KR101126206B1 - 연료전지 시스템 - Google Patents

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Abstract

일산화탄소를 산화시켜 촉매 피독을 제거하므로 촉매 활성을 극대화시킬 수 있도록, 수소가 포함된 연료를 공급하는 연료 공급원과, 산소를 공급하는 산소 공급원과, 연료 공급원으로부터 공급되는 연료 또는 연료로부터 발생된 수소 가스의 산화와 산소 공급원으로부터 공급되는 산소의 환원으로 이루어지는 전기 화학적인 반응을 통해 전기를 발생시키는 하나 이상의 전기 발생부와, 전기 발생부에 일산화탄소에 의한 촉매 피독이 발생하여 전압이 설정값 미만으로 저하되면 역전압을 인가하여 촉매 피독을 제거하는 피독제거부를 포함하는 연료전지 시스템을 제공한다.
연료전지, 스택, 전기발생부, 전극전해질합성체, 개질부, 촉매층, 피독, 일산화탄소, 역전압, 백금, 산화

Description

연료전지 시스템 {FUEL CELL SYSTEM}
도 1은 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 일실시예를 개략적으로 나타내는 블럭도이다.
도 2는 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 일실시예에 있어서 피독제거부의 구성을 나타내는 블럭도이다.
도 3은 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 일실시예를 개략적으로 나타내는 회로도이다.
도 4는 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 일실시예에 있어서 전기발생부를 나타내는 분해사시도이다.
도 5는 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 일실시예에 있어서 세퍼레이터의 구성을 나타내는 분해사시도이다.
도 6은 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 일실시예에 있어서 전극-전해질 합성체의 구성을 나타내는 부분확대 단면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 다른 실시예를 개략적으로 나타내는 블럭도이다.
도 8은 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 다른 실시예를 개략적으로 나타내는 회로도이다.
도 9는 백금계열 촉매의 CV와 CO stripping voltammograms을 나타내는 그래프이다.
도 10은 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 일실시예에 있어서 시간에 따른 전압의 변화를 나타내는 그래프이다.
본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 수소가스가 공급되는 애노드 전극을 피독시키는 일산화탄소를 역전압을 가하는 것에 의하여 산화반응으로 제거하는 연료전지 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지(Fuel Cell)는 산소와 메탄올, 에탄올, 천연 가스와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템으로, 작동되는 온도에 따라 고온형 연료전지와 저온형 연료전지로 분류한다.
상기 고온형 연료전지로는 용융탄산염형 연료전지(MCFC;Molten Carbonate Fuel Cell), 고체산화물형 연료전지(SOFC;Solid Oxide Fuel Cell) 등이 있으며, 저온형 연료전지로는 알칼리전해질형 연료전지(AFC;Alkaline Fuel Cell), 인산형 연료전지(PAFC;Phosphoric Acid Fuel Cell), 고분자전해질형 연료전지(PEMFC;Polmer Electrolyte Membrane Cell), 직접액체 연료전지(DLFC;Direct Liquid Feed Fuel Cell) 등이 있다.
상기 각각의 연료전지는 동일한 원리에 의해 이루어지며, 사용되는 연료의 종류, 운전 온도, 촉매, 전해질 등에 따라 구분하기도 한다.
상기 고분자전해질형 연료전지(PEMFC)는 다른 연료전지에 비하여 출력 특성이 탁월하며, 작동 온도가 낮고, 빠른 시동 및 응답 특성을 가지며, 자동차와 같은 이동용 전원은 물론, 주택, 공공건물과 같은 분산용 전원 및 전자기기용과 같은 소형 전원 등 그 응용 범위가 넓은 장점을 가진다.
상기 고분자전해질형 연료전지(PEMFC)는 연료 펌프의 작동으로 연료 탱크 내의 연료를 개질기(Reformer)로 공급하고, 개질기에서 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키며, 스택(stack)에서 수소 가스와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시키도록 시스템을 구성한다. 상기 스택에는 산소를 공급하기 위하여 산소가 포함된 공기를 강제로 송풍하는 구성이 연결 설치된다.
상기 개질기는 열 에너지에 의한 화학 촉매 반응을 통하여 수소를 함유한 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 장치이다. 상기 개질기에서 발생된 수소 가스에는 일산화탄소(CO)가 미량 함유되므로, 함유되는 일산화탄소(CO)를 제거하기 위한 장치가 추가로 설치된다.
