KR100776471B1 - 세미-패시브형 연료전지 시스템의 특성회복장치 - Google Patents

세미-패시브형 연료전지 시스템의 특성회복장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 애노드 전극과 대기에 노출되어 있는 캐소드 전극이 양측에 각각 제공된 멤브레인으로 이루어진 전기 발생부를 갖는 패시브형 연료전지 시스템의 특성회복장치에 관한 것으로서, 상기 캐소드 전극의 노출면을 둘러싸는 덕트와, 상기 덕트에 유체소통이 가능하게 연결되는 배기수단을 포함하거나 또는 상기 캐소드 전극의 노출면을 둘러싸고 상부에 통기공이 형성되어 있고 측면에 배기관이 제공되어 있는 하우징을 포함하는 것을 특징으로 하므로, 배기수단의 작동에 의해서 덕트 내부에 상대적으로 낮은 저압을 형성하거나 또는 하우징 내부에서 캐소드 전극의 노출면에 배압을 형성시켜 캐소드 전극에 잔류하는 물과 불순물을 제거함으로써 산화제의 유입경로를 회복시켜 패시브형 연료전지 시스템의 발전효율을 향상시킬 수 있다.
덕트, 배기수단, 배압형성장치, 플러딩현상

Description

세미-패시브형 연료전지 시스템의 특성회복장치{APPARATUS FOR ACTIVATING SEMI-PASSIVE TYPE FUEL CELL SYSTEM}
도 1은 세미-패시브형 연료전지 시스템의 개략도;
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 특성회복장치가 연료전지 시스템에 설치된 상태를 나타낸 도면;
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 특성회복장치가 연료전지 시스템에 설치된 상태를 나타낸 도면;
도 4는 도 3의 하우징의 사시도;
도 5는 종래 실시예에 따른 패시브형 연료전지 시스템에서의 물관리 기술을 나타낸 도면.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
10 : 전극막 조립체
12 : 멤브레인
14 : 캐소드 전극
16 : 애노드 전극
20 : 연료저장부
30 : 블로어
40 : 덕트
50 : 배기수단
140 : 하우징
142 : 통기공
144 : 배기관
[특허문헌 1] 미국 공개특허공보 2004-0209154A1
본 발명은 세미-패시브형 연료전지 시스템의 특성을 회복하기 위한 장치에 관한 것이고, 더 상세하게 대기에 노출되어 있는 캐소드 전극의 노출면에 배압(back pressure)을 인가하거나 또는 상대적으로 낮은 압력을 형성시켜 캐소드 전극으로부터 물과 불순물을 강제로 제거함으로써 산화제의 유입경로를 회복시켜 발전효율을 향상시킬 수 있는 세미-패시브형 연료전지 시스템의 특성회복 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 환경문제나 자원문제를 해결하기 위한 방안으로서 천연가스 등 의 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 시스템에 있어서, 단위전지의 배열상태, 예를 들어 단위전지가 적층되어 있는 상태와 단위전지가 평면에 배열되어 있는 상태에 따라서 액티브형과 패시브형으로 각각 분류될 수 있다. 패시브형 연료전지에 있어서 캐소드 전극은 대기에 노출된 상태로 유지된다. 한편, 캐소드 전극에 대한 공기의 공급효율을 향상시키기 위한 캐소드 전극의 상부에 블로어를 설치한 세미-패시브형 연료전지가 공개되어 있다.
이러한 세미-패시브형 연료전지가 작동하는 경우에 있어서, 대기에 노출되어 개방되어 있는 캐소드 전극 측에는 압력강하(pressure drop)가 없기 때문에 캐소드 플러딩(flooding) 현상에 의해서 발전효율이 저하되었다.
즉, 수소와 산소의 전기화학적 반응에 의해서 캐소드 전극에서는 물이 생성되고 이러한 물이 캐소드 전극에서 배출되지 못하고 산화제의 유입경로를 차단함으로써 연료전지 시스템의 발전효율이 저하되었다.
한편, 미국 공개특허공보 2004-0209154A1(특허문헌 1)에는 멤브레인의 캐소드 측에 소수성 캐소드 부재(hydrophobic cathode element)를 제공한 연료전지 시스템(도 3 참조)이 개시되어 있다. 종래의 연료전지 시스템에 있어서, 소수성 캐소드 부재에 의해서 캐소드 전극에서 과량의 물이 손실되는 것을 방지하고 또한 소수성에 의해서 야기되는 수압에 의해서 물을 애노드 전극측으로 공급할 수 있었다. 그러나, 이러한 연료전지 시스템에 있어서도 캐소드 전극에 잔류하는 물에 의해서 산화제의 유입경로가 차단되어 문제점을 근본적으로 해결할 수는 없었다.
