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KR100729056B1 - Fuel cell system having fluid supply apparatus - Google Patents

Fuel cell system having fluid supply apparatus Download PDF

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KR100729056B1
KR100729056B1 KR1020050115113A KR20050115113A KR100729056B1 KR 100729056 B1 KR100729056 B1 KR 100729056B1 KR 1020050115113 A KR1020050115113 A KR 1020050115113A KR 20050115113 A KR20050115113 A KR 20050115113A KR 100729056 B1 KR100729056 B1 KR 100729056B1
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KR
South Korea
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fuel
reformer
water tank
container
compressed
Prior art date
Application number
KR1020050115113A
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Korean (ko)
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Inventor
이찬호
김주용
이성철
안진구
김진광
서동명
레오니드
한만석
이용걸
Original Assignee
삼성에스디아이 주식회사
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Publication date
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Abstract

본 발명은 유체공급장치를 갖는 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 개질가스의 수소와 산소의 전기화학반응에 의해서 전기를 생성하는 전기 발생부와; 상기 전기 발생부에 상기 개질가스를 공급하는 개질기와; 상기 개질기에 수소함유 압축연료를 공급하는 있는 연료공급용기와; 상기 전기 발생부에 산소함유기체를 공급하는 공기 공급부와; 상기 개질기에 물을 공급하는 물탱크와; 상기 연료공급용기와 상기 물탱크 사이에서 상기 연료공급용기로부터 유입되는 압축연료의 증기압을 상기 물탱크에 인가하도록 유체소통이 가능하게 제공된 보조용기로 이루어진 것을 특징으로 하므로, 소정 크기의 용기에 저장된 압축연료의 공급량이 물탱크와 개질기에 상이하게 유지함으로써 개질기에서의 개질효율을 저하시키지 않고 물탱크로부터 개질기에 물을 안정적으로 공급하여 연료전지의 발전효율을 향상시킬 수 있다.The present invention relates to a fuel cell system having a fluid supply device, comprising: an electricity generating unit generating electricity by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen in a reformed gas; A reformer for supplying the reformed gas to the electricity generating unit; A fuel supply container for supplying hydrogen-containing compressed fuel to the reformer; An air supply unit supplying an oxygen-containing gas to the electricity generation unit; A water tank for supplying water to the reformer; Compression stored in a container of a predetermined size because the fuel supply container and the water tank is made of an auxiliary container provided to enable fluid communication to apply the vapor pressure of the compressed fuel flowing from the fuel supply container to the water tank By maintaining the supply amount of fuel different from the water tank and the reformer, it is possible to stably supply water from the water tank to the reformer without improving the reforming efficiency in the reformer, thereby improving the power generation efficiency of the fuel cell.

보조용기, 증기압, 기화기, 물탱크 Auxiliary vessel, steam pressure, vaporizer, water tank

Description

유체공급장치를 갖는 연료전지 시스템{FUEL CELL SYSTEM HAVING FLUID SUPPLY APPARATUS}FUEL CELL SYSTEM HAVING FLUID SUPPLY APPARATUS}

도 1은 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 개략도;1 is a schematic diagram of a fuel cell system according to the present invention;

도 2는 개질기의 전단에 기화기가 설치된 연료전지 시스템의 개략도;2 is a schematic diagram of a fuel cell system in which a vaporizer is installed in front of a reformer;

도 3은 종래 실시예에 따른 원료공급장치의 구성도.3 is a block diagram of a raw material supply apparatus according to a conventional embodiment.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ><Description of Symbols for Major Parts of Drawings>

110 : 연료공급용기110: fuel supply container

112 : 가열부재112: heating member

114 : 삼상밸브114: three-phase valve

120 : 전기 발생부120: electricity generating unit

130 : 공기 공급부130: air supply

140 : 개질기140: reformer

150 : 물탱크150: water tank

160 : 보조용기160: auxiliary container

170 : 기화기170: carburetor

[특허문헌 1] 일본 특허공개번호 제2003-277012호 공보[Patent Document 1] Japanese Patent Publication No. 2003-277012

본 발명은 압축연료의 증기압을 이용하여 물탱크에 저장된 물을 개질기에 공급하는 유체공급장치를 구비한 연료전지 시스템에 관한 것이고, 더 상세하게 압축연료의 증기압에 의해서 물탱크와 개질기에 인가되는 압력크기를 상이하게 형성하여 개질기에 압축연료를 원활하게 공급할 수 있는 유체공급장치를 구비한 연료전지 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell system having a fluid supply device for supplying water stored in a water tank to a reformer by using a vapor pressure of compressed fuel, and more specifically, a pressure applied to the water tank and the reformer by the vapor pressure of the compressed fuel. The present invention relates to a fuel cell system having a fluid supply device capable of smoothly supplying compressed fuel to a reformer by forming different sizes.

