KR101155910B1 - 개질 기능을 갖는 스택 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 수소와 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 1의 전기 발생부 및 상기 전기 발생부와 일체로 합체되어 연료로부터 수소 가스를 발생시키고 이 수소 가스를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료처리유닛을 포함하는 스택과, 상기 연료처리유닛으로 상기 연료를 공급하는 연료 공급원과, 상기 전기 발생부와 상기 연료처리유닛으로 상기 산소를 공급하는 산소 공급원을 포함한다.
연료전지, 스택, 전기발생부, 세퍼레이터, 반응플레이트, 연료처리유닛, 개질부, 반응통로, 일체형

Description

개질 기능을 갖는 스택 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템 {STACK CAPABLE OF REFORMING ACTION AND FUEL CELL SYSTEM WITH THE SAME}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지용 스택의 구성을 도시한 분해 사시도이다.
도 3은 도 2의 결합 단면 구성도이다.
도 4는 도 2에 도시한 개질부의 구조를 개략적으로 도시한 세퍼레이터의 정면 구성도이다.
도 5a 내지 도 5e는 본 발명의 제1 실시예에 대한 개질부의 변형예들을 개략적으로 도시한 세퍼레이터의 정면 구성도이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지용 스택의 구성을 도시한 분해 사시도이다.
도 7은 도 6에 도시한 개질부를 나타내 보인 반응 플레이트의 단면 구성도이다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 제2 실시예에 대한 개질부의 변형예를 개략적으로 도시한 단면 구성도이다.
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료 전지용 스택의 구성을 도시한 단면 구성도이다.
도 10은 본 발명의 제4 실시예에 따른 연료 전지용 스택의 구성을 도시한 단면 구성도이다.
본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 스택에 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 다수의 단위 셀로 이루어진 전기 발생 집합체를 형성하며, 연료 펌프는 연료 탱크 내의 연료를 개질기 로 공급한다. 개질기는 스택과 연결 설치되어 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키고 이 수소 가스를 스택으로 공급한다. 따라서, 종래의 연료 전지 시스템은 연료 펌프의 작동으로 연료 탱크 내의 연료를 개질기로 공급하고, 이 개질기에서 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시킨다. 그리고 상기한 수소 가스를 스택으로 공급하고, 별도의 펌프 등을 통해 공기를 스택으로 공급한다. 그러면 스택에서는 상기 수소 가스와 공기 중에 함유된 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시킨다.
그런데, 지금까지의 연료 전지 시스템에 있어서는 상기 스택과 개질기가 별도의 구성물로 구비되어 서로 유기적인 결합 관계를 갖고 이러한 시스템의 구성시 그 구성이 복잡하고 설치 면적이 커서 시스템 제조에 어려움을 줄 뿐더러, 적용 기기기의 크기 또한 줄일 수 없게 하는 문제가 있다.
또한, 연료 전지의 효율적인 측면에서 보면 기존의 연료 전지 시스템은 개질기와 스택이 별개의 부위에서 작용함에 따라, 다시 말해, 개질기와 스택이 별개의 몸체로 구성된 상태에서 스택이 개질기에서 생성된 수소 가스를 받아 전기를 생성하는 구성임에 따라, 각각에서 생성되는 열을 효율적으로 사용하기가 용이하지 못해 전체적인 열효율을 극대화하지 못하고 있는 실정이다.
본 발명은 상술한 문제점을 감안한 것으로서, 그 목적은 시스템의 부피는 최소화하면서도 열효율은 상승시킬 수 있는 연료 전지 시스용 스택과 이를 갖는 연료 전지 시스템을 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 연료 전지용 스택은, 수소와 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 전기 발생부, 및 연료로부터 수소 가스를 발생시키고 이 수소 가스를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료처리유닛을 포함하며, 상기 전기 발생부와 상기 연료처리유닛이 일체로 합체되어 이루어지는 구조로 되어 있다.
본 발명에 따른 연료 전지용 스택은, 상기 전기 발생부가 100～250℃의 고온용 연료 전지인 것이 바람직하다.
또한 본 발명에 따른 연료 전지용 스택은, 상기 전기 발생부를 복수로 구비하고 이들 전기 발생부에 의한 집합체 구조로 이루어지며, 상기 연료처리유닛이 상기 각 전기 발생부 사이에 위치하는 구조로 되어 있다.
아울러 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료 전지용 스택은, 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode Assembly: MEA)와, 수소 및 산소의 이동 채널을 가지면서 상기 막-전극 어셈블리의 양측면에 각각 밀착 배치되는 세퍼레이터를 포함하여 구성되는 적어도 1의 전기 발생부, 및 상기 세퍼레이터의 이동 채널 반대쪽 면에 형성되어 연료로부터 수소 가스를 발생시키고 이 수소 가스를 상기 전기 발생부로 공급하는 개질부를 포함한다.
본 발명에 따른 연료 전지용 스택은, 상기 전기 발생부를 복수로 구비하고 이들 전기 발생부에 의한 집합체 구조로 이루어지며, 상기 세퍼레이터는 상기 막-전극 어셈블리의 일측면에 밀착되는 밀착면에 수소 이동 채널을 형성하고, 상기 막 -전극 어셈블리의 다른 일측면에 밀착되는 밀착면에 산소 이동 채널을 형성할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 연료 전지용 스택에 있어서, 상기 개질부는 서로 이웃하는 상기 전기 발생부 사이에 형성되며, 대향 밀착되는 상기 각 세퍼레이터의 이동 채널 반대쪽 면에 채널 형태로 형성되어 상기 두 채널이 합쳐져 반응 통로를 형성할 수 있다.
그리고 본 발명에 따른 연료 전지용 스택에 있어서, 상기 반응 통로는 상기 세퍼레이터의 일측단에서 반대쪽 측단을 따라 다수 형성될 수 있다.
또한 본 발명에 따른 연료 전지용 스택은, 상기 각 반응 통로의 내면에 산화 촉매와 개질 촉매를 교번되게 연속적으로 형성할 수 있다.
그리고 본 발명에 따른 연료 전지용 스택은, 상기 일측 반응 통로의 내면에 산화 촉매를 형성하고, 이웃하는 다른 일측 반응 통로의 내면에 개질 촉매를 형성할 수도 있다.
또한 본 발명에 따른 연료 전지용 스택에 있어서, 상기 개질부는 상기 각 반응 통로 사이에 증발 통로를 형성할 수도 있다.
그리고 본 발명에 따른 연료 전지용 스택에 있어서, 상기 반응 통로는 상기 각 세퍼레이터에 관통 형성되는 주입구와 배출구를 가지면서 이 주입구와 배출구를 연결하는 채널 형태로 이루어질 수도 있다. 이 경우 상기 반응 통로는 사행(蛇行: meander)의 형태로 이루어지는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에 따른 연료 전지용 스택은, 상기 반응 통로의 내면에 산화 촉 매와 개질 촉매를 교번되게 연속적으로 형성할 수도 있다.
