KR20070109477A - 연료 전지용 수소 분리장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지용 수소 분리장치는, 개질기에 의해 생성된 개질 가스 중의 수소를 분리하여 수소 가스를 발생시키고 이 수소 가스를 연료전지 본체로 공급하기 위한 것으로서, 멤브레인을 중심에 두고 이의 일측에 애노드 전극층, 다른 일측에 캐소드 전극층을 형성하여 이루어지는 막-전극 어셈블리와, 상기 막-전극 어셈블리의 양측에 밀착되게 배치되어 상기 개질 가스를 상기 애노드 전극층으로 공급하고, 상기 캐소드 전극층에 의해 생성되는 상기 수소 가스를 배출시키기 위한 채널 플레이트와, 상기 채널 플레이트에 대하여 소정 전위차를 갖는 전압을 인가하는 전원 공급부를 포함한다.

개질기, 개질가스, 고순도, 수소, 분리장치, 막전극어셈블리, 채널플레이트, 전원공급부

Description

연료 전지용 수소 분리장치 {HYDROGEN SEPARATOR FOR FUEL CELL}

도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지용 수소 분리장치의 연결 구조를 개략적으로 도시한 블록도이다.

도 2는 도 1에 도시한 연료 전지용 수소 분리장치의 구성을 구체적으로 도시한 분해 사시도이다.

도 3은 도 2의 결합 단면 구성도이다.

본 발명은 연료 전지용 수소 분리장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 개질 가스 중에 함유된 수소를 분리하여 고순도의 수소 가스를 생성하기 위한 연료 전지용 수소 분리장치에 관한 것이다.

알려진 바와 같이, 연료 전지(Fuel Cell)는 탄화 수소 계열의 연료에 함유되어 있는 수소, 및 산소의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 발생시키는 발전 시스템으로서 구성된다.

이러한 연료 전지는 크게, 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)와, 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxydation Membrane Fuel Cell)(당 업계에서는 통상적으로 "직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC)" 라고도 한다.)로 구분될 수 있다.

이 중에서 고분자 전해질형 연료 전지는 다른 연료 전지에 비하여 출력 특성이 탁월하며, 작동 온도가 낮고, 빠른 시동 및 응답 특성으로 인해 자동차와 같은 이동용 전원은 물론, 주택, 공공 건물과 같은 분산용 전원 및 전자기기용과 같은 소형 전원 등 그 응용 범위가 넓은 장점을 가진다.

이와 같은 고분자 전해질형 연료 전지 방식을 채용한 연료 전지 시스템은 스택(stack)이라 불리는 연료전지 본체와, 연료를 개질하여 수소를 주성분으로 하는 개질 가스를 발생시키고 이 개질 가스를 연료전지 본체로 공급하는 개질기와, 산화제 가스를 연료전지 본체로 공급하기 위한 산화제 가스 공급원을 구비하고 있다. 따라서, 연료전지 본체에서는 개질기로부터 공급되는 개질 가스, 및 산화제 가스 공급원에 의해 공급되는 산화제 가스의 전기 화학적인 반응을 이용하여 전기 에너지를 발생시키게 된다.

그런데, 종래에 따른 고분자 전해질형 연료 전지 방식의 시스템은, 개질기로부터 생성되는 개질 가스 중에는 수소 외에, 질소 및 이산화탄소 등과 같은 불순물 가스를 포함하고 있는 바, 이러한 불순물 가스가 연료전지 본체를 구성하는 막-전극 어셈블리의 애노드 전극에서 용해되거나 멤브레인을 통해 캐소드 전극으로 확산되는 현상이 발생하면서 결과적으로는 캐소드 전극으로 유입되는 불순물에 의해 연료전지 본체의 성능 효율이 떨어지게 되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상술한 문제점을 감안한 것으로서, 그 목적은 개질 가스 중에 함유된 불순물 가스를 제거하여 고순도의 수소 가스를 생성할 수 있는 연료 전지용 수소 분리장치를 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지용 수소 분리장치는, 개질기에 의해 생성된 개질 가스 중의 수소를 분리하여 수소 가스를 발생시키고 이 수소 가스를 연료전지 본체로 공급하기 위한 것으로서, 멤브레인을 중심에 두고 이의 일측에 애노드 전극층, 다른 일측에 캐소드 전극층을 형성하여 이루어지는 막-전극 어셈블리와, 상기 막-전극 어셈블리의 양측에 밀착되게 배치되어 상기 개질 가스를 상기 애노드 전극층으로 공급하고, 상기 캐소드 전극층에 의해 생성되는 상기 수소 가스를 배출시키기 위한 채널 플레이트와, 상기 채널 플레이트에 대하여 소정 전위차를 갖는 전압을 인가하는 전원 공급부를 포함한다.

