KR101094686B1 - 직접 메탄올 연료전지 시스템의 연료혼합부 및 이를 포함하는 직접 메탄올 연료전지 시스템 - Google Patents

직접 메탄올 연료전지 시스템의 연료혼합부 및 이를 포함하는 직접 메탄올 연료전지 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 직접 메탄올 연료전지 시스템의 연료혼합부 및 이를 포함하는 직접 메탄올 연료전지 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 직접 메탄올 연료전지 시스템의 연료혼합부는, 연료탱크, 캐소드 전극 및 애노드 전극으로부터 각각 메탄올 연료, 캐소드 배출액 및 애노드 배출액을 전달 받고 이들을 혼합하여 제조된 혼합 연료를 애노드 전극으로 공급하는 직접 메탄올 연료전지 시스템의 연료혼합부에 있어서, 분리판에 의해 상, 하로 분리된 상실 및 하실을 포함하되, 상기 상실에는 캐소드 배출액이 공급되는 제1 유입구 및 외부로 가스를 배출하는 제1 가스배출구가 형성되고, 상기 하실에는 애노드 배출액이 공급되는 제2 유입구, 상기 연료탱크로부터 메탄올 연료가 공급되는 제3 유입구 및 애노드 전극으로 혼합연료를 공급하는 연료공급구가 형성되며, 상기 분리판은, 상기 분리판을 관통하는 관으로서 상부는 상기 상실에 배치되고 하부는 상기 하실에 배치되는 물공급채널 및 상기 하실의 가스가 상기 상실로 전달되도록 하는 제2 가스배출구가 형성된 것을 특징으로 한다.
직접 메탄올 연료전지, 연료혼합부, 분리판, 물공급채널, 가스배출구

Description

직접 메탄올 연료전지 시스템의 연료혼합부 및 이를 포함하는 직접 메탄올 연료전지 시스템{Fuel Mixing Apparatus of Direct Methanol Fuel Cell System And Direct Methanol Fuel Cell System Comprising The Same}
본 발명은 직접 메탄올 연료전지 시스템의 연료혼합부 및 이를 포함하는 직접 메탄올 연료전지 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 하나의 장치로서 연료의 혼합기능, 애노드 전극의 기액분리 및 캐소드 전극의 기액분리 기능을 동시에 할 수 있으며, 사용된 연료의 재사용을 위한 기액 분리 과정에서 기화되어 이산화탄소와 함께 배출되는 메탄올 손실을 최소화할 수 있는 직접 메탄올 연료전지 시스템의 연료혼합부 및 이를 포함하는 직접 메탄올 연료전지 시스템에 관한 것이다.
연료 전지(Fuel cell)는 수소 또는 메탄올, 에탄올, 천연가스와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다.
이러한 연료 전지는 화석 에너지를 대체할 수 있는 청정 에너지원으로서, 단 위 전지의 적층에 의한 스택 구성으로 다양한 범위의 출력을 낼 수 있는 장점을 갖고 있으며, 소형 리튬 전지에 비하여 4~10배의 에너지 밀도를 나타내기 때문에 소형 및 이동용 휴대전원으로 주목받고 있다.
연료 전지의 대표적인 예로는 고분자 전해질형 연료 전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)와 직접 메탄올 연료 전지(DMFC: Direct Methanol Fuel Cell) 등을 들 수 있다.
상기 고분자 전해질형 연료 전지는 에너지 밀도가 크고, 출력이 높다는 장점을 가지고 있으나, 수소 가스의 취급에 주의를 요하고 연료가스인 수소를 생산하기 위하여 메탄이나 메탄올 및 천연 가스 등을 개질하기 위한 연료 개질 장치 등의 부대설비를 필요로 하는 문제점이 있다.
이에 반해, 직접 메탄올 연료전지는 액체 메탄올을 직접 연료로 사용하여 작동되므로, 연료의 저장, 시스템의 운전 및 보수가 비교적 간단 용이하여 차세대 이동용 발전 전원으로 주목 받고 있는 신에너지 변환 기술이다.
