KR100637498B1

KR100637498B1 - 연료 전지 시스템 및 그 구동 방법

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Publication number: KR100637498B1
Application number: KR1020050069529A
Authority: KR
Inventors: 이찬호; 김주용; 공상준; 이동윤; 이성철; 하명주; 서동명; 이동욱
Original assignee: 삼성에스디아이 주식회사
Priority date: 2005-07-29
Filing date: 2005-07-29
Publication date: 2006-10-20

Abstract

본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템은, 수소, 및 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 스택과, 시스템의 초기 기동시 산화 촉매에 의한 액체 연료와 산소의 제1 산화 반응을 통해 제1 온도 범위의 열 에너지를 발생시키고, 상기 시스템의 정상 구동시 상기 제1 온도 범위를 유지하는 상기 산화 촉매에 의한 기체 연료와 산소의 제2 산화 반응을 통해 상기 제1 온도 범위 보다 높은 제2 온도 범위의 열 에너지를 발생시키는 히터와, 상기 제2 온도 범위의 열 에너지에 의한 상기 기체 연료와 물의 수증기 개질 반응을 통해 상기 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키는 개질기와, 상기 히터와 연결 설치되어 상기 히터로 상기 액체 연료를 공급하는 제1 연료 공급원과, 상기 히터 및 상기 개질기와 연결 설치되어 상기 히터 및 상기 개질기로 상기 기체 연료를 각각 공급하는 제2 연료 공급원과, 상기 개질기와 연결 설치되어 상기 개질기로 물을 공급하는 물 공급원과, 상기 히터 및 상기 스택과 연결 설치되어 상기 히터 및 상기 스택으로 산소를 각각 공급하는 산소 공급원을 포함한다.

스택, 히터, 개질기, 연료공급원, 기체연료, 액체연료

Description

연료 전지 시스템 및 그 구동 방법 {FUEL CELL SYSTEM AND DRIVING METHOD OF THE SAME}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.

도 2는 도 1에 도시한 히터와 개질기의 예시적인 실시예를 나타내 보인 단면 구성도이다.

도 3은 도 1에 도시한 히터와 개질기의 예시적인 다른 실시예를 나타내 보인 단면 구성도이다.

본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기체 연료의 산화 반응에 의해 열 에너지를 발생시키고, 이 열 에너지를 개질기에 제공하는 연료 전지 시스템 및 그 구동 방법에 관한 것이다.

알려진 바와 같이, 연료 전지(Fuel Cell)는 탄화 수소 계열의 연료에 함유되어 있는 수소, 및 산소의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 발생시키는 발전 시스템으로서 구성된다.

이러한 연료 전지는 크게, 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)와, 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxydation Membrane Fuel Cell)로 구분될 수 있다.

이 중에서 고분자 전해질형 연료 전지는 다른 연료 전지에 비하여 출력 특성이 탁월하며, 작동 온도가 낮고, 빠른 시동 및 응답 특성으로 인해 자동차와 같은 이동용 전원은 물론, 주택, 공공 건물과 같은 분산용 전원 및 전자기기용과 같은 소형 전원 등 그 응용 범위가 넓은 장점을 가진다.

이와 같은 고분자 전해질형 연료 전지 방식을 채용한 연료 전지 시스템은 스택(stack)이라 불리는 연료 전지 본체(이하, 편의상 "스택" 이라 한다)와, 연료를 개질하여 수소를 발생시키고 이 수소를 스택으로 공급하는 연료처리장치와, 산소를 스택으로 공급하기 위한 공기 펌프 또는 팬을 구비한다. 따라서 스택에서는 연료처리장치로부터 공급되는 수소와, 공기펌프 또는 팬의 가동에 의해 공급되는 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시킨다.

종래의 연료 전지 시스템에 있어, 연료처리장치는 산화 촉매에 의한 연료의 산화 방식으로 열 에너지를 발생시키는 히터와, 이 열 에너지를 이용한 연료의 개질 반응에 의해 수소를 발생시키는 개질기와, 수소에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 일산화탄소 정화기를 포함하여 구성된다. 이 때, 산화 방식의 히터는 연료로서 메탄올, 에탄올과 같은 액체 연료를 사용하기 때문에, 상온에서도 산화 촉매에 의한 연료의 산화 반응을 통해 기설정된 온도 범위의 열 에너지를 발생시킬 수 있게 된다.

한편, 최근 들어서는 부탄 가스와 같이 시중에서 쉽게 구할 수 있는 기체 연료를 사용하여 이 기체 연료의 착화 연소 방식으로 열 에너지를 발생시키는 히터와, 기체 연료의 개질 반응에 의해 이 기체 연료로부터 수소를 발생시키는 개질기를 갖춘 연료 전지 시스템이 개시된 바 있다.

그런데, 기체 연료를 사용하는 연료 전지 시스템은 산화 방식의 히터를 사용하지 못하고 착화 연소 방식의 히터를 채용하고 있는 바, 이는 산화 방식의 히터가 상온에서 산화 촉매에 의한 기체 연료의 산화 반응을 일으키지 못하기 때문이다. 따라서 기체 연료를 사용하면서 산화 방식의 히터를 채용하는 연료 전지 시스템의 경우, 산화 촉매를 일정한 온도로 예열하여 기체 연료의 산화 반응을 가능케 하는 예열장치가 절실히 요구되고 있는 실정이다.

