KR101283247B1 - Fuel cell system - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 수소와 공기를 공급받아 전기를 생산하는 연료전지 스택; 상기 스택에 공급되는 수소 연료 중 반응하지 않고 배출되는 수소에 포함되어 있는 수분을 응축하는 제1워터트랩; 상기 스택에 공급되는 공기의 공급경로 상에 위차하여 상기 공기를 가습하는 가습기; 상기 스택에 공급되는 공기 중 반응하지 않고 배출되는 공기에 포함되어 있는 수분을 응축하는 제2워터트랩; 상기 제1워터트랩과 상기 가습기를 연결하는 제1배관; 상기 제2워터트랩과 상기 가습기를 연결하는 제2배관; 및 상기 제2배관 상에 위치하여 상기 제2워터트랩에 응축된 물을 가습기 쪽으로 펌핑하는 펌프를 포함하는 연료전지 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 연료전지 시스템은 연료전지 스택의 성능향상, 응축수의 배출 억제를 통한 상품성 향상 및 가습기 성능 향상의 효과가 있다.The present invention relates to a fuel cell system, comprising: a fuel cell stack configured to generate electricity by receiving hydrogen and air; A first water trap configured to condense moisture contained in hydrogen discharged without reacting among hydrogen fuels supplied to the stack; A humidifier for humidifying the air on a supply path of air supplied to the stack; A second water trap condensing moisture contained in the air discharged without reacting in the air supplied to the stack; A first pipe connecting the first water trap and the humidifier; A second pipe connecting the second water trap and the humidifier; And a pump positioned on the second pipe to pump water condensed in the second water trap toward the humidifier.
The fuel cell system of the present invention has the effect of improving the performance of the fuel cell stack, improving the marketability and the humidifier performance by suppressing the discharge of condensate.

Description

연료전지 시스템{Fuel cell system}Fuel cell system

본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로, 보다 자세하게는 anode/cathode 응축수를 막가습기에 제공하여 연료전지 스택의 성능 및 내구성을 향상시킬 수 있는 연료전지 시스템에 관한 것이다.
The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly, to a fuel cell system capable of providing anode / cathode condensate to a membrane humidifier to improve performance and durability of a fuel cell stack.

화석에너지의 무분별한 사용에 따른 지구온난화 등의 환경문제 및 자원고갈에 대한 대안으로 신재생에너지에 대한 관심이 고조되고 있다.There is a growing interest in renewable energy as an alternative to the depletion of resources and environmental problems such as global warming due to the indiscriminate use of fossil energy.

연료전지(Fuel cell)는 수소와 산소의 전기화학적 반응으로 전기를 생산하는 일종의 발전 시스템으로 직접 전기를 생산하는 연료전지 스택(Stack)과 스택의 기능 구현을 위한 다양한 주변기기 시스템으로 구성된다.A fuel cell is a type of power generation system that produces electricity by the electrochemical reaction of hydrogen and oxygen. It consists of a fuel cell stack that produces electricity and various peripheral systems for implementing the stack's functions.

연료전지는 전해질 종류에 따라 용융탄산염형(MCFC: Molten Carbonate Fuel Cell), 고체산화물형(SOFC: Solid Oxide Fuel Cell), 고체고분자형(PEFC: Polymer Electrolyte Fule Cell), 직접메탄올형(DMFC: Direct Methanol Fuel Cell) 등으로 구분된다.Depending on the type of electrolyte, the fuel cell is a molten carbonate type (MCFC: Molten Carbonate Fuel Cell), a solid oxide type (SOFC: Solid Oxide Fuel Cell), a solid polymer type (PEFC: Polymer Electrolyte Fule Cell), or a direct methanol type (DMFC: Direct). Methanol Fuel Cell).

일례로, 고체고분자형 연료전지(PEFC)는 가정용, 자동차용,이동용 전원으로 개발되고 있으며 최근 실용화 및 상용화가 빠르게 진척되고 있다.For example, a solid polymer fuel cell (PEFC) is being developed as a power source for home, automobile, and mobile, and commercialization and commercialization are rapidly progressing in recent years.

고체고분자형의 경우, 연료극측은 수소가스, 공기극측에 공기(산소)를 공급하며, 전해질은 양이온 교환막, 촉매로는 백금(Pt)이 통상 사용된다.In the case of a solid polymer type, the anode side supplies hydrogen gas and air (oxygen) to the cathode side, the electrolyte is a cation exchange membrane, and platinum (Pt) is commonly used as a catalyst.

그런데, 고체고분자형 연료전지의 경우 작동 중 전해질막의 성능 저하를 막기 위해 스택에 공급되는 가스를 가습하여 공급한다.However, in the case of a solid polymer fuel cell, a gas supplied to a stack is humidified to prevent performance degradation of an electrolyte membrane during operation.

Anode 가스인 수소는 연료처리 장치를 거치면서 반응물로 공급된 수분이 이미 충분한 상태이므로 가습할 필요가 없으나, 공기의 경우 가습기를 통해 가습해준다.Hydrogen, an anode gas, does not need to be humidified through the fuel processor because the moisture supplied to the reactants is already sufficient, but air is humidified through a humidifier.

