KR20040003951A

KR20040003951A - 연료전지의 연료농도 조절장치

Info

Publication number: KR20040003951A
Application number: KR1020020038981A
Authority: KR
Inventors: 조태희; 박명석; 최홍; 김철환; 이명호; 황용준; 고승태; 허성근
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2002-07-05
Filing date: 2002-07-05
Publication date: 2004-01-13

Abstract

본 발명은 연료전지의 연료농도 조절장치에 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 공급하도록 연료공급관과 연료펌프를 구비하여 상기한 연료극에 연결하는 연료공급부와, 연료전지스택의 공기극에 연결하여 공기를 공급하는 공기공급부를 포함한 연료전지에 있어서, 연료공급관의 중간에 설치하여 연료를 일시적으로 저장하는 통체와, 통체의 내부에 종방향으로 설치하여 이온성 수용액 상태의 연료에서 물을 분리하는 반투막체를 포함함으로써, 연료전지의 효율을 향상할 수 있고 분리한 물을 가습용수 등으로 활용하여 물의 소비량을 줄일 수 있다.

Description

연료전지의 연료농도 조절장치{FUEL DENSITY CONTROL DEVICE 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 역삼투압을 이용하여 연료농도를 조절할 수 있는 연료전지의 연료농도 조절장치에 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 수용액 상태의 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.

연료공급부(20)는 연료를 연료극(11)에 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 이루어져 있다.

연료통(22)은 도 2에서와 같이 속빈 단순 통체이고 그 하반부에 연료를 받는 입구를 형성하여 연료공급관(21)의 일측 끝단에 연결하는 반면 상반부에는 연료를 내보내는 출구를 형성하여 상기한 연료공급관(21)의 타측 끝단을 연결하고 있다.

도면중 31은 공기공급관, 32은 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(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 전해질막(미도시)에서는 산화/환원 반응에 의해 생긴 이온을 전달하고,

공기극(12)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, 반응을 지속함에 따라 연료극(11)측에서는 상기한 화학식에서와 같이 산화붕소(BO₂ ^-)와 함께 물이 생성하여 혼재한 상태로 순환하므로 연료의 농도가 묽어지면서 전체 연료전지의 효율이 저하하는 문제점이 있었다.

이를 감안하여 도 3에서와 같이 연료인 수소화붕소(BH₄)보다 비중이 높고 겔(gel)상태로 침전하는 산화붕소(BO₂)를 상기한 수소화붕소와 분리하도록 연료통(22) 내부의 중간 높이에 횡방향으로 필터(22a)를 구비할 수도 있으나, 이 경우에는 필터(22a)가 고체와 액체, 액체와 기체 등 서로 상(phase)이 다른 반응물에 대하여만 분리할 뿐 수용액 상태의 연료와 물을 분리하지 못해 결국 연료의 농도가 묽어지는 것을 예방할 수 없는 문제점은 여전히 남는 것이었다.

본 발명의 목적은 상기와 같은 종래 연료전지가 가지는 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 반응중에 수용액 상태의 연료에서 물을 분리하고 이를 통해 연료의 농도를 조절할 수 있는 연료전지의 연료농도 조절장치를 제공하려는데 본 발명의 목적이 있다.

도 1은 종래 연료전지의 일례를 보인 계통도.

도 2 및 도 3은 종래 연료전지의 연료통을 보인 각각의 개략도.

도 4는 본 발명 연료전지의 일례를 보인 계통도.

도 5는 본 발명 연료전지의 연료통을 보인 개략도.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **

10 : 연료전지스택 11 : 연료극

30 : 공기공급부 33 : 가습기

34 : 물공급관 35 : 물공급밸브

100 : 연료공급부 110 : 연료공급관

120 : 연료통 121 : 반투막체

122a : 입구 122b : 출구

122c : 배수구 123 : 필터

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 공급하도록 연료공급관과 연료펌프를 구비하여 상기한 연료극에 연결하는 연료공급부와, 연료전지스택의 공기극에 연결하여 공기를 공급하는 공기공급부를 포함한 연료전지에 있어서, 연료공급관의 중간에 설치하여 연료를 일시적으로 저장하는 통체와, 통체의 내부에 종방향으로 설치하여 이온성 수용액 상태의 연료에서 물을 분리하는 반투막체를 포함한 연료전지의 연료농도 조절장치를 제공한다.

이하, 본 발명에 의한 연료전지의 연료농도 조절장치를 첨부도면에 도시한 일실시예에 의거하여 상세히 설명한다.

도 4는 본 발명 연료전지의 일례를 보인 계통도이고, 도 5는 본 발명 연료전지의 연료통을 보인 개략도이다.

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)의 농도를 조절하면서 상기한 연료극(11)에 순환 공급하는 연료공급부(100)와, 산소를 포함한 공기를 상기한 공기극(12)에 공급하는 공기공급부(30)와, 연료전지스택(10)에서 생성하는 전기에너지를 부하에 공급하는 전기에너지 출력부(미도시)를 포함한다.

연료공급부(100)는 연료를 연료극(11)에 순환 공급할 수 있도록 연료전지스택(10)의 연료극(11)에 폐루프 형상으로 연결하는 연료공급관(110)과, 연료공급관(110)의 중간에 착탈 가능하게 연결하여 일정량의 수소화붕소나트륨을 채운 연료통(120)과, 연료통(120)과 연료전지스택(10) 사이의 연료공급관(110)에 설치하여 연료를 연료전지스택(10)의 연료극(11)으로 펌핑 공급하는 연료펌프(130)로 이루어진다.

