KR101126207B1

KR101126207B1 - 개질기용 연료 공급장치 및 연료 전지 시스템

Info

Publication number: KR101126207B1
Application number: KR1020050016692A
Authority: KR
Inventors: 김주용; 이동욱; 서동명
Original assignee: 삼성에스디아이 주식회사
Priority date: 2005-02-28
Filing date: 2005-02-28
Publication date: 2012-03-26
Also published as: US20060194084A1; JP4499046B2; KR20060095222A; JP2006244996A; US7771881B2

Abstract

본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 수소와 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 전기 발생부와, 열 에너지에 의한 개질 촉매 반응을 통해 연료로부터 수소 가스를 발생시키고 이 수소 가스를 상기 전기 발생부로 공급하는 개질기와, 공기와 함께 연료를 연소시켜 상기 열 에너지를 발생시키고 이 열 에너지를 상기 개질기에 제공하는 버너와, 상기 연료를 상기 개질기로 공급하는 연료 공급장치와, 상기 전기 발생부로 공기를 공급하는 공기 공급부를 포함하며,

상기 연료 공급장치는, 상기 연료를 저장하는 메인 연료 탱크와, 상기 메인 연료 탱크와 상기 개질기에 연결 설치되어 기설정된 양의 상기 연료를 저장하는 적어도 하나의 보조 연료 탱크와, 상기 보조 연료 탱크에 접촉 설치되어 이 보조 연료 탱크에 저장된 연료를 가열시키는 가열유닛을 포함한다.

연료전지, 퓨얼셀, 스택, 버너, 개질기, 공기공급부, 연료공급장치, 메인연료탱크, 보조연료탱크, 가열유닛, 패스부재, 열선

Description

개질기용 연료 공급장치 및 연료 전지 시스템 {FUEL SUPPLY APPARATUS FOR REFORMER AND FUEL CELL SYSTEM}

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

도 2는 도 1에 도시한 스택의 구조를 나타내 보인 분해 사시도이다.

도 3은 도 1에 도시한 개질기의 구조를 개략적으로 도시한 단면 구성도이다.

도 4는 도 1에 도시한 버너의 구조를 개략적으로 도시한 단면 구성도이다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 연료 공급장치의 구조를 개략적으로 도시한 단면 구성도이다.

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.

도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.

본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 개질기로 연 료를 공급하는 연료 공급장치에 관한 것이다.

알려진 바와 같이, 연료 전지(Fuel Cell)는 메탄올, 에탄올, 천연 가스와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와, 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 발전 시스템이다.

이러한 연료 전지에 있어 근래에 개발되고 있는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell : PEMFC, 이하 편의상 PEMFC라 한다)는 출력 특성이 탁월하며 작동 온도가 낮고 아울러 빠른 시동 및 응답 특성을 가지는 바, 자동차와 같은 이동용 전원은 물론, 주택, 공공건물과 같은 분산용 전원 및 전자기기용과 같은 소형 전원 등 그 응용 범위가 넓은 장점을 가진다.

상기와 같은 PEMFC 방식을 채용한 연료 전지 시스템은 스택(stack), 개질기(Reformer), 연료 탱크, 및 연료 펌프 등을 구비한다. 스택은 수소와 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 다수의 단위 셀로 이루어진 전기 발생 집합체를 형성하며, 연료 펌프는 연료 탱크에 저장된 연료를 개질기로 공급한다. 개질기는 버너로부터 제공되는 열 에너지를 흡열하여 연료의 개질 촉매 반응을 통해 수소 가스를 발생시키고 이 수소 가스를 스택으로 공급한다.

한편, 이와 같은 구조를 갖는 연료 전지 시스템은 스택에 의해 생산되는 전력을 다시 소모하여 전체적인 시스템을 구동하기 때문에, 그 구동에 필요한 만큼의 기생전력을 발생시킨다.

그런데, 종래에 따른 연료 전지 시스템은 상술한 바와 같이, 개질기로 연료를 공급하기 위해 별도의 연료 펌프를 구비하는 바, 이 연료 펌프를 구동시키기 위 한 기생전력이 증가함에 따라 전체적인 시스템 성능 및 에너지 효율이 저하되는 문제점이 있었다.

또한 종래의 연료 전지 시스템은 위와 같은 연료 펌프의 설치 공간이 필요하므로, 전체적인 시스템의 크기를 컴팩트하게 구현하지 못하게 되는 문제점이 있었다.

또한 종래의 연료 전지 시스템은 별도의 예열장치를 이용하여 개질기로 공급되는 연료를 예열하게 되는 바, 상기 연료를 예열하는데 따른 에너지의 소모로 인해 전체적인 시스템의 성능 효율이 저하되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상술한 문제점을 감안하여 창출된 것으로, 그 목적은 간단한 구조로서 연료를 개질기로 공급할 수 있는 개질기용 연료 공급장치 및 이를 채용한 연료 전지 시스템을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 버너 또는 개질기로부터 발생되는 열원을 이용하여 개질기로 공급되는 연료를 예열시킬 수 있는 연료 전지 시스템을 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 개질기용 연료 공급장치는, 버너로부터 열 에너지를 제공받아 개질 촉매 반응을 통해 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질기로 상기 연료를 공급하기 위한 것으로서, 상기 연료를 저장하는 메인 연료 탱크와, 상기 메인 연료 탱크와 상기 개질기에 연결 설치되어 기설정된 양의 상기 연료를 저장하는 적어도 하나의 보조 연료 탱크와, 상기 보조 연 료 탱크에 접촉 설치되어 이 보조 연료 탱크에 저장된 연료를 가열시키는 가열유닛을 포함한다.