일반적으로, 환경문제나 자원문제를 해결하기 위한 방안으로서 천연가스 등의 탄화수소연료, 메탄올 등과 같은 수소함유연료로부터 얻어지는 수소와 공기 중의 산소를 전기화학적으로 반응시켜 전기를 생성하는 연료전지 시스템에 대한 관심이 집중되어 왔다.In general, interest in fuel cell systems that generate electricity by electrochemically reacting hydrogen obtained from hydrocarbon fuels such as natural gas and hydrogen-containing fuels such as methanol and oxygen in the air as a solution to environmental or resource problems. This has been concentrated.

연료전지 시스템은 수소함유연료와 산화제인 산소의 전기화학반응에 의해서 전기를 생성하는 발전장치이다. 이러한 연료전지 시스템은 기본적으로 전기를 생성하는 발전부를 갖는다. 상기 발전부는 선택적 이온투과특성을 갖는 전해질막과, 상기 전해질막의 양면에 제공된 애노드 전극 및 캐소드 전극으로 이루어진 전극막 조립체를 구비한 단위전지(unit cell)을 갖는다. A fuel cell system is a power generation device that generates electricity by an electrochemical reaction between a hydrogen-containing fuel and oxygen as an oxidant. Such a fuel cell system basically has a power generation unit for generating electricity. The power generation unit has an electrolyte membrane having selective ion permeation characteristics, and a unit cell having an electrode membrane assembly composed of an anode electrode and a cathode electrode provided on both surfaces of the electrolyte membrane.

연료전지 시스템은 사용되는 전해질의 종류에 따라서 인산형 연료전지(PAFC; phosphoric acid fuel cell), 용융탄산염형 연료전지(MCFC; molten carbonate fuel cell), 고체산화물형 연료전지(SOFC; solid oxide fuel cell), 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC; polymer electrolyte membrane fuel cell), 알칼리형 연료전지(AFC; alkaline fuel cell) 등으로 분류된다. 이러한 연료전지 시스템 중에서, 고분자 전해질형 연료전지는 출력특성이 상대적으로 탁월하고 작동온도가 낮을 뿐만 아니라 빠른 시동 및 응답특성을 갖는 장점에 때문에 최근에 휴대용 발전기의 용도로 널리 개발연구되고 있다. The fuel cell system includes a phosphoric acid fuel cell (PAFC), a molten carbonate fuel cell (MCFC), and a solid oxide fuel cell (SOFC) depending on the type of electrolyte used. ), Polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFC), alkaline fuel cells (AFC), and the like. Among these fuel cell systems, polymer electrolyte fuel cells have recently been widely developed and researched for the use of portable generators because of their excellent output characteristics, low operating temperature, and fast startup and response characteristics.

이러한 고분자 전해질형 연료전지는 단위전지에 공급하고자 하는 수소를 주성분으로 하는 개질가스를 생성하기 위한 개질기를 갖는다. 상기 개질기에서의 개질반응을 수행하기 위하여 수소함유연료와 물이 개질기에 공급된다. 개질기에 물을 공급하기 위하여 물펌프가 사용되는 경우에, 물펌프의 작동에 의한 소음에 의해서 연료전지 시스템의 신뢰성이 저하되었다.The polymer electrolyte fuel cell has a reformer for generating a reformed gas mainly containing hydrogen to be supplied to a unit cell. Hydrogen-containing fuel and water are supplied to the reformer to carry out the reforming reaction in the reformer. When a water pump is used to supply water to the reformer, the noise of the operation of the water pump lowers the reliability of the fuel cell system.

한편, 연료전지의 연료공급원으로서 압축연료를 사용하는 방안이 연구되고 있다. 압축연료를 사용하는 경우에 연료펌프가 불필요해지므로 소음을 감소시킬 수 있었다. 또한, 압축연료를 사용해서 물탱크의 물을 개질기에 공급하여 물펌프를 생략시킬 수 있는 구조도 연구되었다. 결과적으로 압축연료를 연료전지의 연료공급원으로 사용하면, 연료펌프와 물펌프가 불필요해지므로 소음을 감소시켜 연료전지의 신뢰성을 향상시켰다.Meanwhile, a method of using compressed fuel as a fuel supply source of a fuel cell has been studied. When compressed fuel is used, the noise of the fuel pump is eliminated. In addition, a structure in which compressed water is used to supply water from the water tank to the reformer to omit the water pump has also been studied. As a result, when the compressed fuel is used as a fuel supply source of the fuel cell, the fuel pump and the water pump are unnecessary, thereby reducing noise and improving the reliability of the fuel cell.

예를 들어, 일본 특허공개번호 제2003-277012호 공보를 참조하면, 공급배관 을 통해서 공급되는 도시가스가 물원료저장용기를 경유해서 개질기에 공급되는 원료공급장치(도 3 참조)가 제시되어 있다. 즉, 도시가스의 압력에 의해서 물원료저장용기의 물이 개질기에 공급되면서 도시가스는 물원료저장용기의 측면에 형성된 우회경로를 통해서 개질기에 공급되었다.For example, referring to Japanese Patent Laid-Open No. 2003-277012, a raw material supply device (see Fig. 3) in which city gas supplied through a supply pipe is supplied to a reformer via a water raw material storage container is shown. . That is, while the water of the water raw material storage container is supplied to the reformer by the pressure of the city gas, the city gas is supplied to the reformer through a bypass path formed on the side of the water raw material storage container.

