KR100570698B1 - 연료 전지 시스템 및 이에 사용되는 개질기 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부; 및 열 에너지에 의한 화학 촉매 반응을 통해 수소를 함유한 연료로부터 수소 가스를 발생시키고, 이 수소 가스를 상기 전기 발생부로 공급하는 개질기를 포함하며, 상기 개질기는: 상기 연료의 흐름을 가능케 하는 채널과, 적어도 둘 이상의 반응부를 일체로 형성하는 반응 기판; 및 상기 반응 기판에 밀착 배치되어 상기 채널에 의한 통로를 형성하고 상기 각각의 반응부에 상기 열 에너지를 제공하는 가열부를 포함한다.

연료전지, 스택, 전기발생부, 개질기, 반응기판, 플레이트, 채널, 가열부, 히팅플레이트, 열선패턴, 간격, 폭, 두께

Description

연료 전지 시스템 및 이에 사용되는 개질기 {FUEL CELL SYSTEM AND REFORMER USED THERETO}

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

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

도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 개질기의 구조를 나타내 보인 분해 사시도이다.

도 4는 도 3의 결합 단면 구성도이다.

도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 개질기 구조를 도시한 단면 구성도이다.

도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 개질기 구조를 도시한 단면 구성도이다.

도 7은 본 발명의 제4 실시예에 따른 개질기 구조를 도시한 단면 구성도이다.

도 8은 본 발명의 제5 실시예에 따른 개질기 구조를 도시한 단면 구성도이다.

도 9은 본 발명의 제6 실시예에 따른 개질기 구조를 도시한 단면 구성도이 다.

본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 개질기의 열전달 구조를 개선한 연료 전지 시스템에 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 본체 를 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.

전술한 바 있는 개질기는 열 에너지에 의한 화학 촉매 반응을 통해 수소를 함유한 연료로부터 수소 가스를 발생시키고, 이 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 장치이다.

종래에 따른 연료 전지 시스템의 개질기는 일례로서, 개질 반응을 통해 상기 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질 반응부와, 개질 반응부에 의해 발생되는 수소 가스 중의 일산화탄소 농도를 저감시키는 다수의 일산화탄소 저감부를 구비하고 있다. 이러한 개질 반응부와 일산화탄소 저감부는 각각의 반응에 요구되는 고유한 반응 온도 범위의 열 에너지를 필요로 한다. 이에 종래의 개질기는 상기 개질 반응부 및 일산화탄소 저감부로 서로 다른 온도 범위의 열 에너지를 제공하는 열원부를 구비하고 있다.

그런데, 종래에 따른 개질기는 위와 같은 개질 반응부와 일산화탄소 저감부를 분산 배치하고 있는 바, 각각의 개질 반응부와 일산화탄소 저감부에 대하여 서로 다른 온도 범위의 열 에너지를 제공하는 열원부를 별도로 설치해야 한다. 따라서 각각의 개질 반응부와 일산화탄소 저감부에 대한 열원부의 별개 구조로 인해 개질기의 구조가 복잡해지게 되어 전체적인 시스템의 크기를 컴팩트하게 구현하지 못 하게 되는 문제점이 있다. 또한 개질기의 초기 기동 시간이 지연되어 전체적인 개질기의 열 효율 및 반응 효율이 떨어지게 되는 문제점이 있다.

본 발명은 상술한 문제점을 감안한 것으로서, 그 목적은 간단한 구조로서 각 반응부에서 요구되는 서로 다른 온도 범위의 열 에너지를 제공할 수 있는 연료 전지 시스템의 개질기 및 이를 채용한 연료 전지 시스템을 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 개질기는, 연료의 흐름을 가능케 하는 채널과, 적어도 둘 이상의 반응부를 일체로 형성하는 반응 기판; 및 상기 반응 기판에 밀착 배치되어 상기 채널에 의한 통로를 형성하고, 상기 각각의 반응부에 대하여 서로 다른 온도 범위의 열원을 제공하는 가열부를 포함한다.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 개질기에 있어서, 상기 통로는 연료의 유출입을 가능하게 하는 유입구와 유출구를 구비하고 있다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 개질기에 있어서, 상기 각각의 반응부는, 상기 통로의 유입구 측에 형성되어 개질 촉매 반응을 통해 상기 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 제1 반응부; 및 상기 제1 반응부에 연속적으로 형성되어 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 적어도 하나의 일산화탄소 저감부를 포함한다.

대안으로서, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 개질기를 구성하는 상기 각 각의 반응부는, 상기 통로의 유입구 측에 형성되어 상기 연료를 기화시키는 기화부; 상기 기화부와 연속적으로 배치되어 개질 촉매 반응을 통해 상기 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 제1 반응부; 및 상기 제1 반응부와 연속적으로 배치되어 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 적어도 하나의 일산화탄소 저감부를 포함할 수도 있다.

