KR100626089B1 - 액체연료 혼합장치 및 이를 구비한 직접액체연료전지 시스템 - Google Patents

액체연료 혼합장치 및 이를 구비한 직접액체연료전지 시스템 Download PDF

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Abstract

액체연료 혼합장치 및 이를 구비한 직접액체연료전지 시스템가 개시된다. 개시된 액체연료 혼합장치는, 워터챔버 및 연료챔버와, 상기 워터챔버 및 상기 연료챔버 사이에 수직으로 설치되며 소정 높이에 상기 워터챔버 및 상기 연료챔버를 연통하는 통로가 형성된 칸막이를 구비한다. 상기 워터챔버는, 상기 연료전지의 캐소드 전극으로부터 회수되는 물과 공기가 유입되는 제1포트를 구비하며, 상기 연료챔버는 상기 연료전지의 애노드 전극으로부터 회수되는 미반응 연료 및 CO2가 유입되는 제3포트; 액체연료탱크로부터의 액체연료가 유입되는 제4포트; 상기 연료전지로 혼합된 액체연료가 공급되는 제5포트(233);를 구비한다.

Description

액체연료 혼합장치 및 이를 구비한 직접액체연료전지 시스템{Liquid fuel mixing apparatus and direct liquid feed fuel cell system having the same}
도 1은 직접액체연료전지의 기본적인 구성을 보여주는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 직접액체 연료전지 시스템의 개략적인 구성을 도시한 도면이다.
도 3은 도 2의 메탄올 혼합장치를 개략적으로 도시한 사시이다.
도 4는 도 3의 Ⅳ-Ⅳ 선단면도이다.
도 5는 도 3의 Ⅴ-Ⅴ 선단면도이다.
도 6은 도 3의 혼합판(240)의 일 예를 도시한 평면도이다.
도 7은 도 2의 직접액체연료전지 스택(100)의 개략적인 구성을 도시한 단면도이다.
도 8은 1 몰(M)의 메탄올 용액이 저장된 연료탱크(260)를 사용하는 연료 전지 시스템의 시간경과에 따른 출력전압을 플로팅한 그래프이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 메탄올 혼합장치(200)의 선단면도이다
도 10은 도 8의 혼합판(340)의 일 예를 도시한 평면도이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호설명*
100: 직접액체연료전지 스택 110: 전해질막
120: 애노드 전극 130: 캐소드 전극
200: 액체연료 혼합장치 210: 워터챔버
211: 제1포트 212: 제2포트
230: 연료챔버 231: 제3포트
232: 제4포트 233: 제5포트
240: 혼합판 250: 칸막이
252: 통로 260: 연료탱크
270: 에어 컴프레셔 280: 순환경로
본 발명은 직접액체 연료전지에 공급되는 액체연료의 농도를 일정하게 유지하는 액체연료 혼합장치에 관한 것이다.
직접액체연료전지(Direct Liquid Feed Fuel Cell)는 메탄올, 에탄올 등의 유기화합물 연료와 산화제인 산소와의 전기화학반응에 의해 전기를 생성하는 발전장치로서 에너지밀도 및 전력밀도가 매우 높으며, 메탄올 등 액체연료를 직접 사용하기 때문에 연료개질기(reformer) 등 주변장치가 필요치 않으며 연료의 저장 및 공급이 쉽다는 장점을 가지고 있다.
직접액체연료전지는 도 1에 도시된 바와 같이, 애노드 전극(2)과 캐소드 전극(3) 사이에 전해질막(1)이 개재되어 있는 구조를 가진다. 각 애노드 전극(2)과 캐소드 전극(3)의 구조는 연료의 공급 및 확산을 위한 연료확산층(diffusion layer, 22, 32)과 연료의 산화/환원 반응이 일어나는 촉매층(21, 31), 그리고 전극 지지체(23, 33)을 구비한다. 전극 반응을 위한 촉매는 저온에서도 우수한 특성을 갖는 백금과 같은 귀금속 촉매가 사용이 되며 반응 부생성물인 일산화탄소에 의한 촉매피독 현상(catalyst poisoning)을 방지하기 위하여 루테늄, 로듐, 오스늄, 니켈등과 같은 전이금속의 합금촉매가 사용된다. 전극 지지체는 탄소종이, 탄소직물 등이 사용되며 연료의 공급과 반응 생성물의 배출이 용이하도록 발수처리(water-proofed)하여 사용한다. 전해질막(1)은 두께가 50-200 ㎛ 인 고분자막으로서 수분을 함유하며 이온전도성을 갖는 수소이온교환막이다.
