KR100684806B1

KR100684806B1 - 직접 산화형 연료 전지용 이산화탄소 제거장치 및 이를포함하는 연료 전지 시스템

Info

Publication number: KR100684806B1
Application number: KR1020050110161A
Authority: KR
Inventors: 조은숙; 요시다야스키; 홍명자
Original assignee: 삼성에스디아이 주식회사
Priority date: 2005-11-17
Filing date: 2005-11-17
Publication date: 2007-02-20
Anticipated expiration: 2025-11-17
Also published as: US20070111077A1

Abstract

본 발명의 실시예에 따른 직접 산화형 연료 전지용 이산화탄소 제거장치는, 연료 및 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 연료전지 본체로부터 미반응 연료와 함께 배출되는 이산화탄소를 제거하기 위한 것으로서,

상기 미반응 연료 및 상기 이산화탄소의 흐름을 가능케 하는 도관 형태로서 상기 연료전지 본체에 연결되게 설치되며 상기 이산화탄소를 배출시키기 위한 복수의 통기공들을 형성하는 유로부재와, 상기 통기공들을 막도록 상기 유로부재에 형성되어 상기 미반응 연료와 상기 이산화탄소를 분리시키고 상기 이산화탄소 만을 상기 통기공들로 통과시키는 필터부재와, 상기 미반응 연료를 흡수하는 다공성을 지니면서 상기 유로부재의 내부에 설치되는 적어도 하나의 흡수부재를 포함한다.

연료전지, 본체, 믹스탱크, 이산화탄소, 제거장치, 유로부재, 필터부재, 흡수부재, 도관

Description

직접 산화형 연료 전지용 이산화탄소 제거장치 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템 {CARBON DIOXIDE REMOVER FOR DIRECT OXYDATION FUEL CELL AND FUEL CELL SYSTEM WITH THE SAME}

도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.

도 2는 도 1에 도시한 연료전지 본체의 구성을 나타내 보인 분해 사시도이다.

도 3은 본 발명에 따른 이산화탄소 제거장치의 예시적인 실시예를 개략적으로 도시한 부분 사시도이다.

도 4는 도 3의 단면 구성도이다.

도 5는 본 발명에 따른 이산화탄소 제거장치의 예시적인 다른 실시예를 도시한 단면 구성도이다.

도 6은 본 발명에 따른 이산화탄소 제거장치의 예시적인 또 다른 실시예를 도시한 단면 구성도이다.

본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxydation Fuel Cell) 방식으로 구성되는 연료 전지 시스템에 관한 것이다.

알려진 바와 같이, 연료 전지(Fuel Cell)는 탄화수소 계열의 연료에 함유되어 있는 수소와, 별도로 공급되는 산소의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템으로서 구성된다.

이러한 연료 전지는 크게, 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC)와, 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxydation Fuel Cell)(당 업계에서는 통상적으로 "직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC)" 라고도 한다.)로 구분될 수 있다.

고분자 전해질형 연료 전지는 스택(stack)이라 불리는 연료 전지 본체(이하에서는, 편의상 "스택" 이라 한다)로서 구성되며, 개질기로부터 공급되는 수소 가스와, 공기펌프 또는 팬의 가동에 의해 공급되는 공기의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 구조로 이루어진다. 여기서 개질기는 연료를 개질하여 이 연료로부터 수소 가스를 발생시키고, 이 수소 가스를 스택으로 공급하는 연료처리장치로서의 기능을 한다.

직접 산화형 연료 전지는 고분자 전해질형 연료 전지와 달리, 수소 가스를 사용하지 않고 연료인 알코올류를 직접적으로 제공받아 이 연료 중에 함유된 수소와, 별도로 공급되는 공기의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 구조로서 이루어진다.

한편, 이와 같은 직접 산화형 연료 전지 방식을 이용하여 구성되는 연료 전지 시스템에 있어, 직접 산화형 연료전지는 이의 작용시 연료의 산화 반응에 의해 생성되는 이산화탄소, 및 연료전지에서 반응하고 남은 미반응 연료를 배출시키게 되는 바, 이러한 이산화탄소를 제거하고 미반응 연료를 재사용할 수 있는 리사이클링 시스템(recycling system)으로서 구성된다.

이를 위해 상기한 리사이클링 시스템은 연료전지로부터 배출되는 미반응 연료와 이산화탄소를 수용하면서 이산화탄소를 제거하고 미반응 연료를 연료전지로 리사이클링시키기 위한 이산화탄소 제거장치를 구비하고 있다.

그런데 이와 같은 종래의 연료 전지 시스템에 있어, 이산화탄소 제거장치는 연료전지로부터 배출되는 미반응 연료와 이산화탄소를 수용하는 케이스 형태의 용기를 별도로 구비하는 바, 이 용기를 설치함에 따라 전체 시스템의 구조가 복잡해지고, 용기를 설치하기 위한 별도의 설치 공간이 필요하게 되므로 전체 시스템의 크기를 컴팩트하게 구현하지 못하게 되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 그 목적은 간단한 구조로서 별도의 설치 공간을 필요로 하지 않는 직접 산화형 연료 전지용 이산화탄소 제거장치 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템을 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 직접 산화형 연료 전지용 이산화탄소 제거장치는, 연료 및 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 연료전지 본체로부터 미반응 연료와 함께 배출되는 이산화탄소를 제거하기 위한 것으로서, 상기 미반응 연료와 상기 이산화탄소를 유동시키는 유동 경로에 형성되어 상기 이산화탄소를 상기 유동 경로 외측으로 배출시키는 이산화탄소 제거부를 포함한다.