그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 개질기에 있어서, 상기 일산화탄소 저감부는, 상기 수소 가스의 수성 가스 전환(Water-Gas Shift: WGS) 촉매 반응을 통해 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 제2 반응부를 포함할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 개질기에 있어서, 상기 일산화탄소 저감부는, 상기 수소 가스와 산소의 선택적 산화(Preferential CO Oxidation: PROX) 촉매 반응을 통해 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 적어도 하나의 제3 반응부를 포함할 수도 있다.

그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 개질기는, 상기 반응 기판이 열전도성을 갖는 써스, 알루미늄, 구리 철로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나의 재질로 형성되는 것이 바람직하다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 개질기에 있어서, 상기 가열부는, 상기 반응 기판의 채널 형성면에 결합되는 히팅 플레이트; 및 상기 히팅 플레이트의 일면에 형성되어 소정의 전원을 인가받아 상기 각각의 반응부에 대하여 서로 다른 온도 범위 열원을 발생시키는 열선 패턴을 포함할 수 있다.

이 경우 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 개질기는, 일 예로서 상기 열선 패턴이 상기 각각의 반응부에 대하여 서로 다른 간격을 가지면서 사행(蛇行: meander)의 형상으로 이루어진다.

그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 개질기는, 다른 예로서 상기 열선 패턴이 상기 각각의 반응부에 대하여 서로 다른 두께를 가지면서 사행(蛇行: meander)의 형상으로 이루어진다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 개질기는, 또 다른 예로서 상기 열선 패턴이 상기 각각의 반응부에 대하여 서로 다른 폭을 가지면서 사행(蛇行: meander)의 형상으로 이루어진다.

그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 개질기는, 상기 히팅 플레이트가 열전도성을 갖는 써스, 알루미늄, 구리 철로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나의 재질로 형성되는 것이 바람직하다.

아울러 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부; 및 열 에너지에 의한 화학 촉매 반응을 통해 수소를 함유한 연료로부터 수소 가스를 발생시키고, 이 수소 가스를 상기 전기 발생부로 공급하는 개질기를 포함하며,

상기 개질기는: 상기 연료의 흐름을 가능케 하는 채널과, 적어도 둘 이상의 반응부를 일체로 형성하는 반응 기판; 및 상기 반응 기판에 밀착 배치되어 상기 채널에 의한 통로를 형성하고 상기 각각의 반응부에 상기 열 에너지를 제공하는 가열 부 포함한다.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 반응 기판은 상기 각각의 반응부에 상응하는 반응 영역을 구획 형성하고 있다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 각각의 반응부는, 상기 통로의 유입구 측에 위치하는 상기 반응 영역에 형성되어 개질 촉매 반응을 통해 상기 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 제1 반응부; 및 상기 제1 반응부에 연속적으로 형성되어 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 적어도 하나의 일산화탄소 저감부를 포함한다.

대안으로서, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 개질기를 구성하는 상기 각각의 반응부는, 상기 통로의 유입구 측에 형성되어 상기 연료를 기화시키는 기화부; 상기 기화부와 연속적으로 배치되어 개질 촉매 반응을 통해 상기 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 제1 반응부; 및 상기 제1 반응부와 연속적으로 배치되어 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 적어도 하나의 일산화탄소 저감부를 포함할 수도 있다.

그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 일산화탄소 저감부는, 상기 수소 가스의 수성 가스 전환(Water-Gas Shift: WGS) 촉매 반응을 통해 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 제2 반응부를 포함할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 일산화탄소 저감부는, 상기 수소 가스와 산소의 선택적 산화(Preferential CO Oxidation: PROX) 촉 매 반응을 통해 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 적어도 하나의 제3 반응부를 포함할 수도 있다.

그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 가열부는, 상기 반응 기판의 채널 형성면에 결합되는 히팅 플레이트; 및 상기 히팅 플레이트의 일면에 형성되어 소정의 전원을 인가받아 상기 각각의 반응부에 대하여 서로 다른 온도 범위 열원을 발생시키는 열선 패턴을 포함할 수 있다.

이 경우 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 일 예로서 상기 열선 패턴이 상기 각각의 반응부에 대하여 서로 다른 간격을 가지면서 사행(蛇行: meander)의 형상으로 이루어진다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 다른 예로서 상기 열선 패턴이 상기 각각의 반응부에 대하여 서로 다른 두께를 가지면서 사행(蛇行: meander)의 형상으로 이루어진다.

그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 또 다른 예로서 상기 열선 패턴이 상기 각각의 반응부에 대하여 서로 다른 폭을 가지면서 사행(蛇行: meander)의 형상으로 이루어진다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 전기 발생부가 복수로 구비되어 이 전기 발생부들의 집합체에 의한 스택을 형성할 수 있다.

