KR101131166B1 - 연료전지 시스템 - Google Patents

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Abstract

연료전지 시스템이 개시된다. 연료극 및 공기극과 그 사이에 개재되는 전해질을 포함하는 전극막 조립체; 상기 연료극에 접하여 상기 연료극에 수소 공급하기 위한 채널을 포함하는 세퍼레이터; 상기 채널 일단에 수소를 공급하는 수소공급장치; 및 상기 채널 타 단에 형성되어 채널의 압력을 제어하는 릴리프밸브를 포함하는 연료전지 시스템은 간단한 구조로 연료전지 스택에서 생성되는 수분의 제거 및 공급된 수소에 의해 스택 내부에 과도한 압력이 걸리는 것을 방지하여, 데드엔드 채널을 구현할 수 있어 수소의 이용효율을 극대화할 수 있다.
릴리프밸브, 데드엔드, 연료전지

Description

연료전지 시스템{fuel cell system}
본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 연료전지 시스템은 메탄올 등의 수소함유연료와 공기 등의 산화제 가스를 가스확산 전극에서 전기화학적으로 반응시켜 전기를 생성하는 발전시스템이다. 이는 전력수요 증가에 따른 전원확보의 어려움과 화석 에너지의 사용에 따른 지구환경문제를 해결하기 위한 미래의 청정 에너지원으로서 각광을 받고 있다.
연료전지의 한가지 방법으로서 고분자 전해질 연료전지가 많이 연구되어 왔다. 그런데 고분자 전해질 연료전지에서는 반응물로서 물이 발생되며, 반응온도가 물의 끓는점보다 낮기 때문에 액화되어 배출되는 것이 일반적이다. 지속적인 반응을 위해서는 반응물인 물을 계속적으로 배출해 물의 양에 균형을 맞추는 것이 큰 관건이다.
대부분의 연료전지에서 지금까지는 이러게 생성된 물의 배출은 연료 가스와 공기의 과다 공급을 통한 강제유동방식을 통하여 해결해 왔다. 그러나 이러한 강제 유동방식은 연료를 초과하여 공급해 주어야 하므로 연료이용효율이 많이 낮은 단점이 있으므로, 연료이용효율을 높이기 위해서는 연료가 공급되면 채널의 일단이 닫힌 데드엔드(dead-end) 채널을 적용하는 것이 최적의 방법이나, 현재까지는 반응생성물인 물의 배출문제 및 채널에 걸리는 압력부하의 해결이 어려워 데드엔드(dead-end) 채널의 적용이 힘든 점이 있었다.
본 발명은 간단한 구조로 연료전지 스택에서 생성되는 수분의 제거 및 공급된 수소에 의해 스택 내부에 과도한 압력이 걸리는 것을 방지할 수 있는 데드엔드 채널을 구비한 연료전지 시스템을 구현하는 것이다.
본 발명의 일측면에 따르면, 연료극 및 공기극과 그 사이에 개재되는 전해질을 포함하는 전극막 조립체; 연료극에 접하여 연료극에 수소 공급하기 위한 채널을 포함하는 세퍼레이터; 채널 일단에 수소를 공급하는 수소공급장치; 및 채널 타단에 형성되어 채널의 압력을 제어하는 릴리프밸브를 포함하는 연료전지 시스템이 제공된다.
수소공급장치는, 수소를 저장하는 수소저장탱크 및 수소저장탱크에서 공급되는 수소의 압력을 조절하는 매니폴더를 포함할 수 있고, 채널의 일단 및 채널의 타단에 수소를 공급하며, 채널의 일단과 연결된 제1 파이프 및 채널의 타단과 연결된 제2 파이프를 포함할 수 있다.
릴리프밸브는 채널의 압력이 높아지면 기계적으로 개방되는 피스톤을 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 간단한 구조로 연료전지 스택에서 생성되는 수분의 제거 및 공급된 수소에 의해 스택 내부에 과도한 압력이 걸리는 것을 방지하여, 데드엔드 채널을 구현할 수 있어 수소의 이용효율을 극대화할 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 것으로 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 하나 의 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 발명에 따른 연료전지 시스템의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템을 나타낸 개념도로서, 공기극(12), 전해질층(14), 연료극(16)을 포함하는 전극막 조립체(MEA, 10), 세퍼레이터(20), 제1 파이프(31), 제2 파이프(32), 매니폴더(33) 및 수소저장탱크(35)가 도시되어 있다.
