KR20040003350A

KR20040003350A - 연료전지의 연료통 교체시기 알림장치

Info

Publication number: KR20040003350A
Application number: KR1020020038020A
Authority: KR
Inventors: 조태희; 박명석; 최홍; 김철환; 이명호; 황용준; 고승태; 허성근
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2002-07-02
Filing date: 2002-07-02
Publication date: 2004-01-13

Abstract

본 발명은 연료전지의 연료통 교체시기 알림장치에 관한 것으로, 본 발명은 전해질막과, 수소를 가지는 연료와 산소의 전기화학적 반응으로 전기를 발생하도록 상기 전해질막을 사이에 두고 양측에 적층하는 연료극과 공기극을 구비한 연료전지스택과; 연료전지스택의 연료극에 연료를 순환 공급할 수 있도록 폐루프 형상으로 연결하는 연료공급관과, 연료공급관의 중간에 착탈 가능하게 설치하여 수용액 상태의 수소화붕소(BH₄)를 채운 연료통과, 연료통의 출구측에 설치하여 연료를 펌핑하는 연료펌프와, 연료통 주변에 설치하여 연료의 농도를 검출하는 연료농도 검출기로 된 연료공급부와; 연료전지스택의 공기극에 연결하여 공기를 공급하는 공기공급부;를 포함함으로써, 사용중인 연료의 농도를 지속적으로 검출하여 항상 적정농도를 유지하도록 하고 이를 통해 연료전지 시스템의 효율저하와 각종 전기제품의 신뢰성 저하를 미연에 방지할 수 있다.

Description

연료전지의 연료통 교체시기 알림장치{FUELTANK TURNOVER DISPLAYER OF FUEL CELL}

본 발명은 연료전지를 이용하여 전기에너지를 얻는 에너지 발생시스템에 관한 것으로, 특히 B화합물(BH₄)을 연료로 하는 연료전지 시스템(BFC; Boron Fuel Cell)에서 연료의 교체시기를 용이하게 알려줄 수 있는 연료전지의 연료통 교체시기 알림장치에 관한 것이다.

인류가 사용하고 있는 에너지 중 대부분은 화석 연료에서 얻고 있다. 그러나 이러한 화석 연료의 사용은 대기오염 및 산성비, 지구 온난화 등의 환경에 심각한 악영향을 미치고 있으며, 에너지 효율도 낮은 등의 문제점이 있었다.

연료전지는 이러한 화석 연료의 대안으로 제시하는 것으로 통상의 전지(2차 전지)와는 달리 음극(anode)에 연료(수소가스나 탄화수소)를, 양극(cathode)에 산소를 외부로부터 공급하여 물의 전기분해 역반응으로 전기화학반응이 진행되어 전기와 열을 발생하는 전지계로서 실제로는 발전장치라고 볼 수 있다.

연료전지에 의한 발전 방법은 연료의 연소(산화)반응을 거치지 않고 수소와 산소의 전기화학적 반응을 거쳐 반응 전후의 에너지 차를 전기에너지로 직접 변환하는 방법이다.

연료전지를 전해질의 유형에 따라 분류하면, 200℃ 부근에서 작동하는 인산형 연료전지, 60 ~ 110℃에서 작동하는 알칼리 전해질형 연료전지, 상온 ~ 80 ℃에서 작동하는 고분자 전해질 연료전지, 약 500 ~ 700℃의 고온에서 작동하는 용융탄산염 전해질형 연료전지, 그리고 1000℃ 이상의 고온에서 작동하는 고체 산화물 연료전지 등이 있다.

이러한 연료전지는 도 1에서와 같이 통상 수소와 산소의 전기화학적 반응에 의해 전기에너지를 생성하도록 연료극(13)과 공기극(14)을 구비하는 연료전지스택(10)과, 수소를 포함한 수용액 상태의 수소화붕소((BH₄),실제로는 수소화붕소나트륨(NaBH₄))을 상기한 연료극(13)에 공급하는 연료공급부(20)와, 산소를 포함한 공기를 상기한 공기극(14)에 공급하는 공기공급부(30)와, 연료전지스택(10)에서 생성하는 전기에너지를 부하에 공급하는 전기에너지 출력부(미도시)를 포함하고 있다.

연료공급부(20)는 연료를 연료극(13)에 순환 공급할 수 있도록 연료전지스택(10)의 연료극(13)에 폐루프 형상으로 연결하는 연료공급관(21)과, 연료공급관(21)의 중간에 착탈 가능하게 연결하여 일정량의 수소화붕소나트륨을 채운 연료통(22)과, 연료통(22)과 연료전지스택(10)의 연료극(13) 사이의 연료공급관(21)에 설치하여 연료를 연료전지스택의 연료극(13)으로 펌핑 공급하는 연료펌프(23)로 이루어져 있다.

도면중 미설명 부호인 11은 싱글셀, 12는 전해질막, 15 및 16은 분리판, 17 및 18은 집전판, 31은 공기공급관, 32는 공기펌프이다.

