KR101093711B1 - Fuel sell system and reformer used thereto - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 열 에너지에 의한 화학 촉매 반응을 통해 수소를 함유한 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질기; 상기 수소 가스와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부; 상기 개질기로 연료를 공급하는 연료 공급원; 및 상기 개질기 및 전기 발생부로 산소를 공급하는 산소 공급원을 포함하며, 상기 개질기는, 상기 연료의 흐름을 가능케 하는 채널을 일면에 형성하고 있는 적어도 하나의 반응 기판과, 상기 반응 기판의 일면에 밀착되어 상기 채널에 의한 통로를 형성하는 밀착부와, 상기 반응 기판과 밀착부를 체결시키는 체결부를 포함한다.
연료전지, 스택, 전기발생부, 개질기, 반응기판, 플레이트, 채널, 통로, 촉매층, 가스켓, 체결부
A fuel cell system according to the present invention includes: a reformer for generating hydrogen gas from a fuel containing hydrogen through a chemical catalytic reaction by thermal energy; At least one electricity generating unit generating electrical energy through an electrochemical reaction between the hydrogen gas and oxygen; A fuel supply source for supplying fuel to the reformer; And an oxygen supply source for supplying oxygen to the reformer and the electricity generator, wherein the reformer is in close contact with at least one reaction substrate having a channel on one surface thereof to enable flow of the fuel, and one surface of the reaction substrate. And a fastening part for forming a passage by the channel, and a fastening part for fastening the contact part with the reaction substrate.
Fuel Cell, Stack, Electricity Generator, Reformer, Reactor Plate, Plate, Channel, Passage, Catalyst Layer, Gasket, Fastening Part
Description
도 1은 본 발명의 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 an embodiment of the present invention.
도 2는 도 1에 도시한 스택의 구조를 나타내 보인 분해 사시도이다.2 is an exploded perspective view showing the structure of the stack shown in FIG.
도 3은 본 발명의 제1 내지 제4 실시예에 대한 개질기 구조를 도시한 분해 사시도이다.3 is an exploded perspective view showing a reformer structure for the first to fourth embodiments of the present invention.
도 4는 도 3의 결합 단면 구성도이다.4 is a cross-sectional view of the coupling cross-sectional view of FIG.
도 5는 본 발명의 제5 실시예에 대한 개질기 구조를 도시한 분해 사시도이다.5 is an exploded perspective view showing a reformer structure for a fifth embodiment of the present invention.
도 6은 도 5의 결합 단면 구성도이다.6 is a cross-sectional view of the coupling cross-sectional view of FIG.
본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 플레이트 타입으로 이루어지는 개질기의 결합 구조에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly, to a coupling structure of a reformer consisting of a plate type.
알려진 바와 같이, 연료 전지(Fuel Cell)는 메탄올, 에탄올, 천연 가스와 같 은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와, 산소의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다.As is known, a fuel cell is a power generation system that converts chemical reaction energy of hydrogen and oxygen contained in hydrocarbon-based materials such as methanol, ethanol and natural gas directly 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, 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. In addition to mobile power supplies such as automobiles, as well as distributed power supplies such as homes and public buildings and small power supplies such as for electronic devices has a wide range of applications.
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. 따라서, 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. Thus, the PEMFC supplies fuel in the fuel tank to the reformer by operation of the fuel pump, reforming the fuel in the reformer to generate hydrogen gas, and electrochemically reacting the hydrogen gas and oxygen in the stack to generate electrical energy. Let's do it.
