KR100686830B1

KR100686830B1 - 연료전지 시스템

Info

Publication number: KR100686830B1
Application number: KR1020050107177A
Authority: KR
Inventors: 이형근; 최상현
Original assignee: 삼성에스디아이 주식회사
Priority date: 2005-11-09
Filing date: 2005-11-09
Publication date: 2007-02-26
Anticipated expiration: 2025-11-09

Abstract

본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로 특히, 캐소드의 배출구로부터 배출되는 유체를 냉각시키기 위하여 열교환기에서 사용된 공기가 캐소드의 유입구로 공급되도록 공기유로를 형성함으로써 연료전지 시스템의 하우징에 형성되는 통풍구의 수를 최소화하여 공기와 반응기체를 외부로 방출하는 벤트와 열교환기로 공기가 유입되는 통풍구의 거리를 크게 하여 열교환기의 냉각효율을 증가시키고, 한편으로는 캐소드의 배출구로부터 배출되는 공기의 열을 이용하여 캐소드의 유입구로 유입되는 공기를 가열할 수 있어 에너지 효율을 증가시킬 수 있는 연료전지시스템에 관한 것이다.

연료전지, 열교환기, 통풍구, 에너지 효율

Description

연료전지 시스템{Fuel Cell System}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 사시도를 나타낸다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 내부 평면도를 나타낸다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템에서 공기의 흐름을 나타내는 평면도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 - 하우징 20 - 스택

30 - 연료희석탱크 35 - 연료공급펌프

40 - 원액탱크 45 - 원액펌프

50 - 공기공급장치 60 - 열교환기

본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로 특히, 캐소드의 배출구로부터 배출되는 유체를 냉각시키기 위하여 열교환기에서 사용된 공기가 캐소드의 유입구로 공급되도록 공기유로를 형성함으로써 연료전지 시스템의 하우징에 형성되는 통풍구 의 수를 최소화하여 공기와 반응기체를 외부로 방출하는 벤트와 열교환기로 공기가 유입되는 통풍구의 거리를 크게 하여 열교환기의 냉각효율을 증가시키고, 한편으로는 캐소드의 배출구로부터 배출되는 공기의 열을 이용하여 캐소드의 유입구로 유입되는 공기를 가열할 수 있어 에너지 효율을 증가시킬 수 있는 연료전지시스템에 관한 것이다.

연료 전지(Fuel cell)는 메탄올, 에탄올, 천연기체와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산화제의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다.

이러한 연료전지는 연료 전지 시스템은 대표적으로 고분자 전해질형 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell : 이하 "PEMFC"라 한다.) 시스템과 직접메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell : 이하 "DMFC"라 한다) 시스템을 들 수 있다.

일반적으로 PEMFC 시스템은 수소와 산소의 반응에 의해 전기에너지를 발생시키는 스택과 연료를 개질하여 수소를 발생시키는 개질기를 포함하여 구성된다. 이러한 PEMFC 시스템은 에너지 밀도가 크고, 출력이 높다는 장점을 가지고 있으나, 수소 가스의 취급에 주의를 요하고 연료가스인 수소를 생산하기 위하여 메탄이나 메탄올 및 천연 가스 등을 개질하기 위한 연료 개질 장치 등의 부대 설비를 필요로 하게 된다.

이에 비하여 DMFC 시스템은 스택에 직접 메탄올 연료와 산화제인 산소를 공급하여 전기화학반응에 의해 전기를 생성하게 된다. 이러한 DMFC 시스템은 에너지 밀도 및 전력밀도가 매우 높으며, 메탄올 등 액체연료를 직접 사용하기 때문에 연료개질기(reformer) 등 부대 설비가 필요치 않으며 연료의 저장 및 공급이 쉽다는 장점을 가지고 있다.

