KR101288811B1 - 연료 혼합 장치, 이를 이용하는 연료 공급 방법 및 전기 화학 장치 - Google Patents

연료 혼합 장치, 이를 이용하는 연료 공급 방법 및 전기 화학 장치 Download PDF

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Abstract

전기 화학 반응 장치에 공급할 연료를 제공하는 연료 혼합 장치 내에 장착되어 연료 혼합 장치 내부의 공간을 구획하고 유체의 흐름을 가이드하는 분리판으로서, 상기 분리판에는 하나 이상의 격막이 분리판으로부터 돌출하여 설치된 격막형 분리판과, 이를 포함하는 연료 혼합 장치, 상기 연료 혼합 장치를 이용하는 전기 화학 장치 및 연료 공급 방법이 제공된다.

Description

연료 혼합 장치, 이를 이용하는 연료 공급 방법 및 전기 화학 장치 {Apparatus for mixing fuel, fuel-supplying method and electrochemical apparatus using the same}
본 명세서는 연료 혼합 장치, 이를 이용하는 연료 공급 방법 및 전기 화학 장치에 대한 것으로서, 상세하게는 액체 연료를 사용하는 전기 화학 반응 시스템에 사용하는 액체 연료 혼합 장치, 이를 이용하는 전기 화학 장치 및 해당 전기 화학 장치에 연료를 공급하는 방법과, 상기 연료 혼합 장치에 사용되는 격막형 분리판에 대한 것이다.
전기 화학 반응 장치에는 다양한 종류가 있으며, 이와 같은 전기 화학 반응장치에는 일반적으로 연료 혼합 장치가 사용된다.
전기 화학 반응 장치의 하나인 직접메탄올연료전지(direct methanol fuel cell, 이하 DMFC)를 예를 들어 설명하면 다음과 같다.
직접메탄올연료전지는 연료 전지의 하나로서, 2kW 이하의 소형 전원으로서 개발되고 있다. 직접메탄올연료전지는 연료로서 메탄올을 사용하고, 산화제로서 산소 즉, 공기를 사용한다. 비특허 문헌 1에 따르면, 직접메탄올연료전지를 이용한 전원은 전기화학반응기인 직접메탄올 연료전지 스택, 메탄올 연료 공급부, 공기 공급부, 운전 및 전기출력제어부로 구분된다.
일반적으로 연료 혼합 장치의 연료 유출구는 연료전지 스택의 애노드 입구와 연결되어 있으며, 연료전지 스택에 일정한 농도의 메탄올 연료를 공급한다.
메탄올 연료는 대개 0.5M 내지 2M 정도의 농도를 갖는 수용액이며, 연료전지스택에 공급된 메탄올 연료는 일부만 반응에 참가하고 나머지는 스택에서 유출된다. 메탄올연료는 한번 사용 후 버려지는 것이 아니고, 수거되어 연료 혼합 장치에서 메탄올 농도를 보정한 후에 다시 스택에 공급된다.
즉, 메탄올 연료는 재순환공정을 통해 연료 혼합 장치와 스택 사이에서 끊임없이 순환된다. 메탄올 연료와 공기가 스택에 공급되어 반응하면, 애노드에서는 메탄올과 물이 소모되고, 이산화탄소가 생성되며, 캐소드에서는 산소가 소모되고 물이 생성된다.
연료전지 스택에서 나오는 메탄올 용액은 스택에 주입된 연료에 비해 메탄올과 물의 양은 줄어들고, 반응에 의해 생성된 이산화탄소가 포함되어 있다. 따라서, 연료 혼합 장치에서는 메탄올과 물을 보충하고, 이산화탄소는 제거해야 한다. 메탄올의 보충은 60% 이상의 고농도 메탄올이 담겨 있는 저장고로부터 메탄올을 혼합기로 공급하고, 물은 외부의 물통에서 공급하거나 또는 캐소드에서 유출되는 공기에 포함되어 있는 물을 회수하여 이것을 연료 혼합 장치에 공급하게 된다. 이산화탄소의 제거는 기-액 분리기를 사용하는데, 이때 이산화탄소와 함께 외부로 유출되는 메탄올을 최소화해야 한다.
기존에 연료 혼합 장치에 관한 특허가 제시된 바 있다.
예를 들어 특허 문헌 1에는 연료 혼합 장치에 기액 분리기의 기능을 통합한 형태를 제시되어 있다.
특허 문헌 1의 연료 혼합 장치에는 스택에서 유출되는 미반응 메탄올 용액이 회수되는 관이 연결되어 있고, 또한 캐소드에서 유출되는 공기로부터 회수된 물이 공급되는 관이 각각 연결되어 있다. 스택에서 회수된 메탄올 용액에 포함된 이산화탄소는 자연적으로 상층부로 이동하게 되는데, 이때 상층부에 공급되는 물과 접촉하므로서 이산화탄소에 포함된 메탄올 중 일부가 회수된다. 또한, 혼합기 내의 액위를 측정할 수 있는 장치가 있어서 액위를 일정하게 유지할 수 있게 된다.
