KR20140075249A - Fuel Mixing tank with Preventing Device of Fuel Surging for Direct Methanol Fuel Cell System And Direct Methanol Fuel Cell System Comprising The Same - Google Patents

Fuel Mixing tank with Preventing Device of Fuel Surging for Direct Methanol Fuel Cell System And Direct Methanol Fuel Cell System Comprising The Same Download PDF

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KR20140075249A
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이봉도
백동현
정두환
김상경
임성엽
이병록
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한국에너지기술연구원
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Abstract

The present invention relates to a fuel mixing tank for a direct methanol fuel cell system having a fuel flow preventing device installed thereon and a direct methanol fuel cell system including the same. The fuel mixing tank of the present invention receives raw liquid methanol fuel, cathode discharged material, and anode discharged material respectively from a fuel tank, a cathode, and an anode and provides the anode with mixed fuel that is made by mixing the same. The fuel mixing tank comprises a top chamber and a bottom chamber that are separated into a top and a bottom by means of a separation plate. The top chamber comprises: a cathode discharged material inlet through which the cathode discharged material is supplied; and a gas outlet through which gas is discharged to the outside. The bottom chamber comprises: an anode discharged material inlet through which the anode discharged material is supplied; a raw liquid methanol inlet through which the raw liquid methanol fuel is supplied from the fuel tank; and a fuel supply hole through which the mixed fuel is supplied to the anode. The separation plate comprises: a water supply channel that is installed as a pipe for penetrating through the separation plate in order to have the top disposed in the top chamber and the bottom disposed in the bottom chamber; and a gas transferring unit for transferring the gas in the bottom chamber to the top chamber, wherein a flow preventing plate is installed inside the bottom chamber and has a moving hole so that the mixed fuel can be moved up and down.

Description

연료 유동 방지 장치를 설치한 직접 메탄올 연료전지 시스템용 연료혼합 탱크 및 이를 포함하는 직접 메탄올 연료전지 시스템{Fuel Mixing tank with Preventing Device of Fuel Surging for Direct Methanol Fuel Cell System And Direct Methanol Fuel Cell System Comprising The Same}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a fuel tank for a direct methanol fuel cell system equipped with a fuel flow prevention device, and a direct methanol fuel cell system including the methanol fuel cell. }

본 발명은 연료 유동 방지 장치를 설치한 직접 메탄올 연료전지 시스템용 연료혼합 탱크 및 이를 포함하는 직접 메탄올 연료전지 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료 혼합, 농도 제어, 연료극 및 공기극 배출물의 기액 분리 기능을 가진 연료혼합 탱크의 잔류 메탄올과 생성수가 진동이나 이동시에 유동하는 것을 방지하기 위하여 하실 내부에 연료 유동방지 장치인 이동홀이 형성된 유동방지판을 설치한 직접 메탄올 연료전지 시스템용 연료혼합 탱크 및 이를 포함하는 직접 메탄올 연료전지 시스템에 관한 것이다.
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fuel tank for a direct methanol fuel cell system equipped with a fuel flow prevention device and a direct methanol fuel cell system including the fuel tank, A fuel mixing tank for a direct methanol fuel cell system in which a flow preventing plate having a moving hole serving as a fuel flow preventing device is provided in order to prevent residual methanol and generated water in a fuel mixing tank having a fuel tank ≪ / RTI >

연료전지(Fuel cell)는 가스 상태의 수소와 천연가스 또는 액체 상태인 메탄올과 에탄올 등과 같은 탄화수소계 연료 내에 함유되어 있는 화학적 에너지를 전기 에너지로 직접 변환시키는 전기화학식 발전 시스템이다.Fuel cells are electrochemical generation systems that directly convert chemical energy contained in hydrocarbon fuels such as gaseous hydrogen and natural gas or liquid methanol and ethanol into electrical energy.

이러한 연료전지 발전 시스템은 화석 에너지를 사용하는 내연기관 발전기를 대체할 수 있는 청정 발전 시스템으로서, 단위전지를 적층한 스택 모듈로 구성하여 다양한 범위의 출력을 낼 수 있으며, 기존 배터리에 비하여 4~10배의 에너지 밀도를 나타내기 때문에 소형 및 이동용 휴대전원으로 주목받고 있다.Such a fuel cell power generation system is a clean power generation system that can replace an internal combustion engine generator using fossil energy. The fuel cell power generation system is composed of stacked stacked unit cells, and can output a wide range of output. And it is attracting attention as a compact and portable portable power source because it shows the energy density of ship.

저온형 연료전지의 대표적인 예로는 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)와 직접 메탄올 연료전지(DMFC: Direct Methanol Fuel Cell)가 있다.Typical examples of the low temperature type fuel cell include a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) and a direct methanol fuel cell (DMFC).

직접 메탄올 연료전지는 액체인 메탄올을 연료로 직접 사용하므로, 액체 연료의 저장과 운반, 개질기나 가습기가 불필요한 간단한 시스템 제작 그리고 상온 운전 등의 장점으로 인하여 휴대용 및 이동용 연료전지 발전 전원으로 적용이 가능하다. Direct methanol fuel cell uses methanol, which is liquid, directly as fuel, so it can be applied to portable and mobile fuel cell power generation because of advantages such as storage and transportation of liquid fuel, simple system construction without need of reformer or humidifier, and operation at room temperature .

직접 메탄올 연료전지 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이 발전의 핵심 부분인 스택(MEA, 분리판, 가스킷, 엔드판 등으로 구성됨)뿐만 아니라 연료공급부, 공기공급부, 공기극 생성수 순환부 등으로 구성되어 다소 복잡한 시스템이 되어야만 실제 전력을 공급할 수 있는 하나의 모듈이 된다.As shown in FIG. 1, the direct methanol fuel cell system is composed of a stack (MEA, separator, gasket, end plate, etc.) as well as a fuel supply unit, an air supply unit, It becomes a module that can supply actual power only if it is a rather complicated system.

직접 메탄올 연료전지 스택 내부의 전극에서 일어나는 전기화학 반응식은 다음과 같다. 연료극 반응에서는 메탄올과 물이 촉매 산화반응에 의하여 이산화탄소, 수소 양이온(프로톤) 그리고 전자가 생성되고, 공기극 반응에서는 공기 중의 산소가 환원되어 연료극에서 이동하여온 수소이온과 반응하여 물이 생성된다. 전체 반응식은 메탄올과 산소가 반응하여 물과 이산화탄소를 생성하고 외부 회로를 통하여 전자가 이동하여 전기를 얻게 된다. The electrochemical reactions occurring at the electrodes inside the direct methanol fuel cell stack are as follows. In the anode reaction, carbon dioxide, hydrogen cations (protons) and electrons are generated by the catalytic oxidation reaction of methanol and water, and oxygen in the air is reduced by the cathode reaction, and water is generated by reacting with the hydrogen ions migrating from the anode. In the whole reaction, methanol and oxygen react with each other to produce water and carbon dioxide, and electrons move through an external circuit to obtain electricity.

CH3OH + H2O → CO2 + 6H+ + 6e- CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e-

3/2O2 + 6H+ + 6e- → 3H2O 3 / 2O 2 + 6H + + 6e- → 3H 2 O

CH3OH + 3/2O2 → 3H2O + CO2 (E = 1.21V)CH 3 OH + 3 / 2O 2 ? 3H 2 O + CO 2 (E = 1.21 V)

실제 연료전지 전극반응에서는 전해질로 사용하는 양이온 전도막의 메탄올 투과도가 너무 높아서 연료극에 사용하는 연료의 메탄올 농도는 2-5 wt% 정도로 조절하여야 한다. 즉 연료 중의 메탄올 농도가 너무 높으면 공기극으로 투과되는 메탄올의 량이 많아지고 이들 메탄올이 공기극에서 연소하여 많은 량의 열과 메탄올 효율 감소 등이 발생하게 된다. 즉, 2-5 wt%의 연료를 스택에 공급하기 위해서는 연료혼합 탱크, 기액 분리기 그리고 원액 메탄올 탱크 등이 필요하며, 이 중에서 연료혼합 탱크와 기액 분리기가 가장 큰 부피를 차지하며, 부피를 중이기 위하여 이들을 서로 연결하여 일체화하기도 한다. In the actual fuel cell electrode reaction, the methanol permeability of the cation conductive membrane used as the electrolyte is too high, so that the methanol concentration of the fuel used in the fuel electrode should be adjusted to about 2-5 wt%. That is, when the concentration of methanol in the fuel is too high, the amount of methanol permeated to the air electrode becomes large, and these methanol burns in the air electrode, resulting in a large amount of heat and methanol efficiency reduction. In order to supply 2-5 wt% of fuel to the stack, a fuel mixing tank, a gas-liquid separator and a crude methanol tank are required. Of these, the fuel mixture tank and the gas-liquid separator take the largest volume, They may be interconnected and integrated.

