KR101395049B1 - 연료전지 스택모듈의 연료 공급시스템, 공기 공급시스템 및 이를 포함하는 연료전지 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 연료전지 스택모듈은, 공기를 공급하는 공기 공급시스템; 연료를 공급하는 연료 공급시스템; 및 상기 공기 공급시스템 및 연료 공급시스템으로부터 각각 공기 및 연료를 공급받아 전기화학적 반응에 의해 전기에너지를 발생시키는 복수 개의 스택모듈들을 포함하되, 상기 공기 공급시스템은, 복수 개의 스택모듈들에 각각 연결되는 복수 개의 공기 분지관들; 상기 공기 분지관들의 일단과 공통적으로 연결되는 공기 공급관; 및 상기 복수 개의 분지관들 내측에 위치하고 상기 공기를 각각의 상기 스택모듈들로 균등하게 분배 공급하는 다공성 매질들을 포함하고, 상기 연료 공급시스템은, 복수 개의 스택모듈들에 각각 연결되는 복수 개의 연료 분지관들; 상기 연료 분지관들의 일단과 공통적으로 연결되는 연료 공급관; 및 상기 복수 개의 연료 분지관들 선상에 위치하고 상기 연료를 각각의 상기 스택모듈들로 균등하게 분배 공급하는 연료 개질 촉매층이 구비된 개질기를 포함할 수 있다.
본 발명의 기술적 사상의 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템은, 공급된 연료와 공기를 예열시키고, 연소된 고온의 연소가스를 배출하는 열교환기; 상기 열교환기와 연결되고, 상기 예열된 연료를 수소를 포함하는 연료로 변환하는 개질기; 상기 열교환기와 연결되고, 상기 예열된 공기를 공급하는 공기 공급시스템; 상기 개질기 및 공기 공급시스템으로부터 각각 연료 및 공기를 공급받아 전기화학적 반응에 의해 전기에너지를 발생시키는 스택모듈; 및 상기 스택모듈 후단에 위치하고, 미반응 연료와 공기가 혼합되어 연소하는 연소기를 포함하되, 상기 개질기는, 상기 복수 개의 연료 분지관들 선상에 위치하고 상기 연료를 각각의 상기 스택모듈들로 균등하게 분배 공급하는 연료 개질 촉매층을 포함하고, 상기 공기 공급시스템은, 복수 개의 스택모듈들에 각각 연결되는 복수 개의 공기 분지관들; 상기 공기 분지관들의 일단과 공통적으로 연결되는 공기 공급관; 및 상기 복수 개의 공기 분지관들 선상에 위치하고 상기 공기를 각각의 상기 스택모듈들로 균등하게 분배 공급하는 다공성 매질들을 포함할 수 있다.

Description

연료전지 스택모듈의 연료 공급시스템, 공기 공급시스템 및 이를 포함하는 연료전지 시스템{FUEL SUPPLYING SYSTEM, AIR SUPPLYING SYSTEM FOR A FUEL CELL STACK MODULE AND FUEL CELL SYSTEM COMPRISING THE SAME}
본 발명은 연료전지 스택모듈의 연료 공급시스템, 공기 공급시스템 및 이를 포함하는 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 각각의 연료전지 스택모듈들로 연료 및 공기를 균등하게 분배 공급함으로써, 연료전지 모듈의 효율을 향상시킬 수 있는 연료전지 스택모듈의 연료 공급시스템, 공기 공급시스템 및 이를 포함하는 연료전지 시스템에 관한 것이다.
연료전지는 무공해 전력 공급장치로서 차세대 청정 에너지 발전 시스템 중의 하나로 각광받고 있다. 연료전지를 이용한 발전 시스템은 대형 건물의 자가발전기, 전기자동차 전원, 이동 전원(portable power supply) 등으로 이용될 수 있고, 천연 가스, 도시 가스, 나프타, 메탄올, 폐기물 가스 등 다양한 연료를 사용할 수 있는 장점이 있다. 연료전지는 근본적으로 같은 원리에 의해 작동되며, 사용되는 전해질(electrolyte)에 따라 용융탄산염 연료전지(MCFC), 고체산화물 연료전지(SOFC), 고분자 전해질 연료전지(PEFC), 인산형 연료전지(PAFC), 알칼리 연료전지(AFC) 등으로 구분된다.
