KR20060082303A - 연료 전지 시스템 - Google Patents

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KR20060082303A
KR20060082303A KR1020050002823A KR20050002823A KR20060082303A KR 20060082303 A KR20060082303 A KR 20060082303A KR 1020050002823 A KR1020050002823 A KR 1020050002823A KR 20050002823 A KR20050002823 A KR 20050002823A KR 20060082303 A KR20060082303 A KR 20060082303A
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서준원
나영승
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삼성에스디아이 주식회사
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Abstract

본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 수소와 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키며, 산소와 냉각매체가 동일 유통로를 통해 공급되고, 수소가 수소 통로를 통해 공급되는 스택과, 상기 공동 유통로로 상기 산소와 냉각매체를 공급하는 공기 공급원과, 상기 수소 통로로 상기 수소를 공급하는 연료 공급원과, 상기 공동 유통로로부터 배출되는 수분을 포집하여 저장하는 저장유닛과, 상기 저장유닛에 의해 저장된 수분을 상기 연료 공급원으로 순환시키는 순환유닛을 포함한다.
연료전지, 스택, 연료공급원, 연료탱크, 개질기, 전기발생부, 세퍼레이터, 유통로, 공기 공급원, 수분, 저장유닛, 순환유닛

Description

연료 전지 시스템 {FUEL CELL SYSTEM}
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 스택의 구성을 도시한 분해 사시도이다.
도 3은 도 2의 결합 단면 구성도이다.
도 4는 도 1에 도시한 저장유닛 및 순환유닛 부위를 나타내 보인 단면 구성도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 수소와 산소의 결합 반응에 의해 생성되는 수분을 재활용할 수 있는 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 연료 전지(fuel cell)는 메탄올, 에탄올 또는 천연 가스 등 탄 화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 공기 중의 산소를 연료로 하여 일어나는 전기화학 반응에 의하여 화학에너지를 직접 전기에너지로 변화시키는 발전 시스템이다. 특히, 연료 전지는 연소 과정 없이 연료가스와 산화제 가스의 전기 화학적인 반응에 의해 생성되는 전기와 그 부산물인 열을 동시에 사용할 수 있다는 특징을 가지고 있다.
이러한 연료 전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라, 150∼200℃ 부근에서 작동하는 인산형 연료전지, 600∼700℃의 고온에서 작동하는 용융탄산염형 연료전지, 1000℃ 이상의 고온에서 작동하는 고체 산화물형 연료전지, 상온 내지 100℃ 이하에서 작동하는 고분자 전해질형 및 알칼리형 연료전지 등으로 분류되며, 이들 각각의 연료전지는 근본적으로 같은 원리에 의해 작동하나, 연료의 종류, 운전 온도, 촉매 및 전해질이 서로 다르다.
이 중에서 근래에 개발되고 있는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC, 이하 PEMFC라 한다)는, 다른 연료 전지에 비하여 출력 특성이 탁월하고 작동 온도가 낮을뿐더러 빠른 시동 및 응답 특성을 가지고 있어서, 자동차와 같은 이동용 전원은 물론, 주택, 공공건물과 같은 분산용 전원 및 전자기기용과 같은 소형 전원 등 그 응용 범위가 넓은 장점을 가지고 있다.
상기와 같은 PEMFC가 기본적으로 시스템의 구성을 갖추기 위해서는, 스택(stack)이라 불리는 연료 전지 본체(이하, 편의상 스택이라 칭한다.), 연료 탱크 및 이 연료 탱크로부터 상기 스택으로 연료를 공급하기 위한 연료 펌프등이 필요하 다. 그리고 연료 탱크에 저장된 연료를 스택으로 공급하는 과정에서 연료를 개질하여 수소를 발생시키고 그 수소를 스택으로 공급하는 개질기(reformer)를 포함할 수 있다. 따라서, PEMFC는 연료 펌프의 펌핑력에 의해 연료 탱크에 저장된 연료를 개질기로 공급하고, 개질기가 연료를 개질하여 수소를 발생시키며, 스택은 수소와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기에너지를 생산해 내게 된다.
한편, 연료 전지는 액상의 메탄올 연료를 직접 스택에 공급할 수 있는 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell : DMFC, 이하 DMFC라 한다) 방식을 채용할 수 있다. 이러한 DMFC는 PEMFC와 달리, 개질기가 배제된다.
상기와 같은 연료 전지 시스템에 있어서, 전기를 실질적으로 발생시키는 스택은 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly : MEA)와 세퍼레이터(separator)('바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)'라고도 한다.)로 이루어진 단위 셀이 수 개 내지 수십 개로 적층된 구조를 가진다. 막-전극 어셈블리는 전해질막을 사이에 두고 애노드 전극과 캐소드 전극이 부착된 구조를 가진다. 그리고 세퍼레이터는 연료 전지의 반응에 필요한 산소와 연료 가스가 공급되는 통로의 역할과 각 MEA의 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체의 역할을 동시에 수행한다.