이러한 DMFC 시스템에 있어서 전기를 실질적으로 발생시키는 스택은 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly: 이하 "MEA"라 한다)와 세퍼레이터(Separator)(또는 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate))로 이루어진 단위셀이 한 개 또는 한 개 이상이 적층된 구조를 가진다. 상기 MEA는 애노드 전극(anode electrode)과 캐소드 전극(cathode electrode) 사이에 전해질막(membrane)이 개재되어 형성된다. 또한, 각 애노드 전극과 캐소드 전극의 구조는 연료의 공급 및 확산을 위한 연료확산층(diffusion layer)과 연료의 산화/환원 반응이 일어나는 촉매층, 그리고 전극 지지체를 구비하여 이루어진다. 상기 촉매층은 저온에서도 우수한 특성을 갖는 백금과 같은 귀금속 촉매가 사용이 되며, 특히 애노드 전극은 반응 부산물인 일산화탄소에 의한 촉매피독 현상(catalyst poisoning)을 방지하기 위하여 루테늄, 로듐, 오스늄, 니켈 등과 같은 전이금속의 합금촉매가 사용된다. 전극 지지체는 탄소종이, 탄소직물 등이 사용되며 연료의 공급과 반응 생성물의 배출이 용이하도록 발수처리(water-proofed)하여 사용한다. 전해질막은 두께가 50-200 ㎛ 인 고분자막으로서 수분을 함유하며 이온전도성을 갖는 수소이온 교환막이다.

이러한 DMFC 시스템의 스택에서의 전극반응은 공급되는 연료가 산화되는 애노드 반응과 공급되는 공기 중의 산소가 애노드에서 이동되는 수소이온과 반응하여 환원되는 캐소드 반응으로 구성된다. 따라서,

a. 애노드 전극 반응

CH₃OH +H₂O → CO₂ +6H+ + 6e- (반응식 1)

b. Cathode reaction

3/2O₂ +6H+ + 6e- → 3H₂O (반응식 2)

c. Overall reaction

CH₃OH + 3/2O2 → 2H₂O + CO₂ (반응식 3)

산화반응(반응식 1)이 일어나는 애노드 전극에서는 메탄올과 물의 반응에 의하여 이산화탄소, 수소이온 및 전자가 생성이 되며, 생성된 수소이온은 전해질막을 통해서 캐소드 전극으로 전달된다. 환원반응(반응식 2)이 일어나는 캐소드 전극에서는 외부로부터 공급되는 산소와 애노드로부터 공급되는 수소이온과 외부 회로를 통해 전달된 전자에 의해 물이 생성된다. 따라서, DMFC의 총괄반응(반응식 3)은 메탄올과 산소가 반응하여 물과 이산화탄소를 생성하는 반응이 된다. 이때, 메탄올 1분자가 산소와 반응하여 2 몰의 물이 생성된다.

이러한 DMFC 시스템은 연료원액을 소정 농도로 희석하는 연료희석탱크를 포함하게 된다. 즉, 상기 애노드 전극으로 공급되는 연료는 순수한 메탄올이 아니며 물과 혼합되어 소정 농도로 조정되어 공급된다. 상기 연료희석탱크는 연료원액탱크에서 공급되는 연료원액과 애노드로부터 배출되는 미반응연료와 물 및 캐소드로부터 배출되는 물을 혼합하여 소정 농도의 연료로 희석하게 된다. 또한, 상기 연료희석탱크는 애노드와 캐소드로부터 각각 이산화탄소와 공기가 유입되며, 상부에 이산 화탄소와 공기를 배출하는 벤트를 구비하게 된다.

상기 스택의 캐소드로부터 배출되는 공기는 소정온도로 가열된 상태이므로 물의 효율적인 응축을 위하여 열교환기를 사용하여 공기의 온도를 냉각시키는 것이 필요하게 된다. 그러나, 이러한 열교환기의 공기 흡입구가 벤트와 가까운 거리에 위치하게 되면 벤트로부터 배출되는 가열된 공기가 흡입되므로 열교환기의 냉각효율이 저하되는 문제점이 있다. 이러한 현상은 연료전지 시스템의 전체적인 크기가 소형화 될수록 증가된다.

