KR100536254B1

KR100536254B1 - 연료 전지 시스템, 이에 사용되는 개질기, 반응 기판 및그 반응 기판의 제조 방법

Info

Publication number: KR100536254B1
Application number: KR10-2004-0034212A
Authority: KR
Inventors: 김주용; 권호진; 김재정; 권오중
Original assignee: 삼성에스디아이 주식회사
Priority date: 2004-05-14
Filing date: 2004-05-14
Publication date: 2005-12-12
Also published as: CN100459261C; CN1862860A; JP2005327729A; KR20050109162A; US7407636B2; US20050252081A1

Abstract

본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 수소를 함유한 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키는 개질기; 상기 수소 가스와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 생성부; 상기 개질기로 연료를 공급하는 연료 공급원; 및 상기 전기 생성부로 산소를 공급하는 산소 공급원을 포함하고, 상기 개질기는 연료의 흐름을 가능하게 하는 채널과 이 채널의 내표면에 촉매층을 형성하는 반응 기판을 가지면서 열원에 의한 화학 촉매 반응을 통해 상기 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질 반응부를 포함하고, 상기 반응 기판은 상기 채널의 길이 방향에 대해 수직한 단면을 기준으로 그 채널을 형성하는 바닥부와 벽부의 만나는 지점이 라운드 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

연료 전지 시스템, 이에 사용되는 개질기, 반응 기판 및 그 반응 기판의 제조 방법 {FUEL CELL SYSTEM, REFORMER, REACTION SUBSTRATE USED THERETO AND MANUFACTURING METHOD OF THE REACTION SUBSTRATE}

본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료 전지 시스템에 사용되는 개질기, 반응 기판 및 그 반응 기판의 제조 방법에 관한 것이다.

알려진 바와 같이, 연료 전지(Fuel Cell)는 메탄올, 에탄올, 천연 가스와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와, 산소의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다.

이 연료 전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라, 인산형 연료전지, 용융탄산염형 연료전지, 고체 산화물형 연료전지, 고분자 전해질형 또는 알칼리형 연료전지 등으로 분류된다. 이들 각각의 연료전지는 근본적으로 같은 원리에 의해 작동되지만 사용되는 연료의 종류, 운전 온도, 촉매, 및 전해질 등이 서로 다르다.

이들 중 근래에 개발되고 있는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell : PEMFC, 이하 편의상 PEMFC라 한다)는 다른 연료 전지에 비하여 출력 특성이 탁월하며 작동 온도가 낮고 아울러 빠른 시동 및 응답 특성을 가지며, 자동차와 같은 이동용 전원은 물론, 주택, 공공건물과 같은 분산용 전원 및 전자기기용과 같은 소형 전원 등 그 응용 범위가 넓은 장점을 가진다.

상기와 같은 PEMFC는 기본적으로 시스템을 구성하기 위해 스택(stack), 개질기(Reformer), 연료 탱크, 및 연료 펌프 등을 구비한다. 스택은 연료 전지의 본체를 형성하며, 연료 펌프는 연료 탱크 내의 연료를 개질기로 공급한다. 개질기는 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키고 그 수소 가스를 스택으로 공급한다. 따라서, 이 PEMFC는 연료 펌프의 작동으로 연료 탱크 내의 연료를 개질기로 공급하고, 이 개질기에서 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키며, 스택에서 이 수소 가스와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시킨다.

상기와 같은 연료 전지 시스템에 있어 전기를 실질적으로 발생시키는 스택은 전극-전해질 합성체(Membrane Electrode Assembly: MEA)와 이의 양면에 밀착하는 세퍼레이터(separator)로 이루어진 단위 셀이 수 개 내지 수십 개로 적층된 구조를 갖는다. 전극-전해질 합성체는 전해질막을 사이에 두고 애노드 전극과 캐소드 전극이 부착된 구조를 가진다. 그리고 세퍼레이터는 통상 당 업계에서 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)라고 칭하는 것으로서, 상기 각각의 전극-전해질 합성체를 분리하고 연료 전지의 반응에 필요한 수소 가스와 산소를 전극-전해질 합성체의 애노드 전극과 캐소드 전극으로 공급하는 통로의 역할과, 각 전극-전해질 합성체의 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체의 역할을 동시에 수행한다. 따라서, 세퍼레이터를 통해 애노드 전극에는 수소 가스가 공급되는 반면, 캐소드 전극에는 산소가 공급된다. 이 과정에서 애노드 전극에서는 수소 가스의 산화 반응이 일어나게 되고, 캐소드 전극에서는 산소의 환원 반응이 일어나게 되며 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기를 발생시키고, 열과 수분을 부수적으로 발생시킨다.

전술한 바 있는 개질기는 열 에너지에 의한 화학 촉매 반응을 통해 수소를 함유한 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 장치이다. 통상적으로 상기한 개질기는 상기 열 에너지를 발생시키는 열원부와, 상기 열 에너지를 이용하여 상기 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질 반응부와, 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 일산화탄소 제거부를 포함한다.

그런데, 종래에 따른 연료 전지 시스템의 개질기는 상기 열원부, 개질 반응부, 일산화탄소 제거부가 소정의 내부 공간을 갖는 반응 용기로 이루어지고 이들 각각이 파이프 타입의 배관에 의해 연결되어 분산 배치되는 바, 이로 인해 전체적인 시스템을 컴팩트 하게 구현하지 못하게 되고, 배관을 통한 연결 구조가 복잡하여 생산성이 저하되며, 열원부로부터 발생하는 열 에너지를 개질부로 신속히 전달하지 못하게 되어 전체적인 반응 효율 및 열 효율이 저하되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상술한 문제점을 감안한 것으로서, 그 목적은 유로 채널을 형성한 반응 기판의 적층 구조로 이루어진 개질기를 채용하여 전체적인 시스템의 크기를 컴팩트하게 구현할 수 있는 연료 전지 시스템을 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 수소를 함유한 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키는 개질기; 상기 수소 가스와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 생성부; 상기 개질기로 연료를 공급하는 연료 공급원; 및 상기 전기 생성부로 산소를 공급하는 산소 공급원을 포함하고, 상기 개질기는 연료의 흐름을 가능하게 하는 채널과 이 채널의 내표면에 촉매층을 형성하는 반응 기판을 가지면서 열원에 의한 화학 촉매 반응을 통해 상기 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질 반응부를 포함하고, 상기 반응 기판은 상기 채널의 길이 방향에 대해 수직한 단면을 기준으로 그 채널을 형성하는 바닥부와 벽부의 만나는 지점이 라운드 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 개질기는: 상기 연료와 공기의 흐름을 가능하게 하는 채널과 이 채널의 표면에 촉매층을 형성하는 반응 기판을 가지면서 상기 연료와 공기의 산화 반응을 통해 상기 개질 반응부에 열원을 제공하는 열원부를 포함하며, 상기 반응 기판은 상기 채널의 길이 방향에 대해 수직한 단면을 기준으로 상기 채널을 형성하는 바닥부와 벽부의 만나는 지점이 라운드 형상으로 이루어지는 것이 바람직하다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 개질기는: 상기 수소 가스의 흐름을 가능하게 하는 채널과 이 채널의 내표면에 촉매층을 형성하는 반응 기판을 가지면서 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 적어도 하나의 일산화탄소 저감부를 포함하며, 상기 반응 기판은 상기 채널의 길이 방향에 대해 수직한 단면을 기준으로 상기 채널을 형성하는 바닥부와 벽부의 만나는 지점이 라운드 형상으로 이루어지는 것이 바람직하다.

