KR100464051B1 - 연료전지 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명의 연료전지 시스템은 연료탱크(102)와 발전기(101)의 양극(ANODE)이 연료공급라인(103)과 연료회수라인(104)으로 연결되어 있고, 음극(CATHODE)이 공기공급라인(107)과 공기배출라인(108)으로 연결되어 있는 연료전지에서, 상기 연료회수라인(104)에 연료와 수소가스를 분리하기 위한 수소가스분리기(121)를 설치하고, 그 수소가스분리기(121)에서 분리되는 수소를 가습기(112)의 연료로 사용할 수 있도록 수소가스분리기(121)와 가습기(112)의 버너(112a)를 수소가스회수라인(122)으로 연결하며, 상기 공기배출라인(108)에 공기와 물을 분리하는 물분리기(123)를 설치하고, 그 물분리기(123)에서 분리되는 물이 가습기(112)의 물통(112b)에 공급되도록 물분리기(123)와 가습기(112)의 물통(112b)을 물회수라인(124)으로 연결하여, 상기 수소가스분리기(121)를 이용하여 분리된 수소가스를 가습기(112)의 가열연료로 사용하고, 물분리기(123)에서 분리된 물을 가습기(112)의 물탱크(112b)로 공급되도록 하여, 반응과정에서 발생되는 수소가스와 물이 재활용되어짐에 따라 에너지 이용효율이 향상되어지고, 연료중의 수소가스가 제거됨에 따라 발전성능이 향상되어진다.

Description

연료전지 시스템{FUEL CELL SYSTEM}

본 발명은 외부로 부터 공급되는 연료와 공기의 전기화학반응을 통하여 전기를 생성하는 연료전지 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 BH₄를 연료로 이용하는 스택의 발전시 반응후의 연료나 공기중에 포함된 수소가스 또는 물을 분리하여 재활용할 수 있도록 한 연료전지 시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 연료전지 시스템(FUEL CELL SYSTEM)은 연료가 가지고 있는 에너지를 직접 전기적 에너지로 변환하는 장치로서, 이러한 연료전지 시스템은 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, 연료전지(1)의 전체 구성은 전기를 발생하는 발전기(10)의 일측에 수용액 상태의 BH₄ ^-를 저장하기 위한 연료탱크(2)가 구비되어 있는데, 그 연료탱크(2)와 발전기(10)의 양극에는 연료공급라인(3)과 연료회수라인(4)으로 연결되어 있으며, 그 연료공급라인(3)에는 연료를 펌핑하기 위한 연료펌프(5)가 설치되어 있다.

그리고, 상기 발전기(10)의 음극에는 공기공급라인(6)과 공기배출라인(7)이 설치되어 있는데, 그 공기공급라인(6)에는 공급되는 공기를 펌핑하기 위한 에어 컴프레서(8)가 설치되어 있다.

상기와 같이 구성되어 있는 종래 연료전지는 기기의 동작 스위치가 온되면 연료펌프(5)에서 연료탱크(2)에 저장되어 있는 수용액 상태의 BH₄ ^-를 펌핑하여 연료공급라인(3)을 통하여 발전기(10)의 양극(연료극)에 공급함과 동시에 에어컴프레서(8)를 동작시켜서 공기공급라인(6)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 흐르며 양극에서는 수소의 전기화학적 산화가 진행되고, 음극에서는 산소의 전기화학적 환원이 일어나며, 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기가 발생되는데, 이때 발생되는 전기를 집전판(미도시)에서 집전하여 에너지원으로 사용하게 된다.

이때의 반응식은

BH₄ ^-+ 2O₂→2H₂O + BO₂이고,

여기서 BH₄ ^-를 안정된 용액으로 만들기 위하여 일정양의 Na을 혼합하는데 그에 따른 부반응으로,

Anode : 2H₂O + NaBH₄+ 4H₂의 반응이 진행되고, 이때 발생되는 수소가스는 버려지게 된다.

그러나, 상기와 같은 종래의 연료전지는 발전기(10)의 양극에서 부반응에 의하여 발생되는 수소가스가 재활용이 되지 못하고 그대로 버려져서 발전효율의 향상에 한계가 있는 문제점을 가지고 있었다.

