KR100570755B1 - 연료 전지 시스템의 개질기 및 이를 채용한 연료 전지시스템 - Google Patents

연료 전지 시스템의 개질기 및 이를 채용한 연료 전지시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료 전지 시스템의 개질기 구조에 관한 것이다.
이를 위하여 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 수소를 함유한 액상의 연료를 개질하여 수소가 풍부한 개질 가스를 생성하는 개질기와, 상기한 개질 가스와 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 전기를 발생시키는 스택과, 상기 개질기로 액상의 연료를 공급하는 연료 공급부와, 상기 개질기 및 스택으로 외부 공기를 공급하는 공기 공급부를 포함하며, 상기 개질기는 소정의 촉매 반응에 의해 상기 개질 가스를 발생시키는 개질 반응부와, 상기 개질 반응부 전체를 감싸도록 설치되는 단열부를 포함하고, 상기 단열부는 상기 개질 반응부를 감싸는 내벽과, 상기 내벽과 소정 간격 이격되도록 그 내벽을 감싸는 외벽을 구비하며, 상기 내벽과 외벽 사이의 공간이 진공 상태를 유지한다.
연료전지, 연료 공급부, 공기 공급부, 개질기, 스택, 개질 반응부, 단열부

Description

연료 전지 시스템의 개질기 및 이를 채용한 연료 전지 시스템 {REFORMER FOR FUEL CELL SYSTEM AND FUEL CELL SYSTEM HAVING THEREOF}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 도시한 개략도이다.
도 2는 도 1에 도시한 개질기 구조를 나타내 보인 단면 구성도이다.
도 3은 도 1에 도시한 스택 구조를 나타내 보인 분해 사시도이다.
본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료 전지 시스템의 개질기 구조에 관한 것이다.
일반적으로, 연료 전지는 메탄올이나 천연가스 등 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소 또는 산소를 포함한 공기를 연료로 하여 일어나는 전기화학 반응에 의해 화학에너지를 직접 전기에너지로 변화시키는 발전 시스템이다. 특히, 연료 전지는 연소 과정 없이 수소와 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 생성되는 전기와 그 부산물인 열을 동시에 사용할 수 있다는 특징을 갖고 있다.
이러한 연료 전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라, 150∼200℃ 부근에서 작동하는 인산형 연료전지, 600∼700℃의 고온에서 작동하는 용융탄산염 형 연료전지, 1000℃ 이상의 고온에서 작동하는 고체 산화물형 연료전지, 상온 내지 100℃ 이하에서 작동하는 고분자 전해질형 및 알칼리형 연료전지 등으로 분류되며, 이들 각각의 연료전지는 근본적으로 같은 원리에 의해 작동하나, 연료의 종류, 운전 온도, 촉매 및 전해질이 서로 다르다.
이 중에서 근래에 개발되고 있는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrance Fuel Cell: PEMFC)는, 다른 연료 전지에 비하여 출력 특성이 탁월하고 작동 온도가 낮을뿐더러 빠른 시동 및 응답 특성을 가지고 있으며, 메탄올, 에탄올, 천연 가스 등을 개질하여 만들어진 수소를 연료로 사용하여 자동차와 같은 이동용 전원은 물론, 주택, 공공건물과 같은 분산용 전원 및 전자기기용과 같은 소형 전원 등 그 응용 범위가 넓은 장점을 가지고 있다.
상기와 같은 고분자 전해질형 연료 전지가 기본적으로 시스템의 구성을 갖추기 위해서는, 스택(stack)이라 불리는 연료 전지 본체(이하, 편의상 스택이라 칭한다.), 연료 탱크 및 이 연료 탱크로부터 상기 스택으로 연료를 공급하기 위한 연료 펌프 등이 필요하다. 그리고, 연료 탱크에 저장된 연료를 스택으로 공급하는 과정에서 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키고 그 수소 가스를 스택으로 공급하는 개질기(reformer)가 더욱 포함된다. 따라서, 고분자 전해질형 연료 전지는 연료 펌프의 펌핑력에 의해 연료 탱크에 저장된 연료를 개질기로 공급하고, 개질기가 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키며, 스택이 수소 가스와 산소를 전기 화학적으로 반응하여 전기에너지를 생산해 내게 된다.
한편, 연료 전지는 수소를 함유한 액상의 연료를 직접 스택에 공급하여 전기를 생산해 낼 수 있는 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC) 방식을 채용할 수 있다. 이러한 직접 메탄올형 연료 방식의 연료 전지는 고분자 전해질형 연료 전지와 달리, 개질기가 배제된다.