전술한 연료전지들 가운데 고분자 전해질 연료전지는 사용되는 연료에 따라 고분자 전해질막 연료전지(polymer electrolyte membrane fuel cell or proton exchange membrane fuel cell, PEMFC)와 직접 메탄올형 연료전지(direct methanol fuel cell, DMFC)로 구분된다. 고분자 전해질막 연료전지는 고체 고분자를 전해질로 사용하기 때문에 전해질에 의한 부식이나 증발의 위험이 없으며, 단위면적당 높은 전류밀도를 얻을 수 있고, 게다가 다른 종류의 연료전지에 비해 출력 특성이 월등히 높고 작동 온도가 낮기 때문에 자동차 등에 전력을 공급하기 위한 이동용 전원, 주택이나 공공건물 등에 전력을 공급하기 위한 분산용 전원 및 전자기기 등에 전력을 공급하기 위한 소형 전원으로서 그것의 연구가 활발히 추진되고 있다. 그리고, 직접 메탄올형 연료전지는 연료 개질기를 사용하지 않고 메탄올과 같은 액상연료를 직접 이용하며 100℃ 미만의 작동온도에서 운전되므로 휴대용이나 소형 전원으로 적합하다는 장점이 있다.
한편, 고체산화물 연료전지는 다른 연료전지와 비교하여 구조가 간단하고 직접 내부 개질을 통한 연료 공급이 용이하며, 고온의 가스를 배출하기 때문에 열복합 발전이 가능한 이점이 있어 최근 큰 주목을 받고 있다.
도 1은 종래의 연료전지 스택으로 연료 및 공기가 공급되는 연료전지 시스템을 나타내는 장치도이다.
일반적으로 연료전지 시스템은 고온 박스(Hot Box)와 상온 박스(Cold Box)로 구성될 수 있다. 상기 상온 박스(Cold Box)는 연료, 공기 및 물 관리와 관련된 구성부품 및 전력변환기 등으로 구성되고, 상기 고온 박스(Hot Box)는 열교환기(heat exchanger), 증발기(evaporator), 개질기(reformer), 스택(stack), 연소기(burner) 등으로 구성될 수 있다. 상기 종래의 연료전지 시스템은 수소 가스 연료를 직접 사용하지 않고, 탄화수소 연료가 고온 박스(Hot Box) 내부에 설치되어 있는 개질기(reformer)를 통과하고, 상기 개질기에 의하여 개질된 개질 가스를 이용하여 스택을 운전할 수 있다. 상기 열교환기를 통과하면서 연료와 공기는 예열될 수 있고, 상기 예열된 연료는 개질기를 통과하면서 개질되어 스택으로 공급되며, 상기 예열된 공기는 직접 스택으로 공급되어 스택 내부에서 전기화학적 반응에 의하여 전기가 생산될 수 있다. 미반응 연료와 공기는 스택 후단의 연소기에서 혼합되어 연소될 수 있고, 상기 연소된 고온의 연소가스는 열교환기를 거쳐 고온 박스(Hot Box) 외부로 배출될 수 있다.
상기 연료전지 시스템은 높은 전력을 출력할 수 있는 대용량의 연료전지 시스템을 구성하기 위하여 일반적으로 다수의 스택 모듈들로 구성될 수 있는데, 이러한 모듈들로 연료 또는 공기를 공급하기 위하여 도 2와 같이 하나의 공급관(20)에서 분지된 분지관들(21-24)이 병렬로 연결된 구조를 가지며, 각 분지관들(21-24)은 각 연료전지 스택모듈들(10, 12, 14, 16)과 일 대 일로 연결될 수 있다.