상기와 같은 연료 전지 시스템에 있어 전기를 실질적으로 발생시키는 스택은 전극-전해질 합성체(Membrane Electrode Assembly: MEA)와 이의 양면에 밀착하는 세퍼레이터(separator)로 이루어진 단위 셀이 수 개 내지 수십 개로 적층된 구조를 갖는다. 전극-전해질 합성체는 전해질막을 사이에 두고 애노드 전극과 캐소드 전극이 부착된 구조를 가진다. 그리고 세퍼레이터는 통상 당 업계에서 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)라고 칭하는 것으로서, 상기 각각의 전극-전해질 합성체를 분리하고 연료 전지의 반응에 필요한 수소 가스와 산소를 전극-전해질 합성체의 애노드 전극과 캐소드 전극으로 공급하는 통로의 역할과, 각 전극-전해질 합성체의 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체의 역할을 동시에 수행한다. 따라서, 세퍼레이터를 통해 애노드 전극에는 수소 가스가 공급되는 반면, 캐소드 전극에는 산소가 공급된다. 이 과정에서 애노드 전극에서는 수소 가스의 산화 반응이 일어나게 되고, 캐소드 전극에서는 산소의 환원 반응이 일어나게 되며 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기를 발생시키고, 열과 수분을 부수적으로 발생시킨다.In such a fuel cell system, a stack that substantially generates electricity is formed by stacking several to tens of unit cells including an electrode-electrolyte assembly (MEA) and a separator that adheres to both surfaces thereof. Has a structure. The electrode-electrolyte composite has a structure in which an anode electrode and a cathode electrode are attached with an electrolyte membrane interposed therebetween. In addition, the separator is commonly referred to as a bipolar plate in the art, and separates the respective electrode-electrolyte composites and supplies hydrogen gas and oxygen necessary for the reaction of the fuel cell to the anode electrode and the cathode electrode of the electrode-electrolyte composite. It simultaneously serves as a passage for supplying and a conductor connecting the anode electrode and the cathode electrode of each electrode-electrolyte composite in series. Accordingly, hydrogen gas is supplied to the anode electrode through the separator, while oxygen is supplied to the cathode electrode. In this process, an oxidation reaction of hydrogen gas occurs at an anode electrode, and a reduction reaction of oxygen occurs at a cathode electrode, thereby generating electricity due to the movement of electrons generated, and additionally generating heat and moisture.
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.
그런데, 종래에 따른 연료 전지 시스템의 개질기는 상기 열원부, 개질 반응부, 일산화탄소 제거부가 소정의 내부 공간을 갖는 반응 용기로 이루어지고 이들 각각이 파이프 타입의 배관에 의해 연결되어 분산 배치되는 바, 이로 인해 전체적인 시스템을 컴팩트 하게 구현하지 못하게 되는 문제점이 있었다.However, the reformer of the fuel cell system according to the related art is composed of a reaction vessel having a predetermined internal space of the heat source portion, the reforming reaction portion, and the carbon monoxide removal portion, and each of them is connected to and distributed by a pipe-type pipe. Due to this, there was a problem in that the entire system could not be compactly implemented.
본 발명은 상술한 문제점을 감안한 것으로서, 그 목적은 개질기의 전체적인 크기를 컴팩트 하게 구현할 수 있는 연료 전지 시스템을 제공하는데 있다.The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object thereof is to provide a fuel cell system capable of compactly implementing the overall size of a reformer.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 사용되는 개질기는, 연료의 흐름을 가능케 하는 채널을 일면에 형성하고 있는 적어도 하나의 반응 기판; 상기 반응 기판의 일면에 밀착되어 상기 채널에 의한 통로를 형성하는 밀착부; 및 상기 반응 기판과 밀착부를 체결시키는 체결부를 포함한다.The reformer used in the fuel cell system according to the present invention for achieving the above object comprises at least one reaction substrate having a channel on one surface to enable the flow of fuel; A close contact with one surface of the reaction substrate to form a passage by the channel; And a fastening part for fastening the contact part with the reaction substrate.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 사용되는 개질기에 있어서, 상기 밀착부는 상기 반응 기판의 일면에 밀착되는 덮개 플레이트를 구비할 수 있다.In the reformer used in the fuel cell system according to the present invention, the close contact portion may include a cover plate closely contacted to one surface of the reaction substrate.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 사용되는 개질기는, 상기 반응 기판과 밀착부의 체결에 의하여 상기 연료의 산화 촉매 반응을 통해 열 에너지를 발생시키는 열원부를 구성할 수 있다.In addition, the reformer used in the fuel cell system according to the present invention may constitute a heat source unit for generating thermal energy through an oxidation-catalyzed reaction of the fuel by fastening the reaction substrate and the close contact portion.
그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 사용되는 개질기는, 상기 반응 기판과 밀착부의 체결에 의하여 상기 열 에너지에 의한 연료의 개질 촉매 반응을 통해 상기 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질 반응부를 구성할 수 있다.In addition, the reformer used in the fuel cell system according to the present invention may constitute a reforming reaction unit generating hydrogen gas from the fuel through a reforming catalytic reaction of the fuel by the thermal energy by coupling the reaction substrate to the close contact portion. .
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 사용되는 개질기는, 상기 반응 기판과 밀착부의 체결에 의하여 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 적어도 하나의 일산화탄소 저감부를 구성할 수 있다.In addition, the reformer used in the fuel cell system according to the present invention may constitute at least one carbon monoxide reduction unit for reducing the concentration of carbon monoxide contained in the hydrogen gas by fastening the reaction substrate and the close contact portion.
