KR20020056163A - Apparatus for contolling fuel temperature of fc and thereof method - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 외부로 부터 공급되는 연료와 공기의 전기화학반응을 통하여 전기를 생성하는 연료전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료전지의 발전을 위하여 공급되는 연료가 외부온도의 급강하로 결빙되는 것을 방지하도록 하는데 적합한 연료전지의 연료온도유지장치 및 그 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell that generates electricity through an electrochemical reaction between fuel and air supplied from the outside. More particularly, the fuel supplied for power generation of the fuel cell is prevented from freezing due to a sudden drop in external temperature. The present invention relates to a fuel temperature maintaining apparatus of a fuel cell and a method thereof.
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 있고, 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.In general, a technique related to a fuel cell is known as a device for directly converting energy contained in a fuel into electrical energy, and such a fuel cell generally has a porous anode (ANODE) and a cathode (CATHODE) on both sides of a polymer electrolyte. Is attached, the electrochemical oxidation of hydrogen as a fuel occurs at the anode (anode or anode), and the electrochemical reduction of oxygen as an oxidant at the cathode (reduction electrode or cathode). Is generated.
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.Hydrogen supplied to such a fuel cell is purified by purifying only hydrogen (H 2 ) from a hydrocarbon-based (CH-based) fuel such as LNG, LPG, CH 3 OH, and gasoline through a desulfurization process → reforming reaction → hydrogen purification process. It is used in the form of direct methanol fuel cell (DMFC), which is used in the form or uses liquid methanol as a direct fuel.
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.The direct methanol fuel cell is a reforming reaction at an electrode by directly supplying a methanol mixture of methanol and water in a predetermined ratio (about 10%: 90%) to a cathode of a power plant stack without using a reformer. This has the big advantage that the reformer becomes unnecessary and can simplify the whole system.
그러나, 상기와 같은 종래의 메탄올 혼합액을 사용하는 연료전지에서는 상술한 바와 같이 스택에 직접 공급되는 메탄올 혼합액이 비가동시에 외부온도의 급강하로 결빙이되어 정상적인 가동이 이루어지지 못하는 문제점이 있었다.However, in the fuel cell using the conventional methanol mixture as described above, there is a problem in that the methanol mixture supplied directly to the stack freezes due to a sudden drop in external temperature when not in operation, and thus cannot operate normally.
상기와 같은 문제점을 감안하여 안출한 본 발명의 목적은 외부의 온도변화에 의하여 스택내의 연료가 결빙되는 것을 방지하도록 하는데 적합한 연료전지의 연료온도유지장치 및 그 방법을 제공함에 있다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention devised in view of the above problems is to provide a fuel temperature maintaining apparatus and a method of a fuel cell suitable for preventing the fuel in the stack from freezing due to external temperature changes.
도 1은 본 발명의 연료온도유지장치가 구비된 연료전지의 구성을 보인 개략구성도.1 is a schematic configuration diagram showing the configuration of a fuel cell equipped with a fuel temperature maintaining apparatus of the present invention.
도 2는 본 발명에 따른 스택의 단일셀구조를 나타내는 단면도.Figure 2 is a cross-sectional view showing a single cell structure of the stack according to the present invention.
도 3은 본 발명의 장치에서 연료의 온도조절방법을 보인 흐름도.Figure 3 is a flow chart showing a method of controlling the temperature of the fuel in the apparatus of the present invention.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
10 : 스택 31 : 연료유로홈10: stack 31: fuel flow groove
52 : 액체연료순환수단 53 : 제어부52: liquid fuel circulation means 53: control unit
61 : 순환라인 62 : 순환펌프61: circulation line 62: circulation pump
상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 발전이 이루어지는 스택의 전극에 액체연료를 공급하고, 그 액체연료의 화학반응으로부터 기전력을 얻는 연료전지에 있어서,In order to achieve the object of the present invention as described above, in a fuel cell which supplies liquid fuel to an electrode of a stack where power generation takes place, and obtains electromotive force from a chemical reaction of the liquid fuel,
상기 스택내의 액체연료 온도를 검출하기 위한 온도검출수단과,Temperature detecting means for detecting a liquid fuel temperature in the stack;
상기 액체연료를 순환시키기 위한 액체연료순환수단,Liquid fuel circulation means for circulating the liquid fuel,
상기 온도검출수단에서 검출된 온도를 규정치와 비교하여 규정치 이하인 경우에 액체연료순환수단을 동작시켜서 액체연료의 결빙이 방지되도록 하는 제어부를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 연료온도유지장치가 제공된다.A fuel temperature maintaining apparatus for a fuel cell is provided, comprising a control unit for operating the liquid fuel circulation means to prevent freezing of liquid fuel when the temperature detected by the temperature detecting means is equal to or less than a prescribed value. .
