KR20060135377A - 미반응 연료를 회수하는 연료전지 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 수소와 산화제의 전기화학적 반응에 의해서 전기를 생성시키는 스택에 연료 혼합부로부터 수소함유연료가 공급되는 메인유로; 상기 스택으로부터 배출되는 제1연료가 상기 연료 혼합부에 유입되는 제1유로; 상기 연료 혼합부에 수소를 함유하는 제2연료를 공급하기 위한 제2구동수단이 설치되어 있는 제2유로; 상기 스택에 산화제 공급부로부터 산화제가 공급되는 공급라인; 상기 유로를 따라서 유동하는 연료의 농도와 온도를 동일 위치에서 각각 측정하는 농도센서 및 온도센서; 및 상기 농도센서와 온도센서로부터 제공되는 감지값에 의해서 상기 제2구동수단의 작동을 제어하기 위한 구동제어회로가 내장되어 있는 BOP를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하므로, 미반응 연료를 재활용하면서 동시에 연료전지 시스템의 발전효율을 안정적으로 유지할 수 있다.
펌프, 밸브, 구동제어회로, 농도센서, 온도센서

Description

미반응 연료를 회수하는 연료전지 시스템{FUEL CELL SYSTEM RECOVERYING UNREACTED FUEL}
도 1은 본 발명에 따라서 미반응 연료를 회수하는 연료전지 시스템을 나타낸 구성도;
도 2a 내지 도 2d는 본 발명에 따라서 미반응 연료의 농도와 온도를 감지하는 센서의 설치위치를 변경시킨 구성도;
도 3은 메탄올 연료의 농도와 온도의 상관관계를 나타내는 그래프.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
10 : 스택
20 : 연료 저장부
30 : 공기 공급부
40 : 회수탱크
50 : 혼합탱크
S1, S2 : 센서
본 발명은 수소와 산소와 같은 산화제의 전기화학적 반응에 의해서 전기를 생성하는 연료전지 시스템에 관한 것이고, 더 상세하게 스택내에서 산화반응되지 못하고 배출되는 수소함유연료, 즉 미반응 연료를 재활용하면서 연료전지 시스템의 발전효율을 안정적으로 유지할 수 있도록 스택에 공급되는 수소함유연료의 농도를 일정하게 유지할 수 있는 연료전지 시스템에 관한 것이다.
환경문제나 자원문제를 해결하기 위한 방안으로서 천연가스 등의 탄화수소연료, 메탄올 등과 같은 수소함유연료의 산화반응에 의해서 얻어지는 수소와 공기 중의 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 연료의 연료와 함께 작동온도, 출력범위 등에 따라서 이동전원용, 수송용, 분산발전용 등의 다양한 응용분야에 적용될 수 있다.
상술된 연료전지들 중에서 고분자 전해질형 연료전지는 출력특성이 탁월하고 작동온도가 낮을뿐만 아니라 빠른 시동 및 응답특성을 가지고 있으며, 기본적으로 수소와 산소의 전기화학적 반응에 의해서 전기를 생성하는 단위전지가 내장되어 있 는 스택(stack)과, 메탄올, 에탄올 또는 천연가스와 같은 탄화수소계열의 수소함유연료를 개질하여 생성되는 수소가스를 상기 스택에 공급하는 개질기(reformer)와, 펌프작동에 의해서 수소함유연료를 상기 개질기에 공급하는 연료공급부와, 공기를 상기 스택에 공급하기 위한 공기 공급부를 갖는다.
한편, 수소가스를 얻기 위한 개질기의 사용없이 수소함유연료를 직접 발전에 이용하는 직접 메탄올형 연료전지(DMFC: direct methanol fuel cell)는 낮은 작동온도 및 빠른 응답특성 등의 장점뿐만 아니라 소형화의 장점에 의해서 연구개발되고 있다. 이러한 직접 메탄올형 연료전지는 수소와 산소의 전기화학반응을 통해서 전기를 생성하는 단위전지가 내장되어 있는 스택과, 펌프작동에 의해서 수소함유연료를 상기 스택에 공급하는 연료공급부와, 상기 스택에 공기를 공급하는 공기 공급부를 포함하고 있다.
