KR101008427B1 - 연료전지 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 연료전지 시스템은, 수소와 산소의 전기화학반응으로 전기를 생산하는 연료전지 스택, 연료전지 시스템의 내부 구성요소의 동작을 제어하기 위한 제어부, 수소화물 분말을 저장하는 수소화물 보관함, 수소화물 분말을 촉매 용액과 반응시켜 수소를 분리하는 수소 분리 챔버, 제어부의 제어에 대응하는 분량만큼 수소화물 보관함 내부의 수소화물 분말을 수소 분리 챔버로 이송시키는 분말 이송 장치, 및 수소 분리 챔버 내에 축적되는 수소 분리 반응 후 잔여물을 수거하기 위한 잔여물 수거부를 포함한다.
연료전지, 수소화물, NaBH4, 분말 이송 장치, 수소 분리 챔버

Description

연료전지 시스템{Fuel Cell System}
본 발명은 촉매 반응에 의해 수소를 발생시키는 액체 연료를 사용하는 연료 전지 시스템에 관한 것으로, 특히 수소화물 용액을 연료로 사용하는 연료전지 시스템에 관한 것이다.
연료전지는 수소와 산소를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시키는 발전 시스템이다. 연료전지는 사용되는 전해질(electrolyte)의 종류에 따라, 인산형 연료전지, 용융탄산염형 연료전지, 고체 산화물형 연료전지, 고분자 전해질형 연료전지, 알칼리형 연료 전지 등으로 분류된다. 이들 각각의 연료전지는 기본적으로 같은 원리에 의해 작동되지만 사용되는 연료의 종류, 운전온도, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다. 그 가운데, 고분자 전해질형 연료전지(polymer electrolyte membrane fuel cell, PEMFC)는 다른 연료전지에 비하여 출력 특성이 월등히 높고, 작동 온도가 낮으며, 아울러 빠른 시동 및 응답특성과 함께, 휴대용 전자기기용과 같은 이동용(transportable) 전원이나 자동차용 동력원과 같은 수송용 전원은 물론, 주택, 공공건물의 정지형 발전소와 같은 분산용 전원 등 그 응용 범위가 넓은 장점을 가진다.
수소는 연료전지의 애노드 전극에서 일어나는 전기화학적 산화 반응에 있어서 가장 반응성이 뛰어나고 산소와 반응한 후, 물을 생성하여 공해물질을 배출하지 않기 때문에 연료전지의 연료로 가장 적합하다. 하지만 순수 수소 가스는 자연 상태에 거의 존재하지 않기 때문에 다른 원료로부터 개질하여 얻거나, 비교적 수소 이탈이 용이한 메탄올을 직접 애노드 전극에 공급하는 방식으로 적용된다.
최근에는 NaBH4 등과 같은 수소화물을 연료로 사용하는 연료전지 시스템이 제안되기도 하였다. 수소화물을 사용하는 경우 부피비 수소저장 효율이 높으며, 수소의 채집 및 분리가 용이한 장점이 있다. 수소화물을 연료로 사용하는 연료전지 시스템은 수소화물 용액을 애노드 전극으로 공급하는 방식으로 구현되거나, 소정의 분리 과정을 통해 수소화물에서 분리된 수소 가스를 PEMFC 스택 등의 애노드 전극으로 공급하는 방식으로 구현될 수 있다.
수소화물(Hydrid)은 물과 반응하여 수소와 고열을 발생시키는 성질을 가지는 화합물이며, 예를 들어, 수소화물은 나트륨 붕소 수소화물(NaBH4), 리튬 붕소 수소화물(LiBH4), 리튬 수소화물(LiH), 나트륨 수소화물(NaH) 등이 있다. 수소화물 수용액은 일정한 조건하에서 반응하여 수소와 산화물을 생성하고, 이때 열이 발생하게 된다.
수소화물을 연료로 사용하는 연료전지 시스템의 경우 수소화물의 공급 방식 및 수소 분리 방식에 대하여 다양한 구현이 가능하다. 그러나, 수소화물 용액을 연료로 사용하는 시스템의 경우에는 용액으로 만들기 위한 물의 부피때문에 전체 시 스템의 부피가 증가되는 문제점이 있으며, 수소화물 분말을 연료로 사용하는 시스템의 경우에는 용이하고 정확한 수소 발생량 제어를 위해 수소화물 분말과 촉매의 반응시간을 단축시켜야 되는 개선 요청사항이 존재한다.
