KR100601232B1 - 연료 전지 시스템, 연료 전지 시스템용 연료 및 이를 저장하기 위한 연료 탱크 - Google Patents

연료 전지 시스템, 연료 전지 시스템용 연료 및 이를 저장하기 위한 연료 탱크 Download PDF

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Abstract

연료 전지 시스템은 에테르, 물 및 알코올을 포함하는 연료를 저장하는 연료 탱크, 연료를 기화시키는 기화기, 기화된 연료를 수소 농후 가스로 개질시키는 개질기, 수소 농후 가스에서 CO 가스를 제거시키도록 구성된 CO 가스 제거 장치 및 수소 농후 가스 및 산소의 전기 화학적 반응에 의해 전기를 발생시키도록 구성된 연료 전지 유닛을 포함한다.
연료 전지 시스템, 연료 탱크, 기화기, 개질기, CO 가스 제거 장치

Description

연료 전지 시스템, 연료 전지 시스템용 연료 및 이를 저장하기 위한 연료 탱크 {FUEL CELL SYSTEM, FUEL, AND FUEL TANK STORING FUEL FOR A FUEL CELL SYSTEM}
도1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 예를 도시한 블록도.
도2는 본 발명에 따른 제1 실시예에 따른 연료 탱크를 도시한 단면도.
도3은 본 발명에 따른 제1 실시에의 제1 변형예를 도시한 블록도.
도4는 본 발명에 따른 제1 실시예의 제2 변형예를 도시한 블록도.
도5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 예를 도시한 블록도.
도6은 본 발명에 따른 제2 실시예의 변형예를 도시한 블록도.
도7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 예를 도시한 블록도.
도8은 본 발명에 따른 제3 실시예의 제1 변형예를 도시한 블록도.
도9는 본 발명에 따른 제3 실시예의 제2 변형예를 도시한 블록도.
도10은 본 발명에 따른 제3 실시예의 제3 변형예를 도시한 블록도.
도11은 본 발명의 제4 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 예를 도시한 블록도.
도12는 본 발명에 따른 제4 실시예의 변형예를 도시한 블록도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
5 : 연료 전극
9 : 연료 전지 유닛
11 : 개질기
13 : 제1 연료 탱크
15 : 가변 컨덕턴스 밸브
17 : 기화기
19 : CO 가스 제거 장치
23 : 연소기
47 : 질량 유동 제어 밸브
49 : 배압 조절 밸브
본 출원은 2003년 3월 31일자로 출원된 종래 일본 특허 출원 제2003-096427호 및 제2003-096436호에 기초하고 있으며 이로부터 우선권의 이득을 청구하고, 그 전체 내용은 본 명세서에 참조된다.
본 발명은 연료를 수소 농후 가스로 개질시키고 수소 농후 가스가 산소와 반응할 수 있게 함으로써 전기를 발생시키는 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
연료 전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라서, 고분자 전해질형 연료 전지, 인산 연료 전지, 알카라인 연료 전지, 용융 카보네이트 연료 전지, 고체 산소 연료 전지 등으로 분류된다. 연료 전지 유닛에 공급되는 수소는 가스 실린더에 의해 제공되는 대신에 개질기 내에서 수소 농후 가스로 개질된 연료에 의해 제공될 수 있다. 연료로서는, 천연가스, 프로판 가스, 메탄올 등이 사용될 수 있다. 연료를 수소 농후 가스로 개질하기 위해서 물과 연료는 개별적으로 개질기에 공급되고 수소 농후 가스는 촉매를 사용하여 생성된다.
그렇지만, 최근의 연료 전지 시스템은 연료를 수소 가스로 개질하기 위해 높은 촉매 활성화를 나타낼 필요는 없다. 그러므로, 전기를 발생시키기 위해 적절한 필요량의 수소를 공급하도록 개질기의 크기가 증대된다. 개질기가 증대되기 때문에, 연료 전지 시스템의 전체 시스템 또한 증대된다.
게다가, 그러한 연료 전지 시스템에서는, 개질 반응을 위해 사용되는 연료 및 물을 공급하는 펌프가 필요하다. 그러므로, 펌프용 공간이 요구된다. 펌프를 구동하기 위한 동력이 연료 전지에 의해 발생된 전기에 의해 제공될 수 있기 때문에, 연료 전지에 의한 전기 발생의 전체 효율이 감소될 수 있다.
본 발명은 전술된 문제를 해결하기 위해 이루어졌다. 본 발명의 목적은 연료를 수소 농후 가스로 개질하는 높은 효율과 소형의 간단한 구조로써 전기를 발생시키는 높은 효율을 가지는 연료 전지 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 태양은 에테르, 물 및 알코올을 포함하는 연료를 저장하는 연 료 탱크와, 상기 연료를 기화시키는 기화기와, 기화된 연료를 수소 농후 가스로 개질시키는 개질기와, 수소 농후 가스 내에서 CO 가스를 제거하도록 구성된 CO 가스 제거 장치와, 수소 농후 가스와 산소의 전기 화학적 반응에 의해 전기를 발생시키도록 구성된 연료 전지 유닛을 포함하는 연료 전지 시스템이다.
본 발명의 다른 태양은 에테르를 포함하는 제1 연료를 저장하는 제1 연료 탱크와, 메탄올 및 물을 포함하는 제2 연료를 저장하는 제2 연료 탱크와, 상기 제2 연료를 기화시키는 기화기와, 제1 및 제2 연료를 수소 농후 가스로 개질시키는 개질기와, 수소 농후 가스로부터 CO 가스를 제거하도록 구성된 CO 가스 제거 장치와, 수소 농후 가스와 산소의 전기 화학적 반응에 의해 전기를 발생시키도록 구성된 연료 전지 유닛을 포함하는 연료 전지 시스템이다.
본 발명의 또 다른 태양은 에테르를 포함하는 연료를 저장하는 제1 탱크와, 물을 저장하는 제2 탱크와, 수소를 저장하는 제3 탱크와, 물을 기화시키는 기화기와, 연료, 물 및 수소를 수소 농후 가스로 개질시키는 개질기와, 수소 농후 가스로부터 CO 가스를 제거하도록 구성된 CO 가스 제거 장치와, 수소 농후 가스와 산소의 전기 화학적 반응에 의해 전기를 발생시키도록 구성된 연료 전지 유닛을 포함하는 연료 전지 시스템이다.
본 발명의 또 다른 태양은 디메틸 에테르와, 물과, 5 내지 10 중량%의 메탄올을 포함하며, 디메틸 에테르와 물의 혼합비는 1:3 내지 1:4의 범위 내에 있는 연료 전지 시스템용 연료이다.
본 발명의 또 다른 태양은 디메틸 에테르와, 물과, 메탄올을 포함하는 연료 전지 시스템용 연료 탱크이다.
본 발명의 다양한 실시예가 첨부된 도면을 참조하여 설명될 것이다. 도면 전체에 걸쳐서 동일하거나 유사한 도면 부호는 동일하거나 유사한 부품 및 요소에 적용되며, 동일하거나 유사한 부품 및 요소의 설명은 생략되거나 간략화될 것이라는 것을 유념해야 한다. 그렇지만, 본 발명은 그러한 구체적인 세부 사항이 없이도 실시될 수 있다는 것은 본 기술분야의 숙련자들에게 명백할 것이다.
(제1 실시예)
도1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템(1a)은 에테르, 물 및 알코올을 포함하는 연료를 저장하도록 구성된 연료 탱크(제1 연료 탱크)(13), 연료를 기화시키도록 구성된 기화기(17), 기화된 연료를 수소 농후 가스로 개질시키도록 구성된 개질기(11), 수소 농후 가스 내의 CO 가스를 제거 또는 감소시키도록 구성된 CO 가스 제거 장치(19) 및 수소 농후 가스와 산소의 전기 화학적 반응에 의해 전기를 발생시키도록 구성된 연료 전지 유닛(9)을 포함한다.
제1 연료 탱크(13)는 액체 및 기체를 포함하는 연료를 저장할 수 있는 용기이다. 도2에 도시된 바와 같이, 제1 연료 탱크(13)는 연료를 저장하도록 구성된 카트리지 유닛(131)과 카트리지 유닛(131)을 유지 유닛(135)에 대향되게 유지하도록 구성된 유지 유닛(135)을 가진다. 카트리지 유닛(131)으로부터 돌출하는 돌기(131a)가 카트리지 유닛(131)의 일단부 내에 배치된다. 돌기(131a)는 유지 유닛(135)과 연결하기 위해 돌기(131a)의 외측벽 상에 나사부를 가진다. 카트리지 유닛(131)으로부터 연료를 방출하도록 구성된 개구(131b)가 돌기(131a)의 중앙에 배치된다. "T"자 형상을 가지는 밸브 요소(132)가 제1 연료 탱크(13)의 내측으로부터 개구(131b) 내로 삽입된다. 스프링(134)의 일단부가 밸브 요소에 고정된다. 스프링(134)의 타단부는 돌기(131a)의 내부 벽 상에 고정된다. 연료 탱크(13)의 내부 벽 상에는, 제1 O-링(133)이 돌기(131a)의 내부 벽에 있는 소형 리세스 내에 배치된다. 밸브 요소(132)가 연료에 의해 가압되고 스프링(134)의 인장력에 의해 O-링(133)을 향해 당겨지기 때문에, 카트리지 유닛(131) 내에 저장된 연료의 외부측 유출이 방지된다.