직접 메탄올형 연료전지의 스택에 있어서, 수소함유연료가 산화됨으로써 수소이온이 생성된다. 이러한 산화반응에 참여하지 못한 수소함유연료, 즉 미반응 연료(unreacted fuel)는 스택에서의 전기화학적 반응결과 생성되는 이산화탄소(CO2) 및 물(H2O)과 함께 스택으로부터 배출되므로, 연료전지 시스템에서의 연료 사용효율이 저하되는 결과를 발생시킨다.
따라서, 직접 메탄올형 연료전지에 있어서, 수소함유연료의 사용효율을 향상시키기 위하여, 미반응 연료를 스택에 재공급하는 기술이 개시되었다. 그러나, 이러한 종래기술에 있어서, 스택에 유입되는 수소함유연료의 농도를 일정하게 유지할 수 없었으며 결과적으로 연료전지 시스템의 발전효율을 안정적으로 유지할 수 없는 문제점을 안고 있었다.
본 발명은 상기된 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 스택에 공급되는 수소함유연료의 농도를 일정하게 유지하여 발전효율을 안정화시키면서 스택에서의 산화반응에 참여하지 못하고 배출되는 미반응 연료를 스택에 다시 공급하여 재활용할 수 있는 연료전지 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면 연료전지 시스템은 수소와 산화제의 전기화학적 반응에 의해서 전기를 생성시키는 스택에 연료 혼합부로부터 수소함유연료가 공급되는 메인유로; 상기 스택으로부터 배출되는 제1연료가 상기 연료 혼합부에 유입되는 제1유로; 상기 연료 혼합부에 수소를 함유하는 제2연료를 공급하기 위한 제2구동수단이 설치되어 있는 제2유로; 상기 스택에 산화제 공급부로부터 산화제가 공급되는 공급라인; 상기 유로를 따라서 유동하는 연료의 농도와 온도를 동일 위치에서 각각 측정하는 농도센서 및 온도센서; 및 상기 농도센서와 온도센서로부터 제공되는 감지값에 의해서 상기 제2구동수단의 작동을 제어하기 위한 구동제어회로가 내장되어 있는 BOP를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 제1유로에는 상기 스택으로부터 배출되는 제1연료를 저장 하는 회수탱크 또는 제1연료를 공급하기 위한 제1구동수단이 설치되어 있고, 상기 농도센서와 온도센서는 회수탱크의 후단 또는 제1구동수단의 후단에 설치된다.
또한, 상기 농도센서와 온도센서는 연료 혼합부의 전단, 연료 혼합부의 내부 또는 연료 혼합부의 후단에 설치된다.
상기 구동수단은 펌프 또는 밸브이다.
바람직하게, 상기 산화제는 산소이다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다.
이때, 본 발명을 설명함에 있어서 사용되는 용어는 설명의 편리성을 위하여 정의된 것으로서 본 명세서에서 사용되는 용어는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수도 있지만 본 발명의 기술적 구성요소를 한정하는 의미로 이해되어서는 아니될 것이다.
예를 들어, 용어 '미반응 연료'는 연료전지 시스템의 스택에서 이루어지는 전기화학적 반응 결과 생성되는 물(H2O)과 함께 배출되는 연료를 의미하고, 용어 '고농도 연료'는 에탄올, 메탄올 및 천연가스로 이루어진 탄화수소계열의 연료그룹으로부터 선택되고 물과 혼합되지 않은 고순도의 연료를 의미하고, 용어 '수소함유연료'는 스택에 공급되는 연료를 의미한다.
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 대하여 이루어지고 있지만 이에 한정되지 않고 수소함유연료를 개질하여 수소가스를 얻는 개질기를 포함한 고분자 전해질형 연료전지에도 채택될 수 있다.