상술한 구조를 갖는 공급관(20)과 분지관(21-24)을 통하여 연료 또는 공기가 각각의 스택모듈들(10, 12, 14, 16)로 공급되며, 상기 스택모듈들(10, 12, 14, 16)은 이와 같이 공급받은 연료 및 공기를 이용하여 전기를 생산하게 되는데, 연료전지 스택모듈들(10, 12, 14, 16)로 연료 및 공기가 균등하게 분배되어야 스택모듈들에서 균일한 전력이 생산되어 높은 출력을 기대할 수 있다. 그러나, 상기 연료전지 스택모듈들은 연료전지 시스템 내에서 배치되는 위치가 상이하므로 연료 및 공기 공급관으로부터 연료 및 공기가 공급되는 순서 및 각 분지관의 길이 및 구조 등의 차이에 따라 각각의 스택모듈들에 공급되는 연료 및 공기의 유량에 차이가 발생할 수 있다. 각 스택모듈들(10, 12, 14, 16)로 연료 및 공기가 다르게 공급될 경우, 연료 및 공기의 공급이 적은 스택모듈에서 뽑아낼 수 있는 최대 전력이 낮아지므로 연료 및 공기 공급관(20)을 통하여 공급되는 연료 및 공기의 총 유량을 공기 공급이 최소인 스택모듈을 기준으로 증가시켜야 하기 때문에 연료의 손실이 많아져 효율이 떨어질 수 있다.
이와 같은 이유로 상기 연료전지의 각 스택모듈들로 연료 및 공기가 균등하게 분배 공급되기 어려워 연료전지 스택모듈들의 전체 성능이 떨어지는 문제가 있다. 따라서, 고성능의 연료전지 시스템을 구현하기 위하여 각 스택모듈별로 연료 및 공기를 균등하게 분배 공급할 수 있는 방법의 제시가 필요한 실정이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 다공성 매질을 이용하여 모든 연료전지 스택모듈들에 연료 및 공기가 균등하게 공급되도록 하여 연료전지 스택모듈들의 전체 성능을 향상시킬 수 있는 연료전지 시스템을 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 연료 개질 촉매 분말들을 다공성 매질 상에 담지된 형상으로 구성하거나, 연료 개질 촉매 비드들을 충진층 형상으로 구성하여 다공성 매질로 이루어진 개질기를 구비함으로써 연료가 각각의 개질기들로 균등하게 분배 공급되도록 하여 연료의 개질 효율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 동시에 각각의 연료전지 스택모듈들에 개질된 연료가 균등하게 분배 공급되도록 하여 연료전지 스택모듈들의 전체 성능을 향상시킬 수 있는 연료전지 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다양한 과제들은 이상에서 언급한 과제들에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 연료전지 스택모듈은, 공기를 공급하는 공기 공급시스템; 연료를 공급하는 연료 공급시스템; 및 상기 공기 공급시스템 및 연료 공급시스템으로부터 각각 공기 및 연료를 공급받아 전기화학적 반응에 의해 전기에너지를 발생시키는 복수 개의 스택모듈들을 포함하되, 상기 공기 공급시스템은, 복수 개의 스택모듈들에 각각 연결되는 복수 개의 공기 분지관들; 상기 공기 분지관들의 일단과 공통적으로 연결되는 공기 공급관; 및 상기 복수 개의 분지관들 선상에 위치하고 상기 공기를 각각의 상기 스택모듈들로 균등하게 분배 공급하는 다공성 매질들을 포함하고, 상기 연료 공급시스템은, 복수 개의 스택모듈들에 각각 연결되는 복수 개의 연료 분지관들; 상기 연료 분지관들의 일단과 공통적으로 연결되는 연료 공급관; 및 상기 복수 개의 연료 분지관들 내측에 위치하고 상기 연료를 각각의 상기 스택모듈들로 균등하게 분배 공급하는 연료 개질 촉매층이 구비된 개질기를 포함할 수 있다.
상기 연료 개질 촉매층은 연료 개질 촉매 분말들이 다공성 매질 상에 담지된 형상으로 구성될 수 있다.
상기 연료 개질 촉매층은 연료 개질 촉매 비드(bead)들이 충진된 충진층(packed bed) 형상으로 구성될 수 있다.
상기 연료 개질 촉매는 백금계 금속, CeO2, Pr6O11 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 무기 산화물, 강산 이온 및 담체를 포함할 수 있다.
상기 백금계 금속은 Pt, Pd, Ru 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 담체는 Al2O3, TiO2 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 다공성 매질들은 동일한 투과율을 가지되, 상기 스택모듈보다 낮은 투과율을 가질 수 있다.
