KR20040003351A

KR20040003351A - 연료전지의 연료통 교체시기 알림장치 및 그 알림방법

Info

Publication number: KR20040003351A
Application number: KR1020020038021A
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
Also published as: KR100872427B1

Abstract

본 발명은 연료전지의 연료통 교체시기 알림장치 및 그 알림방법에 관한 것으로, 본 발명은 전해질막과, 이 전해질막의 양측에 설치하는 연료극과 공기극으로 이루어져 연료극에는 수소를 가지는 연료를 공급하는 반면 공기극에는 산소를 가지는 공기를 공급하여 수소와 산소의 전기화학적 반응으로 전기를 발생하도록 하는 연료전지스택과; 연료전지스택의 연료극에 연료를 순환 공급할 수 있도록 폐루프 형상으로 연결하는 연료공급관과, 연료공급관의 중간에 착탈 가능하게 설치하여 수용액 상태의 수소화붕소(BH₄)를 채워 병렬로 연결하는 적어도 한 개 이상의 연료통과, 연료통의 출구측에 설치하여 연료를 펌핑하는 연료펌프와, 연료통의 무게를 검출하는 연료통무게 검출기와, 연료통 주변에 설치하여 연료의 농도를 검출하는 연료농도 검출기로 된 연료공급부와; 연료전지스택의 공기극에 연결하여 공기를 공급하는 공기공급부;를 포함함으로써, 연료의 농도가 항상 적정농도를 유지하도록 하고 이를 통해 연료전지 시스템의 효율저하와 각종 전기제품의 신뢰성 저하를 미연에 방지할 수 있다.

Description

연료전지의 연료통 교체시기 알림장치 및 그 알림방법{FUELTANK TURNOVER DISPLAYER OF FUEL CELL AND METHOD THEREOF}

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 알림장치 및 그 알림방법에 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 알림장치 및 그 알림방법을 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.

도 4는 본 발명 연료전지의 연료농도 검출과정과 연료통 교체시기 알림과정을 보인 블록도.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **

21 : 연료공급관 22 : 연료통

23 : 연료펌프 100 : 연료통 교체시기 알림부

110 : 연료통무게 검출기 120 : 연료농도 검출기

130 : 표시기

본 발명의 목적을 달성하기 위하여 전해질막과, 이 전해질막의 양측에 설치하는 연료극과 공기극으로 이루어져 연료극에는 수소를 가지는 연료를 공급하는 반면 공기극에는 산소를 가지는 공기를 공급하여 수소와 산소의 전기화학적 반응으로 전기를 발생하도록 하는 연료전지스택과; 연료전지스택의 연료극에 연료를 순환 공급할 수 있도록 폐루프 형상으로 연결하는 연료공급관과, 연료공급관의 중간에 착탈 가능하게 설치하여 수용액 상태의 수소화붕소(BH₄)를 채워 병렬로 연결하는 적어도 한 개 이상의 연료통과, 연료통의 출구측에 설치하여 연료를 펌핑하는 연료펌프와, 연료통의 무게를 검출하는 연료통무게 검출기와, 연료통 주변에 설치하여 연료의 농도를 검출하는 연료농도 검출기로 된 연료공급부와; 연료전지스택의 공기극에 연결하여 공기를 공급하는 공기공급부;를 포함한 연료전지의 연료통 교체시기 알림장치를 제공한다.

또, 연료통을 설치할 때 연료통무게와 연료농도를 검출하는 단계와, 연료통 설치시 검출한 연료통무게와 연료농도를 이용하여 최초사용가능전력량을 산출하는 단계와, 연료 사용시 지속적으로 연료통무게와 연료농도를 검출하여 사용전력량을 산출하는 단계와, 최초사용가능전력량과 사용전력량을 비교하는 단계와, 사용전력량이 최초사용가능전력량을 초과하는 순간 연료통을 교체하라고 알리는 단계로 수행함을 특징으로 하는 연료전지의 연료통 교체시기 알림장치를 제공한다.

이하, 본 발명에 의한 연료전지의 연료통 교체시기 알림장치 및 그 알림방법을 첨부도면에 도시한 일실시예에 의거하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명 연료전지의 일례를 보인 계통도이고, 도 3은 본 발명 연료전지의 연료농도 검출부를 보인 개략도이며, 도 4는 본 발명 연료전지의 연료농도 검출과정과 연료통 교체시기 알림과정을 보인 블록도이다.

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 있도록연료전지스택(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 교체시기를 산출하여 외부로 알려주는 연료통 교체시기 알림부(100)로 이루어진다.

연료통 교체시기 알림부(100)는 도 3에 도시한 바와 같이 연료통(22)의 설치시 그 연료통(22)의 무게를 검출하는 연료통무게 검출기(110)와, 연료통(22) 주변에 설치하여 연료의 농도를 검출하는 연료농도 검출기(120)와, 연료통무게 검출기(110)와 연료농도 검출기(120)에 함께 연결하여 연료통무게와 연료농도의 변화를 통해 연료통의 교체시기를 외부로 알려주는 표시기(130)로 이루어진다.

연료통무게 검출기(110)는 연료통(22)을 설치할 때와 연료를 사용할 때 연료통(22)의 무게를 자동으로 검출할 수 있도록 연료통(22)을 설치하는 위치의 바닥면에 고정 설치하는 것이 바람직하다. 이 연료통무게 검출기(110)는 연료통(22)을 복수 개 구비하는 경우 각각의 연료통(22)에 대해 독립적으로 설치한다.

