KR20070036502A - 고압산소탱크를 구비한 연료전지 시스템 - Google Patents

고압산소탱크를 구비한 연료전지 시스템 Download PDF

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KR20070036502A
KR20070036502A KR1020050091599A KR20050091599A KR20070036502A KR 20070036502 A KR20070036502 A KR 20070036502A KR 1020050091599 A KR1020050091599 A KR 1020050091599A KR 20050091599 A KR20050091599 A KR 20050091599A KR 20070036502 A KR20070036502 A KR 20070036502A
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안성진
은영찬
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Abstract

본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 수소함유연료와 산화제의 전기화학반응에 의해서 전기를 생성하는 발전부와; 상기 발전부에 수소함유연료를 공급하는 연료 공급부와; 상기 발전부에 산화제를 공급하는 고압산화제탱크로 이루어진 것을 특징으로 하므로, 충분한 양의 산소공급이 가능해져서 연료전지 시스템의 발전효율을 향상시킬 수 있고, 또한 고압의 산소를 공급함으로써 단위전지에 잔류하는 미반응 연료/산소 및 전기화학반응에 참여하지 못한 미반응물을 효과적으로 제거할 수 있고, 이에 부가하여, 에어펌프의 사용없이 산소를 공급하므로 에어펌프의 작동에 의한 소음 및 진동의 발생을 방지하여 연료전지 시스템의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
선택적 투과막, 친수성 물질, 소수성 물질, 관통창

