KR20130036912A - 연료전지 차량 배출수소가스 제거 장치 - Google Patents

연료전지 차량 배출수소가스 제거 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지 가습기 출구 측에 가습기 출구 측에 Pd(팔라듐)이 도금된 메쉬를 삽입하여 가습기 출구에서 나오는 배출가스를 통과하도록 한다. 배출가스에는 수소가스가 포함되어 있는 데, 수소가스는 메쉬를 통과하면서 Pd 입자에 흡착을 하게된다. 메쉬를 통과하면서 수소가스를 촉매반응으로 수소이온으로 만든 후, 다시 캐소드(Cathode)에 공급하는 재순환 시스템은 배출되는 수소가스에 대한 농도 문제를 해결할 뿐만 아니라, 산화된 수소이온은 전극의 활성을 높이는 한편, 산화되지 않은 수소가스는 캐소드(Cathode)에 공급되어 아이들(idle) 상태에서의 전위를 낮춰 줌으로 인해서 셀 열화를 방지하며, 나아가 내구성능 향상에 도움을 줄 수 있다.

Description

연료전지 차량 배출수소가스 제거 장치{Apparatus for the removal of hydrogen gas emitted from fuel cell vehicle}
연료전지 차량의 애노드 전극에서 연료로 사용되는 수소가스 중 일부는 산화하지 못하고 가스상태로 캐소드 전극으로 이동하고(이를, 수소 크로스오버라고 함), 캐소드 전극으로 이동된 수소가스는 가습기를 통해 대기로 배출된다. 본 발명은 수소 크로스오버의 대기 배출을 방지하기 위한 기술에 관한 것이다.
연료전지에 사용되는 MEA(Membrane electrode Assembly)는 다공성 구조로 이루어진 멤브레인 고분자 물질을 사용한다. 따라서 애노드(Anode) 전극에 연료로 사용되는 수소가스 중 일부는 산화반응을 하지 못하고 애너드 전극의 출구를 통해 배출되거나, 수소 크로스오버에 의해 가스 상태로 캐소드(Cathode) 전극으로 이동을 한 후, 가습기를 통과해 상기 가습기의 출구 쪽으로 배출되고 있다.
한국공개특허(10-2010-0008496, 2010.1.26) 도1,5
수소 연료전지 차량의 양산화를 위해서는 배출되는 수소가스의 기준을 초과하지 말아야 하는데, 현재는 배출되는 수소가스를 그대로 대기로 배출시키면서 그 농도를 측정하여 모니터링 할 뿐, 배출되는 수소가스의 처리는 이루어지지 않는 실정이다.
본 발명은 애노드(Anode) 전극에 연료로 사용되는 수소가스 중 일부는 산화하지 못하고 가스 상태로 캐소드(Cathode) 전극으로 이동하고, 캐소드(Cathode) 전극으로 이동된 수소가스는 가습기를 통과해 가습기 출구쪽으로 배출되는데, 연료전지 가습기 출구 측에 Pd(팔라듐)이 도포된 메쉬를 삽입하여 가습기 출구에서 나오는 수소가스를 메쉬로 통과시키면서 Pd(팔라듐) 입자에 흡착되도록 하고, 촉매반응에 의해 수소분자를 수소이온으로 산화시킨 후 다시 캐소드(Cathode) 전극의 입구로 공급되어 산소와 반응하기 위한 수소이온의 일부로 사용되도록 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 연료전지 가습기 출구 측에 Pd(팔라듐)이 도금된 메쉬를 삽입하여 가습기 출구에서 나오는 배출가스를 통과하도록 한다. 배출가스에는 수소가스가 포함되어 있는 데, 수소가스는 메쉬를 통과하면서 Pd 입자에 흡착된다. 흡착된 수소분자에 약간의 전기에너지를 인가하면 수소분자는 수소이온으로 산화되는데, 수소 전극 기준으로 0V 이상이면 수소분자는 수소이온으로 산화하게 되므로 약 0.2~0.4V의 전위를 가하면 수소이온이 산화되기 위한 충분한 전위가 형성된다. 이러한 전위 형성을 위해서 메쉬에는 전압을 인가할 수 있는 프로브(probe)가 있고, 차량에서 사용되는 12V 배터리를 이용해 전압을 인가하면
Figure pat00001
의 반응에 의해 수소분자는 수소이온이 되며, 이렇게 형성된 수소이온은 다시 캐소드(Cathode) 전극의 입구로 공급되어 산소와 반응하기 위한 수소이온으로 사용된다. 배출되는 수소가스를 촉매반응으로 수소이온으로 변환시킨 후, 다시 캐소드(Cathode)에 공급하는 재순환 시스템은, 배출되는 수소가스에 대한 농도 문제를 해결할 뿐만 아니라, 산화된 수소이온은 전극의 활성을 높이고, 산화되지 않은 수소가스는 캐소드(Cathode)로 공급하여 아이들(idle) 상태에서의 전위를 낮춰 셀 열화를 방지하며, 나아가 내구성능 향상에 기여한다.
이상에서와 같이, 본 발명은 연료전지 차량에서 반응하지 않고 배출되는 수소가스를 재순환시킴으로서 대기로 배출되는 수소가스의 농도를 감소시키거나, 대기로 수소가스를 배출시키지 않을 수 있다. 또한, 재순환된 수소가스로부터 촉매반응에 의해 변환된 수소이온은 캐소드(Cathode) 전극의 활성을 증가시켜 전체적인 연료전지 성능향상을 도모할 수 있으며, 재순환된 수소가스 중 수소이온이 되지 않은 수소가스도 캐소드(Cathode)에 공급됨으로서 연료전지 아이들(idle) 상태에서 전위를 낮추어 연료전지의 내구성을 향상시키는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 수소가스 산화장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 Pd 메쉬의 모식도이다.
도 3은 인가전압에 따른 수소가스의 산화영역을 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면에 의거 본 발명을 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 수소가스 산화장치이며, 연료전지 스택(10)은 전해질을 중심으로 수소연료가 유입되는 애노드 전극과 공기와 수증기가 유입되는 캐소드 전극이 스택의 양단에 위치한다. 연료인 수소가스는 애노드 전극입구(12)를 통해 스택으로 유입되며, 수소산화반응을 일으키지 않은 미반응수소는 다시 애노드 전극출구(14)를 통해 배출되거나, 리싸이클 불로어(16)을 통해 재순환하여 애노드 전극입구로 유입된다. 캐소드 전극입구(24)를 통해 유입되는 건공기는 가습기(20)를 통과해 습공기로 바뀌어 캐소드 전극으로 유입되는데, 이는 연료전지 스택에서의 반응에서 공기의 습도가 매우 중요하기 때문이며, 해당 습도의 유지를 위해 캐소드 전극입구에서 가습기(20)에 의해 수분을 공급받는다.
애노드(Anode) 전극에서 연료로 사용된 수소가스 중 산화하지 못하고 가스 상태로 캐소드(Cathode) 전극으로 이동하게 되는 현상에 대해, 본 발명은 캐소드(Cathode) 전극으로 이동된 상기 수소가스를 캐소드 전극출구(18)와 가습기를 통과시킨 후에 가습기 출구 쪽으로 배출시키지 않고, 연료전지 가습기 출구 측에 Pd(팔라듐)이 도포된 메쉬(22)를 통과시키면서, 수소가스 중 일부를 수소이온화 시키는 장치 및 방법에 관한 것으로서, 애노드 전극에서 연료로 사용된 수소가스 중 미반응 수소가스 전체를 수소이온화시키는 것도 포함된다. 상기 메쉬에는 Pd(팔라듐) 입자가 도금되어 있으며, 메쉬에 삽입된 프로브에 소정의 전압을 인가하면,
Figure pat00002
의 산화반응에 의해 흡착된 수소가스가 그 중 일부 혹은 전체가 수소이온으로 변환된다. 이렇게 변환된 수소이온은 다시 캐소드(Cathode) 전극입구로 공급시켜 산소와 반응하기 위한 수소이온의 일부로 사용되도록 한다. 이로인해 재순환된 수소가스가 촉매반응을 통해 형성된 수소이온은 캐소드(Cathode) 전극의 활성을 증가시켜 전체적인 연료전지 성능향상을 도모할 수 있다. 또한, 재순환된 수소가스 중 수소이온화되지 않은 수소가스는 캐소드(Cathode)에 공급되어 연료전지 아이들(idle) 상태에서 전위를 낮추어 연료전지의 내구성을 향상시키는 효과가 있다.
도 2는 Pd(팔라듐)이 도포된 메쉬(22)의 모식도로서, 촉매활성화에 필요한 전위 형성을 위해 차량에서 사용되는 12V 배터리(26)를 이용해 전압을 인가하면, Pd 입자에 흡착된 수소분자는 수소이온으로 산화하게 된다. 수소 전극 기준으로 0V 이상이면 수소분자는 수소이온으로 산화하게 되므로 약 0.2~0.4V의 전위를 가하면 수소이온에 충분한 전위가 형성된다. 이러한 전위 형성을 위해 차량에서 사용되는 12V 배터리를 이용해 전압을 인가하며, 따라서 메쉬에는 전압을 인가할 수 있는 프로브(probe)가 형성되어야 한다.
도 3은 전위에 따라 수소분자가 수소이온으로 산화되는 정도를 나타내는 그래프로서, 약 0.2~0.4V의 전위에서 수소산화영역이 형성됨을 보여준다.
10 : 스택
12 : 애노드 전극입구
14 : 애노드 전극출구
16 : 리싸이클 블로어
18 : 캐소드 전극출구
20 : 가습기
22 : 메쉬
24 : 캐소드 전극입구
26 : 배터리

