JP2006019268A - 改質装置及びこれを含む燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 簡単な構造で反応効率及び熱効率を向上させることができる、改質装置及びこれを含む燃料電池システムを提供する。
【解決手段】 本発明による燃料電池システムは、熱エネルギーによる化学触媒反応によって燃料から水素ガスを発生させる改質装置、前記水素ガス及び酸素の反応によって電気エネルギーを発生させるスタックを含み、前記改質装置は、システムの初期起動時に、燃料の酸化反応によって熱エネルギーを発生させる第１反応部、前記第１反応部と互いに連通して、前記熱エネルギーによる改質反応によって前記燃料から水素ガスを発生させる第２反応部、前記第１及び第２反応部と互いに連通して、前記水素ガス中に含まれている一酸化炭素の酸化反応によって熱エネルギーを発生させて、前記一酸化炭素の濃度を低減させる第３反応部を含む。
【選択図】 図４

Description

本発明は燃料電池システムに関し、より詳しくは、改質装置の構造を改善した、燃料電池システムに関する。

周知のように、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の物質内に含まれている水素及び酸素の電気化学的な反応によって電気エネルギーを発生させる発電システムである。

このような燃料電池において、近来開発されている高分子電解質型燃料電池（Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell：ＰＥＭＦＣ、以下では便宜上ＰＥＭＦＣとする）は、出力特性が優れていて、作動温度が低く、速い始動特性及び応答特性を有するため、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小型電源など、その応用範囲が広いという長所がある。

このようなＰＥＭＦＣ方式を採用した燃料電池システムは、スタック（stack）、改質装置（Reformer）、燃料タンク、及び燃料ポンプなどを含んで構成される。スタックは、複数の単位セルからなる電気発生集合体を形成し、燃料ポンプは、燃料タンク内の燃料を改質装置に供給する。そして、改質装置は、燃料を改質して水素ガスを発生させて、前記水素ガスをスタックに供給する。

この中で、改質装置は、熱エネルギーによる化学触媒反応によって燃料から水素ガスを発生させるもので、前記熱エネルギーを発生させる熱源部、前記熱エネルギーを吸熱して燃料から水素ガスを発生させる改質反応部などを含んで構成される。

しかし、従来の燃料電池システムの改質装置は、前記のような熱源部、改質反応部などが容器形態に構成されて、これらの各々が配管によって連結されて分散配置されていたため、反応部間の熱交換が直接的に行われず、熱伝達の面で不利な問題点がある。また、各反応部が分散配置されるため、システムをコンパクトに実現することができない問題点があった。

また、従来の燃料電池システムは、別途の予熱装置を利用して改質装置に供給される燃料を予熱するが、前記燃料の予熱にともなうエネルギーの消耗によって、システム全体の性能及び熱効率が低下する問題点があった。

これに加えて、従来の燃料電池システムの改質装置は、改質反応部から発生する水素ガスの水性ガス転換（Water-Gas Shift：ＷＧＳ）反応、または前記水素ガス中に含まれている一酸化炭素の選択的酸化（Preferential CO Oxidation：ＰＲＯＸ）反応などによって一酸化炭素の濃度を低減させる複数の一酸化炭素低減部を含んで構成されている。

しかし、従来の改質装置は、改質反応部及び一酸化炭素低減部の各々が別途に形成されて、改質反応部から発生する水素ガスを一酸化炭素低減部に供給する構造からなるため、全体的なシステムの大きさをコンパクトに実現することができない問題点がある。また、従来の改質装置において、一酸化炭素低減部は、選択的酸化時に発熱反応が起こるので、前記発熱反応によって発生する熱及び熱源部で発生する熱が約２００℃を超える場合には、前記熱により水素が燃焼してしまうため、結果的には改質装置の効率が低下する問題点があった。

本発明は前述した問題点を勘案したものであって、その目的は、簡単な構造で反応効率及び熱効率を向上させることができる、改質装置及びこれを含む燃料電池システムを提供することにある。

また、本発明の他の目的は、水素ガス中に含まれている一酸化炭素の濃度を低減させるための酸化反応時に、過度な熱によって水素が消耗されるのを防止することができる、改質装置及びこれを含む燃料電池システムを提供することにある。

このような目的を達成するために、本発明による燃料電池システムの改質装置は、システムの初期起動時に、燃料の酸化反応によって熱エネルギーを発生させる第１反応部、前記第１反応部と互いに連通され、前記熱エネルギーによる改質反応によって前記燃料から水素ガスを発生させる第２反応部、前記第１及び第２反応部と互いに連通され、前記水素ガス中に含まれている一酸化炭素の酸化反応によって熱エネルギーを発生させて、前記一酸化炭素の濃度を低減させる第３反応部を含む。

前記燃料電池システムの改質装置において、前記第１反応部は、システムの正常駆動時に、前記水素ガス中に含まれている一酸化炭素の酸化反応によって熱エネルギーを発生させて、前記一酸化炭素の濃度を低減させるように構成される。

前記燃料電池システムの改質装置は、第１管路、前記第１管路の断面積より相対的に小さい断面積を有して、前記第１管路と同軸に配置される第２管路、前記第１管路を囲む管路形態のハウジングを含むパイプアセンブリーを含む。この場合、前記パイプアセンブリーは、前記第１管路及び前記第２管路の間の空間と前記第２管路の内部空間とがパイプラインによって互いに連通し、前記第１管路及び前記ハウジングの間の空間と前記第２管路の内部空間とが直接的に互いに連通するように構成される。

前記燃料電池システムの改質装置において、前記第１反応部は、前記第２管路の内部空間に酸化触媒層を形成し、前記第２反応部は、前記第１管路及び前記第２管路の間の空間に改質触媒層を形成し、前記第３反応部は、前記第１管路及び前記ハウジングの間の空間に前記酸化触媒層を形成する。

前記燃料電池システムの改質装置において、前記第２反応部は、前記水素ガスの水性ガス転換触媒反応によって前記水素ガス中に含まれている一酸化炭素の濃度を低減させるための水性ガス転換触媒層を、前記第１管路及び前記第２管路の間の空間に形成する。