본 발명은 상술한 문제점을 감안한 것으로, 그 목적은 액체 연료를 이용하여 산화 방식의 히터를 예열함으로써 기체 연료의 산화 반응을 도모할 수 있는 연료 전지 시스템 및 그 구동 방법을 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템은, 수소, 및 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 스택과, 시스템의 초기 기동시 산화 촉매에 의한 액체 연료와 산소의 제1 산화 반응을 통해 제1 온도 범위의 열 에너지를 발생시키고, 상기 시스템의 정상 구동시 상기 제1 온도 범위를 유지하는 상기 산화 촉매에 의한 기체 연료와 산소의 제2 산화 반응을 통해 상기 제1 온도 범위 보다 높은 제2 온도 범위의 열 에너지를 발생시키는 히터와, 상기 제2 온도 범위의 열 에너지에 의한 상기 기체 연료와 물의 수증기 개질 반응을 통해 상기 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키는 개질기와, 상기 히터와 연결 설치되어 상기 히터로 상기 액체 연료를 공급하는 제1 연료 공급원과, 상기 히터 및 상기 개질기와 연결 설치되어 상기 히터 및 상기 개질기로 상기 기체 연료를 각각 공급하는 제2 연료 공급원과, 상기 개질기와 연결 설치되어 상기 개질기로 물을 공급하는 물 공급원과, 상기 히터 및 상기 스택과 연결 설치되어 상기 히터 및 상기 스택으로 산소를 각각 공급하는 산소 공급원을 포함한다.

상기 연료 전지 시스템은, 상기 제1 온도 범위가 200~300℃이고, 상기 제2 온도 범위가 600~700℃를 만족하는 것이 바람직하다.

상기 연료 전지 시스템은, 제1 도관과, 상기 제1 도관의 내부에 동축 방향으로 배치되는 제2 도관을 포함할 수 있다. 이 경우 상기 히터는 상기 제2 도관의 내부 공간에 상기 산화 촉매를 충전 형성하여 이루어지고, 상기 개질기는 상기 제1 도관과 상기 제2 도관 사이의 공간에 개질 촉매를 충전 형성하여 이루어질 수 있다.

상기 연료 전지 시스템은, 일면에 제1 채널을 형성하는 제1 반응 기판과, 상기 제1 반응 기판과 밀착되게 배치되며, 일면에 제2 채널을 형성하는 제2 반응 기판을 포함할 수 있다. 이 경우 상기 히터는 상기 제1 채널에 상기 산화 촉매를 형성하여 이루어지고, 상기 개질기는 상기 제2 채널에 개질 촉매를 형성하여 이루어질 수 있다.

상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 제1 연료 공급원은 상기 시스템의 초기 기동시, 상기 액체 연료를 상기 히터로 공급하여 상기 제1 산화 반응에 의해 상기 히터를 상기 제1 온도 범위로 예열시키기 위한 예열수단으로서 구성될 수 있다.

상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 제1 연료 공급원은 상기 액체 연료를 저장하는 제1 탱크와, 상기 제1 탱크에 연결 설치되어 상기 액체 연료를 상기 제1 탱크로부터 배출시키기 위한 제1 펌프를 포함할 수 있다. 이 경우 상기 제1 탱크와 상기 히터는 제1 공급라인에 의해 연결 설치되며, 상기 제1 공급라인은 상기 산소 공급원과 연결되는 합류라인으로서 구성될 수 있다.

상기 연료 전지 시스템은, 상기 제1 공급라인에 상에 설치되어 상기 히터로 공급되는 상기 액체 연료와 산소를 선택적으로 차단하는 제1 밸브체를 포함할 수 있다.

상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 제2 연료 공급원은 상기 기체 연료를 압축 저장하는 제2 탱크를 포함할 수 있다. 이 경우 상기 제2 탱크와 상기 히터는 제2 공급라인에 의해 연결 설치되고, 상기 제2 탱크와 상기 개질기는 제3 공급라인에 의해 연결 설치되며, 상기 제2 공급라인은 상기 산소 공급원과 연결되는 합류라인으로서 구성되고, 상기 제3 공급라인은 상기 물 공급원과 연결되는 합류라인으로서 구성될 수 있다.

상기 연료 전지 시스템은, 상기 제2 공급라인 상에 설치되어 상기 히터로 공급되는 상기 기체 연료와 산소를 선택적으로 차단하는 제2 밸브체를 포함할 수 있다.

상기 연료 전지 시스템은, 상기 제3 공급라인 상에 설치되어 상기 개질기로 공급되는 상기 기체 연료와 물을 선택적으로 차단하는 제3 밸브체를 포함할 수 있다.

상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 물 공급원은 상기 물을 저장하는 제3 탱크와, 상기 제3 탱크에 연결 설치되어 상기 물을 상기 제3 탱크로부터 배출시키기 위한 제2 펌프를 포함할 수 있다.

상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 산소 공급원은 공기를 흡입하고, 이 공기를 상기 히터 및 상기 스택으로 각각 공급하는 제3 펌프를 포함할 수 있다.

상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 스택은 상기 개질기와 연결 설치되며, 막-전극 어셈블리를 중심에 두고 이의 양측면에 세퍼레이터가 밀착되게 배치되는 적어도 하나의 전기 발생부로서 구성될 수 있다.

상기 연료 전지 시스템은, 상기 개질기와 상기 스택 사이에 설치되어 상기 개질 가스 중에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 적어도 하나의 일산화탄소 정화기를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구동 방법은, 시스템의 초기 기동시 히터에서 액체 연료와 산소의 제1 산화 반응에 의해 제1 온도 범위의 열 에너지를 발생시키는 단계와, 상기 시스템의 정상 구동시 상기 제1 온도 범위를 유지하는 상기 히터에서 기체 연료와 산소의 제2 산화 반응에 의해 제2 온도 범위의 열 에너지를 발생시키는 단계와, 개질기에서 상기 제2 온도 범위의 열 에너지를 이용한 상기 기체 연료와 물의 수증기 개질 반응에 의해 수소를 함유한 개질 가스 를 발생시키는 단계와, 상기 스택으로 상기 개질 가스와 산소를 공급하는 단계와, 상기 스택에서 상기 개질 가스 중에 함유된 수소, 및 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 기설정된 용량의 전기 에너지를 발생시키는 단계를 포함한다.

