KR20040000574A

KR20040000574A - 연료전지의 성능조절장치

Info

Publication number: KR20040000574A
Application number: KR1020020035064A
Authority: KR
Inventors: 조태희; 박명석; 최홍; 김철환; 이명호; 황용준; 고승태; 허성근
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2002-06-21
Filing date: 2002-06-21
Publication date: 2004-01-07

Abstract

본 발명의 연료전지의 성능조절장치는 발전기(101)의 양극(122)에는 연료를 공급하기 위한 연료공급라인(103)과 반응하고난 후의 연료를 회수하기 위한 연료회수라인(104)이 연결되어 있고, 발전기(101)의 음극(123)에는 공기를 공급하기 위한 공기공급라인(107)과 반응후의 공기를 배출하기 위한 공기배출라인(108)이 연결되어, 양극(122)에서의 전기화학적인 산화와 음극에서의 전기화학적인 환원에 의하여 전기가 발생이되는 연료전지에서, 상기 발전기(101)의 전압값을 검출하기 위한 전압 측정기(112)와, 그 전압 측정기(112)에서 측정된 전압값을 규정값과 비교하기 위한 콘트롤러(113)를 구비하여, 상기 전압 측정기(112)에서 검출된 측정값이 규정값을 벗어나는 경우에 발전기(101)의 이상부위를 수리하거나 연료펌프(109) 또는 에어컴프레서(110)를 조정함으로써, 정상동작이 이루어지도록 신속하게 조치를 취하는 동시에 전체 시스템의 성능이 항상 정상상태를 유지할 수 있도록 조정하게 된다.

Description

연료전지의 성능조절장치{PERPORMANCE CONTROLL APPARATUS OF FUEL CELL}

본 발명은 외부로 부터 공급되는 연료와 공기의 전기화학반응을 통하여 전기를 생성하는 연료전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 발전기의 전압을 측정하여 발전성능을 판단하고 이상발생시 대응조치를 취할 수 있도록 한 연료전지의 성능조절장치에 관한 것이다.

일반적으로, 연료전지 시스템(FUEL CELL SYSTEM)은 연료가 가지고 있는 에너지를 직접 전기적 에너지로 변환하는 장치로서, 이러한 연료전지 시스템은 통상 고분자 전해질 막을 중심으로 양쪽에 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.

이와 같은 연료전지에 공급되는 수소는 LNG, LPG, CH₃OH, 가솔린 등의 탄화수소계(CH계열) 연료를 개질기에서 탈황공정→개질반응→수소정제공정을 거쳐 수소(H₂)만을 정제하여 가스형태로 사용하는 PEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)와, 고체상태의 BH₄ ^-를 수용액 상태로 만들어 직접 연료로 사용하는 BFC(Boron Fuel Cell) 등이 소개되고 있다.

종래 BFC의 개략적인 구성이 도 1에 도시되어 있는 바, 이를 간단히 설명하면 다음과 같다.

도시된 바와 같이, 연료전지(1)의 전체 구성은 전기를 발생하는 발전기(2)의 일측에 수용액 상태의 BH₄ ^-를 저장하기 위한 연료탱크(3)가 구비되어 있는데, 그 연료탱크(3)와 발전기(2)의 양극에는 연료공급라인(4)과 연료회수라인(5)으로 연결되어 있으며, 그 연료공급라인(4)에는 연료를 펌핑하기 위한 연료펌프(6)가 설치되어 있다.

그리고, 상기 발전기(2)의 음극에는 공기공급라인(7)과 공기배출라인(8)이 설치되어 있는데, 그 공기공급라인(7)에는 공급되는 공기를 펌핑하기 위한 에어 컴프레서(9)가 설치되어 있다.

또한, 상기 발전기(1)의 출력단에는 연료전지(1)의 발전기(2)에서 출력되는 파워(Power)를 검출하기 위한 파워 미터(Power Meter)(10)가 설치되어 있고, 그와 같이 설치된 파워 미터(10)에서 검출된 파워값을 참고로 전체 성능을 콘트롤 하는 콘트롤러(11)가 별도로 구비되어 있다.

미설명 부호 12는 전력변환기이다.