유지 유닛(135)은 카트리지 유닛(131)을 고정하도록 돌기(131a)를 삽입하기 위한 리세스(135a)를 가진다. 돌기(131a)와 연결하기 위한 나사부가 리세스(135a)의 내부 벽에 형성된다. 밸브 가압 유닛(135b)이 리세스(135a)의 바닥 표면의 중앙으로부터 돌출한다. 카트리지 유닛(131)으로부터 연료를 방출하기 위한 생성 유닛(135c)이 밸브 가압 유닛(135b) 둘레에 배치된다. 제2 O-링(136d)이 리세스(135a)의 바닥 표면 내에 형성된 소형 리세스 내에 배치된다. 카트리지 유닛(131)은 유지 유닛(135)에 고정되고 제2 O-링(136d)에 의해 밀봉되도록 서로 부착된다. 카트리지 유닛(131)과 유지 유닛(135)이 제2 O-링(136d)에 의해 부착되거나 연결되면, 밸브 가압 유닛(135c)은 밸브 요소(132)의 단부를 상향으로 가압한다. 그 결과로서, 카트리지 유닛(131) 내에 저장된 연료는 주입 유닛(135c) 또는 통로에 주입된다. 연료는 주입 유닛(135c) 또는 통로에 연결된 공급 유닛(136)으로 주입된다.
연료 탱크(13)에는, 에테르, 물 및 알코올을 함유하는 액체 연료가 저장될 수도 있다. 연료에 관해서, 예컨대, 중량의 대략 5 %의 메탄올(CH3OH)을 함유하는 용액 대 디메틸 에테르(DME) 및 물(H2O)의 용액의 몰비가 대략 1:4인 것이 제공될 수 있다. 이하의 균형 화학 반응식(1)에서 보는 바와 같이, 화학량론적 화학 반응에서 1:3의 몰비에서 DME는 물과 반응하고, 수소(H2) 및 이산화탄소(CO2)를 발생시킨다.
CH3OCH3+3H2O → 6H2+2CO2 (1)
고효율의 수소 발생을 달성하기 위해서, DME와 혼합된 물의 양은 화학량론적 몰비가 대략 H2O:DME = 1:3인 것이 바람직하다. 또한, DME를 완전히 개질하기 위해서, 물 대 DME의 화학량비는 3 이상으로 결정될 수 있다. 따라서, DME 및 물의 혼합비는 몰비로 1:3 내지 1:4 범위 내로 결정될 수도 있는 것이 바람직하다. 그렇지만, DME는 실온(25 ℃)에서 대략 1:7의 몰비 정도에서만 용해한다. 그러므로, DME와 물이 1:4의 몰비에서 용해되도록 하기 위해 DME와 물 양측에 보다 큰 친화력을 가지는 메탄올이 첨가된다, 첨가될 수 있는 메탄올의 양은 대략 10 중량%이하이며, 보다 양호하게는 5 내지 10 중량%의 범위 이내이다. 연료 내의 메탄올의 양이 5 중량% 이하로 감소되면, DME 및 물은 2 상으로 분리될 수 있다. DME를 수소로 개질하기 위한 연료의 바람직한 비는 메탄올의 대략 10 중량% 이하이고, 보다 양호하게는 5 내지 10 중량%의 범위 이내이다.
잘 알려진 바와 같이, 실온(25 ℃)에서 DME의 증기압은 대기압보다 높은 대략 6 atm이다. DME, 물 및 메탄올의 혼합 용액이 실온에서 제1 연료 탱크(13)에 연료로서 저장되면, 제1 연료 탱크(13) 내에서 발생하는 증기압은 연료의 조성에 의존한다. 5 중량%의 메탄올 대 1:4 몰비의 DME 및 물의 경우에 제1 연료 탱크(13) 내에는 대략 4 atm의 증기압이 발생할 수도 있다.
도1에 도시된 바와 같이, 유량을 조정할 수 있는 가변 컨덕턴스 밸브(15)가 제1 연료 탱크(13)의 하류측에 파이프를 통해 결합된다. 질량 유동 제어 밸브(47)는 가변 컨덕턴스 밸브(15)의 하류측에 결합된 파이프에 결합된다. 질량 유동 제어 밸브(47)에 결합된 파이프는 기화기(17)에 결합된다. 가변 컨덕턴스 밸브(15) 및 질량 유동 제어 밸브(47)가 개방되면, 제1 연료 탱크(13) 내에 저장된 연료 혼합 용액은 제1 연료 탱크(13) 내에서 발생한 증기압에 의해 기화기(17)로 능동적으로 공급된다. 따라서, 연료를 공급하기 위한 펌프가 생략될 수 있고 전체 시스템은 소형화되며, 따라서 펌프에 필요한 동력이 생략된다. 제1 연료 탱크(13) 내에 보유된 연료 혼합 용액이 액체 상태로 제공되기 때문에, 연료의 혼합비는 적절한 상태로 유지될 수 있다.
기화기(17)는 가열에 의해 액체 연료를 기화시킨다. 기화기(17)는 시스템의 외부측에 제공된 가열기 또는 이후에 설명될 연소기(23)에 의해 대략 150 내지 250 ℃로 가열된다. 또한, 기화기(17)는 제1 연료 탱크(13) 내에서 발생하는 압력에 의해 대기압보다 높은 압력으로 가압된다. 기화기(17) 내의 기화된 연료는 파이프를 경유하여 개질기(11)에 공급된다.
개질기(11)는 기화기(11) 내에서 기화된 연료 및 물이 반응하여 연료를 수소 농후 가스로 개질할 수 있도록 구성된다. 개질기(11)는 시스템의 외부측에 제공된 가열기(도시 안됨) 또는 연소기(23)에 의해 대략 300 내지 400 ℃, 또는 양호하게 대략 350 ℃로 가열된다. "개질 촉매" 및 "쉬프팅 촉매"가 개질기(11) 내에 제공될 수 있다. "개질 촉매"는 연료의 개질 반응을 촉진한다. "쉬프팅 촉매"는 CO 및 H2O로부터 H2 및 CO2를 생성하는 쉬프팅 반응을 촉진한다. 개질 촉매 및 쉬프팅 촉매에 관하여, 알루미나(Al2O3)와, 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 플래티넘(Pt) 및 구리(Cu)의 그룹으로부터 선택된 금속을 포함하는 촉매가 사용될 수 있다. 도1에 도시된 바와 같은 개질기(11)에서, 알루미나(γ-알미나) 및 Rh를 포함하는 촉매가 사용된다. 또한, γ-알미나 및 Cu/Zn을 포함하는 촉매가 쉬프팅 촉매로서 제공될 수 있다.
개질기(11)에서, 균형 화학 반응식(2), (3) 및 (4)에서 보이는 이하의 반응이 발생한다.
CH3OCH3 + H2O → 2CH3OH (2)
CH3OH → 2H2 + CO (3)
CO + 2H2O → 2H2 + CO2 (4)
여기서, 식(2) 및 식(3)은 "개질 반응"이라고 한다. 식(4)은 "쉬프팅 반응"이라고 한다.
일반적으로, 식(2)에서 보이는 DME의 가수 분해 반응은 식(3) 및 식(4)에서 보이는 반응보다 서서히 반응한다. DME의 가수 분해 반응으로부터의 가수분해 산물인 메탄올이 분해되면, 식(2)에서 보이는 DME의 가수 분해 반응이 촉진된다. 생성물 가스에 수소가 함유되기 때문에, 수소 원자는 촉매의 표면에 흡수되고 촉매에 흡수된 수소 원자는 식(2)에서 보이는 바와 같이 DME의 가수 분해 반응을 촉진한다.
연료가 메탄올을 포함하기 때문에, 식(2)의 반응보다 빠르게 반응하는 식(3)의 분해 반응이 일어나고 수소가 생성된다. 수소 농후 가스로의 DME의 변환을 개선하기 위해, 수소는 반응(2)에서 보이는 바와 같이 DME의 효율적인 개질 반응을 촉진한다. 따라서, 도1에 도시된 바와 같이 간단한 구조의 연료 전지 시스템으로 고효율의 수소 농후 가스로의 DME의 개질 반응을 달성할 수 있다.
