KR102049028B1 - 연료전지시스템용 수소투과막모듈 - Google Patents

Abstract

본 개시내용은 수소함유가스로부터 투과분리된 수소가 연료전지스택으로 안정적으로 제공됨에 따라 연료전지스택의 발전효율이 증대됨과 동시에 성능안정성이 확보될 수 있도록 한 연료전지시스템용 연료전지시스템용 수소투과막모듈에 관한 것이다.
본 개시내용의 일 실시예에 따르면, 기체 상태의 연료가 개질되어 형성된 수소혼합가스로부터 수소를 투과시켜 분리하는 수소투과막과, 일단은 상기 수소투과막에 연결되어 상기 수소투과막에 의해 분리된 수소를 저장하고 타단은 연료전지스택에 연결되어 상기 연료전지스택으로 수소를 안정적으로 공급하는 수소저장소를 포함할 수 있다.

Description

연료전지시스템용 수소투과막모듈{HYDROGEN PEMEABLE MEMBRANE MODULE FOR FUEL CELL SYSTEM}

본 개시내용은 연료에 포함된 수소와 산화제인 산소를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시키는 연료전지시스템 내에서 기체 상태의 연료로부터 수소를 투과분리하여 연료전지스택으로 공급하는 연료전지시스템용 수소투과막모듈에 관한 것이다.

본 명세서에서 달리 표시되지 않는 한, 이 식별항목에 설명되는 내용들은 이 출원의 청구항들에 대한 종래 기술이 아니며, 이 식별항목에 기재된다고 하여 종래 기술이라고 인정되는 것은 아니다.

일반적으로 연료전지시스템은 공급된 연료의 산화에 의해 발생하는 화학적 에너지를 전원 공급을 위한 전기에너지로 직접 변환한다.

이러한 연료전지시스템은 예를 들어 디젤유, 가솔린 등과 같은 연료에 포함된 수소를 연료전지스택의 음극 쪽으로 공급하고 산화제인 산소를 연료전지의 양극 쪽으로 공급하여 전기화학적으로 반응시킴으로써 전기에너지를 발생시킨다. 여기서 연료전지스택의 양극과 음극은 전해질부재에 의해 서로 분리된다.

연료전지시스템의 발전원리는 다음와 같다.

우선, 음극활성물질로서 연료전지스택의 음극에 공급된 수소는 수소이온(H⁺)과 전자(-)로 해리된다. 이 해리반응을 촉진시키기 위하여, 예를 들어 백금이 촉매로 사용된다. 수소로부터 해리된 수소이온(H⁺)는 연료전지스택의 전해질을 통과한 후 양극 활성물질로서 양극에 공급된 산소와 반응하여 수증기 형태의 물(H₂0)을 생성한다. 한편, 수소의 해리에 의해 발생된 전자(-)는 연료전지스택의 음극에서 양극으로 이동됨에 따라 양극과 음극 간에 기전력이 발생되면서 전기가 생성된다.

전술한 바와 같이 화학에너지를 전기에너지로 직접 변환하는 연료전지시스템의 발전방식은 화력발전 방식에 비해 높은 에너지효율을 나타냄에 따라, 예를 들어 전기자동차를 구동하는 모터의 전력원으로서 유효하게 활용 가능한 장점이 있다.

또한 연료전지시스템으로부터 배기되는 가스는 대부분이 수증기(H₂0)로, 화석연료를 이용하는 통상의 내연기관과 같이 일산화탄소 등의 유해가스를 배출하지도 않는 장점도 있다.

한편 연료전지시스템의 작동을 위해서는, 전술한 연료전지스택 이외에 연료전지스택의 음극에 수소를 공급하기 위한 수단이나 연료전지스택의 양극에 산소를 공급하기 위한 수단 등이 필요하다.

연료전지스택에 수소를 공급하는 수단으로는 예를 들어 압력용기에 충진된 수소를 압송하거나, 연료를 기화시킨 수소함유가스를 개질하여 얻어지는 수소를 압송하는 방법을 들 수 있다.

이 중에서 압력용기에 충진된 수소를 압송하는 방법은 그 구성이 비교적 간단한 반면에 수소의 고압충전과 관련한 인프라 구축에 상당한 문제가 있는 바, 연료를 기화시킨 수소함유가스를 개질하여 얻어지는 수소를 압송하는 방법이 주로 이용되고 있다.

