KR20070090605A - 보조펌프를 구비한 연료전지 - Google Patents

보조펌프를 구비한 연료전지 Download PDF

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KR20070090605A KR1020060020530A KR20060020530A KR20070090605A KR 20070090605 A KR20070090605 A KR 20070090605A KR 1020060020530 A KR1020060020530 A KR 1020060020530A KR 20060020530 A KR20060020530 A KR 20060020530A KR 20070090605 A KR20070090605 A KR 20070090605A
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Abstract

본 발명은 2차 전지의 방전 등으로 인하여 펌프를 구동할 수 없어서 연료전지에 연료 및 공기의 공급이 불가능할 때 수동으로 연료 및 공기를 공급하는 보조펌프를 구비한 연료전지에 관한 것으로, 연료와 산소를 이용한 전기화학반응을 통해 발전하는 전기발생부, 상기 전기발생부에 상기 연료를 공급하는 연료펌프, 수동으로 구동되며 전기발생부에 상기 연료를 공급하는 보조연료펌프로 구성되는 것을 특징으로 하기 때문에, 2차 전지의 방전으로 연료 펌프 또는 공기펌프의 구동을 할 수 없어서 연료전지의 시동이 불가능할 때 수동으로 작동하는 보조펌프를 이용하여 연료 또는 공기를 공급할 수 있어 특히 이동중에도 지속적으로 연료전지를 이용한 발전이 가능하다.
연료전지. 직접 메탄올 연료전지, 고분자 전해질형 연료전지, 유체펌프

Description

보조펌프를 구비한 연료전지{fuel cell with spare pump}
도 1은 본 발명에 따른 직접 메탄올 연료전지의 개략도,
도 2는 본 발명에 따른 고분자 전해질형 연료전지의 개략도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100, 200 : 연료전지 110, 210 : 연료용기
120 : 연료펌프 121 : 공기펌프
130 : 보조연료펌프 131 : 보조공기펌프
132 : 제1유량게이지 133 : 제2유량게이지
140 : 제1삼방향밸브 141 : 제2삼방향밸브
150, 250 : 전기발생부 160, 260 : 2차전지
170, 270 : 제어부 220 : 제1공기펌프
221 : 제2공기펌프 230 : 제1보조공기펌프
231 : 제2보조공기펌프 232 : 제3유량게이지
233 : 제4유량게이지 240 : 제3삼방향밸브
241 : 제4삼방향밸브 280 : 밸브
290 : 개질기
본 발명은 보조 펌프를 구비한 연료전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 2차 전지의 방전 등으로 인하여 펌프를 구동할 수 없어서 연료전지에 연료 및 공기의 공급이 불가능할 때 수동으로 연료 및 공기를 공급하는 보조펌프를 구비한 연료전지에 관한 것이다.
연료전지는 100℃ 이하에서 작동하는 고분자 전해질형 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 동일하지만 사용되는 연료의 종류, 촉매, 전해질막 등이 서로 다를 수 있다.
일반적으로 연료전지는 연료로써 사용되는 수소와 산화제로써 사용되는 산소의 전기화학 반응에 의해 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 발전시스템이다. 상기 수소는 순수한 수소를 직접 사용할 수도 있고, 메탄올, 에탄올, 천연가스 등과 같은 물질을 개질하여 생성된 수소를 사용할 수도 있다. 상기 산소는 순수한 산소를 직접 사용할 수도 있고, 공기 펌프 등을 이용하여 통상의 공기에 포함된 산소를 사용할 수도 있다. 한편 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell:DMFC)는 연료로써 수소를 사용하지 않고 액상의 메탄올을 연료를 사용할 수 있다.
통상적으로 이러한 연료 및 산소는 유체 펌프 등을 이용하여 연료전지에 공급한다. 상기 유체 펌프는 전력으로 구동되며, 특히 발전 중지된 연료전지를 시동할 때에는 연료전지에 부가적으로 설치된 2차 전지의 전력을 이용하여 구동한다. 상기 2차 전지는 연료전지를 시동할 때 상기 유체 펌프에 전력을 공급하며, 연료전지가 발전중일 때에는 연료전지에서 생성되는 전력의 일부를 이용하여 충전된다. 그런데 발전중지된 연료전지를 장시간 방치하여 2차 전지가 자연 방전된 경우, 연료전지를 시동하는데 필요한 전력을 상기 유체 펌프에 공급할 수 없게 된다. 그러면 외부 전력을 이용하여 2차 전지를 별도로 충전하는 동안 연료전지를 시동할 수 없게 된다. 특히 직접 메탄올형 연료전지나 고분자 전해질형 연료전지의 경우 휴대용 전기 기기의 전원으로 많이 사용될 수 있기 때문에, 이동 중에 2차 전지를 충전할 수 있는 외부 전력을 인입하기가 어려워서 장시간 연료전지의 시동이 불가능할 수 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 고려하여 도출된 것으로, 본 발명의 목적은 2차 전지의 방전으로 펌프를 구동할 수 없어서 연료전지의 시동이 불가능할 때 수동으로 연료 및 공기를 공급할 수 있는 보조펌프를 구비한 연료전지를 제공함에 있다.