직접 메탄올 연료전지 시스템은도 1에 도시된 바와 같이 발전의 핵심 부분인 스택(MEA, 분리판, 가스킷, 엔드판 등으로 구성됨)뿐만 아니라 연료공급부, 공기공급부, 캐소드 생성수 순환부 등으로 구성되어 다소 복잡한 시스템이 되어야만 실제 전력을 공급할 수 있는 하나의 모듈이 된다.
직접 메탄올 연료전지 시스템에서의 전기 생성과정을 화학식으로 나타내면 다음과 같다. 아래식에서와 같이 물은 캐소드 전극에서는 환원 반응을 통해 생성되는 부산물인 동시에 애노드 전극에서는 연료의 산화 반응을 위해 사용되는 연료에 해당한다. 따라서, 물은 한편으로는 제거함과 동시에 한편으로는 공급해야 한다.
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실제 운전에서 스택의 애노드 전극 쪽에는 메탄올이 원액이 아닌 4~7wt.% 수용액 상태로 공급이 된다. 그런데, 이러한 메탄올의 희석액을 연료통에 저장하여 사용한다면, 발전 부분인 스택 이외에 연료통, 연료공급펌프, 공기공급펌프, 단순제어회로 등만 구비하면 되므로 간단하게 시스템이 구성될 것이다. 하지만, 운전에 필요한 메탄올의 중량 및 부피의 20배 가량 큰 중량 및 부피의 연료를 장착해야 한다는 심각한 문제가 발생한다.
일반적으로 직접 메탄올 연료전지 시스템에서는 초기에 공급한 물을 지속적으로 순환시키고, 고에너지밀도의 메탄올 원액을 소량만 장착할 수 있게 구성한다. 이런 경우, 애노드 전극의 용액은 계속 순환을 하고, 부족한 물은 캐소드 전극에서 생성되는 것으로 보충하는 방식을 채택하게 되는데, 시스템 측면에서는 다소 복잡한 구성을 피할 수 없다.
우선 연료 공급부는, 원액을 공급하는 펌프, 적정한 농도로 메탄올을 희석하는 혼합통, 희석액을 공급하는 펌프, 스택에서의 반응열로 상승된 용액 온도를 적정 수준으로 냉각시키는 열교환기, 또한 반응 후 생성된 이산화탄소와 용액을 분리하는 기액분리기로 구성된다.
한편, 증발 및 캐소드 전극으로의 물 크로스오버에 의해서 애노드 전극의 용 액 순환만으로는 궁극적으로 물 부족 현상이 발생하기 때문에, 캐소드 전극으로 넘어간 물과 캐소드 전극에서 생성되는 물을 필요한 만큼 에노드 전극으로 공급해 주기 위해서 캐소드 전극 쪽에 응축기, 기액분리기, 물 공급기 등이 추가적으로 필요하다.
즉, 이러한 물 재순환 및 관리를 얼마나 합리적이고 효율적으로 설계하여 운용하는가는 직접 메탄올 연료전지 시스템의 운전에서 가장 중요한 부분 중의 하나이다.
본 발명은 하나의 장치로서 연료의 혼합기능, 애노드 전극의 기액분리 및 캐소드 전극의 기액분리 기능을 동시에 할 수 있어 시스템의 구성을 단순화할 수 있으며, 사용된 연료의 재사용을 위한 기액 분리 과정에서 기화되어 이산화탄소와 함께 배출되는 메탄올 손실을 최소화할 수 있는 직접 메탄올 연료전지 시스템의 연료혼합부를 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명은 또한 상기 연료혼합부를 포함하는 직접 메탄올 연료전지 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 서로 대향하여 위치한 애노드 전 극과 캐소드 전극, 및 상기 애노드 전극과 상기 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하는 적어도 하나의 막전극 어셈블리 및 세퍼레이터를 포함하는 스택; 메탄올 연료를 저장하는 연료탱크; 분리판에 의해 상, 하로 분리된 상실 및 하실을 포함하며, 상기 상실에는 캐소드 배출액이 공급되는 제1 유입구 및 외부로 가스를 배출하는 제1 가스배출구가 형성되고, 상기 하실에는 애노드 배출액이 공급되는 제2 유입구, 상기 연료탱크로부터 메탄올 연료가 공급되는 제3 유입구 및 상기 애노드 전극으로 혼합연료를 공급하는 연료공급구가 형성된 연료혼합부; 상기 캐소드 전극으로 산소를 공급하는 산소 공급부;를 포함하며, 상기 분리판은, 상기 분리판을 관통하는 관으로서 상부는 상기 상실에 배치되고 하부는 상기 하실에 배치되는 물공급채널 및 상기 하실의 가스가 상기 상실로 전달되도록 하는 제2 가스배출구가 형성된 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지 시스템을 제공한다.
