KR100748548B1 - 연료전지 시스템 - Google Patents

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KR100748548B1
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엘지전자 주식회사
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    • Y02E60/50—Fuel cells

Abstract

본 발명은 연료극과 공기극이 전해질막을 사이에 두고 배열되는 연료전지스택과; 상기 연료전지스택의 연료극에 수소가 포함된 연료를 공급하는 연료 탱크와; 상기 연료전지스택의 공기극에 산소가 포함된 공기를 공급하는 공기 공급장치와; 상기 연료전지스택으로 공급되는 연료와 공기를 적정 수준으로 가열하는 가열장치로 구성되어, 가열장치를 구동시키기 위한 전원이 불필요하여 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있는 연료전지 시스템을 제공한다.

Description

연료전지 시스템 { FUEL CELL SYSTEM }
본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 특히 연료전지의 반응속도를 촉진시켜 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있는 연료전지 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지 시스템은 화석 연료의 대안으로 제시하는 것으로 통상의 전지(2차 전지)와는 달리 연료극(anode)에 연료(수소가스나 탄화수소 등)를 공급하고 공기극(cathode)에 산소를 공급하여 연료의 연소(산화)반응을 거치지 않고 수소와 산소의 전기화학적 반응을 거쳐 반응 전후의 에너지 차를 전기에너지로 직접 변환하는 시스템이다.
종래 기술에 따른 연료전지 시스템은 도 1에서와 같이, 수소와 산소의 전기화학적 반응에 의해 전기에너지를 생성하도록 전해질막(미도시)을 사이에 둔 연료극(anode:102)과 공기극(cathode:104)이 다수로 적층되는 연료전지스택(106)과, 상기 연료극(anode:102)에 공급하는 연료 탱크(108)와, 상기 공기극(cathode:104)에 산화제를 공급하는 산화제 공급부(110) 등으로 구성된다.
상기 연료 탱크(108)와 상기 연료전지스택(106)의 연료극(anode:102) 사이에는 상기 연료 탱크(108)에 저장된 연료를 펌핑하는 연료펌프(112)가 설치된다.
그리고, 상기 산화제(110)는 산소를 포함한 공기가 사용되며, 상기 산화제 공급부는 연료전지스택(106)의 공기극(cathode:104)으로 공기를 공급하는 에어 컴프레셔(114)와, 상기 연료전지스택(106)으로 공급되는 공기를 정화시키는 에어 필터(116)와, 상기 연료전지스택(106)으로 공급되는 공기를 적정하게 습윤하도록 가습하는 가습기(humidifier:118)로 구성된다.
상기와 같은 종래 기술의 연료전지에 연료를 공급하여 전기에너지가 발생하는 과정을 다음에서 설명한다.
제어부(미도시)의 제어신호에 따라 연료펌프(Fuel Pump:112)가 구동되면 연료 탱크(108)에 저장된 연료가 펌핑되어 연료전지스택(106)의 연료극(102)에 공급된다. 그리고, 에어 컴프레셔(114)가 작동되면 에어 필터(116)에 의해 정화된 공기가 가습기(118)를 통과하면서 습윤되어 상기 연료전지스택(106)의 공기극(104)으로 공급된다.
상기 연료전지스택(106)으로 연료와 공기가 공급되면 전해질 막(미도시)을 사이에 두고 연료극(102)에서는 수소의 전기화학적 산화가 진행되고, 공기극(104)에서는 산소의 전기화학적 환원이 일어나며, 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기가 발생되어 부하(120)로 공급된다.
즉, 즉, 연료극(2)에서는 전기화학적 산화반응인
BH4 - + 8OH- → BO2 - + 6H2O + 8e-이 발생하여 전해질막에서는 산화/환원 반응에 의해 생긴 이온을 전달하고,
공기극(4)에서는 공급한 공기(산소)의 전기화학적 환원반응인
2O2 + 4H2O + 8e- → 8OH- 이 발생한다.
따라서, Total 반응은 BH4 - + 2O2 →2H2O + BO2 - 와 같이 된다.
이와 같은, 연료전지 시스템에서 연료전지스택(106)으로 공급되는 연료와 공기의 온도는 연료전지의 성능에 큰 영향을 미친다. 따라서, 상기 연료탱크(108)에서 연료극(anode:102)으로 공급되는 연료와 상기 공기 공급부(110)로부터 상기 공기극(cathode:104)으로 공급되는 공기를 일정 온도로 승온시키기 위한 별도의 가열장치가 구비된다.
그러나, 상기와 같은 종래 기술의 연료전지 시스템은 연료전지스택으로 공급되는 연료 및 공기를 가열하기 위해 별도의 가열장치 등을 구비해야 되고, 상기 가열장치를 구동시키기 위해 상기 연료전지에서 생성되는 전류를 사용하기 때문에 소비전력이 증가되는 문제점이 있다.
따라서 본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은 연료전기스택에서 생성되는 수소를 이용하여 연료와 공기를 가열함으로써, 가열장치를 구동시키기 위한 전원이 불필요하여 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있는 연료전지 시스템을 제공하는 데 있다.
다른 목적은 연료를 혼합할 때 발생되는 반응열을 이용하여 연료를 승온시킴으로써 연료를 승온시키기 위한 별도의 가열장치 및 그 가열장치를 구동시키기 위한 전원이 불필요하여 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있는 연료전지 시스템을 제공하는 데 있다.
