KR20060102580A

KR20060102580A - 연료전지 시스템

Info

Publication number: KR20060102580A
Application number: KR1020050024344A
Authority: KR
Inventors: 손인혁
Original assignee: 삼성에스디아이 주식회사
Priority date: 2005-03-24
Filing date: 2005-03-24
Publication date: 2006-09-28

Abstract

본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 전기를 생성시키는 하나 이상의 단위전지가 내장되어 있는 스택과, 상기 스택에 공급하고자 하는 수소함유연료가 저장되어 있는 연료 저장부와, 상기 스택에 공기를 강제로 공급하기 위한 공기 공급부로 이루어지고; 상기 스택의 일측에 상기 연료 저장부로부터 수소함유연료가 유입될 수 있도록 제공된 유입부의 전방에는 분사수단이 내장되어 있는 분사노즐 조립체가 제공되어 있는 것을 특징으로 하므로, 연료펌프의 구동에 의한 노이즈 및 진동 발생을 방지하면서 소요전력을 절감할 수 있다.

분사노즐 조립체, 압전소자, 히터, 가열판

Description

연료전지 시스템{FUEL CELL SYSTEM}

도 1은 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 구성도;

도 2는 연료전지 시스템의 스택 부위를 나타내는 상세도;

도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일실시예에 따른 분사노즐 조립체의 구성도;

도 4a 및 도 4b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 분사노즐 조립체의 구성도;

도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 분사노즐 조립체의 구성도.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

10 : 스택

12a, 12b : 엔드 플레이트

14 : 전극막 조립체

14a : 고분자막

14b, 14c : 전극

16 : 바이폴라 플레이트

20 : 연료 저장부

30 : 공기 공급부

40 : 분사노즐 조립체

42 : 압전소자

44 : 히터

46 : 가열판

본 발명은 수소가스와 산소의 전기화학반응을 통해서 전기를 생성하는 연료전지 시스템에 관한 것이고, 더 상세하게 전기화학반응에 의해서 전기를 생성하는 단위전지가 복수개 설치되어 있는 스택에 분사방식으로 수소함유연료를 공급하는 연료전지 시스템에 관한 것이다.

환경문제나 자원문제를 해결하기 위한 방안으로서 천연가스 등의 탄화수소연료, 메탄올 등과 같은 수소함유연료로부터 얻어진 수소와 공기중의 산소를 전기화학적으로 반응시켜 전기를 생성하는 연료전지에 대한 관심이 집중되어 왔다. 이러한 연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라서 인산형 연료전지(PAFC; phosphoric acid fuel cell), 용융탄산염형 연료전지(MCFC; molten carbonate fuel cell), 고체산화물형 연료전지(SOFC; solid oxide fuel cell), 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC; polymer electrolyte membrane fuel cell), 알칼리형 연료전지(AFC; alkaline fuel cell) 등으로 분류된다. 연료전지는 그 종류에 따라서 사용되는 연 료의 원료와 함께 작동온도, 출력범위 등에 따라서 이동전원용, 수송용, 분산발전용 등의 다양한 응용분야에 적용될 수 있다.

최근에는, 수소가스를 얻기 위한 개질기의 사용없이 탄화수소연료 또는 메탄올 등과 같은 수소함유연료를 직접 발전에 이용하는 직접 메탄올형 연료전지(DMFC: direct methanol fuel cell)가 낮은 작동온도 및 빠른 응답특성 등의 장점뿐만 아니라 소형화의 장점에 의해서 개발연구되고 있다.

직접 메탄올형 연료전지는 수소함유연료를 공급하는 연료공급부와, 연료공급부로부터 공급되는 액체연료와 공기중의 산소가 전기화학반응을 통해서 전기를 생성하는 스택을 포함하고, 상기 연료공급부에는 수소함유연료가 저장되는 저장탱크와, 상기 저장탱크로부터 액체연료를 상기 스택에 공급하는 펌프가 포함된다.

펌프 작동에 의하여 저장탱크로부터 수소함유연료가 스택에 공급되고, 상기 스택에는 액체연료에 함유된 수소와 공기중의 산소가 화학반응하여 전기를 생성하는 단위전지가 복수개 설치된다. 단위전지에서 생성되는 전기는 집전체를 통해서 외부 회로에 출력된다.

그러나, 종래의 직접 메탄올형 연료전지에 있어서, 수소함유연료를 스택에 원활하게 공급하기 위해서는 펌프가 작동되어야 하며, 그 결과 펌프 작동에 의한 노이즈 및 진동 발생 그리고 소요전력이 큰 문제점으로 작용하였다.

