KR100539753B1 - 연료전지 시스템의 물공급장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 연료전지 시스템의 물공급장치는 발전이 이루어지는 발전기의 양극 입구부와 연료를 저장하는 연료탱크가 연료공급라인으로 연결되어 있고, 발전기의 음극 입구부에는 공기공급라인이 연결되어 있으며, 그 공기공급라인에는 공기를 가습하기 위한 가습기가 설치되어 있고, 그 가습기에는 가습기에 물을 공급하기 위한 물탱크가 연결설치되어 있으며, 상기 발전기의 양극 출구부와 음극 출구부는 발전기의 후위에 설치되어 기체와 액체를 분리하기 위한 기액분리기에 연결되어 있고, 그 기액분리기와 상기 연료탱크는 기액분리기에서 분리된 물과 반응후의 연료혼합액을 회수하기 위한 연료회수라인이 연결되어 있는 연료전지 시스템에서, 연료회수라인에 연료회수라인으로 회수되는 물과 반응후의 연료혼합액을 이온분리하기 위한 이온분리기를 설치하고, 그 이온분리기와 가습기에 공급되는 물을 저장하는 물탱크를 물공급라인으로 연결하여, 연료회수라인으로 회수되는 물과 반응후의 연료혼합액을 이온분리기에서 분리하여 순수한 물을 물공급라인을 통하여 물탱크로 공급함으로써, 가습기에 공급되는 물을 저장하는 물탱크에 기기 자체적인 물공급이 이루어지므로 별도의 물공급없이 편리하게 운용이 된다.

Description

연료전지 시스템의 물공급장치{WATER SUPPLY APPARATUS OF FUEL CELL SYSTEM}

도 1은 종래 연료전지 시스템의 구조를 보인 개략구성도.

도 2는 본 발명의 물공급장치를 구비한 연료전지 시스템의 구성도.

도 3은 본 발명에서의 단위셀을 보인 종단면도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

101 : 발전기 102 : 연료탱크

103 : 연료공급라인 105 : 공기공급라인

106 : 에어컴프레서 107 : 가습기

108 : 물탱크 110 : 기액분리기

113 : 연료회수라인 114 : 이온분리기

115 : 물공급라인

본 발명은 외부로 부터 공급되는 연료와 공기의 전기화학반응을 통하여 전기를 생성하는 연료전지 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 가습기에서 가습을 위해 필요한 물을 기기에서 자체적으로 공급될 수 있도록 하여 물을 보충하는 번거로움이 해소되어지도록 한 연료전지 시스템의 물공급장치를 제공함에 있다.

일반적으로, 연료전지 시스템(FUEL CELL SYSTEM)은 연료가 가지고 있는 에너지를 직접 전기적 에너지로 변환하는 장치로서, 이러한 연료전지 시스템은 통상 고분자 전해질 막을 중심으로 한쪽에는 양극(ANODE)이 반대쪽에는 음극(CATHODE)이 설치되어 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, 연료전지(1)의 전체 구성은 전기를 발생하는 발전기(2)의 일측에 수용액 상태의 BH₄ ^- 를 저장하기 위한 연료탱크(3)가 구비되어 있고, 그 연료탱크(3)와 발전기(2)의 양극 입구부에는 연료를 공급하기 위한 연료공급라인(4) 이 연결되어 있으며, 양극의 출구부와 연료탱크(3)는 발전기(2)에서 발전이 이루어지고난 후의 연료를 배출하기 위한 연료배출라인(5)으로 연결되어 있으며, 상기 연료공급라인(4)에는 연료를 펌핑하기 위한 연료펌프(6)가 설치되어 있다.

그리고, 상기 발전기(2)의 음극 입구부에는 외부공기를 공급하기 위한 공기공급라인(7)이 설치되어 있고, 출구부에는 발전하고난 후의 공기를 배출하기 위한 공기배출라인(8)이 설치되어 있다.

또한, 상기 공기공급라인(7)에는 외부공기를 펌핑하기 위한 에어 컴프레서(9)와 발전기(2)에 수증기상태의 공기를 공급하기 위한 가습기(10)가 설치되어 있고, 그 가습기(10)에는 물을 공급하기 위한 물탱크(11)가 연결설치되어 있다.

그리고, 상기 발전기(2)의 후위에는 연료배출라인(5)과 공기배출라인(8)이 일측 상단부에 연결되며 액체와 기체를 분리하기 위한 기액분리기(12)가 설치되어 있고, 그 기액분리기(12)와 상기 연료탱크(3)는 기액분리기(12)에서 분리된 물과 연료혼합액을 회수하기 위한 연료회수라인(13)으로 연결되어 있다.

상기와 같이 구성되어 있는 종래 연료전지 시스템은 기기의 동작 스위치가 온(ON)되면 연료펌프(6)에서 연료탱크(3)에 저장되어 있는 수용액 상태의 BH₄ ^- 를 펌핑하여 연료공급라인(4)을 통하여 발전기(2)의 양극에 공급함과 동시에 에어컴프레서(9)를 동작시켜서 공기공급라인(7)을 통하여 발전기(2)의 음극으로 공기가 공급되도록 한다.

