KR20130074283A - 직접 탄소 연료전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지 내에서 발생하는 전기화학반응의 효율을 향상시킬 수 있는 직접 탄소 연료전지에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, 직접 탄소 연료전지(DCFC)에 고체 연료를 기체와 함께 혼합하여 공급할 시, 상기 연료는 기체의 흐름에 따라 이동하므로, 이에 따라 연료전지 내에서 가장 효율적인 전기화학반응을 유도할 수 있도록 연료전지 스택을 설계할 수 있다. 이러할 경우, 공급된 연료는 연료극(anode)에서 산소이온과 반응하여 이산화탄소 및 전기를 생산하는 과정을 원활하게 할 수 있다.

Description

직접 탄소 연료전지 {DIRECT CARBON FUEL CELL}

본 발명은 연료전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료의 공급을 원활히 하여, 연료전지 내에서 발생하는 전기화학반응의 효율을 향상시킬 수 있는 직접 탄소 연료전지에 관한 것이다.

연료전지는 연료의 화학에너지가 전기에너지로 직접 변환되어 직류 전류를 생산하는 능력을 갖는 전지(Cell)로 정의되며, 산화물 전해질을 통해 산화제(예를 들어, 산소)와 기상 연료(예를 들어, 수소)를 전기화학적으로 반응시킴으로써, 직류 전기를 생산하는 에너지 전환 장치로써, 종래의 전지와는 다르게 외부에서 연료와 공기를 공급하여 연속적으로 전기를 생산하는 특징을 갖는다.

연료전지의 종류로는 고온에서 작동하는 용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC), 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC) 및 비교적 낮은 온도에서 작동하는 인산형 연료전지(Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC), 알칼리형 연료전지(Alkaline Fuel Cell, AFC), 고분자전해질 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC), 직접 탄소 연료전지(Direct Carbon Fuel Cells, DCFC) 등이 있다.

이중, 직접 탄소 연료전지(DCFC)는 고체 탄소를 연료로 직접 사용하여 탄소 연료가 갖는 화학에너지를 전기화학반응을 이용하여 직접 전기로 변환시키는 발전장치이다.

이러한, 직접 탄소 연료전지에 연료를 공급하는 방법은 크게 고상 탄소를 (1) 가스화 과정을 거쳐 가스상태로 공급하거나, (2) 액체와 섞어서 공급하거나, (3) 액체 전해질에 직접 분말 형태로 공급하는 방법이 있다.

본 발명의 일 측면은, 직접 탄소 연료전지(DCFC)를 운전할 때, 연료의 공급을 원활히 함으로써 연료전지 스택 내에서 산소이온과 반응하여 이산화탄소와 전기를 생산하는 과정을 효율적으로 수행할 수 있는 직접 탄소 연료전지(DCFC)를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명은 연료 및 산소를 공급받아 전기화학반응에 의해 전기를 생산하는 단위 셀(cell)이 경사를 갖도록 적층되고, 상기 단위 셀(cell)의 연료극(anode)에 연료를 공급하는 유로 및 공기극(cathode)에 공기를 공급하는 유로가 형성되어 있는 분리판이 구비된 연료전지 스택, 상기 연료전지 스택의 단위 셀(cell)의 연료극(anode)에 연료를 공급하는 연료 공급부; 및 상기 연료 공급부를 통해 유입된 연료가 이동하는 유입통로 및 상기 연료전지 스택을 통과하여 배출된 연료가 이동하는 배출통로가 구비되고, 상기 연료전지 스택 및 연료 공급부를 수용하는 외부 매니폴드를 포함하는 직접 탄소 연료전지(DCFC)를 제공한다.

본 발명에 의하면, 직접 탄소 연료전지(DCFC)에 고체 연료를 기체와 함께 혼합하여 공급할 시, 상기 연료는 기체의 흐름에 따라 이동하므로, 이에 따라 연료전지 내에서 가장 효율적인 전기화학반응을 유도할 수 있도록 연료전지 스택을 설계할 수 있다. 이러할 경우, 공급된 연료는 연료극(anode)에서 산소이온과 반응하여 이산화탄소 및 전기를 생산하는 과정을 원활하게 할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 직접 탄소 연료전지(DCFC)의 구성도를 나타낸 것이다.
도 2는 종래 DCFC와 본 발명의 DCFC에서의 연료의 흐름을 모사하여 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 직접 탄소 연료전지(DCFC)의 작동원리를 나타낸 것이다.