상기 연료 전지 시스템의 구동 방법은, 상기 시스템의 초기 기동시, 상기 액체 연료와 상기 산소를 상기 히터로 공급하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 연료 전지 시스템의 구동 방법에 있어서, 상기 히터는 상기 제1 산화 반응에 의해 200~300℃를 유지하는 상기 제1 온도 범위의 열 에너지를 발생시킬 수 있다.

상기 연료 전지 시스템의 구동 방법은, 상기 시스템의 정상 구동시 상기 히터로 공급되는 상기 액체 연료와 상기 산소를 차단하고, 상기 기체 연료와 상기 산소를 상기 히터로 공급하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 연료 전지 시스템의 구동 방법에 있어서, 상기 히터는 상기 제2 산화 반응에 의해 600~700℃를 유지하는 상기 제2 온도 범위의 열 에너지를 발생시킬 수 있다.

상기 연료 전지 시스템의 구동 방법은, 상기 개질기로 상기 기체 연료와 상기 물을 공급하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 연료 전지 시스템의 구동 방법은, 상기 개질 가스를 일산화탄소 정화기로 공급하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 연료 전지 시스템의 구동 방법은, 상기 일산화탄소 정화기에서 상기 개질 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 단계를 포함할 수 있다.

상기 연료 전지 시스템의 구동 방법은, 상기 일산화탄소의 농도가 저감된 상기 개질 가스를 상기 스택으로 공급하는 단계를 포함할 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.

이 도면을 참조하여 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)을 설명하면, 이 연료 전지 시스템(100)은 연료를 개질하여 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키고, 이 개질 가스의 산화 반응 및 산화제 가스의 환원 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 고분자 전해질형 연료 전지 방식으로서 구성된다.

이러한 연료 전지 시스템(100)에 사용되는 연료는 메탄올, 에탄올, LPG, LNG, 가솔린 등과 같이 수소를 함유한 액체 또는 기체 연료를 포함할 수 있다.

그리고 본 시스템(100)은 산화제 가스로서 별도의 저장수단에 저장된 산소를 사용할 수 있으며, 산소를 함유하고 있는 공기를 그대로 사용할 수도 있다. 이하에서는 후자를 예로 하여 설명한다.

이와 같은 연료 전지 시스템(100)은 수소와 산소의 산화 및 환원 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 스택(10)과, 액체 연료 및 기체 연료의 산화 반응에 의해 열 에너지를 발생시키는 히터(20)와, 열 에너지를 이용한 기체 연료의 개질 반응에 의해 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키는 개질기(30)와, 개질 가스 중에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 일산화탄소 정화기(40)와, 히터(20)로 액체 연료를 공급하는 제1 연료 공급원(50)과, 히터(20)와 개질기(30)로 기체 연료를 공급하는 제2 연료 공급원(60)과, 개질기(30)로 물을 공급하는 물 공급원(70)과, 히터(20)와 스택(10)으로 산소를 공급하는 산소 공급원(80)을 포함한다.

스택(10)은 일산화탄소 정화기(40)와 산소 공급원(80)에 연결 설치되어 일산화탄소 정화기(40)로부터 일산화탄소의 농도가 저감된 개질 가스를 공급받고, 산소 공급원(80)으로부터 산소를 공급받아 수소, 및 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 셀(cell) 단위의 전기 발생부(11)를 구비한다.

따라서 본 실시예에서는 이와 같은 전기 발생부(11)를 복수로 구비하고, 이들을 연속적으로 배치함으로써 전기 발생부(11)들의 집합체 구조에 의한 연료 전지 본체로서의 스택(10)을 형성할 수 있다.

여기서, 전기 발생부(11)는 통상적인 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode Assembly: MEA)(12)를 중심에 두고 이의 양면에 세퍼레이터(Separator)(당 업계에서는 "바이폴라 플레이트(bipolar plate)"라고도 한다.)(16)를 밀착되게 배치하여 이루어지는 최소 단위의 연료 전지(fuel cell)로서 구성된다.

이와 같은 스택(10)의 구성은 통상적인 고분자 전해질형 연료 전지의 스택 구성으로 이루어질 수 있으므로 본 명세서에서 그 자세한 설명은 생략하기로 한다.

도면을 참고하면, 히터(20)는 산화 촉매(23)에 의한 액체 연료, 및 기체 연료와 산소의 산화 반응을 통해 기설정된 온도 범위의 열 에너지를 발생시키고, 이 열 에너지를 개질기(30)에 제공하는 구조로 이루어진다.

본 실시예에서, 히터(20)는 시스템의 초기 기동시, 제1 연료 공급원(50) 및 산소 공급원(80)으로부터 액체 연료와 산소를 공급받아 산화 촉매(23)에 의한 액체 연료와 산소의 제1 산화 반응을 통해 200~300℃를 유지하는 제1 온도 범위의 열 에너지를 발생시킨다. 그리고 히터(20)는 시스템의 정상 구동시, 제2 연료 공급원(60) 및 산소 공급원(80)으로부터 기체 연료와 산소를 공급받아 제1 온도 범위를 유지하는 산화 촉매(23)에 의한 기체 연료와 산소의 제2 산화 반응을 통해 600~700℃를 유지하는 제2 온도 범위의 열 에너지를 발생시킨다.

