KR100570756B1 - 연료 전지 시스템의 개질기 및 이를 채용한 연료 전지시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 수소를 함유한 연료를 개질하여 수소가 풍부한 개질 가스를 발생시키는 개질기; 상기 개질 가스와 산소의 전기 화학 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 스택; 상기 개질기로 연료를 공급하는 연료 공급부; 및 상기 개질기 및 스택으로 공기를 공급하는 공기 공급부를 포함하며, 상기 개질기는 열 에너지에 의한 화학 촉매 반응을 통해 상기 연료로부터 개질 가스를 발생시키는 개질 반응부와, 상기 연료의 주입 경로 및 상기 개질 가스의 배출 경로를 포함하며 임의의 간격을 두고 서로 대향 배치되는 제1 및 제2 단열층과 상기 주입 경로 및 상기 배출 경로 이외의 영역에 해당하는 상기 제1 및 제2 단열층 사이에 배치되어 상기 제1 및 제2 단열층 사이의 간격을 일정하게 유지시키는 복수의 스페이서를 가지면서 상기 개질 반응부 전체를 감싸도록 설치되는 단열부를 포함한다.

연료전지, 연료공급부, 공기공급부, 개질기, 스택, 개질 반응부, 단열부, 하니컴, 단열층, 스페이서

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.

도 4는 도 1에 도시한 단열부의 부분 절개 사시도이다.

도 5는 본 발명의 실시예에 대한 단열부의 변형예를 도시한 부분 절개 사시도이다.

본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료 전지 시스템에 사용되는 개질기의 단열 구조에 관한 것이다.

일반적으로 연료 전지는 메탄올이나 천연가스 등과 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소 또는 산소를 포함한 공기의 화학반응 에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 발전시스템이다. 이 연료 전지는 연소 과정 없이 수 소와 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 생성되는 전기와 그 부산물인 열을 동시에 사용할 수 있다는 특징을 가진다.

이 연료 전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라, 150~200℃ 부근에서 작동되는 인산형 연료전지, 600∼700℃의 고온에서 작동되는 용융탄산염형 연료전지, 1000℃ 이상의 고온에서 작동되는 고체 산화물형 연료전지, 및 상온 내지 100℃ 이하에서 작동되는 고분자 전해질형 및 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, 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 가진다.

상기와 같은 PEMFC는 기본적으로 시스템을 구성하기 위해 스택(stack), 연료 탱크, 및 연료 펌프 등을 구비한다. 스택은 연료 전지의 본체를 형성하며, 연료 펌프는 연료 탱크 내의 연료를 스택으로 공급한다. 또한, 연료 전지는 연료 탱크에 저장된 연료를 스택으로 공급하는 과정에서 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키고 그 수소 가스를 스택으로 공급하는 개질기(Reformer)를 더 포함한다.

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 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 수증기 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 반응을 통해 액상의 연료와 물의 혼합 연료로부터 수소가 풍부한 개질 가스를 발생시키게 된다. 이러한 개질기는 수소 가스 생성을 위한 반응 효율을 높이기 위해 개질부에서 발생하는 열이 유출되지 않도록 하기 위한 단열부를 구비하고 있다.

그런데, 종래의 연료 전지 시스템에 사용되는 개질기에 있어 상기한 단열부 가 개질부의 표면에 접촉 설치되는 단일층의 단열층을 구비하는 바, 단열층을 통한 열 전달 경로가 확장됨에 따라 개질부의 표면으로부터 단열층을 통과하는 열 전달량이 증가하게 된다.

또한 종래의 연료 전지 시스템은 개질기의 반복적인 구동으로 인해 개질부의 표면에 열 잔류 응력이 발생하고 이러한 열 잔류 응력이 개질부의 표면에 부분적으로 집중하게 되는 바, 상기 부분적인 열 잔류 응력의 집중으로 인해 개질부의 표면에 대한 단열부의 접합성이 약화된다.

따라서 종래의 연료 전지 시스템은 이와 같이 개질기의 단열부가 단열 성능에 취약한 구조를 가지므로, 개질기의 단열 성능이 저하되고, 결과적으로는 개질기의 열 효율 및 반응 효율이 떨어지게 되는 문제점이 있다.

