KR20040000569A - Ｂ화합물을 연료로 하는 연료전지의 발전기 설치구조 - Google Patents

Abstract

본 발명의 B화합물을 연료로 하는 연료전지의 발전기 설치구조는 수용액 상태의 BH₄ ^-와 공기의 전기화학반응으로 발전을 하는 단위셀(C) 또는 스택(S)형태의 발전기(100)를 구비하는 연료전지에서, 단위셀(C) 또는 스택(S)을 공기가 공급되는 음극(103)방향으로 일정각도(θ) 기울어지도록 조립하거나 설치하여, 발전을 할때 부반응에 의해 생성되는 수소가스(H)가 연료중에서 부유하여 양극(102)에서 떨어진 상태로 흐르도록 함으로써, 연료와 공기의 반응이 활발하게 이루어지게 된다.

Description

Ｂ화합물을 연료로 하는 연료전지의 발전기 설치구조{GENERATOR EASTABLISH STRUCTURE OF FUEL CELL}

본 발명은 외부로 부터 공급되는 수용액상태의 BH₄ ^-와 공기의 전기화학반응을 통하여 전기를 생성하는 연료전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 부반응에 의하여 생성되는 수소가스가 기포상태로 멤브레인에 부착되는 것을 방지하여 활발한 전기화학반응에 의한 발전효율이 향상되어지도록 한 B화합물을 연료로 하는 연료전지의 발전기 설치구조에 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 밀착되어 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 발생되는 원리를 이용한다.

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.

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.

종래 BFC 방식의 연료전지가 도 1, 도 2에 도시되어 있는 바, 이를 간단히 설명하면 다음과 같다.

도시된 바와 같이, 연료전지(1)의 전체 구성은 전기를 발생하는 발전기(10)의 일측에 연료 를 저장하기 위한 연료탱크(2)가 구비되어 있는데, 그 연료탱크(2)와 발전기(10)의 양극에는 연료공급라인(3)과 연료회수라인(4)으로 연결되어 있으며, 그 연료공급라인(3)에는 연료를 펌핑하기 위한 연료펌프(5)가 설치되어 있다.

그리고, 상기 발전기(10)의 음극에는 공기공급라인(6)과 공기배출라인(7)이 설치되어 있는데, 그 공기공급라인(6)에는 공급되는 공기를 펌핑하기 위한 공기펌프(8)가 설치되어 있다.

상기 발전기(10)는 일반적으로, 단일셀 또는 단일셀을 적층한 스택형태로 이루어지는데, 단일셀형태를 예로들어 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 유로(31)를 형성하는 분리판(SEPARATOR)(25)과, 그 분리판(25)의 양측에 배치되어양극(22)과 음극(23)의 집전극이 되는 집전판(26)으로 구성되어 있다.

상기와 같이 구성되어 있는 종래 연료전지는 기기의 동작 스위치가 온되면 연료펌프(5)에서 연료탱크(2)에 저장되어 있는 연료를 펌핑하여 연료공급라인(3)을 통하여 발전기(10)의 양극(연료극)에 공급함과 동시에 공기펌프(8)를 동작시켜서 공기공급라인(6)을 통하여 발전기(10)의 음극(공기극)으로 공기가 공급되도록 한다.

상기와 같이 발전기(10)에 공급되는 연료와 공기는 발전기(10)에서 고분자전해질막을 사이에 두고 흐르며 양극에서는 수소의 전기화학적 산화가 진행되고, 음극에서는 산소의 전기화학적 환원이 일어나며, 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기가 발생되는데, 이때 발생되는 전기를 집전판(26)에서 집전하여 에너지원으로 사용하게 된다.