그리고 본 발명에 따른 연료 전지용 스택에 있어서, 상기 반응 통로는 중앙부를 기준으로 상기 주입구측 내면에 산화 촉매를 형성하고, 상기 배출구측 내면에 개질 촉매를 형성할 수도 있다.
또한 본 발명에 따른 연료 전지용 스택에 있어서, 상기 반응 통로는 스트라이프 형태로 이루어지며, 이 반응 통로의 내면에 산화 촉매와 개질 촉매를 교번되게 연속적으로 형성할 수도 있다.
아울러 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료 전지용 스택은, 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode Assembly: MEA)와, 수소 및 산소의 이동 채널을 가지면서 상기 막-전극 어셈블리의 양측면에 각각 밀착 배치되는 세퍼레이터를 포함하여 구성되는 적어도 1의 전기 발생부, 및 상기 세퍼레이터에 연결 설치되어 연료로부터 수소 가스를 발생시키고 이 수소 가스를 상기 전기 발생부로 공급하는 개질부를 포함한다.
본 발명에 따른 연료 전지용 스택은, 상기 전기 발생부를 복수로 구비하고 이들 전기 발생부에 의한 집합체 구조로 이루어지며, 상기 세퍼레이터는 상기 막-전극 어셈블리의 일측면에 밀착되는 밀착면에 수소 이동 채널을 형성하고, 상기 막-전극 어셈블리의 다른 일측면에 밀착되는 밀착면에 산소 이동 채널을 형성할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 연료 전지용 스택에 있어서, 상기 개질부는 서로 이웃하는 상기 전기 발생부 사이에 개재되는 적어도 하나의 반응 플레이트를 포함할 수 있다. 이 경우 상기 반응 플레이트는 일측단에서 반대쪽 측단을 따라 관통 형성되는 다수의 반응 통로를 형성할 수 있다.
그리고 본 발명에 따른 연료 전지용 스택은, 상기 각 반응 통로의 내면에 산화 촉매와 개질 촉매를 교번되게 연속적으로 형성할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 연료 전지용 스택은, 상기 일측 반응 통로의 내면에 산화 촉매를 형성하고, 이웃하는 다른 일측 반응 통로의 내면에 개질 촉매를 형성할 수도 있다.
그리고 본 발명에 따른 연료 전지용 스택에 있어서, 상기 반응 플레이트는 상기 각 반응 통로 사이에 증발 통로를 형성할 수도 있다.
또한 본 발명에 따른 연료 전지용 스택에 있어서, 상기 개질부는, 일측단에서 반대쪽 측단을 따라 다수의 제1 반응 통로를 형성하는 제1 반응 플레이트와, 상기 제1 반응 플레이트의 일측면에 밀착 배치되며 일측단에서 반대쪽 측단을 따라 다수의 제2 반응 통로를 형성하는 제2 반응 플레이트와, 상기 제1 반응 플레이트의 다른 일측면에 밀착 배치되며 일측단에서 반대쪽 측단을 따라 다수의 제3 반응 통로를 형성하는 제3 반응 플레이트를 포함할 수도 있다.
그리고 본 발명에 따른 연료 전지용 스택은, 상기 제1 반응 통로의 내면에 산화 촉매를 형성하고, 상기 제2,3 반응 통로의 내면에 개질 촉매를 형성할 수 있다. 이 경우 본 발명에 따른 연료 전지용 스택은, 상기 제2,3 반응 통로 사이에 증발 통로를 형성할 수도 있다.
아울러 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템 은, 수소와 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 1의 전기 발생부 및 상기 전기 발생부와 일체로 합체되어 연료로부터 수소 가스를 발생시키고 이 수소 가스를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료처리유닛을 포함하는 스택과, 상기 연료처리유닛으로 상기 연료를 공급하는 연료 공급원과, 상기 전기 발생부와 상기 연료처리유닛으로 상기 산소를 공급하는 산소 공급원을 포함한다.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 액상으로 이루어진 연료를 사용하는 것이 바람직하다. 이 경우 상기 연료는 메탄올과 물의 혼합 연료일 수도 있다.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 전기 발생부가 100～250℃의 고온용 연료 전지인 것이 바람직하다.
그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 스택은 전기 발생부를 복수로 구비하고 이들 전기 발생부에 의한 집합체 구조로 이루어지며, 상기 연료처리유닛이 상기 각 전기 발생부 사이에 위치하는 구조로 되어 있다.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 연료 공급원은, 상기 연료를 저장하는 적어도 하나의 연료 탱크와, 이 연료 탱크에 연결 설치되어 상기 연료를 배출시키는 연료 펌프를 포함할 수 있다.
그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 산소 공급원은 적어도 하나의 공기 펌프인 것이 바람직하다.
아울러 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 연료로부터 수소 가스를 발생시키고 수소와 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 스택과, 상기 스택으로 상기 연료를 공급하는 연료 공급원과, 상기 스 택으로 상기 산소를 공급하는 산소 공급원을 포함하며,
상기 스택은, 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode Assembly: MEA)와, 수소 및 산소의 이동 채널을 가지면서 상기 막-전극 어셈블리의 양측면에 각각 밀착 배치되는 세퍼레이터를 포함하여 구성되는 적어도 1의 전기 발생부, 및 상기 세퍼레이터의 이동 채널 반대쪽 면에 형성되어 상기 연료로부터 수소 가스를 발생시키고 이 수소 가스를 상기 전기 발생부로 공급하는 개질부를 포함한다.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 스택은 상기 전기 발생부를 복수로 구비하고 이들 전기 발생부에 의한 집합체 구조로 이루어지며, 상기 세퍼레이터는 상기 막-전극 어셈블리의 일측면에 밀착되는 밀착면에 수소 이동 채널을 형성하고 상기 막-전극 어셈블리의 다른 일측면에 밀착되는 밀착면에 산소 이동 채널을 형성할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 개질부는 서로 이웃하는 상기 전기 발생부 사이에 형성되며, 대향 밀착되는 상기 각 세퍼레이터의 이동 채널 반대쪽 면에 채널 형태로 형성되어 상기 두 채널이 합쳐져 반응 통로를 형성할 수 있다. 이 경우 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 반응 통로로 상기 연료를 공급하여 상기 연료로부터 수소 가스를 발생시키고 이 수소 가스를 상기 전기 발생부로 공급하는 구조로 되어 있다.
아울러 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 연료로부터 수소 가스를 발생시키고 수소와 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 스택과, 상기 스택으로 상기 연료를 공급하는 연료 공급원과, 상기 스 택으로 상기 산소를 공급하는 산소 공급원을 포함하며,
상기 스택은, 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode Assembly: MEA)와, 수소 및 산소의 이동 채널을 가지면서 상기 막-전극 어셈블리의 양측면에 각각 밀착 배치되는 세퍼레이터를 포함하여 구성되는 적어도 1의 전기 발생부, 및 상기 세퍼레이터에 연결 설치되어 상기 연료로부터 수소 가스를 발생시키고 이 수소 가스를 상기 전기 발생부로 공급하는 개질부를 포함한다.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 스택은 상기 전기 발생부를 복수로 구비하고 이들 전기 발생부에 의한 집합체 구조로 이루어지며, 상기 세퍼레이터는 상기 막-전극 어셈블리의 일측면에 밀착되는 밀착면에 수소 이동 채널을 형성하고 상기 막-전극 어셈블리의 다른 일측면에 밀착되는 밀착면에 산소 이동 채널을 형성할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 개질부는 서로 이웃하는 상기 전기 발생부 사이에 개재되는 적어도 하나의 반응 플레이트를 포함할 수 있다.
