KR100671386B1

KR100671386B1 - 연료 전지 시스템

Info

Publication number: KR100671386B1
Application number: KR1020050069209A
Authority: KR
Inventors: 히로끼 가부모또; 다께시 미나미우라
Original assignee: 산요덴키가부시키가이샤
Priority date: 2004-07-30
Filing date: 2005-07-29
Publication date: 2007-01-19
Also published as: CN100373676C; JP4204526B2; JP2006048956A; CN1738088A; KR20060048897A; US20060024536A1

Abstract

본 발명의 과제는 연료 전지에 공급되는 연료의 농도를 적절하게 평가하는 것이다.

센서용 전해질막(70)과, 센서용 전해질막(70)의 한쪽면에 설치되어 연료 전지 스택에 공급된 연료의 일부가 유입되는 캐소드(72)와, 센서용 전해질막(70)의 다른쪽면에 설치되어 연료 전지 스택에 공급되는 연료의 일부가 유입되는 캐소드(74)를 갖는 센서용 MEA(60)를 연료 전지 스택에 조립되고, 애노드(72)와 캐소드(74) 사이에 외부 전원(80)에 의해 소정의 전위차를 부여한다. 연료가 전기 분해됨으로써 발생된 전류를 전류계(82)에 의해 계측한다.

연료 전지 시스템, 연료 농도 센서, 셀, 탱크, 펌프, 산화제, 연료 격납부, 제어부

Description

연료 전지 시스템 {FUEL CELL SYSTEM}

도1은 본 발명의 실시 형태에 관한 연료 전지 시스템의 전체 구성을 도시한 도면.

도2는 본 실시 형태에 이용되는 연료 전지 스택의 구성을 도시한 도면.

도3은 셀의 구성을 도시한 도면.

도4는 발전용 MEA의 단면도.

도5는 연료 농도 센서의 구성을 도시한 도면.

도6은 연료 농도 센서가 있는 센서용 MEA의 단면도.

도7은 연료 전지 시스템에 의한 메탄올 수용액의 관리 동작을 도시한 플로우챠트.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 연료 전지 시스템

20 : 연료 전지 스택

22 : 연료 농도 센서

33 : 셀

130 : 탱크

140 : 연료용 펌프

150 : 산화제용 펌프

160 : 연료 격납부

170 : 고농도 연료 보급 펌프

180 : 제어부

[문헌 1] 일본 특허 공개 2004-095376호 공보

본 발명은 연료 전지에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 본 발명은 연료 전지에 공급되는 연료의 상태를 검지하는 기술에 관한 것이다.

연료 전지는 연료 및 산화제로부터 전기 에너지를 발생시키는 장치이며, 높은 발전 효율을 얻을 수 있다. 연료 전지의 주요한 특징으로서는, 종래의 발전 방식과 같이 열에너지나 운동 에너지의 과정을 거치지 않는 직접 발전을 들 수 있다. 이로 의해, 연료 전지는 소규모로도 높은 발전 효율을 기대할 수 있다. 또한, 질화 화합물 등의 배출이 적고, 소음이나 진동도 적어 환경성이 향상된다. 이와 같이, 연료 전지는 연료가 갖는 화학 에너지를 유효하게 이용할 수 있고, 환경에 우수한 특성을 갖고 있으므로, 21세기를 짊어진 에너지 공급 시스템으로서 기대되고, 우주용으로부터 자동차용, 휴대기기용까지 대규모 발전으로부터 소규모 발전까지, 각종 용도로 사용할 수 있는 장래 유망한 새로운 발전 시스템으로서 주목되고 실용 화를 향한 기술 개발이 본격화되고 있다.

특히, 최근, 연료 전지의 한 형태로써, 다이렉트 메탄올 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell : DMFC)가 주목되고 있다. DMFC는 연료인 메탄올을 개질하지 않고, 애노드에 직접 공급하여 메탄올과 수소의 전기 화학 반응에 의해 전력을 얻는다. 메탄올은 수소에 비해, 단위 체적당의 에너지가 높고, 또한 저장에 적합하며, 폭발 등의 위험성도 낮기 때문에 자동차나 휴대 기기 등의 전원으로의 이용이 기대되고 있다.

