KR20200072676A - Gas-liquid separator attached a connection tube for fuel level control for direct methanol fuel cell system and direct methanol fuel cell system comprising the same - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a gas-liquid separator for a direct methanol fuel cell system having a connection tube for control of a fuel level, including: a separation plate embedded in the gas-liquid separator and vertically dividing an interior space of the gas-liquid separator into an upper chamber and a lower chamber; a water supply tube formed to pass through the separation plate, and an upper side of which is disposed in the upper chamber and a lower side of which is disposed in the lower chamber; and a connection tube for control of a fuel level that delivers gas filled in the lower chamber to the upper chamber and maintains the level of a methanol diluted fuel at a predetermined height, whereby the fuel can be maintained at the predetermined level even when the fuel cell system is inclined to one direction during an operation thereof, and a gas-liquid separation function can be smoothly continued. The present invention further relates to a direct methanol fuel cell system including the same.

Description

수위 유지용 연결관을 설치한 직접메탄올 연료전지 시스템용 기액 분리기 및 이를 포함하는 직접메탄올 연료전지 시스템{GAS-LIQUID SEPARATOR ATTACHED A CONNECTION TUBE FOR FUEL LEVEL CONTROL FOR DIRECT METHANOL FUEL CELL SYSTEM AND DIRECT METHANOL FUEL CELL SYSTEM COMPRISING THE SAME}Gas-liquid separator for direct methanol fuel cell system with a water level maintenance connector and a direct methanol fuel cell system including the same. COMPRISING THE SAME}

본 발명은 수위 유지용 연결관을 설치한 직접메탄올 연료전지 시스템용 기액 분리기 및 이를 포함하는 직접메탄올 연료전지 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료전지 시스템이 운전 중에 어느 한 방향으로 기울어져 경사를 이루더라도 일정 수위의 유지가 가능함은 물론, 기액 분리 기능이 원활하게 지속될 수 있도록 한 수위 유지용 연결관을 설치한 직접메탄올 연료전지 시스템용 기액 분리기 및 이를 포함하는 직접메탄올 연료전지 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a gas-liquid separator for a direct methanol fuel cell system having a connection pipe for maintaining a water level and a direct methanol fuel cell system including the same, and more specifically, the fuel cell system is tilted in one direction during operation to incline the slope. Even if achieved, it is possible to maintain a constant water level, as well as a gas-liquid separator for a direct methanol fuel cell system having a water level separating connector for smoothly maintaining the water-liquid separation function and a direct methanol fuel cell system including the same.

연료전지(Fuel Cell)는, 가스 상태의 수소와, 천연가스 또는 액체 상태인 메탄올과 에탄올 등과 같은 탄화수소계 연료 내에 함유되어 있는 화학 에너지를 전기 에너지 및 열 에너지로 직접 변환시키는 전기화학식 발전기이다.A fuel cell is an electrochemical generator that directly converts chemical energy contained in gaseous hydrogen and hydrocarbon-based fuels such as natural gas or liquid methanol and ethanol into electrical energy and thermal energy.

이러한 전기화학식 연료전지 발전기는 화석 에너지를 사용하는 내연기관 발전기를 대체할 수 있는 청정에너지 발전기로 기능할 수 있다.Such an electrochemical fuel cell generator may function as a clean energy generator that can replace an internal combustion engine generator that uses fossil energy.

또한 이러한 전기화학식 연료전지 발전기는 단위전지를 다수개 적층한 연료전지 스택 모듈로 구성하여 넓은 범위의 출력을 조절할 수 있으며, 기존 배터리 충전기에 비하여 4∼10배의 에너지 밀도를 가지기 때문에 소형 및 이동용 휴대전원을 비롯하여 건물 및 자동차용 전원으로 주목받고 있다.In addition, these electrochemical fuel cell generators can be configured as a fuel cell stack module in which a plurality of unit cells are stacked to control a wide range of outputs, and have a energy density of 4 to 10 times that of a conventional battery charger, so they are small and portable. It is attracting attention as a power source for buildings and automobiles.

100℃ 이하의 온도에서 작동하는 저온형 연료전지의 대표적인 예로는 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)와 직접메탄올 연료전지(DMFC: Direct Methanol Fuel Cell)가 있다.Typical examples of a low temperature fuel cell operating at a temperature of 100° C. or lower are a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) and a direct methanol fuel cell (DMFC).

직접메탄올 연료전지는 액체 상태인 메탄올을 연료로 직접 사용하기 때문에 액체 연료의 저장, 운반 및 취급이 용이하고, PEMFC에서 필수적인 개질기나 가습기 등이 불필요하여 간단한 시스템 구성 그리고 저온 운전 등의 장점으로 인하여 휴대용 및 이동용 전원으로 적용이 가능하다. The direct methanol fuel cell uses liquid methanol directly as fuel, so it is easy to store, transport, and handle liquid fuel, and it is portable because of the advantages of simple system construction and low temperature operation, because a reformer or humidifier, which is essential in PEMFC, is unnecessary. And a mobile power supply.

직접메탄올 연료전지 시스템은 발전부의 핵심 부분인 스택(MEA, 분리판, 가스킷, 엔드판 등으로 구성됨)뿐만 아니라 연료공급부, 공기공급부, 공기극 생성수 순환부 등으로 시스템을 구성하여야 실제 전력 공급이 가능한 연료전지 발전 시스템이 된다.The direct methanol fuel cell system is composed of a fuel supply unit, an air supply unit, and a cathode circulating water circulation unit, as well as a stack (composed of MEA, separation plate, gasket, and end plate), which is a core part of the power generation unit. It becomes a fuel cell power generation system.

직접메탄올 연료전지 스택을 구성하는 전극에서 일어나는 전기화학적 반응식은 다음과 같다.The electrochemical reaction equation occurring at the electrodes constituting the direct methanol fuel cell stack is as follows.

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

3/2O2 + 6H+ + 6e- → 3H2O3/2O 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 = 1.21V)

연료극 반응에서는 메탄올과 물의 촉매 산화반응으로 이산화탄소(CO2), 수소 이온(프로톤, H+) 및 전자(e-)가 생성된다.The anode reaction of methanol and water to the catalytic oxidation reaction of carbon dioxide (CO 2), hydrogen ion (proton, H +) and electron (e -) is generated.

공기극 반응에서는 공기 중의 산소가 촉매 환원반응으로 산소 이온(O2-)이 생성되어 연료극에서 전해질을 통과해 이동하여온 수소이온(H+)과 반응하여 물(H2O)이 생성된다.In the cathode reaction, oxygen in the air generates oxygen ions (O 2- ) through a catalytic reduction reaction, and reacts with hydrogen ions (H + ) that have passed through the electrolyte at the anode to produce water (H 2 O).

전체적인 전기화학 반응식은 메탄올(CH3OH)과 산소(O2)가 각각 산화 및 환원 반응하여 물(H2O)과 이산화탄소(CO2)를 생성하고, 외부 회로를 통하여 전자(e-)가 이동함으로써 전기가 얻어지게 되는 것이다.The overall electrochemical reaction scheme is methanol (CH 3 OH) and oxygen (O 2) e (e -) respectively, oxidation and the reduction reaction generate water (H 2 O) and carbon dioxide (CO 2), and through an external circuit By moving, electricity is obtained.

실제 연료전지 전극반응에서는 고농도의 메탄올 연료를 사용하면 전해질로 사용하는 양이온 전도막의 메탄올 투과도가 너무 높아져서 연료전지의 성능이 낮아지므로 연료극에 사용하는 연료인 메탄올의 농도는 2-5 wt% 정도로 낮게 조절하여야 한다.In the actual fuel cell electrode reaction, the methanol permeability of the cation conducting membrane used as an electrolyte becomes too high when a high concentration of methanol fuel is used, so the performance of the fuel cell is lowered. shall.

즉, 연료 중의 메탄올 농도가 너무 높으면 공기극으로 투과되는 메탄올의 량이 많아지고 이들 메탄올이 공기극에서 연소하여 많은 량의 열과 메탄올 손실 등이 발생하기 때문이다.That is, if the methanol concentration in the fuel is too high, the amount of methanol permeated to the cathode increases, and these methanol burns at the cathode, resulting in a large amount of heat and methanol loss.

다시말해, 2-5 wt%의 연료를 스택에 공급하기 위해서는 연료와 생성수의 혼합용 탱크와 기액 분리기 그리고 원액 메탄올 탱크 등이 필요한데, 이 중에서 연료와 생성수의 혼합용 탱크와 기액 분리기가 연료전지 시스템에서 가장 큰 부피를 차지하며, 시스템 전체의 부피를 줄이기 위하여 이들을 서로 연결하여 일체화하기도 한다.In other words, in order to supply 2-5 wt% of fuel to the stack, a tank for mixing fuel and product water, a gas-liquid separator, and a stock methanol tank are required, among which a tank for mixing fuel and product water and a gas-liquid separator are used for fuel. They occupy the largest volume in the battery system, and they are connected and integrated with each other to reduce the overall volume of the system.

직접메탄올 연료전지 시스템을 최초로 운전하는 경우에는 미리 기액 분리기에 공급하여 둔 물을 이용하여 2-5 wt%의 사전에 정해진 농도로 맞추기 위하여 메탄올 원액 탱크에서 순수 메탄올을 기액 분리기로 공급하게 되며, 정해진 메탄올 농도에 도달하면 연료는 연료공급 펌프를 사용하여 연료전지 스택에 공급하게 된다.When the direct methanol fuel cell system is operated for the first time, pure methanol is supplied to the gas-liquid separator from the methanol stock tank to set a predetermined concentration of 2-5 wt% using water previously supplied to the gas-liquid separator. When the methanol concentration is reached, the fuel is supplied to the fuel cell stack using a fuel supply pump.

이후 운전한 후에는 연료극의 미반응 물과 공기극에서 생성된 생성수를 이용하여 정해진 농도로 조정하게 된다.Thereafter, after the operation, the unreacted water of the anode and the generated water generated from the cathode are adjusted to a predetermined concentration.

시스템을 최초 시동한 후에는 연료극의 연료 용액은 계속 순환시키고, 반응에 사용되어 소비된 물은 공기극에서 생성되는 생성수를 사용하여 보충하는 방법을 채택하게 된다.After starting the system for the first time, the fuel solution of the anode continues to circulate, and the water used in the reaction is replenished by using the generated water from the cathode.

스택의 온도에 의한 반응물의 증발과 연료극에서 공기극으로의 메탄올과 물 크로스오버(투과)에 의해서 연료극의 연료용액을 계속 순환시키면 궁극적으로 물 부족 현상이 발생하기 때문에, 공기극으로 넘어간 물을 보충하고 공기극에서 생성되는 물을 연료극으로 공급해 주기 위해서 공기극 쪽에 응축기와 기액 분리기를 추가로 설치할 필요가 있다.If the fuel solution of the anode is continuously circulated by evaporation of the reactants due to the temperature of the stack and crossover (transmission) of methanol and water from the anode to the cathode, ultimately water shortage occurs. In order to supply the water generated in the anode to the anode, it is necessary to additionally install a condenser and a gas-liquid separator on the cathode side.

