KR100842229B1 - 연료전지용 유체 탱크 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지의 물 조절기 시스템에 사용되는 유체 탱크로서, 액상성분과 기상성분이 유입되어 그 중 이산화탄소와 공기를 외부로 배출하고 액상성분을 연료전지 스택으로 공급하는 내부공간을 형성하는 하우징이 밀폐형의 외측 케이스와 밀폐형의 내측 케이스의 이중 구조로 이루어져 있고, 상기 밀폐형 케이스들 사이에는 물이 채워져 있으며, 하우징 일측 면의 외측 케이스와 내측 케이스 상에 각각 하나 또는 둘 이상의 기액 분리막이 형성되어 있고, 하우징 타측 면의 외측 케이스와 내측 케이스 상에 각각 하나 또는 둘 이상의 기액 분리막이 형성되어 있어서, 상기 내부공간의 기상성분이 외부로 배출될 때 상기 내측 및 외측 케이스 사이의 물을 통과하는 것을 특징으로 하는 유체 탱크, 및 그러한 유체 탱크를 포함하고 있는 연료전지를 제공한다.

따라서, 본 발명에 따른 연료전지용 유체 탱크는 연료전지에서 배출되는 미반응 메탄올 기체의 외부 방출을 억제할 수 있고, 기울어지거나 도립된 상태에서도 이산화탄소가 정상적으로 배출될 수 있는 효과가 있다.

Description

연료전지용 유체 탱크 {Fluid Tank for Fuel Cell}

도 1은 일반적인 직접 메탄올 연료전지 시스템의 구성도이다;

도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 유체 탱크의 모식도이다;

도 3은 도 2의 유체 탱크의 정면 투시도이다.

본원발명은 연료전지용 유체 탱크에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 연료전지의 물 조절기 시스템에 사용되는 유체 탱크로서, 액상성분과 기상성분이 유입되어 그 중 이산화탄소와 공기를 외부로 배출하고 액상성분을 연료전지 스택으로 공급하는 내부공간을 형성하는 하우징이 밀폐형의 외측 케이스와 밀폐형의 내측 케이스의 이중 구조로 이루어져 있고, 상기 밀폐형 케이스들 사이에는 물이 채워져 있으며, 하우징 일측 면의 외측 케이스와 내측 케이스 상에 각각 하나 또는 둘 이상의 기액 분리막이 형성되어 있고, 하우징 타측 면의 외측 케이스와 내측 케이스 상에 각각 하나 또는 둘 이상의 기액 분리막이 형성되어 있어서, 상기 내부공간의 기 상성분이 외부로 배출될 때 상기 내측 및 외측 케이스 사이의 물을 통과하는 것을 특징으로 하는 유체 탱크, 및 그러한 유체 탱크를 포함하고 있는 연료전지에 관한 것이다.

연료전지는 연료(수소 또는 메탄올)와 산화제(산소 또는 공기)를 전기화학적으로 반응시켜 생기는 화학적 에너지를 직접 전기적 에너지로 변환시키는 새로운 발전 시스템으로서 높은 에너지 효율성과 오염물 배출이 적은 친환경적인 특징으로 차세대 에너지원으로 주목 받고 있으며 연구 개발되고 있다.

연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라, 인산형 연료전지, 알칼리형 연료전지, 고분자 전해질형 연료전지, 용융 탄산염형 연료전지, 및 고체 산화물형 연료전지로 분류되며, 그 중에서도 상기 고분자 전해질 연료전지는 수소 가스를 연료로 하는 수소이온 교환막 연료전지와 액상의 메탄올을 직접 연료로 산화극에 공급하여 사용하는 직접 메탄올 연료전지 등으로 분류되기도 한다.

고분자 전해질 연료전지는 100℃ 미만의 낮은 작동온도, 고체 전해질의 사용에 의한 누수문제 배제, 빠른 시동과 응답 특성 및 우수한 내구성 등의 장점으로 인하여 휴대용, 차량용 및 가정용 전원장치로 각광을 받고 있다. 특히, 직접 메탄올 연료전지는 다른 형태의 연료전지에 비하여 연료공급 체계가 단순하고 전체적으로 장치가 간단하여 소형화가 가능하기 때문에 휴대용 연료전지로의 연구가 계속 진행되고 있다.

도 1에는 일반적인 직접 메탄올 연료전지 시스템이 모식적으로 도시되어 있다.

