KR100446814B1 - 연료전지시스템 - Google Patents

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Abstract

약 60℃에서 작동하는 고분자 전해질형 연료 전지를 사용한 경우, 배기 가스에 의한 가열은 곤란해진다. 그래서 연료 전지 본체로서 고분자 전해질형 연료 전지(PEM)를 채용하고, 수소를 저장하고 있는 금속제의 수소 저장 용기가 PEM의 전해질막을 가습하기 위한 가습 장치를 통하여 수소 공급 배관에 의해 PEM이 연결되어 있다. PEM과 수소 저장 용기는 열전도체인 동판으로 연결되어 있다. 이 동판에 의해 PEM에서 발생한 열이 수소 저장 용기에 전해지고, 용기 내의 온도나 압력을 상승시킨다. 이로써 수소가 양호하게 PEM에 공급된다.

Description

연료 전지 시스템{Fuel Cell System}
최근, 연료 전지와 수소 흡장 합금(hydrogen absorbing alloys)을 조합한 연료 전지 시스템이 휴대용 전원으로서 사용되고 있다. 이러한 연료 전지 시스템의 다양한 구성이 제안되어 있다(일본국 특개평 6-76848호 공보, 일본국 특개평 6-60894호 공보 등).
이 중, 대표적인 종래예로서 특개평 6-150955호 공보에 기재되고 있는 구성을 이하에 도 9 및 도 10을 이용하여 상세히 설명하기로 한다.
이들 도면에서 연료 전지(31)에 수소를 공급하는 수소 흡장 합금을 충전한 실린더(32)가 이 연료 전지(31)를 수용한 전원 본체(33)와는 독립한 이동식 구조의 틀체(34)에 수용되고, 또한, 이 틀체(34)에는 연료 전지(31)가 발생하는 배기 가스가 실린더(32) 주변을 통과하도록 배기 가스 도입부(35)가 설치된다.
이 예에서는 실린더(32)를 수용한 틀체(34)가 전원 본체(33)와는 독립한 이동식 구조이기 때문에 실린더(32)를 수용하기 위한 스페이스 상의 제약을 받지 않고 틀체(34)의 대형화를 도모할 수 있다. 또한 수소를 원활히 공급하기 위해 연료전지(31)의 배기 가스를 실린더(32) 주변에 도입하여 탱크의 온도나 압력을 상승시키도록 되어 있다.
또, 제 2 종래예로서 일본국 특개평 4-181659호 공보에 기재되어 있는 바와 같이, 연료 전지 시스템의 안전성을 높이기 위해 수소 저장 수단으로서의 수소 흡장 합금의 플래토(plateau)영역의 상한에서의 평형 수소 압력을, 상압(常壓)에서 1Oatm 이하의 것을 이용한 연료 전지 시스템이 있었다.
그런데, 종래의 연료 전지 시스템에서는 연료 전지 본체가 인산형 연료 전지 등의 170℃ 이상의 비교적 고온에서 작동하는 타입이 사용되고 있기 때문에 배기 가스에 의한 실린더의 가열이 효과적으로 행하여지고 있었다.
그러나, 연료 전지 시스템을 더욱 소형화하고, 퍼스널 컴퓨터 등 전기 제품에 사용하여, 장시간 발전을 하기 위해 약 60℃에서 작동하는 고분자 전해질형 연료 전지를 사용한 경우, 배기 가스에 의한 가열이 곤란하게 된다는 문제점이 있었다.
또, 수소 저장 용기의 작동시의 온도가 상온이 아닌 경우, 수소 흡장 합금의 플래토 영역의 상한에서의 평형 수소 압력을 상압에서 1Oatm 이하의 것을 이용하면, 상온보다 높은 경우는 작동시의 평형 수소 압력이 높아져서 부적당하고, 반대로 상온보다 낮은 경우에는 작동시의 평형 수소 압력이 낮아져서 수소의 공급을 할 수 없게 된다는 문제점이 있었다.
본 발명은 연료 전지와 수소 흡장 합금을 조합한 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예인 연료 전지 시스템의 제 1 개념도이다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예인 연료 전지 시스템의 제 2 개념도이다.
도 3은 본 발명의 제 2 실시예인 수소 공급 장치의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 제 3 실시예인 연료 전지 시스템의 개념도이다.
도 5는 본 발명의 제 4 실시예인 연료 전지 시스템의 제 1 개념도이다.
도 6은 본 발명의 제 4 실시예인 연료 전지 시스템의 제 2 개념도이다.
도 7은 본 발명의 제 5 실시예인 연료 전지 시스템의 개념도이다.