상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명에 따른 연료전지 시스템은 연료극(Anode)과 공기극(Cathode)이 전해질막을 사이에 두고 배열되는 연료전지스택과; 상기 연료전지스택의 연료극과 연료 공급라인으로 연결되어 상기 연료극에 수소가 포함된 연료를 공급하는 연료 공급장치와; 상기 연료전지스택의 공기극과 공기 공급라인으로 연결되어 상기 공기극에 산소가 포함된 공기를 공급하는 공기 공급장치와; 상기 연료전지스택으로 공급되는 연료를 적정온도로 가열하는 가열장치로 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 가열장치는 상기 연료전지스택의 연료극과 수소 공급라인으로 연결되어 상기 연료극에서 반응으로 생성되는 수소를 이용하여 상기 연료전지스택으로 공급되는 연료와 공기를 적정 수준으로 가열하는 수소 연소기로 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 수소 연소기는 상기 연료전기스택의 연료극으로 공급되는 연료와 상기 공기극으로 공급되는 공기가 각각 통과하는 하우징과; 상기 하우징에 설치되어 외부의 공기를 상기 하우징 내부로 송풍시키는 송풍팬과; 상기 하우징의 내부에 설치되고 상기 연료전지스택의 연료극에서 생성된 수소가스와 반응하여 발열되어 상기 하우징 내부를 통과하는 연료와 공기를 가열하는 발열부로 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 가열장치는 상기 연료 공급장치의 연료탱크에 저장된 물에 연료 파우더를 혼합할 때 발생되는 열을 이용하여 연료를 승온시키도록 연료전지를 작동시키기 직전에 상기 연료탱크에 연료 파우더를 공급해주는 연료 키트로 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 연료 키트는 연료 파우더가 저장되는 용기와, 상기 용기 입구에 설치되어 상기 연료 파우더를 연료탱크에 공급할 때 용기 입구를 개방하는 개폐장치로 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 가열장치는 상기 연료공급장치의 연료탱크에서 상기 연료전지스택의 연료극으로 공급되는 연료를 가열하는 열전모듈로 구성되는 것을 특징으로 한다.
도 1은 종래 기술에 따른 연료전지 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 가열장치의 일부 절개된 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 가열장치의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 가열장치의 제어부를 나타낸 블록도이다.
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 가열장치의 단면도이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 제2실시예에 따른 가열장치의 작동 상태를 나타낸 일부 단면도들이다.
도 9는 도 Ⅸ-Ⅸ 선의 단면도이다.
도 10은 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 시스템의 연료 승온 과정을 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명의 제3실시예에 따른 가열장치의 작동을 나타낸 일부 단면도들이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>(번역시 생략)
2 : 연료극 4 : 공기극
6 : 연료전지스택 8 : 연료 탱크
10 : 공기 공급장치 12 : 가열장치
14 : 연료 공급라인 16 : 연료펌프
18 : 공기 공급라인 20 : 에어 필터
22 : 에어 컴프레셔 24 : 가습기
26 : 물탱크 28 : 연료 재순환라인
30 : 연료 재순환펌프 32 : 수소 공급라인
50 : 하우징 52 : 송풍팬
54 : 연소기 56 : 구획통
58 : 배출홀 60 : 연료관
62 : 공기관 64 : 연료 유입구
66 : 연료 토출구 68 : 공기 유입구
70 : 공기 토출구
50 : 연료 키트 52 : 회전날개
54 : 용기 56 : 개폐장치
60 : 캡바디 62 : 밸브판
64 : 연결로드 66 : 걸림판
68 : 연료 공급부 70 : 스프링
74 : 구동모터 76 : 회전축
[발명의 실시를 위한 최선의 형태]
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 일 실시 예를 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템의 실시 예로서는 다수개가 존재할 수 있으며, 이하에서는 가장 바람직한 실시 예에 대하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구성도이다.
본 발명에 의한 연료전지 시스템은 수소와 산소의 전기화학적 반응에 의해 전기에너지를 생성하도록 전해질막(미도시)을 사이에 둔 연료극(2)과 공기극(4)이 다수로 적층되는 연료전지스택(6)과, 상기 연료극(2)으로 공급되는 연료가 저장되는 연료 탱크(8)와, 산소가 포함되어 있는 공기를 상기 공기극(4)에 공급하는 공기 공급장치(10)와, 상기 연료전지스택(6)에서 배출되는 연료를 다시 연료탱크(8)로 재순환시키는 연료 재순환장치(Fuel Recycle apparatus)와, 상기 연료전지스택(6)으로 공급되는 연료 및 공기를 가열하는 가열장치(12)인 수소연소기로 구성된다.
상기 연료 탱크(8)는 수소화붕소나트륨(NaBH4) 수용액이 저장되고, 상기 연료전지스택(6)의 연료극(2)과 연료 공급라인(14)으로 연결된다. 상기 연료 공급라인(14)의 일측에는 상기 연료탱크(8)에 저장된 연료를 펌핑하는 연료펌프(16)가 설치된다.
