KR20020056137A - 연료전지의 연료공급장치 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명 연료전지의 연료공급장치는 양극(22)에 메탄올 혼합액(41)을 공급하고, 음극(23)에 공기를 공급하여 전기화학적인 반응에 의하여 전기를 얻는 연료전지에서, 상기 액체연료인 메탄올 혼합액(41)을 저장하는 혼합액 저장탱크(42)에 메탄올 혼합액(41)의 농도를 검출하기 위한 농도검출센서(51)를 설치하고, 그 농도검출센서(51)에서 검출된 농도검출값에 따라 물(61)를 공급하기 위한 물공급부(52)와 메탄올(71)을 공급하기 위한 메탄올공급부(53)를 설치하여, 농도검출센서(51)에서 메탄올 혼합액(41)의 농도를 검출한 다음 전자제어부(15)에 미리 입력해둔 데이터를 이용한 논리연산처리에 의하여 물(61) 또는 메탄올(71)을 공급하여 농도를 조절함으로써, 안정적인 발전이 이루어지게 된다.

Description

연료전지의 연료공급장치 및 그 방법{METHANOL SUPPLY APPARATUS FOR FUEL CELL AND METHOD THEREOF}

본 발명은 외부로 부터 공급되는 연료와 공기의 전기화학반응을 통하여 전기를 생성하는 연료전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료전지의 발전을 위하여 공급되는 연료의 농도를 자동으로 조절할 수 있도록 하는데 적합한 연료전지의 연료공급장치 및 그 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 연료가 가지고 있는 에너지를 직접 전기적 에너지로 변환하는 장치로서 연료전지에 관한 기술이 공지되어 있으며, 이러한 연료전지는 통상 고분자 전해질을 중심으로 양쪽에 다공질의 양극(ANODE)과 음극(CATHODE)이 부착되어 있으며, 양극(산화전극 또는 연료극)에서는 연료인 수소의 전기화학적 산화가, 그리고 음극(환원전극 또는 공기극)에서는 산화제인 산소의 전기화학적 환원이 일어나며 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기에너지가 발생된다.

이와 같은 연료전지에 공급되는 수소는 LNG, LPG, CH₃OH, 가솔린 등의 탄화수소계(CH계열) 연료를 개질기에서 탈황공정→개질반응→수소정제공정을 거쳐 수소(H₂)만을 정제하여 가스형태로 사용되거나 액체 상태의 메탄올을 직접 연료로 사용하는 직접 메탄올 연료전지(DMFC; DIRECT METHANOL FUEL CELL)방식으로 사용되어진다.

상기 직접 메탄올 연료전지는 개질기를 사용하지 않고 발전장치인스택(STACK)의 양극에 메탄올과 물이 일정 비율(약 10%:90%)로 혼합된 메탄올 혼합액을 직접 공급하는 방식으로 전극에서 개질반응이 일어나기 때문에 개질기가 불필요하게 되어 전체 시스템을 간소화 시킬 수 있다는 큰 장점이 있다.

그러나, 상기와 같은 종래의 메탄올을 사용하는 연료전지에서는 상술한 바와 같이 스택에 직접 공급되는 메탄올 혼합액이 적정 농도로 혼합되지 않은 상태로 공급되어지거나 휘발에 의하여 농도 변화가 발생되는 경우에 이를 감지하지 못하고 발전을 진행하여 발전효율이 저하되는 문제점이 종종 발생되었다.

본 발명의 주목적은 상기와 같은 여러 문제점을 갖지 않는 연료전지의 연료공급장치를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 연료 저장탱크에 저장되어 있는 메탄올 혼합액의 농도가 항상 일정 농도로 유지되도록 하는데 적합한 연료전지의 연료공급장치 및 그 방법을 제공함에 있다.

도 1은 본 발명 연료전지의 연료공급장치의 일실시예를 보인 개략구성도.

도 2는 연료전지 스택의 단일셀을 보인 단면도.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 제어순서를 보인 흐름도.

도 4는 본 발명의 다른 실시예를 보인 개략구성도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 스택 22 : 양극

23 : 음극 41 : 메탄올 혼합액

42 : 혼합액 저장탱크 43 : 액체연료공급라인

51 : 농도검출센서 52 : 물공급부

53 : 메탄올 공급부 61 : 물

62 : 물저장탱크 63 : 물공급라인

64,74,82,92 : 밸브 71 : 메탄올

72 : 메탄올 저장탱크 73 : 메탄올 공급라인

81 : 물보충라인 91 : 메탄올보충라인

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 발전을 하는 스택의 양극에 혼합액 저장탱크에서 액체연료공급라인을 통하여 메탄올 혼합액을 공급하고, 음극에 공기를 공급하여 화학반응으로부터 기전력을 얻는 연료전지의 연료공급장치에 있어서,

상기 메탄올 혼합액의 농도를 검출하기 위한 농도검출센서와,

그 농도검출센서에서 검출된 농도값이 기준치보다 높을 경우 공급되는 액체연료 공급라인에 물을 공급하여 농도를 조절할 수 있도록 물을 저장하는 물저장탱크와 물공급라인, 밸브로 구성되는 물공급부와;

상기 농도검출센서에서 검출된 농도값이 기준치보다 낮을 경우에 액체연료공급라인에 메탄올을 공급하여 농도를 조절할 수 있도록 메탄올을 저장하는 메탄올 저장탱크와 메탄올 공급라인, 밸브로 구성되는 메탄올공급부를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 연료공급장치가 제공된다.