본 발명은 상술한 문제점을 감안한 것으로서, 그 목적은 개질 가스 생성을 위한 반응열의 단열 성능을 더욱 향상시킬 수 있는 연료 전지 시스템의 개질기 및 이를 채용한 연료 전지 시스템을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 단열부가 접합되는 부분에 균일하지 않게 분포된 열 잔류 응력을 균일하게 분산시킬 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, 열 에너지에 의한 화학 촉매 반응을 통해 수소를 함유한 연료로부터 수소가 풍부한 개질 가스를 발생시키는 개질 반응부; 및 상기 개질 반응부 전체를 감싸도록 설치되는 단열부를 포함하며, 상기 단열부가 상기 연료의 주입 경로 및 상기 개질 가스의 배출 경로를 포함하며 임의의 간격을 두고 서로 대향 배치되는 제1 및 제2 단열층과, 상기 주입 경로 및 상기 배출 경로 이외의 영역에 해당하는 상기 제1 및 제2 단열층 사이에 배치되어 상기 제1 및 제2 단열층 사이의 간격을 일정하게 유지시키는 복수의 스페이서를 포함한다.

이 경우, 상기 스페이서가 제1 및 제2 단열층 사이에서 다수의 폐쇄형 셀 들을 구획하는 하니컴(honeycomb) 구조로 이루어지고, 상기 셀 들의 공간이 진공 상태를 유지하는 것이 바람직하다. 그리고 이와 같은 구조를 갖는 상기 단열부가 개질 반응부의 외 표면 전체를 감싸는 적어도 둘 이상의 블록으로 이루어질 수 있다.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 개질기에 있어서, 상기 단열부가 세라믹, 스테인레스 또는 알루미늄으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나의 재질로 형성될 수 있다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 개질기에 있어서, 상기 단열부는 상기 제1 및 제2 단열층 중 적어도 어느 하나의 단열층과 스페이서 사이에 제3 단열층이 개재될 수도 있으며, 이 경우 상기 제3 단열층이 유리 섬유로 이루어지는 것이 바람직하다.

그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 개질기에 있어서, 상기 개질 반응부는: 산화 촉매 반응에 의해 액상의 수소 연료와 공기를 연소시켜 열을 발생시키는 제1 반응부; 및 상기 제1 반응부로부터 발생되는 열을 흡열하여 액상의 수소 연료와 물의 혼합 연료를 기화시키고, 개질 촉매 반응을 통해 상기 기화된 혼합 연료로부터 개질 가스를 발생시키는 제2 반응부를 포함할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 개질기는, 상기 개질 반응부와 연결 설치되어 상기 개질 가스의 일산화탄소 농도를 저감시키는 적어도 하나의 일산화탄소 저감부를 더 포함할 수도 있다.

아울러 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 수소를 함유한 연료를 개질하여 수소가 풍부한 개질 가스를 발생시키는 개질기; 상기 개질 가스와 산소의 전기 화학 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 스택; 상기 개질기로 연료를 공급하는 연료 공급부; 및 상기 개질기 및 스택으로 공기를 공급하는 공기 공급부를 포함하며, 상기 개질기는, 열 에너지에 의한 화학 촉매 반응을 통해 상기 연료로부터 개질 가스를 발생시키는 개질 반응부와, 상기 연료의 주입 경로 및 상기 개질 가스의 배출 경로를 포함하며 임의의 간격을 두고 서로 대향 배치되는 제1 및 제2 단열층과 상기 주입 경로 및 상기 배출 경로 이외의 영역에 해당하는 상기 제1 및 제2 단열층 사이에 배치되어 상기 제1 및 제2 단열층 사이의 간격을 일정하게 유지시키는 복수의 스페이서를 가지면서 상기 개질 반응부 전체를 감싸도록 설치되는 단열부를 포함한다.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 연료 공급부가, 액상의 수소 연료를 저장하는 제1 탱크와, 물을 저장하는 제2 탱크와, 상기 제1 및 제2 탱크에 연결 설치되는 연료 펌프를 포함할 수 있으며, 상기 공기 공급부는 공기를 흡입하는 공기 펌프를 포함할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 개질 반응부는: 산화 촉매 반응에 의해 액상의 수소 연료와 공기를 연소시켜 열을 발생시키는 제1 반응부; 및 상기 제1 반응부로부터 발생되는 열을 흡열하여 액상의 수소 연료와 물의 혼합 연료를 기화시키고, 개질 촉매 반응을 통해 상기 기화된 혼합 연료로부터 개질 가스를 발생시키는 제2 반응부를 포함할 수 있다.