또한, 개질 촉매 및 쉬프팅 촉매가 혼합되어 동일한 용기 내에 제공되기 때문에, 개질 반응 및 쉬프팅 반응은 동시에 진행한다. 다시 말해서, 식(4)의 쉬프팅 반응이 일어날 때, CO가 반응되고 제거된다. CO의 농도가 개질기(11) 내에서 감소되면, 식(3)의 메탄올 분해 반응이 활성화된다. 메탄올 분해 반응이 개질기(11) 내에서 활성화되면, 식(2)의 DME의 가수 분해 반응 또한 활성화된다. 결과로서, DME의 효과적인 개질 반응이 일어난다. 그러므로, 도1에 도시된 바와 같은 연료 전지 시스템(1a)은 고효율의 수소 농후 가스로의 연료의 개질을 달성할 수 있다. 또한, 개질 촉매 및 쉬프팅 촉매가 동일한 용기 내에 제공되기 때문에, 연료 전지 시스템(1a)의 크기를 최소화하는 것이 가능하다.
식(3)에서 보이는 바와 같이, 소량의 CO 가스가 개질기(11) 내의 개질된 가스 내에 포함된다. CO 가스를 제거 또는 감소시키기 위해, CO 가스 제거 장치(19)가 개질기(11)의 하류측에 결합된다. CO 가스 제거 장치에서, 이하의 화학 반응식에서 보이는 바와 같이 "선택적 메탄화 반응"이 일어난다.
CO + 3H2 → CH4 + H2O (5)
여기서, 가스 내의 CO는 몰농도 10 ppm 이하로 감소된다. CO2와 H2가 지나치게 반응하지 않으면서, CH4 및 H2O를 생성하기 위해서 CO와 H2의 반응을 추진하기 위해 메탄화 촉매가 CO 가스 제거 장치(19)내에 제공될 수 있다. 메탄화 촉매에 관하여, 루테늄(Ru)이 사용될 수 있다. CO 가스 제거 장치(19)는 CO 가스 제거 장치(19)의 하류측에 연결된 배압 조절 밸브(49)를 사용하여 가압되는 것이 바람직하다. 배압 조절 밸브(49)의 상류측은 대략 3 atm으로 가압될 수 있다. 따라서, CO 가스 제거 장치(19)가 가압되면, 개질 및 메탄화 반응은 상기 반응이 대기압에서 수행되는 경우에 비해서 보다 효율적으로 수행된다.
CO 가스를 제거하는 다른 방법은 이하의 반응에 의해 수행될 수 있다.
CO + 1/2O2 → CO2 (6)
식(6)에서, 산소가 CO 가스 제거 장치(19)에 공급되면, CO 가스는 선택적으로 산화되고 제거될 수 있다. 이 경우에, 루테늄(Ru)과 같은 부분 산화 촉매가 CO 가스 제거 장치(19) 내에서 사용될 수 있다. Ru와 같은 촉매는 수소를 산소와 너무 심하지 않게 반응시키지 않으면서도, CO의 산소와의 반응을 활성화시킬 수 있 다.
배압 조절 밸브(49)의 하류측 상에, 연료 전지 유닛(9)이 결합된다. 연료 전지 유닛(9)으로서, 고분자 전해질형 연료 전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)가 사용될 수 있다. 연료 전지 유닛(9)은 연료 전극(양극)(5), 연료 전극(5)에 대향하는 공기 전극(음극)(7) 및 연료 전극(5)과 공기 전극(7) 사이에 이온 전도성이 조정될 수 있게 하는 고분자 전해질 멤브레인(이온 교환 멤브레인)(3)을 포함한다. 배압 조절 밸브(49)에 결합된 파이프가 연료 전극(5)의 상류측에 결합된다. 수소 농후 가스는 파이프를 경유하여 연료 전극(5)으로 주입된다. 연료 전극(5)에서, 수소는 연료 전극(5) 내에 제공된 양극 촉매 근방에서 수소 이온과 전자로 해리된다. 해리된 전자는 외부 회로를 경유하여 음극(공기 전극)(7)을 통과해 지나간다. 해리된 수소 이온은 고분자 전해질 멤브레인(3)을 통과해 지나가서 공기 전극(7)으로 이동한다. 따라서, 공기 전극(7)에서, 수소 이온은 산소 및 외부 회로를 통과해 지나온 전자와 반응하여 물을 생성시킨다. 그러한 방식으로, 전기가 발생된다.
연료 전지 유닛(9)의 연료 전극(5)에서, 수소를 포함하는 가스가 제공된다. 수소를 포함하는 가스는 파이프(35)를 경유하여 연소기(23)로 주입된다. 상기 가스를 태우기 위한 공기가 제1 펌프(25)로부터 제1 펌프(25)에 결합된 열교환기(29), 상기 열교환기(29)에 결합된 파이프(27), 상기 파이프(27)에 결합된 질량 유동 제어 밸브(33) 및 공기 전극(7)의 상류측 상의 파이프에 결합된 파이프(27B)를 경유하여 공급된다.
연소기(23)는 파이프(35)를 경유하여 연료 전극(5)으로부터 촉매와 함께 주입되는 가스를 연소시키는 촉매 연소기이다. 연소기(23)는 대략 300 내지 400 ℃로 가열될 수 있다. 촉매 연소에 의해 발생된 열은 기화기(17) 및 개질기(11)에 전달될 수 있고 증발 및 화학 반응을 위한 열로서 사용될 수 있다. 연소된 가스는 연소기(23)의 하류측에 결합된 파이프(24) 및 상기 파이프(24)에 결합된 열교환기(29)에 공급된다. 열교환기(29)에서, 상기 가스는 냉각되고 물이 발생된다. 열교환기(29)에서 발생된 물은 열교환기(29)에 연결된 수조(39)에 저장된다. 수조(39) 내에 저장된 물은 수조(39)와 고분자 전해질 멤브레인(3) 사이에 연결된 파이프를 경유하여 고분자 전해질 멤브레인(3)에 공급될 수 있다. 따라서, 고분자 전해질 멤브레인(3) 수분 유지 특성은 적합한 상태로 유지될 수 있다.
공기 전극(7)에 공급되는 공기는 제1 펌프(25)에 의해 가압된다. 상기 공기는 제1 펌프(25)에 결합된 열교환기(29), 파이프(27), 질량 유동 제어 밸브(33) 및 파이프(27B)를 통과하여 공기 전극(7)으로 진행한다. 공기 전극(7)으로부터 방출된 방출 가스의 일부는 공기 전극(7)의 하류측에 결합된 파이프(37)를 경유하여 열교환기(29)에 공급된다. 방출 가스는 열교환기(29)에서 냉각된다. 공기 전극(7)의 하류측에는, 파이프(37)가 수소와 산소를 포함하는 방출 가스의 일부를 순환시키기 위해 파이프(37)의 중간으로부터 분기된 분기 파이프(37A)를 가진다. 분기 파이프(37A)의 하류는 질량 유동 제어 밸브(41)에 결합된다. 질량 유동 제어 밸브(41)는 공기 전극(7)의 상류측에 결합된 제2 펌프(43)에 파이프(27B)를 경유하여 결합된다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템(1a)에서, DME, 물 및 메탄올을 포함하는 연료가 제1 연료 탱크(13)에 저장된다. 일반적으로 실온에서 에테르는 1:7의 몰비에서 물을 분해한다. 그러나, 메탄올은 약 1:4의 몰비로 에테르를 물로 용해시킨다. 따라서, 연료를 개질시키기 위한 바람직한 화학량비가 얻어질 수 있다. 결과적으로, 개질 반응을 위해 사용되는 최소량의 물만이 제1 연료 탱크(13)에 저장될 수 있기 때문에, 연료 혼합 용액의 체적이 최소화될 수 있다. 게다가, 물을 증발시키기 위해 요구되는 증발열이 또한 필요량으로 절약되므로, 연료 전지 시스템(1a)의 개질 효율이 향상된다. 기화기(17)의 가열 영역이 최소화되므로, 전체 치수가 최소화될 수 있다.
더욱이, 도1에 도시된 연료 전지 시스템은 개질기(11)의 동일 용기 내에 개질 촉매 및 쉬프팅 촉매를 제공할 수 있다. 따라서, 식(2)와 식(3)에 도시된 개질 반응과 식(4)에 도시된 쉬프팅 반응은 동시에 행해진다. 따라서, 촉매가 개별적으로 구비되는 시스템과 비교하여 연료 전지 시스템(1a)의 전체 시스템을 최소화하는 것이 가능하다.
또한, 공기 전극(7)으로부터 방출되는 가스의 일부가 제2 펌프(43)에 의해 펌핑되어 공기 전극(7)에 공급된다. 고분자 전해질 멤브레인(3)의 수분 보유성이 감소되면, 고분자 전해질 멤브레인(3)의 막 저항은 연료 전극(5)으로부터 공기 전극(7)으로 양자를 허용하면서 증가된다. 공기 전극(7)으로부터 방출되는 가스의 일부가 순환되어 공기 전극으로 공급되므로, 고분자 전해질 멤브레인(3)의 수분 보유성은 적절한 상태로 유지될 수 있다.
