KR100810366B1 - Apparatus for fueling in direct methanol fuel cell - Google Patents

Apparatus for fueling in direct methanol fuel cell Download PDF

Info

Publication number
KR100810366B1
KR100810366B1 KR1020010033425A KR20010033425A KR100810366B1 KR 100810366 B1 KR100810366 B1 KR 100810366B1 KR 1020010033425 A KR1020010033425 A KR 1020010033425A KR 20010033425 A KR20010033425 A KR 20010033425A KR 100810366 B1 KR100810366 B1 KR 100810366B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
fuel
gas
fuel cell
membrane
tank
Prior art date
Application number
KR1020010033425A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20020095492A (en
Inventor
박구곤
신동열
정두환
김창수
Original Assignee
삼성전자주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 삼성전자주식회사 filed Critical 삼성전자주식회사
Priority to KR1020010033425A priority Critical patent/KR100810366B1/en
Publication of KR20020095492A publication Critical patent/KR20020095492A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR100810366B1 publication Critical patent/KR100810366B1/en

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

전해질의 양측에 위치된 연료극과 공기극을 가지며, 상기 연료극측과 공기극측에는 연료 및 공기가 각각 순환 공급되도록 하는 공급구 및 배출구를 구조를 갖는 DMFC의 셀에 연료를 공급함과 동시에 전지반응에 의해 발생하는 이산화탄소(CO2) 배기 가스를 배출하도록 하는 구조를 갖는 연료 공급 장치를 제공한다. 상기 연료 공급 장치는 연료를 내부에 저장하는 연료 탱크의 일면에 저장 연료를 배출하는 연료 공급구 및 스택으로부터 배출되는 가스를 받아들이는 배가스 입구가 형성되어 상기 연료 전지 스택의 연료극 측에 밀봉 결합되는 연결부가 형성되고, 상기 연료 탱크의 외측면의 일부분에 고정 결합되어 연료 탱크 내부에 채워진 가스만을 상기 가스의 압력에 의해 탱크 외부로 배출하는 멤브레인을 가지는 가스 배출부가 형성된다.
The fuel electrode and the cathode are located on both sides of the electrolyte, and the fuel and air are supplied to the cells of the DMFC having a supply port and an outlet port for circulating and supplying fuel and air to the anode side and the cathode side, respectively. Provided is a fuel supply device having a structure for discharging carbon dioxide (CO 2 ) exhaust gas. The fuel supply device includes a fuel supply port for discharging the stored fuel and an exhaust gas inlet for receiving gas discharged from the stack on one surface of the fuel tank for storing the fuel therein, the coupling part being sealingly coupled to the anode side of the fuel cell stack. And a gas discharge part having a membrane fixedly coupled to a portion of the outer surface of the fuel tank and discharging only the gas filled in the fuel tank to the outside of the tank by the pressure of the gas.

연료전지, DMFC, 이산화탄소 가스 배출, 메탄올Fuel Cell, DMFC, CO2 Emissions, Methanol

Description

연료 전지의 연료 공급 장치{APPARATUS FOR FUELING IN DIRECT METHANOL FUEL CELL} Fuel supply device for fuel cell {APPARATUS FOR FUELING IN DIRECT METHANOL FUEL CELL}             

도 1은 직접 메탄올 연료 전지의 원리를 설명하기 위한 개략도를 도시한 도면. 1 shows a schematic diagram for explaining the principle of a direct methanol fuel cell;

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료 전지의 연료 공급 장치의 단면도를 도시한 도면.
2 is a cross-sectional view of a fuel supply apparatus of a fuel cell according to a preferred embodiment of the present invention.

〈도면의 주요부분에 대한 부호설명〉<Code Description of Main Parts of Drawing>

20: 연료 공급 장치, 22 : 연료 전지 스택,20: fuel supply device, 22: fuel cell stack,

24 : 연료 탱크, 26 : 연료,24: fuel tank, 26: fuel,

28 : 연료 공급구, 30 : 배가스 입구,28: fuel supply port, 30: exhaust gas inlet,

32 : 연료 주입구, 34 : 가스-업 영역,32: fuel inlet, 34: gas-up area,

36 : 가스 투과 맴브레인, 38, 40 : 막지지체.
36: gas permeable membrane, 38, 40: membrane support.

본 발명은 연료 전지의 연료 공급 장치에 관한 것으로, 특히 직접 메탄올 연료 전지(Direct methanol fuel cell ; 이하 "DMFC"라 칭함)의 셀에 연료를 공급함과 동시에 전지반응에 의해 발생하는 이산화탄소(CO2) 배기 가스를 배출하도록 하는 구조를 갖는 연료 공급 장치에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fuel supply device for a fuel cell, and in particular, to supply fuel to a cell of a direct methanol fuel cell (hereinafter referred to as "DMFC") and to generate carbon dioxide (CO 2 ) generated by a cell reaction. A fuel supply apparatus having a structure for discharging exhaust gas.