연료공급 시스템에서는 생성수의 순환, 연료의 농도와 수위 제어, 물관리 제어의 합리적 설계와 운영 기술이 직접메탄올 연료전지 시스템의 장기 운전과 내구성 확보를 위한 가장 중요한 기술 중의 하나이다. In the fuel supply system, rational design and operation technology of circulation of generated water, concentration and level control of fuel, and water management control are among the most important technologies for long-term operation and durability of direct methanol fuel cell systems.

직접메탄올 연료전지 시스템을 작동시켰을 때 이론적으로 계산되는 유량(이때 전기적인 모든 양은 공급 메탄올이 연료극에서 완전히 산화되었다고 가정)은 다음과 같다.The flow rate theoretically calculated when the direct methanol fuel cell system was operated (assuming that all amounts of electricity was completely oxidized in the anode at this time) is:

파라데이(Faraday) 법칙을 이용하여 전기화학 반응식에 따라서 메탄올과 공기의 필요량과 생성 이산화탄소와 생성수의 량을 정상상태 (상온(298 K), 1기압)에서 계산할 수 있다.Using Faraday's law, the required amount of methanol and air, and the amount of carbon dioxide and product water produced can be calculated at normal conditions (at room temperature (298 K), 1 atm) according to the electrochemical reaction equation.

1 F의 전기량, 즉 96,500 C이 통과하면 전자 1 mol(e-), 즉 6 x 1023 개의 전자가 이동하므로 전자 1개가 가지는 전하량(e = (96500 C)/(6 x 1023)= 6 x 10-19 C))이 계산된다.When 1 F of electricity, that is, 96,500 C passes, 1 mol(e-) of electrons, that is, 6 x 10 23 electrons move, so the amount of charge that one electron has (e = (96500 C)/(6 x 10 23 )= 6 x 10 -19 C)) is calculated.

1 A의 전류가 1초 동안 흘렀을 때의 전기량(1 C)을 전기화학 반응식에서 메탄올이 산화되면서 생성되는 전자수(Ne = 6e-)에 따라서 계산하면, 연료극에 필요한 메탄올의 량은 NMeOH = (5.54 x 10-8)/(0.788) = 7.03 x 10-8 L/sec이다.Calculating the amount of electricity (1 C) when a current of 1 A flows for 1 second according to the number of electrons (N e = 6e-) generated when methanol is oxidized in an electrochemical reaction formula, the amount of methanol required for the anode is N MeOH = (5.54 x 10 -8 )/(0.788) = 7.03 x 10 -8 L/sec.

전체 전기화학 반응식에 의하여 연료극에서 메탄올이 1 mol 소모될 때 산소는 1.5 mol (48 g)이 필요하다.When 1 mol of methanol is consumed at the anode by the whole electrochemical reaction equation, 1.5 mol (48 g) of oxygen is required.

따라서 1A 부하 전류시 필요한 산소의 양은 NO2 = 8.3x10-8 kg/sec = (22.4 L x 8.3 x 10-8 kg/sec)/(32 x 10-3 kg) = 5.81 x 10-5 L/sec이다.Therefore, the amount of oxygen required at 1A load current is N O2 = 8.3x10 -8 kg/sec = (22.4 L x 8.3 x 10 -8 kg/sec)/(32 x 10 -3 kg) = 5.81 x 10 -5 L/ sec.

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/sec이다.Since the proportion 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 1 몰(mol) 소모될 때 이산화탄소는 1 몰(mol)(44 g)이 생성된다.When 1 mol (mol) of methanol is consumed, 1 mol (mol) (44 g) of carbon dioxide is produced.

1 A의 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.The amount of methanol that is consumed when a load current of 1 A 1.73 x 10 -6 (10 1.73 x -6 mol / sec) The amount of CO2 N = the carbon dioxide produced, so mol / sec x (22.4 L / mol) = 3.87 x 10 - 5 L/sec.

메탄올이 1 mol 소모될 때 2 mol (36 g)의 물이 생성되며, 1 A의 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 1 mol of methanol is consumed, 2 mol (36 g) of water is generated, and the amount of generated water at a load current of 1 A is N H2O = (1.73 x 10 -6 k) x (36 x10 -3 ) kg/mol = 6.23 x 10 -8 L/sec, and 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.The utilization rate of methanol is an important factor influencing the performance of a fuel cell.

이는 공급된 연료와 공기가 얼마만큼 전기화학적 반응에 참여하였는가를 결정하기 때문이다.This is because it determines how much of the fuel and air supplied participate in the electrochemical reaction.

연료 이용률은 공급된 연료와 발전에 사용된 연료의 비율로서 관찰되는 전기량과 연료전지의 이론적 출력의 비, 즉 메탄올 이용률 = (관찰되는 전기량)/(당량 메탄올의 이론적 출력)이다. The fuel utilization rate is the ratio of the amount of electricity supplied and the amount of fuel used to generate electricity, and the ratio of the observed amount of electricity to the theoretical output of the fuel cell, that is, methanol utilization ratio = (observed amount of electricity)/(the theoretical output of equivalent methanol).

일반적으로 보고된 바에 따르면 메탄올의 이용률은 약 60% 정도이므로 이를 가정하고 생성물을 1로 잡으면 반응물은 1/0.6 = 1.67 만큼을 공급하여야 한다.It is generally reported that the utilization rate of methanol is about 60%, so assuming this, if the product is taken as 1, the reactant should supply 1/0.6 = 1.67.

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, 공급되어야 할 공기의 양은 FAir = 1.66 x 2.77 x 10-4 L/sec = 4.02 x 10-4 L/sec이다.Therefore, the amount of methanol to be supplied is F 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 supplied 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.

이때, 생성되는 물의 양은 PH2O = 6.23 x 10-8 L/sec이고, 생성되는 이산화탄소의 양은 PCO2 = 3.87 x 10-5 L/sec이다. At this time, the amount of water generated 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.The decrease in the utilization rate of methanol in the direct methanol fuel cell system is due to the methanol crossover and the loss of unreacted methanol, and lowering it is very important in determining the performance and efficiency of the direct methanol fuel cell.

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.That is, it is necessary to reduce the loss by using the supplied methanol as much as possible, and this can be increased by using an electrolyte membrane with less methanol permeation in the stack or by designing and applying a highly efficient gas-liquid separator (fuel mixture tank).

따라서, 이러한 연료전지 시스템은 청정기술로서 자동차나 발전소 및 열병합발전기는 물론, 선박과 잠수함 또는 비행기 등 다양한 분야에서 널리 활용되는 것이다.Therefore, these fuel cell systems are widely used in various fields such as automobiles, power plants, and co-generators as well as ships, submarines, and airplanes as clean technologies.

상기와 같은 관점에서 등록특허 제10-0657531호 및 미국공개특허 US2006/0286415A1의 "연료 전지 시스템 내의 수분 균형 조절"과, 등록특허 제10-0718296호 및 미국공개특허 US2006/0081130A1의 "유체 분리 장치"와, 등록특허 제10-1342536호의 "연료전지용 기액분리장치" 등과 같은 다양한 연료전지 시스템 관련 기술들이 공지되어 있다.In view of the above, "Liquid moisture control in fuel cell system" of Patent No. 10-0657531 and US Patent Publication US2006/0286415A1, and "fluid separation device of Patent No. 10-0718296 and US Patent Publication US2006/0081130A1 Various fuel cell system related technologies are known, such as "Waiting Patent No. 10-1342536"

그러나, 전술한 선행기술에서 사용된 기액분리기들은 모두 연료전지 시스템이 운전중에 어느 한 방향으로 기울어져 경사가 형성되었을 때 일정 수위를 유지할 수 없는 문제가 있었다.However, all of the gas-liquid separators used in the above-described prior art have a problem in that the fuel cell system cannot maintain a constant water level when a slope is formed by inclining in one direction during operation.

특히, 선행기술에서 사용된 기액분리기들은 모두 수위 센서(레벨 센서)가 반드시 필요하므로, 수위 센서를 사용하지 않으면 기액 분리기능을 지속할 수 없는 치명적인 문제에 직면하였던 것이다.In particular, since all of the gas-liquid separators used in the prior art require a water level sensor (level sensor), they faced a fatal problem that the gas-liquid separation function cannot be sustained without using a water level sensor.

등록특허 제10-0657531호Registered Patent No. 10-0657531 미국공개특허 US2006/0286415A1US Patent Publication US2006/0286415A1 등록특허 제10-0718296호Registered Patent No. 10-0718296 미국공개특허 US2006/0081130A1US Patent Publication US2006/0081130A1 등록특허 제10-1342536호Registered Patent No. 10-1342536

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 발명된 것으로, 연료전지 시스템이 운전 중에 어느 한 방향으로 기울어져 경사를 이루더라도 일정 수위의 유지가 가능함은 물론, 기액 분리 기능이 원활하게 지속될 수 있도록 하는 수위 유지용 연결관을 설치한 직접메탄올 연료전지 시스템용 기액 분리기 및 이를 포함하는 직접메탄올 연료전지 시스템을 제공하기 위한 것이다.The present invention has been invented to improve the above problems, and it is possible to maintain a constant water level even when the fuel cell system is inclined in one direction during operation, and the gas-liquid separation function can be continued smoothly. The present invention is to provide a gas-liquid separator for a direct methanol fuel cell system equipped with a connection pipe for maintaining a water level and a direct methanol fuel cell system including the same.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 직접메탄올 연료전지 시스템에서, 연료탱크, 공기극 및 연료극으로부터 각각 원액 메탄올 연료, 공기극 배출물 및 연료극 배출물을 전달받고, 연료와 생성수의 혼합과, 메탄올 농도 희석과, 스택의 연료극 및 공기극 각각의 배출물을 기체와 액체로 분리하며, 연료와 생성수를 혼합하여 제조된 혼합연료를 연료극으로 공급하는 기액 분리기; 상기 기액 분리기에 내장되어 상실 및 하실로 상기 기액 분리기의 내부 공간을 상하 구획하는 분리판; 상기 분리판을 관통하여 형성되고 상부측은 상기 상실에 배치되며 하부측은 상기 하실에 배치되는 물공급관; 및 상기 하실에 채워진 가스가 상기 상실로 전달되도록 하며, 메탄올 희석 연료의 수위를 일정 높이로 유지하는 수위 유지용 연결관을 포함하는 것을 특징으로 하는 수위 유지용 연결관을 설치한 직접메탄올 연료전지 시스템용 기액 분리기를 제공할 수 있을 것이다.In order to achieve the above object, the present invention, in a direct methanol fuel cell system, receiving raw methanol fuel, cathode emissions and anode emissions from the fuel tank, the cathode and the anode, respectively, mixing of fuel and product water, and methanol concentration A gas-liquid separator for diluting, discharging each of the anode and the cathode of the stack into gas and liquid, and supplying the mixed fuel prepared by mixing fuel and product water to the anode; A separator plate built in the gas-liquid separator and partitioning the interior space of the gas-liquid separator into upper and lower chambers; A water supply pipe formed through the separation plate, an upper side disposed in the upper chamber, and a lower side disposed in the basement; And Direct methanol fuel cell system installed with a water level maintenance connector, characterized in that it comprises a water level maintenance connecting tube for maintaining the water level of the methanol diluted fuel to a certain height, so that the gas filled in the basement is delivered to the chamber. It may be possible to provide a solvent separator.

