KR102165686B1 - 수위 유지용 연결관을 설치한 직접메탄올 연료전지 시스템용 기액 분리기 및 이를 포함하는 직접메탄올 연료전지 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 기액 분리기에 내장되어 상실 및 하실로 상기 기액 분리기의 내부 공간을 상하 구획하는 분리판과, 상기 분리판을 관통하여 형성되고 상부측은 상기 상실에 배치되며 하부측은 상기 하실에 배치되는 물공급관과, 상기 하실에 채워진 가스가 상기 상실로 전달되도록 하며 메탄올 희석 연료의 수위를 일정 높이로 유지하는 수위 유지용 연결관을 포함하는 것을 특징으로 하여, 연료전지 시스템이 운전 중에 어느 한 방향으로 기울어져 경사를 이루더라도 일정 수위의 유지가 가능함은 물론, 기액 분리 기능이 원활하게 지속될 수 있도록 한 수위 유지용 연결관을 설치한 직접메탄올 연료전지 시스템용 기액 분리기 및 이를 포함하는 직접메탄올 연료전지 시스템에 관한 것이다.

Description

수위 유지용 연결관을 설치한 직접메탄올 연료전지 시스템용 기액 분리기 및 이를 포함하는 직접메탄올 연료전지 시스템{GAS-LIQUID SEPARATOR ATTACHED A CONNECTION TUBE FOR FUEL LEVEL CONTROL FOR DIRECT METHANOL FUEL CELL SYSTEM AND DIRECT METHANOL FUEL CELL SYSTEM COMPRISING THE SAME}
본 발명은 수위 유지용 연결관을 설치한 직접메탄올 연료전지 시스템용 기액 분리기 및 이를 포함하는 직접메탄올 연료전지 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료전지 시스템이 운전 중에 어느 한 방향으로 기울어져 경사를 이루더라도 일정 수위의 유지가 가능함은 물론, 기액 분리 기능이 원활하게 지속될 수 있도록 한 수위 유지용 연결관을 설치한 직접메탄올 연료전지 시스템용 기액 분리기 및 이를 포함하는 직접메탄올 연료전지 시스템에 관한 것이다.
연료전지(Fuel Cell)는, 가스 상태의 수소와, 천연가스 또는 액체 상태인 메탄올과 에탄올 등과 같은 탄화수소계 연료 내에 함유되어 있는 화학 에너지를 전기 에너지 및 열 에너지로 직접 변환시키는 전기화학식 발전기이다.
이러한 전기화학식 연료전지 발전기는 화석 에너지를 사용하는 내연기관 발전기를 대체할 수 있는 청정에너지 발전기로 기능할 수 있다.
또한 이러한 전기화학식 연료전지 발전기는 단위전지를 다수개 적층한 연료전지 스택 모듈로 구성하여 넓은 범위의 출력을 조절할 수 있으며, 기존 배터리 충전기에 비하여 4∼10배의 에너지 밀도를 가지기 때문에 소형 및 이동용 휴대전원을 비롯하여 건물 및 자동차용 전원으로 주목받고 있다.
100℃ 이하의 온도에서 작동하는 저온형 연료전지의 대표적인 예로는 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)와 직접메탄올 연료전지(DMFC: Direct Methanol Fuel Cell)가 있다.
직접메탄올 연료전지는 액체 상태인 메탄올을 연료로 직접 사용하기 때문에 액체 연료의 저장, 운반 및 취급이 용이하고, PEMFC에서 필수적인 개질기나 가습기 등이 불필요하여 간단한 시스템 구성 그리고 저온 운전 등의 장점으로 인하여 휴대용 및 이동용 전원으로 적용이 가능하다.
직접메탄올 연료전지 시스템은 발전부의 핵심 부분인 스택(MEA, 분리판, 가스킷, 엔드판 등으로 구성됨)뿐만 아니라 연료공급부, 공기공급부, 공기극 생성수 순환부 등으로 시스템을 구성하여야 실제 전력 공급이 가능한 연료전지 발전 시스템이 된다.
직접메탄올 연료전지 스택을 구성하는 전극에서 일어나는 전기화학적 반응식은 다음과 같다.
CH3OH + H2O → CO2 + 6H+ + 6e-
3/2O2 + 6H+ + 6e- → 3H2O
CH3OH + 3/2O2 → 3H2O + CO2 (E = 1.21V)
연료극 반응에서는 메탄올과 물의 촉매 산화반응으로 이산화탄소(CO2), 수소 이온(프로톤, H+) 및 전자(e-)가 생성된다.
공기극 반응에서는 공기 중의 산소가 촉매 환원반응으로 산소 이온(O2-)이 생성되어 연료극에서 전해질을 통과해 이동하여온 수소이온(H+)과 반응하여 물(H2O)이 생성된다.
전체적인 전기화학 반응식은 메탄올(CH3OH)과 산소(O2)가 각각 산화 및 환원 반응하여 물(H2O)과 이산화탄소(CO2)를 생성하고, 외부 회로를 통하여 전자(e-)가 이동함으로써 전기가 얻어지게 되는 것이다.
실제 연료전지 전극반응에서는 고농도의 메탄올 연료를 사용하면 전해질로 사용하는 양이온 전도막의 메탄올 투과도가 너무 높아져서 연료전지의 성능이 낮아지므로 연료극에 사용하는 연료인 메탄올의 농도는 2-5 wt% 정도로 낮게 조절하여야 한다.
즉, 연료 중의 메탄올 농도가 너무 높으면 공기극으로 투과되는 메탄올의 량이 많아지고 이들 메탄올이 공기극에서 연소하여 많은 량의 열과 메탄올 손실 등이 발생하기 때문이다.
다시말해, 2-5 wt%의 연료를 스택에 공급하기 위해서는 연료와 생성수의 혼합용 탱크와 기액 분리기 그리고 원액 메탄올 탱크 등이 필요한데, 이 중에서 연료와 생성수의 혼합용 탱크와 기액 분리기가 연료전지 시스템에서 가장 큰 부피를 차지하며, 시스템 전체의 부피를 줄이기 위하여 이들을 서로 연결하여 일체화하기도 한다.
직접메탄올 연료전지 시스템을 최초로 운전하는 경우에는 미리 기액 분리기에 공급하여 둔 물을 이용하여 2-5 wt%의 사전에 정해진 농도로 맞추기 위하여 메탄올 원액 탱크에서 순수 메탄올을 기액 분리기로 공급하게 되며, 정해진 메탄올 농도에 도달하면 연료는 연료공급 펌프를 사용하여 연료전지 스택에 공급하게 된다.
