KR100531824B1 - Fuel circulation control apparatus of fuel cell system - Google Patents
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Abstract
본 발명의 연료전지 시스템의 연료회수조절장치는 기액분리기의 상단부에 설치된 공기배출관에 연료배출조절밸브를 설치하여, 기액분리기에서 분리된 물과 반응후의 연료가 수위센서의 하이 레벨이 되었을 때 연료배출조절밸브가 닫혀서 기액분리기의 내부 공기압에 의해 물과 반응후의 연료가 연료회수라인을 통하여 연료탱크로 보내지고, 로우 레벨이 되었을 때 연료배출조절밸브가 열려서 공기배출관을 통하여 공기가 배출되고 물과 반응후의 연료는 기액분리기에 저장되도록 함으로써, 간단한 구성에 의해 기액분리기에서 분리된 물과 반응후의 연료가 연료탱크로 회수할 수 있도록 되어 있어서 연료전지 시스템의 전체 크기가 소형화되어 진다.The fuel recovery control device of the fuel cell system of the present invention installs a fuel discharge control valve in an air discharge pipe installed at an upper end of the gas liquid separator, and discharges the fuel when the water separated from the gas liquid separator becomes a high level of the water level sensor. After the control valve is closed, the fuel after the reaction with water is sent to the fuel tank through the fuel recovery line by the internal air pressure of the gas-liquid separator.When the level is low, the fuel discharge control valve is opened to release air through the air discharge pipe and react with water. Since the later fuel is stored in the gas-liquid separator, the water separated in the gas-liquid separator and the fuel after the reaction can be recovered to the fuel tank by a simple configuration, thereby miniaturizing the overall size of the fuel cell system.
Description
본 발명은 외부로 부터 공급되는 연료와 공기의 전기화학반응을 통하여 전기를 생성하는 연료전지 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 간단한 구성에 의해 사용하고난 후의 연료를 회수하여 재사용할 수 있도록 함으로써 기기의 전체 크기를 콤팩트하게 구성할 수 있도록 한 연료전지 시스템의 연료회수조절장치에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell system for generating electricity through an electrochemical reaction between fuel and air supplied from the outside. More particularly, the present invention relates to a device for recovering and reusing fuel after use by a simple configuration. It relates to a fuel recovery system of a fuel cell system that allows the compact size of the overall size of the fuel cell system.
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.In general, a fuel cell system is a device that directly converts the energy contained in the fuel into electrical energy, and the generator of such a fuel cell system usually has an anode and a cathode on both sides of a polymer electrolyte membrane. ), Electrochemical oxidation of hydrogen as a fuel at the anode (anode or anode), and electrochemical reduction of oxygen as oxidant at the cathode (reduction electrode or cathode). Energy is generated.
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.Hydrogen supplied to such a fuel cell is purified by purifying only hydrogen (H 2 ) from a hydrocarbon-based (CH-based) fuel such as LNG, LPG, CH 3 OH, and gasoline through a desulfurization process → reforming reaction → hydrogen purification process. PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) used in the form, and BFC (Boron Fuel Cell) which directly uses BH 4 - in the form of an aqueous solution and uses it as a fuel are introduced.
종래 BFC의 개략적인 구성이 도 1에 도시되어 있는 바, 이를 간단히 설명하면 다음과 같다.A schematic configuration of a conventional BFC is illustrated in FIG. 1, which will be briefly described as follows.
도시된 바와 같이, 종래의 연료전지(1)는 전기를 발생하는 발전기(10)의 일측에 수용액 상태의 BH4 - 를 저장하기 위한 연료탱크(2)가 구비되어 있는데, 그 연료탱크(2)와 발전기(10)의 양극 입구부는 연료 탱크(2)의 연료를 발전기(10)의 양극으로 공급할 수 있도록 연료공급라인(3)으로 연결되어 있고, 그 연료공급라인(3)에는 연료를 펌핑하기 위한 연료펌프(4)가 설치되어 있다.As shown, the conventional fuel cell 1 is provided with a fuel tank 2 for storing BH 4 − in an aqueous state on one side of the generator 10 generating electricity, the fuel tank (2) And the anode inlet of the generator 10 is connected to the fuel supply line (3) to supply the fuel of the fuel tank (2) to the anode of the generator 10, the fuel supply line (3) to pump the fuel Fuel pump 4 is provided.
