KR100844409B1 - 연료개질 시스템 및 그 제조방법과 연료전지 시스템 - Google Patents

연료개질 시스템 및 그 제조방법과 연료전지 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초소형 연료 개질시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 과산화수소 촉매 발열기를 구비함으로서 마이크로 스케일의 컴팩트(compact)한 구성이 가능하고, 충분한 산소 공급을 통해 시스템 효율의 향상이 가능한 연료개질 시스템 및 그 제조방법과 연료전지 시스템에 관한 것이다.
본 발명에서는 종래의 문제점을 해결하기 위하여, 액상의 메탄올을 사용하는 개질기를 이용하여 연료전지에 사용되는 수소를 공급하기 위한 연료 개질시스템에 있어서, 과산화수소를 원료로 촉매 반응을 통해 분해함으로서 발생하는 반응열을 상기 개질기의 반응열로 공급하는 발열기를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 개질시스템을 제공한다. 또한, MEMS 공정을 이용한 초소형 연료 개질시스템의 다량 제조법을 제공한다.
연료전지, 개질기, 발열기, 과산화수소, MEMS

Description

연료개질 시스템 및 그 제조방법과 연료전지 시스템 {A fuel reforming system, a method for making the fuel reforming system and a fuel cell system}
도 1은 종래의 연료전지 시스템을 나타내는 개략도.
도 2는 본 발명의 연료전지 시스템 구성도.
도 3은 본 발명의 초소형 연료 개질시스템의 사시도.
도 4는 본 발명의 초소형 연료 개질시스템의 상면도, 정면도 및 배면도.
도 5는 본 발명의 초소형 연료 개질시스템의 조립 사시도.
도 6은 본 발명의 초소형 연료 개질시스템의 제조 방법을 도시하는 순서도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 수증기 개질기 110 : 개질기 커버
120 : 제1촉매서포트 130 : 개질기 본체
200 : 발열기 210 : 발열기 커버
220 : 제2촉매서포트 230 : 발열기 본체
300 : 열교환기 320 : 마이크로핀
330 : 멤브레인 400 : 연료전지
410 : 일산화탄소 제거기 420 : 베이퍼라이저
430: 메탄올 카트리지 440 : 과산화수소 카트리지
본 발명은 초소형 연료 개질시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 과산화수소 촉매 발열기를 구비함으로서 마이크로 스케일의 컴팩트(compact)한 구성이 가능하고, 충분한 산소 공급을 통해 시스템 효율의 향상이 가능한 연료개질 시스템 및 그 제조방법과 연료전지 시스템에 관한 것이다.
최근 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)가 휴대용 멀티미디어 기기의 동력원으로서 기존의 2차 전지를 대체할 수 있는 가장 가능성 있는 대안으로 주목받고 있다. 이는 다른 연료전지에 비하여 출력 특성이 탁월하고 작동 온도가 낮을뿐더러 빠른 시동 및 응답 특성을 가지고 있기 때문이다. 연료전지 동력원은 연료 공급 장치, 연료 전지 스택 및 전자 제어장치의 3 가지 구성요소로 이루어져 있는 것이 통상적이다. 초소형 연료 전지 동력원의 개발에 있어 가장 주요한 걸림돌은 연료전지의 연료인 수소를 안전하게 저장하고 취급하는 것에 관한 문제점 및 그에 따른 위험성에 있다. 연료 개질기는 액체 연료로부터 수소를 추출하는 장치로 연료 전지 시스템의 필수적인 구성요소 중 하나이다. 액체 연료는 기체 연료에 비해 높은 밀 도를 가지고 있어 초소형 시스템에 응용하기에 적합한데, 수소 함량 및 개질의 용이성을 고려할 때, 메탄올이 초소형 연료 전지에 가장 적합한 연료로 인식되고 있다. 연료 개질 기술로는 수증기 개질(steam reforming), 부분 산화 개질(partial oxidation) 또는 자열 개질(autothermal) 등이 있는데, 이 중에서 화학식 1에 나타낸 바와 같은 수증기 개질이 개질 가스에서 가장 높은 수소 농도를 제공할 수 있는 것으로 알려져 있다. 또한, 이 반응은 상대적으로 낮은 온도(200~300℃)에서 활성화가 가능하기 때문에 일산화탄소의 배출이 상대적으로 적고, 발생하더라도 선택적 산화 반응(PROX)를 통해 간단하게 제거될 수 있다는 장점이 있다.