상기와 같은 연료 전지 시스템에 있어서, 전기를 실질적으로 발생시키는 스택은 전극-전해질 합성체(Membrane Electrode Assembly: MEA)와 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)로 이루어진 단위 셀이 수개 내지 수십개로 적층된 구조를 가진다. 전극-전해질 합성체는 전해질막을 사이에 두고 애노드 전극과 캐소드 전극이 부착된 구조를 가진다. 그리고 바이폴라 플레이트는 연료 전지의 반응에 필요한 산소와 수소 가스가 공급되는 통로의 역할과 각 전극-전해질 합성체의 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체의 역할을 동시에 수행한다. 따라서, 바이폴라 플레이트에 의해 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 전기와 열 그리고 물을 함께 얻을 수 있다.
전술한 바 있는 개질기는 수소를 함유한 액상의 연료와 물을 개질 촉매 반응에 의해 스택의 전기 생성에 필요한 수소 가스로 전환할 뿐만 아니라, 연료 전지를 피독시켜 수명을 단축시키는 일산화탄소와 같은 유해 물질을 제거하는 장치이다. 상기한 개질기는 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키는 개질부와, 그 수소 가스로부터 일산화탄소를 제거하는 일산화탄소 제거부를 포함한다. 개질부는 연료를 수 증기 개질, 부분산화, 자열 반응 등의 촉매 반응을 통해 상기한 연료를 수소가 풍부한 개질 가스로 전환한다. 일산화탄소 제거부는 수성가스 전환 방법, 선택적 산화 방법 등과 같은 촉매 반응 또는 분리막을 이용한 수소의 정제 등과 같은 방법으로 개질 가스로부터 일산화탄소를 제거한다.
종래에 따른 연료 전지 시스템의 개질기에 있어 개질부는 연료와 공기의 산화 촉매 반응을 유도하여 연소열을 발생시키는 발열 반응부와, 상기한 연소열을 전달받아 연료의 개질 촉매 반응을 유도하여 수소 가스를 발생시키는 흡열 반응부로 구성된다. 따라서 개질부는 흡열 반응부가 발열 반응부로부터 소정의 반응열을 전달받아 개질 촉매 반응에 의해 액상의 연료와 물의 혼합 연료로부터 수소가 풍부한 개질 가스를 발생시키게 된다.
그런데, 종래에 따른 연료 전지 시스템의 개질기는 상기한 고온의 반응열이 외부로 유출되기 쉬우므로, 이로 인해 개질부에서의 온도 불균형이 발생함에 따라 개질기 전체의 반응 효율 및 열효율이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 감안한 것으로서, 그 목적은 개질 가스를 생성하기 위한 반응열을 단열할 수 있는 연료 전지 시스템의 개질기 및 이를 채용한 연료 전지 시스템을 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 개질기는, 수소를 함유한 액상의 연료로부터 수소가 풍부한 개질 가스를 발생시키는 개질 반응부; 및 상기 개질 반응부 전체를 감싸도록 설치되는 단열부를 포함하며, 상기 단열부는 상기 개질 반응부를 감싸는 내벽과, 상기 내벽과 소정 간격 이격되도록 그 내벽을 감싸는 외벽을 구비하고, 상기 내벽과 외벽 사이의 공간이 진공 상태를 유지한다.
이 경우 상기 내, 외벽은 세라믹, 스테인레스 또는 알루미늄으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나의 재질로 형성될 수 있다.
그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 개질기에 있어서, 상기 개질 반응부는, 산화 촉매 반응에 의해 상기 액상의 연료와 공기를 연소시켜 열을 발생시키는 제1 반응부와, 상기 제1 반응부로부터 발생되는 열을 흡열하여 상기 액상의 연료와 물의 혼합 연료를 기화시키고, 개질 촉매 반응에 의해 상기 기화된 연료로부터 개질 가스를 발생시키는 제2 반응부를 포함할 수 있다.
더욱이 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 개질기는, 상기 개질 반응부와 연결 설치되어 이 개질 반응부에 의해 생성된 개질 가스로부터 일산화탄소의 농도를 저감시키는 적어도 하나의 일산화탄소 저감부를 더 포함할 수도 있다.