상기 공기 공급장치(10)는 대기 중의 공기를 연료전지스택(6)의 공기극(4)으로 유도하는 공기 공급라인(18)과, 상기 공기 공급라인(18)의 입구측에 설치되어 상기 공기 공급라인(18)으로 흡입되는 공기를 정화시키는 에어 필터(20)와, 상기 공기 공급라인(18)의 일측에 설치되어 외부공기를 흡입하는 흡입력을 발생시키는 에어 펌프(22)와, 상기 에어 펌프(22)에 의해 흡입된 공기를 가습하는 가습기(24)로 구성된다. 그리고, 상기 가습기(24)에는 가습기(24)로 물을 공급하는 물탱크(26)가 설치된다.
이와 같이 구성되는 연료탱크(8)와 공기 공급장치(10)로부터 수소를 포함한 연료와 산소를 포함한 공기가 연료전지스택(6)의 연료극(2)과 공기극(4)으로 각각 공급되면 상기 연료전지 스택(6)에서는 아래와 같이 반응되면서 전류를 발생시킨다.
즉, 연료극(2)에서는 전기화학적 산화반응인
BH4 - + 8OH- → BO2 - + 6H2O + 8e-이 발생하여 전해질막에서는 산화/환원 반응에 의해 생긴 이온을 전달하고,
공기극(4)에서는 공급한 공기(산소)의 전기화학적 환원반응인
2O2 + 4H2O + 8e- → 8OH- 이 발생한다.
따라서, Total 반응은 BH4 - + 2O2 →2H2O + BO2 - 와 같이 된다.
이러한 반응이 연속적으로 행해지는 과정 중에 연료극(2)측에서는 2H2O + NaBH4 → NaBO2 + 4H2 와 같은 반응이 동시에 발생하게 된다.
상기 연료 재순환장치는 연료전지스택의 연료극(2)과 공기극(4)에서 반응하고 난 후 배출되는 연료 중 기체와 액체를 분리하는 기액 분리기(26)와, 상기 기액 분리기(26)에서 배출되는 액체 상태의 연료를 상기 연료탱크(8)로 재순환시키는 재순환 라인(recycle line:28)과, 상기 재순환 라인(28)에 설치되어 재순환되는 액체 연료를 연료탱크(8)로 펌핑하는 재순환펌프(30)로 구성된다.
여기에서, 상기 기액 분리기(26)에서는 상기 연료전지스택(6)의 연료극(2)에서 반응으로 발생된 NaB02와 4H2가 액체와 기체로 분리되고 그 중 액체인 물과 NaB02는 연료재순환라인(28)을 통해 연료탱크(8)로 회수되는 반면 기체인 수소가스는 외부로 배출된다. 상기 기액 분리기(26)에서 배출되는 수소가스는 수소 공급라인(32)을 통해 상기 가열장치(12)로 공급되어 상기 가열장치(12)의 열원으로 사용된다.
도 3은 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 가열장치의 일부 절개된 사시도이다.
상기 가열장치(12)는 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 연료 공급라인(14), 상기 공기 공급라인(18) 및 수소 공급라인(32)이 연결되는 하우징(50)과, 상기 하우징(50)의 하부에 설치되어 외부의 공기를 상기 하우징(50) 내부로 송풍시키는 송풍팬(52)과, 상기 하우징(50)의 내부에 설치되어 상기 기액 분리기(12)로부터 공급되는 수소가스와 반응하여 발열되어 상기 하우징(50) 내부를 통과하는 연료와 공기를 가열하는 발열부(54)로 구성된다.
상기 하우징(50)은 일정 직경 및 높이를 갖는 원통 형태로 형성되고, 그 내부에는 상기 하우징(50)의 직경에 비해 작은 직경을 갖는 원통형태의 구획통(56)이 상기 하우징(50)의 내주면과 일정 간격을 두고 배치된다. 그리고, 상기 하우징(50)의 상부에는 가열작용을 마친 가스가 외부로 배출되는 다수의 배출홀(58)이 형성되고, 그 하부에는 발열부(54) 및 송풍팬(52)이 설치된다.
상기 구획통(56)의 안쪽에는 연료가 통과하는 연료관(60)이 코일 형태로 감겨지고, 상기 구획부(56)의 바깥쪽에는 공기가 통과하는 공기관(62)이 코일 형태로 감겨진다.
여기에서, 상기 발열부(54)를 통과하면서 가열된 가스는 상기 구획통(56)의 안쪽으로 통과하기 때문에 상기 연료관(60)은 가스와 직접 접촉하여 가열되고, 상기 공기관(62)은 상기 구획통(56)를 통해 가스와 간접적으로 접촉되어 가열된다. 따라서, 액체상태의 연료와 기체상태의 공기가 동일한 온도로 가열될 수 있도록 한다.
여기에서, 상기 연료관(60)의 한쪽 끝부분은 연료 유입구(64)와 연결되고, 다른쪽 끝부분은 연료 토출구(66)와 연결된다. 상기 공기관(62)의 한쪽 끝부분은 공기 유입구(68)와 연결되고, 다른쪽 끝부분은 공기 토출구(70)와 연결된다.
그리고, 상기 연료 유입구(64)와 연료 배출구(66)는 각각 상기 연료 공급라인(14)에 연결되고, 상기 공기 유입구(68)와 공기 배출구(70)는 각각 상기 에어 필터(20)와 가습기(24) 사이를 연결하는 공기 공급라인(18) 사이에 연결된다.
