WO2021125669A1 - 수중 재순환식 연료전지 시스템 - Google Patents

수중 재순환식 연료전지 시스템 Download PDF

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신현길
이동활
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Definitions

  • the present invention relates to an underwater recirculation fuel cell system. More specifically, the present invention relates to a fuel cell system that is used to supply electric power in a submarine or the like and has improved efficiency by recirculating fuel.
  • a fuel cell is a cell that converts chemical reaction energy of a fuel and an oxidizing agent into electrical energy, and hydrogen is typically used as a fuel and oxygen is used as an oxidizing agent.
  • Such fuel cells are attracting particular attention due to advantages such as high efficiency, no emission of pollutants such as NOx and SOx, and abundant fuel used.
  • the most basic stack unit for generating electricity in a fuel cell is a membrane-electrode assembly (MEA), which is composed of an electrolyte membrane and anode and cathode electrodes formed on both sides thereof.
  • MEA membrane-electrode assembly
  • the oxidation reaction of the fuel occurs at the anode electrode to generate hydrogen ions and electrons
  • the hydrogen ions move to the cathode electrode through the electrolyte membrane
  • oxygen (oxidizer) from the cathode electrode reacts with hydrogen ions and electrons transferred through the electrolyte membrane
  • the movement of electrons occurs in the external circuit by the reaction in which water is generated.
  • FIG. 2 schematically shows the configuration of a conventional fuel cell system used in underwater, such as a submarine.
  • the conventional underwater fuel cell system several fuel cell stacks 201, 202, 203, and 204 are connected in series. It has a cascade type.
  • the multi-stage stack structure has the advantage of high utilization of fuel and oxidizer in water, but the structure of the fuel cell stack module is complicated due to the application of the gas-liquid separators 301, 302, and 303 between the multi-stage stacks, and additional control of the gas-liquid separator is required. .
  • the conventional multi-stage fuel cell stack has a high unit cost due to the use of a high content platinum catalyst and a thick electrolyte membrane.
  • Patent Document 1 Korean Patent No. 10-1755379
  • a high content of expensive platinum black (Pt-black) catalyst and a thick electrolyte membrane must be applied to increase efficiency, thereby increasing the manufacturing cost.
  • the present invention provides a fuel cell unit having an anode electrode, a cathode electrode and an electrolyte membrane; a first supply line for supplying a fuel containing hydrogen to the anode electrode; a second supply line for supplying an oxidizing agent containing oxygen to the cathode electrode; a gas mixing unit supplying an inert gas to the second supply line to mix the inert gas into the oxidizing agent; a first separator and a second separator for performing gas-liquid separation of the fluid discharged from the anode electrode and the cathode electrode, respectively; and first and second pumps for recirculating the gas separated in the first and second separators to the first and second supply lines, respectively, for use in an article operated in water;
  • a fuel cell system is provided.
  • the fuel cell system according to the present invention can exhibit a fuel utilization rate of 99.9% or more by recirculation of fuel even when a fuel cell composed of only one-stage stack is employed, and can simplify complex gas-liquid separation control according to the multi-stage stack.
  • the fuel cell system does not use pure oxygen even in water, it is possible to use a catalyst or a thin electrolyte membrane having a low platinum loading rate due to less corrosion, thereby reducing manufacturing costs.
  • the structure of the fuel cell system of the present invention increases the flow rate of the fluid, so that it is easy to discharge water inside the fuel cell stack.
  • FIG. 1 schematically shows the configuration of a fuel cell system according to an example of the present invention.
  • FIG. 2 schematically shows the configuration of a conventional underwater fuel cell system.
  • 201 a first fuel cell stack
  • 202 a second fuel cell stack
  • 203 a third fuel cell stack
  • 204 a fourth fuel cell stack
  • 410 a first pump
  • 420 a second pump
  • a supply line capable of supplying the substance to the other component, and it is understood that the material is supplied through the supply line.
  • FIG. 1 schematically shows the configuration of a fuel cell system according to an example of the present invention.
  • a square indicates each component
  • a solid arrow indicates a flow of raw material
  • a dotted arrow indicates a flow of discharge.
  • a fuel cell system includes a fuel cell unit 200 having an anode electrode, a cathode electrode, and an electrolyte membrane; a first supply line 110 for supplying a fuel containing hydrogen to the anode electrode; a second supply line 120 for supplying an oxidizing agent containing oxygen to the cathode electrode; a gas mixing unit 130 for supplying an inert gas (A) to the second supply line 120 to mix the inert gas (A) into the oxidizing agent; a first separator 310 and a second separator 320 for performing gas-liquid separation of the fluid discharged from the anode electrode and the cathode electrode, respectively; and a first pump 410 and a second pump for recirculating the gas separated in the first separator 310 and the second separator 320 to the first supply line 110 and the second supply line 120, respectively.
  • the second supply line 120 may further include a sensor 150 for detecting the ratio of the inert gas (A) such as nitrogen mixed in the oxidizing agent.
  • the fuel cell unit may be configured as a one-stage fuel cell stack.
  • the fuel cell structure can be configured in one stage instead of multiple stages by the recirculation structure, thereby simplifying the fuel cell stack structure, thereby increasing the cost reduction effect.
  • the fuel cell unit has two electrodes, that is, an anode electrode and a cathode electrode.
  • the electrode may be a gas diffusion electrode.
  • the anode electrode may oxidize hydrogen to generate hydrogen ions.
  • the anode electrode may be composed of a catalyst layer and a gas diffusion layer. Catalysts such as platinum, ruthenium, osmium, platinum-ruthenium alloy, platinum-osmium alloy, platinum-palladium alloy, and platinum-transition metal alloy may be used for the catalyst layer of the anode electrode.
  • the cathode electrode serves to reduce an oxidizing agent such as oxygen.
  • the cathode electrode may be composed of a catalyst layer and a gas diffusion layer.
  • platinum for the catalyst layer of the cathode electrode, for example, platinum or a platinum-transition metal alloy may be used.
  • the gas diffusion layer included in the anode electrode and the cathode electrode serves as a current conductor and serves to move and diffuse reaction materials such as fuel and oxidizing agent and water.
  • the gas diffusion layer may be made of, for example, carbon paper, carbon cloth, or carbon felt.
  • a microporous layer may be formed on a surface of the gas diffusion layer in contact with the catalyst layer.
  • the electrolyte membrane serves to transfer hydrogen ions generated at the anode electrode of the fuel cell unit to the cathode electrode and electrically separate the anode electrode from the cathode electrode.
  • the electrolyte membrane may be a polymer film used as an electrolyte membrane in a fuel cell or the like without any particular limitation.
  • the electrolyte membrane may be a flexible polymer film.
  • the electrolyte membrane is a perfluorosulfonic acid-based polymer resin, polyimide resin, polyvinylidene fluoride resin, polyethersulfone resin, polyphenylene sulfide resin, polyphenylene oxide resin, polyphosphazine resin, polyethylene naphthalate resin , a polyester resin, a doped polybenzimidazole resin, a polyether ketone resin, a polysulfone resin, an ion conductive polymer resin thereof, and a polymer resin selected from the group consisting of mixed resins thereof.
  • an inert gas such as nitrogen is mixed with oxygen as an oxidizing agent, corrosion of the fuel cell stack is suppressed and a low-cost catalyst and electrolyte membrane can be used.
  • the inert gas means a gas that does not react well with other components such as nitrogen, argon, neon, and helium.
  • carbon dioxide with low activity can also be used in the present invention.
  • the anode electrode or the cathode electrode may include a catalyst in which platinum is supported in an amount of 0.1 mg/cm 2 to 2.0 mg/cm 2 . More specifically, the amount of platinum supported on the catalyst may be 0.1 mg/cm 2 to 1.0 mg/cm 2 or 0.1 mg/cm 2 to 0.5 mg/cm 2 .
