KR100625968B1 - Fuel cell system - Google Patents

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Abstract

연료전지 시스템이 개시된다.A fuel cell system is disclosed.

본 발명에 따른 연료전지 시스템은 액체 연료와 물의 공급장치; 고분자 전해질막을 갖는 복수의 연료전지를 포함하는 스택; 연료의 배출구에 위치하며 애노드 반응후 발생하는 이산화탄소를 포집하여 검출하는 이산화탄소 게이지; 및 상기 이산화탄소 게이지에서 검출된 이산화탄소의 양에 의해, 공급되는 연료의 양을 조절하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하며, 본 시스템에 의하면 불필요하게 과도한 연료의 공급에 의한 연료 효율의 감소를 방지하고 메탄올 크로스오버를 감소시기 때문에 연료전지의 효율 및 수명을 증가시킬 수 있다. 또한 고출력밀도가 필요한 시점과 저출력밀도가 필요한 시점에서 부산물을 이용하여 연료전지를 효율적으로 작동시킬 수 있다.A fuel cell system according to the present invention includes a liquid fuel and water supply device; A stack including a plurality of fuel cells having a polymer electrolyte membrane; A carbon dioxide gauge positioned at an outlet of the fuel and collecting and detecting carbon dioxide generated after the anode reaction; And a controller for controlling the amount of fuel supplied by the amount of carbon dioxide detected in the carbon dioxide gauge, and according to the present system, the fuel efficiency is prevented from being unnecessarily reduced by the excessive fuel supply and methanol Reducing crossovers can increase fuel cell efficiency and lifetime. In addition, by-products can be used to efficiently operate fuel cells when high power density is required and low power density is required.

메탄올 크로스 오버, 직접 액체 연료전지, 연료전지 시스템Methanol crossover, direct liquid fuel cell, fuel cell system

Description

연료전지 시스템{Fuel cell system}Fuel cell system

제 1도는 수소 이온 교환막 연료전지에 대한 개략도이다.1 is a schematic diagram of a hydrogen ion exchange membrane fuel cell.

제 2도는 종래 기술에 의한 연료 전지 시스템의 개략도이다.2 is a schematic diagram of a fuel cell system according to the prior art.

제 3도는 본 발명에 의한 연료 전지 시스템의 개략도이다.3 is a schematic diagram of a fuel cell system according to the present invention.

제 4도는 종래 기술에 의한 연료 전지 시스템과 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서 발생하는 전류의 양을 비교할 수 있는 그래프이다.4 is a graph that can compare the amount of current generated in the fuel cell system according to the prior art and the fuel cell system according to the present invention.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>

1: 캐소드(입구) 2: 캐소드(출구)1: cathode (inlet) 2: cathode (outlet)

3: 애노드(입구) 4: 애노드(출구)3: anode (entrance) 4: anode (outlet)

5: 연료 공급장치 6: 이산화탄소 게이지5: fuel supply 6: carbon dioxide gauge

7: 배출구 8: 제어기7: outlet 8: controller

11: 수소이온교환막 12: 애노드 촉매층11: hydrogen ion exchange membrane 12: anode catalyst layer

13: 캐소드 촉매층 14: 애노드 지지층13: cathode catalyst layer 14: anode support layer

15: 캐소드 지지층 16: 카본 플레이트15: cathode support layer 16: carbon plate

본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 액체 연료의 크로스 오버(cross over)를 감소시킴으로써 연료전지의 효율 및 수명을 증가시킬 수 있는 직접 액체 연료전지 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly, to a direct liquid fuel cell system that can increase the efficiency and life of a fuel cell by reducing crossover of liquid fuel.

최근, 환경문제, 에너지원의 고갈과 더불어 연료전지 자동차의 실용화와 더불어, 높은 에너지 효율을 가지며 상온에서 작동이 가능하면서도 신뢰성이 있는 고성능 연료전지의 개발이 절실히 요구되어 있다. 이에 연료전지의 효율을 증가시킬 수 있는 고분자막의 개발 또한 요구되고 있다. In recent years, along with environmental problems, exhaustion of energy sources, and the practical use of fuel cell vehicles, development of high-performance fuel cells with high energy efficiency and operation at room temperature and reliability are urgently required. Accordingly, there is also a demand for the development of polymer membranes that can increase the efficiency of fuel cells.

연료전지는 연료와 산화제를 전기화학적으로 반응시켜 생기는 에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 발전시스템으로서, 그 종류로는 고온(500 내지 700℃)에서 작동하는 용융탄산염 전해질형 연료전지, 200℃ 근방에서 작동하는 인산전해질형 연료전지, 상온 내지 약 100℃ 이하에서 작동하는 알칼리 전해질형 연료전지, 고분자 전해질형 연료전지 등이 있다. A fuel cell is a power generation system that directly converts energy generated by electrochemical reaction between fuel and oxidant into electrical energy. The fuel cell is a molten carbonate electrolyte fuel cell operating at a high temperature (500 to 700 ° C.), near 200 ° C. Phosphoric acid electrolyte fuel cells that operate, alkali electrolyte fuel cells that operate at room temperature to about 100 ° C. or less, and polymer electrolyte fuel cells.