본 발명에 따른 개질기용 연료 공급장치는, 상기 메인 연료 탱크가 상기 보조 연료 탱크 보다 큰 용적을 갖는 구조로 되어 있다.

또한 본 발명에 따른 개질기용 연료 공급장치는, 상기 보조 연료 탱크에 저장된 상기 연료가 상기 가열유닛을 통해 가열되면서 상기 개질기로 공급되는 구조로 되어 있다.

그리고 본 발명에 따른 개질기용 연료 공급장치는, 상기 메인 연료 탱크와 상기 보조 연료 탱크 내부의 압력차에 의하여 상기 메인 연료 탱크에 저장된 연료가 상기 보조 연료 탱크로 공급되는 구조로 이루어진다.

또한 본 발명에 따른 개질기용 연료 공급장치는, 상기 보조 연료 탱크가 상기 메인 연료 탱크에 각각 연결 설치되는 제1,2 탱크로 구성될 수 있다.

그리고 본 발명에 따른 개질기용 연료 공급장치는, 상기 가열유닛이 상기 보조 연료 탱크의 외주면에 코일 형태로 감긴 열선으로 구성될 수 있다.

또한 본 발명에 따른 개질기용 연료 공급장치는, 상기 가열유닛이 상기 보조 연료 탱크의 외주면에 코일 형태로 감기면서 상기 버너로부터 배출되는 비교적 고온의 배출 가스를 통과시키는 제1 패스부재로 구성될 수도 있다.

그리고 본 발명에 따른 개질기용 연료 공급장치는, 상기 가열유닛이 상기 보조 연료 탱크의 외주면에 코일 형태로 감기면서 상기 개질기로부터 배출되는 비교적 고온의 배출 가스를 통과시키는 제2 패스부재로 구성될 수도 있다.

아울러 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 수소와 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 전기 발생부와, 열 에너지에 의한 개질 촉매 반응을 통해 연료로부터 수소 가스를 발생시키고 이 수소 가스를 상기 전기 발생부로 공급하는 개질기와, 공기와 함께 연료를 연소시켜 상기 열 에너지를 발생시키고 이 열 에너지를 상기 개질기에 제공하는 버너와, 상기 연료를 상기 개질기로 공급하는 연료 공급장치와, 상기 전기 발생부로 공기를 공급하는 공기 공급부를 포함하며,

본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 메인 연료 탱크가 액상으로 이루어진 연료를 저장하는 구조로 이루어진다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 버너는 기체 연료와 공기의 산화 반응을 통해 상기 열 에너지를 발생시키는 구조로 되어 있다.

그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 메인 연료 탱크가 상기 보조 연료 탱크 보다 큰 용적을 갖는 구조로 되어 있다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 보조 연료 탱크가 상기 메인 연료 탱크에 각각 연결 설치되는 제1,2 탱크로 구성될 수 있다.

그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 메인 연료 탱크와 상기 제 1 탱크가 제1 파이프 라인에 의해 연결 설치되며, 상기 제1 파이프 라인 상에 제1 개폐밸브를 설치하고 있는 구조로 이루어진다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 메인 연료 탱크와 상기 제2 탱크가 제2 파이프 라인에 의해 연결 설치되며, 상기 제2 파이프 라인 상에 제2 개폐밸브를 설치하고 있는 구조로 이루어진다.

그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 제1 탱크와 상기 개질기가 제3 파이프 라인에 의해 연결 설치되며, 상기 제3 파이프 라인 상에 제3 개폐밸브를 설치하고 있는 구조로 이루어진다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 제2 탱크와 상기 개질기가 제4 파이프 라인에 의해 연결 설치되며, 상기 제4 파이프 라인 상에 제4 개폐밸브를 설치하고 있는 구조로 이루어진다.

그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 가열유닛이 상기 보조 연료 탱크의 외주면에 코일 형태로 감긴 열선으로 구성될 수 있다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 가열유닛이 상기 보조 연료 탱크의 외주면에 코일 형태로 감기면서 상기 버너로부터 배출되는 비교적 고온의 배출 가스를 통과시키는 제1 패스부재로 구성될 수도 있다. 이 경우 상기 제1 패스부재는 상기 버너의 배출부에 연결 설치될 수 있다.

그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 가열유닛이 상기 보조 연료 탱크의 외주면에 코일 형태로 감기면서 상기 개질기로부터 배출되는 비교적 고온의 배출 가스를 통과시키는 제2 패스부재로 구성될 수도 있다. 이 경우 상기 제2 패스부재는 일측 단부가 상기 개질기의 배출부에 연결 설치되며, 다른 일측 단부가 상기 전기 발생부에 연결 설치될 수 있다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 공기 공급부가 공기 펌프를 구비하는 것이 바람직하다.

그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 전기 발생부를 복수로 구비하여 이들 전기 발생부의 집합체 구조에 의한 스택을 형성할 수 있다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도면을 참고하면, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)은 수소를 함유한 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키고, 이 수소 가스와 산화제 가스를 반응시켜 전기 에너지를 발생시키는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrode Membrane Fuel Cell; PEMFC) 방식을 채용한다.

상기한 연료 전지 시스템(100)에 있어 전기를 발생시키기 위한 연료라 함은 수소를 함유하고 있는 메탄올, 에탄올 또는 메탄 가스, 프로판 가스 등과 같이 액상 또는 기체 상태로 이루어진 연료를 의미한다.

