KR101126210B1 - 일산화탄소 정화기의 냉각장치 및 연료 전지 시스템 - Google Patents

일산화탄소 정화기의 냉각장치 및 연료 전지 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 수소와 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 전기 발생부와, 열 에너지에 의한 개질 반응을 통해 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질기와, 상기 수소 가스에 함유되어 있는 일산화탄소와 산소의 선택적 산화 반응을 통해 상기 일산화탄소의 농도를 저감시키는 일산화탄소 정화기와, 상기 개질기로 연료를 공급하는 연료 공급원과, 상기 일산화탄소 정화기 및 상기 전기 발생부로 공기를 공급하는 공기 공급원과, 상기 일산화탄소 정화기에 냉각매체를 선택적으로 제공하여 상기 일산화탄소 정화기에서 발생하는 열을 기설정된 온도 범위로 냉각시키는 냉각장치를 포함한다.
연료전지, 스택, 개질기, 버너, 일산화탄소정화기, 반응기본체, 냉각장치, 방열부재, 냉매공급원

Description

일산화탄소 정화기의 냉각장치 및 연료 전지 시스템 {COOLING APPARATUS FOR CARBON MONOXIDE REMOVER AND FUEL CELL SYSTEM}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시한 스택 구조를 나타내 보인 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 일산화탄소 정화기 구조를 개략적으로 도시한 단면 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 일산화탄소 정화기의 냉각장치 부위를 개략적으로 도시한 단면 구성도이다.
도 5는 도 4에 도시한 방열부재 부위를 구체적으로 나타내 보인 사시도이다.
본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 개질기로부터 발생되는 수소 가스 중에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 일산화탄소 정화기의 냉각장치에 관한 것이다.
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.
상기 연료 전지는 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 갖는다.
이와 같은 연료 전지는 기본적으로 시스템을 구성하기 위해 스택(stack), 연료 처리장치, 연료 탱크, 및 연료 펌프 등을 구비한다. 이 중에서 상기 연료 처리장치는 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키는 개질기와, 상기 수소 가스에 함유되어 있는 일산화탄소와 산소 또는 공기(이하에서는 '공기'라고 한다.)의 산화 반응을 통해 상기 일산화탄소의 농도를 저감시키는 일산화탄소 정화기 예컨대, 통상적으로 널리 알려진 PROX(Preferential CO Oxidation) 반응기로 구성된다.
그런데, 이와 같은 종래의 연료 전지 시스템에 있어 일산화탄소 정화기는 수소 가스에 함유되어 있는 일산화탄소와 산소의 산화 반응(발열 반응)시 열을 발생시키는 바, 상기한 열이 예를 들어 200℃를 초과하는 경우, 그 열에 의해 수소가 소비되어 버리는 메탄화 반응이 일어나 전체 반응기의 성능 효율이 저하되며, 결과적으로는 시스템 전체의 성능을 저하시키는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 감안한 것으로서, 그 목적은 일산화탄소 정화기로부터 배출되는 수소 가스의 온도 범위를 감지하여 이 수소 가스의 온도 범위에 따라 일산화탄소 정화기로 냉각매체를 공급할 수 있는 일산화탄소 정화기용 냉각장 치 및 이를 채용한 연료 전지 시스템을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 일산화탄소 정화기의 냉각장치는, 반응기 본체의 내부에 산화 촉매를 충전 형성하여 수소 가스에 함유되어 있는 일산화탄소와 산소의 선택적 산화 반응을 통해 상기 일산화탄소의 농도를 저감시키는 일산화탄소 정화기에 적용되는 것으로서, 상기 반응기 본체의 외주면에 설치되는 다수의 방열부재와, 상기 반응기 본체에 냉각매체를 제공하여 상기 산화 반응에 의해 발생되는 열을 냉각시키는 냉매 공급원을 포함한다.
본 발명에 따른 일산화탄소 정화기의 냉각장치는, 상기 방열부재가 상기 반응기 본체의 외주면에 일체로 돌출되는 방열핀으로서 형성될 수 있다.