시스템의 초기 기동시 액체 연료와 산소를 히터(20)로 공급하여 이 히터(20)에서 제1 온도 범위의 열 에너지를 발생시키는 이유는, 기체 연료와 산소의 산화 반응을 이용하여 개질기(30)의 개질 반응에 필요한 열 에너지를 발생시키고자 하는 경우, 상온에서는 산화 촉매(23)에 의해 기체 연료와 산소가 산화 반응을 일으킬 수 없기 때문에 기체 연료와 산소의 산화 반응이 개시되는 제1 온도 범위로서 산화 촉매(23)를 예열시키기 위함이다. 즉, 제1 온도 범위는 히터(20)가 산화 촉매(23)에 의한 기체 연료와 산소의 산화 반응을 일으키게 할 수 있는 반응 개시 온도를 의미한다.

그리고 시스템의 정상 구동시 기체 연료와 산소를 히터(20)로 공급하여 이 히터(20)에서 제2 온도 범위의 열 에너지를 발생시키는 이유는, 개질기(30)에 의한 기체 연료의 개질 반응이 흡열 반응이므로 이 개질기(30)의 개질 반응에 필요한 열 에너지를 제2 온도 범위로서 개질기(30)에 제공하기 위함이다. 즉, 제2 온도 범위는 개질기(30)가 개질 반응을 일으키게 할 수 있는 반응 개시 온도를 의미한다.

상기에서, 개질기(30)는 제2 온도 범위의 열 에너지를 이용한 기체 연료의 촉매 반응 예컨대, 수증기 개질, 부분 산화 또는 자열 반응 등의 촉매 반응, 더욱 바람직하게는 기체 연료와 물의 수증기 개질(Steam Reforming) 반응을 통해 이 기체 연료로부터 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키는 구조로 이루어진다.

이와 같은 히터(20)와 개질기(30)를 구성하기 위해, 본 실시예에서는 제1 도관(31)과, 제1 도관(31)의 내부에 위치하는 제2 도관(21)을 구비하고 있다. 제1 도관(31)은 소정의 관로 단면적을 가지면서 실질적으로 양단이 폐쇄된 원형의 파이프 타입으로 이루어진다. 제2 도관(21)은 제1 도관(31) 보다 상대적으로 작은 관로 단면적을 가지면서 실질적으로 양단이 폐쇄된 원형의 파이프 타입으로 이루어진다. 이 때, 제2 도관(21)은 이의 외주면과 제1 도관(31)의 내주면이 일정 간격으로 이격되게 제1 도관(31)의 내부 중심 방향(동축 방향)으로 배치된다.

본 실시예에서, 히터(20)는 제2 도관(21)의 내부 공간에 산화 촉매(23)를 충전 형성하여 이 산화 촉매(23)에 의한 액체 연료, 및 기체 연료와 산소의 산화 반응을 통해 기설정된 온도 범위의 열 에너지를 발생시키는 구조로 이루어진다.

여기서, 산화 촉매(23)는 연료와 공기의 산화 반응을 촉진시키기 위한 것으로서, 알루미나(Al₂O₃), 실리카(SiO₂) 또는 티타니아(TiO₂)로 이루어진 펠릿(pellet) 형태의 담체에 백금(Pt), 루테늄(Ru)과 같은 촉매 물질을 담지하여 형성될 수 있다.

이러한 히터(20)는 액체 연료와 산소를 제2 도관(21)의 내부로 주입시키기 위한 제1 주입구(21a)와, 기체 연료와 산소를 제2 도관(21)의 내부로 주입시키기 위한 제2 주입구(21b)를 제2 도관(21)의 일측 단부에 형성하고 있다. 이 때 제1 주입구(21a)는 도 1에 도시한 제1 연료 공급원(50), 및 산소 공급원(80)과 연결될 수 있다. 그리고 제2 주입구(21b)는 도 1에 도시한 제2 연료 공급원(60), 및 산소 공급원(80)과 연결될 수 있다.

이에 더하여, 히터(20)는 산화 촉매(23)에 의해 액체 연료, 및 기체 연료와 산소가 연소될 때 발생하는 연소 가스를 배출시키기 위한 제1 배출구(21c)를 제2 도관(21)의 다른 일측 단부에 형성하고 있다.

본 실시예에서, 개질기(30)는 히터(20)로부터 발생하는 제2 온도 범위의 열 에너지를 제공받아 기체 연료와 물의 수증기 개질 반응에 의해 이 기체 연료로부터 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키기 위한 것이다. 이를 위해 개질기(30)는 제1 도관(31)과 제2 도관(21) 사이의 공간에 개질 촉매(33)를 충전 형성하여 이루어진다.

이러한 개질기(30)에 있어, 개질 촉매(33)는 기체 연료와 물의 수증기 개질 반응을 촉진시키기 위한 것으로서, 알루미나(Al₂O₃), 실리카(SiO₂) 또는 티타니아(TiO₂)로 이루어진 펠릿(pellet) 형태의 담체에 구리(Cu), 니켈(Ni), 백금(Pt)과 같 은 촉매 물질을 담지하여 형성될 수 있다.

이에 더하여, 개질기(30)에는 제1 도관(31)과 제2 도관(21) 사이의 공간으로 기체 연료와 물을 주입시키기 위한 제3 주입구(31a)를 제1 도관(31)의 일측 단부에 형성하고 있다. 이 때, 제3 주입구(31a)는 도 1에 도시한 제2 연료 공급원(60), 및 물 공급원(70)과 연결될 수 있다. 그리고 개질기(30)에는 제1 도관(31)과 제2 도관(21) 사이에서 개질 촉매(33)에 의한 기체 연료와 물의 수증기 개질 반응을 통해 발생되는 개질 가스를 배출시키기 위한 제2 배출구(31b)를 제1 도관(31)의 다른 일측 단부에 형성하고 있다. 이 때, 제2 배출구(31b)는 통상적인 파이프 라인을 통해 뒤에서 더욱 설명하는 일산화탄소 정화기(40)와 연결될 수 있다.