직접액체연료전지 중, 메탄올과 물을 혼합 연료로 사용하는 직접메탄올연료전지 (Direct Methanol Fuel Cell, 이하 DMFC)의 전극반응은 연료가 산화되는 애노드 반응과 수소이온과 산소의 환원에 의한 캐소드 반응으로 구성되며 반응식은 다음과 같다.
CH3OH +H2O → CO2 +6 H+ + 6 e- (Anode reaction)
3/2 O2 +6 H+ + 6 e- → 3 H2O (Cathode reaction)
CH3OH + 3/2 O2 → 2 H2O + CO2 (Overall reaction)
산화반응(반응식 1)이 일어나는 애노드 전극(2)에서는, 메탄올과 물의 반응에 의하여 이산화탄소, 수소이온 및 전자가 생성이 되며, 생성된 수소이온은 전해질막(1)을 통해서 캐소드 전극(3)으로 전달된다. 환원반응(반응식 2)이 일어나는 캐소드 전극(3)에서는, 수소이온과 외부 회로를 통해 전달된 전자 그리고 산소 간의 반응에 의해 물이 생성된다. 따라서 DMFC 총괄반응(반응식 3)은 메탄올과 산소가 반응하여 물과 이산화탄소를 생성하는 반응이 된다. 이때, 메탄올 1 몰이 산소와 반응하여 2 몰의 물이 생성된다.
이때 사용되는 액체연료는 순수한 메탄올이 아닌 시스템 내부에서 발생하거나 혹은 이미 저장되어있는 물과 혼합되어 사용되어야 하며, 고농도 연료를 사용할 경우 전해질막(수소이온교환막)에서의 연료의 크로스오버(cross-over, 연료가 이온교환막을 통과하는 현상)로 인한 발전 성능감소가 크기 때문에 일반적으로 0.5 ~ 2 M (2 ~ 8 vol.%)의 저농도 메탄올로 희석하여 사용하게 된다.
그러나, 직접액체연료전지 시스템에서 고농도 또는 순수한 메탄올을 저장한 연료탱크를 구비하고, 상기 연료탱크로부터의 메탄올과 물(회수되거나 또는 워터탱크로부터의)을 혼합하여 소정의 농도로 균일하게 애노드 전극으로 공급하는 것이 어렵다.
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 개선하기 위해 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은 회수된 물의 사용량을 조절하여 혼합연료의 농도를 조절하는 액체연료 혼합장치 및 그를 구비한 직접액체 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 고농도의 액체연료와 회수된 미반응 액체연료를 혼합하는 장치를 포함하는 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 액체연료 혼합장치는,
워터챔버 및 연료챔버와, 상기 워터챔버 및 상기 연료챔버 사이에 수직으로 설치되며 소정 높이에 상기 워터챔버 및 상기 연료챔버를 연통하는 통로가 형성된 칸막이를 구비하며,
상기 워터챔버는, 상기 연료전지의 캐소드 전극으로부터 회수되는 물과 공기가 유입되는 제1포트;를 구비하며,
상기 연료챔버는, 상기 연료전지의 애노드 전극으로부터 회수되는 미반응 연료 및 CO2가 유입되는 제3포트;
액체연료탱크로부터의 액체연료가 유입되는 제4포트;
상기 연료전지로 혼합된 액체연료가 공급되는 제5포트(233);를 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 워터챔버에는 상기 통로의 하방에 위치하여 여분의 물을 회수하기 위한 제2포트가 더 형성되는 것이 바람직하다.
