KR101093710B1 - Fuel cell system, fuel evaporator and reformer used thereto - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 수소와 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 전기를 발생시키는 스택; 수소를 함유한 액상의 연료를 기화시키는 연료 기화장치와,상기 기화된 유체를 개질하여 수소 풍부한 개질 가스를 발생시키는 개질 반응부로 이루어진 개질기; 상기 개질기로 연료를 공급하는 연료 공급부; 및 상기 스택으로 공기를 공급하는 공기 공급부를 포함하며, 상기 연료 기화장치가, 상기 연료를 실질적으로 수용하는 수용 공간을 갖는 수용부와, 상기 연료를 증발시키기 위한 열원을 상기 수용부에 제공하는 가열부와, 복수의 기공을 가지며 상기 수용부의 내벽에 이격되면서 상기 수용부 내에 위치하는 스크린부재를 포함한다.
연료전지, 연료공급부, 공기공급부, 개질기, 스택, 연료기화장치, 수용부, 가열부, 스크린부재, 기공, 밀폐용기, 관로
A fuel cell system according to the present invention includes a stack for generating electricity by an electrochemical reaction of hydrogen and oxygen; A reformer comprising a fuel vaporizer for vaporizing a liquid fuel containing hydrogen, and a reforming reactor for reforming the vaporized fluid to generate a hydrogen-rich reformed gas; A fuel supply unit supplying fuel to the reformer; And an air supply unit for supplying air to the stack, wherein the fuel vaporizer includes a receiving unit having an accommodating space for substantially accommodating the fuel, and a heat source for providing the heat source for evaporating the fuel to the accommodating unit. And a screen member having a plurality of pores and positioned in the accommodation portion while being spaced apart from the inner wall of the accommodation portion.
Fuel Cell, Fuel Supply Unit, Air Supply Unit, Reformer, Stack, Fuel Vaporizer, Receiving Unit, Heating Unit, Screen Member, Pore, Airtight Container, Pipe Line
Description
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 도시한 개략도이다.1 is a schematic diagram showing an overall configuration of a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention.
도 2는 도 1에 도시한 연료 기화장치의 구조를 나타내 보인 분해 사시도이다.2 is an exploded perspective view showing the structure of the fuel vaporizer shown in FIG.
도 3은 도 2의 결합 단면 구성도이다.3 is a cross-sectional view of the coupling cross-sectional view of 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.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 대한 연료 기화장치의 변형예를 도시한 단면 구성도이다.FIG. 5 is a sectional configuration diagram showing a modification of the fuel vaporization apparatus according to the first embodiment of the present invention. FIG.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 도시한 개략도이다.6 is a schematic diagram showing an overall configuration of a fuel cell system according to a second embodiment of the present invention.
도 7은 도 6에 도시한 연료 기화장치의 구조를 나타내 보인 분해 사시도이다.FIG. 7 is an exploded perspective view showing the structure of the fuel vaporization apparatus shown in FIG. 6.
도 8은 도 7의 결합 단면 구성도이다.8 is a cross-sectional view of the coupling cross-sectional view of FIG.
본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료 전지 시스템의 연료 기화장치 및 이를 채용한 개질기에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly, to a fuel vaporizer of a fuel cell system and a reformer employing the same.
알려진 바와 같이, 연료 전지(Fuel Cell)는 메탄올과 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와, 산소 또는 산소를 포함한 공기의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다.As is known, a fuel cell is a power generation system that directly converts the chemical reaction energy of hydrogen contained in a hydrocarbon-based material such as methanol and oxygen or air containing oxygen into electrical energy.
이 연료 전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라, 인산형 연료전지, 용융탄산염형 연료전지, 고체 산화물형 연료전지, 고분자 전해질형 또는 알칼리형 연료전지 등으로 분류된다. 이들 각각의 연료전지는 근본적으로 같은 원리에 의해 작동되지만 사용되는 연료의 종류, 운전 온도, 촉매, 및 전해질 등이 서로 다르다.This fuel cell is classified into a phosphoric acid fuel cell, a molten carbonate fuel cell, a solid oxide fuel cell, a polymer electrolyte type or an alkaline fuel cell according to the type of electrolyte used. Each of these fuel cells operates on essentially the same principle, but differs in the type of fuel used, operating temperature, catalyst, and electrolyte.
이들 중 근래에 개발되고 있는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell : PEMFC, 이하 편의상 PEMFC라 한다)는 다른 연료 전지에 비하여 출력 특성이 탁월하며 작동 온도가 낮고 아울러 빠른 시동 및 응답 특성을 가지며, 메탄올 또는 에탄올 등을 개질하여 만들어진 수소를 연료로 사용하여 자동차와 같은 이동용 전원은 물론, 주택, 공공건물과 같은 분산용 전원 및 전자기기용과 같은 소형 전원 등 그 응용 범위가 넓은 장점을 가진다.Among these, the polymer electrolyte fuel cell (PEMFC, hereinafter referred to as PEMFC for convenience), which has been developed recently, has excellent output characteristics, low operating temperature, and fast start-up and response characteristics compared to other fuel cells. By using hydrogen produced by reforming methanol, ethanol, or the like as a fuel, it has a wide range of applications such as mobile power sources such as automobiles, distributed power sources such as houses and public buildings, and small power sources such as electronic devices.