상기 직접액체 연료전지(DLFC)는 메탄올, 에탄올 등 유기화합물 액체연료를 직접 사용하기 때문에 개질기 등 주변장치가 필요치 않고, 연료의 저장 및 공급이 쉬우며, 에너지밀도 및 전력밀도가 매우 높다는 장점을 가진다. 상기에서 메탄올을 연료로 사용하는 경우에는 직접메탄올형 연료전지(DMFC;Direct Methanol Fuel Cell)라 한다.
상기 직접액체 연료전지(DLFC)는 연료 펌프의 작동으로 연료 탱크 내의 연료를 스택(stack)으로 공급하고, 스택(stack)에서 메탄올 등의 유기화합물 액체연료와 산화제인 산소가 전기 화학적으로 반응하여 전기에너지를 발생시키도록 시스템을 구성한다. 상기 스택에는 산소를 공급하기 위하여 산소가 포함된 공기를 강제로 송풍하는 구성이 연결 설치된다.
상기와 같은 고분자전해질형 연료전지(PEMFC), 직접액체 연료전지(DLFC) 등의 연료전지 시스템에 있어서, 전기를 실질적으로 발생시키는 스택(stack)은 막-전극 어셈블리(MEA;Membrane Electrode Assembly)와 양면에 밀착하는 세퍼레이터(separator)로 이루어진 단위 셀이 수～수십개 적층된 구조로 이루어지고, 전극-전해질 합성체는 전해질막을 사이에 두고 애노드 전극과 캐소드 전극이 부착된 구조로 이루어진다.
상기 세퍼레이터는 각각의 전극-전해질 합성체를 분리하고, 연료전지의 반응에 필요한 수소 가스(액체연료)와 산소를 각각 막-전극 어셈블리의 애노드 전극과 캐소드 전극으로 공급하는 통로 역할과, 각 막-전극 어셈블리의 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시키는 전도체 역할을 동시에 수행한다. 즉 상기 세퍼레이터를 통해 애노드 전극에는 수소 가스(액체연료)가 공급되는 반면, 캐소드 전극에는 산소가 공급되며, 이 과정에서 애노드 전극에서는 촉매에 의한 수소 가스(액체연료)의 산화 반응이 일어나고, 캐소드 전극에서는 촉매에 의한 산소의 환원 반응이 일어나며, 이때 생성되는 전자의 이동에 의하여 전기와 열 및 수분이 발생한다.
종래 고분자전해질형 연료전지(PEMFC)에 있어서, 상기 개질기에서 일산화탄소를 제거하기 위한 장치를 설치하여도, 일산화탄소를 제거하기 위한 화학 촉매 반응을 완전하게 행하는 것이 곤란하여 미량의 일산화탄소를 함유하고 있는 수소 가스가 막-전극 어셈블리로 공급된다.
그런데 상기와 같이 미량의 일산화탄소를 함유하는 수소 가스가 막-전극 어셈블리의 애노드 전극으로 공급되면, 일산화탄소에 의한 애노드 전극의 촉매 피독으로 인하여 촉매의 활성이 약화되고, 결과적으로 연료전지의 성능이 저하되고, 수명이 단축되는 문제가 있다.
또한 종래 직접액체 연료전지(DLFC)에 있어서도 액체연료가 애노드 전극에서 산화되는 과정에서 반응 부생성물로 일산화탄소가 발생되고, 이 일산화탄소에 의한 촉매 피독이 발생한다. 따라서 종래 직접액체 연료전지(DLFC)에 있어서는 일산화탄소에 의한 촉매 피독을 방지하기 위하여 루테늄, 로듐, 오스늄, 니켈 등과 같은 전이금속의 합금 촉매를 사용하고 있지만, 합금 촉매가 일산화탄소에 의한 충분한 내성을 갖추기 어렵고, 전이금속의 배합량을 증가시키는 경우 제조상의 어려움과 촉매의 특성 변화가 발생하여 촉매 피독을 완전하게 방지하는 것은 불가능하다.
본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 애노드 전극에 역전압을 인가하는 것에 의하여 일산화탄소를 산화시켜 촉매 피독을 제거하므로 촉매 활성을 극대화시킬 수 있는 연료전지 시스템을 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 제안하는 연료전지 시스템은 수소가 포함된 연료를 공급하는 연료 공급원과, 산소를 공급하는 산소 공급원과, 상기 연료 공급원으로부터 공급되는 연료 또는 연료로부터 발생된 수소 가스의 산화와 상기 산소 공급원으로부터 공급되는 산소의 환원으로 이루어지는 전기 화학적인 반응을 통해 전기를 발생시키는 하나 이상의 전기 발생부와, 상기 전기 발생부에 일산화탄소에 의한 촉매 피독이 발생하여 전압이 설정값 미만으로 저하되면 역전압을 인가하여 촉매 피독을 제거하는 피독제거부를 포함하여 이루어진다.
