KR100486561B1 - 수소가스가 재활용되는 혼합 연료전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 수소가스가 재활용되는 혼합 연료전지는 수용액 상태의 BH4를 저장하기 위한 연료탱크(111)와, 그 연료탱크(111)에서 공급되는 BH4와 별도로 공급되는 공기의 전기화학반응으로 전기를 생성하는 스택(113)이 구비되는 BFC 발전장치(101)와; 그 BFC 발전장치(101)의 연료회수라인(115)에 설치되어 연료중에 포함되어 있는 수소가스를 재활용할 수 있도록 분리하기 위한 기액분리기(102)와; 상기 BFC 발전장치(101)의 일측에 설치되며 상기 기액분리기(102)에서 분리되어 공급되는 수소가스와 별도로 공급되는 공기의 전기화학반응으로 전기를 생성하는 스택(121)이 구비되는 PEMFC 발전장치(103)로 구성되어, BFC 발전장치(101)에서 부반응으로 생성되는 수소가스를 기액분리기(102)에서 분리하여 PEMFC 발전장치(103)의 연료로 이용함으로써, 종래에 버려지던 연료의 재활용이 가능하고, 그에 따라 기기의 전체 발전효율이 향상되어 진다.
Description
본 발명은 외부로 부터 공급되는 연료와 공기의 전기화학반응을 통하여 전기를 생성하는 연료전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 BH4를 연료로 이용하는 스택의 발전시 부반응에 의하여 발생되는 수소가스를 인접하게 설치된 다른 스택의 발전에 이용할 수 있도록 한 수소가스가 재활용되는 혼합 연료전지에 관한 것이다.
일반적으로, 연료전지(FUEL CELL)는 연료가 가지고 있는 에너지를 직접 전기적 에너지로 변환하는 장치로서, 종래 연료전지의 개략적인 구성이 도 1에 도시되어 있는 바, 이를 간단히 설명하면 다음과 같다.
도시된 바와 같이, 연료전지(1)의 전체 구성은 전기를 발생하는 스택(10)의 일측에 연료 를 저장하기 위한 연료탱크(2)가 구비되어 있는데, 그 연료탱크(2)와 스택(10)의 양극에는 연료공급라인(3)과 연료회수라인(4)으로 연결되어 있으며, 그 연료공급라인(3)에는 연료를 펌핑하기 위한 연료펌프(5)가 설치되어 있다.
그리고, 상기 스택(10)의 음극에는 공기공급라인(6)과 공기배출라인(7)이 설치되어 있는데, 그 공기공급라인(6)에는 공급되는 공기를 펌핑하기 위한 공기펌프(8)가 설치되어 있다.
상기와 같이 구성되어 있는 종래 연료전지는 기기의 동작 스위치가 온되면 연료펌프(5)에서 연료탱크(2)에 저장되어 있는 연료를 펌핑하여 연료공급라인(3)을 통하여 스택(10)의 양극(연료극)에 공급함과 동시에 공기펌프(8)를 동작시켜서 공기공급라인(6)을 통하여 스택(10)의 음극(공기극)으로 공기가 공급되도록 한다.
상기와 같이 스택(10)에 공급되는 연료와 공기는 스택(10)에서 고분자전해질막을 사이에 두고 흐르며 양극에서는 수소의 전기화학적 산화가 진행되고, 음극에서는 산소의 전기화학적 환원이 일어나며, 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기가 발생되는데, 이때 발생되는 전기를 집전판(미도시)에서 집전하여 에너지원으로 사용하게 된다.
이때의 반응식은
Anode : BH4
- + 8OH- →BO2
- + 6H2O + 8e- E0 = 1.24 V
Cathode : 2O2 + 4H2O + 8e- →BOH- E0 = 0.4 V
Total : BH4
- + 2O2 →2H2O + BO2 E
0 = 1.64 V이고,
여기서 BH4
-를 안정된 용액으로 만들기 위하여 일정양의 Na을 혼합하는데 그에 따른 부반응으로,
Anode : 2H2O + NaBH4 + 4H2 의 반응이 진행되고, 이때 발생되는 수소가스는 버려지게 된다.
그러나, 상기와 같은 종래의 연료전지는 스택(10)의 양극에서 부반응에 의하여 발생되는 수소가스가 재활용이 되지 못하고 그대로 버려져서 발전효율의 향상에 한계가 있는 문제점을 가지고 있었다.
상기와 같은 문제점을 감안하여 안출한 본 발명의 목적은 BFC발전장치의 발전시 부반응에 의하여 발생되는 수소가스를 재활용하여 PEMFC발전장치의 연료로 이용하여 발전효율을 향상시키도록 하는데 적합한 수소가스가 재활용되는 혼합 연료전지를 제공함에 있다.