상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 연료전지는, 연료와 산소를 이용한 전기화학반응을 통해 발전하는 전기발생부, 상기 전기발생부에 상기 연료를 공급하는 연료펌프, 수동으로 구동되며 전기발생부에 상기 연료를 공급하는 보조연 료펌프를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 전기발생부에 공기 중에 포함된 상기 산소를 공급하는 공기펌프와 수동으로 구동되며 전기발생부에 공기 중에 포함된 상기 산소를 공급하는 보조공기펌프를 더 포함하여 구성될 수 있다. 상기 연료펌프와 상기 공기펌프를 구동하기 위한 전력을 제공하는 2차 전지를 더 포함할 수 있다.
상기 연료전지의 시동시에 상기 2차전지의 충전용량이 상기 연료펌프 및 상기 공기펌프를 구동할 수 있는 소정값보다 작을 때, 상기 보조연료펌프를 이용하여 상기 전기발생부에 상기 연료를 공급하는 유로를 제공하는 제1삼방향밸브를 더 포함할 수 있다. 또한 상기 연료전지의 시동시에 상기 2차전지의 충전용량이 상기 연료펌프 및 상기 공기펌프를 구동할 수 있는 소정값보다 작을 때, 상기 보조공기펌프를 이용하여 상기 전기발생부에 공기를 공급할 수 있는 유로를 제공하는 제2삼방향밸브를 더 포함할 수 있다. 상기 2차전지의 상기 충전용량에 따라 상기 제1삼방향밸브 및 상기 제2삼방향밸브의 유로를 자동으로 절환하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 연료전지는, 탄화수소 계열의 원료연료와 공기 중 포함된 산소를 이용한 화학반응을 통해 수소를 생성하는 개질기, 상기 수소와 공기 중 포함된 산소를 이용한 전기화학반응을 통해 발전하는 전기발생부, 상기 전기발생부에 공기를 공급하는 공기펌프, 수동으로 구동되며 상기 전기발생부에 공기를 공급하는 보조공기펌프로 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 개질기에 공기를 공급하는 개질기 공기펌프 및 수동으로 구동되며 상기 개질기에 공기를 공급하는 개질기 보조공기펌프를 더 포함할 수 있고, 상기 공기펌프와 상기 개질기 공기펌프를 구동하기 위한 전력을 제공하는 2차 전지를 더 포함할 수 있다.
상기 연료전지의 시동시에 상기 2차전지의 충전용량이 상기 공기펌프 및 상기 개질기 공기펌프를 구동할 수 있는 소정값보다 작을 때, 상기 개질기 보조공기펌프를 이용하여 상기 개질기에 공기를 공급할 수 있는 유로를 제공하는 제3삼방향밸브를 더 포함할 수 있다. 또한 상기 연료전지의 시동시에 상기 2차전지의 충전용량이 상기 공기펌프 및 상기 개질기 공기펌프를 구동할 수 있는 소정값보다 작을 때, 상기 보조공기펌프를 이용하여 상기 전기발생부에 공기를 공급할 수 있는 유로를 제공하는 제4삼방향밸브를 더 포함할 수 있다. 또한 상기 2차전지의 상기 충전용량에 따라 상기 제3삼방향밸브 및 상기 제4삼방향밸브의 유로를 자동으로 절환하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
이하, 본 발명을 명확히 하기 위한 바람직한 실시한 예를 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명하도록 한다. 도면상에서 동일한 참조부호는 동일하거나 유사한 구성요소를 가리킨다. 또한 도면상에 나타나는 각 구성요소의 형상 및 각 구성요소간의 크기의 비는 설명의 편의상 임의로 나타낼 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 직접 메탄올 연료전지(100)의 개략도이다.
본 발명에 따른 연료전지(100)는 연료용기(110), 전기발생부(150), 연료펌프(120), 공기펌프(121), 보조연료펌프(130), 보조공기펌프(131), 제1유량게이지(132), 제2유량게이지(133), 제1삼방향밸브(140), 제2삼방향밸브(141), 2차전지 (160) 및 제어부(170)로 구성된다.
