KR20070035854A - 연료농도 측정장치를 구비한 연료전지 시스템 - Google Patents

연료농도 측정장치를 구비한 연료전지 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 주변온도가 일정하게 유지되는 분위기하에서 연료의 농도를 측정할 수 있는 연료전지 시스템에 관한 것이다. 본 발명에 따른 연료전지 시스템은 연료전지스택, 공기공급장치, 연료전지스택의 애노드 전극에 혼합 연료를 공급하는 연료혼합장치, 연료혼합장치에 고농도 연료를 공급하는 제1 펌프, 고농도 연료를 저장하는 연료저장장치, 연료전지스택의 애노드 전극측에서 유출되는 미반응 연료 및 캐소드 전극측에서 유출되는 물을 저장하는 연료순환장치, 연료순환장치에 저장된 저농도 연료를 연료혼합장치에 공급하는 제2 펌프, 연료혼합장치와 연료전지스택을 연결하는 배관에 삽입설치되며, 저농도 연료의 농도를 측정하는 농도 센서, 농도 센서의 주변 온도를 유지하는 온도유지장치, 그리고 농도 센서에서 측정된 농도값에 따라 제1 펌프 및 제2 펌프 중 적어도 어느 하나를 제어하는 제어장치를 포함한다.
연료 전지, 연료, 농도 센서, 온도 센서, 온도유지장치

Description

연료농도 측정장치를 구비한 연료전지 시스템{Fuel cell system having fuel concentration measuring device}
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 2는 도 1의 연료농도 측정장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 도 2의 연료농도 측정장치에 채용가능한 농도 센서를 나타내는 사시도이다.
도 4는 도 3의 농도 센서의 몰농도 및 온도에 따른 팽창 계수의 차이를 보여주는 그래프이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
100: 연료전지 시스템 110: 연료전지스택
120: 공기압축장치 130: 연료저장장치
140: 연료순환장치 150: 연료혼합장치
160: 제어장치 170: 농도센서
180: 온도유지장치
본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 주변온도가 일정하게 유지되는 분위기하에서 연료의 농도를 측정할 수 있는 연료전지 시스템에 관한 것이다.
연료 전지(Fuel cell)는 메탄올, 에탄올, 천연 가스와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 공기 중의 산소의 균형잡힌 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 발전 시스템이다.
연료 전지는 사용되는 전해질(electrolyte)의 종류에 따라, 인산형 연료전지, 용융탄산염형 연료전지, 고체 산화물형 연료전지, 고분자 전해질형 연료전지, 알칼리형 연료 전지 등으로 분류된다. 이들 각각의 연료전지는 기본적으로 같은 원리에 의해 작동되지만 사용되는 연료의 종류, 운전온도, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다.
이들 중 고분자 전해질형 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC)는 다른 연료전지에 비하여 출력 특성이 월등히 높고, 작동 온도가 낮으며, 아울러 빠른 시동 및 응답특성과 함께, 휴대용 전자기기용과 같은 이동용(transportable) 전원이나 자동차용 동력원과 같은 수송용 전원은 물론, 주택, 공공건물의 정지형 발전소와 같은 분산용 전원 등 그 응용 범위가 넓은 장점을 가진다.
상술한 고분자 전해질형 연료전지는 스택(stack), 개질기(reformer), 연료 탱크 및 연료 펌프 등을 구비한다. 그리고 고분자 전해질형 연료전지는 연료 펌프의 작동으로 연료 탱크 내의 연료를 개질기로 공급하고, 이 개질기에서 연료를 개질하여 수소 기체를 발생시키며, 스택에서 이 수소 기체와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시킨다.
또한, 연료 전지에는 고분자 전해질형 연료 전지와 유사하나 액상의 메탄올 연료를 직접 스택에 공급할 수 있는 직접 메탄올형 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC)가 있다. 직접 메탄올형 연료전지는 고분자 전해질형 연료전지와 달리 개질기를 사용하지 않기 때문에 소형화에 더욱 유리하다.
연료전지 스택은 통상 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly: MEA)와 세퍼레이터(separator)로 이루어진 단위 연료전지가 수 개 내지 수십 개로 적층된 구조를 가진다. 여기서, 막-전극 어셈블리는 고분자 전해질막을 사이에 두고 애노드 전극(일명, "연료극" 또는 "산화전극"이라고 한다)과 캐소드 전극(일명, "공기극" 또는 "환원전극"이라고 한다)이 부착된 구조를 가진다.