前記燃料電池システムの改質装置は、前記第２反応部に接触して設置されて、前記第２反応部に供給される燃料に前記熱エネルギーを提供する熱伝逹ユニットをさらに含む。この場合、前記熱伝逹ユニットは、前記第１管路の外周面にコイル形態に巻かれて、前記第１管路及び前記第２管路の間の内部空間に連通するパス部材を含む。

また、本発明による燃料電池システムの改質装置は、第１管路、前記第１管路の断面積より相対的に小さい断面積を有して、前記第１管路と同軸に配置される第２管路、前記第１管路を囲む管路形態のハウジング、前記第２管路の内部空間に形成されて、システムの初期起動時に、燃料の酸化反応を促進して、予め設定された温度範囲の熱エネルギーを発生させる酸化触媒層、前記第１管路及び前記第２管路の間の空間に形成されて、前記熱エネルギーによる改質反応を促進して、前記燃料から水素ガスを発生させる改質触媒層を含み、前記第１管路及び前記第２管路の間の空間と前記第２管路の内部空間とがパイプラインによって互いに連通し、前記第１管路及び前記ハウジングの間の空間と前記第２管路の内部空間とが直接的に互いに連通して、前記第１管路及び前記ハウジングの間の空間に前記酸化触媒層を形成する。

前記燃料電池システムの改質装置は、前記第２管路の一側端部に注入口を形成する第１キャップを取り付け、他側端部に排出口を形成する第２キャップを取り付けて第１反応部を構成し、前記第１反応部は、前記水素ガス中に含まれている一酸化炭素の酸化反応によって熱エネルギーを発生させて、前記一酸化炭素の濃度を低減させるように構成される。

前記燃料電池システムの改質装置は、前記第１管路の一側端部に注入口を形成する第３キャップを取り付け、他側端部に排出口を形成する第４キャップを取り付けて第２反応部を構成する。

前記燃料電池システムの改質装置は、前記ハウジングの一側端部に第５キャップを取り付けて、前記水素ガス中に含まれている一酸化炭素の酸化反応によって熱エネルギーを発生させて、前記一酸化炭素の濃度を低減させるための第３反応部を構成する。

前記燃料電池システムの改質装置において、前記第３キャップは、前記第２管路と連通する連通孔を有しており、前記連通孔の周囲に前記注入口が放射状に配置される環状形態に構成される。

前記燃料電池システムの改質装置において、前記第５キャップは、第４キャップの排出口と連通する第１連通口、前記第１キャップの注入口と連通する第２連通口、前記第３キャップの注入口と連通する第３連通口、前記第１管路及び前記ハウジングの間の空間と連通する第４連通口を形成する。

前記燃料電池システムの改質装置は、前記第２反応部に接触して設置されて、前記第２反応部に供給される燃料に前記熱エネルギーを提供する熱伝逹ユニットをさらに含む。この場合、前記熱伝逹ユニットは、前記第１管路の外周面にコイル形態に巻かれて、前記第３キャップの注入口に取り付けられ、前記第１管路及び第２管路の間の内部空間に連通するパス部材を含む。

前記燃料電池システムの改質装置において、前記第２反応部は、前記水素ガスの水性ガス転換触媒反応によって前記水素ガス中に含まれている一酸化炭素の濃度を低減させるための水性ガス転換触媒層を、前記第１管路及び第２管路の間の空間に形成する。この場合、前記水性ガス転換触媒層は、前記改質触媒層と連続的に配置されて、前記第４キャップの排出口側に形成される。

また、本発明による燃料電池システムは、熱エネルギーによる化学触媒反応によって燃料から水素ガスを発生させる改質装置、及び前記水素ガス及び酸素の反応によって電気エネルギーを発生させるスタックを含み、前記改質装置は、システムの初期起動時に、燃料の酸化反応によって熱エネルギーを発生させる第１反応部、前記第１反応部と互いに連通して、前記熱エネルギーによる改質反応によって前記燃料から水素ガスを発生させる第２反応部、前記第１及び第２反応部と互いに連通して、前記水素ガス中に含まれている一酸化炭素の酸化反応によって熱エネルギーを発生させて、前記一酸化炭素の濃度を低減させる第３反応部を含む。

前記燃料電池システムにおいて、前記改質装置は、第１管路、前記第１管路の断面積より相対的に小さい断面積を有して、前記第１管路と同軸に配置される第２管路、前記第１管路を囲む管路形態のハウジングを含むパイプアセンブリーを含み、前記第１反応部は、システムの正常駆動時に、前記水素ガス中に含まれている一酸化炭素の酸化反応によって熱エネルギーを発生させて、前記一酸化炭素の濃度を低減させるように構成される。

前記燃料電池システムにおいて、前記パイプアセンブリーは、前記第１管路及び前記第２管路の間の空間と前記第２管路の内部空間とが前記パイプラインによって互いに連通し、前記第１管路及び前記ハウジングの間の空間と前記第２管路の内部空間とが直接的に互いに連通するように構成される。

前記燃料電池システムにおいて、前記第１反応部は、前記酸化反応を促進するための酸化触媒層を、前記第２管路の内部空間に形成する。

前記燃料電池システムにおいて、前記第２反応部は、前記改質反応を促進するための改質触媒層を、前記第１管路及び前記第２管路の間の空間に形成する。

前記燃料電池システムにおいて、前記第３反応部は、前記水素ガス中に含まれている一酸化炭素の酸化反応によって熱エネルギーを発生させて、前記一酸化炭素濃度の低減を促進するための酸化触媒層を、前記第１管路及び前記ハウジングの間の空間に形成している。

前記燃料電池システムは、前記第２管路の一側端部に注入口を形成する第１キャップを取り付け、他側端部に排出口を形成する第２キャップを取り付けて前記第１反応部を構成する。

前記燃料電池システムは、前記第１管路の一側端部に注入口を形成する第３キャップを取り付けし、他側端部に排出口を形成する第４キャップを取り付けて前記第２反応部を構成する。

