KR101030045B1 - Reformer for fuel cell system and fuel cell system comprising the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지용 개질기 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템에 관한 것으로, 수소를 함유한 액상의 연료와 물의 혼합 연료를 개질하여 수소가 풍부한 개질 가스를 발생시키는 연료전지용 개질기에 있어서, 상기 혼합연료가 통과하는 소정길이의 유로를 구비하고, 상기 유로의 내면에는 촉매층이 형성되며, 상기 혼합연료를 기화시키는 열원을 공급하는 열원부; 및 상기 혼합연료가 통과하는 소정길이의 유로를 구비하고, 상기 유로의 내면에는 촉매층이 형성되며, 상기 열원에 의한 화학 촉매 반응을 통해 상기 혼합연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질 반응부를 포함하며, 상기 열원부는 CO2 투과막을 포함하는 연료전지용 개질기, 및 이를 포함하는 연료전지 시스템을 제공한다.The present invention relates to a fuel cell reformer and a fuel cell system including the same. In a fuel cell reformer for reforming a mixed fuel of liquid fuel and water containing hydrogen to generate a hydrogen-rich reforming gas, the mixed fuel passes through A heat source unit having a flow path having a predetermined length and having a catalyst layer formed on an inner surface of the flow path to supply a heat source for vaporizing the mixed fuel; And a flow path having a predetermined length through which the mixed fuel passes, a catalyst layer is formed on an inner surface of the flow path, and a reforming reaction unit generating hydrogen gas from the mixed fuel through a chemical catalytic reaction by the heat source. The heat source unit provides a reformer for a fuel cell including a CO 2 permeable membrane, and a fuel cell system including the same.

본 발명은 연료전지용 개질기의 연료의 산화에 의한 연소 반응기에 CO2 투과막을 설치하여 연소반응에 의해 형성된 CO2를 외부로 배출하고 H2O는 증기 개질 반응의 연료로서 사용하여 고효율을 나타낼 수 있다.According to the present invention, a CO 2 permeable membrane is installed in a combustion reactor by oxidation of fuel of a fuel cell reformer to discharge CO 2 formed by a combustion reaction to the outside, and H 2 O can be used as a fuel for steam reforming reaction to exhibit high efficiency. .

개질기, 연료 전지 시스템, CO2투과막Reformer, Fuel Cell System, CO2 Permeable Membrane

Description

연료전지용 개질기 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템{REFORMER FOR FUEL CELL SYSTEM AND FUEL CELL SYSTEM COMPRISING THE SAME}Reformer for fuel cell and fuel cell system including same TECHNICAL FIELD

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 도시한 개략도이다.1 is a schematic diagram showing an overall configuration of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 메탄올 개질기의 반응 메카니즘을 간략히 도시한 것이다.2 briefly illustrates a reaction mechanism of a methanol reformer according to an embodiment of the present invention.

도 3은 도 1에 도시한 개질기의 주요 부분을 나타내 보인 분해 사시도이다.3 is an exploded perspective view showing the main part of the reformer shown in FIG.

도 4는 도 1에 도시한 스택 구조를 나타내 보인 분해 사시도이다.4 is an exploded perspective view illustrating the stack structure shown in FIG. 1.

[산업상 이용 분야][Industrial use]

본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지용 개질기의 연소반응기에 CO2 투과막을 설치하여 CO2를 제거하고 물을 수증기 개질반응에 공급함으로써 개질기의 구동초기 외부로부터의 물의 공급량을 최소화할 수 있어 고효율을 나타낼 수 있는 연료전지시스템의 개질기에 관한 것이다. The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly, a CO 2 permeation membrane is installed in a combustion reactor of a fuel cell reformer to remove CO 2 and supply water to a steam reforming reaction to supply water from the outside of the initial stage of operation of the reformer. The present invention relates to a reformer of a fuel cell system that can minimize efficiency and exhibit high efficiency.

일반적으로, 연료 전지는 메탄올, 에탄올 또는 천연가스 등 탄화수소 계열의 유기연료 내에 함유되어 있는 수소를 연료로 하여 일어나는 전기화학 반응에 의하여 화학에너지를 직접 전기에너지로 변화시키는 발전 시스템이다. 유기 연료의 높은 비에너지(specific energy)(예를 들어 메탄올의 비에너지는 6232 wh/kg임) 때문에 유기 연료를 사용하는 연료 전지는 설치상 또는 휴대상 모두 극도로 매력적이다. In general, a fuel cell is a power generation system that directly converts chemical energy into electrical energy by an electrochemical reaction generated by using hydrogen contained in a hydrocarbon-based organic fuel such as methanol, ethanol, or natural gas as a fuel. Because of the high specific energy of organic fuels (eg, the specific energy of methanol is 6232 wh / kg), fuel cells using organic fuels are extremely attractive both in installation and in portable applications.

연료 전지는 사용되는 전해질(electrolyte)의 종류에 따라, 크게 알칼리형, 인산형, 용융탄산염형, 고체 산화물형 및 고분자 연료전지로 분류되고 있다. 상기 여러 종류의 연료전지 중에서 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrance Fuel Cell: PEMFC)는, 고분자를 전해질로 사용하기 때문에 전해질에 의한 부식이나 증발의 위험이 없으며, 단위면적당 높은 전류밀도(current density)를 얻을 수 있어 타 연료전지에 비해 출력 특성이 월등히 높고, 작동 온도가 낮아 현재 자동차 등의 이동용(transportable) 전원, 주택이나 공공건물 등의 분산용 전원 및 전자기기용 등의 소형 전원으로 이용하기 위하여 이에 대한 개발이 활발히 추진되고 있다.Fuel cells are largely classified into alkali type, phosphoric acid type, molten carbonate type, solid oxide type, and polymer fuel cell according to the type of electrolyte used. Among the various fuel cells, the polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) has no risk of corrosion or evaporation due to electrolyte because the polymer is used as an electrolyte, and has a high current density per unit area. Its output characteristics are much higher than other fuel cells, and its operating temperature is low, so that it can be used as a portable power source for automobiles, distributed power sources for homes and public buildings, and small power sources for electronic devices. Korean development is actively being promoted.

이와 같은 고분자 전해질형 연료 전지가 기본적으로 시스템의 구성을 갖추기 위해서는, 스택(stack)이라 불리는 연료 전지 본체(이하, 편의상 스택이라 칭한다.), 연료 탱크 및 이 연료 탱크로부터 상기 스택으로 연료를 공급하기 위한 연료 펌프 등이 필요하다. 그리고, 연료 탱크에 저장된 연료를 스택으로 공급하는 과정에서 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키고 그 수소 가스를 스택으로 공급 하는 개질기(reformer)가 더욱 포함된다. 따라서, 고분자 전해질형 연료 전지는 연료 펌프의 펌핑력에 의해 연료 탱크에 저장된 연료를 개질기로 공급하고, 개질기가 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키며, 스택이 수소 가스와 산소를 전기 화학적으로 반응하여 전기에너지를 생산해 내게 된다.In order for such a polymer electrolyte fuel cell to basically have a system configuration, a fuel cell body called a stack (hereinafter referred to as a stack for convenience), a fuel tank and supplying fuel from the fuel tank to the stack are provided. Fuel pumps are needed. In addition, a reformer for reforming the fuel to generate hydrogen gas and supplying the hydrogen gas to the stack in the process of supplying the fuel stored in the fuel tank to the stack is further included. Therefore, the polymer electrolyte fuel cell supplies the fuel stored in the fuel tank to the reformer by the pumping force of the fuel pump, the reformer reforms the fuel to generate hydrogen gas, and the stack electrochemically reacts the hydrogen gas with oxygen. Electric energy is produced.

이때, 연료 전지는 액상의 메탄올 연료를 직접 스택에 공급할 수 있는 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC) 방식을 채용할 수도 있다. 이러한 직접 메탄올형 연료 방식의 연료 전지는 고분자 전해질형 연료 전지와 달리, 개질기가 배제된다.In this case, the fuel cell may employ a direct methanol fuel cell (DMFC) method capable of supplying a liquid methanol fuel directly to the stack. Such a direct methanol fuel cell fuel cell, unlike the polymer electrolyte fuel cell, the reformer is excluded.