상기와 같은 PEMFC는 기본적으로 시스템을 구성하기 위해 스택(stack), 개질기(Reformer), 연료 탱크, 및 연료 펌프 등을 구비한다. 스택은 연료 전지의 본체를 형성하며, 연료 펌프는 연료 탱크 내의 연료를 개질기로 공급한다. 개질기는 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키고 그 수소 가스를 스택으로 공급한다. 따라 서, 이 PEMFC는 연료 펌프의 작동으로 연료 탱크 내의 연료를 개질기로 공급하고, 이 개질기에서 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키며, 스택에서 이 수소 가스와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시킨다.Such a PEMFC basically includes a stack, a reformer, a fuel tank, a fuel pump, and the like to constitute a system. The stack forms the body of the fuel cell, and the fuel pump supplies the fuel in the fuel tank to the reformer. The reformer reforms the fuel to generate hydrogen gas and supplies the hydrogen gas to the stack. The PEMFC thus feeds the fuel in the fuel tank to the reformer by operation of a fuel pump, reforming the fuel in the reformer to generate hydrogen gas, and electrochemically reacting the hydrogen gas and oxygen in the stack to produce electrical energy. Generate.
상기와 같은 연료 전지 시스템에 있어 개질기는 연료를 기화시키는 연료 기화장치와, 상기 기화된 연료로부터 수소가 풍부한 개질 가스를 발생시키는 반응부를 포함하여 구성된다.In the fuel cell system as described above, the reformer includes a fuel vaporizer for vaporizing fuel and a reaction part for generating hydrogen-rich reformed gas from the vaporized fuel.
이 중에서 연료 기화장치는 액체 상태의 연료를 반응하기 쉽게 증기화시키기 위한 것으로, 연료를 수용하는 용기와 이 용기를 가열하는 히터를 구비하는 바, 히터를 가동하여 용기를 가열하게 되면 연료가 히터로부터 발생하는 열 에너지를 전달받아 기포들을 발생시키고, 기포들이 용기의 바닥면에 점 접촉하면서 임계치 이상의 크기로 성장하다가 대류 작용에 의해 상승하면서 연료를 증기화시킨다.Among these, the fuel vaporization apparatus is for vaporizing liquid fuel easily to react. The fuel vaporizer includes a container containing fuel and a heater for heating the container. When the heater is heated to heat the container, fuel is removed from the heater. The generated heat energy is transferred to generate bubbles, and the bubbles grow to a size above the threshold while point contacting the bottom of the container and vaporize the fuel as they rise by convection.
그런데 종래의 연료 기화장치에 있어 스택에서 생성되는 전력을 이용하여 히터를 구동시키므로, 기설정된 용기의 단위 열 교환 면적당 연료의 열 교환량을 기준으로 상기한 전력 즉, 기생 전력을 줄이는데 노력하고 있는 실정이다. 또한 기설정된 용기의 단위 열 교환 면적당 연료의 열 교환량을 기준으로 용기의 열 교환 면적과 이에 상응하는 히터의 발열 면적을 줄여 전체적인 장치의 크기를 줄이는데 노력하고 있는 실정이다.However, in the conventional fuel vaporizer, since the heater is driven by using the power generated from the stack, the present invention is trying to reduce the above power, that is, parasitic power, based on the heat exchange amount of the fuel per unit heat exchange area of the preset container. to be. In addition, based on the heat exchange amount of the fuel per unit heat exchange area of the predetermined vessel is trying to reduce the size of the overall device by reducing the heat exchange area of the container and the heat generating area of the corresponding heater.
본 발명은 상술한 문제점을 감안한 것으로서, 그 목적은 기설정된 용기의 단위 열 교환 면적당 연료의 열 교환량을 기준으로 열 에너지를 발생시키는 기생 전 력을 줄이고, 용기의 열 교환 면적과 히터의 발열 면적을 줄일 수 있는 연료 기화장치, 이를 채용한 개질기 및 연료 전지 시스템을 제공하는데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object thereof is to reduce parasitic electric power generating heat energy based on a heat exchange amount of fuel per unit heat exchange area of a predetermined container, and to heat exchange area of a container and a heat generating area of a heater. To provide a fuel vaporizer, a reformer and a fuel cell system employing the same.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 연료 기화장치는, 수소를 함유한 액상의 연료를 기화시키고, 상기 기화된 연료로부터 수소가 풍부한 개질 가스를 발생시키는 연료 전지 시스템에 구비되며, 상기 연료를 실질적으로 수용하는 수용 공간을 갖는 수용부; 상기 연료를 증발시키기 위한 열원을 상기 수용부에 제공하는 가열부; 및 복수의 기공을 가지며, 상기 수용부의 내벽에 이격되면서 상기 수용부 내에 위치하는 스크린부재를 포함한다.A fuel vaporization apparatus of a fuel cell system according to the present invention for achieving the above object is provided in a fuel cell system for vaporizing a liquid fuel containing hydrogen and generating a reformed gas rich in hydrogen from the vaporized fuel. An accommodating part having an accommodating space substantially accommodating the fuel; A heating unit providing a heat source for evaporating the fuel to the receiving unit; And a screen member having a plurality of pores and positioned in the accommodation portion while being spaced apart from an inner wall of the accommodation portion.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 연료 기화장치는, 상기 수용부가 상기 수용 공간을 밀폐하는 밀폐 용기로 이루어지는 것이 바람직하다.In the fuel vaporization apparatus of the fuel cell system according to the present invention, it is preferable that the accommodation portion is formed of a sealed container in which the accommodation space is sealed.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 연료 기화장치는, 상기 가열부가 상기 밀폐 용기의 외측에 설치되어 이 밀폐 용기를 가열하도록 구성할 수 있다.Further, the fuel vaporization apparatus of the fuel cell system according to the present invention may be configured such that the heating portion is provided outside the sealed container to heat the sealed container.