그리고 본 시스템(100)은 상기 연료에 함유된 수소와 반응하는 산화제 가스 로서 별도의 저장수단에 저장된 산소 가스를 사용할 수 있으며, 산소를 함유한 공기를 그대로 사용할 수도 있다. 그러나 이하에서는 후자의 예를 설명한다.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)은 기본적으로, 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 전기 발생부(11)와, 열 에너지에 의한 화학 촉매 반응을 통해 전술한 바 있는 액상의 연료로부터 수소 가스를 발생시키고 이 수소 가스를 상기 전기 발생부(11)로 공급하는 개질기(20)와, 공기와 함께 전술한 바 있는 기체 연료를 연소시켜 상기 열 에너지를 발생시키고 이 열 에너지를 상기 개질기(20)에 제공하는 버너(30)와, 상기 액상의 연료를 개질기(20)로 공급하는 연료 공급장치(50)와, 상기 전기 발생부(11)로 공기를 공급하는 공기 공급부(70)를 포함하여 구성된다.

도 2는 도 1에 도시한 스택 구조를 나타내 보인 분해 사시도로서, 이 스택을 구성하는 전기 발생부(11)는 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode Assembly: MEA)(12)를 중심에 두고 이의 양면에 세퍼레이터(당 업계에서는 '바이폴라 플레이트'라고도 한다.)(Separator)(16)를 배치하여 최소 단위의 연료 전지(fuel cell)를 형성한다.

따라서 본 발명에서는 위와 같은 최소 단위의 전기 발생부(11)를 복수로 구비하고, 이들을 연속 배치함으로써 전기 발생부(11)들의 집합체 구조에 의한 스택(10)을 형성할 수 있다.

여기서 상기 막-전극 어셈블리(12)는 수소와 산소의 전기 화학 반응을 일으키는 소정 면적의 활성 영역을 가지면서 일면에 애노드 전극, 다른 일면에 캐소드 전극을 구비하고, 두 전극 사이에 전해질막을 구비하는 구조로 이루어져 있다. 상기 애노드 전극은 수소를 산화 반응시켜 수소 이온(프로톤)과 전자로 변환시키는 기능을 하게 된다. 캐소드 전극은 상기 수소 이온과 산소를 환원 반응시켜, 소정 온도의 열과 수분을 발생시키는 기능을 하게 된다. 전해질막은 애노드 전극에서 생성된 수소 이온을 캐소드 전극으로 이동시키는 이온 교환의 기능을 하게 된다. 그리고 세퍼레이터(16)는 막-전극 어셈블리(12)의 양측에 수소와 산소를 공급하는 기능 이 외에, 상기 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체의 기능도 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.

도 3은 도 1에 도시한 개질기의 구조를 개략적으로 도시한 단면 구성도로서, 본 발명에 적용되는 개질기(20)는 열 에너지에 의한 촉매 반응 예컨대, 수증기 개질, 부분 산화 또는 자열 반응 등의 촉매 반응을 통해 상기한 액상의 연료로부터 수소 가스를 발생시키고, 이 수소 가스를 스택(10)의 전기 발생부(11)로 공급하는 통상적인 개질기 구조로 이루어진다.

이러한 개질기(20)는 위의 개질 반응을 촉진시키기 위한 통상적인 개질 촉매(23) 예컨대, 펠릿(pellet) 또는 허니콤(honey comb) 형태의 촉매를 충전 형성하고 있는 원통형의 반응기 본체(21)를 구비할 수 있다.

그리고 상기 반응기 본체(21)에는 뒤에서 더욱 설명하는 연료 공급장치(50)에 의하여 상기한 액상의 연료를 이 반응기 본체(21) 내부로 주입시키기 위한 제1 주입부(21a)와, 이 반응기 본체(21)의 내부에서 개질 촉매(23)에 의한 상기 연료의 개질 반응을 통해 발생되는 비교적 고온의 수소 가스를 배출시키기 위한 제1 배출부(21b)를 형성하고 있다. 이 때 상기 제1 주입부(21a)는 뒤에서 더욱 설명하는 연료 공급장치(50)와 실질적으로 연결 설치되며, 상기 제1 배출부(21b)는 파이프 라인을 통해 스택(10)의 전기 발생부(11)와 연결 설치될 수 있다.

대안으로서 상기한 개질기(20)는 언급한 바와 같은 원통형의 반응기 본체(21)를 구비하는 것에 한정되지 않고, 반응 기판 상에 채널을 형성하고 이 채널의 내표면에 개질 촉매층을 형성하는 통상적인 플레이트 타입의 반응기 본체를 구비할 수도 있다.

도 4는 도 1에 도시한 버너의 구조를 개략적으로 도시한 단면 구성도로서, 상기한 개질기(20)에 열 에너지를 제공하기 위한 버너(30)는 공기와 함께 메탄 가스 또는 프로판 가스 등과 같은 기체 상태의 연료를 연소시켜 기설정된 온도 범위의 열 에너지를 발생시키는 구조로 이루어진다. 이 버너(30)는 개질기(20)와 연결 설치되어 촉매에 의한 상기 기체 연료와 공기의 산화 반응을 통해 이 기체 연료와 공기를 연소시키는 방식으로 구성된다. 이러한 버너(30)는 통상적인 산화 촉매(33) 예컨대, 펠릿(pellet) 또는 허니콤(honey comb) 형태의 촉매를 충전 형성하고 있는 원통형의 버너 본체(31)를 구비할 수 있다.

