KR20040003946A - 연료전지의 연료 재활용 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지의 연료 재활용 장치에 관한 것으로, 본 발명은 전해질막과 이 전해질막을 사이에 두고 적층하여 수소를 함유한 연료와 산소를 함유한 공기의 전기화학적 반응으로 전기를 발생하도록 연료극과 공기극을 구비한 연료전지스택과, 연료전지스택의 연료극에 연결하여 수소를 함유한 연료를 공급하는 연료공급부와, 연료전지스택의 공기극에 산소를 함유한 공기를 공급하기 위한 공기공급관의 중간에 버너부를 구비하여 공기를 가습하는 가열식 가습기를 구비한 공기공급부로 된 연료전지에 있어서, 연료전지스택의 연료극 출구측에 설치하여 반응후의 연료에서 수소기체를 분리하는 기액분리기와, 기액분리기를 가열식 가습기의 버너부에 연결하여 연료에서 분리한 수소기체를 상기한 가열식 가습기의 버너부에 연소가스로 공급하는 수소공급관과, 수소공급관의 중간에 개폐 가능하게 설치하는 수소공급밸브로 구성함으로써, 별도의 연소가스를 버너부에 공급하지 않고 연료전지스택에서 부반응으로 발생하는 수소가스를 이용하여 상기한 가습기의 버너부를 동작시킬 수 있고 이를 통해 연료비용이나 기타 유지비용을 절감할 수 있다.

Description

연료전지의 연료 재활용 장치{FUEL REUSABLE SYSTEM FOR 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 반응중에 발생하는 수소를 재활용하는 연료전지의 연료 재활용 장치에 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 전해질막(미도시)을 사이에 두고 연료극(11)과 공기극(12)을 구비하는 연료전지스택(10)과, 수소를 포함한 수소화붕소((BH₄), 실제로는 수소화붕소나트륨(NaBH₄))을 상기한 연료극(11)에 공급하는 연료공급부(20)와, 산소를 포함한 공기를 상기한 공기극(12)에 공급하는 공기공급부(30)와, 연료전지스택(10)에서 생성하는 전기에너지를 부하에 공급하는 전기에너지 출력부(미도시)를 포함하고 있다.

공기공급부(30)는 대기 중의 공기를 연료전지스택(10)의 공기극(12)으로 유도하는 공기공급관(31)과, 공기공급관(31)의 중간에 설치하여 대기 중의 공기를 펌핑하는 공기펌프(32)와, 공기펌프(32)의 출구측에 설치하여 공기를 적정하게 습윤하도록 가습하는 가습기(33)로 이루어져 있다.

가습기(33)는 공기공급관(31)의 중간에 연결하여 공기극(12)으로 공급할 공기를 가습하는 습윤부(33a)와, 습윤부(33a)의 일측에 설치하여 공기를 가열하는 버너부(33b)로 이루어져 있다. 버너부(33b)는 연소용 연료를 공급하기 위한 연소가스공급관(34)과 연소가스펌프(35)를 별개로 연결하여 설치하고 있다.

도면중 미설명 부호인 21은 연료공급관, 22는 연료통, 23은 연료펌프이다.

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(11)에 공급하고 이 연료는 공기극(12)으로 공급받는 산소와 전기 화학적으로 반응하여 물을 생성함과 아울러 두 전극 사이에서 전류를 발생한다.

이를 보다 상세히 살펴 보면, 연료극(11)측에서는 연료에서 전기화학적 산화반응인

BH₄ ^-+ 8OH^-→BO₂ ^-+ 6H₂O + 8e^-이 발생하여 전해질막에서는 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(11)과 공기극(12)의 사이에 기전력이 발생하고, 이 기전력을 연료전지스택(10)에 연결한 전기에너지 출력부(미도시)를 통하여 전류를 부하로 공급하는 것이었다.

그러나, 상기와 같은 종래 연료전지에 있어서는, 공기극(12)으로 공기를 공급할 때 이를 적정한 습윤상태로 만들기 위해 공기공급관(31)의 중간에 별도의 가습기(33)를 두는데, 이러한 가습기(33)는 특히 가열식인 경우 버너부(33b)에 별도의 연소가스를 공급하여 버너부(33b)를 동작시킴에 따라 연소가스를 추가로 구비하여야 하는 문제점이 있었다.

