KR100689333B1 - Fuel supply apparatus for fc - Google Patents
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Abstract
본 발명 연료전지의 액체연료공급장치는, 발전이 되는 스택의 양극에 연료액과 물의 혼합액을 공급하고, 음극에 공기를 공급하여 전기화학반응으로부터 기전력을 얻는 연료전지에 있어서, 상기 연료액과 물이 혼합된 연료혼합액의 굴절율을 측정하는 것에 의하여 제어처리에 의한 농도를 산출할 수 있도록, 연료액과 물이 혼합된 연료혼합액이 저장되는 혼합액저장탱크와, 그 혼합액저장탱크의 내부 일측에 설치되는 발광기와 타측에 설치되는 디텍터로 구성되는 농도조절수단과; 그 농도조절수단에서 일정 농도로 혼합된 연료혼합액이 스택에 지속적으로 공급될 수 있도록 일시적으로 저장하는 버퍼 탱크를; 구비하여, 연료액과 물을 일정농도로 혼합한 다음 버퍼 탱크를 통하여 스택에 지속적으로 공급되도록 함으로써, 농도가 규정치 이내로 관리되는 연료혼합액이 지속적으로 공급되는 상태에서 스택의 발전이 이루어지므로 안정적인 발전이 이루어지게 된다.The liquid fuel supply device of the fuel cell of the present invention is a fuel cell in which a liquid mixture of fuel and water is supplied to an anode of a stack to generate electricity, and air is supplied to a cathode to obtain electromotive force from an electrochemical reaction. The mixed liquid storage tank in which the fuel mixture mixed with the fuel liquid and water is stored so as to calculate the concentration by the control process by measuring the refractive index of the mixed fuel mixture liquid, and provided on the inner side of the mixed liquid storage tank. A concentration adjusting means comprising a light emitter and a detector installed on the other side; A buffer tank for temporarily storing the fuel mixture mixed at a constant concentration in the concentration adjusting means so as to be continuously supplied to the stack; By mixing the fuel liquid and water to a certain concentration, and then continuously supplied to the stack through the buffer tank, the power generation of the stack is carried out in a state that the fuel mixture is continuously supplied to the concentration controlled within the prescribed value is stable Will be done.
Description
도 1은 본 발명의 액체연료공급장치가 구비된 연료전지의 구성을 보인 개략구성도.1 is a schematic diagram showing the configuration of a fuel cell equipped with a liquid fuel supply device of the present invention.
도 2는 본 발명에 따른 스택의 단일셀구조를 나타내는 단면도.Figure 2 is a cross-sectional view showing a single cell structure of the stack according to the present invention.
도 3은 본 발명의 요부구성을 보인 단면도.3 is a cross-sectional view showing the main portion of the present invention.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
10 : 스택 22 : 양극10: stack 22: anode
23 : 음극 41 : 메탄올23: cathode 41: methanol
43 : 물 50 : 연료혼합수단43: water 50: fuel mixing means
51 : 혼합액저장탱크 52 : 발광기51: mixed liquid storage tank 52: light emitter
53 : 디텍터 54 : 연료혼합액53: detector 54: fuel mixture
55 : 굴절율측정기 60 : 버퍼탱크55: refractive index measuring instrument 60: buffer tank
본 발명은 외부로 부터 공급되는 연료와 공기의 전기화학반응을 통하여 전기를 생성하는 연료전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료전지의 발전을 위하여 공급되는 연료혼합액의 농도를 일정하게 유지함과 아울러 스택에 안정적으로 공급되도록 하는데 적합한 연료전지의 액체연료공급장치에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell for generating electricity through an electrochemical reaction of fuel and air supplied from the outside, and more particularly, to maintain a constant concentration of the fuel mixture supplied for the power generation of the fuel cell stack The present invention relates to a liquid fuel supply device of a fuel cell suitable for supplying a stable supply to a fuel cell.
