KR100908029B1 - 연료전지 발전 시스템 - Google Patents

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Abstract

수소를 발생시키는 수소발생장치, 수소를 공급받아 수소이온과 전자로 분해하도록, 일측이 수소발생장치와 연결되며, 일면이 개방되는 연료채널이 형성되는 연료극, 연료채널의 개방된 일면을 커버하도록 연료극에 적층되는 멤브레인, 멤브레인에 결합되어 멤브레인을 통해 연료극으로부터 수소이온을 제공받는 공기극 및 연료극의 일측에 형성되며, 연료채널 내부의 압력을 측정하여 연료극에 공급되는 수소의 양을 조절하는 압력센서를 포함하는 연료전지 발전 시스템은, 전자장치의 전력 값을 측정하고 연료전지의 전력 값을 측정하는 복잡한 피드 백 시스템(Feed back system)의 사용 없이, 간단하게 압력조절을 함으로써 수소의 유량을 조절할 수 있고, 반응 속도를 증가시킬 수 있다. 또한 이상 현상으로 압력이 올라가면, 수소를 퍼징 할 수 있어 수소 생성 장치의 안정성을 향상시킬 수 있다.
수소발생장치, 연료채널, 압력센서, 밸브

Description

연료전지 발전 시스템{Fuel cell power generation system}
본 발명은 연료전지 발전 시스템에 관한 것이다.
연료전지란 연료(수소, LNG, LPG, 등)와 공기의 화학 에너지를 전기 화학적 반응에 의해 전기 및 열로 직접 변환시키는 장치이다. 기존의 발전기술이 연료의 연소, 증기 발생, 터빈 구동, 발전기 구동 과정을 취하는 것과 달리 연소 과정이나 구동 장치가 없으므로 효율이 높을 뿐만 아니라 환경문제를 유발하지 않는 새로운 개념의 발전 기술이다.
도 1은 연료전지의 작동원리를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 연료전지(100)의 연료극(110)은 양극(anode)이고, 공기극(130)은 음극(cathode)이다. 연료극(110)은 수소(H2)를 공급받아 수소 이온(H+)과 전자(e-)로 분해된다. 수소 이온은 멤브레인(120)을 거쳐 공기극(130)으로 이동한다. 멤브레인(120)은 전해질층에 해당한다. 전자는 외부 회로(140)를 거쳐 전류를 발생시킨다. 그리고 공기극(130)에서 수소 이온과 전자, 그리고 공기 중의 산소가 결합하여 물이 된다. 상술한 연료전지(100)에서의 화학 반응식은 하기의 화학식 1 과 같다.
연료극(110): H2 → 2H+ + 2e-
공기극(130): 1/2 O2 + 2H+ + 2e- → H20
전반응 : H2 + 1/2 O2 → H20
즉, 연료극(110)에서 분리된 전자가 외부 회로를 거쳐 전류를 발생시킴으로써 전지의 기능을 수행하게 된다. 이러한 연료전지(100)는 SOx와 NOx 등의 대기오염물질을 거의 배출하지 않고 이산화탄소의 발생도 적어 무공해 발전이며, 저소음, 무진동 등의 장점이 있다.
연료전지(100)는 연료극(110)에서 전자를 발생시키기 위하여 수소를 함유한 일반연료로부터 연료전지(100)가 요구하는 수소를 많이 포함하는 가스로 변화시키는 수소발생장치를 필요로 한다.
수소발생장치로 일반적으로 알려져 있는 수소 저장 탱크 등을 이용하면 부피가 커지고, 보관에 위험이 따른다.
따라서, 최근 각광받는 휴대용 전자 기기(휴대폰, 노트북 등)가 고용량의 전원 공급 장치를 요구함에 따라 연료전지는 이러한 요구를 맞추어 줄 수 있으며, 부피가 작고 높은 성능을 가질 필요가 있다.
ICAO(International Civil Aviation Organization)에서 비행기 반입이 승인 된 메탄올이나 개미산 등을 이용하여 연료를 개질하고 수소를 발생시키거나, 직접 메탄올이나 에탄올, 개미산 등을 연료전지에서 직접 연료로 사용하는 방식이 사용된다.