상기와 같은 문제점을 감안하여 안출한 본 발명의 목적은 발전시 부반응에 의하여 발생되는 수소가스와 물을 재활용하여 발전효율을 향상시키도록 하는데 적합한 수소가스가 재활용되는 연료전지 시스템을 제공함에 있다.

도 1은 종래 연료전지의 구조를 보인 개략구성도.

도 2는 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제1 실시예를 보인 개략구성도.

도 3은 본 발명에 따른 단위셀구조를 보인 단면도.

도 4는 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제2 실시예를 보인 개략구성도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

101 : 발전기 103 : 연료공급라인

104 : 연료회수라인 106 : 히터

107 : 공기공급라인 108 : 공기배출라인

111 : 히터 112 : 가습기

112a : 버너 112b : 물통

113 : 퍼지라인 114 : 삼방밸브

115 : 배터리 116 : 전력변환기

121 : 수소가스분리기 122 : 수소가스회수라인

123 : 물분리기 124 : 물회수라인

132 : 양극 133 : 음극

140 : PEMFC형 발전기 141 : 수소가스재활용라인

142 : 삼방밸브

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 발전이 이루어지는 발전기의 양극에 수용액 상태의 BH₄ ^-를 공급하기 위한 연료공급라인과 반응하고난 후의 연료를 회수하기 위한 연료회수라인이 연결되어 있고, 가습기에서 가습이된 공기가 공급이되는 발전기의 음극에는 공기공급라인과 공기배출라인이 연결되어, 양극에서의 전기화학적인 산화와 음극에서의 전기화학적인 환원에 의하여 전기가 발생이되는 연료전지 시스템에 있어서,

상기 연료회수라인에 연료와 수소가스를 분리하기 위한 수소가스분리기를 설치하고, 그 수소가스분리기에서 분리되는 수소가스를 가습기의 연료로 사용할 수 있도록 수소가스분리기와 가습기의 버너를 수소가스회수라인으로 연결하며, 상기 공기배출라인에 공기와 물을 분리하는 물분리기를 설치하고, 그 물분리기에서 분리되는 물이 가습기의 물통에 공급되도록 물분리기와 가습기의 물통을 물회수라인으로 연결하며, 상기 수소가스회수라인으로 회수되는 수소가스가 PEMFC형 발전기의 연료로도 사용될 수 있도록 수소가스회수라인에서 분지되는 수소가스재활용라인을 PEMFC형 발전기의 양극에 연결하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템이 제공된다.

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

도 2는 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제1 실시예를 보인 개략구성도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템(100)은 수용액 상태의 BH₄와 공기의 전기화학반응에 의해 발전이 이루어지는 발전기(Generator)(101)와 일정거리를 두고 발전기(101)의 양극(ANODE)에 공급되는 수용액 상태의 BH₄를 저장하는 연료탱크(Fuel Tank)(102)가 설치되어 있는데, 그 연료탱크(102)의 하부와 발전기(101)의 양극(ANODE) 입구부는 연료를 공급할 수 있도록 연료공급라인(103)으로 연결되어 있고, 양극(ANODE)의 출구부와 연료탱크(102)의 상부는 반응후의 연료가 회수될 수 있도록 연료회수라인(104)으로 연결되어 있다.

상기 연료공급라인(103)에는 연료를 펌핑하기 위한 연료펌프(105), 연료를 가열하기 위한 히터(Heater)(106)가 설치되어 있다.

그리고, 상기 발전기(101)의 음극(CATHODE) 입구부에는 공기가 공급되어질 수 있도록 공기공급라인(107)이 설치되어 있고, 음극(CATHODE)의 출구부에는 반응하고난 후의 공기가 배출되어질 수 있도록 공기배출라인(108)이 설치되어 있다.

상기 공기공급라인(107)에는 발전기(101)로 공급되는 공기를 필터링하기 위한 에어필터(109), 공기를 송풍하기 위한 에어컴프레서(Air Compressor)(110), 공기를 가열하기 위한 히터(111), 그 가열된 공기를 가습하기 위한 가습기(Humidifier)(112)가 차례로 설치되어 있다.

또한, 상기 공기공급라인(107)과 상기 연료공급라인(103)은 필요시 발전기(101)의 양극 내부를 퍼지할 수 있도록 공기를 공급하기 위한 퍼지라인(Purge Line)(113)이 연결되어 있는데, 그 퍼지라인(113)과 연료공급라인(103)의 연결부위는 퍼지시 개도를 조정하기 위한 삼방밸브(3-Way Valve)(114)가 설치되어 있다.