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.In general, a technique related to a fuel cell is known as a device for directly converting energy contained in a fuel into electrical energy, and such a fuel cell generally has a porous anode (ANODE) and a cathode (CATHODE) on both sides of a polymer electrolyte. Is attached, the electrochemical oxidation of hydrogen as a fuel occurs at the anode (anode or anode) and the electrochemical reduction of oxygen as an oxidant at the cathode (reduction electrode or cathode). Is generated.
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.Hydrogen supplied to such a fuel cell is purified by purifying only hydrogen (H 2 ) from a hydrocarbon-based (CH-based) fuel such as LNG, LPG, CH 3 OH, and gasoline through a desulfurization process → reforming reaction → hydrogen purification process. It is used in the form of direct methanol fuel cell (DMFC), which is used in the form or uses liquid methanol as a direct fuel.
상기 직접 메탄올 연료전지는 개질기를 사용하지 않고 발전장치인 스택(STACK)의 양극에 메탄올과 물이 일정 비율(약 10%:90%)로 혼합된 메탄올 혼합액을 직접 공급하는 방식으로 전극에서 개질반응이 일어나기 때문에 개질기가 불필요하게 되어 전체 시스템을 간소화 시킬 수 있다는 큰 장점이 있다.The direct methanol fuel cell is a reforming reaction at an electrode by directly supplying a methanol mixture of methanol and water in a predetermined ratio (about 10%: 90%) to a cathode of a stack, which is a power generator, without using a reformer. This has the big advantage that the reformer becomes unnecessary and can simplify the whole system.
그러나, 상기와 같은 종래의 메탄올을 사용하는 연료전지에서는 상술한 바와 같이 스택에 공급되는 메탄올 혼합액이 공급라인 상의 밸브 개도를 조정하는 것에 의하여 메탄올과 물이 혼합되어 직접 스택에 공급되므로 일정한 농도의 혼합액을 지속적으로 공급하는 것이 불가능한 문제점이 있었다.However, in the fuel cell using the conventional methanol as described above, the methanol mixture solution supplied to the stack as described above is mixed with methanol and water by directly adjusting the valve opening on the supply line, so that the mixture solution of a constant concentration is supplied. There was a problem that it is impossible to continuously supply.
상기와 같은 문제점을 감안하여 안출한 본 발명의 목적은 연료액과 물이 일정한 농도로 혼합되고, 그와 같이 혼합된 연료혼합액이 스택에 지속적으로 공급되도록 하는데 적합한 연료전지의 액체연료공급장치를 제공함에 있다.The object of the present invention devised in view of the above problems is to provide a liquid fuel supply apparatus of a fuel cell suitable for allowing the fuel liquid and water to be mixed at a constant concentration, such that the fuel mixture is continuously supplied to the stack. Is in.
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발전이 되는 스택의 양극에 연료액과 물의 혼합액을 공급하고, 음극에 공기를 공급하여 전기화학반응으로부터 기전력을 얻는 연료전지에 있어서, 상기 연료액과 물이 혼합된 연료혼합액의 굴절율을 측정하는 것에 의하여 제어처리에 의한 농도를 산출할 수 있도록, 연료액과 물이 혼합된 연료혼합액이 저장되는 혼합액저장탱크와, 그 혼합액저장탱크의 내부 일측에 설치되는 발광기와 타측에 설치되는 디텍터로 구성되는 농도조절수단과; 그 농도조절수단에서 일정 농도로 혼합된 연료혼합액이 스택에 지속적으로 공급될 수 있도록 일시적으로 저장하는 버퍼 탱크를; 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 액체연료공급장치가 제공된다.
이상 설명한 본 발명의 구성.작용을 한층 명백하게 하기 위하여, 이하에서 본 발명의 적합한 실시예에 대하여 설명한다.In a fuel cell in which a mixture of fuel and water is supplied to an anode of a stack to be generated and air is supplied to the cathode to obtain electromotive force from an electrochemical reaction, the refractive index of the fuel mixture mixed with the fuel and water is measured. In order to calculate the concentration by the control process, the mixed liquid storage tank in which the fuel mixture mixed with the fuel liquid and water is stored, the concentration composed of a light emitting unit provided on one side of the mixed liquid storage tank and a detector provided on the other side. Adjusting means; A buffer tank for temporarily storing the fuel mixture mixed at a constant concentration in the concentration adjusting means so as to be continuously supplied to the stack; Provided is a liquid fuel supply device for a fuel cell, comprising: a fuel cell;
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS To make the construction and operation of the present invention described above clearer, a preferred embodiment of the present invention will be described below.