본 발명은 상기된 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으 로, 수소함유연료를 저장탱크에서 스택에 공급하는 방식을 연료펌프의 구동방식 대신에 분사수단이 내장되어 있는 분사노즐 조립체의 분사방식으로 채택함으로써 연료펌프의 구동에 의한 노이즈 및 진동 발생을 방지하면서 소요전력을 절감할 수 있는 연료전지 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면, 연료전지 시스템은 전기를 생성시키는 하나 이상의 단위전지가 내장되어 있는 스택과, 상기 스택에 공급하고자 하는 수소함유연료가 저장되어 있는 연료 저장부와, 상기 스택에 산화제를 공급하기 위한 산화제 공급부로 이루어지고; 상기 연료 저장부로부터 수소함유연료가 유입될 수 있도록 상기 스택의 일측에 제공된 유입부의 전방에는 분사수단이 내장되어 있는 분사노즐 조립체가 분리가능하게 제공되어 있는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 분사노즐 조립체는 상기 연료 저장부로부터 공급되는 수소함유연료가 저장되는 연료저장실을 한정하는 하우징을 포함하고, 상기 분사수단은 상기 하우징 내부에 설치되는 압전소자이다.

상기 분사수단은 상기 하우징 내부에 설치되는 히터이다.

또한, 상기 분사노즐 조립체는 상기 연료 저장부와 상기 스택의 일측에 제공된 유입부를 연결하는 연결관으로 이루어지고, 상기 분사수단은 상기 연결관의 내부에 설치되는 가열판이다.

상기 연료전지 시스템은 직접 메탄올형 연료전지이다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다. 이때, 본 발명을 설명함에 있어서 사용되는 용어는 설명의 편리성을 위하여 정의된 것이므로 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있고 또한 본 발명의 기술적 구성요소를 한정하는 의미로 이해되어서는 아니될 것이다.

먼저, 본 발명에 따른 연료전지 시스템은 에탄올, 메탄올 또는 천연가스와 같은 탄화수소계열의 연료와 같은 수소함유연료를 직접 스택에 공급하여 전기를 발생시키는 직접 메탄올형 연료전지(DMFC)에 적용된다.

직접 메탄올형 연료전지는 도 1에 도시된 바와 같이 적어도 하나의 단위전지를 구비한 스택(10)과, 스택(10)에 공급하고자 하는 수소함유연료가 저장되어 있는 연료 저장부(20)와, 스택(10)에 산화제, 즉 산소 또는 산소함유공기를 강제로 공급하기 위한 공기 공급부(30)를 갖는다.

도 2를 참조하면, 스택(10)에는 고분자막(14a)과 고분자막(14a)의 양측에 제공된 전극(14b, 14c)으로 이루어진 전극막 조립체(14)(MEA; Membrane Electrode Assembly)와, 전극막 조립체(14)의 양측에 각각 대면하는 상태로 설치되어 수소가스와 산소가스를 공급하는 분리판으로 구성된 단위전지가 복수개 제공된다. 상기 분리판은 이에 한정되지는 않지만 인접하는 전극막 조립체(14) 사이에 개재되어 일면에는 수소함유연료를 공급하는 유로가 형성되어 있고 타면에는 산소가스를 공급하는 유로가 형성되어 있는 바이폴라 플레이트(16)로 이루어질 수 있다.

전극막 조립체(14)에 있어서, 전극은 카본종이와 같은 다공성 지지체 위에 촉매물질을 도포시킴으로써 제조되는 애노드 전극(14b)와 캐소드 전극(14c)로 구분된다. 애노드 전극(14b)에 있어서, 촉매물질을 통한 수소함유연료의 산화반응으로부터 수소이온(H⁺)과 전자(e^-)가 발생되며, 이때 수소이온(H⁺)은 고분자막(14a)을 통해서 캐소드 전극(14c)으로 이동하고, 전자(e^-)는 외부 전기회로로 이동한다. 캐소드 전극(14c)에 있어서, 촉매물질을 통한 수소이온(H⁺)과 산소의 화학반응에 의해서 물을 생성시킨다.

애노드 전극(14b)은 바이폴라 플레이트(16)의 일면에 대면한 상태로 제공되어 상기 일면에 형성된 유로를 통해 공급되는 수소함유연료의 산화반응에 의해 수소이온과 전자로 변환시키는 촉매층과, 전자와 수소이온을 원활하게 이동시키는 기체 확산층(GDL; gas diffustion layer)으로 구성된다. 유사하게, 캐소드 전극(14c)은 바이폴라 플레이트(16)의 타면에 대면한 상태로 제공되어 상기 타면에 형성된 유로를 통해 공급되는 공기 중의 산소를 원활하게 이동시키기 위한 기체 확산층과, 수소이온과 산소의 화학반응을 촉진시키는 촉매층으로 구성된다.

