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KR100786480B1 - 모듈형 연료전지 시스템 - Google Patents

모듈형 연료전지 시스템 Download PDF

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Publication number
KR100786480B1
KR100786480B1 KR1020060120140A KR20060120140A KR100786480B1 KR 100786480 B1 KR100786480 B1 KR 100786480B1 KR 1020060120140 A KR1020060120140 A KR 1020060120140A KR 20060120140 A KR20060120140 A KR 20060120140A KR 100786480 B1 KR100786480 B1 KR 100786480B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
fuel
module
housing
power generation
oxidant
Prior art date
Application number
KR1020060120140A
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English (en)
Inventor
박정건
김동현
조은숙
Original Assignee
삼성에스디아이 주식회사
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Publication date
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Priority to US11/946,491 priority patent/US7846609B2/en
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Abstract

본 발명은 모듈형 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 수소함유연료와 산화제의 산화환원반응을 통해서 전기를 생산하는 발전부가 내장되어 있고 복수개의 접속구멍이 측면에 형성되어 있는 발전 하우징을 갖는 발전모듈과; 상기 발전부에 수소함유연료를 공급하는 연료공급부가 내장되어 있고 복수개의 접속구멍이 측면에 형성되어 있는 연료공급 하우징을 갖는 연료공급모듈과; 상기 발전부에 산화제를 공급하는 산화제 공급부가 내장되어 있고 접속구멍이 측면에 형성되어 있는 산화제 공급하우징을 갖는 산화제 공급모듈과; 상기 발전부에서 발생되는 미반응연료를 회수하는 저장공간이 형성되어 있고 복수개의 접속구멍이 측면에 형성되어 있는 회수 하우징을 갖는 회수모듈을 갖고, 상기 회수모듈의 일측면에는 상기 발전모듈이 면접촉상태로 밀착하여 조립되고, 타측면에는 상기 연료공급모듈과 산화제 공급모듈이 면접촉상태로 밀착하여 조립되어 있는 것을 특징으로 하므로, 연료전지 시스템의 구성부품들을 수용하는 구성모듈들을 미리 제작하여 조립공정을 통해서 모듈형 연료전지 시스템의 완성품을 간단히 제작할 수 있고 또한 시스템 내의 무용공간을 최소화시킬 수 있다.
연료유동배관, 산화제 유동배관, 증기유동배관

Description

모듈형 연료전지 시스템{MODULE TYPE FUEL CELL SYSTEM}
도 1은 본 발명에 따른 모듈형 연료전지 시스템의 배치도;
도 2는 본 발명에 따른 모듈형 연료전지 시스템의 외형도;
도 3은 본 발명에 따른 모듈형 연료전지 시스템의 연료공급모듈의 내부 구성도;
도 4는 모듈의 하우징에 형성된 접속구멍에 돌기와 홈이 제공되어 있는 것을 도시한 도면.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
100 : 모듈형 연료전지 시스템
110 : 원료저장모듈
120 : 연료공급모듈
124 : 혼합탱크
130 : 산화제 공급모듈
140 : 열교환모듈
144, 154 : 기액분리막
150 : 회수모듈
152-1 : 연료유동배관
152-2 : 산화제 유동배관
152-3 : 증기유동배관
160 : 발전모듈
172 : 돌기
174 : 홈
A, B : 모듈
본 발명은 수소와 산소의 전기화학반응을 통해서 전기를 생산하는 연료전지 시스템에 관한 것이고, 더 상세하게 연료전지 시스템의 구성부품들이 내장되어 있는 하우징구조의 모듈들을 미리 제작하고 이러한 모듈들을 간단히 조립하여서 완성품을 제작할 수 있는 모듈형 연료전지 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 연료전지 시스템은 수소와 산화제의 전기화학적 반응을 통해서 전기를 생산하는 발전 시스템이다. 이러한 연료전지 시스템은 전기를 생산하는 전기 발전부와, 상기 전기 발전부에 수소함유연료를 공급하기 위한 연료공급부와, 상기 전기 발전부에 산화제를 공급하는 산화제 공급부와 같은 구성부품들을 포함한다. 상기 연료공급부와 산화제 공급부에는 펌프가 각각 제공된다. 상술된 구성부 품들은 연결배관 등을 통해서 유체소통이 가능하게 연결된다.
또한, 연료전지 시스템은 전기 발전부에서 배출되는 미반응연료와 증기상태의 물을 회수한 후에 재사용하기 위한 미반응연료 회수부와 열교환부와 같은 구성부품들을 가질 수 있다.
상술된 구성부품들을 연결배관으로 연결하는 경우에, 연결배관의 배치위치에는 구성부품들이 설치될 수 없게 되며, 이는 연료전지 시스템 내에 무용공간(dead space)을 증가시키는 결과를 초래하게 된다.
또한, 연료전지 시스템을 제작하는 과정에서 인접하는 연결배관들이 서로 간섭하지 않은 상태에서 상술된 구성부품들의 각각을 대응하는 연결배관으로 연결하여야 하므로 제작효율이 저하되는 문제점을 안고 있다.
