KR20040093421A - 연료 전지 및 연료 전지 동작 방법 - Google Patents

연료 전지 및 연료 전지 동작 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 연료 전지의 전지 적층에서, 출력 전력 밀도가 연료 흐름의 상류측에 위치한 상류측 발전부와, 연료 흐름의 하류측에 위치한 하류측 발전부 각각에서 측정된다. 만약 상류측에서의 전압이 하류측에서의 전압보다 더 높다면, 연료의 농도를 증가시키는 제어 동작이 수행된다. 반대로, 만약 상류측에서의 전압이 더 낮다면, 연료의 농도를 감소시키는 제어 동작이 수행된다. 발전 효율을 최대가 되게 하는 연료 농도에 관한 제어는 이러한 제어 동작을 반복해서 수행함으로써 구현될 수 있다. 발전부 각각에 농도 센서를 제공할 필요가 없다. 그 결과로, 연료 전지의 구성의 간소화와 그 규모의 감축이 달성될 수 있다.

Description

연료 전지 및 연료 전지 동작 방법{FUEL CELL AND METHOD FOR OPERATING THE SAME}
본 발명은 2003년 4월 28일자로 일본특허청에 출원된 우선권문서 제 2003-123288호를 그 우선권으로 청구하며, 상기 문서의 전체 내용은 본 명세서에 참조문헌으로 병합되어 있다.
본 발명은 전해질이 그 사이에 있는 연료 전극과 공기 전극을 갖춘 연료 전지 및 연료 전지 동작 방법에 관한 것이다. 상세하게, 본 발명은 발전용 연료로서 메탄올을 사용하는 다이렉트 메탄올 연료 전지 및 연료 전지 동작 방법에 관한 것이다.
연료 전지는 산소 연료{산화제 가스(oxidant gas)}를 전기화학적으로 반응시켜 발전을 수행하기 위한 발전 디바이스(electricity generating device)이다. 연료 전지는 근래에 환경을 오염시키지 않는 발전 디바이스로서 관심을 끌고 있으며, 이는 거기서 수행된 발전의 부산물이 주로 물이기 때문이다. 예컨대, 자동차 및 가정용 코제너레이션 시스템(household cogeneration system)을 구동하기 위한 구동 전원으로서 연료 전지를 사용하고자 시도되고 있다.
자동차를 구동하기 위한 구동 전원용 연료 전지외에, 예컨대 노트북 개인용컴퓨터, 휴대폰 및 PDA(Personal Digital Assistant)와 같은 휴대용 전자 디바이스에서 구동 전원으로 사용하기 위한 연료 전지가 활발하게 개발되고 있다. 이러한 연료 전지는 필요한 전력을 안정적으로 출력하고, 휴대용 크기 및 중량을 갖는 것이 중요하다. 이러한 요건을 충족하기 위해 다양한 기술이 활동적으로 개발되고 있다.
연료 전지는 전해질 종류, 연료 공급 방법 등에 따라 여러 유형으로 분류된다. 수소로 개질(reform)되지 않고 연료로 메탄올을 사용하는 다이렉트 메탄올 연료 전지(DMFC: Direct Methanol Fuel Cell)가 제안되었다. DMFC에서, 애노드 측에서는, 다음의 반응이 주로 일어난다:
CH3OH + H2O →CO2+ 6H++ 6e-.
캐쏘드 측에서, 다음의 반응이 주로 일어난다:
3/202+ 6H++ 6e-→3H2O.
애노드 측에서 생성된 프로톤(H+)은 전해질을 통해 캐쏘드 측으로 전달된다. 그에 따라, 전기와 함께 물과 이산화탄소를 생성하기 위해 다음의 전체적인 반응이 일어난다:
CH3OH + 3/2O2→CO2+ 2H2O.
DMFC는 물과 메탄올의 혼합물인 연료를 애노드에 공급하는 것을 필요로 하며, 이는 비록 순수한 메탄올만이 애노드에 연료로서 공급된다 하더라도 발전 반응이 애노드에서 진행되지 않기 때문이다. 이때 수행될 연료 공급 방법으로서, 적절한 조성비로 메탄올과 물을 미리 혼합하는 방법이 제안되었다. 나아가, 또 다른 방법이 제안되었으며, 여기서, 연료가 순환되는 연료 채널이 제공되며, 순수한 메탄올이 이 채널에 보충되어 발전 반응에서 소모됨으로써 초래되는 메탄올 성분의 부족을 보상하며, 이 발전 반응에서 생성된 물은 회수되어 연료로 혼합된다.
메탄올과 물이 미리 연료로서 혼합되는 경우에, 연료 전지 시스템은 메탄올과 물을 혼합하는 디바이스를 가질 필요는 없다. 그에 따라, 연료 전지 시스템의 구조는 간단하게될 수 있다. 그러나, 공급될 메탄올이 미리 물과 혼합되므로 연료 그 자체의 에너지 밀도는 감소한다.
만약 고농도의 메탄올을 포함하는 연료가 연료의 에너지 밀도를 증가시키기 위해 사용된다면, 메탄올은 프로톤-전도성 이온 교환막을 투과한다. 이것은 연료 전지의 발전 효율을 감소시킬 뿐만 아니라 발전 요소 역할을 하는 MEA(Membrane Electrode Assembly)의 열화를 촉진하여, 연료 전지의 수명이 단축된다. 나아가, 연료가 연료 전지에 공급되기 이전에 연료 제조 공정 중에 순수한 메탄올과 물을 혼합해야 한다. 연료가 메탄올과 물이 혼합된 상태로 보존되는 경우, 오랜 시간 동안 메탄올의 농도를 안정화해야 하는 문제가 발생할 수 있는 가능성이 있다.
다른 한편으로, 발전에 의해 발생된 물이 회수되고 연료를 혼합하기 위해 재사용되는 경우, 연료에 포함된 메탄올의 농도를 유지하기 위해 메탄올 농도를 측정하기 위한 센서를 설치해야 한다. 일반적으로, 현재 실제 사용되고 있는 메탄올 농도 센서는 큰 크기를 갖고 있다. 따라서, 종래기술에서는 메탄올 농도 센서를 연료 전지 시스템 내에 통합하는 것이 어렵고, 연료 전지 시스템 그 자체가 복잡하고 대형이라는 문제점들이 있었다.
비록 PCT 국제공개번호 제 WO 00/02282호의 공개된 일본어 출원(KOHYO) 제 2002-520778호가 다른 연료전지와는 그 구조가 다른 셀을 사용하여 센서의 기능과 유사한 기능을 구현하기 위한 기술을 제안하였을지라도, 이 제안된 기술은 연료 전지 시스템이 복잡하고, 대형이라는 문제를 충분히 해결하지 않았다.
따라서, 간단한 구성을 사용하여 연료 농도를 발전을 위한 최적값으로 조정할 수 있는 연료 전지를 제공하고, 연료 전지를 동작하는 방법을 제공하는 것이 바람직하다. 본 발명은 전술한 논점에 관해서 달성된다.
본 발명의 양상에 따라, 연료 전극과 공기 전극이 양 측에 각각 배치되는 전해질을 각각 구비한 복수의 발전 단위(electricity generating unit)를 포함하는 연료 전지가 제공된다. 이 연료 전지는 연료의 흐름 방향의 상류측에 위치한 발전 단위에 의해 형성된 상류측 발전부와, 연료의 흐름 방향의 하류측에 위치한 발전부에 의해 형성된 하류측 발전부와, 상류측 발전부에서의 출력 전력 밀도와 하류측 발전부에서의 출력 전력 밀도에 따라 연료 전극에 공급되는 연료의 농도를 조정하기 위한 연료 농도 조정부를 포함한다.
