KR20150071352A - Direct methanol fuel cell system and cooling method thereof - Google Patents

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Abstract

The present invention discloses a fuel cell system directly using methanol as a fuel and a cooling method thereof. The fuel cell system includes: a fuel tank storing the methanol fuel; a stack which receives the methanol solution and oxygen to initiate a chemical reaction and generate electricity accordingly and discharges the byproducts of the chemical reaction and unreacted fuel; a buffer tank which temporally stores the byproducts of the chemical reaction and the unreacted fuel discharged from the stack and separates the substances into a liquid and a gas; multiple coolers which receive the liquid and gas separated from the buffer tank respectively to cool the gas and liquid; and a gas-liquid separator which receives the byproducts of the chemical reaction and the unreacted fuel cooled in the coolers and the methanol fuel from the fuel tank, separates the received substances, discharges the carbon dioxide being a byproduct of the chemical reaction, and supplies the aqueous methanol solution being another byproduct of the chemical reaction to the stack.

Description

메탄올을 직접 연료로 사용하는 연료전지 시스템 및 이의 냉각 방법{DIRECT METHANOL FUEL CELL SYSTEM AND COOLING METHOD THEREOF}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a fuel cell system using methanol as a direct fuel,

본 발명은 연료전지 시스템 및 이의 냉각 방법에 관한 것으로, 특히 메탄올을 직접 연료로 사용하는 연료전지 시스템 및 이의 냉각 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell system and a cooling method thereof, and more particularly to a fuel cell system using methanol as a direct fuel and a cooling method thereof.

연료 전지 시스템(fuel cell system)은 일종의 발전 시스템(electric power generation system)으로서, 일반적으로, 수소나 메탄올 등과 산소의 전기화학 반응에 의해 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 발전 시스템이다. 연료 전지 시스템은 화학적 반응에 의해 전기를 발생시키는 점에서 종래의 화학 전지와 유사하지만, 화학 전지가 전극을 구성하는 물질과 전해질을 용기 속에 넣어 화학 반응시키는데 반해 연료 전지는 외부로부터 메탄올 및 산소와 같은 연료를 연속적으로 공급하여 화학 반응을 일으키므로, 별도의 충전이 필요없이 연료가 공급되는 동안 계속하여 전기를 발생한다. 연료 전지는 기존의 내연기관에 비해 유독물질을 배출하지 않고, 구동부가 존재하지 않아 소음이 없으며, 에너지 효율이 우수하여 차세대 에너지원으로서 각광 받고 있다.BACKGROUND OF THE INVENTION [0002] A fuel cell system is a kind of electric power generation system. Generally, it is a power generation system that converts chemical energy directly into electrical energy by electrochemical reaction of oxygen with hydrogen or methanol. The fuel cell system is similar to a conventional chemical cell in that it generates electricity by chemical reaction, but a chemical cell chemically reacts by putting the material and the electrolyte constituting the electrode into a container, while the fuel cell is externally supplied with methanol and oxygen Since the fuel is continuously supplied to cause a chemical reaction, electricity is continuously generated while the fuel is supplied without the necessity of extra charging. The fuel cell does not emit toxic substances as compared with existing internal combustion engines, does not have a driving part, has no noise, and is excellent in energy efficiency, and has been attracting attention as a next-generation energy source.

연료 전지 시스템에서 수소는 순수한 수소를 직접 공급할 수도 있고, 메탄올, 에탄올, 천연가스 등과 같은 물질을 개질하여 수소를 공급할 수도 있다. 산소는 순수한 산소를 직접 연료전지 시스템에 공급 할 수도 있고, 공기 펌프 등을 이용하여 통상의 공기에 포함된 산소를 공급할 수도 있다.In the fuel cell system, hydrogen can supply pure hydrogen directly, or it can supply hydrogen by modifying materials such as methanol, ethanol, natural gas and the like. Oxygen may supply pure oxygen directly to the fuel cell system or may supply oxygen contained in normal air using an air pump or the like.

연료전지는 상온 또는 100℃ 이하에서 작동하는 고분자 전해질형 및 직접 메탄올형 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell: 이하 DMFC), 150∼200℃ 부근에서 작동하는 인산형 연료전지, 600∼700℃의 고온에서 작동하는 용융탄산염형 연료전지, 1000℃ 이상의 고온에서 작동하는 고체 산화물형 연료전지 등으로 분류된다. 이러한 분류에 따른 각각의 연료전지는 기본적으로 전기를 발생하는 작동원리는 동일하지만 사용되는 연료의 종류, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다.The fuel cell includes a polymer electrolyte type and direct methanol fuel cell (DMFC) operating at room temperature or below 100 ° C, a phosphoric acid fuel cell operating at about 150-200 ° C, a high temperature of 600-700 ° C A molten carbonate fuel cell to be operated, and a solid oxide fuel cell that operates at a high temperature of 1000 ° C or more. Each of the fuel cells according to this classification basically has the same principle of operation as that of generating electricity, but different kinds of fuel, catalyst, and electrolyte are used.

연료전지 중 DMFC는 연료로서 수소 대신에 액상의 고농도 메탄올을 물과 혼합한 후 직접 연료로 사용한다. 직접 메탄올형 연료전지는 수소를 직접 연료로 사용하는 연료전지보다 출력밀도가 낮지만, 연료로 사용하는 메탄올의 체적당 에너지 밀도가 높고 저장이 용이하여 저출력 및 장시간 운전이 요구되는 상황에서 유리한 장점이 있다. 또한 연료를 개질하여 수소를 생성하는 개질기 등의 부가적인 장치가 불필요하기 때문에 소형화에 매우 유리하다.DMFCs in fuel cells use high-density liquid methanol as a fuel instead of hydrogen as water directly after mixing them with water. The direct methanol type fuel cell has a lower power density than a fuel cell using hydrogen as a direct fuel, but has a merit in the situation that the energy density per volume of the methanol used as the fuel is high and storage is easy and a low output and long operation is required have. Further, an additional device such as a reformer for reforming the fuel to generate hydrogen is unnecessary, which is very advantageous for downsizing.

DMFC은 전해질막과, 상기 전해질막의 양면에 접하는 애노드(anode) 전극과 캐소드(cathode) 전극으로 이루어지는 전극-전해질 합성체(Membrane Electrode Assembly : MEA)를 구비하고, 메탄올을 MEA의 애노드(Anode)에 연로로서 공급하고, 캐소드(Cathode)로 산소를 공급하여, 공급된 메탄올과 산소의 화학반응으로 전기를 생성시킨다. 애노드에서는 화학식 1과 같은 반응이 일어나면서 전자가 생성되며, 그 전자는 이동 경로를 따라 캐소드로 이동하여 화학식 2의 반응을 일으키게 된다.The DMFC includes an electrolyte membrane and an electrode-electrolyte assembly (MEA) composed of an anode electrode and a cathode electrode which are in contact with both surfaces of the electrolyte membrane. The membrane electrode assembly And oxygen is supplied to the cathode to generate electricity by a chemical reaction between the supplied methanol and oxygen. At the anode, electrons are generated as the reaction of Chemical Formula 1 occurs, and the electrons move to the cathode along the movement path to cause the reaction of Chemical Formula 2.

Figure pat00001
Figure pat00001

Figure pat00002
Figure pat00002

상기 화학식1, 2가 진행되는 MEA 하나로는 충분한 전기를 얻기 힘들기 때문에, 이를 다단으로 적층한 스택(stack)의 형태로 사용하게 된다.Since it is difficult to obtain sufficient electricity with one MEA in which the above-mentioned formulas 1 and 2 proceed, it is used in the form of a multi-layered stack.