연료농도 검출기(120)는 연료의 전기전도도를 측정하여 수소화붕소나트륨의 농도를 산출하도록 연료통 내부에 설치하는 전기전도도 센서로 이루어진다. 이 연료농도 검출기(120) 역시 연료통(22)을 복수 개 구비하는 경우 각각의 연료통(22)에 독립적으로 설치하는 것이 바람직하다.

표시기(130)는 연료통(22)의 교체시기를 음향 또는 색상을 이용하여 외부로 알려주는 표시부는 물론 상기한 연료통무게 검출기(110)와 연료농도 검출기(110)의검출값을 설정값과 비교하여 연료통의 교체시기 또는 연료통의 잔량시간을 산출할 수 있는 판단부를 포함한다.

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 낮아져 연료전지의 효율은 물론 각종 전기제품의 신뢰성도 저하한다. 그리고 이를 사용자가 인식하지 못하여 그대로 방치하는 경우에는 연료전지의 파손으로까지 이어질 우려가 있다.

따라서, 적정한 시점에서 연료통(22)을 교체하여 새로운 연료를 지속적으로 공급하여야 하는데, 본 발명은 다음과 같은 단계를 밟아가면서 연료통(22)의 교체시기를 산출하고 이를 사용자에게 알려준다.

즉, 도 4에 도시한 바와 같이 연료통(22)을 장착할 때 그 설치면에 구비한 연료통무게 검출기(110)가 연료통(22)의 최초 무게를 검출함과 아울러 그 연료통(22)에 설치한 연료농도 검출기(120)가 연료통(22) 내부의 연료에 대한 최초농도를 검출하고 이를 미리 저장한 기준값을 이용하여 최초사용가능전력량을 산출한다.

이후, 연료를 사용하는 중에 지속적으로 연료통(22)의 무게와 연료농도를 검출하면서 이를 미리 저장한 기준값과 대비하여 사용전력량을 산출한다.

이후, 사용전력량이 최초사용가능전력량을 초과하는 순간 표시기(130)의 판단부에서는 연료통(22)을 교체하여야 하는 시점이라고 판단하여 표시기(130)의 표시부를 통해 음향이나 색상으로 알려준다. 이때, 판단부에서는 최초사용가능전력량과 사용전력량을 비교하여 현재사용가능전력량을 산출할 수도 있고 이를 표시부를 통해 남은 시간으로 표시할 수도 있다.

그러면 사용자는 사용중인 연료통(22)을 잠그고 떼어낸 후 새로운 연료통(22)으로 교체한 후 연료전지를 재기동한다.

이렇게 하여, 연료의 교체시기를 알려줌에 따라 연료의 농도저하 또는 과농도로 인한 시스템의 효율 저하를 미연에 막고 사용중인 각종 전기제품의 신뢰성을 유지할 수 있다.

본 발명에 의한 연료전지의 연료통 교체시기 알림장치 및 그 알림방법은, 연료통의 최초무게와 사용중의 무게 그리고 연료의 최초농도와 사용중의 농도를 지속적으로 검출하여 연료통의 교체시기를 알려주도록 함으로써, 연료의 농도가 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, 이 전해질막의 양측에 설치하는 연료극과 공기극으로 이루어져 연료극에는 수소를 가지는 연료를 공급하는 반면 공기극에는 산소를 가지는 공기를 공급하여 수소와 산소의 전기화학적 반응으로 전기를 발생하도록 하는 연료전지스택과;

연료전지스택의 연료극에 연료를 순환 공급할 수 있도록 폐루프 형상으로 연결하는 연료공급관과, 연료공급관의 중간에 착탈 가능하게 설치하여 수용액 상태의 수소화붕소(BH₄)를 채워 병렬로 연결하는 적어도 한 개 이상의 연료통과, 연료통의 출구측에 설치하여 연료를 펌핑하는 연료펌프와, 연료통의 무게를 검출하는 연료통무게 검출기와, 연료통 주변에 설치하여 연료의 농도를 검출하는 연료농도 검출기로 된 연료공급부와;

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

연료통무게 검출기는 연료통 설치위치에 고정 설치하는 것을 특징으로 하는 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 제3항에 있어서,

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

연료공급부는 연료통무게 검출기와 연료농도 검출기와 함께 연결하여 교체시기임을 알리거나 또는 추후 사용가능한 전력량을 시간으로 알리는 표시부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 연료통 교체시기 알림장치.
연료통을 설치할 때 연료통무게와 연료농도를 검출하는 단계와,

연료통 설치시 검출한 연료통무게와 연료농도를 이용하여 최초사용가능전력량을 산출하는 단계와,

연료 사용시 지속적으로 연료통무게와 연료농도를 검출하여 사용전력량을 산출하는 단계와,

최초사용가능전력량과 사용전력량을 비교하는 단계와,

사용전력량이 최초사용가능전력량을 초과하는 순간 연료통을 교체하라고 알리는 단계로 수행함을 특징으로 하는 연료전지의 연료통 교체시기 알림장치.
제6항에 있어서,

최초사용가능전력량과 사용전력량을 비교하는 단계 다음에 이를 바탕으로 현재사용가능전력량을 시간으로 산출하여 알려주는 단계를 더 수행하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 연료통 교체시기 알림장치.