KR20080040210A - 연료 전지용 연료 공급 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료 전지 시스템의 연료 공급 장치에 관한 것으로, 특히, 수소흡장합금 용액을 연료로 사용하는 연료 전지 시스템에 유용하게 적용될 수 있는 연료 공급 장치에 관한 것이다.

본 발명의 연료 공급 장치는, 연료를 저장하는 저장 케이스; 상기 저장 케이스로부터 공급받은 연료를 일시 저장하며, 연료를 분사하는 분사구를 포함하는 분사 챔버; 및 상기 분사구로 연료가 분사되도록 상기 분사 챔버에 순간적인 압력을 가하기 위한 가압수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 연료 공급 장치는, 연료 전지 시스템의 로테이션프리 기능을 강화할 수 있는 효과 및 수소흡장합급 용액을 연료로 사용하는 연료 전지에 있어서의 연료 공급 장치로 유용하게 이용될 수 있는 효과가 있다.

연료 전지, 수소흡장합급, 연료 공급, 촉매 반응

Description

연료 전지용 연료 공급 장치{Fuel Supply Device for Feul Cell}

도 1은 수소흡장 합금 용액을 연료로 사용하는 연료 전지 시스템의 일반적인 구조를 나타낸 구조도.

도 2는 본 발명 일실시예에 따른 연료 공급 장치를 도시한 단면도.

도 3은 도 2의 분사 수단 결합체를 도시한 단면도.

도 4a 및 4b는 도 2의 분사 수단 결합체에 포함되는 단위 분사 소자의 구조 및 분사 모습을 도시한 단면도.

본 발명은 연료 전지 시스템의 연료 공급 장치에 관한 것으로, 특히, 수소흡장합금 용액을 연료로 사용하는 연료 전지 시스템에 유용하게 적용될 수 있는 연료 공급 장치에 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.

상기 연료전지 중 직접 메탄올형 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC)는 연료로서 수소 대신에 액상의 고농도 메탄올을 물과 혼합한 후 직접 연료로 사용한다. 직접 메탄올형 연료전지는 수소를 직접 연료로 사용하는 연료전지보다 출력밀도가 낮지만, 연료로 사용하는 메탄올의 체적당 에너지 밀도가 높고 저장이 용이하여 저출력 및 장시간 운전이 요구되는 상황에서 유리한 장점이 있다. 또한 연료를 개질하여 수소를 생성하는 개질기 등의 부가적인 장치가 불필요하기 때문에 소형화에 매우 유리하다.

또한, 직접 메탄올형 연료전지는 전해질막과, 상기 전해질막의 양면에 접하는 애노드(anode) 전극과 캐소드(cathode) 전극으로 이루어지는 전극-전해질 합성체(Membrane Electrode Assembly : MEA)를 구비한다. 전해질막으로는 플루오르화 중합체등을 사용하는데, 플루오르화 중합체는 메탄올이 지나치게 빠르게 스며들어, 농도가 높은 메탄올을 연료로 사용하는 경우 반응하지 않은 메탄올이 전해질막을 투과해 버리는 크로스오버(crossover) 현상이 발생된다. 따라서 메탄올의 농도를 낮추기 위하여 메탄올과 물을 혼합한 혼합연료를 연료전지 시스템에 공급하게 된다.

한편, 고분자 전해질형 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC)는 메탄올, 에탄올, 천연가스 등의 물질을 개질하여 생성된 수소를 사용하며 다른 연료전지에 비하여 출력 특성이 탁월하고 작동 온도가 낮을 뿐더러 빠른 시동 및 응답 특성을 가진다. 따라서 자동차와 같은 이동용 전원은 물론 주택이나 공공건물과 같은 분산용 전원 및 휴대용 전자기기와 같은 소형이동기기용 전원 등으로 이용할 수 있어 그 응용범위가 넓은 장점이 있다.