DMFC 시스템은 스택에 메탄올과 산소를 공급하여 전기를 생성하고, 그 부산물인 물(화학식 2 참조)과 미반응 메탄올과 미반응 산소를 다시 순환시키며 재사용할 수 있도록 구성된다.The DMFC system is configured to generate electricity by supplying methanol and oxygen to the stack, and recycle the byproduct water (see Chemical Formula 2), unreacted methanol and unreacted oxygen again.

도1 은 기존의 DMFC 시스템의 일 예를 나타낸다.1 shows an example of a conventional DMFC system.

도1 을 참조하면, DMFC 시스템은 연료 탱크(10), 기액 분리기(20), 2개의 냉각기(R1, R2), 복수개의 펌프(P1 ~ P4), 스택(30) 및 버퍼 탱크(40)를 포함한다.1, the DMFC system includes a fuel tank 10, a gas-liquid separator 20, two coolers R1 and R2, a plurality of pumps P1 to P4, a stack 30 and a buffer tank 40 .

스택(30)은 복수개의 MEA를 구비하여 수소가스와 산소의 화학반응에 의해서 전기를 생성한다. 그리고 화학 반응의 부산물과 미반응 연료를 배출한다. 연료 탱크(10)는 스택(30)에 공급할 메탄올 연료를 저장한다. 기액 분리기(20)는 스택(30)에서 배출된 화학 반응의 부산물과 미반응 연료를 분리하고, 분리한 미반응 연료와 연료 탱크(10)에서 공급되는 메탄올 연료를 혼합하여 다시 스택(30)으로 공급할 수 있도록 한다. 버퍼 탱크(40)는 스택(30)을 구성하는 복수개의 MEA 각각의 캐소드로부터 이산화탄소(CO2) 및 물(H2O)이 혼합되어 고온 증기 상태의 화학 반응 부산물을 인가받아 임시로 저장한다. 버퍼 탱크(40)에 임시 저장된 화학 반응 부산물 중 수증기는 물로 응축되어 곧바로 기액 분리기(20)로 공급되는 반면, 고온의 증기 상태인 이산화탄소와 응축되지 않은 수증기는 냉각기(R1)을 통해 냉각되어 기액 분리기(20)로 공급된다.The stack 30 includes a plurality of MEAs to generate electricity by chemical reaction between hydrogen gas and oxygen. And releases byproducts of chemical reactions and unreacted fuel. A fuel tank (10) stores methanol fuel to be supplied to the stack (30). The gas-liquid separator 20 separates the unreacted fuel from the chemical reaction discharged from the stack 30, mixes the separated unreacted fuel and the methanol fuel supplied from the fuel tank 10, To be supplied. The buffer tank 40 mixes carbon dioxide (CO 2) and water (H 2 O) from the cathodes of each of the plurality of MEAs constituting the stack 30 and temporarily stores chemical reaction byproducts in a high-temperature vapor state. The water vapor in the chemical reaction byproduct temporarily stored in the buffer tank 40 is condensed with water and directly supplied to the gas-liquid separator 20, while the carbon dioxide in a high temperature state and the water vapor not condensed are cooled through the cooler R1, (20).

한편, MEA 각각의 애노드에서는 미반응 연료인 메탄올 수용액이 고온 증기 상태로 배출되고, 배출된 고온 증기 상태의 메탄올 수용액은 냉각기(R2)를 통해 냉각되어 기액 분리기(20)로 공급된다.On the other hand, in the respective anodes of the MEAs, an aqueous methanol solution as an unreacted fuel is discharged in a high-temperature steam state, and the discharged methanol aqueous solution in a high-temperature steam state is cooled through a cooler R2 and supplied to the gas-

기액 분리기(20)는 냉각기(R1)로부터 냉각된 화학 반응 부산물을 인가받고, 냉각기(R2)로부터 냉각된 미반응 연료를 인가받고, 버퍼 탱크(40)로부터 물을 공급받는다. 또한 기액 분리기(20)는 연료 탱크(10)로부터 메탄올 연료를 공급받는다. 기액 분리기(20)는 공급된 화학 반응 부산물인 이산화탄소(CO2)와 미반응 연료인 메탄올 및 물을 분리하고, 분리된 이산화탄소(CO2)를 배기관(exhaust)를 통해 외부로 배출한다. 반면, 미반응 연료와 물 및 연료 탱크(10)에서 공급된 메탄올 연료는 메탄올 수용액으로 혼합되어 다시 스택(30)으로 공급된다.The gas-liquid separator 20 receives the chemical reaction by-products cooled from the cooler R1, receives the unreacted fuel cooled from the cooler R2, and receives water from the buffer tank 40. [ The gas-liquid separator 20 receives methanol fuel from the fuel tank 10. The gas-liquid separator 20 separates carbon dioxide (CO 2) as a by-product of the supplied chemical reaction, methanol and water as unreacted fuel, and discharges the separated carbon dioxide (CO 2) to the outside through an exhaust pipe. On the other hand, unreacted fuel and water and the methanol fuel supplied from the fuel tank 10 are mixed with the methanol aqueous solution and supplied to the stack 30 again.

그리고 복수개의 펌프(P1 ~ P4) 중 펌프(P1)은 연료 탱크(10)에 저장된 메탄올 연료를 기액 분리기(20)로 공급하기 위해 구비되고, 펌프(P2)는 기액 분리기에서 혼합된 메탄올 수용액을 스택(30)의 MEA 각각의 애노드로 공급하기 위해 구비된다. 그리고 펌프(P3)는 공기(산소)를 MEA 각각의 캐소드로 공급하며, 펌프(P4)는 버퍼 탱크(40)에서 응축되는 물을 기액 분리기(20)로 공급한다.Among the plurality of pumps P1 to P4, the pump P1 is provided to supply the methanol fuel stored in the fuel tank 10 to the gas-liquid separator 20, and the pump P2 is provided to supply the methanol aqueous solution mixed in the gas- To the respective anodes of the MEAs of the stack 30. [ The pump P3 supplies air (oxygen) to the cathode of each of the MEAs and the pump P4 supplies water to be condensed in the buffer tank 40 to the gas-liquid separator 20.

도1 에 도시된 기존의 DMFC 시스템은 버퍼 탱크(40)에서 응축되어 생성된 물이 냉각기를 거치지 않고, 곧바로 기액 분리기(20)로 공급되기 때문에 물의 온도가 고온 상태로 유지된다. 이렇게 물이 고온 상태를 유지한 채로 기액 분리기(20)로 공급되면, 기액 분리기(20)에서 화학 반응 부산물과 미반응 연료 및 물의 분리 성능이 저하된다. 이에 기존에는 기액 분리기(20)의 열을 방출하기 위한 방열 수단을 추가로 구비하는 경우가 많았다. 뿐만 아니라, 상기한 바와 같이 DMFC 시스템은 상온 또는 100℃ 이하에서 동작하므로, 안정적인 동작 및 전력 생산 효율을 높이기 위해서는 기액 분리기(20)로 공급되는 물의 온도를 낮출 필요성이 있다.In the conventional DMFC system shown in FIG. 1, the water produced by condensation in the buffer tank 40 is supplied to the gas-liquid separator 20 without passing through the cooler, so that the temperature of the water is maintained at a high temperature. When the water is supplied to the gas-liquid separator 20 while maintaining the high-temperature state, the separation performance between the chemical reaction by-product and the unreacted fuel and water is lowered in the gas-liquid separator 20. In many cases, a heat dissipating means for discharging heat of the gas-liquid separator 20 has been additionally provided in many cases. In addition, as described above, since the DMFC system operates at room temperature or below 100 ° C, it is necessary to lower the temperature of water supplied to the gas-liquid separator 20 to enhance stable operation and power production efficiency.