직접 메탄올형 연료전지는 도 1에 도시된 바와 같이 수소와 산소의 전기화학적 반응에 의해서 전기를 생성하는 스택(10; stack)과, 스택(10)에 공급하고자 하는 고농도 연료가 저장되어 있는 연료 저장부(20)와, 스택(10)에 공기중의 산소와 같은 산화제를 강제로 공급하기 위한 공기 공급부(30)와, 스택(10)으로부터 배출되는 미반응 연료를 회수하여 저장하는 회수탱크(40; recycle tank)와, 회수탱크(40)로부터 배출되는 미반응 연료와 연료 저장부(20)로부터 배출되는 고농도 연료를 혼합시킨 수소함유연료를 스택(20)에 공급하는 혼합탱크(50)를 갖는다.
스택(10)에는 고분자막(4)과, 고분자막(4)의 양측에 제공된 캐소드 전극 및 애노드 전극(2, 6)으로 이루어진 전극막 조립체(MEA; Membrane Electrode Assembly)를 포함하는 단위전지가 복수개 제공된다. 애노드 전극(6)은 혼합탱크(50)로부터 공급되는 수소함유연료를 산화시켜서 수소이온(H+)과 전자(e-)를 발생시킨다. 캐소드 전극(2)은 공기 공급부(30)로부터 공급되는 공기 중의 산소를 산소이온과 전자로 변환시킨다. 그리고, 고분자막(4)은 애노드 전극(6)에서 발생된 수소이온을 캐소드 전극(2)에 이온교환의 기능과 함께 수소함유연료의 투과를 방지하는 기능을 갖는 전도성 고분자 전해질막으로서 약 50~200㎛ 정도의 두께를 갖는다.
상기 단위전지에서 수소와 산소의 전기화학적 반응결과 생성되는 전기는 스택(10)에 제공된 출력단자(미도시)를 통해서 외부회로로 출력되고, 스택(10)에서 산화반응에 참여하지 못한 수소함유연료, 즉 미반응 연료는 이산화탄소(CO2) 및 물(H2O)과 함께 배출부를 통해서 회수탱크(40)로 배출된다. 미반응 연료에 함유되어 있는 이산화탄소는 회수탱크(40)로 외부로 배출된다.
공기 공급부(30)에는 공기를 스택(10)의 캐소드 전극(2)에 공급하기 위한 구동펌프(P)가 제공되어 있고, 회수탱크(40)와 혼합탱크(50) 사이에는 미반응 연료를 혼합탱크(50) 측으로 공급하기 위한 제1구동수단, 예를 들어 제1펌프(P1)가 설치되어 있는 제1유로가 형성되어 있고, 연료 저장부(20)와 혼합탱크(50) 사이에는 고농도 연료를 혼합탱크(50) 측으로 공급하기 위한 제2구동수단, 예를 들어 제2펌프(P2)가 설치되어 있는 제2유로가 형성된다. 제1유로와 제2유로를 통해서 각각 공급되는 미반응 연료와 고농도 연료가 혼합탱크(50)에서 혼합됨으로써 생성되는 수소함유연료는 스택(10)의 애노드 전극(6)에 공급된다.
또한, 연료전지 시스템은 공기 공급부(30)의 구동펌프(P)와, 제1유로의 제1펌프(P1)와, 제2유로의 제2펌프(P2) 등과 같은 구동수단의 작동을 제어하기 위한 구동제어회로를 포함하는 BOP(balance of plant)를 포함한다. 상기 구동제어회로의 제어동작에 의해서 구동펌프(P), 제1펌프(P1), 제2펌프(P2) 등와 같은 구동수단의 작동이 제어됨으로써, 혼합탱크(50)에 유입되는 미반응 연료와 고농도 연료의 유입량이 제어되어 스택(10)의 애노드 전극(6)에 유입되는 수소함유연료의 농도가 일정하게 유지되면서 또한 캐소드 전극(2)에 유입되는 공기의 유입량이 제어된다.
