KR20040000556A - Ｂ화합물을 연료로 하는 연료전지의 연료탱크 - Google Patents

Abstract

본 발명 B화합물을 연료로 하는 연료전지의 연료탱크는 상부에 공급관(101)이 연결되고 하부에 유입관(102)이 연결되며 수용액 상태의 B화합물을 저장할 수 있도록 내부에 일정크기의 공간부(103)를 가지는 탱크본체(110)와, 그 탱크본체(110)의 내부에 배치되며 항상 비중이 BO₂에 비하여 낮은 BH₄ ^-의 수면에 띄워지는 플로트(111)와, 그 플로트(111)에 하단부가 결합되고 상단부는 공급관(101)에 연결되는 플렉시블 튜브(112)로 구성되어, 탱크본체(110)의 내측에서 비중차이로 층분리되는 BH₄ ^-와 BO₂중 BH₄ ^-가 주로 스택(10)에 공급되어 지도록 함으로써, 급격한 농도변화로 인한 성능저하 현상이 발생되는 것을 방지할 수 있다.

Description

Ｂ화합물을 연료로 하는 연료전지의 연료탱크{FUEL TANK FOR FUEL CELL}

본 발명은 외부로 부터 공급되는 연료와 공기의 전기화학반응을 통하여 전기를 생성하는 연료전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 항상 적정 농도의 BH₄ ^-가 막힘이 없이 원할하게 스택에 공급되도록 한 B화합물을 연료로 하는 연료전지의 연료탱크에 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 있으며, 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 고체상태의 BH₄ ^-를 수용액 상태로 만들어 직접 연료로 사용하는 BFC방식으로 사용되어진다.

상기 BFC방식의 연료전지는 개질기를 사용하지 않고 발전장치인 스택(STACK)의 양극에 수용액상태의 BH₄ ^-를 직접 공급하는 방식으로 전극에서 개질반응이 일어나기 때문에 개질기가 불필요하게 되어 전체 시스템을 간소화 시킬 수 있다는 큰 장점이 있다.

그러나, 상기와 같은 종래의 BH₄ ^-를 사용하는 연료전지에서는 연료탱크에 저장되어 있는 수용액 상태의 BH₄ ^-중에는 스택에서 공기와 반응 후 회수된 BO₂도 함께 혼합되어 있는데, 그 BO₂는 BH₄ ^-에 비하여 비중이 커서 연료탱크의 하측에 많이 존재하므로, 연료탱크를 교체한 후 일정시간이 경과되면 연료탱크의 저부에 존재하는 BO₂가 하측에 연결된 연료공급관을 통하여 스택으로 많이 공급되면서 발전효율을 저하시키는 문제점이 있었다.

또한, 상술한 바와 같이 연료탱크의 저부에 존재하는 BO₂는 시간이 지나고 점차적으로 농도가 증가함에 따라 겔(GEL)화 되면서 하측의 공급부 관로가 막히는 문제점이 있었다.

본 발명의 주목적은 상기와 같은 여러 문제점을 갖지 않는 B화합물을 연료로 하는 연료전지의 연료탱크를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 일정시간이 경과되어도 연료탱크에서 BO₂가 스택에주로 공급되어 발전성능이 급격히 저하되는 것을 방지하도록 하는데 적합한 B화합물을 연료로 하는 연료전지의 연료탱크를 제공함에 있다.

본 발명의 또다른 목적은 BO₂에 의하여 연료탱크의 흡입구 관로가 막히는 것을 방지하여 스택에 연료의 공급이 항상 원할하게 이루어지도록 하는데 적합한 B화합물을 연료로 하는 연료전지의 연료탱크를 제공함에 있다.

도 1은 본 발명의 연료탱크가 구비된 B화합물을 연료로 하는 연료전지를 보인 개략구성도.

도 2는 본 발명에 따른 스택의 단일셀구조를 나타내는 단면도.

도 3은 본 발명에 따른 연료탱크를 보인 종단면도.

도 4는 본 발명에 따른 연료탱크의 변형예를 보인 종단면도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 스택 22 : 양극

23 : 음극 101 : 공급관

102 : 유입관 103 : 공간부

110 : 탱크본체 111 : 플로트

112 : 플렉시블 튜브

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 연료탱크에 저장된 B화합물을 스택의 양극에 공급하고, 공기를 스택의 음극에 공급하며, 그 공급되는 B화합물과 공기의 화학반응으로부터 기전력을 얻는 연료전지에 있어서,

상기 연료탱크는 상부에 공급관이 연결되고 하부에 유입관이 연결되며 수용액 상태의 B화합물을 저장할 수 있도록 내부에 일정크기의 공간부를 가지는 탱크본체와,

그 탱크본체의 내부에 배치되며 항상 비중이 BO₂에 비하여 낮은 BH₄ ^-의 수면에 띄워지는 플로트와,

그 플로트에 하단부가 결합되고 상단부는 공급관에 연결되는 플렉시블 튜브를 구비하여 구성되는 것을 특징으로 하는 B화합물을 연료로 하는 연료전지의 연료탱크가 제공된다.

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

도 1은 본 발명의 연료탱크가 구비된 B화합물을 연료로 하는 연료전지를 보인 개략구성도이다.

도시된 바와 같이, 연료전지(1)의 전체 구성은 전기를 발생하는 스택(10)의 일측에 수용액 상태의 BH₄ ^-를 저장하기 위한 연료탱크(100)가 구비되어 있는데, 그 연료탱크(100)와 스택(10)의 양극에는 연료공급라인(30)과 연료회수라인(40)으로 연결되어 있으며, 그 연료공급라인(30)에는 연료를 펌핑하기 위한 연료펌프(300)가 설치되어 있다.