하지만, 전자는 높은 개질 온도가 요구되며, 시스템이 복잡해지고, 구동 전력이 소모되어 순수 수소 이외에 불순물들(CO2, CO)이 포함되는 문제점이 있다. 그리고 후자는 낮은 양극 화학 반응과 탄화수소(hydrocarbon)의 멤브레인(membrane)을 통한 크로스 오버(cross-over)에 의해 전력 밀도가 매우 낮아진다는 문제점이 있다.
이에 비해 전기화학반응(electrochemical reaction)을 이용한 수소발생장치를 이용하면, 순수한 수소를 실온에서 생성시킬 수 있다. 또한, 카트리지와 스택(stack) 만으로 간단하게 시스템을 구성할 수 있으며, 전류를 제어하는 방식으로 수소 생성량을 컨트롤(control) 함으로써 별도의 BOP 유닛 없이 원하는 수소 유량을 제어할 수 있다는 강점이 있다.
도 2는 종래에 따른 수소 유량 조절을 나타내는 피드백 시스템(feed back system)을 나타낸 도면이다. 종래의 수소 유량을 조절하는 방법은 전극과 전극 사이의 저항을 줄이고, 컨트롤유닛인 스위치나 가변 저항을 이용하여 조절하는 것이었다.
도시된 바와 같이, 온 디멘드(on demand) 컨트롤을 위하여 연료전지나 연료전지에 연결된 전자장치(모바일 폰)에서 필요한 전력을 피드백(feed back) 받아 그 값이 현재 연료전지의 파워보다 크면 수소 유량을 증가시키고, 작을 때는 수소 유량을 감소시킨다. 이 수소 유량 조절 방식은 회로를 구성하기가 복잡하고 정확한 요구 파워를 감지해야 하는 등 여러 가지 어려움이 따른다.
즉, 연료전지와 전자장치의 파워 요구 소모에 맞추어서 수소의 유량을 조절해야 하는 문제점이 있고, 회로상으로 전압이나 전류를 감지해야 하기 때문에, 시스템이 복잡해지는 문제점이 있다.
본 발명은 수소발생장치에서 연료전지로 공급되는 수소의 유량을 간단하게 조절할 수 있으며, 수소발생장치의 안정성을 향상시킬 수 있는 연료전지 발전 시스템을 제공한다.
본 발명의 일측면에 따르면, 수소를 발생시키는 수소발생장치, 수소를 공급받아 수소이온과 전자로 분해하도록, 일측이 수소발생장치와 연결되며, 일면이 개방되는 연료채널이 형성되는 연료극, 연료채널의 개방된 일면을 커버하도록 연료극에 적층되는 멤브레인, 멤브레인에 결합되어 멤브레인을 통해 연료극으로부터 수소이온을 제공받는 공기극 및 연료극의 일측에 형성되며, 연료채널 내부의 압력을 측정하여 연료극에 공급되는 수소의 양을 조절하는 압력센서를 포함하는 연료전지 발전 시스템이 제공된다.
여기서, 수소발생장치는, 수소 이온을 포함하는 전해질 수용액을 담고 있는 전해조, 전해조 내부에 위치하며 전해질 수용액에 담겨져 있고, 전자를 발생시키는 제1 전극, 전해조 내부에 위치하며 전해질 수용액에 담겨져 있고, 전자를 받아 수소를 발생시키는 제2 전극 및 제1 전극과 제2 전극 사이에 위치하며, 연료극에서 요구 되어지는 압력에 상응하여 제1 전극으로부터 제2 전극으로 흐르는 전자량을 제어하는 컨트롤유닛을 포함할 수 있다.
컨트롤유닛은, 사용자가 입력하는 압력에 따라 상기 전자량을 제어할 수 있다.
또한, 연료채널은, 채널의 끝단부가 외부와 차단된 데드 엔드(dead end) 구조일 수 있다.