상기 구동수단에 있어서, 제1펌프(P1)와 제2펌프(P2)는 밸브로 대체될 수 있다. 따라서, 상기 제1유로에는 제1펌프(P1) 대신에 제1밸브가 설치되고 상기 제2유로에는 제2펌프(P2) 대신에 제2밸브가 설치될 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 제1유로에 있어서, 회수탱크(40)과 제1펌프(P1) 사이에는 제1펌프(P1)의 작동에 의해서 회수탱크(40)로부터 배출되는 미반응 연료에서 유효연료성분, 즉 스택에서의 산화반응에 참여할 수 있는 연료성분의 농도와 온도를 감지하기 위한 농도센서(S1)와 온도센서(S2)가 제공된다. 바람직하게, 농도센서(S1)와 온도센서(S2)는 제1유로에서 동일 지점에 위치하여 미반응 연료의 농도와 온도를 동일 위치에서 감지하게 된다.
도 2a 내지 도 2d를 참조하면, 농도센서(S1)과 온도센서(S2)는 제1펌프(P1)의 후단, 혼합탱크(50)의 전단, 혼합탱크(50)의 내부 또는 혼합탱크(50)의 후단 각각에서 동일 위치에 설치될 수 있다. 따라서, 농도센서(S1)과 온도센서(S2)는 미반응 연료 뿐만 아니라 수소함유연료에 함유되어 있는 유효연료성분의 농도와 온도를 감지하게 된다.
농도센서(S1)와 온도센서(S2)에 의해서 유효연료성분의 농도와 온도는 아날로그값으로 감지되고, 이러한 아날로그값은 A/D 변환기(미도시)를 통해서 디지탈값으로 변환된 후에 BOP에 내장되어 있는 DSP(digital signal processor)에 수신된다.
BOP에 있어서, DSP에 수신된 디지탈값으로부터 유효연료성분의 감지농도는 온도와의 상관관계를 나타내는 그래프를 참조하여 산출되는 기준농도와 비교되고, 그 비교결과에 의해서 구동제어회로는 구동수단, 특히 제2구동수단의 작동을 제어하게 된다.
예를 들어, 메탄올의 농도와 온도의 상관관계를 그래프로 나타내는 도 3을 참조하면, 메탄올의 감지온도가 40℃이면 이에 대응하는 메탄올의 기준농도는 1.0M이고, 메탄올의 감지온도가 100℃이면 이에 대응하는 메탄올의 기준농도는 4.0M이다.
따라서, 연료전지 시스템에 있어서, 유효연료성분의 온도가 온도센서(S2)에 의해 감지되면, 이러한 감지온도에 대응하는 기준농도는 그래프를 참조하여 산출된다. 산출된 기준농도는 농도센서(S1)에 의해서 감지된 유효연료성분의 감지농도와 비교된다. 이러한 비교결과에 의해서 구동제어회로는 상기 구동수단들의 작동을 제어하게 된다.
도 1을 다시 참조하면, 제1펌프(P1)의 작동 또는 제1밸브의 개도가 일정하게 유지된 상태에서, 회수탱크(40)로부터 배출되는 미반응 연료에 함유된 유효연료성분의 감지농도와 기준농도의 비교결과에 의해서 상기 구동제어회로는 제2펌프(P2)의 작동 또는 제2밸브의 개도를 조절하여 혼합탱크(50)에 공급되는 고농도 연료의 공급량을 조절하게 된다.
유사한 방식으로, 도 2a 내지 도 2d에 도시된 바와 같이 제1펌프(P1)의 후단, 혼합탱크(50)의 전단, 혼합탱크(50)의 내부 또는 혼합탱크(50)의 후단 각각에 설치된 농도센서(S1)와 온도센서(S2)에 의해서 감지되는 유효연료성분의 감지농도 및 감지온도로부터 산출된 기준농도의 비교결과에 의해서 상기 구동제어회로는 제2펌프(P2)의 작동 또는 제2밸브의 개도를 조절하여 혼합탱크(50)에 공급되는 고농도 연료의 공급량을 조절하게 된다.