또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 수소를 함유한 액상의 연료를 개질하여 수소가 풍부한 개질 가스를 생성하는 개질기와, 상기한 개질 가스와 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 전기를 발생시키는 스택과, 상기 개질기로 액상의 연료를 공급하는 연료 공급부와, 상기 개질기 및 스택으로 외부 공기를 공급하는 공기 공급부를 포함하며, 상기 개질기는 소정의 촉매 반응에 의해 상기 개질 가스를 발생시키는 개질 반응부와, 상기 개질 반응부 전체를 감싸도록 설치되는 단열부를 포함하고, 상기 단열부는 상기 개질 반응부를 감싸는 내벽과, 상기 내벽과 소정 간격 이격되도록 그 내벽을 감싸는 외벽을 구비하며, 상기 내벽과 외벽 사이의 공간이 진공 상태를 유지한다.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 연료 공급부가, 상기 액상의 연료를 저장하는 제1 탱크와, 물을 저장하는 제2 탱크와, 상기 제1 및 제2 탱크에 연결 설치되는 연료 펌프를 포함하며, 상기 공기 공급부는 외부 공기를 흡입하는 공기 펌프를 포함할 수 있다.
그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 개질 반응부는: 산화 촉매 반응에 의해 상기 액상의 연료와 공기를 연소시켜 열을 발생시키는 제1 반응부; 및 상기 제1 반응부로부터 발생되는 열을 흡열하여 상기 액상의 연료와 물의 혼합 연료를 기화시키고, 개질 촉매 반응에 의해 상기 기화된 연료로부터 개질 가스를 발생시키는 제2 반응부를 포함할 수 있다.
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그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 단열부를 관통하여 상기 개질 반응부에 연결되는 제1,2,3 공급라인을 구비하는데, 상기 제1 공급라인이 연료 공급부와 연결되어 상기 제1 공급라인을 통해 액상의 연료를 제1 반응부로 공급하고, 상기 제2 공급라인이 공기 공급부와 연결되어 상기 제2 공급라인을 통해 외부의 공기를 제1 반응부로 공급하며, 상기 제3 공급라인이 연료 공급부와 연결되어 상기 제3 공급라인을 통해 액상의 연료와 물의 혼합 연료를 제2 반응부로 공급할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 개질기는, 상기 개질 반응부와 연결 설치되어 이 개질 반응부에 의해 생성된 개질 가스로부터 일산화탄소의 농도를 저감시키는 적어도 하나의 일산화탄소 저감부를 더 포함할 수도 있다.
그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 단열부를 관통하여 상기 개질 반응부와 일산화탄소 저감부를 연결하는 제4 공급라인을 구비하고, 상기 일산화탄소 저감부와 스택이 제5 공급라인에 의해 연결되며, 상기 공기 공급부와 스택이 제6 공급라인에 의해 연결될 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.
본 시스템은 수소를 함유한 연료를 개질하여 수소가 풍부한 개질 가스를 생성하고, 상기한 개질 가스와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 생기는 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrode Membrane Fuel Cell; PEMFC) 방식을 채용한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 도시한 개략도이다.
도 1을 참고하면, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)은, 기본적으로 수소를 함유한 연료를 개질하여 수소가 풍부한 개질 가스를 생성하는 개질기(20)와, 개질기(20)에 의해 생성된 개질 가스와 산소의 화학 반응 에너지를 전기 에너지로 변환시켜 전기를 생산 해 내는 스택(10)과, 상기한 연료를 개질기(20)로 공급하는 연료 공급부(30)와, 외부의 공기를 스택(10)과 개질기(20)로 각각 공급하는 공기 공급부(40)를 포함하여 구성된다.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)에 있어 전기를 생성하기 위한 실질적인 연료라 함은 메탄올, 에탄올, 천연 가스 등과 같은 탄화 수소 또는 알코올 계열의 수소 연료 이 외에 물 및 산소가 더욱 포함된다. 이 중에서 액상의 연료와 물을 이하의 설명에서는 편의상 혼합 연료라 정의한다.
그리고 본 시스템(100)은 전술한 바 있는 공기 공급부(40)로부터 공급되는 외부 공기 중의 산소와 상기한 개질 가스의 전기 화학적인 반응에 의해 전기를 발생시킬 수 있다.
대안으로서, 본 시스템(100)은 별도로 저장된 산소 가스와 개질기(20)로부터 개질된 개질 가스를 스택(10)으로 공급하여 이들의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시킬 수도 있다.
그러나 이하에서는 전기 생성에 필요한 산소로서 외부의 공기를 그대로 사용하는 후자의 예를 설명한다.