그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 연료 기화장치는, 상기 스크린부재를 밀폐 용기의 내측 바닥면에 소정 간격 이격되게 설치할 수 있다. 이 경우 상기 가열부는 열선을 내장 설치한 히팅 플레이트로 이루어지고, 이 히팅 플레이트가 상기 밀폐 용기의 하단에 밀착 설치되는 것이 바람직하다.And the fuel vaporization device of the fuel cell system according to the present invention, the screen member may be installed on the inner bottom surface of the sealed container spaced apart by a predetermined interval. In this case, it is preferable that the heating part is made of a heating plate with a built-in heating wire, and the heating plate is closely attached to the lower end of the airtight container.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 연료 기화장치는, 상기 스크린부재를 밀폐 용기의 내측벽과 바닥면에 소정 간격 이격되게 설치할 수도 있다. 이 경우 상기 가열부는 열선을 내장 설치한 히팅 플레이트로 이루어지고, 이 히팅 플레이트 가 상기 밀폐 용기의 외측벽과 하단에 밀착 설치될 수 있다.In addition, in the fuel vaporization apparatus of the fuel cell system according to the present invention, the screen member may be installed on the inner wall and the bottom surface of the hermetic container at predetermined intervals. In this case, the heating unit is made of a heating plate with a built-in heating wire, the heating plate may be installed in close contact with the outer wall and the bottom of the sealed container.
그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 연료 기화장치는, 상기 밀폐 용기의 상단에 설치되어 이 밀폐 용기의 수용 공간에서 증발하는 증기를 배출시키는 증기 배출부와, 상기 밀폐 용기의 측벽에 설치되어 이 밀폐 용기의 수용 공간으로 연료를 주입시키는 연료 주입부를 포함한다.In addition, the fuel vaporization apparatus of the fuel cell system according to the present invention is provided on the upper end of the hermetically sealed container, and a vapor discharge part for discharging vapor evaporated from the receiving space of the hermetically sealed container, and is installed on the sidewall of the hermetically sealed container. And a fuel injector for injecting fuel into the receiving space of the container.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 연료 기화장치는, 상기 수용부가 양단에 개구를 형성하는 관로로 이루어지고, 어느 하나의 개구를 통해 상기 연료를 그 관로의 내부 공간으로 주입하고, 다른 하나의 개구를 통해 상기 내부 공간 내에서 증발하는 증기를 배출시키도록 구성할 수도 있다.In addition, the fuel vaporization apparatus of the fuel cell system according to the present invention comprises a conduit in which the receiving portion forms an opening at both ends, and injects the fuel into the inner space of the conduit through one of the openings, and the other opening. Through may be configured to discharge the vapor evaporating in the internal space.
이 경우 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 연료 기화장치는, 상기 스크린부재를 관로의 내측벽에 소정 간격 이격되게 설치하는 것이 바람직하다. 그리고 상기 가열부는 관로 전체를 감싸도록 그 관로의 삽입이 가능한 관통공을 형성하면서 열선을 내장 설치한 히팅 블록으로 이루어지는 것이 바람직하다.In this case, the fuel vaporization apparatus of the fuel cell system according to the present invention is preferably provided with the screen member spaced apart from the inner wall of the pipe by a predetermined interval. And it is preferable that the heating part is formed of a heating block with a built-in heating wire while forming a through hole that can be inserted into the pipe so as to surround the entire pipe.
또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 개질기는, 수소를 함유한 연료를 기화시키는 연료 기화장치; 및 상기 연료 기화장치와 연결 설치되어 화학 촉매 반응을 통해 상기 연료 기화장치에 의해 기화된 증기로부터 수소가 풍부한 개질 가스를 발생시키는 개질 반응부를 포함하며,In addition, the reformer of the fuel cell system according to the present invention for achieving the above object, the fuel vaporization device for vaporizing a fuel containing hydrogen; And a reforming reaction unit connected to the fuel vaporizer to generate a hydrogen-rich reformed gas from vapor vaporized by the fuel vaporizer through a chemical catalytic reaction.
상기 연료 기화장치가, 상기 연료를 실질적으로 수용하는 수용 공간을 갖는 수용부와, 상기 연료를 증발시키기 위한 열원을 상기 수용부에 제공하는 가열부와, 복수의 기공을 가지며 상기 수용부의 내벽에 이격되면서 상기 수용부 내에 위치하 는 스크린부재를 포함한다.The fuel vaporizer includes a receiving portion having an accommodating space substantially accommodating the fuel, a heating portion for providing a heat source for evaporating the fuel to the accommodating portion, and a plurality of pores and spaced apart from an inner wall of the accommodating portion. While including the screen member located in the receiving portion.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 개질기는, 상기 수용부가, 상기 수용 공간을 밀폐하는 밀폐 용기와, 상기 밀폐 용기의 상단에 설치되어 이 밀폐 용기의 수용 공간에서 증발하는 증기를 배출시키는 증기 배출부와, 상기 밀폐 용기의 측벽에 설치되어 이 밀폐 용기의 수용 공간으로 연료를 주입시키는 연료 주입부를 포함할 수 있다.The reformer of the fuel cell system according to the present invention includes: an airtight container for sealing the accommodating space, a vapor discharge part installed at an upper end of the airtight container for discharging steam evaporated from the airtight space of the airtight container; It may include a fuel injector is installed on the side wall of the sealed container for injecting fuel into the receiving space of the sealed container.
