KR20050025496A - 연료전지 시스템의 연료회수조절장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 연료전지 시스템의 연료회수조절장치는 기액분리기의 상단부에 설치된 공기배출관에 연료배출조절밸브를 설치하여, 기액분리기에서 분리된 물과 반응후의 연료가 수위센서의 하이 레벨이 되었을 때 연료배출조절밸브가 닫혀서 기액분리기의 내부 공기압에 의해 물과 반응후의 연료가 연료회수라인을 통하여 연료탱크로 보내지고, 로우 레벨이 되었을 때 연료배출조절밸브가 열려서 공기배출관을 통하여 공기가 배출되고 물과 반응후의 연료는 기액분리기에 저장되도록 함으로써, 간단한 구성에 의해 기액분리기에서 분리된 물과 반응후의 연료가 연료탱크로 회수할 수 있도록 되어 있어서 연료전지 시스템의 전체 크기가 소형화되어 진다.

Description

연료전지 시스템의 연료회수조절장치{FUEL CIRCULATION CONTROL APPARATUS OF FUEL CELL SYSTEM}

본 발명은 외부로 부터 공급되는 연료와 공기의 전기화학반응을 통하여 전기를 생성하는 연료전지 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 간단한 구성에 의해 사용하고난 후의 연료를 회수하여 재사용할 수 있도록 함으로서 기기의 전체 크기를 콤팩트하게 구성할 수 있도록 한 연료전지 시스템의 연료회수조절장치에 관한 것이다.

일반적으로, 연료전지 시스템(fuel cell system)은 연료가 가지고 있는 에너지를 직접 전기적 에너지로 변환하는 장치로서, 이러한 연료전지 시스템의 발전기는 통상 고분자 전해질 막을 중심으로 양쪽에 양극(anode)과 음극(cathode)이 부착되어 있고, 양극(산화전극 또는 연료극)에서는 연료인 수소의 전기화학적 산화가, 그리고 음극(환원전극 또는 공기극)에서는 산화제인 산소의 전기화학적 환원이 일어나며 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기에너지가 발생된다.

이와 같은 연료전지에 공급되는 수소는 LNG, LPG, CH₃OH, 가솔린 등의 탄화수소계(CH계열) 연료를 개질기에서 탈황공정→개질반응→수소정제공정을 거쳐 수소(H₂)만을 정제하여 가스형태로 사용하는 PEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)와, 고체상태의 BH₄ ^- 를 수용액 상태로 만들어 직접 연료로 사용하는 BFC(Boron Fuel Cell) 등이 소개되고 있다.

종래 BFC의 개략적인 구성이 도 1에 도시되어 있는 바, 이를 간단히 설명하면 다음과 같다.

도시된 바와 같이, 종래의 연료전지(1)는 전기를 발생하는 발전기(10)의 일측에 수용액 상태의 BH₄ ^- 를 저장하기 위한 연료탱크(2)가 구비되어 있는데, 그 연료탱크(2)와 발전기(10)의 양극 입구부는 연료 탱크(2)의 연료를 발전기(10)의 양극으로 공급할 수 있도록 연료공급라인(3)으로 연결되어 있고, 그 연료공급라인(3)에는 연료를 펌핑하기 위한 연료펌프(4)가 설치되어 있다.

그리고, 상기 발전기(10)의 음극 입구부에는 외부공기를 발전기(10)의 음극으로 공급할 수 있도록 공기공급라인(5)이 연결설치되어 있고, 그 공기공급라인(5)에는 공급되는 공기를 필터링하기 위한 에어 필터(6)와 필터링된 공기를 펌핑하기 위한 에어 컴프레서(7) 및 공기를 가습하기 위한 가습기(8)가 차례로 설치되어 있다.

또한, 발전기(10)의 양극 출구부에는 반응하고난 후의 연료를 배출하기 위한 연료배출라인(9)의 일단부가 연결되어 있고, 음극의 출구부에는 반응하고난 후의 공기와 수증기가 배출되는 공기배출라인(11)의 일단부가 연결되어 있다.