이후 운전한 후에는 연료극의 미반응 물과 공기극에서 생성된 생성수를 이용하여 정해진 농도로 조정하게 된다.
시스템을 최초 시동한 후에는 연료극의 연료 용액은 계속 순환시키고, 반응에 사용되어 소비된 물은 공기극에서 생성되는 생성수를 사용하여 보충하는 방법을 채택하게 된다.
스택의 온도에 의한 반응물의 증발과 연료극에서 공기극으로의 메탄올과 물 크로스오버(투과)에 의해서 연료극의 연료용액을 계속 순환시키면 궁극적으로 물 부족 현상이 발생하기 때문에, 공기극으로 넘어간 물을 보충하고 공기극에서 생성되는 물을 연료극으로 공급해 주기 위해서 공기극 쪽에 응축기와 기액 분리기를 추가로 설치할 필요가 있다.
연료공급 시스템에서는 생성수의 순환, 연료의 농도와 수위 제어, 물관리 제어의 합리적 설계와 운영 기술이 직접메탄올 연료전지 시스템의 장기 운전과 내구성 확보를 위한 가장 중요한 기술 중의 하나이다.
직접메탄올 연료전지 시스템을 작동시켰을 때 이론적으로 계산되는 유량(이때 전기적인 모든 양은 공급 메탄올이 연료극에서 완전히 산화되었다고 가정)은 다음과 같다.
파라데이(Faraday) 법칙을 이용하여 전기화학 반응식에 따라서 메탄올과 공기의 필요량과 생성 이산화탄소와 생성수의 량을 정상상태 (상온(298 K), 1기압)에서 계산할 수 있다.
1 F의 전기량, 즉 96,500 C이 통과하면 전자 1 mol(e-), 즉 6 x 1023 개의 전자가 이동하므로 전자 1개가 가지는 전하량(e = (96500 C)/(6 x 1023)= 6 x 10-19 C))이 계산된다.
1 A의 전류가 1초 동안 흘렀을 때의 전기량(1 C)을 전기화학 반응식에서 메탄올이 산화되면서 생성되는 전자수(Ne = 6e-)에 따라서 계산하면, 연료극에 필요한 메탄올의 량은 NMeOH = (5.54 x 10-8)/(0.788) = 7.03 x 10-8 L/sec이다.
전체 전기화학 반응식에 의하여 연료극에서 메탄올이 1 mol 소모될 때 산소는 1.5 mol (48 g)이 필요하다.
따라서 1A 부하 전류시 필요한 산소의 양은 NO2 = 8.3x10-8 kg/sec = (22.4 L x 8.3 x 10-8 kg/sec)/(32 x 10-3 kg) = 5.81 x 10-5 L/sec이다.
대기 중에서 산소가 차지하는 비율이 약 21%이므로 공급되어야 할 공기의 양은 Nair = (5.81 x 10-5)/(0.21) = 2.77 x 10-4 L/sec이다.
메탄올이 1 몰(mol) 소모될 때 이산화탄소는 1 몰(mol)(44 g)이 생성된다.
1 A의 부하전류시 소모되는 메탄올의 양은 1.73 x 10-6 mol/sec 이므로 생성되는 이산화탄소의 양은 NCO2 = (1.73 x 10-6 mol/sec) x(22.4 L/mol) = 3.87 x 10-5 L/sec이다.
메탄올이 1 mol 소모될 때 2 mol (36 g)의 물이 생성되며, 1 A의 부하전류시 생성수의 양은 NH2O = (1.73 x 10-6 k) x (36 x10-3) kg/mol = 6.23 x 10-8 L/sec이며, 물의 밀도를 고려한 생성수의 양은 NH2O = (6.23 x 10-8 kg/sec) x (1 L/kg) = 6.23 x 10-8 L/sec이다.
메탄올의 이용률은 연료전지의 성능을 좌우하는 중요한 인자이다.
이는 공급된 연료와 공기가 얼마만큼 전기화학적 반응에 참여하였는가를 결정하기 때문이다.
연료 이용률은 공급된 연료와 발전에 사용된 연료의 비율로서 관찰되는 전기량과 연료전지의 이론적 출력의 비, 즉 메탄올 이용률 = (관찰되는 전기량)/(당량 메탄올의 이론적 출력)이다.
일반적으로 보고된 바에 따르면 메탄올의 이용률은 약 60% 정도이므로 이를 가정하고 생성물을 1로 잡으면 반응물은 1/0.6 = 1.67 만큼을 공급하여야 한다.
따라서 공급되어야 할 메탄올의 양은 FMeOH = 1.67 x 7.03 x 10-8 L/sec = 1.17 x 10-7 L/sec이고, 공급되어야 할 산소의 양은 FO2 = 5.81 x 10-5 x 1.66 = 9.64 x 10-5 L/sec이고, 공급되어야 할 공기의 양은 FAir = 1.66 x 2.77 x 10-4 L/sec = 4.02 x 10-4 L/sec이다.
이때, 생성되는 물의 양은 PH2O = 6.23 x 10-8 L/sec이고, 생성되는 이산화탄소의 양은 PCO2 = 3.87 x 10-5 L/sec이다.
직접메탄올 연료전지 시스템에서 메탄올의 이용률이 감소하는 것은 메탄올의 투과(methanol crossover)와 미반응 메탄올의 손실 때문이며 이를 낮추는 것이 직접메탄올 연료전지의 성능과 효율을 판단하는데 매우 중요하다.
즉, 공급한 메탄올을 최대한 이용하여 손실을 낮추는 것이 필요하며, 이는 스택에 메탄올 투과가 적은 전해질막을 사용하거나 효율이 높은 기액분리기(연료 혼합 탱크)를 설계하여 적용함으로써 높일 수 있다.
따라서, 이러한 연료전지 시스템은 청정기술로서 자동차나 발전소 및 열병합발전기는 물론, 선박과 잠수함 또는 비행기 등 다양한 분야에서 널리 활용되는 것이다.
상기와 같은 관점에서 등록특허 제10-0657531호 및 미국공개특허 US2006/0286415A1의 "연료 전지 시스템 내의 수분 균형 조절"과, 등록특허 제10-0718296호 및 미국공개특허 US2006/0081130A1의 "유체 분리 장치"와, 등록특허 제10-1342536호의 "연료전지용 기액분리장치" 등과 같은 다양한 연료전지 시스템 관련 기술들이 공지되어 있다.
