KR20070076095A - 기압을 이용한 액체공급장치를 채용한 연료전지 시스템 - Google Patents

기압을 이용한 액체공급장치를 채용한 연료전지 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지에서 사용되는 기체상태의 연료 또는 연료전지에서 배출되는 고압의 기체를 이용하여 구동하는 액체공급장치를 장착한 연료전지에 관한 것으로, 가압하여 액화된 연료를 저장하는 연료용기, 물을 저장하는 물저장용기, 상기 연료와 상기 물을 혼합하여 혼합 연료를 생성하는 연료혼합기, 열 에너지에 의한 촉매 반응을 통해 상기 혼합 연료를 이용하여 수소를 발생시키는 개질기, 상기 수소와 산소의 전기화학 반응에너지를 전기 에너지로 변환시켜 전기를 생산하는 전기발생부 및 상기 연료용기의 내부기압을 이용하여 상기 물을 상기 연료혼합기에 공급하는 물공급장치를 포함하는 것을 특징으로 하기 때문에, 별도의 액체공급장치를 생략할 수 있어 소비되는 전력을 줄이고 연료전지의 부피를 감소시켜 보다 고효율의 연료전지 운전이 가능하다.
연료전지, 직접메탄올형연료전지, 고분자전해질형연료전지, 액체공급장치

Description

기압을 이용한 액체공급장치를 채용한 연료전지 시스템{fuel cell system mounting liquid feed apparatus using air pressure}
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 고분자 전해질형 연료전지의 전체적인 구성을 도시한 개략도,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 물공급장치를 도시한 개략도,
도 3은 본 발명에 따른 물공급장치의 제1작동상태를 나타내는 단계도,
도 4는 본 발명에 따른 물공급장치의 제2작동상태를 나타내는 단계도,
도 5는 본 발명에 따른 물공급장치의 제3작동상태를 나타내는 단계도,
도 6는 본 발명에 따른 물공급장치의 제4작동상태를 나타내는 단계도,
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 직접 메탄올 연료전지의 전체적인 구성을 도시한 개략도,
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 혼합연료공급장치를 도시한 개략도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
110, 210 : 연료용기 120 : 분배기
130 : 연료혼합기 140 : 개질기
150, 240 : 전기발생부 162, 251 : 물용기
170 : 물공급장치 171 : 제1동력전달부재
174 : 제1밸브제어부 180 : 물공급부
190, 290 : 구동부 220 : 연료혼합기
230 : 혼합연료공급장치 231 : 제2동력전달부재
234 : 제2밸브제어부 250 : 기체저장용기
280 : 혼합연료공급부
본 발명은 액체공급장치를 채용한 연료전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료전지에서 사용되는 기체상태의 연료 또는 연료전지에서 배출되는 고압의 기체를 이용하여 구동하는 액체공급장치를 장착한 연료전지에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지는 수소와 산소의 전기화학 반응에 의해 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 발전시스템이다. 상기 수소는 순수한 수소를 직접 연료전지에 공급할 수도 있고, 메탄올, 에탄올, 천연가스 등과 같은 물질을 개질하여 생성된 수소를 공급할 수도 있다. 상기 산소는 순수한 산소를 직접 연료전지에 공급할 수도 있고, 공기 펌프 등을 이용하여 통상의 공기에 포함된 산소를 공급할 수도 있다.
연료전지는 상온 또는 100℃ 이하에서 작동하는 고분자 전해질형 연료전지 및 직접 메탄올형 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 전기를 발생하는 작동원리는 유사하지만 사용되는 연료의 종류, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다.
이 중에서 고분자 전해질형 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC)는 메탄올, 에탄올, 부탄, 천연가스 등의 물질을 개질하여 생성된 수소를 사용하며, 다른 연료전지에 비하여 출력 특성이 탁월하고 작동 온도가 낮을 뿐더러 빠른 시동 및 응답 특성이 있다. 따라서 자동차와 같은 이동용 전원은 물론 주택이나 공공건물과 같은 분산용 전원 및 휴대용 전자기기와 같은 소형휴대기기용 전원 등으로 이용할 수 있어 그 응용범위가 넓은 장점이 있다.
기본적으로 고분자 전해질형 연료전지는 연료를 저장하는 연료용기, 물을 저장하는 물용기, 연료를 개질하여 수소를 발생시키는 개질기 및 수소와 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 소정의 전압 및 전류를 발생시키는 전기 발생부를 포함한다. 전기 발생부는 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 단위 연료 전지를 포함하는데, 복수의 단위 연료 전지가 적층된 스택(stack)구조를 가질 수도 있다. 상기 개질기는 수증기 개질(Steam Reforming : SR) 촉매반응 등을 통해 연료를 수소가 풍부한 개질 가스로 전환할 뿐만 아니라, 수성가스 전환(Water Gas Shift : WGS) 촉매 반응 등을 통해 상기 개질 가스에 포함되어 연료 전지의 촉매를 피독시키는 일산화탄소를 제거한다. 상기 촉매 반응들에는 물이 필요하기 때문에 상기 개질기 에는 별도의 액체펌프를 이용하여 물을 함께 공급한다.
