KR100918309B1 - 안정한 구조의 직접 메탄올 연료전지용 물 조절기 시스템 - Google Patents

안정한 구조의 직접 메탄올 연료전지용 물 조절기 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 직접 메탄올 연료전지 시스템에서 양극에서 생성된 물과 음극에서 생성된 이산화탄소 및 미반응 메탄올 용액이 모인 후 이산화탄소는 배출되고 메탄올 용액은 재사용을 위해 전극으로 순환될 수 있도록, 가스 배기구, 가스/용액 유입구 및 배출구를 포함하는 특정한 구조의 부유체, 상기 부유체에 각각 연결된 유연성 유입관, 유연성 배출관, 유연성 배기관 등으로 구성되어 있는 물 조절기 시스템을 제공한다.
이러한 연료전지용 물 조절기 시스템은, 연료전지에서 배출되는 미반응 메탄올 용액을 효과적으로 재사용할 수 있고, 기울어져도 정상 작동이 가능하며, 바람직하게는, 내부의 물과 메탄올의 양을 일정하게 유지할 수 있는 효과가 있다.

Description

안정한 구조의 직접 메탄올 연료전지용 물 조절기 시스템 {Water Controller System Having Stable Structure for Direct Methanol Fuel Cell}
도 1은 일반적인 직접 메탄올 연료전지 시스템의 모식도이다;
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 물 조절기 시스템의 모식도이다;
도 3은 도 2의 물 조절기 시스템이 45 도로 기울어진 상태의 모식도이다;
도 4는 도 2의 물 조절기 시스템이 180 도로 완전히 도립된 상태의 모식도이다.
<도면의 주요부호에 대한 설명>
100: 연료전지 시스템 200: 물 조절기 시스템
210: 밀폐형 케이스 220: 부유체
본 발명은 직접 메탄올 연료전지 시스템에서, 양극에서 생성된 물과 음극에 서 생성된 이산화탄소 및 미반응 메탄올 용액이 모인 후 이산화탄소는 배출되고 메탄올 용액은 재사용을 위해 전극으로 순환되도록 구성되는 물 조절기 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 소정량의 물이 채워져 있는 밀폐형 케이스, 메탄올 용액(메탄올+물)이 일부 채워져 있는 중공 구조의 부유체, 이산화탄소를 배출하기 위해 시스템 상부에 설치된 가스 배기구, 물, 이산화탄소 및 미반응 메탄올 용액이 양극 및 음극으로부터 유입되기 위해 시스템 하부에 설치된 가스/용액 유입구, 및 메탄올 용액이 음극으로 공급되기 위해 시스템의 하부에 설치한 배출구를 포함하고 있으며, 상기 부유체가 부유된 상태에서 부유체의 하단에는 상기 가스/용액 유입구로부터 연장된 유연성 유입관과 상기 배출구로부터 연장된 유연성 배출관이 연결되어 있고, 부유체의 상단에는 상기 가스 배기구로부터 연장된 유연성 배기관이 연결되어 있는 구성으로 이루어진 물 조절기 시스템 및 상기 물 조절기 시스템이 구비되어 있는 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 주목받고 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 공급 하여 사용하는 직접 메탄올 연료전지 등으로 분류되기도 한다.
고분자 전해질 연료전지는 100℃ 미만의 낮은 작동온도, 고체 전해질 사용으로 인한 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 전체 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(100)은 고분자 물질로 구성된 전해질 막(116)을 중심으로 양측에 공기극(양극: 112)와 연료극(음극: 114)가 위치하는 연료전지(110); 양극(112)에 연료로서 산소를 포함한 공기를 공급하는 제 1 펌프(140); 음극(114)에 연료로서 메탄올 용액을 공급하는 제 2 펌프(150); 연료전지(110)에서 발생하는 물, 이산화탄소 및 미반응 메탄올이 관(160, 170)을 통해 유입되고 그 중 상기 이산화탄소는 배출관(190)을 통해 제거하고 상기 물과 미반응 메탄올은 제 2 펌프(150)에 의해 다시 연료전지(110)로 공급되는 물 조절기 시스템(200); 소모된 메탄올을 물 조절기 시스템(200)으로 공급하는 제 3 펌프(180); 및 기타 열교환기(Heat Exchanger), 메탄올 탱크(Pure MeOH) 등을 포함하는 것으로 구성되어 있다.