압축연료가 고압의 도시가스인 경우에, 개질기와 물원료저장용기에 동일 압력을 지속적으로 인가되므로 연료전지의 발전효율을 향상시킬 수 있었다. 그러나, 압축연료가 소정 크기의 용기에 저장되어 있는 경우에는 압축연료가 물탱크에 공급되므로 개질기에 공급되는 압축연료의 공급상태가 불량해질 수 있으며, 이는 연료전지의 신뢰성을 저하시키는 문제점이 야기되었다.When the compressed fuel is a high-pressure city gas, the same pressure is continuously applied to the reformer and the water raw material storage container, thereby improving the power generation efficiency of the fuel cell. However, when compressed fuel is stored in a container of a predetermined size, since compressed fuel is supplied to a water tank, the supply state of the compressed fuel supplied to the reformer may be poor, which causes a problem of lowering the reliability of the fuel cell. .

본 발명은 상기된 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 소정 크기의 저장용기에 저장되어 있는 압축연료를 연료공급원으로 사용하는 경우에 이러한 압축연료에 의해서 물탱크에 저장되어 있는 물을 개질기에 원활하게 공급하면서 개질기에 압축연료가 원활하게 공급될 수 있는 유체공급장치를 구비한 연료전지 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.The present invention has been proposed to solve the conventional problems as described above, when using a compressed fuel stored in a storage container of a predetermined size as a fuel supply source of water stored in the water tank by such compressed fuel It is an object of the present invention to provide a fuel cell system having a fluid supply device capable of smoothly supplying compressed fuel to a reformer while smoothly supplying the reformer.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면, 연료전지 시스템은 개질가스의 수소와 산소의 전기화학반응에 의해서 전기를 생성하는 전기 발생부와; 상기 전기 발생부에 상기 개질가스를 공급하는 개질기와; 상기 개질기에 수소함유 압축연료를 공급하는 있는 연료공급용기와; 상기 전기 발생부에 산소함유기체를 공급하는 공기 공급부와; 상기 개질기에 물을 공급하는 물탱크와; 상기 연료공급용기와 상기 물탱크 사이에서 상기 연료공급용기로부터 유입되는 압축연료의 증기압을 상기 물탱크에 인가하도록 유체소통이 가능하게 제공된 보조용기로 이루어진 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, according to the present invention, the fuel cell system includes an electricity generating unit for generating electricity by the electrochemical reaction of hydrogen and oxygen of the reformed gas; A reformer for supplying the reformed gas to the electricity generating unit; A fuel supply container for supplying hydrogen-containing compressed fuel to the reformer; An air supply unit supplying an oxygen-containing gas to the electricity generation unit; A water tank for supplying water to the reformer; It characterized in that the auxiliary container provided between the fuel supply container and the water tank provided with fluid communication to apply the vapor pressure of the compressed fuel flowing from the fuel supply container to the water tank.

상기 연료공급용기는 상기 보조용기와 개질기에 분기관을 통해서 연결되고, 상기 분기관의 분기부에는 삼상밸브가 제공된다. 상기 삼상밸브의 개폐상태에 따라서 연료공급용기로부터 압축연료는 보조용기 또는 개질기에 선택적으로 공급된다. The fuel supply container is connected to the auxiliary container and the reformer through a branch pipe, and a branch of the branch pipe is provided with a three-phase valve. Compressed fuel is selectively supplied from the fuel supply container to the auxiliary container or reformer according to the open / closed state of the three-phase valve.

상기 연료공급용기로부터 기상의 압축연료가 개질기에 공급될 수 있도록 상기 연료공급용기를 가열하기 위한 가열부재 또는 압축연료를 기화시키기 위한 기화기를 더 포함한다. And a heating member for heating the fuel supply container or a vaporizer for vaporizing the compressed fuel so that gaseous compressed fuel can be supplied to the reformer from the fuel supply container.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 개략도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 개략도이다.1 is a schematic diagram of a fuel cell system according to the present invention, and FIG. 2 is a schematic diagram of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 연료전지 시스템은 수소와 산화제의 전기화학반응을 통해서 전기를 생성하는 전기 발생부(120)와, 전기 발생부(120)에 수소를 주성분으로 하는 개질가스를 공급하는 개질기(140)와, 전기 발생부(120)에 산소함유기체를 공 급하는 공기 공급부(130)와, 개질기(140)에 공급하고자 하는 수소함유연료, 즉 수소를 주성분으로 하는 압축연료가 저장되어 있는 연료 공급부(110)를 갖는다.Referring to FIG. 1, a fuel cell system includes an electricity generator 120 that generates electricity through an electrochemical reaction between hydrogen and an oxidant, and a reformer that supplies reformed gas having hydrogen as a main component to the electricity generator 120. 140, the air supply unit 130 for supplying the oxygen-containing gas to the electricity generating unit 120, and the hydrogen-containing fuel to be supplied to the reformer 140, that is, the fuel containing the compressed fuel mainly composed of hydrogen It has a supply unit 110.

