KR100590038B1

KR100590038B1 - 연료 전지 시스템 및 연료 공급장치

Info

Publication number: KR100590038B1
Application number: KR1020040071155A
Authority: KR
Inventors: 김주용; 임현정; 한지성
Original assignee: 삼성에스디아이 주식회사
Priority date: 2004-09-07
Filing date: 2004-09-07
Publication date: 2006-06-14
Also published as: JP2006080071A; CN100379067C; US20060051631A1; CN1755971A; JP4459136B2; US7758987B2; KR20060022356A

Abstract

본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부; 및 상기 전기 발생부에 연결 설치되어 수소를 함유한 연료와 산소를 함유한 공기를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급장치를 포함하며, 상기 연료 공급장치는, 압축 공기를 저장하면서 상기 전기 발생부와 공급라인에 의해 연결되는 제1 스토리지부와, 상기 연료를 저장하는 제2 스토리지부를 가지면서 상기 제1 스토리지부와 제2 스토리지부를 구획하는 다이어프램을 포함하여 이루어지는 실린더부재를 포함한다.

연료전지, 스택, 전기발생부, 연료공급장치, 실린더부재, 다이어프램, 스토리지부, 압축공기, 컴프레셔, 개질기

Description

연료 전지 시스템 및 연료 공급장치 {FUEL CELL SYSTEM AND FUEL SUPPLY APPARATUS}

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 도 1에 도시한 연료 공급장치의 구조를 나타내 보인 사시도이다.

도 4는 도 3의 단면 구성도이다.

도 5는 본 발명의 실시예에 대한 개질기 구조의 변형예를 도시한 분해 사시도이다.

본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 수소 가스와 공기를 스택으로 공급하는 연료 공급장치에 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 발생시킨다. 그리고 상기한 수소 가스를 스택으로 공급하고, 별도의 펌프 등을 통해 공기를 스택으로 공급한다. 그러면 스택에서는 상기 수소 가스와 공기 중에 함유된 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시킨다.

그런데, 종래에 따른 연료 전지 시스템은 연료 탱크에 저장된 연료를 개질기로 공급하고 공기를 스택으로 공급하기 위한 별도의 펌프들을 구비하는 바, 이러한 펌프들을 구동시키기 위한 기생전력이 증가함에 따라 전체적인 시스템의 에너지 효율이 저하되는 문제점이 있다. 또한 종래의 연료 전지 시스템은 위와 같은 펌프들의 설치 공간이 필요하므로, 전체적인 시스템의 크기를 컴팩트 하게 구현하지 못하게 되는 문제점이 있다.

본 발명은 상술한 문제점을 감안한 것으로서, 그 목적은 시스템 구동을 위한 기생전력을 줄이면서 전체적인 시스템의 크기를 컴팩트 하게 구현할 수 있는 연료 전지 시스템을 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부; 및 상기 전기 발생부에 연결 설치되어 수소를 함유한 연료와 산소를 함유한 공기를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급장치를 포함하며,

상기 연료 공급장치는, 압축 공기를 저장하면서 상기 전기 발생부와 공급라인에 의해 연결되는 제1 스토리지부와, 상기 연료를 저장하는 제2 스토리지부를 가지면서 상기 제1 스토리지부와 제2 스토리지부를 구획하는 다이어프램을 포함하여 이루어지는 실린더부재를 포함한다.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 연료 공급장치는 상기 제1 스토리지부와 연결 설치되어 상기 제1 스토리지부의 내부로 압축 공기를 공급하는 컴프레셔를 포함할 수 있다. 이 경우 상기 컴프레셔와 제1 스토리지부는 제1 공급라인에 의해 연결될 수 있다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 연료 공급장치는 상기 실린더부재와 연결 설치되어 열 에너지에 의한 화학 촉매 반응을 통해 상기 연료로부터 수소 가스를 발생시키고, 상기 수소 가스를 전기 발생부로 공급하는 개질기를 더 포함할 수 있다.

