reservoir comprises a second heating heater for heating hydrogen stored in the hydrogen reservoir to increase feeding efficiency to the fuel cell stack. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 연료전지시스템용 수소투과막모듈은, 기체 상태의 연료를 상기 수소혼합가스로 개질하는 개질모듈과 상기 연료전지스택 사이에 직렬로 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템용 수소투과막모듈.The method according to any one of claims 1 to 5,
Wherein the hydrogen permeable membrane module for a fuel cell system is installed in series between a reforming module for reforming gaseous fuel into the hydrogen mixed gas and the fuel cell stack. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 연료전지시스템용 수소투과막모듈은, 상기 수소혼합가스를 산화시켜 일산화탄소를 저감시키는 산화모듈과 상기 연료전지스택 사이에 직렬로 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템용 수소투과막모듈.The method according to any one of claims 1 to 5,
Wherein the hydrogen permeable membrane module for a fuel cell system is installed in series between an oxidation module for oxidizing the hydrogen mixed gas to reduce carbon monoxide and the fuel cell stack. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 연료전지시스템용 수소투과막모듈은, 기체 상태의 연료를 상기 수소혼합가스로 개질하는 개질모듈과 상기 연료전지스택 사이에 설치되되, 상기 수소혼합가스를 산화시켜 일산화탄소를 저감시키는 산화모듈에 병렬되게 설치되어 상기 연료전지스택으로 수소를 선택적으로 공급하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템용 수소투과막모듈. The method according to any one of claims 1 to 5,
Wherein the hydrogen permeable membrane module for a fuel cell system comprises a reforming module for reforming a gaseous fuel into the hydrogen mixed gas and a reforming module provided between the fuel cell stack and the oxidizing module for reducing carbon monoxide by oxidizing the hydrogen- And selectively supplying the hydrogen to the fuel cell stack.
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JP2000327306A (en) * 1999-05-24 2000-11-28 Tokyo Gas Co Ltd High-purity hydrogen production apparatus and fuel cell system
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