발전부에서의 출력 전력 밀도는 특정한 연료 농도에서 최대값을 갖는다. 따라서, 더 높은 연료 농도가 제공된 상류측 발전부와 더 낮은 연료 농도가 제공된 하류측 발전부 사이의 전압차에 따라 출력 전력 밀도를 최대로 하기 위한 연료 농도 제어 방법이 결정될 수 있다. 따라서, 발전용 최적 연료 농도는, 상류측에 배치된 발전부에서의 출력 전력 밀도와 하류측에 배치된 발전부의 출력 전력 밀도에 따라 연료 농도를 조정함으로써 발전부 각각에 농도 센서를 제공하지 않고도 실현될 수 있다. 농도 센서가 불필요하기 때문에, 연료 전지의 구성의 간소화 및 규모의 감축이 달성될 수 있다.
연료 농도 조정부는, 상류측 발전부의 발전 단위에서의 출력 전력 밀도가 하류측 발전부의 발전 단위의 출력 전력 밀도보다 더 높은 경우 더 높은 값으로 연료 농도를 설정하도록 조정될 수 있다. 또한, 연료 농도 조정부는 상류측 발전부의 발전 단위에서의 출력 전력 밀도가 하류측 발전부의 발전 단위의 출력 전력 밀도보다 더 낮은 경우 더 낮은 값으로 연료 농도를 설정하도록 조정될 수 있다. 이것은, 연료 농도와 관련된 출력 전력 밀도의 최대값을 목표로 한 연료 농도의 조정을 가능케 한다.
또한, 발전 단위에서 전기를 생성함에 따라 발생된 물을 회수하고, 이 물을 연료 농도 조정부에 공급하기 위한 물 회수부를 연료 전지에 제공함으로써, 전기를 생성함에 따라 발생된 물이 연료 농도를 조정하는데 사용될 수 있다. 대안적으로, 발전 반응에 의해 농도가 감소된 연료가 더 높은 순도의 연료와 혼합되는 재활용형 연료 농도 조정이, 하류측 발전부의 연료 전극을 통과한 연료를 다시 연료 농도 조정부로 반환함으로써 수행될 수 있다.
상류측 발전부의 발전 단위의 수는 하류측 발전부의 발전 단위의 수와 같도록 설정될 수 있다. 대안적으로, 상류측 발전부의 발전 단위의 수는 하류측 발전부의 발전 단위의 수보다 더 크게 설정될 수 있다. 상류측 발전부의 발전 단위의 수가 하류측 발전부의 발전 단위의 수보다 더 크게 설정된 경우, 하류측 발전부의 각 단일 층을 흐르는 연료의 유량(flow rate)은 상류측 발전부의 각 단일 층을 통과하여 흐르는 연료의 유량보다 더 높다. 따라서, 비록 연료의 농도가 전기 발생에 의해 감소될 지라도, 발전 효율은 하류측에서 연료의 유량을 증가시킴으로써 향상될 수 있다.
상류측 발전부의 발전 단위는 연료의 흐름 방향과 병렬로 배치될 수 있다. 또한, 하류측 발전부의 발전 단위는 연료 흐름 방향과 병렬로 배치될 수 있다. 메탄올과 같은 알콜을 포함한 수용액이 연료로서 사용될 수 있다.
본 발명의 또 다른 양상에 따라, 연료 전극과 공기 전극이 각각 그 양측에 배치된 전해질을 각각 갖는 복수의 발전 단위를 포함하는 연료 전지를 동작하는 방법이 제공된다. 본 방법에서, 연료 전지에 공급될 연료의 농도는, 연료의 흐름 방향의 상류측에 배치된 상류측 발전 단위에서의 출력 전력 밀도와, 연료의 흐름 방향의 하류측에 배치된 하류측 발전 단위에서의 출력 전력 밀도에 따라 조정된다.
연료의 흐름 방향의 상류측에 배치된 상류측 발전 단위에서의 출력 전력 밀도와, 연료의 흐름 방향의 하류측에 배치된 하류측 발전 단위에서의 출력 전력 밀도에 따라 연료 농도를 조정함으로써, 발전부 각각에 농도 센서를 제공하지 않고도, 전기를 생성하기 위한 최적 연료 농도가 실현될 수 있다. 농도 센서가 불필요하기 때문에, 연료 전지의 구성의 간소화 및 그 규모의 감축이 달성될 수 있다.
본 발명의 상기 및 기타 목적, 특징 및 장점은 수반하는 도면과 연계하여 제공된 본 발명의 현 예시적인 실시예에 대한 다음의 설명을 통해 좀더 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료 전지의 구성을 예시한 블록도로서, 굵은 화살표는 연료의 흐름을 지시하는, 블록도.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 전지 적층의 구조를 예시한 분해사시도로서, 복수의 발전 디바이스가 적층되는, 분해사시도.
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에서 연료 내의 메탄올 농도와 출력 전력 밀도 사이의 관계를 예시한 그래프.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지의 메탄올 농도를 조정하기 위한 절차를 예시한 흐름도.
도 5는 본 발명의 제 1 실시예인 연료 전지의 구성을 예시한 블록도로서, 굵은 화살표는 연료의 흐름을 지시하는, 블록도.
도 6은 본 발명의 제 2 실시예에서 연료 내의 메탄올 농도와 출력 전력 밀도 사이의 관계를 예시한 그래프.
<도면 주요 부분에 대한 부호의 설명>
11: 격리판 12: MEA
13: 발전 디바이스(electricity generating device) 14: 전해질
15: 전극 16: 연료 채널
17: 공기 채널 18: 연료 공급 포트
19: 연료 배출 포트 22: 봉합 부재
제 1 실시예
이하, 본 발명이 적용되는 연료 전지 및 연료 전지 동작 방법이 첨부 도면을 참조하여 상세하게 기술된다. 부수적으로, 본 발명은 다음의 설명으로 한정되지 않는다. 본 발명의 범주에서 벗어나지 않고, 적절한 변화가 이뤄질 수 있다. 부수적으로, 비록 메탄올과 물이 연료로서 혼합된 수용액을 사용하는 예가 본 실시예에 대한 설명에서 기술될지라도, 또 다른 유기 용제와 물이 혼합되는 또 다른 수용액이 사용될 수 있다.
본 발명의 연료 전지는, 발전 디바이스가 연료 흐름 방향과 병렬로 배치되어 상류측 발전부와 하류측 발전부로 구성되며, 상류측 발전부와 하류측 발전부는 연료 흐름 방향에 직렬로 배치되는 구조를 갖는다.
도 1은 본 발명에 따른 연료 전지의 구성을 예시한 블록도이며, 연료와 공기의 흐름이 도시되어 있다. 도면에 예시된바와 같이, 연료 전지는 복수의 발전 디바이스가 적층된 적층 구조를 갖는 발전부(30)와, 연료 역할을 하는 메탄올을 공급하기 위한 연료 공급부(40)와, 연료를 순환시키고 연료 농도를 조정하기 위한 연료 농도 조정부(50)와, 산소를 포함한 공기를 발전부(30)에 공급하기 위한 공기 공급부(60)와, 발전부(30)에서 생성된 물을 회수하기 위한 물 회수부(70)를 갖는다. 이 도면에서, 굵은 화살표는 상기 구성요소에서의 연료의 흐름을 지시하는 반면, 가는화살표는 공기, 물, 및 메탄올의 흐름을 나타낸다.