그리고, 상기 료배출라인(9)과 공기배출라인(11)의 타단부는 기체와 액체를 분리하기 위한 기액분리기(12)의 일측 상단부에 연결되어 있고, 그 기액분리기(12)의 타측 하단부와 상기 연료탱크(2)는 기액분리기(12)에서 분리된 물과 연료를 연료탱크(2)로 회수하기 위한 연료회수라인(13)으로 연결되어 있으며, 그 연료회수라인(13)에는 기액분리기(12)의 물과 연료를 펌핑하기 위한 회수펌프(14)가 설치되어 있다.

도면중 미설명 부호 15는 수위센서이고, 16은 공기배출관이다.

상기와 같이 구성되어 있는 종래 연료전지 시스템은 기기의 동작 스위치가 온되면 연료펌프(4)에서 연료탱크(2)에 저장되어 있는 수용액 상태의 BH₄ ^- 를 펌핑하여 연료공급라인(3)을 통하여 발전기(10)의 양극(연료극)에 공급함과 동시에 에어컴프레서(7)를 동작시켜서 공기공급라인(5)을 통하여 발전기(10)의 음극(공기극)으로 공기가 공급되도록 한다.

상기와 같이 발전기(10)에 공급되는 수용액 상태의 BH₄ ^- 와 공기는 발전기(10)에서 고분자전해질막을 사이에 두고 양측에 촉매가 탄소천으로 감싸도록 설치된 양극과 음극에 공급되어, 양극에서는 수소의 전기화학적 산화가 진행되고, 음극에서는 산소의 전기화학적 환원이 일어나며, 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기가 발생되는데, 이때 발생되는 전기를 집전판에서 집전하여 에너지원으로 사용하게 된다.

이때의 반응식은

양극에서는 BH₄ ^- + 8OH^- → BO₂ ^-(액) + 6H₂O(기) + 8e^-

부반응으로 2H₂O + NaBH₄ → NaBO₂(액) + 4H₂(기)

음극에서는 2O₂ + 4H₂O(가습공기)+ 8e^-→ 8OH^- + H₂O(액),NaOH,Air(기)로, 반응후에 양극과 음극에서 발생되는 액체와 가스는 기액분리기(12)에서 분리되고, 그와 같이 분리된 반응후의 연료와 물은 회수펌프(14)에 의해 다시 순환되어 연료탱크(2)로 보내져서 재 사용되고, 기액분리기(12)에서 분리된 공기는 공기배출관(16)을 통하여 외부로 배출되어 진다.

그러나, 상기와 같은 종래의 연료전지 시스템에서는 기액분리기(12)에서 분리된 물과 연료를 재사용하기 위해 회수펌프와 같은 장치들을 사용함에 시스템의 전체 크기가 커지고, 제작비용이 상승하며, 시스템을 운전하기 위한 소비전력이 상승하는 문제점이 있었다.

상기와 같은 문제점을 감안하여 안출한 본 발명의 목적은 시스템을 이루는 부품을 간단하게 구성하여 시스템의 전체 크기를 소형화하고, 제작비용을 절감함과 아울러 소비전력을 감소시킬 수 있도록 하는데 적합한 연료전지 시스템의 연료회수조절장치를 제공함에 있다.

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여

양극에서의 전기화학적인 산화와 음극에서의 전기화학적인 환원에 의해 발전이 이루어지는 발전기와, 그 발전기의 일측에 설치되며 연료인 수용액 상태의 BH₄ ^- 가 저장되는 연료탱크와, 그 연료탱크와 발전기의 양극이 연결되어 발전기의 양극에 연료가 공급되는 연료공급라인과, 상기 발전기의 음극 입구부에 연결되어 발전기의 음극에 공기를 공급하기 위한 공기공급라인과, 상기 발전기의 양극 출구부에 연결되어 반응후의 연료를 배출하는 연료배출라인과, 상기 발전기의 음극 출구부에 연결되어 반응후의 공기를 배출하는 공기배출라인과, 상기 연료배출라인과 공기배출라인에 각각 연결되어 반응후의 연료와 공기를 액체와 기체로 분리하기 위한 기액분리기와, 그 기액분리기와 연료탱크 사이에 연결되는 연료회수라인을 포함하여 구성되는 연료전기 시스템에 있어서,

상기 기액분리기의 상단부에 연결된 공기배출관에 설치되어 수위가 하이레벨일때는 닫아서 기액분리기 내부의 공기압에 의해 물과 반응후의 연료가 연료회수라인을 통하여 연료탱크로 회수되도록 하고 수위가 로우레벨일때는 열어서 공기가 외부로 배출되도록 하여 물과 연료가 기액분리기에 저장되도록 하기 위한 연료배출조절밸브를 구비하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 연료회수조절장치가 제공된다.