상기 연료혼합부는 상기 하실의 수위가 상기 제2 유입구보다 낮게 유지되는지를 감지하기 위해 상기 하실의 수위를 측정하는 레벨센서를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 하실의 수위(a)에 대한 상기 상실의 수위(b)의 비(b/a)는 1/10 내지 1/3인 것이 바람직하다.
상기 제2 가스배출구의 면적은 0.5 내지 15 mm2인 것이 바람직하다.
상기 물공급채널의 단면적은 상기 제2 가스배출구의 면적의 4 내지 30배인 것이 바람직하다.
상기 물공급채널의 단면적은 상기 분리판 면적의 1/5 이하인 것이 바람직하다.
본 발명은 또한, 연료탱크, 캐소드 전극 및 애노드 전극으로부터 각각 메탄올 연료, 캐소드 배출액 및 애노드 배출액을 전달 받고 이들을 혼합하여 제조된 혼합 연료를 애노드 전극으로 공급하는 직접 메탄올 연료전지 시스템의 연료혼합부에 있어서, 분리판에 의해 상, 하로 분리된 상실 및 하실을 포함하되, 상기 상실에는 캐소드 배출액이 공급되는 제1 유입구 및 외부로 가스를 배출하는 제1 가스배출구가 형성되고, 상기 하실에는 애노드 배출액이 공급되는 제2 유입구, 상기 연료탱크로부터 메탄올 연료가 공급되는 제3 유입구 및 애노드 전극으로 혼합연료를 공급하는 연료공급구가 형성되며, 상기 분리판은, 상기 분리판을 관통하는 관으로서 상부는 상기 상실에 배치되고 하부는 상기 하실에 배치되는 물공급채널 및 상기 하실의 가스가 상기 상실로 전달되도록 하는 제2 가스배출구가 형성된 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지 시스템의 연료혼합부를 제공한다.
상기 연료혼합부는 상기 하실의 수위가 상기 제2 유입구보다 낮게 유지되는지를 감지하기 위해 상기 하실의 수위를 측정하는 레벨센서를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 하실의 수위에 대한 상기 상실의 수위의 비는 1/10 내지 1/3인 것이 바람직하다.
상기 물공급채널의 단면적은 상기 제2 가스배출구의 면적의 4 내지 30배인 것이 바람직하다.
상기 제2 가스배출구의 면적은 0.5 내지 15 mm2인 것이 바람직하다.
상기 물공급채널의 단면적은 상기 분리판 면적의 1/5 이하인 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 직접 메탄올 연료전지 시스템의 연료혼합부 및 이를 포함하는 직접 메탄올 연료전지 시스템에 따르면, 하나의 장치로서 연료의 혼합기능, 애노드 전극의 기액분리 및 캐소드 전극의 기액분리 기능을 동시에 할 수 있어 시스템의 구성을 단순화할 수 있다, 아울러, 사용된 연료의 재사용을 위한 기액 분리 과정에서 기화되어 이산화탄소와 함께 배출되는 메탄올을 물에 포집하여 사용할 수 있어 메탄올 손실을 최소화할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명에 따른 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 상세한 설명은 생략한다. 또한, 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어, 동일한 구성요소들에 대해서는 가능한 한 동일한 부호를 부가한다.