그리고 본 발명의 연료전지 시스템은 상기 연료공급원으로부터 공급되는 연료로부터 수소 가스를 발생시켜 상기 전기 발생부로 공급하는 개질부를 더 포함하는 것도 가능하다.
상기 피독제거부는 상기 전기 발생부에서 발생하는 전압을 감지하는 전압감지부와, 상기 전압감지부에서 감지된 전압이 설정값 미만으로 저하되면 상기 전기 발생부에 역전압을 인가하도록 제어하는 제어부와, 상기 제어부의 제어신호에 따라 상기 전기 발생부에 역전압을 인가하는 보조전원을 포함하여 이루어진다.
상기 제어부는 상기 전기 발생부에 역전압을 인가하는 경우 동시에 상기 보조전원으로부터 외부 기기로 전원을 인가하도록 제어한다.
상기 제어부에서는 역전압을 인가하는 시간을 대략 0.1～10초 정도의 범위에서 설정하여 제어한다.
상기에서 역전압을 인가하는 시간은 인가하는 전압의 크기, 촉매의 재질 등에 따라서 설정하는 것이 바람직하고, 보조전원의 용량에 대한 부담을 줄여주기 위하 여 가능한한 짧은 시간으로 설정하는 것이 바람직하다. 즉 역전압을 인가하는 동안에는 보조전원으로 외부 기기에 전원을 인가하게 되므로, 역전압을 인가하는 시간이 길어지면 그만큼 보조전원의 용량을 증대시켜야 한다.
다음으로 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
먼저 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 일실시예는 도 1～도 3에 나타낸 바와 같이, 수소가 포함된 연료를 공급하는 연료 공급원(10)과, 산소를 공급하는 산소 공급원(20)과, 상기 연료 공급원(10)으로부터 공급되는 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질부(30)와, 상기 개질부(30)로부터 공급되는 수소 가스와 상기 산소 공급원(20)으로부터 공급되는 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기를 발생시키는 하나 이상의 전기 발생부(40)와, 상기 전기 발생부(40)에 일산화탄소에 의한 촉매 피독이 발생하여 전압이 설정값 미만으로 저하되면 역전압을 인가하여 촉매 피독을 제거하는 피독제거부(80)를 포함하여 이루어진다.
도 1～도 3에는 본 발명에 따른 일실시예로 수소를 함유한 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키고, 이 수소 가스와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC;Polymer Electrode Membrane Fuel Cell) 방식을 나타낸다.
상기 연료 공급원(10)으로부터 공급되는 연료로는 메탄올, 에탄올 또는 천연 가스와 같이 수소를 함유한 연료이며, 이하에서는 편의상 액상으로 이루어진 연료라 정의한다.
상기 산소 공급원(20)으로부터는 상기 연료에 함유된 수소와 반응하는 산소가 공급되며, 별도의 저장수단에 저장된 순수한 산소 가스를 사용하는 것도 가능하고, 산소를 함유하고 있는 공기(예를 들면 대기 중의 공기)를 그대로 사용하는 것도 가능하다. 이하에서는 편의상 공기를 사용하는 것을 기준으로 설명한다.
상기 개질부(30)는 열 에너지에 의한 화학 촉매 반응(수증기 개질(SR;Steam Reformer) 촉매 반응)을 통해 수소를 함유한 연료로부터 수소 가스를 발생시키고, 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 다양한 개질기의 구조를 적용하여 실시하는 것이 가능하다. 예를 들면, 상기 개질부(30)는 수증기 개질, 부분산화 또는 자열 반응 등의 촉매 반응을 통해 상기한 연료로부터 수소 가스를 발생시키고, 수성가스 전환(WGS;Water-Gas Shift Reaction) 방법, 선택적 산화(PROX;Preferential CO Oxidation) 방법 등과 같은 촉매 반응 또는 분리막을 이용한 수소의 정제 등과 같은 방법으로 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키도록 구성하는 것도 가능하다.
상기 연료 공급원(10)은 수소를 함유한 연료를 저장하는 연료 탱크(12)와, 연료 탱크(12)에 저장된 연료를 상기 개질부(30)로 공급하도록 연료 탱크(12)에 연결 설치되는 연료 펌프(14)를 포함한다.
상기 연료 탱크(12)와 개질부(30)는 관로 형태의 연료공급라인(15)에 의해 연결된다.
상기 산소 공급원(20)은 소정 펌핑력으로 공기를 흡입하여 상기 전기 발생부(40)로 공급할 수 있는 송풍장치(22)를 구비한다.