도 1을 참조하면, 연료전지 시스템(10)은 고분자 물질로 구성된 전해질 막을 중심으로 양측에 공기극(양극)과 연료극(음극)이 위치하는 연료전지 스택(20); 양극에 연료로서 산소를 포함한 공기를 공급하는 제 1 펌프(30); 음극에 연료로서 메탄올 용액을 공급하는 제 2 펌프(31); 연료전지 스택(20)에서 발생하는 물, 이산화탄소 및 미반응 메탄올이 관(40, 50)을 통해 유입되고, 그 중 이산화탄소가 배출관(60)을 통해 제거하고 물과 미반응 메탄올이 제 2 펌프(31)에 의해 다시 연료전지 스택(20)으로 공급하는 유체 탱크(100); 소모된 메탄올을 보충하기 위하여, 스택(20)으로 메탄올 용액을 제공하는 라인에 순수 메탄올을 공급하는 제 3 펌프(32); 및 기타 열교환기(70), 메탄올 탱크(80) 등을 포함하는 것으로 구성되어 있다.

음극으로 공급된 메탄올 용액은 수소이온과 전자로 분리된 후, 그 중 수소이온은 전해질 막을 통해 양극으로 이동하고, 상기 전자는 외부회로(도시하지 않음)를 통해 양극으로 이동하여 연료전지 스택(110)에서의 발전이 진행되게 된다. 이 과정에서, 양극에서는 물이 생성되고, 음극에서는 이산화탄소와 미반응 메탄올이 발생한다. 상기 물과 이산화탄소 및 미반응 메탄올은 모두 유체 탱크(100)로 유입되고, 그 중 물과 미반응 메탄올은 소모된 량을 보충하기 위해 제 3 펌프(32)를 통해 메탄올 탱크(80)로부터 공급되는 순수한 메탄올과 혼합되어 연료전지 스택(20)으로 다시 공급된다.

상기에서와 같이, 직접 메탄올 연료전지 시스템(10)은 화학전지와 달리 메탄올 용액이 외부에서 연속적으로 공급되고, 이산화탄소가 연속적으로 제거되어야 정 상적으로 작동하기 때문에, 그것을 담당하는 유체 탱크의 역할이 중요하다.

일반적으로 유체 탱크는 연료전지 스택으로부터 반응 생성물들이 도입되는 관들과, 액상의 혼합용액을 연료전지 스택으로 공급해 주는 관, 및 기상의 이산화탄소가 배출되는 관의 위치가 각각 정해져 있기 때문에, 기울어지거나 흔들릴 경우, 또는 도립되었을 경우 연료전지 스택으로 연료들을 원활하게 공급하지 못하고, 이산화탄소를 배출하지 못하는 등의 문제점이 발생할 수 있다.

한편, 유체 탱크 내부로 유입되는 미반응 메탄올은 대부분이 액체 상태로 존재하지만, 기화되어 기체 상태로 존재할 수도 있다. 이러한 기체 상태의 미반응 메탄올은 이산화탄소와 함께 배출될 가능성이 매우 높으므로, 적절한 회수 과정을 거쳐 외부로의 방출을 줄일 수 있는 것이 중요하다.

따라서, 연료전지에서 배출되는 미반응 메탄올 용액을 효과적으로 회수할 수 있고, 기울어지거나 도립된 상태에서도 이산화탄소가 정상적으로 배출될 수 있는 유체 탱크에 대한 필요성이 높은 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 목적은 연료전지에서 배출되는 미반응 메탄올 기체의 외부 방출을 억제할 수 있고, 또한 포집된 메탄올 기체에 의해 생성된 메탄올 용액을 효과적으로 재사용할 수 있으며, 기울어지거나 도립된 상태에서도 이산화탄소가 정상적으로 배출될 수 있는 유체 탱크를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기와 같은 유체 탱크를 포함하는 것으로 구성된 연료전지를 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 유체 탱크는, 연료전지의 물 조절기 시스템에 사용되는 유체 탱크로서, 액상성분과 기상성분이 유입되어 그 중 이산화탄소와 공기를 외부로 배출하고 액상성분을 연료전지 스택으로 공급하는 내부공간을 형성하는 하우징이 밀폐형의 외측 케이스와 밀폐형의 내측 케이스의 이중 구조로 이루어져 있고, 상기 밀폐형 케이스들 사이에는 물이 채워져 있으며, 하우징 일측 면의 외측 케이스와 내측 케이스 상에 각각 하나 또는 둘 이상의 기액 분리막이 형성되어 있고, 하우징 타측 면의 외측 케이스와 내측 케이스 상에 각각 하나 또는 둘 이상의 기액 분리막이 형성되어 있어서, 상기 내부공간의 기상성분이 외부로 배출될 때 상기 내측 및 외측 케이스 사이의 물을 통과하는 것으로 구성되어 있다.

따라서, 본 발명에 따른 유체 탱크는 메탄올 증기의 방출량을 최대한 줄일 수 있다. 구체적으로, 본 발명에 따르면, 유체 탱크 내부로 유입된 기상성분들은 상기 내측 및 외측 케이스 사이의 물을 통과하여야만 외부로 배출될 수 있다. 따라서, 그러한 기상성분 중에 존재하는 미반응 메탄올 증기는 상기 내측 및 외측 케이스 사이의 물에 흡수됨으로써 외부로 배출되지 않는다.