이하, 상기와 같이 구성된 본 발명의 연료전지 시스템의 연료회수조절장치를 첨부된 도면의 실시예를 참고하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명의 연료회수조절장치를 가지는 연료전지 시스템의 개략구성도로서, 이에 도시된 바와 같이, 본 발명의 연료전지 시스템(100)은 수용액 상태의 BH₄와 공기의 전기화학반응에 의해 발전이 이루어지는 발전기(Generator)(101)와 일정거리를 두고 발전기(101)의 양극(anode)(132)에 공급되는 수용액 상태의 BH₄를 저장하는 연료탱크(Fuel Tank)(102)가 설치되어 있다.

그리고, 상기 연료탱크(102)의 하부와 발전기(101)의 양극(anode)(132) 입구부는 연료를 공급할 수 있도록 연료공급라인(103)으로 연결되어 있고, 양극(132)의 출구부에는 연료배출라인(104)이 연결되어 있으며, 상기 연료공급라인(103)에는 연료를 펌핑하기 위한 연료펌프(105)가 설치되어 있다.

또한, 상기 발전기(101)의 음극(cathode)(133) 입구부에는 공기가 공급되어질 수 있도록 공기공급라인(109)이 설치되어 있고, 음극(cathode)(133)의 출구부에는 반응하고난 후의 공기가 배출되어질 수 있도록 공기배출라인(110)이 설치되어 있다.

그리고, 상기 공기공급라인(109)에는 발전기(101)로 공급되는 공기를 필터링하기 위한 에어필터(111), 공기를 송풍하기 위한 에어컴프레서(Air Compressor)(112), 공기를 가습하기 위한 가습기(Humidifier)(113)가 차례로 설치되어 있다.

또한, 상기 연료배출라인(104)과 공기배출라인(110)에서 배출되는 연료와 공기는 각각의 기액분리기(120)에 연결되어 있고, 그 기액분리기(120)와 연료탱크(102)는 연료회수라인(122)으로 연결되어 있다.

그리고, 상기 기액분리기(120)의 상단부에는 기액분리기(120)에서 분리된 공기를 배출하기 위한 공기배출관(123)이 설치되어 있고, 그 공기배출관(123)에는 기액분리기(120)에 설치된 수위센서(124)에 의해 물과 반응후의 연료(125)가 하이레벨(HI:high level)(124a)이 감지되었을 때 닫혀서 내부압력에 의해 물과 반응후의 연료를 연료탱크(102)로 보내고, 로우레벨(LO:low level)(124b) 일때는 열려서 기액분리기(120)의 내부에 물과 반응후의 연료가 저장되도록 하기 위한 연료배출조절밸브(200)가 설치되어 있다.

상기 발전기(101)는 여러개의 단일셀을 연속적으로 적층(stack)한 형태 또는 단일셀(single cell) 형태가 가능한데, 도 3을 참고하여 단일셀구조를 설명하면, 전해질 막(131)의 양측에 가스를 확산시키기 위한 양극(132)과 음극(133)이 접합되어 이루어진 막-전극 접합체(MEA:membrane-electrode assembly)(134)와, 그 막-전극 접합체(134)의 양측에 밀착되도록 조립되어 양극(132)과 음극(133)에서 연료가스 및 산소함유가스의 유로(135)를 형성하는 분리판(separator)(136)과, 그 분리판(136)의 양측에 배치되어 양극(132)과 음극(133)의 집전극이 되는 집전판(137)으로 구성되어 있다.

