KR101173858B1 - 연료 전지 시스템의 개질기 및 이를 채용한 연료 전지시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부와, 열원에 의한 개질 반응을 통해 상기 수소를 함유한 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질기와, 상기 연료를 상기 개질기로 공급하는 연료 공급원과, 상기 산소를 상기 전기 발생부로 공급하는 산소 공급원을 포함하며,

상기 개질기는, 상기 열원을 발생시키는 가열부와, 상기 가열부를 둘러싸는 형태로 이루어지는 개질 반응부와, 상기 개질 반응부를 내장시키는 밀폐 공간이 형성되어 상기 밀폐 공간을 통해 상기 열원을 개질 반응부의 외측으로 순환시키는 열전달유니트를 구비한다.

연료전지, 스택, 개질기, 연료공급원, 산소공급원, 개질반응부, 가열부, 열전달유니트, 하우징, 열원, 열에너지

Description

연료 전지 시스템의 개질기 및 이를 채용한 연료 전지 시스템 {REFORMER FOR FUEL CELL SYSTEM AND FUEL CELL SYSTEM HAVING THEREOF}

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 도시한 개략도이다.

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

도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 개질기를 개략적으로 도시한 사시도이다.

도 4는 도 3의 단면 구성도이다.

도 5는 본 발명의 실시예에 대한 개질기의 변형예를 도시한 단면 구성도이다.

도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 도시한 개략도이다.

본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 개질기의 열 전달 구조를 개선한 연료 전지 시스템에 관한 것이다.

알려진 바와 같이, 연료 전지(Fuel Cell)는 메탄올, 에탄올, 천연 가스와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 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.

상기와 같은 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, 이 PEMFC는 연료 펌프의 작동으로 연료 탱크 내의 연료를 개질기로 공급하고, 이 개질기에서 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키며, 스택에서 이 수소 가스와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시킨다.

종래의 연료 전지 시스템에 있어 상기한 개질기는 열 에너지에 의한 화학 촉 매 반응을 통해 수소를 함유한 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 장치이다. 이러한 종래의 개질기는 촉매를 이용한 발열 및 흡열 반응 특성을 이용하는 바, 소정 온도 범위의 열 에너지를 발생시키는 가열부와, 이 열 에너지에 의한 개질 촉매 반응을 통해 상기 수소 가스를 발생시키는 개질 반응부를 포함하여 이루어진다.

그런데, 종래에 따른 개질기는 위와 같은 가열부와 개질 반응부가 별도로 마련되어 가열부로부터 발생되는 열 에너지를 개질 반응부에 전달하는 구조로 이루어진다. 따라서 종래의 개질기는 가열부와 개질 반응부의 열교환이 직접적으로 이루어지지 않아 열 전달면에서 불리한 문제점이 있었다. 특히, 가열부가 개질 반응부의 외측에서 이 개질 반응부로 열 에너지를 전달함에 따라, 상기한 열 에너지가 개질 반응부로 완전히 전달되지 못하고 외부로 방출되어 전체 개질기의 반응 효율 및 열 효율이 떨어지게 되는 문제점이 있었다. 또한 종래의 개질기는 가열부와 개질 반응부의 별개 구조로 인해 전체적인 시스템의 크기를 컴팩트하게 구현하지 못하게 되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상술한 문제점을 감안한 것으로서, 그 목적은 간단한 구조로서 반응 효율 및 열 효율을 향상시킬 수 있는 연료 전지 시스템의 개질기 및 이를 채용한 연료 전지 시스템을 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 개질기는, 열원을 발생시키는 가열부와, 상기 가열부를 둘러싸는 서라운드(surround) 영역을 형성하고, 상기 열원에 의한 촉매 반응을 통해 수소를 함유한 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질 반응부를 포함한다.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 개질기는, 상기 개질 반응부를 내장시키는 밀폐 공간을 형성하고, 상기 서라운드 영역과 상기 밀폐 공간을 통해 상기한 열원을 상기 개질 반응부의 외측으로 순환시키는 열전달유니트를 포함할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 개질기에 있어서, 상기 가열부는 소정 연료를 착화 연소시켜 상기 열원을 발생시키고, 이 열원을 상기 개질 반응부에 제공하도록 구성될 수 있다.

