KR20040042502A - 연료 전지 시스템 - Google Patents

Abstract

연료 전지 시스템이 개시된다. 개시된 연료 전지 시스템은, 수소 기체를 공급하는 연료 공급장치와; 공기를 공급하는 공기 공급장치와; 상기 연료 공급장치와 상기 공기 공급장치로부터 각각 수고 기체와 공기를 공급받고, 음극의 산소가 산소 이온으로 전이하여 전해질 막을 통과하여 양극에서 상기 수소 기체가 전이한 프로톤과 결합하여 물분자를 생성하는 SOFC 가습기와; 상기 SOFC 가습기와 연결되어 구비되고, 상기 수소 기체가 양극에서 프로톤 상태로 전이한 후, 전도성 전해질 막을 통하여 음극에서 공기중의 산소가 전이한 산소 이온과 결합하여 물분자를 생성하는 PEM 연료 전지;를 포함하는 것을 그 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 가습 응답성이 빠르고, 가습기를 통하여 시스템의 열효율 및 운전 효율을 높일 수 있는 이점이 있다.

Description

연료 전지 시스템{FUEL CELL SYSTEM}

본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 역방향 이온 흐름을 이용한 위한 연료 전지 시스템에 관한 것이다.

자동차 동력용으로 주목받고 있는 폴리머 전해질 막(Polymer Electrolyte Membrane; 이하, PEM) 연료 전지는 전해질을 구성하고 있는 Nafion이 일정 수준의 습도를 가질 때 프로톤(H+)의 진도특성을 나타내게 된다. 따라서 연료 전지 시스템을 운전할 때 음극(cathode)과 양극(anode)에 운전조건에 따라 각각 일정 상대 습도를 유지하기 위한 가습장치를 필요로 하게 된다.

현재 가습장치로 쓰이고 있는 기술에는 막(Membrane) 가습 기술, 기포(Bubbling) 방식, 직접분사 기술의 크게 두 가지가 있다.

상기한 막 가습 기술은 기체 온도에 따라 기체와 접촉하고 있는 온수의 평형 수증기압 도달의 결과로 얻고자 하는 상대습도를 얻게 되는 원리를 이용한 것이다. 장치의 구성은 막(Membrane)을 경계로 한쪽 면에는 PEM 연료 전지의 운전온도인 70~80℃ 정도의 온도가 유지되는 DI 순수(Deionized water)를 흐르거나 정지한 유체 상태로 존재하게 하고, 다른 한쪽에는 가습하고자 하는 기체(연료 전지의 연료인 수소, 개질가스 또는 반응기체인 산소 또는 공기)를 흐르게 하여, 온도에 따른 수증기의 평형 증기압 도달에 의한 상대 습도를 얻을 수 있도록 장치가 설계된다.

그리고 기포(Bubbling) 방식 가습의 원리도 상기한 막 가습 기술과 같이 온도의 함수인 수증기의 평형 증기압에 따른 상대습도의 원리를 이용한 것이다. 장치의 구성은 전기 또는 연료의 연소열 등, 각종 열원을 이용하여 DI 순수가 채워진 수조를 원하는 온도로 가열하고, 그 온수를 기포(bubble)의 형태로 통과하면서 최고 수면에 도달한 가습된 기포를 연료 전지 스택으로 흐르게 하도록 장치가 설계된다.

온도에 따른 기체와 액체(DI 순수)의 평형반응을 이용한 상기 두 가지 기술은 얻고자 하는 상대 습도를 얻기 위해서는 평형 반응의 결과 상대 습도에 도달할 수 있는 온도로 기체와 액체를 적절한 열원을 이용하여 가열하는 것이 필수적이다.

도 1에는 이러한 가습장치가 채용된 연료 전지 시스템을 나타내 보인 구성도가 도시되어 있다.

