KR102472063B1 - 연료전지 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 과산화수소 반응기를 포함하는 산소공급모듈, 수소저장합금을 포함하는 수소저장모듈 및 상기 산소공급모듈에 의해 공급되는 산소와 상기 수소저장모듈에 의해 공급되는 수소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 연료전지 스택을 포함하고, 상기 과산화수소 반응기에 의한 반응물이 상기 수소저장합금에 열전달 하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템으로서, 본 발명에 의하면, 공기가 희박한 환경에서 운용할 수 있는 고에너지밀도 전원시스템을 위해서 연료전지에 수소와 산소를 안정적으로 공급할 수 있다.

Description

연료전지 시스템{FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것이며, 특히 공기가 희박한 환경에서도 연료전지를 안정적으로 구동하기 위한 연료전지 시스템에 관한 것이다.
연료전지는 내연기관의 소음과 공해 문제를 해결할 수 있는 차세대 에너지원 기술이다. 또한 배터리를 사용하는 기존의 전원 시스템이 가지는 에너지밀도 한계를 해결할 수 있기 때문에 장기 운용이 필요한 플랫폼의 전원으로 적합하다. 연료전지의 구동을 위해서는 수소와 산소의 공급이 필요하며, 수중이나 우주 등의 공기가 희박한 환경에서 연료전지를 장시간 구동하기 위해서는 고밀도로 수소와 산소를 저장하여 연료전지에 공급하는 기술이 필요하다.
수소의 저장을 위해서 현재는 압축가스 용기가 가장 많이 사용되나 소재 기술의 발달과 함께 수소저장 합금을 이용한 수소저장 기술이 개발되고 있다. 그러나 합금을 이용한 수소저장은 수소가 재료로부터 방출될 때 에너지를 공급해야하는 문제가 있으며, 이러한 추가 에너지 소요는 시스템의 에너지 밀도를 감소시킨다.
상온에서 동작하는 수소저장 합금 조차도 안정적인 수소 방출을 위해서는 별도의 열을 공급하여야 한다.
그리고, 산소 저장을 위해서는 압축가스 또는 액화산소 기술이 사용된다. 압축산소에 비해 액화산소의 저장밀도가 높아 고밀도 전원시스템에서는 액화산소를 사용하나, 별도의 단열 장치와 기화 장치가 필요하여 시스템이 복잡한 단점이 있다.
이상의 배경기술에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 돕기 위한 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.
한국등록특허공보 제10-1843725호
본 발명은 상술한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 본 발명은 공기가 희박한 환경에서 운용할 수 있는 고에너지밀도 전원시스템을 위해서 연료전지에 수소와 산소를 안정적으로 공급하기 위한 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 관점에 의한 연료전지 시스템은, 과산화수소 반응기를 포함하는 산소공급모듈, 수소저장합금을 포함하는 수소저장모듈 및 상기 산소공급모듈에 의해 공급되는 산소와 상기 수소저장모듈에 의해 공급되는 수소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 연료전지 스택을 포함하고, 상기 과산화수소 반응기에서 발생하는 분해열이 상기 수소저장모듈에 열피드백 되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 산소공급모듈은, 과산화수소 수용액을 저장하는 과산화수소 탱크 및 상기 과산화수소 탱크로부터 공급되는 과산화수소 수용액을 물과 산소로 분해하는 과산화수소 반응기를 포함한다.
그리고, 상기 과산화수소 반응기는 분해 촉매를 포함하고, 상기 분해 촉매는 백금(Pt), 망간(Mn), 은(Ag) 등을 포함할 수 있다.
또한, 상기 산소공급모듈은 상기 과산화수소 탱크로부터 상기 과산화수소 반응기로 공급되는 과산화수소 수용액의 공급량을 조절하는 공급 펌프를 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 산소공급모듈은 상기 과산화수소 반응기의 출력부에 장착되어 반응물의 온도를 조절하는 압력 조절기를 더 포함할 수 있다.
나아가, 상기 수소공급모듈은 상기 수소저장합금이 담긴 수소저장 용기를 포함하고, 상기 과산화수소 반응기에서 생성된 분해열은 상기 수소공급모듈에 열피드백 되는 것을 특징으로 한다.