직접 메탄올 연료전지 시스템을 최초로 운전하는 경우에는 미리 연료혼합 탱크에 공급하여 둔 물을 이용하여 2-5wt%의 사전에 정해진 농도로 맞추기 위하여 메탄올 원액 탱크에서 순수 메탄올을 연료혼합 탱크로 공급하게 되며, 정해진 농도에 도달하면 연료를 연료공급 펌프로 스택에 공급하게 된다. 이 후 운전한 후에는 연료극의 미반응 물과 공기극에서 생성된 생성수를 이용하여 정해진 농도로 조정하게 된다. 시스템을 최초 시동한 후에는 연료극의 연료 용액은 계속 순환시키고, 부족한 물은 공기극에서 생성되는 생성수를 사용하는 방법을 채택하게 된다. When the direct methanol fuel cell system is operated for the first time, pure methanol is supplied from the methanol tank to the fuel mixing tank in order to adjust the concentration to 2-5 wt% by using the water previously supplied to the fuel mixing tank, When the specified concentration is reached, the fuel is supplied to the stack by the fuel supply pump. After this operation, the concentration is adjusted to a predetermined concentration by using the unreacted material of the fuel electrode and the produced water generated in the air electrode. After starting the system for the first time, the fuel solution of the fuel electrode is continuously circulated, and the deficient water adopts a method of using generated water produced in the air electrode.

스택의 온도에 의한 반응물의 증발과 연료극에서 공기극으로의 물 크로스오버(투과)에 의해서 연료극의 연료용액을 계속 순환시키면 궁극적으로 물 부족 현상이 발생하기 때문에, 공기극으로 넘어간 물과 공기극에서 생성되는 물을 필요한 만큼 연료극으로 공급해 주기 위해서 공기극 쪽에 공기 및 물 응축기와 기액분리기를 추가로 설치할 필요가 있다. When the fuel solution of the fuel electrode is continuously circulated by the evaporation of the reactant due to the temperature of the stack and the water crossover (permeation) from the fuel electrode to the air electrode, water shortage occurs ultimately. Therefore, It is necessary to additionally provide an air and water condenser and a gas-liquid separator on the air electrode side in order to supply the air to the anode as much as necessary.

연료공급 시스템에서는 생성수의 순환, 농도/수위 제어, 물관리 제어의 합리적 설계와 운영 기술이 직접 메탄올 연료전지 시스템의 장기 운전과 내구성 확보에 가장 중요한 부분 중의 하나이다.In the fuel supply system, the circulation of generated water, the rational design of concentration / water level control, the water management control and the operation technique are one of the most important parts for the long-term operation and durability of the direct methanol fuel cell system.

직접메탄올 연료전지 시스템을 작동시켰을 때 이론적으로 계산되는 유량(이때 전기적인 모든 양은 공급 메탄올이 연료극에서 완전히 산화되었다고 가정)은 다음과 같다. 파라데이(Faraday) 법칙을 이용하여 전기화학 반응식에 따라서 메탄올과 공기의 필요량과 생성 이산화탄소와 생성수의 량을 정상상태 (상온(298K), 1기압)에서 계산할 수 있다. 1F의 전기량, 즉 96,500C이 통과하면 전자 1mol(e-), 즉 6 x 1023 개의 전자가 이동하므로 전자 1개가 가지는 전하량(e = (96500C)/(6 x 1023)= 6 x 10-19C))이 계산되며, 1A의 전류가 1초 동안 흘렀을 때의 전기량(1C)을 전기화학 반응식에서 메탄올이 산화되면서 생성되는 전자수(Ne = 6e-)에 따라서 계산하게 되면, 연료극에 필요한 메탄올의 량은 NMeOH = (5.54 x 10-8)/(0.788) = 7.03 x 10-8 L/sec이다. When operating a direct methanol fuel cell system, the theoretically calculated flow rate (assuming that all of the electrical charge is completely oxidized by the feed methanol at the anode) is as follows. Using the Faraday's law, the required amount of methanol and air, the amount of carbon dioxide produced and the amount of generated water can be calculated in a steady state (room temperature (298K), 1 atm) according to the electrochemical equation. When the stored electricity quantity, that is the passage of 96,500C 1F E 1mol (e-), i.e., 6 x 10 23 electrons are moved so = 6 x 10 charge having a dog e 1 (e = (96500C) / (6 x 10 23) - 19 C) is calculated, and if the electric current (1 C) when the current of 1 A flows for 1 second is calculated according to the number of electrons (N e = 6 e- ) generated by methanol oxidation in the electrochemical reaction formula, The amount of methanol required is N MeOH = (5.54 x 10 -8 ) / (0.788) = 7.03 x 10 -8 L / sec.

전체 전기화학 반응식에 의하여 연료극에서 메탄올이 1mol 소모될 때 산소는 1.5mol (48g)이 필요하다. 따라서 1A 부하 전류시 필요한 산소의 양은 NO2 = 8.3x10-8 kg/sec = (22.4L x 8.3 x 10-8 kg/sec)/(32 x 10-3 kg) = 5.81 x 10-5 L/sec 이다. 대기 중에서 산소가 차지하는 비율이 약 21%이므로 공급되어야 할 공기의 양은 Nair = (5.81 x 10-5)/(0.21) = 2.77 x 10-4 L/sec 이다.When 1 mol of methanol is consumed at the anode by the whole electrochemical reaction formula, 1.5 mol (48 g) of oxygen is needed. Thus 1A the amount of oxygen required for the load current N O2 = 8.3x10 -8 kg / sec = (22.4L x 8.3 x 10 -8 kg / sec) / (32 x 10 -3 kg) = 5.81 x 10 -5 L / sec. Since the ratio of oxygen in the atmosphere is about 21%, the amount of air to be supplied is N air = (5.81 x 10 -5 ) / (0.21) = 2.77 x 10 -4 L / sec.

메탄올이 1몰(mol) 소모될 때 이산화탄소는 1몰(mol)(44g)이 생성된다. 1A의 부하전류시 소모되는 메탄올의 양은 1.73 x 10-6 mol/sec 이므로 생성되는 이산화탄소의 양은 NCO2 = (1.73 x 10-6 mol/sec) x(22.4 L/mol) = 3.87 x 10-5 L/sec이다.When 1 mole of methanol is consumed, 1 mole (44 g) of carbon dioxide is produced. The amount of methanol consumed at a load current of 1 A is 1.73 x 10 -6 mol / sec, so the amount of carbon dioxide produced is N CO 2 = (1.73 x 10 -6 mol / sec) x (22.4 L / mol) = 3.87 x 10 -5 L / sec.

메탄올이 1mol 소모될 때 2mol (36g)의 물이 생성되며, 1A의 부하전류시 생성수의 양은 NH2O = (1.73 x 10-6 k) x (36 x10-3) kg/mol = 6.23 x 10-8 L/sec이며, 물의 밀도를 고려한 생성수의 양은 NH2O = (6.23 x 10-8 kg/sec) x (1 L/kg) = 6.23 x 10-8 L/sec이다.When methanol is consumed at 1 mol, 2 mol (36 g) of water is produced, and the amount of produced water at a load current of 1 A is N H2O = (1.73 x 10 -6 k) x (36 x 10 -3 ) kg / mol = 6.23 x 10 -8 L / sec. The amount of generated water considering the density of water is N H2O = (6.23 x 10 -8 kg / sec) x (1 L / kg) = 6.23 x 10 -8 L / sec.