아울러 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 하우징과, 상기 하우징 내에 설치되어 열원에 의한 촉매 반응을 통해 수소를 함유한 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질 반응부와, 상기 개질 반응부에 둘러싸이도록 설치되어 상기 열원을 발생시키고, 이 열원을 상기 개질 반응부에 제공하는 가열부를 포함하며, 상기 열원을 상기 하우징의 내부 공간을 통해 상기 개질 반응부의 외측으로 순환시키는 연료 전지 시스템의 개질기를 제공한다.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 개질기는, 상기 하우징이 단열성을 갖는 세라믹, 스테인레스, 지르코늄 중에서 선택되는 재질로 형성되는 것이 바람직하다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 개질기는, 상기 하우징의 내벽면에 폴리벤조이미다아졸, 폴리에테르에테르케톤, 폴리페닐린설파이드, 폴리아미드이미드 군에서 선택되는 소재로 이루어진 단열층을 형성할 수도 있다.

그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 개질기에 있어서, 상기 개질 반 응부는, 소정 내부 공간을 가지면서 상기 가열부를 장착시키기 위한 장착부를 형성하는 본체와, 상기 내부 공간에 충전 형성되어 상기 연료의 개질 반응을 촉진시키는 개질 촉매를 포함할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 개질기에 있어서, 상기 본체는 일측 부분에 주입구를 형성하고 다른 일측 부분에 배출구를 형성하며, 상기 가열부를 둘러싸는 서라운드 영역을 상기 장착부에 형성할 수 있다.

그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 개질기에 있어서, 상기 본체는 양단이 폐쇄된 원통형의 구조로 이루어지며, 어느 한 쪽 단부에 상기 서라운드 영역이 함몰 형성되는 것이 바람직하다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 개질기는, 상기 본체가 열전도성을 갖는 알루미늄, 구리, 철로 이루어지는 군에서 선택되는 재질로 형성될 수 있다.

그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 개질기에 있어서, 상기 가열부는 소정 연료를 착화 연소시켜 상기 열원을 발생시키고, 이 열원을 상기 개질 반응부에 제공하는 구조로 이루어진다. 이 경우 상기 가열부는, 상기 하우징에 연결 설치되어 상기 서라운드 영역 내에 배치되고, 상기 연소 가스를 분사시키는 다수의 노즐공을 가진 버너 몸체를 구비할 수 있다.

아울러 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부와, 열원에 의한 개질 반응을 통해 상기 수소를 함유한 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질기와, 상기 연료를 상기 개질기로 공급하는 연료 공급원과, 상기 산소를 상기 전기 발생부로 공급하는 산소 공급원을 포함하며,

상기 개질기는, 상기 열원을 발생시키는 가열부와, 상기 가열부를 둘러싸는 형태로 이루어지는 개질 반응부와, 상기 개질 반응부를 내장시키는 밀폐 공간이 형성되어 상기 밀폐 공간을 통해 상기 열원을 개질 반응부의 외측으로 순환시키는 열전달유니트를 구비한다.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 개질 반응부는 상기 가열부를 감싸는 서라운드 영역을 형성할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 열전달유니트는 상기 개질 반응부 전체를 감싸면서 상기 가열부를 고정시키는 하우징을 포함할 수 있다.

그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 가열부는 소정 연료를 착화 연소시켜 기설정된 온도 범위의 열 에너지를 발생시키는 버너를 포함할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 개질기 반응부에 연결 설치되어 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 적어도 하나의 일산화탄소 정화기를 포함할 수도 있다.

그리고 이와 같은 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 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 도시한 개략도이고, 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 액상 또는 기체 상태로 이루어진 연료를 통칭한다. 그러나 이하에서 설명하는 연료는 편의상 액상으로 이루어진 연료로 정의하고, 상기 액상의 연료와 물을 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, 기본적으로 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 전기 발생부(11)와, 전술한 바 있는 혼합 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키고 이 수소 가스를 상기 전기 발생부(11)로 공급하는 개질기(20)와, 상기 혼합 연료를 개질기(20)로 공급하는 연료 공급원(50)과, 산소를 상기 전기 발생부(11)로 공급하는 산소 공급원(70)을 포함하여 구성된다.

