KR100599687B1 - 연료 전지 시스템 및 이에 사용되는 개질기 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 열 에너지에 의한 화학 촉매 반응을 통해 수소를 함유한 연료로부터 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 개질기 및 전기 생성부로 산소를 공급하는 산소 공급원을 포함하며, 상기 개질기는, 상기 연료의 산화 촉매 반응을 통해 상기 열 에너지를 발생시키는 열원부와, 상기 연료의 개질 촉매 반응을 통해 상기 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질 반응부를 구비하고, 상기 연료의 흐름을 가능하게 하는 채널을 양면에 형성하는 제1 반응 기판과, 상기 제1 반응 기판의 양면을 덮는 덮개부를 가지면서 상기 열원부와 개질 반응부를 일체로 형성한다.

연료전지, 스택, 전기생성부, 개질기, 반응기판, 플레이트, 양면, 채널, 통로, 촉매층, 덮개

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 개질기의 구조를 나타내 보인 분해 사시도이다.

도 3은 도 2의 결합 단면 구성도이다.

도 4는 도 1에 도시한 스택의 구조를 도시한 분해 사시도이다.

본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료 전지 시스템에 사용되는 플레이트 타입의 개질기에 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 분리 하고 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, 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 연료의 흐름을 가능 하게 하는 채널을 양면에 형성하고 있는 반응 기판을 채용하여 그 크기를 줄이고 열 전달율을 향상시킬 수 있는 개질기를 구비한 연료 전지 시스템을 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 열 에너지에 의한 화학 촉매 반응을 통해 수소를 함유한 연료로부터 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 개질기 및 전기 생성부로 산소를 공급하는 산소 공급원을 포함하며, 상기 개질기는, 상기 연료의 산화 촉매 반응을 통해 상기 열 에너지를 발생시키는 열원부와, 상기 연료의 개질 촉매 반응을 통해 상기 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질 반응부를 구비하고, 상기 연료의 흐름을 가능하게 하는 채널을 양면에 형성하는 제1 반응 기판과 상기 제1 반응 기판의 양면을 덮는 덮개부를 가지면서 상기 열원부와 개질 반응부를 일체로 형성한다.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 개질기는, 상기 연료의 흐름을 가능하게 하는 채널을 양면에 형성하는 제1 반응 기판과, 상기 제1 반응 기판의 양면을 덮는 덮개부를 포함할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 개질기는, 상기 제1 반응 기판의 일면에 형성하는 제1 채널과 상기 덮개부에 의하여 형성되는 제1 통로와, 상기 제1 반응 기판의 다른 일면에 형성하는 제2 채널과 상기 덮개부에 의하여 형성되는 제2 통로를 포함하며, 상기 제1 채널 및 제2 채널 중 어느 하나의 채널에 산화 촉매층을 형성하고, 다른 하나의 채널에 개질 촉매층을 형성하고 있다.

그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 개질기는, 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 한 쌍의 일산화탄소 저감부를 더 포함하며, 상기 각각의 일산화탄소 저감부를 일체로 형성할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 개질기는, 상기 연료의 흐름을 가능하게 하는 채널을 양면에 형성하는 제2 반응 기판과, 상기 제2 반응 기판의 양면을 덮는 덮개부를 포함할 수 있다.

그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 개질기는, 상기 제2 반응 기판의 일면에 형성하는 제3 채널과 상기 덮개부에 의하여 형성되는 제3 통로와, 상기 제2 반응 기판의 다른 일면에 형성하는 제4 채널과 상기 덮개부에 의하여 형성되는 제4 통로를 포함하며, 상기 제3 채널 및 제4 채널 중 어느 하나의 채널에 수성가스 전환 촉매층을 형성하고, 다른 하나의 채널에 선택적 산화 촉매층을 형성하고 있다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 연료 공급원은: 수소를 함유한 연료를 저장하는 제1 탱크; 물을 저장하는 제2 탱크; 및 상기 제1 및 제2 탱크에 연결 설치되는 연료 펌프를 포함할 수 있다. 그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 산소 공급원은: 공기를 흡입하는 공기 펌프를 포함할 수 있다.

이와 같은 구조를 갖는 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrance Fuel Cell: PEMFC) 방식으로 이루어 진다.

