KR20060018476A - 고농도 산소에 의해 발전이 이루어지는 연료전지 - Google Patents

Abstract

본 발명 고농도 산소에 의해 발전이 이루어지는 연료전지는 수소와 산소의 전기화학적인 반응에 의해 발전이 이루어지는 발전기와, 그 발전기의 양극에 수소가스를 공급하기 위한 수소공급라인 및 수소배출라인과, 상기 발전기의 음극에 산소를 공급하기 위한 산소공급라인 및 산소배출라인과, 상기 산소공급라인에 설치되어 산소공급라인을 통하여 발전기의 음극에 고농도의 산소를 공급하기 위한 산소농축기를 구비하여, 발전기에 농축된 고농도의 산소가 공급되어지도록 함으로써, 발전기의 내부에서 양극측에 공급된 수소가스와 음극측에 공급된 고농도의 수소가스가 보다 많은 반응이 이루어지게 되어 발전효율이 향상되고, 그에 따라 대용량의 발전을 필요로 하는 연료전기의 소형화 설계에 매우 유리하다.

Description

고농도 산소에 의해 발전이 이루어지는 연료전지{FUEL CELL}

도 1은 일반적인 연료전지의 개념도.

도 2는 본 발명의 고농도 산소에 의해 발전이 이루어지는 연료전지 구성을 보인 개략구성도.

도 3은 본 발명에 따른 발전기의 단일셀구조를 나타내는 단면도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

101 : 발전기 102 : 수소가스공급라인

103 : 수소가스배출라인 104 : 산소가스공급라인

105 : 배출라인 110 : 산소농축기

122 : 양극 123 : 음극

본 발명은 외부로 부터 공급되는 연료와 공기의 전기화학반응을 통하여 전기를 생성하는 연료전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 음극으로 고농도의 산소를 공급하여 출력효율이 향상되도록 한 고농도 산소에 의해 발전이 이루어지는 연료전지에 관한 것이다.

일반적으로, 연료가 가지고 있는 에너지를 직접 전기적 에너지로 변환하는 장치로서 연료전지에 관한 기술이 공지되어 있다.

통상적인 형태의 연료전지는 도 1에 개념도에서와 같이, 통상 고분자 전해질(1)을 중심으로 양쪽에 촉매층(2)(2')을 가지는 다공질의 양극(ANODE)(3)과 음극(CATHODE)(4)이 부착되어 있으며, 그 외측에 각각 수소와 산소유로(5)(6)를 형성하는 바이폴라 플레이트(7)(7')가 설치되어 있어서, 양극(산화전극 또는 연료극)(3)에서는 연료인 수소의 전기화학적 산화가, 그리고 음극(환원전극 또는 공기극)(4)에서는 산화제인 산소의 전기화학적 환원이 일어나며 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기에너지가 발생되고, 그와 전류의 흐름에 의해 부하(8)에 전기가 공급되게 된다.

상기와 같은 연료전지에 공급되는 수소는 LNG, LPG, CH₃OH, 가솔린 등의 탄화수소계(CH계열) 연료를 개질기에서 탈황공정→개질반응→수소정제공정을 거쳐 수소(H₂)만을 정제하여 가스형태로 사용되거나 액체 상태의 메탄올을 직접 연료로 사용하는 직접 메탄올 연료전지(DMFC; DIRECT METHANOL FUEL CELL)방식으로 사용되어진다.

그리고, 상기와 같이 발생되는 전기에너지외에 열 에너지가 발생되는데, 이와 같이 발생되는 전기 에너지와 열 에너지의 효율이 각각 40%에 달하여 굉장히 높은 에너지 효율을 가지고 있다.

그런데, 상기와 같은 종래 일반적인 형태의 연료전지에서는 음극에 공급되는 산소가 공기중의 산소를 이용하기 때문에 대기 중 산소의 농도가 통상 20-21%를 넘지 못하고 있다. 이와 같은 상태에서 연료전지의 출력전압을 증가시키고자 할 때는 단위셀을 여러개 적층하여 스택형태로 구성하거나, 크기의 증가로 반응면적을 증대시키는 방법이 있을 수 있으나, 이와 같은 방법들은 모두 연료전지의 전체 크기가 증대되어 소형화에 배치되는 문제점들이 있었다.