따라서, 세퍼레이터에 의해 애노드 전극에는 수소를 함유하는 가스가 공급되는 반면, 캐소드 전극에는 산소를 함유한 가스가 공급된다. 이 과정에서 애노드 전극에서는 수소의 전기 화학적인 산화가 일어나고, 캐소드 전극에서는 산소의 전기 화학적인 환원이 일어나며 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기와 열 그리고 물을 함께 얻을 수 있다.
이러한 연료 전지 시스템은 적정한 운전 온도를 벗어나는 경우 전해질막의 역할 수행 능력이 떨어지고 안정성을 보장할 수 없으며 심한 경우 연료전지를 손상시키게 된다. 이에 상기 연료 전지 시스템에는 공랭식 또는 수냉식의 냉각수단이 구비되어 운전과정에서 스택 내부에 발생되는 열을 지속적으로 제거하게 된다.
여기서 상기 종래의 냉각방식의 경우 냉각매체를 스택의 셀 사이로 진행시키기 위하여 세퍼레이터에 쿨링 채널을 형성하거나 별도의 쿨링플레이트를 셀과 셀 사이에 설치하게 된다. 따라서 냉각매체가 세퍼레이터 또는 쿨링플레이트에 형성된 쿨링채널을 통해 유통되면서 셀의 전기 화학 반응에 의해 발생되는 열을 신속하게 외부로 방열시키게 된다.
그러나 상기한 종래의 구조는 셀 냉각을 위한 별도의 쿨링 플레이트가 셀과 셀 사이에 개재됨에 따라 전체적인 스택의 두께가 두꺼워지는 단점이 있다.
쿨링플레이트를 사용하지 않고 세퍼레이터에 쿨링 채널을 형성하는 경우에도 마찬가지로 세퍼레이터 자체의 두께가 두꺼워지고 이에 따라 스택의 전체 두께가 두꺼워지게 된다.
또한, 스택으로 전기 화학 반응에 필요한 산소를 공급하기 위한 공기 공급 용 에어펌프와 더불어 스택 쿨링을 위해 냉각용 공기를 공급하기 위한 쿨링팬을 모두 구비해야 하므로 시스템의 구성이 복잡해지고 시스템의 크기가 커지게 되며 소모되는 전력이 늘어나는 문제점이 발생된다.
이러한 연료전지용 스택의 부피 증가는 좁은 공간 내에서 시스템을 설치 사 용해야 하는 경우 설계상의 제약 요인으로 작용하여 더욱 큰 문제를 야기하게 된다.
한편, 종래의 연료 전지 시스템에 있어 스택에서는 수소와 산소의 결합 반응에 의하여 고온의 수증기 상태를 유지하는 수분을 배출하게 되는 바, 이 수분을 시스템 외부로 직접 방출하는 경우, 그 만큼의 열 손실을 유발하게 되므로 전체 시스템의 열 효율이 떨어지게 되는 문제점이 있다. 또한 상기 수분이 비교적 낮은 온도를 유지하는 대기와 접촉하면서 응축이 일어나게 되므로, 본 시스템을 채용하는 전자기기 등의 외관 케이스를 통해 상기 응축된 물이 흘러 나와 사용자에게 불쾌감을 끼치게 하는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 그 목적은 스택의 부피를 최소화할 수 있는 연료 전지 시스템을 제공하는데 있다.
또한 본 발명의 다른 목적은 시스템을 이루는 구성요소를 줄임으로써 시스템을 단순화시키고 소모되는 전력을 줄일 수 있도록 된 연료 전지 시스템을 제공하는데 있다.
또한 본 발명의 또 다른 목적은 수소와 산소의 결합 반응에 의해 스택에서 발생되는 수분을 개질기의 수증기 개질 반응에 필요한 반응원으로 재활용할 수 있는 연료 전지 시스템을 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly: MEA)를 중심에 두고 그 양측에 배치되는 세퍼레이터를 포함하여 구성되고 적어도 하나의 상기 세퍼레이터 일면에 산소와 냉각매체의 공동 유통로가 다수개 배열 형성된 전기 발생부와, 상기 공동 유통로로 산소와 냉각매체를 공급하는 공기 공급원과, 수소를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급원과, 상기 공동 유통로로부터 배출되는 수분을 포집하여 저장하는 저장유닛을 포함한다.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 산소와 냉각매체로서 상기 공기 공급원으로부터 공급되는 공기를 사용하는 구조로 되어 있다.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 전기 발생부는, 상기 막-전극 어셈블리의 일면에 밀착되는 상기 일측 세퍼레이터의 접면에 상기 유통로를 형성하고, 상기 막-전극 어셈블리의 다른 일면에 밀착되는 상기 다른 일측 세퍼레이터의 접면에 수소 통로를 형성할 수 있다.
그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 전기 발생부를 복수로 구비하여 이들 전기 발생부의 집합체 구조에 의한 스택을 형성할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 저장유닛은, 상기 스택의 하측에 설치되어 상기 유통로로부터 배출되는 수분을 포집하는 트레이부와, 상기 트레이부에 연결 설치되어 상기 수분을 실질적으로 저장하는 스토리지부를 포함할 수 있다. 이 경우 상기 트레이부는 깔때기 형태로 이루어지며, 상기 스토리지부와 연통하도록 구비된다.
