KR101135494B1 - 연료 전지 시스템, 개질기 및 버너 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 수소와 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 전기 발생부와, 열 에너지에 의한 촉매 반응을 통해 연료로부터 수소 가스를 발생시키고 이 수소 가스를 상기 전기 발생부로 공급하는 개질기와, 상기 개질기로 연료를 공급하는 연료 공급원과, 상기 개질기 및 전기 발생부로 산소를 공급하는 산소 공급원을 포함하며,
상기 개질기는, 상호 독립적인 제1 공간과 제2 공간을 구획 형성하는 이중 관로 형태의 개질기 본체와, 상기 제1 공간에 산화 촉매를 충전 형성하여 이 산화 촉매에 의한 연료와 산소의 산화 반응을 통해 열 에너지를 발생시키고 상기 열 에너지를 상기 제2 공간으로 확산시키기 위한 열 확산부재를 포함하는 버너부와, 상기 제2 공간에 개질 촉매를 충전 형성하여 이 개질 촉매에 의한 연료의 개질 반응을 통해 상기 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질 반응부를 포함한다.
연료전지, 스택, 개질기, 개질기본체, 버너본체, 버너부, 산화촉매, 개질반응부, 열확산부재, 나선형, 돌기, 간격
Description
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 본 발명의 제1 실시예에 따른 개질기 구조를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 4는 도 3의 단면 구성도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 개질기의 구조를 개략적으로 도시한 단면 구성도이다.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 개질기의 구조를 개략적으로 도시한 단면 구성도이다.
본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 개질기용 버너 및 이를 채용한 개질기에 관한 것이다.
알려진 바와 같이, 연료 전지(Fuel Cell)는 메탄올, 에탄올, 천연 가스와 같은 탄화수소 계열의 연료에 함유되어 있는 수소와, 산소의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다.
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.
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.
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.
상기와 같이 구성되는 연료 전지 시스템에 있어 개질기는 열 에너지에 의한 화학 촉매 반응을 통해 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 바, 상기한 열 에너지 를 발생시키는 버너부와, 이 열 에너지를 이용한 개질 촉매 반응을 통해 수소 가스를 발생시키는 개질 반응부를 구비하고 있다. 여기서 버너부는 본체 내부의 산화 촉매에 의한 연료와 공기의 산화 반응을 통해 열 에너지를 발생시키는 구조로 이루어진다.
그런데, 종래의 개질기는 위와 같은 버너부와 개질 반응부가 분산 배치되어 버너부로부터 발생하는 열 에너지를 개질 반응부로 전달할 수 있는 구조를 가지는 바, 버너부와 개질 반응부의 열전달이 직접적으로 이루어지지 않아 개질 반응부의 반응 개시 시간이 지연되고, 개질 반응부에 대한 버너부의 온도 구배 등으로 인해 전체 개질기의 성능 및 반응 효율면에서 불리한 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 감안한 것으로서, 그 목적은 개질 반응부에 대한 버너부의 열 전달 성능을 실질적으로 향상시킬 수 있는 연료 전지 시스템, 개질기 및 버너를 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 개질기용 버너는, 내부에 산화 촉매를 충전 형성하여 이 산화 촉매에 의한 연료와 산소의 산화 반응을 통해 열 에너지를 발생시키는 버너 본체와, 상기 버너 본체의 외주면에 돌출 형성되어 상기 열 에너지를 확산시키는 열 확산부재를 포함한다.
본 발명에 따른 개질기용 버너에 있어서, 상기 버너 본체는 실질적으로 양측 단부가 폐쇄된 관로 형태로 이루어지며, 상기 일측 단부에 주입부를 형성하고, 상 기 다른 일측 단부에 배출부를 형성할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 개질기용 버너에 있어서, 상기 열 확산부재는 상기 버너 본체의 외주면에 일체로 형성되며, 상기 버너 본체의 길이 방향을 따라 나사산 형태로 돌출되는 돌기를 구비하고 있다.
그리고 본 발명에 따른 개질기용 버너에 있어서, 상기 열 확산부재는 상기 버너 본체의 다수 구간에 대하여 상기 돌기가 서로 다른 간격을 갖도록 형성될 수 있다.
또한 본 발명에 따른 개질기용 버너에 있어서, 상기 산화 촉매는 펠릿 형태로 이루어지는 것이 바람직하다. 대안으로서 상기 산화 촉매는 허니콤(honey comb) 형태로 이루어질 수도 있다.
