KR100531823B1 - 연료전지 시스템의 물유입방지장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 연료전지 시스템의 물유입방지장치는 연료와 공기의 전기 화학적인 반응에 의해 발전이 이루어지는 발전기와, 상기 발전기의 양극 입구부에 연통되는 연료공급라인과, 상기 발전기의 양극 출구부에 연통되어 반응하고난 후의 연료를 회수하는 연료회수라인과, 상기 발전기의 음극 입구부에 연통되는 공기공급라인과, 상기 발전기의 음극 출구부에 연통되어 반응하고난 후의 공기를 외부로 배출하는 공기배출라인을 포함하는 연료전지 시스템에 있어서, 물이 공기배출라인의 내측으로 유입되는 것을 차단하기 위하여 상기 공기배출라인의 단부에 설치되며, 외주면에 공기가 배출되는 수개의 통공이 형성되어 있는 관체상의 몸체부와, 그 몸체부의 단부에 상기 몸체부 보다 큰 직경으로 형성되어 통공으로 눈이나 빗물이 들어가는 것을 차단하기 위한 캡부로 구성되는 물유입차단밸브를 포함하여 구성되어, 발전기에서 발전이 이루어질 때에 물유입차단밸브에 의해 눈이나 빗물이 공기배출라인의 내측으로 유입되는 것을 차단함으로써, 발전기의 내부로 물이 유입되어 발전기의 촉매의 활발한 반응을 저해하여 발전기 성능을 열화시키는 것이 방지한다.

Description

연료전지 시스템의 물유입방지장치{WATER INTERCEPTION PPARATUS OF FUEL CELL SYSTEM}

본 발명은 외부로 부터 공급되는 연료와 공기의 전기화학반응을 통하여 전기를 생성하는 연료전지 시스템에 관한 것으로, 특히 공기배출라인의 단부를 통하여 외부에서 발전기의 내부로 물이 유입되는 것을 차단하여 물에 의해 촉매의 활발한 반응이 이루어지지 못하는 것을 방지할 수 있도록 한 연료전지 시스템의 물유입방지장치에 관한 것이다.

일반적으로, 연료전지 시스템(fuel cell system)은 연료가 가지고 있는 에너지를 직접 전기적 에너지로 변환하는 장치로서, 이러한 연료전지 시스템의 발전기는 통상 고분자 전해질 막을 중심으로 양쪽에 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 사용하는 PEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)와, 고체상태의 BH₄ ^- 를 수용액 상태로 만들어 직접 연료로 사용하는 BFC(Boron Fuel Cell) 등이 소개되고 있다.

종래 BFC의 개략적인 구성이 도 1에 도시되어 있는 바, 이를 간단히 설명하면 다음과 같다.

도시된 바와 같이, 종래의 연료전지(1)는 전기를 발생하는 발전기(10)의 일측에 수용액 상태의 BH₄ ^- 를 저장하기 위한 연료탱크(2)가 설치되어 있고, 그 연료탱크(2)와 발전기(10)의 양극 입구부에는 연료공급라인(3)으로 연결되어 있으며, 그 연료공급라인(3)에는 연료를 펌핑하기 위한 연료 펌프(4)가 설치되어 있고, 상기 발전기(10)의 양극 출구부과 연료탱크(2)는 발전기(10)에서 배출되는 반응후의 연료를 연료탱크(2)로 재공급할 수 있도록 연료회수라인(5)이 설치되어 있다.

그리고, 상기 발전기(10)의 음극 입구부에는 공기공급라인(6)이 연결설치되어 있고, 그 공기공급라인(6)에는 공기를 펌핑하기 위한 에어컴프레서(7)가 설치되어 있으며, 상기 발전기(10)의 음극 출구부에는 반응후의 공기를 외부로 배출하기 위한 공기배출라인(8)이 설치되어 있다.

상기 발전기(10)는 전해질 막의 양측에 탄소천으로 촉매를 부착하여 일측은 양극이되고 다른쪽은 음극이 되도록 결합된 막-전극접합체(11)와, 그 막-전극접합체(11)의 양측에 유로(12a)(12a')가 형성되도록 밀착되는 카본재질의 분리판(12)(12')과, 그 분리판(12)(12')의 외측에 밀착되게 설치되는 금속판체상의 집전판(13)으로 이루어져 있다.

