KR100539752B1

KR100539752B1 - 연료전지의 가습량 조절장치

Info

Publication number: KR100539752B1
Application number: KR1020030062719A
Authority: KR
Inventors: 조태희; 박명석; 최홍; 김규정; 이명호; 김철환; 황용준; 고승태; 허성근
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2003-09-08
Filing date: 2003-09-08
Publication date: 2006-01-10
Also published as: KR20050025491A

Abstract

본 발명은 연료전지의 가습량 조절장치에 관한 것으로, 본 발명은 공기공급부의 가습수단과 연료전지스택의 공기극 사이에 설치하여 공기극으로 공급되는 공기의 상대습도를 검출하는 습도검출부와; 공기공급부의 가습수단 발열온도를 조절하여 공기극으로 공급되는 공기의 상대습도를 유지하는 온도조절부와; 습도검출부와 온도조절부 사이에 설치하여 상기 습도검출부에서 검출한 상대습도를 설정한 상대습도와 비교한 후 온도조절부의 운전동작를 판단하여 공기극의 가습량을 조절하는 제어부;를 포함함으로써, 공기펌프가 적정 출력으로 운전하도록 하여 전력손실을 미연에 방지할 수 있을 뿐만 아니라 가습 과다 또는 가습 부족으로 인한 연료전지 시스템의 성능 저하를 방지할 수 있다.

Description

연료전지의 가습량 조절장치{HUMIDITY CONTROL DEVICE FOR FUEL CELL}

도 1은 종래 연료전지의 일례를 보인 계통도,

도 2는 본 발명 연료전지의 일실시예를 보인 계통도,

도 3은 본 발명 연료전지의 일실시예에 대한 가습량 조절과정을 보인 순서도,

도 4는 본 발명 연료전지의 다른 실시예를 보인 계통도,

도 5는 본 발명 연료전지의 다른 실시예에 대한 가습량 조절과정을 보인 순서도.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **

10 : 연료전지스택 11 : 연료극

12 : 공기극 20 : 연료공급부

30 : 공기공급부 32 : 공기공급관

33 : 공기펌프 34 : 가습기

40 : 전기에너지 출력부 50 : 습도검출부

60 : 온조조절부 70 : 제어부

본 발명은 연료전지를 이용하여 전기에너지를 얻는 에너지 발생시스템에 관한 것으로, 특히 B화합물(BH₄)과 같은 액체연료를 이용하는 연료전지 시스템(BFC; Boron Fuel Cell)에서 공기극의 가습량을 조절할 수 있는 연료전지의 가습량 조절장치에 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 할 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 연 료전지 등이 있다.

이러한 연료전지는 도 1에서와 같이 통상 수소와 산소의 전기화학적 반응에 의해 전기에너지를 생성하도록 전해질막(미도시)을 사이에 두고 연료극(11)과 공기극(12)을 교번하여 구비하는 연료전지스택(10)과, 수소를 포함한 수용액 상태의 수소화붕소((BH₄), 실제로는 수소화붕소나트륨(NaBH₄))를 상기한 연료극(11)에 공급하는 연료공급부(20)와, 산소를 포함한 공기를 상기한 공기극(12)에 공급하는 공기공급부(30)와, 연료전지스택(10)에서 생성하는 전기에너지를 부하에 공급하는 전기에너지 출력부(40)를 포함하고 있다.

연료공급부(20)는 일정량의 수소화붕소나트륨을 채운 연료탱크(21)와, 연료탱크(21)의 출구를 연료전지스택(10)의 연료극(11)에 연결하는 연료공급관(22)과, 연료공급관(22)의 중간에 설치하여 연료를 연료전지스택(10)의 연료극(11)으로 펌핑 공급하는 연료펌프(23)로 이루어져 있다.

공기공급부(30)는 대기에 노출되도록 설치하는 공기필터(31)와, 공기필터(31)의 출구를 연료전지스택(10)의 공기극(12)에 연결하는 공기공급관(32)과, 공기공급관(32)의 중간에 설치하여 공기를 연료전지스택(10)의 공기극(12)에 펌핑 공급하는 공기펌프(33)와, 공기펌프(33)와 연료전지스택(10)의 공기극(12) 사이에 설치하여 공기가 수분을 함유하도록 하는 가습기(34)로 이루어져 있다.

상기와 같은 종래 연료전지에 연료를 공급할 때 전기에너지가 발생하는 과정은 다음과 같다.

즉, 연료펌프(23)가 구동하면 연료탱크(22)에서 연료인 수용액 상태의 BH₄를 펌핑한 후 연료전지스택(10)의 연료극(11)에 공급하고, 이 연료는 공기극(12)으로 공급받는 산소와 전기 화학적으로 반응하여 물을 생성함과 아울러 두 전극 사이에서 전류를 발생한다.