연료 전지는 이미 잘 알려진 바와 같이, 연료로서 사용되는 수소와 공기중의 산소를 직접 연소시키는 대신에, 이온만 통과시킬 수 있는 전해질을 통하여 수소 이온만이 이동시키고 이와 함께 전자가 이동하는 전기화학반응을 일으킴으로써 전기를 발생시키는 고효율의 발전장치를 말한다. 이러한 연료 전지는 여러 종류가 존재하는데, 두 개의 전극사이에 형성된 전해질의 재질에 따라 분류된다. 예를 들면, 전해질이 고체상의 고분자인 것을 고분자 전해질 연료 전지라고 하며, 연료를 기체인 수소를 사용하지 않고 물과 혼합된 메탄올을 연료로 사용하는 연료 전지를 직접메탄올 연료 전지(Direct methanol fuel cell, DMFC)라고 한다. DMFC는 에너지밀도가 수소를 연료로 사용하는 경우에 비하여 낮으나 연료의 취급이 용이하고 운전온도가 낮기 때문에 초소형화가 가능한 특징을 갖는다. 이와 같은 장점으로 인하여 1차 및 2차 전지를 대체하기 위한 최적 동력원으로서 DMFC가 주목을 받고있다. 직접메탄올 연료 전지의 구조와 발전원리의 개략도는 도 1과 같다. The fuel cell, as is well known, instead of directly burning hydrogen used as fuel and oxygen in the air, an electrochemical reaction in which only hydrogen ions move and electrons move through an electrolyte that can pass only ions. It refers to a high-efficiency power generation device that generates electricity by generating a. There are many kinds of such fuel cells, which are classified according to the material of the electrolyte formed between the two electrodes. For example, a polymer electrolyte fuel cell, in which an electrolyte is a solid polymer, is called a polymer electrolyte fuel cell, and a fuel cell using methanol mixed with water as a fuel without using hydrogen as a gas as a direct methanol fuel cell (Direct methanol fuel cell, DMFC). DMFC has a lower energy density than hydrogen, but it is easy to handle fuel and has a low operating temperature. Due to these advantages, DMFC has attracted attention as an optimal power source for replacing primary and secondary batteries. A schematic diagram of the structure and power generation principle of a direct methanol fuel cell is shown in FIG. 1.

도 1은 직접 메탄올 연료 전지의 원리를 설명하기 위한 개략도를 도시한 도면이다. 도 1을 참조하면, 연료 전지의 하우징 10내의 중앙 부위에는 폴리머 막(polymer membrane)의 재질로서 이온 교환막으로 사용하기 위한 고분자 전해질층(electrolyte layer) 12가 위치된다. 상기 전해질층 12의 양측에는 연료극 14와 공기극 16이 위치되어 구성된다. 상기 연료극 14와 공기극 16들 각각은 탄소 섬유 종이와 같은 다공성의 전도성 촉매 지지체 위에 다공성의 백금/탄소, 백금+루테늄/탄소 등의 촉매층을 부착시켜 제조된다. 메탄올과 물이 혼합된 연료 18은 상기 하우징 10내에서 전기 화학적으로 반응하여(메탄올은 산화됨) 하기 화학식 1과 같이 연료극(음극) 14에서 이산화탄소, 수소이온 및 전자를 생성한다. 화학식 1과 같은 반응을 통하여 연료극 14에서 생성된 수소이온은 고분자 전해질 12를 통과하여 공기극(양극) 16으로 이동하여 산소와 반응(보통 공기로부터)하여 하기 수학식 2와 같이 물을 생성한다. 이때 연료극 14에서 생성된 전자들은 외부회로를 통해 양극으로 이동하며, 그 결과 전류의 흐름이 생긴다. 이러한 과정의 전체 반응은 하기 화학식 3과 같이 메탄올과 산소가 반응하여 물과 이산화탄소를 생성한다. 실제 시스템에서 이러한 반응은 전극 내의 백금기초 전극촉매 물질의 존재 하에서 일어난다.
1 is a schematic diagram illustrating the principle of a direct methanol fuel cell. Referring to FIG. 1, a polymer electrolyte layer 12 for use as an ion exchange membrane as a material of a polymer membrane is positioned at a central portion of a housing 10 of a fuel cell. The anode 14 and the cathode 16 are positioned at both sides of the electrolyte layer 12. Each of the anode 14 and the cathode 16 is made by attaching a catalyst layer of porous platinum / carbon, platinum + ruthenium / carbon, etc. on a porous conductive catalyst support such as carbon fiber paper. The fuel 18 mixed with methanol reacts electrochemically in the housing 10 (methanol is oxidized) to generate carbon dioxide, hydrogen ions, and electrons at the anode 14 as shown in Chemical Formula 1 below. Hydrogen ions generated in the anode 14 through the reaction as shown in Chemical Formula 1 move through the polymer electrolyte 12 to the cathode (anode) 16 to react with oxygen (usually from air) to generate water as shown in Equation 2 below. At this time, the electrons generated in the anode 14 move to the anode through an external circuit, resulting in a current flow. In the overall reaction of this process, methanol and oxygen react to produce water and carbon dioxide, as shown in Formula 3 below. In a practical system this reaction takes place in the presence of platinum based electrocatalyst material in the electrode.

연료전극(음극) 반응

Figure 112001014198772-pat00001
Fuel electrode (cathode) reaction
Figure 112001014198772-pat00001

공기전극(양극) 반응

Figure 112001014198772-pat00002
Air electrode (anode) reaction
Figure 112001014198772-pat00002

전체반응

Figure 112001014198772-pat00003
Overall reaction
Figure 112001014198772-pat00003

상기 화학식 3의 전체반응에서 확인할 수 있듯이 액상인 메탄올 1 mol이 반응하면 마찬가지로 1 mol의 이산화탄소 가스가 생성된다. 메탄올의 밀도는 약 0.786 g/ml로 액상 1 mol의 부피는 40.64 ㎖이며, 메탄올이 반응해서 생성된 기상의 이산화탄소 가스는 동일한 조건에서 22.4 ℓ의 부피를 가진다. 즉, 1 mol의 액상 메탄올이 소모될 때, 생성되는 이산화탄소 가스의 부피는 약 550배에 이르게 된다. As can be seen in the overall reaction of Chemical Formula 3, when 1 mol of methanol is reacted, 1 mol of carbon dioxide gas is generated. The volume of the liquid phase density of the methanol is 1 mol to about 0.786 g / m l is 40.64 ㎖, carbon dioxide gas of the vapor of methanol generated by the reaction has a volume of 22.4 ℓ under the same conditions. That is, carbon dioxide produced when 1 mol of liquid methanol is consumed The volume of gas reaches about 550 times.