즉, 수소화물 연료로서 분말형태로 공급받아 소정의 촉매 용액과 반응시켜 분리된 수소를 연료전지 스택으로 공급하는 방식의 연료전지 시스템의 경우, 수소화물 분말의 공급량을 용이하게 조절할 수 있으며 반응 잔여물 처리가 용이한 유체 처리 구조의 도입이 요망되었다.
본 발명은 상기 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 수소화물 분말의 공급량을 용이하게 제어할 수 있는 연료전지 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 수소화물로부터 수소가 분리된 후 잔여물 처리를 용이하게 할 수 있는 연료전지 시스템을 제공하는데 다른 목적이 있다.
또한, 본 발명은 부피가 작으면서도 출력이 크고 수소 발생 제어가 용이한 연료전지 시스템을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 연료 전지 시스템은, 수소와 산소의 전기화학반응으로 전기를 생산하는 연료전지 스택; 연료전지 시스템의 내부 구성요소의 동작을 제어하기 위한 제어부; 수소화물 분말을 저장하는 수소화물 보관함; 상기 수소화물 분말을 촉매 용액과 반응시켜 수소를 분리하는 수소 분리 챔버; 상기 제어부의 제어에 대응하는 분량 만큼, 상기 수소화물 보관함 내부의 수소화물 분말을 상기 수소 분리 챔버로 이송시키는 분말 이송 장치; 및 상기 수소 분리 챔버내에 축적되는 수소 분리 반응후 잔여물을 수거하기 위한 잔여물 수거부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 분말 이송 장치는, 상기 수소화물 보관함 내부의 수소화물 분말을 배출하기 위한 이송 스크류; 상기 이송 스크류를 회전시키기 위한 모터; 상기 제어부의 제어에 따라 상기 모터에 전원을 공급하여 구동시키는 모터 구동부; 및 상기 촉매 용액이 상기 분말 이송 장치 내로 누설되는 것을 방지하기 위한 차단 수단을 포함할 수 있다.
상기 분말 이송 장치는, 상기 수소화물 보관함 내부의 수소화물 분말을 소정의 단위량씩 상기 수소 분리 챔버로 이송시키는 컨베이어; 상기 컨베이어를 가동시키기 위한 모터; 상기 모터에 전원을 공급하여 구동시키는 모터 구동부; 및 수소화물 분말을 상기 컨베이어로부터 분리시키기 위한 공기 분사기를 포함할 수 있다.
상기 수소 분리 챔버는, 내부 공간에 촉매 용액이 저장되는 저장 챔버; 상기 저장 챔버의 하부 영역에 형성된 잔여물 제거관; 상기 저장 챔버의 상부 영역에 형성된 수소 공급관; 및 상기 저장 챔버의 상부 영역에 형성된 상기 분말 이송 장치의 토출구를 포함할 수 있으며, 상기 수소 공급관의 입구에는 기액 분리막이 설치될 수 있다.
상기 수소 분리 챔버는, 내부 공간의 일부에 촉매 용액이 채워지는 외부 챔버; 상기 외부 챔버의 내부에 위치하며, 상기 외부 챔버내 촉매 용액이 이동할 수 있도록 다수개의 통류공이 형성된 내부 챔버; 상기 내부 챔버에 위치하며, 분말 이송 장치에 의해 이송된 수소화물 분말이 토출되는 토출구; 및 상기 내부 챔버에 위치하며 그 입구에 기액분리막이 설치된 수소 공급관을 포함할 수 있다.
상기 다수개의 통류공은 상기 촉매 용액과 접하는 것은 개방되고, 상기 촉매 용액과 접하지 않는 것을 폐쇄되며, 상기 토출구는 토출구 입구에 촉매 용액이 존 재하면 폐쇄되며, 상기 토출구 및 상기 수소 공급관은, 상기 내부 챔버의 상부에 위치하도록 구현될 수 있다. 또한, 상기 수소 공급관은 적어도 2개 이상 형성하는 것이 바람직하다.
