KR100675691B1 - 연료전지의 연료온도유지장치 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명 연료전지의 연료온도유지장치는 스택(10)의 액체연료 온도를 검출하기 위한 온도검출수단, 액체연료를 순환시키기 위한 연료순환수단(52) 및 제어를 하기 위한 제어부(53)로 구성되어 있어서, 비가동시 스택(10)에 있는 액체연료를 순환시켜서 액체연료의 결빙을 방지하게 된다. 또한 연료전지의 연료온도유지방법으로 스택(10)의 기동이 정지되면 주기적으로 액체연료의 온도를 검출하는 단계와, 온도검출값을 설정치와 비교하는 단계와, 그 비교값이 설정치 이하인 경우에 액체연료를 순환시키는 단계를 순차적으로 실시하여 연료전지가 장기간 비가동되는 경우에 외부온도에 의한 액체연료의 결빙을 방지하게 된다.

Description

연료전지의 연료온도유지장치 및 그 방법{APPARATUS FOR CONTOLLING FUEL TEMPERATURE OF FC AND THEREOF METHOD}

도 1은 본 발명의 연료온도유지장치가 구비된 연료전지의 구성을 보인 개략구성도.

도 2는 본 발명에 따른 스택의 단일셀구조를 나타내는 단면도.

도 3은 본 발명의 장치에서 연료의 온도조절방법을 보인 흐름도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 스택 31 : 연료유로홈

52 : 액체연료순환수단 53 : 제어부

61 : 순환라인 62 : 순환펌프

본 발명은 외부로 부터 공급되는 연료와 공기의 전기화학반응을 통하여 전기를 생성하는 연료전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료전지의 발전을 위하여 공급되는 연료가 외부온도의 급강하로 결빙되는 것을 방지하도록 하는데 적합한 연료전지의 연료온도유지장치 및 그 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 연료가 가지고 있는 에너지를 직접 전기적 에너지로 변환하는 장치로서 연료전지에 관한 기술이 공지되어 있으며, 이러한 연료전지는 통상 고분자 전해질을 중심으로 양쪽에 다공질의 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 사용되거나 액체 상태의 메탄올을 직접 연료로 사용하는 직접 메탄올 연료전지(DMFC; DIRECT METHANOL FUEL CELL)방식으로 사용되어진다.

상기 직접 메탄올 연료전지는 개질기를 사용하지 않고 발전장치인 스택(STACK)의 양극에 메탄올과 물이 일정 비율(약 10%:90%)로 혼합된 메탄올 혼합액을 직접 공급하는 방식으로 전극에서 개질반응이 일어나기 때문에 개질기가 불필요하게 되어 전체 시스템을 간소화 시킬 수 있다는 큰 장점이 있다.

그러나, 상기와 같은 종래의 메탄올 혼합액을 사용하는 연료전지에서는 상술한 바와 같이 스택에 직접 공급되는 메탄올 혼합액이 비가동시에 외부온도의 급강하로 결빙이되어 정상적인 가동이 이루어지지 못하는 문제점이 있었다.

상기와 같은 문제점을 감안하여 안출한 본 발명의 목적은 외부의 온도변화에 의하여 스택내의 연료가 결빙되는 것을 방지하도록 하는데 적합한 연료전지의 연료온도유지장치 및 그 방법을 제공함에 있다.

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 발전이 이루어지는 스택의 전극에 액체연료를 공급하고, 그 액체연료의 화학반응으로부터 기전력을 얻는 연료전지에 있어서,

상기 스택내의 액체연료 온도를 검출하기 위한 온도검출수단과,

상기 액체연료를 순환시키기 위한 액체연료순환수단,

상기 온도검출수단에서 검출된 온도를 규정치와 비교하여 규정치 이하인 경우에 액체연료순환수단을 동작시켜서 액체연료의 결빙이 방지되도록 하는 제어부를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 연료온도유지장치가 제공된다.

또한, 연료전지에 있어서,

상기 연료전지 스택내의 액체 연료 온도를 검출하는 단계와,

그 검출된 액체연료의 온도를 규정치와 비교하는 단계와,

그 비교값이 규정치 이하인 경우에 액체연료를 순환시키는 단계를 순차적으로 실시하여 액체연료의 결빙이 방지되도록 하는 연료전지의 연료온도유지방법이 제공된다.