메탄올의 이용률은 연료전지의 성능을 좌우하는 중요한 인자이다. 이는 공급된 연료와 공기가 얼마만큼 전기화학적 반응에 참여하였는가를 결정하기 때문이다. 연료 이용률은 공급된 연료와 발전에 사용된 연료의 비율로서 관찰되는 전기량과 연료전지의 이론적 출력의 비, 즉 메탄올 이용률 = (관찰되는 전기량)/ (당량 메탄올의 이론적 출력)이다. 일반적으로 보고되어진 바에 의하면 메탄올의 이용률은 약 60% 정도이므로 이를 가정하고 생성물을 1로 잡으면 반응물은 1/0.6 = 1.67 만큼을 공급하여야 한다. 따라서 공급되어야 할 메탄올의 양은 FMeOH = 1.67 x 7.03 x 10-8 L/sec = 1.17 x 10-7 L/sec이고, 공급되어야 할 산소의 양은 FO2 = 5.81 x 10-5 x 1.66 = 9.64 x 10-5 L/sec이고, 이고, 공급되어야 할 공기의 양은 FAir = 1.66 x 2.77 x 10-4 L/sec = 4.02 x 10-4 L/sec이다. 이때, 생성되는 물의 양은 PH2O = 6.23 x 10-8 L/sec이고, 생성되는 이산화탄소의 양은 PCO2 = 3.87 x 10-5 L/sec이다. The utilization rate of methanol is an important factor that determines the performance of the fuel cell. This is because it determines how much of the fuel and air supplied is involved in the electrochemical reaction. The fuel utilization rate is the ratio of the amount of electricity observed as the ratio of supplied fuel to the fuel used for power generation, and the theoretical output of the fuel cell, that is, the methanol utilization rate = (observed electricity quantity) / (theoretical output of the equivalent methanol). It is generally reported that the utilization of methanol is about 60%. Assuming that the product is taken as 1, the reactant should be supplied as 1 / 0.6 = 1.67. Therefore, the amount of methanol to be fed is F O MeOH = 1.67 x 7.03 x 10 -8 L / sec = 1.17 x 10 -7 L / sec and the amount of oxygen to be fed is F O2 = 5.81 x 10 -5 x 1.66 = 9.64 x 10 -5 L / sec, and the amount of air to be supplied is F Air = 1.66 x 2.77 x 10 -4 L / sec = 4.02 x 10 -4 L / sec. At this time, the amount of water produced is P H2O = 6.23 x 10 -8 L / sec and the amount of generated carbon dioxide is P CO2 = 3.87 x 10 -5 L / sec.

직접메탄올 연료전지 시스템에서 메탄올의 이용률이 감소하는 것은 메탄올의 투과(methanol crossover)와 미반응 메탄올의 손실 때문이며 이를 낮추는 것이 직접메탄올 연료전지의 성능과 효율을 판단하는데 매우 중요하다. 즉 공급한 메탄올을 최대한 이용하여 손실을 낮추는 것이 필요하며, 이는 스택에 메탄올 투과가 적은 전해질막을 사용하거나 효율이 높은 기액분리기(연료 혼합 탱크)를 설계하여 적용함으로써 높일 수 있다.
The decrease in methanol utilization in the direct methanol fuel cell system is due to the methanol crossover and the loss of unreacted methanol, which is very important for determining the performance and efficiency of the direct methanol fuel cell. That is, it is necessary to use the supplied methanol as much as possible to lower the loss, which can be enhanced by using an electrolyte membrane having little methanol permeation on the stack or by designing and applying a highly efficient gas-liquid separator (fuel mixing tank).

본 발명은 하나의 장치로서 연료의 혼합기능, 연료극의 기액분리 및 공기극의 기액분리 기능을 동시에 할 수 있어 시스템의 구성을 단순화할 수 있으며, 사용된 연료의 재사용을 위한 기액 분리 과정에서 기화되어 이산화탄소와 함께 배출되는 메탄올 손실을 최소화할 수 있는 직접 메탄올 연료전지 시스템의 연료혼합 탱크 및 이를 포함하는 직접 메탄올 연료전지 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.The present invention can simplify the structure of the system by simultaneously performing the mixing function of fuel, the gas-liquid separation of the fuel electrode, and the gas-liquid separation function of the air electrode as one apparatus, and the gas- And to provide a direct methanol fuel cell system including the same, which can minimize the loss of methanol discharged together with the direct methanol fuel cell system.

나아가, 이동시 진동 또는 충격이 가해졌을 때에도 혼합연료의 유동을 최소화하여 혼합연료가 상하 또는 좌우로 쏠리는 출렁거림을 방지함으로써 우수한 안정성을 갖는 직접 메탄올 연료전지 시스템의 연료혼합 탱크 및 이를 포함하는 직접 메탄올 연료전지 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.
Further, it is possible to minimize the flow of the mixed fuel even when vibration or shock is applied during the movement, thereby preventing the mixing fuel from being swayed up or down or from side to side. Thus, the fuel tank of the direct methanol fuel cell system having excellent stability and the direct methanol fuel Battery system is provided.

본 발명은, 연료탱크, 공기극 및 연료극으로부터 각각 원액 메탄올 연료, 공기극 배출물 및 연료극 배출물을 전달 받고, 이들을 혼합하여 제조된 혼합연료를 연료극으로 공급하는 직접 메탄올 연료전지 시스템의 연료혼합 탱크에 있어서, 분리판에 의해 상, 하로 분리된 상실 및 하실을 포함하되, 상기 상실에는 상기 공기극 배출물이 공급되는 공기극 배출물 유입구 및 외부로 가스를 배출하는 가스배출구가 형성되고, 상기 하실에는 상기 연료극 배출물이 공급되는 연료극 배출물 유입구, 상기 연료탱크로부터 상기 원액 메탄올 연료가 공급되는 원액 메탄올 유입구 및 상기 연료극으로 상기 혼합연료를 공급하는 연료공급구가 형성되고, 상기 분리판은, 상기 분리판을 관통하는 관으로서 상부는 상기 상실에 배치되고 하부는 상기 하실에 배치되는 물공급채널 및 상기 하실의 가스가 상기 상실로 전달되도록 하는 가스전달부가 형성되며, 상기 하실의 내측에는 상기 혼합연료의 상하 이동이 가능하도록 이동홀이 구비된 유동방지판이 형성된 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지 시스템의 연료혼합 탱크를 제공한다.The present invention relates to a fuel tank for a direct methanol fuel cell system in which a fuel tank, an air electrode, and a fuel electrode respectively receive a raw liquid methanol fuel, a cathode effluent and an anode effluent and supply the mixed fuel produced by mixing them to the fuel electrode, Wherein the anode includes a cathode outlet and an anode outlet through which the cathode outlet is supplied and a gas outlet that discharges gas to the outside, And a fuel supply port for supplying the mixed fuel to the fuel electrode, wherein the separator plate is a tube that penetrates the separator plate, and the upper portion is a portion And the lower part is disposed in the upper part And a gas transfer portion for allowing the gas to be delivered to the fuel chamber to be transferred to the fuel chamber is formed on the inner surface of the cylinder, and a flow preventing plate having a moving hole for moving the fuel mixture vertically is formed on the inner side of the cylinder. Thereby providing a fuel mixing tank of the battery system.

상기 유동방지판은 상기 하실의 혼합연료의 평시(平時) 수위보다 낮게 형성되는 것이 바람직하다. The flow prevention plate is preferably formed to have a lower level than the normal level of the mixed fuel.

상기 유동방지판은 메탄올에 대한 내성을 갖는 금속 또는 플라스틱 재질로 이루어지는 것이 바람직한데, 그 대표적인 예로 내식성 스테인리스강(STS), 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE) 또는 폴리카보네이트(PC)를 들 수 있다.The flow prevention plate is preferably made of metal or plastic having resistance to methanol. Examples of the flow prevention plate include corrosion resistant stainless steel (STS), polypropylene (PP), polyethylene (PE), or polycarbonate have.

상기 이동홀의 면적의 합은 상기 유동방지판 면적의 1/2 내지 1/20인 것이 바람직하다. The sum of the areas of the moving holes is preferably 1/2 to 1/20 of the flow-restricting plate area.

상기 가스배출구는 다공성 소수성 분리막으로 형성되는 것이 바람직하다.The gas outlet is preferably formed of a porous hydrophobic separation membrane.