상기 직접 산화형 연료 전지용 이산화탄소 제거장치에 있어서, 상기 이산화탄소 제거부는 상기 미반응 연료와 상기 이산화탄소를 분리하여 상기 이산화탄소 만을 통과시키는 필터부재를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 예시적인 다른 실시예에 따른 직접 산화형 연료 전지용 이산화탄소 제거장치는, 연료 및 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 연료전지 본체로부터 미반응 연료와 함께 배출되는 이산화탄소를 제거하기 위한 것으로서, 상기 미반응 연료 및 상기 이산화탄소의 흐름을 가능케 하는 도관 형태로서 상기 연료전지 본체에 연결되게 설치되며 상기 이산화탄소를 배출시키기 위한 복수의 통기공들을 형성하는 유로부재와, 상기 통기공들을 막도록 상기 유로부재에 형성되어 상기 미반응 연료와 상기 이산화탄소를 분리시키고 상기 이산화탄소 만을 상기 통기공들로 통과시키는 필터부재와, 상기 미반응 연료를 흡수하는 다공성을 지니면서 상기 유로부재의 내부에 설치되는 적어도 하나의 흡수부재를 포함한다.

상기 직접 산화형 연료 전지용 이산화탄소 제거장치에 있어서, 상기 필터부재는 상기 통기공들을 막도록 상기 유로부재의 외주면에 형성될 수 있다.

상기 직접 산화형 연료 전지용 이산화탄소 제거장치에 있어서, 상기 필터부재는 상기 통기공들을 막도록 상기 유로부재의 내주면에 형성될 수도 있다.

상기 직접 산화형 연료 전지용 이산화탄소 제거장치에 있어서, 상기 필터부재는 소수성을 지니면서 상기 통기공들을 막도록 상기 통기공들에 매립되게 형성될 수도 있다.

상기 직접 산화형 연료 전지용 이산화탄소 제거장치에 있어서, 상기 필터부재는 소수성을 지니면서 막 형태로서 구비될 수 있다. 이 경우 상기 필터부재는 불소계수지로서 형성되는 바, 이 불소계수지는 폴리비닐리덴 플루오라이드, 플루오로에틸렌프로필렌, 폴리테트라플루오로에틸렌, 플루오리네이티드 에틸렌 프로필렌, 폴리클로로트리플루오로에틸렌 및 플루오로에틸렌 폴리머 군에서 선택되는 어느 하나로서 형성될 수 있다.

상기 직접 산화형 연료 전지용 이산화탄소 제거장치에 있어서, 상기 흡수부재는 세라믹, 발포성 스폰지 및 메탈 폼으로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나의 다공성 매질로서 형성될 수 있다.

상기 직접 산화형 연료 전지용 이산화탄소 제거장치에 있어서, 상기 유로부재는 상기 연료전지 본체에 연결되면서 상기 통기공들을 형성하는 제1 부분과, 상기 제1 부분을 제외한 나머지의 제2 부분으로서 구성될 수 있다. 이 경우 상기 흡수부재는 상기 유동 경로를 차단하면서 상기 제2 부분의 내부에 설치될 수 있다.

또한, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템은, 연료 및 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 연료전지 본체와, 상기 연료와 물을 혼합한 혼합연료를 저장하면서 상기 혼합연료를 상기 연료전지 본체로 공급하기 위한 믹스 탱크와, 상기 산소를 상기 연료전지 본체로 공급하기 위한 산소 공급원과, 상 기 연료전지 본체와 상기 믹스 탱크에 연결되게 설치되어 상기 연료전지 본체로부터 미반응 혼합연료와 함께 배출되는 이산화탄소를 제거하면서 상기 미반응 혼합연료를 상기 믹스 탱크로 공급하기 위한 이산화탄소 제거장치를 포함하며, 상기 이산화탄소 제거장치는 상기 미반응 혼합연료와 상기 이산화탄소의 유동 경로를 형성하는 도관 형태로서 구비되며, 상기 유동 경로에 형성되어 상기 미반응 혼합연료와 상기 이산화탄소를 분리시키면서 상기 이산화탄소를 상기 유동 경로의 외측으로 배출시키는 필터부재를 포함한다.

상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 이산화탄소 제거장치는 상기 이산화탄소를 배출시키기 위한 복수의 통기공들을 가지면서 상기 유동 경로를 형성하는 유로부재와, 상기 미반응 혼합연료를 흡수하는 다공성을 지니면서 상기 유로부재 내부에 설치되는 흡수부재를 포함할 수 있다.