한편, 일산화탄소 정화기(40)는 도 1에 도시한 바와 같이, 개질기(30)와 스택(10) 사이에 설치되어 통상적인 파이프 라인을 통해 개질기(30)와 스택(10)에 각각 연결 설치된다.

이러한 일산화탄소 정화기(40)는 개질기(30)로부터 개질 가스를 공급받아 이 개질 가스 중에 함유된 일산화탄소의 수성 가스 전환(WGS) 반응 및/또는 선택적 산화(PROX) 반응에 의해 일산화탄소의 농도를 저감시키고, 이 개질 가스를 스택(10)으로 공급하는 통상적인 구조의 일산화탄소 정화기를 구비한다.

본 실시예에서, 제1 연료 공급원(50)은 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 시스템의 초기 기동시 액체 연료를 히터(20)로 공급하여 액체 연료와 산소의 제1 산화 반응에 의해 히터(20)를 제1 온도 범위로 예열시키기 위한 예열수단으로서 구비된다.

이러한 제1 연료 공급원(50)은 메탄올, 에탄올과 같은 액체 연료를 저장하는 제1 탱크(51)와, 제1 탱크(51)에 연결 설치되어 제1 탱크(51)에 저장된 액체 연료를 배출시키기 위한 제1 펌프(53)를 구비한다. 이 때, 제1 탱크(51)와 히터(20)의 제1 주입구(21a)는 파이프 형태의 제1 공급라인(55)에 의해 연결된다. 여기서 제1 공급라인(55)은 산소 공급원(80)과 연결되는 합류라인 형태로서 구비된다. 그리고 제1 공급라인(55) 상에는 이 제1 공급라인(55)을 통해 히터(20)로 공급되는 액체 연료와 산소를 선택적으로 차단하기 위한 제1 밸브체(57)를 설치하고 있다. 이 제1 밸브체(57)는 제1 공급라인(55)의 유로를 선택적으로 개폐시키는 밸브로서, 별도의 컨트롤러(도시하지 않음)에 의해 제어되어 동작하는 통상적인 구조의 2-웨이(2-way) 밸브를 구비한다.

본 실시예에서, 제2 연료 공급원(60)은 LPG, LNG와 같은 기체 연료를 압축 저장하는 제2 탱크(61)를 구비한다. 이 때, 제2 탱크(61)와 히터(20)의 제2 주입구(21b)는 파이프 형태의 제2 공급라인(63)에 의해 연결된다. 여기서 제2 공급라인(63)은 산소 공급원(80)과 연결되는 합류라인 형태로서 구비된다. 그리고 제2 공급라인(63) 상에는 이 제2 공급라인(63)을 통해 히터(20)로 공급되는 기체 연료와 산소를 선택적으로 차단하기 위한 제2 밸브체(65)를 설치하고 있다. 이 제2 밸브체(65)는 제2 공급라인(63)의 유로를 선택적으로 개폐시키는 밸브로서, 컨트롤러(도시하지 않음)에 의해 제어되어 동작하는 통상적인 구조의 2-웨이(2-way) 밸브를 구비한다.

이에 더하여, 제2 탱크(61)와 개질기(30)의 제3 주입구(31a)는 파이프 형태 의 제3 공급라인(67)에 의해 연결된다. 여기서, 제3 공급라인(67)은 뒤에서 더욱 설명하는 물 공급원(70)과 연결되는 합류라인 형태로서 구비된다. 그리고 제3 공급라인(67) 상에는 이 제3 공급라인(67)을 통해 개질기(30)로 공급되는 기체 연료와 물을 선택적으로 차단하기 위한 제3 밸브체(69)를 설치하고 있다. 이 제3 밸브체(69)는 제3 공급라인(67)의 유로를 선택적으로 개폐시키는 밸브로서, 컨트롤러(도시하지 않음)에 의해 제어되어 동작하는 통상적인 구조의 2-웨이(2-way) 밸브를 구비한다.

본 실시예에서, 물 공급원(70)은 물을 저장하는 제3 탱크(71)와, 제3 탱크(71)에 연결 설치되어 제3 탱크(71)에 저장된 물을 배출시키기 위한 제2 펌프(73)를 구비한다. 이 때 제3 탱크(71)는 통상적인 파이프 라인을 통해 제3 공급라인(67)과 연결된다.

본 실시예에서, 산소 공급원(80)은 소정 펌핑력으로 공기를 흡입하고 이 공기를 스택(10), 및 히터(20)로 각각 공급하는 공기 펌프로서 적어도 하나의 제3 펌프(81)를 구비한다. 산소 공급원(80)은 도면에서와 같이, 단일의 제3 펌프(81)를 통해 스택(10)과 히터(20)로 공기를 공급하는 구조로 되어 있으나, 이에 한정되지 않고 스택(10)과 히터(20)에 각각 연결되는 한 쌍의 공기 펌프를 구비할 수도 있다. 그리고 산소 공급원(80)은 위와 같은 공기 펌프를 구비하는 것에 한정되지 않고, 통상적인 구조의 팬(fan)을 구비할 수도 있다. 이 때, 제3 펌프(81)는 통상적인 파이프 라인을 통해 제1 공급라인(55), 제2 공급라인(63), 및 스택(10)과 연결된다.

상기와 같이 구성되는 본 실시예에 의한 연료 전지 시스템의 구동 방법을 상세히 설명하면 다음과 같다.

우선, 본 시스템(100)의 초기 기동시, 제1 공급라인(55)은 제1 밸브체(57)의 작동에 의하여 그 유로가 개방된다.