그리고 상기 버너 본체(31)에는 별도로 구비된 연료 공급장치(도시하지 않음)를 통해 공급되는 기체 연료와 공기를 이 버너 본체(31)의 내부로 주입시키기 위한 제2 주입부(31a)와, 이 버너 본체(31)의 내부에서 산화 촉매(33)에 의한 기체 연료와 공기의 산화 반응을 통해 발생되는 비교적 고온의 연소 가스를 배출시키기 위한 제2 배출부(31b)를 형성하고 있다. 이 때 상기 제2 주입부(31a)는 언급한 바와 같이 기체 연료와 공기를 공급하는 별도의 연료 공급장치(도시하지 않음)와 실질적으로 연결 설치되며, 상기 제2 배출부(31b)는 뒤에서 더욱 설명하는 제1 패스부재(59)와 연결 설치될 수 있다.

대안으로서 상기한 버너(30)는 언급한 바와 같은 원통형의 버너 본체(31)를 구비하는 것에 한정되지 않고, 반응 기판 상에 채널을 형성하고 이 채널의 내표면에 개질 촉매층을 형성하는 통상적인 플레이트 타입의 버너 본체를 구비할 수도 있다. 그리고 상기한 버너(30)는 위와 같은 촉매에 의한 산화 방식의 구조로 이루어지는 것에 한정되지 않고, 별도의 점화 장치를 채용하여 공기와 함께 전술한 바 있는 기체 연료를 착화 연소시켜 열 에너지를 발생시키는 통상적인 구조의 버너를 구비할 수도 있다.

본 실시예에서, 상기 공기 공급부(70)는 공기를 흡입하여 이 공기를 스택(10)의 전기 발생부(11)로 공급할 수 있는 공기 펌프(71)를 포함한다. 이 때 상기 공기 펌프(71)는 파이프 라인을 통해 스택(10)과 연결 설치될 수 있다.

대안으로서, 상기한 공기 공급부(70)는 펌프를 구비하는 것에 한정되지 않고, 통상적인 팬 또는 블로워 등을 구비할 수도 있다.

이하에서는, 상기와 같이 구성되는 연료 전지 시스템(100)에 있어 본 발명에 따른 연료 공급장치(50)의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도면을 참고하면, 본 실시예에 의한 연료 공급장치(50)는 액상의 연료를 저장하는 메인 연료 탱크(51)와, 메인 연료 탱크(51)와 개질기(20)에 연결 설치되어 메인 연료 탱크(51)로부터 기설정된 양의 상기 연료를 공급받아 저장하는 적어도 하나의 보조 연료 탱크(52)와, 보조 연료 탱크(52)에 접촉 설치되어 이 보조 연료 탱크(52)에 저장된 연료를 가열시키는 가열유닛(55)을 포함하여 구성된다.

이 메인 연료 탱크(51)는 소정 용적의 저장 공간을 형성하고, 이 저장 공간에 액상의 연료를 저장할 수 있는 구조로 이루어진다. 상기 메인 연료 탱크(51)에는 상기 저장 공간으로 액상의 연료를 주입시키기 위한 단일의 주입구(51a)와, 상기 저장 공간에 저장된 연료를 배출시키기 위한 제1,2 배출구(51b, 51c)를 형성하고 있다. 이 때 상기 각각의 배출구(51b, 51c)는 뒤에서 더욱 설명하는 보조 연료 탱크(52)와 각각 연결될 수 있다.

상기한 보조 연료 탱크(52)는 메인 연료 탱크(51)에 저장된 연료를 기설정된 양 만큼 저장할 수 있는 저장 공간을 형성한다. 이러한 보조 연료 탱크(52)는 메인 연료 탱크(51)의 제1 배출구(51b)에 연결 설치되는 제1 탱크(53)와, 제2 배출구(51c)에 연결 설치되는 제2 탱크(54)를 구비한다.

이와 같은 제1,2 탱크(53, 54)는 메인 연료 탱크(51) 보다 상대적으로 작은 용적의 저장 공간을 형성하고 있다. 상기 제1 탱크(53)에는 액상의 연료를 상기 저장 공간으로 주입시키기 위한 제1 주입구(53a)와, 상기 저장 공간에 저장된 연료를 배출시키기 위한 제1 배출구(53b)를 형성하고 있다. 그리고 상기 제2 탱크(54)에는 액상의 연료를 상기 저장 공간으로 주입시키기 위한 제2 주입구(54a)와, 상기 저장 공간에 저장된 연료를 배출시키기 위한 제2 배출구(54b)를 형성하고 있다. 이 때 상기 메인 연료 탱크(51)의 제1 배출구(51b)와 제1 탱크(53)의 제1 주입구(53a)는 제1 파이프 라인(56a)을 통해 연결될 수 있다. 상기 메인 연료 탱크(51)의 제2 배출구(51c)와 제2 탱크(54)의 제2 주입구(54a)는 제2 파이프 라인(56b)을 통해 연결될 수 있다. 상기 제1 탱크(53)의 제1 배출구(53b)와 개질기(20)의 제1 주입부(21a)는 제3 파이프 라인(56c)을 통해 연결될 수 있다. 그리고 상기 제2 탱크(54)의 제2 배출구(54b)와 개질기(20)의 제1 주입부(21a)는 제4 파이프 라인(56d)을 통해 연결될 수 있다. 여기서 상기 제3 파이프 라인(56c)과 제4 파이프 라인(56d)은 합류관 형태로 이루어져 개질기(20)의 제1 주입부(21a)에 연결되는 것이 바람직하다.