상기 막-전극 접합체(134)의 전해질 막(131)은 고분자재료로 이루어진 이온교환막으로서 대표적으로 상품화된 전해질 막(131)으로는 듀폰사의 Nafion막이 있으며 수소이온의 전달체 역할을 하는 동시에 산소와 수소의 접촉을 막는 역할을 하게 되고, 양극(132)과 음극(133)은 백금(Pt) 촉매층(141)을 지지하는 지지체로서 다공성의 탄소천(carbon cloth)(142)이 전해질 막(131)의 양측에 접합된 구조로 되어 있다.

상기 분리판(136)은 치밀질의 카본 플레이트로 이루어지고, 내측에는 유체가 흐르도록 복수개의 유로홈(135a)이 형성되어 있다.

상기 집전판(137)은 전기전도성이 우수하고, 내식성이 우수하며, 수소취성이 발생되지 않는 것이 바람직 할 것이며, 구체적으로는 티타늄, 스테인레스, 동 등 상기 요구성능이 만족되는 것이라면 어느 것이라도 좋다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 연료회수조절장치가 구비된 연료전지 시스템은 기기의 동작스위치가 온(On)되면 배터리에서 공급되는 전원이 전력변환기를 통하여 연료펌프(105)에 공급되어 연료펌프(105)를 동작시킴에 따라 연료탱크(102)에 저장되어 있는 수용액 상태의 BH₄를 펌핑하여 연료공급라인(103)을 통하여 발전기(101)의 양극(132)으로 공급하게 된다.

그리고, 상기 에어컴프레서(112)에서는 공기공급라인(109)을 통하여 발전기(101)의 음극(133)에 공기를 공급하게 되는데, 그와 같이 공급되는 공기는 에어필터(111)에서 필터링된 후 가습기(113)에서 적정 습도로 가습이되어 공급되어 진다.

상기와 같이 발전기(101)의 내부로 공급되어진 수용액 상태의 BH₄는 전해질 막(131)을 사이에 두고 양극(132)의 외측면에 형성된 유로(135)를 따라 흐르며 확산이 되고, 공기는 음극(133)의 외측면에 형성된 유로(135)를 따라 흐르며 확산이 되며, 양극(132)에서는 전기화학적인 산화가 진행되며 음극(133)에서는 전기화학적인 환원이 진행되어 전자의 이동으로 전기가 발생이되는데, 그때 발생되는 전기를 집전판(137)에서 집전하여 전원으로 이용하게 된다.

상기 발전기(101)에서 발생되는 반응의 반응식은

Anode : BH₄ ^- + 8OH^- →BO₂ ^- + 6H₂O + 8e^- E₀ = 1.24 V

Cathode : 2O₂ + 4H₂O + 8e^- →BOH^- E₀ = 0.4 V

Total : BH₄ ^- + 2O₂ →2H₂O + BO₂ E ₀ = 1.64 V이다.

상기와 같이 연료로 사용되는 수용액 상태의 BH₄ ^-에는 안정된 용액으로 만들기 위하여 일정양의 Na을 혼합하는데 그에 따른 부반응으로,

Anode : 2H₂O + NaBH₄ + 4H₂ 의 반응이 진행된다.

그리고, 상기와 같이 양극에서 반응후의 연료와 가스 및 음극에서 반응후 배출되는 공기와 물은 연료배출라인(104)과 공기배출라인(110)을 통하여 기액분리기(120)로 배출되고, 그 기액분리기(120)에서 분리된 반응후의 연료와 물은 연료회수라인(122)을 통하여 연료탱크(102)로 회수되어 진다.

즉, 기액분리기(120)에 저장되는 물과 반응후의 연료(125) 수위가 도 4에서와 같이 수위센서(124)의 하이 레벨(HI)(124a)이 되었을 때 연료배출조절밸브(200)가 닫혀서(close) 기액분리기(120)의 내부 공기압에 의해 물과 반응후의 연료(125)가 연료회수라인(122)을 통하여 배출되어 연료탱크(102)로 회수되어 진다.

반대로, 기액분리기(120)에 저장되는 물과 반응후의 연료(125) 수위가 도 5에서와 같이 수위센서(124)의 로우 레벨(LO)(124b) 일때는 연료배출조절밸브(200)는 열려서(open) 기액분리기(120)의 내부 공기가 공기배출관(123)을 통하여 외부로 배출되고, 물과 반응후의 연료(125)는 기액분리기(120)에 저장되어 진다.

