KR20040006656A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 외부로 부터 공급되는 연료와 공기의 전기화학반응을 통하여 전기를 생성하는 연료전지 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 BH4를 연료로 이용하는 스택의 발전시 반응후의 연료나 공기중에 포함된 수소가스 또는 물을 분리하여 재활용할 수 있도록 한 연료전지 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell system for generating electricity through an electrochemical reaction between fuel and air supplied from the outside. More particularly, the present invention relates to a fuel cell system including the BH 4 as a fuel. The present invention relates to a fuel cell system in which hydrogen gas or water can be separated and recycled.
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.In general, a fuel cell system (FUEL CELL SYSTEM) is a device that converts the energy of the fuel directly into electrical energy, such a fuel cell system usually has a cathode (ANODE) and a cathode (CATHODE) on both sides of the polymer electrolyte membrane In the anode (electrode or anode), electrochemical oxidation of hydrogen as a fuel, and in the cathode (reduction electrode or cathode), electrochemical reduction of oxygen as an oxidant occurs and electrical energy is generated by the movement of electrons. Is generated.
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.Hydrogen supplied to such a fuel cell is purified by purifying only hydrogen (H 2 ) from a hydrocarbon-based (CH-based) fuel such as LNG, LPG, CH 3 OH, and gasoline through a desulfurization process → reforming reaction → hydrogen purification process. PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) used in the form, and BFC (Boron Fuel Cell) which directly uses BH 4 - in the form of an aqueous solution and uses it as a fuel are introduced.
종래 BFC의 개략적인 구성이 도 1에 도시되어 있는 바, 이를 간단히 설명하면 다음과 같다.A schematic configuration of a conventional BFC is illustrated in FIG. 1, which will be briefly described as follows.
도시된 바와 같이, 연료전지(1)의 전체 구성은 전기를 발생하는 발전기(10)의 일측에 수용액 상태의 BH4 -를 저장하기 위한 연료탱크(2)가 구비되어 있는데, 그 연료탱크(2)와 발전기(10)의 양극에는 연료공급라인(3)과 연료회수라인(4)으로 연결되어 있으며, 그 연료공급라인(3)에는 연료를 펌핑하기 위한 연료펌프(5)가 설치되어 있다.As shown, the overall configuration of the fuel cell 1 is provided with a fuel tank 2 for storing BH 4 − in an aqueous state on one side of the generator 10 generating electricity, the fuel tank 2 And the anode of the generator 10 are connected to the fuel supply line 3 and the fuel recovery line 4, and the fuel supply line 3 is provided with a fuel pump 5 for pumping fuel.
그리고, 상기 발전기(10)의 음극에는 공기공급라인(6)과 공기배출라인(7)이 설치되어 있는데, 그 공기공급라인(6)에는 공급되는 공기를 펌핑하기 위한 에어 컴프레서(8)가 설치되어 있다.In addition, an air supply line 6 and an air discharge line 7 are installed at the cathode of the generator 10, and an air compressor 8 for pumping the supplied air is installed at the air supply line 6. It is.
상기와 같이 구성되어 있는 종래 연료전지는 기기의 동작 스위치가 온되면 연료펌프(5)에서 연료탱크(2)에 저장되어 있는 수용액 상태의 BH4 -를 펌핑하여 연료공급라인(3)을 통하여 발전기(10)의 양극(연료극)에 공급함과 동시에 에어컴프레서(8)를 동작시켜서 공기공급라인(6)을 통하여 발전기(10)의 음극(공기극)으로 공기가 공급되도록 한다.In the conventional fuel cell configured as described above, when the operation switch of the device is turned on, the fuel pump 5 pumps BH 4 − in an aqueous state stored in the fuel tank 2 to generate a generator through the fuel supply line 3. The air compressor 8 is operated at the same time as supplying to the anode (fuel electrode) of 10 so that air is supplied to the cathode (air electrode) of the generator 10 through the air supply line 6.