또한 직접 분사(Direct Injection) 방식의 가습장치는 이와는 달리, 얻고자 하는 상대습도에 해당하는 액체 DI 순수를 연료 전지 스택 또는 가습 모듈에 물리적으로 직접 분사하여 기체의 상대를 얻는 방식이다. 즉, 가습 액체인 DI 순수를 고압 노즐을 통하여 상대적으로 저압인 연료 전지 반응기체에 고압으로 분사시켜 미세 액적 상태로 만드는 분무화(atomizing)를 하면 각각의 미세 액적 표면적의 증가에 따라 기/액 계면 증가에 따른 수증기화 반응 총면적 증가로 얻고자 하는 상대 습도에 빠른 시간에 도달하게 된다.

이러한 방식도 크게는 미세 액적 표면에서의 평형 반응을 이용한 것이지만, 얻고자 하는 상대습도를 도달하기 위해 필요한 양의 액체를 제어가 용이하다는 면에서 상기 두 기술과 구별된다.

그리고 고체 산화물 연료 전지(Solid Oxide Fuel Cell; 이하 SOFC)는 수소와 산소가 결합하는 화학반응을 이용하여 전기를 생산하는 연료 전지의 일종으로 작동온도가 800~1000℃로 고온발전형 연료 전지이다. 이 SOFC는 단전지와 접속자를 순차적으로 적층한 구조로, SOFC 단전지는 전해질(YSZ: yittria stabilized zirconia), 양극(LSM), 음극(Ni-YSZ)으로 이루어진 세라믹 재료이다.

또한 밀봉재는 양극과 접속자, 음극과 접속자, 접속자와 가스 매니폴드 간 기밀유지 역할을 한다. 상기한 접속자는 세라믹 또는 금속합금으로 연료(수소)와 공기(산소)의 유로 제공, 단위전지 간 연결, 양극과 음극 사이에 위치하여 단위전지에서 발생한 전류를 모으는 것이 그 역할로서 다음의 성질을 필요로 한다.

높은 전자 전도성, 낮은 이온 전도성, 우수한 기계적 강도(내 크리프(Creep) 특성), 양극(산화분위기)과 음극(환원분위기)에서 화학적으로 분해되지 않는 상안정성, 단위전지(양극, 음극, 전해질) 재료와 비슷한 열팽창 계수 및 SOFC 운전온도에서 고온강도 및 산화(음극)/환원(양극) 분위기 하의 내부식성의 특성을 구비해야 한다.

이러한 성질을 모두 만족하는 소재는 많지 않고, 고온에서 화학적으로 안정하고 전자전도성 및 다른 셀 구성요소와의 열적, 화학적 적합성이 우수한 LaCrO3이 일반적으로 사용되어 왔으나, 높은 제조경비와 제조공정의 어려움으로 상용화가 제한되어 왔다.

금속 연결구(Metal interconnector)로 Cr기지 ODS 합금(Ducrolloy, Cr5Fe1Y2O3)이 개발되어 사용되고 있으나, 이것 또한 제조원가가 높고, 제조회사가 독일의 Plansee사로 독점상태라 상용화에 걸림돌이 되고 있다. 이외에 Inconel 600, 601, HA230 등 상용 고온 합금이 연구되고 있다.

그런데, 종래의 기술에 따른 막 가습장치, 기포 가습장치, 직접분사 가습장치는 다음과 같은 문제가 있다.

우선, 막 가습장치와 기포 가습장치는 수증기의 평형 반응을 이용한 것으로,연료 전지 스택의 출력이 증가할수록, 즉, 시스템이 대형화에 따른 연료 전지 반응기체의 유량 및 유속이 증가할수록, 반응기체가 가습 장치에 머무르는 시간과 수증기의 평형 증기압 도달 시간과의 불일치가 일어나게 된다.