이 경우 상기 가열부는 열선을 내장 설치한 히팅 플레이트로 이루어지고, 이 히팅 플레이트가 상기 밀폐 용기에 밀착 설치되는 것이 바람직하다.In this case, it is preferable that the heating part is made of a heating plate with a built-in heating wire, and the heating plate is closely attached to the sealed container.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 개질기는, 상기 수용부는 양단에 개구를 형성하는 관로를 포함하며, 어느 하나의 개구를 통해 상기 연료를 그 관로의 내부 공간으로 주입하고, 다른 하나의 개구를 통해 상기 내부 공간에서 증발하는 증기를 배출시키도록 구성할 수도 있다.In addition, the reformer of the fuel cell system according to the present invention, the receiving portion includes a conduit that forms an opening at both ends, through the opening through one of the fuel injected into the inner space of the conduit, through the other opening It may be configured to discharge the vapor evaporating in the internal space.
이 경우 상기 가열부는 관로 전체를 감싸도록 그 관로의 삽입이 가능한 관통공을 형성하면서 열선을 내장 설치한 히팅 블록으로 이루어지는 것이 바람직하다.In this case, it is preferable that the heating part is formed of a heating block with a built-in heating wire while forming a through hole through which the pipe can be inserted to surround the entire pipe.
그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 개질기는, 상기 개질 반응부와 연결 설치되어 화학 촉매 반응을 통해 상기 개질 가스의 일산화탄소 농도를 저감시키는 적어도 하나의 일산화탄소 저감부를 더 포함할 수 있다.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 reforming reaction unit to reduce the carbon monoxide concentration of the reforming gas through a chemical catalytic reaction.
또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 수소와 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 전기를 발생시키는 스택; 수소를 함유한 액상의 연료를 기화시키는 연료 기화장치와,상기 기화된 유체를 개질하여 수 소 풍부한 개질 가스를 발생시키는 개질 반응부로 이루어진 개질기; 상기 개질기로 연료를 공급하는 연료 공급부; 및 상기 스택으로 공기를 공급하는 공기 공급부를 포함하며,In addition, a fuel cell system according to the present invention for achieving the above object, a stack for generating electricity by the electrochemical reaction of hydrogen and oxygen; A reformer comprising a fuel vaporization device for vaporizing a liquid fuel containing hydrogen and a reforming reaction part for reforming the vaporized fluid to generate a hydrogen-rich reformed gas; A fuel supply unit supplying fuel to the reformer; And an air supply unit for supplying air to the stack,
상기 연료 기화장치가, 상기 연료를 실질적으로 수용하는 수용 공간을 갖는 수용부와, 상기 연료를 증발시키기 위한 열원을 상기 수용부에 제공하는 가열부와, 복수의 기공을 가지며 상기 수용부의 내벽에 이격되면서 상기 수용부 내에 위치하는 스크린부재를 포함한다.The fuel vaporizer includes a receiving portion having an accommodating space substantially accommodating the fuel, a heating portion for providing a heat source for evaporating the fuel to the accommodating portion, and a plurality of pores and spaced apart from an inner wall of the accommodating portion. While including the screen member located in the receiving portion.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 연료 공급부는: 상기 액상의 연료를 저장하는 연료 탱크; 및 상기 연료 탱크와 연결 설치되는 연료 펌프를 포함하고, 상기 공기 공급부는 공기를 흡입하는 공기 펌프를 포함할 수 있다.In the fuel cell system according to the present invention, the fuel supply unit comprises: a fuel tank for storing the liquid fuel; And a fuel pump connected to and installed with the fuel tank, and the air supply unit may include an air pump that sucks air.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 수용부가, 상기 수용 공간을 밀폐하는 밀폐 용기와, 상기 밀폐 용기의 상단에 설치되어 이 밀폐 용기의 수용 공간에서 증발하는 증기를 배출시키는 증기 배출부와, 상기 밀폐 용기의 측벽에 설치되어 이 밀폐 용기의 수용 공간으로 연료를 주입시키는 연료 주입부를 포함할 수 있다.In addition, the fuel cell system according to the present invention, the accommodating portion is a sealed container for sealing the accommodating space, a vapor discharge portion which is installed on the upper end of the sealed container to discharge the vapor evaporated in the accommodating space of the sealed container; It may include a fuel injection unit which is installed on the side wall of the sealed container to inject fuel into the receiving space of the sealed container.
이 경우 상기 가열부는 열선을 내장 설치한 히팅 플레이트로 이루어지고, 이 히팅 플레이트가 상기 밀폐 용기에 밀착 설치되는 것이 바람직하다.In this case, it is preferable that the heating part is made of a heating plate with a built-in heating wire, and the heating plate is closely attached to the sealed container.
그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 수용부는 양단에 개구를 형성하는 관로를 포함하며, 어느 하나의 개구를 통해 상기 연료를 그 관로의 내부 공간으로 주입하고, 다른 하나의 개구를 통해 상기 내부 공간에서 증발하는 증기를 배출시키도록 구성할 수도 있다.And the fuel cell system according to the present invention, the receiving portion includes a conduit to form an opening at both ends, through the opening through one of the fuel injected into the inner space of the conduit, the other through the inner It can also be configured to discharge vapors evaporating from the space.
이 경우 상기 가열부는 관로 전체를 감싸도록 그 관로의 삽입이 가능한 관통공을 형성하면서 열선을 내장 설치한 히팅 블록으로 이루어지는 것이 바람직하다.In this case, it is preferable that the heating part is formed of a heating block with a built-in heating wire while forming a through hole through which the pipe can be inserted to surround the entire pipe.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 개질기가, 상기 개질 반응부와 연결 설치되어 화학 촉매 반응을 통해 상기 개질 가스의 일산화탄소 농도를 저감시키는 적어도 하나의 일산화탄소 저감부를 더 포함할 수도 있다.In addition, the fuel cell system according to the present invention, the reformer may be further provided with at least one carbon monoxide reduction unit is connected to the reforming reaction unit to reduce the carbon monoxide concentration of the reforming gas through a chemical catalytic reaction.