그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 스페이서가 상기 제1 및 제2 단열층 사이에서 다수의 폐쇄형 셀 들을 구획하는 하니컴(honeycomb) 구조로 이루어지고, 상기 셀 들의 공간이 진공 상태를 유지하는 것이 바람직하다. 그리고 이와 같은 구조를 갖는 상기 단열부가 개질 반응부의 외 표면 전체를 감싸는 적어도 둘 이상의 블록으로 이루어질 수 있다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 단열부는 상기 제1 및 제2 단열층 중 적어도 어느 하나의 단열층과 스페이서 사이에 제3 단열층이 개재될 수도 있다.

그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 개질기는, 상기 개질 반응부와 연결 설치되어 상기 개질 가스의 일산화탄소 농도를 저감시키는 적어도 하나의 일산화탄소 저감부를 더 포함할 수도 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 발생시키고, 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 도시 한 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 전기 화학 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 스택(10)과, 상기한 연료를 개질기(20)로 공급하는 연료 공급부(30)와, 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 계열의 액상의 수소 연료 이 외에 물 및 산소가 더욱 포함된다. 이 중에서 상기한 액상의 수소 연료와 물을 이하의 설명에서는 편의상 혼합 연료라 정의한다.

그리고 본 시스템(100)은 상기한 개질 가스와 공기를 스택(10)으로 공급하여 공기 중에 함유된 산소와 개질 가스의 전기 화학적인 반응을 통해 전기를 발생시킬 수 있다. 대안으로서, 본 시스템(100)은 별도로 저장된 산소 가스와 개질기(20)에 의해 개질된 개질 가스를 스택(10)으로 공급하여 이들의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시킬 수도 있다. 그러나 이하에서는 전기 생성에 필요한 산소로서 공기를 사용하는 전자의 예를 설명한다.

전술한 바 있는 연료 공급부(30)는 액상의 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 공기를 흡입 하는 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 열 에너지에 의한 화학 촉매 반응을 통해 액상의 수소 연료와 물의 혼합 연료로부터 수소가 풍부한 개질 가스를 발생시키는 개질 반응부(21)를 포함하고 있다. 그리고 개질 반응부(21)의 외 표면에는 개질 반응부(21)로부터 발생하는 열 에너지가 외부로 방출되지 못하게 하는 단열부(60)가 위치한다.

상기 개질 반응부(21)는 액상의 수소 연료와 공기를 연소시켜 소정 온도의 반응열을 발생시키는 제1 반응부(22)와, 상기한 반응열을 흡열하여 혼합 연료로부터 개질 가스를 발생시키는 제2 반응부(23)를 구비하고 있다.

제1 반응부(22)는 개질 가스 생성에 필요한 열원을 발생시키는 발열 부분으로서, 액상의 수소 연료와 공기를 산화 촉매 반응을 통해 연소시키는 구조를 갖는다.

제1 반응부(22)는 위와 같은 연료와 공기의 유체 흐름을 가능하게 하는 유로 채널(도시하지 않음)을 가지면서 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, 미 반응된 연료와 공기를 개질기(20)의 외부로 배출시키는 배출라인(59)이 연결될 수도 있다.

제2 반응부(23)는 제1 반응부(22)에서 발생하는 반응열을 흡열하여 혼합 연료를 증발시키는 기능을 갖는다. 그리고 제2 반응부(23)는 수증기 개질(Steam Reformer: SR) 촉매 반응을 통해 상기 기화된 혼합 연료로부터 수소가 풍부한 개질 가스를 발생시키는 기능도 갖는다.

제2 반응부(23)는 위와 같은 혼합 연료의 유체 흐름을 가능하게 하는 유로 채널(도시하지 않음)을 가지면서 플레이트 타입으로 이루어지는 것이 바람직하다. 상기한 제1 반응부(22)에 밀접하도록 배치되는 적층 구조를 갖는다. 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 및 제2 탱크(31, 32)는 제3 공급라인(53)에 의해 연결될 수 있다.