여기서, 상기 수위 유지용 연결관은, 상기 기액 분리기의 외부를 통하여 상기 상실과 상기 하실을 상호 연통시키는 것을 특징으로 한다.Here, the connection pipe for maintaining the water level is characterized in that the loss and the basement communicate with each other through the outside of the gas-liquid separator.

이때, 상기 수위 유지용 연결관은, 상기 하실 내부에 설치되는 한쪽 말단부와, 상기 상실 내부에 설치되는 다른쪽 말단부와, 상기 한쪽 말단부와 상기 다른쪽 말단부는 상기 기액 분리기의 외부를 통하여 연결되는 것을 특징으로 한다.At this time, the water level maintenance connecting pipe, one end portion installed inside the basement, the other end portion installed inside the chamber, the one end portion and the other end portion is connected through the outside of the gas-liquid separator It is characterized by.

그리고, 상기 상실에 형성되어 상기 공기극 배출물이 공급되는 공기극 배출물 유입구와, 상기 상실에 형성되어 외부로 가스를 배출하는 가스배출구와, 상기 하실에 형성되어 상기 연료극 배출물이 공급되는 연료극 배출물 유입구와, 상기 하실에 형성되어 상기 연료탱크로부터 상기 원액 메탄올 연료가 공급되는 원액 메탄올 유입구와, 상기 하실에 형성되어 상기 연료극으로부터 상기 혼합연료를 공급하는 연료공급구를 더 포함하며, 상기 하실의 수위가 상기 연료극 배출물 유입구보다 낮게 유지되고 연료공급구보다 높게 유지되도록, 상기 수위 유지용 연결관의 말단부가 상기 분리판의 중심을 상하 방향으로 직교되게 관통하는 가상선상에 위치함으로써, 상기 하실의 수위를 측정하는 수위센서가 생략되는 것을 특징으로 한다.And, the cathode discharge inlet is formed in the upper chamber is supplied with the cathode discharge, the gas outlet is formed in the chamber to discharge the gas to the outside, and the anode discharge inlet is formed in the base to supply the anode discharge, the It is formed in a basement further comprises a stock solution methanol inlet through which the stock solution methanol fuel is supplied from the fuel tank, and a fuel supply port formed in the basement to supply the mixed fuel from the anode, wherein the water level in the basement is the anode discharge. A water level sensor for measuring the water level in the basement is located by placing the distal end of the connecting pipe for maintaining the water level perpendicular to the center of the separating plate orthogonally in the vertical direction so as to be kept lower than the inlet port and higher than the fuel supply port. It is characterized by being omitted.

그리고, 상기 수위 유지용 연결관은, 상기 직접메탄올 연료전지 시스템이 운전 중에 어느 한 방향으로 기울어져 경사를 형성할 때에도 일정 수위를 지속적으로 유지하며 상기 기액 분리기가 기액 분리 기능을 지속할 수 있도록, 상기 수위 유지용 연결관의 말단부가 상기 분리판의 중심을 상하 방향으로 직교되게 관통하는 가상선상에 위치하는 것을 특징으로 한다.In addition, the connection pipe for maintaining the water level maintains a constant water level even when the direct methanol fuel cell system is inclined in any direction during operation to form an inclination, and the gas-liquid separator continues the gas-liquid separation function. It characterized in that the distal end of the connection pipe for maintaining the water level is located on a virtual line that orthogonally penetrates the center of the separator in the vertical direction.

그리고, 상기 수위 유지용 연결관의 말단부는 상기 하실의 혼합 연료의 평시(平時) 수위보다 높게 형성되며, 상기 평시 수위는 상기 스택의 작동시 상기 하실 내의 상기 혼합연료의 평균 수위인 것을 특징으로 한다.In addition, the distal end of the connection pipe for maintaining the water level is formed to be higher than the flat water level of the mixed fuel in the basement, and the flat water level is an average level of the mixed fuel in the basement during operation of the stack. .

그리고, 상기 수위 유지용 연결관의 말단부는, 상기 혼합연료의 액면이 하실 전체 용적의 5 내지 8할이 되는 위치에 설치되는 것을 특징으로 한다.In addition, the distal end of the connection pipe for maintaining the water level is characterized in that the liquid fuel is installed at a position that is 5 to 80% of the total volume of the base.

그리고, 상기 하실의 액위에 대한 상기 상실의 액위의 비는 1/10 내지 1/3인 것을 특징으로 한다.In addition, the ratio of the liquid level of the loss to the liquid level of the basement is 1/10 to 1/3.

그리고, 상기 물공급관의 상단부와 하단부의 중심이 상기 분리판의 중심을 상하 방향으로 직교되게 관통하는 가상선상에 배치되고, 상기 수위 유지용 연결관의 말단부가 상기 가상선상에 위치하며 상기 수위 유지용 연결관의 말단부와의 간섭을 회피 가능하도록, 상기 물공급관의 중간부에 형성되는 굴곡관부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.And, the center of the upper end and the lower end of the water supply pipe is disposed on a virtual line orthogonally penetrating the center of the separation plate in the vertical direction, the distal end of the water level maintenance connecting pipe is located on the virtual line and for maintaining the water level In order to avoid interference with the distal end of the connecting pipe, it is characterized in that it further comprises a bent pipe portion formed in the middle of the water supply pipe.

또한, 상기 물공급관 및 상기 수위 유지용 연결관의 내경은 3 내지 10 mm인 것을 특징으로 한다.In addition, the inner diameter of the water supply pipe and the connection pipe for maintaining the water level is characterized in that 3 to 10 mm.

아울러, 상기 수위 유지용 연결관과 상기 기액 분리기는 내식성 스테인리스강(STS), 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE), ABS 또는 폴리카보네이트(PC) 중 하나로 형성되는 것을 특징으로 한다.In addition, the connection pipe for maintaining the water level and the gas-liquid separator is characterized in that formed of one of corrosion-resistant stainless steel (STS), polypropylene (PP), polyethylene (PE), ABS or polycarbonate (PC).

한편, 본 발명은 전술한 기액 분리기; 적어도 하나 이상의 적층된 막-전극 접합체(MEA)와, 미반응 메탄올과 물과 이산화탄소를 포함하는 미반응 배출물을 배출시키는 연료극과, 미반응 공기와 생성수를 포함하는 배출물을 배출시키는 공기극을 포함하며, 상기 기액 분리기로부터 연료 펌프를 통하여 연료를 공급받고 공기 펌프로부터 공기 또는 산소를 공급받아 전기를 생산하는 스택; 상기 공기극으로부터 배출된 상기 배출물에 포함된 상기 생성수를 액화시켜 상기 기액 분리기로 공급되도록 하는 공기극 열교환기; 상기 연료극에서 일어나는 전기화학 반응에 의한 반응열로 가열된 상기 미반응 배출물을 일정 수준으로 냉각시키는 연료극 열교환기; 및 상기 공기극의 반응에서 산화제로 사용되는 상기 산소의 공급을 위하여 상기 공기 또는 상기 산소를 상기 공기극으로 공급하는 공기 공급부를 포함하며, 상기 기액 분리기는 연료탱크로부터 메탄올 펌프를 통하여 메탄올 연료를 공급받고, 상기 연료극으로부터 배출되는 상기 미반응 배출물과 상기 공기극으로부터 배출되는 상기 배출물에 포함된 기체와 액체를 분리하고, 물과 메탄올을 혼합하여 적정 농도로 희석된 메탄올 혼합 연료를 상기 연료극으로 공급하는 것을 특징으로 하는 직접메탄올 연료전지 시스템을 제공할 수도 있음은 물론이다.On the other hand, the present invention is the gas-liquid separator described above; And at least one stacked membrane-electrode assembly (MEA), an anode for discharging unreacted emissions including unreacted methanol, water and carbon dioxide, and an anode for discharging discharges including unreacted air and product water, , A stack for producing electricity by receiving fuel through a fuel pump from the gas-liquid separator and receiving air or oxygen from an air pump; An anode heat exchanger for liquefying the generated water contained in the discharge discharged from the cathode to be supplied to the gas-liquid separator; An anode heat exchanger that cools the unreacted effluent heated to the reaction heat by the electrochemical reaction occurring in the anode to a certain level; And an air supply unit supplying the air or the oxygen to the cathode for supply of the oxygen used as an oxidant in the reaction of the cathode, wherein the gas-liquid separator receives methanol fuel through a methanol pump from a fuel tank, Characterized in that the gas and liquid contained in the unreacted emissions discharged from the anode and the exhaust discharged from the cathode are separated, and water and methanol are mixed to supply a methanol mixed fuel diluted to an appropriate concentration to the anode. Of course, it is also possible to provide a direct methanol fuel cell system.

상기와 같은 구성의 본 발명에 따르면, 다음과 같은 효과를 도모할 수 있다.According to the present invention having the above configuration, the following effects can be achieved.

우선, 본 발명은 센서가 필요없이도 연료의 수위 제어가 가능하게 된다.First, the present invention makes it possible to control the level of fuel without the need for a sensor.

그리고, 본 발명은 운전중에 어느 한 방향으로 기울어져 경사가 형성되더라도 연료 유출이 없으며 일정 수위를 지속적으로 유지하고 기액 분리 기능 또한 중단되는 일이 없이 지속될 수 있다.And, the present invention has no fuel leakage even if the inclination is inclined in either direction during operation and maintains a constant water level and the gas-liquid separation function can also be continued without being interrupted.

또한, 본 발명은 기액 분리기의 하실로 유입되는 유체의 유량이 많아지더라도 혼합연료의 수위 유지가 가능하게 되는 것이다.In addition, the present invention is to maintain the level of the mixed fuel even if the flow rate of the fluid flowing into the base of the gas-liquid separator increases.

특히, 본 발명은 단일의 장치로 연료와 생성수의 혼합, 메탄올 농도 희석, 연료극 및 공기극 배출물의 기액 분리 기능을 동시에 할 수 있으므로, 시스템의 구성을 단순화할 수 있게 된다.In particular, the present invention can simplify the configuration of the system because it can simultaneously function for mixing fuel and product water, diluting methanol concentration, and separating gas and liquid from the anode and cathode emissions.

