JP2007005282A - 燃料混合タンク及びこれを具備した燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】スタック内の化学反応に反応せずに排出される未反応の低濃度燃料をリサイクルするように高濃度の燃料と均一に混合することができる燃料混合タンク及びこれを具備した燃料電池システムを提供する。
【解決手段】 燃料混合タンクは低濃度燃料と高濃度燃料が流入される流入部と、前記流入部を通じて流入された燃料が混合される混合部と、前記混合部で混合した燃料が排出される排出部とに仕分けされるハウジングを含み、前記混合部には前記流入口を通じて流入された燃料の流れを複数個の流れで分割する混合部材が設けられている。
【選択図】図4

Description

本発明は燃料電池のスタックに所定濃度の燃料を供給するための燃料混合タンクに関し、より詳細には、スタック内の化学反応に反応せずに排出される未反応の低濃度燃料をリサイクルするように高濃度の燃料と均一に混合することができる燃料混合タンク及びこれを具備した燃料電池システムに関する。

最近、環境問題や資源問題を解決するための方案として天然ガスなどの炭化水素燃料、メタノールなどのような水素含有燃料から得られる水素と空気中の酸素とを電気化学的に反応させて電気を生成する燃料電池に対する関心が寄せられてきた。
このような燃料電池は使用される電解質の種類によって、燐酸型燃料電池(PAFC; phosphoric acid fuel cell)、溶融炭酸塩型燃料電池(MCFC; molten carbonate fuel cell)、固体酸化物型燃料電池(SOFC; solid oxide fuel cell)、高分子電解質型燃料電池(PEMFC; polymer electrolyte membrane fuel cell)、アルカリ型燃料電池(AFC; alkaline fuel cell)などに分類される。
燃料電池は、その種類によって使用される燃料の種類とともに作動温度、出力範囲などにしたがって移動電源用、輸送用、分散発電用などの多様な応用分野に適用することができる。

上述した燃料電池の中で高分子電解質型燃料電池は、出力特性が卓越で作動温度が低いだけでなく、早い始動及び応答特性を持っており、基本的に水素ガスと酸素との化学的反応によって電気を生成する単位電池が内蔵されているスタック(stack)と、 メタノール、エチルアルコールまたは天然ガスのような炭化水素系列の水素含有燃料を改質して生成される水素ガスを前記スタックに供給する改質器(reformer)と、ポンプ作動によって水素含有燃料を前記改質器に供給する燃料供給部と、空気を前記スタックに供給するための空気供給部とを持つ。

一方、水素ガスを得るための改質器の使用なしに水素含有燃料を直接発電に利用する直接メタノール型燃料電池(DMFC: direct methanol fuel cell)は、低い作動温度及び速い応答特性などの長所だけでなく、小型化の長所によって研究開発されている。

このような直接メタノール型燃料電池は、水素含有燃料が酸化することで生成される水素イオンと酸素の電気化学反応を通じて電気を生成する単位電池が内蔵されているスタックと、ポンプ作動によって水素含有燃料を前記スタックに供給する燃料供給部と、前記スタックに空気を供給する空気供給部とを含んでいる。

従来の直接メタノール型燃料電池において、水素含有燃料がスタックに供給されて水素イオンを生成させる。この時、水素イオンを生成させる反応に参加することができなかった水素含有燃料、すなわち、未反応燃料(unreacted fuel)はスタック内での化学反応の結果生成される水(H₂O)とともに、スタックから排出され、これは燃料電池システムで電気を生成するための燃料の使用效率を低下させる結果を惹起させた。

燃料電池システムにおいて燃料の使用效率を高めるために、未反応燃料をスタックに再供給する技術が開示された。 例えば、スタックから排出される未反応の低濃度燃料を高濃度燃料と混合した水素含有燃料をスタックに供給する技術が公知されている。

しかし、低濃度燃料と高濃度燃料の混合状態にバラ付きがある場合には、スタックに供給される水素含有燃料の濃度を一定に維持することができず、結果的に燃料電池システムの発電效率が低下するという問題点を抱えていた。

一方、前記従来の燃料混合タンク及びこれを具備した燃料電池システムに関する技術を記載した文献としては、下記特許文献１等がある。
韓国特許公開第2005−0032293号公報

本発明は、前記従来の問題点を解決するために提案されたもので、スタックから排出される未反応の低濃度燃料を高濃度燃料と均一に混合して所定濃度の水素含有燃料を生成することができる燃料混合タンクを提供することにその目的がある。

また、本発明の他の目的は均一に混合した所定濃度の水素含有燃料をスタックに供給して発電效率を高めることができる燃料電池システムを提供することである。

前記目的を果たすために、本発明によれば、燃料混合タンクは低濃度燃料と高濃度燃料が流入される流入部と、前記流入部を通じて流入された燃料が混合される混合部と、前記混合部で混合した燃料が排出される排出部とに仕分けされるハウジングを含み、前記混合部には前記流入口を通じて流入された燃料の流れを複数個の流れで分割する混合部材が設けられる。