그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 반응 플레이트는 일측단에서 반대쪽 측단을 따라 관통 형성되는 다수의 반응 통로를 형성할 수 있다. 이 경우 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 반응 통로로 상기 연료를 공급하여 상기 연료로부터 수소 가스를 발생시키고 이 수소 가스를 상기 전기 발생부로 공급하는 구조로 되어 있다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속 하는 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 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
이 도면을 참조하여 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)을 설명하면, 이 연료 전지 시스템(100)은, 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 기체 또는 액상의 연료를 포함할 수 있다. 그러나 본 실시예에서 설명하는 이하의 연료는 편의상 액상으로 이루어진 순수한 연료라 정의하고, 이 연료와 물이 혼합된 연료를 혼합 연료라고 정의한다.
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, 전술한 바 있는 혼합 연료로부터 수소 가스를 발생시키고 수소와 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 스 택(10)과, 상기 스택(10)으로 연료를 공급하는 연료 공급원(50)과, 상기 스택(10)으로 산소를 공급하는 산소 공급원(70)을 포함하여 구성된다.
상기에서 스택(10)은 연료 전지의 작용에 의해 전기 에너지를 발생시키는 전기발생유닛과, 상기 혼합 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 연료처리유닛이 일체로 합체되어 상기 연료의 개질 처리 및 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 수행하는 구조로서, 이의 구성은 뒤에서 더욱 설명하기로 한다.
연료 공급원(50)은 전술한 바 있는 순수한 연료와, 이 순수한 연료와 물이 혼합된 혼합 연료를 상기 스택(10)의 연료처리유닛으로 공급하기 위한 것이다. 이 연료 공급원(50)은 상기 순수한 연료를 저장하는 제1 연료 탱크(51)와, 상기 혼합 연료를 저장하는 제2 연료 탱크(52)와, 상기 제1,2 연료 탱크(51, 52)에 연결 설치되어 상기 순수한 연료 및 혼합 연료를 배출시키는 연료 펌프(53)를 포함하고 있다.
그리고 산소 공급원(70)은 산소를 스택(10)의 전기발생유닛과 연료처리유닛으로 공급하기 위한 것이다. 상기 산소 공급원(70)은 공기를 흡입하고 이 공기를 상기 스택(10)으로 공급하는 공기 펌프(71)를 포함하고 있다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지용 스택의 구성을 도시한 분해 사시도이고, 도 3은 도 2의 결합 단면 구성도이고, 도 4는 도 2에 도시한 개질부의 구조를 개략적으로 도시한 세퍼레이터의 정면 구성도이다.
도면을 참고하면, 본 실시예에 의한 상기 스택(10)은 수소와 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 복수의 전기 발생부(20)를 포함하여 구성된다.
상기 전기 발생부(20)는 뒤에서 더욱 설명하는 개질부(30)로부터 수소 가스를 공급받고, 산소 공급원(70)으로부터 공기를 공급받아 상기 수소 가스 중의 수소와 공기 중의 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키는 최소 단위의 연료 전지(fuel cell)를 구성한다.
따라서 본 실시예에서는 위와 같은 최소 단위의 전기 발생부(20)를 복수로 구비하고, 이들을 연속 배치함으로써 전기 발생부(20)들의 집합체 구조에 의한 스택(10)을 형성할 수 있다.
여기서 상기 전기 발생부(20)는 자동차 또는 주택 발전용으로 사용하는 고온의 운전 조건을 갖는 연료 전지로 구성되는 바, 더욱 바람직하게는 상기 개질부(30)로부터 공급되는 수소 가스 중의 일산화탄소 농도를 저감시킬 수 있는 대략 120℃～200℃의 운전 온도 조건을 갖는 연료 전지로 구성될 수 있다.
구체적으로, 상기 전기 발생부(20)는 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode Assembly: MEA)(이하, 'MEA'라고 한다.)(21)를 중심에 두고 이의 양면에 세퍼레이터(Separator)(당업계에서는 '바이폴라 플레이트'라고도 한다.)(22)를 밀착 배치하여 구성될 수 있다.
상기 MEA(21)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. 애노드 전극은 상기 개질부(30)로부터 공급되는 수소 가스 중의 수소를 산화 반응시켜 수소 이온(프로톤)과 전자로 변환시키는 기능을 하게 된다. 캐소드 전극은 산소 공급원(70)의 가동에 의해 공급되는 공기 중의 산소와 상기 애노드 전극으로부터 이동된 수소 이온을 환원 반응시켜, 소정 온도의 열과 수분을 발생시키는 기능을 하게 된다. 그리고 전해질막은 애노드 전극에서 생성된 수소 이온을 캐소드 전극으로 이동시키는 이온 교환의 기능을 하게 된다.
여기서 상기 애노드 전극은 일산화탄소의 피독 저항성을 갖는 촉매 물질로 이루어지는 바, 전술한 바와 같은 전기 발생부(20)의 운전 온도 조건에 의한 촉매 활성으로 상기 수소 가스 중에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시킬 수 있는 통상적인 촉매 물질로 이루어진다.
상기한 MEA(21)를 사이에 두고 이의 양면에 밀착 배치되는 상기 세퍼레이터(22)는 MEA(21)의 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체의 기능을 가지며, MEA(21)의 산화/환원 반응에 필요한 수소 가스와 공기를 상기 애노드 전극과 캐소드 전극에 공급하는 통로의 기능도 가진다.
본 실시예에서 상기 세퍼레이터(22)는 MEA(21)에 밀착되는 면의 반대쪽 면이 이웃하는 전기 발생부(20)의 세퍼레이터(22)의 MEA 반대쪽 면에 대향 밀착되도록 배치되는 것이 바람직하다.
이러한 상기 각각의 세퍼레이터(22)에는 MEA(21)의 애노드 전극으로 수소 가스를 공급하기 위한 수소 이동 채널(23)과, MEA(21)의 캐소드 전극으로 공기를 공급하기 위한 산소 이동 채널(24)을 형성하고 있다. 이 때 상기 수소 이동 채널(23)은 뒤에서 더욱 설명하는 개질부(30)에 연결되고, 상기 산소 이동 채널(24)은 산소 공급원(70)의 공기 펌프(71)와 연결된다.
그리고 상기 각각의 세퍼레이터(22)에는 수소 이동 채널(23)과 산소 이동 채널(24)로 수소 가스와 공기를 주입시키기 위한 매니폴드 타입의 제1,2 주입구(22a, 22b)와, 각각의 채널(23, 24)을 통과하면서 MEA(21)에 대하여 반응하고 남은 수소 가스와 공기를 배출시키기 위한 매니폴드 타입의 제1,2 배출구(22c, 22d)를 형성하고 있다.