수소함유가스를 개질하여 수소를 얻는 방법으로, 수소함유가스에 수증기를 접촉시키는 방법과, 수소함유가스의 일부를 산화하는 방법이 공지되어 있는데, 이들 방법을 통해 수소함유가스를 개질할 경우에는 이산화탄소와 함께 미량의 일산화탄소가 생성된다. 이로 인해 연료전지스택의 음극으로 공급되는 수소는 이산화탄소와 미량의 일산화탄소 등이 혼합된 혼합가스로 형성된다.

연료전지스택의 음극에서는 주로 백금을 촉매로 사용하는데, 이러한 백금촉매는 수소함유가스 중에 함유된 일산화탄소에 의해 피독(被毒)되어 활성이 서서히 저하됨은 물론 수명도 단축된다.

일산화탄소로 인한 백금촉매의 피독 현상을 방지하기 위하여, 개질된 수소함유가스 중에 함유된 일산화탄소를 산화모듈을 통해 이산화탄소로 산화처리한 후 연료전지스택에 공급하는 방법과, 수소투과막을 통해 개질된 수소함유가스로부터 순수 수소를 분리하여 연료전지스택에 공급하는 방법이 사용된다.

이러한 연료전지시스템용 수소투과막은 대한민국 특허공개 제10-2007-0020007호(2007.02.16. 공개), 대한민국 특허공개 제10-2012-0060987호(2012.06.12. 공개) 등에 개시되어 있다.

그러나 종래의 연료전지시스템용 수소투과막은 단순히 수소함유가스로부터 수소를 투과분리하여 연료전지스택에 공급하는 단순한 멤브레인 구조체로만 형성됨에 연료전지스택에 수소를 안정적으로 제공하지 못하는 문제점이 있었다.

수소함유가스로부터 투과분리된 수소가 연료전지스택으로 안정적으로 제공됨에 따라 연료전지스택의 발전효율이 증대됨과 동시에 성능안정성이 확보될 수 있도록 한 연료전지시스템용 수소투과막모듈을 제공함에 있다.

또한 상술한 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 이하의 설명으로부터 또 다른 기술적 과제가 도출될 수도 있음은 자명하다.

본 개시내용의 일 실시예에 의하면, 기체 상태의 연료가 개질되어 형성된 수소혼합가스로부터 수소를 투과시켜 분리하는 수소투과막과, 일단은 상기 수소투과막에 연결되어 상기 수소투과막에 의해 분리된 수소를 저장하고 타단은 연료전지스택에 연결되어 상기 연료전지스택으로 수소를 안정적으로 공급하는 수소저장소를 포함할 수 있다.

또한 상기 연료전지시스템용 수소투과막모듈은, 상기 수소투과막의 상류에 설치되고 상기 수소혼합가스를 상기 수소투과막으로 고압 급송하는 컴프레서를 더 포함할 수 있다.

또한 연료전지시스템용 수소투과막모듈은, 상기 수소투과막과 상기 수소저장소 사이에 설치되고 상기 수소투과막에 의해 분리된 수소를 냉각시키는 라디에이터를 더 포함할 수 있다.

본 개시내용의 일 실시예에 따르면, 기체 상태의 연료가 개질되어 형성된 수소혼합가스로부터 투과분리된 수소가 별도 저장된 상태에서 연료전지스택으로 안정적으로 공급됨에 따라 연료전지스택의 발전효율이 증대됨과 동시에 연료전지스택의 성능안정성이 확보될 수 있다.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 개시내용의 일 실시예에 따른 연료전지시스템용 수소투과막모듈의 전체 블럭구성도.
도 2 내지 도 4는 본 개시내용의 일 실시예에 따른 연료전지시스템용 수소투과막모듈이 구비된 연료전지시스템의 블럭구성도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예에 따른 연료전지시스템용 수소투과막모듈의 구성, 동작 및 작용효과에 대하여 살펴본다. 참고로, 이하 도면에서, 각 구성요소는 편의 및 명확성을 위하여 생략되거나 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 반영하는 것은 아니다, 또한 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭하며 개별 도면에서 동일 구성에 대한 도면 부호는 생략하기로 한다.

도 1은 본 개시내용의 일 실시예에 따른 연료전지시스템용 수소투과막모듈의 전체 블럭구성도를 도시한다.