본 발명의 목적은 상기와 같은 종래 연료전지가 가지는 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 가열식 가습기를 이용하여 공기를 가습시켜야 할 때 연료의 일부를 이용하여 가습기를 동작시킬 수 있는 연료전지의 연료 재활용 장치를 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 변형예를 보인 계통도.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **

10 : 연료전지스택 20 : 연료공급부

30 : 공기공급부 33 : 가습기

33b : 버너부(수소연소장치) 40 : 수소재활용부

41 : 기액분리기 42 : 수소공급관

43 : 수소공급밸브

본 발명의 목적을 달성하기 위하여 전해질막과 이 전해질막을 사이에 두고 적층하여 수소를 함유한 연료와 산소를 함유한 공기의 전기화학적 반응으로 전기를 발생하도록 연료극과 공기극을 구비한 연료전지스택과, 연료전지스택의 연료극에 연결하여 수소를 함유한 연료를 공급하는 연료공급부와, 연료전지스택의 공기극에 산소를 함유한 공기를 공급하기 위한 공기공급관의 중간에 버너부를 구비하여 공기를 가습하는 가열식 가습기를 구비한 공기공급부로 된 연료전지에 있어서, 연료전지스택의 연료극 출구측에 설치하여 반응후의 연료에서 수소기체를 분리하는 기액분리기와, 기액분리기를 가열식 가습기의 버너부에 연결하여 연료에서 분리한 수소기체를 상기한 가열식 가습기의 버너부에 연소가스로 공급하는 수소공급관과, 수소공급관의 중간에 개폐 가능하게 설치하는 수소공급밸브로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지의 연료 재활용 장치를 제공한다.

이하, 본 발명에 의한 연료전지의 연료 재활용 장치를 첨부도면에 도시한 일실시예에 의거하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명 연료전지의 일례를 보인 계통도이고, 도 3은 본 발명 연료전지의 변형예를 보인 계통도이다.

이에 도시한 바와 같이 본 발명에 의한 연료전지는 수소와 산소의 전기화학적 반응에 의해 전기에너지를 생성하도록 전해질막(미도시)을 사이에 두고 연료극(11)과 공기극(12)을 구비하는 연료전지스택(10)과, 수소를 포함한 수소화붕소나트륨(NaBH₄)을 상기한 연료극(11)에 공급하는 연료공급부(10)와, 산소를 포함한 공기를 상기한 공기극(12)에 공급하는 공기공급부(30)와, 연료공급부(20)의 중간에 설치하여 반응후 연료에서 수소를 분리하여 공기공급부(30)의 가습기(33)에 공급하는 수소재활용부(40)와, 연료전지스택(10)에서 생성하는 전기에너지를 부하에 공급하는 전기에너지 출력부(미도시)를 포함한다.

연료공급부(20)는 연료를 연료극에 순환 공급할 수 있도록 연료전지스택(10)의 연료극(11)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)의 연료극(11)으로 펌핑 공급하는 연료펌프(23)로 이루어진다.

공기공급부(30)는 대기 중의 공기를 연료전지스택(10)의 공기극(12)으로 유도하는 공기공급관(31)과, 공기공급관(31)의 중간에 설치하여 대기 중의 공기를 펌핑하는 공기펌프(32)와, 공기펌프(32)의 출구측에 설치하여 공기를 적정하게 습윤하도록 가습하는 가습기(33)로 이루어진다.

가습기(33)는 공기공급관(31)의 중간에 연결하여 공기극(12)으로 공급할 공기를 가습하는 습윤부(33a)와, 습윤부(33a)의 일측에 설치하여 공기를 가열하는 버너부(33b)로 이루어진다.

버너부(33b)는 상기한 수소재활용부(40)와 수소공급관(42)으로 연결하여 수소를 연소하는 수소연소장치이다.

수소재활용부(40)는 연료전지스택(10)의 출구측 연료공급관(21)에 설치하는 기액분리기(41)와, 기액분리기(41)의 상반부와 상기한 버너부(33b)를 연결하는 수소공급관(42)으로 이루어진다.

기액분리기(41)는 연료전지스택(10)의 연료극(11) 출구측에 설치하여 반응중 연료에서 발생하는 수소기체를 분리하는 것으로, 기액분리기(41)의 측벽을 연료극(11)의 출구와 연결하고 바닥면을 연료공급관(21)으로 연료통(22)에 연결하며 상면을 상기한 수소공급관(42)으로 가습기(33)의 버너부(33b)에 연결한다.

수소공급관(42)의 중간에는 수소의 공급을 제한하는 수소공급밸브(43)를 설치한다.

도면중 종래와 동일한 부분에 대하여는 동일한 부호를 부여하였다.

상기와 같은 본 발명 연료전지의 연료 재활용 장치는 다음과 같은 작용 효과를 갖는다.

즉, 연료극(11)으로는 수소를 포함한 수소화붕소나트륨(NaBH₄)을 공급하는 동시에 공기극(12)으로는 산소를 포함한 공기를 공급하여 전해질막과 반응하면서 이온을 형성한다. 이온은 전기화학반응을 일으켜 물을 형성하는 과정에서 연료극(11)에서 전자가 생성하여 공기극(12)으로 이동하면서 결국 전기를 발생시킨다.

이를 보다 상세히 살펴 보면, 연료극(11)측에서는 전기화학적 산화반응인

BH₄ ^-+ 8OH^-→ BO₂ ^-+ 6H₂O + 8e^-이 발생하여 전해질막에서는 산화/환원 반응에 의해 생긴 이온을 전달하고,

공기극(12)에서는 공급한 공기(산소)의 전기화학적 환원반응인

2O₂+ 4H₂O + 8e^-→ 8OH^-이 발생한다.