상기 수소화물 보관함은, 하부쪽으로 갈수록 좁고 긴 직사각형 형태로 축소되는 형태를 가지며, 좁고 긴 직사각형 하부에 상기 분말 이송 장치가 위치하도록 구현될 수 있다.
상기 잔여물 수거부는, 상기 잔여물을 저장하기 위한 잔여물 수거 탱크; 및 상기 수소 분리 챔버내에 축적된 잔여물을 상기 잔여물 수거 탱크로 이송하기 위한 잔여물 수거 펌프를 포함할 수 있다.
상기 수소화물은 NaBH4 이 될 수 있으며, 상기 촉매 용액은 말산(malic acid), 숙신산(succinic acid, 옥살산(oxalic acid), 시트르산(citric acid), 아세트산(acetic acid) 및 염산(hydrochloric acid) 중 적어도 하나의 성분을 포함하는 수용액이 될 수 있다.
상기 구성에 따른 본 발명의 수소화물 용액을 연료로 사용하는 연료전지 시스템을 실시함에 의해, 시스템 내부 액체의 이동 경로의 막힘을 방지할 수 있는 효과가 있다.
특히, 본 발명은 수소화물과 촉매용액의 반응면적을 확보하면서도 내부 용액의 이동 경로의 막힘을 방지할 수 있는 효과가 있다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
예컨대, 하기 실시예에서는 본 발명의 사상을, 수소화물로서 NaBH4(sodium boro hydride)을 사용한 연료전지 시스템으로 구체화하여 설명하지만, 본 발명의 사상은 동일한 구조 및 원리로서 리튬 붕소 수소화물(LiBH4), 리튬 수소화물(LiH), 나트륨 수소화물(NaH)을 연료로 하는 연료전지 시스템에도 적용할 수 있음은 당연하며 이 또한 본 발명의 권리범위에 속한다.
또한, 본 발명의 설명에서는 연료전지 스택이라는 용어를 사용하였지만, 이는 용어 사용의 편의를 위한 것이며, 본 발명의 설명에 사용된 연료전지 스택은 적층형 단위전지들로 이루어진 스택, 평판형 단위전지들로 이루어진 스택, 단일 단위전지만을 포함하는 단위 스택을 모두 포함하는 개념이다.
( 실시예 1)
도 1a 및 1b에 도시한 연료전지 시스템은, 연료전지 스택(100), NaBH4 분말을 저장하는 NaBH4 보관함(200), 상기 NaBH4 분말을 촉매 용액과 반응시켜 수소를 분리하는 수소 분리 챔버(400), 스크류의 회전으로 상기 NaBH4 보관함(200) 내부의 NaBH4 분말을 상기 수소 분리 챔버(400)로 이송시키는 분말 이송 장치(300), 및 상기 수소 분리 챔버(400) 내에 축적되는 수소 분리 반응후 잔여물이 저장되는 잔여물 수거 탱크(500)로 이루어진다.
상기 분말 이송 장치(300)는, 상기 수소화물 보관함 내부의 수소화물 분말을 배출하기 위한 이송 스크류(320), 상기 이송 스크류를 회전시키기 위한 모터(340), 및 상기 모터(340)에 전원을 공급하여 구동시키는 모터 구동부(360)로 이루어진다.
상기 이송 스크류(320)는 긴 원통형 막대에 1회전 이상의 회전 날개가 부착된 형상을 가지며, 상기 회전 날개 사이에는 NaBH4 분말이 채워질 수 있는 공간이 형성된다.
상기 이송 스크류(320)가 회전하면, 상기 회전 날개 사이의 공간에 채워진 NaBH4 분발은, 상기 이송 스크류 축 방향에 대하여 사선으로 형성된 회전 날개의 움직임에 의해 이송 스크류의 전진하는 방향으로 힘을 받게 되고, 특히 이송 스크류의 전진하는 말단(즉, 토출구 부근)에 위치한 NaBH4 분말은, 상기 전진하는 방향으로의 힘에 의해 이송 스크류(320) 외부로 토출된다.
