KR101364093B1 - 열 회수 장치 및 이를 구비된 연료전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 MEA에서 발생한 열을 회수하여 연료 확산층으로 전달함으로써 연료전지 내부에서 MEA와 연료 확산층간의 온도편차를 줄이는 열 회수 장치 및 이를 구비한 연료전지를 제공한다. 열 회수 장치를 통하여 연료 확산층은 균일한 농도의 연료를 MEA에 일정하게 제공하게 되어 연료전지 전체 부피를 감소시키면서도 안정적인 성능 확보가 가능하고 에너지 효율을 증가시킬 수 있게 된다.

Description

열 회수 장치 및 이를 구비된 연료전지{Heat recovery apparatus and fuel cell adoping the same}

본 발명은 열 회수 장치 및 이를 구비된 연료전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 MEA에서 발생한 열을 회수하여 연료 확산층으로 전달함으로써 연료전지 내부에서 MEA와 연료 확산층간의 온도편차를 줄이는 열 회수 장치 및 이를 구비한 연료전지에 관한 것이다..

연료전지는 연료가 가진 화학에너지를 화학반응에 의해 직접 전기에너지로 바꾸는 장치로서, 연료가 공급되는 한 계속해서 전기를 만들어낼 수 있는 일종의 발전장치이다. 이러한 연료전지 중 DAFC(Direct Alcohol Fuel Cell)는 알코올을 직접 애노드에 연로로서 공급하여 캐소드에 공급된 산소와의 반응으로 전기를 생성시키는 장치이다. 대표적으로 메탄올을 연료로 사용하는 DMFC(Direct Methanol Fuel Cell)이 있다.

도 1은 DMFC에 적용되는 일반적인 셀의 개략적인 구조를 나타낸 것이다. 도 1에 도시된 바와 같이 DMFC(100)는 애노드(131), 전해질막(132) 및 캐소드(133)가 적층된 MEA(Membrane Electrolyte Assembly)(130), 연료인 메탄올이 저장된 연료 카트리지(200), 상기 연료 카트리지(200)로부터 제공되는 메탄올 연료를 MEA(130) 전면에 대응하여 고르게 퍼지도록 분산시키는 연료 확산층(120) 및 연료 카트리지(200)에서 연료 확산층(120)으로 제공되는 메탄올 연료의 양을 조절하는 연료 액츄에이터(110)를 포함하여 구성된다.

이때, 도 1에는 MEA(130)가 연료 확산층(120)에 대하여 수직한 방향으로 애노드(131), 전해질막(132) 및 캐소드(133)가 순서대로 적층된 구조가 도시되어 있으나, 설계 목적에 따라 적층 순서 및 구조가 변경될 수 있으며, 경우에 따라서는 연료 공급부에 대하여 수평 방향으로 MEA가 적층되어 있는 구조로 존재할 수 있다.

본 발명이 이루고자 하는 첫 번째 기술적 과제는 MEA로부터 열을 회수한 다음, 이 열을 상기 MEA에 연료를 공급하는 연료 확산층으로 전달하는 열 회수 장치를 제공하는 것이다.

또한 본 발명이 이루고자 하는 두 번째 기술적 과제는 상기 열 회수 장치를 포함하여 균일한 농도의 연료를 일정하게 MEA에 제공하는 연료전지를 제공하는 것이다.

본 발명의 일실시예에 따른 열회수장치는, 연료 전지의 MEA에서 발생된 열을 회수할 수 있도록 연료 전지의 MEA 단위셀 사이에 존재하는 수직벽의 일측면에 연결되어 있는 제1 단부 및, 연료 전지의 MEA에서 회수한 열을 연료 확산층에 전달하 기 위하여 연료 확산층에 연결되어 있는 제2 단부를 구비한다.

본 발명에 따르면, 상기 열 회수장치는 상기 수직벽에서 상기 연료 확산층으로 열 전도가 가능한 도전성 재료로 구성된다.

본 발명에 따르면, 상기 제1 단부가 상기 수직벽과 일체화되어 있다.

본 발명에 따르면, 상기 제2 단부는 상기 연료 확산층의 MEA에 대향하는 면을 덮는 구조로 상기 연료 확산층과 연결되어 있다.

본 발명에 따르면, 상기 제2 단부는 상기 연료 확산층으로부터 기화된 연료가 통과할 수 있는 다수의 기공이 형성되어 있는 다공질 구조이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지는 제1 단부는 연료 전지의 MEA 단위셀 사이에 존재하는 수직벽의 하단부에 연결되어 있고, 제2 단부는 연료 확산층에 연결되어 있는 적어도 하나의 열 회수장치를 포함한다.