또한, 연료극과 수소발생장치 사이에 개재되며, 수소발생장치의 내부 압력을 조절하는 밸브를 더 포함할 수 있으며, 공기극에는, 연료채널에 상응하는 공기채널이 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 발전 시스템은, 전자장치의 전력 값을 측정하고 연료전지의 전력 값을 측정하는 복잡한 피드 백 시스템(Feed back system)의 사용 없이, 간단하게 압력조절을 함으로써 수소의 유량을 조절할 수 있고, 반응 속도를 증가시킬 수 있다. 또한 이상 현상으로 압력이 올라가면, 수소를 퍼징 할 수 있어 수소발생장치의 안정성을 향상시킬 수 있다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것 으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
고분자형 연료전지(PEMFC)의 수소 발생에 이용되는 방법은 알루미늄의 산화반응, 금속 보로하이드라드계의 가수분해 및 금속 전극체 반응으로 나뉘어 질 수 있으며 그 중 수소 발생을 효율적으로 조절하는 방법으로는 금속 전극체를 이용한 방법이 있다. 도 3은 금속 전극체를 이용한 수소발생장치를 나타낸 개념도이다.
도시된 바와 같이, 애노드(anode) 전극(220)인 마그네슘과 캐소드(cathode) 전극(230)인 스테인리스 스틸(stainless steel)이 전해조(210)의 전해수용액(215)에 담겨있다.
수소발생장치(200)의 원리는, 스테인리스 스틸(230) 보다 이온화 경향이 큰 마그네슘(220)에서 전자가 생성되고, 생성된 전자가 스테인리스 스틸(230)로 이동된다. 이동된 전자는 전해수용액(215)과 결합하여 수소를 생성할 수 있다.
상술한 수소발생장치(200)에서의 화학 반응식은 하기의 화학식 2와 같다.
애노드 전극(220) : Mg → Mg2+ + 2e-
캐소드 전극(230) : 2H2O + 2e- → H2 + 2(OH)-
전반응 : Mg + 2H2O → Mg2+ + H2 + 2(OH)-
이는 주로 마그네슘의 전극(220)이 Mg2+ 이온으로 이온화 되면서 얻어지는 전자를 다시 도선을 통하여 다른 금속체에 연결하여 (예, 알루미늄 혹은 스테인레스 스틸) 물의 분해 반응으로 수소를 발생 시키는 방법으로, 연결된 도선의 단락으로부터 사용되는 전극체간의 간격 및 크기에 관계되어서 수소의 발생을 온-디멘드(On-demand)로 조절 할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 발전 시스템의 단면도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료극의 사시도이며, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 유량 조절을 나타내는 순서도이다. 도 4 또는 도 5를 참조하면, 연료극(300), 멤브레인(302), 공기극(304), 연료채널(306), 공기채널(303), 압력센서(308), 밸브(310), 전해조(312), 탄성부재(314), 전해질 수용액(316), 제1 전극(318), 제2 전극(320), 전선(322) 및 컨트롤유닛(324)이 도시되어 있다.
본 발명은 전자장치의 전력 값을 측정하고 연료전지의 전력 값을 측정하는 복잡한 피드 백 시스템(Feed back system)의 사용 없이, 간단하게 압력조절을 함으로써 수소의 유량을 조절할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 이해와 설명의 편의를 위하여 제1 전극(318)이 마그네슘(Mg)으로, 제2 전극(320)이 스테인리스 스틸(Stainless Steel)로 구성된 것을 중심으로 설명하기로 한다.
연료극(300)은 연료전지의 연료극(300)이며, 수소발생장치에서 발생되는 수소를 공급받아 수소이온과 전자로 분해한다. 또한, 연료극(300)의 일측은 수소발생장치와 연결되며, 일면이 개방된 연료채널(306)을 형성한다.
연료극(300)은 도 5에 도시된 바와 같이, 연료채널(306)의 끝단부가 외부와 차단되어 막혀있는 데드 엔드(dead end)구조를 사용한다. 상기와 같은 구조로 인하여, 연료극(300)의 연료채널(306)에 수소발생장치에서 공급되는 수소를 수용할 수 있으며, 데드 엔드 구조에 수용되는 수소 양의 압력을 측정할 수 있다.
멤브레인(302)은 연료채널(306)의 개방된 일면을 커버하도록 연료극(300)에 적층되고, 연료극(300)에서 발생되는 수소이온을 통과시킨다.