그러나, 전술한 선행기술에서 사용된 기액분리기들은 모두 연료전지 시스템이 운전중에 어느 한 방향으로 기울어져 경사가 형성되었을 때 일정 수위를 유지할 수 없는 문제가 있었다.
특히, 선행기술에서 사용된 기액분리기들은 모두 수위 센서(레벨 센서)가 반드시 필요하므로, 수위 센서를 사용하지 않으면 기액 분리기능을 지속할 수 없는 치명적인 문제에 직면하였던 것이다.
등록특허 제10-0657531호 미국공개특허 US2006/0286415A1 등록특허 제10-0718296호 미국공개특허 US2006/0081130A1 등록특허 제10-1342536호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 발명된 것으로, 연료전지 시스템이 운전 중에 어느 한 방향으로 기울어져 경사를 이루더라도 일정 수위의 유지가 가능함은 물론, 기액 분리 기능이 원활하게 지속될 수 있도록 하는 수위 유지용 연결관을 설치한 직접메탄올 연료전지 시스템용 기액 분리기 및 이를 포함하는 직접메탄올 연료전지 시스템을 제공하기 위한 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 직접메탄올 연료전지 시스템에서, 연료탱크, 공기극 및 연료극으로부터 각각 원액 메탄올 연료, 공기극 배출물 및 연료극 배출물을 전달받고, 연료와 생성수의 혼합과, 메탄올 농도 희석과, 스택의 연료극 및 공기극 각각의 배출물을 기체와 액체로 분리하며, 연료와 생성수를 혼합하여 제조된 혼합연료를 연료극으로 공급하는 기액 분리기; 상기 기액 분리기에 내장되어 상실 및 하실로 상기 기액 분리기의 내부 공간을 상하 구획하는 분리판; 상기 분리판을 관통하여 형성되고 상부측은 상기 상실에 배치되며 하부측은 상기 하실에 배치되는 물공급관; 및 상기 하실에 채워진 가스가 상기 상실로 전달되도록 하며, 메탄올 희석 연료의 수위를 일정 높이로 유지하는 수위 유지용 연결관을 포함하는 것을 특징으로 하는 수위 유지용 연결관을 설치한 직접메탄올 연료전지 시스템용 기액 분리기를 제공할 수 있을 것이다.
여기서, 상기 수위 유지용 연결관은, 상기 기액 분리기의 외부를 통하여 상기 상실과 상기 하실을 상호 연통시키는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 수위 유지용 연결관은, 상기 하실 내부에 설치되는 한쪽 말단부와, 상기 상실 내부에 설치되는 다른쪽 말단부와, 상기 한쪽 말단부와 상기 다른쪽 말단부는 상기 기액 분리기의 외부를 통하여 연결되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 상실에 형성되어 상기 공기극 배출물이 공급되는 공기극 배출물 유입구와, 상기 상실에 형성되어 외부로 가스를 배출하는 가스배출구와, 상기 하실에 형성되어 상기 연료극 배출물이 공급되는 연료극 배출물 유입구와, 상기 하실에 형성되어 상기 연료탱크로부터 상기 원액 메탄올 연료가 공급되는 원액 메탄올 유입구와, 상기 하실에 형성되어 상기 연료극으로부터 상기 혼합연료를 공급하는 연료공급구를 더 포함하며, 상기 하실의 수위가 상기 연료극 배출물 유입구보다 낮게 유지되고 연료공급구보다 높게 유지되도록, 상기 수위 유지용 연결관의 말단부가 상기 분리판의 중심을 상하 방향으로 직교되게 관통하는 가상선상에 위치함으로써, 상기 하실의 수위를 측정하는 수위센서가 생략되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 수위 유지용 연결관은, 상기 직접메탄올 연료전지 시스템이 운전 중에 어느 한 방향으로 기울어져 경사를 형성할 때에도 일정 수위를 지속적으로 유지하며 상기 기액 분리기가 기액 분리 기능을 지속할 수 있도록, 상기 수위 유지용 연결관의 말단부가 상기 분리판의 중심을 상하 방향으로 직교되게 관통하는 가상선상에 위치하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 수위 유지용 연결관의 말단부는 상기 하실의 혼합 연료의 평시(平時) 수위보다 높게 형성되며, 상기 평시 수위는 상기 스택의 작동시 상기 하실 내의 상기 혼합연료의 평균 수위인 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 수위 유지용 연결관의 말단부는, 상기 혼합연료의 액면이 하실 전체 용적의 5 내지 8할이 되는 위치에 설치되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 하실의 액위에 대한 상기 상실의 액위의 비는 1/10 내지 1/3인 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 물공급관의 상단부와 하단부의 중심이 상기 분리판의 중심을 상하 방향으로 직교되게 관통하는 가상선상에 배치되고, 상기 수위 유지용 연결관의 말단부가 상기 가상선상에 위치하며 상기 수위 유지용 연결관의 말단부와의 간섭을 회피 가능하도록, 상기 물공급관의 중간부에 형성되는 굴곡관부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 물공급관 및 상기 수위 유지용 연결관의 내경은 3 내지 10 mm인 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 수위 유지용 연결관과 상기 기액 분리기는 내식성 스테인리스강(STS), 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE), ABS 또는 폴리카보네이트(PC) 중 하나로 형성되는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명은 전술한 기액 분리기; 적어도 하나 이상의 적층된 막-전극 접합체(MEA)와, 미반응 메탄올과 물과 이산화탄소를 포함하는 미반응 배출물을 배출시키는 연료극과, 미반응 공기와 생성수를 포함하는 배출물을 배출시키는 공기극을 포함하며, 상기 기액 분리기로부터 연료 펌프를 통하여 연료를 공급받고 공기 펌프로부터 공기 또는 산소를 공급받아 전기를 생산하는 스택; 상기 공기극으로부터 배출된 상기 배출물에 포함된 상기 생성수를 액화시켜 상기 기액 분리기로 공급되도록 하는 공기극 열교환기; 상기 연료극에서 일어나는 전기화학 반응에 의한 반응열로 가열된 상기 미반응 배출물을 일정 수준으로 냉각시키는 연료극 열교환기; 및 상기 공기극의 반응에서 산화제로 사용되는 상기 산소의 공급을 위하여 상기 공기 또는 상기 산소를 상기 공기극으로 공급하는 공기 공급부를 포함하며, 상기 기액 분리기는 연료탱크로부터 메탄올 펌프를 통하여 메탄올 연료를 공급받고, 상기 연료극으로부터 배출되는 상기 미반응 배출물과 상기 공기극으로부터 배출되는 상기 배출물에 포함된 기체와 액체를 분리하고, 물과 메탄올을 혼합하여 적정 농도로 희석된 메탄올 혼합 연료를 상기 연료극으로 공급하는 것을 특징으로 하는 직접메탄올 연료전지 시스템을 제공할 수도 있음은 물론이다.