CH3OH(l) + H2O(l) → 3H2 + CO2
메탄올 수증기 개질은 흡열 반응이기 때문에 반응기에 연속적인 열 공급이 요구된다. 초소형 연료 개질기의 열원으로는 초소형 전기 히터 또는 초소형 촉매 연소기가 사용될 수 있다. 초소형 연료 개질기 열원으로서의 초소형 전기 히터는 상대적으로 제어가 쉽고 제작 공정의 통합이 용이한 장점이 있다. 그러나 전기 히터는 낮은 열효율로 인해 초기 시동 시 예열 히터로만 사용되고 있는 실정이다. 또 다른 대체 열원으로 촉매 연소가 사용되고 있지만 메탄올 촉매 연소의 경우, 촉매 연소가 시작되기 위해서는 100℃ 이상의 초기 예열이 필요하다는 문제점이 있다. 개질기에서 생산된 수소의 일부 혹은 연료 전지 양극에서 반응되지 못한 수소를 촉매 연소시키는 방법의 경우, 백금 촉매 상에서 상온 반응이 가능하기 때문에 예열 히터가 필요하지는 않으나 불균일한 반응 및 연소기 앞단에서의 열점 형성은 여전히 문제점으로 되고 있다.
도 1은 종래의 촉매 연소 발열을 개질기의 열원으로 이용하는 연료전지 시스템을 도시하고 있다. 제1탱크(31)에 있던 액상의 연료(메탄올 등)는 제2탱크(32)의 물과 혼합되어 개질기(20)의 제2유로(24)를 통해 흐르며 개질촉매층(26)의 도움으로 수소 연료를 생산한다. 상기 개질기(20)에 필요한 반응열은 제2유로(24)의 안쪽에 이중관 형태로 제공되는 제1유로(23)의 발열 작용으로부터 얻어진다. 상기 발열 작용은 제1탱크(31)의 액상 연료가 공기압축펌프(40)로부터의 공기와 혼합되어 제1유로(23)를 지나면서 산화촉매층(25)에 의해 발생하는데, 이 과정에서 안정된 작동 및 시스템 효율을 위하여 압축된 공기의 공급이 필수적으로 요구된다. 한편, 상기 개질기(20)에서 생성된 수소는 연료전지 스택(10)으로 공급되고, 공기압축펌프(40)로부터의 압축공기와 어루러져 동력을 발생한다.
상기 종래의 촉매 연소 발열을 개질기의 열원으로 이용하는 연료전지 시스템은 동심원의 형상으로 개질기와 발열기를 일체형으로 구비함으로써 신속한 열전달이 가능하고, 소형으로 제작이 가능하다는 잇점이 있다. 그러나 상기 이중관 형태의 개질기로는 다량 생산이 현실적으로 불가능하고, 마이크로 스케일 정도의 초소 형(micro)으로는 제작할 수 없다는 문제점이 있다. 또한 연료전지의 작동에 필요한 압축 공기의 공급을 위해 공기압축펌프(40)가 구비되어야 하므로 휴대성이 떨어져 휴대용 멀티미디어 기기 등의 동력원으로 사용하기에는 무리가 된다는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 과산화수소 촉매 발열기를 구비함으로서 마이크로 스케일의 컴팩트(compact)한 구성이 가능하고, 충분한 산소 공급을 통해 시스템 효율의 향상이 가능한 과산화수소 촉매 발열기를 갖는 연료 개질시스템을 제공하고자 하는 것이다. 또한, MEMS 공정을 이용한 초소형 연료 개질시스템의 다량 제조법을 제공하고자 하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은 액상의 메탄올을 사용하는 개질기를 이용하여 연료전지에 사용되는 수소를 공급하기 위한 연료 개질시스템에 있어서, 과산화수소를 원료로 촉매 반응을 통해 분해함으로서 발생하는 반응열을 상기 개질기의 반응열로 공급하는 발열기를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 개질시스템을 제공한다.
상기 개질기와 상기 발열기 사이에는 열교환기가 더 구비되어 열교환이 신속 이 이루어지는 것이 특징이다.
바람직하게는, 상기 개질기, 발열기 및 열교환기는 전체적으로 판형상을 이루고 상기 열교환기가 상기 개질기 및 발열기의 일부로서 작용하는 것이 유리하다.
