KR100531821B1 - 연료전지의 공기 공급 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지의 공기 공급 장치에 관한 것으로, 본 발명은 전해질막과, 전해질막을 사이에 두고 양쪽에 적층하는 복수 개의 전극과, 각 전극과 접하는 면에 연료유로와 공기유로를 각각 형성하여 연료와 공기가 각각의 유로를 독립적으로 순환하면서 이온을 발생하도록 복수 개의 분리판을 상기 각 전극의 일 측면에 접하도록 배치하는 다수 개의 단위셀을 연속으로 적층하여서 된 연료전지에 있어서, 단위셀마다에 구비하는 공기유로에 각각 공기공급관을 독립적으로 병렬 연결하여 구성함으로써, 각 단위셀의 공기유로에 공기를 균일하게 공급할 수 있어 연료전지의 성능을 크게 향상시킬 수 있다.

Description

연료전지의 공기 공급 장치{APPARATUS FOR SUPPLYING AIR OF FUEL CELL}

본 발명은 연료전지를 이용하여 전기에너지를 얻는 에너지 발생시스템에 관한 것으로, 특히 각 단위셀마다 공기를 고르게 공급할 수 있는 연료전지의 공기 공급 장치에 관한 것이다.

인류가 사용하고 있는 에너지 중 대부분은 화석 연료에서 얻고 있다. 그러나 이러한 화석 연료의 사용은 대기오염 및 산성비, 지구 온난화 등의 환경에 심각한 악영향을 미치고 있으며, 에너지 효율도 낮은 등의 문제점이 있었다.

연료전지는 이러한 화석 연료의 대안으로 제시하는 것으로 통상의 전지(2차 전지)와는 달리 음극(anode)에 연료(수소가스나 탄화수소)를, 양극(cathode)에 산소를 외부로부터 공급하여 물의 전기분해 역반응으로 전기화학반응이 진행되어 전기와 열을 발생하는 전지계로서 실제로는 발전장치라고 볼 수 있다.

연료전지에 의한 발전 방법은 연료의 연소(산화)반응을 거치지 않고 수소와 산소의 전기화학적 반응을 거쳐 반응 전후의 에너지 차를 전기에너지로 직접 변환하는 방법이다.

연료전지를 전해질의 유형에 따라 분류하면, 200℃ 부근에서 작동하는 인산형 연료전지, 60 ~ 110℃에서 작동하는 알칼리 전해질형 연료전지, 상온 ~ 80 ℃에서 작동하는 고분자 전해질 연료전지, 약 500 ~ 700℃의 고온에서 작동하는 용융탄산염 전해질형 연료전지, 그리고 1000℃ 이상의 고온에서 작동하는 고체 산화물 연료전지 등이 있다.

이러한 연료전지는 도 1에서와 같이 통상 수소와 산소의 전기화학적 반응에 의해 전기에너지를 생성하도록 연료극과 공기극을 구비하는 연료전지스택(10)과, 수소를 포함한 수용액 상태의 수소화붕소((BH₄),실제로는 수소화붕소나트륨(NaBH₄))을 상기한 연료극에 공급하는 연료공급부(20)와, 산소를 포함한 공기를 상기한 공기극에 공급하는 공기공급부(30)와, 연료전지스택(10)에서 생성하는 전기에너지를 부하에 공급하는 전기에너지 출력부(40)를 포함하고 있다.

연료전지스택(10)은 도 2 및 도 3에서와 같이 다수 개의 단위셀(single cell)(11)을 적층하여 상하 양측을 각각 메니폴드(manifold)(12)(13)로 고정하고 있다.

단위셀(11)은 전해질막(11a)과, 이 전해질막(11a)을 사이에 두고 양측에 적층하는 연료극(11b)과 공기극(11c), 그리고 이 연료극(11b)과 공기극(11c)의 외측에 적층하여 각각 연료와 공기가 연료극(11b)과 공기극(11c)에 각각 접촉하면서 순환할 수 있도록 하는 복수 개의 분리판(separator, 또는 bipolar plate)(11d)(11e)으로 이루어져 있다.