상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 유로부재는 상기 연료전지 본체에 연결되면서 상기 통기공들을 형성하는 제1 부분과, 상기 믹스 탱크에 연결되면서 상기 제1 부분을 제외한 나머지의 제2 부분으로서 구성될 수 있다. 이 경우 상기 흡수부재는 상기 유동 경로를 차단하면서 상기 제2 부분의 내부에 설치될 수 있다.

상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 필터부재는 상기 통과공들을 막도록 상기 유로부재에 형성될 수 있다. 이 경우 상기 필터부재는 막 형태로서 상기 유로부재의 외주면에 형성될 수 있으며, 막 형태로서 상기 유로부재의 내주면에 형성될 수도 있으며, 상기 통기공들에 매립되게 형성될 수도 있다.

상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 흡수부재는 세라믹, 발포성 스폰지 및 메탈 폼으로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나의 다공성 매질로서 형성될 수 있다.

상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 산소 공급원은 공기를 흡입하여 상기 공기를 상기 연료전지 본체로 공급하는 공기 펌프를 포함할 수 있다. 이 경우 상기 연료 전지 시스템은 상기 미반응 혼합연료와 상기 이산화탄소가 상기 공기 펌프의 펌핑 압력에 의하여 상기 유동 경로를 따라 유동되게 구성될 수 있다.

상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 믹스 탱크는 상기 연료전지 본체와 연결되게 설치되어 상기 연료전지 본체로부터 배출되는 수분을 포집하도록 구성될 수 있다.

상기 연료 전지 시스템은, 상기 믹스 탱크와 연결되게 설치되어 순수한 연료를 저장하면서 상기 연료를 상기 믹스 탱크로 공급하기 위한 연료 탱크를 포함할 수 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.

이 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)을 설명하면, 이 연료 전지 시스템(100)은 연료, 및 산화제 가스를 직접적으로 제공받아 연료 중에 함유된 수소의 산화 반응, 및 산화제 가스의 환원 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxydation Fuel Cell)(당 업계에서는 통상적으로 "직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC)" 라고도 한다.) 방식으로서 구성될 수 있다.

바람직하게, 이러한 연료 전지 시스템(100)은 직접 산화형 연료 전지의 작용시, 연료의 산화 반응에 의해 생성되는 이산화탄소를 제거하고, 산소의 환원 반응에 의해 생성되는 수분, 및 연료 전지에서 반응하고 남은 미반응 연료를 재사용할 수 있는 리사이클링 시스템(recycling system)으로서 이루어진다.

본 실시예에서, 연료라 함은 순수한 메탄올, 에탄올 등과 같은 고농도의 알코올계 액체 연료를 포함하며, 이러한 순수한 연료와 물이 혼합된 연료를 이하에서는 혼합 연료라고 정의한다. 그리고, 본 시스템(100)은 산화제 가스로서 별도의 저장수단에 저장된 산소를 사용할 수 있으며, 산소를 함유하고 있는 공기를 그대로 사용할 수도 있다. 그러나 이하에서는 후자를 예로 하여 설명한다.

이와 같은 연료 전지 시스템(100)은 직접 산화형 연료 전지로서 구성되는 연료전지 본체(10)와, 혼합 연료를 저장하는 믹스 탱크(30)와, 언급한 바 있는 순수한 연료를 저장하는 연료 탱크(50)와, 산소를 연료전지 본체(10)로 공급하기 위한 산소 공급원(70)과, 연료전지 본체(10)로부터 미반응 혼합연료와 함께 배출되는 이산화탄소를 제거하기 위한 이산화탄소 제거장치(90)를 포함하여 구성된다.

본 실시예에서, 연료전지 본체(10)는 믹스 탱크(30)와 산소 공급원(70)에 각각 연결되게 설치되며, 이 믹스 탱크(30)로부터 혼합 연료를 공급받고 산소 공급원 (70)으로부터 공기를 제공받아 연료 중에 함유된 수소의 산화 반응, 및 공기 중에 함유된 산소의 환원 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 셀(cell) 단위의 전기 발생부(11)를 구비한다.

따라서, 본 실시예에 의한 연료전지 본체(10)는 이와 같은 전기 발생부(11)를 복수로 구비하고, 이들을 연속적으로 배치함으로써 전기 발생부들(11)의 집합체 구조에 의한 스택(stack)으로서 구성될 수 있다.

도면을 참고하면, 본 실시예에 의한 연료전지 본체(10)는 상기한 바와 같이 전기 발생부들(11)의 집합체 구조로서 이루어지는 바, 이 전기 발생부(11)는 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode Assembly: MEA)(12)를 중심에 두고 이의 양면에 세퍼레이터(Separator)(13)를 밀착되게 배치하여 구성될 수 있다.

여기서, 막-전극 어셈블리(12)는 일면에 애노드 전극을 형성하고, 다른 일면에 캐소드 전극을 형성하며, 이들 두 전극 사이에 전해질막을 형성하고 있다. 애노드 전극은 혼합 연료에 함유된 수소를 전자와 수소 이온으로 분리시키며, 전해질막은 수소 이온을 캐소드 전극으로 이동시키고, 캐소드 전극은 애노드 전극으로부터 받은 전자, 수소 이온, 및 세퍼레이터(13)를 통해 제공되는 산소를 반응시켜 수분을 생성하는 기능을 하게 된다.

