KR20040000556A - Fuel tank for fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 외부로 부터 공급되는 연료와 공기의 전기화학반응을 통하여 전기를 생성하는 연료전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 항상 적정 농도의 BH4 -가 막힘이 없이 원할하게 스택에 공급되도록 한 B화합물을 연료로 하는 연료전지의 연료탱크에 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 specifically, BH 4 - is always supplied to the stack smoothly without clogging. A fuel tank of a fuel cell using a compound as a fuel.
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.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 고체상태의 BH4 -를 수용액 상태로 만들어 직접 연료로 사용하는 BFC방식으로 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 BFC or solid state BH 4 - in aqueous solution and used directly as fuel.
상기 BFC방식의 연료전지는 개질기를 사용하지 않고 발전장치인 스택(STACK)의 양극에 수용액상태의 BH4 -를 직접 공급하는 방식으로 전극에서 개질반응이 일어나기 때문에 개질기가 불필요하게 되어 전체 시스템을 간소화 시킬 수 있다는 큰 장점이 있다.The BFC fuel cell does not require a reformer, and thus reformulates the electrode in a manner of directly supplying BH 4 - in aqueous solution to the anode of the stack, which is a power generation device, so that the reformer is unnecessary, thereby simplifying the entire system. It has a big advantage.
그러나, 상기와 같은 종래의 BH4 -를 사용하는 연료전지에서는 연료탱크에 저장되어 있는 수용액 상태의 BH4 -중에는 스택에서 공기와 반응 후 회수된 BO2도 함께 혼합되어 있는데, 그 BO2는 BH4 -에 비하여 비중이 커서 연료탱크의 하측에 많이 존재하므로, 연료탱크를 교체한 후 일정시간이 경과되면 연료탱크의 저부에 존재하는 BO2가 하측에 연결된 연료공급관을 통하여 스택으로 많이 공급되면서 발전효율을 저하시키는 문제점이 있었다.However, in the fuel cell using the conventional BH 4 - as described above, in the aqueous solution BH 4 - stored in the fuel tank, BO 2 recovered after reaction with air in the stack is mixed together, and the BO 2 is BH 4 - Since gravity is present much on the lower side of the large fuel tank, as compared to, after replacing the fuel tank when a certain period of time while the BO 2 present at the bottom of the fuel tank feed lot to the stack via a fuel supply pipe connected to the lower power There was a problem of lowering the efficiency.
또한, 상술한 바와 같이 연료탱크의 저부에 존재하는 BO2는 시간이 지나고 점차적으로 농도가 증가함에 따라 겔(GEL)화 되면서 하측의 공급부 관로가 막히는 문제점이 있었다.In addition, as described above, BO 2 present in the bottom of the fuel tank has a problem in that the supply line of the lower side is blocked as gel (GEL) is formed as the concentration gradually increases over time.
본 발명의 주목적은 상기와 같은 여러 문제점을 갖지 않는 B화합물을 연료로 하는 연료전지의 연료탱크를 제공함에 있다.An object of the present invention is to provide a fuel tank of a fuel cell using B compound as a fuel which does not have various problems as described above.
본 발명의 다른 목적은 일정시간이 경과되어도 연료탱크에서 BO2가 스택에주로 공급되어 발전성능이 급격히 저하되는 것을 방지하도록 하는데 적합한 B화합물을 연료로 하는 연료전지의 연료탱크를 제공함에 있다.Another object of the present invention is to provide a fuel tank of a fuel cell fueled with a compound B which is suitable for preventing a rapid decrease in power generation performance because BO 2 is mainly supplied to a stack in a fuel tank even after a certain time has elapsed.
본 발명의 또다른 목적은 BO2에 의하여 연료탱크의 흡입구 관로가 막히는 것을 방지하여 스택에 연료의 공급이 항상 원할하게 이루어지도록 하는데 적합한 B화합물을 연료로 하는 연료전지의 연료탱크를 제공함에 있다.It is still another object of the present invention to provide a fuel tank of a fuel cell using B compound as a fuel suitable for preventing the inlet conduit of the fuel tank from being blocked by BO 2 so that the fuel is always supplied smoothly to the stack.