한편, 상기 DMFC 시스템의 공기공급수단이 외부의 공기를 직접 흡입하여 스택의 캐소드로 공급하는 경우에 스택을 항상 적정온도로 관리하기 위하여 공기를 스택 운전에 적정한 온도로 가열해야 하므로 스택의 효율 및 성능이 저하되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서 스택의 캐소드부터 배출되는 유체를 냉각시키기 위하여 열교환기에서 사용된 공기가 캐소드의 유입구로 공급되도록 공기유로를 형성함으로써 연료전지 시스템의 하우징에 형성되는 통풍구의 수를 최소화하여 공기와 반응기체를 외부로 방출하는 벤트와 열교환기로 공기가 유입되는 통풍구의 거리를 크게 하여 열교환기의 냉각효율을 증가시킬 수 있는 연료전지 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 스택의 캐소드로부터 배출되는 공기의 열을 이용하여 캐소드의 유입구로 유입되는 공기를 가열할 수 있어 에너지 효율을 증가시킬 수 있는 연료전지시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위해서 안출된 본 발명의 연료전지 시스템은 애노드와 캐소드가 구비되며 공급되는 연료의 화학반응에 의하여 전기에너지를 생성하는 스택과, 연료의 원액이 저장되는 원액탱크와, 원액탱크의 연료를 공급하는 원액펌프와 상기 원액탱크로부터 공급되는 연료와 상기 캐소드와 애노드로부터 각각 배출되는 물과 미반응 연료를 혼합하여 소정 농도의 연료로 희석하는 연료희석탱크와, 상기 연료희석탱크에 연결되며 상기 애노드로 연료를 공급하는 연료공급펌프 및 상기 캐소드로 공기를 공급하는 공기공급수단을 포함하는 연료전지 시스템에 있어서, 박스 형상으로 소정 위치에 통풍구와 벤트가 형성되며, 상기 스택과 원액탱크와 원액펌프와 연료희석탱크 및 연료공급펌프가 내부에 수용되는 하우징 및 상기 통풍구로부터 공기를 흡입하여 상기 스택으로부터 배출되는 수증기와 물이 흐르는 제4배관을 냉각하도록 형성되는 열교환기를 포함하며, 상기 공기공급수단은 상기 열교환기에서 배출되는 공기를 흡입하여 상기 스택의 캐소드로 공급하도록 형성되는 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 하우징은 상기 통풍구가 일면에 형성되고 상기 벤트가 타측면에 형성될 수 있다.

또한, 본 발명에서 상기 열교환기는 상기 하우징의 통풍구에 연결되어 공기를 흡입하는 팬과, 상기 팬이 연결되는 제1홀 및 상기 공기공급수단과 연결되는 제2홀을 구비하며 상기 제4배관이 내부로 연장되어 형성되는 냉각부를 포함하여 형성될 수 있다. 이때, 상기 하우징은 타면에 제2통풍구를 구비하며, 상기 냉각부는 배 출관을 통하여 상기 제2통풍구와 연결되는 제3홀을 더 구비하여 형성될 수 있다. 또한, 상기 제4배관은 상기 냉각부 내부에서 지그재그 형상으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 연료희석탱크는 배출관을 통하여 상기 하우징의 벤트와 연결되도록 형성될 수 있다.

또한, 본 발명에서 상기 공기공급수단은 공기펌프, 에어블로워, 팬 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명에서 상기 연료전지 시스템은 직접 메탄올 연료전지 시스템으로 이루어질 수 있다.

이하에서, 첨부된 도면과 실시예들을 통하여 본 발명에 따른 연료전지 시스템을 보다 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 사시도를 나타낸다. 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 내부 평면도를 나타낸다.