따라서 이 두 시간을 조화시키려면, 물리적으로 연료 전지 스택보다 더 큰 부피의 가습장치가 필요하게 되며, 이때 가습장치를 가열하기 위한 열원이 더 큰 열을 공급하여야 하는 단점이 있다. 그렇지 않은 경우는 얻고자 하는 상대 습도에 도달하지 못하게 되어, 가령, 100% 상대 습도로 설계한 경우 50~60%만이 도달하게 되어, 연료 전지 시스템의 열 수지 및 질량 수지의 불균형을 초래하게 되며, 시스템의 출력, 스택 응답성 및 운전 효율을 낮추게 된다.

또한 상기한 막 가습장치 및 기포 가습장치는 연료 전지 반응기체가 시스템 상으로 연료 전지 스택의 전단에 위치하게 되어, 일정 수준의 기체 유동 압력 손실을 가져오게 되므로, 기체(연료, 공기) 공급계의 동력 손실을 크게 하므로 시스템 운전 효율에 불리하다.

그리고 직접분사 방식 가습장치는 DI 순수를 미세 액적으로 분무화하기 위해 고압의 상태로 만들어야 하므로, 1단 또는 다단계의 증압 과정을 거치게 되며, 이때 증압을 위해 기계적 가압 또는 전동 가압 펌프를 이용한다. 이 과정에서 시스템 출력에 손실요소가 되는 에너지 손실이 발생, 시스템의 운전 효율을 낮추게 되는 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 가습 응답성이 빠르고, 가습기를 통하여 시스템의 열효율 및 운전 효율을 높일 수 있도록 한 연료 전지 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 종래의 기술에 따른 연료 전지 시스템의 구성을 개략적으로 나타내 보인 도면.

도 2는 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 구성을 개략적으로 나타내 보인 도면.

도 3 및 도 4는 도 2의 PEM 연료 전지와, SOFC 가습기의 작동원리를 각각 도시한 도면.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

11. 연료 공급장치

12. 공기 공급장치

13. SOFC 가습기

14. PEM 연료 전지

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 연료 전지 시스템은, 수소 기체를 공급하는 연료 공급장치와; 공기를 공급하는 공기 공급장치와; 상기 연료 공급장치와 상기 공기 공급장치로부터 각각 수고 기체와 공기를 공급받고, 음극의 산소가 산소 이온으로 전이하여 전해질 막을 통과하여 양극에서 상기 수소 기체가 전이한 프로톤과 결합하여 물분자를 생성하는 SOFC 가습기와; 상기 SOFC 가습기와 연결되어 구비되고, 상기 수소 기체가 양극에서 프로톤 상태로 전이한 후, 전도성 전해질 막을 통하여 음극에서 공기중의 산소가 전이한 산소 이온과 결합하여 물분자를 생성하는 PEM 연료 전지;를 포함하는 것을 그 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 2에는 본 발명에 따른 연료 전지 시스템을 개략적으로 나타낸 구성도가 도시되어 있고, 도 3 및 도 4에는 도 2의 PEM 연료 전지와, SOFC 가습기의 작동원리가 각각 도시되어 있다.

여기에서는 일반적인 연료 전지 시스템의 구성 설명은 생략하고, 본 발명의 특징에 따른 구성만을 설명하기로 한다.

도면을 참조하면, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 역방향 이온흐름을 이용한 것으로, 수소 기체를 공급하는 연료 공급장치(11)와, 공기를 공급하는 공기공급장치(12)와, 이 연료 공급장치(11)와 공기 공급장치(12)로부터 각각 수고 기체와 공기를 공급받고, 음극의 산소가 산소 이온으로 전이하여 전해질 막을 통과하여 양극에서 수소 기체가 전이한 프로톤(H+)과 결합하여 물분자를 생성하는 SOFC 가습기(13)와, 이 SOFC 가습기(13)와 연결되어 구비되고, 수소 기체가 양극에서 프로톤 상태로 전이한 후, 전도성 전해질 막을 통하여 음극에서 공기중의 산소가 전이한 산소 이온과 결합하여 물분자를 생성하는 PEM 연료 전지(14)를 포함하여 구성된다.