공기 가습에 쓰이는 가습기로 기체-기체 막가습기가 있는데 이 막가습기는 스택에서 나온 고온다습한 공기로부터 수분을 얻어 스택으로 공급되는 저온건조한 공기에 전달하는 역할을 한다.A humidifier used for air humidification is a gas-gas membrane humidifier, which takes moisture from the hot and humid air from the stack and delivers it to the low temperature dry air supplied to the stack.

이러한 막가습기는 스택에 충분한 수분을 공급하기 위해서는 크기가 커야 하나 연료전지 시스템의 소형화를 위해 적절한 성능과 크기를 갖는 막가습기를 적용하게 된다.These membrane humidifiers must be large in size to supply sufficient moisture to the stack, but the membrane humidifiers having appropriate performance and size are applied for miniaturization of the fuel cell system.

그러나, 연료전지의 고부하 운전, 가습기의 성능 열화시 등의 경우에 스택에 공급되는 공기에 수분이 부족하여 스택의 성능이 저하되는 경우가 발생한다.
However, in the case of high load operation of the fuel cell, deterioration of the performance of the humidifier, and the like, the air supplied to the stack lacks moisture and thus the performance of the stack may be degraded.

또한, 연료전지는 저전류 영역에서 작동할 때도 있고 고전류 영역에서 작동할 때도 있으며 그에 따라 가습량의 차이가 발생하게 되나 종래의 막가습기는 가습량을 조절할 수 있는 메커니즘이 존재하지 않는다.In addition, a fuel cell may operate in a low current region or a high current region, and thus a difference in humidification amount may occur, but a conventional membrane humidifier does not have a mechanism to control the humidification amount.

또한, 연료전지 스택에서 수소와 공기의 반응으로 생성되는 물은 응축수의 형태로 외부로 배출되는데 이는 연료전지 시스템의 상품성을 떨어뜨리는 요인이 되고 있다.
In addition, the water produced by the reaction of hydrogen and air in the fuel cell stack is discharged to the outside in the form of condensed water, which is a factor deteriorating the commerciality of the fuel cell system.

상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명은 외부로 배출되는 응축수를 가습기에 공급하여 스택에 공급되는 공기의 습도를 높이고 응축수의 외부 배출을 방지하여 상품성이 크게 향상된 연료전지 시스템을 제공함에 그 목적이 있다.The present invention devised to solve the problems of the prior art as described above is to supply the condensate discharged to the outside to the humidifier to increase the humidity of the air supplied to the stack and to prevent the external discharge of the condensate greatly improves the fuel cell system The purpose is to provide.

또한, 연료전지의 운전 상태에 따라 가습기의 가습량을 조절할 수 있는 연료전지 시스템을 제공함에 그 목적이 있다.
In addition, an object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of adjusting the amount of humidification of the humidifier according to the operating state of the fuel cell.

본 발명의 상기 목적은 수소와 공기를 공급받아 전기를 생산하는 연료전지 스택; 상기 스택에 공급되는 수소 연료 중 반응하지 않고 배출되는 수소에 포함되어 있는 수분을 응축하는 제1워터트랩; 상기 스택에 공급되는 공기의 공급경로 상에 위차하여 상기 공기를 가습하는 가습기; 상기 스택에 공급되는 공기 중 반응하지 않고 배출되는 공기에 포함되어 있는 수분을 응축하는 제2워터트랩; 상기 제1워터트랩과 상기 가습기를 연결하는 제1배관; 상기 제1배관 상에 마련된 솔레노이드 밸브; 상기 제2워터트랩과 상기 가습기를 연결하는 제2배관; 및 상기 제2배관 상에 위치하여 상기 제2워터트랩에 응축된 물을 상기 가습기 쪽으로 펌핑하는 펌프를 포함하는 연료전지 시스템에 의해 달성된다.The object of the present invention is a fuel cell stack for producing electricity by receiving hydrogen and air; A first water trap configured to condense moisture contained in hydrogen discharged without reacting among hydrogen fuels supplied to the stack; A humidifier for humidifying the air on a supply path of air supplied to the stack; A second water trap condensing moisture contained in the air discharged without reacting in the air supplied to the stack; A first pipe connecting the first water trap and the humidifier; A solenoid valve provided on the first pipe; A second pipe connecting the second water trap and the humidifier; And a pump positioned on the second pipe to pump water condensed in the second water trap toward the humidifier.

일 실시예로, 상기 제1워터트랩에 응축된 물을 드레인시키는 제1드레인배관이 상기 제1배관과 교차하며, 상기 솔레노이드 밸브는 상기 제1배관과 상기 제1드레인배관이 교차하는 지점에 마련된 3방향 솔레노이드 밸브일 수 있다.In one embodiment, a first drain pipe for draining the water condensed in the first water trap crosses the first pipe, and the solenoid valve is provided at a point where the first pipe and the first drain pipe cross. It may be a three-way solenoid valve.

일 실시예로, 상기 제2워터트랩에 응축된 물을 드레인시키는 제2드레인배관이 상기 제2배관과 교차하며, 상기 제2배관과 상기 제2드레인배관이 교차하는 지점에 3방향 솔레노이드 밸브가 마련될 수 있다.In one embodiment, a second drain pipe for draining the water condensed in the second water trap crosses the second pipe, and a three-way solenoid valve is provided at the point where the second pipe and the second drain pipe cross. Can be prepared.

