KR100829428B1 - Ｂ화합물을 연료로 하는 연료전지의 연료탱크 - Google Patents

Abstract

본 발명 B화합물을 연료로 하는 연료전지의 연료탱크(100)는 일측에 혼합액 유입관(101)이 설치되어 있고, 타측에 배출관(102)이 형성되어 있으며 내측에 일정크기의 공간부(103)가 형성되어 있는 탱크본체(110)와, 그 탱크본체(110)의 내부를 상기 혼합액 유입관(101)으로 유입된 BH₄ ^- , BO₂, 2H₂O의 혼합액이 저장되는 혼합액 저장실(111)과 BH₄ ^-가 저장되는 순수연료저장실(112)로 구획되도록 일정 높이로 설치되는 연료분리판(120)으로 구성되어, BH₄ ^- , BO₂, 2H₂O의 혼합액이 탱크본체(110)의 일측에 설치된 혼합액 유입관(102)을 통하여 탱크본체(110)의 내측에 형성된 혼합액 저장실(111)로 유입이 된후, 비중이 높은 BO₂ ^- 의 상부에 상대적으로 비중이 낮은 BH₄ ^- 가 층을 이루며 분리되어 일정높이로 설치된 연료분리판(120)의 상단부를 넘어서 순수연료 저장실(112)로 계속 유입이 되고, 그와 같이 순수연료 저장실(112)에 유입된 BH₄ ^- 만 배출관(102)을 통하여 스택(10)으로 공급됨에 따라 급격한 농도변화로 인한 성능저하 현상이 발생되는 것이 방지된다.

Description

Ｂ화합물을 연료로 하는 연료전지의 연료탱크{FUEL TANK FOR FUEL CELL}

도 1은 본 발명의 연료탱크가 구비된 B화합물을 연료로 하는 연료전지를 보인 개략구성도.

도 2는 본 발명에 따른 스택의 단일셀구조를 나타내는 단면도.

도 3은 본 발명에 따른 연료탱크를 보인 종단면도.

도 4는 본 발명에 따른 연료탱크의 변형예를 보인 종단면도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 스택 22 : 양극

23 : 음극 100 : 연료탱크

101 : 혼합액유입관 102 : 유입관

103 : 공간부 110 : 탱크 본체

111 : 혼합액 저장실 112 : 순수연료 저장실

120 : 연료분리판 201 : 프렉시블 튜브

202 : 무게추

본 발명은 외부로 부터 공급되는 연료와 공기의 전기화학반응을 통하여 전기를 생성하는 연료전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 스택에 공급되는 BH₄ ^- 의 농도가 급격히 변화하는 것을 방지할 수 있도록 한 B화합물을 연료로 하는 연료전지의 연료탱크에 관한 것이다.

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 있고, 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.

이와 같은 연료전지에 공급되는 수소는 LNG, LPG, CH₃OH, 가솔린 등의 탄화수소계(CH계열) 연료를 개질기에서 탈황공정→개질반응→수소정제공정을 거쳐 수소(H₂)만을 정제하여 가스형태로 사용되거나 고체상태의 BH₄ ^- 를 수용액 상태로 만들어 직접 연료로 사용하는 BFC방식으로 사용되어진다.

상기 BFC방식의 연료전지는 개질기를 사용하지 않고 발전장치인 스택(STACK) 의 양극에 수용액상태의 BH₄ ^- 를 직접 공급하는 방식으로 전극에서 개질반응이 일어나기 때문에 개질기가 불필요하게 되어 전체 시스템을 간소화 시킬 수 있다는 큰 장점이 있다.

그러나, 상기와 같은 종래의 BH₄ ^- 를 연료로 사용하는 연료전지는 연료탱크에 저장되어 있는 수용액 상태의 BH₄ ^- 중에 스택에서 공기와 반응 후 회수된 BO₂ 도 함께 혼합되어 있는데, 그 BO₂는 BH₄ ^- 에 비하여 비중이 커서 연료탱크의 하측에 많이 존재하므로, 연료탱크를 교체한 후 일정시간이 경과되면 연료탱크의 저부에 존재하는 BO₂가 하측에 연결된 연료공급관을 통하여 스택으로 많이 공급되면서 발전효율을 저하시키는 문제점이 있었다.