또한 본 발명에 따른 일산화탄소 정화기의 냉각장치에 있어서, 상기 냉매 공급원은 상기 반응기 본체에 연결 설치되어 상기 반응기 본체로 냉각 공기를 분출시키는 팬을 포함할 수 있다.
그리고 본 발명에 따른 일산화탄소 정화기의 냉각장치는, 상기 반응기 본체의 배출부 측에 설치되어 이 배출부를 통해 배출되는 수소 가스의 온도를 감지하는 써머커플을 포함할 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 반응을 통해 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질기와, 상기 수소 가스에 함유되어 있는 일산화탄소와 산소의 선택적 산화 반응을 통해 상기 일 산화탄소의 농도를 저감시키는 일산화탄소 정화기와, 상기 개질기로 연료를 공급하는 연료 공급원과, 상기 일산화탄소 정화기 및 상기 전기 발생부로 공기를 공급하는 공기 공급원과, 상기 일산화탄소 정화기에 냉각매체를 선택적으로 제공하여 상기 일산화탄소 정화기에서 발생하는 열을 기설정된 온도 범위로 냉각시키는 냉각장치를 포함한다.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 일산화탄소 정화기는, 내부에 산화 촉매를 충전 형성하여 이루어지는 관로 형태의 반응기 본체를 포함하며, 상기 반응기 본체의 일측 단부에 주입부를 형성하고, 상기 다른 일측 단부에 배출부를 형성할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 냉각장치는, 상기 반응기 본체의 외주면에 설치되는 다수의 방열부재와, 상기 반응기 본체에 냉각매체를 제공하는 냉매 공급원을 포함할 수 있다.
그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 방열부재는 상기 반응기 본체의 외주면에 일체로 돌출 형성되며, 이 반응기 본체의 중심 방향을 기준으로 하여 방사상으로 배치되는 방열핀을 구비할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 냉매 공급원은 상기 반응기 본체를 감싸는 하우징에 설치되어 상기 반응기 본체로 냉각 공기를 분출시키는 팬을 포함할 수 있다.
그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 냉각장치는 상기 반응기 본체의 배출부 측에 설치되어 이 배출부를 통해 배출되는 배출 가스의 온도 를 감지하는 써머커플을 포함할 수도 있다. 이 경우 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 써머커플에 의해 측정되는 배출 가스의 온도 범위에 따라 상기 냉매 공급원을 제어하는 컨트롤유닛을 포함할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 연료 공급원은, 상기 연료를 저장하는 연료 탱크와, 상기 연료 탱크에 연결 설치되어 이 연료 탱크에 저장된 상기 연료를 배출시키는 연료 펌프를 포함할 수 있다.
그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 공기 공급원으로 공기 펌프를 사용하는 것이 바람직하다.
또한 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.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
이 도면을 참조하여 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)을 설명하면, 이 연료 전지 시스템(100)은, 탄화수소를 함유한 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키고, 이 수소 가스와 산화제 가스를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrode Membrane Fuel Cell; PEMFC) 방식을 채용한다.
이러한 연료 전지 시스템(100)에 있어 연료라 함은 메탄올, 에탄올 또는 천연 가스 등과 같이 수소를 함유한 액상 또는 기체 상태로 이루어진 연료를 모두 포함한다. 그러나 이하에서 설명하는 연료는 상기한 액상의 연료를 의미한다.
그리고 본 시스템(100)은 수소 가스와 반응하는 산화제 가스로서 별도의 저장수단에 저장된 산소 가스를 사용할 수 있으며, 산소를 함유하고 있는 공기를 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 개질 촉매 반응을 통해 전술한 바 있는 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질기(20)와, 상기 열 에너지를 발생시키고 이 열원을 개질기(20)에 제공하는 버너(30)와, 상기 수소 가스에 함유되어 있는 일산화탄소와 공기의 선택적 산화 촉매 반응을 통해 상기 일산화탄소의 농도를 저감시키고 상기 수소 가스를 전기 발생부(11)로 공급하는 일산화탄소 정화기(40)와, 상기 연료를 개질기(20)로 공급하는 연료 공급원(60)과, 상기 개질기(20)와 전기 발생부(11)로 공기를 공급하는 공기 공급원(70)을 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 구비하여 이들 전기 발생부(11)의 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.