상기 이송 스크류(320)의 회전에 의해 NaBH4 분발이 전진할 수 있도록, 이송 스크류(320)를 둘러싸는 형태로 가이드관(390)이 위치하며, NaBH4 분말이 토출되는 이송 스크류(320) 말단에는 이송 스크류(320)와 수소 분리 챔버(400)를 차단할 수 있는 차단 수단(370)이 위치한다. 상기 차단 수단(370)이 닫힌 경우를 도시한 것이 도 1b의 구조이며, NaBH4 분말의 공급이 수행되지 않는 때에는 상기 차단 수단(370)을 닫아 놓아서, 연료전지 시스템의 위치전복 등에 의해 촉매 용액이 이송 스크류(320) 내부로 유입되는 것을 방지할 수 있다.
한편, NaBH4 보관함(200) 내부의 중력방향 아래 영역에 위치하는 NaBH4 분말은, 그 상부에 쌓인 NaBH4 분말의 무게에 의해 아래 방향으로 눌리는 압력을 받는데, 상기 토출된 NaBH4 분말의 양만큼 빈 공간은, 상기 압력에 의해 상부에서 이동된 NaBH4 분말로 채워진다.
상기 모터 구동부(360)는 모터 구동에 필요한 전원을 직접적으로 공급하는 역할을 수행하며, 연료전지 시스템의 전체 동작을 제어하는 제어부(900)로부터의 제어에 따라 모터 구동을 수행한다.
상기 모터(340)는 간헐적인 구동 제어가 가능한 것이면 적용이 가능한데, 예컨대 DC 모터나 스테핑 모터를 사용할 수 있다.
상기 수소 분리 챔버(400)는 액체 및 기체가 혼재하는 유체를 저장하기 위한 형상을 가지며, 중력방향으로 하부 영역에는 반응 후 잔여물이 빠져나가는 잔여물 배출구(460)가 형성되고, 상부 영역에는 상기 분말 이송 장치(300)의 말단 및 내부 수소 가스가 배출되는 수소 공급구(490)가 형성된다. 상기 수소 공급구(490)의 입구에는 내부 액체가 누설되는 것을 방지하기 위한 기액분리막(492)을 배치할 수 있 다.
이하, 분말에서 수소를 분리하고 잔여물을 처리하는 과정에 대하여 살펴보겠다.
스택에 공급되는 수소의 양을 늘려야 한다고 판단되면, 연료전지 시스템의 제어부(900)는 상기 모터 구동부(360)에 구동 지시를 내리고, 이에 따라 상기 모터 구동부(360)는 일정 시간동안 모터(340)를 구동시킨다.
상기 모터(340)를 구동시키는 시간은, 1회의 구동 지시에 소정의 고정된 시간 동안만 모터(340)를 구동시키거나, 상기 구동 지시를 구동 시작과 구동 종료로 구분하여 전송하고 상기 모터 구동부(360)는 구동 시작 지시를 받은 시점부터 구동 종료 지시를 받은 시점까지 모터(340)를 구동시키도록 구현할 수도 있다.
상기 구동 모터(340)를 스테핑 모터 등으로 구현한 경우, 모터의 구동 시간은 펄스 개수로 조절할 수 있으며, 상기 제어부(900)가 구동 펄스를 출력한다면, 상기 모터 구동부(360)는 단순히 제어부(900)에서 생성하는 구동 펄스를 모터로 전달하는 버퍼 회로이거나 생략될 수도 있다.
상기 모터(340)의 동작에 의해 상기 이송 스크류(320)는 일정 시간 동안 회전을 하게 되고, 이송 스크류의 회전에 의해 스크류 홈에 위치한 NaBH4 분말이 토출된다.
토출된 NaBH4 분말은 수소 분리 챔버(400)에 채워진 촉매 용액에 뿌려지며, 상기 촉매 용액 NaBH4 분말은 하기 화학식 1의 수소 분리 반응을 일으키고, 그 결과 수소 가스와 BO2를 생성한다.
NaBH4 + 2H2O → NaBO2 + 4H2 + Q
생성된 수소 가스는 상기 수소 분리 챔버(400)의 빈 공간이나, 별도의 수소 저장 공간에 일시 저장되었다가, 수소 공급관(490)을 통해 연료전지 스택(100)의 애노드로 공급될 수 있다.