그리고 세퍼레이터(13)는 혼합 연료를 막-전극 어셈블리(12)의 애노드 전극으로 공급하고, 공기를 막-전극 어셈블리(12)의 캐소드 전극으로 공급하기 위한 혼 합 연료 및 공기 이동 채널을 형성하며, 막-전극 어셈블리(12)의 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체로서의 기능을 하게 된다.

이에 더하여, 연료전지 본체(10)는 혼합 연료를 전기 발생부들(11)로 주입시키기 위한 제1 주입부(15)와, 공기를 전기 발생부들(11)로 주입시키기 위한 제2 주입부(16)와, 전기 발생부들(11)에 의한 연료의 산화 반응을 통해 생성되는 이산화탄소, 및 전기 발생부들(11)에서 반응하고 남은 혼합 연료를 배출시키기 위한 제1 배출부(17)와, 전기 발생부들(11)에 의한 산소의 환원 반응을 통해 생성되는 수분, 및 전기 발생부들(11)에서 반응하고 남은 공기를 배출시키기 위한 제2 배출부(18)를 형성하고 있다.

상기에서, 믹스 탱크(30)는 도 1에 도시한 바와 같이, 혼합 연료를 수용하는 소정의 내부 공간을 가진 밀폐 탱크로서 구비되며, 연료 탱크(50)에 저장된 고농도의 순수한 연료를 물과 혼합하여 상기 순수한 연료의 농도를 연료전지 본체(10)의 효율적인 운전에 필요한 농도로서 조절하여 연료전지 본체(10)에 제공하는 기능을 하게 된다.

이 믹스 탱크(30)는 파이프 라인에 의해 연료전지 본체(10)의 제1 주입부(15)와 연결되게 설치되며, 믹스 탱크(30)에 저장된 혼합 연료를 연료전지 본체(10)의 전기 발생부들(11)로 공급하게 된다. 믹스 탱크(30)는 파이프 라인에 의해 연료 탱크(50)와 연결되게 설치되며, 이 연료 탱크(50)에 저장된 순수한 연료를 선택적으로 제공받게 된다. 그리고, 믹스 탱크(30)는 이산화탄소 제거장치(90)와 연결되게 설치되면서 이 이산화탄소 제거장치(90)에 의해 이산화탄소가 제거된 미반 응 혼합 연료를 제공받게 된다. 이에 더하여, 믹스 탱크(30)는 파이프 라인에 의해 연료전지 본체(10)의 제2 배출부(18)와 연결되게 설치되며, 이 연료전지 본체(10)의 제2 배출부(18)를 통해 배출되는 수분을 제공받게 된다.

여기서, 믹스 탱크(30)와 연료전지 본체(10)의 제1 주입부(15)를 연결하는 파이프 라인 상에는 믹스 탱크(30)에 저장된 혼합 연료를 흡인하여 믹스 탱크(30)로부터 배출시키고, 이 혼합 연료를 연료전지 본체(10)의 제1 주입부(15)로 압송시키기 위한 제1 펌프(P1)를 설치하고 있다. 그리고, 믹스 탱크(30)와 연료 탱크(50)를 연결하는 파이프 라인 상에는 연료 탱크(50)에 저장된 순수한 연료를 흡인하여 연료 탱크(50)로부터 배출시키고, 이 연료를 믹스 탱크(30)로 압송시키기 위한 제2 펌프(P2)를 설치하고 있다. 이에 더하여, 믹스 탱크(30)와 연료전지 본체(10)의 제2 배출부(18)를 연결하는 파이프 라인 상에는 제2 배출부(18)를 통해 배출되는 수증기 형태의 수분을 응축시키기 위한 열교환기(도면에 도시하지 않음)가 설치될 수 있다.

본 실시예에서, 연료전지 본체(10)로 산소를 공급하기 위한 산소 공급원(70)은 도 1에 도시한 바와 같이 공기를 흡입하고 이 공기를 연료전지 본체(10)로 압송시키는 공기 펌프(71)로서 구비된다. 이 때, 공기 펌프(71)와 연료전지 본체(10)의 제2 주입부(16)는 통상적인 파이프 라인 등에 의해 연결될 수 있다. 대안으로서, 본 실시예에 의한 산소 공급원(70)은 위에서와 같은 공기 펌프(71)를 구비하는 것에 한정되지 않고, 통상적인 구조의 블로워(blower)를 구비할 수도 있다.

본 실시예에서, 이산화탄소 제거장치(90)는 도 1에 도시한 바와 같이, 연료 전지 본체(10)의 제1 배출부(17)를 통해 배출되는 미반응 혼합연료, 및 이산화탄소를 유통시키면서 상기 이산화탄소를 제거하고, 미반응 혼합연료를 믹스 탱크(30)로 공급할 수 있는 구조로서 이루어진다. 이 때, 이산화탄소 제거장치(90)는 연료전지 본체(10)와 믹스 탱크(30) 사이에 배치되어 연료전지 본체(10)의 제1 배출부(17)와 믹스 탱크(30)에 연결되게 설치될 수 있다. 이러한 이산화탄소 제거장치(90)의 예시적인 실시예는 도 3 및 도 4를 참조하여 뒤에서 더욱 설명하기로 한다.

