JP2005317488A - 燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

【課題】全体的なシステムの性能及び熱効率を向上させるために電気生成時に発生する熱と水分をシステムの駆動に必要なエネルギー源でリサイクルできる構造を有する燃料電池システムを提供することにある。
【解決手段】熱エネルギーによる化学触媒反応を通じて水素を含有した燃料から水素ガスを発生させる改質基と、前記水素ガスと酸素の電気化学的な反応を通じて電気エネルギーを発生させる少なくとも一つの電気生成部と、前記改質基に燃料を供給する燃料供給部と、前記電気生成部に酸素を供給する酸素供給部と、システムの初期起動時の前記改質基の熱エネルギーを電気生成部に提供して前記電気生成部を予熱させる第1熱交換部及びシステムの正常起動時に前記電気生成部内に前記燃料を循環させて前記電気生成部で発生する熱を冷却させ、前記電気生成部を循環しながら予熱された燃料を前記改質基に供給する第2熱交換部とを含む。
【選択図】図1

Description

本発明は燃料電池システムに関し、より詳しくは全体的なシステムの熱効率を改善した構造を有する燃料電池システムに関する。
本発明は燃料電池システムに関し、より詳しくは全体的なシステムの熱効率を改善した構造を有する燃料電池システムに関する。
知られたように、燃料電池(Fuel Cell)はメタノール、エタノール、天然ガスのような炭化水素系列の物質内に含まれている水素と、酸素の化学反応エネルギーを直接電気エネルギーに変換させる発展システムである。
この燃料電池は用いられる電解質の種類によって、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体酸化物型燃料電池、高分子電解質型またはアルカリ型燃料電池などで分類される。これらの各々の燃料電池は根本的に同じ原理によって作動するけれど、用いられる燃料の種類、運転温度、触媒、及び電解質などが互いに異なる。
これらのうちの近来に開発されている高分子電解質型燃料電池(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell:PEMFC、以下、便宜上PEMFCという)は他の燃料電池に比べて出力特性が卓越して作動温度が低くて同時に速い始動及び応答特性を有し、自動車のような移動用電源はもちろん、住宅、公共建物のような分散用電源及び電子機器用のような小型電源など、その応用範囲が広い長所を有する。
前記のようなPEMFCは基本的でシステムを構成するためにスタック(stack)、改質基(Reformer)、燃料タンク、及び燃料ポンプなどを備える。スタックは燃料電池の本体を形成し、燃料ポンプは燃料タンク内の燃料を改質基に供給する。改質基は燃料を改質して水素ガスを発生させてその水素ガスをスタックに供給する。従って、このPEMFCは燃料ポンプの作動で燃料タンク内の燃料を改質基に供給し、この改質基で燃料を改質して水素ガスを発生させ、スタックでこの水素ガスと酸素を電気化学的に反応させて電気エネルギーを発生させる。
前記のような燃料電池システムにおいて、電気を実質的に発生させるスタックは電極-電解質合成体(Membrane Electrode Assembly:MEA)とこの両面に密着するセパレータ(separator)からなる単位セルが数個乃至数十個に積層された構造を有する。電極-電解質合成体は電解質膜を隔ててアノード電極とカソード電極が付着された構造を有する。そして、セパレータは、通常、当業界でバイポ−ラプレート(Bipolar Plate)と称することとして、前記各々の電極-電解質合成体を分離して燃料電池の反応に必要な水素ガスと酸素を電極-電解質合成体のアノード電極とカソード電極で供給する通路の役割と、各電極-電解質合成体のアノード電極とカソード電極を直列に連結させる伝導体の役割を同時に遂行する。従って、セパレータを通じてアノード電極には水素ガスが供給される反面、カソード電極には酸素が供給される。この過程でアノード電極では水素ガスの酸化反応が起こるようになって、カソード電極では酸素の還元反応が起こるようになってこの時、生成される電子の移動により電気を発生させ、裂果水分を付随的で発生させる。
このような燃料電池システムはスタックを常に適正温度で管理をする場合であれば、電解質膜の安定性を保障することができるだけでなく、性能低下を未然に防止できる。このために従来の燃料電池システムは通常の空冷式冷却装置を備えて運転中にスタックで発生する熱を比較的に温度が低い冷たい空気に冷やしてくれたり、または冷却水を供給してスタックで発生する熱を冷やしてくれる水冷式冷却装置を備えている。
ところが、このような空冷式または水冷式の冷却構造を有する従来の燃料電池システムはスタックに空気または冷却水を供給してスタックで発生する熱を冷却させる場合、スタックを経て温もる空気または冷却水をそのまま排出して結果的にスタックから回収した熱を捨てるようになるので、そのだけのエネルギー損失を誘発する問題点がある。
また、従来の燃料電池システムはカソード電極に供給される空気のうちの一部が反応をし、残りの空気が米反応されて電気生成時に発生する水分と共に高温の水蒸気形態で排出されるようになる。
ところが、従来の燃料電池システムはスタックから排出される水分を比較的低い温度を維持する大気に直接放出する場合、前記水分が大気と接触しながら凝縮が起こるようになる。これによって本システムを採用する電子機器などの外形ケースを通じて前記凝縮された水が流れて出て使用者に不快感を及ぼすようにする問題点がある。
また、従来の燃料電池システムは初期駆動時の改質基とスタックを予熱する場合もあるところ、改質基とスタックを予熱することに伴うエネルギーの消耗によって全体的なシステムの性能効率が落ちるようになる問題点がある。
また、従来の燃料電池システムはスタックの電気生成に必要な燃料を別途に加熱して気化させて改質基を通じて水素ガスを発生させる構造を有するところ、燃料を改質基で要求する温度で加熱することに伴うエネルギーの消耗によって全体的なシステムの性能効率が低下する問題点がある。
本発明は詳述した問題点を勘案したものであって、その目的は全体的なシステムの性能及び熱効率を向上させるために電気生成時に発生する熱と水分をシステムの駆動に必要なエネルギー源でリサイクルできる構造を有する燃料電池システムを提供することにある。
熱エネルギーによる化学触媒反応を通じて水素を含有した燃料から水素ガスを発生させる改質基と、前記水素ガスと酸素の電気化学的な反応を通じて電気エネルギーを発生させる少なくとも一つの電気生成部と、前記改質基で燃料を供給する燃料供給部と、前記電気生成部で酸素を供給する酸素供給部と、前記改質基と電気生成部に連結設置されてシステムの初期起動時の前記改質基の熱エネルギーを電気生成部に提供して前記電気生成部を予熱させる第1熱交換部とを含む。
この場合、前記改質基は前記燃料と酸素の酸化反応を通じて前記熱エネルギーを発生させる第1反応部とを含める。そして、前記燃料供給部は、前記燃料を貯蔵する第1タンク、前記第1タンクに連結設置される第1ポンプを含み、前記第1タンクと第1反応部が第1供給ラインによって連結されることができる。
そして、本発明に従う燃料電池システムにおいて、前記酸素供給部は空気を吸入する空気ポンプを含み、前記空気ポンプと第1反応部が第2供給ラインによって連結されることができる。
また、本発明に従う燃料電池システムにおいて、前記改質基は前記燃料と酸素の酸化反応を通じて前記熱エネルギーを発生させる第1反応部を含み、前記電気生成部が複数に備えて各々の電気生成部を積層したスタック(stack)を形成し、前記スタックは前記熱エネルギーを通過させる流路を有しながら互いに隣接する電気生成部の間に位置する流路部を含む。
そして、本発明に従う燃料電池システムにおいて、前記第1熱交換部は前記流路の一側端部に結合されて前記第1反応部と流路を実質的に連結するノズル部材と、前記流路の他側端部に結合されて前記ノズル部材と実質的に連通する回収部材とを含める。この場合、前記第1反応部とノズル部材が第3供給ラインによって連結される。
また、本発明に従う燃料電池システムにおいて、前記流路部は前記流路を有しながら互いに隣接する電気生成部の間に介されるプレートタイプの高熱伝導固体部材を含める。この時、前記高熱伝導固体部材は熱伝導性を有するアルミニウム、銅、鉄からなる群より選択される材質で形成されることができる。
