JP4291312B2 - 改質装置及びこれを利用した燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は燃料電池システムに係り、特に、改質装置の構造を改善した燃料電池システムに関するものである。

周知のように、燃料電池は、メタノールのような炭化水素系の物質内に含まれている水素と酸素の電気化学反応を通じ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）は、出力特性が優れており、作動温度が低く、同時に速い始動及び応答特性を有するので、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という長所を有している。

このようなＰＥＭＦＣ方式の燃料電池システムは、スタック、改質装置、燃料タンク、及び燃料ポンプなどを備えている。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を発生させ、その水素をスタックに供給する。

前記改質装置は、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を発生させる。そのために改質装置は、熱エネルギーを発生させる熱源部と、この熱エネルギーを吸収して前記燃料より水素を発生させる改質反応部などを含んで構成されている。
さらに、この中で前記改質装置は、前記水素ガス中の一酸化炭素濃度を低減させる複数の一酸化炭素低減部などを含んで構成されている。

しかし、このような従来の改質装置は、前記のような改質反応部と一酸化炭素低減部が分散配置されているため、改質反応部と一酸化炭素低減部の各々に、互いに異なる範囲の熱エネルギーを供給する熱源部を別途に設置しなければならない。

したがって、改質装置の構造が複雑になり、全体的なシステムの大きさをコンパクトに実現できなくなるという問題点がある。また、各反応部間の熱交換が配管を通して行われるため、熱伝達面でも不利であるという問題点がある。

本発明は前述の問題点を勘案したものであって、簡単な構造を有しながらもさらに向上した性能を有する改質装置、及びこれを利用した燃料電池システムを提供することにある。

本発明による改質装置は、水素を含有した燃料から水素を発生させる複数の反応部が一体に形成された本体、及び前記本体に接触設置されるとともに前記各反応部に対応して互いに異なる量の熱エネルギーを供給する加熱部を含む。
前記複数の反応部は、前記水素を含んだ燃料から水素ガスを発生させる改質反応部、及び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少なくとも一つの一酸化炭素低減部を含むことができる。
前記本体は、内部空間が複数の空間に区画された管路状に形成され、一側の端部に流入部が形成され、他側の端部に流出部が形成されることができる。この時、前記区画された空間に前記各反応部が形成されることができる。

前記加熱部は、前記本体の外周面を覆うコイル状の熱線を含み、前記熱線は、前記各反応部に対応して前記本体の外周面に互いに異なる巻取り回数で巻かれることができる。
前記熱線は、前記一酸化炭素低減部に対応する部分より前記改質反応部に対応する部分で多くの巻取り回数で巻かれることができる。
前記本体の内部空間は、メッシュ状のバリア部材によって区画されることができる。
前記本体を囲むように断熱部が設置されることができる。前記断熱部は、内壁、及び前記内壁に対して所定の間隔をおいて離隔した状態で前記内壁全体を取り囲む外壁を含み、前記内壁と外壁の間の空間が真空状態に維持されている。

前記内壁及び外壁の各々が、セラミック、ステンレス鋼又はアルミニウムからなる群より選択される少なくとも一つの物質からなることができる。
一方、前記本体は、前記燃料が通過するチャンネルが形成されるプレート形状に形成されることができる。この時、前記チャンネルは、燃料の流入と流出を可能にする流入口と流出口を備えることができる。
前記加熱部は、前記本体のチャンネル形成面に結合されるヒッティングプレート、及び前記ヒッティングプレートの一面に形成された熱線パターンを含むことができる。

前記熱線パターンは、前記一酸化炭素低減部に対応する部分より前記改質反応部に対応する部分で多量の熱エネルギーを供給することができる。このために、前記熱線パターンが前記各々の反応部に対して互いに異なる間隔、幅又は厚さを有しながら蛇行（meander）の形状に形成されることができる。
この時、前記熱線パターンの間隔が、前記一酸化炭素低減部に対応する部分より改質反応部に対応する部分で小さく形成されることができる。又は、前記熱線パターンの厚さ又は幅が、前記一酸化炭素低減部に対応する部分より前記改質反応部に対応する部分で小さく形成されることができる。
前記複数の反応部は、前記燃料を気化させる気化部をさらに含むことができる。

前記一酸化炭素低減部は、前記水素ガスの水性ガス転換（Water-Gas Shift：ＷＧＳ）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低減させる反応部を含むことができる。
前記一酸化炭素低減部は、前記水素ガスと酸素の選択的酸化（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低減させる少なくとも一つの反応部を含むことができる。
前記各々の反応部は、ペレットタイプ又は蜂巣（honey comb）タイプの触媒を備えることができる。 前記本体が、ステンレス鋼、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。

また、本発明による燃料電池システムは、水素を含有した燃料から水素を発生させる改質装置と、前記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発生部とを含む。前記改質装置は、水素を含有した燃料から水素を発生させる複数の反応部が一体に形成された本体、及び前記本体に接触設置されるとともに前記各反応部に対応して互いに異なる量の熱エネルギーを供給する加熱部を含む。
本発明による燃料電池システムは、前記改質装置に燃料を供給する燃料供給源と、前記改質装置及び電気発生部に酸素を供給する酸素供給源とを含むことができる。前記酸素供給源は、空気を吸入してこの空気を前記改質装置及び電気発生部に供給する少なくとも一つの空気ポンプを含むことができる。