도 1은 본 발명의 연료탱크가 구비된 B화합물을 연료로 하는 연료전지를 보인 개략구성도.1 is a schematic configuration diagram showing a fuel cell fueled with a compound B having a fuel tank 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 발명에 따른 연료탱크를 보인 종단면도.Figure 3 is a longitudinal sectional view showing a fuel tank according to the present invention.
도 4는 본 발명에 따른 연료탱크의 변형예를 보인 종단면도.Figure 4 is a longitudinal sectional view showing a modification of the fuel tank according to the present invention.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
10 : 스택 22 : 양극10: stack 22: anode
23 : 음극 101 : 공급관23: cathode 101: supply pipe
102 : 유입관 103 : 공간부102: inlet pipe 103: space part
110 : 탱크본체 111 : 플로트110 tank body 111 float
112 : 플렉시블 튜브112: flexible tube
상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 연료탱크에 저장된 B화합물을 스택의 양극에 공급하고, 공기를 스택의 음극에 공급하며, 그 공급되는 B화합물과 공기의 화학반응으로부터 기전력을 얻는 연료전지에 있어서,In order to achieve the object of the present invention as described above, the fuel cell which supplies B compound stored in the fuel tank to the anode of the stack, supplies air to the cathode of the stack, and obtains electromotive force from the chemical reaction of the supplied B compound and air. To
상기 연료탱크는 상부에 공급관이 연결되고 하부에 유입관이 연결되며 수용액 상태의 B화합물을 저장할 수 있도록 내부에 일정크기의 공간부를 가지는 탱크본체와,The fuel tank is connected to the supply pipe at the top and the inlet pipe is connected to the lower portion of the tank body having a predetermined size of the space to store the B compound in the aqueous solution state, and
그 탱크본체의 내부에 배치되며 항상 비중이 BO2에 비하여 낮은 BH4 -의 수면에 띄워지는 플로트와,A float placed inside the tank body and always floating on the surface of BH 4 -with a specific gravity lower than BO 2 ,
그 플로트에 하단부가 결합되고 상단부는 공급관에 연결되는 플렉시블 튜브를 구비하여 구성되는 것을 특징으로 하는 B화합물을 연료로 하는 연료전지의 연료탱크가 제공된다.A fuel tank of a fuel cell using B compound as a fuel, characterized in that the lower end is coupled to the float and the upper end is provided with a flexible tube connected to a supply pipe.
이상 설명한 본 발명을 한층 명백하게 하기 위하여, 이하에서 본 발명의 적합한 실시예에 대하여 설명한다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS In order to make the present invention described above clearer, preferred embodiments of the present invention will be described below.
도 1은 본 발명의 연료탱크가 구비된 B화합물을 연료로 하는 연료전지를 보인 개략구성도이다.1 is a schematic configuration diagram showing a fuel cell fueled with compound B having a fuel tank according to the present invention.
도시된 바와 같이, 연료전지(1)의 전체 구성은 전기를 발생하는 스택(10)의 일측에 수용액 상태의 BH4 -를 저장하기 위한 연료탱크(100)가 구비되어 있는데, 그 연료탱크(100)와 스택(10)의 양극에는 연료공급라인(30)과 연료회수라인(40)으로 연결되어 있으며, 그 연료공급라인(30)에는 연료를 펌핑하기 위한 연료펌프(300)가 설치되어 있다.As shown, the overall configuration of the fuel cell 1 is provided with a fuel tank 100 for storing BH 4 − in an aqueous state on one side of the stack 10 for generating electricity, the fuel tank 100 And the anode of the stack 10 are connected to the fuel supply line 30 and the fuel recovery line 40, and the fuel supply line 30 is provided with a fuel pump 300 for pumping fuel.
그리고, 상기 스택(10)의 음극에는 공기공급라인(50)과 공기배출라인(60)이 설치되어 있는데, 그 공기공급라인(50)에는 공급되는 공기를 펌핑하기 위한 공기펌프(70)가 설치되어 있다.In addition, the cathode of the stack 10 is provided with an air supply line 50 and an air discharge line 60, the air supply line 50 is provided with an air pump 70 for pumping the supplied air It is.
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.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 an 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.