이어서, 제1 펌프(53)는 소정 펌핑력에 의해 제1 탱크(51)에 저장된 액체 연료를 배출시키고, 이 액체 연료를 제1 공급라인(55)을 통해 제2 도관(21)의 내부로 공급한다. 이와 동시에, 제3 펌프(81)는 소정 펌핑력에 의해 공기를 흡입하고, 이 공기를 제1 공급라인(55)을 통해 제2 도관(21)의 내부로 공급한다.

이에 따라, 히터(20)에서는 산화 촉매(23)에 의한 액체 연료와 공기의 제1 산화 반응을 통해 제1 온도 범위 즉, 산화 촉매(23)에 의해 기체 연료와 산소가 산화 반응을 일으킬 수 있는 반응 개시 온도에 상응하는 대략, 200~300℃의 열 에너지를 발생시킨다. 이로써, 히터(20)는 산화 촉매(23)에 의해 기체 연료와 산소가 산화 반응을 일으킬 수 있는 온도 범위로서 예열된 상태를 유지하게 된다.

이 상태에서, 제1 공급라인(55)은 제1 밸브체(57)의 작동에 의하여 그 유로가 폐쇄된다. 그러면, 제1 공급라인(55)을 통해 히터(20)로 공급되는 액체 연료와 공기는 제1 밸브체(57)에 의해 차단되고, 시스템(100)은 정상 구동 모드로서 전환하게 된다.

본 시스템(100)의 정상 구동시, 제2 공급라인(63)은 제2 밸브체(65)의 작동에 의하여 그 유로가 개방된다. 그러면, 제2 탱크(61)에 압축 저장된 기체 연료는 제2 공급라인(63)을 통해 제2 도관(21)의 내부로 공급된다. 이와 동시에, 제3 펌프 (81)는 공기를 제2 공급라인(63)을 통해 제2 도관(21)의 내부로 공급한다.

이에 따라, 히터(20)에서는 제1 온도 범위로서 예열된 산화 촉매(23)에 의한 기체 연료와 공기의 제2 산화 반응을 통해 제2 온도 범위 즉, 개질기(30)가 개질 반응을 일으킬 수 있는 반응 개시 온도에 상응하는 대략, 600~700℃의 열 에너지를 발생시킨다. 이로써, 상기 제2 온도 범위를 유지하는 열 에너지는 제2 도관(21)을 통해 개질기(30)의 개질 촉매(33)에 제공된다. 즉, 개질기(30)는 히터(20)로부터 제2 온도 범위의 열 에너지를 제공받아 기체 연료와 물의 수증기 개질 반응을 일으킬 수 있는 반응 개시 온도로서 예열된 상태를 유지하게 된다.

한편, 이러한 과정을 거치는 동안, 제3 공급라인(67)은 제3 밸브체(69)의 작동에 의하여 그 유로가 폐쇄된 상태에 있다.

이 상태에서, 제3 공급라인(67)은 제3 밸브체(69)의 작동에 의하여 그 유로가 개방된다. 그러면, 제2 탱크(61)에 압축 저장된 기체 연료는 제3 공급라인(67)을 통해 제1 도관(31)과 제2 도관(21) 사이의 영역으로 공급된다. 이와 동시에, 제2 펌프(73)는 소정 펌핑력에 의해 제3 탱크(71)에 저장된 물을 배출시키고, 이 물을 제3 공급라인(67)을 통해 제1 도관(31)과 제2 도관(21) 사이의 영역으로 공급한다.

그러면, 개질기(30)에서는 개질 촉매(33)에 의한 기체 연료와 물의 수증기 개질 반응이 진행되어 수소를 함유하고 있는 개질 가스를 발생시킨다. 이 때, 개질기(30)에서는 기체 연료의 불완전한 개질 반응에 의해 부(副) 생성물로서 일산화탄소가 함유된 개질 가스를 발생시키게 된다.

이어서, 개질 가스는 개질기(30)의 제2 배출구(31b)를 통해 배출되어 일산화탄소 정화기(40)로 공급된다. 그러면, 일산화탄소 정화기(40)에서는 개질 가스에 함유된 일산화탄소의 수성 가스 전환 반응 및/또는 선택적 산화 반응에 의해 일산화탄소의 농도를 저감시키게 된다.

다음, 상기 일산화탄소의 농도가 저감된 개질 가스는 일산화탄소 정화기(40)로부터 배출되어 스택(10)의 전기 발생부(11)로 공급된다. 이와 동시에, 제3 펌프(81)는 공기를 스택(10)의 전기 발생부(11)로 공급한다.

따라서 스택(10)에서는 전기 발생부(11)에 의한 수소와 산소의 산화 반응, 및 환원 반응에 의해 기설정된 용량의 전기 에너지를 출력시키게 된다.

도면을 참고하면, 이 경우는 제1 채널(122)을 형성하는 제1 반응 기판(121)과, 제1 반응 기판(121)과 밀착되게 배치되며 제2 채널(132)을 형성하는 제2 반응 기판(131)으로서 히터(120)와 개질기(130)를 구성할 수 있다.

본 실시예에서, 히터(120)는 제1 반응 기판(121)에 있어 제1 채널(122)의 표면에 산화 촉매(123)를 코팅 형성하여 이루어진다. 이 때, 제1 채널(122)은 제1 반응 기판(121)의 일면에 대해 임의의 간격을 두고 직선 상태로 배치되고, 그 양단을 교호적으로 연결하여 형성되고 있다. 이에 더하여, 히터(120)는 제1 반응 기판(121)의 일면에 밀착되게 배치되는 덮개 플레이트(125)를 구비하고 있다.