본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적 의미로 한정되어 해석되지 아니하며, 본 발명의 기술적 사항에 부합하는 의미와 개념 으로 해석되어야 한다.
본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예이며, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것이 아니므로, 본 출원 시점에서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 직접 메탄올 연료전지 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 계통도이다.
도 2을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 직접 메탄올 연료전지 시스템은 스택(10), 연료탱크(30), 연료혼합부(20), 산소 공급부(60, 61)를 포함한다.
스택(10)은 연료혼합부(20)로부터 연료를 공급 받고 산소 공급부로부터 산소를 공급 받아 전기를 생산하는 부분으로, 하나 또는 두 개 이상의 적층된 막전극 어셈블리를 포함한다.
막전극 어셈블리는 서로 대향하여 위치한 애노드 전극과 캐소드 전극, 및 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함한다.
또한, 상기 애노드 전극 및 캐소드 전극은 전극 기재 및 상기 전극 기재 위에 위치하는 촉매층을 포함한다.
상기 전극 기재는 전극을 지지하는 역할을 하면서 촉매층(110)으로 연료 및 산화제를 확산시켜 촉매층(110)으로 연료 및 산화제가 쉽게 접근할 수 있는 역할을 한다. 상기 전극 기재(120)로는 도전성 기재를 사용하며 그 대표적인 예로 탄소 페이퍼(carbon paper), 탄소 천(carbon cloth), 탄소 펠트(carbon felt) 또는 금속 천((섬유 상태의 금속천으로 구성된 다공성의 필름 또는 고분자 섬유로 형성된 천의 표면에 금속 필름이 형성된 것(metalized polymer fiber)을 말함)이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
애노드 전극의 촉매는 메탄올 연료의 산화 반응을 촉진시키는 역할을 하는 것으로, 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금, 백금-M 합금(M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sn, Mo, W, Rh 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 전이 금속) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 촉매를 사용할 수 있다. 구체적인 예로는 Pt, Pt/Ru, Pt/W, Pt/Ni, Pt/Sn, Pt/Mo, Pt/Pd, Pt/Fe, Pt/Cr, Pt/Co, Pt/Ru/W, Pt/Ru/Mo, Pt/Ru/V, Pt/Fe/Co, Pt/Ru/Rh/Ni, Pt/Ru/Sn/W 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다. 직접 메탄올 연료 전지에서는 애노드 전극(100) 반응 중에서 발생되는 CO에 의한 촉매 피독 현상이 발생함에 따라 이를 방지하기 위하여, 백금-루테늄 합금 촉매가 애노드 전극(100) 촉매로 가장 바람직하다.
상기 촉매는 캐소드 전극(200)에서 산소와 같은 산화제의 환원 반응을 촉진시키는 역할을 하는 것으로, 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금, 백금-M 합금(M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sn, Mo, W, Rh 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 전이 금속) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 촉매를 사용할 수 있다. 구체적인 예로는 Pt, Pt/Ru, Pt/W, Pt/Ni, Pt/Sn, Pt/Mo, Pt/Pd, Pt/Fe, Pt/Cr, Pt/Co, Pt/Ru/W, Pt/Ru/Mo, Pt/Ru/V, Pt/Fe/Co, Pt/Ru/Rh/Ni, Pt/Ru/Sn/W 및 이들의 조합 으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다.
상기 고분자 전해질 막(300)은 애노드 전극(100)의 촉매층에서 생성된 수소 이온을 캐소드 전극(200)의 촉매층으로 이동시키는 이온 교환의 기능을 하는 것으로, 수소 이온 전도성을 갖는 고분자 수지로 제조된다. 그 대표적인 예로는 측쇄에 술폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖고 있는 고분자 수지를 들 수 있다.
상기 고분자 수지의 대표적인 예로는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌술파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자, 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 또는 이들의 공중합체를 들 수 있고, 더 바람직하게는 폴리(퍼플루오로술폰산)(일반적으로 나피온으로 시판됨), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체, 탈불소화된 황화 폴리에테르케톤, 아릴 케톤, 폴리(2,2'-m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸(poly(2,2'-(m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole), 폴리(2,5-벤즈이미다졸) 또는 이들의 공중합체를 들 수 있다.