아울러 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템 에 사용되는 개질기는, 연료의 흐름을 가능케 하는 채널을 일면에 형성하고 있는 적어도 둘 이상의 반응 기판; 상기 반응 기판의 일면에 밀착되어 상기 채널에 의한 통로를 형성하는 밀착부; 및 상기 반응 기판과 밀착부를 체결시키는 체결부를 포함하며, 상기 반응 기판들의 적층 구조로 이루어지고, 상기 밀착부는 상기 반응 기판 각각의 일면에 밀착되는 다른 반응 기판과, 최상측 반응 기판의 일면에 밀착되는 덮개 플레이트를 구비한다.In addition, the reformer used in the fuel cell system according to the present invention for achieving the above object, at least two or more reaction substrates that form a channel to enable the flow of fuel on one surface; A close contact with one surface of the reaction substrate to form a passage by the channel; And a fastening part for fastening the contact part with the reaction substrate, wherein the fastening part is formed of a laminated structure of the reaction substrates, and the contact part is in close contact with another surface of the reaction substrate and one surface of the uppermost reaction substrate. A cover plate is provided.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 사용되는 개질기에 있어서, 상기 반응 기판은, 상기 연료의 산화 촉매 반응을 통해 열 에너지를 발생시키는 열원부와, 상기 열 에너지에 의한 연료의 개질 촉매 반응을 통해 상기 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질 반응부를 구성할 수 있다.In the reformer used in the fuel cell system according to the present invention, the reaction substrate is a heat source portion for generating heat energy through the oxidation catalyst reaction of the fuel, and the fuel through the reforming catalytic reaction of the fuel by the heat energy The reforming reaction unit for generating hydrogen gas can be configured.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 사용되는 개질기에 있어서, 상기 반응 기판은 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 적어도 하나의 일산화탄소 저감부를 구성할 수 있다.In addition, in the reformer used in the fuel cell system according to the present invention, the reaction substrate may constitute at least one carbon monoxide reduction unit for reducing the concentration of carbon monoxide contained in the hydrogen gas.
그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 사용되는 개질기에 있어서, 상기 채널의 내표면에는 촉매층을 형성하고 있다.In the reformer used in the fuel cell system according to the present invention, a catalyst layer is formed on the inner surface of the channel.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 사용되는 개질기는, 상기 반응 기판과 밀착부 사이에 개재되어 상기 통로의 기밀을 유지시키는 가스켓을 포함할 수도 있다. 이 경우 상기 가스켓은 테프론 또는 금속 소재로 형성되며, 상기 채널에 대응하는 개방부를 형성할 수 있다.In addition, the reformer used in the fuel cell system according to the present invention may include a gasket interposed between the reaction substrate and the contact portion to maintain the airtightness of the passage. In this case, the gasket may be formed of Teflon or metal, and may form an opening corresponding to the channel.
그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 사용되는 개질기에 있어서, 상기 반응 기판은 채널을 형성하는 제1 영역과, 상기 제1 영역의 외측에 위치하는 제2 영역으로 이루어지고, 상기 체결부는, 상기 제2 영역에 형성되는 다수의 제1 체결홀; 상기 밀착부의 상기 제2 영역과 상호 대응하는 위치에 상기 제1 체결홀과 연통되도록 형성되는 다수의 제2 체결홀; 상기 제1 체결홀 및 제2 체결홀을 관통하는 체결봉; 및 상기 체결봉의 단부에 나사 결합되는 결합부재를 포함할 수 있다. 이 경우 상기 체결봉의 양단부에는 수나사부를 형성하고 있으며, 상기 결합부재는 수나사부와 결합하는 캡 너트를 구비할 수 있다.And in the reformer used in the fuel cell system according to the present invention, the reaction substrate is composed of a first region forming a channel and a second region located outside the first region, the fastening portion, A plurality of first fastening holes formed in two regions; A plurality of second fastening holes formed to communicate with the first fastening holes at positions corresponding to the second regions of the close contact portion; A fastening rod penetrating the first fastening hole and the second fastening hole; And it may include a coupling member screwed to the end of the fastening rod. In this case, both ends of the fastening rod are formed with male threads, and the coupling member may include a cap nut that engages with the male screw portion.