이를 보다 상세히 살펴보면, 연료극(11)측에서는 연료에서 전기화학적 산화반응인

BH₄ ^- + 8OH^-→ BO₂ ^- + 6H₂O+ 8e^-이 발생하여 전해질막(미도시)에서는 산화/환원 반응에 의해 생긴 이온을 전달하고,

공기극(12)에서는 공급한 공기(산소)의 전기화학적 환원반응인

2O₂ + 4H₂O+ 8e^-→ 8OH^- 이 발생한다.

이에 따라 연료극(11)과 공기극(12)의 사이에 기전력이 발생하고, 이 기전력을 연료전지스택(10)에 연결한 전기에너지 출력부(40)를 통하여 전류를 부하로 공급하는 것이었다.

그러나, 상기와 같은 종래 연료전지에 있어서는, 부하의 정도에 따라 시스템의 출력이 가변함에도 불구하고 공기펌프(33)는 최대 출력에 대응하도록 항상 최대 용량으로 운전을 함에 따라 전력 손실과 아울러 가습 과다로 인해 소위 '플로딩(flooding) 현상'이 발생하여 연료전지의 성능이 저하되는 문제점이 있었다.

본 발명의 목적은 상기와 같은 종래 연료전지가 가지는 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 부하 변동에 따라 공기극의 가습량을 용이하게 조절할 수 있는 연료전지의 가습량 조절장치를 제공하려는데 본 발명의 목적이 있다.

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 전해질막과, 이 전해질막의 양측에 설치하는 연료극과 공기극으로 이루어져 연료극에는 수소를 가지는 연료를 공급하는 반면 공기극에는 산소를 가지는 공기를 공급하여 수소와 산소의 전기화학적 반응으로 전기를 발생하도록 하는 연료전지스택과; 연료전지스택의 연료극에 연결하여 연료를 공급하는 연료공급부와; 연료전지스택의 공기극에 연결하고 그 중간에 공기펌프와 가습수단을 차례대로 구비하여 공기를 펌핑한 후 적정한 습도로 가습하여 공급하는 공기공급부와; 연료전지스택에서 생성하는 전기에너지를 부하에 공급하는 전기에너지 출력부와; 공기공급부의 가습수단과 연료전지스택의 공기극 사이에 설치하여 공기극으로 공급되는 공기의 상대습도를 검출하는 습도검출부와; 공기공급부의 가습수단의 발열온도를 조절하여 공기극으로 공급되는 공기의 상대습도를 유지하는 온도조절부와; 습도검출부와 온도조절부 사이에 설치하여 상기 습도검출부에서 검출한 상대습도를 설정한 상대습도와 비교한 후 온도조절부의 운전동작를 판단하여 공기극의 가습량을 조절하는 제어부;를 포함한 연료전지의 가습량 조절장치를 제공한다.

삭제

이하, 본 발명에 의한 연료전지의 가습량 조절장치를 첨부도면에 도시한 일실시예에 의거하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명 연료전지의 일례를 보인 계통도이고, 도 3은 본 발명 연료전지의 다른 실시예를 보인 계통도이다.

이에 도시한 바와 같이 본 발명에 의한 연료전지는, 수소와 산소의 전기화학적 반응에 의해 전기에너지를 생성하도록 전해질막(미도시)을 사이에 두고 연료극(11)과 공기극(12)을 구비하는 연료전지스택(10)과, 수소를 포함한 수소화붕소나트륨(NaBH₄)을 상기한 연료극(11)에 공급하는 연료공급부(20)와, 산소를 포함한 공기를 상기한 공기극(12)에 공급하는 공기공급부(30)와, 연료전지스택(10)에서 생성하는 전기에너지를 부하에 공급하는 전기에너지 출력부(40)와, 공기공급부(30)와 연료전지스택(10) 사이에 설치하여 공기극(12)으로 공급되는 공기의 습도를 검출하는 습도검출부(50)와, 습도검출부(50)에 의해 검출된 공기의 상대습도를 기준으로 후술할 가습기(34)의 발열온도를 조절하는 온도조절부(60)와, 습도검출부(50)와 온도조절부(60) 사이에 설치하여 상기 습도검출부(50)에서 검출한 습도를 설정 습도와 비교하여 온도조절부(60)의 조절온도를 제어하는 제어부(70)를 포함한다.

연료공급부(20)는 일정량의 수소화붕소나트륨을 채운 연료탱크(21)와, 연료탱크(21)의 출구를 연료전지스택(10)의 연료극(11)에 연결하는 연료공급관(22)과, 연료공급관(22)의 중간에 설치하여 연료를 연료전지스택(10)의 연료극(11)으로 펌핑 공급하는 연료펌프(23)로 이루어진다.