前記燃料電池システムは、前記ハウジングの一側端部に第５キャップを取り付けて前記第３反応部を構成する。

前記燃料電池システムにおいて、前記改質装置は、前記第２反応部に接触して設置されて、前記第２反応部に供給される燃料に前記熱エネルギーを提供する熱伝逹ユニットをさらに含む。この場合、前記熱伝逹ユニットは、前記第１管路の外周面にコイル形態に巻かれて、前記第３キャップの注入口に取り付けられ、前記第１管路及び第２管路の間の内部空間に連通するパス部材を含む。

前記燃料電池システムにおいて、前記第２反応部は、前記水素ガスの水性ガス転換触媒反応によって前記水素ガス中に含まれている一酸化炭素の濃度を低減させるための水性ガス転換触媒層を、前記第１管路及び前記第２管路の間の空間に形成する。この場合、前記水性ガス転換触媒層は、前記改質触媒層と連続的に配置されて、前記第４キャップの排出口側に形成される。

前記燃料電池システムは、前記改質装置に燃料を供給するための燃料供給源を含み、前記燃料供給源は、燃料を保存する第１タンク、水を保存する第２タンク、前記第１タンク及び第２タンクに連結設置される燃料ポンプを含む。この場合、前記第１タンク及び前記第２管路はパイプラインによって連結設置され、前記パイプライン上にバルブが設置される。

前記燃料電池システムは、前記改質装置及び前記スタックに酸素を供給するための酸素供給源を含み、前記酸素供給源は、空気を吸入する空気ポンプからなる。

本発明によれば、燃料の各種反応に必要な熱エネルギーを速かに伝達する簡単な構造の改質装置を実現することができるので、システムの熱効率及び運転性能を向上させることができると共に、全体的なシステムの大きさをコンパクトにすることができる。

また、本発明によれば、改質装置に供給される燃料を予熱することができる構造からなるので、システム全体の熱効率及び運転性能を向上させることができる。

また、本発明によれば、水素ガス中に含まれている一酸化炭素の濃度を低減させるための酸化反応時に、従来のように過度な熱により水素が消耗されるのを防止することができるので、改質装置の効率をさらに向上させることができる。

以下、添付した図面を参照して、本発明の実施例について、本発明が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することができるように詳細に説明する。しかし、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で多様な変形が可能であり、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造を概略的に示したブロック図である。

図面を参照して本発明による燃料電池システム１００を説明すると、前記燃料電池システム１００は、燃料を改質して水素ガスを発生させて、前記水素ガス及び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高分子電解質型燃料電池（Polymer Electrode Membrane Fuel Cell；ＰＥＭＦＣ）方式に構成される。

このような燃料電池システム１００に使用される燃料は、メタノール、エタノール、または天然ガスなどのように水素を含む液体または気体の燃料である。しかし、以下の実施例において説明する「燃料」とは、便宜上、液体の燃料であると定義し、液体の燃料及び水を混合燃料であると定義する。

そして、燃料電池システム１００は、水素ガスと反応する酸素として、別途の保存手段に保存された純粋な酸素を使用することができ、酸素を含む空気をそのまま使用することもできる。以下では、後者を例に挙げて説明する。

このような燃料電池システム１００は、基本的に、水素及び酸素の反応によって電気エネルギーを発生させるスタック１０、燃料から水素ガスを発生させて、前記水素ガスをスタック１０に供給する改質装置２０、改質装置２０に燃料を供給するための燃料供給源５０、スタック１０及び改質装置２０に酸素を各々供給するための酸素供給源７０を含んで構成される。

スタック１０は、改質装置２０及び酸素供給源７０に連結設置されて、前記改質装置２０から水素ガスの供給を受け、酸素供給源７０から空気の供給を受けて、水素及び酸素の反応によって電気エネルギーを発生させる燃料電池（fuel cell）として構成される。このようなスタック１０の構造は、図５を参照して、下記でさらに詳細に説明する。

本実施例で、改質装置２０は、熱エネルギーによる化学触媒反応によって燃料から水素ガスを発生させて、前記水素ガス中に含まれている一酸化炭素の濃度を低減させる構造からなる。このような改質装置２０の構造は、図２乃至図４を参照して、下記でさらに詳細に説明する。

前記燃料供給源５０は、燃料を保存する第１タンク５１、水を保存する第２タンク５３、第１及び第２タンク５１、５３に各々連結設置されて、燃料及び水を排出する燃料ポンプ５５を含む。

そして、酸素供給源７０は、所定のポンピング力で空気を吸入して、前記空気をスタック１０及び改質装置２０に供給する少なくとも一つの空気ポンプ７１を含む。ここで、酸素供給源７０は、前記のような空気ポンプ７１を含むものに限定されず、通常の構造のファン（fan）を含むこともできる。

図２は本発明の実施例による改質装置の構造を示した分解斜視図であり、図３は図２に示した改質装置の一部を分解して示した斜視図であり、図４は図２の結合断面構成図である。

図１乃至図４を参照すれば、本実施例による改質装置２０は、システムの初期起動時に、燃料及び空気の酸化反応によって熱エネルギーを発生させる第１反応部２３、前記熱エネルギーを利用した改質反応によって混合燃料から水素ガスを発生させる第２反応部２７、水素ガス中に含まれている一酸化炭素及び空気中に含まれている酸素の酸化反応によって前記一酸化炭素の濃度を低減させる第３反応部３３を含んで構成される。

本実施例によれば、改質装置２０は、第１反応部２３及び第２反応部２７が互いに連通し、第１及び第２反応部２３、２７及び第３反応部３３が互いに連通する構造からなる。

このような改質装置２０は、同心円状に配置される多重の管路形態からなるパイプアセンブリー３０として構成され、前記パイプアセンブリー３０は、第１管路２１、第１管路２１の内部に位置する第２管路２２、第１管路２１を囲むハウジング３４を含んで構成される。