음극(114)으로 공급된 메탄올 용액은 수소이온과 전자로 분리된 후, 그 중 수소이온은 전해질 막(116)을 통해 양극(112)으로 이동하고, 상기 전자는 외부회로 (도시하지 않음)를 통해 양극(112)으로 이동하여 연료전지(110)가 발전하게 된다. 이 과정에서, 양극(112)에서는 물이 생성되고, 음극(114)에서는 이산화탄소와 미반응 메탄올이 발생한다. 상기 물과 이산화탄소 및 미반응 메탄올은 모두 물 조절기 시스템(200)으로 유입되고, 그 중 물과 미반응 메탄올은 소모된 량을 보충하기 위해 외부로부터 공급되는 순수한 메탄올과 혼합되어 연료전지로 다시 공급된다.
상기에서와 같이, 직접 메탄올 연료전지 시스템은 화학전지와 달리 메탄올 용액이 외부에서 연속적으로 공급되고, 이산화탄소가 연속적으로 제거되어야 정상적으로 작동하기 때문에, 그것을 담당하는 물 조절기 시스템의 역할이 중요하다.
일반적으로 물 조절기 시스템은 기체인 이산화탄소가 배출되는 위치와 액체인 메탄올 용액이 배출되는 위치가 정해져 있기 때문에, 기울어지거나 흔들릴 경우에 상기 물질들이 제 위치에서 배출되지 못하는 문제점을 가지고 있다.
상기의 문제점을 해결하기 위하여, 미국 특허출원공개 제2004-115606호, 일본 특허출원공개 제2004-186151호, 한국 특허출원공개 제2004-45312호 등에서는, 물 조절기 내부에 기액 분리막과 메탄올 용액을 흡수하는 흡수부재를 설치하여, 상기 흡수부재에 흡수된 메탄올 용액을 재사용하는 방법이 소개되었으나, 상기 방법은 흡수부재가 메탄올 용액에 완전히 젖었을 때, 상기 흡수 부재에 메탄올 용액이 더 이상 흡수되지 못하고, 이산화탄소가 내부로 흐르게 되는 문제점과, 상기 흡수된 메탄올 용액을 재공급하기 위하여 상당한 펌프압력이 요구된다는 등의 문제점을 가지고 있다.
한편, 일본 특허출원공개 제2003-163021호 등에는 플로우트 관을 사용하여 기울어진 상태에서도 배출 및 공급이 이루어질 수 있는 구조를 제공하고 있으나, 물 조절기 시스템과는 별도의 장치로서 구비되어야 하므로 연료전지 시스템 전체의 크기를 증가시키는 근본적인 문제점을 가지고 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 일거에 해결하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 본 발명의 목적은 연료전지에서 배출되는 미반응 메탄올 용액을 효과적으로 재사용할 수 있고, 기울어져도 정상 작동이 가능하며, 내부의 물과 메탄올의 양을 일정하게 유지할 수 있는 물 조절기 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기와 같은 물 조절기 시스템이 구비되어 있으면서 전체적으로 소형 규모를 유지할 수 있는 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 직접 메탄올 연료전지용 물 조절기 시스템은,
양극에서 생성된 물과 음극에서 생성된 이산화탄소 및 미반응 메탄올 용액이 모인 후 이산화탄소는 배출되고 메탄올 용액은 재사용을 위해 전극으로 순환되도록 구성되어 있는 물 조절기 시스템으로서,
소정량의 물이 채워져 있는 밀폐형 케이스; 및
메탄올 용액(메탄올+물)이 일부 채워져 있는 중공 구조의 부유체;
이산화탄소를 배출하기 위해 시스템 상부에 설치된 가스 배기구;
물, 이산화탄소 및 미반응 메탄올 용액이 양극 및 음극으로부터 유입되기 위해 시스템 하부에 설치된 가스/용액 유입구; 및
메탄올 용액이 음극으로 공급되기 위해 시스템의 하부에 설치한 배출구;
를 포함하고 있으며,
상기 부유체가 부유된 상태에서 부유체의 하단에는 상기 가스/용액 유입구로부터 연장된 유연성 유입관과, 상기 배출구로부터 연장된 유연성 배출관이 연결되어 있고, 부유체의 상단에는 상기 가스 배기구로부터 연장된 유연성 배기관이 연결되어 있는 것으로 구성되어 있다.