상기 PEM 연료 전지(14)에서의 반응을 식으로 나타내면,

양극:H2 ---→ 2H+＋2e-

음극:1/2 O2 ＋ 2H+ ＋ 2e- ---→ H2O

--------------------------------------------------------------

연료 전지 반응: H2 ＋ 1/2 O2 ---→H2O

그리고 상기 PEM 연료 전지(14)와는 반대의 이온 흐름인 연료 전지인 SOFC 가습기(13)에서의 반응을 식으로 나타내면,

양극:H2 ＋ O2- ---→H2O＋2e-

음극:1/22 ＋ 2e- ---→O2-

---------------------------------------------------------------

연료 전지 반응: H2 ＋ 1/2O2 ---→H2O

상기의 반응식에서와 같이, 이온의 흐름 방향이 서로 반대인 두 연료 전지를 조합하면, 연료 전지 반응 생성수의 생성은 서로 반대인 극에서 일어나게 된다.

그리고 상기 SOFC 가습기(13)를 가습장치로 활용하게 되면, 연료 전지로부터전력을 생산함에 따라 가습에 필요한 물(H2O)이 기체 반응을 통하여 직접 생산하게 되며, 이론적으로 생산되는 전력과 생성되는 물분자의 양은 함수 관계이므로, 전력 생산을 통하여 생성수의 양을 제어할 수 있다.

또한 상기 SOFC 가습기(13)와 같이 고온 작동형 연료 전지의 경우는 운전온도가 600~800℃로서 물의 끓는 점 이상에서 기체상의 물을 생성할 수 있으며, 100℃이하 조건에서 물의 평형 증기압 이상의 물이 다시 응축하게 되는 것과는 달리 연료 기체 속에 운전 압력이 허용하는 범위에서 최대한의 기체상 물분자를 빠른 응답성으로 생성하여 가습할 수 있게 된다.

그리고 가습된 수소 기체를 연료로 사용하는 PEM 연료 전지(14)의 경우, 연료가 주입되는 양극 쪽에서 충분히 가습된(≒100% RH)인 수소를 공급해야 하는데, 연료 전지의 출력이 높아질수록 수소 기체 사용량이 급격히 증가하여, 액체(DI 순수)를 온도에 따른 평형 수증기압에 도달하는 평형 반응을 이용하는 기존의 가습 기술로는 가습에 필요한 상대습도를 반응 속도론적으로 도달하기 곤란하게 된다.

따라서 이 경우 상기 PEM 연료 전지(14)와 SOFC 가습기(13)를 조합하면, 양극으로 공급되는 연료기체 속에 수소 유량에 따라 필요한 상대습도에 해당하는 물분자의 양에 해당하는 전력을 SOFC 가습기(13)로부터 생산하고, PEM 연료 전지(14)로 연료가 공급되기 전에 적절히 냉각하면 얻고자 하는 상대습도를 가진 수소 기체를 PEM 연료 전지(14)에 공급할 수 있게 된다.

또한 자동차용 연료(가솔린, 디젤 등) 또는 메탄올, 에탄올과 같이 탄화수소를 개질(Reforming)하여 수소 연료를 생산, 연료 전지의 연료로 사용하는 시스템의경우, 개질 과정에서 생기는 CO 가스가 PEM 연료 전지에 피독 작용을 하므로 별도의 CO 제거 장치가 필요하다.

그리고 미반응 탄화수소인 CH4는 수소 기체 연료에 섞일 경우, 희석제 역할을 하여 연료 전지의 출력 수준을 떨어뜨린다.

본 발명에서 SOFC 가습기(13)는 SOFC가 CO 및 CH4와 같은 미반응 또는 불완전 반응한 탄화수소를 연료 전지의 연료로 사용하여 전기를 생산하는 과정을 통하여, 수소 연료 정화 역할도 한다.

