KR20060067670A - 직접액체연료전지용 연료공급장치 - Google Patents

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KR20060067670A
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Abstract

직접액체연료전지용 연료공급장치가 개시된다. 개시된 직접액체연료전지용 연료공급장치는, 복수의 플레이트가 겹쳐져서 형성된 플레이트 스택을 구비하며, 상기 플레이트 스택은, 액체연료가 들어오는 인입구; 상기 인입구로부터의 상기 액체연료에 하단이 연결되게 형성된 복수의 마이크로 채널; 및 상기 마이크로 채널의 상단과 연통되어 상기 마이크로 채널에서 증발된 개스 연료를 배출시키는 배출구;를 구비한다. 상기 플레이트 스택의 상부의 외주에는 상기 마이크로 채널 내의 상기 액체연료를 가열하는 히터가 설치된다.

Description

직접액체연료전지용 연료공급장치{Fuel delivery apparatus of direct feed methanol fuel cell}
도 1은 직접액체연료전지의 기본적인 구조를 보이는 단면도이다.
도 2는 종래의 직접액체연료전지의 구성을 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 연료공급장치가 적용되는 직접액체연료전지 시스템의 개략적 구성도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료공급장치(200)의 사시도이다.
도 5는 도 4의 분해사시도이다.
도 6은 도 4의 Ⅵ-Ⅵ 선단면도이다.
도 7은 마이크로 채널의 공극의 직경에 따라 연료가 이송되어 메니스커스를 형성할 수 있는 높이 변화를 보여주는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료공급장치(300)의 단면도이다.
도 9는 본 발명에 따른 연료공급장치가 적용되는 다른 직접액체연료전지 시스템의 개략적 구성도이
<도면의 주요부분에 대한 부호설명>
110,110': 연료전지 112: 연료탱크
120: 연료 믹서 122: 펌프
200,300: 연료공급장치 210: 종단 플레이트
212,222: 인입홀 214,224: 배출홀
220: 양면 플레이트 230: 마이크로 채널
240,340: 히터 312: 인입구
314: 배출구
본 발명은 직접액체연료전지에 사용되는 액체연료를 공급하는 연료 공급 시스템(fuel delivery system)에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 직접액체연료전지의 애노드전극에 공급되는 알콜을 기체상태로 공급하는 연료 공급 장치에 관한 것이다.
직접액체연료전지(Direct Liquid Feed Fuel Cell)는 메탄올, 에탄올 등의 유기화합물 연료와 산화제인 산소와의 전기화학반응에 의해 전기를 생성하는 발전장치로서 에너지밀도 및 전력밀도가 매우 높으며, 메탄올 등 액체연료를 직접 사용하기 때문에 연료개질기(reformer) 등 주변장치가 필요치 않으며 연료의 저장 및 공급이 쉽다는 장점을 가지고 있다.
직접액체연료전지는 도 1에 도시된 바와 같이, 애노드 전극(2)과 캐소드 전극(3) 사이에 전해질막(1)이 개재되어 있는 구조를 가진다. 각 애노드 전극(2)과 캐소드 전극(3)의 구조는 연료의 공급 및 확산을 위한 연료확산층(diffusion layer, 22, 32)과 연료의 산화/환원 반응이 일어나는 촉매층(21, 31), 그리고 전극 지지체(23, 33)을 구비한다. 전극 반응을 위한 촉매는 저온에서도 우수한 특성을 갖는 백금과 같은 귀금속 촉매가 사용이 되며 반응 부생성물인 일산화탄소에 의한 촉매피독 현상(catalyst poisoning)을 방지하기 위하여 루테늄, 로듐, 오스늄, 니켈등과 같은 전이금속의 합금촉매가 사용된다. 전극 지지체는 탄소종이, 탄소직물 등이 사용되며 연료의 공급과 반응 생성물의 배출이 용이하도록 발수처리(water-proofed)하여 사용한다. 전해질막(1)은 두께가 50-200 ㎛ 인 고분자막으로서 수분을 함유하며 이온전도성을 갖는 수소이온교환막이다.