そして、本発明に従う燃料電池システムにおいて、前記電気生成部は電極-電解質合成体と、前記電極-電解質合成体の両面に配置されるセパレータとを含み、前記流路部は互いに隣接するセパレータに前記流路を形成することもできる。
また、前記のような目的を達成するために本発明に従う燃料電池システムは、熱エネルギーによる化学触媒反応を通じて水素を含有した燃料から水素ガスを発生させる改質基と、前記水素ガスと酸素の電気化学的な反応を通じて電気エネルギーを発生させる少なくとも一つの電気生成部と、前記改質基に燃料を供給する燃料供給部と、前記電気生成部に酸素を供給する酸素供給部と、前記電気生成部の内に前記燃料を循環させて前記電気生成部で発生する熱を冷却させ、前記電気生成部を循環しながら予熱された燃料を前記改質基に供給する第2熱交換部とを含める。
そして、本発明に従う燃料電池システムにおいて、前記酸素供給部は空気を吸入する空気ポンプを含み、前記空気ポンプと電気生成部が第4供給ラインによって連結されることができる。
また、本発明に従う燃料電池システムは、前記電気生成部が複数に備えて各々の電気生成部を積層したスタックを形成し、前記スタックは前記熱エネルギーを通過させる流路を有しながら互いに隣接する電気生成部の間に位置する流路部を含める。
そして、本発明に従う燃料電池システムにおいて、前記第2熱交換部は前記流路の一側端部に結合されて前記燃料供給部と流路を実質的に連結するノズル部材と、前記流路の他側端部に結合されて前記ノズル部材と実質的に連通する回収部材とを含める。
また、本発明に従う燃料電池システムにおいて、前記燃料供給部は水素を含有した液状の燃料を貯蔵する第1タンクと、水を貯蔵する第2タンク及び前記第1タンクと第2タンクに各々連結設置される第1ポンプとを含むこともできる。この場合、前記第1、2タンクとノズル部材が第5供給ラインによって連結されることができる。
そして、本発明に従う燃料電池システムにおいて、前記改質基は前記燃料と酸素の酸化反応を通じて熱エネルギーを発生させる第1反応部と、前記熱エネルギーを用いて前記燃料と水の混合燃料を蒸発させる第2反応部と、水蒸気改質触媒反応を通じて前記蒸発された混合燃料から水素ガスを発生させる第3反応部とを含むこともできる。
また、本発明に従う燃料電池システムにおいて、前記流路部は前記流路を有しながら互いに隣接する電気生成部の間に介される高熱伝導伝固体部材を含める。
そして、本発明に従う燃料電池システムにおいて、前記電気生成部は電極-電解質合成体と、前記電極-電解質合成体の両面に配置されるセパレータとを含み、前記流路部は互いに隣接するセパレータに前記流路を形成することもできる。
また、本発明に従う燃料電池システムにおいて、前記改質基は前記水素ガスに含まれた一酸化炭素の濃度を低減させる少なくとも一つの反応部を更に含むこともできる。
そして、本発明に従う燃料電池システムにおいて、前記改質基は水性ガス切換触媒反応を通じて前記水素ガスに含まれている一酸化炭素の濃度を1次的で低減させる第4反応部と、選択的酸化触媒反応を通じて前記水素ガスに含まれている一酸化炭素の濃度を2次的に低減させる第5反応部を含むこともできる。この場合、前記第5反応部と電気生成部が第7供給ラインによって連結されることができる。
また、本発明に従う燃料電池システムにおいて、前記各々の反応部はプレートタイプの本体と、前記本体の上面に形成されて流体の流れを可能にするチャンネルと、前記各々のチャンネルを連結する貫通孔を形成することもできる。この時、前記改質基は前記各々の本体による積層構造からなることが望ましい。更に前記改質基は最上部の本体と結合する蓋部を含める。
そして、本発明に従う燃料電池システムにおいて、前記電気生成部は水素と酸素の結合反応によって生成される高温多湿な水分と水素と未反応した状態で前記水分に含まれている酸素を排出する水分排出部と、酸素と未反応した水素ガスを排出する水素ガス排出部を含み、前記改質基は前記燃料と酸素の酸化反応を通じて前記熱エネルギーを発生させる第1反応部を含める。
また、本発明に従う燃料電池システムは、前記水分排出部を通じて未反応酸素を含有した状態で排出される前記水分を凝縮して水と酸素を各々発生させる第3熱交換部と、及び前記第3熱交換部によって生成された水を燃料供給部に供給し、酸素を前記第1反応部に供給する第1循環部とを含むこともできる。
この場合、前記第3熱交換部は前記水分排出部と連結設置される凝縮機を含み、前記水分排出部と凝縮機が第8供給ラインによって連結されることができる。そして、前記第1循環部は前記凝縮機と燃料供給部を連結する第9供給ライン及び前記凝縮機と第1反応部を連結する第10供給ラインを含める。
そして、本発明に従う燃料電池システムは、前記水素ガス排出部から排出される未反応水素ガスを第1反応部に供給する第2循環部を更に含める。この場合、前記第2循環部は前記水素ガス排出部と第1反応部を連結する第11供給ラインを含める。
また、前記のような目的を達成するために本発明に従う燃料電池システムは、熱エネルギーによる化学触媒反応を通じて水素を含有した燃料から水素ガスを発生させる改質基と、
前記水素ガスと酸素の電気化学的な反応を通じて電気エネルギーを発生させる少なくとも一つの電気生成部と、前記改質基に燃料を供給する燃料供給部と、前記電気生成部に酸素を供給する酸素供給部と、システムの初期起動時の前記改質基の熱エネルギーを電気生成部に提供して前記電気生成部を予熱させる第1熱交換部と、システムの正常起動時の前記電気生成部の内に前記燃料を循環させて前記電気生成部で発生する熱を冷却させ、前記電気生成部を循環しながら予熱された燃料を前記改質基に供給する第2熱交換部とを含める。
本発明に従う燃料電池システムにおいて、前記電気生成部は水素と酸素の結合反応によって生成される高温多湿な水分と水素と未反応した状態で前記水分に含まれた酸素を排出する水分排出部と、酸素と未反応した水素ガスを排出する水素ガス排出部とを含み、前記改質基は前記燃料と酸素の酸化反応を通じて前記熱エネルギーを発生させる第1反応部を含める。
そして、本発明に従う燃料電池システムは、前記水分排出部を通じて未反応酸素を含有した状態で排出される前記水分を凝縮して水と酸素を各々発生させる第3熱交換部と、前記第3熱交換部によって生成された水を燃料供給部に供給し、酸素を前記第1反応部に供給する第1循環部とを含むこともできる。
また、本発明に従う燃料電池システムは、前記水素ガス排出部から排出される未反応水素ガスを第1反応部に供給する第2循環部を含むこともできる。
そして、 本発明に従う燃料電池システムは、前記第1反応部から排出される排出ガスを気化させる第4熱交換部を含むこともできる。この場合、前記第4熱交換部は前記排出ガスを加熱する加熱機を含み、前記加熱機と第1反応部が第12供給ラインによって連結されることができる。
また、本発明に従う燃料電池システムにおいて、前記改質基は前記熱エネルギーを用いて前記燃料と水の混合燃料を蒸発させる第2反応部と、水蒸気改質触媒反応を通じて前記蒸発された混合燃料から水素ガスを発生させる第3反応部と、前記水素ガスに含まれた一酸化炭素の濃度を低減させる少なくとも一つの反応部とを含める。
そして、 本発明に従う燃料電池システムは、前記一酸化炭素の濃度が低減された水素ガスを前記第1反応部に再供給する第1補助燃料供給部を含むこともできる。この場合、前記第1補助燃料供給部は前記改質基から電気生成部に水素ガスを供給する供給経路と前記電気生成部から排出される未反応水素ガスを第1反応部に供給する供給経路の間を連結する第13供給ラインを含める。
また、本発明に従う燃料電池システムは、前記第1反応部に燃料を追加的に供給する第2補助燃料供給部を更に含むこともできる。この場合、前記第2補助燃料供給部は燃料供給部と第1反応部を連結する第14供給ラインと、前記第14供給ラインに連結設置される第2ポンプを含める。
合わせて、前記のような目的を達成するために本発明に従う燃料電池システムは、水素と酸素の電気化学的な反応を通じて電気エネルギーを発生させる少なくとも一つの電気生成部と、前記電気生成部に燃料を供給する燃料供給部と、前記電気生成部に酸素を供給する酸素供給部と、前記燃料を外部ロードに循環させて前記外部ロードで発生する熱を冷却させる第5熱交換部とを含むこともできる。
本発明に従う燃料電池システムにおいて、前記第5熱交換部は前記燃料を通過させる流路を有しながら前記外部ロードに接触するように備わる冷却プレートを含み、前記燃料供給部と流路が第15供給ラインによって連結されることができる。