그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 유통로는 상기 세 퍼레이터의 일측단에서 반대쪽 측단을 따라 형성되며, 상기 일측단에 공기를 주입시키기 위한 공기 주입부를 형성하고, 상기 반대쪽 측단에 상기 공기를 배출시키기 위한 공기 배출부를 형성할 수 있다. 이 경우 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 전기 발생부에서 수소 산소의 결합 반응에 의하여 생성되는 수분을 상기 공기 배출부를 통해 배출시키는 구조로 되어 있다.
아울러 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 수소와 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키며, 산소와 냉각매체가 동일 유통로를 통해 공급되고, 수소가 수소 통로를 통해 공급되는 스택과, 상기 공동 유통로로 상기 산소와 냉각매체를 공급하는 공기 공급원과, 상기 수소 통로로 상기 수소를 공급하는 연료 공급원과, 상기 공동 유통로로부터 배출되는 수분을 포집하여 저장하는 저장유닛과, 상기 저장유닛에 의해 저장된 수분을 상기 연료 공급원으로 순환시키는 순환유닛을 포함한다.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 저장유닛은, 상기 스택의 하측에 설치되어 상기 유통로를 통해 배출되는 수분을 포집하는 트레이부와, 상기 트레이부에 연결 설치되어 상기 수분을 실질적으로 저장하는 스토리지부를 포함할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 연료 공급원은, 액상의 연료를 저장하는 제1 탱크와, 물을 저장하는 제2 탱크와, 상기 제1,2 탱크에 연결 설치되어 상기 제1,2 탱크에 저장된 액상의 연료와 물을 배출시키는 연료 펌프와, 상기 제1,2 탱크와 스택에 연결 설치되어 열 에너지에 의한 개질 반응을 통해 상기 연료와 물의 혼합 연료로부터 수소 가스를 발생시키고, 이 수소 가스를 상기 스택으로 공급하는 개질기를 포함할 수 있다.
그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 순환유닛은, 상기 스토리지부와 상기 제2 탱크를 연결하는 파이프 형태의 연결라인과, 상기 연결라인 상에 설치되어 상기 스토리지부에 저장된 수분을 상기 제2 탱크로 공급하는 순환펌프를 포함한다.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 순환유닛은, 상기 스토리지부와 상기 개질기를 연결하는 파이프 형태의 연결라인과, 상기 연결라인 상에 설치되어 상기 스토리지부에 저장된 수분을 상기 개질기로 공급하는 순환펌프를 포함한다.
그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 순환 유닛은, 상기 연결라인 상에 설치되어 상기 수분에 함유된 이물질을 필터링 하는 필터부를 포함할 수도 있다.
그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 공기 공급원은 공기를 상기 유통로로 공급하기 위한 팬을 포함할 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
이 도면을 참조하여 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)을 설명하면, 이 연료 전지 시스템(100)은, 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키고, 이 수소 가스와 산화제 가스를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrode Membrane Fuel Cell; PEMFC) 방식을 채용한다.
이러한 연료 전지 시스템(100)에 있어 전기를 발생시키기 위한 연료라 함은 메탄올, 에탄올 또는 천연 가스 등과 같이 수소를 함유한 기체 또는 액상의 연료를 통칭한다. 그러나 본 실시예에서 설명하는 이하의 연료는 편의상 액상으로 이루어진 연료로 정의하고, 상기 액상의 연료와 물이 혼합된 연료를 혼합 연료로 정의한다.
그리고 본 시스템(100)은 수소 가스와 반응하는 산화제 가스로서 별도의 저장수단에 저장된 산소 가스를 사용할 수 있으며, 산소를 함유하고 있는 공기를 사용할 수도 있다. 그러나 이하에서는 후자의 예를 설명한다.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)은, 기본적으로, 수소와 산소의 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 전기 발생부(11)와, 전술한 바 있는 혼합 연료로부터 수소 가스를 발생시키고 이 수소 가스를 전기 발생부(11)로 공급하는 연료 공급원(30)과, 전기 발생부(11)로 공기를 공급하는 공기 공급원(50)을 포함한다.
상기 전기 발생부(11)는 연료 공급원(30)과 공기 공급원(50)에 연결 설치되어 이 연료 공급원(30)으로부터 수소 가스를 공급받고, 공기 공급원(50)으로부터 공기를 공급받아 상기 수소 가스 중의 수소와 공기 중의 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키는 최소 단위의 연료 전지(fuel cell)를 구성한다. 따라서 본 실시예에서는 위와 같은 최소 단위의 전기 발생부(11)를 복수로 구비하고, 이들을 연속 배치함으로써 전기 발생부(11)들의 집합체 구조에 의한 스택(10)을 형성할 수 있다.
본 실시예에서, 상기 스택(10)은 연료 공급원(30)으로부터 공급되는 수소 가스와, 공기 공급원(50)으로부터 공급되는 공기를 통해 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 수행하면서 상기 공기에 의하여 전기 발생부(11)에서 발생되는 열을 냉각시키는 구조로 되어 있다. 이러한 스택(10)의 구조는 뒤에서 더욱 설명하기로 한다.
