KR100700183B1

KR100700183B1 - Water circulation apparatus for fuel cell

Info

Publication number: KR100700183B1
Application number: KR1020000085446A
Authority: KR
Inventors: 윤홍식; 김인규; 김혁덕; 박일권; 박명석; 이성환; 이명호; 황용준
Original assignee: 주식회사 엘지이아이
Priority date: 2000-12-29
Filing date: 2000-12-29
Publication date: 2007-03-27
Also published as: KR20020056138A

Abstract

본 발명 연료전지의 연료공급장치는 스택(10)의 양극(22)에 메탄올 혼합액(41)을 공급하고, 음극(23)에 공기를 공급하여 전기화학적인 반응에 의하여 전기를 얻는 연료전지에서, 스택(10)의 배출라인(13)으로 배출되는 반응부산물중 물을 회수하여 재사용할수 있도록 물회수수단(14)을 구비하여, 그와 같이 물회수수단(14)에 의하여 배출라인(13)으로 배출되는 물이 재사용되어 짐에 따라서 제조원가를 절감할 수 있는 효과가 있다.The fuel supply device of the fuel cell of the present invention supplies a methanol mixed liquid 41 to the anode 22 of the stack 10 and supplies air to the cathode 23 to obtain electricity by an electrochemical reaction. Water recovery means 14 is provided to recover and reuse the water in the reaction by-product discharged to the discharge line 13 of the stack 10, and thus to the discharge line 13 by the water recovery means 14. As the discharged water is reused, manufacturing cost can be reduced.

Description

Fuel recovery device for fuel cell {WATER CIRCULATION APPARATUS FOR FUEL CELL}

도 1은 본 발명 연료전지의 연료회수장치를 보인 개략구성도.1 is a schematic configuration diagram showing a fuel recovery device of the fuel cell of the present invention.

도 2는 연료전지 스택의 단일셀을 보인 단면도.2 is a cross-sectional view showing a single cell of a fuel cell stack.

도 3은 본 발명에서 물탱크의 메탄올 농도변화 그래프.Figure 3 is a graph of the methanol concentration change of the water tank in the present invention.

도 4는 본 발명에서 물탱크의 메탄올 농도변화와 메탄올 탱크의 제어유량관계를 보인 그래프.Figure 4 is a graph showing the relationship between the methanol concentration change of the water tank and the control flow rate of the methanol tank in the present invention.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings

10 : 스택 12 : 에어라인10: stack 12: airline

13 : 배출라인 14 : 물회수수단13 discharge line 14 water recovery means

22 : 양극 23 : 음극22: anode 23: cathode

41 : 물 42 : 물탱크41: water 42: water tank

45 : 메탄올 46 : 메탄올탱크45 methanol 46 methanol tank

51 : 물회수라인 52 : 물회수용 펌프51: water recovery line 52: water recovery pump

본 발명은 외부로 부터 공급되는 연료와 공기의 전기화학반응을 통하여 전기를 생성하는 연료전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료전지의 발전시 발생되는 물을 회수하여 재사용할 수 있도록 하는데 적합한 연료전지의 연료회수장치에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell that generates electricity through an electrochemical reaction between fuel and air supplied from the outside, and more particularly, a fuel cell suitable for recovering and reusing water generated during generation of a fuel cell. Relates to a fuel recovery device.

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.In general, a technique related to a fuel cell is known as a device for directly converting energy contained in a fuel into electrical energy, and such a fuel cell generally has a porous anode (ANODE) and a cathode (CATHODE) on both sides of a polymer electrolyte. Is attached, the electrochemical oxidation of hydrogen as a fuel occurs at the anode (anode or anode) and the electrochemical reduction of oxygen as an oxidant at the cathode (reduction electrode or cathode). Is generated.

이와 같은 연료전지에 공급되는 수소는 LNG, LPG, CH₃OH, 가솔린 등의 탄화수소계(CH계열) 연료를 개질기에서 탈황공정→개질반응→수소정제공정을 거쳐 수소(H₂)만을 정제하여 가스형태로 사용되거나 액체 상태의 메탄올을 직접 연료로 사용하는 직접 메탄올 연료전지(DMFC; DIRECT METHANOL FUEL CELL)방식으로 사용되어진다.Hydrogen supplied to such a fuel cell is purified by purifying only hydrogen (H ₂ ) from a hydrocarbon-based (CH-based) fuel such as LNG, LPG, CH ₃ OH, and gasoline through a desulfurization process → reforming reaction → hydrogen purification process. It is used in the form of direct methanol fuel cell (DMFC), which is used in the form or uses liquid methanol as a direct fuel.