본 발명의 목적은 추가적인 구성 요소를 구비하지 않고, 스택에서 배출되는 화학 반응 부산물과 미반응 연료 및 물의 배출 경로를 변경함에 의해 스택에서 방출되는 물질들을 냉각시킬 수 있는 DMFC 시스템을 제공하는데 있다.It is an object of the present invention to provide a DMFC system capable of cooling substances emitted from the stack by changing the discharge path of chemical reaction by-products discharged from the stack and unreacted fuel and water without additional components.

본 발명의 다른 목적은 DMFC 시스템의 냉각 방법을 제공하는데 있다.It is another object of the present invention to provide a cooling method of a DMFC system.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 예에 따른 DMFC 시스템은 메탄올 연료를 저장하는 연료 탱크; 상기 메탄올 연료의 수용액인 메탄올 수용액과 산소를 공급받아 화학 반응을 발생하여 전기를 발생하고, 화학 반응의 부산물과 미반응 연료를 배출하는 스택; 상기 스택에서 배출되는 화학 반응의 부산물과 미반응 연료를 모두 인가받아 임시 저장하고, 기체와 액체로 분리하는 버퍼 탱크; 상기 버퍼 탱크에서 분리된 상기 기체와 상기 액체를 각각 인가받아 냉각하는 복수개의 냉각기; 및 상기 복수개의 냉각기에서 냉각된 화학 반응의 부산물과 미반응 연료와 상기 연료 탱크에서 메탄올 연료를 공급받아 분리하여 화학 반응의 부산물 중 이산화탄소를 외부로 배출하고, 상기 화학 반응의 부산물 중 물과 상기 메탄올이 혼합된 상기 메탄올 수용액을 상기 스택으로 공급하는 기액 분리기; 를 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a DMFC system including a fuel tank for storing methanol fuel; A stack for generating a chemical reaction by supplying oxygen to the methanol aqueous solution, which is an aqueous solution of the methanol fuel, to generate electricity, and to discharge by-products of the chemical reaction and unreacted fuel; A buffer tank for receiving and temporarily storing by-products of the chemical reaction discharged from the stack and unreacted fuel, and separating the gas and the liquid; A plurality of coolers for respectively receiving and cooling the gas separated from the buffer tank and the liquid; And separating the byproduct of the chemical reaction cooled by the plurality of coolers, the unreacted fuel, and the methanol fuel from the fuel tank to separate carbon dioxide from the byproducts of the chemical reaction, A gas-liquid separator for supplying the mixed aqueous methanol solution to the stack; .

상기 스택은 전해질막과, 상기 전해질막의 양면에 접하는 애노드(anode)와 캐소드(cathode)로 이루어지는 복수개의 전극-전해질 합성체(MEA)가 다단으로 적층되어 구성되는 것을 특징으로 한다.The stack is formed by stacking an electrolyte membrane and a plurality of electrode-electrolyte assemblies (MEA) composed of an anode and a cathode in contact with both surfaces of the electrolyte membrane.

상기 버퍼 탱크는 상기 복수개의 MEA 각각의 상기 애노드에서 고온 증기 상태의 상기 미반응 연료인 메탄올 수용액을 인가받고, 상기 캐소드에서 고온 증기 상태의 상기 화학 반응의 부산물인 상기 이산화탄소와 상기 물을 인가받아 임시 저장하는 것을 특징으로 한다.The buffer tank receives the methanol aqueous solution of the unreacted fuel in the high-temperature steam state at the anode of each of the plurality of MEAs, receives the carbon dioxide and the water which are by-products of the chemical reaction in the high-temperature steam state at the cathode, .

상기 버퍼 탱크는 상기 고온 증기 상태의 메탄올 수용액과 상기 이산화탄소와 상기 물이 응축되어 상기 기체와 상기 액체로 분리되는 것을 특징으로 한다.And the buffer tank is characterized in that the methanol aqueous solution in the high temperature vapor state, the carbon dioxide and the water are condensed and separated into the gas and the liquid.

상기 복수개의 냉각기는 상기 버퍼 탱크 내 상부에 모인 기체를 냉각하여 상기 기액 분리기로 공급하는 제1 냉각기; 및 상기 버퍼 탱크 내 하부에 모인 액체를 냉각하여 상기 기액 분리기로 공급하는 제2 냉각기; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.Wherein the plurality of coolers cool the gas collected in the upper portion of the buffer tank and supply the cooled gas to the gas-liquid separator; And a second cooler for cooling the liquid collected in the lower portion of the buffer tank and supplying the cooled liquid to the gas-liquid separator; And a control unit.

상기 DMFC 시스템은 상기 연료 탱크에 저장된 메탄올 연료를 상기 기액 분리기로 공급하는 제1 펌프; 상기 기액 분리기에서 혼합된 상기 메탄올 수용액을 상기 스택의 복수개의 상기 애노드로 공급하는 제2 펌프; 상기 산소를 상기 스택의 복수개의 상기 캐소드로 공급하는 제3 펌프; 및 상기 제2 냉각기에서 냉각된 액체를 상기 기액 분리기로 공급하는 제4 펌프; 를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.The DMFC system includes a first pump for supplying the methanol fuel stored in the fuel tank to the gas-liquid separator; A second pump for supplying the aqueous methanol solution mixed in the gas-liquid separator to a plurality of the anodes of the stack; A third pump supplying the oxygen to a plurality of cathodes of the stack; And a fourth pump for supplying the liquid cooled in the second cooler to the gas-liquid separator; And further comprising:

상기 DMFC 시스템은 상기 제1 내지 제4 펌프를 제어하여 상기 스택으로 공급되는 상기 메탄올 연료 농도와 공급양 그리고 상기 산소의 공급양을 조절함으로, 상기 DMFC 시스템의 발전량을 조절하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.The DMFC system further includes a controller for controlling the amount of power generation of the DMFC system by controlling the methanol fuel concentration and the amount of supply and the amount of oxygen supplied to the stack by controlling the first to fourth pumps .

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 예에 따른 DMFC 시스템의 냉각 방법은 연료 탱크, 스택, 버퍼 탱크, 복수개의 냉각기, 기액 분리기 및 제어부를 포함하는 DMFC 시스템의 냉각 방법에 있어서, 상기 연료 탱크에 저장된 메탄올 연료를 상기 기액 분리기로 공급하는 단계; 상기 기액 분리기 내에서 상기 메탄올 연료와 이전 스택에서 미반응된 상기 메탄올과 화학 반응의 부산물인 물을 상기 제어부가 지정하는 농도의 메탄올 수용액으로 혼합하는 단계; 상기 메탄올 수용액과 산소를 상기 스택으로 공급하는 단계; 상기 스택에서 상기 메탄올 수용액과 상기 산소가 화학 반응하여 전기를 생산하고, 상기 화학 반응의 부산물과 미반응 연료를 모두 상기 버퍼 탱크로 배출하는 단계; 상기 버퍼 탱크에서 고온 증기 상태의 상기 화학 반응 부산물과 상기 미반응 연료를 기체와 액체로 분리하는 단계; 및 상기 복수개의 냉각기 각각에 의해 상기 기체와 상기 액체를 각각 냉각하여 상기 기액 분리기로 재공급하는 단계; 를 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a cooling method for a DMFC system including a fuel tank, a stack, a buffer tank, a plurality of coolers, a gas-liquid separator, and a control unit, Supplying the stored methanol fuel to the gas-liquid separator; Mixing the methanol fuel in the gas-liquid separator with the unreacted methanol in the previous stack and water as a by-product of the chemical reaction into a methanol aqueous solution having a concentration specified by the controller; Supplying the aqueous methanol solution and oxygen to the stack; The step of chemically reacting the methanol aqueous solution with the oxygen in the stack to produce electricity, and discharging the by-products of the chemical reaction and the unreacted fuel to the buffer tank; Separating the chemical reaction by-product in the high-temperature vapor state and the unreacted fuel into gas and liquid in the buffer tank; And cooling the gas and the liquid by the plurality of coolers, respectively, and re-supplying the gas and the liquid to the gas-liquid separator; .