상기 전기 발생부(11)는 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly: MEA)(12)를 중심에 두고 이의 양면에 세퍼레이터(Separator)(당업계에서는 '바이폴라 플레이트'라고도 한다.)(16)를 배치하여 전기를 발생시키는 최소 단위의 연료 전지를 구성한다. 본 실시예에서는 위와 같은 최소 단위의 전기 발생부(11)를 복수로 구비하여 도 2에 도시한 바와 같이, 이들 전기 발생부(11)의 집합체 구조인 스택(10)을 형성하고 있다.

상기 스택(10)에 있어 전기 발생부(11)를 구성하는 막-전극 어셈블리(12)는 전해질막을 중심에 두고 이의 양측에 애노드 전극과 캐소드 전극을 구비하여 수소와 산소를 산화/환원 반응시키는 통상적인 MEA의 구조로 이루어진다. 그리고 세퍼레이터(16)는 막-전극 어셈블리(12)의 양측에 수소 가스와 산소를 함유한 공기를 공급하는 기능 이 외에, 상기 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체의 기능을 하게 된다.

그리고 스택(10)의 최 외곽에는 상기한 복수의 전기 생성부(11)를 밀착시키는 별도의 가압 플레이트(13)를 설치할 수도 있다. 그러나 본 발명에 의한 스택(10)은 상기한 가압 플레이트(13)를 배제하고, 전기 생성부(11)의 최 외곽에 위치하는 세퍼레이터(16)가 상기 가압 플레이트의 역할을 대신하도록 구성할 수도 있다. 또한 가압 플레이트(13)가 복수의 전기 생성부(11)를 밀착시키는 기능 외에, 다음에 설명하는 세퍼레이터(16)의 고유한 기능을 갖도록 구성할 수도 있다.

이에 더하여 상기 가압 플레이트(13)에는 개질기(20)로부터 발생되는 수소 가스를 전기 발생부(11)로 공급하기 위한 제1 주입부(13a)와, 공기를 상기 전기 발생부(11)로 공급하기 위한 제2 주입부(13b)와, 상기 전기 발생부(11)에서 반응하고 남은 수소 가스를 배출시키기 위한 제1 배출부(13c)와, 상기 전기 발생부(11)에서 수소와 반응하고 남은 공기를 배출시키기 위한 제2 배출부(13d)를 형성하고 있다. 이 때 상기 제2 주입부(13b)와 공기 펌프(71)는 파이프 형태의 제5 공급라인(95)에 의해 연결될 수 있다.

한편, 본 시스템(100)에 적용되는 상기 개질기(20)는 열 에너지에 의한 화학 촉매 반응 예컨대, 수증기 개질, 부분 산화 또는 자열 반응 등의 촉매 반응을 통해 상기 혼합 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 구조로 이루어진다. 이러한 개질기(20)의 구조는 뒤에서 더욱 설명한다.

위와 같은 개질기(20)로 연료를 공급하는 연료 공급원(50)은 전술한 바 있는 액상의 연료를 저장하는 제1 탱크(51)와, 물을 저장하는 제2 탱크(53)와, 제1,2 탱크(51, 53)에 연결 설치되어 각각의 탱크(51, 53)에 저장된 상기 연료와 물을 배출시키는 연료 펌프(55)를 포함하고 있다.

그리고 산소 공급원(70)은 소정의 펌핑력으로 공기를 흡입하여 이 공기를 상기 스택(10)으로 공급하는 적어도 하나의 공기 펌프(71)를 포함하고 있다.

본 발명에 있어 상기 연료 공급원(50)으로부터 혼합 연료를 공급받아 이 혼합 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키는 개질기(20)를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 개질기를 개략적으로 도시한 사시도이고, 도 4는 도 3의 단면 구성도이다.

도면을 참고하면, 본 실시예에 의한 개질기(20)는 열원(이하에서 '열 에너지' 라고도 한다.)에 의한 수증기 개질(Steam Reforming: SR) 촉매 반응을 통해 상기 혼합 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질 반응부(23)와, 소정의 연료를 착화 연소시켜 상기 열원을 발생시키는 가열부(27)를 포함하여 구성된다.