본 발명에 따르면, 스택에 존재하는 다수의 수직벽 중에서 선택되는 적어도 하나의 수직벽이 상기 열 회수 장치를 통하여 상기 연료 확산층과 연결되어 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 개략적인 구조를 나타낸 도면이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 시스템은 연료가 저장된 연료 카트리지(200), 적층된 복수의 단위 셀을 포함하는 연료 전지부(300), 연료 카트리지(200)와 연료 전지부(300) 사이에 구비된 연료 액츄에이터(310), 연료 전지부(300) 앞쪽에 구비된 팬(600), 회로부(400) 및 보조전원(500)을 포함한다.

연료 카트리지(200)에는 연료 전지부(300)로 공급되어 기화될 수 있는 수소를 포함하는 연료가 저장되어 있다. 예를 들면, 연료 카트리지(200)에 저장된 연료는 메탄올, 에탄올 또는 개미산일 수 있다.

연료 액츄에이터(310)는 연료 카트리지(200)에서 연료 전지부(300)로 연료의 공급을 단속한다. 연료 카트리지(200) 내에 별도의 연료 가압수단이 구비되어 있다면, 연료 액츄에이터(310)은 밸브일 수 있다. 그러나 연료 카트리지(200) 내에 연료 가압수단이 구비되어 있지 않다면, 연료 액츄에이터(310)는 연료 카트리지(200)의 연료를 연료 전지부(300)에 펌핑하는 펌프일 수 있다.

팬(600)은 연료 전지부(300)의 동작 중에 수증기 형태로 발생되는 물(H2O)의 일부를 시스템 밖으로 배출시키는 역할을 한다. 팬(600)은 선택 사항일 수 있다.

회로부(400)는 연료 액츄에이터(310)와 연료 전지부(300)의 동작을 제어하여 연료 전지부(300)의 동작에 따른 적정 연료가 연료 전지부(300)에 공급되도록 한다. 또한, 팬(600)이 구비되었을 경우, 회로부(400)는 팬(600)의 회전수를 제어할 수 있다. 보조전원(500)은 연료전지의 출력이 모자라는 경우 시스템에서 충분한 출력이 만들어질 때까지 회로부(400)에 전력을 공급하고, 연료 액츄에이터(310)의 동작에 필요한 전력도 회로부(400)를 통해 공급한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 열 회수 장치를 포함하는 연료전지부(300)의 개략적인 구조를 나타낸 도면이다. 이하에서, 본 발명에 따른 열 회수 수단 및 이를 포함하는 연료전지의 구조에 대하여 설명하나 이는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로서 어떠한 의미로도 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니다

도 1을 참조하면, MEA(130) 적층순서가 연료 확산층(112)에 대하여 수평 방향으로 애노드(131), 전해질막(132) 및 캐소드(133) 순서인 구조가 도시되어 있으나, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로서 본 발명이 상기 구조에만 적용된다는 의미로 한정하는 것은 아니다. 연료전지의 설계 목적에 따라 MEA의 적층 순서 및 구조는 변경될 수 있으며, 경우에 따라서는 도 3에 도시된 바와 같이 연료 확산층에 대하여 수직 방향으로 MEA가 적층되어 있는 구조에도 본 발명은 적용될 수 있다.

연료 전지부(300)는 소정간격 이격된 제1 및 제2 수직벽(350a)(350b) 사이에 스택(S1)이 구비되어 있다. 도 3에는 설명의 편의를 위하여 스택(S1)은 단위 셀(300)로 구성되어 있는 것으로 도시되어 있다. 제1 및 제2 수직벽(350a, 350b)은 산소, 연료 및 물과 쉽게 반응하지 않는 물질로 형성될 수 있다. 단위 셀(300)은 제1 및 제2 수직벽(350a)(350b) 사이에서 제1 및 제2 수직벽(350a)(350b)과 평행하게 배열되어 있다. 이러한 단위셀(300)과 제1 및 제2 수직벽(350a)(350b)은 모두 기화층(340)의 상부에 수직하게 마련되어 있다. 기화층(340) 아래에 연료 확산층(fuel spreader)(320)이 구비되어 있다.