그러나, 본 발명자들의 연구 결과에 의하면, 상기 메탄올 혼합기는 부피가 과도하게 크고, 메탄올의 균일한 혼합이 원활하지 않으며, 외부로 유출되는 이산화탄소 중에 포함된 메탄올의 회수효율이 낮은 단점이 있다.
특허 문헌 2에도 특허 문헌 1의 연료 혼합 장치와 유사한 구조를 가지는 연료 혼합 장치가 개시되어 있다.
그러나, 본 발명자들의 연구 결과에 따르면, 이 혼합기에도 역시 특허 문헌 1의 혼합기와 같은 단점이 있다. 즉, 이 혼합기 역시 부피가 크고, 메탄올 혼합이 원활하지 않으며, 메탄올의 회수 효율이 낮다.
미국 특허 제7,572,323호 한국특허공개 제10-2011-0007533호
Journal of Power Sources 195 (2010) 293-298.
본 발명의 구현예들에서는, 기존 연료 혼합 장치의 단점을 개선하여, 전기화학 반응용 액체 연료 혼합 장치에 있어서, 연료의 혼합 효율을 향상시켜 연료 혼합 장치에서 배출되는 연료의 농도를 균일하게 할 수 있고, 외부로 방출되는 기체 생성물 중에 포함된 액체 연료의 양을 최소화할 수 있으며, 연료 혼합 장치의 부피를 최소화할 수 있고, 또한 연료 혼합 장치의 액위를 일정하게 유지할 수 있는, 연료 혼합 장치, 이를 이용하는 전기 화학 장치 및 해당 전기 화학 장치에 연료를 공급하는 방법과, 상기 연료 혼합 장치에 사용되는 격막형 분리판을 제공한다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 구현예들에서는, 전기 화학 반응 장치에 공급할 연료를 제공하는 연료 혼합 장치 내에 장착되어 연료 혼합 장치 내부의 공간을 구획하고 유체의 흐름을 가이드하는 분리판으로서, 상기 분리판에는 하나 이상의 격막이 분리판으로부터 돌출하여 설치된 것을 특징으로 하는 격막형 분리판을 제공한다.
본 발명의 예시적인 구현예에서, 상기 격막형 분리판의 격막에는 유체가 이동할 수 있는 유체 이동 틈새가 형성될 수 있다.
본 발명의 예시적인 구현예에서, 상기 틈새의 폭은 1 내지 20mm이고, 틈새의 높이는 격막 높이의 5 내지 100%이다.
본 발명의 예시적인 구현예에서, 상기 격막은 분리판의 일측면 또는 양측면에 형성된다.
본 발명의 구현예들에서는, 전기 화학 반응 장치에 공급할 연료를 제공하는 연료 혼합 장치로서, 상기 연료 혼합 장치에는 연료 원액이 공급되고, 전기 화학 반응 장치의 애노드에서 유출된 미반응 연료가 공급되고, 전기 화학 반응 장치의 캐소드에서 생성된 물이 회수되어 응축수로 공급되며, 상기 연료 혼합 장치 내에는 상기 격막형 분리판이 하나 이상 장착되고, 상기 격막형 분리판은 연료 혼합 장치 내의 유체의 흐름을 가이드하는 것을 특징으로 하는 연료 혼합 장치를 제공한다.
본 발명의 예시적인 구현예에서, 격막형 분리판과 격막형 분리판의 간격은 1 내지 500mm이고 바람직하게는 2 내지 200mm이다.
본 발명의 예시적인 구현예에서, 상기 격막형 분리판의 분리판 부분에는 유체가 하부 또는 상부로 이동하기 위한 유체 이동 통로가 설치되어 있고, 인접하는 두 개의 격막형 분리판에는 상기 유체 이동 통로가 서로 반대 방향으로 설치되어 있으며, 연료 혼합 장치 내의 유체는 상기 반대 방향에 설치된 유체 투과 통로를 따라서 지그 재그 모양으로 연료 혼합 장치 내를 흐른다. 즉, 액체는 중력에 의해 아래로 흘러내리고, 기체는 위로 상승하여 이동하게 된다.
본 발명의 예시적인 구현예에서, 격막형 분리판과 격막형 분리판 사이의 구획 중 미반응 연료가 유입되는 유입구가 있는 구획에서는 유체 이동 통로가 서로 같은 방향에 설치될 수 있다.
본 발명의 예시적인 구현예에서, 상기 유체 이동 통로는 하나의 분리판에 복수 개 형성되며, 유체 이동 통로의 면적의 총 합은 하나의 분리판 전체 면적의 1/2 이하이고, 바람직하게는 1/5 이하이다.