상기와 같은 종래 연료전지에 연료를 공급할 때 전기에너지가 발생하는 과정은 다음과 같다.

즉, 제어부의 지령에 따라 연료펌프(23)가 구동하여 연료통(22)에서 연료인 수용액 상태의 BH₄를 펌핑한 후 연료전지스택(10)의 연료극(13)에 공급하고 이 연료는 공기극(14)으로 공급받는 산소와 전기 화학적으로 반응하여 물을 생성함과 아울러 두 전극 사이에서 전류를 발생한다.

이를 보다 상세히 살펴 보면, 연료극(13)측에서는 연료에서 전기화학적 산화반응인

BH₄ ^-+ 8OH^-→BO₂ ^-+ 6H₂O+ 8e^-이 발생하여 전해질막(12)에서는 산화/환원 반응에 의해 생긴 이온을 전달하고,

공기극(14)에서는 공급한 공기(산소)의 전기화학적 환원반응인

2O₂+ 4H₂O+ 8e^-→8OH^-이 발생한다.

이에 따라 연료극(13)과 공기극(14)의 사이에 기전력이 발생하고, 이 기전력을 다수개의 싱글셀(11)을 적층한 연료전지스택(10)의 양단에 설치한 집전판(17,18)을 통하여 출력하며, 집전판(17,18)에서 출력하는 전류는 부하로 공급하는 것이었다.

그러나, 상기와 같은 종래 연료전지에 있어서는, 반응을 지속함에 따라 연료의 농도가 묽어 지지면서 연료전지의 성능이 저하하므로 적절한 시점에서 연료통(22)을 교체하여야 함에도 불구하고 연료통(22)의 교체시기를 알려주는 장치가 없어 연료전지를 효율적으로 사용하지 못할 뿐만 아니라 필요한 때에 필요한 만큼의 전압을 생산하지 못할 수도 있어 각종 전기 제품을 사용하는데도 불편이 있었다.

본 발명의 목적은 상기와 같은 종래 연료전지가 가지는 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 반응중에 연료의 농도를 감지하여 연료통의 교체시기를 알려줄 수 있는 연료전지의 연료통 교체시기 알림장치를 제공하려는데 본 발명의 목적이 있다.

도 1은 종래 연료전지의 일례를 보인 계통도.

도 2는 본 발명 연료전지의 일례를 보인 계통도.

도 3은 본 발명 연료전지의 연료농도 검출부를 보인 개략도.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **

21 : 연료공급관 22 : 연료통

23 : 연료펌프 100 : 연료농도 검출부

110 : 전기전도도 센서 120 : 표시기

본 발명의 목적을 달성하기 위하여 전해질막과, 수소를 가지는 연료와 산소의 전기화학적 반응으로 전기를 발생하도록 상기 전해질막을 사이에 두고 양측에 적층하는 연료극과 공기극을 구비한 연료전지스택과; 연료전지스택의 연료극에 연료를 순환 공급할 수 있도록 폐루프 형상으로 연결하는 연료공급관과, 연료공급관의 중간에 착탈 가능하게 설치하여 수용액 상태의 수소화붕소(BH₄)를 채운 연료통과, 연료통의 출구측에 설치하여 연료를 펌핑하는 연료펌프와, 연료통 주변에 설치하여 연료의 농도를 검출하는 연료농도 검출기로 된 연료공급부와; 연료전지스택의 공기극에 연결하여 공기를 공급하는 공기공급부;를 포함한 연료전지의 연료통 교체시기 알림장치를 제공한다.

이하, 본 발명에 의한 연료전지의 연료통 교체시기 알림장치를 첨부도면에도시한 일실시예에 의거하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명 연료전지의 일례를 보인 계통도이고, 도 3은 본 발명 연료전지의 연료농도 검출부를 보인 개략도이다.

이에 도시한 바와 같이 본 발명에 의한 연료전지는 수소와 산소의 전기화학적 반응에 의해 전기에너지를 생성하도록 연료극(13)과 공기극(14)을 구비하는 연료전지스택(10)과, 수소를 포함한 수소화붕소나트륨(NaBH₄)을 상기한 연료극(13)에 공급하고 이 연료의 교체시기 표시기능을 구비하는 연료공급부(20)와, 산소를 포함한 공기를 상기한 공기극(14)에 공급하는 공기공급부(30)와, 연료전지스택(10)에서 생성하는 전기에너지를 부하에 공급하는 전기에너지 출력부(미도시)를 포함한다.

연료공급부(20)는 연료를 연료극(13)에 순환 공급할 수 있도록 연료전지스택(10)의 연료극(13)에 폐루프 형상으로 연결하는 연료공급관(21)과, 연료공급관(21)의 중간에 착탈 가능하게 연결하여 일정량의 수소화붕소나트륨을 채운 연료통(22)과, 연료통(22)과 연료전지스택(10) 사이의 연료공급관(21)에 설치하여 연료를 연료전지스택(10)으로 펌핑 공급하는 연료펌프(23)와, 연료통(22)의 내부에 설치하여 연료인 수소화붕소나트륨의 농도를 산출하는 연료농도 검출부(100)로 이루어진다.