본 발명에 적용되는 개질기(20)는 열원에 의한 개질 촉매 반응 예컨대, 수증기 개질, 부분 산화 또는 자열 반응 등의 촉매 반응을 통해 상기한 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 통상적인 개질기의 구조로 이루어진다. 이 때 상기 개질기(20)는 위의 개질 촉매 반응을 촉진시키기 위한 통상적인 촉매를 충전 형성하고 있는 원통형의 반응기를 구비할 수 있으며, 반응 기판 상에 채널을 형성하고 이 채널의 내표면에 촉매층을 형성하는 플레이트 타입의 반응기를 구비할 수도 있다.
상기한 열원을 개질기(20)에 제공하는 버너(30)는 개질기(20)와 연결 설치되는 것으로, 공기와 함께 연료, 예컨대, 메탄올, 에탄올과 같은 액상의 연료 또는 메탄 가스, 프로판 가스와 같은 기체 상태의 연료를 산화 촉매에 의한 산화 반응을 통해 연소시켜 기설정된 온도 범위의 열 에너지를 발생시키는 통상적인 구조의 버너를 구비한다. 대안으로서, 상기 버너(30)는 위와 같은 구조로 이루어지는 것에 한정되지 않고, 별도의 점화 장치를 채용하여 공기와 함께 전술한 바 있는 연료를 착화 연소시켜 열원을 발생시키는 통상적인 구조의 버너를 구비할 수도 있다.
본 발명에 있어 상기 개질기(20)로부터 발생되는 수소 가스 중의 일산화탄소를 정화시키기 위한 일산화탄소 정화기(40)는 상기한 수소 가스에 함유되어 있는 일산화탄소와, 공기 중에 함유된 산소의 선택적 산화(Preferential CO Oxidation: PROX) 촉매 반응을 통해 소정의 열 에너지를 발생시키고, 상기 일산화탄소의 농도를 저감시키는 구조로 이루어진다. 이러한 일산화탄소 정화기(40)는 도 3을 참조하여 뒤에서 더욱 설명하기로 한다.
한편, 전술한 바 있는 개질기(20)로 연료를 공급하는 연료 공급원(60)은 연료를 저장하는 연료 탱크(61)와, 이 연료 탱크(61)에 연결 설치되어 상기 연료 탱크(61)에 저장된 연료를 배출시키는 연료 펌프(63)를 포함하고 있다. 이 때 상기 연료 탱크(61)는 파이프 라인을 통하여 개질기(20)와 연결 설치될 수 있다.
그리고 공기 공급원(70)은 소정 펌핑력으로 공기를 흡입하여 이 공기를 상기 스택(10)의 전기 발생부(11) 및 일산화탄소 정화기(40)로 각각 공급하는 공기 펌프(71)를 포함하고 있다. 본 실시예에서, 상기 공기 공급원(70)은 도면에서와 같이, 단일의 공기 펌프(71)를 통해 전기 발생부(11)와 일산화탄소 정화기(40)로 공기를 공급하는 구조로 되어 있으나, 이에 한정되지 않고 상기 전기 발생부(11) 및 일산화탄소 정화기(40)에 각각 연결 설치되는 한 쌍의 공기 펌프를 구비할 수도 있다.
이와 같이 구성되는 상기 연료 전지 시스템(100)은 통상적인 컨트롤유닛(90)에 의하여 시스템의 전반적인 구동 예컨대, 연료 공급원(60), 공기 공급원(70), 및 뒤에서 더욱 설명하는 일산화탄소 정화기용 냉각장치 등의 구동을 실질적으로 제어할 수 있다.
이하에서는, 언급한 바 있는 일산화탄소 정화기(40) 구조의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 더욱 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 일산화탄소 정화기 구조를 개략적으로 도시한 단면 구성도이다.
도면을 참고하면, 본 발명의 실시예에 따른 일산화탄소 정화기(40)는 개질기(20)로부터 발생되는 수소 가스에 함유되어 있는 일산화탄소와, 공기 펌프(71)에 의해 공급되는 공기의 선택적 산화 촉매 반응을 통해 상기 일산화탄소의 농도를 저감시키기 위한 것이다.
