KR101135493B1 - Fuel cell system and reformer - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 전기 발생부와, 열 에너지에 의한 화학 촉매 반응을 통해 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질기와, 상기 개질기로 연료를 공급하는 연료 공급원과, 상기 개질기 및 전기 발생부로 공기를 공급하는 공기 공급원과, 상기 개질기로 공급되는 상기 연료와 공기의 온도차에 의해 발생되는 증발 잠열을 이용하여 상기 개질기에 제공되는 열 에너지를 통제하는 열처리수단을 포함한다.The fuel cell system according to the present invention includes an electric generator for generating electrical energy through an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, a reformer for generating hydrogen gas from fuel through a chemical catalytic reaction by thermal energy, and the reformer. Heat energy provided to the reformer using a fuel supply source for supplying fuel to the furnace, an air supply source for supplying air to the reformer and the electricity generating unit, and latent heat of evaporation generated by a temperature difference between the fuel and the air supplied to the reformer. It includes a heat treatment means for controlling the.
연료전지, 스택, 개질기, 버너부, 개질반응부, 파이프라인, 증발, 잠열, 열처리수단Fuel cell, stack, reformer, burner part, reforming reaction part, pipeline, evaporation, latent heat, heat treatment means
Description
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.1 is a block diagram schematically showing the overall configuration of a fuel cell system according to a first 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 실시예에 따른 개질기 구조를 개략적으로 도시한 사시도이다.3 is a perspective view schematically showing a reformer structure according to the first embodiment of the present invention.
도 4는 도 3의 단면 구성도이다.4 is a cross-sectional configuration diagram of FIG. 3.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 개질기 구조를 개략적으로 도시한 사시도이다.5 is a perspective view schematically showing a reformer structure according to a second embodiment of the present invention.
도 6은 도 5의 단면 구성도이다.6 is a cross-sectional configuration diagram of FIG. 5.
본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 개질기의 구조를 개선한 연료 전지 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly, to a fuel cell system having an improved structure of a reformer.
알려진 바와 같이, 연료 전지(Fuel Cell)는 메탄올, 에탄올, 천연 가스와 같은 탄화수소 계열의 연료에 함유되어 있는 수소와, 산소의 화학 반응 에너지를 직 접 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 and oxygen contained in hydrocarbon-based fuels such as methanol, ethanol, and natural gas 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.
이러한 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 스택에서는 개질기로부터 공급되는 수소 가스와, 별도 공급되는 산소 가스 또는 공기 중에 함유된 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 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. Therefore, the stack generates electrical energy through an electrochemical reaction between hydrogen gas supplied from the reformer and oxygen gas supplied separately or oxygen contained in the air.
상기와 같이 구성되는 연료 전지 시스템에 있어 개질기는 열 에너지에 의한 화학 촉매 반응을 통해 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 바, 상기한 열 에너지를 발생시키는 버너부와, 이 열 에너지를 이용한 개질 촉매 반응을 통해 수소 가스를 발생시키는 개질 반응부를 구비하고 있다. 여기서 버너부는 반응기 본체 내부에 마련된 산화 촉매에 의한 연료와 공기의 산화 반응을 통해 열 에너지를 발생시키는 구조로 이루어진다.In the fuel cell system configured as described above, the reformer generates hydrogen gas from the fuel through a chemical catalytic reaction by thermal energy, and includes a burner unit for generating the thermal energy, and a reforming catalytic reaction using the thermal energy. It is equipped with the reforming reaction part which generate | occur | produces hydrogen gas through. Here, the burner part is configured to generate thermal energy through an oxidation reaction between fuel and air by an oxidation catalyst provided inside the reactor body.
그런데 종래의 개질기는 버너부에서 연료와 공기의 산화 반응을 통해 발생되는 비교적 고온의 연소 가스, 및/또는 개질 반응부로부터 스택으로 공급되는 수소 가스 중의 열 에너지가 그대로 방출되게 되어 전체 시스템의 열 효율이 떨어지게 되는 문제점이 있었다.However, the conventional reformer is a relatively high temperature combustion gas generated through the oxidation reaction of the fuel and air in the burner portion, and / or the heat energy in the hydrogen gas supplied to the stack from the reforming reaction portion is released as it is, the thermal efficiency of the entire system There was a problem of falling.