  • the fuel cell of the present invention can exhibit excellent performance even when a low-cost thin electrolyte membrane is used.
  • the electrolyte membrane may have a thickness of 10 ⁇ m to 200 ⁇ m.
  • the electrolyte membrane may have a thickness of 10 ⁇ m to 100 ⁇ m.
  • the electrolyte membrane may have a thickness of 10 ⁇ m to 50 ⁇ m, or 10 ⁇ m to 20 ⁇ m.
  • the first supply line supplies a fuel containing hydrogen to the anode electrode
  • the second supply line supplies an oxidizing agent containing oxygen to the cathode electrode
  • the gas mixing unit supplies an inert gas such as nitrogen to the second supply line to mix the inert gas into the oxidizing agent.
  • the fuel cell system may further include a hydrogen supply unit for supplying hydrogen and an oxygen supply unit for supplying oxygen, wherein the hydrogen supply unit and the oxygen supply unit may be connected to the first supply line and the second supply line, respectively. have.
  • the basic source gases are hydrogen, oxygen, and inert gas, but hydrogen and nitrogen may be generated from ammonia by a separation device and then supplied to the anode and the cathode, respectively.
  • the hydrogen supply unit may include a hydrogen storage tank or an ammonia storage tank.
  • the ammonia storage tank may decompose hydrogen from ammonia stored therein and supply it to the first supply line.
  • nitrogen may be further decomposed from ammonia in the ammonia storage tank and supplied to the second supply line through the gas mixing unit.
  • the fuel cell system may further include an ammonia storage tank for storing ammonia, and the ammonia storage tank may decompose ammonia into hydrogen and nitrogen and supply the ammonia to the first supply line and the gas mixing unit, respectively.
  • an ammonia storage tank for storing ammonia
  • the ammonia storage tank may decompose ammonia into hydrogen and nitrogen and supply the ammonia to the first supply line and the gas mixing unit, respectively.
  • ammonia storage tank may be respectively connected to the hydrogen supply unit and the gas mixing unit to supply hydrogen and nitrogen to them, respectively.
  • the fuel cell system includes a first controller for controlling a supply amount of hydrogen by controlling a pressure between the hydrogen supply unit and the first supply line, and a supply amount of oxygen by adjusting the pressure between the oxygen supply unit and the second supply line. It may further include a second controller for controlling the, and a third controller for controlling the supply amount of the inert gas such as nitrogen by adjusting the pressure between the gas mixing unit and the second supply line.
  • the gas recirculated by the first pump and the second pump is further mixed into the first supply line and the second supply line.
  • the first supply line may supply a mixture of hydrogen supplied from the hydrogen supply unit and unreacted hydrogen recycled by the first pump to the anode electrode.
  • the second supply line may supply a mixture of oxygen and inert gas supplied from the hydrogen supply unit and the gas mixing unit, and unreacted oxygen and inert gas recycled by the second pump to the cathode electrode.
  • the gas mixing unit may mix 20 wt% to 80 wt% of an inert gas based on the total weight of the oxidizing agent (total weight of gas supplied to the cathode electrode).
  • the mixing amount is within the above range, corrosion of the fuel cell stack due to continuous use of pure oxygen can be suppressed, so that a catalyst having a low platinum loading rate or an inexpensive electrode-membrane assembly having a thin electrolyte membrane can be used.
  • the mixing amount of the inert gas may be 50 wt% to 80 wt%, 50 wt% to 70 wt%, or 60 wt% to 80 wt%.
  • the second supply line may further include a sensor for detecting a ratio of an inert gas such as nitrogen mixed in the oxidizing agent.
  • the sensor may detect a ratio of an inert gas, such as nitrogen, mixed in the oxidizing agent, and when different from a preset ratio, adjust the amount mixed into the second supply line.
  • the first separator and the second separator perform gas-liquid separation of the fluid discharged from the anode electrode and the cathode electrode, respectively.
  • a fluid in which a gas and a liquid are mixed is discharged from the anode electrode and the cathode electrode.
  • a fluid including unreacted fuel and reacted water is discharged from the anode electrode, and a fluid including unreacted oxidizing agent and reacted water is discharged from the cathode.
  • the fluid discharged from the anode electrode may include unreacted hydrogen and water
  • the fluid discharged from the cathode electrode may include unreacted oxygen, an inert gas, and water.
  • the unreacted hydrogen and water are separated in the first separator, most of the unreacted hydrogen is recycled to the fuel cell unit, and water is discharged to the outside.
  • the unreacted oxygen, the inert gas and water are separated, and most of the unreacted oxygen and the inert gas are recycled to the fuel cell unit, and the water is discharged to the outside.
  • the unreacted fuel and the oxidizing agent separated in the first separator and the second separator are recycled to the fuel cell, but some may be discharged to the outside.
  • the amounts of unreacted fuel and oxidizer that are not recycled and are discharged to the outside are very small compared to the amounts of the fuel and oxidizer initially supplied to the fuel cell unit, and thus a high utilization rate can be achieved.
  • the gas separated in the first separator may include the unreacted hydrogen, and the remainder of the unreacted hydrogen that is not recycled to the first supply line may be discharged to the outside.
  • the amount of hydrogen discharged to the outside may be 0.5 wt% or less compared to the hydrogen supplied to the anode electrode.
  • the gas separated in the second separator may include the unreacted oxygen, and the remainder of the unreacted oxygen that is not recycled to the second supply line may be discharged to the outside.
  • the amount of oxygen discharged to the outside may be 0.5 wt% or less of oxygen supplied to the cathode electrode.
  • first separator and the second separator may separate water from the fluid discharged from the anode electrode and the cathode electrode, and the separated water may be discharged to the outside.
  • the first pump and the second pump recirculate the gas separated in the first separator and the second separator to the first supply line and the second supply line, respectively.
  • the gas recirculated to the first supply line and the second supply line by the first pump and the second pump may include a fuel and an oxidizing agent, respectively.
  • the gas recycled to the first supply line may include unreacted hydrogen
  • the gas recycled to the second supply line may include inert gases such as unreacted oxygen and nitrogen.
  • the gas recycled to the first supply line contains 20 to 50% by weight of the unreacted hydrogen
  • the gas recycled to the second supply line contains the unreacted oxygen and the inert gas in a total amount of 20% by weight. % to 70% by weight.
  • the gas recycled to the first supply line contains the unreacted hydrogen in an amount of 20 wt% to 40 wt%, or 30 wt% to 50 wt%
  • the gas recycled to the second supply line is the The unreacted oxygen and inert gas may be included in a total of 20 wt% to 50 wt%, or 40 wt% to 70 wt%.
  • the fuel cell system according to the present invention can exhibit a fuel utilization rate of 99.9% or more by recirculation of fuel even when a fuel cell composed of only a single-stage stack is employed, and can minimize complicated gas-liquid separation control according to the multi-stage stack.
  • the fuel cell system does not use pure oxygen even in water, corrosion is small, and a catalyst having a low platinum loading rate or a thin electrolyte membrane can be used, thereby reducing manufacturing costs.
  • the structure of the fuel cell system of the present invention increases the flow rate of the fluid, so that it is easy to discharge water inside the fuel cell stack.
  • the fuel cell system of the present invention is designed as a recirculation system to increase the fluid velocity because a large amount of hydrogen flows to the anode in case hydrogen is quantitatively supplied, and also compared to oxygen actually used in the cathode. Since up to 4 times more inert gas flows more, it is possible to increase the fluid velocity compared to the case where oxygen is supplied quantitatively.
  • the fuel cell system of the present invention can be used for articles operated under water, such as submarines.