일 실시예로, 상기 가습기는 기체-기체 막가습기일 수 있다.In one embodiment, the humidifier may be a gas-gas membrane humidifier.

일 실시예로, 본 발명의 연료전지 시스템은 상기 제1워터트랩의 수위를 측정하는 제1수위센서; 상기 제2워터트랩의 수위를 측정하는 제2수위센서; 및 상기 제1수위센서에서 측정된 수위에 따라 상기 솔레노이드 밸브에 작동 신호를 인가하며, 상기 제2수위센서에서 측정된 수위에 따라 상기 펌프에 작동 신호를 인가하는 제어부를 포함할 수 있다.In one embodiment, the fuel cell system of the present invention includes a first level sensor for measuring the water level of the first water trap; A second water level sensor measuring a level of the second water trap; And a control unit applying an operation signal to the solenoid valve according to the water level measured by the first water level sensor, and applying an operation signal to the pump according to the water level measured by the second water level sensor.

일 실시예로, 상기 제1수위센서는 상기 제1워트트랩에 응축된 물의 최고수위를 측정하는 최고수위센서와 최저수위를 측정하는 최저수위센서로 이루어질 수 있다.
In an embodiment, the first water level sensor may include a high level sensor for measuring the highest level of water condensed on the first water trap and a low level sensor for measuring the lowest level.

본 발명은 스택 내 전해질막의 수분이 높은 상태로 유지하여 연료전시 스택의 성능을 향상시킬 수 있으며, 스택의 내구성이 증가하는 효과가 있다.The present invention can improve the performance of the fuel display stack by maintaining a high moisture of the electrolyte membrane in the stack, there is an effect of increasing the durability of the stack.

또한, 응축된 물을 가습기로 전환하여 사용함으로써 응축수의 외부 배출을 억제하여 연료전지 시스템의 상품성 향상을 꾀할 수 있으며, 가습기의 가습량을 능동적으로 제어할 수 있는 효과가 있다.
In addition, by converting the condensed water into a humidifier, it is possible to suppress the external discharge of the condensed water to improve the marketability of the fuel cell system and to actively control the humidification amount of the humidifier.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 개략적 구성도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템의 개략적 구성도이다.1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
2 is a schematic diagram of a fuel cell system according to another exemplary embodiment of the present invention.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.The terms and words used in the present specification and claims should not be construed as limited to ordinary or dictionary terms and the inventor may appropriately define the concept of the term in order to best describe its invention It should be construed as meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention.

따라서, 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.
Therefore, the embodiments described in this specification and the configurations shown in the drawings are merely the most preferred embodiments of the present invention and do not represent all the technical ideas of the present invention. Therefore, It is to be understood that equivalents and modifications are possible.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 개략적 구성도이다.1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.

도 1에 도시된 것과 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템은 스택(100), 제1워터트랩(106), 제1배관(126), 솔레노이드 밸브(112), 제2워터트랩(114), 가습기(118), 펌프(124) 등을 포함할 수 있다.As shown in FIG. 1, a fuel cell system according to an exemplary embodiment of the present invention includes a stack 100, a first water trap 106, a first pipe 126, a solenoid valve 112, and a second water trap. 114, humidifier 118, pump 124, and the like.

스택(100)은 단위전지를 수십층, 수백층 적층한 구조이며, 연료극(양극, anode)에 공급된 수소와 공기극(음극, cathode)에 공급된 공기(산소)의 전기화학적 반응에 의해 전기를 생산하는 곳이다.The stack 100 has a structure in which several tens or hundreds of unit cells are stacked, and electricity is generated by an electrochemical reaction between hydrogen supplied to a fuel electrode (anode) and air supplied to the cathode (cathode). This is where it is produced.

연료극에 제공되는 수소는 최초 연료인 천연가스 등을 개질기(Reformer, 102)에서 수소로 변환시킨다.Hydrogen provided to the anode converts natural gas, which is the first fuel, into hydrogen in a reformer 102.

개질기는 하이드로 카본과 추가로 공급되는 물로 화학반응을 일으켜 수소를 생산하는 장치로서, 예를 들어 수증기 개질기(Steam reformer)일 수 있다.The reformer is a device for producing hydrogen by chemical reaction with hydrocarbon and additionally supplied water, and may be, for example, a steam reformer.

개질기(102)에서 천연가스를 수소로 변환할 때 일산화탄소가 다량 생성되는데 이를 그대로 스택(100)에 공급하면 스택의 열화가 발생하므로 스택(100)에 수소를 공급하기 전에 PROX(Preferential Oxidation) 반응기(104)에서 일산화탄소를 이산화탄소로 산화시켜 제거한다.When converting natural gas into hydrogen in the reformer 102, a large amount of carbon monoxide is produced. If it is supplied to the stack 100 as it is, deterioration of the stack occurs, the PROX (Preferential Oxidation) reactor ( In 104), carbon monoxide is removed by oxidation with carbon dioxide.