본 발명의 예시적인 구현예에서, 상기 유체 이동 통로의 전체 면적은 미반응 연료가 유입되는 유입구 단면적의 1 내지 30배, 바람직하게는 10배이다. 참고로, 유체 이동 통로의 전체 면적이란 각 유체 이동 통로의 단면적×유체 이동 통로 갯수를 의미하는 것이다.
본 발명의 예시적인 구현예에서, 인접하는 두 개의 분리판과 분리판 사이에서 격막은 두 분리판의 간격의 5% 이상 내지 100% 이하(참고로, 100%인 경우는 격막에 틈새를 설치하는 경우이다)로 형성되는 것이다.
본 발명의 예시적인 구현예에서, 인접하는 두 개의 분리판과 분리판 사이에서 격막은 상측 분리판과 하측 분리판에 교대로 돌출하여 설치될 수 있다.
본 발명의 예시적인 구현예에서, 상기 격막형 분리판의 격막에는 유체가 이동할 수 있는 유체 이동 틈새가 형성될 수 있고, 인접한 두 개의 분리판의 격막에 형성된 틈새들은 서로 일직선상에 존재하지 않도록 형성된 것이다.
본 발명의 예시적인 구현예에서, 상기 연료 혼합 장치는 미반응 연료가 유입되는 유입구를 기준으로 상부 및 하부의 두 구간으로 나누어지고, 상부의 구간에서 미반응 연료 중의 기체는 하나 이상의 격막형 분리판을 따라서 연료 혼합 장치의 아래에서 위쪽 방향으로 지그 재그로 이동하고, 캐소드로부터의 응축수는 하나 이상의 격막형 분리판을 따라서 연료 혼합 장치의 위에서 아래쪽 방항으로 지그 재그로 이동하며, 상기 기체와 상기 응축수가 상호 접촉하며, 상기 기체에 포함된 미반응 연료가 상기 응축수에 흡수되어 제거된다.
본 발명의 예시적인 구현예에서, 상기 연료 혼합 장치는 미반응 연료가 유입되는 유입구를 기준으로 상부 및 하부의 두 구간으로 나누어지고, 하부의 구간에서 상기 미반응 연료를 흡수한 응축수, 미반응 연료 중의 액체 및 연료 원액이 혼합되어 하나 이상의 격막형 분리판을 따라서 이동한다.
본 발명의 예시적인 구현예에서, 상기 응축수와 접촉한 기체는 연료 혼합 장치로부터 외부로 배출되기 전, 상기 기체 중에 남아 있는 미반응 연료를 추가로 제거하기 위한 연료 산화 촉매를 담지하는 촉매 담지부를 지난다.
본 발명의 예시적인 구현예에서, 상기 촉매는 백금, 팔라듐, 철, 코발트, 루테늄, 주석, 텅스텐 및 니켈로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 금속이, 다공성의 세라믹 담체에 도포되어 있는 것이다.
본 발명의 예시적인 구현예에서, 상기 다공성 세라믹 담체는 알루미나, 실리카, 지올라이트, 클레이, 타이타니아, 지르코니아, 산화철 및 세리아로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 담체이다.
본 발명의 예시적인 구현예에서, 상기 담체에 도포되어 있는 금속 촉매의 양은 무게비로 0.1 내지 100 중량부이다.
본 발명의 예시적인 구현예에서, 상기 연료 혼합 장치의 하부에는 액체 출구가 형성되고, 혼합 연료는 상기 액체 출구로 나가기 전, 또는 출구로 나간 후 전기 화학 반응 장치로 공급되기 전, 또는 상기 유체 출구로 나가기 전 및 출구로 나간 후 전기 화학 반응 장치로 공급되기 전 모두에서 불순물을 제거할 수 있는 이온 제거제를 통과한다.
본 발명의 예시적인 구현예에서, 상기 이온 제거제는 양이온 교환수지 또는 음이온 교환수지 또는 이 두 가지를 혼합한 것이다.
본 발명의 예시적인 구현예에서, 상기 이온 제거제는 연료 혼합 장치의 최하부에 존재하는 격막형 분리판의 격막과 격막 사이에 구비되는 것이다.
본 발명의 예시적인 구현예에서, 상기 이온 제거제는 상기 연료 혼합 장치와 전기 화학 반응 장치를 연결하는 유체 통로의 일부에 설치되는 이온 제거제 담지부에 담지된다.
본 발명의 예시적인 구현예에서, 상기 연료 혼합 장치의 내부 또는 외부에는 액위를 측정하기 위한 액위계가 더 포함된다.
본 발명의 예시적인 구현예에서, 상기 액위계는 부레가 달린 기계식 액위 측정기, 적외선과 같은 빛을 사용한 광선 액위 측정기 또는 연료가 있는 부분과 없는 부분 사이의 저항의 차이를 측정하는 저항 액위 측정기 중의 어느 하나를 사용한다.