또한, 상술한 바와 같이 연료탱크의 저부에 존재하는 BO₂는 시간이 지나고 점차적으로 농도가 증가함에 따라 겔(GEL)화 되면서 하측의 공급부 관로가 막히는 문제점이 있었다.

본 발명의 주목적은 상기와 같은 여러 문제점을 갖지 않는 B화합물을 연료로 하는 연료전지의 연료탱크를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 일정시간이 경과되어도 연료탱크에서 BO₂가 스택에 주로 공급되어 발전성능이 급격히 저하되는 것을 방지하도록 하는데 적합한 B화합물을 연료로 하는 연료전지의 연료탱크를 제공함에 있다.

본 발명의 또다른 목적은 BO₂에 의하여 연료탱크의 흡입구 관로가 막히는 것을 방지하여 스택에 연료의 공급이 항상 원할하게 이루어지도록 하는데 적합한 B화합물을 연료로 하는 연료전지의 연료탱크를 제공함에 있다.

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 연료탱크에 저장된 B화합물을 스택의 양극에 공급하고, 공기를 스택의 음극에 공급하며, 그 공급되는 B화합물과 공기의 화학반응으로부터 기전력을 얻는 연료전지에 있어서,

상기 연료탱크는 일측에 스택에서 공급되는 BH₄ ^- , BO₂, 2H₂O의 혼합액이 유입되는 혼합액 유입관이 설치되어 있고, 타측에 BH₄ ^- 만을 배출하는 배출관이 형성되어 있으며 내측에 일정크기의 공간부가 형성되어 있는 탱크본체와,

그 탱크본체의 내부를 상기 혼합액 유입관으로 유입된 BH₄ ^- , BO₂, 2H₂ O의 혼합액이 저장되는 혼합액 저장실과 BH₄ ^-가 저장되는 순수연료저장실로 구획되도록 설치되는 연료분리판을 구비하여 구성되는 것을 특징으로 하는 B화합물을 연료로 하는 연료전지의 연료탱크가 제공된다.

이하, 상기와 같이 구성된 본 발명 B화합물을 연료로 하는 연료전지의 연료 탱크를 첨부된 도면의 실시예를 참고하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 연료탱크가 구비된 B화합물을 연료로 하는 연료전지를 보인 개략구성도이다.

도시된 바와 같이, 연료전지(1)의 전체 구성은 전기를 발생하는 스택(10)의 일측에 수용액 상태의 BH₄ ^- 를 저장하기 위한 연료탱크(100)가 구비되어 있는데, 그 연료탱크(100)와 스택(10)의 양극에는 연료공급라인(30)과 연료회수라인(40)으로 연결되어 있으며, 그 연료공급라인(30)에는 연료를 펌핑하기 위한 연료펌프(300)가 설치되어 있다.

그리고, 상기 스택(10)의 음극에는 공기공급라인(50)과 공기배출라인(60)이 설치되어 있는데, 그 공기공급라인(50)에는 공급되는 공기를 펌핑하기 위한 공기펌프(70)가 설치되어 있다.

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.

상기 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.

상기 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.

상기 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.

상기 연료탱크(100)는 도 3에 도시된 바와 같이, 일측에 스택(10)에서 공급되는 BH₄ ^- , BO₂, 2H₂O의 혼합액이 유입되는 혼합액 유입관(101)이 설치되어 있고, 타측에 BH₄ ^- 만을 배출하는 배출관(102)이 형성되어 있으며 내측에 일정크기의 공간부(103)가 형성되어 있는 탱크본체(110)와, 그 탱크본체(110)의 내부를 상기 혼합액 유입관(101)으로 유입된 BH₄ ^- , BO₂, 2H₂O의 혼합액이 저장되는 혼합액 저장실(111)과 BH₄ ^-가 저장되는 순수연료저장실(112)로 구획되도록 일정 높이로 설치되는 연료분리판(120)으로 구성되어 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 연료탱크를 구비한 연료전지의 작용효과를 설명한다.

조작자가 연료전지(1)의 스위치를 조작하면 전자제어부(미도시)에서 미리 설정된 제어 프로그램에 따라 연료펌프(300)를 동작시켜서 연료탱크(100)에 저장되어 있는 수용액 상태의 BH₄ ^- 를 연료공급라인(30)을 통하여 스택(10)의 양극에 공급함과 동시에 공기펌프(70)를 동작시켜서 공기공급라인(50)을 통하여 스택(10)의 음극으로 공기가 공급되도록 한다.