본 실시예에 의하면, 상기와 같이 각각의 제1 및 제2 반응부(22, 23)가 유로 채널을 가지면서 서로 밀접하는 플레이트 타입의 적층 구조로 이루어지는 것에 한정되지 않고, 원통형의 반응 용기 타입으로 이루어질 수도 있다. 즉, 제1 반응부(22)가 원통형 반응 용기의 내부에 산화 촉매층을 형성하고 있는 구조를 가지며, 제2 반응부(23)가 원통형 반응 용기의 내부에 개질 촉매층을 형성하고 제1 반응부(22)와 소정 유로로 연결된 구조를 가지면서 제2 반응부(23)가 제1 반응부(22)의 외측 또는 내부에 위치하도록 구성할 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 개질 가스의 일산화탄소 농도를 저감시키는 적어도 하나의 일산화탄소 저감부(24)를 배치할 수도 있다. 즉, 일산화탄소 저감부(24)는 수성가스 전환 촉매 반응을 통해 개질 가스의 일산화탄소 농도를 1차적으로 저감시키는 제1 반응 용기와, 선택적 산화 촉매 반응을 통해 개질 가스의 일산화탄소 농도를 2차적으로 저감시키는 제2 반응 용기를 구비하고, 상기한 제1 및 제2 반응 용기가 소정의 유로로 연결 설치된 구조를 가질 수 있다.

보다 구체적으로, 일산화탄소 저감부(24)는 개질 반응부(21)와 연결 설치되는 원통형의 반응 용기(25)와, 반응 용기(25)의 내부에 형성되는 통상적인 수성 가스 전환 촉매층 또는 일산화탄소 선택 산화 촉매층(도시하지 않음)을 포함하여 구성될 수 있다. 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 화학 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 개질기(20)에 의해 개질된 개질 가스와 공기 중에 함유된 산소의 산화/환원 반응을 통하여 전기 에너지를 발생시키는 복수의 전기 생성부(11)가 적층된 구조를 갖는다.

부연 설명하면, 각각의 전기 생성부(11)는 전극-전해질 합성체(12)를 중심에 두고 이의 양면에 바이폴라 플레이트(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 엔드 플레이트(13)가 위치하고 있다.

전극-전해질 합성체(12)는 양면에 애노드 전극과 캐소드 전극을 구비하고, 두 전극 사이에 전해질막을 구비하는 구조로 이루어져 있다. 애노드 전극은 개질 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.

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

한편, 엔드 플레이트(13)에는 개질 가스를 바이폴라 플레이트(16)의 수소 통로 공급하도록 하는 제1 주입부(13a)와, 공기를 바이폴라 플레이트(16)의 공기 통로 공급하도록 하는 제2 주입부(13b)와, 전극-전해질 합성체(12)의 애노드 전극에서 반응하고 남은 수소 가스를 배출시키는 제1 배출부(13c)와, 전극-전해질 합성체(12)의 캐소드 전극에서 반응하고 남은 공기를 배출시키는 제2 배출부(13d)를 형성하고 있다. 여기서 제1 주입부(13a)는 전술한 바 있는 제5 공급라인(55)에 의해 일산화탄소 저감부(24)와 연결될 수 있다. 그리고 제2 주입부(13b)는 제6 공급라인(56)에 의해 공기 공급부(40)와 연결 설치될 수 있다.

도 1 내지 도 3을 참고하면, 상기와 같은 구조를 갖는 본 시스템(100)의 작용시 개질 반응부(21)에서는 제1 반응부(22)에서 발생하는 반응열의 일부가 제2 반응부(23)로 전달되지 못하고 외부로 유출될 수 있다. 이로 인해 제2 반응부(23)에서 온도 불균형이 발생하여 개질기(20)의 열 효율이나 반응 효율이 저하될 수 있다.

이에 본 실시예에 의한 연료 전지 시스템(100)은 전술한 바 있는 단열부(60)를 포함하여 개질 반응부(21)로부터 외부로 방출되는 열 에너지를 효과적으로 차단할 수 있는 구성을 제공한다.

도 4는 도 1에 도시한 단열부의 부분 절개 사시도이다.

도 2 및 도 4를 참고하면, 본 실시예에 의한 상기 단열부(60)는 개질 반응부(21) 전체를 감싸는 제1 단열층(61)과, 제1 단열층(61)과 임의의 간격을 두 고 서로 대향 배치되는 제2 단열층(62)과, 제1 단열층(61)과 제2 단열층(62) 사이에 배치되는 스페이서(64)를 포함하고 있다.

