KR100898708B1

KR100898708B1 - 직접 메탄올 연료전지용 물 조절기 시스템

Info

Publication number: KR100898708B1
Application number: KR1020050108845A
Authority: KR
Inventors: 노태근; 문고영; 이상현
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 2005-11-15
Filing date: 2005-11-15
Publication date: 2009-05-21
Also published as: WO2007058429A1; TW200719514A; US20070264553A1; US7611794B2; KR20070051385A; CN101310405A; CN100590920C; TWI336971B

Abstract

본 발명은 직접 메탄올 연료전지 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 양극에서 생성된 물과 음극에서 생성된 이산화탄소 및 미반응 메탄올 용액이 모인 후 이산화탄소는 배출되고 메탄올 용액은 재사용을 위해 전극으로 순환되도록 구성되어 있는 물 조절기 시스템 및 상기 물 조절기 시스템을 포함하는 것으로 구성된 연료전지 시스템을 제공한다.

본 발명에서 연료전지용 물 조절기 시스템은 연료전지로부터 나오는 물과 미반응 메탄올 용액을 재사용할 수 있고, 기화되어 배출되는 메탄올의 양을 최소화할 수 있으며, 물 조절기 수위의 정밀한 제어가 가능하다는 이점을 가진다.

Description

직접 메탄올 연료전지용 물 조절기 시스템 {Water Controller System For Direct Methanol Fuel Cell}

도 1은 종래기술에 따른 일반적인 연료전지 시스템의 모식도이다;

도 2a 및 2b는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 물 조절기 시스템의 모식도와 그것의 부분 확대도이다;

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 물 조절기 시스템의 모식도이다;

도 4a 내지 도 4c는 도 3의 물 조절기 시스템에 설치되어 있는 버블 캡의 다양한 변형예들의 사시도들이다;

도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 물 조절기 시스템의 모식도이다;

도 6a 내지 도 6c는 도 5의 물 조절기 시스템에 설치되어 있는 버블 캡의 다양한 변형예들의 사시도들이다.

본 발명은 직접 메탄올 연료전지 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 양 극에서 생성된 물과 음극에서 생성된 이산화탄소 및 미반응 메탄올 용액이 모인 후 이산화탄소는 배출되고 메탄올 용액은 재사용을 위해 전극으로 순환되도록 구성되어 있는 물 조절기 시스템 및 상기 물 조절기 시스템을 포함하는 것으로 구성된 연료전지 시스템을 제공한다.

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 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 분류된다.

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

일반적으로 연료전지의 단위전지는 고분자 물질로 구성된 전해질 막을 중심 으로 양쪽에 산화극(연료극)과 환원극(산소극)이 도포되어 있는 구조로 이루어져 있으며, 연료로서 메탄올 용액이 산화극에 공급되고, 산소를 포함한 공기가 환원극에 공급된다. 산화극에서는 메탄올의 산화반응에 의하여 수소이온과 전자가 생성되고, 상기 수소이온이 고분자 전해질을 통해 환원극으로 이동하여 수소이온과 산소의 환원반응이 일어나며, 상기 환원반응에 의하여 순수한 물이 생성된다. 이러한 반응들에 의하여, 전자가 외부회로를 통하여 환원극으로 이동함으로써 연료전지가 발전되며, 산화극에서는 다량의 이산화탄소와 미반응 메탄올 용액이 배출된다. 이러한 연료전지의 발전과정에서 발생된 물과 이산화탄소 및 미반응 메탄올은 별도의 물 조절장치를 통해 배출되고 재순환된다.

도 1에는 종래기술에 따른 일반적인 연료전지 시스템이 모식적으로 도시되어 있는 바, 연료전지의 공급물질과 발생물질의 흐름을 나타나 있다.

도 1을 참조하면, 연료전지 시스템(100)은 크게 연료전지(110)와 물 조절기 시스템(120) 및 열교환기(130)로 구성되어 있다. 연료전지(110)의 발전과정에서, 환원극(111)에서 발생되는 물 및 이산화탄소와, 산화극(112)에서의 미반응 메탄올 용액은 모두 물 조절기 시스템(120)으로 유입되는데, 상기 물은 수증기 형태로 열교환기(130)에서 응축 및 수집되어 물 조절기 시스템(120)으로 유입된다. 상기 이산화탄소는 물 조절기 시스템(120)의 배출구(140)를 통해 외부로 배출되며, 상기 미반응 메탄올 용액과 물은 액체 펌프(150)에 의해 다시 연료전지(110)로 재순환된다. 이때, 물 조절기 시스템(120)에 모인 메탄올 용액 중 일부는 증발되어 이산화탄소 가스 제거를 위해 만들어진 배출구(140)로 빠져나갈 수 있는 문제점이 발생한 다.