상기 고분자 전해질형 연료전지로는 수소 가스를 연료로 사용하는 수소 이온 교환막 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell: PEMFC)과 액상의 유기 화합물(메탄올, 에탄올 등)을 직접 연료로 애노드에 공급하여 사용하는 직접 액체 연료전지 등이 있다. 고분자 전해질형 연료전지는 화석 에너지를 대체할 수 있는 미래의 청정 에너지원으로서, 출력밀도 및 에너지 전환효율이 높다. 또한, 상온에서 작동가능하고 소형화 및 밀폐화가 가능하므로 무공해 자동차, 가정용 발전시스템, 이동통신장비, 의료기기, 군사용 장비, 우주사업용 장비 등의 분야에 폭넓게 사용가능하다. As the polymer electrolyte fuel cell, a hydrogen ion exchange membrane fuel cell (Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC)) and a liquid organic compound (methanol, ethanol, etc.) are directly supplied to the anode for use as fuel. Direct liquid fuel cells; The polymer electrolyte fuel cell is a future clean energy source that can replace fossil energy, and has high power density and energy conversion efficiency. In addition, since it can operate at room temperature and can be miniaturized and sealed, it can be widely used in fields such as pollution-free automobiles, household power generation systems, mobile communication equipment, medical equipment, military equipment, and space business equipment.                         

PEMFC는 수소와 산소의 전기화학적 반응으로부터 직류의 전기를 생산해내는 전력생성 시스템으로서, 이러한 셀의 기본적인 구조는 도 1에 도시된 바와 같다.PEMFC is a power generation system for producing direct current electricity from the electrochemical reaction of hydrogen and oxygen, the basic structure of such a cell is shown in FIG.

도 1을 참조하면, 연료전지는 애노드와 캐소드사이에 수소 이온 교환막(11)이 개재되어 있는 구조를 갖고 있다.Referring to FIG. 1, a fuel cell has a structure in which a hydrogen ion exchange membrane 11 is interposed between an anode and a cathode.

상기 수소 이온 교환막(11)은 두께가 50 내지 200㎛이며 고체 고분자 전해질로 되어 있고, 애노드와 캐소드는 각각 반응기체의 공급을 위한 지지층(14), (15)과 반응기체의 산화/환원반응이 일어나는 촉매층(12), (13)으로 되어 있는 가스확산전극(이하, 캐소드와 애노드를 통칭하여 가스 확산 전극"이라고 함)으로 이루어져 있다. 도 1에서 참고번호(16)는 가스 주입용 홈을 갖고 있는 카본 시트를 나타내며, 이는 집전체 기능도 수행한다. The hydrogen ion exchange membrane 11 has a thickness of 50 to 200 μm and is made of a solid polymer electrolyte, and the anode and the cathode are respectively supported by the support layers 14 and 15 for supplying the reactor, and the oxidation / reduction reaction of the reactor. It consists of a gas diffusion electrode (hereinafter referred to collectively referred to as a gas diffusion electrode ") of the catalyst layers 12, 13, which occur. Reference numeral 16 in Fig. 1 has a groove for gas injection. A carbon sheet, which also functions as a current collector.

상술한 바와 같은 구조를 갖는 PEMFC는 반응기체인 수소가 공급되면서 애노드에서는 산화반응이 일어나 수소 분자가 수소 이온과 전자로 전환된다. 이 때 수소 이온은 수소이온교환막(11)을 거쳐 캐소드로 전달된다.In the PEMFC having the structure as described above, an oxidation reaction occurs at the anode while hydrogen, which is a reactive gas, is converted into hydrogen ions and electrons. At this time, the hydrogen ions are transferred to the cathode via the hydrogen ion exchange membrane (11).