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.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 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 도시한 개략도이다.1 is a schematic diagram showing an overall configuration of a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention.
도면을 참고하면, 본 시스템(100)은 수소를 함유한 연료를 개질하여 수소가 풍부한 개질 가스를 발생시키고, 상기 개질 가스와 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 생기는 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrode Membrane Fuel Cell; PEMFC) 방식을 채용한다.Referring to the drawings, the
본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)에 있어 연료라 함은 메탄올 또는 에탄올과 같은 탄화 수소 계열의 액상 연료 이 외에 물이 더욱 포함되며, 상기 액상의 연료와 물을 이하의 설명에서는 편의상 혼합 연료라 정의한다. 그리고 본 시스템(100)은 상기 개질 가스와 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 the
상기 연료 전지 시스템(100)은, 기본적으로 상기한 혼합 연료를 개질하여 수소가 풍부한 개질 가스를 발생시키는 개질기(30)와, 상기 개질 가스와 공기의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 스택(10)과, 상기 혼합 연료를 개질기(30)로 공급하는 연료 공급부(50)와, 공기를 스택(10)으로 공급하는 공기 공급부(70)를 포함하여 구성된다.The
연료 공급부(50)는 수소를 함유한 액상의 연료를 저장하는 제1 탱크(51)와, 물을 저장하는 제2 탱크(52)와, 제1 및 제2 탱크(51, 52)와 연결 설치되는 연료 펌프(53)를 포함한다. 그리고 공기 공급부(70)는 공기를 흡입하는 공기 펌프(71)를 포함한다.The
본 발명의 연료 전지 시스템(100)에 사용되는 개질기(30)는 상기 혼합 연료를 증기화시키는 연료 기화장치(40)와, 화학 촉매 반응을 통해 상기 증기화된 연료로부터 수소가 풍부한 개질 가스를 발생시키는 개질 반응부(33)와, 상기 개질 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 적어도 하나의 일산화탄소 저감부(35)를 포함하여 구성된다.The
도 2는 도 1에 도시한 연료 기화장치의 구조를 나타내 보인 분해 사시도이고, 도 3은 도 2의 결합 단면 구성도이다.FIG. 2 is an exploded perspective view showing the structure of the fuel vaporization apparatus shown in FIG. 1, and FIG. 3 is a combined cross-sectional view of FIG. 2.
도 1 내지 도 3을 참고하면, 상기 연료 기화장치(40)는 연료를 수용하는 수용부(41)와, 수용부(41)를 가열하는 가열부(45)와, 수용부(41)의 내에 위치하는 스 크린부재(49)을 포함한다.1 to 3, the
상기 수용부(41)는 제1 및 제2 탱크(51, 52)로부터 공급되는 연료를 수용할 수 있는 수용 공간을 형성하는 밀폐 용기(42)와, 상기 수용 공간으로 연료를 주입하도록 하는 연료 주입부(43)와, 상기 수용 공간 내에서 증발하는 증기를 배출시키도록 하는 증기 배출부(44)를 포함하고 있다.The
밀폐 용기(42)는 상기 수용 공간을 밀폐된 용기를 구비하며, 용기의 상단에 증기 배출부(44)를 형성하고, 용기의 측벽에 연료 주입부(43)를 형성하고 있다. 연료 주입부(43)는 밀폐 용기(42)의 측벽에 연료 주입 포트(43a)를 형성하고, 제1 공급라인(81)을 통해 상기 연료 주입 포트(43a)와 제1 및 제2 탱크(51, 52)를 연결한다. 그리고 증기 배출부(44)는 밀폐 용기(42)의 상단에 적어도 하나의 증기 배출 포트(44a)를 형성하고, 제2 공급라인(82)을 통해 상기 증기 배출 포트(44a)와 개질 반응부(33)를 연결한다. 본 실시예에서 상기 밀폐 용기(42)의 형상은 도면에 도시한 바와 같이, 내부에 수용 공간을 갖는 육면체 형태로 이루어지나, 반드시 이의 형상에 한정되는 것은 아니다.The sealed
상기 가열부(45)는 밀폐 용기(42)의 수용 공간에 수용된 연료를 증발시키기 위한 열원을 상기 밀폐 용기(42)에 제공하기 위한 것이다. 가열부(45)는 밀폐 용기(42)의 외벽을 가열하도록 그 밀폐 용기(42)의 외측에 위치한다. 바람직하게, 상기 가열부(45)는 밀폐 용기(42)의 하단에 밀착 가능하게 설치되는 히팅 플레이트(46)와, 히팅 플레이트(46)에 내장 설치되는 열선(47)을 포함하고 있다.The
여기서, 본 실시예에 의한 연료 기화장치(40)는 다수의 기공(氣孔)(49b)을 갖는 스크린부재(49)를 밀폐 용기(42)의 내측벽에 소정 간격 이격되게 배치함에 따라, 연료에 대한 가열부(45)의 열 전달율을 극대화시키는 특징을 갖는다.Here, the
보다 구체적으로, 상기 스크린부재(49)는 다수의 홀이 형성된 미세 패턴의 기공(49b)을 가지면서 밀폐 용기(42)의 내측 바닥면에 상응하는 플레이트 형태의 몸체(49a)를 구비한다. 상기 몸체(49a)는 밀폐 용기(42)의 내측 바닥면과 일정 간격 이격되게 배치된다. 이러한 스크린부재(49)는 열 전도성을 갖는 알루미늄, 구리, 철 등의 금속 소재로 형성될 수 있으며, 세라믹과 같은 비금속 소재로 형성될 수도 있다. 그리고 스크린부재(49)는 금속 소재로 이루어진 경우, 몸체(49a)의 가장자리단을 밀폐 용기(42)의 내측벽에 용접하여 고정시킬 수 있다. 또한 스크린부재(49)는 비금속 소재로 이루어진 경우, 스크류 또는 접착제 등의 결합 수단에 의해 몸체(49a)의 가장자리단을 밀폐 용기(42)의 내측벽에 고정시킬 수도 있다.More specifically, the