상기한 연료 공급원(30)은 액상의 연료를 저장하는 제1 탱크(31)와, 물을 저장하는 제2 탱크(32)와, 상기 제1,2 탱크(31, 32)에 연결 설치되어 이 제1,2 탱크(31, 32)에 저장된 액상의 연료와 물의 혼합 연료를 배출시키는 연료 펌프(33)와, 상기 제1,2 탱크(31, 32)와 스택(10) 사이에 배치되어 제1,2 탱크(31, 32)로부터 혼합 연료를 공급받아 이 혼합 연료로부터 수소 가스를 발생시키고 상기 수소 가스를 전기 발생부(11)로 공급하는 개질기(35)를 포함한다. 이 때 상기 개질기(35)는 파이프 라인을 통해 스택(10)과 연결 설치될 수 있다.
이 연료 공급원(30)에 있어 개질기(35)는 열 에너지에 의한 개질 촉매 반응 예컨대, 수증기 개질, 부분 산화 또는 자열 반응 등의 촉매 반응을 통해 상기한 혼합 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 것이 바람직하다. 그리고 상기 개질기(35) 는 예컨대 수성가스 전환 방법, 선택적 산화 방법 등과 같은 촉매 반응 또는 분리막을 이용한 수소의 정제 등과 같은 방법으로 상기 수소 가스 중에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 것이 바람직하다. 이러한 개질기(35)는 통상적인 PEMFC 방식의 개질기 구성으로 이루어질 수 있으므로, 본 명세서에서 그 자세한 설명한 생략하기로 한다.
그리고 상기 공기 공급원(50)은 스택(10)과 연결 설치되며, 소정의 회전력으로 공기를 흡입하여 이 공기를 전기 발생부(11)로 공급하는 적어도 하나의 팬(51)을 구비한다. 이 때 상기 팬(51)은 스택(10) 전체를 감싸는 하우징(도 3의 17)에 설치되어 스택(10) 전체로 공기를 분출시키는 것이 바람직하다.
여기서 본 발명의 실시예에 의한 상기 시스템(100)은 공기 공급원(50) 이외에 별도로 스택(10)을 냉각시키기 위한 구성이 갖추어지지 않았는데, 이는 공기 공급원(50)을 통해 공급되는 공기가 일부는 전기 발생부(11)의 전기 화학 반응에 소요되고 일부는 스택 냉각용으로 소요되기 때문이다. 이러한 작용은 전기 발생부(11)를 이루는 세퍼레이터에 유통로(도 2의 14a)가 형성됨으로써 가능한데 이에 대해서는 후술하도록 한다.
따라서 연료 공급원(30)을 통해 수소 가스를 전기 발생부(11)로 공급하고, 공기 공급원(50)을 통해 공기를 상기 전기 발생부(11)로 공급하게 되면, 전기 발생부(11)로부터 발생되는 열이 상기 공기에 의하여 냉각되게 되고, 이와 동시에 상기 전기 발생부(10)에서는 수소 가스 중의 수소와 공기 중에 함유된 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지, 물 그리고 열을 발생시킨다.
물론, 본 발명의 연료 전지 시스템(100)이 액상의 연료를 직접 스택으로 공급하여 전기를 생산하는 DMFC 방식으로 구성되는 경우, 상기한 PEMFC 방식과 달리 개질기가 배제된 구성을 이루게 된다. 이하에서는 본 발명을 PEMFC 방식으로 개질기(35)가 적용된 연료 전지 시스템을 예로 들어 설명한다. 그러나 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 상기한 구조의 연료 전지 시스템(100)에서 수소 가스 및 공기를 공급받아 전기를 발생시키고, 이때 발생되는 열을 공급되는 공기로 냉각시키는 스택(10)에 대해서 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 스택의 구성을 도시한 분해 사시도이고, 도 3은 도 2의 결합 단면 구성도이다.
도면을 참고하면, 본 실시예에 의한 스택(10)은 언급한 바 있듯이 다수의 전기 발생부(11)를 연속적으로 밀착 배치하여 이루어지는 바, 상기한 각각의 전기 발생부(11)는 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly: MEA)(이하, "MEA" 라고 한다.)(12)와, 상기 MEA(12)를 중심에 두고 이의 양면에 밀착 배치되는 세퍼레이터(Separator)(당업계에서는 '바이폴라 플레이트'라고도 한다.)(15)를 포함하여 구성된다.
MEA(12)는 수소와 산소의 전기 화학 반응을 일으키는 소정 면적의 활성 영역을 가지면서 일면에 애노드 전극, 다른 일면에 캐소드 전극을 구비하고, 두 전극 사이에 전해질막을 구비하는 구조로 이루어져 있다. 여기서 상기 애노드 전극은 개질기(35)로부터 공급되는 수소 가스를 산화 반응시켜 수소를 수소 이온(프로톤)과 전자로 변환시키는 기능을 하게 된다. 캐소드 전극은 팬(51)의 가동에 의해 공급되는 공기 중의 산소와 상기 애노드 전극으로부터 이동된 수소 이온을 환원 반응시켜, 소정 온도의 열과 수분을 발생시키는 기능을 하게 된다. 그리고 전해질막은 애노드 전극에서 생성된 수소 이온을 캐소드 전극으로 이동시키는 이온 교환의 기능을 하게 된다.