상기 다공성 소수성 분리막은 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 에틸렌테트라플루오로에틸렌(ETFE) 또는 폴리비닐리덴플루오리드(PVDF)를 포함하여 이루어질 수 있다.The porous hydrophobic separation membrane may comprise polytetrafluoroethylene (PTFE), ethylene tetrafluoroethylene (ETFE), or polyvinylidene fluoride (PVDF).

상기 다공성 소수성 분리막의 기공의 크기는 0.001~0.05mm인 것이 바람직하다.The pore size of the porous hydrophobic separation membrane is preferably 0.001 to 0.05 mm.

상기 다공성 소수성 분리막의 두께는 0.01~0.1mm인 것이 바람직하다.The thickness of the porous hydrophobic separation membrane is preferably 0.01 to 0.1 mm.

상기 직접 메탄올 연료전지 시스템의 연료혼합 탱크는 상기 하실의 수위가 상기 연료극 배출물 유입구보다 낮게 유지되고 연료공급부보다 높게 유지되도록 수위를 감지하기 위해 상기 하실의 수위를 측정하는 레벨센서를 2개 이상 포함할 수 있다.The fuel mixture tank of the direct methanol fuel cell system includes two or more level sensors for measuring the level of the water to detect the water level so that the water level of the fuel is maintained lower than the fuel electrode effluent inlet .

상기 하실의 수위에 대한 상기 상실의 수위의 비는 1/10 내지 1/3인 것이 바람직하다.It is preferable that the ratio of the level of the loss to the level of the above-mentioned level is 1/10 to 1/3.

상기 물공급채널의 단면적은 상기 가스전달부의 면적의 4~30배인 것이 바람직하다.The cross-sectional area of the water supply channel is preferably 4 to 30 times the area of the gas delivery portion.

상기 가스전달부의 면적은 0.5 내지 15 mm2인 것이 바람직하다.The area of the gas delivery portion is preferably 0.5 to 15 mm 2 .

상기 물공급채널의 단면적은 상기 분리판 면적의 1/5 이하인 것이 바람직하다.The cross-sectional area of the water supply channel is preferably equal to or less than 1/5 of the area of the separation plate.

상기 하실의 메탄올 농도를 측정하는 농도 측정센서를 더 포함하는 것이 바람직하다.It is preferable to further include a concentration measuring sensor for measuring the concentration of methanol in the sample.

상기 유동방지판은 2개 이상이 구비될 수 있다. 이때, 유동방지판 중 하나는 상기 하실의 혼합연료의 평시(平時) 수위보다 높게 형성되는 것이 바람직하다.At least two flow prevention plates may be provided. At this time, it is preferable that one of the flow prevention plates is formed to be higher than the normal level of the mixed fuel.

본 발명은 상기 연료혼합 탱크를 포함하는 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지 시스템을 제공한다.
The present invention provides a direct methanol fuel cell system comprising the fuel mixing tank.

본 발명의 직접 메탄올 연료전지 시스템의 연료혼합 탱크 및 이를 포함하는 직접 메탄올 연료전지 시스템은, 이동시 진동 또는 충격이 가해졌을 때에도 혼합연료의 유동을 최소화하여 혼합연료가 한쪽으로 쏠리는 출렁거림을 방지함으로써 우수한 안정성을 갖는다.The fuel tank of the direct methanol fuel cell system of the present invention and the direct methanol fuel cell system including the fuel tank of the direct methanol fuel cell system of the present invention minimize the flow of the mixed fuel even when vibration or impact is applied during movement, Stability.

또한, 하나의 장치로서 연료의 혼합기능, 연료극의 기액분리 및 공기극의 기액분리 기능을 동시에 할 수 있어 시스템의 구성을 단순화할 수 있으며, 사용된 연료의 재사용을 위한 기액 분리 과정에서 기화되어 이산화탄소와 함께 배출되는 메탄올 손실을 최소화할 수 있다.
Also, as a single device, it is possible to simultaneously perform a mixing function of fuel, a gas-liquid separation of a fuel electrode, and a gas-liquid separation function of an air electrode, thereby simplifying the configuration of the system. Thereby minimizing the loss of methanol discharged together.

도 1은 종래 직접 메탄올 연료전지 시스템의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 직접 메탄올 연료전지 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 계통도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 직접 메탄올 연료전지 시스템의 연료혼합 탱크의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 분리판의 구조를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 유동방지판의 구조를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 직접 메탄올 연료전지 시스템의 연료혼합 탱크의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 직접 메탄올 연료전지 시스템의 연료혼합 탱크의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
1 is a diagram showing a configuration of a conventional direct methanol fuel cell system.
2 is a schematic diagram illustrating a configuration of a direct methanol fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a schematic view of a fuel mixing tank of a direct methanol fuel cell system according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG.
4 is a view showing the structure of a separator according to an embodiment of the present invention.
5 is a view showing the structure of a flow-preventive plate according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a schematic view showing a configuration of a fuel mixing tank of a direct methanol fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
7 is a schematic view showing the configuration of a fuel mixing tank of a direct methanol fuel cell system according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명에 따른 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 상세한 설명은 생략한다. 또한, 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어, 동일한 구성요소들에 대해서는 가능한 한 동일한 부호를 부가한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description of the embodiments according to the present invention, detailed description of known configurations or functions will be omitted. In addition, in adding the reference numerals to the constituent elements of the drawings, the same constituent elements are denoted by the same reference symbols as possible.

본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적 의미로 한정되어 해석되지 아니하며, 본 발명의 기술적 사항에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다. The terms and words used in the present specification and claims should not be construed as limited to ordinary or dictionary meanings and should be construed in accordance with the technical meanings and concepts of the present invention.

본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예이며, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것이 아니므로, 본 출원 시점에서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있다.
The embodiments described in the present specification and the configurations shown in the drawings are preferred embodiments of the present invention and are not intended to represent all of the technical ideas of the present invention and thus various equivalents and modifications Can be.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 직접 메탄올 연료전지 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 계통도이다.2 is a schematic diagram illustrating a configuration of a direct methanol fuel cell system according to an embodiment of the present invention.

도 2을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 직접 메탄올 연료전지 시스템은 스택(10), 연료탱크(30), 연료혼합 탱크(20), 산소 공급부(60, 61)를 포함한다.Referring to FIG. 2, a direct methanol fuel cell system according to an embodiment of the present invention includes a stack 10, a fuel tank 30, a fuel mixing tank 20, and oxygen supply units 60 and 61.

스택(10)은 연료혼합 탱크(20)로부터 연료를 공급 받고 산소 공급부로부터 산소를 공급 받아 전기를 생산하는 부분으로, 하나 또는 두 개 이상의 적층된 막전극 어셈블리를 포함한다. The stack 10 includes one or more stacked membrane electrode assemblies, which are supplied with fuel from the fuel mixing tank 20 and supplied with oxygen from the oxygen supply unit to produce electricity.

연료혼합 탱크(20)는 연료탱크(30)로부터 메탄올 연료를 공급 받고, 스택(10)의 연료극에서 배출되는 미반응 메탄올 및 물과 공기극에서 배출되는 물을 공급 받아 이를 혼합하여 적정 농도로 희석된 메탄올 혼합연료를 연료극으로 공급하는 역할을 한다. The fuel mixing tank 20 receives methanol fuel from the fuel tank 30, receives unreacted methanol and water discharged from the fuel electrode of the stack 10, and water discharged from the air electrode, and mixes them. Methanol mixed fuel to the fuel electrode.

물탱크(40)는 고분자 전해질 막을 통해 공기극으로 넘어 간 물과 공기극에서 생성된 물을 저장한다. 공기극에서 배출된 공기극 배출물에는 기체 상태로 배출되는 물이 많으므로 응축기를 이용해 액화 과정을 거칠 수 있다. 물탱크(40)의 물은 펌프(63)를 통해 연료혼합 탱크(20)로 공급된다.The water tank 40 stores water that has passed through the polymer electrolyte membrane to the air electrode and water that is generated from the air electrode. Since the cathode exhaust gas discharged from the cathode has a large amount of water discharged in a gaseous state, it may be subjected to a liquefaction process using a condenser. The water in the water tank 40 is supplied to the fuel mixing tank 20 through the pump 63.

