KR100639013B1 - Water recycle tank and fuel cell system using the same - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 개략도,1 is a schematic diagram of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention;
도 2는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템의 개략도,2 is a schematic diagram of a fuel cell system according to another embodiment of the present invention;
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 물회수장치를 나타낸 사시도.3 is a perspective view showing a water recovery device according to an embodiment of the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
110 : 연료용기 120 : 연료혼합부110: fuel container 120: fuel mixing unit
130, 230 : 전기발생부 140 : 공기공급부130, 230: electricity generating unit 140: air supply unit
150 : 물회수장치 151 : 하우징150: water recovery device 151: housing
152 : 격벽 160 : 응축부152: bulkhead 160: condensation unit
170 : 가스배출부170: gas discharge unit
본 발명은 물회수장치 및 이를 채용한 연료전지 시스템에 관한 것으로, 특히 연료전지 시스템의 전기발생부에서 발생하는 물을 효과적으로 응축하는 물회수장치및 이를 채용한 연료전지 시스템에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE
일반적으로, 연료전지는 수소와 산소의 전기화학 반응에 의해 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 발전시스템이다. 상기 수소는 순수한 수소를 직접 연료전지 시스템에 공급할 수도 있고, 메탄올, 에탄올, 천연가스 등과 같은 물질을 개질하여 수소를 공급할 수도 있다. 상기 산소는 순수한 산소를 직접 연료전지 시스템에 공급할 수도 있고, 공기 펌프등을 이용하여 통상의 공기에 포함된 산소를 공급할 수도 있다.In general, a fuel cell is a power generation system that converts chemical energy directly into electrical energy by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. The hydrogen may supply pure hydrogen directly to the fuel cell system, or may supply hydrogen by reforming materials such as methanol, ethanol, natural gas, and the like. The oxygen may directly supply pure oxygen to the fuel cell system, or may supply oxygen included in normal air using an air pump or the like.
연료전지는 상온 또는 100℃ 이하에서 작동하는 고분자 전해질형 및 직접 메탄올형 연료전지, 150∼200℃ 부근에서 작동하는 인산형 연료전지, 600∼700℃의 고온에서 작동하는 용융탄산염형 연료전지, 1000℃ 이상의 고온에서 작동하는 고체 산화물형 연료전지 등으로 분류된다. 이들 각각의 연료전지는 기본적으로 전기를 발생하는 작동원리는 동일하지만 사용되는 연료의 종류, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다. The fuel cell is a polymer electrolyte type and direct methanol type fuel cell operating at room temperature or below 100 ° C, a phosphoric acid type fuel cell operating at around 150 to 200 ° C, a molten carbonate type fuel cell operating at a high temperature of 600 to 700 ° C, 1000 It is classified into the solid oxide fuel cell etc. which operate at high temperature more than degreeC. Each of these fuel cells is basically the same operating principle of generating electricity, but different fuel types, catalysts, electrolytes and the like used.
이 중에서 고분자 전해질형 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC)는 메탄올, 에탄올, 천연가스 등의 물질을 개질하여 생성된 수소를 사용하며 다른 연료전지에 비하여 출력 특성이 탁월하고 작동 온도가 낮을 뿐더러 빠른 시동 및 응답 특성을 가진다. 따라서 자동차와 같은 이동용 전원은 물론 주택이나 공공건물과 같은 분산용 전원 및 휴대용 전자기기와 같은 소형이동기기용 전원 등으로 이용할 수 있어 그 응용범위가 넓은 장점이 있다. Among them, Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC) uses hydrogen generated by reforming materials such as methanol, ethanol, and natural gas, and has excellent output characteristics and lower operating temperature than other fuel cells. Quick start and response characteristics. Therefore, as a mobile power source such as a car, as well as a distributed power source such as a house or a public building, and a power source for a small mobile device such as a portable electronic device, there is a wide range of applications.
기본적으로 고분자 전해질형 연료전지는 연료를 저장하는 연료용기, 연료를 개질하여 수소를 발생시키는 개질기 및 수소와 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 소정의 전압 및 전류를 발생시키는 전기발생부를 포함한다. 전기 발생부는 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 단위 연료 전지를 포함하는데, 복수의 단위 연료 전지가 적층된 스택(stack)구조를 가질 수도 있다.Basically, the polymer electrolyte fuel cell includes a fuel container for storing fuel, a reformer for reforming fuel to generate hydrogen, and an electricity generator for generating a predetermined voltage and current by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. The electricity generating unit includes at least one unit fuel cell for generating electrical energy, and may have a stack structure in which a plurality of unit fuel cells are stacked.
