KR100899665B1 - 연료전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지에 관한 것으로, 연료전지스택; 상기 연료전지스택의 공기극과 연통되는 공기극라인과 상기 연료전지스택의 연료극과 연통되는 연료극라인을 가지며, 연료를 저장하는 연료탱크; 및 상기 연료탱크와 연통되며, 산소를 저장하는 산소탱크를 포함하고, 상기 연료는 상기 산소탱크에서 상기 연료탱크로 유입되는 상기 산소의 압력에 의해 상기 연료극라인을 통해 상기 연료극에 공급되고, 상기 산소는 상기 연료탱크로 이동 후에 상기 공기극라인을 통해 상기 공기극으로 공급되는 연료 전지를 제공한다.

Description

연료전지{FUEL CELL}

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지의 구성을 설명하기 위한 개념도이며,

도 2는 본 발명의 제2 실싱예에 따른 연료전지를 설명하기 위한 개념도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10, 100: 산소 탱크 20: 산소밸브

30, 110: 연료탱크 50: 연료전지스택

51: 공기극 52: 연료극

60: 기액분리기 160: 기체탱크

본 발명은 액체 연료를 사용하는 연료 전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 액체 연료를 이용하여 전기를 생산하는 연료 전지에서 산소를 직접 구비하는 연료전지에 관한 것이다.

연료전지(Fuel Cell)는 연료의 화학에너지가 전기에너지로 직접 변환되어 직류전류를 생산하는 전력 발생장치이다. 연료전지 기술은 천연가스, 프로판, 나프 타, 메탄올 등의 다양한 에너지원으로부터 전력과 열을 동시에 얻을 수 있는 고효율, 고출력, 무공해, 무소음 및 모듈화의 특징을 갖는 환경 친화적 발전 기술이다.

여러 형태의 연료전지 중 직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell)는 높은 출력밀도, 빠른 연료공급, 소형화, 경량화, 그리고 개질기를 포함한 주변 장치들을 요구하지 않는 장점을 가진다.

용량이 100W 이하인 IT 기기용 휴대연료전지로서 사용되는 마이크로 연료전지(Micro-Fuel Cell)는 발전 모듈인 스택(stack)과, 상기 스택을 구동시키기 위한 연료카트리지, 연료/공기 공급을 위한 펌프, 전압변환 및 각종 제어를 위한 제어보드 등을 모두 포함한 BOP(balance of plant)로 구성된다. 마이크로 연료전지의 상용화를 위해서는 연료전지의 부피의 70%를 차지하는 BOP 부품의 경량화, 소형화가 필수적이다.

그런데, 종래의 연료전지에 있어서, 대기 중의 산소를 끌어다가 연료전지스택에 공급하기 위한 송풍기 및 상기 공기 중의 이물질을 제거하기 위한 필터 등이 BOP에서 차지하는 비중이 상당하다. 따라서, 위의 산소 공급 방식을 바꿔서 연료전지를 소형화할 수 있게 해야할 필요성이 끊임없이 제기되고 있다.

상기와 같은 필요성을 감안하여 안출한 것으로서, 본 발명은 반응 효율이 좋은 연료전지를 제공함을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 자체 구비된 산소가 연료를 이동시킴에 따라, 별도의 연료 펌프가 필요없는 연료전지를 제공함을 목적으로 한다.

삭제

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따른 연료전지는 연료전지스택; 상기 연료전지스택의 공기극과 연통되는 공기극라인과 상기 연료전지스택의 연료극과 연통되는 연료극라인을 가지며, 연료를 저장하는 연료탱크; 및 상기 연료탱크와 연통되며, 산소를 저장하는 산소탱크를 포함하고, 상기 연료는 상기 산소탱크에서 상기 연료탱크로 유입되는 상기 산소의 압력에 의해 상기 연료극라인을 통해 상기 연료극에 공급되고, 상기 산소는 상기 연료탱크로 이동 후에 상기 공기극라인을 통해 상기 공기극으로 공급된다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지의 구성을 설명하기 위한 개념도이다.

본 도면을 참조하면, 연료전지스택(50)은 산소가 공급되는 공기극(51)과 연료가 공급되는 연료극(52)을 포함한다. 연료극(52)에 제공되는 연료는 메탄올과 같은 액체연료일 수 있으며, 연료탱크(30)에 저장된다. 상기 연료는 연료펌프(40)의 가동에 의하여 연료탱크(30)에서 펌핑된다. 연료탱크(30)에서 펌핑된 연료는 기액분리기(60)와 필더(70)를 거쳐 연료극(52)으로 이동한다. 기액분리기(60)는 공기극(51)과 연료극(52){응축기(80)를 거쳐서}에서 나오는 반응 부산물들 중에서 물은 연료와 섞이게 하고, 기체(산소, 이산화탄소 등)는 외부로 배출한다. 연료가 연료극(52)으로 이동하는 것을 원활하게 하기 위하여, 순환펌프(90)가 이동하는 연료를 펌핑한다.