이에 더하여 상기 제1 파이프 라인(56a) 상에는 메인 연료 탱크(51)의 제1 배출구(51b)를 실질적으로 개폐시키기 위한 제1 개폐밸브(57a)를 설치하고 있다. 상기 제2 파이프 라인(56b) 상에는 메인 연료 탱크(51)의 제2 배출구(51c)를 실질적으로 개폐시키기 위한 제2 개폐밸브(57b)를 설치하고 있다. 상기 제3 파이프 라인(56c) 상에는 제1 탱크(53)의 제1 배출구(53b)를 실질적으로 개폐시키기 위한 제3 개폐밸브(57c)를 설치하고 있다. 그리고 상기 제4 파이프 라인(56d) 상에는 제2 탱크(54)의 제2 배출구(54b)를 실질적으로 개폐시키기 위한 제4 개폐밸브(57d)를 설치하고 있다(도 1 참조).

여기서 상기 각각의 개폐밸브(57a, 57b, 57c, 57d)는 제1,2 탱크(53, 54) 내 부에 작용하는 압력에 따라 각각의 파이프 라인(56a, 56b, 56c, 56d)을 선택적으로 개폐시키는 통상적인 구조의 체크 밸브를 구비한다.

부연 설명하면, 제1 탱크(53)의 내부에 기설정된 압력치를 초과하는 압력이 작용하게 되면, 상기 제1 개폐밸브(57a)는 제1 파이프 라인(56a)을 폐쇄시키고, 상기 제3 개폐밸브(57c)는 제3 파이프 라인(56c)을 개방시킨다. 반대로 제1 탱크(53)의 내부에 기설정된 압력치를 초과하지 않는 압력이 작용하게 되면, 상기 제1 개폐밸브(57a)는 제1 파이프 라인(56a)을 개방시키고, 상기 제3 개폐밸브(57c)는 제3 파이프 라인(56c)을 폐쇄시킨다.

그리고 제2 탱크(54)의 내부에 기설정된 압력치를 초과하는 압력이 작용하게 되면, 상기 제2 개폐밸브(57b)는 제2 파이프 라인(56b)을 폐쇄시키고, 상기 제4 개폐밸브(57d)는 제4 파이프 라인(56d)을 개방시킨다. 반대로 제2 탱크(54)의 내부에 기설정된 압력치를 초과하지 않는 압력이 작용하게 되면, 상기 제2 개폐밸브(57b)는 제2 파이프 라인(56b)을 개방시키고, 상기 제4 개폐밸브(57d)는 제4 파이프 라인(56d)을 폐쇄시킨다.

본 실시예에 따르면, 제1,2 탱크(53, 54)에 저장된 연료를 가열시키는 가열유닛(55)은 상기한 연료의 부피를 팽창시킴으로써 그 연료를 개질기(20)로 공급하고, 제1,2 탱크(53, 54) 내부의 압력차를 발생시켜 메인 연료 탱크(51)에 저장된 연료를 제1,2 탱크(53, 54)로 공급하기 위한 것이다.

이러한 가열유닛(55)은 버너 본체(31)의 제2 배출부(31b)에 연결되며, 제1,2 탱크(53, 54)의 외주면에 접촉 설치되는 제1 패스부재(59)를 구비한다. 상기 제1 패스부재(59)는 버너 본체(31)의 제2 배출부(31b)를 통해 배출되는 비교적 고온의 연소 가스를 통과시키는 파이프 형태로 이루어지며, 제1,2 탱크(53, 54)의 외주면에 코일 형태로 감긴 구조를 갖는다. 이 때 제1 패스부재(59)의 일측 단부는 버너 본체(31)의 제1 배출부(31b)와 연결되고, 다른 일측 단부는 외부와 연통되게 된다. 이 때 상기 제1,2 탱크(53, 54)에 상응하는 제1 패스부재(59)의 일측 단부 쪽에는 통상적인 컨트롤유닛(도시하지 않음)에 의해 제어되어 제1 패스부재(59)를 선택적으로 개폐시키기 위한 제5,6 개폐밸브(57e, 57f)를 설치하고 있다(도 1 참조).

실질적으로, 상기 제1 패스부재(59)는 제5,6 개폐밸브(57e, 57f)에 의하여 제1,2 탱크(53, 54) 각각의 외주면으로 연소 가스를 통과시키는 바, 이해의 편의를 돕기 위해 이하 설명에서는 제1 탱크(53)의 외주면으로 연소 가스를 통과시키는 제1 패스부재(59)를 제1 패스(59a)라 칭하고, 제2 탱크(54)의 외주면으로 연소 가스를 통과시키는 제1 패스부재(59)를 제2 패스(59b)라 칭한다.

따라서, 상기한 연소 가스는 제1 패스(59a)를 통과하면서 제1 탱크(53)에 저장된 연료를 가열시키고, 제2 패스(59b)를 통과하면서 제2 탱크(54)에 저장된 연료를 가열하게 된다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 동작을 상세히 설명하면 다음과 같다.

우선, 메인 연료 탱크(51)의 저장 공간에는 액상의 연료가 충만하게 저장되어 있으며, 제1,2 개폐밸브(57a, 57b)는 제1,2 파이프 라인(56a, 56b)을 개방시키고, 제3,4 개폐밸브(57c, 57d)는 제3,4 파이프 라인(56c, 56d)를 폐쇄시킨 상태에 있다. 이에 메인 연료 탱크(51)에 저장된 연료는 제1,2 파이프 라인(56a, 56b)을 통해 제1,2 탱크(53, 54)의 저장 공간으로 공급되어 상기 저장 공간에 기설정된 양 만큼 저장된 상태에 있다.