여기서, 상기 개질기는 개질기 커버, 개질기용 촉매를 담지하는 제1촉매서포트 및 상기 제1촉매서포트를 안착하는 개질기 몸체로 구성된다.
상기 발열기는 발열기 커버, 발열기용 촉매를 담지하는 제2촉매서포트 및 상기 제2촉매서포트를 안착하는 발열기 몸체로 구성되는 것이 좋다.
더욱 바람직하게는, 상기 열교환기는 마이크로핀과 상기 마이크로핀보다 높이가 낮은 멤브레인이 교대로 형성된 복수의 표면을 포함하고, 상기 복수의 표면은 상기 개질기 및 발열기와의 접면을 형성하는 것이 유리하다.
본 발명의 다른 측면으로서 본원 발명은 상기에 기재된 연료 개질시스템을 포함하는 연료전지 시스템에 있어서, 상기 발열기에서 과산화수소의 분해에 의해 생성되는 수증기는 상기 개질기의 메탄올 개질에 사용되고, 상기 발열기에서 과산화수소의 분해에 의하여 생성되는 산소는 상기 개질기의 일산화탄소 제거에 사용되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템을 제공한다.
바람직하게는, 상기 개질기에서 생성되는 수소는 연료전지의 양극으로 공급되고, 상기 발열기로부터 생성되는 산소는 연료전지의 음극으로 공급되는 것이 유리하다.
본 발명의 또다른 측면으로서 본원 발명은 연료전지에 수소를 공급하는 연료 개질시스템의 제조 방법에 있어서, 감광성 유리 웨이퍼에 마스크를 이용하여 UV 빛을 조사하는 제1단계; 열처리에 의하여 상기 UV 빛에 의하여 조사된 부분을 결정화하는 제2단계; 에칭에 의하여 상기 조사된 부분을 식각하는 제3단계; 제1촉매서포트를 안착하는 제1서포트유지부를 포함하는 유리 웨이퍼를 개질기의 몸체로서 상기 감광성 유리 웨이퍼에 접착하는 제4단계; 제2촉매서포트를 안착하는 제2서포트유지부를 포함하는 유리 웨이퍼를 발열기의 몸체로서 상기 감광성 유리 웨이퍼에 접착하는 제5단계; 및 상기 개질기의 몸체 및 발열기의 몸체에 유리 웨이퍼를 커버로 부착하는 제6단계를 포함하도록 구성되는 초소형 연료 개질시스템의 제조방법을 개시한다.
여기서, 상기 제3단계의 에칭에 의한 식각 높이는 에칭 시간으로 조절된다.
또한, 상기 제5단계와 제6단계 사이에는 제1촉매서포트와 제2촉매서포트를 초기함침법에 의하여 제조하고, 각각 개질기 및 발열기의 위치에 상기 제1촉매서포 트와 제2촉매서포트를 삽입하는 제5-1단계를 추가로 포함할 수도 있다.
또한, 상기 제6단계 이후 제1촉매서포트와 제2촉매서포트에 촉매 전구체를 각각 주입하여 촉매를 서포트에 담지하는 제 7단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 첨부된 도면으로서, 도 2는 본 발명의 연료전지 시스템의 전체 구성도이고, 도 3은 이의 사시도이며, 도 4는 초소형 연료 개질시스템의 상면도, 정면도 및 배면도를 나타내고, 도 5는 조립 사시도이다. 한편, 도 6은 본 발명의 초소형 연료 개질시스템의 제조 방법을 도시하는 순서도이다. 도면에서는 본 발명의 기술적 요지의 이해를 명확히 하기 위하여 필수적이지 않은 부분은 도시를 생략하였으며, 생략된 부분은 통상의 연료전지 및 이를 이루는 개질기와 발열기 등의 구성과 MEMS 제조 방법에 따른다.
본 발명의 대표 실시예의 세부적인 구성을 도 2 내지 도 5를 참조하여 자세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명의 연료 개질시스템은 과산화수소 촉매 발열기를 개질기의 열원으로 사용하는 것으로서, 제1촉매서포트(120)를 구비하는 수증기 개질기(100), 제2촉매서포트(220)를 구비하는 발열기(200) 및 상기 개질기(100) 및 발열기(200) 사이에 개재되어 발열기(200)로부터의 발열이 개질기(100)의 반응열로서 신속히 전달되도록 하는 초소형 열교환기(300)를 포함한다. 상기 수증기 개질기(100)와 과산화수소의 발열기(200)는 열교환기(300)를 포함하여 초소형의 판형으로 서 일체로 제조된다.