이러한 일산화탄소 정화기(40)는 소정 용적의 내부 공간을 갖는 원통형 관로 형태의 반응기 본체(41)와, 이 반응기 본체(41)의 내부 공간에 충전 형성되는 산화 촉매(45)를 구비한다.
반응기 본체(41)는 소정 단면적을 가지면서 실질적으로 양측 단부가 개방된된 파이프 형태로 이루어진다. 이러한 반응기 본체(41)는 외부에 노출되게 되므로, 단열성을 갖는 통상적인 금속 또는 비금속 단열 소재로 형성될 수 있다. 이 때, 상기 반응기 본체(41)의 일측 단부에는 개질기(20)로부터 발생되는 수소 가스와, 공기 펌프(71)에 의해 공급되는 공기를 이 반응기 본체(41)의 내부 공간으로 주입시키기 위한 주입부(41a)를 형성하고, 다른 일측 단부에는 산화 촉매(45)에 의한 수소 가스에 함유되어 있는 일산화탄소와 공기의 선택적 산화 반응을 통해 일산화탄소의 농도가 저감된 일산화탄소 저감 가스(이하에서는 편의상 '수소 가스'라고 한다.)를 배출시키기 위한 배출부(41b)를 형성하고 있다. 이 때 상기 주입부(41a)는 합류관 형태의 파이프 라인이 연결 설치되어 이 파이프 라인을 통해 개질기(20) 및 공기 펌프(71)와 연결되게 된다. 그리고 상기 배출부(41b)는 파이프 라인을 통하여 스택(10)의 전기 발생부(11)와 연결 설치된다.
그리고 상기한 산화 촉매(45)는 언급한 바 있는 수소 가스에 함유되어 있는 일산화탄소와 공기의 선택적 산화 반응을 촉진시키기 위한 것으로서, 알루미나(Al2O3), 실리카(SiO2) 또는 티타니아(TiO2)로 이루어진 펠릿(pellet) 형태의 담체에 백금(Pt), 루테늄(Ru) 등과 같은 촉매 물질을 담지하고 있는 구조로 이루어진다. 대안으로서, 상기 산화 촉매(45)는 위와 같이 펠릿 형태로 이루어지는 것에 한정되지 않고, 통상적인 하니콤(honey comb) 타입으로 형성될 수도 있다.
상기와 같이 구성되는 연료 전지 시스템(100)의 작용시, 일산화탄소 정화기(40)에서는 발열 반응으로서 수소 가스에 함유되어 있는 일산화탄소와 공기의 선택적 산화 반응이 일어나므로, 상기한 발열 반응에 의해 발생되는 열이 기설정된 온 도 범위 예컨대, 150～200℃를 초과하는 경우, 상기한 열에 의해 수소가 소비되어 버리는 메탄화 반응이 일어나게 된다.
이에 본 발명의 실시예에서는 일산화탄소 정화기(40)에 냉각매체를 제공하여 상기 일산화탄소 정화기(40)에서 발생하는 열을 기설정된 온도 범위로 냉각시키는 냉각장치(80)를 포함하고 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 일산화탄소 정화기의 냉각장치 부위를 개략적으로 도시한 단면 구성도이고, 도 5는 도 4에 도시한 방열부재 부위를 구체적으로 나타내 보인 사시도이다.
도면을 참고하면, 본 실시예에 의한 일산화탄소 정화기용 냉각장치(80)는 반응기 본체(41)의 외주면에 설치되는 다수의 방열부재(81)와, 이 반응기 본체(41)의 배출부(41b) 측에 설치되는 써머커플(83)과, 상기 반응기 본체(41)로 냉각매체를 공급하는 냉매 공급원(85)을 포함하여 구성될 수 있다.
이 방열부재(81)는 반응기 본체(41) 내부에서 산화 촉매(45)에 의한 수소 가스에 함유되어 있는 일산화탄소와 공기의 산화 반응을 통해 발생되는 열 에너지를 이 반응기 본체(41) 외부로 분산/방출시키기 위한 것이다.
