KR20120097658A - 연료전지 시스템 - Google Patents

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KR20120097658A
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Abstract

연료전지 시스템은 연료와 산화제의 반응에 의해 전기 에너지를 생성하는 연료전지 스택과, 연료전지 스택으로 연료를 공급하는 연료 공급부와, 연료전지 스택으로 산화제를 공급하는 산화제 공급부를 포함한다. 연료 공급부는 혼합기를 포함한다. 혼합기는 단일의 유입 포트를 구비하여 유입 포트를 통해 연료와 물을 교대로 제공받고, 제공받은 연료와 물을 혼합하여 희석된 연료를 연료전지 스택으로 공급한다.

Description

연료전지 시스템 {FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료전지 스택으로 적정 농도의 연료를 공급하는 연료 공급부에 관한 것이다.
연료전지는 연료(탄화수소계 연료, 수소가스, 또는 수소 개질가스)와 산화제(공기 또는 산소)의 전기화학적 반응을 이용하여 전기를 생산하는 장치이다. 여러 종류의 연료전지들 중 직접 메탄올형 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell, DMFC)는 연료전지 스택의 애노드 전극에 메탄올을 직접 공급하여 캐소드 전극에 공급된 산소와의 반응으로 전기를 생산한다.
직접 메탄올형 연료전지 시스템에서 연료인 고농도 메탄올은 카트리지에 저장되고, 카트리지에 연결된 연료 공급 펌프에 의해 혼합기로 이송된다. 혼합기에서 고농도 메탄올은 물과 혼합되어 낮은 농도로 희석되고, 희석된 저농도 메탄올은 연료전지 스택의 애노드 전극으로 공급된다.
직접 메탄올형 연료전지 시스템이 각종 전자 기기의 전원, 예를 들어 노트북 컴퓨터와 같이 휴대 가능한 전자 기기의 전원으로 사용되기 위해서는 부피가 작고 가벼워야 한다. 따라서 최근 들어 연료전지 시스템을 소형화 및 경량화함과 아울러 무게당 에너지 밀도와 연비를 높이려는 연구가 진행되고 있다.
본 발명은 부피가 작고 가벼우면서 무게당 에너지 밀도와 연비가 높은 연료전지 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템은 연료와 산화제의 반응에 의해 전기 에너지를 생성하는 연료전지 스택과, 연료전지 스택으로 연료를 공급하는 연료 공급부와, 연료전지 스택으로 산화제를 공급하는 산화제 공급부를 포함한다. 연료 공급부는 혼합기를 포함한다. 혼합기는 단일의 유입 포트를 구비하여 유입 포트를 통해 연료와 물을 교대로 제공받고, 제공받은 연료와 물을 혼합하여 희석된 연료를 연료전지 스택으로 공급한다.
연료 공급부는 혼합기의 유입 포트와 연결되어 혼합기로 공급되는 연료의 양과 물의 양을 제어하는 농도 제어부를 포함할 수 있다. 연료 공급부는 농도 제어부와 혼합기 사이에 위치하여 농도 제어부에서 배출되는 연료와 물을 혼합기로 공급하는 순환 펌프를 포함할 수 있다.
농도 제어부는 연료를 제공받는 연료 유입 포트와 물을 제공받는 물 유입 포트 및 혼합기의 유입 포트와 연결된 배출 포트를 구비하며, 연료 유입 포트와 물 유입 포트를 교대로 개방할 수 있다. 농도 제어부는 연료 유입 포트의 개방 시간과 물 유입 포트의 개방 시간을 제어하여 연료의 농도를 조절할 수 있다.
연료 유입 포트의 개방 시간은 물 유입 포트의 개방 시간보다 짧을 수 있다.
혼합기와 연료전지 스택 사이에 농도 센서가 설치되어 연료전지 스택으로 공급되는 연료의 농도를 감지할 수 있다. 농도 제어부는 농도 센서와 전기적으로 연결되고, 농도 센서에서 감지한 농도 정보에 따라 연료 유입 포트의 개방 시간과 물 유입 포트의 개방 시간 중 어느 하나를 조절할 수 있다.