본 개시내용의 일 실시예에 따른 연료전지시스템용 수소투과막모듈(1)은 기체 상태의 연료가 개질되어 형성된 수소혼합가스로부터 수소를 분리하여 연료전지스택으로 공급하는 것으로, 도 1에 도시되는 바와 같이, 기체 상태의 연료가 개질되어 형성된 수소혼합가스로부터 수소를 투과시켜 분리하는 수소투과막(10)과, 일단은 수소투과막(10)에 연결되어 수소투과막(10)에 의해 분리된 수소를 저장하고 타단은 연료전지스택에 연결되어 필요 시에 연료전지스택으로 수소를 공급하는 수소저장소(20)를 포함한다.

여기서, 수소투과막(10)은 수소 흡장성이 높은 금속으로 이루어질 수 있다. 이러한 수소투과막(10)은 특히 수소 흡장성이 높은 팔라듐(Pd)으로 이루어지는 것이 바람직하지만, 은(Ag), 금(Au) 및 루테늄(Ru)으로 된 군에서 선택되는 적어도 1가지의 금속과 팔라듐(Pd)의 합금으로 이루어질 수도 있다. 예를 들어 팔라듐(Pd)-은(Ag) 합금으로는 은(Ag)의 함유율이 20∼30wt%인 것이 바람직하다. 또한 팔라듐(Pd)-은(Ag)-금(Au) 합금으로는, 특히 은(Ag)의 함유율이 20∼30 wt%, 금(Au)의 함유율이 5∼10 wt%인 것이 바람직하다. 또한 팔라듐(Pd)-은(Ag)-금(Au)-루테늄(Ru) 합금으로는, 특히 은(Ag)의 함유율이 20∼30 wt%, 금(Au)의 함유율이 5∼10 wt%, 루테늄(Ru)의 함유율이 1∼5 wt%인 것이 바람직하다.

또한 수소투과막(10)은 수소 흡장성이 높은 고분자 재료로도 이루어질 수 있다. 이러한 고분자계 수소투과막(10)으로는 수소 분자 정도의 크기의 원자나 분자를 선택적으로 투과시키는 공극을 가진 고분자 재료, 예를 들어, 셀루로스, 아세테이트, 폴리술폰, 폴리이미드 및 폴리아미드 중 하나로 이루어지는 것이 바람직하다.

수소투과막(10)은 막을 사이에 두고 양쪽의 압력차에 의하여 수소혼합가스 중 수소 분자만이 선택적으로 막을 통과하여 분리되는 구조를 가진다. 수소투과막(10)은 평막(平膜), 중공사막, 관 형태 등 공지된 다양한 형태의 막(멤브레인, Membrane) 구조를 가진다.

본 명세서에서 사용되는 '수소투과막'이라는 용어는 '수소분리막'을 포괄하는 것이며, 수소투과막(10)은 공지된 다양한 재질, 구조를 가지는 수소투과막으로 형성가능함은 자명하다.

또한 수소투과막(10)은 제 1 가열히터(11)를 포함할 수 있다. 제 1 가열히터(11)는 수소투과막(10)을 가열하여 수소투과막(10)에 흡장된 수소를 분리시킴으로써 수소저장소(20)로 유동되도록 하는 역할을 하거나 또는 개질된 수소혼합가스를 가열하여 기체 본연의 유동성을 증대시킴에 따라 수소투과막(10)의 수소투과효율을 증대시키는 역할을 하는 것으로, 공지된 다양한 형태의 발열체로 형성될 수 있다.

또한 전술한 수소투과막(10)에는 수소저장소(20)가 연결된다. 수소저장소(20)는 수소투과막(10)에 의해 투과분리된 수소를 저장하였다가 연료전지스택(40)으로 안정적으로 공급될 수 있도록 하는 역할을 한다.

수소저장소(20)는 통상의 기체탱크로도 형성될 수 있지만, 예를 들어 팔라듐(Pd)과 같이 수소 흡장성이 높은 금속재로도 형성될 수도 있다.

이 때 수소저장소(20)는 수소저장소(20)에 저장된 수소를 가열하여 연료전지스택으로의 급송효율을 증대시키는 제 2 가열히터(21)를 포함할 수 있다. 제 2 가열히터(21) 또한 제 1 가열히터(11)와 마찬가지로 공지된 다양한 형태의 발열체로 형성될 수 있다.

또한 본 개시내용의 일 실시예에 따른 연료전지시스템용 수소투과막모듈(1)은 수소투과막(10)의 상류에 설치되는 컴프레서(30)를 더 포함할 수 있다.