공기공급부(30)는 대기에 노출되도록 설치하는 공기필터(31)와, 공기필터(31)의 출구를 연료전지스택(10)의 공기극(12)에 연결하는 공기공급관(32)과, 공기공급관(32)의 중간에 설치하여 공기를 연료전지스택(10)의 공기극(12)에 펌핑 공급하는 공기펌프(33)와, 공기펌프(33)와 연료전지스택(10)의 공기극(12) 사이에 설치하여 공기가 수분을 함유하도록 하는 가습기(34)로 이루어진다.

습도검출부(50)는 공기공급부(30)의 가습기(34) 출구와 연료전극스택(10)의 공기극(12) 입구 사이에 설치하여 공기공급관(32)을 통과하는 공기의 상대습도를 검출하는 습도계로 이루어진다.

온도조절부(60)는 가습기(34)의 일측에 설치하여 그 가습기(34)를 소정의 온 도로 가열하는 히터(heater) 또는 소정의 온도로 냉각하는 쿨러(cooler)로 이루어진다.

제어부(70)는 전기에너지 출력부(40)의 출력측과 습도검출부(50)의 출력측에 각각 연결하여 현재 공기공급관(32)을 통과하는 공기의 적정 상대습도와 현재 상대습도를 전달받는 입력측과, 입력측에 연결하여 적정 상대습도와 현재 상대습도를 비교하여 가습기(34)를 가열 또는 냉각 여부를 판단하는 연산측과, 연산측과 온도조절부 사이에 연결하여 연산측의 판단을 온도조절부(60)에 전달하는 출력측으로 이루어진다.

도면중 종래와 동일한 부분에 대하여는 동일한 부호를 부여하였다.

상기와 같은 본 발명 연료전지의 가습량 조절장치는 다음과 같은 작용 효과를 갖는다.

즉, 연료극(11)으로는 수소를 포함한 수소화붕소나트륨(NaBH₄)을 공급하는 동시에 공기극(12)으로는 산소를 포함한 공기를 공급하여 전해질막(미도시)과 반응하면서 이온을 형성한다. 이온은 전기화학반응을 일으켜 물을 형성하는 과정에서 연료극(11)에서 전자가 생성하여 공기극(12)으로 이동하면서 결국 전기를 발생시킨다

이를 보다 상세히 살펴보면, 연료극(11)측에서는 전기화학적 산화반응인

BH₄ ^- + 8OH^-→ BO₂ ^- + 6H₂O+ 8e^-이 발생하여 전해질막에서는 산화/환원 반응에 의해 생긴 이온을 전달하고,

2O₂ + 4H₂O+ 8e^-→ 8OH^- 이 발생한다.

이러한 반응을 통해 생성되는 전기는 전기에너지 출력부(40)를 통해 각각의 부하에 전원으로 공급되어 필요한 각종 전기제품을 구동시키게 되는데, 실제 운전중에는 각 전기제품을 필요에 따라 온/오프를 반복하게 되어 연료전지에 부과되는 부하의 정도가 매시간 달라지게 된다.

이를 감안하여 본 발명의 일실시에서는 매시간 달라지는 공기의 적정 상대습도와 현재 상대습도를 비교하여 공기의 상대습도가 항상 적절하게 유지하도록 함으로써 불필요한 공기펌프(33)의 운전부하를 낮추면서도 항상 필요한 만큼의 전기를 발생시킬 수 있다.

예컨대, 도 2 및 도 3에서와 같이 부하의 변화를 전기에너지 출력부(40)에 구비하는 부하감지수단(미도시)이 감지하여 공기의 적정 상대습도(h1)를 산출하고, 이 적정 상대습도(h1)가 제어부(70)의 입력측에 제공되는 한편 습도검출부(50)를 통해서는 공기공급관(32)을 통과하는 공기의 현재 상대습도(h2)를 검출하여 상기한 제어부(70)의 입력측에 제공된다. 제어부(70)의 입력측에 제공된 적정 상대습도(h1)와 현재 상대습도(h2)를 연산측에서 비교하여 서로 비슷하거나 소정의 범위내에서 존재할 때는 현재의 가습상태를 유지하고, 적정 상대습도(h1)가 현재 상대습도(h2) 보다 일정 범위 이상으로 높은 경우에는 제어부(70)의 출력측이 온도조절부(60)에 가열 지령을 하달하여 현재 상대습도(h2)를 높이는 반면 적정 상대습 도(h1)가 현재 상대습도(h2) 보다 일정 범위 이하로 낮은 경우에는 제어부(70)의 출력측이 온도조절부(60)에 냉각 지령을 하달하여 현재 상대습도(h2)를 낮추는 과정을 수행하도록 한다.