연료 전지의 화학 반응에서 연료의 원활한 공급은 가장 기본적인 필요 조건이라 할 수 있다. 액상의 연료를 사용하는 DMFC에서 주입식으로 연료를 공급할 때에는 단위전지 성능 시험이나 강제로 연료를 흘려주는 방식과는 다른 연료공급 방법이 필요하다. The smooth supply of fuel in the chemical reaction of a fuel cell is the most basic requirement. Injecting fuel from DMFC using liquid fuel requires a fuel supply method different from the unit cell performance test or forced fuel supply method.

DMFC에서 연료 전지의 내부로 연료를 공급하기 위한 장치가 미국인 "Robert G. Hockaday"에 의해 발명되어 1998년 6월 2일자 특허된 미합중국특허 5,759,712에 개시되어 있다. 상기 선행 특허에 개시된 연료 전지는 단순히 액상연료의 공급 측면에만 주안점을 둔 것을 기술하고 있다. 예를 들면, 연료 전지의 플라스틱 케이스에 내장된 연료통(fuel bottle)에 주입된 액상 연료를 모세관(capillary tube)으로 형성된 연료 바늘(fuel needle)을 통해 연료 전지로 공급하는 기술적 구성이다. 즉, 상기 선행특허는 모세관 현상을 이용하여 연료통 내에 채워진 연료를 연료 전 지로 공급하는 방식이다. 그러나, 상기 선행특허에 개시된 연료공급장치는 연료통이 밀폐되어 있어서 연료 전지 스택(fuel cell stack)에서 발생하는 이산화탄소 배가스에 의해 전지 성능의 효율이 양호하지 못하게 되는 문제가 있었다. An apparatus for supplying fuel into a fuel cell in a DMFC is disclosed in US Pat. No. 5,759,712, which was invented by American “Robert G. Hockaday” and patented June 2, 1998. The fuel cell disclosed in the above patent discloses only a focus on the supply side of liquid fuel. For example, a technical configuration of supplying liquid fuel injected into a fuel bottle embedded in a plastic case of a fuel cell to a fuel cell through a fuel needle formed of a capillary tube. That is, the prior patent is a method of supplying the fuel filled in the fuel container to the fuel cell using a capillary phenomenon. However, the fuel supply apparatus disclosed in the above patent has a problem that the efficiency of the cell performance is not good due to the carbon dioxide exhaust gas generated in the fuel cell stack because the fuel container is sealed.

DMFC는 상기한 화학식 1, 2 및 3에서 설명한 바와 같이, 액상의 메탄올이 소모될 때 생성된 이산화탄소 가스에 의한 부피 팽창은 약 550배에 이르며, 이렇게 생성된 이산화탄소 가스가 원활히 제거되지 않으면, 메탄올과 전극의 접촉을 방해하여 전극성능을 떨어뜨리는 원인이 된다. 또한 연료 전지 시스템이 밀폐된 형태라면, 연료 전지 스택에서 생성된 이산화탄소 가스에 의한 전극의 연료 접촉 방해할 뿐만 아니라 연료 용기 내 압력의 증가로 인한 밀봉 부분의 연료 누설이 우려된다. 만일 연료 공급부와 연료 전지 스택이 외부로 개방된 형태라면, 연료의 외부 유출 가능성으로 인해 휴대용 전원으로 적용하기가 곤란하며, 휘발성이 우수한 메탄올의 경우 증발에 의한 손실이 생긴다. 더욱이 반응에 따른 시스템의 온도가 상승하면 증발에 의한 연료의 손실은 더욱 심각한 문제가 된다.
As described in Chemical Formulas 1, 2, and 3, DMFC has a volume expansion of about 550 times by the carbon dioxide gas generated when the liquid methanol is consumed. If the carbon dioxide gas is not removed smoothly, Interfering with the contact of the electrode is a cause of degradation of the electrode performance. In addition, if the fuel cell system is in a sealed form, not only the fuel contact of the electrode by the carbon dioxide gas generated in the fuel cell stack is disturbed, but also fuel leakage of the sealing portion due to the increase in pressure in the fuel container is concerned. If the fuel supply unit and the fuel cell stack are open to the outside, it is difficult to apply the portable power supply due to the possibility of the fuel leaking out, and in the case of methanol having high volatility, a loss due to evaporation occurs. Moreover, the loss of fuel due to evaporation is a more serious problem if the temperature of the system is increased by reaction.