상기와 같은 구성의 본 발명에 따르면, 다음과 같은 효과를 도모할 수 있다.
우선, 본 발명은 센서가 필요없이도 연료의 수위 제어가 가능하게 된다.
그리고, 본 발명은 운전중에 어느 한 방향으로 기울어져 경사가 형성되더라도 연료 유출이 없으며 일정 수위를 지속적으로 유지하고 기액 분리 기능 또한 중단되는 일이 없이 지속될 수 있다.
또한, 본 발명은 기액 분리기의 하실로 유입되는 유체의 유량이 많아지더라도 혼합연료의 수위 유지가 가능하게 되는 것이다.
특히, 본 발명은 단일의 장치로 연료와 생성수의 혼합, 메탄올 농도 희석, 연료극 및 공기극 배출물의 기액 분리 기능을 동시에 할 수 있으므로, 시스템의 구성을 단순화할 수 있게 된다.
아울러, 본 발명은 사용된 연료의 재사용을 위한 기액 분리 과정에서 기화되어 이산화탄소와 함께 배출되는 메탄올 손실을 최소화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 직접메탄올 연료전지 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 계통도
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 직접메탄올 연료전지 시스템의 수위 유지 연결관이 설치된 기액 분리기의 구성을 개략적으로 나타낸 도면
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 직접메탄올 연료전지 시스템의 수위 유지 연결관이 설치된 기액 분리기가 경사 각도를 이루어 기울어진 구조를 개략적으로 나타낸 도면
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 직접메탄올 연료전지 시스템의 수위 유지 연결관이 설치된 기액 분리기를 연료전지 스택 시스템에 장착하여 기액 분리기를 전, 후, 좌, 우 방향 각각 30°로 경사지게 하였을 때 측정한 연료전지 스택의 시간에 따른 출력 특성을 나타낸 곡선
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 직접메탄올 연료전지 시스템의 수위 유지 연결관이 설치된 기액 분리기를 연료전지 스택 시스템에 장착하여 기액 분리기를 전, 후, 좌, 우 방향 각각 30°로 경사지게 하여 연료전지 스택의 시간에 따른 출력 특성을 측정할 때의 기액 분리기를 나타낸 사진
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다.
그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예로 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이다.
본 명세서에서 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
그리고 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
따라서, 몇몇 실시예에서, 잘 알려진 구성 요소, 잘 알려진 동작 및 잘 알려진 기술들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적으로 설명되지 않는다.
또한, 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭하고, 본 명세서에서 사용된(언급된) 용어들은 실시예를 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함하며, '포함(또는, 구비)한다'로 언급된 구성 요소 및 동작은 하나 이상의 다른 구성요소 및 동작의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다.
또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참고로 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명한다.
참고로, 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 직접메탄올 연료전지 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 계통도이다.
그리고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 직접메탄올 연료전지 시스템의 수위 유지 연결관(250)이 설치된 기액 분리기(20)의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
그리고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 직접메탄올 연료전지 시스템의 수위 유지 연결관(250)이 설치된 기액 분리기(20)가 경사 각도(α)를 이루어 기울어진 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
또한, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 직접메탄올 연료전지 시스템의 수위 유지 연결관(250)이 설치된 기액 분리기(20)를 연료전지 스택 시스템에 장착하여 기액 분리기(20)를 전, 후, 좌, 우 방향 각각 30°로 경사지게 하였을 때 측정한 연료전지 스택(10)의 시간에 따른 출력 특성을 나타낸 곡선이다.
아울러, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 직접메탄올 연료전지 시스템의 수위 유지 연결관(250)이 설치된 기액 분리기(20)를 연료전지 시스템에 장착하여 기액 분리기(20)를 전, 후, 좌, 우 방향 각각 30°로 경사지게 하여 연료전지 스택(10)의 시간에 따른 출력 특성을 측정할 때의 기액 분리기(20)를 나타낸 사진이다.
참고로, 도 2 및 도 3에서 점선 화살표는 해당 방향으로 흐르는 유체의 흐름 방향을 나타낸다.
본 발명의 일 실시예에 따른 직접메탄올 연료전지 시스템은 도 1과 같이 스택(10), 기액 분리기(20), 연료탱크(30), 열교환기(40, 50), 공기 공급부(70, 61)를 포함한다.
스택(10)은 기액 분리기(20)로부터 연료 펌프(62)를 통하여 연료를 공급받고 공기 펌프(61)로부터 공기(산소)를 공급받아 전기를 생산하는 부분으로, 하나 또는 두 개 이상의 적층된 막/전극 접합체(MEA)를 포함한다.
기액 분리기(20)는 연료탱크(30)로부터 메탄올 펌프(63)를 통하여 메탄올 연료를 공급받고, 스택(10)의 연료극에서 배출되는 미반응 배출물(미반응 메탄올, 물, 및 이산화탄소) 그리고 공기극에서 배출되는 배출물(미반응 공기, 생성수)에 포함된 기체(미반응 공기, 이산화탄소)와 액체(미반응 메탄올, 물, 생성수)를 분리하고, 물과 메탄올을 혼합하여 적정 농도로 희석된 메탄올 혼합연료를 연료극으로 공급하는 역할을 한다.
공기극에서 배출된 공기극 배출물에는 기체 상태로 배출되는 생성수가 많으므로 공기극 열교환기(50)를 이용해 생성수를 액화시켜서 기액 분리기(20)로 공급되도록 한다.
연료탱크(30)는 메탄올 연료 원액을 저장하는데, 앞서 살펴본 바와 같이 연료극에서의 반응은 메탄올뿐만 아니라 물이 함께 반응물로서 사용되므로, 기액 분리기(20)에서 물과 혼합된 후라야 연료로 사용될 수 있다. 연료탱크(30)의 연료는 메탄올 펌프(63)를 통해 기액 분리기(20)로 공급된다.
공기 공급부(70, 61)는 공기극의 반응에서 산화제로 사용되는 산소를 공급하기 위하여 공기를 공기극으로 공급하는 부분으로, 공기필터(70)와 공기 펌프(61)를 포함할 수 있다.