연료탱크(30)는 메탄올 연료 원액을 저장하는데, 앞서 살펴 본 바와 같이 연료극에서의 반응은 메탄올뿐만 아니라 물이 함께 반응물로서 사용되므로, 연료혼합 탱크(20)에서 물과 혼합된 후라야 연료로 사용될 수 있다. 연료탱크(30)의 연료는 펌프(64)를 통해 연료혼합 탱크(20)로 공급된다.The fuel tank 30 stores the methanol fuel solution. As described above, since the reaction in the fuel electrode is used not only methanol but also water as a reactant, the fuel is mixed with water in the fuel mixing tank 20, . The fuel in the fuel tank 30 is supplied to the fuel mixing tank 20 through the pump 64. [

산소 공급부(60, 61)는 공기극의 반응에서 산화제로 사용되는 산소를 공기극으로 공급하는 부분으로, 공기필터(70)와 펌프(61)로 구성되어진다. 본 실시예에서 공기를 이용한 구조를 예시하고 있으나, 산소 자체를 공급하여 사용할 수도 있으며, 이 경우 공기필터(70)는 사용되지 않는다.The oxygen supply units 60 and 61 are parts for supplying oxygen used as an oxidant to the air electrode in the reaction of the air electrode, and are composed of an air filter 70 and a pump 61. Although the structure using air is exemplified in this embodiment, it is also possible to supply oxygen itself, and in this case, the air filter 70 is not used.

한편, 연료극에서 배출되는 연료극 배출물은 연료극에서의 반응열로 인해 고온으로 상승되어 있으므로, 열교환기(50)를 이용하여 연료극 배출물의 온도를 적정 수준으로 냉각시킬 수 있다. On the other hand, since the fuel electrode exhaust discharged from the fuel electrode is raised to a high temperature due to the heat of reaction at the fuel electrode, the temperature of the fuel electrode exhaust can be cooled to an appropriate level by using the heat exchanger (50).

본 발명에서 주목하는 부분은 연료 및 물의 재사용을 위해 사용되는 기액분리기이다. 스택(10)에서 메탄올 산화반응으로 발생한 기체상태의 이산화탄소를 배출시키기 위한 기액분리기를 통해서 연료인 메탄올 또한 증발되고, 이에 따라 메탄올을 불필요하게 소모하게 된다. 이는 메탄올의 사용 효율의 저하, 즉 시스템 효율의 저하를 초래한다. A notable part of the present invention is a gas-liquid separator used for the reuse of fuel and water. The fuel, which is the fuel, is also evaporated through the gas-liquid separator for discharging the gaseous carbon dioxide generated by the methanol oxidation reaction in the stack 10, thereby consuming methanol unnecessarily. This leads to a decrease in efficiency of methanol use, that is, a decrease in system efficiency.

본 발명의 직접 메탄올 연료전지 시스템에 따르면, 연료극 배출물의 기액분리, 공기극 배출물의 기액분리, 연료혼합기능을 통합한 연료혼합 탱크(20)의 설계에 의하여, 시스템의 복잡한 구조를 단순화시키고 기액분리 과정에서 메탄올의 손실을 최소화한다. 또한, 시스템의 이동시 진동 또는 충격이 가해졌을 때, 혼합연료의 유동을 방지하여 우수한 안정성을 갖는다.
According to the direct methanol fuel cell system of the present invention, by designing the fuel mixing tank 20 that integrates the gas-liquid separation of the anode effluent, the gas-liquid separation of the cathode exhaust, and the fuel mixing function, the complex structure of the system is simplified, Thereby minimizing the loss of methanol. In addition, when vibration or shock is applied when the system is moved, the flow of the mixed fuel is prevented, and thus, the system has excellent stability.

이하, 도 3 및 도 4를 이용하여 본 발명의 직접 메탄올 연료전지의 연료혼합 탱크(20)에 대하여 보다 상세하게 설명한다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 직접 메탄올 연료전지 시스템의 연료혼합 탱크(20)의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 직접 메탄올 연료전지 시스템의 연료혼합 탱크(20)에 포함된 분리판(120)의 구조를 나타낸 도면이다.Hereinafter, the fuel mixing tank 20 of the direct methanol fuel cell of the present invention will be described in more detail with reference to FIGS. 3 and 4. FIG. FIG. 3 is a schematic view showing the construction of a fuel mixing tank 20 of a direct methanol fuel cell system according to an embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a schematic view showing the structure of a direct methanol fuel cell system according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a view showing a structure of a separator plate 120 included in the mixing tank 20; FIG.

도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료혼합 탱크(20)는 분리판(220)에 의해 분리된 상실(230) 및 하실(210)을 포함한다. Referring to FIGS. 3 and 4, the fuel mixing tank 20 according to an embodiment of the present invention includes a loss chamber 230 and a freezing chamber 210 separated by a separation plate 220.

상실(230)에는 공기극에서 배출된 공기극 배출물이 공급되는 공기극 배출물 유입구(231) 및 외부로 가스를 배출하는 가스배출구(232)가 형성되고, 하실(210)에는 연료극에서 배출된 연료극 배출물이 공급되는 연료극 배출물 유입구(213), 연료탱크(30)로부터 메탄올 연료가 공급되는 원액 메탄올 유입구(211) 및 연료극으로 혼합연료를 공급하는 연료공급구(212)가 형성된다. 또한, 하실의 내측에는 상기 혼합연료의 상하 이동이 가능하도록 이동홀(261)이 구비된 유동방지판(260)이 형성된다.The cathode 230 has a cathode outlet 231 through which a cathode discharge discharged from the cathode is supplied and a cathode outlet 232 through which a gas is discharged to the outside. There are formed a fuel electrode outlet 213, a raw liquid methanol inlet 211 for supplying methanol fuel from the fuel tank 30, and a fuel supply port 212 for supplying mixed fuel to the fuel electrode. In addition, a flow preventing plate 260 having a moving hole 261 is formed on the inner side of the freezing face so that the mixed fuel can be moved up and down.

연료혼합 탱크(20)를 상실(230) 및 하실(210)로 분리하고 있는 분리판(220)에는 물공급채널(240)이 형성되는데, 물공급채널(240)은 분리판(220)을 관통하는 관으로서 상부는 연료혼합 탱크(20)의 상실(230)에 배치되고 하부는 연료혼합 탱크(20)의 하실(210)에 배치된다.A water supply channel 240 is formed in the separating plate 220 separating the fuel mixing tank 20 into the upper chamber 230 and the lower chamber 210. The water supply channel 240 penetrates the separating plate 220 The upper portion is disposed in the upper chamber 230 of the fuel mixing tank 20 and the lower portion is disposed in the lower chamber 210 of the fuel mixing tank 20.

한편, 분리판(220)에는 하실(210)에 채워진 이산화탄소 등의 가스가 상실(230)로 전달되는 통로인 가스전달부(250)가 형성된다. 가스전달부(250)는 분리판(220)에 하나 또는 두 개 이상의 구멍을 뚫어 형성할 수 있다.The gas distribution unit 250 is a passage through which the gas such as carbon dioxide, which is filled in the chamber 210, is transferred to the chamber 230. The gas transmission part 250 may be formed by bored one or more than two holes in the separating plate 220.

또한, 연료혼합 탱크(20)는 하실(210)의 수위가 연료극 배출물 유입구(213)보다 낮게 유지되고 연료공급부보다 높게 유지되도록 하실(210)에 수위를 측정하는 레벨센서(미도시)를 2개 이상 포함하는 것이 바람직하다.The fuel mixing tank 20 further includes a level sensor (not shown) for measuring the level of water 210 to be maintained at a level lower than the fuel electrode discharge inlet 213 and higher than the fuel supply port 210 Or more.

또한, 하실에는 메탄올 농도를 측정하는 농도 측정센서(270)가 더 구비될 수 있으며, 농도 측정센서(270)에서 메탄올 농도가 적정 범위에 미달하면 연료탱크(30)에서 원액 메탄올이 공급된다.The concentration sensor 270 may further include a concentration measuring sensor 270 for measuring the concentration of methanol. When the concentration of methanol in the concentration measuring sensor 270 is less than a suitable range, the methanol is supplied from the fuel tank 30.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 유동방지판(260)의 구조를 나타낸 도면이다.5 is a view showing the structure of a flow-preventive plate 260 according to an embodiment of the present invention.