상기와 같이 발전기(10)에 공급되는 수용액 상태의 BH4 -와 공기는 발전기(10)에서 고분자전해질막을 사이에 두고 흐르며 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.As described above, the BH 4 − and the air in the aqueous state supplied to the generator 10 flow through the polymer electrolyte membrane in the generator 10, and electrochemical oxidation of hydrogen proceeds at the anode, and electrochemical reduction of oxygen at the cathode. In this case, electricity is generated due to the movement of the generated electrons, and the generated electricity is collected at a current collector plate (not shown) and used as an energy source.
이때의 반응식은The reaction formula at this time
BH4 -+ 2O2→2H2O + BO2이고,And + 2O 2 → 2H 2 O + BO 2, - BH 4
여기서 BH4 -를 안정된 용액으로 만들기 위하여 일정양의 Na을 혼합하는데 그에 따른 부반응으로,Where a certain amount of Na is mixed in order to make BH 4 - into a stable solution.
Anode : 2H2O + NaBH4+ 4H2의 반응이 진행되고, 이때 발생되는 수소가스는 버려지게 된다.Anode: The reaction of 2H 2 O + NaBH 4 + 4H 2 proceeds, and the generated hydrogen gas is discarded.
그러나, 상기와 같은 종래의 연료전지는 발전기(10)의 양극에서 부반응에 의하여 발생되는 수소가스가 재활용이 되지 못하고 그대로 버려져서 발전효율의 향상에 한계가 있는 문제점을 가지고 있었다.However, the conventional fuel cell as described above has a problem in that the hydrogen gas generated by the side reaction at the anode of the generator 10 is not recycled and is discarded as it is, thereby improving power generation efficiency.
상기와 같은 문제점을 감안하여 안출한 본 발명의 목적은 발전시 부반응에 의하여 발생되는 수소가스와 물을 재활용하여 발전효율을 향상시키도록 하는데 적합한 수소가스가 재활용되는 연료전지 시스템을 제공함에 있다.An object of the present invention devised in view of the above problems is to provide a fuel cell system in which hydrogen gas is recycled to improve power generation efficiency by recycling hydrogen gas and water generated by side reactions during power generation.
도 1은 종래 연료전지의 구조를 보인 개략구성도.1 is a schematic configuration diagram showing a structure of a conventional fuel cell.
도 2는 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제1 실시예를 보인 개략구성도.2 is a schematic configuration diagram showing a first embodiment of a fuel cell system according to the present invention;
도 3은 본 발명에 따른 단위셀구조를 보인 단면도.3 is a cross-sectional view showing a unit cell structure according to the present invention.
도 4는 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제2 실시예를 보인 개략구성도.4 is a schematic structural view showing a second embodiment of a fuel cell system according to the present invention;
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
101 : 발전기 103 : 연료공급라인101: generator 103: fuel supply line
104 : 연료회수라인 106 : 히터104: fuel recovery line 106: heater
107 : 공기공급라인 108 : 공기배출라인107: air supply line 108: air discharge line
111 : 히터 112 : 가습기111: heater 112: humidifier
112a : 버너 112b : 물통112a: burner 112b: bucket
113 : 퍼지라인 114 : 삼방밸브113: purge line 114: three-way valve
115 : 배터리 116 : 전력변환기115: battery 116: power converter
121 : 수소가스분리기 122 : 수소가스회수라인121: hydrogen gas separator 122: hydrogen gas recovery line
123 : 물분리기 124 : 물회수라인123: water separator 124: water recovery line
132 : 양극 133 : 음극132: anode 133: cathode
140 : PEMFC형 발전기 141 : 수소가스재활용라인140: PEMFC generator 141: hydrogen gas recycling line
142 : 삼방밸브142: three-way valve
