KR20060135390A

KR20060135390A - 불순물 제거장치를 내장한 연료탱크 및 연료전지 시스템

Info

Publication number: KR20060135390A
Application number: KR1020050055307A
Authority: KR
Inventors: 안진홍; 최상현
Original assignee: 삼성에스디아이 주식회사
Priority date: 2005-06-24
Filing date: 2005-06-24
Publication date: 2006-12-29

Abstract

본 발명은 연료전지에 있어서 액상의 연료 속에 혼입된 불순물을 제거하는 불순물 제거 장치를 내장한 연료 용기에 관한 것으로, 상기 연료 용기는 연료 유출구가 일단에 형성되어 있는 연료를 저장하는 하우징을 포함하고, 상기 하우징 내부에 상기 연료에 혼입된 불순물을 여과하는 연료 여과부를 더 포함하는 것을 특징으로 하기 때문에, 연료펌프의 파손을 방지하고 스택에 형성된 연료 도관의 폐색을 방지하여, 보다 지속적이고 고효율의 연료전지 운전이 가능하고, 보다 컴팩트한 연료전지 시스템이 가능하다.

직접메탄올형 연료전지, 연료 전지, 연료 용기, 불순물

Description

불순물 제거장치를 내장한 연료탱크 및 연료전지 시스템 {Built-in apparatus for preventing from contamination of fuel tank and fuel cell system}

도 1은 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 전체적인 구성을 도시한 개략도,

도 2는 본 발명에 따른 연료 여과부의 단면도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

110 : 연료용기 112 : 연료펌프

130 : 스택 133 : 전기발생부

본 발명은 연료전지의 연료 탱크에 관한 것으로, 특히 액상의 연료 속에 혼입된 불순물을 제거하는 불순물 제거 장치를 내장한 연료 용기에 관한 것이다.

일반적으로 연료전지는 수소와 산소의 전기화학 반응에 의해 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 발전 시스템이다. 수소는 순수한 수소를 직접 연료전지 시스템에 공급할 수도 있고, 메탄올, 에탄올, 천연가스 등과 같은 탄화수소계 열 물질을 개질하여 만들어지는 수소를 공급할 수도 있다. 산소는 순수한 산소를 직접 연료전지 시스템에 공급할 수도 있고, 공기 펌프등을 이용하여 통상의 공기에 포함된 산소를 공급할 수도 있다.

이러한 연료전지는 사용하는 전해질의 종류에 따라, 상온 또는 100℃ 이하에서 작동하는 고분자 전해질형 및 알칼리형 연료전지, 150∼200℃ 부근에서 작동하는 인산형 연료전지, 600∼700℃의 고온에서 작동하는 용융탄산염형 연료전지, 1000℃ 이상의 고온에서 작동하는 고체 산화물형 연료전지 등으로 분류된다. 이들 각각의 연료전지는 기본적으로 같은 원리에 의해 작동되지만 사용되는 연료의 종류, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다.

이 중 저온에서 작동하는 고분자 전해질형 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC)는 메탄올, 에탄올, 천연가스 등의 탄화수소 계열 물질을 개질하여 만든 수소를 연료로 사용하며, 다른 연료전지에 비하여 출력 특성이 탁월하고 작동 온도가 낮을 뿐더러 빠른 시동 및 응답 특성을 가진다. 또한 자동차와 같은 이동용 전원은 물론 주택이나 공공건물과 같은 분산용 전원 및 휴대용 전자기기와 같은 소형용 전원 등으로 이용할 수 있어 그 응용범위가 넓은 장점을 가지고 있다.

한편, 저온에서 작동하는 또 다른 형태인 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC)는 상술한 고분자 전해질형 연료전지와 동일한 구조이나, 연료로서 수소가스 대신에 액상의 고농도 메탄올(이하 고농도 메탄올을 연료라 한다)을 물과 혼합한 후 직접 연료로 사용하기 때문에(이하 연료와 물의 혼합물을 혼합연료라 한다) 개질기 등 주변장치가 필요치 않아 초소형화가 가능하고, 연료의 저장 및 취급이 용이하며, 상온에서 작동가능하다. 따라서 무공해 자동차, 가정용 발전 시스템, 이동 통신장비, 의료기기, 군사용 장비, 우주 사업용 장비 등에 사용될 수 있어서 그 응용분야가 매우 다양하다.

상기와 같은 직접 메탄올형 연료전지에서의 스택(stack)은 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly : MEA)와 세퍼레이터(Separator)로 이루어진 단위의 셀이 수 개 내지 수십 개로 적층된 구조로 이루어진다. 여기서 막-전극 어셈블리는 전해질막을 사이에 두고 애노드 전극과 캐소드 전극이 부착된 구조를 가진다. 그리고 세퍼레이터는 상기 혼합 연료와 산소를 막-전극 어셈블리로 공급하는 역할과, 각각의 막-전극 어셈블리의 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체의 역할을 동시에 수행한다. 즉, 세퍼레이터에 의해 애노드 전극에는 연료가 공급되는 반면, 캐소드 전극에는 산소가 공급되고, 이 과정에서 애노드 전극에서는 수소의 산화 반응이 일어나고, 캐소드 전극에서는 산소의 환원반응이 일어나며, 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기와 열 그리고 물을 함께 얻을 수 있다.