第１管路２１は、所定の断面積を有して、実質的に両端が閉鎖された円形パイプタイプに形成されている。第２管路２２は、第１管路２１の断面積より相対的に小さい断面積を有して、実質的に両端が閉鎖された円形パイプタイプに形成されている。この時、第２管路２２は、その外周面及び第１管路２１の内周面が一定の間隔で離隔するように、第１管路２１と同軸に配置される。そして、ハウジング３４は、第１管路２１の断面積より相対的に大きい断面積を有して、一端部が開放されて他端部が閉鎖された円形パイプタイプに形成されている。この時、第１管路２１は、その外周面及びハウジング３４の内周面が一定の間隔で離隔するように、ハウジング３４と同軸に配置される。

このような改質装置２０は、第１管路２１及び第２管路２２の間の空間と第２管路２２の内部空間とが下記でさらに詳細に説明するパイプラインによって互いに連通し、第１管路２１及びハウジング３４の間の空間と第２管路２２の内部空間とが直接的に互いに連通する構造からなる。

前記のように構成される改質装置２０に含まれる本実施例による第１反応部２３は、第２管路２２の内部空間に形成される酸化触媒層２４を有し、第２管路２２の一側端部に注入口２５ａが形成され、他側端部に排出口２６ａが形成されている。

ここで、注入口２５ａは、改質装置２０の初期起動時に、燃料及び空気を第２管路２２の内部に注入する孔を備えている。排出口２６ａは、第２管路２２の内部から燃料及び空気の酸化反応によって発生する燃焼ガスを排出する孔を備え、第１管路２１及びハウジング３４の間の空間と直接的に連通する。

具体的に、第１反応部２３は、第２管路２２の一側端部に注入口２５ａを有する第１キャップ２５を取り付け、他側端部に排出口２６ａを有する第２キャップ２６を取り付けて構成される。この時、第１キャップ２５の注入口２５ａ及び第１タンク５１は第１パイプライン８１によって連結され、注入口２５ａ及び空気ポンプ７１は第４パイプライン８４によって連結される。そして、第１パイプライン８１上には、第２管路２２の内部に供給される燃料を選択的に遮断するバルブ９９が設置されている。

これに加えて、第１パイプライン８１及び第４パイプライン８４はパイプ形態の合流ライン９１によって互いに連結されて、前記合流ライン９１を通じて第１キャップ２５の注入口２５ａに連結される。この場合、合流ライン９１は、ハウジング３４及び第１管路２１を貫通して注入口２５ａに連結される。このために、第１管路２１には、前記のような合流ライン９１を貫通させる貫通孔２１ａが形成される。

そして、酸化触媒層２４は、燃料及び空気の酸化反応を促進して、所定の温度の熱源を発生させるためのものであって、第２管路２２の内部空間に充填形成される。このような酸化触媒層２４は、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、シリカ（ＳｉＯ_２）、またはチタニア（ＴｉＯ_２）からなるペレット（pellet）形態の担体に白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）のような触媒物質を担持して形成される。

一方、本実施例による第１反応部２３は、第２反応部２７で発生する水素ガス中に含まれている一酸化炭素を酸化触媒層２４の触媒作用によって空気と共に酸化させて熱エネルギーを発生させて、前記一酸化炭素の濃度を低減させることもできる。

本発明の実施例による第２反応部２７は、第１管路２１及び第２管路２２の間の空間に形成される改質触媒層２８を有して、第１管路２１の一側端部に注入口３１ａが形成され、他側端部に排出口３２ａが形成されている。

ここで、注入口３１ａは、混合燃料を第１管路２１及び第２管路２２の間の空間に注入する孔を備え、排出口３２ａは、混合燃料の改質反応によって発生する水素ガスを排出する孔を備えている。

具体的に、第２反応部２７は、第１管路２１の一側端部に注入口３１ａを有する第３キャップ３１を取り付け、他側端部に排出口３２ａを有する第４キャップ３２を取り付けて構成される。この時、第３キャップ３１には、第２管路２２を貫通する連通孔３１ｂが形成され、前記連通孔３１ｂの周囲に注入口３１ａが放射状に配置される環状形態に構成される。そして、注入口３１ａ及び第１及び第２タンク５１、５３は、第２パイプライン８２によって実質的に連結される。また、排出口３２ａ及び前記合流ライン９１は、第３パイプライン８３によって連結される。

そして、改質触媒層２８は、第１反応部２３から発生する熱エネルギーを利用した混合燃料の水蒸気改質反応を促進して、前記混合燃料から水素ガスを発生させるためのものである。このような改質触媒層２８は、第１管路２１及び第２管路２２の間の空間に充填形成され、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、シリカ（ＳｉＯ_２）、またはチタニア（ＴｉＯ_２）からなるペレット形態の担体に銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、白金（Ｐｔ）のような触媒物質を担持して形成される。

また、第２反応部２７は、第１管路２１及び第２管路２２の間の空間に改質触媒層２８と連続的に形成される水性ガス転換触媒層２９をさらに有することもできる。前記水性ガス転換触媒層２９は、改質触媒層２８によって生成された水素ガスの水性ガス転換反応（Water-Gas Shift Reaction：ＷＧＳ）によって前記水素ガス中に含まれている一酸化炭素の濃度を低減させる機能をする。前記水性ガス転換触媒層２９は、第１管路２１及び第２管路２２の間の空間に対して第４キャップ３２の排出口３２ａ側に形成されるのが好ましい。このような水性ガス転換触媒層２９は、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、シリカ（ＳｉＯ_２）、またはチタニア（ＴｉＯ_２）からなるペレット形態の担体に銅（Ｃｕ）、亜鉛（Zｎ）、鉄（Ｆｅ）、クロム（Ｃｒ）のような触媒物質を担持して形成される。

そして、本実施例による改質装置２０は、第１反応部２３から発生する熱エネルギーの効率を極大化させるための熱伝逹ユニット３７をさらに含む。前記熱伝逹ユニット３７は、第１反応部２３から発生する熱エネルギーを第１管路２１の注入口３１ａに供給される混合燃料に提供することができるパス部材３８を含む。

