KR20020056150A - 연료전지의 액체연료공급장치 - Google Patents

Abstract

본 발명 연료전지의 액체연료공급장치는 양극(22)에 메탄올 혼합액을 공급하고, 음극(23)에 공기를 공급하여 전기화학적인 반응에 의하여 전기를 얻는 연료전지에서, 상기 메탄올 혼합액이 공급되는 혼합액공급라인 상에 일정부피의 믹싱탱크(51)를 설치하고, 그 믹싱 탱크(51)에 저장되는 혼합액(52)의 무게를 측정하기 위한 무게측정기(53)를 설치하여, 믹싱탱크(51)에 저장되는 혼합액의 무게를 측정한 다음 제어처리에 의하여 농도값을 산출하여 적절한 농도가 유지되도록 혼합액의 농도를 조절함으로써, 스택(10)에는 항상 일정농도의 혼합액을 공급하게 되어 안정적인 발전이 이루어진다.

Description

연료전지의 액체연료공급장치{FUEL SUPPLY APPARATUS FOR FC}

본 발명은 외부로 부터 공급되는 연료와 공기의 전기화학반응을 통하여 전기를 생성하는 연료전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료전지의 발전을 위하여 공급되는 메탄올 혼합액의 농도가 일정하게 유지되도록 하여 발전효율을 향상시키도록 하는데 적합한 연료전지의 액체연료공급장치에 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 공급되는 메탄올 혼합액이 메탄올과 물이 공급되는 공급라인 상의 밸브 개도를 조정하는 것에 의하여 혼합되어 직접 스택에 공급되므로 일정한 농도를 유지하지 못하여 안정적인 발전이 이루어지지 못하는 문제점을 가지고 있는 것이었다.

상기와 같은 문제점을 감안하여 안출한 본 발명의 목적은 메탄올과 물을 혼합한 다음 스택에 공급되도록 하여 항상 일정농도가 유지되도록 함으로써 안정적인 발전이 이루어지도록 하는데 적합한 연료전지의 액체연료공급장치를 제공함에 있다.

도 1은 본 발명의 연료공급장치가 구비된 연료전지의 구성을 보인 개략구성도.

도 2는 본 발명에 따른 스택의 단일셀구조를 나타내는 단면도.

도 3은 본 발명의 연료혼합수단을 보인 단면도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 스택 22 : 양극

23 : 음극 41 : 메탄올

43 : 물 50 : 연료혼합수단

51 : 믹싱탱크 52 : 혼합액

53 : 무게측정기

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 발전이 되는 스택의 양극에 메탄올과 물의 혼합액을 공급하고, 음극에 공기를 공급하여 전기화학반응으로부터 기전력을 얻는 연료전지에 있어서,

상기 메탄올과 물을 혼합하여 스택에 일정농도의 메탄올 혼합액을 안정적으로 공급할 수 있도록 연료 혼합수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 액체연료공급장치가 제공된다.

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

도 1은, 본 발명의 실시예로서 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)을 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 다공성탄소지(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 메탄올(41)이 저장되는 메탄올탱크(42)와 물(43)이 저장되는 물탱크(44)가 각각 구비되어 있고, 그 각각에 연결된 메탄올공급라인(45)과 물공급라인(46) 상에는 각각 밸브(47)(47')가 설치되어 있으며, 그 메탄올 라인(45)과 물공급라인(46)의 연결부위에 스택(10)에 연결되도록 혼합액공급라인(48)이 연결되어 있다.

그리고, 상기 혼합액공급라인(48) 상에는 연료혼합수단(50)으로서 도 3과 같이 믹싱 탱크(51)와, 그 믹싱탱크(51)에 결합되어 믹싱탱크(51)에 저장되는 혼합액(52)의 무게를 측정하기 위한 무게측정기(53)로 구성되어, 혼합액의 무게를 측정하는 것에 의하여 농도를 조절하도록 되어 있다.

도면중 미설명 부호 14는 에어라인(12) 상에 설치된 전자밸브이고, 15는 혼합액공급라인(48) 상에 설치된 전자밸브이다.

상기와 같이 구성된 본 발명 액체연료공급장치가 구비된 연료전지의 작용효과를 설명한다.

조작자가 연료전지(1)의 스위치를 조작하면 전자제어부(미도시)에서 미리 설정된 제어 프로그램에 따라 에어라인(12)과 혼합액공급라인(48) 상의 전자밸브(14)(15)를 열어서 메탄올 혼합액과 공기가 스택(10)에 공급되도록 한다.

상기와 같이 스택(10)에 공급되는 메탄올 혼합액은 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(52)은 믹싱탱크(51)에서 일정 농도로 조절이 되어 공급되는데, 그 믹싱탱크(51)에서의 농도조절은 먼저 일정부피인 믹싱탱크(51)에 90% 수용액에 필요한 물을 채운다음, 나머지는 메탄올 100%인 용액을 넣는데, 이때 무게측정기(53)에서 중량을 감지하여 적정농도가 유지되도록 조절하며, 이러한 농도감지는 밀도변화에 따른 농도의 변화가 거의 선형적이라는 점을 감안하여 중량에 따른 농도 데이터를 전자제어부(미도시)에서 제어처리하는 것에 의하여 가능하다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명 연료전지의 액체연료공급장치는 혼합액공급라인 상에 메탄올과 물을 혼합하기 위한 믹싱탱크를 설치하고, 그 믹싱탱크에 혼합액의 무게를 측정하기 위한 무게측정기를 설치하여, 믹싱탱크로 공급된 혼합액의 중량을 측정하는 것에 의하여 농도를 정확하게 조절한 다음 스택에 공급되도록 함으로써, 스택의 양극에서의 산화반응이 활발하게 진행되어 안정적인 발전이 이루어지는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 발전이 되는 스택의 양극에 메탄올과 물의 혼합액을 공급하고, 음극에 공기를 공급하여 전기화학반응으로부터 기전력을 얻는 연료전지에 있어서,

   상기 메탄올과 물을 혼합하여 스택에 일정농도의 메탄올 혼합액을 안정적으로 공급할 수 있도록 연료혼합수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 액체연료공급장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 연료혼합수단은 일정부피의 믹싱탱크와, 그 믹싱탱크의 내측에 설치되어 혼합액의 무게를 측정하기 위한 무게측정기로 구성되어 혼합액의 무게측정에 의한 농도조절이 이루어지도록 한 것을 특징으로 하는 연료전지의 액체연료공급장치.