이 때 단열부(60)를 이루는 상기 각각의 구성 요소들은 상대적으로 열전도도가 작은 단열 소재 예컨대, 써스, 지르코늄, 스테인레스, 알루미늄 등과 같은 금속 단열 소재 또는 세라믹과 같은 비금속 단열 소재로 형성될 수 있다.

상기 제1 단열층(61)은 개질 반응부(21)의 외 표면 전체에 실질적으로 밀착되면서 제1 반응부(22) 및 제2 반응부(23)를 감싸도록 배치된다. 그리고 제2 단열층(62)은 제1 단열층(61)과 소정 간격 이격되게 배치되어 다음에 설명하는 스페이서(64)를 설치하기 위한 공간을 형성한다. 상기 스페이서(64)는 제1 및 제2 단열층(61, 62) 사이의 공간에 배치되는 하니컴(honeycomb) 구조로 이루어진다. 구체적으로, 스페이서(64)는 다수의 폐쇄형 셀(65)들을 구획하는 육각 중공 기둥의 유한 연속 구조체로서, 상기 각각의 셀(65)을 구성하는 중공의 양단이 제1 및 제2 단열층(61, 62)의 내면에 의해 폐쇄되고, 각 셀(65)들의 공간(66)이 진공 상태를 유지하고 있다.

특히 본 실시예에 의한 스페이서(64)는 하니컴 구조의 셀(65)들에 의해 제1 및 제2 단열층(61, 62)의 접촉 면적을 최소화시킴은 물론 각 셀(65)의 공간(66)이 진공 처리되어 제1 단열층(61)을 통해 제2 단열층(62)으로 전달되는 열 전달량을 감소시키는 특징을 갖는다. 그리고 스페이서(64)는 상기한 셀(65)들에 의해 개질 반응부(21)의 표면과 실질적으로 접촉하는 제1 단열층(61)을 균일한 압력으로 눌러 주고, 단열부(60)에 가해지는 외력을 균일하게 분산시키는 특징도 갖는다.

따라서 본 실시예에 의한 단열부(60)는 개질 반응부(21)로부터 발생하는 열을 제1 단열층(61)을 통해 1차적으로 차단하고, 스페이서(64)의 셀(65)들의 진공 공간(66) 및 제2 단열층(62)을 통해 상기한 열을 2차적으로 차단하여, 최종적으로 제2 단열층(62)을 통해 외부로 방출되는 열이 최소화되도록 한다. 즉, 상기 단열부(60)는 제1 및 제2 단열층(61, 62) 사이에 하니컴 구조의 스페이서(64)가 위치하고 스페이서(64)의 각 셀(65)들의 공간(66)이 진공 상태를 유지하기 때문에, 제1 단열층(61)과 제2 단열층(62)의 열 전달 경로를 대폭 줄일 수 있다. 이로서 본 시스템(100)은 상기와 같은 구조를 갖는 단열부(60)를 구비함에 따라, 개질 반응부(21)로부터 발생하는 반응열이 외부로 유출되는 것을 효과적으로 막을 수 있으므로, 개질기(20) 전체의 열 효율 및 반응 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.

또한 본 실시예에 의한 단열부(60)는 하니컴 구조의 스페이서(64)가 개질 반응부(21)의 표면과 실질적으로 접촉하는 제1 단열층(61)을 균일한 압력으로 눌러 주는 역할을 하기 때문에, 개질기(20)의 반복적인 구동에 의해 개질 반응부(21)의 표면에 부분적으로 작용하는 열 잔류 응력을 개질 반응부(21)의 표면에 대해 균일하게 분산시킬 수 있다. 이로서 본 시스템(100)은 개질 반응부(21)의 표면에 부분적으로 작용하는 열 잔류 응력에 의해 단열부(60)가 개질 반응부(21)의 표면으로부터 떨어지는 등의 종래와 같은 구조적 문제점을 해결할 수 있다.