그리고, 고분자막(14a)은 애노드 전극(14b)의 촉매층에서 발생된 수소이온을 캐소드 전극(14c)의 촉매층에 전달하는 이온교환의 기능과 함께 수소함유연료의 투과를 방지하는 기능을 갖는 전도성 고분자 전해질막으로서 약 50~200㎛ 정도의 두께를 갖는다. 이러한 고분자막(14a)으로서는 예를 들어 퍼플루오로셀포네이트 수지(Nafion)로 제조된 과불화불소산 수지막, 다공성 폴리테트라플루오로에틸렌 박막 지지체에 과불화설폰산(perfluorinated sulfonic acid) 등의 수지용액이 코팅되어 있는 막, 다공성의 비전도성 고분자 지지체에 양이온 교환수지 및 무기 실리케이트가 피복되어 있는 막 등이 사용된다.

애노드 전극(14b)과 캐소드 전극(14c) 각각의 일측면에는 수소함유연료와 산소를 각각 공급하기 위한 바이폴라 플레이트(16)가 대면한 상태로 제공된다. 애노드 전극(14b)에 대면하는 바이폴라 플레이트(16)의 일면에는 수소함유연료가 유입되고 유동하는 연료유입부와 연료유로채널이 형성되는 반면에 캐소드 전극(14c)에 대면하는 바이폴라 플레이트(16)의 타면에는 공기중의 산소가 유입되고 유동하는 산소유입부와 산소유로채널이 형성된다.

한편, 스택(10)의 최외측에는 엔드 플레이트(12a, 12b)가 제공된다. 애노드 전극(14b)과 캐소드 전극(14c) 각각에 대면하는 엔드 플레이트(12a, 12b) 각각의 접촉면에는 수소함유연료와 산소가 각각 유동할 수 있는 연료유로채널과 산소유로채널이 각각 형성된다. 애노드 전극(14b)에 대면하는 엔드 플레이트(12a)의 외측면에는 이에 한정되지는 않지만 수소함유연료가 유입되는 제1유입부(10a)와, 스택(10) 내부의 단위전지에서의 화학반응결과 생성되는 D.C 전기를 외부로 급전하기 위한 출력단자(10c)가 제공된다. 캐소드 전극(14c)에 대면하는 엔드 플레이트(12b)의 외측면에는 공기가 유입되는 제2유입부(10b)와, 이산화탄소(CO₂) 및 물(H₂O)을 각각 외부로 배출하기 위한 배출부(10d)가 제공된다.

스택(10)에 있어서, 하나의 단위전지를 구성하는 바이폴라 플레이트의 일면에 형성된 연료유입부는 다른 단위전지를 구성하는 바이폴라 플레이트의 일면에 형 성된 연료유입부와 연료소통이 가능하게 연결하는 매니폴드(미도시)가 제공된다. 유사하게, 하나의 단위전지를 구성하는 바이폴라 플레이트의 타면에 형성된 산소유입부는 다른 단위전지를 구성하는 바이폴라 플레이트의 타면에 형성된 산소유입부와 산소의 소통이 가능하게 연결하는 매니폴드(미도시)가 제공된다. 또한, 엔드 플레이트(12a, 12b) 각각에 형성된 제1유입부(10a)와 제2유입부(10b)는 인접하는 단위전지를 구성하는 바이폴라 플레이트의 일면에 형성된 연료유입부와 바이폴라 플레이트의 타면에 형성된 산소유입부와 연료소통 및 산소소통이 가능하게 각각 연결된다.

미설명 도면번호 20은 에탄올, 메탄올, 천연가스와 같은 탄화수소계열의 수소함유연료가 저장되어 있는 연료 저장부이고, 도면번호 30은 공기를 스택(10)에 강제적으로 공급하기 위한 펌프를 포함하는 공기 공급부이다.

본 발명에 따른 직접 메탄올형 연료전지는 제1엔드 플레이트(12a)에 제공된 제1유입부(10a)의 전방에 분리가능하게 설치되어 연료저장부(20)에 저장되어 있는 수소함유연료를 분사방식으로 공급하기 위한 분사노즐 조립체(40)를 더 포함하고, 분사노즐 조립체(40)의 내부에는 하기에 설명되는 바와 같은 분사수단(42, 44 또는 46)이 설치된다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 분사노즐 조립체(40)는 도 3a와 도 3b에 도시된 바와 같이 연료저장부(20)에 연료소통이 가능하게 연결되는 연료유입관(40b)이 일측에 제공되어 있고, 연료유입관(40b)을 통해서 연료저장부(20)로부터 공급되는 수소함유연료가 저장되는 연료저장실(A)을 한정하는 하우징(40a)을 갖는다. 하우 징(40a)의 일면에는 압전소자(42; piezo actuator)가 분사수단으로서 제공되어 있고, 이의 대향면에는 제1엔드 플레이트(12a)의 제1유입부(10a)를 향해서 수소함유연료를 분사되는 분사구(40c)가 형성되어 있다.

