KR20140117504A - 액체 전해질 연료 전지 시스템 - Google Patents

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Abstract

액체 전해질 연료 전지 시스템(10)은 양극과 음극인 대향 전극들 사이에 있는 액체 전해질 챔버를 갖는 적어도 하나의 연료 전지, 가스 스트림을 음극에 인접한 가스 챔버에 공급하고 소모된 가스 스트림(38)을 상기 음극에 인접한 상기 가스 챔버로부터 후퇴시키기 위한 수단(30,32)을 포함하고, 상기 시스템은 또한 액체 전해질 저장 탱크(40)와, 상기 액체 전해질 저장 탱크(40) 및 연료 전지들을 사이에서 액체 전해질을 순환시키는 수단(42,44,47,48)을 포함한다. 또한, 상기 시스템은 상기 저장 탱크(40)에 인접한 물 저장 탱크(60)와, 상기 소모된 가스 스트림(38)으로부터 수증기를 응축하고(50,51), 응축된 수증기를 상기 물 저장 탱크(60)로 공급하기 위한(56) 수단을 포함한다. 상기 물 저장 탱크(60)는 오버플로 출구(64)를 구비하고; 상기 오버플로 출구의 레벨 밑에서 상기 액체 전해질 저장 탱크(40) 및 상기 물 저장 탱크(60)를 연결하는 교통 덕트(68)를 구비한다. 이는 임의의 전자장치를 필요로 하지 않고 전해질로부터 증발하는 물을 자동으로 대체한다.

Description

액체 전해질 연료 전지 시스템{A LIQUID ELECTROLYTE FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 액체 전해질 연료 전지 시스템에 관한 것이지만, 양호하게는 알카리성 연료 전지를 포함하는 것을 배제하지 않는다.
연료 전지는 전력의 비교적 깨끗하고 효율적인 소스로서 인식되어 왔다. 알카리성 연료 전지는 특히 관심 대상인데, 이는 연료 전지가 비교적 저온에서 작동하고, 효율적이며 기계적 및 전기화학적으로 내구성이 있기 때문이다. 산성 연료 전지 및 다른 액체 전해질을 사용하는 연료 전지들도 역시 관심대상이다. 이러한 연료 전지들은 통상적으로 연료 가스 챔버로부터 분리된 전해질 챔버(연료 가스, 통상적으로 수소를 수용함) 및 다른 가스 챔버(산소 가스, 대체로 공기를 수용함)를 포함한다. 전해질 챔버는 전극을 사용하여 가스 챔버로부터 분리된다. 알카리성 연료 전지들을 위한 통상적인 전극들은 전극에 기계적 강도를 제공하는 전도성 금속, 통상적으로 니켈을 포함하고 상기 전극은 또한 활성 탄소 및 촉매 금속, 통상적으로 백금을 포함할 수 있는 촉매 코팅부를 포함한다.
작동 시에, 화학 반응이 각 전극에서 발생하여 전기를 생산한다. 예를 들어, 양극 챔버 및 음극 챔버에 각각 공급된 수소 가스 및 공기가 연료 전지에 제공되면, 다음과 같이 양극에서
H2 + 2OH- → 2H20 + 2e- ;
그리고 음극에서
½ 02 + H20 + 2e- → 2OH-
반응이 일어나므로, 전체 반응은 수소와 산소가 합쳐져서 물을 제공하는, 동시에 전기가 발생하고, 그리고 수소 이온이 음극에서 양극으로 전해질을 통해서 확산된다. 양극에서 발생하는 반응에 의해서 물이 생성되고, 물은 또한 양 전극에서 증발되기 때문에, 전해질의 온도에서의 변화로 인하여 문제가 발생된다.
본 발명의 연료 전지 시스템은 종래 기술의 하나 이상의 문제점들을 처리하거나 또는 감소시키는 것이다.
따라서 본 발명은 양극과 음극인 대향 전극들 사이에 있는 액체 전해질 챔버를 각각 포함하는 적어도 하나의 연료 전지, 가스 스트림을 전극에 인접한 가스 챔버에 공급하고 소모된 가스 스트림을 상기 전극에 인접한 상기 가스 챔버로부터 후퇴시키기 위한 수단을 포함하는 액체 전해질 연료 전지 시스템으로서, 액체 전해질 저장 탱크와, 상기 액체 전해질 저장 탱크 및 각각의 액체 전해질 챔버 사이에서 액체 전해질을 순환시키는 수단을 또한 포함하는 상기 연료 전지 시스템에 있어서,
상기 시스템은 상기 액체 전해질 저장 탱크에 인접한 물 저장 탱크와, 상기 소모된 가스 스트림으로부터 수증기를 응축하고, 응축된 수증기를 상기 물 저장 탱크로 공급하기 위한 수단을 포함하며; 상기 물 저장 탱크는 오버플로 출구를 구비하고; 상기 오버플로 출구의 레벨 밑에서 상기 액체 전해질 저장 탱크 및 상기 물 저장 탱크 사이에 교통을 제공하는 덕트를 갖는, 액체 전해질 연료 전지 시스템을 제공한다.