상기와 같이 구성되어 있는 종래 연료전지는 기기의 동작 스위치가 온되면 연료펌프(6)에서 연료탱크(3)에 저장되어 있는 수용액 상태의 BH₄ ^-를 펌핑하여 연료공급라인(4)을 통하여 발전기(2)의 양극에 공급함과 동시에 에어컴프레서(9)를 동작시켜서 공기공급라인(7)을 통하여 발전기(2)의 음극으로 공기가 공급되도록 한다.

상기와 같이 발전기(2)에 공급되는 수용액 상태의 BH₄ ^-와 공기는 발전기(2)의 양극에서는 수소의 전기화학적 산화가 진행되고, 음극에서는 산소의 전기화학적 환원이 일어나며, 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기가 발생되는데, 이때 발생되는 전기를 집전판(미도시)에서 집전하여 에너지원으로 사용하게 된다.

이때의 반응식은

BH₄ ^-+ 2O₂→2H₂O + BO₂E₀= 1.64 V이다.

한편, 상기와 같이 발전기(2)의 발전에 의해 발생되는 전기는 출력되어 부하를 가동하게되는데, 그때 출력되는 파워는 파워 미터(10)에서 검출되어지고, 그와 같이 검출된 파워값은 콘트롤러(11)에서 설정값과 비교하여 설정값을 벗어나는 경우에는 연료펌프(6) 또는 에어컴프레서(9)의 동작을 조정하여 설정된 파워값이 출력이되도록 조정되어 진다.

그러나, 상기와 같은 종래의 연료전지(1)에서는 전체 성능을 출력단에서 파워 미터(10)를 이용하여 검출하고, 그 파워 미터(10)에서 검출된 값을 콘트롤러(11)에서 설정된 값과 비교하도록 되어 있어서, 기기의 전체 성능을 판단할수는 있으나 실제 발전이 이루어지는 발전기(2)의 이상여부 및 이상부위를 판단하기는 어려워서 이상발생시 이상발생의 원인파악 및 적절한 조치를 취하는 것이 불가능한 문제점을 가지고 있었다.

상기와 같은 문제점을 감안하여 안출한 본 발명의 목적은 기기의 이상이 발생되는 경우에 이상발생부위를 용이하게 파악하여 신속하게 적절한 조치를 취할 수 있도록 하는데 적합한 연료전지의 성능조절장치를 제공함에 있다.

도 1은 종래 연료전지의 구조를 보인 개략구성도.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 성능조절장치를 구비한 연료전지의 구성도.

도 3은 본 발명에서의 단위셀을 보인 종단면도.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 성능조절장치를 구비한 연료전지의 구성도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

101 : 발전기 103 : 연료공급라인

104 : 연료회수라인 107 : 공기공급라인

108 : 공기배출라인 112 : 전압 측정기

113 : 콘트롤러

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 발전이 이루어지는 발전기의 양극에는 연료를 공급하기 위한 연료공급라인과 반응하고난 후의 연료를 회수하기 위한 연료회수라인이 연결되어 있고, 발전기의 음극에는 공기를 공급하기 위한 공기공급라인과 반응후의 공기를 배출하기 위한 공기배출라인이 연결되어, 양극에서의 전기화학적인 산화와 음극에서의 전기화학적인 환원에 의하여 전기가 발생이되는 연료전지에 있어서,

상기 발전기의 전압을 검출하는 전압 측정기와, 그 전압측정기에서 검출된 전압값을 기준값과 비교하여 이상발생부위를 검출하거나 성능을 조정하기 위한 콘트롤러를 구비하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 성능조절장치가 제공된다.

이하, 상기와 같이 구성된 본 발명의 연료전지의 성능조절장치를 첨부된 도면의 실시예를 참고하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 성능조절장치를 구비한 연료전지의 구성도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지(100)는 수용액 상태의 BH₄와 공기의 전기화학반응에 의해 발전이 이루어지는 발전기(Generator)(101)와 일정거리를 두고 발전기(101)의 양극(ANODE)에 공급되는 수용액 상태의 BH₄를 저장하는 연료탱크(Fuel Tank)(102)가 설치되어 있는데, 그 연료탱크(102)의 하부와 발전기(101)의 양극(ANODE) 입구부는 연료를 공급할 수 있도록 연료공급라인(103)으로 연결되어 있고, 양극(ANODE)의 출구부와 연료탱크(102)의 상부는 반응후의 연료가 회수될 수 있도록 연료회수라인(104)으로 연결되어 있다.