또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 사용되는 개질기는, 열 에너지에 의한 화학 촉매 반응을 통해 수소를 함유한 연료로부터 수소 가스를 발생시키기 위한 것으로, 상기 연료의 산화 촉매 반응을 통해 상기 열 에너지를 발생시키는 열원부; 및 상기 연료의 개질 촉매 반응을 통해 상기 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질 반응부를 포함하며, 상기 연료의 흐름을 가능하게 하는 채널을 양면에 형성하는 제1 반응 기판과 상기 제1 반응 기판의 양면을 덮는 덮개부를 가지면서 상기 열원부와 개질 반응부를 일체로 형성한다.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 사용되는 개질기는, 상기 연료의 흐름을 가능하게 하는 채널을 양면에 형성하는 제1 반응 기판과, 상기 제1 반응 기판의 양면을 덮는 덮개부를 포함할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 사용되는 개질기는, 상기 제1 반응 기판의 두께 중심 방향을 기준으로 일측이 열원부이고, 다른 일측이 개질 반응부인 것이 바람직하다.

그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 사용되는 개질기는, 상기 제1 반응 기판의 일면에 형성하는 제1 채널과 상기 덮개부에 의하여 형성되는 제1 통로와, 상기 제1 반응 기판의 다른 일면에 형성하는 제2 채널과 상기 덮개부에 의하여 형성되는 제2 통로를 포함하며, 상기 제1 채널 및 제2 채널 중 어느 하나의 채널에 산화 촉매층을 형성하고, 다른 하나의 채널에 개질 촉매층을 형성하고 있다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 사용되는 개질기는, 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 한 쌍의 일산화탄소 저감부를 더 포 함하며, 상기 각각의 일산화탄소 저감부를 일체로 형성할 수 있다.

그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 사용되는 개질기는, 상기 연료의 흐름을 가능하게 하는 채널을 양면에 형성하는 제2 반응 기판과, 상기 제2 반응 기판의 양면을 덮는 덮개부를 포함할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 사용되는 개질기는, 상기 제2 반응 기판의 두께 중심 방향을 기준으로 일측이 제1 일산화탄소 저감부이고, 다른 일측이 제2 일산화탄소 저감부인 것이 바람직하다.

그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 사용되는 개질기는, 상기 제2 반응 기판의 일면에 형성하는 제3 채널과 상기 덮개부에 의하여 형성되는 제3 통로와, 상기 제2 반응 기판의 다른 일면에 형성하는 제4 채널과 상기 덮개부에 의하여 형성되는 제4 통로를 포함하며, 상기 제3 채널 및 제4 채널 중 어느 하나의 채널에 수성가스 전환 촉매층을 형성하고, 다른 하나의 채널에 선택적 산화 촉매층을 형성하고 있다.

또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 사용되는 개질기는, 열 에너지에 의한 화학 촉매 반응을 통해 수소를 함유한 연료로부터 수소 가스를 발생시키기 위한 것으로, 상기 연료의 산화 촉매 반응을 통해 상기 열 에너지를 발생시키는 열원부와, 상기 연료의 개질 촉매 반응을 통해 상기 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질 반응부를 일체로 형성하는 제1 반응 기판; 및 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 한 쌍의 일산화탄소 저감부를 일체로 형성하는 제2 반응 기판을 포함하며, 상기 각각의 제1 및 제2 반응 기판은 연료의 흐름을 가능하게 하는 채널을 양면에 형성한다.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 사용되는 개질기는, 상기 제1 및 제2 반응 기판에 의한 적층 구조로 이루어지고, 그 양면과 각각의 기판 사이에 덮개부가 위치할 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 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 액상으로 이루어진 연료라 정의하고, 상기 액상의 연료와 물을 혼합 연료라고 정의한다.

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

도 1을 참고하면, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)은, 기본적으로 상 기 액상의 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질기(30)와, 상기 수소 가스와 공기 중에 함유된 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 스택(10)과, 상기 연료를 개질기(30)로 공급하는 연료 공급원(50)과, 산소를 개질기(30)와 스택(10)으로 각각 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 포함하고 있다. 그리고 산소 공급원(70)은 소정의 펌핑력으로 공기를 흡입할 수 있는 공기 펌프(71)를 포함하고 있다.

도 2는 도 1에 도시한 개질기의 구조를 나타내 보인 분해 사시도이고, 도 3은 도 2의 결합 단면 구성도이다.