연료전지는 수소를 공급 받아 산화 환원 반응을 통해 수소를 분해하여 에너지를 발생시키는 스택을 기본 구성으로 하며, 실제 이러한 산화 환원 반응이 일어나는 부분은 스택의 전극막 조립체(MEA, 10)이다. 전극막 조립체(10)는 공기극(12), 전해질층(14), 연료극(16)이 적층되어 있는 구조로, 연료극(16)에 공급된 수소는 수소이온과 전자로 분리되고 수소이온은 전해질층을 통해 공기극(12)으로 이동하고 전자는 외부회로를 통해 공기극(12)으로 이동한다. 공기극(12)에서는 산소와 수소이온이 만나 물을 생성한다. 화학 반응식은 하기의 화학식 1과 같다.
연료극: H2 → 2H+ + 2e-
공기극: 1/2 O2 + 2H+ + 2e- → H20
전반응: H2 + 1/2 O2 → H20
전기에너지를 얻기 위해서는 전극막 조립체(10)에 수소와 공기가 공급되어야한다. 도 1을 참조하면 본 실시예에서 스택은 평판형으로 단층의 스택을 이용하였으므로, 강제적으로 산소를 공급할 필요 없이, 공기극(12) 측을 개방하여 대기와 접촉하도록 하여 대기중의 산소를 이용할 수 있다. 이러한 구조는 상기 화학식 1에 나타나듯이 공기극(12) 측에서 생성되는 물은 대기 중으로 증발되므로 물을 제거하기 위한 별도의 장치가 없어도 되며, 수소를 과도하게 공급하는 강제유동방식을 이용할 필요가 없다. 즉, 데드엔드(dead-end) 채널을 적용하더라도 수분제거의 문제는 생기지 않는다.
연료극(16) 측에는 채널이 형성된 세퍼레이터(20)를 두어 수소가 연료극(16)에 고르게 수소를 공급한다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 세퍼레이터(20)를 나타낸 평면도이다. 세퍼레이터(20)란 연료극과 인접한 부분 이 개방된 채널(25)이 형성된 판형의 부재로서, 채널(25)에 수소를 공급하면 채널(25)을 따라 연료극에 수소가 공급된다. 채널(25)의 형상은 도시된 것과 같이 사행식(蛇行式, serpentine)이외에도 다양하게 가능하다.
수소공급장치는 연료극(16)에 수소를 공급하는 부분으로 제1 파이프(31), 제2 파이프(32), 매니폴더(33) 및 수소저장탱크(35)를 포함한다.
수소저장탱크(35)는 수소를 스택에 공급하기 위해 수소를 저장하는 연료공급장치의 하나로서, 수소를 저장하는 방법에는 압축탱크를 이용한 수소 저장, 극저온을 이용한 액화 수소 저장 기술, 탄소나노튜브(CNT: Carbon nanotube)등 재료에 수소를 저장하는 방법, 금속파우더 등 수소 흡착성질을 가진 메탈하이드라이드(metal hydride)를 이용한 수소 저장 방법 등이 있다.
수소저장탱크(35)내의 수소는 압력이 높으므로, 매니폴더(33)를 수소저장탱크(35)와 연료전지 스택 사이에 개재함으로써, 수소의 압력을 조절하여 스택에 수소공급을 제어할 수 있다.
연료전지 스택에 한쪽 방향으로만 수소를 공급하는 경우 제1 파이프(31)만 있어도 무방하나, 보다 더 균일한 공급을 위해서 제2 파이프(32)를 이용하여 양방향으로 공급할 수 있다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 세퍼레이터(20)의 양측에서 수소를 공급할 수 있고, 공급된 수소는 모드 연료극(16)에서 모두 이용되도록 수소 배출구가 별도로 존재하지 아니한다.