이때의 반응식은

Anode : BH₄ ^-+ 8OH^-→BO₂ ^-+ 6H₂O + 8e^-E₀= 1.24 V

Cathode : 2O₂+ 4H₂O + 8e^-→BOH^-E₀= 0.4 V

Total : BH₄ ^-+ 2O₂→2H₂O + BO₂E₀= 1.64 V이고,

여기서 BH₄ ^-를 안정된 용액으로 만들기 위하여 일정양의 Na을 혼합하는데 그에 따른 부반응으로,

Anode : 2H₂O + NaBH₄+ 4H₂의 반응이 진행되고, 이때 발생되는 수소가스는 연료와 함께 기기의 내부에서 순환하게 된다.

그러나, 상기와 같은 종래의 연료전지는 발전기(10)의 양극(22)에서 부반응에 의하여 발생되는 수소가스가 기포상태로 전해질 막(21)과 양극(22)의 표면에 다량 부착되어짐에 따라 전해질 막(21)을 경계로 연료와 공기의 활발한 반응을 저해하며, 그에 따라 발전효율이 저하되는 문제점을 가지고 있었다.

상기와 같은 문제점을 감안하여 안출한 본 발명의 목적은 연료가 양극에서 부반응에 의하여 발생되는 기포상태의 수소가스가 전해질 막과 양극에 부착되는 것을 방지하여 전해질 막을 중심으로 연료와 공기의 활발한 전기화학반응이 일어나고, 그에 따라 발전효율이 향상되어지도록 하는데 적합한 B화합물을 연료로 하는 연료전지의 발전기 설치구조를 제공함에 있다.

도 1은 종래 연료전지의 구조를 보인 개략구성도.

도 2는 종래 단위셀의 구조를 보인 종단면도.

도 3은 본 발명의 B화합물을 연료로 하는 연료전지의 발전기 설치구조를 보인 일실시예의 종단면도.

도 4는 도 3의 변형예를 보인 정면도.

도 5는 본 발명에 다른실시예를 보인 정면도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

100 : 발전기 101 : 전해질 막

102 : 양극 103 : 음극

104 : 막-전극 접합체 105 : 분리판

106 : 집전판 C : 단위셀

S : 스택

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 전해질 막의 일측에 연료극인 양극이 접착되고, 타측에는 공기극인 음극이 접착되어 이루어진 막-전극 접합체와, 그 막-전극 접합체의 양측에 연료와 공기가 흐르는 유로가 형성되도록 설치되는 분리판과, 그 분리판의 양측면에 전기화학반응에 의해 생성되는 전기를 집전하기 위한 집전판이 밀착되어 조립된 발전기를 구비하는 연료전지에 있어서,

상기 발전기는 분리판에 의해 형성되는 유로의 내측을 흐르는 연료중에 발생되는 수소가스가 양극의 내측면에서 떨어진 상태로 순환되도록 음극방향으로 일정각도 기울어진 상태로 설치되는 것을 특징으로 하는 B화합물을 연료로 하는 연료전지의 발전기 설치구조가 제공된다.

이하, 상기와 같이 구성된 본 발명 B화합물을 연료로 하는 연료전지의 발전기 설치구조를 첨부된 도면의 실시예를 참고하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명의 B화합물을 연료로 하는 연료전지의 발전기 설치구조를 보인 일실시예의 종단면도이다.

도시된 바와 같이, 연료전지의 발전기(100)는 일정두께의 전해질 막(101)의 일측에 연료극인 양극(102)이 접착되고, 타측에는 공기극인 음극(103)이 접착되어 이루어진 막-전극 접합체(104)와, 그 막-전극 접합체(104)의 양측에 연료와 공기가 흐르는 유로가 각각 형성되도록 설치되는 분리판(105)과, 그 분리판(105)의 양측면에 밀착되도록 설치되어 전기를 집전하기 위한 집전판(106)으로 이루어진 단위셀(C:CELL)형태로 구성되어 있다.