본 실시예에 의한 상기 개질 반응부(23)는 소정 내부 공간을 가지면서 상기 가열부(27)를 둘러싸는 장착부(25)를 형성하고 있는 본체(24)와, 상기 내부 공간에 충전 형성되어 상기 혼합 연료의 개질 반응을 촉진시키는 개질 촉매(26)를 구비한다.

이 본체(24)는 상기 내부 공간을 형성하도록 양단이 폐쇄된 원통형 구조로 이루어지며, 어느 한 쪽 단부에 상기 장착부(25)를 구비하는 바, 이 장착부(25)는 다른 한 쪽 단부 쪽으로 일정 깊이 함몰되어 이루어지는 서라운드(surround) 영역(25a)을 형성하고 있다. 여기서, 서라운드 영역(25a)은 뒤에서 더욱 설명하는 가열부(27)를 실질적으로 둘러싸는 부분으로, 본체(24)의 내측 영역으로 정의할 수도 있다.

그리고 상기 본체(24)의 일측 부분에는 연료 공급원(50)으로부터 공급되는 혼합 연료를 상기 내부 공간으로 주입시키기 위한 주입구(24a)를 형성하고 있다. 그리고 상기 본체(24)의 다른 일측 부분에는 상기 혼합 연료의 개질 반응을 통해 발생되는 수소 가스를 상기 내부 공간으로부터 외부로 배출시키기 위한 배출구 (24b)를 형성하고 있다.

이 때 상기 주입구(24a)와 연료 공급원(50)의 제1,2 탱크(51, 53)는 파이프 형태의 제1 공급라인(91)에 의해 연결 설치될 수 있다. 그리고 상기 배출구(24b)와 스택(10)의 제1 주입부(13a)는 파이프 형태의 제4 공급라인(94)에 의해 연결 설치될 수 있다(도 1 참조).

본 실시예에서 상기 본체(24)는 가열부(27)로부터 발생되는 열을 용이하게 전달받을 수 있도록 통상적으로 열전도성이 양호한 알루미늄, 구리, 철 등의 재질에서 선택됨이 바람직하나, 반드시 이것으로 한정되는 것은 아니다.

전술한 바 있는 개질 촉매(26)는 혼합 연료의 수증기 개질 반응 즉, 혼합 연료의 분해 반응을 촉진시켜 이 혼합 연료로부터 수소 가스를 발생시키기 위한 것으로서, 상기 본체(24)의 내부 공간에 충전 형성된다. 이러한 개질 촉매(26)는 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. 대안으로서 상기 개질 촉매(26)는 다수의 평행한 관통 구멍 즉, 셀을 가진 세라믹 담체 또는 금속 담체의 셀 내부 표면에 촉매 물질을 담지시킨 통상적인 허니콤(honey comb) 타입으로 형성될 수도 있다.

상기 개질 촉매(26)에 의한 수증기 개질 반응은 흡열 반응이므로 이에 필요한 열원을 개질 반응부(23)에 제공하는 가열부(27)를 구비하는 바, 본 실시예에 의한 상기 가열부(27)는 소정 연료를 착화 연소시켜 상기 열원을 발생하도록 구비된 다.

구체적으로, 상기 가열부(27)는 상기 연료 예컨대, 전술한 바 있는 협의의 연료와, 공기를 착화시켜 이 연료와 공기를 연소시킴으로서 기설정된 온도 범위의 열 에너지를 발생시키는 구조로 이루어진다. 이 때 상기 열 에너지는 연료의 종류에 따라 상기 온도 범위가 서로 다르게 나타나는 바, 액상으로 이루어진 연료(메탄올 또는 에탄올)를 사용하는 경우 대략 200～350℃의 온도 범위를 나타내며, 기체 연료(메탄가스 또는 프로판 가스)를 사용하는 경우 대략 750～800℃ 온도 범위를 나타낸다. 그러나 이하에서는 상기 가열부(27)가 제1 탱크(51)에 저장된 액상의 연료와 공기 펌프(71)로부터 공급되는 공기를 연소시켜 열 에너지를 발생시키는 예를 설명한다.