또한, 연료전지에 있어서,In addition, in a fuel cell,
상기 연료전지 스택내의 액체 연료 온도를 검출하는 단계와,Detecting a liquid fuel temperature in the fuel cell stack;
그 검출된 액체연료의 온도를 규정치와 비교하는 단계와,Comparing the detected temperature of the liquid fuel with a prescribed value,
그 비교값이 규정치 이하인 경우에 액체연료를 순환시키는 단계를 순차적으로 실시하여 액체연료의 결빙이 방지되도록 하는 연료전지의 연료온도유지방법이 제공된다.When the comparison value is less than or equal to the prescribed value, a method of maintaining a fuel temperature of a fuel cell is provided which sequentially performs a step of circulating a liquid fuel to prevent freezing of the liquid fuel.
이상 설명한 본 발명의 구성.작용을 한층 명백하게 하기 위하여, 이하에서 본 발명의 적합한 실시예에 대하여 설명한다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS To make the construction and operation of the present invention described above clearer, a preferred embodiment of the present invention will be described below.
도 1은, 본 발명의 실시예로서 본 발명에 따른 연료온도유지장치가 설치된 연료전지의 개략구성도이다.1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell provided with a fuel temperature maintaining apparatus according to the present invention as an embodiment of the present invention.
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 공급된 연료를 일정온도로 유지시키기 위한 연료온도유지장치(12)와, 스택(10)에 공기를 공급하기 위한 에어 라인(13)과, 스택(10)에서 발생되는 CO2와H2O 를 배출하기 위한 배출라인(14)을 구비한다.As shown in the drawing, the overall configuration of the fuel cell 1 includes a stack of solid polymer type generating electricity, a liquid fuel supply means 11 for supplying a liquid fuel to the stack 10, and a stack ( A fuel temperature maintaining apparatus 12 for maintaining the fuel supplied to the tank 10 at a constant temperature, an air line 13 for supplying air to the stack 10, and CO 2 and H generated from the stack 10; A discharge line 14 for discharging 2 O is provided.
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 형성하는분리판(SEPARATOR)(25)과, 그 분리판(25)의 양측에 배치되어 양극(22)과 음극(23)의 집전극이 되는 집전판(26)(27)으로 구성되어 있다.The stack 10 may be a single cell in which an electrochemical reaction occurs or a plurality of single cells may be sequentially stacked and assembled into bolts. Referring to FIG. 2, a single cell structure will be described. A membrane-electrode assembly (MEA: MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY) 24 formed by bonding the anode 22 and the cathode 23 to diffuse gas on both sides of the membrane 21, and both sides of the membrane-electrode assembly 24. A separator 25 which is assembled so as to be in close contact with each other and forms a flow path of fuel gas and oxygen-containing gas at the anode 22 and the cathode 23, and is disposed on both sides of the separator 25 and the anode 22. ) And current collector plates 26 and 27 serving as current collector electrodes of the cathode 23.
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.The electrolyte membrane 21 of the membrane-electrode assembly 24 is an ion exchange membrane made of a polymer material, and an electrolyte membrane 21 commercially available includes a Nafion membrane of DuPont, which serves as a carrier for hydrogen ions, and contacts oxygen with hydrogen. The anode 22 and the cathode 23 serve as a support for the platinum (Pt) catalyst layer, and porous carbon paper or carbon cloth is bonded to both sides of the electrolyte membrane 21. Structure.
분리판(25)은 치밀질의 카본 플레이트에 의해 형성되어 있고, 복수개의 리브가 형성되어 있어서 조립시 양극(22)의 표면에서 연료 유로홈(31)을 형성하고, 음극(23)의 표면에서는 산소함유가스 유로홈(32)을 형성한다.The separation plate 25 is formed of a dense carbon plate, and a plurality of ribs are formed to form a fuel flow path groove 31 at the surface of the anode 22 at the time of assembly, and to contain oxygen on the surface of the cathode 23. A gas flow path groove 32 is formed.
