KR100673755B1 - 무펌프 구동 연료전지 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 무펌프 구동 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 수소함유연료와 산화제의 전기화학반응에 의해서 전기를 생성하는 발전부와; 상기 발전부에 공급하고자 하는 수소함유연료가 저장되어 있는 연료탱크를 포함하는 연료 공급부로 구성되고, 상기 연료 공급부는 상기 전기화학반응시 발생되는 기체의 압력을 상기 연료탱크에 인가하기 위한 기체압 인가장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하므로, 연료펌프의 구동없이 수소와 산소의 전기화학반응시 생성되는 이산화탄소를 연료탱크에 공급하여 수소함유연료를 원활하게 공급함으로써 발전효율을 향상시킬 수 있다.
체크밸브, 안전밸브, 기체압 인가장치, 기액분리장치

Description

무펌프 구동 연료전지 시스템{FUEL CELL SYSTEM BEING CAPABLE OF WITHOUT FUEL PUMP}
도 1은 본 발명에 따른 무펌프 구동 연료전지 시스템의 개략도;
도 2는 도 1의 연료전지 시스템의 연료공급부의 개략도;
도 3은 종래의 직접 메탄올 연료전지의 연료공급장치를 나타낸 개략도.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
100 : 발전부
120 : 연료탱크
122 : 기액분리장치
130 : 기체압 인가장치
132 : 체크밸브
134 : 안전밸브
[특허문헌 1] 대한민국 공개특허공보 제2002-0095492호
본 발명은 연료펌프의 사용없이 수소함유연료를 공급하여 수소와 산소의 전기화학반응을 통해서 전기를 생성할 수 있는 무펌프 구동 연료전지 시스템에 관한 것이고, 더 상세하게 수소와 산소의 전기화학반응시 생성되는 이산화탄소를 이용하여 수소함유연료를 공급할 수 있는 무펌프 구동 연료전지 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 환경문제나 자원문제를 해결하기 위한 방안으로서 천연가스 등의 탄화수소연료, 메탄올 등과 같은 수소함유연료로부터 얻어지는 수소와 공기 중의 산소를 전기화학적으로 반응시켜 전기를 생성하는 연료전지 시스템에 대한 관심이 집중되어 왔다.
연료전지 시스템은 수소함유연료와 산화제인 산소의 전기화학반응에 의해서 전기를 생성하는 발전장치이다. 이러한 연료전지 시스템은 기본적으로 전기를 생성하는 발전부를 갖는다. 상기 발전부는 선택적 이온투과특성을 갖는 전해질막과, 상기 전해질막의 양면에 제공된 애노드 전극 및 캐소드 전극으로 이루어진 전극막 조립체(MEA)를 구비한 단위전지(unit cell)을 갖는다.
연료전지 시스템은 사용되는 전해질의 종류에 따라서 인산형 연료전지(PAFC; phosphoric acid fuel cell), 용융탄산염형 연료전지(MCFC; molten carbonate fuel cell), 고체산화물형 연료전지(SOFC; solid oxide fuel cell), 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC; polymer electrolyte membrane fuel cell), 알칼리형 연료전지(AFC; alkaline fuel cell) 등으로 분류된다. 이러한 연료전지 시스템 중에서, 고분자 전해질형 연료전지는 출력특성이 상대적으로 탁월하고 작동온도가 낮을 뿐만 아니라 빠른 시동 및 응답특성을 갖는 장점에 때문에 최근에 휴대용 발전기의 용도로 널리 개발연구되고 있다. 고분자 전해질형 연료전지는 수소함유연료로부터 수소를 얻기 위한 개질기를 요구하고 있으며, 이는 연료전지 시스템의 소형화에 대한 한계로 작용하였다. 따라서, 이러한 한계를 극복하기 위하여 수소함유연료로서 메탄올을 직접 사용하는 직접 메탄올형 연료전지(DMFC)가 개발되었다. 그러나, 고분자 전해질형 연료전지와 DMFC에 있어서, 메탄올을 공급하기 위하여 연료펌프가 사용되었지만, 이는 소음 및 전력소모를 야기시켰다.