DMFC의 애노드로 공급된 메탄올 수용액의 농도가 지나치게 높으면, DMFC 내부의 고체 고분자막의 열화가 촉진되어 신뢰성이 저하되거나, 애노드에 공급된 메탄올 수용액의 일부가 발전으로 소비되지 않고 전해질막을 통해 캐소드로 투과되는, 소위, 크로스리크가 발생한다. 한편, 메탄올 수용액의 농도가 지나치게 낮아지면, DMFC로부터 충분한 출력을 취출할 수 없다. 이로 인해, DMFC의 애노드로 공급되는 메탄올 수용액의 농도는 0.5 내지 4 mol/L, 바람직하게는 0.8 내지 1.5 mol/L로 조정한 쪽이 양호하고, 이 농도 영역의 폭을 작게 하는 것이 DMFC를 안정되게 운전시키는 것에 관련있는 것을 알고 있다.

그러나, DMFC를 갖는 시스템의 경우, DMFC를 장시간에 걸쳐 운전시키고, 또한 시스템의 소형 및 경량화를 도모하기 위해 일반적으로는 20 mol/L 이상의 고농도 메탄올 탱크를 구비하고, DMFC의 애노드로 공급하기 전에 농도를 희박하게 조정하여 공급하는 방식이 취해져 있다. 그래서, 메탄올 수용액의 농도를 시스템 내부에서 0.5 내지 1.5 mol/L로 조정하기 위해서, 광학식, 초음파식, 혹은 비중에 의한 방식 등 각종 메탄올 수용액 농도 센서를 이용하여 메탄올 수용액의 농도를 측정하는 것이 행해지고 있다.

예를 들어, 특허문헌 1은 메탄올 수용액의 순환 경로 상에 이산화탄소 가스의 존재량이 비교적 적은 장소에 메탄올 센서를 설치하는 기술을 개시한다.

[특허문헌 1] 일본 특허 공개 2004-095376호 공보

그러나, 종래와 같이, 메탄올 수용액 농도 센서를 이용하여 애노드에 공급되는 메탄올 수용액의 농도를 검출하는 경우에는, 이하에 서술하는 바와 같은 문제가 생긴다.

즉, 연료 전지 시스템 내에 메탄올 수용액 농도 센서를 설치하면 시스템의 소형화가 곤란하게 된다. 또한, 메탄올 수용액 센서의 가동에 의해 전력이 소비되므로, 여분의 전력이 필요하게 된다. 또한, 메탄올 수용액 농도 센서의 비용이 필요하게 되므로, 비용 증가로 연결된다.

이 밖에, 종래의 메탄올 수용액 농도 센서는 메탄올 연료 전지 동작 시의 온도 변화, 부하 변동, 부생성물의 발생 등의 외부 요인에 의한 영향을 받기 쉬우므로, 얻게된 농도가 반드시 정확하지 않은 경우가 있다.

본 발명은 이러한 과제에 비추어 이루어진 것으로, 그 목적은 연료 전지에 공급되는 연료의 농도를 적절하게 평가하는 기술의 제공에 있다.

본 발명의 연료 전지 시스템은, 연료 전지 스택에 공급되는 연료의 일부가 유입되는 센서용 애노드와, 연료의 일부가 유입되는 센서용 캐소드와, 센서용 애노드와 센서용 캐소드 사이에 개재하는 전해질막과, 센서용 애노드와 센서용 캐소드 사이에 전위차를 부여하는 외부 전원과, 연료의 일부가 전기 분해됨으로써 생기는 전류를 측정하는 전류 측정 수단을 갖는 연료 농도 센서를 구비한 것을 특징으로 한다. 이것에 따르면, 연료 전지 스택에 공급되는 연료의 농도를, 외적 요인을 최소한으로 억제하여 평가할 수 있다.

상기 구성에 있어서, 연료 농도 센서가 연료 전지 스택에 조립되어도 좋다. 이것에 따르면, 연료 전지 시스템을 콤팩트한 구성으로 정리할 수 있다.