따라서, 본 발명의 목적은 DMFC의 안정적이고 연속적인 운전을 위해서, 연료의 화학반응에 의해 생성된 가스에 대한 원활한 제거와 연료의 공급을 동시에 가능하게 하는 연료공급 장치를 제공함에 있다. Therefore, it is an object of the present invention to produce a stable and continuous operation of DMFC, The present invention provides a fuel supply device that enables smooth removal of gas and supply of fuel at the same time.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 전해질의 양측에 위치된 연료 극과 공기극을 가지며, 상기 연료극측과 공기극측에는 연료 및 공기가 공급되도록 하는 공급구(supply port) 및 배출구(exhaust port)의 구조를 갖는 연료 전지 스택을 가지는 연료 전지에 있어서, 연료를 내부에 저장하는 연료 탱크의 일면에 저장 연료를 배출하는 연료 공급구 및 스택으로부터 배출되는 가스를 받아들이는 배가스 입구가 형성되어 상기 연료 전지 스택의 연료극 측에 밀봉 결합되는 연결부가 형성되고, 상기 연료 탱크 내의 가스 업 영역(gas up area) 부분의 측면에 상기 연료 탱크 내부에 채워진 가스만을 상기 가스의 압력에 의해 탱크 외부로 배출하는 멤브레인을 가지는 가스 배출부가 형성됨을 특징으로 한다. The present invention for achieving the above object has a fuel electrode and an air electrode located on both sides of the electrolyte, the supply port (exhaust port) and the exhaust port (exhaust port) for supplying fuel and air to the anode side and the cathode side A fuel cell having a fuel cell stack having a structure, the fuel cell stack having a fuel supply port for discharging stored fuel and an exhaust gas inlet for receiving gas discharged from the stack on one surface of a fuel tank for storing fuel therein; A connection portion sealingly coupled to the anode side of the fuel tank and having a membrane on the side of a portion of a gas up area in the fuel tank for discharging only the gas filled in the fuel tank to the outside of the tank by the pressure of the gas. Characterized in that the gas discharge portion is formed.

상기와 같이 구성된 본 발명의 연료 공급 장치는 일정한 크기의 미세한 구성을 가지는 기체투과성 멤브레인(Membrane)을 탱크의 가스 업 영역 부분의 측면에 설치하여, 탱크내의 연료를 연료 전지 스택의 연료극으로 공급함과 동시에 상기 연료극에서의 반응에 의해 생성된 이산화탄소 가스를 선택적으로 장치 외부로 배출한다. The fuel supply device of the present invention configured as described above is provided with a gas permeable membrane (Membrane) having a fine configuration of a constant size on the side of the gas up region portion of the tank, while supplying the fuel in the tank to the anode of the fuel cell stack The carbon dioxide gas generated by the reaction at the anode is selectively discharged to the outside of the apparatus.

바람직하기론, 상기 기체투과성 멤브레인은 불소수지섬유(Polyfluorine), 폴리알켄(polyalkene), 셀절러스익(cellulosics), 폴리비닐(polyvinyls) 폴리술폰(polysulfons), 폴리아미드(polyaimde) 계열의 수지를 이용하는 것이 좋으며, 상기 불소수지섬유로서는 테프론(Teflon)을 사용할 수 있다. Preferably, the gas permeable membrane is a resin of polyfluorine, polyalkene, cellulosics, polyvinyls, polysulfons, and polyamide resins. Good, Teflon (Teflon) can be used as the fluororesin fiber.

상기 기체투과성 멤브레인에 형성된 미세한 구멍(세공)은 약 0.2 내지 0.6 ㎛의 직경을 가지는 것이 바람직하다. Fine pores (pores) formed in the gas permeable membrane preferably has a diameter of about 0.2 to 0.6 ㎛.

그리고, 상기 막지체는 다공성 재질의 실리콘파이버(silicon fiber)를 사용 하는 것이 바람직하며, 상기 가스 배출부의 최 외곽측의 연료 탱크의 하우징에는 다수의 구멍이 형성되어 있다.
In addition, it is preferable that the membrane member is made of porous silicon fiber, and a plurality of holes are formed in the housing of the fuel tank on the outermost side of the gas discharge part.

이하 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 DMFC의 연료 공급 장치의 구성과 그 구성에 따라 연료를 연료 전지 스택으로 공급하는 과정 및 연료극에서 생성된 배가스를 연료 전지 시스템의 외부로 배출하는 과정을 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 이 분야의 통상의 지식을 가진 자들에게 있어서 너무나 자명한 구성요소들에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상세한 설명은 생략될 것이다. Hereinafter, a process of supplying fuel to a fuel cell stack and a process of discharging exhaust gas generated from the anode to the outside of the fuel cell system according to the configuration of the fuel supply device of the DMFC according to a preferred embodiment of the present invention and the configuration thereof It will be described in detail with reference to. In addition, in describing the present invention, when it is determined that a detailed description of components that are too obvious to those skilled in the art may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description thereof will be omitted. Will be.