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 개략도이고, 도 2는 도 1에 도시한 스택의 구조를 나타내 보인 분해 사시도이다.

도면을 참고하면, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)은 수소를 함유한 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키고, 이 수소 가스와 산소를 반응시켜 전기 에너지를 발생시키는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrode Membrane Fuel Cell; PEMFC) 방식을 채용한다.

이러한 연료 전지 시스템(100)에 있어 전기를 발생시키기 위한 연료라 함은 메탄올, 에탄올 또는 천연 가스 등과 같이 액상 또는 기체 상태로 이루어진 연료를 포함한다. 그러나 이하에서 설명하는 연료는 상기한 액상의 연료와 물이 혼합된 혼합 연료를 의미한다.

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

본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)은, 기본적으로 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부(11)와, 전술한 바 있는 액상의 연료로부터 수소 가스를 발생시키고 이 수소 가스를 전기 발생부(11)로 공급하는 개질기(30)와, 상기 연료를 개질기(30)로 공급하는 연료 공급원(50)과, 산소를 개질기(30)와 전기 발생부(11)로 공급하는 산소 공급원(70) 을 포함하여 구성된다.

전기 발생부(11)는 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode Assembly: MEA)(12)를 중심에 두고 이의 양면에 세퍼레이터(당 업계에서는 '바이폴라 플레이트'라고도 한다.)(Separator)(16)를 배치하여 최소 단위의 연료 전지를 형성한다. 본 실시예에서는 위와 같은 최소 단위의 전기 발생부(11)를 복수로 구비하여 이들 전기 발생부(11)의 집합체인 스택(10)을 형성하고 있다. 여기서 상기 막-전극 어셈블리(12)는 양측에 애노드 전극과 캐소드 전극을 구비하며, 수소와 산소를 산화/환원 반응시키는 기능을 하게 된다. 그리고 세퍼레이터(16)는 막-전극 어셈블리(12)의 양측에 수소 가스와 산소를 함유한 공기를 공급하는 기능 이 외에, 상기 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체의 기능을 하게 된다. 이와 같은 스택(10)의 구성은 통상적인 고분자 전해질형 연료 전지의 스택 구성으로 이루어질 수 있으므로 본 명세서에서 그 자세한 설명한 생략하기로 한다.

본 발명에 적용되는 상기 개질기(30)는 열 에너지에 의한 화학 촉매 반응을 통해 상기 액상의 연료로부터 수소 가스를 발생시키고, 이 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 구조를 갖는다.

위와 같은 개질기(30)로 연료를 공급하는 연료 공급원(50)은 액상의 연료를 저장하는 연료 탱크(51)와, 연료 탱크(51)에 연결 설치되어 이 연료 탱크(51)에 저장된 연료를 배출시키는 연료 펌프(53)를 포함하고 있다.

그리고 산소 공급원(70)은 소정 펌핑력으로 공기를 흡입하여 이 공기를 상기 스택(10)의 전기 발생부(11)와 개질기(30)로 각각 공급하는 적어도 하나의 공기 펌 프(71)를 포함하고 있다.

상기와 같이 구성된 본 시스템(100)의 작용시, 개질기(30)로부터 발생되는 수소 가스를 세퍼레이터(16)를 통해 스택(10)의 전기 발생부(11)로 공급하고, 공기 펌프(71)로부터 흡입되는 공기를 세퍼레이터(16)를 통해 상기 전기 발생부(11)로 공급하게 되면, 상기 스택(10)에서는 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기와 물 그리고 열을 발생시킨다.

본 발명에 있어 상기 개질기(30)를 구성하는 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 개질기의 구조를 나타내 보인 분해 사시도이고, 도 4는 도 3의 결합 단면 구성도이다.

도면을 참고하면, 본 실시예에 의한 개질기(30)는 열 에너지에 의한 화학 촉매 반응을 통해 수소를 함유한 연료로부터 수소 가스를 발생시키기 위한 것으로, 상기 연료의 흐름과 상기 촉매 반응을 가능하게 하는 반응 기판(31)과, 이 반응 기판(31)에 결합되어 상기 열 에너지를 발생시키고 이 열 에너지를 상기 반응 기판(31)에 제공하는 가열부(37)를 포함한다.