본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템(100)은, 도 1과 도 2를 참조하면, 스택(20)과 연료희석탱크(30)와 연료공급펌프(35)와 원액탱크(40)와 원액펌프(45)와 공기공급수단(50) 및 열교환기(60)를 포함하여 형성된다. 또한, 상기 연료전지 시스템은 스택(20)과 연료희석탱크(30)와 연료공급펌프(35)와 원액탱크(40)와 원액펌프(45)와 공기공급수단(50) 및 열교환기(60)가 내부에 수용되는 하우징(10)을 포함하여 형성된다. 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템은 메탄올과 같이 액체상태로 공급되는 연료와 공기상태로 공급되는 산소가 전기화학적 반응에 의하여 전 기에너지를 발생시키는 DMFC 시스템을 중심으로 설명한다. 그러나, 본 발명에 따른 연료전지 시스템은 연료를 개질하여 발생되는 수소를 연료로 사용하여 전기에너지를 발생시키는 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC) 시스템에 적용될 수 있음은 물론이다. 다만, 이러한 PEMFC 시스템은 액체연료를 개질하여 수소를 발생시키는 개질기가 더 포함되어 구성된다.

상기 하우징(10)은 소정 두께의 판상이 대략 박스 형상으로 형성되며, 내부에 스택(20)과 연료희석탱크(30)와 연료공급펌프(35)와 원액탱크(40)와 원액펌프(45)와 공기공급수단(50) 및 열교환기(60)가 수용되도록 형성된다. 상기 하우징(10)은 일면(10a)에 열교환기(60)로 유입되는 공기의 통로인 통풍구(12)가 형성된다. 또한, 상기 하우징(10)은 다른 측면(10d)에 연료희석탱크(30)의 내부로 유입되는 공기와 이산화탄소와 같은 배출가스가 배출되는 배출관(34)이 노출되는 벤트(14)가 형성된다. 여기서, 상기 통풍구(12)와 벤트(14)는 서로 다른 면에 형성되어 벤트(14)에서 배출되는 공기가 통풍구(12)로 다시 유입되지 않게 된다.

또한, 상기 하우징(10)은 타면(10b)에 또 다른 제2통풍구(16)가 더 형성될 수 있다. 상기 제2통풍구(16)는 열교환기(60)로부터 배출되는 공기의 일부가 외부로 배출되도록 한다. 보다 상세하게는, 상기 열교환기(60)로 흡입된 공기는 일부가 공기공급수단(50)으로 공급되며, 남는 공기는 제2통풍구(16)를 통하여 외부로 배출된다. 상기 제2통풍구(16)는 통풍구(12)가 형성된 일면(10a)과 거리가 멀도록 타면(10b)에 형성되어 제2통풍구(16)로부터 배출된 공기가 통풍구(12)로 유입되지 않도 록 한다.

한편, 상기 하우징(10)은 스택(20)을 냉각시키는 공기가 유입되는 별도의 유입구와 배출구(도면에 표시하지 않음)가 형성될 수 있다.

상기 스택(20)은 MEA와 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)로 이루어진 단위셀이 한 개 또는 두 개 이상이 적층된 구조를 가진다. 상기 MEA는 애노드 전극(anode electrode)과 캐소드 전극(cathode electrode) 사이에 전해질막(membrane)이 개재되어 형성된다. 또한, 상기 애노드 전극과 캐소드 전극의 구조는 연료의 공급 및 확산을 위한 연료확산층(diffusion layer)과 연료의 산화/환원 반응이 일어나는 촉매층, 그리고 전극 지지체를 구비하여 이루어진다.

상기 스택(20)은 애노드의 유입구(22a)를 통하여 제1배관(23a)과 연결되는 연료희석탱크(30)로부터 소정 농도로 희석된 연료가 공급되며, 애노드의 배출구(22b)를 통하여 반응 부산물인 이산화탄소와 미반응연료가 배출된다. 상기 반응부산물과 미반응연료는 애노드의 배출구(22b)에 연결되는 제2배관(23b)을 통하여 연료희석탱크(30)로 유입된다.