상기 구성에 있어서, 연료 농도 센서의 연료 면적이 연료 전지 스택을 구성하는 셀의 전극 면적보다 작게 해도 좋다. 이것에 따르면, 연료 농도 센서에서 소비되는 연료의 양을 억제할 수 있다.

상기 구성에 있어서, 센서용 애노드 및 상기 센서용 캐소드는 상기 셀을 구성하는 발전용 애노드 및 발전용 캐소드에 포함되는 촉매의 양보다도 적은 촉매를 포함해도 좋다. 이것에 따르면, 연료 온도 센서에서 소비되는 연료의 양을 억제할 수 있다.

상기 구성에 있어서, 연료 전지 스택에 공급되는 연료를 저장하는 연료 저장 수단과, 연료 저장 수단에 연료를 보급하는 연료 보급 수단과, 연료 저장 수단으로부터 연료 전지의 발전용 애노드로 연료를 공급하는 연료 공급 수단과, 연료 전지의 발전용 캐소드로 산화제를 공급하는 산화제 공급 수단과, 연료 보급 수단에 의한 연료의 보급을 조절하는 제어부를 구비하고, 제어부는 전류 측정 수단에 의해 측정된 전류치가 기준치를 하회하는 경우에, 연료를 연료 저장 수단으로 보급해도 좋다. 이것에 따르면, 연료 전지의 발전 상태를 적절하게 유지할 수 있다. 상술한 구성에 있어서, 연료가 메탄올 수용액이라도 좋다.

또한, 상술한 각 요소를 적절하게 조합하는 것도 본건 특허 출원에 의해 특허에 의한 보호를 구하는 발명의 범위에 포함될 수 있다.

이하, 본 발명의 실시 형태를 도면을 이용하여 설명한다. 도1은 본 발명의 실시 형태에 관한 연료 전지 시스템(100)의 전체 구성을 도시한다. 연료 전지 시스템(10)은 연료 전지 스택(20), 탱크(130), 연료용 펌프(140), 산화제용 펌프(150), 연료 격납부(160), 고농도 연료 보급 펌프(170) 및 제어부(180)를 구비한다.

연료 전지 스택(20)은 메탄올 용액 및 공기를 이용하는 전기 화학 반응에 의해 전력을 발생시킨다. 도2는 본 실시 형태에 이용되는 연료 전지 스택(20)의 구성을 도시한다. 연료 전지 스택(20)은 절연체(21)를 거쳐서 연료 농도 센서(22) 및 발전용 스택(23)이 구성된다. 연료 농도 센서(22)의 외측에는 단부판(24)이 설치되고, 발전용 스택(23)의 외측에는 절연체(25)를 거쳐서 단부판(26)이 설치된다. 단부판(24) 및 단부판(26)은 연료 농도 센서 부분(22), 절연체(2), 발전용 스택(23) 및 절연체(25)로 이루어지는 적층체를 체결 부착한다. 이와 같이, 연료 농도 센서(22)를 연료 전지 스택(20)에 조립함으로써 연료 전지 시스템을 콤팩트한 구성으로 정리할 수 있다.

발전용 스택(23)은, 집전체(27) 및 집전체(28) 사이에 상호 적층된 발전용막 전극 접합체(이하, 발전용 MEA이라 함; 30) 및 양극판(32)을 구비한다. 발전용 MEA(30)와 한 쌍의 양극판(32)에 의해 셀(33)이 구성된다.

도3은 셀(33)의 구성을 도시한다. 또한, 도4는 발전용 MEA(30)의 단면도를 도시한다. 발전용 MEA(30)는 전해질막(31), 애노드(34) 및 캐소드(35)를 갖는다. 전해질막(31)은, 예를 들어 Nafion(115)으로 형성된다. 전해질막(31)에는 연료 입구 매니폴드(40a), 연료 출구 매니폴드(42a), 산화제 입구 매니폴드(44a) 및 산화제 출구 매니폴드(46a)가 설치되어 있다.

