KR101793589B1 - 모듈형 고분자 전해질막 연료전지 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 모듈형 고분자 전해질막 연료전지 시스템은, 공기호흡형 연료전지인 제1연료전지와 공기공급형 연료전지인 제2연료전지를 연결하여 사용함으로써, 상기 제1연료전지에서 생성된 물에 의해 수소를 가습하고, 가습된 수소를 상기 제2연료전지로 공급하여 사용함으로써, 별도의 가습 장치를 설치하지 않고도 충분한 가습이 가능하기 때문에, 시스템의 부피 감소가 가능하고, 블로워의 부하가 감소하므로 동력 소모가 줄어들고, 상기 제1연료전지에서 추가적인 전기 생산이 가능하기 때문에 성능은 향상될 수 있다.

Description

모듈형 고분자 전해질막 연료전지 시스템{Modular polymer electrolyte membrane fuel cell system}
본 발명은 모듈형 고분자 전해질막 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 공기호흡형 연료전지와 공기공급형 연료전지를 연결하여, 공기호흡형 연료전지에서 가습된 수소를 공기공급형 연료전지에 이용함으로써 별도의 가습기 없이도 가습이 가능한 모듈형 고분자 전해질막 연료전지 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지는 연료의 산화에 의해서 생기는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 발전 장치이다. 상기 연료전지는, 전해질의 종류에 따라 고체산화물 연료전지, 용융탄산염 연료전지 및 고분자 전해질막 연료전지 등으로 구분된다.
상기 고분자 전해질막 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)는, 수소 이온을 투과시킬 수 있는 고분자막을 전해질로 사용하는 연료 전지이다. 상기 고분자 전해질막 연료전지는, 상기 고분자막에 일정량 이상의 수분이 공급되어 충분히 가습되는 경우에 높은 전도도를 나타낸다. 따라서, 고분자막의 가습을 유지하는 것이 연료전지의 성능에 매우 중요하다.
도 1을 참조하면, 종래에는 연료전지(100)에 별도의 막 가습기(110)를 추가로 연결하여, 블로워(120)에 의해 송풍된 외부 공기가 막 가습기(110)를 통과하면서 가습된 후 캐소드(101)로 유입된다. 상기 캐소드(102)에서 연료전지 반응의 결과로 생성된 물과 반응 후 남은 공기는 다시 막 가습기(110)를 통과하여 배출된다. 이 때, 상기 막가습기(110)를 통과하는 공기와 수증기에 의해 압력강하가 발생하여, 상기 블로워(120)의 기저 부하를 증가시켜 연료전지 시스템의 효율이 저하되는 문제점이 있다. 또한, 별도의 막 가습기를 추가해야하므로 시스템의 부피를 증가시키며, 무게 증가에 의해 연비가 저하되는 문제가 있다.
한국공개특허 10-2013-0083279호
본 발명의 목적은, 가습이 가능하면서도 고성능을 유지할 수 있는 모듈형 고분자 전해질막 연료전지 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명에 따른 모듈형 고분자 전해질막 연료전지 시스템은, 외부의 공기가 유입되는 제1캐소드와, 수소가 공급되는 제1애노드와, 상기 제1캐소드와 상기 제1애노드 사이에 구비되고 상기 제1캐소드에서 생성된 물 중 적어도 일부가 통과하는 제1고분자 전해질막을 포함하고, 상기 제1애노드로 공급된 수소가 상기 제1고분자 전해질막을 통과한 물에 의해 가습되는 제1연료 전지와; 상기 제1캐소드와 별도로 외부의 공기가 공급되는 제2캐소드와, 상기 제1애노드에서 가습되어 나온 수소가 공급되는 제2애노드와, 상기 제2캐소드와 상기 제2애노드 사이에 구비되고 상기 제2애노드로 공급된 수소에 의해 가습되는 제2고분자 전해질막을 포함하는 제2연료전지를 포함한다.