상기 반응 기판(31)은 열전도성을 갖는 알루미늄, 구리, 니켈, 철과 같은 메탈 소재로 형성될 수 있고, 사각형의 플레이트 형상으로 이루어진다. 상기 반응 기판(31)의 일면, 즉 도면에서의 상면에는 상기 연료의 흐름을 가능하게 하는 채널(31c)을 형성하고 있다. 이 때 상기 채널(31c)은 기판 몸체(31a)의 일면에서 임의의 간격을 두고 돌출 형성된 리브(31h)들 사이의 공간에 의해 형성될 수 있다. 이 러한 채널(31c)은 몸체(31a)의 일면에 대해 임의의 간격을 두고 직선 상태로 배치되고, 그 양단을 교호적으로 연결하여 형성되고 있다. 그리고 상기 채널(31c)은 몸체(31a)의 일면에 대해 시작단과 끝단을 가지며, 그 시작단에 상기 연료가 유입되는 유입구(31f)를 형성하고, 끝단에는 상기 연료로부터 발생되는 수소 가스를 유출시키는 유출구(31g)를 형성하고 있다.

본 실시예에 따르면, 상기 반응 기판(31)은 상기한 수소 가스를 발생시키는 복수의 반응부(35)를 일체로 형성한다. 이에 상기 반응 기판(31)은 복수의 반응부(35)에 상응하는 복수의 반응 영역(a, b, c)을 구획 형성하고 있다. 여기서, 상기 복수의 반응 영역(a, b, c)은 반응 기판(31)의 일면에 대해 채널(31c)의 유입구(31f) 측에 형성되는 제1 영역(a)과, 상기 제1 영역(a)에 연속적으로 위치하는 제2 영역(b)과, 상기 제2 영역(c)에 연속적으로 위치하면서 상기 유출구(31g) 측에 형성되는 제3 영역(c)으로 구분할 수 있다.

상기 복수의 반응부(35)는 상기 연료의 수증기 개질(Steam reforming: SR) 촉매 반응을 통해 이 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 제1 반응부(42)와, 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 적어도 하나의 일산화탄소 저감부(45)를 구비한다. 이 때 상기 일산화탄소 저감부(45)는 제1 반응부(42)로부터 발생되는 수소 가스의 수성가스 전환(Water-Gas Shift: WGS) 촉매 반응을 통해 상기 수소 가스 중에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 제2 반응부(43)와, 상기 수소 가스와 공기의 선택적 산화(Preferential CO Oxidation: PROX) 촉매 반응을 통해 이 수소 가스 중에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 적어도 하나의 제3 반응부(44)를 구비하고 있다.

구체적으로, 상기 제1 반응부(42)는 반응 기판(31)의 제1 영역(a)에 형성되며, 이 제1 영역(a)에 위치하는 채널(31c)의 내표면에 상기 수증기 개질 반응을 촉진시키는 개질 촉매층(42a)을 형성하고 있다. 이 때 상기한 제1 반응부(42)의 촉매(42a)에 의한 개질 반응은 흡열 반응이며, 그 반응 개시 온도는 대략 300∼600℃이다.

상기 제2 반응부(43)는 반응 기판(31)의 제2 영역(b)에 형성되며, 이 제2 영역(b)에 위치하는 채널(31c)의 내표면에 상기 수성가스 전환 반응을 촉진시키는 수성가스 전환 촉매층(43a)을 형성하고 있다. 이 때 상기한 제2 반응부(43)의 촉매(43a)에 의한 수성가스 전환 반응은 발열 반응이며, 그 반응 개시 온도는 대략 200∼300℃이다.

그리고 상기 제3 반응부(44)는 반응 기판(31)의 제3 영역(c)에 형성되며, 이 제3 영역(c)에 위치하는 채널(31c)의 내표면에 상기 선택적 산화 반응을 촉진시키는 선택적 산화 촉매층(44a)을 형성하고 있다. 이 때 상기한 제3 반응부(44)의 촉매(44a)에 의한 선택적 산화 반응은 발열 반응이며, 그 반응 개시 온도는 대략 150∼200℃이다.

이와 같이 구성되는 각각의 반응부(35)에 대하여 열 에너지를 제공하는 본 실시예에 의한 가열부(37)는 소정 전원을 인가받아 상기 열 에너지를 발생시키는 열선 타입의 구조로 이루어진다.

본 실시예에 의하면, 상기 가열부(37)는 반응 기판(31)의 몸체(31a) 일면에 밀착 배치되는 히팅 플레이트(38)를 구비하는 바, 반응 기판(31)의 채널(31c)과 히팅 플레이트(38)의 밀착면에 의하여 연료를 통과시키는 통로(31d)를 형성한다. 상기 히팅 플레이트(38)는 반응 기판(31)과 같이 열전도성을 갖는 메탈 소재 예컨대, 알루미늄, 구리, 니켈, 철 등으로 형성될 수 있다. 이러한 히팅 플레이트(38)는 통상적인 결합수단(도시하지 않음)에 의해 반응 기판(31)의 몸체(31a)에 일체로 결합될 수 있다. 여기서 상기 결합수단은 예컨대, 용접 또는 프릿(frit) 등에 의해 반응 기판(31)과 히팅 플레이트(38)를 융착시키는 융착부를 구비할 수 있고, 반응 기판(31)과 히팅 플레이트(38)를 체결시키기 위한 통상적인 볼트와 너트를 구비할 수도 있다. 그러나 본 발명은 상기한 결합수단이 위에서 예시한 것들에 반드시 한정되는 것은 아니며, 플레이트와 플레이트를 일체로 결합시키는 다양한 결합수단을 구비할 수 있다.