한편 고분자 전해질형 연료전지는 수증기 개질(Steam Reforming : SR), 수성가스 전환(Water Gas Shift : WGS) 등의 촉매 반응을 통해 전기 생성에 필요한 수소가 풍부한 개질가스로 전환할 뿐만 아니라, 이러한 개질가스에 포함되어 연료 전지의 촉매를 피독시키는 일산화탄소를 제거한다. 상기 촉매반응에는 물이 필요하기 때문에, 상기 개질기에 유입되는 연료에는 물을 혼합하여 혼합연료로 공급한다.

이중 고분자 전해질형 연료 전지 보다는 직접 메탄올 연료 전지가 그 구조가 간단하여 휴대기기용 전원공급 장치에 사용될 수 있지만, 직접 메탄올 연료 전지의 경우 소비하는 연료량에 비하여 발전량이 작아서, 적지않은 양의 연료 공급을 요구함에 따라 휴대성을 떨어뜨리는 문제점이 있었다.

최근 연료 전지로 사용되는 수소의 공급원으로 수소흡장합금 용액이 주목받고 있다. 수소흡장합금은 다량의 수소를 안정적으로 저장 및 이탈시킬 수 있는 합금이며, 보다 사용의 편의를 높이기 위해 수소흡장합금을 소정의 용매에 녹인 형태가 수소흡장합금 용액이다. 수소흡장합금 용액을 사용하는 연료 전지는 개발이 시작된지 얼마되지 않으나, 수소저장 효율 및 취급의 편의성으로 인하여 휴대용 연료 전지에 있어 매우 유망하다.

한편, 휴대용 연료 전지의 경우 중력 방향에 대한 연료 전지의 위치 상태나 회전 상태에 무관하게 연료 전지의 정상적인 동작을 보장할 수 있는 로테이션프리(rotation-free) 기능을 구현하는 것이 바람직하다. 특히, 메탄올이나 수소흡장합금 용액 같은 액체 연료를 사용하는 연료 전지의 경우, 카트리지 같은 연료 공급 장치 부분에 있어서 로테이션프리 기능이 더욱 요구되었다.

본 발명은 상기 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 로테이션프리 기능이 강화된 연료 전지용 액체 연료 공급 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 수소저장합급 용액을 연료로 사용하는 연료 전지에 있어서의 연료 공급 장치를 제공하는데 다른 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 연료 공급 장치는, 연료를 저장하는 저장 케이스; 상기 저장 케이스로부터 공급받은 연료를 일시 저장하며, 연료를 분사하는 분사구를 포함하는 분사 챔버; 및 상기 분사구로 연료가 분사되도록 상기 분사 챔버에 순간적인 압력을 가하기 위한 가압수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.

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.

(실시예)

본 실시예는 본 발명의 사상을 메탈 하이브리드 수용액 같은 수소 흡장 용액을 연료로 사용하는 연료 전지 시스템에 적용한 것인데, NaBH₄ 용액을 연료로 사용하는 경우로 구체화하여 설명하겠다.

도 1에 도시한 바와 같은 NaBH₄ 용액을 연료로 사용하는 연료 전지 시스템은, 연료로 사용할 NaBH₃ 용액을 보관하는 연료 탱크(110), 상기 연료 탱크내 NaBH₄ 용액을 흡입하기 위한 연료 펌프(118), 상기 NaBH₄ 용액에 촉매 반응을 일으켜 수소를 발생시키기 위한 촉매 반응기(120), 상기 촉매 반응에 따른 생성물인 수소 가스와 잔여물을 분리하기 위한 기액 분리기(125), 상기 촉매 반응기에서 발생된 수소와 산소를 이용한 전기화학적 반응으로 전력을 생성하기 위한 스택(130), 및 상기 기액 분리기(125)에서 분리된 잔여물(NaBO₂)을 저장하기 위한 잔여물 탱크(115)로 이루어진다.

상기 촉매 반응기(120)의 내부에는 Pt-LiCoO₂와 같은 촉매 입자가 코팅될 수 있으며, 상기 촉매 반응기(120)에서는 다음 수식과 같은 화학 반응이 이루어진다.