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Abstract

본 발명은 잠수함 등의 수중 환경에서 사용되는 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 상기 연료전지 시스템은 1단 스택으로 단순하게 구성하더라도 연료의 재순환에 의해 99.9% 이상의 연료 이용률을 나타낼 수 있으며, 다단 스택에 따른 복잡한 기액 분리 제어를 최소화할 수 있다. 또한 상기 연료전지 시스템은 수중에서도 순수 산소를 사용하지 않기 때문에 부식이 적어 백금 담지율이 낮은 촉매나 얇은 전해질막의 사용이 가능하므로 제조 비용을 절감할 수 있다.

Description

수중 재순환식 연료전지 시스템
본 발명은 수중 재순환식 연료전지 시스템에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 잠수함 등에서 전력을 공급하는데 사용되고 연료의 재순환에 의해 효율을 높인 연료전지 시스템에 관한 것이다.
연료 전지는 연료와 산화제의 화학 반응 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 전지이며, 연료로는 수소가, 산화제로는 산소가 대표적으로 사용된다. 이와 같은 연료 전지는 고효율이고, NOx 및 SOx 등의 공해 물질을 배출하지 않으며, 사용되는 연료가 풍부하다는 등의 장점으로 인해 특히 주목 받고 있다.
연료 전지에서 전기를 발생시키는 가장 기본적인 스택 단위는 막-전극 접합체(MEA)로서, 이는 전해질막과 이의 양면에 형성되는 애노드 및 캐소드 전극으로 구성된다. 먼저 애노드 전극에서는 연료의 산화 반응이 일어나 수소 이온 및 전자가 발생하고, 수소 이온이 전해질막을 통해 캐소드 전극으로 이동하며, 캐소드 전극에서 산소(산화제)와 전해질막을 통해 전달된 수소 이온과 전자가 반응하여 물이 생성되는 반응에 의해 외부 회로에 전자의 이동이 발생하게 된다.
도 2는 잠수함 등 수중에서 사용되는 종래의 연료전지 시스템의 구성을 모식적으로 나타낸 것으로서, 종래의 수중 연료전지 시스템은 대체로 여러 개의 연료전지 스택(201, 202, 203, 204)이 직렬로 연결된 다단 구조(cascade type)를 갖는다. 상기 다단 스택 구조는 수중에서 연료 및 산화제의 이용률이 높은 장점이 있으나, 다단 스택 간 기액분리기(301, 302, 303) 적용으로 인해 연료전지 스택 모듈의 구조가 복잡하고 기액분리기의 제어가 추가적으로 필요하다. 또한, 종래의 다단 연료전지 스택은 고함량 백금 촉매와 두꺼운 전해질막 사용으로 인해 단가가 높은 편이다.
[선행기술문헌]
[특허문헌]
(특허문헌 1) 한국 특허 제 10-1755379 호
잠수함 등 수중에서 사용되는 연료전지는, 수소와 산소를 100% 가까운 이용률로 반응시키기 위해 일반적으로 다단의 연료전지 스택을 적용하기 때문에 복잡한 구조를 갖는다. 또한 다단의 연료전지 스택에서는 효율을 높이기 위해 높은 함량의 고가 백금 블랙(Pt-black) 촉매와 두꺼운 전해질막을 적용해야 하므로 제조 비용을 상승시키게 된다.
이를 해결하기 위해, 연료전지 스택에서 미반응되어 배출되는 수소 및 산소를 다시 연료전지 스택으로 재순환시킴으로써, 연료전지 스택을 1단으로 간단히 구성하여 수중에서 수소 및 산소 이용률을 높일 수 있다. 그러나 공기가 차단된 수중 환경에서는 대체로 순수 산소를 사용하기 때문에, 재순환되는 횟수와 시간이 경과함에 따라 연료전지 스택의 부식(corrosion)이 증대되어 수명을 단축시키는 문제가 있다.
이에 본 발명자들이 연구한 결과, 연료전지 스택에 공급되는 산소에 질소 등의 비활성 가스를 혼입하면 재순환 시에도 부식이 억제되어 수중 환경에서 1단 구조의 스택 및 저가의 촉매와 얇은 전해질막을 적용할 수 있음을 발견하였다.
따라서 본 발명의 목적은 수중 환경에서 간단한 구조에도 연료의 재순환을 통해 효율을 높이면서 내구성이 우수하고 제조 비용이 저렴한 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.
상기 목적에 따라, 본 발명은 애노드 전극, 캐소드 전극 및 전해질 막을 구비하는 연료전지부; 상기 애노드 전극에 수소를 포함하는 연료를 공급하는 제 1 공급라인; 상기 캐소드 전극에 산소를 포함하는 산화제를 공급하는 제 2 공급라인; 상기 제 2 공급라인에 비활성 가스를 공급하여 상기 산화제에 비활성 가스를 혼입하는 가스 혼입부; 상기 애노드 전극 및 상기 캐소드 전극에서 배출된 유체의 기액 분리를 각각 수행하는 제 1 분리기 및 제 2 분리기; 및 상기 제 1 분리기 및 상기 제 2 분리기에서 분리된 기체를 상기 제 1 공급라인 및 상기 제 2 공급라인으로 각각 재순환시키는 제 1 펌프 및 제 2 펌프를 포함하고, 수중에서 작동되는 물품에 사용되는, 연료전지 시스템을 제공한다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템은 1단 스택만으로 구성된 연료전지를 채용함에도 연료의 재순환에 의해 99.9% 이상의 연료 이용률을 나타낼 수 있으며, 다단 스택에 따른 복잡한 기액 분리 제어를 간소화할 수 있다.
또한 상기 연료전지 시스템은 수중에서도 순수 산소를 사용하지 않기 때문에 부식이 적어 백금 담지율이 낮은 촉매나 얇은 전해질막의 사용이 가능하므로 제조 비용을 절감할 수 있다.
또한, 본 발명의 연료전지 시스템의 구조는 유체 흐름 속도를 증가시켜, 연료전지 스택 내부 물 배출이 용이하다.
도 1은 본 발명의 일례에 따른 연료전지 시스템의 구성을 모식적으로 나타낸 것이다.