그리고, 상기와 같이 구성되는 발전기(100)는 분리판(105)에 의해 형성되는 유로(107)의 내측을 흐르는 연료중에 발생되는 수소가스(H)가 양극(102)의 내측면에서 떨어진 상태로 순환되도록 음극(103)방향으로 일정각도(θ) 기울어진 상태로 설치되어 있다

상기 막-전극 접합체(104)의 전해질 막(101)은 고분자재료로 이루어진 이온교환막으로서 대표적으로 상품화된 전해질막(101)으로는 듀폰사의 Nafion막이 있으며 수소이온의 전달체 역할을 하는 동시에 산소와 수소의 접촉을 막는 역할을 하게 되고, 양극(102)과 음극(103)은 백금(Pt) 촉매층을 지지하는 지지체로서 다공성 탄소지(CARBON PAPER) 혹은 탄소천(CARBON CLOTH)이 전해질 막(101)의 양측에 접합된 구조로 되어 있다.

상기 분리판(105)은 치밀질의 카본 플레이트에 의해 형성되어 있고, 내측면에는 상기 양극(102)와 음극(103)에 밀착된 상태에서 연료 또는 공기가 흐를도록 유로를 형성하기 위한 유로형성홈(105a)이 형성되어 있다.

상기 집전판(106)은 전기전도성이 우수하고, 내식성이 우수하며, 수소취성이 발생되지 않는 것이 바람직 할 것이며, 구체적으로는 티타늄, 스테인레스, 동 등 상기 요구성능이 만족되는 것이라면 어느 것이라도 좋다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 연료전지의 발전기구조에서는 기기가 동작되면 발전기(100)의 양극(102)과 분리판(105) 사이에 형성된 유로(107)에는 수용액상태의 BH₄ ^-를 공급하고, 음극(103)과 분리판(105) 사이에 형성된 유로(107)에는 공기를 공급하게 된다.

그리고, 상기와 같이 공급되는 수용액상태의 BH₄ ^-과 공기가 전해질막(101)을 사이에 두고 유로(107)를 따라 흐르며 막-전극 접합체(104)의 양극(102) 전면에 확산이 되어 수소의 전기화학적 산화가 진행되고, 공기는 막-전극 접합체(104)의 음극(103) 전면에 확산되어 산소의 전기화학적 환원이 일어나며, 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기가 발생되는데, 이때 발생되는 전기를 집전판(106)에서 집전하여 에너지원으로 사용하게 된다.

또한, 상기와 같이 수용액 상태의 BH₄ ^-가 양극(102)에서 전기화학반응을 할때 첨가제인 Na에 의한 부반응에 의하여 수소가스(H)가 발생되는데, 그와 같이 발생되는 수소가스는 발전기(100)가 일정각도(θ)만큼 음극(103)방향으로 기울어진 상태로 설치되기 때문에 양극(102)에서 떨어져서 반대쪽인 분리판(105)의 유로홈(105a) 내측면을 따라 흐르므로, 연료와 공기의 반응이 수소가스(H)에 의해 거의 영향을 받지 않고 활발하게 이루어지게 된다.

도 4는 도 3의 변형예를 보인 정면도로서, 도시된 바와 같이, 연료전지의 발전기(100)를 이루는 기본구조는 전해질 막(101)의 일측에 연료극인 양극(102)이 접착되고, 타측에는 공기극인 음극(103)이 접착되어 이루어진 막-전극 접합체(104)와, 그 막-전극 접합체(104)의 양측에 연료와 공기가 흐르는 유로가 각각 형성되도록 설치되는 분리판(105)과, 그 분리판(105)의 양측면에 밀착되도록 설치되어 전기를 집전하기 위한 집전판(106)으로 이루어진 단위셀(CELL)로 구성된 것은 도 3과 동일하며, 그와 같은 단위셀을 여러개 적층하고, 볼트(201)를 이용하여 고정하여 스택(S:STACK)형태로 제작하되, 그 스택(S) 형태의 발전기(100) 전체를 음극(103) 방향으로 일정각도(θ) 기울어지도록 설치하여구성된다.