특히, 상기 산소공급모듈에 의해 상기 연료전지 스택에 공급되는 산소는 상기 열피드백을 통해 상기 수소저장모듈에 열전달 후 공급되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 연료전지 스택은 고분자전해질 연료전지(PEMFC, Proton Exchange Membrane Fuel Cell) 스택인 것을 특징으로 한다.
나아가, 상기 연료전지 스택을 냉각시키기 위한 수냉식 냉각기를 더 포함할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 다른 일 관점에 의한 연료전지 시스템은, 과산화수소 반응기를 포함하는 산소공급모듈, 수소저장합금을 포함하는 수소저장모듈 및 상기 산소공급모듈에 의해 공급되는 산소와 상기 수소저장모듈에 의해 공급되는 수소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 연료전지 스택을 포함하고, 상기 산소공급모듈에 의해 상기 연료전지 스택에 공급되는 산소는 열피드백을 통해 냉각된 후 공급되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 산소공급모듈은, 과산화수소 수용액을 저장하는 과산화수소 탱크 및 상기 과산화수소 탱크로부터 공급되는 과산화수소 수용액을 물과 산소로 분해하는 과산화수소 반응기를 포함한다.
그리고, 상기 산소공급모듈은 상기 과산화수소 탱크로부터 상기 과산화수소 반응기로 공급되는 과산화수소 수용액의 공급량을 조절하는 공급 펌프를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 산소공급모듈은 상기 과산화수소 반응기의 출력부에 장착되어 반응물의 온도를 조절하는 압력 조절기를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 과산화수소 분해 반응기에서 생성된 산소와 수소저장 합금에서 탈착된 수소를 연료전지에 공급하여 공기가 희박한 환경에서 장시간 운용이 가능한 전원 시스템을 제공할 수 있다.
그리고, 분해열을 수소 저장용기에 전달하여 안정적인 수소 공급을 할 수 있으며, 이 과정에서 산소를 적정온도로 냉각하여 공급함으로써 연료전지 내구성 저하를 방지할 수 있다.
따라서, 본 발명은 공기 희박 환경에서 기존의 배터리보다 부피당 에너지 밀도가 높은 전원시스템을 구현하는데 활용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 연료전지 시스템에 대한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 연료전지 시스템을 모듈화하여 도시한 것이다.
도 3은 도 2의 연료전지 시스템의 합금 탈착열을 고려한 열밸런스를 표기한 예시이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 과산화수소 분해 반응기의 위치에 따른 내부 온도 구배를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 과산화수소 분해 반응에 의한 산소 발생 유량을 나타낸 그래프이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지의 기술이나 반복적인 설명은 그 설명을 줄이거나 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 연료전지 시스템에 대한 블록도이다. 그리고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 연료전지 시스템을 모듈화하여 도시한 것이며, 도 3은 도 2의 연료전지 시스템의 합금 탈착열을 고려한 열 밸런스를 표기한 예시이다.
이하, 도 1 내지 도3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 의한 연료전지 시스템을 설명하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 연료전지 시스템은 산소공급모듈(110), 수소공급모듈(120), 연료전지 스택(130), 물 저장 탱크(150), 열관리 모듈(160) 등을 포함하여, 연료전지 스택(130)에서 산소공급모듈(110)로부터 공급되는 산소를 공급받고, 수소공급모듈(120)로부터 수소를 공급받는다.
그래서, 연료전지 스택(130)에서 수소와 산소가 반응하여 물이 생성되는 전체 반응을 통해 전자는 산화전극(anode)에서 외부 도선을 통해 환원전극(cathode)으로 이동하면서 전기 에너지를 발생시킨다.
산소공급 모듈(110)은 수용액으로 저장된 과산화수소 탱크(111)와 촉매 반응을 통해 과산화수소가 물과 산소로 분해되는 과산화수소 반응기(112)를 포함한다.
과산화수소 수용액은 농도가 높을수록 저장밀도가 증가하나 폭발 위험 등의 안정성을 고려한 농도 선정이 필요하다. 수용액에서 과산화수소 반응기(112)로 유입되는 과산화수소의 조절을 위해 공급 펌프(113)와 분사 노즐이 구비될 수 있다.
과산화수소 반응기(112) 내에서 사용되는 분해 촉매는 높은 반응성과 내구성을 가지는 백금(Pt), 망간(Mn), 은(Ag) 등의 분해 촉매와 담지체가 사용된다.