도 2는 종래의 수중 연료전지 시스템의 구성을 모식적으로 나타낸 것이다.
<부호의 설명>
110: 제 1 공급라인, 120: 제 2 공급라인,
130: 가스 혼입부, 150: 센서,
200: 연료전지부,
201: 제 1 연료전지 스택, 202: 제 2 연료전지 스택,
203: 제 3 연료전지 스택, 204: 제 4 연료전지 스택,
301, 302, 303: 기액 분리기,
310: 제 1 분리기, 320: 제 2 분리기,
410: 제 1 펌프, 420: 제 2 펌프,
A: N2 등의 비활성 가스.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 구성 및 작용에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 설명은 특허 청구 가능한 본 발명의 여러 측면(aspects) 중 하나이며, 하기의 설명은 본 발명에 대한 상세한 기술의 일부를 이룰 수 있다.
다만, 본 발명을 설명함에 있어 공지된 구성 또는 기능에 관한 구체적인 설명은 본 발명을 명료하게 하기 위해 생략할 수 있다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예들을 포함할 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제 1, 제 2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성요소들은 이와 같은 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 이 용어들은 하나의 구성요소들을 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결되어' 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
또한 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 특정 물질을 '공급하는' 것으로 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 해당 물질을 공급할 수 있는 공급라인이 구비되어, 그 공급라인을 통해 해당 물질을 공급하는 것으로 이해될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
연료전지 시스템
도 1은 본 발명의 일례에 따른 연료전지 시스템의 구성을 모식적으로 나타낸 것이다. 도 1에서 사각형은 각 구성 요소를 나타내고, 실선 화살표는 원료의 흐름을 나타내며, 점선 화살표는 배출물의 흐름을 나타낸다.
도 1을 참조하여, 본 발명에 따른 연료전지 시스템은 애노드 전극, 캐소드 전극 및 전해질 막을 구비하는 연료전지부(200); 상기 애노드 전극에 수소를 포함하는 연료를 공급하는 제 1 공급라인(110); 상기 캐소드 전극에 산소를 포함하는 산화제를 공급하는 제 2 공급라인(120); 상기 제 2 공급라인(120)에 비활성 가스(A)를 공급하여 상기 산화제에 비활성 가스(A)를 혼입하는 가스 혼입부(130); 상기 애노드 전극 및 상기 캐소드 전극에서 배출된 유체의 기액 분리를 각각 수행하는 제 1 분리기(310) 및 제 2 분리기(320); 및 상기 제 1 분리기(310) 및 상기 제 2 분리기(320)에서 분리된 기체를 상기 제 1 공급라인(110) 및 상기 제 2 공급라인(120)으로 각각 재순환시키는 제 1 펌프(410) 및 제 2 펌프(420)를 포함하고, 수중에서 작동되는 물품에 사용된다.
또한 상기 제 2 공급라인(120)은 상기 산화제에 혼입된 질소 등의 비활성 가스(A)의 비율을 감지하는 센서(150)를 추가로 포함할 수 있다.
이하 상기 연료전지 시스템의 구성 요소 별로 구체적으로 설명한다.
연료전지부
상기 연료전지부는 1단의 연료전지 스택으로 구성될 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따르면 재순환 구조에 의해 연료전지 구조를 다단 대신 1단으로 구성할 수 있어, 연료전지 스택 구조를 단순화하여 비용 절감 효과가 높다.
상기 연료전지부는 두 개의 전극, 즉 애노드(anode) 전극 및 캐소드(cathode) 전극을 갖는다. 상기 전극은 가스확산 전극(gas diffusion electrode)일 수 있다.
상기 애노드 전극은 수소를 산화시켜 수소 이온을 생성시킬 수 있다. 상기 애노드 전극은 촉매층 및 기체확산층으로 구성될 수 있다. 상기 애노드 전극의 촉매층에는 예를 들어 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금, 백금-전이금속 합금 등의 촉매가 사용될 수 있다.
상기 캐소드 전극은 산소와 같은 산화제를 환원시키는 역할을 한다.
상기 캐소드 전극은 촉매층 및 기체확산층으로 구성될 수 있다.
상기 캐소드 전극의 촉매층에는 예를 들어 백금 또는 백금-전이금속 합금이 사용될 수 있다.
상기 애노드 전극 및 캐소드 전극에 포함되는 기체확산층은 전류전도체로서의 역할과 함께 연료 및 산화제와 같은 반응 물질과 물을 이동시키고 확산시키는 역할을 한다.
상기 기체확산층은 예를 들어, 카본지(carbon paper), 카본천(carbon cloth), 카본펠트(carbon felt) 등으로 이루어질 수 있다. 상기 기체확산층의 촉매층과 접하는 면에는 미세기공층이 형성될 수 있다.
상기 전해질막은 연료전지부의 애노드 전극에서 생성된 수소 이온을 캐소드 전극으로 전달하고 애노드 전극과 캐소드 전극을 전기적으로 분리시키는 역할을 한다.
상기 전해질막은 연료 전지 등에서 전해질막으로 사용되는 고분자 필름이라면 특별한 제한없이 가능하다. 예를 들어 상기 전해질막은 연질의 고분자 필름일 수 있다.