そして、 本発明に従う燃料電池システムは、前記電気生成部と燃料供給部の間に、熱エネルギーによる化学触媒反応を通じて前記燃料から水素ガスを発生させる改質基が配置されて前記燃料供給部と電気生成部に連結設置されることができる。
この場合、本システムは高分子電解質型燃料電池(Polymer Electrolyte Membrance Fuel Cell:PEMFC)方式を採用する。しかし、本システムは直接メタノール型燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell:DMFC)方式を採用することもできる。
本発明による燃料電池システムによると、システムの初期駆動時の改質基とスタックを予熱できる構造を有するので、全体的なシステムの熱效率及び運転性能を更に向上させることができる。
また、システムの正常起動時において、スタックの電気生成に必要な燃料を用いてスタックで発生する熱を冷却してスタックを冷却しながら予熱された燃料を改質基に供給できる構造を有するので、システムの冷却効率を更に向上させることはもちろんスタックを冷却しながら損失される熱エネルギーを減らすことができ、スタックの廃熱を用いて改質基の駆動に必要な予熱要求を充足させることができる。
また、スタックから排出される未反応空気を水と気体で回収して水素ガスを生成するための燃料で用いることができるので、システムから水分の漏れがなくて、全体的なシステムの熱效率を向上させることができ、燃料タンクの容量を減らして全体的なシステムをコンパクトに実現できる。
また、スタックから排出される未反応水素ガスを改質期のエネルギー源でリサイクルできるので、全体的なシステムの熱效率を更に向上させることができる。
以下、添付した図面を参考として本発明の実施例に対して本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施できるように詳細に説明する。しかし、本発明は多様な相異した形態で実現でき、ここで説明する実施例に限定されない。
図1は本発明の実施例による燃料電池システムの全体的な構成を示した概略図である。
本発明による燃料電池システム100にあって電気を生成するための燃料ということはメタノール、エタノールまたは天然ガスのように水素を含有した狭義の燃料、この他に広義の燃料として水及び酸素が更に含まれる。しかし、以下、説明する燃料は前記協議の燃料として便宜上、液状の燃料と定義し、液状の燃料と水を混合燃料であると定義する。
そして、本システム100は前記燃料に含まれている水素と反応する酸素として別途の貯蔵手段に貯蔵された純粋な酸素ガスを用いることができ、酸素を含有した空気をそのまま使用することもできる。しかし、以下、酸素として空気を使用する後者の例を説明する。
図1を参考すると、本発明による燃料電池システム100は、基本的に前記燃料から水素ガスを発生させる改質基30と、前記水素ガスと空気中に含まれている酸素の化学反応エネルギーを電気エネルギーに変換させて電気を生産するスタック10と、前記燃料を改質基30に供給する燃料供給部50と、空気をスタック10に供給する酸素供給部70とからなる。
このような燃料電池システム100は改質基30を通じて前記水素ガスを生成し、この水素ガスをスタック10で供給して水素と酸素の電気化学的な反応を通じて電気エネルギーを発生させる高分子電解質型燃料電池(Polymer Electrode Membrane Fuel Cell;PEMFC)方式を採用する。
前記燃料供給部50は前述した液状の燃料を貯蔵する第1タンク51と、水を貯蔵する第2タンク53と、各々の第1及び第2タンク51、53に連結設置される第1ポンプ55を含む。そして、燃料供給部50は第1タンク51に連結設置される第1開閉バルブ57と、第2タンク53に連結設置される第2開閉バルブ59を備えることもできる。このような第1及び第2開閉バルブ57、59は一般的な構造の2-ウェイ(2-way)バルブとして、第1ポンプ55と第1、2タンク51、53を連結する流路上に設置されて第1ポンプ55から作用するポンピング力により前記流路を選択的に開閉させる機能を有する。同時に前記酸素供給部70は所定のポンピング力で空気を吸入する空気ポンプ71を備える。
図2は図1に示した改質基の構造を示した分解斜視図であり、図3は図2の結合斜視図である。
図1乃至図3を参考すると、本発明に適用される改質基30は通常的に熱エネルギーによる化学触媒反応を通じて液状の燃料を改質して水素ガスを発生させ、前記水素ガスに含まれている一酸化炭素の濃度を低減させる構造を有する。このような改質基30は例えば、水蒸気改質、部分酸化または自熱反応などの触媒反応を通じて液状の燃料から水素ガスを発生させる。そして、改質基30は例えば、水性ガス切換方法、選択的酸化方法などのような触媒反応または分離膜を用いた水素の精製などのような方法で前記水素ガスに含まれている一酸化炭素の濃度を低減させる。
本実施例によると、前記改質基30は液状の燃料と酸素の酸化反応を通じて熱エネルギーを発生させ、その熱エネルギーを利用して前述したような化学触媒反応を通じて混合燃料から水素ガスを発生させ、前記水素ガスに含まれている一酸化炭素の濃度を低減させる複数の反応部31-35が順次に積層された構造を有する。
より具体的に、前記改質基30は前記化学触媒反応に必要な反応熱を発生させる第1反応部31と、第1反応部31から発生する熱エネルギーを用いて混合燃料を蒸発させる第2反応部32と、水蒸気改質(Steam Reformer:SR)触媒反応を通じて前記蒸気化された混合燃料から水素ガスを発生させる第3反応部33と、水性ガス切換(Water-Gas Shift Reaction:WGS)触媒反応を通じて追加の水素ガスを発生させて前記水素ガスに含まれている一酸化炭素の濃度を1次的で低減させる第4反応部34と、選択的酸化(Preferential CO Oxidation:PROX)触媒反応を通じて前記水素ガスに含まれている一酸化炭素の濃度を2次的に低減させる第5反応部35を含む。
本実施例によると、前記改質基30は第1反応部31を中心にしてその上側に第3反応部33及び第4反応部34を順次に積層し、下側に第2反応部32及び第5反応部35を順次に積層し、これらの各々の上面には前記流体の流れを可能にする流路チャンネルと貫通ホールを形成している。そして、改質基30の最上側に位置する第4反応部34の上面にはカバー36が結合されることができる。また、前記第1乃至第5反応部31-35は所定幅と長さを有する四角形のプレート形状をし、熱伝導性を有する金属素材例えば、アルミニウム、銅または鉄で形成されることができる。
前記第1反応部31は水素ガスの生成に必要な熱エネルギーを発生させて改質基30全体を予熱するための発熱部分として、液状の燃料と空気を酸化触媒反応を通じて燃焼させる構造を有する。
第1反応部31は四角形のプレートタイプからなる第1本体31pを備え、第1本体31pには燃料と空気の流体の流れを可能にする第1流路チャンネル31aを形成している。ここで前記第1流路チャンネル31aは開始端と終端を有しながら第1本体31pの上面に形成される。そして、第1流路チャンネル31aには燃料と空気の酸化反応を促進させる触媒層(図示せず)を形成している。
そして、第1反応部31の第1本体31pには液状の燃料と空気を第1流路チャンネル31aに供給するための第1流入口31b及び、第1流路チャンネル31aを通過しながら酸化燃焼する燃焼ガスを排出させるための第1流出口31cを形成している。第1流入口31bは第1流路チャンネル31aの開始端に連結される。そして第1流出口31cは第1流路チャンネル31aの端部に連結される。また、第1流出口31c側には第1貫通ホール31d及び第2貫通ホール31eが形成される。ここで第1流入口31bは第1供給ライン111を通じて燃料供給部50の第1タンク51と連結され、第2供給ライン72を通じて酸素供給部70の空気ポンプ71と連結される。そして、第2供給ライン72上には第3開閉バルブ75を設置している。
前記第2反応部32は水素ガスを生成するための混合燃料を実質的に供給を受ける部分であって、第1反応部31から発生する熱エネルギーを伝達を受けて前記混合燃料を蒸発させる機能を有する。
第2反応部32は四角形のプレートタイプからなる第2本体32pを備え、第2本体32pには混合燃料の流れを可能にする第2流路チャンネル32aを形成している。ここで前記第2流路チャンネル32aは開始端と終端を有しながら第2本体32pの上面に形成される。そして第2流路チャンネル32aには上記のような混合燃料の気化を促進させる触媒層(図示せず)を形成している。