그리고, 상기 하우징(50)의 하부에 장착된 송풍팬(52)은 상기 연료전지 스택(6)에서 발생되는 전류를 전원으로 사용하고, 외부의 공기를 상기 하우징(50)의 내부로 송풍시킴과 아울러 상기 발열부(54)의 내부로 불어 넣어준다.
여기에서, 상기 송풍팬(52)에 사용되는 전원은 극히 작기 때문에 연료전지 시스템(6)의 성능에는 거의 영향을 미치지 않는다.
상기 발열부(54)는 하우징(50)의 하부에 장착되고 내부에 촉매(80)가 부착되는 벌집(Honeycomb) 타입으로 형성되며, 그 일측에는 점화를 위한 점화기(igniter:미도시)가 설치되고, 상기 발열부(54)는 상기 수소가스 공급라인(32)과 연결되어 상기 기액 분리기(26)로부터 수소가스가 공급된다. 이와 같은 상기 발열부(54)는 그 하부로 송풍팬(52)에 의해 송풍되는 산소가 포함된 공기가 유입되고, 상기 수소가스 공급라인(32)을 통해 상기 기액 분리기(26)로부터 수소가스가 공급되는 상태에서 상기 점화기에서 점화가 이루어지면 상기 발열부(54)의 내부에서 산소와 수소가 촉매와 반응하여 발열된다. 여기에서 사용되는 촉매는 백금촉매가 사용됨이 바람직하다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 가열장치의 제어부를 나타낸 블록도이다.
상기 가열장치(12)는 상기 가열된 공기와 연료의 온도를 적정 수준으로 유지하여 상기 연료전지스택(6)으로 공급할 수 있도록 제어부를 갖는다.
상기 제어부는 상기 가열장치인 수소 연소기의 일측에 설치되어 상기 수소 연소기의 온도를 검출하는 온도센서(72)와, 상기 수소 공급라인(32)에 설치되어 상기 수소 연소기로 공급되는 수소량을 조절하는 수소 공급량 조절부(76)와, 상기 온도센서(72)로부터 인가되는 신호에 따라 상기 수소 공급량 조절부(76)를 제어하는 컨트롤러(74)로 구성된다.
상기한 바와 같이 구성되는 본 발명의 일 실시예에 가열장치를 구비한 연료전지의 작용을 다음에서 설명한다.
연료극(2)으로는 수소를 포함한 수소화붕소나트륨(NaBH4)을 공급하는 동시에 공기극(4)으로는 산소를 포함한 공기를 공급하여 전해질막과 반응하면서 이온을 형성한다. 상기 이온은 전기화학반응을 일으켜 물을 형성하는 과정에서 연료극(2)에서 전자가 생성하여 공기극(4)으로 이동하면서 전기를 발생시킨다.
이를 보다 상세히 살펴보면, 연료극(2)측에서는 전기화학적 산화반응인 BH4 - + 8OH- → BO2 - + 6H2O + 8e-이 발생하여 전해질막에서는 산화/환원 반응에 의해 생긴 이온을 전달하고,
공기극(4)에서는 공급한 공기(산소)의 전기화학적 환원반응인
2O2 + 4H2O + 8e- → 8OH- 이 발생한다.
이러한 반응을 지속하는 과정 중에 연료극(2)측에서는 2H2O + NaBH4 → NaBO2 + 4H2 와 같은 부반응이 발생하면서 연료(NaBH4수용액)에서 수소기체(4H2)가 발생하여 산화붕소나트륨(NaBO2)과 함께 연료극(2)에서 배출된다. 이때, 연료극(2)의 출구측에 배출되는 산소화붕소나트륨과 수소기체는 기액 분리기(26)를 거치면서 액체와 기체로 분리되고 그 중 액체인 물과 산소화붕소나트륨은 연료 재순환라인(28)을 통해 연료탱크(8)로 회수되는 반면 기체인 수소가스는 수소 공급관(42)을 통해 가열장치(12)로 공급되고, 상기 가열장치(12)에서 수소가스를 열원으로 사용하여 연료와 공기를 적정 수준으로 가열한다.
즉, 상기 가열장치(12)는 송풍팬(52)이 구동되면서 하우징(50) 내부로 산소를 포함한 공기를 송풍해주고 상기 기액 분리기(26)에서 배출되는 수소가스가 발열부(54)로 공급되면, 상기 수소, 산소 및 발열부(54)에 설치된 촉매가 상호 반응하여 물을 생성함과 동시에 발열된다.
상기 발열부(54)에서의 발열에 의해 상기 송풍팬(52)에 의해 하우징(50) 내부로 송풍되는 공기가 가열되고, 상기 가열된 공기는 하우징(50) 내부를 통과하면서 연료관(60)과 공기관(62)을 가열하고, 가열작용을 마친 공기를 배출홀(58)을 통해 외부로 배출된다.
여기에서, 상기 발열부(54)를 통과하면서 가열된 공기는 상기 연료관(60)을 직접 가열하고, 상기 공기관(62)을 상기 구획통(56)에 의해 간접 가열하여 연료관(60)을 통과하는 액체 상태인 연료와 공기관(62)을 통과하는 기체상태인 공기의 온도가 비교적 동일하게 되어 연료극(2)과 공기극(4)으로 각각 공급된다.