도 5에 도시한 바와 같이, 상기 방열부재(81)는 반응기 본체(41)의 외주면에 일체로 돌출 형성되는 다수의 방열핀(82)을 구비한다. 상기 방열핀(82)은 반응기 본체(41) 내부에서 이 반응기 본체(41)로 전달된 열을 외부로 분산/방출시킬 수 있도록 반응기 본체(41)와 같이 열전도성을 갖는 금속 소재로 형성될 수 있다. 바람직하게, 상기 방열핀(82)들은 반응기 본체(41)의 내부 중심 방향을 기준으로 하여 이 반응기 본체(41)의 외주면에 방사상으로 배치된다.
본 실시예에서 상기 써머커플(83)은 당 업계에서 널리 사용되는 온도 감지수단으로서, 반응기 본체(41)의 배출부(41b)를 통해 배출되는 배출 가스 즉, 산화 촉매(45)에 의한 수소 가스에 함유되어 있는 일산화탄소와 공기의 선택적 산화 반응을 통해 일산화탄소의 농도가 저감된 수소 가스의 온도를 감지하는 기능을 하게 된다. 이 때 상기 써머커플(83)은 배출 가스를 배출시키는 배출부(41b)의 배출 경로 상에 설치될 수 있다.
여기서 상기 써머커플(83)은 언급한 바 있는 컨트롤유닛(90)과 전기 신호 체계로 연결되는 바, 이 써머커플(83)에 의해 감지된 감지 신호 즉, 상기 배출 가스의 온도 정보를 컨트롤유닛(90)에 제공한다. 그리고 컨트롤유닛(90)은 상기 온도 정보를 소정 제어 신호로 변환하고, 이 제어 신호를 판독하여 상기 배출 가스의 온도 범위에 따라 뒤에서 더욱 설명하는 냉매 공급원(85)의 가동을 제어하게 된다.
그리고 상기한 냉매 공급원(85)은 자연 상태에서 쉽게 취할 수 있고 일산화탄소 정화기(40)의 구동 중에 발생하는 열 에너지의 온도 범위 보다 낮은 온도를 유지하는 공기를 반응기 본체(41)로 공급하여 이 반응기 본체(41)의 방열핀(82)을 통해 분산/방출되는 열을 냉각시키는 기능을 하게 된다. 이러한 냉매 공급원(85)은 소정의 회전력으로 공기를 흡입하여 이 공기를 반응기 본체(41)로 분출시키는 팬(86)을 포함할 수 있다. 이 때 상기한 팬(86)은 도 4에 가상선으로 도시한 바와 같이, 반응기 본체(41)를 감싸는 하우징(89)에 설치될 수 있다. 이 때 상기 팬(86)은 써머커플(83)에 의해 감지된 상기한 배출 가스의 온도 범위에 따라 컨트롤유닛(90) 에 의하여 그 가동이 제어된다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 동작을 상세히 설명하면 다음과 같다.
우선, 버너(30)를 가동시켜 연료 예컨대, 메탄 가스 또는 프로판 가스 등의 연료와 공기의 착화 연소 방식 또는 이 연료와 공기의 산화 촉매 반응 방식으로 열원을 발생시키고, 이 열원을 개질기(20)에 제공한다.
이어서, 연료 펌프(63)를 가동시켜 연료 탱크(61)에 저장된 연료를 상기 개질기(20)로 공급한다. 그러면 개질기(20)에서는 상기한 열원을 흡열하여 개질 촉매에 의한 개질 반응을 통해 상기 연료로부터 수소 가스를 발생시킨다. 이 때 개질기(20)는 상기한 개질 반응을 완전히 행하는 것이 곤란하여 부(副) 생성물로서 일산화탄소가 함유된 수소 가스를 발생시키게 된다.
다음, 상기 개질기(20)로부터 수소 가스를 배출시켜 이 수소 가스를 일산화탄소 정화기(40)의 반응기 본체(41) 내부로 공급하고, 이와 동시에 공기 펌프(71)를 가동시켜 공기를 상기 반응기 본체(41) 내부로 공급한다. 그러면 상기 수소 가스, 일산화탄소 그리고 공기는 합류관 형태의 파이프 라인을 통해 반응기 본체(41) 내부로 주입되고, 산화 촉매(45)를 거치면서 일산화탄소는 공기 중의 산소와 선택적 산화 반응을 일으키게 된다.