본 실시예에서 공기를 이용한 구조를 예시하고 있으나, 산소 자체를 공급하여 사용할 수도 있으며, 이 경우 공기필터(70)는 사용되지 않는다.
한편, 연료극에서 배출되는 연료극 배출물은 연료극에서의 전기화학 반응에 의한 반응열로 인해 고온(60~80 ℃)으로 가열된 상태이므로, 연료극 열교환기(40)를 이용하여 연료극 배출물의 온도를 적정 수준으로 냉각시킬 수 있다.
본 발명에서 주목하는 부분은 연료 및 물의 재사용을 위해 사용되는 기액 분리기(20)이다.
스택(10)에서 메탄올 산화반응으로 발생한 기체상태의 이산화탄소를 배출시키고 메탄올과 물을 회수하기 위한 기액 분리기(20)를 통해서 연료인 메탄올이 증발되거나 배출 가스와 같이 배출되고, 이에 따라 메탄올이 불필요하게 소모된다.
메탄올의 불필요한 소모는 메탄올의 사용 효율의 저하, 즉 시스템 효율의 저하를 초래한다.
본 발명의 직접메탄올 연료전지 시스템에 따르면, 연료와 생성수의 혼합, 메탄올 농도 희석, 연료극 및 공기극 배출물의 기액 분리 기능을 하는 기액 분리기(20)의 설계에 의하여, 시스템의 복잡한 구조를 단순화시키고 기액분리 과정에서 메탄올의 손실을 최소할 수 있는 것이다.
또한, 시스템이 운전하는 도중에도 일정 수위를 지속적으로 유지하고 시스템이 기울어져 경사를 이룰 때도 기액 분리 기능이 잘 작동되도록 한다.
이하, 도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명의 직접메탄올 연료전지의 수위 유지 연결관(250)이 설치된 기액 분리기(20)에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 기액 분리기(20)는 도 2와 같이 분리판(220)에 의해 분리된 상실(230) 및 하실(210)을 포함한다.
상실(230)에는 공기극에서 배출된 공기극 배출물이 공급되는 공기극 배출물 유입구(231) 및 외부로 가스를 배출하는 가스배출구(232)가 형성된다.
하실(210)에는 연료극에서 배출된 연료극 배출물이 공급되는 연료극 배출물 유입구(213)와, 연료탱크(30)로부터 메탄올 연료가 공급되는 원액 메탄올 유입구(211)와, 연료극으로 혼합연료를 공급하는 연료공급구(212)가 형성된다.
또한, 하실(210)의 내측에는 상기 혼합연료의 수위 제어가 센서없이도 가능하며 어느 한 쪽 방향으로 기울어져 경사가 형성되더라도 연료 유출이 없도록 수위 유지용 연결관(250)이 형성된다.
분리판(220)에는 물공급관(240)이 형성되는데, 물공급관(240)은 분리판(220)을 관통하며, 상부는 기액 분리기(20)의 상실(230)에 배치되고, 하부는 기액 분리기(20)의 하실(210)에 배치된다.
한편, 기액 분리기(20)에는 하실(210)에 채워진 이산화탄소 등의 가스가 상실(230)로 전달되도록 하는 수위 유지용 연결관(250)이 형성된다.
또한, 기액 분리기(20)는 하실(210)의 수위가 연료극 수위 유지용 연결관(250)위치로 유지되므로 하실(210)에 수위를 측정하는 레벨 센서를 별도로 설치할 필요가 없다.
또한, 하실(210)에는 메탄올 농도를 측정하는 농도 측정센서(270)가 더 구비될 수 있으며, 농도 측정센서(270)에서 메탄올 농도가 적정 범위에 미달하면 연료탱크(30)에서 원액 메탄올이 공급된다.
수위 유지용 연결관(250)은 하실(210)의 내측에서 일정 수위보다 높아지는 혼합연료가 상실(230)로 이동할 수 있게 하실(210)과 상실(230)을 연결하도록 형성된다.
수위 유지용 연결관(250)과 기액 분리기(20)는 메탄올에 대한 내성을 갖는 금속 또는 플라스틱 재질로 이루어지는 것이 바람직한데, 그 대표적인 예로 내식성 스테인리스강(STS), 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE) 또는 폴리카보네이트(PC)와 같은 소재를 들 수 있다.
수위 유지용 연결관(250)은 하나가 설치될 수 있으며, 하실(210)의 혼합연료의 평시(平時) 수위보다 높게 형성되는 것이 바람직하다.
여기서, "평시 수위"란 연료전지 작동시 기액 분리기(20)의 하실(210) 내 혼합연료의 평균 수위를 말한다.
기액 분리기(20)의 세부 구조를 살펴보면, 하실(210)과 상실(230)의 용적을 감안하여, 하실(210)의 수위에 대한 상실(230)의 수위에 대응하는 용적비는 1/10 내지 1/3로 유지하는 것이 바람직하다.
용적비가 1/10 미만이면 상실(230)의 용적이 너무 작아서 상실(230)에 공급되는 생성수의 많은 량이 가스 배출구(232)로 공기와 더불어 배출되어 하실(210)로 공급될 물이 모자라는 문제가 발생하게 된다.
용적비가 1/3 초과이면 상실(230)의 용적이 너무 커서 상실(230)에 공급되는 생성수의 많은 과잉량이 가스 배출구(232)로 배출되지 못하고 하실(210)로 공급되어 물이 과잉으로 남는 문제가 발생하게 된다.
또한, 물공급관(240)의 내경은 3 내지 10 mm이고 또한 수위 유지용 연결관(250)의 내경은 3 내지 10 mm인 것이 바람직하다.
물공급관(240)의 내경이 3 mm 미만이면 물공급관(240)의 표면 장력이 커져서 상실(230)의 생성수가 물공급관(240)을 통하여 하실(210)로 이동하는 것이 어려워지게 된다.
물공급관(240)의 내경이 10 mm 초과이면 상실(230)에 공급된 미반응 공기와 이산화탄소의 일부가 가스 배출구(232)로 배출되지 못하고 물공급관(240)을 통하여 하실(210)으로 이동하는 현상이 발생할 수 있는 문제가 있다.
수위 유지용 연결관(250)의 내경이 3 mm 미만이면 수위 유지용 연결관(250)의 표면 장력이 커져서 하실(210)의 압력이 높아지고 하실(210)의 이산화탄소와 과잉의 연료가 수위 유지용 연결관(250)을 통하여 상실(230)로 이동하는 것이 어려워지게 된다.