도 1 내지 도 3을 참고하면, 본 발명에 적용되는 개질기(30)는 통상적으로 열 에너지에 의한 화학 촉매 반응을 통해 전술한 바 있는 혼합 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키고, 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 구조를 갖는다. 이러한 개질기(30)는 예컨대, 수증기 개질, 부분 산화 또는 자열 반응 등의 촉매 반응을 통해 액상의 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 기능을 갖는다. 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 저감시키는 기능도 갖는다.

이와 같은 개질기(30)는 상기 화학 촉매 반응에 필요한 열 에너지를 발생시키는 열원부(31)와, 열원부(31)로부터 발생하는 열 에너지를 흡열하여 상기 혼합 연료를 기화시키고 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 추가의 수소 가스를 발생시키고 그 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 1차적으로 저감시키는 제1 일산화탄소 저감부(33)와, 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.

본 실시예에 따르면, 상기 개질기(30)는 열원부(31)와 개질 반응부(32)를 일체로 형성하는 제1 반응 기판(41a)과, 제1 및 제2 일산화탄소 저감부(33, 34)를 일체로 형성하는 제2 반응 기판(42a)을 구비하며, 상기 제1 및 제2 반응 기판(41a, 42b)의 적층 구조로 이루어진다.

구체적으로, 상기 제1 반응 기판(41a)은 소정 두께를 갖는 대략 사각형의 플레이트 타입으로 이루어진 몸체(41b)를 구비하며, 그 몸체(41b)의 양면에 연료의 흐름을 가능케 하는 채널(31c, 32c)을 형성하고 있다. 이 때 상기 제1 반응 기판(41a)은 도면에 가상선으로 표시한 두께의 중심 방향을 기준으로 그 하측 부분에 열원부(31)를 형성하고, 상측 부분에 개질 반응부(32)를 형성하고 있다. 물론 상기 제1 반응 기판(41a)에 대한 열원부(31)와 개질 반응부(32)의 배치 구조가 이것으로 한정되는 것은 아니다.

상기 제1 반응 기판(41a)에 있어 열원부(31)는 수소 가스의 생성에 필요한 열 에너지를 발생시키는 발열 부분으로, 액상의 연료와 공기를 산화 촉매 반응을 통해 연소시키는 기능을 한다. 열원부(31)는 도면에서 제1 반응 기판(41a)의 하측면에 상기 연료와 공기의 흐름을 가능하게 하는 제1 유로 채널(31c)을 형성하고 있다. 제1 유로 채널(31c)은 상기 하측면에 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 제1 탱크(51)는 관로 형태의 제1 공급라인(81)에 의해 연결될 수 있다. 그리고 상기 유입구(31f)와 공기 펌프(71)는 관로 형태의 제2 공급라인(82)에 의해 연결될 수 있다.

더욱이 상기 열원부(31)는 제1 반응 기판(41a)의 하측면에 제1 덮개부(35a)를 결합하여 제1 유로 채널(31c)과 제1 덮개부(35a)의 덮개면에 의해 액상의 연료와 공기를 통과시킬 수 있는 제1 통로(31d)를 형성하고 있다. 이 때 상기 제1 통로(31d)의 내부에는 연료와 공기의 산화 반응을 촉진시키는 통상적인 산화 촉매층(31e)을 형성하고 있다. 여기서 상기 산화 촉매층(31e)은 제1 통로(31d)에 대하여 제1 유로 채널(31c)의 내표면에 형성될 수 있다.

그리고 제1 반응 기판(41a)에 있어 개질 반응부(32)는 열원부(31)로부터 발생되는 열 에너지를 흡열하여 액상의 연료와 물의 혼합 연료를 기화시키고, 수증기 개질(Steam Reformer: SR) 촉매 반응을 통해 상기 기화된 혼합 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 기능을 한다. 상기 개질 반응부(32)는 도면에서 제1 반응 기판(41a)의 상측면에 상기 혼합 연료의 흐름을 가능케 하는 제2 유로 채널(32c)을 형성하고 있다. 제2 유로 채널(32c)은 상기 상측면에 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 제1 및 제2 탱크(51, 53)는 관로 형태의 제3 공급라인(83)에 의해 연결될 수 있다. 그리고 상기 유입구(32f)는 열원부(31)의 제1 유로 채널(31c)의 유출구(31g)와 별도의 관로(도시하지 않음)를 통해 연결될 수도 있다.

