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KR101301810B1 - Fuel cell system - Google Patents

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KR101301810B1
KR101301810B1 KR1020110034378A KR20110034378A KR101301810B1 KR 101301810 B1 KR101301810 B1 KR 101301810B1 KR 1020110034378 A KR1020110034378 A KR 1020110034378A KR 20110034378 A KR20110034378 A KR 20110034378A KR 101301810 B1 KR101301810 B1 KR 101301810B1
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한인수
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지에스칼텍스 주식회사
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Abstract

본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로, 고분자전해질 연료전지 스택(10)의 공기극에 반응용 공기 또는 냉각용 공기 또는 가습을 위한 액체연료 대신 과산화수소를 공급한다.
본 발명은 높은 출력밀도를 얻을 수 있고 연료전지 시스템의 부피를 줄일 수 있으며 스택의 냉각수 채널을 제거할 수 있어 전체적인 연료전지 시스템의 경량화가 가능한 이점이 있다.The present invention relates to a fuel cell system, and supplies hydrogen peroxide instead of reaction air or cooling air or liquid fuel for humidification to the cathode of the polymer electrolyte fuel cell stack 10.
The present invention has the advantage that it is possible to obtain a high power density, to reduce the volume of the fuel cell system and to remove the coolant channel of the stack, thereby reducing the weight of the overall fuel cell system.

Description

연료전지 시스템{Fuel cell system}Fuel cell system

본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 소형화, 경량화가 가능하고 높은 출력을 얻을 수 있는 고분자전해질 연료전지 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly, to a polymer electrolyte fuel cell system capable of miniaturization and weight reduction and high output.

연료전지는 산화에 의해서 생성되는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 일종의 발전시스템이다. Fuel cells are a kind of power generation system that converts chemical energy generated by oxidation directly into electric energy.

연료전지는 연료극과 공기극에 각각 수소와 공기가 공급되어 전해질과 반응하여 이온을 형성하고, 이 이온이 전기화학반응을 일으켜 물을 형성하는 과정에서 전기를 발생시키는 구조를 갖는다.In a fuel cell, hydrogen and air are supplied to a fuel electrode and an air electrode, respectively, to form ions by reacting with an electrolyte. The fuel cell has a structure for generating electricity in a process of forming an electrochemical reaction to form water.

연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라 인산형 연료전지, 용융 탄산염 연료전지(MCFC), 고체산화물 연료전지(SOFC), 고분자전해질 연료전지(PEMFC), 알칼리형 연료전지(AFC) 등으로 분류된다.Fuel cells are classified into phosphoric acid type fuel cells, MCFCs, SOFCs, PEMFCs, and alkaline fuel cells (AFCs) depending on the type of electrolyte used .

고분자전해질 연료전지는 작동온도가 낮고 효율이 높으며 전류밀도 및 출력밀도가 높으며 시동시간 및 연료주입시간이 짧으며 부하변화에 대한 응답이 빠른 특징을 갖는다.Polymer electrolyte fuel cells have low operating temperature, high efficiency, high current density and power density, short startup time and fuel injection time, and fast response to load change.

또한, 고분자전해질 연료전지는 다양한 범위의 출력을 낼 수 있어 휴대용에서부터 분산형 발전까지 응용분야가 다양하다.In addition, polymer electrolyte fuel cells are capable of producing a wide range of output, and thus have various applications ranging from portable to distributed generation.

이러한 고분자전해질 연료전지는 연료극, 공기극 및 연료극과 공기극 사이에 위치하는 고분자전해질막으로 이루어진 막전극 접합체(MEA:Membrane Electrode as sembly), 전기전도체의 역할을 하며 연료 또는 산화제 가스가 전극과 접하면서 흐르도록 유로를 구비하고 있는 분리판을 포함한다.The polymer electrolyte fuel cell serves as a membrane electrode assembly (MEA) made of a fuel electrode, an air electrode, and a polymer electrolyte membrane positioned between the fuel electrode and the air electrode, and serves as an electric conductor, and the fuel or oxidant gas flows in contact with the electrode. And a separating plate having a flow path.

본 발명의 목적은 소형화, 경량화가 가능하고 높은 출력을 얻을 수 있도록 구성되는 고분자전해질 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a polymer electrolyte fuel cell system which can be miniaturized, reduced in weight, and configured to obtain high output.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 고분자전해질 연료전지 스택의 공기극에 반응용 공기 또는 냉각용 공기 또는 가습을 위한 액체연료 대신 과산화수소를 공급한다.According to a feature of the present invention for achieving the above object, the present invention supplies hydrogen peroxide instead of reaction air or cooling air or liquid fuel for humidification to the cathode of the polymer electrolyte fuel cell stack.