전해질막(11a)은 H⁺를 전달하는 고분자 재질의 막, 예컨대 습윤(濕潤) 상태에서 전기전도성을 띠는 고분자 이온교환막을 사용하고 있다.

연료극(11b)과 공기극(11c)은 지지체(미도시)와 이 지지체의 양측면에 적층하는 촉매층(미도시)으로 구성하되 지지체는 금속성의 니켈폼으로 형성하고, 촉매층은 수소의 산화 및 산소의 환원반응에 적합한 수소저장합금으로 형성하고 있다.

분리판(11d)(11e)은 전기전도성이 양호하고 내식성이 강한 그라파이트(graphite)와 같은 금속물질을 사용하는 것으로, 연료극(11b)과 공기극(11c)에 접촉하는 각각의 내측면에는 연료가 통과하는 연료유로(fuel channel)(Cf)와 공기가 통과하는 공기유로(air channel)(Co)를 형성하고 있다.

또, 단위셀(11)들 사이에 설치하는 분리판(11d)(11e)은 일 측은 연료유로(Cf)를, 타측에는 공기유로(Co)를 형성하고, 연료전지스택(10)의 양측 단부에 설치하는 분리판(11d)(11e)은 내측면에만 연료유로(Cf) 또는 공기유로(Co)를 형성하고 있다.

메니폴드(12)(13)는 각 단위셀(11)에 접하는 내측면에 연료공급부(20)의 연료공급관(22)에 연통하여 각 단위셀(11)의 연료유로(Cf)와 일괄적으로 연통하는 연료통로(12a)(13a) 및 공기공급부(30)의 공기공급관(31)에 연통하여 각 단위셀(11)의 공기유로(Co)와 일괄적으로 연통하는 공기통로(12b)(13b)를 형성하고 있다.

도면중 미설명 부호인 21은 연료탱크, 23은 연료펌프, 32는 공기펌프이다.

상기와 같은 종래 연료전지는 다음과 같이 동작한다.

즉, 연료는 연료펌프(23)에 의해 연료탱크(21)에서 연료극(11b)으로 공급되는 반면 공기는 공기펌프(32)에 의해 대기중에서 공기극(11c)으로 공급되어 각각의 분리판(11d)(11e)의 연료유로(Cf)와 공기유로(Co)를 거치면서 연료중의 수소가 공기중의 산소와 전기 화학적으로 반응하여 물을 생성함과 아울러 두 전극 사이에서 전류를 발생한다.

이를 보다 상세히 살펴보면, 우선 연료는 연료공급관(22)을 통해 연료탱크(21)에서 입구측 메니폴드(12)의 연료통로(12a)로 유입되고, 이 입구측 메니폴드(12)의 연료통로(12a)에서 각 단위셀(11)마다의 연료측 분리판(11d)에 구비한 연료유로(Cf)로 고르게 분배되어 각 연료유로(Cf)를 통과하면서 전기화학적 산화반응(예컨대, BH₄ ^- + 8OH^- →BO₂ ^- + 6H₂ O + 8e^-)을 수행한다.

반면, 공기는 공기공급관(31)을 통해 대기중에서 공기필터(미도시)를 거쳐 입구측 메니폴드(12)의 공기통로(12b)로 유입되고, 이 메인폴드(12)의 공기통로(12b)에서 각 단위셀(11)마다의 공기측 분리판(11e)에 구비한 공기통로(Co)로 분배되어 각 공기통로(Co)를 일시에 통과하면서 전기적인 환원반응(예컨대, 2O₂ + 4H₂O + 8e^- →8OH^-)을 수행한다.

이 과정에서 연료극(11b)과 공기극(11c)의 사이에 기전력이 발생하고, 이 기전력을 다수 개의 단위셀(11)을 적층한 연료전지스택(10)의 양단에 설치한 집전판(미도시)을 통하여 전기를 출력한 후 부하로 공급하는 것이었다.

