KR20070014678A - 연료 전지 시스템 - Google Patents

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KR20070014678A
KR20070014678A KR1020050069512A KR20050069512A KR20070014678A KR 20070014678 A KR20070014678 A KR 20070014678A KR 1020050069512 A KR1020050069512 A KR 1020050069512A KR 20050069512 A KR20050069512 A KR 20050069512A KR 20070014678 A KR20070014678 A KR 20070014678A
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oxygen
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cell system
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김주용
이상원
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삼성에스디아이 주식회사
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Abstract

본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 수소와 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 연료전지와, 연료를 개질하여 상기 수소를 발생시키고 이 수소를 상기 연료전지로 공급하는 개질기와, 상기 연료를 상기 개질기로 공급하는 연료 공급유닛과, 소정 전위차에 의해 공기를 이온화시켜 상기 산소를 생성하고 이 산소를 상기 연료전지로 공급하는 산소 공급유닛을 포함한다.
연료전지, PEMFC, DMFC, 개질기, 연료공급유닛, 산소공급유닛, 전위차

Description

연료 전지 시스템 {FUEL CELL SYSTEM}
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시한 산소 공급유닛의 구성을 개략적으로 나타내 보인 단면 구성도이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 산소를 연료전지로 공급하는 산소 공급장치에 관한 것이다.
알려진 바와 같이, 연료 전지(Fuel Cell)는 메탄올, 에탄올, 천연 가스와 같은 탄화수소 계열의 연료에 함유되어 있는 수소와, 별도로 공급되는 산소의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다.
이러한 연료 전지에 있어, 근래에 개발되고 있는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell : PEMFC, 이하 편의상 PEMFC라 한다)는 다른 연료 전지에 비하여 출력 특성이 탁월하며 작동 온도가 낮고 아울러 빠른 시동 및 응답 특성을 가지며, 자동차와 같은 이동용 전원은 물론, 주택, 공공건물과 같은 분산용 전원 및 전자기기용과 같은 소형 전원 등 그 응용 범위가 넓은 장점을 가진다.
이러한 PEMFC 방식의 연료 전지 시스템은 연료를 개질하여 수소를 발생시키고 이 수소를 연료전지로 공급하는 개질기(reformer)와, 산소를 연료전지로 공급하기 위한 공기펌프 또는 팬을 구비한다. 따라서 연료전지는 개질기로부터 공급되는 수소와, 공기펌프 또는 팬의 가동에 의해 공급되는 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시킨다.
한편, PEMFC와 다른 방식의 연료 전지 시스템은 연료와 산소를 연료전지로 직접 공급하여 이 연료와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell : DMFC, 이하 DMFC라 한다)방식으로 구성될 수도 있다. 이러한 DMFC 방식의 연료 전지 시스템은, PEMFC 방식의 시스템과 달리, 개질기를 필요로 하지 않는다.
그런데, 종래의 연료 전지 시스템은 산소를 연료전지로 공급하기 위해 공기 펌프 또는 팬을 구비하는 바, 이 공기 펌프 또는 팬의 가동에 의하여 소음 및 열이 발생함에 따라 전체 시스템의 성능 및 신뢰성이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 감안한 것으로서, 그 목적은 공기 펌프 또는 팬을 필요로 하지 않는 간단한 구조로서 산소를 연료전지로 공급할 수 있는 연료 전 지 시스템을 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 수소와 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 연료전지와, 연료를 개질하여 상기 수소를 발생시키고 이 수소를 상기 연료전지로 공급하는 개질기와, 상기 연료를 상기 개질기로 공급하는 연료 공급유닛과, 소정 전위차에 의해 공기를 이온화시켜 상기 산소를 생성하고 이 산소를 상기 연료전지로 공급하는 산소 공급유닛을 포함한다.
상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 산소 공급유닛은 자연 대류 작용에 의해 상기 공기를 제공받는 구조로 이루어진다.