구체적으로, 상기 전해질막은 퍼플루오르술폰산계 고분자 수지, 폴리이미드 수지, 폴리비닐리덴플루오라이드 수지, 폴리에테르술폰 수지, 폴리페닐렌설파이드 수지, 폴리페닐렌옥사이드 수지, 폴리포스파진 수지, 폴리에틸렌나프탈레이트 수지, 폴리에스테르 수지, 도핑된 폴리벤즈이미다졸 수지, 폴리에테르케톤 수지, 폴리술폰 수지, 이들의 이온전도성 고분자 수지, 및 이들의 혼합 수지로 이루어진 군으로부터 선택된 고분자 수지를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면 산화제로서의 산소에 질소 등의 비활성 가스를 혼입하여 사용하므로 연료전지 스택의 부식을 억제하고 저가의 촉매 및 전해질막의 사용이 가능하다. 본 명세서에서 비활성 가스라 함은 질소, 아르곤, 네온, 헬륨 등 다른 성분과 반응을 잘 일으키지 않는 가스를 의미한다. 한편, 비활성 가스 외에, 활성이 낮은 이산화탄소도 본 발명에서 사용될 수 있다.
예를 들어, 상기 애노드 전극 또는 캐소드 전극에 백금계 촉매를 사용할 때, 낮은 백금 담지율을 갖는 저가의 촉매로도 우수한 성능을 나타낼 수 있다.
구체적으로, 상기 애노드 전극 또는 상기 캐소드 전극은, 백금이 0.1 mg/cm2 내지 2.0 mg/cm2의 양으로 담지된 촉매를 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 촉매에 백금이 담지되는 양은 0.1 mg/cm2 내지 1.0 mg/cm2 또는 0.1 mg/cm2 내지 0.5 mg/cm2일 수 있다.
또한 본 발명의 연료전지는 저가의 얇은 전해질막을 사용하더라도 우수한 성능을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 상기 전해질막은 10 ㎛ 내지 200 ㎛의 두께를 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 전해질막은 10 ㎛ 내지 100 ㎛의 두께를 가질 수 있다. 보다 구체적인 예로서, 상기 전해질막은 10 ㎛ 내지 50 ㎛, 또는 10 ㎛ 내지 20 ㎛의 두께를 가질 수 있다.
제 1 공급라인, 제 2 공급라인, 가스 혼입부
상기 제 1 공급라인은 상기 애노드 전극에 수소를 포함하는 연료를 공급하고, 상기 제 2 공급라인은 상기 캐소드 전극에 산소를 포함하는 산화제를 공급한다. 또한 상기 가스 혼입부는 상기 제 2 공급라인에 질소 등의 비활성 가스를 공급하여 상기 산화제에 비활성 가스를 혼입한다.
상기 연료전지 시스템은, 수소를 공급하는 수소 공급부 및 산소를 공급하는 산소 공급부를 추가로 포함할 수 있고, 상기 수소 공급부 및 상기 산소 공급부는 상기 제 1 공급라인 및 상기 제 2 공급라인에 각각 연결될 수 있다.
본 발명의 연료전지 시스템에서 기본적인 원료 가스는 수소, 산소 및 비활성 가스이나, 암모니아로부터 분리 장치에 의해 수소와 질소를 생성한 뒤 애노드 및 캐소드에 각각 공급할 수도 있다.
구체적으로, 상기 수소 공급부는 수소 저장 탱크 또는 암모니아 저장 탱크를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 암모니아 저장 탱크는 이에 저장된 암모니아로부터 수소를 분해하여 상기 제 1 공급라인으로 공급할 수 있다. 또한, 상기 암모니아 저장 탱크에서 암모니아로부터 질소를 더 분해하여 상기 가스 혼입부를 통해 제 2 공급라인으로 공급할 수 있다.
구체적으로, 상기 연료전지 시스템은 암모니아를 저장하는 암모니아 저장탱크를 추가로 포함하고, 상기 암모니아 저장탱크가 암모니아를 수소 및 질소로 분해하여 상기 제 1 공급라인 및 상기 가스 혼입부에 각각 공급할 수 있다.
또한, 상기 암모니아 저장탱크는 상기 수소 공급부 및 상기 가스 혼입부에 각각 연결되어 이들에 수소 및 질소를 각각 공급할 수 있다.
또한 상기 연료전지 시스템은, 상기 수소 공급부와 상기 제 1 공급라인 사이에서 압력을 조절하여 수소의 공급량을 제어하는 제 1 제어기, 상기 산소 공급부와 상기 제 2 공급라인 사이에서 압력을 조절하여 산소의 공급량을 제어하는 제 2 제어기, 및 상기 가스 혼입부와 상기 제 2 공급라인 사이에서 압력을 조절하여 질소 등의 비활성 가스의 공급량을 제어하는 제 3 제어기를 추가로 포함할 수 있다.
상기 제 1 공급라인 및 상기 제 2 공급라인에는 상기 제 1 펌프 및 상기 제 2 펌프에 의해 재순환되는 기체가 추가로 혼입된다.
이에 따라 상기 제 1 공급라인은 상기 수소 공급부로부터 공급되는 수소 및 상기 제 1 펌프에 의해 재순환되는 미반응 수소의 혼합물을 상기 애노드 전극에 공급할 수 있다.
또한, 상기 제 2 공급라인은 상기 수소 공급부 및 상기 가스 혼입부로부터 공급되는 산소와 비활성 가스, 및 상기 제 2 펌프에 의해 재순환되는 미반응 산소와 비활성 가스의 혼합물을 상기 캐소드 전극에 공급할 수 있다.
상기 가스 혼입부는 상기 산화제의 총 중량(캐소드 전극에 공급되는 기체 총 중량)을 기준으로 20 중량% 내지 80 중량%의 비활성 가스를 혼입할 수 있다. 상기 혼입량 범위 내일 때, 순수 산소의 연속 사용에 따른 연료전지 스택의 부식을 억제할 수 있어서, 백금 담지율이 적은 촉매나 얇은 전해질막을 갖는 저가의 전극-막 접합체를 사용할 수 있다. 예를 들어 상기 비활성 가스의 혼입량은 50 중량% 내지 80 중량%, 50 중량% 내지 70 중량% 또는 60 중량% 내지 80 중량%일 수 있다.