그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 개질기는, 상기 연료와 산소의 산화 촉매 반응을 통해 열 에너지를 발생시키는 열원부; 상기 열 에너지를 흡열하여 상기 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질 반응부; 및 상기 수소 가스와 산소의 선택적 산화 촉매 반응을 통해 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 적어도 하나의 일산화탄소 저감부를 포함할 수 있다.

이 경우 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 제2 스토리지부와 열원부가 제2 공급라인에 의해 연결되고, 상기 제1 스토리지부와 열원부가 제3 공급라인에 의해 연결되며, 상기 제2 스토리지부와 개질 반응부가 제4 공급라인에 의해 연결되고, 상기 제1 스토리지부와 일산화탄소 저감부가 제5 공급라인에 의해 연결되며, 상기 일산화탄소 저감부와 전기 발생부가 제6 공급라인에 의해 연결될 수 있다. 그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 제1 스토리지부와 전기 발생부가 제7 공급라인에 의해 연결될 수 있다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 전기 발생부가 복수로 구비되며, 상기 복수의 전기 발생부에 의한 적층 구조의 스택을 형성할 수 있다.

이상에서와 같은 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrance Fuel Cell: PEMFC) 방식으로 이루어질 수 있 으며, 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC) 방식으로 이루어질 수도 있다.

아울러 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 연료 공급장치는, 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부와 연결 설치되어 수소를 함유한 연료와 산소를 함유한 공기를 상기 전기 발생부로 공급하도록 구성되며,

압축 공기를 저장하면서 상기 전기 발생부와 공급라인에 의해 연결되는 제1 스토리지부와, 상기 연료를 저장하는 제2 스토리지부를 가지면서 상기 제1 스토리지부와 제2 스토리지부를 구획하는 다이어프램을 포함하여 이루어지는 실린더부재; 및 상기 제1 스토리지부와 연결 설치되어 상기 제1 스토리지부의 내부로 압축 공기를 공급하는 컴프레셔를 포함한다.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 연료 공급장치는, 상기 실린더부재와 연결 설치되어 열 에너지에 의한 화학 촉매 반응을 통해 상기 연료로부터 수소 가스를 발생시키고, 이 수소 가스를 전기 발생부로 공급하는 개질기를 더 포함할 수 있다. 이 경우 상기 개질기는, 상기 연료와 산소의 산화 촉매 반응을 통해 열 에너지를 발생시키는 열원부; 상기 열 에너지를 흡열하여 상기 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질 반응부; 및 상기 수소 가스와 산소의 선택적 산화 촉매 반응을 통해 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 적어도 하나의 일산화탄소 저감부를 포함할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 연료 공급장치에 있어서, 상기 다이어프램은 상기 압축 공기의 압력에 의해 탄력적으로 변형 가능한 소재로 이루어 지는 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 개략도이고, 도 2는 도 1에 도시한 스택의 구조를 나타내 보인 분해 사시도이다.

이 도면을 참조하여 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)을 설명하면, 이 연료 전지 시스템(100)은, 수소를 함유한 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키고, 이 수소 가스와 산화제 가스를 전기 화학적으로 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 통칭한다. 그러나 이하에서 설명하는 연료는 편의상 액상으로 이루어진 연료로 정의한다.

그리고 본 시스템(100)은 수소 가스와 반응하는 산화제 가스로서 별도의 저장수단에 저장된 산소 가스를 사용할 수 있으며, 산소를 함유하고 있는 공기를 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 전기 발생부(11)와, 수소를 함유한 연료로부터 수소 가스를 발생시키고 이 수소 가스와 공기를 전기 발생부(11)로 공급하는 연료 공급장치(50)를 포함하여 구성된다.