애노드(34)는 전해질막(31)의 한쪽 면에 설치된다. 애노드(34)는 전해질막(31)에 접촉하는 촉매층(36)과, 촉매층(36) 상에 설치된 연료 확산층(37)을 포함한다. 촉매층(36)에는, 예를 들어 백금-루테늄 합금 담지 촉매가 이용된다.

한편, 캐소드(35)는 전해질막(31)의 다른쪽 면에 설치되어 있다. 캐소드(35)는 전해질막(31)에 접촉하는 촉매층(38)과, 촉매층(38) 상에 설치된 연료 확산층(39)을 포함한다. 촉매층(36)에는, 예를 들어 백금 담지 촉매가 이용된다.

양극판(35)에는 발전용 MEA(30)의 애노드(34)에 면하는 측에 연료 유로(50)를 구비하고, 발전용 MEA(30)의 캐소드(34)에 면하는 측에 산화제 유로(52)를 구비한다. 도3에서는 발전용 MEA(30)의 애노드(34)에 접속하는 양극판(32)의 산화제 유로를 생략하고, 발전용 MEA(30)의 캐소드(35)에 접속하는 양극판(32)의 연료 유로를 생략하였다. 각 양극판(32)에는 연료 입구 매니폴드(40b), 연료 출구 매니폴드(42b), 산화제 입구 매니폴드(44b) 및 산화제 출구 매니폴드(46b)가 설치되어 있다. 연료 유로(50)는 연료 입구 매니폴드(40b)와 연료 출구 매니폴드(42b) 사이를 연통한다. 또한, 산화제 유로(52)는 산화제 입구 매니폴드(44b)와 산화제 출구 매니폴드(46b) 사이를 연통한다.

도5는 연료 농도 센서(22)의 구성을 도시한다. 또한, 도6은 연료 농도 센서(22)가 있는 센서용 MEA(60)의 단면도를 도시한다.

연료 농도 센서(33)는 절연체(21)에 의해 발전용 스택(23)으로부터 절연되고, 센서용 MEA(60)의 양측에 연료판(62, 63)을 협지한 구성을 구비한다.

연료판(62)은 센서용 MEA(60)의 애노드측에 설치된다. 연료판(62)에는 연료 유로(64)가 설치되어 있다. 또한, 연료판(62)에는 연료 입구 매니폴드(40c), 연료 출구 매니폴드(42c), 산화제 입구 매니폴드(44c) 및 산화제 출구 매니폴드(46c)가 설치되어 있고, 연료 유로(64)는 연료 입구 매니폴드(40c)와 연료 출구 매니폴드(42c) 사이를 연통한다.

한편, 연료판(63)은 센서용 MEA(60)의 캐소드측에 설치된다. 연료판(63)에는 연료 유로(65)가 설치되어 있다. 또한, 연료판(63)에는 연료 입구 매니폴드(40d), 연료 출구 매니폴드(42d), 산화제 입구 매니폴드(44d) 및 산화제 출구 매니폴드(46d)가 설치되어 있고, 연료 유로(65)는 연료 입구 매니폴드(40d)와 연료 출구 매니폴드(42d) 사이를 연통한다. 이에 의해, 연료 유로(64) 및 연료 유로(65)에는 연료 전지 스택(20)에 공급되는 연료의 일부가 유입된다.

또한, 연료판(62, 63)에 각각 형성되는 연료 유로(64, 65)는 센서(33)에 설치되는 연료 유로와 동일한 경로인 것이 바람직하다. 이것에 따르면, 연료 농도 센서(22)와 셀(33)에서 연료 분배를 동일한 조건으로 할 수 있다.

센서용 MEA(60)는 센서용 전해질막(70)과, 센서용 전해질막(70)의 한쪽면에 접촉하는 애노드(72)와, 센서용 전해질막(70)의 다른 쪽면에 접촉하는 캐소드(74)를 구비한다.

센서용 전해질막(70)은, 예를 들어, Nafion(115)으로 형성된다. 센서용 전해질막(70)에는 연료 입구 매니폴드(40e), 연료 출구 매니폴드(42e), 산화제 입구 매니폴드(44e) 및 산화제 출구 매니폴드(46e)가 설치되어 있다.