상기와 같이 구성되어 있는 종래 연료전지 시스템은 기기의 동작 스위치가 온되면 연료 펌프(4)에서 연료탱크(2)에 저장되어 있는 수용액 상태의 BH₄ ^- 를 펌핑하여 연료공급라인(3)을 통하여 발전기(10)의 양극(연료극)에 공급함과 동시에 에어컴프레서(7)를 동작시켜서 공기공급라인(6)을 통하여 발전기(10)의 음극(공기극)으로 공기가 공급되도록 한다.

상기와 같이 발전기(10)에 공급되는 수용액 상태의 BH₄ ^- 와 공기는 발전기(10)에서 유로(12a)(12a')를 따라 흐르며 막-전극접합체(11)의 전해질막을 사이에 두고 양측에 촉매가 탄소천으로 감싸도록 설치된 양극과 음극에 공급되어, 양극에서는 수소의 전기화학적 산화가 진행되고, 음극에서는 산소의 전기화학적 환원이 일어나며, 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기가 발생되는데, 이때 발생되는 전기를 집전판(13)에서 집전하여 에너지원으로 사용하게 된다.

이때의 반응식은

양극에서는 BH₄ ^- + 8OH^- → BO₂ ^-(액) + 6H₂O(기) + 8e^-

부반응으로 2H₂O + NaBH₄ → NaBO₂(액) + 4H₂(기)

음극에서는 2O₂ + 4H₂O(가습공기)+ 8e^-→ 8OH^- + H₂O(액),NaOH,Air(기)로, 반응후에 발전기(10)의 양극에서 배출되는 연료는 연료회수라인(5)을 통하여 연료탱크(2)로 재공급되고, 음극에서 배출되는 공기는 공기배출라인(8)을 통하여 그대로 외부로 배출되어 진다.

그러나, 상기와 같은 종래의 연료전지는 발전기(10)의 음극에서 반응하고난 후의 공기가 배출되는 공기배출라인(8)의 단부는 외부에 개방이 되어 있어서 외부에 설치되는 경우에 개방된 단부를 통하여 눈이나 빗물이 유입되어 발전기(10)의 내부로 유입되고, 그와 같이 유입된 물은 촉매의 활발한 반응을 저해하여 발전기의 발전성능을 저하시키는 문제점이 있었다.

상기와 같은 문제점을 감안하여 안출한 본 발명의 목적은 공기배출라인의 단부를 통하여 발전기의 내부로 물이 유입되는 것을 차단하여 발전기의 발전성능이 향상되어지도록 하는데 적합한 연료전지 시스템의 물유입방지장치를 제공함에 있다.

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 연료와 공기의 전기 화학적인 반응에 의해 발전이 이루어지는 발전기와, 상기 발전기의 양극 입구부에 연통되는 연료공급라인과, 상기 발전기의 양극 출구부에 연통되어 반응하고난 후의 연료를 회수하는 연료회수라인과, 상기 발전기의 음극 입구부에 연통되는 공기공급라인과, 상기 발전기의 음극 출구부에 연통되어 반응하고난 후의 공기를 외부로 배출하는 공기배출라인을 포함하는 연료전지 시스템에 있어서,물이 공기배출라인의 내측으로 유입되는 것을 차단하기 위하여 상기 공기배출라인의 단부에 설치되며, 외주면에 공기가 배출되는 수개의 통공이 형성되어 있는 관체상의 몸체부와, 그 몸체부의 단부에 상기 몸체부 보다 큰 직경으로 형성되어 통공으로 눈이나 빗물이 들어가는 것을 차단하기 위한 캡부로 구성되는 물유입차단밸브를 포함하여 이루어지는 연료전지 시스템의 물유입방지장치를 제공한다.