이에 따라, 일산화탄소 정화기(40)는 상기한 산화 반응을 통해 기설정된 온도 범위의 열 에너지를 발생시키면서 이 수소 가스 중에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시킨다.
이어서, 상기 수소 가스를 반응기 본체(41)의 배출부(41b)를 통해 배출시키고, 이 수소 가스를 스택(10)의 전기 발생부(11)로 공급한다. 이 때 본 실시예에 의한 써머커플(83)은 상기 배출부(41b)를 통해 배출되는 수소 가스의 온도를 감지하고, 이 감지 신호를 컨트롤유닛(90)에 제공하게 된다.
만약, 일산화탄소 정화기(40)에서 발생되는 열 에너지가 기설정된 온도 범위 예컨대, 대략 150～200℃를 초과하는 경우, 써머커플(83)은 상기한 온도 범위에 상응하는 수소 가스의 온도를 감지하고, 이 감지 신호를 컨트롤유닛(90)에 제공한다. 그러면 컨트롤유닛(90)은 이 감지 신호를 제어 신호로 변환하고, 상기 제어 신호를 판독하여 상기 써머커플(83)에 의해 감지된 온도 범위와 상기 기설정된 온도 범위를 비교한다. 이에, 컨트롤유닛(90)은 일산화탄소 정화기(40)로부터 발생되는 열 에너지가 기설정된 온도 범위를 초과한다고 판단하여, 냉매 공급원(85)의 팬(86)을 가동시킨다.
따라서 상기한 팬(86)은 냉각 공기를 반응기 본체(41)로 분출시켜 반응기 본체(41)로부터 방열부재(81)를 통해 분산/방출되는 열을 냉각시킨다.
이로써 일산화탄소 정화기(40)는 기설정된 반응 개시 온도 범위를 만족하는 열 에너지를 발생시키면서 수소 가스 중에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키고, 배출부(41b)를 통해 상기 수소 가스를 배출시킨다.
이러는 과정에서, 써머커플(83)은 수소 가스의 상기한 온도 범위를 감지하여 이 감지 신호를 컨트롤유닛(90)으로 제공하고, 상기 컨트롤유닛(90)은 이를 판독하여 팬(86)의 가동을 정지시킨다.
한편, 언급한 바 있듯이 반응기 본체(41)의 배출부(41b)를 통해 배출되는 수소 가스를 스택(10)의 전기 발생부(11)로 공급하는 과정에서, 공기 펌프(71)의 가동에 의하여 공기를 상기 전기 발생부(11)로 공급한다. 그러면, 수소 가스는 전기 발생부(11)의 세퍼레이터(16)를 통하여 막-전극 어셈블리(12)의 애노드 전극으로 공급된다. 그리고 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 전자와 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 이와 같은 일련의 과정을 통해 기설정된 출력량의 전기 에너지를 소정 로드 예컨대, 노트북, PDA와 같은 휴대용 전자기기 또는 이동통신 단말기기로 출력시킬 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 범 위에 속하는 것은 당연하다.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 의하면, 일산화탄소 정화기로부터 배출되는 수소 가스의 온도 범위를 감지하고 이 수소 가스의 온도 범위에 따라 일산화탄소 정화기에 냉각매체를 제공할 수 있는 냉각장치를 구비하므로, 수소 가스에 함유되어 있는 일산화탄소와 공기의 선택적 산화 반응에 의해 발생되는 과도한 열에 의해 수소가 소모되어 버리는 메탄화 반응을 억제할 수 있다. 따라서 일산화탄소 정화기는 물론 시스템 전체의 성능을 더욱 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (14)

  1. 반응기 본체의 내부에 산화 촉매를 충전 형성하여 수소 가스에 함유되어 있는 일산화탄소와 산소의 선택적 산화 반응을 통해 상기 일산화탄소의 농도를 저감시키는 일산화탄소 정화기에 있어서,
    상기 반응기 본체의 외주면에 설치되는 다수의 방열부재; 및
    상기 반응기 본체에 냉각매체를 제공하여 상기 산화 반응에 의해 발생되는 열을 냉각시키는 냉매 공급원
    을 포함하는 일산화탄소 정화기의 냉각장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 방열부재가 상기 반응기 본체의 외주면에 일체로 돌출되는 방열핀으로서 형성되는 일산화탄소 정화기의 냉각장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉매 공급원은 상기 반응기 본체에 연결 설치되어 상기 반응기 본체로 냉각 공기를 분출시키는 팬을 포함하는 일산화탄소 정화기의 냉각장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응기 본체의 배출부 측에 설치되어 이 배출부를 통해 배출되는 수소 가스의 온도를 감지하는 써머커플을 포함하는 일산화탄소 정화기의 냉각장치.