연료 공급부(110)에 저장되어 있는 수소함유연료의 일부는 개질연료로서 개질기(140)에 유입되고, 수소함유연료의 다른 일부는 연소연료로서 개질기(140)의 열원, 예를 들어 연소부에 유입된다. 상기 연소연료가 상기 연소부에서 연소될 수 있도록 공기 공급부(130)로부터 산소함유기체는 상기 연소부에 공급될 수 있다.Some of the hydrogen-containing fuel stored in the fuel supply unit 110 flows into the reformer 140 as reformed fuel, and another portion of the hydrogen-containing fuel flows into the heat source of the reformer 140 as combustion fuel, for example, a combustion unit. do. The oxygen-containing gas may be supplied to the combustion unit from the air supply unit 130 so that the combustion fuel may be combusted in the combustion unit.

개질기(140)는 연료 공급부(110)로부터 공급되는 개질연료로부터 수소성분이 주성분인 개질가스를 생성하는 개질 반응부(미도시)와, 상기 개질 반응부에 유체소통이 가능하게 연결되어 개질가스에 함유되어 있는 일산화탄소를 제거하는 CO 제거부(미도시)를 포함한다.The reformer 140 may include a reforming reaction unit (not shown) for generating a reformed gas having a hydrogen component as a main component from the reformed fuel supplied from the fuel supply unit 110, and the reforming reaction unit may be in fluid communication with the reforming gas. CO removal unit (not shown) for removing the carbon monoxide contained.

상기 개질 반응부에는 개질촉매(미도시)가 제공된다. 상기 개질 반응부는 이에 한정되지는 않지만, 수증기 개질방식(SR: steam reforming), 자열개질방식(ATR: autothermal reforming) 및 부분산화방식(POX: partial oxidation)을 이용하여 개질연료를 개질시킨다. 부분산화방식과 자열개질방식은 초기시동 및 부하변동에 따른 응답특성이 우수한 반면에 수증기 개질방식은 수소생산효율 측면에서 우수하다는 장점이 있다.The reforming reaction unit is provided with a reforming catalyst (not shown). The reforming reaction unit reforms the reformed fuel using, but not limited to, steam reforming (SR), autothermal reforming (ATR), and partial oxidation (POX). The partial oxidation method and the autothermal reforming method have excellent response characteristics due to initial start-up and load variation, while the steam reforming method has an advantage in terms of hydrogen production efficiency.

수증기 개질방식은 상기 개질촉매 상에서 개질연료와 수증기의 화학반응, 즉 흡열반응에 의해서 수소를 주성분으로 하는 개질가스를 얻는다. 이러한 수증기 개질방식에 있어서, 상기 흡열반응을 수행하기 위하여 외부로부터 많은 양의 에너지를 필요로 하지만, 개질가스 공급이 안정적이여서 상대적으로 고농도의 수소를 얻 을 수 있으므로 가장 보편적으로 사용된다. In the steam reforming method, a reformed gas containing hydrogen as a main component is obtained by chemical reaction of reformed fuel and steam on the reforming catalyst, that is, endothermic reaction. In such steam reforming, a large amount of energy is required from the outside to perform the endothermic reaction, but since the reformed gas supply is stable, a relatively high concentration of hydrogen can be obtained.

따라서, 개질기(140)에 있어서, 상기 개질 반응부가 예를 들어 수증기 개질방식을 채용하고 있는 경우에, 연료 공급부(110)로부터 공급되는 수소함유연료의 일부, 즉 개질연료를 개질시키기 위해서는 물이 요구된다. 개질기(140)는 물탱크(150)에 유체소통이 가능하게 연결되어 물탱크(150)로부터 물이 유입된다.Therefore, in the reformer 140, when the reforming reaction unit employs, for example, steam reforming, water is required to reform a part of the hydrogen-containing fuel supplied from the fuel supply unit 110, that is, the reformed fuel. do. The reformer 140 is fluidly connected to the water tank 150 so that water is introduced from the water tank 150.

물탱크(150)는 연료공급용기(110)에 유체소통이 가능하게 연결된다. 따라서, 연료공급용기(110)로부터 공급되는 압축연료의 증기압에 의해서 물탱크(150)에 저장되어 있는 물은 개질기(140)에 공급된다. 바람직하게, 물탱크(150)의 전단에는 압축연료를 저장하기 위한 보조용기(160)가 제공된다. 더 바람직하게 보조용기(160)에는 액체상태의 압축연료가 연료공급용기(110)로부터 공급되도록 한다. 이는 보조용기(160)에 저장되어 있는 액상의 압축연료가 기화함으로써 상대적으로 큰 증기압이 물탱크(150)에 인가되도록 하기 위함이다.The water tank 150 is connected to the fuel supply container 110 to enable fluid communication. Therefore, the water stored in the water tank 150 is supplied to the reformer 140 by the vapor pressure of the compressed fuel supplied from the fuel supply container 110. Preferably, the front end of the water tank 150 is provided with an auxiliary container 160 for storing the compressed fuel. More preferably, the auxiliary container 160 is supplied with the compressed fuel in a liquid state from the fuel supply container 110. This is to allow a relatively large vapor pressure to be applied to the water tank 150 by vaporizing the liquid compressed fuel stored in the auxiliary container 160.