그리고, 상기 발전기(101)의 음극(CATHODE) 입구부에는 공기가 공급되어질 수 있도록 공기공급라인(107)이 설치되어 있고, 음극(CATHODE)의 출구부에는 반응하고난 후의 공기가 배출되어질 수 있도록 공기배출라인(108)이 설치되어 있다.

또한, 상기 연료공급라인(103)에는 발전기(101)로 공급되는 연료를 펌핑하기 위한 연료펌프(109)가 설치되어 있고, 상기 공기공급라인(107)에는 발전기(101)로 공급되는 공기를 송풍하기 위한 에어컴프레서(Air Compressor)(110)가 설치되어 있다.

상기 발전기(101)는 단위셀(111)이 여러개 적층되어 이루어진 스택형태(S:STACK TYPE)이고, 그와 같은 스택형태의 발전기(101)에는 발전기(101)의 전체에서 발생되는 전압을 검출하기 위한 전압 측정기(Voltmeter)(112)가 설치되어 있는데, 상기 발전기(101)의 주변에는 상기 전압 측정기(112)에서 검출된 전압값을 참고로 이상발생부위를 수리하거나 연료펌프(109) 또는 에어컴프레서(110)의 동작을 조정하기 위한 콘트롤러(Controller0(113)가 설치되어 있다.

도 3은 상기 발전기(101)의 단일셀구조를 보인 것으로, 도시된 바와 같이, 전해질 막(121)의 양측에 가스를 확산시키기 위한 양극(122)과 음극(123)이 접합되어 이루어진 막-전극 접합체(MEA:MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY)(124)와, 그 막-전극 접합체(124)의 양측에 밀착되도록 조립되어 양극(122)과 음극(123)에서 연료가스 및 산소함유가스의 유로(125)를 형성하는 분리판(SEPARATOR)(126)과, 그 분리판(126)의 양측에 배치되어 양극(122)과 음극(123)의 집전극이 되는 집전판(127)으로 구성되어 있다.

상기 막-전극 접합체(124)의 전해질 막(121)은 고분자재료로 이루어진 이온교환막으로서 대표적으로 상품화된 전해질막(121)으로는 듀폰사의 Nafion막이 있으며 수소이온의 전달체 역할을 하는 동시에 산소와 수소의 접촉을 막는 역할을 하게 되고, 양극(122)과 음극(123)은 수소저장합금으로된 촉매층을 지지하는 지지체로서 다공성 탄소지(CARBON PAPER) 혹은 탄소천(CARBON CLOTH)이 전해질 막(121)의 양측에 접합된 구조로 되어 있다.

상기 분리판(126)은 치밀질의 카본 플레이트로 이루어지고, 내측에는 유체가 흐르도록 복수개의 유로홈(126a)이 형성되어 있다.

상기 집전판(127)은 전기전도성이 우수하고, 내식성이 우수하며, 수소취성이 발생되지 않는 것이 바람직 할 것이며, 구체적으로는 티타늄, 스테인레스, 동 등 상기 요구성능이 만족되는 것이라면 어느 것이라도 좋다.

도면중 미설명 부호 114는 전력 변환기이다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지의 성능조절장치에서는 기기의 동작스위치가 온(On)되면 연표펌프(109)에서 연료탱크(102)에 저장되어 있는 수용액 상태의 BH₄를 펌핑하여 연료공급라인(103)을 통하여 발전기(101)의 양극(122)으로 공급되어 진다.

그리고, 상기 에어컴프레서(110)에서는 공기공급라인(107)을 통하여 발전기(101)의 음극(123)에 공기를 공급하게 되는데, 그와 같이 공급되어지는 수용액 상태의 BH₄는 전해질 막(121)을 사이에 두고 양극(122)의 외측면에 형성된 유로(125)를 따라 흐르며 확산이 되고, 공기는 음극(123)의 외측면에 형성된 유로(125)를 따라 흐르며 확산이 되며, 양극(122)에서는 전기화학적인 산화가 진행되며 음극(123)에서는 전기화학적인 환원이 진행되어 전자의 이동으로 전기가 발생이되는데, 그때 발생되는 전기를 집전판(127)에서 집전하여 전원으로 이용하게 된다.