상술한 설명 및 관련 도면들은 오직 본 발명의 바람직한 실시예를 나타내기 위한 것으로 이해되어야 한다. 당업자에 있어 첨부된 청구항들에 개시된 본 발명의 범위 및 정신을 벗어남 없이 본 발명의 다양한 변형 및 수정이 있음을 명백하다는 것임에 유의하여야 한다. It is to be understood that the above description and the accompanying drawings are intended to represent only preferred embodiments of the invention. It should be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations of the present invention are apparent without departing from the scope and spirit of the invention as set forth in the appended claims.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료 전지의 연료 공급 장치의 단면도를 도시한 도면이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 연료 공급 장치 20은 연료 전지 스택 22에 밀봉 결합되어 위치된다. 예를 들면, 연료 탱크 24내에 주입된 연료 26이 연료 공급구 28을 통해 연료 전지 스택 22의 연료극 측으로 공급되도록 함과 동시에 연료극의 반응에 의해 생성된 이산화탄소 가스가 배가수 입구 30를 통해 다시 연료 탱크 24내로 원활하게 유입되도록 되어 있다. 즉, 연료 탱크 24의 하부면의 연결부 42에는 연료 공급구 28와 배가스 입구 30이 형성되어 있으며, 이러한 연료 공급구 28과 배가스 입구 30은 적절한 개수로 형성된다. 상기 연료 탱크 24의 상부면에는 가스 배출부 44가 형성되어 있다. 본 발명의 실시예에 있어서, 상기 가스 배출부 44는 상부측에 위치되어 있으나, 연료 탱크 24의 내부에서 이산화탄소 가스가 가장 잘 모일 수 있는 가스 업 영역 34의 부근에 설치되는 것이 바람직하다. 여기서, 가스 업 영역 34이라 함은 연료 탱크 24내에서 이산화탄소 가스가 가장 잘 모일 수 있도록 한 위치를 의미하는 것으로, 연료 탱크 24의 형상을 적절하게 설계하므로서 그 위치를 선정할 수도 있으며, 가스측정에 의해서도 그 위치를 적절하게 선정할 수 있다. 본 발명의 실시예에 있어서 가스 배출부 44는 연료 탱크 24의 상부측에 위치되어 있다. 상기 가스 배출부 44는 탱크 24중에서 돌출된 영역의 측벽 사이에 멤브레인 36이 끼워져 결합되며, 상기 멤브레인 36의 상부 및 그 하부에는 막지지체 38 및 40에 위치되어 있다. 그리고, 상기 막지지체 36의 상부에 위치된 연료 탱크 24의 외벽은 탱크내의 이산화탄소 가스가 원활하게 외부로 배출될 수 있도록 다수의 배기공 46이 형성되어 있다. 2 is a cross-sectional view of a fuel supply apparatus of a fuel cell according to a preferred embodiment of the present invention. Referring to FIG. 2, the fuel supply device 20 according to the embodiment of the present invention is positioned in a sealed manner to the fuel cell stack 22. For example, while the fuel 26 injected into the fuel tank 24 is supplied to the anode side of the fuel cell stack 22 through the fuel supply port 28, the carbon dioxide gas generated by the reaction of the anode is supplied again through the drainage inlet 30. It is supposed to flow smoothly into 24. That is, the fuel supply port 28 and the exhaust gas inlet 30 are formed in the connection part 42 of the lower surface of the fuel tank 24, The fuel supply port 28 and the exhaust gas inlet 30 is formed in an appropriate number. The gas discharge part 44 is formed on the upper surface of the fuel tank 24. In the embodiment of the present invention, the gas outlet 44 is located on the upper side, but is preferably installed in the vicinity of the gas up area 34 where carbon dioxide gas can be best collected inside the fuel tank 24. Here, the gas up area 34 means a position where the carbon dioxide gas is best collected in the fuel tank 24. The gas up area 34 may be selected by appropriately designing the shape of the fuel tank 24. Also, the position can be appropriately selected. In an embodiment of the invention the gas outlet 44 is located on the upper side of the fuel tank 24. The gas outlet 44 is fitted with a membrane 36 sandwiched between sidewalls of the protruding region of the tank 24, and is positioned on the membrane supports 38 and 40 above and below the membrane 36. The outer wall of the fuel tank 24 positioned above the membrane support 36 has a plurality of exhaust holes 46 so that carbon dioxide gas in the tank can be smoothly discharged to the outside.

상기와 같은 멤브레인 36의 재질로서는 연료 전지의 연료로 사용되는 메탄올 수용액은 통과하지 못하고, 기체상태의 이산화탄소 가스만이 통과 할 수 있도록 미세공을 가지는 합성수지를 사용한다. 예를 들면, 불소수지섬유(Polyfluorine), 폴리알켄(polyalkene), 셀절러스익(cellulosics), 폴리비닐(polyvinyls) 폴리술폰(poly sulfons), 폴리아미드(polyaimde) 계열의 수지를 이용하는 것이 좋 으며, 상기 불소수지섬유로서는 테프론(Teflon)을 사용하는 것이 바람하다. 그리고, 상기 막지지체 38 및 40으로는 다공성 재질의 실리콘 파이버(silicon fiber)가 사용될 수 있다. As the material of the membrane 36, a synthetic resin having micropores is used so that the aqueous methanol solution used as the fuel of the fuel cell does not pass, and only gaseous carbon dioxide gas can pass therethrough. For example, it is preferable to use resins of polyfluorine, polyalkene, cellulosics, polyvinyls poly sulfons, and polyamide resins. It is preferable to use Teflon as the fluororesin fiber. As the membrane supports 38 and 40, a silicon fiber made of a porous material may be used.

도 2와 같은 연료 공급 장치는 연료 전지 스택과 일체형 또는 별도의 연결 도구를 이용한 분리형으로 제작이 가능함에 유의하여야 한다. It should be noted that the fuel supply device as shown in FIG. 2 may be manufactured in an integrated form with a fuel cell stack or a separate type using a separate connection tool.

도 2를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 연료 공급 장치를 이용하여 연료 전지 스택의 연료극으로 연료를 공급하는 동작과 그로부터 생성된 이산화탄소 가스를 연료 전지 시스템의 외부로 배출하는 동작에 대하여 상세하게 설명한다. The operation of supplying fuel to the anode of the fuel cell stack using the fuel supply device according to the embodiment of the present invention and the operation of discharging carbon dioxide gas generated therefrom to the outside of the fuel cell system will be described in detail with reference to FIG. 2. do.

지금, 연료 탱크 24의 상부에 형성된 연료 주입구 32를 통하여 연료가 공급되어 그 내부가 수용성 용액인 메탄올로 채워지기 시작하면, 중력과 연료를 누르는 압력과 연결부 42의 연료 공급구 28을 통하여 연료 전지 스택 22의 연료극으로 상기 연료가 공급된다. 이때, 상기 연료 주입구 32는 실리콘 러버 등의 재질이며, 연료 탱크 24내의 연료 공급은 주사기 등을 이용하여 주입한다. Now, when fuel is supplied through the fuel inlet 32 formed in the upper portion of the fuel tank 24 and the inside thereof is filled with methanol, which is an aqueous solution, the fuel cell stack through the fuel supply port 28 of the connection 42 with gravity and fuel pressing pressure. The fuel is supplied to the anode of 22. In this case, the fuel injection port 32 is made of a silicon rubber or the like, and the fuel supply in the fuel tank 24 is injected using a syringe or the like.