상기와 같은 문제점을 감안하여 안출한 본 발명의 목적은 연료전지의 전체 크기를 크게 증대시키지 않고 고농도의 산소공급에 의한 반응양 증가로 출력효율을 향상시키도록 하는데 적합한 고농도 산소에 의해 발전이 이루어지는 연료전지를 제공함에 있다.

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여

수소와 산소의 전기화학적인 반응에 의해 발전이 이루어지는 발전기와,

그 발전기의 양극에 수소가스를 공급하기 위한 수소공급라인 및 수소배출라인과,

상기 발전기의 음극에 산소를 공급하기 위한 산소공급라인 및 산소배출라인과,

상기 산소공급라인에 설치되어 산소공급라인을 통하여 발전기의 음극에 고농도의 산소를 공급하기 위한 산소농축기를,

포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 고농도 산소에 의해 발전이 이루어지는 연료전지가 제공된다.

이상 설명한 본 발명의 구성.작용을 한층 명백하게 하기 위하여, 이하에서 본 발명의 적합한 실시예에 대하여 설명한다.

도 2는, 본 발명의 실시예로서 본 발명에 따른 온도조절장치가 설치된 연료전지의 개략구성도이다.

도시된 바와 같이, 연료전지(100)는 전기를 발생하는 고체 고분자형의 발전기(101)의 일측에는 양극에 수소가스를 공급하기 위한 수소가스공급라인(102)과, 그 공급된 수소가스가 발전기(101)의 내부에서 반응한 후 배출되는 수소가스배출라인(103)이 연결되어 있다.

그리고, 상기 발전기(101)의 타측에는 상기 발전기(101)의 양극에 공급된 수고가스와 반응하기 위한 산소가스를 음극에 공급하는 산소가스공급라인(104)과, 그 산소가 반응한 후 배출되는 공기와 수증기로 배출되는 배출라인(105)이 연결되어 있다.

또한, 상기 산소가스공급라인(104)에는 고농도의 산소를 발전기(101)의 내부로 공급하기 위한 산소농축기(110)가 설치되어 있다.

상기 산소농축기(110)는 수분이 발생되지 않는 진공스윙 흡착방식(RVSA방식)의 산소농축기(110)를 장착하는 것이 부화막 방식과 같은 타 방식에 비하여 전극부식을 방지하는 측면에서 유리하다.

상기 발전기(110)는 전기화학반응이 일어나는 단일셀(SINGLE CELL) 또는 여러개의 단일셀을 연속적으로 적층하여 볼트로 조립한 형태가 가능한데, 도 2를 참 고하여 단일셀구조를 설명하면, 전해질 막(121)의 양측에 가스를 확산시키기 위한 양극(122)과 음극(123)이 접합되어 이루어진 막-전극 접합체(MEA:MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY)(124)와, 그 막-전극 접합체(124)의 양측에 밀착되도록 조립되어 양극(122)과 음극(123)에서 연료가스 및 산소함유가스의 유로를 형성하는 분리판(SEPARATOR)(125)과, 그 분리판(125)의 양측에 배치되어 양극(122)과 음극(123)의 집전극이 되는 집전판(126)(127)으로 구성되어 있다.

막-전극 접합체(124)의 전해질 막(121)은 고분자재료로 이루어진 이온교환막으로서 대표적으로 상품화된 전해질막(121)으로는 듀폰사의 Nafion막이 있으며 수소이온의 전달체 역할을 하는 동시에 산소와 수소의 접촉을 막는 역할을 하게 되고, 양극(122)과 음극(123)은 백금(Pt) 촉매층을 지지하는 지지체로서 다공성 탄소지(CARBON PAPER) 혹은 탄소천(CARBON CLOTH)이 전해질 막(121)의 양측에 접합된 구조로 되어 있다.