상기 다공성 매질들은 폴리머, 메탈 및 세라믹으로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.
상기 다공성 매질의 투과율은 상기 스택모듈의 투과율의 1/10 이하일 수 있다.
상기 개질기는 연료 개질 촉매를 포함하는 개질 반응부를 포함하되, 상기 개질 반응부는 펠릿(pellet) 또는 허니콤(honey comb) 타입으로 구성될 수 있다.
본 발명의 기술적 사상의 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템은, 공급된 연료와 공기를 예열시키고, 연소된 고온의 연소가스를 배출하는 열교환기; 상기 열교환기와 연결되고, 상기 예열된 연료를 수소를 포함하는 연료로 변환하는 개질기; 상기 열교환기와 연결되고, 상기 예열된 공기를 공급하는 공기 공급시스템; 상기 개질기 및 공기 공급시스템으로부터 각각 연료 및 공기를 공급받아 전기화학적 반응에 의해 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택모듈; 및 상기 스택모듈 후단에 위치하고, 미반응 연료와 공기가 혼합되어 연소하는 연소기를 포함하되, 상기 개질기는, 복수 개의 스택모듈들에 각각 연결되는 복수 개의 연료 분지관들; 상기 연료 분지관들의 일단과 공통적으로 연결되는 연료 공급관; 및 상기 복수 개의 연료 분지관들 선상에 위치하고 상기 연료를 각각의 상기 스택모듈들로 균등하게 분배 공급하는 연료 개질 촉매층을 포함하고, 상기 공기 공급시스템은, 복수 개의 스택모듈들에 각각 연결되는 복수 개의 공기 분지관들; 상기 공기 분지관들의 일단과 공통적으로 연결되는 공기 공급관; 및 상기 복수 개의 공기 분지관들 선상에 위치하고 상기 공기를 각각의 상기 스택모듈들로 균등하게 분배 공급하는 다공성 매질들을 포함할 수 있다.
상기 연료 개질 촉매층은 연료 개질 촉매 분말들이 다공성 매질 상에 담지된 형상으로 구성될 수 있다.
상기 연료 개질 촉매층은 연료 개질 촉매 비드(bead)들이 충진된 충진층(packed bed) 형상으로 구성될 수 있다.
상기 연료 개질 촉매는 백금계 금속, CeO2, Pr6O11 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 무기 산화물, 강산 이온 및 담체를 포함할 수 있다.
본 발명의 기술적 사상의 또 다른 실시예에 따른 연료 공급시스템은, 복수 개의 스택모듈들에 각각 연결되는 복수 개의 연료 분지관들; 상기 연료 분지관들의 일단과 공통적으로 연결되는 연료 공급관; 및 상기 복수 개의 연료 분지관들 선상에 위치하고 예열되어 공급되는 연료를 수소를 많이 포함하는 연료로 변환하여 상기 복수개의 스택모듈들에 공급하는 개질기를 포함하되, 상기 개질기는 상기 연료를 각각의 상기 스택모듈들로 균등하게 분배 공급하는 연료 개질 촉매층을 포함할 수 있다.