상기 연료 전지용 수소 분리장치에 있어서, 상기 애노드 전극층은 상기 수소의 산화 반응을 촉진시키는 촉매층으로서 구성될 수 있다.

상기 연료 전지용 수소 분리장치에 있어서, 상기 캐소드 전극층은 상기 수소의 환원 반응을 촉진시키는 촉매층으로서 구성될 수 있다.

상기 연료 전지용 수소 분리장치에 있어서, 상기 멤브레인은 상기 애노드 전극층에 의해 상기 수소로부터 이온화된 수소 이온을 상기 캐소드 전극층으로 이동시키는 고분자 전해질막으로서 구성될 수 있다.

상기 연료 전지용 수소 분리장치에 있어서, 상기 애노드 전극층에 밀착되게 배치되는 제1 채널 플레이트는 상기 개질 가스를 유동시키기 위한 제1 채널을 포함할 수 있다. 이 경우 상기 제1 채널 플레이트는 상기 개질 가스를 주입시키기 위한 주입부와, 상기 수소를 제외한 나머지 불순물을 배출시키기 위한 제1 배출부를 포함할 수 있다.

상기 연료 전지용 수소 분리장치에 있어서, 상기 캐소드 전극층에 밀착되게 배치되는 제2 채널 플레이트는 상기 수소 가스를 배출시키기 위한 제2 채널을 포함할 수 있다. 이 경우 상기 제2 채널 플레이트는 상기 수소를 배출시키기 위한 제2 배출부를 포함할 수 있다.

상기 연료 전지용 수소 분리장치는, 상기 수소 분리장치가 적어도 둘 이상으로서 연결되게 구성될 수도 있다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지용 수소 분리장치의 연결 구조를 개략적으로 도시한 블록도이다.

이 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 수소 분리장치(100)를 설명하면, 이 수소 분리장치(100)는 개질기(10)로부터 생성된 개질 가스 중의 수소를 분리하여 고순도의 수소 가스를 발생시키고, 이 수소 가스를 연료전지 본체(30)로 공급하기 위한 것이다. 즉, 본 장치(100)는 연료 전지의 역반응을 이용한 수소의 전기 화학적인 반응에 의해 개질 가스 중의 수소를 분리하여 고순도의 수소 가스를 발생시키기 위한 것으로서, 개질기(10), 및 연료전지 본체(30)와 상호 연결되게 설치된다.

이러한 수소 분리장치(100)는 수소 가스의 산화 반응, 및 산화제 가스의 환원 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 고분자 전해질형 연료 전지 방식의 연료 전지 시스템에 적용될 수 있다.

여기서, 본 발명에 적용되는 개질기(10)는 메탄올, 에탄올, LPG, LNG, 가솔린 등과 같이 수소를 함유한 탄화수소 계열의 액체 또는 기체 연료의 개질 반응에 의해 수소를 주성분으로 하면서 질소, 및 이산화탄소와 같은 불순물을 포함하는 개질 가스를 발생시키기 위한 것이다. 이와 같은 개질기(10)는 고분자 전해질형 연료 전지 방식의 시스템에 채용되는 통상적인 개질기의 구성으로서 이루어지므로 본 명세서에서 그 자세한 설명은 생략하기로 한다.

그리고, 연료전지 본체(30)는 수소 분리장치(100) 및 산화제 가스 공급원(도면에 도시되지 않음)에 연결되게 설치되며, 수소 분리장치(100)로부터 수소 가스를 공급받고 산화제 가스 공급원으로부터 산화제 가스를 제공받아 수소, 및 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 셀(cell) 단위 전기 발생부(31)를 구비한다. 따라서, 본 발명에 적용되는 연료전지 본체(30)는 이와 같은 전기 발생부(31)를 복수로 구비하고, 이들을 연속적으로 배치함으로써 전기 발생부(31)들의 집합체 구조에 의한 스택(stack)으로서 구성될 수 있다. 이러한 연료전지 본체(30)는 앞서 설 명한 고분자 전해질형 연료 전지 방식의 시스템에 채용되는 통상적인 스택의 구성으로서 이루어지므로 본 명세서에서 그 자세한 설명은 생략하기로 한다.

도 2는 도 1에 도시한 연료 전지용 수소 분리장치의 구성을 구체적으로 도시한 분해 사시도이고, 도 3은 도 2의 결합 단면 구성도이다.