컴프레서(30)는 기체 상태의 연료가 개질되어 형성된 수소혼합가스를 수소투과막(10)으로 고압으로 급송함으로써 수소투과막(10)에 의한 수소분리효율을 촉진시키는 역할을 하는 것으로, 통상의 기체펌프로 형성될 수 있다.

또한 본 개시내용의 일 실시예에 따른 연료전지시스템용 수소투과막모듈(1)은 전술한 수소투과막모듈(50)은 수소투과막(10)과 수소저장소(20) 사이에 설치되는 라디에이터(40)를 더 포함할 수 있다.

라디에이터(40)는 수소투과막(10)에 의해 분리된 수소를 수소저장소(20) 내의 저장, 특히 수소 흡장에 알맞게 냉각시키는 역할을 하는 것으로, 통상의 수냉식 열교환기 또는 공랭식 열교환기로 형성될 수 있다.

도 2 내지 도 4는 본 개시내용의 일 실시예에 따른 연료전지시스템용 수소투과막모듈이 구비된 연료전지시스템의 블럭구성도를 도시한다.

도 2에 도시되는 바와 같이, 본 개시내용의 일 실시예에 따른 연료전지시스템용 수소투과막모듈(1)은 예를 들어 디젤유, 가솔린 등과 같은 연료가 저장되는 연료탱크(2)와, 연료탱크(2)로부터 공급되는 기체 상태의 연료를 개질하여 수소혼합가스를 발생시키는 개질모듈(3)과, 개질모듈(3)에 연결되고 개질모듈(3)로부터 공급되는 수소혼합가스에 함유된 수소와 별도의 산소공급원(6)으로부터 공급되는 산소를 전기화학적으로 반응시켜 전기를 발생시키는 연료전지스택(5)를 포함하는 연료전지시스템 내에서, 개질모듈(3)과 연료전지스택(5) 사이에 직렬로 설치될 수 있다.

이 경우에 연료탱크(2)로부터 공급되는 기체 상태의 연료는 개질모듈(2)에 의해 수소혼합가스로 개질된 후, 연료전지시스템용 수소투과막모듈(1)의 수소투과막(10)을 거치면서 그 내부에 포함된 수소만 수소투과막(10)에 의해 투과분리된 다음, 수소저장소(20)에 저장된다.

수소가 수소저장소(20)에 별도 저장된 상태에서 연료전지스택(5)으로 안정적으로 공급가능함에 따라 연료전지스택(5)의 발전효율이 증대됨과 동시에 연료전지스택의 성능안정성이 확보될 수 있다.

또한 도 3에 도시되는 바와 같이, 예를 들어 디젤유, 가솔린 등과 같은 연료가 저장되는 연료탱크(2)와, 연료탱크(2)로부터 공급되는 기체 상태의 연료를 개질하여 수소혼합가스를 발생시키는 개질모듈(3)과, 개질모듈(3)에 연결되고 개질모듈(3)로부터 공급되는 수소혼합가스를 산화시켜 일산화탄소를 저감시키는 산화모듈(4)과, 산화모듈(4)로부터 공급되는 수소혼합가스에 함유된 수소와 별도의 산소공급원(6)으로부터 공급되는 산소를 전기화학적으로 반응시켜 전기를 발생시키는 연료전지스택(5)를 포함하는 연료전지시스템 내에서, 본 개시내용의 일 실시예에 따른 연료전지시스템용 수소투과막모듈(1)은 산화모듈(4)과 연료전지스택(5) 사이에 직렬로 설치될 수 있다.

이 경우에 연료탱크(2)로부터 공급되는 기체 상태의 연료는 개질모듈(2)에 의해 수소혼합가스로 개질되고 산화모듈(4)을 거쳐 일산화탄소가 저감된 후, 연료전지시스템용 수소투과막모듈(1)의 수소투과막(10)을 거치면서 그 내부에 포함된 수소만 수소투과막(10)에 의해 투과분리된 다음, 수소저장소(20)에 저장된다.

수소가 수소저장소(20)에 별도 저장된 상태에서 연료전지스택(5)으로 안정적으로 공급가능함에 따라 연료전지스택(5)의 발전효율이 증대됨과 동시에 연료전지스택(5)의 성능안정성이 확보될 수 있다.