이 경우 상기 개질기는 개질 반응부, 열원부 및 일산화탄소 저감부에 의한 적층 구조로 이루어질 수도 있다. 이 때 상기 개질기의 최상부에 위치하는 반응 기판과 결합하는 덮개부를 포함할 수도 있다.

그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 채널이 반응 기판의 상면에 대해 임의의 간격을 두고 돌출 형성된 리브들 사이의 공간인 것이 바람직하다. 이 때 상기 리브에 밀착되는 덮개부가 상기 반응 기판과 결합할 수도 있다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 바닥부와 벽부가 만나는 지점의 곡률 반경이 10∼20㎛이고, 상기 바닥부에 대한 벽부의 각도가 둔각 예컨대, 120∼130°인 것이 바람직하다.

이와 같은 구조를 갖는 상기 연료 전지 시스템은 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrance Fuel Cell: PEMFC) 방식을 채용한다.

그리고 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 사용되는 개질기는, 수소를 함유한 연료의 흐름을 가능하게 하는 채널과 이 채널의 내표면에 촉매층을 형성하는 반응 기판을 가지면서 열원에 의한 화학 촉매 반응을 통해 상기 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질 반응부를 포함하고, 상기 반응 기판은 상기 채널의 길이 방향에 대해 수직한 단면을 기준으로 그 채널을 형성하는 바닥부와 벽부의 만나는 지점이 라운드 형상으로 이루어지는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 사용되는 개질기는, 상기 연료와 공기의 흐름을 가능하게 하는 채널과 이 채널의 표면에 촉매층을 형성하는 반응 기판을 가지면서 상기 연료와 공기의 산화 반응을 통해 상기 개질 반응부에 열원을 제공하는 열원부를 포함하며, 상기 반응 기판은 상기 채널의 길이 방향에 대해 수직한 단면을 기준으로 그 채널을 형성하는 바닥부와 벽부의 만나는 지점이 라운드 형상으로 이루어지는 것이 바람직하다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 사용되는 개질기는, 상기 수소 가스의 흐름을 가능하게 하는 채널과 이 채널의 내표면에 촉매층을 형성하는 반응 기판을 가지면서 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 적어도 하나의 일산화탄소 저감부를 포함하며, 상기 반응 기판은 상기 채널의 길이 방향에 대해 수직한 단면을 기준으로 그 채널을 형성하는 바닥부와 벽부의 만나는 지점이 라운드 형상으로 이루어지는 것이 바람직하다. 이 경우 상기 반응 기판의 상면에 밀착되는 덮개부를 포함할 수도 있다.

그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 사용되는 개질기는, 상기 개질 반응부, 열원부 및 일산화탄소 저감부에 의한 적층 구조로 이루어질 수도 있다. 이 경우 상기 개질기의 최상부에 위치하는 반응 기판과 결합하는 덮개부를 포함할 수도 있다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 사용되는 개질기는, 상기 바닥부와 벽부가 만나는 지점의 곡률 반경이 10∼20㎛이고, 상기 바닥부에 대한 벽부의 각도가 120∼130°인 것이 바람직하다.

아울러 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 개질기에 사용되는 반응 기판은, 수소 가스의 생성에 필요한 연료의 흐름을 가능하게 하는 채널을 형성하는 플레이트 타입의 몸체; 및 상기 채널의 내표면에 형성되는 촉매층을 포함하며, 상기 채널의 길이 방향에 대해 수직한 단면을 기준으로 상기 채널을 형성하는 바닥부와 벽부의 만나는 지점이 라운드 형상으로 이루어지는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 개질기에 사용되는 반응 기판은, 상기 바닥부와 벽부가 만나는 지점의 곡률 반경이 10∼20㎛이고, 상기 바닥부에 대한 벽부의 각도가 둔각 예컨대, 120∼130°인 것이 바람직하다.

그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 개질기에 사용되는 반응 기판은, 상기 채널의 내표면과 촉매층 사이에 지지층이 배치되어 상기 촉매층을 지지할 수 있다. 이 경우 상기 지지층은 알루미나, 실리카 또는 티타니아 중에서 선택되는 어느 하나의 소재로 이루어지는 것이 바람직하다. 또한 상기 반응 기판은 실리콘, 유리 또는 스테인레스 중에서 선택되는 어느 하나의 소재로 이루어지는 것이 바람직하다.

또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 개질기에 사용되는 반응 기판의 제조 방법은, (a) 기판을 준비하는 단계; (b) 상기 기판의 상면을 이방성 식각하여 바닥부와 벽부가 만나는 지점이 수직을 이루는 채널 패턴을 형성하는 단계; (c) 상기 채널 패턴을 등방성 식각하여 바닥부와 벽부가 만나는 지점이 라운드를 이루는 채널을 형성하는 단계; (d) 상기 채널의 내표면에 지지층을 형성하는 단계; 및 (e) 상기 지지층 상에 촉매층을 형성하는 단계를 포함한다.

이 경우 상기 기판은 실리콘, 유리 또는 스테인레스 중에서 선택되는 어느 하나의 소재로 이루어지고, 상기 지지층은 알루미나, 실리카 또는 티타니아 중에서 선택되는 어느 하나의 소재로 이루어질 수 있다.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 개질기에 사용되는 반응 기판의 제조 방법은, 상기 (c) 단계에서, 상기 바닥부와 벽부가 만나는 지점의 곡률 반경이 10∼20㎛이고, 상기 바닥부에 대한 벽부의 각도가 120∼130°를 유지하는 채널을 형성하는 것이 바람직하다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 도시한 개략도이다.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)에 있어 전기를 생성하기 위한 연료라 함은 메탄올, 에탄올 또는 천연 가스와 같이 수소를 함유한 협의(狹義)의 연료 이 외에, 광의(廣義)의 연료로서 물 및 산소가 더욱 포함된다. 그러나 이하에서 설명하는 연료는 상기 협의의 연료로서 편의상 액상의 연료라 정의하고, 액상의 연료와 물을 혼합 연료라고 정의한다.

그리고 본 시스템(100)은 상기 연료에 함유된 수소와 반응하는 산소로서 별도의 저장수단에 저장된 순수한 산소 가스를 사용할 수 있으며, 산소를 함유한 공기를 그대로 사용할 수도 있다. 그러나 이하에서는 산소로서 공기를 사용하는 후자의 예를 설명한다.