수위 유지용 연결관(250)의 내경이 10 mm 초과이면 하실(210)에 공급된 이산화탄소와 과잉의 연료가 너무 많이 수위 유지용 연결관(250)을 통하여 상실(230)로 이동하는 문제에 직면하게 된다.
가스배출구(232)는 공기극 배출물인 미반응 공기와 연료극 배출물인 생성 이산화탄소가 연료전지 시스템 외부로 배출되는 배출구이다.
따라서, 가스배출구(232)는 미반응 공기와 생성 이산화탄소만 배출하고, 생성수, 미반응 메탄올과 물은 배출되지 않도록 설계하여야 한다.
이러한 목적을 달성하기 위하여 가스배출구(232)를 미반응 공기와 생성 이산화탄소만 통과하고 메탄올이나 물은 통과하지 않도록 설계하면 물부족이나 메탄올 손실을 방지할 수 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위하여 가스배출구(232)에 다공성 소수성 분리막(이하 미도시)을 설치하면 메탄올이나 물과 같은 액체는 통과하지 못하고 미반응 공기나 생성 이산화탄소 같은 가스만 통과하도록 하는 것이 가능하다.
이를 위하여 다공성 소수성 분리막으로는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 에틸렌테트라플루오로에틸렌(ETFE) 또는 폴리비닐리덴플루오리드(PVDF)와 같은 소수성 막을 사용할 수 있다.
다공성 소수성 분리막은 다공성으로 이루어져서 기공의 크기가 0.001~0.05 mm인 것을 사용하고, 두께는 0.01~0.1mm인 것을 사용할 수 있다.
또한, 다공성 소수성 분리막의 기계적 강도를 부여하기 위하여 다공성 소수성 분리막의 상하면에 각각 다공성 소수성 분리막의 기공보다 더 큰 기공을 가진 지지막을 설치할 수도 있다.
다공성 소수성 분리막의 기공 크기가 너무 크면 메탄올이나 물과 같은 액체가 그대로 통과하여 외부로 배출될 수 있고, 기공의 크기가 너무 적으면 메탄올이나 물의 통과가 어려워 상실 내부에 가스나 액체에 의한 압력상승 가능성이 있다.
따라서, 다공성 소수성 분리막의 기공 크기는 0.001~0.05mm인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 0.01~0.03mm의 범위에서 형성되도록 한다.
다공성 소수성 분리막은 물이나 메탄올로 인하여 기공이 막히는 것을 방지하기 위하여 친수성이 아닌 소수성을 가지는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 직접메탄올 연료전지 시스템의 기액 분리기(20)를 통해 메탄올 연료, 연료극 배출물 및 공기극 배출물이 혼합되어 연료극으로 공급되는 과정을 구체적으로 설명한다.
먼저, 상실(230)의 공기극 배출물 유입구(231)를 통해 공기극에서 배출된 공기극 배출물이 공급된다.
공기극 배출물에는 공기극에서 생성된 생성수(물), 전해질 막을 통해 공기극으로 크로스오버된 물과 메탄올, 그리고 산소 환원 반응을 위해 공급된 공기 등이 포함된다.
또한, 하실(210)의 연료극 배출물 유입구(213)를 통해 연료극에서 배출된 연료극 배출물이 공급된다.
연료극 배출물에는 연료극에 공급된 메탄올과 물, 그리고 메탄올 산화 반응에 의하여 생성된 이산화탄소 등이 포함된다.
이와 함께, 하실(210)의 원액 메탄올 유입구(211)에는 연료탱크(30)로부터 공급된 메탄올 연료 원액이 공급된다.
연료극 배출물과 메탄올 연료가 연료극 배출물 유입구(213)과 원액 메탄올 유입구(211)을 통하여 하실(210)로 공급되면, 하실(210)의 하부는 메탄올과 물로 채워지며 상부는 이산화탄소를 포함한 공기로 채워진다.
연료극 배출물과 메탄올 연료가 계속 하실(210)에 공급되면 하실(210) 내부의 압력 증가로 인해 이산화탄소는 수위 유지용 연결관(250)을 통과하여 상실(230)로 이동하게 된다.
이때, 배출가스에는 이산화탄소뿐만 아니라 기화된 메탄올이 포함되어 있으며, 수위 유지용 연결관(250)을 통해 상실(230)로 이동하면서 상실(230)에 채워진 물에 포집된다.
상실(230)에는 계속적으로 공기극 배출물이 공급되면서 생성수(물)가 채워지고, 이들의 수위가 높아지면서 물공급관(240) 상단의 높이 이상이 되면 물공급관(240) 내부로 물이 넘쳐흘러 들어가서 상실(230)의 물이 하실(210)로 공급된다.
상실(230)의 상부에는 하실(210)에서 수위 유지용 연결관(250)을 통해 배출된 이산화탄소와 공기극 배출물 유입구(231)를 통해 공급된 공기가 채워지고 최종적으로 가스배출구(232)를 통해 외부로 배출된다.
하실(210)에 채워진 희석된 메탄올 즉, 혼합연료는 연료 펌프(62)에 의해 연료공급구(212)를 거쳐 연료극으로 공급된다.
도 3은 도 2에 도시된 수위 유지용 연결관(250)이 설치된 기액 분리기(20)가 경사 각도(α)를 이루는 경우의 구조를 도시한 것이다.
수위 유지용 연결관(250)이 설치된 기액 분리기(20)에서 수위 유지용 연결관(250)의 말단부가 분리판(220)의 중심을 상하 방향으로 직교되게 관통하는 가상선(L)상에 위치하도록 하여야 상기 기액 분리기(20)가 사방의 어느 한 방향으로 기울어져 경사 각도(α)를 형성하더라도 일정한 수위를 지속적으로 유지할 수 있게 된다.
수위 유지용 연결관(250)의 말단부가 전술한 가상선(L)상에 위치하지 않으면 상기 수위 유지용 연결관(250)의 말단부가 상하좌우의 어느 한 방향으로 치우치게 되므로 해당 치우친 방향으로 상실(230)과 하실(230)의 많은 연료와 생성수가 외부로 유출될 우려가 있다.
또한, 도 2 및 도 3과 같이 물공급관(240)에는 굴곡관부(241)를 더 구비할 수도 있을 것이다.