본 발명에 따른 연료전지(100)는 직접 메탄올형 연료 전지 방식으로서, 연료로써 사용되는 메탄올 및 산화제로써 사용되는 공기 중에 포함된 산소를 이용하여 전기발생부(150)에서 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시킨다.
전기발생부(150)는 전기에너지를 발생하는 적어도 하나의 단위 연료 전지로써, 양측면을 이루는 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 전해질막이 개재된 통상의 전해질막-전극 접합체로 구성된다. 또한 전기발생부는(150)는 상기 단위 연료 전지가 수개로 적층되어 직렬로 연결된 스택(stack) 구조일 수 있다. 전기발생부(150)의 전기화학반응을 반응식으로 나타내면 하기 반응식 1과 같다.
애노드 전극 반응 : CH30H ＋ H2O → CO2 ＋ 6H+ ＋ 6e-
캐소드 전극 반응 : 3/2 O2 ＋ 6H+ ＋ 6e- → 3H2O
전체반응 : CH30H ＋ 3/2 O2 → CO2 ＋ 2H2O
상기 반응식 1을 참조하면, 상기 애노드 전극에서는 상기 연료를 산화시키고, 상기 캐소드 전극에서는 산소를 환원시킴으로서 발생하는 전자의 이동을 통해 전기를 생산한다. 한편 전기발생부(160)는 복수의 상기 단위 연료 전지가 적층된 스택 구조를 가질 수도 있다.
전기발생부(150)의 발전에 필요한 연료는 연료용기(110)에 저장된 메탄올을 이용한다. 상기 메탄올은 연료용기(110)와 유체소통이 가능하게 연결된 연료펌프(120)의 구동력을 통해 제1삼방향밸브(140)로 공급될 수 있다. 연료펌프(120)의 구동력은 2차전지(160)의 전력으로 제공된다. 한편, 상기 메탄올은 연료용기(110)와 유체소통이 가능하게 연결된 연료보조펌프(130)의 구동력을 통해 제1삼방향밸브(140)로 공급될 수도 있다. 연료보조펌프(130)는 수동으로 제공되는 펌핑력이나 회전력 등을 통해 연료를 공급하며, 통상적으로 사용되는 수동유체펌프를 사용할 수 있다. 한편 연료보조펌프(130)의 일측에는 제1유량게이지(132)가 설치되어 연료보조펌프(130)를 통해 공급되는 연료의 유량을 시각적으로 표시할 수 있다.
제1삼방향밸브(140)는 2개의 유입구와 1개의 배출구로 구성되며, 내부의 유로절환작용을 통해 2개의 유입구 중 어느 하나만을 1개의 배출구와 유체소통이 가능하게 연결하는 기능을 갖는다. 상기 2개의 유입구는 각각 연료펌프(120) 및 보조연료펌프(130)와 유체소통이 가능하게 연결되며, 상기 1개의 배출구는 전기발생부(150)와 유체소통이 가능하게 연결된다. 즉 제1삼방향밸브(140)는 연료펌프(120) 및 보조연료펌프(130) 각각에 의해 공급되는 연료 중 하나만을 선택하여 전기발생부(150)로 공급하는 작용을 수행한다. 또한 제1삼방향밸브(140)는 후술하는 제어부(170)에 의해 자동으로 상기 유로절환작용이 수행될 수 있다.
한편, 전기발생부(150)의 발전에 필요한 산소는 통상의 공기에 포함된 산소를 이용할 수 있다. 상기 공기는 흡입구가 공기 중에 노출된 공기펌프(121)의 구동력을 통해 제2삼방향밸브(141)로 공급될 수 있다. 공기펌프(121)의 구동력은 2차전지(160)의 전력으로 제공된다. 한편, 상기 공기는 흡입구가 공기 중에 노출된 공기 보조펌프(131)의 구동력을 통해 제2삼방향밸브(141)로 공급될 수 있다. 공기보조펌프(131)는 수동으로 제공되는 힘을 통해 공기를 공급하며, 통상적으로 사용되는 수동유체펌프 또는 수동회전 팬을 사용할 수 있다. 한편 공기보조펌프(131)의 일측에는 제2유량게이지(133)가 설치되어 공기보조펌프(131)를 통해 공급되는 공기의 유량을 시각적으로 표시할 수 있다.