이후에 기술될 도 2에 도시된 바와 같이, 발전부(30)는, 애노드 측과 캐쏘드 측으로부터의 전극(15)이 그 사이에 있는 전해질(14)을 각각 갖는 MEA(31a 내지 31j)를 각각 포함하는 10개의 발전 디바이스 층이 적층된 셀 적층 구조를 갖는다. 10개의 발전 디바이스 층 내의 MEA 중에서, 5개의 MEA(31a 내지 31e)는 그 상류측에서의 연료 흐름과 병렬로 배치되어, 상류측 발전부(32)를 구성하는 반면, 나머지 5개의 MEA(31f 내지 31j)는 그 하류측에서의 연료 흐름과 병렬로 배치되어, 하류측 발전부(33)를 구성한다. 상류측 발전부(32)에서 전압(Vu)을 측정하기 위한 상류측 전압계(34)는 상류측 발전부(32)에 연결된다. 하류측 발전부(33)에서 전압(Vd)을 측정하기 위한 하류측 전압계(35)는 하류측 발전부(33)에 연결된다.
상류측 발전부(32)의 층들은 연료 흐름 방향에서 하류측 발전부(33)의 층들과 직렬로 연결된다. 즉, 상류측 발전부(32)의 발전 디바이스는 전류 흐름 방향에서 하류측 발전부(33)의 발전 디바이스와 직렬로 연결되어, 발전 디바이스에서 각각 흐르는 전류는 서로 같다. 그러므로, 상류측에서 제공된 발전 디바이스 각각의 출력 전력 밀도는, 상류측 발전부(32)의 적층 구조에서 전압(Vu)을 상류측 전압계(34)를 사용하여 측정하고, 그런 다음 측정된 전압(Vu)을 상류측 발전부(32)에 포함된 발전 디바이스의 수로 나눔으로써 얻어질 수 있다. 또한, 하류측에서 제공된 발전 디바이스 각각의 출력 전력 밀도는, 하류측 발전부(33)의 적층 구조에서 전압(Vd)을 하류측 전압계(35)를 사용하여 측정하고, 그런 다음 측정된 전압(Vd)을 하류측 발전부(33)에 포함된 발전 디바이스의 수로 나눔으로써 얻어질 수 있다.
상류측 발전부(32)와 하류측 발전부(33)는 연료 흐름 방향에서 서로 직렬로 연결된다. 연료 농도 조정부(50)로부터 공급된 연료는 상류측 발전부(32)의 층 각각의 연료 채널을 통과하며, 그런 다음 부분적으로 애노드 측에서 소비된다. 후속하여, 상류측 발전부(32)의 발전 반응에 의해 그 농도가 낮아지는 연료는 하류측 발전부(33)의 층 각각의 연료 채널 내로 흐른다. 하류측 발전부(33)를 통과한 연료는 다시 연료 농도 조정부(50)에 도달한다. 그에 따라, 연료는 발전부(30)와 연료 농도 조정부(50) 사이에서 순환한다. 상류측 발전부(32)와 하류측 발전부(33)에서 발전하는데 사용되는 산소가 층 각각의 공기 채널에 공급된다. 발전시의 캐쏘드 측에서 생성된 물은 공기와 함께 물 회수부(70)에 배출된다.
연료 공급부(40)는 연료로서 발전부(30)에서 사용되는 메탄올을 연료 농도 조정부(50)에 공급하기 위한 부분이다. 연료 탱크(41), 밸브(42) 및 펌프(43)는 연료 농도 조정부(50)에 연결된 파이프(44)를 통해 연료 공급부(40)에 연결된다. 순수한 메탄올은 연료 탱크(41)에 저장된다. 메탄올은 밸브(42)를 개폐하고, 펌프(43)를 구동함으로써 이 탱크로부터 연료 농도 조정부(50)에 공급된다. 연료 농도 조정부(50)에 공급되는 메탄올의 양은 밸브(42)를 조정하고 펌프(43)를 제어하여 조정될 수 있다.
혼합기(51), 필터(52) 및 밸브(53)가 연료 파이프(54)를 통해서 연료 농도 조정부(50)에 연결된다. 혼합기(51)는, 연료 공급부(40)로부터 공급된 순수한 메탄올과, 발전부(30)로부터 회수된 연료와, 상류측 전압계(34)에 의해 측정된 전압(Vu) 및 하류측 전압계(35)에 의해 측정된 전압(Vd)에 따라 물 회수부(70)로부터 공급된 물을 혼합함으로써 메탄올을 포함하는 수용액인 연료의 메탄올 농도를 조정한다. 필터(52)는 먼지와 불순물을 연료로부터 여과하여 먼지와 불순물을 제거한다. 밸브(53)는 그 개/폐를 제어함으로써 발전부(30)에 공급되는 연료의 양을 조정한다. 혼합기(51)에 의해 그 메탄올 농도가 조정되는 연료는 연료 파이프(54)를 통해 발전부(30)로 보내진다. 이 예에서, 연료의 유량은, 메탄올 농도를 발전 효율에 영향을 미치는 주요한 인자가 되도록 설정하기 위해, 3% 농도를 갖는 연료가 발전부(30)에 한번 순환하면, 메탄올의 이용율(utilization factor)이 20%가 되도록 제어된다.
공기 공급부(60)는 외부 공기 취입구(61), 블로우어(blower)(62), 필터(63) 및 밸브(64)를 갖는다. 산소를 포함하는 공기는 외부 공기 취입구(61)로부터 취입되며, 이 공기는 그 후 블로우어(62)에 의해 발전부(30)에 공급된다. 필터(63)는 외부 공기 취입구(61)로부터 취입된 공기에서 먼지를 제거한다. 그런 다음, 공기의 유량이 조정되고, 후속하여 발전부(30)로 보내진다.
물 회수부(70)는 발전부(30)의 층 각각의 캐쏘드 측에서 생성된 물을 회수한다. 발전부(30)의 층 각각의 캐쏘드 측을 통과한 배출 가스는 발전 반응에서 생성된 물을 포함하며, 물 회수부(70)로 배출된다. 물 회수부(70)에서, 배출 가스의 유량은 밸브(71)에 의해 조정된다. 그런 다음, 배출 가스는 냉각기 드레인(72)에 의해 냉각되어 수증기(steam)를 증류한다. 냉각기 드레인(72)에 의해 물이 제거된 건조한 공기가 대기중에 배출된다. 냉각기 드레인(72)으로부터 추출된 물은 펌프(76)에 의해 밸브(74) 및 필터(75)를 통해 연료 농도 조정부(50)에 보내지며, 여기서물은 연료의 농도를 조정하기 위해 사용된다. 이 때, 연료 농도 조정부(50)에 공급된 물의 양은 밸브(74)의 개/폐를 제어하고 또한 펌프(76)의 구동을 제어함으로써 조정된다. 필터(75)는 물에 포함된 먼지와 불순물을 제거한다.
따라서, 도 1에 도시된 연료 전지에서, 연료 공급부(40)는 순수한 메탄올을 연료 농도 조정부(50)에 공급한다. 그런 다음, 연료 농도 조정부(50)는 발전부(30)로부터 반환된 연료와 연료 공급부(40)로부터 공급된 순수한 메탄올과 혼합함으로써 연료 농도를 조정한다. 후속하여, 연료 농도 조정부(50)는 연료를 발전부(30)로 순환시킨다. 물 회수부(70)에서 공급된 물은 또한 연료 농도 조정부(50)의 연료 농도를 조정하는데 사용된다. 발전부(30)에서, 연료 농도 조정부(50)로부터 보내진 연료는 먼저 상류측 발전부(32)에서 사용된다. 그런 다음, 그 농도가 감소한 연료는 하류측 발전부(33)에서 사용된다. 그에 따라, 여기서 전기가 생성된다.
도 2는 본 발명에 따른 연료 전지의 셀 적층 구조의 예를 예시한 분해사시도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 발전 디바이스(13)는 2개의 격리판(11)과 이들 두 격리판(11) 사이에 삽입된 MEA(12)를 포함한다. 부수적으로, 이 도면은 2개의 발전 디바이스(13)를 적층함으로써 구성된 셀 적층 구조를 도시한다. 그러나, 셀 적층은 더 많은 수의 발전 디바이스(13)를 적층하여 구성될 수 있다.