본 발명은 상기된 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 캐소드 전극이 대기에 노출되어 있는 세미-패시브형 연료전지 시스템에 있어서 발전부의 발전동작이 수행되는 동안 캐소드 전극에서 잔류하는 물과 불순물을 외부로 배출시켜서 산화제 유입경로를 회복시켜 발전효율을 향상시킬 수 있는 세미-패시브형 연료전지 시스템의 특성회복장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 대기에 노출되어 있는 캐소드 전극에 상대적으로 낮은 압력을 형성하여 캐소드 전극에서 잔류하는 물과 불순물을 외부로 배출시켜서 산화제 유입경로를 회복시켜 발전효율을 향상시킬 수 있는 세미-패시브형 연료전지 시스템의 특성회복장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 대기에 노출되어 있는 캐소드 전극에 상대적으로 높은 압력의 배압을 형성한 후에 배압을 해소하는 과정을 통해서 캐소드 전극에서 잔류하는 물과 불순물을 외부로 배출시켜서 산화제 유입경로를 회복시켜 발전효율을 향상시킬 수 있는 세미-패시브형 연료전지 시스템의 특성회복장치를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면, 애노드 전극과 대기에 노출되어 있는 캐소드 전극이 양측에 각각 제공된 멤브레인으로 이루어진 전기 발생부를 갖는 세미-패시브형 연료전지 시스템의 특성회복장치는 상기 캐소드 전극 측에 상대적으로 낮은 압력을 형성시키는 저압형성수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 저압형성수단은 상기 캐소드 전극의 노출면을 둘러싸는 덕트와, 상기 덕트에 유체소통이 가능하게 연결되어 있는 배기수단으로 이루어질 수 있다. 상기 배기수단은 진공펌프로 이루어질 수 있다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 애노드 전극과 대기에 노출되어 있는 캐소드 전극이 양측에 각각 제공된 멤브레인으로 이루어진 전기 발생부와, 상기 캐소드 전극에 공기를 취입하기 위한 블로어를 갖는 세미-패시브형 연료전지 시스템의 특성회복장치는 상기 캐소드 전극 측에 상대적으로 높은 압력의 배압을 형성하는 배압형성수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 배압형성수단은 상기 캐소드 전극을 둘러싸는 하우징을 포함하고, 상기 블로어에 대면하는 상기 하우징은 상부에 복수개의 통기공이 형성되고, 상기 하우 징의 측면에 배기관이 제공되며, 상기 배기관에는 개폐밸브가 제공된다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다.
도 1은 세미-패시브형 연료전지 시스템의 개략도이고, 도 2는 본 발명에 따른 특성회복장치가 연료전지 시스템에 설치된 상태를 나타낸 도면이다.
먼저, 세미-패시브형 연료전지 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이 수소와 산소의 전기화학반응을 통해서 전기를 생성하는 발전부를 포함한다. 상기 발전부는 선택적 이온투과성을 갖는 고분자막(12)과, 고분자막(12)의 양면에 각각 제공된 애노드 전극(16) 및 캐소드 전극(14)으로 이루어진 전극막 조립체(MEA)(10)를 구비한 단위전지를 갖는다. 캐소드 전극(14)은 대기에 노출된 상태로 유지된다.
연료전지 시스템은 또한 상기 발전부가 수용되는 수용공간을 갖는 케이싱(미도시)을 갖는다. 상기 케이싱에 있어서, 상기 발전부의 일측, 즉 상기 애노드 전극(16)의 하부에는 수소함유연료가 저장되는 연료저장부(20)가 제공되고, 상기 발전부의 타측, 즉 캐소드 전극(14)의 상부에는 대기중의 산소와 같은 산화제를 공급하기 위한 블로어(30; blower)가 제공된다.
상기 케이싱의 연료저장부(20)에는 연료 공급부(미도시)로부터 공급되는 수소함유연료, 예를 들어 물과 혼합되어 희석되어 있는 저농도의 메탄올 용액이 저장될 수 있다.
상술된 바와 같은 구조를 갖는 패시브형 연료전지 시스템이 정상적으로 운전되는 경우에, 발전부의 애노드 전극(16)과 캐소드 전극(14)에서 이루어지는 전기화 학반응은 예를 들어 하기 반응식과 같다.