前記パス部材３８は、一側端部が第１管路２１の注入口３１ａ、つまり第３キャップ３１に放射状に形成された複数の注入口３１ａに各々連結されて、第１管路２１の外周面に対してコイル形態に巻かれたパイプ構造からなる。この時、パス部材３８の他側端部は、ハウジング３４の内部から外部に貫通して、前記第２パイプライン８２と連結される。

本発明の実施例による第３反応部３３は、第１管路２１及びハウジング３４の間の空間に酸化触媒層３５を有し、ハウジング３４の一側端部に取り付けられ、ハウジング３４の内部空間を実質的に密封する第５キャップ３６を含んで構成される。

酸化触媒層３５は、第２反応部２７から発生する水素ガス中に含まれている一酸化炭素及び空気ポンプ７１から供給される空気中に含まれている酸素の酸化反応によって熱エネルギーを発生させると同時に、前記一酸化炭素の濃度を低減させる機能をする。このような酸化触媒層３５は、第１管路２１及びハウジング３４の間の空間に充填され、第２管路２２に充填された酸化触媒層２４と同一な構造及び組成からなる。

第５キャップ３６は、ハウジング３４の一端部にネジ結合または嵌合して取り付けることができる。この時、第１管路２１の排出口３２ａは、第５キャップ３６を貫通してハウジング３４の内部から外部に引き出され、燃料及び空気を第２管路２２の内部空間に供給するための合流ライン９１は、第５キャップ３６及び第１管路２１を貫通して第２管路２２の注入口２５ａと連結される。そして、混合燃料を第１管路２１及び第２管路２２の間の空間に供給するためのパス部材３８は、ハウジング３４の内部から第５キャップ３６を貫通して外部に引き出される。このために、第５キャップ３６には、第１管路２１の排出口３２ａを貫通させる単一の第１連通口３６ａ、合流ライン９１を貫通させる単一の第２連通口３６ｂ、パス部材３８を貫通させる複数の第３連通口３６ｃ、第１管路２１及びハウジング３４の間の空間と連通する複数の第４連通口３６ｄが形成されている。

図５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５を参照すれば、本システム１００に適用されるスタック１０は、改質装置２０から提供された水素ガス及び空気ポンプ７１によって提供される空気中の酸素を電気化学的に反応させて予め設定された容量の電気エネルギーを発生させるためのものである。

このようなスタック１０は、膜−電極アセンブリー（Membrane-Electrode assembly：ＭＥＡ）（以下、ＭＥＡとする）１２を中心において、その両面にセパレータ（Separator）（当業界では二極式プレート（Bipolar Plate）という）１６を配置して、電気エネルギーを発生させる最少単位の電気発生部１１を含んで構成される。したがって、本実施例では、複数の前記電気発生部１１を連続的に配置することによって、電気発生部１１の集合体構造によるスタック１０を形成することができる。

前記セパレータ１６の間に介在するＭＥＡ１２は、一方の面にアノード電極を形成し、他方の面にカソード電極（図示せず）を形成して、これら二つの電極の間に電解質膜（図示せず）を形成している。ここで、アノード電極は水素を電子及び水素イオンに分離し、電解質膜は水素イオンをカソード電極に移動させ、カソード電極はアノード電極側から提供された電子、水素イオン、及び空気中に含まれている酸素を反応させて、水分を生成する機能をする。

そして、セパレータ１６は、ＭＥＡ１２の両面に各々密着して、改質装置２０から提供される水素ガスをＭＥＡ１２のアノード電極に供給し、空気ポンプ７１によって提供される空気をＭＥＡ１２のカソード電極に供給する機能をする。また、セパレータ１６は、ＭＥＡ１２のアノード電極及びカソード電極を直列に接続する伝導体としての機能もする。

このように、電気発生部１１の集合体構造からなるスタック１０の最外側には、前記複数の電気発生部１１を密着するための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を排除して、電気発生部１１の最外側に位置するセパレータ１６が前記加圧プレートの役割を果たすように構成することもできる。また、前記スタック１０は、加圧プレート１３が複数の電気発生部１１を密着する機能の他に、前記セパレータ１６の固有の機能をするように構成することもできる。

これに加えて、加圧プレート１３には、水素ガスを電気発生部１１に供給するための第１注入部１３ａ、空気を電気発生部１１に供給するための第２注入部１３ｂ、前記電気発生部１１で反応して残った水素ガスを排出するための第１排出部１３ｃ、電気発生部１１における水素及び酸素の結合反応によって生成される水分と共に未反応の空気を排出するための第２排出部１３ｄが形成されている。この時、第１注入部１３ａ及び改質装置２０を構成するハウジング３４の第４連通口３６ｄは、第５パイプライン８５によって連結され、第２注入部１３ｂ及び空気ポンプ７１は第６パイプライン８６によって連結される。

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における、改質装置の組立順序及び全体的なシステムの動作を詳細に説明する。

本発明の実施例による改質装置２０の組立順序を見てみると、まず、第２管路２２の一側端部に第１キャップ２５を取り付けて、第２管路２２を第１管路２１の内部空間に位置させる。この時、第２管路２２を第１管路２１と同軸に配置するのが好ましい。

次に、第１タンク５１及び空気ポンプ７１と実質的に連結される合流ライン９１を、第５キャップ３６の第２連通口３６ｂに通過させて、第１管路２１の貫通孔２１ａに通過させた状態で、第１キャップ２５の注入口２５ａに連結する。

次に、第１管路２１の一側端部に第４キャップ３２を取り付けて、第１管路２１及び第２管路２２の間の空間に水性ガス転換触媒層２９及び改質触媒層２８を順次に充填した後に、第３キャップ３１の結合孔３１ｂに第２管路２２の他方端部を通過させた状態で、第３キャップ３１を第１管路２１の他方端部に取り付ける。