또한, 혼합액 저장탱크에 저장된 메탄올 혼합액이 스택에 공급되어 발전이 되는 연료전지에 있어서, 상기 혼합액 저장탱크에 저장되어 있는 메탄올혼합액의 농도를 검출하고, 그 검출된 농도값을 기준값과 비교하며, 그 결과 검출된 측정값이 기준값의 상한치 이상이면 스택에 공급되는 메탄올 혼합액에 물을 추가로 공급하고 하한치 이하면 메탄올을 추가로 공급하여 메탄올 혼합액의 농도를 조절하는 것을 연료전지의 연료공급방법이 제공된다.

이상 설명한 본 발명의 구성.작용을 한층 명백하게 하기 위하여, 이하에서 본 발명의 적합한 실시예에 대하여 설명한다.

도 1은, 본 발명의 일실시예로서 본 발명에 따른 연료검출장치가 설치된 연료전지의 개략구성도이다.

도시된 바와 같이, 연료전지(1)의 전체 구성은 전기를 발생하는 고체 고분자형의 스택(10)과, 액체연료를 스택(10)에 공급하기 위한 액체연료공급수단(11)과, 스택(10)에 공기를 공급하기 위한 에어 라인(12)과, 스택(10)에서 발생되는 CO₂와H₂O 를 배출하기 위한 배출라인(13)과, 상기 스택에 공급되는 액체연료의 농도를 검출하기 위한 농도검출센서(51)와, 그 농도검출센서(51)에서 검출된 농도값이 기준치를 벗어나는 경우에 적정 농도로 조절하기 위한 농도조절수단 및 각 종류의 제어처리를 실행하는 전자제어부(15)를 구비한다.

상기 스택(10)은 전기화학반응이 일어나는 단일셀(SINGLE CELL) 또는 여러개의 단일셀을 연속적으로 적층하여 볼트로 조립한 형태가 가능한데, 도 2를 참고하여 단일셀구조를 설명하면, 전해질 막(21)의 양측에 가스를 확산시키기 위한 양극(22)과 음극(23)이 접합되어 이루어진 막-전극 접합체(MEA:MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY)(24)와, 그 막-전극 접합체(24)의 양측에 밀착되도록 조립되어 양극(22)과 음극(23)에서 연료가스 및 산소함유가스의 유로를 형성하는 분리판(SEPARATOR)(25)과, 그 분리판(25)의 양측에 배치되어 양극(22)과 음극(23)의 집전극이 되는 집전판(26)(27)으로 구성되어 있다.

막-전극 접합체(24)의 전해질 막(21)은 고분자재료로 이루어진 이온교환막으로서 대표적으로 상품화된 전해질막(21)으로는 듀폰사의 Nafion막이 있으며 수소이온의 전달체 역할을 하는 동시에 산소와 수소의 접촉을 막는 역할을 하게 되고, 양극(22)과 음극(23)은 백금(Pt) 촉매층을 지지하는 지지체로서 다공성 탄소지(CARBON PAPER) 혹은 탄소천(CARBON CLOTH)이 전해질 막(21)의 양측에 접합된 구조로 되어 있다.

분리판(25)은 치밀질의 카본 플레이트에 의해 형성되어 있고, 복수개의 리브가 형성되어 있어서 조립시 양극(22)의 표면에서 연료가스 유로홈(31)을 형성하고, 음극(23)의 표면에서는 산소함유가스 유로홈(32)을 형성한다.

집전판(26)(27)은 전기전도성이 우수하고, 내식성이 우수하며, 수소취성이 발생되지 않는 것이 바람직 할 것이며, 구체적으로는 티타늄, 스테인레스, 동 등 상기 요구성능이 만족되는 것이라면 어느 것이라도 좋다.

상기 액체연료공급수단(11)은 메탄올과 물이 혼합된 메탄올 혼합액(41)이 저장되어 있는 혼합액 저장탱크(42)와, 그 혼합액 저장탱크(41)의 메탄올 혼합액(41)을 스택(10)에 공급하기 위한 액체연료공급라인(43)과, 그 액체연료공급라인(43)상에 장착되어 스택(10)에 공급되는 메탄올 혼합액(41)의 공급을 조절하는 전자밸브(44)를 구비한다.