상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 수용액 상태의 BH4를 저장하기 위한 연료탱크와, 그 연료탱크에서 공급되는 BH4와 별도로 공급되는 공기의 전기화학반응으로 전기를 생성하는 스택으로된 BFC 발전장치와;
그 BFC 발전장치의 연료회수라인에 설치되어 연료중에 포함되어 있는 수소가스를 재활용할 수 있도록 분리하기 위한 기액분리기와;
상기 BFC 발전장치의 일측에 설치되며 상기 기액분리기에서 분리되어 공급되는 수소가스와 별도로 공급되는 공기의 전기화학반응으로 전기를 생성하는 스택이 구비되는 PEMFC 발전장치로 구성되는 것을 특징으로 하는 수소가스가 재활용되는 혼합 연료전지가 제공된다.
이하, 상기와 같이 구성된 본 발명 수소가스가 재활용되는 혼합 연료전지를 첨부된 도면의 실시예를 참고하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명의 수소가스가 재활용되는 혼합 연료전지의 개략구성도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 수소가스가 재활용되는 혼합 연료전지는 수용액 상태의 BH4와 공기를 연료로 전기화학반응에 의하여 발전을 하는 BFC 발전장치(101)와, 그 BFC 발전장치(101)에서 배출되는 연료중에 포함된 수소가스를 분리하기 위한 기액분리기(102)와, 상기 BFC 발전장치(101)의 일측에 결합되며 상기 기액분리기(102)에서 분리하여 재활용되는 수소가스와 공기의 전기화학반응으로 발전이 이루어지는 PEMFC 발전장치(103)로 구성되어 있다.
상기 BFC 발전장치(101)는 수용액 상태의 BH4를 저장하기 위한 연료탱크(111)와, 여러개의 셀(112)이 적층되어 구성된 스택(113)과, 그 스택(113)의 양극 일측에 연결되는 연료공급라인(114)과, 타측에 연결되는 연료회수라인(115)과, 상기 연료공급라인(114)에 설치되어 연료를 펌핑하기 위한 연료펌프(116)와, 상기 스택(113)의 음극 일측에 연결되는 공기공급라인(117)과, 타측에 연결되는 공기배출라인(118) 및 상기 공기공급라인(117)에 설치되는 공기펌프(119)로 구성되어 있다.
상기 PEMFC 발전장치(103)는 BFC 발전장치(103)의 스택(113)의 측면에 접하도록 설치되는 스택(121)과, 그 스택(121)의 양극 일측에 일단부가 연결됨과 아울러 타단부는 기액분리기(102)에 연결되어 있는 수소가스공급라인(122)과, 상기 스택(121)의 양극 타측에 연결되는 수소가스배출라인(123)과, 상기 스택(121)의 음극 일측에 일단부가 연결되고 타단부는 상기 공기공급라인(117)에 연결되는 분지라인(124)과, 타측에 일단부가 연결되고 타단부가 공기배출라인(118)에 연결되는 연결라인(125)으로 구성되어 있다.
상기 BFC 발전장치(103)나 PEMFC 발전장치(103)의 스택(113)(121)은 여러개의 단일셀을 연속적으로 적층한 형태 또는 단일셀(SINGLE CELL) 형태가 가능한데, 도 3을 참고하여 단일셀구조를 설명하면, 전해질 막(131)의 양측에 가스를 확산시키기 위한 양극(132)과 음극(133)이 접합되어 이루어진 막-전극 접합체(MEA:MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY)(134)와, 그 막-전극 접합체(134)의 양측에 밀착되도록 조립되어 양극(132)과 음극(133)에서 연료가스 및 산소함유가스의 유로를 형성하는 분리판(SEPARATOR)(135)과, 그 분리판(135)의 양측에 배치되어 양극(132)과 음극(133)의 집전극이 되는 집전판(136)(137)으로 구성되어 있다.
상기 막-전극 접합체(134)의 전해질 막(131)은 고분자재료로 이루어진 이온교환막으로서 대표적으로 상품화된 전해질막(131)으로는 듀폰사의 Nafion막이 있으며 수소이온의 전달체 역할을 하는 동시에 산소와 수소의 접촉을 막는 역할을 하게 되고, 양극(132)과 음극(133)은 백금(Pt) 촉매층을 지지하는 지지체로서 다공성 탄소지(CARBON PAPER) 혹은 탄소천(CARBON CLOTH)이 전해질 막(131)의 양측에 접합된 구조로 되어 있다.
상기 분리판(135)은 치밀질의 카본 플레이트로 이루어지고, 내측에는 유체가 흐르도록 복수개의 유로홈(135a)이 형성되어 있다.