따라서, 본 발명에 따른 물 조절기 시스템은 상기와 같은 구조적 특징으로 인해 외부의 다양한 요인에 의해 그것이 직립 자세를 유지하지 못하더라도 정상적으로 작동될 수 있다.
본 발명에서 상기 "메탄올 용액"은 외부로부터 공급되는 순수 메탄올과 연료전지로부터 유입되는 미반응 메탄올이 물에 희석되어, 물 조절기 시스템에서 연료전지로 공급되는 메탄올 용액을 의미한다.
본 발명에서 상기 밀폐형 케이스에 채워져 있는 물의 양은 메탄올 용액이 채워져 있는 부유체가 부유된 상태에서 케이스 내부체적의 1/2 내지 3/4인 것이 바람직하고, 상기 부유체 내부에 채워져 있는 메탄올의 양은 부유체 내부체적의 1/2 내지 3/4인 것이 바람직하다. 이 경우에, 상기 부유체는 물속에 1/2 내지 3/4 정도 잠긴 상태로, 그것이 외면이 밀폐형 케이스 내면과 이격된 채 부유되게 된다.
상기 가스 배기구는 물 조절기 시스템의 최상단에 설치되어 있고, 상기 가스/용액 유입구와 배출구는 각각 시스템의 최하단에 설치되어 있는 것이 더욱 바람직하다.
본 발명에 따른 시스템에서 상기 부유체가 직립된 상태를 유지하기 위해서는 정중앙 수평면을 기준으로 그것의 하부 중량이 상부 중량보다 무거워야 한다. 상기와 같은 구조에서는 부유체의 하단에 가스/용액 유입구 및 배출관이 형성되어 있고, 각각에 유연성 유입관 및 배출관이 연결되어 있으므로, 부유체의 하부는 상부에 비해 상대적으로 큰 중량을 가진다. 더욱 높은 중량차를 제공하기 위하여, 부유체 하부를 상대적으로 비중이 높은 소재로 만들거나 중공 구조물의 두께를 더욱 두껍게 하는 방법들도 고려될 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 유입관과 배출관이 연결되어 있는 부유체의 하단 부위에는, 부유체가 부유된 상태에서 시스템 본체가 기울어지거나 회전하여도, 상기 유입관 및 배출관의 연결부위가 부유체의 최하단에 위치하고 배기관의 연결부위가 부유체의 최상단에 위치하도록, 상대적으로 큰 중량의 무게 중심추가 설치될 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 부유체가 부유된 상태에서 물에 접하는 부유체의 외면에는 삼투압 작용을 하는 하나 또는 둘 이상의 반투막 부재가 설치되어 있는 구조일 수 있다. 상기 반투막 부재는 메탄올의 이동은 억제하고 물의 이동은 가능하게 하여, 상기 부유체 내부의 메탄올 용액의 농도를 일정하게 유지할 수 있 을 뿐만 아니라, 밀폐형 케이스 내부의 물의 양을 일정하게 유지하는 작용을 한다. 따라서, 별도의 메탄올 농도 검출장치 및 조절장치를 포함하고 있지 않더라도, 소망하는 수준으로 메탄올 농도를 용이하게 조절할 수 있다.
상기 밀폐형 케이스는 다양한 구조로 이루어질 수 있으며, 연료전지 시스템 내부에서의 설치 공간과 안정적인 장착을 고려하여 바람직하게는 육면체 구조로 이루어져 있다.
반면에, 상기 부유체는 다양한 원인에 의해 움직였을 때, 부유 현상이 아닌 상기 육면체의 케이스 내면과의 마찰로 인해 자세가 강제적으로 결정되는 것을 최소화할 수 있도록, 구형 구조로 이루어져 있는 것이 바람직하다.
본 발명은 또한 상기의 물 조절기 시스템이 구비되어 있는 연료전지 시스템에 관한 것이다. 본 발명에서와 같은 물 조절기 시스템을 사용하여 연료전지 시스템을 구성하는 기술은 도 1에서와 같이 당업계에 공지되어 있으므로, 그에 대한 설명은 본 발명에서 생략한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 2에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 물 조절기 시스템이 모식적으로 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 물 조절기 시스템(200)은 물(300)이 부분적으로 채워진 밀폐형 케이스(210)와 그것의 내부에서 물(300)에 잠긴 상태로 부유되어 있고 내부에 메탄올 용액(310)이 채워져 있는 부유체(220)로 구성되어 있다.