본 발명의 예시적인 구현예에서, 연료 혼합 장치는, 상기 액위 측정기로부터 측정된 액위 신호를 캐소드 응축수 펌프에 전달하여 응축수를 보충함으로써 액위를 유지한다.
본 발명의 예시적인 구현예에서, 상기 연료 혼합 장치가 사용되는 전기 화학 반응 장치는 액체 연료를 사용하는 연료전지이다.
본 발명의 구현예들에서는 상기 연료 혼합 장치에 연결된 전기 화학 반응 장치를 제공한다.
본 발명의 구현예들에서는, 상기 연료 혼합 장치를 이용하여 전기 화학 반응 장치에 혼합 연료를 제공하는 방법을 제공한다.
본 발명의 구현예들에 의하면, 전기 화학 반응용 액체 연료 혼합 장치에 있어서, 연료의 혼합 효율을 향상시켜 전기 화학 장치에 공급할 연료의 농도를 균일하게 할 수 있고, 외부로 방출되는 기체 생성물 중에 포함된 액체 연료의 양을 최소화할 수 있으며, 연료 혼합 장치의 부피를 최소화할 수 있고, 또한 연료 혼합 장치의 액위를 일정하게 유지할 수 있는, 연료 혼합 장치, 이를 이용하는 전기 화학 장치 및 해당 전기 화학 장치에 연료를 공급하는 방법과, 상기 연료 혼합 장치에 사용되는 격막형 분리판을 제공한다.
도 1은 본 발명의 예시적인 구현예에서 격막형 분리판 및 이를 통한 유체의 흐름을 도시하는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 예시적인 구현예에서 유체 이동 틈새가 설치된 복수 개의 격막형 분리판들에서 틈새가 서로 일직선상에 놓이지 않도록 격막이 설치된 것을 보여주는 개략도이다.
도 3은 본 발명의 예시적인 구현예에서 분리판의 상하에 격막이 설치된 것을 보여주는 개략도이다.
도 4는 본 발명의 예시적인 구현예에 따른 연료 혼합 장치와 이를 이용하는 전기 화학 반응 장치를 도시하는 개략도이다.
도 5는 본 발명의 예시적인 구현예에 따른 연료 혼합 장치 내부를 도시하는 개략도이다.
도 6은 본 발명의 예시적인 구현예에 있어서 외부 액위계가 설치된 연료 혼합 장치를 나타내는 개략도이다.
이하, 본 발명의 구현예들에 따른 연료 혼합 장치, 이를 이용하는 전기 화학 장치 및 해당 전기 화학 장치에 연료를 공급하는 방법과, 상기 연료 혼합 장치에 사용되는 격막형 분리판을 상세히 설명한다.
본 명세서에서 격막형 분리판이란 분리판 상에 격막이 형성된 분리판을 의미한다.
본 명세서에서 연료 원액이란 연료의 순수한 원액뿐만 아니라 희석되어 농도가 낮추어 지기 전의 고농도의 연료를 포함하는 의미이다.
본 명세서에서 유체란 연료 혼합 장치 내에서 흐르는 기체 또는 액체를 의미한다.
전기 화학 반응 장치에 일정한 농도의 연료를 공급하기 위한 연료 혼합 장치를 제작함에 있어서, 연료 혼합 장치를 하나 이상의 분리판으로 구획하되, 해당 분리판에 격막을 설치하면, 유체의 흐름 시 난류를 형성하여 혼합 효율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 연료 혼합 장치의 부피를 최소화할 수 있다.
이에 본 발명의 구현예들에서는 장치에 공급할 연료를 제공하는 연료 혼합 장치 내에 장착되어 연료 혼합 장치 내부의 공간을 구획하고 유체의 흐름을 가이드하는 분리판으로서, 상기 분리판에 하나 이상의 격막이 분리판으로부터 돌출하여 설치된 격막형 분리판을 제공한다.
도 1은 본 발명의 예시적인 구현예에서 격막형 분리판 및 이를 통한 유체의 흐름을 도시하는 개략도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 예시적인 구현예에서 격막형 분리판(31)에는 하나 이상의 격막(203)이 분리판(31)으로부터 돌출하여 설치되어 있다. 이와 같이 격막(203)이 분리판(31)으로부터 돌출 설치되어 있는 경우에 연료 혼합 장치내를 흐르는 유체는 분리판(31)을 따라 가이드되어 흐르되, 분리판(31)의 격막(203)을 통과하면서 난류를 형성하게 되고, 이에 따라 유체 간 혼합이 원활하게 된다.
즉, 연료 혼합 장치 중의 연료 원액과 물, 기체의 유체들을 균일하게 섞기 위해서는 난류를 형성시켜줘야 하며, 격막(203)이 형성된 분리판(31)은 이에 유리하다.