상기와 같이 발전기(2)에 공급되는 수용액 상태의 BH₄ ^- 와 공기는 발전기(2)의 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.

이때의 반응식은

BH₄ ^- + 2O₂ →2H₂O + BO₂ E₀ = 1.64 V이다.

한편, 상기와 같이 발전기(2)의 음극으로 공급되는 공기는 가습기(10)에서 가습이 되어 공급이되고, 가습기(10)에서 가습을 위해 필요한 물을 물탱크(11)에서 가습기로 공급되어지며, 상기 기액분리기(12)에서 분리된 물과 반응후 연료의 혼합액은 연료회수라인(13)을 통하여 연료탱크(3)로 회수되고, 수소가스와 공기는 외부로 배출되어 진다.

그러나, 상기와 같은 종래의 연료전지 시스템(1)은 가습기(10)에서 가습을 위해 필요한 물이 물탱크(11)에서 공급되는데, 그 물탱크(11)에 저장된 물이 소진되는 경우에는 다시 보충하여야 하므로 기기 운용상 상당히 불편한 문제점이 있었다.

상기와 같은 문제점을 감안하여 안출한 본 발명의 목적은 가습기에 공급되는 물이 저장되는 물탱크에 기기 자체에서 물이 보충되어 기기의 운용이 편리하게 이 루어질 수 있도록 하는데 적합한 연료전지 시스템의 물공급장치를 제공함에 있다.

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 발전이 이루어지는 발전기의 양극 입구부와 연료를 저장하는 연료탱크가 연료공급라인으로 연결되어 있고, 발전기의 음극 입구부에는 공기공급라인이 연결되어 있으며, 그 공기공급라인에는 공기를 가습하기 위한 가습기가 설치되어 있고, 그 가습기에는 가습기에 물을 공급하기 위한 물탱크가 연결설치되어 있으며, 상기 발전기의 양극 출구부와 음극 출구부는 발전기의 후위에 설치되어 기체와 액체를 분리하기 위한 기액분리기가 설치되어 있고, 그 기액분리기와 상기 연료탱크는 기액분리기에서 분리된 물과 반응후의 연료혼합액을 회수하기 위한 연료회수라인이 연결되어 있는 연료전지 시스템에 있어서,

상기 연료회수라인에 연료회수라인으로 회수되는 물과 반응후의 연료 중 순수한 물을 분리하기 위한 물분리수단을 설치하고, 그 물분리수단에서 분리된 순수한 물을 가습기에 공급하기 위한 물을 저장하는 물탱크로 공급하여 자체적인 물공급이 이루어질 수 있도록 그 물분리수단과 물탱크를 연결하는 물공급라인을 설치하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 물공급장치가 제공된다.

이하, 상기와 같이 구성된 본 발명의 연료전지 시스템의 물공급장치를 첨부된 도면의 실시예를 참고하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명에 따른 물공급장치를 구비한 연료전지의 구성도이다.

이에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지(100)는 수용액 상태의 BH₄ 와 공기의 전기화학반응에 의해 발전이 이루어지는 발전기(Generator)(101)와 일정거리를 두고 발전기(101)의 양극(ANODE)에 공급되는 수용액 상태의 BH₄를 저장하는 연료탱크(Fuel Tank)(102)가 설치되어 있고, 그 연료탱크(102)의 하부와 발전기(101)의 양극(ANODE) 입구부는 연료를 공급할 수 있도록 연료공급라인(103)이 연결되어 있으며, 그 연료공급라인(103)에는 연료를 펌핑하기 위한 연료펌프(104)가 설치되어 있다.

그리고, 상기 발전기(101)의 음극(CATHODE) 입구부에는 공기가 공급되어질 수 있도록 공기공급라인(105)이 연결되어 있고, 그 공기공급라인(105)에는 에어컴프레서(106)와 공기를 가습하기 위한 가습기(107)가 설치되어 있으며, 그 가습기(107)에는 가습기(107)에 공급되는 물을 저장하기 위한 물탱크(108)가 연결라인(109)으로 연결되어 있다.

또한, 상기 발전기(101)의 후위에는 액체와 기체를 분리하기 위한 기액분리기(110)가 설치되어 있고, 그 기액분리기(110)는 발전기(101)의 양극 출구부에 일단부가 연결된 연료배출라인(111)과 음극 출구부에 일단부가 연결된 공기배출라인(112)으로 연결되어 있으며, 그 기액분리기(110)와 상기 연료탱크(102)는 기액분리기(110)에서 분리된 물과 반응후의 연료를 연료탱크(102)로 회수하기 위한 연료회수라인(113)이 연결되어 있다.

그리고, 상기 연료회수라인(113)에는 연료회수라인(113)으로 회수되는 물과 반응후의 연료혼합액에서 순수한 물을 분리하기 위한 이온분리기(114)가 설치되어 있고, 그 이온분리기(114)에서 분리된 순수한 물을 물탱크(108)로 공급하여 기기 자체적으로 가습기(107)로 지속적인 물공급이 이루어질 수 있도록 물공급라인(115)이 연결되어 있다.