상기 송풍장치(22)로는 본 발명의 연료전지 시스템에 연결되는 외부 기기인 노트북 PC와 같은 휴대용 전자기기에 장착되는 팬(fan)을 이용하는 것도 가능하다. 그리고, 상기 송풍장치(22)는 상기와 같은 팬을 이용하는 것에 한정되지 않고, 공지 기술의 공기 펌프나 송풍기 등을 이용하여 구성하는 것도 가능하다.
상기 송풍장치(22)와 전기 발생부(40)는 공기공급라인(25)에 의하여 연결되고, 상기 공기공급라인(25)에는 공급되는 공기의 유량을 조절할 수 있도록 유량조절밸브(24)를 설치하는 것이 바람직하다.
상기 유량조절밸브(24)는 별도의 제어수단으로부터 인가되는 제어신호에 따라 공기공급라인(25)의 유로를 선택적으로 개폐시킬 수 있는 일반적인 솔레노이드 밸브를 적용하여 실시하는 것이 가능하다.
상기 전기 발생부(40)는 전기 자동차나 하이브리드 자동차 등의 구동부, 노트북 컴퓨터, 휴대폰, PDA, 캠코더 등의 외부 기기에 연결되어 구동전압을 인가하도록 구성된다.
상기 피독제거부(80)는 도 2에 나타낸 바와 같이, 상기 전기 발생부(40)에서 발생하는 전압을 감지하는 전압감지부(84)와, 상기 전압감지부(84)에서 감지된 전압이 설정값 미만으로 저하되면 상기 전기 발생부(40)에 역전압을 인가하도록 제어하는 제어부(82)와, 상기 제어부(82)의 제어신호에 따라 상기 전기 발생부(40)에 역전압을 인가하는 보조전원(86)을 포함하여 이루어진다.
상기 보조전원(86)은 별도로 설치한 일차전지나 이차전지 등으로 이루어지는 것도 가능하고, 상기 전기 발생부(40)와 연결 설치하여 전기 발생부(40)의 여유 전 원에 의하여 충전되는 캐패시터(capacitor) 또는 슈퍼캐패시터(supercapacitor) 등으로 이루어지는 것도 가능하다.
상기 보조전원(86)은 상기 전기 발생부(40)에 역전압을 인가할 뿐만 아니라, 전기 발생부(40)가 전기를 발생하지 못하는 상태에서 외부 기기에 구동전압을 인가하는 역할도 담당한다.
상기 제어부(82)에서는 전기 발생부(40)에서 발생되는 전압이 정상적인 외부 기기의 구동전압의 80% 미만으로 저하되는 경우에 상기 보조전원(86)으로부터 전기 발생부(40)에 역전압을 인가하도록 이루어진다.
상기 보조전원(86)으로부터 전기 발생부(40)로의 역전압 인가는 보조전원(86)의 플러스(+)극을 전기 발생부(40)의 캐소드 전극쪽에 연결하고 보조전원(86)의 마이너스(-)을 전기 발생부(40)의 애노드 전극쪽에 연결하는 것으로 이루어진다.
상기에서 보조전원(86)으로부터 전기 발생부(40)로의 역전압 인가 여부의 제어는 다양한 전기적인 스위치 또는 전자적인 스위치를 이용하여 실시하는 것이 가능하다.
상기 제어부(82)에서는 상기 보조전원(86)으로부터 전기 발생부(40)로 역전압을 인가하는 시간을 가능한한 짧게 유지하도록 제어한다.
상기에서 역전압을 인가하는 시간이 길어질 경우에는 인가하는 시간에 비례하여 보조전원(86)의 용량이 증대되어야 하며, 이는 장치의 대형화를 초래하게 된다. 또 역전압을 인가하는 시간은 촉매의 피독을 제거하기에 충분한 시간으로 설 정하는 것이 바람직하고, 이를 초과하여 역전압을 인가하더라도 실제 촉매의 피독을 제거하는 기능을 수행하지 않으므로 불필요하다.
상기 제어부(82)는 상기 보조전원(86)으로부터 전기 발생부(40)에 역전압을 인가하는 시간을 대략 0.1～10초 정도의 범위에서 설정하도록 이루어진다. 상기 제어부(82)에서 제어하는 역전압 인가 시간은 인가되는 역전압의 크기와 피독을 제거하기 위한 전극의 크기 등에 따라 적절하게 설정하는 것이 바람직하며, 대략 5초 이내의 범위에서 설정하는 것이 보다 바람직하다.