한편, 본 발명에 의한 연료전지의 가습량 조절장치에 대한 다른 실시예가 있는 경우는 다음과 같다.

즉, 전술한 일실시예에서는 공기의 현재 상대습도(h2)를 가감하여 공기극(12)의 가습량을 조절하는 것이었으나, 본 실시예는 공기의 공급속도를 가감하여 공기극(12)의 가습량을 조절하는 것이다.

예컨대, 도 4 및 도 5에서와 같이 공기공급부(30)는 공기필터(31)와 공기공급관(32)과 공기펌프(33) 그리고 가습기(34)를 포함하되 공기펌프(33)는 회전속도를 조절할 수 있는 인버터모터를 채용하고, 공기공급관(32)을 통해 연료전지스택(10)의 공기극(12)으로 공급되는 공기의 습도를 검출하는 습도검출부(50)를 상기한 가습기(34)와 공기극(12) 사이의 공기공급관(32)에 설치하며, 습도검출부(50)에서 검출한 현재 상대습도(h2)와 전기에너지 출력부(40)에서 검출한 적정 상대습도(h1)를 비교하여 공기펌프(33)의 운전속도를 조절하는 제어부(70)를 습도검출부(50) 및 전기에너지 출력부(40)와 공기펌프(33) 사이에 설치하여 구성한다.

이를 위해, 제어부(70)는 그 입력측에 제공된 적정 상대습도(h1)와 현재 상대습도(h2)를 연산측에서 비교하여 서로 비슷하거나 소정의 범위내에서 존재할 때는 공기펌프(33)의 현재 운전속도를 유지하고, 적정 상대습도(h1)가 현재 상대습도(h2) 보다 일정 범위 이상으로 높은 경우에는 제어부(70)의 출력측이 공기펌프(33)에 가속 지령을 하달하여 공기의 공급량을 늘리는 반면 적정 상대습도(h1)가 현재 상대습도(h2) 보다 일정 범위 이하로 낮은 경우에는 제어부(70)의 출력측이 공기펌프(33)에 감속 지령을 하달하여 공기의 공급량을 낮추는 과정을 수행하도록 한다.

이렇게 하여, 연료전지를 운전할 때 부하의 가변에 따라 공기극의 가습량을 가감함으로써 공기펌프가 적정 출력으로 운전하도록 하여 전력손실을 미연에 방지할 수 있을 뿐만 아니라 가습 과다 또는 가습 부족으로 인한 연료전지 시스템의 성능 저하를 방지할 수 있다.

본 발명에 의한 연료전지의 가습량 조절장치는, 가습기에 히터 또는 쿨러를 설치하여 부하변동에 따라 공기의 상대습도를 조절하거나 또는 공기펌프의 회전속도를 부하변동에 따라 조절하여 공기극의 가습량을 가감할 수 있도록 구성함으로써, 공기펌프가 적정 출력으로 운전하도록 하여 전력손실을 미연에 방지할 수 있을 뿐만 아니라 가습 과다 또는 가습 부족으로 인한 연료전지 시스템의 성능 저하를 방지할 수 있다.

Claims

전해질막과, 이 전해질막의 양측에 설치하는 연료극과 공기극으로 이루어져 연료극에는 수소를 가지는 연료를 공급하는 반면 공기극에는 산소를 가지는 공기를 공급하여 수소와 산소의 전기화학적 반응으로 전기를 발생하도록 하는 연료전지스택과;

연료전지스택의 연료극에 연결하여 연료를 공급하는 연료공급부와;

연료전지스택의 공기극에 연결하고 그 중간에 공기펌프와 가습수단을 차례대로 구비하여 공기를 펌핑한 후 적정한 습도로 가습하여 공급하는 공기공급부와;

연료전지스택에서 생성하는 전기에너지를 부하에 공급하는 전기에너지 출력부와;

공기공급부의 가습수단과 연료전지스택의 공기극 사이에 설치하여 공기극으로 공급되는 공기의 상대습도를 검출하는 습도검출부와;

공기공급부의 가습수단의 발열온도를 조절하여 공기극으로 공급되는 공기의 상대습도를 유지하는 온도조절부와;

습도검출부와 온도조절부 사이에 설치하여 상기 습도검출부에서 검출한 상대습도를 설정한 상대습도와 비교한 후 온도조절부의 운전동작를 판단하여 공기극의 가습량을 조절하는 제어부;를 포함한 연료전지의 가습량 조절장치.
삭제
제1항에 있어서,

제어부는 전기에너지 출력부와 연결하여 전기에너지 출력부에서 산출되는 적정 상대습도와 습도검출부에서 검출되는 현재 상대습도를 비교하여 제어하도록 구성하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 가습량 조절장치.