本発明による燃料電池システムの改質装置は、改質装置の構造を単純化して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る。また、熱伝達構造を単純化することにより、改質装置の熱効率及び反応効率を極大化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、本発明は多様な相違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。
図面を参照すれば、本発明による燃料電池システム１００は、水素を含有した燃料を改質して水素を発生させ、この水素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する高分子電解質形燃料電池（Polymer Electrode Membrane Fuel Cell：ＰＥＭＦＣ）方式を採用している。

このような燃料電池システム１００において電気を発生させるための燃料とは、メタノール、エタノール又は天然ガスなどのような液状又は気体状態の燃料を意味する。しかし、以下で説明する燃料は、前記液状の燃料を意味する。
そして、このような燃料電池システム１００では、前記水素と反応する酸素として別途の保存手段に保存された酸素ガスを用いることができ、酸素を含有している空気を使用することもできる。尚、以下では、後者を例として説明する。

前記燃料電池システム１００は、基本的に、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スタック１０と、燃料から水素を発生させる改質装置３０と、燃料を改質装置３０に供給する燃料供給源５０と、スタック１０と改質装置３０に酸素を供給する酸素供給源７０とを含んで構成されている。

図２は、図１に示したスタックを示した分解斜視図である。本発明に適用されるスタック１０は、複数の電気発生部１１を連続配置してなる電気発生集合体で構成されている。
このような電気発生部１１は、膜−電極アセンブリー（Membrane-Electrode Assembly、ＭＥＡ）１２を中心に、その両面にセパレータ（当業界では‘二極式プレート’とも言う）１６を配置して電気を発生させる最小単位の燃料電池である。
ここで、膜−電極アセンブリー１２は、水素と酸素の電気化学反応を起こす所定の面積の活性領域を有し、一面にアノード電極、他の一面にカソード電極を備え、２個の電極の間に電解質膜を備えた構造を有している。

前記アノード電極は、水素を酸化反応させて水素イオン（プロトン）と電子に変換させる機能を有する。カソード電極は、前記水素イオンと酸素を還元反応させ、所定の温度の熱と水分を発生させる機能を有する。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の機能を有する。
そして、セパレータ１６は、酸素と水素が通過することができる通路１７を備え、膜−電極アセンブリー１２に水素と酸素を供給する機能の他、前記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。

このように構成されたスタック１０の最外郭には、前記複数の電気発生部１１を密着させる別途の加圧プレート１３、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、１３´を使用せずに、複数の電気発生部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１３、１３´の役割に代わるように構成することができる。また、前記加圧プレート１３、１３´が複数の電気発生部１１を密着させる機能の他に、セパレータ１６の固有な機能を有するように構成することもできる。

前記加圧プレート１３、１３´のうちの一側の加圧プレート１３には、改質装置２０から発生する水素を電気発生部１１に供給するための第１注入部１３ａと、酸素供給源７０から供給される空気を電気発生部１１に供給するための第２注入部１３ｂとが形成され、他の加圧プレート１３´には、電気発生部１１で反応して残った水素ガスを排出させるための第１排出部１３ｃと、前記電気発生部１１で水素と酸素の結合反応を通じて生成された水分を含有した未反応空気を排出させるための第２排出部１３ｄとが形成されている。

本発明の改質装置３０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を発生させる。このような改質装置３０の構造を、図３及び図４を参照して後で詳細に説明する。

前記のような改質装置３０に燃料を供給する燃料供給源５０は、液状の燃料を保存する燃料タンク５１と、燃料タンク５１に連結設置され、この燃料タンク５１から前記液状の燃料と水を排出させる燃料ポンプ５３とを含んでいる。本発明は、改質装置３０に水を供給する別途のタンク（図示せず）をさらに含むことができ、これも本発明の範囲に属する。この時、前記改質装置３０と燃料タンク５１は、管路状の第１供給ライン９１によって連結され、前記改質装置３０と電気発生部１１の第１注入部１３ａは、管路状の第２供給ライン９２によって連結することができる。

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、この空気を電気発生部１１と改質装置３０に各々供給する少なくとも一つの空気ポンプ７１を含んでいる。尚、空気ポンプ７１とスタック１０の第２注入部１３ｂは管路状の第３供給ライン９３によって連結され、空気ポンプ７１と改質装置３０は、管路状の第４供給ライン９４によって連結することができる。

以下に、上述の改質装置３０の第１実施例を、図面を参照して詳細に説明する。
図３は、本発明の第１実施例における改質装置を示した分解斜視図である。図４は、図３の改質装置を組み立てた状態の断面図である。
図３に示すように、本実施例の改質装置３０は、所定の内部空間を有する管路状の本体３１と、前記本体３１の内部空間内で互いに区画された空間に形成されるとともに燃料から水素を発生させる複数の反応部３５と、前記本体３１の外周面に接触設置されるとともに各々の反応部３５に反応に必要な温度の熱エネルギーを供給する加熱部３７とを含む。つまり、前記本体３１に複数の反応部３５が一体に形成されている。

本実施例における本体３１は、一側の端部に流入部３２が形成され、他側の端部に流出部３３が形成されていて、実質的に両端が開放された円筒形構造からなる。そして、前記流入部３２と燃料供給源５０の燃料タンク５１は、前述の第１供給ライン９１によって連結され、前記流出部３３とスタック１０の第１流入部１３ａは、前述の第２供給ライン９２によって連結されることができる。
尚、前記本体３１は、熱伝導性を有するステンレス鋼、アルミニウム、銅、鉄などで形成されることができる。

このような本体３１内部空間はバリア部材３６によって区画され、このように区画された各空間内に各々の反応部３５が形成されている。このバリア部材３６は、複数の気孔３６ａを有するメッシュタイプで形成されていて、本体３１の内部空間を実質的に区画する機能の他、各々の反応部３５から発生する反応ガスを気孔３６ａを介して流出部３３側に通過させる機能も有する。