제2삼방향밸브(141)는 전술한 제1삼방향밸브(140)와 유사한 구조이다. 제2삼방향밸브(141)는 2개의 유입구와 1개의 배출구로 구성되며, 내부의 유로절환작용을 통해 2개의 유입구 중 어느 하나만을 1개의 배출구와 유체소통이 가능하게 연결하는 기능을 갖는다. 상기 2개의 유입구는 각각 공기펌프(121) 및 보조공기펌프(131)와 유체소통이 가능하게 연결되며, 상기 1개의 배출구는 전기발생부(150)와 유체소통이 가능하게 연결된다. 즉 제2삼방향밸브(141)는 공기펌프(121) 및 보조공기펌프(131) 각각에 의해 공급되는 공기 중 하나만을 선택하여 전기발생부(150)로 공급하는 작용을 수행한다. 또한 제2삼방향밸브(141)는 후술하는 제어부(170)에 의해 자동으로 상기 유로절환작용이 수행될 수 있다.
2차전지(160)는 정지 중인 전기발생부(150)를 시동할 때 연료펌프(120) 및 공기펌프(121)에 전력을 공급하며, 전기발생부(150)가 발전중일 때에는 그 전력의 일부를 이용하여 충전을 한다.
제어부(170)는 2차전지(160)의 충전용량을 측정하며, 2차전지(160)의 충전용량이 연료펌프(120) 및 공기펌프(121)를 충분히 구동할 수 있는 용량 이상이면 이를 정상상태로 판단한다. 반면에 2차전지(160)의 충전용량이 연료펌프(120) 및 공 기펌프(121)를 충분히 구동할 수 있는 용량 미만이면 이를 비정상상태로 판단한다. 그리고 상기 정상상태 또는 비정상 상태에 대응하여 제1삼방향밸브(140) 및 제2삼방향밸브(141) 각각의 상기 유로절환작용을 수행한다.
상기 구성을 통하여, 본 발명에 따른 연료전지(100)의 작용을 설명하면 다음과 같다.
제어부(170)에서는 2차전지(160)의 충전용량을 지속적으로 측정하며 상기 충전용량이 상기 정상상태일 때에는 통상의 연료전지(100) 운전상태를 유지한다. 즉, 제1삼방향밸브(140)의 상기 유로절환작용을 통해 연료펌프(120)와 전기발생부(150)가 유체소통이 가능하도록 연결하고, 제2상방향밸브(141)의 상기 유로절환작용을 통해 공기펌프(121)와 전기발생부(150)가 유체소통이 가능하도록 연결한다. 이와 같은 유로절환작용을 통해 연료용기(110)에 저장된 연료는 연료펌프(120)의 구동력에 의해 전기발생부(150)로 공급되고, 공기 중 포함된 산소는 공기펌프(121)의 구동력에 의해 전기발생부(150)로 공급된다. 전기발생부(150)에서는 이렇게 공급된 상기 연료와 산소를 이용한 전기화학반응을 통해 발전을 할 수 있다.
동시에 제1삼방향밸브(140)의 상기 유로절환작용을 통해 보조연료펌프(130)의 출력단은 폐색되고, 제2삼방향밸브(141)의 상기 유로절환작용을 통해 보조공기펌프(131)의 출력단은 폐색된다. 따라서 연료펌프(120) 및 공기펌프(121)의 구동 중에 보조연료펌프(130) 및 보조공기펌프(131)의 구동은 불가능해지고, 보조연료펌프(130) 및 보조공기펌프(131)의 오작동을 방지할 수 있다.
한편 제어부(170)에서 2차전지(160)의 충전용량이 상기 비정상 상태이라고 판단했을 때에는, 제1삼방향밸브(140)의 상기 유로절환작용을 통해 보조연료펌프(130)와 전기발생부(150)가 유체소통이 가능하도록 연결하고, 제2상방향밸브(141)의 상기 유로절환작용을 통해 보조공기펌프(131)와 전기발생부(150)가 유체소통이 가능하도록 연결한다. 이와 같은 유로절환작용을 통해 연료용기(110)에 저장된 연료는 보조연료펌프(130)의 구동력에 의해 전기발생부(150)로 공급되고, 공기 중 포함된 산소는 보조공기펌프(131)의 구동력에 의해 전기발생부(150)로 공급된다. 이 때 보조연료펌프(130)의 구동력을 통해 공급되는 연료의 양은 제1유량게이지(132)를 통해 표시되고, 보조공기펌프(131)의 구동력에 의해 공급되는 공기의 양은 제2유량게이지(133)을 통해 표시되기 때문에, 적절한 양의 연료 및 공기가 공급되는지 지속적으로 점검할 수 있다. 전기발생부(150)에서는 이렇게 공급된 상기 연료와 산소를 이용한 전기화학반응을 통해 발전을 할 수 있다.