그리고, 상기 발전기(101)의 일측에는 별도로 발전기(101)의 비상전원으로 이용할 수 있도록 배터리(Battery)(115)가 구비되는데, 그 배터리(115)의 전원은 전력변환기(116)에 의해 적절히 사용전원으로 변화시켜서 공급될 수 있도록 되어 있고, 또한 그와 같은 전력변환기(106)에서는 발전기(101)에서 발생되는 전기를 필요한 전원으로 변환할 수 있도록 되어 있다.

한편, 상기 발전기(101)의 후위의 연료회수라인(104)에는 부반응에 의해 발생되는 수소가스를 분리하기 위한 수소가스분리기(121)가 설치되어 있고, 그 수소가스분리기(121)에는 분리되는 수소가스를 가습기(112)의 버너(112a)에 공급할 수있도록 수소가스회수라인(122)이 연결되어 있으며, 상기 공기배출라인(108)에는 발전기(101)에서 반응하고난 후에 배출되는 공기중에 포함되어 있는 물을 분리하기 위한 물분리기(123)가 설치되어 있고, 그 물분리기(123)에는 분리되는 물을 가습기(112)의 물통(112b)에 공급할 수 있도록 물회수라인(124)이 연결되어 있다.

상기 발전기(101)는 여러개의 단일셀을 연속적으로 적층한 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 전해질막(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) 촉매층을 지지하는 지지체로서 다공성 탄소지(CARBON PAPER) 혹은 탄소천(CARBON CLOTH)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.

도면중 미설명 부호 CS는 농도센서, PS는 압력센서, TS는 온도센서, HS는 습도센서, v는 밸브이다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템에서는 기기의 동작스위치가 온(On)되면 배터리(115)에서 공급되는 전원이 전력변환기(106)를 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 되는데, 그와 같이 공급되는 수용액 상태의 BH₄는 히터(106)를 지나며 약70°정도로 가열된 상태로 공급되어 진다.

그리고, 상기 에어컴프레서(110)에서는 공기공급라인(107)을 통하여 발전기(101)의 음극(133)에 공기를 공급하게 되는데, 그와 같이 공급되는 공기는 에어필터(109)에서 필터링된 후 히터(111)에서 일정온도로 가열되고 가습기(112)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)에서의 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 + BO₂E₀= 1.64 V이다.

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

Anode : 2H₂O + NaBH₄+ 4H₂의 반응이 진행되고, 이때에 발생되는 수소가스는 반응하고난 후의 연료와 함께 발전기(101) 외부의 연료회수라인(104)으로 배출되는데, 그와 같이 배출되는 연료와 수소가스는 수소가스분리기(121)를 통과하며 연료와 수소가스로 분리되어 연료는 연료회수라인(104)을 통하여 연료탱크(102)로 회수되어지고, 수소가스는 수소가스회수라인(122)를 통하여 가습기(112)의 버너(112a)로 공급되어 가습기(112)에서 가열연료로 사용되어진다.

또한, 상기 발전기(101)의 음극(133)에서 반응하고난 후의 공기는 물이 포함된 상태로 공기배출라인(108)으로 배출되어지는데, 그 배출되는 공기와 물은 물분리기(123)를 통과하며 공기와 물로 분리되어 공기는 외부로 배출되고, 물은 물회수라인(124)을 통하여 가습기(112)의 물통(112b)으로 공급되어 보충수로 이용된다.

도 4는 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제2 실시예를 보인 개략구성도로서, 도시된 바와 같이, 기본적인 구조는 도 2의 제1 실시예와 동일하므로 동일한 부분에 대하여는 동일부호를 부여하고 자세한 설명은 생략한다.

다만, 제2 실시예에서는 상기 발전기(101)의 주변에 수소가스를 연료로 사용하는 PEMFC형 발전기(140)를 구비하고, 상기 수소가스회수라인(122)으로 회수되는 수소가스가 PEMFC형 발전기(140)의 연료로도 사용될 수 있도록 수소가스회수라인(122)에서 분지되는 수소가스재활용라인(141)을 PEMFC형 발전기(140)의 양극(ANODE)에 연결하여 구성되어 있다.