본 발명은 상술된 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여, 제안된 것으로, 연료전지 시스템을 구성하는 구성부품이 각각 내장되어 있는 복수개의 구성모듈들을 미리 제작하고 이러한 구성모듈들을 간단하게 조립함으로써 무용공간을 최소화시키면서 완성품을 간단히 제작할 수 있는 모듈형 연료전지 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 구성부품들을 연결배관으로 연결하는 대신에 조립공정을 통해서 유체소통이 가능하게 연결할 수 있는 모듈형 연료전지 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면 모듈형 연료전지 시스템은 수소함유연료와 산화제의 산화환원반응을 통해서 전기를 생산하는 발전부가 내장되어 있고 상기 발전부에 유체소통이 가능하게 연결되는 복수개의 접속구멍이 측면에 형성되어 있는 발전 하우징을 갖는 발전모듈과; 상기 발전부에 수소함유연료를 공급하는 연료공급부가 내장되어 있고 상기 연료공급부에 유체소통이 가능하게 연결되는 복수개의 접속구멍이 측면에 형성되어 있는 연료공급 하우징을 갖는 연료공급모듈과; 상기 발전부에 산화제를 공급하는 산화제 공급부가 내장되어 있고 상기 산화제 공급부에 유체소통이 가능하게 연결되는 접속구멍이 측면에 형성되어 있는 산화제 공급하우징을 갖는 산화제 공급모듈과; 상기 발전부에서 발생되는 미반응연료를 회수하는 저장공간이 형성되어 있고 상기 저장공간에 유체소통이 가능하게 연결되는 복수개의 접속구멍이 측면에 형성되어 있는 회수 하우징을 갖는 회수모듈을 갖고, 상기 회수모듈의 일측면에는 상기 발전모듈이 면접촉상태로 밀착하여 조립되고, 타측면에는 상기 연료공급모듈과 산화제 공급모듈이 면접촉상태로 밀착하여 조립되어 있는 것을 특징으로 한다.
상기 연료공급모듈과 회수모듈과 발전모듈을 조립함으로써 상기 수소함유연료가 상기 연료공급모듈에서 상기 발전모듈에 공급되는 연료공급유로가 형성된다.
상기 발전모듈의 일측면에는 미반응연료 배출구가 제공되고 상기 회수모듈의 일측면에는 상기 미반응연료 배출구에 대응하는 미반응연료 유입구가 제공된다.
상기 연료공급모듈에는 원료 유입구가 일측면에 제공되고 타측면에는 연료 배출구가 제공되어 있으며 상기 원료 유입구와 연료 배출구를 유체소통이 가능하게 연결하는 연료펌프가 내장된다.
상기 회수모듈에는 상기 산화제 공급모듈과 발전모듈을 산화제가 유동가능하게 연결하는 산화제 유동배관이 더 구비되고, 상기 산화제 공급모듈과 회수모듈과 발전모듈을 조립함으로써 상기 산화제가 상기 산화제 공급모듈에서 상기 발전모듈에 공급되는 산화제 공급유로가 형성된다.
상기 발전모듈에서 배출되는 수증기를 응축시키기 위한 열교환모듈을 더 포함하고, 상기 회수모듈에는 상기 발전모듈과 열교환모듈을 수증기가 유동가능하도록 연결하는 수증기 유동배관이 더 구비되고, 상기 발전모듈과 회수모듈과 열교환모듈을 조립함으로써 상기 수증기가 상기 발전모듈에서 상기 열교환모듈에 공급되는 수증기 공급유로가 형성된다.
상기 열교환모듈의 일측면에는 수증기의 응축에 의해서 형성되는 물이 배출되는 물배출구가 제공되고, 상기 회수모듈의 타측면에는 상기 물배출구에 대응하는 물유입구가 제공된다.
인접하는 모듈들중 하나의 모듈을 구성하는 하우징의 접속구멍 각각에는 돌기가 제공되어 있고, 다른 하나의 모듈을 구성하는 하우징의 접속구멍에는 상기 돌기가 결합하는 홈이 제공된다.
인접하는 모듈들 중 하나의 모듈을 구성하는 하우징에는 억지끼움돌기가 제공되어 있고, 다른 하나의 모듈을 구성하는 하우징에는 상기 억지끼움돌기에 대응 하는 끼움홈이 제공된다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명에 따른 모듈형 연료전지 시스템에 대해 설명한다. 본 명세서에 있어서, 용어 '모듈'은 특정 구성부품이 내장되어 있는 하우징 형상의 단위 구조체를 의미한다. 도면에서, 모듈은 설명의 편의상 직육면체의 구조로 도시되어 있고 또한 인접하는 모듈들은 면접촉상태로 조립되지만 이에 한정되지는 않는다.
도 2는 본 발명에 따른 모듈형 연료전지 시스템의 조립 외형도이고, 도 3은 본 발명에 따른 모듈형 연료전지 시스템의 분해 외형도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 모듈형 연료전지 시스템은 수소함유연료와 산화제의 산화환원반응을 통해서 전기를 생산하는 발전부(미도시)가 내장되어 있는 발전모듈(160)과, 발전모듈(160)에 내장된 상기 발전부에 수소함유연료를 공급하는 연료공급부가 내장되어 있는 연료공급모듈(120)과, 발전모듈(160)의 발전부에 산화제를 공급하는 산화제 공급부가 내장되어 있는 산화제 공급모듈(130)과, 발전모듈(160)에서 발생되는 미반응연료를 회수하는 회수부가 내장되어 있는 회수모듈(150)을 갖는다.
발전모듈(160)에 내장되어 있는 발전부는 선택적 이온투과성을 갖는 고분자막과, 상기 고분자막의 양면에 각각 제공된 애노드 전극 및 캐소드 전극으로 이루어진 전극막 조립체(MEA)를 구비한 통상적인 단위전지로 이루어진다. 상기 발전부에서 이루어지는 통상적인 수소와 산화제의 산화환원반응은 공지되어 있으므로 이 에 대한 설명은 생략한다.