그러나, 상기와 같은 종래 연료전지스택에 있어서는, 공기극(11c)에서 물이나 수산화나트륨(NaOH) 등이 발생하여 공기유로(Co)를 부분적으로 차단하는 것은 물론 공기는 일정 이상의 관성(inertia)를 가져야 하는데 한 개의 공기통로(Co)에서 여러 갈래의 공기유로(Co)로 분배됨에 따라 공기의 관성이 낮아져 성능저하를 초래하는 문제점이 있었다.

본 발명의 목적은 상기와 같은 종래 연료전지가 가지는 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 각 단위셀마다의 공기유로로 공기가 고르게 분배되도록 하는 연료전지의 공기 공급 장치를 제공하려는데 본 발명의 목적이 있다.

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 전해질막과, 전해질막을 사이에 두고 양쪽에 적층하는 복수 개의 전극과, 각 전극과 접하는 면에 연료유로와 공기유로를 각각 형성하여 연료와 공기가 각각의 유로를 독립적으로 순환하면서 이온을 발생하도록 복수 개의 분리판을 상기 각 전극의 일 측면에 접하도록 배치하는 다수 개의 단위셀을 연속으로 적층하여서 된 연료전지에 있어서, 단위셀마다에 구비하는 공기유로에 각각 공기공급관을 독립적으로 병렬 연결하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 공기 공급 장치를 제공한다.

이하, 본 발명에 의한 연료전지의 공기 공급 장치를 첨부도면에 도시한 일실시예에 의거하여 상세히 설명한다.

도 4는 본 발명 연료전지의 구조를 보인 계통도이고, 도 5는 본 발명 연료전지의 연료전지스택을 파단하여 보인 사시도이며, 도 6은 본 발명 연료전지의 연료전지스택를 개략적으로 보인 단면도이다.

이에 도시한 바와 같이 본 발명에 의한 연료전지에서 수소와 산소의 전기화학적 반응에 의해 전기에너지를 생성하도록 연료극과 공기극(을 구비하는 연료전지스택은, 다수 개의 단위셀(110)을 적층하고 이를 입구측 메니폴드(120) 및 출구측 메니폴드(130)와 결합하며, 그 중 입구측 메니폴드(120)에는 각 단위셀(110)의 공기유로(Co)와 독립적으로 공기조절밸브(140)를 연결하는 반면 출구측 메니폴드(130)에는 각 단위셀(110)의 연료극(112)과 공기극(113)을 전기적으로 연결하여 전류를 발생하고 이를 이용하여 상기한 공기조절밸브(140)를 제어하도록 전기적으로 연결하여 구성한다.

단위셀(110)은 전해질막(111)과, 이 전해질막(111)을 사이에 두고 양측에 적층하는 연료극(112)과 공기극(113), 그리고 이 연료극(112)과 공기극(113)의 외측에 적층하여 각각 연료와 공기가 연료극(112)과 공기극(113)에 각각 접촉하면서 순환할 수 있도록 하는 분리판(114)(115)으로 이루어진다.

전해질막(111)은 H⁺를 전달하는 고분자 재질의 막, 예컨대 습윤(濕潤) 상태에서 전기전도성을 띠는 고분자 이온교환막을 사용하는 것이 바람직하다.

연료극(112)과 공기극(113)은 지지체(미도시)와 이 지지체의 양측면에 적층하는 촉매층(미도시)으로 구성하되 지지체는 금속성의 니켈폼으로 형성하고, 촉매층은 수소의 산화 및 산소의 환원반응에 적합한 수소저장합금으로 형성한다.

분리판(114,115)은 전기전도성이 양호하고 내식성이 강한 그라파이트와 같은 금속물질을 사용하는 것으로, 연료극(112)과 공기극(113)에 접촉하는 각각의 내측면에는 연료가 통과하는 연료유로(Cf)와 공기가 통과하는 공기유로(Co)를 형성한다.

또, 단위셀(110)들 사이에 설치하는 분리판(114,115)은 일 측은 연료유로(Cf)를, 타측에는 공기유로(Co)를 형성하고, 연료전지스택(100)의 양측 단부에 설치하는 분리판(114,115)은 내측면에만 연료유로(Cf) 또는 공기유로(Co)를 형성한다.