그리고, 상기 발전기(10)의 음극 입구부에는 외부공기를 발전기(10)의 음극으로 공급할 수 있도록 공기공급라인(5)이 연결설치되어 있고, 그 공기공급라인(5)에는 공급되는 공기를 필터링하기 위한 에어 필터(6)와 필터링된 공기를 펌핑하기 위한 에어 컴프레서(7) 및 공기를 가습하기 위한 가습기(8)가 차례로 설치되어 있다.In addition, an air supply line 5 is connected to the cathode inlet of the generator 10 so as to supply external air to the cathode of the generator 10, and the air supplied to the air supply line 5 is filtered. The air filter 6, the air compressor 7 for pumping the filtered air, and the humidifier 8 for humidifying the air are installed in this order.
또한, 발전기(10)의 양극 출구부에는 반응하고난 후의 연료를 배출하기 위한 연료배출라인(9)의 일단부가 연결되어 있고, 음극의 출구부에는 반응하고난 후의 공기와 수증기가 배출되는 공기배출라인(11)의 일단부가 연결되어 있다.In addition, one end of the fuel discharge line 9 for discharging the fuel after the reaction is connected to the anode outlet of the generator 10, and the air discharged after the reaction with the air and water vapor is discharged to the outlet of the cathode. One end of the line 11 is connected.
그리고, 상기 연료배출라인(9)과 공기배출라인(11)의 타단부는 기체와 액체를 분리하기 위한 기액분리기(12)의 일측 상단부에 연결되어 있고, 그 기액분리기(12)의 타측 하단부와 상기 연료탱크(2)는 기액분리기(12)에서 분리된 물과 연료를 연료탱크(2)로 회수하기 위한 연료회수라인(13)으로 연결되어 있으며, 그 연료회수라인(13)에는 기액분리기(12)의 물과 연료를 펌핑하기 위한 회수펌프(14)가 설치되어 있다.In addition, the other end of the fuel discharge line 9 and the air discharge line 11 is connected to one upper end of the gas-liquid separator 12 for separating gas and liquid, and the other lower end of the gas-liquid separator 12 The fuel tank 2 is connected to a fuel recovery line 13 for recovering water and fuel separated from the gas-liquid separator 12 to the fuel tank 2, and the fuel recovery line 13 has a gas-liquid separator ( A recovery pump 14 for pumping water and fuel 12 is provided.
도면중 미설명 부호 15는 수위센서이고, 16은 공기배출관이다.In the figure, reference numeral 15 denotes a water level sensor, and 16 denotes an air discharge pipe.
상기와 같이 구성되어 있는 종래 연료전지 시스템은 기기의 동작 스위치가 온되면 연료펌프(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(5)을 통하여 발전기(10)의 음극(공기극)으로 공기가 공급되도록 한다.In the conventional fuel cell system configured as described above, when the operation switch of the device is turned on, the fuel pump 4 pumps BH 4 − in an aqueous state stored in the fuel tank 2 through the fuel supply line 3. The air compressor 7 is operated at the same time as supplying to the positive electrode (fuel electrode) of the generator 10 so that air is supplied to the negative electrode (air electrode) of the generator 10 through the air supply line 5.
상기와 같이 발전기(10)에 공급되는 수용액 상태의 BH4 - 와 공기는 발전기(10)에서 고분자전해질막을 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 집전판에서 집전하여 에너지원으로 사용하게 된다.As described above, the BH 4 − and the air in the aqueous solution state supplied to the generator 10 are supplied to the anode and the cathode installed so that the catalyst is wrapped with carbon cloth on both sides with the polymer electrolyte membrane interposed therebetween. The electrochemical oxidation of the progress, the electrochemical reduction of oxygen occurs in the cathode, the electricity is generated by the movement of the generated electrons, the electricity generated at this time is collected in the current collector plate is used as an energy source.