반면, 캐소드에서는 환원반응이 일어나 산소 분자가 전자를 받아 산소 이온으로 전환되며, 산소 이온은 애노드로부터의 수소 이온과 반응하여 물분자로 전환된다. 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, PEMFC의 가스 확산 전극에서 촉매층(12), (13)은 지지층(14), (15) 상부에 각각 형성되어 있다. 이 때 지지층(14), (15)은 탄소천 또는 탄소종이로 이루어져 있고, 반응기체와 수소이온교환막(11)에 전달되는 물 및 반응 결과 생성된 물이 통과하기 쉽도록 표면처리되어 있다. 상기 산화 반응을 위한 촉매층(12)에는 백금과 같은 귀금속 촉매과 사용되어지고, 산소 환원 반응을 위한 촉매층(13)에서는 백금 합금 촉매가 사용된다. On the other hand, in the cathode, a reduction reaction occurs and oxygen molecules receive electrons and are converted into oxygen ions, and oxygen ions react with hydrogen ions from the anode to be converted into water molecules. As shown in FIG. 1, catalyst layers 12 and 13 are formed on support layers 14 and 15, respectively, in the gas diffusion electrode of PEMFC. At this time, the support layers (14) and (15) are made of carbon cloth or carbon paper, and are surface treated so that the water delivered to the reactor body and the hydrogen ion exchange membrane 11 and the water generated as a result of the reaction pass easily. The catalyst layer 12 for the oxidation reaction is used with a noble metal catalyst such as platinum, and the platinum alloy catalyst is used in the catalyst layer 13 for the oxygen reduction reaction.

한편, 직접 액체 연료전지는 상술한 PEMFC와 동일한 구조이나, 반응연료로서 수소기체 대신에 액체상태의 유기화합물(메탄올, 에탄올 등)을 애노드에 공급하여 촉매의 도움으로 산화반응이 일어나서 수소이온과 전자 및 이산화탄소가 발생된다. 이러한 직접 액체 연료전지는 PEMFC에 비하여 전지효율이 떨어지나, 기체를 사용하지 않기 때문에 연료개질기가 필요 없으며 연료의 공급 및 저장이 용이하므로 휴대용 전자기기 및 통신 기기에 적용하기가 보다 용이하다는 잇점이 있다. On the other hand, the direct liquid fuel cell has the same structure as the above-described PEMFC, but instead of hydrogen gas as the reaction fuel, liquid organic compounds (methanol, ethanol, etc.) are supplied to the anode to oxidize the hydrogen ions and electrons with the aid of a catalyst. And carbon dioxide is generated. The direct liquid fuel cell has a lower cell efficiency than PEMFC, but does not require a gas, and thus, a fuel reformer is not required, and fuel is easily supplied and stored, so it is easier to apply to portable electronic devices and communication devices.

전술한대로 PEMFC 또는 직접 액체 연료전지에서는 애노드와 캐소드 사이에 개재되는 수소이온교환막으로서 이온 전도성 고분자막을 사용하는데, 이러한 고분자막의 경우 애노드 전극에서 산화 반응에 의해 발생한 수소 이온을 캐소드 전극쪽으로 이동시키는 역할 뿐만이 아니라 애노드와 캐소드 사이를 분리시키는 분리막의 역할도 담당하고 있다. 따라서, 상기 고분자 막은 수소 이온을 신속하게 대량으로 이동시키기 위해 높은 이온 전도도가 요구되어지고 있으며, 전기 화학적인 안전성과 더불어 전도막으로서의 기계적 물성, 작동 온도에서의 열적안정성, 저항을 줄이기 위한 얇은 막으로서의 제조 가능성 및 액체 함유시 팽창 효과가 적을 것 등의 요건을 충족해야 한다. 또한 액체 연료가 이온 전도성 고분자막을 투과하는 경우에는 캐소드 촉매의 피독현상이 발생하여 전지의 수명이 저하되기 때문에 액체 연료의 투과도가 낮을 것을 필요로 한다. 현재, 일반적으로 주사슬에 불소화 알킬렌을 가지고 있고, 불소화비닐 에테르 측쇄사슬의 말단에 술폰산기를 가지는 불소계 막이 사용되고 있다(예: Nafion, Dupont사 제조). 그러나, 가격이 매우 고가이므로 자동차용 연료전지에 적용하기에는 난점이 있을 뿐만 아니라 메탄올 등의 액체 연료를 사용하는 경우에는 엑체 연료가 고분자막을 투과(Cross-over)하여 전체적인 연료전지의 성능을 저하시킨다는 문제점이 있다.As described above, in PEMFC or direct liquid fuel cells, an ion conductive polymer membrane is used as a hydrogen ion exchange membrane interposed between the anode and the cathode. It also serves as a separator that separates the anode from the cathode. Therefore, the polymer membrane is required to have a high ionic conductivity in order to quickly move a large amount of hydrogen ions, and as a thin membrane to reduce the mechanical properties, thermal stability at operating temperature, resistance as well as electrochemical safety The requirements must be met, such as manufacturability and less liquid expansion effect. In addition, when the liquid fuel penetrates the ion conductive polymer membrane, poisoning of the cathode catalyst occurs and the life of the battery is reduced, so that the liquid fuel has a low permeability. Currently, fluorine-based membranes having a fluorinated alkylene in the main chain and a sulfonic acid group at the terminal of the fluorinated vinyl ether side chain are generally used (for example, manufactured by Nafion and Dupont). However, since the price is very high, it is not only difficult to apply to fuel cells for automobiles, but also when liquid fuels such as methanol are used, liquid fuels cross-over the polymer membrane to degrade the overall fuel cell performance. There is this.