상기 연료챔버의 상부에는 통기홀이 형성되는 것이 바람직하다.
상기 연료챔버에는 수평으로 설치되어 상부 연료챔버 및 하부 연료챔버를 한정하는 혼합판이 설치되며,
상기 혼합판의 대향하는 측에 상기 제3포트 및 제4포트가 각각 연결되며, 상기 혼합판에는 상기 제3포트 및 제4포트로부터 유입된 액체연료를 상기 하부 연료챔버로 보내는 개공부가 형성될 수 있다.
본 발명의 일 국면에 따르면, 상기 혼합판에는 상기 제3포트 및 제4포트와 상기 개공부 사이에 복수의 평행한 유로채널이 형성된다.
본 발명의 다른 국면에 따르면, 상기 혼합판에는 상기 제3포트 및 제4포트와 상기 개공부 사이에 각각 복수의 돌출부가 형성된다.
본 발명의 또 다른 국면에 따르면, 상기 통로는 상기 하부 연료챔버와 연통된다.
본 발며의 또 다른 국면에 따르면, 상기 통로는 상기 상부 연료챔버와 연통되게 형성되며, 상기 혼합판에는 상기 통로와 연결된 인입구가 형성된다.
상기 혼합판의 개공부는 상기 제4포트 쪽에 치우치게 형성되는 것이 바람직하다.
상기 워터챔버의 상부는 상기 제1포트를 대향하여 경사면이 형성되며, 상기 워터챔버 상부에는 대기와 연통하는 통기홀이 형성되는 것이 바람직하다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 직접액체 연료전지 시스템은,
제1면과 제2면을 갖는 전해질막과 상기 제1면에 마련된 애노드 전극과 상기 제2면에 마련된 캐소드 전극을 갖춘 적어도 두 개의 MEA(Membrane Electrode Assembly)에 의한 직접액체연료전지 스택;
상기 스택의 중간에 개재되어 인접한 한 MEA의 애노드 전극 및 다른 MEA의 캐소드 전극에 접촉되는 적어도 하나의 도전성 바이폴라 플레이트;
상기 스택의 양측 종단부에 각각 마련되어 마주보는 MEA에 접촉되는 도전성 엔드 플레이트;
상기 스택에서 수직으로 관통하여 상기 유로채널에 해당되는 연료를 공급 또는 배출하는 라인을 형성하는 다수의 연료출입공;
액체연료탱크; 및
상기 액체연료탱크로부터의 액체연료와 상기 연료출입공으로부터의 미반응 연료와 물을 혼합하여 상기 연료출입공을 통해 상기 애노드 전극에 액체연료를 공급하는 액체연료 혼합장치;를 구비하며,
상기 액체연료 혼합장치는,
워터챔버 및 연료챔버와, 상기 워터챔버 및 상기 연료챔버 사이에 수직으로 설치되며 소정 높이에 상기 워터챔버 및 상기 연료챔버를 연통하는 통로가 형성된 칸막이를 구비하며,
상기 워터챔버는, 상기 연료전지의 캐소드 전극으로부터 회수되는 물과 공기가 유입되는 제1포트;를 구비하며,
상기 연료챔버는, 상기 연료전지의 애노드 전극으로부터 회수되는 미반응 연료 및 CO2가 유입되는 제3포트;
액체연료탱크로부터의 액체연료가 유입되는 제4포트;
상기 연료전지로 혼합된 액체연료가 공급되는 제5포트;를 구비한다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 연료혼합장치 및 이를 적용한 직접액체연료전지 장치의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 직접액체 연료전지 시스템의 개략적인 구성을 도시한 도면이며, 도 3은 도 2의 액체연료 혼합장치를 개략적으로 도시한 사시이다. 도 4는 도 3의 Ⅳ-Ⅳ 선단면도이며, 도 5는 도 3의 Ⅴ-Ⅴ 선단면도이다.