본 발명의 기술적 사상의 또 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템은, 공급된 연료를 예열시키고, 연소된 고온의 연소가스를 배출하는 열교환기; 상기 열교환기와 연결되고, 상기 예열된 연료를 수소를 포함하는 연료로 변환하는 연료 공급시스템; 상기 연료 공급시스템으로부터 연료를 공급받아 전기화학적 반응에 의해 전기에너지를 발생시키는 스택모듈; 및 상기 스택모듈 후단에 위치하고, 미반응 연료와 공기가 혼합되어 연소하는 연소기를 포함하되, 상기 연료 공급시스템은, 복수 개의 스택모듈들에 각각 연결되는 복수 개의 연료 분지관들; 상기 연료 분지관들의 일단과 공통적으로 연결되는 연료 공급관; 및 상기 복수 개의 연료 분지관들 내측에 위치하고 예열되어 공급되는 연료를 수소를 많이 포함하는 연료로 변환하여 상기 복수개의 스택모듈들에 공급하는 개질기를 포함하되, 상기 개질기는 상기 연료를 상기 스택모듈들로 균등하게 분배 공급하는 연료 개질 촉매층을 포함할 수 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다양한 과제들은 이상에서 언급한 과제들에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당 업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 기술적 사상의 다양한 실시예들에 의한 연료전지 시스템은 다공성 매질을 이용하여 모든 연료전지 스택모듈들에 연료 및 공기가 균등하게 분배 공급되도록 하여 연료전지 스택모듈들의 전체 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 기술적 사상의 다양한 실시예들에 의한 연료전지 시스템은 연료 개질 촉매 분말들을 다공성 매질 상에 담지된 형상으로 구성하거나, 연료 개질 촉매 비드들을 충진층 형상으로 구성하여 연료가 각각의 개질기들로 균등하게 분배 공급되도록 하여 연료의 개질 효율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 동시에 각각의 연료전지 스택모듈들에 개질된 연료가 균등하게 분배 공급되도록 하여 연료전지 스택모듈들의 전체 성능을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 기술적 사상의 다양한 실시예들은, 구체적으로 언급되지 않은 다양한 효과를 제공할 수 있다는 것이 충분히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 종래의 연료전지 스택으로 연료 및 공기가 공급되는 연료전지 시스템을 나타내는 장치도이다.
도 2는 종래의 연료전지 스택모듈별로 연료 또는 공기가 공급되는 시스템을 나타내는 장치도이다.
도 3은 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 고온 박스(Hot Box)의 구성 요소를 나타내는 개략도이다.
도 4는 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 공기 공급시스템을 나타내는 장치도이다.
도 5는 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 연료 공급시스템을 나타내는 장치도이다.
도 6은 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 유체(연료 또는 공기) 공급시스템의 실험예를 나타내는 장치도이다.
도 7은 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 다공성 매질의 투과율에 따른 각 연료전지 스택모듈들로의 유량 분배 분포도이다.
도 8은 각 연료전지 스택모듈의 투과율이 상이한 경우, 다공성 매질이 설치되지 않은 상태 및 투과율이 다른 다공성 매질이 설치된 상태에서 각 연료전지 스택모듈들로의 유량 분배 분포를 비교한 그래프이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장된 것이다.
상단, 하단, 상면, 하면, 또는 상부, 하부 등의 용어는 구성요소에 있어 상대적인 위치를 구별하기 위해 사용되는 것이다. 예를 들어, 편의상 도면상의 위쪽을 상부, 도면상의 아래쪽을 하부로 명명하는 경우, 실제에 있어서는 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 상부는 하부로 명명될 수 있고, 하부는 상부로 명명될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미가 있는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템에 대한 바람직한 실시예를 더욱 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 고온 박스(Hot Box)의 구성 요소를 나타내는 개략도이고, 도 4는 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 공기 공급시스템을 나타내는 장치도이며, 도 5는 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 연료 공급시스템을 나타내는 장치도이고, 도 6은 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 유체(연료 또는 공기) 공급시스템의 실험예를 나타내는 장치도이며, 도 7은 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 다공성 매질의 투과율에 따른 각 연료전지 스택모듈들로의 유량 분배 분포도이고, 도 8은 각 연료전지 스택모듈의 투과율이 상이한 경우, 다공성 매질이 설치되지 않은 상태 및 투과율이 다른 다공성 매질이 설치된 상태에서 각 연료전지 스택모듈들로의 유량 분배 분포를 비교한 그래프이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 고온 박스(Hot Box)는 열교환기(heat exchanger), 개질기(reformer), 다공성 매질(porous media), 스택모듈(stack module) 및 연소기(burner)를 포함할 수 있다.
상기 열교환기는 가스 배관 등을 통해 상기 연소기와 접속되고, 냉각액 전달 배관을 통해 냉각액 펌프(미도시)에 접속될 수 있다. 상기 열교환기는 공급된 연료와 공기를 예열시킬 수 있다. 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템은 수소 가스 연료를 직접 사용하지 않고, 탄화수소 연료를 상기 고온 박스(Hot Box) 내부에 설치되어 있는 개질기에 통과시키며, 상기 개질기를 통과하여 개질된 가스를 이용하여 스택모듈을 운전할 수 있다. 상기 연료전지 시스템의 작동 시, 상기 열교환기는 연소기로부터 전달된 고온의 연소가스와 냉각액 펌프로부터 압력을 받아 전달된 냉각액 간에 열교환을 실행하고, 열교환된 냉각액은 냉각액 전달 배관을 통해 전달될 수 있다.