여기서, 상기와 같이 구성되는 본 실시예에 의한 연료 전지 시스템(100)은, 연료전지 본체(10)로 산소를 공급하기 위해 공기 펌프(71)를 구비함에 따라, 전기 발생부들(11)에 의한 산소의 환원 반응을 통해 생성되는 수분, 및 전기 발생부들(11)에서 반응하고 남은 공기를 공기 펌프(71)의 펌핑 압력에 의하여 연료전지 본체(10)의 제2 배출부(18)를 통해 배출시킬 수 있게 된다.

도 3은 본 발명에 따른 이산화탄소 제거장치의 예시적인 실시예를 개략적으로 도시한 부분 사시도이고, 도 4는 도 3의 단면 구성도이다.

도면을 참고하면, 본 실시예에 의한 이산화탄소 제거장치(90)는 연료전지 본체(10)로부터 배출되는 미반응 혼합연료와 이산화탄소를 유동시키기 위한 유동 경로(91b)를 가지면서 이 유동 경로(91b)를 통해 유동되는 미반응 혼합연료와 이산화탄소를 분리하여 이산화탄소를 유동 경로(91b)의 외측으로 배출시키고, 미반응 혼합연료를 유동 경로(91b)를 통해 믹스 탱크(30: 도 1)로 공급할 수 있는 구조로서 이루어진다.

본 실시예에 따르면, 이러한 이산화탄소 제거장치(90)는 언급한 바 있는 유 동 경로(91b)를 형성하면서 연료전지 본체(10)와 믹스 탱크(30)에 연결되게 설치되는 유로부재(91)와, 이 유로부재(91)에 형성되는 이산화탄소 제거부(93)를 포함하여 구성된다.

상기에서, 유로부재(91)는 유동 경로(91b)를 형성하는 도관 형태로서 이루어진다. 이러한 유로부재(91)는 연료전지 본체(10)로부터 배출되는 미반응 혼합연료와 이산화탄소의 흐름을 가능케 하는 소정의 관로 단면적을 가지면서 이 도관의 일측 단부가 연료전지 본체(10)의 제1 배출부(17)와 연결되게 설치되며, 다른 일측 단부가 믹스 탱크(30)의 유입부(도면에 도시되지 않음)와 연결되게 설치된다. 이 때, 유로부재(91)는 사각형 또는 원형의 단면 구조를 가진 파이프 라인 형태로서 구성될 수 있다.

본 실시예에서, 이산화탄소 제거부(93)는 유로부재(91)의 유동 경로(91b)에 형성되어 이 유동 경로(91b)를 통해 유동되는 미반응 혼합연료와 이산화탄소를 분리하여 이산화탄소를 유동 경로(91b)의 외측으로 배출시키는 기능을 하게 된다.

이러한 이산화탄소 제거부(93)는 유로부재(91)에 형성되는 복수의 통기공들(91a)과, 이 통기공들(91a)을 막도록 유로부재(91)에 형성되는 필터부재(95)를 포함하여 구성된다.

이 통기공들(91a)은 유동 경로(91b)를 따라 유동되는 미반응 혼합연료와 이산화탄소 중에서 이산화탄소를 유동 경로(91b)의 외측으로 배출시키기 위한 구멍으로서 형성된다.

여기서, 통기공들(91a)은 유로부재(91)의 전 영역에 걸쳐 형성될 수 있으며, 바람직하게는 유로부재(91)의 제1 부분(A)에 형성되는 바, 이 제1 부분(A)은 연료전지 본체(10)의 제1 배출부(17)와 연결되는 부위를 의미한다. 그리고, 믹스 탱크(30)와 연결되면서 유로부재(91)의 제1 부분(A)을 제외한 나머지 부분을 제2 영역(B)으로 정의한다.

본 실시예에서, 필터부재(95)는 유로부재(91)의 통기공들(91a)을 막도록 이 유로부재(91)의 외주면, 즉 제1 부분(A)의 외주면에 부착되게 형성된다.

이러한 필터부재(95)는 유로부재(91)의 유동 경로(91b)를 따라 유동되는 미반응 혼합연료와 이산화탄소를 분리시키기 위한 것으로서, 미반응 혼합연료는 통과시키지 못하고 이산화탄소 만을 통과시키는 이른바 기액 분리 필터로서의 기능을 하게 된다. 즉, 필터부재(95)는 유로부재(91)의 외주면에서 통기공들(91a)을 차단하면서 이 통기공들(91a)을 통해 미반응 혼합연료가 유동 경로(91b)의 외측으로 배출되는 것을 막고, 통기공들(91a)을 통해 이산화탄소 만을 유로 경로(91b)의 외측으로 배출시키는 기능을 하게 된다.

여기서, 필터부재(95)는 미반응 혼합연료를 통과시키지 못하는 소수성을 지니면서 이산화탄소를 통과시킬 수 있는 다공성을 지닌 막 형태로서 구비되는 바, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 플루오로에틸렌프로필렌, 폴리테트라플루오로에틸렌, 플루오리네이티드 에틸렌 프로필렌, 폴리클로로트리플루오로에틸렌 및 플루오로에틸렌 폴리머 등과 같은 통상적인 불소계수지로서 형성될 수 있다.

