KR100455196B1 - Ｂ화합물을 연료로 하는 연료전지의 퍼지장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 B화합물을 연료로 하는 연료전지의 퍼지장치는 연료탱크(100)에 저장된 B화합물을 연료공급라인(30)을 통하여 스택(10)의 양극(22)에 공급하고, 공기를 공기공급라인(50)을 통하여 스택(10)의 음극(23)에 공급하며, 그 공급되는 B화합물과 공기의 화학반응으로부터 기전력을 얻는 연료전지에서, 상기 연료공급라인(30)과 공기공급라인(50)을 연결하는 연결라인(100)을 설치하고, 그 연결라인(100)과 연료공급라인(30)이 직교하는 부위에 삼방밸브(110)를 설치하여, 기기를 장기간 가동하지 않을때는 삼방밸브(110)에 의하여 스택(10)에 연료가 공급되는 것을 차단한 상태에서 공기공급라인(50)으로 공급되는 공기의 일부가 연료공급라인(30)을 통하여 스택(10)의 연료가스 유로홈(31)에 공급되며 스택(10)의 내부를 퍼지함으로써, 연료공급라인(30)과 스택(10) 내부에 연료가 불필요하게 장기간 체류하여 화합물의 석출로 관로가 막히거나 촉매의 수명이 저하되는 것이 방지되어 진다.

Description

Ｂ화합물을 연료로 하는 연료전지의 퍼지장치{PURGE APPARATUS FOR FUEL CELL}

본 발명은 외부로 부터 공급되는 연료와 공기의 전기화학반응을 통하여 전기를 생성하는 연료전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이송관로나 스택에 불필요한 연료가 체류하여 화학작용에 의한 관로막힘 및 부식 등이 발생되는 것을 방지할 수 있도록 한 B화합물을 연료로 하는 연료전지의 퍼지장치에 관한 것이다.

일반적으로, 연료가 가지고 있는 에너지를 직접 전기적 에너지로 변환하는 장치로서 연료전지에 관한 기술이 공지되어 있으며, 이러한 연료전지는 통상 고분자 전해질을 중심으로 양쪽에 다공질의 양극(ANODE)과 음극(CATHODE)이 부착되어 있고, 양극(산화전극 또는 연료극)에서는 연료인 수소의 전기화학적 산화가, 그리고 음극(환원전극 또는 공기극)에서는 산화제인 산소의 전기화학적 환원이 일어나며 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기에너지가 발생된다.

이와 같은 연료전지에 공급되는 수소는 LNG, LPG, CH₃OH, 가솔린 등의 탄화수소계(CH계열) 연료를 개질기에서 탈황공정→개질반응→수소정제공정을 거쳐 수소(H₂)만을 정제하여 가스형태로 사용되거나 고체상태의 BH₄ ^-를 수용액 상태로 만들어 직접 연료로 사용하는 BFC방식으로 사용되어진다.

상기 BFC방식의 연료전지는 개질기를 사용하지 않고 발전장치인 스택(STACK)의 양극에 수용액상태의 BH₄ ^-를 직접 공급하는 방식으로 전극에서 개질반응이 일어나기 때문에 개질기가 불필요하게 되어 전체 시스템을 간소화 시킬 수 있다는 큰 장점이 있다.

그러나, 상기와 같은 종래의 BH₄ ^-를 연료로 사용하는 연료전지는 장시간 가동되지 않는 경우에도 관로에 수용액 상태의 BH₄ ^-가 존재하기 때문에 수용액이 건조되며 B화합물이 석출되고, BO₂가 겔(GEL) 상태로 존재하면서 관로막힘 및 연료공급관의 부식을 유발하는 문제점이 있었다.

또한, BH₄ ^-가 스택의 내부에 장시간 체류하는 경우에 불필요한 반응에 따른 촉매의 성능을 저하시키는 문제점이 있었다.

본 발명의 주목적은 상기와 같은 여러 문제점을 갖지 않는 B화합물을 연료로 하는 연료전지의 퍼지장치를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 시스템을 장시간 가동하지 않을때는 관로와 스택의 내부를 공기공급라인을 통하여 공급되는 공기를 이용하여 퍼지하여 화합물의 석출 및 불필요한 반응에 따른 관로막힘이나 촉매의 성능저하가 발생되는 것을 방지하도록 하는데 적합한 B화합물을 연료로 하는 연료전지의 퍼지장치를 제공함에 있다.

도 1은 본 발명의 퍼지장치가 구비된 B화합물을 연료로 하는 연료전지를 보인 개략구성도.