또한, 공기 전극(7)에 주입되지 않는 가스에 의해 수반되는 물의 일부는 또한 열 교환기(39)에 의해 물로 응축된 후 고분자 전해질 멤브레인(3)에 공급된다. 따라서, 고분자 전해질 멤브레인(3)의 수분 보유성은 유지될 수 있다.
제1 연료 탱크(13)의 연료의 증기압이 기화기(17), 개질기(11), CO 가스 제거 장치(19) 및 연료 전지 유닛(9) 상에서 개별적으로 발생되므로, 연료를 공급하는 펌프가 생략될 수 있다. 따라서, 펌프에 요구될 수 있는 동력은 꼭 필요하지 않게 되어 전체 연료 전지 시스템(1a)은 소형화 및 단순화될 수 있다. 펌프에 공급하는 동력이 또한 생략된다. 추가로, 개질기(11)에서 발생되는 개질 반응은 증기압에 의해 대기압보다 높은 압력에서 행해지므로, 개질 반응이 대기압에서 행해지는 시스템과 비교하여 개질기(11)의 치수를 최소화하는 것이 가능하다.
이어서, 도1을 참조하여, 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템(1a)을 사용하는 방법이 설명된다.
먼저, 유동을 적절하게 조절하기 위해, 가변 컨덕턴스 밸브(15) 및 질량 유동 제어 밸브(47)가 개방된다. 가변 컨덕턴스 밸브(15) 및 질량 유동 제어 밸브(47)가 개방되면, 액체 연료는 제1 연료 탱크(13)에서 발생하는 증기압에 의해 기화기(17)에 능동적으로 공급된다. 이어서, 액체 연료는 가열되며, 약 150내지 250℃의 범위로 가열되는 기화기(17)에서 기화된다. 기화된 연료는 기화기(17)에 결합된 파이프를 통해 개질기(11)로 주입된다.
이어서, 개질기(11)는 기화된 연료를 수소 농후 가스로 개질시킨다. 개질기(11)는 300내지 400℃의 범위로 가열된다. 개질기(11)에 있어서, 식(2) 및 식(3)에 도시된 DME의 개질 반응 및 메탄올의 분해 반응 그리고 식(4)에 도시된 쉬프팅 반응이 발생한다. 따라서, 수소 농후 가스가 생성된다. 수소 농후 가스는 개질기(11)에 결합된 파이프를 통해 CO 가스 제거 장치(19)로 주입된다.
이어서, CO 가스 제거 장치(19)는 수소 농후 가스 내의 CO 가스를 10 ppm미만의 몰농도로 감소시킨다. CO 가스 제거 장치(19)에서 식(5) 또는 식(6)의 반응이 발생한다. 이 경우에 있어서, 반응들이 CO 가스 제거 장치(19)에서 발생하며, 개질기(11)는 약 3기압에서 배압 조절 밸브(49)로 가압함으로써 향상된다. 반면, CO, CO2, H2 및 H2O와 같은 가스는 배압 조절 밸브(49)의 유량을 조정함으로써 연료 전극(5)으로 공급된다.
이어서, 전지 유닛(9)은 연료 전극(5)으로 공급된 수소가 공기 전극(7)에 공급된 산소와 반응하는 것을 허용함으로써 전기를 발생시킨다. 산소는 제1 펌프(25)로부터 열 교환기(17), 파이프(27), 컨덕턴스 제어 밸브(33) 및 파이프(27B)를 통해 공기를 가압함으로써 공기 전극(7)에 공급된다. 공기 전극(7)으로부터 방출된 가스의 일부는 파이프(37)를 통해 열 교환기(29)로 주입되어 열 교환기(29)에서 냉각된다. 열 교환기(29)의 가스로부터 응축된 물은 수조(39)에 저장된다. 물은 수조(39)에 연결된 파이프를 통해 고분자 전해질 멤브레인(3)에 제공된다. 반면, 공기 전극(7)으로부터 방출된 가스의 다른 일부는 파이프(37)를 통해 분기 파이프(37A)에 공급된다. 분기 파이프(37A)에 공급된 가스는 제2 펌프(43)에 의해 펌핑되어 다시 공기 전극(7)으로 주입된다.
이어서, 연료 전극(25)으로부터 방출된 잉여 수소를 포함하는 가스는 제1 펌프(25)로부터 열 교환기(29), 파이프(27, 27A), 질량 유동 제어 밸브(31) 및 파이프(35)에 연결된 파이프를 통해 공급되는 공기와 혼합된다. 이후, 혼합물은 연소기(23)에 공급된다. 잉여 수소 가스는 연소기(23)에서 촉매 연소된다. 이 경우에 있어서, 연소기(23)에서 발생되는 열은 기화기(17)와 개질기(11)로 전달되어, 연료의 기화를 위한 에너지, 개질 및 가열을 위한 반응 에너지로서 이용된다. 이어서, 연소기(23)로부터 방출된 연소 가스는 파이프(24)에 주입되어 열 교환기(29)로 주입된다. 가스는 열 교환기(29)에 의해 냉각 및 응축된다. 열 교환기(29) 내의 가스로부터 응축된 물은 수조(39)에 저장되며 중합체 막(3)에 공급된다.
(제1 실시예의 제1 변형예)
도3에 도시된 바와 같이, 제1 실시예의 제1 변형예에 따른 연료 전지 시스템(1b)은 CO 가스 제거 장치(19b)의 하류측에 결합된 파이프(34), 파이프(34)의 하류측에 결합된 배압 조절 밸브(21) 및 배압 조절 밸브(21)의 하류측에 결합된 파이프(36)를 포함한다. 파이프(36)의 하류측은 파이프(35)에 결합된다. 전술된 것 이외의 다른 점들은 도1에 도시된 구성과 실질적으로 동일하며 따라서 그 설명은 생략한다.
CO 가스 제거 장치(19b)는 개질기(11)로부터 공급된 수소 농후 가스로부터 수소를 선택적으로 통과시킨다. 따라서, 실질적으로 수소를 함유하는 가스가 연료 전지(5)에 공급된다. 반투과성 멤브레인을 통해 통과하지 못한 다른 가스는 파이프(34), 배압 조절 밸브(21) 및 파이프(35, 36)를 통해 연소기(23)에 공급된다. 실질적으로 수소만을 선택적으로 여과하는 반투과성 멤브레인은 CO 가스 제거 장치(19b)의 내측에 위치된다. 반투과성 멤브레인으로는, 예컨대 실리카 함유의 반투과성 멤브레인이 사용될 수도 있다. 실리카 함유의 반투과성 멤브레인은 약 350 ㎛ 두께를 갖는 α-Al2O3 보드 위에 약 0.6 ㎛의 두께를 갖는 침착된 γ-Al2 O3 막상에 약 0.2 ㎛의 두께를 갖는 실리카 막을 침착시킴으로써 얻어진다. 이러한 방식으로, 반투과성 멤브레인이 CO 가스 제거 장치(19b)에 설치되면, 그 내부 온도는 약 250 내지 350℃로 유지된다. CO 가스 제거 장치(14)는 연료 탱크(11) 및 배압 조절 밸브(21)에 발생되는 증기압에 의해 대기압보다 높은 압력으로 유지된다. 파이프(34)는 배압 조절 밸브(21)에 의해 3기압으로 가압될 수도 있다. 반투과성 멤브레인의 상류측이 대기압보다 높은 압력으로 가압되므로, 반투과성 멤브레인의 상류측과 하류측사이의 압력차는 증가되며 가스 투과 속도도 증가된다.
제1 실시예의 제1 변형예에 따른 연료 전지 시스템(1b)에 있어서, CO 가스 제거 장치(19b)에 설치된 반투과성 멤브레인은 수소 농후 가스 내의 수소를 실질적으로 여과한다. 따라서, 고농도의 수소를 갖는 가스는 연료 전극(5)으로 주입되며 연료 전지 유닛(9)의 효율이 향상될 수 있다.
(제1 실시예의 제2 변형예)
도4에 도시된 바와 같이, 제1 실시예의 제2 변형예에 따른 연료 전지 시스템은 진공 단열 용기(101)를 포함한다. 진공 단열 용기(101)에는, 기화기(17), 개질기(23), CO 가스 제거 장치(19) 및 연소기(23)가 서로 인접하여 배열된다. 진공 단열 용기(101)는 외부 용기(101a)와 외부 용기(101a)에 배치되어 연결된 내부 용기(101b)를 가진다. 외부 용기(101a) 및 내부 용기(101b)는 유리로 만들어질 수 있다. 외부 용기(101a)와 내부 용기(101b) 사이의 공간 압력은 10-3 Torr 아래로 감소되어 가스를 통한 열전도성을 감소시킨다. 외부 용기(101a) 및 내부 용기(101b)는 스테인레스 강으로 만들어질 수 있다. 얇은 층의 은(Ag)이 외부 용기(101a)의 내부 벽 및 내부 용기(101b)의 외부 벽에 도포되어서 열 복사를 감소시킬 수도 있다.