이와 같이 연료 개질기를 이용한 연료 전지 시스템에서는 연료 개질기의 작동 온도가 약 800℃ 근처로서, SOFC 가습기(13)와 운전온도 범위가 같아서, 본 기술이 제안하는 바와 같이 시스템을 조합하면, 시스템의 열효율을 높일 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은 다음과 같은 효과를 갖는다.

첫째, 가습 과정에서 전기에너지를 생산한다.

가습장치의 작동에 필요한 열 에너지 및 기계적 에너지를 소모해야 하는 종래의 가습장치와는 달리, 가습 과정이 전력의 생산을 통하여 이루어진다. 따라서 가습 과정이 시스템의 효율 및 출력 수준을 높이는 역할을 한다.

둘째, 가습 수준의 제어가 용이하다.

DI 순수와 접촉하는 기체의 온도의 함수로서, 평형 수증기압에 도달하는 평형 반응에서는 실질적으로 구현하기 어려운 가습 수준의 직접 제어를 가능하게 전력 생산을 통하여 가능하게 한다.

셋째, 가습 응답성이 빠르다.

PEM 연료 전지 시스템의 출력 수준이 커짐에 따른 기체 유량 및 유속 증가에 따라, 기존의 막 가습 및 기포 가습 방식에서는 실제적으로 얻고자 하는 상대습도의 달성이 반응 속도론적으로 곤란한데 반하여, 본 기술이 제안하는 기술은 전력 생산을 통하여 기체상에서 직접 물을 생성하므로 가습의 응답성이 빠르고, 적절한 설계를 통하여 대형 연료 전지 시스템의 가습 수준을 가능하게 한다.

넷째, 가습기를 통하여 시스템의 열효율 및 운전 효율을 높인다.

자동차용 연료 자동차용 연료(가솔린, 디젤 등) 또는 메탄올, 에탄올과 같이 탄화수소를 개질(Reforming)하여 수소 연료를 생산, 연료 전지의 연료로 사용하는 시스템의 경우, 연료 개질기의 작동 온도가 약 800℃ 근처로서, SOFC 가습기와 운전온도 범위가 같아서, 본 기술이 제안하는 바와 같이 시스템을 조합하면, 시스템의 열효율을 높일 수 있다.

다섯째, 가습 과정을 통하여 연료의 피독 물질을 정화한다.

자동차용 연료(가솔린, 디젤 등) 또는 메탄올, 에탄올과 같이 탄화수소를 개질(Reforming)하여 수소 연료를 생산, 연료 전지의 연료로 사용하는 시스템의 경우, 개질 과정에서 생기는 CO 가스가 PEM 연료 전지에 피독 작용을 하므로 별도의 CO 제거 장치가 필요하다. 또한 미반응 탄화수소인 CH4는 수소 기체 연료에 섞일 경우, 연료를 희석시키는 역할을 하여 연료 전지의 출력 수준을 떨어뜨린다.

그리고 SOFC 가습기는 SOFC가 CO 및 CH4와 같은 미반응 또는 불완전 반응한탄화수소를 연료로 사용하여 전기를 생산하므로, 가습 과정을 통해 수소 연료를 정화하는 기능을 할 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

Claims (1)

1. 수소 기체를 공급하는 연료 공급장치와;

   공기를 공급하는 공기 공급장치와;

   상기 연료 공급장치와 상기 공기 공급장치로부터 각각 수고 기체와 공기를 공급받고, 음극의 산소가 산소 이온으로 전이하여 전해질 막을 통과하여 양극에서 상기 수소 기체가 전이한 프로톤과 결합하여 물분자를 생성하는 SOFC 가습기와;

   상기 SOFC 가습기와 연결되어 구비되고, 상기 수소 기체가 양극에서 프로톤 상태로 전이한 후, 전도성 전해질 막을 통하여 음극에서 공기중의 산소가 전이한 산소 이온과 결합하여 물분자를 생성하는 PEM 연료 전지;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.