공기극(51)으로의 산소의 공급은 공기극(51)에 연통된 채로 자체 구비된 산소탱크(10)에 의해 이루어진다. 산소탱크(10)와 공기극(51) 사이에는 산소탱크(10)로부터의 산소의 이동을 제어하기 위한 산소밸브(20)가 구비된다.

이러한 구성에 의하면, 산소탱크(10)에서 공기극(51)에 공급된 산소와 연료탱크(30)에서 기액분리기(60)를 거쳐서 연료극(52)에 공급된 연료가 반응하여 전기 에너지를 생성한다. 이때, 산소 공급을 위한 산소탱크(10)를 직접 구비함에 따라, 대기 중의 산소를 획득하여 사용하기 위한 송풍기 및 필터 등이 필요 없게 된다. 송풍기 등이 필요 없게 됨에 따라 연료전지의 전체적인 소형화를 달성할 수 있다. 또한, 산소를 일부(20%) 포함하는 대기가 아닌 산소 자체를 산소탱크(10)에 의해 공급함에 따라, 연료전지스택(50)에서의 반응성이 향상되는 이점이 있다.

도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지를 설명하기 위한 개념도이다. 본 실시예에서는 앞선 실시예에와 동일한 구성에 대해서는 동일한 참조번호를 부여하고, 그에 대한 구체적인 설명은 앞선 실시예에서의 설명을 원용한다.

앞선 실시예에서와 달리, 본 실시예에 있어서 연료탱크(110)는 산소탱크(100)와 연결파이프(111)에 의해 연통 된다. 연결파이프(111)에는 제어밸브(120)가 배치되어, 산소탱크(100)에서 연료탱크(110)로 유입되는 산소의 양을 제어한다. 이때, 산소는 압축된(compressed) 채로 저장되어, 자체의 압력에 의해 연료탱크(110)로 진행하기 된다. 이와 달리, 연결파이프(111)에 산소탱크(100)로부터 산소를 연료탱크(110)로 펌핑하기 위한 펌프(미도시)를 추가할 수도 있다.

산소탱크(100)로부터 압축된 산소가 공급되는 연료탱크(110)는 구분막(114)에 의해 2개의 공간으로 나뉜다. 산소탱크(100) 측과 연결된 상부 공간(115)에는 산소가 존재하게 되고, 연료극라인(112)과 연결되는 하부 공간(116)에는 연료, 예를 들어 메탄올이 존재하게 된다. 구분막(114)은 산소와 연료를 구분한다.

연료탱크(110)의 상부 공간(115) 측에서는 공기극라인(113)이 연장한다. 공기극라인(113)은 공기극(51)과 연통되며, 이 공기극라인(113)을 통해서는 산소탱크(100)에서 연료탱크(110)의 상부 공간(115)으로 이동한 산소가 공기극(51)에 공급되게 된다. 공기극라인(113)에 개재되는 제어밸브(130)는 공기극(51)에 대한 산소의 공급량을 제어한다.

연료탱크(110)의 하부 공간(116)에 존재하는 연료는 상부 공간(115)에 공급되는 산소의 압력에 의해 연료탱크(110)로부터 연료극라인(112)을 통해 연료극(52) 측으로 이동하게 된다. 연료극라인(112)에 배치된 제어밸브(140)는 연료의 이동량을 제어한다.

공기극(51)에 공급된 산소와 연료극(52)에 공급된 연료의 반응 후의 부산물은 각각 연결파이프(61 및 63)에 의해 기액분리기(60)로 수집된다. 기액분리기(60)에서 분리된 물은 연료와 섞이게 되고, 분리된 기체(산소 및 이산화탄소 등 포함)는 연결파이프(67)를 통해 기체탱크(160)으로 이동하게 된다.

기체탱크(160)의 내부에는 이산화탄소 분리막(163)이 배치된다. 그에 따라, 기체 중 이산화탄소는 이산화탄소 분리막(163)을 통과하여 상부 공간(161)을 거쳐서 외부로 배출된다. 하부 공간(162)에 남아 있는 산소는 연료탱크(110)의 상부 공간(115)으로 유입되어, 다시 공기극(51)으로 유입된다.

기체탱크(160)와 기액분리기(60)를 연통시키는 연결파이프(67)에는 기체펌프(150)가 개재될 수 있다. 기체펌프(150)는 기체탱크(160), 나아가 연료탱크(110)에 유입되는 산소를 가압한다. 그에 따라, 연료탱크(110)에 유입된 산소가 하부 공간(116)에 존재하는 연료를 충실히 가압할 수 있게 한다. 기체탱크(160)와 연료탱크(110) 사이에는 제어밸브(170)가 개재되어, 연료탱크(110)로 공급되는 산소의 량을 제어할 수 있게 한다.