상기 제 2 공급라인은 상기 산화제에 혼입된 질소 등의 비활성 가스의 비율을 감지하는 센서를 추가로 포함할 수 있다. 상기 센서는 상기 산화제에 혼입된 질소 등의 비활성 가스의 비율을 감지하고, 미리 설정된 비율과 다를 경우 상기 제 2 공급라인에 혼입되는 양을 조절할 수 있다.
제 1 분리기 및 제 2 분리기
상기 제 1 분리기 및 상기 제 2 분리기는 상기 애노드 전극 및 상기 캐소드 전극에서 배출된 유체의 기액 분리를 각각 수행한다.
상기 연료전지부에서 연료와 산화제가 반응한 후에, 상기 애노드 전극 및 상기 캐소드 전극에서는 기체와 액체가 혼합된 유체가 배출된다. 예를 들어, 상기 애노드 전극에서는 미반응 연료 및 반응되어 생성된 물을 포함하는 유체가 배출되고, 상기 캐소드 전극에서는 미반응 산화제 및 반응되어 생성된 물을 포함하는 유체가 배출된다.
구체적으로, 상기 애노드 전극에서 배출된 유체가 미반응 수소 및 물을 포함하고, 상기 캐소드 전극에서 배출된 유체가 미반응 산소와 비활성 가스 및 물을 포함할 수 있다.
이에 따라, 상기 제 1 분리기에서는 상기 미반응 수소 및 물이 분리되고, 상기 미반응 수소의 대부분이 상기 연료전지부로 재순환되며 물은 외부로 배출된다.
또한, 상기 제 2 분리기에서는 상기 미반응 산소와 비활성 가스 및 물이 분리되고, 상기 미반응 산소와 비활성 가스의 대부분이 상기 연료전지부로 재순환되며 물은 외부로 배출된다.
한편 상기 제 1 분리기 및 상기 제 2 분리기에서 분리된 미반응 연료와 산화제는, 대부분이 상기 연료전지로 재순환되지만 일부는 외부로 배출될 수 있다. 이와 같이 재순환되지 않고 외부로 배출되는 미반응 연료와 산화제의 양은, 최초 연료전지부에 공급된 연료와 산화제의 양에 비해 매우 적어서 높은 이용률을 나타낼 수 있다.
구체적으로, 상기 제 1 분리기에서 분리된 기체가 상기 미반응 수소를 포함하고, 상기 미반응 수소 중 상기 제 1 공급라인으로 재순환되지 않은 나머지는 외부로 배출될 수 있다. 상기 외부로 배출되는 수소의 양은 상기 애노드 전극에 공급된 수소 대비 0.5 중량% 이하일 수 있다.
또한, 상기 제 2 분리기에서 분리된 기체가 상기 미반응 산소를 포함하고, 상기 미반응 산소 중 상기 제 2 공급라인으로 재순환되지 않은 나머지는 외부로 배출될 수 있다. 상기 외부로 배출되는 산소의 양은 상기 캐소드 전극에 공급된 산소 대비 0.5 중량% 이하일 수 있다.
또한, 상기 제 1 분리기 및 상기 제 2 분리기가 상기 애노드 전극 및 상기 캐소드 전극에서 배출된 유체로부터 물을 분리하고, 상기 분리된 물은 외부로 배출될 수 있다.
제 1 펌프 및 제 2 펌프
상기 제 1 펌프 및 상기 제 2 펌프는, 상기 제 1 분리기 및 상기 제 2 분리기에서 분리된 기체를 상기 제 1 공급라인 및 상기 제 2 공급라인으로 각각 재순환시킨다.
상기 제 1 펌프 및 상기 제 2 펌프에 의해 상기 제 1 공급라인 및 상기 제 2 공급라인으로 재순환되는 기체는 연료 및 산화제를 각각 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 제 1 공급라인으로 재순환되는 기체는 미반응 수소를 포함하고, 상기 제 2 공급라인으로 재순환되는 기체는 미반응 산소와 질소 등의 비활성 가스를 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 제 1 공급라인으로 재순환되는 기체가 상기 미반응 수소를 20 중량% 내지 50 중량%로 포함하고, 상기 제 2 공급라인으로 재순환되는 기체가 상기 미반응 산소와 비활성 가스를 총 20 중량% 내지 70 중량%로 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 제 1 공급라인으로 재순환되는 기체가 상기 미반응 수소를 20 중량% 내지 40 중량%, 또는 30 중량% 내지 50 중량%로 포함하고, 상기 제 2 공급라인으로 재순환되는 기체가 상기 미반응 산소와 비활성 가스를 총 20 중량% 내지 50 중량%, 또는 40 중량% 내지 70 중량%로 포함할 수 있다.
효과 및 용도
본 발명에 따른 연료전지 시스템은 1단 스택만으로 구성된 연료전지를 채용함에도 연료의 재순환에 의해 99.9% 이상의 연료 이용률을 나타낼 수 있으며, 다단 스택에 따른 복잡한 기액 분리 제어를 최소화할 수 있다.
또한 상기 연료전지 시스템은 수중에서도 순수 산소를 사용하지 않기 때문에 부식이 적어, 백금 담지율이 낮은 촉매나 얇은 전해질막의 사용이 가능하므로, 제조 비용을 절감할 수 있다.
또한, 본 발명의 연료전지 시스템의 구조는 유체 흐름 속도를 증가시켜, 연료전지 스택 내부 물 배출이 용이하다. 구체적으로, 본 발명의 연료전지 시스템은 재순환 시스템으로 설계되어 정량적으로 수소가 공급되는 경우에 대비하여 많은 양의 수소가 애노드에 흐르기 때문에 유체 속도를 증가시킬 수 있으며, 또한 캐소드에도 실제 사용되는 산소 대비 최대 4배 이상의 양의 비활성 가스가 더 흐르기 때문에 정량적으로 산소가 공급되는 경우에 대비하여 유체 속도를 증가시킬 수 있다.
따라서, 본 발명의 연료전지 시스템은 잠수함과 같은 수중에서 작동되는 물품에 사용될 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어 당업자는 각 구성요소의 재질, 크기 등을 적용 분야에 따라 변경하거나, 실시형태들을 조합 또는 치환하여 본 발명의 실시예에 명확하게 개시되지 않은 형태로 실시할 수 있으나, 이 역시 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시 적인 것으로 한정적인 것으로 이해해서는 안 되며, 이러한 변형된 실시예는 본 발명의 청구범위에 기재된 기술사상에 포함된다고 하여야 할 것이다.