액상의 압축연료가 보조용기(160)에 공급될 수 있도록 연료공급용기(110)는 역전된 상태로 유지된다. 즉, 연료공급용기(110)에 액상의 압축연료, 예를 들어 부탁연료가 충전되면, 액상의 부탄연료의 일부는 기화되어 기상의 압축연료로 유지된다. 기상의 압축연료가 증가함에 따라서 연료공급용기(110)의 내부압은 증가하며, 이러한 내부압이 소정 압력에 도달하면 더 액상의 부탄연료는 더 이상 기화되지 않는 포화 증기압 상태가 유지된다.The fuel supply container 110 is maintained in an inverted state so that compressed liquid fuel can be supplied to the auxiliary container 160. That is, when the fuel supply container 110 is filled with a liquid compressed fuel, for example, a request fuel, part of the liquid butane fuel is vaporized to be maintained as a compressed gas in the gas phase. As the compressed gas in the gas phase increases, the internal pressure of the fuel supply container 110 increases, and when this internal pressure reaches a predetermined pressure, a saturated vapor pressure state in which the liquid butane fuel is no longer vaporized is maintained.

이러한 포화 증기압 상태에서, 중력의 작용에 의해서 액상의 압축연료는 하부에 위치하는 반면에 기상의 압축연료는 상부에 위치하게 된다. 연료공급용기 (110)에 저장되어 있는 압축연료가 배출되는 노즐이 상부에 위치하고 있으면 상기 노즐을 통해서 기상의 압축연료가 상대적으로 용이하게 배출되고 이러한 상태를 설명의 편의상 정상상태라 한다. 그러나, 연료공급용기(110)의 노즐이 하부에 위치하고 있으면, 상기 노즐을 통해서 액상의 압축연료가 상대적으로 용이하게 배출되며 이러한 상태를 역전상태라 한다.Under this saturated vapor pressure, the action of gravity causes the liquid compressed fuel to be located at the bottom while the compressed fuel in the gas phase is located at the top. When the nozzle for discharging the compressed fuel stored in the fuel supply container 110 is located at the upper portion, the compressed fuel in the gas phase is discharged relatively easily through the nozzle, and this state is referred to as a normal state for convenience of description. However, if the nozzle of the fuel supply container 110 is located at the bottom, the compressed liquid of the liquid is relatively easily discharged through the nozzle and this state is called an inverted state.

연료공급용기(110)가 역전상태로 유지되어 있으면, 연료공급용기(110)의 노즐을 통해서 배출되는 액상의 압축연료는 보조용기(160)에 유입된다. 보조용기(160)의 내부에서, 액상의 압축연료는 기화되어 압축연료의 증기압(P)이 상승하게 된다. 이러한 증기압(P)이 물탱크(150)에 인가되어 물탱크(150)로부터 물이 개질기(140)로 공급된다.When the fuel supply container 110 is maintained in an inverted state, the compressed liquid fuel discharged through the nozzle of the fuel supply container 110 flows into the auxiliary container 160. Inside the auxiliary container 160, the compressed liquid fuel is vaporized to increase the vapor pressure P of the compressed fuel. This steam pressure (P) is applied to the water tank 150, water is supplied from the water tank 150 to the reformer 140.

연료공급용기(110)는 보조용기(160)와 개질기(140)에 분기관을 통해서 유체소통이 가능하게 연결되는 것이 바람직하다. 상기 분기관의 분기부에는 삼상밸브(114)가 제공된다. 이때, 삼상밸브(114)의 개폐상태를 제어함으로써 연료공급용기(110)로부터 압축연료는 보조용기(160) 또는 개질기(140)에 선택적으로 공급된다. 예를 들어, 삼상밸브(114)의 제1개폐상태, 즉 개질기(140) 측의 개구가 폐쇄되는 반면에 보조용기(160)의 개구가 개방된 상태에서 연료공급용기(110)로부터 압축연료는 보조용기(160)에 공급된다. 이와는 반대로 삼상밸브(114)의 제2개폐상태, 즉 개질기(140) 측의 개구가 개방되는 반면에 보조용기(160)의 개구가 폐쇄된 상태에서 연료공급용기(110)로부터 압축연료는 개질기(140)에 공급된다.The fuel supply container 110 is preferably connected to the auxiliary container 160 and the reformer 140 to enable fluid communication through branch pipes. The branch of the branch pipe is provided with a three-phase valve 114. At this time, the compressed fuel is selectively supplied from the fuel supply container 110 to the auxiliary container 160 or the reformer 140 by controlling the open / close state of the three-phase valve 114. For example, the compressed fuel is discharged from the fuel supply container 110 in the first open state of the three-phase valve 114, that is, the opening of the reformer 140 is closed while the opening of the auxiliary container 160 is opened. The auxiliary container 160 is supplied. On the contrary, the compressed fuel is discharged from the fuel supply container 110 while the second opening / closing state of the three-phase valve 114, that is, the opening of the reformer 140 is opened while the opening of the auxiliary container 160 is closed. 140).