상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 발전이 이루어지는 발전기의 양극에 수용액 상태의 BH4 -를 공급하기 위한 연료공급라인과 반응하고난 후의 연료를 회수하기 위한 연료회수라인이 연결되어 있고, 가습기에서 가습이된 공기가 공급이되는 발전기의 음극에는 공기공급라인과 공기배출라인이 연결되어, 양극에서의 전기화학적인 산화와 음극에서의 전기화학적인 환원에 의하여 전기가 발생이되는 연료전지 시스템에 있어서,In order to achieve the object of the present invention as described above, a fuel recovery line for recovering fuel after reacting with a fuel supply line for supplying BH 4 - in an aqueous state to an anode of a generator in which power generation is made is connected, An air supply line and an air discharge line are connected to a cathode of a generator to which humidified air is supplied from the fuel cell system to generate electricity by electrochemical oxidation at the anode and electrochemical reduction at the cathode. In
상기 연료회수라인에 연료와 수소가스를 분리하기 위한 수소가스분리기를 설치하고, 그 수소가스분리기에서 분리되는 수소를 가습기의 연료로 사용할 수 있도록 수소가스분리기와 가습기의 버너를 수소가스회수라인으로 연결하며, 상기 공기배출라인에 공기와 물을 분리하는 물분리기를 설치하고, 그 물분리기에서 분리되는 물이 가습기의 물통에 공급되도록 물분리기와 가습기의 물통을 물회수라인으로 연결하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템이 제공된다.A hydrogen gas separator for separating fuel and hydrogen gas is installed in the fuel recovery line, and the hydrogen gas separator and the burner of the humidifier are connected to the hydrogen gas recovery line so that the hydrogen separated from the hydrogen gas separator can be used as the fuel of the humidifier. And installing a water separator separating air and water in the air discharge line, and connecting the water separator and the water tank of the humidifier to the water collecting line so that the water separated from the water separator is supplied to the bucket of the humidifier. A fuel cell system is provided.
또한, 발전이 이루어지는 발전기의 양극에 수용액 상태의 BH4 -를 공급하기 위한 연료공급라인과 반응하고난 후의 연료를 회수하기 위한 연료회수라인이 연결되어 있고, 가습기에서 가습이된 공기가 공급이되는 발전기의 음극에는 공기공급라인과 공기배출라인이 연결되어, 양극에서의 전기화학적인 산화와 음극에서의 전기화학적인 환원에 의하여 전기가 발생이되는 연료전지 시스템에 있어서,In addition, a fuel supply line for supplying an aqueous solution of BH 4 − is supplied to the anode of the generator in which power generation is performed, and a fuel recovery line for recovering the fuel after the reaction is supplied, and humidified air is supplied from the humidifier. In the fuel cell system of the generator is connected to the air supply line and the air discharge line, the electricity is generated by the electrochemical oxidation at the anode and the electrochemical reduction at the cathode,
상기 연료회수라인에 연료와 수소가스를 분리하기 위한 수소가스분리기를 설치하고, 그 수소가스분리기에서 분리되는 수소가스를 가습기의 연료로 사용할 수 있도록 수소가스분리기와 가습기의 버너를 수소가스회수라인으로 연결하며, 상기 공기배출라인에 공기와 물을 분리하는 물분리기를 설치하고, 그 물분리기에서 분리되는 물이 가습기의 물통에 공급되도록 물분리기와 가습기의 물통을 물회수라인으로 연결하며, 상기 수소가스회수라인으로 회수되는 수소가스가 PEMFC형 발전기의 연료로도 사용될 수 있도록 수소가스회수라인에서 분지되는 수소가스재활용라인을 PEMFC형 발전기의 양극에 연결하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템이 제공된다.A hydrogen gas separator for separating fuel and hydrogen gas is installed in the fuel recovery line, and the burner of the hydrogen gas separator and the humidifier is connected to the hydrogen gas recovery line so that the hydrogen gas separated from the hydrogen gas separator can be used as the fuel of the humidifier. A water separator for separating air and water in the air discharge line, and connecting the water separator and the water tank of the humidifier to a water recovery line so that the water separated from the water separator is supplied to the water tank of the humidifier. There is provided a fuel cell system comprising a hydrogen gas recycling line branched from a hydrogen gas recovery line connected to an anode of a PEMFC generator so that the hydrogen gas recovered through the gas recovery line can be used as a fuel of a PEMFC generator. .