상기 개질기는 수증기 개질(Steam Reforming : SR), 수성가스 전환(Water Gas Shift : WGS) 등의 촉매 반응을 통해 상기 전기발생부의 전기 생성에 필요한 수소가 풍부한 개질가스로 전환할 뿐만 아니라, 이러한 개질가스에 포함되어 연료 전지의 촉매를 피독시키는 일산화탄소를 제거한다. 상기 촉매반응에는 물이 필요하기 때문에 상기 개질기에는 연료와 물의 혼합물을 공급해야 한다. 이러한 물은 외부에서 별도로 공급할 수도 있지만, 상기 전기발생부에서 전기화학반응 후 생성되는 물을 회수해서 사용할 수도 있다. The reformer not only converts the reformed gas rich in hydrogen necessary for the generation of electricity through the catalytic reaction such as steam reforming (SR) and water gas shift (WGS), but also reformed gas. It is included in the removal of carbon monoxide poisoning the catalyst of the fuel cell. Since the catalysis requires water, the reformer must be supplied with a mixture of fuel and water. Such water may be separately supplied from the outside, but the water generated after the electrochemical reaction may be recovered from the electricity generating unit.
한편, 저온에서 작동하는 또 다른 형태인 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC)는 상술한 고분자 전해질형 연료전지와 유사한 구조이나, 연료로서 수소 대신에 액상의 고농도 메탄올을 물과 혼합한 후 직접 연료로 사용한다. 따라서 직접 메탄올형 연료전지의 가동에도 물이 필요하다. 이러한 물은 별도로 외부에서 공급할 수도 있지만, 상기 전기발생부에서 전기화학반응 후에 의해 생성되는 물을 회수해서 사용할 수도 있다. On the other hand, another type of direct methanol fuel cell (DMFC), which operates at a low temperature, has a structure similar to that of the polymer electrolyte fuel cell described above, but in which liquid high concentration methanol is mixed with water instead of hydrogen as a fuel. Then directly used as fuel. Therefore, water is also required for the direct methanol fuel cell operation. Such water may be separately supplied from the outside, but the water generated by the electrochemical reaction may be recovered from the electricity generating unit and used.
전술한 바와 같이 전기 발생부에서 발생하는 물을 회수할 때에는 전기발생부 에서 생성된 기상의 물을 응결시켜 회수한다. 하지만 이러한 응결작용이 효과적으로 일어나지 않는다면 응축되는 물의 양이 적게 되어, 연료전지 시스템의 운전에 필요한 충분한 양의 물을 확보할 수 없게 된다. 그러면 연료전지 시스템의 출력을 저하시키거나 운전을 정지시켜야 하기 때문에 지속적인 연료전지시스템의 운전이 불가능하다. As described above, when recovering water generated in the electricity generating unit, the gaseous water generated in the electricity generating unit is condensed and recovered. However, if this condensation does not occur effectively, the amount of water to be condensed is small, it is impossible to secure a sufficient amount of water required for the operation of the fuel cell system. The continuous operation of the fuel cell system is therefore impossible because the output of the fuel cell system must be reduced or the operation must be stopped.
본 발명은 상술한 문제점을 고려하여 도출된 것으로, 연료전지 시스템의 전기발생부에서 발생하는 물을 효과적으로 응축할 수 있는 물회수장치 및 이를 채용한 연료전지 시스템을 제공함에 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-described problems, and provides a water recovery device capable of condensing water generated in an electricity generating unit of a fuel cell system and a fuel cell system employing the same.