공기극(304)은 멤브레인(302)에 결합되어, 멤브레인(302)을 통해 연료극(300)으로부터 수소이온을 제공받아, 전자와 공기 중의 산소와 결합하여 물을 형성하고, 전자는 외부 회로를 거쳐 전류를 발생시킨다.
또한, 공기극(304)에는 연료채널(306)에 상응하는 공기채널(303)이 형성되어 발생되는 물을 수용할 수 있다.
압력센서(308)는, 연료극(300)의 일측에 형성되며, 연료채널(306) 내부의 압력을 측정하여 연료극(300)에 공급되는 수소의 양을 조절할 수 있다. 연료전지가 전력을 생산하고 있는 순간에 지속적으로 수소가 소모되면, 수소의 농도가 낮아지고, 더 많은 수소를 공급하여 원하는 수소의 농도를 맞춘다.
원하는 수소의 농도를 맞추고 그 농도를 유지하기 위해서, 압력센서(308)가 연료채널(306) 내부의 압력을 측정하여, 연료채널(306) 내부의 수소 양에 따른 압력을 일정하게 유지시킨다.
따라서, 연료극(300)에 일정한 수소 양에 따른 압력을 유지하면, 수소의 농도도 일정하게 되고, 전자 장치의 전력 소모량과 상관없이 온 디멘드 컨트롤이 가능할 수 있다.
밸브(310)는, 연료극(300)에서 수소의 유량 조절에 이상이 생기거나, 수소발생장치의 내부 압력에 이상이 생길 경우, 밸브(310)를 열어 수소를 퍼징(purging)함으로써 수소발생장치를 안전하게 유지시킬 수 있다. 즉, 수소발생장치 내부의 압력이 일정 수위를 초과할 경우, 수소를 배출시킬 수 있다.
수소발생장치는 전해조(312), 탄성부재(314), 제1 전극(318), 제2 전 극(320), 전해질 수용액(316), 전선(322) 및 컨트롤유닛(324)을 포함한다.
전해조(312)는 일면이 개방되어 형성되며, 내부에 수소 이온을 포함하는 전해질 수용액(316)과, 탄성부재(314)를 담고 있다.
탄성부재(314)는 전해조(312) 내부에 삽입되고, 탄성부재(314) 내부에 제1 전극(318)과 제2 전극(320)을 포함하는 전극, 전해질 수용액(316)을 포함한다. 탄성부재(314)는 고무 및 비닐 중 어느 하나의 물질로 이루어질 수 있으며, 탄성부재(314) 내부에 전해질 수용액(316)이 유입되면, 탄성부재(314)는 전해조(312)의 형태로 그 모양이 변할 수 있다.
전해조(312) 내부에 형성되는 탄성부재(314)는 전해질 수용액(316)의 양에 따라 탄성적으로 늘어날 수 있다. 또한, 전해조(312)에 덮개를 씌었을 때, 전해조(312) 내부에 형성되는 덮개 안쪽 면에 탄성부재(314)를 고정시킬 수 있다.
전극(318,320)은 제1 전극(318)과 제2 전극(320)으로 나눌 수 있으며, 전자의 이동 통로인 전선(322)과 연결된다.
전해질 수용액(316)은 수소 이온을 포함하고 있으며, 수소발생장치는 전해질 수용액(316)에 포함된 수소 이온을 이용하여 수소 가스를 발생시킬 수 있다. 전해질 수용액(316)에서 LiCl, KCl, NaCl, KNO3, NaNO3, CaCl2, MgCl2, K2SO4, Na2SO4, MgSO4, AgCl 등이 전해질로 사용될 수 있다.
제1 전극(318)은 전해조(312) 내부의 일면에 형성되며 전자를 발생시킨다. 제1 전극(318)은 활성 전극이다. 제1 전극(318)에서는 마그네슘(Mg) 전극과 물(H20) 의 이온화 에너지의 차이 때문에 마그네슘 전극이 물 속에서 전자(e-)를 내어 놓으며 마그네슘 이온(Mg2+)으로 산화된다.
이 때 생성되는 전자는 전선(322)을 통하여 컨트롤유닛(324)으로 이동하며 전선(322)을 통해 제2 전극(320)으로 이동하게 될 수 있다. 따라서, 제1 전극(318)은 전자를 생성함에 따라서 소모하게 되며 일정 시간이 경과한 후 교체할 수 있도록 한다. 또한, 제1 전극(318)은 제2 전극(320)에 비하여 상대적으로 이온화 경향이 큰 금속으로 이루어질 수 있다.