또한, 상기 스택(20)은 캐소드의 유입구(24a)를 통하여 제3배관(25a)과 연결되는 공기공급수단(50)으로부터 공기가 공급되며, 캐소드의 배출구(24b)를 통하여 미반응 공기와 반응부산물인 물이 제4배관(25b)으로 배출된다. 또한, 상기 캐소드의 배출구(24b)는 애노드로 공급되어 전해질막을 크로스오버(cross-over)하는 연료도 함께 배출된다. 일반적으로 연료전지 시스템에서 연료로 사용되는 메탄올이 고 농도로 사용될 경우에 전해질막을 통한 크로스오버(cross-over, 연료가 전해질막을 통과하는 현상)에 의하여 캐소드 전극으로 이동하게 되므로, 메탄올은 일반적으로 0.5 ∼ 2 M (2 ∼ 8 vol. %)의 저농도 메탄올로 희석하여 사용하게 된다. 상기 캐소드의 배출구(24b)에서 배출되는 물과 일부 연료는 연료희석탱크(30)로 회수되어 연료원액을 소정 농도로 희석하는데 사용된다.

상기 제1배관(23a)은 스택(20)을 구성하는 애노드의 유입구(22a)와 연료공급펌프(35)를 연결하도록 형성되어 애노드의 유입구(22a)로 공급되는 연료의 통로가 된다. 상기 제2배관(23b)은 스택(20)을 구성하는 애노드의 배출구(22b)와 연료희석탱크(30)을 연결하도록 형성되어 애노드의 배출구(22b)로부터 배출되는 미반응 연료와 이산화탄소의 통로가 된다. 상기 제3배관(25a)은 스택(20)을 구성하는 캐소드의 유입구(24a)와 공기공급수단(50)을 연결하도록 형성되어 캐소드의 유입구(24a)로 공급되는 공기의 통로가 된다. 상기 제4배관(25b)은 스택(20)을 구성하는 캐소드의 배출구(24b)와 연료희석탱크(30)를 연결하도록 형성되어 캐소드의 배출구(24b)로부터 배출되는 공기와 물의 통로가 된다. 또한, 상기 제4배관(25b)은 캐소드의 배출구(24b)와 연료희석탱크(30) 사이의 소정 영역이 열교환기(60)의 내부에 위치하도록 설치되어 내부에 흐르는 수증기와 물의 온도를 낮추게 된다.

상기 연료희석탱크(30)는 내부가 중공인 대략 박스 형상으로 형성되며 내부에 소정 농도로 희석되는 연료가 저장된다. 상기 연료희석탱크(30)는 연료전지 시스템의 사양에 따라 내부에 소정의 연료가 저장될 수 있도록 형성된다. 상기 연료 희석탱크(30)는 연료배관(32)을 통하여 연료공급펌프(35)와 연결되며, 원액유입관(47)을 통하여 원액펌프(45)와 연결된다. 또한, 상기 연료희석탱크(30)는 제2배관(23b)을 통하여 스택(20)의 애노드와 연결되며, 제4배관(23b)을 통하여 스택(20)의 캐소드와 연결된다. 또한, 상기 연료희석탱크(30)는 제2배관(23b)과 제4배관(24b)을 통하여 유입되는 이산화탄소와 공기가 배출되는 배출관(34)이 형성된다. 상기 배출관(34)은 하우징(10)의 벤트(14)를 통하여 외부와 연결된다. 또한, 상기 연료희석탱크(30)는 바닥면에 설치되어 내부에 저장되는 연료의 정도를 감지하는 연료센서(도면에 표시하지 않음)가 더 포함되어 형성될 수 있다.

상기 연료공급펌프(35)는 연료배관(32)을 통하여 연료희석탱크(30)에 연결되며, 제1배관(23a)을 통하여 스택(20)을 구성하는 애노드의 유입구(22a)에 연결된다. 따라서, 상기 연료공급펌프(35)는 연료희석탱크(30)에 저장되어 있는 연료를 연료배관(32)을 통하여 공급받아 애노드의 유입구(22a)로 공급하게 된다. 상기 연료공급펌프(35)는 액체를 공급할 수 있는 다양한 펌프가 사용될 수 있으며 여기서 그 종류를 한정하지 않는다.

상기 원액탱크(40)는 연료전지 시스템에서 사용되는 연료의 원액이 저장되며, 연료전지 시스템의 용량에 따라 소정량의 원액을 저장할 수 있도록 형성된다. 상기 원액탱크(40)는 원액배관(42)을 통하여 원액펌프(45)와 연결되어 형성되며, 다만, 원액펌프(45)에 직접 연결되도록 형성될 수 있다. 상기 원액탱크(40)는 사용 되는 연료에 따라 메탄올, 에탄올과 같은 연료가 저장된다.