따라서, 메탄올의 배출에 의한 환경오염 방지와 연료의 손실을 보충할 수 있는 방법에 대한 필요성이 존재한다. 예를 들어, 일본 특허출원공개 평4-229958호에는 미반응 메탄올과 이산화탄소가 기액분리기의 하부로 유입되어 그 중 메탄올이 상부의 냉각판에 의해 응축 및 회수될 수 있는 구조의 물 조절기 시스템이 개시되어 있다. 그러나, 이러한 구조는 메탄올의 응축을 위해 별도의 냉각판이 필요하고 더욱이 냉각판을 소정의 온도 이하로 유지하기 위한 별도의 장치 및 그것의 작동을 위한 전력이 필요하다는 문제점을 가지고 있다.

또한, 일본 특허출원공개 제2004-186151호에는 액체 흡수부재가 장치 내면에 설치되어 있고 그것의 중앙에 빈 공간부가 설치되어 있으며, 하나의 기체 배출관의 단부가 상기 액체 흡수부재 상에 위치하고, 또다른 기체 배출관의 단부가 기액 분리막이 포함된 상태에서 상기 공간부에 상에 위치하는 구조의 물 조절기 시스템이 개시되어 있다. 그러나, 이러한 구조의 액체 흡수부재 상에 단부가 위치하는 기체 배출관을 통해 메탄올이 빠져 나갈 가능성이 높으며, 계속적인 사용에 따른 기액 분리막의 성능 저하로 인해 기액 분리율이 떨어지는 문제점을 가지고 있다.

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

구체적으로, 본 발명의 목적은 연료전지로부터 나오는 물과 미반응 메탄올 용액을 재사용할 수 있고, 기화되어 배출되는 메탄올의 양을 최소화할 수 있으며, 물 조절기 수위의 정확한 제어가 가능한 물 조절기 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 물 조절기 시스템을 포함하는 것으로 구성된 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 직접 메탄올 연료전지 시스템은, 양극에서 생성된 물과 음극에서 생성된 이산화탄소 및 미반응 메탄올 용액이 모인 후 이산화탄소는 배출되고 메탄올 용액은 재사용을 위해 전극으로 순환되도록 구성되는 물 조절기 시스템으로서, 양극의 물이 유입되는 물 유입구가 시스템의 상부에 설치되어 있고, 음극의 이산화탄소 및 미반응 메탄올 용액이 유입되는 가스/용액 유입구가 상기 물 유입구의 하방에 설치되어 있으며, 이산화탄소의 배출구가 상기 물 유입구의 상방에 설치되어 있고, 상기 가스/용액 유입구를 통해 유입된 성분 중 기상(gas phase) 성분이 상부로 이동할 때 상기 물 유입구를 통해 유입된 물을 통과하도록 구성된 메탄올 포집장치가 상기 물 유입구와 가스/용액 유입구 사이의 공간에 설치되어 있어서, 기상의 메탄올이 상기 이산화탄소 배출구를 통해 외부로 빠져나가는 것을 방지할 수 있도록 구성되어 있다.

따라서, 가스/용액 유입구를 통해 내부로 유입된 이산화탄소와 미반응 메탄올 용액 중 기상 성분, 특히, 기화된 메탄올은 물 유입구를 통해 내부로 유입된 물을 통과하면서 상부로 이동하게 되므로, 이러한 과정에서 기상 성분 중 물에 용해 되지 않는 성분, 즉, 이산화탄소 만이 시스템의 외부로 배출되므로, 메탄올의 배출을 크게 억제할 수 있다.

상기 메탄올 포집장치의 바람직한 예로는, 시스템 내벽의 일측에 설치된 상부 개방형의 집수조, 및 상기 내벽의 타측으로부터 시스템 내부 공간을 밀폐한 상태로 그것의 단부가 상기 집수조의 안쪽으로 연장되어 있는 격벽으로 이루어져 있으며, 상기 집수조에 물이 채워진 상태에서 상기 격벽의 단부가 물에 잠겨있는 구조일 수 있다.