도 8은 AB2형 Ti(Zr)-Mn계 합금 수소 흡장 합금의 평형 수소 압력의 온도 의존성을 나타내는 도면이다.
도 9는 종래 기술인 연료 전지 시스템의 사시도(일부 단면)이다.
도 10은 종래 기술인 연료 전지 시스템의 사시도(일부 단면)이다.
(부호의 설명)
1 : 고분자 전해질형 연료 전지(PEM)
2 : 수소 저장 용기 4 : 수소 공급 배관
6, 34 : 틀체 7 : 흡입구
8 : 배출구 9 : 동판
10 : 수소 보급구 11 : 퀵 커넥터
12 : 경첩 13 : 나사
31 : 연료 전지 32 : 실린더
33 : 전원 본체 35 : 배기 가스 도입부
본 발명의 목적은 상기의 문제점을 해결하여 소형으로 장시간 작동 가능한연료 전지 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 연료 전지는 상기 과제를 해결하기 위해 연료 전지 본체와 수소 저장 용기가 열의 수수 가능 수단, 예를 들면 양호한 열전도체로 결합하는 것이다.
이것은 수소 저장 용기의 작동시의 온도가 상온 이상인 경우, 열의 수수는 고분자 전해질형 연료 전지 본체의 발열로 수소 저장 용기를 가열하는 것이며, 수소 저장 용기의 작동시의 온도가 상온 이하인 경우, 열의 수수는 수소 저장 용기의흡열로 발생한 냉열로 고분자 전해질형 연료 전지 본체를 냉각한다.
또, 주된 열의 수수 가능 수단 이외에 보조적인 열의 수수 가능 수단으로서 팬을 구비한 것과, 그것에 의해 연료 전지 본체에 공기를 공급하는 것도 가능하다. 수소 저장 용기가 소형 시스템 본체와 착탈 가능하도록 한다.
또한, 수소 저장 용기 내의 수소 흡장 합금의 플래토 영역의 상한에서의 평형 수소 압력이 이 수소 저장 용기의 작동시의 온도로 10kg/cm2g 이하로 한다.
이하, 본 발명의 실시예에 대하여 도 1부터 도 8을 이용하여 설명하기로 한다.
(제 1실시예)
도 1 및 도 2는 본 발명의 제 1 실시예인 연료 전지 시스템의 개념도이다. 도 1 및 도 2에서 연료 전지 본체로서 고분자 전해질형 연료 전지(이하, PEM이라약칭)(1)가 채용되어 있다. 또, 수소를 저장하고 있는 금속제의 수소 저장 용기(2)가 PEM(1)의 전해질막을 가습하기 위한 가습 장치(3)를 도중에 구비한 수소 공급 배관(4)에 의해 PEM(1)과 연결되어 있다. 또한, PEM(1)에 산화제로서의 공기를 공급하고 있는 팬(5)이 있고, 이들 부품이 틀체(6) 내에 수납되어 있다.
틀체(6)는 PEM(1)의 열이 외부에 악영향을 주지 않도록 단열성이 높고, 내열성이 우수한 플라스틱과 같은 재질이 바람직하다. 또, 틀체(6)에는 흡입구(7)와 배출구(8)가 있어 팬(5)에 의해 공기가 순환한다. 따라서, 공기가 PEM(1)의 근방을 통과하며 따뜻하게 된다. 그리고, 그 따뜻하게 된 공기가 수소 저장 용기(2)를 따뜻하게 하는 보조적인 효과도 있다. 또한, 수소 저장 용기(2)에는 수소 보급구(10)가 설치되어 있다.
또, PEM(1)과 수소 저장 용기(2)는 열전도체로서의 동판(9)으로 연결되어 있다. 물론 이 동판(9)은 알루미늄판 또는 열전도 시트 등 다른 열전도체라도 된다.
또한, 동판(9)을 수소 저장 용기(2)와 같은 재질로 함으로써 수소 저장 용기(2)와 열전도체를 일체화한 구조로 할 수 있다. 이러한 구조로 함으로써 열전도성의 향상이나 소형이 가능하게 된다.
이 동판(9)에 의해 PEM(1)에서 발생한 열이 수소 저장 용기(2)에 전해지고, 용기 내의 온도나 압력을 상승시킨다. 이에 따라, 수소가 양호하게 PEM(1)에 공급된다.
수소 저장 용기(2) 내의 수소가 없어지면 수소 보급구(10)로부터 수소를 보급한다.
이 구성에서는 히터 등의 보조 열원을 사용하지 않으므로 효율이 좋아진다. 또, 수소 흡장 합금이 수소를 방출할 때의 흡열 반응으로 PEM(1)을 식히게 되므로 여분의 배출열을 외부로 내지 않는다. 따라서, 퍼스널 컴퓨터 등 전화 제품에 사용할 때 시스템에 의한 가열을 막을 수 있다는 효과도 있다.
또한, 도 2와 같이 온도의 상승이 큰 중심부에만 동판을 설치하면 열분포를 일정하게 하는 효과가 있다.
또, 본 실시예에서는 수소 저장 용기(2)는 상온보다 높은 온도에서 작동하는 경우에나 수소 저장 용기(2)가 상온보다 낮은 온도로 작동하는 경우에 같은 구성으로 같은 작용·효과를 얻을 수 있다.
(제 2 실시예)