상기와 같은 연료 전지 시스템에 있어서, 전기를 실질적으로 발생시키는 스택은 막/전극 접합체(Membrane Electrode Assembly: MEA)와 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)로 이루어진 단위 셀이 수 개 내지 수 십 개로 적층된 구조를 가진다. 막/전극 접합체는 전해질막을 사이에 두고 애노드 전극(일명, "연료극" 또는 "산화전극"이라고 한다)과 캐소드 전극(일명, "공기극" 또는 "환원전극"이라고 한다)이 부착된 구조를 가진다. 그리고 바이폴라 플레이트는 연료 전지의 반응에 필요한 수소 가스와 산소가 공급되는 통로의 역할과 각 막/전극 접합체의 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체의 역할을 동시에 수행한다. 따라서, 바이폴라 플레이트에 의해 애노드 전극에는 수소 가스가 공급되는 반면, 캐소드 전극에는 산소가 공급된다. 이 과정에서 애노드 전극에서는 수소 가스의 전기 화학적인 산화 반응이 일어나고, 캐소드 전극에서는 산소의 전기 화학적인 환원이 반응이 일어나며 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기와 열 그리고 물을 함께 얻을 수 있다.In the fuel cell system as described above, the stack that substantially generates electricity has a structure in which several to tens of unit cells consisting of a membrane electrode assembly (MEA) and a bipolar plate are stacked. Have The membrane / electrode assembly has a structure in which an anode electrode (also called "fuel electrode" or "oxide electrode") and a cathode electrode (also called "air electrode" or "reduction electrode") are attached with an electrolyte membrane interposed therebetween. The bipolar plate simultaneously serves as a passage for supplying hydrogen gas and oxygen necessary for the reaction of the fuel cell and a conductor connecting the anode electrode and the cathode electrode in series with each membrane / electrode assembly. Therefore, hydrogen gas is supplied to the anode electrode by the bipolar plate, while oxygen is supplied to the cathode electrode. In this process, electrochemical oxidation of hydrogen gas occurs at the anode electrode, and electrochemical reduction of oxygen occurs at the cathode electrode, and electricity, heat, and water can be obtained together due to the movement of the generated electrons.

한편, 고분자 전해질형 연료전지 시스템에 사용되는 개질기는 수소를 함유한 연료와 물을 개질하여 스택의 전기 생성에 필요한 수소 가스로 전환할 뿐만 아니라, 연료 전지를 피독시켜 수명을 단축시키는 일산화탄소와 같은 유해 물질을 제거하는 장치이다. 통상적으로 상기한 개질기는 연료를 개질하는 개질반응부와, 일산화탄소를 제거하는 일산화탄소 저감(제거)부를 포함한다. 개질반응부는 연료를 수증기 개질, 부분산화, 자열 반응 등의 촉매 반응을 통해 상기한 연료를 수소가 풍부한 개질 가스로 전환한다. 일산화탄소 저감(제거)부는 수성가스 시프트 반응(WGS: Water Gas Shift reaction), 선택적 산화 반응(PROX: Preferential Oxidation reaction) 등과 같은 촉매 반응 또는 분리막을 이용한 수소의 정제 등과 같은 방법으로 개질 가스로부터 일산화탄소를 제거한다.Reformers used in polymer electrolyte fuel cell systems, on the other hand, not only convert hydrogen-containing fuel and water into hydrogen gas for stack electricity generation, but also poisons such as carbon monoxide, which poisons the fuel cell and shortens its life. It is a device for removing substances. Typically, the reformer includes a reforming reaction unit for reforming fuel and a carbon monoxide reduction (removal) unit for removing carbon monoxide. The reforming unit converts the fuel into hydrogen-rich reforming gas through catalytic reaction such as steam reforming, partial oxidation, and autothermal reaction. The carbon monoxide abatement (removal) unit removes carbon monoxide from the reformed gas by a catalytic reaction such as a water gas shift reaction (WGS) or a selective oxidation reaction (PROX) or purification of hydrogen using a separator. do.

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.The reformer as described above is a device for generating hydrogen gas from a fuel containing hydrogen through a chemical catalytic reaction by thermal energy. Typically, the reformer includes a heat source unit for generating the heat energy, a reforming reaction unit for generating hydrogen gas from the fuel using the heat energy, and a carbon monoxide removing unit for reducing the concentration of carbon monoxide contained in the hydrogen gas. Include.

종래에 따른 연료 전지 시스템의 개질기에 있어 특히, 개질반응부는 소정의 반응기에 액상의 연료와 물의 혼합 연료를 개질하기 위한 개질 촉매층을 형성한 구조를 갖는다. 따라서 개질반응부는 외부로부터 소정의 열을 전달받아 개질 촉매층을 통한 개질 매 반응에 의해 상기한 혼합 연료로부터 수소가 풍부한 개질 가스를 발생시키게 된다.In the reformer of the conventional fuel cell system, in particular, the reforming reaction unit has a structure in which a reforming catalyst layer for reforming a mixed fuel of liquid fuel and water in a predetermined reactor is formed. Therefore, the reforming reaction unit receives predetermined heat from the outside to generate hydrogen-rich reformed gas from the mixed fuel by the reforming medium reaction through the reforming catalyst layer.

본 발명은 상술한 종래 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 연료전지용 개질기의 연료의 산화에 의한 연소 반응기인 열원부에 CO2 투과막을 설치하여 연소반응에 의해 형성된 CO2를 외부로 배출하고 H2O는 수증기 개질 반응의 연료로서 사용하여 고효율을 나타낼 수 있는 연료전지용 마이크로 개질기를 제공하기 위한 것이다.The present invention is to solve the above-mentioned conventional problems, an object of the present invention is to install the CO 2 permeation membrane in the heat source portion of the combustion reactor by the oxidation of the fuel of the fuel cell reformer to discharge the CO 2 formed by the combustion reaction to the outside H 2 O is to provide a micro reformer for a fuel cell that can be used as a fuel of the steam reforming reaction can exhibit high efficiency.

본 발명의 다른 목적은 상기 개질기를 채용한 연료 전지 시스템을 제공하기 위한 것이다.Another object of the present invention is to provide a fuel cell system employing the above reformer.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 수소를 함유한 액상의 연료와 물의 혼합 연료를 개질하여 수소가 풍부한 개질 가스를 발생시키는 연료전지용 개질기에 있어서,In order to achieve the above object, the present invention is a fuel cell reformer for generating a hydrogen-rich reformed gas by reforming a mixed fuel of liquid fuel and water containing hydrogen,

상기 혼합연료가 통과하는 소정길이의 유로를 구비하고, 상기 유로의 내면에는 촉매층이 형성되며, 상기 혼합연료를 기화시키는 열원을 공급하는 열원부; 및A heat source unit including a flow path having a predetermined length through which the mixed fuel passes, a catalyst layer formed on an inner surface of the flow path, and supplying a heat source for vaporizing the mixed fuel; And

상기 혼합연료가 통과하는 소정길이의 유로를 구비하고, 상기 유로의 내면에는 촉매층이 형성되며, 상기 열원에 의한 화학 촉매 반응을 통해 상기 혼합연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질 반응부를 포함하며,A channel having a predetermined length through which the mixed fuel passes, a catalyst layer is formed on an inner surface of the channel, and a reforming reaction unit generating hydrogen gas from the mixed fuel through a chemical catalytic reaction by the heat source,

상기 열원부는 CO2 투과막을 포함하는 연료전지용 개질기를 제공한다. The heat source unit provides a reformer for a fuel cell including a CO 2 permeable membrane.

또한, 본 발명은In addition,

수소와 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 전기를 발생시키는 스택;A stack for generating electricity by an electrochemical reaction of hydrogen and oxygen;

수소를 함유한 액상의 연료와 물의 혼합 연료를 기화시키고, 상기 기화된 유체를 개질하여 수소 가스를 발생시키는 개질기;A reformer for vaporizing a mixed fuel of liquid fuel and water containing hydrogen, and reforming the vaporized fluid to generate hydrogen gas;

상기 개질기로 혼합 연료를 공급하는 연료 공급부; 및A fuel supply unit supplying a mixed fuel to the reformer; And

상기 스택으로 외부 공기를 공급하는 공기 공급부를 포함하며,An air supply for supplying external air to the stack,

상기 개질기는, 상기 혼합연료가 통과하는 소정길이의 유로를 구비하고, 상기 유로의 내면에는 촉매층이 형성되며, 상기 혼합연료를 기화시키는 열원을 공급하는 열원부; 및The reformer may include a heat path having a predetermined length through which the mixed fuel passes, a catalyst layer formed on an inner surface of the flow path, and supplying a heat source for vaporizing the mixed fuel; And

상기 혼합연료가 통과하는 소정길이의 유로를 구비하고, 상기 유로의 내면에는 촉매층이 형성되며, 상기 열원에 의한 화학 촉매 반응을 통해 상기 혼합연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질 반응부를 포함하며,A channel having a predetermined length through which the mixed fuel passes, a catalyst layer is formed on an inner surface of the channel, and a reforming reaction unit generating hydrogen gas from the mixed fuel through a chemical catalytic reaction by the heat source,

상기 열원부는 CO2 투과막을 포함하는 연료 전지 시스템을 제공한다.The heat source unit provides a fuel cell system including a CO 2 permeable membrane.