이러한 가열부(27)는 다음에 설명하는 하우징(22)에 연결 설치되며, 개질 반응부(23)의 본체(24)의 장착부(25)에 장착되는 버너 몸체(28)를 구비한다. 이 버너 몸체(28)는 대략 원형의 파이프 형태로 이루어지며, 상기 장착부(25)의 서라운드 영역(25a) 내에 배치된다. 이 버너 몸체(28)는 서라운드 영역(25a)의 개질 반응부 본체(24)의 내벽에 이격되도록 배치되어 이 서라운드 영역(25a)에 둘러싸이도록 설치되는 것이 바람직하다. 상기 버너 몸체(28)에는 상기한 연료와 공기를 착화시키기 위한 통상적인 점화 플러그(28b)를 설치하고 있다. 그리고 상기 버너 몸체(28)에는 상기 연료와 공기가 연소되면서 발생되는 연소 가스를 상기 서라운드 영역(25b)으로 분사시키는 다수의 노즐공(28a)을 형성하고 있다. 이 때 상기 버너 몸체(28)의 내부로 연료와 공기를 공급하기 위해, 상기 버너 몸체(28)와 연료 공급원 (50)의 제1 탱크(51)는 파이프 형태의 제2 공급라인(92)에 의해 연결 설치될 수 있다. 그리고 상기 버너 몸체(28)와 공기 펌프(71)는 파이프 형태의 제3 공급라인(93)에 의해 연결 설치될 수 있다.

따라서 상기 가열부(27)가 개질 반응부(23)의 본체(24)에 대하여 서라운드 영역(25a)에 둘러싸이도록 장착됨에 따라, 상기 연료와 공기가 버너 몸체(28)의 내부로 공급되어 점화 플러그(28b)에 의하여 착화 연소되면, 이 때 발생하는 연소 가스는 버너 몸체(28)의 노즐공(28a)을 통해 상기 서라운드 영역(25a)을 통해 개질 반응부(23)의 내측으로 분사되게 된다.

이로써 상기 연소 가스 중의 열 에너지는 개질 반응부(23)의 내측, 즉 본체(24)의 서라운드 영역(25a)을 통해 상기 본체(24) 내부의 개질 촉매(26)로 제공되게 된다.

상기와 같이 구성되는 개질기(20)에 있어 상기 가열부(27)로부터 발생하는 열 에너지의 효율을 더욱 극대화시키기 위해 상기한 열 에너지를 상기 서라운드 영역(25a)을 통해 개질 반응부 본체(24)의 외측으로 순환시키는 열전달유니트(21)를 구비하고 있다.

본 실시예에 따르면, 상기 열전달유니트(21)는 상기 서라운드 영역(25a)에서 개질 반응부(23)의 내측으로 제공되는 열원을 개질 반응부(23)의 외측으로 전달할 수 있는 구조로 이루어진다.

구체적으로, 상기 열전유니트(21)는 개질 반응부(23) 전체를 내장시키는 하우징(22)을 구비한다. 상기 하우징(22)은 개질 반응부(23)를 수용할 수 있도록 도 면에 "A"로 표시한 밀폐 공간을 형성하고 있다. 이 때 상기 하우징(22)은 이의 내벽과 밀폐 공간(A) 내에 배치되는 개질 반응부(23)의 본체(24) 외벽이 일정 간격 이격되도록 설치되는 것이 바람직하다. 이는 가열부(27)로부터 발생되는 열원이 서라운드 영역(25a)으로부터 개질 반응부(23)의 외측으로 순환되도록 하는 순환 경로를 형성하기 위함이다.

따라서 상기 가열부(27)로부터 개질 반응부(23)의 내측으로 제공되는 열원은 개질 반응부 본체(24)의 서라운드 영역(25a)과 하우징(22)의 밀폐 공간(A)을 통하여 개질 반응부(23)의 외측으로 순환되면서 상기 개질 반응부(23) 전체로 전달되게 된다.