상기 개질기는 화학적으로 수소를 함유하는 연료(LPG, LNG, 메탄, 석탄가스, 메탄올 등)로부터 연료전지 스택모듈이 요구하는 수소를 많이 포함하는 가스로 변환하는 장치이다. 상기 고온 박스(Hot Box) 내부에 설치되는 개질기는 스택 모듈의 용량에 상응하는 연료를 개질할 수 있는 크기로 설계 제작될 수 있다. 상기 개질기들은 열교환기를 거치면서 예열되어 공급되는 연료를 각각의 스택 모듈들에 균등하게 분배 공급될 수 있도록 그 투과율은 연료전지 스택 모듈 투과율의 1/10 이하로 구성할 수 있다. 상기 개질기는 공급되는 연료의 개질 촉매 반응, 예를 들어, 수증기 개질(Steam Reforming: SR) 촉매 반응을 통해 상기 연료로부터 수소를 발생시키는 개질 반응부(미도시)를 포함할 수 있다. 상기 연료 개질 촉매는 개질기 본체가 반응 기판으로 구성되는 경우 상기 반응 기판의 채널의 내표면에 형성될 수 있고, 상기 개질기 본체가 용기 타입으로 이루어지는 경우 펠릿(pellet) 또는 허니콤(honey comb) 타입으로 형성되어 반응기 본체의 내부 공간에 충전될 수 있다.
본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 개질기는 연료 개질 촉매층을 포함할 수 있다. 상기 연료 개질 촉매층은 공급되는 연료를 각각의 스택모듈들에 균등하게 분배 공급되게 할 수 있으며, 상기 연료 개질 촉매층의 투과율을 낮춤에 따라 각각의 스택모듈들에 연료가 균등하게 분배 공급되는 정도를 향상시킬 수 있다. 상기 연료 개질 촉매층은 연료 개질 촉매 분말들이 다공성 매질 상에 담지된 구조나, 또는, 연료 개질 촉매 비드(bead)들이 충전된 충진층(packed bed) 구조로 형성될 수 있다.
상기 연료 개질 촉매는 백금계 금속, CeO2, Pr6O11 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 무기 산화물, 강산 이온 및 담체를 포함할 수 있다. 상기 백금계 금속은 Pt, Pd, Ru 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 바람직하게 사용할 수 있고, 상기 Pt 또는 Rh를 보다 바람직하게 사용할 수 있다. 상기 강산 이온은 황산 이온, 인산 이온 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 바람직하게 사용할 수 있고, 상기 황산 이온을 보다 바람직하게 사용할 수 있다. 상기 담체는 Al2O3, TiO2 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 바람직하게 사용할 수 있고, 상기 Al2O3를 보다 바람직하게 사용할 수 있다.
한편, 상기 개질기는 소정의 열 에너지를 발생시키는 열원부(미도시)를 더 포함할 수 있고, 일산화탄소를 선택적으로 산화시키는 일산화탄소 저감부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 개질기의 열원부와 개질 반응부는 각각 독립적으로 형성하여 통상의 연결 장치를 통해 연결된 분리형태로 제작하거나, 내부에 열원부가 위치하고, 외부에 개질 반응부가 위치하는 2중 관로의 일체형으로 제작될 수도 있다. 상기와 같이 구성되는 연료전지 시스템의 작용시, 상기 개질기로부터 발생되는 수소를 스택모듈로 공급하여 전기 화학적인 반응을 통해 기설정된 출력량의 전기 에너지, 물 및 열을 발생시킬 수 있다.
상기 스택모듈들은 개질기를 통과하면서 개질된 연료가 공급될 수 있다. 또한, 상기 열교환기를 통과하면서 예열된 공기는 직접 상기 스택모듈로 공급되어 스택모듈 내부에서 전기화학적 반응에 의하여 전기 에너지를 발생시킬 수 있다.