도 1을 참고하면, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)은, 기본적으로 상기 액상의 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질기(30)와, 상기 수소 가스와 공기 중에 함유된 산소의 화학 반응 에너지를 전기 에너지로 변환시켜 전기를 생산 해 내는 스택(10)과, 상기 연료를 개질기(30)로 공급하는 연료 공급원(50)과, 산소를 스택(10)으로 공급하는 산소 공급원(70)을 포함하여 구성된다.

이러한 연료 전지 시스템(100)은 개질기(30)를 통해 상기 수소 가스를 생성하고, 이 수소 가스를 스택(10)으로 공급하여 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrode Membrane Fuel Cell; PEMFC) 방식을 채용한다.

상기 연료 공급원(50)은 액상의 연료를 저장하는 제1 탱크(51)와, 물을 저장하는 제2 탱크(53)와, 각각의 제1 및 제2 탱크(51, 53)에 연결 설치되는 연료 펌프(55)를 포함한다. 그리고 산소 공급원(70)은 소정의 펌핑력으로 공기를 흡입하는 공기 펌프(71)를 구비한다.

도 2는 도 1에 도시한 개질기의 구조를 나타내 보인 분해 사시도이고, 도 3은 도 2의 결합 단면 구성도이고, 도 4는 도 3에 도시한 채널을 확대한 부분 상세도이다.

도 1 내지 도 4를 참고하면, 본 발명에 적용되는 개질기(30)는 통상적으로 열 에너지에 의한 화학 촉매 반응을 통해 전술한 바 있는 혼합 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키고, 아울러 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시킬 수도 있는 구조를 갖는다. 이러한 개질기(30)는 예컨대, 수증기 개질, 부분 산화 또는 자열 반응 등의 촉매 반응을 통해 액상의 연료로부터 수소 가스를 발생시킨다. 그리고 개질기(30)는 예컨대, 수성가스 전환 방법, 선택적 산화 방법 등과 같은 촉매 반응 또는 분리막을 이용한 수소의 정제 등과 같은 방법으로 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시킬 수도 있다.

이와 같은 개질기(30)는 상기 화학 촉매 반응에 필요한 열원을 발생시키는 열원부(31)와, 열원부(31)로부터 발생하는 열을 흡열하여 상기 혼합 연료를 기화시키고 수증기 개질(Steam Reforming: SR) 촉매 반응을 통해 상기 기화된 혼합 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질 반응부(32)를 포함한다. 그리고 개질기(30)는 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 적어도 하나의 일산화탄소 저감부(33, 34)를 포함할 수도 있다. 일 예로서, 상기 일산화탄소 저감부(33, 34)는 수성가스 전환(Water-Gas Shift: WGS) 촉매 반응을 통해 상기 수소 가스로부터 추가의 수소 가스를 발생시키고 그 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 1차적으로 저감시키는 제1 반응부(33)와, 선택적 산화(Preferential CO Oxidation: PROX) 촉매 반응을 통해 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 2차적으로 저감시키는 제2 반응부(34)를 포함할 수 있다.

본 실시예에 따르면, 상기 개질기(30)는 열원부(31), 개질 반응부(32) 및 일산화탄소 저감부(33, 34)가 플레이트 타입으로 구비되어 이들이 서로 적층된 구조를 갖는다. 즉, 열원부(31)의 상측에 개질 반응부(32)와 제1 반응부(33)를 순차적으로 적층하고, 열원부(31)의 하측에 제2 반응부(34)를 적층하여 상기 개질기(30)를 구성할 수 있다. 그리고 개질기(30)의 최 상측에 위치하는 제1 반응부(33)의 상면에는 덮개부(35)가 결합될 수 있다.

대안으로서, 본 발명에 의한 개질기(30)는 열원부(31)로부터 발생하는 열 에너지를 이용하여 상기 혼합 연료를 기화시키기 위한 기화부(도시하지 않음)를 열원부(31)와 개질 반응부(32) 사이에 별도로 배치할 수도 있다. 그러나 본 실시예에서는 상기 기화부를 배제하고 열원부(31)로부터 발생하는 열 에너지을 이용하여 개질 반응부(32)를 통해 상기 혼합 연료를 기화시키는 예를 설명한다.

이와 같은 개질기(30)에 있어 열원부(31)는 수소 가스의 생성에 필요한 열 에너지를 발생시키는 발열 부분으로서, 액상의 연료와 공기를 산화 촉매 반응을 통해 연소시키는 반응 기판(31a)을 포함한다. 이를 위해 상기 반응 기판(31a)은 연료와 공기의 흐름을 가능하게 하는 유로 채널(31c)을 가지면서 이 유로 채널(31c)에 촉매층(31e)을 형성하고 있는 몸체(31b)를 구비한다. 여기서 상기 촉매층(31e)은 연료와 공기의 산화 반응을 촉진시키는 통상적인 산화 촉매층을 포함한다. 그리고 유로 채널(31c)의 내표면과 촉매층(31e) 사이에는 촉매층(31e)을 지지하는 지지층(31d)을 구비하고 있다. 상기 유로 채널(31c)은 몸체(31b)의 일면에 대해 시작단과 끝단을 가지며, 일례로 그 시작단에 상기 액상의 연료와 공기가 유입되는 유입구(31f)를 형성하고, 끝단에는 상기 액상의 연료와 공기의 연소 가스가 유출되는 유출구(31g)를 형성하고 있다. 이 때 상기 유입구(31f)와 연료 공급원(50)의 제1 탱크(51)가 관로 형태의 제1 공급라인(81)에 의해 연결되고, 이 유입구(31f)와 산소 공급원(70)의 공기 펌프(71)가 관로 형태의 제2 공급라인(82)에 의해 연결될 수 있다.

상기 개질 반응부(32)는 열원부(31)로부터 발생하는 열원을 흡열하여 혼합 연료를 기화시키고, 수증기 개질(Steam Reformer: SR) 촉매 반응을 통해 상기 기화된 혼합 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 반응 기판(32a)을 포함한다. 이를 위해 상기 반응 기판(32a)은 혼합 연료의 흐름을 가능하게 하는 유로 채널(32c)을 가지면서 이 유로 채널(32c)에 촉매층(32e)을 형성하고 있는 몸체(32b)를 구비한다. 여기서 상기 촉매층(32e)은 혼합 연료의 수증기 개질 반응을 촉진시키는 통상적인 개질 촉매층을 포함한다. 그리고 유로 채널(32c)의 내표면과 촉매층(32e) 사이에는 촉매층(32e)을 지지하는 지지층(32d)을 구비하고 있다. 상기 유로 채널(32c)은 몸체(32b)의 일면에 대해 시작단과 끝단을 가지며, 일례로 그 시작단에 상기 혼합 연료가 유입되는 유입구(32f)를 형성하고, 끝단에는 상기 혼합 연료로부터 발생된 수소 가스가 유출되는 유출구(32g)를 형성하고 있다. 이 때 상기 유입구(32f)와 연료 공급원(50)의 제1 및 제2 탱크(51, 53)는 제3 공급라인(83)에 의해 연결될 수 있다. 그리고 상기 유입구(32f)는 열원부(31)의 유출구(31g)와 별도의 관로를 통해 연결될 수도 있다.