상기 메탄올 포집장치는 둘 또는 그 이상이 교번 배향 구조로 설치되어 있는 것이 바람직하다. 예를 들어, 상기 물 유입부의 직하부로부터 연장되어 있는 제 1 격벽의 단부가 상기 물 유입부가 위치하는 측부(A)와 대면하는 측부(B) 상에 설치된 제 1 집수조로 연장되어 있고, 상기 제 1 집수조의 직하부로부터 연장되어 있는 제 2 격벽의 단부가 상기 측부(A) 상에 설치된 제 2 집수조로 연장되어 있는 구조일 수 있다.

상기 격벽은 그것의 상부면을 따라 물이 흘러 집수조에 고일 수 있도록 집수조 방향으로 기울어져 있는 것이 바람직하다.

경우에 따라서는, 상기 격벽 상에 하나 또는 둘 이상의 버블 캡이 설치될 수도 있다. 상기 버블 캡은 하부로부터 상승하는 기체가 캡 주변에 고여 있는 액체 성분을 버블의 형태로 통과할 때에만 계속적인 상승이 가능할 수 있도록 되어 있는 구조물이다.

상기 버블 캡의 바람직한 구조로는, 격벽을 관통한 상태로 상향 연장되어 있 는 중공 부재와, 상기 중공 부재의 상단에 설치되어 있는 캡 부재로 이루어져 있으며, 상기 캡 부재를 중공 부재의 상부에 설치하였을 때, 상기 두 부재의 대면하는 면이 서로 맞닿지 않고 이격된 틈을 형성할 수 있도록 중공 부재의 단면적보다 캡 부재의 단면적을 더 큰 구조를 들 수 있다.

하나의 바람직한 예에서, 버블 캡은 상기 중공 부재의 상단에 다수의 홈이 형성되어 있거나, 및/또는 상기 캡 부재의 하단에 다수의 홈이 형성되어 있을 수 있다.

상기 다수의 홈이 중공 부재의 상단에 형성되어 있는 경우, 상기 캡 부재의 상단은 홈이 형성되어 있는 부분을 제외하고 상기 중공 부재의 상단 내면에 접촉되고, 하단은 격벽의 상부면에 도달되지 않지만 중공 부재의 외측에 소정의 높이로 채워진 물에 잠길 수 있을 정도의 높이를 가지도록 구성하는 것이 바람직하다.

상기 다수의 홈이 캡 부재의 하단에 형성되어 있는 경우, 상기 캡 부재의 상단 내면은 상기 중공 부재의 상단과 접촉되지 않고, 하단은 격벽까지 도달할 수 있도록 상기 중공 부재의 높이보다 크게 구성하는 것이 바람직하다.

상기 버블 캡이 격벽에 설치될 경우, 상기 중공 부재의 외측에 소정의 높이로 물이 채워질 수 있도록, 예를 들어, 격벽은 수평을 이루고 상기 격벽의 단부에는 상향 연장부가 형성되어 있는 것이 바람직하다.

상기 중공 부재와 캡 부재는 수평 단면상으로 원형, 사각형 또는 타원형 등으로 다양할 수 있으며, 상기 부재들에 형성된 다수의 홈 또한 원형, 사각형 또는 타원형 등으로 다양할 수 있다.

하나의 바람직한 예에서, 상기 이산화탄소 배출구는 시스템의 상단에 설치되어 있고, 그것의 하부에는 증발되는 물을 응축하기 위한 깔때기 형상의 응축장치가 설치되어 있다. 이때, 상기 배출구는 응축장치의 입구와 일직선상에 위치하지 않는 것이 바람직하다.

바람직하게는, 물 유입구를 통해 유입되는 수증기와 응축수 중 수증기의 응축률을 높일 수 있도록, 응축장치에서 깔때기 형상의 경사면 중 물 유입구 방향의 경사면 하단부에는 접촉 계면적을 높이는 다수의 돌기들이 형성되어 있다. 상기 돌기들의 형태는 다양할 수 있는 바, 예를 들어, 미세한 침상의 형태, 미세한 판상의 형태, 미세한 요철의 형태 등을 들 수 있다.