농도 제어부는 농도 센서에서 감지한 농도 정보가 설정 범위를 초과할 때 물 유입 포트의 개방 시간을 늘리고, 농도 센서에서 감지한 농도 정보가 설정 범위 미만일 때 물 유입 포트의 개방 시간을 단축시킬 수 있다.
연료전지 시스템은 연료전지 스택에서 배출되는 기액 혼합물 중 물과 미반응 연료를 회수하는 기액 분리기를 포함할 수 있다. 물 유입 포트는 기액 분리기와 연결되어 기액 분리기로부터 물과 미반응 연료를 제공받을 수 있다.
연료 유입 포트는 배관을 통해 연료 카트리지와 연결되고, 연료 카트리지는 배관에 착탈식으로 결합할 수 있다. 배관의 단부에는 노즐 수용부가 형성되고, 연료 카트리지는 노즐 수용부에 결합되어 연료를 주입하는 노즐을 포함할 수 있다.
연료전지 시스템은 연료 카트리지의 노즐과 같은 구조의 노즐을 구비한 탈이온수 카트리지를 포함할 수 있다. 탈이온수 카트리지는 연료 카트리지를 대체하여 노즐 수용부에 결합될 수 있다.
연료 유입 포트는 연료 카트리지와 연결되고, 혼합기는 탈이온수 카트리지와 연결된 추가 유입 포트를 구비하여 추가 유입 포트를 통해 탈이온수를 공급받을 수 있다.
연료 공급부의 부품 수가 줄어 연료전지 시스템의 부피를 줄이고 무게를 낮출 수 있다. 또한, 연료 공급부의 소모 전력이 줄어 무게당 에너지 밀도와 연비를 높이며, 연료전지 스택으로 투입되는 연료의 농도를 안정적으로 제어할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템을 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시한 연료전지 시스템 중 연료전지 스택의 구조를 나타낸 분해 사시도이다.
도 3은 도 1에 도시한 연료전지 시스템 중 농도 제어부의 일 실시예를 나타낸 구성도이다.
도 4는 도 1에 도시한 연료전지 시스템 중 연료 카트리지와 탈이온수 카트리지의 교체 구조를 나타낸 구성도이다.
도 5는 비교예에 따른 연료전지 시스템을 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예의 연료전지 시스템 작동시 연료의 농도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 7은 비교예에 따른 연료전지 시스템 작동시 연료의 농도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 시스템을 개략적으로 도시한 구성도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템을 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 1을 참고하면, 연료전지 시스템(100)은 메탄올과 산소의 전기화학적 반응에 의해 전기 에너지를 생성하는 직접 메탄올형 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell, DMFC) 방식을 적용할 수 있다.
그러나 본 발명은 여기에 한정되지 않으며, 본 실시예의 연료전지 시스템(100)은 에탄올, 액화석유가스(LPG), 액화천연가스(LNG), 가솔린, 부탄 가스 등과 같이 수소를 함유한 액체 또는 기체 연료를 산소와 반응시키는 직접 산화형(direct oxidation) 연료전지 방식으로도 구성될 수 있다.
본 실시예의 연료전지 시스템(100)은 연료와 산화제의 반응에 의해 전기 에너지를 생성하는 연료전지 스택(10)과, 연료전지 스택(10)으로 산화제를 공급하는 산화제 공급부(20)와, 연료전지 스택(10)으로 연료를 공급하는 연료 공급부(30)를 포함한다. 연료전지 시스템(100)은 연료전지 스택(10)에서 배출되는 기액 혼합물 중 물과 미반응 연료를 회수하여 연료 공급부(30)로 제공하는 회수부(40)를 포함할 수 있다.
도 2는 도 1에 도시한 연료전지 시스템 중 연료전지 스택의 구조를 나타낸 분해 사시도이다.
도 1과 도 2를 참고하면, 연료전지 스택(10)은 연료와 산화제 사이의 산화/환원 반응을 유도하여 전기 에너지를 생성하는 복수의 전기 생성부(11)를 구비한다. 각각의 전기 생성부(11)는 전기를 발생시키는 단위 셀을 의미한다.