本実施例では、バリア部材３６によって本体３１の内部空間が３個の空間に区画され、流入部３２から流出部３３に向かって第１反応部４１、第２反応部４２、第３反応部４３が順に形成されている。しかし、本発明はこれに限定されず、本体の内部空間がさらに多くの個数に区画されていたり、各反応部を各々複数個設けるなどの多様な変形が可能であり、これもまた本発明の範囲に属する。
前記第１反応部４１は、燃料の水蒸気改質触媒反応を通じてこの燃料から水素ガスを発生させる改質反応部であり、第２反応部４２と第３反応部４３は、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一酸化炭素低減部である。

前記流入部３２側に配置されている第１反応部４１には、第１供給ライン９１を通して燃料タンク５１から燃料が供給される。第１反応部４１ではこのような燃料を気化させた後、水蒸気改質触媒反応によって前記気化された燃料より水素を発生させる。第１反応部４１は、前記燃料の水蒸気改質反応を促進させる触媒４１ａを備えている。このような触媒４１ａはペレット（pellet）タイプからなり、前記第１反応部４１に対応する本体３１の内部空間に充填配置されている。この時、前記第１反応部４１の触媒４１ａによる水蒸気改質反応は吸熱反応であり、その反応温度はほぼ３００〜６００℃である。

そして、第１反応部４１に連続して配置されている第２反応部４２は、水性ガス転換触媒反応を通じて前記第１反応部４１から発生した水素ガス中に含まれている一酸化炭素の濃度を１次的に低減させる役割を果たす。このような第２反応部４２は、前記水素ガスの水性ガス転換反応を促進させる通常の触媒４２ａを備えている。このような触媒４２ａはペレットタイプからなり、前記第２反応部４２に対応する本体３１の内部空間に充填配置されている。この時、前記第２反応部４２での触媒４２ａによる水性ガス転換反応は発熱反応であり、その反応温度はほぼ２００〜３００℃である。

前記本体３１の流出部３３側から前記第２反応部４２に連続配置されている第３反応部４３は、選択的酸化触媒反応を通じて水素ガス中に含まれている一酸化炭素の濃度を２次的に低減させる役割を果たす。このような第３反応部４３は、前記水素ガスと空気の選択的酸化反応を促進させる通常の触媒４３ａを備えている。このような触媒４３ａはペレットタイプからなり、前記第３反応部４３に対応する本体３１の内部空間に充填配置されている。この時、前記第３反応部４３の触媒４３ａによる選択的酸化反応は発熱反応であり、その反応開始温度はほぼ１５０〜２００℃である。
ここで、前記第３反応部４３は、パイプ状の第４供給ライン９４によって酸素供給源７０の空気ポンプ７１と連結設置することができる。
このような反応部３５に熱エネルギーを供給する加熱部３７は、本体３１の外周面に接触設置されているとともに、所定の電源の印加を受けて熱エネルギーを発生させる熱線３８を含む。

本実施例の熱線３８は、本体３１の外周面に対してコイル状に巻かれた構造を有し、複数の反応部３５が各反応部３５で起こる反応に必要な反応温度に維持できるように、本体３１の外周面で互いに異なる巻取り回数で巻かれて設置されている。この時、互いに異なる巻取り回数で巻かれるようにするために巻取り間隔を調節する方法などの多様な方法を適用することができる。

本実施例では、第１反応部４１に対応する部分を巻く熱線３８の巻取り回数は、第２反応部４２に対応する部分を巻く熱線３８の巻取り回数より多く、第２反応部４２に対応する部分を巻く熱線３８の巻取り回数は、第３反応部４３に対応する部分を巻く熱線３８の巻取り回数よりさらに多い。

つまり、第１反応部４１では、反応のために複数の反応部３５のなかで最も高い温度が維持されなければならないので、このような部分を巻く熱線３８をより稠密に形成して、熱線３８による熱伝導率を大きくなるようにする。第２反応部４２では第１反応部４１より低い温度で反応が起こるので、このような部分を巻く熱線３８の稠密度を第１反応部４１を巻く熱線３８の稠密度より小さくする。そして、第３反応部４３では、第２反応部４２より低い温度で反応が起こるので、このような部分を巻く熱線３８の稠密度を、第２反応部４２を巻く熱線３８の稠密度より小さくする。

本発明の実施例によれば、各々の反応部３５に相応する本体３１の外周面に対し、前記熱線３８が互いに異なる量の熱エネルギーを供給するように設置されているので、各々の反応部３５に要求される互いに異なる温度範囲の熱エネルギーを同時に供給することができる。
そして、熱線３８より発生する熱エネルギーをさらに効果的に本体３１内部に伝達するために、改質装置３０は、熱線３８より発生する熱エネルギーが外部に放出されることを防止する断熱部３９をさらに含むことができる。このような断熱部３９を形成することにより、改質装置３０の反応効率及び熱効率を向上させることができる。

本実施例の前記断熱部３９は、熱線３８を含んだ本体３１全体を取り囲む円筒形状に構成されている。前記断熱部３９は、本体３１を囲む内壁３９ａと、前記内壁３９ａと所定の間隔離隔するようにその内壁３９ａを支持しながら前記内壁３９ａ全体を囲む外壁３９ｂとを含んで構成されている。この時、前記内壁３９ａと外壁３９ｂの間の空間は真空状態を維持するのが好ましい。
そして、前記内壁３９ａ及び外壁３９ｂの各々は、相対的に熱伝導率の小さい断熱素材、例えば、ステンレス鋼、ジルコニウム、ステンレス、アルミニウムなどのような金属断熱素材又はセラミックのような非金属断熱素材で形成されることができる。