직접액체연료전지 중, 메탄올과 물을 혼합 연료로 사용하는 직접메탄올연료전지 (Direct Methanol Fuel Cell)의 전극반응은 연료가 산화되는 애노드 반응과 수소이온과 산소의 환원에 의한 캐소드 반응으로 구성되며 반응식은 다음과 같다.
CH3OH +H2O → CO2 +6 H+ + 6 e- (Anode reaction)
3/2 O2 +6 H+ + 6 e- → 3 H2O (Cathode reaction)
CH3OH + 3/2 O2 → 2 H2O + CO2 (Overall reaction)
산화반응(반응식 1)이 일어나는 애노드 전극(2)에서는, 메탄올과 물의 반응에 의하여 이산화탄소, 수소이온 및 전자가 생성이 되며, 생성된 수소이온은 전해질막(1)을 통해서 캐소드 전극(3)으로 전달된다. 환원반응(반응식 2)이 일어나는 캐소드 전극(3)에서는, 수소이온과 외부 회로를 통해 전달된 전자 그리고 산소 간의 반응에 의해 물이 생성된다. 따라서 직접메탄올연료전지의 총괄반응(반응식 3)은 메탄올과 산소가 반응하여 물과 이산화탄소를 생성하는 반응이 된다. 이때, 메탄올 1분자가 산소와 반응하여 2 몰의 물이 생성된다.
이때 사용되는 액체연료는 순수한 메탄올이 아닌 시스템 내부에서 발생하거나 혹은 이미 저장되어있는 물과 혼합되어 사용되어야 하며, 고농도 연료를 사용할 경우 전해질막(수소이온교환막)에서의 연료의 크로스오버(cross-over, 연료가 이온교환막을 통과하는 현상)로 인한 발전 성능감소가 크기 때문에 일반적으로 0.5 ~ 2 M (2 ~ 8 vol. %)의 저농도 메탄올로 희석하여 사용하게 된다. 그러나, 저농도의 메탄올을 연료탱크에 저장하여 사용할 경우, 동일한 연료 저장부피에서 메탄올이 차지하는 비율이 낮기 때문에 연료의 에너지량이 현저하게 적어진다. 따라서, 연료의 에너지량을 증가시키기 위해서 고농도 또는 순수한 메탄올을 저장한 연료탱크를 갖춘 연료전지 시스템이 필요하다.
미국특허 6,303,244에는 도 2와 같이 고농도의 메탄올과 물을 별도로 저장하고 이를 혼합기에서 혼합한 후 연료전지스택에 공급하는 방식이 개시되어 있다.
도 2를 참조하면, 스택(4)의 내부 캐소드 측으로 환원반응을 위한 공기(Air)가 공급되고 다시 캐소드로부터 사용되고 남은 공기는 다시 외부로 배출되며 이때에 공기 중 포함된 반응부산물로서의 물은 회수되어 물 탱크(6)로 보내어진다. 한편, 연료 탱크(7)에는 고농도 또는 순수 메탄올이 저장된다.
연료로 사용되는 물 및 메탄올은 별도의 탱크(6, 7)에 저장되고, 물 및 메탄 올은 각 펌프(8, 9)에 의해 연료 믹서(10)에 공급되며, 여기에서 물과 메탄올이 혼합된 후 스택(4)의 애노드 측으로 보내어 진다.
그러나 종래의 직접액체연료전지는 연료이송을 위한 기계적인 방식의 펌프를 필요로 하며, 이는 휴대용 전자기기에 사용하는 소형의 직접액체연료전지에 적용시 소음을 일으키므로 부적합하며, 또한 휴대용 연료전지의 경우 연료이송량이 매우 적어 적절한 크기의 능동형 액체이송펌프를 선정하기가 어렵다.