이때의 반응식은 The reaction formula at this time
양극에서는 BH4 - + 8OH- → BO2 -(액) + 6H2O(기) + 8e- The anode BH 4 - + 8OH - → BO 2 - (liquid) + 6H 2 O (group) + 8e -
부반응으로 2H2O + NaBH4 → NaBO2(액) + 4H2(기)As a side reaction, 2H 2 O + NaBH 4 → NaBO 2 (liquid) + 4H 2 (group)
음극에서는 2O2 + 4H2O(가습공기)+ 8e-→ 8OH- + H2O(액),NaOH,Air(기)로, 반응후에 양극과 음극에서 발생되는 액체와 가스는 기액분리기(12)에서 분리되고, 그와 같이 분리된 반응후의 연료와 물은 회수펌프(14)에 의해 다시 순환되어 연료탱크(2)로 보내져서 재 사용되고, 기액분리기(12)에서 분리된 공기는 공기배출관(16)을 통하여 외부로 배출되어 진다.In the negative electrode 2O 2 + 4H 2 O (humidified air) + 8e - → 8OH - + H 2 O ( liquid), NaOH, to Air (groups), and after the reaction liquid and the gas generated from the positive electrode and the negative electrode is a gas-liquid separator (12 ) And the fuel and water after the reaction thus separated are circulated by the recovery pump 14 and sent to the fuel tank 2 for reuse, and the air separated from the gas-liquid separator 12 is used as an air discharge pipe ( It is discharged to outside through 16).
그러나, 상기와 같은 종래의 연료전지 시스템에서는 기액분리기(12)에서 분리된 물과 연료를 재사용하기 위해 회수펌프와 같은 장치들을 사용함에 시스템의 전체 크기가 커지고, 제작비용이 상승하며, 시스템을 운전하기 위한 소비전력이 상승하는 문제점이 있었다.However, in the conventional fuel cell system as described above, by using devices such as a recovery pump to reuse water and fuel separated from the gas-liquid separator 12, the overall size of the system is increased, manufacturing costs are increased, and the system is operated. There was a problem that the power consumption to increase.
상기와 같은 문제점을 감안하여 안출한 본 발명의 목적은 시스템을 이루는 부품을 간단하게 구성하여 시스템의 전체 크기를 소형화하고, 제작비용을 절감함과 아울러 소비전력을 감소시킬 수 있도록 하는데 적합한 연료전지 시스템의 연료회수조절장치를 제공함에 있다.The object of the present invention devised in view of the above problems is a fuel cell system suitable for simplifying the components constituting the system to reduce the overall size of the system, reducing the manufacturing cost and power consumption To provide a fuel recovery control device.