이하, 상기와 같이 구성된 본 발명의 연료전지 시스템을 첨부된 도면의 실시예를 참고하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the fuel cell system of the present invention configured as described above will be described in more detail with reference to embodiments of the accompanying drawings.
도 2는 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제1 실시예를 보인 개략구성도이다.2 is a schematic configuration diagram showing a first embodiment of a fuel cell system according to the present invention.
도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템(100)은 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.As shown, the fuel cell system 100 according to the first embodiment of the present invention is a generator with a certain distance from the generator (101) which is generated by the electrochemical reaction of BH 4 and air in an aqueous state A fuel tank 102 for storing BH 4 in an aqueous state supplied to the anode ANODE of the 101 is installed, and the lower portion of the fuel tank 102 and the anode ANODE of the generator 101 are provided. Inlet is connected to the fuel supply line 103 to supply fuel, the outlet of the anode (ANODE) and the upper portion of the fuel tank 102 to the fuel recovery line 104 to recover the fuel after the reaction It is connected.
상기 연료공급라인(103)에는 연료를 펌핑하기 위한 연료펌프(105), 연료를 가열하기 위한 히터(Heater)(106)가 설치되어 있다.The fuel supply line 103 is provided with a fuel pump 105 for pumping fuel and a heater 106 for heating the fuel.
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.In addition, an air supply line 107 is installed at the inlet of the cathode 101 of the generator 101 so that air can be supplied, and the air after the reaction is discharged at the outlet of the cathode of the cathode CATHODE. An air discharge line 108 is provided.
상기 공기공급라인(107)에는 발전기(101)로 공급되는 공기를 필터링하기 위한 에어필터(109), 공기를 송풍하기 위한 에어컴프레서(Air Compressor)(110), 공기를 가열하기 위한 히터(111), 그 가열된 공기를 가습하기 위한 가습기(Humidifier)(112)가 차례로 설치되어 있다.The air supply line 107 has an air filter 109 for filtering the air supplied to the generator 101, an air compressor 110 for blowing air, and a heater 111 for heating the air. And a humidifier 112 is provided in order to humidify the heated air.
또한, 상기 공기공급라인(107)과 상기 연료공급라인(103)은 필요시 발전기(101)의 양극 내부를 퍼지할 수 있도록 공기를 공급하기 위한 퍼지라인(Purge Line)(113)이 연결되어 있는데, 그 퍼지라인(113)과 연료공급라인(103)의 연결부위는 퍼지시 개도를 조정하기 위한 삼방밸브(3-Way Valve)(114)가 설치되어 있다.In addition, the air supply line 107 and the fuel supply line 103 is connected to a purge line (Purge Line 113) for supplying air to purge the inside of the anode of the generator 101 when necessary The connection portion between the purge line 113 and the fuel supply line 103 is provided with a 3-way valve 114 for adjusting the opening degree during purge.
그리고, 상기 발전기(101)의 일측에는 별도로 발전기(101)의 비상전원으로 이용할 수 있도록 배터리(Battery)(115)가 구비되는데, 그 배터리(115)의 전원은 전력변환기(116)에 의해 적절히 사용전원으로 변화시켜서 공급될 수 있도록 되어 있고, 또한 그와 같은 전력변환기(106)에서는 발전기(101)에서 발생되는 전기를 필요한 전원으로 변환할 수 있도록 되어 있다.And, one side of the generator 101 is provided with a battery (Battery) 115 to be used separately as an emergency power source of the generator 101, the power of the battery 115 is properly used by the power converter 116 It can be supplied by changing to a power source, and in such a power converter 106, it is possible to convert the electricity generated from the generator 101 to the required power source.