상기 연소기는 상기 스택 모듈 후단에 위치하고, 미반응 연료와 공기가 혼합되어 연소될 수 있다. 연소된 고온의 연소가스는 열교환기를 거쳐 고온 박스(Hot Box) 외부로 배출될 수 있다.
이하, 도 4 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템에 대한 바람직한 실시예를 더욱 상세하게 설명하다. 도 4는 복수 개의 스택모듈(공기가 공급되는 공급 대상물)에 공기가 공급되는 연료전지 시스템을 개시한다. 예를 들어, 상기 연료전지 시스템은 4 개의 스택모듈(50, 52, 54, 56)을 포함하는 것을 예시한다.
하나의 공기 공급관(60)은 다수 개의 공기 분지관(61-64)과 연결되며, 각 공기 분지관(61-64)은 병렬로 연결되어 스택모듈(50, 52, 54, 56)과 일 대 일로 구성되어 상기 공기를 상기 스택모듈(50, 52, 54, 56)로 전달할 수 있다.
상기 스택모듈(50, 52, 54, 56)은 동일한 구조를 갖도록 구성됨이 바람직하며, 상기 공기 분지관(61-64)도 각 스택모듈(50, 52, 54, 56) 별로 동일한 구조를 갖도록 설치됨이 바람직하다.
상기 스택모듈(50, 52, 54, 56)은 상술한 바와 같이 균일한 구조를 갖도록 설계되었음에도 불구하고 전체 시스템 내에서 배치되는 위치가 상이하므로 공급관으로 부터 공기가 공급되는 순서 및 각 스택모듈들까지의 배관 길이 및 구조 등의 차이에 의해 각 스택모듈 별로 공급 유량의 차이가 발생할 수 있다. 이와 같이 각 스택모듈별로 공급되는 유량의 차이 문제는 각 스택모듈 입구에 다공성 매질을 설치함으로써 해결될 수 있다.
일반적으로 다공성 매질로 흐르는 유체의 유량, 투과율과 차압의 상관관계는 아래 <수학식 1>로 정의되는 다르시의 방정식(Darcy's Equation)으로 설명될 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112012093684995-pat00001
여기에서 Q는 유량, κ는 투과율, μ는 점성계수, △P는 차압, A는 지지체 단면적, L은 지지체 두께이며, 상기 수학식 1에서 지지체는 유체가 투과하는 대상물을 의미한다.
다르시의 방정식에서 유량 Q는 매질의 투과율(κ), 유체가 흐르는 매질의 내부 단면적(A)과 유체가 흐르는 두 점간 압력 차이 즉 차압(ΔP)의 곱을 유체가 흐르는 길이(L)와 유체 점도(μ)로 나눈 것과 같다. 음의 기호는 압력이 낮아지는 방향으로 유체가 흐른다는 것을 의미한다. 즉 차압에 비례하여 유체의 유량이 달라질 수 있으며, 유체의 유량이 달라지는 것은 투과율을 조절함으로써 제어될 수 있다.
본 발명에서는 각 공기 분지관(61-64) 선상에, 즉 연료전지 스택모듈(50, 52, 54, 56)의 공기가 유입되는 입구에 다공성 매질을 구성하여 투과율을 제어함으로써, 각 스택모듈(50, 52, 54, 56)에 공급되는 유량이 균일해지는 구성을 갖는다.
보다 상세히 설명하면, 저항상수(resistance constant) k는 아래와 같이 나타낼 수 있으며,
Figure 112012093684995-pat00002
저항상수 k는 아래와 같이 구분하여 표시할 수 있다. 여기서, km은 스택모듈의 저항상수, kl은 배관라인의 저항상수, kp는 다공성매질의 저항상수를 나타낸다.
Figure 112012093684995-pat00003
kp가 0일 경우(즉, 다공성 매질이 설치되지 않은 경우),
Figure 112012093684995-pat00004
의 변화에 따라 유량 Q가 변하며,
kp >> km, kl일 경우(상대적으로 아주 낮은 투과율의 다공성 매질이 설치된 경우, 다공성 매질의 저항상수 값이 스택모듈이나 배관라인의 저항상수 값에 비하여 월등히 크기 때문에),
Figure 112012093684995-pat00005
이므로 다공성매질의 저항상수에 의하여 유량 Q가 정해진다.