상기 제1 반응부(33)는 수성 가스 전환(Water-Gas Shift Reaction: WGS) 촉매 반응을 통해 개질 반응부(32)에서 발생한 수소 가스 외에 추가의 수소 가스를 발생시키고, 상기한 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 1차적으로 저감시키는 반응 기판(33a)을 포함한다. 이를 위해 상기 반응 기판(33a)은 상기 개질 반응부(32)로부터 발생된 수소 가스의 흐름을 가능하게 하는 유로 채널(33c)을 가지면서 이 유로 채널(33c)에 촉매층(33e)을 형성하고 있는 몸체(33b)를 구비한다. 여기서 촉매층(33e)은 상기 수소 가스의 수성 가스 전환 반응을 촉진시키는 통상적인 수성 가스 전환 촉매층을 포함한다. 그리고 유로 채널(33c)의 내표면과 촉매층(33e) 사이에는 촉매층(33e)을 지지하는 지지층(33d)을 구비하고 있다. 상기 유로 채널(33c)은 몸체(33b)의 일면에 대해 시작단과 끝단을 가지며, 일례로 그 시작단에 상기 수소 가스가 유입되는 유입구(33f)를 형성하고, 끝단에는 상기 일산화탄소의 농도가 1차적으로 저감된 수소 가스가 유출되는 유출구(33g)를 형성하고 있다. 이 때 상기 유입구(33f)는 별도의 연결수단 예컨대, 관로 또는 관통홀을 통해 상기 개질 반응부(32)의 유출구(32g)와 연결될 수 있다.

상기 제2 반응부(34)는 제1 반응부(33)를 통해 배출되는 상기 수소 가스와 공기의 선택적 산화(Preferential CO Oxidation: PROX) 촉매 반응을 통해 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 2차적으로 저감시키는 반응 기판(34a)을 포함한다. 이를 위해 상기 반응 기판(34a)은 상기 수소 가스의 흐름을 가능하게 하는 유로 채널(34c)을 가지면서 이 유로 채널(34c)에 촉매층(34e)을 형성하고 있는 몸체(34b)를 구비한다. 여기서 촉매층(34e)은 상기 수소 가스의 선택적 산화 반응을 촉진시키는 통상적인 선택적 산화 촉매층을 포함한다. 그리고 유로 채널(34c)의 내표면과 촉매층(34e) 사이에는 촉매층(34e)을 지지하는 지지층(34d)을 구비하고 있다. 상기 유로 채널(34c)은 몸체(34b)의 일면에 대해 시작단과 끝단을 가지며, 일례로 그 시작단에 상기 수소 가스가 유입되는 유입구(34f)를 형성하고, 끝단에는 상기 일산화탄소의 농도가 2차적으로 저감된 수소 가스가 유출되도록 하는 유출구(34g)를 형성하고 있다. 이 때 상기 유입구(34f)와 산소 공급원(70)의 공기 펌프(71)가 관로 형태의 제4 공급라인(84)에 의해 연결되고, 상기 유출구(34g)와 다음에 설명하는 스택(10)이 제5 공급라인(85)에 의해 연결 설치될 수 있다. 그리고 상기 유입구(34f)와 제1 반응부(33)의 유출구(33g)가 별도의 연결수단 예컨대, 관로 또는 관통홀에 의하여 연결될 수 있다.

상기와 같은 각 반응 기판(31a, 32a, 33a, 34a)의 몸체(31b, 32b, 33b, 34b)는, 일례로서 소정 폭과 길이를 갖는 사각형의 플레이트 형상을 취하고, 실리콘, 유리 또는 스테인레스 소재로 형성될 수 있다. 이 때 상기 몸체(31b, 32b, 33b, 34b)는 위와 같은 사각형의 플레이트 타입으로 이루어지는 것에 국한되지 않고 다양한 형태로 변형될 수 있다.

그리고 상기 몸체(31b, 32b, 33b, 34b)에 형성된 각각의 채널(31c, 32c, 33c, 34c)은 몸체(31b, 32b, 33b, 34b)의 일면에서 임의의 간격을 두고 돌출 형성된 리브(31h, 32h, 33h, 34h)들 사이의 공간에 의해 형성될 수 있다. 이러한 채널(31c, 32c, 33c, 34c)은 몸체(31b, 32b, 33b, 34b)의 일면에 대해 임의의 간격을 두고 직선 상태로 배치되고, 그 양단을 교호적으로 연결하여 형성되고 있다. 물론, 상기 채널(31c, 32c, 33c, 34c)의 배치 구조는 이것으로 한정되는 것은 아니다.

본 실시예에 따르면, 상기 채널(31c, 32c, 33c, 34c)은 그 길이 방향에 대해 수직한 단면을 기준으로 리브(31h, 32h, 33h, 34h)들 사이의 공간을 형성하는 바닥부(B)와 벽부(W)의 만나는 지점이 라운드 형상으로 이루어진다. 상기 채널(31c, 32c, 33c, 34c)은 바닥부(B)와 벽부(W)가 만나는 지점의 곡률 반경(R)이 10∼20㎛이고, 상기 바닥부(B)에 대한 벽부(W)의 각도(θ)가 둔각 예컨대, 120∼130°인 것이 바람직하다. 이 때 상기 채널(31c, 32c, 33c, 34c)은 바닥부(B)와 벽부(W)가 만나는 지점의 곡률 반경(R)이 10∼20㎛을 만족하거나 상기 바닥부(B)에 대한 벽부(W)의 각도(θ)가 120∼130°를 만족할 수 있고, 상기 곡률 반경(R)과 각도(θ)를 동시에 만족할 수도 있다.

상기 지지층(31d, 32d, 33d, 34d)은 채널(31c, 32c, 33c, 34c)의 표면에 대해 촉매층(31e, 32e, 33e, 34e)을 지지하기 위한 접착층으로서, 통상적인 졸-겔(sol-gel) 방법에 의해 채널(31c, 32c, 33c, 34c)의 내표면에 형성되며, 알루미나(Al₂O₃), 실리카(SiO₂) 또는 티타니아(TiO₂)로 이루어진다. 그리고 상기 촉매층(31e, 32e, 33e, 34e)은 위와 같은 졸-겔(sol-gel) 방법으로 지지층(31d, 32d, 33d, 34d) 위에 형성된다.