도 3은 상기 발전기(101)의 단일셀구조를 보인 것으로, 도시된 바와 같이, 전해질 막(121)의 양측에 가스를 확산시키기 위한 양극(122)과 음극(123)이 접합되어 이루어진 막-전극 접합체(MEA:MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY)(124)와, 그 막-전극 접합체(124)의 양측에 밀착되도록 조립되어 양극(122)과 음극(123)에서 연료가스 및 산소함유가스의 유로(125)를 형성하는 분리판(SEPARATOR)(126)과, 그 분리판(126)의 양측에 배치되어 양극(122)과 음극(123)의 집전극이 되는 집전판(127)으로 구성되어 있다.

상기 막-전극 접합체(124)의 전해질 막(121)은 고분자재료로 이루어진 이온교환막으로서 대표적으로 상품화된 전해질막(121)으로는 듀폰사의 Nafion막이 있으며 수소이온의 전달체 역할을 하는 동시에 산소와 수소의 접촉을 막는 역할을 하게 되고, 양극(122)과 음극(123)은 수소저장합금으로된 촉매층을 지지하는 지지체로서 다공성 탄소지(CARBON PAPER) 혹은 탄소천(CARBON CLOTH)이 전해질 막(121)의 양측에 접합된 구조로 되어 있다.

상기 분리판(126)은 치밀질의 카본 플레이트로 이루어지고, 내측에는 유체가 흐르도록 복수개의 유로홈(126a)이 형성되어 있다.

상기 집전판(127)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 발명 따른 물공급장치가 구비된 연료전지 시스템은 기기의 동작스위치가 온(On)되면 연료펌프(104)에서 연료탱크(102)에 저장되어 있는 수용액 상태의 BH₄를 펌핑하여 연료공급라인(103)을 통하여 발전기(101)의 양극(122)으로 공급되어 진다.

그리고, 상기 에어컴프레서(106)에서는 공기공급라인(105)을 통하여 발전기(101)의 음극(123)에 공기를 공급하게 되는데, 그와 같이 공급되어지는 수용액 상태의 BH₄는 전해질 막(121)을 사이에 두고 양극(122)의 외측면에 형성된 유로(125)를 따라 흐르며 확산이 되고, 공기는 음극(123)의 외측면에 형성된 유로(125)를 따라 흐르며 확산이 되며, 양극(122)에서는 전기화학적인 산화가 진행되며 음극(123)에서는 전기화학적인 환원이 진행되어 전자의 이동으로 전기가 발생이되는데, 그때 발생되는 전기를 집전판(127)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 E₀ = 1.64 V이다.

한편, 상기와 같이 발전기(101)에서 발전이 이루어질때에 기액분리기(110)에서 분리된 물과 반응후의 연료혼합액은 연료회수라인(113)을 통하여 이온분리기(114)로 회수되고, 그와 같이 회수된 물과 반응후의 연료혼합액은 이온분리기(114)에서 분리되어 순수한 물만 물공급라인(115)을 통하여 물탱크(108)로 공급되어 물탱크(108)에 별도의 물을 공급하지 않아도 가습기(107)에 기기 자체적인 물공급이 이루어지게 된다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 연료전지 시스템의 물공급장치는 연료회수라인에 연료회수라인으로 회수되는 물과 반응후의 연료혼합액을 이온분리하기 위한 이온분리기를 설치하고, 그 이온분리기와 가습기에 공급되는 물을 저장하는 물탱크를 물공급라인으로 연결하여, 연료회수라인으로 회수되는 물과 반응후의 연료혼합액을 이온분리기에서 분리하여 순수한 물을 물공급라인을 통하여 물탱크로 공급함으로써, 가습기에 공급되는 물을 저장하는 물탱크에 기기 자체적인 물공급이 이루어지므로 별도의 물공급없이 편리하게 운용이 되는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 발전이 이루어지는 발전기의 양극 입구비와 연료를 저장하는 연료탱크가 연료공급라인으로 연결되어 있고, 발전기의 음극 입구부에는 공기공급라인이 연결되어 있으며, 그 공기공급라인에는 공기를 가습하기 위한 가습기가 설치되어 있고, 그 가습기에는 가습기에 물을 공급하기 위한 물탱크가 연결설치되어 있으며, 상기 발전기의 양극 출구부와 음극 출구부는 발전기의 후위에 설치되어 기체와 액체를 분리하기 위한 기액분리기에 연결되어 있고, 그 기액분리기와 상기 연료탱크는 기액분리기에서 분리된 물과 반응후의 연료혼합액을 회수하기 위한 연료회수라인이 연결되어 있는 연료전지 시스템에 있어서,

   상기 연료회수라인에 연료회수라인으로 회수되는 물과 반응후의 연료 중 순수한 물을 분리하기 위한 물분리수단을 설치하고, 그 물분리수단에서 분리된 순수한 물을 가습기에 공급하기 위한 물을 저장하는 물탱크로 공급하여 자체적인 물공급이 이루어질 수 있도록 그 물분리수단과 물탱크를 연결하는 물공급라인을 설치하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 물공급장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 물분리수단은 순수한 물을 분리하기 위한 이온분리기인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 물공급장치.

Images