Description

고압산소탱크를 구비한 연료전지 시스템{FUEL CELL SYSTEM HAVING HIGH PRESSURE OXYGEN TANK}
도 1은 본 발명에 따른 스택형 연료전지 시스템의 개략도;
도 2는 본 발명에 따른 패시브형 연료전지 시스템의 개략도.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
10 : 발전부
20, 120 : 연료 공급부
22 : 연료펌프
24 : 이온제거필터
30, 130 : 흡열부
40, 140 : 고압산소탱크
110, A : 단위전지
본 발명은 수소와 산소의 전기화학반응을 통해서 전기를 발생시키는 연료전지 시스템에 관한 것이고, 더 상세하게 고압산소탱크로부터 산소를 공급하여 전기를 발생시키는 연료전지 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 환경문제나 자원문제를 해결하기 위한 방안으로서 천연가스 등의 탄화수소연료, 메탄올 등과 같은 수소함유연료로부터 얻어지는 수소와 공기 중의 산소를 전기화학적으로 반응시켜 전기를 생성하는 연료전지 시스템에 대한 관심이 집중되어 왔다.
연료전지 시스템은 수소함유연료와 산화제인 산소의 전기화학반응에 의해서 전기를 생성하는 발전장치이다. 이러한 연료전지 시스템은 기본적으로 전기를 생성하는 발전부를 갖는다. 상기 발전부는 선택적 이온투과특성을 갖는 전해질막과, 상기 전해질막의 양면에 제공된 애노드 전극 및 캐소드 전극으로 이루어진 전극막 조립체(MEA)를 구비한 단위전지(unit cell)을 갖는다.
연료전지 시스템은 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.
상술된 연료전지 시스템 중에서, 고분자 전해질형 연료전지는 출력특성이 상대적으로 탁월하고 작동온도가 낮을 뿐만 아니라 빠른 시동 및 응답특성을 갖는 장점에 때문에 최근에 휴대용 발전기의 용도로 널리 개발연구되고 있다. 그러나, 고 분자 전해질형 연료전지는 수소를 얻기 위한 개질기를 요구하고 있으며, 이는 연료전지 시스템의 소형화에 대한 한계로 작용하였다. 따라서, 이러한 한계를 극복하기 위하여 수소함유연료로서 메탄올을 직접 사용하는 직접 메탄올형 연료전지(DMFC)가 개발되었다.
이러한 직접 메탄올형 연료전지(DMFC)에 있어서, 애노드 전극에 제공된 메탄올과 캐소드 전극에 제공된 산소의 전기화학반응에 의해서 전기를 생성하게 된다. 이때, 산소함유기체를 캐소드 전극에 공급하기 위하여 에어펌프를 포함하고 있으며, 이는 에어펌프의 작동에 의한 소음 및 진동발생에 의해서 연료전지의 신뢰성을 저하시키는 문제점이 있었다.
애노드 전극에 제공된 메탄올 중에서 상술된 전기화학반응에 참여하지 못하고 배출되는 미반응 메탄올을 회수하여 재사용하기 위한 기술이 요구되고 있다. 즉, 이러한 재사용 기술은 연료의 사용효율을 향상시키기 위하여 미반응 연료를 회수하고, 이를 새로운 연료와 혼합하여 다시 애노드 전극에 제공하는 것이다.
그러나, 직접 메탄올형 연료전지에 있어서 메탄올의 산화반응시 이산화탄소(CO2)가 생성되고, 이러한 이산화탄소는 미반응 연료와 혼합된 상태로 배출된다. 이산화탄소가 애노드 전극에 공급되는 경우에는 연료전지의 발전효율을 저하시키므로, 이를 제거하는 것이 요구되고 있다.
본 발명은 상기된 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 직접 메탄올형 연료전지 시스템의 캐소드 전극에 에어펌프의 제공없이도 산소함유기체를 공급할 수 있도록 고압산소탱크를 구비한 연료전지 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 애노드 전극으로부터 배출되는 미반응 메탄올을 회수하여 재활용할 수 있는 연료전지 시스템을 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 캐소드 전극으로부터 배출되는 물을 회수하여 재활용할 수 있는 연료전지 시스템을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면, 연료전지 시스템은 연료전지 시스템은 수소함유연료와 산화제의 전기화학반응에 의해서 전기를 생성하는 발전부와; 상기 발전부에 수소함유연료를 공급하는 연료 공급부와; 상기 발전부에 산화제를 공급하는 고압탱크로 이루어진다.
상기 산화제는 산소이고, 상기 발전부에서 배출되는 물을 회수하여 상기 연료 공급부에 제공하는 물회수장치를 더 포함한다. 바람직하게, 상기 물회수장치는 열교환기이다.
상기 고압탱크는 교환가능하게 제공되는 것이 바람직하다.
상기 발전부는 선택적 이온투과성을 갖는 고분자막 및 상기 고분자막의 양측에 제공된 애노드 전극과 캐소드 전극으로 이루어진 단위전지가 적층되어 있는 구 조를 갖거나 또는 평면에 배열된 구조를 갖는다.
상기 연료 공급부로부터 수소함유연료를 발전부에 원활하게 공급하기 위한 연료펌프를 더 포함하고 또한 수소함유연료에 용존되어 있는 이온을 제거하기 위한 이온제거 필터를 더 포함한다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명에 따른 연료전지 시스템에 대하여 설명한다.
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 '수소함유연료'는 메탄올에 한정되지 않고 에탄올 등의 알코올계 연료; 메탄, 프로판, 부탄 등의 탄화수소계 연료 또는 액화천연가스 등의 천연가스계 연료와 같은 연료그룹으로부터 선택된 연료와 물이 혼합되어 있는 연료를 의미한다.
도 1에는 본 발명에 따라서 산화제, 예를 들어 산소를 공급하기 위한 고압산소탱크를 구비한 연료전지 시스템이 도시되어 있다. 도 1을 참조하면, 연료전지 시스템은 메탄올과 같은 수소함유연료와 산소와 같은 산화제의 전기화학반응에 의해서 전기를 생성하는 발전부(10)와, 발전부(10)에 수소함유연료를 공급하기 위한 연료 공급부(20)와, 발전부(10)에 산화제 공급용 고압탱크, 예를 들어 산소 공급용 고압산소탱크(40)를 갖는다. 상기 고압탱크는 교환가능하게 제공되는 것이 바람직하다.
발전부(10)는 선택적 이온 투과성을 갖는 고분자막(12a)과, 고분자막(12a)의 양면에 각각 제공된 애노드 전극(12c) 및 캐소드 전극(12b)으로 이루어진 전극막 조립체(12; MEA)를 구비한 단위전지(A)를 갖는다. 단위전지(A)는 또한 애노드 전극(12c) 및 캐소드 전극(12b)에 수소함유연료 및 산소를 공급할 수 있도록 대면하는 상태로 제공된 분리판(14)을 포함한다. 분리판(14)은 수소함유연료 또는 산소가 유동할 수 있는 유동채널이 일측면에만 제공된 모노폴라 플레이트로 구성되거나 또는 양측면에 각각 제공된 바이폴라 플레이트로 구성될 수 있다.
발전부(10)는 복수개의 단위전지(A)가 적층되어 있는 구조를 갖는다.
따라서, 연료 공급부(20), 예를 들어 연료공급탱크로부터 공급되는 수소함유연료, 예를 들어 물과 혼합되어 희석되어 있는 소정 농도의 메탄올은 하나의 분리판(14)에 제공된 연료공급유로를 통해서 애노드 전극(12c)에 유입된다. 또한, 고압산소탱크(40)로부터 공급되는 고압의 산소는 다른 하나의 분리판(14)에 제공된 산소공급유로를 통해서 캐소드 전극(12b)에 유입된다.