한편, 본 발명의 실시예에 따르면, 도 2에 도시한 바와 같이 상기 열원부(31), 개질 반응부(32) 및 일산화탄소 저감부(33, 34)의 적층 구조로 이루어지는 개질기(30)를 구비하는 것에 한정되지 않고, 제1 변형예로서 열원부(31)와 개질 반응부(32)의 적층 구조로 이루어진 개질기(30)를 구비할 수 있다. 그리고 본 발명의 실시예에 대한 제2 변형예로서, 상기 개질기(30)는 열원부(31), 개질 반응부(32) 및 어느 하나의 일산화탄소 저감부(33, 34)의 적층 구조로 이루어질 수도 있다. 또한 제3 변형예로서, 상기 개질기(30)는 열원부(31)가 버너와 같은 통상적인 히터를 구비할 수도 있다. 더욱이 제1 및 제3 변형예의 경우, 열원부(31)가 개질 반응부(32)의 하측에 위치하고, 개질 반응부(32)의 상면에 덮개부(35)가 결합될 수 있다. 그리고 제2 변형예의 경우, 열원부(31)를 중심으로 그 상측에 개질 반응부(32)가 위치하고 열원부(31)의 하측에 어느 하나의 일산화탄소 저감부(33, 34)가 위치하며, 개질 반응부(32)의 상면에 덮개부(35)가 결합될 수 있다.

도 5는 도 1에 도시한 스택의 구조를 도시한 분해 사시도이다.

도 1 및 도 5를 참고하면, 본 시스템(100)에 적용되는 스택(10)은 개질기(30)에 의해 생성된 수소 가스와 공기 중에 함유된 산소의 산화/환원 반응을 통하여 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 생성부(11)를 포함한다.

각각의 전기 생성부(11)는 전극-전해질 합성체(12)를 중심에 두고 이의 양면에 세퍼레이터(16)를 배치하여 전기를 발생시키는 최소 단위의 셀을 형성하고, 이 단위 셀이 복수로 구비되어 본 실시예와 같은 적층 구조의 스택(10)을 형성한다. 그리고 스택(10)의 최 외곽에는 상기한 복수의 전기 생성부(11)를 밀착시키는 별도의 가압 플레이트(13)를 설치할 수도 있다. 그러나 본 발명에 의한 스택(10)은 상기한 가압 플레이트(13)를 배제하고, 전기 생성부(11)의 최 외곽에 위치하는 세퍼레이터(16)가 상기 가압 플레이트의 역할을 대신하도록 구성할 수도 있다. 또한 가압 플레이트(13)가 복수의 전기 생성부(11)를 밀착시키는 기능 외에, 다음에 설명하는 세퍼레이터(16)의 고유한 기능을 갖도록 구성할 수도 있다.

전극-전해질 합성체(12)는 양면에 애노드 전극과 캐소드 전극을 구비하고, 두 전극 사이에 전해질막을 구비하는 구조로 이루어져 있다. 애노드 전극은 수소 가스를 산화 반응시켜, 변환된 전자를 외부로 인출하여 이 전자의 흐름으로 전류를 발생시키고, 수소 이온을 전해질막을 통하여 캐소드 전극으로 이동시킨다. 캐소드 전극은 상기한 수소 이온, 전자 및 산소를 환원 반응시켜 물로 변환시킨다. 그리고 전해질막은 애노드 전극에서 생성된 수소 이온을 캐소드 전극으로 이동시키는 이온 교환을 가능하게 한다.

세퍼레이터(16)는 전극-전해질 합성체(12)의 산화/환원 반응에 필요한 수소 가스와 공기를 애노드 전극과 캐소드 전극으로 공급하는 통로의 기능을 가지며, 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체의 기능도 가진다. 보다 구체적으로, 세퍼레이터(16)는 전극-전해질 합성체(12)의 애노드 전극에 밀착되는 면에 애노드 전극으로 수소 가스를 공급하기 위한 수소 통로를 형성하고, 전극-전해질 합성체(12)의 캐소드 전극에 밀착되는 면에 캐소드 전극으로 공기를 공급하기 위한 공기 통로를 형성하는 유로 채널(17)을 구비하고 있다.

그리고 상기 가압 플레이트(13)에는 수소 가스를 세퍼레이터(16)의 수소 통로로 공급하기 위한 제1 주입부(13a)와, 공기를 세퍼레이터(16)의 공기 통로로 공급하기 위한 제2 주입부(13b)와, 전극-전해질 합성체(12)의 애노드 전극에서 반응하고 남은 수소 가스를 배출시키기 위한 제1 배출부(13c)와, 전극-전해질 합성체(12)의 캐소드 전극에서 수소와 산소의 결합 반응에 의해 생성된 수분과 수소와 반응하고 남은 공기를 배출시키기 위한 제2 배출부(13d)를 형성하고 있다. 이 때 상기 제2 주입부(13b)와 공기 펌프(71)는 관로 형태의 제6 공급라인(86)에 의해 연결 설치될 수 있다. 그리고 상기 제1 배출부(13c)는 별도의 관로(도시하지 않음)을 통해 개질기(30)의 열원부(31)와 연결 설치될 수도 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 동작을 상세히 설명하면 다음과 같다.

우선, 연료 펌프(55)를 가동시켜 제1 탱크(51)에 저장된 액상의 연료를 제1 공급라인(81)을 통해 열원부(31)로 공급한다. 이와 동시에, 공기 펌프(71)를 가동시켜 공기를 제2 공급라인(82)을 통해 열원부(31)로 공급한다. 그러면, 상기 액상의 연료와 공기가 열원부(31)의 유로 채널(31c)을 따라 유동하면서 산화 촉매 반응을 일으킨다. 따라서, 열원부(31)에서는 이와 같은 산화 촉매 반응을 통해 소정 온도의 반응열을 발생시킨다. 이로써 열원부(31)로부터 발생하는 열 에너지가 개질 반응부(32), 일산화탄소 저감부(33, 34)에 전도되면서 개질기(30) 전체를 예열시키게 된다.

이와 같이 개질기(30)의 예열이 완료되면, 제1 펌프(55)를 가동시켜 제1 탱크(51)에 저장된 액상의 연료와 제2 탱크(53)에 저장된 물을 제3 공급라인(83)을 통해 개질 반응부(32)로 공급한다.

이어서, 상기 액상의 연료와 물의 혼합 연료가 개질 반응부(32)의 유로 채널(32c)을 따라 흐르면서 상기 열원부(31)로부터 제공되는 열 에너지에 의해 기화되게 된다. 그러면, 개질 반응부(32)는 수증기 개질 촉매 반응을 통해 상기 기화된 혼합 연료로부터 수소 가스를 발생시킨다. 부연 설명하면, 상기 개질 반응부(32)는 수증기 개질 촉매 반응을 통해 혼합 연료의 분해 반응과 일산화탄소의 변성 반응이 동시에 진행되어 이산화탄소와 수소를 함유하고 있는 수소 가스를 생성하게 된다. 이 때 상기 개질 반응부(32)는 일산화탄소의 변성 반응을 완전히 행하게 하는 것이 곤란하여 부(副) 생성물로서의 일산화탄소가 미량 함유된 수소 가스를 생성하게 된다.