제2 전극(320)은 제1 전극(318)과 인접하게 형성될 수 있으며, 전자와 전해질 수용액(316)을 이용하여 수소를 발생시킬 수 있다. 제2 전극(320)은 비활성 전극이다. 제2 전극(320)은 제1 전극(318)의 마그네슘에서 발생되는 전자를 받아, 전해질 수용액(316)과 함께 반응하여 수소를 발생시킬 수 있다.
또한, 제2 전극(320)은 비활성 전극으로서 제1 전극(318)과 달리 소모되지 않기 때문에 제1 전극(318)의 두께보다 얇게 구현할 수 있다.
보다 상세하게, 제2 전극(320)에서의 화학반응을 살펴보면, 제2 전극(320)에서는 물이 제1 전극(318)으로부터 이동한 전자를 받아 수소로 분해된다.
상술한 화학 반응식을 하기의 화학식 3과 같다.
제1 전극 : Mg → Mg2+ + 2e-
제2 전극 : 2H20 + 2e- → H2 + 2(OH)-
전반응 : Mg + 2H2O → Mg(OH)2 + H2
상술한 화학 반응은 여러 요소들에 의해 반응 속도 및 반응 효율이 결정된다. 반응 속도를 결정짓는 요소로는 제1 전극(318) 및/또는 제2 전극(320)의 전극 면적, 전해질 수용액(316)의 농도, 전해질 수용액(316)의 종류, 제1 전극(318) 및/또는 제2 전극(320)의 개수, 제1 전극(318)과 제2 전극(320) 사이의 연결 방법, 제1 전극(318)과 제2 전극(320) 사이의 전기적 저항 등이 있다.
상술한 요소들을 변화시키면, 반응 조건에 따라 제1 전극(318)과 제2 전극(320) 사이에 흐르는 전류의 양(즉, 전자의 양)이 달라지면서, 화학식 3과 같은 전기화학적 반응 속도가 달라지게 된다. 전기화학적 반응 속도가 달라지게 되면 제2 전극(320)에서 발생되는 수소의 양도 변화하게 된다.
따라서, 본 발명의 실시예에서는 제1 전극(318)과 제2 전극(320) 사이에 흐르는 전류의 양을 조절하여 생성되는 수소의 양을 조절하는 것이 가능하게 된다. 이는 하기의 수학식 1에서 나타낸 것과 같이 패러데이 법칙(Faraday's law)에 의해 원리적으로 설명될 수 있다.
Figure 112007070289546-pat00001
여기서, Nhydrogen은 1초에 생성되는 수소의 양(mol)이고, Vhydrogen은 1분 동안 생성되는 수소의 부피(ml/min)이다. i는 전류(C/s), n은 반응 전자의 개수, E는 전자 1몰당 전하(C/mol)를 나타낸다.
상기한 화학식 3을 참조하면, 제2 전극(320)에서 수소 전자 2개가 반응하므로, n은 2이고, 전자 1몰의 전하는 약 -96485 쿨롱이다.
1분 동안 생성되는 수소의 부피는 1초에 생성되는 수소의 양에 시간(60 초)과, 수소 1몰의 부피(22400 ml)를 곱하여 산출할 수 있다.
만약, 연료전지가 2W 시스템에서 사용되는 경우, 수소 요구량은 42 ml/mol 정도이고 6 A의 전류가 필요하게 된다. 그리고 연료전지가 5W 시스템에서 사용되는 경우, 수소 요구량은 105 ml/mol 정도이고 15 A의 전류가 필요하게 된다.
이와 같이 수소발생장치는 제1 전극(318)과 제2 전극(320)에 흐르는 전류의 양을 조절하면 후단에 연결되는 연료전지에서 필요로 하는 만큼의 수소를 발생시키는 것이 가능하게 된다.