본 발명자들은 직접 탄소 연료전지(DCFC)의 운전시 연료전지 스택 내로 연료 공급의 효율을 향상시키고, 이를 통해 연료전지 효율을 높일 수 있는 방안을 깊이 연구한 결과, 연료의 공급시 가스화 과정을 거쳐 공급하고, 상기 가스 상태의 연료가 전기화학반응을 원활히 수행할 수 있도록 연료전지 스택이 경사진 구조를 형성시킬 수 있음을 인지하고 본 발명에 이르게 되었다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시예에 제한되지 아니하고, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 다른 구성요소를 추가, 변경, 삭제 등을 통하여, 퇴보적인 다른 발명이나 본 발명 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상 범위 내에 포함된다고 할 것이다.

이하, 본 발명을 도면을 참조하여 자세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 직접 탄소 연료전지(DCFC)의 구성도를 나타낸 것이다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 직접 탄소 연료전지(DCFC; 100)는 연료 및 산소를 공급받아 전기화학반응에 의해 전기를 생산하는 단위 셀(cell)(110)이 경사를 갖도록 적층되고, 상기 단위 셀(cell)의 연료극(anode)에 연료를 공급하는 유로 및 공기극(cathode)에 공기를 공급하는 유로가 형성되어 있는 분리판이 구비된 연료전지 스택(120), 상기 연료전지 스택의 단위 셀(cell)의 연료극(anode)에 연료를 공급하는 연료 공급부(130); 및 상기 연료 공급부를 통해 유입된 연료가 이동하는 유입통로 및 상기 연료전지 스택을 통과하여 배출된 연료가 이동하는 배출통로가 구비되고, 상기 연료전지 스택 및 연료 공급부를 수용하는 외부 매니폴드(140)를 포함한다.

상기 직접 탄소 연료전지(DCFC)로서, DCFC는 연로로서 고체 연료를 사용하며, 고온의 운전조건에서 원활한 연료 공급을 위해 상기 고체 연료를 가스화 과정을 거치도록 함으로써 기체와 혼합된 분말 형태로 공급한다. 이를 통해, 분말 상태의 고체 연료가 공급관에 막히거나 스택 내부의 셀과 셀 사이의 좁은 영역에 막히지 않고, 원활한 공급이 가능해 진다. 또한, 연료극의 산화 방지를 위해 이산화탄소 또는 질소 등의 기체를 운반재로서 사용한다. 이와 같이, 고체 연료를 기체와 함께 공급함으로써, 기체의 흐름에 따라 고체 연료가 공급될 수 있다.

이때, 연료 공급부로부터 연료의 이송은 연료가 저장되어 있는 연료 탱크(tank)로부터 펌프에 의한 압력작용에 의해 공급관을 통해 이송될 수 있다.

본 발명에 따른 직접 탄소 연료전지(DCFC)에 있어서, 단위 셀(cell)들은 적층시 경사지게 적층된다. 이는, 공급되는 연료를 단위 셀(cell)의 연료극(anode)에서 산소이온과 효율적으로 반응시키기 위함이다.

연료의 흐름을 모사한 도면을 도 2에 나타내었다. 도 2에 나타낸 바와 같이, (A)는 일반적으로 단위 셀(cell)이 적층되는 구조이며, 여기에 본 발명에서 사용하는 기체(예컨대, 이산화탄소 또는 질소) 혼합 연료를 공급할 경우, 기체의 흐름에 따라 고체 연료가 공급되므로 연료극의 표면에 맞닿지 않는 연료가 생길 수 있다. 그러나, (B)와 같이 단위 셀(cell)을 경사지도록 구성할 경우, 측면에서 고체 연료의 공급이 가능하며, 연료가 연료극에 맞닿는 표면적이 증가하므로 (A)에 비해 연료극에서 산소이온과의 반응률이 더 높을 것이다.

또한, 단위 셀(cell)이 (B)와 같이 적층될 경우, 연료의 흐름 방향에 따라 후방부가 전방부보다 높은 양(+)의 경사각을 갖도록 하여 적층되는 것이 바람직하다. 이때, 상기 양(+)의 경사각은 분말 상태의 고체 연료와 운반재(carrier) 가스의 혼합비와 작동온도 등의 조건에 따라 결정될 수 있으며, 평판형 스택의 적층 과정에서 안정성 및 적층 편이성 등도 함께 고려하여 1 내지 30°(도) 범위에서 최적화되어 설계할 수 있다.