상기 과산화수소의 농도는 0.1wt% 이상 10wt% 이하이다.The concentration of hydrogen peroxide is 0.1 wt% or more and 10 wt% or less.

상기 고분자전해질 연료전지 스택의 전해질막의 두께는 18㎛ 이상 200㎛ 이하이다.The thickness of the electrolyte membrane of the polymer electrolyte fuel cell stack is 18 µm or more and 200 µm or less.

상기 과산화수소를 액체연료로 공급시 상기 과산화수소의 이동가스로 공기 또는 질소가 사용된다.When supplying the hydrogen peroxide as a liquid fuel, air or nitrogen is used as the moving gas of the hydrogen peroxide.

연료극, 전해질막, 공기극의 단위셀을 포함하는 고분자전해질 연료전지 스택과; 상기 고분자전해질 연료전지 스택의 공기극에 과산화수소를 공급하는 과산화수소 공급부와; 상기 과산화수소 공급부의 과산화수소 농도를 측정하는 농도 측정부와; 상기 고분자전해질 연료전지 스택의 셀 전압을 측정하는 전압 측정부와; 상기 농도 측정부와 전압 측정부의 측정 결과에 근거하여 과산화수소 공급부의 과산화수소 농도를 제어하는 제어부를 포함한다.A polymer electrolyte fuel cell stack including a unit cell of a fuel electrode, an electrolyte membrane, and an air electrode; A hydrogen peroxide supply unit supplying hydrogen peroxide to the cathode of the polymer electrolyte fuel cell stack; A concentration measuring unit measuring a hydrogen peroxide concentration of the hydrogen peroxide supply unit; A voltage measuring unit measuring a cell voltage of the polymer electrolyte fuel cell stack; And a controller configured to control the hydrogen peroxide concentration of the hydrogen peroxide supply unit based on the measurement result of the concentration measuring unit and the voltage measuring unit.

상기 고분자전해질 연료전지 스택에서 배출되는 물 또는 과산화수소를 과산화수소 공급부로 순환시키는 순환펌프를 구비한다.And a circulation pump for circulating water or hydrogen peroxide discharged from the polymer electrolyte fuel cell stack to a hydrogen peroxide supply unit.

상기 제어부는 상기 농도 측정부가 측정한 과산화수소 공급부의 과산화수소 농도가 0.1wt% 미만이면 상기 과산화수소 공급부 일측을 개방하여 과산화수소를 외부로 배출하고 상기 과산화수소 공급부에 고농도의 과산화수소를 공급하여 상기 과산화수소 공급부의 과산화수소 농도가 0.1wt% 이상 10wt% 이하로 유지되게 한다.When the concentration of hydrogen peroxide measured by the concentration measuring unit is less than 0.1 wt%, the control unit opens one side of the hydrogen peroxide supply unit to discharge hydrogen peroxide to the outside and supplies hydrogen peroxide with a high concentration to the hydrogen peroxide supply unit, thereby increasing the hydrogen peroxide concentration of the hydrogen peroxide supply unit. 0.1 wt% or more and 10 wt% or less.

상기 제어부는 상기 전압 측정부가 측정한 고분자전해질 연료전지 스택의 전압이 기설정된 전압 미만이면, 상기 과산화수소 공급부에 고농도의 과산화수소를 공급하여 상기 과산화수소 공급부의 과산화수소 농도를 상승시킨다.When the voltage of the polymer electrolyte fuel cell stack measured by the voltage measuring unit is less than a predetermined voltage, the controller supplies a high concentration of hydrogen peroxide to the hydrogen peroxide supply unit to increase the hydrogen peroxide concentration of the hydrogen peroxide supply unit.

상기 고농도의 과산화수소를 상기 과산화수소 공급부에 공급하기 위한 과산화수소 저장부가 더 구비되고, 상기 과산화수소 저장부와 상기 과산화수소 공급부의 연결부에는 제어부에 의해 개폐되는 솔레노이드 밸브가 설치된다.A hydrogen peroxide storage unit is further provided for supplying the high concentration of hydrogen peroxide to the hydrogen peroxide supply unit, and a solenoid valve opened and closed by a controller is installed at the connection portion between the hydrogen peroxide storage unit and the hydrogen peroxide supply unit.

본 발명은 과산화수소를 고분자전해질 연료전지 스택의 공기극(cathode)에 반응용 공기 또는 냉각용 공기 또는 가습을 위한 액체연료 대신 과산화수소를 공급함에 의해 높은 출력밀도를 얻을 수 있고, 연료전지 시스템의 부피를 줄일 수 있으며 스택의 냉각수 채널을 제거할 수 있어 전체적인 연료전지 시스템의 경량화 및 효율화가 가능한 효과가 있다.The present invention can obtain a high power density by supplying hydrogen peroxide in the cathode of the polymer electrolyte fuel cell stack instead of reaction air, cooling air or liquid fuel for humidification, and reduce the volume of the fuel cell system. It is possible to remove the cooling water channel of the stack, and the weight and efficiency of the entire fuel cell system can be improved.