한편, 저온에서 작동하는 또 다른 형태인 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC)는 개질기가 필요치 않아 초소형화가 가능하고, 연료의 저장 및 취급이 용이하기 때문에 이동용 전원공급장치 등으로 각광을 받고 있다. 직접 메탄올형 연료전지는 상술한 고분자 전해질형 연료전지와 유사한 구조이지만 액상의 고농도 메탄올을 물과 혼합한 혼합연료를 직접 연료로 사용하기 때문에, 상기 혼합연료를 별도의 액체펌프를 이용하여 전기발생부에 공급한다.
이처럼 연료전지를 운전하기 위해서는 물 또는 혼합연료를 지속적으로 공급해야 하고, 이를 위해 액체펌프 등을 부가한다. 하지만 이러한 액체펌프를 구동하기 위해서는 연료전지에 별도의 전원을 부가하거나 연료전지에서 생성되는 전력을 사용해야 한다. 이는 연료전지의 운전효율을 저하시킬 수 있는 단점이 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 고려하여 도출된 것으로, 본 발명의 목적은 별도의 구동력을 필요로 하는 액체펌프를 사용하지 않고, 연료전지에서 사용하는 기체 연료 또는 연료전지에서 배출되는 고압의 기체를 이용하여 액체를 공급하는 액체공급장치를 장착한 연료전지를 제공함에 있다.
상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 가압 하여 액화된 연료를 저장하고 공급하는 연료용기, 물을 저장하는 물저장용기, 상기 연료와 상기 물을 혼합하여 혼합 연료를 생성하는 연료혼합기, 열 에너지에 의한 촉매 반응을 통해 상기 혼합 연료를 이용하여 수소를 발생시키는 개질기, 상기 수소와 산소의 전기화학 반응에너지를 전기 에너지로 변환시켜 전기를 생산하는 전기발생부 및 상기 연료용기의 내부기압을 이용하여 상기 물을 상기 연료혼합기에 공급하는 물공급장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 물공급장치는, 상기 연료용기의 내부기압을 이용하여 동력을 발생하는 구동부와, 상기 구동부의 동력을 전달받아 물을 공급하는 물공급부로 구성될 수 있다.
상기 물공급장치의 상기 구동부는, 내부에 제1헤드가 설치된 제1실린더와, 상기 연료용기의 상기 연료가 상기 제1실린더로 유입되는 제1도관 및 제2도관과, 상기 제1실린더에서 상기 연료혼합기로 상기 연료가 유출되는 제3도관 및 제4도관으로 구성될 수 있다. 상기 도관에는 각각 밸브가 설치되며, 상기 밸브의 개폐작용에 의해 상기 제1실린더의 양측에 교대로 상기 연료를 유입시켜 상기 제1헤드가 수평으로 왕복운동할 수 있다. 상기 밸브는 솔레노이드 밸브이며, 상기 각각의 솔레노이드 밸브는 제1밸브제어부의 제어신호에 따라 자동으로 개폐될 수 있다.
상기 물공급부는, 내부에 제2헤드가 설치된 제2실린더와, 상기 물저장용기에 저장된 물이 상기 제2실린더로 유입되는 제5도관 및 제6도관과, 상기 제2실린더에서 상기 연료혼합기로 물이 공급되는 제7도관 및 제8도관으로 구성될 수 있다. 상기 도관에는 각각 밸브가 설치되며, 상기 제2실린더의 음압 및 토출압과 상기 밸브 의 개폐에 의해 물의 공급이 가능할 수 있다. 상기 제5도관에는 제1체크밸브, 상기 제6도관에는 제2체크밸브, 제7도관에는 제3체크밸브, 제8도관에는 제4체크밸브가 설치되며, 상기 제1체크밸브는 상기 제5도관을 흐르는 유체가 상기 제2실린더로 유입되는 일방향으로만 유체소통이 가능하고, 상기 제2체크밸브는 상기 제6도관을 흐르는 유체가 상기 제2실린더로 유입되는 일방향으로만 유체소통이 가능하며, 상기 제3체크밸브는 상기 제7도관을 흐르는 유체가 상기 제2실린더에서 유출되는 일방향으로만 유체소통이 가능하고, 상기 제4체크밸브는 상기 제8도관을 흐르는 유체가 상기 제2실린더에서 유출되는 일방향으로만 유체소통이 가능할 수 있다.
상기 제1헤드와 상기 제2헤드는 제1동력전달부재를 통해 서로 연결설치될 수 있는데, 상기 제1동력전달부재의 길이는, 상기 제1실린더의 최좌측에 위치한 상기 제1헤드와 및 상기 제2실린더의 최좌측에 위치한 상기 제2헤드 사이의 거리와 유사할 수 있다.
상기 연료는 부탄을 포함할 수 있고, 상기 연료전지 시스템은 고분자 전해질형 연료전지 시스템일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템은, 메탄올을 저장하는 연료저장용기, 물을 저장하는 물저장용기, 상기 메탄올과 상기 물을 혼합하여 혼합 연료를 생성하는 연료혼합기, 상기 혼합연료와 산소의 전기화학 반응에너지를 전기 에너지로 변환시켜 전기를 생산하는 전기발생부 및 상기 전기발생부에서 생성되는 고압의 기체를 이용하여 상기 혼합연료를 상기 전기발생부에 공급하는 혼합연료공급장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 혼합연료공급장치는 상기 전기발생부에서 생성되는 고압의 기체를 이용하여 동력을 발생하는 구동부와, 상기 구동부의 동력을 전달받아 상기 혼합연료를 공급하는 혼합연료공급부로 구성될 수 있다.
