KR20140075250A - 허니컴 구조의 유동방지판을 설치한 직접 메탄올 연료전지 시스템용 연료혼합 탱크 및 이를 포함하는 직접 메탄올 연료전지 시스템 - Google Patents

허니컴 구조의 유동방지판을 설치한 직접 메탄올 연료전지 시스템용 연료혼합 탱크 및 이를 포함하는 직접 메탄올 연료전지 시스템 Download PDF

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KR20140075250A
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이봉도
백동현
정두환
김상경
임성엽
이병록
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한국에너지기술연구원
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Abstract

본 발명은 연료 유동 방지 장치를 설치한 직접 메탄올 연료전지 시스템용 연료혼합 탱크 및 이를 포함하는 직접 메탄올 연료전지 시스템에 관한 것으로, 본 발명의 연료혼합 탱크는 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 다공성 유동방지판이 형성된다.

Description

허니컴 구조의 유동방지판을 설치한 직접 메탄올 연료전지 시스템용 연료혼합 탱크 및 이를 포함하는 직접 메탄올 연료전지 시스템{Fuel Mixing tank with Preventing Honeycomb Plate of Fuel Surging for Direct Methanol Fuel Cell System And Direct Methanol Fuel Cell System Comprising The Same}
본 발명은 허니컴 구조의 유동방지판을 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 허니컴 구조의 유동방지판을 설치한 직접 메탄올 연료전지 시스템용 연료혼합 탱크 및 이를 포함하는 직접 메탄올 연료전지 시스템에 관한 것이다.
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.
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.
저온형 연료전지의 대표적인 예로는 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)와 직접 메탄올 연료전지(DMFC: Direct Methanol Fuel Cell)가 있다.
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.
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.
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.
CH3OH + H2O → CO2 + 6H+ + 6e-
3/2O2 + 6H+ + 6e- → 3H2O
CH3OH + 3/2O2 → 3H2O + CO2 (E = 1.21V)
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 허니컴 구조의 유동방지판을 설치한 직접 메탄올 연료전지 시스템용 연료혼합 탱크 및 이를 포함하는 직접 메탄올 연료전지 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.
나아가, 이동시 진동 또는 충격이 가해졌을 때에도 혼합연료의 유동을 최소화하여 혼합연료가 상하 또는 좌우로 쏠리는 출렁거림을 방지함으로써 우수한 안정성을 갖는 허니컴 구조의 유동방지판을 설치한 직접 메탄올 연료전지 시스템용 연료혼합 탱크 및 이를 포함하는 직접 메탄올 연료전지 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.
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 다공성 유동방지판이 형성된 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지 시스템의 연료혼합 탱크를 제공한다.
상기 다공성 유동방지판은 상기 하실의 혼합연료의 평시(平時) 수위보다 낮게 형성되는 것이 바람직하다.
상기 다공성 유동방지판은 허니컴 구조의 유동방지판이 효과적으로 사용될 수 있다.
상기 허니컴 구조의 유동방지판은 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE) 또는 폴리카보네이트(PC)를 포함하여 형성되는 것이 바람직하다.
상기 허니컴 구조의 유동방지판은 2~12mm의 허니컴 셀 사이즈를 갖는 것이 바람직하다.
상기 허니컴 구조의 유동방지판은 3~100mm의 두께를 갖는 것이 바람직하다.
상기 가스배출구는 다공성 소수성 분리막으로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 다공성 소수성 분리막은 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 에틸렌테트라플루오로에틸렌(ETFE) 또는 폴리비닐리덴플루오리드(PVDF)를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 다공성 소수성 분리막의 기공의 크기는 0.001~0.05mm인 것이 바람직하다.
상기 다공성 소수성 분리막의 두께는 0.01~0.1mm인 것이 바람직하다.
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.
상기 하실의 수위에 대한 상기 상실의 수위의 비는 1/10 내지 1/3인 것이 바람직하다.
상기 물공급채널의 단면적은 상기 가스전달부의 면적의 4~30배인 것이 바람직하다.
상기 가스전달부의 면적은 0.5 내지 15 mm2인 것이 바람직하다.
상기 물공급채널의 단면적은 상기 분리판 면적의 1/5 이하인 것이 바람직하다.
상기 하실의 메탄올 농도를 측정하는 농도 측정센서를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 유동방지판은 2개 이상이 구비될 수 있다. 이때, 유동방지판 중 하나는 상기 하실의 혼합연료의 평시(平時) 수위보다 높게 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명은 상기 연료혼합 탱크를 포함하는 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지 시스템을 제공한다.
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.
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.
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.
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.
본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적 의미로 한정되어 해석되지 아니하며, 본 발명의 기술적 사항에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
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.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 직접 메탄올 연료전지 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 계통도이다.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
한편, 연료극에서 배출되는 연료극 배출물은 연료극에서의 반응열로 인해 고온으로 상승되어 있으므로, 열교환기(50)를 이용하여 연료극 배출물의 온도를 적정 수준으로 냉각시킬 수 있다.
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.
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.
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.
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.
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 다공성 유동방지판(260)이 형성되어, 혼합연료가 상하 이동이 가능하도록 하면서 이동시 또는 충격시에 출렁거림을 방지할 수 있다.
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.
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.
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.
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.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 유동방지판(260)의 구조를 나타낸 도면이다.
본 발명에 있어서, 유동방지판(260)은 다공성 구조를 갖도록 형성되어 외부 충격 또는 진동에 의해 혼합연료가 상하 또는 좌우로 출렁거리는 것을 방지할 수 있다. 다공성 구조의 유동방지판(260)의 예로서 허니컴 구조의 유동방지판(260)이 효과적으로 활용될 수 있으며, 본 실시예는 허니컴 구조의 유동방지판(260)의 일 예를 보여준다.
상기 허니컴 구조의 유동방지판은 메탄올에 대한 내성을 갖는 플라스틱 재질로 이루어지는 것이 바람직한데, 그 대표적인 예로 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE) 또는 폴리카보네이트(PC)를 들 수 있다.
상기 허니컴 구조의 유동방지판은 혼합연료의 유동 방지 및 원활한 이동을 위하여, 2~12mm의 허니컴 셀(261) 사이즈를 갖는 것이 바람직하며, 또한 3~100mm의 두께를 갖는 것이 바람직한데, 상기 하한에 미달하면 허니컴 셀(261) 사이즈가 작아 이동홀(261) 내부에 위치하는 혼합연료의 표면장력이 높아지므로 혼합연료의 상하 이동이 지나치게 어렵고, 상기 상한을 초과하면 허니컴 셀(261) 사이즈가 커져 혼합연료가 이동홀(261)을 통하여 너무 자유롭게 이동하게 되어 유동 방지 목적을 충분히 달성할 수 없어 바람직하지 못하다.
유동방지판(260)에는 물공급채널 관통부(262)가 형성되어, 이를 관통하여 물공급채널(240)이 형성될 수 있다.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
이와 함께, 하실(210)의 원액 메탄올 유입구(211)를 통해 연료탱크(30)로부터 메탄올 연료 원액이 공급된다.
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.
이때, 배출가스에는 이산화탄소뿐만 아니라 기화된 메탄올이 포함되어 있으며, 가스전달부(250)를 통해 상실(230)로 이동하면서 상실(230)에 채워진 물에 포집되게 된다.
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.
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.
하실(210)에 채워진 희석된 메탄올 즉, 혼합연료는 펌프(62)를 이용하여 연료공급구(212)를 통해 연료극으로 공급된다.
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.
*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: 허니컴 셀 262: 물공급채널 관통부
270: 연료 농도 측정센서