また、第2反応部32の第2本体32pには混合燃料を第2流路チャンネル32aに供給するための第2流入口32bを形成している。第2流入口32bは第2流路チャンネル32aの開始端に連結される。そして、第2本体32pには第1反応部31の第1貫通ホール31dに連通する第3貫通ホール32cと、第2貫通ホール31eに連通して第2流路チャンネル32aの終端に連結される第4貫通ホール32dを形成している。
前記第3反応部33は水蒸気改質(Steam Reformer:SR)触媒反応を通じて第2反応部32で蒸気化された混合燃料から水素ガスを発生させる部分である。第3反応部33は四角形のプレートタイプからなる第3本体33pを備え、第3本体33pには前記混合燃料の流れを可能にする第3流路チャンネル33aを形成している。ここで、前記第3流路チャンネル33aは開始端と終端を有しながら第3本体33pの上面に形成される。そして、第3流路チャンネル33aには前記蒸気化された混合燃料の改質反応を促進させる触媒層(図示せず)を形成している。
また、第3反応部33の第3本体33pには第2反応部32で蒸発された混合燃料を伝達を受けるように、第3流路チャンネル33aの開始端に連結されて第1反応部31の第2貫通ホール31eに連通する第5貫通ホール33bと、第3流路チャンネル33aの端部に連結される第6貫通ホール33cと、第1反応部31の第1貫通ホール31dに連通する第7貫通ホール33dを形成している。
前記第4反応部34は水性ガス切換(Water-Gas Shift Reaction:WGS)触媒反応を通じて第3反応部33で発生した水素ガス以外に追加の水素ガスを生成し、前記水素ガスに含まれている一酸化炭素の濃度を1次的で低減させる機能を有する。
第4反応部34は四角形のプレートタイプからなる第4本体34pを備え、第4本体34pには前記水素ガスの流れを可能にする第4流路チャンネル34aを形成している。ここで、前記第4流路チャンネル34aは開始端と終端を有しながら第4本体34pの上面に形成される。そして、第4流路チャンネル34aには前記のような水性ガス切換反応を促進させる触媒層(図示せず)を形成している。
また、第4反応部34には第4流路チャンネル34aの開始端に連結されて第3反応部33の第6貫通ホール33cに連通する第8貫通ホール34bと、第4流路チャンネル34aの終端に連結されて第3反応部33の第7貫通ホール33dに連通する第9貫通ホール34cを形成している。
前記第5反応部35は第4反応部34で生成された水素ガスと空気の選択的酸化(Preferential CO Oxidation:PROX)触媒反応を通じて前記水素ガスに含まれている一酸化炭素の濃度を2次的に低減させると同時に前記水素ガスを排出させることができる構造を有する。
第5反応部35は四角形のプレートタイプからなる第5本体35pを備え、第5本体35pには第4反応部34で反応した前記水素ガスの流れを可能にする第5流路チャンネル35aを形成している。ここで、前記第5流路チャンネル35aは開始端と終端を有しながら第5本体35pの上面に形成される。そして、第5流路チャンネル35aには上記のような選択的酸化反応を促進させる触媒層(図示せず)を形成している。
また、第5反応部35の第5本体35pには空気を第5流路チャンネル35aに供給するための第3流入口35bと、最終的に生成された水素ガスをスタック10で供給するための第2流出口35cを形成している。第3流入口35bは第5流路チャンネル35aの開始端に形成される。そして、第2流出口35cは第5流路チャンネル35aの終端に形成される。ここで、第3流入口35bは第7供給ライン73を通じて酸素供給部70の空気ポンプ71と連結されることができる。ここで、第7供給ライン73の上には第4開閉バルブ76を設置している。そして、第2流出口35cは水素ガス供給経路175を通じてスタック10と連結されることができる。
前記のように第1-5反応部31-35は各々の本体31p-35pが一例として四角形のプレートタイプからなることができるが、これに限定されなくて、これらが互いに積層できる様々な形態で変形できる。
図4は図1に示したスタックの構造を示した分解斜視図である。図1及び図4を参考すると、本システム100に適用されるスタック10は改質基30によって生成された水素ガスと空気中に含まれている酸素の酸化/還元反応を通じて電気エネルギーを発生させる少なくとも一つの電気生成部11を含む。
各々の電気生成部11は電極-電解質合成体12を中心にしてこれの両面にセパレータ16を配置して電気を発生させる最少単位のセルを形成し、この単位セルが複数に備えて本実施例のような積層構造のスタック10を形成する。そして、スタック10の最外郭には前記複数の電気生成部11を密着させる別途の加圧プレート13を設置することもできる。しかし、本発明によるスタック10は前記加圧プレート13を排除し、電気生成部11の最外郭に位置するセパレータ16が前記加圧プレートの役割に代わるように構成することもできる。また、加圧プレート13が複数の電気生成部11を密着させる機能以外に、次に説明するセパレータ16の固有した機能を有するように構成することもできる。
電極-電解質合成体12は両面にアノード電極とカソード電極を備え、二つの電極の間に電解質膜を備えた構造からなる。アノード電極は水素ガスを酸化反応させ、変換された電子を外部に引き出してこの電子の流れで電流を発生させ、水素イオンを電解質膜を通じてカソード電極に移動させる。カソード電極は前記水素イオン、電子及び酸素を還元反応させて水に変換させる。そして、電解質膜はアノード電極で生成された水素イオンをカソード電極に移動させるイオン交換を可能にする。
セパレータ16は電極-電解質合成体12の酸化/還元反応に必要な水素ガスと空気をアノード電極とカソード電極に供給する通路の機能を有し、アノード電極とカソード電極を直列に連結させる伝導体の機能も有する。より具体的に、セパレータ16は電極-電解質合成体12のアノード電極に密着される面にアノード電極で水素ガスを供給するための水素通路を形成し、電極-電解質合成体12のカソード電極に密着される面にカソード電極で空気を供給するための空気通路を形成する流路チャンネル17を備えている。
そして、前記加圧プレート13には水素ガスをセパレータ16の水素通路に供給するための第1注入部13aと、空気をセパレータ16の空気通路に供給するための第2注入部13bと、電極-電解質合成体12のアノード電極で反応して残る水素ガスを排出させるための第1排出部13cと、電極-電解質合成体22のカソード電極で水素と酸素の結合反応によって生成された水分と水素と反応して残る空気を排出させるための第2排出部13dを形成している。ここで、第1注入部13aは前述した水素ガス供給経路175を通じて改質基30を構成する第5反応部35:図2の第2流出口35cと連結される。そして、第2注入部13bは第4供給ライン74を通じて酸素供給部70の空気ポンプ71と連結される。ここで、第4供給ライン74上には第5開閉バルブ77を設置している。
そして、前記のような構造を有するスタック10は少なくとも一つの流路22を有しながら互いに隣接する少なくとも一つの電気生成部11の間に位置する流路部21を含んでいる。好ましく、前記流路部21は2〜3個の群からなる電気生成部11の間に各々配置されるプレートタイプの高熱伝導固体部材23を備える。前記高熱伝導固体部材23は電気生成部11から発生する熱が容易に伝導されるようにする熱伝導性金属素材例えば、アルミニウム、銅、鉄素材などで形成されることができる。
図5は本発明の実施例に対するスタックの変形例を示した分解斜視図である。図5を参考すると、本実施例の変形例に伴うスタック10は互いに隣接する電気生成部11のセパレータ16に流路22を形成している流路部21が備わる。前記流路部21は互いに隣接する各々のセパレータ16に形成された溝22aを含み、前記隣接する各々のセパレータ16が互いに密着される時、その溝22aが互いに合わせながら前記流路22を形成する。
一方、本発明による燃料電池システム100はその性能と熱効率を向上させるために初期起動時の改質基30で発生する熱エネルギーをスタック10の電気生成部11に提供して前記電気生成部11を予熱させる第1熱交換部100を含んでいる。
