KR20070090607A - 회수장치를 채용한 연료전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지 시스템의 전기발생부에서 발생하는 기체, 물 및 미반응연료를 회수하여 효과적으로 사용하는 회수장치를 채용한 연료전지에 관한 것으로, 애노드 전극에서 혼합 연료의 산화반응 및 캐소드 전극에서 산소의 환원반응을 통해 발전하는 전기발생부, 원료 연료를 저장하는 연료용기, 상기 원료 연료와 상기 전기발생부에서 배출되는 미반응 상기 혼합 연료, 기체 및 물을 저장하고, 상기 원료 연료와 상기 혼합연료와 상기 물의 혼합물을 혼합 연료로서 상기 전기발생부에 공급하는 회수장치, 상기 전기발생부에 산소를 공급하는 공기공급부를 포함하며, 상기 회수 장치는 하우징, 일단은 상기 하우징의 외부로 연장하고 타단은 상기 하우징의 내부로 연장하는 배기관에 설치된 제1밸브를 포함하는 것을 특징으로 하기 때문에, 회수장치의 기울기가 변경되거나 전복되어도 전기발생부에 기체나 연료가 유입되지 않고 연료전지를 장시간 정지했을 때에도 배기관을 통해 증발하는 혼합 연료의 양을 억제할 수 있어서 연료전지의 오작동을 방지할 수 있고 보다 효율적인 연료전지의 발전이 가능하다.
연료전지, 회수장치, 메탄올, 밸브

Description

회수장치를 채용한 연료전지{fuel cell with recycle apparatus}
도 1은 본 발명에 따른 회수장치를 채용한 연료전지 시스템의 개략도
도 2는 본 발명의 변형예에 따른 회수장치의 하우징 내부를 나타낸 투시도
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
110 : 연료용기 125 : 제2밸브
126 : 제2밸브 130, 230 : 회수장치
131 : 하우징 133 : 제3밸브
134 : 부표 135 : 다공성 물질
140 : 전기발생부 150 : 공기공급부
본 발명은 회수장치를 채용한 연료전지 시스템에 관한 것으로, 특히 연료전지 시스템의 전기발생부에서 발생하는 기체, 물 및 미반응연료를 회수하여 효과적으로 사용하는 회수장치를 채용한 연료전지에 관한 것이다.
일반적으로, 연료전지는 수소와 산소의 전기화학 반응에 의해 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 발전시스템이다. 상기 수소는 순수한 수소를 직접 연료전지 시스템에 공급할 수도 있고, 메탄올, 에탄올, 천연가스 등과 같은 물질을 개질하여 수소를 공급할 수도 있다. 상기 산소는 순수한 산소를 직접 연료전지 시스템에 공급할 수도 있고, 공기 펌프등을 이용하여 통상의 공기에 포함된 산소를 공급할 수도 있다.
연료전지는 상온 또는 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, 전해질 등이 서로 다르다.
이 중에서 저온에서 작동하는 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell:DMFC)는 액상의 고농도 메탄올과 물을 혼합한 혼합 연료를 직접 전기발생부의 애노드 전극에 공급하고, 공기 중에 포함된 산소를 캐소드 전극에 공급함으로서 발전한다. 또한 애노드 전극에서 미반응된 상기 혼합 연료와 캐소드 전극에서 발생된 물을 회수하여 연료전지에 재공급하기 위한 회수용기가 설치된다. 회수용기에는 미반응된 상기 혼합 연료에 포함된 불필요한 기체를 배출하기 위한 배기관이 부가된다. 그런데 이러한 회수용기는 전기발생부와 유체소통이 가능하게 연결되어 있기 때문에 연료전지가 회전하게 되면 회수용기 내부에 저장된 상기 혼합 연료가 캐소드 전극에 유입되거나 상기 기체가 애노드 전극에 유입될 수 있다. 또한 연료전지를 작동하지 않은 상태로 상기 배기관을 장시간 개방한다면 회수 용기 내부에 저장된 휘발성이 높은 상기 혼합 연료가 상기 배기관을 통해 지속적으로 증발하여 연료가 불필요하게 고갈될 수 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 고려하여 도출된 것으로, 본 발명의 목적은 연료전지에서 사용하는 회수 용기에 저장된 기체나 혼합 연료가 전기발생부에 유입되지 않으면서 회수용기 내부에 저장된 혼합 연료의 증발을 방지하기 위한 회수장치를 제공함에 있다.