캐소드(72)는 센서용 전해질막(70)의 한쪽면에 설치된다. 캐소드(72)는 센서용 전해질막(70)에 접촉하는 촉매층(75)과, 촉매층(75) 상에 설치된 연료 확산층(76)을 포함한다. 촉매층(75)에는, 예를 들어 백금-루테늄 합금 담지 촉매가 이용된다.

한편, 캐소드(74)는 센서용 전해질막(70)의 다른쪽면에 설치된다. 캐소드(74)는 센서용 전해질막(70)에 접촉하는 촉매층(77)과, 촉매층(77) 상에 설치된 연료 확산층(78)을 포함한다. 촉매층(77)에는, 예를 들어 백금 담지 촉매가 이용된다.

촉매층(75) 및 촉매층(77)은 상술한 발전용 MEA(30)의 촉매층(36) 및 촉매층(38)보다 면적이 작은 것이 바람직하다. 이것에 따르면, 연료 농도 센서(22)의 전극 면적을 셀(33)의 전극 면적보다 작게 할 수 있기 때문에, 연료 농도 센서(22)에 있어서의 연료의 소비를 억제하여, 에너지 절약을 도모할 수 있다. 또한, 센서용 MEA(60)의 촉매층(75) 및 촉매층(77)에 포함되는 촉매량을 발전용 MEA(30)의 촉매층(36) 및 촉매층(38)에 포함되는 촉매량보다도 적게하는 것에 의해서도, 연료 농 도 센서(22)에 있어서의 연료의 소비를 억제하는 것이 가능하다.

애노드(72)와 캐소드(74) 사이에는 외부 전원(80)으로부터 메탄올의 전해 전압 이상의 전위차(예를 들어, 0.5 V)가 부여된다. 전류계(82)는 이 전위차에 의해 메탄올이 전기 분해를 일으킴으로써 생기는 전류를 계측한다. 전류계(82)로 계측된 전류치는 제어부(180)로 송신된다. 외부 전원(80)에 부여되는 전위차가 일정하면, 연료를 전기 분해함으로써 생기는 전류는 연료의 농도에 비례하므로, 전류계(82)에서 전류치를 모니터함으로써 연료 농도를 적절하게 평가할 수 있다. 또한, 연료의 전기 분해는 연료의 농도가 직접 요인이기 때문에, 외부 요인의 영향을 받기 어렵게 할 수 있다.

도1로 복귀하여, 탱크(130)는 연료 전지 스택(20)에 공급되는 메탄올 수용액을 저장한다. 탱크(130)에 저장된 메탄올 수용액은, 0.5 내지 1.5 mol/L로 조정된 후, 연료용 펌프(140)에 의해 연료 전지 스택(20)에 조립된 연료 농도 센서(22)의 애노드(72) 및 셀(33)의 애노드(34)에 공급된다. 연료 전지 스택(20)에서의 반응 후에 남은 미반응 연료는 탱크(130)로 회수된다. 이와 같이, 연료 전지 스택(20)에 공급되는 메탄올 수용액은 연료 전지 스택(20)과 탱크(130)를 포함하는 순환계를 유통한다. 한편, 산화제용 펌프(150)는 외부로부터 공기를 취입하여, 셀(33)의 캐소드(35)에 공급한다. 메탄올과 공기의 반응에 의해 발생된 물 등의 생성물은 탱크(130)로 회수된다.

연료 격납부(160)는 탱크(130)에 저장된 메탄올 수용액보다도 농도가 높은 고농도의 메탄올 수용액을 저장한다. 예를 들어, 탱크(130) 내의 메탄올 수용액의 농도가 1 mol/L일 때, 연료 격납부(160) 내의 고농도 메탄올 수용액의 농도를 22 mol/L로 할 수 있다. 고농도 연료 보급 펌프(170)는 후술하는 제어부(180)의 지시를 기초로 하여 소정량의 고농도 메탄올 수용액을 연료 격납부(160)로부터 탱크(130)로 공급한다.

제어부(180)는 전류계(82)로부터 이송되는 전류치를 기초로 하여 고농도 연료 보급 펌프(170)의 동작을 제어하고, 탱크(130)에 공급되는 고농도의 메탄올 수용액의 양을 조절한다.