次に、第２管路２２の内部空間に酸化触媒層２４を充填した状態で、第２管路２２の他方端部に第２キャップ２６を取り付ける。

次に、第３キャップ３１の注入口３１ａにパス部材３８の一側端部を連結して、パス部材３８を第１管路２１の外周面に沿って螺旋形に巻く。

次に、パス部材３８の他方端部を第５キャップ３６の第３連通口３６ｃに通過させる。この時、パス部材３８の他方端部は、本改質装置２０の組立てが完了した後に、第２パイプライン８２を通じて第１及び第２タンク５１、５３と連結される。

このような状態で、ハウジング３４の内部空間に第１管路２１全体を挿入して、第１管路２１及びハウジング３４の間の空間に酸化触媒層３５を充填した状態で、ハウジング３４の開放された端部に第５キャップ３６を取り付けて、ハウジング３４の内部空間を密封する。この時、第１管路２１の一側端部に結合された第４キャップ３２の排出口３２ａは、第５キャップ３６の第１連通口３６ａを通じて引き出されるようになる。

その後、スタック１０の第１注入部１３ａと連結される第５パイプライン８５を、第５キャップ３６の第４連通口３６ｄに連結する。

このような改質装置２０を採用した本発明の実施例による燃料電池システム１００の動作を見てみると、まず、燃料ポンプ５５を駆動して第１タンク５１に保存された燃料を、第１パイプライン８１を通じて第２管路２２の内部空間に供給する。この時、第１パイプライン８１は、バルブ９９の操作によって流路が開放された状態を維持している。

これと同時に、空気ポンプ７１を駆動して、空気を第４パイプライン８４を通じて第２管路２２の内部空間に供給する。この時、第１パイプライン８１を通過する燃料及び第４パイプライン８４を通過する空気は、合流ライン９１を通じて合流された状態で、第２管路２２の内部空間に注入される。

したがって、燃料及び空気は、第２管路２２の内部の酸化触媒層２４を通過しながら酸化触媒反応を起こすようになる。このような過程を経る間に、第２管路２２の内部では、酸化触媒層２４による燃料及び空気の酸化反応によって前記燃料及び空気が燃焼して、予め設定された温度範囲の熱を発生させる。そして、前記熱は、第２管路２２を通じて第１管路２１及び第２管路２２に伝達されるようになる。

このような状態で、燃料ポンプ５５の駆動によって第１タンク５１に保存された燃料及び第２タンク５３に保存された水を、第２パイプライン８２を通じてパス部材３８に供給する。この時、パス部材３８を通過する燃料及び水の混合燃料は、パス部材３８が所定の温度に加熱された第１管路２１の外周面に接触した状態を維持しているため、第１管路２１で発生する熱の伝達を受けて所定の温度に予熱されるようになる。

次に、前記のように予熱された混合燃料を、パス部材３８を通じて第１管路２１及び第２管路２２の間の空間に供給する。そうすると、混合燃料は、前記空間に位置している改質触媒層２８を通過しながら第２管路２２から提供される熱エネルギーを吸熱する。

このような過程を経る間に、第１管路２１及び第２管路２２の間の内部空間では、改質触媒層２８による混合燃料の水蒸気改質反応が進められて、二酸化炭素及び水素を含む水素ガスを発生させる。この時、第１管路２１及び第２管路２２の間の空間では、燃料の不完全な改質反応によって副生成物として一酸化炭素が含まれている水素ガスを発生させるようになる。

次に、前記水素ガスを水性ガス転換触媒層２９に通過させる。そうすると、第１管路２１の排出口３２ａ側では、水性ガス転換触媒層２９による水素ガスの水性ガス転換触媒反応によってこの水素ガスから追加の水素を発生させて、前記水素ガス中に含まれている一酸化炭素の濃度を１次的に低減させる。

この過程で、前記水素ガスは、前記のような水性ガス転換触媒反応によって一酸化炭素の濃度が低減されても、微量の一酸化炭素を含んでいる。そして、第２管路２２の内部で発生する熱エネルギーは、混合燃料の水蒸気改質反応によって一部が消耗されて、約１００℃未満の温度範囲を維持するようになる。

次に、前記水素ガスを第４キャップ３２の排出口３２ａを通じて排出する。そうすると、前記水素ガスは、第３パイプライン８３を通じて合流ライン９１に供給される。この時、第１パイプライン８１は、バルブ９９の操作によって流路が閉鎖された状態を維持している。これにより、第４パイプライン８４を通じて空気ポンプ７１から供給され続ける空気及び前記水素ガスは、合流ライン９１を通じて第２管路２２の内部空間に供給される。

したがって、本実施例による改質装置２０は、第１反応部２３及び第３反応部３３が互いに連通しているため、水素ガス及び空気が第２管路２２の内部の酸化触媒層２４と第１管路２１及びハウジング３４の間の酸化触媒層３５とを通過しながら、水素ガス中に含まれている一酸化炭素及び空気中に含まれている酸素の酸化反応によって熱エネルギーを発生させると同時に、前記一酸化炭素の濃度を２次的に低減させる。ここで、前記酸化反応とは、水素ガス中に含まれている一酸化炭素の選択的酸化（Preferential CO Oxidation：ＰＲＯＸ）反応を意味する。

これにより、第１反応部２３及び第３反応部３３は、第２反応部２７の改質反応時に消費された熱量を、前記一酸化炭素及び酸素の酸化反応によって提供するが、これによって約１００〜２００℃の温度範囲を維持しながら、水素ガス中に含まれている一酸化炭素の濃度を低減させることができるようになる。

次に、前記のように一酸化炭素の濃度が低減された水素ガスを、第５パイプライン８５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の駆動によって、空気を第６パイプライン８６を通じてスタック１０の第２注入部１３ｂに供給する。

したがって、前記スタック１０では、電気発生部１１による水素及び酸素の電気化学的な反応によって予め設定された容量の電気エネルギーを出力するようになる。

以上で、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ず、特許請求の範囲、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可能であり、これも本発明の範囲に属する。