도 1은, 본 발명의 실시예로서 본 발명에 따른 액체연료공급장치가 설치된 연료전지의 개략구성도이다.1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell in which a liquid fuel supply device according to the present invention is installed as an embodiment of the present invention.
도시된 바와 같이, 연료전지(1)의 전체 구성은 전기를 발생하는 고체 고분자형의 스택(10)과, 연료혼합액을 스택(10)에 공급하기 위한 액체연료공급수단(11)과, 스택(10)에 공기를 공급하기 위한 에어 라인(12)과, 스택(10)에서 발생되는 CO2와H2O 를 배출하기 위한 배출라인(13)과, 상기 스택(10)에 공급되는 연료혼합액을 일정 농도로 혼합하기 위한 농도조절수단(50)과, 그 농도조절수단(50)에서 일정 농도로 혼합된 연료혼합액이 스택(10)에 지속적으로 공급될 수 있도록 일시적으로 저장하는 버퍼 탱크(60)를 구비한다.As shown in the drawing, the overall configuration of the
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.
The
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. The
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.The
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.It is preferable that the
상기 액체연료공급수단(11)은 연료액인 메탄올(41)이 저장되는 연료탱크(42)와 물(43)이 저장되는 물탱크(44)가 각각 구비되어 있고, 그 각각에 연결된 연료공급라인(45)과 물공급라인(46) 상에는 각각 밸브(47)(47')가 설치되어 있으며, 그 연료공급라인(45)과 물공급라인(46)의 연결부위에 스택(10)에 연결되도록 혼합액공급라인(48)이 연결되어 있다.The liquid fuel supply means 11 is provided with a
그리고, 상기 농도조절수단(50)은 도 3과 같이, 상기 혼합액공급라인(48) 상에 설치되며 메탄올(41)과 물(43)이 일정비율로 혼합되어 저장되는 혼합액저장탱크(51)과, 그 혼합액저장탱크(51)의 내측 서로 마주보도록 발광기(52) 와 디텍터(53)를 설치하여 연료혼합액(54)의 굴절율을 측정에 의한 농도를 검출하는 굴절율측정기(55)로 구성되어 있다.And, the concentration adjusting means 50 is installed on the mixed
또한, 상기 농도조절수단(50) 과 스택(10) 사이의 혼합액공급라인(48) 상에는 버퍼 탱크(60)가 설치되어 혼합액저장탱크(51)에서 일정농도로 혼합된 연료혼합액(54')이 일시적으로 저장되어 스택(10)에 지속적으로 공급되도록 되어 있다.In addition, a
도면중 미설명 부호 15는 에어라인(12) 상에 설치된 전자밸브이고, 16은 혼합액공급라인(48) 상에 설치된 전자밸브이다.In the figure, reference numeral 15 denotes a solenoid valve installed on the
상기와 같이 구성된 본 발명 액체연료공급장치가 구비된 연료전지의 작용효과를 설명한다.The operation and effect of the fuel cell provided with the liquid fuel supply device of the present invention configured as described above will be described.
조작자가 연료전지(1)의 스위치를 조작하면 전자제어부(미도시)에서 미리 설정된 제어 프로그램에 따라 에어라인(12)과 혼합액공급라인(48) 상의 전자밸브(15)(16)를 열어서 연료혼합액(54)과 공기가 스택(10)에 공급되도록 한다.When the operator operates the switch of the
상기와 같이 스택(10)에 공급되는 연료혼합액은 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.As described above, the fuel mixture supplied to the
이때 각극에서의 반응식과 총 반응식은 다음과 같다. At this time, the reaction formula and total reaction formula at each pole are as follows.