개질 전지(102)는 내부 용기(101b)에 제공된다. 기화기(17), 개질기(11), CO 가스 제거 장치(19) 및 연소기(23)는 개질 전지(102)에 서로 인접하여 배열된다. 제1 연료 탱크(13)로부터 연료(DME+H2O+CH3OH)를 공급하기 위한 파이프(103a)는 기화기(17)의 상류측에 결합된다. CO 가스 제거 장치(19)의 하류측에는, 파이프(103b)가 CO 가스 제거 장치(19)에서 생성된 수소 농후 가스(H2+CO2+H2O+CH4+O2)를 연료 전극(5)으로 주입하도록 결합된다. 연소기(23)의 상류측에는, 파이프(104a)가 잉여 수소를 포함하는 가스(H2+CO2+H2O+CH4+O2)를 공급하도록 결합된다. 연소기(23)의 하류측에는, 파이프(104b)가 방출 가스(CO2+H2O)를 파이프(24)로 주입하기 위해 결합된다. 파이프(103a, 103b, 104a, 104b)는 각각 진공 단열 용기(101)의 개구부에 배치된 단열기(105)를 통해 관통한다. 연소기(23)의 온도를 제어하기 위해, 가열기(106)는 연소기(23)에 인접하여 배치될 수도 있다.
제1 실시예의 제2 변형예에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 기화기(17), 개질기(23), CO 가스 제거 장치(19) 및 연소기(23)는 진공 단열 용기(101) 내에 배치된다. 따라서, 연소기(23)로부터 발생된 열은 외부로 복사될 수 없으며, 연소기(23)로부터 기화기(17) 및 개질기(23)로 개별적으로 열을 전달하기 용이하다. 따라서, 전체 장치의 열 효율이 향상된다.
(제2 실시예)
도5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템(1c)은, 에테르를 포함하는 제1 연료를 저장하도록 구성된 제1 연료 탱크(제1 탱크)(13), 메탄올 및 물을 포함하는 제2 연료를 저장하도록 구성된 제2 연료 탱크(제2 탱크)(71), 제2 연료를 기화하도록 구성된 기화기(17), 제1 및 제2 연료를 수소 농후 가스로 개질시키도록 구성된 개질기(11), 수소 농후 가스 내의 CO 가스를 제거하도록 구성된 CO 가스 제거 장치(19) 및 수소 농후 가스가 산소와 반응할 수 있게 함으로써 전기를 발생시키도록 구성된 연료 전지 유닛(9)을 포함한다.
제1 연료 탱크(13)에는 액체 DME가 저장된다. 가변 컨덕턴스 밸브(52)는 제1 연료 탱크(13)에 결합된 파이프에 결합된다. 파이프(53)는 가변 컨덕턴스 밸브(52)의 하류측에 결합된다. 제2 연료 탱크(71)는 파이프(53)에 결합된다. 파이프(53)는 분기 파이프를 가지며 이 분기 파이프는 대기로 자유롭게 개방된 가변 컨덕턴스 밸브(54)에 연결된다. 가변 컨덕턴스 밸브(52)가 개방되고 가변 컨덕턴스 밸브(54)가 폐쇄되면, 파이프(53) 내의 가스는 제1 연료 탱크(13)에서 발생하는 압 력에 의해 밀려 움직인다. 제2 연료 탱크(71)는, 예컨대 피스톤이나 다이어프램과 같은 이동 가능한 격벽(71c)의 사용에 의해 제1 챔버(71a)와 제2 챔버(71b)로 분리된다. 가스는 제1 챔버(71a)에 제공되며, 메탄올 및 물을 포함하는 제2 연료는 제2 챔버(71b)에 포함된다.
가스가 파이프(53)로부터 제1 챔버(71a)로 공급되면, 격벽(71c)은 제1 챔버(71a)에서 가압되어 제2 챔버(71b)로 밀려 움직인다. 가변 컨덕턴스 밸브(55)가 제2 챔버(71b)에 결합되면, 제2 챔버(71b) 내의 제2 연료는 기화기(17)로 주입된다. 제2 챔버(71b) 내의 제2 연료로서는 에탄올과 물이 사용될 수도 있다.
기화기는 제2 연료를 기화시킨다. 도5에 도시된 기화기(17)의 상세한 구조는 도1에 도시된 기화기의 것들과 동일한 것이며, 따라서 그 설명은 생략한다. 기화기(17)에서 기화된 제2 연료는 파이프를 통해 개질기(11)로 주입된다. 이때, 제1 연료 탱크(13) 내의 DME는 제1 연료 탱크(15)를 개방함으로써 개질기에 주입된다. 전술된 것 이외의 다른 점들은 도1에 도시된 연료 전지 시스템(1)과 실질적으로 동일하다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템(1c)에 있어서, 제2 연료 탱크(71) 내의 제2 연료(CH3OH+H2O)는 제1 연료 탱크(13)에서 발생하는 증기압에 의해 기화기(17)와 개질기(11)에 능동적으로 공급된다. 따라서, 연료를 공급하는 펌프가 생략될 수 있으며, 펌프에 필요한 동력이 꼭 필요하지 않게 된다. 추가로, 전체 연료 전지 시스템(1c)은 소형화되고 단순화될 수 있다.
더욱이, 도5에 도시된 연료 전지 시스템(1c)에 있어서, 제1 연료로서 DME와 제2 연료로서 메탄올 및 물은 개질기(11)로 동시에 주입된다. 따라서, 개질기(11)에서는, 개질 반응과 쉬프팅 반응이 동시에 진행한다. 메탄올의 개질 반응이 DME의 개질 반응을 개별적으로 촉진할 수 있으므로, DME를 수소 농후 가스로 개질하는 효율이 향상된다.
추가로, 메탄올은 약 1:4의 몰비로 에테르를 물로 용해시킨다. 따라서, 연료를 수소 농후 가스로 개질시키기 위한 바람직한 몰비가 얻어질 수 있다. 결과적으로, 연료 전지 시스템(1c)에서 전기를 발생시키는 효율이 향상된다.
이어서, 도5를 참조하여, 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템(1c)을 사용하는 방법이 설명된다.
먼저, 가변 컨덕턴스 밸브(15, 52, 54, 55)는 폐쇄되고, 가변 컨덕턴스 밸브(52)는 개방된다. 대기압보다 높은 증기압이 제1 연료 탱크(13)에서 발생한다. 따라서, 가변 컨덕턴스 밸브(52)가 개방되면, 파이프(53) 내의 가스는 제1 챔버(71a)로 주입된다. 이어서, 물 탱크(71)의 격벽(71c)은 제1 챔버(71a) 측으로부터 제2 챔버(71b) 측으로 가압되어 밀려 움직인다. 가변 컨덕턴스 밸브(55)가 개방되면, 제2 챔버(71b) 내의 제2 연료는 제1 연료 탱크(13)에서 발생하는 포화 압력에 의해 기화기(17)로 주입된다.
이어서, 기화기(17)에서 제2 연료(CH3OH와 H2O 포함)가 기화된다. 이어서, 기화된 연료는 개질기(11)로 주입된다. 가변 컨덕턴스 밸브(15)는 개방되며, 제1 연료 탱크(13) 내의 제1 연료는 컨덕턴스를 제어하면서 개질기(11)로 공급되며, 제1 연료는 기화된 제2 연료와 혼합된다. 이 경우에 있어서, 물에 대한 제1 연료인 DME의 혼합비는 1:3 내지 1:4 범위의 몰비가 되도록 제어된다. 전술된 것 이외의 다른 점들은 도1에 도시된 연료 전지 시스템(1)과 실질적으로 동일하다.
(제2 실시예의 변형예)
도6에 도시된 바와 같이, 제2 실시예의 변형예에 따른 연료 전지 시스템(1d)은 CO 가스 제거 장치(19d)의 하류측에 결합되는 파이프(34), 파이프(34)의 하류측에 결합된 배압 조절 밸브(21) 및 배압 조절 밸브(21)의 하류측에 결합된 파이프(36)를 포함한다. 파이프(36)의 하류측은 파이프(35)에 결합된다. 전술된 것 이외의 다른 점들은 도3에 도시된 구성의 것들과 실질적으로 동일한 것이고, 따라서 그 설명은 생략한다. 실질적으로 수소만을 선택적으로 여과하는 반투과성 멤브레인은 도3에 도시된 바와 같이 CO 가스 제거 장치(19d)의 내측에 위치된다.
제1 실시예의 제1 변형예에 따른 연료 전지 시스템(1d)에 있어서, CO 가스 제거 장치(19d) 내에 설치된 반투과성 멤브레인은 필터링에 의해 연료 전지 유닛(9)으로의 수소를 실질적으로 여과한다. 따라서, 고농도의 수소를 가지는 가스가 연료 전극(5)으로 주입되어, 연료 전지 유닛(9)의 효율이 향상될 수 있다.