  5. 수소와 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 전기 발생부;
    열 에너지에 의한 개질 반응을 통해 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질기;
    상기 수소 가스에 함유되어 있는 일산화탄소와 산소의 선택적 산화 반응을 통해 상기 일산화탄소의 농도를 저감시키는 일산화탄소 정화기;
    상기 개질기로 연료를 공급하는 연료 공급원;
    상기 일산화탄소 정화기 및 상기 전기 발생부로 공기를 공급하는 공기 공급원; 및
    상기 일산화탄소 정화기에 냉각매체를 선택적으로 제공하여 상기 일산화탄소 정화기에서 발생하는 열을 기설정된 온도 범위로 냉각시키는 냉각장치를 포함하고,
    상기 일산화탄소 정화기는, 내부에 산화 촉매를 충전 형성하여 이루어지는 관로 형태의 반응기 본체를 포함하며,
    상기 반응기 본체의 일측 단부에 주입부를 형성하고, 상기 다른 일측 단부에 배출부를 형성하고,
    상기 냉각장치는, 상기 반응기 본체의 외주면에 설치되는 다수의 방열부재와, 상기 반응기 본체에 냉각매체를 제공하는 냉매 공급원을 포함하는 연료 전지 시스템.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 방열부재는 상기 반응기 본체의 외주면에 일체로 돌출 형성되며, 이 반응기 본체의 중심 방향을 기준으로 하여 방사상으로 배치되는 방열핀을 구비하는 연료 전지 시스템.
  9. 제 5 항에 있어서,
    상기 냉매 공급원은 상기 반응기 본체를 감싸는 하우징에 설치되어 상기 반응기 본체로 냉각 공기를 분출시키는 팬을 포함하는 연료 전지 시스템.
  10. 제 5 항에 있어서,
    상기 반응기 본체의 배출부 측에 설치되어 이 배출부를 통해 배출되는 배출 가스의 온도를 감지하는 써머커플을 포함하는 연료 전지 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 써머커플에 의해 측정되는 배출 가스의 온도 범위에 따라 상기 냉매 공 급원을 제어하는 컨트롤유닛을 포함하는 연료 전지 시스템.
  12. 제 5 항에 있어서,
    상기 연료 공급원은, 상기 연료를 저장하는 연료 탱크와, 상기 연료 탱크에 연결 설치되어 이 연료 탱크에 저장된 상기 연료를 배출시키는 연료 펌프를 포함하는 연료 전지 시스템.
  13. 제 5 항에 있어서,
    상기 공기 공급원이 공기 펌프인 연료 전지 시스템.
  14. 제 5 항에 있어서,
    상기 전기 발생부를 복수로 구비하여 이들 전기 발생부의 집합체 구조에 의한 스택을 형성하는 연료 전지 시스템.
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001151502A (ja) 1999-11-26 2001-06-05 Daikin Ind Ltd 燃料改質装置
JP2001180910A (ja) 1999-12-28 2001-07-03 Daikin Ind Ltd 選択部分酸化反応装置
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Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001151502A (ja) 1999-11-26 2001-06-05 Daikin Ind Ltd 燃料改質装置
JP2001180910A (ja) 1999-12-28 2001-07-03 Daikin Ind Ltd 選択部分酸化反応装置
JP2003212509A (ja) * 2002-01-24 2003-07-30 Matsushita Electric Ind Co Ltd 水素発生装置
JP2004115321A (ja) 2002-09-26 2004-04-15 Aisin Seiki Co Ltd 改質装置

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