아울러, 본 발명은 사용된 연료의 재사용을 위한 기액 분리 과정에서 기화되어 이산화탄소와 함께 배출되는 메탄올 손실을 최소화할 수 있다.In addition, the present invention can minimize the loss of methanol discharged together with carbon dioxide vaporized in the gas-liquid separation process for reuse of the used fuel.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 직접메탄올 연료전지 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 계통도
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 직접메탄올 연료전지 시스템의 수위 유지 연결관이 설치된 기액 분리기의 구성을 개략적으로 나타낸 도면
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 직접메탄올 연료전지 시스템의 수위 유지 연결관이 설치된 기액 분리기가 경사 각도를 이루어 기울어진 구조를 개략적으로 나타낸 도면
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 직접메탄올 연료전지 시스템의 수위 유지 연결관이 설치된 기액 분리기를 연료전지 스택 시스템에 장착하여 기액 분리기를 전, 후, 좌, 우 방향 각각 30°로 경사지게 하였을 때 측정한 연료전지 스택의 시간에 따른 출력 특성을 나타낸 곡선
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 직접메탄올 연료전지 시스템의 수위 유지 연결관이 설치된 기액 분리기를 연료전지 스택 시스템에 장착하여 기액 분리기를 전, 후, 좌, 우 방향 각각 30°로 경사지게 하여 연료전지 스택의 시간에 따른 출력 특성을 측정할 때의 기액 분리기를 나타낸 사진
1 is a schematic diagram showing the configuration of a direct methanol fuel cell system according to an embodiment of the present invention
2 is a view schematically showing the configuration of a gas-liquid separator having a water level maintenance connecting pipe installed in a direct methanol fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
3 is a view schematically showing a structure in which a gas-liquid separator in which a water level maintaining connector of a direct methanol fuel cell system according to an embodiment of the present invention is installed is inclined at an inclined angle.
4 is to mount the gas-liquid separator installed in the fuel cell stack system is installed in the water level maintenance connecting pipe of the direct methanol fuel cell system according to an embodiment of the present invention, before, after, left and right to be inclined to 30 ° each Curve showing the output characteristics over time of the fuel cell stack measured at the time
5 is mounted on the fuel cell stack system equipped with a gas-liquid separator installed in the water level maintenance connecting pipe of the direct methanol fuel cell system according to an embodiment of the present invention, before, after, inclined to 30 °, respectively in the left and right direction Photo showing gas-liquid separator when measuring output characteristics over time of fuel cell stack

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다.Advantages and features of the present invention, and methods for achieving them will be clarified with reference to embodiments described below in detail together with the accompanying drawings.

그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예로 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이다.However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but will be implemented in various different forms.

본 명세서에서 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.In the present specification, this embodiment is provided to make the disclosure of the present invention complete, and to fully inform the scope of the invention to those skilled in the art to which the present invention pertains.

그리고 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.And the present invention is only defined by the scope of the claims.

따라서, 몇몇 실시예에서, 잘 알려진 구성 요소, 잘 알려진 동작 및 잘 알려진 기술들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적으로 설명되지 않는다.Thus, in some embodiments, well-known components, well-known operations, and well-known techniques are not specifically described in order to avoid obscuring the present invention.

또한, 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭하고, 본 명세서에서 사용된(언급된) 용어들은 실시예를 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.In addition, the same reference numerals throughout the specification refer to the same components, and the terms used (referred to) in this specification are for describing the embodiments and are not intended to limit the present invention.

본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함하며, '포함(또는, 구비)한다'로 언급된 구성 요소 및 동작은 하나 이상의 다른 구성요소 및 동작의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.In the present specification, the singular form also includes the plural form unless specifically stated in the phrase, and the components and operations referred to as'comprising (or, provided)' do not exclude the presence or addition of one or more other components and operations. .

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다.Unless otherwise defined, all terms (including technical and scientific terms) used in the present specification may be used as meanings commonly understood by those skilled in the art to which the present invention pertains.

또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.Also, terms that are defined in a commonly used dictionary are not ideally or excessively interpreted unless they are defined.

이하, 첨부된 도면을 참고로 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

참고로, 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 직접메탄올 연료전지 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 계통도이다.For reference, Figure 1 is a schematic diagram showing the configuration of a direct methanol fuel cell system according to an embodiment of the present invention.

그리고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 직접메탄올 연료전지 시스템의 수위 유지 연결관(250)이 설치된 기액 분리기(20)의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.And, Figure 2 is a view schematically showing the configuration of the gas-liquid separator 20 is installed in the water level maintenance connecting pipe 250 of the direct methanol fuel cell system according to an embodiment of the present invention.

그리고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 직접메탄올 연료전지 시스템의 수위 유지 연결관(250)이 설치된 기액 분리기(20)가 경사 각도(α)를 이루어 기울어진 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.And, FIG. 3 is a view schematically showing a structure in which the gas-liquid separator 20 in which the water level maintenance connecting pipe 250 of the direct methanol fuel cell system according to an embodiment of the present invention is formed at an inclination angle α is inclined. .

또한, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 직접메탄올 연료전지 시스템의 수위 유지 연결관(250)이 설치된 기액 분리기(20)를 연료전지 스택 시스템에 장착하여 기액 분리기(20)를 전, 후, 좌, 우 방향 각각 30°로 경사지게 하였을 때 측정한 연료전지 스택(10)의 시간에 따른 출력 특성을 나타낸 곡선이다.In addition, FIG. 4 is equipped with a gas-liquid separator 20 having a water level maintenance connector 250 installed in a direct methanol fuel cell system according to an embodiment of the present invention in a fuel cell stack system, before and after the gas-liquid separator 20. , It is a curve showing the output characteristics over time of the fuel cell stack 10 measured when it is inclined at 30° in the left and right directions, respectively.

아울러, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 직접메탄올 연료전지 시스템의 수위 유지 연결관(250)이 설치된 기액 분리기(20)를 연료전지 시스템에 장착하여 기액 분리기(20)를 전, 후, 좌, 우 방향 각각 30°로 경사지게 하여 연료전지 스택(10)의 시간에 따른 출력 특성을 측정할 때의 기액 분리기(20)를 나타낸 사진이다.In addition, FIG. 5 is equipped with a gas-liquid separator 20 in which the water level maintenance connecting pipe 250 of the direct methanol fuel cell system according to an embodiment of the present invention is installed in a fuel cell system, before and after the gas-liquid separator 20, It is a photograph showing the gas-liquid separator 20 when measuring the output characteristics over time of the fuel cell stack 10 by inclining 30° in the left and right directions, respectively.

참고로, 도 2 및 도 3에서 점선 화살표는 해당 방향으로 흐르는 유체의 흐름 방향을 나타낸다.For reference, the dotted arrows in FIGS. 2 and 3 indicate the flow direction of the fluid flowing in the corresponding direction.

본 발명의 일 실시예에 따른 직접메탄올 연료전지 시스템은 도 1과 같이 스택(10), 기액 분리기(20), 연료탱크(30), 열교환기(40, 50), 공기 공급부(70, 61)를 포함한다.The direct methanol fuel cell system according to an embodiment of the present invention is a stack 10, a gas-liquid separator 20, a fuel tank 30, a heat exchanger 40, 50, an air supply unit 70, 61 as shown in FIG. It includes.

스택(10)은 기액 분리기(20)로부터 연료 펌프(62)를 통하여 연료를 공급받고 공기 펌프(61)로부터 공기(산소)를 공급받아 전기를 생산하는 부분으로, 하나 또는 두 개 이상의 적층된 막/전극 접합체(MEA)를 포함한다.The stack 10 is a part for producing electricity by receiving fuel from the gas-liquid separator 20 through the fuel pump 62 and receiving air (oxygen) from the air pump 61, one or more stacked membranes /Includes electrode assembly (MEA).

기액 분리기(20)는 연료탱크(30)로부터 메탄올 펌프(63)를 통하여 메탄올 연료를 공급받고, 스택(10)의 연료극에서 배출되는 미반응 배출물(미반응 메탄올, 물, 및 이산화탄소) 그리고 공기극에서 배출되는 배출물(미반응 공기, 생성수)에 포함된 기체(미반응 공기, 이산화탄소)와 액체(미반응 메탄올, 물, 생성수)를 분리하고, 물과 메탄올을 혼합하여 적정 농도로 희석된 메탄올 혼합연료를 연료극으로 공급하는 역할을 한다.The gas-liquid separator 20 is supplied with methanol fuel from the fuel tank 30 through the methanol pump 63, and unreacted emissions (unreacted methanol, water, and carbon dioxide) discharged from the anode of the stack 10 and from the cathode Gas (unreacted air, carbon dioxide) and liquid (unreacted methanol, water, and generated water) contained in the discharged product (unreacted air, product water) are separated, and methanol diluted with an appropriate concentration by mixing water and methanol It serves to supply the mixed fuel to the anode.

공기극에서 배출된 공기극 배출물에는 기체 상태로 배출되는 생성수가 많으므로 공기극 열교환기(50)를 이용해 생성수를 액화시켜서 기액 분리기(20)로 공급되도록 한다.The cathode discharged from the cathode has a lot of generated water discharged in a gaseous state, so the generated water is liquefied using the cathode heat exchanger 50 to be supplied to the gas-liquid separator 20.

연료탱크(30)는 메탄올 연료 원액을 저장하는데, 앞서 살펴본 바와 같이 연료극에서의 반응은 메탄올뿐만 아니라 물이 함께 반응물로서 사용되므로, 기액 분리기(20)에서 물과 혼합된 후라야 연료로 사용될 수 있다. 연료탱크(30)의 연료는 메탄올 펌프(63)를 통해 기액 분리기(20)로 공급된다.The fuel tank 30 stores the methanol fuel stock solution. As described above, the reaction at the anode can be used as fuel only after mixing with water in the gas-liquid separator 20 since water as well as methanol is used as a reactant. . The fuel of the fuel tank 30 is supplied to the gas-liquid separator 20 through a methanol pump 63.

공기 공급부(70, 61)는 공기극의 반응에서 산화제로 사용되는 산소를 공급하기 위하여 공기를 공기극으로 공급하는 부분으로, 공기필터(70)와 공기 펌프(61)를 포함할 수 있다.The air supply units 70 and 61 are parts for supplying air to the air electrode to supply oxygen used as an oxidizing agent in the reaction of the air electrode, and may include an air filter 70 and an air pump 61.

본 실시예에서 공기를 이용한 구조를 예시하고 있으나, 산소 자체를 공급하여 사용할 수도 있으며, 이 경우 공기필터(70)는 사용되지 않는다.Although a structure using air is illustrated in this embodiment, oxygen may be supplied and used, and in this case, the air filter 70 is not used.

한편, 연료극에서 배출되는 연료극 배출물은 연료극에서의 전기화학 반응에 의한 반응열로 인해 고온(60~80 ℃)으로 가열된 상태이므로, 연료극 열교환기(40)를 이용하여 연료극 배출물의 온도를 적정 수준으로 냉각시킬 수 있다.On the other hand, the anode discharged from the anode is heated to a high temperature (60 to 80°C) due to the reaction heat from the electrochemical reaction at the anode, so the temperature of the anode discharge is set to an appropriate level by using the anode heat exchanger 40. It can be cooled.

본 발명에서 주목하는 부분은 연료 및 물의 재사용을 위해 사용되는 기액 분리기(20)이다.A part of interest in the present invention is the gas-liquid separator 20 used for the reuse of fuel and water.