따라서, 히터(120)는 제1 반응 기판(121)의 일면에 덮개 플레이트(125)가 밀 착되어 구성됨에 따라, 제1 채널(122)에 의한 액체 연료, 및 기체 연료와 공기의 흐름을 가능케 하는 제1 통로(127)를 형성할 수 있게 된다.

본 실시예에서, 개질기(130)는 제1 반응 기판(121)의 다른 일면에 밀착되게 배치되는 제2 반응 기판(131)으로서 구성되며, 제2 채널(132)의 표면에 개질 촉매(133)를 코팅 형성하여 이루어진다. 이 때, 제2 채널(132)은 제1 반응 기판(121)의 다른 일면에 밀착되는 제2 반응 기판(131)의 일면에 대해 임의의 간격을 두고 직선 상태로 배치되고, 그 양단을 교호적으로 연결하여 형성되고 있다.

따라서, 개질기(130)는 제1 반응 기판(121)의 다른 일면에 제2 반응 기판(131)의 일면이 밀착되어 구성됨에 따라, 제2 채널(132)에 의한 기체 연료와 물의 흐름을 가능케 하는 제2 통로(137)를 형성할 수 있게 된다.

상기와 같은 제1 반응 기판(121) 및 제2 반응 기판(131)으로서 히터(120)와 개질기(130)를 구성함에 따라, 이 히터(120)와 개질기(130)를 채용하는 연료 전지 시스템의 작용시, 액체 연료와 공기를 히터(120)의 제1 통로(127)로 공급하게 되면 히터(120)에서는 액체 연료와 공기가 제1 통로(127)를 따라 유동하면서 산화 촉매(123)에 의한 액체 연료와 공기의 제1 산화 반응을 통해 기체 연료와 산소가 산화 반응을 일으킬 수 있는 제1 온도 범위의 열 에너지를 발생시키게 된다. 즉, 히터(120)는 산화 촉매(123)에 의한 액체 연료와 공기의 제1 산화 반응을 통해 기체 연료와 산소가 산화 반응을 일으킬 수 있는 제1 온도 범위로서 예열된 상태를 유지하게 된다.

이와 같이 히터(120)가 제1 온도 범위로 예열된 상태에서, 기체 연료와 공기 를 히터(120)의 제1 통로(127)로 공급하게 되면, 히터(120)에서는 기체 연료와 공기가 제1 통로(127)를 따라 유동하면서 산화 촉매(123)에 의한 기체 연료와 공기의 제2 산화 반응을 통해 제2 온도 범위의 열 에너지를 발생시키게 된다. 이 때, 개질기(130)는 제2 온도 범위의 열 에너지가 제1 반응 기판(121)을 통해 제2 반응 기판(131)에 제공되어 기체 연료와 물의 수증기 개질 반응을 일으킬 수 있는 반응 개시 온도로서 예열된 상태를 유지하게 된다.

이러한 상태에서, 개질기(130)의 제2 통로(137)로 기체 연료와 물을 공급하게 되면, 개질기(130)에서는 기체 연료와 물이 제2 통로(137)를 따라 유동하면서 제2 온도 범위의 열 에너지에 의한 기체 연료와 물의 수증기 개질 반응을 통해 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키게 된다.

본 실시예에 의한 히터(120)와 개질기(130)를 채용하는 연료 전지 시스템의 나머지 구성 및 작용은 전기 실시예와 같으므로 자세한 설명은 생략한다.

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.

상술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 액체 연료의 산화 반응에 의해 히터를 예열하여 기체 연료의 산화 반응으로 열을 발생시킬 수 있으므로, 기체 연료를 사용하는 시스템에서도 기존의 산화 방식 히터를 사용할 수 있는 호환성을 가진다.

Claims

수소, 및 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 스택;

시스템의 초기 기동시 산화 촉매에 의한 액체 연료와 산소의 제1 산화 반응을 통해 제1 온도 범위의 열 에너지를 발생시키고, 상기 시스템의 정상 구동시 상기 제1 온도 범위를 유지하는 상기 산화 촉매에 의한 기체 연료와 산소의 제2 산화 반응을 통해 상기 제1 온도 범위 보다 높은 제2 온도 범위의 열 에너지를 발생시키는 히터;

상기 제2 온도 범위의 열 에너지에 의한 상기 기체 연료와 물의 수증기 개질 반응을 통해 상기 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키는 개질기;

상기 히터와 연결 설치되어 상기 히터로 상기 액체 연료를 공급하는 제1 연료 공급원;

상기 히터 및 상기 개질기와 연결 설치되어 상기 히터 및 상기 개질기로 상기 기체 연료를 각각 공급하는 제2 연료 공급원;

상기 개질기와 연결 설치되어 상기 개질기로 물을 공급하는 물 공급원; 및

상기 히터 및 상기 스택과 연결 설치되어 상기 히터 및 상기 스택으로 산소를 각각 공급하는 산소 공급원

을 포함하는 연료 전지 시스템.
제1 항에 있어서,

상기 제1 온도 범위가 200~300℃이고, 상기 제2 온도 범위가 600~700℃를 만족하는 연료 전지 시스템.
제1 항에 있어서,

제1 도관; 및

상기 제1 도관의 내부에 동축 방향으로 배치되는 제2 도관

을 포함하며,

상기 히터는 상기 제2 도관의 내부 공간에 상기 산화 촉매를 충전 형성하여 이루어지고, 상기 개질기는 상기 제1 도관과 상기 제2 도관 사이의 공간에 개질 촉매를 충전 형성하여 이루어지는 연료 전지 시스템.
제1 항에 있어서,

일면에 제1 채널을 형성하는 제1 반응 기판; 및

상기 제1 반응 기판과 밀착되게 배치되며, 일면에 제2 채널을 형성하는 제2 반응 기판

을 포함하며,

상기 히터는 상기 제1 채널에 상기 산화 촉매를 형성하여 이루어지고, 상기 개질기는 상기 제2 채널에 개질 촉매를 형성하여 이루어지는 연료 전지 시스템.
제1 항에 있어서,