그리고 상기 하우징(22)에는 개질 반응부(23)의 주입구(24a)와 연결되는 제1 공급라인(91)을 관통시키기 위한 제1 관통공(22a)과, 상기 개질 반응부(23)의 배출구(24b)와 연결되는 제4 공급라인(94)을 관통시키기 위한 제2 관통공(22b)과, 가열부(27)의 버너 몸체(28)를 관통시켜 상기 버너 몸체(28)를 이 하우징(22)의 몸체에 고정시키기 위한 제3 관통공(22c)을 형성하고 있다. 이에 더하여 상기 하우징(22)에는 밀폐 공간(A) 내에서 순환되는 연소 가스를 배출시키기 위한 배출구(도시하지 않음)를 형성할 수 있다. 이러한 배출구에는 소정 제어수단에 의하여 이 배출구를 선택적으로 개폐시키는 통상적인 개폐밸브를 설치할 수도 있다.

한편, 이와 같이 구성되는 개질기(20)의 작용시 가열부(27)에서 발생하는 열 에너지가 개질 반응부(23)로 완전히 전달되지 못하고 이 개질기(20)의 외부로 방출될 염려가 있다. 이로 인해 개질기(20)는 개질 반응부(23)에서의 온도 불균형이 발 생함으로써 반응 효율 및 열효율이 저하될 수 있다.

이에 본 실시예에 의한 상기 개질기(20)는 하우징(22)의 밀폐 공간(A) 내에 작용하는 열 에너지가 외부로 방출되는 것을 방지하기 위해 상기 하우징(22) 자체를 단열 소재로 형성할 수 있다.

본 실시예에서 상기 하우징(22)은 통상적으로 열전도도가 작은 단열 소재 예컨대, 써스, 지르코늄, 알루미늄 등과 같은 금속 단열 소재 또는 세라믹과 같은 비금속 단열 소재로 형성될 수 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 동작을 상세히 설명하면 다음과 같다.

우선, 연료 펌프(55)를 가동시켜 제1 탱크(51)에 저장된 액상의 연료를 제2 공급라인(92)을 통해 가열부(27)의 버너 몸체(28)로 공급한다. 이와 동시에, 공기 펌프(71)를 가동시켜 공기를 제3 공급라인(93)을 통해 상기 버너 몸체(28)로 공급한다.

이러한 상태에서 가열부(27)의 점화 플러그(28b)를 작동시켜 상기 연료와 공기를 착화시킨다. 그러면, 상기 가열부(27)에서는 상기 연료와 공기가 연소되면서 이 연료와 공기의 연소 가스 및 소정 온도 범위의 열 에너지를 발생시킨다. 이 때 상기 연소 가스와 열 에너지는 버너 몸체(28)의 노즐공(28a)을 통해 개질 반응부 본체(24)의 서라운드 영역(25a)으로 분사된다. 그러면 상기 열 에너지의 일부는 서라운드 영역(25a)의 내벽을 통하여 상기 본체(24) 내부의 개질 촉매(26)로 전달되게 되고, 나머지 열 에너지는 서라운드 영역(25a)을 통해 하우징(22)의 밀폐 공간 (A)으로 순환되게 된다.

이 후, 상기 열 에너지는 하우징(22)의 밀폐 공간(A) 즉, 개질 반응부 본체(24)의 외측으로 순환되면서 상기 본체(24) 내부의 개질 촉매(26)로 전달되게 된다. 따라서, 상기 개질 반응부(24)는 이와 같이 개질 반응에 필요한 열을 흡열하여 반응 개시 온도를 유지하고 있는 상태에 있다.

상기한 과정을 거치는 동안, 하우징(22) 자체가 단열 소재로 이루어져 있기 때문에, 하우징(22)의 밀폐 공간(A)을 순환하는 열 에너지는 그 하우징(22)을 통해 외부로 방출되지 않게 된다.

이러한 상태에서 상기 연료 펌프(55)의 가동에 의하여 제1 탱크(51)에 저장된 액상의 연료와, 제2 탱크(53)에 저장된 물을 제1 공급라인(91)을 통하여 개질 반응부 본체(24)의 내부 공간으로 공급한다. 그러면, 상기 개질 반응부(23)에서는 개질 촉매(26)에 의한 혼합 연료의 분해 반응이 진행되어 수소 가스를 발생시킨다. 이 때 상기 수소 가스는 개질 반응부 본체(24)의 배출구(24b)를 통해 배출되게 되는 바, 이 수소 가스는 제4 공급라인(94)을 통하여 스택(10)의 제1 주입부(13a)로 공급되게 된다.