상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 In order to achieve the object of the present invention as described above
양극에서의 전기화학적인 산화와 음극에서의 전기화학적인 환원에 의해 발전이 이루어지는 발전기와, 연료가 저장되는 연료탱크와, 상기 연료탱크와 발전기의 양극을 연결시키는 연료공급라인과, 상기 발전기의 음극 입구부에 연결되어 발전기의 음극에 공기를 공급하기 위한 공기공급라인과, 상기 발전기의 양극 출구부에 연결되어 반응후의 연료를 배출하는 연료배출라인과, 상기 발전기의 음극 출구부에 연결되어 반응후의 공기를 배출하는 공기배출라인과, 상기 연료배출라인과 공기배출라인에 연결되어 반응후의 연료와 공기를 액체와 기체로 분리하기 위한 기액분리기와, 그 기액분리기에서 분리된 물과 반응후의 연료를 연료탱크로 회수할 수 있도록 기액분리기와 연료탱크 사이에 연결되는 연료회수라인을 포함하는 연료전기 시스템에 있어서,A generator that generates electricity by electrochemical oxidation at the anode and electrochemical reduction at the cathode, a fuel tank in which fuel is stored, a fuel supply line connecting the fuel tank and the anode of the generator, and a cathode of the generator An air supply line connected to the inlet part to supply air to the cathode of the generator, a fuel discharge line connected to the anode outlet of the generator to discharge fuel after the reaction, and connected to the cathode outlet of the generator after the reaction An air discharge line for discharging air, a gas-liquid separator connected to the fuel discharge line and the air discharge line to separate the fuel and air after the reaction into a liquid and a gas, and the water separated from the gas-liquid separator and the fuel after the reaction In a fuel electric system including a fuel recovery line connected between the gas-liquid separator and the fuel tank for recovery to the tank book,
상기 기액분리기의 상단부에 연결된 공기배출관에 설치되어 수위가 하이레벨일때는 닫아서 기액분리기 내부의 공기압에 의해 물과 반응후의 연료가 연료회수라인을 통하여 연료탱크로 회수되도록 하고 수위가 로우레벨일때는 열어서 공기가 외부로 배출되도록 하여 물과 연료가 기액분리기에 저장되도록 하기 위한 연료배출조절밸브를 구비하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 연료회수조절장치가 제공된다.It is installed in the air discharge pipe connected to the upper part of the gas-liquid separator and closes when the water level is high level, so that the fuel after the reaction with water is recovered to the fuel tank through the fuel recovery line by the air pressure inside the gas-liquid separator, and opened when the water level is low level. Provided is a fuel recovery control device for a fuel cell system, comprising a fuel discharge control valve for allowing air to be discharged to the outside so that water and fuel are stored in the gas-liquid separator.
이하, 상기와 같이 구성된 본 발명의 연료전지 시스템의 연료회수조절장치를 첨부된 도면의 실시예를 참고하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, with reference to the embodiment of the accompanying drawings the fuel recovery control device of the fuel cell system of the present invention configured as described above in more detail as follows.
도 2는 본 발명의 연료회수조절장치를 가지는 연료전지 시스템의 개략구성도로서, 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.Figure 2 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system having a fuel recovery control apparatus of the present invention, as shown in the fuel cell system 100 of the present invention by the electrochemical reaction of BH 4 and air in an aqueous state A fuel tank 102 for storing BH 4 in an aqueous solution state supplied to the anode 132 of the generator 101 at a predetermined distance from the generator 101 where power generation is performed is installed. have.
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 연료배출라인(104)이 연결되어 있으며, 상기 연료공급라인(103)에는 연료를 펌핑하기 위한 연료펌프(105)가 설치되어 있다.The lower portion of the fuel tank 102 and the inlet portion of the anode 132 of the generator 101 are connected to the fuel supply line 103 so as to supply fuel, and the outlet portion of the anode 132 is fueled. A discharge line 104 is connected, and the fuel supply line 103 is provided with a fuel pump 105 for pumping fuel.
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 있다.In addition, an air supply line 109 is installed at the inlet of the cathode 133 of the generator 101 so that air can be supplied, and an outlet of the cathode 133 after reacting. The air discharge line 110 is installed so that air can be discharged.
그리고, 상기 공기공급라인(109)에는 발전기(101)로 공급되는 공기를 필터링하기 위한 에어필터(111), 공기를 송풍하기 위한 에어컴프레서(Air Compressor)(112), 공기를 가습하기 위한 가습기(Humidifier)(113)가 차례로 설치되어 있다.The air supply line 109 includes an air filter 111 for filtering air supplied to the generator 101, an air compressor 112 for blowing air, and a humidifier for humidifying air ( Humidifier) 113 is provided in sequence.
또한, 상기 연료배출라인(104)과 공기배출라인(110)에서 배출되는 연료와 공기는 각각 기액분리기(120)에 연결되어 있고, 그 기액분리기(120)와 연료탱크(102)는 연료회수라인(122)으로 연결되어 있다.In addition, the fuel and air discharged from the fuel discharge line 104 and the air discharge line 110 are connected to the gas-liquid separator 120, respectively, the gas-liquid separator 120 and the fuel tank 102 is a fuel recovery line Connected to (122).