이하, 본 발명을 명확히 하기 위한 바람직한 실시한 예를 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명하도록 한다. 도면상에서 동일한 참조부호는 동일하거나 유사한 구성요소를 가리킨다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 고분자 전해질형 연료전지의 전체적인 구성을 도시한 개략도이다.
도 1의 본 발명의 일실시예에 따른 고분자 전해질형 연료전지에 있어 연료라 함은 설명의 편의상 통상 시중에서 판매하는 부탄연료를 의미한다. 상기 부탄연료는 순수 부탄 및 프로판이 일정 비율로 연료전지에 사용할 수 있는 연료는 이에 한정하지 않고 기상의 탄화수소 계열 물질인 LNG, 프로판 등을 포함할 수 있다. 또한 상기 부탄연료와 물의 혼합물을 혼합연료라고 정의한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 고분자 전해질형 연료전지는 연료용기(110), 분배기(120), 물공급장치(170), 연료혼합기(130), 개질기(140), 전기발생부(150), 공기공급부(160) 및 물용기(162)로 구성된다.
연료용기(110)는 밀폐형의 내압 용기이며, 내부에 연료를 저장한다. 연료용기(110)는 통상 시중에서 판매하는 이동식 부탄 연료 용기를 사용할 수도 있는데, 이하에서는 연료용기(110)로 이동식 부탄 연료 용기를 사용하는 것으로 상술한다. 연료용기(110)는 부탄 연료에 소정의 압력을 가하여 액화시켜 저장한다. 이러한 액상의 부탄 연료는 연료용기(110)의 주변 온도에 의해 기상의 부탄 연료로 일정량 기화된다. 이러한 기상의 부탄 연료로 인하여 연료용기(110)의 내부압이 증가하며, 따라서 별도의 부가 장치 없이 연료용기(110)의 노즐(미도시) 개방을 통해 부탄 연료가 방출되어 분배기(120)에 공급된다.
분배기(120)에 공급된 부탄연료의 일부는 제1연료밸브(121)의 개방을 통해 물공급장치(170)의 구동부(190)로 공급되고, 분배기(120)에 공급된 부탄연료의 나머지 일부는 제2연료밸브(122)의 개방을 통해 연료혼합기(130)로 공급된다.
물공급장치(170)는 구동부(190), 물공급부(180), 제1동력전달부재(171) 및 제1밸브제어부(174)로 구성된다. 전술한 바와 같이 구동부(190)에는 분배기(120)를 통해 부탄연료가 공급되고, 공급된 부탄연료를 이용하여 구동부(190)를 구동한다. 구동부(190)를 구동한 후의 부탄연료는 연료혼합기(130)로 회수된다. 물공급장치(170)의 구동부(190)와 물공급부(180)는 제1동력전달부재(171)를 통해 서로 연결되어 동력이 전달된다. 즉 구동부(190)에 공급된 부탄연료는 제1동력전달부재(171)를 수평방향으로 왕복운동하도록 하며, 제1동력전달부재(171)는 물공급부(180)로 상기 왕복운동을 전달한다. 물공급부(180)에는 물저장용기(162)에 저장된 물이 유입되고, 유입된 물은 상기 왕복운동을 통한 구동력을 통해 연료혼합기(130)로 공급한다. 물공급장치(170)의 상세한 구성 및 작용은 후술한다.
전술한 바와 같이 연료혼합기(130)에는 물과 부탄연료가 혼입되어 상기 혼합연료가 생성되며, 상기 혼합연료는 개질기(140)로 공급된다.
개질기(140)는 수성가스 전환 촉매 반응 등을 통해 상기 혼합 연료를 개질하여 수소가 풍부한 개질 가스로 변환하고, 수성가스 전환 촉매 반응, 부분 산화 촉매 반응등을 통해 상기 개질 가스에 포함된 일산화탄소를 저감하여 고농도의 순수한 수소를 생성한다.
전기 발생부(150)는 개질기(140)를 통해 개질된 상기 수소와 공기 공급부(160)를 통해 유입된 통상의 공기에 포함된 산소를 전기화학적인 반응을 일으켜 전기 에너지를 발생시킨다. 전기 발생부(150)는 수소와 산소를 각각 산화/환원시키는 전해질막-전극 접합체(154)와, 상기 수소와 상기 산소를 전해질막-전극 접합체(154)로 공급하기 위한 바이폴라 플레이트(155)를 포함할 수 있다. 전해질막-전극 접합체(154)는 양측면을 이루는 애노드 전극(152) 및 캐소드 전극(153) 사이에 전해질막(151)이 개재된 통상적인 전해질막-전극 접합체의 구조를 가질 수 있다. 전기 발생부(150)에서 발생하는 전기화학 반응을 반응식으로 나타내면 하기 반응식 1와 같다.