아울러 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 개질기는, 상호 독립적인 제1 공간과 제2 공간을 구획 형성하는 이중 관로 형태의 개질기 본체와, 상기 제1 공간에 산화 촉매를 충전 형성하여 이 산화 촉매에 의한 연료와 산소의 산화 반응을 통해 열 에너지를 발생시키는 버너부와, 상기 제2 공간에 개질 촉매를 충전 형성하여 이 개질 촉매에 의한 연료의 개질 반응을 통해 상기 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질 반응부를 포함하며, 상기 버너부는 상기 열 에너지를 상기 제2 공간으로 확산시키는 열 확산부재를 구비한다.
본 발명에 따른 개질기에 있어서, 상기 개질기 본체는, 제1 본체 및 상기 제1 본체의 내부 중심 방향으로 배치되는 제2 본체를 포함하며, 상기 제2 본체 내부에 상기 제1 공간을 형성하고, 상기 제1 본체와 제2 본체 사이에 상기 제2 공간을 형성할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 개질기에 있어서, 상기 제2 본체는, 양측 단부가 실질적으로 폐쇄된 관로 형태로 이루어지며, 상기 일측 단부에 제1 주입부를 형성하고, 상기 다른 일측 단부에 제1 배출부를 형성할 수 있다.
그리고 본 발명에 따른 개질기에 있어서, 상기 열 확산부재는 상기 제2 공간에 위치하면서 상기 제2 본체의 외주면에 일체로 형성되며, 상기 제2 본체의 길이 방향을 따라 나사산 형태로 돌출되는 돌기를 구비할 수 있다. 이 경우 상기 열 확산부재는 상기 제2 본체의 다수 구간에 대하여 상기 돌기가 서로 다른 간격을 갖도록 형성될 수도 있다.
또한 본 발명에 따른 개질기에 있어서, 상기 제1 본체는, 양측 단부가 실질적으로 폐쇄된 관로 형태로 이루어지며, 상기 일측 단부에 제2 주입부를 형성하고, 상기 다른 일측 단부에 제2 배출부를 형성할 수 있다.
그리고 본 발명에 따른 개질기에 있어서, 상기 개질 촉매는 펠릿 형태로 이루어지는 것이 바람직하다.
아울러 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 수소와 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 전기 발생부와, 열 에너지에 의한 촉매 반응을 통해 연료로부터 수소 가스를 발생시키고 이 수소 가스를 상기 전기 발생부로 공급하는 개질기와, 상기 개질기로 연료를 공급하는 연료 공급원과, 상기 개질기 및 전기 발생부로 산소를 공급하는 산소 공급원을 포함하며,
상기 개질기는, 상호 독립적인 제1 공간과 제2 공간을 구획 형성하는 이중 관로 형태의 개질기 본체와, 상기 제1 공간에 산화 촉매를 충전 형성하여 이 산화 촉매에 의한 연료와 산소의 산화 반응을 통해 열 에너지를 발생시키고 상기 열 에너지를 상기 제2 공간으로 확산시키기 위한 열 확산부재를 포함하는 버너부와, 상기 제2 공간에 개질 촉매를 충전 형성하여 이 개질 촉매에 의한 연료의 개질 반응을 통해 상기 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질 반응부를 포함한다.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 개질기 본체는, 소정 내부 공간을 갖는 제1 본체와, 상기 제1 본체의 내부 중심 방향으로 배치되는 제2 본체를 포함하며, 상기 제2 본체 내부에 상기 제1 공간을 형성하여 상기 버너부를 구성하고, 상기 제1 본체와 제2 본체 사이에 상기 제2 공간을 형성하여 상기 개질 반응부를 구성할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 제2 본체는, 양측 단부가 실질적으로 폐쇄된 관로 형태로 이루어지며, 상기 일측 단부에 제1 주입부를 형성하고, 상기 다른 일측 단부에 제1 배출부를 형성할 수 있다.
그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 열 확산부재는 상기 제2 공간에 위치하면서 상기 제2 본체의 외주면에 일체로 형성되며, 상기 제2 본체의 길이 방향을 따라 나사산 형태로 돌출되는 돌기를 구비하고 있다. 이 경우 상기 열 확산부재는 상기 제2 본체의 다수 구간에 대하여 상기 돌기가 서로 다른 간격을 갖도록 형성될 수도 있다.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 제1 본체는, 양측 단부가 실질적으로 폐쇄된 관로 형태로 이루어지며, 상기 일측 단부에 제2 주입부를 형성하고, 상기 다른 일측 단부에 제2 배출부를 형성할 수 있다.