PROX 반응기(104)는 개질기(102)에 포함될 수 있으며, 개질기(102)는 하이드로 카본과 물의 화한반응으로 수소를 생산하는 개질단계와 상기 개질단계에서 발생하는 일산화탄소를 이산화탄소로 바꾸는 쉬프트 반응 단계 및 연료전지 스택에서 필요로 하는 일산화탄소 농도를 맞추기 위한 일산화탄소 제거단계를 모두 수행할 수 있다.PROX reactor 104 may be included in the reformer 102, the reformer 102 is a reforming step of producing hydrogen by the reaction of hydrocarbon and water and a shift reaction step and fuel for converting carbon monoxide generated in the reforming step into carbon dioxide All carbon monoxide removal steps can be performed to meet the carbon monoxide concentration required in the cell stack.

스택(100)에 공급된 수소 중 일부는 전기를 생산하는 반응에 사용되나 반응에 사용되지 않은 잔여수소는 음극으로부터 얻은 수분(물)과 함께 스택 외부로 배출된다.Some of the hydrogen supplied to the stack 100 is used for the reaction to produce electricity, but residual hydrogen not used in the reaction is discharged out of the stack together with the water (water) obtained from the cathode.

상기 스택 외부로 배출된 가스(수소, 수분 등) 중 수분은 제1워터트랩(106)에서 웅축되며, 수소는 버너(110)로 공급되어 개질기의 온도를 유지하는데 필요한 에너지원으로 사용할 수 있다.
Moisture in the gas (hydrogen, moisture, etc.) discharged to the outside of the stack is constricted in the first water trap 106, hydrogen is supplied to the burner 110 can be used as an energy source required to maintain the temperature of the reformer.

연료전지에서 산화제로 사용되는 공기는 블로워(122)를 통해 스택(100)에 공급되는데, 운전 중 전해질 막의 성능저하를 막기 위해 가습하여 공급할 필요가 있다.The air used as the oxidant in the fuel cell is supplied to the stack 100 through the blower 122, and it is necessary to supply humidified to prevent deterioration of the electrolyte membrane during operation.

따라서, 스택(100)에 공급되기 전에 가습기(118)에서 가습된 후 스택(100)에 공급되게 된다.Thus, after being humidified in the humidifier 118 before being supplied to the stack 100, it is supplied to the stack 100.

한편, 공기 중 먼지 제거를 위한 필터(도시하지 않음)가 포함될 수 있으며, 공기의 양은 공기유량을 측정하는 유량계(120)에 의해 의해 자동적으로 조절될 수 있다.On the other hand, a filter (not shown) for removing the dust in the air may be included, the amount of air can be automatically adjusted by the flow meter 120 for measuring the air flow rate.

스택(100)에 공급된 공기(산소) 중 일부는 전기를 생산하는데 사용되나 일부는 수분(물)과 함께 스택 외부로 배출되어 가습기(118)로 공급되어 스택(100)으로 공급되는 공기의 수분 공급원으로 사용된다.Some of the air (oxygen) supplied to the stack 100 is used to generate electricity, but some of the air (oxygen) is discharged out of the stack together with water (water) and supplied to the humidifier 118 to supply moisture to the stack 100. Used as a source.

그러나 가습기(118)에서 제거되지 않은 수분(물)이 존재하는 상태이며 상기 수분은 제2워터트랩(114)에서 응축되며 공기는 외부로 배출된다.However, moisture (water) not removed from the humidifier 118 is present and the moisture is condensed in the second water trap 114 and air is discharged to the outside.

제1워터트랩(106)과 제2워터트랩(114)에 응축된 물은 다시 가습기(118)로 공급되어 스택(100)으로 공급되는 공기의 수분 공급원으로 사용된다.The water condensed in the first water trap 106 and the second water trap 114 is supplied to the humidifier 118 and used as a water supply source of air supplied to the stack 100.

이를 위해 제1워터트랩(106)에서 가습기(118)로 연결되는 제1배관(126)을 설치하고 상기 제1배관(126) 상에 솔레노이드 밸브(112)를 마련하여 물의 이동을 제어하도록 한다.To this end, a first pipe 126 connected to the humidifier 118 in the first water trap 106 is provided, and a solenoid valve 112 is provided on the first pipe 126 to control the movement of water.

또한, 제2워터트랩(106)에서 가습기(118)로 연결되는 제2배관(128)을 설치하고 상기 제2배관(128) 상에 펌프(124)를 마련하여 물을 가습기(118) 쪽으로 펌핑한다. In addition, by installing a second pipe 128 connected from the second water trap 106 to the humidifier 118 and providing a pump 124 on the second pipe 128 to pump the water toward the humidifier 118. do.

제1배관(126)과 제2배관(128)은 연료전지 스택(100)과 가습기(118)를 연결하는 배관 상의 동일한 지점에서 만날 수도 다른 지점에서 만날 수도 있으며, 스택(100)과 가습기(118)를 연결하는 배관에 연결되지 않고 직접 가습기(118)로 연결될 수도 있다.The first pipe 126 and the second pipe 128 may meet at the same point on the pipe connecting the fuel cell stack 100 and the humidifier 118 or at another point, the stack 100 and the humidifier 118 ) May be directly connected to the humidifier 118 without being connected to the pipe connecting the.