상기 발전기(101)에서의 발생되는 반응의 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 V이다.

한편, 상기와 같이 발전기(101)에서 발전이 이루어질때에 전압 측정기(112)에서는 발전기(101) 전체의 전압을 측정하게 되는데, 그와 같이 측정된 전압값은콘트롤러(113)에서 규정값과 비교하여 이상이 발생되면 발전기(101)의 이상부위를 수리하거나 연료펌프(109) 또는 에어컴프레서(110)의 동작을 조정하여 적정수준의 발전이 이루어지도록 조정하게 된다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 성능조절장치를 구비한 연료전지의 구성도로서, 기본적인 구성은 도 2의 일실시예와 동일하므로 동일부분에 대하여는 동입부호를 부여하고 상세한 설명은 생략한다.

본 실시예에서는 스택형태의 발전기(101)에서 단위셀(111)의 전압값을 전압측정기(112)에서 검출하고, 그 측정된 검출값을 콘트롤러(113)에서 규정값과 비교하여 이상발생시 발전기(101)를 수리하거나 연료펌프(109) 또는 에어컴프레서(110)의 동작을 조정하도록 되어 있다.

즉, 본 발명에서는 스택형태로된 발전기(101) 전체의 전압값을 검출하거나 단일셀(111)의 전압값을 검출하여, 규정된 전압값이 나오지 않는 경우에 발전기(101)의 이상부위를 수리하거나 연료펌프(109) 또는 에어컴프레서(110)의 동작을 조정하여 연료전지(100)의 성능이 항상 일정수준을 유지할 수 있도록 조정되어진다.

또한, 상기의 실시예에서는 연료로 수용액 상태의 BH₄ ^-를 사용하는 발전방식인 BFC의 경우를 예로들어 설명하였으나, 꼭 그에 한정하는 것은 아니고, 수소가스를 사용하는 발전방식인 PEMFC에서도 동일한 형태의 성능조절장치로 전체 시스템의 성능을 조정할 수 있을뿐 아니라, 기타 유사 형태의 연료전지에서도 본 발명의 사상과 범주를 벗어나지 않는 범위내에서 얼마든지 응용이 가능하다

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 연료전지의 성능조절장치는 여러개의 단위셀이 적층되어 스택형태로된 발전기의 전압값을 검출하기 위한 전압 측정기를 설치하고, 그 전압 측정기에서 측정된 전압값을 규정값과 비교하기 위한 콘트롤러를 설치하여, 상기 전압 측정기에서 검출된 측정값이 규정값을 벗어나는 경우에 발전기의 이상부위를 수리하거나 연료펌프 또는 에어컴프레서를 조정함으로써, 연료전지의 이상이 발생되는 경우에 신속하게 조치를 취할수 있는 동시에 전체 시스템의 성능이 항상 정상상태를 유지하게 되어 시스템의 신뢰성이 확보되는 효과가 있다.

Claims

발전이 이루어지는 발전기의 양극에는 연료를 공급하기 위한 연료공급라인과 반응하고난 후의 연료를 회수하기 위한 연료회수라인이 연결되어 있고, 발전기의 음극에는 공기를 공급하기 위한 공기공급라인과 반응후의 공기를 배출하기 위한 공기배출라인이 연결되어, 양극에서의 전기화학적인 산화와 음극에서의 전기화학적인 환원에 의하여 전기가 발생이되는 연료전지에 있어서,

상기 발전기의 전압을 검출하는 전압 측정기와, 그 전압측정기에서 검출된 전압값을 기준값과 비교하여 이상발생부위를 검출하거나 성능을 조정하기 위한 콘트롤러를 구비하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 성능조절장치.
제 1항에 있어서, 상기 발전기는 수용액 상태의 BH₄ ^-를 연료로 이용하는 BFC방식의 발전기인 것을 특징으로 하는 연료전지의 성능조절장치.
제 1항에 있어서, 상기 발전기는 수소가스를 연료로 이용하는 PEMFC방식의 발전기인 것을 특징으로 하는 연료전지의 성능조절장치.
제 1항에 있어서, 상기 전압 측정기는 발전기의 전체 전압을 검출할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 연료전지의 성능조절장치.
제 1항에 있어서, 상기 전압 측정기는 발전기의 단위셀 전압을 검출할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 연료전지의 성능조절장치.