상기 버퍼 탱크로 배출하는 단계는 전해질막과, 상기 전해질막의 양면에 접하는 애노드(anode)와 캐소드(cathode)로 이루어지는 복수개의 전극-전해질 합성체(MEA)가 다단으로 적층되어 구성되는 상기 스택의 상기 애노드에서 고온 증기 상태의 상기 미반응 연료인 메탄올 수용액을 인가받고, 상기 캐소드에서 고온 증기 상태의 상기 화학 반응의 부산물인 상기 이산화탄소와 상기 물을 인가받는 것을 특징으로 한다.Wherein the step of discharging the electrolyte solution into the buffer tank comprises the steps of: forming an electrolyte membrane and a plurality of electrode-electrolyte assemblies (MEAs) each comprising an anode and a cathode in contact with both surfaces of the electrolyte membrane, And the carbon dioxide and the water, which are byproducts of the chemical reaction in the high-temperature steam state, are supplied to the cathode.

상기 기체와 액체로 분리하는 단계는 상기 고온 증기 상태의 상기 미반응 연료인 상기 메탄올 수용액과 상기 화학 반응 부산물인 상기 이산화탄소와 상기 물이 응축되어 상기 기체와 상기 액체로 분리되는 것을 특징으로 한다.Separating the aqueous methanol solution as the unreacted fuel in the high-temperature vapor state and the carbon dioxide and the water as the chemical reaction by-products are separated into the gas and the liquid.

상기 기액 분리기로 재공급하는 단계는 상기 복수개의 냉각기 중 제1 냉각기가 상기 버퍼 탱크 내 상부에 모인 기체를 냉각하여 상기 기액 분리기로 공급하는 단계; 및 상기 복수개의 냉각기 중 제2 냉각기가 상기 버퍼 탱크 내 하부에 모인 액체를 냉각하여 상기 기액 분리기로 공급하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.Wherein the step of re-supplying the gas to the gas-liquid separator includes the steps of: cooling the gas collected in the upper portion of the buffer tank by the first cooler among the plurality of coolers and supplying the cooled gas to the gas-liquid separator; And cooling the liquid collected in the lower portion of the buffer tank by the second cooler among the plurality of coolers and supplying the cooled liquid to the gas-liquid separator; And a control unit.

따라서, 본 발명의 메탄올을 직접 연료로 사용하는 연료전지 시스템 및 이의 냉각 방법은 스택에서 배출되는 미반응 연료인 메탄올 수용액과 화학 반응의 부산물인 이산화탄소 및 물을 모두 버퍼 탱크에 임시 저장한 후 기체와 액체로 분리하여 각각 냉각한 후 기액 분리기로 전달함으로써, 냉각되지 않은 물질이 기액 분리기에 공급되지 않도록 한다. 그러므로 기액 분리기의 효율을 높일 수 있고 메탄올 수용액의 정압 비열을 증가시킬 수 있으며, 집열에 의한 열전달 온도차이를 극대화할 수 있다. 뿐만 아니라 구성 요소의 추가 없이 순환 유로를 최적화하여 발전 효율을 높일 수 있다.Therefore, the fuel cell system using methanol of the present invention as a direct fuel and its cooling method temporarily stores methanol aqueous solution, which is an unreacted fuel discharged from the stack, and carbon dioxide and water, which are byproducts of chemical reaction, in a buffer tank, Liquid separator, respectively, cooled and then delivered to a gas-liquid separator to prevent uncooled material from being fed to the gas-liquid separator. Therefore, it is possible to increase the efficiency of the gas-liquid separator, increase the specific heat of static pressure of the methanol aqueous solution, and maximize the heat transfer temperature difference due to heat collection. In addition, the efficiency of the power generation can be improved by optimizing the circulation flow without addition of components.

도1 은 기존의 DMFC 시스템의 일 예를 나타낸다.
도2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 DMFC 시스템을 나타낸다.
도3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 DMFC 시스템의 냉각 방법을 나타낸다.1 shows an example of a conventional DMFC system.
2 shows a DMFC system according to an embodiment of the present invention.
3 shows a cooling method of the DMFC system according to an embodiment of the present invention.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다. In order to fully understand the present invention, operational advantages of the present invention, and objects achieved by the practice of the present invention, reference should be made to the accompanying drawings and the accompanying drawings which illustrate preferred embodiments of the present invention.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로서, 본 발명을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 설명하는 실시예에 한정되는 것이 아니다. 그리고, 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략되며, 도면의 동일한 참조부호는 동일한 부재임을 나타낸다. Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the preferred embodiments of the present invention with reference to the accompanying drawings. However, the present invention can be implemented in various different forms, and is not limited to the embodiments described. In order to clearly describe the present invention, parts that are not related to the description are omitted, and the same reference numerals in the drawings denote the same members.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "...기", "모듈", "블록" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다. Throughout the specification, when an element is referred to as "including" an element, it does not exclude other elements unless specifically stated to the contrary. The terms "part", "unit", "module", "block", and the like described in the specification mean units for processing at least one function or operation, And a combination of software.

도2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 DMFC 시스템을 나타낸다.2 shows a DMFC system according to an embodiment of the present invention.

도2 의 DMFC 시스템은 도1 의 기존의 DMFC 시스템과 마찬가지로, 연료 탱크(110), 기액 분리기(120), 2개의 냉각기(R1, R2), 복수개의 펌프(P1 ~ P4), 스택(130) 및 버퍼 탱크(140)를 포함한다.The DMFC system of FIG. 2 includes a fuel tank 110, a gas-liquid separator 120, two coolers R1 and R2, a plurality of pumps P1 to P4, a stack 130, And a buffer tank (140).

연료 탱크(110)는 스택(130)으로 공급할 메탄올 연료를 저장한다. 여기서 연료 탱크(110)에 저장되는 메탄올 연료는 물과 혼합되지 않은 고농도 메탄올 연료가 주로 사용된다. 연료 탱크(110)에 저장된 고농도 메탄올은 제1 펌프(P1)에 의해 기액 분리기(120)로 공급된다.The fuel tank 110 stores the methanol fuel to be supplied to the stack 130. Here, the methanol fuel stored in the fuel tank 110 is mainly a high-concentration methanol fuel not mixed with water. The high-concentration methanol stored in the fuel tank 110 is supplied to the gas-liquid separator 120 by the first pump P1.