상기 직접 메탄올 연료전지는 개질기를 사용하지 않고 발전장치인 스택(STACK)의 양극에 메탄올과 물이 일정 비율(약 10%:90%)로 혼합된 메탄올 혼합액을 직접 공급하는 방식으로 전극에서 개질반응이 일어나기 때문에 개질기가 불필요하게 되어 전체 시스템을 간소화 시킬 수 있다는 큰 장점이 있다.The direct methanol fuel cell is a reforming reaction at an electrode by directly supplying a methanol mixture of methanol and water in a predetermined ratio (about 10%: 90%) to a cathode of a stack, which is a power generator, without using a reformer. This has the big advantage that the reformer becomes unnecessary and can simplify the whole system.

그러나, 상기와 같은 종래의 연료전지는 스택에서 발전을 하고난 후에 부산물로 물과 이산화탄소가 배출되는데, 이와 같이 배출되는 물과 이산화탄소가 재사용되지 못하고 그대로 버려지는 문제점이 있었다.However, the conventional fuel cell as described above has a problem in that water and carbon dioxide are discharged as by-products after power generation in a stack, and the water and carbon dioxide discharged as such are not reused and discarded.

상기와 같은 문제점을 감안하여 안출한 본 발명의 목적은 발전을 하고난 후에 버려지는 물을 회수하여 재사용함으로써 발전을 하는데 필요한 원가를 절감할 수 있도록 하는데 적합한 연료전지의 연료회수장치를 제공함에 있다.An object of the present invention devised in view of the above problems is to provide a fuel recovery device of a fuel cell suitable for reducing the cost required for power generation by recovering and reusing water that is discarded after power generation.

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 발전을 하는 스택의 양극에 물과 메탄올의 혼합액을 공급하고, 음극에 공기를 공급하여 화학반응으로부터 기전력을 얻는 연료전지에 있어서,In order to achieve the object of the present invention as described above in the fuel cell to supply a mixture of water and methanol to the anode of the power generation stack, and to supply the air to the cathode to obtain an electromotive force from the chemical reaction,

상기 스택에서 배출되는 물을 회수하여 재사용할 수 있도록 물회수수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 연료회수장치가 제공된다.Provided is a fuel recovery device for a fuel cell, comprising a water recovery means to recover and reuse water discharged from the stack.

이상 설명한 본 발명의 구성.작용을 한층 명백하게 하기 위하여, 이하에서 본 발명의 적합한 실시예에 대하여 설명한다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS To make the construction and operation of the present invention described above clearer, a preferred embodiment of the present invention will be described below.

도 1은, 본 발명의 일실시예로서 본 발명에 따른 연료회수장치가 설치된 연료전지의 개략구성도이다. 1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell in which a fuel recovery device according to the present invention is installed as an embodiment of the present invention.

도시된 바와 같이, 연료전지(1)의 전체 구성은 전기를 발생하는 고체 고분자형의 스택(10)과, 액체연료를 스택(10)에 공급하기 위한 액체연료공급수단(11)과, 스택(10)에 공기를 공급하기 위한 에어 라인(12)과, 스택(10)에서 발생되는 이산화탄소와 물을 배출하기 위한 배출라인(13)과, 그 배출라인(13)으로 배출되는 물을 재사용할 수 있도록 회수하기 위한 물회수수단(14) 및 각 종류의 제어처리를 실행하는 전자제어부(미도시)를 구비한다.As shown in the drawing, the overall configuration of the fuel cell 1 includes a stack of solid polymer type generating electricity, a liquid fuel supply means 11 for supplying a liquid fuel to the stack 10, and a stack ( 10, the air line 12 for supplying air, the discharge line 13 for discharging carbon dioxide and water generated in the stack 10, and the water discharged to the discharge line 13 can be reused. Water recovery means 14 for recovery, and an electronic control unit (not shown) for executing each type of control process.

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.The stack 10 may be a single cell in which an electrochemical reaction occurs or a plurality of single cells may be sequentially stacked and assembled into bolts. Referring to FIG. 2, a single cell structure will be described. A membrane-electrode assembly (MEA: MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY) 24 formed by bonding the anode 22 and the cathode 23 to diffuse gas on both sides of the membrane 21, and both sides of the membrane-electrode assembly 24. A separator 25 which is assembled so as to be in close contact with each other and forms a flow path of fuel gas and an oxygen-containing gas at the anode 22 and the cathode 23, and is disposed on both sides of the separator 25 and the anode 22. ) And current collector plates 26 and 27 serving as current collector electrodes of the cathode 23.