이하 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 발명은 연료전지 시스템에서 마이크로 개질기에 CO2 투과막을 설치함으로써, 연료 중 하나인 물의 구동 초기, 외부로부터의 공급량을 최소화하여 고효율을 갖게 하는 연료전지 시스템의 개질기 및 이를 이용한 연료전시 시스템을 제공하는 특징이 있다.The present invention provides a reformer of a fuel cell system and a fuel display system using the same by installing a CO 2 permeable membrane in a micro reformer in a fuel cell system, thereby minimizing an initial supply of water, which is one of fuels, and a supply amount from the outside. There is a characteristic.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 개질기는, 상기 연료와 공기의 혼합연료 가 통과하는 소정길이의 유로를 구비하고, 상기 유로의 내표면에는 촉매층이 형성되는 연소 반응기 본체와, 그 연소 반응기 외면의 어느 일면에 소정크기를 갖는 CO2를 분리하기 위한 CO2 투과막이 구비되는 열원을 제공하는 열원부; 및 상기 연료와 공기의 혼합연료가 통과하는 소정길이의 유로를 구비하고, 상기 유로의 내표면에는 촉매층이 형성되며, 상기 열원에 의해 연료와 물의 수증기 개질 반응으로 수소를 생성하는 개질 반응부를 포함한다.The reformer of the fuel cell system according to the present invention includes a combustion reactor body having a predetermined length flow path through which the mixed fuel of fuel and air passes, the inner surface of the flow passage having a catalyst layer formed therein, and any of the outer surfaces of the combustion reactor. A heat source unit providing a heat source having a CO 2 permeable membrane for separating CO 2 having a predetermined size on one surface; And a reforming reactor having a predetermined length of a passage through which the mixed fuel of fuel and air passes, wherein a catalyst layer is formed on an inner surface of the passage and generates hydrogen by steam reforming of fuel and water by the heat source. .

또한, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 개질기는 상기 수소 가스의 흐름을 가능하게 하는 유로와 이 유로의 내표면에 촉매층을 형성하는 반응 기판을 가지면서 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 적어도 하나의 일산화탄소 저감부를 더욱 포함할 수 있다.Further, in the fuel cell system according to the present invention, the reformer has a flow path that enables the flow of the hydrogen gas and a concentration of carbon monoxide contained in the hydrogen gas while having a reaction substrate forming a catalyst layer on the inner surface of the flow path. It may further include at least one carbon monoxide reduction unit for reducing the.

구체적으로, 본 발명의 개질기는 발열부와 흡열부로 구분될 수 있는데, 상기에서 열원부는 연료와 공기의 산화 촉매 반응을 유도하여 연소열을 발생시키는 발열부이며, 개질반응부는 상기한 연소열을 전달받아 연료의 개질 촉매 반응을 유도하여 수소 가스를 발생시키는 흡열부이다. 상기 발열부는 개질기의 온도를 높여 증기 개질(steam reforming) 반응에 필요한 열을 공급하는 역할을 한다.Specifically, the reformer of the present invention may be divided into a heat generating portion and an endothermic portion, wherein the heat source portion is an exothermic portion for generating combustion heat by inducing an oxidation catalytic reaction between fuel and air, and the reforming reaction portion receives the combustion heat from the fuel. It is an endothermic part which induces a reforming catalytic reaction of to generate hydrogen gas. The exothermic part increases the temperature of the reformer and serves to supply heat required for a steam reforming reaction.

이때, 본 발명은 상기 열원부(발열부)의 어느 일면에 소정크기의 이산화탄소를 분리하기 위한 CO2 투과막을 설치한다. 즉, 상기 CO2 투과막은 연료의 산화에 의한 연소 반응기에 설치되는 것이 바람직하다. 또한, 본 발명에서 상기 열원부에 CO2 투과막을 설치하는 방법은 특별히 한정되지는 않고 주지의 방법으로 이루어질 수 있다.At this time, the present invention is provided with a CO 2 permeable membrane for separating carbon dioxide of a predetermined size on any one surface of the heat source (heating unit). That is, the CO 2 permeable membrane is preferably installed in a combustion reactor by oxidation of fuel. In addition, in the present invention, a method of installing a CO 2 permeable membrane in the heat source portion is not particularly limited and may be performed by a known method.

본 발명에 따르면 상기 열원부(발열부)에 의해 형성된 물과 이산화탄소 중에서 이산화탄소를 상기한 투과막을 이용하여 외부로 배출하고, 물은 수증기 개질 반응기로 보내어 수소 형성 반응의 연료로서 사용하게 되면, 상기 흡열부에 필요한 물을 상기 발열부를 통해 공급할 수 있게 되므로 개질기 시스템의 규모를 최소화할 수 있다.According to the present invention, carbon dioxide is discharged from the water and carbon dioxide formed by the heat source unit (heating unit) to the outside using the permeable membrane, and water is sent to a steam reforming reactor to be used as a fuel for hydrogen formation reaction. Since the water required for the part can be supplied through the heat generating part, the scale of the reformer system can be minimized.

또한, 본 발명은 상기의 과정에 의해 개질반응부(흡열부)로의 물공급을 통해, 수증기 개질 반응과, 유체의 수성가스 시프트(water gas shift: WGS) 반응을 일체화하여 고효율 개질기를 구현할 수 있다. 따라서, 본 발명의 개질기에서는 반응부에서 유체의 수성가스 시프트(Water-Gas Shift: WGS) 촉매 반응부를 별도로 구비하지 않아도 된다.In addition, the present invention can implement a high efficiency reformer by integrating the steam reforming reaction and the water gas shift (WGS) reaction of the fluid through the water supply to the reforming reaction unit (endothermic unit) by the above process. . Therefore, the reformer of the present invention does not need to separately include a water-gas shift (WGS) catalytic reaction part of the fluid in the reaction part.

또한, 본 발명에서 사용될 수 있는 CO2 투과막은 다공질막 또는 비다공질막일 수 있다.In addition, the CO 2 permeable membrane that can be used in the present invention may be a porous membrane or a nonporous membrane.

본 발명에서 비다공질막을 제조할 경우, 용액을 사용하는 것이 바람직하며, 당기술 분야에서 주지의 방법에 의하여 제조할 수 있다. 이때, 상기 고분자 용액을 제조하기 위해 사용되는 용매는 물을 사용하는 것이 바람직하다.When preparing a non-porous membrane in the present invention, it is preferable to use a solution, it can be prepared by a method known in the art. At this time, it is preferable to use water as the solvent used to prepare the polymer solution.

또한, 상기 CO2 투과막의 형성방법은 바람직하게는 고체 지지체 상에 폴리머 용액을 캐스팅한 후 용매를 제거하여 제조할 수 있다.In addition, the method of forming the CO 2 permeable membrane may be prepared by casting a polymer solution on a solid support and then removing the solvent.

상기 폴리머는 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 폴리에틸렌 옥사이드 등을 사용할 수 있다. 또한, 상기 고체 지지체는 알루미나, 타이타니어(titania), 및 지르코니아로 이루어진 군으로부터 선택하여 사용할 수 있다.The polymer may be polyvinylidene fluoride (PVDF), polyethylene oxide, or the like. In addition, the solid support may be selected from the group consisting of alumina, titania, and zirconia.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 개질기에 있어서, 상기 유로는 수소를 함유한 액상의 연료와 물의 혼합 연료가 유입되도록 하는 유입구와, 상기 개질 반응을 거쳐 생성된 개질 가스가 유출되도록 하는 유출구를 가진다.In the reformer of the fuel cell system according to the present invention, the flow path has an inlet through which a mixed fuel of liquid fuel and water containing hydrogen flows in, and an outlet through which reformed gas generated through the reforming reaction flows out.

그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 개질기에 있어서, 상기 열원부는 상기 유로에 접촉 설치되어 상기 유로를 가열하는 히팅부재를 추가로 구비할 수 있으며, 상기 히팅부재는 상기 유로에 접촉하는 히팅 플레이트와, 상기 히팅 플레이트에 내장된 열선을 포함할 수 있고, 상기 히팅 플레이트에 상기 유로가 형합되는 형합홈을 형성하고 있는 것이 바람직하다. 이 경우 상기 유로는 지그재그 상으로 굴곡되게 형성될 수 있다.In the reformer of the fuel cell system according to the present invention, the heat source unit may further include a heating member installed in contact with the flow path to heat the flow path, wherein the heating member comprises a heating plate in contact with the flow path; It may include a heating wire embedded in the heating plate, it is preferable to form a mold groove for joining the flow path in the heating plate. In this case, the flow path may be formed to be bent in a zigzag shape.