이에 더하여, 본 발명에 따른 직접 탄소 연료전지(DCFC)를 구성하는 외부 매니폴드는 단위전지 내에서 전기화학반응에 의해 발생된 이산화탄소를 회수하는 이산화탄소 회수부(160)를 더 포함한다.

이하, 본 발명에 따른 직접 탄소 연료전지(DCFC)의 작동원리에 대해 도 3을 참조하여 상세히 설명한다.

도 3에 나타낸 바와 같이, 직접 탄소 연료전지(DCFC)는 분리판(240)에 형성된 유로(channel; 241)를 통해 단위전지의 측면에서 공기극(cathode; 230)으로 유입된 산소를 환원시켜 산소 이온(2O^-2)을 생성하고, 생성된 산소 이온은 전해질(220)을 통해 연료극(anode; 210)으로 이동한다. 이후, 연료극으로 이동된 산소 이온은 연료 공급부로부터 연료극으로 공급된 연료(탄소)와 반응하여 이산화탄소를 생성하고, 생성된 이산화탄소는 다시 산소 이온과 반응하여 카보네이트(carbonate) 이온을 생성한다. 생성된 카보네이트 이온은 탄소를 산화시켜 이산화탄소(CO₂)와 전자(4e-)를 생성한다.

상기 탄소와 산소 이온의 전기화학반응에 의해 단위 셀(cell)에서 발생된 이산화탄소는 연료와 함께 공급된 기체에 의해 연료전지 스택의 상부로 이동하게 되며, 상부로 이동된 이산화탄소는 이산화탄소 회수부에서 채집한다.

또한, 전기화학반응에 참여하여 소비된 연료 및 참여하지 못한 연료도 함께 공급된 기체에 의해 연료전지 스택의 상부로 이동되며, 상부로 이동된 연료들은 외부 매니폴드에 구비된 통로를 이동하여 펌프 작용에 의해 다시 연료전지 스택 내로 공급될 수 있다.

이와 같이, 연료의 재순환 및 재활용을 통해 지속적으로 연료전지 내에 연료를 공급할 수 있으므로 장시간 동안 직접 탄소 연료전지(DCFC)의 운전이 가능하다.

100.....직접 탄소 연료전지
110, 200.....단위 셀(cell)
120.....연료전지 스택
130.....연료 공급부
140.....외부 매니폴드
150.....이산화탄소 회수부
210.....연료극
220.....전해질
230.....공기극
240.....분리판
241.....유로

Claims (6)

1. 연료 및 산소를 공급받아 전기화학반응에 의해 전기를 생산하는 단위 셀(cell)이 경사를 갖도록 적층되고, 상기 단위 셀(cell)의 연료극(anode)에 연료를 공급하는 유로 및 공기극(cathode)에 공기를 공급하는 유로가 형성되어 있는 분리판이 구비된 연료전지 스택,
   상기 연료전지 스택의 단위 셀(cell)의 연료극(anode)에 연료를 공급하는 연료 공급부; 및
   상기 연료 공급부를 통해 유입된 연료가 이동하는 유입통로 및 상기 연료전지 스택을 통과하여 배출된 연료가 이동하는 배출통로가 구비되고, 상기 연료전지 스택 및 연료 공급부를 수용하는 외부 매니폴드
   를 포함하는 직접 탄소 연료전지(DCFC).
   
2. 제 1항에 있어서, 상기 단위 셀(cell)은 후방부가 전방부보다 높은 양(+)의 경사각을 갖는 것을 특징으로 하는 직접 탄소 연료전지(DCFC).
   
3. 제 2항에 있어서, 상기 양(+)의 경사각은 1 내지 30°(도)인 것을 특징으로 하는 직접 탄소 연료전지(DCFC).
   
4. 제 1항에 있어서, 상기 연료 공급부로부터 연료의 공급은 가스화 과정을 거쳐 가스화 상태로 공급되는 것을 특징으로 하는 직접 탄소 연료전지(DCFC).
   
5. 제 4항에 있어서, 상기 연료는 적층된 단위 셀(cell) 간의 공간으로 이동하고, 이동된 연료는 단위 셀(cell)의 연료극(anode)에 탄소를 공급하는 것을 특징으로 하는 직접 탄소 연료전지(DCFC)
   
6. 제 1항에 있어서, 상기 외부 매니폴드는 상기 전기화학반응에 의해 상기 단위 셀(cell)에서 발생된 이산화탄소를 회수하는 이산화탄소 회수부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 직접 탄소 연료전지(DCFC).

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