상기 제1 주입구(22a)는 산소 이동 채널(24)과 연통되지 않으면서 수소 이동 채널(23)과 연통하도록 형성되고, 상기 제2 주입구(22b)는 수소 이동 채널(23)과 연통되지 않으면서 산소 이동 채널(24)과 연통하도록 형성되며, 상기 제1 배출구(22c)는 산소 이동 채널(24)과 연통되지 않으면서 수소 이동 채널(23)과 연통하도록 형성되고, 상기 제2 배출구(22d)는 수소 이동 채널(23)와 연통되지 않으면서 산소 이동 채널(24)과 연통하도록 형성된다. 이 때 상기 제1,2 주입구(22a, 22b)는 세퍼레이터(22)의 상측에 형성되고, 상기 제1,2 배출구(22c, 22d)는 세퍼레이터(22)의 하측에 형성되는 것이 바람직하다.
이와 같이 구성되는 스택(10)에, 본 발명에 따른 개질부(30)를 제공하는 바, 이 개질부(30)는 복수의 전기 발생부(20) 사이에 배치되어 상기 혼합 연료로부터 수소 가스를 발생시키고 이 수소 가스를 상기 전기 발생부(20)로 공급하는 기능을 하게 된다.
본 발명에서, 상기 개질부(30)는 순수한 연료와 공기의 산화 반응을 통해 스택(10) 전체를 대략 200℃까지 예열시키고, 혼합 연료와 공기의 자열반응(Auto- Thermal Reaction: ATR) 및 상기한 열에너지에 의한 혼합 연료의 수증기 개질(Steam Reformimg: SR) 반응을 통해 상기 혼합 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 구조로 이루어진다.
구체적으로, 상기 개질부(30)는 서로 이웃하는 전기 발생부(20) 사이에 형성되어 순수한 연료와 공기, 혼합 연료와 공기를 통과시키면서 상기한 산화 반응, 자열 반응 및 수증기 개질 반응을 동시에 수행하게 하는 반응 통로(31)를 포함한다.
이 반응 통로(31)는 서로 이웃하는 전기 발생부(20)에 대해 대향 밀착되는 세퍼레이터(22)의 밀착면에 각각 형성되는 채널(31a)에 의하여 형성될 수 있다. 이 때 상기 채널(31a)은 일측 전기 발생부(20)에 대해 세퍼레이터(22)의 MEA(21)에 밀착되는 면의 반대쪽 면과, 이 세퍼레이터(22)에 대향 밀착되는 이웃하는 전기 발생부(20)의 세퍼레이터(22) 접면에 각각 형성될 수 있다. 따라서 일측 전기 발생부(20)의 세퍼레이터(22)와, 이 전기 발생부(20)에 이웃하는 다른 일측 전기 발생부(20)의 세퍼레이터(22)가 서로 마주 보는 형태로 밀착되는 과정에서 상기 채널(31a)이 합체됨으로써 본 실시예에 의한 반응 통로(31)를 형성할 수 있다. 이 때 상기 반응 통로(31)는 세퍼레이터(22)의 일측단에서 반대쪽 측단을 따라 관통 형성되며, 일측단을 통해 순수한 연료와 공기, 혼합 연료와 공기를 주입하고, 언급한 바 있는 산화 반응, 자열 반응 및 수증기 개질 반응에 의해 발생되는 수소 가스, 미반응 연료 및 물을 반대쪽 측단을 통해 배출시키도록 되어 있다.
그리고 상기 반응 통로(31)는 제1 연료 탱크(51) 및 공기 펌프(71)에 연결되며, 제2 연료 탱크(52)와 공기 펌프(71)에 연결된다. 이러한 연결 구조에 있어 본 실시예에 의한 스택(10)은 반응 통로(31)의 일측단으로 순수한 연료와 공기, 혼합 연료와 공기가 공급되고 상기 반응 통로(31)의 반대쪽 측단으로 미반응 연료, 물 및 수소 가스가 배출되도록 구성된 것을 예시하면서, 순수한 연료, 혼합 연료 및 공기가 일측단으로 어떻게 공급되고, 수소 가스, 미반응 연료 및 물이 반대쪽 측단을 통해 어떻게 배출되는지에 대한 구체적인 구성을 생략하고 있으며, 이에 대한 구성은 공지의 것이 적용될 수 있다.
본 실시예에서, 상기 반응 통로(31)는 채널(31a)의 내면에 알루미나로 이루어진 막 형태의 담체(32)를 형성하고, 이 담체(32)에 촉매 물질을 담지하여 구성되는 산화 촉매(33)와 개질 촉매(34)를 채널(31a)의 길이 방향을 따라 교번되게 연속적으로 형성하고 있다(도 4 참조). 이 때 상기 담체(32)는 촉매 물질을 담지하는 기능 외에, 전기 발생부(20)에서 생성되는 전류가 액상의 연료(혼합 연료)를 통해 누설되는 것을 절연하는 절연막의 기능을 하게 된다.
여기서 상기 산화 촉매(33)는 순수한 연료와 공기의 산화 반응을 촉진시켜 기설정된 온도 범위의 열 에너지를 발생시키는 통상적인 산화 촉매 물질로 이루어지고, 상기 개질 촉매(34)는 혼합 연료의 수증기 개질 반응을 촉진시켜 이 혼합 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 통상적인 개질 촉매 물질로 이루어진다.
한편, 본 실시예에 의한 연료 전지 시스템(100)은 개질부(30)의 반응 통로(31)를 통해 배출되는 수소 가스, 미반응 연료 및 물을 열 교환을 통해 각각 분리 회수하고, 상기 수소 가스를 전기 발생부(20)로 공급하는 회수부재(90)를 포함하고 있다(도 1 참조). 상기 회수부재(90)는 통상적인 구조의 응축기 또는 기액 분리기 를 그 예로 들 수 있으며, 상기 수소 가스를 전기 발생부(20)로 공급하기 위해 파이프 라인을 통해 세퍼레이터(22)의 제1 주입구(22a)와 연결 설치된다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 동작을 상세히 설명하면 다음과 같다.
우선, 본 시스템(100)의 초기 기동시, 연료 펌프(53)를 가동시켜 제1 연료 탱크(51)에 저장된 순수한 연료를 개질부(30)의 반응 통로(31)로 공급한다. 이와 동시에, 공기 펌프(71)를 가동시켜 공기를 상기 반응 통로(31)로 공급한다. 그러면, 상기 연료와 공기는 반응 통로(31)를 통과하면서 산화 촉매(33)에 의하여 산화 반응을 일으키게 된다.