NaBH₄ + 2H₂O -> NaBO₂ + 4H₄

상기 기액 분리기(125)는 맴브레인막 같은 다공성 기액 분리막을 이용하여 수소 가스와 잔여물 용액을 분리하는 구조를 가진다. 종래의 CO₂ 기액 분리기 같은 일반적인 기액 분리기의 구조를 적용하는 경우, 기액 분리막을 경계로 잔여물 용액은 아래쪽에 모이며, 수소가스는 위쪽에 모이는 구조를 가질 수 있다.

상기 잔여물 탱크(115)는 수소를 방출하고 남은 NaBO₂ 수용액을 저장하기 위한 구성으로, NaBO₂ 수용액 회수 효율을 보다 높이기 위해, 그 입력단쪽에 별도의 펌프를 더 포함할 수 있다. 부피 낭비를 방지하기 위해 상기 잔여물 탱크(115)와 상기 연료 탱크는 서로 부피가 치환되는 구조를 가지는 것이 바람직하다.

도시한 바와 같이 상기 기액 분리기(125)에서 분리된 수소는 수증기와 혼합하여 수화된(humidified) 수소로서 상기 스택(130)에 공급될 수 있다. 상기와 같이 수소 가스를 직접 입력받으므로, 상기 스택(130)은 일반적인 PEM 연료 전지에 사용되는 스택 중 동작 온도 등 제반 조건에 적합한 것으로 구현할 수 있다.

상기 스택(130)은 기액 분리기(125)에서 공급된 상기 수화된 수소 연료와 공기공급부(미도시)를 통해 공급된 산소를 전기화학 반응을 시켜 전기에너지를 발생한다. 상기 스택(130)은 전기에너지를 발생하는 적어도 하나의 단위 연료 전지로써 상기 연료와 산소를 각각 산화/환원시키는 전극-전해질 합성체와, 상기 혼합연료와 산소를 전극-전해질 합성체로 공급하고 전극-전해질 합성체에서 발생하는 생성물을 배출하기 위한 바이폴라 플레이트를 포함할 수 있다. 전극-전해질 합성체는 양측면을 이루는 애노드 전극과 캐소드 전극사이에 전해질막이 개재된 통상적인 전극-전해질 합성체의 구조를 가질 수 있다. 비록 스택이라고 표현하였지만, 상기 스택(130)은 단일층 또는 적층된 구조를 가질 수 있다.

도시한 바와 같이, NaBH₄ 용액을 연료로 사용하는 연료 전지 시스템은 종래기술의 PEM 연료 전지에서의 개질기를 사용하지 않아 이로 인한 부피 절감 효과가 매우 크다. 또한, 스택이 물이 채워진 상태에서 동작하지 않으므로 종래 DMFC 연료 전지에서처럼 스택으로 물을 순환하는 다소 복잡한 구성(예: 리사이클러)을 요구치 않아 부피 절감 및 동작 효율에 유리하다.

도 2는 본 발명 일실시예에 따른 연료 공급 장치를 도시한다.

도시한 연료 공급 장치는, 연료를 저장하는 저장 케이스(12); 상기 저장 케이스(12)로부터 공급받은 연료를 일시 저장하며, 연료를 분사하는 분사구를 포함하는 분사 챔버; 상기 분사구로 연료가 분사되도록 상기 분사 챔버에 순간적인 압력 을 가하기 위한 가압수단; 및 상기 분사구에서 분사되는 연료가 접촉되도록 위치하며, 상기 분사된 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 촉매를 보유하는 촉매 패드로 이루어진다.

여기서, 상기 저장 케이스(12)는 내부 용적이 변할 수 있는 구조를 가지며, 상기 연료 공급 장치는 상기 저장 케이스(12)의 내부 용적을 줄이는 방향으로 힘을 가하는 탄성력 부여 수단(도 2에서는 용수철(13))을 더 포함한다.

연료 공급 장치의 구분 관점에 따라서는, 연료 용액의 수소 발생 후 부산물을 처리하는 구성요소까지 연료 공급 장치에 포함시킬 수 있는데, 예컨대 도 1의 기액 분리기를 연료 공급 장치의 일부 구성요소로 포함시킬 수 있다. 이 경우 본 실시예의 연료 공급 장치는, 상기 수소 가스를 발생시킨후 남은 연료 부산물을 제거하기 위한 잔여물 제거수단을 더 포함하는 것이 된다.