또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 열 에너지에 의한 화학 촉매 반응을 통해 수소를 함유한 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질기; 상기 수소 가스와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부; 상기 개질기로 연료를 공급하는 연료 공급원; 및 상기 개질기 및 전기 발생부로 산소를 공급하는 산소 공급원을 포함하며, 상기 개질기는, 상기 연료의 흐름을 가능케 하는 채널을 일면에 형성하고 있는 적어도 하나의 반응 기판과, 상기 반응 기판의 일면에 밀착되어 상기 채널에 의한 통로를 형성하는 밀착부와, 상기 반응 기판과 밀착부를 체결시키는 체결부를 포함한다.In addition, a fuel cell system according to the present invention for achieving the above object, the reformer for generating hydrogen gas from a fuel containing hydrogen through a chemical catalytic reaction by thermal energy; At least one electricity generating unit generating electrical energy through an electrochemical reaction between the hydrogen gas and oxygen; A fuel supply source for supplying fuel to the reformer; And an oxygen supply source for supplying oxygen to the reformer and the electricity generator, wherein the reformer is in close contact with at least one reaction substrate having a channel on one surface thereof to enable flow of the fuel, and one surface of the reaction substrate. And a fastening part for forming a passage by the channel, and a fastening part for fastening the contact part with the reaction substrate.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 밀착부는 상기 반응 기판의 일면에 밀착되는 덮개 플레이트를 구비할 수 있다.In the fuel cell system according to the present invention, the adhesion part may include a cover plate in close contact with one surface of the reaction substrate.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 개질기는 상기 반응 기판이 복수로 구비되어 이들의 적층 구조로 이루어지고, 상기 밀착부는 상기 반응 기판 각각의 일면에 밀착되는 다른 반응 기판과, 최상측 반응 기판의 일면에 밀착되는 덮개 플레이트를 구비할 수 있다.In addition, in the fuel cell system according to the present invention, the reformer is provided with a plurality of the reaction substrate is made of a laminated structure, the contact portion is in contact with the other reaction substrate in close contact with each surface of the reaction substrate, the top reaction The cover plate may be provided to be in close contact with one surface of the substrate.
그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 반응 기판과 밀착부 사이에 개재되어 상기 통로의 기밀을 유지시키는 가스켓을 포함할 수도 있다.In addition, the fuel cell system according to the present invention may include a gasket interposed between the reaction substrate and the contact portion to maintain the airtightness of the passage.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 반응 기판은 채널을 형성하는 제1 영역과, 상기 제1 영역의 외측에 위치하는 제2 영역으로 이루어지고, 상기 체결부는, 상기 제2 영역에 형성되는 다수의 제1 체결홀; 상기 밀착부의 상기 제2 영역과 상호 대응하는 위치에 상기 제1 체결홀과 연통되도록 형성되는 다수의 제2 체결홀; 상기 제1 체결홀 및 제2 체결홀을 관통하는 체결봉; 및 상기 체결봉의 단부에 나사 결합되는 결합부재를 포함할 수 있다.In the fuel cell system according to the present invention, the reaction substrate is composed of a first region forming a channel and a second region located outside the first region, and the fastening portion is formed in the second region. A plurality of first fastening holes; A plurality of second fastening holes formed to communicate with the first fastening holes at positions corresponding to the second regions of the close contact portion; A fastening rod penetrating the first fastening hole and the second fastening hole; And it may include a coupling member screwed to the end of the fastening rod.