더욱이 상기 개질 반응부(32)는 제1 반응 기판(41a)의 상측면에 제2 덮개부(35b)를 결합하여 제2 유로 채널(32c)과 제2 덮개부(35b)의 덮개면에 의해 혼합 연료를 통과시킬 수 있는 제2 통로(32d)를 형성하고 있다. 이 때 상기 제2 통로(32d)의 내부에는 상기 혼합 연료의 수증기 개질 반응을 촉진시키는 통상적인 개질 촉매층(32e)을 형성하고 있다. 여기서 상기 개질 촉매층(32e)은 제2 통로(32d)에 대하여 제2 유로 채널(32c)의 내표면에 형성될 수 있다.

한편, 상기 제2 반응 기판(42a)은 소정 두께를 갖는 대략 사각형의 플레이트 타입으로 이루어진 몸체(42b)를 구비하며, 그 몸체(42b)의 양면에 연료의 흐름을 가능케 하는 채널(33c, 34c)을 형성하고 있다. 이 때 상기 제2 반응 기판(42b)은 도면에 가상선으로 표시한 두께의 중심 방향을 기준으로 그 하측 부분에 제1 일산화탄소 저감부(33)를 형성하고, 상측 부분에 제2 일산화탄소 저감부(34)를 형성하고 있다. 본 발명에 따르면, 상기 제2 반응 기판(42a)에 대한 제1 일산화탄소 저감부(33)와 제2 일산화탄소 저감부(34)의 배치 구조가 이것으로 한정되는 것은 아니며, 제1 일산화탄소 저감부(33)가 상측에 위치하고 제2 일산화탄소 저감부(34)가 하측에 위치할 수도 있다.

그리고 상기 제2 반응 기판(42a)은 도면에서와 같이, 제1 반응 기판(41a)의 상측에 위치하는 것이 바람직하다. 그러나 이러한 배치 구조는 본 발명을 설명하기 위한 하나의 예일 뿐, 본 발명이 반드시 이로 한정되는 것은 아니다.

구체적으로, 상기 제2 반응 기판(42a)에 있어 제1 일산화탄소 저감부(33)는 개질 반응부(32)에서 발생된 수소 가스의 수성 가스 전환(Water-Gas Shift Reaction: WGS) 촉매 반응을 통해 추가의 수소 가스를 발생시키고, 상기한 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 1차적으로 저감시키기 위한 것이다. 상기 제1 일산화탄소 저감부(33)는 도면에서 제2 반응 기판(42a)의 하측면에 개질 반응부(32)로부터 발생된 수소 가스의 흐름을 가능하게 하는 제3 유로 채널(33c)을 형성하고 있다. 제3 유로 채널(33c)은 상기 하측면에 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(도시하지 않음) 예컨대, 관 로 또는 관통홀을 통해 상기 제1 반응 기판(41a)의 제2 유로 채널(32c)의 유출구(32g)와 연결될 수도 있다.

더욱이 상기 제1 일산화탄소 저감부(33)는 제2 반응 기판(42a)의 하측면이 전술한 바 있는 제2 덮개부(35b)와 밀착하여 제3 유로 채널(33c)과 제2 덮개부(35b)의 밀착면에 의해 개질 반응부(32)의 제2 통로(32d)로부터 배출되는 수소 가스를 통과시킬 수 있는 제3 통로(33d)를 형성하고 있다. 이 때 상기 제3 통로(33d)의 내부에는 상기 수소 가스의 수성가스 전환 반응을 촉진시키는 통상적인 수성가스 전환 촉매층(33e)을 형성하고 있다. 여기서 상기 수성가스 전환 촉매층(33e)은 제3 통로(33d)에 대하여 제3 유로 채널(33c)의 내표면에 형성될 수 있다.

대안으로, 상기 제1 일산화탄소 저감부(33)에 의하면, 제3 유로 채널(33c)과 제2 덮개부(35b)의 밀착면에 의해 제3 통로(33d)를 형성하는 것에 한정되지 않고, 제2 반응 기판(42a)의 하측면에 별도의 덮개부를 결합하여 제3 유로 채널(33c)과 상기 덮개부의 덮개면에 의한 제3 통로(33d)를 형성할 수도 있다.