한편, 상기 발전기(101)의 후위의 연료회수라인(104)에는 부반응에 의해 발생되는 수소가스를 분리하기 위한 수소가스분리기(121)가 설치되어 있고, 그 수소가스분리기(121)에는 분리되는 수소가스를 가습기(112)의 버너(112a)에 공급할 수있도록 수소가스회수라인(122)이 연결되어 있으며, 상기 공기배출라인(108)에는 발전기(101)에서 반응하고난 후에 배출되는 공기중에 포함되어 있는 물을 분리하기 위한 물분리기(123)가 설치되어 있고, 그 물분리기(123)에는 분리되는 물을 가습기(112)의 물통(112b)에 공급할 수 있도록 물회수라인(124)이 연결되어 있다.Meanwhile, a hydrogen gas separator 121 for separating hydrogen gas generated by side reaction is installed in the fuel recovery line 104 at the rear of the generator 101, and the hydrogen gas separator 121 is separated from hydrogen. The hydrogen gas recovery line 122 is connected to supply the gas to the burner 112a of the humidifier 112, and the air discharge line 108 is included in the air discharged after reacting in the generator 101. A water separator 123 is provided for separating the existing water, and the water separator 123 is connected to the water recovery line 124 to supply the water to be separated to the bucket 112b of the humidifier 112. .
상기 발전기(101)는 여러개의 단일셀을 연속적으로 적층한 형태 또는 단일셀(SINGLE CELL) 형태가 가능한데, 도 3을 참고하여 단일셀구조를 설명하면, 전해질 막(131)의 양측에 가스를 확산시키기 위한 양극(132)과 음극(133)이 접합되어 이루어진 막-전극 접합체(MEA:MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY)(134)와, 그 막-전극 접합체(134)의 양측에 밀착되도록 조립되어 양극(132)과 음극(133)에서 연료가스 및 산소함유가스의 유로(135)를 형성하는 분리판(SEPARATOR)(136)과, 그 분리판(136)의 양측에 배치되어 양극(132)과 음극(133)의 집전극이 되는 집전판(137)으로 구성되어 있다.The generator 101 may have a form in which a plurality of single cells are continuously stacked or a single cell. The single cell structure will be described with reference to FIG. 3. The gas is diffused on both sides of the electrolyte membrane 131. And a membrane-electrode assembly (MEA: MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY) 134 formed by bonding the anode 132 and the cathode 133 to each other, and the anode 132 is assembled to be in close contact with both sides of the membrane-electrode assembly 134. ) And a separator 136 which forms a flow path 135 of fuel gas and oxygen-containing gas in the cathode 133, and the anode 132 and the cathode 133 disposed on both sides of the separator 136. And a current collector plate 137 serving as a collector electrode.
상기 막-전극 접합체(134)의 전해질 막(131)은 고분자재료로 이루어진 이온교환막으로서 대표적으로 상품화된 전해질막(131)으로는 듀폰사의 Nafion막이 있으며 수소이온의 전달체 역할을 하는 동시에 산소와 수소의 접촉을 막는 역할을 하게 되고, 양극(132)과 음극(133)은 백금(Pt) 촉매층을 지지하는 지지체로서 다공성 탄소지(CARBON PAPER) 혹은 탄소천(CARBON CLOTH)이 전해질 막(131)의 양측에 접합된 구조로 되어 있다.The electrolyte membrane 131 of the membrane-electrode assembly 134 is an ion exchange membrane made of a polymer material, and the commercially available electrolyte membrane 131 includes a Nafion membrane of DuPont, which serves as a carrier for hydrogen ions, The anode 132 and the cathode 133 serve as a support for supporting the platinum (Pt) catalyst layer, and porous carbon paper (CARBON PAPER) or carbon cloth (CARBON CLOTH) is formed on both sides of the electrolyte membrane 131. It is a bonded structure.
상기 분리판(136)은 치밀질의 카본 플레이트로 이루어지고, 내측에는 유체가 흐르도록 복수개의 유로홈(135a)이 형성되어 있다.The separation plate 136 is made of a dense carbon plate, and a plurality of flow path grooves 135a are formed at an inner side thereof so that fluid flows.