이 MEA(12)를 사이에 두고 이의 양면에 밀착 배치되는 상기 세퍼레이터(15)는 MEA(12)의 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체의 기능을 가지며, MEA(12)의 산화/환원 반응에 필요한 수소 가스와 공기를 상기 애노드 전극과 상기 캐소드 전극에 공급하는 통로의 기능도 가진다.
이를 위해 언급한 바와 같이 세퍼레이터(15)의 일측 표면 즉, MEA(12)의 일면에 밀착되는 세퍼레이터(15)의 밀착면에는 MEA(12)의 산화/환원 반응에 필요한 수소 가스를 공급하는 수소 통로(13a)를 형성한다. 이 때 본 실시예에 의한 스택(10)에 있어 상기 수소 통로(13a)는 개질기(35)와 스택(10)을 연결하는 파이프 라인을 통하여 상기 개질기(35)와 연결 설치될 수 있다.
그리고 상기 세퍼레이터(15)의 반대쪽 표면 즉, MEA(12)의 다른 일면에 밀착되는 세퍼레이터(15)의 밀착면에는 MEA(12)의 산화/환원 반응에 필요한 공기와 더불어 스택(10)의 구동에 의해 전기를 발생하는 과정에서 상기 각 전기 발생부(11)에서 발생하는 열을 냉각하기 위한 냉각용 공기가 공급되는 유통로(14a)를 형성한다.
실질적으로 상기 세퍼레이터(15)는 공기가 공급되도록 유통로(14a)가 형성된 세퍼레이터(14)와 이웃하는 다른 하나의 전기 발생부(11)로 수소 가스가 공급되도록 수소 통로(13a)가 형성된 세퍼레이터(13)가 서로 접하여 합체됨으로써 구성되므로, 이해의 편의를 돕기 위해 이하의 설명에서는 상호 접하여 하나의 세퍼레이터를 이루는 두 개의 세퍼레이터 중 수소 가스가 공급되는 세퍼레이터를 제1 세퍼레이터(13)라 칭하고 공기가 공급되는 세퍼레이터를 제2 세퍼레이터(14)라 칭한다.
이에 본 발명의 도면에서는 제1 세퍼레이터(13)와 제2 세퍼레이터(14)의 일면에 각각 수소 통로(13a)와 유통로(14a)가 형성되고, 수소 통로(13a)와 유통로(14a)가 형성되지 않은 면이 상호 밀착되어 하나의 세퍼레이터(15)를 이루는 상태를 잘 예시하고 있다. 즉, 제1 세퍼레이터(13)는 MEA(12)의 일면에 밀착되는 밀착면에 상기 수소 통로(13a)를 형성하고, 제2 세퍼레이터(14)는 MEA(12)의 다른 일면에 밀착되는 밀착면에 상기 유통로(14a)를 형성한다.
여기서 상기한 수소 통로(13a)는, 제1 세퍼레이터(13)가 MEA(12)의 애노드 전극 면에 밀착되어 형성되는 바, 제1 세퍼레이터(13)의 밀착면에 임의의 간격을 두고 직선 상태로 배치되고 이의 양단을 교호적으로 연결하여 이루어지는 사행(蛇行: meander)의 채널 형태로 형성되고 있다.
이와 같은 구조로 이루어진 본 실시예에 따르면, 상기 각 세퍼레이터(13, 14)는 각각의 일측면에 수소 통로(13a) 또는 유통로(14a) 만을 형성하면 되므로 각 세퍼레이터(13, 14)에 쿨링용 채널을 형성할 필요가 없게 되고, 또한, 제1 세퍼레이터(13)와 제2 세퍼레이터(14) 사이에 별도의 쿨링 플레이트를 설치하지 않아도 상기 유통로(14a)를 통해 냉각용 공기와 반응용 공기를 유통시킬 수 있게 되므로, 상기 세퍼레이터는 강성이 유지되는 한도에서 그 두께를 최대한 얇게 형성시킬 수 있게 된다.
따라서 세퍼레이터(13, 14)와 MEA(12)를 포함하는 다수의 전기 발생부(11)를 연속적으로 밀착 배치하여 스택(10)을 구성함에 있어서, 유통로(14a)가 형성된 제2세퍼레이터(14)가 바로 MEA(12)에 접하게 되어 공기 공급원(50)으로부터 공급되는 공기가 상기 유통로(14a)를 지나면서 전기 발생부(11)를 냉각시킴과 더불어 MEA(12)의 캐소드 전극으로 공급되게 된다.
이로써 상기 세퍼레이터 상에 공기가 지나가는 상기 유통로(14a) 이외에 별도의 냉각용 공기 공급을 위한 채널 또는 쿨링 플레이트 등을 형성할 필요가 없게 되어 전기 발생부(11)의 두께가 얇아질 수 있고 전체적으로 스택(10)의 두께가 최대한 얇아질 수 있는 것이다.
상기 제2 세퍼레이터(14)의 유통로(14a)에 대해 그 실시예를 더욱 상세하게 살펴보면 다음과 같다.