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 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 도시한 개략도이고, 도 2는 도 1에 도시한 스택의 구조를 나타내 보인 분해 사시도이다.1 is a schematic diagram showing the overall configuration of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention, Figure 2 is an exploded perspective view showing the structure of the stack shown in FIG.
도면을 참고하면, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)은 수소를 함유한 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키고, 이 수소 가스와 산소를 반응시켜 전기 에너지를 발생시키는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrode Membrane Fuel Cell; PEMFC) 방식을 채용한다.Referring to the drawings, the
상기한 연료 전지 시스템(100)에 있어 전기를 발생시키기 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. 그러나 이하에서 설명하는 연료는 상기 협의의 연료로서 편의상 액상으로 이루어진 연료라 정의하고, 상기 액상의 연료와 물을 혼합 연료라고 정의한다.In the
그리고 본 시스템(100)은 상기 연료에 함유된 수소와 반응하는 산소 연료로서 별도의 저장수단에 저장된 순수한 산소 가스를 사용할 수 있으며, 산소를 함유한 공기를 그대로 사용할 수도 있다. 그러나 이하에서는 상기한 산소 연료로서 공기를 사용하는 후자의 예를 설명한다.In addition, the
본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)은, 기본적으로 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 전기 발생부(11)와, 전술한 바 있는 액상의 연료로부터 수소 가스를 발생시키고 이 수소 가스를 전기 발생부(11)로 공급하는 개질기(30)와, 상기 연료를 개질기(30)로 공급하는 연료 공급원(50)과, 산소를 개질기(30)와 전기 발생부(11)로 각각 공급하는 산소 공급원(70)을 포함하여 구성된다.The
상기 전기 발생부(11)는 전극-전해질 합성체(12)를 중심에 두고 이의 양면에 세퍼레이터(16)를 배치하여 전기를 발생시키는 최소 단위의 셀을 형성하고, 복수로 구비되어 본 실시예에서와 같은 적층 구조의 스택(10)을 형성한다. 여기서 전극-전해질 합성체(12)는 양측에 애노드 전극과 캐소드 전극을 구비하며, 수소와 공기 중 의 산소를 산화/환원 반응시키는 기능을 가진다. 그리고 세퍼레이터(16)는 전극-전해질 합성체(12)의 양측에 수소와 산소를 함유한 공기를 공급하는 기체 통로를 형성하고, 상기 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체의 기능을 하게 된다. 이와 같은 스택(10)의 구성은 통상적인 고분자 전해질형 연료 전지의 스택 구성으로 이루어질 수 있으므로 본 명세서에서 그 자세한 설명한 생략하기로 한다.The
그리고 본 발명에 적용되는 개질기(30)는 통상적으로 액상의 연료와 공기의 산화 촉매 반응을 통해 열 에너지를 발생시키는 열원부(31)와, 상기 열 에너지에 의한 개질 촉매 반응을 통해 전술한 바 있는 혼합 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질 반응부(32)와, 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 일산화탄소 저감부(33, 34)를 포함하고 있다. 일 예로서, 상기 일산화탄소 저감부(33, 34)는 수성가스 전환(Water-Gas Shift: WGS) 촉매 반응을 통해 추가의 수소 가스를 발생시키고 그 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 1차적으로 저감시키는 제1 일산화탄소 저감부(33)와, 수소 가스와 공기의 선택적 산화(Preferential CO Oxidation: PROX) 촉매 반응을 통해 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 2차적으로 저감시키는 제2 일산화탄소 저감부(34)를 포함할 수 있다.In addition, the
위와 같은 개질기(30)로 연료를 공급하는 연료 공급원(50)은 액상의 연료를 저장하는 제1 탱크(51)와, 물을 저장하는 제2 탱크(53)와, 각각의 제1 및 제2 탱크(51, 53)에 연결 설치되는 연료 펌프(55)를 포함하고 있다. 그리고 산소 공급원(70)은 소정의 펌핑력으로 공기를 흡입할 수 있는 공기 펌프(71)를 포함하고 있 다.The
상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)의 작용시 개질기(30)를 통해 발생되는 수소 가스와, 산소를 함유한 공기를 전기 발생부(11)로 공급하게 되면, 상기 전기 발생부(11)에서는 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기와 물 그리고 열을 발생시킨다.When the hydrogen-containing gas and oxygen-containing air are supplied to the