전술한 바 있는 연료 공급부(30)는 수소를 함유한 액상의 연료 즉, 메탄올, 에탄올, 천연 가스 등과 같은 탄화 수소 또는 알코올 계열의 수소 연료를 저장하는 제1 탱크(31)와, 물을 저장하는 제2 탱크(32)와, 제1 탱크(31) 및 제2 탱크(32)에 각각 연결 설치되는 연료 펌프(33)를 구비한다. 그리고 공기 공급부(40)는 외부의 공기를 흡입하는 공기 펌프(41)를 포함한다.
도 2는 도 1에 도시한 개질기 구조를 나타내 보인 단면 구성도이다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 본 시스템(100)에 적용되는 개질기(20)는 소정의 촉매 반응에 의해 상기한 혼합 연료로부터 수소가 풍부한 개질 가스를 발생시키는 개질 반응부(21)를 포함하여 구성된다.
상기 개질 반응부(21)는 액상의 연료와 공기를 연소시켜 소정 온도의 반응열을 발생시키는 제1 반응부(22)와, 상기한 반응열을 이용하여 수소가 풍부한 개질 가스를 발생시키는 제2 반응부(23)를 구비하고 있다.
상기 제1 반응부(22)는 개질 가스의 생성에 필요한 열원을 공급하기 위한 발열 부분으로서, 액상의 연료와 외부의 공기를 산화 촉매 반응으로 연소시키는 구조를 갖는다.
제1 반응부(22)는 위와 같은 연료와 공기의 유체 흐름을 가능하게 하는 유로 채널(도시하지 않음)을 형성하고 있는 플레이트 타입으로 이루어지는 것이 바람직하다. 그리고 유로 채널에는 연료와 공기의 산화 촉매 반응을 촉진시키는 통상적인 산화 촉매층(도시하지 않음)을 형성하고 있다. 이 때 제1 반응부(22)와 연료 공급부(30)의 제1 탱크(31)는 제1 공급라인(51)에 의해 연결될 수 있다. 그리고 제1 반응부(22)와 공기 공급부(40)는 제2 공급라인(52)에 의해 연결될 수 있다. 아울러 제1 반응부(22)에는 산화 촉매 반응에 의해 연소된 연소 가스와, 미반응 하고 남은 연료와 공기를 개질기(20)의 외부로 배출할 수 있는 소정의 배출라인(59)이 연결될 수도 있다.
제2 반응부(23)는 제1 반응부(22)로부터 발생하는 반응열을 흡열하여 혼합 연료를 증발시키는 기능을 갖는다. 그리고 제2 반응부(23)는 수증기 개질(Steam Reformer: SR) 촉매 반응에 의해 상기 기화된 유체로부터 수소가 풍부한 개질 가스를 발생시키는 기능도 갖는다. 제2 반응부(23)는 위와 같은 개질 촉매 반응에 필요한 혼합 연료의 유체 흐름을 가능하게 하는 유로 채널(도시하지 않음)을 형성하고 있는 플레이트 타입으로 이루어지며, 상기한 제1 반응부(22)에 밀접하도록 설치되는 것이 바람직하다. 그리고 상기한 유로 채널에는 혼합 연료의 개질 촉매 반응을 촉진시키는 통상적인 촉매층(도시하지 않음)을 형성하고 있다. 이 때 제2 반응부(23)와 연료 공급부(30)의 제1,2 탱크(31, 32)는 제3 공급라인(53)에 의해 연결될 수 있다.
본 발명에 의하면, 상기한 바와 같이 각각의 제1 및 제2 반응부(22, 23)가 유로 채널을 가지면서 서로 밀접하는 플레이트 타입으로 이루어지는 것에 한정되지 않고, 원통형의 반응 용기 타입으로 이루어질 수도 있다. 즉, 제1 반응부(22)가 반응 용기의 내부에 산화 촉매층이 형성된 구조를 가지며, 제2 반응부(23)가 반응 용기의 내부에 개질 촉매층이 형성된 구조를 가지면서 제2 반응부(23)의 반응 용기가 제1 반응부(22)의 반응 용기 내에 위치하도록 구성될 수 있다.
한편, 본 실시예에 의한 개질기(20)는 스택(10)과 개질 반응부(21) 사이에, 수성가스 전환(Water-Gas Shift Reaction: WGS) 촉매 반응 또는 선택적 산화(Preferential CO Oxidation: PROX) 촉매 반응을 통해 상기한 개질 가스의 일산화탄소 농도를 저감시키는 적어도 하나의 일산화탄소 저감부(24)를 배치할 수도 있다.