本発明の実施例による燃料電池システムの全体的な構造を概略的に示したブロック図である。 本発明の実施例による改質装置の構造を示した分解斜視図である。 図２に示した改質装置の一部を分解して示した斜視図である。 図２の結合断面構成図である。 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。

符号の説明

１００ 燃料電池システム
１０ スタック
１１ 電気発生部
１２ 膜−電極アセンブリー（ＭＥＡ）
１３ 加圧プレート
１３ａ 第１注入部
１３ｂ 第２注入部
１３ｃ 第１排出部
１３ｄ 第２排出部
１６ セパレータ
２０ 改質装置
２１ 第１管路
２１ａ 貫通孔
２２ 第２管路
２３ 第１反応部
２４，３５ 酸化触媒層
２５ 第１キャップ
２５ａ，３１ａ 注入口
２６ 第２キャップ
２６ａ，３２ａ 排出口
２７ 第２反応部
２８ 改質触媒層
２９ 水性ガス転換触媒層
３１ 第３キャップ
３１ｂ 結合孔
３２ 第４キャップ
３３ 第３反応部
３４ ハウジング
３６ 第５キャップ
３６ａ 第１連通口
３６ｂ 第２連通口
３６ｃ 第３連通口
３６ｄ 第４連通口
３７ 熱伝達ユニット
３８ パス部材
５０ 燃料供給源
５１ 第１タンク
５３ 第２タンク
５５ 燃料ポンプ
７０ 酸素供給源
７１ 空気ポンプ
８１ 第１パイプライン
８２ 第２パイプライン
８３ 第３パイプライン
８４ 第４パイプライン
８５ 第５パイプライン
８６ 第６パイプライン
９１ 合流ライン
９９ バルブ

Claims (35)