이와 같은 구조를 갖는 단열부(60)는 개질 반응부(21)의 외 표면 전체를 감싸는 둘 이상의 블록(60A)으로 이루어질 수도 있다. 즉, 단열부(60)는 각각의 블록(60A)이 위에서 설명한 바와 같은 동일한 구조를 가지면서 개질 반응부(21)의 외형에 상응하는 형태로 이루어지며, 개질 반응부(21)의 외 표면 전체를 감싸도록 각각의이 블록(60A)을 조합한 구조를 갖는다. 예를 들어, 개질 반응부(21)의 외형이 육면체인 경우, 도면에 도시한 바와 같이, 각각의 블록(60A)은 육면을 감쌀 수 있는 플레이트 형상을 취하게 된다. 그러나 이러한 블록(60A)은 개질 반응부(21)가 육면체일 경우의 일 예일 뿐, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 개질 반응부(21)의 외형에 따라 다양한 형태로 변형될 수 있다(도 4 참조). 이 때 상기 단열부(60)는 금속 단열 소재로 이루어진 경우, 블록(60A) 각각의 이음 부분을 용접하여 이들을 서로 접합시킬 수 있다. 또한 단열부(60)는 비금속 단열 소재로 이루어진 경우, 접착제 등의 결합 수단에 의해 블록(60A) 각각의 이음 부분을 서로 접합시킬 수도 있다.

한편, 상기 단열부(60)에는 제1,2 공급라인(51, 52)이 그 단열부(60)를 관통하여 제1 반응부(22)와 제1 탱크(31) 및, 제1 반응부(22)와 공기 펌프(41)를 연결하도록 하는 제1,2 연결구(67a, 67b)를 구비하고, 제3,4 공급라인(53, 54)이 그 단열부(60)를 관통하여 제2 반응부(23)와 제1,2 탱크(31, 32) 및, 제2 반응부(23)와 일산화탄소 저감부(24)를 연결하도록 하는 제3,4 연결구(67c, 67d)를 구비하고 있다. 그리고 상기 단열부(60)에는 배출라인(59)이 그 단열부(60)를 관통하여 제1 반응부(22)와 연결되도록 하는 제5 연결구(67e)를 구비하고 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 수소 연료를 제1 공급라인(51)을 통해 제1 반응부(22)로 공급한다. 이와 동시에, 공기 펌프(41)를 가동시켜 제2 공급라인(52)를 통해 공기를 제1 반응부(22)로 공급한다. 그러면 제1 반응부(22)에서는 수소 연료와 공기의 산화 촉매 반응을 통해 소정의 반응열을 발생시키게 된다. 이 때 제1 반응부(22)에서 발생하는 연소 가스, 반응하고 남은 연료 및 공기는 배출라인(59)을 통해 개질기(20)의 외부로 배출되게 된다.

이어서, 연료 펌프(33)를 가동시켜 제1 탱크(31)에 저장된 연료와 제2 탱크(32)에 저장된 물을 제3 공급라인(53)을 통해 제2 반응부(23)로 공급한다. 이 때 제2 반응부(23)는 제1 반응부(22)로부터 발생하는 반응열을 전달받아 소정 온도로 예열된 상태가 된다. 그러면 제2 반응부(23)에서는 수증기 개질(Steam Reformer: SR) 촉매 반응을 통해 혼합 연료(액상의 수소 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 반응열은 본 실시예에 의한 단열부(26)에 의해 차단되어 외부로 방출되지 않게 된다.

다음, 제1 반응부(22)에서 발생하는 개질 가스를 제4 공급라인(54)을 통해 일산화탄소 저감부(24)의 반응 용기(25)로 공급한다. 이 때 개질 가스는 연료 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 산 화(Preferential CO Oxidation: PROX) 촉매 반응을 통해 상기 개질 가스에 함유된 일산화탄소 농도를 저감시킨다.

이어서, 상기 일산화탄소의 농도가 저감된 개질 가스를 제5 공급라인(55)을 통해 스택(10)의 제1 주입부(13a)로 공급한다. 이 때 상기한 개질 가스는 연료 펌프(33)의 펌핑력에 의해 스택(10)의 제1 주입부(13a)로 공급될 수 있다.

이와 동시에, 공기 펌프(41)를 가동시켜 공기를 제6 공급라인(56)을 통해 스택(10)의 제2 주입부(13b)로 공급한다.

따라서 상기 개질 가스가 바이폴라 플레이트(16)를 통해 전극-전해질 합성체(12)의 애노드 전극으로 공급되고, 공기가 캐소드 전극으로 공급된다. 상기한 개질 가스가 애노드 전극으로 흐르게 되면, 애노드 전극의 촉매층에서는 산화 반응을 통해 수소를 전자와 프로톤(수소이온)으로 분해한다. 그리고 프로톤이 전해질막을 통하여 캐소드 전극으로 이동되고, 전자는 전해질막을 통하여 이동되지 못하고 도선을 통하여 캐소드 전극으로 이동되는데 이 때 전자의 흐름으로 전류를 발생시킨다. 또한 캐소드 전극의 촉매층에서는 상기 이동된 프로톤 및 전자와 산소의 환원 반응을 통해 물을 생성하게 된다.