상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 연료전지 시스템은, 원료연료를 저장하는 연료용기, 상기 원료연료와 물을 혼합하여 혼합 연료를 생성하는 연료혼합부, 산소를 공급하는 공기공급부, 상기 혼합 연료와 상기 산소를 전기화학반응하여 전기에너지를 생성하는 전기발생부 및 상기 전기발생부에서 배출되는 물을 응축하여 저장하고 상기 연료혼합부에 물을 공급하는 물회수장치를 포함하며, 상기 물회수장치는, 하우징, 내표면이 친수성 물질이고 상기 하우징 내부에 격실로 한정되며 물회수관을 통해 상기 전기발생부와 유체소통이 가능하게 연결되고 일단에는 뭉공급관이 설치되는 응축부, 상기 응축부의 일단면을 형성하며 적어도 하나 이상 의 개구부가 타공된 격벽 및 내표면이 소수성 물질이고 상기 개구부를 통해 상기 응축부와 연통되며 배출관을 통해 외부와 유체소통 가능하게 연결되는 가스 배출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, a fuel cell system according to the present invention includes a fuel container for storing raw material fuel, a fuel mixing part for mixing the raw material fuel and water to generate a mixed fuel, an air supply part for supplying oxygen, and the mixing And a water recovery unit configured to condense and store water discharged from the electricity generation unit and to supply water to the fuel mixing unit. The device is a condensation part of the housing, the inner surface is a hydrophilic material and is defined as a compartment inside the housing and is in fluid communication with the electricity generating part through a water recovery pipe, and one end of the condensation part is installed. A barrier rib formed with at least one opening and the inner surface thereof is a hydrophobic material and connected to the condensation unit through the opening. And it characterized in that it comprises a discharge pipe via an external fluid communication to be possible to connect the gas discharge portion.
상기 응축부의 내표면에 포함되는 상기 격벽의 표면에는 다수의 돌기가 형성될 수 있고, 상기 돌기는 상기 물회수관을 통해 유입되는 기상의 물질과 맞닿는 위치에 형성될 수 있으며, 상기 격벽은 곡면형상일 수 있다. 상기 격벽의 개구부는 상기 격벽의 상단에 설치된 소통구와 하단에 설치된 수위조절구를 포함할 수 있다. 상기 소통구의 단면적의 합계는 상기 물회수관의 개구의 단면적보다 작을 수 있고, 상기 소통구는 상기 물회수관의 개구와 일직선상에 위치하지 않을 수 있다. 상기 배출구의 개구의 단면적은 상기 소통구의 단면적의 합계보다 클 수 있고, 상기 소통구는 상기 배출구의 개구와 일직선상에 위치할 수 있다. A plurality of protrusions may be formed on a surface of the partition wall included in the inner surface of the condensation unit, and the protrusion may be formed at a position in contact with a substance of a gaseous phase introduced through the water recovery pipe, and the partition wall may have a curved shape. Can be. The opening of the partition wall may include a communication port installed at the top of the partition wall and a water level control port installed at the bottom. The sum of the cross-sectional area of the communication port may be smaller than the cross-sectional area of the opening of the water recovery pipe, and the communication port may not be located in line with the opening of the water recovery pipe. The cross-sectional area of the opening of the outlet can be greater than the sum of the cross-sectional areas of the communication port, and the communication port can be located in line with the opening of the outlet.
상기 연료전지 시스템은 직접 메탄올형 연료전지 시스템인 것을 특징으로 한다. The fuel cell system is characterized in that the direct methanol fuel cell system.
다른 실시예에 있어서 본 발명에 따른 연료전지 시스템은, 원료 연료를 저장하는 연료 용기, 상기 원료 연료와 물을 혼합하여 혼합 연료를 생성하는 연료혼합부, 상기 혼합연료로부터 개질반응을 하여 수소를 생성하는 개질기, 산소를 공급하는 공기공급부, 상기 수소와 상기 산소를 전기화학반응하여 전기에너지를 생성하는 전기발생부 및 상기 전기발생부에서 배출되는 물을 응축하여 저장하고 상기 연료혼합부에 물을 공급하는 물회수장치를 포함하며, 상기 물회수장치는, 하우징, 상기 하우징 내부에 격실로 한정되고 물회수관을 통해 상기 전기발생부와 유체소통이 가 능하게 연결되며 일단에 물공급관이 설치되고 내표면이 친수성 물질인 응축부, 상기 응축부의 일단면을 형성하며 적어도 하나 이상의 개구부가 타공된 격벽 및 상기 개구부를 통해 상기 응축부와 연통되고 배출관을 통해 외부와 유체소통 가능하게 연결되며 내표면이 소수성 물질인 가스 배출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.In another embodiment, a fuel cell system according to the present invention includes a fuel container for storing raw fuel, a fuel mixing unit for mixing the raw fuel and water to generate a mixed fuel, and reforming the mixed fuel to generate hydrogen. A reformer, an air supply unit for supplying oxygen, an electricity generator for generating electrical energy by electrochemically reacting the hydrogen and the oxygen, and condensing and storing water discharged from the electricity generator and supplying water to the fuel mixing unit. It includes a water recovery device, wherein the water recovery device, the housing, the interior of the housing is limited to the compartment and is capable of fluid communication with the electricity generating unit through the water recovery pipe and the water supply pipe is installed at one end and the inner surface is A condensation part, which is a hydrophilic material, forms one end surface of the condensation part, and at least one opening is formed through the partition wall and the opening. Communication with the condensation section is connected via a discharge pipe to enable communication with the external fluid and is characterized in that the inner surface comprises a hydrophobic substance in exhaust gas.
