KR20020056151A - 연료전지의 액체연료공급장치 - Google Patents

Abstract

본 발명 연료전지의 액체연료공급장치는 연료액과 물(43)을 일정농도로 혼합하기 위한 농도조절수단(50)과, 그 농도조절수단(50)에서 공급되는 연료혼합액(54)을 일시적으로 저장한 다음 스택(10)에 지속적으로 공급하기 위한 버퍼 탱크(60)를 구비하여, 연료액과 물(43)을 일정농도로 혼합한 다음 버퍼 탱크(60)를 통하여 스택(10)에 지속적으로 공급되도록 함으로써, 농도가 규정치 이내로 관리되는 연료혼합액(54)이 지속적으로 공급되는 상태에서 스택(10)의 발전이 이루어지므로 안정적인 발전이 이루어지게 된다.

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 연료혼합액의 농도를 일정하게 유지함과 아울러 스택에 안정적으로 공급되도록 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 공급라인 상의 밸브 개도를 조정하는 것에 의하여 메탄올과 물이 혼합되어 직접 스택에 공급되므로 일정한 농도의 혼합액을 지속적으로 공급하는 것이 불가능한 문제점이 있었다.

상기와 같은 문제점을 감안하여 안출한 본 발명의 목적은 연료액과 물이 일정한 농도로 혼합되고, 그와 같이 혼합된 연료혼합액이 스택에 지속적으로 공급되도록 하는데 적합한 연료전지의 액체연료공급장치를 제공함에 있다.

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

도 2는 본 발명에 따른 스택의 단일셀구조를 나타내는 단면도.

도 3은 본 발명의 요부구성을 보인 단면도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 스택 22 : 양극

23 : 음극 41 : 메탄올

43 : 물 50 : 연료혼합수단

51 : 혼합액저장탱크 52 : 발광기

53 : 디텍터 54 : 연료혼합액

55 : 굴절율측정기 60 : 버퍼탱크

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

상기 연료액과 물이 혼합된 연료혼합액의 농도를 조절하기 위한 농도조절수단과,

그 농도조절수단에서 일정 농도로 혼합된 연료혼합액이 스택에 지속적으로 공급될 수 있도록 일시적으로 저장하는 버퍼 탱크를 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 액체연료공급장치가 설치된 연료전지의 개략구성도이다.

도시된 바와 같이, 연료전지(1)의 전체 구성은 전기를 발생하는 고체 고분자형의 스택(10)과, 연료혼합액을 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 스택(10)에 공급되는 연료혼합액을 일정 농도로 혼합하기 위한 농도조절수단(50)과, 그 농도조절수단(50)에서 일정 농도로 혼합된 연료혼합액이 스택(10)에 지속적으로 공급될 수 있도록 일시적으로 저장하는 버퍼 탱크(60)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 연료액인 메탄올(41)이 저장되는 연료탱크(42)와 물(43)이 저장되는 물탱크(44)가 각각 구비되어 있고, 그 각각에 연결된 연료공급라인(45)과 물공급라인(46) 상에는 각각 밸브(47)(47')가 설치되어 있으며, 그 연료공급라인(45)과 물공급라인(46)의 연결부위에 스택(10)에 연결되도록 혼합액공급라인(48)이 연결되어 있다.

그리고, 상기 농도조절수단(50)은 도 3과 같이, 상기 혼합액공급라인(48) 상에 설치되며 메탄올(41)과 물(43)이 일정비율로 혼합되어 저장되는 혼합액저장탱크(51)과, 그 혼합액저장탱크(51)의 내측 서로 마주보도록 발광기(52)와 디텍터(53)를 설치하여 연료혼합액(54)의 굴절율을 측정에 의한 농도를 검출하는 굴절율측정기(55)로 구성되어 있다.

또한, 상기 농도조절수단(50) 과 스택(10) 사이의 혼합액공급라인(48) 상에는 버퍼 탱크(60)가 설치되어 혼합액저장탱크(51)에서 일정농도로 혼합된 연료혼합액(54')이 일시적으로 저장되어 스택(10)에 지속적으로 공급되도록 되어 있다.

도면중 미설명 부호 15는 에어라인(12) 상에 설치된 전자밸브이고, 16은 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(15)(16)를 열어서 연료혼합액(54)과 공기가 스택(10)에 공급되도록 한다.

상기와 같이 스택(10)에 공급되는 연료혼합액은 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 연료혼합액(52)은 연료공급라인(45)과 물공급라인(46) 상의 밸브(47)(47') 개도를 조절하는 방법으로 메탄올(41)과 물(43)이 일정비율로 혼합되며 혼합액저장탱크(51)에 저장되고, 그와 같이 저장된 연료혼합액(54)은 발광기(52)에서 발광되는 빛을 디텍터(53)에서 검출하며 굴절율을 제어처리 하는 것에 의하여 산출하여 연료혼합액(54)의 농도를 검출한다. 그와 같이 검출된 농도가 규정치를 벗어나는 경우에는 밸브(47)(47')를 열어서 메탄올(41) 또는 물(43)을 추가로 공급하는 방법으로 연료혼합액(54)의 농도를 조절한다.

상기와 같이 혼합액저장탱크(51)에서 농도가 규정치 이내로 조절된 연료혼합액(54)은 다시 버퍼탱크(60)로 보내져서 스택(10)에 지속적으로 공급되게 되므로, 일정농도로 조절된 연료혼합액(54)이 스택(10)에 안정적으로 공급되게 된다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명 연료전지의 액체연료공급장치는 스택의 발전연료인 연료액과 물을 일정농도로 혼합하기 위한 농도조절수단과, 그 농도조절수단에서 혼합된 연료혼합액을 일시적으로 저장한 다음 스택에 지속적으로공급하기 위한 버퍼 탱크를 구비하여, 상기 농도조절수단에서 연료액과 물이 일정농도로 혼합된 상태에서 버퍼 탱크에 저장되고, 그와 같이 저장된 연료혼합액이 스택에 공급되며 발전이 이루어지도록 함으로써, 정확하게 농도관리가 이루어진 연료혼합액이 지속적으로 공급되는 상태에서 스택의 발전이 이루어지므로 효율이 저하되지 않은 상태로 안정적인 발전이 이루어진다.

Claims (2)

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

   상기 연료액과 물이 혼합된 연료혼합액의 농도를 조절하기 위한 농도조절수단과,

   그 농도조절수단에서 일정 농도로 혼합된 연료혼합액이 스택에 지속적으로 공급될 수 있도록 일시적으로 저장하는 버퍼 탱크를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 액체연료공급장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 농도조절수단은 연료액과 물이 혼합된 연료혼합액이 저장되는 혼합액저장탱크와, 그 혼합액저장탱크의 내부 일측에 설치되는 발광기와 타측에 설치되는 디텍터로 된 굴절율측정기로 구성되어 연료혼합액의 굴절율을 측정하는 것에 의하여 제어처리에 의한 농도를 산출할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 연료전지의 액체연료공급장치.