상기 전기 발생부(11)는 전극-전해질 합성체(12)를 중심에 두고 이의 양면에 세퍼레이터(16)를 배치하여 전기를 발생시키는 최소 단위의 스택을 형성하고, 복수로 구비되어 본 실시예에서와 같은 적층 구조의 스택(10)을 형성한다. 그리고 스택(10)의 최 외곽에는 상기한 복수의 전기 발생부(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 발생부(11)의 최 외곽에 위치하는 세퍼레이터(16)가 상기 가압 플레이트의 역할을 대신하도록 구성할 수도 있다. 또한 가압 플레이트(13)가 복수의 전기 발생부(11)를 밀착시키는 기능 외에, 다음에 설명하는 세퍼레이터(16)의 고유한 기능을 갖도록 구성할 수도 있다.

전극-전해질 합성체(12)는 양측에 애노드 전극과 캐소드 전극을 구비하며, 수소 가스와 공기 중의 산소를 산화/환원 반응시키는 기능을 하게 된다. 그리고 세퍼레이터(16)는 전극-전해질 합성체(12)의 양측에 수소 가스와 공기를 공급하는 기체 통로를 형성하고, 상기 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체의 기능을 하게 된다.

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 공 급하기 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.

상기와 같이 구성된 스택(10)의 전기 발생부(11)로 수소 가스와 공기를 공급하는 본 발명에 따른 연료 공급장치(50)는 도 3 및 도 4를 참조하여 상세히 설명한다.

도 3은 도 1에 도시한 연료 공급장치의 구조를 나타내 보인 사시도이고, 도 4는 도 3의 단면 구성도이다.

도 1 내지 도 4를 참고하면, 본 실시예에 따른 연료 공급장치(50)는 전기 발생부(11)와 연결 설치되어 수소를 함유한 연료로부터 수소 가스를 발생시키고, 이 수소 가스와 공기를 전기 발생부(11)로 공급할 수 있는 구조를 갖는다.

이를 위한 상기 연료 공급장치(50)는 압축 공기, 및 수소를 함유한 연료를 각각 저장할 수 있도록 서로 독립된 내부 공간을 갖는 실린더부재(51)와, 이 실린더부재(51)와 스택(10)에 연결 설치되어 상기 연료로부터 수소 가스를 발생시키고 이 수소 가스를 스택(10)으로 공급하는 개질기(30)를 포함한다.

실린더부재(51)는 소정 용적의 내부 공간을 갖는 밀폐 용기로서, 압축 공기를 실질적으로 저장하는 제1 스토리지부(52)와, 상기 연료를 실질적으로 저장하는 제2 스토리지부(53)를 형성하고 있다.

이러한 제1 스토리지부(52) 및 제2 스토리지부(53)는 실린더부재(51)의 내부에 설치되는 다이어프램(54)에 의하여 구획 형성될 수 있다. 상기 다이어프램(54)은 제1 스토리지부(52)와 제2 스토리지부(53)를 밀폐시키도록 실린더부재(51) 내부의 중간 지점에 설치된다. 그리고 상기 다이어프램(54)은 제1 스토리지부(52)의 내부 공간으로 압축 공기가 공급되어 그 내부 공간에 소정의 공기압이 작용하는 경우, 제2 스토리지부(53)의 내부 공간으로 만곡지게 굴곡될 수 있는 탄성 변형 가능한 소재로 형성될 수 있다. 이와 같은 다이어프램(54)은 제1 스토리지부(52)에 저장된 압축 공기의 공기압에 의해 제2 스토리지부(53)의 내부 공간으로 탄성 변형되면서 제2 스토리지부(53)에 저장된 연료를 배출시키는 역할을 하게 된다.

상기 제1 스토리지부(52)는 압축 공기를 저장하면서 이 압축 공기의 공기압을 이용하여 다이어프램(54)을 탄성 변형시킴과 동시에, 상기한 압축 공기를 다음에 설명하는 개질기(30)와 스택(10)으로 공급할 수 있는 구조를 갖는다. 이를 위해 제1 스토리지부(52)에는 그 내부 공간으로 압축 공기를 주입하기 하는 주입포트(52a)와, 상기 압축 공기를 외부로 배출시키기 위한 제1,2,3 배출포트(52b, 52c, 52d)를 형성하고 있다.