본 발명은 상술한 문제점을 감안한 것으로서, 그 목적은 버너부의 산화 반응을 통해 발생하는 연소 가스 및/또는 개질 반응부로부터 발생되는 수소 가스의 열 에너지를 버너부로 공급되는 연료와 공기에 제공할 수 있는 구조의 연료 전지 시스템 및 개질기를 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 provide thermal energy of combustion gas and / or hydrogen gas generated from a reforming reaction portion generated through oxidation of a burner portion to fuel and air supplied to the burner portion. To provide a fuel cell system and a reformer of the structure.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 개질기는, 연료와 공기의 산화 촉매 반응을 통해 열 에너지를 발생시키는 버너부와, 상기 버너부에 연결 설치되어 이 버너부로 상기 연료와 공기를 공급하기 위한 제1 파이프 라인과, 상기 열 에너지에 의한 개질 촉매 반응을 통해 상기 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질 반응부와, 상기 개질 반응부에 연결 설치되어 이 개질 반응부로부터 상기 수소 가스를 배출시키기 위한 제2 파이프 라인을 포함하며,The reformer according to the present invention for achieving the above object is a burner unit for generating heat energy through an oxidation catalyst reaction of fuel and air, and is connected to the burner unit to supply the fuel and air to the burner unit A reforming reaction unit for generating hydrogen gas from the fuel through a reforming catalytic reaction by the thermal energy, and a reforming reaction unit connected to the reforming reaction unit to discharge the hydrogen gas from the reforming reaction unit. A second pipeline,
상기 제1 파이프 라인이 상기 제2 파이프 라인에 접촉 설치되는 구조로 되어 있다. The first pipeline is configured to be in contact with the second pipeline.
본 발명에 따른 개질기는, 상기 제1 파이프 라인이 상기 제2 파이프 라인에 나선 형태로 감긴 구조로 이루어진다. 이 경우 상기 제1,2 파이프 라인은 금속 소재로 이루어지는 것이 바람직하다.The reformer according to the present invention has a structure in which the first pipeline is wound in a spiral form on the second pipeline. In this case, the first and second pipelines are preferably made of a metal material.
또한 본 발명에 따른 개질기는, 상기 연료와, 이 연료 보다 비교적 낮은 온도의 공기가 상기 제1 파이프 라인에 합류되면서 상기 버너부로 공급되며, 상기 연료와 공기의 증발이 촉진되면서 상기 제1 파이프 라인이 상기 제2 파이프 라인으로부터 증발 잠열을 제공받는 구조로 되어 있다. 이 경우 상기 연료는 20~25℃를 유지하고, 상기 공기는 10~15℃를 유지함이 바람직하다.In addition, the reformer according to the present invention is supplied to the burner unit while the fuel and air at a temperature lower than the fuel is joined to the first pipeline, and the first pipeline is promoted by promoting evaporation of the fuel and air. The second pipeline receives a latent heat of evaporation. In this case, the fuel is preferably maintained at 20 to 25 ℃, the air is preferably maintained at 10-15 ℃.
그리고 본 발명에 따른 개질기에 있어서, 상기 버너부는, 버너 본체와, 상기 버너 본체에 형성되는 산화 촉매를 구비할 수 있다.In the reformer according to the present invention, the burner unit may include a burner main body and an oxidation catalyst formed on the burner main body.
또한 본 발명에 따른 개질기에 있어서, 상기 개질 반응부는, 반응기 본체와, 상기 반응기 본체에 형성되는 개질 촉매를 구비할 수 있다.In the reformer according to the present invention, the reforming reaction unit may include a reactor body and a reforming catalyst formed in the reactor body.