그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 연료 공급원은, 상기 연료를 저장하는 연료 탱크와, 이 연료 탱크에 연결 설치되어 상기 연료를 배출시키는 적어도 하나의 연료 펌프를 포함할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 산소 공급원은 공기를 흡입하여 이 공기를 상기 개질기 및 전기 발생부로 공급하는 적어도 하나의 공기 펌프를 포함할 수 있다.
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.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 도시한 블록도이고, 도 2는 도 1에 도시한 스택의 구조를 나타내 보인 분해 사시도이다.
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 발생시키는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrode Membrane Fuel Cell; PEMFC) 방식을 채용한다.
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 상기 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 에너지를 이용하여 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, 상기 개질기(30)와 전기 발생부(11)로 산소를 공급하는 산소 공급원(70)을 포함하여 구성된다.
도 2에 도시한 바와 같이, 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.
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.
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 상기 개질기(30)는 열 에너지에 의한 화학 촉매 반응 예컨대, 수증기 개질, 부분 산화 또는 자열 반응 등의 촉매 반응을 통해 수소를 함유한 연료로부터 수소 가스를 발생시키고, 이 수소 가스를 스택(10)으로 공급하는 구조로 이루어진다. 이 때 상기 개질기(30)는 파이프 라인 등을 통하여 스택(10)과 연결 설치될 수 있다. 이러한 개질기(30)의 구조는 도 3 및 도 4를 참조하여 뒤에서 더욱 설명하기로 한다.
위와 같은 개질기(30)로 연료를 공급하는 연료 공급원(50)은 액상의 연료를 저장하는 연료 탱크(51)와, 이 연료 탱크(51)에 연결 설치되어 상기 연료 탱크(51) 로부터 연료를 배출시키는 연료 펌프(53)를 포함하고 있다. 이 때 상기 연료 탱크(51)는 뒤에서 더욱 설명하는 개질기(30)의 버너부(35) 및 개질 반응부(39)와 파이프 라인을 통해 연결 설치될 수 있다.
그리고 산소 공급원(70)은 소정 펌핑력으로 공기를 흡입하여 이 공기를 스택(10)의 전기 발생부(11) 및 상기한 버너부(35)로 각각 공급하는 공기 펌프(71)를 포함하고 있다. 본 실시예에서, 상기 산소 공급원(70)은 도면에서와 같이, 단일의 공기 펌프(71)를 통해 스택(10)과 버너부(35)로 공기를 공급하는 구조로 되어 있으나, 이에 한정되지 않고 상기 스택(10) 및 버너부(35)와 각각 연결 설치되는 한 쌍의 공기 펌프를 구비할 수도 있다.
상기와 같이 구성되는 본 시스템(100)의 작용시, 개질기(30)로부터 발생되는 수소 가스를 스택(10)의 전기 발생부(11)로 공급하고, 공기를 상기 전기 발생부(11)로 공급하게 되면, 이 스택(10)에서는 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 기설정된 출력량의 전기 에너지와 물 그리고 열을 발생시킨다.
한편, 본 발명에 의한 상기 연료 전지 시스템(100)은 별도 구비된 통상적인 컨트롤유니트(도시하지 않음)에 의하여 시스템의 전반적인 구동 예컨대, 연료 공급원(50), 산소 공급원(70) 등의 가동을 실질적으로 제어할 수 있다.
이하에서는, 언급한 바 있는 개질기(30)의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 개질기 구조를 개략적으로 도시한 사시도이고, 도 4는 도 3의 단면 구성도이다.
도면을 참고하면, 본 발명에 있어 상기 개질기(30)는 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 반응부(39)를 포함하여 구성된다.
실시예에 따르면, 상기 개질기(30)는 상호 독립적인 제1 공간(A)과 제2 공간(B)을 갖는 이중의 원통 관로 형태로 이루어진 개질기 본체(31)를 구비한다. 이러한 개질기 본체(31)는 제1 본체(38), 및 상기 제1 본체(38)의 내부에 위치하는 제2 본체(32)를 포함하고 있다.
상기 제1 본체(38)는 소정 단면적을 가지면서 실질적으로 양측 단부가 폐쇄된 파이프 형태로 이루어진다. 이 때 상기 제1 본체(38)는 외부에 노출되는 부분으로, 단열성을 갖는 통상적인 금속 또는 비금속 단열 소재로 형성될 수 있다.