격막(203)은 인접하는 두 개의 분리판과 분리판 사이에서 격막은 두 분리판의 간격의 5% 이상 내지 100% 미만으로 형성되도록 한다.
도 2는 본 발명의 예시적인 구현예에서 유체 이동 틈새가 설치된 복수 개의 격막형 분리판들에서 틈새가 서로 일직선상에 놓이지 않도록 분리판이 설치된 것을 보여주는 개략도이다. 참고로, 도 2에서 F는 유체의 흐름을 나타낸다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 예시적인 구현예에서, 상기 격막형 분리판의 격막(203)에는 유체의 유동과 혼합을 촉진시키기 위해 유체가 이동할 수 있는 유체 이동 틈새(204)가 추가로 형성될 수 있다. 이와 같은 유체 이동 틈새(204)는 유체가 격막(203)을 통과시 추가적인 유체 흐름(203)을 형성하여 유체의 혼합을 더욱 원활하게 할 수 있다.
또한, 격막형 분리판들을 연료 혼합 장치내에 복수 개 설치하는 경우 격막형 분리판(31)들에서 틈새(204)가 서로 일직선상에 놓이지 않도록 분리판(31)이 설치되도록 하여, 유체의 흐름을 도 2에 도시된 바와 같이 지그 재그로 형성하는 것이 유체의 혼합을 더욱 원활하게 할 수 있으므로 바람직하다.
예시적인 구현예에서, 상기 틈새(204)의 폭은 1 내지 20mm이고, 틈새(204)의 높이는 격막 높이의 5 내지 100%일 수 있다.
도 3은 본 발명의 예시적인 구현예에서 분리판의 상하에 격막이 설치된 것을 보여주는 개략도이다.
도 3의 가운데 분리판에 도시된 바와 같이, 격막(203)은 분리판(31)의 일측면 뿐만 아니라 양측면에도 형성될 수 있다. 이에 따라, 도 3에 도시된 바와 같이, 인접하는 두 개의 분리판과 분리판 사이에서 격막은 상측 분리판과 하측 분리판에 교대로 돌출하여 설치될 수 있다. 이 구조에 의하면 유체가 정체됨이 없이 난류를 더 크게 형성시키면서 흘러가도록 할 수 있다.
이상과 같은 격막(203)이 돌출된 분리판(31)은 연료 혼합 장치 내에서 하나 이상 구비되어 연료 혼합 장치 내의 구간을 구획한다.
도 4는 본 발명의 예시적인 구현예에 따른 연료 혼합 장치와 이를 이용하는 전기 화학 반응 장치를 도시하는 개략도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 예시적인 구현예에 따른 연료 혼합 장치(2)는 전기 화학 반응 장치에 공급할 연료를 제공하는 연료 혼합 장치로서, 상기 연료 혼합 장치(2)에는 연료 원액 저장고(1)로부터 펌프(11)를 통하여 연료 원액이 공급되고, 전기 화학 반응 장치(3)의 애노드에서 유출된 미반응 연료(B)가 공급되고, 전기 화학 반응 장치(3)의 캐소드에서 생성된 물(W)이 회수되어 응축수 저장고(4)를 거쳐서 펌프(13)를 이용하여 공급된다. 이 연료 혼합 장치(2)에는 원하는 농도를 가지도록 희석된 연료가 저장되며, 이 희석 연료가 연료 펌프(16)에 의해 전기 화학 장치(예컨대 연료 전지)(3)의 애노드로 공급되는 것이다(도 4의 23번은 애노드 입구).
전기 화학 장치의 캐소드로는 예컨대 공기 블로워(17)에 의해 공기(A)가 주입된다. 전기 화학 장치의 반응이 완료된 후 미반응 연료는 애노드 출구(21)로 배출되어 애노드 열교환기(14)를 거쳐 연료 혼합 장치(2)로 순환되며, 연료 혼합 장치(2)에서는 연료 원액 저장고(1)에 있던 고농도 연료원액과 캐소드의 응축수 저장고(15)에 있던 물이 공급되어 희석연료의 농도를 보정하게 된다.
캐소드에서 유출되는 공기 중에는 미반응 산소와 물이 포함되어 있는데, 물은 캐소드 열교환기(15)에서 응축되어 응축수 저장고(4)에 저장된다. 참고로, 도 4에서 24번은 캐소드 입구이고, 22번은 캐소드 출구이다.
상기 응축수는 물펌프(13)에 의해 연료 혼합 장치(2)에 공급된다. 애노드 출구(21)에서 배출되는 미반응 연료에는 연료전지 반응에서 생성된 기체(예컨대 직접메탄올 연료전지의 경우 이산화탄소)가 포함되어 있는데, 미반응 연료가 연료 혼합 장치에 주입되면 액체 연료는 아래로 떨어져 격막이 달린 분리판(31)을 따라 아래로 흘러 내려가고, 해당 기체(예컨대 이산화탄소)는 위로 상승하여 촉매 담지부(12)를 통해 외부로 방출된다.