입구측 메니폴드(120)와 출구측 메니폴드(130)는 도 5 및 도 6에서와 같이 상기한 단위셀(110)을 모두 수용할 수 있는 넓이의 판체로 형성하고, 각 판체가 서로 대향하는 각 내측면에는 한 개의 연료통로(121)(131)와 다수 개의 공기통공(122)(132)을 각각 형성하여 이루어진다.

연료통로(121)(131)는 모든 단위셀(110)의 연로유로(Cf)와 일괄적으로 연통할 수 있도록 소정의 깊이와 폭을 가지고 길게 형성하는 것이 바람직하다.

공기통공(122)(132)은 모든 단위셀(110)의 공기유로(Co)와 서로 일직선상에 독립적으로 병렬 연통할 수 있도록 입구측 메니폴드(120)와 출구측 메니폴드(130)의 공기통공(122)(132)을 상기한 단위셀(110)마다의 공기유로(Co)와 동일한 개수로 형성하되, 각 공기통공(122)(132)은 한 개의 작은 구멍이나 다수 개의 미세구멍으로 형성한다.

한편, 도면으로 제시하지는 않았으나 입구측 메니폴드와 출구측 메니폴드를 각각 연료유로와 접하는 부위, 즉 공기유로는 노출될 수 있는 절반의 폭으로 형성하고 공기유로는 낱개의 공기공급관으로 각각 연통할 수도 있다.

공기조절밸브(140)는 공기공급관(31)의 중간에 각각 설치하는 온/오프 밸브로서, 각 단위셀(110)의 연료극(112)과 공기극(113)을 전기적으로 연결하는 외부회로(116)와 전기적으로 연결하여 이루어진다.

외부회로(116)와 공기조절밸브(140)의 사이에는 각 단위셀(110)에서 생성되는 전류의 양을 측정하여 그 측정값에 따라 공기조절밸브(140)의 개폐정도를 조절할 수 있는 제어부(미도시)를 구비하는 것이 바람직하다.

도면중 종래와 동일한 부분에 대하여는 동일한 부호를 부여하였다.

도면중 미설명 부호인 20은 연료공급부, 21은 연료탱크, 22는 연료공급관, 23은 연료펌프, 30은 공기공급부, 31은 공기공급관, 32는 공기공급관, 40은 전기에너지 출력부이다.

상기와 같은 본 발명의 연료전지가 가지는 작용 효과는 다음과 같다.

즉, 분리판(114,115)의 연료유로(Cf)와 공기유로(Co)에 공급한 연료와 공기는 각각 연료극(음극,anode)(112)과 공기극(양극,cathode)(113)을 통과하고, 이 과정에서 연료중의 수소가 공기중의 산소와 전기 화학적으로 반응하여 물을 생성함과 아울러 두 전극 사이에서 전류를 발생한다.

이를 보다 상세히 살펴보면, 연료는 연료공급관(22)을 통해 연료탱크(21)에서 입구측 메니폴드(120)의 연료통로(121)로 유입되고, 이 입구측 메니폴드(120)의 연료통로(121)에서 각 단위셀(110)마다의 분리판(114)에 구비한 연료유로(Cf)로 고르게 분배되어 각 연료유로(Cf)를 통과하면서 전기화학적 산화반응(예컨대, BH₄ ^- + 8OH^- →BO₂ ^- + 6H₂O + 8e^-)을 수행한다.

반면, 공기는 대기중에서 각각의 공기공급관(31)과 입구측 메니폴드(120)의 각 공기통공(122)을 거쳐 각 단위셀(110)마다의 공기측 분리판(115)에 구비한 공기통공(122)으로 직접 공급되어 전기적인 환원반응(예컨대, 2O₂ + 4H₂O + 8e^- →8OH^-)을 수행한다.