또한, 응축장치의 입구에는 바람직하게는 기상 성분만의 통과를 허용하는 상분리 막(phase separating membrane)이 장착되어 있어서, 이산화탄소 등 기상 성분만이 선택적으로 투과될 수 있도록 구성되어 있다.

물 조절기 시스템에서는 그것의 내부에 저장되어 있는 물/메탄올 혼합 용액이 일정한 수준으로 항상 유지되어야 하며, 물/메탄올 혼합용액이 용액 배출구를 통해 전극 방향으로 순환되는데, 이러한 혼합 용액의 일정 수위 유지는 시스템 하부에 설치된 수위센서(water level sensor)에 의해 검출되는 용액 수위에 대한 신호를 바탕으로 제어된다. 반면에, 혼합 용액의 수위는 가스/용액 유입구를 통해 액상 성분이 유입되면서 유발되는 출렁임 등에 의한 정확한 측정이 어렵게 된다. 따라서, 혼합 용액의 보다 정확한 수위 측정에 의한 시스템의 정밀한 제어를 위해, 상기 수위 센서는, 상단부와 하단부에 각각 형성되어 있는 개구들을 제외하고 전체 적으로 밀폐되어 있으며 시스템의 작동 과정에서 상기 상단 개구는 혼합 용액으로부터 돌출되고 상기 하단 개구는 혼합 용액에 수장되는 크기의 밀폐 장치에 장착되어 있는 구조로 이루어져 있는 것이 바람직하다.

본 발명은 또한 상기의 물 조절기 시스템을 포함하는 것으로 구성된 연료전지 시스템을 제공한다. 물 조절기 시스템을 포함하는 연료전지 시스템은 도 1에서와 같이 공지되어 있으므로 그에 대한 설명은 본 명세서에서 생략한다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.

도 2a에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 물 조절기 시스템이 모식적으로 도시되어 있다.

도 2a를 참조하면, 물 조절기 시스템(200)은 연료전지(도시하지 않음)에서 생성되는 물 및 이산화탄소와 함께 유입되는 미반응 메탄올 용액을 물과 함께 상기 연료전지로 재순환시키는 장치로서, 상기 연료전지의 산화극(도시하지 않음)에서 생성된 물은 물 유입구(210)를 통해 물 조절기(200) 내부로 유입되고, 상기 환원극(도시하지 않음)에서 배출되는 이산화탄소와 미반응 메탄올 용액은 가스/용액 유입구(220)를 통해 물 조절기(200)로 유입된다.

물 유입구(210)는 시스템(200)의 상부에 형성되어 있으므로 시스템(200)의 하부로 흐르게 된다. 반면에, 가스/용액 유입구(220)는 시스템(200)의 중앙부에 형성되어 있어서, 유입된 이산화탄소는 상부로, 미반응 메탄올 용액은 하부로 이동하게 된다. 상기 미반응 메탄올 용액은 높은 온도를 가지고 있어서 일부가 기화되어 이산화탄소와 함께 상승하게 되며, 이러한 기상 성분들은 메탄올 포집장치(250)를 통과할 때에만 비로서 배출구(240)를 통해 시스템(200) 외부로 빠져 나갈 수 있다.

메탄올 포집장치(250)는 물이 채워지는 집수조(251)와 집수조 방향으로 기울어진 격벽(252)으로 이루어져 있다. 격벽(250)은 시스템(200)의 내부를 측면 방향으로 밀폐하도록 구성되어 있으며, 그것의 일측 단부가 집수조(252)에 고여있는 물에 잠겨 있도록 연장되어 있다. 따라서, 미반응 메탄올 가스를 포함하는 기상 성분이 배출구(240) 쪽으로 빠져 나가기 위해서는, 메탄올 포집장치(250)를 통과하여야 하는데, 이때, 집수조(251)에 고여있는 물에 의하여 다수의 미반응 메탄올은 흡수된다.

포집장치(250)는 물 유입구(210)가 설치된 측벽(201)에 대응하는 측벽(202) 상에 설치되어 있으며, 또다른 포집장치(260)는 측벽(202) 상에 설치되어 있다. 따라서, 측벽(202)로부터 연장된 격벽(262)은 상기에서와 마찬가지로 집수조(261)로 연장되어 있다.

격벽(252, 262)은 각각 집수조(251, 261) 방향으로 기울어져 있어서, 그것의 상부면에 위치하는 물이 집수조(251, 261) 방향으로 흘러서 들어갈 수 있다. 집수조(251, 261)에 고인 물이 소정량 이상이 되면 넘쳐서 아래쪽으로 흐르게 된다.