아울러 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 개질기는, 연료와 공기의 산화 촉매 반응을 통해 열 에너지를 발생시키는 버너부와, 상기 열 에너지에 의한 개질 촉매 반응을 통해 상기 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질 반응부와, 상기 버너부에 연결 설치되어 이 버너부로 상기 연료와 공기를 공급하기 위한 제1 파이프 라인과, 상기 개질 반응부에 연결 설치되어 이 개질 반응부로부터 상기 수소 가스를 배출시키기 위한 제2 파이프 라인과, 상기 버너부에 연결 설치되어 상기 산화 반응에 의해 연소되는 상기 연료와 공기의 연소 가스를 배출시키기 위한 제3 파이프 라인과, 상기 개질 반응부에 연결 설치되어 이 개질 반응부로 연 료를 공급하기 위한 제4 파이프 라인을 포함하며,In addition, the reformer according to the present invention for achieving the above object, the burner unit for generating heat energy through the oxidation catalyst reaction of the fuel and air, and the hydrogen gas from the fuel through the reforming catalyst reaction by the heat energy A reforming reaction unit to be generated, a first pipeline connected to the burner unit to supply the fuel and air to the burner unit, and connected to the reforming reaction unit to discharge the hydrogen gas from the reforming reaction unit. A second pipeline for connection to the burner unit, a third pipeline for discharging the combustion gas of the fuel and air combusted by the oxidation reaction, and a reforming reaction unit connected to the reforming reaction unit. A fourth pipeline for supplying fuel,
상기 제1 파이프 라인이 상기 제3 파이프 라인에 접촉 설치되는 구조로 되어 있다.The first pipeline is configured to be in contact with the third pipeline.
본 발명에 따른 개질기는, 상기 제1 파이프 라인이 상기 제3 파이프 라인에 나선 형태로 감긴 구조로 이루어진다. 이 경우 상기 제1,3 파이프 라인은 금속 소재로 이루어지는 것이 바람직하다.The reformer according to the present invention has a structure in which the first pipeline is wound in a spiral form on the third pipeline. In this case, the first and third pipelines are preferably made of a metal material.
아울러 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 전기 발생부와, 열 에너지에 의한 화학 촉매 반응을 통해 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질기와, 상기 개질기로 연료를 공급하는 연료 공급원과, 상기 개질기 및 전기 발생부로 공기를 공급하는 공기 공급원과, 상기 개질기로 공급되는 상기 연료와 공기의 온도차에 의해 발생되는 증발 잠열을 이용하여 상기 개질기에 제공되는 열 에너지를 통제하는 열처리수단을 포함한다.In addition, the fuel cell system according to the present invention for achieving the above object, the electricity generation unit for generating electrical energy through the electrochemical reaction of hydrogen and oxygen, and hydrogen from the fuel through the chemical catalytic reaction by thermal energy A latent heat of evaporation generated by a reformer for generating gas, a fuel supply source for supplying fuel to the reformer, an air supply source for supplying air to the reformer and the electricity generating unit, and a temperature difference between the fuel and the air supplied to the reformer And heat treatment means for controlling the thermal energy provided to the reformer.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 개질기는, 연료와 공기의 산화 촉매 반응을 통해 열 에너지를 발생시키는 버너부와, 상기 열 에너지에 의한 개질 촉매 반응을 통해 상기 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질 반응부와, 상기 버너부에 연결 설치되어 이 버너부로 상기 연료와 공기를 공급하기 위한 제1 파이프 라인과, 상기 개질 반응부에 연결 설치되어 이 개질 반응부로부터 상기 수소 가스를 배출시키기 위한 제2 파이프 라인과, 상기 버너부에 연결 설치되어 상기 산화 반응에 의해 연소되는 상기 연료와 공기의 연소 가스를 배출시키기 위한 제3 파이프 라인과, 상기 개질 반응부에 연결 설치되어 이 개질 반응부로 연료를 공급하기 위한 제4 파이프 라인을 포함한다.In the fuel cell system according to the present invention, the reformer includes a burner unit generating heat energy through an oxidation catalyst reaction of fuel and air, and generating hydrogen gas from the fuel through a reforming catalyst reaction by the heat energy. A reforming reaction unit, a first pipeline connected to the burner unit for supplying the fuel and air to the burner unit, and connected to the reforming reaction unit to discharge the hydrogen gas from the reforming reaction unit. A second pipeline connected to the burner unit, a third pipeline for discharging the combustion gas of the fuel and air combusted by the oxidation reaction, and connected to the reforming reaction unit to supply fuel to the reforming reaction unit. And a fourth pipeline for supply.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 열처리수단은 상기 제1 파이프 라인이 상기 제2 파이프 라인에 나선 형태로 감긴 구조로 이루어짐이 바람직하다.In the fuel cell system according to the present invention, the heat treatment means preferably has a structure in which the first pipeline is wound in a spiral form on the second pipeline.