삼상밸브(114)의 개폐상태를 제어하기 위한 제어기(미도시)가 제공된다.A controller (not shown) for controlling the open / close state of the three-phase valve 114 is provided.

상술된 삼상밸브(114)의 제2개폐상태에서 액상의 압축연료가 개질기(140)에 공급되면, 개질기(140)의 개질효율이 저하된다. 따라서, 상기 분기관의 분기부와 개질기(140) 사이에는 액상의 압축연료를 기화시키기 위한 기화기(170)가 제공되거나 연료공급용기(110)를 가열하기 위하여 연료공급부재(110)의 주위에 가열부재(112)가 제공될 수 있다. When the compressed liquid fuel is supplied to the reformer 140 in the second open / closed state of the three-phase valve 114 described above, the reforming efficiency of the reformer 140 is lowered. Therefore, a vaporizer 170 for vaporizing liquid compressed fuel is provided between the branch of the branch pipe and the reformer 140 or heated around the fuel supply member 110 to heat the fuel supply container 110. Member 112 may be provided.

삼상밸브(114)의 제1개폐상태에서, 소정량의 액상의 압축연료가 보조용기(160)에 공급되면, 삼상밸브(114)는 제2개폐상태로 전환된다. 이 후에, 보조용기(160)에서 액상의 압축연료가 기화됨으로써 생성되는 압축연료의 증기압(P)이 물탱크(150)에 인가되어 물탱크(150)의 물이 개질기(140)에 공급되고 또한 연료공급용기(110)의 압축연료는 개질기(140)에 공급된다.In the first open / closed state of the three-phase valve 114, when a predetermined amount of liquid compressed fuel is supplied to the auxiliary container 160, the three-phase valve 114 is switched to the second open / closed state. Thereafter, the vapor pressure P of the compressed fuel generated by vaporizing the liquid compressed fuel in the auxiliary container 160 is applied to the water tank 150 so that the water in the water tank 150 is supplied to the reformer 140. Compressed fuel of the fuel supply container 110 is supplied to the reformer 140.

개질기(140)에 있어서, 상술된 바와 같이, 압축연료는 물탱크(150)로부터 공급되는 물과 함께 개질촉매에서의 수증기 개질반응을 통해 개질처리되며 그 결과 수소를 주성분으로 하는 개질가스가 생성된다. In the reformer 140, as described above, the compressed fuel is reformed through steam reforming reaction in the reforming catalyst together with the water supplied from the water tank 150, resulting in reformed gas mainly composed of hydrogen. .

상술된 개질가스에는 수소 및 수증기와 함께 미량의 이산화탄소, 메탄가스 및 일산화탄소도 생성된다. 일산화탄소는 특히 전기 발생부(120)의 전극으로서 일반적으로 사용되는 백금촉매를 피독시켜 연료전지 시스템의 성능을 저하시키므로 이를 제거할 필요가 있다.The above reformed gas also produces trace amounts of carbon dioxide, methane gas and carbon monoxide in addition to hydrogen and water vapor. Carbon monoxide, in particular, poisons the platinum catalyst generally used as an electrode of the electricity generating unit 120, and thus, it is necessary to remove the performance of the fuel cell system.

상기 CO 제거부는 일산화탄소를 제거하기 위하여 수성가스 전환 촉매반응과 선택적 산화 촉매반응이 각각 수행되는 수성가스 전환부(미도시)와 선택적 산화부(미도시)를 포함한다. 상기 수성가스 전환부에는 시프트 촉매(미도시)가 제공되고, 선택적 산화부(미도시)에는 산화촉매(미도시)가 제공된다. 그리고, 상기 선택적 산화부에는 선택적 산화 반응에 필요한 산소함유공기가 공기 공급부(130)에 의해 공급한다.The CO removal unit includes a water gas conversion unit (not shown) and a selective oxidation unit (not shown) in which a water gas conversion catalytic reaction and a selective oxidation catalytic reaction are respectively performed to remove carbon monoxide. The water gas conversion unit is provided with a shift catalyst (not shown), and the selective oxidation unit (not shown) is provided with an oxidation catalyst (not shown). The oxygen-containing air necessary for the selective oxidation reaction is supplied to the selective oxidation unit by the air supply unit 130.

이러한 개질가스는 전기 발생부(120)에 공급된다.This reformed gas is supplied to the electricity generating unit 120.