각 부위의 구체적인 구조를 좀 더 자세히 설명하면 다음과 같다. 수증기 개질기(100)는 판형의 개질기 커버(110), 상기 개질기 커버(110)의 일면에 접착되고 전체적으로 판형의 개질기 본체(130) 및 상기 개질기 본체(130)의 제1서포트유지부(131)에 안착되는 판상의 제1촉매서포트(120)를 포함한다. 상기 제1서포트유지부(131)는 제1촉매서포트(120)를 움직임 없이 유지할 수 있도록 제1촉매서포트(120)와 동일한 크기로 된 캐비티(cavity)로서, 전후로 메탄올(연료)이 유입되는 제1인입통로(132)와 메탄올의 화학 반응물이 유출하는 제1인출통로(133)를 각각 구비한다. 상기 제1인입통로(132) 및 제1인출통로(133)는 반응 전 메탄올 및 반응 후 수소/이산화탄소 혼합기체의 자연스러운 유동을 유도하기 위하여 전체적으로 사다리꼴로 구비되는 것이 바람직하다. 상기 제1인입통로(132) 및 제1인출통로(133)의 각 일단부에는 각각 제1인입구(111) 및 제1인출구(112)가 연결된다. 상기 제1인입구(111)는 개질기 커버(110)에 암나사가 형성된 구멍 형태로 구비되어 메탄올의 베이퍼라이저(vaporizer, 420)와 배관으로 연결된다(도 2 참조). 상기 베이퍼라이저(420)는 메탄올을 증기화하여 개질기(100)에 공급하는 역할을 하는 것으로 타단이 메탄올 카트리지(430)에 연결되어 있다. 또한, 제1인출구(112)는 일산화탄소 제거기(410)와 연결되어 있고 궁극적으로는 연료전지(400)의 양극(anode)에 연결되어 생성된 수소를 연료전지(400)에 공급한다.
상기 제1촉매서포트(120)에는 메탄올을 개질시키기 위한 촉매가 담지된다. 촉매는 증명된 반응성(reactivity) 및 선택성(selectivity)를 담보하기 위하여 구리 및 산화아연 조합 즉, Cu/ZnO를 사용한다. 상기 촉매에서 구리(Cu)는 촉매 능동성(activity)를 보장하고, 산화아연(ZnO)은 구리 표면을 안정시킨다. 상기 촉매는 촉매 반응 면적을 확대시키고 열 및 물질 전달을 최대화하기 위하여 다공성 기질(porous support)상에 초기함침법(incipient wetness method)으로 안착시킨다. 본 발명에서는 다공성 기질로서 다공성 세라믹 재질(ISOLITE Co.)을 사용하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 촉매 반응 면적을 확대시킬 수 있는 통상의 기질(support)이 모두 포함될 수 있다.
다음으로 발열기(200)에 대하여 설명한다. 본 발명의 발열기는 액상의 과산화수소를 반응물질로 사용한다는 것을 제외하고는 상기 수증기 개질기(100)와 구조가 유사하다. 즉, 판형의 발열기 커버(210), 상기 발열기 커버(210)의 일면에 견고하게 접착되는 제2서포트유지부(231)를 갖는 전체적으로 판형의 발열기 본체(230) 및 판상의 제2촉매서포트(220)를 포함하여 구성되고, 상기 제2서포트유지부(231)의 형상은 제2촉매서포트(220)를 안착시킬 수 있도록 제2촉매서포트(220)와 동일한 크기를 갖는다. 제2서포트유지부(231)의 전후단으로는 과산화수소가 인입되고 수증기 및 산소 반응 물질의 통로로서 작용하는 제2인입통로(232) 및 제2인출통로(233)가 전체적으로 사다리꼴의 형태로서 각각 구비된다. 상기 제2인입통로(232) 및 제2인출통로(233)에는 각각 발열기 커버(210)에 형성된 제2인입구(211) 및 제2인출구 (212)가 연결되어 있다. 제2인입구(211)는 액상의 과산화수소 카트리지(440)와 연결되며, 제2인출구(212)는 수증기 개질기(100)의 제1인입구(111) 및 일산화탄소 제거기(410)의 입구측으로 연결되어 각 반응에 필요한 수증기와 산소를 공급한다. 또한, 상기 제2인출구(212)의 일단은 연료전지(400)의 음극(cathode)에 연결되어 농축 산소를 공급한다. 상기 제2인입구(211) 및 제2인출구(212)는 반응 효율을 향상시키기 위하여 제1인입구(111) 및 제1인출구(112)와 상호 엇갈려 대응되도록 구성함이 바람직하다. 즉, 도 3에 도시한 바와 같이 수증기 개질기(100) 및 발열기(200)의 양 흐름이 대향류를 형성하도록, 제1인입구(111)는 제2인출구(212)에, 제1인출구(112)는 제2인입구(211) 측에 형성한다.