대한민국 공개특허공보 제2002-95492호에는 발전부에서 발생되는 가스가 연료탱크를 통해서 외부로 배출되는 직접 메탄올형 연료전지가 개시되어 있다. 즉, 도 3을 참조하면, 이러한 종래의 연료전지의 연료공급장치(20)에 있어서, 연료가 발전부(22)으로 공급되는 연료공급구(30)와 발전부(22)으로부터 가스가 배출되는 배가스 입구(30)가 연료공급장치(20)의 일면에 같이 형성된다. 그러나, 연료공급구와 배가스 입구가 특별히 분리되어 있지 못하고, 하나의 개구가 연료공급구와 배가스 입구로 작용하므로, 배출되는 가스에 의해서 연료공급이 원활하지 못하여 발전효율이 상대적으로 저하되는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기된 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으 로, 연료펌프의 구동없이 수소와 산소의 전기화학반응시 발생되는 이산화탄소를 이용하여 수소함유연료를 공급할 수 있는 무펌프 구동 연료전지 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 수소함유연료가 원활하게 공급되어 발전효율을 향상시킬 수 있는 무펌프 구동 연료전지 시스템을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면, 무펌프 구동 연료전지 시스템은 수소함유연료와 산화제의 전기화학반응에 의해서 전기를 생성하는 발전부와; 상기 발전부에 공급하고자 하는 수소함유연료가 저장되어 있는 연료탱크를 포함하는 연료 공급부로 구성되고, 상기 연료 공급부는 상기 전기화학반응시 발생되는 기체의 압력을 상기 연료탱크에 인가하기 위한 기체압 인가장치를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 기체압 인가장치와 발전부 사이에는 체크밸크가 제공되고, 상기 기체압 인가장치에는 상기 기체의 과잉압력이 상기 발전부에 인가되는 것을 방지하기 위한 안전밸브가 제공된다.
상기 연료탱크와 발전부 사이에는 수소함유연료에 함유되어 있는 기체를 외부로 배출시키기 위한 기체투과성 멤브레인을 갖는 기액분리장치가 제공되고, 상기 기체투과성 멤브레인은 불소수지섬유, 폴리알켄, 셀절러스익, 폴리비닐, 폴리술폰 또는 폴리아미드의 합성수지로 이루어진다.
상기 기체는 이산화탄소이다.
이하, 도 1과 도 2를 참조하여, 본 발명에 따른 연료전지 시스템에 대하여 설명한다.
도 1을 참조하면, 연료전지 시스템은 수소와 산소의 전기화학반응을 통해서 전기를 생성하는 단위전지를 포함하는 발전부(100)와, 발전부(100)에 공급하고자 하는 수소함유연료가 저장되어 있는 저장탱크(130)를 포함하는 연료 공급부(A)를 갖는다. 또한, 발전부(100)에는 산화제, 즉 산소 또는 산소함유공기가 외부로부터 공급된다.
상기 수소함유연료는 이에 한정되지는 않지만, 메탄올, 에탄올 등의 알코올계 연료; 메탄, 프로판, 부탄 등의 탄화수소계 연료 또는 액화천연가스 등의 천연가스계 연료로부터 선택된 적어도 하나의 액체연료를 의미한다. 미설명 도면번호 140은 발전부(100)에서 생성되는 전기가 제공되는 부하이다.
발전부(100)를 구성하는 단위전지는 고분자 전해질막(12)과, 고분자 전해질막(12)의 일측에 제공된 애노드 전극(14)과, 고분자 전해질막(12)의 타측에 제공된 캐소드 전극(16)으로 이루어진 전극막 조립체(10)(MEA)를 갖는다. 또한, 상기 단위전지는 전극막 조립체(10)의 양측에 각각 대면하는 상태로 설치되어 애노드 전극(14)과 캐소드 전극(16)에 수소함유연료와 산화제를 공급하는 바이폴라 플레이트(미도시)를 갖는다.
본 발명에 따르면, 연료 공급부(A)는 발전부(100)에서 발생되는 기체를 회수 하여 연료탱크에 공급하는 기체압 인가장치(130)를 더 포함한다. 즉, 기체압 인가장치(130)는 발전부(100)와 연료탱크(120) 사이에 기체소통이 가능하게 제공된다. 따라서, 발전부(100)에서 생성되는 기체, 예를 들어 이산화탄소는 기체압 인가장치(130)를 경유하여 연료탱크(120)에 유입되고 그 결과 연료탱크(120)에 인가되는 기체압은 수소함유연료를 연료탱크(120)로부터 발전부(100)에 원활하게 공급할 수 있는 구동력(driving force)로 작용한다.