전기 생성부(11)는 연료와 산화제를 산화/환원 반응시키는 막-전극 접합체(12)(Membrane Electrode Assembly, MEA)와, 막-전극 접합체(12)로 연료와 산화제를 공급하는 세퍼레이터(13, 14)('바이폴라 플레이트'라고도 한다)를 포함한다.
전기 생성부(11)는 막-전극 접합체(12)를 사이에 두고 이의 양측에 한 쌍의 세퍼레이터(13, 14)가 배치된 구조로 이루어진다. 막-전극 접합체(12)는 중앙에 배치된 전해질막과, 전해질막의 일측에 배치된 캐소드 전극과, 전해질막의 다른 일측에 배치된 애노드 전극을 포함한다.
세퍼레이터(13, 14)는 막-전극 접합체(12)의 양측에 밀착된다. 애노드 전극에 밀착되는 세퍼레이터(14)는 애노드 전극을 향한 일면에 연료 통로를 형성하여 애노드 전극으로 연료를 공급한다. 캐소드 전극에 밀착되는 세퍼레이터(13)는 캐소드 전극을 향한 일면에 산화제 통로를 형성하여 캐소드 전극으로 산화제를 공급한다.
애노드 전극에서는 연료의 산화 반응에 의해 연료 중의 수소가 전자와 수소 이온으로 분해된다. 수소 이온은 전해질막을 통과해 캐소드 전극으로 이동한다. 그리고 전자는 세퍼레이터(13, 14)를 통해 이웃한 막-전극 접합체의 캐소드 전극으로 이동하며, 이때 전자의 흐름으로 전류가 발생한다. 캐소드 전극에서는 제공받은 수소 이온과 산소의 환원 반응에 의해 수분이 발생한다.
연료전지 스택(10)의 최외곽에는 복수의 전기 생성부(11)를 일체로 고정시키는 한 쌍의 엔드 플레이트(15, 16)가 배치된다. 일측 엔드 플레이트(15)에는 산화제를 제공받기 위한 제1 주입부(151)와, 연료를 제공받기 위한 제2 주입부(152)가 형성된다. 타측 엔드 플레이트(16)에는 수분을 함유한 미반응 공기를 배출하기 위한 제1 배출부(161)와, 미반응 연료 및 이산화탄소와 같은 기타 물질을 배출하기 위한 제2 배출부(162)가 형성된다.
도 1을 참고하면, 산화제 공급부(20)는 연료전지 스택(10)의 제1 주입부(151)와 연결되어 제1 주입부(151)로 산화제를 공급한다. 산화제 공급부(20)는 소정의 펌핑력에 의해 외부 공기를 연료전지 스택으로 공급하는 산화제 펌프(21)를 포함한다. 연료전지 스택(10)과 산화제 펌프(21) 사이에는 산화제의 공급량을 조절하는 제어 밸브(22)가 설치될 수 있다.
연료 공급부(30)는 연료전지 스택(10)의 제2 주입부(152)와 연결되어 제2 주입부(152)로 연료를 공급한다. 연료 공급부(30)는 고농도 연료(예를 들어 100% 메탄올)를 저장하는 연료 카트리지(31)와, 고농도 연료와 물을 제공받아 이를 혼합하여 희석된 저농도 연료를 연료전지 스택(10)으로 공급하는 혼합기(32)를 포함한다. 연료전지 스택(10)으로 투입되는 연료는 대략 0.5M 내지 1.5M의 농도를 가질 수 있다.
연료 공급부(30)는 연료 카트리지(31)와 혼합기(32) 사이에 위치하는 농도 제어부(33)와 순환 펌프(34)를 포함한다. 농도 제어부(33)는 혼합기(32)로 공급되는 고농도 연료의 양과 물의 양을 제어하여 혼합기(32)로 투입되는 연료의 농도를 조절한다. 순환 펌프(34)는 소정의 펌핑력에 의해 농도 제어부(33)에서 배출되는 고농도 연료와 물을 혼합기(32)로 공급한다. 혼합기(32)와 연료전지 스택(10) 사이에는 연료의 농도를 감지하는 농도 센서(35)가 설치된다.