상기와 같이 연료 전지 스택으로 연료가 공급되면, 전술한 바와 같이 연료 전지 스택 22내의 연료극에서 생성된 이산화탄소 가스가 연결부 42의 하부에 형성된 배가스 입구 30을 통해 원활히 연료 탱크 24내로 유입된다. 이때 이산화탄소가스와 연료의 흐름은 도 1에서 도시된 바와 같이 반대가 되는데, 연료 전지 스택 22와 연료공급장치 20의 연결부 42에서 서로의 흐름에 큰 영향을 미치지 않을 만큼 충분히 넓은 공간을 가진다. 또한 연료공급장치 20은 생성된 이산화탄소 가스가 멤브레인 36이 위치하는 곳으로 모여지는 원활하게 모여지도록 설계되는 것이 바람직 하다. When the fuel is supplied to the fuel cell stack as described above, the carbon dioxide gas generated at the anode in the fuel cell stack 22 is smoothly introduced into the fuel tank 24 through the exhaust gas inlet 30 formed at the lower portion of the connection portion 42 as described above. At this time, the flow of the carbon dioxide gas and the fuel is reversed, as shown in FIG. 1, and the fuel cell stack 22 and the connection portion 42 of the fuel supply device 20 have a space large enough to not significantly affect the flow of each other. In addition, the fuel supply device 20 is preferably designed so that the generated carbon dioxide gas is smoothly collected where the membrane 36 is located.

연료 전지 스택 22의 반응에 의해 생성된 이산화탄소 가스가 계속적으로 배가스 입구 30을 통해 가스 업 영역 34에 모이게 되고, 반응 시간이 지속되어 가스 업 영역 34로 모인 이산화탄소 가스의 양이 많아지게 되면, 연료 탱크 24의 정해진 공간 내에 압력이 증가한다. 증가한 압력이 구동힘(driving force)으로 작용하여 상기 가스 업 영역 34에 모여 있던 이산화탄소 가스가 가스 배출부 44를 구성하고 있는 막지지체 36, 38에 형성된 다수의 통기공과 멤브레인 36 및 연료 탱크 24의 하우징에 형성된 통기공 46를 통해 연료 전지 시스템의 외부로 배출된다. When the carbon dioxide gas generated by the reaction of the fuel cell stack 22 is continuously collected in the gas up zone 34 through the exhaust gas inlet 30, and the reaction time is continued, the amount of carbon dioxide gas collected in the gas up zone 34 becomes large. The pressure increases within the defined space of 24. Increased pressure acts as a driving force, so that a plurality of vents formed in the membrane supporters 36 and 38 and the housing of the membrane 36 and the fuel tank 24 in which the carbon dioxide gas collected in the gas up zone 34 constitutes the gas outlet 44 It is discharged to the outside of the fuel cell system through the vent 46 formed in the.

상기 멤브레인 36의 상부와 하부에는 멤브레인 36의 물리적인 변형을 최소화시키기 위한 막지지체들 38, 40이 고정위치되어 있다. 여기에서 사용되는 멤브레인 36은 화학적으로 메탄올에 안정하며, 0.2 ∼ 0.5 ㎛범위의 세공을 가져 액상인 메탄올 수용액은 이를 통과하지 못하고 이산화탄소 가스만을 선택적으로 통과시키는 특성을 가지고 있다. 멤브레인 36의 재질은 불소수지섬유, 폴리알켄, 셀절러스익, 폴리비닐, 폴리술폰, 폴리아미드 계열의 수지를 이용하는 것이 좋으며, 상기 불소수지섬유로서는 테프론(Teflon)을 사용할 수 있다. Membrane supports 38 and 40 are fixedly positioned at the top and bottom of the membrane 36 to minimize physical deformation of the membrane 36. Membrane 36 used herein is chemically stable to methanol, and has a pore in the range of 0.2 to 0.5 μm, so that a liquid methanol aqueous solution does not pass therethrough and has a characteristic of selectively passing only carbon dioxide gas. As the material of the membrane 36, it is preferable to use a fluororesin fiber, polyalkene, celsus blade, polyvinyl, polysulfone, or a polyamide-based resin. Teflon may be used as the fluororesin fiber.

본 발명의 실시예에 있어서는 연료 탱크 24의 외측면중 가스 배출구 44의 가장 외측의 하우징에는 다수의 통기공 46이 형성되도록 하였으나, 필요에 따라서는 막지지체 38이 최외곽이 되도록 고정 부착하여도 동일한 효과를 가질 수 있다. 이때에는 막지지체 38가 연료 탱크 24에서 분리되지 않도록 본딩을 정확하게 하거나, 요홈 등을 통해 연료 탱크 24에 고정 부착하여야 한다. In the embodiment of the present invention, a plurality of vent holes 46 are formed in the outermost housing of the gas outlet 44 among the outer surfaces of the fuel tank 24, but if necessary, the membrane support 38 may be fixedly attached to the outermost part. Can have an effect. At this time, the membrane support 38 should be bonded correctly so as not to be separated from the fuel tank 24, or fixedly attached to the fuel tank 24 through grooves.                     