본 발명의 실시예에서, 제1 전극(318)은 마그네슘 이외에 알루미늄(Al), 아연(Zn) 등의 알칼리 금속 계열의 원소, 철(Fe) 등 상대적으로 이온화 경향이 큰 금속으로 이루어질 수 있다. 그리고 제2 전극(320)은 스테인리스 스틸 이외에 백금(Pt), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 금(Au), 은(Ag), 철(Fe) 등으로 제1 전극(318)을 이루는 금속과 비교할 때 상대적으로 이온화 경향이 작은 금속으로 이루어질 수 있다.
컨트롤유닛(324)은 전기화학적 반응에 의해 제1 전극(318)에서 생성된 전자를 제2 전극(320)으로 전달하는 속도, 즉 전류량을 조절한다.
컨트롤유닛(324)은 연료전지에 의해서 요구되는 전력량 또는 수소량을 전달받고, 그 요구되는 값이 크면 제1 전극(318)에서 제2 전극(320)으로 흐르는 전자의 양을 증가시키고, 그 요구되는 값이 작으면 제1 전극(318)에서 제2 전극(320)으로 흐르는 전자의 양을 감소시킨다.
즉, 컨트롤유닛(324)은 연료극(300)에서 요구되어 지는 압력에 상응하여 제1 전극(318)으로부터 제2 전극(320)으로 흐르는 전자량을 제어할 수 있다. 또한, 컨트롤유닛(324)은 사용자가 입력하는 압력에 따라 전자량을 제어할 수 있다.
예를 들어, 컨트롤유닛(324)은 가변 저항으로 구성되어 가변 저항값을 변화시킴으로써 제1 전극(318)과 제2 전극(320) 사이에 흐르는 전류량을 조절하거나 온/오프 스위치로 구성되어 온/오프 타이밍을 조절함으로써 제1 전극(318)과 제2 전극(320) 사이에 흐르는 전류량을 조절할 수 있다.
또한, 컨트롤유닛(324)은 밸브(310) 및 전선(322)과 각각 연결되어 수소발생 장치가 발생시키는 수소의 양을 조절할 수 있다.
덮개는 전해조(312) 외부로 전선(322)이 나오도록 전해조(312)와 결합한다. 전해조(312) 외부로 전선(322)이 나오기 위해서 덮개에 전선(322)이 통과하는 관통홀을 형성할 수 있다. 이때, 전해조(312) 내부에서 발생되는 수소가 관통홀을 통해 유출되는 것을 방지하기 위하여, 관통홀에 씰링제를 도포한다. 따라서, 전해조 내부와 외부를 차단시킬 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 유량 조절을 나타내는 순서도이다. 도 6을 참조하여 수소의 유량 조절을 설명한다. 먼저, 수소발생장치에서 스위치를 온(on) 하거나 가변저항을 낮추어, 수소 발생량이 일정한 압력을 갖도록 수소를 발생시키고, 수소의 설정치를 형성한다(S10). 이때, 설정치는 상한 설정치(B1), 하한 설정치(B2) 및 최대 설정치(C)로 입력될 수 있다.
다음으로, 압력센서(308)를 이용하여 연료채널(306) 내부의 압력(A)을 측정한다(S20). 측정한 압력(A)과 설정치를 비교한다(S30).
우선, 설정치를 상한 설정치(B1) 및 하한 설정치(B2)로 입력하고(S40), 측정압력(A)과 비교한다(S42).
전자장치에서 전력 소모량이 많아지고 연료극(300)에서 소모되는 수소의 양이 증가하면, 연료극(300)의 연료채널(306) 내부에 수용되는 수소의 압력이 낮아진다. 즉, 압력센서(308)를 이용하여 측정된 연료채널(306) 내부의 압력인 측정압력(A)이 설정된 하한 설정치(B2) 보다 작을 경우, 수소발생장치의 스위치를 온 하 거나 가변저항을 줄여 전극과 전극 사이에 더 많은 전류를 흐르게 한다(S440). 이로써 더 많은 수소를 연료극(300)에 공급하게 되며 연료채널(306)의 수소 양에 따른 압력을 증가시킨다.
반대로, 전자장치에서 전력 소모량이 줄어 들면, 지속적으로 생성되는 수소로 인해 연료채널(306) 내부의 압력이 높아진다. 즉, 연료채널(306) 내부의 측정압력(A)이 설정된 상한 설정치(B1) 보다 클 경우, 수소발생장치의 스위치를 오프(off)하거나, 가변 저항의 크기를 증가시켜 수소 발생량을 줄인다(S442). 이로써 연료극(300)의 연료채널(306) 내부 압력을 낮출 수 있다.