다음, 상기 일산화탄소가 미량 함유된 수소 가스가 제1 반응부(33)의 유로 채널(33c)을 따라 흐르게 된다. 그러면, 제1 반응부(33)는 수성가스 전환 촉매 반응을 통해 추가의 수소 가스를 발생시키고, 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 1차적으로 저감시킨다.

이어서, 제1 반응부(33)의 유로 채널(33c)을 통과한 상기 수소 가스가 제2 반응부(34)의 유로 채널(34c)을 따라 흐르게 된다. 이와 동시에, 공기 펌프(71)를 가동시켜 공기를 제4 공급라인(84)을 통해 제2 반응부(34)의 유로 채널(34c)로 공급한다. 그러면, 제2 반응부(34)에서는 선택적 산화 촉매 반응을 통해 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 2차적으로 저감시키고, 상기 수소 가스를 유출구(34g)를 통해 배출시킨다.

이어서, 상기 수소 가스를 제5 공급라인(85)를 통해 스택(10)의 제1 주입부(13a)로 공급한다. 이와 동시에, 공기 펌프(71)를 가동시켜 공기를 제6 공급라인(86)을 통해 스택(10)의 제2 주입부(13b)로 공급한다.

그러면 상기 수소 가스는 세퍼레이터(16)의 수소 통로를 통해 전극-전해질 합성체(12)의 애노드 전극으로 공급된다. 그리고 공기는 세퍼레이터(16)의 공기 통로를 통해 전극-전해질 합성체(12)의 캐소드 전극으로 공급된다.

따라서 애노드 전극에서는 산화 반응을 통해 수소 가스를 전자와 프로톤(수소이온)으로 분해한다. 그리고 프로톤이 전해질막을 통하여 캐소드 전극으로 이동하고, 전자는 전해질막을 통하여 이동되지 못하고 세퍼레이터(16)를 통해 이웃하는 전극-전해질 합성체(12)의 캐소드 전극으로 이동하게 되는데 이 때 전자의 흐름으로 전류를 발생시키고, 부수적으로 열과 물을 발생시킨다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 개질기에 사용되는 반응 기판의 제조 방법을 설명하기 위한 플로우-챠트이다.

도 6을 참고하면, 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 개질기에 사용되는 반응 기판의 제조 방법은, 기판을 준비하는 단계(S10)와, 상기 기판의 상면을 이방성 식각하여 바닥부와 벽부가 만나는 지점이 수직을 이루는 채널 패턴을 형성하는 단계(S20)와, 상기 채널 패턴을 등방성 식각하여 바닥부와 벽부가 만나는 지점이 라운드를 이루는 채널을 형성하는 단계(S30)와, 상기 채널의 내표면에 지지층을 형성하는 단계(S40)와, 상기 지지층 상에 촉매층을 형성하는 단계(S50)를 포함한다.

도 7a 내지 7e는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 개질기에 사용되는 반응 기판의 제조 방법을 설명하기 위한 각 단계별 반응 기판의 단면 구성도이다.

도 7a를 참조하면, 우선 S10 단계로서, 실리콘, 유리 또는 스테인레스 소재 등으로 이루어진 기판(61)을 준비한다.

도 7b를 참조하면, S20 단계에서는 상기 기판(61)의 상면에 마스크 패턴(62)을 형성한 다음, 통상적인 이방성 식각 용액을 사용하여 기판(61)의 상면을 이방성 식각한다. 그러면 상기 기판(61)의 상면에는 400㎛의 폭과 240㎛의 깊이를 갖는 채널 패턴(63a)이 형성된다. 이 때 기판(61)의 상면에는 상기 마스크 패턴(62)이 위치하는 부분에 임의의 간격을 갖는 리브(63b)들이 돌출 형성되고, 상기 마스크 패턴(62)의 나머지 부분인 리브(63b)들 사이의 공간이 식각되어 상기 채널 패턴(63a)이 형성되게 된다. 이러한 채널 패턴(63a)은 이방성 식각의 고유한 특성에 의해 바닥부(B)와 벽부(W)가 만나는 지점이 수직을 이루고 있다.

도 7c를 참고하면, S30 단계로서, 상기 마스크 패턴(62)을 그대로 두고 통상적인 등방성 식각 용액을 사용하여 상기 채널 패턴(63a: 도 7b)을 등방성 식각한다. 그러면 등방성 식각의 고유한 특성에 의해 바닥부(B)와 벽부(W)가 만나는 지점이 라운드 형상으로 이루어지게 되고, 그 바닥부(B)에 대한 벽부(W)의 각도가 둔각을 이루는 채널(63)을 형성하게 된다. 이 때 상기 채널(63)은 바닥부(B)와 벽부(W)가 만나는 지점의 곡률 반경이 10∼20㎛을 만족하거나 상기 바닥부(B)에 대한 벽부(W)의 각도가 120∼130°를 만족할 수 있고, 상기 곡률 반경과 각도를 동시에 만족할 수도 있다.

도 7d를 참고하면, S40 단계에서는 일반적인 졸-겔(sol-gel) 방법으로 채널(63)의 표면에 알루미나(Al₂O₃), 실리카(SiO₂) 또는 티타니아(TiO ₂)로 이루어진 지지층(64)을 형성한다.

도 7e를 참고하면, S50 단계로서, 졸-겔(sol-gel) 방법으로 상기 지지층(64) 위에 촉매층(65)을 형성한다. 여기서 상기 촉매층(65)은 연료 전지 시스템의 개질기를 구성하는 열원부, 개질 반응부 및 일산화탄소 저감부 자체의 고유한 화학 반응을 촉진시키는 각각의 촉매층을 포함할 수 있다.

따라서 위와 같은 일련의 제조 공정을 통해 본 발명의 실시예에 따른 반응 기판(60)의 제조를 완료한다.

본 발명의 실시예는 상기 제조 방법에 따른 일례로서의 실험예와 비교예를 통하여 보다 명확히 이해될 수 있다.

<실험예>

실리콘(Si) 기판을 준비한 다음, 80℃의 온도 분위기에서 30 중량%의 KOH 용액을 사용하여 상기 실리콘 기판의 상면에 대해 2시간 동안 이방성 식각을 실시하였고, 이러한 이방성 식각 공정을 통해 실리콘 기판의 상면에 바닥부와 벽부가 수직을 이루는 채널 패턴을 형성하였다. 그런 다음, NF, H₂O, HNO₃를 각각 1 : 1 : 8의 비율로 혼합한 식각 용액을 사용하여 상기 채널 패턴에 대해 상온에서 0.5~4분 동안 등방성 식각을 실시하였고, 이러한 등방성 식각 공정을 통해 채널 패턴의 바닥부와 벽부가 만나는 지점이 라운드 되게 이루어지고, 상기 바닥부(B)에 대한 벽부(W)의 각도가 둔각을 이루는 채널을 형성하였다. 이 후, 알루미늄 이소프로필기(Aluminum Isopropoxide)를 프리커서(precursor)로 하고, 0.07mol의 HCl 펩티제이션 작용제(Peptization agent)와 3g/100mol PVA(polyvinyl alcoholL: 폴리비닐알코올)의 안정제를 사용하여 90℃의 온도 분위기에서 3시간 동안 졸-겔(sol-gel) 방법으로 채널의 바닥부와 벽부의 표면에 알루미나(Al₂O₃) 지지층을 형성하였다. 그런 다음, 통상적인 졸-겔 방법으로 상기 지지층 위에 촉매층을 형성하였다.