도 1은 본 발명의 연료전지 시스템을 보인 구성도.
도 2는 표 1에 대한 결과를 나타낸 그래프.1 is a block diagram showing a fuel cell system of the present invention.
2 is a graph showing the results for Table 1.

이하, 본 발명에 의한 연료전지 시스템의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. Hereinafter, exemplary embodiments of a fuel cell system according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명에 의한 연료전지 시스템은, 고분자전해질 연료전지 스택의 공기극(cathode)에 반응용 공기 또는 냉각용 공기 또는 가습을 위한 액체연료 대신 과산화수소를 공급하는데 특징이 있다.The fuel cell system according to the present invention is characterized by supplying hydrogen peroxide instead of reaction air or cooling air or liquid fuel for humidification to the cathode of the polymer electrolyte fuel cell stack.

고분자전해질 연료전지 스택(이하, "스택"이라 칭함)은 연료극, 전해질막, 공기극을 분리판으로 결합한 단위셀을 수십장 또는 수백장 직렬로 연결하여 원하는 전압(출력)을 얻도록 형성한 것이다. 이러한 스택은 연료극(anode) 전체에 걸쳐서 수소를 공급하는 유로와 공기극 (cathode) 전체에 걸쳐서 과산화수소를 공급하는 유로를 구비한다.The polymer electrolyte fuel cell stack (hereinafter, referred to as a "stack") is formed by connecting unit cells in which a fuel electrode, an electrolyte membrane, and an air electrode are separated by a separator plate in series to obtain a desired voltage (output). This stack has a flow path for supplying hydrogen over the entire anode and a flow path for supplying hydrogen peroxide over the cathode.

과산화수소는 공기보다 높은 출력을 가지며 액체 상태로 공급시 액체연료를 대신하여 가습효과를 갖는다. 높은 출력은 연료전지의 성능을 향상시키고, 액체연료를 대신한 가습효과는 액체연료를 사용함으로 인해 가습기가 차지하는 부피를 줄이며 분리판에 별도의 냉각수 채널을 필요로 하지 않게 한다.Hydrogen peroxide has a higher output than air and has a humidification effect in place of liquid fuel when supplied in liquid state. The high power improves the performance of the fuel cell, and the humidification effect in lieu of liquid fuel reduces the volume of the humidifier due to the use of liquid fuel and eliminates the need for a separate coolant channel in the separator.

과산화수소는 가습효과를 고려하여 물과 희석된 상태로 공기극에 공급된다. 공기극에 공급되는 과산화수소의 농도는 0.1wt% 이상 10wt% 이하이다. Hydrogen peroxide is supplied to the cathode in a diluted state with water in consideration of the humidification effect. The concentration of hydrogen peroxide supplied to the cathode is 0.1 wt% or more and 10 wt% or less.

과산화수소의 농도는 0.1wt% 미만이면 스택 공급시 산소의 발생량이 낮아 연료전지의 성능 향상 효과가 미비하고, 10wt%을 초과하면 연료전지의 성능 향상 효과가 포화된다.If the concentration of hydrogen peroxide is less than 0.1wt%, the amount of oxygen generated during stack supply is low and the performance improvement effect of the fuel cell is insignificant. If it exceeds 10wt%, the performance improvement effect of the fuel cell is saturated.

전해질막의 두께는 18㎛ 이상 200㎛ 이하이다. 전해질막의 두께는 200㎛ 이하로 조절하여야 과산화수소로 인한 전해질막의 가습효과를 볼 수 있다. 하지만 전해질막의 두께가 18㎛ 미만이면 기계적 강도가 약해지고 화학적 내구성이 약해진다.The thickness of the electrolyte membrane is 18 µm or more and 200 µm or less. The thickness of the electrolyte membrane should be adjusted to 200 μm or less to see the humidification effect of the electrolyte membrane due to hydrogen peroxide. However, when the thickness of the electrolyte membrane is less than 18 μm, the mechanical strength is weak and the chemical durability is weak.

과산화수소를 액체연료로 공급시 과산화수소의 이동가스로 공기 또는 질소가 사용된다.When supplying hydrogen peroxide as a liquid fuel, air or nitrogen is used as a moving gas of hydrogen peroxide.