Claims (5)

  1. 스택과;
    상기 스택의 캐소드 전극출구로부터 배출되는 미반응 수소가스를 가습하기위해 상기 캐소드 전극출구의 후단에 위치한 가습기와;
    상기 가습기를 통과한 수소가스를 산화시키기 위해 상기 가습기의 후단에 위치하되 그 출구는 건공기가 유입되는 캐소드 전극입구와 연결되는 메쉬로 이루어져,
    상기 미반응 수소가스가 상기 메쉬를 통과하면서 촉매반응에 의해 상기 미반응 수소가스 중 일부가 수소이온으로 변환되고, 상기 캐소드 전극 입구에서 건공기와 혼합된 채, 상기 가습기를 다시 통과하여 상기 스택으로 재순환되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 배출수소가스 제거장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 메쉬는 촉매가 도금된 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 배출수소가스 제거장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 촉매는 수소가스 흡착을 하는 Pd인 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 배출수소가스 제거장치.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 촉매반응은 수소산화반응으로, 이를 위해 메쉬에 프로브 전극이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 배출수소가스 제거장치.
  5. 제4항에 있어서, 프로브 전극에는 배터리 전압을 이용해 0.2 내지 0.4V의 전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 배출수소가스 제거장치.
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KR102095530B1 (ko) * 2019-06-19 2020-03-31 주식회사 엔알티 폭발을 방지하기 위한 촉매형 수소 제거장치
KR102095573B1 (ko) * 2019-06-27 2020-05-18 주식회사 엔알티 촉매형 수소 제거장치를 이용한 폭발방지 시스템

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