그리고 제2 스토리지부(53)는 별도로 연료 탱크(도시하지 않음)로부터 공급되는 연료를 저장하면서 제1 스토리지부(52) 내부의 공기압에 의해 상기 연료를 개질기(30)로 공급할 수 있는 구조를 갖는다. 이를 위해 상기 제2 스토리지부(53)에는 그 내부 공간으로 연료를 주입하기 위한 주입 포트(53a)와, 상기 내부 공간에 저장된 연료를 외부로 배출시키기 위한 제1,2 배출포트(53b, 53c)를 형성하고 있다.

이와 같은 구조를 갖는 상기 연료 공급장치(50)는 실린더부재(51)의 제1 스토리지부(52)로 압축 공기를 공급할 수 있는 컴프레셔(55)를 구비하고 있다. 상기한 컴프레셔(55)는 그 구조 및 작동 방식에 따라 다양한 종류가 있는 바, 나사 모양으로 된 암수 두개의 로터가 한 쌍으로 되어 서로 반대 방향으로 회전하면서 회전축 방향으로 들어오는 공기를 서로 맞물려 회전 압축시키는 나사식 에어 컴프레셔 또는 다수의 임펠러를 고속 회전시키는 터보 에어 컴프레셔 또는 왕복하는 피스톤에 의해 실린더 내에 흡입된 공기를 압축하는 왕복식 에어 컴프레셔를 구비할 수 있다. 이와 같은 컴프레셔(55)의 구조는 당 업계에 널리 알려진 공지의 기술이므로 본 명세서에서의 자세한 설명은 생략한다. 이 때 상기 컴프레셔(55)는 관로 형태의 제1 공급라인(91)에 의해 제1 스토리지부(52)의 주입 포트(52a)와 연결 설치될 수 있다.

그리고 본 발명에 적용되는 개질기(30)는 통상적으로 연료와 공기의 산화 촉매 반응을 통해 열 에너지를 발생시키는 열원부(31)와, 상기 열 에너지에 의한 수증기 개질 촉매 반응을 통해 상기 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질 반응부(32)와, 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 적어도 하나의 일산화탄소 저감부(33, 34)를 포함하고 있다. 일 예로서, 상기 일산화탄소 저감부(33, 34)는 수성가스 전환(Water-Gas Shift: WGS) 촉매 반응을 통해 추가의 수소 가스를 발생시키고 그 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 1차적으로 저감시키는 제1 일산화탄소 저감부(33)와, 상기 수소 가스와 공기의 선택적 산화(Preferential CO Oxidation: PROX) 촉매 반응을 통해 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 2차적으로 저감시키는 제2 일산화탄소 저감부(34)를 포함할 수 있다.

이와 같이 구성되는 상기 개질기(30)는 각각의 열원부(31), 개질 반응부(32) 및 일산화탄소 저감부(33, 34)를 원통 형상의 용기 타입으로 형성하고, 이 용기들이 배관으로 연결되도록 구성할 수 있다.

도 5는 본 발명의 실시예에 대한 개질기 구조의 변형예로서, 이 경우는 열원부(31), 개질 반응부(32), 일산화탄소 저감부(33, 34)들이 연료의 흐름을 가능케 하는 플레이트 타입으로 이루어지고, 이들의 적층 구조로 이루어진 개질기(30)를 구성한다.

상기 개질기(30)는 열원부(31)의 상측에 개질 반응부(32)와 제1 일산화탄소 저감부(33)를 순차적으로 적층하고, 열원부(31)의 하측에 제2 일산화탄소 저감부(34)를 적층하여 구성할 수 있다.