상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 연료 전지는, 애노드 전극에서 혼합 연료의 산화반응 및 캐소드 전극에서 산소의 환원반응을 통해 발전하는 전기발생부, 원료 연료를 저장하는 연료용기, 상기 원료 연료와 상기 전기발생부에서 배출되는 미반응 상기 혼합 연료, 기체 및 물을 저장하고, 상기 원료 연료와 상기 혼합연료와 상기 물의 혼합물을 혼합 연료로서 상기 전기발생부에 공급하는 회수장치, 상기 전기발생부에 산소를 공급하는 공기공급부를 포함하며, 상기 회수 장치는, 하우징, 일단은 상기 하우징의 외부로 연장하고 타단은 상기 하우징의 내부로 연장하는 배기관에 설치된 제1밸브를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 회수장치는, 상기 하우징과 상기 전기발생부의 상기 애노드 전극의 배출구를 유체소통이 가능하게 연결하는 애노드 회수관에 설치된 제2밸브를 더 포함할 수 있다. 또한 상기 회수장치는, 상기 하우징과 상기 전기발생부의 상기 캐노드 전극의 배출구를 유체소통이 가능하게 연결하는 캐소드 회수관에 설치된 제3밸브를 더 포함할 수 있다. 상기 제1밸브와 상기 제2밸브와 상기 제3밸브는 단속밸브 또는 체크밸브일 수 있다.
상기 배기관의 상기 타단에는 부표가 설치될 수 있고, 상기 하우징의 내표면에 상기 애노드 회수관에 인접하여 다공성 물질이 설치될 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 비율은 설명의 편의상 임의로 나타낼 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 회수장치(130)를 채용한 연료전지 시스템의 개략도이다.
도 1의 본 발명에 따른 연료전지 시스템에 있어 연료라 함은 통상의 메탄올을 의미하며, 특히 원료연료라 함은 고농도의 메탄올을 의미하고, 혼합연료라 함은 상기 원료연료와 물의 혼합물을 의미한다.
도 1을 참조하면 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템은, 연료용기(110), 회수장치(130), 전기발생부(140) 및 공기공급부(150)로 구성된다.
연료용기(110)에 저장된 상기 원료연료는 회수장치(130)와 유체소통이 가능하게 연결된 원료연료 공급관(111)을 통해 회수장치(130)에 공급된다. 회수장치(130)에서는 후술하는 전기발생부(140)에서 배출되는 미반응 혼합연료 및 물과 상기 원료연료가 혼합된 상기 혼합연료를 생성한다. 상기 혼합연료는 연료펌프(160)의 구동력을 통해 혼합연료 공급관(124)을 따라 이동하여 후술하는 전기발생부 (140)의 애노드 인렛(147)을 통해 유입된다. 회수장치(130)에 관한 상세한 설명은 후술한다.
전기발생부(140)는 연료혼합부(130)에서 공급된 상기 혼합연료와 공기공급부(150)를 통해 공급된 산소를 전기화학 반응을 시켜 발전을 한다. 전기발생부(140)는 전기에너지를 발생하는 적어도 하나의 단위 연료 전지로써, 상기 연료와 산소를 각각 산화/환원시키는 전극 전해질막 접합체(144)와, 상기 혼합연료와 산소를 전극 전해질막 접합체(144)로 공급하고 전극 전해질막 접합체(144)에서 발생하는 생성물을 배출하기 위한 분리판(145)를 포함할 수 있다. 전극 전해질막 접합체(144)는 양측면을 이루는 애노드 전극(142)과 캐소드 전극(143) 사이에 전해질막(141)이 개재된 통상적인 전극 전해질막 접합체의 구조를 가질 수 있다. 또한 전기발생부(140)는 복수의 상기 단위 연료 전지가 적층된 스택 구조를 가질 수도 있다.
한편 각각의 애노드 전극(142)에 인접한 한 개 이상의 분리판(145)에 형성된 각각의 채널(미도시)은 일렬로 연통되어 있다. 일렬로 연통된 상기 채널의 일단은 전기발생부(140)의 일측에 형성된 애노드 인렛(anode inlet; 147)과 연통되어 있으며, 상기 채널의 타단은 전기발생부(140)의 타측에 형성된 애노드 아웃렛(anode outlet; 146)과 연통되어 있다. 또한 각각의 캐소드 전극(143)에 인접한 한 개 이상의 분리판(145)에 형성된 각각의 채널(미도시)은 일렬로 연통되어 있다. 일렬로 연통된 상기 채널의 일단은 전기발생부(140)의 일측에 형성된 캐소드 인렛(cathode inlet; 149)과 연통되어 있으며, 상기 채널의 타단은 전기발생부(140)의 타측에 형성된 캐소드 아웃렛(cathode outlet; 148)과 연통되어 있다.