このような過程を経る間、熱線３８より発生する熱エネルギーは断熱部３９によって遮断され、外部に放出されることが防止される。つまり、熱線３８より発生する熱エネルギーを断熱部３９の内壁３９ａによって１次的に断熱させ、内壁３９ａと外壁３９ｂの間の真空空間及び外壁３９ｂによって２次的に断熱させる。このように断熱部３９がエネルギーの損失を最小化することにより、改質装置３０全体の反応効率及び熱效率を向上させることができる。

前記のように構成された本発明の第１実施例における燃料電池システムの動作を詳細に説明する。
まず、本体３１の外周面に巻かれた熱線３８が各々の反応部３５に、各反応部３５に必要な温度範囲を維持できるほどの熱エネルギーを供給する。この時、熱線３８は各反応部３５に対応して互いに異なる巻取り回数で巻かれた構造を有しているので、第１反応部４１をその反応温度である３００〜６００℃の温度に維持させ、第２反応部４１をその反応温度である２００〜３００℃の温度に維持させ、第３反応部４２をその反応温度である１５０〜２００℃の温度に維持させることができる。

このような状態で燃料ポンプ５３を稼動させ、燃料タンク５１に保存された燃料を第１供給ライン９１を通して本体３１の内部空間に供給する。そうすると、第１反応部４１が熱線３８から供給される熱エネルギーを吸収し、前記熱エネルギーによる水蒸気改質反応を通じて前記燃料より二酸化炭素を含有している水素ガスを発生させる。この時、前記第１反応部４１では水蒸気改質触媒反応を完全に行うことが困難であって、副生成物としての一酸化炭素が含まれている水素ガスを生成する。

次に、前記水素ガスは、バリア部材３６の気孔３６ａを介して第２反応部４２に供給される。そうすると、第２反応部４２では、水性ガス転換反応を通じて追加の水素を発生させ、この水素ガス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。

次に、前記水素ガスはバリア部材３６の気孔３６ａを介して第３反応部４３に供給され、これと同時に空気ポンプ７１を稼動させ、空気が第４供給ライン９４を通して第３反応部４３に供給される。そうすると、第３反応部４３では、前記水素ガスと空気の酸化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。
一方、前記のように前記燃料から発生した水素は、第３反応部４３から本体３１の流出部３３を通して排出されて、第２供給ライン９２を通してスタック１０の電気発生部１１に供給される。これと同時に、空気ポンプ７１を稼動させて空気を第３供給ライン９３を通して前記電気発生部１１に供給する。

そうすると、前記水素は、電気発生部１１のセパレータ１６を通して膜−電極アセンブリー１２のアノード電極に供給される。そして、空気は、前記セパレータ１６を通して膜−電極アセンブリー１２のカソード電極に供給される。

したがって、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してカソード電極に移動し、電子は電解質膜を通して移動できず、セパレータ１６を通して隣接する膜−電極アセンブリー１２のカソード電極に移動するようになるが、この時の電子の流れで電流を発生させ、付随的に熱と水を発生させる。

このような第１実施例に適用できる変形例を説明する。各変形例で、第１実施例の構成と実質的に同一な部分については詳細な図示及び説明を省略し、互いに異なる部分についてのみ詳細に図示及び説明する。

図５は、本発明の第１実施例における改質装置の第１変形例を概略的に示した断面図である。
図５に示すように、本変形例による改質装置３０Ａは、各々の反応部３５Ａ、つまり、第１反応部４１Ａ、第２反応部４２Ａ、及び第３反応部４３Ａは、蜂巣（honey comb）タイプの触媒を備えている。したがって、各々の反応部３５Ａは、複数の平行な貫通孔４１ｃ、４２ｃ、４３ｃ、つまり、セルを有するセラミック又は金属担体のセル内部表面に触媒４１ｂ、４２ｂ、４３ｂ物質を担持させた構造を有している。この時、前記貫通孔４１ｃ、４２ｃ、４３ｃは燃料を通過させる通路を成し、このような通路の内表面に反応部３５Ａ各々の固有反応に必要な触媒４１ｂ、４２ｂ、４３ｂ物質が形成されている。

図６は、本発明の第１実施例における改質装置の第２変形例を概略的に示した断面図である。
図６に示すように、本変形例の改質装置３０Ｂの反応部は、第１反応部４１、及び少なくとも２個以上の第３反応部４３を含む。この時、本体３１の流入部３２側から流出部３３に向かって、第１反応部４１と少なくとも２個以上の第３反応部４３が連続的に配置されている。前記第３反応部４３は、第１反応部４１から発生する水素ガスと酸素の選択的酸化触媒反応を通じて、この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役割を果たす。
図面では、前記第３反応部４３が２個備えられていることを示したが、本発明がこれに限定されるものではなく、それ以上の個数を備えることができる。

図７は、本発明の第１実施例における改質装置の第３変形例を概略的に示した断面図である。
図７に示すように、本変形例における改質装置３０Ｃの反応部は、気化部４５、第１反応部４１、第２反応部４２、及び第３反応部４３を含む。この時、本体３１の流入部３２側から流出部３３に向かって気化部４５、第１反応部４１、第２反応部４２、第３反応部４３が連続的に配置されている。