그리고 상기 히팅 플레이트(38)의 일면, 바람직하게는 히팅 플레이트(38)의 상면에는 소정 전원을 인가받아 반응 기판(31)의 각각의 반응부(35)에 대하여 서로 다른 온도 범위의 열원을 제공하는 열선 패턴(39)을 형성하고 있다.

상기 열선 패턴(39)은 도전성을 가지면서 상기 전원에 의하여 소정 온도의 열 에너지를 발생시킬 수 있는 구리 또는 니켈 등으로 형성되며, 증착 또는 통상적인 마스크를 이용한 식각 방법에 의하여 히팅 플레이트(38)의 일면에 형성될 수 있다. 이러한 열선 패턴(39)은 히팅 플레이트(38)의 일면에 대하여 도면에 "A"로 표시한 부분이 임의의 간격을 두고 서로 평행하게 배치되고, 이 A 부분의 양단을 교호적으로 연결하여 사행(蛇行: meander)의 형상으로 형성되고 있다. 물론, 상기 열 선 패턴(39)의 형상이 이것으로 한정되는 것은 아니다.

이에 더하여 상기 히팅 플레이트(38)와 열선 패턴(39)으로 이루어지는 가열부(37)는 상기 열선 패턴(39)과 히팅 플레이트(38)가 도전성을 갖는 소재로 형성됨에 따라, 열선 패턴(39)과 히팅 플레이트(38) 사이에 이들을 서로 절연시키는 절연막(도시하지 않음)을 형성하고 있다.

본 실시예에 따르면, 상기한 열선 패턴(39)은 각각의 반응부(35)에 대하여 상기 A 부분이 서로 다른 간격으로 배치되어 서로 다른 온도 범위의 열원을 상기 각각의 반응부(35)에 제공할 수 있는 구조로 이루어진다.

즉, 상기 열선 패턴(39)은 제1 반응부(42)에 상응하는 A 부분의 간격이 제2 반응부(43)에 상응하는 A 부분의 간격 보다 상대적으로 좁게 형성되고, 제3 반응부(44)에 상응하는 A 부분의 간격이 제2 반응부(43)에 상응하는 A 부분의 간격 보다 상대적으로 넓게 형성되고 있다.

이는 상술한 바와 같이 제1 반응부(42)에서의 반응 개시 온도가 대략 300∼600℃이고, 제2 반응부(43)에서의 반응 개시 온도가 대략 200∼300℃이며, 제3 반응부(44)에서의 반응 개시 온도가 대략 150∼200℃이므로, 상기 각각의 반응부(35)에 상응하는 A 부분의 간격을 서로 다르게 하여 각각의 반응부(35)에서 요구되는 서로 다른 온도 범위의 열원을 발생시키기 위함이다.

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

우선, 가열부(37)의 열선 패턴(39)으로 전원을 인가한다. 그러면 상기한 열 선 패턴(39)은 전원을 인가받아 소정 온도의 열 에너지를 발생시킨다. 이 때 상기 열 에너지는 히팅 플레이트(38)로 전도되어 각각의 반응부(35)에 전달되게 된다.

이러는 과정에서, 상기 열선 패턴(39)은 상술한 바와 같이 각각의 반응부(35)에 상응하는 A 부분이 서로 다른 간격으로 배치됨에 따라, 제1 반응부(42)에 대해 대략 300∼600℃의 열원을 발생시키고, 제2 반응부(43)에 대해 대략 200∼300℃의 열원을 발생시키며, 제3 반응부(44)에 대해서는 대략 150∼200℃의 열원을 발생시킨다.

이러한 상태에서 연료 펌프(53)를 가동시켜 연료 탱크(51)에 저장된 연료를 반응 기판(31)의 통로(31d)로 공급한다. 이와 동시에 공기 펌프(71)를 가동시켜 공기를 상기 통로(31d)로 공급한다. 그러면 제1 반응부(42)에서는 열선 패턴(39)으로부터 제공되는 열 에너지를 흡열하여 200∼300℃의 고유한 반응 온도를 유지함에 따라, 상기한 열 에너지에 의하여 상기 연료를 기화시키고, 개질 촉매층(42a)에 의한 수증기 개질 반응을 통해 상기 기화된 연료의 분해 반응이 진행되어 이산화탄소와 수소를 함유하고 있는 수소 가스를 발생시킨다. 이 때 상기 제1 반응부(42)에서는 수증기 개질 촉매 반응에 의한 부(副) 생성물로서의 일산화탄소가 함유된 수소 가스를 생성하게 된다.