스택(10)에서 메탄올 산화반응으로 발생한 기체상태의 이산화탄소를 배출시키고 메탄올과 물을 회수하기 위한 기액 분리기(20)를 통해서 연료인 메탄올이 증발되거나 배출 가스와 같이 배출되고, 이에 따라 메탄올이 불필요하게 소모된다.In the stack 10, methanol, which is fuel, is evaporated or discharged as exhaust gas through a gas-liquid separator 20 for discharging gaseous carbon dioxide generated by a methanol oxidation reaction and recovering methanol and water, and thus methanol is unnecessary. Is consumed.

메탄올의 불필요한 소모는 메탄올의 사용 효율의 저하, 즉 시스템 효율의 저하를 초래한다.Unnecessary consumption of methanol leads to a decrease in the efficiency of use of methanol, i.e. a decrease in system efficiency.

본 발명의 직접메탄올 연료전지 시스템에 따르면, 연료와 생성수의 혼합, 메탄올 농도 희석, 연료극 및 공기극 배출물의 기액 분리 기능을 하는 기액 분리기(20)의 설계에 의하여, 시스템의 복잡한 구조를 단순화시키고 기액분리 과정에서 메탄올의 손실을 최소할 수 있는 것이다.According to the direct methanol fuel cell system of the present invention, by designing a gas-liquid separator 20 that functions as a mixture of fuel and product water, dilution of methanol concentration, and gas-liquid separation of the anode and cathode emissions, the complex structure of the system is simplified and gas-liquid It is possible to minimize the loss of methanol during the separation process.

또한, 시스템이 운전하는 도중에도 일정 수위를 지속적으로 유지하고 시스템이 기울어져 경사를 이룰 때도 기액 분리 기능이 잘 작동되도록 한다.In addition, the system maintains a constant level of water even during operation and ensures that the gas-liquid separation function works well even when the system is inclined.

이하, 도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명의 직접메탄올 연료전지의 수위 유지 연결관(250)이 설치된 기액 분리기(20)에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the gas-liquid separator 20 in which the water level maintenance connecting pipe 250 of the direct methanol fuel cell of the present invention is installed will be described in more detail with reference to FIGS. 2 and 3.

본 발명의 일 실시예에 따른 기액 분리기(20)는 도 2와 같이 분리판(220)에 의해 분리된 상실(230) 및 하실(210)을 포함한다. The gas-liquid separator 20 according to an embodiment of the present invention includes a loss 230 and a basement 210 separated by a separation plate 220 as shown in FIG. 2.

상실(230)에는 공기극에서 배출된 공기극 배출물이 공급되는 공기극 배출물 유입구(231) 및 외부로 가스를 배출하는 가스배출구(232)가 형성된다.An air cathode discharge inlet 231 through which the cathode discharge discharged from the cathode is supplied and a gas discharge hole 232 through which gas is discharged are formed in the upper chamber 230.

하실(210)에는 연료극에서 배출된 연료극 배출물이 공급되는 연료극 배출물 유입구(213)와, 연료탱크(30)로부터 메탄올 연료가 공급되는 원액 메탄올 유입구(211)와, 연료극으로 혼합연료를 공급하는 연료공급구(212)가 형성된다.In the basement 210, the anode discharge inlet 213 through which the anode discharge discharged from the anode is supplied, and the stock methanol inlet 211 through which methanol fuel is supplied from the fuel tank 30, and fuel supply for supplying mixed fuel to the anode The sphere 212 is formed.

또한, 하실(210)의 내측에는 상기 혼합연료의 수위 제어가 센서없이도 가능하며 어느 한 쪽 방향으로 기울어져 경사가 형성되더라도 연료 유출이 없도록 수위 유지용 연결관(250)이 형성된다.In addition, inside the basement 210, the level control of the mixed fuel is possible without a sensor, and a connection pipe 250 for maintaining the water level is formed so that there is no fuel leakage even if an inclination is formed by inclining in either direction.

분리판(220)에는 물공급관(240)이 형성되는데, 물공급관(240)은 분리판(220)을 관통하며, 상부는 기액 분리기(20)의 상실(230)에 배치되고, 하부는 기액 분리기(20)의 하실(210)에 배치된다.A water supply pipe 240 is formed in the separation plate 220, and the water supply pipe 240 penetrates through the separation plate 220, the upper portion of which is disposed in the upper portion 230 of the gas-liquid separator 20, and the lower portion of the water-liquid separator. It is placed in the basement 210 of 20.

한편, 기액 분리기(20)에는 하실(210)에 채워진 이산화탄소 등의 가스가 상실(230)로 전달되도록 하는 수위 유지용 연결관(250)이 형성된다. On the other hand, the gas-liquid separator 20 is formed with a connection pipe 250 for maintaining the water level so that gas such as carbon dioxide filled in the basement 210 is transferred to the chamber 230.

또한, 기액 분리기(20)는 하실(210)의 수위가 연료극 수위 유지용 연결관(250)위치로 유지되므로 하실(210)에 수위를 측정하는 레벨 센서를 별도로 설치할 필요가 없다.In addition, the gas-liquid separator 20 does not need to separately install a level sensor for measuring the water level in the basement 210 because the water level in the basement 210 is maintained at the position of the connector 250 for maintaining the anode level.

또한, 하실(210)에는 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.In addition, the basement 210 may be further provided with a concentration measurement sensor 270 for measuring the methanol concentration, and if the concentration of the methanol in the concentration measurement sensor 270 is less than the proper range, the crude methanol is supplied from the fuel tank 30. do.

수위 유지용 연결관(250)은 하실(210)의 내측에서 일정 수위보다 높아지는 혼합연료가 상실(230)로 이동할 수 있게 하실(210)과 상실(230)을 연결하도록 형성된다. The water level maintenance connecting pipe 250 is formed to connect the chamber 210 and the chamber 230 to allow the mixed fuel higher than a certain level to move to the chamber 230 from the inside of the chamber 210.

수위 유지용 연결관(250)과 기액 분리기(20)는 메탄올에 대한 내성을 갖는 금속 또는 플라스틱 재질로 이루어지는 것이 바람직한데, 그 대표적인 예로 내식성 스테인리스강(STS), 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE) 또는 폴리카보네이트(PC)와 같은 소재를 들 수 있다.The connection pipe 250 and the gas-liquid separator 20 for maintaining the water level are preferably made of a metal or plastic material resistant to methanol, and representative examples thereof are corrosion-resistant stainless steel (STS), polypropylene (PP), and polyethylene (PE). ) Or polycarbonate (PC).

수위 유지용 연결관(250)은 하나가 설치될 수 있으며, 하실(210)의 혼합연료의 평시(平時) 수위보다 높게 형성되는 것이 바람직하다.One of the connecting pipes 250 for maintaining the water level may be installed, and is preferably formed higher than the level of the normal level of the mixed fuel of the basement 210.

여기서, "평시 수위"란 연료전지 작동시 기액 분리기(20)의 하실(210) 내 혼합연료의 평균 수위를 말한다.Here, the "peace level" refers to the average level of the mixed fuel in the basement 210 of the gas-liquid separator 20 during the operation of the fuel cell.

기액 분리기(20)의 세부 구조를 살펴보면, 하실(210)과 상실(230)의 용적을 감안하여, 하실(210)의 수위에 대한 상실(230)의 수위에 대응하는 용적비는 1/10 내지 1/3로 유지하는 것이 바람직하다.Looking at the detailed structure of the gas-liquid separator 20, considering the volume of the basement 210 and the loss 230, the volume ratio corresponding to the water level of the loss 230 to the water level of the basement 210 is 1/10 to 1 It is desirable to keep it at /3.

용적비가 1/10 미만이면 상실(230)의 용적이 너무 작아서 상실(230)에 공급되는 생성수의 많은 량이 가스 배출구(232)로 공기와 더불어 배출되어 하실(210)로 공급될 물이 모자라는 문제가 발생하게 된다.If the volume ratio is less than 1/10, the volume of the loss 230 is too small, and a large amount of the generated water supplied to the loss 230 is discharged together with air through the gas outlet 232, and the water to be supplied to the basement 210 is insufficient. The problem arises.

용적비가 1/3 초과이면 상실(230)의 용적이 너무 커서 상실(230)에 공급되는 생성수의 많은 과잉량이 가스 배출구(232)로 배출되지 못하고 하실(210)로 공급되어 물이 과잉으로 남는 문제가 발생하게 된다.If the volume ratio is more than 1/3, the volume of the loss 230 is too large, and a large excess of the generated water supplied to the loss 230 is not discharged to the gas outlet 232, but is supplied to the basement 210 and water remains excessive. A problem arises.

또한, 물공급관(240)의 내경은 3 내지 10 mm이고 또한 수위 유지용 연결관(250)의 내경은 3 내지 10 mm인 것이 바람직하다.In addition, the inner diameter of the water supply pipe 240 is preferably 3 to 10 mm and the inner diameter of the connection pipe 250 for maintaining the water level is 3 to 10 mm.

물공급관(240)의 내경이 3 mm 미만이면 물공급관(240)의 표면 장력이 커져서 상실(230)의 생성수가 물공급관(240)을 통하여 하실(210)로 이동하는 것이 어려워지게 된다.When the inner diameter of the water supply pipe 240 is less than 3 mm, the surface tension of the water supply pipe 240 increases, and it is difficult for the water generated in the loss 230 to move to the basement 210 through the water supply pipe 240.

물공급관(240)의 내경이 10 mm 초과이면 상실(230)에 공급된 미반응 공기와 이산화탄소의 일부가 가스 배출구(232)로 배출되지 못하고 물공급관(240)을 통하여 하실(210)으로 이동하는 현상이 발생할 수 있는 문제가 있다. If the inner diameter of the water supply pipe 240 is more than 10 mm, some of the unreacted air and carbon dioxide supplied to the chamber 230 cannot be discharged to the gas outlet 232 and move to the basement 210 through the water supply pipe 240 There is a problem that can cause symptoms.

수위 유지용 연결관(250)의 내경이 3 mm 미만이면 수위 유지용 연결관(250)의 표면 장력이 커져서 하실(210)의 압력이 높아지고 하실(210)의 이산화탄소와 과잉의 연료가 수위 유지용 연결관(250)을 통하여 상실(230)로 이동하는 것이 어려워지게 된다.When the inner diameter of the connection pipe 250 for maintaining the water level is less than 3 mm, the surface tension of the connection pipe 250 for maintaining the water level increases, so that the pressure in the basement 210 increases and the carbon dioxide and excess fuel in the basement 210 for maintaining the water level It is difficult to move to the loss 230 through the connector 250.

수위 유지용 연결관(250)의 내경이 10 mm 초과이면 하실(210)에 공급된 이산화탄소와 과잉의 연료가 너무 많이 수위 유지용 연결관(250)을 통하여 상실(230)로 이동하는 문제에 직면하게 된다.If the inner diameter of the connector 250 for maintaining the water level is greater than 10 mm, carbon dioxide and excess fuel supplied to the basement 210 are faced with the problem of moving to the loss 230 through the connector 250 for maintaining the water level. Is done.

가스배출구(232)는 공기극 배출물인 미반응 공기와 연료극 배출물인 생성 이산화탄소가 연료전지 시스템 외부로 배출되는 배출구이다.The gas outlet 232 is an outlet through which unreacted air, which is an anode emission, and produced carbon dioxide, which is an anode emission, are discharged outside the fuel cell system.