직접액체연료전지 중 메탄올을 연료로 사용하는 직접메탄올연료전지(Direct Methanol Fuel Cell, 이하 DMFC)의 전극반응은 연료가 산화되는 애노드 반응과 수소이온과 산소의 환원에 의한 캐소드 반응으로 구성되며 반응식은 다음과 같다.The electrode reaction of a direct methanol fuel cell (DMFC) using methanol as a fuel in a direct liquid fuel cell consists of an anode reaction in which the fuel is oxidized and a cathode reaction by reduction of hydrogen ions and oxygen. As follows.

CH3OH +H2O → 6H+ + 6e- + CO2 (Anode reaction) CH 3 OH + H 2 O → 6H + + 6e- + CO 2 (Anode reaction)

3/2O2 +6H+ + 6e- → 3H2O (Cathode reaction) 3 / 2O 2 + 6H + + 6e- → 3H 2 O (Cathode reaction)

CH3OH + 3/2O2 → 2H2O + CO2 (Overall reaction) CH 3 OH + 3 / 2O 2 → 2H 2 O + CO 2 (Overall reaction)

애노드 전극에서는 메탄올과 물의 반응에 의하여 이산화탄소, 6개의 수소이온 및 전자가 생성(산화반응) 되며, 생성된 수소이온은 수소이온교환막을 거쳐 캐소드로 전달된다. 캐소드에서는 수소이온과 외부회로를 통해 전달된 전자 및 산소가 반응하여 물을 생성한다(환원반응). 즉, DMFC 전체반응은 메탄올과 산소가 반응하여 물과 이산화탄소를 생성하는 반응이 된다.In the anode electrode, carbon dioxide, six hydrogen ions and electrons are generated (oxidation reaction) by the reaction of methanol and water, and the generated hydrogen ions are transferred to the cathode through a hydrogen ion exchange membrane. In the cathode, hydrogen ions and electrons and oxygen delivered through an external circuit react to form water (reduction reaction). That is, the DMFC total reaction is a reaction of methanol and oxygen to produce water and carbon dioxide.

DMFC 시스템은 연료공급장치, 연료순환장치, 냉각장치, DC-DC 컨버터, DC-AC 인버터 등의 부가장치와 시스템을 조절하기 위한 콘트롤 유닛(control unit) 등으로 구성되어 있다. The DMFC system consists of additional devices such as a fuel supply device, a fuel circulation device, a cooling device, a DC-DC converter, a DC-AC inverter, and a control unit for controlling the system.

연료공급장치는 연료통과 액체연료를 공급하기 위한 연료펌프, 산화제인 공 기를 공급하기 위한 컴프레서 또는 공기펌프로 구성이 된다. 이론적으로 액체연료인 메탄올은 물과 1:1로 반응하기 때문에 메탄올 1몰과 물 1몰의 혼합액(64 중량% 메탄올)을 사용하는 것이 가능하지만, 이러한 고농도 연료를 사용할 경우 전해질로 사용되는 고분자막에서의 메탄올 크로스 오버로 인한 성능감소가 크기 때문에 일반적으로 5 몰농도(16중량%) 이하의 저농도 메탄올을 사용하게 된다. 고분자막을 통한 연료의 크로스 오버를 줄이고 또한 연료의 효율을 증가시키기 위한 방법으로서 메탄올 투과도가 낮은 고분자막의 개발이 활발히 진행되고 있다. 그러나, 수소 이온 전도성을 증가시키기 위해 물의 투과는 증대시키면서, 물과 잘 섞이며 극성 또한 비슷한 메탄올과 같은 연료의 투과를 감소시킬 수 있는 고분자막의 제조는 실제적으로 매우 어렵다는 문제점이 있다. 따라서, 연료의 투과를 줄이는 방법의 하나로서 애노드 전극에 공급되는 메탄올의 양을 적절히 조절함으로서 연료를 효율적으로 사용하고 연료의 투과를 줄일 수 있는 방법이 시스템의 측면에서 많이 연구되고 있다. The fuel supply device is composed of a fuel tank and a fuel pump for supplying liquid fuel, a compressor for supplying air as an oxidant, or an air pump. Theoretically, methanol, which is a liquid fuel, reacts 1: 1 with water, so it is possible to use a mixture of 1 mol of methanol and 1 mol of water (64 wt% methanol). Due to the large decrease in performance due to methanol crossover, low concentration methanol of less than 5 molar concentrations (16% by weight) is generally used. As a method for reducing fuel crossover and increasing fuel efficiency through polymer membranes, development of polymer membranes with low methanol permeability has been actively conducted. However, there is a problem that it is practically difficult to manufacture a polymer membrane which can reduce the permeation of a fuel such as methanol that is well mixed with water and has a similar polarity while increasing the permeation of water to increase the hydrogen ion conductivity. Therefore, as a method of reducing fuel permeation, a method of efficiently using fuel and reducing fuel permeation by appropriately adjusting the amount of methanol supplied to the anode electrode has been studied in terms of a system.