따라서, 본 실시예에 의한 개질부(30)에서는 상기한 산화 반응에 의하여 연료와 공기가 연소됨에 따라 기설정된 온도 범위의 열 에너지를 발생시킨다. 이로써 본 실시예에 의한 스택(10)은 서로 이웃하는 전기 발생부(20) 사이에 개질부(30)를 구비함에 따라, 상기한 열 에너지가 각각의 전기 발생부(20)로 전달되게 되는 바, 스택(10) 전체의 고유한 운전 조건에 상응하는 온도 범위 예컨대, 120℃～200℃로 예열되게 된다.
이와 같은 상태에서, 연료 펌프(53)의 가동에 의하여 제2 연료 탱크(52)에 저장된 혼합 연료를 개질부(30)의 반응 통로(31)로 공급한다. 이와 동시에, 공기 펌프(71)의 가동에 의하여 공기를 상기 반응 통로(31)로 공급한다. 그러면, 상기 혼합 연료는 반응 통로(31)를 통과하면서 언급한 바 있는 열 에너지에 의하여 증발하게 되고, 이러는 도중 상기 증발된 혼합 연료 중에 함유된 연료의 일부와 공기는 산화 촉매(33)에 의하여 자열 반응(Auto-Thermal Reaction: ATR)을 일으키게 된다. 따라서, 본 실시예에 의한 개질부(30)에서는 상기한 자열 반응에 의하여 연료와 공기가 연소됨에 따라 스택(10)의 운전 온도 조건에 상응하는 열 에너지, 및 뒤에서 더욱 설명하는 수증기 개질(Steam Reforming: SR) 반응에 필요한 열 에너지를 발생시킨다. 이 때, 본 시스템(100)은 개질부(30)의 반응 통로(31)로 공급되는 공기의 양을 도면에 도시되지 않은 공기 밸브체에 의하여 조절할 수 있게 한다. 이에 본 시스템(100)은 상기 공기 밸브체의 개폐량 정도에 따라 반응 통로(31)로 공급되는 공기의 양이 달라지므로, 이 공기량을 선택적으로 조절하여 상기한 열 에너지의 온도 범위를 제어할 수 있게 된다.
이에 더하여, 본 실시예에 의한 개질부(30)에서는 개질 촉매(34)에 의한 상기 증발된 혼합 연료의 수증기 개질 반응을 통해 수소 가스를 발생시킨다. 이 때 상기 개질부(30)는, 개질 촉매(34)에 의한 혼합 연료의 수증기 개질 반응이 흡열 반응이므로, 이러한 개질 반응에 필요한 열 에너지를 전술한 바와 같은 연료와 공기의 자열 반응을 통해 제공받을 수 있게 된다.
이러한 경우, 본 시스템(100)은 상기 반응 통로(31)로 공급되는 혼합 연료의 농도 또는 개질 촉매(34)의 촉매량을 선택적으로 조절함으로써 상기한 열 에너지의 온도 범위를 제어할 수 있다.
이 후, 상기 수소 가스는 반응 통로(31)의 측단을 통해 배출되게 되는 바, 이 반응 통로(31)를 통과하면서 미반응된 연료 및 물과 함께 배출되게 된다. 따라서, 상기 수소 가스, 미반응 연료 및 물은 회수부재(90)에 의하여 서로 분리되고, 이 중에서 상기 수소 가스는 파이프 라인을 통해 세퍼레이터(22)의 제1 주입구(22a)로 공급된다. 이와 동시에, 공기 펌프(71)의 가동에 의하여 공기를 세퍼레이터(22)의 제2 주입구(22b)로 공급한다. 그러면, 상기 수소 가스는 세퍼레이터(22)의 수소 이동 채널(23)을 통하여 MEA(21)의 애노드 전극으로 공급된다. 그리고 상기 공기는 세퍼레이터(22)의 산소 이동 채널(24)을 통하여 MEA(21)의 캐소드 전극으로 공급된다.
따라서 상기 애노드 전극에서는 수소의 산화 반응을 통해 상기 수소를 전자와 프로톤(수소이온)으로 분해한다. 상기 프로톤은 MEA(21)의 전해질막을 통하여 캐소드 전극으로 이동되고, 전자는 전해질막을 통하여 이동되지 못하고 세퍼레이터(22) 또는 별도의 단자부(도시하지 않음)를 통해 이웃하는 MEA(21)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 반복적인 과정을 통하여 기설정된 출력량의 전기 에너지를 소정 로드(load)로 출력시킬 수 있게 된다.
한편, 본 발명에 의한 연료 전지 시스템(100)은 스택(10) 전체의 적정한 운전 온도 범위(대략, 120℃～200℃)를 유지시키기 위해, 상술한 바와 같이 전기 발생부(20)에서 발생되는 열을 지속적으로 냉각시켜 줄 필요가 있다.
이에, 본 실시예에서는 서로 이웃하는 전기 발생부(20) 사이에 개질부(30)를 구비하고 있는 바, 상기한 열은 전기 발생부(20)를 통해 개질부(30)로 전달되게 되고, 언급한 바와 있는 연료와 공기의 자열 반응을 통해 발생되는 열 에너지와 함께 혼합 연료의 수증기 개질 반응에 필요한 열 에너지로서 사용된다. 이는 전기 발생부(20)에서 발생되는 열을 상기한 혼합 연료의 수증기 개질 반응을 통해 냉각시킬 수 있음을 의미한다. 더욱이, 상기 수증기 개질 반응에 필요한 열 에너지원 공급을 연료와 공기의 자열 반응에 전적으로 의존하지 않고, 상기 전기 발생부(20)에서 발생되는 열을 상기한 열 에너지원으로 사용할 수 있다.
다른 한편으로, 본 발명에 의한 연료 전지 시스템(100)에 있어, 개질부(30)를 통해 발생되는 수소 가스 중에는 부 생성물로서의 일산화탄소를 미량 함유하고 있는 바, 전기 발생부(20)가 120℃～200℃의 고온 운전 조건을 가지면서 MEA(21)의 애노드 전극이 일산화탄소의 피독 저항성을 갖는 촉매 물질로 이루어지고 있기 때문에, 상기한 촉매의 활성으로 일산화탄소의 농도를 저감시킬 수 있게 된다.
도 5a 내지 도 5e는 본 발명의 제1 실시예에 대한 개질부의 변형예들을 개략적으로 도시한 세퍼레이터의 정면 구성도이다.
도 5a를 참고하면, 본 실시예에 대한 개질부(30A)의 제1 변형예는 전기 실시예에서와 같이, 세퍼레이터(22)의 일측단에서 반대쪽 측단을 따라 관통 형성되는 다수의 반응 통로(31A)를 구비하고, 이러한 반응 통로(31A)에 있어 일측 반응 통로(31A)의 내면에 산화 촉매(33A)를 형성하고, 이와 이웃하는 다른 일측 반응 통로(31A)의 내면에 개질 촉매(34A)를 형성하며, 상기 각각의 반응 통로(31A)에 대해 산화 촉매(33A)와 개질 촉매(34A)를 번갈아가며 형성하는 구조로 되어 있다.