상기 오버플로 출구는 상기 물 저장 탱크 내의 수위가 실질적으로 일정한 것을 보장한다. 상기 오버플로 출구의 높이는 조정가능하지만, 임의의 경우에 상기 전해질 저장 탱크 내의 전해질이 원하는 레벨에 있을 때, 상기 교통 덕트의 레벨에서의 압력이 상기 전해질 저장 탱크 및 상기 물 저장 탱크 모두에서 동일하도록 세팅된다.
연료 전지 시스템의 작동 시에, 전해질이 주위 온도 위에 있기 때문에 물의 순증발이 있는 것으로 확인되었다. 결과적으로, 시스템 내의 전해질의 체적은 점진적으로 감소하고 전해질 농도는 점진적으로 증가한다. 본 발명의 시스템은 물이 물 저장 탱크로 제공되는 것과, 시스템 내의 전해질 체적의 감소가 물 저장 탱크로부터 물의 유입을 자동으로 유도하므로, 전해질의 체적이 일정하게 유지되는 것을 보장한다. 필요할 때 전해질 안으로 물의 전달이 단지 중력에 의존하기 때문에 능동적인 제어가 필요하지 않다.
상기 교통 덕트는 개시 중에 물 저장 탱크 안으로 전해질의 유동이 진입하는 것을 방지하기 위해 비귀환 밸브 또는 수동 밸브를 포함한다. 일단, 연료 전지가 작동하면, 임의의 그러한 수동 밸브는 개방 상태로 남겨질 수 있다. 교통 덕트의 치수들은 양호하게는 작동 중에 상기 교통 덕트를 통한 물의 유량이 전해질의 역확산(back-diffusion)을 방지하게 설정된다.
일 실시예에서, 상기 물 저장 탱크는 물의 유동에서 난류를 억제하기 위해 복수의 배플들을 포함한다.
음극에 인접한 가스 챔버로부터 소모된 가스 유동이 통상적으로 양극에 인접한 챔버로부터의 소모된 가스 유동보다 크기 때문에, 상기 전극은 양호하게는 음극이고, 대체로 상당량의 수증기를 함유한다. 상기 시스템은 또한 양극에 인접한 가스 챔버로 연료 가스 스트림을 공급하고, 양극에 인접한 가스 챔버로부터 배기 가스 스트림을 후퇴시키기 위한 수단과, 배기 가스 스트림으로부터 수증기를 응축시키고, 응축된 수증기를 물 저장 탱크로 공급하기 위한 수단을 포함한다.
본 발명은 단지 예를 통하여 그리고 도면을 참조하여 특히 더욱 상세하게 기술될 것이다.
도 1은 본 발명의 연료 전지 시스템의 유체 유동의 개략도를 도시한다.
도 1에 있어서, 연료 전지 시스템(10)은 수용성 수산화칼륨을 예를 들어 6몰의 농도에서 전해질(12)로서 사용하는 연료 전지 스택(20)(개략적으로 도시됨)을 포함한다. 연료 전지 스택(20)에는 연료로서 수소 가스, 산화제로서 공기 및 전해질(12)이 공급되고 약 65 또는 70℃의 전해질 온도에서 작동한다. 수소 가스는 조절기(24) 및 제어 밸브(26)를 통하여 수소 저장 실린더(22)로부터 연료 전지 스택(20)으로 공급되고, 배기 가스 스트림은 제 1 가스 출구 덕트(28)를 통하여 나온다. 공기는 송풍기(30)에 의해서 공급되고, 공기가 연료 전지 스택(20)에 도달하기 전에 스크러버(32)를 통과하여 세정되고, 소모된 공기는 제 2 가스 출구 덕트(38)를 통해서 나온다.