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. The electrolyte membrane 21 of the membrane-electrode assembly 24 is an ion exchange membrane made of a polymer material, and an electrolyte membrane 21 commercially available includes a Nafion membrane of DuPont, which serves as a carrier for hydrogen ions, and contacts oxygen with hydrogen. The anode 22 and the cathode 23 serve as a support for the platinum (Pt) catalyst layer, and porous carbon paper or carbon cloth is bonded to both sides of the electrolyte membrane 21. Structure.

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.The separation plate 25 is formed of a dense carbon plate, and a plurality of ribs are formed to form a fuel gas flow path groove 31 on the surface of the anode 22 during assembly, and oxygen on the surface of the cathode 23. The containing gas flow path groove 32 is formed.

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.It is preferable that the current collector plates 26 and 27 have excellent electrical conductivity, excellent corrosion resistance, and do not generate hydrogen embrittlement. good.

상기 액체연료공급수단(11)은 물(41)을 저장하는 물탱크(42)와 물공급라인(43) 및 전자밸브(44)가 구비되고, 메탄올(45)을 저장하는 메탄올탱크(46)와 메탄올공급라인(47) 및 전자밸브(48)가 구비되며, 상기 물공급라인(43)과 메탄올공급라인(47)이 스택(10)에 연결된 연료공급라인(49)에 연결되어 전자밸브(44)(48)의 개도를 조정하는 것에 의하여 물(41)과 메탄올(45)이 연료공급라인(49)을 통하여 일정비율로 혼합되어 스택(10)에 공급되어지도록 되어 있다.The liquid fuel supply means 11 is provided with a water tank 42 for storing water 41, a water supply line 43 and a solenoid valve 44, methanol tank 46 for storing methanol 45 And a methanol supply line 47 and a solenoid valve 48, wherein the water supply line 43 and the methanol supply line 47 are connected to a fuel supply line 49 connected to the stack 10. By adjusting the opening degrees of 44 and 48, the water 41 and methanol 45 are mixed at a constant ratio through the fuel supply line 49 and supplied to the stack 10.

또한, 상기 연료공급라인(49)은 스택(10)의 연료가스 유로홈(31)에 접속되어 있고, 그 연료가스 유로홈(31)은 스택(10)의 외측으로 연결되어 있는 배출라인(13)에 접속되어 있으며, 에어라인(12)은 산소함유가스 유로홈(32)에 접속되어 있다.In addition, the fuel supply line 49 is connected to the fuel gas flow path groove 31 of the stack 10, and the fuel gas flow path groove 31 is connected to the outside of the stack 10. The air line 12 is connected to the oxygen-containing gas flow path groove 32.

한편, 상기 물회수수단(14)은 상기 배출라인(13)으로 배출되는 물을 회수하여 물탱크(42)로 공급할 수 있도록 배출라인(13)과 물탱크(42)를 연결하는 물회라인(51)과, 그 물회수라인(51)에 설치되어 회수되는 물을 펌핑하기 위한 물회수용 펌프(52)로 구성되어 있다.On the other hand, the water recovery means 14 is connected to the discharge line 13 and the water tank 42 to recover the water discharged to the discharge line 13 to supply to the water tank 42 (51) ) And a water recovery pump 52 for pumping the water recovered and installed in the water recovery line 51.

도면중 미설명 부호 53은 에어라인(12) 상에 설치된 전자밸브이다. In the figure, reference numeral 53 is a solenoid valve provided on the air line 12.

상기와 같이 구성된 본 발명 연료공급장치가 구비된 연료전지는 조작자가 연료전지(1)의 스위치를 조작하면 전자제어부(미도시)에서 미리 설정된 제어 프로그램에 따라 에어라인(12)과 물공급라인(43) 및 메탄올 공급라인(47) 상의 전자밸브(44)(48)를 열어서 물(41)과 메탄올(45)이 적절하게 혼합되어 연료공급라인(49)을 통하여 스택(10)에 공급되어 지는 동시에 에어라인(12)을 통하여 공기가 스택(10)에 공급된다.Fuel cell equipped with the fuel supply device of the present invention configured as described above, when the operator operates the switch of the fuel cell 1, the air line 12 and the water supply line according to a control program preset by the electronic controller (not shown) ( 43) and the solenoid valves 44 and 48 on the methanol supply line 47 are opened so that the water 41 and methanol 45 are properly mixed and supplied to the stack 10 through the fuel supply line 49. At the same time, air is supplied to the stack 10 through the air line 12.