이와 동시에, 공기 펌프(71)의 가동에 의하여 공기를 제5 공급라인(95)을 통해 스택(10)의 제2 주입부(13b)로 공급한다.

그러면 상기 수소 가스는 일측 세퍼레이터(16)를 통해 막-전극 어셈블리(12)의 애노드 전극으로 공급된다. 그리고 공기는 다른 일측 세퍼레이터(16)를 통해 상기 막-전극 어셈블리(12)의 캐소드 전극으로 공급된다.

따라서 애노드 전극에서는 산화 반응을 통해 수소 가스를 전자와 프로톤(수소이온)으로 분해한다. 그리고 상기 프로톤은 막-전극 어셈블리(12)의 전해질막을 통하여 캐소드 전극으로 이동되고, 전자는 전해질막을 통하여 이동되지 못하고 세퍼레이터(16)를 통해 이웃하는 전기 발생부(11)로 이동하게 되는데, 이 때 전자의 흐름으로 전류를 발생시킨다.

이로써 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)은 이와 같은 일련의 반복적인 동작을 통하여 기설정된 전기 에너지를 출력할 수 있게 된다.

도 5는 본 발명의 실시예에 대한 개질기의 변형예를 도시한 단면 구성도이다.

도면을 참고하면, 이 경우는 전기 실시예의 구조를 기본으로 하면서 하우징(22A)의 밀폐 공간(A) 내에 작용하는 열 에너지를 단열시키기 위해 하우징(22A)의 내벽면에 단열층(30)을 형성하고 있는 개질기(20A)를 구성한다.

따라서, 본 변형예에 의한 개질기(20A)는 하우징(22A)의 내벽면에 단열층(30)을 형성함에 따라, 가열부(27A)로부터 발생하는 열 에너지가 개질 반응부(23A)의 서라운드 영역(25a)으로부터 하우징(22A)의 밀폐 공간(A)을 통하여 순환하는 도중, 하우징(22A)의 외부로 방출되는 것을 저지할 수 있다.

이로써, 본 변형예는 상기 하우징(22A)의 밀폐 공간(A) 내에서 순환되는 열 에너지의 손실을 막을 수 있으므로, 개질기(20)의 반응 효율 및 열효율을 더욱 향상시킬 수 있다.

본 변형예에 의한 개질기(20A)의 나머지 구성은 전기 실시예와 동일하므로 자세한 설명은 생략한다.

도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 도시한 개략도이다. 도 1에서 설명된 부호와 동일한 구성요소는 동일한 기능을 가진 동일부재로서 이하에서 자세한 설명은 생략한다.

도면을 참고하면, 본 실시예에 의한 연료 전지 시스템(200)은, 개질 반응부(23)에서 개질 촉매 반응에 의한 부(副) 생성물인 일산화탄소를 함유하고 있는 수소 가스를 발생시키는 바, 전기 실시예에 의한 개질기(20)와 연결 설치되어 상기 일산화탄소의 농도를 저감시키는 적어도 하나의 일산화탄소 정화기(29)를 포함하고 있다.

구체적으로, 상기 일산화탄소 정화기(29)는 개질기(20)와 스택(10) 사이에 배치되어 이 개질 반응부(23)와 스택(10)에 각각 연결 설치될 수 있다. 이러한 일산화탄소 정화기(29)는 일 예로서, 개질 반응부(23)로부터 발생되는 수소 가스의 수성가스 전환(Water-Gas Shift: WGS) 촉매 반응을 통해 상기 수소 가스 중에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키면서 추가의 수소를 생성하는 수성가스 전환 반응부(도시하지 않음)을 구비할 수 있다. 그리고 상기 일산화탄소 정화기(29)는 다른 예로서, 개질 반응부(23)로부터 발생되는 수소 가스와 공기 펌프(71)로부터 공급되는 공기의 선택적 산화(Preferential CO Oxidation: PROX) 촉매 반응을 통해 이 수소 가스 중에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 선택적 산화 반응부(도시하지 않음)을 구비할 수도 있다. 이 때 상기 개질기(20)의개질 반응부(23)와 일산화탄소 정화기(29)는 파이프 형태의 제6 공급라인(96)에 의해 연결 설치될 수 있다. 그리고 상기 일산화탄소 정화기(29)와 스택(10)의 제1 주입부(13a)는 전기 실시예에서와 같은 제4 공급라인(94)에 의해 연결 설치될 수 있다.