그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 개질기의 열원부에 포함되는 연소 반응기의 내부에 형성된 유로는 통상의 방법에 의해 형성될 수 있으며, 그 유로의 내표면과 촉매층 사이에는 지지층이 배치되어 상기 촉매층을 지지할 수 있다. 이 경우 상기 지지층은 알루미나, 실리카 또는 티타니아 중에서 선택되는 어느 하나의 소재로 이루어지는 것이 바람직하다. 또한 상기 연소 반응기는 실리콘, 유리 또는 스테인레스 중에서 선택되는 어느 하나의 소재로 이루어지는 것이 바람직하다. 상기 열원부의 촉매로는 귀금속류, 예를 들면 Pt/Ru 등이 주로 사용될 수 있으나, 이에 특별히 한정되는 것은 아니다.The flow path formed inside the combustion reactor included in the heat source portion of the reformer of the fuel cell system according to the present invention may be formed by a conventional method, and a support layer is disposed between the inner surface of the flow path and the catalyst layer to provide the catalyst layer. I can support it. In this case, the support layer is preferably made of any one material selected from alumina, silica or titania. In addition, the combustion reactor is preferably made of any one material selected from silicon, glass or stainless steel. As the catalyst of the heat source unit, precious metals such as Pt / Ru may be mainly used, but are not particularly limited thereto.

또한, 상기 개질반응부는 내부에 통상의 방법의 의해 형성되는 유로를 구비 하고 있고, 그 유로의 내표면에는 지지층과 촉매층을 포함할 수 있다. 상기 지지층은 알루미나, 실리카 또는 티타니아 중에서 선택되는 어느 하나의 소재로 이루어지는 것이 바람직하다. 또한 상기 개질반응부는 실리콘, 유리 또는 스테인레스 중에서 선택되는 어느 하나의 소재로 이루어지는 것이 바람직하다. 상기 개질반응부의 촉매로는 Zn, Fe, Cr, Cu, Ni, Rh, Cu/Zn 등이 주로 사용될 수 있으나, 특별히 한정되는 것은 아니다.In addition, the reforming reaction unit has a flow path formed therein by a conventional method, and the inner surface of the flow path may include a support layer and a catalyst layer. The support layer is preferably made of any one material selected from alumina, silica or titania. In addition, the reforming reaction unit is preferably made of any one material selected from silicon, glass or stainless steel. Zn, Fe, Cr, Cu, Ni, Rh, Cu / Zn and the like may be mainly used as the catalyst of the reforming unit, but is not particularly limited.

상기 열원부 및 개질반응부를 포함하는 개질기의 형태는 소정의 길이, 폭 및 두께를 가진 대략 사각형 또는 원형상의 튜브일 수 있으며, 그 형태가 특별히 한정되는 것은 아니다.The shape of the reformer including the heat source portion and the reforming reaction portion may be a substantially rectangular or circular tube having a predetermined length, width and thickness, and the form is not particularly limited.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 개질기는, 상기 유로에 연결 설치되어 상기 개질반응부에 의해 생성된 개질 가스로부터 일산화탄소의 농도를 저감시키는 적어도 하나의 일산화탄소 저감부를 더욱 포함할 수도 있다.In addition, the reformer of the fuel cell system according to the present invention may further include at least one carbon monoxide reduction unit connected to the flow path to reduce the concentration of carbon monoxide from the reformed gas generated by the reforming reaction unit.

또한, 본 발명은 상기의 개질기를 채용한 연료전지 시스템으로서, 수소와 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 전기를 발생시키는 스택; 수소를 함유한 액상의 연료와 물의 혼합 연료를 기화시키고, 상기 기화된 유체를 개질하여 수소 가스를 발생시키는 상기한 본 발명의 개질기; 상기 개질기로 혼합 연료를 공급하는 연료 공급부; 및 상기 스택으로 외부 공기를 공급하는 공기 공급부를 포함하는 연료 전지 시스템을 제공한다.The present invention also provides a fuel cell system employing the above reformer, comprising: a stack for generating electricity by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen; A reformer of the present invention as described above for vaporizing a mixed fuel of liquid fuel and water containing hydrogen and reforming the vaporized fluid to generate hydrogen gas; A fuel supply unit supplying a mixed fuel to the reformer; And an air supply unit supplying external air to the stack.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 연료 공급부는, 수소를 함유한 액상의 연료를 저장하는 제1 탱크와, 물을 저장하는 제2 탱크와, 상기 제1 및 제2 탱크에 연결 설치되는 연료 펌프를 포함하며, 상기 공기 공급부는 외부 공기를 흡입하는 공기 펌프를 포함할 수 있다.In the fuel cell system according to the present invention, the fuel supply unit is connected to a first tank for storing a liquid fuel containing hydrogen, a second tank for storing water, and the first and second tanks. A fuel pump may be included, and the air supply unit may include an air pump that sucks external air.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 바람직한 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.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the present invention. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지시스템의 전체적인 구성을 도시한 개략도이다.1 is a schematic diagram showing the overall configuration of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.

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. 바람직하게는 메탄올을 사용할 수 있다. 그러나 이하에서 설명하는 연료는 상기 협의의 연료로서 편의상 액상의 연료라 정의하고, 액상의 연료와 물을 혼합 연료라고 정의한다.In the fuel cell system 100 according to the present invention, a fuel for generating electricity is a broad fuel, in addition to a narrow fuel containing hydrogen such as methanol, ethanol or natural gas. And oxygen further. Preferably methanol can be used. However, the fuel described below is defined as a liquid fuel for convenience and the liquid fuel and water are defined as a mixed fuel.

그리고 본 시스템(100)은 상기 연료에 함유된 수소와 반응하는 산소로서 별도의 저장수단에 저장된 순수한 산소 가스를 사용할 수 있으며, 산소를 함유한 공기를 그대로 사용할 수도 있다. 그러나 이하에서는 산소로서 공기를 사용하는 후자의 예를 설명한다.In addition, the system 100 may use pure oxygen gas stored in a separate storage means as oxygen reacting with hydrogen contained in the fuel, and may use air containing oxygen as it is. However, the latter example of using air as oxygen will be described below.

도 1을 참고하면, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)은, 기본적으로 상기한 혼합 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키는 개질기(30)와, 개질기(30)에 의해 생성된 수소 가스와 외부 공기의 화학 반응 에너지를 전기 에너지로 변환시켜 전기를 생산 해 내는 스택(10)과, 상기한 혼합 연료를 개질기(30)로 공급하는 연료 공급부(50)와, 외부 공기를 스택(10)으로 공급하는 공기 공급부(70)를 포함하여 구성된다.Referring to FIG. 1, the fuel cell system 100 according to the present invention basically includes a reformer 30 for reforming the mixed fuel to generate hydrogen gas, and a hydrogen gas generated by the reformer 30 and an external device. The stack 10 for converting the chemical reaction energy of air into electrical energy to produce electricity, the fuel supply unit 50 for supplying the mixed fuel to the reformer 30, and supplying external air to the stack 10. It is configured to include an air supply unit 70.

이러한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 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.In the fuel cell system according to the present invention, the polymer generates the hydrogen gas through the reformer 30 and supplies the hydrogen gas to the stack 10 to generate electrical energy through an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. Electrolyte Fuel Cell (PEMFC) is adopted.

상기한 연료 공급부(50)는 개질기(30)와 연결 설치되는 것으로, 종래와 같은 연료 펌프가 배재된 구조를 가진다. 즉, 연료 공급부(50)는 수소를 함유한 액상의 연료를 저장하는 제1 탱크(51)와, 물을 저장하는 제2 탱크(52)를 구비하고, 상기 제1 탱크 및 제2 탱크는 각각 연료 펌프(도시하지 않음)에 각각 연결 설치된다. 이때 연료 공급부(50)와 개질기(30)는 제1 공급라인(81)에 의해 연결 설치될 수 있다.The fuel supply unit 50 is connected to the reformer 30 and has a structure in which the fuel pump as in the prior art is excluded. That is, the fuel supply unit 50 includes a first tank 51 for storing liquid fuel containing hydrogen and a second tank 52 for storing water, wherein the first tank and the second tank are respectively. Connected to the fuel pump (not shown), respectively. At this time, the fuel supply unit 50 and the reformer 30 may be connected by the first supply line 81.