도 9에는 백금(Pt)계열 촉매의 CV와 일산화탄소(CO) stripping voltammograms를 측정한 그래프를 나타낸다. 즉 백금 촉매에 일산화탄소(CO)를 강제적으로 흡착시킨 후, 전위를 -200mV에서부터 1,000mV까지 20mV/s의 속도로 스캔(scan)하면서 산화되는 일산화탄소(CO)의 거동을 나타낸다.
도 9의 그래프로부터 확인되는 바와 같이, 일산화탄소(CO)가 흡착되었을 경우에는 모든 수소 흡착 피크(peak)가 없어지지만, 일산화탄소(CO)가 산화되면 다시 수소 흡착 피크가 나타난다. 그리고 일산화탄소(CO)의 산화반응은 600～700mV에서 약 5초 이하의 시간동안 완결되는 것이 확인된다. 보다 높은 전위인 1V에서 일산화탄소(CO)의 산화반응을 수행하는 경우에는 1초 이하의 짧은 시간에 일산화탄소(CO)의 산화반응이 완결되어 촉매의 피독이 제거된다.
그리고 상기 제어부(82)에서는 상기 전기 발생부(40)에 역전압이 인가되는 동안, 외부 기기로 상기 보조전원(86)으로부터 구동전압이 인가되도록 제어한다.
상기에서 보조전원(86)과 별도로 외부 기기에 임시로 구동전압을 인가하기 위한 전원장치를 더 설치하는 것도 가능하다.
상기에서 역전압을 인가하는 시간을 5초 이내의 짧은 시간으로 설정하면, 보조전원(86)을 이용하여 구동전압을 인가하도록 구성하는 것이 바람직하다. 그러나 역전압을 인가하는 시간이 길고, 구동전압이 높은 경우에는 캐패시터로 이루어지는 보조전원(86)만으로 충분한 용량이 확보되기 어려우며, 일차전지나 이차전지 등의 별도 전원을 더 설치하는 것이 바람직하다.
도 10에는 전기 발생부(40)에 의하여 인가되는 구동전압과 보조전원(86)에 의하여 인가되는 구동전압을 시간에 따른 변화 곡선으로 나타낸다. 즉 전기 발생부(40)에서 발생되는 구동전압의 크기가 설정값 이하로 저하되면, 보조전원(86)으로부터 역전압이 인가되는 동시에 외부 기기로 구동전압이 인가되고, 촉매의 피독이 제거되면 전기 발생부(40)에서 다시 정상적인 크기의 구동전압이 인가된다.
도 10에서 빗금친 부분은 보조전원(86)에 의하여 구동전압이 인가되는 구간을 나타낸다.
상기 전기 발생부(40)는 도 3～도 6에 나타낸 바와 같이, 전해질막(51)을 중심에 두고 이의 양측에 애노드 전극(56)과 캐소드 전극(52)이 위치하는 전극-전해질 합성체(MEA)(50)와, 상기 전극-전해질 합성체(50)의 양면에 각각 배치되는 세퍼레이터(44), (46)를 포함한다.
상기에서 하나의 전극-전해질 합성체(50)와 이의 양면에 배치되는 한쌍의 세퍼레이터(44), (46)가 하나의 단일 스택(42)을 형성하며, 상기 전기 발생부(40)는 복수의 단일 스택(42)이 적층된 구조로 이루어진다(도 3 및 도 4 참조).
상기 각각의 스택(42)에서 개질부(30)로부터 공급되는 수소 가스와 산소 공급원(20)으로부터 공급되는 공기의 산화/환원 반응을 통해 전기 에너지를 각각 발생시킨다.
상기와 같이 적층되는 복수의 스택(42)의 최외곽에는 적층된 스택(42)을 밀착시키는 밀착 플레이트(48)를 설치하는 것도 가능하다.
그러나 본 발명은 이에 한정되지 않고, 상기 밀착 플레이트(48)를 배제하고, 복수의 스택(42) 최외곽에 위치하는 세퍼레이터(44), (46)로 상기 밀착 플레이트(48)의 역할을 대신하도록 구성하는 것도 가능하다. 그리고 상기 밀착 플레이트(48)가 복수의 스택(42)을 밀착시키는 기능 이외에, 세퍼레이터(44), (46)의 기능을 갖도록 구성하는 것도 가능하다.
도 5는 도 4에 나타낸 세퍼레이터 중 한쪽 세퍼레이터(44)를 선회시킨 상태의 분해 사시도이고, 도 6은 도 4에 나타낸 전극-전해질 합성체(50)와 세퍼레이터(44), (46)가 조립된 상태의 부분 단면도이다.