구체적으로 연료전지 시스템은, 도 1에 도시된 바와 같이, 연료극, 전해질막, 공기극의 단위셀을 포함하는 고분자전해질 연료전지 스택(10)과, 고분자전해질 연료전지 스택(10)의 공기극에 과산화수소를 공급하는 과산화수소 공급부(20)와, 과산화수소 공급부(20)의 과산화수소 농도를 측정하는 농도 측정부(25)와, 고분자전해질 연료전지 스택(10)의 셀 전압을 측정하는 전압 측정부(30)와, 농도 측정부(25)와 전압 측정부(30)의 측정 결과에 근거하여 과산화수소 공급부(20)의 과산화수소 농도를 제어하는 제어부를 포함한다.Specifically, as shown in FIG. 1, hydrogen peroxide is applied to the polymer electrolyte fuel cell stack 10 including the unit cells of the anode, the electrolyte membrane, and the cathode, and the cathode of the polymer electrolyte fuel cell stack 10. A hydrogen peroxide supply unit 20 for supplying, a concentration measuring unit 25 for measuring the hydrogen peroxide concentration of the hydrogen peroxide supply unit 20, a voltage measuring unit 30 for measuring the cell voltage of the polymer electrolyte fuel cell stack 10, And a control unit for controlling the hydrogen peroxide concentration of the hydrogen peroxide supply unit 20 based on the measurement results of the concentration measuring unit 25 and the voltage measuring unit 30.

스택(10)은 연료극에 수소가 공급되고, 공기극에 과산화수소가 공급된다. 연료극에 공급된 수소는 수소이온과 전자로 분리되며, 수소이온은 전해질층을 통해 공기극으로 이동하고 전자는 외부회로를 통해 공기극으로 이동한다. 공기극에서 산소이온과 수소이온이 만나 반응생성물인 물과 열이 생성되고, 전자는 외부회로를 거쳐 전기를 발생시키게 된다.The stack 10 is supplied with hydrogen to the anode and hydrogen peroxide to the cathode. Hydrogen supplied to the anode is separated into hydrogen ions and electrons, and the hydrogen ions move to the cathode through the electrolyte layer, and electrons move to the cathode through an external circuit. Oxygen ions and hydrogen ions meet at the cathode to generate water and heat, the reaction product, and electrons generate electricity through an external circuit.

반응 과정에서 생성된 물 및 미반응 과산화수소는 순환펌프(55)를 통해 과산화수소 공급부(20)로 순환되고, 반응 가스는 기액분리기(60)로 공급된다. The water and the unreacted hydrogen peroxide generated in the reaction process are circulated to the hydrogen peroxide supply unit 20 through the circulation pump 55, and the reaction gas is supplied to the gas-liquid separator 60.

스택(10)을 거쳐서 배출된 반응 가스는 물을 함유하고 있으므로 기액분리기(60)에서는 반응 가스에 함유된 물을 분리시킨 후 물(B)은 순환펌프(50)를 통해 과산화수소 공급부(20)로 순환시키고 반응가스 중 미반응 수소(A)는 재순환시켜 사용한다. 그리고 나머지 가스는 대기로 방출한다. 도 1에서 A는 미반응 수소와 나머지 가스를 의미하고, B는 분리된 물을 의미한다.Since the reaction gas discharged through the stack 10 contains water, the gas-liquid separator 60 separates the water contained in the reaction gas, and then water (B) passes through the circulation pump 50 to the hydrogen peroxide supply unit 20. The unreacted hydrogen (A) in the reaction gas is recycled and used. The rest of the gas is released into the atmosphere. In FIG. 1, A means unreacted hydrogen and the remaining gas, and B means separated water.

과산화수소 공급부(20)는 스택(10)의 공기극 입구 및 과산화수소 저장부(70)와 연결된 구조를 갖는다. 또한 과산화수소 공급부(20)는 기액분리기(60) 및 스택(10)의 공기극 출구와 연결되어 기액분리기(60)에서 분리된 물 및 스택의 공기극을 거쳐 배출되는 물과 미반응 과산화수소를 공급받도록 된다.The hydrogen peroxide supply unit 20 has a structure connected to the cathode inlet of the stack 10 and the hydrogen peroxide storage unit 70. In addition, the hydrogen peroxide supply unit 20 is connected to the cathode exit of the gas-liquid separator 60 and the stack 10 to receive the water separated from the gas-liquid separator 60 and the water discharged through the cathode of the stack and unreacted hydrogen peroxide.