이상 설명한 본 발명의 구성.작용을 한층 명백하게 하기 위하여, 이하에서 본 발명의 적합한 실시예에 대하여 설명한다.

도 1은, 본 발명의 실시예로서 본 발명에 따른 연료온도유지장치가 설치된 연료전지의 개략구성도이다.

도시된 바와 같이, 연료전지(1)의 전체 구성은 전기를 발생하는 고체 고분자형의 스택(10)과, 액체연료를 스택(10)에 공급하기 위한 액체연료공급수단(11)과, 스택(10)에 공급된 연료를 일정온도로 유지시키기 위한 연료온도유지장치(12)와, 스택(10)에 공기를 공급하기 위한 에어 라인(13)과, 스택(10)에서 발생되는 CO₂와H₂O 를 배출하기 위한 배출라인(14)을 구비한다.

상기 스택(10)은 전기화학반응이 일어나는 단일셀(SINGLE CELL) 또는 여러개의 단일셀을 연속적으로 적층하여 볼트로 조립한 형태가 가능한데, 도 2를 참고하여 단일셀구조를 설명하면, 전해질 막(21)의 양측에 가스를 확산시키기 위한 양극(22)과 음극(23)이 접합되어 이루어진 막-전극 접합체(MEA:MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY)(24)와, 그 막-전극 접합체(24)의 양측에 밀착되도록 조립되어 양극(22)과 음극(23)에서 연료가스 및 산소함유가스의 유로를 형성하는 분리판(SEPARATOR)(25)과, 그 분리판(25)의 양측에 배치되어 양극(22)과 음극(23)의 집전극이 되는 집전판(26)(27)으로 구성되어 있다.

막-전극 접합체(24)의 전해질 막(21)은 고분자재료로 이루어진 이온교환막으로서 대표적으로 상품화된 전해질막(21)으로는 듀폰사의 Nafion막이 있으며 수소이온의 전달체 역할을 하는 동시에 산소와 수소의 접촉을 막는 역할을 하게 되고, 양극(22)과 음극(23)은 백금(Pt) 촉매층을 지지하는 지지체로서 다공성 탄소지(CARBON PAPER) 혹은 탄소천(CARBON CLOTH)이 전해질 막(21)의 양측에 접합된 구조로 되어 있다.

분리판(25)은 치밀질의 카본 플레이트에 의해 형성되어 있고, 복수개의 리브가 형성되어 있어서 조립시 양극(22)의 표면에서 연료 유로홈(31)을 형성하고, 음극(23)의 표면에서는 산소함유가스 유로홈(32)을 형성한다.

집전판(26)(27)은 전기전도성이 우수하고, 내식성이 우수하며, 수소취성이 발생되지 않는 것이 바람직 할 것이며, 구체적으로는 티타늄, 스테인레스, 동 등 상기 요구성능이 만족되는 것이라면 어느 것이라도 좋다.

상기 액체연료공급수단(11)은 메탄올과 물이 일정 비율로 혼합된 액체연료(41)가 저장되어 있는 저장탱크(42)와, 그 저장탱크(42)의 액체연료(41)를 스택(10)에 공급하기 위한 액체연료공급라인(43)과, 그 액체연료공급라인(43)상에 장착되어 스택(10)에 공급되는 액체연료(41)의 공급을 조절하는 전자밸브(44)를 구비한다.

액체연료공급라인(43)은 스택(10)의 연료유로홈(31)에 접속되어 있고, 그 연 료유로홈(31)은 스택(10)의 외측으로 연결되어 있는 배출라인(28)에 접속되어 있으며, 상기 에어라인(12)는 산소함유가스 유로홈(32)에 접속되어 있다.

상기 연료온도유지장치(12)는 스택(10)내의 액체연료 온도를 검출하기 위한 검출수단으로서의 온도검출센서(51)와, 그 온도검출센서(51)의 검출값에 따라 스택(10)내의 액체연료를 순환시키기 위한 액체연료순환수단(52)과, 상기 온도검출센서(51)의 검출값을 설정치와 비교하여 설정치 이하인 경우에 액체연료순환수단(52)을 동작시켜서 액체연료의 결빙이 방지되도록 제어하는 제어부(53)로 구성되어 있다.

상기 액체연료순환수단(52)은 스택(10)의 연료유로홈(31)의 입,출구측을 연결하는 순환라인(61)과, 그 순환라인(61) 상에 설치되어 액체연료를 펌핑하기 위한 순환펌프(62)로 구성되어 있다.