이산화탄소 배출구(240)의 하부에는 물이 응축되어 격벽(252) 위로 떨어질 수 있도록 깔때기 형상의 응축장치(270)가 설치되어 있다. 응축장치의 입구(271)는 배출구(240)와 일직선상에 위치하지 않음으로써, 직접 배출을 최대한 억제한다. 또한, 응축장치 입구(271)에는 기상 성분만의 통과를 허여하는 상분리 막(272)이 장착되어 있어서, 이산화탄소 등 기상 성분만이 선택적으로 투과될 수 있다.

한편, 연료전지 작동시의 발열 반응으로 인해 환원극에서 생성된 물은 수증기의 형태가 대부분이므로, 열교환기(도시하지 않음)를 통해 다수의 수증기가 물의 형태로 변환되며, 물 유입구(210)를 통해 유입될 때에는 물과 수증기의 혼합상으로 존재한다. 따라서, 응축장치(270)에 의한 수증기의 응축은 열교환기 구동력, 예를 들어, 냉각팬의 구동력을 줄여 시스템의 운전 비용을 절약하게 할 수 있다. 이러한 응축의 효율을 높이기 위하여, 응축장치(270)에서 깔때기 형상의 경사면 중 물 유입구(210)에 대면하는 경사면(273)의 하단부에는, 도 2b에서 보는 바와 같이, 접촉 계면적을 높이는 다수의 미세한 침상 돌기들(274)이 형성되어 있다. 이러한 침상 돌기들(274)은 물 유입구(210)를 통해 유입되는 성분 중 수증기가 접촉하는 면적을 높여 응축 효율을 높이는 작용을 한다.

다시 도 2a를 참조하면, 시스템(200)의 하부에는 수위 센서(280)가 설치되어 있어서, 시스템 내부의 물/메탄올 혼합 용액의 양을 측정 / 일정하게 유지하며, 상기 용액이 용액 배출구(230)를 통해 전극 방향으로 이동할 수 있도록 한다. 이러한 수위 센서(280)는 가스/용액 유입구(220)를 통해 액상 성분이 유입되면서 유발되는 출렁임 등에 의한 측정 오류를 최소화하기 위하여 밀폐 장치(281)내에 설치되어 있다. 밀폐 장치(281)는 상단부와 하단부에 각각 형성되어 있는 개구들(282, 283)을 제외하고 전체적으로 밀폐되어 있는 구조로 이루어져 있으며, 상단 개구(282)는 혼합 용액으로부터 돌출되고 하단 개구(283)는 혼합 용액에 잠겨 있는 구조로 이루어져 있다. 따라서, 상단 개구(282)를 통해 유통되는 기상 성분과 하단 개구(283)를 통해 유통되는 액상 성분은 혼합 용액의 실질적인 수위를 밀폐 장치(281) 내에서 반영하게 된다.

도 3에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 물 조절기 시스템이 모식적으로 도시되어 있다.

도 3을 참조하면, 물 조절기 시스템(300)은 미반응 메탄올의 배출량을 더욱 감소시키고 내압을 줄이기 위하여, 격벽(352) 상에 버블 캡(390)이 설치되어 있다. 버블 캡(390)은 격벽(352)을 관통한 상태에서 상향 연장된 중공 부재(391)와 중공 부재(391)의 상부에 설치된 캡 부재(392)로 구성되어 있다.

또한, 버블 캡(390)의 외측에 소정의 높이로 물이 고일 수 있도록, 격벽(352)은 수평면을 형성하도록 구성되어 있고, 격벽(352)의 단부에는 소정의 높이로 상향 연장부(353)가 형성되어 있다.

도 4a 내지 도 4c에는 도 3 물 조절기 시스템에 설치되어 있는 버블 캡의 다양한 변형예들이 모식적으로 도시되어 있다. 즉, 도 4a에는 원형 버블 캡, 4b에는 사각형 버블 캡, 4c에는 타원형 버블 캡이 각각 도시되어 있다.