그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 열처리수단은 상기 제1 파이프 라인이 상기 제3 파이프 라인에 나선 형태로 감긴 구조로 이루어짐이 바람직하다.In the fuel cell system according to the present invention, the heat treatment means preferably has a structure in which the first pipeline is wound in a spiral form on the third pipeline.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 전기 발생부를 복수로 구비하여 이들 전기 발생부의 집합체 구조에 의한 스택을 형성할 수 있다.In addition, the fuel cell system according to the present invention may be provided with a plurality of the electric generators to form a stack having an aggregate structure of these electric generators.
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 개략적으로 도시한 블록도이고, 도 2는 도 1에 도시한 스택의 구조를 나타내 보인 분해 사시도이다.1 is a block diagram schematically showing the overall configuration of a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention, Figure 2 is an exploded perspective view showing the structure of the stack shown in FIG.
이 도면을 참조하여 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)을 설명하면, 이 연료 전지 시스템(100)은, 수소를 함유한 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키고, 이 수소 가스와 산화제 가스를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생 시키는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrode Membrane Fuel Cell; PEMFC) 방식을 채용한다.Referring to this drawing, the
이러한 연료 전지 시스템(100)에 있어 전기를 발생시키기 위한 연료라 함은 메탄올, 에탄올 또는 천연 가스 등과 같이 수소를 함유한 액상 또는 기체 상태로 이루어진 연료를 포함한다. 그러나 이하에서 설명하는 연료는 편의상 액상으로 이루어진 연료를 의미한다.In the
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.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 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)에 제공하기 위해 공기를 상기 개질기(30)와 전기 발생부(11)로 각각 공급하는 공기 공급원(70)을 포함하여 구성된다.The
도 2에 도시한 바와 같이, 본 실시예에 의한 상기 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 실시예에서는 위와 같은 최소 단위의 전기 발생부(11)를 복수로 구비하여 이들 전기 발생부(11)의 집합체 구조에 의한 스택(10)을 형성할 수 있다.As shown in FIG. 2, the
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. 여기서 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.The membrane-
이와 같은 스택(10)의 구성은 통상적인 고분자 전해질형 연료 전지의 스택 구성으로 이루어질 수 있으므로 본 명세서에서 그 자세한 설명한 생략하기로 한다.Since the
본 발명에 적용되는 상기 개질기(30)는 열 에너지에 의한 화학 촉매 반응 예컨대, 수증기 개질, 부분 산화 또는 자열 반응 등의 촉매 반응을 통해 상기 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 구조를 갖는다. 이러한 개질기(30)의 구조는 도 3 및 도 4를 참조하여 뒤에서 더욱 설명하기로 한다.The
위와 같은 개질기(30)로 연료를 공급하는 연료 공급원(50)은 액상의 연료를 저장하는 연료 탱크(51)와, 상기 연료 탱크(51)에 연결 설치되어 이 연료 탱크(51)로부터 연료를 배출시키는 연료 펌프(53)를 포함하고 있다.