도면중 미설명 부호 48은 에어라인(13) 상에 설치된 전자밸브이다.

상기와 같이 구성된 본 발명 연료공급장치가 구비된 연료전지의 작용효과를 설명한다.

조작자가 연료전지(1)의 스위치를 조작하면 전자제어부에서 미리 설정된 제어 프로그램에 따라 에어라인(13)과 액체연료공급라인(43) 상의 전자밸브(44)(48)를 열어서 액체연료(41)와 공기가 스택(10)에 공급되도록 한다.

상기와 같이 스택(10)에 공급되는 액체연료(41)는 연료유로홈(31)을 따라 흐르며 막-전극 접합체(24)의 양극(22) 전면에 확산이 되어 수소의 전기화학적 산화가 진행되고, 공기는 산소함유가스 유로홈(32)을 따라 흐르며 막-전극 접합체(24) 의 음극(23) 전면에 확산되어 산소의 전기화학적 환원이 일어나며, 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기가 발생되는데, 이때 발생되는 전기를 집전판(26)(27)에서 집전하여 에너지원으로 사용하게 된다.

이때 액체연료로 메탄올 혼합액을 사용하는 경우 각극에서의 반응식과 총 반응식은 다음과 같다.

양극(ANODE): CH₃OH + H₂O → CO₂ + 6H⁺ + 6e^-

음극(CATHODE): 3/2O₂ + 6H⁺ + 6e^_ → 3H₂O

총반응식 : CH₃OH + 3/2O₂ + H₂O → CO₂ + 3H₂O

또한, 상기와 같이 발전이 이루어지는 연료전지에서 스택(10) 내의 액체연료가 외부의 온도변화에 의하여 결빙되는 것이 방지되도록 제어하는데, 그 제어 방법을 도 3을 참조하여 상세히 설명한다.

먼저, 스택(10)의 기동이 정지되면 온도검출센서(51)에서 스택내의 액체연료 온도를 측정하는데, 이와 같은 액체연료의 온도측정은 소정시간(예를들면, 1시간)마다 반복실행된다.

그와 같은 온도측정값을 제어부(53)에서 논리제어처리에 의하여 설정치(액체연료의 결빙온도)와 비교하여 설정치 이하인 경우에는 순환펌프(62)를 가동시켜서 순환라인(63)을 통하여 스택(10)의 액체연료를 순환시켜서 액체연료가 결빙되는 것을 방지하게 된다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명 연료전지의 연료온도유지장치는 스택내의 액체연료의 온도를 검출하는 온도검출센서와, 스택의 액체연료를 순환시키기 위한 순환라인 및 펌프와, 상기 온도검출센서의 검출온도에 따라 펌프를 동작시키기 위한 제어부로 구성되어, 스택내의 액체연료의 온도를 검출하여 설정치 이하인 경우에 액체연료를 순환시켜서 액체연료의 결빙을 방지함으로써, 연료전지가 액체연료의 결빙에 의하여 정상적인 가동이 이루어지지 않는 것을 방지하는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 발전이 이루어지는 스택의 전극에 액체연료를 공급하고, 그 액체연료의 화학반응으로부터 기전력을 얻는 연료전지에 있어서,

   상기 스택내의 액체연료 온도를 검출하기 위한 온도검출수단;

   상기 액체연료를 순환시키기 위한 액체연료순환수단;

   상기 온도검출수단에서 검출된 온도를 설정치와 비교하여 설정치 이하인 경우에 상기 액체연료순환수단을 동작시켜 상기 액체연료를 순환하게 함으로써 상기 액체연료의 결빙이 방지되도록 하는 제어부를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 연료온도유지장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 액체연료순환수단은 스택의 연료유로홈의 입,출구측을 연결하는 순환라인과, 그 순환라인 상에 설치되어 액체연료를 펌핑하기 위한 순환펌프로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 연료온도유지장치.
3. 스택에 액체연료와 공기를 공급하여 전기화학적인 반응에 의하여 발전이 이루어지는 연료전지에 있어서,

   스택내의 액체연료 온도를 검출하는 단계와,

   그 검출된 액체연료의 온도를 규정치와 비교하는 단계와,

   그 비교값이 규정치 이하인 경우에 액체연료를 순환시키는 단계를 순차적으로실시하여 스택내의 액체연료의 결빙이 방지되도록 하는 연료전지의 연료온도유지 방법.

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