前記気化部４５は、流入部３２を通して流入する燃料を気化させて第１反応部４１に供給する役割を果たし、ほぼ７００℃の温度で前記燃料を気化させる。
このような気化部４５は、熱線３８Ａからほぼ７００℃程度の温度を維持できる熱エネルギーの伝達を受け、前記燃料を気化させてこのように気化された燃料を第１反応部４１に供給する。
この時、前記熱線３８Ａは、気化部４５に相応する本体３１の外周面に対して最も多い巻取り回数で設置され、前記巻取り回数は、第１反応部４１、第２反応部４２、及び第３反応部４３へ行くほど順に少なくなるように設置されることができる。

図８は、本発明の第１実施例における改質装置の第４変形例を概略的に示した断面図である。
図８に示すように、本変形例における改質装置３０Ｄの反応部は、気化部４５、第１反応部４１、及び少なくとも２個以上の第３反応部４３を含む。この時、本体３１の流入部３２側から流出部３３に向かって、気化部４５、第１反応部４１、少なくとも２個以上の第３反応部４３が連続的に配置されている。

以下では、本発明の第２実施例による改質装置及びその変形例による改質装置をより詳細に説明する。この時、第１実施例の構成と実質的に同一な部分については詳細な図示及び説明を省略し、互いに異なる部分についてのみ詳細に図示及び説明する。

図９は、本発明の第２実施例による改質装置を示した分解斜視図であり、図１０は、図９の改質装置を組み立てた状態を示した断面図である。
図９に示すように、本実施例による改質装置１３０は、前記燃料の流れと前記触媒反応を可能にするチャンネル１３１ｃが形成されている反応基板１３１と、この反応基板１３１に密着結合されて熱エネルギーを発生させ、この熱エネルギーを前記反応基板１３１に供給する加熱部１３７とを含む。

前記反応基板１３１には、本体１３１ａの一面に、前記燃料と空気の流れを可能にするチャンネル１３１ｃが形成されている。このようなチャンネル１３１ｃは互いに任意の間隔をおいて直線状態に配置され、その両端を交互的に連結する形状を有するように形成されている。この時、前記チャンネル１３１ｃは、本体１３１ａの開始端と終了端を有し、その開始端に、前記燃料が流入する流入口１３１ｆが形成され、終了端には、前記燃料より発生する水素を流出させる流出口１３１ｇが形成されている。
このような反応基板１３１は、熱伝導性を有するアルミニウム、銅、ニッケル、鉄のようなメタル素材で形成されることができる。

本実施例では、前記のプレートタイプに形成された反応基板１３１に複数の反応部１３５が一体に形成されているが、このような反応基板１３１は、複数の反応部１３５が一体に形成された本体に相当する。これについては後で説明する。
このような反応基板１３１に形成された反応部１３５に必要な熱エネルギーを供給する加熱部１３７は、所定の電源の印加を受けて前記熱エネルギーを発生させる熱線タイプの構造を有することができる。

前記加熱部１３７は、反応基板１３１の本体１３１ａの一面に密着配置されたヒッティングプレート１３８と、前記ヒッティングプレート１３８の一面で所定の電源の印加を受け、各々の反応部１３５に対して熱源を提供する熱線パターン１３９とが形成されている。
前記ヒッティングプレート１３８は、前記反応基板１３１のチャンネル１３１ｃ面に密着形成されて燃料を通過させる通路を形成している。ヒッティングプレート１３８は、反応基板１３１と同様に熱伝導性を有するメタル素材、例えば、アルミニウム、銅、ニッケル、鉄などで形成されることができる。

前記ヒッティングプレート１３８は、通常の結合手段（図示せず）によって反応基板１３１の本体１３１ａに一体に結合されることができる。ここで、前記結合手段は、例えば、溶接又はフリット（frit）などにより反応基板１３１とヒッティングプレート１３８を融着させる融着部であってもよく、反応基板１３１とヒッティングプレート１３８を締結させるための通常のボルトとナットであってもよい。しかし、前記結合手段が前記に例示したものに必ず限定されるものではなく、ヒッティングプレート１３８と反応基板１３１を結合させる多様な結合手段を備えることができる。

前記熱線パターン１３９は、導電性を有するとともに前記電源によって所定温度の熱エネルギーを発生させることができる銅又はニッケルなどで形成されており、蒸着又は通常のマスクを利用したエッチング方法によってヒッティングプレート１３８の一面に形成することができる。
このような熱線パターン１３９は、ヒッティングプレート１３８の一面から長く直線状に連結される第１部分１３９ａと、このような第１部分１３９ａの両端を交互的に連結する第２部分１３９ｂとを含み、蛇行形状に形成することができる。しかし、本発明はこのような熱線パターン１３９の形状に限定されず、多様な形状を有することが可能であり、これもまた本発明の範囲に属する。

さらに、前記ヒッティングプレート１３８と熱線パターン１３９が導電性を有する素材で形成されていることにより、熱線パターン１３９とヒッティングプレート１３８の間には、これらを互いに絶縁させる絶縁膜（図示せず）を形成することができる。

本実施例では、前記のプレートタイプに形成された反応基板１３１に複数の反応部１３５が一体に形成されている。したがって、反応基板１３１には、複数の反応部１３５に相応する複数の反応領域（ａ、ｂ、ｃ）が区画形成されている。
ここで、前記複数の反応領域（ａ、ｂ、ｃ）は、反応基板１３１の一面に対してチャンネル１３１ｃの流入口１３１ｆ側に形成されている第１領域（ａ）と、前記第１領域（ａ）に連続的に位置する第２領域（ｂ）と、前記第２領域（ｂ）に連続的に位置しながら前記流出口１３１ｇ側に形成されている第３領域（ｃ）とに区分することができる。