본 발명의 다른 측면에 따른 모듈형 고분자 전해질막 연료전지 시스템은, 외부의 공기가 자연 대류에 의해 유입되는 제1캐소드와, 수소가 공급되는 제1애노드와, 상기 제1캐소드와 상기 제1애노드 사이에 구비되고 상기 제1캐소드에서 생성된 물 중 적어도 일부가 통과하는 제1고분자 전해질막을 포함하는 공기호흡형 연료전지와; 외부의 공기가 블로워에 의해 강제 대류되어 공급되는 제2캐소드와, 상기 제1애노드에서 가습되어 나온 수소가 공급되는 제2애노드와, 상기 제2캐소드와 상기 제2애노드 사이에 구비되고 상기 제2애노드로 공급된 수소에 의해 가습되는 제2고분자 전해질막을 포함하는 공기공급형 연료전지와; 수소 탱크와 상기 공기호흡형 연료전지를 연결하고, 상기 수소 탱크로부터 상기 공기호흡형 연료전지와 상기 공기공급형 연료전지에서 필요한 양의 수소를 상기 공기호흡형 연료전지로 공급하는 제1수소 공급부와; 상기 제1애노드에서 가습되어 배출된 수소를 상기 제2애노드로 공급하는 제2수소 공급부를 포함한다.
본 발명에 따른 모듈형 고분자 전해질막 연료전지 시스템은, 공기호흡형 연료전지인 제1연료전지와 공기공급형 연료전지인 제2연료전지를 연결하여 사용함으로써, 상기 제1연료전지에서 생성된 물에 의해 수소를 가습하고, 가습된 수소를 상기 제2연료전지로 공급하여 사용함으로써, 별도의 가습 장치를 설치하지 않고도 충분한 가습이 가능하기 때문에, 시스템의 부피 감소가 가능하고, 블로워를 통해 공급된 공기가 별도의 가습 장치를 통과하지 않아도 되므로 블로워의 부하가 감소하여동력 소모가 줄어들고, 상기 제1연료전지에서 추가적인 전기 생산이 가능하기 때문에 성능은 향상될 수 있다.
도 1은 종래기술에 따른 막 가습기를 사용하는 고분자 전해질막 연료전지 시스템의 구성이 도시된 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 모듈형 고분자 전해질막 연료전지 시스템의 구성이 도시된 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 모듈형 고분자 전해질막 연료전지 시스템의 구성이 도시된 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 모듈형 고분자 전해질막 연료전지 시스템의 구성이 도시된 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 모듈형 고분자 전해질막 연료전지 시스템은, 2개의 제1,2연료전지(10)(20)를 연결시켜 모듈화한 것이다.
상기 제1연료전지(10)는 외부의 공기를 자연 대류에 의해 유입하는 공기호흡형(air-breathing type) 연료전지이고, 상기 제2연료전지(20)는 외부의 공기를 블로워(40)에 의해 강제 대류하여 유입하는 공기공급형 연료전지이다.
상기 제1연료전지(10)는, 제1애노드(11), 제1캐소드(12) 및 제1고분자 전해질막(13)을 포함한다.
상기 제1애노드(11)는 연료극이라고도 하며, 수소 탱크(2)로부터 수소가 공급된다. 상기 제1애노드(11)에는 상기 수소 탱크(2)로부터 수소를 공급하는 제1수소 공급유로(31)가 연결된다.
상기 수소 탱크(2)와 상기 제1수소 공급유로(31) 중 적어도 하나에는 압력제어밸브(미도시)가 설치된다. 상기 수소 탱크(2)로부터 상기 제1수소 공급유로(31)로 공급되는 수소의 양은 상기 압력제어밸브(미도시)의 작동에 의해 조절될 수 있다.
본 실시예에서는, 상기 수소 탱크(2)로부터 상기 제1수소 공급유로(31)로 공급되는 수소의 양은, 상기 제1연료전지(10)에서 필요한 수소의 양보다 많게 설정된 것으로 예를 들어 설명한다. 즉, 상기 수소 탱크(2)로부터 상기 제1수소 공급유로(31)로 공급되는 수소의 양은, 상기 제1연료전지(10)에서 필요한 수소의 양과 상기 제2연료전지(20)에서 필요한 수소의 양의 합인 것으로 예를 들어 설명한다. 다만, 이에 한정되지 않고, 상기 제2캐소드(22)에서 나온 수소를 상기 제1수소 공급유로(31)나 상기 제2수소 공급유로(32)로 재순환시킬 경우, 상기 수소 탱크(2)로부터 상기 제1수소 공급유로(31)로 공급되는 수소의 양은 다르게 조절될 수 있다.