또한, 상기 액체연료공급라인(43)은 스택(10)의 연료가스 유로홈(31)에 접속되어 있고, 그 연료가스 유로홈(31)은 스택(10)의 외측으로 연결되어 있는 배출라인(13)에 접속되어 있으며, 에어라인(12)는 산소함유가스 유로홈(32)에 접속되어 있다.

한편, 상기 농도조절수단(14)은 농도검출센서(51)에서 검출된 농도값이 기준치보다 높을 경우 액체연료공급라인(43)으로 물을 공급할 수 있도록 물(61)을 저장하는 물저장탱크(62)와 물공급라인(63) 및 밸브(64)로 구성된 물공급부(52)와, 기준치보다 낮을 경우에 액체연료공급라인(43)으로 메탄올을 공급할 수 있도록 메탄올(71)을 저장하는 메탄올저장탱크(72)와 메탄올공급라인(73) 및 밸브(74)로 구성된 메탄올공급부(53)를 구비한다.

도면중 미설명 부호 48은 에어라인(12) 상에 설치된 전자밸브이다.

상기와 같이 구성된 본 발명 연료공급장치가 구비된 연료전지는 조작자가 연료전지(1)의 스위치를 조작하면 전자제어부(15)에서 미리 설정된 제어 프로그램에 따라 에어라인(12)과 액체연료공급라인(43) 상의 전자밸브(44)(48)를 열어서 메탄올 혼합액(41)과 공기가 스택(10)에 공급되도록 한다.

상기와 같이 스택(10)에 공급되는 메탄올 혼합액(41)은 연료가스 유로홈(31)을 따라 흐르며 막-전극 접합체(24)의 양극(22) 전면에 확산이 되어 수소의 전기화학적 산화가 진행되고, 공기는 산소함유가스 유로홈(32)을 따라 흐르며 막-전극 접합체(24)의 음극(23) 전면에 확산되어 산소의 전기화학적 환원이 일어나며, 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기가 발생되는데, 이때 발생되는 전기를 집전판(26)(27)에서 집전하여 에너지원으로 사용하게 된다.

이때 각극에서의 반응식과 총 반응식은 다음과 같다.

양극(ANODE): CH₃OH + H₂O → CO₂+ 6H⁺+ 6e^-

음극(CATHODE): 3/2O₂+ 6H⁺+ 6e^_→ 3H₂O

총반응식 : CH₃OH + 3/2O₂+ H₂O → CO₂+ 3H₂O

그리고, 상기와 같이 스택(10)으로 공급되는 메탄올 혼합액(41)은 미리 일정비율로 혼합된 상태로 저장탱크(42)에 공급되거나 저장탱크(42)에 일정 비율로 공급하여 혼합비를 조정하게 되는데, 통상 메탄올(CH₃OH)의 농도가 높을때는 고분자 전해질막(21)의 열화로 수명이 단축되고, 그 반대로 농도가 낮을때는 발전효율이 저하되므로 약 10% 정도로 혼합하게 된다. 이러한 때에 경우에 따라서는 혼합시에일정 혼합비로 혼합되지 않거나 일정 혼합비로 혼합된 후에도 장기간 미사용으로 메탄올이 휘발이 되어 혼합비가 변동되게 되는데, 이와 같은 경우에는 상기 농도조절수단(14)에 의하여 스택(10)에 공급되는 메탄올혼합액(41)의 농도가 조절이되어 공급되어 진다.

상술한 바와 같은 메탄올혼합액(41)의 농도조절은 연료전지(1)의 기동후, 소정시간이 경과된 후에 실행되는데, 도 3에 나타낸 바와 같이, 처리가 개시되면 흡합액 저장탱크(42)에 설치된 농도검출센서(51)에서 메탄올 혼합액(41)의 농도를 검출하고, 그와 같이 검출된 농도값을 논리회로처리에 의하여 전자제어부(15)에서 판단하여 측정값(M₁)이 기준값의 상한치(a₁) 보다 큰 경우에는 공급될 물(61)의 양을 산출하여 물공급라인(63) 상에 설치된 밸브(64)의 개도를 조절하여 연료공급라인(43)을 통하여 스택(10)에 공급되는 메탄올 혼합액(41)이 적정 농도를 유지할 수 있도록 한다.

또한, 상기 농도검출센서(51)에서 검출된 농도의 측정값(M₁)이 기준값의 하한치 (a₂) 보다 작은 경우에는 공급될 메탄올(71)의 양을 산출하여 메탄올공급라인(73) 상에 설치된 밸브(74)의 개도를 조절하여 연료공급라인(43)으로 공급되는 메탄올 혼합액(41)의 농도를 조절하며, 농도검출센서(51)에서 검출된 농도값이 기준값의 상한치(a₁) 와 하한치(a₂) 내에 있을때는 혼합액 저장탱크(42)에 저장되어 있던 메탄올 혼합액(41)이 계속 공급되도록 한다.