전기발생부(140)의 전기화학반응을 반응식으로 나타내면 하기 반응식 4와 같다.
애노드 전극 반응 : CH30H ＋ H2O → CO2 ＋ 6H+ ＋ 6e-
캐소드 전극 반응 : 3/2 O2 ＋ 6H+ ＋ 6e- → 3H2O
전체 반응 : CH30H ＋ 3/2 O2 → CO2 ＋ 2H2O
상기 구성을 통하여, 상기 혼합연료는 전기발생부(140)의 애노드 인렛(147)을 통해 유입되어 애노드 전극(142)에 인접한 분리판(145)의 채널을 따라 애노드 전극(142)에 공급된다. 애노드 전극(142)에서 생성된 이산화탄소 등 기체와 미반응한 상기 혼합 연료는 애노드 전극(142)에 인접한 분리판(145)에 형성된 상기 채널을 따라 이동하여 애노드 아웃렛(146)을 통해 배출된다. 또한 산소는 전기발생부(140)의 캐소드 인렛(149)를 통해 유입되어 캐소드 전극(143)에 인접한 또 다른 분리판(145)의 채널을 통해 캐소드 전극(143)에 공급된다. 캐소드 전극(143)에서 발생된 물은 캐소드 전극(143)과 인접한 분리판(145)에 형성된 상기 채널을 통해 이동하여 캐소드 아웃렛(148)을 통해 배출된다.
회수 장치(130)의 하우징(131)에는 배기관(132)이 설치된다. 배기관(132)의 일단은 하우징(131)의 외부로 연장되어 설치되고, 배기관(132)의 상기 일단에는 제1밸브(133)가 설치된다. 배기관(132)의 타단은 회수 장치(130)의 하우징(131) 내부 로 연장되며, 배기관(132)의 상기 타단은 부표(134)를 관통하여 설치된다. 배기관(132)의 상기 타단은 부표(134)로 인하여 하우징(131)의 기울기에 상관없이 하우징(131) 내부에 있는 기체 중에 노출될 수 있다. 회수 장치(130)의 하우징(131) 내부에 적체되는 상기 기체는 배기관(132)의 상기 타단으로 유입되어 배기관(132)의 일측을 통해 외부로 방출된다.
제1밸브(133)는 개폐작용에 의해 배기관(132)의 소통 상태를 단속함으로서 배기관(132)을 지나는 유체를 소통가능하게 하거나 차단할 수 있다. 즉 통상적인 연료전지의 발전 중에는 제1밸브(133)를 개방하여 배기관(132)을 통해 하우징(131) 내부에 있는 기체를 외부로 방출한다. 하지만 연료전지를 정지했을 때에는 제1밸브(133)를 차단하여 배기관(132)을 통해 하우징(131) 내부에 있는 상기 혼합 연료가 휘발되어 감소하는 것을 방지할 수 있다. 제1밸브(133)는 단속밸브 또는 체크밸브 가 될 수 있다.
전기발생부(140)의 애노드 아웃렛(146)과 회수장치(130)의 하우징(131)은 애노드 회수관(123)을 통해 유체소통이 가능하게 연결되어 애노드 아웃렛(146)에서 배출되는 미반응 상기 혼합 연료 및 상기 기체 등은 회수장치(130)의 하우징(131)으로 유입된다. 또한 전기발생부(140)의 캐소드 아웃렛(148)과 회수장치(130)의 하우징(131)은 캐소드 회수관(121)을 통해 유체소통이 가능하게 연결되어 캐소드 아웃렛(148)에서 배출되는 상기 물이 회수장치(130)의 하우징(131)으로 유입된다.
애노드 회수관(123)에는 제2밸브(125)가 설치되고 캐소드 회수관(121)에는 제3밸브(126)가 설치된다. 제2밸브(125) 및 제3밸브(126)는 개폐작용에 의해 각각 애노드 회수관(123) 및 캐소드 회수관(121)의 소통 상태를 단속함으로서 애노드 회수관(123) 및 캐소드 회수관(121)의 유체를 소통가능하게 하거나 차단할 수 있다. 예를 들어 제2밸브(125) 및 제3밸브(126)는 단속밸브로 구성하여 연료전지가 가동중일 때에는 제2밸브(125) 및 제3밸브(126)를 개방하고 연료전지가 정지중일 때에는 제2밸브(125) 및 제3밸브(126)를 차단한다. 이에 따라 연료전지가 정지중일 때 연료전지가 회전함으로서 회수장치(130)의 하우징(131)에 저장된 기체가 전기발생부(140)의 애노드 아웃렛(146)을 통해 유입되거나 하우징(131)에 저장된 상기 혼합 연료가 캐소드 아웃렛(148)을 통해 유입되는 것을 차단할 수 있다.