(제3 실시예)
도7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료 전지 시스템은 DME를 포함하는 연료를 저장하도록 구성된 제1 연료 탱크(제1 탱크)(13), 물을 저장하도록 구성된 제2 연료 탱크(제2 탱크)(71), 메탄올을 저장하도록 구성된 제3 연료 탱크(제3 탱크)(72), 물과 메탄올을 기화하도록 구성된 기화기(17), 물과 메탄올을 주입하여 수소 농후 가스로 개질시키도록 구성된 개질기(11), 수소 농후 가스에서 CO 가스를 제거하도록 구성된 CO 가스 제거 장치(19) 및 수소 농후 가스가 산소와 반응하는 것을 허용함으로써 전기를 발생시키도록 구성된 연료 전지 유닛(9)을 포함한다.
가변 컨덕턴스 밸브(14)는 제1 연료 탱크(13)의 하류측에 결합된다. 가변 컨덕턴스 밸브(14)가 개방되면, 가스는 파이프를 통해 제3 연료 탱크(72)로 주입된다. 제3 연료 탱크(72)는 격벽(73c)에 의해 제1 챔버(72a)와 제2 챔버(72b)로 분리된다. 가스는 제1 챔버(72a)에 제공되며, 메탄올은 제2 챔버(72b)에 포함된다. 가스가 파이프로부터 제1 챔버(72a)로 공급되면, 격벽(72c)은 제1 챔버(72a)에서 가압되어 제2 챔버(72b)로 밀려 움직인다. 가변 컨덕턴스 밸브(15)가 제3 연료 탱크(72)의 하류측에 결합되면, 제2 챔버(72b)에 저장된 메탄올은 기화기(17)로 주입된다. 제3 연료 탱크(72)에 있어서, 메탄올 대신에 에탄올이 저장될 수도 있다.
가변 컨덕턴스 밸브(52)는 제1 연료 탱크(13)에 결합된 파이프에 결합된다. 파이프(53)는 가변 컨덕턴스 밸브(52)의 하류측에 결합된다. 제2 연료 탱크(71)는 파이프(53)에 결합된다. 파이프(53)는 분기 파이프를 가지며, 이 분기 파이프는 대기로 자유롭게 개방된 가변 컨덕턴스 밸브(54)에 연결된다. 가변 컨덕턴스 밸브(52)가 개방되고 가변 컨덕턴스 밸브(54)가 폐쇄되면, 파이프(53) 내의 가스는 제1 연료 탱크(13)에서 발생하는 압력에 의해 밀려 움직인다. 제2 연료 탱크(71)는 이동 가능한 격벽(71c)의 사용에 의해 제1 챔버(71a)와 제2 챔버(71b)로 분리된 다. 가스는 제1 챔버(71a)에 제공되며, 물은 제2 챔버(71b)에 포함된다.
가스가 파이프(53)로부터 제1 챔버(71a)로 공급되면, 격벽(71c)은 제1 챔버(71a)에서 가압되어 제2 챔버(71b)로 밀려 움직인다. 가변 컨덕턴스 밸브(55)가 제2 챔버(71b)에 결합되면, 제2 챔버(71b) 내의 제2 연료는 기화기(17)로 주입된다. 제2 챔버(71b)의 또 다른 하류측에 결합된 파이프는 가변 컨덕턴스 밸브(58)에 결합된다. 이 가변 컨덕턴스 밸브는 펌프(57)에 결합된다. 펌프(57)는 파이프(56)를 통해 수조(39)에 결합된다. 전술된 것 이외의 다른 점들은 도1에 도시된 연료 전지 시스템(1)의 것들과 실질적으로 동일한 것이다.
본 발명의 제3 실시예에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 메탄올 및 물은 제1 연료 탱크(13)에서 발생하는 증기압에 의해 기화기(17) 및 개질기(11)에 능동적으로 공급된다. 따라서, 연료를 공급하는 펌프가 생략될 수 있으며 펌프에 필요한 동력이 꼭 필요하지 않게 되어 전체 연료 전지 시스템(1e)은 최소화 및 단순화될 수 있다.
더욱이, 도7에 도시된 연료 전지 시스템(1e)에 있어서, 물과 메탄올을 포함하는 혼합 가스가 개질기(11)에 주입되면, 메탄올의 개질 반응과 물의 쉬프팅 반응이 동시에 일어난다. 물의 쉬프팅 반응이 메탄올의 개질 반응을 촉진할 수 있으므로, 수소 농후 가스를 생성하는 효율은 향상되며, 연료 전지 시스템(1e)은 반응이 개별적으로 수행되는 시스템과 비교하여 최소화될 수 있다.
여기서 메탄올 및 물의 개질 반응은 전체적으로 다음의 식에 의해 수행된다.
CH3OH+H2O -> 3H2+CO2 (7)
식(7)에 도시된 바와 같이, 메탄올과 물의 화학량비는 약 1:1이다. 개질기(11)에 공급하기 위한 연료로서, 메탄올과 물은 약 1:1 내지 1:2의 몰비로 혼합된다. 본 방법의 개질 반응을 위해 요구되는 일정량의 물만이 개질기(11)에서 증발되기 때문에, 증발열은 절약되고, 개질기(11) 내의 가스 체류 시간은 연장되며, 연료 전지 시스템(1a)의 개질 효율은 향상된다. 기화기(17)의 가열 면적이 최소화되기 때문에, 기화기(17)의 전체 치수는 최소화될 수 있다.
게다가, 수조(39) 내에 저장된 물은 중합체 막(3)에 수분을 공급하기 위해 사용될 수도 있다. 중합체 막(3)의 수분 보유성은 적정 상태로 유지될 수 있다.
이어서, 도7을 참조하여, 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료 전지 시스템(1e)을 사용하는 방법이 설명된다.
먼저, 가변 컨덕턴스 밸브(15, 52)는 폐쇄되고, 가변 컨덕턴스 밸브(14)는 개방된다. 제1 연료 탱크(13) 내에서 작용하는 대기압보다 높은 증기압은 제1 챔버(72a)를 밀어낸다. 격벽(72c)은 제2 챔버(72b) 측으로 밀려 움직인다. 그 후, 가변 컨덕턴스 밸브(14)는 폐쇄된다. 이어서, 가변 컨덕턴스 밸브(54, 55, 58)는 폐쇄되고, 가변 컨덕턴스 밸브(52)는 개방된다. 가변 컨덕턴스 밸브(52)가 개방되면, 파이프(53) 내의 가스는 제1 연료 탱크(13) 내에서 발생하는 압력에 의해 제1 챔버(71a)로 밀려 움직인다. 이어서, 물 탱크(71)의 격벽(71c)은 가압되어 제1 챔버(71a) 측으로부터 제2 챔버(71b) 측으로 밀려 움직인다. 가변 컨덕턴스 밸브(55)가 개방되면, 제2 챔버(71b) 내의 물은 제1 연료 탱크(13) 내에서 작용하는 압력에 의해 기화기(17)로 주입된다. 이어서, 물은 기화기(17) 내에서 기화되어 개질기(11)로 주입된다.
이어서, 가변 컨덕턴스 밸브(15)가 개방되고, 제3 연료 탱크(72) 내의 메탄올은 컨덕턴스를 제어하면서 개질기(11)로 공급된다. 이 경우에 있어서, 물에 대한 메탄올의 혼합비는 1:1 내지 1:2의 몰비로 제어된다. 가변 컨덕턴스 밸브(52, 55, 58)가 폐쇄되고 가변 컨덕턴스 밸브(54)가 개방되면, 제1 챔버(71a) 내에서 발생하는 압력은 해제되고 수조(39) 내의 물은 펌프(57)에 의해 대기압으로 제2 챔버(71b)로 공급된다. 가변 컨덕턴스 밸브(58)가 개방되면, 펌프(57)로서 정적 수압 상태에서 물을 가압시킴으로써 물은 제2 챔버(71b)로 공급될 수 있다. 이어서, 펌프(57)는 정지되고 가변 컨덕턴스 밸브(58)는 폐쇄된다. 전술된 것 이외의 다른 점들은 도1에 도시된 연료 전지 시스템(1)의 것들과 실질적으로 동일한 것이다.
(제3 실시예의 제1 변형예)
도8에 도시된 바와 같이, 제3 실시예의 제1 변형예를 따른 연료 전지 시스템(1f)은 CO 가스 제거 장치(19f)의 하류측에 결합되는 파이프(34), 파이프(34)의 하류측에 결합되는 배압 조절 밸브(21) 및 배압 조절 밸브(21)의 하류측에 결합되는 파이프(36)를 포함한다. 파이프(36)의 하류측은 파이프(35)에 결합된다. 전술된 것 이외의 다른 점들은 도3 및 도5에 도시된 구성의 것들과 실질적으로 동일한 것이고, 따라서 그 설명은 생략된다. 실질적으로 수소를 선택적으 로 여과하는 반투과성 멤브레인은 도8에 도시된 바와 같이 CO 가스 제거 장치(19f)의 내측에 위치된다.