그리고, 상기 기액분리기(120)의 상단부에는 기액분리기(120)에서 분리된 공기를 배출하기 위한 공기배출관(123)이 설치되어 있고, 그 공기배출관(123)에는 기액분리기(120)에 설치된 수위센서(124)에 의해 물과 반응후의 연료(125)가 하이레벨(HI:high level)(124a)이 감지되었을 때 닫혀서 내부압력에 의해 물과 반응후의 연료를 연료탱크(102)로 보내고, 로우레벨(LO:low level)(124b) 일때는 열려서 기액분리기(120)의 내부에 물과 반응후의 연료가 저장되도록 하기 위한 연료배출조절밸브(200)가 설치되어 있다.And, the upper end of the gas-liquid separator 120 is provided with an air discharge pipe 123 for discharging the air separated from the gas-liquid separator 120, the air discharge pipe 123 is a water level sensor installed in the gas-liquid separator 120 The fuel 125 after the reaction with water by 124 is closed when the high level (HI) 124a is sensed and sends the fuel after the reaction with the water to the fuel tank 102 by the internal pressure, and then the low level. (LO: low level) (124b) is open to the fuel discharge control valve 200 is installed to allow the fuel after the reaction with water is stored in the gas-liquid separator 120.
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.The generator 101 may be formed by stacking a plurality of single cells or stacking a single cell. Referring to FIG. 3, a single cell structure may be described in both sides of the electrolyte membrane 131. A membrane-electrode assembly (MEA) formed by bonding the anode 132 and the cathode 133 for diffusing the gas to the two sides of the membrane-electrode assembly 134 A separator 136 forming a flow path 135 of fuel gas and oxygen-containing gas at the anode 132 and the cathode 133, and disposed on both sides of the separator 136, The collector plate 137 serving as the collector electrode of the cathode 133 is constituted.
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. The electrolyte membrane 131 of the membrane-electrode assembly 134 is an ion exchange membrane made of a polymer material, and the commercially available electrolyte membrane 131 includes a Nafion membrane of DuPont, which serves as a carrier of hydrogen ions, The anode 132 and the cathode 133 serve as a support for supporting the platinum (Pt) catalyst layer 141. The porous carbon cloth 142 is formed on both sides of the electrolyte membrane 131. It is a structure joined to the.
상기 분리판(136)은 치밀질의 카본 플레이트로 이루어지고, 내측에는 유체가 흐르도록 복수개의 유로홈(미도시)이 형성되어 있다.The separation plate 136 is made of a dense carbon plate, and a plurality of flow path grooves (not shown) are formed at the inside thereof so that the fluid flows.
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.It is preferable that the current collector plate 137 is excellent in electrical conductivity, excellent in corrosion resistance, and does not generate hydrogen embrittlement. Specifically, any one of the current collector plate 137 may be satisfied as long as the required performance is satisfied.
상기와 같이 구성된 본 발명의 연료회수조절장치가 구비된 연료전지 시스템은 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 공급하게 된다.In the fuel cell system having the fuel recovery control apparatus of the present invention configured as described above, when the operation switch of the device is turned on, power supplied from the battery is supplied to the fuel pump 105 through the power converter to supply the fuel pump 105. In accordance with the operation) is pumped BH 4 in the aqueous solution state stored in the fuel tank 102 is supplied to the anode 132 of the generator 101 through the fuel supply line 103.
그리고, 상기 에어컴프레서(112)에서는 공기공급라인(109)을 통하여 발전기(101)의 음극(133)에 공기를 공급하게 되는데, 그와 같이 공급되는 공기는 에어필터(111)에서 필터링된 후 가습기(113)에서 적정 습도로 가습이되어 공급되어 진다.In addition, the air compressor 112 supplies air to the cathode 133 of the generator 101 through the air supply line 109. The air supplied as such is humidified after being filtered by the air filter 111. At 113, humidified to the appropriate humidity is supplied.