도 2는 종래기술에 의한 연료전지 시스템을 나타내며, 펌프에 의해 액체 연료의 일정한 공급속도를 유지하도록 하는데, 이런 경우 연료 전지 시스템에서 고전류(high current)가 필요한 경우와 저전류(low current)가 필요한 경우 같은 양의 연료가 공급됨으로서, 적은 양의 연료가 필요한 상태에서도 일정한 양의 연료가 공급됨으로서 과도한 연료가 공급되게 된다. 과도한 연료의 공급은 고분자막을 통한 연료의 크로스 오버를 증대시키고 메탄올의 크로스 오버는 캐소드 촉매의 피독을 유발시키고 연료전지의 효율 저하 및 수명 감소를 초래한다. 2 shows a fuel cell system according to the prior art, in which a constant supply rate of liquid fuel is maintained by a pump, in which case a high current and a low current are required in the fuel cell system. In this case, the same amount of fuel is supplied, so that a constant amount of fuel is supplied even when a small amount of fuel is required, thereby providing excessive fuel. Excessive fuel supply increases the crossover of fuel through the polymer membrane, and crossover of methanol causes poisoning of the cathode catalyst and leads to a decrease in the efficiency and life of the fuel cell.                         

또한 메탄올과 물의 저장 장치를 분리해서 사용하고 이들이 시스템에 공급되기 전에 연료 혼합기 또는 메탄올 센서가 부착되어 있는 연료 혼합기를 거치도록 하여 메탄올의 적정량을 조절함으로서 연료의 사용을 효율적으로 조절하려는 시도가 있었다. 그러나 연료전지 외부에서 펌프의 유량을 조절함으로써 고전류에서는 펌프의 유량을 증가시키고 저전류에서는 펌프의 유량을 감소시키는 것은 비효율적이며 적절한 연료공급량을 조절하기가 매우 어렵다는 단점이 있다. In addition, attempts have been made to efficiently control the use of fuel by separating methanol and water storage devices and passing them through a fuel mixer or a fuel mixer with a methanol sensor before they are fed into the system. However, by adjusting the flow rate of the pump outside the fuel cell, increasing the flow rate of the pump at high current and decreasing the flow rate of the pump at low current is inefficient and it is very difficult to control the proper fuel supply amount.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 종래기술의 문제점을 극복하여 액체 연료의 크로스 오버를 감소시킬 수 있는 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.Accordingly, the technical problem to be achieved by the present invention is to provide a fuel cell system capable of reducing the crossover of liquid fuel by overcoming the problems of the prior art.

본 발명은 상기 기술적 과제를 달성하기 위하여The present invention to achieve the above technical problem

연료 공급장치(5);A fuel supply device 5;

고분자 전해질막을 갖는 복수의 연료전지를 포함하는 스택;A stack including a plurality of fuel cells having a polymer electrolyte membrane;

연료의 배출구(7)에 위치하며 애노드 반응후 발생하는 이산화탄소를 포집하여 검출하는 이산화탄소 게이지(6); 및A carbon dioxide gauge 6 located at the outlet 7 of the fuel and collecting and detecting carbon dioxide generated after the anode reaction; And

상기 이산화탄소 게이지에서 검출된 이산화탄소의 양에 의해, 공급되는 연료의 양을 조절하는 제어기(8)를 포함하는 연료전지 시스템을 제공한다.It provides a fuel cell system comprising a controller (8) for controlling the amount of fuel supplied by the amount of carbon dioxide detected in the carbon dioxide gauge.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 액체 연료는 메탄올, 에탄올 또는 이소프로필알콜일 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the liquid fuel may be methanol, ethanol or isopropyl alcohol.                     

본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 제어기(8)는 상기 이산화탄소 게이지(6)에서 검출된 이산화탄소의 양에 반응하여, 이산화탄소의 양이 적은 것으로 식별된 때에는 연료공급장치(5)를 통한 액체 연료의 공급을 감소시키도록 제어하는 것이 바람직하다.According to another embodiment of the present invention, the controller 8 responds to the amount of carbon dioxide detected by the carbon dioxide gauge 6 and, when it is identified that the amount of carbon dioxide is small, the liquid fuel through the fuel supply device 5. It is desirable to control to reduce the supply of.