도 3은 본 발명의 제 2 실시예인 수소 공급 장치의 사시도이다.
도 3에서 수소 저장 용기(2)에는 퀵 커넥터(11)가 설치되고 수소 공급 배관(도 3에서는 도시 생략)과 접속 가능하게 되어 있다. 이 퀵 커넥터(11)는 취급이 간단하여 가장 바람직하지만, VCR 접속수단 등 다른 착탈 가능한 접속 수단이라도 상관없다.
또, 경첩(12)과 나사(13)로 개폐를 자유롭게 한 동판(9)이 수소 저장 용기(2)에 꼭 맞게 에워싸도록 되어 있다. 이 동판(9)은 PEM(도시 생략) 작동시의 발열을 수소 저장 용기(2)에 전하고 있다.
또, 이 동판(9)은 제 1 실시예와 같이 알루미늄판 등 다른 열전도체라도 상관없다. 또한, 동판(9)에 대하여 경첩(12)과 나사(13)가 아니고, 단순히 맞물리게하여 상부와 하부를 탈착 가능하게 해도 되고, 바인더로 고리식으로 해도 된다.
이상의 구성으로 함으로써 수소 저장 용기(2) 내의 수소가 없어졌을 때에는수소 저장 용기(2)만 교환하면 된다. 따라서, 가동 비용이 적어지고, 연료 전지 시스템의 정지 시간이 줄어드는 등의 효과가 나타난다.
(제 3 실시예)
도 4는 본 발명의 제 3 실시예인 연료 전지 시스템의 개념도이다.
도 4에 있어서, 도 1과 같은 부호는 도 1과 같은 명칭, 기능을 갖는 것이다.
본 실시예에서는 PEM(1)과 수소 저장 용기(2)가 거의 같은 크기이고, 열의 수수는 PEM(1)과 수소 저장 용기(2)가 직접 접촉함으로써 행하여지고 있다. 이상의 구성으로 함으로써 열전도체를 이용하지 않고 효율적이고 콤팩트하게 열을 수수할 수 있게 된다.
(제 4 실시예)
도 5 및 도 6은 본 발명의 제 4 실시예인 연료 전지 시스템의 개념도이다.
도면에서 도 1과 같은 부호는, 도 1과 같은 명칭, 기능을 갖는 것이다.
도 5는 수소 저장 용기(2)가 상온보다 높은 온도에서 작동하는 경우를 도시한 것으로, 공냉 팬(16)은, 도시하는 바와 같이 PEM(1)측에 설치된 흡입구(7)로부터 도입된 공기를 우선 PEM(1)에 노출하여 PEM(1)을 냉각하는 동시에 PEM(1)의 배출열을 공기로 회수하여, 따뜻하게 된 공기로 수소 저장 용기(2)를 따뜻하게 하도록 되어 있다.
도 6은 수소 저장 용기(2)가 상온보다 낮은 온도로 작동하는 경우를 도시한것으로, 공냉팬(16)이 수소 저장 용기(2)측에 설치된 흡입구(7)로부터 받아들인 공기를 우선 수소 저장 용기(2)에 노출하여 수소 저장 용기(2)를 가열하는 동시에 수소 저장 용기(2)의 냉열을 공기로 회수하여, 차가워진 공기로 PEM(1)을 냉각한다. 이 경우, PEM(1)에 산화제로서의 공기를 보내고 있는 팬(5)과 기류의 방향이 반대로 되기 때문에 폐쇄 격벽(17)을 설치하고 서로 방해하지 않도록 한다.
(제 5 실시예)
도 7은 본 발명의 제 5 실시예인 연료 전지 시스템의 개념도이다.
도 7에서 도 1과 같은 부호는 도 1와 같은 명칭, 기능을 갖는 것이다.
본 실시예에서 수소 저장 용기(2)는 상온보다 높은 온도에서 작동하는 경우, 그 중에서도 PEM(1)과 거의 같은 온도로 작동하는 경우이다. 이 경우는 비용은 비싸게 되지만 열 파이프(18)에 의해 열의 수수를 한다. 열 파이프(18)는 적은 온도 구배로도 열을 수송할 수 있다는 장점이 있다.
(제 6 실시예)
도 8은 AB2형 Ti(Zr)-Mn계 합금 수소 흡장 합금의 평형 수소 압력의 온도 의존성을 도시한 도면이다. 이와 같이, AB2형 Ti(Zr)-Mn계 합금 수소 흡장 합금에서는 조성(주로 Ti:Zr비)으로 연속적으로 평형 수소압을 바꾸기 때문에 사용하는 작동 온도에 맞추어 1Okg/cm2g 이하로 할 수 있다.
이와 같이, 최적의 수소 흡장 합금을 선정함으로써 수소를 원활히 공급하면서 연료 전지 시스템의 안전성을 향상할 수 있다.
이상, 설명한 바와 같이 본 발명에 의해 작동 온도가 낮은 고분자 전해질형 연료 전지에서도 수소 저장 용기를 효율적으로 따뜻하게 할 수 있다.
또한, 시스템의 배출열을 억제할 수 있다.
그리고, 수소 저장 용기가 소형 시스템 본체와 착탈 가능하도록 한 경우, 수소의 보급에는 수소 저장 용기만 교환하면 된다. 따라서 가동 비용이 낮아지고 연료 전지 시스템의 정지 시간이 짧아진다는 효과가 있다.
또한, 연료 전지 시스템의 안전성도 향상되고 있다.