이러한 점을 고려할 때, 상기 기액 분리막들은 서로 이격된 위치에서 내측 케이스와 외측 케이스 상에 각각 형성되어 있는 것이 바람직하다. 예를 들어, 상기 기액 분리막이 내측 케이스의 상단면 좌측에 형성되어 있는 경우, 외측 케이스에서는 상단면 우측에 형성되어 있을 수 있다. 따라서, 내측 케이스의 기액 분리막을 통과한 기상성분이 외측 케이스의 기액 분리막을 통과할 때까지의 이동 경로를 길게 만들어, 미반응 메탄올 증기가 내측 케이스와 외측 케이스 사이에 존재하는 물에 용해되는 비율을 더욱 높일 수 있다.

또한, 상기 기액 분리막들이 하우징의 일측면과 그에 대응하는 타측면에 각각 형성되어 있어서, 외부의 다양한 요인에 의해 그것이 직립 자세를 유지하지 못하더라도 이산화탄소 및 공기의 기상성분이 정상적으로 배출될 수 있다.

바람직하게는, 기액 분리막들이 양극측 도입관과 음극측 도입관이 위치하는 하우징의 일면에 대해 수직인 면 상에 형성되어 있을 수 있다. 예시적으로, 상기 도입관들이 하우징의 일 측면에 위치하는 경우, 기액 분리막은 상기 일 측면에 수직인 면, 즉, 상면 및/또는 하면에 각각 형성되어 있을 수 있다. 기액 분리막은 유체 탱크 내부로 유입된 기상성분이 외부로 배출되는 유일한 통로로서 작용하므로, 유체 탱크가 임의의 각도로 기울어진 상황에서도, 내측 하우징의 기액 분리막들 중 적어도 하나가 항상 내부의 기상성분과 접할 수 있도록, 하우징의 대향하는 두 면의 꼭지점 부위에 각각 형성되어 있는 것이 더욱 바람직하다. 이러한 구조는 이하 바람직한 실시예에 따른 도면을 참조하여 구체적으로 설명하기로 한다.

상기 양극측 도입관 및 음극측 도입관은 연료전지 스택에서 생성된 반응물들 을 유체 탱크 내부로 유입시키기 위한 관들로서, 상기 양극측 도입관은 스택의 양극에, 음극측 도입관은 스택의 음극에 각각 연결되어 있는 관을 의미한다.

상기에서 설명한 바와 같이, 내측 및 외측 케이스 사이로 유입된 메탄올 증기는 그곳에 채워져 있는 물에 흡수되기 때문에, 경시적으로 메탄올의 농도는 증가하게 된다. 따라서, 상기 하우징 상에는 내측 및 외측 케이스 사이에 채워진 물을 순환 내지 교환할 수 있는 개폐구가 내측 케이스 및/또는 외측 케이스에 형성되어 있는 것이 바람직하다. 예를 들어, 상기 물에 녹아있는 메탄올을 재사용할 수 있도록, 상기 개폐구는 별도의 관을 통해 상기 양극측 또는 음극측 도입관에 연결되어 있을 수 있다.

본 발명은 또한, 상기의 유체 탱크를 포함하는 것으로 구성된 연료전지를 제공하는 바, 이러한 연료전지는 직접 메탄올 연료전지에서 바람직하게 적용될 수 있다.

직접 메탄올 연료전지의 구체적인 구조 및 제조방법 등은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명을 생략한다. 한편, 연료전지 시스템의 대략적인 구성 및 작동원리는 도 1과 관련하여 앞서 설명한 바와 같다.

이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 발명의 내용을 상술하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.

도 2에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 유체 탱크의 모식도가 도시되어 있다. 도 2에서는 케이스들의 면이 부분적으로 도시되어 있지만, 이는 유체 탱크의 내부 구조를 더욱 용이하게 표현하기 위한 것이다.

도 2를 참조하면, 유체 탱크(100)는 육면체의 외측 케이스(210) 및 내측 케이스(220)로 이루어진 하우징(200); 하우징(200)의 측면(203)에서 그것들을 관통하는 형태로 설치되어 있고, 연료전지 스택(도시하지 않음)의 양극 및 음극에 각각 연결되어 있는 양극측 도입관(300) 및 음극측 도입관(310); 및 연료전지 스택으로 메탄올 용액만을 재 공급할 수 있는 구조의 주입관(도시하지 않음)으로 이루어져 있다. 연료전지 스택으로부터 양극측 도입관(300) 및 음극측 도입관(310)을 통해 유입된 반응 생성물들 중, 이산화탄소는 배출하고 미반응 메탄올 용액은 내부에서 소정의 농도로 희석되어 주입관(도시하지 않음)을 통해 연료전지 스택으로 재 공급된다.