따라서, 제어부(미도시)로부터 압전소자(42)에 전기신호를 보내면, 압전소자(42)가 변형하게 되고, 이러한 변형의 결과 연료저장실(A)에 저장되어 있는 수소함유연료는 분사구(40c)를 통해서 분사된 후 스택(10)의 제1유입부(10a)를 경유해서 스택 내부에 공급된다. 그리고, 수소함유연료가 분사된 후에는 분사량에 해당하는 연료량이 모세현상과 관성법칙 등에 의해서 연료저장실(A)에 보충된다.

상술된 바와 같이 압전소자를 이용한 분사방식은 전류제어로 액체연료의 분사량을 정밀하게 제어할 수 있다는 장점이 있다. 또한 분사구(40c)를 통한 액체연료의 방울이 부풀어 오를때 압전소자(42)의 전류를 제어하는 시간을 조절하면 밀려나가는 액체연료의 방울크기를 조절할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 분사노즐 조립체(40)는 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 연료저장부(20)에 연료소통이 가능하게 연결되는 연료유입관(40b)이 일측에 제공되어 있고, 연료유입관(40b)을 통해서 연료저장부(20)로부터 공급되는 수소함유연료가 저장되는 연료저장실(A)을 한정하는 하우징(40a)을 갖는다. 하우징(40a)의 일면에는 히터(44)가 분사수단으로서 제공되어 있고 이의 대향면에는 액체연료가 분사되는 분사구(40c)가 형성되어 있다.

따라서, 제어부(미도시)로부터 히터(44)에 전기신호가 가해지면, 히터(44)가 급속히 가열되어 연료저장실(A) 내의 수소함유연료에 기포(44a)가 발생하게 된다. 이러한 기포(44a)의 힘으로 액체연료는 분사구(40c)를 통해서 밀려 나와 분사된다. 이와 같이 분사되는 액체연료는 스택(10)의 제1유입부(10a)를 경유해서 스택 내부에 공급된다. 그리고, 수소함유연료가 분사된 후에 기포가 수축되면 분사량에 해당하는 연료량이 연료저장부(20)로부터 연료유입관(40b)을 통해서 연료저장실(A)에 보충된다.

또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 분사노즐 조립체(40)는 도 5a 내지 도 5c에 도시된 바와 같이, 연료저장실이 별도 제공되어 있지 않고 연료저장부(20)와 스택(10)의 제1유입부(10a)를 연결하는 연결관 내부에 설치되어서 분사수단으로서 작용하는 가열판(46)을 갖는다. 따라서, 제어부(미도시)로부터 가열판(46)에 전기신호를 가해져서 가열판(46)이 가열되면 수소함유연료가 팽창하면서 공기방울(46a 또는 46b)이 생긴다. 그리고, 생성되는 공기방울(46a 또는 46b)의 부피만큼 액체연료는 제1유입부(10a) 측으로 밀려나게 된다. 수소함유연료가 분사된 후에 전류공급을 차단하여 가열판(46)이 냉각되면 다시 줄어드는 공간만큼 액체연료가 연결관 내부에 보충된다.

이하, 본 발명에 따른 직접 메탄올형 연료전지의 작동에 대하여 설명한다.

하나 이상의 단위전지가 설치되어 있는 스택(10)의 제1유입부(10a) 전방에 본 발명에 따른 분사노즐 조립체(40)가 분리가능하게 설치되어 있고, 분사노즐 조립체(40)는 수소함유연료가 저장되어 있는 연료 저장부(20)에 연료소통이 가능하게 연결된다. 이때, 분사노즐 조립체(40)의 내부에는 상술된 바와 같이 압전소자 (42), 히터(44) 또는 가열판(46)과 같은 분사수단이 설치된다. 스택(10)의 제2유입부(10b)에는 공기소통이 가능하게 펌프(30)에 연결된다.