즉, 본 발명에서는 종래에 필수적으로 구비되었던 회수펌프를 배제하고 기액분리기(120)에서 분리된 물과 반응후의 연료(125)를 공기배출관(123)에 설치된 연료배출조절밸브(200)를 조절하는 것에 의해 이루어지므로, 연료전지 시스템이 종래 회수펌프가 설치되었던 만큼 축소되어지게 된다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 연료전지 시스템의 연료회수조절장치는 기액분리기의 상단부에 설치된 공기배출관에 연료배출조절밸브를 설치하여, 기액분리기에서 분리된 물과 반응후의 연료가 수위센서의 하이 레벨이 되었을 때 연료배출조절밸브가 닫혀서 기액분리기의 내부 공기압에 의해 물과 반응후의 연료가 연료회수라인을 통하여 연료탱크로 보내지고, 로우 레벨이 되었을 때 연료배출조절밸브가 열려서 공기배출관을 통하여 공기가 배출됨과 아울러 물과 반응후의 연료는 기액분리기에 저장되도록 함으로써, 간단한 구성에 의해 기액분리기에서 분리된 물과 반응후의 연료가 연료탱크로 회수될 수 있도록 되어 있어서 연료전지 시스템의 전체 크기를 소형화할 수 있는 효과가 있고, 제작비용을 절감할 수 있으며, 소비전력을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래 연료전지 시스템을 보인 개략구성도.

도 2는 본 발명의 연료회수조절장치를 가지는 연료전지 시스템의 개략구성도.

도 3은 본 발명에 따른 단위셀구조를 보인 단면도.

도 4는 본 발명의 수위센서가 하이레벨 상태의 밸브 동작 상태도.

도 5는 본 발명의 수위센서가 로우레벨 상태의 밸브 동작 상태도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

101 : 발전기 102 : 연료탱크

103 : 연료공급라인 104 : 연료배출라인

109 : 공기공급라인 110 : 공기배출라인

120 : 기액분리기 123 : 공기배출관

124 : 수위센서 124a : 하이레벨

124b : 로우레벨 132 : 양극

133 : 음극 200 : 연료배출조절밸브

Claims (2)

1. 양극에서의 전기화학적인 산화와 음극에서의 전기화학적인 환원에 의해 발전이 이루어지는 발전기와, 그 발전기의 일측에 설치되며 연료인 수용액 상태의 BH₄ ^- 가 저장되는 연료탱크와, 그 연료탱크와 발전기의 양극이 연결되어 발전기의 양극에 연료가 공급되는 연료공급라인과, 상기 발전기의 음극 입구부에 연결되어 발전기의 음극에 공기를 공급하기 위한 공기공급라인과, 상기 발전기의 양극 출구부에 연결되어 반응후의 연료를 배출하는 연료배출라인과, 상기 발전기의 음극 출구부에 연결되어 반응후의 공기를 배출하는 공기배출라인과, 상기 연료배출라인과 공기배출라인에 각각 연결되어 반응후의 연료와 공기를 액체와 기체로 분리하기 위한 기액분리기와, 그 기액분리기에서 분리된 물과 반응후의 연료를 연료탱크로 회수할 수 있도록 기액분리기와 연료탱크 사이에 연결되는 연료회수라인을 포함하여 구성되는 연료전기 시스템에 있어서,

   상기 기액분리기의 상단부에 연결된 공기배출관에 설치되어 수위가 하이레벨일때는 닫아서 기액분리기 내부의 공기압에 의해 물과 반응후의 연료가 연료회수라인을 통하여 연료탱크로 회수되도록 하고 수위가 로우레벨일때는 열어서 공기가 외부로 배출되도록 하여 물과 연료가 기액분리기에 저장되도록 하기 위한 연료배출조절밸브를 구비하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 연료회수조절장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 기액분리기의 내부에 물과 반응후 연료의 수위를 감지하기 위한 수위센서가 설치되고, 그 수위센서의 하이레벨 또는 로우레벨에 따라 연료배출조절밸브가 동작되도록 된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 연료회수조절장치.