図6は図1に示した第1熱交換部の部位を示した概略図である。図1及び図6を参考すると、本実施例による第1熱交換部110は液状の燃料と空気を改質基30の第1反応部31に供給して燃料と空気の酸化反応によって発生する熱エネルギーを電気生成部11に提供することができる構造を有する。言い換えると、第1熱交換部110は第1反応部31から排出される比較的高い温度の排出ガスを電気生成部11に供給してこの電気生成部11を予熱することができる構造を有する。
前記第1熱交換部110は第1供給ライン111を通じて第1タンク51と第1反応部31の第1流入口31bを連結し、第2供給ライン72を通じて空気ポンプ71と前記第1流入口31bを連結する。
そして、第1熱交換部110は第1反応部31から排出される前記排出ガスを電気生成部11に噴射するノズル部材114と、電気生成部11を経た排出ガスを回収する回収部材117を含む。
図7は図6に示したノズル部材と回収部材の部位を示した分解斜視図である。図6及び図7を参考すると、前記ノズル部材114は第1反応部31から排出される前記排出ガスをスタック10の流路部21に供給してこの流路部21と密着する電気生成部11を予熱させるためのものである。前記ノズル部材114は流路部21の流路22に結合される。ノズル部材114は流路22と連通する複数のノズル孔115を形成し、一端が開放されて他端が閉鎖されたパイプ形状に構成される。この時、ノズル部材114はノズル孔115の縁部分が突出した構造を有しながらその突出した部分を流路22の一側端部に抑止嵌合して合わせ式で結合する。ここで、ノズル部材114の開放された端部は前記排出ガスが注入される入口116として、第3供給ライン113を通じて第1反応部31の第1流出区31cと連結される。
前記回収部材117はノズル部材114によって流路部21を通過した前記排出ガスを回収してシステム100の外部に排出させたり第1反応部31に再供給するためのことである。前記回収部材117は流路部21の流路22に結合される。回収部材117は流路22と連通する複数の回収孔118を形成し、一端が開放されて他端が閉鎖されたパイプ形状に構成される。この時、回収部材117は回収孔118の縁部分が突出した構造を有しながらその突出した部分を流路22の他側端部に抑止嵌合して合わせ式で結合する。ここで回収部材117の開放された端部は流路22を通過した排出ガスを排出させる出口117として、図1に示した第6開閉バルブ112と連結設置される。
前記のような構造を有する本発明による燃料電池システム100は第1熱交換部110を通じて電気生成部11を予熱した状態で正常な起動が行われ、電気生成部11では水素ガスと空気中に含まれている酸素の電気化学的な反応を通じて電気エネルギーを発生させる。この時、電気生成部11では水素ガスと酸素の化学的な反応によって付随的で熱が発生する。
よって本発明の実施例では液状の燃料と水の混合燃料をスタック10内に循環させて電気生成部11で発生する熱を冷却させ、このスタック10を冷却しながら加熱された混合燃料を改質基30に供給できる第2熱交換部12を含んでいる。
図8は図1に示した第2熱交換部の部位を示した概略図である。図1及び図8を参考すると、前記第2熱交換部120は第5供給ライン121を通じて燃料供給部50とスタック10の流路部21を連結し、第6供給ライン123を通じて前記流路部21と改質基30の第2反応部32を連結する。
そして、前記第2熱交換部120は第1タンク51から排出される液状の燃料と第2タンク53から排出される水の混合燃料を電気生成部11に噴射するノズル部材114と、電気生成部11を経た混合燃料を回収して前記第2反応部32に供給する回収部材117を含んでいる。
図6及び図7に示したように、ノズル部材114は前記混合燃料をスタック10の流路部21に供給して電気生成部11で発生する熱を冷却させるためのことである。前記ノズル部材114は流路部21の流路22に結合される。ノズル部材114は流路22と連通する複数のノズル孔115を形成し、一端が開放されて他端が閉鎖されたパイプ形状からなる。この時、ノズル部材114はノズル孔115の縁部分が突出した構造を有しながらその突出した部分を流路22の一側端部に抑止嵌合して合わせ式で結合する。ここで、ノズル部材114の前記混合燃料が注入される入口116であって、前述した第5供給ライン121により燃料供給部50の第1及び第2タンク51、53に連結される。
前記回収部材117はノズル部材114によって流路部21を通過した前記混合燃料を回収して改質基30の第2反応部32に供給するためのことである。前記回収部材117は流路部21の流路22に結合される。回収部材117は流路22と連通する複数の回収孔118を形成し、一端が開放されて他端が閉鎖されたパイプ形状に構成される。この時、回収部材117は回収孔118の縁部分が突出した構造を有しながらその突出した部分を流路22の他側端部に抑止嵌合して合わせ式で結合する。ここで回収部材117の開放された端部は流路22を通過した混合燃料を改質基30の第2反応部32に供給する出口117であって、前述した第6供給ライン123により前記第2反応部32の第2流入口32b)と連結される。
前記のような構造を有する本発明による燃料電池システム100の作用時、スタック10の第2排出部13dでは電気生成部11の水素と酸素の結合反応によって生成される高温多湿な水分と、水素と未反応した状態で前記水分に含まれている空気を排出する。
よって本発明の実施例ではスタック10の第2排出部13dを通じて未反応空気を含有した状態で排出される前記水分を凝縮して水と空気を各々発生させる第3熱交換部130を含んでいる。
図9は図1に示した第3熱交換部の部位を示した概略図である。図1及び図9を参考すると、第3熱交換部13は前記水分を凝縮させる凝縮機131を含み、前記第2排出部13dと凝縮機131が第8供給ライン133によって連結される。この時、前記凝縮機131は未反応空気を含有した高温多湿の水分を凝縮させて水と空気を各々発生させる。そして、凝縮機131によって発生した水と空気は第1循環部140を通じて燃料供給部50と改質基30に各々供給される。
図10は図1に示した第1循環部の部位を示した概略図である。図1及び図10を参考すると、本実施例によると、前記第1循環部140は前記水を燃料供給部50の第2タンク53に供給するために凝縮機131と第2タンク53を連結する第9供給ライン141を備える。そして、第1循環部140は前記空気を改質基30の第1反応部31に供給するために凝縮機131と第1反応部31の第1流入口31bを連結する第10供給ライン143を備える。
前記のような構造を有する本発明による燃料電池システム100の作用時、スタック10の第1排出部13cでは電気生成部11で反応して残る水素ガスを排出する。
よって本発明の実施例では前記未反応水素ガスを改質基30の第1反応部31に再供給できる第2循環部150を含んでいる。
図11は図1に示した第2循環部の部位を示した概略図である。図1及び図11を参考すると、本実施例によると、第2循環部150はスタック10の第1排出部13cと第1反応部31の第1流入口31bを連結する第11供給ライン151を備える。
前記のような構造を有する本発明による燃料電池システム100の作用時、第2循環部150によって改質基30の第1反応部31に再供給された未反応水素ガスの一部が反応して残る水素ガスが未反応一つの状態で排出されることもできる。
よって本発明の実施例では前記排出ガスを加熱して外部に排出させるための第4熱交換部160を含んでいる。
図12は図1に示した第4熱交換部の部位を示した概略図である。図1及び図12を参考すると、第4熱交換部160は前記排出ガスを加熱する加熱機161を含み、加熱基161と第1反応部31の第1流出口31cが第12供給ライン163によって連結される。この時、加熱機161は第2供給ライン163上に備えられた第7開閉バルブ165と連結設置される。
一方、本発明による燃料電池システム100は改質基30の第1反応部31で発生する熱エネルギーを更に加重させるための第1及び第2補助燃料供給部170、180を含んでいる。
図13は図1に示した第1補助燃料供給部の部位を示した概略図であり、図14は図1に示した第2補助燃料供給部の部位を示した概略図である。
図1及び図13を参考すると、前記第1補助燃料供給部170は改質基30の第5反応部35からスタック10の第1注入部13aに供給される水素ガスを第1反応部31に再供給できる構造を有する。
前記第1補助燃料供給部170は第5反応部35の第2流出区35cとスタック10の第1注入部13aを連結する水素ガス供給経路175と第2循環部150の第11供給ライン151を連結する第13供給ライン171を備える。