분해 반응은 다음과 같은 발열반응이다.
Figure 112020120864894-pat00001
분해된 물과 산소는 분해열로 인해 고온 상태이며, 반응물의 온도는 과산화수소 농도, 분해율, 압력 등의 반응기 조건에 따라 상이할 수 있다.
수소공급 모듈(120)은 수소저장합금(122)이 담긴 수소저장 용기(121)와 열전달을 위한 장치로 구성되며, 수소저장합금으로는 AB2 또는 AB5와 같은 상온용 금속 간 수소화물이거나 NaAlH4, MgH2, LiBH4 또는 AlH3과 같은 중온용 복합금속 수소화물이 사용될 수 있다.
수소저장합금(122)에 저장된 수소가 탈착하는 과정은 흡열반응이므로 수소 탈착에 의해 수소저장 용기(121)의 온도가 감소하고 이에 따라 압력이 낮아져 안정적인 수소 공급이 어렵게 된다.
본 발명은 수소저장 용기(121)의 온도가 떨어지지 않도록 탈착을 위한 반응열이 공급되게 하며, 이러한 열의 공급을 과산화수소의 분해열에 의해 공급하는 것을 특징으로 한다.
따라서, 과산화수소 반응기(112)에 의해 생성된 물과 산소는 수소저장 용기(121) 내로 삽입되는 열전달기(141)를 통해 수소저장 용기(121) 내로 유입되어, 수소저장합금(122)에 열피드백 하도록 구성된다.
이를 위해, 열전달기(141)는 수소저장합금(122)에 접하거나 인접하도록 구성될 수 있다.
이와 같이, 과산화수소 반응기(112)의 반응물에 의한 과산화수소 분해열을 수소저장 용기(121)에 전달하여 수소 탈착에 따른 온도 저하를 방지할 수 있으며, 이때 수소저장 용기(121) 내부 열관리를 위한 열관리모듈(160)에 의한 추가 열설계를 적용할 수 있다. 즉, 열관리모듈(160)은 열전달기를 포함하여 모듈화한 것으로서, 열교환을 위한 구성 및 단열을 위한 구성을 포함할 수 있다.
연료전지에서 사용하는 수소와 산소의 비율은 2:1이며 수소 1 mol을 탈착하기 위하여 필요한 열량은 상온 합금일 때 20 ∼ 40 kJ이고 중온 합금일 때 30 ∼ 60 kJ 이다. 산소 0.5 mol의 분해 시 발생하는 반응열은 98.1 kJ 이므로 분해열 전달을 통해 수소 탈착에 필요한 열량을 충분히 공급할 수가 있다.
과산화수소 반응기(112)의 위치에 따른 내부 온도 구배는 도 4에서 참조되는 바와 같다. 즉, 분해 촉매를 지나면서 반응열인 98.1 kJ 이상의 열이 발생하게 된다.
탈착온도가 높은 수소저장 합금을 사용하기 위해서는 반응압력을 증가시켜 과산화수소 반응물의 온도를 더 올릴 수 있다.
일 예로, 도 5와 같이 평균 산소 유량이 1.63 L/min인 경우 과산화수소 분해율이 97%를 나타낼 수 있다.
이와 같이, 과산화수소 분해 시 발생하는 분해열을 수소공급 모듈(120)에 전달하여 수소 탈착에 필요한 열량을 공급한다.
아울러, 고온의 산소는 열전달 과정에서 연료전지에 적합하도록 냉각되게 되므로, 고온의 산소에 의한 연료전지 내구성 저하를 방지할 수가 있다.
또한, 과산화수소 반응기(112)의 출력부에 압력 조절기가 장착되어 과산화수소 반응기(112)에 의한 반응물의 온도를 조절할 수 있다.
그리고, 열전달 후 응축된 물은 제1 물 배출 유로(143)를 통해 물 저장 탱크(150)에 저장되며, 물 저장 탱크(150)에 저장된 물은 이후 배출시킬 수 있다.
또한, 열전달 후 냉각된 산소는 산소공급 유로(142)를 통해 연료전지 스택(130)으로 공급되게 되고, 수소저장합금(122)으로부터 탈착된 수소는 수소공급 유로(144)를 통해 연료전지 스택(130)으로 공급되게 된다.