또한, 상기 제어기(8)는 상기 이산화탄소 게이지(6)에서 검출된 이산화탄소의 양에 반응하여, 이산화탄소의 양이 많은 것으로 식별된 때에는 연료공급장치(5)를 통한 액체 연료의 공급을 증가시키도록 제어하는 것이 바람직하다. The controller 8 also controls to increase the supply of liquid fuel through the fuel supply 5 when the amount of carbon dioxide is identified as being large in response to the amount of carbon dioxide detected by the carbon dioxide gauge 6. It is desirable to.

상기 이산화탄소 게이지(6)는 애노드 전극 내에 존재하는 이산화탄소 기체의 압력 또는 액체연료에 용해되어 있는 이산화탄소의 농도를 측정하여 이산화탄소의 양을 검출할 수 있다.The carbon dioxide gauge 6 may detect the amount of carbon dioxide by measuring the pressure of carbon dioxide gas present in the anode electrode or the concentration of carbon dioxide dissolved in the liquid fuel.

이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

도 3은 본 발명에 따른 연료전지 시스템을 나타낸다. 상기 시스템은 애노드 반응 후 발생되는 이산화탄소의 양을 검출할 수 있는 이산화탄소 게이지(6)가 연료 배출구에 함께 존재하며, 상기 이산화탄소 게이지(6)에서 검출된 이산화탄소의 양에 반응하여 연료공급을 제어할 수 있는 제어기(8)를 구비하고 있다. 3 shows a fuel cell system according to the present invention. The system is provided with a carbon dioxide gauge (6) at the fuel outlet, which can detect the amount of carbon dioxide generated after the anode reaction, and can control the fuel supply in response to the amount of carbon dioxide detected at the carbon dioxide gauge (6). With a controller (8).

처음에 연료 공급기(5)를 통해 연료가 공급되어 애노드 전극 내의 활성 영역을 채운 후 공급이 중단된다. 이때 배출구(7)는 밀폐되어 있으며 연료가 애노드 전극 내에 일정 시간동안 머물면서 산화반응이 일어나고 전력이 발생하게 되며, 그 결과 발생하는 이산화탄소는 배출구(7) 쪽으로 이동하게 된다. 상기에서 발생한 이산화탄소는 미반응의 액체 연료에 용해되거나 애노드 전극 내에 기체상태로 남아 있게 되는데, 이산화탄소 게이지(6)는 연료전지 시스템이 정상상태에 도달한 이후부터 작동하게 되며 애노드 전지 내부에 존재하는 이산화탄소의 양을 검출하게 된다. 반응이 진행되며 발생한 이산화탄소의 압력이 일정 압력에 달하면 상기 이산화탄소 게이지(6)가 제어기(8)로 시그널을 보내고 제어기(8)는 배출구(7)를 개방시켜 이산화탄소 기체를 배출시킨다. 한편, 이산화탄소의 양이 증가할 수록 애노드 전극 내에 존재하는 액체 연료의 양은 감소하게 되므로 이산화탄소의 양에 따라 애노드 전극 내에 남아 있는 액체 연료의 양을 알아낼 수 있다. 이산화탄소 게이지(6)는 현재 전극 내에 존재하는 이산화탄소의 양을 계속적으로 체크하며 제어기(8)로 시그널을 보내고, 제어기(8)에서는 상기 시그널을 통해 현재 전극 내에 남아 있는 액체 연료의 양을 계속적으로 검출해 내며, 이 때 검출된 연료의 양에 따라 연료의 공급을 제어할 수 있는 것이다.The fuel is initially supplied through the fuel supply 5 to fill the active region in the anode electrode and then the supply is stopped. At this time, the outlet 7 is sealed and the fuel stays in the anode for a predetermined time, the oxidation reaction occurs and power is generated, and the resulting carbon dioxide is moved toward the outlet 7. The carbon dioxide generated above is dissolved in unreacted liquid fuel or remains in the gaseous state in the anode electrode. The carbon dioxide gauge 6 operates after the fuel cell system reaches a steady state and the carbon dioxide present in the anode cell. The amount of is detected. When the reaction proceeds and the pressure of the generated carbon dioxide reaches a certain pressure, the carbon dioxide gauge 6 sends a signal to the controller 8, and the controller 8 opens the outlet 7 to discharge carbon dioxide gas. Meanwhile, as the amount of carbon dioxide increases, the amount of liquid fuel present in the anode electrode decreases, so that the amount of liquid fuel remaining in the anode electrode can be determined according to the amount of carbon dioxide. The carbon dioxide gauge 6 continuously sends a signal to the controller 8 checking the amount of carbon dioxide present in the electrode, and the controller 8 continuously detects the amount of liquid fuel remaining in the current electrode via the signal. In this case, the supply of fuel can be controlled according to the amount of fuel detected.