상기 집전판(137)은 전기전도성이 우수하고, 내식성이 우수하며, 수소취성이 발생되지 않는 것이 바람직 할 것이며, 구체적으로는 티타늄, 스테인레스, 동 등 상기 요구성능이 만족되는 것이라면 어느 것이라도 좋다.It is preferable that the current collector plate 137 is excellent in electrical conductivity, excellent in corrosion resistance, and does not generate hydrogen embrittlement.
도면중 미설명 부호 CS는 농도센서, PS는 압력센서, TS는 온도센서, HS는 습도센서, v는 밸브이다.In the drawings, reference numeral CS denotes a concentration sensor, PS denotes a pressure sensor, TS denotes a temperature sensor, HS denotes a humidity sensor, and v denotes a valve.
상기와 같이 구성된 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템에서는 기기의 동작스위치가 온(On)되면 배터리(115)에서 공급되는 전원이 전력변환기(106)를 통하여 연료펌프(105)에 공급되어 연료펌프(105)를 동작시킴에 따라 연료탱크(102)에 저장되어 있는 수용액 상태의 BH4를 펌핑하여 연료공급라인(103)을 통하여 발전기(101)의 양극(132)으로 공급하게 되는데, 그와 같이 공급되는 수용액 상태의 BH4는 히터(106)를 지나며 약70°정도로 가열된 상태로 공급되어 진다.In the fuel cell system according to the first exemplary embodiment of the present invention configured as described above, when the operation switch of the device is turned on, power supplied from the battery 115 is supplied to the fuel pump 105 through the power converter 106. As the fuel pump 105 is operated to pump the BH 4 in the aqueous state stored in the fuel tank 102 to supply the anode 132 of the generator 101 through the fuel supply line 103. The BH 4 in the aqueous solution state thus supplied is supplied in a heated state at about 70 ° while passing through the heater 106.
그리고, 상기 에어컴프레서(110)에서는 공기공급라인(107)을 통하여 발전기(101)의 음극(133)에 공기를 공급하게 되는데, 그와 같이 공급되는 공기는 에어필터(109)에서 필터링된 후 히터(111)에서 일정온도로 가열되고 가습기(112)에서 적정 습도로 가습이되어 공급되어 진다.In addition, the air compressor 110 supplies air to the cathode 133 of the generator 101 through the air supply line 107. The air supplied as such is filtered by the air filter 109 and then the heater Heated at a constant temperature at 111 and humidified at an appropriate humidity in the humidifier 112 is supplied.
상기와 같이 발전기(101)의 내부로 공급되어진 수용액 상태의 BH4는 전해질 막(131)을 사이에 두고 양극(132)의 외측면에 형성된 유로(135)를 따라 흐르며 확산이 되고, 공기는 음극(133)의 외측면에 형성된 유로(135)를 따라 흐르며 확산이 되며, 양극(132)에서는 전기화학적인 산화가 진행되며 음극(133)에서는 전기화학적인 환원이 진행되어 전자의 이동으로 전기가 발생이되는데, 그때 발생되는 전기를 집전판(137)에서 집전하여 전원으로 이용하게 된다.As described above, the BH 4 in the aqueous state supplied into the generator 101 flows along the flow path 135 formed on the outer surface of the positive electrode 132 with the electrolyte membrane 131 interposed therebetween, and the air is negative. Diffusion flows along the flow path 135 formed on the outer side of the 133, the electrochemical oxidation proceeds at the anode 132, the electrochemical reduction proceeds at the cathode 133, the electricity is generated by the movement of electrons In this case, the electricity generated at that time is collected in the current collector plate 137 and used as a power source.