이상과 같은 구성에 의하면, 산소탱크(100)의 산소는 공기극(51)으로 공급되는 과정에서 연료탱크(110)의 연료가 연료극(52)으로 이동하도록 가압한다. 이러한 가압을 위해서는 제어밸브(120 및 140)을 열고서, 다른 제어밸브(130)는 닫으면 된다. 이와 같이 산소의 가압에 의해 연료탱크(110)로부터 연료가 유출됨에 따라, 도 1의 연료펌프(40)와 같은 구성이 필요 없게 된다. 그에 따라, 연료전지의 소형화가 가능해진다.

나아가, 연료전지스택(50)에서 배출된 반응 부산물 중에서 산소는 산소 재수확 장치(150 및 160)에 의해 다시 활용됨에 따라, 산소탱크(100)에 저장된 산소를 효율적으로 활용할 수 있게 된다.

이상에서는 본 발명에 따른 연료전지를 첨부한 도면들을 참조로 하여 설명하 였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지는 대기 중의 산소를 획득하지 않고 직접 산소를 공급하는 산소탱크를 구비함에 따라, 산소 획득을 위한 송풍기 등의 구성을 구비하지 않아도 된다. 따라서, 연료전지의 크기가 소형화될 수 있다. 또한, 직접 산소를 공급함에 따라, 연료전지스택에서의 반응 효율이 높아진다.

산소의 압력에 의해 연료가 연료탱크에서 배출되는 구성에 따라서는, 별도의 연료의 배출을 위한 연료펌프 등이 구비될 필요가 없다. 또한, 산소를 재수확하는 장치를 구비함에 따라, 한정된 산소를 보다 효율적으로 활용할 수 있게 된다.

Claims (14)

1. 연료전지스택;

   상기 연료전지스택의 공기극과 연통되는 공기극라인과 상기 연료전지스택의 연료극과 연통되는 연료극라인을 가지며, 연료를 저장하는 연료탱크; 및

   상기 연료탱크와 연통되며, 산소를 저장하는 산소탱크를 포함하고,

   상기 연료는 상기 산소탱크에서 상기 연료탱크로 유입되는 상기 산소의 압력에 의해 상기 연료극라인을 통해 상기 연료극에 공급되고, 상기 산소는 상기 연료탱크로 이동 후에 상기 공기극라인을 통해 상기 공기극으로 공급되는 것을 특징으로 하는 연료전지.
2. 제1항에 있어서,

   상기 연료탱크에 이동 가능하게 배치되어, 상기 연료와 상기 산소를 구분하는 구분막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
3. 제1항에 있어서,

   상기 산소는 상기 연료를 가압하여 상기 연료탱크에서 배출되게 할 정도로 압축된 산소인 것을 특징으로 하는 연료전지.
4. 제1항에 있어서,

   상기 산소탱크와 상기 연료탱크 사이에 개재되어, 상기 산소탱크의 산소를 상기 연료탱크 내로 펌핑하는 산소펌프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
5. 제1항에 있어서,

   상기 연료극라인 및 상기 연료전지스택과 연통되어, 기체와 액체를 분리하는 기액분리기; 및

   상기 기액분리기에 연통되어, 상기 분리된 액체 중 산소를 수확하여 상기 연료탱크에 공급하는 산소 재수확 장치를 더 포함하는 연료전지.
6. 제5항에 있어서,

   상기 산소 재수확 장치는,

   상기 분리된 기체가 수집되는 기체탱크; 및

   상기 기체탱크 내부에 설치되어, 상기 기체 중 이산화탄소를 분리하는 분리막을 포함하고,

   상기 분리된 이산화탄소는 외부로 배출되고, 상기 분리된 산소는 상기 연료탱크로 공급되는 것을 특징으로 하는 연료전지.
7. 제5항에 있어서,

   상기 산소 재수확 장치는,

   상기 분리된 기체가 수집되는 기체탱크; 및

   상기 기체탱크 내부에 설치되어, 상기 기체 중 이산화탄소를 흡착하는 흡착부를 포함하고,

   상기 이산화탄소와 분리된 산소는 상기 연료탱크로 공급되는 것을 특징으로 하는 연료전지.
8. 제6항 또는 제7항에 있어서,

   상기 기체탱크와 상기 기액분리기 사이에 개재되어, 상기 기액분리기에서 분리된 기체를 상기 기체탱크로 펌핑하는 기체펌프를 더 포함하는 연료전지.
9. 제1항에 있어서,

   상기 산소탱크 및 연료탱크는 각각 분리하여 상기 산소탱크 또는 연료탱크에 산소 또는 연료를 충전할 수 있는 카트리지 형태로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지.
10. 제1항에 있어서,

    상기 산소탱크와 상기 연료탱크 사이, 상기 연료탱크와 상기 연료극 사이, 상기 연료탱크와 상기 공기극 사이들 중 적어도 한 곳 이상에 설치되어, 상기 산소 또는 연료의 이동을 제어하는 제어밸브를 더 포함하는 연료전지.
11. 제6항 또는 제7항에 있어서,

    상기 기체탱크와 상기 연료탱크 사이에 개재되어, 상기 산소가 상기 연료탱크로 진행하는 것을 제어하는 제어밸브를 더 포함하는 연료전지.
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