애노드 반응: CH3OH + H2O → CO2 + 6H+ + 6e_
캐소드 반응: (3/2)O2 + 6H+ + 6e_ → 3H2O
전체 반응: CH3OH + (3/2)O2 → 2H2O + CO2
즉, 애노드 전극(16)에서는 메탄올과 물의 반응에 의하여 이산화탄소 및 6개의 수소이온과 전자가 생성된다(산화반응). 생성된 수소이온은 멤브레인(12), 예를 들어 수소이온 교환막을 거쳐 캐소드 전극(14)에 전달된다. 캐소드 전극(14)에서는 수소이온과, 외부회로를 통해 전달된 전자와, 산소가 반응하여 물을 생성한다(환원반응). 전체적으로는, 메탄올과 산소가 반응하여 물과 이산화탄소를 생성하고, 또한 전기를 생성한다. 이때, 생성된 전기는 집전체(미도시)를 통해서 외부로 제공된다.
한편, 세미-패시브형 연료전지 시스템의 발전부가 정상적으로 발전동작을 수행하는 동안에 캐소드 전극(14)에서 생성되는 물이 외부로 배출되어 산화제의 유입경로를 양호한 상태로 유지하게 된다. 그러나, 물이 원활하게 외부로 배출되지 못하고 캐소드 전극(14)에 잔류하는 경우에는 산화제의 유입유로가 잔류하는 물에 의해서 막혀지게 된다. 이는 산화제의 원활한 공급을 방해하여 상기 발전부의 발전효율이 저하된다. 즉, 상기 집전체를 통해서 얻어지는 출력전압이 기준치 미만으로 저하된다.
따라서, 상기 집전체를 통한 출력전압이 기준치 미만으로 떨어지면 캐소드 전극(14)에 잔류하는 물을 강제로 배출시켜야 한다. 이러한 물 배출작업은 본 발명의 실시예에 따라서 상기 발전부에서의 발전동작을 정지시킨 후에 이루어지거나 또는 발전동작이 수행되는 동안 이루어질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 세미-패시브형 연료전지 시스템의 특성회복장치는 저하된 출력전압을 향상시킬 수 있도록 캐소드 전극(14)에 잔류하는 물을 배출시키기 위하여 캐소드 전극(14) 측에 상대적으로 낮은 압력을 형성할 수 있는 저압형성수단을 제공한다. 상기 저압형성수단의 작동에 의해서, 캐소드 전극(14) 측에 상대적으로 낮은 압력이 형성되면, 캐소드 전극에 잔류하는 물이 저압이 작용하는 방향, 즉 캐소드 전극(14)의 외부로 배출된다.
이때, 캐소드 전극(14)으로부터 물 뿐만 아니라 캐소드 전극(14)에 축적되어 있는 불순물들도 외부로 배출된다.
상기 저압형성수단은 캐소드 전극(14)의 노출측을 둘러싸는 폐쇄형 덕트(40)와, 덕트(40)에 유체소통이 가능하게 연결되는 배기수단(50)으로 이루어질 수 있다. 배기수단(50)은 예를 들어 진공펌프로 구성될 수도 있다.
따라서, 배기수단(50)이 작동하면 덕트(40) 내부의 공기가 배기수단(50) 측으로 배기되고 그 결과 덕트(40) 내부에는 상대적으로 낮은 압력이 유지된다. 이에 의해서 덕트(40) 내부에서 캐소드 전극(14) 노출측에는 저압이 작용하게 되며, 이러한 저압에 의해 캐소드 전극(14)에 잔류하는 물과 불순물 등이 배출됨으로써 캐소드 전극(14)에는 산화제가 유입될 수 있는 유입경로가 회복될 수 있다.
이 후에, 상술된 바와 같이 전극막 조립체(10)의 캐소드 전극(14)에 대한 특성회복작업이 수행된 후에 상기 저압형성수단을 제거한다. 그리고, 상기 발전부가 발전동작을 수행하도록 수소함유연료와 산화제를 공급한다. 이때, 수소함유연료와 산화제는 회복된 유입경로를 따라서 원활하게 공급되므로 세미-패시브형 연료전지 시스템의 발전효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 도 3과 도 4에 도시되어 있는 바와 같이 세미-패시브형 연료전지 시스템의 특성회복장치는 저하된 출력전압을 향상시킬 수 있도록 캐소드 전극(14)에 잔류하는 물을 배출시키기 위하여 캐소드 전극(14) 측에 형성되는 상대적으로 높은 압력을 순간적으로 낮출 수 있는 배압형성수단을 제공한다. 상기 배압형성수단의 작동에 의해서, 캐소드 전극(14) 측에 형성되는 상대적으로 높은 압력이 순간적으로 낮추어지면, 캐소드 전극에 잔류하는 물은 압력이 낮아지는 방향, 즉 캐소드 전극(14)의 외부로 배출된다.