MEA(12)는 이온-전도성 전해질(14)과 이 전해질(14)을 두 측 내에 삽입하는 전극(15)으로 형성된다. 예컨대, 퍼플루오르-설포닉-산 고체 폴리머 전해질막(perfluoro-sulfonic-acid solid polymer electrolyte membrane)이 전해질(14)로서 사용될 수 있다. 전극(15)의 예는 발전 반응을 촉진하는 촉매 역할을 하는 백금을 내포한 전극이다.
격리판(11)은, 이 도면에서 보여지는 바와 같이 민더-형 그루부(meander-like groove) 역할을 하는 연료 채널(16)이 형성된 정면 측과, 또한 이 도면에서 보여지는 바와 같이 복수의 그루부 역할을 하는 공기 채널(17)이 형성된 후면 측을 갖는 판-형 부재이다. 공기는 공기 공급팬 또는 그 유사물에 의해 공기 채널(17)에 외부에서 공급되어, 연료 전지의 적층 구조 내의 공기 흐름이 실현된다.
결과적으로 격리판(11)의 두께 방향으로 관통하게 되도록 각 격리판(11)에는 연료 입구 역할을 하는 연료 공급 포트(18)와 연료 출구 역할을 하는 연료 배출 포트(19)가 형성된다. 연료 채널(16)의 한 단부는 연료 공급 포트(18)에 연결되는 반면, 다른 한 단부는 연료 배출 포트(19)에 연결된다. 만약 복수의 격리판(11)이 중첩되면, 연료 공급 포트(18)와 연료 배출 포트(19)는 서로 교통하여, 연료 공급 채널 및 연료 배출 채널을 각각 구성한다.
발전 디바이스(13)를 적층하여 구현된 적층 구조의 형성 시에 격리판(11)과 MEA(12) 사이를 봉합하기 위한 봉합 부재(22)가 MEA(12)의 주변 가장자리(circumferential edge) 부근에 배치된다. 이러한 봉합 부재(22)는 격리판(11)의 주변부를 MEA(12)의 주변부로부터 충분히 절연시킬 수 있는 재료로 형성된다. 바람직하게, 전지 적층의 발열성을 높이기 위해 높은 열전도 도를 갖는 재료가 봉합 부재(22)의 재료로서 사용된다.
만약 연료인 메탄올과 물의 혼합물이 도 2에 도시된 전지 적층 구조의 연료 공급 포트(18)에 공급된다면, 연료는 연료 공급 포트(18)와 교통하는 복수의 발전디바이스(13)에 형성된 연료 채널(16) 내로 흐른다. 그 이후, 연료 채널(16)을 통과한 연료는 연료 배출 포트(19)로부터 전지 적층의 외부로 배출된다. 연료가 연료 채널(16)을 통과하는 이 공정에서, 다음의 반응이 MEA(12)의 애노드 측에서 발생한다:
CH3OH + H20 →CO2+6H++ 6e-.
만약 산소를 포함한 공기가 MEA(12)의 외부로부터 MEA(12)의 공기 채널(17)에 공급되면, 다음의 반응이 MEA(12)의 캐쏘드 측에서 발생한다:
3/202+ 6H++ 6e-→3H20.
애노드 측에서 생성된 프로톤(H+)은 전해질을 통해 캐쏘드 측으로 전달된다. 그에 따라, 다음의 전체적인 반응이 발생하여 전기와 함께 물과 이산화탄소를 생성한다:
CH3OH + 3/2O2→CO2+ 2H2O.
연료 흐름 방향과 병렬로 발전 디바이스(13)를 배치한다는 점은, 연료 공급 포트(18)에 공급된 연료의 흐름이 전지 적층의 발전 디바이스(13)의 층들로 분기한다는 점을 의미하며, 여기서 연료 공급 포트(18)는 서로 교통한다. 따라서, 발전 디바이스(13)가 연료 흐름 방향과 병렬로 배치되는 경우, 층들의 연료 채널(16) 내로 각각 흐르는 연료 흐름 내의 메탄올 농도는 서로 같으며, 이는 연료 공급 포트(18)에 공급된 연료가 발전 디바이스(13)의 층들 내로 분기하기 때문이다.
복수의 발전 디바이스(13)는 그 상류측에서 연료 흐름과 병렬로 전지 적층 구조를 갖도록 배치되어, 상류측 발전부(32)를 구성한다. 또한, 다른 복수의 발전 디바이스(13)는 하류측에서 연료 흐름과 병렬로 또 다른 전지 적층 구조를 갖도록 배치되어, 하류측 발전부(33)를 구성한다. 상류측 발전부(32)와 하류측발전부(33)를 연료 흐름의 방향에 직렬로 배치한다는 점은, 상류측 발전부(32)의 연료 배출 포트(19)가 하류측 발전부(33)의 연료 공급 포트(18)에 연결되며, 이 연료가 상류측 발전부(32)를 통과한 이후 하류측 발전부(33)를 통과한다는 점을 의미한다. 즉, 서로 병렬 관계인 상류측 발전부(32)의 층들의 연료 채널(16)을 통해 흐른 연료는 설 병렬 관계인 하류측 발전부(33)의 층들의 연료 채널(16)을 통해 흐른다.
다음으로, 연료 농도 조정부(50)의 연료 농도 조정이 도 3을 참조하여 기술된다. 도 3은 발전에 의해 초래된 출력 전력 밀도와 연료 내의 메탄올 농도 사이의 관계를 예시한 그래프이다. 만약 발전 디바이스에 공급된 연료의 메탄올 농도가 낮다면, 발전에 사용된 메탄올은 이 발전 디바이스에 충분히 공급되지 않게 되어, 출력 전력 밀도는 감소한다. 반대로, 만약 발전 디바이스에 공급된 연료의 메탄올 농도가 높다면, 발전에 사용될 메탄올이 투과(crossover)에 의해 애노드로부터 침투하여, 직접 산화 반응을 일으킴으로써, 발전 디바이스의 특성의 열화가 발생하며, 출력 전력 밀도는 낮아진다.
따라서, 출력 전력 밀도가 최대값을 갖는 메탄올 농도(Dpi)(molecule/1)가 존재한다. 그 결과, 연료 전지의 발전 효율은 연료 밀도가 항상 값(Dpi)을 갖도록연료 전지의 메탄올 농도를 조정함으로써 최대가 될 수 있다.
전술된 바와 같이, 본 발명에 따른 연료 전지에서, 상류측 발전부(32)는 연료의 흐름 방향의 상류측에 배치되는 반면, 하류측 발전부(33)는 연료의 흐름 방향의 하류측에 배치된다. 발전부(30)와 연료 농도 조정부(50) 사이에 순환되는 연료는 상류측 발전부(32)에서의 발전 반응에서 사용된 이후 하류측 발전부(33)에서의 발전 반응에서 사용된다. 그러므로, 상류측 발전부(32)에서의 메탄올 농도는 항상 하류측 발전부(33)에서의 메탄올 농도보다 더 높다. 반대로, 하류측 발전부(33)에서의 메탄올 농도는 항상 상류측 발전부(32)에서의 메탄올 농도보다 더 낮다.