동시에 제1삼방향밸브(140)의 상기 유로절환작용을 통해 연료펌프(120)의 출력단은 폐색되고, 제2삼방향밸브(141)의 상기 유로절환작용을 통해 공기펌프(121)의 출력단은 폐색되어, 연료 및 공기가 오로지 전기발생부(150)로만 유입될 수 있다.
그리고 보조연료펌프(130) 및 보조공기펌프(131)의 작용으로 전기발생부(150)가 시동되면, 전기발생부(150)에서 발생된 전력의 일부는 2차전지(160)를 충전하는데 이용된다. 제어부(170)는 2차전지(160)의 충전용량을 지속적으로 측정하며, 2차전지(160)의 충전상태가 상기 정상상태라고 판단되면 다시 제1삼방향밸브(140)의 상기 유로절환작용을 통해 연료펌프(120)와 전기발생부(150)가 유체소통이 가능하도록 연결하고, 제2상방향밸브(141)의 상기 유로절환작용을 통해 공기펌프(121)와 전기발생부(150)가 유체소통이 가능하도록 연결한다. 그러면 연료용기(110)에 저장된 연료는 연료펌프(120)의 구동력에 의해 전기발생부(150)로 공급되고, 공기 중 포함된 산소는 공기펌프(121)의 구동력에 의해 전기발생부(150)로 공급되어 전술한 통상의 연료전지(100) 운전상태로 복원된다.
도 2는 본 발명에 따른 고분자 전해질형 연료전지(200)의 개략도이다.
본 발명에 따른 연료전지(200)는 연료용기(210), 개질기(290), 전기발생부(250), 밸브(280), 제1공기펌프(220), 제2공기펌프(221), 제1보조공기펌프(230), 제2보조공기펌프(231), 제3유량게이지(232), 제4유량게이지(233), 제3삼방향밸브(240), 제4삼방향밸브(241), 2차전지(260) 및 제어부(270)로 구성된다.
본 발명에 따른 연료전지(200)는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrode Membrane Fuel Cell; PEMFC) 방식으로서, 개질기(290)에서 탄화수소 계열의 가스와 공기 중에 포함된 산소를 화학반응시키는 개질작용을 통해 수소가스를 생성하고, 전기발생부(250)에서 상기 수소가스 및 공기 중에 포함된 산소를 이용한 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시킨다.
개질기(290)에서 상기 개질작용에 필요한 원료연료는 연료용기(210)에 저장된 탄화수소 계열의 가스, 예를 들면 메탄이나 부탄, 프로판 등을 이용한다. 상기 원료연료는 소정의 증기압을 가지고 연료용기(210)에 저장되기 때문에, 연료용기(210)와 개질기(290)를 유체소통이 가능하게 연결하는 도관에 설치된 밸브(280)의 개방을 통해서 상기 원료연료가 개질기(290)로 공급될 수 있다.
개질기(290)의 상기 개질 작용에 필요한 산소는 통상의 공기에 포함된 산소를 이용할 수 있다. 상기 공기는 별도의 구동력을 통해 개질기(290)에 공급할 수도 있고, 자연적으로 공급되는 공기를 개질기(290)에 공급할 수도 있다. 이는 개질기(290)의 개질용량에 따라 선택될 수 있는데, 하기에서는 개질용량이 큰 개질기(290)에 별도의 구동력을 통해 공기가 공급되는 경우를 설명한다. 하지만 이에 한정되지는 않는다.
상기 공기는 흡입구가 공기 중에 노출된 제1공기펌프(220)의 구동력을 통해 제3삼방향밸브(240)로 공급될 수 있다. 제1공기펌프(220)의 구동력은 2차전지(260)의 전력으로 제공된다. 한편, 상기 공기는 흡입구가 공기 중에 노출된 제1공기보조펌프(230)의 구동력을 통해 제3삼방향밸브(240)로 공급될 수 있다. 제1공기보조펌프(230)는 수동으로 제공되는 힘을 통해 공기를 공급하며, 통상적으로 사용되는 수동유체펌프 또는 수동회전 팬을 사용할 수 있다. 한편 제1공기보조펌프(230)의 일측에는 제3유량게이지(232)가 설치되어 제1공기보조펌프(230)를 통해 공급되는 공기의 유량을 시각적으로 표시할 수 있다.