상기 생성된 BO2는 촉매 용액과 함께 섞여져 반응후 잔여물이 되며, BO2 수화물 입자는 촉매 용액 분자보다 비중이 크기 때문에, 상기 수소 분리 챔버(400)에 존재하는 액체 물질들 중 상기 잔여물을 많이 포함하는 액체는 중력방향의 아래에 쌓이고, 순수 촉매 용액에 가까울수록 중력방향의 위에 위치한다. 따라서, 상기 수소 분리 챔버(400) 내부 공간의 최하층에는 상기 화학식 1의 반응에 따른 잔여물이 위치하며, 그 상층에 촉매 용액이 위치하며, 그 상층에 수소 가스가 위치하게 된다.
상기 수소 분리 챔버(400)의 최하층에는 잔여물을 제거할 수 있는 잔여물 제거관(460)을 배치하는 것이 바람직하다. 상기 잔여물 제거관(460)은 내부 액체의 흐름을 단속할 수 있는 밸브 수단 및/또는 펌핑 수단(510)을 구비할 수 있다. 상기 수소 분리 챔버(400) 내부의 최하층에 위치한 잔여물은, 수소 가스의 기압 및/또는 액체의 무게에 의해, 상기 잔여물 제거관(460)을 통해 수소 분리 챔버(400) 외부로 배출되고, 배출된 잔여물은 연료전지 시스템 내에 마련된 잔여물 수거 탱크(500)에 저장된다.
상기 연료전지 스택(100)의 애노드로 공급된 수소 가스 및 상기 연료전지 스택(100)의 캐소드로 공급된 산소는 하기 반응식 2와 같은 전기화학 반응로 전기를 생산하며, 생산된 전기는 전력 변환 장치를 경유하여 외부 부하로 공급되거나, 2차 전지를 충전하는데 사용된다.
( 실시예 2)
도 2에 도시한 연료전지 시스템은, 연료전지 스택(미도시), NaBH4 분말을 저장하는 NaBH4 보관함(200), 2중 챔버 구조를 가지며 상기 NaBH4 분말을 촉매 용액과 반응시켜 수소를 분리하는 수소 분리 챔버(400'), 스크류의 회전으로 상기 NaBH4 보관함(200) 내부의 NaBH4 분말을 상기 수소 분리 챔버(400')로 이송시키는 분말 이송 장치(300), 및 상기 수소 분리 챔버(400') 내에 축적되는 수소 분리 반응후 잔여물이 저장되는 잔여물 수거 탱크(500)로 이루어진다.
도시한 NaBH4 보관함(200), 분말 이송 장치(300) 및 잔여물 수거 탱크(500)와, 미도시한 상기 연료전지 스택은 상기 제1 실시예의 경우와 유사하므로 중복되는 설명을 생략하겠다.
NaBH4 분말이 토출되는 이송 스크류(320) 말단에는 이송 스크류(320)와 수소 분리 챔버(400)를 차단할 수 있는 차단 수단(370')이 위치한다. 본 실시예의 연료전지 시스템은 오리엔테이션 프리(orientation free) 기능을 가질 수 있는데, NaBH4 분말이 토출되는 지점에 촉매 용액이 차 있는 경우에는 상기 차단 수단(370')이 닫힌 상태를 유지하여 분말 이송 장치(300)로 촉매 용액이 누설되는 것이 방지된다. 또한, 연료전지 시스템의 제어부는, NaBH4 분말의 공급이 필요하다고 판단하여도, 우선 NaBH4 분말이 토출되는 지점에 촉매 용액이 존재하는지 여부를 판단하여, 상기 지점에 용액이 존재하지 않는 시점에만, 상기 분말 이송 장치(300) 및 차단 수단(370')을 제어하여 NaBH4 분말을 상기 수소 분리 챔버(400')로 공급한다.
오리엔테이션 프리(orientation free) 기능을 위해 본 실시예의 상기 수소 분리 챔버(400')는 촉매 용액이 위치하는 내부 챔버(420')와, 반응후 잔여물이 위치하는 외부 챔버(410')로 구분되는 구조를 가진다.