1. システムの初期起動時に、燃料の酸化反応によって熱エネルギーを発生させる第１反応部；
   前記第１反応部と互いに連通され、前記熱エネルギーによる改質反応によって前記燃料から水素ガスを発生させる第２反応部；及び
   前記第１及び第２反応部と互いに連通され、前記水素ガス中に含まれている一酸化炭素の酸化反応によって熱エネルギーを発生させて、前記一酸化炭素の濃度を低減させる第３反応部；を含む、燃料電池システムの改質装置。
2. 前記第１反応部は、システムの正常駆動時に、前記水素ガス中に含まれている一酸化炭素の酸化反応によって熱エネルギーを発生させて、前記一酸化炭素の濃度を低減させるように構成される、請求項１に記載の燃料電池システムの改質装置。
3. 第１管路、前記第１管路の断面積より相対的に小さい断面積を有して、前記第１管路と同軸に配置される第２管路、及び前記第１管路を囲む管路形態のハウジングを含むパイプアセンブリーを含む、請求項２に記載の燃料電池システムの改質装置。
4. 前記パイプアセンブリーは、前記第１管路及び前記第２管路の間の空間と前記第２管路の内部空間とがパイプラインによって互いに連通し、前記第１管路及び前記ハウジングの間の空間と前記第２管路の内部空間とが直接的に互いに連通するように構成される、請求項３に記載の燃料電池システムの改質装置。
5. 前記第１反応部は、前記第２管路の内部空間に酸化触媒層を形成し、
   前記第２反応部は、前記第１管路及び前記第２管路の間の空間に改質触媒層を形成し、
   前記第３反応部は、前記第１管路及び前記ハウジングの間の空間に前記酸化触媒層を形成する、請求項３に記載の燃料電池システムの改質装置。
6. 前記第２反応部は、前記水素ガスの水性ガス転換触媒反応によって前記水素ガス中に含まれている一酸化炭素の濃度を低減させるための水性ガス転換触媒層を、前記第１管路及び前記第２管路の間の空間に形成する、請求項５に記載の燃料電池システムの改質装置。
7. 前記第２反応部に接触して設置されて、前記第２反応部に供給される燃料に前記熱エネルギーを提供する熱伝逹ユニットを含む、請求項３に記載の燃料電池システムの改質装置。
8. 前記熱伝逹ユニットは、前記第１管路の外周面にコイル形態に巻かれて、前記第１管路及び前記第２管路の間の内部空間に連通するパス部材を含む、請求項７に記載の燃料電池システムの改質装置。
9. 第１管路；
   前記第１管路の断面積より相対的に小さい断面積を有して、前記第１管路と同軸に配置される第２管路；
   前記第１管路を囲む管路形態のハウジング；
   前記第２管路の内部空間に形成されて、システムの初期起動時に、燃料の酸化反応を促進して、予め設定された温度範囲の熱エネルギーを発生させる酸化触媒層；及び
   前記第１管路及び前記第２管路の間の空間に形成されて、前記熱エネルギーによる改質反応を促進して、前記燃料から水素ガスを発生させる改質触媒層；を含み、
   前記第１管路及び前記第２管路の間の空間と前記第２管路の内部空間とがパイプラインによって互いに連通し、前記第１管路及び前記ハウジングの間の空間と前記第２管路の内部空間とが直接的に互いに連通して、前記第１管路及び前記ハウジングの間の空間に前記酸化触媒層を形成する、燃料電池システムの改質装置。
10. 前記第２管路の一側端部に注入口を形成する第１キャップを取り付け、他側端部に排出口を形成する第２キャップを取り付けて第１反応部を構成し、
    前記第１反応部は、システムの正常駆動時に、前記水素ガス中に含まれている一酸化炭素の酸化反応によって熱エネルギーを発生させて、前記一酸化炭素の濃度を低減させるように構成される、請求項９に記載の燃料電池システムの改質装置。
11. 前記第１管路の一側端部に注入口を形成する第３キャップを取り付け、他側端部に排出口を形成する第４キャップを取り付けて第２反応部を構成する、請求項１０に記載の燃料電池システムの改質装置。
12. 前記ハウジングの一側端部に第５キャップを取り付け、前記水素ガス中に含まれている一酸化炭素の酸化反応によって熱エネルギーを発生させて、前記一酸化炭素の濃度を低減させるための第３反応部を構成する、請求項１１に記載の燃料電池システムの改質装置。
13. 前記第３キャップは、前記第２管路と連通する連通孔を有して、前記連通孔の周囲に前記注入口が放射状に配置される環状形態に構成される、請求項１１に記載の燃料電池システムの改質装置。
14. 前記第５キャップは、第４キャップの排出口と連通する第１連通口、前記第１キャップの注入口と連通する第２連通口、前記第３キャップの注入口と連通する第３連通口、前記第１管路及び前記ハウジングの間の空間と連通する第４連通口を形成する、請求項１２に記載の燃料電池システムの改質装置。
15. 前記第２反応部に接触して設置されて、前記第２反応部に供給される燃料に前記熱エネルギーを提供する熱伝逹ユニットを含む、請求項１１に記載の燃料電池システムの改質装置。
16. 前記熱伝逹ユニットは、前記第１管路の外周面にコイル形態に巻かれて、前記第３キャップの注入口に取り付けられ、前記第１管路及び第２管路の間の内部空間に連通するパス部材を含む、請求項１５に記載の燃料電池システムの改質装置。
17. 前記第２反応部は、前記水素ガスの水性ガス転換触媒反応によって前記水素ガス中に含まれている一酸化炭素の濃度を低減させるための水性ガス転換触媒層を、前記第１管路及び第２管路の間の空間に形成する、請求項１１に記載の燃料電池システムの改質装置。
18. 前記水性ガス転換触媒層は、前記改質触媒層と連続的に配置されて、前記第４キャップの排出口側に形成される、請求項１７に記載の燃料電池システムの改質装置。
19. 熱エネルギーによる化学触媒反応によって燃料から水素ガスを発生させる改質装置；及び
    前記水素ガス及び酸素の反応によって電気エネルギーを発生させるスタック；を含み、
    前記改質装置は、システムの初期起動時に、燃料の酸化反応によって熱エネルギーを発生させる第１反応部、前記第１反応部と互いに連通して、前記熱エネルギーによる改質反応によって前記燃料から水素ガスを発生させる第２反応部、前記第１及び第２反応部と互いに連通して、前記水素ガス中に含まれている一酸化炭素の酸化反応によって熱エネルギーを発生させて、前記一酸化炭素の濃度を低減させる第３反応部を含む、燃料電池システム。
20. 前記改質装置は、第１管路、前記第１管路の断面積より相対的に小さい断面積を有して、前記第１管路と同軸に配置される第２管路、前記第１管路を囲む管路形態のハウジングを含むパイプアセンブリーを含み、
    前記第１反応部は、システムの正常駆動時に、前記水素ガス中に含まれている一酸化炭素の酸化反応によって熱エネルギーを発生させて、前記一酸化炭素の濃度を低減させるように構成される、請求項１９に記載の燃料電池システム。
21. 前記パイプアセンブリーは、前記第１管路及び前記第２管路の間の空間と前記第２管路の内部空間とがパイプラインによって互いに連通し、前記第１管路及び前記ハウジングの間の空間と前記第２管路の内部空間とが直接的に互いに連通するように構成される、請求項２０に記載の燃料電池システム。
22. 前記第１反応部は、前記酸化反応を促進するための酸化触媒層を、前記第２管路の内部空間に形成する、請求項２０に記載の燃料電池システム。
23. 前記第２反応部は、前記改質反応を促進するための改質触媒層を、前記第１管路及び前記第２管路の間の空間に形成する、請求項２２に記載の燃料電池システム。
24. 前記第３反応部は、前記水素ガス中に含まれている一酸化炭素の酸化反応によって熱エネルギーを発生させて、前記一酸化炭素の濃度の低減を促進するための酸化触媒層を、前記第１管路及び前記ハウジングの間の空間に形成する、請求項２３に記載の燃料電池システム。
25. 前記第２管路の一側端部に注入口を形成する第１キャップを取り付け、他側端部に排出口を形成する第２キャップを取り付けて前記第１反応部を構成する、請求項２０に記載の燃料電池システム。
26. 前記第１管路の一側端部に注入口を形成する第３キャップを取り付け、他側端部に排出口を形成する第４キャップを取り付けて前記第２反応部を構成する、請求項２５に記載の燃料電池システム。
27. 前記ハウジングの一側端部に第５キャップを取り付けて前記第３反応部を構成する、請求項２６に記載の燃料電池システム。
28. 前記改質装置は、前記第２反応部に接触して設置されて、前記第２反応部に供給される燃料に前記熱エネルギーを提供する熱伝逹ユニットを含む、請求項２６に記載の燃料電池システム。
29. 前記熱伝逹ユニットは、前記第１管路の外周面にコイル形態に巻かれて、前記第３キャップの注入口に取り付けられ、前記第１管路及び第２管路の間の内部空間に連通するパス部材を含む、請求項２８に記載の燃料電池システム。
30. 前記第２反応部は、前記水素ガスの水性ガス転換触媒反応によって前記水素ガス中に含まれている一酸化炭素の濃度を低減させるための水性ガス転換触媒層を、前記第１管路及び前記第２管路の間の空間に形成する、請求項２６に記載の燃料電池システム。
31. 前記水性ガス転換触媒層は、前記改質触媒層と連続的に配置されて、前記第４キャップの排出口側に形成される、請求項３０に記載の燃料電池システム。
32. 前記改質装置に燃料を供給するための燃料供給源を含み、
    前記燃料供給源は、燃料を保存する第１タンク、水を保存する第２タンク、前記第１タンク及び第２タンクに連結設置される燃料ポンプを含む、請求項１９に記載の燃料電池システム。
33. 前記第１タンク及び前記第２管路はパイプラインによって連結設置される、請求項３２に記載の燃料電池システム。
34. 前記パイプライン上にバルブが設置される、請求項３３に記載の燃料電池システム。
35. 前記改質装置及び前記スタックに酸素を供給するための酸素供給源を含み、
    前記酸素供給源は、空気を吸入する空気ポンプからなる、請求項１９に記載の燃料電池システム。
    
    

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