상기 집전판(136)(137)은 전기전도성이 우수하고, 내식성이 우수하며, 수소취성이 발생되지 않는 것이 바람직 할 것이며, 구체적으로는 티타늄, 스테인레스, 동 등 상기 요구성능이 만족되는 것이라면 어느 것이라도 좋다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 수소가스가 재활용되는 혼합 연료전지의 BFC 발전장치(103)에서는 연료탱크(111)에서 연료공급라인(114)을 통하여 스택(113)의 양극(132)에 수용액 상태의 BH4를 공급하고, 공기공급라인(117)을 통하여 스택(113)의 음극(133)에 공기를 공급하면 막-전극 접합체(134)를 사이에 두고 전기화학반응에 의한 이온화가 진행되며, 그와 같은 이온화에 의해 전기가 생성되는데, 그와 같이 생성되는 전기를 집전판(136)(137)에서 집전하여 전원으로 이용하게 된다.
상기 BFC 발전장치(101)에서의 반응 메카니즘은
Anode : BH4
- + 8OH- →BO2
- + 6H2O + 8e-
Cathode : 2O2 + 4H2O + 8e- →BOH-
Total : BH4
- + 2O2 →2H2O + BO2 이고,
그리고, 상기와 같이 BFC 발전장치(101)에 이용되는 수용액 상태의 BH4
-에는 안정된 용액으로 만들기 위하여 일정양의 Na을 혼합하는데 그에 따른 부반응으로,
Anode : 2H2O + NaBH4 + 4H2 의 반응이 진행되고, 이때에 발생되는 수소가스는 반응하고난 후의 연료와 함께 스택(113)의 외부로 배출되어 진다.
또한, 상기와 같이 스택(113)에서 배출되는 반응후의 연료는 연료회수라인(115)에 설치된 기액분리기(102)를 지나게 되는데, 그 기액 분리기(102)에서 반응후의 연료중에 포함된 수소가스가 분리되어 진다.
한편, 상기와 같이 기액분리기(102)에서 분리된 수소가스는 수소가스공급라인(122)을 통하여 PEMFC 발전장치(103)의 스택(121)으로 공급되어지는데, 그와 같이 공급된 수소가스가 스택(121)의 양극(133)에 공급되어짐과 동시에 음극(134)에도 분지라인(124)을 통하여 공기가 공급되어 막-전극접합체(134)를 사이에 두고 전기화학반응이 진행되어 전기가 발생된다.
그와 같은 PEMFC 발전장치(103)에서의 반응 메카니즘은
Anode : 2H2 → 4H+ + 4e-
Cathode : O2 + 4e- + 4H+ →2H2O E0 = 1.23V
Total : 2H2 + O2 → 2H2O E0 = 1.23V이며,
상기와 같이 생성되는 전기를 집전판(136)(137)에서 집전하여 전원으로 이용할 수 있다.
즉, 상기와 같이 BFC 발전장치(101)에서 생성되는 수소가스를 PEMFC 발전장치(103)의 연료로 이용함으로써, 버려지던 연료의 재활용이 가능해졌으며, 그에 따라 기기의 전체 발전효율이 향상되어지게 된다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 수소가스가 재활용되는 혼합 연료전지는 BFC 발전장치의 일측에 PEMFC 발전장치를 설치하고, 상기 BFC 발전장치의 연료회수라인에 기액분리기를 설치하여, BFC 발전장치에서 부반응으로 생성되는 수소가스를 기액분리기에서 분리하여 PEMFC 발전장치의 연료로 이용함으로써, 종래에 버려지던 연료의 재활용이 가능하고, 그에 따라 기기의 전체 발전효율이 향상되어 지는 효과가 있다.
도 1은 종래 연료전지의 구조를 보인 개략구성도.
도 2는 본 발명의 수소가스가 재활용되는 혼합 연료전지의 개략구성도.
도 3은 본 발명에 따른 단위셀구조를 보인 단면도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
101 : BFC 발전장치 102 : 기액분리기
103 : PEMFC 발전장치 111 : 연료탱크
115 : 연료회수라인
Claims (2)
- 수용액 상태의 BH4를 저장하기 위한 연료탱크와, 그 연료탱크에서 양극에 공급되는 BH4와 별도로 음극에 공급되는 공기의 전기화학반응으로 전기를 생성하는 스택이 구비되는 BFC 발전장치와, 상기 BFC 발전장치의 일측에 설치되며 양극에 공급되는 수소가스와 음극에 공급되는 공기와의 전기화학반응으로 전기를 생성하는 스택이 구비되는 PEMFC 발전장치를 구비하는 혼합연료전지에 있어서,상기 BFC 발전장치의 연료회수라인에 설치되어 BFC 발전장치에서 반응하고난 후의 연료중에 포함되어 있는 수소가스를 재활용할 수 있도록 분리하기 위한 기액분리기와, 그 기액분리기와 상기 PEMFC 발전장치의 양극을 연결하여 기액분리기에서 분리된 수소가스를 PEMFC 발전장치의 양극으로 공급하기 위한 수소가스공급라인을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 수소가스가 재활용되는 혼합 연료전지.
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Legal Events
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| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| PE0902 | Notice of grounds for rejection |
Comment text: Notification of reason for refusal Patent event date: 20040909 Patent event code: PE09021S01D |
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