이에 더하여, 본 실시예에 의한 이산화탄소 제거장치(90)는 유로부재(91)의 내부에 다공성을 지닌 흡수부재(97)가 제공되는 바, 이 흡수부재(97)는 미반응 혼 합연료를 흡수하여 이 미반응 혼합연료를 임시적으로 저장하는 기능을 하게 된다.

이 흡수부재(97)는 미반응 혼합연료를 흡수할 수 있는 다수의 기공들(97a)을 가지면서 유로부재(91)의 유동 경로(91b)를 차단하도록 이 유로부재(91)의 내부에 설치된다. 바람직하게, 흡수부재(97)는 유로부재(91)의 제2 부분(B)의 내부에 설치된다.

여기서, 흡수부재(97)는 미반응 혼합연료를 흡수할 수 있는 통상적인 다공성 매질 예컨대, 세라믹, 석회석, 활성탄, 발포성 스폰지, 메탈 폼 등과 같은 다공성 매질로서 형성될 수 있다.

따라서, 이와 같은 흡수부재(97)는 유로부재(91)의 유동 경로(91b)를 차단하면서 미반응 혼합연료를 흡수하기 때문에, 유로부재(91)의 제1 부분(A)을 통과하는 미반응 혼합연료를 흡수하여 이 미반응 혼합연료를 기공들(97a)에 임시로 저장하면서 이산화탄소가 이 기공들(97a)에 저장된 미반응 혼합연료에 의해 제2 부분(B)으로 통과하지 못하도록 차단하는 기능을 하게 된다.

이로써, 유로부재(91)의 제1 부분(A)에 존재하는 이산화탄소는 흡수부재(97)에 의해 차단되어 제2 부분(B)으로 통과하지 못하고 통기공들(91a)로 유도되면서 필터부재(95)를 통해 외부로 배출되게 된다. 그리고 흡수부재(97)에 흡수된 미반응 혼합연료는 공기 펌프(71: 도 1)의 펌핑 압력에 의해 흡수부재(97)의 기공들(97a)을 통과하여 제2 부분(B)을 통해 믹스 탱크(30: 도 1)로 공급되게 된다.

상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 작용을 상세하게 설명하면 다음과 같다.

우선, 믹스 탱크(30)에 저장된 혼합 연료는 제1 펌프(P1)의 가동에 의하여 연료전지 본체(10)의 제1 주입부(15)로 공급된다. 그러면, 혼합 연료는 연료전지 본체(10)의 제1 주입부(15)를 통해 전기 발생부들(11)로 공급된다. 이 때, 연료 탱크(50)에 저장된 순수한 연료는, 믹스 탱크(30)에 저장된 혼합 연료의 농도를 조절하기 위해, 제2 펌프(P2)의 가동에 의하여 믹스 탱크(30)의 내부로 공급될 수도 있다.

이와 동시에, 공기 펌프(71)는 공기를 흡입하고 이 공기를 연료전지 본체(10)의 제2 주입부(16)로 공급한다. 그러면, 공기는 연료전지 본체(10)의 제2 주입부(16)를 통해 전기 발생부들(11)로 공급된다.

따라서, 연료전지 본체(10)에서는 전기 발생부들(11)에 의한 연료의 산화 반응, 및 산소의 환원 반응이 진행되어 기설정된 용량의 전기 에너지를 출력시킬 수 있게 된다.

이러는 과정에서, 연료전지 본체(10)는 연료의 산화 반응을 통해 발생되는 이산화탄소, 및 전기 발생부들(11)에서 반응하고 남은 미반응 혼합연료를 제1 배출부(17)를 통해 배출시킨다.

이와 같이, 연료전지 본체(10)의 제1 배출부(17)를 통해 배출되는 배출물 즉, 미반응 혼합연료와 이산화탄소는 공기 펌프(71)의 펌핑 압력에 의해 본 실시예에 의한 이산화탄소 제거장치(90)로 공급되는 바, 유로부재(91)의 제1 부분(A)을 통과하게 된다.

이러는 도중, 미반응 혼합연료는 흡수부재(97)에 흡수되면서 이 흡수부재 (97)의 기공들(97a)에 임시적으로 저장되면서 이산화탄소가 흡수부재(97)를 통과하지 못하도록 차단하게 된다. 그러면, 제1 부분(A)의 유동 경로(91b)에 존재하는 이산화탄소는 흡수부재(97)에 흡수된 미반응 혼합연료에 막혀 제2 부분(B)의 유동 경로(91b)로 통과하지 못하고 제1 부분(A)의 통기공들(91a)로 유도되면서 필터부재(95)를 통해 별도의 포집장치 또는 대기 중으로 배출되게 된다.

이와 동시에, 흡수부재(97)에 흡수된 미반응 혼합연료는 공기 펌프(71)의 펌핑 압력에 의해 흡수부재(97)의 기공들(97a)을 통과하여 제2 부분(B)을 통해 믹스 탱크(30)로 공급되게 된다.

