KR20070081285A - 연료전지용 기액분리장치 - Google Patents

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KR20070081285A
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Abstract

본 발명은 연료전지에 사용하는 기액분리장치에 관한 것으로, 액상의 연료를 사용하는 연료전지에서 사용하는 기액분리장치에 있어서, 중공관 형상이며 표면에 하나 이상의 개구부가 형성된 연료 유도관, 상기 연료 유도관의 상기 개구부에 밀접하게 설치되며, 액체는 투과하지 않고 기체만 선택적으로 투과시키는 기액 분리막으로 구성되는 것을 특징으로 하기 때문에, 기액 분리막을 이용하여 별도의 동력원 없이 미반응 연료에 포함된 가스를 제거하여 액상의 연료만 연료전지에 공급함으로써, 보다 콤팩트하고 고효율의 연료전지 시스템을 구현할 수 있다.
기액분리막, 연료전지, 직접 메탄올 연료전지, 기액분리장치

Description

연료전지용 기액분리장치{air and liquid separator using fuel cell}
도 1은 통상의 직접 메탄올 연료전지의 전극 전해질 합성체를 나타내는 개략도,
도 2는 직접 메탄올 연료전지 시스템의 미반응연료를 회수하는 과정을 나타낸 블록도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 기액분리장치를 나타낸 사시도,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료 유도관 및 기액분리막의 분해사시도,
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 기액분리장치의 변형예를 나타낸 사시도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
110 : 하우징 120 : 연료 유도관
130 : 기액 분리막 140 : 연료 유입관
150 : 연료 유출관 151 : 연료 흡수층
본 발명은 연료전지에 사용하는 기액분리장치에 관한 것으로, 특히 회수연료 에 포함된 기체를 기액 분리막을 이용하여 분리 배출하는 기액분리장치에 관한 것이다.
연료전지는 상온 또는 100℃ 이하에서 작동하는 고분자 전해질형 및 직접 메탄올 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 중 직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC)는 원료연료를 개질하여 수소를 생성하는 개질기를 사용하지 않고 메탄올을 직접 연료로 사용하기 때문에, 개질기 등이 필요하지 않아 보다 콤팩트하게 구성할 수 있다. 또한 저온에서 동작이 가능하기 때문에 휴대용 전자기기 등의 전원으로 사용이 가능하다.
도 1은 통상의 직접 메탄올 연료전지의 전극-전해질 합성체를 나타내는 개략도이다.
도 1을 참조하면, 통상의 직접 메탄올 연료전지의 전극-전해질 합성체는 애노드 전극(10)과 캐소드 전극(20) 사이에 전해질 막(30)이 개재된 형태로 구성된다. 애노드 전극(10)에 공급된 메탄올(CH3OH) 및 물(H2O, 이하 메탄올과 물의 혼합물을 연료라 정의한다)은 촉매 상에서 이산화탄소(CO2), 수소이온(H+) 및 전자(e-) 로 분해된다. 상기 수소이온은 전해질 막(30)을 통해 캐소드 전극(20)으로 이동하며, 상기 전자는 외부 전선을 통해 캐소드 전극(20)으로 이동한다. 캐소드 전극(20)에는 통상의 공기에 포함된 산소(O2)가 공급되며, 애노드 전극(10)에서 이동된 전자와 수소이온 그리고 산소가 촉매 상에서 반응하여 물을 생성한다. 애노드 전극(10)과 캐소드 전극(20)에서 일어나는 전기화학반응을 반응식으로 나타내면 아래의 반응식 1과 같다.
