KR20020056164A - 연료전지의 온도조절장치 - Google Patents

Abstract

본 발명 연료전지의 온도조절장치는 스택(10)에 공급되는 연료의 전기화학적인 반응에 의하여 기전력과 열을 발생시키는 연료전지에 있어서, 상기 스택(10)내의 온도를 검출하기 위한 온도검출센서(40)를 설치하고, 스택(10)을 가열하기 위한 히터(50)를 설치하여, 상기 온도검출센서(40)에서 검출되는 온도가 설정치의 하한치 이하인 경우에 히터(50)가 가동되도록 함으로써, 스택(10)의 내부온도를 항상 규정치 이내로 유지하게 되어 발전효율이 향상되게 된다.

Description

연료전지의 온도조절장치{TEMPRATURE CONTROLL APPARATUS FOR FUEL CELL}

본 발명은 외부로 부터 공급되는 연료와 공기의 전기화학반응을 통하여 전기를 생성하는 연료전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 스택의 온도가 일정온도 이상을 유지하도록 하여 발전효율을 향상시키도록 하는데 적합한 연료전지의 온도조절장치에 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.

그리고, 상기와 같이 발생되는 전기에너지외에 열 에너지가 발생되는데, 이와 같이 발생되는 전기 에너지와 열 에너지의 효율이 각각 40%에 달하여 굉장히 높은 에너지 효율을 가지고 있다.

그러나, 상기와 같은 종래 연료전지는 겨울철이나 추운지역에 설치되어 사용되는 경우에 외부의 온도에 의하여 스택내의 온도가 일정온도 이하로 하강하여 발전효율을 저하시키는 문제점이 있었다.

상기와 같은 문제점을 감안하여 안출한 본 발명의 목적은 스택의 내부 온도를 일정온도로 유지시켜서 발전효율을 향상시키도록 하는데 적합한 연료전지의 온도조절장치를 제공함에 있다.

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

도 2는 본 발명에 따른 스택의 단일셀구조를 나타내는 단면도.

도 3은 스택의 내부온도와 발전효율과의 관계 그래프.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 스택 40 : 온도검출센서

50 : 히터

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 발전이 이루어지는 스택에 연료를 공급하고, 그 연료의 화학반응으로부터 기전력을 얻는 연료전지에 있어서,

상기 스택내의 온도를 검출하기 위한 온도검출수단과,

그 온도검출수단에서 검출된 온도가 규정치 이하인 경우에 스택을 가열하여 스택 내의 온도가 항상 규정치 이상이 되도록 하기 위한 가열수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 온도조절장치가 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 온도조절장치가 설치된 연료전지의 개략구성도이다.

도시된 바와 같이, 연료전지(1)의 전체 구성은 전기를 발생하는 고체 고분자형의 스택(10)과, 그 스택(10)에 공급되는 수소가스를 정제하는 개질기(11)와, 상기 스택(10)에 공기를 공급하기 위한 에어 라인(12)과, 상기 스택(10)에서 발생된 전기를 충,방전하는 축전지(13)와, 상기 스택(10)내의 온도를 검출하기 위한 온도검출수단 및 그 온도검출수단에 의하여 검출되는 온도가 규정치 이하인 경우에 스택(10)에 열을 가하기 위한 가열수단과, 각종 밸브 및 구동을 제어하는 제어부(14)와, 상기 스택(10)에서 발생되는 H₂O 를 배출하기 위한 배출라인(14)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 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 스택(10)에는 스택(10)내의 온도를 검출하기 위한 온도검출수단으로서 온도검출센서(40)가 설치되어 있고, 그 온도검출센서(40)에서 검출된 측정값이 규정치의 하한치 이하인 경우에 스택(10)을 가열하기 위한 가열수단으로써 히터(50)가 설치되어 있다.

도면중 미설명 부호 44, 48은 수소공급라인과 에어라인 상에 설치된 전자밸브이다.

상기와 같이 구성된 본 발명 연료공급장치가 구비된 연료전지의 작용효과를 설명한다.

조작자가 연료전지(1)의 스위치를 조작하면 제어부(14)에서 미리 설정된 제어 프로그램에 따라 수소공급라인과 에어라인(12) 상의 전자밸브(44)(48)를 열어서 수소가스와 공기가 스택(10)에 공급되도록 한다.

상기와 같이 스택(10)에 공급되는 수소가스는 연료가스 유로홈을 따라 흐르며 막-전극 접합체(24)의 양극(22) 전면에 확산이 되어 수소의 전기화학적 산화가진행되고, 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): H₂(g) → 2H⁺+ 2e^-

음극(CATHODE): 1/2O₂(g) + 2H⁺+ 2e^_→ H₂O

총반응식 : H₂+ 1/2O₂→ H₂O

그리고, 상기와 같이 발전이 이루어지는 스택(10)은 외부온도가 낮거나 추운지역에 설치되어 있는 경우에 초기구동시 스택(10) 내의 온도를 온도검출센서(40)에서 검출하고, 그 검출온도가 규정치(0℃~10℃)의 하한치(0℃) 이하인 경우에는 제어부(14)에서 히터(50)를 일정시간 구동하여 스택(10)의 가열함으로써 스택(40)의 온도저하에 따른 발전효율이 저하되는 것을 방지하게 된다.

즉, 도 3의 그래프에서 보는 바와 같이, 스택(10) 내의 온도가 10℃ 이상인 경우에는 초기발전효율이 35% 이상을 나타내어 매우 우수하고, 0℃ 이하인 경우에는 초기발전효율이 30% 이하로 떨어지므로, 이러한 점을 감안하여 0℃ 이하인 경우에 제어부(14)의 논리제어처리에 의하여 히터(50)를 가동하도록 하고, 10℃ 이상인 경우에 히터(50)의 가동을 멈추도록 하여 스택(10)의 내부온도가 0℃~10℃ 사이를유지하도록 제어하여 발전효율이 향상되게 된다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명 연료전지의 온도조절장치는 스택내의 온도를 검출하기 위한 온도검출센서를 설치하고, 스택을 가열하기 위한 히터를 설치하여, 상기 온도검출센서에 검출되는 온도가 설정치의 하한치 이하인 경우에 히터가 가동되도록 함으로써, 스택의 내부온도를 항상 규정치 이내로 유지하게 되어 발전효율이 향상되는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 발전이 이루어지는 스택에 연료를 공급하고, 그 연료의 화학반응으로부터 기전력을 얻는 연료전지에 있어서,

   상기 스택내의 온도를 검출하기 위한 온도검출수단과,

   그 온도검출수단에서 검출된 온도가 규정치 이하인 경우에 스택을 가열하여 스택 내의 온도가 항상 규정치 이상이 되도록 하기 위한 가열수단를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 온도조절장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 온도검출수단은 온도검출센서인 것을 특징으로 하는 연료전지의 온도조절장치.
3. 제 1항에 있어서, 상기 가열수단은 히터인 것을 특징으로 하는 연료전지의 온도조절장치.