한편, 연료전지 본체(10)는 전기 에너지를 발생시키는 과정에서, 전기 발생부들(11)에 의한 산소의 환원 반응을 통해 발생되는 수증기 형태의 수분, 및 전기 발생부들(11)에서 반응하고 남은 공기를 제2 배출부(18)를 통해 배출시키게 된다.

이와 같이, 연료전지 본체(10)의 제2 배출부(18)를 통해 배출되는 비교적 고온의 수분, 및 미반응 공기는 도면에 도시되지 않은 열교환기를 거치게 되는 바, 수증기 형태의 수분은 열교환기에 의해 물로 응축되면서 믹스 탱크(30)의 내부 공간으로 포집되고, 공기는 별도의 포집 수단에 포집되어 연료전지 본체(10)로 리사이클링 되거나 대기 중으로 방출되게 된다.

도면을 참고하면, 본 실시예에 의한 이산화탄소 제거장치(190)는 전기 실시예의 구조를 기본으로 하면서, 유로부재(191)의 통기공들(191a)을 막으면서 유로부 재(191)의 내벽면에 형성되는 필터부재(195)를 구성할 수 있다.

이러한 필터부재(195)는 유로부재(191)의 내벽면 즉, 제1 부분(A)의 내벽면에 부착되게 형성되면서 제1 부분(A) 내에 존재하는 이산화탄소를 유로부재(191)의 통기공들(191a)로 통과시키는 기능을 하게 된다.

본 실시예에 의한 이산화탄소 제거장치(190)의 나머지 구성 및 작용은 전기 실시예와 같으므로 자세한 설명은 생략한다.

도면을 참고하면, 본 실시예에 의한 이산화탄소 제거장치(290)는 전기 실시예의 구조를 기본으로 하면서, 유로부재(291)의 통기공들(291a)에 매립되게 형성되는 필터부재(295)를 구성할 수 있다.

이러한 필터부재(295)는 유로부재(291)의 통기공들(291a)에 삽입되게 형성되는 바, 제1 부분(A) 내에 존재하는 이산화탄소를 유로부재(291)의 통기공들(291a)을 통해 외부로 배출시키는 기능을 하게 된다.

본 실시예에 의한 이산화탄소 제거장치(290)의 나머지 구성 및 작용은 전기 실시예와 같으므로 자세한 설명은 생략한다.

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.

상술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 파이프 라인 등과 같은 도관 형태로서 이루어지는 이산화탄소 제거장치를 구비함에 따라, 연료전지 본체로부터 배출되는 미반응 혼합연료와 이산화탄소를 수용하기 위한 별도의 용기를 필요로 하지 않으므로, 전체 시스템의 구조를 단순화시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 장치를 설치하기 위한 별도의 설치 공간을 필요로 하지 않으므로, 전체 시스템의 크기를 컴팩트하게 구현할 수 있다.

Claims

연료, 및 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 연료전지 본체로부터 미반응 연료와 함께 배출되는 이산화탄소를 제거하기 위한 직접 산화형 연료 전지용 이산화탄소 제거장치에 있어서,

상기 미반응 연료와 상기 이산화탄소를 유동시키는 도관 자체의 유동 경로에 형성되어 상기 이산화탄소를 상기 유동 경로 외측으로 배출시키는 이산화탄소 제거부

를 포함하는 직접 산화형 연료 전지용 이산화탄소 제거장치.
제1 항에 있어서,

상기 이산화탄소 제거부는,

상기 미반응 연료와 상기 이산화탄소를 분리하여 상기 이산화탄소 만을 통과시키는 필터부재를 포함하는 직접 산화형 연료 전지용 이산화탄소 제거장치.
연료, 및 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 연료전지 본체로부터 미반응 연료와 함께 배출되는 이산화탄소를 제거하기 위한 직접 산화형 연료 전지용 이산화탄소 제거장치에 있어서,

상기 미반응 연료 및 상기 이산화탄소의 흐름을 가능케 하는 도관 형태로서 상기 연료전지 본체에 연결되게 설치되며, 상기 이산화탄소를 배출시키기 위한 복수의 통기공들을 형성하는 유로부재;

상기 통기공들을 막도록 상기 유로부재에 형성되어 상기 미반응 연료와 상기 이산화탄소를 분리시키고 상기 이산화탄소 만을 상기 통기공들로 통과시키는 필터부재; 및

상기 미반응 연료를 흡수하는 다공성을 지니면서 상기 유로부재의 내부에 설치되는 적어도 하나의 흡수부재

를 포함하는 직접 산화형 연료 전지용 이산화탄소 제거장치.
제3 항에 있어서,

상기 필터부재는 상기 통기공들을 막도록 상기 유로부재의 외주면에 형성되는 직접 산화형 연료 전지용 이산화탄소 제거장치.
제3 항에 있어서,

상기 필터부재는 상기 통기공들을 막도록 상기 유로부재의 내주면에 형성되는 직접 산화형 연료 전지용 이산화탄소 제거장치.
제3 항에 있어서,

상기 필터부재는 소수성을 지니면서 상기 통기공들을 막도록 상기 통기공들에 매립되게 형성되는 직접 산화형 연료 전지용 이산화탄소 제거장치.
제4 항 또는 제5 항에 있어서,