Claims (11)

  1. (정정)
    고분자 전해질형 연료 전지 본체와,
    상기 연료 전지 본체에 수소를 공급하기 위해수소 흡장 합금을 내장한 수소 저장 용기와,
    상기수소 저장 용기로부터 상기 연료 전지로 수소를 공급하는 수소 공급 배관과,
    상기 연료 전지본체와상기 수소 저장 용기간의열의 수수가 가능하게상기 연료 전지 본체 및 상기 수소 저장 용기와열적으로 결합하는 열전도체를 포함하며,
    상기 열의 수수는, 상기 수소 저장 용기의 작동시의 온도가 상온 이상일 때에는 상기 연료 전지 본체의 발열에 의해 상기 수소 저장 용기를 가열하는 것으로 열의 수수가 행해지고, 상기 수소 저장 용기의 작동시의 온도가 상온 이하일 때에는 상기 수소 저장 용기의 흡열에 의해 발생한 냉열에 의해 연료 전지 본체를 냉각하는 것으로 열의 수수가 행해지는것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 열전도체가 상기 수소 저장 용기와 일체화되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  3. (삭제)
  4. (삭제)
  5. (삭제)
  6. (정정)
    제 1 항에 있어서,
    상기 연료 전지 본체 및 상기 수소 저장 용기를 열의 수수가 가능하게, 열적으로 결합하는 상기 기구 이외에 보조 수단으로서 상기 연료 전지 본체 및 상기 수소 저장 용기를 열의 수수가 가능하게 열적으로 결합하기 위한 팬을 포함하며, 이팬은 또 상기 연료 전지 본체로 공기를 공급할 수 있도록 되어 있는 것을 특징으로하는 연료 전지 시스템.
  7. (정정)
    제 1 항에 있어서,
    상기 수소 저장 용기가 시스템 본체와 착탈 가능 구조의 용기인 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  8. (삭제)
  9. (삭제)
  10. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
    상기 수소 저장 용기 내의 수소 흡장 합금의 플래토 영역의 상한에서의 평형 수소 압력이 상기 수소 저장 용기 작동시의 온도로 1Okg/cm2g 이하인 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    수소 흡장 합금은 AB2형 라베스상(Laves phase) 구조를 갖는 것을 특징으로하는 연료 전지 시스템.
KR1019970706590A 1996-01-22 1997-01-16 연료전지시스템 KR100446814B1 (ko)

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