상기 발전기(101)에서의 발생되는 반응의 반응식은The reaction formula of the reaction generated in the generator 101 is
Anode : BH4 -+ 8OH-→BO2 -+ 6H2O + 8e-E0= 1.24 V Anode: BH 4 - + 8OH - → BO 2 - + 6H 2 O + 8e - E 0 = 1.24 V
Cathode : 2O2+ 4H2O + 8e-→BOH-E0= 0.4 V Cathode: 2O 2 + 4H 2 O + 8e - → BOH - E 0 = 0.4 V
Total : BH4 -+ 2O2→2H2O + BO2E0= 1.64 V이다.Total: BH 4 - + 2O a 2 → 2H 2 O + BO 2 E 0 = 1.64 V.
상기와 같이 연료로 사용되는 수용액 상태의 BH4 -에는 안정된 용액으로 만들기 위하여 일정양의 Na을 혼합하는데 그에 따른 부반응으로,As above, BH 4 - in aqueous solution used as fuel is mixed with a certain amount of Na to make a stable solution.
Anode : 2H2O + NaBH4+ 4H2의 반응이 진행되고, 이때에 발생되는 수소가스는 반응하고난 후의 연료와 함께 발전기(101) 외부의 연료회수라인(104)으로 배출되는데, 그와 같이 배출되는 연료와 수소가스는 수소가스분리기(121)를 통과하며 연료와 수소가스로 분리되어 연료는 연료회수라인(104)을 통하여 연료탱크(102)로 회수되어지고, 수소가스는 수소가스회수라인(122)를 통하여 가습기(112)의 버너(112a)로 공급되어 가습기(112)에서 가열연료로 사용되어진다.Anode: The reaction of 2H 2 O + NaBH 4 + 4H 2 proceeds, and the hydrogen gas generated at this time is discharged to the fuel recovery line 104 outside the generator 101 together with the fuel after the reaction. The discharged fuel and hydrogen gas passes through the hydrogen gas separator 121 and is separated into fuel and hydrogen gas, and the fuel is recovered to the fuel tank 102 through the fuel recovery line 104, and the hydrogen gas is recovered from the hydrogen gas recovery line. It is supplied to the burner 112a of the humidifier 112 through 122 and used as a heating fuel in the humidifier 112.
또한, 상기 발전기(101)의 음극(133)에서 반응하고난 후의 공기는 물이 포함된 상태로 공기배출라인(108)으로 배출되어지는데, 그 배출되는 공기와 물은 물분리기(123)를 통과하며 공기와 물로 분리되어 공기는 외부로 배출되고, 물은 물회수라인(124)을 통하여 가습기(112)의 물통(112b)으로 공급되어 보충수로 이용된다.In addition, the air after reacting in the negative electrode 133 of the generator 101 is discharged to the air discharge line 108 in the state containing water, the discharged air and water passes through the water separator 123 The air is separated into air and water, and the air is discharged to the outside, and the water is supplied to the bucket 112b of the humidifier 112 through the water recovery line 124 and used as supplemental water.
도 4는 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제2 실시예를 보인 개략구성도로서, 도시된 바와 같이, 기본적인 구조는 도 2의 제1 실시예와 동일하므로 동일한 부분에 대하여는 동일부호를 부여하고 자세한 설명은 생략한다.4 is a schematic structural diagram showing a second embodiment of a fuel cell system according to the present invention. As shown in FIG. 4, the basic structure is the same as that of the first embodiment of FIG. Description is omitted.
다만, 제2 실시예에서는 상기 발전기(101)의 주변에 수소가스를 연료로 사용하는 PEMFC형 발전기(140)를 구비하고, 상기 수소가스회수라인(122)으로 회수되는 수소가스가 PEMFC형 발전기(140)의 연료로도 사용될 수 있도록 수소가스회수라인(122)에서 분지되는 수소가스재활용라인(141)을 PEMFC형 발전기(140)의 양극(ANODE)에 연결하여 구성되어 있다.However, in the second embodiment, a PEMFC type generator 140 using hydrogen gas as a fuel around the generator 101 is provided, and the hydrogen gas recovered in the hydrogen gas recovery line 122 is a PEMFC type generator ( The hydrogen gas recycling line 141 branched from the hydrogen gas recovery line 122 is connected to the anode (ANODE) of the PEMFC type generator 140 so that it can also be used as the fuel of 140.