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.It is preferable that the current collector plates 26 and 27 have excellent electrical conductivity, excellent corrosion resistance, and do not generate hydrogen embrittlement. good.
상기 액체연료공급수단(11)은 메탄올과 물이 일정 비율로 혼합된 액체연료(41)가 저장되어 있는 저장탱크(42)와, 그 저장탱크(42)의 액체연료(41)를 스택(10)에 공급하기 위한 액체연료공급라인(43)과, 그 액체연료공급라인(43)상에 장착되어 스택(10)에 공급되는 액체연료(41)의 공급을 조절하는 전자밸브(44)를 구비한다.The liquid fuel supply means 11 stacks a storage tank 42 in which a liquid fuel 41 in which methanol and water are mixed at a predetermined ratio is stored, and a liquid fuel 41 of the storage tank 42. And a solenoid valve 44 mounted on the liquid fuel supply line 43 to regulate the supply of the liquid fuel 41 supplied to the stack 10. do.
액체연료공급라인(43)은 스택(10)의 연료유로홈(31)에 접속되어 있고, 그 연료유로홈(31)은 스택(10)의 외측으로 연결되어 있는 배출라인(28)에 접속되어 있으며, 상기 에어라인(12)는 산소함유가스 유로홈(32)에 접속되어 있다.The liquid fuel supply line 43 is connected to the fuel flow path groove 31 of the stack 10, and the fuel flow path groove 31 is connected to the discharge line 28 connected to the outside of the stack 10. The air line 12 is connected to the oxygen-containing gas flow path groove 32.
상기 연료온도유지장치(12)는 스택(10)내의 액체연료 온도를 검출하기 위한 검출수단으로서의 온도검출센서(51)와, 그 온도검출센서(51)의 검출값에 따라 스택(10)내의 액체연료를 순환시키기 위한 액체연료순환수단(52)과, 상기 온도검출센서(51)의 검출값을 설정치와 비교하여 설정치 이하인 경우에 액체연료순환수단(52)을 동작시켜서 액체연료의 결빙이 방지되도록 제어하는 제어부(53)로 구성되어 있다.The fuel temperature holding device 12 has a temperature detection sensor 51 as a detection means for detecting the liquid fuel temperature in the stack 10 and a liquid in the stack 10 in accordance with the detection value of the temperature detection sensor 51. The liquid fuel circulating means 52 for circulating the fuel and the liquid fuel circulating means 52 are operated when the detected value of the temperature detection sensor 51 is lower than the set value to prevent freezing of the liquid fuel. It is comprised by the control part 53 which controls.
상기 액체연료순환수단(52)은 스택(10)의 연료유로홈(31)의 입,출구측을 연결하는 순환라인(61)과, 그 순환라인(61) 상에 설치되어 액체연료를 펌핑하기 위한 순환펌프(62)로 구성되어 있다.The liquid fuel circulation means 52 is a circulation line 61 for connecting the inlet and outlet sides of the fuel flow path groove 31 of the stack 10, and is installed on the circulation line 61 to pump the liquid fuel It consists of a circulation pump 62 for.
도면중 미설명 부호 48은 에어라인(13) 상에 설치된 전자밸브이다.In the figure, reference numeral 48 is a solenoid valve provided on the air line 13.
상기와 같이 구성된 본 발명 연료공급장치가 구비된 연료전지의 작용효과를 설명한다.The operation and effect of the fuel cell provided with the fuel supply device of the present invention configured as described above will be described.
조작자가 연료전지(1)의 스위치를 조작하면 전자제어부에서 미리 설정된 제어 프로그램에 따라 에어라인(13)과 액체연료공급라인(43) 상의 전자밸브(44)(48)를 열어서 액체연료(41)와 공기가 스택(10)에 공급되도록 한다.When the operator operates the switch of the fuel cell 1, the electronic control unit opens the solenoid valves 44 and 48 on the air line 13 and the liquid fuel supply line 43 according to a preset control program, thereby allowing the liquid fuel 41 to be opened. And air is supplied to the stack 10.