그리고 공기 공급부(70)는 스택(10)과 연결 설치되는 것으로, 소정의 펌핑력으로 외부 공기를 흡입하는 공기 펌프(71)를 구비한다. 이 때 스택(10)과 공기 공급부(70)는 공기 공급라인(85)에 의해 연결 설치될 수 있다.In addition, the air supply unit 70 is installed to be connected to the stack 10 and includes an air pump 71 for sucking external air with a predetermined pumping force. In this case, the stack 10 and the air supply unit 70 may be connected and installed by the air supply line 85.

또한, 본 실시예에 따른 개질기(30)는 액상의 연료와 공기의 촉매산화 연소를 유도하여 연소열을 발생시키는 열원부(31)와, 상기 혼합연료를 개질하여 수소 가스를 생성시키는 개질반응부(37)를 포함한다. 또한, 상기 개질기는 상기 수소가스로부터 일산화탄소를 적극적으로 제거할 수 있는 적어도 하나의 일산화탄소 저감 부를 더욱 포함할 수 있다.In addition, the reformer 30 according to the present embodiment includes a heat source part 31 for inducing catalytic oxidation of liquid fuel and air to generate combustion heat, and a reforming reaction part for reforming the mixed fuel to generate hydrogen gas ( 37). In addition, the reformer may further include at least one carbon monoxide reduction unit capable of actively removing carbon monoxide from the hydrogen gas.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 개질기의 반응 메카니즘을 간략히 도시한 것이다. 도 2에서는 연료가 메탄올인 경우를 도시한 것이나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.FIG. 2 schematically illustrates a reaction mechanism of a reformer in a fuel cell system according to an exemplary embodiment of the present invention. 2 illustrates a case where the fuel is methanol, but the present invention is not limited thereto.

도 1 및 2를 참조하면, 본 발명의 메탄올 개질기의 열원부(발열부)(31)에서는 외부로부터 공급된 메탄올과 산소가 산화촉매에 의해 반응하여 물과 이산화탄소를 생성하는데, 이때 본 발명은 열원부(31)의 연소반응기에 CO2 투과막(34)을 설치하여 이산화탄소를 제거한다. 그리고, 생성된 물은 수증기 개질반응을 위해, 개질반응부(흡열부)(37)로 공급되어 메탄올과의 반응으로 생성한다. 이러한 과정에 의해, 본 발명은 수증기 개질에 필요한 물을 상기 발열부를 통해 공급할 수 있게 되므로, 개질기 시스템의 규모를 최소화할 수 있다. 또한, 이러한 물공급을 통해 수증기 개질반응과 수성가스 시프트 반응을 일체화하여 고효율 개질기를 구현할 수 있다. 즉, 상기 개질반응부(37)에서 수성가스 시프트 반응(WGS:water gas shift reaction)에 의해 일산화탄소가 다시 물과 반응하여 수소를 추가 생성할 수 있다.1 and 2, in the heat source unit (heating unit) 31 of the methanol reformer of the present invention, methanol and oxygen supplied from the outside react with an oxidation catalyst to generate water and carbon dioxide. The CO 2 permeable membrane 34 is installed in the combustion reactor of the section 31 to remove carbon dioxide. Then, the generated water is supplied to the reforming reaction section (endothermic section) 37 for the steam reforming reaction to produce a reaction with methanol. By this process, the present invention can supply the water required for steam reforming through the heating portion, it is possible to minimize the scale of the reformer system. In addition, through such a water supply it is possible to implement a high efficiency reformer by integrating the steam reforming reaction and the water gas shift reaction. That is, in the reforming reaction unit 37, carbon monoxide may react with water again by water gas shift reaction (WGS) to further generate hydrogen.

상기한 본 발명의 개질기는 발열부와 흡열부로 구분될 수 있는데, 상기에서 열원부는 연료와 공기의 산화 촉매 반응을 유도하여 연소열을 발생시키는 발열부이며, 개질반응부는 상기한 연소열을 전달받아 연료의 개질 촉매 반응을 유도하여 수소 가스를 발생시키는 흡열부이다. 상기 발열부는 개질기의 온도를 높여 증기 개질(steam reforming) 반응에 필요한 열을 공급하는 역할을 한다. The reformer of the present invention can be divided into a heat generating portion and an endothermic portion, wherein the heat source portion is an exothermic portion for generating combustion heat by inducing an oxidation-catalyzed reaction between fuel and air, and the reforming reaction portion receives the combustion heat from the fuel. An endothermic portion that induces a reforming catalytic reaction to generate hydrogen gas. The exothermic part increases the temperature of the reformer and serves to supply heat required for a steam reforming reaction.                     

이때, 본 발명은 상기 열원부(31)의 어느 일면에 소정크기의 이산화탄소를 분리하기 위한 CO2 투과막(34)을 설치한다. 즉, 상기 CO2 투과막은 연료의 산화에 의한 연소 반응기에 설치되는 것이 바람직하다. 또한, 본 발명에서 상기 열원부에 CO2 투과막을 설치하는 방법은 특별히 한정되지는 않고 주지의 방법으로 이루어질 수 있다.At this time, the present invention is provided with a CO 2 permeable membrane 34 for separating carbon dioxide of a predetermined size on any one surface of the heat source portion 31. That is, the CO 2 permeable membrane is preferably installed in a combustion reactor by oxidation of fuel. In addition, in the present invention, a method of installing a CO 2 permeable membrane in the heat source portion is not particularly limited and may be performed by a known method.

또한, 본 발명에서 사용될 수 있는 CO2 투과막은 다공질막 또는 비다공질막일 수 있다.In addition, the CO 2 permeable membrane that can be used in the present invention may be a porous membrane or a nonporous membrane.

본 발명에서 비다공질막을 제조할 경우, 용액을 사용하는 것이 바람직하며, 당기술 분야에서 주지의 방법에 의하여 제조할 수 있다. 이때, 상기 고분자 용액을 제조하기 위해 사용되는 용매는 물을 사용하는 것이 바람직하다.When preparing a non-porous membrane in the present invention, it is preferable to use a solution, it can be prepared by a method known in the art. At this time, it is preferable to use water as the solvent used to prepare the polymer solution.

또한, 상기 CO2 투과막의 형성방법은 바람직하게는 고체 지지체 상에 폴리머 용액을 캐스팅한 후 용매를 제거하여 제조할 수 있다.In addition, the method of forming the CO 2 permeable membrane may be prepared by casting a polymer solution on a solid support and then removing the solvent.

상기 폴리머는 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 폴리에틸렌 옥사이드 등을 사용할 수 있다. 또한, 상기 고체 지지체는 알루미나, 타이타니어(titania), 및 지르코니아로 이루어진 군으로부터 선택하여 사용할 수 있다.The polymer may be polyvinylidene fluoride (PVDF), polyethylene oxide, or the like. In addition, the solid support may be selected from the group consisting of alumina, titania, and zirconia.

도 3은 도 1에 도시한 개질기의 주요 부분을 나타내 보인 분해 사시도이다.3 is an exploded perspective view showing the main part of the reformer shown in FIG.

도 3을 참고하면, 상기 개질기(30)는 혼합 연료를 기화시키는 연소반응이 일어나는 열원부(31)와, 그 열원부내에 상기 혼합 연료가 통과할 수 있는 유체 이동 통로를 가진 소정 길이의 유로(33)를 구비하고, 상기 열원부의 외부의 어느 일면에 는 상기한 CO2 투과막(도시하지 않음)이 설치된다. 일례로, 상기한 유로(33)는 1㎜ 미만의 내경을 가지며, 양단이 개방된 원형의 파이프 타입으로 이루어진다. 유로(33)는 연료 공급부(50)를 통해 공급되는 혼합 연료가 상기한 유체 이동 통로로 유입되도록 하는 유입구(33a)와, 그 유로(33) 내에서 상기한 개질 반응에 의해 생성된 개질 가스가 유출되도록 하는 유출구(33b)를 형성하고 있다. 바람직하게, 상기 유로(33)는 도면에 도시한 바와 같이 지그재그 상으로 굴곡되게 형성할 수 있다. 그러나 본 발명의 열원부의 유로(33)의 형상이 지그재그 형태로 이루어지는 것에 국한되지 않고, 직선 또는 코일의 형태를 취할 수 있으며, 본 시스템(100)을 이루는 구성 요소들의 배치 상태에 따라 여러 가지의 형태로 다양하게 변형될 수도 있다.Referring to FIG. 3, the reformer 30 includes a heat source part 31 having a combustion reaction for vaporizing a mixed fuel and a flow path having a predetermined length having a fluid movement passage through which the mixed fuel can pass. 33), and the CO 2 permeable membrane (not shown) is provided on one surface of the heat source portion outside. In one example, the flow path 33 has an inner diameter of less than 1 mm, and is made of a circular pipe type with both ends open. The flow path 33 includes an inlet port 33a through which the mixed fuel supplied through the fuel supply unit 50 flows into the fluid movement passage, and the reformed gas generated by the reforming reaction in the flow path 33. The outlet port 33b which flows out is formed. Preferably, the flow path 33 may be formed to be bent in a zigzag as shown in the figure. However, the shape of the flow path 33 of the heat source portion of the present invention is not limited to being in a zigzag form, but may be in the form of a straight line or a coil, and various forms depending on the arrangement of the components constituting the present system 100. It may be modified in various ways.