상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 산소 공급유닛은 복수의 제1 전극과, 상기 제1 전극에 대향 설치되는 복수의 제2 전극과, 상기 제1,2 전극에 연결 설치되어 기설정된 전위차를 갖는 펄스 전압을 상기 제1,2 전극으로 인가하는 전원 공급부를 포함할 수 있다.
상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 연료 공급유닛은 상기 연료를 저장하는 연료 탱크와, 상기 연료 탱크와 연결 설치되어 상기 연료 탱크로부터 상기 연료를 배출시키는 연료 펌프를 포함할 수 있다.
이와 같이 구성되는 상기 연료 전지 시스템은, 상기 연료전지가 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrance Fuel Cell: PEMFC)로서 구성될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 연료와 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 연료전지와, 상기 연료를 상기 연료전지로 공급하는 연료 공급유닛과, 소정 전위차에 의해 공기를 이온화시켜 상기 산소를 생성하고 이 산소를 상기 연료전지로 공급하는 산소 공급유닛을 포함한다.
상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 산소 공급유닛은 자연 대류 작용에 의해 상기 공기를 제공받는 구조로 이루어진다. 이 경우 상기 산소 공급유닛은 복수의 제1 전극과, 상기 제1 전극에 대향 설치되는 복수의 제2 전극과, 상기 제1,2 전극에 연결 설치되어 기설정된 전위차를 갖는 펄스 전압을 상기 제1,2 전극으로 인가하는 전원 공급부를 포함할 수 있다.
상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 연료 공급유닛은 상기 연료를 저장하는 연료 탱크와, 상기 연료 탱크와 연결 설치되어 상기 연료 탱크로부터 상기 연료를 배출시키는 연료 펌프를 포함할 수 있다.
이와 같이 구성되는 상기 연료 전지 시스템은, 상기 연료전지가 액티브 타입(ACTIVE TYPE)의 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC)로서 구성될 수 있다.
상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 연료 공급유닛은 소정량의 연료를 저장하는 카트리지 형태로서 상기 연료전지에 밀착 배치되는 구조로 이루어질 수도 있다. 이 경우 상기 연료 전지 시스템은, 상기 연료전지가 패시브 타입(PASSIVE TYPE)의 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC)로서 구성될 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 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
이 도면을 참조하여 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)을 설명하면, 이 연료 전지 시스템(100)은, 연료와 산소를 이용하여 노트북 PC, PDA, 이동통신 단말기기 등과 같은 휴대용 전자기기 등에 전기 에너지를 제공하는 발전 시스템으로서 구성된다.
더 구체적으로, 본 시스템(100)은 연료를 개질하여 수소를 발생시키고, 이 수소와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키는 통상적인 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrode Membrane Fuel Cell; PEMFC) 방식으로 구성된다.
이러한 연료 전지 시스템(100)에 있어 상기 연료라 함은 메탄올, 에탄올 또는 천연 가스 등과 같이 수소를 함유한 액체 또는 기체의 연료를 포함할 수 있다. 그러나 본 실시예에서 설명하는 이하의 연료는 편의상 액체로 이루어진 연료를 의미한다.
상술한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)은, 수소와 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 연료 전지(10)와, 연료를 개질하 여 수소를 발생시키고 이 수소를 연료 전지(10)로 공급하는 개질기(20)와, 이 개질기(20)로 연료를 공급하는 연료 공급유닛(30)과, 연료 전지(10)로 산소를 공급하는 산소 공급유닛(50)을 포함하여 구성된다.