농도 제어부(33)는 회수부(40)와 연결되어 연료전지 스택(10)에서 배출되는 물을 재사용할 수 있다. 회수부(40)는 기액 분리기(41)를 포함한다. 기액 분리기(41)는 연료전지 스택(10)의 제1 배출부(161) 및 제2 배출부(162)와 연결되어 제1 배출부(161)로부터 수분을 함유한 미반응 산화제를 제공받고, 제2 배출부(162)로부터 이산화탄소를 함유한 미반응 연료를 제공받는다. 기액 분리기(41)는 제공받은 기액 혼합물을 기체와 액체로 분리시킨다.
기액 분리기(41)로는 원심 분리형, 멤브레인형 등 다양한 방식의 기액 분리기가 사용될 수 있다. 원심 분리형 기액 분리기는 내부에 원심력을 발생시켜 기액 혼합물을 기체와 액체로 분리시킨다. 원심 분리형의 경우 기액 분리기(41)가 어떤 방향으로 놓이더라도 균일한 기액 분리 성능을 구현할 수 있다. 멤브레인형 기액 분리기는 기체만을 통과시키는 멤브레인을 구비하여 기액 혼합물을 기체와 액체로 분리시킨다.
기액 분리기(41)에서 분리된 기체(공기와 이산화탄소)는 외부로 배출되고, 분리된 액체(물과 미반응 연료)는 농도 제어부(33)로 공급된다. 기액 분리기(41)에서 농도 제어부(33)로 공급되는 물은 대략 4% 내지 5% 정도의 미반응 연료를 포함할 수 있다. 필요에 따라 기액 분리기(41)와 농도 제어부(33) 사이에 열 교환기(도시하지 않음)가 설치될 수 있다. 열 교환기는 농도 제어부(33)로 공급되는 물의 온도를 낮추는 기능을 한다.
농도 제어부(33)는 두 개의 유입 포트(331, 332)와 하나의 배출 포트(333)를 구비한다. 두 개의 유입 포트(331, 332) 중 하나는 연료 카트리지(31)와 연결되어 고농도 연료를 제공받는 연료 유입 포트(331)이고, 다른 하나는 기액 분리기(41)와 연결되어 미반응 연료가 포함된 물을 제공받는 물 유입 포트(332)이다. 배출 포트(333)는 순환 펌프(34)를 거쳐 혼합기(32)의 유입 포트(321)와 연결된다.
농도 제어부(33)는 연료 유입 포트(331)와 물 유입 포트(332)를 선택적으로 개방하여 시간 차를 두고 연료와 물을 배출 포트(333)로 배출한다. 즉 농도 제어부(33)는 물 유입 포트(332)를 닫고 연료 유입 포트(331)를 열어 연료 카트리지(31)의 고농도 연료를 일정 시간 혼합기(32)로 제공한 다음 연료 유입 포트(331)를 닫고 물 유입 포트(332)를 열어 기액 분리기(41)의 물을 일정 시간 혼합기(32)로 제공한다. 이때 농도 제어부(33)는 연료 유입 포트(331)와 물 유입 포트(332)의 개방 시간을 제어함으로써 혼합기(32)로 공급되는 연료의 농도를 조절한다.
농도 제어부(33)는 방향 제어 밸브 및 방향 제어 밸브의 작동을 제어하는 제어기로 구성될 수 있다. 도 3은 도 1에 도시한 연료전지 시스템 중 농도 제어부의 일 실시예를 나타낸 구성도이다.
도 1과 도 3을 참고하면, 농도 제어부(33)는 방향 제어 밸브로서 3방향 밸브(334)를 포함할 수 있다. 제어기(335)는 3방향 밸브(334)와 연결되어 연료 유입 포트(331) 및 물 유입 포트(332)의 개폐와 개방 시간을 제어한다.
3방향 밸브(334)로는 솔레노이드 3방향 밸브, 래치형 솔레노이드 3방향 밸브 등이 사용될 수 있다. 솔레노이드 3방향 밸브는 일시적인 전력을 이용하여 연료 유입 포트(331)와 물 유입 포트(332)의 개폐를 제어하는 방식이고, 래치형 솔레노이드 3방향 밸브는 전력을 공급할 때마다 연료 유입 포트(331)와 물 유입 포트(332)의 개폐 상태가 변경되는 방식이다.