상기 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 the commercially available electrolyte membrane 21 includes a Nafion membrane of DuPont, which serves as a carrier for hydrogen ions, The anode 22 and the cathode 23 serve to support the platinum (Pt) catalyst layer, and porous carbon paper (CARBON PAPER) or carbon cloth (CARBON CLOTH) is formed on both sides of the electrolyte membrane 21. It is a bonded structure.
상기 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.The separation plate 25 is formed of a dense carbon plate, and a plurality of ribs are formed to form a fuel gas flow path groove 31 at the surface of the anode 22 during assembly, and at the surface of the cathode 23. An oxygen-containing gas flow path groove 32 is formed.
상기 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 are excellent in electrical conductivity, excellent in corrosion resistance, and do not generate hydrogen embrittlement. Also good.
상기 연료탱크(100)는 도 3에 도시된 바와 같이, 상부에 공급관(101)이 연결되고 하부에 유입관(102)이 연결되며 수용액 상태의 BH4 -를 저장할 수 있도록 내부에 일정크기의 공간부(103)를 가지는 탱크본체(110)와, 그 탱크본체(110)의 내부에 배치되며 항상 비중이 BO2에 비하여 낮은 BH4 -의 수면에 띄워지는 플로트(111)와, 그 플로트(111)에 하단부가 결합되고 상단부는 공급관(101)에 연결되는 플렉시블 튜브(112)로 구성되어 있다.The fuel tank 100, as shown in Figure 3, the supply pipe 101 is connected to the upper portion and the inlet pipe 102 is connected to the lower portion of the predetermined size space to store the BH 4 - in the aqueous solution state A tank body 110 having a part 103, a float 111 disposed inside the tank body 110 and always floating on the surface of BH 4 − having a specific gravity lower than that of BO 2 , and the float 111. ) Is coupled to the lower end and the upper end is composed of a flexible tube 112 connected to the supply pipe (101).
상기와 같이 구성된 본 발명의 연료탱크를 구비한 연료전지의 작용효과를 설명한다.The operation and effect of the fuel cell provided with the fuel tank of the present invention configured as described above will be described.
조작자가 연료전지(1)의 스위치를 조작하면 전자제어부(미도시)에서 미리 설정된 제어 프로그램에 따라 연료펌프(300)를 동작시켜서 연료탱크(100)에 저장되어 있는 수용액 상태의 BH4 -를 연료공급라인(30)을 통하여 스택(10)의 양극에 공급함과 동시에 공기펌프(70)를 동작시켜서 공기공급라인(50)을 통하여 스택(10)의 음극으로 공기가 공급되도록 한다.When the operator operates the switch of the fuel cell 1, the fuel pump 300 is operated in accordance with a control program preset by an electronic controller (not shown) to fuel the BH 4 − in the aqueous state stored in the fuel tank 100. The air pump 70 is operated at the same time as supplying to the anode of the stack 10 through the supply line 30 so that air is supplied to the cathode of the stack 10 through the air supply line 50.
상기와 같이 스택(10)에 공급되는 수용액상태의 BH4 -는 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.As described above, BH 4 - in an aqueous solution state supplied to the stack 10 flows along the fuel gas flow path groove 31 and diffuses to the entire surface of the anode 22 of the membrane-electrode assembly 24, thereby electrochemical oxidation of hydrogen. Proceeding, the air flows along the oxygen-containing gas flow path groove 32 and diffuses to the front surface of the cathode 23 of the membrane-electrode assembly 24 to cause the electrochemical reduction of oxygen. The electricity generated at this time is collected in the current collector plates 26 and 27 and used as an energy source.
이때의 반응식은 다음과 같다.The reaction scheme at this time is as follows.
BH4 -+ 2O2→2H2O + BO2 -E0= 1.64 V BH 4 - + 2O 2 → 2H 2 O + BO 2 - E 0 = 1.64 V
그리고, 상기와 같이 스택(10)으로 공급되어 반응하고난 후의 BH4 -, BO2, 2H2O의 혼합액은 연료회수라인(40)을 통하여 회수되며, 그와 같이 회수되는 연료혼합액은 탱크본체(110)의 하측에 설치된 유입관(102)을 통하여 탱크본체(110)의 내측으로 유입되어진다.And, BH 4 after I and is supplied to the stack 10, the reaction as described above -, BO 2, a mixture of 2H 2 O is recovered through the fuel return line 40, the fuel mixture which is recovered as such is a tank body It is introduced into the tank body 110 through the inlet pipe 102 installed on the lower side of the (110).