그리고 상기 제2 본체(32)는 제1 본체(38)의 단면적 보다 상대적으로 작은 단면적을 가지면서 실질적으로 양측 단부가 폐쇄된 파이프 형태로 이루어진다. 이 때, 상기 제2 본체(32)는 그 외주면과 제1 본체(38)의 내주면이 일정 간격 이격되도록 제1 본체(38)의 내부 중심 방향으로 배치되고, 양측 단부가 제1 본체(38)의 양측 단부를 관통하여 외부로 인출되도록 설치된다. 그리고 상기 제2 본체(32)는 버너부(35)에서 발생되는 열 에너지를 제1 본체(38)에 용이하게 제공할 수 있도록 열전도성을 갖는 통상적인 금속 소재로 형성될 수 있다.
본 발명에서 상기 제2 본체(32)는 뒤에서 더욱 설명하는 버너부(35)를 실질적으로 구성하는 버너 본체로서, 그 내부에 전술한 바 있는 제1 공간(A)을 형성하 는 바, 그 제1 공간(A)에 산화 촉매(34)를 충전 형성하여 본 실시예에 의한 버너부(35)를 구성하게 된다.
이에 더하여 상기 제2 본체(32)의 일측 단부에는 연료 탱크(51)로부터 공급되는 연료와, 공기 펌프(71)에 의해 공급되는 공기를 상기 제1 공간(A)으로 주입시키기 위한 제1 주입부(32a)를 형성하고, 다른 일측 단부에는 산화 촉매(34)에 의한 연료와 공기의 산화 반응을 통해 발생되는 연소 가스를 배출시키기 위한 제1 배출부(32b)를 형성하고 있다. 이 때 상기 제1 주입부(32a)는 파이프 라인을 통해 연료 탱크(51)와 공기 펌프(71)에 각각 연결되는 바, 바람직하게 제1 주입부(32a)에는 연료 탱크(51)로부터 공급되는 연료와 공기 펌프(71)에 의해 공급되는 공기를 주입시키도록 합류관 형태의 파이프 라인이 연결 설치된다.
본 실시예에서, 상기 제1 주입부(32a)는 도면에 도시한 바와 같이, 단일의 구멍을 통하여 연료 탱크(51)로부터 공급되는 연료와 공기 펌프(71)에 의해 공급되는 공기를 주입시키도록 구비되고 있으나, 이에 한정되지 않고, 상기 연료와 공기를 개별적으로 주입시키기 위한 각각의 구멍을 형성할 수도 있다.
그리고 제1 본체(38)는 제2 본체(32) 사이에 전술한 바 있는 제2 공간(B)을 형성하는 바, 그 제2 공간(B)에 개질 촉매(37)를 충전 형성하여 본 실시예에 의한 개질 반응부(39)를 구성하게 된다. 이에 더하여 상기 제1 본체(38)의 일측 단부에는 연료 탱크(51)로부터 공급되는 연료를 상기 제2 공간(B)으로 주입시키기 위한 제2 주입부(38a)를 형성하고, 다른 일측 단부에는 개질 촉매(37)에 의한 연료의 개질 반응을 통해 발생되는 수소 가스를 배출시키기 위한 제2 배출부(38b)를 형성하 고 있다. 이 때 상기 제2 주입부(38a)는 파이프 라인을 통하여 연료 탱크(51)와 연결되며, 상기 제2 배출부(38b)는 파이프 라인을 통하여 스택(10)의 전기 발생부(11)와 연결 설치될 수 있다.
본 발명에 있어, 언급한 바 있는 버너부(35)는 액상의 연료와 공기를 공급받아 산화 촉매(34)에 의한 산화 반응을 통해 상기 연료와 공기를 연소시켜 이 때 발생하는 열 에너지를 뒤에서 더욱 설명하는 개질 반응부(39)로 전달하는 기능을 하게 된다.
이러한 버너부(35)는 제1 공간(A)에 산화 촉매(34)를 충전 형성하여 이루어지는 바, 이 산화 촉매(34)는 연료와 공기를 산화 연소시켜 개질 반응부(39)의 개질 반응에 필요한 온도 범위, 대략 200～300℃의 열원을 발생시키기 위한 것이다. 이러한 산화 촉매(34)는 알루미나(Al2O3), 실리카(SiO2) 또는 티타니아(TiO
2)로 이루어진 펠릿(pellet) 형태의 담체에 백금(Pt), 루테늄(Ru)과 같은 촉매 물질을 담지하고 있는 구조로 이루어진다.
본 발명에 있어, 언급한 바 있는 개질 반응부(39)는 버너부(35)에서 발생되는 열 에너지를 흡열하여 연료의 개질 촉매 반응을 통해 이 연료로부터 수소 가스를 발생시키기 위한 것이다.