상기 기체(예컨대 이산화탄소)는 격막이 달리 분리판(31)을 따라 상부로 올라가면서 반대방향으로 내려오는 물과 접촉하게 되어 해당 기체(예컨대 이산화탄소)에 포함되어 있는 미반응 연료(예컨대 메탄올) 중 일부가 물에 의해 흡수되어 제거된다.
상기 기체(예컨대 이산화탄소)에 남아 있는 미반응 연료(예컨대 메탄올)은 촉매 담지부(12)를 통과하면서 촉매에 의해 제거된다.
도 5는 본 발명의 예시적인 구현예에 따른 연료 혼합 장치 내부를 도시하는 개략도이다. 참고로, 도 5는 유체 이동 통로를 표시하기 위한 편의상 격막의 도시를 생략하였으나, 도 5의 분리판에도 격막이 형성됨은 물론이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 상기 연료 혼합 장치(2) 내에는 앞서 설명한 바와 같은 격막형 분리판(31)이 하나 이상 장착되어 연료 혼합 장치(2) 내를 구획하고, 연료 혼합 장치(2) 내의 유체의 흐름을 가이드한다. 참고로, 도 5에서 SD는 액체(예컨대 메탄올) 센서이고, 104번은 응축수 유입구이며, 12번은 기체(예컨대 이산화탄소) 배출구이다. 103번은 원액 주입구이다.
예시적인 구현예에서, 격막형 분리판과 격막형 분리판의 간격은 1 내지 500mm이다.
예시적인 구현예에서, 상기 격막형 분리판(31)에는 유체가 하부 또는 상부로 통과하기 위한 유체 이동 통로(105)가 설치되어 있고, 인접하는 두 개의 격막형 분리판에는 상기 유체 이동 통로(105)가 서로 반대 방향으로 설치되어 있으며, 연료 혼합 장치(2) 내의 유체는 상기 반대 방향에 설치된 유체 투과 통로(105)를 따라서 지그 재그로 연료 혼합 장치 내를 흐른다. 단, 도 5에 도시된 바와 같이, 격막형 분리판과 격막형 분리판 사이의 구획 중 미반응 연료가 유입되는 유입구(102)가 있는 구획에서는 유체 이동 통로가 서로 같은 방향에 설치될 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 유체 이동 통로(105)는 하나의 분리판에 복수 개 형성되며, 원형, 타원형, 직사각형 등 다양한 형태로 만들 수 있다.
유체 이동 통로(105)의 면적의 총 합은 하나의 분리판 전체 면적의 1/2 이하이고, 바람직하게는 1/5 이하이다. 또한, 예시적인 구현예에서, 상기 유체 이동 통로(105)의 전체 면적은 미반응 연료가 유입되는 유입구 단면적의 1 내지 30배, 바람직하게는 10배이다.
예시적인 구현예에서, 인접하는 두 개의 분리판과 분리판의 간격은 2 내지 200mm이고, 인접하는 두 개의 분리판과 분리판 사이에서 격막은 두 분리판의 간격의 5% 이상 내지 100% 미만으로 형성된다.
도 4를 다시 참조하면, 상기 연료 혼합 장치(2)는 미반응 연료(B)가 유입되는 유입구를 기준으로 상부(U) 및 하부(L)의 두 구간으로 나누어질 수 있다.
상부(U)의 구간에서 미반응 연료 중의 기체는 하나 이상의 격막형 분리판을 따라서 연료 혼합 장치(2)의 아래에서 위쪽 방향으로 지그 재그로 이동하고, 캐소드로부터의 응축수(W)는 하나 이상의 격막형 분리판을 따라서 연료 혼합 장치(2)의 위에서 아래쪽 방항으로 지그 재그로 이동하며, 상기 기체와 상기 응축수가 상호 접촉하며, 상기 기체에 포함된 미반응 연료가 상기 응축수에 흡수되어 제거된다.
또한, 하부(L)의 구간에서 상기 미반응 연료를 흡수한 응축수, 미반응 연료 중의 액체 및 연료 원액은 서로 혼합되어 하나 이상의 격막형 분리판을 따라서 연료 혼합 장치(2)의 출구로 이동한다.
예시적인 구현예에서, 상기 응축수(W)와 접촉한 기체는 연료 혼합 장치(2)로부터 배출되기 전, 상기 기체 중에 남아 있는 미반응 연료를 추가로 제거하기 위한 연료 산화 촉매를 담지하는 촉매 담지부(12)를 지난다.