본 발명에 있어 상기 개질기(30)는 연료 공급원(50)과 산소 공급원(70)으로부터 연료와 공기를 공급받아 수소 가스를 발생시키는 바, 이러한 개질기(30)를 구성하는 각각의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.In the present invention, the
도 3은 본 발명의 제1 내지 제4 실시예에 대한 개질기 구조를 도시한 분해 사시도이고, 도 4는 도 3의 결합 단면 구성도이다.3 is an exploded perspective view showing a reformer structure for the first to fourth embodiments of the present invention, Figure 4 is a cross-sectional view of the combined configuration of FIG.
도면을 참고하면, 본 발명의 제1 실시예에 의한 개질기(30)는 연료 공급원(50)과 산소 공급원(70)으로부터 공급되는 액상의 연료와 공기의 산화 촉매 반응을 통해 소정의 열 에너지를 발생시키는 열원부(31)를 구비하고 있다.Referring to the drawings, the
본 실시예에 따르면, 상기한 열원부(31)는 액상의 연료와 공기의 흐름을 가능하게 하는 제1 채널(31c)을 가지면서 플레이트 타입으로 이루어진 제1 반응 기판(31a)과, 제1 반응 기판(31a)의 채널 형성면에 밀착되어 연료와 공기를 통과시키는 통로(31d)를 형성하는 밀착부(40)와, 이 제1 반응 기판(31a)과 밀착부(40)를 체결시키는 체결부(60)를 포함한다.According to the present embodiment, the
상기 제1 반응 기판(31a)은 알루미늄, 구리, 니켈, 철과 같은 메탈 소재로 형성될 수 있고, 사각형의 플레이트 형상으로 이루어진다. 이 때 제1 채널(31c)은 기판 몸체(31b)의 상면에서 임의의 간격을 두고 돌출 형성된 리브(31h)들 사이의 공간에 의해 형성될 수 있다. 이러한 채널(31c)은 몸체(31b)의 상면에 대해 임의의 간격을 두고 직선 상태로 배치되고, 그 양단을 교호적으로 연결하여 형성되고 있다. 그리고 상기 제1 채널(31c)의 내표면에는 연료와 공기의 산화 반응을 촉진시키는 통상적인 산화 촉매층(31e)을 형성하고 있다. 여기서 상기 제1 반응 기판(31a)은 그 몸체(31b)에 대하여 제1 채널(31c)을 형성하고 있는 제1 영역(A)과, 제1 영역(A)의 외측에 위치하는 제2 영역(B) 즉, 몸체(31b)의 가장자리 부분으로 구분될 수 있다.The
상기 밀착부(40)는 제1 반응 기판(31a)의 몸체(31b) 상면을 덮는 덮개 플레이트(41)를 구비하며, 제1 채널(31c)과 덮개 플레이트(41)의 덮개면에 의하여 액상의 연료와 공기를 통과시킬 수 있는 제1 통로(31d)를 형성할 수 있다. 이러한 덮개 플레이트(41)는 제1 반응 기판(31a)과 같은 메탈 소재로 형성될 수 있다.The
이에 더하여, 상기 제1 반응 기판(31a)과 덮개 플레이트(41) 사이에는 상기한 제1 통로(31d)의 기밀을 유지시키는 가스켓(70)을 구비하고 있다. 상기 가스켓(70)은 산화 촉매층(31e)의 산화 촉매 반응에 영향을 미치지 않는 합성수지 소재 예컨대, 테프론 소재로 이루어질 수 있으며, 시트 타입의 금속 소재로 형성될 수도 있다. 그리고 상기 가스켓(70)에는 제1 반응 기판(31a)의 채널 형상에 대응하는 개방부(71)를 형성하고 있다.In addition, a
본 발명에 있어 상기 체결부(60)는 제1 반응 기판(31a)과 덮개 플레이트(41) 사이에 가스켓(70)을 두고 제1 반응 기판(31a)과 덮개 플레이트(41)를 밀착시켜 제1 채널(31c)과 덮개 플레이트(41)의 덮개면에 의한 제1 통로(31d)를 형성하기 위한 것이다.In the present invention, the
이러한 체결부(60)는 제1 반응 기판(31a)의 제2 영역(B)에 형성되는 다수의 제1 체결홀(61)과, 상기 제2 영역(B)과 상호 대응되는 덮개 플레이트(41)의 가장자리 부분에 형성되어 제1 체결홀(61)과 상호 연통되는 다수의 제2 체결홀(62)과, 제1 체결홀(61) 및 제2 체결홀(62)을 관통하는 체결봉(64)과, 체결봉(64)의 양단부에 나사 결합되는 결합부재(66)를 포함하고 있다. 이에 더하여 상기 체결부(60)는 제1 반응 기판(31a)과 덮개 플레이트(41) 사이에 위치하는 가스켓(70)의 가장자리 부분에 형성되어 상기한 제1 체결홀(61) 및 제2 체결홀(62)에 연통되는 다수의 제3 체결홀(63)을 포함할 수 있다. 이 때 체결봉(64)의 양단부에는 수나사부(65)를 형성하고 있고, 이 수나사부(65)에 결합되는 체결부재(66)는 통상적인 캡 너트(67)를 사용할 수 있다.The
그리고 본 발명의 제2 실시예에 의한 개질기(30)는 열원부(31)로부터 발생되는 열 에너지를 흡열하여, 연료 공급원(50)으로부터 공급되는 혼합 연료의 개질 촉매 반응을 통해 상기 혼합 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질 반응부(32)를 구비할 수 있다.In addition, the
본 실시예에 따르면, 상기한 개질 반응부(32)는 혼합 연료의 흐름을 가능하게 하는 제2 채널(32c)을 가지면서 플레이트 타입으로 이루어진 제2 반응 기판(32a)과, 제2 반응 기판(32a)의 채널 형성면에 밀착되어 상기한 혼합 연료를 통과시키는 통로(32d)를 형성하는 밀착부(40)와, 이 제2 반응 기판(32a)과 밀착부(40)를 체결시키는 체결부(60)를 포함한다. 여기서 상기 제2 채널(31c)의 내표면에는 혼합 연료의 수증기 개질 반응을 촉진시키는 통상적인 수증기 개질 촉매층(32e)을 형성하고 있다.According to the present exemplary embodiment, the reforming
나머지 구성은 전기 제1 실예와 동일하므로 자세한 설명은 생략한다.Since the rest of the configuration is the same as in the first embodiment, detailed description thereof will be omitted.