상기 필터부재는 소수성을 지니면서 막 형태로서 구비되는 직접 산화형 연료 전지용 이산화탄소 제거장치.
제3 항에 있어서,

상기 필터부재가 불소계수지로서 형성되는 직접 산화형 연료 전지용 이산화탄소 제거장치.
제8 항에 있어서,

상기 불소계수지는 폴리비닐리덴 플루오라이드, 플루오로에틸렌프로필렌, 폴리테트라플루오로에틸렌, 플루오리네이티드 에틸렌 프로필렌, 폴리클로로트리플루오로에틸렌 및 플루오로에틸렌 폴리머 군에서 선택되는 어느 하나로서 형성되는 직접 산화형 연료 전지용 이산화탄소 제거장치.
제3 항에 있어서,

상기 흡수부재가 세라믹, 발포성 스폰지 및 메탈 폼으로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나의 다공성 매질로서 형성되는 직접 산화형 연료 전지용 이산화탄소 제거장치.
제3 항에 있어서,

상기 유로부재는,

상기 연료전지 본체에 연결되면서 상기 통기공들을 형성하는 제1 부분과, 상기 제1 부분을 제외한 나머지의 제2 부분으로서 구성되는 직접 산화형 연료 전지용 이산화탄소 제거장치.
제11 항에 있어서,

상기 흡수부재가 상기 유동 경로를 차단하면서 상기 제2 부분의 내부에 설치되는 직접 산화형 연료 전지용 이산화탄소 제거장치.
연료, 및 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 연료전지 본체;

상기 연료와 물을 혼합한 혼합연료를 저장하면서 상기 혼합연료를 상기 연료전지 본체로 공급하기 위한 믹스 탱크;

상기 산소를 상기 연료전지 본체로 공급하기 위한 산소 공급원; 및

상기 연료전지 본체와 상기 믹스 탱크에 연결되게 설치되어 상기 연료전지 본체로부터 미반응 혼합연료와 함께 배출되는 이산화탄소를 제거하면서 상기 미반응 혼합연료를 상기 믹스 탱크로 공급하기 위한 이산화탄소 제거장치

를 포함하며,

상기 이산화탄소 제거장치는:

상기 미반응 혼합연료와 상기 이산화탄소의 유동 경로를 형성하는 도관 형태로서 구비되며;

상기 유동 경로에 형성되어 상기 미반응 혼합연료와 상기 이산화탄소를 분리 시키면서 상기 이산화탄소를 상기 유동 경로의 외측으로 배출시키는 필터부재를 포함하는 연료 전지 시스템.
제13 항에 있어서,

상기 이산화탄소 제거장치는:

상기 이산화탄소를 배출시키기 위한 복수의 통기공들을 가지면서 상기 유동 경로를 형성하는 유로부재; 및

상기 미반응 혼합연료를 흡수하는 다공성을 지니면서 상기 유로부재 내부에 설치되는 흡수부재

를 포함하는 연료 전지 시스템.
제14 항에 있어서,

상기 유로부재는,

상기 연료전지 본체에 연결되면서 상기 통기공들을 형성하는 제1 부분과, 상기 믹스 탱크에 연결되면서 상기 제1 부분을 제외한 나머지의 제2 부분으로서 구성되는 연료 전지 시스템.
제15 항에 있어서,

상기 흡수부재가 상기 유동 경로를 차단하면서 상기 제2 부분의 내부에 설치되는 연료 전지 시스템.
제14 항에 있어서,

상기 필터부재는 상기 통과공들을 막도록 상기 유로부재에 형성되는 연료 전지 시스템.
제17 항에 있어서,

상기 필터부재는 막 형태로서 상기 유로부재의 외주면에 형성되는 연료 전지 시스템.
제17 항에 있어서,

상기 필터부재는 막 형태로서 상기 유로부재의 내주면에 형성되는 연료 전지 시스템.
제17 항에 있어서,

상기 필터부재가 상기 통기공들에 매립되게 형성되는 연료 전지 시스템.
제14 항에 있어서,

상기 흡수부재는 세라믹, 발포성 스폰지 및 메탈 폼으로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나의 다공성 매질로서 형성되는 연료 전지 시스템.
제13 항에 있어서,

상기 산소 공급원은 공기를 흡입하여 상기 공기를 상기 연료전지 본체로 공급하는 공기 펌프를 포함하는 연료 전지 시스템.
제22 항에 있어서,

상기 미반응 혼합연료와 상기 이산화탄소가 상기 공기 펌프의 펌핑 압력에 의하여 상기 유동 경로를 따라 유동되게 구성되는 연료 전지 시스템.
제13 항에 있어서,

상기 믹스 탱크는 상기 연료전지 본체와 연결되게 설치되어 상기 연료전지 본체로부터 배출되는 수분을 포집하는 연료 전지 시스템.
제13 항에 있어서,

상기 믹스 탱크와 연결되게 설치되어 순수한 연료를 저장하면서 상기 연료를 상기 믹스 탱크로 공급하기 위한 연료 탱크를 포함하는 연료 전지 시스템.