상기 격벽은 곡면형상일 수 있고, 상기 응축부의 내표면을 형성하는 상기 격벽의 표면에는 다수의 돌기가 형성될 수 있다. 상기 격벽의 개구부는 상기 격벽의 상단에 설치된 소통구와 하단에 설치된 수위조절구를 포함할 수 있다. 상기 소통구의 단면적의 합계는 상기 물회수관의 개구의 단면적보다 작을 수 있고, 상기 소통구는 상기 물회수관의 개구와 일직선상에 위치하지 않을 수 있다. 상기 배출구의 개구의 단면적은 상기 소통구의 단면적의 합계보다 클 수 있고, 상기 소통구는 상기 배출구의 개구와 일직선상에 위치할 수 있다. The partition wall may have a curved shape, and a plurality of protrusions may be formed on a surface of the partition wall forming the inner surface of the condensation unit. The opening of the partition wall may include a communication port installed at the top of the partition wall and a water level control port installed at the bottom. The sum of the cross-sectional area of the communication port may be smaller than the cross-sectional area of the opening of the water recovery pipe, and the communication port may not be located in line with the opening of the water recovery pipe. The cross-sectional area of the opening of the outlet can be greater than the sum of the cross-sectional areas of the communication port, and the communication port can be located in line with the opening of the outlet.
상기 연료전지 시스템은 고분자 전해질형 연료전지 시스템인 것을 특징으로 한다. The fuel cell system is characterized in that the polymer electrolyte fuel cell system.
또 다른 실시예에 있어서 물회수장치는, 하우징, 상기 하우징 내부에 격실로 한정되고 물회수관을 통해 상기 전기발생부와 유체소통이 가능하게 연결되며 일단에 물공급관이 설치되고 내표면이 친수성 물질인 응축부, 상기 응축부의 일단면을 형성하며 적어도 하나 이상의 개구부가 타공된 격벽 및 상기 개구부를 통해 상기 응축부와 연통되고 배출관을 통해 외부와 유체소통 가능하게 연결되며 내표면이 소수성 물질인 가스 배출부를 포함하는 것을 특징으로 한다. In another embodiment, the water recovery device, the housing, is defined as a compartment inside the housing and is in fluid communication with the electricity generating portion through the water recovery pipe, the water supply pipe is installed at one end and the inner surface is a hydrophilic material Condensation unit, the one end of the condensation unit and the at least one opening is formed through the barrier ribs and the opening through which the communication with the condensation unit and the fluid communication is connected to the outside through the discharge pipe and the inner surface of the gas discharge portion is a hydrophobic material It is characterized by including.
상기 응축부의 내표면을 형성하는 상기 격벽의 표면에는 다수의 돌기가 형성 될 수 있고 상기 돌기는 상기 물회수관을 통해 유입되는 기상의 물질과 맞닿는 위치에 형성될 수 있으며, 상기 격벽은 곡면 형상일 수 있다. 상기 격벽의 개구부는 상기 격벽의 상단에 설치된 소통구와 하단에 설치된 수위조절구를 포함할 수 있다. 상기 소통구의 단면적의 합계는 상기 물회수관의 개구의 단면적보다 작을 수 있고, 상기 소통구는 상기 물회수관의 개구와 일직선상에 위치하지 않을 수 있다. 상기 배출구의 개구의 단면적은 상기 소통구의 단면적의 합계보다 클 수 있고, 상기 소통구는 상기 배출구의 개구와 일직선상에 위치할 수 있다.A plurality of protrusions may be formed on a surface of the barrier rib forming the inner surface of the condensation part, and the protrusion may be formed at a position contacting a gaseous substance introduced through the water recovery pipe, and the barrier rib may have a curved shape. have. The opening of the partition wall may include a communication port installed at the top of the partition wall and a water level control port installed at the bottom. The sum of the cross-sectional area of the communication port may be smaller than the cross-sectional area of the opening of the water recovery pipe, and the communication port may not be located in line with the opening of the water recovery pipe. The cross-sectional area of the opening of the outlet can be greater than the sum of the cross-sectional areas of the communication port, and the communication port can be located in line with the opening of the outlet.