제2 펌프(P2)는 기액 분리기(120)에서 고농도 메탄올과 스택(130)에 공급되었으나 화학 반응이 발생하지 않은 미반응 메탄올 및 물이 혼합된 메탄올 수용액을 스택(130) 내의 복수개의 MEA 각각의 애노드로 공급한다.The second pump P2 is connected to the high-concentration methanol in the gas-liquid separator 120 and the methanol aqueous solution in which unreacted methanol and water, which have been supplied to the stack 130, To the anode.

한편 제3 펌프(P3)는 외부로부터 공기(구체적으로는 산소)를 스택(130)으로 공급한다. 제3 펌프(P3)는 스택(130) 내의 복수개의 MEA 각각의 캐소드로 산소를 공급한다. 일반적으로 DMFC에서는 순수한 산소를 직접 공급하는 경우보다, 오히려 공기를 공급하여 공기 중에 포함된 산소가 공급되도록 한다. 제3 펌프(P3)는 공기를 공급하는 블로워(blower)로 구현될 수 있다.On the other hand, the third pump P3 supplies air (specifically, oxygen) from the outside to the stack 130. The third pump P3 supplies oxygen to the cathodes of each of the plurality of MEAs in the stack 130. Generally, in DMFC, rather than supplying pure oxygen directly, air is supplied to supply oxygen contained in air. The third pump P3 may be implemented as a blower for supplying air.

스택(130)은 복수개의 MEA가 다단으로 적층되어 구현되며, 복수개의 MEA 각각은 전해질막과, 상기 전해질막의 양면에 접하는 애노드 전극과 캐소드 전극으로 구성된다. 복수개의 MEA 각각의 애노드로는 제2 펌프(P2)에 의해 기액 분리기(120)의 메탄올 수용액이 공급되고, 캐소드로는 제3 펌프(P3)에 의해 산소가 공급된다. 그리고 애노드로 공급된 메탄올 수용액은 화학식 1과 같은 화학 반응을 일으켜, 전자를 생성하고, 애노드에서 생성된 전자는 전기적으로 연결된 경로를 따라 캐소드로 이동한다. 여기서 전기적으로 연결된 경로상에 부하가 연결된다. 그리고 캐소드로 이동된 전자는 화학식 2와 같은 화학 반응을 발생하여 물로 환원된다.The stack 130 is formed by stacking a plurality of MEAs in multiple stages. Each of the plurality of MEAs includes an electrolyte membrane, and an anode electrode and a cathode electrode that are in contact with both surfaces of the electrolyte membrane. A methanol aqueous solution of the gas-liquid separator 120 is supplied to the anode of each of the plurality of MEAs by the second pump P2, and oxygen is supplied to the cathode by the third pump P3. The methanol aqueous solution supplied to the anode causes a chemical reaction as shown in Formula 1 to generate electrons, and the electrons generated in the anode move to the cathode along the electrically connected path. Where the load is connected on the electrically connected path. The electrons transferred to the cathode generate a chemical reaction represented by the chemical formula (2) and are reduced to water.

메탄올 수용액은 화학식 1 과 2의 화학 반응에 의해 이산화탄소(CO2)와 물(H2O)로 전환되며, 스택(130)은 화학반응의 부산물인 이산화탄소와 물, 그리고 화학 반응이 발생하지 않은 미반응 연료인 메탄올 수용액을 배출한다.The methanol aqueous solution is converted into carbon dioxide (CO 2 ) and water (H 2 O) by the chemical reactions of Formulas 1 and 2, and the stack 130 is formed of carbon dioxide and water, The methanol aqueous solution as the reaction fuel is discharged.

버퍼 탱크(140)은 스택(130)에서 배출되는 화학반응의 부산물인 이산화탄소와 물뿐만 아니라 메탄올 수용액까지 모두 인가받는다. 즉 스택(30)에서 배출되는 화학 반응의 부산물도 만을 버퍼 탱크(40)에 저장하는 1 의 DMFC 시스템과 달리 도2 의 DMFC 시스템은 스택(130)에서 배출되는 화학 반응의 부산물과 미반응 연료를 모두 버퍼 탱크(140)에 임시 저장한다. 이때 화학 반응의 부산물과 미반응 연료는 모두 화학 반응에 의해 고온의 증기 형태로 버퍼 탱크(140)로 공급되고, 버퍼 탱크(140)내에서 열이 방사됨에 따라 수증기가 응축되어 물로 변화한다. 응축된 물은 버퍼 탱크(140)의 하부에 고이게 된다. 그리고 메탄올은 물에 쉽게 용해된다. 물에 용해되지 않은 메탄올과 이산화탄소는 증기 상태로 버퍼 탱크의 상부에 모이게 된다.The buffer tank 140 receives not only carbon dioxide and water, which are by-products of the chemical reaction discharged from the stack 130, but also aqueous methanol solutions. Unlike the DMFC system 1 in which the byproduct of the chemical reaction discharged from the stack 30 is stored only in the buffer tank 40, the DMFC system of FIG. 2 can separate the by-product of the chemical reaction discharged from the stack 130 and the unreacted fuel All temporarily stored in the buffer tank 140. At this time, the byproduct of the chemical reaction and the unreacted fuel are supplied to the buffer tank 140 in the form of a high temperature vapor by a chemical reaction. As the heat is radiated in the buffer tank 140, the water vapor condenses and changes into water. The condensed water becomes high at the bottom of the buffer tank 140. And methanol is easily soluble in water. Methanol and carbon dioxide, which are not dissolved in water, collect in the upper part of the buffer tank in a vapor state.

따라서 버퍼 탱크(140)의 내부에서는 화학 반응의 부산물과 미반응 연료가 증기 상태의 메탄올과 이산화탄소 및 메탄올 수용액으로 분리되어 각각 제1 및 제2 냉각기(R1, R2)로 인가된다.Therefore, the byproduct of the chemical reaction and the unreacted fuel are separated into the vaporized methanol, the carbon dioxide and the aqueous methanol solution, respectively, in the buffer tank 140, and are applied to the first and second coolers R1 and R2, respectively.

제1 냉각기(R1)는 버퍼 탱크(140) 상부에 모인 증기 상태의 메탄올과 이산화탄소를 인가받아 냉각시킨 후 기액 분리기(20)로 인가한다. 그리고 제2 냉각기(R2)는 버퍼 탱크(140) 하부에 모인 메탄올 수용액을 인가받아 냉각시킨다. 제 제4 펌프(P4)는 제2 냉각기(R2)는 냉각된 메탄올 수용액을 기액 분리기(20)로 공급한다. 여기서 제1 및 제2 냉각기(R1, R2)는 일예로 라지에이터(radiator)로 구현될 수 있다.The first cooler R1 is supplied with vaporized methanol and carbon dioxide collected in the upper portion of the buffer tank 140, cooled, and then supplied to the gas-liquid separator 20. [ The second cooler R2 receives the aqueous methanol solution collected at the lower portion of the buffer tank 140 and cools it. The fourth pump (P4) and the second cooler (R2) supply the cooled aqueous methanol solution to the gas-liquid separator (20). Here, the first and second coolers R1 and R2 may be embodied as a radiator.

기액 분리기(120)는 제1 냉각기(R1)로부터 냉각된 메탄올과 이산화탄소를 공급받고, 제2 냉각기(R2)로부터 제4 펌프(P4)를 통해 냉각된 메탄올 수용액을 인가받는다. 또한 기액 분리기(120)는 연료 탱크(110)로부터 제1 펌프(P1)를 통해 고농도 메탄올을 공급받는다.The gas-liquid separator 120 receives the cooled methanol and carbon dioxide from the first cooler R1 and the cooled methanol aqueous solution from the second cooler R2 through the fourth pump P4. The gas-liquid separator 120 receives the high-concentration methanol from the fuel tank 110 through the first pump P1.