연료농도 검출부(100)는 도 3에 도시한 바와 같이 연료통(22) 내부에 설치하여 연료의 전기전도도를 측정함으로써 수소화붕소나트륨의 농도를 산출하는 전기전도도 센서(110)와, 전기전도도 센서(110)에 연결하여 연료통(22)의 외부에 설치함으로써 측정값과 설정값의 차이를 통해 연료통(22)의 교체시기를 외부로 알려주는 표시기(120)로 이루어진다.

도면중 종래와 동일한 부분에 대하여는 동일한 부호를 부여하였다.

상기와 같은 본 발명 연료전지의 연료통 교체시기 알림장치는 다음과 같은 작용 효과를 갖는다.

즉, 연료극(13)으로는 수소를 포함한 수소화붕소나트륨(NaBH₄)을 공급하는 동시에 공기극(14)으로는 산소를 포함한 공기를 공급하여 전해질막(12)과 반응하면서 이온을 형성한다. 이온은 전기화학반응을 일으켜 물을 형성하는 과정에서 연료극(13)에서 전자가 생성하여 공기극(14)으로 이동하면서 결국 전기를 발생시킨다

이를 보다 상세히 살펴 보면, 연료극(13)측에서는 전기화학적 산화반응인

BH₄ ^-+ 8OH^-→ BO₂ ^-+ 6H₂O+ 8e^-이 발생하여 전해질막(12)에서는 산화/환원 반응에 의해 생긴 이온을 전달하고,

2O₂+ 4H₂O+ 8e^-→ 8OH^-이 발생한다.

이러한 반응을 지속하는 과정 중에 연료는 연료통(22)과 연료전지스택(10)을 순환하면서 연료인 수소화붕소나트륨(NaBH₄)의 농도가 점차 낮아지게 된다. 이를 연료통(22)에 설치한 전기전도도 센서(110)가 경과시간의 증가에 따른 전도도의 감소를 감지하여 연료의 농도를 검출하고 이 검출한 값이 미리 설정한 값 이하로 떨어지는 경우에는 연료통(22)을 교체하여야 한다고 판단하여 표시기(120)를 통해 음향이나 색상으로 표시한다. 그러면 이를 인식한 사용자는 사용중인 연료통(22)을 연료공급관(21)에서 떼낸 후 새로운 연료통을 장착하여 연료전지를 재가동함으로써 연료전지를 효율적으로 사용할 수 있다.

이렇게 하여, 연료를 사용할 때 연료의 농도를 지속적으로 검출하여 연료전지의 연료가 항상 적정 농도를 유지하도록 함으로써 연료의 농도저하 또는 과농도로 인한 시스템의 효율 저하를 미연에 막고 사용중인 각종 전기제품의 신뢰성을 유지할 수 있다.

본 발명에 의한 연료전지의 연료통 교체시기 알림장치는, 연료통에 전기전도도 센서를 설치하고 이 전기전도도 센서와 표시기를 연결하여 연료통 외부에 설치함으로써, 사용중인 연료의 농도를 지속적으로 검출하여 항상 적정농도를 유지하도록 하고 이를 통해 연료전지 시스템의 효율저하와 각종 전기제품의 신뢰성 저하를 미연에 방지할 수 있다.

본 발명은 상술한 실시례로서만 국한되는 것은 아니고 본 발명의 사상 및 범위내에서 다양한 변형이 가능한 것이다.

Claims

전해질막과, 수소를 가지는 연료와 산소의 전기화학적 반응으로 전기를 발생하도록 상기 전해질막을 사이에 두고 양측에 적층하는 연료극과 공기극을 구비한 연료전지스택과;

연료전지스택의 연료극에 연료를 순환 공급할 수 있도록 폐루프 형상으로 연결하는 연료공급관과, 연료공급관의 중간에 착탈 가능하게 설치하여 수용액 상태의 수소화붕소(BH₄)를 채운 연료통과, 연료통의 출구측에 설치하여 연료를 펌핑하는 연료펌프와, 연료통 주변에 설치하여 연료의 농도를 검출하는 연료농도 검출기로 된 연료공급부와;

연료전지스택의 공기극에 연결하여 공기를 공급하는 공기공급부;를 포함한 연료전지의 연료통 교체시기 알림장치.
제1항에 있어서,

연료농도 검출기는 연료의 전기전도도를 검출하고 이를 통해 연료의 농도를 산출하는 전기전도도 센서인 것을 특징으로 하는 연료전지의 연료통 교체시기 알림장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,

연료농도 검출기는 검출부를 연료통 내부에 설치하는 것을 특징하는 연료전지의 연료통 교체시기 알림장치.
제1항에 있어서,

연료공급부는 연료농도 검출기와 연결하여 그 검출값이 설정값 이하일 경우 이를 외부로 알릴 수 있도록 표시기를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 연료통 교체시기 알림장치.