前記反応部１３５は、第１実施例と同じ役割を果たす第１反応部１４１、第２反応部１４２、及び第３反応部１４３が、各々第１領域（ａ）、第２領域（ｂ）、及び第３領域（ｃ）に形成されている。
各反応部１４１、１４２、１４３で起こる反応を促進させることができる触媒が、チャンネルの内表面に触媒層１４１ａ、１４２ａ、１４３ａの形状に形成されている。

ここで、第１反応部１４１が形成されている第１領域（ａ）に位置するチャンネル１３１ｃの内表面には、改質化学反応を促進させる改質触媒層１４１ａが形成され、第２反応部１４２が形成されている第２領域（ｂ）に位置するチャンネル１３１ｃの内表面には、水性ガス転換反応を促進させる水性ガス転換触媒層１４２ａが形成され、前記第３反応部１４３が形成されている第３領域（ｃ）に位置するチャンネル１３１ｃの内表面には、選択的酸化反応を促進させる選択的酸化触媒層１４３ａが形成されている。

第１実施例と同様に、第１反応部１４１ａでの反応温度は３００〜６００℃、第２反応部１４２ａでの反応温度は２００〜３００℃であり、第３反応部１４３ａでの反応温度は１５０〜２００℃である。
したがって、本実施例では、各々の反応部１４１、１４２、１４３に互いに異なる量の熱エネルギーを供給できるように、前記熱線パターン１３９の第１部分１３９ａが互いに異なる間隔で配置されている。熱線パターン１３９の第１部分１３９ａの間の間隔が小さいほど熱線パターン１３９の面積が増加して、より多量の熱エネルギーを発生させることができる。

本実施例で前記熱線パターン１３９の第１部分１３９ａは、第１反応部１４１に相応する部分での間隔（ｄ１）が第２反応部１４２に相応する部分での間隔（ｄ２）より相対的に狭く形成され、第２反応部１４２に相応する部分での間隔（ｄ２）が第３反応部１４３に相応する部分の間隔（ｄ３）より相対的に狭く形成されている。
つまり、加熱部１３７は、第１反応部１４１に最も多くの熱エネルギーを供給し、第２反応部１４２に、第１反応部１４１より小さい熱エネルギーを供給し、第３反応部１４３に、第２反応部１４２より小さい熱エネルギーを供給する。

そのために、第１反応部１４１をその反応温度に対応する３００〜６００℃の温度に維持することができ、第２反応部１４２をその反応温度に対応する２００〜３００℃の温度に維持することができ、第３反応部１４３をその反応温度に対応する１５０〜２００℃の温度に維持することができる。
つまり、前記のような構造を有する改質装置１３０は、複数の反応部１３５が本体である反応基板１３１に形成され、加熱部１３７が一体に形成され、熱線パターン１３９の間隔を調節することによって互いに異なる量の熱エネルギーを発生させることができる。したがって、各反応部１３５の各反応に必要な反応温度を維持できる。
したがって、改質装置の構造を単純化させることができ、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る。また、燃料電池の効率を向上させることができる。

図１１は、本発明の第２実施例における改質装置の第１変形例を示した断面構成図である。
図１１に示すように、本変形例の改質装置１３０Ａは、各々の反応部１３５に相応する熱線パターン１３９Ａの第１部分が互いに異なる厚さで形成され、各反応部１３５に互いに異なる量の熱エネルギーを供給する。

具体的には、前記熱線パターン１３９Ａは、第１反応部１４１に相応する部分での厚さ（ｔ１）が第２反応部１４２に相応する部分での厚さ（ｔ２）より相対的に薄く形成され、第２反応部１４２に相応する部分での厚さ（ｔ２）が第３反応部１４３に相応する部分での厚さ（ｔ３）より相対的に薄く形成されている。
熱線パターン１３９Ａは各々の断面積が狭ければ狭いほど多量の熱エネルギーを供給することができ、本実施例ではこれを考慮して熱線パターン１３９Ａを互いに異なる厚さで形成する。

図１２は、本発明の第２実施例における改質装置の第２変形例を示した断面構成図である。
図１２に示すように、本変形例の改質装置１３０Ｂは、各反応部１３５に相応する熱線パターン１３９Ｂの第１部分が互いに異なる幅で形成され、各々の反応部１３５に互いに異なる量の熱エネルギーを供給する。この時、各熱線パターン１３９Ｂの幅が狭ければ狭いほど各熱線パターンでさらに多量の熱エネルギーを供給する。

具体的には、前記熱線パターン１３９Ｂは、第１反応部１４１に相応する部分での幅（ｗ１）が第２反応部１４２に相応する部分での幅（ｗ２）より相対的に小さく形成され、第２反応部１４２に相応する部分での幅（ｗ２）が第３反応部１４３に相応する部分での幅（ｗ３）より相対的に小さく形成されている。

図１３は、本発明の第２実施例における改質装置の第３変形例を示した断面構成図である。
図１３に示すように、本変形例での改質装置１３０Ｃの反応部は、第１反応部１４１、及び少なくとも２個以上の第３反応部１４３を含む。前記第３反応部１４３は、第１反応部１４１より発生する水素ガスと酸素の選択的酸化触媒反応を通じて、この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役割を果たす。

図面では、前記第３反応部１４３が２個備えられていることを示したが、本発明はこれに限定されず、それ以上の個数を備えることができる。
したがって、本変形例による加熱部１３７は、前述の第１及び第２実施例及び変形例と同様に、熱線パターンの間隔、厚さ又は幅などを互いに異なるようにし、互いに異なる温度範囲の熱エネルギーを各々の反応部に供給できる構造を有する。このような熱線パターンの構造は前記実施例で説明したので、詳細な説明は省略する。