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이하, 상기와 같이 구성된 본 발명의 물유입방지장치를 가지는 연료전지 시스템을 첨부된 도면의 실시예를 참고하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명의 물유입방지장치가 구비된 연료전지 시스템의 개략구성도이고, 도 3은 본 발명의 발전기의 확대단면도로서, 이에 도시된 바와 같이, 본 발명의 연료전지 시스템(100)은 수용액 상태의 BH₄와 공기의 전기화학반응에 의해 발전이 이루어지는 발전기(Generator)(101)와 일정거리를 두고 발전기(101)의 양극(anode)(132)에 공급되는 수용액 상태의 BH₄를 저장하는 연료탱크(Fuel Tank)(102)가 설치되어 있다.

그리고, 상기 연료탱크(102)의 하부와 발전기(101)의 양극(anode)(132) 입구부는 연료를 공급할 수 있도록 연료공급라인(103)으로 연결되어 있고, 양극(132)의 출구부에는 사용하고난 후의 연료를 연료탱크(102)로 재공급할 수 있도록 연료회수라인(104)이 연결되어 있으며, 상기 연료공급라인(103)에는 연료를 펌핑하기 위한 연료펌프(105)가 설치되어 있다.

상기 발전기(101)는 여러개의 단일셀을 연속적으로 적층(stack)한 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 유로(135)를 형성하는 분리판(separator)(136)과, 그 분리판(136)의 양측에 배치되어 양극(132)과 음극(133)의 집전극이 되는 집전판(137)으로 구성되어 있다.

상기 막-전극 접합체(134)의 전해질 막(131)은 고분자재료로 이루어진 이온교환막으로서 대표적으로 상품화된 전해질 막(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) 촉매층(141)을 지지하는 지지체로서 다공성의 탄소천(carbon cloth)(142)이 전해질 막(131)의 양측에 접합된 구조로 되어 있다.

상기 분리판(136)은 치밀질의 카본 플레이트로 이루어지고, 내측에는 유체가 흐르도록 복수개의 유로홈(135a)이 형성되어 있다.

상기 집전판(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.

또한, 상기 발전기(101)의 음극(cathode)(133) 입구부에는 공기가 공급되어질 수 있도록 공기공급라인(109)이 설치되어 있고, 음극(cathode)(133)의 출구부에는 반응하고난 후의 공기가 배출되어질 수 있도록 공기배출라인(110)이 설치되어 있으며, 상기 공기공급라인(109)에는 공기를 펌핑하기 위한 에어컴프레서(111)가 설치되어 있고, 상기 공기배출라인(110)의 단부에는 공기배출라인(110)의 내부로 외부의 물이 유입되는 것이 차단될 수 있도록 물유입차단밸브(150)가 설치되어 있다.

상기 물유입차단밸브(150)는 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 공기배출라인(110)의 단부에 결합되며 외주면에 공기가 배출되는 수개의 통공(151a)이 형성되어 있는 원형 관체상의 몸체부(151)와, 그 몸체부(151)의 단부에 상기 몸체부(151) 보다 큰 직경으로 형성되어 통공(151a)으로 눈이나 빗물이 들어가는 것을 차단하기 위한 캡부(152)로 구성되어 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 물유입차단장치가 구비된 연료전지 시스템에서는 기기의 동작스위치가 온(On)되면 배터리에서 공급되는 전원이 전력변환기를 통하여 연료펌프(105)에 공급되어 연료펌프(105)를 동작시킴에 따라 연료탱크(102)에 저장되어 있는 수용액 상태의 BH₄를 펌핑하여 연료공급라인(103)을 통하여 발전기(101)의 양극(132)으로 공급하고, 상기 에어컴프레서(111)에서는 공기공급라인(109)을 통하여 발전기(101)의 음극(133)에 공기를 공급한다.

상기와 같이 발전기(101)의 내부로 공급되어진 수용액 상태의 BH₄는 전해질 막(131)을 사이에 두고 양극(132)의 외측면에 형성된 유로(135)를 따라 흐르며 확산이 되고, 공기는 음극(133)의 외측면에 형성된 유로(135)를 따라 흐르며 확산이 되며, 양극(132)에서는 전기화학적인 산화가 진행되며 음극(133)에서는 전기화학적인 환원이 진행되어 전자의 이동으로 전기가 발생이되는데, 그때 발생되는 전기를 집전판(137)에서 집전하여 전원으로 이용하게 된다.