도 2는 본 발명에 따른 스택의 단일셀구조를 나타내는 단면도.

도 3은 본 발명에서 기기가 동작될때를 보인 동작배관도.

도 4는 본 발명에서 기기가 장기간 동작되지 않을때의 동작을 보인 동작배관도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 스택 22 : 양극

23 : 음극 30 : 연료공급라인

50 : 공기공급라인 100 : 연료탱크

200 : 연결라인 201 : 삼방밸브

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여,전기화학적인 반응에 의해 발전을 하는 스택이 구비되고, 연료탱크에 저장된 BH₄ ^-화합물이 연료공급라인을 통하여 스택의 양극에 공급되며, 공기가 공기공급라인을 통하여 스택의 음극에 공급되어, 그 공급되는 BH₄ ^-화합물과 공기의 화학반응으로부터 기전력을 얻는 연료전지에 있어서,상기 연료공급라인과 공기공급라인을 연결하는 연결라인을 설치하고,그 연결라인과 연료공급라인이 직교하는 부위에 필요시 공기공급라인으로 공급되는 공기로 연료공급라인과 스택 내부를 퍼지할 수 있도록 유체의 흐름을 변화시키기 위한 삼방밸브를 설치하여서 구성되는 것을 특징으로 하는 B화합물을 연료로 하는 연료전지의 퍼지장치가 제공된다.

이하, 상기와 같이 구성된 본 발명 B화합물을 연료로 하는 연료전지의 연료탱크를 첨부된 도면의 실시예를 참고하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 연료탱크가 구비된 B화합물을 연료로 하는 연료전지를 보인 개략구성도이다.

도시된 바와 같이, 연료전지(1)의 전체 구성은 전기를 발생하는 스택(10)의 일측에 수용액 상태의 BH₄ ^-를 저장하기 위한 연료탱크(100)가 구비되어 있는데, 그 연료탱크(100)와 스택(10)의 양극에는 연료공급라인(30)과 연료회수라인(40)으로 연결되어 있으며, 그 연료공급라인(30)에는 연료를 펌핑하기 위한 연료펌프(300)가 설치되어 있다.

그리고, 상기 스택(10)의 음극에는 공기공급라인(50)과 공기배출라인(60)이설치되어 있는데, 그 공기공급라인(50)에는 공급되는 공기를 펌핑하기 위한 공기펌프(70)가 설치되어 있다.

상기 스택(10)은 전기화학반응이 일어나는 단일셀(SINGLE CELL) 또는 여러개의 단일셀을 연속적으로 적층하여 볼트로 조립한 형태가 가능한데, 도 2를 참고하여 단일셀구조를 설명하면, 전해질 막(21)의 양측에 가스를 확산시키기 위한 양극(22)과 음극(23)이 접합되어 이루어진 막-전극 접합체(MEA:MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY)(24)와, 그 막-전극 접합체(24)의 양측에 밀착되도록 조립되어 양극(22)과 음극(23)에서 연료가스 및 산소함유가스의 유로를 형성하는 분리판(SEPARATOR)(25)과, 그 분리판(25)의 양측에 배치되어 양극(22)과 음극(23)의 집전극이 되는 집전판(26)(27)으로 구성되어 있다.

상기 막-전극 접합체(24)의 전해질 막(21)은 고분자재료로 이루어진 이온교환막으로서 대표적으로 상품화된 전해질막(21)으로는 듀폰사의 Nafion막이 있으며 수소이온의 전달체 역할을 하는 동시에 산소와 수소의 접촉을 막는 역할을 하게 되고, 양극(22)과 음극(23)은 백금(Pt) 촉매층을 지지하는 지지체로서 다공성 탄소지(CARBON PAPER) 혹은 탄소천(CARBON CLOTH)이 전해질 막(21)의 양측에 접합된 구조로 되어 있다.

상기 분리판(25)은 치밀질의 카본 플레이트에 의해 형성되어 있고, 복수개의 리브가 형성되어 있어서 조립시 양극(22)의 표면에서 연료가스 유로홈(31)을 형성하고, 음극(23)의 표면에서는 산소함유가스 유로홈(32)을 형성한다.

상기 집전판(26)(27)은 전기전도성이 우수하고, 내식성이 우수하며, 수소취성이 발생되지 않는 것이 바람직 할 것이며, 구체적으로는 티타늄, 스테인레스, 동 등 상기 요구성능이 만족되는 것이라면 어느 것이라도 좋다.