상기 원액펌프(45)는 원액배관(42)을 통하여 원액탱크(40)에 연결되며, 원액유입관(47)을 통하여 연료희석탱크(30)와 연결된다. 상기 원액펌프(45)는 원액탱크(40)에 저장되어 있는 연료의 원액을 연료희석탱크(30)로 공급하게 된다. 상기 원액펌프(45)는 액체를 공급할 수 있는 다양한 펌프가 사용될 수 있으며 여기서 그 종류를 한정하지 않는다.

상기 공기공급수단(50)은 제3배관(25a)을 통하여 스택(20)을 구성하는 캐소드의 유입구(24a)에 연결되어 공기를 공급하게 된다. 또한, 상기 공기공급수단(50)은 공기흡입관(52)을 통하여 열교환기(60)와 연결되며, 열교환기(60)에서 배출되는 공기를 흡입하여 스택(20)으로 공급하게 된다. 즉, 상기 공기공급수단(50)은 외부공기를 직접 흡입하지 않고 열교환기(60)에서 소정 온도로 가열된 공기를 흡입하여 스택(20)으로 공급하게 된다. 따라서, 상기 스택(20)은 캐소드로 공급되는 공기를 별도로 가열할 필요가 없게 되므로 에너지 손실을 막고 스택의 반응효율과 성능을 향상시킬 수 있게 된다. 상기 공기공급수단(50)은 공기펌프, 에어블로워(air blower), 팬(fan)등과 같이 다양한 공기 공급수단이 적용될 수 있음은 물론이다.

상기 열교환기(60)는 팬(62)과 냉각부(64)를 포함하며, 하우징(10) 내부의 소정위치에 설치된다. 상기 열교환기(60)는 캐소드의 배출구(24b)에 연결되는 제4 배관(25b)의 일부가 내부로 연장되도록 형성된다. 상기 열교환기(60)는 외부의 공기를 흡입하여 열교환기(60)의 내부로 연장되어 형성되는 제4배관(25b)에 흐르는 수증기와 물을 냉각하게 된다. 상기 제4배관(25b)을 흐르는 수증기와 물은 스택에서 배출되어 소정 온도로 가열된 상태이므로 열교환기(60)는 이를 냉각시켜 응축시킴으로써 효과적으로 회수할 수 있게 된다.

상기 팬(62)은 프로펠러(도면에 표시하지 않음)와 프로펠러를 회전시키는 모터(도면에 표시하지 않음)를 포함하여 형성되며 하우징(10)의 통풍구(12)에 연결되도록 설치된다. 상기 팬(62)은 통풍구(12)를 통하여 외부의 공기를 흡입하게 된다. 상기 팬(62)은 하우징(10)의 타측면(10d)에 형성되는 벤트(14)와 다른 일면(10a)에 형성되어 벤트(14)로부터 배출되는 가열된 공기가 흡입되지 않게 되므로, 열교환기(60)의 냉각효율을 향상시키게 된다. 상기 팬(62)은 에어블로워 또는 공기펌프가 사용될 수 있음은 물론이다.

상기 냉각부(64)는 내부가 중공인 대략 박스 형상으로 형성되며 팬(62)과 연결되는 제1홀(65a)과 공기흡입관(52)이 연결되는 제2홀(65b)을 포함하여 형성된다. 또한, 상기 냉각부(64)는 배출관(66)과 배출관(66)이 연결되는 제3홀(65c)을 포함하여 형성될 수 있다. 상기 배출관(66)은 제3홀(65c)과 하우징(10)의 제2통풍구(16)를 연결하여 열교환기(60)에서 공기공급수단(50)으로 공급되고 남은 공기가 제3홀(65c)과 제2통풍구(16)를 통하여 배출되도록 한다. 따라서, 상기 배출관(66)과 제3홀(65c)은 열교환기(60)에서 배출되는 공기가 공기공급수단(50)으로 모두 흡입되는 경우에 형성되지 않을 수 있음은 물론이다.