제3삼방향밸브(240)는 2개의 유입구와 1개의 배출구로 구성되며, 내부의 유로절환작용을 통해 2개의 유입구 중 어느 하나만을 1개의 배출구와 유체소통이 가능하게 연결하는 기능을 갖는다. 상기 2개의 유입구는 각각 제1공기펌프(220) 및 제1공기보조펌프(230)와 유체소통이 가능하게 연결되며, 상기 1개의 배출구는 개질기(290)와 유체소통이 가능하게 연결된다. 즉 제3삼방향밸브(240)는 제1공기펌프(220) 및 제1공기보조펌프(230) 각각에 의해 공급되는 공기 중 하나만을 선택하여 개질기(290)로 공급하는 작용을 수행한다. 또한 제3삼방향밸브(240)는 후술하는 제어부(270)에 의해 자동으로 상기 유로절환작용이 수행될 수 있다.
전기발생부(250)의 발전에 필요한 수소는 개질기(290)에서 개질된 상기 수소 가스를 이용한다. 또한 전기발생부(250)의 발전에 필요한 산소는 통상의 공기에 포함된 산소를 이용할 수 있다. 전기발생부(250)는 전기에너지를 발생하는 적어도 하나의 단위 연료 전지로써, 양측면을 이루는 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 전해질막이 개재된 통상의 전해질막-전극 접합체로 구성된다. 또한 전기발생부(250)는 상기 단위 연료 전지가 수 개 적층되어 직렬로 연결된 스택(stack)구조일 수 있다. 전기발생부(250)의 전기화학반응을 반응식으로 나타내면 하기 반응식 2과 같다.
애노드전극 : H2 → 2H+ ＋ 2e-
캐소드전극 : ½O2 ＋ 2H+ ＋ 2e- → H2O
전체반응식 : H2 ＋ ½O2 → H2O ＋ 전류 ＋ 열
상기 반응식 2를 참고하면, 상기 수소는 애노드 전극에서 수소이온 및 전자로 나뉘고, 애노드 전극에서 생성된 상기 수소이온은 전해질막을 통과하여 캐소드전극으로 이동한다. 상기 수소이온은 캐소드전극에서 산소와 반응하여 물을 생성하 고 캐소드전극에서 생성된 상기 전자들은 화학반응의 자유에너지 변화와 함께 외부회로를 통해 이동한다.
상기 공기는 흡입구가 공기 중에 노출된 제2공기펌프(221)의 구동력을 통해 제4삼방향밸브(241)로 공급될 수 있다. 제2공기펌프(221)의 구동력은 2차전지(260)의 전력으로 제공된다. 한편, 상기 공기는 흡입구가 공기 중에 노출된 제2공기보조펌프(231)의 구동력을 통해 제4삼방향밸브(241)로 공급될 수 있다. 제2공기보조펌프(231)는 수동으로 제공되는 힘을 통해 공기를 공급하며, 통상적으로 사용되는 수동유체펌프 또는 수동회전 팬을 사용할 수 있다. 한편 제2공기보조펌프(231)의 일측에는 제4유량게이지(233)가 설치되어 제2공기보조펌프(231)를 통해 공급되는 공기의 유량을 시각적으로 표시할 수 있다.
제4삼방향밸브(241)는 2개의 유입구와 1개의 배출구로 구성되며, 내부의 유로절환작용을 통해 2개의 유입구 중 어느 하나만을 1개의 배출구와 유체소통이 가능하게 연결하는 기능을 갖는다. 상기 2개의 유입구는 각각 제2공기펌프(221) 및 제2공기보조펌프(231)와 유체소통이 가능하게 연결되며, 상기 1개의 배출구는 전기발생부(250)와 유체소통이 가능하게 연결된다. 즉 제4삼방향밸브(241)는 제2공기펌프(221) 및 제2공기보조펌프(231) 각각에 의해 공급되는 공기 중 하나만을 선택하여 전기발생부(250)로 공급하는 작용을 수행한다. 또한 제4삼방향밸브(241)는 후술하는 제어부(270)에 의해 자동으로 상기 유로절환작용이 수행될 수 있다.
2차전지(260)는 정지 중인 전기발생부(250)를 시동할 때 제1공기펌프(220) 및 제2공기펌프(221)에 전력을 공급하며, 전기발생부(250)가 발전중일 때에는 그 전력의 일부를 이용하여 충전을 한다.
제어부(270)는 2차전지(260)의 충전용량을 측정하여 2차전지(260)의 충전용량이 제1공기펌프(220) 및 제2공기펌프(221)를 충분히 구동할 수 있는 용량 이상이면 이를 정상상태로 판단한다. 반면에 2차전지(260)의 충전용량이 제1공기펌프(220) 및 제2공기펌프(221)를 충분히 구동할 수 있는 용량 미만이면 이를 비정상상태로 판단한다. 그리고 상기 정상상태 또는 비정상 상태에 대응하여 제3삼방향밸브(240) 및 제4삼방향밸브(241) 각각의 상기 유로절환작용을 수행한다.