이러한 반응을 지속하는 과정 중에 연료극측에서는 2H₂O + NaBH₄→NaBO₂+ 4H₂와 같은 부반응이 발생하면서 연료(NaBH₄수용액)에서 수소기체(4H₂)가 발생하여 산화붕소나트륨(NaBO₂)과 함께 연료극(11)에서 배출된다. 이때, 연료극(11)의 출구측에 배출되는 산소화붕소나트륨과 수소기체는 기액분리기(41)를 거치면서 액체와 기체로 분리되고 그 중 액체인 물과 산소화붕소나트륨은 연료공급관(21)을 통해 연료통(22)으로 회수되는 반면 기체인 수소가스는 수소공급관(42)을 통해 가습기(33)의 버너부(33b)로 유도되어 그 버너부(33b)에서 연소되면서 습윤부(33a)를 가열함으로써 공기를 가습시킨다.

이렇게 하여, 별도의 연소가스를 버너부에 공급하지 않고 연료전지스택에서 부반응으로 발생하는 수소가스를 이용하여 상기한 가습기의 버너부를 동작시킴으로써 별도의 연소가스를 구비할 때 생기는 유지비용의 상승 등 여러 단점을 해결할수 있다.

한편, 본 발명에 의한 연료전지의 연료 재활용 장치가 변형예는 다음과 같다.

즉, 전술한 일례에서는 연료전지스택(10)에서 부반응으로 생긴 수소기체를 이용하여 공기를 열로 가습하는 가열식 가습기(33)의 버너부(33b)로 유도한 후 이를 연소가스로 재활용하는 것이었으나, 본 변형예는 도 3에서와 같이 상기한 버너부(33)의 일측에 습윤부(33b) 외에 물탱크(또는, 공기공급부와 연결하는 공기탱크일 수도 있으나 본실시예는 물탱크를 개시함)(33c)를 더 구비하고 이 물탱크(33c)를 가정용 난방 시스템에 연결하여 상기한 수소가스를 버너부(33b)에서 연소할 때 그 연소열로 물탱크(33c) 안의 물(또는, 공기)를 가열하여 가정에서 필요한 온수나 난방으로 활용하도록 할 수도 있다.

또, 이 물탱크(33c)의 입구를 연료통(22)에 연결할 수도 있다. 이는 반응중에 발생하는 물을 물탱크(33c)로 유도하여 이를 가열한 후 난방이나 온수로 활용할 수 있다.

본 발명에 의한 연료전지의 연료 재활용 장치는, 연료전지스택의 연료극 출구측에 설치하여 반응후의 연료에서 수소기체를 분리하는 기액분리기와, 기액분리기를 가열식 가습기의 버너부에 연결하여 연료에서 분리한 수소기체를 상기한 가열식 가습기의 버너부에 연소가스로 공급하는 수소공급관과, 수소공급관의 중간에 개폐 가능하게 설치하는 수소공급밸브로 구성함으로써, 별도의 연소가스를 버너부에공급하지 않고 연료전지스택에서 부반응으로 발생하는 수소가스를 이용하여 상기한 가습기의 버너부를 동작시킬 수 있고 이를 통해 연료비용이나 기타 유지비용을 절감할 수 있다.

Claims (3)

1. 전해질막과 이 전해질막을 사이에 두고 적층하여 수소를 함유한 연료와 산소를 함유한 공기의 전기화학적 반응으로 전기를 발생하도록 연료극과 공기극을 구비한 연료전지스택과, 연료전지스택의 연료극에 연결하여 수소를 함유한 연료를 공급하는 연료공급부와, 연료전지스택의 공기극에 산소를 함유한 공기를 공급하기 위한 공기공급관의 중간에 버너부를 구비하여 공기를 가습하는 가열식 가습기를 구비한 공기공급부로 된 연료전지에 있어서,

   연료전지스택의 연료극 출구측에 설치하여 반응후의 연료에서 수소기체를 분리하는 기액분리기와, 기액분리기를 가열식 가습기의 버너부에 연결하여 연료에서 분리한 수소기체를 상기한 가열식 가습기의 버너부에 연소가스로 공급하는 수소공급관과, 수소공급관의 중간에 개폐 가능하게 설치하는 수소공급밸브로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지의 연료 재활용 장치.
2. 제1항에 있어서,

   수소연소용 버너부의 일 측에는 물 또는 공기를 수용하는 난방매체 저장탱크를 설치하여 공기 가습에 필요한 열의 일부를 난방용으로 활용하도록 한 것을 특징으로 하는 연료전지의 연료 재활용 장치.
3. 제2항에 있어서,

   난방매체 저장탱크는 연료에서 반응후 발생하는 물을 저장하였다가 난방으로 활용할 수 있도록 연료공급부와 상기한 난방매체 저장탱크를 난방수 공급관으로 연결하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 연료 재활용 장치.