상기 내부 챔버(420')에는 다수개의 통류공(422)들이 형성되어, 내부 챔버(420')와 외부 챔버(410')간 촉매 용액의 유통을 보장한다. 바람직하게 상기 통류공(422)들에는 액체에 담궈진 상태에서 열리는 밸브 수단을 구비할 수 있다. 상기 밸브 수단은 액체에 담궈졌을때의 부력 또는 중력에 의해 열리고 탄성력에 의해 닫히도록 구현하거나, 각 부분에 위치한 액체 감지 센서나 중력 방향 감지 센서의 출력값으로부터 액체의 존재여부를 판단하여 개방/폐쇄가 논리회로에 의해 제어되도록 구현할 수 있다. 또한, 상기 외부 챔버(410')에는 하나 이상의 잔여물 제거관(460')이 형성될 수 있다.
상기 NaBH4 분말이 토출되는 이송 스크류(320) 말단은, 상기 내부 챔버(420')에서 평균적인 중력 방향의 상부 영역에 형성되는 것이 바람직하다. 상기 내부 챔버(420')에서 발생되는 수소 가스를 연료전지 스택의 애노드로 전달하기 위한 수소 공급관도 상기 이송 스크류(320) 말단 부근의 상기 내부 챔버(420')에서 평균적인 중력 방향의 상부 영역에 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 오리엔테이션 프리(orientation free) 기능을 극대화하기 위해 상기 수소 공급관은 적어도 서로 점대칭(내부 챔버의 체적 중심점 기준)인 지점에 2개 이상이 형성되는 등 상기 내부 챔버(420') 내벽에 다수개를 형성할 수 있다.
이하, 본 실시예에 따른 2중 챔버 구조의 수소 분리 챔버에서 잔여물을 처리하는 과정에 대하여 살펴보겠다.
상기 분말 이송 장치(300)에서 토출된 NaBH4 분말은 내부 챔버(420')에 채워진 촉매 용액에 뿌려지며, 상기 촉매 용액 NaBH4 분말은 상기 화학식 1의 수소 분리 반응을 일으키고, 그 결과 수소 가스와 BO2를 생성한다. 생성된 수소 가스는 상기 내부 챔버(420')의 빈 공간에 일시 저장되었다가, 상기 수소 공급관을 통해 연료전지 스택의 애노드로 공급될 수 있다.
상기 생성된 BO2는 촉매 용액과 함께 섞여져 반응후 잔여물이 되며, BO2 수화물 입자는 촉매 용액 분자보다 비중이 크기 때문에, 상기 수소 분리 챔버(400)에 존재하는 액체 물질들 중 상기 잔여물을 많이 포함하는 액체는 중력방향의 아래에 쌓이고, 순수 촉매 용액에 가까울수록 중력방향의 위에 위치한다.
그런데, 내부 챔버와 외부 챔버에 체워진 액체는 열려진 통류공(422')을 통해 이동 가능하므로, 항상 중력방향의 하부에 위치하는 외부 챔버(410')와 내부 챔버(420') 사이의 공간은 비중이 큰 잔여물 용액이 위치하고, 내부 챔버(420')의 공간에는 비중이 작은 촉매 용액이 위치하게 된다.
따라서, 외부 챔버(410')에 형성된 잔여물 제거관(460')을 통해 흡입되는 액체에는 잔여물 비율이 높게 되며, 잔여물 처리시에도 오리엔테이션 프리(orientation free) 기능을 부여할 수 있게 된다. 상기 잔여물 제거관(460')을 통해 배출되는 잔여물은 연료전지 시스템 내에 마련된 잔여물 수거 탱크(500)에 저장된다.
( 실시예 3)
도 3에 도시한 연료전지 시스템은, 연료전지 스택(미도시), NaBH4 분말을 저장하는 NaBH4 보관함(200), 상기 NaBH4 분말을 촉매 용액과 반응시켜 수소를 분리하는 수소 분리 챔버(400), 컨베이어의 이동으로 상기 NaBH4 보관함(200) 내부의 NaBH4 분말을 상기 수소 분리 챔버(400)로 이송시키는 분말 이송 장치(300'), 및 상기 수소 분리 챔버(400) 내에 축적되는 수소 분리 반응후 잔여물이 저장되는 잔여물 수거 탱크로 이루어진다.