The
그리고 상기 공기 공급원(70)은 소정 펌핑력으로 공기를 흡입하여 이 공기를 상기 전기 발생부(11) 및 개질기(30)로 각각 공급하는 공기 펌프(71)를 포함하고 있다. 본 실시예에서, 상기 산소 공급원(70)은 도면에서와 같이, 단일의 공기 펌프(71)를 통해 전기 발생부(11)와 개질기(30)로 공기를 공급하는 구조로 되어 있으나, 이에 한정되지 않고 상기 전기 발생부(11) 및 개질기(30)와 각각 연결 설치되는 한 쌍의 공기 펌프를 구비할 수도 있다.The
상기와 같이 구성되는 본 시스템(100)의 작용시, 개질기(30)로부터 발생되는 수소 가스를 전기 발생부(11)로 공급하고, 공기를 상기 전기 발생부(11)로 공급하게 되면, 상기 스택(10)에서는 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 기설정된 출력량의 전기 에너지와 물 그리고 열을 발생시킨다.Upon operation of the
한편, 본 발명에 의한 상기 연료 전지 시스템(100)은 별도 구비된 통상적인 마이콤 타입의 컨트롤유니트(도시하지 않음)에 의하여 시스템의 전반적인 구동 예컨대, 연료 공급원(50), 공기 공급원(70) 등의 가동을 실질적으로 제어할 수 있다.On the other hand, the
이하에서는, 언급한 바 있는 개질기(30) 구조의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, an embodiment of the structure of the
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 개질기 구조를 개략적으로 도시한 사시도이고, 도 4는 도 3의 단면 구성도이다.3 is a perspective view schematically illustrating a reformer structure according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a cross-sectional view of FIG. 3.
도면을 참고하면, 본 발명에 있어 상기 개질기(30)는 액상의 연료와 공기의 산화 촉매 반응을 통해 열 에너지를 발생시키는 버너부(35)와, 상기 열 에너지를 이용한 개질 촉매 반응을 통해 상기 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질 반응 부(39)를 포함하여 구성된다.Referring to the drawings, in the present invention, the
상기한 버너부(35)는 버너 본체(31)와, 이 버너 본체(31)에 형성되는 산화 촉매(32)를 구비한다.The
이 버너 본체(31)는 연료와 공기의 흐름을 가능케 하는 채널을 가지면서 플레이트 타입으로 이루어진 반응 기판으로 구성될 수 있으며, 소정의 내부 공간을 갖는 용기 타입으로 형성될 수도 있다. 본 실시예에서, 버너 본체(31)는 도면에 도시한 바와 같이, 상기 내부 공간으로 연료와 공기를 주입시킬 수 있는 용기 타입으로 이루어지는 것이 바람직하다.The
그리고 상기 산화 촉매(32)는 연료와 공기의 산화 반응을 촉진시키기 위한 통상적인 촉매를 구비한다. 이 때 상기 산화 촉매(32)는 버너 본체(31)가 반응 기판으로 구성되는 경우 상기한 채널의 내표면에 형성될 수 있으며, 상기 버너 본체(31)가 용기 타입으로 이루어지는 경우 펠릿(pellet) 또는 허니콤(honey comb) 타입으로 형성될 수도 있다. 바람직하게, 상기 산화 촉매(32)는 도면에 도시한 바와 같이, 펠릿 형태로 형성되어 버너 본체(31)의 내부 공간에 충전되는 것이 바람직하다.The
그리고 상기 개질 반응부(39)는 반응기 본체(36)와, 이 반응기 본체(36)에 형성되는 개질 촉매(37)를 구비한다.The reforming
이 반응기 본체(36)는 연료의 흐름을 가능케 하는 채널을 가지면서 플레이트 타입으로 이루어진 반응 기판으로 구성될 수 있으며, 소정의 내부 공간을 갖는 용기 타입으로 형성될 수도 있다. 본 실시예에서, 반응기 본체(36)는 도면에 도시한 바와 같이, 상기 내부 공간으로 연료와 공기를 주입시킬 수 있는 용기 타입으로 이루어지는 것이 바람직하다.The