먼저, 도 3 및 도 4를 함께 참조하면, 액체연료 혼합장치(200)는 워터챔버(210) 및 연료챔버(230)와 이들 챔버 사이의 칸막이(250)로 이루어져 있다. 워터챔버(210)에는 캐소드 전극(도 7의 130)으로부터 물과 함께 공기(또는 산화제), 수증기가 유입되는 제1포트(211)와, 워터챔버(210)내의 물을 배수하는 제2포트(212)가 형성되어 있다. 워터챔버(210)의 상부는 상기 제1포트(211)를 대향하는 경사면(214)이 형성되어 있으며, 또한, 상기 워터챔버(210) 상부에는 대기와 연통되는 통기홀(216)이 형성되어 있다. 상기 제1포트(211)로 유입되는 혼합물은 상기 경사면(214)에서 충돌되며, 공기 및 수증기는 상기 통기홀(216)을 통해서 밖으로 배출된다.
한편, 상기 칸막이(250)에는 상기 커버의 경사면(214) 하방의 위치에 상기 워터챔버(210) 및 연료챔버(230) 사이의 통로(252)가 형성되어 있다. 상기 통로(252)는 상기 워터챔버(210)의 바닥면으로부터 소정 높이로 형성된다. 상기 통로 (252)는 복수의 홀 또는 슬리트로 형성될 수 있다. 상기 제2포트(212)는 상기 제1포트(211) 보다 하방에 설치되며, 또한 상기 통로(252) 하방에 배치된다. 제1포트(211)에는 제1펌프(214)가 연결되어서 여분의 물을 별도의 통(미도시) 또는 액체연료탱크(도 2의 260)의 빈 공간으로 수송할 수 있다. 이와 같이 여분의 물을 배수하는 것은 연료챔버(230)에서 직접액체연료전지 스택(100)으로 공급되는 액체연료의 농도를 조절하기 위해서다.
도 3 및 도 5를 함께 참조하면, 연료챔버(230)에는 애노드측으로부터의 물, CO2, 미반응 연료가 유입되는 제3포트(231)와, 연료탱크(260)로부터 제2펌프(262)에 의해 공급되는 연료가 유입되는 제4포트(232)와, 혼합된 연료를 연료전지스택(도 2의 100)으로 공급하는 제5포트(233)가 형성되어 있다. 또한, 연료챔버(230)에는 수평으로 혼합판(mixing plate)(240)이 설치되어 있으며, 이 혼합판(240)은 연료챔버(230)를 상부 연료챔버(230) 및 하부 연료챔버(230)로 한정한다. 상기 제3포트(231) 및 제4포트(232)는 각각 상기 혼합판(240)의 대향하는 측에 연결되며, 상기 혼합판(240)에는 상기 제3포트(231) 및 제4포트(232)로 유입된 액체를 하부 연료챔버(230)로 내려보내는 개공부(242)가 형성되어 있다. 연료챔버(230) 상부에는 다수의 통기홀(235)이 형성되어 있으며, 제3포트(231)로 미반응 연료와 함께 유입된 CO2는 이 통기홀(235)을 통해 외부로 배출된다.
도 6은 도 3의 혼합판(240)의 일 예를 도시한 평면도이다. 도 6을 참조하면, 혼합판(240)은 제3포트(231) 및 제4포트(232)와 각각 연결되며, 제3포트(231) 및 제4포트(232) 사이에는 제3포트(231) 및 제4포트(232)로부터의 유입방향과 수직방향으로 개공부(242)가 형성되어 있다. 상기 개공부(242)는 도 6에 도시된 바와 같이 복수의 홀일 수 있으며, 또한, 슬릿일 수도 있다. 제3포트(231) 및 제4포트(232)와 상기 개공부(242) 사이에는 직선 돌출부(243) 사이에 형성된 서로 평행한 복수의 유로채널(244)이 형성되어 있다. 바람직하게는 상기 개공부(242)가 인입되는 유량이 적은 제4포트(232) 쪽으로 치우치게 형성된다. 상기 제3포트(231)로부터의 희석된 연료와, 상기 제4포트(232)로부터의 액체연료는 개공부(242)를 통과하면서 서로 혼합된다.