상기 구성을 통하여, 본 발명에 따른 연료전지(200)의 작용을 설명하면 다음과 같다.
제어부(270)에서는 2차전지(260)의 충전용량을 지속적으로 측정하며 상기 충전용량이 상기 정상상태일 때에는 통상의 연료전지(200) 운전상태를 유지한다. 즉, 제3삼방향밸브(240)의 상기 유로절환작용을 통해 제1공기펌프(220)와 개질기(290)가 유체소통이 가능하도록 연결하고, 제4상방향밸브(241)의 상기 유로절환작용을 통해 제2공기펌프(221)와 전기발생부(250)가 유체소통이 가능하도록 연결한다. 이와 같은 유로절환작용을 통해 공기 중 포함된 산소는 제1공기펌프(220)의 구동력에 의해 개질기(290)로 공급된다. 동시에 밸브(280)의 개방을 통해 연료용기(210)에 저장된 상기 원료연료가 개질기(290)에 공급된다. 개질기(290)에서는 이렇게 공급된 상기 원료 연료와 산소를 이용한 화학반응을 통해 수소 가스를 생성할 수 있다. 또한 전기발생부(250)에는 상기 수소가스와 제2공기펌프(221)의 구동력에 의해 통상의 공기중에 포함된 산소가 공급된다. 전기발생부(250)에서는 이렇게 공급된 상 기 수소 가스와 산소를 이용한 전기화학반응을 통해 발전을 할 수 있다.
동시에 제3삼방향밸브(240)의 상기 유로절환작용을 통해 제1보조공기펌프(230)의 출력단은 폐색되고, 제4삼방향밸브(241)의 상기 유로절환작용을 통해 제2보조공기펌프(231)의 출력단은 폐색된다. 따라서 제1공기펌프(220) 및 제2공기펌프(221)의 구동 중에 제1보조공기펌프(230) 및 제2보조공기펌프(231)의 구동은 불가능해지고, 제1보조공기펌프(230) 및 제2보조공기펌프(231)의 오작동을 방지할 수 있다.
한편 제어부(270)에서 2차전지(260)의 충전용량이 상기 비정상 상태이라고 판단했을 때에는, 제3삼방향밸브(240)의 상기 유로절환작용을 통해 제1보조공기펌프(230)와 개질기(290)가 유체소통이 가능하도록 연결하고, 제4삼방향밸브(241)의 상기 유로절환작용을 통해 제2보조공기펌프(231)와 전기발생부(250)가 유체소통이 가능하도록 연결한다. 이와 같은 유로절환작용을 통해 공기 중 포함된 산소는 제1보조공기펌프(230)의 구동력에 의해 개질기(290)로 공급된다. 동시에 밸브(280)의 개방을 통해 연료용기(210)에 저장된 상기 원료연료가 개질기(290)에 공급된다. 개질기(290)에서는 이렇게 공급된 상기 원료 연료와 산소를 이용한 화학반응을 통해 수소 가스를 생성할 수 있다. 또한 전기발생부(250)에는 상기 수소가스와 제2보조공기펌프(231)의 구동력에 의해 통상의 공기 중에 포함된 산소가 공급된다. 전기발생부(250)에서는 이렇게 공급된 상기 수소 가스와 산소를 이용한 전기화학반응을 통해 발전을 할 수 있다. 이 때 제1보조공기펌프(230)의 구동력을 통해 공급되는 공기의 양은 제3유량게이지(232)를 통해 표시되고, 제2보조공기펌프(231)의 구동력 에 의해 공급되는 공기의 양은 제4유량게이지(233)을 통해 표시되기 때문에, 적절한 양의 공기가 공급되는지 지속적으로 점검할 수 있다.
동시에 제3삼방향밸브(240)의 상기 유로절환작용을 통해 제1공기펌프(220)의 출력단은 폐색되고, 제4삼방향밸브(241)의 상기 유로절환작용을 통해 제2공기펌프(221)의 출력단은 폐색되어, 공기는 오로지 개질기(290) 및 전기발생부(250)로만 유입될 수 있다.