상기 제2촉매서포트(220)는 과산화수소를 분해하기 위한 촉매를 담지한다. 촉매는 Fe, Cu, Ni, Cr, Pt, Pd, Ir, Mn 등의 군으로부터 선택되어지는 것으로서 본 발명의 실시예에서는 백금(Pt)에 관하여만 설명한다. 상기 금속 원소들은 촉매로 사용되어 과산화수소의 분해에 있어 높은 반응성과 선택성을 보장한다. 상기 발열기(200)의 촉매는 개질기(100)의 촉매와 마찬가지로 다공성 세라믹 재질의 기질에 초기함침법(incipient wetness method)에 의하여 담지시킨다.
본 발명의 발열기(200)에 의해 하기의 화학식 2와 같은 과산화수소 분해가 진행된다.
H2O2(l) → H2O(l) + 0.5O2
상기 화학식 2에 의한 분해에서 반응열은 1몰당 대략 54.24 kJ 정도 발생하는데, 상기 반응열은 하기에서 설명하는 초소형 열교환기(300)를 통해 수증기 개질기(100)의 흡열로서 공급된다. 과산화수소의 분해에 의하여 수증기와 산소가 발생하는데, 수증기는 도 2에서 도시한 바와 같이 재활용되어 메탄올의 개질에 사용되고, 산소는 두 부분으로 나뉘어져 일산화탄소 제거기(410) 및 연료전지(400)의 음극에 공급된다. 본 발명의 연료 개질시스템은 종래의 압축공기와는 달리 농축된 산소가 연료전지(400)에 직접적으로 전달되므로 공기압축펌프와 같은 부수적인 구성요소가 불필요하고 에너지 밀도가 증대되며 이에 따라 시스템 효율이 향상된다. 또한, 과산화수소가 액상으로 보관되므로 컴팩트한 구성이 가능하다는 장점이 있다. 뿐만 아니라 과산화수소로부터 산소를 공급받음으로서, 공기가 존재하지 않은 우주 공간이나 수중 환경에서 사용 가능하다.
다음으로 수증기 개질기(100)와 발열기(200) 사이에 개재되어 상호 신속한 열전달을 유도하는 열교환기(300)에 대하여 설명한다. 상기 개질기(100) 및 발열기(200) 사이에는 초소형의 마이크로 열교환기(300)가 개재된다. 상기 열교환기(300)는 실질적으로 개질기 커버(110)의 반대측에 견고하게 접합되어 수증기 개질기 (100)의 일면을 형성하며 또한, 실질적으로 발열기 커버(210)의 반대측에 견고하게 접합되어 발열기(200)의 일면을 공통적으로 형성한다. 상기 열교환기(300)는 상기 커버(110,210)들과 같이 판형으로 된 것으로서, 열교환기 본체(310)에 제1촉매서포트(120) 및 제2촉매서포트(220)에 대응되는 크기로 마이크로핀(320) 및 멤브레인(330)이 교차되어 형성된 열교환 영역을 포함한다. 마이크로핀(320)은 멤브레인(330)의 높이 방향 폭보다 높아 열교환 영역의 돌부를 형성하고, 이와 반대로 멤브레인(330)은 상대적으로 낮아 요부를 형성하며, 이에 의해 열교환기(300)의 양측면으로 복수의 유동 방향 통로(340)가 생성된다. 이 때, 제1촉매서포트(120) 및 제2촉매서포트(220)은 마이크로 통로(340)의 일부를 구성한다. 상기 열교환기(300) 양 측면의 마이크로 통로(340)는 메탄올 또는 과산화수소의 일부를 제1촉매서포트(120) 또는 제2촉매서포트(220)를 거치지 않고 직접적으로 후단으로 빠르게 유동시켜 제1촉매서포트(120) 또는 제2촉매서포트(220) 전체에서 고르게 촉매 반응이 일어나도록 유도한다. 도 4에서 본 발명의 열교환기(300)의 구체적인 구조를 확인할 수 있다. 도 4(a)는 개질기 커버(110)가 제거된 상태의 상면도를 표시하며, 도 4(b)는 도 4(a)의 AA 단면도로서 개질기 커버(110)가 포함된 정면도를 표시하고, 도 4(b)의 우측에는 BB 단면도가 동시에 기재되어 있다. 또한, 도 4(c)는 발열기 커버(210)이 제거된 상태에서의 저면도를 나타낸다. 도 4에서 보는 바와 같이 마이크로핀(320)에 의해 제1촉매서포트(120) 및 제2촉매서포트(220)가 서로 대향되어 지지됨을 알 수 있다. 상기 마이크로핀(320) 및 멤브레인(330)의 재질은 감광성 유리 웨이퍼(photosensitive glass wafer)에 UV 빛을 조사하여 얻어진다. 자세한 제 조 방법은 하기에서 자세히 설명한다.