보다 구체적으로, 이 경우는 제1 반응 기판(31a)을 중심으로 그 상측에 제2 반응 기판(32a)과 제3 반응 기판(33a)을 순차적으로 적층하고, 제1 반응 기판(31a)의 하측에 제4 반응 기판(34a)을 적층하여 본 실시예에 의한 개질기(30)를 구성할 수 있다. 그리고 개질기(30)의 최상측에 위치하고 있는 제3 반응 기판(33a)의 상면에는 덮개 플레이트(41)가 결합될 수 있다.

상기와 같이 구성된 개질기(30)는 각 반응 기판(31a, 32a, 33a, 34a)의 상면에 연료의 흐름을 가능하게 하는 채널(31c, 32c, 33c, 34c)을 형성하고, 이 채널(31c, 32c, 33c, 34c)의 내표면에 촉매층(도시하지 않음)을 형성하고 있다.

이러한 개질기(30)와 실린더부재(51)의 연결 구조를 살펴보면, 상기 열원부(31)는 제1 스토리지부(52)와 제2 스토리지부(53)에 각각 연결 설치되는 바, 열원부(31)와 제2 스토리지부(53)의 제1 배출포트(53b)가 관로 형태의 제2 공급라인(92)에 의해 연결 설치되고, 열원부(31)와 제1 스토리지부(52)의 제1 배출포트(52b)가 관로 형태의 제3 공급라인(93)에 의해 연결 설치될 수 있다. 그리고 상기 개질 반응부(32)는 제2 스토리지부(53)에 연결 설치되는 바, 개질 반응부(32)와 제2 스토리지부(53)의 제2 배출포트(53c)가 관로 형태의 제4 공급라인(94)에 의해 연결 설치될 수 있다. 아울러 제2 일산화탄소 저감부(34)는 제1 스토리지부(52)와 연결 설치되는 바, 제2 일산화탄소 저감부(34)와 제1 스토리지부(52)의 제2 배출포트(52c)가 관로 형태의 제5 공급라인(95)에 의해 연결 설치될 수 있다.

한편, 상기한 제2 일산화탄소 저감부(34)와 스택(10)의 제1 주입부(13a)는 관로 형태의 제6 공급라인(96)에 의해 연결 설치되며, 제1 스토리지부(52)의 제3 배출포트(52d)와 스택(10)의 제2 주입부(13b)가 관로 형태의 제7 공급라인(97)에 의해 연결 설치될 수 있다. 그리고 실린더부재(51)와 각각의 개질기(30) 및 스택(10)을 연결하는 각각의 공급라인 상에는 이 공급라인의 유로를 선택적으로 개폐시킬 수 있는 개폐 밸브(99)을 구비하고 있다. 이러한 개폐 밸브(99)는 별도로 마련된 컨트롤러(도시하지 않음)에 의해 그 작동이 제어될 수 있다.

대안으로서, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)은 위와 같은 연료를 직접 스택(10)으로 공급하여 전기를 생산해 낼 수 있는 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC) 방식을 채용할 수도 있다. 이러한 직접 메탄올 형 연료 방식의 연료 전지는 고분자 전해질형 연료 전지와 달리, 전술한 바 있는 개질기(30)를 필요로 하지 않는다.

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

우선, 제2 스토리지부(53)의 내부 공간에 수소를 함유한 액상의 연료를 충전시킨 상태에서, 컴프레셔(55)를 가동시켜 압축 공기를 제1 공급라인(91)을 통해 제1 스토리지부(52)의 내부 공간으로 공급한다.