이 연료전지(10)는 언급한 바 있는 고분자 전해질형 연료 전지로서, 수소와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키는 최소 단위의 전기 발생부(11)를 구비한다. 이 전기 발생부(11)는 통상적인 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode Assembly: MEA)를 중심에 두고 이의 양면에 세퍼레이터(separator: 당업계에서는 '바이폴라 플레이트' 라고도 한다.)를 밀착 배치하여 구성될 수 있다. 따라서 본 실시예에서는 상기한 전기 발생부(11)를 복수로 구비하고, 이들을 연속적으로 적층함으로써 전기 발생부(11)의 집합체 구조에 의한 스택(stack)을 형성할 수 있다. 이와 같은 연료 전지(10)의 구성은 통상적인 고분자 전해질형 연료 전지의 구성으로 이루어질 수 있으므로 본 명세서에서 그 자세한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명에 적용되는 개질기(20)는 열 에너지에 의한 개질 반응 예컨대, 수증기 개질, 부분 산화 또는 자열 반응 등의 촉매 반응을 통해 상기한 연료로부터 수소를 발생시키는 통상적인 개질기 구조로 이루어진다.
상기한 개질기(20)로 연료를 공급하는 연료 공급유닛(30)은 연료를 저장하는 연료 탱크(31)와, 이 연료 탱크(31)와 연결 설치되어 연료 탱크(31)에 저장된 연료를 배출시키기 위한 연료 펌프(33)를 포함한다.
연료 전지(10)로 산소를 공급하기 위한 산소 공급유닛(50)은 통상적인 파이 프 라인에 의해 연료 전지(10)와 연결 설치되는 것으로서, 종래와 같은 펌프 또는 팬의 구동력에 의존하지 않고, 소정 전위차에 의해 공기를 이온화시켜 이 때 생성되는 산소를 연료 전지(10)의 전기 발생부(11)로 공급할 수 있는 구조로 이루어진다.
도 2는 도 1에 도시한 산소 공급유닛(50)의 구성을 개략적으로 나타내 보인 단면 구성도로서, 이 도면을 참고하면, 본 실시예에 의한 산소 공급유닛(50)은 미국특허 제6749667, 6713026, 6709484, 6632407, 6350417, 6312507, 6176977, 6163098호에 개시된 바 있는 미국 "SHAPERIMAGE 사(社)"의 공기 청정 구조를 채용하고 있다.
이러한 산소 공급유닛(50)의 구성을 간략히 설명하면, 이 산소 공급유닛(50)은 복수의 제1 전극(51)들과, 제1 전극(51)에 대향 설치되는 복수의 제2 전극(53)들과, 제1 전극(51)으로 (+) 펄스 전압을 인가하고 제2 전극(53)으로 (-) 펄스 전압을 인가하는 전원 공급부(55)를 포함하여 구성된다.
여기서 산소 공급유닛(50)은 통상적인 공기 압송유닛, 예컨대 펌프 또는 팬의 구동력에 의존하지 않고, 자연 대류 작용에 의해 공기를 제공받는 구조로 이루어지는 바, 제1 전극(51) 쪽으로 공기가 유입되도록 구성된다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)의 동작을 설명하면, 우선 연료 펌프(33)을 가동시켜 연료 탱크(31)에 저장된 연료를 배출시키고, 이 연료를 개질기(20)로 공급한다. 그러면, 개질기(20)는 열 에너지에 의한 연료의 개질 반응을 통해 수소를 발생시키고 이 수소를 연료 전지(10)로 공급 하게 된다.
이와 동시에, 산소 공급유닛(50)은 전원 공급부(55)를 통해 제1 전극(51)으로 (+) 펄스 전압을 인가하고, 제2 전극(53)으로 (-) 펄스 전압을 인가한다. 이 때 대기 중의 공기는 자연 대류 작용에 의해 제1 전극(51) 쪽으로 유입되고 있는 상태에 있다.
이로써 산소 공급유닛(50)은 전원 공급부(55)를 통해 제1 전극(51)과 제2 전극(53)에 기설정된 전위차를 갖는 펄스 전압을 인가함에 따라, 상기한 전위차에 의해 공기 입자를 이온화시키고, 이 과정에서 발생하는 산소(O3)를 배출시키게 된다. 이 때 산소는 자체의 펄스 압력에 의해 연료 전지(10)의 전기 발생부(11)로 공급되게 된다.