바람직하게, 발전부(100)와 기체압 인가장치(130) 사이에는 기체의 배압이 발전부(100)에 작용하는 것을 방지하기 위한 체크밸브(132)가 제공된다. 따라서, 발전부(100)로부터 기체압 인가장치(130)에 회수된 기체는 체크밸브(132)에 의해서 발전부(100)에 배압이 작용하지 못하게 되어 발전부(100)의 안정성을 유지할 수 있다.
또한, 기체압 인가장치(130)에는 과도한 기체압력이 연료탱크(120)에 인가되는 것을 방지하기 위하여 발전부(100)로부터 회수된 기체의 압력이 소정 압력, 예를 들어 약 1~5bar를 초과하면 회수된 기체를 외부로 방출할 수 있는 안전밸브(134)가 제공된다.
연료탱크(120)와 발전부(100)는 공급도관을 통해서 수소함유연료의 공급이 가능하게 연결되어 있으며, 상기 공급도관에는 기체압 인가장치(130)로부터 유입된 기체, 예를 들어 이산화탄소가 발전부(100)에 유입되는 것을 방지하기 위한 기액분리장치(122)가 제공될 수 있다. 상기 공급도관에는 수소함유연료의 공급을 조절할 수 있는 조절밸브(미도시)가 제공된다.
상기 조절밸브가 닫혀진 상태에서 수소함유연료의 공급이 중단되며 이때 연료탱크(120)는 소정의 기체압, 예를 들어 약 1~5bar의 기체압이 인가된 상태로 유지된다. 이 후에, 상기 조절밸브가 개방되면 상기 기체압의 구동력에 의해서 수소함유연료는 연료탱크(120)로부터 발전부(100)에 공급된다.
이하, 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 작동에 대하여 설명한다.
연료전지 시스템이 작동을 개시하면, 본 발명에 따라서 기체압 인가장치(130)에 의해 소정 기체압의 구동력이 연료탱크(120)에 인가되고 있으므로, 상기 조절밸브의 개방에 의해서 연료 공급부(A)로부터 수소함유연료가 발전부(100)에 공급된다. 또한, 산화제가 발전부(100)에 공급된다.
발전부(100)에 공급된 수소함유연료는 바이폴라 플레이트에 형성된 연료 유로채널을 통해서 단위전지의 애노드 전극(14)으로 유입된다. 애노드 전극(14)에서, 수소함유연료가 촉매의 활성화 작용에 의해 산화됨으로써 수소이온(H+)과 전자(e-)가 발생되고, 부산물로서 이산화탄소가 생성된다. 즉, 수소함유연료가 액체연료, 예를 들어 메탄올인 경우에 하기 식 1의 산화반응에 의해서 수소이온(H+)과 전자(e-)가 발생된다.
CH3OH + H2O → CO2 + 6H+ + 6e_ ‥‥‥‥ (1)
이때, 상기 단위전지에 있어서, 수소이온(H+)은 고분자 전해질막(12)을 통해서 캐소드 전극(16)으로 이동한다. 그리고, 이산화탄소는 기체압 인가장치(130)에 회수된 후에 연료탱크(120)에 공급된다. 그 결과 연료탱크(120)에 인가되는 기체압(Pco2)은 일정하게 유지되어 연료탱크(120)로부터 수소함유연료가 발전부(100)에 원활하게 공급될 수 있도록 한다.
한편, 상기 식 1에서 알 수 있는 바와 같이 액상의 메탄올 1몰이 반응하여 기상인 이산화탄소 1몰이 생성된다. 메탄올의 밀도는 약 0.789g/mol이므로 1몰의 부피는 40.64㎖이고, 메탄올이 반응해서 생성된 기상의 이산화탄소는 동일한 조건에서 22.4ℓ의 부피를 가진다. 즉, 1몰의 액상 메탄올이 소모될 때, 생성되는 이산화탄소의 부피는 약 550배에 이른다. 이러한 이산화탄소가 기체압 인가장치(130)에 회수되는 경우에 기체압 인가장치(130)로부터 연료탱크(120)에는 고압의 기체압이 인가된다. 이 경우에 안전밸브(134)는 개방되어 이산화탄소를 외부로 배출함으로써 연료탱크(120)에 고압의 기체압이 인가되는 것을 방지한다.
