KR20070036505A - 세미-패시브형 연료전지 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 세미-패시브형 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 산화제와 수소의 전기화학반응에 의해서 전기를 발생시키는 발전부와; 상기 발전부가 수용되는 수용공간 및 상기 수용공간으로 산화제가 유입되는 통기공이 형성되어 있는 하우징을 포함하고, 상기 산화제가 유입되는 통기공의 유입측의 개구치수는 상기 산화제가 상기 통기공을 통과하여 상기 수용공간으로 배출되는 상기 통기공의 배출측의 개구치수는 다른 치수를 갖는 것을 특징으로 하므로, 상대적으로 많은 양의 산소가 캐소드 전극에 공급되어 연료전지 시스템의 발전효율을 향상시킨다.
통기공, 산화제, 유입측 개구, 배출측 개구

Description

세미-패시브형 연료전지 시스템{SEMI-PASSIVE TYPE FUEL CELL SYSTEM}
도 1은 본 발명에 따른 세미-패시브형 연료전지 시스템의 개략도;
도 2는 도 1의 연료전지 시스템을 구성하는 발전부가 수용되어 있는 하우징의 단면도;
도 3은 발전부가 수용되어 있는 하우징의 사시도;
도 4는 통기공가 형성되어 있는 하우징의 측판을 나타낸 단면도;
도 5는 종래 예의 연료전지 본체의 설명도.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
110 : 하우징
112 : 상부판
112a : 통기공
120 : 연료 공급부
130 : 발전부
140 : 송풍수단
[특허문헌 1] 일본 특허공개공보 제2001-6717호
본 발명은 복수개의 단위전지들이 평면으로 배열되어 있는 전기 발생부를 구비한 세미-패시브형 연료전지 시스템에 관한 것이고, 더 상세하게 전기 발생부의 캐소드 전극에 유입되는 산화제의 유입량을 증가시킬 수 있도록 산화제가 유입되는 통기공에 있어서 유입측의 개구치수를 배출측의 개구치수보다 크게 형성한 세미-패시브형 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.
한편, 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. 이러한 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, 고분자 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.
직접 메탄올형 연료전지 시스템에 있어서, 단위전지의 배열상태, 예를 들어 단위전지가 적층되어 있는 상태와 단위전지가 평면에 배열되어 있는 상태에 따라서 액티브형과 패시브형으로 각각 분류될 수 있다. 부가적으로, 패시브형 연료전지에 산화제의 공급량을 증가시키기 위하여 송풍수단을 구비한 세미-패시브형 연료전지가 있다.
한편, 일본특허 공개공보 제2001-6717호(특허문헌 1)에는 연료극과 산화제극으로 이루어진 한 쌍의 전극이 내장되어 있는 연료전지 본체가 개시(도 5 참조)되어 있다. 도 5를 참조하면, 연료전지 본체(9)의 산화제극에 있어서 전극반응에 의하여 산소가 소비되는 것을 보충하기 위하여 산화제 도입구측에 산화제 가스를 도입하기 위한 송기수단(10)이 제공되어 있고, 산화제극에 형성되어 있는 산화제 가 스유로의 단면적을 산화제 가스의 입구로부터 출구에 걸쳐 작아지는 구성이 개시되어 있다.
그러나, 이러한 연료전지 본체에 있어서, 송기수단에 의해서 보다 많은 양의 산화제가 연료전지 본체에 제공되어도 실질적으로 연료전지 본체의 내부로 유입되는 산화제의 유입량이 한정되고, 이에 의해서 산화제극에 충분한 양의 산화제가 공급되지 못하여 연료전지의 발전효율을 향상시키는 데 한계가 있었다.
본 발명은 상기된 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 상대적으로 많은 양의 산화제가 연료전지 본체의 내부로 유입될 수 있도록 산화제가 유입되는 통기공의 유입측 개구치수와 상기 산화제가 상기 통기공를 통과하여 연료전지 본체로 배출되는 통기공의 배출측 개구치수를 다르게 형성한 세미-패시브형 연료전지 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 통기공의 배출측 개구치수보다 통기공의 유입측 개구치수를 크게 형성한 연료전지 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면, 세미-패시브형 연료전지 시스템은 산화제와 수소의 전기화학반응에 의해서 전기를 발생시키는 발전부와; 상기 발전부가 수용되는 수용공간 및 상기 수용공간으로 산화제가 유입되는 통기공이 형성되어 있는 하우징을 포함하고, 상기 산화제가 유입되는 통기공의 유입측의 개구치수는 상기 산화제가 상기 통기공을 통과하여 상기 수용공간으로 배출되는 상기 통기공의 배출측의 개구치수는 다른 치수를 갖는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 통기공의 유입측의 개구치수는 상기 통기공의 배출측의 개구치수보다 크게 유지된다. 상기 전기 발전부는 선택적 이온투과성의 고분자막과; 상기 고분자막의 양측면에 제공된 애노드 전극 및 캐소드 전극으로 이루어진 전극막 조립체로 이루어진 단위전지를 포함한다. 