図１４は、本発明の第２実施例における改質装置の第４変形例を示した断面構成図である。
図１４に示すように、本変形例における改質装置１３０Ｄの反応部は、気化部１４５、第１反応部１４１、第２反応部１４２、及び第３反応部１４３を含む。尚、反応基板１３１の流入部１３１ｆ側から流出部１３１ｇに向かって、気化部１４５、第１反応部１４１、第２反応部１４２、及び第３反応部１４３が配置されている。
前記の気化部１４５は、流入部１３３ｆを通して流入する燃料を気化させて第１反応部１４１に供給する役割を果たし、ほぼ７００℃の温度で前記燃料を気化させる。

このような気化部１４５は、熱線よりほぼ７００℃程度の温度を維持することができる熱エネルギーの伝達を受けて前記燃料を気化させ、このように気化された燃料を第１反応部１４１に供給する。
したがって、本変形例による加熱部１３７は、気化部１４５に対してほぼ７００℃程度の熱エネルギーを発生させるように、前述の第２実施例及びその第１と第２の変形例と同様に、熱線パターンの間隔、厚さ又は幅などを互いに異なるようにし、互いに異なる温度範囲の熱エネルギーを各々の反応部に供給できる構造を有する。このような熱線パターンの構造は前記実施例で説明したので、詳細な説明は省略する。

図１５は、本発明の第２実施例における改質装置の第５変形例を示した断面構成図である。
図１５に示すように、本変形例における改質装置１３０Ｅの反応部は、気化部１４５、第１反応部１４１、及び少なくとも２個以上の第３反応部１４３を含む。この時、反応基板１３１の流入部１３３ｆ側から流出部１３３に向かって、気化部１４５、第１反応部１４１、少なくとも２個以上の第３反応部１４３が連続的に配置されている。

以上、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ものではなく、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り、これもまた本発明の範囲に属するのは当然のことである。

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に示したスタックを示した分解斜視図である。 本発明の第１実施例による改質装置を示した分解斜視図である。 図３の改質装置を結合して示した断面図である。 本発明の第１実施例に対する第１変形例による改質装置を示した断面図である。 本発明の第１実施例に対する第２変形例による改質装置を示した断面図である。 本発明の第１実施例に対する第３変形例による改質装置を示した断面図である。 本発明の第１実施例に対する第４変形例による改質装置を示した断面図である。 本発明の第２実施例による改質装置を示した分解斜視図である。 図９の改質装置を結合して示した断面図である。 本発明の第２実施例に対する第１変形例による改質装置を示した断面構成図である。 本発明の第２実施例に対する第２変形例による改質装置を示した断面構成図である。 本発明の第２実施例に対する第３変形例による改質装置を示した断面構成図である。 本発明の第２実施例に対する第４変形例による改質装置を示した断面構成図である。 本発明の第２実施例に対する第５変形例による改質装置を示した断面構成図である。

符号の説明

１０ スタック
１１ 電気発生部
１２ 膜−電極アセンブリー
１３、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
３０、３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ、３０Ｄ、１３０、１３０Ａ、１３０Ｂ、１３０Ｃ、１３０Ｄ、１３０Ｅ 改質装置
３１ 改質装置本体
３２ 流入部
３３ 流出部
３５、３５Ａ、１３５ 反応部
３６ バリア部材
３６ａ 気孔
３７、１３７ 加熱部
３８、３８Ａ 熱線
３９ 断熱部
３９ａ 断熱部内壁
３９ｂ 断熱部外壁
４１、４１Ａ、１４１ 第１反応部
４１ａ、４２ａ、４３ａ、４１ｂ、４２ｂ、４３ｂ 触媒
４１ｃ、４２ｃ、４３ｃ 貫通孔
４２、４２Ａ、１４２ 第２反応部
４３、４３Ａ、１４３ 第３反応部
４５、１４５ 気化部
５０ 燃料供給源
５１ 燃料タンク
５３ 燃料ポンプ
７０ 酸素供給源
７１ 空気ポンプ
９１ 第１供給ライン
９２ 第２供給ライン
９３ 第３供給ライン
９４ 第４供給ライン
１００ 燃料電池システム
１３１ 反応基板
１３１ａ 本体
１３１ｃ チャンネル
１３１ｆ 流入口
１３１ｇ 流出口
１３８ ヒッティングプレート
１３９、１３９Ａ、１３９Ｂ 熱線パターン
１３９ａ 第１部分
１３９ｂ 第２部分
１４１ａ、１４２ａ、１４３ａ 触媒層

Claims (25)