상기 물공급라인(63) 또는 메탄올 공급라인(73)을 통하여 보충되는 물(61)또는 메탄올(71)의 양은 메탄올 혼합액(41)에 물(61) 또는 메탄올(71)을 혼합시에 농도변화의 관계를 조사하여 데이터화한 다음 그 데이터를 전자제어부(15)에 데이터로 입력해 두었다가 농도검출센서(51)에서 검출된 값을 전자제어부(15)에서 논리연산처리함으로써 공급할 물(61) 또는 메탄올(71)의 양을 산출하고, 그 산출된 양만큼 물(61) 또는 메탄올(71)이 흐르도록 밸브(64)(74)의 개도를 조절하는 것이 가능하다.

본 발명의 다른 실시예에 대하여 설명한다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예를 보인 연료전지의 개략구성도로서, 도시된 바와 같이, 제1 실시예에서의 연료전지(1) 구성을 그대로 구비한 상태에서(동일 부위는 동일번호를 부여 하였다) 물저장탱크(62)에서 혼합액 저장탱크(42)로 물(61)을 보충할 수 있도록 물보충라인(81)과 밸브(82)를 설치하고, 메탄올 저장탱크(72)에서 혼합액 저장탱크(42)로 메탄올(71)을 보충할 수 있도록 메탄올 보충라인(91)과 밸브(92)가 설치되어 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 다른 실시예에 의하면 혼합액 저장탱크(42)에 저장되어 있는 메탄올 혼합액(41)의 농도 측정값이 기준치를 벗어나는 경우에 연료공급라인(43)으로 공급되는 메탄올 혼합액(41)의 농도를 조절하는 동시에 전자제어부(15)의 제어처리에 의하여 물보충라인(81) 또는 메탄올보충라인(91) 상의 밸브 (82)(92)개도를 조정하는 것에 의하여 혼합액 저장탱크(42)에 저장된 메탄올 혼합액(41)의 농도를 조절하는 것이 가능하다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명 연료전지의 연료공급장치는 메탄올 혼합액이 저장되는 혼합액 저장탱크에 농도검출센서를 설치하고, 물저장탱크와 물공급라인, 밸브를 설치함과 아울러 메탄올 저장탱크와 메탄올공급라인, 밸브를 설치하여, 농도검출센서에서 검출된 혼합액의 농도 측정값이 기준값 이상인 경우에는 물공급라인에 설치된 밸브의 개도를 조정하여 메탄올 혼합액에 물을 공급하고 기준값 이하인 경우에는 메탄올 공급라인에 설치된 밸브의 개도를 조정하여 메탄올을 공급하여 메탄올 혼합액의 농도를 조절함으로써, 안정적인 발전이 이루어지게 된다.

Claims (3)

1. 발전을 하는 스택의 양극에 혼합액 저장탱크에서 액체연료공급라인을 통하여 메탄올 혼합액을 공급하고, 음극에 공기를 공급하여 화학반응으로부터 기전력을 얻는 연료전지의 연료공급장치에 있어서,

   상기 메탄올 혼합액의 농도를 검출하기 위한 농도검출센서와,

   그 농도검출센서에서 검출된 농도값이 기준치보다 높을 경우 공급되는 액체연료 공급라인에 물을 공급하여 농도를 조절할 수 있도록 물을 저장하는 물저장탱크와 물공급라인, 밸브로 구성되는 물공급부와;

   상기 농도검출센서에서 검출된 농도값이 기준치보다 낮을 경우에 액체연료공급라인에 메탄올을 공급하여 농도를 조절할 수 있도록 메탄올을 저장하는 메탄올 저장탱크와 메탄올 공급라인, 밸브로 구성되는 메탄올공급부를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 연료공급장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 물공급부와 메탄올공급부는 혼합액 저장탱크에 물과 메탄올을 공급하여 메탄올 혼합액의 농도를 조절할 수 있도록 밸브가 각각 구비된 물보충라인과 메탄올 보충라인을 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 연료공급장치.
3. 혼합액 저장탱크에 저장된 메탄올 혼합액이 스택에 공급되어 발전이 되는 연료전지에 있어서, 상기 혼합액 저장탱크에 저장되어 있는 메탄올혼합액의 농도를 검출하고, 그 검출된 농도값을 기준값과 비교하여 그 결과 검출된 측정값이 기준값의 상한치 이상이면 스택에 공급되는 메탄올 혼합액에 물을 추가로 공급하고 하한치 이하면 메탄올을 추가로 공급하여 메탄올 혼합액의 농도를 조절하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 연료공급방법.