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 시스템의 가열장치의 구성도이다.
제2실시예에 따른 가열장치는 상기 연료전지 시스템을 가동시키기 전에 상기 연료탱크(8)에 저장된 물에 연료 파우더를 혼합하여 물과 연료 파우더가 혼합될 때 발생되는 반응열을 이용하여 연료를 적정 수준으로 승온시키는 것으로, 연료 파우더가 저장되는 연료 키트(Fuel kit:200)와, 상기 연료탱크(8)의 일측에 설치되어 상기 연료 키트(200)로부터 연료 파우더가 저장탱크(8) 내부로 공급될 때 연료 파우더가 물에 잘 혼합되도록 도와주는 회전날개(202)로 구성된다.
여기에서, 상기 연료 키트(200)에는 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 연료 파우더가 저장된 용기(204)와, 상기 용기 입구(206)에 설치되어 평소 용기(204)를 밀폐시킨 상태를 유지하다가 상기 연료 키트(200)를 상기 연료탱크(8)에 장착하면 상기 용기 입구(206)를 개방하여 상기 용기(204)의 내부에 저장된 연료 파우더가 연료탱크(8) 내부로 공급되도록 하는 개폐장치(208)로 구성된다.
상기 개폐장치(208)는 상기 용기 입구(206)에 밀봉 가능하게 장착되고 그 내부에 밸브시트(210)가 형성되는 캡 바디(212)와, 상기 밸브시트(210)에 접촉 또는 분리되어 개폐작용을 하는 밸브판(216)과, 상기 밸브판(216)과 연결로드(218)에 의 해 연결되어 상기 연료탱크(8)의 상면에 형성된 연료 공급부(220)에 걸림되어 상기 밸브판(216)을 밸브시트(210)에서 분리시키는 걸림판(224)과, 상기 걸림판(224)과 상기 밸브시트(210)에 설치되어 상기 밸브판(216)이 밸브시트(210)에 밀착되는 탄성력을 부여하는 스프링(226)으로 구성된다.
상기 밸브판(216)은 상기 밸브 시트(210)에 밀착되기 용이하도록 V 자 형태로 형성됨이 바람직하다.
그리고, 상기 걸림판(224)은 도 9에 도시된 바와같이, 상기 연결로드(218)가 일체로 연결되고 둘레방향으로 연료 파우더가 통과하는 다수의 관통홀(228)이 형성된다. 그리고, 상기 스프링(226)은 일측이 상기 밸브시트(210)의 하면이 지지되고 타측이 상기 걸림판(224)의 상면에 지지되는 코일 스프링으로 형성됨이 바람직하다.
상기 연료 공급부(220)는 상기 연료탱크(8)의 상부에서 원통 형태로 돌출되고, 그 상면에 상기 걸림판(224)가 걸림 작용되고, 상기 연료 키트(200)에 저장된 연료 파우더가 공급되도록 개방된다.
이와 같이 구성되는 개폐장치(208)의 작용을 살펴보면, 캡 바디(212)를 연료탱크(8)의 연료 공급부(220)에 삽입하면, 상기 걸림판(224)이 연료 공급부(220)의 상면에 걸림되어 상기 연결로드(218)가 상측방향으로 이동되고 상기 밸브판(216)이 밸브시트(210)에서 분리된다. 그러면, 용기(204)에 저장된 연료 파우더가 상기 연료 공급부(220)를 통해 연료탱크(8) 내부로 공급되어 물과 혼합된다.
상기 연료 키트(200)에 저장되는 연료 파우더는 NaOH와 BH4 가 적절하게 혼합된 분말로서, 상기 NaOH가 물과 혼합되면, 아래의 반응식과 같이 반응하면서 발열된다.
반응식: NaOH + H2O →NaOH(H2O) + 9∼13 Kcal/mol
상기 회전날개(202)는 연료탱크(8)의 하측에 회전 가능하게 설치되고, 회전력을 발생시키는 구동모터(230)와 회전축(232)으로 연결되어, 상기 구동모터(230)의 회전에 의해 회전되면서 상기 연료탱크(8)에 저장된 물과 상기 연료탱크(8)로 공급되는 NaOH와 BH4 파우더를 서로 혼합시키는 역할을 한다.
상기한 바와 같이 구성되는 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 작용을 다음에서 설명한다.
먼저, 연료전지를 구동시키기 전에 연료탱크(8)에 NaOH와 BH4 파우더를 공급하여 연료 수용액을 제조한다. 이때, 연료탱크(8)에 저장된 물과 연료 파우더가 혼합되면서 열이 발생된다
즉, NaOH와 BH4 파우더가 저장된 연료 키트(200)를 연료탱크(8)의 연료 공급부(220)에 장착하면 용기 입구(206)에 장착된 개폐장치(208)가 위에서 설명한 바와 같이 작동되면서 용기 입구(206)가 개방되어 용기(204)에 저장된 NaOH와 BH4 파우더가 연료탱크로 공급된다.
그러면, 반응식: NaOH + H2O →NaOH(H2O) + 9∼13 Kcal/mol와 같이, 물과 NaOH가 반응하면서 연료가 일정 온도로 승온된다. 이때, 회전 날개(202)가 회전되면서 상기 물과 NaOH와 BH4 파우더가 잘 혼합될 수 있도록 도와준다.