상기 유통로(14a)는 MEA(12)에 접하는 제2 세퍼레이터(14)의 접면에 채널 형태로 형성되며, 제2 세퍼레이터(14)의 일측단에서 반대쪽 측단을 향해 직선 형태로 관통 형성된 구조로 되어 있다.
이러한 유통로(14a)는 MEA(12)와 접하면서 양 끝단이 스택(10) 외측으로 연통된다. 따라서 유통로(14a)의 일측 선단에는 공기 공급원(50)으로부터 공급되는 공기를 상기 유통로(14a)로 주입시키기 위한 공기 주입부(14b)를 형성하고, 다른 일측 선단에는 상기 공기를 배출시키기 위한 공기 배출부(14c)를 형성하고 있다. 이 때 상기 공기 주입부(14b)는 제2 세퍼레이터(14)의 상측에 형성되고, 상기 공기 배출부(14c)는 제2 세퍼레이터(14)의 하측에 형성되는 것이 바람직하다.
상기와 같이 구성되는 연료 전지 시스템(100)의 작용시, 공기 공급원(50)으로부터 공급되는 공기는 상기 공기 주입부(14b)를 통해 유통로(14a)를 따라 유동하면서 일부가 MEA(12)의 환원반응에 참여하게 되고, 나머지는 상기 공기 배출부(14c)를 통해 빠져나가면서 전기 발생부(11)에서 발생된 열을 스택(10) 외부로 방열시키게 되는 것이다.
이러는 과정에서 스택(10)의 전기 발생부(11)에서는 MEA(12)에 대한 수소와 산소의 환원 반응에 의하여 고온의 수증기 상태를 유지하는 수분을 발생시키는 바, 이 수분은 유통로(14a)의 공기 배출부(14c)를 통하여 배출되게 된다.
이와 같은 연료 전지 시스템(100)에, 본 발명에 따른 저장유닛(60) 및 순환유닛(70)이 제공되는 바, 이 저장유닛(60)은 스택(10)으로부터 배출되는 수분을 포집하여 저장하고, 상기 순환유닛(70)은 저장유닛(60)에 저장된 수분을 연료 공급원(30)의 제2 탱크(32)로 공급하는 기능을 하게 된다.
도 4는 도 1에 도시한 저장유닛 및 순환유닛 부위를 나타내 보인 단면 구성도이다.
도면을 참고하며, 본 실시예에서 상기 저장유닛(60)은 스택(10)의 하측에 설치되어 유통로(14a)를 통해 배출되는 수분을 포집하는 트레이부(61)와, 이 트레이부(61)에 연결 설치되어 상기한 수분을 저장하는 스토리지부(63)를 포함한다.
상기 트레이부(61)는 유통로(14a)로부터 배출되는 수분을 포집하여 스토리지 부(63)로 배출시키는 구조로서, 유통로(14a)의 공기 배출부(14c) 측에 설치되며, 스택(10)을 감싸는 하우징(17)에 일체로 형성되고, 상기 수분을 배출시키는 배출 구멍(61a)을 갖는 깔때기 형태로 이루어진다. 이 때 상기 트레이부(61)는 스토리지부(63)와 일체로 형성되어 이 스토리지부(63)와 상호 연통되거나 별도의 파이프 라인을 통해 상기 스토리지부(63)와 연결 설치될 수 있다.
그리고 상기 스토리지부(63)는 트레이부(61)에 의해 포집된 수분을 저장하는 저장 공간을 갖는 저장 용기로서, 트레이부(61)의 배출 구멍(61a)과 상호 연통되거나 별도의 파이프 라인을 통해 상기 배출 구멍(61a)에 연결되어 상기 수분을 저장 공간으로 주입시키기 위한 주입구(63a)와, 상기한 수분을 배출시키기 위한 배출구(63b)를 형성하고 있다.
본 실시예에서 상기 순환유닛(70)은 스토리지부(63)에 저장된 수분을 배출시키고 이 수분을 제2 탱크(32)로 공급하는 구조로 이루어진다. 이를 위한 상기 순환유닛(70)은 스토리지부(63)와 제2 탱크(32)를 연결하는 파이프 형태의 연결라인(71)과, 이 연결라인(71) 상에 설치되어 스토리지부(63)에 저장된 수분을 배출시키고 이 수분을 연결라인(71)을 통해 제2 탱크(32)로 공급하는 순환펌프(73)를 포함한다. 이에 더하여 상기 순환유닛(70)은 연결라인(71) 상에 설치되어 이 연결라인(71)을 통해 제2 탱크(32)로 공급되는 수분의 이물질을 필터링 하는 필터부(75)를 구비하고 있다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)의 작용을 살펴 보면, 연료 펌프(33)를 가동시켜 제1 탱크(31)에 저장된 액상의 연료와 제2 탱크 (32)에 저장된 물을 배출시키고, 이 액상의 연료와 물의 혼합 연료를 개질기(35)로 공급한다. 그러면 개질기(35)는 열 에너지에 의한 수증기 개질(Steam Reforming: SR) 촉매 반응을 통해 상기 혼합 연료로부터 수소 가스를 발생시킨다.