연료 전지 스택(20)은 그 상세 구조가 본 발명의 요지가 아니므로 개략적으로 도시되며, 본 예에서는 연료 전지들의 스택으로 구성되고, 각 연료 전지는 양극과 음극인 대향 전극들 사이의 전해질 챔버를 각각 포함한다. 각 전지에서, 공기는 음극에 인접한 가스 챔버를 통하여 흘러서 소모된 공기로서 나온다. 유사하게, 각 전지에서, 수소는 양극에 인접한 가스 챔버를 통하여 흐르고, 정화 스트림으로 기술되는 배기 가스 스트림이 나온다.
연료 전지 스택(20)의 작동으로 인하여 전기가 발생되고, 또한 상술한 화학 반응에 의해서 물을 발생시킨다. 또한 물은 증발하고, 배기 가스 스트림 및 소모된 공기는 모두 수증기를 함유한다. 전체 결과는 전해질(12)로부터 물이 완만하게 손실된다.
전해질(12)은 환기구(41)를 구비한 전해질 저장 탱크(40)에 저장된다. 펌프(42)는 저장 탱크(40)로부터 환기구(45)를 구비한 헤더 탱크(44) 안으로 전해질을 순환시키고, 헤더 탱크(44)는 전해질이 저장 탱크(40)로 복귀하도록 오버플로 파이프(46)를 갖는다. 이는 헤더 탱크(44) 내의 전해질의 레벨이 일정한 것을 보장한다. 전해질은 일정한 압력에서 덕트(47)를 통하여 연료 전지 스택(20)으로 공급되고; 소모된 전해질은 열교환기(49)를 포함하는 귀환 덕트(48)를 통하여 저장 탱크(40)로 귀환하여 잉여 열을 제거한다.
제 1 가스 출구 덕트(28)는 나오는 배기 가스 스트림으로부터 수증기를 응축하는 가스/액체 분리기(51)와 열교환기(50)를 포함하여서, 냉각된 배기 가스 스트림이 출구(52)를 통하여 나오고, 물의 스트림은 출구(53)를 통해서 나온다. 유사하게, 제 2 가스 출구 덕트(38)는 소모된 공기로부터 수증기를 응축하는 가스/액체 분리기(51)와 열교환기(50)를 포함하여, 냉각된 소모된 배기 가스 스트림이 출구(54)를 통하여 나오고, 물의 스트림은 출구(55)를 통해서 나온다.
출구(53) 및 출구(55)로부터 나오는 물의 스트림은 공통 공급 파이프(56)를 통하여 전해질 저장 탱크(40)에 바로 인접한 물 저장 탱크(60) 안으로 공급된다. 물 저장 탱크(60)는 대향 벽들로부터 연장되는 다수의 배플들(62)을 포함하고, 폐수 파이프(65)와 교통하는 오버플로(64)를 구비하며, 상기 배플들은 유입 물로 인한 난류를 억제한다. 사용 시에, 물 저장 탱크(60)는 오버플로(64)의 높이에 의해서 세팅된 수위까지 물(66)을 저장한다. 물 저장 탱크(60)는 전해질 저장 탱크(40)와 공통 벽을 공유하므로, 물(66)은 공통 벽을 통과할 때 전해질(12)에 의해서 따뜻해진다.
물 저장 탱크(60)의 저부 인근에는 물 저장 탱크(60)과 전해질 저장 탱크(40) 사이에 유체 교통을 제공하는 짧은 연결 덕트(68)가 있고, 상기 연결 덕트(68)는 비귀환 밸브(70)를 포함한다. 상기 오버플로(64)의 높이는 전해질 저장 탱크(40) 내의 전해질(12)의 레벨이 원하는 레벨에 있을 때, 연결 덕트(68)의 위치에서 전해질(12)로 인한 정수압이 물(66)로 인한 정수압과 동일하도록 선택된다. 전해질(12)과 물(66)의 밀도들이 다르기 때문에 액체 레벨은 동일하지 않다는 것을 이해할 것이다. 따라서, 작동 시에, 잉여 물이 오버플로(64)로부터 폐수 파이프(65) 안으로 유동하고, 물은 또한 연결 덕트(68)를 통하여 전해질 저장 탱크(40) 안으로 흘러서 증발로 인하여 전해질로부터 물의 손실을 보충한다. 연결 덕트(68)의 직경은 예를 들어 3 또는 4mm일 수 있고, 임의의 경우에는, 수산화칼륨의 역확산을 방지하기 위하여 충분한 유동 속도에서 연결 덕트(68)를 통하여 물이 연속적으로 흐르도록 직경이 선택되어야 한다.