한편, 워터챔버(210)에 상기 통로(252) 이상으로 물이 차면, 여분의 물은 상기 통로(252)를 통해서 연료챔버(230)로 이송되며, 혼합판(240)을 통과한 희석된 액체연료와 다시 혼합된다. 이와 같이 균일하게 희석된 액체연료는 제5포트(233)를 통해서 직접액체연료스택(100)으로 제3펌프(도 2의 234)에 의해서 공급된다.
도 7은 도 2의 직접액체연료전지 스택(100)의 개략적인 구성을 도시한 단면도이다.
도 2 및 도 7을 함께 참조하면, 직접액체연료전지 시스템은, 직접액체연료전지 스택(100), 액체연료혼합장치(200), 액체연료탱크(260), 제1~제3 펌프(214)(262)(234), 에어 컴프레셔(270), 메탄올 센서(236), 순환경로(280)로 이루어져 있다.
연료전지 스택(100)에는 전해질막(110)을 중앙으로 그 양측에 애노드 전극(120) 및 캐소드 전극(130)이 마련된 다수의 MEA가 전기적으로 순방향으로 배치되 어 있고, 각 MEA의 사이에 중간 도전성 플레이트(160)가 개재되어 있다. 이 중간 도전성 플레이트(160)는 바이폴라 플레이트에 해당된다. 그리고 상기 스택(100)의 상하에 종단 도전성 플레이트(161,162)가 위치한다. 상기 종단 도전성 플레이트(161,162)는 각각 MEA 에 접촉되는 면에만 유로채널(143,153)이 형성되어 있으며, 그 외에는 중간 도전성 플레이트(160)와 실질적으로 동일한 구조를가진다. 즉, 일측(도면에서 상단측의) 종단 도전성 플레이트(161)의 내면에 액체연료 유로채널(143)이 형성되고, 타측(도면에서 하단측의) 종단 도전성 플레이트(162)의 내면에 공기 유로채널(153)이 형성되어 있다. 그리고 상기 종단 도전성 플레이트(161,162)의 바깥측 표면에 전류 집전판(171,172)이 위치한다.
상기 MEA 및 이들 사이의 중간 도전성 플레이트(160), 및 스택(100) 상하의 종단 도전성 플레이트(161,162)를 양 고정용 엔드 플레이트(181,182)에 의해 상호 고정된다.
그리고 상기 스택(100)에는 수직 방향으로의 다수의 관통공인 연료출입공(145,155)이 형성되고, 각 연료출입공(145,155)으로는 혼합액체연료(mixed fuel) 또는 공기가 구별되어 들어가서 각각 유로채널(143,153)을 통과한 후, 미반응된 연료(액체연료 또는 공기)와 반응 생성물인 물, CO2가 각각 미도시된 연료출입공을 통해서 배출된다. 도 7에는 혼합연료가 들어가는 연료출입공(145)과, 에어가 들어가는 연료출입공(155) 만 도시하였다. 적절한 유로를 형성하기 위하여 유동차단을 위한 가스켓(141)등이 필요한 부분에 적용되는데, 이러한 유로 형성구조는 일반적인 기술이므로 구체적으로 설명되지 않는다.
상기 에어 컴프레셔(270)는 연료출입공(155)로 에어를 공급한다.
상기 제1펌프(214)는 액체연료혼합장치(200)의 제2포트(212)로부터 액체연료탱크(260) 또는 미도시된 워터탱크로 물을 배수할 때 사용된다.
상기 제2펌프(262)는 액체연료탱크(260)로부터의 순수한 액체연료를 액체연료 혼합장치(200)의 제4포트(232)로 공급한다.
상기 제3펌프(234)는 액체연료혼합장치(200)의 제5포트(233)로부터 연료전지 스택(100)의 연료출입공(155)으로 희석된 액체연료를 공급한다.
메탄올 센서(236)는 제5포트(233)로부터 연료전지 스택(100) 사이의 순환경로(280)에 설치되어서 애노드 전극(120)으로 공급되는 액체연료(즉, 메탄올)의 농도를 측정한다. 메탄올 센서(236)로부터 측정된 메탄올 농도에 따라서, 제1펌프(214)로 배출되는 유량을 조절할 수 있으며, 또한, 제2펌프(262)에 의해서 액체연료 혼합장치(200)로 공급되는 액체연료의 양을 제어할 수도 있다.