과산화수소 공급부(20)는 용기 형상으로 일측에는 농도조절 배출구(21)가 형성된다. 농도조절 배출구(21)는 과산화수소 공급부(20) 내의 과산화수소 농도가 0.1wt% 미만으로 낮아지거나 스택(10) 내 반응 과정에서 생성된 물의 양이 많아지면 과산화수소 공급부(20) 내의 과산화수소를 외부로 배출할 수 있도록 하기 위한 것이다. The hydrogen peroxide supply unit 20 has a container shape and a concentration control outlet 21 is formed at one side thereof. The concentration control outlet 21 may discharge the hydrogen peroxide in the hydrogen peroxide supply unit 20 when the hydrogen peroxide concentration in the hydrogen peroxide supply unit 20 is lowered to less than 0.1 wt% or the amount of water generated during the reaction in the stack 10 increases. It is to make it possible.

과산화수소 공급부(20)에는 내부의 과산화수소 농도를 측정하기 위한 농도 측정부(25)가 구비된다. 농도 측정부(25)는 용액 내에 함유되어 있는 수소이온농도를 측정하는 수소이온농도 측정기일수 있다.The hydrogen peroxide supply unit 20 is provided with a concentration measuring unit 25 for measuring the hydrogen peroxide concentration therein. The concentration measuring unit 25 may be a hydrogen ion concentration measuring instrument for measuring the concentration of hydrogen ions contained in the solution.

과산화수소 저장부(70)는 고농도의 과산화수소를 저장하고 있는 용기이다. 과산화수소 저장부(70)와 과산화수소 공급부(20)의 연결부에는 제어부(30)에 의해 개폐되는 솔레노이드 밸브(80)가 설치된다. 고농도의 과산화수소는 예를 들어, 물에 대한 과산화수소의 비율이 90% 이상인 과산화수소 일 수 있다.The hydrogen peroxide storage unit 70 is a container that stores a high concentration of hydrogen peroxide. The solenoid valve 80 which is opened and closed by the controller 30 is installed at the connection portion between the hydrogen peroxide storage unit 70 and the hydrogen peroxide supply unit 20. The high concentration of hydrogen peroxide may be, for example, hydrogen peroxide with a ratio of hydrogen peroxide to water of at least 90%.

솔레노이드 밸브(80)는 스택(10)의 전압이 기설정된 전압 미만으로 낮아지거나 과산화수소 공급부(20)의 과산화수소 농도가 0.1wt% 미만으로 낮아지면 제어부(30)에 의해 개방된다.The solenoid valve 80 is opened by the controller 30 when the voltage of the stack 10 is lowered below the preset voltage or when the hydrogen peroxide concentration of the hydrogen peroxide supply 20 is lowered to less than 0.1 wt%.

전압 측정부(30)는 스택(10)의 셀 전압을 측정한다. 전압은 연료전지의 출력과 관계된 것으로 전압 측정부(30)가 측정한 스택(10)의 셀 전압이 기설정된 전압 미만이면 과산화수소 공급부(20)에 고농도의 과산화수소를 공급하도록 하기 위해 구비된다. The voltage measuring unit 30 measures the cell voltage of the stack 10. The voltage is related to the output of the fuel cell and is provided to supply a high concentration of hydrogen peroxide to the hydrogen peroxide supply unit 20 when the cell voltage of the stack 10 measured by the voltage measuring unit 30 is less than a predetermined voltage.

제어부(30)는 농도 측정부(25)와 전압 측정부(30)의 측정 결과를 제공받아 과산화수소 공급부(20)의 과산화수소 농도를 제어한다. The controller 30 receives the measurement results of the concentration measuring unit 25 and the voltage measuring unit 30 to control the hydrogen peroxide concentration of the hydrogen peroxide supply unit 20.

제어부(30)는 농도 측정부(25)가 측정한 과산화수소 공급부(20)의 과산화수소 농도가 0.1wt% 미만이면 과산화수소 공급부(20) 일측을 개방하여 과산화수소를 외부로 배출하거나 과산화수소 공급부(20)에 고농도의 과산화수소를 공급하여 과산화수소 공급부(20)의 과산화수소 농도가 0.1wt% 이상 10wt% 이하로 유지되게 한다.If the hydrogen peroxide concentration of the hydrogen peroxide supply unit 20 measured by the concentration measuring unit 25 is less than 0.1 wt%, the control unit 30 opens one side of the hydrogen peroxide supply unit 20 to discharge hydrogen peroxide to the outside or has a high concentration in the hydrogen peroxide supply unit 20. By supplying hydrogen peroxide, the hydrogen peroxide concentration of the hydrogen peroxide supply unit 20 is maintained at 0.1wt% or more and 10wt% or less.

또한, 제어부(30)는 전압 측정부(30)가 측정한 스택(10)의 전압이 기설정된 전압 미만이면, 과산화수소 공급부(20)에 고농도의 과산화수소를 공급하여 과산화수소 공급부(20)의 과산화수소 농도를 상승시킨다.
In addition, when the voltage of the stack 10 measured by the voltage measuring unit 30 is less than the predetermined voltage, the controller 30 supplies a high concentration of hydrogen peroxide to the hydrogen peroxide supply unit 20 to determine the hydrogen peroxide concentration of the hydrogen peroxide supply unit 20. Raise.

