KR20060097135A - 연료전지 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료극(Anode)과 공기극(Cathode)이 전해질막을 사이에 두고 배열되는 연료전지스택과, 상기 연료전지스택의 연료극에 수소가 포함된 연료를 공급하는 연료탱크와, 산소가 포함된 공기에 오존을 첨가하여 상기 연료전지스택의 공기극으로 공급하는 산화제 공급장치로 구성되어, 연료전기스택의 공기극으로 오존을 공급하여 연료전지스택에서의 반응속도를 촉진시켜 상대적으로 높은 전류밀도를 얻을 수 있는 연료전지 시스템을 제공한다.

Description

연료전지 시스템 {FUEL CELL SYSTEM}

본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료전지의 반응속도를 촉진시켜 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있는 연료전지 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 연료전지 시스템은 화석 연료의 대안으로 제시하는 것으로 통상의 전지(2차 전지)와는 달리 연료극(anode)에 연료(수소가스나 탄화수소 등)를 공급하고 공기극(cathode)에 산소를 공급하여 연료의 연소(산화)반응을 거치지 않고 수소와 산소의 전기화학적 반응을 거쳐 반응 전후의 에너지 차를 전기에너지로 직접 변환하는 시스템이다.

종래 기술에 따른 연료전지 시스템은 도 1에서와 같이, 수소와 산소의 전기화학적 반응에 의해 전기에너지를 생성하도록 전해질막(미도시)을 사이에 둔 연료극(anode:102)과 공기극(cathode:104)이 다수로 적층되는 연료전지스택(106)과, 상기 연료극(anode:102)에 연료를 공급하는 연료탱크(108)와, 상기 공기극(cathode:104)에 산화제를 산화제 공급부(110) 등으로 구성된다.

상기 연료탱크(108)와 상기 연료전지스택(106)의 연료극(anode:102)은 연료공급라인(112)으로 연결되고, 상기 연료공급라인(112)에는 상기 연료탱크(108)에 저장된 연료를 펌핑하는 연료펌프(114)가 설치된다.

그리고, 상기 공기극(104)에 공급되는 산화제는 산소가 포함된 공기가 사용되고, 이에 따라 산화제 공급부(104)는 연료전지스택(106)의 공기극(cathode:104)으로 공기를 공급하는 에어 컴프레셔(118)와, 상기 연료전지스택(106)으로 공급되는 공기를 정화시키는 에어 필터(120)와, 상기 연료전지스택(106)으로 공급되는 공기를 적정하게 습윤하도록 가습하는 가습기(humidifier:122)로 구성된다.

상기와 같은 종래 기술의 연료전지에 연료를 공급하여 전기에너지가 발생하는 과정을 다음에서 설명한다.

제어부(미도시)의 제어신호에 따라 연료펌프(Fuel Pump:114)가 구동되면 연료탱크(108)에 저장된 연료가 펌핑되어 연료전지스택(106)의 연료극(102)에 공급된다. 그리고, 에어 컴프레셔(118)가 작동되면 에어 필터(120)에 의해 정화된 공기가 가습기(122)를 통과하면서 습윤되어 상기 연료전지스택(106)의 공기극(104)으로 공급된다.

상기 연료전지스택(106)으로 연료와 공기가 공급되면 전해질 막(미도시)을 사이에 두고 연료극(102)에서는 수소의 전기화학적 산화가 진행되고, 공기극(104)에서는 산소의 전기화학적 환원이 일어나며, 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기가 발생되어 부하(120)로 공급된다.

즉, 연료극(2)에서는 전기화학적 산화반응인

2H₂ + 4OH → 4H₂O + 4e^-이 발생하여 전해질막에서는 산화/환원 반응에 의해 생긴 이온을 전달하고,

공기극(4)에서는 공급한 공기(산소)의 전기화학적 환원반응인

O₂ + 4e^- + 2H₂O → 4OH^- 이 발생하여 전류를 생성하고 이렇게 생성된 전류는 부하(124)로 공급된다.

이와 같은 종래의 연료전지 시스템은 산화제로 산소가 포함된 공기가 사용되기 때문에 단위 반응당 4개의 전자가 발생된다. 따라서, 연료전지스택에서의 반응속도가 상대적으로 느려지고 결과적으로 연료전지의 성능을 저하시키는 문제점이 있다.