이어서, 상기 수소 가스는 통로(31d)를 통하여 제2 반응부(43)로 공급되는 바, 제2 반응부(43)에서는 수성가스 전환 촉매층(43a)에 의한 수성가스 전환 반응을 통해 상기 수소 가스로부터 추가의 수소를 발생시키고, 이 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 1차적으로 저감시킨다. 이 때 상기 제2 반응부(43)는 열선 패 턴(39)으로부터 제공되는 열 에너지를 전달받아 200∼300℃의 고유한 반응 온도를 유지함으로써 상기한 수성가스 전환 촉매 반응을 일으킬 수 있다.

다음, 상기 수소 가스는 통로(31d)를 통하여 제3 반응부(44)로 공급되는 바, 제3 반응부(44)에서는 선택적 산화 촉매층(44a)에 의한 상기 수소 가스와 공기의 선택적 산화 반응을 통해 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 2차적으로 저감시킨다. 이 때 상기 제3 반응부(44)는 열선 패턴(39)으로부터 제공되는 열 에너지를 전달받아 150∼200℃의 고유한 운전 온도를 유지함으로써 상기한 선택적 산화 촉매 반응을 일으킬 수 있다.

이 후, 제3 반응부(44)를 통해 일산화탄소의 농도가 저감된 수소 가스는 상기 통로(31d)의 유출구(31g)를 통해 배출되게 된다.

이어서, 상기 수소 가스를 스택(10)의 전기 발생부(11)로 공급한다. 이와 동시에, 공기 펌프(71)의 가동에 의하여 공기를 상기 전기 발생부(11)로 공급한다.

그러면 상기 수소 가스는 전기 발생부(11)의 세퍼레이터(16)를 통해 전극-전해질 합성체(12)의 애노드 전극으로 공급된다. 그리고 공기는 상기 세퍼레이터(16)를 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 서로 이웃하는 전기 발생부(11)로 이동하게 되는데 이 때 전자의 흐름으로 전류를 발생시킨다.

도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 개질기 구조를 도시한 단면 구성도이다.

도면을 참고하면, 이 경우는 각각의 반응부(35)에 상응하는 열선 패턴(39A)의 A 부분이 서로 다른 두께로 형성되어 각각의 반응부(35)에 대하여 서로 다른 온도 범위의 열원을 제공하는 개질기(30A)를 구성한다.

구체적으로, 상기 열선 패턴(39A)은 제1 반응부(42)에 상응하는 A 부분의 두께가 제2 반응부(43)에 상응하는 A 부분의 두께 보다 상대적으로 두껍게 형성되고, 제3 반응부(44)에 상응하는 A 부분의 두께가 제2 반응부(43)에 상응하는 A 부분의 두께 보다 상대적으로 얇게 형성되고 있다.

본 실시예에 의한 개질기(30A)의 나머지 구성 및 작용은 전기 제1 실시예와 동일하므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.

도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 개질기 구조를 도시한 단면 구성도이다.

도면을 참고하면, 이 경우는 각각의 반응부(35)에 상응하는 열선 패턴(39B)의 A 부분이 서로 다른 폭으로 형성되어 각각의 반응부(35)에 대하여 서로 다른 온도 범위의 열원을 제공하는 개질기(30B)를 구성한다.

구체적으로, 상기 열선 패턴(39B)은 제1 반응부(42)에 상응하는 A 부분의 폭이 제2 반응부(43)에 상응하는 A 부분의 폭 보다 상대적으로 크게 형성되고, 제3 반응부(44)에 상응하는 A 부분의 폭이 제2 반응부(43)에 상응하는 A 부분의 폭 보다 상대적으로 작게 형성되고 있다.

본 실시예에 의한 개질기(30B)의 나머지 구성 및 작용은 전기 제1 실시예와 동일하므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.

도 7은 본 발명의 제4 실시예에 따른 개질기 구조를 도시한 단면 구성도이다.

도면을 참고하면, 본 실시예에 따른 개질기(30C)는 전기 실시예들의 구조를 기본으로 하면서 반응 기판(31)에 대하여 제1 반응부(62) 및 적어도 둘 이상의 제3 반응부(64)를 연속적으로 배치하고 있다.

상기한 제3 반응부(64)는 제1 반응부(62)로부터 발생되는 수소 가스와 공기의 선택적 산화 촉매 반응을 통해 이 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키기 위한 것이다.

본 실시예에서 상기 제3 반응부(64)가 도면에 도시한 바와 같이 2의 개소로 구비되고 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 그 이상의 개소로 구비될 수 있다.

본 실시예에 의한 개질기(30C)의 나머지 구성 및 작용은 전기 실시예들과 동일하므로 자세한 설명은 생략한다.