그리고, 상기 스택(10)의 음극에는 공기공급라인(50)과 공기배출라인(60)이 설치되어 있는데, 그 공기공급라인(50)에는 공급되는 공기를 펌핑하기 위한 공기펌프(70)가 설치되어 있다.

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.

상기 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.

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

상기 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 연료탱크(100)는 도 3에 도시된 바와 같이, 상부에 공급관(101)이 연결되고 하부에 유입관(102)이 연결되며 수용액 상태의 BH₄ ^-를 저장할 수 있도록 내부에 일정크기의 공간부(103)를 가지는 탱크본체(110)와, 그 탱크본체(110)의 내부에 배치되며 항상 비중이 BO₂에 비하여 낮은 BH₄ ^-의 수면에 띄워지는 플로트(111)와, 그 플로트(111)에 하단부가 결합되고 상단부는 공급관(101)에 연결되는 플렉시블 튜브(112)로 구성되어 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 연료탱크를 구비한 연료전지의 작용효과를 설명한다.

조작자가 연료전지(1)의 스위치를 조작하면 전자제어부(미도시)에서 미리 설정된 제어 프로그램에 따라 연료펌프(300)를 동작시켜서 연료탱크(100)에 저장되어 있는 수용액 상태의 BH₄ ^-를 연료공급라인(30)을 통하여 스택(10)의 양극에 공급함과 동시에 공기펌프(70)를 동작시켜서 공기공급라인(50)을 통하여 스택(10)의 음극으로 공기가 공급되도록 한다.

상기와 같이 스택(10)에 공급되는 수용액상태의 BH₄ ^-는 연료가스 유로홈(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.

이때의 반응식은 다음과 같다.

BH₄ ^-+ 2O₂→2H₂O + BO₂ ^-E₀= 1.64 V

그리고, 상기와 같이 스택(10)으로 공급되어 반응하고난 후의 BH₄ ^-, BO₂, 2H₂O의 혼합액은 연료회수라인(40)을 통하여 회수되며, 그와 같이 회수되는 연료혼합액은 탱크본체(110)의 하측에 설치된 유입관(102)을 통하여 탱크본체(110)의 내측으로 유입되어진다.

또한, 상기와 같이 탱크본체(110)의 내측으로 유입된 BH₄ ^-, BO₂, 2H₂O의 혼합액은 탱크본체(110)내에서 비중이 높은 BO₂ ^-의 상부에 상대적으로 비중이 낮은 BH₄ ^-가 위치되도록 분리되어지는데, 그와 같이 분리되는 BH₄ ^-의 상측에는 수면을 따라 플로트(111)가 부유되어지며, 그 플로트(111)에 하단부가 결합된 플렉시블 튜브(112)의 하단부에서 BH₄ ^-만을 흡입하여 공급관(101)을 통하여 다시 스택(10)으로 공급하게 된다.

즉, 상기와 같이 연료탱크(100)에서 스택(10)에 공급되어지는 연료는 주로 농도가 높은 BH₄ ^-가 공급되어지기 때문에 연료전지(1)의 동작시 급격한 농도변화로 성능이 저하되는 것이 방지되어 진다.

도 4는 본 발명에 따른 연료탱크의 변형예를 보인 종단면도로서, 도시된 바와 같이, 기본적인 구조는 도 3의 연료탱크 구조와 동일하며, 다만 스택(10)에서 반응을 하고난 후의 BH₄ ^-, BO₂, 2H₂O의 혼합액이 유입되는 유입관(102)을 탱크본체(110)의 측면 일정 높이에 설치하여, BO₂가 겔화되어 유입관(102)이 막히는 것이 방지되도록 되어 있다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 B화합물을 연료로 하는 연료전지의 연료탱크는 탱크본체의 내측에 플로트를 설치하고, 그 플로트에 하단부가 고정되도록 플렉시블 튜브를 설치하여, 탱크본체의 내측에서 비중차이로 층분리되는 BH₄ ^-와 BO₂중 BH₄ ^-가 주로 스택에 공급되도록 함으로써, 급격한 농도변화로 인한 성능저하현상이 발생되는 것을 방지하는 효과가 있다.

또한, 연료탱크 내에서 상측에 분리되는 농도가 낮은 BH₄ ^-만을 탱크본체의 상측에 설치된 공급관을 통하여 공급하기 때문에 농도증가나 겔화에 의한 공급관의 막힘이 발생되는 것을 방지하는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 연료탱크에 저장된 B화합물을 스택의 양극에 공급하고, 공기를 스택의 음극에 공급하며, 그 공급되는 B화합물과 공기의 화학반응으로부터 기전력을 얻는 연료전지에 있어서,

   상기 연료탱크는 상부에 공급관이 연결되고 하부에 유입관이 연결되며 수용액 상태의 B화합물을 저장할 수 있도록 내부에 일정크기의 공간부를 가지는 탱크본체와,

   그 탱크본체의 내부에 배치되며 항상 비중이 BO₂에 비하여 낮은 BH₄ ^-의 수면에 띄워지는 플로트와,

   그 플로트에 하단부가 결합되고 상단부는 공급관에 연결되는 플렉시블 튜브를 구비하여 구성되는 것을 특징으로 하는 B화합물을 연료로 하는 연료전지의 연료탱크.
2. 제 1항에 있어서, 상기 유입관은 탱크본체의 측면 일정 높이에 설치되는 것을 특징으로 하는 B화합물을 연료로 하는 연료전지의 연료탱크.