이러는 과정을 거치는 동안, 버너(30)는 별도의 연료 공급장치(도시하지 않음)을 통해 기체 연료와 공기를 공급받아 산화 촉매(33)에 의한 산화 반응을 통해 이 기체 연료와 공기를 연소시킴으로써, 기설정된 온도 범위의 열 에너지를 발생시키고, 이 열 에너지를 개질기(20)에 제공하게 된다. 이 때 제5 개폐밸브(57e)는 컨트롤유닛에 의해 제어되어 제1 패스(59a)를 개방시킨 상태에 있고, 제6 개폐밸브(57f)는 컨트롤유닛에 의해 제어되어 제2 패스(59b)를 폐쇄시킨 상태에 있다.

이 경우, 상기 버너 본체(31)는 제2 배출부(31b)를 통해 비교적 높은 온도의 연소 가스를 배출시키는 바, 상기한 연소 가스는 제1 패스(59a)를 통과하면서 제1 탱크(53)에 저장된 연료를 가열시킨다.

따라서 제1 탱크(53)에 저장된 연료가 연소 가스의 열을 전달받아 가열되는 동안, 제1 탱크(53) 내부에는 이 연료의 부피 팽창으로 인해 기설정된 압력치를 초과하는 압력 분위기가 조성된다.

이로써 제1 개폐밸브(57a)가 제1 파이프 라인(56a)을 폐쇄시키고 제3 개폐밸브(57c)가 제3 파이프 라인(56c)을 개방시킴으로써, 상기 가열된 연료는 제3 파이프 라인(56c)를 통해 개질기(20)의 반응기 본체(21) 내부로 주입되게 된다.

한편, 제1 탱크(53)에 저장된 연료가 반응기 본체(21)로 모두 공급되고 나면, 제1 탱크(53)의 내부 공간에는 진공 분위기가 조성된다. 이에, 제1 개폐밸브 (57a)는 제1 파이프 라인(56a)을 개방시키고, 제3 개폐밸브(57c)는 제3 파이프 라인(56c)을 폐쇄시킨다. 그러면, 메인 연료 탱크(51)와 제1 탱크(53) 내부의 압력 차이에 의하여 상기 메인 연료 탱크(51)에 저장된 연료는 제1 파이프 라인(56a)을 통해 제1 탱크(53) 내부로 공급되게 된다. 이 때 제5 개폐밸브(57e)는 컨트롤유닛에 의해 제어되어 제1 패스(59a)를 폐쇄시킨 상태에 있다.

이러한 상태에서, 컨트롤유닛을 통해 제6 개폐밸브(57f)를 조작하여 제2 패스(59b)를 개방시킨다. 그러면 버너 본체(31)의 제2 배출부(31b)를 통해 배출되는 연소 가스는 제2 패스(59b)를 통과하면서 제2 탱크(54)에 저장된 연료를 가열시킨다.

따라서 제2 탱크(54)에 저장된 연료가 연소 가스의 열을 전달받아 가열되는 동안, 제2 탱크(54) 내부에는 이 연료의 부피 팽창으로 인해 기설정된 압력치를 초과하는 압력 분위기가 조성된다.

이로써 제2 개폐밸브(57b)가 제2 파이프 라인(56b)을 폐쇄시키고 제4 개폐밸브(57d)가 제4 파이프 라인(56d)을 개방시킴으로써, 상기 가열된 연료는 제4 파이프 라인(56d)를 통해 개질기(20)의 반응기 본체(21) 내부로 주입되게 된다.

마찬가지로, 제2 탱크(54)에 저장된 연료가 반응기 본체(21)로 모두 공급되고 나면, 제2 탱크(54)의 내부 공간에는 진공 분위기가 조성된다. 이에, 제2 개폐밸브(57b)는 제2 파이프 라인(56b)을 개방시키고, 제4 개폐밸브(57d)는 제4 파이프 라인(56d)을 폐쇄시킨다. 그러면, 메인 연료 탱크(51)와 제2 탱크(54) 내부의 압력 차이에 의하여 상기 메인 연료 탱크(51)에 저장된 연료는 제2 파이프 라인(56b)을 통해 제2 탱크(54) 내부로 공급되게 된다. 이 때 제6 개폐밸브(57f)는 컨트롤유닛에 의해 제어되어 제2 패스(59b)를 폐쇄시킨 상태에 있다.

이러한 상태에서, 컨트롤유닛을 통해 제5 개폐밸브(57e)를 조작하여 제1 패스(59a)를 다시 개방시킨다. 그러면 버너 본체(31)의 제2 배출부(31b)를 통해 배출되는 연소 가스는 제1 패스(59a)를 통과하면서 제1 탱크(53)에 저장된 연료를 가열시킨다. 이 후의 동작은 언급한 바와 같은 동작을 계속적으로 반복하게 되므로 자세한 설명은 생략한다.

이와 같은 일련의 반복 과정을 통해 메인 연료 탱크(51)에 저장된 연료는 버너 본체(31)로부터 배출되는 연소 가스의 열 에너지를 제공받아 소정 온도로 예열된 상태에서 개질기(20)의 반응기 본체(21) 내부로 공급되게 된다.

이에 따라 상기 개질기(20)는 버너(30)로부터 제공되는 열 에너지를 흡열하여, 개질 촉매(33)에 의한 개질 반응을 통해 상기한 연료로부터 수소 가스를 발생시키고, 이 수소 가스를 스택(10)의 전기 발생부(11)로 공급한다.