또한, 상기와 같이 탱크본체(110)의 내측으로 유입된 BH4 -, BO2, 2H2O의 혼합액은 탱크본체(110)내에서 비중이 높은 BO2 -의 상부에 상대적으로 비중이 낮은 BH4 -가 위치되도록 분리되어지는데, 그와 같이 분리되는 BH4 -의 상측에는 수면을 따라 플로트(111)가 부유되어지며, 그 플로트(111)에 하단부가 결합된 플렉시블 튜브(112)의 하단부에서 BH4 -만을 흡입하여 공급관(101)을 통하여 다시 스택(10)으로 공급하게 된다.In addition, the BH 4 flows into the inside of the tank body 110, as described above -, BO 2, a mixture of 2H 2 O has a tank main body 110, BO 2 with high specific gravity within-relative specific gravity is low as BH on top of the 4 - makin are separated so as to be located, BH 4 are separated as such - the upper side of, the float 111 becomes suspended along the surface of the water, at the lower end of the flexible tube 112, the lower end is coupled to the float (111) Only BH 4 - is sucked and supplied to the stack 10 through the supply pipe 101.
즉, 상기와 같이 연료탱크(100)에서 스택(10)에 공급되어지는 연료는 주로 농도가 높은 BH4 -가 공급되어지기 때문에 연료전지(1)의 동작시 급격한 농도변화로 성능이 저하되는 것이 방지되어 진다.That is, since the fuel supplied to the stack 10 in the fuel tank 100 is mainly supplied with a high concentration of BH 4 − , the performance decreases due to a sudden concentration change when the fuel cell 1 operates. Prevented.
도 4는 본 발명에 따른 연료탱크의 변형예를 보인 종단면도로서, 도시된 바와 같이, 기본적인 구조는 도 3의 연료탱크 구조와 동일하며, 다만 스택(10)에서 반응을 하고난 후의 BH4 -, BO2, 2H2O의 혼합액이 유입되는 유입관(102)을 탱크본체(110)의 측면 일정 높이에 설치하여, BO2가 겔화되어 유입관(102)이 막히는 것이 방지되도록 되어 있다.4 is a longitudinal sectional view showing a modified example of the fuel tank according to the present invention, as shown, the basic structure is the same as the fuel tank structure of Figure 3, just after the I, and the reaction in the stack (10) BH 4 - , The inlet pipe 102 into which the mixed liquid of BO 2 , 2H 2 O flows is installed at a predetermined height on the side of the tank main body 110 so that the BO 2 is gelled and the inlet pipe 102 is prevented from being blocked.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 B화합물을 연료로 하는 연료전지의 연료탱크는 탱크본체의 내측에 플로트를 설치하고, 그 플로트에 하단부가 고정되도록 플렉시블 튜브를 설치하여, 탱크본체의 내측에서 비중차이로 층분리되는 BH4 -와 BO2중 BH4 -가 주로 스택에 공급되도록 함으로써, 급격한 농도변화로 인한 성능저하현상이 발생되는 것을 방지하는 효과가 있다.As described in detail above, in the fuel tank of the fuel cell fueled by the compound B of the present invention, a float is provided inside the tank body, and a flexible tube is installed to fix the lower end portion to the float. BH 4 in which the layer separated by a specific gravity difference - and BH 4 of BO 2 - such that by the mainly supplied to the stack, there is an effect to prevent the occurrence reduction in performance, caused by the rapid change in concentration.
또한, 연료탱크 내에서 상측에 분리되는 농도가 낮은 BH4 -만을 탱크본체의 상측에 설치된 공급관을 통하여 공급하기 때문에 농도증가나 겔화에 의한 공급관의 막힘이 발생되는 것을 방지하는 효과가 있다.In addition, since only BH 4 − having a low concentration separated from the upper side in the fuel tank is supplied through the supply pipe installed on the upper side of the tank body, there is an effect of preventing the supply pipe from clogging due to increased concentration or gelation.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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A201 | Request for examination | ||
E902 | Notification of reason for refusal | ||
E601 | Decision to refuse application |