이때, 캐소드 전극(14)으로부터 물 뿐만 아니라 캐소드 전극(14)에 축적되어 있는 불순물들도 외부로 배출된다.
상기 배압형성수단은 캐소드 전극(14)의 노출 측을 둘러싸는 하우징(140)을 포함한다. 하우징(140)에 있어서, 블로어(30)에 대면하는 상부에는 복수개의 통기공(142)이 형성되고, 측면에는 공기가 배출될 수 있는 배기관(144)이 제공된다. 배기관(144)의 단부에는 배기관을 개폐시킬 수 있는 개폐밸브(144a)가 제공된다.
따라서, 하우징(140)이 캐소드 전극(14)의 노출 측에 제공된 상태에서, 블로 어(30)를 통해서 공급되는 공기는 도 3에 화살표로 나타낸 바와 같이 통기공(142)을 통해서 하우징(140)의 내부로 유입되고, 이러한 공기는 외부로 배출되지 못하고 하우징(140)의 내부에 축적된다. 공기의 축적결과, 캐소드 전극(14)의 노출측에는 상대적으로 높은 압력의 배압(back pressure)이 형성된다.
상술된 바와 같이 배압이 형성된 상태에서, 세미-패시브형 연료전지 시스템의 발전부가 정상적으로 발전동작을 수행하는 동안 캐소드 전극(14)에서 생성되는 물이 원활하게 외부로 배출되지 못하게 되어 상기 발전부의 출력전압이 기준치 미만으로 저하되면, 개폐밸브(144a)를 순간적으로 개방시킨다.
개폐밸브(144a)가 개방되는 순간 하우징(140) 내부의 공기가 배기관(144)을 통해서 외부로 배출되면서 배압이 해소된다. 이때, 하우징(140) 내부의 배압이 해소되면서 캐소드 전극(14)에 잔류하는 물은 강제로 배출되고, 그 결과 캐소드 전극(14)에는 산화제가 유입될 수 있는 유입경로가 회복될 수 있다.
본 발명에 따르면, 세미-패시브형 스택의 발전동작이 수행되는 동안 캐소드 전극에서 외부로 배출되지 못하고 잔류하는 물과 불순물을 강제로 배출시키기 위하여 캐소드 전극의 노출측에 형성되는 상대적으로 높은 압력의 배압을 순간적으로 해소하거나 또는 캐소드 전극의 노출 측에 상대적으로 낮은 압력을 형성함으로써 캐소드 전극에 있어서 산화제의 유입경로를 회복시켜 발전부에서의 발전효율을 향상시킬 수 있다.

Claims (8)

  1. 애노드 전극과 대기에 노출되어 있는 캐소드 전극이 양측에 각각 제공된 멤브레인으로 이루어진 전기 발생부를 갖는 세미-패시브형 연료전지 시스템의 특성회복장치에 있어서,
    상기 캐소드 전극 측에 상대적으로 낮은 압력을 형성하는 저압형성수단을 포함하되,
    상기 저압형성수단은 상기 캐소드 전극의 노출면을 둘러싸는 폐쇄형 덕트와, 상기 폐쇄형 덕트에 유체소통이 가능하게 연결되어 있는 배기수단으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 세미-패시브형 연료전지 시스템의 특성회복장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 배기수단은 진공펌프인 것을 특징으로 하는 세미-패시브형 연료전지 시스템의 특성회복장치.
  4. 애노드 전극과 대기에 노출되어 있는 캐소드 전극이 양측에 각각 제공된 멤브레인으로 이루어진 전기 발생부와, 상기 캐소드 전극에 공기를 취입하기 위한 블로어를 갖는 세미-패시브형 연료전지 시스템의 특성회복장치에 있어서,
    상기 캐소드 전극 측에 상대적으로 높은 압력의 배압을 형성하는 배압형성수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 세미-패시브형 연료전지 시스템의 특성회복장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 배압형성수단은 상기 캐소드 전극을 둘러싸는 하우징을 포함하는 것을 특징으로 하는 세미-패시브형 연료전지 시스템의 특성회복장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 블로어에 대면하는 상기 하우징의 상부에는 복수개의 통기공이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 세미-패시브형 연료전지 시스템의 특성회복장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 하우징의 측면에는 배기관이 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 세미-패시브형 연료전지 시스템의 특성회복장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 배기관에는 개폐밸브가 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 세미-패시브형 연료전지 시스템의 특성회복장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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