발전모듈(160)은 상기 발전부를 내장하는 발전 하우징(162)을 갖고, 발전 하우징(162)에는 복수개의 접속구멍, 예를 들어 4개의 접속구멍이 형성된다. 이러한 접속구멍들은 발전 하우징(162)의 일측면에 형성될 수 있다. 상기 접속구멍들은 수소함유연료가 유입되는 연료 유입구(162a), 미반응연료가 배출되는 미반응연료 배출구(162b), 산화제가 유입되는 산화제 유입구(162c) 및 수증기가 배출되는 증기 배출구(162d)로 각각 작용할 수 있다. 상기 접속구멍들은 발전 하우징(162)에 내장되어 있는 상기 발전부에 유체소통이 가능하게 연결된 상태로 유지된다. 결과적으로, 연료 유입구(162a)를 통해서 유입되는 수소함유연료는 상기 애노드 전극에 직접 공급되고 또한 산화제 유입구(162c)를 통해서 유입되는 산화제는 상기 캐소드 전극에 직접 공급된다. 발전 하우징(162)은 대체적으로 사각형 구조로 이루어질 수 있다. 이는 하기에 설명하는 바와 같이 연료전지 시스템의 완성품을 제작하기 위한 조립공정을 용이하게 수행하기 위함이다.
모듈형 연료전지 시스템의 연료공급모듈(120)은 수소함유연료를 공급하기 위한 연료공급부가 내장되어 있는 연료공급 하우징(122)을 갖는다. 상기 연료공급부는 적어도 하나의 연료펌프로 구성될 수 있다. 연료공급 하우징(122)에는 복수개의 접속구멍, 예를 들어 3개의 접속구멍이 천공된다. 상기 접속구멍들은 수소함유연료를 발전모듈(160) 측으로 배출하는 연료 배출구(122a)와, 수소함유원료가 유입되는 원료 유입구(122b)와, 발전모듈(160)의 발전부로부터 배출되는 미반응연료가 유입되는 미반응연료 유입구(122c)로 작용한다. 연료공급 하우징(122)에 있어서, 원료 유입구(122b)는 일측면에 제공되고, 연료 배출구(122a)와 미반응연료 유입구(122c)가 타측면에 제공된다. 연료공급 하우징(122)의 연료 배출구(122a)와 미반응연료 유입구(122c)는 하기에 설명되는 바와 같이 회수모듈(150)을 통해서 발전 하우징(162)의 연료 유입구(162a)와 미반응연료 배출구(162b)에 유체소통이 가능하게 각각 연결된다.
회수모듈(150)은 연료공급모듈(120)과 발전모듈(160) 사이에 개재되고, 발전모듈(160)의 발전부로부터 회수되는 미반응연료가 저장되는 저장공간을 갖는 사각형 구조의 회수 하우징(152)을 갖는다. 회수 하우징(152)의 양측면에는 복수개의 접속구멍, 예를 들어 9개의 접속구멍이 천공된다. 회수 하우징(152)의 접속구멍들은 연료유동배관(152-1)을 통해서 유체소통이 가능하게 서로 연결되어 있는 연료 입구(152-1b) 및 연료 출구(152-1a)와, 산화제 유동배관(152-2)를 통해서 유체소통이 가능하게 서로 연결되어 있는 산화제 입구(152-2b) 및 산화제 출구(152-2a)와, 증기유동배관(152-3)을 통해서 유체소통이 가능하게 서로 연결되어 있는 증기입구(152-3a) 및 증기출구(152-3b)와, 상기 발전부로부터 배출되는 미반응연료가 상기 저장공간으로 유입되는 미반응연료 입구(152b)와, 상기 저장공간으로부터 미반응연료가 연료 공급부로 배출되는 미반응연료 출구(152a)와, 하기에 설명되는 열교환모듈(140)로부터 발생되는 물이 유입되는 물 유입구(152c)로 각각 작용한다.
회수 하우징(152)에 있어서, 연료 출구(152-1a)와, 미반응연료 입구(152b)와, 산화제 출구(152-2a)와, 증기입구(152-3a)는 일측면에 제공되는 반면에 연료 입구(152-1b)와, 미반응연료 출구(152a)와, 산화제 입구(152-2b)와, 증기입구(152- 3b)와, 물 유입구(152c)는 타측면에 제공된다. 연료유동배관(152-1)과, 산화제 유동배관(152-2)와, 증기유동배관(152-3)은 상기 저장공간에 위치하게 된다.
회수 하우징(152)의 일측면에 제공된 연료 출구(152-1a)와, 미반응연료 입구(152b)와, 산화제 출구(152-2a)와, 증기입구(152-3a)는 발전 하우징(162)의 연료 유입구(162a)와, 미반응연료 배출구(162b)와, 산화제 유입구(162c)와, 증기 배출구(162d)에 각각 대응한다. 또한, 회수 하우징(152)의 타측면에 제공된 연료 입구(152-1b)와, 미반응연료 출구(152a)와, 산화제 입구(152-2b)와, 증기입구(152-3b)와, 물 유입구(152c)는 연료공급 하우징(122)의 연료 배출구(122a) 및 미반응연료 유입구(122c)와, 하기에 설명되는 산화제 공급하우징(132)의 산화제 배출구(132a)와, 하기에 설명되는 열교환 하우징(142)의 증기 유입구(142b) 및 물 배출구(142a)에 각각 대응한다.
산화제 공급모듈(130)은 산화제를 공급하기 위한 산화제 공급부가 내장되어 있는 대체적인 사각형 구조의 산화제 공급하우징(132)을 갖는다. 상기 산화제 공급부는 적어도 하나의 에어펌프로 구성될 수 있다. 산화제 공급하우징(132)의 일측면에는 산화제 배출구(132a)로 작용하는 접속구멍이 형성된다. 산화제 공급하우징(132)은 이에 한정되지는 않지만 연료공급 하우징(122)에 동일평면, 예를 들어 베이스(도 1 참조) 상에 평행하게 배치될 수 있다.