단위전지(A)의 애노드 전극과 캐소드 전극에서 이루어지는 전기화학반응은 하기 반응식과 같다.
애노드 반응: CH3OH + H2O → CO2 + 6H+ + 6e_
캐소드 반응: (3/2)O2 + 6H+ + 6e_ → 3H2O
전체 반응: CH3OH + (3/2)O2 → 2H2O + CO2
즉, 애노드 전극(12c)에서는 메탄올과 물의 반응에 의하여 이산화탄소 및 6개의 수소이온과 전자가 생성된다(산화반응). 생성된 수소이온은 고분자막(12a), 예를 들어 수소이온 교환막을 거쳐 캐소드 전극(12b)에 전달된다. 캐소드 전극(12b)에서는 수소이온과 외부회로를 통해 전달된 전자 그리고 산소가 반응하여 물을 생성한다(환원반응). 전체적으로는, 메탄올과 산소가 반응하여 물과 이산화탄소를 생성한다.
이때, 애노드 전극(12c)에 공급된 수소함유연료 중 일부는 상술된 애노드 반응에 참여하지 못하고 미반응 상태로 배출된다. 이러한 미반응 연료는 안내도관을 통해서 연료 공급부(20)에 직접 공급된다. 또한, 상술된 반응식에 나타난 바와 같이 단위전지(A)에서의 전기화학반응 결과 이산화탄소(CO2)가 부산물로서 생성된다. 이러한 이산화탄소는 미반응 상태의 수소함유연료, 즉 미반응 연료와 함께 혼합된 상태로 발전부(10)로부터 연료 공급부(20)로 배출된다. 이러한 이산화탄소는 연료 공급부(20)에 제공된 배기구(미도시)를 통해서 외부로 배기된다.
캐소드 전극(12b)에서의 환원반응결과 상대적으로 온도가 높은 물, 고온수[H2O(g)]가 생성되고, 이러한 고온수를 회수하여 재활용하기 위한 물회수장치(30)가 제공된다. 물회수장치(30)는 발전부(10)와 연료 공급부(20) 사이에 제공된다. 따 라서, 대체적으로 증기상태로 발생되는 고온수는 물회수장치(30), 예를 들어 열교환기를 통과하면서 응축하게 되며 그 결과 액체상태의 상대적으로 온도가 낮은 물, 저온수[H2O(l)]로 회수된다. 이러한 저온수는 연료 공급부(20)에 제공되어 재활용된다.
또한, 연료 공급부(20)와 발전부(10) 사이에는 수소함유연료를 원활하게 공급시키기 위한 연료펌프(22)가 제공된다. 그리고, 연료펌프(22)의 배출단에는 수소함유연료에 함유되어 있는 이온을 제거하기 위한 이온제거 필터(24; ionizer filter)가 제공된다.
이하, 스택형 발전기를 갖는 연료전지 시스템의 작동에 대하여 설명한다.
연료펌프(22)의 작동에 의해서 연료 공급부(20)로부터 배출되는 수소함유연료는 이온제거 필터(24)를 통과하여 이온이 제거된 상태로 발전부(10), 특히 단위전지(A)의 애노드 전극(12c)에 유입된다. 또한 고압산소탱크(40)로부터 배출되는 산소는 발전부(10), 특히 단위전지(A)의 캐소드 전극(12b)에 유입된다.
단위전지(A)에 있어서, 상술된 전기화학반응을 통해서 전기가 생성되고, 이때 부산물로서 발생되는 고온수[H2O(g)]는 물회수장치(30)를 통과하면서 응축되어 저온수[H2O(l)] 상태로 연료 공급부(20)에 유입된다. 상기 전기화학반응의 부산물인 이산화탄소는 연료 공급부(20)에 직접 유입된 후에 대기로 배기된다. 한편, 상술된 전기화학반응에 참여하지 못하고 안내도관을 통해서 연료 공급부(20)에 유입된 미반응 연료는 재활용된다. 그러나, 상술된 전기화학반응에 참여하지 못한 미 반응 산소는 연료 공급부(20)에 유입된 후에 상기 배기구를 통해서 이산화탄소와 함께 대기로 배기된다.
도 2를 참조하면, 연료전지 시스템은 메탄올과 같은 수소함유연료와 산소와 같은 산화제의 전기화학반응에 의해서 전기를 생성하는 발전부와, 상기 발전부에 수소함유연료를 공급하기 위한 연료 공급부(120)와, 상기 발전부에 산소를 공급하기 위한 고압산소탱크(140)를 갖는다.
상기 발전부는 선택적 이온 투과성을 갖는 고분자막(112)과, 고분자막(112)의 양면에 각각 제공된 애노드 전극(116) 및 캐소드 전극(114)으로 이루어진 단위전지(110)를 갖는다. 이때, 도 2에 도시된 연료전지 시스템은 복수개의 단위전지(110)들이 평면에 배열되어 있는 패시브형 구조를 갖는다.
상기 발전부에서의 전기화학반응은 상술된 반응식과 같다.
즉, 애노드 전극(116)에서는 메탄올과 물의 반응에 의하여 이산화탄소 및 6개의 수소이온과 전자가 생성된다(산화반응). 생성된 수소이온은 고분자막(112)을 통과하여 캐소드 전극(114)에 전달된다. 캐소드 전극(114)에서는 수소이온과 외부회로를 통해 전달된 전자 그리고 산소가 반응하여 물을 생성한다(환원반응). 전체적으로는, 메탄올과 산소가 반응하여 물과 이산화탄소를 생성한다.
캐소드 전극(114)에서의 환원반응결과 상대적으로 온도가 높은 물, 고온수[H2O(g)]가 생성되고, 이러한 고온수를 회수하여 재활용하기 위한 물회수장치(130)가 제공된다. 물회수장치(30)는 발전부(10)와 연료 공급부(20) 사이의 유체유동경 로에 제공된다. 따라서, 대체적으로 증기상태로 발생되는 고온수는 물회수장치(130)를 통과하면서 응축하게 되며 그 결과 액체상태의 상대적으로 온도가 낮은 물, 저온수[H2O(l)]로 회수된다. 이러한 저온수는 연료 공급부(20)에 제공되어 재활용된다.
또한, 연료 공급부(120)는 수소함유연료의 공급이 가능하게 애노드 전극(116)에 연결되고, 고압산소탱크(140)는 캐소드 전극(114)에 산소공급이 가능하게 연결된다.
이하, 패시브형 구조를 갖는 연료전지 시스템의 작동에 대하여 설명한다.
수소함유연료는 연료 공급부(120)로부터 단위전지(110)의 애노드 전극(116)에 유입된다. 또한 고압산소탱크(140)로부터 배출되는 산소는 캐소드 전극(114)에 유입된다.
단위전지(110)에 있어서, 상술된 전기화학반응을 통해서 전기가 생성되고, 이때 부산물로서 발생되는 고온수[H2O(g)]는 물회수장치(130)를 통과하면서 응축되어 저온수[H2O(l)] 상태로 연료 공급부(120)에 유입된다. 이때, 캐소드 전극(114)에 공급되는 산소의 압력에 의해서 고온수[H2O(g)]는 용이하게 물회수장치(130)로 배출된다.
상기 내용은 본 발명의 바람직한 실시예를 단지 예시한 것으로 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 첨부된 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 요지로부 터 벗어나지 않고 본 발명에 대한 수정 및 변경을 가할 수 있다는 것을 인식하여야 한다.
본 발명에 따르면, 고압산소탱크로부터 고압의 산소를 단위전지에 제공함으로써, 충분한 양의 산소공급이 가능해져서 연료전지 시스템의 발전효율을 향상시킬 수 있고, 또한 고압의 산소를 공급함으로써 단위전지에 잔류하는 미반응 연료/산소 및 전기화학반응에 참여하지 못한 미반응물을 효과적으로 제거할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 에어펌프의 사용없이 산소를 공급하므로 에어펌프의 작동에 의한 소음 및 진동의 발생을 방지하여 연료전지 시스템의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