따라서 본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은 연료전기스택의 공기극으로 오존을 공급하여 연료전지스택에서의 반응속도를 촉진시켜 상대적으로 높은 전류밀도를 얻을 수 있는 연료전지 시스템을 제공하는 데 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 연료전지 시스템의 구성도이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구성도이다.

도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 시스템의 구성도이다.

도 4는 본 발명의 제3실시예에 따른 연료전지 시스템의 구성도이다.

도 5는 본 발명의 제4실시예에 따른 연료전지 시스템의 구성도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

2 : 연료극 4 : 공기극

6 : 연료전지스택 8 : 연료탱크

10 : 공기 공급장치 12 : 가열장치

14 : 연료 공급라인 16 : 연료펌프

18 : 공기 공급라인 20 : 에어 필터

22 : 에어 컴프레셔 24 : 가습기

26 : 물탱크 28 : 연료 재순환라인

30 : 연료 재순환펌프 32 : 수소 공급라인

50 : 하우징 52 : 송풍팬

54 : 연소기 56 : 구획통

58 : 배출홀 60 : 연료관

62 : 공기관 64 : 연료 유입구

66 : 연료 토출구 68 : 공기 유입구

70 : 공기 토출구

[발명의 실시를 위한 최선의 형태]

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 일 실시 예를 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 연료전지 시스템의 실시 예로서는 다수개가 존재할 수 있으며, 이하에서는 가장 바람직한 실시 예에 대하여 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구성도이다.

일 실시예에 따른 연료전지 시스템은 수소와 산소의 전기화학적 반응에 의해 전기에너지를 생성하도록 전해질막(미도시)을 사이에 둔 연료극(6)과 공기극(8)이 다수로 적층되는 연료전지스택(10)과, 상기 연료극(6)으로 연료를 공급하는 연료 공급장치와, 산소가 포함되어 있는 공기에 오존을 첨가하여 공기극(6)에 공급하는 산화제 공급장치(14)로 구성된다.

상기 연료 공급장치는 연료가 저장되는 연료탱크(12)와, 상기 연료탱크(12)와 연료전지스택(10)의 연료극(6) 사이에 연결되는 연료 공급라인(16)과, 상기 연료 공급라인(16)의 일측에 설치도어 상기 연료탱크(12)에 저장된 연료를 펌핑하는 연료펌프(18)로 구성된다.

상기 산화제 공급장치(14)는 대기 중의 공기를 연료전지스택(10)의 공기극(8)으로 유도하는 공기 공급라인(20)과, 상기 공기 공급라인(20)의 입구측에 설치되어 상기 공기 공급라인(20)으로 흡입되는 공기를 정화시키는 에어 필터(22)와, 상기 공기 공급라인(20)의 일측에 설치되어 외부공기를 흡입하는 흡입력을 발생시키는 에어 컴프레셔(24)와, 상기 에어 컴프레셔(24)에 의해 흡입된 공기를 가습하는 가습기(26)와, 상기 연료전지스택(10)의 공기극(8)으로 공급되는 공기에 오존을 첨가하는 오존 발생기(ozone apparatus:28)로 구성된다.

상기 오존 발생기(28)는 상기 가습기(26)와 연료전기스택(10)의 공기극(8) 사이를 연결하는 공기 공급라인(20)과 연결되어 상기 가습기(26)를 통과하면서 가습된 공기에 오존을 첨가시킨다.

이와 같이 구성되는 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 작용을 다음에서 설명한다.

먼저, 연료펌프(18)가 작동되면 연료탱크(12)에 저장된 연료가 연료 공급라인(16)을 통해 연료전지스택(10)의 연료극(6)으로 공급된다. 그리고, 에어 컴프레셔(24)가 작동되면 외부의 공기가 에어 필터(22)를 통과하면서 필터링되고 가습기(26)를 통과하면서 가습되어 연료전지스택(10)의 연료극(6)으로 공급된다. 이때, 상기 오존 발생기(28)로부터 발생된 오존이 가습된 공기에 첨가되어 연료극(6)으로 공급된다.