1. 水素を含有した燃料から水素を発生させる複数の反応部が一体に形成された本体；及び
   前記本体に接触設置され、前記各反応部に対応して互いに異なる量の熱エネルギーを供給する加熱部；
   を含み、
   前記本体は、内部空間が複数の空間に区画された管路状に形成され、一側の端部に流入部が形成され他側の端部に流出部が形成された円筒形構造からなり、
   前記区画された空間に前記各反応部が形成されていることを特徴とする燃料電池システムの改質装置。
2. 前記加熱部は、前記本体の外周面を覆うコイル状の熱線を含み、
   前記熱線は、前記各反応部に対応して前記本体の外周面に互いに異なる巻取り回数で巻かれていることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池システムの改質装置。
3. 前記複数の反応部は、前記水素を含んだ燃料から水素ガスを発生させる改質反応部、及び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少なくとも一つの一酸化炭素低減部を含み、
   前記熱線は、前記一酸化炭素低減部に対応する部分より前記改質反応部に対応する部分で多くの巻取り回数で巻かれていることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池システムの改質装置。
4. 前記本体の内部空間は、メッシュ状のバリア部材によって区画されていることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池システムの改質装置。
5. 前記本体を囲むように設置された断熱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の改質装置。
6. 前記断熱部は、内壁及び前記内壁に対して所定の間隔をおいて離隔した状態で前記内壁全体を取り囲む外壁を含み、
   前記内壁と外壁の間の空間が真空状態に維持されてい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の改質装置。
7. 前記内壁及び外壁の各々が、セラミック、ステンレス鋼又はアルミニウムからなる群より選択される少なくとも一つの物質からな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の改質装置。
8. 水素を含有した燃料から水素を発生させる複数の反応部が一体に形成された本体；及び
   前記本体に接触設置され、前記各反応部に対応して互いに異なる量の熱エネルギーを供給する加熱部；
   を含み、
   前記本体は、前記燃料が通過するチャンネルが形成されるプレート形状に形成され、前記チャンネルは、燃料の流入と流出を可能にする流入口と流出口を備えていることを特徴とする燃料電池システムの改質装置。
9. 前記加熱部は、前記本体のチャンネル形成面に結合されるヒッティングプレート、及び前記ヒッティングプレートの一面に形成される熱線パターンを含むことを特徴とする、請求項８に記載の燃料電池システムの改質装置。
10. 前記複数の反応部は、前記水素を含んだ燃料から水素ガスを発生させる改質反応部、及び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少なくとも一つの一酸化炭素低減部を含み、
    前記熱線パターンは、前記一酸化炭素低減部に対応する部分より前記改質反応部に対応する部分に多量の熱エネルギーを供給するように形成されていることを特徴とする、請求項９に記載の燃料電池システムの改質装置。
11. 前記熱線パターンが、蛇行形状に形成されていることを特徴とする、請求項１０に記載の燃料電池システムの改質装置。
12. 前記熱線パターンが、前記各々の反応部に対して互いに異なる間隔、幅又は厚さを有して形成されていることを特徴とする、請求項１０に記載の燃料電池システムの改質装置。
13. 前記熱線パターンの間隔が、前記一酸化炭素低減部に対応する部分より改質反応部に対応する部分で小さく形成されていることを特徴とする、請求項１２に記載の燃料電池システムの改質装置。
14. 前記熱線パターンの厚さ又は幅が、前記一酸化炭素低減部に対応する部分より前記改質反応部に対応する部分で小さく形成されていることを特徴とする、請求項１２に記載の燃料電池システムの改質装置。
15. 前記各々の反応部は、ペレットタイプ又は蜂巣タイプの触媒を備えていることを特徴とする、請求項１又は８に記載の燃料電池システムの改質装置。
16. 前記本体が、ステンレス鋼、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ていることを特徴とする、請求項１又は８に記載の燃料電池システムの改質装置。
17. 水素を含有した燃料から水素を発生させる改質装置；及び
    前記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発生部；
    を含み、
    前記改質装置は、水素を含有した燃料から水素を発生させる複数の反応部が一体に形成された本体、及び前記本体に接触設置され、前記各反応部に対応して互いに異なる量の熱エネルギーを供給する加熱部を含み、
    前記本体は、内部空間が複数の空間に区画された管路状に形成され、一側の端部に流入部が形成され他側の端部に流出部が形成された円筒形構造からなり、
    前記区画された空間に前記各反応部が形成されていることを特徴とする燃料電池システム。
18. 前記加熱部は、前記本体の外周面を覆うコイル状の熱線を含み、
    前記熱線は、前記各反応部に対応して前記本体の外周面で互いに異なる巻取り回数で巻かれてい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. 水素を含有した燃料から水素を発生させる改質装置；及び
    前記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発生部；
    を含み、
    前記改質装置は、水素を含有した燃料から水素を発生させる複数の反応部が一体に形成された本体、及び前記本体に接触設置され、前記各反応部に対応して互いに異なる量の熱エネルギーを供給する加熱部を含み、
    前記本体は、前記燃料が通過するチャンネルが形成されるプレート形状に形成され、前記チャンネルは、燃料の流入と流出を可能にする流入口と流出口を備えていることを特徴とする燃料電池システム。
20. 前記加熱部は、前記本体のチャンネル形成面に結合されたヒッティングプレート、及び前記ヒッティングプレートの一面に形成された熱線パターンを含むことを特徴とする、請求項１９に記載の燃料電池システム。
21. 前記複数の反応部は、前記水素を含んだ燃料から水素ガスを発生させる改質反応部、及び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少なくとも一つの一酸化炭素低減部を含み、
    前記加熱部は、前記一酸化炭素低減部に対応する部分より前記改質反応部に対応する部分に大きい熱エネルギーを供給するように形成されていることを特徴とする、請求項１７又は１９に記載の燃料電池システム。
22. 前記熱線パターンが、前記各々の反応部に対して互いに異なる間隔、幅又は厚さを有することを特徴とする、請求項２０に記載の燃料電池システム。
23. 前記熱線パターンが蛇行形状に形成されていることを特徴とする、請求項２０に記載の燃料電池システム。
24. 前記改質装置に燃料を供給する燃料供給源と、前記改質装置及び電気発生部に酸素を供給する酸素供給源とを含むことを特徴とする、請求項１７又は１９に記載の燃料電池システム。
25. 前記酸素供給源は、空気を吸入してこの空気を前記改質装置及び電気発生部に供給する少なくとも一つの空気ポンプ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。

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