연료 확산층(320)은 모세관력이 작용하는 물질층 혹은 모세관력이 작용하는 내부 구조를 갖는 구조물일 수 있다. 예를 들면, 연료 확산층(320)은 다공성 물질층일 수 있고, 윅(wick) 구조를 갖는 윅 플레이트(wick plate)일 수 있다. 연료 액 츄에이터(310)로부터 연료 확산층(320)에 도달된 연료는 연료 확산층(320)이 갖는 모세관력에 의해 연료 확산층(320)의 전 영역으로 고르게 확산된다. 이에 따라 기화층(340) 밑면의 연료 확산층(320)과 접촉된 부분 전체에 연료가 동시에 공급된다. 이렇게 기화층(340)에 공급된 연료는 기화층(340)을 통과하면서 휘발되어 가스 상태로 단위셀(300)에 유입된다. 본 발명에 적용될 수 있는 일 실시예에서 상기 기화층(340)은 빈공간으로 이루어져 있거나, 다공성 세라믹 또는 다공성 고분자 수지로 구성된 재료로 이루어질 수 있다.

제1 및 제2 수직벽(350a, 350b)의 내면에 애노드(331) 또는 캐소드(333)을 향하는 돌기(351, 352)가 군데군데 형성되어 있다. 이 돌기(351, 352)는 제1 및 제2 수직벽(350a, 350b)과 캐소드(333) 또는 애노드(331) 사이의 간격을 유지하며 동시에 MEA에 별도의 전류집전체가 내장되어 있지 않은 경우 전류를 집전하기 위한 목적으로 설치되어 있다. 돌기(351, 352)의 끝은 애노드(331) 또는 캐소드(333)과 접촉되어 있다. 제2 수직벽(350b)과 캐소드(333) 사이의 틈은 아래로, 곧 기화층(340)을 향해 열려있고, 위로는 상부 캡(341a)으로 닫혀있다. 따라서 제2 수직벽(350b)과 캐소드(333) 사이의 틈으로 기화층(340)으로부터 연료가 유입된다. 반대로 제1 수직벽(350a)과 애노드(331) 사이의 틈은 위로 열려있고, 기화층(340)을 향해서는 하부 캡(341b)으로 닫혀 있다. 따라서 제2 수직벽(350b)과 애노드(331) 사이의 틈으로 공기가 유입된다.

한편, 제1 및 제2 수직벽(350a)(350b)과 돌기(351)(352) 사이에 판(plate)(미도시)이 구비될 수 있다. 이때, 상기 판은 캐소드(333), 애노드(331) 및 전해질막(332)을 포함하는 MEA(Membrane Electrode Assembly)인 단위셀(300) 사이에 존재하는 수직판과 같은 재질일 수 있다.

열 회수 장치(360)는 한쪽 끝인 제1 단부는 제1 수직벽(350a)의 하단부에 연결되어 있고, 다른쪽 끝인 제2 단부는 연료 확산층(320)에 연결되어 있다. 상기 열 회수 장치(360)는 MEA에서 발생한 열을 수직벽을 통하여 회수하기 위하여 제1 수직벽(350a)으로 전달된 열이 전도될 수 있도록 상기 제1 수직벽(350a)의 하단에 열 회수 장치(360)의 제1 단부가 연결되어 있다. 또한, 열 회수 장치(360)는 이렇게 MEA로부터 회수한 열을 연료 확산층(320)에 전달하기 위하여 제2 단부를 통하여 연료 확산층(320)에 접촉하고 있다.

본 발명에 적용될 수 있는 실시예에서 상기 열 회수 장치(360)는 회수된 열을 연료 확산층(320) 전체에 균일하게 전달하기 위하여 상기 연료 확산층(320) 표면을 덮을 수 있도록 표면에 걸쳐 넓게 접촉하고 있는 것이 바람직하고, 이때 상기 연료 확산층(320)을 통한 연료 공급을 최대한 방해하지 않기 위하여 복수개의 기공(361)이 형성되어 있는 다공질 구조인 것이 더욱 바람직하다.

또한, 본 발명에 적용할 수 있는 일 실시예에서 상기 열 회수 장치(360)는 도 4a 및 4b에 도시된 바와 같이, 제1 수직벽(350a)과 일체화되어 있을 수 있다.

본 발명에 적용할 수 있는 일 실시예에서 상기 열 회수 장치(360)는 수직벽을 통하여 전달된 열을 연료 확산층으로 전달할 수 있는 도전성 재료로 구성되는 것이 바람직하다.

이와 같은 본 발명의 일실시예에 따른 열회수장치에 의하여, MEA와 연료공급 부 간의 온도편차를 줄여 MEA와 연료공급부 간에 기화된 연료가 응축되지 않도록 함으로써, 연료공급부에서 제공되는 연료가 희석되는 것을 방지하여 균일한 농도의 연료를 일정하게 MEA에 제공할 수 있게 한다.