즉, 물공급관(240)의 상단부와 하단부 각각의 중심이 분리판(220)의 중심을 상하 방향으로 직교되게 관통하는 전술한 가상선(L)상에 배치되고, 수위 유지용 연결관(250)의 말단부가 전술한 바와 같이 가상선(L)상에 배치되면, 수위 유지용 연결관(250)의 말단부와 물공급관(240) 중간부 사이의 간섭이 발생하게 된다.
굴곡관부(241)는 이러한 수위 유지용 연결관(250)의 말단부와 물공급관(240) 중간부 사이의 간섭을 회피하고, 물공급관(240)을 통한 물의 원활한 흐름은 허용할 수 있도록, 물공급관(240)의 중간부에 일정 곡률로 구부러지게 형성되도록 할 수 있을 것이다.
한편, 하실(210)에 채워진 혼합 연료의 수위는 하실(210) 전체 용적의 50~80 vol%를 차지하도록 하는 것이 바람직하다.
하실(210)에 채워진 혼합 연료의 수위가 하실(210) 전체 용적의 50 vol% 미만이면, 기액 분리기(20)가 기울여 졌을 때 상실(230)의 생성수가 물공급관(240)을 통하여 하실(210)로 이동하기 어려워진다.
하실(210) 전체 용적의 80 vol%를 초과하면 기액 분리기(20)가 기울여 졌을 때 하실(210)에 공급된 이산화탄소와 연료에 의하여 하실(210)의 압력이 높아지고 하실(210) 전체 용적의 50 vol% 정도의 연료만 하실(210)에 잔류하고 나머지 연료는 외부로 유출되는 단점이 있다.
전술한 경사 각도(α)는 0˚ 이상부터 90˚ 이하의 범위가 될 수 있으며, 또한 1~10분 이내의 일시적인 시간 동안 90˚로 경사진 경우에도 기액 분리기(20)가 일정한 수위를 유지하여 기액 분리 기능을 할 수 있게 된다.
이와 같은 순환 과정을 통해 물을 계속적으로 재사용할 수 있고 연료극으로 공급되는 연료에 이산화탄소가 유입되는 것을 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 기화된 상태로 외부로 배출되는 메탄올의 손실을 최소화할 수 있다.
한편, 도 4는 도 2에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 직접메탄올 연료전지 시스템의 수위 유지 연결관(250)이 설치된 기액 분리기(20)를 제작하여 이를 연료전지 스택 시스템에 장착하고, 기액 분리기(20)의 경사 각도에 따른 연료전지 스택의 시간에 따른 출력 특성을 나타낸 것이다.
도 4에서 A 영역은 기액 분리기(20)를 전방 30˚, B 영역은 후방 30˚, C 영역은 좌측 30˚ 그리고 D 영역은 우측 30˚로 경사지게 하여 측정한 연료전지 스택의 시간에 따른 출력 변화를 나타낸 것이다.
도 4에서 연료전지 시스템에 장착한 기계 가공한 기액분리기를 전/후/좌/우 30˚ 경사에서 각각 1.5 시간 동안 유지하여도 스택은 310~325W (6.23 시간) (11.15~11.16A, 27.96~29.21V)의 일정한 출력을 유지하였다.
또한, 수위도 수위 센서의 도움이 없어도 수위 유지용 연결관 위치(수위: 95mm, 연료량: 0.95L)에서 일정하게 유지되었다.
도 5는 도 2의 본 발명의 일 실시예에 따른 직접메탄올 연료전지 시스템의 수위 유지 연결관(250)이 설치된 기액 분리기(20)를 연료전지 스택 시스템에 장착하고 기액 분리기(20)를 전/후/좌/우 방향으로 각각 30˚로 경사지게 하였을 때 연료전지 스택의 시간에 따른 출력 특성을 측정할 때의 기액 분리기(20)를 나타낸 것이다.
도 5에서 (a)는 기액 분리기(20)를 전방으로 30˚, (b)는 후방으로 30˚, (c)는 좌측으로 30˚, (d)는 우측으로 30˚로 경사지게 하여 연료전지 스택(10)의 시간에 따른 출력 변화(도 4 참조)를 측정할 때의 기액 분리기(20)를 나타낸 것이다.
도 5에서와 같이 기액 분리기(20)가 전/후/좌/우의 어느 한 방향으로 30˚로 경사진 경우에도 기액 분리기(20)의 수위는 수위 유지 연결관(250) 말단부 위치에서 일정하게 유지되었다.
이상과 같이 본 발명은 연료전지 시스템이 운전 중에 어느 한 방향으로 기울어져 경사를 이루더라도 일정 수위의 유지가 가능함은 물론, 기액 분리 기능이 원활하게 지속될 수 있도록 하는 수위 유지용 연결관을 설치한 직접메탄올 연료전지 시스템용 기액 분리기 및 이를 포함하는 직접메탄올 연료전지 시스템을 제공하는 것을 기본적인 기술적 사상으로 하고 있음을 알 수 있다.
그리고, 본 발명의 기본적인 기술적 사상의 범주 내에서 당해 업계 통상의 지식을 가진 자에게 있어서는, 전술한 굴곡관부(241)의 형상을 원호 형상의 유로가 형성되도록 반원형 또는 반타원형으로 형성할 수 있음은 물론, 수위 유지용 연결관(250) 말단부와의 간섭을 회피할 수 있는 구조라면, 예를 들어 "ㄷ"자 형상 또는 "V"자 형상 등으로 형성하는 등 다른 많은 변형 및 응용 또한 가능함은 물론이다.