전기 발생부(120)는 선택적 이온 투과성을 갖는 전도성 고분자막(122)과, 전도성 고분자막(122)의 양면에 각각 제공된 애노드 전극(124) 및 캐소드 전극(126)으로 이루어진 전극막 조립체(120a; MEA)를 구비한 단위전지를 갖는다. 상기 단위전지는 또한 애노드 전극(124) 및 캐소드 전극(126)에 개질기(140)로부터 유입되는 개질가스 및 공기 공급부(130)로부터 유입되는 산소를 공급할 수 있도록 대면하는 상태로 제공된 분리판(128)을 포함한다. 분리판(128)은 수소함유연료 또는 산소가 유동할 수 있는 유동채널(128a)와 냉각수와 같은 냉매가 유동할 있는 냉매유동채널(128b)이 제공된다. The electricity generating unit 120 includes an electrode film assembly 120a (MEA) including a conductive polymer film 122 having selective ion permeability and an anode electrode 124 and a cathode electrode 126 provided on both surfaces of the conductive polymer film 122, respectively. It has a unit cell having a. The unit cell also provides a separator plate 128 provided to face the anode electrode 124 and the cathode electrode 126 so as to supply the reformed gas flowing from the reformer 140 and the oxygen flowing from the air supply 130. It includes. The separator plate 128 is provided with a flow channel 128a through which hydrogen-containing fuel or oxygen can flow, and a refrigerant flow channel 128b through which a coolant such as coolant flows.

전기 발생부(120)에 있어서, 상기 개질가스의 수소와 산소의 전기화학반응에 의해서 전기가 생성된다. 이러한 전기화학반응에 의해서 수증기와 같은 부산물이 생성된다. 상기 수증기는 전기 발생부(120)와 물탱크(150)를 유체소통이 가능하게 연결하는 유입도관을 통해서 물탱크(150)에 유입된다. 상기 유입도관에는 물탱크(150)에 저장되어 있는 물이 전기 발생부(120) 측으로 배출되는 것을 방지하기 위한 체크밸브(152)가 제공된다.In the electricity generating unit 120, electricity is generated by the electrochemical reaction of hydrogen and oxygen of the reformed gas. This electrochemical reaction produces by-products such as water vapor. The water vapor flows into the water tank 150 through an inlet conduit for fluid communication between the electricity generating unit 120 and the water tank 150. The inlet conduit is provided with a check valve 152 for preventing the water stored in the water tank 150 is discharged to the electricity generating unit 120 side.

이하, 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 작동을 설명한다.Hereinafter, the operation of the fuel cell system according to the present invention will be described.

연료전지 시스템이 작동개시하면, 삼상밸브(114)는 제1개폐상태로 유지되어 연료공급용기(110)로부터 액상의 압축연료가 보조용기(160)에 공급된다. 보조용기(160)에 소정량의 압축연료가 저장되면, 삼상밸브(114)는 제1개폐상태에서 제2개폐상태로 전환되어 연료공급용기(110)로부터 압축연료가 개질기(140)에 공급되도록 한다. 삼상밸브(114)가 제2개폐상태로 전환되면 가열부재(112) 또는 기화기(170)가 작동하여 연료공급용기(110)로부터 개질기(140)에 기상의 압축연료가 공급되도록 한다.When the fuel cell system starts to operate, the three-phase valve 114 is maintained in a first open / closed state so that compressed liquid fuel is supplied from the fuel supply container 110 to the auxiliary container 160. When a predetermined amount of compressed fuel is stored in the auxiliary container 160, the three-phase valve 114 is switched from the first open / closed state to the second open / closed state such that the compressed fuel is supplied from the fuel supply container 110 to the reformer 140. do. When the three-phase valve 114 is switched to the second open / closed state, the heating member 112 or the vaporizer 170 is operated to supply the compressed gas of the gaseous phase from the fuel supply container 110 to the reformer 140.

보조용기(160)에서 액상의 압축연료가 기화함으로써 생성되는 증기압(P)이 물탱크(150)에 인가되어 물탱크(150)에 저장되어 있는 물이 개질기(140)에 공급된다.The vapor pressure P generated by vaporizing the liquid compressed fuel in the auxiliary container 160 is applied to the water tank 150, and the water stored in the water tank 150 is supplied to the reformer 140.

개질기(140)에 있어서, 연료공급용기(110)로부터 유입되는 기상의 압축연료가 물탱크(150)로부터 유입되는 물과 함께 개질반응함으로써 수소를 주성분으로 하는 개질가스가 생성된다. 개질기(140)의 CO 제거부에서 일산화탄소가 제거된 개질가스는 전기 발생부(120)에 공급된다.In the reformer 140, a reformed gas containing hydrogen as a main component is produced by reforming the gaseous compressed fuel flowing from the fuel supply container 110 together with the water flowing from the water tank 150. The reformed gas from which carbon monoxide is removed from the CO remover 140 of the reformer 140 is supplied to the electricity generator 120.