상기한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 연료 공급 장치는 연료 전지 스택의 연료를 원활하게 공급함과 동시에 연료극의 반응에 의해 그로부터 생성된 스택의 이산화탄소 가스를 연료 탱크를 통하여 시스템의 외부로 배출하므로써 연료누출, 연료와 전극의 접촉향상을 도모할 수 있어 연료 전지 시스템의 운전을 안정적으로 할 수 있다. As described above, the fuel supply apparatus according to the embodiment of the present invention smoothly supplies fuel of the fuel cell stack and simultaneously discharges carbon dioxide gas of the stack generated by the reaction of the anode to the outside of the system through the fuel tank. It is possible to improve fuel leakage and improve contact between the fuel and the electrode, thereby making it possible to stably operate the fuel cell system.

상기한 실시예에서는 연료 탱크의 일부분에서 이산화탄소 가스를 배출하는 구성을 설명하였으나, 본 발명은 탱크의 형상에 관계없이 적용이 가능함에 유의하여야 한다. 예를 들면, 연료 탱크의 형상이 원통인 경우에는 멤브레인, 막지지체들을 원통형의 형상으로 형성하고, 연료 탱크의 적절한 위치에 통기공을 형성할 수도 있다.
In the above embodiment, a configuration of discharging carbon dioxide gas from a portion of the fuel tank has been described, but it should be noted that the present invention can be applied regardless of the shape of the tank. For example, when the shape of the fuel tank is cylindrical, the membrane and the membrane supporters may be formed in a cylindrical shape, and vent holes may be formed at appropriate positions of the fuel tank.

상술한 바와 같이 본 발명은, 연료 탱크의 일측면에 일정한 크기 범위의 세공을 가지는 브레인(Membrane)을 설치하므로써 DMFC 시스템에 대한 연료의 공급과 연료 전지 스택에서 생성된 이산화탄소 가스를 원활하게 제거할 수 있다. 따라서, 전극에서 생성된 이산화탄소 가스의 원활한 제거 연료와 전극의 접촉 향상을 도모하여 안정적인 스택 성능을 가질 수 있다. 또한, 전극에서 생성된 이산화탄소 가스의 원활하게 제거하므로써 시스템 내부의 과도한 압력 증가 방지, 밀봉 부분의 약해짐에 의한 연료 누설 방지를 꾀할 수 있어 안정적인 스택 성능을 도모할 수 있다. 그리고, 시스템 내부에 항상 일정한 압력조건을 유지하므로써 안정적인 연료공 급할 수 있으며, 연료전지 스택 운전에 의한 온도상승이 원인이 된 연료 휘발에 의한 손실 감소시킬 수 있어 장시간 운전이 가능하다.As described above, the present invention can smoothly remove carbon dioxide gas generated from the fuel cell stack and fuel supply to the DMFC system by installing a brain having a predetermined size range of pores on one side of the fuel tank. have. Therefore, smooth removal of the carbon dioxide gas produced by the electrode can be achieved to improve the contact between the fuel and the electrode can have a stable stack performance. In addition, by smoothly removing the carbon dioxide gas generated from the electrode, it is possible to prevent excessive pressure increase inside the system and to prevent fuel leakage due to weakening of the sealing portion, thereby achieving stable stack performance. In addition, it is possible to supply stable fuel by maintaining a constant pressure condition inside the system at all times, and it is possible to reduce the loss due to the volatilization of fuel caused by the temperature rise due to the fuel cell stack operation, thereby enabling long-term operation.

Claims (7)

전해질의 양측에 위치된 연료극과 공기극을 가지며, 상기 연료극측과 공기극측에는 연료 및 공기가 각각 순환 공급되도록 하는 공급구 및 배출구를 구조를 갖는 연료 전지 스택을 가지는 연료 전지에 있어서, A fuel cell having a fuel electrode stack having a fuel electrode and an air electrode positioned at both sides of an electrolyte, and having a supply port and a discharge port configured to circulate and supply fuel and air to the fuel electrode side and the air electrode side, respectively. 연료를 내부에 저장하는 연료 탱크의 일면에 저장 연료를 배출하는 연료 공급구 및 스택으로부터 배출되는 가스를 받아들이는 배가스 입구가 형성되어 상기 연료 전지 스택의 연료극 측에 밀봉 결합되는 연결부가 형성되고, A fuel supply port for discharging the stored fuel and an exhaust gas inlet for receiving the gas discharged from the stack are formed on one surface of the fuel tank storing the fuel therein, and a connection part sealingly coupled to the anode side of the fuel cell stack is formed. 상기 연료 탱크의 외측면의 일부분에 고정 결합되어 연료 탱크 내부에 채워진 가스만을 상기 가스의 압력에 의해 탱크 외부로 배출하는 기체 투과성 멤브레인을 가지는 가스 배출부가 형성되고,A gas discharge part having a gas-permeable membrane fixedly coupled to a portion of an outer surface of the fuel tank to discharge only the gas filled in the fuel tank to the outside of the tank by the pressure of the gas, 상기 가스 배출부는 상기 멤브레인의 형상의 변경을 방지하기 위하여 멤브레인 양측에 위치되어 연료 탱크의 외측면에 고정 결합된 막지지체를 포함함을 특징으로 하는 연료 전지의 연료 공급 장치.And the gas discharge part includes a membrane supporter fixed to the outer surface of the fuel tank and positioned on both sides of the membrane to prevent a change in the shape of the membrane. 제1항에 있어서, 상기 기체 투과성 멤브레인은 불소수지섬유, 폴리알켄, 셀절러스익, 폴리비닐, 폴리술폰, 폴리아미드 계열의 수지들중 어느 하나의 수지임을 특징으로 하는 연료 전지의 연료 공급 장치. The fuel supply device of claim 1, wherein the gas permeable membrane is a resin of any one of fluororesin fibers, polyalkenes, celsus vulcanis, polyvinyl, polysulfone, and polyamide-based resins. 제2항에 있어서, 상기 불소수지섬유는 테프론(Teflon)임을 특징으로 한는 연료 전지의 연료 공급 장치.The fuel supply device for a fuel cell of claim 2, wherein the fluororesin fiber is Teflon. 삭제delete 제1항에 있어서, 상기 막지지체는 다공성 재질의 실리콘파이버임을 특징으로 하는 연료 공급 장치. The fuel supply apparatus of claim 1, wherein the membrane support is a silicon fiber made of a porous material. 제5항에 있어서, 상기 가스 배출부의 가장 외곽측의 연료 탱크의 하우징에는 다수의 구멍이 형성됨을 특징으로 하는 연료 공급 장치. The fuel supply apparatus according to claim 5, wherein a plurality of holes are formed in a housing of the fuel tank at the outermost side of the gas discharge part. 제1, 2, 3, 5, 6항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 기체 투과성 멤브레인에 형성된 미세한 구멍은 약 0.2 내지 0.6 ㎛의 직경임을 특징으로 하는 연료 전지의 연료 공급 장치. The fuel supply device for a fuel cell according to any one of claims 1, 2, 3, 5, and 6, wherein the minute holes formed in the gas permeable membrane have a diameter of about 0.2 to 0.6 mu m.
KR1020010033425A 2001-06-14 2001-06-14 Apparatus for fueling in direct methanol fuel cell KR100810366B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020010033425A KR100810366B1 (en) 2001-06-14 2001-06-14 Apparatus for fueling in direct methanol fuel cell