따라서, 가스배출구(232)는 미반응 공기와 생성 이산화탄소만 배출하고, 생성수, 미반응 메탄올과 물은 배출되지 않도록 설계하여야 한다.Therefore, the gas outlet 232 should be designed so that only unreacted air and product carbon dioxide are discharged, and product water, unreacted methanol and water are not discharged.

이러한 목적을 달성하기 위하여 가스배출구(232)를 미반응 공기와 생성 이산화탄소만 통과하고 메탄올이나 물은 통과하지 않도록 설계하면 물부족이나 메탄올 손실을 방지할 수 있다.To achieve this purpose, if the gas outlet 232 is designed to pass only unreacted air and product carbon dioxide and not methanol or water, water shortage or loss of methanol can be prevented.

이와 같은 목적을 달성하기 위하여 가스배출구(232)에 다공성 소수성 분리막(이하 미도시)을 설치하면 메탄올이나 물과 같은 액체는 통과하지 못하고 미반응 공기나 생성 이산화탄소 같은 가스만 통과하도록 하는 것이 가능하다.To achieve this purpose, when a porous hydrophobic separator (not shown) is installed in the gas outlet 232, it is possible to pass liquids such as methanol or water, but only unreacted air or gas such as carbon dioxide.

이를 위하여 다공성 소수성 분리막으로는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 에틸렌테트라플루오로에틸렌(ETFE) 또는 폴리비닐리덴플루오리드(PVDF)와 같은 소수성 막을 사용할 수 있다.To this end, a hydrophobic membrane such as polytetrafluoroethylene (PTFE), ethylenetetrafluoroethylene (ETFE) or polyvinylidene fluoride (PVDF) may be used as the porous hydrophobic separator.

다공성 소수성 분리막은 다공성으로 이루어져서 기공의 크기가 0.001~0.05 mm인 것을 사용하고, 두께는 0.01~0.1mm인 것을 사용할 수 있다.The porous hydrophobic separator is made of porosity, and the pore size is 0.001 to 0.05 mm, and the thickness is 0.01 to 0.1 mm.

또한, 다공성 소수성 분리막의 기계적 강도를 부여하기 위하여 다공성 소수성 분리막의 상하면에 각각 다공성 소수성 분리막의 기공보다 더 큰 기공을 가진 지지막을 설치할 수도 있다.In addition, to impart mechanical strength of the porous hydrophobic separator, a support membrane having pores larger than the pores of the porous hydrophobic separator may be installed on the upper and lower surfaces of the porous hydrophobic separator.

다공성 소수성 분리막의 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 있다.If the pore size of the porous hydrophobic separator is too large, liquid such as methanol or water may pass through and be discharged to the outside, and if the pore size is too small, the passage of methanol or water is difficult and the pressure of gas or liquid may rise inside the chamber. There is this.

따라서, 다공성 소수성 분리막의 기공 크기는 0.001~0.05mm인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 0.01~0.03mm의 범위에서 형성되도록 한다. Therefore, the pore size of the porous hydrophobic separator is preferably 0.001 to 0.05 mm, and more preferably to be formed in the range of 0.01 to 0.03 mm.

다공성 소수성 분리막은 물이나 메탄올로 인하여 기공이 막히는 것을 방지하기 위하여 친수성이 아닌 소수성을 가지는 것이 바람직하다.The porous hydrophobic separator preferably has hydrophobicity rather than hydrophilicity in order to prevent pores from being blocked by water or methanol.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 직접메탄올 연료전지 시스템의 기액 분리기(20)를 통해 메탄올 연료, 연료극 배출물 및 공기극 배출물이 혼합되어 연료극으로 공급되는 과정을 구체적으로 설명한다.Hereinafter, a process in which methanol fuel, anode discharge and cathode discharge are mixed and supplied to the anode through the gas-liquid separator 20 of the direct methanol fuel cell system according to an embodiment of the present invention will be described in detail.

먼저, 상실(230)의 공기극 배출물 유입구(231)를 통해 공기극에서 배출된 공기극 배출물이 공급된다.First, the cathode discharge discharged from the cathode through the cathode discharge inlet 231 of the chamber 230 is supplied.

공기극 배출물에는 공기극에서 생성된 생성수(물), 전해질 막을 통해 공기극으로 크로스오버된 물과 메탄올, 그리고 산소 환원 반응을 위해 공급된 공기 등이 포함된다.The cathode discharge includes water (water) produced at the cathode, water and methanol crossover to the cathode through the electrolyte membrane, and air supplied for an oxygen reduction reaction.

또한, 하실(210)의 연료극 배출물 유입구(213)를 통해 연료극에서 배출된 연료극 배출물이 공급된다.In addition, the anode discharge discharged from the anode through the anode discharge inlet 213 of the basement 210 is supplied.

연료극 배출물에는 연료극에 공급된 메탄올과 물, 그리고 메탄올 산화 반응에 의하여 생성된 이산화탄소 등이 포함된다. The anode emissions include methanol and water supplied to the anode, and carbon dioxide produced by the methanol oxidation reaction.

이와 함께, 하실(210)의 원액 메탄올 유입구(211)에는 연료탱크(30)로부터 공급된 메탄올 연료 원액이 공급된다.Along with this, the methanol fuel stock solution supplied from the fuel tank 30 is supplied to the stock solution methanol inlet 211 of the basement 210.

연료극 배출물과 메탄올 연료가 연료극 배출물 유입구(213)과 원액 메탄올 유입구(211)을 통하여 하실(210)로 공급되면, 하실(210)의 하부는 메탄올과 물로 채워지며 상부는 이산화탄소를 포함한 공기로 채워진다.When the anode discharge and methanol fuel are supplied to the basement 210 through the anode discharge inlet 213 and the stock solution methanol inlet 211, the bottom of the base 210 is filled with methanol and water, and the top is filled with air including carbon dioxide.

연료극 배출물과 메탄올 연료가 계속 하실(210)에 공급되면 하실(210) 내부의 압력 증가로 인해 이산화탄소는 수위 유지용 연결관(250)을 통과하여 상실(230)로 이동하게 된다.When the anode emission and methanol fuel are continuously supplied to the chamber 210, the carbon dioxide moves through the connecting pipe 250 for maintaining the water level and moves to the chamber 230 due to the increase in the pressure inside the chamber 210.

이때, 배출가스에는 이산화탄소뿐만 아니라 기화된 메탄올이 포함되어 있으며, 수위 유지용 연결관(250)을 통해 상실(230)로 이동하면서 상실(230)에 채워진 물에 포집된다.At this time, the exhaust gas contains not only carbon dioxide, but also vaporized methanol, and is collected by the water filled in the chamber 230 while moving to the chamber 230 through the connection pipe 250 for maintaining the water level.

상실(230)에는 계속적으로 공기극 배출물이 공급되면서 생성수(물)가 채워지고, 이들의 수위가 높아지면서 물공급관(240) 상단의 높이 이상이 되면 물공급관(240) 내부로 물이 넘쳐흘러 들어가서 상실(230)의 물이 하실(210)로 공급된다. When the cathode 230 is continuously supplied with the cathode emission, the generated water (water) is filled, and when the water level rises and becomes higher than the upper level of the water supply pipe 240, water overflows into the water supply pipe 240. Water of the loss 230 is supplied to the basement 210.

상실(230)의 상부에는 하실(210)에서 수위 유지용 연결관(250)을 통해 배출된 이산화탄소와 공기극 배출물 유입구(231)를 통해 공급된 공기가 채워지고 최종적으로 가스배출구(232)를 통해 외부로 배출된다. The upper portion of the upper room 230 is filled with carbon dioxide discharged through the connection pipe 250 for maintaining the water level in the basement 210 and air supplied through the cathode discharge inlet 231 and finally external through the gas outlet 232 Is discharged.

하실(210)에 채워진 희석된 메탄올 즉, 혼합연료는 연료 펌프(62)에 의해 연료공급구(212)를 거쳐 연료극으로 공급된다.The diluted methanol filled in the basement 210, that is, the mixed fuel is supplied to the anode through the fuel supply port 212 by the fuel pump 62.

도 3은 도 2에 도시된 수위 유지용 연결관(250)이 설치된 기액 분리기(20)가 경사 각도(α)를 이루는 경우의 구조를 도시한 것이다. FIG. 3 shows a structure in which the gas-liquid separator 20 in which the water level maintenance connecting pipe 250 shown in FIG. 2 is installed forms an inclination angle α .

수위 유지용 연결관(250)이 설치된 기액 분리기(20)에서 수위 유지용 연결관(250)의 말단부가 분리판(220)의 중심을 상하 방향으로 직교되게 관통하는 가상선(L)상에 위치하도록 하여야 상기 기액 분리기(20)가 사방의 어느 한 방향으로 기울어져 경사 각도(α)를 형성하더라도 일정한 수위를 지속적으로 유지할 수 있게 된다.In the gas-liquid separator 20 in which the water level maintenance connecting tube 250 is installed, the distal end of the water level maintaining connecting tube 250 is positioned on the virtual line L penetrating orthogonally to the center of the separation plate 220 in the vertical direction. Even if the gas-liquid separator 20 is inclined in any direction in all directions to form an inclined angle α , it is possible to continuously maintain a constant water level.

수위 유지용 연결관(250)의 말단부가 전술한 가상선(L)상에 위치하지 않으면 상기 수위 유지용 연결관(250)의 말단부가 상하좌우의 어느 한 방향으로 치우치게 되므로 해당 치우친 방향으로 상실(230)과 하실(230)의 많은 연료와 생성수가 외부로 유출될 우려가 있다.If the distal end of the water level maintenance connecting pipe 250 is not located on the above-mentioned virtual line L, the distal end of the water level maintaining connecting pipe 250 is biased in one direction of up, down, left, and right, and thus is lost in the corresponding biased direction ( 230) and a lot of fuel and generated water in the basement 230 may be leaked to the outside.

또한, 도 2 및 도 3과 같이 물공급관(240)에는 굴곡관부(241)를 더 구비할 수도 있을 것이다.In addition, as shown in FIGS. 2 and 3, the water supply pipe 240 may further include a bent pipe portion 241.

즉, 물공급관(240)의 상단부와 하단부 각각의 중심이 분리판(220)의 중심을 상하 방향으로 직교되게 관통하는 전술한 가상선(L)상에 배치되고, 수위 유지용 연결관(250)의 말단부가 전술한 바와 같이 가상선(L)상에 배치되면, 수위 유지용 연결관(250)의 말단부와 물공급관(240) 중간부 사이의 간섭이 발생하게 된다.That is, the center of each of the upper end and the lower end of the water supply pipe 240 is disposed on the above-described virtual line (L) that orthogonally crosses the center of the separation plate 220 in the vertical direction, the connection pipe 250 for maintaining the water level When the distal end of the is disposed on the virtual line (L) as described above, interference between the distal end of the water level maintenance connecting pipe 250 and the middle portion of the water supply pipe 240 occurs.