前記ハウジングには前記低濃度燃料から導電性イオン及び異物のうち少なくとも一方をとり除くための濾過部がさらに設けられ、望ましくは、前記濾過部にはイオン交換体、多孔性部材、フィルターのうち少なくとも一つが設けられる。また、前記ハウジングの混合部には前記混合部材が内蔵されている混合器が設けられる。

さらに、本発明による燃料電池システムは、水素と酸素の化学反応によって電気を生成するスタックと、前記スタックに酸化剤を供給するための空気供給部と、前記スタックに水素含有燃料を供給するための燃料供給部を持って、前記燃料供給部は高濃度燃料が貯蔵されている燃料貯蔵部と、前記燃料貯蔵部から供給される高濃度燃料と前記スタックから排出される未反応の低濃度燃料が流入されて混合される燃料混合タンクとを含み、前記燃料混合タンクには流入された低濃度燃料と高濃度燃料の流れを複数の流れに分割する混合部材が提供される。

上述したように、本発明によれば、スタック内での化学反応に反応せずに排出される未反応の低濃度燃料をリサイクルするように高濃度の燃料と均一に混合させることができ、かつ一定濃度の水素含有燃料をスタックに供給することによってスタック内での発電効率を向上させ、燃料電池システムの信頼性を高めることができる。

以下、添付図面を参照して本発明の望ましい実施形態を説明する。

本発明を説明するにあたり、使用される用語は説明の便利性のために定義されたものであり、本明細書にて使用される用語は当該分野に携わる技術者の意図または慣例などによって変わることもあるが、本発明の技術的構成要素を限定する意味として理解されてはならない。

例えば、用語「低濃度燃料」は燃料電池システムのスタックでの化学反応に反応せずに排出される未反応された燃料を意味し、用語「高濃度燃料」はメタノール、エチルアルコールなどのアルコール系燃料、メタン、プロパン、ブタンなどの炭化水素係燃料または液化天然ガスなどの天然ガス系燃料のような燃料グループから選択されて水と混合しない高純度の燃料を意味し、用語「水素含有燃料」はスタックに供給される燃料を意味する。

直接メタノール型燃料電池は、図1に示すように、水素と酸素の化学反応によって電気を生成するスタック10と、スタック10に酸化剤、例えば酸素または酸素含有空気を強制的に供給するための空気供給部30と、スタック10に水素含有燃料を供給するための燃料混合タンク20とを備える。
燃料混合タンク20には燃料貯蔵部40に貯蔵されている高濃度燃料と、スタック10から排出される未反応の低濃度燃料とが流入されて混合される。この時、直接メタノール型燃料電池にはスタック10から排出される未反応の低濃度燃料を回収する回収タンク（図示せず）を設けることができる。前記回収タンクはスタック10と燃料混合タンク20との間の流路に設置することができる。

スタック10には、高分子膜4と、高分子膜4の両側に設けられたカソード電極及びアノード電極2、6からなる電極膜組立体(MEA; Membrane Electrode Assembly)を含む単位電池が複数個設けられる。
アノード電極6は燃料混合タンク20から供給される水素含有燃料を酸化させて水素イオンH+と電子e-を発生させる。この時、水素イオンH+は高分子膜4を通じてカソード電極2に移動し、電子e-はスタック10に設けられた外部回路（図示せず）を通じてカソード電極2に移動する。

カソード電極2では空気供給部30から供給される空気中の酸素と高分子膜4を通じて移動した水素イオンH+の化学反応によって水を生成させる。

高分子膜4は、アノード電極6から発生された水素イオンをカソード電極2に伝達するイオン交換の機能とともに水素含有燃料の透過を防止する機能を持つ伝導性高分子電解質膜として約50〜200μm程度の厚さを持つ。

アノード電極6で水素含有燃料の酸化反応及びカソード電極2で酸素の還元反応の結果、二酸化炭素CO₂と水H₂Oがそれぞれ生成される。この時、アノード電極6での酸化反応に参加することができなかった未反応の低濃度燃料は水H₂Oと一緒にスタック10から排出される。

空気供給部30には、空気をスタック10のカソード電極2に供給するための駆動ポンプPが設けられる。

スタック10と燃料混合タンク20との間には、未反応の低濃度燃料が流動する第1流路が形成され、燃料貯蔵部20と燃料混合タンク20との間には高濃度燃料が流動する第2流路が形成される。
前記第1流路と第2流路それぞれを通じて供給された低濃度燃料と高濃度燃料が燃料混合タンク20で混合されることによって形成される所定濃度、例えば1M濃度の水素含有燃料がスタック10のアノード電極6に供給される。