상기 제1 연료 공급원은,

상기 시스템의 초기 기동시, 상기 액체 연료를 상기 히터로 공급하여 상기 제1 산화 반응에 의해 상기 히터를 상기 제1 온도 범위로 예열시키기 위한 예열수단으로서 구성되는 연료 전지 시스템.
제1 항에 있어서,

상기 제1 연료 공급원은,

상기 액체 연료를 저장하는 제1 탱크와, 상기 제1 탱크에 연결 설치되어 상기 액체 연료를 상기 제1 탱크로부터 배출시키기 위한 제1 펌프를 포함하는 연료 전지 시스템.
제6 항에 있어서,

상기 제1 탱크와 상기 히터는 제1 공급라인에 의해 연결 설치되며,

상기 제1 공급라인은 상기 산소 공급원과 연결되는 합류라인으로서 구성되는 연료 전지 시스템.
제7 항에 있어서,

상기 제1 공급라인에 상에 설치되어 상기 히터로 공급되는 상기 액체 연료와 산소를 선택적으로 차단하는 제1 밸브체를 포함하는 연료 전지 시스템.
제1 항에 있어서,

상기 제2 연료 공급원은,

상기 기체 연료를 압축 저장하는 제2 탱크를 포함하는 연료 전지 시스템.
제9 항에 있어서,

상기 제2 탱크와 상기 히터는 제2 공급라인에 의해 연결 설치되고, 상기 제2 탱크와 상기 개질기는 제3 공급라인에 의해 연결 설치되며,

상기 제2 공급라인은 상기 산소 공급원과 연결되는 합류라인으로서 구성되고, 상기 제3 공급라인은 상기 물 공급원과 연결되는 합류라인으로서 구성되는 연료 전지 시스템.
제10 항에 있어서,

상기 제2 공급라인 상에 설치되어 상기 히터로 공급되는 상기 기체 연료와 산소를 선택적으로 차단하는 제2 밸브체를 포함하는 연료 전지 시스템.
제10 항에 있어서,

상기 제3 공급라인 상에 설치되어 상기 개질기로 공급되는 상기 기체 연료와 물을 선택적으로 차단하는 제3 밸브체를 포함하는 연료 전지 시스템.
제1 항에 있어서,

상기 물 공급원은,

상기 물을 저장하는 제3 탱크와, 상기 제3 탱크에 연결 설치되어 상기 물을 상기 제3 탱크로부터 배출시키기 위한 제2 펌프를 포함하는 연료 전지 시스템.
제1 항에 있어서,

상기 산소 공급원은,

공기를 흡입하고, 이 공기를 상기 히터 및 상기 스택으로 각각 공급하는 제3 펌프를 포함하는 연료 전지 시스템.
제1 항에 있어서,

상기 스택은,

상기 개질기와 연결 설치되며, 막-전극 어셈블리를 중심에 두고 이의 양측면에 세퍼레이터가 밀착되게 배치되는 적어도 하나의 전기 발생부로서 구성되는 연료 전지 시스템.
제15 항에 있어서,

상기 개질기와 상기 스택 사이에 설치되어 상기 개질 가스 중에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 적어도 하나의 일산화탄소 정화기를 포함하는 연료 전지 시스템.
시스템의 초기 기동시, 히터에서 액체 연료와 산소의 제1 산화 반응에 의해 제1 온도 범위의 열 에너지를 발생시키고;

상기 시스템의 정상 구동시, 상기 제1 온도 범위를 유지하는 상기 히터에서 기체 연료와 산소의 제2 산화 반응에 의해 제2 온도 범위의 열 에너지를 발생시키고;

개질기에서 상기 제2 온도 범위의 열 에너지를 이용한 상기 기체 연료와 물의 수증기 개질 반응에 의해 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키고;

상기 스택으로 상기 개질 가스와 산소를 공급하고; 및

상기 스택에서 상기 개질 가스 중에 함유된 수소, 및 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 기설정된 용량의 전기 에너지를 발생시키는

연료 전지 시스템의 구동 방법.
제17 항에 있어서,

상기 시스템의 초기 기동시, 상기 액체 연료와 상기 산소를 상기 히터로 공급하는 연료 전지 시스템의 구동 방법.
제18 항에 있어서,

상기 히터는 상기 제1 산화 반응에 의해 200~300℃를 유지하는 상기 제1 온도 범위의 열 에너지를 발생시키는 연료 전지 시스템의 구동 방법.
제17 항에 있어서,

상기 시스템의 정상 구동시, 상기 히터로 공급되는 상기 액체 연료와 상기 산소를 차단하고, 상기 기체 연료와 상기 산소를 상기 히터로 공급하는 연료 전지 시스템의 구동 방법.
제20 항에 있어서,

상기 히터는 상기 제2 산화 반응에 의해 600~700℃를 유지하는 상기 제2 온도 범위의 열 에너지를 발생시키는 연료 전지 시스템의 구동 방법.
제17 항에 있어서,

상기 개질기로 상기 기체 연료와 상기 물을 공급하는 연료 전지 시스템의 구동 방법.
제17 항에 있어서,

상기 개질 가스를 일산화탄소 정화기로 공급하는 연료 전지 시스템의 구동 방법.
제23 항에 있어서,

상기 일산화탄소 정화기에서 상기 개질 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 연료 전지 시스템의 구동 방법.
제24 항에 있어서,

상기 일산화탄소의 농도가 저감된 상기 개질 가스를 상기 스택으로 공급하는 연료 전지 시스템의 구동 방법.