따라서 본 실시예에 의한 연료 기화장치(40)는 밀폐 용기(42)의 내측 바닥면과 소정 간격 이격되게 배치되는 스크린부재(49)를 구비함에 따라, 가열부(45)의 가열시 발생하는 연료의 기포와 상기 바닥면과의 단위 부피당 접촉 면적이 증가되도록 한다. 이로서 기포의 성장 속도를 증가시키고, 단위 시간당 밀폐 용기(42) 바닥면의 단위 면적에서 발생하는 기포의 수를 증가시킴으로써, 가열부(45)의 열 에너지와 연료에 대한 열 교환량을 극대화시킬 수 있다.Therefore, the
한편, 상기 개질 반응부(33)는 수증기 개질(Steam Reformer: SR) 촉매 반응을 통해 상기 연료 기화장치(40)에 의해 증기화 된 연료로부터 수소가 풍부한 개질 가스를 발생시키는 구조를 갖는다. 바람직하게, 개질 반응부(33)는 원통형의 반응 용기 타입으로 이루어지며, 이 반응 용기의 내부에 통상적인 개질 촉매층을 형성하고 있다. 이 때 개질 반응부(33)는 전술한 바 있는 제2 공급라인(82)에 의해 증기 배출부(44)와 연결 설치될 수 있다.On the other hand, the reforming
상기 일산화탄소 저감부(35)는 수성가스 전환(Water-Gas Shift Reaction: WGS) 촉매 반응 또는 선택적 산화(Preferential CO Oxidation: PROX) 촉매 반응을 통해 상기 개질 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 구조를 갖는다. 바람직하게, 일산화탄소 저감부(35)는 원통형의 반응 용기 타입으로 이루어지며, 이 반응 용기의 내부에 통상적인 수성 가스 전환 촉매층 또는 일산화탄소 선택적 산화 촉매층을 형성하고 있다. 여기서 개질 반응부(33)와 일산화탄소 저감부(35)는 제3 공급라인(83)에 의해 연결 설치될 수 있다.The carbon
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 개질기(30)에 의해 개질된 개질 가스와 공기 중에 함유된 산소의 산화/환원 반응을 통하여 전기 에너지를 발생시키는 복수의 전기 생성부(11)가 적층된 구조를 갖는다.1 and 4, the
부연 설명하면, 각각의 전기 생성부(11)는 전극-전해질 합성체(12)를 중심에 두고 이의 양면에 바이폴라 플레이트(16)를 배치하여 전기를 발생시키는 최소 단위의 셀을 형성하고, 이 단위 셀이 복수로 구비되어 본 실시예와 같은 적층 구조의 스택(10)을 형성한다. 그리고 스택(10)의 최 외곽에는 상기한 복수의 전기 생성부(11)를 밀착시키는 별도의 밀착 플레이트(13)가 위치할 수도 있다. 그러나 본 발명에 의한 스택(10)은 상기한 밀착 플레이트(13)를 배제하고, 복수의 전기 생성부(11)의 최 외곽에 위치하는 바이폴라 플레이트(16)가 상기 밀착 플레이트의 역할을 대신하도록 구성할 수 있다. 또한 밀착 플레이트(13)가 복수의 전기 생성부(11)를 밀착시키는 기능 외에, 바이폴라 플레이트(16)의 고유한 기능을 갖도록 구성할 수도 있다.In detail, each of the
전극-전해질 합성체(12)는 양면에 애노드 전극과 캐소드 전극을 구비하고, 두 전극 사이에 전해질막을 구비하는 구조로 이루어져 있다. 애노드 전극은 개질 가스를 산화 반응시켜, 변환된 전자를 외부로 인출하여 이 전자의 흐름으로 전류를 발생시키고, 수소 이온을 전해질막을 통하여 캐소드 전극으로 이동시킨다. 캐소드 전극은 상기한 수소 이온, 전자 및 산소를 환원 반응시켜 물로 변환시킨다. 그리고 전해질막은 애노드 전극에서 생성된 수소 이온을 캐소드 전극으로 이동시키는 이온 교환을 가능하게 한다.The electrode-
바이폴라 플레이트(16)는 전극-전해질 합성체(12)의 산화/환원 반응에 필요한 개질 가스와 공기를 애노드 전극과 캐소드 전극으로 공급하는 통로의 기능을 가지며, 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체의 기능도 가진다. 보다 구체적으로, 바이폴라 플레이트(16)는 전극-전해질 합성체(12)의 애노드 전극에 밀착되는 면에 애노드 전극으로 개질 가스를 공급하기 위한 수소 통로를 형성하고, 전극-전해질 합성체(12)의 캐소드 전극에 밀착되는 면에 캐소드 전극으로 공기를 공급하기 위한 공기 통로를 형성하는 유로 채널(17)을 구비하고 있다.The
한편, 밀착 플레이트(13)에는 개질 가스를 바이폴라 플레이트(16)의 수소 통 로로 공급하기 위한 제1 주입부(13a)와, 공기를 바이폴라 플레이트(16)의 공기 통로로 공급하기 위한 제2 주입부(13b)와, 전극-전해질 합성체(12)의 애노드 전극에서 반응하고 남은 수소 가스를 배출시키기 위한 제1 배출부(13c)와, 전극-전해질 합성체(12)의 캐소드 전극에서 반응하고 남은 공기를 배출시키기 위한 제2 배출부(13d)를 형성하고 있다. 여기서 제1 주입부(13a)는 제4 공급라인(84)에 의해 일산화탄소 저감부(35)와 연결될 수 있다. 그리고 제2 주입부(13b)는 제5 공급라인(85)에 의해 공기 펌프(71)와 연결될 수 있다.On the other hand, the
상기와 같이 구성된 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 동작을 상세히 설명하면 다음과 같다.The operation of the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention configured as described above will be described in detail as follows.