여기서, 메니폴드(120)(130)는 한 개의 연료통로(121)(131)와 다수 개의 공기통공(122)(132)으로 이루어되, 각각의 공기통공(122)(132)은 각 단위셀(110)의 공기유로(Co)와 서로 독립적으로 연결됨에 따라 공기가 각각의 공기공급관(31)과 공기통공(122)(132)을 통해 각 단위셀(110)의 공기유로(Co)로 직접 공급되고, 이에 따라 공기가 각 공기유로(Co)로 균일하게 공급되어 연료전지의 성능을 높일 수 있다.

또, 연료전지의 반응중에 공기유로(Co)에서 물과 수산화나트륨이 발생하면서 공기유로(Co)를 부분적으로 막아 각 단위셀(110)마다 전류의 양이 상이하게 되더라도 이를 각 단위셀(110)마다의 제어부에서 감지하여 해당 공기조절밸브(140)의 개폐정도를 조절함으로써 각 단위셀(110)마다의 전류를 균등하게 조절하여 연료전지의 성능을 더욱 높일 수 있다.

본 발명에 의한 연료전지의 공기 공급 장치는, 공기유로에 대향하는 메니폴드에는 각 공기유로에 독립적으로 연통되도록 공기통공을 형성하여 공기공급관과 각각 연결하고, 각 공기공급관의 중간에는 공기조절밸브를 설치하여 해당 단위셀의 전류 발생량에 따라 공기조절밸브의 개폐량을 조절하도록 구성함으로써, 각 단위셀의 공기유로에 공기를 균일하게 공급할 수 있어 연료전지의 성능을 크게 향상시킬 수 있다.

도 1은 종래 연료전지의 구조를 보인 계통도,

도 2는 종래 연료전지의 연료전지스택을 파단하여 보인 사시도,

도 3은 종래 연료전지의 연료전지스택를 개략적으로 보인 단면도,

도 4는 본 발명 연료전지의 구조를 보인 계통도,

도 5는 본 발명 연료전지의 연료전지스택을 파단하여 보인 사시도,

도 6은 본 발명 연료전지의 연료전지스택를 개략적으로 보인 단면도.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **

20 : 연료공급부 21 : 연료탱크

22 : 연료공급관 23 : 연료펌프

30 : 공기공급부 31 : 공기공급관

32 : 공기펌프 40 : 전기에너지 출력부

100 : 연료전지스택 110 : 단위셀

111 : 전해질막 112 : 연료극

113 : 공기극 114 : 분리판

115 : 분리판 120 : 입구측 메니폴드

121 : 연료통로 122 : 공기통공

130 : 출구측 메니폴드 131 : 연료통로

132 : 공기통공 140 : 공기조절밸브

Cf : 연료유로 Co : 공기유로

Claims (4)

1. 전해질막과, 전해질막을 사이에 두고 양쪽에 적층하는 복수 개의 전극과, 각 전극과 접하는 면에 연료유로와 공기유로를 각각 형성하여 연료와 공기가 각각의 유로를 독립적으로 순환하면서 이온을 발생하도록 복수 개의 분리판을 상기 각 전극의 일 측면에 접하도록 배치하는 다수 개의 단위셀을 연속으로 적층하여서 된 연료전지에 있어서,

   단위셀마다에 구비하는 공기유로에 각각 공기공급관을 독립적으로 병렬 연결하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 공기 공급 장치.
2. 제1항에 있어서,

   공기공급관의 입구측에는 각각 공기의 공급량을 조절하는 공기조절밸브를 설치하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 공기 공급 장치.
3. 제2항에 있어서,

   각 단위셀마다에서 발생하는 전류의 양을 검출하고 이를 토대로 상기한 공기조절밸브의 개폐량을 자동으로 조절하도록 외부회로를 이용하여 상기한 각 단위셀마다의 연료극과 공기극을 전기적으로 연결함과 아울러 각 공기조절밸브와도 전기적으로 연결하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 공기 공급 장치.
4. 제1항에 있어서,

   복수 개의 단위셀은 입구측 메니폴드와 출구측 메니폴드와 연통하도록 결합하되, 양측 메니폴드는 각 단위셀의 공기유로에 독립적으로 연통하도록 복수 개의 공기통공을 형성하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지의 공기 공급 장치.