상기 발전기(101)에서의 발생되는 반응의 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 V이다.

상기와 같이 연료로 사용되는 수용액 상태의 BH₄ ^-에는 안정된 용액으로 만들기 위하여 일정양의 Na을 혼합하는데 그에 따른 부반응으로,

Anode : 2H₂O + NaBH₄ + 4H₂ 의 반응이 진행된다.

그리고, 상기와 같이 발전기(101)에서 발전이 이루어지고, 그 발전기(101)의 음극(133) 출구부에 연결된 공기배출라인(110)을 통하여 반응후의 공기가 외부로 배출되어 질때에 배출되는 공기가 공기배출라인(110)의 단부에 결합된 물유입차단밸브(150)의 몸체부(151)에 형성된 통공(151a)을 통하여 외부로 배출되고, 그와 같이 공기가 배출되는 통공(151a)은 몸체부(151) 보다 직경이 크게 형성된 캡부(152)에 의해 통공(151a)으로 눈 또는 빗물 등이 유입되는 것이 차단되어 진다.

도 5는 본 발명에 따른 물유입차단밸브의 다른예를 보인 단면도로서, 이에 도시된 바와 같이, 공기배출라인(110)의 단부에 공기가 배출될때는 배출압력에 의해 공기배출라인(110)의 출구부에서 소정각도(θ)로 열리고 공기가 배출되지 않을때는 자중에 의해 공기배출라인(110)을 출구부를 닫을 수 있도록 일단부가 공기배출라인(110)의 출구부 일측에 경첩(161)으로 연결된 판체상의 덮개(162)로 구성되어 있다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 연료전지 시스템의 물유입방지장치는 발전기의 음극 출구부에 연결되어 있는 공기배출라인의 단부에 공기배출라인의 내측으로 물이 유입되는 것을 차단하기 위한 물유입차단밸브를 설치하여, 발전기에서 발전이 이루어질때에 물유입차단밸브에 의해 눈이나 빗물이 공기배출라인의 내측으로 유입되는 것을 차단함으로서, 발전기의 내부로 물이 유입되어 발전기의 촉매의 활발한 반응을 저해하여 발전기 성능을 열화시키는 것을 방지하는 효과가 있다.

도 1은 종래 연료전지 시스템을 보인 개략구성도.

도 2는 본 발명의 물유입방지장치가 구비된 연료전지 시스템의 개략구성도.

도 3은 본 발명의 발전기의 확대단면도.

도 4는 본 발명에 따른 물유입차단밸브의 일예를 보인 단면도.

도 5는 본 발명에 따른 물유입차단밸브의 다른예를 보인 단면도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

101 : 발전기 103 : 연료공급라인

104 : 연료회수라인 109 : 공기공급라인

110 : 공기배출라인 132 : 양극

133 : 음극 150 : 물유입차단밸브

151 : 몸체부 151a : 통공

152 : 캡부 161 : 경첩

162 : 덮개

Claims (3)

1. 연료와 공기의 전기 화학적인 반응에 의해 발전이 이루어지는 발전기와, 상기 발전기의 양극 입구부에 연통되는 연료공급라인과, 상기 발전기의 양극 출구부에 연통되어 반응하고난 후의 연료를 회수하는 연료회수라인과, 상기 발전기의 음극 입구부에 연통되는 공기공급라인과, 상기 발전기의 음극 출구부에 연통되어 반응하고난 후의 공기를 외부로 배출하는 공기배출라인을 포함하는 연료전지 시스템에 있어서,

   물이 공기배출라인의 내측으로 유입되는 것을 차단하기 위하여 상기 공기배출라인의 단부에 설치되며, 외주면에 공기가 배출되는 수개의 통공이 형성되어 있는 관체상의 몸체부와, 그 몸체부의 단부에 상기 몸체부 보다 큰 직경으로 형성되어 통공으로 눈이나 빗물이 들어가는 것을 차단하기 위한 캡부로 구성되는 물유입차단밸브를 포함하여 이루어지는 연료전지 시스템의 물유입방지장치.
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