도 6을 참조하여 제조 방법을 설명한다. 본 발명의 연료 개질시스템은 다섯장의 유리 웨이퍼(glass wafer)로 구성된다. 두 장은 각각 개질기 커버(110) 및 발열기 커버(210)를 이루고, 또 다른 두 장은 각각 개질기 본체(130) 및 발열기 본체(230)를 형성하며, 나머지 한 장은 열교환기(300)를 위한 것이다. 열교환기(300)를 이루는 유리 웨이퍼에는 통상의 MEMS 공정에 의하여 초소형의 마이크로핀(320) 및 멤브레인(330)이 교대로 형성된다. 웨이퍼 재질은 초소형 반응기의 재질로서 적합한 일면이 있다. 이는 웨이퍼 재질이 투과성, 화학 저항성(chemical resistamce) 및 경도(hardness) 면에서 좋은 특성을 보이기 때문이며, 견실한 공차(tolerance) 특성을 가지고 있고, 큰 종횡비의 세밀한 구조 조성이 가능하기 때문이다.
먼저 열교환기(300)에 상응하는 감광성 유리 웨이퍼 양면에 Cr 마스크를 이용하여 UV 빛을 조사한다. 이 때 UV의 강도(intensity)는 대략 2 J/cm2 정도로 하며, 이 후 마스크를 제거하고 대략 585℃에서 1시간 정도 열처리(heat treatment)를 행한다. 상기 열처리에 의하여 UV 빛이 조사된 부분는 결정화(crystallized) 유리로 변화한다. 상기 결정화된 유리는 본 발명의 멤브레인(330)으로서 작용한다. 다음으로 10% HF 솔루션(solution)을 이용하여 유리 에칭(etching)을 실시한다. 상기 에칭공정에 의하여 UV 빛이 조사되지 않은 부분은 에칭되지 않아 높은 정밀도의 마이크로핀(320)으로 되고, 결정화 유리 부분은 잠식되어 멤브레인(330)을 형성한다. 멤브레인(330)의 두께 즉, 마이크로핀(320)과 같이 형성되는 마이크로통로(340)의 크기는 에칭 시간에 의하여 결정된다. 통상 1시간 정도의 에칭에 의하여 1mm 정도의 높이가 낮아지는 것으로 관찰되었다. 다음으로 에칭이 완료되면 상기 열교환기(300) 용 유리판의 양면에 도 6(d)와 같이 개질기 본체(130) 및 발열기 본체(230)에 해당하는 유리판이 융해(fusion) 본딩에 의하여 각각 접착된다. 융해 본딩은 500℃ 정도로 유지되는 가열로 안에서 대략 1000 N/m2의 압력으로 압착함으로서 접착하는 방법이다. 상기 접착에 앞서 제1촉매서포트(120)가 안착되는 제1서포트유지부(131) 및 제2촉매서포트(220)가 안착되는 제2서포트유지부(231)가 각 서포트의 형상에 따라 미리 형성되어야 함은 당연하다. 상기 제1서포트유지부(131) 및 제2촉매서포트(220)의 형성 방법 또한 MEMS 공정에 따르고, 본 발명에서는 통상적인 공정에 불과하므로 그 설명을 생략한다. 다음으로 제1서포트안착부(131)에 제1촉매서포트(120)를 삽입하고, 제2서포트유지부(231)에는 제2촉매서포트(220)를 삽입한다. 이 후, 개질기 커버(110) 및 발열기 커버(210)에 해당하는 유리판을 양측면으로 접착한다. 상기 개질기 커버(110) 및 발열기 커버(210)에는 제1인입구(111), 제1인출구(112), 제2인입구(211) 및 제2인출구(212)를 미리 형성한다. 상기와 같은 본 발명 제조 방법에 의해 마이크로 스케일의 초소형 연료 개질시스템이 완성된다. 본 발명의 제조 방법은 그 재질 및 공정 자체가 MEMS 공정에 의하므로 정밀도 높은 세밀한 형상의 구현이 가능하고, 다량 생산이 가능하다는 장점이 있 다. 또한 개질기(100), 발열기(200) 및 열교환기(300)가 일체형으로 한꺼번에 제조되기 때문에 실질적으로 제조 비용이 대폭적으로 절감된다는 잇점이 있다.