이 후 상기 개질기(35)로부터 발생되는 수소 가스를 제1 세퍼레이터(13)의 수소 통로(13a)를 통하여 MEA(12)의 애노드 전극으로 공급한다.
이 과정을 거치는 동안, 팬(51)을 가동시켜 공기를 제2 세퍼레이터(14)의 유통로(14a)를 통해 MEA(12)의 캐소드 전극으로 공급한다. 그러면 스택(10)의 전기 발생부(11)에서는 MEA(12)에 대한 수소와 산소의 환원 반응에 의하여 열과 수분을 발생시킨다. 이러는 과정에서, 유통로(14a)를 따라 유동하는 공기 중의 일부는 MEA(12)의 환원반응에 참여하게 되고, 나머지는 공기 배출부(14c)를 통해 빠져나가면서 전기 발생부(11)에서 발생된 열을 스택(10) 외부로 방열시키게 된다. 그리고 상기한 수분은 유통로(14a)의 공기 배출부(14c)를 통해 배출되게 되는 바, 상기 수분은 트레이부(61)에 포집되면서 스토리지부(63)에 저장되게 된다.
이 상태에서 순환펌프(73)를 가동시켜 상기 스토리지부(63)에 저장된 수분을 배출시키고, 이 수분을 연결라인(71)을 통해 제2 탱크(32)로 공급한다. 이 때 상기 수분은 필터부(75)에 의해 필터링되면서 상기 수분에 섞인 이물질 등이 제거된 상태로 상기 연결라인(71)을 통해 제2 탱크(32)로 공급된다.
이로써 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)은 위와 같은 일련의 과정을 통해 스택(10)의 전기 발생부(11)에서 발생되는 수분을 개질기(35)의 수증기 개질 촉매 반응에 필요한 물로 재활용 할 수 있게 된다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도면을 참고하면, 본 실시예에 의한 연료 전지 시스템(200)은 전기 실시예의 구조를 기본으로 하면서, 스토리지부(83)에 저장된 수분을 개질기(35)로 직접 공급할 수 있는 순환유닛(90)이 구비된다.
상기에서 순환유닛(90)은 저장유닛(80)의 스토리지부(83)와 개질기(35)를 연결하는 파이프 형태의 연결라인(91)과, 이 연결라인(91) 상에 설치되어 스토리지부(83)에 저장된 수분을 배출시키고 이 수분을 연결라인(91)을 통해 개질기(35)로 공급하는 순환펌프(93)를 포함한다. 이에 더하여 상기 순환유닛(90)은 연결라인(91) 상에 설치되어 이 연결라인(91)을 통해 개질기(35)로 공급되는 수분의 이물질을 필터링 하는 필터부(95)를 구비하고 있다.
상기와 같이 구성되는 본 실시예에 의한 연료 전지 시스템(100)의 작용을 살펴 보면, 시스템의 초기 구동시, 전기 실시예에서와 같이 제1 탱크(31)에 저장된 액상의 연료와 제2 탱크(32)에 저장된 물을 개질기(35)로 공급하여 열 에너지에 의한 수증기 개질(Steam Reforming: SR) 촉매 반응을 통해 상기 액상의 연료와 물의 혼합 연료로부터 수소 가스를 발생시킨다.
이러한 과정을 거친 후, 수소 가스와 공기를 스택(10)으로 공급하게 되면, 이 스택(10)의 전기 발생부(11)에서는 수소와 산소의 환원 반응에 의하여 열과 수분을 발생시킨다.
이와 같이 전기 발생부(11)에서 발생되는 수분은 트레이부(81)에 포집되면서 스토리지부(83)에 저장되게 된다. 이 상태에서 순환펌프(93)를 가동시켜 상기 스토리지부(83)에 저장된 수분을 배출시키고, 이 수분을 연결라인(91)을 통해 개질기(35)로 공급한다. 이 때 상기 수분은 필터부(95)에 의해 필터링되면서 상기 수분에 섞인 이물질 등이 제거된 상태로 상기 연결라인(91)을 통해 개질기(35)로 공급된다.
이러는 과정을 거치는 동안, 제1 탱크(31)에 저장된 액상의 연료는 개질기(35)로 계속적으로 공급되고, 제2 탱크(32)와 개질기(35)를 연결하는 연결라인을 차단하여 제2 탱크(32)에 저장된 물은 개질기(35)로 공급되지 않는 상태에 있다.
이로써 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(200)은 상기한 수분을 개질기(35)로 직접 공급하여 연료의 수증기 개질 촉매 반응에 필요한 물로 재활용 할 수 있게 된다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 공동 유통로로 공기를 제공하여 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 수행하면서 전기 발생부에서 발생되는 열을 냉각시키는 구조를 가지므로, 세퍼레이터에 별도의 쿨링을 위한 채널을 형성하거나 쿨링플레이트를 설치하지 않게 되어 스택의 부피를 최소화할 수 있다.