제1 실시예의 제1 변형예에 따른 연료 전지 시스템(1f)에 있어서, CO 가스 제거 장치(19f) 내에 설치되는 반투과성 멤브레인은 필터링에 의해 실질적으로 연료 전지 유닛(9)으로의 수소를 여과한다. 따라서, 고농도의 수소를 가진 가스가 연료 전극(5)으로 주입되어 연료 전지 유닛(9)의 효율은 향상될 수 있다.
(제3 실시예의 제2 변형예)
도9에 도시된 바와 같이, 제3 실시예의 제2 변형예에 따른 연료 전지 시스템(1g)은 가변 컨덕턴스 밸브(55)를 통해 제2 연료 탱크(71)의 하류측에 결합되는 제1 기화기(17a) 및 가변 컨덕턴스 밸브(15)를 통해 제3 연료 탱크(72)의 하류측에 결합되는 제2 기화기(17b)를 포함한다. 도9에 도시된 바와 같은 연료 전지 시스템(1g)에 있어서, 제2 연료 탱크(71) 내의 물은 제1 기화기(17a) 내에서 기화되고 제3 연료 탱크(72) 내의 메탄올은 제1 연료 탱크(3) 내에서 발생하는 포화 증기압에 의해 제2 기화기(17b)에서 기화된다. 따라서, 연료 및 물을 공급하기 위한 펌프가 생략될 수 있고 전체 연료 전지 시스템(1g)은 소형화 및 단순화될 수 있다.
(제3 실시예의 제3 변형예)
도10에 도시된 바와 같이, 제3 실시예의 제3 변형예를 따른 연료 전지 시스템(1h)은 가변 컨덕턴스 밸브(55)를 통해 제2 연료 탱크(71)의 하류측에 결합되는 제1 기화기(17a) 및 가변 컨덕턴스 밸브(15)를 통해 제3 연료 탱크(72)의 하류측에 결합되는 제2 기화기(17b)를 포함한다. CO 가스 제거 장치(19h)의 하류측에 결합 되는 파이프(34), 파이프(34)의 하류측에 결합되는 배압 조절 밸브(21) 및 배압 조절 밸브(21)의 하류측에 결합되는 파이프(36)를 더 포함한다. 파이프(36)의 하류측은 파이프(35)에 결합된다.
제1 실시예의 제1 변형예에 따른 연료 전지 시스템(1h)에 있어서, CO 가스 제거 장치(19h) 내에 설치되는 반투과성 멤브레인은 필터링에 의해 실질적으로 연료 전지 유닛(9)으로의 수소를 여과한다. 따라서, 고농도의 수소를 가지는 가스가 연료 전극(5)에 주입되고 연료 전지 유닛(9)의 효율은 향상될 수 있다.
(제4 실시예)
도11에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제4 실시예에 따른 연료 전지 시스템(1i)은 에테르를 포함하는 연료를 저장하도록 구성된 제1 연료 탱크(제1 탱크)(13a), 연료를 개질시키기 위한 물을 저장하도록 구성된 제2 연료 탱크(제2 탱크)(71), 수소를 저장하도록 구성된 제3 연료 탱크(제3 탱크)(72), 물을 기화시키도록 구성된 기화기(17), 연료를 수소 농후 가스로 개질시키기 위한 연료, 물 및 수소를 주입시키도록 구성된 개질기(11), 수소 농후 가스에서 CO 가스를 제거시키도록 구성된 CO 가스 제거 장치(19) 및 수소 농후 가스가 산소와 반응하는 것을 허용함으로써 전기를 발생시키도록 구성된 연료 전지 유닛(9)을 포함한다.
가변 컨덕턴스 밸브(52)는 제1 연료 탱크(13a)에 결합된 파이프에 결합된다. 파이프(53)는 가변 컨덕턴스 밸브(52)의 하류측에 결합된다. 제2 연료 탱크(71)는 파이프(53)에 결합된다. 파이프(53)는 분기 파이프를 가지고 분기 파이프는 대기에 자유롭게 개방된 가변 컨덕턴스 밸브(54)에 연결된다. 가변 컨덕턴스 밸브(52)가 개방되고 가변 컨덕턴스 밸브(54)가 폐쇄되면, 파이프(53) 내의 가스는 제1 연료 탱크(13)에서 발생하는 압력에 의해 밀려 움직인다. 제2 연료 탱크(71)는 이동 가능한 격벽(71c)을 사용하여 제1 챔버(71a) 및 제2 챔버(71b)로 분리된다. 가스는 제1 챔버(71a) 내에 채워지고, 물은 제2 챔버(71b) 내에 채워진다. 가스가 파이프(53)로부터 제1 챔버(71a)로 공급되면, 격벽(71c)은 제1 챔버(71a) 내에서 가압되어 제2 챔버(71b)로 밀려 움직인다. 가변 컨덕턴스 밸브(55)가 제2 챔버(71b)에 결합되면, 제2 챔버(71b) 내의 제2 연료는 기화기(17)로 주입된다.
제1 연료 탱크(13)의 하류측 상에서, 제3 연료 탱크(72)는 가변 컨덕턴스 밸브(63)를 가지는 파이프를 통해 결합된다. 또한 제3 연료 탱크(72)는 개질기(11)의 하류측에 결합된다. 제3 연료 탱크(72)의 하류측에 결합된 파이프는 가변 컨덕턴스 밸브(63)에 결합된다.
가변 컨덕턴스 밸브(63)가 유량을 조절하면서 개방되면, 제3 연료 탱크(72) 내의 수소는 컨덕턴스를 제어하면서 개질기(11)로 공급된다. 이 경우에 있어서, 8 내지 20 중량%, 바람직하게는 8 내지 12 중량%의 수소 가스가 DME 및 물의 혼합물을 1:3 내지 1;4의 몰비 범위로 공급하기에 적당할 수도 있다. 개질기(11)에 있어서, 식(2)에 도시된 DME와 물의 개질 반응 및 식(4)에 도시된 쉬프팅 반응은 개질 촉매 및 쉬프팅 촉매를 사용함으로써 향상된다.
제3 연료 탱크(72) 내의 수소는 DME 및 물과 함께 개질기(11)로 공급된다. 수소는 DME의 개질 반응을 식(2)에 도시된 것보다 더 빠르게 만든다. 따라서, DME를 수소 농후 가스로 개질시키는 효율은 향상될 것이다. 전술된 것 이외의 다른 점들은 도1에 도시된 연료 전지 시스템(1a)의 것들과 동일한 것이어서, 그 상세한 설명은 생략된다.
본 발명의 제4 실시예에 따른 연료 전지 시스템(1i)에 있어서, 제3 연료 탱크(2) 내의 수소는 개질기(11) 내로 공급되어 각각 제1 연료 탱크(13) 및 제2 연료 탱크(71)로부터 공급된 DME 및 물과 혼합된다. 개질기(11)에 있어서, DME의 개질 반응 및 쉬프팅 반응은 개질 촉매 및 쉬프팅 촉매를 사용함으로써 동시에 수행될 수도 있다. 즉, 쉬프팅 반응(4)이 발생하면, CO는 반응하여 제거된다. CO의 농도가 개질기(11) 내에서 감소되면, 반응(3)이 발생하여 메탄올은 분해된다. 메탄올이 개질기(11) 내에서 감소되면, 반응(1)이 진행하여 DME가 개질된다. 그 결과로서, DME의 개질 반응은 효율적으로 진행한다. 따라서, 도11에 도시된 바와 같은 연료 전지 시스템(1i)은 연료를 수소 농후 가스로 개질시키는 효율을 높일 수 있다. 또한, 개질 촉매 및 쉬프팅 촉매가 동일한 용기 내에 제공되기 때문에, 연료 전지 시스템(1i)의 치수를 최소화시키는 것이 가능하다.
이어서, 도11을 참조하여, 본 발명의 제4 실시예에 따른 연료 전지 시스템(1i)을 사용하기 위한 방법이 설명된다.
먼저, 가변 컨덕턴스 밸브(15, 54, 55, 58)는 폐쇄되고, 가변 컨덕턴스 밸브(52)는 개방된다. 대기압보다 높은 증기압이 제1 연료 탱크(13) 내에서 발생한다. 따라서, 가변 컨덕턴스 밸브(52)가 개방되면, 파이프(53) 내의 가스는 제1 챔버(71a)로 주입된다. 이어서, 물 탱크(71)의 격벽(71c)은 가압되어 제1 챔버(71a) 측으로부터 제1 챔버(71b) 측으로 밀려 움직인다. 가변 컨덕턴스 밸브(55)가 개방되면, 제2 챔버(71b) 내의 물은 제1 연료 탱크(13) 내에서 발생하는 포화 압력에 의해 기화기(17)로 주입된다.