이러한 개질 반응부(39)는 제1 본체(38)와 제2 본체(32) 사이의 제2 공간(B)에 개질 촉매(37)를 충전 형성하여 이루어진다. 상기한 개질 반응부(39)를 구성하는 개질 촉매(37)는 버너부(35)로부터 발생되는 열원을 흡열하여 상기 연료의 개질 반응을 촉진시키기 위한 것으로서, 알루미나(Al2O3), 실리카(SiO2) 또는 티타니아(TiO2)로 이루어진 펠릿(pellet) 형태의 담체에 구리(Cu), 니켈(Ni), 백금(Pt)과 같은 촉매 물질을 담지하고 있는 구조로 이루어진다.
상기와 같이 구성되는 개질기(30)의 버너부(35)에, 본 발명에 따른 열 확산부재(40)가 제공되는 바, 이 열 확산부재(40)는 산화 촉매(34)에 의한 연료와 공기의 산화 반응을 통해 발생되는 열 에너지를 개질 반응부(39)로 확산시키는 기능을 하게 된다.
본 실시예에 의한 상기 열 확산부재(40)는 개질 반응부(39)의 제2 공간(B) 즉, 제1 본체(38)와 제2 본체(32) 사이의 공간에 위치하면서 상기 제2 본체(32)의 외주면에 일체로 돌출 형성된다. 구체적으로, 이 열 확산부재(40)는 제2 본체(32)의 길이 방향을 따라 나선 방향으로 배치되며, 제2 본체(32)의 외주면에 나사산 형태로 돌출 형성되는 돌기(41)를 구비한다. 상기 돌기(41)는 제2 본체(32)가 제1 본체(38)의 내부 중심 방향으로 배치될 때, 상기 제1 본체(38)의 내주면에 접촉되는 정도의 높이로 돌출 형성되는 것이 바람직하다. 이와 같이 상기한 돌기(41)가 제1 본체(38)의 내주면에 접촉됨에 따라, 이 돌기(41) 사이의 공간에는 개질 촉매(37)가 위치하게 된다.
따라서 본 실시예에 따른 버너부(35)는 제2 본체(32)에 대한 개질 촉매(37)의 접촉 면적을 더욱 증대시켜, 개질 촉매(37)에 대한 열 전달율을 더욱 향상시킬 수 있게 된다.
이로써 본 실시예에서는 버너부(35)에서 발생되는 열 에너지를 상기한 돌기(41)를 통하여 제2 공간(B)의 개질 촉매(37)로 용이하게 확산시킬 수 있게 된다.
그리고 본 실시예에 따른 버너부(35)는 상기한 돌기(41)에 의하여 제1 본체(38)와 제2 본체(32) 사이의 제2 공간(B)에 나선형의 유동 경로를 형성하게 된다.
이로써 본 실시예에서는 제1 본체(38)와 제2 본체(32) 사이의 제2 공간(B)으로 공급되는 연료가 언급한 바 있는 나선 형태의 유동 경로를 따라 유동하게 되는 바, 개질 촉매(37)에 대한 연료의 유동 경로를 더욱 연장시킬 수 있게 된다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 동작을 상세히 설명하면 다음과 같다.
우선, 연료 펌프(53)를 가동시켜 연료 탱크(51)에 저장된 연료를 배출시키고, 상기 연료를 제1 주입구(32a)를 통해 제2 본체(32) 내부로 공급한다.
이러는 과정을 거치는 동안, 공기 펌프(71)를 가동시켜 공기를 상기 제1 주입구(32a)를 통해 제2 본체(32) 내부로 공급한다.
그러면 상기 연료와 공기는 버너부(35) 즉, 제2 본체(32) 내부의 산화 촉매(34)을 거치면서 산화 촉매 반응을 일으키게 된다.
이러는 동안, 버너부(35)에서는 상기 산화 촉매 반응을 통해 연료와 공기가 연소되면서 개질 반응부(39)의 개질 반응에 필요한 기설정된 온도 범위, 예컨대 200～300℃의 열원을 발생시킨다. 그리고 상기한 열원은 본 실시예에 의한 열 확산부재(40)를 통해 제1 본체(38)와 제2 본체(32) 사이의 개질 촉매(37)로 확산되게 된다. 따라서 상기 개질 촉매(37)는 열 확산부재(40)를 통해 버너부(35)로부터 기 설정된 반응 개시 온도 범위의 열원을 제공받게 된다.