Claims (9)

  1. 애노드 전극, 캐소드 전극 및 전해질 막을 구비하는 연료전지부;
    상기 애노드 전극에 수소를 포함하는 연료를 공급하는 제 1 공급라인;
    상기 캐소드 전극에 산소를 포함하는 산화제를 공급하는 제 2 공급라인;
    상기 제 2 공급라인에 비활성 가스를 공급하여 상기 산화제에 비활성 가스를 혼입하는 가스 혼입부;
    상기 애노드 전극 및 상기 캐소드 전극에서 배출된 유체의 기액 분리를 각각 수행하는 제 1 분리기 및 제 2 분리기; 및
    상기 제 1 분리기 및 상기 제 2 분리기에서 분리된 기체를 상기 제 1 공급라인 및 상기 제 2 공급라인으로 각각 재순환시키는 제 1 펌프 및 제 2 펌프를 포함하고,
    수중에서 작동되는 물품에 사용되는, 연료전지 시스템.
    　
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스 혼입부가 상기 산화제의 총 중량을 기준으로 20 중량% 내지 80 중량%의 비활성 가스를 혼입하는, 연료전지 시스템.
    　
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 공급라인이 상기 산화제에 혼입된 비활성 가스의 비율을 감지하는 센서를 추가로 포함하는, 연료전지 시스템.
    　
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료전지부가 1단의 연료전지 스택으로 구성되는, 연료전지 시스템.
    　
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 애노드 전극 또는 상기 캐소드 전극이,
    백금이 0.1 mg/cm2 내지 2.0 mg/cm2의 양으로 담지된 촉매를 포함하는, 연료전지 시스템.
    　
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 전해질 막이 10 ㎛ 내지 100 ㎛의 두께를 갖는, 연료전지 시스템.
    　
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 애노드 전극에서 배출된 유체가 미반응 수소 및 물을 포함하고,
    상기 캐소드 전극에서 배출된 유체가 미반응 산소와 비활성 가스 및 물을 포함하는, 연료전지 시스템.
    　
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 분리기 및 상기 제 2 분리기가 상기 애노드 전극 및 상기 캐소드 전극에서 배출된 유체로부터 물을 분리하고, 상기 분리된 물은 외부로 배출되는, 연료전지 시스템.
    　
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 수중에서 작동되는 물품이 잠수함인, 연료전지 시스템.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114771292A (zh) * 2022-03-09 2022-07-22 哈尔滨工业大学 一种用于水下潜航器的空气进气型燃料电池混合动力系统