도 1을 참고하면, 농도 제어부(33)의 동작은 물 유입 포트(332)를 닫고 연료 유입 포트(331)를 열어 고농도 연료를 배출하는 제1 단계와, 연료 유입 포트(331)를 닫고 물 유입 포트(332)를 열어 물을 배출하는 제2 단계의 반복으로 이루어진다. 제1 단계에서 연료 유입 포트(331)의 개방 시간은 제2 단계에서 물 유입 포트(332)의 개방 시간보다 짧다. 따라서 연료전지 스택(10)으로 저농도, 예를 들어 0.5M 내지 1.5M의 농도로 희석된 연료를 공급할 수 있다.
연료 카트리지(31)에 100% 메탄올이 저장되고, 기액 분리기(41)에서 대략 4~5% 메탄올이 함유된 물이 배출되는 경우, 제1 단계에서 연료 유입 포트(331)의 개방 시간은 대략 0.3초 내지 0.5초 정도이고, 제2 단계에서 물 유입 포트(332)의 개방 시간은 대략 20초 정도가 될 수 있다. 연료 유입 포트(331)와 물 유입 포트(332)의 개방 시간은 연료전지 스택(10)으로 투입되는 연료의 설정 농도, 기액 분리기(41)에서 회수되는 미반응 연료의 양 등을 고려하여 적절하게 조정된다.
혼합기(32)는 농도 제어부(33)로부터 시간 차를 두고 공급받은 고농도 연료와 물을 내부에 일정 시간 체류시켜 이들을 상호 혼합하며, 희석된 저농도 연료를 연료전지 스택(10)으로 공급한다.
농도 제어부(33)는 농도 센서(35)와 전기적으로 연결되고, 농도 센서(35)에서 감지한 연료의 농도 정보를 이용하여 혼합기(32)로 투입되는 연료의 농도를 조절할 수 있다. 즉, 농도 센서(35)가 미리 설정된 연료의 농도 범위를 벗어나는 농도를 감지한 경우 제어기(335)(도 3 참조)는 연료 유입 포트(331)와 물 유입 포트(332) 중 어느 하나의 개방 시간을 제어하여 연료의 농도를 조절할 수 있다.
이때 연료 유입 포트(331)의 개방 시간은 대략 0.3 정도로 짧기 때문에 제어의 용이성을 고려하여 연료 유입 포트(331)의 개방 시간은 그대로 유지하고, 물 유입 포트(332)의 개방 시간을 조절할 수 있다.
농도 센서(35)가 미리 설정된 농도 범위를 초과하는 농도를 감지한 경우, 제어기(335)는 물 유입 포트(332)의 개방 시간을 점차 늘려 연료전지 스택(10)으로 투입되는 연료의 농도를 낮춘다. 반대로 농도 센서(35)가 미리 설정된 농도 범위보다 낮은 농도를 감지한 경우, 제어기(335)는 물 유입 포트(332)의 개방 시간을 점차 단축시켜 연료전지 스택(10)으로 투입되는 연료의 농도를 높인다.
본 실시예의 연료전지 시스템(100)은 전술한 농도 제어부(33)의 작동에 의해 연료전지 스택(10)으로 미리 설정된 농도 범위를 만족하는 균일한 농도의 연료를 공급할 수 있다.
연료전지 시스템(100)에서 연료 카트리지(31)는 착탈식으로 장착되며, 내부 연료가 모두 소모된 연료 카트리지(31)는 새로운 연료 카트리지로 대체된다. 연료전지 시스템(100)이 장시간 휴지 상태에 놓이면 혼합기(32)는 드라이-아웃(dry-out) 상태가 될 수 있다. 이 경우 혼합기(32)에 탈이온수를 공급해야 하는데, 본 실시예의 연료전지 시스템(100)은 혼합기(32)에 탈이온수 공급을 위한 별도의 유입 포트를 형성하지 않고 연료 카트리지(31)와 탈이온수 카트리지를 교체 사용하는 방식을 적용한다.
도 4는 도 1에 도시한 연료전지 시스템 중 연료 카트리지와 탈이온수 카트리지의 교체 구조를 나타낸 구성도이다.