10...스택
20...기액 분리기
30...연료탱크
40...연료극 열교환기
50...공기극 열교환기
61...공기 펌프(송풍기)
62...연료 펌프
63...메탄올 펌프
70...공기필터
210...하실
211...원액 메탄올 유입구
212...연료공급구
213...연료극 배출물 유입구
220...분리판
230...상실
231...공기극 배출물 유입구
232...가스배출구
240...물공급관
241...굴곡관부
250...수위 유지용 연결관
270...연료 농도 측정센서
L...가상선

Claims (12)

  1. 직접메탄올 연료전지 시스템에서, 연료탱크, 공기극 및 연료극으로부터 각각 원액 메탄올 연료, 공기극 배출물 및 연료극 배출물을 전달 받고, 연료와 생성수의 혼합과, 메탄올 농도 희석과, 스택의 연료극 및 공기극 각각의 배출물을 기체와 액체로 분리하며, 연료와 생성수를 혼합하여 제조된 혼합연료를 연료극으로 공급하는 기액 분리기;
    상기 기액 분리기에 내장되어 상실 및 하실로 상기 기액 분리기의 내부 공간을 상하 구획하는 분리판;
    상기 분리판을 관통하여 형성되고 상부측은 상기 상실에 배치되며 하부측은 상기 하실에 배치되는 물공급관; 및
    상기 하실에 채워진 가스가 상기 상실로 전달되도록 하며, 메탄올 희석 연료의 수위를 일정 높이로 유지하는 수위 유지용 연결관을 포함하고,
    상기 상실에 형성되어 상기 공기극 배출물이 공급되는 공기극 배출물 유입구와,
    상기 상실에 형성되어 외부로 가스를 배출하는 가스배출구와,
    상기 하실에 형성되어 상기 연료극 배출물이 공급되는 연료극 배출물 유입구와,
    상기 하실에 형성되어 상기 연료탱크로부터 상기 원액 메탄올 연료가 공급되는 원액 메탄올 유입구와,
    상기 하실에 형성되어 상기 연료극으로부터 상기 혼합연료를 공급하는 연료공급구를 더 포함하며,
    상기 하실의 수위가 상기 연료극 배출물 유입구보다 낮게 유지되고 연료공급구보다 높게 유지되도록, 상기 수위 유지용 연결관의 말단부가 상기 분리판의 중심을 상하 방향으로 직교되게 관통하는 가상선상에 위치함으로써, 상기 하실의 수위를 측정하는 수위센서가 생략되는 것을 특징으로 하는 수위 유지용 연결관을 설치한 직접메탄올 연료전지 시스템용 기액 분리기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 수위 유지용 연결관은,
    상기 기액 분리기의 외부를 통하여 상기 상실과 상기 하실을 상호 연통시키는 것을 특징으로 하는 수위 유지용 연결관을 설치한 직접메탄올 연료전지 시스템용 기액 분리기.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 수위 유지용 연결관은,
    상기 하실 내부에 설치되는 한쪽 말단부와,
    상기 상실 내부에 설치되는 다른쪽 말단부와,
    상기 한쪽 말단부와 상기 다른쪽 말단부는 상기 기액 분리기의 외부를 통하여 연결되는 것을 특징으로 하는 수위 유지용 연결관을 설치한 직접메탄올 연료전지 시스템용 기액 분리기.
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 수위 유지용 연결관은,
    상기 직접메탄올 연료전지 시스템이 운전 중에 어느 한 방향으로 기울어져 경사를 형성할 때에도 일정 수위를 지속적으로 유지하며 상기 기액 분리기가 기액 분리 기능을 지속할 수 있도록,
    상기 수위 유지용 연결관의 말단부가 상기 분리판의 중심을 상하 방향으로 직교되게 관통하는 가상선상에 위치하는 것을 특징으로 하는 수위 유지용 연결관을 설치한 직접메탄올 연료전지 시스템용 기액 분리기.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 수위 유지용 연결관의 말단부는 상기 하실의 혼합 연료의 평시(平時) 수위보다 높게 형성되며,
    상기 평시 수위는 상기 스택의 작동시 상기 하실 내의 상기 혼합연료의 평균 수위인 것을 특징으로 하는 수위 유지용 연결관을 설치한 직접메탄올 연료전지 시스템용 기액 분리기.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 수위 유지용 연결관의 말단부는,
    상기 혼합연료의 액면이 하실 전체 용적의 5 내지 8할이 되는 위치에 설치되는 것을 특징으로 하는 수위 유지용 연결관을 설치한 직접메탄올 연료전지 시스템용 기액 분리기.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 하실의 액위에 대한 상기 상실의 액위와 대응하는 용적비는 1/10 내지 1/3인 것을 특징으로 하는 수위 유지용 연결관을 설치한 직접메탄올 연료전지 시스템용 기액 분리기.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 물공급관의 상단부와 하단부의 중심이 상기 분리판의 중심을 상하 방향으로 직교되게 관통하는 가상선상에 배치되고, 상기 수위 유지용 연결관의 말단부가 상기 가상선상에 위치하며 상기 수위 유지용 연결관의 말단부와의 간섭을 회피 가능하도록, 상기 물공급관의 중간부에 형성되는 굴곡관부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수위 유지용 연결관을 설치한 직접메탄올 연료전지 시스템용 기액 분리기.
  10. ◈청구항 10은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    청구항 1에 있어서,
    상기 물공급관 및 상기 수위 유지용 연결관의 내경은 3 내지 10 mm인 것을 특징으로 하는 수위 유지용 연결관을 설치한 직접메탄올 연료전지 시스템용 기액 분리기.
  11. ◈청구항 11은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    청구항 1에 있어서,
    상기 수위 유지용 연결관과 상기 기액 분리기는 내식성 스테인리스강(STS), 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE), ABS 또는 폴리카보네이트(PC) 중 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 수위 유지용 연결관을 설치한 직접메탄올 연료전지 시스템용 기액 분리기.
  12. 청구항 1 내지 3 또는 청구항 5 내지 11 중 어느 한 항에 기재된 기액 분리기;
    적어도 하나 이상의 적층된 막-전극 접합체(MEA)와, 미반응 메탄올과 물과 이산화탄소를 포함하는 미반응 배출물을 배출시키는 연료극과, 미반응 공기와 생성수를 포함하는 배출물을 배출시키는 공기극을 포함하며, 상기 기액 분리기로부터 연료 펌프를 통하여 연료를 공급받고 공기 펌프로부터 공기 또는 산소를 공급받아 전기를 생산하는 스택;
    상기 공기극으로부터 배출된 상기 배출물에 포함된 상기 생성수를 액화시켜 상기 기액 분리기로 공급되도록 하는 공기극 열교환기;
    상기 연료극에서 일어나는 전기화학 반응에 의한 반응열로 가열된 상기 미반응 배출물을 일정 수준으로 냉각시키는 연료극 열교환기; 및
    상기 공기극의 반응에서 산화제로 사용되는 상기 산소의 공급을 위하여 상기 공기 또는 상기 산소를 상기 공기극으로 공급하는 공기 공급부를 포함하며,
    상기 기액 분리기는 연료탱크로부터 메탄올 펌프를 통하여 메탄올 연료를 공급받고, 상기 연료극으로부터 배출되는 상기 미반응 배출물과 상기 공기극으로부터 배출되는 상기 배출물에 포함된 기체와 액체를 분리하고, 물과 메탄올을 혼합하여 적정 농도로 희석된 메탄올 혼합 연료를 상기 연료극으로 공급하는 것을 특징으로 하는 직접메탄올 연료전지 시스템.
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