본 발명의 목적은 액체 연료를 기체상태로 변환하여 공급하는 연료공급장치를 제공하는 것이다. 모세관력(Capillary force)을 이용하여 연료탱크로부터 연료를 이송할 수 있는 구조를 구성하고, 이송구조의 말단에 배치된 히터를 이용하여 액체연료의 메니스커스(meniscus)가 형성되는 부분을 가열하여 증발한 기체연료가 배출되고, 이로 인해 줄어든 연료는 모세관력에 의해 메니스커스 형성부의 위치가 지속적으로 유지되며 또한 히터의 발열량을 조절하여 연료공급량을 제어할 수 있는 연료공급장치를 개시한다.
상기 목적을 달성하기 위하여
본 발명의 일 실시예에 따른 연료공급장치는,
복수의 플레이트가 겹쳐져서 형성된 플레이트 스택을 구비하며,
상기 플레이트 스택은,
액체연료가 들어오는 인입구;
상기 인입구로부터의 상기 액체연료에 하단이 연결되게 형성된 복수의 마이크로 채널; 및
상기 마이크로 채널의 상단과 연통되어 상기 마이크로 채널에서 증발된 개스 연료를 배출시키는 배출구;를 구비하며,
상기 플레이트 스택의 상부의 외주에서 상기 마이크로 채널의 상단에 위치하는 부분에 상기 마이크로 채널 내의 상기 액체연료를 가열하는 히터;가 설치된 것을 특징으로 한다.
상기 플레이트 스택은,
양측에 설치되며 서로 대향하는 면에 상기 마이크로 채널이 형성된 두 개의 종단 플레이트; 및
상기 종단 플레이트 사이에 설치되며, 양면에 각각 마이크로 채널이 형성된 적어도 하나의 양면 플레이트;를 구비하며,
상기 종단 플레이트에는 상기 인입구 및 상기 배출구를 형성하는 인입홀 및 배출홀이 형성되어 있으며,
상기 양면 플레이트에는 상기 종단 플레이트의 인입홀 및 배출홀에 각각 연결되는 인입홀 및 배출홀이 형성된다.
본 발명의 일 국면에 따르면, 상기 종단 플레이트 및 상기 양면 플레이트는 실리콘 웨이퍼로 제조된다.
본 발명의 다른 국면에 따르면, 상기 종단 플레이트 및 상기 양면 플레이트는 고분자 수지로 제조된다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 다른실시예에 따른 연료공급장치는,
액체연료가 들어오는 인입구와, 기체로 변환된 상기 연료를 배출하는 배출구가 형성된 하우징;
상기 하우징 내에 채워져서 상기 액체연료를 공극 내에 저장하는 다공성 물질; 및
상기 하우징의 외주에 형성되어 상기 다공성 물질 내 액체연료를 가열하는 히터;를 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 배출구는 상기 하우징의 상부에 형성되며,
상기 배출구가 연결된 상기 하우징 내는 빈 공간인 것이 바람직하다.
상기 히터는 상기 다공성 물질의 상단에 해당되는 상기 하우징의 외주에 설치될 수 있다.
상기 다공성 물질은 스폰지일 수 있다.
상기 인입구는 상기 하우징의 상부에 형성되며, 상기 액체연료를 주입할 때사용된다.
이하 본 발명의 실시예에 따른 직접액체연료전지의 연료공급장치를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 연료공급장치가 적용되는 직접액체연료전지 시스템의 개략적 구성도이다. 도 3을 참조하면, 연료전지 스택(110)의 내부 캐소드 측으로 환원반응을 위한 공기(Air)가 공급되고, 캐소드로부터 반응부산물로서의 물은 회수되어 연료 믹서(120)로 보내진다. 한편, 연료 탱크(112)에는 고농도 또는 순수 메 탄올이 저장되어 있으며, 필요량 만큼 연료공급장치(200)에 의해 증기 상태로 변환되어 연료 믹서(120)에 공급된다. 연료 믹서(120)에서 소정 농도로 혼합된 액체연료는 펌프(122)에 의해 애노드측으로 보내어 진다. 애노드측에서 미반응된 연료는 다시 연료 믹서(120)로 회수될 수 있다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료공급장치(200)의 사시도이며, 도 5는 도 4의 분해사시도이며, 도 6은 도 4의 Ⅵ-Ⅵ 선단면도이다.