도 4를 참고하면, 연료전지 시스템(100)은 농도 제어부(33)와 연결된 단일의 노즐 수용부(36)를 포함한다. 노즐 수용부(36)는 농도 제어부(33)의 연료 유입 포트(331)와 연결된 배선(37)의 단부에 형성되며, 연료 카트리지(31)는 노즐 수용부(36)와 착탈 가능하게 결합되는 노즐(38)을 구비한다. 노즐(38)과 노즐 수용부(36)는 결합시 유체 전달이 가능한 통상의 연결 장치로 이루어진다. 이때 유체 전달은 노즐(38)에서 노즐 수용부(36)를 향하는 일방향 전달을 의미한다.
탈이온수 카트리지(51)는 연료 카트리지(31)와 동일 구조의 노즐(52)을 포함한다. 따라서 연료 카트리지(31)가 노즐 수용부(36)에서 분리된 후 탈이온수 카트리지(51)가 노즐 수용부(36)에 결합되어 농도 제어부(33)로 탈이온수를 공급한다. 탈이온수 공급으로 혼합기(32)에 물이 보충되면, 탈이온수 카트리지(51)는 노즐 수용부(36)에서 분리되고, 연료 카트리지(31)가 노즐 수용부(36)에 결합되어 농도 제어부(33)로 연료를 공급한다.
본 실시예의 연료전지 시스템(100)에서 혼합기(32)는 단일의 유입 포트(321)를 구비하여 이 유입 포트(321)를 통해 고농도 연료와 물을 시간 차를 두고 제공받는다. 즉 혼합기(32)는 연료를 제공받는 연료 유입 포트와 물을 제공받는 물 유입 포트를 별개로 구비하지 않고 단일의 유입 포트(321)를 구비한다. 유입 포트(321)가 하나인 것은 혼합기(32)의 입력 측에 단 하나의 순환 펌프(34)가 설치되는 것을 의미하며, 농도 제어부(33)가 이러한 혼합기(32) 구조를 가능하게 한다.
다음으로, 혼합기에 복수의 유입 포트가 형성된 연료전지 시스템을 비교예의 연료전지 시스템으로 가정하고, 비교예의 연료전지 시스템에 대한 실시예 연료전지 시스템의 장점과 실제 연료전지 시스텍 구동시 측정한 연료의 농도 변화에 대해 설명한다.
도 5는 비교예에 따른 연료전지 시스템을 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 5를 참고하면, 비교예의 연료전지 시스템(300)에서 혼합기(61)는 연료를 제공받는 제1 유입 포트(611)와, 물을 제공받는 제2 유입 포트(612)와, 드라이-아웃 조건에서 탈이온수를 제공받는 제3 유입 포트(613)를 포함한다.
이 경우 연료 카트리지(31)와 제1 유입 포트(611) 사이에 연료를 펌핑하는 연료 공급 펌프(62)가 설치되어야 하고, 연료의 자유 흐름을 방지하기 위해 고압에서 작동하는 체크 밸브(63)가 설치되어야 한다. 기액 분리기(41)와 제2 유입 포트(612) 사이에는 물을 펌핑하는 순환 펌프(64)가 설치되어야 하고, 탈이온수 카트리지(51)와 제3 유입 포트(613) 사이에도 고압에서 작동하는 체크 밸브(65)가 설치되어야 한다.
또한, 비교예의 연료전지 시스템(300)은 연료 카트리지(31) 결합을 위한 제1 노즐 수용부(66)와, 탈이온수 카트리지(51) 결합을 위한 제2 노즐 수용부(67)를 포함한다. 도 5에 도시한 비교예의 연료전지 시스템(300)에서 실시예의 연료전지 시스템과 같은 부재에 대해서는 편의상 같은 도면 부호를 사용한다.
도 1과 도 5를 참고하면, 실시예의 연료전지 시스템(100)은 비교예의 연료전지 시스템(300) 대비 연료 공급 펌프(62)와 2개의 체크 밸브(63, 65)를 제거하고, 배관과 노즐 수용부의 개수를 줄인 간소화된 구성으로 이루어진다. 따라서 실시예의 연료전지 시스템(100)은 비교예의 연료전지 시스템(300) 대비 부품 수가 감소되어 전체 부피를 줄이며 무게를 낮출 수 있다.