이어서, 기화기(17)에 있어서, 물은 기화된다. 결과적으로, 기화된 연료는 개질기(11)로 주입된다. 가변 컨덕턴스 밸브(15)는 개방되고, 연료 탱크(13) 내의 제1 연료는 유량을 제어하면서 개질기(11)로 공급되어, 제1 연료는 기화된 제2 연료와 혼합된다. 이 경우에 있어서, 물에 대한 제1 연료인 DME의 혼합비는 1:3 내지 1:4 몰비 범위로 제어된다. 그 후, 가변 컨덕턴스 밸브(63)는 개방되고 제3 연료 탱크(72) 내의 수소는 개질기(11)로 공급된다. 전술된 것 이외의 다른 점들은 도1에 도시된 연료 전지 시스템(1)의 것들과 실질적으로 동일한 것이다.
(제4 실시예의 변형예)
도12에 도시된 바와 같이, 제4 실시예의 변형예에 따른 연료 전지 시스템(1j)은 CO 가스 제거 장치(19j)의 하류측에 결합된 파이프(34), 파이프(34)의 하류측에 결합된 배압 조절 밸브(21) 및 배압 조절 밸브(21)의 하류측에 결합된 파이프(36)를 포함한다. 파이프(36)의 하류측은 파이프(35)에 결합된다. 전술된 것 이외의 다른 점들은 도3에 도시된 구성의 것들과 실질적으로 동일한 것이고, 따라서 그 설명은 생략된다.
제4 실시예의 변형예에 따른 연료 전지 시스템(1j)에 있어서, CO 가스 제거 장치(19j) 내에 설치되는 반투과성 멤브레인은 필터링에 의해 실질적으로 연료 전지 유닛(9)으로의 수소를 여과시킨다. 따라서, 고농도의 수소를 가진 가스가 연료 전극(5)으로 주입되고 연료 전지 유닛(9)이 효율은 향상될 수 있다.
기술 분야의 숙련자에게 있어서 본 명세서를 숙지한 이후 그 범위 내의 다양한 변형은 가능할 것이다.
본 발명에 의하면, 연료를 수소 농후 가스로 개질하는 높은 효율과 소형의 간단한 구조로써 전기를 발생시키는 높은 효율을 가지는 연료 전지 시스템이 제공된다.

Claims (23)

  1. 에테르, 물 및 메탄올을 포함하는 연료를 저장하는 연료 탱크와,
    연료를 기화시키는 기화기와,
    기화된 연료를 수소 농후 가스로 개질시키는 개질기와,
    수소 농후 가스 내에서 CO 가스를 제거시키도록 구성된 CO 가스 제거 장치와,
    수소 농후 가스 및 산소의 전기 화학적 반응에 의해 전기를 발생시키도록 구성된 연료 전지 유닛을 포함하고, 상기 메탄올은 연료의 10 중량% 이하인 연료 전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 연료는 디메틸 에테르를 포함하는 연료 전지 시스템.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서, 상기 연료는
    디메틸 에테르와,
    물과,
    5 내지 10 중량%의 메탄올을 포함하고,
    상기 디메틸 에테르 및 물의 혼합비는 1:3 내지 1:4의 범위 내인 연료 전지 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 연료 전지 시스템은 상기 연료 탱크를 유지하도록 구성된 유지 유닛과,
    상기 유지 유닛에 연결되어 연료를 공급하도록 구성된 공급 유닛을 더 포함하고,
    상기 연료 탱크는,
    연료를 저장하도록 구성된 카트리지 유닛과,
    상기 카트리지 유닛의 개구를 폐쇄시키도록 구성되고 상기 유지 유닛과 대면하는 밸브 유닛을 구비하는 연료 전지 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 카트리지 유닛은 디메틸 에테르를 저장하는 연료 전지 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 연료 전지 유닛으로부터 공급되는 가스를 연소시키는 연소기와,
    연소기를 수용하고 기화기, 개질기 및 연소기에 인접하여 배치되는 CO 가스 제거 장치를 수용하는 진공 단열 용기를 더 포함하는 연료 전지 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 상기 개질기는 알루미나 개질 촉매와 Rh, Pd, Pt 및 Cu를 포함하는 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 물질을 포함하는 연료 전지 시스템.
  11. 제1항에 있어서, 상기 개질기는 연료의 개질 반응을 촉진하기 위한 개질 촉매 및 개질 반응에 의해 발생되는 일산화탄소를 물과 반응시키기 위한 쉬프팅 촉매를 포함하는 연료 전지 시스템.
  12. 에테르를 포함하는 제1 연료를 저장하는 제1 연료 탱크와,
    메탄올 및 물을 포함하는 제2 연료를 저장하는 제2 연료 탱크와,
    제2 연료를 기화시키는 기화기와,
    제1 및 제2 연료를 수소 농후 가스로 개질시키는 개질기와,
    수소 농후 가스로부터 CO 가스를 제거하도록 구성된 CO 가스 제거 장치와,
    수소 농후 가스 및 산소의 전기 화학적 반응에 의해 전기를 발생시키도록 구성된 연료 전지 유닛을 포함하고,
    상기 메탄올은 제2 연료의 10 중량% 이하인 연료 전지 시스템.
  13. 제12항에 있어서, 상기 제1 연료는 디메틸 에테르를 포함하는 연료 전지 시스템.
  14. 제12항에 있어서, 상기 제1 연료는 디메틸 에테르를 포함하고, 상기 제2 연 료는 5 내지 10 중량%의 메탄올을 포함하고, 상기 디메틸 에테르 및 물의 혼합비는 1:3 내지 1:4의 범위 내인 연료 전지 시스템.
  15. 제12항에 있어서, 상기 연료 전지 시스템은 상기 제1 연료 탱크를 유지하도록 구성된 유지 유닛과,
    상기 유지 유닛에 연결되어 제1 연료를 공급하도록 구성된 공급 유닛을 더 포함하고,
    상기 제1 연료 탱크는
    제1 연료를 저장하도록 구성된 카트리지 유닛과,
    카트리지 유닛의 개구를 폐쇄시키도록 구성되고 상기 유지 유닛에 대면하는 밸브 유닛을 구비하는 연료 전지 시스템.
  16. 제12항에 있어서, 상기 개질기는 알루미나 개질 촉매와 Rh, Pd, Pt 및 Cu를 포함하는 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 물질을 포함하는 연료 전지 시스템.
  17. 제12항에 있어서, 상기 개질기는 연료의 개질 반응을 촉진하기 위한 개질 촉매 및 개질 반응에 의해 발생되는 일산화탄소를 물과 반응시키기 위한 쉬프팅 촉매를 포함하는 연료 전지 시스템.
  18. 에테르를 포함하는 연료를 저장하는 제1 탱크와,
    물과 메탄올을 저장하는 제2 탱크와,
    수소를 저장하는 제3 탱크와,
    물을 기화시키는 기화기와,
    연료, 물 및 수소를 수소 농후 가스로 개질시키는 개질기와,
    수소 농후 가스로부터 CO 가스를 제거하도록 구성된 CO 가스 제거 장치와,
    수소 농후 가스 및 산소의 전기 화학적 반응에 의해 전기를 발생시키도록 구성된 연료 전지 유닛을 포함하고,
    상기 메탄올은 연료의 10중량% 이하인 연료 전지 시스템.
  19. 제18항에 있어서, 상기 연료 전지 시스템은 상기 제1 탱크를 유지하도록 구성된 유지 유닛과,
    상기 유지 유닛에 연결되어 연료를 공급하도록 구성된 공급 유닛을 더 포함하고,
    상기 제1 탱크는
    연료를 저장하도록 구성된 카트리지 유닛과,
    카트리지 유닛의 개구를 폐쇄시키도록 구성되고 상기 유지 유닛과 대면하는 밸브 유닛을 구비하는 연료 전지 시스템.
  20. 제18항에 있어서, 상기 개질기는 알루미나 개질 촉매와 Rh, Pd, Pt 및 Cu를 포함하는 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 물질을 포함하는 연료 전지 시스템.
  21. 제18항에 있어서, 상기 개질기는 연료의 개질 반응을 촉진하기 위한 개질 촉매 및 개질 반응에 의해 발생되는 일산화탄소를 물과 반응시키기 위한 쉬프팅 촉매를 포함하는 연료 전지 시스템.
  22. 디메틸 에테르와,
    물과,
    5 내지 10 중량%의 메탄올을 포함하고,
    상기 디메틸 에테르 및 물의 혼합비는 1:3 내지 1:4의 범위 내인 연료 전지 시스템용 연료.
  23. 연료 전지 시스템용 연료를 저장하기 위한 연료 탱크이며,
    상기 연료는,
    디메틸 에테르와,
    물과,
    메탄올을 포함하고,
    상기 메탄올은 연료의 10 중량% 이하인 연료 전지 시스템용 연료를 저장하기 위한 연료 탱크.
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