애노드 전극 : CH3OH + H2O → CO2 + 6H+ + 6e-
캐소드 전극 : 3/2 O2 + 6H+ + 6e- → 3H2O
전 체 : CH3OH + 3/2 O2 → CO2 + 3H2O
하지만 실제 연료전지 운전과정 중 있어서 애노드 전극(10)에 유입된 상기 연료 중 일부는 완전히 반응하지 않고, 애노드 전극(10)에서 발생한 이산화탄소와 함께 배출된다. 또한 메탄올이 상기 연료로서 애노드 전극(10)에 공급될 때, 상기 메탄올이 전해질막(30)을 바로 통과하여 캐소드 전극(20)으로 전이되는, 이른바 크로스 오버(cross over)현상으로 인하여, 캐소드 전극(20)에도 상기 연료의 일부가 혼입되어 캐소드 전극(20)에서 생성되는 물과 함께 배출될 수 있다. 이처럼 연료전지 운전과정 중 상기 전극-전해실 합성체의 애노드 전극(10)과 캐소드 전극(20)에서 이산화탄소 및 물 뿐만 아니라 미반응 연료가 섞여서 배출될 수 있다.
도 2는 직접 메탄올 연료전지 시스템의 미반응연료를 회수하는 과정을 나타낸 블록도이다.
전기발생부(60)는 상기 전극-전해질 합성체로 구성되며, 상기 전극-전해질 합성체가 적어도 하나 이상 적층된 구조를 가질 수 있다. 전기발생부(60)에서는 상기 전극-전해질 합성체에서 전기화학반응 후 생성되는 이산화탄소와 물 뿐만 아니라 미반응 연료도 함께 배출되며, 이들은 기액분리장치(70)로 유입된다. 기액분리장치(70)는 상기 이산화탄소를 제거하고, 물과 미반응 연료만이 연료혼합기(50)에 유입된다. 연료혼합기(50)에는 연료용기(40)에 저장된 고농도의 연료가 유입되어, 전기발생부(60)의 운전에 필요한 농도의 연료가 생성된다. 상기 연료는 다시 전기발생부(60)에 공급된다.
이 때 기액분리장치(70)에서 이산화탄소를 효율적으로 제거하지 않으면 연료를 공급하는 장치에 이산화탄소가 유입되어 작동에 이상이 있을 수 있다. 또한 전기발생부(60)의 상기 전극-전해질 합성체에 이산화탄소가 그대로 유입되면, 이산화탄소로 인하여 연료가 애노드 전극(10)과 접하는 면적이 감소하여, 연료전지의 효율이 감소할 수 있다. 한편, 상기 미반응 연료에서 상기 이산화탄소를 제거하기 위하여 별도의 동력원이 필요한 장치, 예를 들면 기액분리기 등을 부가할 경우 불필요한 전력을 소모하여 연료전지의 효율이 감소할 수 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 고려하여 도출된 것으로, 기액분리막을 이용하여 별도의 동력원이 없이 미반응한 연료중 이산화탄소를 분리 배출할 수 있는 기액분 리장치를 제공함에 있다.
본 발명에 따른 기액분리장치는, 액상의 연료를 사용하는 연료전지에서 사용하는 기액분리장치에 있어서, 중공관 형상이며 표면에 하나 이상의 개구부가 형성된 연료 유도관, 상기 연료 유도관의 상기 개구부에 밀접하게 설치되며, 액체는 투과하지 않고 기체만 선택적으로 투과시키는 기액 분리막으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 연료 유도관의 직경은 연료가 유입되는 일측의 직경이 타측의 직경보다 클 수 있고, 상기 연료 유도관의 상기 개구부는 연료가 유입되는 일측의 면적이 타측의 면적보다 더 넓을 수 있다. 