상기와 같이 스택(10)에 공급되는 메탄올 혼합액은 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.As described above, the methanol mixed liquid supplied to the stack 10 flows along the fuel gas flow path groove 31 and diffuses to the entire surface of the anode 22 of the membrane-electrode assembly 24, whereby electrochemical oxidation of hydrogen proceeds. Flows along the oxygen-containing gas flow path 32 and diffuses across the cathode 23 of the membrane-electrode assembly 24 to cause electrochemical reduction of oxygen, and electricity is generated due to the movement of electrons generated. The generated electricity is collected in the current collector plates 26 and 27 and used as an energy source.

이때 각극에서의 반응식과 총 반응식은 다음과 같다.At this time, the reaction formula and total reaction formula at each pole are as follows.

양극(ANODE): CH₃OH + H₂O → CO₂+ 6H⁺+ 6e^- Anode _{(ANODE): CH 3 OH +} H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e -

음극(CATHODE): 3/2O₂ + 6H⁺+ 6e^_→ 3H₂OCathode: 3 / 2O ₂ + 6H ⁺ + 6e ^_ → 3H ₂ O

총반응식 : CH₃OH + 3/2O₂ + H₂O → CO₂+ 3H₂O Total Reaction: CH ₃ OH + 3 / 2O ₂ + H ₂ O → CO ₂ + 3H ₂ O

그리고, 상기와 같이 발전이 이루어지는 스택(10)에서는 발전 부산물로서 배출라인(13)을 통하여 물과 이산화탄소가 배출되는데, 이때 그 배출되는 반응부산물 중 물은 물회수라인(13) 상에 설치된 물회수용 펌프(52)에 의하여 펌핑되어 물탱크(42)로 회수되어 재사용된다.In the stack 10 in which power generation is performed as described above, water and carbon dioxide are discharged through a discharge line 13 as a power generation by-product, wherein water of the reaction by-products discharged is installed on the water recovery line 13. Pumped by the pump 52 is recovered to the water tank 42 and reused.

상기와 같이 회수되는 물은 순수한 물이라고 볼 수 없으며 미소량의 메탄올이 혼합되어 있으며, 이와 같은 점을 감안할때 물탱크(42)의 메탄올 농도는 도 3의 그래프에서와 같이 시간이 지나며 점차 증가하는 경향을 보일 것이다.The water recovered as described above is not considered pure water, and a small amount of methanol is mixed, and in view of this, the methanol concentration of the water tank 42 gradually increases with time as shown in the graph of FIG. 3. Will tend to.

따라서, 도 4의 그래프와 같이, 물탱크(42)에 저장된 물(41)의 메탄올 농도증가에 따라서 물탱크(42)의 공급되는 제어유량은 시간에 지남에 따라 점차 증가시키는 반면, 메탄올 탱크(46)의 제어유량은 점차 감소시키는 방법으로 전자제어부(미도시)에서의 유량제어가 이루어지는 것이 바람직 할 것이다.Therefore, as shown in the graph of FIG. 4, as the methanol concentration of the water 41 stored in the water tank 42 increases, the supplied control flow rate of the water tank 42 gradually increases over time, while the methanol tank ( It is preferable that the flow rate control in the electronic control unit (not shown) is performed in a manner of gradually decreasing the control flow rate of 46).

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명 연료전지의 연료회수장치는 스택의 배출라인과 물탱크를 연결하는 물회수라인을 설치하고, 그 물회수라인 상에 물회수용 펌프를 설치하여, 발전을 하고난 후에 배출라인으로 배출되는 반응부산물 중 물을 물탱크로 회수하여 재사용함으로써, 연료의 재사용에 따른 제조원가를 절감하는 효과가 있다.As described above in detail, the fuel recovery apparatus of the fuel cell of the present invention provides a water recovery line connecting the discharge line of the stack and the water tank, and installs a water recovery pump on the water recovery line to generate power. After the water of the reaction by-products discharged to the discharge line is recovered by the water tank and reused, there is an effect of reducing the manufacturing cost of the fuel reuse.

Claims

In a fuel cell that supplies liquid fuel to the anode of the stack that generates power in a water tank for storing water and a methanol tank for storing methanol, and supplies air to the cathode through an air line to obtain electromotive force from a chemical reaction.

And a water recovery means for recovering the water discharged through the discharge line of the stack to the water tank for reuse as fuel.

According to claim 1, wherein the water recovery means is connected to the discharge line and the water tank and the water recovery line for recovering water from the reaction by-products discharged to the discharge line, and the water is installed on the water recovery line pumped A fuel recovery device of a fuel cell, characterized in that consisting of a water recovery pump for.