상기와 같이 스택(S) 형태로 제작되어 일정각도(θ)만큼 기울어지도록 설치된 발전기(100)도 도 3에서의 단위셀(C) 형태의 발전기(100)에서와 마찬가지로 발전시 스택(S)의 내부를 흐르는 연료중에 포함되어 있는 수소가스가 양극(102)에서 떨어진 상태로 순환되므로 수소가스에 의한 영향없이 연료와 공기의 전기화학반응이 활발하게 이루어지게 된다.

도 5는 본 발명에 다른실시예를 보인 종단면도로서, 도시된 바와 같이, 연료전지의 발전기(100)는 도 3에서와 같은 단위셀(C)을 적층하여 스택(S) 형태로 구성하되, 단위셀(C) 각각이 음극방향으로 일정각도(θ)를 가지고 기울어지도록 조립된 형태로서, 이와 같은 발전기(100) 역시 발전시 각각의 단위셀(C)을 흐르는 연료에서 발생되는 수소가스가 양극에서 떨어진 상태로 흐르기 때문에 연료와 공기의 반응에 영향을 주지 않게 된다.

상술한 실시예들에서 설명한 바와 같이 본 발명은 단위셀(C) 또는 스택(S) 형태의 발전기(100)를 음극방향으로 일정각도 기울어지도록 조립하거나 설치하여 발전시 부반응에 의해 발생되는 기포상태의 수소가스가 전해질 막에 접합된 양극에 존재하여 반응을 저해하는 것을 방지하고자 하는 것으로, 단위셀(C)과 스택(S)을 구성함에 있어 본 발명의 사상과 범주를 벗어나지 않는 범위내에서 얼마든지 응용이 가능할 것임을 밝혀둔다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 B화합물을 연료로 하는 연료전지의 발전기 설치구조는 수용액 상태의 BH₄ ^-와 공기의 전기화학반응으로 발전을 하는 단위셀 또는 스택형태의 발전기를 공기가 공급되는 음극방향으로 일정각도 기울어지도록 조립하거나 설치하여, 발전을 할때 부반응에 의해 생성되는 수소가스가 연료중에서 부유하여 양극에서 떨어진 상태로 흐르도록 함으로써, 연료와 공기의 활발한 반응이 이루어지게 되어 발전효율이 현격히 향상되는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 발전기의 양극에 연료가 공급되고 음극에 공기가 공급이되어 연료와 공기의 전기화학반응에 의해 전기를 생성하는 연료전지에 있어서,

   상기 발전기는 일정두께의 전해질 막 일측에 연료극인 양극이 접착되고, 타측에는 공기극인 음극이 접착되어 이루어진 막-전극 접합체와, 그 막-전극 접합체의 양측에 연료와 공기가 흐르는 유로가 형성되도록 설치되는 분리판과, 그 분리판의 양측면에 전기화학반응에 의해 생성되는 전기를 집전하기 위한 집전판이 밀착되어 조립된 단위셀 형태로 구성되고,

   그 단위셀 형태의 발전기는 분리판에 의해 형성되는 유로의 내측을 흐르는 연료중에 발생되는 수소가스가 양극의 내측면에서 떨어진 상태로 순환되도록 음극방향으로 일정각도 기울어지게 설치되는 것을 특징으로 하는 B화합물을 연료로 하는 연료전지의 발전기 설치구조.
2. 제 1항에 있어서, 상기 발전기는 여러개의 단위셀을 적층하여 조립하고, 그 조립된 스택을 음극방향으로 기울어지도록 설치한 것을 특징으로 하는 B화합물을 연료로 하는 연료전지의 발전기 설치구조.
3. 제 1항에 있어서, 상기 발전기는 여러개의 단위셀을 적층하여 조립하되, 그 각각의 단위셀이 음극방향으로 일정각도 기울어지게 조립한 것을 특징으로 하는 B화합물을 연료로 하는 연료전지의 발전기 설치구조.