다음으로 도 2 및 도 3을 참조하여 연료전지 시스템의 작동을 설명한다. 메탄올 카트리지(430)에 있던 액상의 메탄올은 베이퍼라이저(420)에 의하여 기화된다. 상기 기화된 메탄올은 발열기(200)의 반응 결과물로 도출되는 제2인출구(212)로부터의 수증기와 합쳐져 혼합기체를 형성한다. 상기 혼합기체는 개질기(100)의 제1인입구(111)에 유입되고, 제1촉매서포트(120)를 지나며 Cu/ZnO 의 촉매 작용으로 화학식 1과 같은 반응이 일어난다. 상기 개질기(100) 내의 반응은 제1촉매서포트(120)의 선단에서 집중적으로 일어날 가능성이 있었으나, 본 발명의 열교환기(300)에 형성된 마이크로 통로(340)의 영향으로 전 부분에서 고루게 일어나게 된다. 메탄올의 촉매 반응에 의하여 수소와 이산화탄소가 생성된다. 이 과정에서 일부 발생하는 일산화탄소는 제1인출구(112)에 연결된 일산화탄소 제거기(410)의 선택적 산화반응(preferential oxidation)에 의하여 제거된다. 이 때, 발열기(200)에서 과산화수소의 분해에 따라 발생하는 산소가 일부 공급되어 일산화탄소의 제거가 원활하게 이루어진다. 일산화탄소 제거기(410)를 지난 수소는 연료전지(400)의 양극에 공급되어 연료로서 사용된다. 한편, 과산화수소 카트리지(440)에 저장된 액상의 과산화수소는 발열기(200)의 제2인입구(211)를 통해 제2촉매서포트(220)에 유입된다. 액상의 과산화수소는 제2촉매서포트(220)에 담지된 Pt의 촉매작용에 의하여 화학식 2에서 나타낸 바와 같이 분해되어 수증기와 산소로 된다. 발열기(200)에서 도 열교환기(300)에 형성된 마이크로 통로(340)의 영향으로 고른 촉매 반응의 유도가 가능하다. 과산화수소의 분해로부터 얻어진 수증기는 앞서 설명한 대로 개질기(100)의 제1인입구(111)로 유도되어 메탄올의 연소에 사용된다. 한편, 제2인출구(212)로부터 나온 산소는 일부 분리되어 일산화탄소 제거기(410)로 공급되고 일부는 연료전지(400)의 음극으로 공급된다. 상기 산소의 농도는 농축된 상태로 종래의 압축공기를 사용하는 것보다 에너지 밀도를 획기적으로 높일 수 있게 된다.
이상과 같은 본 발명의 액상의 과산화수소 촉매 발열기를 사용하는 연료 개질시스템에 의하여 마이크로 스케일의 컴팩트(compact)한 구성이 가능하고, 충분한 산소 공급을 통해 시스템 효율의 향상이 가능하게 된다. 또한, MEMS 공정을 이용하여 마이크로 스케일의 초소형 연료 개질시스템을 다량으로 저렴하게 공급할 수 있게 된다.