유동방지판(260)은 하실의 내측에는 상기 혼합연료의 상하 이동이 가능하도록 이동홀(261)이 구비되도록 형성된다. 이와 같은 구조를 통해 연료혼합 탱크(20)가 이동시 진동 또는 외부 충격을 받았을 때 혼합연료가 이동홀(261)을 통해 상하 및 좌우로 이동을 할 수 있으나, 혼합연료 전체가 유동하는 큰 유동의 발생을 방지할 수 있다. 상기 이동홀(261)의 면적의 합은 상기 유동방지판(260) 면적의 1/2 내지 1/20인 것이 바람직한데, 상기 하한에 미달하면 이동홀(261)의 크기가 작아 이동홀(261) 내부에 위치하는 혼합연료의 표면장력이 높아지므로 혼합연료의 상하 이동이 지나치게 어렵고, 상기 상한을 초과하면 이동홀(261)의 크기가 커져 혼합연료가 이동홀(261)을 통하여 너무 자유롭게 이동하게 되어 유동 방지 목적을 충분히 달성할 수 없어 바람직하지 못하다.The flow prevention plate 260 is formed on the inner side of the freezing plate 260 so as to have a moving hole 261 so that the mixed fuel can move up and down. When the fuel mixing tank 20 receives vibrations or external shocks through the structure, the mixed fuel can move up and down and right and left through the moving holes 261. However, Can be prevented. The sum of the areas of the moving holes 261 is preferably 1/2 to 1/20 of the area of the flow preventing plate 260. When the lower limit is not satisfied, the moving holes 261 are small, The mixing fuel is excessively moved up and down. When the upper limit is exceeded, the size of the moving hole 261 is increased, so that the mixed fuel moves too freely through the moving hole 261 So that the object of flow prevention can not be sufficiently attained, which is not preferable.

상기 유동방지판(260)은 메탄올에 대한 내성을 갖는 금속 또는 플라스틱 재질로 이루어지는 것이 바람직한데, 그 대표적인 예로 내식성 스테인리스강(STS), 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE) 또는 폴리카보네이트(PC)를 들 수 있다.(STS), polypropylene (PP), polyethylene (PE), or polycarbonate (PC), for example, may be used as the flow prevention plate 260. The flow prevention plate 260 is preferably made of metal or plastic having resistance to methanol. .

유동방지판(260)에는 물공급채널 관통부(262)가 형성되어, 이를 관통하여 물공급채널(240)이 형성될 수 있다.The flow prevention plate 260 is formed with a water supply channel penetration portion 262 through which the water supply channel 240 can be formed.

유동방지판(260)은 하나 또는 두 개 이상 설치될 수 있으며, 하실의 혼합연료의 평시(平時) 수위보다 낮게 형성되는 것이 바람직하다. 다만, 유동방지판(260)이 두 개 이상 설치되는 경우 일부는 평시 수위보다 높게 형성할 수 있다. 여기서, "평시 수위"란 연료전지 작동시 연료혼합 탱크 하실의 혼합연료의 평균 수위를 말한다.One or more of the flow prevention plates 260 may be installed, and it is preferable that the flow prevention plate 260 is formed to be lower than the normal level of the mixed fuel. However, when two or more flow prevention plates 260 are installed, some of them may be formed higher than the normal water level. Here, "normal water level" refers to the average level of the mixed fuel in the fuel tank during operation of the fuel cell.

도 6은 유동방지판(261, 262, 263)을 세 개 설치한 예인데, 두 개의 유동방지판(261, 262)은 혼합연료의 평시 수위보다 낮게 배치하고, 한 개의 유동방지판(263)은 그보다 높게 배치한 모습을 보여준다.6, three flow-restricting plates 261, 262, and 263 are provided. The two flow-restricting plates 261 and 262 are disposed below the normal water level of the mixed fuel, Shows that it is higher than that.

한편, 유동방지판(260, 261, 262, 263)은 하실의 내측벽과 모두 접하도록 설치되어야 하는 것은 아니며, 일측으로 치우치게 설치할 수 있다. 이를 통해 유동방지판(260, 261, 262, 263)을 형성하지 않은 쪽으로는 혼합연료의 유동이 보다 자유롭게 일어나도록 할 수 있다. 유동방지판(261, 262, 263)을 여러개 설치하는 경우 도 7에 도시한 바와 같이 유동방지판(261, 262, 263) 비형성 영역을 엇갈리게 하여 혼합연료의 큰 유동을 방지하면서도 원활한 연료혼합이 일어나게 할 수 있다.On the other hand, the flow prevention plates 260, 261, 262, and 263 are not necessarily provided so as to be in contact with the inner wall of the mouth, but may be disposed side by side. The flow of the mixed fuel can be made more freely to the side where the flow-preventing plates 260, 261, 262, 263 are not formed. When a plurality of flow prevention plates 261, 262 and 263 are provided, as shown in FIG. 7, the regions where the flow prevention plates 261, 262 and 263 are not formed are staggered to prevent a large flow of the fuel mixture, You can make it happen.

연료혼합 탱크(20)의 세부 구조를 살펴 보면, 하실(210)의 수위에 대한 상실(230)의 수위의 비는 1/10 내지 1/3로 유지하는 것이 바람직하다. 또한, 물공급채널(240)의 단면적은 분리판(220) 면적의 1/5 이하인 것이 바람직하다. 한편, 분리판(220)에 구멍을 뚫어 가스전달부(250)를 형성할 경우 가스전달부(250)의 면적은 0.5 내지 15 mm2인 것이 바람직하며, 이때 물공급채널(240)의 단면적은 가스전달부(250)의 면적의 4~30배인 것이 바람직하다.The detailed structure of the fuel mixing tank 20 is preferably such that the ratio of the water level of the waste water 230 to the water level of the water tank 210 is maintained at 1/10 to 1/3. In addition, the cross-sectional area of the water supply channel 240 is preferably 1/5 or less of the area of the separator plate 220. When the gas delivery portion 250 is formed by piercing the separation plate 220, the area of the gas delivery portion 250 is preferably 0.5 to 15 mm 2. In this case, the cross-sectional area of the water supply channel 240 Is preferably 4 to 30 times the area of the gas delivery portion 250.

가스배출구는 공기극 배출물인 미반응 공기와 연료극 배출물인 생성 이산화탄소가 연료전지 시스템 외부로 배출되는 배출구이다. 따라서, 가스배출구는 미반응 공기와 생성 이산화탄소만 배출하고, 생성수, 미반응 메탄올과 물은 배출되지 않도록 설계하여야 한다. 이러한 목적을 달성하기 위하여 가스배출구를 미반응 공기와 생성 이산화탄소만 통과하고 메탄올이나 물은 통과하지 않도록 설계하면 물부족이나 메탄올 손실을 방지할 수 있다. The gas outlet is an outlet through which unreacted air, which is a cathode electrode discharge, and generated carbon dioxide, which is an anode electrode discharge, are discharged outside the fuel cell system. Therefore, the gas outlet should be designed so that only unreacted air and generated carbon dioxide are discharged, and generated water, unreacted methanol and water are not discharged. In order to achieve this purpose, it is possible to prevent water shortage or methanol loss by designing the gas outlet to pass only unreacted air and generated carbon dioxide, and not through methanol or water.

이와 같은 목적을 달성하기 위하여 가스배출구에 다공성 소수성 분리막을 설치하면 메탄올이나 물과 같은 액체는 통과하지 못하고 미반응 공기나 생성 이산화탄소 같은 가스만 통과하도록 하는 것이 가능하다. 이를 위하여 다공성 소수성 분리막으로는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 에틸렌테트라플루오로에틸렌(ETFE) 또는 폴리비닐리덴플루오리드(PVDF)와 같은 소수성 막을 사용할 수 있으며, 이들 막은 다공성으로 이루어져서 기공의 크기가 0.001-0.05 mm인 것을 사용하고, 두께는 0.01-0.1mm인 것을 사용할 수 있다. 또한 이들 막의 기계적 강도를 부여하기 위하여 막의 상하면에 막의 기공보다 더 큰 기공을 가진 지지막을 설치할 수 있다. In order to achieve the above object, it is possible to install a porous hydrophobic separation membrane at the gas outlet so that only a gas such as unreacted air or generated carbon dioxide can pass without passing through a liquid such as methanol or water. For this purpose, a hydrophobic membrane such as polytetrafluoroethylene (PTFE), ethylene tetrafluoroethylene (ETFE), or polyvinylidene fluoride (PVDF) may be used as the porous hydrophobic separation membrane. These membranes are porous, 0.001-0.05 mm, and a thickness of 0.01-0.1 mm may be used. Further, in order to impart mechanical strength to these films, a support film having pores larger than pores of the film can be provided on the upper and lower surfaces of the film.