이하, 첨부한 도면에 의거하여 본 발명을 명확히 하기 위한 바람직한 실시예를 상세히 설명하도록 한다. 도면상에서 동일한 참조부호는 동일하거나 유사한 구성요소를 가리킨다.Hereinafter, preferred embodiments for clarifying the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Like reference numerals in the drawings indicate the same or similar components.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 개략도이다. 1 is a schematic diagram of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
도 1의 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템에 있어 연료라 함은 통상의 메탄올을 의미하며, 특히 원료연료라 함은 고농도의 메탄올을 의미하고, 혼합 연료라 함은 상기 원료연료와 물의 혼합물을 의미한다.In the fuel cell system according to an exemplary embodiment of the present invention of FIG. 1, the term "fuel" means normal methanol, and the term "fuel fuel" means a high concentration of methanol, and the term "mixed fuel" refers to a mixture of the fuel and water. Means.
도 1을 참조하면 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템은, 연료용기(110), 연료혼합부(120), 전기발생부(130), 공기공급부(140) 및 물회수장치(150)로 구성된다.Referring to FIG. 1, a fuel cell system according to an exemplary embodiment of the present invention includes a
상기 연료전지 시스템은 직접 메탄올형 연료전지 방식으로서, 물 및 연료용기(110)에 저장된 상기 원료연료가 연료혼합부(120)에 공급되고, 연료혼합부(120)는 상기 원료연료 및 상기 물을 혼합하여 상기 혼합연료를 생성하여 전기발생부 (130)에 공급하며, 전기발생부(130)는 상기 혼합연료 및 공기공급부(140)에서 공급하는 산소를 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생한다.The fuel cell system is a direct methanol fuel cell method, wherein the raw fuel stored in water and the
연료용기(110)에 저장된 상기 원료연료는 연료혼합부(120)와 유체소통이 가능하게 연결된 원료연료 공급관(121)을 통해 연료혼합부(120)에 공급된다. 또한 후술하는 물회수장치(150)에 저장된 물은 연료혼합부(120)와 유체소통 가능하게 연결된 물공급관(123)을 통해 연료혼합부(120)에 공급된다. 연료혼합부(120)에서는 상기 원료 연료와 상기 물이 혼합된 상기 혼합연료를 생성하며, 전기발생부(130)와 유체소통이 가능하게 연결된 혼합연료 공급관(122)을 통해 전기발생부(130)에 공급된다. The raw fuel stored in the
전기발생부(130)는 연료혼합부(120)에서 공급된 상기 혼합연료와 공기공급부(140)를 통해 공급된 산소를 전기화학 반응을 시켜 전기에너지를 발생한다. 전기발생부(130)는 전기에너지를 발생하는 적어도 하나의 단위 연료 전지로써 상기 연료와 산소를 각각 산화/환원시키는 전극-전해질 합성체(134)와, 상기 혼합연료와 산소를 전극-전해질 합성체(134)로 공급하고 전극-전해질 합성체(134)에서 발생하는 생성물을 배출하기 위한 바이폴라 플레이트(135)를 포함할 수 있다. 전극-전해질 합성체(134)는 양측면을 이루는 애노드 전극(132)과 캐소드 전극(133)사이에 전해질막(131)이 개재된 통상적인 전극-전해질 합성체의 구조를 가질 수 있다. 또한 전기발생부(130)는 복수의 상기 단위 연료 전지가 적층된 스택 구조를 가질 수도 있다. The
상기 구성을 통하여 상기 혼합연료는 애노드 전극(132)에 인접한 바이폴라 플레이트(135)를 통해 애노드 전극(132)에 공급된다. 또한 산소는 캐소드전극(133)에 인접한 또다른 바이폴라 플레이트(135)를 통해 캐소드전극(133)에 공급된다. 또한 애노드 전극(132) 및 캐소드 전극(133)에서 발생된 생성물은 각각 인접한 바이폴라 플레이트(135)를 통해 배출된다. Through the above configuration, the mixed fuel is supplied to the anode electrode 132 through the bipolar plate 135 adjacent to the anode electrode 132. Oxygen is also supplied to the cathode electrode 133 through another bipolar plate 135 adjacent to the cathode electrode 133. In addition, the products generated at the anode electrode 132 and the cathode electrode 133 are discharged through the adjacent bipolar plate 135, respectively.