도7은 연료 전지 시스템(10)에 의한 메탄올 수용액의 관리 동작을 도시한 플로우챠트이다. 우선, 전류계(82)에 의해, 메탄올 수용액을 전기 분해함으로써 발생된 전류가 계측된다.(S10) 계측된 전류치는 제어부(180)로 송신된다.(S20) 제어부(18)는 송신된 전류치가 소정의 기준치 이상인지 여부를 판정한다.(S30) 전류치가 소정의 기준치 이상이면, 여기에서의 처리를 종료한다. 한편, 전류치가 소정의 기준치를 하회하고 있는 경우에는, 제어부(180)는 고농도 연료 보급 펌프(170)를 이용하여 탱크(130)에 고농도 메탄올 수용액을 보급한다.(S40) 이에 의해, 연료 전지 스택(20)에 공급되는 연료의 농도가 전기 분해되었을 때의 전류치를 기초로 하여 연료의 농도를 평가함으로써, 외부 요인을 최소한으로 억제할 수 있으므로, 연료의 농도를 보다 정확하게 견적낼 수 있다. 또한, 얻게 된 전류치에 따라 연료의 보급을 수행함으로써, 연료 전지의 발전 상태를 적절하게 유지할 수 있다.

본 발명은 상술한 각 실시 형태로 한정되는 것은 아니며, 당업자의 지식을 기초로 하여 각종 설계 변경 등의 변형을 가하는 것도 가능하며, 그와 같은 변형이 가해진 실시 형태도 본 발명의 범위에 포함될 수 있는 것이다.

예를 들어, 상술한 각 실시 형태에서는 연료 농도 센서(22)가 연료 전지 스택(20)에 조립되어 있지만, 연료 농도 센서(22)를 연료 전지 센서(20)와는 별도의 구성으로 하고, 연료 전지 스택(20)에 연료를 공급하는 배관에 연료 농도 센서(22)를 설치하는 것도 가능하다.

본 발명에 따르면, 연료 전지로 공급된 연료의 농도를 적절하게 평가할 수 있다.

Claims

연료 전지 스택에 공급되는 연료의 일부가 유입되는 센서용 애노드와,

상기 연료의 일부가 유입되는 센서용 캐소드와,

상기 센서용 애노드와 상기 센서용 캐소드 사이에 개재하는 전해질막과,

상기 센서용 애노드와 상기 센서용 캐소드 사이에 전위차를 부여하는 외부 전원과,

상기 연료의 일부가 전기 분해됨으로써 생기는 전류를 측정하는 전류 측정 수단을 갖는 연료 농도 센서를 구비한 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
제1항에 있어서, 상기 연료 농도 센서가 상기 연료 전지 스택에 조립된 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 연료 농도 센서의 전극 면적이 상기 연료 전지 스택을 구성하는 셀의 전극 면적보다 작은 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 센서용 애노드 및 상기 센서용 캐소드는 상기 셀을 구성하는 발전용 애노드 및 발전용 캐소드에 포함되는 촉매의 양보다 적지 않은 촉매를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 연료 전지 스택에 공급되는 연료를 저장하는 연료 저장 수단과,

상기 연료 저장 수단에 연료를 보급하는 연료 보급 수단과,

상기 연료 저장 수단으로부터 상기 연료 전지의 발전용 애노드에 상기 연료를 공급하는 연료 공급 수단과,

상기 연료 전지의 발전용 캐소드에 산화제를 공급하는 산화제 공급 수단과,

상기 연료 보급 수단에 의해 상기 연료의 보급을 조절하는 제어부를 구비하고,

상기 제어부는 상기 전류 측정 수단에 의해 측정된 전류치가 기준치를 하회한 경우에, 상기 연료를 상기 연료 저장 수단에 보급하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 연료가 메탄올 수용액인 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
제3항에 있어서, 상기 연료가 메탄올 수용액인 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
제4항에 있어서, 상기 연료가 메탄올 수용액인 것을 특징으로 하는 연료 전 지 시스템.
제5항에 있어서, 상기 연료가 메탄올 수용액인 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.