연료통(120)은 그 내부에 이온성 수용액 상태의 연료에서 물을 분리하는 반투막체(121)를 종방향으로 설치하고, 반투막체(121)를 중심으로 일 측에는 연료공급관(110)과 연결하도록 입구(122a)를 하반부에, 출구(122b)를 상반부에 설치하며, 반투막체(121)의 타 측에는 연료와 분리된 물을 배수하도록 배수구(122c)를 형성하여 이루어진다.

또, 연료통(120)의 입구(122a)와 출구(122b)를 형성한 반투막체(121)의 일 측에는 연료 중 액상의 연료만을 상(phase)에 따라 분리하기 위한 필터(123)를 횡방향으로 설치하는 것이 바람직하다.

또, 연료통(120)의 배수구(122c)는 그 연료통(120)에 분리된 물을 공기 가습에 활용할 수 있도록 후술할 공기공급부(30)의 가습기(33)에 물공급관(34)으로 연결하는 것이 바람직하다.

연료펌프(130)는 그 연료펌프(130)의 토출압을 이용하여 연료에서 물을 분리할 수 있도록 연료통(120)의 입구측에 설치하는 것이 바람직하다.

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 전술한 바와 같이 연료통(120)에서 분리 생성된 물을 가습용수로 공급받을 수 있도록 상기한 연료통(120)의 배수구(122c)에 물공급관(34)으로 연결한다.

도면중 종래와 동일한 부분에 대하여는 동일한 부호를 부여하였다.

도면중 미설명 부호인 35는 물공급밸브이다.

상기와 같은 본 발명 연료전지의 연료농도 조절장치는 다음과 같은 작용 효과를 갖는다.

즉, 연료극(11)으로는 수소를 포함한 수소화붕소나트륨(NaBH₄)을 공급하는 동시에 공기극(12)으로는 산소를 포함한 공기를 공급하여 전해질막(미도시)과 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,

2O₂+ 4H₂O+ 8e^-→ 8OH^-이 발생한다.

이러한 반응을 지속하는 과정 중에 연료극(11)측에서는 상기한 화학식에서와 같이 산화붕소(BO₂ ^-)와 함께 물(H₂O)이 생성하여 연료펌프(130)의 토출압에 밀려 혼재한 상태로 연료통(120)으로 유입하나, 이 중에서 수소화붕소와 산화붕소는 반투막체(121)에 막혀 연료통(120)의 출구측으로 이동하려고 하는 반면 물은 상기한 반투막체(121)를 통과하여 배수구(122c)쪽으로 이동을 한다. 또, 수소화붕소와 산화붕소 중에서 상대적으로 비중이 높은 산화붕소(BO₂)는 필터(123)에 의해 막혀 연료통(120)의 하반부에 잔류하는 반면 수소화붕소는 필터(123)를 통과하여 출구(122b)를 거쳐 연료극(11)으로 다시 공급된다.

이때, 연료의 농도가 기준치 보다 높은 경우에는 연료펌프(130)의 토출압을 낮춰 물과 연료의 혼합비율을 높이는 반면 연료의 농도가 기준치 보다 낮은 경우에는 연료펌프(130)의 토출압을 높여 물과 연료의 혼합비율을 낮춤으로써 연료의 농도를 조절할 수 있다.

한편, 배수구(122c)쪽으로 이동한 물은 물공급밸브(35)를 통과하여 물공급관(34)을 통해 공기공급부(30)의 가습기(33)로 공급되어 공기를 가습한다.

이렇게 하여, 수소화붕소나트륨과 같이 B화합물을 연료로 사용하는 연료전지에서 반응중에 발생하는 물을 삼투막을 이용하여 다른 반응물과 분리함과 아울러 여타의 반응물 역시 필터로 분리하여 연료의 순도를 높임으로써 연료전지의 효율을 향상할 수 있다.

또, 연료와 분리한 물을 가습용수로 활용함으로써 물의 소비량을 줄일 수 있다.

본 발명에 의한 연료전지의 연료농도 조절장치는, 연료통의 내부에 반투막을 종방향으로 설치하고 필터를 횡방향으로 설치하여 이온성 수용액 상태의 연료에서 물을 분리함과 아울러 연료의 순도를 높임으로써, 연료전지의 효율을 향상할 수 있고 분리한 물을 가습용수 등으로 활용하여 물의 소비량을 줄일 수 있다.

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 공급하도록 연료공급관과 연료펌프를 구비하여 상기한 연료극에 연결하는 연료공급부와, 연료전지스택의 공기극에 연결하여 공기를 공급하는 공기공급부를 포함한 연료전지에 있어서,

연료공급관의 중간에 설치하여 연료를 일시적으로 저장하는 통체와, 통체의 내부에 종방향으로 설치하여 이온성 수용액 상태의 연료에서 물을 분리하는 반투막체를 포함한 연료전지의 연료농도 조절장치.
제1항에 있어서,

통체에는 반투막체를 중심으로 일 측에는 연료공급관과 연결하도록 입구와 출구를 상호 독립적으로 형성하고, 타 측에는 연료와 분리된 물을 배수하도록 배수구를 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 연료농도 조절장치.
제2항에 있어서,

통체의 입구와 출구를 형성한 반투막체의 일 측에는 연료 중 액상의 연료만을 상(phase)에 따라 분리하기 위한 필터를 횡방향으로 설치하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 연료농도 조절장치.
제2항에 있어서,

통체의 배수구는 물공급관으로 공기공급부에 연결하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 연료농도 조절장치.
제1항에 있어서,

통체는 연료펌프의 출구측에 배치하여 연료펌프의 토출압으로 연료의 물을 분리할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 연료농도 조절장치.
제1항 내지 제5항의 어느 한 항에 있어서,

통체는 연료공급관에 착탈 가능하게 연결하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 연료농도 조절장치.