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020010033425A KR100810366B1 (en) 2001-06-14 2001-06-14 Apparatus for fueling in direct methanol fuel cell

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20020095492A KR20020095492A (en) 2002-12-27
KR100810366B1 true KR100810366B1 (en) 2008-03-04

Family

ID=27709107

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020010033425A KR100810366B1 (en) 2001-06-14 2001-06-14 Apparatus for fueling in direct methanol fuel cell

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR100810366B1 (en)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100670348B1 (en) * 2005-06-24 2007-01-16 삼성에스디아이 주식회사 Liquid-gas separator for direct liquid feed fuel cell
KR100673755B1 (en) 2005-10-21 2007-01-24 삼성에스디아이 주식회사 Fuel cell system being capable of without fuel pump

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5697972A (en) * 1980-01-07 1981-08-07 Hitachi Ltd Fuel cell
JPS5835875A (en) * 1981-08-26 1983-03-02 Hitachi Ltd Liquid fuel direct generating fuel cell
JPH07169482A (en) * 1993-12-17 1995-07-04 Toshiba Corp Fuel cell power plant
US5773162A (en) * 1993-10-12 1998-06-30 California Institute Of Technology Direct methanol feed fuel cell and system
KR20000069902A (en) * 1997-01-06 2000-11-25 로버트 지 호커데이 Surface replica fuel cell for micro fuel cell electrical power pack

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5697972A (en) * 1980-01-07 1981-08-07 Hitachi Ltd Fuel cell
JPS5835875A (en) * 1981-08-26 1983-03-02 Hitachi Ltd Liquid fuel direct generating fuel cell
US5773162A (en) * 1993-10-12 1998-06-30 California Institute Of Technology Direct methanol feed fuel cell and system
JPH07169482A (en) * 1993-12-17 1995-07-04 Toshiba Corp Fuel cell power plant
KR20000069902A (en) * 1997-01-06 2000-11-25 로버트 지 호커데이 Surface replica fuel cell for micro fuel cell electrical power pack

Also Published As

Publication number Publication date
KR20020095492A (en) 2002-12-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100834349B1 (en) Fuel cartridge for fuel cells
KR100670348B1 (en) Liquid-gas separator for direct liquid feed fuel cell
KR100751365B1 (en) Liquid-gas separator for direct liquid feed fuel cell
US7709130B2 (en) Fuel cell
US20070015032A1 (en) Method and apparatus for water management of a fuel cell system
JP2003290645A (en) Fuel cartridge and reaction chamber
CN100463274C (en) Liquid-gas separator for direct liquid feed fuel cell
US7544436B2 (en) Fuel cell
KR20190055635A (en) Fuel cell membrane humidifier
KR20070081285A (en) Air and liquid separator using fuel cell
CN108390082B (en) Separator for direct liquid feed fuel cell
JP3447875B2 (en) Direct methanol fuel cell
JP5171781B2 (en) Passive fuel cell assembly
KR100810366B1 (en) Apparatus for fueling in direct methanol fuel cell
KR20190081735A (en) Fuel cell membrane humidifier capable of controlling flow direction of fluid
KR100840046B1 (en) Fuel cell-use fuel storing body
KR20190085716A (en) Hollow fiber cartridge capable of controlling flow direction of fluid and fuel cell membrane humidifier comprising it
KR100776504B1 (en) Fuel cell system
JP2007095400A (en) Fuel cartridge
JP2005524952A (en) Fuel supply system and method of using the same
JP4390482B2 (en) Fuel cell system
JP5241125B2 (en) Fuel cell module
JP2006278295A (en) Fuel cell unit and fuel cell unit assembly
KR100684806B1 (en) Carbon dioxide remover for direct oxydation fuel cell and fuel cell system with the same
JP4656584B2 (en) Direct liquid fuel cell system

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
G170 Publication of correction
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20130130

Year of fee payment: 6

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20140128

Year of fee payment: 7

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20150129

Year of fee payment: 8

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20160128

Year of fee payment: 9

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20170125

Year of fee payment: 10

LAPS Lapse due to unpaid annual fee