따라서 연료 전지(10)의 전기 발생부(11)는 개질기(20)로부터 수소를 공급받고 산소 공급유닛(50)으로부터 산소를 공급받아, 이 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 기설정된 용량의 전기 에너지를 출력시키게 된다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도면을 참고하면, 본 발명의 실시예에 의한 연료 전지 시스템(200)은 연료와 산소의 직접적인 반응에 의해 기설정된 용량의 전기 에너지를 발생시키는 직접 메탄올형 연료 전지(DMFC: Direct Methanol Fuel Cell) 방식으로서 구성된다.
더욱 구체적으로, 본 시스템(200)은 직접 메탄올형 연료 전지의 구성별 종류 에 따라, 도 3a에 도시한 바와 같은 액티브형(Active Type) 연료 전지, 및 도 3b에 도시한 바와 같은 패시브형(Passive Type) 연료 전지 방식으로 구성될 수 있다.
상술한 바와 같은 연료 전지 시스템(200)은, 위에서 언급한 직접 메탄올형 연료전지(110)와, 이 연료전지(110)로 연료를 공급하는 연료 공급유닛(130)과, 산소를 연료전지(110)로 공급하는 산소 공급유닛(150)를 포함한다.
상기에서, 연료전지(110)는 연료와 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 최소 단위의 전기 발생부(111)를 구비하는 바, 이 전기 발생부(111)는 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode Assembly: MEA)(112)를 중심에 두고 이의 양면에 세퍼레이터(116)를 밀착 배치하여 구성될 수 있다.
여기서 세퍼레이터(116)는 막-전극 어셈블리(112)로 연료와 산소를 분산 공급하는 기능 외에, 막-전극 어셈블리(112)의 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체의 기능을 하게 된다. 따라서 본 실시예에서는 위와 같은 최소 단위의 전기 발생부(111)를 복수로 구비하고, 이들을 연속적으로 배치함으로써 전기 발생부(111)의 집합체 구조에 의한 연료전지(110)를 형성할 수 있다. 이와 같은 연료전지(110)의 구성은 통상적인 직접 메탄올형 연료 전지의 구성으로 이루어질 수 있으므로 본 명세서에서 그 자세한 설명한 생략한다.
본 실시예에서, 상기한 연료전지(110)로 연료를 공급하기 위한 연료 공급유닛(130)은 도 3a에 도시한 바와 같이 연료전지(110)가 액티브형 연료 전지로 구성되는 경우, 전기 실시예에서와 같은 구조로 이루어진다. 그리고 연료 공급유닛(130)은 도 3b에 도시한 바와 같이 연료전지(110)가 패시브형 연료 전지로 구성되 는 경우, 연료전지(110)의 일측 세퍼레이터(116)에 밀착 배치되는 카트리지 형태로 이루어지는 바, 소정량의 연료를 저장하는 케이스 형태로서 중력 작용에 의해 연료를 세퍼레이터(116)로 공급할 수 있는 구조로 이루어진다.
그리고 연료전지(110)로 산소를 공급하기 위한 산소 공급유닛(150)은 도 3a에 도시한 바와 같이 연료전지(110)가 액티브형 연료 전지로 구성되는 경우, 전기 실시예에서와 같은 구조를 가지면서 별도의 파이프 라인에 의해 연료전지(110)와 연결 설치될 수 있다. 그리고 산소 공급유닛(150)은 도 3b에 도시한 바와 같이 연료전지(110)가 패시브형 연료 전지로 구성되는 경우, 전기 실시예에서와 같은 구조를 가지면서 연료전지(110)의 다른 일측 세퍼레이터(116)에 밀착 배치되어 산소를 세퍼레이터(116)로 공급할 수 있는 구조로 이루어진다.