Du1및 Dd1은 각각, 상류측 발전부(32)에 공급된 메탄올의 농도가 출력 전력 밀도가 최대가 되는 메탄올 농도(Dp1)보다 더 낮은 경우에 상류측 발전부(32)에서의 메탄올 농도와 하류측 발전부(33)에서의 메탄올 농도를 나타낸다. 그래프에 도시된 바와 같이, 메탄올 농도가 Dp1이하인 경우에, 메탄올 농도가 더 높을수록 출력 전력 밀도는 더 높다. 따라서, 메탄올 농도(Du1)에서의 출력 전력 밀도는 메탄올 농도(Dd1)에서의 출력 전력 밀도보다 더 높다. 그 결과, 상류측 발전부(32)의 출력 전력 밀도가 하류측 발전부(33)의 출력 전력 밀도보다 더 높은 경우에, 메탄올 농도는 연료의 메탄올 농도를 증가시킴으로써 출력 전력 밀도가 최대가 되는 메탄올 농도(Dp1)에 근접하게 가져가질 수 있다.
Du2와 Dd2는 각각, 상류측 발전부(32)에 공급된 메탄올 농도가 출력 전력 밀도가 최대가 되는 메탄올 농도(Dp1)보다 더 높은 경우에, 상류측 발전부(32)에서의 메탄올 농도와 하류측 발전부(33)에서의 메탄올 농도를 나타낸다. 그래프에 도시된 바와 같이, 메탄올 농도가 Dp1이상인 경우에, 메탄올 농도가 높아질수록 출력 전력 밀도는 낮아진다. 그에 따라, 메탄올 농도(Du2)에서의 출력 전력 밀도는 메탄올 농도(Dd2)에서의 출력 전력 밀도보다 더 낮게 된다. 그 결과, 상류측 발전부(32)의 출력 전력 밀도가 하류측 발전부(33)의 출력 전력 밀도보다 더 낮은 경우, 메탄올 농도는 연료의 메탄올 농도를 감소시킴으로써 출력 전력 밀도가 최대가 되는 메탄올 농도(Dp1)에 근접하게 가져가질 수 있다.
심지어, 상류측 발전부(32)에서의 메탄올 농도가 메탄올 농도(Dp1)보다 더 높은 경우 및 하류측 발전부(33)에서의 메탄올 농도가 메탄올 농도(Dp1)보다 더 낮은 경우에, 만약 상류측의 출력 전력 밀도가 하류측에서의 출력 전력 밀도보다 더 높다면, 메탄올 농도는 전술된 바와 같이 증가되도록 제어된다. 만약 상류측에서의 출력 전력 밀도가 하류측에서의 출력 전력 밀도보다 더 낮다면, 메탄올 농도는 감소되도록 제어된다. 상류측 발전부(32)에서의 출력 전력 밀도가 하류측 발전부(33)에서의 출력 전력 밀도와 같은 경우, 연료의 메탄올 농도는 변하지 않는다.
도 4는 본 발명에 따른 연료 전지의 메탄올 농도를 조정하기 위한 절차를 예시한 흐름도를 도시한다. 비록 도 4에 예시된 연료 농도 제어 루틴은 주기적으로 호출되고 실행되지만, 이 루틴은 몇몇 조건이 충족되는 경우에는 비주기적으로 실행될 수 있다.
단계 1에서, 상류측 전압계(34)는 상류측 발전부(32)의 발전 반응에 의해 생성된 출력 전류의 전압(Vu)을 측정하는 반면, 하류측 전압계(35)는 하류측 발전부(33)의 발전 반응에 의해 생성된 출력 전류의 전압(Vd)을 측정한다. 전압(Vu 및 Vd)을 측정한 후, 절차는 단계 2로 진행한다.
단계 2에서, 혼합기(51)는 전압(Vu)을 전압(Vd)과 비교한다. 만약 전압(Vu)이 전압(Vd)보다 더 높다면, 상류측 발전부(32)에서의 연료 내의 메탄올 농도와 하류측 발전부(33) 내의 메탄올 농도 사이의 관계는 도 3에 도시된 메탄올 농도(Du1및 Dd1) 사이의 관계와 유사하다. 따라서, 본 절차는 메탄올 농도를 Dp1에 더 근접하게 가져가기 위해 단계 3으로 진행한다. 그 밖의 경우, 본 절차는 단계 4로 진행한다.
단계 3에서, 메탄올 농도를 Dp1에 더 근접하게 가져가기 위해, 혼합기(51)는 증가시키는 방식으로 메탄올 농도를 제어한다. 그 이후, 본 절차는 종료 단계로 진행한다. 그에 따라, 연료 농도 제어 루틴이 끝난다. 연료 농도를 증가시키기 위해, 연료 농도 조정부(50)는 증가시키는 방식으로 연료 공급부(40)로부터 공급된 순수한 메탄올의 유량을 제어하고, 또한 감소시키는 방식으로 물 회수부(70)로부터 공급되는 물의 유량을 제어한다. 그 결과, 발전부(30)로부터 반환된 연료에 추가되는 메탄올의 양이 증가하므로, 발전부(30)에 공급되는 연료의 메탄올 농도는 증가한다.
단계 4에서, 혼합기(51)는 전압(Vu)을 전압(Vd)과 비교한다. 만약 전압(Vu)이 전압(Vd)보다 더 낮다면, 상류측 발전부(32)에서의 연료의 메탄올 농도와 하류측 발전부(33)에서의 메탄올 농도 사이의 관계는 도 3에 도시된 메탄올 농도(Du2및 Dd2) 사이의 관계와 유사하다. 따라서, 본 절차는 메탄올 농도를 Dp1에 더 근접하게 가져가기 위해 단계 5로 진행한다. 그 밖의 경우에, 본 절차는 종료 단계로 진행한다. 따라서, 연료 농도 제어 루틴은 끝난다.
단계 5에서, 메탄올 농도를 Dp1에 더 근접하게 가져가기 위해, 혼합기(51)는 감소시키는 방식으로 메탄올 농도를 제어한다. 그 이후, 본 절차는 종료 단계로 진행한다. 따라서, 연료 농도 제어 루틴은 끝난다. 연료 농도를 감소시키기 위해, 연료 농도 조정부(50)는 감소시키는 방식으로 연료 공급부(40)로부터 공급된 순수한 메탄올의 유량을 제어하고 또한 증가시키는 방식으로 물 회수부(70)로부터 공급된 물의 유량을 제어한다. 그 결과, 발전부(30)로부터 반환된 연료에 추가되는 메탄올의 양은 줄어들어, 발전부(30)에 공급되는 연료의 메탄올 농도는 감소한다.
본 실시예에서, 상류측 발전부(32)의 발전 디바이스의 수는 하류측 발전부(33)의 발전 디바이스의 수와 같다. 그러므로, 전압(Vu 및 Vd) 사이의 비교는 발전부(32)의 층 당 출력 전력 밀도와 발전부(33)의 층 당 출력 전력 밀도 사이의 비교와 같다. 상류 발전부(32)의 발전 디바이스의 수가 하류측 발전부(33)의 발전 디바이스의 수와 다른 경우에, 발전부(32)의 층 당 출력 전력 밀도와 발전부(33)의 층 당 출력 전력 밀도가 계산된다. 그러면, 계산된 출력 밀도 사이를비교함으로써 제어 동작이 수행된다.
전술된 바와 같이, 상류측 발전부(32)와 하류측 발전부(33)에서의 출력 밀도가 측정된다. 만약 상류측 발전부(32)에서의 출력 전력 밀도가 하류측 발전부(33)에서의 출력 전력 밀도보다 더 높다면, 연료 농도 조정부(50)는 연료 내의 메탄올 농도를 증가시키는 제어 동작을 수행한다. 반대로, 만약 상류측 발전부(32)에서의 출력 전력 밀도가 하류측 발전부(33)에서의 출력 전력 밀도보다 더 낮다면, 연료 농도 조정부(50)는 연료 내의 메탄올 농도를 감소시키는 제어 동작을 수행한다. 이 제어 절차는 반복적으로 수행되어, 연료 농도 조정부(50)는 발전부(30)에 공급된 연료의 메탄올 농도를 Dp1로 가져갈 수 있다. 따라서, 발전 효율을 최대가 되게 하는 연료 농도에 관한 제어가 실현될 수 있다.