또한 본 발명의 제3 실시예에 의한 개질기(30)는 개질 반응부(32)에서 발생된 수소 가스의 수성 가스 전환 촉매 반응을 통해 추가의 수소 가스를 발생시키고, 상기한 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 1차적으로 저감시키는 제1 일산화탄소 저감부(33)를 구비할 수 있다.In addition, the
본 실시예에 따르면, 제1 일산화탄소 저감부(33)는 상기 수소 가스의 흐름을 가능하게 하는 제3 채널(33c)을 가지면서 플레이트 타입으로 이루어진 제3 반응 기판(33a)과, 제3 반응 기판(33a)의 채널 형성면에 밀착되어 상기한 수소 가스를 통과시키는 통로(33d)를 형성하는 밀착부(40)와, 이 제3 반응 기판(33a)과 밀착부(40)를 체결시키는 체결부(60)를 포함한다. 여기서 상기 제3 채널(33c)의 내표면에는 상기 수소 가스의 수성가스 전환 반응을 촉진시키는 통상적인 수성가스 전환 촉매층(33e)을 형성하고 있다.According to the present embodiment, the first carbon
나머지 구성은 전기 제1 실시예와 동일하므로 자세한 설명은 생략한다.Since the rest of the configuration is the same as in the first embodiment, detailed description thereof will be omitted.
아울러 본 발명의 제4 실시예에 의한 개질기(30)는 제1 일산화탄소 저감부(33)를 통해 배출되는 상기 수소 가스와, 산소 공급원(70)으로부터 공급되는 공기의 선택적 산화 촉매 반응을 통해 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 2차적으로 저감시키는 제2 일산화탄소 저감부(34)를 구비할 수 있다.
In addition, the
본 실시예에 따르면, 제2 일산화탄소 저감부(34)는 상기 수소 가스와 공기의 흐름을 가능하게 하는 제4 채널(34c)을 가지면서 플레이트 타입으로 이루어진 제4 반응 기판(34a)과, 제4 반응 기판(34a)의 채널 형성면에 밀착되어 상기한 수소 가스를 통과시키는 통로(34d)를 형성하는 밀착부(40)와, 이 제4 반응 기판(34a)과 밀착부(40)를 체결시키는 체결부(60)를 포함한다. 여기서 상기 제4 채널(34c)의 내표면에는 상기 수소 가스의 선택적 산화 반응을 촉진시키는 통상적인 선택적 산화 촉매층(34e)을 형성하고 있다.According to the present embodiment, the second carbon
나머지 구성은 전기 제1 실시예와 동일하므로 자세한 설명은 생략한다.Since the rest of the configuration is the same as in the first embodiment, detailed description thereof will be omitted.
상기와 같이 구성된 각 실시예에 의한 개질기(30)를 조립함에 있어 제1 체결홀(61), 제2 체결홀(62) 및 제3 체결홀(63)이 서로 연통되도록 반응 기판(31a, 32a, 33a, 34a)과 밀착부(40) 사이에 가스켓(70)을 위치시킨 상태에서, 상기한 체결홀(61, 62, 63)에 체결봉(64)을 관통시키고, 그 체결봉(64)의 양단부에 결합부재(66)을 결합시킨다.In assembling the
이로써 반응 기판(31a, 32a, 33a, 34a)과 밀착부(40)를 체결부(60)를 통해 체결시킴에 따라, 반응 기판(31a, 32a, 33a, 34a)의 채널(31c, 32c, 33c, 34c)과 밀착부(40)의 밀착면에 의하여 연료를 통과시키는 통로(31d, 32d, 33d, 34d)를 형성할 수 있다. 이 때 반응 기판(31a, 32a, 33a, 34a)과 밀착부(40) 사이에는 가스켓(70)이 위치하고 있는 바, 이 가스켓(70)에 의해 상기한 통로(31d, 32d, 33d, 34d)를 통과하는 연료가 반응 기판(31a, 32a, 33a, 34a)과 밀착부(40) 사이의 틈새로 누설되는 것을 방지할 수 있다.
As a result, the
이상에서와 같이, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)은 개질기(30)를 구성하는 열원부(31), 개질 반응부(32) 및 일산화탄소 저감부(33, 34)들 중 어느 하나를 구비할 수 있으며, 둘 이상 또는 이들 모두를 구비할 수도 있다.As described above, the
도 5는 본 발명의 제5 실시예에 대한 개질기 구조를 도시한 분해 사시도이고, 도 6은 도 5의 결합 단면 구성도이다.FIG. 5 is an exploded perspective view showing a reformer structure for a fifth embodiment of the present invention, and FIG.