図3を参照すれば、燃料混合タンク20は一側に流入口20aが設けられ、他側に排出口20bが設けられたハウジング22を持つ。ハウジング22には流入口20aを通じて流入された低濃度燃料と高濃度燃料との流れを複数の流れに分割させる混合部材24が複数個設けられる。

例えば、複数個の混合部材24は図2に示すように互いに一直線上に積層された状態で設けられ、流入口20aを通じて流入された低濃度燃料と高濃度燃料とは混合部材24を通過しながら互いに混合される。
すなわち、流入口20aに隣接した第1混合部材24aの第1排出端aを通過する流体は、二つの流れに分流され、第1混合部材24bに隣接した第2混合部材24bの第2排出端bを通過する流体は、他の方向の二つの流れに分流される。
低濃度燃料と高濃度燃料は混合部材24を通過しながら上述された流れ分流過程を経て互いに混合される。燃料混合タンク20内で燃料は二つの流れに限定されず、複数の流れに分流されるようにしても良い。

一方、スタック10での化学反応に反応せずに排出される未反応の低濃度燃料には異物のような不純物及び導電性イオンのうち少なくとも一方を含有させることができる。したがって、図4に示すように、本発明による燃料混合タンク120には導電性イオンをとり除くためのイオン交換樹脂のようなイオン交換体126及び不純物をとり除くための多孔性部材127のうち少なくとも一方を設けることができる。
すなわち、燃料混合タンク120は濾過部120aと混合部120bに大別することができ、 濾過部120aにはイオン交換体126、多孔性部材127などが設けられ、混合部120bには混合部材124が設けられる。

また、図4を参照すれば、高濃度燃料と低濃度燃料が流入される流入口Iに隣接して低濃度燃料に含有されている伝導性イオンをとり除くためのイオン交換体126が設けられる。イオン交換体126は、陽イオン交換樹脂または陰イオン交換樹脂を所定の厚さに積層することによって形成される。
したがって、流入口Iを通じて流入された燃料がイオン交換体126を通過する間、低濃度燃料に含有されている導電性イオンが除去され、このような低濃度燃料と高濃度燃料は1次的に混合される。

一方、イオン交換体126を通過した低濃度燃料と高濃度燃料の混合燃料は、多孔性部材127や混合部材124を通過する。前記混合燃料が多孔性部材127を通過する間、混合燃料から不純物が除去される。

イオン交換体126と多孔性部材127の間には、イオン交換体126を構成するイオン交換樹脂が多孔性部材127に流入されることを防止するための網形態のメッシュを設けることができる。

また、低濃度燃料に含有されている不純物をさらに效果的にとり除くために、燃料混合タンク120の濾過部にはフィルター128を設けることができる。フィルター128は燃料の流れ方向で多孔性部材127の下流にあたる上部に位置する。 フィルター128はその外側に設けられたＯリングを通じて燃料混合タンク120内に固定される。そして、フィルター128の上部には網形態のメッシュを設けることができる。
すなわち、燃料混合タンク120のハウジング122は、網形態のメッシュを通じて異物や導電性イオンを燃料からとり除く濾過部と、高濃度燃料と低濃度燃料とを混合させる混合部に分けられる。

一方、本発明の他の実施形態によれば、燃料混合タンク120の混合部120bには排出口Oに流体疎通が可能に連結される混合器100が設けられる。混合器100は、図5に示すように、燃料混合タンク120の濾過部120aで濾過処理された後に流入された燃料の流れを複数の流れに分割する混合部材112が内蔵されているハウジングを持つ。
混合器100のハウジングの排出端は、燃料混合タンク120の排出口Oに流体疎通が可能に連結される。したがって、濾過部120aで濾過処理された燃料は混合器100を通過しながら混合され、その後、前記ハウジングの排出端を経由して燃料混合タンク120の排出口Oを通じてスタック10に供給される。

以下、本発明による燃料混合タンクが設置された燃料電池システムの作動を説明する。

所定濃度、例えば、1M濃度の水素含有燃料が燃料混合タンク20からスタック10のアノード6側に供給され、空気供給部30から酸素のような酸化剤含有空気がスタック10のカソード2側に供給される。そして、スタック10内部での酸化還元反応によって生成される電流が外部電源に供給される。

この時、上述された酸化還元反応の結果、水が生成される。スタック10のアノード6での化学反応に参加することができなかった未反応燃料は水とともに排出される。結果的に未反応の低濃度燃料は、燃料混合タンク20に流入されて燃料貯蔵部40から供給される高濃度燃料と混合される。