Claims (13)

  1. 액상의 메탄올을 사용하는 개질기를 포함하며 연료전지에 사용되는 수소를 공급하기 위한 연료 개질시스템에 있어서,
    과산화수소를 원료로 하여 촉매 반응을 통해 분해함으로써 발생하는 반응열을 상기 개질기의 반응열로 공급하는 발열기 및 상기 개질기와 상기 발열기 사이에 구비되어 상기 반응열의 열교환이 신속하게 이루어지도록 하는 열교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 개질시스템.
  2. 삭제
  3. 제 2항에 있어서, 상기 개질기, 발열기 및 열교환기는
    전체적으로 판 형상으로 형성되며, 상기 열교환기가 상기 개질기 및 발열기의 일부로서 구성되는 것을 특징으로 하는 연료 개질시스템.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 개질기는
    개질기 커버, 개질기용 촉매를 담지하는 제1촉매서포트 및 상기 제1촉매서포트를 안착하는 개질기 몸체로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료 개질시스템.
  5. 제 3항에 있어서, 상기 발열기는
    발열기 커버, 발열기용 촉매를 담지하는 제2촉매서포트 및 상기 제2촉매서포트를 안착하는 발열기 몸체로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료 개질시스템.
  6. 제 2항 내지 제 5항 중에서 선택되는 어느 한 항에 있어서, 상기 열교환기는
    마이크로핀과 상기 마이크로핀보다 높이가 낮은 멤브레인이 교대로 형성된 복수의 표면을 포함하고, 상기 복수의 표면은 상기 개질기 및 발열기와의 접면을 형성하는 것을 특징으로 하는 연료 개질시스템.
  7. 제 1항, 제 3항, 제 4항, 제 5항 중에서 선택되는 어느 한 항에 기재된 연료 개질시스템을 포함하는 연료전지 시스템에 있어서,
    상기 발열기에서 과산화수소의 분해에 의해 생성되는 수증기는 상기 개질기의 메탄올 개질에 사용되고, 상기 발열기에서 과산화수소의 분해에 의하여 생성되는 산소는 상기 개질기의 일산화탄소 제거에 사용되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  8. 삭제
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 개질기에서 생성되는 수소는 연료전지의 양극으로 공급되고, 상기 발열기로부터 생성되는 산소는 연료전지의 음극으로 공급되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  10. 연료전지에 수소를 공급하는 연료 개질시스템의 제조 방법에 있어서,
    a) 감광성 유리 웨이퍼의 양면에 마스크를 이용하여 UV 빛을 조사하는 단계;
    b) 열처리에 의하여 상기 UV 빛에 의하여 조사된 부분을 결정화하는 단계;
    c) 에칭에 의하여 상기 조사된 부분을 식각하는 단계;
    d) 제1촉매서포트를 안착하는 제1서포트유지부를 포함하는 유리 웨이퍼를 개질기의 몸체로서 상기 감광성 유리 웨이퍼의 일면에 접착하는 단계;
    e) 제2촉매서포트를 안착하는 제2서포트유지부를 포함하는 유리 웨이퍼를 발열기의 몸체로서 상기 감광성 유리 웨이퍼의 타면에 접착하는 단계;
    f) 상기 개질기의 몸체 및 발열기의 몸체에 유리 웨이퍼를 커버로 부착하는 단계;
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 초소형 연료 개질시스템의 제조방법.
  11. 제 10항에 있어서, 상기 c) 단계의 에칭에 의한 식각 높이는
    에칭 시간으로 조절되는 것을 특징으로 하는 초소형 연료 개질시스템의 제조방법.
  12. 제 10항 또는 제 11항에 있어서, 상기 e) 단계와 f) 단계 사이에
    g) 제1촉매서포트와 제2촉매서포트를 초기함침법에 의하여 제조하고, 각각 개질기 및 발열기의 위치에 상기 제1촉매서포트와 제2촉매서포트를 삽입하는 단계;
    가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 초소형 연료 개질시스템의 제조방법.
  13. 제 12항에 있어서, 상기 f) 단계 이후에
    h) 각각 개질기 및 발열기의 위치에 삽입된 상기 제1촉매서포트와 제2촉매서포트에 촉매 전구체를 주입하여 촉매를 담지하는 단계;
    가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 초소형 연료 개질시스템의 제조방법.
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