그리고, 상기 연료공급라인(30)과 공기공급라인(50)은 연결라인(200)에 의하여 연결되어 있는데, 그 연결라인(200)과 연료공급라인(30)이 직교하는 부위에는 필요시 공기로 연료공급라인(30)의 일부와 스택(10)내의 유로를 퍼지할 수 있도록 삼방밸브(201)가 설치되어 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 퍼지장치를 구비한 연료전지의 동작을 연료가 공급될때와 연료가 공급되지 않을때의 동작으로 구분하여 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명에서 기기가 동작될때의 연료공급 동작을 보인 것으로, 조작자가 연료전지(1)의 스위치를 조작하면 전자제어부(미도시)에서 미리 설정된 제어 프로그램에 따라 연료펌프(300)를 동작시켜서 연료탱크(100)에 저장되어 있는 수용액 상태의 BH₄ ^-를 연료공급라인(30)을 통하여 스택(10)의 양극에 공급함과 동시에 공기펌프(70)를 동작시켜서 공기공급라인(50)을 통하여 스택(10)의 음극으로 공기가 공급되도록 한다.

상기와 같이 스택(10)에 공급되는 수용액상태의 BH₄ ^-는 연료가스 유로홈(31)을 따라 흐르며 막-전극 접합체(24)의 양극(22) 전면에 확산이 되어 수소의 전기화학적 산화가 진행되고, 공기는 산소함유가스 유로홈(32)을 따라 흐르며 막-전극 접합체(24)의 음극(23) 전면에 확산되어 산소의 전기화학적 환원이 일어나며, 이때생성되는 전자의 이동으로 인해 전기가 발생되는데, 이때 발생되는 전기를 집전판(26)(27)에서 집전하여 에너지원으로 사용하게 된다.

이때의 반응식은 다음과 같다.

BH₄ ^-+ 2O₂→2H₂O + BO₂ ^-E₀= 1.64 V

도 4는 본 발명에서 기기가 동작되지 않을때 퍼지되는 동작을 보인 것으로, 도시된 바와 같이, 기기가 장기간 동작되지 않을때는 삼방밸브(201)에 의하여 연료공급라인(30)으로 연료가 공급되지 않도록 차단되고, 화살표로 표시된 것과 같이 공기공급라인(50)을 통하여 공급되는 공기의 일부가 연결라인(200)을 통하여 연료공급라인(30) 및 스택(10)으로 공급되어 지는데, 그와 같이 스택(10)으로 공급되어지는 공기에 의하여 연료가스유로홈(31)의 내측에 존재하는 BH₄ ^-, BO₂, 2H₂O의 혼합액이 스택(10)의 외부로 배출됨과 아울러 연료가스유로홈(31)의 내부가 공기에 의하여 퍼지되어, 관로나 스택(10)내에서 발생되는 불필요한 화합물의 석출이나 반응에 의한 촉매의 성능저하가 방지되어 진다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 B화합물을 연료로 하는 연료전지의 퍼지장치는 연료공급라인과 공기공급라인을 연결하는 연결라인을 설치하고, 그 연결라인과 연료공급라인이 직교하는 부위에 삼방밸브를 설치하여, 기기를 장기간 가동하지 않을때는 삼방밸브에 의하여 스택에 연료가 공급되는 것을 차단한 상태에서 공기공급라인으로 공급되는 공기의 일부가 연료공급라인을 통하여 스택의 연료가스 유로홈에 공급되며 스택의 내부를 퍼지함으로써, 연료공급라인과 스택내부에 연료가 불필요하게 장기간 체류하여 화합물의 석출로 관로가 막히거나촉매의 수명이 저하되는 것을 방지하는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 전기화학적인 반응에 의해 발전을 하는 스택이 구비되고, 연료탱크에 저장된 BH₄ ^-화합물이 연료공급라인을 통하여 스택의 양극에 공급되며, 공기가 공기공급라인을 통하여 스택의 음극에 공급되어, 그 공급되는 BH₄ ^-화합물과 공기의 화학반응으로부터 기전력을 얻는 연료전지에 있어서,

   상기 연료공급라인과 공기공급라인을 연결하는 연결라인을 설치하고,

   그 연결라인과 연료공급라인이 직교하는 부위에 필요시 공기공급라인으로 공급되는 공기로 연료공급라인과 스택 내부를 퍼지할 수 있도록 유체의 흐름을 변화시키기 위한 삼방밸브를 설치하여서 구성되는 것을 특징으로 하는 B화합물을 연료로 하는 연료전지의 퍼지장치.
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