연료 전지 시스템(10)이 초기 설정될 때, 전해질(12)은 전해질 저장 탱크(40) 안으로 도입되고, 비귀환 밸브(70)는 전해질(12)이 물 저장 탱크(60) 안으로 유동하는 것을 방지한다. 연료 전지 시스템(10)의 연속적인 일반 작동 중에, 비귀환 밸브(70)는 물 유동에 충격을 주지 않으며, 전해질(12)이 역방향으로 유동하는 경향이 없다.
상술한 연료 전지 시스템(10)은 본 발명의 범주 내에서 여러 방식들로 변형될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, 공통 벽을 통하여 직선 덕트로 도시된 연결 덕트(68)는 대신에 저장 탱크들(40 및 60)의 저부 부분들을 연결하고 저장 탱크들(40 및 60)의 저부들 밑으로 돌출하는 U형 덕트일 수 있다. 다른 대안 예에서, 비귀환 밸브(70)는 전해질(12)이 도입될 때 초기 셋업 중에 폐쇄되는 수동 밸브에 의해서 대체될 수 있고, 일단 물 저장 탱크(60)에서 물이 적당한 수위가 되었을 때 개방되고, 전지 스택(20)은 안정된 작동 상태에 도달한다. 다른 변형 예로서, 오버플로(64)는 잉여 물이 통과하는 문턱부(sill) 또는 댐에 의해서 교체될 수 있고; 이러한 문턱부 또는 댐은 높이가 조정가능하다.
다른 대안 예로서, 소모된 공기 스트림 및 배기 가스 스트림은 조합되고, 액체/가스 분리기(51)에 의해서 추종되는 단일 열교환기(50)를 통과하여 공급 파이프(56)에 대해서 물의 스트림을 발생시킨다.

Claims (10)

  1. 양극과 음극인 대향 전극들 사이에 있는 액체 전해질 챔버를 각각 포함하는 적어도 하나의 연료 전지, 가스 스트림을 전극에 인접한 가스 챔버에 공급하고 소모된 가스 스트림을 상기 전극에 인접한 상기 가스 챔버로부터 후퇴시키기 위한 수단을 포함하는 액체 전해질 연료 전지 시스템으로서, 액체 전해질 저장 탱크와, 상기 액체 전해질 저장 탱크 및 각각의 액체 전해질 챔버 사이에서 액체 전해질을 순환시키는 수단을 또한 포함하는 상기 연료 전지 시스템에 있어서,
    상기 시스템은 상기 액체 전해질 저장 탱크에 인접한 물 저장 탱크와, 상기 소모된 가스 스트림으로부터 수증기를 응축하고, 응축된 수증기를 상기 물 저장 탱크로 공급하기 위한 수단을 포함하며; 상기 물 저장 탱크는 오버플로 출구를 구비하고; 상기 오버플로 출구의 레벨 밑에서 상기 액체 전해질 저장 탱크 및 상기 물 저장 탱크 사이에 교통을 제공하는 덕트를 갖는, 액체 전해질 연료 전지 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 오버플로 출구의 높이는 조정가능한, 액체 전해질 연료 전지 시스템.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 오버플로 출구의 높이는 상기 전해질 저장 탱크 내의 전해질이 원하는 레벨에 있을 때, 상기 교통 덕트의 레벨에서의 압력이 상기 전해질 저장 탱크 및 상기 물 저장 탱크 모두에서 동일하도록 세팅되는, 액체 전해질 연료 전지 시스템.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 교통 덕트는 비귀환 밸브를 포함하는, 액체 전해질 연료 전지 시스템.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 교통 덕트는 수동 밸브를 포함하는, 액체 전해질 연료 전지 시스템.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 교통 덕트의 단면적은 작동 중에 상기 교통 덕트를 통한 물의 유량이 전해질의 역확산(back-diffusion)을 방지하도록 설정되는, 액체 전해질 연료 전지 시스템.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 물 저장 탱크는 난류를 억제하기 위해 복수의 배플들을 포함하는, 액체 전해질 연료 전지 시스템.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전극은 음극인, 액체 전해질 연료 전지 시스템.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 가스 스트림들은 상기 양극 및 상기 음극에 인접한 가스 챔버들로 제공되고, 소모된 가스 스트림들은 상기 양극 및 상기 음극에 인접한 상기 가스 챔버들로부터 나오고, 수증기를 응축하고 응축된 수증기를 상기 물 저장 탱크로 공급하는 수단이 각각의 상기 소모된 가스 스트림들에 대해서 제공되는, 액체 전해질 연료 전지 시스템.
  10. 실질적으로 첨부된 도면을 참조하여 상술되고, 첨부된 도면에 도시된 액체 전해질 연료 전지 시스템.
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