상기 냉각부(64)는 내부로 제4배관(25b)이 연장되어 형성되며, 팬(62)으로부터 공급되는 공기가 제4배관(25b)을 냉각하도록 한다. 따라서, 상기 냉각부(64)는 제1홀(65a)의 팬(62)으로부터 유입되는 공기가 제4배관(25b)을 냉각시키고 제2홀(65b)과 제3홀(65c)을 통하여 배출되도록 한다. 한편, 상기 냉각부(64)는 제4배관(25b)의 내부를 흐르는 수증기와 물이 충분히 냉각되는데 필요한 제4배관(25b)의 소정 길이가 내부에 수용될 수 있도록 소정 부피를 갖도록 형성된다. 또한, 상기 제4배관(25b)은 바람직하게는 냉각부(64)의 내부에 수용되는 부분이 최대한 증가될 수 있도록 지그재그 형상으로 형성되므로 냉각부(64)의 냉각효율이 증가된다.

다음은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 작용에 대하여 설명한다. 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템에서 공기의 흐름을 나타내는 평면도이다. 도 3에서 화살표는 외부에서 흡입된 공기의 흐름을 나타낸다. 이하에서는, 연료전지 시스템의 작동과정에서 일어나는 공기의 흐름을 중심으로 공기공급수단과 열교환기의 작용을 중심으로 설명한다. 다만, 연료전지 시스템의 작동 과정에 연료의 공급과 관련된 일련의 구성요소는 이 분야의 통상의 기술을 가진 당업자의 입장에서 일반적으로 알려진 방법에 의하여 작용되므로 여기서 상세한 설명을 생략한다

상기 열교환기(60)는 하우징(10)의 통풍구(12)에 설치되어 있는 팬(62)의 구동에 의하여 외부공기를 흡입하여 냉각부(64)로 공급하게 된다. 이때, 상기 팬(62)은 가열된 공기가 배출되는 벤트(14)와 다른 일측면(10a)에 형성되므로 보다 낮은 온도의 공기를 흡입하게 된다. 상기 냉각부(64)는 공급되는 공기를 사용하여 내부로 연장되어 형성되는 제4배관(25b)을 냉각하게 된다. 상기 냉각부(64)는 공급된 공기를 제2홀(65b)을 통하여 공기공급수단(50)으로 공급하게 되며, 여분의 공기는 제3홀(65c)을 통하여 외부로 배출하게 된다.

상기 공기공급수단(50)은 소정 온도로 가열된 공기를 흡입하여 제3배관(25a)을 통하여 스택(20)으로 공급하게 되며 스택(20)은 공급되는 공기를 별도로 가열할 필요가 없게 된다. 따라서, 상기 스택(20)은 가열된 공기가 직접 공급되므로 스택(20)의 효율 및 성능이 향상되며, 공기를 가열하는데 별도의 에너지를 소모할 필요가 없게 없으므로 에너지 손실을 막을 수 있게 된다.

상기 스택(20)으로부터 가열되어 배출된 수증기와 물은 제4배관(25b)을 통하여 연료희석탱크(30)로 유입된다. 이때, 상기 제4배관(25b)은 열교환기의 내부로 일부가 연장되어 형성되므로 제4배관(25b)의 내부를 흐르는 가열된 수증기와 공기는 소정 온도로 냉각된다. 따라서, 상기 제4배관(25b)의 내부를 흐르는 수증기는 효과적으로 물로 응축되어 물을 효과적으로 회수할 수 있게 된다. 또한, 상기 제4배관(25b)의 내부를 흐르는 공기는 소정온도로 냉각되어 연료희석탱크(30)내부로 유입된다. 상기 연료희석탱크(30)의 내부로 유입된 공기는 배출관(34)과 하우징(10)의 배출구를 통하여 외부로 배출된다. 이때, 외부로 배출되는 공기는 소정 온도 이하로 냉각되어 배출되므로 주변기기에 영향을 주는 것을 최소화하게 된다.