따라서, 본 변형예에 의하면, 순수한 연료와 공기를 상기 일측 반응 통로(31A)로 공급하게 되면, 상기 산화 촉매(33A)에 의한 연료와 공기의 산화 반응을 통해 기설정된 온도 범위의 열 에너지를 발생시킨다. 이러한 열 에너지는 상기 다른 일측 반응 통로(31A)의 개질 촉매(34A)에 전달되게 된다. 그리고 혼합 연료를 상기 다른 일측 반응 통로(31A)로 공급하게 되면, 이 혼합 연료가 상기한 열 에너지를 흡열하여 증발하게 되고, 개질 촉매(34A)에 의한 혼합 연료의 수증기 개질 반응을 통해 수소 가스를 발생시킨다.
도 5b를 참고하면, 본 실시예에 대한 개질부(130)의 제2 변형예는 전기 제1 변형예의 구조를 기본으로 하면서, 각각의 반응 통로(131) 사이에 증발 통로(135)를 형성하는 구조로 되어 있다. 즉, 이 경우는 전기 제1 변형예에서와 같이, 산화 촉매(133)를 형성하고 있는 반응 통로(131)와 개질 촉매(134)를 형성하고 있는 반응 통로(131) 사이에 증발 통로(135)를 형성하고 있는 개질부(130)를 구성할 수 있다.
여기서, 상기 증발 통로(135)는 산화 촉매(133)에 의한 연료와 공기의 산화 반응에 의해 발생되는 열 에너지를 제공받아 혼합 연료를 증발시키고, 상기 증발된 혼합 연료를 개질 촉매(134)가 형성된 반응 통로(131)로 공급하는 기능을 하게 된다.
따라서, 본 변형예에 의하면, 순수한 연료와 공기를 상기 산화 촉매(133)가 형성된 반응 통로(131)로 공급하게 되면, 상기 산화 촉매(133)에 의한 연료와 공기의 산화 반응을 통해 기설정된 온도 범위의 열 에너지를 발생시킨다. 이러한 열 에 너지는 본 변형예에 의한 증발 통로(135)로 전달되게 된다. 그리고 혼합 연료를 상기 증발 통로(135)로 공급하게 되면, 이 혼합 연료는 증발 통로(135) 통과하면서 상기한 열 에너지에 의하여 증발된다. 이로써 상기 증발된 혼합 연료는 개질 촉매(134)가 형성된 반응 통로(131)로 공급되는 바, 본 변형예에 의한 개질부(130)에서는 상기 개질 촉매(134)에 의한 혼합 연료의 수증기 개질 반응을 통해 수소 가스를 발생시킨다.
도 5c를 참고하면, 본 실시예에 대한 개질부(230)의 제3 변형예는 서로 이웃하는 전기 발생부(도시하지 않음)의 세퍼레이터(22) 접면에 임의 간격을 두고 직선 상태로 배치되는 다수의 직선 패스를 형성하며, 이 직선 패스의 양단이 교호적으로 연결되어 전체적인 형상이 사행(蛇行: meander)의 형태로 이루어진 반응 통로(231)를 구성한다.
이러한 반응 통로(231)는 각 세퍼레이터(22)에 관통 형성되는 주입구(237)와 배출구(239)를 연결하는 채널 형태로 이루어진다. 그리고 상기 반응 통로(231)의 내면에는 산화 촉매(233)와 개질 촉매(234)를 이 반응 통로(231)의 패스 방향을 따라 교번되게 연속적으로 형성하고 있다. 도면에서 22a, 22b는 세퍼레이터(22)의 수소 이동 채널(도시하지 않음)과 산소 이동 채널(도시하지 않음)로 수소 가스와 공기를 주입시키기 위한 매니폴드 타입의 제1,2 주입구를 나타내며, 22c, 22d는 상기 각 채널을 통과하면서 반응하고 남은 수소 가스와 공기를 배출시키기 위한 매니폴드 타입의 제1,2 배출구를 나타낸다.
따라서, 본 변형예에 의하면, 시스템의 초기 기동시 상기 주입구(237)를 통 해 반응 통로(231)로 순수한 연료와 공기를 공급하게 되면, 산화 촉매(233)에 의한 연료와 공기의 산화 반응을 통해 열 에너지를 발생시키고, 이 열 에너지에 의하여 스택 전체를 예열시킬 수 있게 된다.
이러한 상태에서, 상기 반응 통로(231)로 혼합 연료와 공기를 공급하게 되면, 혼합 연료가 상기한 열 에너지에 의하여 증발하게 되고, 연료의 일부와 공기의 산화 촉매(233)에 의한 자열 반응(Auto-Thermal Reaction: ATR)을 통해 열 에너지를 발생시키며, 개질 촉매(234)에 의한 상기 증발된 혼합 연료의 수증기 개질 반응을 통해 수소 가스를 발생시킨다. 그리고 상기 수소 가스는 배출구(239)를 통해 배출되고, 세퍼레이터(22)의 제1 주입구(22a)로 공급된다.
도 5d를 참고하면, 본 실시예에 대한 개질부(330)의 제4 변형예는 전기 변형예에서와 같이, 주입구(337)와 배출구(339)를 채널 형태로 연결하는 반응 통로(331)에 있어, 이 반응 통로(331)의 중앙부를 기준으로 주입구(337) 측 반응 통로(331)의 내면에 산화 촉매(333)를 형성하고, 배출구(339) 측 반응 통로(331)의 내면에 개질 촉매(334)를 형성하는 구조로 되어 있다.
따라서, 본 변형예에 의하면, 주입구(337)를 통해 혼합 연료와 공기를 주입하게 되면, 상기 혼합 연료 중에 함유된 연료의 일부와 공기의 산화 촉매(333)에 의한 산화 반응을 통해 기설정된 온도 범위의 열 에너지를 발생시킨다. 이로써, 혼합 연료는 상기한 열 에너지에 의하여 증발하게 되고, 본 변형예에 의한 개질부(330)에서는 개질 촉매(334)에 의한 상기 증발된 혼합 연료의 수증기 개질 반응을 통해 수소 가스를 발생시킨다.
도 5e를 참고하면, 본 실시예에 대한 개질부(430)의 제5 변형예는 제3,4 변형예에서와 같은 주입구(437)와 배출구(439) 사이에 스트라이프 형태의 반응 통로(431)를 형성하고, 상기 반응 통로(431)의 내면에 산화 촉매(433)와 개질 촉매(434)를 교번되게 연속적으로 형성하는 구조로 되어 있다.
따라서, 본 변형예에 의하면, 시스템의 초기 기동시 상기 주입구(437)를 통해 반응 통로(431)로 순수한 연료와 공기를 공급하게 되면, 산화 촉매(433)에 의한 연료와 공기의 산화 반응을 통해 열 에너지를 발생시키고, 이 열 에너지에 의하여 스택 전체를 예열시킬 수 있게 된다.