따라서, 분사수단(42, 44 또는 46)의 작동에 의해서 연료저장부(20)에 저장되어 있는 수소함유연료는 분사노즐 조립체(40)의 분사구(40c)를 통해서 스택(10)의 제1유입부(10a)로 유입된다. 제1유입부(10a)로 유입된 수소함유연료는 제1엔드 플레이트(12a)에 형성된 연료유로채널뿐만 아니라 바이폴라 플레이트(16)의 일면에 제공된 연료유입부(미도시)와 연료유로채널(미도시)을 통해서 전극막 조립체(14)의 애노드 전극(14b)에 공급된다. 이 후에, 애노드 전극(14b)의 촉매층에서 수소함유연료, 예를 들어 메탄올은 하기 식 1의 산화반응을 통하여 수소이온(프로톤)과 전자로 변환된다.

CH₃OH + H₂O → 6H⁺ + 6e^- + CO₂ ‥‥‥‥ (1)

한편, 펌프(30)의 작동에 의해서 스택(10)의 제2유입부(10b) 측으로 유입된 공기중의 산소는 제2엔드 플레이트(12b)에 형성된 산소유로채널뿐만 아니라 바이폴라 플레이트(16)의 타면에 제공된 산소유입부(미도시)와 산소유로채널(미도시)을 통해서 전극막 조립체(14)의 캐소드 전극(14c)에 공급된다. 이 후에, 캐소드 전극(14c)의 촉매층에서 산소는 환원반응을 하게 된다.

애노드 전극(14b)에서 생성된 수소이온은 고분자막(14a)을 통해서 캐소드 전극(14c)으로 이동한 후에, 캐소드 전극(14c)의 촉매층에서 하기 식 2의 산소환원반응을 통하여 물을 생성하게 된다.

2H⁺ + (1/2)O₂(g) + 2e^- → H₂O(g)

이와 같이 생성되는 물은 스택(10) 내부에서 생성되는 이산화탄소 등과 함께 제2엔드 플레이트(12b)에 제공된 배출부(10d)를 통해서 외부로 배출된다. 그리고, 애노드 전극(14b)에서 생성된 전자는 집전체(미도시)를 통하여 집전된 후에 제1엔드 플레이트(12a)에 제공된 출력단자(10c)를 통해서 외부 회로로 출력된다.

상기 내용은 본 발명의 바람직한 실시예를 단지 예시한 것으로 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 첨부된 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 요지로부터 벗어나지 않고 본 발명에 대한 수정 및 변경을 가할 수 있다는 것을 인식하여야 한다.

본 발명에 따르면, 연료펌프를 사용하지 않고 분사수단이 내장되어 있는 분사노즐 조립체를 사용해서 연료저장부에 저장되어 있는 수소함유연료를 스택의 단위전지를 구성하는 애노드 전극에 공급함으로써, 연료펌프의 구동에 의한 노이즈 및 진동 발생을 방지하면서 소요전력을 절감할 수 있는 연료전지 시스템을 제공할 수 있다.

Claims

전기를 생성시키는 하나 이상의 단위전지가 내장되어 있는 스택과, 상기 스택에 공급하고자 하는 수소함유연료가 저장되어 있는 연료 저장부와, 상기 스택에 산화제를 공급하기 위한 산화제 공급부로 이루어지고;

상기 연료 저장부로부터 수소함유연료가 유입될 수 있도록 상기 스택의 일측에 제공된 유입부의 전방에는 분사수단이 내장되어 있는 분사노즐 조립체가 분리가능하게 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
제1항에 있어서,

상기 분사노즐 조립체는 상기 연료 저장부로부터 공급되는 수소함유연료가 저장되는 연료저장실을 한정하는 하우징을 포함하고, 상기 분사수단은 상기 하우징 내부에 설치되는 압전소자인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
제1항에 있어서,

상기 분사노즐 조립체는 상기 연료 저장부로부터 공급되는 수소함유연료가 저장되는 연료저장실을 한정하는 하우징을 포함하고, 상기 분사수단은 상기 하우징 내부에 설치되는 히터인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
제1항에 있어서,

상기 분사노즐 조립체는 상기 연료 저장부와 상기 스택의 일측에 제공된 유입부를 연결하는 연결관으로 이루어지고, 상기 분사수단은 상기 연결관의 내부에 설치되는 가열판인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 수소함유연료는 에탄올, 메탄올 및 천연가스로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 하나인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 산화제는 산소 또는 산소함유공기인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 단위전지는 전극막 조립체와, 상기 전극막 조립체의 양측에 각각 대면하는 상태로 설치되어 수소함유연료와 산소를 공급하는 분리판으로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
제7항에 있어서,

상기 분리판은 인접하는 단위전지의 전극막 조립체 사이에 개재되는 바이폴라 플레이트인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 연료전지 시스템은 직접 메탄올형 연료전지인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.