예시적인 구현예에서, 상기 촉매는 금속 촉매를 사용하는데, 상기 촉매는 금속 촉매 입자가 담체에 분산되어 도포되어 있는 형태의 것을 사용할 수 있다. 상기 금속 촉매로는 백금, 팔라듐, 철, 코발트, 루테늄, 주석, 텅스텐, 니켈 등이 하나 또는 하나 이상 포함된 금속 또는 합금을 사용할 수 있다. 상기 담체는 예컨대 다공성의 세라믹 담체로서, 알루미나, 실리카, 지올라이트, 클레이, 타이타니아, 지르코니아, 산화철 및 세리아로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 담체일 수 있다. 상기 담체는 분말, 구슬, 펠렛 형태를 가질 수 있다. 또한, 비제한적인 예시에서, 상기 담체에 담지되어 있는 금속 촉매의 양은 무게비로 0.1 내지 100 중량부이다.
예시적인 구현예에서, 상기 연료 혼합 장치(2)의 하부에는 유체 출구(106)가 형성되고, 혼합 연료는 상기 유체 출구로 나가기 전, 또는 출구로 나간 후 전기 화학 반응 장치로 공급되기 전, 또는 상기 유체 출구로 나가기 전 및 출구로 나간 후 전기 화학 반응 장치로 공급되기 전 모두에서 불순물을 제거할 수 있는 이온 제거제를 통과할 수 있다.
즉, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 이온 제거제(13)는 연료 혼합 장치의 최하부에 존재하는 격막형 분리판의 격막과 격막 사이에 구비되는 것이다. 또는 상기 이온 제거제는 카트리지 형태의 통에 담겨서 연료 혼합 장치의 하부에 설치될 수 있다. 또는, 상기 이온 제거제는 상기 연료 혼합 장치와 전기 화학 반응 장치를 연결하는 유체 통로의 일부에 설치되는 이온 제거제 담지부(도시하지 않음; 예컨대 이온 제거제 담지 통 또는 관)에 담지될 수 있다. 연료는 이와 같이 이온 제거제를 통과함으로써, 연료 중에 포함되어 있는 불순물 이온이 제거될 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 이온 제거제는 양이온 교환수지 또는 음이온 교환수지 중 하나를 단독으로 또는 두 가지를 혼합하여 사용할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 연료 혼합 장치의 내부(도 5의 101 참조) 또는 외부에는 액위를 측정하기 위한 액위 측정기가 더 포함될 수 있다. 상기 액위 측정기에는 전기 스위치 또는 전기신호발생기가 연결되어 있어서 연료와 물의 보충을 원활하게 할 수 있다.
비제한적인 예시에서, 상기 액위 측정기로는 부레가 달린 기계식 액위 측정기, 적외선과 같은 빛을 사용한 광선 액위 측정기 또는 연료가 있는 부분과 없는 부분 사이의 저항의 차이를 측정하는 저항 액위 측정기 중의 어느 하나를 사용할 수 있다.
연료 혼합 장치(2)는 상기 액위 측정기로부터 측정된 액위 신호를 캐소드 응축수 펌프에 전달하여 응축수를 보충함으로써 액위를 유지할 수 있다.
도 6은 본 발명의 예시적인 구현예에 있어서 외부 액위계가 설치된 연료 혼합 장치를 나타내는 개략도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 광선 액위 측정기를 설치하기 위해서는 외부에 액위관(201)을 설치하고, 여기에 광선 센서를 사용한 액위 측정기(202)를 달아서 연료의 액위를 측정할 수 있다.
광선 센서는 적어도 3개의 위치에서 액위를 측정하도록 되어 있다. 도 6에서 a는 목표 액위이고, b는 최고 액위, c는 최저 액위를 가리킨다. 액위가 a보다 낮으면 물펌프(13)가 작동하여 응축수저장고(4)로부터 물을 연료 혼합 장치 내로 공급하게 되고, a보다 높으면 물펌프의 작동이 멈춘다. 액위가 상승하여 b에 도달하거나, 하강하여 c에 도달하면 전기 화학 장치(예컨대 연료전지) 운전에 문제가 있는 것이므로 전기 화학 장치(예컨대 연료전지) 운전을 멈추고, 전체 전원을 차단하게 된다.
본 발명의 구현예들에 따른 연료 혼합 장치는 전기 화학 장치 예컨대 직접메탄올연료전지, 포름산연료전지, 알콜연료전지, 알카리연료전지, 에탄올연료전지 등 액체 연료를 사용하는 연료전지의 연료 혼합 장치로 사용이 가능하다.
또한, 본 발명의 구현예들에서는 상기 연료 혼합 장치를 이용하여 전기 화학 반응 장치에 혼합 연료를 제공하는 방법을 제공한다.

Claims (17)

  1. 전기 화학 반응 장치에 공급할 연료를 제공하는 연료 혼합 장치 내에 장착되어 연료 혼합 장치 내부의 공간을 구획하고 유체의 흐름을 가이드하는 분리판으로서,
    상기 분리판에는 하나 이상의 격막이 분리판으로부터 돌출하여 설치된 것을 특징으로 하는 격막형 분리판.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 격막형 분리판의 격막에는 유체가 이동할 수 있는 유체 이동 틈새가 형성되는 것을 특징으로 하는 격막형 분리판.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 격막은 분리판의 일측면 또는 양측면에 형성되는 것을 특징으로 하는 격막형 분리판.