그리고 비교예의 연료전지 시스템(300)에서는 순환 펌프(64)가 항상 혼합기(61)를 가압하고 있으므로 연료 공급 펌프(62) 가압시 소모 전력이 증가하고, 연료의 농도 제어가 불안정해진다. 특히 다이어프램 방식의 연료 공급 펌프(62)는 연료 주입시 최소한 0.5초 이상을 주입해야 셀프 프라이밍(self priming)이 되며, 초기 유량을 공급할 때에도 높은 분당 회전수(RPM)를 필요로 한다.
반면 본 실시예의 연료전지 시스템(100)은 연료 공급 펌프를 농도 제어부(33)로 대체하였으므로 소모 전력이 작고, 연비를 높이며, 연료의 농도를 안정적으로 제어할 수 있다. 또한 농도 제어부(33)는 0.05초 내지 0.2초 정도에서 연료 유입 포트(331)의 개방 시간을 최적화할 수 있으므로 비교예 대비 혼합기(32)의 용량 축소가 가능해진다.
따라서 본 실시예의 연료전지 시스템(100)은 무게당 에너지 밀도를 높일 수 있고, 비교예의 연료 공급 펌프(62)가 안고 있던 셀프 프라이밍 문제가 자동으로 해소되어 별도의 셀프 프라이밍 로직 구성 없이도 장시간 드라이-아웃되었을 때 초기 구동을 쉽게 할 수 있다.
도 6은 도 1에 도시한 제1 실시예의 연료전지 시스템 작동시 연료의 농도 변화를 나타낸 그래프이다. 도 6을 참고하면, 농도의 단기 편차는 0.1M 이내이며, 초기 이상 농도에서 목표 농도로 수렴해가는 시간은 대략 6분이 되는 것을 확인할 수 있다.
도 7은 도 5에 도시한 비교예의 연료전지 시스템 작동시 연료의 농도 변화를 나타낸 그래프이다. 도 7을 참고하면, 농도의 단기 편차는 0.1M 이내이며, 초기 이상 농도에서 목표 농도로 수렴해가는 시간은 대략 12분이 되는 것을 확인할 수 있다.
이와 같이 실시예의 경우가 비교예 대비 목표 농도로 수렴하는 시간이 절반 정도로 단축되어 시스템 가동 시작 후 연료의 농도가 보다 빠른 속도로 안정화되고 있음을 알 수 있다. 실시예의 연료전지 시스템(100)에서는 농도 제어부(33)의 연료 유입 포트(331)와 물 유입 포트(332)의 개폐 변환 시간이 짧기 때문에 혼합기(32) 용량이 비교예 대비 절반으로 축소되더라도 연료의 농도 변동(fluctuation)과 발산 위험을 방지할 수 있다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 시스템을 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 8을 참고하면, 제2 실시예의 연료전지 시스템(200)은 탈이온수 카트리지(51)가 추가됨과 아울러 혼합기(320)가 탈이온수 카트리지(51)로부터 탈이온수를 공급받기 위한 추가 유입 포트(322)(제2 유입 포트)를 형성한 것을 제외하고 전술한 제1 실시예의 연료전지 시스템과 동일한 구성으로 이루어진다. 제1 실시예와 같은 부재에 대해서는 같은 도면 부호를 사용한다.
혼합기(320)는 농도 제어부(33)와 연결되어 고농도 연료와 물을 교대로 제공받는 제1 유입 포트(321)와, 탈이온수 카트리지(51)와 연결되어 드라이-아웃 조건에서 탈이온수를 공급받는 제2 유입 포트(322)를 포함한다. 탈이온수 카트리지(51)는 연료전지 시스템(200)에 착탈식으로 장착되며, 제2 유입 포트(322)와 연결된 배관(53)에는 탈이온수의 자유 흐름을 방지하는 체크 밸브(54)가 설치될 수 있다.
상기에서는 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.