이와 동시에, 컨트롤유닛을 통해 공기 펌프(71)를 가동시켜 공기를 스택(10)의 전기 발생부(11)로 공급한다.

그러면, 상기 수소 가스는 전기 발생부(11)의 세퍼레이터(16)를 통하여 막-전극 어셈블리(12)의 애노드 전극으로 공급된다. 그리고 상기 공기는 전기 발생부(11)의 세퍼레이터(16)를 통하여 막-전극 어셈블리(12)의 캐소드 전극으로 공급된다.

따라서 상기 애노드 전극에서는 수소의 산화 반응을 통해 상기 수소를 전자 와 프로톤(수소이온)으로 분해한다. 그러면, 상기 프로톤은 막-전극 어셈블리(12)의 전해질막을 통하여 캐소드 전극으로 이동되고, 전자는 전해질막을 통하여 이동되지 못하고 세퍼레이터(16) 또는 별도의 단자부(도시하지 않음)를 통해 이웃하는 막-전극 어셈블리(12)의 캐소드 전극으로 이동하게 되는 바, 이 때 전자의 흐름으로 전류를 발생시킨다. 그리고 상기 캐소드 전극에서는 전해질막을 통하여 캐소드 전극으로 이동된 수소 이온과 공기 중에 함유된 산소의 환원 반응을 통해 소정 온도의 열과 수분을 발생시킨다.

이로써 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)은 설정된 출력량의 전기 에너지를 소정 로드 예컨대, 노트북, PDA와 같은 휴대용 전자기기 또는 이동통신 단말기기에 제공할 수 있게 된다.

도면을 참고하면, 본 실시예에 의한 연료 전지 시스템(200)은, 개질기(120)로부터 배출되는 비교적 고온의 수소 가스를 이용하여 보조 연료 탱크(152)에 저장된 연료를 가열시킴으로써, 메인 연료 탱크(151)에 저장된 연료를 개질기(120)로 공급할 수 있는 연료 공급장치(150)를 구성한다.

이러한 연료 공급장치(150)는 상기 수소 가스를 통과시키는 제2 패스부재(159)를 보조 연료 탱크(152)의 외주면에 접촉되도록 설치하여 이루어지는 가열유닛(155)을 구비한다.

본 실시예에서, 상기 제2 패스부재(159)는 파이프 형태로 이루어지며, 보조 연료 탱크(152)의 외주면에 코일 형태로 감긴 구조로 이루어진다. 이 때 제2 패스부재(159)는 일측 단부가 개질기(120)의 수소 가스 배출부(도시하지 않음)에 연결 설치되며, 다른 일측 단부가 스택(110)에 연결 설치된다.

따라서 본 실시예에 의한 연료 전지 시스템(200)은 시스템의 구동 중 개질기(120)로부터 배출되는 고온의 수소 가스를 제2 패스부재(159)로 통과시켜 보조 연료 탱크(152)에 저장된 연료를 가열함으로써, 전기 실시예에서와 같은 동작에 의해 메인 연료 탱크(151)에 저장된 연료를 소정 온도로 예열시킨 상태에서 개질기(120)로 공급할 수 있게 된다.

도면을 참고하면, 본 실시예에 의한 연료 전지 시스템(300)은, 보조 연료 탱크(252)의 외주면에 코일 형태로 감긴 열선(259)을 이용하여 상기 보조 연료 탱크(252)에 저장된 연료를 가열시킬 수 있는 연료 공급장치(250)를 구성한다.

상기한 열선(259)은 컨트롤유닛에 의해 소정 전원을 인가받아 전기 저항으로 인한 열 에너지를 발생시키는 공지 기술의 열선을 구비한다.

따라서 본 실시예에 의한 연료 전지 시스템(300)은 상기한 열선(259)을 통해 보조 연료 탱크(252)에 저장된 연료를 가열함으로써, 전기 실시예에서와 같은 동작에 의해 메인 연료 탱크(251)에 저장된 연료를 소정 온도로 예열시킨 상태에서 개질기(220)로 공급할 수 있게 된다.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

상술한 바와 같은 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 의하면, 종래와 달리 개질기로 연료를 공급하기 위한 연료 펌프를 필요로 하지 않으므로, 전체 시스템의 구동에 소모되는 기생전력을 줄여 시스템의 성능 효율을 향상시킴은 물론, 전체 시스템의 크기를 컴팩트 하게 구현할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 의하면, 버너 또는 개질기로부터 발생되는 열원을 이용하여 개질기로 공급되는 연료를 예열할 수 있으므로, 연료의 예열에 필요한 열 부하를 줄여 에너지의 손실을 막고, 전체 시스템의 효율 및 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.

Claims

버너로부터 열 에너지를 제공받아 개질 촉매 반응을 통해 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질기용 연료 공급장치에 있어서,

상기 연료를 저장하는 메인 연료 탱크;

상기 메인 연료 탱크와 상기 개질기에 연결 설치되어 기설정된 양의 상기 연료를 저장하는 적어도 하나의 보조 연료 탱크; 및

상기 보조 연료 탱크에 접촉 설치되어 이 보조 연료 탱크에 저장된 연료를 가열시키는 가열유닛

을 포함하는 개질기용 연료 공급장치.
제 1 항에 있어서,

상기 메인 연료 탱크가 상기 보조 연료 탱크 보다 큰 용적을 갖도록 구비되는 개질기용 연료 공급장치.
제 2 항에 있어서,

상기 보조 연료 탱크에 저장된 상기 연료가 상기 가열유닛을 통해 가열되면서 상기 개질기로 공급되는 구조의 개질기용 연료 공급장치.
제 3 항에 있어서,