<비교예>

실리콘(Si) 기판을 준비한 다음, 80℃의 온도 분위기에서 30 중량%의 KOH 용액을 사용하여 상기 실리콘 기판의 상면에 대해 2시간 동안 이방성 식각을 실시하였고, 이러한 이방성 식각 공정을 통해 실리콘 기판의 상면에 바닥부와 벽부가 수직을 이루는 채널을 형성하였다. 그런 다음, 상기 채널의 바닥부와 벽부에 지지층과 촉매층을 형성하였다.

도 8은 본 발명의 실시예에 의해 제조된 반응 기판의 부분 확대 사진으로, 상기 실험예를 통해 채널의 바닥부와 벽부가 만나는 지점의 곡률 반경이 10∼20㎛이고 상기 바닥부에 대한 벽부의 각도가 120∼130°인 경우, 바닥부와 벽부가 만나는 지점에서 지지층이 벗겨지거나 들뜨지 않게 된다는 것을 알 수 있었다.

도 9는 본 발명의 비교예에 의해 제조된 반응 기판의 부분 확대 사진으로, 상기 비교예를 통해 바닥부와 벽부가 수직을 이루는 채널을 형성하고 이 채널의 표면에 지지층을 형성한 경우, 지지층이 겔화(gelation)될 때 지지층에 작용하는 표면 인장력이 바닥부와 벽부의 수직 방향으로 진행하지 못하게 되어 상기 바닥부와 벽부가 만나는 지점에서 지지층이 벗겨지거나 들뜨게 된다는 것을 알 수 있었다. 따라서 지지층을 소성하는 과정에서 채널의 바닥부와 벽부가 만나는 지점의 지지층이 떨어져 나가는 등의 문제점을 야기시킬 수 있다.

따라서 본 발명에 따른 반응 기판에 있어 채널의 바닥부와 벽부가 만나는 지점이 라운드 되게 이루어지고, 상기 바닥부에 대한 벽부의 각도가 둔각을 이루도록 구성되므로, 채널의 표면에 지지층을 형성하고 이 지지층을 소성하는 과정에서 채널의 바닥부와 벽부가 만나는 지점의 지지층이 떨어져 나가는 등의 문제점을 해결할 수 있다. 이는 상기 지지층이 겔화(gelation)될 때 지지층에 작용하는 표면 인장력이 바닥부와 벽부가 만나는 라운드 부분에 접촉한 상태로 상기한 각도 방향을 따라 진행하기 때문에, 상기 지지층이 채널의 바닥부와 벽부가 만나는 지점에서 벗겨지거나 들뜨지 않게 되는 것이다.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 의하면, 유로 채널을 형성한 반응 기판의 적층 구조로 이루어진 단순한 구조의 개질기를 구비하므로, 전체적인 시스템을 컴팩트하게 구현할 수 있으며, 제조 공정의 단순화를 통해 생산성을 더욱 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한 반응 기판을 제조함에 있어 등방성 식각과 이방성 식각을 통해 채널의 바닥부와 벽부가 만나는 지점을 라운드 되게 형성하고 바닥부에 대한 벽부의 각도가 둔각을 이루도록 형성하여, 촉매층을 지지하는 지지층의 접착성을 향상시키고 채널의 바닥면과 벽부가 만나는 지점의 지지층이 떨어져 나가는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.

도 2는 도 1에 도시한 개질기의 구조를 나타내 보인 분해 사시도이다.

도 3은 도 2의 결합 단면 구성도이다.

도 4는 도 3에 도시한 채널을 확대한 부분 상세도이다.

도 8은 본 발명의 실시예에 의해 제조된 반응 기판의 부분 확대 사진이다.

도 9는 본 발명의 비교예에 의해 제조된 반응 기판의 부분 확대 사진이다.

Claims

수소를 함유한 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키는 개질기;

상기 수소 가스와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 생성부;

상기 개질기로 연료를 공급하는 연료 공급원; 및

상기 전기 생성부로 산소를 공급하는 산소 공급원

을 포함하고,

상기 개질기는 연료의 흐름을 가능하게 하는 채널과 이 채널의 내표면에 촉매층을 형성하는 반응 기판을 가지면서 열원에 의한 화학 촉매 반응을 통해 상기 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질 반응부를 포함하고,

상기 반응 기판은 상기 채널의 길이 방향에 대해 수직한 단면을 기준으로 그 채널을 형성하는 바닥부와 벽부의 만나는 지점이 라운드 형상으로 이루어지는 연료 전지 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 개질기는:

상기 연료와 공기의 흐름을 가능하게 하는 채널과 이 채널의 표면에 촉매층을 형성하는 반응 기판을 가지면서 상기 연료와 공기의 산화 반응을 통해 상기 개질 반응부에 열원을 제공하는 열원부

를 포함하며,

상기 반응 기판은 상기 채널의 길이 방향에 대해 수직한 단면을 기준으로 상기 채널을 형성하는 바닥부와 벽부의 만나는 지점이 라운드 형상으로 이루어지는 연료 전지 시스템.
제 2 항에 있어서,

상기 개질기는:

상기 수소 가스의 흐름을 가능하게 하는 채널과 이 채널의 내표면에 촉매층을 형성하는 반응 기판을 가지면서 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 적어도 하나의 일산화탄소 저감부

를 포함하며,

상기 반응 기판은 상기 채널의 길이 방향에 대해 수직한 단면을 기준으로 상기 채널을 형성하는 바닥부와 벽부의 만나는 지점이 라운드 형상으로 이루어지는 연료 전지 시스템.
제 3 항에 있어서,

상기 개질기는 개질 반응부, 열원부 및 일산화탄소 저감부에 의한 적층 구조로 이루어지는 연료 전지 시스템.
제 1 항 내지 제 3 항 중 선택된 어느 한 항에 있어서,

상기 채널이 반응 기판의 상면에 대해 임의의 간격을 두고 돌출 형성된 리브들 사이의 공간인 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
제 5 항에 있어서,

상기 리브에 밀착되는 덮개부가 상기 반응 기판과 결합하는 연료 전지 시스템.
제 4 항에 있어서,

상기 개질기의 최상부에 위치하는 반응 기판과 결합하는 덮개부를 포함하는 연료 전지 시스템.
제 1 항 내지 제 3 항 중 선택된 어느 한 항에 있어서,