상기한 일산화탄소 저감부(24)는 개질 반응부(21)와 연결 설치되는 원통 형의 반응 용기(25)와, 반응 용기(25)의 내부에 형성되는 통상적인 수성 가스 전환 촉매층 또는 일산화탄소 선택 산화 촉매층을 포함하여 구성된다. 반응 용기(25)는 개질 반응부(21)로부터 배출되는 개질 가스가 용기의 내부 공간으로 유입되도록 하는 유입구(25a)와, 상기한 내부 공간에서 위와 같은 촉매층에 의해 촉매 반응을 일으켜 일산화탄소의 농도가 저감된 개질 가스를 스택(10)으로 배출하도록 하는 유출구(25b)를 형성하고 있다. 여기서 반응 용기(25)의 유입구(25a)와 개질 반응부(21)의 제2 반응부(23)는 제4 공급라인(54)에 의해 연결될 수 있다. 그리고 반응 용기(25)의 유출구(25b)와 스택(10)은 제5 공급라인(55)에 의해 연결 설치될 수 있다.
도 3은 도 1에 도시한 스택 구조를 나타내 보인 분해 사시도이다.
도 1 및 도 3을 참고하면, 본 시스템(100)에 적용되는 스택(10)은 상기와 같은 구조의 개질기(20)를 통해 개질된 개질 가스와 공기의 산화/환원 반응을 유도하여 전기 에너지를 발생시키는 복수의 전기 생성부(11)를 구비하고 있다.
각각의 전기 생성부(11)는 전기를 발생시키는 단위의 셀을 의미하며, 개질 가스와 공기 중의 산소를 산화/환원시키는 전극-전해질 합성체(Membrane Electrode assembly: MEA )(12) 및, 개질 가스와 공기를 전극-전해질 합성체(12)로 공급하기 위한 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)(16)를 포함하여 구성된다.
이러한 전기 생성부(11)는 전극-전해질 합성체(12)를 중심에 두고 이의 양측 에 바이폴라 플레이트(16)가 각각 배치된다. 이로서 스택(10)은 위와 같은 복수의 전기 생성부(11)가 연속적으로 배치됨으로써 구성된다. 그리고 스택(10)의 최외측에는 엔드 플레이트(13)가 위치하고 있다.
전극-전해질 합성체(12)는 양측면을 이루는 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 전해질막이 개재된 통상적인 MEA(Membrane Electrode Assembly)의 구조를 가진다. 애노드 전극은 바이폴라 플레이트(16)를 통해 개질 가스를 공급받는 부분으로서, 산화 반응에 의해 개질 가스를 전자와 수소 이온으로 변환시키는 촉매층과, 전자와 수소 이온의 원활한 이동을 위한 기체 확산층(Gas Diffusion Layer: GDS)으로 구성된다. 캐소드 전극은 바이폴라 플레이트(16)을 통해 공기를 공급받는 부분으로서, 환원 반응에 의해 공기 중의 산소를 전자와 산소 이온으로 변환시키는 촉매층과, 전자와 산소 이온의 원활한 이동을 위한 기체 확산층으로 구성된다. 그리고 전해질막은 두께가 50∼200㎛인 고체 폴리머 전해질로서, 애노드 전극의 촉매층에서 생성된 수소 이온을 캐소드 전극의 촉매층으로 이동시키는 이온 교환의 기능을 가진다.
바이폴라 플레이트(16)는 전극-전해질 합성체(12)를 사이에 두고 그 양측에 각각 배치되어 전극-전해질 합성체(12)의 애노드 전극 및 캐소드 전극에 밀착된다. 그리고 바이폴라 플레이트(16)에는 전극-전해질 합성체(12)의 애노드 전극 및 캐소드 전극에 각각 밀착되는 밀착면에 애노드 전극으로 개질 가스를 공급하고, 캐소드 전극으로 공기를 공급하기 위한 유로 채널(17)을 형성하고 있다.