이와 같은 연료의 승온 작용을 시험 데이터를 통해 살펴보면, 도 10에 도시된 그래프와 같이, 연료탱크(8)에 저장된 물은 22℃ 정도를 유지하고 있는 상태에서, 상기 연료탱크(8)에 NaOH와 BH4 파우더를 공급하면 연료의 온도가 약 90℃ 정도로 올라하고 시간이 지남에 따라 서서히 낮아진다. 여기에서, 연료의 최적의 온도는 60℃∼80℃이므로 약 70℃ 정도에 이르게 되면 연료전지 시스템을 구동시켜 연료를 연료전지스택(6)으로 공급한다. 여기에서, 도 10의 그래프에 나타난 바와 같이, NaOH와 BH4 파우더를 연료탱크(8)에 공급한 후 약 15분 정도 지나면 연료의 온도가 70℃에 이르는 것을 알 수 있다. 따라서, NaOH와 BH4 파우더를 연료탱크(8)에 공급한 후 약 15분이 경과된 후 연료전지를 구동시키는 것이 바람직하다.
상기와 같은 연료 승온과정이 완료되면, 상기 연료펌프(16)가 작동되어 연료탱크(8)로부터 연료극(2)으로 연료가 공급되고, 동시에 에어펌프(22)가 작동되어 공기 공급장치로부터 상기 공기극(4)으로 공기가 공급된다. 그러면, 연료와 공기가 전해질막과 반응하면서 이온을 형성한다. 상기 이온은 전기화학반응을 일으켜 물을 형성하는 과정에서 연료극(2)에서 전자가 생성하여 공기극(4)으로 이동하면서 전기를 발생시킨다.
이를 보다 상세히 살펴보면, 연료극(2)측에서는 전기화학적 산화반응인 BH4 - + 8OH- → BO2 - + 6H2O + 8e-이 발생하여 전해질막에서는 산화/환원 반응에 의해 생긴 이온을 전달하고,
공기극(4)에서는 공급한 공기(산소)의 전기화학적 환원반응인
2O2 + 4H2O + 8e- → 8OH- 이 발생한다.
상기의 과정을 마친 연료는 기액 분리기(26)로 배출되고, 상기 기액 분리기(26)에서 기체와 액체를 분리하여 기체는 외부로 배출시키고 액체 연료는 상기 연료 재순환라인(28)을 통해 연료탱크(8)로 회수시킨다.
이때, 상기 연료전지스택(6)에서 반응 후 배출되는 연료의 온도는 승온된 상태이기 때문에 상기 연료탱크(8)로 재순환되는 연료의 온도가 적절한 상태를 유지하므로 연료전지가 작동 중일 때에는 연료의 온도를 적정한 수준을 유지하게 된다.
도 11은 본 발명의 제3실시예에 따른 연료전지 시스템의 가열장치를 나타낸 일부 구성도이다.
제3실시예에 따른 가열장치는 연료공급라인(14)과 연료회수라인(28)에 설치되어 상기 연료탱크(8)에서 상기 연료전지스택(6)으로 공급되는 연료를 가열함과 아울러 상기 연료전지스택(6)에서 상기 연료탱크(8)로 회수되는 연료를 냉각시키는 열전모듈(Thermoelectric module)(250)로 구성된다.
상기 연료공급라인(14)에는 상기 열전모듈(250)의 방열 작용에 의해 연료전지스택(6)으로 공급되는 연료가 통과하면서 가열되는 가열통(252)이 설치되고, 상 기 연료회수라인(28)에는 상기 열전모듈(250)의 흡열 작용에 의해 연료탱크(8)로 회수되는 연료가 통과하면서 냉각되는 냉각통(254)이 설치된다.
그리고, 상기 냉각통(254)과 상기 연료탱크(8) 사이의 연료회수라인(28)에는 상기 냉각통(254)을 통과하면서 결정화된 NaBO2를 제거하기 위한 연료필터(256)가 설치된다.
상기 연료전지스택(6)에서는 상기 일 실시예에서 설명한 바와 같은 반응이 연속적으로 행해지고, 반응이 진행되는 중에 연료극(2)에서는 2H2O + NaBH4 → NaBO2 + 4H2 와 같은 반응이 동시에 발생하게 된다.
상기 연료전지스택(6)에서 배출되는 NaBO2는 일정 고온에서 용해되고 일정 저온에서 결정화되기 때문에 연료회수라인(28) 또는 연료공급라인(14)을 막는 현상을 초래하게 되는 데, 이러한 현상을 방지하도록 NaBO2가 연료탱크(8)로 회수되기 전에 제거하기 위해 상기 열전모듈(250)의 흡열작용을 이용한다.
즉, 상기 열전모듈(250)의 흡열 작용을 이용하여 상기 연료전지스택(6)에서 배출되는 연료를 냉각시키면 NaBO2가 결정화되고, 상기 연료필터(256)에서 BO2 - 결정을 필터링하게 된다.