상기 제1수소 공급유로(31)로부터 상기 제1연료전지(10)로 공급된 수소 중 일부는 상기 제1연료전지(10)에서 사용되고, 나머지는 상기 제1연료전지(10)를 통과하면서 가습된 후 상기 제2연료전지(20)로 공급되어 사용된다. 상기 제1수소 공급유로(31)로부터 상기 제1연료전지(10)로 공급되는 수소의 양이 상기 제1연료전지(10)에서 필요로 하는 수소의 양보다 많으므로, 상기 제1연료전지(10)의 내부에서 상기 제1캐소드(12)로부터 상기 제1고분자 전해질막(13)을 통해 상기 제1애노드(11)로 물의 이동이 보다 활발하게 이루어질 수 있다.
상기 제1캐소드(12)는 공기극이라고도 하며, 외부의 공기가 자연 대류에 의해 유입된다. 상기 제1캐소드(12)로는 별도의 공기 유로가 연결되지 않으며, 별도의 블로워도 설치되지 않는다. 따라서, 상기 제1연료전지(10)에서는 블로워에 의한 동력 소모가 발생하지 않는다.
상기 제1고분자 전해질막(13)은, 상기 제1캐소드(12)와 상기 제1애노드(11)사이에 구비되고, 상기 제1캐소드(12)에서 생성된 물 중 적어도 일부가 상기 제1애노드(11)로 이동하게 되고, 나머지는 공기와 함께 외부로 배출된다. 따라서, 상기 제1고분자 전해질막(13)은 상기 생성된 물에 의해 가습된다.
상기 제2연료전지(20)는, 제2애노드(21), 제2캐소드(22) 및 제2고분자 전해질막(23)을 포함한다.
상기 제2애노드(21)는 연료극이라고도 하며, 상기 제1애노드(11)에서 가습되어 나온 수소가 공급된다. 상기 제2애노드(21)는 상기 제1애노드(11)에서 가습되어 배출된 수소를 공급하는 제2수소 공급유로(32)가 연결된다. 상기 제2수소 공급유로(32)는 물과 수소를 포함한 가습된 수소를 상기 제2애노드(21)로 공급하는 유로이다.
상기 제2캐소드(22)는 공기극이라고도 하며, 외부의 공기가 강제 대류에 의해 공급된다. 상기 제2캐소드(22)에는 외부의 공기를 강제 대류시켜 공급하기 위한 공기 공급유로(41)가 연결된다.
상기 공기 공급유로(41)에는 외부의 공기를 강제 송풍시키는 블로워(40)가 설치된다. 상기 제2연료전지(20)는 충분한 발전을 위해 필요한 공기의 양이 상기 제1연료전지(10)보다 많으므로, 상기 블로워(40)를 통해 많은 양의 공기를 공급받는다. 한편, 상기 제2캐소드(22)에서도 반응에 의해 물이 생성되나, 상기 블로워(40)의 송풍력에 의해 생성된 물은 거의 배출된다.
상기 제2고분자 전해질막(23)은, 상기 제2캐소드(22)와 상기 제2애노드(21)사이에 구비되고, 상기 제2애노드(21)로 공급되는 가습된 수소에 의해 가습된다. 또한, 상기 제2고분자 전해질막(23)은, 상기 제2캐소드(22)에서 생성된 물에 의해서도 가습된다. 따라서, 상기 제2고분자 전해질막(23)을 젖은 상태로 유지하기 위한 별도의 가습장치가 필요하지 않는다.
도면부호 33은, 상기 제2캐소드(22)에서 나온 수소를 배출하는 수소 배출유로(33)이다. 상기 제2캐소드(22)에서 나온 수소는 상기 제1수소 공급유로(31) 또는 상기 제2수소 공급유로(32)로 다시 순환되거나 외부로 배출될 수 있다.
도면부호 42는, 상기 제2캐소드(22)에서 나온 공기를 배출하는 공기 배출유로(42)이다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 모듈형 고분자 전해질막 연료전지 시스템의 작동을 설명하면, 다음과 같다.
먼저, 상기 제1연료전지(10)로 수소와 공기가 공급되면, 상기 제1연료전지(10)에서는 산화, 환원 반응에 의해 소량의 전기가 발생한다. 또한, 상기 제1연료전지(10)의 제1캐소드(12)에서는 물이 생성된다.