도 1과 도 2에 도시된 바와 같이, 회수모듈(150)의 일측면에 발전모듈(120)의 발전하우징(162)이 면접촉상태로 제공되고 회수모듈(150)의 타측면에 연료공급모듈(120)의 연료공급 하우징(122)과 산화제 공급모듈(130)의 산화제 공급하우 징(132)이 면접촉상태로 제공되는 때, 인접하는 모듈들 사이에서 대응하는 접속구멍들이 서로 기밀상태로 접속된다.
따라서, 연료공급 하우징(122)의 연료 배출구(122a)는 회수 하우징(152)의 연료입구(152-1b)와, 연료유동배관(152-1)과, 연료출구(152-1b)를 통해서 발전 하우징(162)의 연료 유입구(162a)에 유체소통이 가능하게 연결되고, 미반응연료 유입구(122c)는 회수 하우징(152)의 미반응연료 입구(152b)와 미반응연료 출구(152a)를 통해서 발전 하우징(162)의 미반응연료 배출구(162b)에 유체소통이 가능하게 연결된다. 또한, 산화제 공급하우징(132)의 산화제 배출구(132a)는 회수 하우징(152)의 산화제 입구(152-2b)와, 산화제 유동배관(152-2)와, 산화제 출구(152-2a)를 통해서 발전 하우징(162)의 산화제 유입구(162c)에 유체소통이 가능하게 연결된다.
발전 하우징(162)에 있어서, 연료유입구(162a)와 산화제 유입구(162c)는 발전부의 애노드 전극과 캐소드 전극에 유체소통이 가능하게 연결되어 있으므로 수소함유연료와 산화제는 상기 연료공급부와 산화제 공급부로부터 연료유동배관(152-1)과 산화제 유동배관(152-2)을 통해서 상기 애노드 전극과 캐소드 전극으로 유입된다.
즉, 발전 하우징(162)에 천공된 다른 접속구멍은 산화제가 유입되는 산화제 유입구(162c)로 작용하고, 이러한 산화제 유입구(162c)는 상기 발전부의 캐소드 전극에 유체소통이 가능하게 연결된다. 산화제 유입구(162c)를 통해서 유입되는 산화제는 상기 캐소드 전극에 직접 공급된다.
한편, 발전모듈(160)의 발전부에 있어서, 상기 애노드 전극에 공급된 수소함 유연료의 일부는 산화환원반응에 참여하지 못하고 미반응연료로 배출될 수 있다. 발전 하우징(162)에는 미반응연료가 배출되는 미반응연료 배출구(162b)가 제공된다. 회수 하우징(152)에는 미반응연료 배출구(162b)에 대응하는 미반응연료 입구(152b)가 제공된다. 따라서, 상기 발전부의 애노드 전극으로부터 발전 하우징(162)의 미반응연료 배출구(162b)를 통해서 배출되는 미반응연료는 회수 하우징(152)의 미반응연료 입구(152b)를 통해서 유입되어 상기 저장공간에 저장된다.
회수 하우징(152)의 타측면에는 상기 저장공간에 저장되어 있는 미반응연료가 유출되는 미반응연료 출구(152a)가 제공되고 연료공급 하우징에는 미반응연료 출구(152a)에 대응하는 미반응연료 유입구(122c)가 제공된다.
도 3을 참조하면, 연료공급모듈(120)의 연료공급 하우징(122)에는 미반응연료와 수소함유원료를 혼합시키는 혼합탱크(124)가 제공된다. 연료공급 하우징(122)에 있어서, 혼합탱크(124)와 미반응연료 유입구(122c)를 유체소통이 가능하게 연결하는 미반응연료 유동경로(122c-1)가 제공된다. 따라서, 회수 하우징(152)의 미반응연료 출구(152a)를 통해서 유출되는 미반응연료는 연료공급 하우징(122)의 미반응연료 유입구(122c)를 통과해서 미반응연료 유동경로(122c-1)를 경유하여 혼합탱크(124)에 유입된다.
한편, 모듈형 연료전지 시스템은 수소함유원료가 저장되는 원료저장 하우징(112)을 포함하는 원료저장모듈(110)을 더 갖는다. 원료저장 하우징(112)은 대체적인 사각형 구조를 갖고, 일측면에는 저장되어 있는 수소함유원료가 배출되는 원료 배출구(112a)로 작용하는 접속구멍이 형성된다.
연료공급 하우징(122)의 일측면에는 원료저장 하우징(112)의 원료 배출구(112a)에 대응하는 원료 유입구(122b)가 제공된다. 원료 유입구(122b)는 원료유동경로(122b-1)를 통해서 혼합탱크(124)에 유체소통이 가능하게 연결된다. 따라서, 원료저장 하우징(112)의 원료 배출구(112a)를 통해서 배출되는 수소함유원료는 원료유동경로(122b-1)를 따라서 혼합탱크(124)에 유입된다.
혼합탱크(124)에 있어서, 수소함유원료는 미반응연료 유동경로(122c-1)를 따라서 유입되는 미반응원료와 혼합되어 소정 농도의 수소함유연료로 전환된다. 이러한 수소함유연료는 연료유동경로(122a-1)를 따라 유동한 후에 연료 배출구(122a)를 통해서 연료공급 하우징(122)으로부터 배출된다.
이때, 연료공급 하우징(122) 내에서 수소함유원료와 수소함유연료를 원활하게 유동시키기 위하여 혼합탱크(124)를 중심으로 원료유동경로(122b-1)와 연료유동경로(122a-1)에는 연료펌프(126a, 126b)가 각각 위치한다. 즉, 제1연료펌프(126a)의 작동에 의해서 원료저장 하우징(112)으로부터 수소함유원료가 원료유동경로(122b-1)를 통해서 혼합탱크(124)로 유입되고, 제2연료펌프(126b)의 작동에 의해서 혼합탱크(124)로부터 수소함유연료가 연료유동경로(122a-1)를 통해서 애노드 전극을 향해 배출된다.