상기 세퍼레이터(44), (46)는 상기 전극-전해질 합성체(50)와의 밀착에 의해 형성되는 통로(45), (47)를 구비하고, 상기 통로(45), (47)는 전극-전해질 합성체(50)의 애노드 전극(56) 측에 구비되는 수소 통로(47)와 상기 전극-전해질 합성체(50)의 캐소드 전극(52) 측에 구비되는 공기 통로(45)로 구성된다.
상기에서는 이웃하는 스택(42)의 전극-전해질 합성체(50) 사이에 2개의 세퍼레이터(44), (46)가 설치되고, 각각의 세퍼레이터(44), (46)에 공기 통로(45) 또는 수소 통로(47)가 형성되는 것으로 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아 니고, 이웃하는 스택(42)의 전극-전해질 합성체(50) 사이에 1개의 세퍼레이터를 설치하고 세퍼레이터의 한쪽면에 공기 통로를 형성하고 반대쪽면에 수소 통로를 형성하는 것도 가능하다. 이 경우에는 상기 2개의 세퍼레이터(44), (46)를 통로(45), (47)가 형성되지 않은 면을 서로 일체로 밀착시킨 상태와 동일하다.
상기 애노드 전극(56)은 세퍼레이터(46)의 수소통로(47)를 통하여 수소 가스를 공급받는 부분으로, 수소 가스를 산화 반응시켜 전자와 수소 이온으로 변환시키는 촉매층(57)과, 상기 수소 가스를 촉매층(57)으로 원활하게 이동시키기 위한 기체 확산층(GDS;Gas Diffusion Layer)(58)으로 구성된다. 상기에서 애노드 전극(56)의 촉매층(57)은 일산화탄소의 피독 저항성을 갖는 Pt 또는 Pt와 Ru의 합금으로 이루어진다.
상기와 같이 촉매층(57)을 백금(Pt) 또는 백금(Pt)와 루테늄(Ru)의 합금 등으로 구성하는 경우 일산화탄소의 산화 반응을 유도하는 산소 흡착 기능을 통해 일산화탄소의 농도를 저감시킬 수 있는 고유한 특징을 갖는다.
그리고 상기 캐소드 전극(52)은 세퍼레이터(44)의 공기 통로(45)를 통하여 공기를 공급받는 부분으로, 공기 중의 산소를 환원 반응시켜 전자와 산소 이온으로 변환시키는 촉매층(53)과, 상기 산소를 촉매층(53)으로 원활하게 이동시키기 위한 기체 확산층(54)으로 구성된다.
상기 전해질막(51)은 두께가 50～200㎛인 고체 폴리머 전해질로 형성되어, 애노드 전극(56)의 촉매층(57)에서 생성된 수소 이온을 캐소드 전극(52)의 촉매층(53)으로 이동시켜, 캐소드 전극(52)의 산소 이온과 결합되어 물을 생성시키는 이 온 교환을 가능하게 한다.
그리고 도 3 및 도 4에 나타낸 바와 같이, 상기 밀착 플레이트(48)에는 개질부(30)로부터 발생되는 수소 가스를 세퍼레이터(46)의 수소 통로(47)로 공급하기 위한 제1주입부(61)와, 산소 공급원(20)으로부터 공급되는 공기를 세퍼레이터(44)의 공기 통로(45)로 공급하기 위한 제2주입부(65)와, 전극-전해질 합성체(50)의 애노드 전극(56)에서 반응하고 남은 미반응 수소 가스를 배출시키기 위한 제1배출부(62)와, 전극-전해질 합성체(50)의 캐소드 전극(52)에서 수소와 산소의 결합 반응에 의해 생성된 수분을 함유한 미반응 공기를 배출시키기 위한 제2배출부(66)를 설치한다.
상기에서 제1주입부(61)는 관로 형태의 수소공급라인(16)에 의해 개질부(30)와 연결 설치되고, 상기 제2주입부(65)는 공기공급라인(25)에 의해 산소 공급원(20)과 연결 설치된다.
상기에서 제1주입부(61)와 제1배출부(62)는 서로 대각방향으로 설치되고, 제2주입부(65)와 제2배출부(66)도 서로 대각방향으로 설치된다.
상기 세퍼레이터(44), (46) 및 전극-전해질 합성체(50)의 네 구석부에는 각각 상기 제1주입부(61), 제2주입부(65), 제1배출부(62), 제2배출부(66)와 각각 연통되는 통과구멍(63), (67), (64), (68)이 형성된다.