연료의 산화반응 결과 발생하는 이산화탄소의 양은 상기 액체 연료의 반응량에 비례한다. 애노드 전극 내부에 연료가 차지할 수 있는 부피는 정해져 있으므로, 최초에 공급된 연료의 양을 알 수 있고, 상기 연료가 모두 소모되었다고 가정할 때에 발생할 수 있는 이산화탄소의 양을 알 수 있다. 예컨대, 메탄올 연료의 경우 1몰의 메탄올이 반응하면 1몰의 이산화탄소가 발생하므로, 사용된 메탄올 수용액의 몰농도가 정해지면, 상기 메탄올이 모두 소모된 후에 발생하는 이산화탄소의 양을 알 수 있다. 따라서, 당해 애노드 전극 내부의 부피 및 액체 연료의 몰농도를 확정하게 되면 상기 액체 연료가 모두 소모되었을 때에 발생하는 이산화탄소의 양을 확정할 수 있고, 이처럼 정해진 소정의 값을 제어기(8)에 입력한 후 상기 값과 편차 가 생기는 때에는 제어기가 작동하여 공급되는 연료의 양을 제어할 수 있는 것이다. 저전류에서는 상기 애노드 전극 반응이 원할하지 않기 때문에 소모되는 연료의 양도 적고, 따라서 발생되는 이산화탄소의 양도 적기 때문에 제어기(8)에서 연료공급기로 시그널을 보내어 연료의 공급을 감소시킨다. 반대로, 고전류에서는 소모되는 연료의 양이 많고 발생되는 이산화탄소의 양도 많기 때문에 제어기(8)가 작동하여 연료공급기(5)에서 공급되는 연료의 양을 증가시킨다.The amount of carbon dioxide generated as a result of the oxidation of the fuel is proportional to the reaction amount of the liquid fuel. Since the volume of fuel that is occupied in the anode electrode is determined, the amount of fuel initially supplied can be known, and the amount of carbon dioxide that can be generated assuming that the fuel is exhausted. For example, in the case of methanol fuel, since one mole of methanol reacts to generate one mole of carbon dioxide, when the molar concentration of the aqueous methanol solution used is determined, the amount of carbon dioxide generated after all of the methanol is consumed can be known. Therefore, when the volume inside the anode electrode and the molar concentration of the liquid fuel are determined, the amount of carbon dioxide generated when the liquid fuel is exhausted can be determined, and the predetermined value thus inputted to the controller 8 can be determined. When the deviation from the above value occurs, the controller can operate to control the amount of fuel supplied. At low current, the anode electrode reaction is not desired, so the amount of fuel consumed is small, and therefore the amount of carbon dioxide generated is small, so that the controller 8 sends a signal to the fuel supply to reduce the supply of fuel. In contrast, at high current, the amount of fuel consumed is large and the amount of carbon dioxide generated is large, so that the controller 8 operates to increase the amount of fuel supplied from the fuel supply 5.

한편, 이처럼 발생한 이산화탄소는 모두 기체로 존재하는 것이 아니라 일부는 전극 내부에 존재하는 물에 용해되게 된다. 따라서, 이산화탄소 게이지(6)는 전극 내에 존재하는 이산화탄소 기체의 압력을 측정하던지 물에 존재하는 이산화탄소의 농도를 측정함으로써 이산화탄소의 양을 알아 낼 수 있다.On the other hand, not all of the generated carbon dioxide is present as a gas, but some are dissolved in water present in the electrode. Therefore, the carbon dioxide gauge 6 can determine the amount of carbon dioxide by measuring the pressure of carbon dioxide gas present in the electrode or by measuring the concentration of carbon dioxide present in the water.

상기 배출구(7)가 개방되는 압력은 연료전지의 원할한 작동을 위해 필요한 소정의 압력으로 설정해 놓으며, 일단 배출구(7)가 개방된 다음에는 이산화탄소가 배출되기 때문에 애노드 전극 내에 존재하는 이산화탄소의 양은 급격히 감소하게 된다. 이 경우에는 이산화탄소 게이지(6)에서 시그널을 검출하지 않게 되며, 연료 공급장치(5)가 작동하여 애노드 전극 내의 활성영역을 채울 때까지 연료가 공급되고, 상기 배출구(7)가 다시 밀폐된다. 그 다음에 일정 시간 동안 애노드 전극 반응이 진행되어 시스템이 정상상태에 이른 후에야 이산화탄소 게이지(6)가 작동하게 되는 것이다. The pressure at which the outlet 7 is opened is set to a predetermined pressure necessary for smooth operation of the fuel cell, and since the carbon dioxide is discharged once the outlet 7 is opened, the amount of carbon dioxide present in the anode is rapidly increased. Will decrease. In this case, the signal is not detected by the carbon dioxide gauge 6, the fuel is supplied until the fuel supply device 5 is operated to fill the active region in the anode electrode, and the outlet 7 is closed again. The anode electrode reaction then proceeds for a certain period of time until the carbon dioxide gauge 6 is activated.