도 5는 본 발명의 실시예에 대한 단열부의 변형예를 도시한 부분 절개 사시도이다.

도 5를 참고하면, 이 경우는 제1 및 제2 단열층(61, 62) 중 어느 하나의 단열층 일 례로, 제2 단열층(62)과 스페이서(64) 사이에 제3 단열층(63)이 위치하는 단열부(70)를 구성한다. 제3 단열층(63)은 개질 반응부(21)로부터 제2 단열층(62) 을 통해 방출되는 열을 부가적으로 차단함으로써 단열부(70)의 단열 성능을 더욱 보강하는 역할을 한다. 이러한 제3 단열층(63)은 통상적인 단열 소재인 유리 섬유가 사용될 수 있다. 대안으로서, 본 실시예에 의한 제3 단열층(63)이 제2 단열층(62)과 스페이서(64) 사이에 위치하는 것에 한정되지 않고, 제1 단열층(61)과 스페이서(64)에 위치할 수 있으며, 제1 및 제2 단열층(61, 62)과 스페이서(64) 사이에 각각 위치할 수도 있다.

따라서 상기 단열부(70)는 개질 반응부(21)로부터 발생하는 열을 제1 단열층(61)을 통해 1차적으로 차단하고, 스페이서(64)의 셀(65)들의 진공 공간(66) 및 제2 단열층(62)을 통해 상기한 열을 2차적으로 차단하며, 제3 단열층(63)을 통해 상기한 열을 부가적으로 차단하여, 최종적으로 제2 단열층(62)을 통해 외부로 방출되는 열이 최소화되도록 한다. 이로서, 단열부(70)는 제1 단열층(61)으로부터 제2 단열층(62)으로 전달되는 미량의 열을 제3 단열층(63)을 통해 차단할 수 있으므로, 그 단열 성능이 더욱 향상된다.

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, 하니컴 구조의 스페이서를 갖는 단열부를 구비하므로, 개질 반응부로부터 외부로 방출되는 열 전달량을 현저히 줄 일 수 있어 개질기의 단열 성능이 더욱 향상된다. 이로 인해 전체적인 개질기의 열 효율 및 반응 효율을 더욱 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 의하면, 개질 반응부의 표면에 부분적으로 작용하는 열 잔류 응력을 분산시키는 단열부를 구비하므로, 상기 열 잔류 응력에 의해 단열부가 개질 반응부의 표면으로부터 떨어지지 않게 된다. 따라서 종래와 달리 단열부와 개질 반응부 간의 접합성을 강화할 수 있으므로, 개질기의 단열 성능을 더욱 향상시키는 효과가 있다.

Claims (21)

1. 열 에너지에 의한 화학 촉매 반응을 통해 수소를 함유한 연료로부터 수소가 풍부한 개질 가스를 발생시키는 개질 반응부; 및

   상기 개질 반응부 전체를 감싸도록 설치되는 단열부

   를 포함하며,

   상기 단열부가, 상기 연료의 주입 경로 및 상기 개질 가스의 배출 경로를 포함하며 임의의 간격을 두고 서로 대향 배치되는 제1 및 제2 단열층과, 상기 주입 경로 및 상기 배출 경로 이외의 영역에 해당하는 상기 제1 및 제2 단열층 사이에 배치되어 상기 제1 및 제2 단열층 사이의 간격을 일정하게 유지시키는 복수의 스페이서를 포함하는 연료 전지 시스템의 개질기.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 스페이서가 제1 및 제2 단열층 사이에서 다수의 셀 들을 구획하는 연료 전지 시스템의 개질기.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 스페이서가 다수의 폐쇄형 셀들을 갖는 하니컴(honeycomb) 구조로 이루어지는 연료 전지 시스템의 개질기.
4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,

   상기 셀 들의 공간이 진공 상태를 유지하는 연료 전지 시스템의 개질기.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 단열부가 개질 반응부의 외 표면 전체를 감싸는 적어도 둘 이상의 블록으로 이루어지는 연료 전지 시스템의 개질기.
6. 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서,