도 5 및 도 6을 참고하면, 본 실시예에 의한 개질기(30)는 전기 제1 내지 제4 실시예에 따른 열원부(31), 개질 반응부(32), 제1 일산화탄소 저감부(33) 및 제2 일산화탄소 저감부(34)들이 서로 적층된 구조로 이루어진다.5 and 6, the
상기 개질기(30)는 열원부(31)의 상측에 개질 반응부(32)와 제1 일산화탄소 저감부(33)를 순차적으로 적층하고, 열원부(31)의 하측에 제2 일산화탄소 저감부(34)를 적층하여 구성할 수 있다.The
보다 구체적으로, 이 경우는 제1 반응 기판(31a)을 중심으로 그 상측에 제2 반응 기판(32a)과 제3 반응 기판(33a)을 순차적으로 적층하고, 제1 반응 기판(31a)의 하측에 제4 반응 기판(34a)을 적층하여 본 실시예에 의한 개질기(30)를 구성할 수 있다. 그리고 개질기(30)의 최상측에 위치하고 있는 제3 반응 기판(33a)의 상면에는 덮개 플레이트(41)가 결합될 수 있다.More specifically, in this case, the
상기와 같이 구성된 본 실시예에 의한 개질기(30)는 제1 반응 기판(31a)과 제2 반응 기판(32a)의 밀착에 의하여 제1 통로(31d)를 형성하고, 제2 반응 기판(32a)과 제3 반응 기판(33a)의 밀착에 의하여 제2 통로(32a)를 형성하며, 제3 반응 기판(33a)과 덮개 플레이트(41)에 의하여 제3 통로(33d)를 형성하고, 제1 반 응 기판(31a)과 제4 반응 기판(34a)의 밀착에 의하여 제4 통로(34d)를 형성할 수 있다. 그리고 각 반응 기판(31a, 32a, 33a, 34a)의 상면에는 전기 제1 내지 제4 실시예에서와 같은 채널(31c, 32c, 33c, 34c)을 형성하고, 이 채널(31c, 32c, 33c, 34c)의 내표면에는 촉매층(31e, 32e, 33e, 34e)을 형성하고 있다.The
이러한 개질기(30)에는, 상술한 바와 같은 각각의 통로(31d, 32d, 33d, 34d)를 형성하기 위한 본 발명에 따른 밀착부(40)가 제공되는 바, 이 밀착부(40)는 제1 반응 기판(31a)의 상면에 밀착되어 제1 통로(31d)를 형성하는 제2 반응 기판(32a), 제2 반응 기판(32a)의 상면에 밀착되어 제2 통로(32d)를 형성하는 제3 반응 기판(33a), 제3 반응 기판(33a)의 상면에 밀착되어 제3 통로(33d)를 형성하는 덮개 플레이트(41) 및 제4 반응 기판(34a)의 상면에 밀착되어 제4 통로(34d)를 형성하는 제1 반응 기판(31a)이 적용될 수 있다.The
이에 더하여 본 실시예에 따른 개질기(30)에 있어 각각의 반응 기판(31a, 32a, 33a, 34a)들과, 덮개 플레이트(41) 사이에 개재되어 상기 각 통로(31d, 32d, 33d, 34d)의 기밀을 유지시키는 가스켓(70)과, 각각의 반응 기판(31a, 32a, 33a, 34a) 및 덮개 플레이트(41)를 상호 밀착시키기 위해 이들을 체결시키는 체결부(60)를 구비하고 있다. 이러한 가스켓(70)과 체결부(60)의 구성은 전기 제1 실시예와 동일하므로 자세한 설명은 생략한다.In addition, in 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 범 위에 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 따른 연료 전지 시스템에 의하면, 연료의 흐름이 가능한 채널을 갖는 반응 기판을 구비하고 이들을 적층하여 개질기를 구성하는 바, 개질기의 크기를 줄여 전체적인 시스템을 컴팩트하게 구현할 수 있는 효과가 있다.According to the fuel cell system according to the present invention, the reactor includes a reaction substrate having a channel through which the fuel can flow, and the stacker is stacked to form a reformer, thereby reducing the size of the reformer and implementing the entire system compactly.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 의하면, 가스켓을 사이에 두고 반응 기판과 밀착부를 체결부를 통해 체결시키는 구조를 가지므로, 조립 공정이 단순하여 생산성이 향상되고, 가스켓에 의해 반응 기판과 밀착부 사이의 기밀 유지를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.In addition, the fuel cell system according to the present invention has a structure in which the reaction substrate and the close contact portion are fastened through the fastening portion with the gasket interposed therebetween, so that the assembly process is simple and the productivity is improved. There is an effect to improve the confidentiality of the.
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