밀폐형 케이스(210)는 전체적으로 육면체 구조로 이루어져 있고, 좌측 하단면에는 연료전지 양극(도시하지 않음)에서 생성된 물과 연료전지 음극(도시하지 않음)에서 생성된 이산화탄소 및 미반응 메탄올이 유입되는 유입구(230)와, 메탄올 용액을 연료전지로 공급하는 배출구(240)가 서로 인접하여 구비되어 있고, 우측 상단면에 이산화탄소가 배출되는 배기구(250)가 구비되어 있다.
부유체(220)는 구형의 형태를 가지며, 그것의 하단에는 유입구(230)로부터 연장된 유연성 유입관(260)과 배출구(240)로부터 연장된 유연성 배출관(270)이 연결되어 있고, 상단에는 배기구(250)로부터 연장된 유연성 배기관(280)이 연결되어 있다. 유입구(230) 또는 유입관(260)에는 역류의 방지를 위한 일방향 개폐 부재가 설치될 수 있고, 이러한 일방향 개폐 부재는 배출구(240) 또는 배출관(270)에도 설치될 수 있다. 경우에 따라서는, 궁극적으로 유입 및 배출이 일어나는 연료전지(도시하지 않음)에서 이러한 역류 발생을 위한 별도의 부재가 설치될 수도 있다.
부유체(220)의 유입관(260)과 배출관(270)이 연결되어 있는 하단에는 부유체(220)가 부유된 상태에서 시스템 본체가 기울어지거나 흔들리더라도, 유입관(260)과 배출관(270)의 연결부위가 부유체의 최하단에 위치하고 배기관(280)의 연결부위가 부유체의 최상단에 위치할 수 있도록, 큰 중량의 무게 중심추(290)가 설치되어 있다.
따라서, 시스템 본체(200)가 기울어지거나 흔들려도, 부유체(220) 내부에서는 기체상태로서 부유체(200) 상부로 이동하는 이산화탄소와 액체상태로서 부유체 (200) 하부에 고여있는 메탄올 용액이 각각 배출되는 부위 쪽으로 따로 위치하게 된다.
무게 중심추(290)를 기준으로 물이 접하는 부유체(220)의 양측 하부 외면에 각각 삼투압 작용을 하는 반투막 부재(292, 294)를 설치되어 있다. 반투막 부재(292, 294)는 메탄올의 이동은 억제하지만 물의 이동은 가능하게 하여 부유체(220) 내부의 메탄올 용액의 농도를 유지하고, 밀폐형 케이스(210) 내부의 물의 양 역시 일정한 수준으로 유지하는 작용을 한다.
도 3에는 도 2의 물 조절기 시스템이 45 도 기울어진 상태가 모식적으로 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, 물 조절기 시스템(200)이 45 도 회전되어도, 무게 중심추(290)로 인해 부유체(220)는 직립 자세를 유지하며, 밀폐형 케이스(210)만이 기울어졌다.
더욱이, 밀폐형 케이스(210)의 최상단 배기구(250)가 더 이상 최상단에 위치하지 않고 물에 잠기는 경우에도, 부유체(220) 내부에서 이산화탄소가 여전히 상부에 존재하여 배기구(250)와 연결되어 있으므로, 유연성 배기관(280)를 통해 용이하게 외부로 배출될 수 있다. 또한, 밀폐형 케이스(210) 최하단의 유입구(230)와 배출구(240)가 더 이상 최하단에 위치하지 않는 경우에도, 부유체(220) 내부에서 물과 미반응 메탄올은 여전히 하부에 고여 있고 유입구(230)와 배출구(240)와 연결되어 있으므로, 유연성 유입관(260)과 유연성 배출관(270)을 통하여 연료전지로 공급될 수 있다.
도 4에는 도 2의 물 조절기 시스템이 180 도 기울어진 상태가 모식적으로 도시되어 있다.