상기 저장 케이스(12)의 내부 용적을 줄이는 방향으로 작용하는 상기 용수철(13)의 탄성력에 상기 저장 케이스(12) 내에 저장된 연료 용액의 압력이 대항하고 있는데, 분사 수단 결합체(20)의 연료 분사에 따라 연료 용액의 압력이 낮아지고, 낮아진 압력에 따라 분사된 연료 부피만큼 상기 저장 케이스(12)의 내부 용적이 줄어든다.

상기 분사된 연료는 그 분사 경로 상에 존재하는 촉매 패드(25)에 맞닿게 되고, 촉매 패드 상의 촉매에 의하여 상기 수식 2와 같은 반응을 수행하여 수소를 발생시킨다. 상기 발생된 수소 및 연료의 잔여물은 미도시한 기액 분리기(도 1의 125와 유사)로 유입되어, 수소 가스와 잔여물 수용액으로 분리된다.

상기 탄성 수단(13)의 수축에 따라, 상기 저장 케이스의 내부 용적이 줄어들 뿐만 아니라, 반대쪽에는 형성된 잔여물 탱크의 내부 용적이 확장되도록 구현하는 것이 바람직하다.

상기 분사 수단 결합체(20)는 도 3과 같은 구조로 구현할 수 있다. 도시한 연료 충진 공간(16)은 도 2의 저장 케이스(12) 내부 공간 중 일부이며, 연료 충진 공간(16)에서 연료가 도시한 소정의 경로를 따라 이동되어, 가압수단(22)에 의해 분사구(24)로부터 분사된다.

도시한 구현의 경우, 분사구(24) 및 가압수단(22)을 4개를 구비하였는데, 이와 같이 분사구(24)와 가압수단(22)으로 이루어지는 단위 분사 소자를 2개 이상 구비하는 경우, 연료 공급량 조절이 용이해지는 장점이 있다. 각 단위 분사 소자의 분사 용량은 모두 동일하게 구현할 수도 있고, 2의 배수와 같은 규칙으로 증가되는 용량을 가지도록 구현할 수도 있다. 전자의 경우 연료 공급량 조절 제어가 용이한 장점이 있으며, 후자의 경우 연료 공급량 제어 범위가 넓은 장점이 있다. 또한 액체를 촉매에 흘리는 방법에 비해 액적으로 촉매에 공급하는 방시이므로 중력의 영향을 덜 받게 된다.

도 4a 및 4b는 분사구(24)와 가압수단(22)을 포함하는 단위 분사 소자의 구조를 도시하고 있다. 도시한 단위 분사 소자는, 상기 저장 케이스로부터 공급받은 연료를 일시 저장하며, 연료를 분사하는 분사구(24)를 포함하는 분사 챔버(26); 및 상기 분사구(24)로 연료가 분사되도록 상기 분사 챔버(26)에 순간적인 압력을 가하기 위한 가압수단(22)으로 이루어진다.

도 4a 및 4b의 경우 가압수단(22)을 피에조 수단, 즉, 압전소자를 이용하여 전기적 신호에 대응하는 물리력을 발생시키는 수단으로 구현하여, 이를 상기 분사 챔버(26)의 외벽에 접하도록 위치시켰다. 따라서, 외부 신호에 따라 상기 피에조 가압수단(22)의 하부 이동에 의해, 상기 분사 챔버(26)의 내부 용적이 줄어드는 방향으로 외벽이 변형되며, 이에 따른 분사 챔버(26)내 연료 용액의 압력에 의해 연료 용액이 도 4b와 같이 분사구 외부로 분사된다.