図1及び図14を参考すると、前記第2補助燃料供給部180は燃料供給部50の第1タンク51に貯蔵された液状の燃料を第1反応部31に直接供給できる構造を有する。
前記第2補助燃料供給部180は燃料供給部50の第1タンク51と第1反応部31の第1流入口31bを連結する第14供給ライン181と、第14供給ライン181上に設置される第2ポンプ183を備える。
前記のように構成された本発明の実施例による燃料電池システムの動作を詳細に説明すると次の通りである。まず、本システム100の初期起動時、第1ポンプ55を可動させて第1タンク51に貯蔵された液状の燃料を第1供給ライン111を通じて第1反応部31に供給する。これと同時に、空気ポンプ71を可動させて空気を第2供給ライン72を通じて第1反応部31に供給する。この時、前記液状の燃料と空気は第1反応部31の第1流入口31bを通じて第1流路チャンネル31aに供給されるようになる。
次に、前記液状の燃料と空気が第1反応部31の第1流路チャンネル31aに沿って流動しながら触媒酸化反応を起こす。それなら、第1反応部31ではこのような酸化反応を通じて所定温度の反応熱を発生させる。従って、第1反応部31から発生する熱エネルギーが第2反応部32、第3反応部33、第4反応部34及び第5反応部35に伝導されながら改質基30全体を予熱させる。
このような過程を経る間、第1反応部31で発生する燃焼ガスを第1流出口31cを通じて排出させる。以下、前記排出ガスは比較的高い温度を維持しながら第3供給ライン113を通じてノズル部材114の入口116に注入される。
次に、前記排出ガスをノズル部材114のノズル孔115を通じて流路部21の流路22に噴射する。では、前記排出ガスが流路22を通過する間、排出ガス自体の熱がセパレータ16に伝導されることによって電気生成部11全体を予熱させる。
この後、流路22を通過する排出ガスを回収部材117を通じてシステム100外部に排出させたり改質基30の第1反応部31に供給する。
このように改質基30と電気生成部11の予熱が完了すると、第1ポンプ55を可動させて第1タンク51に貯蔵された液状の燃料と第2タンク53に貯蔵された水を燃料供給ライン58を通じて第2反応部32に供給する。この時、第2反応部32は第1反応部31から発生する熱の伝達を受けて所定温度で加熱された状態となる。
次に、前記液状の燃料と水の混合燃料が第2反応部32の第2流路チャンネル32aに沿って流れる途中、前記熱により気化される。そして、前記気化された混合燃料は第2反応部32の第4貫通ホール32d、第1反応部31の第2貫通ホール31e及び第3反応部33の第5貫通ホール33bを順次に通過して第3反応部33の第3流路チャンネル33aに沿って流れるようになる。では、第3反応部33は水蒸気改質触媒反応を通じて前記気化された混合燃料から水素ガスを発生させる。敷衍説明すると、第3反応部33は水蒸気改質触媒反応を通じて混合燃料の分解反応と一酸化炭素の変性反応が同時に進められて二酸化炭素と水素を含有している水素ガスを生成する。この時、第3反応部33は一酸化炭素の変性反応を完全に行うようにすることが困難して副生成物としての一酸化炭素が微量含まれている水素ガスを生成する。
次に、前記水素ガスが第3反応部33の第6貫通ホール33c及び第4反応部34の第8貫通ホール34bを通じて第4反応部34の第4流路チャンネル34aに沿って流れるようになる。では、第4反応部34は水性ガス切換触媒反応を通じて追加の水素ガスを発生させ、その水素ガスに含まれている一酸化炭素の濃度を1次的で低減させる。
次に、第4反応部34の第4流路チャンネル34aを通過した前記水素ガスが第4反応部34の第9貫通ホール34c、第3反応部33の第7貫通ホール33d、第1反応部31の第1貫通ホール31d及び第2反応部32の第3貫通ホール32cを通じて第5反応部35の第5流路チャンネル35aに沿って流れるようになる。
これと同時に、空気ポンプ71を可動させて空気を第7供給ライン73を通じて第5反応部35の第3流入口35bに注入させる。では、第5反応部35は選択的酸化触媒反応を通じて前記水素ガスに含まれている一酸化炭素の濃度を2次的に低減させ、最終的に生成された水素ガスを第2流出区35cを通じて排出させる。
次に、前記水素ガスを水素ガス供給経路175を通じてスタック10の第1注入部13aに供給する。これと同時に、空気ポンプ71を可動させて空気を第4供給ライン74を通じてスタック10の第2注入部13bに供給する。
では、前記水素ガスはセパレータ16の水素通路を通じて電極-電解質合成体12のアノード電極に供給される。そして、空気はセパレータ16の空気通路を通じて電極-電解質合成体12のカソード電極に供給される。
従って、アノード電極では酸化反応を通じて水素ガスを電子とプロトン(水素イオン)に分解する。そして、プロトンが電解質膜を通じてカソード電極に移動し、電子は電解質膜を通じて移動されなくてセパレータ16を通じて隣接する電極-電解質合成体12のカソード電極に移動するようになるが、この時、電子の流れで電流を発生させる。また、カソード電極では前記移動したプロトン及び電子と酸素の還元反応を通じて水分と熱を付加的に発生させるようになる。この時、電気生成部11で発生する熱はセパレータ16を通じて流路部21に伝導された状態となる。
このような過程で第1ポンプ55を可動させて第1タンク51に貯蔵された液状の燃料と第2タンク53に貯蔵された水を第5供給ライン121を通じてノズル部材114の入口116に注入する。
次に、前記液状の燃料と水の混合燃料をノズル部材114のノズル孔115を通じて流路部21の流路22に噴射する。では、前記混合燃料が流路22を通過しながら電気生成部11から発生する熱を冷却させるようになる。この後、流路22を通過する混合燃料を回収部材117を通じて回収する。この時、前記混合燃料は電気生成部11を冷却しながら所定温度に暖められて予熱された状態となる。
次に、第6供給ライン123を通じて前記予熱された混合燃料を第2反応部32に供給する。この時、前記混合燃料は第1ポンプ55から作用するポンピング力によりノズル部材114を通じて流路部21に噴射され、回収部材117によって回収されて第2反応部32の第2流入口32bに供給されるようになる。従って、改質基30は上述したような一連の動作によって水素ガスを発生させてその水素ガスをスタック10の第1注入部13aに供給する。
一方、電気生成部11の電気生成時のセパレータ16を通じて電極-電解質合成体12のカソード電極に供給される空気のうちの一部が反応して残る空気が水素と酸素の結合反応を通じて発生する高温多湿な水分に含まれた状態で第2排出部13dを通じて排出されるようになる。
次に、前記未反応空気を含有した水分を第8供給ライン133を通じて凝縮機131に供給する。では、前記水分は凝縮機131を経ながら水と空気に転換されるようになる。
次に、前記水を第9供給ライン141を通じて第2タンク53に帰還させる。そして、前記空気を第10供給ライン143を通じて第1反応部31に帰還させる。
一方、電気生成部11の電気生成時のセパレータ16を通じて電極-電解質合成体12のアノード電極に供給される水素ガスのうちの一部が反応して残る水素ガスが米反応されて第1排出部13cを通じて排出されるようになる。
次に、前記未反応水素ガスを第11供給ライン151を通じて第1反応部31に供給する。この時、第1反応部31に再供給された未反応水素ガスの一部が反応して残る水素ガスが未反応状態で第1反応部31の第1流出区31cに排出できる。
では、前記排出ガスを第12供給ライン163を通じて加熱機161に供給して加熱させる。次に、前記加熱された排出ガスを第7開閉バルブ165を通じてシステム100の外部に排出させる。
他の一方で、改質基30の第5反応部35からスタック10の第1注入部13aに供給される水素ガスを第13供給ライン171を通じて第1反応部31に再供給する。では、本システム100の改質基30に作用する熱エネルギーを更に補強できるようになる。また、前記改質基30に作用する熱エネルギーを更に補強するための他の方法で第2ポンプ183を可動させて第1タンク51に貯蔵された液状の燃料を第14供給ライン181を通じて第1反応部31に供給することもできる。
図15は本発明の他の実施例による燃料電池システムの全体的な構成を示した概略図である。図1で説明された符号と同一な構成要素は同一な機能を有する同一部材である。