도면을 참고하면, 본 실시예에 의한 연료 전지용 수소 분리장치(100)는 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode Assembly)(이하에서는, "MEA" 라고 한다.)(110)와, 이 MEA(110)를 중심에 두고 이의 양측에 밀착되게 배치되는 채널 플레이트(131, 141)와, 채널 플레이트(131, 141)에 대하여 소정 전위차를 갖는 전압을 인가하는 전원 공급부(150)를 포함하여 구성된다.

상기에서, MEA(110)는 일면에 애노드 전극층(111)을 형성하고, 다른 일면에 캐소드 전극층(112)을 형성하며, 이들 애노드 전극층(111)과 캐소드 전극층(112) 사이에 멤브레인(membrane)(113)을 형성하여 구성된다.

여기서, 애노드 전극층(111)은 개질 가스 중에 함유된 수소를 전기 화학적으로 산화 반응시켜 이 수소를 전자와 수소 이온으로 분리시키는 통상적인 촉매층(111a)으로서 형성된다. 멤브레인(113)은 애노드 전극층(111)에서 수소로부터 분리된 수소 이온을 캐소드 전극층(112)으로 이동시키는 통상적인 고분자 전해질막(113a)으로서 형성된다. 그리고, 캐소드 전극층(112)은 애노드 전극층(111)으로부터 받은 수소 이온, 및 전원 공급부(150)로부터 제공되는 소정 전위차의 전압을 인가받아 수소의 전기 화학적인 환원 반응에 의해 비교적 순도가 높은 수소 가스를 발생시키는 통상적인 촉매층(112a)으로서 형성된다.

본 실시예에서, 채널 플레이트(131, 141)는 도전성을 지는 금속 소재 예컨대, 티나늄 소재의 플레이트 타입으로 이루어지는 바, MEA(110)의 애노드 전극층(111)에 밀착되게 배치되는 제1 채널 플레이트(131)와, MEA(110)의 캐소드 전극층(112)에 밀착되게 배치되는 제2 채널 플레이트(141)로서 구성될 수 있다.

제1 채널 플레이트(131)는 개질기(10: 도 1)로부터 공급되는 개질 가스를 유동시키는 제1 채널(133)을 애노드 전극층(111)에 밀착되는 밀착면에 형성하고 있다. 그리고, 제1 채널 플레이트(131)는 개질 가스를 제1 채널(133)로 주입시키기 위한 주입부(135)와, 제1 채널(133)을 거치는 개질 가스 중의 수소를 제외한 나머지의 불순물 가스를 배출시키기 위한 제1 배출부(137)를 형성하고 있다. 이 때, 제1 배출부(137)는 불순물 가스를 개질기(10: 도 1)로 재공급할 수 있도록 파이프 라인 등에 의해 개질기(10: 도 1)와 연결될 수 있다.

제2 채널 플레이트(141)는 MEA(110)의 캐소드 전극층(112)에서 생성되는 수소 가스를 유동시키는 제2 채널(143)을 캐소드 전극층(112)에 밀착되는 밀착면에 형성하고 있다. 그리고, 제2 채널 플레이트(141)는 상기 수소 가스를 배출시키기 위한 제2 배출부(147)을 형성하고 있다. 이 때, 제2 배출부(147)는 파이프 라인 등에 의해 연료전지 본체(30: 도 1)와 연결될 수 있다.

본 실시예에서, 전원 공급부(150)는 도선을 통해 제1 및 제2 채널 플레이트(131, 141)와 전기적으로 연결되는 통상적인 구조의 파워 서플라이(power supply)로서 구성될 수 있다.

상기와 같이 구성되는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지용 수소 분리장치의 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.

우선, 개질기(10)는 연료의 개질 반응에 의해 수소를 주성분으로 하면서 질소 및 이산화탄소와 같은 불순물 가스를 포함하는 개질 가스를 발생시킨다.

이어서, 개질 가스는 파이프 라인 등을 통해 본 실시예에 의한 수소 분리장치(100)로 공급되는 바, 제1 채널 플레이트(131)의 주입부(135)를 통해 주입되면서 제1 채널(133)을 따라 유동하게 된다.

이 과정에서, 개질 가스 중에 함유된 수소는 전기적인 활성을 띠므로 MEA(110)의 애노드 전극층(111)에 의해 전기 화학적인 산화 반응을 일으켜 수소 이온과 전자로서 분리된다. 이 때, 개질 가스 중에 함유된 질소 및 이산화탄소와 같은 불순물 가스는 전기적인 활성을 띠지 않으므로, 제1 채널 플레이트(131)의 제1 배출부(137)를 통해 그대로 배출되게 된다. 그리고, 전원 공급부(150)는 도선을 통해 소정 전위차를 갖는 전압을 제1 및 제2 채널 플레이트(131, 141)에 인가하고 있는 상태에 있다.