상기 바닥부와 벽부가 만나는 지점의 곡률 반경이 10∼20㎛인 연료 전지 시스템.
제 8 항에 있어서,

상기 바닥부에 대한 벽부의 각도가 둔각을 유지하는 연료 전지 시스템.
제 9 항에 있어서,

상기 바닥부에 대한 벽부의 각도가 120∼130°인 연료 전지 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 바닥부와 벽부가 만나는 지점의 곡률 반경이 10∼20㎛이고, 상기 바닥부에 대한 벽부의 각도가 120∼130°인 연료 전지 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 연료 전지 시스템이, 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrance Fuel Cell: PEMFC) 방식으로 이루어지는 연료 전지 시스템.
수소를 함유한 연료의 흐름을 가능하게 하는 채널과 이 채널의 내표면에 촉매층을 형성하는 반응 기판을 가지면서 열원에 의한 화학 촉매 반응을 통해 상기 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질 반응부

를 포함하고,

상기 반응 기판은 상기 채널의 길이 방향에 대해 수직한 단면을 기준으로 그 채널을 형성하는 바닥부와 벽부의 만나는 지점이 라운드 형상으로 이루어지는 연료 전지 시스템에 사용되는 개질기.
제 13 항에 있어서,

상기 연료와 공기의 흐름을 가능하게 하는 채널과 이 채널의 표면에 촉매층을 형성하는 반응 기판을 가지면서 상기 연료와 공기의 산화 반응을 통해 상기 개질 반응부에 열원을 제공하는 열원부

를 포함하며,

상기 반응 기판은 상기 채널의 길이 방향에 대해 수직한 단면을 기준으로 그 채널을 형성하는 바닥부와 벽부의 만나는 지점이 라운드 형상으로 이루어지는 연료 전지 시스템에 사용되는 개질기.
제 14 항에 있어서,

상기 수소 가스의 흐름을 가능하게 하는 채널과 이 채널의 내표면에 촉매층을 형성하는 반응 기판을 가지면서 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 적어도 하나의 일산화탄소 저감부

를 포함하며,

상기 반응 기판은 상기 채널의 길이 방향에 대해 수직한 단면을 기준으로 그 채널을 형성하는 바닥부와 벽부의 만나는 지점이 라운드 형상으로 이루어지는 연료 전지 시스템에 사용되는 개질기.
제 13 항 내지 제 15 항 중 선택된 어느 한 항에 있어서,

상기 반응 기판의 상면에 밀착되는 덮개부를 포함하는 연료 전지 시스템에 사용되는 개질기.
제 15 항에 있어서,

상기 개질 반응부, 열원부 및 일산화탄소 저감부에 의한 적층 구조로 이루어지는 연료 전지 시스템에 사용되는 개질기.
제 17 항에 있어서,

상기 개질기의 최상부에 위치하는 반응 기판과 결합하는 덮개부를 포함하는 연료 전지 시스템에 사용되는 개질기.
제 13 항 내지 제 15 항 중 선택된 어느 한 항에 있어서,

상기 바닥부와 벽부가 만나는 지점의 곡률 반경이 10∼20㎛인 연료 전지 시스템에 사용되는 개질기.
제 19 항에 있어서,

상기 바닥부에 대한 벽부의 각도가 120∼130°인 연료 전지 시스템에 사용되는 개질기.
제 1 항에 있어서,

상기 바닥부와 벽부가 만나는 지점의 곡률 반경이 10∼20㎛이고, 상기 바닥부에 대한 벽부의 각도가 120∼130°인 연료 전지 시스템에 사용되는 개질기.
수소 가스의 생성에 필요한 연료의 흐름을 가능하게 하는 채널을 형성하는 플레이트 타입의 몸체; 및

상기 채널의 내표면에 형성되는 촉매층

을 포함하며,

상기 채널의 길이 방향에 대해 수직한 단면을 기준으로 상기 채널을 형성하는 바닥부와 벽부의 만나는 지점이 라운드 형상으로 이루어지는 연료 전지 시스템의 개질기에 사용되는 반응 기판.
제 22 항에 있어서,

상기 바닥부와 벽부가 만나는 지점의 곡률 반경이 10∼20㎛인 연료 전지 시스템의 개질기에 사용되는 반응 기판.
제 22 항 또는 제 23 항에 있어서,

상기 바닥부에 대한 벽부의 각도가 둔각을 유지하는 연료 전지 시스템의 개질기에 사용되는 반응 기판.
제 24 항에 있어서,

상기 채널의 바닥부에 대한 벽부의 각도가 120∼130°인 연료 전지 시스템의 개질기에 사용되는 반응 기판.
제 22 항에 있어서,

상기 채널의 내표면과 촉매층 사이에 지지층이 배치되어 상기 촉매층을 지지하는 연료 전지 시스템의 개질기에 사용되는 반응 기판.
제 26 항에 있어서,

상기 지지층은 알루미나, 실리카 또는 티타니아 중에서 선택되는 어느 하나의 소재로 이루어지는 연료 전지 시스템의 개질기에 사용되는 반응 기판.
제 22 항에 있어서,

상기 반응 기판이 실리콘, 유리 또는 스테인레스 중에서 선택되는 어느 하나의 소재로 이루어지는 연료 전지 시스템의 개질기에 사용되는 반응 기판.
(a) 기판을 준비하는 단계;

(b) 상기 기판의 상면을 이방성 식각하여 바닥부와 벽부가 만나는 지점이 수직을 이루는 채널 패턴을 형성하는 단계;

(c) 상기 채널 패턴을 등방성 식각하여 바닥부와 벽부가 만나는 지점이 라운드를 이루는 채널을 형성하는 단계;

(d) 상기 채널의 내표면에 지지층을 형성하는 단계; 및

(e) 상기 지지층 상에 촉매층을 형성하는 단계

를 포함하는 연료 전지 시스템의 개질기에 사용되는 반응 기판의 제조 방법.
제 29 항에 있어서,

상기 기판이 실리콘, 유리 또는 스테인레스 중에서 선택되는 어느 하나의 소재로 이루어지는 연료 전지 시스템의 개질기에 사용되는 반응 기판의 제조 방법.
제 29 항에 있어서,

상기 지지층은 알루미나, 실리카 또는 티타니아 중에서 선택되는 어느 하나의 소재로 이루어지는 연료 전지 시스템의 개질기에 사용되는 반응 기판의 제조 방법.
제 29 항에 있어서,

상기 (c) 단계에서,

상기 바닥부와 벽부가 만나는 지점의 곡률 반경이 10∼20㎛를 유지하는 채널을 형성하는 연료 전지 시스템의 개질기에 사용되는 반응 기판의 제조 방법.
제 29 항 또는 제 32 항에 있어서,

상기 바닥부에 대한 벽부의 각도가 120∼130°를 유지하는 채널을 형성하는 연료 전지 시스템의 개질기에 사용되는 반응 기판의 제조 방법.