애노드 전극 : H2 → 2H+ ＋ 2e-
캐소드 전극 : ½O2 ＋ 2H+ ＋ 2e- → H2O
전체 반응식 : H2 ＋ ½O2 → H2O ＋ 전류 ＋ 열
전기 발생부(150)의 일단에는 응축기(161)가 설치된다. 응축기(161)는 전기 발생부(150)에서 배출되는 고온의 물을 냉각하여 응축하고, 응축된 물은 물용기(162)에 저장된다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 물공급장치(170)를 도시한 개략도이다.
도 2를 참조하면 본 발명의 일실시예에 따른 물공급장치(170)는 구동부(190), 물공급부(180), 제1밸브제어부(174) 및 제1동력전달부재(171)로 구성된다.
구동부(190)는 내부에 제1헤드(173)가 설치된 제1실린더(191)의 양측에, 부탄 연료가 유입되는 제1도관(196) 및 제2도관(197)과, 부탄 연료가 유출되는 제3도관(198) 및 제4도관(199)이 설치된다. 제1도관(196)에는 제1솔레노이드밸브(192), 제2도관(197)에는 제2솔레노이드밸브(193), 제3도관(198)에는 제3솔레노이드밸브(194), 제4도관(199)에는 제4솔레노이드밸브(195)가 설치된다. 제1솔레노이드밸브(192), 제2솔레노이드밸브(193), 제3솔레노이드밸브(194) 및 제4솔레노이드밸브(195)는 제1밸브제어부(174)의 제어신호에 따라 개폐된다.
물공급부(180)는 내부에 제2헤드(172)가 설치된 제2실린더(181)의 양측에, 물이 유입되는 제5도관(186) 및 제6도관(187)과, 물이 유출되는 제7도관(188) 및 제8도관(189)이 설치된다. 제5도관(186)에는 제1체크밸브(182), 제6도관(187)에는 제2체크밸브(183), 제7도관(188)에는 제3체크밸브(184), 제8도관(189)에는 제4체크밸브(185)가 설치된다. 제1체크밸브(182)는 제5도관(186)을 흐르는 유체가 제2실린더(181)로 유입되는 일방향으로만 유체소통이 가능하도록 하고, 제2체크밸브(183)는 제6도관(187)을 흐르는 유체가 제2실린더(181)로 유입되는 일방향으로만 유체소 통이 가능하도록 한다. 제3체크밸브(184)는 제7도관(188)을 흐르는 유체가 제2실린더(181)에서 유출되는 일방향으로만 유체소통이 가능하도록 하고, 제4체크밸브(185)는 제8도관(189)을 흐르는 유체가 제2실린더(181)에서 유출되는 일방향으로만 유체소통이 가능하도록 한다.
한편, 제1헤드(173)와 제2헤드(172)는 제1동력전달부재(171)를 통해 서로 연결설치된다. 제1동력전달부재(171)는 제1실린더(191)의 일측과 제2실린더(181)의 일측을 관통하여 설치되는데, 이와 같이 관통하는 부분은 밀폐되어 유체가 누설되지 않도록 밀접하게 설치된다. 제1동력전달부재(171)의 길이는, 제1실린더(191)의 최좌측에 위치한 제1헤드(173)와 제2실린더(181)의 최좌측에 위치한 제2헤드(172) 사이의 거리와 유사하다.
도 3은 본 발명에 따른 물공급장치(170)의 제1작동상태를 나타내는 단계도이다.
도 3을 참조하면 물공급장치(170)의 제1작동상태에서는, 제1밸브제어부(174)를 통해 제1솔레노이드밸브(192)와 제4솔레노이드밸브(195)를 개방하고 제2솔레노이드밸브(193)와 제3솔레노이드밸브(194)를 차단한다. 그러면 분배기(120; 도 1 참조)와 연결설치된 제1도관(196)을 통해 자체적으로 내부압을 가지고 있는 부탄연료가 저절로 유입된다. 부탄연료는 제1도관(196)을 통해 제1실린더(191)로 유입되어 제1헤드(173)를 화살표 방향으로 이동시킨다. 제3솔레노이드밸브(194)는 차단되어 있으므로, 제1실린더(191)에 유입된 부탄연료는 제3도관(198)을 통해 유출하지 않 는다. 한편, 제1헤드(173)가 화살표방향으로 이동함에 따라 제1헤드(173)가 이동하는 방향에 있던 제1실린더(191) 내부의 유체는 토출압이 인가되어 제4솔레노이드밸브(195)를 통해 제4도관(199)으로 유출된다. 제2솔레노이드밸브(193)는 차단되어 있으므로 제1실린더(191) 내부에 있는 유체가 제2도관(197)으로 유출되지 않는다.