연료혼합부(20)는 연료탱크(30)로부터 메탄올 연료를 공급 받고, 스택(10)의 애노드 전극에서 배출되는 미반응 메탄올 및 물과 캐소드 전극에서 배출되는 물을 공급 받아 이를 혼합하여 적정 농도로 희석된 메탄올을 애노드 전극으로 공급하는 역할을 한다.
물탱크(40)는 고분자 전해질 막을 통해 캐소드 전극으로 넘어 간 물과 캐소 드 전극에서 생성된 물을 저장한다. 캐소드 전극에서 배출된 캐소드 배출액에는 기체 상태로 배출되는 물이 많으므로 응축기를 이용해 액화 과정을 거칠 수 있다. 물탱크(40)의 물은 펌프(80)를 통해 연료혼합부(20)로 공급된다.
연료탱크(30)는 메탄올 연료 원액을 저장하는데, 앞서 살펴 본 바와 같이 애노드 전극에서의 반응은 메탄올뿐만 아니라 물이 함께 반응물로서 사용되므로, 연료혼합부(20)에서 물과 혼합된 후라야 연료로 사용될 수 있다. 연료탱크(30)의 연료는 펌프(90)를 통해 연료혼합부(20)로 공급된다.
산소 공급부(60, 61)는 캐소드 전극의 반응에서 산화제로 사용되는 산소를 캐소드 전극으로 공급하는 부분으로, 공기필터(61)와 펌프(60)로 구성되어진다. 본 실시예에서 공기를 이용한 구조를 예시하고 있으나, 산소 자체를 공급하여 사용할 수도 있으며, 이 경우 공기필터(61)는 사용되지 않는다.
한편, 애노드 전극에서 배출되는 애노드 배출액은 애노드 전극에서의 반응열로 인해 고온으로 상승되어 있으므로, 열교환기(50)를 이용하여 애노드 배출액의 온도를 적정 수준으로 냉각시킬 수 있다.
본 발명에서 주목하는 부분은 연료 및 물의 재사용을 위해 사용되는 기액분리기이다. 스택(10)에서 메탄올 산화반응으로 발생한 기체상태의 이산화탄소를 배출시키기 위한 기액분리기를 통해서 연료인 메탄올 또한 증발되고, 이에 따라 메탄올을 불필요하게 소모하게 된다. 이는 메탄올의 사용 효율의 저하, 즉 시스템 효율의 저하를 초래한다.
본 발명의 직접 메탄올 연료전지 시스템에 따르면, 에노드 전극의 기액분리, 캐소드 전극의 기액분리, 연료혼합기능을 통합한 연료혼합부(20)의 설계에 의하여, 시스템의 복잡한 구조를 단순화시키고 기액분리 과정에서 메탄올의 손실을 최소화한다.
이하, 도 3 및 도 4를 이용하여 본 발명의 직접 메탄올 연료전지의 연료혼합부(20)에 대하여 보다 상세하게 설명한다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 직접 메탄올 연료전지 시스템의 연료혼합부(20)의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 직접 메탄올 연료전지 시스템의 연료혼합부(20)에 포함된 분리판(120)의 구조를 나타낸 도면이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료혼합부(20)는 분리판(120)에 의해 분리된 상실(130) 및 하실(110)을 포함한다.
상실(130)에는 캐소드 전극에서 배출된 캐소드 배출액이 공급되는 제1 유입구(131) 및 외부로 가스를 배출하는 제1 가스배출구(132)가 형성되고, 하실(110)에는 애노드 전극에서 배출된 애노드 배출액이 공급되는 제2 유입구(113), 연료탱크(30)로부터 메탄올 연료가 공급되는 제3 유입구(111) 및 애노드 전극으로 혼합연료를 공급하는 연료공급구(112)가 형성된다.