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.As described above, the BH 4 in the aqueous state supplied into the generator 101 flows along the flow path 135 formed on the outer surface of the positive electrode 132 with the electrolyte membrane 131 interposed therebetween, and the air is negative. Diffusion flows along the flow path 135 formed on the outer side of the 133, the electrochemical oxidation proceeds at the anode 132, the electrochemical reduction proceeds at the cathode 133, the electricity is generated by the movement of electrons In this case, the electricity generated at that time is collected in the current collector plate 137 and used as a power source.
상기 발전기(101)에서 발생되는 반응의 반응식은The reaction formula of the reaction generated in the generator 101 is
Anode : BH4 - + 8OH- →BO2 - + 6H2O + 8e- E0 = 1.24 V Anode: BH 4 - + 8OH - → BO 2 - + 6H 2 O + 8e - E 0 = 1.24 V
Cathode : 2O2 + 4H2O + 8e- →BOH- E0 = 0.4 V Cathode: 2O 2 + 4H 2 O + 8e - → BOH - E 0 = 0.4 V
Total : BH4 - + 2O2 →2H2O + BO2 E 0 = 1.64 V이다.Total: BH 4 - + 2O a 2 → 2H 2 O + BO 2 E 0 = 1.64 V.
상기와 같이 연료로 사용되는 수용액 상태의 BH4 -에는 안정된 용액으로 만들기 위하여 일정양의 Na을 혼합하는데 그에 따른 부반응으로,As above, BH 4 - in aqueous solution used as fuel is mixed with a certain amount of Na to make a stable solution.
Anode : 2H2O + NaBH4 + 4H2 의 반응이 진행된다.Anode: 2H 2 O + NaBH 4 + 4H 2 The reaction proceeds.
그리고, 상기와 같이 양극에서 반응후의 연료와 가스 및 음극에서 반응후 배출되는 공기와 물은 연료배출라인(104)과 공기배출라인(110)을 통하여 기액분리기(120)로 배출되고, 그 기액분리기(120)에서 분리된 반응후의 연료와 물은 연료회수라인(122)을 통하여 연료탱크(102)로 회수되어 진다.Then, the air and water discharged after the reaction in the anode and the fuel and gas and the cathode as described above is discharged to the gas-liquid separator 120 through the fuel discharge line 104 and the air discharge line 110, the gas-liquid separator The fuel and water after the reaction separated at 120 are recovered to the fuel tank 102 through the fuel recovery line 122.
즉, 기액분리기(120)에 저장되는 물과 반응후의 연료(125) 수위가 도 4에서와 같이 수위센서(124)의 하이 레벨(HI)(124a)이 되었을 때 연료배출조절밸브(200)가 닫혀서(close) 기액분리기(120)의 내부 공기압에 의해 물과 반응후의 연료(125)가 연료회수라인(122)을 통하여 배출되어 연료탱크(102)로 회수되어 진다.That is, when the water level of the fuel 125 after the reaction with the water stored in the gas-liquid separator 120 reaches the high level (HI) 124a of the water level sensor 124 as shown in FIG. The fuel 125 after the reaction with water is discharged through the fuel recovery line 122 by the internal air pressure of the gas-liquid separator 120 to be closed and recovered to the fuel tank 102.
반대로, 기액분리기(120)에 저장되는 물과 반응후의 연료(125) 수위가 도 5에서와 같이 수위센서(124)의 로우 레벨(LO)(124b) 일때는 연료배출조절밸브(200)는 열려서(open) 기액분리기(120)의 내부 공기가 공기배출관(123)을 통하여 외부로 배출되고, 물과 반응후의 연료(125)는 기액분리기(120)에 저장되어 진다. On the contrary, when the water level of the fuel 125 after the reaction with the water stored in the gas-liquid separator 120 is the low level (LO) 124b of the water level sensor 124 as shown in FIG. 5, the fuel discharge control valve 200 is opened. (open) The internal air of the gas-liquid separator 120 is discharged to the outside through the air discharge pipe 123, and the fuel 125 after the reaction with water is stored in the gas-liquid separator 120.