본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료 전지 및 본 발명의 본 실시예에 따른 연료 전지 동작 방법에 따라서, 전기를 생성하기 위한 최적 연료 농도는 상류측과 하류측 발전부 각각에 농도 센서를 제공하지 않고도 상류측 발전부의 출력 전력 밀도와 하류측 발전부의 출력 전력 밀도를 측정하는 것만으로 실현될 수 있다. 농도 센서는 불필요한 것이기 때문에, 연료 전지의 구성의 간소화 및 규모의 감축이 달성될 수 있다.
제 2 실시예
각각 본 발명이 적용된 연료 전지 및 연료 전지 동작 방법의 또 다른 실시예가 첨부 도면을 참조하여 상세하게 기술된다. 부차적으로, 본 실시예는 발전부의구성에서만 제 1 실시예와 다르다. 다른 구성요소들의 각각의 구성은 도 1을 참조하여 기술된 대응하는 구성요소의 구성과 유사하다.
도 5는 본 발명에 따른 연료 전지의 구성을 예시한 블록도이며, 연료와 공기의 흐름이 도시되어 있다. 본 도면에 도시된 바와 같이, 연료 전지는 복수의 발전 디바이스가 적층된 적층 구조를 갖는 발전부(80)와, 연료 역할을 하는 메탄올을 공급하기 위한 연료 공급부(40)와, 연료를 순환시키고, 연료 농도를 조정하기 위한 연료 농도 조정부(50)와, 발전부(80)에 산소를 포함한 공기를 공급하기 위한 공기 공급부(60)와, 발전부(80)에서 생성된 물을 회수하기 위한 물 회수부(70)를 갖는다. 본 도면에서, 굵은 화살표는 부분들 내의 연료의 흐름을 나타내는 반면, 가는 화살표는 공기, 물 및 메탄올의 흐름을 나타낸다.
이전에 기술된 도 2에 도시된 바와 같이, 발전부(80)는, 애노드 측과 캐쏘드 측으로부터의 전극(15)이 그 사이에 있는 전해질(14)을 각각 갖는 MEA(81a 내지 81j)를 각각 포함하는 10개의 발전 디바이스 층이 적층된 셀 적층 구조를 갖는다. 10개의 발전 디바이스 층 내의 MEA 중에서, 7개의 MEA(81a 내지 81g)는 그 상류측에서의 연료 흐름과 병렬로 배치되어, 상류측 발전부(82)를 구성하는 반면, 나머지 3개의 MEA(81h 내지 81j)는 그 하류측에서의 연료 흐름과 병렬로 배치되어, 하류측 발전부(83)를 구성한다. 상류측 발전부(82)에서 전압(Vu)을 측정하기 위한 상류측 전압계(84)는 상류측 발전부(82)에 연결된다. 하류측 발전부(83)에서 전압(Vd)을 측정하기 위한 하류측 전압계(85)는 하류측 발전부(83)에 연결된다.
상류측 발전부(82)의 층들은 연료 흐름 방향에서 하류측 발전부(83)의 층들과 직렬로 연결된다. 즉, 상류측 발전부(82)의 발전 디바이스는 전류 흐름 방향에서 하류측 발전부(83)의 발전 디바이스와 직렬로 연결되어, 발전 디바이스에서 각각 흐르는 전류는 서로 같다. 그러므로, 상류측에서 제공된 발전 디바이스 각각의 출력 전력 밀도는, 상류측 발전부(82)의 적층 구조에서 전압(Vu)을 상류측 전압계(84)를 사용하여 측정하고, 그런 다음 측정된 전압(Vu)을 상류측 발전부(82)에 포함된 발전 디바이스의 수로 나눔으로써 얻어질 수 있다. 또한, 하류측에서 제공된 발전 디바이스 각각의 출력 전력 밀도는, 하류측 발전부(83)의 적층 구조에서 전압(Vd)을 하류측 전압계(85)를 사용하여 측정하고, 그런 다음 측정된 전압(Vd)을 하류측 발전부(83)에 포함된 발전 디바이스의 수로 나눔으로써 얻어질 수 있다.
상류측 발전부(82)와 하류측 발전부(83)는 연료 흐름 방향에서 서로 직렬로 연결된다. 연료 농도 조정부(50)로부터 공급된 연료는 상류측 발전부(82)의 층 각각의 연료 채널을 통과하며, 그런 다음 부분적으로 애노드 측에서 소비된다. 후속하여, 상류측 발전부(82)의 발전 반응에 의해 그 농도가 낮아지는 연료는 하류측 발전부(83)의 층 각각의 연료 채널 내로 흐른다. 하류측 발전부(33)를 통과한 연료는 다시 연료 농도 조정부(50)에 도달한다. 그에 따라, 연료는 발전부(80)와 연료 농도 조정부(50) 사이에서 순환한다. 상류측 발전부(82)와 하류측 발전부(83)에서 발전하는데 사용되는 산소가 층 각각의 공기 채널에 공급된다. 발전 시에 캐쏘드 측에서 생성된 물은 공기와 함께 물 회수부(70)에 배출된다.
연료 공급부(40)는 연료로서 발전부(80)에서 사용되는 메탄올을 연료 농도 조정부(50)에 공급하기 위한 부분이다. 연료 탱크(41), 밸브(42) 및 펌프(43)는 연료 농도 조정부(50)에 연결된 파이프(44)를 통해 연료 공급부(40)에 연결된다. 순수한 메탄올은 연료 탱크(41)에 저장된다. 메탄올은 밸브(42)를 개폐하고, 펌프(43)를 구동함으로써 이 탱크로부터 연료 농도 조정부(50)에 공급된다. 연료 농도 조정부(50)에 공급되는 메탄올의 양은 밸브(42)를 조정하고 펌프(43)를 제어하여 조정될 수 있다.
혼합기(51), 필터(52) 및 밸브(53)가 연료 파이프(54)를 통해서 연료 농도 조정부(50)에 연결된다. 혼합기(51)는, 연료 공급부(40)로부터 공급된 순수한 메탄올과, 발전부(80)로부터 회수된 연료와, 상류측 전압계(84)에 의해 측정된 전압(Vu) 및 하류측 전압계(85)에 의해 측정된 전압(Vd)에 따라 물 회수부(70)로부터 공급된 물을 혼합함으로써 메탄올을 포함하는 수용액인 연료의 메탄올 농도를 조정한다. 필터(52)는 먼지와 불순물을 연료로부터 여과하여 먼지와 불순물을 제거한다. 밸브(53)는 그 개/폐를 제어함으로써 발전부(80)에 공급되는 연료의 양을 조정한다. 혼합기(51)에 의해 그 메탄올 농도가 조정되는 연료는 연료 파이프(54)를 통해 발전부(80)로 보내진다. 이 실시예에서, 연료의 유량은, 메탄올 농도를 발전 효율에 영향을 미치는 주요한 인자가 되도록 설정하기 위해, 3% 농도를 갖는 연료가 발전부(80)에 한번 순환하면, 메탄올의 이용율(utilization factor)이 40%가 되도록 제어된다.
공기 공급부(60)는 외부 공기 취입구(61), 블로우어(blower)(62), 필터(63) 및 밸브(64)를 갖는다. 산소를 포함하는 공기는 외부 공기 취입구(61)로부터 취입되며, 이 공기는 그 후 블로우어(62)에 의해 발전부(80)에 공급된다. 필터(63)는외부 공기 취입구(61)로부터 취입된 공기에서 먼지를 제거한다. 그런 다음, 공기의 유량이 조정되고, 후속하여 발전부(80)로 보내진다.