또한 예를 들어 제2밸브(125) 및 제3밸브(126)는 회수장치(130)의 하우징(131) 내부로 향하는 일방향으로만 유체 소통이 가능하게 하는 체크밸브로 구성할 수 있다. 이에 따라 연료전지가 가동중이거나 정지중에 상관없이, 전기발생부(140)의 애노드 아웃렛(146)에서 회수장치(130)의 하우징(131)을 통해 미반응 혼합 연료 및 기체가 유입되는 것은 가능하지만, 회수장치(130)의 하우징(131)에 저장된 기체가 전기발생부(140)의 애노드 아웃렛(146)을 통해 유입되거나 하우징(131)에 저장된 상기 혼합 연료가 전기발생부의 캐소드 아웃렛(148)을 통해 유입되는 것을 차단할 수 있다.
도 2는 본 발명의 변형예에 따른 회수장치(230)의 하우징(131) 내부를 나타낸 투시도이다.
도 2를 참조하면 회수장치(230)의 하우징(131)은 내부에 다공성 물질(135)을 부가하여 설치하였으며 기타 다른 구성은 도 1의 회수장치(130)와 동일하다. 다공 성 물질(135)은 하우징(131)의 내표면에 설치되며, 특히 캐소드 회수관(121)의 입구와 애노드 회수관(123)의 입구와 혼합연료 공급관(124)의 입구와 하우징(131)의 바닥면에 걸쳐 설치된다. 다공성 물질(135)은 하우징(131) 내부에 저장된 상기 혼합 연료를 항상 함수하고 있기 때문에, 회수장치(230)가 전복되더라도 지속적으로 혼합연료 공급관(124)을 통해 상기 혼합 연료를 공급할 수 있다. 또한 다공성 물질(135)은 애노드 회수관(123)의 입구에 인접하여 설치되기 때문에 기체가 애노드 회수관(123)에 유입되는 것을 차단할 수 있다.
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.
본 발명에 따른 회수장치를 채용한 연료전지에 의하면, 회수장치의 기울기가 변경되거나 전복되어도 전기발생부에 기체나 연료가 유입되지 않는다. 또한 연료전지를 장시간 정지했을 때에도 배기관을 통해 증발하는 혼합 연료의 양을 억제할 수 있다. 따라서 연료전지의 오작동을 방지할 수 있고 보다 효율적인 연료전지의 발전이 가능하다.

Claims (8)

  1. 애노드 전극에서 일어나는 혼합 연료의 산화반응 및 캐소드 전극에서 일어나는 산소의 환원반응을 통해 발전하는 전기발생부;
    원료 연료를 저장하는 연료용기;
    상기 원료 연료와 상기 전기발생부에서 배출되는 미반응 상기 혼합 연료, 기체 및 물을 저장하고, 상기 원료 연료와 상기 혼합연료와 상기 물의 혼합물을 혼합 연료로서 상기 전기발생부에 공급하는 회수장치;
    상기 전기발생부에 산소를 공급하는 공기공급부를 포함하며,
    상기 회수 장치는,
    하우징;
    일단은 상기 하우징의 외부로 연장하고 타단은 상기 하우징의 내부로 연장하는 배기관;
    상기 배기관에 설치된 제1밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 회수장치는, 상기 하우징과 상기 전기발생부의 상기 애노드 전극의 배출구를 유체소통이 가능하게 연결하는 애노드 회수관와 상기 애노드 회수관에 설치되는 제2밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 회수장치는, 상기 하우징과 상기 전기발생부의 상기 캐노드 전극의 배출구를 유체소통이 가능하게 연결하는 캐소드 회수관과 상기 캐소드 회수관에 설치되는 제3밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2밸브와 상기 제3밸브는 단속밸브인 것을 특징으로 하는 연료전지.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제2밸브와 상기 제3밸브는 체크밸브인 것을 특징으로 하는 연료전지.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    상기 제1밸브는 단속밸브인 것을 특징으로 하는 연료전지.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 배기관의 상기 타단에는 부표가 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 하우징의 내표면에 상기 애노드 회수관에 인접하여 다공성 물질이 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지.
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