한편, 직접 메탄올형 연료전지는 애노드 전극과 캐소드 전극으로 공급되는 연료의 몰농도와 공기 중의 산소량 등의 조건에 따라 그 운전 효율에 큰 차이를 보인다. 예를 들면, 애노드 전극에 공급되는 연료의 몰농도가 높으면, 현재 사용할 수 있는 고분자 전해질막의 한계로 인해 애노드측에서 캐소드측으로 넘어가는 연료의 양이 증가되고, 따라서 캐소드 전극측에서 반응하는 연료로 인해 역기전력이 발생하여 출력을 감소된다. 그리고, 캐소드 전극에 공급되는 산소량이 부족하면, 캐 소드 전극 상에 산소 구배가 발생되고, 따라서 캐소드 전극측의 비균일한 반응으로 인해 효율이 크게 감소된다. 이처럼, 직접 메탄올형 연료전지에서는 운전 효율을 향상시키기 위하여 연료전지에 충분한 산소량을 공급하면서 연료의 몰농도를 적절하게 조절하는 것이 요구되고 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 고려하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 주변온도가 일정하게 유지되는 분위기하에서 혼합 연료의 농도를 측정하고, 측정된 농도값에 따라 고농도 연료 또는 저농도 연료의 공급량을 정밀하게 제어하여 시스템의 운전 효율을 향상시킬 수 있는 연료전지 시스템을 제공하는 데 있다.
상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 바람직한 측면은, 수소와 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 연료전지스택, 연료전지스택의 캐소드 전극에 공기를 공급하는 공기공급장치, 연료전지스택의 애노드 전극에 혼합 연료를 공급하는 연료혼합장치, 연료혼합장치에 고농도 연료를 공급하는 제1 펌프, 고농도 연료를 저장하는 연료저장장치, 연료전지스택의 애노드 전극측에서 유출되는 미반응 연료 및 캐소드 전극측에서 유출되는 물을 저장하는 연료순환장치, 연료순환장치에 저장된 저농도 연료를 연료혼합장치에 공급하는 제2 펌프, 연료혼합장치와 연료전지스택을 연결하는 배관에 삽입설치되며 혼합 연료의 농도를 측정하는 농도 센서, 농도 센서의 주변 온도를 유지하는 온도유지장치, 및 농도 센서에서 측정된 농도값에 따라 제1 펌프 및 제2 펌프 중 적어도 어느 하나를 제어하는 제어장치를 포함하는 연료전지 시스템을 제공한다.
바람직하게, 온도유지장치는 배관을 둘러싸는 가열장치 및 냉각장치를 포함한다. 농도 센서는 배관 중 폭이 넓어져 유속이 감속되는 광폭부에 삽입설치된다. 온도유지장치는 농도 센서 주변의 저농도 연료의 온도를 측정하는 온도 센서를 포함한다.
또한, 제어장치는 온도 센서에 의해 측정된 온도를 기준 온도와 비교하고, 비교된 값에 따라 측정된 온도가 기준 온도에 도달할 때까지 가열장치 및 냉각장치 중 어느 하나를 온 제어한다.
이하, 상술한 본 발명의 기술적 특징을 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 아래의 설명에서 제1 구성요소가 제2 구성요소와 결합되는 경우, 제1 구성요소는 제2 구성요소와 직접 결합되거나 제3의 구성요소를 사이에 두고 결합되는 것을 포함한다. 도면상에서 동일한 참조부호는 동일하거나 유사한 구성요소를 가리킨다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 연료전지 시스템(100)은 운전 효율을 향상시키기 위해 시스템 내에서 순환되는 저농도 연료의 농도를 항온 분위기하에서 측정하고, 측정된 연료 농도를 이용하여 일정한 농도의 연료를 연료전지스택(110)에 공급한다. 이를 위해, 연료전지 시스템(100)은 연료전지스택(110), 공기압축장치(120), 연료저장장치(130), 연료순환장치(140), 연료혼합장치(150), 제어장치(160), 농도센서(170) 및 온도유지장치(180)를 포함한다. 여기서, 농도센서(170)과 온도유지장치(180)는 본 발명에 따른 연료농도 측정장치가 된다.
보다 구체적으로, 연료전지스택(110)은 고분자 전해질막 양측에 애노드 전극과 캐소드 전극이 접합되는 구조의 막-전극 어셈블리를 포함한다. 또한, 연료전지스택(110)은 단위연료전지 복수개가 세퍼레이터(separator) 또는 바이폴라 플레이트(bipola plate)를 게재하고 적층된 구조를 가진다.
공기압축장치(120)는 연료전지스택(110)의 캐소드 전극에 공기를 공급한다. 공기압축장치(120)는 연료전지스택(110)의 구조에 따라 송풍기로 대체가능하다.