한편, 제1헤드(173)가 화살표방향으로 이동함에 따라, 제1동력전달부재(171)로 연결된 제2헤드(172)도 화살표 방향으로 이동한다. 그러면 제1체크밸브(182)는 제5도관(186)을 흐르는 유체가 제2실린더(181)로 유입되는 일방향으로 유체소통이 가능하도록 하고 제5도관(186)에는 음압이 발생하기 때문에, 물용기(162; 도 1참조)와 연결설치된 제5도관(186)을 통해 물이 제2실린더(181)로 유입된다. 제3체크밸브(184)는 제7도관(188)을 흐르는 유체가 제2실린더(181)에서 유출되는 방향으로만 유체소통이 가능하도록 하기 때문에, 제7도관(188)을 통해 제2실린더(181)로 유체가 유입되지 않는다. 한편 제2헤드(172)가 화살표방향으로 이동함에 따라 제2헤드(172)가 이동하는 방향에 있는 제2실린더(181) 내부의 유체는 토출압이 인가되어 제4체크밸브(185)를 통해 제8도관(189)으로 유동한다. 제4체크밸브(185)는 제8도관(189)을 흐르는 유체가 제2실린더(181)에서 유출되는 일방향으로 유체소통이 가능하도록 하기 때문이다. 제2체크밸브(183)는 제6도관(187)을 흐르는 유체가 제2실린더(181)로 유입되는 일방향으로만 유체소통이 가능하도록 하기 때문에, 제2실린더(181) 내부에 있는 유체가 제6도관(187)으로 유출하지 않는다.
도 4는 본 발명에 따른 물공급장치(170)의 제2작동상태를 나타내는 단계도이 다.
도 4를 참조하면, 도 4의 물공급장치(170)의 제2작동상태는, 도 3의 물공급장치(170)의 제1작동상태가 계속 진행되어 구동부(190)의 제1헤드(173)는 제1실린더(191)의 최우측까지 이동된다. 이에 따라 물공급부(180)의 제2헤드(172)는 제2실린더(181)의 최우측까지 이동된다. 이 때 제1밸브제어부(174)를 통해 제1솔레노이드밸브(192)와 제4솔레노이드밸브(195)를 차단하고, 제2솔레노이드밸브(193)와 제3솔레노이드밸브(194)를 개방한다.
도 5는 본 발명에 따른 물공급장치(170)의 제3작동상태를 나타내는 단계도이다.
도 5를 참조하면 물공급장치의 제3작동상태에서는, 제1밸브제어부(174)를 통해 제1솔레노이드밸브(192)와 제4솔레노이드밸브(195)를 차단하고, 제2솔레노이드밸브(193)와 제3솔레노이드밸브(194)를 개방한다. 이에 따라 분배기(120; 도 1 참조)와 연결된 제2도관(197)을 통해 자체적으로 내부압을 가지고 있는 부탄연료가 저절로 유입된다. 부탄연료는 제2도관(197)을 통해 제1실린더(191)로 유입되어 제1헤드(173)를 화살표 방향으로 이동시킨다. 한편, 제1헤드(173)가 화살표방향으로 이동함에 따라 제1헤드(173)가 이동하는 방향에 있는 제1실린더(191) 내부의 부탄연료는 토출압이 인가되어 제3솔레노이드밸브(194)를 통해 제3도관(198)으로 유동하여 연료혼합기(130; 도 1 참조)로 공급된다. 제1솔레노이드밸브(192)는 차단되어 있으므로 제1실린더(191) 내부에 있는 유체가 제1도관(196)으로 유출하지 않는다.
한편, 제1헤드(173)가 화살표방향으로 이동함에 따라, 제1동력전달부재(171)로 연결된 제2헤드(172)도 화살표 방향으로 이동한다. 그러면 제2체크밸브(183)는 제6도관(187)을 흐르는 유체가 제2실린더(181)로 유입되는 방향으로 유체소통이 가능하도록 하고, 제6도관(187)에는 음압이 발생하여, 물용기(162; 도 1참조)에 저장된 물은 제6도관(187)을 통해 제2실린더(181)로 유입된다. 제4체크밸브(185)는 제8도관(189)을 흐르는 유체가 제2실린더(181)에서 유출되는 방향으로만 유체소통이 가능하도록 하기 때문에, 제8도관(189)을 통해 제2실린더(181) 내부로 다른 유체가 유입되지 않는다. 한편, 제2헤드(172)가 화살표방향으로 이동함에 따라 제2헤드(172)가 이동하는 방향에 있는 제2실린더(181) 내부의 물은 제3체크밸브(184)를 통해 제7도관(188)으로 유출된다. 제1체크밸브(182)는 제5도관(186)을 흐르는 물이 제2실린더(181)로 유입되는 방향으로만 유체소통이 가능하도록 하기 때문에, 제2실린더(181) 내부에 있는 물이 제5도관(186)으로 유출되지 않는다.
도 6는 본 발명에 따른 물공급장치(170)의 제4작동상태를 나타내는 단계도이다.
도 6을 참조하면 물공급장치(170)의 제4작동상태는, 도 5의 물공급장치(170)의 제3작동상태가 계속 진행되어 구동부(190)의 제1헤드(173)는 제1실린더(191)의 최좌측까지 이동된다. 또한 물공급부(180)의 제2헤드(172)는 제2실린더(181)의 최좌측까지 이동된다. 이 때 제1밸브제어부(174)를 통해 제1솔레노이드밸브(192)와 제4솔레노이드밸브(195)를 개방하고, 제2솔레노이드밸브(193)와 제3솔레노이드밸브 (194)를 차단하면, 다시 도 3의 물공급장치(170)의 제1작동상태가 된다. 상기와 같은 작용을 반복하면 부탄연료를 이용하여 물을 지속적으로 공급할 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 직접 메탄올 연료전지의 전체적인 구성을 도시한 개략도이다.