상기 열원부(31)는 소정의 길이, 폭 및 두께를 가진 대략 사각형의 플레이트 타입으로 이루어지며, 열전도성을 가진 소재로 형성될 수 있다. 또한, 상기 유로 내부 표면에 형성된 구조는 통상의 방법으로 형성된 알루미나 피막층(지지층)과 그 지지층에 담지된 촉매층이 로딩된 구조를 갖는다. 이때, 상기 열원부의 촉매로는 Pt 계열의 귀금속류 등이 주로 사용될 수 있으며, 이들은 알루미나나 세리아 등의 산화층 위에 도포하여 촉매층을 형성할 수 있다.The heat source part 31 may be formed of a substantially rectangular plate type having a predetermined length, width, and thickness, and may be formed of a material having thermal conductivity. In addition, the structure formed on the inner surface of the passage has a structure in which an alumina coating layer (support layer) formed by a conventional method and a catalyst layer supported on the support layer are loaded. In this case, Pt-based noble metals and the like may be mainly used as the catalyst of the heat source unit, and they may be coated on an oxide layer such as alumina or ceria to form a catalyst layer.

또한, 전술한 바 있는 열원부(31)는 개질반응부(37)의 개질 가스 생성에 필요한 열원을 공급하기 위한 발열 부분으로서, 유로(33)의 상, 하부에 각각 접촉 설치되는 히팅부재(35)를 더욱 구비할 수 있다. 각각의 히팅부재는 소정 전원(도시하 지 않음)과 전기적으로 연결되는 열선을 내장한 히팅 플레이트를 구비한다. 그리고 히팅 플레이트는 유로(33)의 상, 하부가 접촉되는 면에 상기한 유로(33)가 형합될 수 있는 형합홈을 각각 형성할 수 있다. 따라서 유로(33)은 히팅 플레이트의 형합홈에 형합됨에 따라 이 히팅 플레이트에 견고히 고정되게 된다.In addition, the heat source part 31 as described above is a heat generating portion for supplying a heat source for generating the reformed gas of the reforming reaction part 37, and the heating member 35 is installed in contact with the upper and lower portions of the flow path 33, respectively. ) May be further provided. Each heating member has a heating plate containing a heating wire electrically connected to a predetermined power source (not shown). In addition, the heating plate may form a mating groove in which the channel 33 may be joined to a surface on which the upper and lower portions of the channel 33 contact each other. Therefore, the flow path 33 is firmly fixed to the heating plate as it is joined to the matching groove of the heating plate.

대안으로서, 상기한 열원부(31)는 액상의 연료와 외부 공기의 촉매 산화 반응에 의해 소정 온도의 연소열을 발생시키는 구조의 열원부를 구비할 수도 있다. 이를 위해 열원부(31)는 히팅 플레이트의 내부에 상기한 유체의 흐름을 가능하게 하는 유로(미도시)을 형성하고, 상기한 유로에 산화 촉매층을 형성할 수도 있다.Alternatively, the heat source unit 31 may include a heat source unit having a structure for generating combustion heat of a predetermined temperature by a catalytic oxidation reaction between a liquid fuel and external air. To this end, the heat source part 31 may form a flow path (not shown) that enables the flow of the fluid inside the heating plate, and may form an oxidation catalyst layer in the flow path.

또한, 본 실시예에 의한 개질기에 있어, 상기 열원부는 개질반응부(37)에 연결설치되며, 상기 개질반응부(37)는 소정의 길이, 폭 및 두께를 가진 대략 사각형의 플레이트 타입으로 이루어지며, 열전도성을 가진 소재로 형성될 수 있다. 또한, 상기 유로 내부 표면에 형성된 구조는 통상의 방법으로 형성된 알루미나 피막층(지지층)과 그 지지층에 담지된 촉매층이 로딩된 구조를 갖는다. 이때, 상기 개빌반응부의 촉매로는 Zn, Fe, Cr, Cu, Ni, Rh, Cu/Zn 등이 주로 사용될 수 있으나, 특별히 한정되는 것은 아니다.In addition, in the reformer according to the present embodiment, the heat source unit is connected to the reforming reaction unit 37, the reforming reaction unit 37 is made of a substantially rectangular plate type having a predetermined length, width and thickness. It may be formed of a material having thermal conductivity. In addition, the structure formed on the inner surface of the passage has a structure in which an alumina coating layer (support layer) formed by a conventional method and a catalyst layer supported on the support layer are loaded. In this case, Zn, Fe, Cr, Cu, Ni, Rh, Cu / Zn, etc. may be mainly used as the catalyst of the Gaebil reaction unit, but is not particularly limited.

또한, 본 실시예에 의한 개질기는 상기 개질반응부(37)의 반응으로 형성되는 일산화탄소의 농도를 저감시키기 위해, 적어도 하나의 일산화탄소 저감부(도시하지 않음)를 별도로 추가 배치할 수도 있다.In addition, the reformer according to the present embodiment may additionally include at least one carbon monoxide reduction unit (not shown) to reduce the concentration of carbon monoxide formed by the reaction of the reforming reaction unit 37.

상기한 일산화탄소 저감부는 개질반응부(37)와 연결 설치되는 반응 용기와, 이 반응 용기의 내부에 형성되는 수성 가스 시프트 촉매층 또는 일산화탄소 선택 산화 촉매층을 포함하여 구성된다. 반응 용기는 개질반응부(37)로부터 배출되는 개질 가스가 용기의 내부 공간으로 유입되도록 하는 유입구와, 상기한 내부 공간에서 위와 같은 촉매층에 의해 촉매 반응을 일으킨 개질 가스가 스택(10)으로 배출되도록 하는 유출구를 형성할 수 있다.The carbon monoxide reduction unit includes a reaction vessel connected to the reforming reaction unit 37 and an aqueous gas shift catalyst layer or a carbon monoxide selective oxidation catalyst layer formed inside the reaction vessel. The reaction vessel is provided with an inlet port through which the reformed gas discharged from the reforming reaction unit 37 flows into the inner space of the vessel, and the reformed gas catalyzed by the catalyst layer as described above in the inner space is discharged into the stack 10. The outlet can be formed.

또한, 본 실시예에 따르면, 상기 개질반응부(37)와 스택(10) 사이에 개폐밸브(88)를 설치할 수도 있다. 바람직하게, 상기한 개폐밸브(88)는 전술한 바 있는 제4 공급라인(84) 상에 설치된다. 개폐밸브(88)는 개질반응부(37)에 작용하는 수소 가스의 일정 압력에 의해 선택적으로 개폐되는 일반적인 밸브체의 구조를 가진다. 개폐밸브(88)는 개질반응부(37)에 작용하는 수소 가스의 압력이 기설정된 압력으로 상승하게 되면 제4 공급라인(84)을 개방시키고, 상기한 압력이 기설정된 압력 보다 낮게 유지되면 제4 공급라인(84)을 폐쇄시키는 기능을 가진다.In addition, according to the present embodiment, an on-off valve 88 may be provided between the reforming reaction unit 37 and the stack 10. Preferably, the on-off valve 88 is installed on the fourth supply line 84 as described above. The shutoff valve 88 has a structure of a general valve body selectively opened and closed by a constant pressure of hydrogen gas acting on the reforming reaction unit 37. The on-off valve 88 opens the fourth supply line 84 when the pressure of the hydrogen gas acting on the reforming reaction unit 37 rises to a preset pressure, and opens the fourth supply line 84 when the pressure is kept lower than the preset pressure. 4 has a function of closing the supply line 84.

그리고 개폐밸브(88)는 전체적인 시스템에 요구되는 부하에 따라 선택적으로 개폐되어 제4 공급라인(84)을 통해 스택(10)으로 공급되는 수소 가스의 양을 제어하는 기능도 가진다.In addition, the on-off valve 88 has a function of selectively opening and closing according to the load required for the overall system to control the amount of hydrogen gas supplied to the stack 10 through the fourth supply line 84.