연료전지 스택(130)은 상온에서 운전이 가능하고 빠른 시동이 가능한 고분자전해질 연료전지 PEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell) 스택을 사용할 수 있다. 연료전지의 연료 이용률을 높이기 위해 데드엔드(Dead-end) 또는 캐스케이드(Cascade) 운전 방식을 이용할 수 있다. 그리고, 과산화수소 펌프, 연료 콘트롤러, 연료전지 스택 컨트롤러 등의 BOP(Balance of Power plant)를 위한 추가 소모 전력을 고려한 스택 설계가 필요하다.
연료전지는 공기가 희박한 환경을 고려하여 수냉식으로 냉각되도록 하는 것이 바람직하다.
즉, 연료전지 스택(130)을 냉각시키기 위한 수냉식 냉각기(131)가 추가될 수 있다.
그리고, 연료전지의 부산물로 발생하는 물은 제2 물 배출 유로(145)를 통해 물 저장 탱크(150)에 저장될 수 있게 한다.
한편, 연료전지 스택(130)의 동작과정에서 발생하는 열을 수소공급모듈(120)에 추가적으로 피드백하기 위한 장치가 더 구비될 수 있다. 즉, 연료전지 스택(130)의 고온의 열을 열교환 장치를 통해 수소공급모듈(120)에 공급함으로써 수소저장합금(122)으로부터의 수소의 탈착을 원활하게 지속시킬 수가 있다. 이 같은 열피드백은 연료전지 스택의 부산물인 물이 수소공급모듈(120)을 경유하게 하거나, 별도의 열매개체가 순환되게 할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명에 의한 연료전지 시스템은 과산화수소를 분해시켜 발생되는 산소를 이용하되, 분해시 발생하는 분해열을 수소저장합금의 탈착에 필요한 열원으로 제공함으로써 수소공급모듈의 온도 저하를 방지하여 지속적이고 원활한 수소 공급이 가능하게 한다.
또한, 열전달 후 연료전지에 공급되는 산소의 온도를 낮출 수가 있어 연료전지의 내구성도 향상시킬 수가 있다.
이상과 같은 본 발명은 예시된 도면을 참조하여 설명되었지만, 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형될 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이며, 본 발명의 권리범위는 첨부된 특허청구범위에 기초하여 해석되어야 할 것이다.
110 : 산소공급모듈
111 : 과산화수소 탱크
112 : 과산화수소 반응기
113 : 공급펌프
120 : 수소공급모듈
121 : 수소저장 용기
122 : 수소저장합금
130 : 연료전지 스택
131 : 냉각기
141 : 열전달기
142 : 산소공급 유로 143 : 제1 물배출 유로
144 : 수소공급 유로 145 : 제2 물배출 유로
150 : 물 저장 탱크
160 : 열관리 모듈

Claims (10)

  1. 과산화수소 반응기를 포함하는 산소공급모듈;
    수소저장합금 및 상기 수소저장합금이 담긴 수소저장 용기를 포함하는 수소저장모듈;
    상기 산소공급모듈에 의해 공급되는 산소와 상기 수소저장모듈에 의해 공급되는 수소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 연료전지 스택; 및
    상기 과산화수소 반응기로부터 상기 수소저장 용기 내로 삽입되는 열전달기를 포함하고,
    상기 산소공급모듈은,
    과산화수소 수용액을 저장하는 과산화수소 탱크; 및
    상기 과산화수소 탱크로부터 공급되는 과산화수소 수용액을 물과 산소로 분해하는 과산화수소 반응기를 포함하며,
    상기 과산화수소 반응기에 의해 분해된 물과 산소가 상기 열전달기를 통해 상기 수소저장합금에 전달되어 탈착열로 공급되는 것을 특징으로 하는,
    연료전지 시스템.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 과산화수소 반응기는 분해 촉매를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    연료전지 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 산소공급모듈은 상기 과산화수소 탱크로부터 상기 과산화수소 반응기로 공급되는 과산화수소 수용액의 공급량을 조절하는 공급 펌프를 더 포함하는,
    연료전지 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 산소공급모듈은 상기 과산화수소 반응기의 출력부에 장착되어 반응물의 온도를 조절하는 압력 조절기를 더 포함하는,
    연료전지 시스템.
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