도 7의 본 발명에 따른 연료전지에 있어 연료라 함은 통상의 메탄올을 의미하며, 특히 원료 연료라 함은 고농도의 메탄올을 의미하고, 혼합 연료라 함은 상기 원료 연료와 물의 혼합물을 의미한다. 이하에서는 다른 물질이 혼합되지 않은 순수한 상태의 상기 연료를 원료 연료라 정의하고, 상기 원료 연료에 물이 혼합된 것을 혼합 연료라 정의한다.
도 7을 참조하면 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템은, 연료용기(210), 연료혼합기(220), 혼합연료공급장치(230), 전기발생부(240), 기체저장용기(250), 물용기(251) 및 공기공급부(260)로 구성된다.
연료용기(210)에 저장된 상기 원료 연료는 제1펌프(211)를 통해 연료혼합기(220)에 유입된다. 또한 물용기(251)에 저장된 물은 제2펌프(212)를 통해 연료혼합기(220)에 유입된다. 연료혼합기(220)에서는 상기 원료 연료 및 물이 혼합되어 상기 혼합 연료가 생성된다.
혼합연료공급장치(230)는 구동부(290), 혼합연료공급부(280), 동력전달부재(231) 및 밸브제어부(234)로 구성된다.
구동부(290)에는 후술하는 기체저장용기(250)에 저장된 고압 기체가 공급되 고, 공급된 고압 기체를 사용하여 동력이 발생된다. 사용된 고압 기체는 연료혼합기(220)로 회수된다. 혼합연료공급장치(230)의 구동부(290)와 혼합연료공급부(280)는 제2동력전달부재(231)를 통해 서로 연결되어 동력이 전달된다. 즉, 구동부(290)에 공급된 고압 기체는 제2동력전달부재(231)를 수평방향으로 왕복작동하도록 하며, 제2동력전달부재(231)는 혼합연료공급부(280)로 동력을 전달한다. 혼합연료공급부(280)에는 연료혼합기(220)에 저장된 상기 혼합연료가 유입되고, 유입된 상기 혼합 연료는 상기 동력을 통해 전기발생부(240)로 공급된다. 혼합연료공급장치(230)의 상세한 구성 및 작용은 후술한다.
전기발생부(240)는 공기공급부(260)를 통해 공급된 통상의 공기에 포함된 산소와 상기 혼합연료를 전기화학 반응을 시켜 전기에너지를 발생한다. 전기발생부(240)는 전기에너지를 발생하는 적어도 하나의 단위 연료 전지로써 상기 연료와 산소를 각각 산화/환원시키는 전해질막-전극 접합체(244)와, 상기 연료와 산소를 전해질막-전극 접합체(244)로 공급하고 전해질막-전극 접합체(244)에서 발생하는 생성물을 배출하기 위한 바이폴라 플레이트(245)를 포함할 수 있다. 전해질막-전극 접합체(244)는 양측면을 이루는 애노드 전극(242)과 캐소드 전극(243)사이에 전해질막(241)이 개재된 통상적인 전해질막-전극 접합체의 구조를 가질 수 있다. 또한 전기발생부(240)는 복수의 단위 연료 전지가 적층된 스택구조를 가질 수도 있다.
상기 구성을 통하여 상기 혼합 연료는 애노드 전극(242)에 인접한 바이폴라 플레이트(245)를 통해 애노드 전극(242)에 공급된다. 또한 상기 산소는 캐소드 전극(243)에 인접한 또다른 바이폴라 플레이트(245)를 통해 캐소드 전극(243)에 공급 된다. 또한 애노드 전극(242) 및 캐소드 전극(243)에서 발생된 생성물은 각각 인접한 바이폴라 플레이트(245)를 통해 배출된다.
전기발생부(240)의 전기화학반응을 반응식으로 나타내면 하기 반응식 2와 같다.
애노드전극 반응 : CH30H ＋ H2O → CO2 ＋ 6H+ ＋ 6e-
캐소드전극 반응 : 3/2 O2 ＋ 6H+ ＋ 6e- → 3H2O
전체반응 : CH30H ＋ 3/2 O2 → CO2 ＋ 2H2O
상기 반응식을 참고하면, 상기 혼합 연료는 애노드 전극(242)에서 이산화탄소, 수소이온 및 전자를 생성한다. 애노드 전극(242)에서 생성된 상기 수소이온은 전해질막(241)을 통과하여 캐소드 전극(243)으로 이동하고, 상기 수소이온은 캐소드전극(243)에서 산소와 반응하여 물을 생성한다. 애노드 전극(242)에서 생성된 상기 전자들은 화학반응의 자유에너지 변화와 함께 외부회로를 통해 이동한다.