그리고 상기 개질 촉매(37)는 연료의 개질 반응을 촉진시키기 위한 통상적인 촉매를 구비한다. 이 때 상기 개질 촉매(37)는 반응기 본체(36)가 반응 기판으로 구성되는 경우 상기한 채널의 내표면에 형성될 수 있으며, 상기 반응기 본체(36)가 용기 타입으로 이루어지는 경우 펠릿(pellet) 또는 허니콤(honey comb) 타입으로 형성될 수도 있다. 바람직하게, 상기 개질 촉매(37)는 도면에 도시한 바와 같이, 펠릿 형태로 형성되어 반응기 본체(36)의 내부 공간에 충전되는 것이 바람직하다.And the reforming
이러한 개질기(30)는 연료와 공기를 버너 본체(31)의 내부로 공급하기 위한 제1 파이프 라인(33a)과, 반응기 본체(36)의 내부에서 개질 촉매(37)에 의한 연료의 개질 반응을 통해 발생되는 수소 가스를 배출시키기 위한 제2 파이프 라인(38a)과, 버너 본체(31) 내부에서 산화 촉매(32)에 의한 연료와 공기의 산화 반응을 통해 발생되는 비교적 고온의 연소 가스를 배출시키기 위한 제3 파이프 라인(33b)과, 반응기 본체(36) 내부로 연료를 공급하기 위한 제4 파이프 라인(38b)를 구비하고 있다. 이 때 상기 각각의 파이프 라인(33a, 33b, 38a, 38b)은 금속 소재 예컨대, 동 소재로 열전도성을 갖는 동 소재로 형성될 수 있다.The
여기서 상기 제1 파이프 라인(33a)은 3-웨이(3-way) 형태의 합류관을 구비하며, 어느 하나의 관로가 버너 본체(31)에 연결되고, 나머지 한 쌍의 관로가 연료 탱크(51: 도 1) 및 공기 펌프(71: 도 1)에 각각 연결된다. 상기 제2 파이프 라인(38a)은 반응기 본체(36)와 스택(10: 도 1)을 실질적으로 연결하는 단관 형태의 관 로를 형성한다. 상기 제3 파이프 라인(33b)은 버너 본체(31)와 외부를 실질적으로 연결하는 단관 형태의 관로를 형성한다. 그리고 상기 제4 파이프 라인(38b)은 반응기 본체(38)와 연료 탱크(51)를 실질적으로 연결하는 단관 형태의 관로를 형성한다.Here, the
이와 같이 구성되는 본 발명에 있어, 상기 개질기(30)의 열 에너지를 통제하는 열처리수단(40)을 제공하는 바, 이 열처리수단(40)은 제1 파이프 라인(33a)을 통해 버너부(35)로 공급되는 연료와 공기의 온도차에 의한 증발 잠열을 이용하여 상기 연료와 공기를 예열하고, 제2 파이프 라인(38a)을 통해 개질 반응부(39)로부터 배출되는 수소 가스의 온도를 저감시키는 기능을 하게 된다.In the present invention configured as described above, it provides a heat treatment means 40 for controlling the thermal energy of the
본 실시예에 따른 상기 열처리수단(40)은 언급한 바와 같이 구성되는 개질기(30)에 있어 버너 본체(31)와 연결되는 제1 파이프 라인(33a)이 제2 파이프 라인(38a)에 접촉 설치되는 구조로 이루어진다.In the heat treatment means 40 according to the present embodiment, the
보다 구체적으로, 상기 열처리수단(40)은 연료와 공기가 합류하는 제1 파이프 라인(33a)이 제2 파이프 라인(38a)의 길이 방향을 따라 나선 형태로 감긴 구조로 이루어진다. 여기서 상기한 연료는 공기 보다 비교적 높은 온도로서 대략 20~25℃를 유지하며, 상기 공기는 대략 10~15℃의 온도를 유지하는 것이 바람직하다.More specifically, the heat treatment means 40 has a structure in which a
상기와 같이 구성되는 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)을 가동시켜 연료 탱크(51)에 저장된 액상의 연료를 배출시키고, 이 연료를 제1 파이프 라인(33a)을 통해 버너 본체(31) 내부로 공급한 다.First, the
이와 동시에, 공기 펌프(71)를 가동시켜 공기를 상기 제1 파이프 라인(33a)을 통해 버너 본체(31) 내부로 공급한다.At the same time, the
그러면 상기 연료와 공기는 버너 본체(31) 내부의 산화 촉매(32)를 거치면서 산화 반응을 일으키게 된다. 이러는 동안 버너부(35)에서는 상기 산화 반응을 통해 연료와 공기가 연소되면서 개질 반응부(39)의 개질 반응에 필요한 기설정된 온도 범위의 열원을 발생시킨다. 그리고 상기한 열원은 개질 반응부(39)의 반응기 본체(36)를 통해 개질 촉매(37)로 전달되게 된다. 이 때 버너 본체(31)의 내부에서 연료와 공기가 연소될 때 발생하는 연소 가스는 비교적 높은 온도를 유지하면서 제3 파이프 라인(33b)를 통해 외부로 배출되게 된다.The fuel and air then undergo an oxidation reaction while passing through an