이러한 상태에서, 상기 반응 통로(431)로 혼합 연료와 공기를 공급하게 되면, 혼합 연료가 상기한 열 에너지에 의하여 증발하게 되고, 연료의 일부와 공기의 산화 촉매(433)에 의한 자열 반응(Auto-Thermal Reaction: ATR)을 통해 열 에너지를 발생시키며, 개질 촉매(434)에 의한 상기 증발된 혼합 연료의 수증기 개질 반응을 통해 수소 가스를 발생시킨다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지용 스택의 구성을 도시한 분해 사시도이다.
도면을 참고하면, 본 실시예에 따른 연료 전지용 스택(510)은 서로 이웃하는 전기 발생부(520)의 세퍼레이터(522) 사이에 반응 플레이트(540)를 설치하고, 이 반응 플레이트(540)에 다수의 반응 통로(531)를 형성하는 개질부(530)를 구성할 수 있다. 이 때 상기 반응 통로(531)는 반응 플레이트(540)의 일측단에서 반대쪽 측단을 따라 관통 형성될 수 있다.
도 7은 도 6에 도시한 개질부를 나타내 보인 반응 플레이트의 단면 구성도이다.
도면을 참고하면, 상기 개질부(530)는 반응 플레이트(540)에 관통 형성되는 반응 통로(531)의 내면에 알루미나로 이루어진 막 형태의 담체(도시하지 않음)를 형성하고, 이 담체에 촉매 물질을 담지하여 구성되는 산화 촉매(533)와 개질 촉매(534)를 반응 통로(531)의 길이 방향을 따라 교번되게 연속적으로 형성하고 있다.
상기와 같이 구성되는 본 실시예에 대한 스택의 나머지 구성 및 작용은 전기 실시예와 동일하므로 자세한 설명은 생략한다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 제2 실시예에 대한 개질부의 변형예를 개략적으로 도시한 단면 구성도이다.
도 8a를 참고하면, 본 실시예에 대한 개질부(530A)의 제1 변형예는 전기 실시예에서와 같이, 반응 플레이트(540A)의 일측단에서 반대쪽 측단을 따라 관통 형성되는 다수의 반응 통로(531A)를 구비하고, 이러한 반응 통로(531A)에 있어 일측 반응 통로(531A)의 내면에 산화 촉매(533A)를 형성하고, 이와 이웃하는 다른 일측 반응 통로(531A)의 내면에 개질 촉매(534A)를 형성하며, 상기 각각의 반응 통로(531A)에 대해 산화 촉매(533A)와 개질 촉매(534A)를 번갈아가며 형성하는 구조로 되어 있다.
상기와 같이 구성되는 본 변형예에 대한 개질부(530A)의 나머지 구성 및 작용은 앞서 설명한 도 5a에서와 같은 변형예와 동일하므로 자세한 설명은 생략한다.
도 8b를 참고하면, 본 실시예에 대한 개질부(530B)의 제2 변형예는 전기 제1 변형예의 구조를 기본으로 하면서, 반응 플레이트(540B)에 관통 형성되는 각각의 반응 통로(531A) 사이에 증발 통로(535)를 형성하는 구조로 되어 있다. 즉, 전기 제1 변형예에서와 같이, 산화 촉매(533A)를 형성하고 있는 반응 통로(531A)와 개질 촉매(534A)를 형성하고 있는 반응 통로(531A) 사이에 증발 통로(535)를 형성하는 구조로 되어 있다.
상기와 같이 구성되는 본 변형예에 대한 개질부(530B)의 나머지 구성 및 작용은 앞서 설명한 도 5b에서와 같은 변형예와 동일하므로 자세한 설명은 생략한다.
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료 전지용 스택의 구성을 도시한 단면 구성도이다.
도면을 참고하면, 본 실시예에 따른 연료 전지용 스택(610)은 전기 실시예의 구조를 기본으로 하면서, 서로 이웃하는 전기 발생부(620)의 세퍼레이터(622) 사이에 다수의 반응 플레이트(641, 642, 643)를 개재하여 이루어진 개질부(630)를 구성할 수 있다.
본 실시예에 따른 상기 개질부(630)는 다수의 제1 반응 통로(631A)를 관통 형성하는 제1 반응 플레이트(641)와, 상기 제1 반응 플레이트(641)의 일측면에 밀착 배치되며 다수의 제2 반응 통로(631B)를 관통 형성하는 제2 반응 플레이트(642)와, 상기 제1 반응 플레이트(641)의 다른 일측면에 밀착 배치되며 다수의 제3 반응 통로(631C)를 관통 형성하는 제3 반응 플레이트(643)를 포함할 수 있다.
여기서 제1 반응 통로(631A)의 내면에는 산화 촉매(633)를 형성하고, 상기 제2,3 반응 통로(631B, 631C)의 내면에는 개질 촉매(634)를 형성하고 있다.
상기와 같이 구성되는 본 실시예에 의한 연료 전지용 스택(610)의 작용을 설명하면, 순수한 연료와 공기를 제1 반응 플레이트(641)의 제1 반응 통로(631A)로 공급한다. 그러면, 제1 반응 플레이트(641)에서는 산화 촉매(633)에 의한 연료와 공기의 산화 반응을 통해 기설정된 온도 범위의 열 에너지를 발생시킨다. 이러한 열 에너지는 제1 반응 플레이트(641)를 통해 제2,3 반응 플레이트(642, 643)로 전달되게 된다. 그리고 혼합 연료를 상기 제2,3 반응 플레이트(642, 643)의 제2,3 반응 통로(631B, 631C)로 공급한다. 그러면, 혼합 연료는 상기한 열 에너지를 흡열하여 증발하게 되고, 상기 제2,3 반응 플레이트(642, 643)에서는 개질 촉매(134)에 의한 혼합 연료의 수증기 개질 반응을 통해 수소 가스를 발생시킨다.
도 10은 본 발명의 제4 실시예에 따른 연료 전지용 스택의 구성을 도시한 단면 구성도이다.
도면을 참고하면, 본 실시예에 따른 연료 전지용 스택(710)은 전기 실시예의 구조를 기본으로 하면서, 제2,3 반응 플레이트(742, 743)의 제2,3 반응 통로(731B, 731C) 사이에 증발 통로(735)를 각각 형성하는 개질부(730)를 구성할 수 있다. 즉, 제1 반응 플레이트(741)의 제1 반응 통로(731a)에 산화 촉매(733)를 형성하고 이의 양측면에 밀착 배치되는 제2,3 반응 플레이트(742, 743)의 반응 통로(731B. 731C)에 개질 촉매(734)를 형성하고 있는 개질부(730)에 있어, 각각의 제2,3 반응 통로(731B, 731C) 사이에 증발 통로(735) 부가적으로 형성하고 있다. 이러한 증발 통로(735)는 산화 촉매(733)에 의한 연료와 공기의 산화 반응에 의해 발생되는 열 에너지를 제공받아 혼합 연료를 증발시키고, 상기 증발된 혼합 연료를 제2,3 반응 통로 (731B, 731C)로 공급하는 기능을 하게 된다.