100, 200: 연료전지 시스템 10: 연료전지 스택
11: 전기 생성부 12: 막-전극 접합체
13, 14: 세퍼레이터 15, 16: 엔드 플레이트
20: 산화제 공급부 21: 산화제 펌프
22: 제어 밸브 30: 연료 공급부
31: 연료 카트리지 32: 혼합기
33: 농도 제어부 331: 연료 유입 포트
332: 물 유입 포트 333: 배출 포트
34: 순환 펌프 35: 농도 센서
40: 회수부 41: 기액 분리기
51: 탈이온수 카트리지

Claims (14)

  1. 연료와 산화제의 반응에 의해 전기 에너지를 생성하는 연료전지 스택;
    상기 연료전지 스택으로 연료를 공급하는 연료 공급부; 및
    상기 연료전지 스택으로 산화제를 공급하는 산화제 공급부
    를 포함하고,
    상기 연료 공급부는,
    단일의 유입 포트를 구비하여 상기 유입 포트를 통해 연료와 물을 교대로 제공받고, 제공받은 연료와 물을 혼합하여 희석된 연료를 상기 연료전지 스택으로 공급하는 혼합기
    를 포함하는 연료전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연료 공급부는,
    상기 혼합기의 유입 포트와 연결되어 상기 혼합기로 공급되는 연료의 양과 물의 양을 제어하는 농도 제어부
    를 포함하는 연료전지 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 연료 공급부는,
    상기 농도 제어부와 상기 혼합기 사이에 위치하여 상기 농도 제어부에서 배출되는 연료와 물을 상기 혼합기로 공급하는 순환 펌프
    를 포함하는 연료전지 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 농도 제어부는 연료를 제공받는 연료 유입 포트와 물을 제공받는 물 유입 포트 및 상기 혼합기의 유입 포트와 연결된 배출 포트를 구비하며, 상기 연료 유입 포트와 상기 물 유입 포트를 교대로 개방하는 연료전지 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 농도 제어부는 상기 연료 유입 포트의 개방 시간과 상기 물 유입 포트의 개방 시간을 제어하여 연료의 농도를 조절하는 연료전지 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 연료 유입 포트의 개방 시간은 상기 물 유입 포트의 개방 시간보다 짧은 연료전지 시스템.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 혼합기와 상기 연료전지 스택 사이에 농도 센서가 설치되어 상기 연료전지 스택으로 공급되는 연료의 농도를 감지하는 연료전지 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 농도 제어부는 상기 농도 센서와 전기적으로 연결되고, 상기 농도 센서에서 감지한 농도 정보에 따라 상기 연료 유입 포트의 개방 시간과 상기 물 유입 포트의 개방 시간 중 어느 하나를 조절하는 연료전지 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 농도 제어부는 상기 농도 센서에서 감지한 농도 정보가 설정 범위를 초과할 때 상기 물 유입 포트의 개방 시간을 늘리고, 상기 농도 센서에서 감지한 농도 정보가 설정 범위 미만일 때 상기 물 유입 포트의 개방 시간을 단축시키는 연료전지 시스템.
  10. 제4항에 있어서,
    상기 연료전지 스택에서 배출되는 기액 혼합물 중 물과 미반응 연료를 회수하는 기액 분리기를 포함하고,
    상기 물 유입 포트는 상기 기액 분리기와 연결되어 상기 기액 분리기로부터 물과 미반응 연료를 제공받는 연료전지 시스템.
  11. 제4항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료 유입 포트는 배관을 통해 연료 카트리지와 연결되고,
    상기 연료 카트리지는 상기 배관에 착탈식으로 결합하는 연료전지 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 배관의 단부에 노즐 수용부가 형성되고, 상기 연료 카트리지는 상기 노즐 수용부에 결합되어 연료를 주입하는 노즐을 포함하는 연료전지 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 연료 카트리지의 노즐과 같은 구조의 노즐을 구비한 탈이온수 카트리지를 포함하며,
    상기 탈이온수 카트리지는 상기 연료 카트리지를 대체하여 상기 노즐 수용부에 결합되는 연료전지 시스템.
  14. 제4항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료 유입 포트는 연료 카트리지와 연결되고,
    상기 혼합기는 탈이온수 카트리지와 연결된 추가 유입 포트를 구비하여 상기 추가 유입 포트를 통해 탈이온수를 공급받는 연료전지 시스템.
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