굴곡관부(241)는 이러한 수위 유지용 연결관(250)의 말단부와 물공급관(240) 중간부 사이의 간섭을 회피하고, 물공급관(240)을 통한 물의 원활한 흐름은 허용할 수 있도록, 물공급관(240)의 중간부에 일정 곡률로 구부러지게 형성되도록 할 수 있을 것이다.The bent pipe portion 241 avoids interference between the distal end of the connection pipe 250 for maintaining the water level and the middle portion of the water supply pipe 240, and allows a smooth flow of water through the water supply pipe 240 to allow the water supply pipe It will be able to be formed to bend at a constant curvature in the middle of (240).

한편, 하실(210)에 채워진 혼합 연료의 수위는 하실(210) 전체 용적의 50~80 vol%를 차지하도록 하는 것이 바람직하다. Meanwhile, it is preferable that the level of the mixed fuel filled in the basement 210 occupies 50 to 80 vol% of the total volume of the basement 210.

하실(210)에 채워진 혼합 연료의 수위가 하실(210) 전체 용적의 50 vol% 미만이면, 기액 분리기(20)가 기울여 졌을 때 상실(230)의 생성수가 물공급관(240)을 통하여 하실(210)로 이동하기 어려워진다.If the level of the mixed fuel filled in the basement 210 is less than 50 vol% of the total volume of the basement 210, when the gas-liquid separator 20 is inclined, the water produced in the loss 230 flows through the water supply pipe 240. ).

하실(210) 전체 용적의 80 vol%를 초과하면 기액 분리기(20)가 기울여 졌을 때 하실(210)에 공급된 이산화탄소와 연료에 의하여 하실(210)의 압력이 높아지고 하실(210) 전체 용적의 50 vol% 정도의 연료만 하실(210)에 잔류하고 나머지 연료는 외부로 유출되는 단점이 있다. When the volume of the basement 210 exceeds 80 vol%, when the gas-liquid separator 20 is inclined, the pressure of the basement 210 increases by the carbon dioxide and fuel supplied to the basement 210 and 50 of the total volume of the basement 210 There is a disadvantage in that only about vol% of fuel remains in the basement 210 and the remaining fuel is discharged to the outside.

전술한 경사 각도(α)는 0˚ 이상부터 90˚ 이하의 범위가 될 수 있으며, 또한 1~10분 이내의 일시적인 시간 동안 90˚로 경사진 경우에도 기액 분리기(20)가 일정한 수위를 유지하여 기액 분리 기능을 할 수 있게 된다.The above-described inclination angle ( α ) may range from 0° to 90°, and the gas-liquid separator 20 maintains a constant water level even when it is inclined to 90° for a temporary time within 1 to 10 minutes. The gas-liquid separation function can be performed.

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 entering the fuel supplied to the anode, and the loss of methanol discharged to the outside in a vaporized state can be minimized.

한편, 도 4는 도 2에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 직접메탄올 연료전지 시스템의 수위 유지 연결관(250)이 설치된 기액 분리기(20)를 제작하여 이를 연료전지 스택 시스템에 장착하고, 기액 분리기(20)의 경사 각도에 따른 연료전지 스택의 시간에 따른 출력 특성을 나타낸 것이다.Meanwhile, FIG. 4 manufactures a gas-liquid separator 20 in which the water level maintenance connecting pipe 250 of the direct methanol fuel cell system according to an embodiment of the present invention shown in FIG. 2 is installed, and mounts it in a fuel cell stack system. It shows the output characteristics over time of the fuel cell stack according to the inclination angle of the gas-liquid separator 20.

도 4에서 A 영역은 기액 분리기(20)를 전방 30˚, B 영역은 후방 30˚, C 영역은 좌측 30˚ 그리고 D 영역은 우측 30˚로 경사지게 하여 측정한 연료전지 스택의 시간에 따른 출력 변화를 나타낸 것이다. In FIG. 4, the area A of the fuel cell stack is measured by tilting the gas-liquid separator 20 forward 30°, the area B 30° rearward, the area C 30° left, and the area D 30° rightward. It shows.

도 4에서 연료전지 시스템에 장착한 기계 가공한 기액분리기를 전/후/좌/우 30˚ 경사에서 각각 1.5 시간 동안 유지하여도 스택은 310~325W (6.23 시간) (11.15~11.16A, 27.96~29.21V)의 일정한 출력을 유지하였다.In FIG. 4, the stack is 310~325W (6.23 hours) (11.15~11.16A, 27.96~) even if the machined gas-liquid separator mounted on the fuel cell system is maintained for 1.5 hours at a front/back/left/right 30° slope, respectively. 29.21V).

또한, 수위도 수위 센서의 도움이 없어도 수위 유지용 연결관 위치(수위: 95mm, 연료량: 0.95L)에서 일정하게 유지되었다.Also, the water level was kept constant at the position of the connector for maintaining the water level (water level: 95 mm, fuel amount: 0.95 L) without the aid of a water level sensor.

도 5는 도 2의 본 발명의 일 실시예에 따른 직접메탄올 연료전지 시스템의 수위 유지 연결관(250)이 설치된 기액 분리기(20)를 연료전지 스택 시스템에 장착하고 기액 분리기(20)를 전/후/좌/우 방향으로 각각 30˚로 경사지게 하였을 때 연료전지 스택의 시간에 따른 출력 특성을 측정할 때의 기액 분리기(20)를 나타낸 것이다. FIG. 5 is equipped with a gas-liquid separator 20 having a water level maintenance connector 250 installed in a direct methanol fuel cell system according to an embodiment of FIG. 2 installed in a fuel cell stack system, and transferring the gas-liquid separator 20 It shows the gas-liquid separator 20 when measuring the output characteristics over time of the fuel cell stack when it is inclined at 30 degrees in each of the rear/left/right directions.

도 5에서 (a)는 기액 분리기(20)를 전방으로 30˚, (b)는 후방으로 30˚, (c)는 좌측으로 30˚, (d)는 우측으로 30˚로 경사지게 하여 연료전지 스택(10)의 시간에 따른 출력 변화(도 4 참조)를 측정할 때의 기액 분리기(20)를 나타낸 것이다.In FIG. 5, (a) is 30° forward of the gas-liquid separator 20, (b) 30° of the rear, (c) 30° of the left, and (d) 30° to the right of the fuel cell stack. It shows the gas-liquid separator 20 when measuring the output change over time (see Fig. 4) of (10).

도 5에서와 같이 기액 분리기(20)가 전/후/좌/우의 어느 한 방향으로 30˚로 경사진 경우에도 기액 분리기(20)의 수위는 수위 유지 연결관(250) 말단부 위치에서 일정하게 유지되었다.As shown in Figure 5, even if the gas-liquid separator 20 is inclined to 30 degrees in either direction of the front / rear / left / right, the water level of the gas-liquid separator 20 is kept constant at the end position of the water level maintenance connector 250 Became.

이상과 같이 본 발명은 연료전지 시스템이 운전 중에 어느 한 방향으로 기울어져 경사를 이루더라도 일정 수위의 유지가 가능함은 물론, 기액 분리 기능이 원활하게 지속될 수 있도록 하는 수위 유지용 연결관을 설치한 직접메탄올 연료전지 시스템용 기액 분리기 및 이를 포함하는 직접메탄올 연료전지 시스템을 제공하는 것을 기본적인 기술적 사상으로 하고 있음을 알 수 있다.As described above, the present invention enables direct maintenance of a water level maintenance connecting tube to maintain a constant level of water even when the fuel cell system is inclined in any direction during operation, and maintains a smooth liquid separation function. It can be seen that the basic technical idea is to provide a gas-liquid separator for a methanol fuel cell system and a direct methanol fuel cell system including the same.

그리고, 본 발명의 기본적인 기술적 사상의 범주 내에서 당해 업계 통상의 지식을 가진 자에게 있어서는, 전술한 굴곡관부(241)의 형상을 원호 형상의 유로가 형성되도록 반원형 또는 반타원형으로 형성할 수 있음은 물론, 수위 유지용 연결관(250) 말단부와의 간섭을 회피할 수 있는 구조라면, 예를 들어 "ㄷ"자 형상 또는 "V"자 형상 등으로 형성하는 등 다른 많은 변형 및 응용 또한 가능함은 물론이다.And, within the scope of the basic technical idea of the present invention, for those of ordinary skill in the art, the above-described shape of the bent pipe portion 241 may be formed into a semi-circular shape or a semi-elliptical shape so that an arc-shaped flow path is formed. Of course, if the structure capable of avoiding the interference with the distal end of the water level maintenance connecting pipe 250, many other modifications and applications are also possible, such as, for example, forming a "c" shape or a "V" shape. to be.

10...스택
20...기액 분리기
30...연료탱크
40...연료극 열교환기
50...공기극 열교환기
61...공기 펌프(송풍기)
62...연료 펌프
63...메탄올 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...물공급관
241...굴곡관부
250...수위 유지용 연결관
270...연료 농도 측정센서
L...가상선
10...stack
20... gas-liquid separator
30...fuel tank
40... anode heat exchanger
50...air pole heat exchanger
61...air pump (blower)
62...Fuel pump
63... methanol pump
70...air filter
210... you
211... stock methanol inlet
212...Fuel supply port
213...Anode discharge inlet
220...
230... Lost
231...air electrode discharge inlet
232...gas outlet
240...water supply pipe
241...
250... water level maintenance connector
270...Fuel concentration sensor
L... virtual ship

Claims (12)