전기발생부(130)의 전기화학반응을 반응식으로 나타내면 하기 반응식 4와 같다.The electrochemical reaction of the
캐소드전극 반응 : 3/2 O2 + 6H+ + 6e- → 3H2OThe cathode reaction: 3/2 O 2 + 6H + + 6e - → 3H 2 O
전체반응 : CH30H + 3/2 O2 → CO2 + 3H2OTotal reaction: CH 3 0H + 3/2 O 2 → CO 2 + 3H 2 O
상기 반응식을 참고하면, 상기 혼합연료는 애노드전극(132)에서 이산화탄소, 수소이온 및 전자를 생성한다. 애노드전극(132)에서 생성된 상기 수소이온은 전해질막(131)을 통과하여 캐소드전극(133)으로 이동하고, 상기 수소이온은 캐소드전극(133)에서 산소와 반응하여 물을 생성한다. 애노드전극(132)에서 생성된 상기 전자들은 화학반응의 자유에너지 변화와 함께 외부회로를 통해 이동한다. Referring to the reaction scheme, the mixed fuel generates carbon dioxide, hydrogen ions and electrons at the anode electrode (132). The hydrogen ions generated at the anode electrode 132 pass through the electrolyte membrane 131 to move to the cathode electrode 133, and the hydrogen ions react with oxygen at the cathode electrode 133 to generate water. The electrons generated at the anode electrode 132 travel through an external circuit with a change in free energy of a chemical reaction.
한편, 전기발생부(130)의 캐소드전극(133)에서 생성된 물의 온도는 40℃ ∼ 100℃의 범위이고, 액상 또는 기상으로 배출될 수 있다. 상기 물은 전기발생부(130)와 물회수장치(150) 사이에 유체소통이 가능하게 연결된 물회수관(124)을 통 해 물회수장치(150)로 공급된다. 물회수장치(150)는 유입된 물을 응결하고 저장하며, 연료혼합부(120)와 유체소통이 가능하게 연결된 물공급관(123)을 통해 연료혼합부(120)로 물을 공급한다. 물회수장치(150)의 구체적인 작용은 후술한다.On the other hand, the temperature of the water generated by the cathode electrode 133 of the
도 2는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템의 개략도이다. 2 is a schematic diagram of a fuel cell system according to another embodiment of the present invention.
도 2의 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템에 있어 연료라 함은 탄화수소 계열 물질인 메탄올, 에탄올, 천연가스 등을 포함할 수 있으며, 특히 원료 연료라 함은 순수한 고농도의 연료를 의미하고, 혼합 연료라 함은 상기 원료 연료와 물의 혼합물을 의미한다.In the fuel cell system according to another embodiment of the present invention of Figure 2, the fuel may include a hydrocarbon-based material methanol, ethanol, natural gas, etc., in particular, the raw material fuel means a pure high concentration of fuel In addition, the mixed fuel means a mixture of the raw material fuel and water.
상기 연료전지 시스템은 고분자 전해질형 연료 전지 방식으로, 물 및 연료용기(110)에 저장된 상기 원료연료가 연료혼합부(120)에 공급되고, 연료혼합부(120)에서 상기 물과 상기 원료연료가 혼합된 상기 혼합연료를 개질기(125)에 공급하며, 개질기(125)에서 상기 혼합 연료로부터 수소를 개질하여 전기발생부(230)로 공급하며, 전기발생부(23)에서 상기 수소 및 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생한다.The fuel cell system is a polymer electrolyte fuel cell method, wherein the raw fuel stored in water and the