다공성 소수성 막의 기공 크기가 너무 크면 메탄올이나 물과 같은 액체가 그대로 통과하여 외부로 배출될 수 있고, 기공의 크기가 너무 적으면 메탄올이나 물의 통과가 어려워 상실 내부에 가스나 액체에 의한 압력상승 가능성이 있으므로, 다공성 소수성 막의 기공 크기는 0.001-0.05mm인 것이 바람직하고, 바람직하게는 0.01-0.03mm인 것이 바람직하다. 상기 다공성 소수성 막은 물이나 메탄올에 의하여 기공이 막히는 것을 방지하기 위하여 친수성이 아닌 소수성을 가지는 것이 바람직하다.If the pore size of the porous hydrophobic membrane is too large, a liquid such as methanol or water may pass through and be discharged to the outside. If the pore size is too small, it is difficult to pass methanol or water. Therefore, the pore size of the porous hydrophobic membrane is preferably 0.001-0.05 mm, and preferably 0.01-0.03 mm. The porous hydrophobic membrane is preferably hydrophobic, not hydrophilic, in order to prevent clogging of pores by water or methanol.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 직접 메탄올 연료전지 시스템의 연료혼합 탱크(20)를 통해 메탄올 연료, 연료극 배출물 및 공기극 배출물이 혼합되어 연료극으로 공급되는 과정을 구체적으로 설명한다.Hereinafter, a process of supplying methanol fuel, anode discharge, and cathode discharge through a fuel mixing tank 20 of a direct methanol fuel cell system according to an embodiment of the present invention to a fuel electrode will be described in detail.

먼저, 상실(230)의 공기극 배출물 유입구(231)를 통해 공기극에서 배출된 공기극 배출물이 공급된다. 공기극 배출물에는 공기극에서 생성된 물, 전해질 막을 통해 공기극으로 크로스오버된 물 및 메탄올, 환원 반응을 위해 공급된 공기 등이 포함된다.First, the cathode exhaust discharged from the cathode is supplied through the anode outlet 231 of the cathode 230. The cathode effluent includes water generated from the cathode, water and methanol crossovered to the cathode through the electrolyte membrane, and air supplied for the reduction reaction.

또한, 하실(210)의 연료극 배출물 유입구(213)를 통해 연료극에서 배출된 연료극 배출물이 공급된다. 연료극 배출물에는 연료극에 공급된 메탄올 및 물과 산화 반응을 통해 생성된 이산화탄소 등이 포함된다. Also, the fuel electrode discharge discharged from the fuel electrode is supplied through the fuel electrode discharge inlet 213 of the discharge electrode 210. The anode effluent includes methanol and water supplied to the anode, and carbon dioxide produced through the oxidation reaction.

이와 함께, 하실(210)의 원액 메탄올 유입구(211)를 통해 연료탱크(30)로부터 메탄올 연료 원액이 공급된다.At the same time, the methanol fuel stock solution is supplied from the fuel tank 30 through the undiluted methanol inlet 211 of the fuel tank 30.

연료극 배출물 및 메탄올 연료가 하실(210)로 공급되면, 하실(210)의 하부는 메탄올 및 물로 채워지며 상부는 이산화탄소를 포함한 기체로 채워진다. 이들 기체는 연료극 배출물 및 메탄올 연료가 계속 하실(210)에 공급되면서 하실(210) 내부의 압력 증가로 인해 가스전달부(250)를 통해 상실(230)로 배출되게 된다.When the anode effluent and the methanol fuel are supplied to the anode 210, the lower portion of anode 210 is filled with methanol and water, and the upper portion is filled with gas including carbon dioxide. These gases are discharged to the chamber 230 through the gas delivery part 250 due to an increase in the pressure inside the chamber 210 while the anode effluent and the methanol fuel are continuously supplied to the chamber 210.

이때, 배출가스에는 이산화탄소뿐만 아니라 기화된 메탄올이 포함되어 있으며, 가스전달부(250)를 통해 상실(230)로 이동하면서 상실(230)에 채워진 물에 포집되게 된다. At this time, not only carbon dioxide but also vaporized methanol is contained in the exhaust gas, and the exhaust gas is transferred to the loss chamber 230 through the gas transmission part 250 and is collected in the water filled in the loss chamber 230.

상실(230)에는 계속적으로 공기극 배출물이 공급되면서 물이 채워지고, 이들의 수위가 높아지면서 물공급채널(240) 상단의 높이 이상이 되면 물공급채널(240)로 물이 넘치면서 상실(230)의 물이 하실(210)로 공급된다. When the height of the water supply channel 240 is higher than the height of the upper end of the water supply channel 240 as the water level increases, water is overflowed into the water supply channel 240, The water is supplied to the user (210).

상실(230)의 상부에는 하실(210)에서 가스전달부(250)를 통해 배출된 이산화탄소 및 공기극 배출물 유입구(231)를 통해 공급된 공기가 채워지고 가스배출구(232)를 통해 외부로 배출된다. The air supplied through the carbon dioxide and air electrode discharge inlet 231 discharged from the gas delivery portion 250 through the discharge port 230 is filled in the upper portion of the chamber 230 and discharged to the outside through the gas discharge port 232.

하실(210)에 채워진 희석된 메탄올 즉, 혼합연료는 펌프(62)를 이용하여 연료공급구(212)를 통해 연료극으로 공급된다.  The diluted methanol, that is, the mixed fuel filled in the fuel tank 210 is supplied to the fuel electrode through the fuel supply port 212 by using the pump 62.

이와 같은 순환 과정을 통해 물을 계속적으로 재사용할 수 있고 연료극으로 공급되는 연료에 이산화탄소가 유입되는 것을 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 기화된 상태로 외부로 배출되는 메탄올의 손실을 최소화할 수 있다.
Through this circulation process, water can be continuously reused, carbon dioxide can be prevented from flowing into the fuel supplied to the fuel electrode, and the loss of methanol discharged to the outside in a vaporized state can be minimized.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
10: 스택 20: 연료혼합 탱크
30: 연료탱크 40: 물탱크
50: 열교환기 61,62,63,64: 펌프
70: 공기필터 210: 하실
211: 원액 메탄올 유입구 212: 연료공급구
213: 연료극 배출물 유입구 220: 분리판
230: 상실 231: 공기극 배출물 유입구
232: 가스배출구 240: 물공급채널
250: 가스전달부 260: 유동방지판
261: 이동홀 262: 물공급채널 관통부
270: 연료 농도 측정센서
Description of the Related Art [0002]
10: stack 20: fuel mixing tank
30: Fuel tank 40: Water tank
50: heat exchanger 61, 62, 63, 64: pump
70: air filter 210: your way
211: undiluted methanol inlet 212: fuel inlet
213: anode effluent inlet 220: separator plate
230: loss 231: cathode effluent inlet
232: gas outlet 240: water supply channel
250: gas delivery portion 260: flow prevention plate
261: moving hole 262: water supply channel penetration part
270: fuel concentration measurement sensor

Claims (18)