전기 발생부(120)에 있어서, 개질기(140)로부터 공급되는 개질가스의 수소와 공기 공급부(130)로부터 공급되는 산소는 전기화학반응을 수행하며 그 결과 전기가 생성된다. 상술된 전기화학반응 결과 생성되는 수증기는 유입도관을 통해서 물탱크(150)로 유입되어 응축됨으로써 재활용된다.In the electricity generating unit 120, hydrogen of the reformed gas supplied from the reformer 140 and oxygen supplied from the air supply unit 130 perform an electrochemical reaction, and as a result, electricity is generated. Water vapor generated as a result of the above-described electrochemical reaction is recycled by being introduced into the water tank 150 through the inlet conduit and condensed.

상기 내용은 본 발명의 바람직한 실시예를 단지 예시한 것으로 본 발명이 속 하는 기술분야의 당업자는 첨부된 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 요지로부터 벗어나지 않고 본 발명에 대한 수정 및 변경을 가할 수 있다는 것을 인식하여야 한다.The foregoing is merely illustrative of preferred embodiments of the present invention and those skilled in the art to which the present invention pertains may make modifications and changes to the present invention without departing from the spirit and gist of the invention as set forth in the appended claims. It should be recognized.

본 발명에 따르면, 소정 크기의 용기에 저장된 압축연료의 공급량이 물탱크와 개질기에 상이하게 유지함으로써 개질기에서의 개질효율을 저하시키지 않고 물탱크로부터 개질기에 물을 안정적으로 공급하여 연료전지의 발전효율을 향상시킬 수 있다.According to the present invention, the supply amount of compressed fuel stored in a container of a predetermined size is kept different from the water tank and the reformer, thereby stably supplying water from the water tank to the reformer without lowering the reforming efficiency in the reformer, thereby improving the fuel cell power generation efficiency. Can improve.

Claims (8)

개질가스의 수소와 산소의 전기화학반응에 의해서 전기를 생성하는 전기 발생부와;An electricity generator which generates electricity by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen of the reformed gas; 상기 전기 발생부에 상기 개질가스를 공급하는 개질기와;A reformer for supplying the reformed gas to the electricity generating unit; 상기 개질기에 수소함유 압축연료를 공급하는 연료공급용기와;A fuel supply container for supplying hydrogen-containing compressed fuel to the reformer; 상기 전기 발생부에 산소함유기체를 공급하는 공기 공급부와;An air supply unit supplying an oxygen-containing gas to the electricity generation unit; 상기 개질기에 물을 공급하는 물탱크와;A water tank for supplying water to the reformer; 상기 연료공급용기와 상기 물탱크 사이에서 상기 연료공급용기로부터 유입되는 압축연료의 증기압을 상기 물탱크에 인가하도록 유체소통이 가능하게 제공된 보조용기로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.And an auxiliary container provided to enable fluid communication between the fuel supply container and the water tank so as to apply the vapor pressure of the compressed fuel flowing from the fuel supply container to the water tank. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 연료공급용기를 상기 보조용기와 개질기에 연결하기 위한 분기관을 더 포함하고, 상기 분기관의 분기부에는 삼상밸브-상기 삼상밸브의 개폐상태에 따라서 상기 연료공급용기로부터 압축연료는 상기 보조용기 또는 개질기에 공급됨-가 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.And a branch pipe for connecting the fuel supply container to the auxiliary container and the reformer, wherein the branched portion of the branch pipe includes a three-phase valve-compressed fuel from the fuel supply container according to the open / closed state of the three-phase valve. Or supplied to the reformer. 제2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 연료공급용기를 가열하기 위한 가열부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.And a heating member for heating the fuel supply container. 제2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 분기관의 분기부와 상기 개질기 사이에서 상기 압축연료를 기화시키기 위해 제공된 기화기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.And a vaporizer provided to vaporize the compressed fuel between the branch of the branch pipe and the reformer. 제2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 연료공급용기로부터 상기 보조용기에는 액상의 압축연료가 공급되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.The fuel cell system, characterized in that the compressed fuel of the liquid supply to the auxiliary container from the fuel supply container. 제5항에 있어서,The method of claim 5, 상기 연료공급용기는 압축연료가 배출되는 노즐이 하부에 위치하는 역전상태로 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.The fuel supply container is characterized in that the fuel cell system is provided in an inverted state in which the nozzle for discharging the compressed fuel is located below. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 전기 발생부에서의 전기화학반응에 의해서 생성되는 수증기를 상기 물탱크에 유입시키기 위한 유입도관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.The fuel cell system further comprises an inlet conduit for introducing water vapor generated by the electrochemical reaction in the electricity generating unit into the water tank. 제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 유입도관에는 상기 물탱크로부터 상기 전기 발생부로 물이 유입되는 것을 차단하기 위한 체크밸브가 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.The inlet conduit is provided with a check valve for blocking the inflow of water from the water tank to the electricity generating unit.
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