상기에서 통과구멍(63)과 통과구멍(64)은 서로 대각방향에서 세퍼레이터(46)의 수소 통로(47)에 연결되고, 통과구멍(67)과 통과구멍(68)은 서로 대각방향에서 세퍼레이터(44)의 공기 통로(45)에 연결되도록 형성한다. 그리고 상기 통과구멍 (63)과 통과구멍(64)은 세퍼레이터(44)의 공기 통로(45)와 단절되고, 통과구멍(67)과 통과구멍(68)은 세퍼레이터(46)의 수소 통로(47)와 단절되도록 형성한다.
상기와 같이 구성하면, 상기 연료 공급원(10)으로부터 공급된 연료는 상기 개질부(30)를 통과하면서 수소 가스로 변환되고, 개질부(30)에서 발생된 수소 가스는 수소공급라인(16)을 통하여 제1주입부(61)로 유입되고, 통과구멍(63)과 수소 통로(47)를 통과하면서 애노드 전극(56)에서 산화 반응되어 전자와 수소 이온으로 변환되고 미반응의 수소 가스는 통과구멍(64)을 통과하여 제1배출부(62)를 통하여 외부로 배출된다.
그리고 상기 공기 공급원(20)으로부터 공급된 공기는 공기공급라인(25)을 통하여 제2주입부(65)로 유입되고, 통과구멍(67)과 공기 통로(45)를 통과하면서 캐소드 전극(52)에서 공기 중의 산소가 환원 반응되어 전자와 산소 이온으로 변환되고, 미반응의 공기는 통과구멍(68)을 통과하여 제2배출부(66)를 통하여 외부로 배출된다.
상기에서 개질부(30)를 통해 발생되는 수소 가스에는 부(副)생성물로서 일산화탄소가 미량 함유된다. 이로 인하여 상기 수소 가스를 전극-전해질 합성체(50)의 애노드 전극(56)으로 공급하는 경우, 애노드 전극(56)의 촉매층(57)이 일산화탄소에 의해 피독되어 촉매의 활성이 약화되고, 결과적으로 전기 발생부(40)의 성능 및 수명을 단축시키게 된다.
상기와 같이 애노드 전극(56)의 촉매층(57)이 피독됨에 따라 촉매의 활성이 저하되고, 상기 전압감지부(84)로부터 감지되는 발생 전압이 구동전압의 80% 미만 으로 저하된 것으로 상기 제어부(82)에서 판단되면, 상기 보조전원(86)으로부터 상기 전기발생부(40)의 애노드 전극(56)에 역전압을 인가하고 외부 기기로는 구동전압을 인가한다.
상기 애노드 전극(56)에 역전압이 인가되면 일산화탄소(CO)가 이산화탄소(CO2)로 산화되면서 촉매층(57)으로부터 쉽게 제거된다.
일반적으로 일산화탄소(CO)에 의한 백금 촉매의 피독현상은 백금의 특별한 분자 구조로 인하여 일산화탄소가 백금의 표면에 흡착되고, 이로 인하여 애노드 전극(56)쪽 기체 내의 수소분자의 백금내 촉매적 활성점으로의 접근이 저지당하는 현상으로 알려져 있다. 그런데 백금에 흡착된 일산화탄소가 이산화탄소로 산화되면, 백금으로부터 쉽게 탈락되는 특성이 있다.
이러한 점에 착안하여 본 발명은 피독된 애노드 전극(56)에 역전압을 인가하여 흡착된 일산화탄소를 산화시켜 제거하도록 이루어진다.
그리고 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 다른 실시예는 도 7 및 도 8에 나타낸 바와 같이, 수소가 포함된 연료를 공급하는 연료 공급원(10)과, 산소를 공급하는 산소 공급원(20)과, 상기 연료 공급원(10)으로부터 공급되는 연료와 상기 산소 공급원(20)으로부터 공급되는 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기를 발생시키는 하나 이상의 전기 발생부(40)와, 상기 전기 발생부(40)에 일산화탄소에 의한 촉매 피독이 발생하여 전압이 설정값 미만으로 저하되면 역전압을 인가하여 촉매 피독을 제거하는 피독제거부(80)를 포함하여 이루어진다.
도 7 및 도 8에는 본 발명에 따른 다른 실시예로 메탄올, 에탄올 등의 유기 화합물 연료와 산화제인 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 직접액체 연료전지(DLFC;Direct Liquid Feed Fuel Cell) 방식 또는 직접메탄올형 연료전지(DMFC;Direct Methanol Fuel Cell)를 나타낸다.
상기한 다른 실시예에 있어서도 개질부(30)를 사용하지 않는 점 이외에는 상기한 일실시예와 유사하게 구성하는 것이 가능하고, 특히 피독제거부(80)의 구성은 일실시예와 마찬가지로 구성하는 것이 가능하므로, 상세한 설명은 생략한다.
