KR100652611B1 - 연료전지의 공기공급장치 - Google Patents

Abstract

본 발명 연료전지의 공기공급장치는 양극에 수소가스를 공급하고, 음극에 공기를 공급하여 전기화학적인 반응에 의하여 기전력을 얻는 스택을 구비한 연료전지에 있어서, 상기 스택에 공기를 정화하여 순수공기가 공급되도록 상기 스택과 연결되는 에어라인 상에 설치되며, 물이 저장되는 저장탱크와, 상기 저장탱크에 저장된 물의 수면에 일정 틈새가 유지되도록 배치되는 분리판으로 구성되는 공기정화수단을 설치하고, 그 공기정화수단에서 오염된 공기를 정화하여 순수공기가 스택에 공급되도록 함으로써, 음극에서의 환원반응이 활발하게 진행되어 발전효율이 향상되는 효과가 있다.

Description

연료전지의 공기공급장치{FUEL SUPPLY APPARATUS FOR FC}

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

도 2는 스택의 단일셀구조를 나타내는 단면도.

도 3은 본 발명의 요부구성인 공기정화수단을 보인 종단면도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 스택 12 : 에어라인

15 : 공기정화수단 41 : 물

41a : 수면 42 : 저장탱크

43 : 틈새 44 : 분리판

45 : 탁도검출센서

본 발명은 외부로 부터 공급되는 연료와 공기의 전기화학반응을 통하여 전기를 생성하는 연료전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료전지의 발전을 위하여 스택에 공급되는 공기를 정화하여 순수한 공기만을 스택에 공급되도록 함으로써 발전효율을 증대시키도록 하는데 적합한 연료전지의 공기공급장치에 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 연료전지는 음극에 공급되는 공기가 대기중의 먼 지가 혼합된 상태로 공급되기 때문에 음극에서의 환원반응이 활발하게 이루어지지 못하여 발전효율을 저하시키는 문제점이 있었다. 이와 같은 점은 연료전지가 장착되는 청소기와 같은 전자제품의 배기구로 배출되는 공기를 공급하여 발전을 하는 경우에는 더욱 심하여 발전효율이 극단적으로 저하되는 문제점이 있었다.

상기와 같은 문제점을 감안하여 안출한 본 발명의 목적은 스택의 음극에 공급되는 공기를 정화하여 순수한 공기를 공급함으로써 환원반응이 활발하게 이루어지도록 하여 발전효율을 증대시키도록 하는데 적합한 연료전지의 공기공급장치를 제공함에 있다.

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양극에 수소가스를 공급하고, 음극에 공기를 공급하여 전기화학적인 반응에 의하여 기전력을 얻는 스택을 구비한 연료전지에 있어서, 상기 스택에 공기를 정화하여 순수공기가 공급되도록 상기 스택과 연결되는 에어라인 상에 설치되며, 물이 저장되는 저장탱크와, 상기 저장탱크에 저장된 물의 수면에 일정 틈새가 유지되도록 배치되는 분리판으로 구성되는 공기정화수단을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 공기공급장치가 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 연료전지의 개략구성도이다.

도시된 바와 같이, 연료전지(1)의 전체 구성은 전기를 발생하는 고체 고분자 형의 스택(10)과, 스택(10)의 초기구동을 위한 2차전지(11)와, 그 스택(10)에 공기를 공급하기 위한 에어 라인(12)과, 수소가스를 공급하기 위한 수소가스공급라인(13)과 스택(10)에서 발생되는 H₂O 를 배출하기 위한 배출라인(14) 및 상기 에어 라인(12)으로 공급되는 공기를 정화하기 위한 공기정화수단(15)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 리브 가 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 공기정화수단(15)은 상기 에어 라인(12) 상에 설치되며 일정양의 물(41)이 저장되는 저장탱크(42)와, 그 저장탱크(42)의 내측에 고정됨과 아울러 물(41)의 수면(41a)과의 일정틈새(43)가 유지되도록 배치되는 분리판(44)으로 구성되어 있다.

또한, 상기 저장탱크(42)의 내측 하부에는 저장되는 물(41)의 탁도를 검출하여 물(41)의 오염정도를 검출하기 위한 탁도검출센서(45)가 설치되어 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명 공기공급장치가 구비된 연료전지의 작용효과를 설명한다.

조작자가 연료전지(1)의 스위치를 조작하면 전자제어부(미도시)에서 미리 설정된 제어 프로그램에 따라 에어라인(12)과 수소가스공급라인(13) 상의 밸브를 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 에어 라인(12)을 통하여 스택(10)으로 공급되는 공기는 공기정화수단(13)에 의하여 정화되어 순수공기가 공급되는데, 이와 같은 공기정화수단(13)에서의 공기정화는 도 3에 도시된 바와 같이, 물(41)이 저장된 저장탱크(42)의 일측 유입구(42a)를 통하여 저장탱크(42)의 내부로 유입되는 오염된 공기는 분리판(44)에 의하여 물(41)의 수면(41a)과 발생되는 틈새(43)를 지나면서 물(41)의 수면(41a)에 먼지등의 오염물질이 포집되어 순수한 공기만 배출구(42b)를 통하여 배출되어 스택(10)으로 공급되어 진다.

또한, 상기 저장탱크(42)에 저장되어 있는 물(41)은 탁도검출센서(45)에 의하여 주기적으로 탁도가 검출되고, 그 검출된 검출값을 전자제어부에서 논리제어처리에 의하여 설정값과 비교하여 오염이 심하여 탁도검출값이 설정값 이상으로 검출이되면 물을 교체함으로써 항상 일정수준의 정화능력이 유지되게 된다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명 연료전지의 공기공급장치는 스택으로 공기를 공급하기 위한 에어라인 상에 공기정화수단을 설치하고, 에어라인을 통하여 스택으로 공급되는 오염된 공기를 정화하여 순수공기만 스택에 공급되도록 함으로써, 공급되는 순수한 공기가 음극에서 활발하게 환원반응이 일어나게 되어 전지의 발전효율이 향상되는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 양극에 수소가스를 공급하고, 음극에 공기를 공급하여 전기화학적인 반응에 의하여 기전력을 얻는 스택을 구비한 연료전지에 있어서,

   상기 스택에 공기를 정화하여 순수공기가 공급되도록 상기 스택과 연결되는 에어라인 상에 설치되며, 물이 저장되는 저장탱크와, 상기 저장탱크에 저장된 물의 수면에 일정 틈새가 유지되도록 배치되는 분리판으로 구성되는 공기정화수단을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 공기공급장치.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,

   상기 저장탱크의 내측에는 물의 탁도를 검출하기 위한 탁도검출센서를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 공기공급장치.

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