안전밸브(134)의 개폐작용에 의해서 연료탱크(120)에는 일정 압력의 기체압이 인가되고, 결과적으로 연료탱크(120)로부터 수소함유연료가 발전부(100)에 원활하게 공급될 수 있다. 발전부(100)에 공급되는 수소함유연료와 함께 이산화탄소가 발전부(100)에 유입되는 것을 방지하기 위하여 발전부(100)의 입구에는 기액분리장치(122)가 제공된다. 기액분리장치(122)에는 액상의 수소함유연료, 예를 들어 메탄올은 통과하지 못하고 기체상태의 이산화탄소만이 통과할 수 있는 미세공을 갖는 합성수지 재질의 기체투과성 멤브레인(미도시)이 제공된다. 바람직하게, 상기 기체투과성 멤브레인은 수소함유연료의 유동경로를 한정하도록 제공된다. 상기 합성수지 재질은 예를 들어 불소수지섬유(polyfluorine), 폴리알켄(polyalkene), 셀절러스익(cellulosics), 폴리비닐(polyvinyls), 폴리술폰(polysulfons) 또는 폴리아미드(polyamide) 계열의 수지로 이루어진다. 이때, 상기 불소수지섬유로는 테프론을 사용하는 것이 바람직하다.
따라서, 기액분리장치(122)를 통과하고 있는 수소함유연료는 상기 멤브레인을 통과하지 못하고 발전부(100)로 공급되는 반면에 이산화탄소는 상기 멤브레인을 통해서 외부로 배출된다. 결과적으로, 발전부(100)에는 수소함유연료만이 공급된다.
또한, 체크밸브(132)는 고압의 기체압이 발전부(100)에 배압으로 작용하는 것을 방지하여 발전부(100)의 안정성을 향상시킨다.
발전부(100)에 공급된 산화제, 예를 들어 산소는 바이폴라 플레이트에 형성된 산화제 유로채널을 통해서 상기 단위전지의 캐소드 전극(16)으로 유입된다. 캐소드 전극(16)에 있어서, 애노드 전극(14)으로부터 고분자 전해질막(12)를 통해서 이동한 수소이온(H+)이 촉매의 활성화 작용에 의해 하기 식 2의 환원반응이 이루어지고, 그 결과 물이 생성된다.
(3/2)O2 + 6H+ + 6e_ → 3H2O ‥‥‥‥ (2)
이때, 단위전지에서 발생된 물과 같은 부산물은 발전부(100)로부터 외부로 배출된다.
그리고, 발전부(100)에서 생성되는 전자는 출력단자(미도시)를 통해서 부하(140)에 제공된다.
본 발명에 따르면, 연료펌프의 구동없이 수소와 산소의 전기화학반응시 생성되는 이산화탄소를 연료탱크에 공급하여 수소함유연료를 원활하게 공급함으로써 발전효율을 향상시킬 수 있다.

Claims (8)

  1. 수소함유연료와 산화제의 전기화학반응에 의해서 전기를 생성하는 발전부와;
    상기 발전부에 공급하고자 하는 수소함유연료가 저장되어 있는 연료탱크를 포함하는 연료 공급부로 구성되고,
    상기 연료 공급부는 상기 전기화학반응시 발생되는 기체를 회수하여 상기 연료탱크에 인가하기 위한 기체압 인가장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무펌프 구동 연료전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기체압 인가장치와 발전부 사이에는 체크밸크가 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 무펌프 구동 연료전지 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 기체압 인가장치에는 상기 기체의 과잉압력이 상기 발전부에 인가되는 것을 방지하기 위한 안전밸브가 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 무펌프 구동 연료전지 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 연료탱크와 발전부 사이에는 수소함유연료에 함유되어 있는 기체를 외 부로 배출시키기 위한 기액분리장치가 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 무펌프 구동 연료전지 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 기액분리장치에는 기체투과성 멤브레인이 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 무펌프 구동 연료전지 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 기체투과성 멤브레인은 불소수지섬유, 폴리알켄, 셀절러스익, 폴리비닐, 폴리술폰 또는 폴리아미드의 합성수지로 이루어진 것을 특징으로 하는 무펌프 구동 연료전지 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 기체압 인가장치는 상기 연료탱크의 일면에 연료소통이 가능하게 연결되고, 상기 연료탱크의 타면에는 수소함유연료를 상기 발전부로 배출하기 위한 배출구가 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 무펌프 구동 연료전지 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 기체는 이산화탄소인 것을 특징으로 하는 무펌프 구동 연료전지 시스템.
KR1020050099923A 2005-10-21 2005-10-21 무펌프 구동 연료전지 시스템 KR100673755B1 (ko)

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