우선, 연료 펌프(53)를 가동시켜 제1 탱크(51)에 저장된 액상의 연료와 제2 탱크(52)에 저장된 물을 제1 공급라인(81)으로 공급하고, 상기 액상의 연료와 물의 혼합 연료를 연료 주입부(43)를 통해 밀폐 용기(42)의 수용 공간으로 공급한다.First, the
이와 같이, 밀폐 용기(42)의 수용 공간에 상기 혼합 연료를 수용한 상태에서, 가열부(45)를 이용하여 밀폐 용기(42)를 가열한다. 그러면 가열부(45)로부터 발생하는 열 에너지가 밀폐 용기(42)의 바닥면으로 전달되고, 상기한 열 에너지에 의해 연료가 기화되면서 기포들을 형성하게 된다.In this way, the sealed
이 때 본 실시예에 따른 연료 기화장치(40)는 스크린부재(49)를 밀폐 용기(42)의 바닥면에 대해 소정 간격 이격되게 배치함에 따라, 밀폐 용기(42)의 바닥면에 점 접촉하면서 임계치 이상의 크기로 성장하는 기포들이 상기 스크린부재(49)에 의해 바이어스 되므로, 상기 바닥면에 대한 기포들의 접촉 면적 을 증가시킬 수 있다. 즉, 상기 임계치 이상의 크기로 성장하는 기포들이 대류 작용에 의해 밀폐 용기(42)의 바닥면으로부터 상승하지 못하고 스크린부재(49)에 의해 간섭되어 바닥면에 접촉한 상태로 눌려지기 때문이다. 따라서 이와 같이 밀폐 용기(42)의 바닥면과 스크린부재(49) 사이에서 밀폐 용기(42)의 바닥면에 대한 상기한 기포들의 접촉 면적이 증가하게 되므로, 결과적으로 기포들의 성장 속도를 가속화시키게 된다. 이로서 단위 시간당 열 에너지에 대한 연료의 열 교환량이 증가하게 되고, 스크린부재(49)의 기공(49b)을 통과하는 기포들의 수를 실질적으로 증가시켜 빠른 시간 내에 연료를 증기화시킬 수 있게 된다.At this time, the
이러는 과정을 거치는 동안, 밀폐 용기(42) 내에서 증기화된 기체를 증기 배출부(44)를 통해 배출시키고, 상기 증기를 제2 공급라인(82)을 통해 개질 반응부(33)로 공급한다. 그러면 개질 반응부(33)에서는 수증기 개질(Steam Reformer: SR) 촉매 반응을 통해 혼합 연료의 분해 반응과 일산화탄소의 변성 반응이 동시에 진행되어 이산화탄소와 수소를 함유하고 있는 개질 가스를 생성하게 된다. 이 때 개질 반응부(33)는 일산화탄소의 변성 반응을 완전히 행하게 하는 것이 곤란하여 부(副) 생성물로서의 일산화탄소가 미량 함유된 개질 가스를 생성하게 된다.During this process, the vaporized gas in the sealed
다음, 개질 반응부(33)에서 발생하는 개질 가스를 제3 공급라인(83)을 통해 일산화탄소 저감부(35)로 공급한다. 그러면 일산화탄소 저감부(35)에서는 수성가스 전환(Water-Gas Shift Reaction: WGS) 촉매 반응 또는 선택적 산화(Preferential CO Oxidation: PROX) 촉매 반응을 통해 상기 개질 가스에 함유된 일산화탄소의 농 도를 저감시킨다.Next, the reformed gas generated in the reforming
이어서, 상기 일산화탄소의 농도가 저감된 개질 가스를 제4 공급라인(84)을 통해 스택(10)의 제1 주입부(13a)로 공급한다. 이와 동시에, 공기 펌프(71)를 가동시켜 공기를 제5 공급라인(85)을 통해 스택(10)의 제2 주입부(13b)로 공급한다.Subsequently, the reformed gas having the reduced concentration of carbon monoxide is supplied to the
따라서 바이폴라 플레이트(16)를 통해 상기 개질 가스를 전극-전해질 합성체(12)의 애노드 전극으로 공급하고, 공기를 캐소드 전극으로 공급하게 된다. 상기한 개질 가스가 애노드 전극으로 흐르게 되면, 애노드 전극에서는 산화 반응을 통해 수소를 전자와 프로톤(수소이온)으로 분해한다. 그리고 프로톤이 전해질막을 통하여 캐소드 전극으로 이동되고, 전자는 전해질막을 통하여 이동되지 못하고 도선을 통하여 캐소드 전극으로 이동되는데 이 때 전자의 흐름으로 전류를 발생시킨다. 또한 캐소드 전극에서는 상기 이동된 프로톤 및 전자와 산소의 환원 반응을 통해 물을 생성하게 된다.Therefore, the reformed gas is supplied to the anode electrode of the electrode-
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 대한 연료 기화장치의 변형예를 도시한 단면 구성도이다.FIG. 5 is a sectional configuration diagram showing a modification of the fuel vaporization apparatus according to the first embodiment of the present invention. FIG.