따라서, 본 실시예에 의하면, 순수한 연료와 공기를 제1 반응 통로(731A)로 공급하게 되면, 제1 반응 플레이트(741)에서는 산화 촉매(733)에 의한 연료와 공기의 산화 반응을 통해 기설정된 온도 범위의 열 에너지를 발생시킨다. 이러한 열 에너지는 본 실시예에 의한 증발 통로(735)로 전달되게 된다. 그리고 혼합 연료를 상기 증발 통로(735)로 공급하게 되면, 이 혼합 연료는 증발 통로(735)를 통과하면서 상기한 열 에너지에 의하여 증발되게 된다. 이로써 상기 증발된 혼합 연료는 제2,3 반응 통로(731B, 731C)로 공급되게 되는 바, 상기 제2,3 반응 플레이트(742, 743)에서는 개질 촉매(734)에 의한 혼합 연료의 수증기 개질 반응을 통해 수소 가스를 발생시킨다.
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.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질부, 및 수소와 산소의 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 전기 발생부를 일체로 합체하여 스택을 형성함에 따라, 전체 시스템의 부피를 최소화할 수 있는 효과가 있다.
또한, 전기 발생부에서 발생하는 열을 개질부로 전달하여 전기 발생부의 냉 각과 개질부의 가열이 동시에 이루어지므로, 전체 시스템의 열 효율을 극대화할 수 있는 효과가 있다.

Claims (39)

  1. 막-전극 어셈블리와, 수소 및 산소의 이동 채널을 가지면서 상기 막-전극 어셈블리의 양측면에 각각 밀착 배치되는 세퍼레이터를 포함하는 전기 발생부들; 및
    상기 전기 발생부들 사이에 구비되고, 연료로부터 수소 가스를 발생시키며 발생된 수소 가스를 상기 전기 발생부들로 공급하는 개질부
    를 포함하며,
    상기 개질부는 내면에 산화 촉매와 개질 촉매가 형성된 반응 통로를 구비하고, 상기 산화 촉매와 상기 개질 촉매는 서로 접하면서 상기 반응 통로의 길이 방향을 따라 교번되게 연속으로 배치되는 연료 전지용 스택.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 개질부는 상기 세퍼레이터의 이동 채널 반대쪽 면에 채널 형태로 구비되며, 두 개의 세퍼레이터에 형성된 채널들이 합쳐져 상기 반응 통로를 형성하는 연료 전지용 스택.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 반응 통로는 상기 세퍼레이터의 일측단에서 반대쪽 측단을 따라 직선상으로 배치되며, 서로간 거리를 두고 복수개로 구비되는 연료 전지용 스택.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 반응 통로는 상기 세퍼레이터에 관통 형성된 주입구와 배출구를 가지면서 상기 주입구와 상기 배출구를 연결하도록 형성되는 연료 전지용 스택.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 반응 통로는 사행(蛇行, meander) 형태와 스트라이프 형태 중 어느 하나로 형성되는 연료 전지용 스택.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 개질부는 상기 전기 발생부들 사이에 배치된 반응 플레이트를 포함하며, 상기 반응 플레이트의 내부에 상기 반응 통로가 형성되는 연료 전지용 스택.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 반응 통로는 상기 반응 플레이트의 일측단에서 반대쪽 측단을 따라 직선상으로 배치되며, 서로간 거리를 두고 복수개로 구비되는 연료 전지용 스택.
  8. 막-전극 어셈블리와, 수소 및 산소의 이동 채널을 가지면서 상기 막-전극 어셈블리의 양측면에 각각 밀착 배치되는 세퍼레이터를 포함하는 전기 발생부들; 및
    상기 전기 발생부들 사이에 구비되고, 연료로부터 수소 가스를 발생시키며 발생된 수소 가스를 상기 전기 발생부들로 공급하는 개질부
    를 포함하며,
    상기 개질부는 서로간 거리를 두고 나란히 배치된 반응 통로들을 구비하며, 상기 반응 통로들 중 일측 반응 통로의 내면에 산화 촉매를 형성하고, 이웃하는 다른 일측 반응 통로의 내면에 개질 촉매를 형성하는 연료 전지용 스택.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 개질부는 상기 반응 통로들 사이 각각에 증발 통로를 형성하는 연료 전지용 스택.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 개질부는 상기 세퍼레이터의 이동 채널 반대쪽 면에 채널 형태로 구비되며, 두 개의 세퍼레이터에 형성된 채널들이 합쳐져 상기 반응 통로들을 형성하는 연료 전지용 스택.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 개질부는 상기 전기 발생부들 사이에 배치된 반응 플레이트를 포함하며, 상기 반응 플레이트의 내부에 상기 반응 통로들이 형성되는 연료 전지용 스택.
  12. 막-전극 어셈블리와, 수소 및 산소의 이동 채널을 가지면서 상기 막-전극 어셈블리의 양측면에 각각 밀착 배치되는 세퍼레이터를 포함하는 전기 발생부들; 및
    상기 전기 발생부들 사이에 구비되고, 연료로부터 수소 가스를 발생시키며 발생된 수소 가스를 상기 전기 발생부들로 공급하는 개질부
    를 포함하며,
    상기 개질부는 산화 촉매가 형성된 제1 반응 통로를 형성하는 제1 반응 플레이트와, 상기 제1 반응 플레이트에 밀착 배치되며 개질 촉매가 형성된 제2 반응 통로를 형성하는 제2 반응 플레이트를 포함하는 연료 전지용 스택.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제2 반응 플레이트는 상기 제1 반응 플레이트의 일측면에 밀착 배치되고,
    상기 개질부는 상기 제1 반응 플레이트의 다른 일측면에 밀착 배치되면서 개질 촉매가 형성된 제3 반응 통로를 형성하는 제3 반응 플레이트를 더 포함하는 연료 전지용 스택.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제1 반응 통로, 상기 제2 반응 통로, 및 상기 제3 반응 통로 각각은 상기 제1 반응 플레이트, 상기 제2 반응 플레이트, 및 상기 제3 반응 플레이트 각각의 일측단에서 반대쪽 측단을 따라 직선상으로 배치되며, 서로간 거리를 두고 복수개로 구비되는 연료 전지용 스택.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제2 반응 통로들 사이에 증발 통로가 형성되고, 상기 제3 반응 통로들 사이에 증발 통로가 형성되는 연료 전지용 스택.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 따른 연료 전지 스택;
    상기 개질부로 연료를 공급하는 연료 공급원; 및
    상기 전기 발생부들과 상기 개질부로 산소를 공급하는 산소 공급원
    을 포함하는 연료 전지 시스템.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 연료 공급원은 순수 연료를 저장하는 제1 연료 탱크와, 혼합 연료를 저장하는 제2 연료 탱크와, 상기 제1 연료 탱크 및 상기 제2 연료 탱크에 연결 설치된 연료 펌프를 포함하는 연료 전지 시스템.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 연료 전지 스택과 연결되어 상기 개질부에서 배출되는 수소 가스와 물 및 미반응 연료를 공급받고, 수소 가스를 분리시켜 상기 전기 발생부들로 공급하는 회수 부재를 더 포함하는 연료 전지 시스템.
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