상기 연료 유도관의 상기 개구부는 상기 연료 유도관의 표면 둘레에 균일하게 위치할 수 있고, 상기 연료 유도관에서 연료가 유출되는 말단에는 다공성 물질이 충진될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템은, 액상의 연료를 저장하는 연료저장용기, 상기 연료와 물을 혼합하여 혼합연료를 생성하는 연료혼합기, 상기 혼합연료 및 산소를 이용하여 전기화학반응을 통해 전기를 생산하는 전기발생부, 및 상기 전기발생부에서 배출되는 물과 액상의 미반응연료 중에 포함된 기체를 분리하는 기액분리장치를 포함하고, 상기 기액분리장치는, 중공관 형상이며 표면에 하나 이상의 개구부가 형성된 연료 유도관, 상기 연료 유도관의 상기 개구부에 밀접하게 설치되며, 액체는 투과하지 않고 기체만 선택적으로 투과시키는 기액 분리막으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 연료 유도관의 직경은 연료가 유입되는 일측의 직경이 타측의 직경보다 클 수 있고, 상기 연료 유도관의 상기 개구부는 연료가 유입되는 일측의 면적이 타측의 면적보다 더 넓을 수 있다. 상기 연료 유도관의 상기 개구부는 상기 연료 유도관의 표면 둘레에 균일하게 위치할 수 있고, 상기 연료 유도관에서 연료가 유출되는 말단에는 다공성 물질이 충진될 수 있다. 상기 연료전지 시스템은 직접 메탄올 연료전지 시스템인 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부한 도면에 의거하여 본 발명을 명확히 하기 위한 바람직한 실시예를 상세히 설명하도록 한다. 도면상에서 동일한 참조부호는 동일하거나 유사한 구성요소를 가리킨다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 기액분리장치를 나타낸 사시도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료 유도관(120) 및 기액 분리막(130)의 분해사시도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 기액분리장치는 하우징(110), 연료 유입관(140), 연료 유도관(120), 기액 분리막(130), 가스 배출구(160) 및 연료 유출관(150)으로 구성된다.
연료 유입관(140)의 일단은 연료전지의 전기발생부(미도시)와 유체소통이 가능하게 연결되어, 연료전지에서 배출되는 상기 미반응연료와 이산화탄소가 유입된다. 연료 유입관(140)의 타단은 하우징(110) 내부에 설치된 연료 유도관(120)의 일단과 유체소통이 가능하게 연결된다.
연료 유도관(120)은 상기 연료에 대하여 내식성 및 불투성이 있는 재질로 제 작된다. 연료 유도관(120)은 하우징(110) 내부에 설치되며, 직경이 점차 감소하는 중공관이다. 연료 유도관(120)의 상기 일단보다 직경이 상대적으로 작은 연료 유도관(120)의 타단에는 후술하는 연료 유출관(150)과 유체소통 가능하게 연결된다. 연료 유도관(120)의 표면에는 적어도 두 개 이상의 개구부가 형성된다. 상기 개구부는 연료 유도관(120)의 일측에 치우쳐 형성되지 않고 연료 유도관(120)의 둘레에 고르게 분포한다. 상기 개구부는 연료가 유입되는 연료 유입관(140)과 연결된 측의 넓이가 연료 유출관(150)측의 넓이보다 더 넓은 비대칭 형상이다. 각각의 상기 개구부에는 기액 분리막(130)이 밀접하게 설치된다. 기액 분리막(130)은 액체는 투과시키지 않고 기체만 선택적으로 투과시키는 성질이 있다.
연료 유출관(150)은 전술한 바와 같이 연료 유도관(120)의 일단과 유체소통가능하게 연결된다. 또한, 연료 유출관(150)의 직경은 연료 유입관(140)의 직경보다 작다.