가습기(118)는 기체-기체 막가습기(Gas to gas membrane humidifier)일 수 있는데, 기체-기체 막가습기는 건조공기가 통과하는 중공사막 다발과 중공사막 다발이 수납되고 수분함유 (과포화) 공기가 통과하도록 구성된 하우징 등으로 구성되며, 상기 하우징은 건조공기와 수분함유 과포화 공기가 통과할 수 있는 입구와 출구를 가진 원통형 구조일 수 있다.Humidifier 118 may be a gas to gas membrane humidifier (Gas-gas membrane humidifier), the gas-gas membrane humidifier is a bundle of hollow fiber membranes and hollow fiber membranes through which dry air passes and the moisture-containing (supersaturated) air passes through The housing may be configured to have a cylindrical structure having an inlet and an outlet through which dry air and moisture-saturated air can pass.

이와 같이, 기체-기체 막가습기의 물의 공급원으로 액상의 물을 사용하면 물의 전달량을 최대 57%까지 높일 수 있어 가습기의 성능을 향상시킬 수 있으며, 스택에 공급되는 공기의 습도가 높을수록 스택(100) 내 전해질막의 이온전도도가 높아져 스택 성능이 향상되며, 전해질막이 높은 수분 상태를 유지하여 연료전지의 내구성이 향상된다.
As such, when the liquid water is used as the water source of the gas-gas membrane humidifier, the amount of water delivered can be increased by up to 57%, thereby improving the performance of the humidifier. The higher the humidity of the air supplied to the stack, the stack 100 The ion conductivity of the electrolyte membrane is increased to improve stack performance, and the electrolyte membrane maintains a high moisture state, thereby improving durability of the fuel cell.

제1워터트랩(106) 쪽으로 배출되는 수소 및 수분 함유 가스는 내부 작동압력에 의해 어느 정도 압력이 있으므로 펌프가 없어도 제1워터트랩(106)에 응축된 물을 가습기(118) 쪽으로 물을 보낼 수 있지만, 제2워터트랩(114)에 응축된 물을 가습기(118) 쪽으로 공급하기 위해서는 펌프(124)가 필요하다.Since the hydrogen and water-containing gas discharged toward the first water trap 106 have a certain pressure due to the internal operating pressure, water condensed in the first water trap 106 may be sent to the humidifier 118 without a pump. However, a pump 124 is required to supply the water condensed in the second water trap 114 toward the humidifier 118.

한편, 제1워터트랩(106)에 응축된 물의 수위를 감지하는 제1수위감지센서(108)가 존재하며, 상기 제1수위감지센서(108)는 응축된 물의 초고수위를 감지하는 최고수위 감지센서와 최저수위를 감지하는 최저수위 감지센서로 구성될 수 있다.On the other hand, there is a first water level sensor 108 for detecting the water level of the condensed water in the first water trap 106, the first water level sensor 108 detects the highest water level to detect the very high water level of the condensed water It can be composed of a sensor and a low water level sensor for detecting the low water level.

즉, 제1워터트랩(106)에서 물이 가습기(118) 쪽으로 방출되다 최저수위 감지센서에 의해 설정된 최저수위에 이르면 솔레노이드 밸브(112)를 닫아 더 이상 물이 방출되지 않도록 할 수 있다.That is, when the water is discharged toward the humidifier 118 in the first water trap 106 and reaches the minimum level set by the minimum water level sensor, the solenoid valve 112 may be closed so that no more water is discharged.

제2수위감지센서(116) 또한 최고수위 감지센서와 최저수위 감지센서로 이루어질 수도 있고, 최고수위 감지센서 하나만 존재할 수도 있다.
The second water level sensor 116 may also be composed of the highest level sensor and the lowest level sensor, or there may be only one highest level sensor.

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템의 개략적 구성도이다. 2 is a schematic diagram of a fuel cell system according to another exemplary embodiment of the present invention.

도 2에 도시된 것과 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템은 스택(100), 제1워터트랩(106), 제1배관(126), 제2워터트랩(114), 가습기(118), 펌프(124), 3방향 솔레노이드 밸브(130, 132), 드레인 배관(134, 136) 등을 포함할 수 있다.As shown in FIG. 2, a fuel cell system according to an exemplary embodiment of the present invention includes a stack 100, a first water trap 106, a first pipe 126, a second water trap 114, and a humidifier ( 118, the pump 124, the three-way solenoid valves 130 and 132, the drain pipes 134 and 136, and the like.

스택(100)은 단위전지를 수십층, 수백층 적층된 구조이며, 연료극(양극, anode)에 공급된 수소와 공기극(음극, cathode)에 공급된 공기(산소)의 전기화학적 반응에 의해 전기를 생산하는 곳이다.The stack 100 has a structure in which several tens or hundreds of unit cells are stacked, and electricity is generated by an electrochemical reaction between hydrogen supplied to a fuel electrode (anode) and air supplied to an anode (cathode). This is where it is produced.

연료극에 제공되는 수소는 최초 연료인 천연가스 등을 개질기(102)에서 수소로 변환된다.Hydrogen provided to the anode is converted to hydrogen in the reformer 102 by natural gas, which is the first fuel.

개질기는 하이드로 카본과 추가로 공급되는 물로 화학반응을 일으켜 수소를 생산하는 장치로서, 예를 들어 수증기 개질기(Steam reformer)일 수 있다.The reformer is a device for producing hydrogen by chemical reaction with hydrocarbon and additionally supplied water, and may be, for example, a steam reformer.