이들 도면을 참조하면, 버블 캡(390, 390a, 390b)은 중공 부재(391, 391a, 391b)와 캡 부재(392, 392a, 392b)로 이루어져 있다. 중공 부재(391, 391a, 391b)의 상단에는 다수의 홈(393, 393a, 393b)이 형성되어 있다. 중공 부재(391, 391a, 391b)의 상단을 덮는 캡 부재(392, 392a, 392b)는 중공 부재(391, 391a, 391b) 보다 큰 수평 단면적을 가지만 그 보다 길이는 짧다. 따라서, 캡 부재(392, 392a, 392b)를 중공 부재(391, 391a, 391b)의 상단에 덮었을 때, 그 사이에는 이격 틈이 형성된다.

이러한 결합 구조에서, 캡 부재(392, 392a, 392b)의 상단면은 중공 부재(391, 391a, 391b) 상단의 홈(393, 393a, 393b)이 형성된 부분을 제외하고 접촉되고, 하단은 격벽(도시하지 않음)에 도달하지 않지만 물에 잠긴다. 따라서, 미반응 메탄올은 A의 이동경로를 따라 버블 캡(390)을 통과한다. 즉, 미반응 메탄올은 중공 부재(391, 391a, 391b)의 중앙 통로를 따라 상부로 이동하다가 캡 부재(392, 392a, 392b)의 상단면에 의해 중공 부재(391, 391a, 391b)의 홈(393, 393a, 393b)과 상기 이격 틈을 통해 배출된다. 따라서, 상기 미반응 메탄올은 버블 캡(390, 390a, 390b)의 물을 통과하면서 대부분이 물에 흡수되고, 이산화탄소만이 통과하게 된다.

도 5에는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 물 조절기 시스템이 모식적으로 도시되어 있다.

도 5를 참조하면, 물 조절기 시스템(400)은 버블 캡(490)의 캡 부재(492)에 다수의 홈(493)이 형성되어 있고 중공부재에는 홈이 형성되어 있지 않은 등 버블 캡(490)의 구조만을 제외하고는 도 3의 물 조절기 시스템(400)과 대략 동일한 구조로 이루어져 있다. 이러한 버블 캡(490)의 구조는 도 6a 내지 도 6c을 참조하여 설명할 수 있다.

도 6a 내지 도 6c에는 도 5의 물 조절기 시스템(400)에 설치되어 있는 버블 캡(490)의 다양한 변형예들이 도시되어 있다.

이들 도면을 참조하면, 버블 캡(490, 490a, 490b)은 중공 부재(491, 491a, 491b)와 캡 부재(492, 492a, 492b)로 이루어져 있는 점에서도 도 4a 내지 4b의 버블 캡(390, 390a, 390b)과 동일하다. 그러나, 다수의 홈(493, 493a, 493b)은 중공 부재(491, 491a, 491b)가 아닌 캡 부재(492, 492a, 492b)의 하단에 형성되어 있으며, 캡 부재(492, 492a, 492b)는 중공 부재(491, 491a, 491b)보다 큰 수평 단면적과 긴 길이를 가진다. 따라서, 캡 부재(492, 492a, 492b)를 중공 부재(491, 491a, 491b)의 상단에 덮었을 때, 그 사이에는 이격 틈이 형성된다.

이러한 결합 구조에서, 캡 부재(492, 492a, 492b)의 내면은 중공 부재(491, 491a, 491b)로부터 이격되어 있고, 하단의 홈(493, 493a, 493b)은 격벽(도시하지 않음)과의 사이에 관통로를 제공한다. 따라서, 미반응 메탄올 가스는 중공 부재(491, 491a, 491b)의 중앙 통로를 따라 상부로 이동하다가 캡 부재(492, 492a, 492b)에 의해 중공 부재(491, 491a, 491b)와의 이격 틈으로 하향 이동한 후, 캡 부재(492, 492a, 492b) 하단의 홈(493, 493a, 493b)을 통해 배출된다. 따라서, 상기 미반응 메탄올은 버블 캡(490, 490a, 490b)의 물을 통과하면서 대부분이 물에 흡수되고, 이산화탄소만이 통과하게 된다.

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

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지용 물 조절기 시스템은 연료전지로부터 나오는 물과 미반응 메탄올 용액을 재사용할 수 있고, 기화되어 배출되는 메탄올의 양을 최소화할 수 있으며, 물 조절기 수위의 정밀한 제어가 가능하다는 이점을 가진다.