그리고 제1보조공기펌프(230) 및 제2보조공기펌프(231)의 작용으로 전기발생부(250)가 시동되면, 전기발생부(250)에서 발생된 전력의 일부는 2차전지(260)를 충전하는데 이용된다. 제어부(270)는 2차전지(260)의 충전용량을 지속적으로 측정하며, 2차전지(260)의 충전상태가 상기 정상상태라고 판단되면, 제3삼방향밸브(240)의 상기 유로절환작용을 통해 제1공기펌프(220)와 개질기(290)가 유체소통이 가능하도록 연결하고, 제4상방향밸브(241)의 상기 유로절환작용을 통해 제2공기펌프(221)와 전기발생부(250)가 유체소통이 가능하도록 연결한다. 그러면 통상의 공기 중에 포함된 산소는 제1공기펌프(220)의 구동력에 의해 개질기(290)로 공급되고, 제2공기펌프(221)의 구동력에 의해 전기발생부(250)로 공급되어 상술한 통상의 연료전지(200) 운전상태로 복원된다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다. 예를 들면 본 발명에 따른 직접 메탄올 연료전지는 별 도의 구동력을 이용하여 공기를 공급하는 것으로 설명하였지만, 별도의 구동력을 이용하지 않고 공기 중에 노출시킴으로서 공기를 공급하는 방식일 수도 있다. 이 경우 공기펌프 및 보조공기펌프는 생략될 수도 있다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템에 의하면, 2차 전지의 방전으로 연료 펌프 또는 공기펌프의 구동을 할 수 없어서 연료전지의 시동이 불가능할 때 수동으로 작동하는 보조펌프를 이용하여 연료 또는 공기를 공급할 수 있기 때문에, 특히 연료만 존재한다면 이동중에도 지속적으로 연료전지를 이용한 발전이 가능하다.

Claims (12)

  1. 연료와 산소를 이용한 전기화학반응을 통해 발전하는 전기발생부;
    상기 전기발생부에 상기 연료를 공급하는 연료펌프;
    수동으로 구동되며 전기발생부에 상기 연료를 공급하는 보조연료펌프를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전기발생부에 공기 중에 포함된 상기 산소를 공급하는 공기펌프와 수동으로 구동되며 전기발생부에 공기 중에 포함된 상기 산소를 공급하는 보조공기펌프를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 연료펌프와 상기 공기펌프를 구동하기 위한 전력을 제공하는 2차 전지를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 연료전지의 시동시에 상기 2차전지의 충전용량이 상기 연료펌프 및 상기 공기펌프를 구동할 수 있는 소정값보다 작을 때, 상기 보조연료펌프를 이용하여 상기 전기발생부에 상기 연료를 공급하는 유로를 제공하는 제1삼방향밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 연료전지의 시동시에 상기 2차전지의 충전용량이 상기 연료펌프 및 상기 공기펌프를 구동할 수 있는 소정값보다 작을 때, 상기 보조공기펌프를 이용하여 상기 전기발생부에 공기를 공급할 수 있는 유로를 제공하는 제2삼방향밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 2차전지의 상기 충전용량에 따라 상기 제1삼방향밸브 및 상기 제2삼방향밸브의 유로를 자동으로 절환하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  7. 탄화수소 계열의 원료연료와 공기 중 포함된 산소를 이용한 화학반응을 통해 수소를 생성하는 개질기;
    상기 수소와 공기 중 포함된 산소를 이용한 전기화학반응을 통해 발전하는 전기발생부;
    상기 전기발생부에 공기를 공급하는 공기펌프;
    수동으로 구동되며 상기 전기발생부에 공기를 공급하는 보조공기펌프로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 개질기에 공기를 공급하는 개질기 공기펌프 및 수동으로 구동되며 상기 개질기에 공기를 공급하는 개질기 보조공기펌프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 공기펌프와 상기 개질기 공기펌프를 구동하기 위한 전력을 제공하는 2차 전지를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 연료전지의 시동시에 상기 2차전지의 충전용량이 상기 공기펌프 및 상기 개질기 공기펌프를 구동할 수 있는 소정값보다 작을 때, 상기 개질기 보조공기펌프를 이용하여 상기 개질기에 공기를 공급할 수 있는 유로를 제공하는 제3삼방향밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 연료전지의 시동시에 상기 2차전지의 충전용량이 상기 공기펌프 및 상기 개질기 공기펌프를 구동할 수 있는 소정값보다 작을 때, 상기 보조공기펌프를 이용하여 상기 전기발생부에 공기를 공급할 수 있는 유로를 제공하는 제4삼방향밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 2차전지의 상기 충전용량에 따라 상기 제3삼방향밸브 및 상기 제4삼방향밸브의 유로를 자동으로 절환하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
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