이와 같은 상태에서, 연료 펌프(53)의 가동에 의하여 연료 탱크(51)에 저장된 연료를 제4 파이프 라인(38b)을 통해 반응기 본체(36) 내부로 공급한다. 그러면 상기 연료는 개질 촉매(37)를 거치면서 개질 반응을 일으키게 된다. 이 때 상기 개질 촉매(37)는 버너부(35)로부터 발생되는 열원을 전달받아, 연료의 개질 반응에 필요한 기설정된 반응 개시 온도를 유지하고 있는 상태에 있다. 이러는 동안, 개질 반응부(39)에서는 개질 촉매(37)에 의한 연료의 분해 반응(흡열 반응)이 진행되어 이산화탄소와 수소를 함유하고 있는 수소 가스를 발생시킨다.In this state, the fuel stored in the
이 후 상기 수소 가스는 반응기 본체(36)로부터 배출되는 바, 이 수소 가스는 비교적 높은 온도를 유지하면서 제2 파이프 라인(38a)을 통해 스택(10)의 전기 발생부(11)로 공급된다.
The hydrogen gas is then discharged from the
이러는 과정을 거치는 동안, 제1 파이프 라인(33a)을 통해 연료와 공기가 계속적으로 공급되고, 제1 파이프 라인(33a)이 제2 파이프 라인(38a)에 나선 형태로 접촉 설치되어 있기 때문에, 상기 연료와 공기가 제1 파이프 라인(33a)의 합류 지점에서 합류되는 순간 이 연료와 공기의 온도차에 의하여 증발이 촉진되고, 이로 인해 상기한 연료와 공기의 혼합물은 제1 파이프 라인(33a)을 통해 수소 가스가 통과하면서 가열된 제2 파이프 라인(38a)으로부터 증발 잠열을 빼앗아 수소 가스의 온도를 저감시킨다. 그러면, 상기 수소 가스는 스택(10)에서 요구하는 적정한 온도로 냉각된 상태에서 스택(10)의 전기 발생부(11)로 공급되게 되고, 제1 파이프 라인(38a)을 통과하는 연료와 공기는 상기한 증발 잠열을 흡열하여 산화 촉매(32)의 반응 개시 온도에 상응하는 온도로 예열되게 된다. 이 때 상기 수소 가스는 전기 발생부(11)의 세퍼레이터(16)를 통해 막-전극 어셈블리(12)의 애노드 전극으로 공급된다.During this process, fuel and air are continuously supplied through the
한편, 공기 펌프(71)의 가동에 의하여 공기를 스택(10)의 전기 발생부(11)로 공급한다. 그러면, 상기 공기는 세퍼레이터(16)를 통해 막-전극 어셈블리(12)의 캐소드 전극으로 공급된다.On the other hand, the air is supplied to the
따라서 상기 애노드 전극에서는 수소의 산화 반응을 통해 상기 수소가 전자와 프로톤(수소이온)으로 분해된다. 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 이동되는 바, 이 때 전자의 흐름으로 전 류를 발생시킨다. 그리고 상기 캐소드 전극에서는 전해질막을 통하여 캐소드 전극으로 이동된 수소 이온과 공기 중에 함유된 산소의 환원 반응을 통해 소정 온도의 열과 수분을 발생시킨다.Therefore, in the anode, the hydrogen is decomposed into electrons and protons (hydrogen ions) through the oxidation of hydrogen. Then, the proton is moved to the cathode electrode through the electrolyte membrane of the membrane-
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.As a result, the
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 개질기 구조를 개략적으로 도시한 사시도이고, 도 6은 도 5의 단면 구성도이다.5 is a perspective view schematically illustrating a reformer structure according to a second embodiment of the present invention, and FIG. 6 is a cross-sectional view of FIG. 5.