도시한 NaBH4 보관함(200) 및 수소 분리 챔버(400)와, 미도시한 상기 연료전지 스택 및 잔여물 수거 탱크는 상기 제1 실시예의 경우와 유사하므로 중복되는 설명을 생략하겠다.
상기 분말 이송 장치(300')는, 소정의 단위량씩 NaBH4 분말을 담을 수 있는 홈들이 형성되며, 상기 NaBH4 보관함(200)의 하면 및 상기 수소 분리 챔버(400) 내부를 경유하여 순환하는 컨베이어(320'), 상기 컨베이어(320')를 순환시키기 위한 롤러(330'), 상기 롤러를 회전시키기 위한 모터(미도시), 및 상기 모터에 전원을 공급하여 구동시키는 모터 구동부(미도시)로 이루어진다. 바람직하게 상기 분말 이송 장치(300')의 구성요소로 상기 수소 분리 챔버(400) 내부에 설치되며, 상기 수소 분리 챔버(400) 내부에 위치한 컨베이어에 바람을 불어넣어 컨베이어의 홈에 체워진 NaBH4 분말을 촉매 용액으로 뿌려주기 위한 송풍기(340)를 더 포함할 수 있다.
상기 모터 및 모터 구동부는 모터가 회전시키는 대상이, 스크류와 롤러인 것에 차이가 있을 뿐, 구체적인 구동 방법은 상기 제1 실시예의 경우와 유사하므로 중복되는 설명을 생략하겠다.
이하, 본 실시예에 따른 분말 이송 장치(300')에서 NaBH4 분말이 이송되는 과정에 대하여 살펴보겠다.
스택에 공급되는 수소의 양을 늘려야 한다고 판단되면, 연료전지 시스템의 제어부(미도시)는 상기 모터 구동부에 구동 지시를 내리고, 이에 따라 상기 모터 구동부는 상기 제1 실시예의 경우와 유사한 방식으로 일정 시간동안 모터를 구동시킨다.
상기 모터의 동작에 의해 상기 롤러(330')는 일정 시간 동안 회전을 하게 되고, 이에 따라 도시한 화살표 방향으로 컨베이어(320')가 소정 길이 만큼 순환한다. 컨베이어(320')의 순환에 의해 컨베이어 홈에 위치한 NaBH4 분말이, 수소 분리 챔버(400) 내에서의 위치 전복에 의해 촉매 용액으로 뿌려진다. 상기 NaBH4 분말의 효과적인 분포를 위해 상기 수소 분리 챔버(400) 내부에 상기 컨베이어 홈에 바람을 뿌리는 송풍기(340')를 구비할 수 있다. 이때 송풍기는 상기 컨베이어(320')가 순환하는 때에만 동작하도록 구현할 수 있다.
도 4는 상기 제1 실시예 내지 제3 실시예에 적용된 NaBH4 보관함의 일실시예를 도시하고 있다.
도시한 NaBH4 보관함(200)은, NaBH4 분말이 축적되는 측벽(220), 및 상기 측벽(220)에 연장되며 하부가 선형에 가까운 방향으로 좁아지는 형상을 가지도록 형성된 측하부벽(240)으로 이루어진다.
길고 좁은 직사각형으로 좁혀지는 상기 측하부벽(220)의 아래에 접하는 영역(230)에는 도 1a, 1b 및 도 2의 분말 이송 장치(200)의 이송 스크류(220) 또는 도 3의 분말 이송 장치(200')의 컨베이어(220')가 위치할 수 있다.
오리엔테이션 프리(orientation free) 기능을 부여하는 경우 도시한 바와 같이 상기 NaBH4 보관함(200)은, 측벽(220) 내부의 NaBH4 분말을 상기 측하부벽 아래에 접하는 영역(230)으로 밀어넣기 위한 가압판(272), 및 상기 가압판(272)에 필요한 압력을 인가하기 위한 가압 수단으로서 가압 스프링(274)을 더 구비하는 것이 바람직하다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
도 1a 및 1b는 본 발명의 일실시예에 따른 NaBH4 분말을 연료로 사용하는 연료전지 시스템을 도시한 구조도.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 NaBH4 분말을 연료로 사용하는 연료전지 시스템을 도시한 구조도.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 NaBH4 분말을 연료로 사용하는 연료전지 시스템을 도시한 구조도.