물 회수부(70)는 발전부(80)의 층 각각의 캐쏘드 측에서 생성된 물을 회수한다. 발전부(80)의 층 각각의 캐쏘드 측을 통과한 배출 가스는 발전 반응에서 생성된 물을 포함하며, 물 회수부(70)로 배출된다. 물 회수부(70)에서, 배출 가스의 유량은 밸브(71)에 의해 조정된다. 그런 다음, 배출 가스는 냉각기 드레인(72)에 의해 냉각되어 수증기(steam)를 증류한다. 냉각기 드레인(72)에 의해 물이 제거된 건조한 공기가 대기중에 배출된다. 냉각기 드레인(72)으로부터 추출된 물은 펌프(76)에 의해 밸브(74) 및 필터(75)를 통해 연료 농도 조정부(50)에 보내지며, 여기서 물은 연료의 농도를 조정하기 위해 사용된다. 이 때, 연료 농도 조정부(50)에 공급된 물의 양은 밸브(74)의 개/폐를 제어하고 또한 펌프(76)의 구동을 제어함으로써 조정된다. 필터(75)는 물에 포함된 먼지와 불순물을 제거한다.
따라서, 도 5에 도시된 연료 전지에서, 연료 공급부(40)는 순수한 메탄올을 연료 농도 조정부(50)에 공급한다. 그런 다음, 연료 농도 조정부(50)는 발전부(80)로부터 반환된 연료와 연료 공급부(40)로부터 공급된 순수한 메탄올과 혼합함으로써 연료 농도를 조정한다. 후속하여, 연료 농도 조정부(50)는 연료를 발전부(80)로 순환시킨다. 물 회수부(70)에서 공급된 물은 또한 연료 농도 조정부(50)의 연료 농도를 조정하는데 사용된다. 발전부(80)에서, 연료 농도 조정부(50)로부터 보내진 연료는 먼저 상류측 발전부(82)에서 사용된다. 그런 다음, 그 농도가 감소한 연료는 하류측 발전부(83)에서 사용된다. 그에 따라, 여기서 전기가 발생된다.
도 5에 예시된 연료 전지에서, 상류측 발전부(82)의 발전 디바이스의 층들의 수는 하류측 발전부(83)의 발전 디바이스의 층들의 수보다 더 크다. 따라서, 하류측 발전부(83)의 한 층에서 흐르는 연료의 유량은 상위측 발전부(82)의 한 층을 통해 흐르는 연료의 유량보다 더 크다. 그 결과로, 비록 연료 내의 메탄올이 상류측 발전부(82)의 발전 반응에서 부분적으로 소모되고, 하류측 발전부(83)에서 사용되는 연료의 메탄올 농도가 감소될지라도, 하류측 발전부(83)의 각각의 층에 공급되는 메탄올의 양은 증가할 수 있다.
즉, 비록 하류측 발전부(83)에서 발전하는데 사용된 연료의 농도가 상류측 발전부(82)를 통해 흐른 연료의 농도보다 더 낮을 지라도, 단위 시간당 공급된 메탄올의 양은 증가될 수 있으며, 이는 하류측 발전부(83)를 통해 흐르는 연료의 유량이 크기 때문이다. 이것은 하류측 발전부(83)의 발전 효율을 향상시켜서, 연료 농도 조정부(50)와 발전부(80) 사이에서 연료가 한번 순환하는 동안에 소모되는 메탄올 성분은 증가될 수 있게 된다. 따라서, 도 3에 예시된 메탄올 농도와 출력 전력 밀도 사이의 관계는 변한다. 아마도 연료 전지의 출력 전력 밀도가 최대가 되는 메탄올 농도는 도 3에 지시된 것보다 더 높을 것이다.
도 6은 도 5에 도시된 연료 전지의 연료 내 메탄올 농도와 그 출력 전력 밀도 사이의 관계를 예시한 그래프이다. 도 3의 그래프에서 도시한 것과 유사하게, 도 6은, 발전 디바이스에 공급된 연료 내의 메탄올 농도가 낮다면, 발전하는데 사용되는 메탄올이 여기에 충분히 공급되지 않아서, 그 출력 전력 밀도는 감소된다는 것을 보여준다. 반대로, 만약 발전 디바이스에 공급된 연료의 메탄올 농도가 높다면, 발전 반응에서 전해질 내의 프로톤의 전도에 필요한 물은 불충분하게 되어, 발전 반응이 약하게 진행되며, 출력 전력 밀도는 낮게 된다.
비록 출력 전력 밀도가 최대값을 갖는 메탄올 농도(Dp2)(mole/1)가 도 3에 나타난 Dp1보다 더 높은 농도 측으로 이동된다 하더라도, 연료 전지의 발전 효율은 연료 밀도가 항상 값(Dp2)을 갖게 되도록 연료 전지의 메탄올 농도를 조정하여 본 실시예에서 최대가 될 수 있다.
Du3및 Dd3은 각각, 상류측 발전부(82)에 공급된 메탄올의 농도가 출력 전력 밀도가 최대가 되는 메탄올 농도(Dp2)보다 더 낮은 경우에 상류측 발전부(82)에서의 메탄올 농도와 하류측 발전부(83)에서의 메탄올 농도를 나타낸다. 그래프에 도시된 바와 같이, 메탄올 농도가 Dp2이하인 경우에, 메탄올 농도가 더 높을수록 출력 전력 밀도는 더 높다. 따라서, 메탄올 농도(Du3)에서의 출력 전력 밀도는 메탄올 농도(Dd3)에서의 출력 전력 밀도보다 더 높다. 그 결과, 상류측 발전부(82)의 층 당 출력 전력 밀도가 하류측 발전부(83)의 층 당 출력 전력 밀도보다 더 높은 경우에, 메탄올 농도는 연료의 메탄올 농도를 증가시킴으로써 출력전력 밀도가 최대가 되는 메탄올 농도(Dp2)에 근접하게 가져가질 수 있다.
Du4와 Dd4는 각각, 상류측 발전부(82)에 공급된 메탄올 농도가 출력 전력 밀도가 최대가 되는 메탄올 농도(Dp2)보다 더 높은 경우에, 상류측 발전부(82)에서의메탄올 농도와 하류측 발전부(83)에서의 메탄올 농도를 나타낸다. 그래프에 도시된 바와 같이, 메탄올 농도가 Dp2이상인 경우에, 메탄올 농도가 높아질수록 출력 전력 밀도는 낮아진다. 그에 따라, 메탄올 농도(Du4)에서의 출력 전력 밀도는 메탄올 농도(Dd4)에서의 출력 전력 밀도보다 더 낮게 된다. 그 결과, 상류측 발전부(82)의 층 당 출력 전력 밀도가 하류측 발전부(83)의 층 당 출력 전력 밀도보다 더 낮은 경우, 메탄올 농도는 연료의 메탄올 농도를 감소시킴으로써 출력 전력 밀도가 최대가 되는 메탄올 농도(Dp2)에 근접하게 가져가질 수 있다.
심지어, 상류측 발전부(82)에서의 메탄올 농도가 메탄올 농도(Dp2)보다 더 높은 경우 및 하류측 발전부(83)에서의 메탄올 농도가 메탄올 농도(Dp2)보다 더 낮은 경우에, 만약 상류측의 출력 전력 밀도가 하류측의 출력 전력 밀도보다 더 높다면, 메탄올 농도는 전술된 바와 같이 증가되도록 제어된다. 만약 상류측의 출력 전력 밀도가 하류측의 출력 전력 밀도보다 더 낮다면, 메탄올 농도는 감소되도록 제어된다. 상류측 발전부(82)에서의 출력 전력 밀도가 하류측 발전부(83)에서의 출력 전력 밀도와 같은 경우, 연료의 메탄올 농도는 변하지 않는다.