이하, 본 발명의 작용을 설명한다.Hereinafter, the operation of the present invention will be described.

본 발명은 스택의 공기극에 반응용 공기 또는 냉각용 공기 또는 가습을 위한 액체연료 대신 물과 희석된 과산화수소를 공급한다.The present invention supplies hydrogen peroxide diluted with water instead of reaction air or cooling air or liquid fuel for humidification to the cathode of the stack.

물과 희석된 과산화수소의 공급은 액체연료를 사용할 수 없는 가압조건 등에서 공기 사용시보다 높은 출력을 얻을 수 있도록 한다. 또한, 공기극에 공급되는 과산화수소의 농도를 0.1wt% 이상 10wt% 이하로 유지하여 연료전지의 출력 효율을 높이면서도 과산화수소 사용 효율이 최대가 되도록 한다. The supply of water and diluted hydrogen peroxide ensures a higher output than air use under pressurized conditions where liquid fuel is not available. In addition, the concentration of hydrogen peroxide supplied to the cathode is maintained at 0.1 wt% or more and 10 wt% or less to maximize the output efficiency of the fuel cell and maximize the use of hydrogen peroxide.

또한, 본 발명은 18㎛ 이상 200㎛ 이하의 전해질막을 적용하여 공기극의 물이 연료극의 전해질막을 충분히 수화시킬 수 있도록 하되 기계적 강도와 화학적 내구성이 만족되도록 한다. In addition, the present invention by applying an electrolyte membrane of 18 ㎛ or more and 200 ㎛ or less so that the water of the cathode can fully hydrate the electrolyte membrane of the anode, but the mechanical strength and chemical durability are satisfied.

전해질막의 충분한 수화는 연료극과 공기극의 가습기 제거가 가능하도록 하고, 공기극측에 부피를 거의 차지하지 않는 소형의 과산화수소 공급 시스템만을 필요로 하므로 연료전지 시스템의 경량화 소형화가 가능하게 한다. 과산화수소 공급 시스템은 스택의 공기극에 과산화수소를 공급하기 위한 과산화수소 공급부(20), 과산화수소 저장부(70) 및 순환펌프(50,55)를 포함한다.Sufficient hydration of the electrolyte membrane enables the removal of the humidifier from the anode and the cathode, and only requires a small hydrogen peroxide supply system with almost no volume on the cathode side, thereby making the fuel cell system lighter and more compact. The hydrogen peroxide supply system includes a hydrogen peroxide supply unit 20, a hydrogen peroxide storage unit 70, and a circulation pump 50, 55 for supplying hydrogen peroxide to the cathode of the stack.

이러한 과산화수소 공급 시스템은 연료전지 시스템 내에 가습기 대신 장착되어 연료극의 전해질막 가습기 역할을 하면서 보조전력의 역할도 한다. The hydrogen peroxide supply system is installed in the fuel cell system instead of the humidifier and serves as an auxiliary power while acting as an electrolyte membrane humidifier of the anode.

또한, 본 발명은 스택(10)을 거쳐서 배출된 물과 미반응 과산화수소 또는 기액분리기를 통해 분리된 물을 순환펌프를 통해 과산화수소 공급부에서 공급받아 재사용함으로써 추가적인 물 공급을 필요로 하지 않는다. In addition, the present invention does not require additional water supply by reusing the water discharged through the stack 10 and the water separated through the unreacted hydrogen peroxide or the gas-liquid separator from the hydrogen peroxide supply unit through a circulation pump.

또한, 본 발명은 과산화수소 공급부(20) 내의 과산화수소 농도를 측정하는 농도 측정부(25) 및 스택(10)의 셀 전압을 측정하는 전압 측정부(30)를 구비하고, 농도 측정부(25) 및 전압 측정부(30)에 측정 결과에 의해 과산화수소 공급부(20) 내의 과산화수소 농도를 제어할 수 있도록 한다. In addition, the present invention includes a concentration measuring unit 25 for measuring the concentration of hydrogen peroxide in the hydrogen peroxide supply unit 20 and a voltage measuring unit 30 for measuring the cell voltage of the stack 10, the concentration measuring unit 25 and The hydrogen peroxide concentration in the hydrogen peroxide supply unit 20 can be controlled by the voltage measurement unit 30 based on the measurement result.