그리고 각각의 엔드 플레이트(13)는 스택(10)의 최외측에 각각 배치되어 복 수의 전기 생성부(11)를 밀착하는 기능을 갖는다. 또한 엔드 플레이트(13)에는 바이폴라 플레이트(16)의 유로 채널(17)에 개질기(20)로부터 생성된 개질 가스를 주입하기 위한 제1 공급관(13a)과, 상기한 유로 채널(17)에 공기를 주입하기 위한 제2 공급관(13b)과, 복수의 전기 생성부(11)에서 최종적으로 미반응되고 남은 수소 가스를 배출시키기 위한 제1 배출관(13c)과, 전기 생성부(11)에서 최종적으로 미반응되고 남은 공기를 배출시키기 위한 제2 배출관(13d)을 구비하고 있다. 여기서 제1 공급관(13a)은 전술한 바 있는 제5 공급라인(55)에 의해 일산화탄소 저감부(24)와 연결될 수 있다. 그리고 제2 공급관(13b)은 제6 공급라인(56)에 의해 공기 공급부(40)와 연결될 수 있다.
상기와 같은 구조를 갖는 본 시스템(100)의 작용시 개질 반응부(21)의 제1 반응부(22)에서 발생하는 반응열의 일부가 제2 반응부(23)로 전달되지 못하고 외부로 유출될 수 있고, 이로 인해 제2 반응부(23)에서 온도 불균형이 발생하여 반응 효율이나 열효율이 저하될 수 있다.
이에 본 발명의 실시예에 따르면 개질기(20)가, 개질 반응부(21)로부터 발생하는 반응열이 외부로 유출되지 않게 단열시키는 단열부(26)를 구비하고 있다.
도 2를 참고하면, 본 실시예에 의한 단열부(26)는 개질 반응부(21) 전체를 감싸는 내벽(27)과, 내벽(27)과 소정 간격 이격되도록 그 내벽(27)을 감싸는 외벽(28)을 포함하여 구성된다. 그리고 상기한 내벽(27)과 외벽(28) 사이의 공간이 진공 처리되어 진공 상태를 유지하고 있다.
상기 내벽(27)은 개질 반응부(21) 전체에 밀접되면서 제1 반응부(22) 및 제2 반응부(23)를 감싸도록 배치된다. 그리고 외벽(28)은 내벽(27)을 지지하면서 내벽(27)과의 사이에 상기한 진공 공간을 형성하도록 배치된다.
대안으로서, 본 발명의 실시예에 의한 단열부(26)는 상기 내벽(27)과 외벽(28) 사이의 공간에 유리 섬유와 같은 통상적인 단열 소재를 개재하여 개질 반응부(21)로부터 발생하는 반응열을 단열시킬 수도 있다.
그리고 상기한 내벽(27)과 외벽(28)은 상대적으로 열전도도가 작은 단열 소재 예컨대, 써스, 지르코늄, 스테인레스, 알루미늄 등과 같은 금속 단열 소재 또는 세라믹과 같은 비금속 단열 소재로 형성될 수 있다.
상기한 단열부(26)에는 제1,2 공급라인(51, 52)이 외벽(28)과 내벽(27)을 관통하여 제1 반응부(22)와 연결되도록 하는 제1,2 연결구(29a, 29b)와, 제3,4 공급라인(53, 54)이 외벽(28)과 내벽(27)을 관통하여 제2 반응부(23)와 연결되도록 하는 제3,4 연결구(29c, 29d)를 구비하고 있다.
또한 단열부(26)에는 배출라인(59)이 외벽(28)과 내벽(27)을 관통하여 제1 반응부(22)와 연결되도록 하는 제5 연결구(29e)를 형성하고 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 동작을 상세히 설명하면 다음과 같다.
우선, 연료 펌프(33)를 가동시켜 제1 탱크(31)에 저장된 액상의 연료를 제1 공급라인(51)을 통해 제1 반응부(22)로 공급한다. 이와 동시에, 공기 펌프(41)를 가동시켜 외부의 공기를 제2 공급라인(52)를 통해 상기한 제1 반응부(22)로 공급한다. 그러면 제1 반응부(22)에서는 액상의 연료와 공기의 산화 촉매 반응에 의해 소 정 온도의 반응열을 발생시키게 된다. 이 때 제1 반응부(22)에서 발생하는 연소 가스, 미반응 하고 남은 연료 및 공기는 배출라인(59)을 통해 개질기(20)의 외부로 배출되게 된다.
이어서, 연료 펌프(33)를 가동시켜 제1 탱크(31) 및 제2 탱크(32)에 저장된 액상의 연료와 물을 제3 공급라인(53)을 통해 제2 반응부(23)로 공급한다. 이 때 상기한 제2 반응부(23)는 제1 반응부(22)로부터 발생하는 반응열을 전달받아 소정 온도로 예열된 상태를 유지하고 있다.