도면을 참고하면, 본 실시예에 의한 개질기(130)는 버너부(135)로 연료와 공기를 공급하는 제1 파이프 라인(133a)이 상기 버너부(135)로부터 비교적 고온을 유지하는 연료와 공기의 연소 가스를 배출시키는 제3 파이프 라인(133b)에 접촉 설치되어 이루어지는 열처리수단(140)을 구성한다.Referring to the drawings, the
본 실시예에서, 상기 열처리수단(140)은 제1 파이프 라인(133a)을 통해 버너부(135)로 공급되는 연료와 공기의 온도차에 의한 증발 잠열을 이용하여 상기 연료와 공기를 예열하고, 제3 파이프 라인(133b)을 통해 버너부(135)로부터 배출되는 연소 가스의 온도를 저감시키는 기능을 하게 된다. 이러한 열처리수단(140)은 연료와 공기가 합류하는 제1 파이프 라인(133a)이 제3 파이프 라인(133b)의 길이 방향을 따라 나선 형태로 감긴 구조로 이루어진다.In the present embodiment, the heat treatment means 140 preheats the fuel and air using latent heat of evaporation caused by the temperature difference between the fuel and the air supplied to the
따라서 제1 파이프 라인(133a)을 통해 연료와 공기가 계속적으로 공급되고, 제1 파이프 라인(133a)이 제3 파이프 라인(133b)에 나선 형태로 접촉 설치되어 있 기 때문에, 상기 연료와 공기가 제1 파이프 라인(133a)의 합류 지점에서 합류되는 순간 이 연료와 공기의 온도차에 의하여 증발이 촉진되고, 이로 인해 상기한 연료와 공기의 혼합물은 제1 파이프 라인(133a)을 통해 전술한 바 있는 비교적 고온의 연소 가스가 통과하면서 가열된 제3 파이프 라인(133b)으로부터 증발 잠열을 빼앗아 상기 연소 가스의 온도를 저감시킨다. 그러면, 상기 연소 가스는 적정한 온도로 냉각된 상태에서 제3 파이프 라인(133b)을 통해 외부로 배출되게 되고, 제1 파이프 라인(138a)을 통과하는 연료와 공기는 상기한 증발 잠열을 흡열하여 산화 촉매(132)의 반응 개시 온도에 상응하는 온도로 예열되게 된다.Therefore, since fuel and air are continuously supplied through 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 따른 연료 전지 시스템에 의하면, 버너부로 공급되는 연료와 공기의 온도차에 의한 증발 잠열을 이용하여 전체 개질기의 열 에너지를 통제하는 열처리수단을 구비하므로, 버너부의 산화 반응을 통해 발생하는 연소 가스 및/또는 개질 반응부로부터 발생되는 수소 가스의 열 에너지를 버너부로 공급되는 연료와 공기에 제공할 수 있게 된다. 따라서 버너부로 공급되는 연료와 공기의 온도가 버너부의 반응 개시 온도에 상응하는 온도로 상승하게 되어 버너부의 연소 효율을 더욱 향상시킬 수 있는 효과가 있다. According to the fuel cell system according to the present invention, since the heat treatment means for controlling the thermal energy of the entire reformer by using the latent heat of evaporation by the temperature difference between the fuel supplied to the burner and the air, the combustion gas generated through the oxidation reaction of the burner And / or thermal energy of hydrogen gas generated from the reforming reaction unit can be provided to the fuel and air supplied to the burner unit. Therefore, the temperature of the fuel and air supplied to the burner portion is raised to a temperature corresponding to the reaction start temperature of the burner portion, thereby further improving the combustion efficiency of the burner portion.
또한, 버너부의 산화 반응을 통해 발생하는 연소 가스 및/또는 개질 반응부로부터 발생되는 수소 가스를 적정한 온도로 냉각시키게 되므로, 전체 시스템의 열효율 및 운전 성능을 더욱 향상시킬 수 있는 효과가 있다.In addition, since the combustion gas generated through the oxidation reaction of the burner and / or the hydrogen gas generated from the reforming reaction part is cooled to an appropriate temperature, there is an effect of further improving the thermal efficiency and operating performance of the entire system.
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