   상기 단열부가 세라믹, 스테인레스 또는 알루미늄으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나의 재질로 형성되는 연료 전지 시스템의 개질기.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 단열부는 상기 제1 및 제2 단열층 중 적어도 어느 하나의 단열층과 스페이서 사이에 제3 단열층이 개재되는 연료 전지 시스템의 개질기.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 제3 단열층이 유리 섬유로 이루어지는 연료 전지 시스템의 개질기.
9. 제 1 항에 있어서,

   상기 개질 반응부는:

   산화 촉매 반응에 의해 액상의 수소 연료와 공기를 연소시켜 열을 발생시키는 제1 반응부; 및

   상기 제1 반응부로부터 발생되는 열을 흡열하여 액상의 수소 연료와 물의 혼합 연료를 기화시키고, 개질 촉매 반응을 통해 상기 기화된 혼합 연료로부터 개질 가스를 발생시키는 제2 반응부

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

    상기 개질 반응부와 연결 설치되어 상기 개질 가스의 일산화탄소 농도를 저감시키는 적어도 하나의 일산화탄소 저감부를 더 포함하는 연료 전지 시스템의 개질기.
11. 수소를 함유한 연료를 개질하여 수소가 풍부한 개질 가스를 발생시키는 개질기;

    상기 개질 가스와 산소의 전기 화학 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 스택;

    상기 개질기로 연료를 공급하는 연료 공급부; 및

    상기 개질기 및 스택으로 공기를 공급하는 공기 공급부

    를 포함하며,

    상기 개질기는, 열 에너지에 의한 화학 촉매 반응을 통해 상기 연료로부터 개질 가스를 발생시키는 개질 반응부와, 상기 연료의 주입 경로 및 상기 개질 가스의 배출 경로를 포함하며 임의의 간격을 두고 서로 대향 배치되는 제1 및 제2 단열층과 상기 주입 경로 및 상기 배출 경로 이외의 영역에 해당하는 상기 제1 및 제2 단열층 사이에 배치되어 상기 제1 및 제2 단열층 사이의 간격을 일정하게 유지시키는 복수의 스페이서를 가지면서 상기 개질 반응부 전체를 감싸도록 설치되는 단열부를 포함하는 연료 전지 시스템.
12. 제 11 항에 있어서,

    상기 연료 공급부가, 액상의 수소 연료를 저장하는 제1 탱크와, 물을 저장하는 제2 탱크와, 상기 제1 및 제2 탱크에 연결 설치되는 연료 펌프를 포함하는 연료 전지 시스템.
13. 제 11 항에 있어서,

    상기 공기 공급부는 공기를 흡입하는 공기 펌프를 포함하는 연료 전지 시스템.
14. 제 11 항에 있어서,

    상기 개질 반응부는:

    산화 촉매 반응에 의해 액상의 수소 연료와 공기를 연소시켜 열을 발생시키는 제1 반응부; 및

    상기 제1 반응부로부터 발생되는 열을 흡열하여 액상의 수소 연료와 물의 혼합 연료를 기화시키고, 개질 촉매 반응을 통해 상기 기화된 혼합 연료로부터 개질 가스를 발생시키는 제2 반응부

    를 포함하는 연료 전지 시스템.
15. 제 11 항에 있어서,

    상기 스페이서가 상기 제1 및 제2 단열층 사이에서 다수의 셀 들을 구획하는 연료 전지 시스템.
16. 제 15 항에 있어서,

    상기 스페이서가 다수의 폐쇄형 셀들을 갖는 하니컴(honeycomb) 구조로 이루어지는 연료 전지 시스템.
17. 제 15 항 또는 제 16 항에 있어서,

    상기 셀 들의 공간이 진공 상태를 유지하는 연료 전지 시스템.
18. 제 11 항에 있어서,

    상기 단열부는 상기 제1 및 제2 단열층 중 적어도 어느 하나의 단열층과 스페이서 사이에 제3 단열층이 개재되는 연료 전지 시스템.
19. 제 11 항에 있어서,

    상기 단열부가 개질 반응부의 외 표면 전체를 감싸는 적어도 둘 이상의 블록으로 이루어지는 연료 전지 시스템.
20. 제 11 항에 있어서,

    상기 개질기는, 상기 개질 반응부와 연결 설치되어 상기 개질 가스의 일산화탄소 농도를 저감시키는 적어도 하나의 일산화탄소 저감부를 더 포함하는 연료 전지 시스템.
21. 제 11 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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