도 4 내지 도 6을 함께 참조하면, 연료공급장치(200)는 다수의 플레이트가 적층된 플레이트 스택이다. 플레이트 스택은 양측에 서로 마주보는 종단 플레이트(210)와, 종단 플레이트(210) 사이의 양면 플레이트(220)로 이루어져 있다.
두 개의 종단 플레이트(210)에는 연료탱크(112)로부터의 액체연료가 인입되는 인입홀(212)과, 후술하는 히터에 의해서 마이크로 채널 내의 메탄올은 증발되어서 개스 상태로 되어서 외부로 배출되는 배출홀(214)이 형성되어 있다. 상기 배출홀(214)은 상기 인입홀(212)과 동일한 종단 플레이트(210) 또는 다른 종단 플레이트(210)에 형성된다. 상기 종단 플레이트(210)에는 각각 서로 마주보는 면에 복수의 마이크로 채널(230)이 형성되어 있다. 한편, 상기 인입홀(212)과 배출홀(214)는
상기 양면 플레이트(220)에는 각각 상기 인입홀(212) 및 배출홀(214)에 대응되는 인입홀(222) 및 배출홀(224)이 형성되어 있으며, 양면에서 상기 인입홀(222) 및 배출홀(224)과 연통되는 복수의 마이크로 채널(230)이 형성되어 있다.
상기 마이크로 채널(230)은 직경이 수십 내지 수백 마이크론 크기로 형성된다. 상기 종단 플레이트(210)의 마이크로 채널(230)은 인입홀(212) 및/또는 배출홀 (214)이 형성된 경우에는 상기 인입홀(222) 및/또는 배출홀(224)고 연통되게 형성되며, 인입홀(212) 및/또는 배출홀(214)이 형성되지 않은 경우에는 인근의 양면 플레이트(220)의 인입홀(222) 및/또는 배출홀(224)에 노출되게 길게 형성된다. 상기 인입홀(212, 222)는 인입구(inlet port)를 형성하고, 상기 배출홀(214, 224)은 배출구(exit port)를 형성한다.
상기 마이크로 채널(230)이 형성된 플레이트는 실리콘 기판을 반도체 공정으로 제조할 수 있다.
또한, 상기 마이크로 채널(230)이 형성된 플레이트는 폴리 에틸렌과 같은 고분자 수지를 상기 마이크로 채널(230)이 형성된 금형으로 압출성형할 수도 있다. 이러한 고분자 수지로 제조된 연료공급장치는 플렉서블하기 때문에 설치가 용이하다. 한편, 도 4에는 인입홀(212) 및 배출홀(214)가 동일한 종단 플레이트에 형성되어 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 필요에 따라 인입홀(212) 및 배출홀(214)이 각각 서로 다른 종단 플레이트에 형성될 수도 있다.
한편, 상기 플레이트 스택의 외주에서 상기 배출홀(214)의 하부에는 히터(240)가 설치된다. 상기 히터(240)는 접촉되는 부위의 메탄올을 증발시키기 위한 것으로서, 전기적 저항선으로 만들 수 있다. 상기 히터(240)는 모세관인 마이크로 채널(230)의 메탄올을 증발시키고, 히터(240)에 의해서 증발된 메탄올은 인입홀(222)과 인입홀(212)을 통해서 외부로 나아간다. 이어서 혼합믹서(120)에서 냉각되면서 액체로 된다. 상기 증발과 함께 메탄올은 모세관 력에 의해 일정한 높이로 계속 마이크로 채널(230)로 채워진다. 이러한 연료공급장치(200)는 히터(240)에 의 해서 능동적으로 메탄올 증발량이 제어된다.
