KR100625694B1 - 연료전지의 연료공급장치 - Google Patents

Abstract

본 발명 연료전지의 연료공급장치는 Li-MH계 2차전지(11)에서 방출되는 수소를 추출하기 위한 수소추출라인(41)과, 그 추출된 수소를 저장하는 수소저장통(42)과, 그 저장되는 수소가 스택(10)에 공급되도록 조절하는 가스조절밸브(43)로 구성되는 수소추출 및 공급수단(13)을 구비하여, 2차전지(11)의 방전시 수소저장합금인 음극에서 방출되는 수소를 추출하여 수소저장통(42)에 저장하였다가 연료전지의 발전연료로 공급되도록 함으로써, 별도로 공급되는 탄화수소계 연료 및 개질기 등이 불필요하여 연료전지의 발전을 위한 제조원가가 절감되고, 장비의 전체 크기를 컴팩트하게 구성할 수 있다.

Description

연료전지의 연료공급장치{FUEL SUPPLY APPARATUS FOR FC}

도 1은 본 발명에 따른 연료공급장치가 설치된 연료전지를 보인 개략구성도.

도 2는 스택의 단일셀구조를 나타내는 단면도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 스택 11 : 2차전지

13 : 수소가스추출 및 공급수단 22 : 양극

23 : 음극 41 : 수소추출라인

42 : 수소저장통 43 : 가스조절밸브

본 발명은 외부로 부터 공급되는 연료와 공기의 전기화학반응을 통하여 전기를 생성하는 연료전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료전지의 발전을 위하여 필요한 수소를 2차전지에서 추출하여 공급되도록 함으로써 별도의 연료 및 개질기가 필요없이 발전이 이루어지도록 하는데 적합한 연료전지의 연료공급장치에 관한 것이다.

일반적으로, 연료가 가지고 있는 에너지를 직접 전기적 에너지로 변환하는 장치로서 연료전지에 관한 기술이 공지되어 있으며, 이러한 연료전지는 통상 고분자 전해질을 중심으로 양쪽에 다공질의 양극(ANODE)과 음극(CATHODE)이 부착되어 있으며, 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 사용되거나 액체 상태의 메탄올을 직접 연료로 사용하는 직접 메탄올 연료전지(DMFC; DIRECT METHANOL FUEL CELL)방식으로 사용되어진다.

그러나, 상기와 같이 종래 수소가스를 이용한 연료전지는 연료로 사용되는 수소를 정제하기 위한 개질기를 반드시 별도로 구비하여야 하므로 연료전지를 채용하는 장비의 부피가 커지게 될 뿐만 아니라, 그에 따른 제조비용의 상승을 초래하는 문제점을 가지고 있는 것이었다.

상기와 같은 문제점을 감안하여 안출한 본 발명의 목적은 Ni-MH계 2차전지에서 발생되는 수소를 연료전지의 연료로 이용하여 별도의 개질기가 필요없이 연료전지의 발전이 이루어지도록 하는데 적합한 연료전지의 연료공급장치를 제공함에 있다.

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 양극과 음극에 공급되는 수소가스와 공기의 전기화학적인 반응에 의하여 기전력을 얻는 스택과, 그 스택의 초기구동을 위한 2차전지가 구비되어 있는 연료전지에 있어서,

상기 2차전지는 음극이 충전시 수소를 저장하고 방전시 방출하는 수소저장합금인 Li-MH계 2차전지이고, 그 2차전지에서 수소를 추출하여 스택에 공급하기 위한 수소추출 및 공급수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 연료공급장치가 제공된다.

이상 설명한 본 발명의 구성.작용을 한층 명백하게 하기 위하여, 이하에서 본 발명의 적합한 실시예에 대하여 설명한다.

도 1은, 본 발명의 실시예로서 본 발명에 따른 연료검출장치가 설치된 연료 전지의 개략구성도이다.

도시된 바와 같이, 연료전지(1)의 전체 구성은 전기를 발생하는 고체 고분자형의 스택(10)과, 스택(10)의 초기구동을 위한 2차전지(11)와, 그 스택(10)에 공기를 공급하기 위한 에어 라인(12)과, 상기 2차전지(11)에서 발생되는 수소가스를 회수하여 스택(10)에 공급하기 위한 수소가스추출 및 공급수단(13)과, 스택(10)에서 발생되는 H₂O 를 배출하기 위한 배출라인(14)을 구비한다.

상기 스택(10)은 전기화학반응이 일어나는 단일셀(SINGLE CELL) 또는 여러개의 단일셀을 연속적으로 적층하여 볼트로 조립한 형태가 가능한데, 도 2를 참고하여 단일셀구조를 설명하면, 전해질 막(21)의 양측에 가스를 확산시키기 위한 양극(22)과 음극(23)이 접합되어 이루어진 막-전극 접합체(MEA:MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY)(24)와, 그 막-전극 접합체(24)의 양측에 밀착되도록 조립되어 양극(22)과 음극(23)에서 연료가스 및 산소함유가스의 유로를 형성하는 분리판(SEPARATOR)(25)과, 그 분리판(25)의 양측에 배치되어 양극(22)과 음극(23)의 집전극이 되는 집전판(26)(27)으로 구성되어 있다.

막-전극 접합체(24)의 전해질 막(21)은 고분자재료로 이루어진 이온교환막으로서 대표적으로 상품화된 전해질막(21)으로는 듀폰사의 Nafion막이 있으며 수소이온의 전달체 역할을 하는 동시에 산소와 수소의 접촉을 막는 역할을 하게 되고, 양극(22)과 음극(23)은 백금(Pt) 촉매층을 지지하는 지지체로서 다공성 탄소지(CARBON PAPER) 혹은 탄소천(CARBON CLOTH)이 전해질 막(21)의 양측에 접합된 구조로 되어 있다.