図15を参考すると、本実施例による燃料電池システム200は電気実施例の構造を基本としながら本システム200を採用する小型電子機器、例えばノートブックPCまたは移動通信端末機のような電子機器のロード199で発生する熱を冷却させることができる構造を有する。ここで、前記ロード199とすることは、一般的な電子機器に装着されて本システム200で生産される電気エネルギーを実質的に処理する中央処理装置(CPU)または各種回路素子などを含む。
このために本システム200は燃料供給部50の第1及び第2タンク51、53に貯蔵された液状の燃料、水または前記液状の燃料と水の混合燃料(以下、便宜上"燃料"という。)を前記ロード199に循環させて前記ロード199で発生する熱を冷却させる第5熱交換部190を含んでいる。この時、本システム200は改質基30を通じて水素ガスを生成し、この水素ガスを電気生成部11に供給して酸素との電気化学的な反応を通じて電気エネルギーを発生させる高分子電解質型燃料電池(Polymer Electrode Membrane Fuel Cell;PEMFC)方式を採用できる。代案として、本システム200は前記燃料を直接電気生成部11に供給して電気を生産できる直接メタノール型燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell:DMFC)方式を採用することもできる。このような直接メタノール型燃料方式の燃料電池は前記のような高分子電解質型燃料電池とは違い、改質基30が排除された構造を有する。しかし、以下では高分子電解質型燃料電池方式を採用した燃料電池システム100を例に挙げて説明するだけ、本発明が必ずこれに限られるわけではない。
前記第5熱交換部190は前記燃料を通過させる流路191を有しながら前記ロード199に接触するように備わる冷却プレート193を含む。この時、燃料供給部50と前記流路191は第15供給ライン195によって連結される。
本実施例によると、本システム200が可動される間、ロード199では熱が発生するところ、第15供給ライン195を通じて第1及び第2タンク51、53に貯蔵された燃料を前記流路191に供給する。この時、前記ロード199から発生する熱は冷却プレート193に伝導された状態となる。では、前記燃料は流路191に沿って流れながら冷却プレート193を冷却させる。従って、ロード199で発生する熱は前記燃料によって冷却される。そして、前記ロード199を冷却しながら加熱された燃料は電気生成部11または改質基30に供給されるようになる。
以上を通じて本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれに限定されることがなくて特許請求の範囲と発明の詳細な説明及び添付した図面の範囲内で多様に変形して実施するのが可能であってこれも本発明の範囲に属することは当然である。
本発明の実施例による燃料電池システムの全体的な構成を示した概略図である。 図1に示した改質基の構造を示した分解斜視図である。 図2の結合斜視図である。 図1に示したスタックの構造を示した分解斜視図である。 本発明の実施例に対するスタックの変形例を示した分解斜視図である。 図1に示した第1熱交換部の部位を示した概略図である。 図6に示したノズル部材と回収部材部位を示した分解斜視図である。 図1に示した第2熱交換部の部位を示した概略図である。 図1に示した第3熱交換部の部位を示した概略図である。 図1に示した第1循環部の部位を示した概略図である。 図1に示した第2循環部の部位を示した概略図である。 図1に示した第4熱交換部の部位を示した概略図である。 図1に示した第1補助燃料供給部の部位を示した概略図である。 図1に示した第2補助燃料供給部の部位を示した概略図である。 本発明の他の実施例による燃料電池システムの全体的な構成を示した概略図である。
符号の説明
10 スタック
30 改質基
50 燃料供給部
51 第1タンク
53 第2タンク
55 第1ポンプ
57 第1開閉バルブ
59 第2開閉バルブ
70 酸素供給部
71 空気ポンプ
100 燃料電池システム

Claims (47)

  1. 熱エネルギーによる化学触媒反応を通じて水素を含有した燃料から水素ガスを発生させる改質基と、
    前記水素ガスと酸素の電気化学的な反応を通じて電気エネルギーを発生させる少なくとも一つの電気生成部と、
    前記改質基で燃料を供給する燃料供給部と、
    前記電気生成部で酸素を供給する酸素供給部と、
    前記改質基と電気生成部に連結設置されてシステムの初期起動時の前記改質基の熱エネルギーを電気生成部に提供して前記電気生成部を予熱させる第1熱交換部とを含むことを特徴とする燃料電池システム。
  2. 前記改質基は前記燃料と酸素の酸化反応を通じて前記熱エネルギーを発生させる第1反応部を含むことを特徴とする、請求項1に記載の燃料電池システム。
  3. 前記燃料供給部は、
    前記燃料を貯蔵する第1タンクと
    前記第1タンクに連結設置される第1ポンプとを含み、
    前記第1タンクと第1反応部が第1供給ラインによって連結されることを特徴とする、請求項2に記載の燃料電池システム。
  4. 前記酸素供給部は、
    空気を吸入する空気ポンプを含み、
    前記空気ポンプと第1反応部が第2供給ラインによって連結されることを特徴とする、請求項3に記載の燃料電池システム。
  5. 前記改質基は前記燃料と酸素の酸化反応を通じて前記熱エネルギーを発生させる第1反応部を含み、
    前記電気生成部が複数に備えて各々の電気生成部を積層したスタック(stack)を形成し、
    前記スタックは前記熱エネルギーを通過させる流路を有しながら互いに隣接する電気生成部の間に位置する流路部を含むことを特徴とする、請求項1に記載の燃料電池システム。
  6. 前記第1熱交換部は、
    前記流路の一側端部に結合されて前記第1反応部と流路を実質的に連結するノズル部材と、
    前記流路の他側端部に結合されて前記ノズル部材と実質的に連通する回収部材とを含むことを特徴とする、請求項5に記載の燃料電池システム。
  7. 前記第1反応部とノズル部材が第3供給ラインによって連結されることを特徴とする、請求項6に記載の燃料電池システム。
  8. 前記流路部は前記流路を有しながら互いに隣接する電気生成部の間に介されるプレートタイプの高熱伝導固体部材を含むことを特徴とする、請求項5に記載の燃料電池システム。
  9. 前記高熱伝導固体部材が熱伝導性を有するアルミニウム、銅、鉄からなる群より選択される材質で形成されることを特徴とする、請求項8に記載の燃料電池システム。
  10. 前記電気生成部は、
    電極-電解質合成体と、
    前記電極-電解質合成体の両面に配置されるセパレータとを含み、
    前記流路部は互いに隣接するセパレータに前記流路を形成することを特徴とする、請求項5に記載の燃料電池システム。
  11. 熱エネルギーによる化学触媒反応を通じて水素を含有した燃料から水素ガスを発生させる改質基と、
    前記水素ガスと酸素の電気化学的な反応を通じて電気エネルギーを発生させる少なくとも一つの電気生成部と、
    前記改質基に燃料を供給する燃料供給部と、
    前記電気生成部に酸素を供給する酸素供給部と、
    前記電気生成部の内に前記燃料を循環させて前記電気生成部で発生する熱を冷却させ、前記電気生成部を循環しながら予熱された燃料を前記改質基に供給する第2熱交換部とを含む燃料電池システム。
  12. 前記酸素供給部は、
    空気を吸入する空気ポンプを含み、
    前記空気ポンプと電気生成部が第4供給ラインによって連結されることを特徴とする、請求項11に記載の燃料電池システム。
  13. 前記電気生成部が複数に備えて各々の電気生成部を積層したスタックを形成し、
    前記スタックは前記熱エネルギーを通過させる流路を有しながら互いに隣接する電気生成部の間に位置する流路部を含むことを特徴とする、請求項11に記載の燃料電池システム。
  14. 前記第2熱交換部は、
    前記流路の一側端部に結合されて前記燃料供給部と流路を実質的に連結するノズル部材と、
    前記流路の他側端部に結合されて前記ノズル部材と実質的に連通する回収部材とを含むことを特徴とする、請求項13に記載の燃料電池システム。
  15. 前記燃料供給部は、
    水素を含有した液状の燃料を貯蔵する第1タンクと、
    水を貯蔵する第2タンクと、
    前記第1タンクと第2タンクに各々連結設置される第1ポンプとを含むことを特徴とする、請求項14に記載の燃料電池システム。