따라서, 제2연료펌프(126b)의 작동에 의해서 연료 배출구(122a)를 통해서 배출되는 수소함유연료는 회수모듈(150)의 연료유동배관(152-1)을 통해서 발전모듈(160)의 발전부, 즉 애노드 전극으로 유입된다. 그리고, 산화제는 산화제 공급모듈(130)로부터 산화제 유동배관(152-2)을 통해서 발전모듈(160)의 캐소드 전극으 로 유입된다. 상기 애노드 전극과 캐소드 전극에서의 산화환원반응을 통해서 전기가 생성되고, 그 부산물로서 캐소드 전극에서는 수증기가 생성된다. 상술된 바와 같이, 발전모듈(160)에는 수증기가 배출되는 증기 배출구(162d)가 제공된다.
본 발명에 따르면, 모듈형 연료전지 시스템은 상기 수증기를 재활용하기 위한 열교환모듈(140)을 더 포함한다. 열교환모듈(140)은 열교환기(미도시)가 내장되어 있는 대략 사각형 구조의 열교환 하우징(142)을 갖는다. 열교환 하우징(142)의 일측면에는 발전모듈(160)에서 배출되는 수증기가 유입되는 증기 유입구(142b)가 제공된다. 열교환 하우징(142)에 있어서, 증기 유입구(142b)를 통해 유입된 수증기가 상기 열교환기에서 열교환된 후에 응축됨으로써 형성되는 물을 배출시키기 위한 물 배출구(142a)가 제공된다. 물 배출구(142a)를 통해서 배출되는 물을 회수하기 위하여 회수모듈(150)에는 물 배출구(142a)에 대응하는 물 유입구(152c)가 제공된다. 따라서, 상기 발전부의 캐소드 전극에서 생성되는 수증기가 열교환모듈(140)을 경유하는 동안 발생되는 물은 물 유입구(152c)를 통해서 회수 하우징(152)의 저장공간으로 회수되고, 상기 저장공간에 저장되어 있는 미반응연료와 혼합됨으로써 재활용될 수 있다.
한편, 모듈형 연료전지 시스템의 구조를 단순화시키기 위하여, 열교환모듈(140)과 발전모듈(160) 사이에 회수모듈(150)이 위치하게 된다. 상술된 바와 같이, 회수 하우징(152)의 저장공간에는 증기유동배관(152-3)이 제공되고, 회수 하우징(152)에는 증기유동배관(152-3)의 양단부에 대응하는 증기입구(152-3a)와 증기출구(152-3b)가 형성된다. 증기입구(152-3a)는 발전 하우징(162)의 증기 배출 구(162d)에 대응하고 증기출구(152-3b)는 열교환 하우징(142)의 증기 유입구(142b)에 대응하도록 형성된다. 결과적으로, 상기 캐소드 전극에서 발생되는 수증기는 증기유동배관(152-3)을 통해서 열교환모듈(140)의 열교환기로 유입된다.
이하, 본 발명에 따른 모듈형 연료전지 시스템의 조립공정에 대하여 설명한다.
선택적 이온투과성의 고분자막과, 상기 고분자막의 양면에 제공된 애노드 전극 및 캐소드 전극으로 이루어진 단위전지를 구비한 발전부가 제공되어 있는 발전모듈(160)을 베이스(102; 도 1 참조)의 일측, 예를 들어 우측에 볼트와 같은 체결부재(미도시)에 의해서 고정시킨다. 이 후에, 도 2에 화살표로 표시한 바와 같이, 회수모듈(150)을 발전모듈(160)에 면접촉상태로 밀착해서 조립시킨다. 이때, 회수모듈(150)의 회수 하우징(152)의 일측면에 형성되어 있는 연료 출구(152-1a), 미반응연료 입구(152b), 산화제 출구(152-2a) 및 증기입구(152-3a)는 발전모듈(160)의 일측면에 형성되어 있는 연료 유입구(162a), 미반응연료 배출구(162b), 산화제 유입구(162c) 및 증기 배출구(162d)에 각각 기밀상태로 유체소통이 가능하게 접속된다.
이 후에, 평행하게 배열되어 있는 연료공급모듈(120)과 산화제 공급모듈(130)을 회수모듈(150)의 타측면에 면접촉상태로 밀착하여 조립시킨다. 또한, 열교환모듈(140)을 연료공급모듈(120)과 산화제 공급모듈(130)의 상부에 위치한 상태에서 회수모듈(150)의 타측면에 면접촉상태로 밀착하여 접촉시킨다. 이때, 연료 공급 하우징(122)의 연료 배출구(122a)와 미반응연료 유입구(122c)는 회수 하우징(152)의 연료 입구(152-1b)와 미반응연료 출구(152a)에 각각 대응하여 기밀상태로 유체소통이 가능하게 접속된다. 산화제 공급하우징(132)의 산화제 배출구(132a)는 회수 하우징(152)의 산화제 입구(152-2b)에 대응하여 기밀상태로 유체소통이 가능하게 접속된다. 마찬가지로, 열교환 하우징(142)의 물 배출구(142a)와 증기 유입구(142b)는 회수 하우징(152)의 물 유입구(152c)와 증기출구(152-3b)에 각각 대응하여 기밀상태로 유체소통이 가능하게 접속된다.
그리고, 연료공급모듈(120)의 일측면에 원료저장모듈(110)을 면접촉상태로 밀착하여 조립시킨다. 이때, 원료저장 하우징(112)의 원료 배출구(112a)는 연료공급 하우징(122)의 원료 유입구(122b)에 기밀상태로 유체소통이 가능하게 접속된다.