이에, 실린더부재(51) 내부의 다이어프램(54)이 상기 압축 공기의 공기압에 의해 제2 스토리지부(53)의 내부 공간으로 도면에 "X"로 표시한 간격 만큼 탄성 변형되면서 상기 제2 스토리지부(53)의 내부에 저장된 연료를 제2 공급라인(92)을 통해 열원부(31)로 공급한다. 즉, 상기한 연료는 다이어프램(54)의 압축력에 의해 제2 스토리지부(53)의 내부 공간으로부터 제2 공급라인(92)을 통해 열원부(31)로 공급될 수 있다. 이와 동시에, 제1 스토리지부(52)에 저장된 압축 공기를 제3 공급라인(93)을 통해 열원부(31)로 공급한다. 그러면, 열원부(31)에서는 상기 연료와 공기의 산화 촉매 반응을 통해 소정 온도의 반응열을 발생시킨다. 이 때 상기 컴프레셔(55)는 계속적으로 가동되어 압축 공기를 제1 스토리지부(52)의 내부로 공급하고 있는 상태에 있다.

이어서, 상기 제2 스토리지부(53)의 내부에 저장된 연료를 제4 공급라인(94)을 통해 개질 반응부(32)로 공급한다. 이 때 상기한 연료는 위에서와 마찬가지로 실린더부재(51) 내부의 다이어프램(54)이 상기 압축 공기의 공기압에 의해 제2 스 토리지부(53)의 내부 공간으로 탄성 변형됨에 따라, 상기 공기압에 의해 개질 반응부(32)로 공급될 수 있다. 그러면 개질 반응부(32)에서는 열원부(31)에서 발생하는 열 에너지를 흡열하고, 이 열 에너지를 이용한 수증기 개질 촉매 반응을 통해 상기 연료로부터 수소 가스를 발생시킨다. 즉, 상기 개질 반응부(32)는 수증기 개질 촉매 반응을 통한 연료의 분해 반응이 진행되어 이산화탄소와 수소를 함유하고 있는 수소 가스를 생성하게 된다. 이 때 상기 개질 반응부(32)에서는 부(副) 생성물로서의 일산화탄소가 미량 함유된 수소 가스를 생성하게 된다.

다음, 상기 일산화탄소가 미량 함유된 수소 가스를 제1 일산화탄소 저감부(33)로 공급한다. 그러면, 제1 일산화탄소 저감부(33)에서는 수성가스 전환 촉매 반응을 통해 추가의 수소 가스를 발생시키고, 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 1차적으로 저감시킨다.

이어서, 상기 수소 가스를 제2 일산화탄소 저감부(34)로 공급하고, 이와 동시에 제1 스토리지부(52)의 내부에 저장된 압축 공기를 제5 공급라인(95)을 통해 제2 일산화탄소 저감부(34)로 공급한다. 그러면, 제2 일산환탄소 저감부(34)에서는 상기 수소 가스와 공기의 선택적 산화 촉매 반응을 통해 이 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 2차적으로 저감시키고, 상기 수소 가스를 제6 공급라인(96)을 통해 스택(10)의 전기 발생부(11)로 배출시킨다.

이러는 과정을 거치는 동안, 제1 스토리지부(52)의 내부에 저장된 압축 공기를 제7 공급라인(97)을 통해 스택(10)의 전기 발생부(11)로 공급한다.

따라서 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.

이로써 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.

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, 단일의 컴프레셔를 채용하여 스택의 전기 생성에 필요한 연료를 공급할 수 있는 연료 공급장치를 구비하므로, 전체적인 시스템의 구동에 소모되는 기생전력을 줄여 시스템의 에너지 효율을 더욱 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 의하면, 종래와 달리 다수의 펌프를 배제하고 단일의 컴프레셔를 채용함에 따라, 전체적인 시스템의 크기를 컴팩트 하게 구현할 수 있는 효과가 있다.