도 5를 참고하면, 이 경우는 전술한 실시예의 구조를 기본으로 하면서 스크린부재(49)가 밀폐 용기(42)의 내측벽 및 내측 바닥면에 일정 간격 이격되게 배치되도록 구성한다. 또한 상기 변형예에 따르면, 가열부(45)를 밀폐 용기(42)의 외측벽 및 하단에 밀착 가능하게 설치할 수 있다.Referring to FIG. 5, in this case, the
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 도시한 개략도이고, 도 7은 도 6에 도시한 연료 기화장치의 구조를 나타내 보인 분 해 사시도이고, 도 8은 도 7의 결합 단면 구성도이다. 도 1에서 설명된 부호와 동일한 구성요소는 동일한 기능을 가진 동일부재이다.6 is a schematic view showing the overall configuration of a fuel cell system according to a second embodiment of the present invention, FIG. 7 is an exploded perspective view showing the structure of the fuel vaporization apparatus shown in FIG. 6, and FIG. 8 is FIG. Is a cross-sectional configuration diagram. The same components as those described in FIG. 1 are the same members with the same functions.
도 6 내지 도 8을 참고하면, 본 실시예에 따른 연료 전지 시스템(200)은 혼합 연료를 통과시키는 관로 형태의 수용부(91)를 구비하고, 그 수용부(91)의 외측에 가열부(95)가 위치하는 연료 기화장치(90)가 구비된다. 그리고 본 시스템(200)에 적용되는 개질기(60)는 상기 연료 기화장치(90), 전기 제1 실시예와 같은 개질 반응부(63) 및 일산화탄소 저감부(65)를 포함하고 있다.6 to 8, the
상기 수용부(91)는 전기 제1 실시예와 달리, 양단에 개구(이하, "제1 개구", "제2 개구"라 한다.)(92a, 92b)를 형성하는 관로(92)를 포함하며, 그 관로(92)의 내측벽에 스크린부재(99)가 소정 간격 이격되게 위치하는 구조를 갖는다. 이 때 상기 스크린부재(99)는 관로(92)와 동일한 형상을 가진 몸체(99a)를 구비하며, 그 몸체(99a)에는 다수의 기공(99b)들을 형성하고 있다.Unlike the first embodiment, the
관로(92)는 제1 개구(92a)를 통해 혼합 연료가 그 관로(92)의 내부 공간으로 주입되도록 하고, 가열부(95)에 의해 혼합 연료가 기화되면서 발생하는 증기를 제2 개구(92b)를 통해 배출시키도록 구성한다. 이 때 상기 관로(92)는 연료 공급부(50)와 개질 반응부(33) 사이에 배치되어 제1 개구(92a)와 연료 공급부(50)를 연결하고, 제2 개구(92b)와 개질 반응부(33)를 연결한다.The
상기 가열부(95)는 관로(92)를 가열함으로써 그 관로(92)의 내부 공간을 통과하는 혼합 연료를 증기화시키기 위한 것이다. 가열부(95)는 관로(92) 전체를 감싸는 히팅 블록(96)과, 히팅 블록(96)에 내장되는 열선(97)을 포함하고 있다. 여기 서 상기 히팅 블록(96)은 관로(92)가 삽입되도록 하는 관통공(96a)을 형성하고 있다.The
본 발명에 의하면, 혼합 연료를 관로(92)의 제1 개구(92a)를 통해 그 관로(92)의 내부 공간으로 공급하게 되면, 가열부(95)가 상기 내부 공간을 통과하는 혼합 연료를 증기화시키고, 증기를 관로(92)의 제2 개구(92b)를 통해 개질 반응부(33)로 배출시킨다.According to the present invention, when the mixed fuel is supplied to the inner space of the
나머지 구성 요소들은 전기 제1 실시예와 동일하고, 본 실시예에 따른 연료 기화장치(90)를 이용하여 혼합 연료를 기화시키는 과정과 본 시스템(200)의 동작 또한 전기 제1 실시예와 동일하므로 자세한 설명은 생략한다.The remaining components are the same as those of the first embodiment, and the process of vaporizing the mixed fuel using the
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 발명에 의하면, 용기의 내벽에 이격되게 위치하는 스크린부재를 구비함에 따라, 용기의 단위 열 교환 면적당 연료의 열 교환량이 증가되므로, 가열부의 구동에 소모되는 기생 전력을 줄여 시스템의 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.According to the present invention, since the screen member positioned on the inner wall of the container is spaced apart, the heat exchange amount of fuel per unit heat exchange area of the container is increased, thereby reducing the parasitic power consumed to drive the heating unit, further improving the efficiency of the system. You can.
또한, 기설정된 용기의 단위 열 교환 면적당 연료의 열 교환량을 기준으로 용기의 열 교환 면적과 이에 상응하는 히터의 발열 면적을 줄일 수 있으므로, 전체적인 시스템의 크기를 컴팩트 하게 구현할 수 있다.In addition, since the heat exchange area of the container and the heat generating area of the corresponding heater can be reduced based on the heat exchange amount of the fuel per unit heat exchange area of the predetermined container, the overall system size can be compactly implemented.
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- 2004-06-07 KR KR1020040041332A patent/KR101093710B1/en not_active IP Right Cessation
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