이는 스택(10) 내 반응에 의해 발생하는 물로 인해 공기극에 공급된 과산화수소가 희석되어 연료전지의 출력 효율이 낮아지는 것을 방지하고, 과산화수소 공급부(20)로 순환되는 물의 양 과다로 과산화수소 공급부(20) 내의 과산화수소 농도도 설정된 범위를 벗어나는 것을 방지하여 연료전지의 출력 효율이 일정하게 유지되도록 한다.This prevents the hydrogen peroxide supplied to the cathode due to the water generated by the reaction in the stack 10 to dilute the output efficiency of the fuel cell, and the hydrogen peroxide supply 20 due to the excessive amount of water circulated to the hydrogen peroxide supply 20. The hydrogen peroxide concentration in the fuel cell is also prevented from being outside the set range so that the output efficiency of the fuel cell is kept constant.

또한, 본 발명은 액체연료 대신 물과 희석된 과산화수소가 공급되므로 분리판에 별도의 냉각수 채널을 필요로 하지 않아 스택(10)의 경량화 및 효율화가 가능하게 한다.
In addition, since the present invention is supplied with diluted hydrogen peroxide instead of liquid fuel, the separator 10 does not require a separate cooling water channel, thereby making it possible to reduce the weight and efficiency of the stack 10.

아래의 표 1은 본 발명의 연료전지 시스템을 다른 비교예와 대비한 것이다. Table 1 below compares the fuel cell system of the present invention with other comparative examples.

발명예는 본 발명의 실시예와 동일한 방법으로 과산화수소를 공기극에 공급한 것이다. (발명예의 실험조건: 스택에 공급되는 과산화수소 농도:5wt%, 전해질막 두께:40㎛)Inventive Example supplies hydrogen peroxide to the cathode in the same manner as in the Example of the present invention. (Experimental conditions of the invention: hydrogen peroxide concentration supplied to the stack: 5wt%, electrolyte membrane thickness: 40㎛)

구분division 연료극(anode)Anode 공기극(cathode)Cathode 비교예1Comparative Example 1 수소Hydrogen 산소Oxygen 비교예2Comparative Example 2 수소Hydrogen 공기air 발명예Honor 수소Hydrogen 과산화수소Hydrogen peroxide

표 1에 대한 결과를 도 2에 도시하였다.The results for Table 1 are shown in FIG.

표 1과 도 2에 도시된 바에 의하면, 과산화수소를 사용한 연료전지의 성능 평가 결과 공기 사용시보다 휠씬 높은 출력밀도를 얻을 수 있었으며 일부 낮은 전류 밀도에서 산소와 동등한 출력을 얻을 수 있었다.As shown in Table 1 and Figure 2, the performance evaluation of the fuel cell using hydrogen peroxide was able to obtain a much higher power density than when using air, and at some low current density it was possible to obtain an output equivalent to oxygen.

이를 통해, 본 발명의 과산화수소를 고분자전해질 연료전지 스택의 공기극(cathode)에 반응용 공기 또는 냉각용 공기 또는 가습을 위한 액체연료 대신 과산화수소를 공급할 경우, 공기의 사용시 보다 높은 출력밀도를 얻을 수 었을 뿐 아니라 연료전지 시스템의 부피를 줄일 수 있고 스택의 냉각수 채널을 제거할 수 있어 전체적인 연료전지 시스템의 경량화 및 효율화가 가능함을 알 수 있다.Through this, when hydrogen peroxide is supplied to the cathode of the polymer electrolyte fuel cell stack instead of reaction air, cooling air, or liquid fuel for humidification, it is possible to obtain a higher output density when using air. In addition, it can be seen that the volume of the fuel cell system can be reduced and the coolant channel of the stack can be removed to reduce the weight and efficiency of the entire fuel cell system.

이와 같은 본 발명의 기본적인 기술적 사상의 범주 내에서, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서는 다른 많은 변형이 가능함은 물론이고, 본 발명의 권리범위는 첨부한 특허청구 범위에 기초하여 해석되어야 할 것이다. While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is evident that many alternatives, modifications, and variations will be apparent to those skilled in the art in light of the above teachings. will be.