이 때 제2 본체(32)의 내부에서 발생하는 비교적 높은 온도의 연소 가스(연료와 공기의 연소 가스)는 제1 배출부(32b)를 통해 외부로 배출되게 된다.
이와 같은 상태에서, 연료 펌프(53)의 가동에 의하여 연료 탱크(51)에 저장된 연료를 제1 본체(38)의 제2 주입부(38a)로 공급한다. 그러면 상기 연료는 제1 본체(38)와 제2 본체(32) 사이의 개질 촉매(37)를 거치면서 개질 반응을 일으키게 된다.
이 때 상기한 연료는, 본 실시예에 의한 열 확산부재(40)에 의하여 제1 본체(38)와 제2 본체(32) 사이의 제2 공간(B)에 나선 형태의 유동 경로를 형성함에 따라, 이 나선형 유동 경로를 따라 유동하면서 개질 촉매(37)에 의하여 개질 반응을 일으키게 된다. 즉, 개질 반응부(39)에서는 개질 촉매(37)에 의한 연료의 분해 반응(흡열 반응)이 진행되어 이산화탄소와 수소를 함유하고 있는 수소 가스를 발생시킨다.
이 후 상기 수소 가스는 제1 본체(38)의 제2 배출부(38b)를 통해 배출되어 스택(10)의 전기 발생부(11)로 공급된다. 그러면 상기 수소 가스는 세퍼레이터(16)를 통해 막-전극 어셈블리(12)의 애노드 전극으로 공급된다.
이와 동시에, 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.
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 이와 같은 일련의 과정을 통해 기설정된 출력량의 전기 에너지를 소정 로드 예컨대, 노트북, PDA와 같은 휴대용 전자기기 또는 이동통신 단말기기로 출력시킬 수 있게 된다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 개질기의 구조를 개략적으로 도시한 단면 구성도이다.
도면을 참고하면, 본 실시예에 의한 개질기(130)는 전기 실시예의 구조를 기본으로 하면서, 버너부(135)에 구비되는 산화 촉매(134)를 허니콤(honey comb) 타입으로 형성하고 있다.
이러한 허니콤 타입의 산화 촉매(134)는 제2 본체(132) 내부에 길이 방향으로 배치되며, 다수의 평행한 관통 구멍(134a) 즉, 셀을 가진 세라믹 담체 또는 금속 담체의 셀 내부 표면에 촉매 물질을 담지시킨 구조로 이루어진다. 이 때 상기 관통 구멍(134a)은 연료와 공기를 통과시키는 통로로서, 이 통로의 내표면에 연료와 공기의 산화 반응에 필요한 촉매 물질을 형성하고 있다.
본 실시예에 의한 개질기(130)의 나머지 구성 및 작용은 전기 실시예와 동일하므로 자세한 설명은 생략한다.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 개질기의 구조를 개략적으로 도시한 단면 구성도이다.
도면을 참고하면, 본 실시예에 의한 개질기(230)는 전기 실시예들의 구조를 기본으로 하면서, 제2 본체(232)의 외주면에 열 확산부재(240)의 돌기(241)가 서로 다른 간격을 갖도록 형성되는 버너부(235)를 구성한다.
상기에서 열 확산부재(240)는 제2 본체(232)에 대하여 임의의 구간을 구획 설정하고, 각 구간에 대해 서로 다른 간격을 갖는 돌기(241)를 형성하여, 상기 제2 본체(232)의 각 구간에서 실질적으로 동일한 온도 범위의 열 에너지를 개질 반응부(239)로 확산시키는 구조로 이루어진다.
본 실시예에서는, 상기 제2 본체(232)의 제1 주입부(232a) 측을 제1 구간(a), 제1 배출부(232b) 측을 제2 구간(b), 제1 주입부(232a)와 제1 배출부(232b) 사이의 영역을 제3 구간(c)으로 구획 설정할 수 있다.
이에 따라 상기한 열 확산부재(240)는 제1 구간(a)에 위치하는 돌기(241)가 가장 좁은 간격을 갖도록 형성되고, 제2 구간(b)에 위치하는 돌기(241)가 제1 구간(a)에 위치하는 돌기 보다 상대적으로 넓은 간격을 갖도록 형성되며, 제3 구간(c)에 위치하는 돌기(241)가 제2 구간(b)에 위치하는 돌기 보다 상대적으로 넓은 간격을 갖도록 형성될 수 있다.