이와 같은 연료전지스택에서의 반응을 살펴보면, 알칼리성 전해질 연료전지(Alkaline electrolyte fuel cell)인 경우 연료극(6)에서는 전기화학적 산화반응인 3H₂ + 6OH^- → 6H₂O + 6e^-이 발생하고, 상기 공기극(8)에서는 전기화학적 환원반응인 O₃ + 6e^- + 3H₂O → 6OH^- 이 발생하여 전류를 생성하고, 이렇게 생성된 전류는 부하(30)로 공급된다.

그리고, 산성 전해질 연료전지인 경우(Alkaline electrolyte fuel cell)인 경우, 상기 연료극(6)에서는 전기화학적 산화반응인 3H₂ → 6H⁺ + 6e^-이 발생하고,

상기 공기극(8)에서는 전기화학적 환원반응인 O₃ + 6e^- + 6H⁺ →3H₂O이 발생하여 전류를 생성하고, 상기 생성된 전류는 부하(30)로 공급된다.

이와 같이 일 실시예에 따른 연료전지 시스템은 단위 반응당 6개의 전자가 발생되기 때문에 상대적으로 높은 전류밀도를 얻을 수 있다.

도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 시스템의 구성도이다.

제2실시예에 따른 연료전지 시스템은 전해질막(미도시)을 사이에 둔 연료극(6)과 공기극(8)이 다수로 적층되는 연료전지스택(10)과, 상기 연료극(6)으로 공급되는 연료가 저장되는 연료탱크(12)와, 상기 공기극(8)으로 오존을 공급하는 산화제 공급장치(50)로 구성된다.

상기 산화제 공급장치(50)는 오존을 발생시키는 오존 발생기(52)와, 상기 오존 발생기(52)와 연료전지스택(10)의 공기극(8) 사이에 연결되어 오존 발생기(52)에서 발생된 오존을 상기 연료전지스택(10)의 공기극(8)으로 공급하는 오존 공급라인(56)과, 상기 오존 공급라인(56)에 설치되어 상기 오존 발생기(52)에서 발생된 오존을 가습하는 가습기(54)로 구성된다.

이와 같은 제2실시예의 연료전지 시스템의 작용을 살펴보면, 연료펌프(18)가 작동되어 연료탱크(12)에 저장된 연료가 연료공급라인(16)을 통해 연료전지스택(10)의 연료극(6)으로 공급된다. 그리고, 오존 발생기(52)가 작동되어 오존이 발생되고, 이렇게 발생된 오존은 가습기(54)를 통과하면서 가습되어 연료극(8)으로 공급된다.

그리고, 연료전지스택(10)에서의 반응식은 상기 일 실시예에서 설명한 반응식과 동일하므로 그 설명을 생략한다.

도 4는 본 발명의 제3실시예에 따른 연료전지 시스템의 구성도이다.

제3실시예에 따른 연료전지 시스템은 전해질막(미도시)을 사이에 둔 연료극(6)과 공기극(8)이 다수로 적층되는 연료전지스택(10)과, 상기 연료극(6)으로 공급되는 연료가 저장되는 연료탱크(12)와, 산소가 포함되어 있는 공기를 상기 공기극(8)에 공급하는 산화제 공급장치(60)와, 상기 연료전지스택(10)에서 배출되는 연료를 다시 연료탱크(12)로 회수시키는 연료 회수장치(Fuel Recycle apparatus:72)와, 상기 연료전지스택(10)의 공기극(8)으로 공급되는 공기에 오존을 첨가하는 오존 발생기(70)로 구성된다.

상기 산화제 공급장치(60)는 대기 중의 공기를 연료전지스택(10)의 공기극(8)으로 유도하는 공기 공급라인(62)과, 상기 공기 공급라인(62)을 통해 흡입되는 공기를 정화시키는 에어 필터(64)와, 상기 공기 공급라인(62)의 일측에 설치되어 외부공기를 흡입하는 흡입력을 발생시키는 에어 컴프레셔(68)와, 상기 에어 컴프레셔(68)에 의해 흡입된 공기를 가습하는 가습기(66)로 구성된다.

그리고, 상기 오존 발생기(70)는 상기 가습기(66)와 연료전지스택(10)의 공기극(8) 사이를 연결하는 공기 공급라인(62)에 설치되어 가습기(66)를 통과하면서 가습된 공기에 오존을 첨가한다.