Claims (19)

  1. 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 다공성 유동방지판이 형성된 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지 시스템의 연료혼합 탱크.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 다공성 유동방지판은 허니컴 구조의 유동방지판인 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지 시스템의 연료혼합 탱크.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 허니컴 구조의 유동방지판은 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE) 또는 폴리카보네이트(PC)를 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지 시스템의 연료혼합 탱크.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 허니컴 구조의 유동방지판은 2~12mm의 허니컴 셀 사이즈를 갖는 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지 시스템의 연료혼합 탱크.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 허니컴 구조의 유동방지판은 3~100mm의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지 시스템의 연료혼합 탱크.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 가스배출구는 다공성 소수성 분리막으로 형성되는 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지 시스템의 연료혼합 탱크.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 다공성 소수성 분리막은 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 에틸렌테트라플루오로에틸렌(ETFE) 또는 폴리비닐리덴플루오리드(PVDF)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지 시스템의 연료혼합 탱크.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 다공성 소수성 분리막의 기공의 크기는 0.001~0.05mm인 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지 시스템의 연료혼합 탱크.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 다공성 소수성 분리막의 두께는 0.01~0.1mm인 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지 시스템의 연료혼합 탱크.
  10. 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.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 하실의 수위에 대한 상기 상실의 수위의 비는 1/10 내지 1/3인 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지 시스템의 연료혼합 탱크.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 물공급채널의 단면적은 상기 가스전달부의 면적의 4~30배인 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지 시스템의 연료혼합 탱크.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 가스전달부의 면적은 0.5 내지 15 mm2인 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지 시스템의 연료혼합 탱크.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 물공급채널의 단면적은 상기 분리판 면적의 1/5 이하인 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지 시스템의 연료혼합 탱크.
  15. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항의 연료혼합 탱크를 포함하는 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지 시스템.
  16. 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 2개 이상의 다공성 유동방지판이 형성된 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지 시스템의 연료혼합 탱크.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 다공성 유동방지판은 허니컴 구조의 유동방지판인 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지 시스템의 연료혼합 탱크.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 유동방지판 중 하나는 상기 하실의 혼합연료의 평시(平時) 수위보다 높게 형성되는 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지 시스템의 연료혼합 탱크.
  19. 제16항 내지 제18항 중 어느 한 항의 연료혼합 탱크를 포함하는 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지 시스템.
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