상기와 같이 스택(10)에 공급되는 액체연료(41)는 연료유로홈(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.As described above, the liquid fuel 41 supplied to the stack 10 flows along the fuel flow path grooves 31 and diffuses to the entire surface of the anode 22 of the membrane-electrode assembly 24 to undergo electrochemical oxidation of hydrogen. , The air flows along the oxygen-containing gas flow path groove 32 and diffuses across the cathode 23 of the membrane-electrode assembly 24 to cause electrochemical reduction of oxygen, and electricity is generated by the movement of electrons generated therein. In this case, electricity generated at this time is collected at the current collector plates 26 and 27 and used as an energy source.
이때 액체연료로 메탄올 혼합액을 사용하는 경우 각극에서의 반응식과 총 반응식은 다음과 같다.In this case, when using a methanol mixture as a liquid fuel, the reaction formula and total reaction formula at each electrode are as follows.
양극(ANODE): CH3OH + H2O → CO2+ 6H++ 6e- Anode (ANODE): CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e -
음극(CATHODE): 3/2O2+ 6H++ 6e_→ 3H2OCathode: 3 / 2O 2 + 6H + + 6e _ → 3H 2 O
총반응식 : CH3OH + 3/2O2+ H2O → CO2+ 3H2OTotal Reaction: CH 3 OH + 3 / 2O 2 + H 2 O → CO 2 + 3H 2 O
또한, 상기와 같이 발전이 이루어지는 연료전지에서 스택(10) 내의 액체연료가 외부의 온도변화에 의하여 결빙되는 것이 방지되도록 제어하는데, 그 제어 방법을 도 3을 참조하여 상세히 설명한다.In addition, in the fuel cell in which power generation is performed as described above, the liquid fuel in the stack 10 is controlled to be prevented from freezing due to an external temperature change. The control method will be described in detail with reference to FIG. 3.
먼저, 스택(10)의 기동이 정지되면 온도검출센서(51)에서 스택내의 액체연료 온도를 측정하는데, 이와 같은 액체연료의 온도측정은 소정시간(예를들면, 1시간)마다 반복실행된다.First, when the start of the stack 10 is stopped, the temperature of the liquid fuel in the stack is measured by the temperature detection sensor 51. Such temperature measurement of the liquid fuel is repeatedly performed every predetermined time (for example, one hour).
그와 같은 온도측정값을 제어부(53)에서 논리제어처리에 의하여 설정치(액체연료의 결빙온도)와 비교하여 설정치 이하인 경우에는 순환펌프(62)를 가동시켜서 순환라인(63)을 통하여 스택(10)의 액체연료를 순환시켜서 액체연료가 결빙되는 것을 방지하게 된다.When the temperature measurement value is less than or equal to the set value (freezing temperature of the liquid fuel) by the logic control process in the control unit 53, the circulation pump 62 is activated to operate the stack 10 through the circulation line 63. Circulating the liquid fuel to prevent the liquid fuel from freezing.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명 연료전지의 연료온도유지장치는 스택내의 액체연료의 온도를 검출하는 온도검출센서와, 스택의 액체연료를 순환시키기 위한 순환라인 및 펌프와, 상기 온도검출센서의 검출온도에 따라 펌프를 동작시키기 위한 제어부로 구성되어, 스택내의 액체연료의 온도를 검출하여 설정치 이하인 경우에 액체연료를 순환시켜서 액체연료의 결빙을 방지함으로써, 연료전지가 액체연료의 결빙에 의하여 정상적인 가동이 이루어지지 않는 것을 방지하는 효과가 있다.As described in detail above, the fuel temperature maintaining apparatus of the fuel cell of the present invention includes a temperature detection sensor for detecting a temperature of the liquid fuel in the stack, a circulation line and a pump for circulating the liquid fuel of the stack, and the temperature detection sensor. It is composed of a control unit for operating the pump according to the detected temperature, by detecting the temperature of the liquid fuel in the stack and circulating the liquid fuel to prevent the liquid fuel freezing when it is below the set value, the fuel cell is normal by the liquid fuel freezing There is an effect to prevent the operation is not made.
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| Date | Code | Title | Description |
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| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant | ||
| LAPS | Lapse due to unpaid annual fee |