본 발명에 있어서, 액체연료탱크(260)에는 순수 또는 고농도의 액체연료, 예를 들어 메탄올이 저장되고 이 메탄올은 순환경로(280)를 통해 순환한다. 한편, 본 발명에 따르면, 물이 외부에서 전적으로 공급되는 것이 아니고 캐소드 전극(130)에서 발생된 다량의 물을 회수하여 이를 애노드전극(120)에 공급한다. 따라서 배수하는 물의 양은 줄어들며, 배수된 물은 액체연료탱크(260)의 빈 공간에 저장할 수도 있다.
도 8은 1 몰(M)의 메탄올 용액이 저장된 연료탱크(260)를 사용하는 연료 전 지 시스템의 시간경과에 따른 출력전압을 플로팅한 그래프이다.
도 8을 참조하면, 연료전지에서 배출되는 물질을 모두 배출하는 경우(EXP1)와, 연료전지에서 배출되는 물질을 모두 연료탱크로 회수하여 사용하는 경우(EXP2)와, 본 발명의 제1실시예의 액체연료 혼합장치(200)를 포함하는 연료전지의 경우(EXP3)를 비교하였다. EXP1의 경우, 연료전지에 항상 1 몰의 농도의 메탄올이 공급되므로 출력전압이 일정하다. EXP2의 경우, 시간 경과에 따라 연료전지에 공급되는 메탄올 농도가 감소되며, 따라서 출력전압이 계속적으로 증가하는 것을 볼 수 있다. 즉, 출력전류가 계속적으로 감소하며, 따라서 연료전지의 성능이 급격히 악화된다. EXP3의 경우, 초기에는 메탄올 농도의 밸런스가 맞지 않아서 불안정했으나, 곧 안정화되는 것을 볼 수 있다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 메탄올 혼합장치(200)의 선단면도이다. 상기 실시예와 실질적으로 동일한 구성요소에는 동일한 참조번호를 사용하고 상세한 설명은 생략한다.
도 9를 참조하면, 연료챔버(230)에는 애노드측으로부터의 물, CO2, 미반응 연료가 유입되는 제3포트(231)와, 연료탱크(260)로부터 제2펌프(262)에 의해 공급되는 연료가 유입되는 제4포트(232)와, 혼합된 연료로서 연료전지로 공급되는 제5포트(233)가 형성되어 있다. 연료챔버(230)에는 수평으로 혼합판(mixing plate)(340)이 설치되어 있으며, 이 혼합판(240)은 연료챔버(230)를 상부 연료챔버(230) 및 하부 연료챔버(230)를 한정한다. 상기 제3포트(231) 및 제4포트(232)는 각각 상기 혼합판(340)의 대향하는 측에 연결되며, 상기 통로(252)는 상기 상부 연료챔버(230)에 연결되게 형성된다. 상기 통로(252)는 혼합판(340)의 일측 상에 연결될 수 도 있다. 상기 혼합판(240)에는 상기 제3포트(231) 및 제4포트(232)로 유입된 액체를 하부 연료챔버(230)로 내려보내는 개공부(342)가 형성되어 있다. 연료챔버(230) 상부에는 다수의 통기홀(235)이 형성되어 있으며, 제3포트(231)로 미반응 연료와 함께 유입된 CO2는 이 통기홀(235)을 통해 외부로 배출된다.