양극(ANODE): CH3OH + H2O → CO2 + 6H+ + 6e- Anode (ANODE): CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e -
음극(CATHODE): 3/2O2 + 6H+ + 6e_ → 3H2OCathode: 3 / 2O 2 + 6H + + 6e _ → 3H 2 O
총반응식 : CH3OH + 3/2O2 + H2O → CO2 + 3H2O Total Reaction: CH 3 OH + 3 / 2O 2 + H 2 O → CO 2 + 3H 2 O
그리고, 상기와 같이 스택(10)으로 공급되는 연료혼합액(52)은 연료공급라인(45)과 물공급라인(46) 상의 밸브(47)(47') 개도를 조절하는 방법으로 메탄올(41)과 물(43)이 일정비율로 혼합되며 혼합액저장탱크(51)에 저장되고, 그와 같이 저장된 연료혼합액(54)은 발광기(52)에서 발광되는 빛을 디텍터(53)에서 검출하며 굴절율을 제어처리 하는 것에 의하여 산출하여 연료혼합액(54)의 농도를 검출한다. 그와 같이 검출된 농도가 규정치를 벗어나는 경우에는 밸브(47)(47')를 열어서 메탄올(41) 또는 물(43)을 추가로 공급하는 방법으로 연료혼합액(54)의 농도를 조절한다.In addition, the
상기와 같이 혼합액저장탱크(51)에서 농도가 규정치 이내로 조절된 연료혼합액(54)은 다시 버퍼탱크(60)로 보내져서 스택(10)에 지속적으로 공급되게 되므로, 일정농도로 조절된 연료혼합액(54)이 스택(10)에 안정적으로 공급되게 된다.As described above, the
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명 연료전지의 액체연료공급장치는 발전이 되는 스택의 양극에 연료액과 물의 혼합액을 공급하고, 음극에 공기를 공급하여 전기화학반응으로부터 기전력을 얻는 연료전지에 있어서, 상기 연료액과 물이 혼합된 연료혼합액의 굴절율을 측정하는 것에 의하여 제어처리에 의한 농도를 산출할 수 있도록, 연료액과 물이 혼합된 연료혼합액이 저장되는 혼합액저장탱크와, 그 혼합액저장탱크의 내부 일측에 설치되는 발광기와 타측에 설치되는 디텍터로 구성되는 농도조절수단과; 그 농도조절수단에서 일정 농도로 혼합된 연료혼합액이 스택에 지속적으로 공급될 수 있도록 일시적으로 저장하는 버퍼 탱크를; 구비하여, 상기 농도조절수단에서 연료액과 물이 일정농도로 혼합된 상태에서 버퍼 탱크에 저장되고, 그와 같이 저장된 연료혼합액이 스택에 공급되며 발전이 이루어지도록 함으로써, 정확하게 농도관리가 이루어진 연료혼합액이 지속적으로 공급되는 상태에서 스택의 발전이 이루어지므로 효율이 저하되지 않은 상태로 안정적인 발전이 이루어진다.As described above in detail, the liquid fuel supply apparatus of the fuel cell of the present invention supplies a mixture of fuel and water to the anode of the stack to be generated and supplies air to the cathode to obtain electromotive force from an electrochemical reaction. And a mixed liquid storage tank in which a fuel mixture mixed with fuel liquid and water is stored so as to calculate a concentration by a control process by measuring the refractive index of the fuel mixture mixed with the fuel liquid and water, and the mixed liquid storage tank. Concentration adjusting means consisting of a light emitter installed on the inner side of the detector and a detector installed on the other side; A buffer tank for temporarily storing the fuel mixture mixed at a constant concentration in the concentration adjusting means so as to be continuously supplied to the stack; In addition, the fuel mixture and the water is stored in the buffer tank in a state in which the fuel liquid and water are mixed in a predetermined concentration in the concentration control means, the fuel mixture liquid is supplied to the stack and the power generation is carried out, precisely the concentration of fuel mixture liquid Since the stack is developed in this continuously supplied state, stable power generation is achieved without deterioration of efficiency.
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