통상의 직접 메탄올형 연료전지는, 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 스택과, 상기 혼합 연료를 스택에 공급하는 연료 공급부와, 상기 스택으로 산소를 공급하는 공기 공급부를 포함하여 이루어진다. 스택은 연료 공급부로부터 연료를 공급받고, 공기 공급부으로부터 산소를 공급받아 상기 수소와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시킨다. 또한 연료공급부에는 연료용기와 연료펌프, 회수 용기 등이 포함되며, 연료 용기에 저장된 연료와 물이 회수 용기에서 적절한 비율로 혼합되어 연료펌프를 통해 스택으로 공급된다.

그런데, 연료 용기내의 연료에 불순물이 혼입된 경우, 이를 제거하지 않고 연료전지 시스템에 공급하면 연료 펌프가 손상되거나 연료가 유동하는 스택의 미세한 연료 도관을 폐색하여, 연료전지 시스템의 효율을 감소시킨다. 또한 이를 위하여 불순물 제거 장치를 별도로 외부에 설치한 경우, 전체적인 시스템 부피를 크게 하여 특히 휴대용 연료 전지 시스템 구현에 불리하다.

본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 연료 용기 내에 불순물 제거 장치를 내장하여 연료에 혼입된 불순물을 제거하여 스택에 공급하으로써, 연료전지 시스템 효율을 향상시키고 전체적인 연료전지 시스템 크기도 콤팩트하게 할 수 있는 연료 용기 및 이를 구비한 연료전지 시스템에 관한 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 연료 용기는, 연료 유출구가 일단에 형성되어 있는 연료를 저장하는 하우징을 포함하고, 상기 하우징 내부에 상기 연료에 혼입된 불순물을 여과하는 연료 여과부를 더 포함한다.

상기 연료여과부의 일단은 연료유입구가 형성되고 타단은 상기 연료유출구와 유체소통이 가능하게 연통되어 있는 개구가 형성된다. 상기 연료 유입구에는 거름망이 부착되고, 상기 연료 여과부의 내부에는 적어도 한개 이상의 다공성 필터가 개재된다. 또한 상기 거름망 또는 상기 다공성 필터는 외부로 탈부착이 가능하며, 상기 연료 유입구의 개구면적은 상기 연료 유출구의 개구면적 이상이다.

이하, 본 발명을 명확히 하기 위한 바람직한 실시한 예를 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명하도록 한다. 도면상에서 동일한 참조부호는 동일하거나 유사한 구성요소를 가리킨다.

도 1는 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 전체적인 구성을 도시한 개략도이고, 도 2은 본 발명에 따른 연료 여과부(113)의 단면도이다.

도 1 및 도 2을 참조하면, 본 발명에 따른 연료전지 시스템은, 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부(133)와, 상기 혼합 연료를 전기 발생부(133)에 공급하는 연료 공급부(100)와, 전기 발생부(133)에 산소를 공급하는 공기 공급부(120)를 포함하여 이루어진다.

전기 발생부(133)는 연료 용기(110)에 연결 설치되어 연료를 공급받고, 공기 공급부(120)으로부터 산소를 공급받아 상기 수소와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키는 최소 단위의 연료전지로 구성된다. 이러한 전기 발생부(133)는 막-전극 어셈블리(131)를 중심에 두고 이의 양면에 세퍼레이터(132; Separator)[당업계에서는 '바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)'라고도 함]를 배치하여 구성될 수 있다. 이와 같은 전기 발생부(133)를 복수로 구비하고 이들 전기 발생부(133)를 연속 배치함으로써, 전기 발생부(133)의 집합체인 스택(130)을 형성할 수 있다. 직접 메탄올형 연료 전지의 전기 발생부(133)에서의 반응식은 하기 반응식 1과 같다.