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102023117838A1 (de) * 2023-07-06 2025-01-09 Thyssenkrupp Ag Kompakte Prozesswasserentgasung einer Brennstoffzellenanlage

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10175379A (ja) 1996-12-18 1998-06-30 Matsushita Electric Ind Co Ltd 熱転写記録用転写体
JP2006507647A (ja) * 2002-11-26 2006-03-02 ユーティーシー フューエル セルズ，エルエルシー 空気パージを用いる燃料電池装置の運転停止方法
JP2009110969A (ja) * 1999-07-09 2009-05-21 Hitachi Ltd パターン寸法測定方法、及びパターン寸法測定装置
KR20160138189A (ko) * 2014-03-27 2016-12-02 누베라 퓨엘 셀스, 인크. 연료 전지들을 위한 캐소드 가스 재순환 방법 및 시스템
KR20170137819A (ko) * 2015-04-14 2017-12-13 프로톤 모터 퓨얼 셀 게임베하 인공 공기로　연료전지를 작동시키는 방법 및 장치
KR20180005238A (ko) * 2015-05-28 2018-01-15 티쎈크로프 마리네 지스템스 게엠베하 재순환 연료 전지

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2008056824A1 (en) * 2006-11-09 2008-05-15 Sumitomo Chemical Company, Limited Membrane-electrode assembly
KR101755379B1 (ko) 2016-11-15 2017-07-10 국방과학연구소 잠수함용 연료 개질 시스템

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10175379A (ja) 1996-12-18 1998-06-30 Matsushita Electric Ind Co Ltd 熱転写記録用転写体
JP2009110969A (ja) * 1999-07-09 2009-05-21 Hitachi Ltd パターン寸法測定方法、及びパターン寸法測定装置
JP2006507647A (ja) * 2002-11-26 2006-03-02 ユーティーシー フューエル セルズ，エルエルシー 空気パージを用いる燃料電池装置の運転停止方法
KR20160138189A (ko) * 2014-03-27 2016-12-02 누베라 퓨엘 셀스, 인크. 연료 전지들을 위한 캐소드 가스 재순환 방법 및 시스템
KR20170137819A (ko) * 2015-04-14 2017-12-13 프로톤 모터 퓨얼 셀 게임베하 인공 공기로　연료전지를 작동시키는 방법 및 장치
KR20180005238A (ko) * 2015-05-28 2018-01-15 티쎈크로프 마리네 지스템스 게엠베하 재순환 연료 전지

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See also references of EP4080629A4

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114771292A (zh) * 2022-03-09 2022-07-22 哈尔滨工业大学 一种用于水下潜航器的空气进气型燃料电池混合动力系统

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