개질기(102)에서 천연가스를 수소로 변환할 때 일산화탄소가 다량 생성되는데 이를 그대로 스택(100)에 공급하면 스택의 열화가 발생하므로 스택(100)에 수소를 공급하기 전에 PROX(Preferential Oxidation) 반응기(104)에서 일산화탄소를 이산화탄소로 산화시켜 제거한다.When converting natural gas into hydrogen in the reformer 102, a large amount of carbon monoxide is produced. If it is supplied to the stack 100 as it is, deterioration of the stack occurs, the PROX (Preferential Oxidation) reactor ( In 104), carbon monoxide is removed by oxidation with carbon dioxide.

PROX 반응기(104)는 개질기(102)에 포함될 수 있으며, 개질기(102)는 하이드로 카본과 물의 화한반응으로 수소를 생산하는 개질단계와 상기 개질단계에서 발생하는 일산화탄소를 이산화탄소로 바꾸는 쉬프트 반응 단계 및 연료전지 스택에서 필요로 하는 일산화탄소 농도를 맞추기 위한 일산화탄소 제거단계를 모두 수행할 수 있다.PROX reactor 104 may be included in the reformer 102, the reformer 102 is a reforming step of producing hydrogen by the reaction of hydrocarbon and water and a shift reaction step and fuel for converting carbon monoxide generated in the reforming step into carbon dioxide All carbon monoxide removal steps can be performed to meet the carbon monoxide concentration required in the cell stack.

스택(100)에 공급된 수소 중 일부는 전기를 생산하는 반응에 사용되나 반응에 사용되지 않은 잔여수소는 음극으로부터 얻은 수분(물)과 함께 스택 외부로 배출된다.Some of the hydrogen supplied to the stack 100 is used for the reaction to produce electricity, but residual hydrogen not used in the reaction is discharged out of the stack together with the water (water) obtained from the cathode.

상기 스택 외부로 배출된 가스(수소, 수분 등) 중 수분은 제1워터트랩(106)에서 웅축되며, 수소는 버너(110)로 공급되어 개질기의 온도를 유지하는데 필요한 에너지원으로 사용할 수 있다.
Moisture in the gas (hydrogen, moisture, etc.) discharged to the outside of the stack is constricted in the first water trap 106, hydrogen is supplied to the burner 110 can be used as an energy source required to maintain the temperature of the reformer.

연료전지에서 산화제로 사용되는 공기는 블로워(122)를 통해 스택(100)에 공급되는데, 운전 중 전해질 막의 성능저하를 막기 위해 가습하여 공급할 필요가 있다.The air used as the oxidant in the fuel cell is supplied to the stack 100 through the blower 122, and it is necessary to supply humidified to prevent deterioration of the electrolyte membrane during operation.

따라서, 스택(100)에 공급되기 전에 가습기(118)에서 가습된 후 스택(100)에 공급되게 된다.Thus, after being humidified in the humidifier 118 before being supplied to the stack 100, it is supplied to the stack 100.

한편, 공기 중 먼지 제거를 위한 필터(도시하지 않음)가 포함될 수 있으며, 공기의 양은 공기유량을 측정하는 유량계(120)에 의해 의해 자동적으로 조절될 수 있다.On the other hand, a filter (not shown) for removing the dust in the air may be included, the amount of air can be automatically adjusted by the flow meter 120 for measuring the air flow rate.

스택(100)에 공급된 공기(산소) 중 일부는 전기를 생산하는데 사용되나 일부는 수분(물)과 함께 스택 외부로 배출되어 가습기(118)로 공급되어 스택(100)으로 공급되는 공기의 수분 공급원으로 사용된다.Some of the air (oxygen) supplied to the stack 100 is used to generate electricity, but some of the air (oxygen) is discharged out of the stack together with water (water) and supplied to the humidifier 118 to supply moisture to the stack 100. Used as a source.

그러나 가습기(118)에서 제거되지 않은 수분(물)이 존재하는 상태이며 상기 수분은 제2워터트랩(114)에서 응축되며 공기는 외부로 배출된다.However, moisture (water) not removed from the humidifier 118 is present and the moisture is condensed in the second water trap 114 and air is discharged to the outside.

제1워터트랩(106)과 제2워터트랩(114)에 응축된 물은 다시 가습기(118)로 공급되어 스택(100)으로 공급되는 공기의 수분 공급원으로 사용된다.The water condensed in the first water trap 106 and the second water trap 114 is supplied to the humidifier 118 and used as a water supply source of air supplied to the stack 100.

이를 위해 제1워터트랩(106)에서 가습기(118)로 연결되는 제1배관(126)을 설치하고 상기 제1배관(126) 상에 3방향 솔레노이드 밸브(130)를 마련하여 물의 이동을 제어하도록 한다.To this end, a first pipe 126 is installed from the first water trap 106 to the humidifier 118 and a three-way solenoid valve 130 is provided on the first pipe 126 to control the movement of water. do.