분리판(125)은 치밀질의 카본 플레이트에 의해 형성되어 있고, 복수개의 리브가 형성되어 있어서 조립시 양극(122)과 음극(123)의 표면에서 유로홈(131)(132)을 형성한다.

집전판(126)(127)은 전기전도성이 우수하고, 내식성이 우수하며, 수소취성이 발생되지 않는 것이 바람직 할 것이며, 구체적으로는 티타늄, 스테인레스, 동 등 상기 요구성능이 만족되는 것이라면 어느 것이라도 좋다.

상기와 같이 구성된 본 발명 연료공급장치가 구비된 연료전지의 작용효과를 설명한다.

조작자가 연료전지(100)의 스위치를 조작하면 제어부에서 미리 설정된 제어 프로그램에 따라 수소공급라인(102)을 통하여 발전기(101)의 양극(122)에 수소를 공급하고, 산소공급라인(104)을 통하여 음극(123)에 산소가 공급하는데, 이때 상기 산소공급라인(104)으로 공급되는 산소는 산소농축기(110)에서 농축된 고농도의 산소가 공급되도록 한다.

상기와 같이 발전기(101)에 공급되는 수소가스는 양극(122)측에 형성된 유로홈(131)을 따라 흐르며 막-전극 접합체(124)의 양극(122) 전면에 확산이 되어 수소의 전기화학적 산화가 진행되고, 산소는 음극(123)측에 형성된 유로홈(132)을 따라 흐르며 막-전극 접합체(124)의 음극(123) 전면에 확산되어 산소의 전기화학적 환원이 일어나며, 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기가 발생되는데, 이때 발생되는 전기를 집전판(126)(127)에서 집전하여 에너지원으로 사용하게 된다.

이때 각극에서의 반응식과 총 반응식은 다음과 같다.

양극(ANODE): H₂(g) → 2H⁺ + 2e^-

음극(CATHODE): 1/2O₂(g) + 2H⁺ + 2e^_ → H₂O

총반응식 : H₂ + 1/2O₂ → H₂O

즉, 상기와 같은 발전기(101)의 음극(123)측의 유로홈(132)을 따라 흐르며 반응에 참여하는 산소는 산소농축기(110)에서 농축된 고농도의 산소이므로, 동일크기에서 보다 많은 반응이 일어나게 되고, 그에 따라 발전기(101)의 크기를 증대시 키지 않고도 발전효율이 향상되게 된다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명 고농도 산소에 의해 발전이 이루어지는 연료전지는 산소공급라인에 산소농축기를 설치하여, 발전기에 농축된 고농도의 산소가 공급되어지도록 함으로써, 발전기의 내부에서 양극측에 공급된 수소가스와 음극측에 공급된 고농도의 수소가스가 보다 많은 반응이 이루어지게 되어 발전효율이 향상되어 지는 효과가 있다.

또한, 상기와 같이 산소농축기를 장착하여 발전효율이 향상되어짐에 따라 대용량의 발전을 필요로 하는 연료전기의 소형화 설계에 매우 유리한 효과가 있다.

Claims (2)

1. 수소와 산소의 전기화학적인 반응에 의해 발전이 이루어지는 발전기와,

   그 발전기의 양극에 수소가스를 공급하기 위한 수소공급라인 및 수소배출라인과,

   상기 발전기의 음극에 산소를 공급하기 위한 산소공급라인 및 산소배출라인과,

   상기 산소공급라인에 설치되어 산소공급라인을 통하여 발전기의 음극에 고농도의 산소를 공급하기 위한 산소농축기를,

   포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 고농도 산소에 의해 발전이 이루어지는 연료전지.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 산소농축기는 수분이 발생되지 않는 진공스윙 흡착방식(RVSA방식)의 산소농축기인 것을 특징으로 하는 고농도 산소에 의해 발전이 이루어지는 연료전지.

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