상기 연료 재순환장치(72)는 연료전지스택(10)의 연료극(8)과 공기극(8)에서 반응하고 난 후 배출되는 연료 중 기체와 액체를 분리하는 기액 분리기(72)와, 상기 기액 분리기(72)에서 배출되는 액체 상태의 연료를 상기 연료탱크(12)로 재순환시키는 재순환 라인(recycle line:76)과, 상기 재순환 라인(76)에 설치되어 재순환되는 액체 연료를 연료탱크(12)로 펌핑하는 재순환펌프(74)로 구성된다.

상기한 바와 같이 구성되는 제3실시예에 따른 연료전지 시스템의 작용을 살펴보면, 연료펌프(18)가 작동되면 연료탱크(12)에 저장된 연료가 연료공급라인(16)을 통해 연료전지스택(10)의 연료극(6)으로 공급되고, 에어 컴프레셔(68)가 작동되면 외부의 공기가 에어필터(64)를 통과하면서 필터링되고 가습기(66)를 통과하면서 가습된다. 그리고, 상기 가습된 공기는 오존 발생기(70)에서 발생된 오존이 첨가되어 연료전지스택(10)의 공기극(8)으로 공급된다.

그리고, 상기 연료전지스택(10)에서 반응된 후 배출되는 연료는 기액분리기(72)에서 기체와 액체로 분리되고, 액체 연료는 연료 재순환라인(76)을 통해 연료탱크(12)로 회수된다.

도 5는 본 발명의 제4실시예에 따른 연료전지 시스템의 구성도이다.

제4실시예에 따른 연료전지 시스템은 상기 제3실시예에서 설명한 연료전지 시스템과 동일하고, 다만 산화제 공급장치(80)만 다른 구조를 갖는다.

즉, 제4실시예에 따른 산화제 공급장치(80)는 오존을 발생시키는 오존 발생기(82)와, 상기 오존 발생기(82)와 연료전지스택(10)의 공기극(8) 사이를 연결하는 오존 공급라인(84)과, 상기 오존 공급라인(84)에 설치되어 오존 발생기(82)에서 발생된 오존을 가습하는 가습기(86)로 구성된다.

이와 같은 제4실시예에 따른 연료전지 시스템은 연료전지스택(10)의 공기극(8)에 가습된 오존이 직접 공급되어 반응하고, 상기 연료전지스택(10)에서 반응된 후 배출되는 연료는 연료 회수장치(72)에 의해 연료탱크(12)로 회수된다.

이상과 같이 구성되고 작용되는 본 발명에 의한 연료전지 시스템은 연료전지스택의 공기극에 오존을 첨가한 공기 또는 오존을 공급하여 연료전지스택에서의 반응속도를 촉진시켜 높을 전류밀도를 얻을 수 있고, 이에 따라 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

Claims (5)

1. 연료극(Anode)과 공기극(Cathode)이 전해질막을 사이에 두고 배열되는 연료전지스택과;

   상기 연료전지스택의 연료극과 공기 공급라인으로 연결되어 상기 연료극에 연료를 공급하는 연료 공급장치와;

   상기 연료전지스택의 공기극과 공기 공급라인으로 연결되어 산소가 포함된 공기에 오존을 첨가하여 상기 연료전지스택의 공기극으로 공급하는 산화제 공급장치를 포함하는 연료전지 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 산화제 공급장치는 상기 공기 공급라인을 통해 흡입되는 공기를 가습하는 가습기와;

   상기 공기극으로 공급되는 공기에 오존을 첨가하는 오존을 발생시키는 오존 발생기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 오존 발생기는 상기 가습된 공기에 오존을 첨가할 수 있도록 상기 가습기와 연료전지스택의 공기극의 공기 공급라인에 연결되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
4. 연료극(Anode)과 공기극(Cathode)이 전해질막을 사이에 두고 배열되는 연료전지스택과;

   상기 연료전지스택과 공기 공급라인으로 연결되어 상기 연료극에 연료를 공급하는 연료 공급장치와;

   상기 연료전지스택의 공기극과 오존 공급라인으로 연결되어 상기 공기극에 오존을 공급하는 산화제 공급장치를 포함하는 연료전지 시스템.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 산화제 공급장치는 오존을 발생시키는 오존 발생기와;

   상기 오존 발생기와 상기 연료전지스택 사이를 연결하는 오존 공급라인에 설치되어 상기 오존 발생기에서 발생된 오존을 가습하는 가습기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.

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