Claims

직접 메탄올 연료전지 시스템에서, 양극에서 생성된 물과 음극에서 생성된 이산화탄소 및 미반응 메탄올 용액이 모인 후 이산화탄소는 배출되고 메탄올 용액은 재사용을 위해 전극으로 순환되도록 구성되는 물 조절기 시스템으로서, 양극의 물이 유입되는 물 유입구가 시스템의 상부에 설치되어 있고, 음극의 이산화탄소 및 미반응 메탄올 용액이 유입되는 가스/용액 유입구가 상기 물 유입구의 하방에 설치되어 있으며, 이산화탄소의 배출구가 상기 물 유입구의 상방에 설치되어 있고, 상기 가스/용액 유입구를 통해 유입된 성분 중 기상 성분이 상부로 이동할 때 상기 물 유입구를 통해 유입된 물을 통과하도록 구성된 메탄올 포집장치가 상기 물 유입구와 가스/용액 유입구 사이의 공간에 설치되어 있어서, 기상의 메탄올이 상기 이산화탄소 배출구를 통해 외부로 빠져나가는 것을 방지할 수 있는 것을 특징으로 하는 물 조절기 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 메탄올 포집장치는 시스템 내벽의 일측에 설치된 상부 개방형의 집수조, 및 상기 내벽의 타측으로부터 시스템 내부 공간을 밀폐한 상태로 그것의 단부가 상기 집수조의 안쪽으로 연장되어 있는 격벽으로 이루어져 있으며, 상기 집수조에 물이 채워진 상태에서 상기 격벽의 단부는 물이 잠겨있는 것을 특징으로 하는 물 조절 시스템.
제 2 항에 있어서, 상기 격벽의 평면은 집수조 방향으로 기울어져 있는 것을 특징으로 하는 물 조절기 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 메탄올 포집장치는 둘 또는 그 이상으로 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 물 조절기 시스템.
제 2 항에 있어서, 상기 격벽에는 하나 또는 둘 이상의 버블 캡이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 물 조절기 시스템.
제 5 항에 있어서, 상기 버블 캡은 격벽을 관통한 상태로 상향 연장되어 있고 상단에 다수의 홈이 형성되어 있는 중공 부재와, 상기 중공 부재의 상단에 설치되는 캡 부재로 이루어져 있으며, 상기 중공 부재와 캡 부재 사이에는 이격 틈이 형성되고, 상기 캡 부재의 하단은 격벽에 도달하지 않은 거리로 중공 부재의 외측에 소정의 높이로 채워진 물에 잠겨 있는 것을 특징으로 하는 물 조절기 시스템.
제 5 항에 있어서, 상기 버블 캡은 격벽을 관통한 상태로 상향 연장되어 있는 중공 부재와, 상기 중공 부재의 상단에 설치되며 하단에 다수의 홈이 형성되어 있는 캡 부재로 이루어져 있으며, 상기 캡 부재의 높이는 중공 부재의 높이보다 크고, 상기 중공 부재와 캡 부재 사이에는 이격 틈이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 물 조절기 시스템.
제 6 항 또는 제 7 항에 있어서, 상기 중공 부재와 캡 부재는 수평 단면상으로 원형, 사각형 또는 타원형인 것을 특징으로 하는 물 조절기 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 이산화탄소 배출구는 시스템의 상단에 설치되어 있고, 그것의 하부에는 증발되는 물을 응축하기 위한 깔때기 형상의 응축장치가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 물 조절기 시스템.
제 9 항에 있어서, 상기 응축장치에서 깔때기 형상의 경사면 중 물 유입구 방향의 경사면 하단부에는 접촉 계면적을 높이는 다수의 돌기들이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 물 조절기 시스템.
제 9 항에 있어서, 상기 응축장치의 입구에는 기상 성분만의 통과를 허여하는 상분리 막(phase separating membrane)이 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 물 조절기 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 시스템의 내부에 존재하는 물/메탄올 혼합 용액의 수위를 측정하는 센서는, 상단부와 하단부에 각각 형성되어 있는 개구들을 제외하고 전체적으로 밀폐되어 있으며 시스템의 작동 과정에서 상기 상단 개구는 혼합 용액으로부터 돌출되고 상기 하단 개구는 혼합 용액에 잠겨있는 크기의 밀폐 장치 내 부에 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 물 조절기 시스템.
제 1 항에 따른 물 조절기 시스템이 구비되어 있는 연료전지 시스템.