상기 열전모듈(250)은 Peltier 효과를 이용하는 것으로, 상기 가열통(252)에 부착되는 고온측 세라믹기판(258)과, 상기 냉각통(254)에 부착되는 저온측 세라믹 기판(260)과, 상기 고온측 세라믹기판(258)에 설치되어 전류가 인가되는 제1전극(262)과 상기 저온측 세라믹기판(260)에 설치되는 제2전극(264)과 상기 제1전극(262)과 제2전극(264) 사이에 정렬되는 n, p type 열전반도체 (Thermoelectric semiconductor)(266)로 구성되어, 상기 n, p type 열전반도체(266)로 전류를 가해주면 열전효과에 의해서 모듈의 양면에 온도차가 발생하고 이에 따라 상기 고온측 세라믹기판(258)을 통해 방열 작용이 발생되고, 상기 저온측 세라믹기판(260)을 통해 흡열 작용이 발생된다.
상기와 같이 구성되는 제3실시예에 따른 연료전지 시스템의 작용을 다음에서 설명한다.
연료탱크(8)로부터 연료공급라인(14)을 통해 연료전지스택의 연료극(2)으로 공급될 때, 열전모듈(250)에 전류가 인가되면 상기 열전모듈(250)의 고온측 세라믹기판(258)으로 통해 방열 작용이 발생되어 가열통(252)을 가열하고, 상기 가열통(252)을 통과하는 연료가 적정 수준으로 가열되어 연료전지스택(6)으로 공급된다.
그리고, 상기 연료전지스택(6)에서 반응 후 배출되는 연료는 상기 연료회수라인(28)을 통해 냉각통(254)으로 유입되면, 상기 열전모듈(250)의 흡열작용으로 저온측 세라믹기판(260)을 통해 상기 냉각통(254)이 냉각된다. 그러면, 상기 냉각통(254)을 통과하는 연료가 냉각되고, 이에 따라 연료에 함유된 NaBO2가 결정화되고, BO2 - 결정은 연료필터(256)에서 걸려진다.
이상과 같이 구성되고 작용되는 본 발명에 의한 연료전지 시스템은 상기 연료극에서 생성되는 수소가스를 이용하여 연료전지 스택으로 공급되는 연료 및 공기를 가열함으로써, 연료 및 공기를 가열하기 위한 별도의 전원이 불필요하여 연료전지 시스템의 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 연료전지 시스템은 연료를 적정 수준으로 승온시킨 상태로 연료전지스택으로 공급하기 때문에 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 연료전지스택에서 연료탱크로 회수되는 연료에 함유된 NaBO2를 제거함으로써, 연료공급라인 또는 연료회수라인이 막히는 현상 등을 방지할 수 있고, 연료 공급 및 회수작용을 원활하게 하여 연료전지의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

Claims (31)

  1. 연료극(Anode)과 공기극(Cathode)이 전해질막을 사이에 두고 배열되는 연료전지스택과;
    상기 연료전지스택의 연료극과 연료 공급라인으로 연결되어 상기 연료극에 수소가 포함된 연료를 공급하는 연료 공급장치와;
    상기 연료전지스택의 공기극과 공기 공급라인으로 연결되어 상기 공기극에 산소가 포함된 공기를 공급하는 공기 공급장치와;
    상기 연료전지스택으로 공급되는 연료를 적정온도로 가열하는 가열장치를 포함하는 연료전지 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료전지 시스템은 상기 연료전지스택에서 반응으로 생성된 수소를 취출하기 위한 기액 분리기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 가열장치는 상기 연료전지스택의 연료극과 수소 공급라인으로 연결되어 상기 연료극에서 반응으로 생성되는 수소를 이용하여 상기 연료전지스택으로 공급되는 연료와 공기를 적정 수준으로 가열하는 수소 연소기로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 수소 연소기는 상기 연료전기스택의 연료극으로 공급되는 연료와 상기 공기극으로 공급되는 공기가 각각 통과하는 하우징과;
    상기 하우징에 설치되어 외부의 공기를 상기 하우징 내부로 송풍시키는 송풍팬과;
    상기 하우징의 내부에 설치되고 상기 연료전지스택의 연료극에서 생성된 수소가스와 반응하여 발열되어 상기 하우징 내부를 통과하는 연료와 공기를 가열하는 발열부로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 하우징의 내부에는 연료가 통과하는 연료관이 코일 방식으로 배치되고, 공기가 통과하는 공기관이 코일 방식으로 배치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 연료관과 상기 공기관은 구획통에 의해 구획되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 연료관은 상기 구획통의 안쪽에 위치되어 상기 발열부에서 발생된 열을 직접 전달받고, 상기 공기관은 상기 구획통의 바깥쪽에 위치되어 상기 발열부에서 발생된 열을 상기 구획통을 통해 간접적으로 전달받는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 연료관의 한쪽 끝부분은 연료 유입구와 연결되고, 다른쪽 끝부분은 연료 토출구와 연결되며, 상기 연료 유입구는 상기 하우징의 상측에 위치되고, 상기 연료 토출구는 상기 하우징의 하측에 위치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 연료관의 한쪽 끝부분은 연료 유입구와 연결되고, 다른쪽 끝부분은 연료 토출구와 연결되며, 상기 연료 유입구와 상기 연료 토출구는 각각 하우징의 상측에 위치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  10. 제 4 항에 있어서,
    상기 하우징의 하부에는 상기 송풍팬이 회전 가능하게 설치되고, 상기 하우징의 상부에는 상기 하우징을 통과하면서 가열작용을 마친 공기가 외부로 배출되는 배출홀이 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  11. 제 4 항에 있어서,
    상기 송풍팬은 상기 연료전지스택에서 생성되는 전기 에너지를 전원으로 사용하는 하는 것을 특징으로 하는 가열장치를 갖는 연료전지 시스템.