연료탱크, 공기극 및 연료극으로부터 각각 원액 메탄올 연료, 공기극 배출물 및 연료극 배출물을 전달 받고, 이들을 혼합하여 제조된 혼합연료를 연료극으로 공급하는 직접 메탄올 연료전지 시스템의 연료혼합 탱크에 있어서,
분리판에 의해 상, 하로 분리된 상실 및 하실을 포함하되,
상기 상실에는 상기 공기극 배출물이 공급되는 공기극 배출물 유입구 및 외부로 가스를 배출하는 가스배출구가 형성되고,
상기 하실에는 상기 연료극 배출물이 공급되는 연료극 배출물 유입구, 상기 연료탱크로부터 상기 원액 메탄올 연료가 공급되는 원액 메탄올 유입구 및 상기 연료극으로 상기 혼합연료를 공급하는 연료공급구가 형성되고,
상기 분리판은, 상기 분리판을 관통하는 관으로서 상부는 상기 상실에 배치되고 하부는 상기 하실에 배치되는 물공급채널 및 상기 하실의 가스가 상기 상실로 전달되도록 하는 가스전달부가 형성되며,
상기 하실의 내측에는 상기 혼합연료의 상하 이동이 가능하도록 이동홀이 구비된 유동방지판이 형성된 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지 시스템의 연료혼합 탱크.
1. A fuel tank for a direct methanol fuel cell system in which a fuel tank, an air electrode, and a fuel electrode respectively receive undiluted methanol fuel, a cathode effluent, and an anode effluent,
A loss and a loss separated upwardly and downwardly by the separating plate,
And a gas outlet for discharging the gas to the outside is formed in the discharge space,
Wherein the fuel electrode outlet is provided with the fuel electrode discharge inlet, the raw liquid methanol inlet from which the raw methanol fuel is supplied from the fuel tank, and the fuel supply port that supplies the mixed fuel to the fuel electrode,
Wherein the separating plate is a tube penetrating the separating plate, the upper portion being disposed in the upper chamber, the lower portion being a water supply channel disposed in the lower portion, and a gas delivery portion for allowing the gas in the lower portion to be transferred to the lower chamber,
And a flow preventive plate having a moving hole is formed on the inner side of the hollow body so that the mixed fuel can move up and down.
제1항에 있어서,
상기 유동방지판은 상기 하실의 혼합연료의 평시(平時) 수위보다 낮게 형성되는 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지 시스템의 연료혼합 탱크.
The method according to claim 1,
Wherein the flow prevention plate is formed to be lower than a normal water level of the mixed fuel.
제1항에 있어서,
상기 유동방지판은 내식성 스테인리스강(STS), 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE) 또는 폴리카보네이트(PC)를 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지 시스템의 연료혼합 탱크.
The method according to claim 1,
Wherein the flow preventer plate is formed of a corrosion resistant stainless steel (STS), polypropylene (PP), polyethylene (PE), or polycarbonate (PC).
제1항에 있어서,
상기 이동홀의 면적의 합은 상기 유동방지판 면적의 1/2 내지 1/20인 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지 시스템의 연료혼합 탱크.
The method according to claim 1,
And the sum of the areas of the moving holes is 1/2 to 1/20 of the area of the flow-restricting plate.
제1항에 있어서,
상기 가스배출구는 다공성 소수성 분리막으로 형성되는 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지 시스템의 연료혼합 탱크.
The method according to claim 1,
Wherein the gas outlet is formed of a porous hydrophobic separation membrane.
제5항에 있어서,
상기 다공성 소수성 분리막은 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 에틸렌테트라플루오로에틸렌(ETFE) 또는 폴리비닐리덴플루오리드(PVDF)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지 시스템의 연료혼합 탱크.
6. The method of claim 5,
Wherein the porous hydrophobic separation membrane comprises polytetrafluoroethylene (PTFE), ethylene tetrafluoroethylene (ETFE), or polyvinylidene fluoride (PVDF).
제5항에 있어서,
상기 다공성 소수성 분리막의 기공의 크기는 0.001~0.05mm인 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지 시스템의 연료혼합 탱크.
6. The method of claim 5,
Wherein the pore size of the porous hydrophobic separation membrane is 0.001-0.05 mm.
제5항에 있어서,
상기 다공성 소수성 분리막의 두께는 0.01~0.1mm인 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지 시스템의 연료혼합 탱크.
6. The method of claim 5,
Wherein the porous hydrophobic separation membrane has a thickness of 0.01 to 0.1 mm.
제1항에 있어서,
상기 하실의 수위가 상기 연료극 배출물 유입구보다 낮게 유지되고 연료공급부보다 높게 유지되도록 수위를 감지하기 위해 상기 하실의 수위를 측정하는 레벨센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지 시스템의 연료혼합 탱크.
The method according to claim 1,
Further comprising a level sensor for measuring the level of the water to detect the water level so that the water level of the water level is kept lower than the inlet of the anode effluent and is maintained higher than the fuel supply unit, .
제1항에 있어서,
상기 하실의 수위에 대한 상기 상실의 수위의 비는 1/10 내지 1/3인 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지 시스템의 연료혼합 탱크.
The method according to claim 1,
Wherein the ratio of the level of the liquid to the level of the liquid is 1/10 to 1/3.
제1항에 있어서,
상기 물공급채널의 단면적은 상기 가스전달부의 면적의 4~30배인 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지 시스템의 연료혼합 탱크.
The method according to claim 1,
Wherein the cross-sectional area of the water supply channel is 4 to 30 times the area of the gas delivery portion.
제1항에 있어서,
상기 가스전달부의 면적은 0.5 내지 15 mm2인 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지 시스템의 연료혼합 탱크.
The method according to claim 1,
Wherein the area of the gas delivery portion is 0.5 to 15 mm < 2 & gt ;.
제1항에 있어서,
상기 물공급채널의 단면적은 상기 분리판 면적의 1/5 이하인 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지 시스템의 연료혼합 탱크.
The method according to claim 1,
Wherein the cross-sectional area of the water supply channel is 1/5 or less of the area of the separation plate.
제1항에 있어서,
상기 하실의 메탄올 농도를 측정하는 농도 측정센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지 시스템의 연료혼합 탱크.
The method according to claim 1,
Further comprising a concentration measuring sensor for measuring the concentration of methanol in the fuel tank.
제1항 내지 제14항 중 어느 한 항의 연료혼합 탱크를 포함하는 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지 시스템.
15. A direct methanol fuel cell system comprising the fuel mixing tank of any one of claims 1 to 14.
연료탱크, 공기극 및 연료극으로부터 각각 원액 메탄올 연료, 공기극 배출물 및 연료극 배출물을 전달 받고, 이들을 혼합하여 제조된 혼합연료를 연료극으로 공급하는 직접 메탄올 연료전지 시스템의 연료혼합 탱크에 있어서,
분리판에 의해 상, 하로 분리된 상실 및 하실을 포함하되,
상기 상실에는 상기 공기극 배출물이 공급되는 공기극 배출물 유입구 및 외부로 가스를 배출하는 가스배출구가 형성되고,
상기 하실에는 상기 연료극 배출물이 공급되는 연료극 배출물 유입구, 상기 연료탱크로부터 상기 원액 메탄올 연료가 공급되는 원액 메탄올 유입구 및 상기 연료극으로 상기 혼합연료를 공급하는 연료공급구가 형성되고,
상기 분리판은, 상기 분리판을 관통하는 관으로서 상부는 상기 상실에 배치되고 하부는 상기 하실에 배치되는 물공급채널 및 상기 하실의 가스가 상기 상실로 전달되도록 하는 가스전달부가 형성되며,
상기 하실의 내측에는 상기 혼합연료의 상하 이동이 가능하도록 이동홀이 구비된 2개 이상의 유동방지판이 형성된 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지 시스템의 연료혼합 탱크.
1. A fuel tank for a direct methanol fuel cell system in which a fuel tank, an air electrode, and a fuel electrode respectively receive undiluted methanol fuel, a cathode effluent, and an anode effluent,
A loss and a loss separated upwardly and downwardly by the separating plate,
And a gas outlet for discharging the gas to the outside is formed in the discharge space,
Wherein the fuel electrode outlet is provided with the fuel electrode discharge inlet, the raw liquid methanol inlet from which the raw methanol fuel is supplied from the fuel tank, and the fuel supply port that supplies the mixed fuel to the fuel electrode,
Wherein the separating plate is a tube penetrating the separating plate, the upper portion being disposed in the upper chamber, the lower portion being a water supply channel disposed in the lower portion, and a gas delivery portion for allowing the gas in the lower portion to be transferred to the lower chamber,
Wherein at least two flow-preventing plates having a moving hole are formed on the inner side of the container so that the mixed fuel can move up and down.
제16항에 있어서,
상기 유동방지판 중 하나는 상기 하실의 혼합연료의 평시(平時) 수위보다 높게 형성되는 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지 시스템의 연료혼합 탱크.
17. The method of claim 16,
And one of the flow preventing plates is formed to be higher than a normal water level of the mixed fuel in the fuel tank of the direct methanol fuel cell system.
제16항 또는 제17항의 연료혼합 탱크를 포함하는 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지 시스템.17. A direct methanol fuel cell system, comprising the fuel mixing tank of claim 16 or 17.
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