즉, 유효연료성분의 감지농도가 산출된 기준농도에 비하여 높게 나타나면 제2펌프(P2)의 구동전압을 낮추거나 또는 제2밸브의 개도를 작게 유지하여 혼합탱크(50)에 공급되는 고농도 연료의 공급량을 감소시킨다. 이와 반대로 미반응 연료의 감지농도가 산출된 기준농도에 비하여 낮게 나타나면 제2펌프(P2)의 구동전압을 높이거나 또는 제2밸브의 개도를 크게 유지하여 혼합탱크(50)에 공급되는 고농도 연료의 공급량을 증가시킨다.
결과적으로 회수탱크(40)로부터 미반응 연료가 혼합탱크(50)에 정량으로 공급되는 동안 유효연료성분의 농도에 비례해서 공급량이 조절된 고농도 연료가 혼합탱크(50)에 공급되므로, 혼합탱크(50)로부터 스택(10)의 애노드 전극(6)에 공급되는 수소함유연료의 농도를 일정하게 유지하여 연료전지 시스템의 발전효율을 안정적으로 유지할 수 있게 된다.
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, 스택에서의 산화반응에 참여하지 못하고 배출되는 미반응 원료의 농도와 온도를 감지하고 이로부터 산출되는 기준농도와 감지농도의 비교결과에 의해서 고농도 연료의 공급량을 조절하여 혼합탱크에 공급함으로써 혼합탱크로부터 스택의 애노드 전극에 유입되는 수소함유연료의 농도를 일정하게 유지할 수 있어 미반응 연료를 재활용하면서 동시에 연료전지 시스템의 발전효율을 안정적으로 유지하게 된다.

Claims (14)

  1. 수소와 산화제의 전기화학적 반응에 의해서 전기를 생성시키는 스택에 연료 혼합부로부터 수소함유연료가 공급되는 메인유로;
    상기 스택으로부터 배출되는 제1연료가 상기 연료 혼합부에 유입되는 제1유로;
    상기 연료 혼합부에 수소를 함유하는 제2연료를 공급하기 위한 제2구동수단이 설치되어 있는 제2유로;
    상기 스택에 산화제 공급부로부터 산화제가 공급되는 공급라인;
    상기 유로를 따라서 유동하는 연료의 농도와 온도를 동일 위치에서 각각 측정하는 농도센서 및 온도센서; 및
    상기 농도센서와 온도센서로부터 제공되는 감지값에 의해서 상기 제2구동수단의 작동을 제어하기 위한 구동제어회로가 내장되어 있는 BOP를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1유로에는 상기 스택으로부터 배출되는 제1연료를 저장하는 회수탱크가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 농도센서와 온도센서는 상기 회수탱크의 후단에서 동일 위치에 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제1유로에는 상기 회수탱크로부터 제1연료를 상기 연료 혼합부에 공급하기 위한 제1구동수단이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 농도센서와 온도센서는 상기 제1구동수단의 후단에서 동일 위치에 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 농도센서와 온도센서는 상기 연료 혼합부의 전단에서 동일 위치에 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 농도센서와 온도센서는 상기 연료 혼합부 내부에서 동일 위치에 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 농도센서와 온도센서는 상기 연료 혼합부의 후단에서 동일 위치에 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1구동수단과 제2구동수단은 펌프 또는 밸브인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  10. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1연료에 비하여 상기 제2연료는 고농도인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  11. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 농도센서에 의해서 감지된 상기 연료의 감지농도가 상기 온도센서에 의해서 감지된 감지온도로부터 산출되는 상기 연료의 기준농도보다 낮으면 상기 연료 공급부에 공급되는 상기 제2연료의 공급량을 증가시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 연료 혼합부에 공급되는 상기 제1연료의 공급량은 일정하게 유지되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 산화제는 산소인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  14. 제2항에 있어서,
    상기 회수탱크에는 상기 스택으로부터 배출되는 제1연료에 함유되어 있는 이산화탄소를 외부로 배출하기 위한 배출부가 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
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