이 경우, 상기 가압수단의 압력 인가후 해제시 연료의 역류(구체적으로 도 4a의 26에서 도 3의 16으로의 역류)를 방지하기 위한 역류 방지 수단을 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기 역류 방지 수단으로는, 상기 저장 케이스로부터 상기 가압 챔버로의 연료 유입 경로에 위치한 밸브 수단으로 구현할 수 있다. 또한, 상기 밸브 수단을 수동적으로 1방향 흐름만을 허용하는 체크 밸브로 구현하거나, 도 3에 도시한 바와 같이 상기 가압수단(22)의 동작과 연계되어 개폐하도록 제어되는 밸브로 구현할 수 있다. 후자의 경우 가압수단(22)이 압력을 인가할 때 상기 밸브는 닫히고, 압력을 해제할 때 상기 밸브가 열리도록 제어하는 것이 바람직하다.

한편, 상기 가압수단을 상기 챔버내 저장된 연료를 순간적으로 가열하기 위한 가열 수단으로 구현할 수도 있다. 이 경우 상기 분사 챔버를 이루는 외벽의 전부 또는 일부에 전열선 같은 전기적 가열 수단을 구비시키고, 연료 공급 신호에 따라 상기 전기적 가열 수단을 가열시켜, 가열된 연료 용액에서 발생되는 기체(예: 수증기)의 기압에 의해 분사구로 연료를 분사하게 된다.

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.

상기 구성에 따른 본 발명의 연료 공급 장치를 실시함에 의해, 연료 전지 시스템의 로테이션프리 기능을 강화할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 수소흡장합급 용액을 연료로 사용하는 연료 전지에 있어서의 연료 공급 장치로 유용하게 이용될 수 있는 효과도 있다.

Claims (13)

1. 연료를 저장하는 저장 케이스;

   상기 저장 케이스로부터 공급받은 연료를 일시 저장하며, 연료를 분사하는 분사구를 포함하는 분사 챔버; 및

   상기 분사구로 연료가 분사되도록 상기 분사 챔버에 순간적인 압력을 가하기 위한 가압수단

   을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 공급 장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 분사구에서 분사되는 연료가 접촉되도록 위치하며, 상기 분사된 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 촉매를 보유하는 촉매 패드

   를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 공급 장치.
3. 제2항에 있어서,

   상기 수소 가스를 발생시킨후 남은 연료 부산물을 제거하기 위한 잔여물 제거수단

   을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 공급 장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 가압수단은,

   상기 챔버의 외벽을 변형시키는 압전소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 공급 장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 가압수단은,

   상기 챔버내 저장된 연료를 순간적으로 가열하기 위한 가열 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 공급 장치.
6. 제1항에 있어서,

   상기 가압수단의 압력 인가후 해제시 연료의 역류를 방지하기 위한 역류 방지 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 공급 장치.
7. 제6항에 있어서, 상기 역류 방지 수단은,

   상기 저장 케이스로부터 상기 가압 챔버로의 연료 유입 경로에 위치한 밸브 수단인 것을 특징으로 하는 연료 공급 장치.
8. 제7항에 있어서, 상기 밸브 수단은,

   체크 밸브인 것을 특징으로 하는 연료 공급 장치.
9. 제7항에 있어서, 상기 밸브 수단은,

   상기 가압수단의 동작과 연계되어 개폐하도록 제어되는 것을 특징으로 하는 연료 공급 장치.
10. 제1항에 있어서,

    상기 저장 케이스는, 내부 용적이 변할 수 있는 구조를 가지며,

    상기 연료 공급 장치는,

    상기 저장 케이스의 내부 용적을 줄이는 방향으로 힘을 가하는 탄성력 부여 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 공급 장치.
11. 제2항에 있어서, 상기 촉매 패드는,

    그 표면에 Pt-LiCoO₂를 포함하는 촉매가 코팅된 것을 특징으로 하는 연료 공급 장치.
12. 제3항에 있어서, 상기 잔여물 제거수단은,

    상기 촉매 패드가 설치된 공간에 연결되며, 일부 외벽에 기액분리막이 구비된 부산물 회수관인 것을 특징으로 하는 연료 공급 장치.
13. 제1항에 있어서,

    상기 분사 챔버 및 가압수단으로 구성되는 단위 분사 소자를 2개 이상 구비하는 것을 특징으로 하는 연료 공급 장치.

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