燃料混合タンク20(図3参照)において、流入口20aを通じて流入された高濃度燃料と低濃度燃料は、混合部材24を通過しながら混合されて所定濃度、例えば、1M濃度を維持し、 このような濃度の水素含有燃料がスタック10のアノード6側に供給される。

一方、燃料混合タンク120(図4参照)において、流入口Iを通じて流入された高濃度燃料と低濃度燃料は、濾過部120aを通過しながら不純物や導電性イオンが除去された状態で混合部120bに流入され、この後、混合部120bに設置された混合部材124を通過しながら混合されて所定濃度、例えば1M濃度を維持し、このような濃度の水素含有燃料がスタック10のアノード6側に供給される。

また、本発明の他の実施形態である燃料混合タンク120(図5参照)において、流入口Iを通じて流入された高濃度燃料と低濃度燃料は、濾過部120aを通過しながら不純物や導電性イオンが除去された状態で混合部120bに流入される。
その後、混合部120bに設置された混合器100のハウジングに流入された燃料は、混合部材112を通過しながら混合されて所定濃度、例えば1M濃度を維持し、このような濃度の水素含有燃料がスタック10のアノード6側に供給される。

上述したように、低濃度燃料と高濃度燃料は混合部材24、112、124を通過しながら均一に混合して一定の濃度の水素含有燃料がスタック10に供給されるので、スタックでの発電效率を高めることができる。

以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は前記した実施形態に限定されず、かつ本発明は前記した実施形態に限定されるのではなく、本発明の技術的思想の範囲内で当該分野において通常の知識を有する者によってさまざまな変形が可能である。

図1は、本発明による直接メタノール燃料電池の全体的な構成を概略的に図示したブロック図である。 図2は、燃料混合タンクに設置される混合部材を図示した図である。 図3は、図2の混合部材が内蔵されている本発明による燃料混合タンクの図である。 図4は、本発明による燃料混合タンクの一実施形態を図示した断面図である。 図5は、本発明による燃料混合タンクの他の実施形態を図示した斜視図である。

符号の説明

10；スタック
20,120；燃料混合タンク
24,112、124；混合部材
30；空気供給部
40；燃料貯蔵部
126；イオン交換体
127；多孔性部材
128；フィルター

Claims (13)

1. 低濃度燃料と高濃度燃料とが流入される流入部と、
   前記流入部を通じて流入された燃料が混合される混合部と、
   前記混合部で混合された燃料が排出される排出部と、
   に区分されるハウジングを備え、
   前記混合部には、前記流入口を通じて流入された燃料の流れを複数の流れに分割する混合部材が設けられている
   ことを特徴とする燃料混合タンク。
2. 前記ハウジングは、前記低濃度燃料から導電性イオン及び異物のうち少なくとも一方をとり除くための濾過部をさらに含む
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料混合タンク。
3. 前記ハウジングの濾過部には、イオン交換体が設けられている
   ことを特徴とする請求項２に記載の燃料混合タンク。
4. 前記ハウジングの濾過部には、多孔性部材が設けられている
   ことを特徴とする請求項２に記載の燃料混合タンク。
5. 前記ハウジングの濾過部には、フィルターが設けられている
   ことを特徴とする請求項２に記載の燃料混合タンク。
6. 前記ハウジングの混合部には、前記混合部材が内蔵されている混合器が設けられている
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料混合タンク。
7. 前記ハウジングの流入部には、前記濾過部が設けられている
   ことを特徴とする請求項６に記載の燃料混合タンク。
8. 水素と酸素の化学反応によって電気を生成するスタックと、
   前記スタックに酸化剤を供給するための空気供給部と、
   前記スタックに水素含有燃料を供給するための燃料供給部とを備え、
   前記燃料供給部は、
   高濃度燃料が貯蔵されている燃料貯蔵部と、
   前記燃料貯蔵部から供給される高濃度燃料と前記スタックから排出される未反応の低濃度燃料とが流入されて混合される燃料混合タンクとを含み、
   前記燃料混合タンクには、流入された低濃度燃料と高濃度燃料との流れを複数の流れに分割する混合部材が設けられている
   ことを特徴とする燃料電池システム。
9. 前記燃料混合タンクには、前記低濃度燃料から導電性イオン及び異物のうち少なくとも一方をとり除くための濾過部をさらに含む
   ことを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。
10. 前記濾過部には、イオン交換体が設けられている
    ことを特徴とする請求項９に記載の燃料電池システム。
11. 前記濾過部には、多孔性部材が設けられている
    ことを特徴とする請求項９に記載の燃料電池システム。
12. 前記濾過部には、フィルターが設けられている
    ことを特徴とする請求項９に記載の燃料電池システム。
13. 前記燃料混合タンクには、前記混合部材が内蔵されている混合器が設けられている
    ことを特徴とする請求項８又は９に記載の燃料電池システム。

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