그러면 제2 반응부(23)에서는 수증기 개질(Steam Reformer: SR) 촉매 반응을 통해 혼합 연료(액상의 연료와 물)의 분해 반응과 일산화탄소의 변성 반응이 동시에 진행되어 이산화탄소와 수소를 함유하고 있는 개질 가스를 생성하게 된다. 이 때 제2 반응부(23)는 일산화탄소의 변성 반응을 완전히 행하게 하는 것이 곤란하여 부(副) 생성물로서의 일산화탄소가 미량 함유된 개질 가스를 생성하게 된다.
이러는 과정을 거치는 동안, 개질 반응부(21)에서 발생하는 반응열이 본 실시예에 의한 단열부(26)에 의해 차단되어 외부로 방출되지 않게 된다. 즉, 개질 반응부(21)로부터 발생하는 열을 내벽(27)을 통해 1차적으로 단열시키고, 내벽(27)과 외벽(28) 사이의 진공 공간 및 외벽(28)을 2차적으로 단열시키게 된다. 따라서 상기한 단열부(26)에 의해 개질 반응부(21)로부터 발생하는 반응열이 손실되는 것을 막을 수 있으므로, 개질 반응부(21)의 반응 효율 및 열효율을 향상시킬 수 있다.
다음, 제1 반응부(22)에서 발생하는 개질 가스를 제4 공급라인(54)을 통해 일산화탄소 저감부(24)의 반응 용기(25)로 공급한다. 이 때 상기한 개질 가스는 연 료 펌프(33)의 펌핑력에 의해 반응 용기(25)로 공급될 수 있다. 그러면 반응 용기(25)에서는 수성가스 전환(Water-Gas Shift Reaction: WGS) 촉매 반응 또는 선택적 산화(Preferential CO Oxidation: PROX) 촉매 반응을 통해 상기한 개질 가스로부터 일산화탄소의 농도를 저감시킨다.
이어서, 상기한 개질 가스를 제5 공급라인(55)을 통해 스택(10)의 제1 공급관(13a)으로 공급한다. 이 때 상기한 개질 가스는 연료 펌프(33)의 펌핑력에 의해 스택(10)의 제1 공급관(13a)으로 공급될 수 있다.
이와 동시에, 공기 펌프(41)를 가동시켜 외부의 공기를 제6 공급라인(56)을 통해 스택(10)의 제2 공급관(13b)으로 공급한다.
따라서 개질 가스가 스택(10)의 제1 공급관(13a)을 통해 공급되고, 외부의 공기가 제2 공급관(13b)을 통해 공급되면, 스택(10)은 다음의 반응식 1과 같은 반응에 따라 전기와 열 그리고 물을 생성하게 된다.
<반응식 1>
양극반응: H2 → 2H+ + 2e-
음극반응: O2 + 2H+ + 2e- → H2O
전체반응: H2 + O2 → H2O + 전류 + 열
반응식 1을 참고하면, 바이폴라 플레이트(16)을 통해 전극-전해질 합성체(12)의 애노드 전극으로 개질 가스가 공급되고, 캐소드 전극으로 공기가 공 급된다. 상기한 개질 가스가 애노드 전극으로 흐르게 되면 촉매층에서 수소가 전자와 프로톤(수소이온)으로 분해된다. 프로톤이 전해질막을 통하여 이동되면 역시 촉매의 도움으로 캐소드 전극에서 전자와 산소이온 그리고 이동된 프로톤이 합쳐져서 물을 생성한다. 여기서 애노드 전극에서 생성된 전자는 전해질막을 통하여 이동되지 못하고 외부 회로를 통하여 캐소드 전극으로 이동된다. 이러한 과정을 거치면서 전기와 물 그리고 열을 생성하게 된다.