  12. 제 4 항에 있어서,
    상기 발열부는 그 내부에 촉매가 부착되고, 상기 송풍팬에 의해 송풍되는 산소가 포함된 공기가 유입되도록 형성되어, 상기 수소, 산소 및 촉매가 상호 반응하여 발열되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 촉매는 벌집(Honeycomb) 타입으로 형성되고, 상기 촉매의 일측에는 점화를 위한 점화기(igniter)가 설치되고, 상기 발열부는 상기 수소가스 공급라인과 연결되어 상기 기액 분리기로부터 수소가스를 공급받는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  14. 제 4 항에 있어서,
    상기 수소 연소기는 상기 가열된 공기와 연료의 온도를 적정 수준으로 유지하여 상기 연료전지스택으로 공급할 수 있도록 제어부를 갖는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 수소 연소기의 일측에 설치되어 상기 수소 연소기의 온도를 검출하는 온도센서와, 상기 수소 공급라인에 설치되어 상기 수소 연소기로 공급되는 수소량을 조절하는 수소 공급량 조절부와, 상기 온도센서로부터 인가되는 신호에 따라 상기 수소 공급량 조절부를 제어하는 컨트롤러로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 가열장치는 상기 연료 공급장치의 연료탱크에 저장된 물에 연료 파우더를 혼합할 때 발생되는 열을 이용하여 연료를 승온시키도록 연료전지를 작동시키기 직전에 상기 연료탱크에 연료 파우더를 공급해주는 연료 키트로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 연료 키트는 연료 파우더가 저장되는 용기와, 상기 용기 입구에 설치되어 상기 연료 파우더를 연료탱크에 공급할 때 용기 입구를 개방하는 개폐장치로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 개폐장치는 상기 연료 키트의 입구에 장착되고 내부에 밸브시트가 형성되는 캡 바디와;
    상기 밸브시트에 접촉 또는 분리되어 개폐작용을 하는 밸브판과;
    상기 밸브판과 연결되어 상기 연료키트를 상기 연료탱크에 장착할 때 상기 밸브판을 밸브시트에서 분리시키는 걸림판과;
    상기 걸림판과 상기 밸브시트의 하면 사이에 설치되어 상기 밸브판이 밸브시트에 밀착되는 탄성력을 부여하는 스프링을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 연료탱크의 상면에는 상기 캡 바디가 삽입되고 상기 걸림판이 걸림되어 상기 연료 키트에 저장된 연료가 연료탱크 내부로 공급되는 연료 공급부가 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 연료 공급부는 상기 연료탱크의 상면에서 원통형태로 돌출되고, 그 상면에는 상기 걸림판이 걸림되는 걸림면이 형성되며, 상기 걸림면에는 연료 파우더가 공급되는 공급홀이 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  21. 제 18 항에 있어서,
    상기 밸브판은 상기 밸브 시트에 밀착되기 용이하도록 V 자 형태를 갖는 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  22. 제 18 항에 있어서,
    상기 걸림판은 둘레방향으로 연료 파우더가 통과하는 관통홀에 다수로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  23. 제 18 항에 있어서,
    상기 스프링은 상기 걸림판의 상면과 상기 밸브 시트의 하면 사이에 설치되는 코일 스프링인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  24. 제 17 항에 있어서, 상기 연료탱크의 일측에는 상기 연료키트에서 연료 파우더가 연료탱크로 공급될 때 상기 연료탱크에 저장된 물과 상기 연료 파우더를 혼합시키는 회전날개가 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 회전날개는 상기 연료탱크의 저부에 회전 가능하게 설치되고, 구동력을 발생시키는 구동모터와 회전축으로 연결되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  26. 제 17 항에 있어서,
    상기 연료 파우더는 NaOH와 BH4 가 적절하게 혼합된 분말인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  27. 제 1 항에 있어서,
    상기 가열장치는 상기 연료공급장치의 연료탱크에서 상기 연료전지스택의 연료극으로 공급되는 연료를 가열하는 열전모듈로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  28. 제 27 항에 있어서,
    상기 연료 공급라인에는 상기 열전모듈과 접촉되어 상기 열전모듈의 방열 작용에 의해 연료를 가열하는 가열통이 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  29. 제 27 항에 있어서,
    상기 연료전지스택에서 상기 연료탱크로 연료가 회수되는 연료 회수라인에는 상기 열전모듈의 흡열작용을 이용하여 연료를 냉각시키는 냉각통과, 상기 냉각통에서 결정화된 NaBO2를 걸러주는 연료필터가 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  30. 제 29 항에 있어서,
    상기 냉각통은 상기 열전모듈의 저온측 세라믹 기판이 장착되어 상기 열전모듈의 흡열 작용에 의해 냉각되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  31. 제 29 항에 있어서,
    상기 연료필터는 상기 냉각통과 연료탱크 사이를 연결하는 연료회수라인에 장착되는 케이스와, 상기 케이스의 내부에 설치되어 결정화된 NaBO2를 걸러주는 거름망으로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
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