도 8은 본 발명의 제5 실시예에 따른 개질기 구조를 도시한 단면 구성도이다.

도면을 참고하면, 본 실시예에 따른 개질기(30D)는 전술한 실시예들의 구조를 기본으로 하면서, 반응 기판(31)에 대하여 통로(31d)의 유입부측 제4 반응 영역(d)에 기화부(76)를 배치하여 이 통로(31d)로 유입되는 연료를 기화시킬 수 있는 구조로 이루어진다. 이 때 전술한 실시예들에서와 같은 제1 반응부(72), 제2 반응부(73) 및 제3 반응부(74)는 기화부(76)에 대해 순차적으로 연속 배치되는 것이 바람직하다.

이와 같은 기화부(76)는 가열부(37)로부터 대략 700℃ 정도의 열 에너지를 전달받아 상기 연료를 기화시킨 상태에서 상기 기화된 연료를 제1 반응부(72)로 공급한다.

이에 본 실시예에 의한 가열부(37)는 기화부(76)에 대하여 대략 700℃ 정도의 열 에너지를 발생시키도록, 전기 실시예들에서와 같은 열선 패턴(39)의 간격, 두께 또는 폭 등을 서로 다르게 하여 서로 다른 온도 범위의 열 에너지를 각각의 반응부(72, 73, 74, 76)에 제공할 수 있는 구조로 이루어진다. 이러한 열선 패턴(39)의 구조는 전기 실시예들에서 설명한 바 있으므로 자세한 설명은 생략한다.

도 9는 본 발명의 제6 실시예에 따른 개질기 구조를 도시한 단면 구성도이다.

도면을 참고하면, 이 경우는 전기 제5 실시예의 구조를 기본으로 하면서, 반응 기판(31)에 대하여 기화부(86), 제1 반응부(82) 및 적어도 둘 이상의 제3 반응부(84)를 연속적으로 구획 형성하고 있는 개질기(30E)를 구성한다.

본 실시예에 의한 개질기(30E)의 나머지 구성 및 작용은 전기 실시예들과 동일하므로 자세한 설명은 생략한다.

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, 연료의 흐름이 가능한 채널을 갖는 반응 기판에 복수의 반응부를 일체로 형성하여 개질기를 구성하는 바, 개질기의 크기를 줄여 전체적인 시스템을 컴팩트하게 구현할 수 있는 효과가 있다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 의하면, 개질기의 각 반응부에 대하여 서로 다른 온도 범위의 열원을 동시에 제공할 수 있는 가열부를 구비하므로, 개질기의 초기 기동 시간을 단축시킬 수 있기 때문에 전체적인 시스템의 열 효율 및 반응 효율을 극대화시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (23)

1. 연료의 흐름을 가능케 하는 채널과, 적어도 둘 이상의 반응부를 일체로 형성하는 반응 기판; 및

   상기 반응 기판에 밀착 배치되어 상기 채널에 의한 통로를 형성하고, 상기 각각의 반응부에 대하여 서로 다른 온도 범위의 열원을 제공하는 가열부

   를 포함하는 연료 전지 시스템의 개질기.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 통로는 연료의 유출입을 가능하게 하는 유입구와 유출구를 구비하는 연료 전지 시스템의 개질기.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 각각의 반응부는,

   상기 통로의 유입구 측에 형성되어 개질 촉매 반응을 통해 상기 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 제1 반응부; 및

   상기 제1 반응부에 연속적으로 형성되어 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 적어도 하나의 일산화탄소 저감부를 포함하는 연료 전지 시스템의 개질기.
4. 제 2 항에 있어서,

   상기 각각의 반응부는,

   상기 통로의 유입구 측에 형성되어 상기 연료를 기화시키는 기화부;

   상기 기화부와 연속적으로 배치되어 개질 촉매 반응을 통해 상기 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 제1 반응부; 및

   상기 제1 반응부와 연속적으로 배치되어 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 적어도 하나의 일산화탄소 저감부를 포함하는 연료 전지 시스템의 개질기.
5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,

   상기 일산화탄소 저감부는,

   상기 수소 가스의 수성 가스 전환(Water-Gas Shift: WGS) 촉매 반응을 통해 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 제2 반응부를 포함하는 연료 전지 시스템의 개질기.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 일산화탄소 저감부는,

   상기 수소 가스와 산소의 선택적 산화(Preferential CO Oxidation: PROX) 촉매 반응을 통해 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 적어도 하나의 제3 반응부를 포함하는 연료 전지 시스템의 개질기.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 반응 기판이 열전도성을 갖는 써스, 알루미늄, 구리 철로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나의 재질로 형성되는 연료 전지 시스템의 개질기.
8. 제 1 항에 있어서,