상기 제1캐소드(12)에서 생성된 물 중 일부는 상기 제1고분자 전해질막(13)을 통과하여 상기 제1애노드(11)측으로 이동하고, 나머지는 공기와 함께 외부로 배출된다.
상기 제1애노드(11)에서는 상기 제1캐소드(12)에서 생성된 물에 의해 수소가 가습된다. 상기 제1애노드(11)로 공급된 수소 중 일부는 상기 제1연료전지(10)내에서 반응에 사용되고, 나머지는 상기 제1애노드(11)를 통과하면서 상기 제1캐소드(12)에서 생성되어 이동된 물에 의해 가습된 후 상기 제2수소 공급유로(32)를 통해 상기 제2연료전지(20)로 공급된다.
상기 제1애노드(11)로 공급된 수소의 양은, 상기 제1연료전지(10)에서 필요한 양과 상기 제2연료전지(20)에서 필요한 양을 합한 양인 것으로 예를 들어 설명하므로, 상기 제1애노드(11)로 공급된 수소 중 일부는 상기 제1연료전지(10)에서 사용되고, 나머지는 가습된 후 상기 제2연료전지(20)로 공급된다. 따라서, 상기 제1연료전지(10)에는 상기 제1연료전지(10)에서 필요한 수소의 양보다 많은 양의 수소가 공급되기 때문에, 상기 제1고분자 전해질막(13)에서 물의 이동이 보다 원활하게 이루어질 수 있으며, 수소 중 일부를 가습하여 상기 제2연료전지(20)로 공급할 수 있다.
상기 제1연료전지(10)에서 배출된 수소는 상기 제2수소 공급유로(32)를 통해 상기 제2연료전지(20)의 제2애노드(21)로 공급된다.
상기 제2연료전지(20)에서는, 상기 제2수소 공급유로(32)를 통해 공급된 수소와 상기 공기 공급유로(41)를 통해 공급된 공기에 의한 산화, 환원 반응이 이루어진다.
상기 제2애노드(21)에는 상기 제1애노드(11)에서 가습되어 나온 수소가 공급되기 때문에, 상기 제2애노드(21)로 공급된 가습된 수소에 의해 상기 제2고분자 전해질막(23)의 가습이 이루어진다.
상기 제2캐소드(22)에는 상기 블로워(40)에 의해 강제 송풍된 공기가 공급된다. 이 때, 상기 제2캐소드(22)로 공급되는 공기는 별도의 가습이 필요하지 않는다. 상기 제2캐소드(22)는, 상기 블로워(40)에 의해 공기가 강제 송풍되기 때문에 충분한 양의 공기가 공급될 수 있다.
상기와 같이 구성된 모듈형 고분자 전해질막 연료전지 시스템은, 공기호흡형 연료전지인 제1연료전지(10)와 공기공급형 연료전지인 제2연료전지(20)를 연결하여 사용함으로써, 상기 제1연료전지(10)에서 생성된 물에 의해 수소를 가습하고, 가습된 수소를 상기 제2연료전지(20)에서 사용함으로써, 별도의 가습 장치를 설치할 필요없이 충분한 가습이 가능하다. 즉, 막가습기 등의 가습 장치 대신에 상기 제1연료전지(10)를 가습에 이용함으로써, 상기 제1연료전지(10)로 인해 가습이 가능함은 물론 추가적인 전기 생산도 가능하다.
따라서, 별도의 가습 장치가 필요하지 않으며, 가습 장치로 송풍하기 위한 블로워의 부하가 감소하므로, 동력 소모가 줄어들고, 상기 제1연료전지(10)에서 추가적인 전기 생산이 가능하기 때문에 성능은 향상될 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 모듈형 고분자 전해질막 연료전지 시스템의 구성이 도시된 도면이다.
도 3을 참조하면, 외부의 공기를 자연 대류에 의해 유입하는 공기호흡형 연료전지인 제1연료전지(10)와, 외부의 공기를 블로워(40)에 의해 강제 대류하여 유입하는 공기공급형 연료전지인 제2연료전지(20)를 연결시켜 모듈화하되, 상기 제2연료전지(20)의 제2애노드(21)에서 배출된 수소를 제1수소 공급유로(31)와 제2수소 공급유로(32) 중 적어도 하나로 순환시키는 순환유로(50)를 포함하는 것이 상기 일 실시예와 상이하고, 그 외 나머지 구성은 유사하므로 유사 구성에 대해 동일 부호를 사용하고 그에 따른 상세설명은 생략한다.