연료용기(110) 내에는 상기 원료연료를 저장하고, 연료혼합부(120)와 유체소통 가능하게 연결된 연료공급관(121)을 통해 연료혼합부(120)로 원료 연료를 공급한다. 또한 물회수장치(150)에 저장된 물은 연료혼합부(120)와 유체소통 가능하게 연결된 물공급관(123)을 통해 연료혼합부(120)에 공급된다. 연료혼합부(120)는상기 원료 연료와 상기 물이 혼합된 상기 혼합연료를 생성하며, 상기 혼합연료는 개질기 (125)와 유체소통이 가능하게 연결된 혼합연료 공급관(122)을 통해 개질기(125)에 공급된다. The raw material fuel is stored in the
개질기(125)는 수증기 개질 촉매 반응을 통해 상기 혼합 연료를 개질하여 수소를 주성분으로 하는 개질가스를 생성하고, 상기 개질가스에 포함된 일산화탄소를 저감시키기 위하여 수성가스 전환 촉매반응을 한다. 일산화탄소가 저감된 수소는 전기발생부(230)와 유체소통이 가능하게 연결된 수소연료 공급관(126)을 통해 전기발생부(230)로 공급된다. 예를 들면, 상기 연료가 메탄올인 경우 상기 수증기 개질 촉매 반응과 수성가스 전환 촉매반응을 반응식으로 나타내면 각각 반응식 2 및 반응식 3과 같다. The
전기발생부(230)는 개질기(125)를 통해 개질된 수소와 공기공급부(140)를 통해 유입된 통상의 공기에 포함된 산소를 전기화학적인 반응을 일으켜 전기 에너지를 발생시킨다. 전기발생부(230)는 수소와 산소를 각각 산화/환원시키는 전극-전해질 합성체(234)와, 수소와 산소를 전극-전해질 합성체(234)로 공급하고 전극-전해질 합성체(234)에서 발생한 생성물을 배출하기 위한 바이폴라 플레이트(235)를 포 함할 수 있다. 전극-전해질 합성체(234)는 양측면을 이루는 애노드 전극(232) 및 캐소드 전극(233) 사이에 전해질막(231)이 개재된 통상적인 전극-전해질 합성체의 구조를 가질 수 있다. 전기발생부(230)의 전기화학 반응을 반응식으로 나타내면 반응식 4와 같다.The
캐소드 전극 : ½O2 + 2H+ + 2e- → H2O Cathode: ½O 2 + 2H + + 2e - → H 2 O
전체반응식 : H2 + ½O2 → H2O + 전류 + 열Overall Reaction: H 2 + ½O 2 → H 2 O + Current + Heat
상기 반응식을 참고하면, 상기 수소는 애노드전극(232)에서 수소이온 및 전자로 나뉘고, 애노드전극(232)에서 생성된 상기 수소이온은 전해질막(231)을 통과하여 캐소드전극(233)으로 이동하고, 상기 수소이온은 캐소드전극(233)에서 산소와 반응하여 물을 생성한다. 캐소드전극(233)에서 생성된 상기 전자들은 화학반응의 자유에너지 변화와 함께 외부회로를 통해 이동한다. Referring to the reaction scheme, the hydrogen is divided into hydrogen ions and electrons in the anode electrode 232, the hydrogen ions generated in the anode electrode 232 passes through the electrolyte membrane 231 to move to the cathode electrode 233 The hydrogen ions react with oxygen at the cathode electrode 233 to generate water. The electrons generated at the cathode electrode 233 move through an external circuit with a change in free energy of a chemical reaction.
한편, 전기발생부(230)의 캐소드전극(233)에서 생성된 상기 물의 온도는 40℃ ∼ 100℃의 범위이고, 액상 또는 기상으로 배출될 수 있다. 상기 물은 전기발생부(230)와 물회수장치(150) 사이에 유체소통이 가능하게 연결된 물회수관(124)을 통해 물회수장치(150)로 공급된다. 물회수장치(150)는 유입된 물을 응결하고 저장하며, 연료혼합부(120)와 유체소통이 가능하게 연결된 물공급관(123)을 통해 연료 혼합부(120)로 물을 공급한다. 물회수장치(150)의 구체적인 작용은 후술한다.On the other hand, the temperature of the water generated by the cathode electrode 233 of the
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 물회수장치(150)를 나타낸 사시도이다. 3 is a perspective view showing the
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 물회수장치(150)는 하우징(151) 내부에서 격벽(152)으로 분리되는 응축부(160)와 가스배출부(170)를 포함한다. Referring to FIG. 3, the
응축부(160)는 하우징(151) 내부에 격실로 한정된다. 응축부(160)의 일단에는 유체소통이 가능하게 연결된 물회수관(124)이 설치되고, 물회수관(124)과 대면하는 위치에는 격벽(152)이 설치된다. 응축부(160)의 하부에는 유체소통 가능하게 연결된 물공급관(123)이 설치된다. 응축부(160)의 내표면은 친수성 물질로 제조되거나 친수성 물질로 피복된다. The