Dp2가 되도록 연료의 메탄올 농도를 제어하는 방법은 제 1 실시예의 실명에서 기술된 방법과 유사하며, 연료 농도 조정부(50)가 연료 공급부(40)로부터 공급된 순수한 메탄올의 유량을 조정하게 하고, 물 회수부(70)로부터 공급된 물의 유량을 조정하게 함으로서 수행된다. 제 2 실시예에서, 상류측 발전부(82)의 발전 디바이스의 수는 하류측 발전부(83)의 발전 디바이스의 수와는 다르다. 따라서, 상류측 발전부(82)의 발전 디바이스의 수는, 연료 농도가 증가하는지 여부에 상관없이 상류측 발전부(82)의 층 당 출력 전력 밀도를 하류측 발전부(83)의 층 당 출력 전력 밀도와 비교함으로써 결정된다.
전술된 바와 같이, 상류측 발전부(82)와 하류측 발전부(83)에서의 출력 밀도는 측정된다. 만약 상류측 발전부(82)의 층 당 출력 전력 밀도가 하류측 발전부(83)의 층 당 출력 전력 밀도보다 더 높다면, 연료 농도 조정부(50)는 연료 내의 메탄올 농도를 증가시키는 제어 동작을 수행한다. 반대로, 만약 상류측 발전부(82)의 층 당 출력 전력 밀도가 하류측 발전부(83)의 층 당 출력 전력 밀도보다 더 낮다면, 연료 농도 조정부(50)는 연료의 농도를 감소시키는 제어 동작을 수행한다. 이 제어 절차는 반복적으로 수행되어, 연료 농도 조정부(50)는 발전부(80)에 공급된 연료의 메탄올 농도를 Dp2로 가져갈 수 있다. 그에 따라, 발전 효율을 최대가 되게 하는 연료 농도에 관한 제어가 실현될 수 있다.
또한, 하류측 발전부(83)에 공급된 연료의 유량은, 상류측 발전부(82)의 발전 디바이스의 수를 하류측 발전부(83)의 발전 디바이스의 수보다 더 크게 설정함으로써 상류측 발전부(82)에 공급되는 연료의 유량보다 더 크게 될 수 있다. 그 결과, 하류측 발전부(83)의 발전 효율은 향상될 수 있다.
본 발명의 제 2 실시예에 따른 연료 전지 및 본 발명의 이 실시예에 따른 연료 전지 동작 방법에 따라, 발전하는데 사용되는 최적 연료 농도는, 발전부 각각에농도 센서를 제공하지 않고도 상류측 발전부의 출력 전력 밀도와 하류측 발전부의 출력 전력 밀도를 측정하는 것만으로도 실현될 수 있다. 농도 센서는 불필요하기 때문에, 연료 전지의 구성의 간소화 및 규모의 감축이 달성될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 연료 전지의 구성을 간소화하며, 그 규모를 감축할 수 있는 효과가 있다.

Claims (17)

  1. 각각 전해질을 구비하고, 절해질 양측에는 연료 전극과 공기 전극이 각각 배치된, 복수의 발전 단위(plural electricity generating units)를 포함하는 연료 전지로서,
    연료 흐름 방향의 상류측에 위치한 발전 단위에 의해 형성된 상류측 발전부와,
    연료 흐름 방향의 하류측에 위치한 발전 단위에 의해 형성된 하류측 발전부와,
    상기 상류측 발전부에서의 출력 전력 밀도와 상기 하류측 발전부에서의 출력 전력 밀도에 따라, 상기 연료 전극에 공급된 연료의 농도를 조정하기 위한 연료 농도 조정부를,
    포함하는 연료 전지.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 상류측 발전부의 상기 발전 단위에서의 출력 전력 밀도가 상기 하류측 발전부의 상기 발전 단위에서의 출력 전력 밀도보다 더 높은 경우, 상기 연료 농도 조정부는 상기 연료 농도를 더 높은 값으로 설정하도록 조정되는, 연료 전지.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 상류측 발전부의 상기 발전 단위에서의 출력 전력 밀도가 상기 하류측 발전부의 상기 발전 단위에서의 출력 전력 밀도보다 더 낮은 경우, 상기 연료 농도 조정부는 상기 연료 농도를 더 낮은 값으로 설정하도록 조정되는, 연료 전지.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 발전 단위에서 전기를 생성함으로써 발생된 물을 회수하고, 이 물을 상기 연료 농도 조정부에 공급하기 위한 물 회수부를 더 포함하는, 연료 전지.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 하류측 발전부의 연료 전극을 통과한 연료는 상기 연료 농도 조정부로 반환되는, 연료 전지.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 상류측 발전부의 상기 발전 단위의 수는 상기 하류측 발전부의 상기 발전 단위의 수와 같은, 연료 전지.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 상류측 발전부의 상기 발전 단위의 수는 상기 하류측 발전부의 상기 발전 단위의 수보다 더 큰, 연료 전지.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 상류측 발전부의 상기 발전 단위는 연료의 흐름 방향과 병렬로 배치되고, 상기 하류측 발전부의 상기 발전 단위는 연료의 흐름 방향과 병렬로 배치되는, 연료 전지.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 연료는 알콜을 포함한 수용액인, 연료 전지.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 연료는 메탄올인, 연료 전지.
  11. 전해질을 각각 구비하고, 전해질 양 측에는 연료 전극과 공기 전극이 각각 배치된, 복수의 발전 단위를 포함하는 연료 전지를 동작시키는 방법으로서,
    상류측 발전 단위에서의 출력 전력 밀도와 하류측 발전 단위에서의 출력 전력 밀도에 따라, 상기 연료 전지에 공급되는 연료의 농도를 조정하는 단계를 포함하며,
    상기 상류측 발전 단위는 연료의 흐름 방향의 상류측에 배치되며, 상기 하류측 발전 단위는 연료의 흐름 방향의 하류측에 배치되는,
    연료 전지 동작 방법.
  12. 제 11항에 있어서, 상기 발전 단위에서 전기를 생성함으로써 발생된 물을 회수하는 단계와, 상기 연료의 농도를 조정하기 위해 물을 이용하는 단계를 더 포함하는, 연료 전지 동작 방법.
  13. 제 11항에 있어서, 상기 하류측 발전 단위의 연료 전극을 통과한 연료를 더 높은 농도의 연료와 혼합하는 단계와, 혼합된 연료를 반환하는 단계를 더 포함하는, 연료 전지 동작 방법.
  14. 제 11항에 있어서, 상기 상류측 발전부를 통해 흐르는 연료의 양은 상기 하류측 발전부의 상기 발전 단위를 통해 흐르는 연료의 양과 같은, 연료 전지 동작 방법.
  15. 제 11항에 있어서, 상기 상류측 발전부를 통해 흐르는 연료의 양은 상기 하류측 발전부의 상기 발전 단위를 통해 흐르는 연료의 양보다 더 적은, 연료 전지 동작 방법.
  16. 제 11항에 있어서, 상기 상류측 발전부의 상기 발전 단위에서의 출력 전력 밀도가 상기 하류측 발전부의 상기 발전 단위에서의 출력 전력 밀도보다 더 높은 경우에 연료 농도를 더 높은 값으로 설정하는 단계를 더 포함하는, 연료 전지 동작 방법.
  17. 제 11항에 있어서, 상기 상류측 발전부의 상기 발전 단위에서의 출력 전력 밀도가 상기 하류측 발전부의 상기 발전 단위에서의 출력 전력 밀도보다 더 낮은 경우 상기 연료 농도를 더 낮은 값으로 설정하는 단계를 더 포함하는, 연료 전지 동작 방법.
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