상기와 같이 스택(10)에 공급되는 수용액상태의 BH₄ ^- 는 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.

이때의 반응식은 다음과 같다.

BH₄ ^- + 2O₂ →2H₂O + BO₂ ^- E₀ = 1.64 V

그리고, 상기와 같이 스택(10)으로 공급되어 반응하고난 후의 BH₄ ^- , BO₂, 2H₂O의 혼합액은 연료회수라인(40)을 통하여 회수되며, 그와 같이 회수되는 연료혼합액은 탱크본체(110)의 일측에 설치된 혼합액 유입관(102)을 통하여 탱크본체(110)의 내측에 형성된 혼합액 저장실(111)로 유입이 된다.

그후, 혼합액 저장실(111)에 유입된 혼합액은 비중이 높은 BO₂ ^- 의 상부에 상대적으로 비중이 낮은 BH₄ ^- 가 층을 이루며 분리가 되어지고, 그와 같이 분리되는 BH₄ ^- 가 일정높이로 설치된 연료분리판(120)의 상단부를 넘어서 순수연료 저장실(112)로 계속 유입이 되어지며, 그와 같이 순수연료 저장실(112)에 유입된 BH₄ ^- 만 배출관(102)을 통하여 스택(10)으로 공급되어 진다.

즉, 상기와 같이 연료탱크(100)에서 스택(10)에 공급되어지는 연료는 주로 농도가 높은 BH₄ ^- 가 공급되어지기 때문에 연료전지(1)의 동작시 급격한 농도변화로 성능이 저하되는 것이 방지되어 진다.

도 4는 본 발명에 따른 연료탱크의 변형예를 보인 종단면도로서, 도시된 바와 같이, 기본적인 구조는 도 3의 연료탱크 구조와 동일하며, 다만 순수연료 저장실(112)의 내측에 상기 배출관(102)의 내측단부에 연결되도록 플렉시블 튜브(FLEXIBLE TUBE)(201)가 설치되어 있고, 그 플렉시블 튜브(201)의 단부에는 무 게추(202)가 설치되어 있어서, 순수연료 저장실(112)의 저부에 있는 BH₄ ^- 까지도 배출관(102)을 통하여 스택(10)으로 공급될 수 있도록 되어 있다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 B화합물을 연료로 하는 연료전지의 연료탱크는 탱크본체의 내측을 순수연료 분리판으로 혼합액 저장실과 순수연료 저장실로 분리되도록 구획하고, 그 순수연료 저장실에 저장되는 BH₄ ^- 만 스택에 공급되도록 함으로써, 급격한 농도변화로 인한 성능저하현상이 발생되는 것을 방지하는 효과가 있다.

또한, 연료탱크에서 BH₄ ^-만을 배출관을 통하여 스택에 공급하기 때문에 BO₂에 의한 관로 막힘이 발생되는 것을 방지하는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 연료탱크에 저장된 B화합물을 스택의 양극에 공급하고, 공기를 스택의 음극에 공급하며, 그 공급되는 B화합물과 공기의 화학반응으로부터 기전력을 얻는 연료전지에 있어서,

   상기 연료탱크는 일측에 스택에서 공급되는 BH₄ ^- , BO₂, 2H₂O의 혼합액이 유입되는 혼합액 유입관이 설치되어 있고, 타측에 BH₄ ^- 만을 배출하는 배출관이 형성되어 있으며 내측에 일정크기의 공간부가 형성되어 있는 탱크본체와,

   그 탱크본체의 내부를 상기 혼합액 유입관으로 유입된 BH₄ ^- , BO₂, 2H₂ O의 혼합액이 저장되는 혼합액 저장실과 BH₄ ^-가 저장되는 순수연료저장실로 구획되도록 설치되는 연료분리판을 구비하여 구성되는 것을 특징으로 하는 B화합물을 연료로 하는 연료전지의 연료탱크.
2. 제 1항에 있어서, 상기 순수연료 저장실의 내측에는 배출관에 연결되는 플렉시블 튜브가 설치되고, 그 플렉시블 튜브의 단부에 무게 추가 설치되는 것을 특징으로 하는 B화합물을 연료로 하는 연료전지의 연료탱크.

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