기액 분리기는 냉각된 메탄올과 이산화탄소와 메탄올 수용액 및 고농도 메탄올 중 이산화탄소를 분리하여, 배기관을 통해 외부로 배출하고, 메탄올 수용액 및 고농도 메탄올을 혼합하여, 제2 펌프(P2)를 통해 스택(130)으로 공급한다.The gas-liquid separator separates the cooled methanol, carbon dioxide, aqueous methanol solution, and carbon dioxide in the high-concentration methanol, discharges it to the outside through an exhaust pipe, mixes an aqueous methanol solution and high-concentration methanol, Supply.

상기한 바와 같이, 도2 의 DMFC 시스템은 MEA의 애노드에서 배출되는 미반응 메탄올 수용액과 캐소드에서 배출되는 화학 반응 부산물을 각각 별도로 냉각하여 기액 분리기(120)로 공급하는 도1 의 DMFC 시스템과 달리, 애노드에서 배출되는 미반응 연료인 메탄올 수용액과 캐소드에서 배출되는 화학 반응 부산물을 모두 버퍼 탱크(140)에 임시 저장하고, 버퍼 탱크(140)에서 증기 상태와 액체 상태로 분리된 미반응 연료와 화학 반응 부산물이 제1 및 제2 냉각기(R1, R2)에서 각각 냉각되도록 한다. 따라서 도1 에 도시된 기존의 DMFC 시스템에서는 버퍼 탱크(140)의 물이 냉각되지 않은 채로 기액 분리기(20)로 공급되어 기액 분리기(20)의 온도를 상승시킨 반면, 본 발명의 DMFC는 애노드에서 공급되는 메탄올 수용액과 캐소드에서 공급된 물이 혼합된 메탄올 수용액이 함께 냉각되어 기액 분리기(120)로 공급되므로, 기액 분리기 내부의 온도가 상승되는 것을 억제할 수 있다.2, the DMFC system of FIG. 2 differs from the DMFC system of FIG. 1 in that the aqueous solution of unreacted methanol discharged from the anode of the MEA and the chemical reaction by-products discharged from the cathode are separately cooled and supplied to the gas-liquid separator 120, The aqueous methanol solution as the unreacted fuel discharged from the anode and the chemical reaction byproduct discharged from the cathode are temporarily stored in the buffer tank 140 and the unreacted fuel separated from the vapor state and the liquid state is chemically reacted Thereby allowing the by-products to cool respectively in the first and second coolers R1 and R2. 1, the water in the buffer tank 140 is supplied to the gas-liquid separator 20 without being cooled to raise the temperature of the gas-liquid separator 20. On the other hand, The methanol aqueous solution in which the supplied methanol aqueous solution and the water supplied from the cathode are mixed is cooled together and supplied to the gas-liquid separator 120, so that the temperature inside the gas-liquid separator can be suppressed from rising.

이는 기액 분리기(120)에서 화학 반응 부산물과 미반응 연료 및 물의 분리 성능 저하를 방지할 뿐만 아니라, 상온 또는 100℃ 이하에서 동작하는 DMFC 시스템의 동작 안정성을 높이는 효과를 유발한다. 특히 도1 과 비교할 때, 추가되는 구성 요소없이 스택에서 배출되는 화학 반응 부산물과 미반응 연료의 전송 경로를 변경하는 것만으로 구현되므로, 비용 증가가 발생하지 않는다.This not only prevents deterioration of the separation performance between the chemical reaction byproduct and the unreacted fuel and water in the gas-liquid separator 120 but also increases the operational stability of the DMFC system operating at room temperature or below 100 ° C. In particular, as compared with FIG. 1, since the chemical reaction by-products discharged from the stack and the transfer path of the unreacted fuel are changed only without additional components, no increase in cost occurs.

도2 에 도시하지 않았으나 DMFC 시스템은 제어부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 제어부는 복수개의 펌프(P1 ~ P4) 각각의 동작을 제어한다. 제어부는 우선 제1 펌프(P1)를 제어하여 연료 탱크(110)에서 기액 분리기(120)로 공급되는 고농도 메탄올 연료의 양을 조절하여, 기액 분리기(120)내에서 혼합되는 메탄올 수용액의 농도 및 양을 조절한다. 또한 제어부는 제2 펌프(P2)를 제어하여 스택(130)으로 공급될 메탄올 수용액 량을 조절하고, 제3 펌프(P3)를 제어하여 스택(130)에 공급될 산소의 양을 조절함으로써 DMFC 시스템의 발전량을 제어한다. 그리고 제어부는 제4 펌프(P4)를 제어하여, 버퍼 탱크(140)에 저장된 메탄올 수용액이 기액 분리기(120)로 회수되도록 한다.Although not shown in FIG. 2, the DMFC system may further include a control unit (not shown). The control unit controls the operation of each of the plurality of pumps P1 to P4. The controller first controls the first pump P1 to adjust the amount of the high concentration methanol fuel supplied from the fuel tank 110 to the gas-liquid separator 120 so that the concentration and amount of the methanol aqueous solution mixed in the gas- . The control unit controls the second pump P2 to adjust the amount of aqueous methanol solution to be supplied to the stack 130 and the third pump P3 to control the amount of oxygen to be supplied to the stack 130, And the like. Then, the control unit controls the fourth pump P4 so that the methanol aqueous solution stored in the buffer tank 140 is recovered to the gas-liquid separator 120.

도3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 DMFC 시스템의 냉각 방법을 나타낸다.3 shows a cooling method of the DMFC system according to an embodiment of the present invention.

도2 를 참조하여 도3 을 설명하면, 먼저 제어부가 제1 펌프(P1)을 제어하여 연료 탱크(110)에 저장된 고농도 메탄올 연료를 기액 분리기(120)로 공급한다(S10). 기액 분리기(120)는 공급된 고농도 메탄올 연료를 이전 스택(130)에서 미반응된 메탄올과 화학 반응의 부산물인 물을 혼합하여 메탄올 수용액을 필요로 하는 농도로 혼합하는 한편, 화학 반응의 부산물인 이산화 탄소를 배기관을 통해 배출한다(S20).Referring to FIG. 2, the control unit controls the first pump P1 to supply the high-concentration methanol fuel stored in the fuel tank 110 to the gas-liquid separator 120 (S10). The gas-liquid separator 120 mixes the supplied high-concentration methanol fuel with unreacted methanol in the previous stack 130 and water, which is a by-product of the chemical reaction, to mix the methanol aqueous solution with the required concentration, The carbon is exhausted through the exhaust pipe (S20).

그리고 제어부는 제2 및 제3 펌프(P2, P3)를 제어하여 스택(130)내의 복수개의 MEA 각각의 애노드와 캐소드로 메탄올 수용액과 산소를 공급한다(S30).The control unit controls the second and third pumps P2 and P3 to supply methanol aqueous solution and oxygen to the anode and the cathode of each of the plurality of MEAs in the stack 130 (S30).