한편, 제1워터트랩(106)에 응축된 물을 드레인 시킬 필요가 있는 경우를 대비한 제1드레인배관(134)이 마련되어 있으며, 제어부(도시하지 않음)는 상기 3방향 솔레노이드 밸브(130)를 조절하여 제1워터트랩(106)에 응축된 물을 가습기(118)로 보낼 것인지 제1드레인배관(134)를 통해 드레인시킬 것인지를 제어한다.
On the other hand, the first drain pipe 134 is provided in case the need to drain the water condensed in the first water trap 106, the control unit (not shown) is the three-way solenoid valve 130 By adjusting, the water condensed in the first water trap 106 is controlled to be sent to the humidifier 118 or to be drained through the first drain pipe 134.

제2워터트랩(106)에서 가습기(118)로 연결되는 제2배관(126)을 설치하고 상기 제2배관(128) 상에 펌프(124)를 마련하여 물을 가습기(118) 쪽으로 펌핑한다.A second pipe 126 is installed from the second water trap 106 to the humidifier 118, and a pump 124 is provided on the second pipe 128 to pump water toward the humidifier 118.

한편, 제2배관(126)의 소정 위치에서 교차하는 제2드레인배관(136)을 설치하며, 제2배관(126)과 제2드레인배관(136)이 교차하는 지점에 3방향 솔레노이드 밸브(132)를 장착할 수 있다.On the other hand, the second drain pipe 136 is provided to cross at a predetermined position of the second pipe 126, the three-way solenoid valve 132 at the point where the second pipe 126 and the second drain pipe 136 intersect. ) Can be installed.

제어부(도시하지 않음)는 상기 3방향 솔레노이드 밸브(132)를 조절하여 제2워터트랩(114)에 응축된 물을 가습기(118)로 보낼 것인지 제2드레인배관(136)을 통해 드레인시킬 것인지를 제어한다.
A controller (not shown) controls the three-way solenoid valve 132 to determine whether water condensed in the second water trap 114 is to be sent to the humidifier 118 or drained through the second drain pipe 136. To control.

상기 가습기(118)는 기체-기체 막가습기 일 수 있으며, 기체-기체 막가습기는 건조공기가 통과하는 중공사막 다발과 중공사막 다발이 수납되고 수분함유 (과포화) 공기가 통과하도록 구성된 하우징 등으로 구성되며, 상기 하우징은 건조공기와 수분함유 과포화 공기가 통과할 수 있는 입구와 출구를 가진 원통형 구조일 수 있다.
The humidifier 118 may be a gas-gas membrane humidifier, and the gas-gas membrane humidifier may include a hollow fiber membrane bundle and a hollow fiber membrane bundle through which dry air passes and a housing configured to pass moisture-containing (supersaturated) air. The housing may have a cylindrical structure having an inlet and an outlet through which dry air and moisture-containing supersaturated air can pass.

제1워터트랩(106) 쪽으로 배출되는 수소 및 수분 함유 가스는 내부 작동압력에 의해 어느 정도 압력이 있으므로 펌프가 없어도 제1워터트랩(106)에 응축된 물을 가습기(118) 쪽으로 물을 보낼 수 있지만, 제2워터트랩(114)에 응축된 물을 가습기(118) 쪽으로 공급하기 위해서는 펌프(124)가 필요하다.Since the hydrogen and water-containing gas discharged toward the first water trap 106 have a certain pressure due to the internal operating pressure, water condensed in the first water trap 106 may be sent to the humidifier 118 without a pump. However, a pump 124 is required to supply the water condensed in the second water trap 114 toward the humidifier 118.

한편, 제1워터트랩(106)에 고인 물의 수위를 감지하는 제1수위감지센서(108)가 존재하며, 상기 제1수위감지센서(108)는 응축된 물의 최고수위를 감지하는 최고수위 감지센서와 최저수위를 감지하는 최저수위 감지센서로 구성될 수 있다.On the other hand, there is a first water level sensor 108 for detecting the level of water accumulated in the first water trap 106, the first water level sensor 108 is the highest level sensor for detecting the highest level of condensed water And the lowest level sensor for detecting the lowest level.

즉, 제1워터트랩(106)에서 물이 가습기(118) 쪽으로 방출되다 최저수위 감지센서에 의해 설정된 최저수위에 이르면 3방향 솔레노이드 밸브(130)를 닫아 더 이상 물이 방출되지 않도록 할 수 있는데, 이는 수소까지 함께 방출되는 위험을 방지하기 위한 것이다.That is, when the water is discharged toward the humidifier 118 in the first water trap 106 and reaches the minimum water level set by the low water level sensor, the three-way solenoid valve 130 may be closed so that no water is released. This is to avoid the risk of being released together with hydrogen.

제2수위감지센서(116) 또한 최고수위 감지센서와 최저수위 감지센서를 갖출 수 있으나, 공기는 배출되더라도 전혀 위험하지 않으므로 최고수위 감지센서 하나만 존재해도 무방하다.
The second water level sensor 116 may also be equipped with the highest level sensor and the lowest level sensor, but even if the air is not discharged at all, only one highest level sensor may be present.

상술한 바와 같이, 본 발명은 스택 내 전해질막의 수분이 높은 상태로 유지하여 연료전시 스택의 성능을 향상시킬 수 있으며, 스택의 내구성이 증가하는 장점이 있다.As described above, the present invention can improve the performance of the fuel display stack by maintaining a high moisture of the electrolyte membrane in the stack, there is an advantage that the durability of the stack increases.