상기 하우징에는 상기 애노드 전극에 대면하는 연료 저장공간이 형성되고, 상기 통기공은 상기 캐소드 전극에 대면하는 측판에 형성된다. 상기 측판의 상부에는 산소함유공기가 상기 통기공의 유입측 개구를 향해 유동하도록 작용하는 송풍수단이 제공된다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명에 따른 세미-패시브형 연료전지 시스템의 실시예를 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 연료로부터 선택된 적어도 하나의 연료를 의미하고, 산화제는 산소를 함유하는 공기를 의미한다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 연료전지 시스템은 수소와 산소의 전기화학반응을 통해서 전기를 생성하는 발전부(130)를 포함한다. 발전부(130)는 선택적 이온투과성을 갖는 전해질 고분자막(132)과, 고분자막(132)의 양면에 각각 제공된 애노드 전극(136) 및 캐소드 전극(134)으로 이루어진 전극막 조립체(130; MEA)를 구비한 단위전지를 갖는다.
연료전지 시스템은 또한 발전부(130)가 수용되는 수용공간을 갖는 하우징(110)을 갖는다. 하우징(110)은 소정 형상, 예를 들어 직육면체 형상을 갖는다. 하우징(110)에 있어서, 적어도 하나의 측판, 예를 들어 상부판(112)에는 복수개의 통기공(112a)이 천공되어 있고, 통기공(112a)을 통해서 산화제가 하우징(110)의 내부로 유입된다. 이때, 하우징(110)의 수용공간에 수용되어 있는 발전부(130)의 캐소드 전극(134)은 상부판(112)에 인접하도록 위치하게 된다. 한편, 하우징(110)에 있어서, 발전부(130)의 애노드 전극(136)의 하부에는 수소함유연료가 저장되는 저장공간(114)이 형성된다.
하우징(110)의 저장공간(114)에는 연료 공급부(120)로부터 공급되는 수소함유연료 또는 물과 혼합되어 희석되어 있는 저농도의 수소함유연료가 저장된다. 이하에서는 발명의 이해를 돕기 위하여, 수소함유연료는 물이 혼합되어 있는 메탄올로 한정하고 또한 산화제는 산소로 한정한다.
따라서, 하우징(110)의 수용공간에 발전부(130)가 장착된 상태에서, 하우징(110)의 저장공간(114)에 저장되어 있는 메탄올이 발전부(130)의 애노드 전극(136) 에 공급되고 또한 산소가 하우징(110)의 통기공(112a)를 통해서 발전부(130)의 캐소드 전극(134)에 공급되면 메탄올로부터 얻어지는 수소와 산소의 전기화학반응을 통해서 DC 전기가 생성된다.
발전부(130)의 애노드 전극(136)과 캐소드 전극(134)에서 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(136)에서는 메탄올과 물의 반응에 의하여 이산화탄소 및 6개의 수소이온과 전자가 생성된다(산화반응). 생성된 수소이온은 고분자막(132), 예를 들어 수소이온 교환막을 거쳐 캐소드 전극(1134)에 전달된다. 캐소드 전극(134)에서는 수소이온과, 외부회로를 통해 전달된 전자와, 산소가 반응하여 물을 생성한다(환원반응). 전체적으로는, 메탄올과 산소가 반응하여 물과 이산화탄소를 생성하고, 또한 전기를 생성한다. 이때, 생성된 전기는 집전체(미도시)를 통해서 외부로 제공된다.
본 발명에 따르면, 도 4에 도시된 바와 같이, 통기공(112a)는 외부로부터 산소가 유입되는 유입측 개구(A)와, 유입측 개구(A)를 통해 유입된 산소가 하우징(110)의 내부로 배출되는 배출측 개구(B)를 갖는다. 상술된 캐소드 전극(134)에 상대적으로 많은 양의 산소가 제공될 수 있도록 통기공(112a)는 유입측의 개구치수와 배출측의 개구치수가 상이한 구조로 이루어진다.
하우징(110)의 상부판(112)에 형성되어 있는 통기공(112a)에 있어서, 산화제, 즉 산소가 외부로부터 유입되는 유입측 개구(A)는 제1치수(a)를 갖는 반면에 유입측 개구(A)를 통해 유입된 산소가 발전부(130)의 캐소드 전극(134)을 향해 배출되는 배출측 개구(B)는 제2치수(b)를 갖는다. 이때, 제1치수(a)와 제2치수(b)는 상이하고, 바람직하게 제1치수(a)는 제2치수(b) 보다 크게 유지되며, 통기공(112a)는 제1치수(a)와 제2치수(b) 사이는 깔대기 형태의 단면구조를 갖는다.
결과적으로, 제1치수(a)를 갖는 유입측 개구(A)를 통해서 많은 양의 산소가 유입되므로 배출측 개구(B)를 통해서 많은 양의 산소가 하우징(110)의 내부로 유입되어 캐소드 전극(134)에 공급될 수 있다.
바람직하게, 통기공(110a)의 유입측 개구(A)의 전방에는 산소를 송풍하기 위한 송풍수단(140), 예를 들어 팬(fan)이 제공된다. 송풍수단(140)의 동작에 의해서 보다 더 많은 양의 산소가 유입측 개구(A) 측으로 제공되어 하우징(110)의 내부로 유입되므로 캐소드 전극(134)에 충분한 양의 산소가 공급되어 연료전지 시스템의 발전효율을 향상시킨다.
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, 공기소통이 가능한 통기공의 단면구조를 깔대기 형태로 유지함으로써 상대적으로 많은 양의 산소가 캐소드 전극에 공급되어 연료전지 시스템의 발전효율을 향상시킨다.