애노드와 캐소드로 각각 공급된 메탄올 수용액과 산소는 화학식 1 및 2에 따라 화학 반응을 일으켜 발전한다(S40). 그리고 스택(130)에서 발생한 화학 반응의 부산물인 이산화탄소와 물, 그리고 미반응 연료인 메탄올 수용액은 고온의 증기 상태로 모두 버퍼 탱크(140)에 임시 저장된다(S50).The methanol aqueous solution and the oxygen supplied to the anode and the cathode, respectively, generate a chemical reaction according to Chemical Formulas 1 and 2 (S40). The carbon dioxide and water, which are byproducts of the chemical reaction generated in the stack 130, and the methanol aqueous solution as the unreacted fuel are temporarily stored in the buffer tank 140 in a high temperature steam state (S50).

버퍼 탱크(140)에 저장된 화학 반응의 부산물인 이산화탄소와 물, 그리고 미반응 연료인 메탄올 수용액 중 고온의 수증기는 응축되어 물로 변화되고, 메탄올이 물에 용해되어, 메탄올 수용액으로 버퍼 탱크(140)의 하부에 가라앉는다. 즉 버퍼 탱크(140)내에서 기체와 액체로 구분된다(S60).The high temperature steam in the aqueous solution of carbon dioxide and water, which are byproducts of the chemical reaction stored in the buffer tank 140, and the unreacted fuel, is condensed and changed into water. Methanol is dissolved in water, It sinks to the bottom. That is, the buffer tank 140 is divided into a gas and a liquid (S60).

버퍼 탱크(140)에서 분리된 기체는 제1 냉각기(R1)을 통해 냉각된다(S70). 그리고 분리된 액체는 제2 냉각기(R2)를 통해 냉각된다(S80). 제1 및 제2 냉각기(R1, R2)를 통해 각각 냉각된 기체와 액체는 기액 분리기(120)로 다시 공급된다(S90). 그리고 기액 분리기(120)는 연료 탱크(110)로부터 추가로 고농도 메탄올 연료를 공급받는다(S10).The gas separated in the buffer tank 140 is cooled through the first cooler R1 (S70). Then, the separated liquid is cooled through the second cooler R2 (S80). The gas and liquid respectively cooled through the first and second coolers R1 and R2 are supplied again to the gas-liquid separator 120 (S90). The gas-liquid separator 120 is further supplied with high-concentration methanol fuel from the fuel tank 110 (S10).

상기한 바와 같이 본 발명의 DMFC 시스템의 냉각 방법은 스택(130)의 배출물을 모두 버퍼 탱크(140)에 임시 저장하고, 기체와 액체로 분리되면, 기체 및 액체를 개별적으로 냉각시킴으로써, 도1 의 DMFC 시스템과 달리 고온의 물이 냉각되어 기액 분리기(120)로 재공급된다. 따라서 기액 분리기(120)에서 화학 반응 부산물과 미반응 연료 및 물의 분리 성능 저하를 방지할 뿐만 아니라, 상온 또는 100℃ 이하에서 동작하는 DMFC 시스템의 동작 안정성을 높일 수 있다.As described above, the cooling method of the DMFC system of the present invention temporarily stores all the effluent of the stack 130 in the buffer tank 140, and when the gas and the liquid are separated, the gas and the liquid are separately cooled, Unlike the DMFC system, the hot water is cooled and re-supplied to the gas-liquid separator 120. Therefore, deterioration of the separation performance between the chemical reaction by-product and the unreacted fuel and water can be prevented in the gas-liquid separator 120, and the operation stability of the DMFC system operating at room temperature or below 100 ° C can be enhanced.

본 발명에 따른 방법은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.The method according to the present invention can be implemented as a computer-readable code on a computer-readable recording medium. A computer-readable recording medium includes all kinds of recording apparatuses in which data that can be read by a computer system is stored. Examples of the recording medium include a ROM, a RAM, a CD-ROM, a magnetic tape, a floppy disk, an optical data storage device, and the like, and a carrier wave (for example, transmission via the Internet). The computer-readable recording medium may also be distributed over a networked computer system so that computer readable code can be stored and executed in a distributed manner.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is evident that many alternatives, modifications and variations will be apparent to those skilled in the art.

따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.Accordingly, the true scope of the present invention should be determined by the technical idea of the appended claims.

Claims (11)