도 4a 및 4b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열 회수 장치를 이용하여 연료전지부(300)를 구성하는 방법을 설명하기 위한 도면으로, 특히 본 발명에 적용 가능한 열 회수 장치의 구성에 관한 구체적인 실시예를 도시한 도면이다.

이하에서, 본 발명에 따른 열 회수 수단 및 이를 포함하는 연료전지의 구조에 대하여 설명하나 이는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로서 어떠한 의미로도 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니다

도 4a에 도시된 연료 전지부는 스택(S1)에 포함된 복수개의 단위 셀(C1)을 감싸고 있는 모든 수직벽이 열 회수 장치를 통하여 연료 확산층에 연결되어 단위 셀(C1)에서 생성된 열이 수직벽, 열 회수 장치를 통하여 연료 확산층에 전달될 수 있도록 구성되어 있다.

도 4b에 도시된 연료 전지부는 스택(S1)에 포함된 복수개의 단위 셀(C1)을 감싸고 있는 수직벽들 중에 선택된 일부 수직벽만이 열 회수 장치를 통하여 연료 확산층에 연결되어 단위 셀(C1)에서 생성된 열이 수직벽, 열 회수 장치를 통하여 연료 확산층에 전달될 수 있도록 구성되어 있다. 도 4b에는 복수의 수직벽 중에서 교대로 선택되는 수직벽만이 열 회수 장치를 통하여 연료 확산층에 연결되어 있는 것으로 개시되어 있으나, 이는 본 발명에 적용 가능한 하나의 구체예를 설명하기 위한 것으로, 열 회수 장치를 통하여 연료 확산층에 연결될 수직벽을 선택하는 기 준은 연료 전지의 설계 목적에 따라 달라질 수 있다.

이와 같은 본 발명의 열회수장치를 적용함으로써 연료전지의 전체부피를 감소시키면서도 안정적인 성능확보가 가능하고 에너지효율을 증가시킬 수 있는 연료전지를 제공할 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해서 정해져야 할 것이다.

도 1은 DMFC에 적용되는 일반적인 셀의 개략적인 구조를 나타낸 도면,

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 개략적인 구조를 나타낸 도면,

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 열 회수 장치를 포함하는 연료전지부의 개략적인 구조를 나타낸 도면,

도 4a 및 4b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열 회수 장치를 이용하여 연료전지를 구성하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

200...카트리지 300...단위셀

310...연료액츄에이터 320...연료확산층

300...단위셀 331...애노드

332...전해질막 333...캐소드

340...기화층 341a...상부캡

341b...하부캡 350...수직벽

350a...제1수직벽 350b...제2수직벽

360...열회수장치 361...기공

400...회로부 500...전원

600...팬

Claims (7)

1. 연료 전지의 MEA에서 발생된 열을 회수할 수 있도록 연료 전지의 MEA 단위셀 사이에 존재하는 수직벽의 일측면에 연결되어 있는 제1 단부 및,

   연료 전지의 MEA에서 회수한 열을 연료 확산층에 전달하기 위하여 연료 확산층에 연결되어 있는 제2 단부를 갖는 열 회수장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 열 회수장치는 상기 수직벽에서 상기 연료 확산층으로 열 전도가 가능한 도전성 재료로 구성되는 것을 특징으로 하는 열 회수장치.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 제1 단부가 상기 수직벽과 일체화되어 있는 것을 특징으로 하는 열 회수 장치.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 제2 단부는 상기 연료 확산층의 MEA에 대향하는 면을 덮는 구조로 상기 연료 확산층과 연결되어 있는 열 회수 장치.
5. 제 1항 또는 제 4항에 있어서,

   상기 제2 단부는 상기 연료 확산층으로부터 기화된 연료가 통과할 수 있는 다수의 기공이 형성되어 있는 다공질 구조인 열 회수 장치.
6. 제1 단부는 연료 전지의 MEA 단위셀 사이에 존재하는 수직벽의 하단부에 연결되어 있고, 제2 단부는 연료 확산층에 연결되어 있는 적어도 하나의 열 회수장치를 포함하는 연료전지.
7. 제 6항에 있어서,

   스택에 존재하는 다수의 수직벽 중에서 선택되는 적어도 하나의 수직벽이 상기 열 회수 장치를 통하여 상기 연료 확산층과 연결되어 있는 연료전지.

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