애노드 전극: CH3OH ＋ H2O → CO2 ＋ 6H+ ＋6e-

캐소드 전극: 6H+ ＋ 6e- ＋ 3/2 O2 → 3H2O

연료 공급부(100)는 연료를 저장하는 연료용기(110)와, 연료용기(110)의 일단에 연결 설치되는 연료 공급관(111) 및 연료 펌프(112)를 포함하고, 연료 용기(110)에 내장된 연료 여과부(113)을 더 포함한다. 연료 용기(110)는 연료공급관(111)과 연통된 연료유출구(119)가 일단에 형성된 하우징(118)으로 구성된다. 또한 연료여과부(113)는 연료 용기(110)내부에 설치되며, 일단은 연료유출구(119)와 연통되어 형성된다. 연료 여과부(113)는 하우징(115), 연료유입구(114), 거름망(116), 다공성 필터(117)를 포함한다. 연료 여과부(113)는 하우징(115)으로 둘러싸여 있고, 하우징(115)을 통해 연료 용기(110) 내부에 고정된다. 하우징(115) 일단에 형성된 연료유입구(114)에는 거름망(116)이 설치되고, 하우징(115) 내부에는 적어도 하나 이상의 다공성 필터(117)가 연료 흐름 방향을 따라 개재되며, 하우징(115) 타단은 연료유출구(119)와 연통되어 형성된다. 연료유입구(114)의 개구 면적은 연료 공급관(111) 면적보다 커서 연료 여과부(113) 내부에서의 유속 저항을 최소화한다. 거름망(116) 및 다공성 필터(117)은 연료 용기(110) 외부에서 착탈이 가능하도록 하여, 다수의 불순물이 부착되어 있을 때 용이하게 교체가 가능하다. 바람직하게는 거름망(116)의 구멍은 상대적으로 크고, 다공성 필터(117)의 구멍은 상대적으로 작을 수 있다. 다공성 필터(117)는 적절하게는 두 개 이상을 설치함으로써, 어느 하나의 다공성 필터(117)를 교체할 때에도 연료의 여과가 가능하도록 한다.

또한 직접 메탄올형 연료 전지는 스택(130)에서 미반응한 연료를 회수하여 재순환시키기 위한 재순환 탱크(미도시)와, 연료용기(110)의 고농도 연료와 상기 재순환 탱크의 저농도 연료를 혼합하여 공급하는 혼합 탱크(미도시)가 더 구비될 수 있다.

상기와 같이 구성된 연료전지 시스템의 작용시, 연료 펌프(112)의 구동으로 연료 용기(110)내의 연료에 음압이 발생하여, 연료 용기(110) 내의 연료는 연료유입구(114)를 통해 연료 여과부(113)에 유입된다. 연료유입구(114)로 유입된 연료는, 1차로 거름망(116)을 통해 입자 크기가 큰 불순물이 걸러지고, 다공성 필터(117)를 통해 입자 크기가 작은 불순물이 걸러진다. 이와 같이 연료 여과부(113)에서 불순물이 여과된 연료는 연료 공급관(111)을 통해 유출되어 연료 펌프(112)를 이용하여 재순환 탱크 및 혼합 탱크를 통하여 스택(130)에 공급하고, 공기 공급부(120)에 의해 흡입되는 산소를 스택(130)으로 공급하면, 상기 혼합 연료 중의 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기와 물 그리고 열을 발생시킨다.

연료여과부(113)를 통해 연료 용기(110) 내의 연료에 포함된 불순물을 제거하여 연료전지 시스템에 연료를 공급함으로써, 연료펌프(112)의 파손을 방지하고 스택(130)에 미세하게 형성된 연료 도관의 폐색을 방지하여, 보다 지속적이고 고효율의 연료전지 운전이 가능하며, 연료여과부(113)를 연료 용기(110)내에 내장함으로써 보다 컴팩트한 연료전지 시스템 구현이 가능하다.

Claims

연료 유출구가 일단에 형성되어 있는 연료를 저장하는 하우징을 포함하고,

상기 하우징 내부에 상기 연료에 혼입된 불순물을 여과하는 연료 여과부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 용기.
제1항에 있어서,

상기 연료여과부의 일단은 연료유입구가 형성되고 타단은 상기 연료유출구와 유체소통이 가능하게 연통되어 있는 개구가 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 용기.
제2항에 있어서,

상기 연료 유입구에 거름망이 부착되는 것을 특징으로 하는 연료 용기.
제2항에 있어서,

상기 연료여과부의 내부에는 적어도 한개 이상의 다공성 필터가 개재되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 용기.
제3항 또는 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 거름망 또는 상기 다공성 필터는 외부로 탈부착이 가능한 것을 특징으로 하는 연료 용기.
제2항에 있어서,

상기 연료 유입구의 개구면적은 상기 연료 유출구의 개구면적보다 큰 것을 특징으로 하는 연료 용기.
연료를 공급하는 연료 공급원;

상기 공급원으로부터 공급되는 연료와 산소의 전기화학반응을 통해 전기를 생성하는 스택; 및

상기 스택에 산소를 공급하는 공기 공급부를 포함하는 연료전지 시스템에 있어서,

상기 연료 공급원은 연료용기와, 연료공급관, 및 연료 펌프를 포함하며,

상기 연료용기는,

연료 유출구가 일단에 형성되어 있는 연료를 저장하는 하우징을 포함하고,

상기 하우징 내부에 상기 연료에 혼입된 불순물을 여과하는 연료 여과부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
제7항에 있어서,

상기 연료여과부의 일단은 연료유입구가 형성되고 타단은 상기 연료유출구와 유체소통이 가능하게 연통되어 있는 개구가 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
제8항에 있어서,

상기 연료 유입구에 거름망이 부착되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
제8항에 있어서,

상기 연료여과부의 내부에는 적어도 한개 이상의 다공성 필터가 개재되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
제9항 또는 제10항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 거름망 또는 상기 다공성 필터는 외부로 탈부착이 가능한 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
제8항에 있어서,

상기 연료 유입구의 개구면적은 상기 연료 유출구의 개구면적보다 큰 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.