상술된 바와 같이, 인접하는 모듈들을 면접촉상태로 밀착하여 조립시키는 과정에서 모듈 각각에 형성되어 있는 접속구멍들은 인접하는 모듈에 형성되어 있는 대응하는 접속구멍에 기밀상태로 유체소통이 가능하게 접속된다.
접속구멍들의 접속상태는 예를 들어 도 4에 도시되어 있는 바와 같이 돌기와 이에 대응하는 홈의 억지끼움에 의해서 달성될 수 있다. 즉, 제1모듈(A)의 접속구멍들 각각에는 돌기(172)가 제공되어 있고 제1모듈(A)에 인접하는 제2모듈(B)의 접속구멍들 각각에는 돌기(172)에 대응하는 홈(174)이 제공되어 있다. 이때, 돌기(172)가 홈(174)에 억지끼움방식으로 끼워짐으로써 접속구멍들은 기밀상태로 접속하게 된다.
한편, 접속구멍들의 기밀상태를 유지하기 위하여 O링(미도시)이 인접하는 모 듈(A, B)들이 면접촉상태로 밀착하여 조립되어 있는 과정에서 대응하는 접속구멍들 사이에 제공될 수도 있다.
또한, 인접하는 모듈(A, B)들의 면접촉상태를 유지하기 위하여 모듈을 구성하는 하우징 각각에는 억지끼움돌기(미도시)와 이에 대응하는 끼움홈(미도시)이 제공될 수 있다. 즉, 상기 끼움홈에 상기 억지끼움돌기가 억지끼움방식으로 결합하게 됨으로써 인접하는 모듈(A, B)들은 면접촉상태로 유지될 수 있다. 그러나, 인접하는 모듈(A, B)들의 면접촉상태는 상술된 억지끼움돌기와 끼움홈 대신에 돌기(172)와 홈(174)의 억지끼움에 의해서도 유지될 수 있다.
돌기(172) 및/또는 억지끼움돌기와 홈(174) 및/또는 끼움홈 각각은 모듈(A, B)을 구성하는 하우징 각각에 일체적으로 제공되거나 또는 별도의 부재로서 접속구멍에 끼워지는 상태로 제공될 수 있다.
상술된 바와 같이 미리조립완성된 모듈들을 면접촉상태로 단순히 조립하여 결합시킴으로써 연료전지 시스템을 용이하면서도 신속하게 제작할 수 있다.
상술된 간단한 조립공정을 통해서 조립제작된 모듈형 연료전지 시스템의 작동은 하기와 같다.
먼저, 제1연료펌프(126a)와 제2연료펌프(126b)의 작동에 의해서 소정 농도의 수소함유연료가 연료유동배관(152-1)을 경유하여 발전모듈(160)의 발전부의 애노드 전극에 유입된다. 그리고, 산화제 공급모듈(130)로부터 산화제가 산화제 유동배관(152-2)을 경유하여 발전모듈(160)의 발전부의 캐소드 전극에 유입된다.
상기 수소함유연료가 메탄올이고 산화제가 산소인 경우에 있어서, 상기 발전부의 애노드 전극과 캐소드 전극에서 이루어지는 전기화학반응은 하기 반응식과 같다.
애노드 반응: CH3OH + H2O → CO2 + 6H+ + 6e_
캐소드 반응: (3/2)O2 + 6H+ + 6e_ → 3H2O
전체 반응: CH3OH + (3/2)O2 → 2H2O + CO2
즉, 상기 애노드 전극에서는 메탄올과 물의 반응에 의하여 이산화탄소 및 6개의 수소이온과 전자가 생성된다(산화반응). 생성된 수소이온은 상기 발전부의 고분자막, 예를 들어 수소이온 교환막을 거쳐 상기 캐소드 전극에 전달된다. 상기 캐소드 전극에서는 수소이온과, 외부회로를 통해 전달된 전자와, 산소가 반응하여 물을 생성한다(환원반응). 전체적으로는, 메탄올과 산소가 반응하여 물과 이산화탄소를 생성하고, 또한 전기를 생성한다. 이때, 생성된 전기는 집전체를 통해서 외부로 제공된다.
상술된 화학반응에 참여하지 못한 미반응연료는 발전 하우징(162)의 미반응연료 배출구(162b)와 회수 하우징(152)의 미반응연료 입구(152b)를 통해서 회수 하우징(152)의 저장공간으로 유입된다. 그리고, 수증기는 회수모듈(150)의 증기유동배관(152-3)을 통해서 열교환 하우징(142)에 내장되어 있는 열교환기에 유입된 후에 열교환과정을 통해서 응축되고, 그 결과 생성되는 물은 열교환 하우징(142)의 물 배출구(142a)와 회수 하우징(152)의 물 유입구(152c)를 통해서 회수 하우징(152)의 상기 저장공간으로 수집되어 미반응연료와 혼합된다.
물이 혼합되어 있는 미반응연료는 상기 저장공간으로부터 회수 하우징(152)의 미반응연료 출구(152a)를 통해서 연료공급 하우징(122)의 혼합탱크(124)에 유입되면서 원료저장 하우징(112)으로부터 공급되는 수소함유원료와 혼합된다.
상술된 화학반응을 통해서 생성되는 이산화탄소를 배출시키기 위하여 회수모듈(150)의 상부에는 기액분리막(154)이 제공될 수 있다. 즉, 상기 애노드 전극에서 생성되는 이산화탄소는 미반응연료와 함께 회수 하우징(152)으로 유입된 후에, 기액분리막(154)을 통해서 외부로 배출된다. 또한, 열교환모듈(140)의 열교환기에서 완전하게 열교환되지 못한 수증기를 외부로 배출시키기 위하여 열교환 하우징(142)의 상부에도 기액분리막(144)이 제공될 수 있다. 한편, 발전 하우징(162)의 상부에도 기액분리막이 제공될 수 있다. 상술된 기액분리막들은 일체형으로 제작될 수 있다.