본 실시예에서 상기 일산화탄소 정화기(29)는 언급한 바와 같은 적어도 하나의 수성가스 전환 반응부와 선택적 산화 반응부의 조합에 의하여 구성될 수 있으며, 이들 반응부 중 어느 하나를 복수로 구비하고 이들의 조합에 의하여 구성될 수도 있다.

따라서 개질기(20)의 개질 반응부(24)에서 발생되는 수소 가스를 제6 공급라인(96)을 통해 일산화탄소 정화기(29)로 공급한다. 그러면, 상기 일산화탄소 정화기(29)에서는 수성가스 전환 촉매 반응 및/또는 선택적 산화 반응을 통해 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시킨다.

이로써 본 시스템(200)은 상기 일산화탄소의 농도가 저감된 수소 가스를 제4 공급라인(94)을 통하여 스택(10)으로 공급하게 되면, 전기 실시예에서와 같은 동작에 의하여 소정의 전기 에너지를 출력하게 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.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 의하면, 가열부로부터 발생되는 열 에너지를 소정 밀폐 공간을 통해 개질 반응부의 내측에서 외측으로 순환시킬 수 있는 개질기를 구비하므로, 개질 반응부의 반응에 필요한 열 에너지를 개질 반응부로 더욱 신속하게 전달할 수 있다. 따라서 개질기 전체의 반응 효율 및 열 효율을 더욱 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 의하면, 개질 반응부가 가열부를 둘러싸는 구조로 이루어진 개질기를 구비하므로, 전체적인 시스템의 크기를 컴팩트 하게 구현할 수 있다.

Claims (18)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 열원에 의한 촉매 반응을 통해 수소를 함유한 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질 반응부;

   상기 개질 반응부에 둘러싸이도록 설치되어 상기 열원을 발생시키고, 상기 열원을 상기 개질 반응부에 제공하는 가열부;

   상기 개질 반응부 전체를 감싸면서 상기 가열부를 고정시키는 하우징; 및

   상기 하우징의 내벽면에 형성되는 단열층

   을 포함하며,

   상기 가열부의 열원은 상기 하우징의 내부 공간을 통해 상기 개질 반응부의 외측으로 순환되고,

   상기 개질 반응부는 연료의 개질 반응을 촉진시키는 개질 촉매가 충전 형성되는 내부 공간을 가지면서 상기 가열부를 장착하기 위한 장착부를 형성하는 본체를 포함하며,

   상기 장착부에 상기 가열부를 둘러싸는 서라운드 영역이 형성되고,

   상기 가열부는 상기 서라운드 영역에서 연소 가스를 분사시키는 다수의 노즐공을 가진 버너 몸체를 구비하는 연료 전지 시스템의 개질기.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 하우징이 단열성을 갖는 세라믹, 스테인레스, 지르코늄 중에서 선택되는 재질로 형성되는 연료 전지 시스템의 개질기.
6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,

   상기 단열층은 폴리벤조이미다아졸, 폴리에테르에테르케톤, 폴리페닐린설파이드, 및 폴리아미드이미드로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 포함하는 연료 전지 시스템의 개질기.
7. 삭제
8. 삭제
9. 제 4 항에 있어서,

   상기 본체는 양단이 폐쇄된 원통형의 구조로 이루어지며, 어느 한 쪽 단부에 상기 서라운드 영역이 함몰 형성되는 연료 전지 시스템의 개질기.
10. 제 9 항에 있어서,

    상기 본체가 열전도성을 갖는 알루미늄, 구리, 철로 이루어지는 군에서 선택되는 재질로 형성되는 연료 전지 시스템의 개질기.
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