직접메탄올 연료전지 시스템에서, 연료탱크, 공기극 및 연료극으로부터 각각 원액 메탄올 연료, 공기극 배출물 및 연료극 배출물을 전달 받고, 연료와 생성수의 혼합과, 메탄올 농도 희석과, 스택의 연료극 및 공기극 각각의 배출물을 기체와 액체로 분리하며, 연료와 생성수를 혼합하여 제조된 혼합연료를 연료극으로 공급하는 기액 분리기;
상기 기액 분리기에 내장되어 상실 및 하실로 상기 기액 분리기의 내부 공간을 상하 구획하는 분리판;
상기 분리판을 관통하여 형성되고 상부측은 상기 상실에 배치되며 하부측은 상기 하실에 배치되는 물공급관; 및
상기 하실에 채워진 가스가 상기 상실로 전달되도록 하며, 메탄올 희석 연료의 수위를 일정 높이로 유지하는 수위 유지용 연결관을 포함하는 것을 특징으로 하는 수위 유지용 연결관을 설치한 직접메탄올 연료전지 시스템용 기액 분리기.
In a direct methanol fuel cell system, raw methanol fuel, cathode emissions and anode emissions are received from the fuel tank, the cathode and the anode, respectively, mixing the fuel and product water, diluting the methanol concentration, and discharging the anode and cathode electrodes of the stack. A gas-liquid separator for separating gas and liquid and supplying a mixed fuel prepared by mixing fuel and product water to an anode;
A separator plate built in the gas-liquid separator and partitioning the interior space of the gas-liquid separator into upper and lower chambers;
A water supply pipe formed through the separation plate, an upper side disposed in the upper chamber, and a lower side disposed in the basement; And
It is for direct methanol fuel cell system installed with a water level maintenance connector, characterized in that it comprises a water level maintenance connector that allows the gas filled in the basement to be delivered to the chamber and maintains the level of the methanol diluted fuel at a constant height. Gas-liquid separator.
청구항 1에 있어서,
상기 수위 유지용 연결관은,
상기 기액 분리기의 외부를 통하여 상기 상실과 상기 하실을 상호 연통시키는 것을 특징으로 하는 수위 유지용 연결관을 설치한 직접메탄올 연료전지 시스템용 기액 분리기.
The method according to claim 1,
The water level maintenance connector,
A gas-liquid separator for a direct methanol fuel cell system equipped with a connection pipe for maintaining a water level, characterized in that the chamber communicates with the chamber through the outside of the gas-liquid separator.
청구항 1에 있어서,
상기 수위 유지용 연결관은,
상기 하실 내부에 설치되는 한쪽 말단부와,
상기 상실 내부에 설치되는 다른쪽 말단부와,
상기 한쪽 말단부와 상기 다른쪽 말단부는 상기 기액 분리기의 외부를 통하여 연결되는 것을 특징으로 하는 수위 유지용 연결관을 설치한 직접메탄올 연료전지 시스템용 기액 분리기.
The method according to claim 1,
The water level maintenance connector,
One end portion installed inside the basement,
And the other end portion installed inside the loss,
The one end portion and the other end portion is a gas-liquid separator for a direct methanol fuel cell system equipped with a connection pipe for maintaining the water level, characterized in that connected through the outside of the gas-liquid separator.
청구항 1에 있어서,
상기 상실에 형성되어 상기 공기극 배출물이 공급되는 공기극 배출물 유입구와,
상기 상실에 형성되어 외부로 가스를 배출하는 가스배출구와,
상기 하실에 형성되어 상기 연료극 배출물이 공급되는 연료극 배출물 유입구와,
상기 하실에 형성되어 상기 연료탱크로부터 상기 원액 메탄올 연료가 공급되는 원액 메탄올 유입구와,
상기 하실에 형성되어 상기 연료극으로부터 상기 혼합연료를 공급하는 연료공급구를 더 포함하며,
상기 하실의 수위가 상기 연료극 배출물 유입구보다 낮게 유지되고 연료공급구보다 높게 유지되도록, 상기 수위 유지용 연결관의 말단부가 상기 분리판의 중심을 상하 방향으로 직교되게 관통하는 가상선상에 위치함으로써, 상기 하실의 수위를 측정하는 수위센서가 생략되는 것을 특징으로 하는 수위 유지용 연결관을 설치한 직접메탄올 연료전지 시스템용 기액 분리기.
The method according to claim 1,
An anode discharge inlet formed in the chamber to which the cathode discharge is supplied,
A gas outlet formed in the chamber to discharge gas to the outside;
An anode discharge inlet formed in the basement and supplied with the anode discharge,
A stock solution methanol inlet formed in the basement and supplied with the stock solution methanol fuel from the fuel tank;
It is formed on the base and further includes a fuel supply port for supplying the mixed fuel from the anode,
The lower end of the connecting pipe for maintaining the water level is positioned on a virtual line orthogonally orthogonally penetrating the center of the separating plate so that the water level of the basement is maintained lower than the anode discharge inlet and higher than the fuel supply port. A liquid-liquid separator for a direct methanol fuel cell system equipped with a water level maintaining connector, characterized in that a water level sensor for measuring the water level is omitted.
청구항 1에 있어서,
상기 수위 유지용 연결관은,
상기 직접메탄올 연료전지 시스템이 운전 중에 어느 한 방향으로 기울어져 경사를 형성할 때에도 일정 수위를 지속적으로 유지하며 상기 기액 분리기가 기액 분리 기능을 지속할 수 있도록,
상기 수위 유지용 연결관의 말단부가 상기 분리판의 중심을 상하 방향으로 직교되게 관통하는 가상선상에 위치하는 것을 특징으로 하는 수위 유지용 연결관을 설치한 직접메탄올 연료전지 시스템용 기액 분리기.
The method according to claim 1,
The water level maintenance connector,
The direct methanol fuel cell system maintains a constant water level even when inclined in any direction during operation to form a slope, so that the gas-liquid separator can continue the gas-liquid separation function,
A gas-liquid separator for a direct methanol fuel cell system equipped with a water level-maintaining connector, characterized in that the distal end of the water level-maintaining connector is located on an imaginary line perpendicularly penetrating the center of the separator in the vertical direction.
청구항 1에 있어서,
상기 수위 유지용 연결관의 말단부는 상기 하실의 혼합 연료의 평시(平時) 수위보다 높게 형성되며,
상기 평시 수위는 상기 스택의 작동시 상기 하실 내의 상기 혼합연료의 평균 수위인 것을 특징으로 하는 수위 유지용 연결관을 설치한 직접메탄올 연료전지 시스템용 기액 분리기.
The method according to claim 1,
The distal end portion of the connecting pipe for maintaining the water level is formed higher than the normal water level of the mixed fuel in the basement,
The normal water level is a gas-liquid separator for a direct methanol fuel cell system equipped with a connection pipe for maintaining a water level, characterized in that the average level of the mixed fuel in the basement during operation of the stack.
청구항 1에 있어서,
상기 수위 유지용 연결관의 말단부는,
상기 혼합연료의 액면이 하실 전체 용적의 5 내지 8할이 되는 위치에 설치되는 것을 특징으로 하는 수위 유지용 연결관을 설치한 직접메탄올 연료전지 시스템용 기액 분리기.
The method according to claim 1,
The distal end of the water level connection connector,
A gas-liquid separator for a direct methanol fuel cell system equipped with a connection pipe for maintaining a water level, characterized in that the liquid fuel is installed at a position of 5 to 80% of the total volume of the basement.
청구항 1에 있어서,
상기 하실의 액위에 대한 상기 상실의 액위와 대응하는 용적비는 1/10 내지 1/3인 것을 특징으로 하는 수위 유지용 연결관을 설치한 직접메탄올 연료전지 시스템용 기액 분리기.
The method according to claim 1,
A gas-liquid separator for a direct methanol fuel cell system equipped with a water level maintenance connector, characterized in that a volume ratio corresponding to the liquid level of the basement to the liquid level of the basement is 1/10 to 1/3.
청구항 1에 있어서,
상기 물공급관의 상단부와 하단부의 중심이 상기 분리판의 중심을 상하 방향으로 직교되게 관통하는 가상선상에 배치되고, 상기 수위 유지용 연결관의 말단부가 상기 가상선상에 위치하며 상기 수위 유지용 연결관의 말단부와의 간섭을 회피 가능하도록, 상기 물공급관의 중간부에 형성되는 굴곡관부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수위 유지용 연결관을 설치한 직접메탄올 연료전지 시스템용 기액 분리기.
The method according to claim 1,
The center of the upper end and the lower end of the water supply pipe is disposed on a virtual line orthogonally penetrating the center of the separation plate in the vertical direction, and the distal end of the water level maintaining connector is located on the virtual line and the water level maintaining connector A gas-liquid separator for a direct methanol fuel cell system equipped with a connection pipe for maintaining a water level, further comprising a bent pipe portion formed in an intermediate portion of the water supply pipe to avoid interference with an end portion of the water.
청구항 1에 있어서,
상기 물공급관 및 상기 수위 유지용 연결관의 내경은 3 내지 10 mm인 것을 특징으로 하는 수위 유지용 연결관을 설치한 직접메탄올 연료전지 시스템용 기액 분리기.
The method according to claim 1,
A gas-liquid separator for a direct methanol fuel cell system equipped with a water level maintenance connection tube, characterized in that the water supply pipe and the water level maintenance connection tube have an inner diameter of 3 to 10 mm.
청구항 1에 있어서,
상기 수위 유지용 연결관과 상기 기액 분리기는 내식성 스테인리스강(STS), 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE), ABS 또는 폴리카보네이트(PC) 중 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 수위 유지용 연결관을 설치한 직접메탄올 연료전지 시스템용 기액 분리기.
The method according to claim 1,
The water level maintaining connector and the gas-liquid separator are formed of one of corrosion-resistant stainless steel (STS), polypropylene (PP), polyethylene (PE), ABS or polycarbonate (PC). Installed gas-liquid separator for direct methanol fuel cell systems.
청구항 1 내지 청구항 11 중 어느 한 항에 기재된 기액 분리기;
적어도 하나 이상의 적층된 막-전극 접합체(MEA)와, 미반응 메탄올과 물과 이산화탄소를 포함하는 미반응 배출물을 배출시키는 연료극과, 미반응 공기와 생성수를 포함하는 배출물을 배출시키는 공기극을 포함하며, 상기 기액 분리기로부터 연료 펌프를 통하여 연료를 공급받고 공기 펌프로부터 공기 또는 산소를 공급받아 전기를 생산하는 스택;
상기 공기극으로부터 배출된 상기 배출물에 포함된 상기 생성수를 액화시켜 상기 기액 분리기로 공급되도록 하는 공기극 열교환기;
상기 연료극에서 일어나는 전기화학 반응에 의한 반응열로 가열된 상기 미반응 배출물을 일정 수준으로 냉각시키는 연료극 열교환기; 및
상기 공기극의 반응에서 산화제로 사용되는 상기 산소의 공급을 위하여 상기 공기 또는 상기 산소를 상기 공기극으로 공급하는 공기 공급부를 포함하며,
상기 기액 분리기는 연료탱크로부터 메탄올 펌프를 통하여 메탄올 연료를 공급받고, 상기 연료극으로부터 배출되는 상기 미반응 배출물과 상기 공기극으로부터 배출되는 상기 배출물에 포함된 기체와 액체를 분리하고, 물과 메탄올을 혼합하여 적정 농도로 희석된 메탄올 혼합 연료를 상기 연료극으로 공급하는 것을 특징으로 하는 직접메탄올 연료전지 시스템.
The gas-liquid separator according to any one of claims 1 to 11;
And at least one stacked membrane-electrode assembly (MEA), an anode for discharging unreacted emissions including unreacted methanol, water and carbon dioxide, and an anode for discharging discharges including unreacted air and product water, , A stack for producing electricity by receiving fuel through a fuel pump from the gas-liquid separator and receiving air or oxygen from an air pump;
An anode heat exchanger for liquefying the generated water contained in the discharge discharged from the cathode to be supplied to the gas-liquid separator;
An anode heat exchanger that cools the unreacted effluent heated to the reaction heat by the electrochemical reaction occurring in the anode to a certain level; And
It includes an air supply for supplying the air or the oxygen to the cathode for the supply of the oxygen used as an oxidizing agent in the reaction of the cathode,
The gas-liquid separator receives methanol fuel from a fuel tank through a methanol pump, separates gas and liquid contained in the unreacted emissions discharged from the anode and the exhaust discharged from the cathode, and mixes water and methanol. A direct methanol fuel cell system, characterized in that a methanol mixed fuel diluted to an appropriate concentration is supplied to the anode.
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