즉, 본 발명에서는 종래에 필수적으로 구비되었던 회수펌프를 배제하고 기액분리기(120)에서 분리된 물과 반응후의 연료(125)를 공기배출관(123)에 설치된 연료배출조절밸브(200)를 조절하는 것에 의해 이루어지므로, 연료전지 시스템이 종래 회수펌프가 설치되었던 만큼 축소되어지게 된다.That is, in the present invention, the fuel pump after the reaction with the water separated in the gas-liquid separator 120 and the fuel 125 is installed in the air discharge pipe 123 to exclude the recovery pump that was provided in the prior art to control the fuel discharge control valve 200 By doing so, the fuel cell system can be reduced as much as the conventional recovery pump is installed.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 연료전지 시스템의 연료회수조절장치는 기액분리기의 상단부에 설치된 공기배출관에 연료배출조절밸브를 설치하여, 기액분리기에서 분리된 물과 반응후의 연료가 수위센서의 하이 레벨이 되었을 때 연료배출조절밸브가 닫혀서 기액분리기의 내부 공기압에 의해 물과 반응후의 연료가 연료회수라인을 통하여 연료탱크로 보내지고, 로우 레벨이 되었을 때 연료배출조절밸브가 열려서 공기배출관을 통하여 공기가 배출됨과 아울러 물과 반응후의 연료는 기액분리기에 저장되도록 함으로써, 간단한 구성에 의해 기액분리기에서 분리된 물과 반응후의 연료가 연료탱크로 회수될 수 있도록 되어 있어서 연료전지 시스템의 전체 크기를 소형화할 수 있는 효과가 있고, 제작비용을 절감할 수 있으며, 소비전력을 감소시킬 수 있는 효과가 있다. As described in detail above, the fuel recovery control device of the fuel cell system of the present invention is provided with a fuel discharge control valve in the air discharge pipe installed in the upper end of the gas-liquid separator, so that the water separated from the gas-liquid separator after the reaction of the water level sensor When the high level is reached, the fuel discharge control valve is closed, and the fuel after the reaction with water is sent to the fuel tank through the fuel recovery line by the internal air pressure of the gas-liquid separator, and when the low level is reached, the fuel discharge control valve is opened through the air discharge pipe. As the air is discharged and the fuel after the reaction with water is stored in the gas-liquid separator, the water separated from the gas-liquid separator and the fuel after the reaction can be recovered to the fuel tank by a simple configuration, thereby miniaturizing the overall size of the fuel cell system. It can do the effect, reduce the production cost, power consumption It is capable of reducing effects.
도 1은 종래 연료전지 시스템을 보인 개략구성도.1 is a schematic configuration diagram showing a conventional fuel cell system.
도 2는 본 발명의 연료회수조절장치를 가지는 연료전지 시스템의 개략구성도.2 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system having a fuel recovery control apparatus of the present invention.
도 3은 본 발명에 따른 단위셀구조를 보인 단면도.3 is a cross-sectional view showing a unit cell structure according to the present invention.
도 4는 본 발명의 수위센서가 하이레벨 상태의 밸브 동작 상태도.4 is a valve operation state of the water level sensor of the present invention in a high level state.
도 5는 본 발명의 수위센서가 로우레벨 상태의 밸브 동작 상태도.5 is a valve operation state of the water level sensor of the present invention in a low level state.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
101 : 발전기 102 : 연료탱크101: generator 102: fuel tank
103 : 연료공급라인 104 : 연료배출라인103: fuel supply line 104: fuel discharge line
109 : 공기공급라인 110 : 공기배출라인109: air supply line 110: air discharge line
120 : 기액분리기 123 : 공기배출관120: gas-liquid separator 123: air discharge pipe
124 : 수위센서 124a : 하이레벨124: water level sensor 124a: high level
124b : 로우레벨 132 : 양극124b: low level 132: anode
133 : 음극 200 : 연료배출조절밸브133: cathode 200: fuel discharge control valve
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