다만, 온도 상승으로 인한 열팽창 등 예측할 수 없이 내부 압력이 높아지게 되는 경우에 데드엔드 채널은 파손위험이 있어 이러한 위험을 방지하기 위해, 파이 프의 일측에 릴리프밸브(40)를 형성할 수 있다. 도 1 및 도 2에 의하면 제2 파이프와 인접한 부위에 형성하였으나, 그 위치는 제한되지 아니한다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 릴리프밸브(40) 작동을 나타낸 개념도로, 본체(45), 스프링(41), 조절나사(43), 피스톤(42)이 도시되어 있다.
릴리프밸브(40)의 몸체를 이루는 본체(45)는 파이프와 일 측(도면상으로는 왼쪽)에 수소공급 파이프와 연결이 된다. 스프링(41)은 피스톤(42)에 가해지는 압력에 따라 신축되며, 조절나사(43)를 이용해 스프링(41)이 견디는 압력의 크기를 조절할 수 있다. 도 4는 릴리프밸브(40)의 스프링(41)이 수축된 상태를 나타낸 것으로 파이프 내부의 압력(P)이 높아 피스톤(42)에 가해지는 압력이 커지면 스프링(41)은 수축되고 도 4에 도시된 바와 같이 일 측이 개방되어 파이프 내부의 압력을 감소시킬 수 있다. 파이프의 압력이 낮아지면 다시 피스톤(42)은 제자리로 돌아와 도 3와 같이 밸브는 닫힌다.
이러한 구조는 기계적으로 압력을 감지하여 과도한 압력이 가해질 경우에만 세퍼레이터의 파손을 막기 위해 릴리프밸브(40)가 개방되도록 하여 압력을 낮추는 것이어서 별도의 센서(20)가 필요 없으며, 데드엔드 채널의 문제점을 해결하였으므로, 데드엔드 채널을 이용해 공급된 수소를 모두 이용할 수 있다.
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 변 경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
전술한 실시예 외의 많은 실시예들이 본 발명의 특허청구범위 내에 존재한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템을 나타낸 개념도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 세퍼레이터를 나타낸 평면도.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 릴리프밸브의 작동을 나타낸 개념도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10: 전극막 조립체 12: 공기극
14: 전해질층 16: 연료극
20: 세퍼레이터 21: 채널 일단
22: 채널 타단 25: 채널
31: 제1 파이프 32: 제2 파이프
33: 매니폴더 35: 수소저장탱크
40: 릴리프밸브 41: 스프링
42: 피스톤 43: 조절나사
45: 본체

Claims (4)

  1. 연료극 및 공기극과 그 사이에 개재되는 전해질을 포함하는 전극막 조립체;
    상기 연료극에 접하여 상기 연료극에 수소 공급하기 위한 채널을 포함하는 세퍼레이터;
    상기 채널 일단에 수소를 공급하는 수소공급장치; 및
    상기 채널의 압력을 제어하는 릴리프밸브를 포함하며,
    상기 채널은 상기 수소의 배출구가 존재하지 않는 데드 엔드(dead end) 구조를 갖고,
    상기 공기극은 대기와 접촉하여 대기 중의 산소를 공급받는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 수소공급장치는,
    수소를 저장하는 수소저장탱크 및
    상기 수소저장탱크에서 공급되는 수소의 압력을 조절하는 매니폴더를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 수소공급장치는,
    상기 채널의 일단 및 상기 채널의 타단에 수소를 공급하며,
    상기 채널의 일단과 연결된 제1 파이프 및 상기 채널의 타단과 연결된 제2 파이프를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 릴리프밸브는
    채널의 압력이 높아지면 기계적으로 개방되는 피스톤을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
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