연료혼합부(20)를 상실(130) 및 하실(110)로 분리하고 있는 분리판(120)에는 물공급채널(200)이 형성되는데, 물공급채널(200)은 분리판(120)을 관통하는 관으로서 상부는 연료혼합부(20)의 상실(130)에 배치되고 하부는 연료혼합부(20)의 하실(110)에 배치된다.
한편, 분리판(120)에는 하실(110)에 채워진 이산화탄소 등의 가스가 상 실(130)로 전달되는 통로인 제2 가스배출구(300)가 형성된다. 제2 가스배출구(300)는 분리판(120)에 하나 또는 두 개 이상의 구멍을 뚫어 형성할 수 있으며, 분리판(120)의 일부를 가스가 통과할 수 있는 다공성 부직포 또는 세라믹으로 형성할 수도 있다.
또한, 연료혼합부(20)는 하실(110)의 수위가 제2 유입구(113)보다 낮게 유지되는지를 감지하기 위해 하실(110)의 수위를 측정하는 레벨센서(미도시)를 포함하는 것이 바람직하다.
하실(110)의 수위가 제2 유입구(113)보다 높아질 경우 메탄올 수용액이 역류하여 연료전지 스택 쪽으로 유입될 수 있기 때문에, 레벨센서(미도시)를 이용하여 하실(110)의 수위를 감지하고 하실(110)의 수위가 제2 유입구(113)의 수위보다 낮게 유지되도록 하는 것이 바람직하다. 하실(110)의 수위 조절은 예를 들어, 캐소드 전극측 라인 중 응축기의 응축율을 조절하여 응축되어 연료혼합부 상실로 유입되는 물의 양을 제어함으로써 가능하다.
연료혼합부(20)의 세부 구조를 살펴 보면, 하실(110)의 수위(a)에 대한 상실(130)의 수위(b)의 비(b/a)는 1/10 내지 1/3로 유지하는 것이 바람직하다.
상실에 저장되는 물은 두 가지 기능이 있는데, 메탄올의 증발을 억제하는 역할과 하실의 수위를 일정 수준 유지해줄 수 있는 버퍼 역할이다. 상실의 수위를 위와 같은 범위로 유지하는 것이 바람직한 이유는, 상실에 저장되는 물의 양이 너무 많은 경우에는 이산화탄소의 배출이 원활하게 이루어지지 않아서 하실에 내부압력이 상승하는 문제가 발생하고, 반대로 상실의 물의 양이 너무 적은 경우에는 연료 전지의 운전을 중단하는 경우와 같이 하실에 용액 수위가 급격히 줄어드는 상황에서 대응을 할 수 없는 문제가 발생한다.
연료전지의 운전 중단 시에 이산화탄소 생성이 중단되기 때문에, 스택 내부에서 이산화탄소가 차지하던 부피를 용액이 채우게 되는데, 그 부피에 해당하는 만큼의 용액량이 연료혼합부의 하실부에서 스택으로 급격히 빠져 나가기 때문이다. 이때는 이산화탄소 배출이 없기 때문에, 제2가스배출구를 통해서 상실의 물이 하실로 흘러들어가게 되고, 상실에 저장된 물의 양만큼 하실 수위를 유지시켜 주게 된다. 물론, 동일한 상황에서 상실에 저장된 물이 너무 많아서 하실의 제2 유입구까지 수위가 올라가는 것도 바람직하지 않으므로, 이 또한 상실의 물의 양이 많으면 안된다는 이유 중의 하나가 된다.
또한, 분리판(120)에 구멍을 뚫어 제2 가스배출구(300)를 형성할 경우 제2 가스배출구(300)의 면적은 0.5 내지 15 mm2인 것이 바람직하다.
제2 가스배출구의 면적이 상기 면적 범위 미만으로 작을 경우에는 가스 배출이 원활하지 않아 연료혼합부 내부 압력 상승을 초래할 수 있다. 반대로 제2 가스배출구의 면적이 상기 면적 범위를 초과할 경우에는 이산화탄소가 배출되는 상황에서도 제2 가스배출구를 통해 상실에서 하실로 물이 흘러들어갈 수 있기 때문에 상실의 물 저장이 충분히 이루어지지 않는다.