이와 같이 제2 본체(232)의 각 구간(a, b, c)에 대하여 돌기(241)의 간격이 서로 상이하도록 열 확산부재(240)를 형성하는 이유는, 개질 반응부(239)로 전달되는 각 구간(a, b, c)의 열 전달량을 조절하여 상기 개질 반응부(239) 전체에 대한 버너부(235)의 온도 구배를 줄이기 위함이다.
부연 설명하면, 본 실시예에 의한 열 확산부재(240)를 구비하고 있지 않은 통상적인 버너의 경우, 연료와 공기가 주입되는 부분에서는 상기 연료와 공기가 예열되지 않은 상태로 주입되게 되는 바, 이 부분에서 가장 작은 온도 범위의 열 에너지를 발생시키게 된다. 상기 통상적인 버너에 있어 연료와 공기의 연소 가스가 배출되는 부분에서는 산화 촉매를 거친 연료와 공기의 농도가 점차 작아지게 되는 바, 상기한 연료와 공기의 주입 부분 보다 상대적으로 높은 온도 범위의 열 에너지를 발생시키게 된다. 그리고 상기한 주입 부분과 배출 부분 사이의 영역에서는 연료와 공기의 예열이 극대화되고 연료와 공기의 농도가 상대적으로 높기 때문에 상기한 연료와 공기의 배출 부분 보다 상대적으로 높은 온도 범위의 열 에너지를 발생시키게 된다.
따라서 본 실시예에 의한 개질기(230)의 버너부(235)는, 위와 같은 통상적인 버너의 경우에서 버너 전체의 각 구간별 온도 편차로 인해 개질 촉매에 대한 열 전달량이 서로 다르기 때문에, 이를 방지하기 위해 언급한 바와 같이 제2 본체(232)의 각 구간(a, b, c)에 대하여 돌기(241)의 간격이 서로 다른 열 확산부재(240)를 형성하고 있다. 즉, 상기 버너부(235)는 제1 구간(a)에서 돌기(241)의 간격이 가장 좁고, 제2 구간(b)에서 돌기(241)의 간격이 제1 구간(a)에 위치하는 돌기 보다 상대적으로 넓고, 제3 구간(c)에서 돌기(241)의 간격이 제2 구간(b)에 위치하는 돌기 보다 상대적으로 넓은 열 확산부재(240)를 형성하고 있다.
이로써 본 발명에 따른 개질기(230)는 각 구간(a, b, c)에 상응하는 제2 본체(232)의 외주면에 대하여 열 확산부재(240)의 돌기(241)가 서로 다른 간격을 갖도록 버너부(235)를 구성함에 따라, 개질 반응부(239)에 대한 버너부(235) 전체의 온도 구배를 줄여 상기 각 구간(a, b, c)의 돌기(241)를 통해 실질적으로 동일한 온도 범위의 열 에너지를 개질 반응부(239)로 확산시킬 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 의하면, 버너부에 나선형의 열 확산부재를 형성함에 따라, 개질 반응부에 대한 열 전달율을 향상시킬 수 있다. 또한, 열 확산부재에 의하여 개질 반응부에 대한 연료의 유동 경로를 나선형으로 형성함에 따라, 개질 촉매와 연료의 접촉시간을 증대시킬 수 있다. 따라서 전체 개질기의 반응 효율 및 성능을 더욱 극대화시킬 수 있는 효과가 있다.
Claims (22)
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- 상호 독립적인 제1 공간과 제2 공간을 구획 형성하는 이중 관로 형태의 개질기 본체;상기 제1 공간에 산화 촉매를 충전 형성하여 이 산화 촉매에 의한 연료와 산소의 산화 반응을 통해 열 에너지를 발생시키는 버너부; 및상기 제2 공간에 개질 촉매를 충전 형성하여 이 개질 촉매에 의한 연료의 개질 반응을 통해 상기 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질 반응부를 포함하며,상기 버너부는 상기 열 에너지를 상기 제2 공간으로 확산시키는 열 확산부재를 구비하며,상기 개질기 본체는, 제1 본체 및 상기 제1 본체의 내부 중심 방향으로 배치되는 제2 본체를 포함하고, 상기 제2 본체 내부에 상기 제1 공간을 형성하고, 상기 제1 본체와 제2 본체 사이에 상기 제2 공간을 형성하며,상기 열 확산부재는 상기 버너 본체의 외주면에서 돌출되는 돌기를 구비하며,상기 제2 본체는, 양측 단부가 폐쇄된 관로 형태로 이루어지며, 상기 일측 단부에 제1 주입부를 형성하고, 상기 다른 일측 단부에 제1 배출부를 형성하고,상기 제1 주입부 측을 제1 구간이라 하고, 상기 제1 배출부 측을 제2 구간이라 하며, 상기 제1 주입부와 상기 제1 배출부 사이의 영역을 제3 구간이라 할 때,상기 제2 구간에 위치하는 돌기는 상기 제1 구간에 위치하는 돌기 보다 더 넓은 간격을 갖도록 형성되며, 상기 제3 구간에 위치하는 돌기는 상기 제2 구간에 위치하는 돌기보다 더 넓은 간격을 갖도록 형성된 개질기.