따라서, 수소 이온은 멤브레인(113)을 통해 캐소드 전극층(112)으로 이동하게 된다. 그리고, 전원 공급부(150)가 제1 및 제2 채널 플레이트(131, 141)에 소정 전위차를 갖는 전압을 인가하고 있기 때문에, 전자는 도선을 통해 캐소드 전극층(112)으로 이동하게 된다.

이로써, MEA(110)의 캐소드 전극층(112)에서는 애노드 전극층(111)으로부터 받은 수소 이온, 및 전자의 전기 화학적인 환원 반응에 의해 대략 91% 정도의 수소를 포함하는 고순도의 수소 가스를 발생시키게 된다.

이와 같은 일련의 과정을 통해 생성된 고순도의 수소 가스는 연료전지 본체(30)로 공급된다. 그러면, 연료전지 본체(30)는 전기 발생부들(31)에 의한 수소, 및 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 기설정된 용량의 전기 에너지를 출력시킬 수 있게 된다.

한편, 본 실시예에 의한 수소 분리장치(100)는 도 1에 도시된 바와 같이, 둘 이상, 바람직하게는 두 셋트의 분리장치(100)를 구비하고, 이들 분리장치(100)를 상호 연결되게 구성함으로써, 상술한 바와 같은 작용에 의하여 일측 분리장치(100)로부터 분리된 수소 가스를 도면에 일점 쇄선으로 표시된 다른 일측 분리장치(100)에 제공하여 대략 97.4% 정도의 수소를 포함하는 고순도의 수소 가스를 발생시킬 수도 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.

상술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 개질 가스 중에 함유된 불순물 가스를 제거하여 고순도의 수소 가스를 생성하고 이 수소 가스를 연료전지 본체로 공급할 수 있는 구조로서 이루어지므로, 연료전지 본체의 성능 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.

Claims (9)

1. 개질기에 의해 생성된 개질 가스 중의 수소를 분리하여 수소 가스를 발생시키고, 이 수소 가스를 연료전지 본체로 공급하기 위한 연료 전지용 수소 분리장치에 있어서,

   멤브레인을 중심에 두고 이의 일측에 애노드 전극층, 다른 일측에 캐소드 전극층을 형성하여 이루어지는 막-전극 어셈블리;

   상기 막-전극 어셈블리의 양측에 밀착되게 배치되어 상기 개질 가스를 상기 애노드 전극층으로 공급하고, 상기 캐소드 전극층에 의해 생성되는 상기 수소 가스를 배출시키기 위한 채널 플레이트; 및

   상기 채널 플레이트에 대하여 소정 전위차를 갖는 전압을 인가하는 전원 공급부

   를 포함하는 연료 전지용 수소 분리장치.
2. 제1 항에 있어서,

   상기 애노드 전극층은,

   상기 수소의 산화 반응을 촉진시키는 촉매층으로서 구성되는 연료 전지용 수소 분리장치.
3. 제1 항에 있어서,

   상기 캐소드 전극층은,

   상기 수소의 환원 반응을 촉진시키는 촉매층으로서 구성되는 연료 전지용 수소 분리장치.
4. 제1 항에 있어서,

   상기 멤브레인은,

   상기 애노드 전극층에 의해 상기 수소로부터 이온화된 수소 이온을 상기 캐소드 전극층으로 이동시키는 고분자 전해질막으로서 구성되는 연료 전지용 수소 분리장치.
5. 제1 항에 있어서,

   상기 애노드 전극층에 밀착되게 배치되는 제1 채널 플레이트는,

   상기 개질 가스를 유동시키기 위한 제1 채널을 포함하는 연료 전지용 수소 분리장치.
6. 제5 항에 있어서,

   상기 제1 채널 플레이트는,

   상기 개질 가스를 주입시키기 위한 주입부와, 상기 수소를 제외한 나머지 불순물을 배출시키기 위한 제1 배출부를 포함하는 연료 전지용 수소 분리장치.
7. 제1 항에 있어서,

   상기 캐소드 전극층에 밀착되게 배치되는 제2 채널 플레이트는,

   상기 수소 가스를 배출시키기 위한 제2 채널을 포함하는 연료 전지용 수소 분리장치.
8. 제7 항에 있어서,

   상기 제2 채널 플레이트는,

   상기 수소를 배출시키기 위한 제2 배출부를 포함하는 연료 전지용 수소 분리장치.
9. 제1 항에 있어서,

   상기 수소 분리장치가 적어도 둘 이상으로서 연결되게 구성되는 연료 전지용 수소 분리장치.

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