또한, 상기 물공급채널의 단면적은 상기 제2 가스배출구의 면적의 4 내지 30배인 것이 바람직하다. 물공급채널의 단면적이 상기 수치 범위의 하한보다 작으면 상실에 저장된 물의 공급이 원활하지 않아서 상실에 지나치게 많은 물이 축적될 수 있다. 반면에 물공급채널의 단면적이 상기 수치 범위의 상한보다 크면 필요 이상으로 연료혼합부의 내부공간이 커지게 되어 바람직하지 못하다.
한편, 상기 물공급채널의 단면적은 상기 분리판 면적의 1/5 이하인 것이 바람직하다. 물공급채널의 단면적이 위 범위를 벗어나는 경우 필요 이상으로 연료혼합부의 내부공간이 커지게 되어 바람직하지 못하다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 직접 메탄올 연료전지 시스템의 연료혼합부(20)를 통해 메탄올 연료, 애노드 배출액 및 캐소드 배출액이 혼합되어 애노드 전극으로 공급되는 과정을 구체적으로 설명한다.
먼저, 상실(130)의 제1 유입구(131)를 통해 캐소드 전극에서 배출된 캐소드 배출액이 공급된다. 캐소드 배출액에는 캐소드 전극에서 생성된 물, 전해질 막을 통해 캐소드 전극으로 크로스오버된 물 및 메탄올, 환원 반응을 위해 공급된 공기 등이 포함된다.
또한, 하실(110)의 제2 유입구(113)를 통해 애노드 전극에서 배출된 애노드 배출액이 공급된다. 애노드 배출액에는 애노드 전극에 공급된 메탄올 및 물과 산화 반응을 통해 생성된 이산화탄소 등이 포함된다.
이와 함께, 하실(110)의 제3 유입구(111)를 통해 연료탱크(30)로부터 메탄올 연료 원액이 공급된다.
애노드 배출액 및 메탄올 연료가 하실(110)로 공급되면, 하실(110)의 하부는 메탄올 및 물로 채워지며 상부는 이산화탄소를 포함한 기체로 채워진다. 이들 기체 는 애노드 배출액 및 메탄올 연료가 계속 하실(110)에 공급되면서 하실(110) 내부의 압력 증가로 인해 제2 가스배출구(300)를 통해 상실(130)로 배출되게 된다.
이때, 배출가스에는 이산화탄소뿐만 아니라 기화된 메탄올이 포함되어 있으며, 제2 가스배출구(300)를 통해 상실(130)로 이동하면서 상실(130)에 채워진 물에 포집되게 된다.
상실(130)에는 계속적으로 캐소드 배출액이 공급되면서 물이 채워지고, 이들의 수위가 높아지면서 물공급채널(200) 상단의 높이 이상이 되면 물공급채널(200)로 물이 넘치면서 상실(130)의 물이 하실(110)로 공급된다.
상실(130)의 상부에는 하실(110)에서 제2 가스배출구(300)를 통해 배출된 이산화탄소 및 제1 유입구(131)를 통해 공급된 공기가 채워지고 제1 가스배출구(132)를 통해 외부로 배출된다. 또한, 연료탱크(30), 캐소드 전극 및 애노드 전극으로부터 공급 받은 메탄올 연료 및 물로부터 형성된 희석 연료는 펌프(70)를 이용하여 연료공급구(112)를 통해 애노드 전극으로 공급된다.
하실(110)에 채워진 희석된 메탄올은 연료공급구(112)를 통해 애노드 전극으로 공급된다.