상기한 일실시예에 있어서 직접액체 연료전지(DLFC)에 적합하지 않은 구성은 일반적인 직접액체 연료전지(DLFC) 또는 직접메탄올형 연료전지(DMFC)의 구성을 적용하여 실시하는 것이 가능하다.
상기와 같이 구성되는 다른 실시예에 있어서도 연료의 산화반응과정에서 부생성물인 일산화탄소가 미량 발생하고, 이 일산화탄소에 의한 촉매 피독이 발생하는 경우 상기 제어부(82)에서 보조전원(86)을 제어하여 애노드 전극(56)에 역전압을 인가하는 것에 의하여 피독된 일산화탄소를 이산화탄소로 산화시켜 제거한다.
상기에서는 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 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 속한다.
상기와 같이 이루어지는 본 발명에 따른 연료전지 시스템에 의하면, 전기 발생부의 애노드 전극에서 일산화탄소에 의한 촉매 피독이 발생하는 경우 보조전원으 로부터 역전압을 인가하는 것에 의하여 피독된 일산화탄소를 이산화탄소로 산화시켜 촉매로부터 용이하게 제거할 수 있으므로, 촉매층의 촉매 활성을 극대화시키는 것이 가능하고, 연료전지의 성능을 향상시키고 수명을 연장시키는 것이 가능하다.

Claims (11)

  1. 수소가 포함된 연료를 공급하는 연료 공급원과,
    산소를 공급하는 산소 공급원과,
    상기 연료 공급원으로부터 공급되는 연료 또는 연료로부터 발생된 수소 가스의 산화와 상기 산소 공급원으로부터 공급되는 산소의 환원으로 이루어지는 전기 화학적인 반응을 통해 전기를 발생시키는 하나 이상의 전기 발생부와,
    상기 전기 발생부에 일산화탄소에 의한 촉매 피독이 발생하여 전압이 설정값 미만으로 저하되면 역전압을 인가하여 촉매 피독을 제거하는 피독제거부를 포함하고,
    상기 피독제거부는
    상기 전기 발생부에서 발생하는 전압을 감지하는 전압감지부와,
    상기 전압감지부에서 감지된 전압이 설정값 미만으로 저하되면 상기 전기 발생부에 역전압을 인가하도록 제어하는 제어부와,
    상기 제어부의 제어신호에 따라 상기 전기 발생부에 역전압을 인가하는 보조전원을 포함하는 연료전지 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 연료공급원으로부터 공급되는 연료로부터 수소 가스를 발생시켜 상기 전기 발생부로 공급하는 개질부를 더 포함하는 연료전지 시스템.
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는 상기 전기 발생부에 역전압을 인가하는 경우 동시에 상기 보조전원으로부터 외부 기기로 구동전압을 인가하도록 제어하는 연료전지 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는 역전압을 인가하는 시간을 0.1～10초의 범위에서 설정하여 제어하는 연료전지 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 보조전원은 일차전지, 이차전지, 상기 전기 발생부와 연결 설치하여 전기 발생부의 여유 전원에 의하여 충전되는 캐패시터 중에서 하나이상을 선택하여 이루어지는 연료전지 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는 상기 전기 발생부에서 발생되는 전압이 정상적인 구동전압의 80% 미만으로 저하되면 상기 보조전원으로부터 전기 발생부에 역전압을 인가하도록 제어하는 연료전지 시스템.
  8. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 연료 공급원은 수소를 함유한 연료를 저장하는 연료 탱크와, 연료 탱크에 저장된 연료를 공급하도록 연료 탱크에 연결 설치되는 연료 펌프를 포함하는 연료전지 시스템.
  9. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 산소 공급원은 펌핑력으로 공기를 흡입하여 상기 전기 발생부로 공급할 수 있는 송풍장치를 구비하는 연료전지 시스템.
  10. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 전기 발생부는 전해질막을 중심에 두고 이의 양측에 애노드 전극과 캐소드 전극이 위치하는 전극-전해질 합성체와, 상기 전극-전해질 합성체의 양면에 각각 배치되고 수소 또는 공기가 통과하는 통로가 형성되는 세퍼레이터를 포함하는 연료전지 시스템.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 애노드 전극은 연료 또는 수소 가스를 산화 반응시키는 촉매층과, 상기 수소 가스를 촉매층으로 원활하게 이동시키기 위한 기체 확산층으로 구성되고,
    상기 촉매층은 백금 또는 백금과 루테늄의 합금으로 이루어지는 연료전지 시스템.
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