상기 메인 연료 탱크와 상기 보조 연료 탱크 내부의 압력차에 의하여 상기 메인 연료 탱크에 저장된 연료가 상기 보조 연료 탱크로 공급되는 구조로 이루어진 개질기용 연료 공급장치.
제 1 항 내지 제 4 항 중에서 선택된 어느 한 항에 있어서,

상기 보조 연료 탱크가 상기 메인 연료 탱크에 각각 연결 설치되는 제1,2 탱크로 구성되는 개질기용 연료 공급장치.
제 1 항에 있어서,

상기 가열유닛이 상기 보조 연료 탱크의 외주면에 코일 형태로 감긴 열선으로 구성되는 개질기용 연료 공급장치.
제 1 항에 있어서,

상기 가열유닛이 상기 보조 연료 탱크의 외주면에 코일 형태로 감기면서 상기 버너로부터 배출되는 고온의 배출 가스를 통과시키는 제1 패스부재로 구성되는 개질기용 연료 공급장치.
제 1 항에 있어서,

상기 가열유닛이 상기 보조 연료 탱크의 외주면에 코일 형태로 감기면서 상기 개질기로부터 배출되는 고온의 배출 가스를 통과시키는 제2 패스부재로 구성되는 개질기용 연료 공급장치.
수소와 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 전기 발생부;

열 에너지에 의한 개질 촉매 반응을 통해 연료로부터 수소 가스를 발생시키고, 이 수소 가스를 상기 전기 발생부로 공급하는 개질기;

공기와 함께 연료를 연소시켜 상기 열 에너지를 발생시키고, 이 열 에너지를 상기 개질기에 제공하는 버너;

상기 연료를 상기 개질기로 공급하는 연료 공급장치; 및

상기 전기 발생부로 공기를 공급하는 공기 공급부

를 포함하며,

상기 연료 공급장치가, 상기 연료를 저장하는 메인 연료 탱크와, 상기 메인 연료 탱크와 상기 개질기에 연결 설치되어 기설정된 양의 상기 연료를 저장하는 적어도 하나의 보조 연료 탱크와, 상기 보조 연료 탱크에 접촉 설치되어 이 보조 연료 탱크에 저장된 연료를 가열시키는 가열유닛을 포함하는 연료 전지 시스템.
제 9 항에 있어서,

상기 메인 연료 탱크가 액상으로 이루어진 연료를 저장하는 구조로 이루어진 연료 전지 시스템.
제 9 항에 있어서,

상기 버너는 기체 연료와 공기의 산화 반응을 통해 상기 열 에너지를 발생시키는 구조로 이루어진 연료 전지 시스템.
제 9 항에 있어서,

상기 메인 연료 탱크가 상기 보조 연료 탱크 보다 큰 용적을 갖도록 구비되는 연료 전지 시스템.
제 12 항에 있어서,

상기 보조 연료 탱크가 상기 메인 연료 탱크에 각각 연결 설치되는 제1,2 탱크로 구성되는 연료 전지 시스템.
제 13 항에 있어서,

상기 메인 연료 탱크와 상기 제1 탱크가 제1 파이프 라인에 의해 연결 설치되며, 상기 제1 파이프 라인 상에 제1 개폐밸브를 설치하는 연료 전지 시스템.
제 14 항에 있어서,

상기 메인 연료 탱크와 상기 제2 탱크가 제2 파이프 라인에 의해 연결 설치되며, 상기 제2 파이프 라인 상에 제2 개폐밸브를 설치하는 연료 전지 시스템.
제 13 항에 있어서,

상기 제1 탱크와 상기 개질기가 제3 파이프 라인에 의해 연결 설치되며, 상기 제3 파이프 라인 상에 제3 개폐밸브를 설치하는 연료 전지 시스템.
제 16 항에 있어서,

상기 제2 탱크와 상기 개질기가 제4 파이프 라인에 의해 연결 설치되며, 상기 제4 파이프 라인 상에 제4 개폐밸브를 설치하는 연료 전지 시스템.
제 9 항 또는 제 13 항에 있어서,

상기 가열유닛이 상기 보조 연료 탱크의 외주면에 코일 형태로 감긴 열선으로 구성되는 연료 전지 시스템.
제 9 항 또는 제 13 항에 있어서,

상기 가열유닛이 상기 보조 연료 탱크의 외주면에 코일 형태로 감기면서 상기 버너로부터 배출되는 고온의 배출 가스를 통과시키는 제1 패스부재로 구성되는 연료 전지 시스템.
제 19 항에 있어서,

상기 제1 패스부재가 상기 버너의 배출부에 연결 설치되는 구조로 이루어진 연료 전지 시스템.
제 9 항 또는 제 13 항에 있어서,

상기 가열유닛이 상기 보조 연료 탱크의 외주면에 코일 형태로 감기면서 상기 개질기로부터 배출되는 고온의 배출 가스를 통과시키는 제2 패스부재로 구성되는 연료 전지 시스템.
제 21 항에 있어서,

상기 제2 패스부재는 일측 단부가 상기 개질기의 배출부에 연결 설치되며, 다른 일측 단부가 상기 전기 발생부에 연결 설치되는 연료 전지 시스템.
제 9 항에 있어서,

상기 공기 공급부가 공기 펌프인 연료 전지 시스템.
제 9 항에 있어서,

상기 전기 발생부를 복수로 구비하여 이들 전기 발생부의 집합체 구조에 의한 스택을 형성하는 연료 전지 시스템.