도 7은 마이크로 채널의 직경에 따라 메탄올이 이송되어 메니스커스를 형성할 수 있는 높이를 보여주는 그래프이다.
식 1은 마이크로채널의 반경과 모세관력간의 관계를 보여주는 단순화된 식이다.
Figure 112004059207663-PAT00001
여기서 P는 계면에서의 압력차로 연료가 이송될 수 있는 힘의 크기를 의미하고, ㆃ는 표면 장력(Surface tension)이며, r은 마이크로채널의 반경이다. 연료는 발생하는 압력차 만큼 마이크로 채널을 따라 올라가게 되며 반지름과 상승 가능한 액체연료 액주의 높이 혹은 이송거리와의 관계는 대략 도 7과 같이 나타낼 수 있다. 이때 메니스커스가 형성될 수 있는 높이 보다 마이크로 채널의 높이가 낮은 경우 메니스커스는 그 끝단에 형성되어 정지되어 있게 된다. 이러한 메니스커스가 형성되는 부분에 열을 가하게 되는 경우 증발이 일어나 방출되고, 이때 손실되어 낮아지는 계면의 높이는 모세관력에 의해 일정한 높이로 유지된다. 일반적으로 반경이 작아질수록 중력보다 모세관력이 우세하게 작용하게 되므로 연료이송장치의 메니스커스 높이는 설치방향의 영향을 거의 받지 않게 된다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료공급장치(300)의 단면도이다. 제1 실시예의 구성요소와 실질적으로 동일한 구성요소에는 동일한 참조번호를 사용하고 상세한 설명은 생략한다.
도 8을 참조하면, 연료공급장치(300)는 하우징(310) 내부에 다공성 물질, 예컨대 스폰지(320)가 채워져 있다. 상기 스폰지(320)에는 공극이 형성되어 있으며, 상기 공극에는 메탄올이 채워질 수 있다. 그리고, 하우징(310) 상부는 빈 공간(330)이다. 상기 하우징(310)의 외주에서 상기 빈 공간(330)의 하부에는 전기저항선으로 된 히터(340)가 설치된다. 상기 히터(340)는 연료가 채워지는 기액 경계면을 가열할 수 있는 곳에 위치하여 스폰지(320)에 채워진 메탄올을 증발시켜 액체 상태의 메탄올을 기체 상태로 변환한다. 상기 하우징(310)의 상부에는 상기 히터(340)에 의해 기체로 된 메탄올을 외부로 배출하는 배출구(314)가 형성되어 있다. 또한, 상기 하우징(310)에는 외부의 연료탱크(112)와 연결된 인입구(312)가 형성되어 있다. 한편, 상기 인입구(312) 대신에 외부로부터 연료를 주입하는 주입구(316)가 하우징(310)의 상부에 형성될 수 있으며, 이러한 경우에는 연료탱크(112)를 연료전지 시스템에서 생략할 수도 있다.
상기 스폰지(320)의 공극들은 서로 연결되어서 마이크로 경로를 형성한다. 따라서, 상기 히터(340)로 하우징(310)을 국부적으로 가열하면, 메탄올은 증발되어서 개스상태로 되어서 하우징(310) 상부의 빈 공간(330)으로 이동된다. 이어서, 배출구(314)를 통해서 연료 믹서(120)로 들어간다. 한편, 상기 증발과 함께 메탄올은 모세관력으로 계속 스폰지(320)의 상단까지 채워진다. 이러한 연료공급장치(300)는 히터(340)에 의해서 능동적으로 메탄올 증발량이 제어된다.