분리판(25)은 치밀질의 카본 플레이트에 의해 형성되어 있고, 복수개의 리브가 형성되어 있어서 조립시 양극(22)의 표면에서 연료가스 유로홈(31)을 형성하고, 음극(23)의 표면에서는 산소함유가스 유로홈(32)을 형성한다.

집전판(26)(27)은 전기전도성이 우수하고, 내식성이 우수하며, 수소취성이 발생되지 않는 것이 바람직 할 것이며, 구체적으로는 티타늄, 스테인레스, 동 등 상기 요구성능이 만족되는 것이라면 어느 것이라도 좋다.

상기 2차전지(11)는 양극은 금속산화물이고 음극은 Ni-MH계 수소저장합금으로된 Ni-MH계 2차전지로서 충전시 양극에서 발생된 수소가 음극에 흡수되고, 방전시에는 음극에서 흡수되었던 수소를 방출하는 특성을 갖는다.

상기 수소회수수단(13)은 Ni-MH계 2차전지(11)에서 발생된 수소가스를 추출하기 위한 수소추출라인(41)과, 그 수소추출라인(41) 상에 설치되어 수소추출라인(41)에서 추출된 수소가스를 저장하기 위한 수소 저장통(42)과, 그 수소저장통(42)의 수소가 스택(10)으로 공급되는 것을 조절하는 가스조절밸브(43)를 구비한다.

또한, 상기 에어라인(12)은 스택(10)의 산소함유가스 유로홈(32)에 접속되어 있고, 그 에어라인(12) 상에는 공급되는 공기를 조절하기 위한 에어조절밸브(48)가 설치되어 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명 연료공급장치가 구비된 연료전지의 작용효과를 설명한다.

조작자가 연료전지(1)의 스위치를 조작하면 전자제어부(46)에서 미리 설정된 제어 프로그램에 따라 에어라인(12)과 수소회수라인(41) 상의 밸브(43)(48)를 열어서 공기와 수소가스가 스택(10)에 공급되도록 한다.

상기와 같이 스택(10)에 공급되는 수소가스는 연료가스 유로홈(31)을 따라 흐르며 막-전극 접합체(24)의 양극(22) 전면에 확산이 되어 수소의 전기화학적 산화가 진행되고, 공기는 산소함유가스 유로홈(32)을 따라 흐르며 막-전극 접합체(24)의 음극(23) 전면에 확산되어 산소의 전기화학적 환원이 일어나며, 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기가 발생되는데, 이때 발생되는 전기를 집전판(26)(27)에서 집전하여 에너지원으로 사용하게 된다.

이때 각극에서의 반응식과 총 반응식은 다음과 같다.

양극(ANODE): H₂(g) → 2H⁺ + 2e^-

음극(CATHODE): 1/2O₂(g) + 2H⁺ + 2e^_ → H₂O

총반응식 : H₂ + 1/2O₂ → H₂O

그리고, 상기와 같이 스택(10)으로 공급되는 수소가스는 Li-MH계 2차전지(11)의 방전시 발생되는 수소가스를 수소추출라인(41)을 통하여 수소저장통(42)에 보관하였다가 발전시 가스조절밸브(43)가 열리면 스택(10)의 연료가스유로홈(31)으로 공급되어진다.

즉, 상기 2차전지(11)는 충전시 양극에서 발생되는 수소가 수소저장합금인 음극에 흡수되었다가 초기구동이나 각종 밸브의 구동을 위하여 2차전지(11)의 방전 시 음극의 수소저장합금에 흡수되었던 수소를 방출하게 되는데, 이와 같이 방출되는 수소를 수소저장통(42)에 저장하였다가 연료로 사용하게 되므로, 별도의 탄화수소계 연료 및 개질기 등이 불필요하게 된다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명 연료전지의 연료공급장치는 초기구동을 위한 Li-MH계 2차전지에서 방전시 발생되는 수소를 추출하기 위한 수소추출라인과, 그 추출되는 수소를 저장하기 위한 수소저장통과, 그 수소저장통에서 스택에 수소가스가 공급되도록 조절하기 위한 가스조절밸브로 구성되는 수소추출 및 공급수단을 구비하여, 스택의 발전시 수소추출 및 공급수단에 의하여 연료전지에서 추출된 수소가스를 연료로 사용함으로써, 별도의 연료공급 및 개질기 등의 설치가 불필요하게 되어 발전을 위한 제조원가가 절감될뿐만 아니라 장비가 컴팩트화 되는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 양극과 음극에 공급되는 수소가스와 공기의 전기화학적인 반응에 의하여 기전력을 얻는 스택과, 그 스택의 초기구동을 위한 2차전지가 구비되어 있는 연료전지에 있어서,

   상기 2차전지는 음극이 충전시 수소를 저장하고 방전시 방출하는 수소저장합금인 Li-MH계 2차전지이고, 그 2차전지에서 방출되는 수소를 추출하여 스택의 연료로 공급하기 위한 수소추출 및 공급수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 연료공급장치
2. 제 1항에 있어서, 상기 수소추출 및 공급수단은 Ni-MH계 2차전지에서 발생된 수소가스를 추출하기 위한 수소추출라인과, 그 수소추출라인 상에 설치되어 회수되는 수소가스를 저장하기 위한 수소 저장통과, 그 수소저장통의 수소가 스택에 공급되는 것을 조절하는 가스조절밸브로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 연료공급장치.

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