도 10은 도 8의 혼합판(340)의 일 예를 도시한 평면도이다. 도 10을 참조하면, 혼합판(340)은 제3포트(231), 제4포트(232)와 연결되는 부분과, 상기 통로(252)로 유입된 물이 흐르는 인입구(346)가 형성되어 있다. 제3포트(231), 제4포트(232) 및 인입구(346) 사이에는 제3포트(231) 및 제4포트(232)로부터의 유입방향과 수직방향으로 개공부(342)가 형성되어 있다. 상기 개공부(342)는 슬릿일 수 있다. 제3포트(231), 제4포트(232) 및 인입구(346)와 상기 개공부(342) 사이에는 복수의 돌출부들(348)이 형성되어서 유입되는 액체를 분산시킨다. 바람직하게는 상기 개공부(342)가 인입되는 유량이 적은 제4포트(232) 쪽으로 치우치게 형성된다. 상기 제3포트(231)로부터의 희석된 연료와, 상기 제4포트(232)로부터의 액체연료 및 상기 인입구(346)로부터의 물은 개공부(342)를 통과하면서 서로 혼합된다.
상기한 바와 같이, 본원 발명에 따르면, 액체연료 혼합장치는 연료전지에서 순환되는 액체 양과 액체연료탱크로부터의 메탄올의 유량의 혼합을 조절하여서 연 료전지로 공급되는 액체연료의 농도를 일정하게 유지할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 연료전지로부터 출력 전압이 일정하게 된다. 또한, 순수 또는 고농도의 메탄올을 저장하여 사용하므로 에너지 저장밀도가 향상된다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 한해서 정해져야 할 것이다.

Claims (20)

  1. 직접액체연료전지에 공급되는 액체연료를 혼합하는 액체연료 혼합장치에 있어서,
    워터챔버 및 연료챔버와, 상기 워터챔버 및 상기 연료챔버 사이에 수직으로 설치되며 소정 높이에 상기 워터챔버 및 상기 연료챔버를 연통하는 통로가 형성된 칸막이를 구비하며,
    상기 워터챔버는, 상기 연료전지의 캐소드 전극으로부터 회수되는 물과 공기가 유입되는 제1포트;를 구비하며,
    상기 연료챔버는, 상기 연료전지의 애노드 전극으로부터 회수되는 미반응 연료 및 CO2가 유입되는 제3포트;
    액체연료탱크로부터의 액체연료가 유입되는 제4포트;
    상기 연료전지로 혼합된 액체연료가 공급되는 제5포트(233);를 구비하는 것을 특징으로 하는 액체연료 혼합장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 워터챔버에는 상기 통로의 하방에 위치하여 여분의 물을 회수하기 위한 제2포트가 더 형성된 것을 특징으로 하는 액체연료혼합장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료챔버의 상부에는 통기홀이 형성된 것을 특징으로 하는 액체연료혼합장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료챔버에는 수평으로 설치되어 상부 연료챔버 및 하부 연료챔버를 한정하는 혼합판이 설치되며,
    상기 혼합판의 대향하는 측에 상기 제3포트 및 제4포트가 각각 연결되며, 상기 혼합판에는 상기 제3포트 및 제4포트로부터 유입된 액체연료를 상기 하부 연료챔버로 보내는 개공부가 형성된 것을 특징으로 하는 액체연료혼합장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 혼합판에는 상기 제3포트 및 제4포트와 상기 개공부 사이에 복수의 평 행한 유로채널이 형성된 것을 특징으로 하는 액체연료혼합장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 혼합판에는 상기 제3포트 및 제4포트와 상기 개공부 사이에 각각 복수의 돌출부가 형성된 것을 특징으로 하는 액체연료혼합장치.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 통로는 상기 하부 연료챔버와 연통된 것을 특징으로 하는 액체연료혼합장치.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 통로는 상기 상부 연료챔버와 연통되게 형성되며, 상기 혼합판에는 상기 통로와 연결된 인입구가 형성된 것을 특징으로 하는 액체연료혼합장치.
  9. 제 4 항에 있어서,
    상기 혼합판의 개공부는 상기 제4포트 쪽에 치우치게 형성된 것을 특징으로 하는 액체연료혼합장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 워터챔버의 상부는 상기 제1포트를 대향하여 경사면이 형성되며, 상기 워터챔버 상부에는 대기와 연통하는 통기홀이 형성된 것을 특징으로 하는 액체연료혼합장치.