또한, 스택으로 공기를 공급하기 위한 공기 공급원과 스택으로 냉각매체를 공급하기 위한 냉매 공급원을 별도로 구비하지 않고, 이들 중 어느 하나만으로 전기 발생부에 냉각매체와 산소를 공급할 수 있게 되어 전체적인 연료 전지 시스템의 부피를 줄일 수 있으며, 시스템에서 소모되는 전력을 절감할 수 있게 된다.
또한, 스택에서 발생하는 수분을 개질기의 수증기 개질 반응에 필요한 반응원으로 재활용할 수 있으므로, 시스템으로부터 수분 누출이 없고, 전체적인 시스템의 열효율을 향상시킬 수 있으며, 물 탱크의 용량을 줄여 전체적인 시스템을 컴팩트하게 구현할 수 있다.

Claims (15)

  1. 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly: MEA)를 중심에 두고 그 양측에 배치되는 세퍼레이터를 포함하여 구성되고, 적어도 하나의 상기 세퍼레이터 일면에 산소와 냉각매체의 공동 유통로가 다수개 배열 형성된 전기 발생부;
    상기 공동 유통로로 산소와 냉각매체를 공급하는 공기 공급원;
    수소를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급원; 및
    상기 공동 유통로로부터 배출되는 수분을 포집하여 저장하는 저장유닛
    을 포함하는 연료 전지 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 산소와 냉각매체가 상기 공기 공급원으로부터 공급되는 공기인 연료 전지 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기 발생부는, 상기 막-전극 어셈블리의 일면에 밀착되는 상기 일측 세퍼레이터의 접면에 상기 유통로를 형성하고, 상기 막-전극 어셈블리의 다른 일면에 밀착되는 상기 다른 일측 세퍼레이터의 접면에 수소 통로를 형성하는 연료 전지 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기 발생부를 복수로 구비하여 이들 전기 발생부의 집합체 구조에 의한 스택을 형성하는 연료 전지 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 저장유닛은,
    상기 스택의 하측에 설치되어 상기 유통로로부터 배출되는 수분을 포집하는 트레이부와,
    상기 트레이부에 연결 설치되어 상기 수분을 실질적으로 저장하는 스토리지부를 포함하는 연료 전지 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 트레이부는 깔때기 형태로 이루어지며, 상기 스토리지부와 연통하도록 구비되는 연료 전지 시스템.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 유통로는 상기 세퍼레이터의 일측단에서 반대쪽 측단을 따라 형성되며, 상기 일측단에 공기를 주입시키기 위한 공기 주입부를 형성하고, 상기 반대쪽 측단에 상기 공기를 배출시키기 위한 공기 배출부를 형성하는 연료 전지 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 전기 발생부에서 수소 산소의 결합 반응에 의하여 생성되는 수분을 상기 공기 배출부를 통해 배출시키는 구조의 연료 전지 시스템.
  9. 수소와 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키며, 산소와 냉각매체가 동일 유통로를 통해 공급되고, 수소가 수소 통로를 통해 공급되는 스택;
    상기 공동 유통로로 상기 산소와 냉각매체를 공급하는 공기 공급원;
    상기 수소 통로로 상기 수소를 공급하는 연료 공급원;
    상기 공동 유통로로부터 배출되는 수분을 포집하여 저장하는 저장유닛; 및
    상기 저장유닛에 의해 저장된 수분을 상기 연료 공급원으로 순환시키는 순환유닛
    을 포함하는 연료 전지 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 저장유닛은,
    상기 스택의 하측에 설치되어 상기 유통로를 통해 배출되는 수분을 포집하는 트레이부와,
    상기 트레이부에 연결 설치되어 상기 수분을 실질적으로 저장하는 스토리지부를 포함하는 연료 전지 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 연료 공급원은,
    액상의 연료를 저장하는 제1 탱크와,
    물을 저장하는 제2 탱크와,
    상기 제1,2 탱크에 연결 설치되어 상기 제1,2 탱크에 저장된 액상의 연료와 물을 배출시키는 연료 펌프와,
    상기 제1,2 탱크와 스택에 연결 설치되어 열 에너지에 의한 개질 반응을 통해 상기 연료와 물의 혼합 연료로부터 수소 가스를 발생시키고, 이 수소 가스를 상기 스택으로 공급하는 개질기를 포함하는 연료 전지 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 순환유닛은,
    상기 스토리지부와 상기 제2 탱크를 연결하는 파이프 형태의 연결라인과,
    상기 연결라인 상에 설치되어 상기 스토리지부에 저장된 수분을 상기 제2 탱크로 공급하는 순환펌프를 포함하는 연료 전지 시스템.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 순환유닛은,
    상기 스토리지부와 상기 개질기를 연결하는 파이프 형태의 연결라인과,
    상기 연결라인 상에 설치되어 상기 스토리지부에 저장된 수분을 상기 개질기 로 공급하는 순환펌프를 포함하는 연료 전지 시스템.
  14. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
    상기 순환유닛은, 상기 연결라인 상에 설치되어 상기 수분에 함유된 이물질을 필터링 하는 필터부를 포함하는 연료 전지 시스템.
  15. 제 1 항 또는 제 9 항에 있어서,
    상기 공기 공급원은 공기를 상기 유통로로 공급하기 위한 팬을 포함하는 연료 전지 시스템.
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