그리고 상기 제2 반응 기판(42a)에 있어 제2 일산화탄소 저감부(34)는 제1 일산화탄소 저감부(33)를 통해 배출되는 수소 가스와 공기의 선택적 산화(Preferential CO Oxidation: PROX) 촉매 반응을 통해 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 2차적으로 저감시키기 위한 것이다. 상기 제2 일산화탄소 저감부(34)는 도면에서 제2 반응 기판(42a)의 상측면에 상기 수소 가스의 흐름을 가능하게 하는 제4 유로 채널(34c)을 형성하고 있다. 제4 유로 채널(34c)은 상기 상측면에 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 공기 펌프(71)는 관로 형태의 제4 공급라인(84)에 의해 연결될 수 있다. 그리고 상기 유출구(34g)와 다음에 설명하는 스택(10)은 제5 공급라인(85)에 의해 연결 설치될 수 있다. 그리고 상기 유입구(34f)와 제3 유로 채널(33c)의 유출구(33g)가 별도의 연결수단(도시하지 않음) 예컨대, 관로 또는 관통홀에 의하여 연결될 수도 있다.

더욱이 상기 제2 일산화탄소 저감부(34)는 제2 반응 기판(42)의 상측면에 제3 덮개부(35c)를 결합하여 제4 유로 채널(34c)과 제3 덮개부(35c)의 덮개면에 의해 제1 일산화탄소 저감부(33)의 제3 통로(33d)로부터 배출되는 수소 가스를 통과시키는 제4 통로(34d)를 형성하고 있다. 이 때 상기 제4 통로(34d)의 내부에는 수소 가스의 선택적 산화 반응을 촉진시키는 통상적인 선택적 산화 촉매층(34e)을 형성하고 있다. 여기서 상기 선택적 산화 촉매층(34e)은 제4 통로(34d)에 대하여 제4 유로 채널(34c)의 내표면에 형성될 수 있다.

이상에서 설명한 각 반응 기판(41a, 42a)의 몸체(41b, 42b)는 일 례로서 사각형의 플레이트 형상을 취하면서, 실리콘, 알루미늄, 유리 또는 스테인레스 소재로 형성될 수 있다. 이 때 상기 몸체(41b, 42b)는 위와 같은 사각형의 플레이트 타입으로 이루어지는 것에 국한되지 않고 다양한 형태로 변형될 수도 있다.

그리고 상기 각각의 몸체(41b, 42b)에 형성된 각각의 채널(31c, 32c, 33c, 34c)은 몸체(41b, 42b)의 상,하측면에서 임의의 간격을 두고 돌출 형성된 리브(31h, 32h, 33h, 34h)들 사이의 공간에 의해 형성될 수 있다. 이러한 채널(31c, 32c, 33c, 34c)은 상기 몸체(31b, 32b, 33b, 34b)의 상,하측면에 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.

따라서 본 발명의 실시예에 따른 개질기(30)에 의하면, 종래와 달리 열원부(31)와 개질 반응부(32)를 일체로 형성하는 플레이트 타입의 제1 반응 기판(41a)과, 한 쌍의 일산화탄소 저감부(33, 34)를 일체로 형성하는 플레이트 타입의 제2 반응 기판(42a)을 구비함에 따라, 개질기는 물론 전체적인 시스템의 크기를 컴팩트하게 구현할 수 있으며, 연료의 각종 반응에 필요한 열 에너지를 신속하게 전달할 수 있어 개질기의 전체적인 반응 효율 및 열 효율을 더욱 향상시킬 수 있는 장점을 갖는다.

도 4는 도 1에 도시한 스택의 구조를 도시한 분해 사시도이다.

도 1 및 도 4를 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 포함하고 있다.

상기 전기 생성부(11)는 전극-전해질 합성체(12)를 중심에 두고 이의 양면에 세퍼레이터(16)를 배치하여 전기를 발생시키는 최소 단위의 셀을 형성하고, 이 단 위 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 제1 반응 기판(41a)의 제1 유로 채널(31c)의 유입구(31f)와 연결될 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 개질기(30)의 제1 통로(31d)로 공급한다. 이와 동시에, 공기 펌프(71)를 가동시켜 공기를 제2 공급라인(82)을 통해 상기 제1 통로(31d)로 공급한다. 그러면, 상기 액상의 연료와 공기가 제1 통로(31d)를 따라 유동하면서 산화 촉매층(31c)에 의해 산화 촉매 반응을 일으킨다. 따라서, 열원부(31)에서는 이와 같은 연료와 공기의 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 예열하게 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 개질기(30)의 제2 통로(32d)로 공급한다. 그러면 상기 액상의 연료와 물의 혼합 연료는 제2 통로(32d)를 따라 흐르면서 상기 열원부(31)로부터 제공되는 열 에너지에 의해 기화되게 된다. 따라서 개질 반응부(32)에서는 개질 촉매층(32e)에 의한 수증기 개질 촉매 반응을 통해 상기 기화된 혼합 연료로부터 수소 가스를 발생시킨다. 부연 설명하면, 상기 개질 반응부(32)에서는 개질 촉매층(32e)에 의한 수증기 개질 촉매 반응 예컨대, 혼합 연료의 분해 반응이 진행되어 이산화탄소와 수소를 함유하고 있는 수소 가스를 생성하게 된다. 이 때 개질 반응부(32)에서는 수증기 개질 촉매 반응에 의한 부(副) 생성물로서의 일산화탄소가 함유된 수소 가스를 생성하게 된다.