또한, 응축된 물(응축수)을 가습기로 전환하여 사용함으로써 응축수의 외부 배출을 억제하여 연료전지 시스템의 상품성 향상을 꾀할 수 있으며, 연료전지 시스템의 저전류 운전 또는 고전류 운전 상태에 따라 가습기의 가습량을 능동적으로 제어할 수 있는 효과가 있다.
In addition, by converting the condensed water (condensed water) into a humidifier, it is possible to suppress the external discharge of the condensed water to improve the commercialization of the fuel cell system. There is an effect that can be actively controlled.

본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
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 by way of limitation, Various changes and modifications will be possible.

100 : 스택 102 : 개질기
104 : PROX 반응기 106 : 제1워터트랩
108 : 제1수위감지센서 110 : 버너
112 : 솔레노이드 밸브 114 : 제2워터트랩
116 : 제2수위감지센서 118 : 가습기
120 : 유량계 122 : 블로워
124 : 펌프 126 : 제1배관
128 : 제2배관 130, 132 : 3방향 솔레노이드 밸브
134 : 제1드레인 배관 136 : 제2드레인 배관100: stack 102: reformer
104: PROX reactor 106: the first water trap
108: first water level sensor 110: burner
112: solenoid valve 114: second water trap
116: second level sensor 118: humidifier
120 flowmeter 122 blower
124: pump 126: first piping
128: 2nd piping 130, 132: 3-way solenoid valve
134: first drain pipe 136: second drain pipe

Claims (6)

연료를 수소로 변환하여 연료전지 스택으로 공급하는 개질기;
수소와 공기를 공급받아 전기를 생산하는 상기 연료전지 스택;
연료전지 시스템의 공기 유량을 조절하는 유량계;
상기 유량계에서 유출하는 공기를 가습기로 유출하는 브로워;
상기 연료전지 스택에서 배출하는 잔여수소의 수분을 응축하는 제1워터트랩;
상기 제1워터트랩에서 응축한 수분을 상기 연료전지 스택에서 배출하는 잔여공기에 공급하는 제1배관;
상기 제1배관상에 위치하는 솔레노이드 밸브;
상기 연료전지 스택에서 배출하는 상기 잔여공기를 유입하여 상기 잔여공기의 수분을 이용하여 상기 브로워에서 유입한 공기에 수분을 공급하는 상기 가습기;
상기 가습기에서 배출하는 상기 잔여공기의 수분을 응축하는 제2워터트랩;
상기 제2워터트랩에서 응축한 수분을 상기 연료전지 스택에서 배출하는 상기 잔여공기에 공급하는 제2배관; 및
제2배관상에 위치하는 펌프를 포함하는 연료전지 시스템.
A reformer for converting fuel into hydrogen and supplying the fuel to the fuel cell stack;
The fuel cell stack configured to generate electricity by receiving hydrogen and air;
A flow meter for adjusting an air flow rate of the fuel cell system;
A blower for flowing air flowing out of the flow meter to a humidifier;
A first water trap configured to condense moisture of residual hydrogen discharged from the fuel cell stack;
A first pipe for supplying the water condensed in the first water trap to the remaining air discharged from the fuel cell stack;
A solenoid valve positioned on the first pipe;
A humidifier configured to supply the residual air discharged from the fuel cell stack and supply water to the air introduced from the brower using the moisture of the residual air;
A second water trap configured to condense moisture in the residual air discharged from the humidifier;
A second pipe for supplying the water condensed in the second water trap to the remaining air discharged from the fuel cell stack; And
A fuel cell system comprising a pump located on a second pipe.
제1항에 있어서,
상기 솔레노이드 밸브는 3방향 솔레노이드 밸브로 하며, 상기 솔레노이드 밸브의 1방향에 드레인 배관을 더 포함하는 연료전지 시스템
The method of claim 1,
The solenoid valve is a three-way solenoid valve, the fuel cell system further comprises a drain pipe in one direction of the solenoid valve
제1항에 있어서,
상기 제2워터트랩과 상기 펌프 사이에 3방향 솔레노이드 밸브를 더 구비하며, 상기 3방향 솔레노이드 밸브의 1방향에 드레인 배관을 더 포함하는 연료전지 시스템.
The method of claim 1,
And a three-way solenoid valve between the second water trap and the pump, and further comprising a drain pipe in one direction of the three-way solenoid valve.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 가습기는 기체-기체 막가습기인 연료전지 시스템.
4. The method according to any one of claims 1 to 3,
And the humidifier is a gas-gas membrane humidifier.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1워터트랩의 수위를 측정하는 제1수위센서;
상기 제2워터트랩의 수위를 측정하는 제2수위센서; 및
상기 제1수위센서에서 측정된 수위에 따라 상기 솔레노이드 밸브에 작동 신호를 인가하며, 상기 제2수위센서에서 측정된 수위에 따라 상기 펌프에 작동 신호를 인가하는 제어부를 포함하는 연료전지 시스템.

4. The method according to any one of claims 1 to 3,
A first water level sensor measuring a level of the first water trap;
A second water level sensor measuring a level of the second water trap; And
And a control unit applying an operation signal to the solenoid valve according to the water level measured by the first water level sensor, and applying an operation signal to the pump according to the water level measured by the second water level sensor.

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