도 4는 도 1에 도시한 스택 구조를 나타내 보인 분해 사시도이다.4 is an exploded perspective view illustrating the stack structure shown in FIG. 1.

도 1 및 도 4를 참고하면, 본 시스템(100)에 적용되는 스택(10)은 상기와 같은 구조의 개질기(30)를 통해 생성된 수소 가스와 공기 중에 함유된 공기의 산화/환원 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 생성부(11)를 포함한다.1 and 4, the stack 10 applied to the present system 100 may be formed by oxidation / reduction reaction of hydrogen gas generated through the reformer 30 having the structure as described above and air contained in the air. At least one electricity generating unit 11 for generating electrical energy.

각각의 전기 생성부(11)는 전기를 발생시키는 단위의 셀을 의미하며, 개질 가스와 공기 중의 산소를 산화/환원시키는 막/전극 접합체(Membrane Electrode assembly: MEA)(12)와, 개질 가스와 공기를 막/전극 접합체(12)로 공급하기 위한 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)(16)로 이루어진다.Each of the electricity generating units 11 refers to a cell of a unit for generating electricity, and includes a membrane electrode assembly (MEA) 12 that oxidizes / reduces the reformed gas and oxygen in the air, and the reformed gas and It consists of a bipolar plate 16 for supplying air to the membrane / electrode assembly 12.

이러한 전기 생성부(11)는 막/전극 접합체(12)를 중심에 두고 이의 양측에 바이폴라 플레이트(16)가 각각 배치된다. 이로서 스택(10)은 위와 같은 복수의 전기 생성부(11)가 연속적으로 배치됨으로써 구성된다. 여기서 스택(10)의 최외측에 각각 위치하는 바이폴라 플레이트(16)는 엔드 플레이트(13)라고 정의할 수 있다.The electricity generating unit 11 has a bipolar plate 16 on both sides thereof with the membrane / electrode assembly 12 at the center thereof. As a result, the stack 10 is configured by continuously arranging the plurality of electricity generating units 11 as described above. Herein, the bipolar plates 16 positioned at the outermost sides of the stack 10 may be defined as end plates 13.

상기 막/전극 접합체(12)는 양측면을 이루는 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 전해질막이 개재된 통상적인 MEA(Membrane Electrode Assembly)의 구조를 가진다. 애노드 전극은 바이폴라 플레이트(16)를 통해 개질 가스를 공급받는 부분으로서, 산화 반응에 의해 개질 가스를 전자와 수소 이온으로 변환시키는 촉매층과, 전자와 수소 이온의 원활한 이동을 위한 기체 확산층(Gas Diffusion Layer: GDL)으로 구성된다. 캐소드 전극은 바이폴라 플레이트(16)을 통해 공기를 공급받는 부분으로서, 환원 반응에 의해 공기 중의 산소를 전자와 산소 이온으로 변환시키는 촉매층과, 전자와 산소 이온의 원활한 이동을 위한 기체 확산층으로 구성된다. 그리고 전해질막은 두께가 50∼200㎛인 고체 폴리머 전해질로서, 애노드 전극의 촉매층에서 생성된 수소 이온을 캐소드 전극의 촉매층으로 이동시키는 이온 교환의 기능을 가진다.The membrane / electrode assembly 12 has a structure of a conventional MEA (Membrane Electrode Assembly) in which an electrolyte membrane is interposed between an anode electrode and a cathode electrode forming both sides. The anode electrode is a portion receiving the reformed gas through the bipolar plate 16, a catalyst layer converting the reformed gas into electrons and hydrogen ions by an oxidation reaction, and a gas diffusion layer for smooth movement of the electrons and hydrogen ions. : GDL). The cathode electrode is a portion to which air is supplied through the bipolar plate 16, and is composed of a catalyst layer for converting oxygen in the air into electrons and oxygen ions by a reduction reaction, and a gas diffusion layer for smooth movement of electrons and oxygen ions. The electrolyte membrane is a solid polymer electrolyte having a thickness of 50 to 200 µm, and has an ion exchange function for transferring hydrogen ions generated in the catalyst layer of the anode electrode to the catalyst layer of the cathode electrode.

전술한 바 있는 바이폴라 플레이트(16)는 막/전극 접합체(12)의 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체의 기능을 가진다. 그리고 바이폴라 플레이트(16)는 막/전극 접합체(12)의 산화/환원 반응에 필요한 개질 가스와 공기를 애노드 전극과 캐소드 전극에 공급하는 통로의 기능도 가진다. 이를 위해, 바이폴라 플레이트(16)의 표면에는 막/전극 접합체(12)의 산화/환원 반응에 필요한 가스를 공급하는 유로(17)을 형성하고 있다.The bipolar plate 16 described above has a function of a conductor that connects the anode electrode and the cathode electrode of the membrane / electrode assembly 12 in series. The bipolar plate 16 also has a function of a passage for supplying the reforming gas and air necessary for the oxidation / reduction reaction of the membrane / electrode assembly 12 to the anode electrode and the cathode electrode. To this end, a flow path 17 is formed on the surface of the bipolar plate 16 to supply a gas for the oxidation / reduction reaction of the membrane / electrode assembly 12.

보다 구체적으로, 상기한 바이폴라 플레이트(16)는 막/전극 접합체(12)를 사이에 두고 그 양측에 각각 배치되어 막/전극 접합체(12)의 애노드 전극 및 캐소드 전극에 밀착된다. 그리고 바이폴라 플레이트(16)는 막/전극 접합체(12)의 애노드 전극 및 캐소드 전극에 각각 밀착되는 밀착면에 애노드 전극으로 개질 가스를 공급하고, 캐소드 전극으로 공기를 공급하기 위한 유로 유로(17)을 형성하고 있다.More specifically, the bipolar plate 16 is disposed on both sides thereof with the membrane / electrode assembly 12 interposed therebetween, so as to be in close contact with the anode electrode and the cathode electrode of the membrane / electrode assembly 12. In addition, the bipolar plate 16 supplies a reforming gas to the anode electrode and the air flow path 17 for supplying air to the cathode electrode, in contact with the anode electrode and the cathode electrode of the membrane / electrode assembly 12, respectively. Forming.

각각의 엔드 플레이트(13)는 스택(10)의 최외측에 각각 배치되어 위와 같은 바이폴라 플레이트(16)의 기능을 수행함과 동시에 복수의 전기 생성부(11)를 밀착하는 기능도 가진다. 각각의 엔드 플레이트(13)는 막/전극 접합체(12)의 애노드 전극 및 캐소드 전극 중 어느 하나의 전극에 밀착될 수 있다. 그리고 막/전극 접합체(12)에 밀착되는 엔드 플레이트(13)의 밀착면에는 상기한 어느 하나의 전극으로 개질 가스 및 공기 중 어느 하나를 공급하기 위한 유로 유로(17)을 형성할 수도 있다.Each end plate 13 is disposed on the outermost side of the stack 10 to perform the function of the bipolar plate 16 as described above, and also has a function of closely contacting the plurality of electricity generating units 11. Each end plate 13 may be in close contact with any one of an anode electrode and a cathode electrode of the membrane / electrode assembly 12. In addition, a flow path flow path 17 for supplying any one of the reformed gas and air to any one of the above-described electrodes may be formed on the contact surface of the end plate 13 which is in close contact with the membrane / electrode assembly 12.

그리고 전극-전해질 합성체(12)에 밀착되는 엔드 플레이트(13)의 밀착면에는 상기한 어느 하나의 전극으로 수소 가스 및 공기 중 어느 하나를 공급하기 위한 유로 채널(17)을 형성하고 있다.The flow path channel 17 for supplying any one of hydrogen gas and air to any one of the electrodes is formed on the contact surface of the end plate 13 in close contact with the electrode-electrolyte composite 12.

또한 엔드 플레이트(13)는 어느 하나의 유로 채널(17)에 개질기(30)로부터 생성된 수소 가스를 주입하기 위한 파이프 형상의 제1 공급관(13a)과, 다른 하나의 유로 채널(17)에 공기를 주입하기 위한 파이프 형상의 제2 공급관(13b)과, 복수의 전기 생성부(11)에서 최종적으로 미반응되고 남은 수소 가스를 배출시키기 위한 제1 배출관(13c)과, 상기한 전기 생성부(11)에서 최종적으로 미반응되고 남은 공기를 배출시키기 위한 제2 배출관(13d)을 구비한다.In addition, the end plate 13 has a pipe-shaped first supply pipe 13a for injecting hydrogen gas generated from the reformer 30 into one of the flow channel 17 and air into the other flow channel 17. Pipe-shaped second supply pipe (13b) for injecting, the first discharge pipe (13c) for discharging the remaining unreacted hydrogen gas in the plurality of electricity generating unit 11, and the above-mentioned electricity generating unit ( A second discharge pipe 13d for discharging the unreacted and remaining air finally in 11) is provided.