상술된 기액분리막들은 세라믹 계통 또는 멤브레인 계통의 재질로 제작될 수 있다.
상기 내용은 본 발명의 바람직한 실시예를 단지 예시한 것으로 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 첨부된 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 요지로부터 벗어나지 않고 본 발명에 대한 수정 및 변경을 가할 수 있다는 것을 인식하여야 한다.
본 발명에 따르면, 연료전지 시스템의 구성부품들을 수용하는 구성모듈들을 미리 제작하여 조립공정을 통해서 모듈형 연료전지 시스템의 완성품을 간단히 제작할 수 있고 또한 시스템 내의 무용공간을 최소화시킬 수 있다.

Claims (35)

  1. 수소함유연료와 산화제의 산화환원반응을 통해서 전기를 생산하는 발전부가 내장되어 있고 상기 발전부에 유체소통이 가능하게 연결되는 복수개의 접속구멍이 측면에 형성되어 있는 발전 하우징을 갖는 발전모듈과;
    상기 발전부에 수소함유연료를 공급하는 연료공급부가 내장되어 있고 상기 연료공급부에 유체소통이 가능하게 연결되는 복수개의 접속구멍이 측면에 형성되어 있는 연료공급 하우징을 갖는 연료공급모듈과;
    상기 발전부에 산화제를 공급하는 산화제 공급부가 내장되어 있고 상기 산화제 공급부에 유체소통이 가능하게 연결되는 접속구멍이 측면에 형성되어 있는 산화제 공급하우징을 갖는 산화제 공급모듈과;
    상기 발전부에서 발생되는 미반응연료를 회수하는 저장공간이 형성되어 있고 상기 저장공간에 유체소통이 가능하게 연결되는 복수개의 접속구멍이 측면에 형성되어 있는 회수 하우징을 갖는 회수모듈을 갖고,
    상기 회수모듈의 일측면에는 상기 발전모듈이 면접촉상태로 밀착하여 조립되고, 타측면에는 상기 연료공급모듈과 산화제 공급모듈이 면접촉상태로 밀착하여 조립되어 있는 것을 특징으로 하는 모듈형 연료전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 발전모듈에서 배출되는 수증기를 응축시키기 위한 열교환부가 내장되어 있고 상기 열교환부에 유체소통이 가능하게 연결되는 복수개의 접속구멍이 측면에 형성되어 있는 열교환 하우징을 갖는 열교환모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모듈형 연료전지 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 열교환모듈은 상기 회수모듈의 측면에 면접촉상태로 밀착하여 조립되어 있는 것을 특징으로 하는 모듈형 연료전지 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    수소함유원료가 저장되어 있고 측면에 형성된 접속구멍을 통해서 상기 원료공급모듈에 유체소통이 가능하게 연결되는 원료저장 하우징을 갖는 원료저장모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모듈형 연료전지 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 원료저장모듈은 상기 원료공급모듈의 측면에 면접촉상태로 밀착하여 조립되어 있는 것을 특징으로 하는 모듈형 연료전지 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    면접촉상태로 조립되어 있는 인접하는 모듈들 사이에서 서로 대응하는 접속구멍들은 기밀상태로 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 모듈형 연료전지 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    인접하는 모듈들중 하나의 모듈을 구성하는 하우징의 접속구멍 각각에는 돌기가 제공되어 있고, 다른 하나의 모듈을 구성하는 하우징의 접속구멍에는 상기 돌기가 결합하는 홈이 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 모듈형 연료전지 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 돌기는 상기 홈에 억지끼움방식으로 결합되는 것을 특징으로 하는 모듈형 연료전지 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 돌기와 홈은 대응하는 접속구멍 각각에 일체적으로 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 모듈형 연료전지 시스템.
  10. 제6항에 있어서,
    인접하는 모듈들 중 하나의 모듈을 구성하는 하우징에는 억지끼움돌기가 제공되어 있고, 다른 하나의 모듈을 구성하는 하우징에는 상기 억지끼움돌기에 대응하는 끼움홈이 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 모듈형 연료전지 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 억지끼움돌기가 상기 끼움홈에 억지끼움방식으로 결합함으로써 인접하는 모듈들은 면접촉상태로 유지되어 있는 것을 특징으로 하는 모듈형 연료전지 시스템.