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, 개질 반응부에서 발생하는 반응열을 단열할 수 있는 구조를 가지므로, 개질기의 반응 효율 및 열 효율을 향상시킬 수 있다. 따라서 전체적인 시스템의 성능 및 효율을 더욱 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (19)

  1. 수소를 함유한 액상의 연료로부터 수소가 풍부한 개질 가스를 발생시키는 개질 반응부; 및
    상기 개질 반응부 전체를 감싸도록 설치되는 단열부
    를 포함하며,
    상기 단열부는 상기 개질 반응부를 감싸는 내벽과, 상기 내벽과 소정 간격 이격되도록 그 내벽을 감싸는 외벽을 구비하며, 상기 내벽과 외벽 사이의 공간이 진공 상태를 유지하는 연료 전지 시스템의 개질기.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 개질 반응부는:
    산화 촉매 반응에 의해 상기 액상의 연료와 공기를 연소시켜 열을 발생시키는 제1 반응부; 및
    상기 제1 반응부로부터 발생되는 열을 흡열하여 상기 액상의 연료와 물의 혼합 연료를 기화시키고, 개질 촉매 반응에 의해 상기 기화된 연료로부터 개질 가스를 발생시키는 제2 반응부
    를 포함하는 연료 전지 시스템의 개질기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 내, 외벽이 세라믹, 스테인레스 또는 알루미늄으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나의 재질로 형성되는 연료 전지 시스템의 개질기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 개질 반응부와 연결 설치되어 이 개질 반응부에 의해 생성된 개질 가스로부터 일산화탄소의 농도를 저감시키는 적어도 하나의 일산화탄소 저감부를 더 포함하는 연료 전지 시스템의 개질기.
  6. 수소를 함유한 액상의 연료를 개질하여 수소가 풍부한 개질 가스를 생성하는 개질기;
    상기한 개질 가스와 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 전기를 발생시키는 스택;
    상기 개질기로 액상의 연료를 공급하는 연료 공급부; 및
    상기 개질기 및 스택으로 외부 공기를 공급하는 공기 공급부
    를 포함하며,
    상기 개질기는 소정의 촉매 반응에 의해 상기 개질 가스를 발생시키는 개질 반응부와, 상기 개질 반응부 전체를 감싸도록 설치되는 단열부를 포함하며,
    상기 단열부는 상기 개질 반응부를 감싸는 내벽과, 상기 내벽과 소정 간격 이격되도록 그 내벽을 감싸는 외벽을 구비하고, 상기 내벽과 외벽 사이의 공간이 진공 상태를 유지하는 연료 전지 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 연료 공급부가, 상기 액상의 연료를 저장하는 제1 탱크와, 물을 저장하는 제2 탱크와, 상기 제1 및 제2 탱크에 연결 설치되는 연료 펌프를 포함하는 연료 전지 시스템.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 공기 공급부는 외부 공기를 흡입하는 공기 펌프를 포함하는 연료 전지 시스템.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 개질 반응부는:
    산화 촉매 반응에 의해 상기 액상의 연료와 공기를 연소시켜 열을 발생시키는 제1 반응부; 및
    상기 제1 반응부로부터 발생되는 열을 흡열하여 상기 액상의 연료와 물의 혼합 연료를 기화시키고, 개질 촉매 반응에 의해 상기 기화된 연료로부터 개질 가스를 발생시키는 제2 반응부
    를 포함하는 연료 전지 시스템.
  10. 삭제
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 단열부를 관통하여 상기 개질 반응부에 연결되는 제1,2,3 공급라인을 구비하는 연료 전지 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제1 공급라인이 연료 공급부와 연결되어 상기 제1 공급라인을 통해 액상의 연료를 제1 반응부로 공급하는 연료 전지 시스템.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 제2 공급라인이 공기 공급부와 연결되어 상기 제2 공급라인을 통해 외부의 공기를 제1 반응부로 공급하는 연료 전지 시스템.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 제3 공급라인이 연료 공급부와 연결되어 상기 제3 공급라인을 통해 액상의 연료와 물의 혼합 연료를 제2 반응부로 공급하는 연료 전지 시스템.
  15. 제 6 항에 있어서,
    상기 개질기는, 상기 개질 반응부와 연결 설치되어 이 개질 반응부에 의해 생성된 개질 가스로부터 일산화탄소의 농도를 저감시키는 적어도 하나의 일산화탄소 저감부를 더 포함하는 연료 전지 시스템.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 단열부를 관통하여 상기 개질 반응부와 일산화탄소 저감부를 연결하는 제4 공급라인을 구비하는 연료 전지 시스템.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 일산화탄소 저감부와 스택이 제5 공급라인에 의해 연결되는 연료 전지 시스템.
  18. 제 6 항에 있어서,
    상기 공기 공급부와 스택이 제6 공급라인에 의해 연결되는 연료 전지 시스템.
  19. 제 6 항에 있어서,
    상기 연료 전지 시스템이, 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrance Fuel Cell: PEMFC) 방식으로 이루어지는 연료 전지 시스템.
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