제1 공급관(13a)은 전술한 바 있는 제4 공급라인(84)을 통하여 개질기(30)의 개질반응부(37)와 연결된다. 그리고 제2 공급관(13b)은 전술한 바 있는 공기 공급라인(85)을 통하여 공기 공급부(70)와 연결된다.The first supply pipe 13a is connected to the reforming reaction part 37 of the reformer 30 through the fourth supply line 84 described above. The second supply pipe 13b is connected to the air supply unit 70 through the air supply line 85 as described above.

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.Although the preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited thereto, and various modifications and changes can be made within the scope of the claims and the detailed description of the invention and the accompanying drawings. Naturally, it belongs to the scope of the invention.

본 발명은 연료 전지 시스템의 개질기에 있어, 개질기의 열원부에 CO2 투과막을 설치함으로써, 연소반응에 의해 생성된 CO2를 외부로 배출하고 물은 수증기 개질반응의 연료로 사용함으로써, 연료전지의 연료 중 하나인 외부로부터 공급되는 물의 공급량을 최소화할 수 있다. 또한, 이러한 과정에 의한 물을 수증기 개질 반응에 사용하여 과량의 물공급을 통해 수증기 개질반응과 수성가스시프트(WGS) 반응을 일체화하여 고효율 개질기를 구현할 수 있다.According to the present invention, in the reformer of a fuel cell system, a CO 2 permeation membrane is provided at a heat source of the reformer, thereby discharging CO 2 generated by a combustion reaction to the outside and using water as a fuel for steam reforming reaction. The amount of water supplied from the outside, which is one of the fuels, can be minimized. In addition, by using the water by this process in the steam reforming reaction, it is possible to implement a high efficiency reformer by integrating the steam reforming reaction and the water gas shift (WGS) reaction through the excess water supply.

Claims (13)

수소를 함유한 액상의 연료와 물의 혼합 연료를 개질하여 수소가 풍부한 개질 가스를 발생시키는 연료전지용 개질기에 있어서,In a fuel cell reformer for reforming a mixed fuel of liquid fuel and water containing hydrogen to generate a reformed gas rich in hydrogen, 상기 혼합연료가 통과하는 소정길이의 유로를 구비하고, 상기 유로의 내면에는 촉매층이 형성되며, 상기 혼합연료를 기화시키는 열원을 공급하는 열원부; 및A heat source unit including a flow path having a predetermined length through which the mixed fuel passes, a catalyst layer formed on an inner surface of the flow path, and supplying a heat source for vaporizing the mixed fuel; And 상기 혼합연료가 통과하는 소정길이의 유로를 구비하고, 상기 유로의 내면에는 촉매층이 형성되며, 상기 열원에 의한 화학 촉매 반응을 통해 상기 혼합연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질 반응부를 포함하며,A channel having a predetermined length through which the mixed fuel passes, a catalyst layer is formed on an inner surface of the channel, and a reforming reaction unit generating hydrogen gas from the mixed fuel through a chemical catalytic reaction by the heat source, 상기 열원부는 CO2 투과막을 포함하는 연료전지용 개질기.The heat source unit is a reformer for a fuel cell comprising a CO 2 permeable membrane. 제 1항에 있어서, 상기 CO2 투과막은 열원부 외면의 어느 일면에 설치되는 연료전지용 개질기.The reformer of claim 1, wherein the CO 2 permeable membrane is installed on one surface of an outer surface of a heat source portion. 제 1항에 있어서, 상기 CO2 투과막은 고체 지지체 상에 폴리머 용액을 캐스팅한 후 용매를 제거하여 형성된 것인 연료전지용 개질기.The reformer of claim 1, wherein the CO 2 permeable membrane is formed by casting a polymer solution on a solid support and then removing a solvent. 제 1항에 있어서, 상기 CO2 투과막이 다공질막 또는 비다공질막인 연료전지용 개질기.The reformer of claim 1, wherein the CO 2 permeable membrane is a porous membrane or a nonporous membrane. 제 1항에 있어서, 상기 열원부는 상기 유로에 접촉 설치되어 상기 유로를 가열하는 히팅부재를 더욱 구비하는 연료전지용 개질기.The reformer for a fuel cell of claim 1, wherein the heat source unit is further provided with a heating member installed in contact with the flow path to heat the flow path. 제 1항에 있어서, 상기 개질기는 상기 유로에 연결 설치되어 상기 개질반응부에 의해 생성된 개질가스로부터 일산화탄소를 제거하는 적어도 하나의 일산화탄소 저감부를 더욱 포함하는 연료전지용 개질기.The reformer of claim 1, wherein the reformer further includes at least one carbon monoxide reduction unit connected to the flow path to remove carbon monoxide from the reformed gas generated by the reforming reaction unit. 수소와 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 전기를 발생시키는 스택;A stack for generating electricity by an electrochemical reaction of hydrogen and oxygen; 수소를 함유한 액상의 연료와 물의 혼합 연료를 기화시키고, 상기 기화된 유체를 개질하여 수소 가스를 발생시키는 개질기;A reformer for vaporizing a mixed fuel of liquid fuel and water containing hydrogen, and reforming the vaporized fluid to generate hydrogen gas; 상기 개질기로 혼합 연료를 공급하는 연료 공급부; 및A fuel supply unit supplying a mixed fuel to the reformer; And 상기 스택으로 외부 공기를 공급하는 공기 공급부를 포함하며,An air supply for supplying external air to the stack, 상기 개질기는, 상기 혼합연료가 통과하는 소정길이의 유로를 구비하고, 상기 유로의 내면에는 촉매층이 형성되며, 상기 혼합연료를 기화시키는 열원을 공급하는 열원부; 및The reformer may include a heat path having a predetermined length through which the mixed fuel passes, a catalyst layer formed on an inner surface of the flow path, and supplying a heat source for vaporizing the mixed fuel; And 상기 혼합연료가 통과하는 소정길이의 유로를 구비하고, 상기 유로의 내면에는 촉매층이 형성되며, 상기 열원에 의한 화학 촉매 반응을 통해 상기 혼합연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질 반응부를 포함하며,A channel having a predetermined length through which the mixed fuel passes, a catalyst layer is formed on an inner surface of the channel, and a reforming reaction unit generating hydrogen gas from the mixed fuel through a chemical catalytic reaction by the heat source, 상기 열원부는 CO2 투과막을 포함하는 연료 전지 시스템.The heat source unit comprises a CO 2 permeable membrane. 제 7항에 있어서, 상기 CO2 투과막은 열원부 외면의 어느 일면에 설치되는 연료 전지 시스템.The fuel cell system as claimed in claim 7, wherein the CO 2 permeable membrane is provided on one surface of an outer surface of a heat source portion. 제 7항에 있어서, 상기 CO2 투과막은 고체 지지체 상에 폴리머 용액을 캐스팅한 후 용매를 제거하여 형성된 것인 연료 전지 시스템.The fuel cell system as claimed in claim 7, wherein the CO 2 permeable membrane is formed by casting a polymer solution on a solid support and then removing a solvent. 제 7항에 있어서, 상기 CO2 투과막이 다공질막 또는 비다공질막인 연료 전지 시스템.8. The fuel cell system according to claim 7, wherein the CO 2 permeable membrane is a porous membrane or a nonporous membrane. 제 7항에 있어서, 상기 열원부는 상기 유로에 접촉 설치되어 상기 유로를 가열하는 히팅부재를 더욱 구비하는 연료 전지 시스템.8. The fuel cell system according to claim 7, wherein the heat source portion further comprises a heating member which is installed in contact with the flow path and heats the flow path. 제 7항에 있어서, 상기 개질기는 상기 유로에 연결 설치되어 상기 개질반응부에 의해 생성된 개질가스로부터 일산화탄소를 제거하는 적어도 하나의 일산화탄소 저감부를 더욱 포함하는 연료 전지 시스템.The fuel cell system of claim 7, wherein the reformer further includes at least one carbon monoxide reduction unit connected to the flow path to remove carbon monoxide from the reformed gas generated by the reforming reaction unit. 제 7항에 있어서, 상기 연료 전지 시스템이 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrance Fuel Cell: PEMFC) 방식으로 이루어지는 연료 전지 시스템.The fuel cell system of claim 7, wherein the fuel cell system is formed of a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) system.
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