상기와 같이 구성되는 본 실시예에 의한 연료 전지 시스템(200)의 작용시, 연료 공급유닛(130)은 연료를 연료전지(110)의 전기 발생부(111)로 공급한다. 이와 동시에, 산소 공급유닛(150)은 전기 실시예에서와 같은 작용에 의해 산소를 상기 전기 발생부(111)로 공급한다.
따라서 연료전지(110)의 전기 발생부(111)는 상기한 연료와 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 기설정된 용량의 전기 에너지를 출력시키게 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.
상술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 전위차에 의해 공기를 이온화시켜 산소를 생성하고 이 산소를 연료전지로 공급할 수 있는 산소 공급유닛을 구비함에 따라, 종래와 같은 공기 펌프 또는 팬을 필요로 하지 않게 된다. 따라서 종래와 같은 공기 펌프 또는 팬의 가동에 의한 소음 및 열이 발생되지 않으므로 시스템의 성능 및 신뢰성을 더욱 향상시킬 수 있다.

Claims (12)

  1. 수소와 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 연료전지;
    연료를 개질하여 상기 수소를 발생시키고, 이 수소를 상기 연료전지로 공급하는 개질기;
    상기 연료를 상기 개질기로 공급하는 연료 공급유닛; 및
    소정 전위차에 의해 공기를 이온화시켜 상기 산소를 생성하고, 이 산소를 상기 연료전지로 공급하는 산소 공급유닛
    을 포함하는 연료 전지 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 산소 공급유닛은 자연 대류 작용에 의해 상기 공기를 제공받는 구조로 이루어지는 연료 전지 시스템.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 산소 공급유닛은 복수의 제1 전극과, 상기 제1 전극에 대향 설치되는 복수의 제2 전극과, 상기 제1,2 전극에 연결 설치되어 기설정된 전위차를 갖는 펄스 전압을 상기 제1,2 전극으로 인가하는 전원 공급부를 포함하는 연료 전지 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 공급유닛은,
    상기 연료를 저장하는 연료 탱크와, 상기 연료 탱크와 연결 설치되어 상기 연료 탱크로부터 상기 연료를 배출시키는 연료 펌프를 포함하는 연료 전지 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료전지가 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrance Fuel Cell: PEMFC)로서 구성되는 연료 전지 시스템.
  6. 연료와 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 연료전지;
    상기 연료를 상기 연료전지로 공급하는 연료 공급유닛; 및
    소정 전위차에 의해 공기를 이온화시켜 상기 산소를 생성하고, 이 산소를 상기 연료전지로 공급하는 산소 공급유닛
    을 포함하는 연료 전지 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 산소 공급유닛은 자연 대류 작용에 의해 상기 공기를 제공받는 구조로 이루어지는 연료 전지 시스템.
  8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
    상기 산소 공급유닛은 복수의 제1 전극과, 상기 제1 전극에 대향 설치되는 복수의 제2 전극과, 상기 제1,2 전극에 연결 설치되어 기설정된 전위차를 갖는 펄스 전압을 상기 제1,2 전극으로 인가하는 전원 공급부를 포함하는 연료 전지 시스템.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 연료 공급유닛은,
    상기 연료를 저장하는 연료 탱크와, 상기 연료 탱크와 연결 설치되어 상기 연료 탱크로부터 상기 연료를 배출시키는 연료 펌프를 포함하는 연료 전지 시스템.
  10. 제 6 항 또는 제 9 항에 있어서,
    상기 연료전지가 액티브 타입(ACTIVE TYPE)의 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC)로서 구성되는 연료 전지 시스템.
  11. 제 6 항에 있어서,
    상기 연료 공급유닛은 소정량의 연료를 저장하는 카트리지 형태로서 상기 연료전지에 밀착 배치되는 구조로 이루어지는 연료 전지 시스템.
  12. 제 6 항 또는 제 11 항에 있어서,
    상기 연료전지가 패시브 타입(PASSIVE TYPE)의 직접 메탄올형 연료 전지 (Direct Methanol Fuel Cell: DMFC)로서 구성되는 연료 전지 시스템.
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