연료저장장치(130)는 고농도의 연료를 저장하는 연료 탱크를 포함한다. 연료는 수소를 함유한 연료를 포함한다. 수소를 함유한 연료로는 메탄올이 바람직하다. 또한, 연료저장장치(130)는 연료 탱크에 저장된 연료를 제1 펌프(132)를 통해 연료혼합장치(150)에 공급한다.
연료순환장치(140)는 연료전지스택(110)의 애노드측 유출구에서 나오는 미반응 연료를 저장하고 이산화탄소 등의 반응생성물을 적절하게 배출시킨다. 그리고 연료전지스택(110)의 캐소드측 유출구에서 나오는 물을 저장하고, 질소와 산소 등의 반응생성물을 적절하게 배출시킨다. 또한, 연료순환장치(140)는 미반응 연료와 물이 혼합된 저농도 연료를 제2 펌프(142)를 통해 연료혼합탱크(150)에 공급한다. 예를 들면, 연료순환장치(140)는 애노드측 유출물이 유입되는 하반부와 캐소드측 유출물이 유입되는 상반부, 및 기상은 상반부로 투과시키고 액상은 하반부로 투과시키도록 이들 하반부와 상반부 사이에 삽입설치되는 선택적 투과막을 포함할 수 있다.
연료혼합장치(150)는 연료저장장치(130)와 연료순환장치(140)에서 유출되는 고농도 연료 및 저농도 연료가 혼합되는 혼합 탱크를 포함한다. 연료혼합장치(150)는 고농도 연료 및 저농도 연료가 뭉치지 않고 잘 혼합될 수 있는 적절한 구조를 갖는다. 예를 들면, 고농도 연료 및 저농도 연료가 수지나 필터를 통과하면서 혼합되는 혼합 탱크 구조를 갖을 수 있다.
제어장치(160)는 주변 온도가 유지되는 분위기에서 저농도 연료의 농도를 측정하는 농도 센서로부터 소정 레벨의 전기 신호를 받고, 그 전기 신호에 응답하여 제1 펌프(132) 및/또는 제2 펌프(142)를 제어한다. 상술한 구성에 의해, 연료전지스택(110)에 공급되는 혼합연료의 농도가 일정하게 유지되도록 고농도 연료 및/또는 저농도 연료의 공급 유량이 증가 또는 감소된다.
농도센서(170)는 연료혼합장치(150)와 연료전지스택(110) 사이에 설치된다. 그리고 온도유지장치(180)는 농도센서(170)를 둘러싸도록 설치된다. 상술한 농도센서(170)와 온도유지장치(180)를 포함하는 본 발명의 연료농도 측정장치에 관하여 아래에서 상세히 설명한다.
도 2는 도 1의 연료농도 측정장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 연료농도 측정장치는 연료혼합장치(150)와 연료전지스택(110)을 연결하는 배관(154)의 한부분에 설치된다. 연료농도 측정장치는 농도센서(170)와 온도유지장치(180)을 포함한다. 또한, 연료농도 측정장치는 배관(154)의 폭이 넓어져 유속이 감속되는 광폭부를 구비한다. 농도센서(170)는 광폭부에 삽입설치된다. 도 2에 도시하지는 않았지만, 연료농도 측정장치는 농도센서(170)를 고정하거나 포위하는 소정의 수단, 예컨대, 메쉬 망 등을 포함한다.
농도센서(170)는 나피온 멤브레인(Nafion membrane), 나피온이 함침된 PETE 멤브레인 등을 이용하여 제작된 센서를 포함한다. 이러한 센서는 기존의 전기화학적 센서에 비하여 매우 작고 빠른 반응속도를 갖는다.
온도유지장치(180)는 냉각장치(182), 가열장치(184) 및 온도센서(186)를 포함한다. 예를 들면, 냉각장치(182)는 배관(154)을 둘러싸는 이송관과, 이송관에 냉각수를 공급하는 냉각수공급장치를 포함한다. 그리고, 가열장치(184)는 배관(154)을 둘러싸는 전기 코일과, 전기 코일에 소정 전압 및 전류를 공급하는 전원공급장치를 포함한다.
온도센서(186)는 농도센서(170)에 인접하게 설치되며, 농도센서(170) 주변에 흐르는 혼합 연료의 온도를 측정한다. 온도센서(186)에서 측정된 온도는 제어장치에 주기적으로 전달된다. 제어장치는 온도센서(186)에서 측정한 온도를 기준 온도와 비교한 후, 측정된 온도가 높으면 냉각장치(182)를 온 제어하고, 측정된 온도가 낮으면 가열장치(184)를 온 제어한다. 이로써, 농도센서(170) 주변의 온도가 일정하게 유지된다. 따라서, 특정 온도에 따라 일정한 값을 나타내는 농도센서(170)의 측정값을 이용하여 별도의 보정 수단없이 손쉽게 연료 공급량을 조절할 수 있다.