측정압력(A)이 상한 설정치(B1)와 하한 설정치(B2) 사이의 값으로 유지되면, 수소발생장치의 스위치를 온 앤드 오프(on & off) 시키고, 낮은 저항과 높은 저항을 번갈아 사용할 수 있다(S444).
따라서, 전자장치의 요구 파워를 측정하여 연료전지의 파워와 비교하는 복잡한 절차없이, 연료극(300)의 연료채널(306) 내부 압력만 일정하게 유지시켜 준다면 전자장치의 요구대로 온 디멘드(on demand) 컨트롤이 가능하게 된다.
한편, 설정치를 입력할 때 최대 설정치(C)를 입력하여(S50), 측정압력(A)과 최대 설정치(C)를 비교할 수 있다(S52).
이때, 측정압력(A)이 최대 설정치(C)보다 작으면, 수소발생장치의 압력이 적절하기 때문에 밸브(310)를 작동시키지 않는다(S540).
반대로, 측정압력(A)이 최대 설정치(C)보다 클 경우, 연료극(300)에 이상이 생겨 수소의 유량 조절에 있어서 문제가 발생된다. 수소발생장치가 일정 압력을 넘 어 수소발생장치의 폭발 위험이 발생될 경우, 이것을 방지하기 위해 밸브(310)를 열어 수소를 퍼징함으로써 수소발생장치를 안전하게 유지할 수 있다(S542).
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 연료전지의 작동원리를 나타낸 도면.
도 2는 종래에 따른 수소 유량 조절을 나타내는 피드백 시스템(feed back system)을 나타낸 도면.
도 3은 수소발생장치를 나타낸 개념도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 발전 시스템의 단면도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료극의 사시도.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 유량 조절을 나타내는 순서도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
300 : 연료극 302 : 멤브레인
304 : 공기극 306 : 연료채널
303 : 공기채널 308 : 압력센서
310 : 밸브 312 : 전해조
314 : 탄성부재 316 : 전해질 수용액
318 : 제1 전극 320 : 제2 전극
322 : 전선 324 : 컨트롤유닛

Claims (6)

  1. 수소를 발생시키는 수소발생장치;
    상기 수소를 공급받아 수소이온과 전자로 분해하도록, 일측이 상기 수소발생장치와 연결되며, 일면이 개방되는 연료채널이 형성되는 연료극;
    상기 연료채널의 개방된 일면을 커버하도록 상기 연료극에 적층되는 멤브레인;
    상기 멤브레인에 결합되어 상기 멤브레인을 통해 상기 연료극으로부터 상기 수소이온을 제공받는 공기극; 및
    상기 연료극의 상기 일측에 형성되며, 상기 연료채널 내부의 압력을 측정하여 상기 연료극에 공급되는 수소의 양을 조절하는 압력센서를 포함하되,
    상기 수소발생장치는,
    수소 이온을 포함하는 전해질 수용액을 담고 있는 전해조;
    상기 전해조 내부에 위치하며 상기 전해질 수용액에 담겨져 있고, 전자를 발생시키는 제1 전극;
    상기 전해조 내부에 위치하며 상기 전해질 수용액에 담겨져 있고, 상기 전자를 받아 수소를 발생시키는 제2 전극; 및
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하며, 상기 연료극에서 요구되어지는 압력에 상응하여 상기 제1 전극으로부터 상기 제2 전극으로 흐르는 전자량을 제어하는 컨트롤유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 발전 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 컨트롤유닛은, 사용자가 입력하는 압력에 따라 상기 전자량을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 발전 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 연료채널은, 채널의 끝단부가 외부와 차단된 데드 엔드(dead end) 구조인 것을 특징으로 하는 연료전지 발전 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 연료극과 상기 수소발생장치 사이에 개재되며, 상기 수소발생장치의 내부 압력을 조절하는 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 발전 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 공기극에는, 상기 연료채널에 상응하는 공기채널이 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 발전 시스템.
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