   상기 가열부는,

   상기 반응 기판의 채널 형성면에 결합되는 히팅 플레이트; 및

   상기 히팅 플레이트의 일면에 형성되어 소정의 전원을 인가받아 상기 각각의 반응부에 대하여 서로 다른 온도 범위 열원을 발생시키는 열선 패턴을 포함하는 연료 전지 시스템의 개질기.
9. 제 8 항에 있어서,

   상기 열선 패턴이 상기 각각의 반응부에 대하여 서로 다른 간격을 가지면서 사행(蛇行: meander)의 형상으로 이루어지는 연료 전지 시스템의 개질기.
10. 제 8 항에 있어서,

    상기 열선 패턴이 상기 각각의 반응부에 대하여 서로 다른 두께를 가지면서 사행(蛇行: meander)의 형상으로 이루어지는 연료 전지 시스템의 개질기.
11. 제 8 항에 있어서,

    상기 열선 패턴이 상기 각각의 반응부에 대하여 서로 다른 폭을 가지면서 사행(蛇行: meander)의 형상으로 이루어지는 연료 전지 시스템의 개질기.
12. 제 8 항에 있어서,

    상기 히팅 플레이트가 열전도성을 갖는 써스, 알루미늄, 구리 철로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나의 재질로 형성되는 연료 전지 시스템의 개질기.
13. 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부; 및

    열 에너지에 의한 화학 촉매 반응을 통해 수소를 함유한 연료로부터 수소 가스를 발생시키고, 이 수소 가스를 상기 전기 발생부로 공급하는 개질기

    를 포함하며,

    상기 개질기는:

    상기 연료의 흐름을 가능케 하는 채널과, 적어도 둘 이상의 반응부를 일체로 형성하는 반응 기판; 및 상기 반응 기판에 밀착 배치되어 상기 채널에 의한 통로를 형성하고 상기 각각의 반응부에 상기 열 에너지를 제공하는 가열부 포함하는 연료 전지 시스템.
14. 제 13 항에 있어서,

    상기 반응 기판은 상기 각각의 반응부에 상응하는 반응 영역을 구획 형성하는 연료 전지 시스템.
15. 제 14 항에 있어서,

    상기 각각의 반응부는,

    상기 통로의 유입구 측에 위치하는 상기 반응 영역에 형성되어 개질 촉매 반응을 통해 상기 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 제1 반응부; 및

    상기 제1 반응부에 연속적으로 형성되어 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 적어도 하나의 일산화탄소 저감부를 포함하는 연료 전지 시스템.
16. 제 14 항에 있어서,

    상기 각각의 반응부는,

    상기 통로의 유입구 측에 형성되어 상기 연료를 기화시키는 기화부;

    상기 기화부와 연속적으로 배치되어 개질 촉매 반응을 통해 상기 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 제1 반응부; 및

    상기 제1 반응부와 연속적으로 배치되어 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 적어도 하나의 일산화탄소 저감부를 포함하는 연료 전지 시스템.
17. 제 15 항 또는 제 16 항에 있어서,

    상기 일산화탄소 저감부는,

    상기 수소 가스의 수성 가스 전환(Water-Gas Shift: WGS) 촉매 반응을 통해 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 제2 반응부를 포함하는 연료 전지 시스템.
18. 제 17 항에 있어서,

    상기 일산화탄소 저감부는,

    상기 수소 가스와 산소의 선택적 산화(Preferential CO Oxidation: PROX) 촉매 반응을 통해 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 적어도 하나의 제3 반응부를 포함하는 연료 전지 시스템.
19. 제 13 항에 있어서,

    상기 가열부는,

    상기 반응 기판의 채널 형성면에 결합되는 히팅 플레이트; 및

    상기 히팅 플레이트의 일면에 형성되어 소정의 전원을 인가받아 상기 각각의 반응부에 대하여 서로 다른 온도 범위 열원을 발생시키는 열선 패턴을 포함하는 연료 전지 시스템.
20. 제 19 항에 있어서,

    상기 열선 패턴이 상기 각각의 반응부에 대하여 서로 다른 간격을 가지면서 사행(蛇行: meander)의 형상으로 이루어지는 연료 전지 시스템.
21. 제 19 항에 있어서,

    상기 열선 패턴이 상기 각각의 반응부에 대하여 서로 다른 두께를 가지면서 사행(蛇行: meander)의 형상으로 이루어지는 연료 전지 시스템.
22. 제 19 항에 있어서,

    상기 열선 패턴이 상기 각각의 반응부에 대하여 서로 다른 폭을 가지면서 사행(蛇行: meander)의 형상으로 이루어지는 연료 전지 시스템.
23. 제 13 항에 있어서,

    상기 전기 발생부가 복수로 구비되어 이 전기 발생부들의 집합체에 의한 스택을 형성하는 연료 전지 시스템.

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