한편, 전기발생부(240)에서 생성된 상기 물 및 기타 잔여 가스는 소정의 압력과 속도를 가지고 배출된다. 또한 전기발생부(240)에서 미반응된 상기 혼합연료도 소정의 압력과 속도를 가지고 배출된다. 이들의 온도는 40℃ ∼ 120℃의 범위이고, 따라서 상기 물 및 미반응 혼합 연료는 액상 또는 기상으로 배출될 수 있다. 특히 기체 상태로 배출되는 고압의 수증기 및 미반응 혼합 연료는 전기발생부(240) 와 유체소통이 가능하게 설치된 기체저장용기(250)에 저장된다. 기체저장용기(250)에 유입된 고압 수증기 및 미반응 혼합연료 중 응결되는 액상의 물은 물저장용기(251)에 저장된다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 혼합연료공급장치(230)를 도시한 개략도이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 혼합연료공급장치(230)는 구동부(290), 혼합연료공급부(280), 제2밸브제어부(234) 및 제2동력전달부재(231)로 구성된다.
구동부(290)는, 내부에 제3헤드(233)가 설치된 제3실린더(291)의 양측에, 고압의 수증기 및 고압의 미반응 혼합 연료가 유입되는 제9도관(296) 및 제10도관(297)과, 고압의 수증기 및 고압의 미반응 혼합 연료가 유출되는 제11도관(298) 및 제12도관(299)이 설치되어 구성된다. 제9도관(296)에는 제5솔레노이드밸브(292), 제10도관(297)에는 제6솔레노이드밸브(293), 제11도관(298)에는 제7솔레노이드밸브(294), 제12도관(299)에는 제8솔레노이드밸브(295)가 설치된다. 제5솔레노이드밸브(292), 제6솔레노이드밸브(293), 제7솔레노이드밸브(294) 및 제8솔레노이드밸브(295)는 제2밸브제어부(234)의 제어신호에 따라 개폐된다.
혼합연료공급부(280)는, 내부에 제4헤드(232)가 설치된 제4실린더(281)의 양측에, 상기 혼합연료가 유입되는 제13도관(286) 및 제14도관(287)과, 상기 혼합연료가 유출되는 제15도관(288) 및 제16도관(289)이 설치된다. 제13도관(286)에는 제 5체크밸브(282), 제14도관(287)에는 제6체크밸브(283), 제15도관(288)에는 제7체크밸브(284), 제16도관(289)에는 제8체크밸브(285)가 설치된다. 제5체크밸브(282)는 제13도관(286)을 흐르는 유체가 제4실린더(281)로 유입되는 일방향으로만 유체소통이 가능하도록 하고, 제6체크밸브(283)는 제14도관(287)을 흐르는 유체가 제4실린더(281)로 유입되는 일방향으로만 유체소통이 가능하도록 한다. 제7체크밸브(284)는 제15도관(288)을 흐르는 유체가 제4실린더(281)에서 유출되는 일방향으로만 유체소통이 가능하도록 하고, 제8체크밸브(285)는 제16도관(289)을 흐르는 유체가 제4실린더(281)에서 유출되는 일방향으로만 유체소통이 가능하도록 한다.
한편, 제3헤드(233)와 제4헤드(232)는 제2동력전달부재(231)를 통해 서로 연결설치된다. 제2동력전달부재(231)는 제3실린더(291)의 일측과 제4실린더(281)의 일측을 관통하여 설치되는데, 이와 같이 관통하는 부분은 밀폐되어 유체가 누설되지 않도록 밀접하게 설치된다. 제2동력전달부재(231)의 길이는, 제3실린더(291)의 최좌측에 위치한 제3헤드(233)와 및 제4실린더(281)의 최좌측에 위치한 제4헤드(232) 사이의 거리와 유사하다.
도 8에 도시된 본 발명의 일실시예에 따른 혼합연료장치(230)는 도 2에 도시된 본 발명의 일실시예에 따른 물공급장치(170)와 비교하여, 구동부(290)에 부탄연료 대신에 고압의 수증기 및 고압의 미반응 혼합연료가 공급되고, 혼합연료공급부(280)에 물 대신에 상기 혼합연료가 공급되는 차이가 있다. 하지만 구조 및 작용은 서로 유사하기 때문에, 도 8에 도시된 본 발명의 일실시예에 따른 혼합연료장치(230)의 구체적인 작동 방법은 설명의 편의상 생략한다.
본 발명에 따른 액체공급장치를 채용한 연료전지 시스템에 의하면, 별도의 액체펌프를 사용하지 않고, 연료전지에서 사용되는 기체 연료 또는 연료전지에서 배출되는 과열된 기체를 이용하여 액체를 공급하는 장치를 채용하기 때문에, 불필요하게 소모되는 전력을 줄일 수 있어 보다 고효율의 연료전지 운전이 가능하다.