  4. 전기 화학 반응 장치에 공급할 연료를 제공하는 연료 혼합 장치로서,
    상기 연료 혼합 장치에는 연료 원액이 공급되고, 전기 화학 반응 장치의 애노드에서 유출된 미반응 연료가 공급되고, 전기 화학 반응 장치의 캐소드에서 생성된 물이 회수되어 응축수로 공급되며,
    상기 연료 혼합 장치 내에는 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 따른 격막형 분리판이 하나 이상 장착되고,
    상기 격막형 분리판은 연료 혼합 장치 내의 유체의 흐름을 가이드하는 것을 특징으로 하는 연료 혼합 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 격막형 분리판에는 유체가 하부 또는 상부로 통과하기 위한 유체 이동 통로가 설치되어 있고,
    인접하는 두 개의 격막형 분리판에는 상기 유체 이동 통로가 서로 반대 방향으로 설치되어 있으며,
    연료 혼합 장치 내의 유체는 상기 유체 투과 통로를 따라서 지그 재그로 연료 혼합 장치 내를 흐르는 것을 특징으로 하는 연료 혼합 장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    인접하는 두 개의 분리판과 분리판 사이에서 격막은 상측 분리판과 하측 분리판에 교대로 돌출하여 설치되는 것을 특징으로 하는 연료 혼합 장치.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 격막형 분리판의 격막에는 유체가 이동할 수 있는 유체 이동 틈새가 형성되는 것이고, 인접한 두 개의 분리판의 격막에 형성된 틈새들은 서로 일직선상에 존재하지 않도록 형성된 것을 특징으로 하는 연료 혼합 장치.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 연료 혼합 장치는 미반응 연료가 유입되는 유입구를 기준으로 상부 및 하부의 두 구간으로 나누어지고,
    상부의 구간에서 미반응 연료 중의 기체는 하나 이상의 격막형 분리판을 따라서 연료 혼합 장치의 아래에서 위쪽 방향으로 지그 재그로 이동하고, 캐소드로부터의 응축수는 하나 이상의 격막형 분리판을 따라서 연료 혼합 장치의 위에서 아래쪽 방항으로 지그 재그로 이동하며, 상기 기체와 상기 응축수가 상호 접촉하며, 상기 기체에 포함된 미반응 연료가 상기 응축수에 흡수되어 제거되는 것을 특징으로 하는 연료 혼합 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 연료 혼합 장치의 하부의 구간에서 상기 미반응 연료를 흡수한 응축수, 미반응 연료 중의 액체 및 연료 원액이 혼합되어 하나 이상의 격막형 분리판을 따라서 이동하는 것을 특징으로 하는 연료 혼합 장치.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 응축수와 접촉한 기체는 연료 혼합 장치로부터 배출되기 전, 상기 기체 중에 남아 있는 미반응 연료를 추가로 제거하기 위한 연료 산화 촉매를 담지하는 촉매 담지부를 지나는 것을 특징으로 하는 연료 혼합 장치.
  11. 제 4 항에 있어서,
    상기 연료 혼합 장치의 하부에는 액체 출구가 형성되고, 혼합 연료는 상기 액체 출구로 나가기 전, 또는 출구로 나간 후 전기 화학 반응 장치로 공급되기 전, 또는 상기 액체 출구로 나가기 전 및 출구로 나간 후 전기 화학 반응 장치로 공급되기 전 모두에서 불순물을 제거할 수 있는 이온 제거제를 통과하는 것을 특징으로 하는 연료 혼합 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 이온 제거제는 양이온 교환수지 또는 음이온 교환수지 중 하나 또는 둘인 것을 특징으로 하는 연료 혼합 장치.
  13. 제 4 항에 있어서,
    상기 연료 혼합 장치의 내부 또는 외부에는 액위를 측정하기 위한 액위 측정기가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 연료 혼합 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 액위 측정기는 부레가 달린 기계식 액위 측정기, 광선을 사용한 광선 액위 측정기 또는 연료가 있는 부분과 없는 부분 사이의 저항의 차이를 측정하는 저항 액위 측정기 중의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 연료 혼합 장치.
  15. 제 4 항에 따른 연료 혼합 장치에 연결된 것을 특징으로 하는 전기 화학 반응 장치.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 전기 화학 반응 장치는 직접메탄올연료전지, 포름산연료전지, 알코올연료전지, 알카리연료전지 또는 에탄올연료전지인 것을 특징으로 하는 전기 화학 반응 장치.
  17. 제 4 항에 따른 연료 혼합 장치를 이용하여 전기 화학 반응 장치에 혼합 연료를 제공하는 방법.
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