  16. 前記第1、2タンクとノズル部材が第5供給ラインによって連結されることを特徴とする、請求項15に記載の燃料電池システム。
  17. 前記改質基は、
    前記燃料と酸素の酸化反応を通じて熱エネルギーを発生させる第1反応部と、
    前記熱エネルギーを用いて前記燃料と水の混合燃料を蒸発させる第2反応部と、
    水蒸気改質触媒反応を通じて前記蒸発された混合燃料から水素ガスを発生させる第3反応部とを含むことを特徴とする、請求項13に記載の燃料電池システム。
  18. 前記回収部材と第2反応部が第6供給ラインによって連結されることを特徴とする、請求項17に記載の燃料電池システム。
  19. 前記流路部は前記流路を有しながら互いに隣接する電気生成部の間に介される高熱伝導
    固体部材を含むことを特徴とする、請求項13に記載の燃料電池システム。
  20. 前記電気生成部は、
    電極-電解質合成体と、
    前記電極-電解質合成体の両面に配置されるセパレータとを含み、
    前記流路部は互いに隣接するセパレータに前記流路を形成することを特徴とする、請求項13に記載の燃料電池システム。
  21. 前記改質基は、
    前記水素ガスに含まれた一酸化炭素の濃度を低減させる少なくとも一つの反応部を更に含むことを特徴とする、請求項17に記載の燃料電池システム。
  22. 前記改質基は、
    水性ガス切換触媒反応を通じて前記水素ガスに含まれている一酸化炭素の濃度を1次的で低減させる第4反応部と、
    選択的酸化触媒反応を通じて前記水素ガスに含まれている一酸化炭素の濃度を2次的に低減させる第5反応部とを含み、
    前記第5反応部と電気生成部が第7供給ラインによって連結されることを特徴とする、請求項17に記載の燃料電池システム。
  23. 前記各々の反応部はプレートタイプの本体と、前記本体の上面に形成されて流体の流れを可能にするチャンネルと、前記各々のチャンネルを連結する貫通孔を形成することを特徴とする、請求項22に記載の燃料電池システム。
  24. 前記改質基は前記各々の本体による積層構造からなることを特徴とする、請求項23に記載の燃料電池システム。
  25. 前記改質基は最上部の本体と結合する蓋部を含むことを特徴とする、請求項24に記載の燃料電池システム。
  26. 前記電気生成部は水素と酸素の結合反応によって生成される高温多湿な水分と水素と未反応した状態で前記水分に含まれている酸素を排出する水分排出部と、酸素と未反応した水素ガスを排出する水素ガス排出部とを含み、
    前記改質基は前記燃料と酸素の酸化反応を通じて前記熱エネルギーを発生させる第1反応部を含むことを特徴とする、請求項11に記載の燃料電池システム。
  27. 前記水分排出部を通じて未反応酸素を含有した状態で排出される前記水分を凝縮して水と酸素を各々発生させる第3熱交換部と
    前記第3熱交換部によって生成された水を燃料供給部に供給し、酸素を前記第1反応部に供給する第1循環部とを含むことを特徴とする、請求項26に記載の燃料電池システム。
  28. 前記第3熱交換部は前記水分排出部と連結設置される凝縮機を含み、前記水分排出部と凝縮機が第8供給ラインによって連結されることを特徴とする、請求項27に記載の燃料電池システム。
  29. 前記第1循環部は、
    前記凝縮機と燃料供給部を連結する第9供給ラインと、
    前記凝縮機と第1反応部を連結する第10供給ラインとを含むことを特徴とする、請求項28に記載の燃料電池システム。
  30. 前記水素ガス排出部から排出される未反応水素ガスを第1反応部に供給する第2循環部を含むことを特徴とする、請求項27に記載の燃料電池システム。
  31. 前記第2循環部が前記水素ガス排出部と第1反応部を連結する第11供給ラインを含むことを特徴とする、請求項30に記載の燃料電池システム。
  32. 熱エネルギーによる化学触媒反応を通じて水素を含有した燃料から水素ガスを発生させる改質基と、
    前記水素ガスと酸素の電気化学的な反応を通じて電気エネルギーを発生させる少なくとも一つの電気生成部と、
    前記改質基に燃料を供給する燃料供給部と、
    前記電気生成部に酸素を供給する酸素供給部と、
    システムの初期起動時の前記改質基の熱エネルギーを電気生成部に提供して前記電気生成部を予熱させる第1熱交換部と、
    システムの正常起動時の前記電気生成部の内に前記燃料を循環させて前記電気生成部で発生する熱を冷却させ、前記電気生成部を循環しながら予熱された燃料を前記改質基に供給する第2熱交換部とを含むことを特徴とする燃料電池システム。
  33. 前記電気生成部は水素と酸素の結合反応によって生成される高温多湿な水分と水素と未反応した状態で前記水分に含まれた酸素を排出する水分排出部と、酸素と未反応した水素ガスを排出する水素ガス排出部とを含み、
    前記改質基は前記燃料と酸素の酸化反応を通じて前記熱エネルギーを発生させる第1反応部を含むことを特徴とする、請求項32に記載の燃料電池システム。
  34. 前記水分排出部を通じて未反応酸素を含有した状態で排出される前記水分を凝縮して水と酸素を各々発生させる第3熱交換部と、
    前記第3熱交換部によって生成された水を燃料供給部に供給し、酸素を前記第1反応部に供給する第1循環部とを含むことを特徴とする、請求項33に記載の燃料電池システム。
  35. 前記水素ガス排出部から排出される未反応水素ガスを第1反応部に供給する第2循環部を含むことを特徴とする、請求項34に記載の燃料電池システム。
  36. 前記第1反応部から排出される排出ガスを気化させる第4熱交換部を含むことを特徴とする、請求項33に記載の燃料電池システム。
  37. 前記第4熱交換部は前記排出ガスを加熱する加熱機を含み、前記加熱機と第1反応部が第12供給ラインによって連結されることを特徴とする、請求項36に記載の燃料電池システム。
  38. 前記改質基は、
    前記熱エネルギーを用いて前記燃料と水の混合燃料を蒸発させる第2反応部と、
    水蒸気改質触媒反応を通じて前記蒸発された混合燃料から水素ガスを発生させる第3反応部と、
    前記水素ガスに含まれた一酸化炭素の濃度を低減させる少なくとも一つの反応部とを含むことを特徴とする請求項33に記載の燃料電池システム。
  39. 前記一酸化炭素の濃度が低減された水素ガスを前記第1反応部に再供給する第1補助燃料供給部を含むことを特徴とする、請求項38に記載の燃料電池システム。
  40. 前記第1補助燃料供給部は前記改質基から電気生成部に水素ガスを供給する供給経路と前記電気生成部から排出される未反応水素ガスを第1反応部に供給する供給経路の間を連結する第13供給ラインとを含むことを特徴とする、請求項39に記載の燃料電池システム。
  41. 前記第1反応部に燃料を追加的に供給する第2補助燃料供給部を含むことを特徴とする、請求項39に記載の燃料電池システム。
  42. 前記第2補助燃料供給部は燃料供給部と第1反応部を連結する第14供給ラインと、前記第14供給ラインに連結設置される第2ポンプとを含むことを特徴とする、請求項41に記載の燃料電池システム。
  43. 水素と酸素の電気化学的な反応を通じて電気エネルギーを発生させる少なくとも一つの電気生成部と、
    前記電気生成部に燃料を供給する燃料供給部と、
    前記電気生成部に酸素を供給する酸素供給部と、
    前記燃料を外部ロードに循環させて前記外部ロードで発生する熱を冷却させる第5熱交換部とを含むことを特徴とする燃料電池システム。
  44. 第43項において、
    前記第5熱交換部は前記燃料を通過させる流路を有しながら前記外部ロードに接触するように備わる冷却プレートを含み、
    前記燃料供給部と流路が第15供給ラインによって連結されることを特徴とする、請求項43に記載の燃料電池システム。
  45. 前記電気生成部と燃料供給部の間に、熱エネルギーによる化学触媒反応を通じて前記燃料から水素ガスを発生させる改質基が配置されて前記燃料供給部と電気生成部に連結設置されることを特徴とする、請求項43に記載の燃料電池システム。
  46. 前記燃料電池システムが、高分子電解質型燃料電池方式からなることを特徴とする、請求項43に記載の燃料電池システム。
  47. 前記燃料電池システムが、直接メタノール型燃料電池方式からなることを特徴とする、請求項43に記載の燃料電池システム。
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