도 4는 종래 기술에 의한 연료 전지 시스템과 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서 일정 전압하에서 발생하는 전류의 양을 비교할 수 있는 그래프이다. 종래의 연료전지 시스템의 경우 발생하는 전류의 양이 적고 3.2A에서 5A까지 일정하지 않지만, 700초가 지난 후에 본 발명에 의한 시스템을 적용한 경우에는 동일 전압에서 발생하는 전류의 양이 급증할 뿐만 아니라 일정한 양의 전류가 발생하기 때문에 전지의 성능이 향상되는 것을 알 수 있으며, 이는 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 경우 적절한 양의 메탄올이 공급되는 것에 의해, 메탄올 크로스 오버를 감소시킬 수 있기 때문이다.Figure 4 is a graph that can compare the amount of current generated under a constant voltage in the fuel cell system according to the prior art and the fuel cell system according to the present invention. In the case of the conventional fuel cell system, the amount of current generated is small and not constant from 3.2A to 5A. However, when the system according to the present invention is applied after 700 seconds, the amount of current generated at the same voltage not only increases rapidly but is constant. It can be seen that the performance of the battery is improved because a positive current is generated, because in the fuel cell system according to the present invention, methanol crossover can be reduced by supplying an appropriate amount of methanol.

상기에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 따른 연료전지 시스템에 의하면 불필요하게 과도한 연료의 공급에 의한 연료 효율의 감소를 방지하고 메탄올 크로스오버를 감소시기 때문에 연료전지의 효율 및 수명을 증가시킬 수 있다. 또한 고출력밀도가 필요한 시점과 저출력밀도가 필요한 시점에서 부산물을 이용하여 연료전지를 효율적으로 작동시킬 수 있다. As described above, according to the fuel cell system according to the present invention, it is possible to prevent the reduction of fuel efficiency due to unnecessarily excessive fuel supply and to reduce the methanol crossover, thereby increasing the efficiency and life of the fuel cell. In addition, by-products can be used to efficiently operate fuel cells when high power density is required and low power density is required.

Claims (5)

연료 공급장치(5);A fuel supply device 5; 고분자 전해질막을 갖는 복수의 연료전지를 포함하는 스택;A stack including a plurality of fuel cells having a polymer electrolyte membrane; 연료의 배출구(7)에 위치하며 애노드 반응후 발생하는 이산화탄소를 포집하여 검출하는 이산화탄소 게이지(6); 및A carbon dioxide gauge 6 located at the outlet 7 of the fuel and collecting and detecting carbon dioxide generated after the anode reaction; And 상기 이산화탄소 게이지에서 검출된 이산화탄소의 양에 의해, 공급되는 연료의 양을 조절하는 제어기(8)를 포함하는 연료전지 시스템.And a controller (8) for controlling the amount of fuel supplied by the amount of carbon dioxide detected at the carbon dioxide gauge. 제 1항에 있어서, 상기 액체 연료는 메탄올, 에탄올 또는 이소프로필알콜인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.The fuel cell system of claim 1, wherein the liquid fuel is methanol, ethanol or isopropyl alcohol. 제 1항에 있어서, 상기 제어기(8)는 상기 이산화탄소 게이지(6)에서 검출된 이산화탄소의 양에 반응하여, 이산화탄소의 양이 적은 것으로 식별된 때에는 연료공급장치(5)를 통한 액체 연료의 공급을 감소시키도록 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.2. The supply of liquid fuel according to claim 1, wherein the controller (8) responds to the amount of carbon dioxide detected by the carbon dioxide gauge (6) and, when it is identified that the amount of carbon dioxide is small. And control to reduce the fuel cell system. 제 1항에 있어서, 상기 제어기(8)는 상기 이산화탄소 게이지(6)에서 검출된 이산화탄소의 양에 반응하여, 이산화탄소의 양이 많은 것으로 식별된 때에는 연료공급장치(5)를 통한 액체 연료의 공급을 증가시키도록 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템. 2. The controller (8) of claim 1, wherein the controller (8) responds to the amount of carbon dioxide detected by the carbon dioxide gauge (6) and, when it is identified that the amount of carbon dioxide is large, supplies the supply of liquid fuel through the fuel supply (5). A fuel cell system, characterized by controlling to increase. 제 1항에 있어서, 상기 이산화탄소 게이지(6)는 애노드 전극 내에 존재하는 이산화탄소 기체의 압력 또는 액체연료에 용해되어 있는 이산화탄소의 농도를 측정하여 이산화탄소의 양을 검출하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.The fuel cell system according to claim 1, wherein the carbon dioxide gauge (6) measures the amount of carbon dioxide by measuring the pressure of carbon dioxide gas present in the anode electrode or the concentration of carbon dioxide dissolved in the liquid fuel.
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