메탄올 연료를 저장하는 연료 탱크;
상기 메탄올 연료의 수용액인 메탄올 수용액과 산소를 공급받아 화학 반응을 발생하여 전기를 발생하고, 화학 반응의 부산물과 미반응 연료를 배출하는 스택;
상기 스택에서 배출되는 화학 반응의 부산물과 미반응 연료를 모두 인가받아 임시 저장하고, 기체와 액체로 분리하는 버퍼 탱크;
상기 버퍼 탱크에서 분리된 상기 기체와 상기 액체를 각각 인가받아 냉각하는 복수개의 냉각기; 및
상기 복수개의 냉각기에서 냉각된 화학 반응의 부산물과 미반응 연료와 상기 연료 탱크에서 메탄올 연료를 공급받아 분리하여 화학 반응의 부산물 중 이산화탄소를 외부로 배출하고, 상기 화학 반응의 부산물 중 물과 상기 메탄올이 혼합된 상기 메탄올 수용액을 상기 스택으로 공급하는 기액 분리기; 를 포함하는 DMFC 시스템.A fuel tank for storing methanol fuel;
A stack for generating a chemical reaction by supplying oxygen to the methanol aqueous solution, which is an aqueous solution of the methanol fuel, to generate electricity, and to discharge by-products of the chemical reaction and unreacted fuel;
A buffer tank for receiving and temporarily storing by-products of the chemical reaction discharged from the stack and unreacted fuel, and separating the gas and the liquid;
A plurality of coolers for respectively receiving and cooling the gas separated from the buffer tank and the liquid; And
And separating the byproduct of the chemical reaction cooled by the plurality of coolers, the unreacted fuel, and the methanol fuel in the fuel tank to separate carbon dioxide from the byproduct of the chemical reaction, A gas-liquid separator for supplying the mixed aqueous methanol solution to the stack; / RTI > 제1 항에 있어서, 상기 스택은
전해질막과, 상기 전해질막의 양면에 접하는 애노드(anode)와 캐소드(cathode)로 이루어지는 복수개의 전극-전해질 합성체(MEA)가 다단으로 적층되어 구성되는 것을 특징으로 하는 DMFC 시스템.2. The apparatus of claim 1,
And a plurality of electrode-electrolyte assemblies (MEA) composed of an anode and a cathode which are in contact with both surfaces of the electrolyte membrane, are stacked in a multi-stage manner. 제2 항에 있어서, 상기 버퍼 탱크는
상기 복수개의 MEA 각각의 상기 애노드에서 고온 증기 상태의 상기 미반응 연료인 메탄올 수용액을 인가받고, 상기 캐소드에서 고온 증기 상태의 상기 화학 반응의 부산물인 상기 이산화탄소와 상기 물을 인가받아 임시 저장하는 것을 특징으로 하는 DMFC 시스템.The apparatus of claim 2, wherein the buffer tank
Wherein the methanol is supplied with the aqueous methanol solution which is the unreacted fuel in the high temperature steam state at the anode of each of the plurality of MEAs and the carbon dioxide and the water which are byproducts of the chemical reaction in the high- . 제3 항에 있어서, 상기 버퍼 탱크는
상기 고온 증기 상태의 메탄올 수용액과 상기 이산화탄소와 상기 물이 응축되어 상기 기체와 상기 액체로 분리되는 것을 특징으로 하는 DMFC 시스템.4. The apparatus of claim 3, wherein the buffer tank
Wherein the methanol aqueous solution in the high-temperature vapor state, the carbon dioxide and the water are condensed and separated into the gas and the liquid. 제4 항에 있어서, 상기 복수개의 냉각기는
상기 버퍼 탱크 내 상부에 모인 기체를 냉각하여 상기 기액 분리기로 공급하는 제1 냉각기; 및
상기 버퍼 탱크 내 하부에 모인 액체를 냉각하여 상기 기액 분리기로 공급하는 제2 냉각기; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 DMFC 시스템.5. The apparatus of claim 4, wherein the plurality of coolers
A first cooler for cooling the gas collected in the upper portion of the buffer tank and supplying the cooled gas to the gas-liquid separator; And
A second cooler for cooling the liquid collected in the lower portion of the buffer tank and supplying the cooled liquid to the gas-liquid separator; The DMFC system comprising: 제5 항에 있어서, 상기 DMFC 시스템은
상기 연료 탱크에 저장된 메탄올 연료를 상기 기액 분리기로 공급하는 제1 펌프;
상기 기액 분리기에서 혼합된 상기 메탄올 수용액을 상기 스택의 복수개의 상기 애노드로 공급하는 제2 펌프;
상기 산소를 상기 스택의 복수개의 상기 캐소드로 공급하는 제3 펌프; 및
상기 제2 냉각기에서 냉각된 액체를 상기 기액 분리기로 공급하는 제4 펌프; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 DMFC 시스템.6. The system of claim 5, wherein the DMFC system
A first pump for supplying the methanol fuel stored in the fuel tank to the gas-liquid separator;
A second pump for supplying the aqueous methanol solution mixed in the gas-liquid separator to a plurality of the anodes of the stack;
A third pump supplying the oxygen to a plurality of cathodes of the stack; And
A fourth pump for supplying the liquid cooled in the second cooler to the gas-liquid separator; The DMFC system further comprising: 제6 항에 있어서, 상기 DMFC 시스템은
상기 제1 내지 제4 펌프를 제어하여 상기 스택으로 공급되는 상기 메탄올 연료 농도와 공급양 그리고 상기 산소의 공급양을 조절함으로, 상기 DMFC 시스템의 발전량을 조절하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 DMFC 시스템.7. The method of claim 6, wherein the DMFC system
Further comprising a controller for controlling the amount of power generation of the DMFC system by controlling the methanol fuel concentration and the supply amount and the oxygen supply amount supplied to the stack by controlling the first to fourth pumps, system. 연료 탱크, 스택, 버퍼 탱크, 복수개의 냉각기, 기액 분리기 및 제어부를 포함하는 DMFC 시스템의 냉각 방법에 있어서,
상기 연료 탱크에 저장된 메탄올 연료를 상기 기액 분리기로 공급하는 단계;
상기 기액 분리기 내에서 상기 메탄올 연료와 이전 스택에서 미반응된 상기 메탄올과 화학 반응의 부산물인 물을 상기 제어부가 지정하는 농도의 메탄올 수용액으로 혼합하는 단계;
상기 메탄올 수용액과 산소를 상기 스택으로 공급하는 단계;
상기 스택에서 상기 메탄올 수용액과 상기 산소가 화학 반응하여 전기를 생산하고, 상기 화학 반응의 부산물과 미반응 연료를 모두 상기 버퍼 탱크로 배출하는 단계;
상기 버퍼 탱크에서 고온 증기 상태의 상기 화학 반응 부산물과 상기 미반응 연료를 기체와 액체로 분리하는 단계; 및
상기 복수개의 냉각기 각각에 의해 상기 기체와 상기 액체를 각각 냉각하여 상기 기액 분리기로 재공급하는 단계; 를 포함하는 DMFC 시스템 냉각 방법.A cooling method for a DMFC system including a fuel tank, a stack, a buffer tank, a plurality of coolers, a gas-liquid separator, and a control unit,
Supplying methanol fuel stored in the fuel tank to the gas-liquid separator;
Mixing the methanol fuel in the gas-liquid separator with the unreacted methanol in the previous stack and water as a by-product of the chemical reaction into a methanol aqueous solution having a concentration specified by the controller;
Supplying the aqueous methanol solution and oxygen to the stack;
The step of chemically reacting the methanol aqueous solution with the oxygen in the stack to produce electricity, and discharging the by-products of the chemical reaction and the unreacted fuel to the buffer tank;
Separating the chemical reaction by-product in the high-temperature vapor state and the unreacted fuel into gas and liquid in the buffer tank; And
Cooling each of the gas and the liquid by each of the plurality of coolers and re-supplying the gas and the liquid to the gas-liquid separator; / RTI > 제8 항에 있어서, 상기 버퍼 탱크로 배출하는 단계는
전해질막과, 상기 전해질막의 양면에 접하는 애노드(anode)와 캐소드(cathode)로 이루어지는 복수개의 전극-전해질 합성체(MEA)가 다단으로 적층되어 구성되는 상기 스택의 상기 애노드에서 고온 증기 상태의 상기 미반응 연료인 메탄올 수용액을 인가받고, 상기 캐소드에서 고온 증기 상태의 상기 화학 반응의 부산물인 이산화탄소와 상기 물을 인가받는 것을 특징으로 하는 DMFC 시스템 냉각 방법.9. The method of claim 8, wherein discharging into the buffer tank
A method of manufacturing a fuel cell stack, comprising the steps of: stacking an electrolyte membrane and a plurality of electrode-electrolyte assemblies (MEA) composed of an anode and a cathode in contact with both surfaces of the electrolyte membrane, Wherein the methanol is supplied as a reaction fuel and the carbon dioxide and the water, which are by-products of the chemical reaction in the high-temperature steam state, are supplied to the cathode. 제9 항에 있어서, 상기 기체와 액체로 분리하는 단계는
상기 고온 증기 상태의 상기 미반응 연료인 상기 메탄올 수용액과 상기 화학 반응 부산물인 상기 이산화탄소와 상기 물이 응축되어 상기 기체와 상기 액체로 분리되는 것을 특징으로 하는 DMFC 시스템 냉각 방법.10. The method of claim 9, wherein separating the gas and liquid comprises:
Wherein the methanol aqueous solution as the unreacted fuel in the high temperature steam state and the carbon dioxide and the water as the chemical reaction byproduct are condensed and separated into the gas and the liquid. 제10 항에 있어서, 상기 기액 분리기로 재공급하는 단계는
상기 복수개의 냉각기 중 제1 냉각기가 상기 버퍼 탱크 내 상부에 모인 기체를 냉각하여 상기 기액 분리기로 공급하는 단계; 및
상기 복수개의 냉각기 중 제2 냉각기가 상기 버퍼 탱크 내 하부에 모인 액체를 냉각하여 상기 기액 분리기로 공급하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 DMFC 시스템 냉각 방법. The method as claimed in claim 10, wherein the step of re-supplying the gas-liquid separator
Cooling the gas collected in the upper portion of the buffer tank by the first cooler among the plurality of coolers and supplying the cooled gas to the gas-liquid separator; And
The second cooler of the plurality of coolers cooling the liquid collected in the lower portion of the buffer tank and supplying the cooled liquid to the gas-liquid separator; And cooling the DMFC system.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101666199B1 (en) * 2015-12-22 2016-10-13 엘아이지넥스원 주식회사 Method for starting dmfc system in low temperature
KR20180133267A (en) * 2017-06-05 2018-12-14 삼성중공업 주식회사 Fuel cell system for a ship
CN114497645A (en) * 2020-11-12 2022-05-13 中国科学院大连化学物理研究所 Efficient operation method of flow battery

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