  12. 제7항 또는 제10항에 있어서,
    상기 회수 하우징의 저장공간에는 상기 연료공급모듈과 발전모듈을 수소함유연료가 유동가능하게 연결하는 연료유동배관이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 모듈형 연료전지 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 연료공급모듈과 회수모듈과 발전모듈을 면접촉상태로 순차적으로 조립함으로써 상기 수소함유연료가 상기 연료공급모듈에서 상기 연료유동배관을 경유하여 상기 발전모듈에 공급되는 연료공급유로가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 모듈형 연료전지 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 발전모듈의 발전 하우징에 형성된 접속구멍들 중 하나는 상기 발전부에서 생성되는 미반응연료가 배출하는 미반응연료 배출구로 작용하고, 상기 회수모듈의 회수 하우징에 형성된 접속구멍들 중 상기 미반응연료 배출구에 대응하는 하나의 접속구멍은 미반응연료 입구로 작용하는 것을 특징으로 하는 모듈형 연료전지 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 연료공급모듈의 연료공급 하우징의 일측면에 형성되어 있는 접속구멍은 수소함유원료가 유입되는 원료 유입구로 작용하고 타측면에 형성되어 있는 접속구멍들 중 상기 회수 하우징의 연료입구에 대응하는 하나의 접속구멍은 수소함유연료 가 배출되는 연료 배출구로 작용하며, 상기 연료공급 하우징에는 상기 원료 유입구와 연료 배출구를 유체소통이 가능하게 연결하는 연료펌프가 내장되어 있는 것을 특징으로 하는 모듈형 연료전지 시스템.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 회수 하우징의 저장공간에는 상기 산화제 공급모듈과 발전모듈을 산화제가 유동가능하게 연결하는 산화제 유동배관이 더 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 모듈형 연료전지 시스템.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 산화제 공급모듈과 회수모듈과 발전모듈을 면조립상태로 조립함으로써 상기 산화제가 상기 산화제 공급모듈에서 상기 산화제 유동배관을 경유하여 상기 발전모듈에 공급되는 산화제 공급유로가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 모듈형 연료전지 시스템.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 회수모듈의 저장공간에는 상기 발전모듈과 열교환모듈을 수증기가 유동 가능하도록 연결하는 증기유동배관이 더 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 모듈형 연료전지 시스템.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 발전모듈과 회수모듈과 열교환모듈을 면접촉상태로 조립함으로써 상기 수증기가 상기 발전모듈에서 상기 증기유동배관을 경유하여 상기 열교환모듈에 공급되는 수증기 공급유로가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 모듈형 연료전지 시스템.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 열교환 하우징에 형성되어 있는 복수개의 접속구멍들 중 하나는 상기 열교환부에서 수증기가 응축됨으로써 형성되는 물이 배출되는 물배출구로 작용하고, 상기 회수 하우징의 타측면에 형성되어 있는 접속구멍들 중 상기 물배출구에 대응하는 접속구멍은 물유입구로 작용하는 것을 특징으로 하는 모듈형 연료전지 시스템.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 회수 하우징에 형성되어 있는 접속구멍들 중 다른 하나의 접속구멍은 미반응연료가 배출되는 미반응연료 출구로 작용하고, 상기 연료공급 하우징에 형성되어 있는 접속구멍들 중 상기 미반응연료 출구에 대응하는 다른 하나의 접속구멍은 미반응연료 유입구로 작용하는 것을 특징으로 하는 모듈형 연료전지 시스템.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 연료공급모듈에는 상기 미반응연료 유입구를 통해서 유입되는 미반응연료와 상기 원료저장모듈로부터 원료 유입구를 통해서 유입되는 수소함유원료를 혼합시키기 위한 혼합탱크가 내장되어 있는 것을 특징으로 하는 모듈형 연료전지 시스템.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 연료공급부에는 상기 혼합탱크를 중심으로 양측에 설치되는 적어도 2개의 연료펌프가 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 모듈형 연료전지 시스템.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 회수모듈의 상부에는 기액분리막이 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 모듈형 연료전지 시스템.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 열교환모듈의 상부에는 기액분리막이 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 모듈형 연료전지 시스템.
  26. 제12항에 있어서,
    상기 회수 하우징에 형성되어 있는 접속구멍들 중에서 상기 연료유동배관에 유체소통이 가능하게 연결되는 접속구멍들은 연료입구 및 연료출구로 작용하는 것을 특징으로 하는 모듈형 연료전지 시스템.
  27. 제26항에 있어서,
    상기 발전 하우징에 형성되어 있는 접속구멍들 중 상기 회수 하우징의 연료출구에 대응하는 하나의 접속구멍은 수소함유연료가 유입되는 연료 유입구로 작용하는 것을 특징으로 하는 모듈형 연료전지 시스템.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 연료 유입구는 상기 발전부를 구성하는 애노드 전극에 유체소통이 가능하게 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 모듈형 연료전지 시스템.
  29. 제15항에 있어서,
    상기 원료저장 하우징에 형성되어 있는 접속구멍은 상기 연료공급 하우징의 원료 유입구에 대응하는 원료 배출구로 작용하는 것을 특징으로 하는 모듈형 연료전지 시스템.
  30. 제16항에 있어서,
    상기 회수 하우징에 형성되어 있는 접속구멍들 중에서 상기 산화제 유동배관에 유체소통이 가능하게 연결되는 접속구멍들은 산화제입구 및 산화제출구로 작용하는 것을 특징으로 하는 모듈형 연료전지 시스템.
  31. 제30항에 있어서,
    상기 발전 하우징에 형성되어 있는 접속구멍들 중 상기 회수 하우징의 산화제 출구에 대응하는 접속구멍은 산화제 유입구로 작용하는 것을 특징으로 하는 모 듈형 연료전지 시스템.
  32. 제31항에 있어서,
    상기 산화제 유입구는 상기 발전부를 구성하는 캐소드 전극에 유체소통이 가능하게 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 모듈형 연료전지 시스템.
  33. 제30항에 있어서,
    상기 산화제 공급하우징의 접속구멍은 상기 회수 하우징의 산화제입구에 대응하는 산화제 배출구로 작용하는 것을 특징으로 하는 모듈형 연료전지 시스템.
  34. 제18항에 있어서,
    상기 회수 하우징에 형성되어 있는 접속구멍들 중에서 상기 증기유동배관에 유체소통이 가능하게 연결되는 접속구멍들은 증기입구 및 증기출구로 작용하는 것을 특징으로 하는 모듈형 연료전지 시스템.
  35. 제34항에 있어서,
    상기 발전 하우징의 접속구멍들 중에서 상기 증기입구에 대응하는 접속구멍은 증기 배출구로 작용하고, 상기 열교환 하우징의 접속구멍들 중에서 상기 증기출구에 대응하는 접속구멍은 증기 유입구로 작용하는 것을 특징으로 하는 모듈형 연료전지 시스템.
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