하우징(200)은 외측 케이스(210)와 내측 케이스(220)가 소정의 간격으로 이격되어 있는 이중 구조로 이루어져 있으며, 케이스들(210, 220) 사이에 충진되어 있는 물(230), 및 하우징(200)의 상면(201)과 하면(202)에서 외측 케이스(210)에 형성되어 있는 기액 분리막(외측 분리막 A, B: 211, 212) 및 내측 케이스(220)에 형성되어 있는 기액 분리막(내측 분리막 A, B: 221, 222)을 포함하는 것으로 구성되어 있다. 이러한 구조는 유체 탱크의 정면 투시도(y 방향)가 도시되어 있는 도 3에서 용이하게 확인할 수 있다.

도 3을 참조하면, 하우징(100)의 상면(201)에서, 외측 분리막(211)과 내측 분리막(221)은 최대한 멀리 이격될 수 있도록, 그것의 모서리 부분에 각각 형성되 어 있다. 이는 내측 분리막 A(221)를 통과한 메탄올 증기가 외측 분리막(211)으로 이동하는 경로를 길게 하여, 물(230)에 대한 메탄올의 흡수량을 증가시기 위함이다. 마찬가지로, 내측 분리막(221)과 외측 분리막(212), 및 내측 분리막(222)과 외측 분리막(211) 및 외측 분리막(212)도 각각 최대한의 거리로 이격된 상태로 형성되어 있다.

유체 탱크(100)가 정위할 때, 내측 분리막들(221, 222) 중 내측 분리막(221)은 이산화탄소, 메탄올 기체 및 공기의 기상성분(240)에 접하고, 내측 분리막(222)은 메탄올 용액 및 물의 액상성분(250)에 접하게 된다. 반면에, 유체 탱크(100)가 도 2의 x 방향으로 기울어졌을 경우, 액상성분은 하우징(200)의 측면(203)으로 이동하게 되고, 그로 인해 내측 분리막 A(221)는 액상성분(250)과 접하게 된다. 그러나, 그와 동시에 내측 분리막 B(222)가 기상성분(240)에 노출되므로, 이산화탄소를 배출하는데 문제가 없다. 이는 내측 분리막들(221, 222)이 하우징(200)의 모서리 부분에 형성되어 있으므로, 유체 탱크(100)가 x, y, z 및 그것들의 반대 방향 등 어떤 방향으로 기울어져도 마찬가지이다. 즉, 유체 탱크(100)가 어떠한 방향으로 기울어져도 내측 분리막들(221, 222) 중 적어도 하나는 기체 성분(240)에 노출되어 이산화탄소를 배출시킬 수 있다.

이상 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지용 유체 탱크는 연료전지에서 배출되는 미반응 메탄올 용액을 효과적으로 재사용할 수 있고, 기울어지거나 도립된 상태에서도 이산화탄소가 정상적으로 배출될 수 있는 장점을 가지고 있다.

Claims (6)

1. 연료전지 장치의 물 조절기 시스템에 사용되는 유체 탱크로서, 액상성분과 기상성분이 유입되어 그 중 이산화탄소와 공기를 외부로 배출하고 액상성분을 연료전지 스택으로 공급하는 내부공간을 형성하는 하우징이 밀폐형의 외측 케이스와 밀폐형의 내측 케이스의 이중 구조로 이루어져 있고, 상기 밀폐형 케이스들 사이에는 물이 채워져 있으며, 하우징 일측 면의 외측 케이스와 내측 케이스 상에 각각 하나 또는 둘 이상의 기액 분리막이 형성되어 있고, 하우징 타측 면의 외측 케이스와 내측 케이스 상에 각각 하나 또는 둘 이상의 기액 분리막이 형성되어 있어서, 상기 내부공간의 기상성분이 외부로 배출될 때 상기 내측 및 외측 케이스 사이의 물을 통과하는 것을 특징으로 하는 유체 탱크.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 기액 분리막들은 서로 이격된 위치에서 내측 케이스와 외측 케이스 상에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 유체 탱크.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 기액 분리막들은 양극측 도입관과 음극측 도입관이 위치하는 하우징의 일면에 대해 수직인 면 상에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 유체 탱크.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 내측 및 외측 케이스 사이에 채워진 물을 순환 내지 교환하기 위한 개폐구가 하우징 상에 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 유체 탱크.
5. 물 조절기 시스템으로서 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 하나의 항에 따른 유체 탱크를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 장치.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 장치의 연료전지는 직접 메탄올 연료전지인 것을 특징으로 하는 연료전지 장치.

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