Claims (10)

  1. 수소함유연료와 산화제의 전기화학반응에 의해서 전기를 생성하는 발전부와;
    상기 발전부에 수소함유연료를 공급하는 연료 공급부와;
    상기 발전부에 산화제를 공급하는 고압탱크로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 산화제는 산소인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 발전부에서 배출되는 물을 회수하여 상기 연료 공급부에 제공하는 물회수장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 물회수장치는 열교환기인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 발전부는 선택적 이온투과성을 갖는 고분자막 및 상기 고분자막의 양측에 제공된 애노드 전극과 캐소드 전극으로 이루어진 단위전지들이 적층된 상태로 제공되어 있는 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 발전부에서 배출되는 미반응 연료가 상기 연료 공급부에 유입되도록 안내하는 안내도관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 연료 공급부의 수소함유연료를 상기 발전부에 공급하기 위한 연료펌프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 연료펌프와 상기 발전부 사이에는 수소함유연료로부터 이온을 제거하기 위한 이온제거 필터가 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 발전부는 선택적 이온투과성을 갖는 고분자막 및 상기 고분자막의 양측에 제공된 애노드 전극과 캐소드 전극으로 이루어진 단위전지가 평면에 배열된 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 고압탱크는 교환가능하게 제공된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20190130779A (ko) 2018-05-15 2019-11-25 범한산업 주식회사 팔라듐 필터를 이용한 연료전지 시스템
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