Claims

수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부; 및

상기 전기 발생부에 연결 설치되어 수소를 함유한 연료와 산소를 함유한 공기를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급장치

를 포함하며,

상기 연료 공급장치는,

압축 공기를 저장하면서 상기 전기 발생부와 공급라인에 의해 연결되는 제1 스토리지부와. 상기 연료를 저장하는 제2 스토리지부를 가지면서 상기 제1 스토리지부와 제2 스토리지부를 구획하는 다이어프램을 포함하여 이루어지는 실린더부재를 포함하는 연료 전지 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 연료 공급장치는 상기 제1 스토리지부와 연결 설치되어 상기 제1 스토리지부의 내부로 압축 공기를 공급하는 컴프레셔를 포함하는 연료 전지 시스템.
제 2 항에 있어서,

상기 컴프레셔와 제1 스토리지부가 제1 공급라인에 의해 연결되는 연료 전지 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 연료 공급장치는 상기 실린더부재와 연결 설치되어 열 에너지에 의한 화학 촉매 반응을 통해 상기 연료로부터 수소 가스를 발생시키고, 상기 수소 가스를 전기 발생부로 공급하는 개질기를 더 포함하는 연료 전지 시스템.
제 4 항에 있어서,

상기 개질기는,

상기 연료와 산소의 산화 촉매 반응을 통해 열 에너지를 발생시키는 열원부;

상기 열 에너지를 흡열하여 상기 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질 반응부; 및

상기 수소 가스와 산소의 선택적 산화 촉매 반응을 통해 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 적어도 하나의 일산화탄소 저감부를 포함하는 연료 전지 시스템.
제 5 항에 있어서,

상기 제2 스토리지부와 열원부가 제2 공급라인에 의해 연결되는 연료 전지 시스템.
제 6 항에 있어서,

상기 제1 스토리지부와 열원부가 제3 공급라인에 의해 연결되는 연료 전지 시스템.
제 7 항에 있어서,

상기 제2 스토리지부와 개질 반응부가 제4 공급라인에 의해 연결되는 연료 전지 시스템.
제 8 항에 있어서,

상기 제1 스토리지부와 일산화탄소 저감부가 제5 공급라인에 의해 연결되는 연료 전지 시스템.
제 9 항에 있어서,

상기 일산화탄소 저감부와 전기 발생부가 제6 공급라인에 의해 연결되는 연료 전지 시스템.
삭제
제 1 항에 있어서,

상기 전기 발생부가 복수로 구비되며, 상기 복수의 전기 발생부에 의한 적층 구조의 스택을 형성하는 연료 전지 시스템.
제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,

상기 연료 전지 시스템이, 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrance Fuel Cell: PEMFC) 방식으로 이루어지는 연료 전지 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 연료 전지 시스템이, 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC) 방식으로 이루어지는 연료 전지 시스템.
수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부와 연결 설치되어 수소를 함유한 연료와 산소를 함유한 공기를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급장치에 있어서,

압축 공기를 저장하면서 상기 전기 발생부와 공급라인에 의해 연결되는 제1 스토리지부와, 상기 연료를 저장하는 제2 스토리지부를 가지면서 상기 제1 스토리지부와 제2 스토리지부를 구획하는 다이어프램을 포함하여 이루어지는 실린더부재; 및

상기 제1 스토리지부와 연결 설치되어 상기 제1 스토리지부의 내부로 압축 공기를 공급하는 컴프레셔

를 포함하는 연료 전지 시스템의 연료 공급장치.
제 15 항에 있어서,

상기 실린더부재와 연결 설치되어 열 에너지에 의한 화학 촉매 반응을 통해 상기 연료로부터 수소 가스를 발생시키고, 이 수소 가스를 전기 발생부로 공급하는 개질기를 포함하는 연료 전지 시스템의 연료 공급장치.
제 16 항에 있어서,

상기 개질기는,

상기 연료와 산소의 산화 촉매 반응을 통해 열 에너지를 발생시키는 열원부;

상기 열 에너지를 흡열하여 상기 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질 반응부; 및

상기 수소 가스와 산소의 선택적 산화 촉매 반응을 통해 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 적어도 하나의 일산화탄소 저감부를 포함하는 연료 전지 시스템의 연료 공급장치.
제 15 항에 있어서,

상기 다이어프램은 상기 압축 공기의 압력에 의해 탄력적으로 변형 가능한 소재로 이루어지는 연료 전지 시스템의 연료 공급장치.