이와 같은 순환 과정을 통해 물을 계속적으로 재사용할 수 있고 애노드 전극으로 공급되는 연료에 이산화탄소가 유입되는 것을 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 기화된 상태로 외부로 배출되는 메탄올의 손실을 최소화할 수 있다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
도 1은 종래 직접 메탄올 연료전지 시스템의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 직접 메탄올 연료전지 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 계통도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 직접 메탄올 연료전지 시스템의 연료혼합부의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 직접 메탄올 연료전지 시스템의 연료혼합부에 포함된 분리판의 구조를 나타낸 도면이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
10: 스택 20: 연료혼합부
30: 연료탱크 40: 물탱크
50: 열교환기 60, 70, 80: 펌프
61: 공기필터 110: 하실
111: 제3 유입구 112: 연료공급구
113: 제2 유입구 120: 분리판
130: 상실 131: 제1 유입구
132: 제1 가스배출구 200: 물공급채널
300: 제2 가스배출구

Claims (12)

  1. 서로 대향하여 위치한 애노드 전극과 캐소드 전극, 및 상기 애노드 전극과 상기 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하는 적어도 하나의 막전극 어셈블리; 및 세퍼레이터를 포함하는 스택;
    메탄올 연료를 저장하는 연료탱크;
    분리판에 의해 상, 하로 분리된 상실 및 하실을 포함하며, 상기 상실에는 캐소드 배출액이 공급되는 제1 유입구 및 외부로 가스를 배출하는 제1 가스배출구가 형성되고, 상기 하실에는 애노드 배출액이 공급되는 제2 유입구, 상기 연료탱크로부터 메탄올 연료가 공급되는 제3 유입구 및 상기 애노드 전극으로 혼합연료를 공급하는 연료공급구가 형성된 연료혼합부;
    상기 캐소드 전극으로 산소를 공급하는 산소 공급부;를 포함하며,
    상기 분리판은, 상기 분리판을 관통하는 관으로서 상부는 상기 상실에 배치되고 하부는 상기 하실에 배치되는 물공급채널 및 상기 하실의 가스가 상기 상실로 전달되도록 하는 제2 가스배출구가 형성된 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연료혼합부는 상기 하실의 수위가 상기 제2 유입구보다 낮게 유지되는 지를 감지하기 위해 상기 하실의 수위를 측정하는 레벨센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 하실의 수위에 대한 상기 상실의 수위의 비는 1/10 내지 1/3인 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 물공급채널의 단면적은 상기 제2 가스배출구의 면적의 4~30배인 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2 가스배출구의 면적은 0.5 내지 15 mm2인 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 물공급채널의 단면적은 상기 분리판 면적의 1/5 이하인 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지 시스템.
  7. 연료탱크, 캐소드 전극 및 애노드 전극으로부터 각각 메탄올 연료, 캐소드 배출액 및 애노드 배출액을 전달 받고 이들을 혼합하여 제조된 혼합 연료를 애노드 전극으로 공급하는 직접 메탄올 연료전지 시스템의 연료혼합부에 있어서,
    분리판에 의해 상, 하로 분리된 상실 및 하실을 포함하되, 상기 상실에는 캐소드 배출액이 공급되는 제1 유입구 및 외부로 가스를 배출하는 제1 가스배출구가 형성되고, 상기 하실에는 애노드 배출액이 공급되는 제2 유입구, 상기 연료탱크로부터 메탄올 연료가 공급되는 제3 유입구 및 애노드 전극으로 혼합연료를 공급하는 연료공급구가 형성되며,
    상기 분리판은, 상기 분리판을 관통하는 관으로서 상부는 상기 상실에 배치되고 하부는 상기 하실에 배치되는 물공급채널 및 상기 하실의 가스가 상기 상실로 전달되도록 하는 제2 가스배출구가 형성된 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지 시스템의 연료혼합부.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 하실의 수위가 상기 제2 유입구보다 낮게 유지되는지를 감지하기 위해 상기 하실의 수위를 측정하는 레벨센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지 시스템의 연료혼합부.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 하실의 수위에 대한 상기 상실의 수위의 비는 1/10 내지 1/3인 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지 시스템의 연료혼합부.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 물공급채널의 단면적은 상기 제2 가스배출구의 면적의 4~30배인 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지 시스템의 연료혼합부.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 제2 가스배출구의 면적은 0.5 내지 15 mm2인 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지 시스템의 연료혼합부.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 물공급채널의 단면적은 상기 분리판 면적의 1/5 이하인 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지 시스템의 연료혼합부.
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