도 4를 참조하면, 물 조절기 시스템(200)은, 45 도 기울어진 상태에서와 동일한 원리에 의해, 유입구(230) 및 배출구(240)와 배기구(250)의 위치가 정반대로 바뀌어 도립 자세가 되는 경우에도, 부유체(220) 내부에서 이산화탄소와 메탄올 용액의 위치가 바뀌지 않고, 각각 배기관(280)과 유입관(260) 및 배출관(270)이 위치하는 부위에 존재하게 되므로, 정상적으로 작동하게 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.
이상의 설명과 같이, 본 발명에 따른 연료전지용 물 조절기 시스템은, 연료전지에서 배출되는 미반응 메탄올 용액을 효과적으로 재사용할 수 있고, 기울어져도 정상 작동이 가능하며, 내부의 물과 메탄올의 양을 일정하게 유지할 수 있는 효과가 있다.

Claims (9)

  1. 직접 메탄올 연료전지 시스템에서, 양극에서 생성된 물과 음극에서 생성된 이산화탄소 및 미반응 메탄올 용액이 모인 후 이산화탄소는 배출되고 메탄올 용액은 재사용을 위해 전극으로 순환되도록 구성되어 있는 물 조절기 시스템으로서,
    소정량의 물이 채워져 있는 밀폐형 케이스;
    메탄올 용액(메탄올+물)이 일부 채워져 있는 중공 구조의 부유체;
    이산화탄소를 배출하기 위해 밀폐형 케이스의 상부에 설치된 가스 배기구;
    물, 이산화탄소 및 미반응 메탄올 용액이 양극 및 음극으로부터 유입되기 위해 밀폐형 케이스의 하부에 설치된 가스/용액 유입구; 및
    메탄올 용액이 음극으로 공급되기 위해 밀폐형 케이스의 하부에 설치한 배출구;
    를 포함하고 있으며,
    상기 부유체가 부유된 상태에서 부유체의 하단에는 상기 가스/용액 유입구로부터 연장된 유연성 유입관과, 상기 배출구로부터 연장된 유연성 배출관이 연결되어 있고, 부유체의 상단에는 상기 가스 배기구로부터 연장된 유연성 배기관이 연결되어 있어서,
    양극에서 생성된 물과 음극에서 생성된 이산화탄소 및 미반응 메탄올 용액이 상기 가스/용액 유입구와 유연성 유입관을 경유하여 부유체 내부로 유입된 후, 기체상태의 이산화탄소는 부유체 내부에서 상부로 이동하여 유연성 배기관과 가스 배기구를 경유하여 외부로 배출되고, 액체상태의 물과 미반응 메탄올의 혼합물은 부유체 내부에서 하부로 이동하여 유연성 배출관과 배출구를 경유하여 외부로 배출되는 것으로 구성되어 있는 물 조절기 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 물은 부유체가 부유된 상태에서 밀폐형 케이스 내부체적의 1/2 내지 3/4으로 채워져 있는 것을 특징으로 하는 물 조절기 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 메탄올 용액은 부유체 내부체적의 1/2 내지 3/4으로 채워져 있는 것을 특징으로 하는 물 조절기 시스템.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 부유체가 부유된 상태에서 그것의 외면이 밀폐형 케이스의 내면으로부터 이격될 수 있는 수준에서 물과 메탄올 용액이 밀폐형 케이스 내부와 부유체 내부에 각각 채워져 있는 것을 특징으로 하는 물 조절기 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 가스 배기구는 밀폐형 케이스의 최상단에 설치되어 있고, 상기 가스/용액 유입구와 배출구는 각각 밀폐형 케이스의 최하단에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 물 조절기 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 유입관과 배출관이 연결되어 있는 부유체의 하단 부위에는 부유체가 부유된 상태에서 상기 유입관 및 배출관의 연결부위가 부유체의 최하단에 위치하도록 상대적으로 큰 중량의 무게 중심추가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 물 조절기 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 부유체가 부유된 상태에서 물에 접하는 부유체의 외면에는 메탄올의 이동은 억제하지만 물의 이동은 가능하게 삼투압 작용을 하는 하나 또는 둘 이상의 반투막 부재가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 물 조절기 시 스템.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 밀폐형 케이스는 육면체 구조로 이루어져 있고, 상기 부유체는 구형 구조로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 물 조절기 시스템.
  9. 제 1 항에 따른 물 조절기 시스템이 구비되어 있는 연료전지 시스템.
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