또한 도 4에 도시되는 바와 같이, 예를 들어 디젤유, 가솔린 등과 같은 연료가 저장되는 연료탱크(2)와, 연료탱크(2)로부터 공급되는 기체 상태의 연료를 개질하여 수소혼합가스를 발생시키는 개질모듈(3)과, 개질모듈(3)에 연결되고 개질모듈(3)로부터 공급되는 수소혼합가스를 산화시켜 일산화탄소를 저감시키는 산화모듈(4)과, 산화모듈(4)로부터 공급되는 수소혼합가스에 함유된 수소와 별도의 산소공급원(6)으로부터 공급되는 산소를 전기화학적으로 반응시켜 전기를 발생시키는 연료전지스택(5)를 포함하는 연료전지시스템 내에서, 본 개시내용의 일 실시예에 따른 연료전지시스템용 수소투과막모듈(1)은 개질모듈(3)과 연료전지스택(5) 사이에 산화모듈(4)과 병렬되게 설치될 수 있다.

이 경우에 본 개시내용의 일 실시예에 따른 연료전지시스템용 수소투과막모듈(1)은 개질모듈(3)을 거친 수소혼합가스로부터 수소를 분리저장한 후 예를 들어 개질모듈(3) 또는 산화모듈(4)에 이상이 발생되거나 연료전지스택(5)의 전극 피독에 따라 발전효율이 저하되는 경우와 같이 필요 시에만 연료전지스택(5)으로 미리 저장된 수소를 공급함에 따라 연료전지스택(5)의 발전효율을 더욱 증대시키고 연료전지스택(5)의 발전성능이 안정적으로 유지될 수 한다.

또한 연료전지시스템의 초기 가동 시에 개질모듈(3)에 의해 개질된 수소함유가스에 포함된 수소까지도 전술한 연료전지시스템용 수소투과막모듈(1)에 의해 분리저장되어 차후 연료전지스택(5)의 발전을 위해 사용될 수 있다.

전술한 연료전지시스템용 수소투과막모듈(1)의 필요시 선택적인 동작을 위해 연료전지시스템용 수소투과막모듈(1)의 병렬 설치지점에는 개질모듈(3)을 통해 개질된 수소혼합가스를 연료전지시스템용 수소투과막모듈(1)로 제공하기 위한 밸브부재(미도시)가 설치된다.

이 밸브부재는 삼방밸브의 형태로 형성되는데, 특히 개질모듈(3)을 통해 개질된 수소혼합가스 중 일부분이 연료전지시스템용 수소투과막모듈(1)로 제공될 수 있도록 개도가 조절될 수도 있고, 개질모듈(3)을 통해 개질된 수소혼합가스가 산화모듈(4) 또는 연료전지시스템용 수소투과막모듈(1)로 선택적으로 공급되도록 유로가 절환될 수도 있다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였지만, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

1 : 연료전지시스템용 수소투과막모듈
2 : 연료탱크
3 : 개질모듈
4 : 산화모듈
5 : 연료전지스택
6 : 산소공급원
10 : 수소투과막
11 : 제 1 가열히터
20 : 수소저장소
21 : 제 2 가열히터
30 : 컴프레서
40 : 라디에이터

Claims (8)

1. 기체 상태의 연료가 개질되어 형성된 수소혼합가스로부터 수소를 분리하여 연료전지스택으로 공급하는 연료전지시스템용 수소투과막모듈에 있어서,
   상기 수소혼합가스로부터 수소를 투과시켜 분리하는 수소투과막;
   일단은 상기 수소투과막에 연결되어 상기 수소투과막에 의해 분리된 수소를 저장하고 타단은 상기 연료전지스택에 연결되어 상기 연료전지스택으로 수소를 안정적으로 공급하는 수소저장소; 및
   상기 수소투과막과 상기 수소저장소 사이에 설치되고 상기 수소투과막에 의해 분리된 수소를 냉각시키는 라디에이터를 포함하고,
   상기 수소투과막은 발열체 형태의 제 1 가열히터를 포함하며,
   상기 수소저장소는, 상기 수소저장소에 저장된 수소를 가열하여 상기 연료전지스택으로의 급송효율을 증대시키는 제 2 가열히터를 포함하고,
   상기 연료전지시스템용 수소투과막모듈은, 기체 상태의 연료를 상기 수소혼합가스로 개질하는 개질모듈과 상기 연료전지스택 사이에 설치되되, 상기 수소혼합가스를 산화시켜 일산화탄소를 저감시키는 산화모듈에 병렬되게 설치되어 상기 연료전지스택으로 수소를 선택적으로 공급하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템용 수소투과막모듈.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 수소투과막의 상류에 설치되고 상기 수소혼합가스를 상기 수소투과막으로 고압 급송하는 컴프레서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템용 수소투과막모듈.
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