격벽(152)은 곡면을 가진 판상 구조이다. 격벽(152)의 상부에는 격벽(152)을 관통하는 소통구(153)가 적어도 한 개 이상 타공되어 있다. 소통구(153)의 위치는 물회수관(124)의 개구와 일직선상으로 대면하지 않고 어긋나 있는 위치이며, 소통구(153)의 전체 단면적은 물회수관(124)의 개구의 단면적보다 작을 수 있다. 물회수관(124)의 개구와 대면하는 격벽(152)의 일측면(157)에는 다수의 돌기(154)가 형성된다. 격벽(152)의 하부에는 격벽(152)을 관통하는 수위조절구(155)가 적어도 하나 이상 타공되어 있다. The
가스배출부(170)는 하우징(151) 내부에 격실로 한정된다. 가스배출부(170)의 일측은 격벽(152)으로 한정되며 격벽(152)과 대면하는 위치에는 유체소통 가능하게 연결된 배출구(156)가 설치된다. 배출구(156)의 위치는 격벽(152)의 소통구(153)과 일직선상으로 대면하는 위치이며, 배출구(156)의 개구의 단면적은 격벽(152)의 소통구(153)의 전체 단면적보다 클 수 있다. 가스배출부(170)의 내표면은 소수성 물질로 제조되거나 소수성 물질로 피복된다.The
상기 구성을 통하여, 상기 액상 또는 기상의 물은 잔여가스와 함께 소정의 압력과 속도를 가지고 물회수관(124)을 통해 응축부(160)에 유입된다. 격벽(152)의 형상은 곡면이기 때문에 응축부(160)에 유입된 상기 기상의 물과 잔여가스는 유동저항을 최소화하며 물응축부(160) 내부에 고르게 분산된다. 한편 격벽(152)의 소통구(153)의 전체 단면적은 물회수관(124)의 개구의 단면적보다 작고, 소통구(153)와 물회수관(124)의 개구는 서로 일직선상으로 설치되지 않기 때문에, 응축부(160)에 유입되는 상기 기상의 물과 상기 잔여가스는 바로 소통구(153)를 통해 가스배출부(170)로 배출되지 않고 소정시간동안 응축부(160)에서 적체된다. 따라서 상기 기상의 물이 응축부(160)의 내표면에 접하여 응결될 수 있는 시간이 충분히 확보될 수 있다. 응축부(160)에 유입된 상기 기상의 물은 전술한 충분한 시간동안 응축부(160)의 내표면의 친수성 피복으로 인하여 용이하게 응축부(160)의 내표면에서 응결될 수 있고 상기 응결된 물은 자중으로 인하여 응축부(160)의 하부에 축적된다. 상기 응결 작용은 격벽(152) 표면의 돌기(154)로 인하여 접촉하는 표면적이 넓어짐으로써 더욱 용이할 수 있다. 한편 응축부(160) 내부는 적체된 잔여 가스 등으로 인하여 소정의 압력을 유지할 수 있고, 상기 압력으로 인하여 응축부(160) 하부에 축적된 물은 물공급관(123)을 통해 용이하게 배출된다. Through the above configuration, the liquid or gaseous water is introduced into the
한편, 응축부(160)에 응집된 물의 양이 과도하게 많아지면 상기 기상의 물이 접촉하여 응결될 수 있는 응축부(160)의 내부의 표면적이 축소되기 때문에 응축부(160)의 응결효율이 떨어질 수 있다. 따라서 응축부(160)에 응집된 물이 소정 수위 이상이 될 때에는 격벽(152)에 설치된 수위조절구(155)를 통해 상기 물을 배출구(156)로 배출하여 응축부(160)의 내표면적을 확보할 수 있다.On the other hand, if the amount of water condensed in the
응축부(160)에서 유입된 잔여가스는 격벽(152)에 설치된 소통구(153)를 통해 가스배출부(170)로 유입된다. 가스배출부(170)의 내부는 소수성 물질로 피복되고, 배출구(156)의 개구의 단면적은 격벽(152)의 소통구(153)의 전체 단면적보다 크며, 배출구(156)의 개구와 소통구(153)는 서로 일직선상으로 설치되기 때문에, 상기 잔여가스는 배출구(156)를 통해 용이하게 배출될 수 있다. Residual gas introduced from the
본 발명에 따른 물회수장치를 채용한 연료전지 시스템에 의하면, 전기발생부(130)에서 발생한 기상의 물을 응축부(160) 내표면의 친수성 물질을 이용하여 효과적으로 응축하고 잔여가스는 내표면이 소수성 물질인 가스배출구(170)를 통해 빠르게 배출함으로써, 물을 충분히 확보하여 지속적으로 연료전지 시스템에 공급함으로써 고효율의 연료전지 시스템의 운전이 가능하다.According to the fuel cell system employing the water recovery device according to the present invention, the gaseous water generated in the
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2005
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