10:고분자전해질 연료전지 스택 20:과산화수소 공급부
21:농도조절 배출구 25:농도 측정부
30:전압 측정부 40:제어부
50,55:순환펌프 60:기액분리기
70:과산화수소 저장부 80:솔레노이드 밸브 10: polymer electrolyte fuel cell stack 20: hydrogen peroxide supply unit
21: concentration control outlet 25: concentration measuring unit
30: voltage measuring unit 40: control unit
50, 55: circulating pump 60: gas-liquid separator
70: hydrogen peroxide storage 80: solenoid valve

Claims (9)

고분자전해질 연료전지 스택의 공기극에 반응용 공기 또는 냉각용 공기 또는 가습을 위한 액체연료 대신 과산화수소를 공급하며,
상기 과산화수소의 농도는 0.1wt% 이상 10wt% 이하이고,
상기 고분자전해질 연료전지 스택의 전해질막의 두께는 18㎛ 이상 200㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.Hydrogen peroxide is supplied to the cathode of the polymer electrolyte fuel cell stack instead of reaction air, cooling air, or liquid fuel for humidification.
The concentration of hydrogen peroxide is 0.1wt% or more and 10wt% or less,
And a thickness of the electrolyte membrane of the polymer electrolyte fuel cell stack is 18 μm or more and 200 μm or less. 삭제delete 삭제delete 청구항 1에 있어서,
상기 과산화수소를 액체연료로 공급시 상기 과산화수소의 이동가스로 공기 또는 질소가 사용되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.The method according to claim 1,
When the hydrogen peroxide is supplied as a liquid fuel, the fuel cell system, characterized in that air or nitrogen is used as the moving gas of the hydrogen peroxide. 연료극, 전해질막, 공기극의 단위셀을 포함하는 고분자전해질 연료전지 스택과;
상기 고분자전해질 연료전지 스택의 공기극에 과산화수소를 공급하는 과산화수소 공급부와;
상기 과산화수소 공급부의 과산화수소 농도를 측정하는 농도 측정부와;
상기 고분자전해질 연료전지 스택의 셀 전압을 측정하는 전압 측정부와;
상기 농도 측정부와 전압 측정부의 측정 결과에 근거하여 과산화수소 공급부의 과산화수소 농도를 제어하는 제어부를 포함하며,
상기 제어부는
상기 농도 측정부가 측정한 과산화수소 공급부의 과산화수소 농도가 0.1wt% 미만이면 상기 과산화수소 공급부 일측을 개방하여 과산화수소를 외부로 배출하고 상기 과산화수소 공급부에 고농도의 과산화수소를 공급하여 상기 과산화수소 공급부의 과산화수소 농도가 0.1wt% 이상 10wt% 이하로 유지되게 하거나,
상기 제어부는
상기 전압 측정부가 측정한 고분자전해질 연료전지 스택의 전압이 기설정된 전압 미만이면, 상기 과산화수소 공급부에 고농도의 과산화수소를 공급하여 상기 과산화수소 공급부의 과산화수소 농도를 상승시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.A polymer electrolyte fuel cell stack including a unit cell of a fuel electrode, an electrolyte membrane, and an air electrode;
A hydrogen peroxide supply unit supplying hydrogen peroxide to the cathode of the polymer electrolyte fuel cell stack;
A concentration measuring unit measuring a hydrogen peroxide concentration of the hydrogen peroxide supply unit;
A voltage measuring unit measuring a cell voltage of the polymer electrolyte fuel cell stack;
It includes a control unit for controlling the hydrogen peroxide concentration of the hydrogen peroxide supply unit based on the measurement results of the concentration measuring unit and the voltage measuring unit,
The control unit
When the hydrogen peroxide concentration measured by the concentration measuring unit is less than 0.1 wt%, the hydrogen peroxide supply part is opened to discharge hydrogen peroxide to the outside, and the hydrogen peroxide supply is supplied with a high concentration of hydrogen peroxide to the hydrogen peroxide supply part so that the hydrogen peroxide concentration is 0.1 wt%. Or more than 10wt%, or
The control unit
When the voltage of the polymer electrolyte fuel cell stack measured by the voltage measuring unit is less than a predetermined voltage, a high concentration of hydrogen peroxide is supplied to the hydrogen peroxide supply unit to increase the hydrogen peroxide concentration of the hydrogen peroxide supply unit. 청구항 5에 있어서,
상기 고분자전해질 연료전지 스택에서 배출되는 물 또는 과산화수소를 과산화수소 공급부로 순환시키는 순환펌프를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.The method according to claim 5,
And a circulating pump for circulating water or hydrogen peroxide discharged from the polymer electrolyte fuel cell stack to a hydrogen peroxide supply unit. 삭제delete 삭제delete 청구항 5에 있어서,
상기 고농도의 과산화수소를 상기 과산화수소 공급부에 공급하기 위한 과산화수소 저장부가 더 구비되고,
상기 과산화수소 저장부와 상기 과산화수소 공급부의 연결부에는 제어부에 의해 개폐되는 솔레노이드 밸브가 설치된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.The method according to claim 5,
A hydrogen peroxide storage unit for supplying the high concentration of hydrogen peroxide to the hydrogen peroxide supply unit is further provided.
And a solenoid valve opened and closed by a control unit at a connection part of the hydrogen peroxide storage unit and the hydrogen peroxide supply unit.
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