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- 제 7 항에 있어서,상기 열 확산부재는 상기 제2 공간에 위치하면서 상기 제2 본체의 길이 방향을 따라 나사산 형태로 돌출되는 돌기를 구비하는 개질기.
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- 제 7 항에 있어서,상기 제1 본체는, 양측 단부가 폐쇄된 관로 형태로 이루어지며, 상기 일측 단부에 제2 주입부를 형성하고, 상기 다른 일측 단부에 제2 배출부를 형성하는 개질기.
- 제 7 항에 있어서,상기 개질 촉매가 펠릿 형태로 이루어지는 개질기.
- 수소와 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 전기 발생부;열 에너지에 의한 촉매 반응을 통해 연료로부터 수소 가스를 발생시키고, 이 수소 가스를 상기 전기 발생부로 공급하는 개질기;상기 개질기로 연료를 공급하는 연료 공급원; 및상기 개질기 및 전기 발생부로 산소를 공급하는 산소 공급원을 포함하며,상기 개질기는,상호 독립적인 제1 공간과 제2 공간을 구획 형성하는 이중 관로 형태의 개질기 본체와,상기 제1 공간에 산화 촉매를 충전 형성하여 이 산화 촉매에 의한 연료와 산소의 산화 반응을 통해 열 에너지를 발생시키고, 상기 열 에너지를 상기 제2 공간으로 확산시키기 위한 열 확산부재를 포함하는 버너부와,상기 제2 공간에 개질 촉매를 충전 형성하여 이 개질 촉매에 의한 연료의 개질 반응을 통해 상기 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질 반응부를 포함하며,상기 개질기 본체는, 제1 본체 및 상기 제1 본체의 내부 중심 방향으로 배치되는 제2 본체를 포함하고,상기 제2 본체 내부에 상기 제1 공간을 형성하고, 상기 제1 본체와 제2 본체 사이에 상기 제2 공간을 형성하며,상기 열 확산부재는 상기 버너 본체의 외주면에서 돌출되는 돌기를 구비하며,상기 제2 본체는, 양측 단부가 폐쇄된 관로 형태로 이루어지며, 상기 일측 단부에 제1 주입부를 형성하고, 상기 다른 일측 단부에 제1 배출부를 형성하고,상기 제1 주입부 측을 제1 구간이라 하고, 상기 제1 배출부 측을 제2 구간이라 하며, 상기 제1 주입부와 상기 제1 배출부 사이의 영역을 제3 구간이라 할 때,상기 제2 구간에 위치하는 돌기는 상기 제1 구간에 위치하는 돌기 보다 더 넓은 간격을 갖도록 형성되며, 상기 제3 구간에 위치하는 돌기는 상기 제2 구간에 위치하는 돌기보다 더 넓은 간격을 갖도록 형성된 연료 전지 시스템.
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- 제 14 항에 있어서,상기 열 확산부재는 상기 제2 공간에 위치하면서 상기 제2 본체의 길이 방향을 따라 나사산 형태로 돌출되는 돌기를 구비하는 연료 전지 시스템.
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- 제 14 항에 있어서,상기 제1 본체는, 양측 단부가 폐쇄된 관로 형태로 이루어지며, 상기 일측 단부에 제2 주입부를 형성하고, 상기 다른 일측 단부에 제2 배출부를 형성하는 연료 전지 시스템.
- 제 14 항에 있어서,상기 연료 공급원은,상기 연료를 저장하는 연료 탱크와, 상기 연료 탱크에 연결 설치되어 상기 연료를 배출시키는 적어도 하나의 연료 펌프를 포함하는 연료 전지 시스템.
- 제 14 항에 있어서,상기 산소 공급원은 공기를 흡입하여 이 공기를 상기 개질기 및 전기 발생부로 공급하는 적어도 하나의 공기 펌프를 포함하는 연료 전지 시스템.
- 제 14 항에 있어서,상기 전기 발생부를 복수로 구비하여 이들 전기 발생부의 집합체 구조에 의한 스택을 형성하는 연료 전지 시스템.
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