상기 구성을 통하여, 연료전지에서 배출되는 상기 미반응 연료와 상기 이산화탄소는 연료 유입관(140)을 통해 연료 유도관(120)으로 유입된다. 연료 유도관(120)에 유입된 상기 이산화탄소는 연료 유도관(120) 내부에서 부유하여 연료 유도관(120) 표면에 설치된 기액 분리막(130)과 접하게 된다. 기액 분리막(130)은 연료 유도관(120) 둘레에 균일하게 설치되기 때문에, 기액분리장치가 회전시에도 상기 이산화탄소는 기액 분리막(130)들 중 어느 하나와 접할 수 있다. 기액 분리막(130)은 연료 유입관(140) 측의 넓이가 연료 유출관(150) 측의 넓이보다 더 넓기 때문에, 상기 이산화탄소는 연료 유도관(120)으로 유입된 초기에 보다 넓은 기액 분리 막(130)의 면적과 대면하게 된다. 상기 이산화탄소는 기액 분리막(130)을 통해 연료 유도관(120) 외부로 배출되고, 하우징(110)의 일측에 설치된 가스 배출구(160)를 통해 외부로 배출된다. 상기 이산화탄소가 제거된 미반응 연료는 연료 유출관(150)을 통해 연료 혼합기(미도시)로 공급될 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 기액분리장치의 변형예를 나타낸 사시도이다.
도 5를 참조하면, 기액분리장치는 전술한 도 3의 기액분리장치에 부가하여, 연료 흡수층(151)이 더 포함된다.
연료 흡수층(151)는 연료 유도관(120)과 연료 유출관(150)의 경계에 개재되며, 내부에는 다공성 물질이 충진된다. 연료 흡수층(151)은 액상의 상기 미반응 연료만을 흡습하기 때문에, 연료 유도관(120)을 통과하면서 미처 배출되지 못한 상기 이산화탄소가 연료 유출관(150)으로 유출되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명에 따른 기액분리장치에 의하면, 기액 분리막을 이용하여 별도의 동력원 없이 미반응 연료에 포함된 기체를 제거하여 연료전지에 공급함으로써, 보다 콤팩트하고 고효율의 연료전지 시스템을 구현할 수 있다.

Claims (11)

  1. 액상의 연료를 사용하는 연료전지에서 사용하는 기액분리장치에 있어서,
    중공관 형상이며 표면에 하나 이상의 개구부가 형성된 연료 유도관;
    상기 연료 유도관의 상기 개구부에 밀접하게 설치되며, 액체는 투과하지 않고 기체만 선택적으로 투과시키는 기액 분리막으로 구성되는 것을 특징으로 하는 기액분리장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연료 유도관의 직경은 연료가 유입되는 일측의 직경이 타측의 직경보다 큰 것을 특징으로 하는 기액분리장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 연료 유도관의 상기 개구부는 연료가 유입되는 일측의 면적이 타측의 면적보다 더 넓은 것을 특징으로 하는 기액분리장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 연료 유도관의 상기 개구부는 상기 연료 유도관의 표면 둘레에 균일하게 위치하는 것을 특징으로 하는 기액분리장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 연료 유도관에서 연료가 유출되는 말단에는 다공성 물질이 충진된 것을 특징으로 하는 기액분리장치.
  6. 액상의 연료를 저장하는 연료저장용기;
    상기 연료와 물을 혼합하여 혼합연료를 생성하는 연료혼합기;
    상기 혼합연료 및 산소를 이용하여 전기화학반응을 통해 전기를 생산하는 전기발생부; 및
    상기 전기발생부에서 배출되는 액상의 미반응연료 중에 포함된 기체를 분리하는 기액분리장치를 포함하고,
    상기 기액분리장치는,
    중공관 형상이며 표면에 하나 이상의 개구부가 형성된 연료 유도관;
    상기 연료 유도관의 상기 개구부에 밀접하게 설치되며, 액체는 투과하지 않고 기체만 선택적으로 투과시키는 기액 분리막으로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 연료 유도관의 직경은 연료가 유입되는 일측의 직경이 타측의 직경보다 큰 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 연료 유도관의 상기 개구부는 연료가 유입되는 일측의 면적이 타측의 면적보다 더 넓은 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 연료 유도관의 상기 개구부는 상기 연료 유도관의 표면 둘레에 균일하게 위치하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 연료 유도관에서 연료가 유출되는 말단에는 다공성 물질이 충진된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  11. 제6항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료전지 시스템은 직접 메탄올 연료전지 시스템인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
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