또한, 상기 연료전지 시스템은 공기공급수단(50)으로 유입되는 공기가 열교환기(60)로부터 직접 공급되므로 하우징(10)에 공기공급수단(50)을 위한 별도의 홀 을 형성할 필요가 없게 된다. 따라서, 연료전지 시스템의 공기공급수단과 펌프에서 발생되는 소음이 외부로 유출되는 것을 줄일 수 있게 된다. 또한, 상기 하우징(10)에 형성되는 홀의 수가 감소되므로, 상기 연료전지 시스템이 소형화되는 경우에 벤트와 통풍구의 형성위치를 선정하는데 유리하게 된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형의 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 특허청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

본 발명에 의하면 공기공급수단으로 유입되는 공기가 열교환기로부터 직접 공급되므로 하우징에 공기공급수단을 위한 별도의 홀을 형성할 필요가 없으며, 하우징에 형성되는 홀의 수가 감소되어 공기공급수단과 펌프에서 발생되는 소음이 외부로 유출되는 것을 줄일 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 열교환기의 팬이 가열된 공기가 배출되는 벤트로부터 멀리 이격되어 형성되므로 가열된 공기가 열교환기로 유입되어 열교환기의 냉각성능을 떨어뜨리는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 의하면 하우징에 형성되는 홀의 수가 감소되므로 연료전지 시스템이 소형화되는 경우에 벤트와 통풍구의 형성위치를 선정이 용이하게 되는 효 과가 있다.

또한, 본 발명에 의하면 스택은 가열된 공기가 직접 공급되므로 스택의 효율 및 성능이 향상되며, 공기를 가열하는데 별도의 에너지를 소모할 필요가 없게 없으므로 에너지 손실을 막을 수 있는 효과가 있다.

Claims

애노드와 캐소드가 구비되며 공급되는 연료의 화학반응에 의하여 전기에너지를 생성하는 스택과, 연료의 원액이 저장되는 원액탱크와, 원액탱크의 연료를 공급하는 원액펌프와 상기 원액탱크로부터 공급되는 연료와 상기 캐소드와 애노드로부터 각각 배출되는 물과 미반응 연료를 혼합하여 소정 농도의 연료로 희석하는 연료희석탱크와, 상기 연료희석탱크에 연결되며 상기 애노드로 연료를 공급하는 연료공급펌프 및 상기 캐소드로 공기를 공급하는 공기공급수단을 포함하는 연료전지 시스템에 있어서,

박스 형상으로 소정 위치에 통풍구와 벤트가 형성되며, 상기 스택과 원액탱크와 원액펌프와 연료희석탱크 및 연료공급펌프가 내부에 수용되는 하우징 및

상기 통풍구로부터 공기를 흡입하여 상기 스택으로부터 배출되는 수증기와 물이 흐르는 제4배관을 냉각하도록 형성되는 열교환기를 포함하며,

상기 공기공급수단은 상기 열교환기에서 배출되는 공기를 흡입하여 상기 스택의 캐소드로 공급하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
제 1항에 있어서,

상기 하우징은 상기 통풍구가 일면에 형성되고 상기 벤트가 타측면에 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
제 1항에 있어서,

상기 열교환기는 상기 하우징의 통풍구에 연결되어 공기를 흡입하는 팬과, 상기 팬이 연결되는 제1홀 및 상기 공기공급수단과 연결되는 제2홀을 구비하며 상기 제4배관이 내부로 연장되어 형성되는 냉각부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
제 3항에 있어서,

상기 하우징은 타면에 제2통풍구를 구비하며, 상기 냉각부는 배출관을 통하여 상기 제2통풍구와 연결되는 제3홀을 더 구비하여 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
제 3항에 있어서,

상기 제4배관은 상기 냉각부 내부에서 지그재그 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
제 1항에 있어서,

상기 연료희석탱크는 배출관을 통하여 상기 하우징의 벤트와 연결되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
제 1항에 있어서,

상기 공기공급수단은 공기펌프, 에어블로워, 팬 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
제 1항에 있어서,

상기 연료전지 시스템은 직접 메탄올 연료전지 시스템인 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.