상기 순환유로(50)는, 상기 제2애노드(21)에서 배출된 수소를 상기 제2수소 공급유로(32)로 안내하도록 형성되는 것으로 예를 들어 설명하나, 이에 한정되지 않고 상기 제2애노드(21)에서 배출된 수소를 상기 제1수소 공급유로(32)로 안내하도록 형성되는 것도 물론 가능하다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
10: 제1연료전지 11: 제1애노드
12: 제1캐소드 13: 제1고분자 전해질막
20: 제2연료전지 21: 제2애노드
22: 제2캐소드 23: 제2고분자 전해질막

Claims (8)

  1. 외부의 공기가 유입되는 제1캐소드와, 수소가 공급되는 제1애노드와, 상기 제1캐소드와 상기 제1애노드 사이에 구비되고 상기 제1캐소드에서 생성된 물 중 적어도 일부가 통과하는 제1고분자 전해질막을 포함하고, 상기 제1애노드로 공급된 수소가 상기 제1고분자 전해질막을 통과한 물에 의해 가습되는 제1연료 전지와;
    상기 제1캐소드와 별도로 외부의 공기가 공급되는 제2캐소드와, 상기 제1애노드에서 가습되어 나온 수소가 공급되는 제2애노드와, 상기 제2캐소드와 상기 제2애노드 사이에 구비되고 상기 제2애노드로 공급된 수소에 의해 가습되는 제2고분자 전해질막을 포함하는 제2연료전지를 포함하는 모듈형 고분자 전해질막 연료전지 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1연료전지는,
    상기 외부의 공기가 자연 대류에 의해 상기 제1캐소드로 유입되는 공기호흡형 연료전지인 모듈형 고분자 전해질막 연료전지 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제2연료전지는,
    상기 외부의 공기가 블로워에 의해 강제 대류되어 상기 제2캐소드로 공급되는 공기공급형 연료전지인 모듈형 고분자 전해질막 연료전지 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1연료전지에 수소를 공급하는 제1수소 공급유로를 더 포함하고,
    상기 제1수소 공급유로를 통해 상기 제1연료전지로 공급된 수소 중 일부는 상기 제1연료전지에서 사용되고, 나머지는 상기 제1연료전지를 통과하면서 가습된 후 상기 제2연료전지에서 사용되는 모듈형 고분자 전해질막 연료전지 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1애노드에서 가습되어 배출된 수소를 상기 제2애노드로 공급하는 제2수소 공급유로를 더 포함하는 모듈형 고분자 전해질막 연료전지 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제2애노드에서 배출된 수소를 상기 제2수소 공급유로로 순환시키는 순환유로를 더 포함하는 모듈형 고분자 전해질막 연료전지 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2연료전지는,
    상기 외부의 공기를 강제 대류시켜 상기 제2캐소드로 공급하기 위한 블로워가 설치된 공기 공급유로를 더 포함하는 모듈형 고분자 전해질막 연료전지 시스템.
  8. 외부의 공기가 자연 대류에 의해 유입되는 제1캐소드와, 수소가 공급되는 제1애노드와, 상기 제1캐소드와 상기 제1애노드 사이에 구비되고 상기 제1캐소드에서 생성된 물 중 적어도 일부가 통과하는 제1고분자 전해질막을 포함하는 공기호흡형 연료전지와;
    외부의 공기가 블로워에 의해 강제 대류되어 공급되는 제2캐소드와, 상기 제1애노드에서 가습되어 나온 수소가 공급되는 제2애노드와, 상기 제2캐소드와 상기 제2애노드 사이에 구비되고 상기 제2애노드로 공급된 수소에 의해 가습되는 제2고분자 전해질막을 포함하는 공기공급형 연료전지와;
    수소 탱크와 상기 공기호흡형 연료전지를 연결하고, 상기 수소 탱크로부터 상기 공기호흡형 연료전지와 상기 공기공급형 연료전지에서 필요한 양의 수소를 상기 공기호흡형 연료전지로 공급하는 제1수소 공급부와;
    상기 제1애노드에서 가습되어 배출된 수소를 상기 제2애노드로 공급하는 제2수소 공급부를 포함하는 모듈형 고분자 전해질막 연료전지 시스템.
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