다음, 상기 일산화탄소가 함유된 수소 가스를 개질기(30)의 제3 통로(33d)를 따라 흐르게 한다. 그러면, 제1 일산화탄소 저감부(33)에서는 수성가스 전환 촉매층(33e)에 의한 수성가스 전환 촉매 반응을 통해 추가의 수소 가스를 발생시키고, 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 1차적으로 저감시킨다.

이어서, 상기 제3 통로(33d)를 통과한 상기 수소 가스를 개질기(30)의 제4 통로(34d)를 따라 흐르게 한다. 이와 동시에, 공기 펌프(71)를 가동시켜 공기를 제4 공급라인(84)을 통해 상기 제4 통로(34d)로 공급한다. 그러면, 제2 일산화탄소 저감부(34)에서는 선택적 산화 촉매층(34e)에 의한 선택적 산화 촉매 반응을 통해 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 2차적으로 저감시키고, 상기 수소 가스를 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.

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, 반응 기판의 양면에 채널을 구비한 개질기를 구비하므로, 전체적인 시스템을 컴팩트 하게 구현할 수 있으며, 제 조 공정의 단순화를 통해 생산성을 더욱 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 의하면, 연료의 각종 반응에 필요한 열 에너지를 신속하게 전달할 수 있으므로, 전체적인 개질기의 반응 효율 및 열 효율을 더욱 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (19)

1. 열 에너지에 의한 화학 촉매 반응을 통해 수소를 함유한 연료로부터 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 개질기 및 전기 생성부로 산소를 공급하는 산소 공급원을 포함하며,

   상기 개질기는,

   상기 연료의 산화 촉매 반응을 통해 상기 열 에너지를 발생시키는 열원부와, 상기 연료의 개질 촉매 반응을 통해 상기 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질 반응부를 구비하고,

   상기 연료의 흐름을 가능하게 하는 채널을 양면에 형성하는 제1 반응 기판과, 상기 제1 반응 기판의 양면을 덮는 덮개부를 가지면서 상기 열원부와 개질 반응부를 일체로 형성하는 연료 전지 시스템.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 개질기는,

   상기 제1 반응 기판의 일면에 형성하는 제1 채널과 상기 덮개부에 의하여 형성되는 제1 통로와, 상기 제1 반응 기판의 다른 일면에 형성하는 제2 채널과 상기 덮개부에 의하여 형성되는 제2 통로를 포함하며,

   상기 제1 채널 및 제2 채널 중 어느 하나의 채널에 산화 촉매층을 형성하고, 다른 하나의 채널에 개질 촉매층을 형성하는 연료 전지 시스템.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 개질기는,

   상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 한 쌍의 일산화탄소 저감부를 더 포함하며,

   상기 각각의 일산화탄소 저감부를 일체로 형성하는 연료 전지 시스템.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 개질기는,

   상기 연료의 흐름을 가능하게 하는 채널을 양면에 형성하는 제2 반응 기판과, 상기 제2 반응 기판의 양면을 덮는 덮개부를 포함하는 연료 전지 시스템.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 개질기는,

   상기 제2 반응 기판의 일면에 형성하는 제3 채널과 상기 덮개부에 의하여 형성되는 제3 통로와, 상기 제2 반응 기판의 다른 일면에 형성하는 제4 채널과 상기 덮개부에 의하여 형성되는 제4 통로를 포함하며,

   상기 제3 채널 및 제4 채널 중 어느 하나의 채널에 수성가스 전환 촉매층을 형성하고, 다른 하나의 채널에 선택적 산화 촉매층을 형성하는 연료 전지 시스템.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 연료 공급원은:

   수소를 함유한 연료를 저장하는 제1 탱크;

   물을 저장하는 제2 탱크; 및

   상기 제1 및 제2 탱크에 연결 설치되는 연료 펌프를 포함하는 연료 전지 시스템.
8. 제 1 항에 있어서,

   상기 산소 공급원은:

   공기를 흡입하는 공기 펌프를 포함하는 연료 전지 시스템.
9. 제 1 항에 있어서,

   상기 연료 전지 시스템이, 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrance Fuel Cell: PEMFC) 방식으로 이루어지는 연료 전지 시스템.
10. 열 에너지에 의한 화학 촉매 반응을 통해 수소를 함유한 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질기에 관한 것으로,

    상기 연료의 산화 촉매 반응을 통해 상기 열 에너지를 발생시키는 열원부; 및

    상기 연료의 개질 촉매 반응을 통해 상기 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질 반응부

    를 포함하며,

    상기 연료의 흐름을 가능하게 하는 채널을 양면에 형성하는 제1 반응 기판과, 상기 제1 반응 기판의 양면을 덮는 덮개부를 가지면서 상기 열원부와 개질 반응부를 일체로 형성하는 연료 전지 시스템에 사용되는 개질기.
11. 삭제
12. 제 10 항에 있어서,

    상기 제1 반응 기판의 두께 중심 방향을 기준으로 일측이 열원부이고, 다른 일측이 개질 반응부인 연료 전지 시스템에 사용되는 개질기.
13. 제 12 항에 있어서,

    상기 제1 반응 기판의 일면에 형성하는 제1 채널과 상기 덮개부에 의하여 형성되는 제1 통로와, 상기 제1 반응 기판의 다른 일면에 형성하는 제2 채널과 상기 덮개부에 의하여 형성되는 제2 통로를 포함하며,

    상기 제1 채널 및 제2 채널 중 어느 하나의 채널에 산화 촉매층을 형성하고, 다른 하나의 채널에 개질 촉매층을 형성하는 연료 전지 시스템에 사용되는 개질기.
14. 제 10 항에 있어서,

    상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 한 쌍의 일산화탄소 저감부를 더 포함하며,

    상기 각각의 일산화탄소 저감부를 일체로 형성하는 연료 전지 시스템에 사용되는 개질기.
15. 제 14 항에 있어서,

    상기 연료의 흐름을 가능하게 하는 채널을 양면에 형성하는 제2 반응 기판과, 상기 제2 반응 기판의 양면을 덮는 덮개부를 포함하는 연료 전지 시스템에 사용되는 개질기.
16. 제 15 항에 있어서,

    상기 제2 반응 기판의 두께 중심 방향을 기준으로 일측이 제1 일산화탄소 저 감부이고, 다른 일측이 제2 일산화탄소 저감부인 연료 전지 시스템에 사용되는 개질기.
17. 제 16 항에 있어서,

    상기 제2 반응 기판의 일면에 형성하는 제3 채널과 상기 덮개부에 의하여 형성되는 제3 통로와, 상기 제2 반응 기판의 다른 일면에 형성하는 제4 채널과 상기 덮개부에 의하여 형성되는 제4 통로를 포함하며,

    상기 제3 채널 및 제4 채널 중 어느 하나의 채널에 수성가스 전환 촉매층을 형성하고, 다른 하나의 채널에 선택적 산화 촉매층을 형성하는 연료 전지 시스템에 사용되는 개질기.
18. 열 에너지에 의한 화학 촉매 반응을 통해 수소를 함유한 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질기에 관한 것으로,

    상기 연료의 산화 촉매 반응을 통해 상기 열 에너지를 발생시키는 열원부와, 상기 연료의 개질 촉매 반응을 통해 상기 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질 반응부를 일체로 형성하는 제1 반응 기판; 및

    상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 한 쌍의 일산화탄소 저감부를 일체로 형성하는 제2 반응 기판

    을 포함하며,

    상기 각각의 제1 및 제2 반응 기판은 연료의 흐름을 가능하게 하는 채널을 양면에 형성하고 있는 연료 전지 시스템에 사용되는 개질기.
19. 제 18 항에 있어서,

    상기 제1 및 제2 반응 기판에 의한 적층 구조로 이루어지고, 그 양면과 각각의 기판 사이에 덮개부가 위치하는 연료 전지 시스템에 사용되는 개질기.

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