그리고, 그 수소가스재활용라인(141)과 상기 수소가스회수라인(122)의 연결부위는 개도를 조정할 수 있도록 삼방밸브(142)로 연결되어 있다.

또한, 상기 PEMFC형 발전기(140)의 양극(ANODE)에서 반응하고난 후의 수소가스는 수소가스재공급라인(143)을 통하여 연료회수라인(104)으로 재공급될 수 있도록 되어 있고. 그 연료회수라인(104)과 수소가스재공급라인(143)의 연결부위에는 개도를 조정하기 위한 삼방밸브(144)가 설치되어 있다.

도면중 미설명 부호 145은 공기공급라인이고, 146는 공기배출라인이다.

상기와 같이 구성되는 본 발명의 제2 실시예에서의 작용은 기본적으로 제1실시예에서와 동일하며, 차이점은 수소가스회수라인(122)으로 회수되어지는 수소가스가 가습기(112)의 버너(112a)로 공급되어 가열연료로 사용되어지고, 필요에 따라 삼방밸브(142)의 개도를 조정하여 수소가스재활용라인(141)을 통하여 회수되는 수고가스가 동시에 PEMFC형 발전기(140)의 양극으로도 공급되도록 하여 PEMFC형 발전기(140)의 발전연료로 사용되어지게 된다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 연료전지 시스템은 발전기의 후위에서 수소가스분리기를 이용하여 분리된 수소가스를 가습기의 가열연료로 사용하고, 물분리기에서 분리된 물을 가습기의 물탱크로 공급되도록 하여, 반응과정에서 발생되는 수소가스와 물이 재활용되어짐에 따라 에너지 이용효율이 향상되어지는 효과가 있다.

또한, 상기와 연료중에 포함되어 있는 수소가스가 분리되어 재활용됨에 따라 수소가스가 연료에 포함되어 기포상태로 존재하며 발전기의 내부에서 발전시 반응을 저해하는 것을 방지하게 되어 발전기의 발전성능을 향상시키는 효과가 있다.

또한, 수소가스분리기에서 분리된 수소가스가 PEMFC 발전기의 발전연료로 재활용되어짐에 따라 연료가 절감이 되는 효과가 있다.

Claims (9)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 발전이 이루어지는 발전기의 양극에 수용액 상태의 BH₄ ^-를 공급하기 위한 연료공급라인과 반응하고난 후의 연료를 회수하기 위한 연료회수라인이 연결되어 있고, 가습기에서 가습이된 공기가 공급이되는 발전기의 음극에는 공기공급라인과 공기배출라인이 연결되어, 양극에서의 전기화학적인 산화와 음극에서의 전기화학적인 환원에 의하여 전기가 발생이되는 연료전지 시스템에 있어서,

   상기 연료회수라인에 연료와 수소가스를 분리하기 위한 수소가스분리기를 설치하고, 그 수소가스분리기에서 분리되는 수소가스를 가습기의 연료로 사용할 수 있도록 수소가스분리기와 가습기의 버너를 수소가스회수라인으로 연결하며, 상기 공기배출라인에 공기와 물을 분리하는 물분리기를 설치하고, 그 물분리기에서 분리되는 물이 가습기의 물통에 공급되도록 물분리기와 가습기의 물통을 물회수라인으로 연결하며, 상기 수소가스회수라인으로 회수되는 수소가스가 PEMFC형 발전기의연료로도 사용될 수 있도록 수소가스회수라인에서 분지되는 수소가스재활용라인을 PEMFC형 발전기의 양극에 연결하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
6. 제 5항에 있어서, 상기 연료공급라인과 공기공급라인에는 연료와 공기를 일정온도로 가열하기 위한 히터가 각각 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
7. 제 5항에 있어서, 상기 공기공급라인과 연료공급라인은 필요시 발전기의 양극 내부를 공기로 퍼지할 수 있도록 퍼지라인으로 연결되고, 그 연료공급라인과 퍼지라인의 연결부위에는 개도를 조정하기 위한 삼방밸브가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
8. 제 5항에 있어서, 상기 발전기의 일측에는 비상전원으로 배터리와, 그 배터리에서 공급되는 전원을 변환하기 위한 전력변환기가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
9. 제 5항에 있어서, 상기 수소가스재활용라인과 수소가스회수라인의 연결부위에는 필요시 개도를 조정하기 위한 삼방밸브가 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.