도 9는 본 발명에 따른 연료공급장치가 적용되는 다른 직접액체연료전지 시스템의 개략적 구성도이며, 도 3의 구성요소와 실질적으로 동일한 구성요소에는 동 일한 참조번호를 사용하고 상세한 설명은 생략한다.
도 9를 참조하면, 모노폴라 플레이트 타입의 휴대용 연료전지(110')의 내부 캐소드 측으로 환원반응을 위한 공기(Air)가 공급되고, 캐소드로부터 반응부산물로서의 물은 일부 회수되어 애노드측으로 보내진다. 한편, 연료 탱크(112)에는 순수 메탄올이 저장되어 있으며, 필요량 만큼 연료공급장치(200)에 의해 증기 상태로 변환되어 애노드에 공급된다. 반응중 생성된 일부 물과 CO2는 대기중으로 방출될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 연료공급장치는 기계적 펌프를 사용하지 않고도 모세관 력으로 연료전지의 애노드측으로 또는 연료믹서로 이송할 수 있다. 또한, 히터로부터의 열량을 조절하여 공급 유량을 조절할 수 있다.
본 발명은 도면을 참조하여 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 한해서 정해져야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 복수의 플레이트가 겹쳐져서 형성된 플레이트 스택을 구비하며,
    상기 플레이트 스택은,
    액체연료가 들어오는 인입구;
    상기 인입구로부터의 상기 액체연료에 하단이 연결되게 형성된 복수의 마이크로 채널; 및
    상기 마이크로 채널의 상단과 연통되어 상기 마이크로 채널에서 증발된 개스 연료를 배출시키는 배출구;를 구비하며,
    상기 플레이트 스택의 상부의 외주에서 상기 마이크로 채널의 상단에 위치하는 부분에 상기 마이크로 채널 내의 상기 액체연료를 가열하는 히터;가 설치된 것을 특징으로 하는 직접액체연료전지용 연료공급장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 플레이트 스택은,
    양측에 설치되며 서로 대향하는 면에 상기 마이크로 채널이 형성된 두 개의 종단 플레이트; 및
    상기 종단 플레이트 사이에 설치되며, 양면에 각각 마이크로 채널이 형성된 적어도 하나의 양면 플레이트;를 구비하며,
    상기 종단 플레이트에는 상기 인입구 및 상기 배출구를 형성하는 인입홀 및 배출홀이 형성되어 있으며,
    상기 양면 플레이트에는 상기 종단 플레이트의 인입홀 및 배출홀에 각각 연결되는 인입홀 및 배출홀이 형성된 것을 특징으로 하는 연료공급장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 종단 플레이트 및 상기 양면 플레이트는 실리콘으로 제조된 것을 특징으로 하는 연료공급장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 종단 플레이트 및 상기 양면 플레이트는 고분자 수지로 제조된 것을 특징으로 하는 연료공급장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 플레이트의 마이크로 채널은 압출성형으로 형성된 것을 특징으로 하는 연료공급장치.
  6. 액체연료가 들어오는 인입구와, 기체로 변환된 상기 연료를 배출하는 배출구가 형성된 하우징;
    상기 하우징 내에 채워져서 상기 액체연료를 공극 내에 저장하는 다공성 물질; 및
    상기 하우징의 외주에 형성되어 상기 다공성 물질 내 액체연료를 가열하는 히터;를 구비하는 것을 특징으로 하는 직접액체연료전지용 연료공급장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 배출구는 상기 하우징의 상부에 형성되며,
    상기 배출구가 연결된 상기 하우징 내는 빈 공간인 것을 특징으로 하는 연료 공급장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 히터는 상기 다공성 물질의 상단에 해당되는 상기 하우징의 외주에 설치된 것을 특징으로 하는 연료공급장치.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 다공성 물질은 스폰지인 것을 특징으로 하는 연료공급장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 인입구는 상기 하우징의 상부에 형성되며, 상기 액체연료를 주입할 때사용되는 것을 특징으로 하는 연료공급장치.
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