그리고, 그 수소가스재활용라인(141)과 상기 수소가스회수라인(122)의 연결부위는 개도를 조정할 수 있도록 삼방밸브(142)로 연결되어 있다.And, the connection portion between the hydrogen gas recycling line 141 and the hydrogen gas recovery line 122 is connected to the three-way valve 142 to adjust the opening degree.
또한, 상기 PEMFC형 발전기(140)의 양극(ANODE)에서 반응하고난 후의 수소가스는 수소가스재공급라인(143)을 통하여 연료회수라인(104)으로 재공급될 수 있도록 되어 있고. 그 연료회수라인(104)과 수소가스재공급라인(143)의 연결부위에는 개도를 조정하기 위한 삼방밸브(144)가 설치되어 있다.In addition, the hydrogen gas after reacting in the anode (ANODE) of the PEMFC type generator 140 is to be supplied to the fuel recovery line 104 through the hydrogen gas resupply line 143. The three-way valve 144 for adjusting the opening degree is provided in the connection part of the fuel recovery line 104 and the hydrogen gas resupply line 143.
도면중 미설명 부호 145은 공기공급라인이고, 146는 공기배출라인이다.In the figure, reference numeral 145 denotes an air supply line, and 146 denotes an air discharge line.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 제2 실시예에서의 작용은 기본적으로 제1실시예에서와 동일하며, 차이점은 수소가스회수라인(122)으로 회수되어지는 수소가스가 가습기(112)의 버너(112a)로 공급되어 가열연료로 사용되어지고, 필요에 따라 삼방밸브(142)의 개도를 조정하여 수소가스재활용라인(141)을 통하여 회수되는 수고가스가 동시에 PEMFC형 발전기(140)의 양극으로도 공급되도록 하여 PEMFC형 발전기(140)의 발전연료로 사용되어지게 된다.Operation in the second embodiment of the present invention configured as described above is basically the same as in the first embodiment, the difference is that the hydrogen gas recovered to the hydrogen gas recovery line 122 is burner ( 112a) and used as a heating fuel, and if necessary, the toil gas recovered through the hydrogen gas recycling line 141 by adjusting the opening degree of the three-way valve 142 is also used as the anode of the PEMFC generator 140 at the same time. It is to be supplied to be used as the power generation fuel of the PEMFC type generator 140.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 연료전지 시스템은 발전기의 후위에서 수소가스분리기를 이용하여 분리된 수소가스를 가습기의 가열연료로 사용하고, 물분리기에서 분리된 물을 가습기의 물탱크로 공급되도록 하여, 반응과정에서 발생되는 수소가스와 물이 재활용되어짐에 따라 에너지 이용효율이 향상되어지는 효과가 있다.As described above in detail, the fuel cell system of the present invention uses hydrogen gas separated from the rear of the generator using a hydrogen gas separator as a heating fuel of the humidifier, and supplies water separated from the water separator to the water tank of the humidifier. Thus, as the hydrogen gas and water generated in the reaction process are recycled, the energy use efficiency is improved.
또한, 상기와 연료중에 포함되어 있는 수소가스가 분리되어 재활용됨에 따라 수소가스가 연료에 포함되어 기포상태로 존재하며 발전기의 내부에서 발전시 반응을 저해하는 것을 방지하게 되어 발전기의 발전성능을 향상시키는 효과가 있다.In addition, as the hydrogen gas contained in the fuel and the above is separated and recycled, the hydrogen gas is contained in the fuel and exists in a bubble state, thereby preventing the reaction during power generation inside the generator, thereby improving the power generating performance of the generator. It works.
또한, 수소가스분리기에서 분리된 수소가스가 PEMFC 발전기의 발전연료로 재활용되어짐에 따라 연료가 절감이 되는 효과가 있다.In addition, as the hydrogen gas separated from the hydrogen gas separator is recycled to the power generation fuel of the PEMFC generator, fuel is saved.
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