Claims (19)

  1. 가압하여 액화된 연료를 저장하는 연료용기;
    물을 저장하는 물저장용기;
    상기 연료와 상기 물을 혼합하여 혼합 연료를 생성하는 연료혼합기;
    열 에너지에 의한 촉매 반응을 통해 상기 혼합 연료를 개질하여 수소를 발생시키는 개질기;
    상기 수소와 산소의 전기화학 반응에너지를 전기 에너지로 변환시켜 전기를 생산하는 전기발생부; 및
    상기 연료용기의 내부기압을 이용하여 상기 물을 상기 연료혼합기에 공급하는 물공급장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 물공급장치는 상기 연료용기의 내부기압을 이용하여 동력을 발생하는 구동부와, 상기 구동부의 동력을 전달받아 물을 공급하는 물공급부로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 물공급장치의 상기 구동부는, 내부에 제1헤드가 설치된 제1실린더와, 상기 연료용기의 상기 연료가 상기 제1실린더로 유입되는 제1도관 및 제2도관과, 상기 제1실린더에서 상기 연료혼합기로 상기 연료가 유출되는 제3도관 및 제4도관으로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1도관, 상기 제2도관, 상기 제3도관, 상기 제4도관에는 각각 밸브가 설치되며, 상기 밸브의 개폐작용에 의해 상기 제1실린더의 양측에 교대로 상기 연료를 유입시켜 상기 제1헤드가 수평으로 왕복운동하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 밸브는 솔레노이드 밸브이며, 상기 각각의 솔레노이드 밸브는 제1밸브제어부의 제어신호에 따라 자동으로 개폐되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 물공급부는 내부에 제2헤드가 설치된 제2실린더와, 상기 물저장용기에 저장된 물이 상기 제2실린더로 유입되는 제5도관 및 제6도관과, 상기 제2실린더에서 상기 연료혼합기로 물이 공급되는 제7도관 및 제8도관으로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제5도관, 상기 제6도관, 상기 제7도관, 상기 제8도관에는 각각 밸브가 설치되며, 상기 제2실린더의 음압 및 토출압과 상기 밸브의 개폐에 의해 물의 공급이 가능한 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제5도관에는 제1체크밸브, 상기 제6도관에는 제2체크밸브, 제7도관에는 제3체크밸브, 제8도관에는 제4체크밸브가 설치되며, 상기 제1체크밸브는 상기 제5도관을 흐르는 유체가 상기 제2실린더로 유입되는 일방향으로만 유체소통이 가능하도록 하고, 상기 제2체크밸브는 상기 제6도관을 흐르는 유체가 상기 제2실린더로 유입되는 일방향으로만 유체소통이 가능하도록 하며, 상기 제3체크밸브는 상기 제7도관을 흐르는 유체가 상기 제2실린더에서 유출되는 일방향으로만 유체소통이 가능하도록 하고, 상기 제4체크밸브는 상기 제8도관을 흐르는 유체가 상기 제2실린더에 서 유출되는 일방향으로만 유체소통이 가능하도록 하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1헤드와 상기 제2헤드는 제1동력전달부재를 통해 서로 연결설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1동력전달부재의 길이는, 상기 제1실린더의 최좌측에 위치한 상기 제1헤드와 및 상기 제2실린더의 최좌측에 위치한 상기 제2헤드 사이의 거리와 유사한 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 연료는 부탄을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료전지 시스템은 고분자 전해질형 연료전지 시스템인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  13. 메탄올을 저장하는 연료저장용기;
    물을 저장하는 물저장용기;
    상기 메탄올과 상기 물을 혼합하여 혼합 연료를 생성하는 연료혼합기;
    상기 혼합연료와 산소의 전기화학 반응에너지를 전기 에너지로 변환시켜 전기를 생산하는 전기발생부;
    상기 전기발생부에서 생성되는 고압 기체를 저장하는 기체저장용기; 및
    상기 고압 기체를 이용하여 상기 혼합연료를 상기 전기발생부에 공급하는 혼합연료공급장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 혼합연료공급장치는 상기 고압 기체를 이용하여 동력을 발생하는 구동부와, 상기 구동부의 동력을 전달받아 상기 혼합연료를 공급하는 혼합연료공급부로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 혼합연료공급장치의 상기 구동부는, 내부에 제3헤드가 설치된 제3실린더와, 상기 기체저장용기의 상기 고압 기체가 상기 제3실린더로 유입되는 제9도관 및 제10도관과, 상기 제3실린더에서 상기 연료혼합기로 상기 고압 기체가 유출되는 제11도관 및 제12도관으로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제9도관, 상기 10도관, 상기 제11도관, 상기 제12도관에는 각각 밸브가 설치되며, 상기 밸브의 개폐작용에 의해 상기 제3실린더의 양측에 교대로 상기 고압 기체를 유입시켜 상기 제3헤드가 수평으로 왕복운동하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 혼합연료공급부는, 내부에 제4헤드가 설치된 제4실린더와, 상기 연료혼합기에 저장된 상기 혼합 연료가 상기 제4실린더로 유입되는 제13도관 및 제14도관과, 상기 제4실린더에서 상기 전기발생기로 상기 혼합연료가 공급되는 제15도관 및 제16도관으로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제13도관, 상기 제14도관, 상기 제15도관, 상기 제16도관에는 각각 밸브가 설치되며, 상기 제4실린더의 음압 및 토출압과 상기 밸브의 개폐에 의해 상기 혼합연료의 공급이 가능한 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 제3헤드와 상기 제4헤드는 제2동력전달부재를 통해 서로 연결설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
KR1020060005087A 2006-01-17 2006-01-17 기압을 이용한 액체공급장치를 채용한 연료전지 시스템 KR20070076095A (ko)

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