도 3은 도 2의 연료농도 측정장치에 채용가능한 농도 센서를 나타내는 사시도이다.
도 3을 참조하면, 농도센서(170)는 기판(170a)과 이 기판상에 부착된 압력 필름(170b)으로 이루어진다. 압력 필름(170b)은 농도센서(170)가 위치하는 곳의 연료의 몰농도에 따라 그 부피가 상이하게 변화된다.
농도센서(170)로는 메탄올 등의 연료의 농도에 따라 부피가 변화하는 이온전도 고분자 수지 또는 복합 수지 등을 이용할 수 있다. 예를 들면, 직접 메탄올형 연료전지 시스템과 같이 메탄올을 연료로 사용하는 시스템에서 농도센서(170)용으로 적합한 압력 필름(170b)으로는 플루오리네이티드 이온교환수지(perfluorinated ion exchage resin), 예컨대, 듀폰(DuPont)사의 나피온이 있다.
본 실시예에서는 농도센서(170)의 압력 필름(170b)을 나피온 115로 제조하여 26℃와 46℃의 분위기하에서 메탄올 용액의 몰농도에 따른 팽창 계수 변화를 관찰하였다. 도 4에서 알 수 있듯이, 제조된 농도센서의 팽창 계수는 동일 온도에서는 몰농도에 비례하여 증가하게 나타난다. 또한, 농도센서의 팽창 계수는 1몰(1M)과 3몰(3M) 사이에서는 26℃의 경우보다 46℃의 경우가 약간 더 높게 나타나는 것을 볼 수 있다.
이처럼, 농도센서(170)의 주변 온도를 일정하게 유지하면 연료의 몰농도를 용이하게 측정할 수 있고, 따라서 온도 등이 주변 조건을 고려한 복잡한 연산이 요 구되지 않으므로 일정한 몰농도의 연료를 연료전지에 공급하는 것이 용이해진다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
상술한 구성에 의하면, 농도센서의 주변 온도를 일정하게 유지한 상태에서 혼합 연료의 몰농도를 측정함으로써, 연료전지에 공급되는 몰농도를 보다 정확하게 알 수 있다. 따라서, 연료전지에 공급되는 연료의 몰농도를 일정하게 공급하는 것이 용이해지고, 그것에 의해 연료전지 시스템의 운전 효율을 향상시키는데 기여할 수 있다.

Claims (5)

  1. 수소와 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 연료전지스택;
    상기 연료전지스택의 캐소드 전극에 공기를 공급하는 공기공급장치;
    상기 연료전지스택의 애노드 전극에 혼합 연료를 공급하는 연료혼합장치;
    상기 연료혼합장치에 고농도 연료를 공급하는 제1 펌프;
    상기 고농도 연료를 저장하는 연료저장장치;
    상기 연료전지스택의 상기 애노드 전극측에서 유출되는 미반응 연료 및 상기 캐소드 전극측에서 유출되는 물을 저장하는 연료순환장치;
    상기 연료순환장치에 저장된 저농도 연료를 상기 연료혼합장치에 공급하는 제2 펌프;
    상기 연료혼합장치와 상기 연료전지스택을 연결하는 배관에 삽입설치되며, 상기 혼합 연료의 농도를 측정하는 농도 센서;
    상기 농도 센서의 주변 온도를 유지하는 온도유지장치; 및
    상기 농도 센서에 의해 측정된 농도에 따라 상기 제1 펌프 및 상기 제2 펌프 중 적어도 어느 하나를 제어하는 제어장치를 포함하는 연료전지 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 온도유지장치는 상기 배관을 둘러싸는 가열장치 및 냉각장치를 포함하 는 연료전지 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 농도 센서는 상기 배관 중 폭이 넓어지는 광폭부에 삽입설치되는 연료전지 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 온도유지장치는 상기 농도 센서 주변의 상기 혼합 연료의 온도를 측정하는 온도 센서를 포함하는 연료전지 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제어장치는 상기 온도 센서에 의해 측정된 온도를 기준 온도와 비교하고, 비교된 값에 따라 상기 측정된 온도가 상기 기준 온도에 도달할 때까지 상기 가열장치 및 상기 냉각장치 중 어느 하나를 온 제어하는 연료전지 시스템.
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