Claims (8)

  1. 산화제와 수소의 전기화학반응에 의해서 전기를 발생시키는 발전부와;
    상기 발전부가 수용되는 수용공간 및 상기 수용공간으로 산화제가 유입되는 통기공이 형성되어 있는 하우징을 포함하고,
    상기 통기공은 상기 산화제가 유입되는 유입측의 개구와 상기 산화제가 상기 수용공간으로 배출되는 배출측의 개구를 갖고,
    상기 유입측의 개구치수와 배출측의 개구치수가 상이한 것을 특징으로 하는 세미-패시브형 연료전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 통기공의 유입측의 개구치수는 상기 통기공의 배출측의 개구치수보다 크게 유지되어 있는 것을 특징으로 하는 세미-패시브형 연료전지 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전기 발전부는 선택적 이온투과성의 고분자막과; 상기 고분자막의 양측면에 제공된 애노드 전극 및 캐소드 전극으로 이루어진 전극막 조립체를 구비한 복수개의 단위전지들을 포함하는 것을 특징으로 하는 세미-패시브형 연료전지 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 하우징에는 상기 애노드 전극에 대면하는 연료 저장공간이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 세미-패시브형 연료전지 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 하우징에는 상기 캐소드 전극에 대면하도록 상기 통기공이 형성되어 있는 측판이 제공된 것을 특징으로 하는 세미-패시브형 연료전지 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 통기공의 유입측 개구를 향해 산화제를 송풍시키는 송풍수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 세미-패시브형 연료전지 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 송풍수단은 팬인 것을 특징으로 하는 세미-패시브형 연료전지 시스템.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 단위전지들은 평면으로 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 세미-패시브형 연료전지 시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101409180B1 (ko) * 2012-05-29 2014-06-19 한국세라믹기술원 공기호흡형 연료전지 시스템
CN109888343A (zh) * 2019-01-21 2019-06-14 西安交通大学 一种热平衡物料分离直接甲醇燃料电池及其工作方法

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