  11. 제1면과 제2면을 갖는 전해질막과 상기 제1면에 마련된 애노드 전극과 상기 제2면에 마련된 캐소드 전극을 갖춘 적어도 두 개의 MEA(Membrane Electrode Assembly)에 의한 직접액체연료전지 스택;
    상기 스택의 중간에 개재되어 인접한 한 MEA의 애노드 전극 및 다른 MEA의 캐소드 전극에 접촉되는 적어도 하나의 도전성 바이폴라 플레이트;
    상기 스택의 양측 종단부에 각각 마련되어 마주보는 MEA에 접촉되는 도전성 엔드 플레이트;
    상기 스택에서 수직으로 관통하여 상기 유로채널에 해당되는 연료를 공급 또는 배출하는 라인을 형성하는 다수의 연료출입공;
    액체연료탱크; 및
    상기 액체연료탱크로부터의 액체연료와 상기 연료출입공으로부터의 미반응 연료와 물을 혼합하여 상기 연료출입공을 통해 상기 애노드 전극에 액체연료를 공급하는 액체연료 혼합장치;를 구비하며,
    상기 액체연료 혼합장치는,
    워터챔버 및 연료챔버와, 상기 워터챔버 및 상기 연료챔버 사이에 수직으로 설치되며 소정 높이에 상기 워터챔버 및 상기 연료챔버를 연통하는 통로가 형성된 칸막이를 구비하며,
    상기 워터챔버는, 상기 연료전지의 캐소드 전극으로부터 회수되는 물과 공기가 유입되는 제1포트;를 구비하며,
    상기 연료챔버는, 상기 연료전지의 애노드 전극으로부터 회수되는 미반응 연료 및 CO2가 유입되는 제3포트;
    액체연료탱크로부터의 액체연료가 유입되는 제4포트;
    상기 연료전지로 혼합된 액체연료가 공급되는 제5포트;를 구비하는 것을 특징으로 하는 직접액체 연료전지 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 워터챔버에는 상기 통로의 하방에 위치하여 여분의 물을 회수하기 위한 제2포트가 더 형성어 있으며,
    상기 제2포트에 연결되어 상기 워터챔버에 채워진 물을 배수하는 제1펌프;를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 직접액체 연료전지 시스템.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 연료챔버의 상부에는 통기홀이 형성된 것을 특징으로 하는 직접액체 연료전지 시스템.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 연료챔버에는 수평으로 설치되어 상부 연료챔버 및 하부 연료챔버를 형성하는 혼합판이 설치되며,
    상기 혼합판의 대향하는 측에 상기 제3포트 및 제4포트가 각각 연결되며, 상기 혼합판에는 상기 제3포트 및 제4포트로부터 유입된 액체연료를 상기 하부 연료챔버로 보내는 개공부가 형성된 것을 특징으로 하는 직접액체 연료전지 시스템.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 혼합판에는 상기 제3포트 및 제4포트와 상기 개공부 사이에 각각 복수의 평행한 유로채널이 형성된 것을 특징으로 하는 직접액체 연료전지 시스템.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 혼합판에는 상기 제3포트 및 제4포트와 상기 개공부 사이에 복수의 돌출부가 형성된 것을 특징으로 하는 직접액체 연료전지 시스템.
  17. 제 14 항에 있어서,
    상기 통로는 상기 하부 연료챔버와 연통된 것을 특징으로 하는 직접액체 연료전지 시스템.
  18. 제 14 항에 있어서,
    상기 통로는 상기 상부 연료챔버와 연통되게 형성되며, 상기 혼합판에는 상 기 통로와 연결된 인입구가 형성된 것을 특징으로 하는 직접액체 연료전지 시스템.
  19. 제 14 항에 있어서,
    상기 혼합판의 개공부는 상기 제4포트 쪽에 치우치게 형성된 것을 특징으로 하는 직접액체 연료전지 시스템.
  20. 제 11 항에 있어서,
    상기 워터챔버의 상부는 상기 제1포트를 대향하여 경사면이 형성되며, 상기 워터챔버 상부에는 대기와 연통하는 통기홀이 형성된 것을 특징으로 하는 직접액체 연료전지 시스템.
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