도 4는 본 발명에 적용될 수 있는 NaBH4 분말 보관함의 일실시예를 도시한 단면도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
100 : 연료전지 스택
200 : NaBH4 보관함
300 : 분말 이송 장치
400 : 수소 분리 챔버
500 : 잔여물 수거 탱크
900 : 제어부

Claims (15)

  1. 수소와 산소의 전기화학반응으로 전기를 생산하는 연료전지 스택;
    연료전지 시스템의 내부 구성요소의 동작을 제어하기 위한 제어부;
    수소화물 분말을 저장하는 수소화물 보관함;
    상기 수소화물 분말을 촉매 용액과 반응시켜 수소를 분리하는 수소 분리 챔버;
    상기 제어부의 제어에 대응하는 분량만큼, 상기 수소화물 보관함 내부의 수소화물 분말을 상기 수소 분리 챔버로 이송시키는 분말 이송 장치; 및
    상기 수소 분리 챔버내에 축적되는 수소 분리 반응후 잔여물을 수거하기 위한 잔여물 수거부를 포함하고,
    상기 수소 분리 챔버는, 내부 공간의 일부에 촉매 용액이 채워지는 외부 챔버;
    상기 외부 챔버의 내부에 위치하며, 상기 외부 챔버내 촉매 용액이 이동할 수 있도록 다수개의 통류공이 형성된 내부 챔버;
    상기 내부 챔버에 위치하며, 분말 이송 장치에 의해 이송된 수소화물 분말이 토출되는 토출구; 및
    상기 내부 챔버에 위치하며 그 입구에 기액분리막이 설치된 수소 공급관
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 분말 이송 장치는,
    상기 수소화물 보관함 내부의 수소화물 분말을 배출하기 위한 이송 스크류;
    상기 이송 스크류를 회전시키기 위한 모터; 및
    상기 제어부의 제어에 따라 상기 모터에 전원을 공급하여 구동시키는 모터 구동부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 분말 이송 장치는,
    상기 수소화물 보관함 내부의 수소화물 분말을 소정의 단위량씩 상기 수소 분리 챔버로 이송시키는 컨베이어;
    상기 컨베이어를 가동시키기 위한 모터; 및
    상기 모터에 전원을 공급하여 구동시키는 모터 구동부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 상기 분말 이송 장치는,
    수소화물 분말을 상기 컨베이어로부터 분리시키기 위한 공기 분사기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 수소 분리 챔버는,
    내부 공간에 촉매 용액이 저장되는 저장 챔버;
    상기 저장 챔버의 하부 영역에 형성된 잔여물 제거관;
    상기 저장 챔버의 상부 영역에 형성된 수소 공급관; 및
    상기 저장 챔버의 상부 영역에 형성된 상기 분말 이송 장치의 토출구
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 수소 공급관의 입구에는 기액 분리막이 설치된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 다수개의 통류공은 상기 촉매 용액과 접하는 것은 개방되고, 상기 촉매 용액과 접하지 않는 것을 폐쇄되며,
    상기 토출구는 토출구 입구에 촉매 용액이 존재하면 폐쇄되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 토출구 및 상기 수소 공급관은, 상기 내부 챔버의 상부에 위치하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 수소 공급관은 적어도 2개 이상 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  12. 제1항에 있어서, 상기 수소화물 보관함은,
    하부쪽으로 갈수록 좁고 긴 직사각형 형태로 축소되는 형태를 가지며,
    좁고 긴 직사각형 하부에 상기 분말 이송 장치가 위치하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  13. 제1항에 있어서, 상기 잔여물 수거부는,
    상기 잔여물을 저장하기 위한 잔여물 수거 탱크; 및
    상기 수소 분리 챔버내에 축적된 잔여물을 상기 잔여물 수거 탱크로 이송하기 위한 잔여물 수거 펌프
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  14. 제1항에 있어서, 상기 수소화물은,
    NaBH4인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  15. 제1항에 있어서, 상기 촉매 용액은,
    말산(malic acid), 숙신산(succinic acid, 옥살산(oxalic acid), 시트르산(citric acid), 아세트산(acetic acid) 및 염산(hydrochloric acid) 중 적어도 하나의 성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
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