본 발명의 공기 공급시스템은 각 공기 분지관(61-64) 선상에 스택모듈 및 배관라인의 저항상수에 비해 큰 저항상수를 갖는 다공성 매질을 설치하여 각 스택모듈에 공급되는 공기의 유량 편차를 감소시킴으로써 각각의 스택모듈들에 균등한 공기의 분배 공급이 가능해진다.
본 발명에 따른 실시예에 적용되는 다공성 매질은 예를 들어 폴리머, 메탈, 세라믹, 하이브리드 화합물 중 적어도 하나 이상을 포함하여 형성되는 것으로 구성될 수 있으며, 다공성 매질은 스택모듈보다 낮은 투과도를 갖도록 제작할 수 있다.
여기에서 다공성 매질은 내부에 공극이 형성되는 다공성 물질로 이루어진 필터로 이해될 수 있으며, 공기 분지관(61-64) 내에 삽입되거나 또는 별도의 모듈로 구성되어 배관들 사이에 조립되는 구성을 가질 수 있다.
상기 다공성 매질(70, 75, 80, 85)은 각 스택모듈들(50, 52, 54, 56)의 입구 위치의 분지관(61-64)에 설치되며, 이때 다공성 매질(70, 75, 80, 85)은 투과율이 스택모듈들(50, 52, 54, 56)의 투과율보다 낮도록 설계하여 각 스택모듈들(50, 52, 54, 56)로 공기를 균등하게 분배하여 공급할 수 있다. 다공성 매질(70, 75, 80, 85)의 투과율을 낮춤에 따라 각 스택모듈들(50, 52, 54, 56)로 공급되는 유량은 균등해지지만, 다공성 매질(70, 75, 80, 85)의 투과율이 지나치게 낮을 경우 유량의 공급이 어려워지므로 적정 범위에서 조절될 수 있다.
도 5는 복수 개의 스택모듈(연료가 공급되는 공급 대상물)에 연료가 공급되는 연료전지 시스템을 개시한다. 예를 들어, 상기 연료전지 시스템은 4 개의 스택모듈(110, 112, 114, 116)을 포함하는 것을 예시한다.
본 발명의 연료 공급시스템은 각 연료 분지관(121-124)의 입구에 스택모듈 및 배관라인의 저항상수에 비해 큰 저항상수를 갖는 개질기(130, 140, 150, 160)를 설치하여 각 스택모듈에 공급되는 연료의 유량 편차를 감소시킴으로써 각각의 스택모듈들에 연료의 균등한 분배 공급이 가능해진다.
본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 개질기(130, 140, 150, 160)는 연료 개질 촉매층을 포함할 수 있다. 상기 연료 개질 촉매층은, 예를 들어, 연료 개질 촉매 분말들이 다공성 매질 상에 담지된 구조나, 또는, 연료 개질 촉매 비드(bead)들이 충전된 충진층(packed bed) 구조로 형성될 수 있다. 상기 연료 개질 촉매층은 스택모듈보다 낮은 투과도(투과율)를 갖도록 제작할 수 있고, 상기 투과율은 열교환기를 거치면서 예열되어 공급되는 연료를 각각의 스택모듈들(110, 112, 114, 116)에 균등하게 분배 공급될 수 있도록 연료전지 스택모듈(110, 112, 114, 116)의 투과율의 1/10 이하로 구성할 수 있다. 상기 연료 개질 촉매층을 포함하는 다수 개의 개질기(130, 140, 150, 160)는 연료가 상기 개질기(130, 140, 150, 160)로 원활히 전달되어, 연료의 개질 효율을 상승시킬 수 있다.
여기에서 연료 개질 촉매층은 내부에 공극이 형성되는 필터로 이해될 수 있으며, 연료 분지관(121-124) 내에 삽입되거나 또는 별도의 모듈로 구성되어 배관들 사이에 조립되는 구성을 가질 수 있다.
상기 개질기(130, 140, 150, 160)는 각 스택모듈들(110, 112, 114, 116)의 입구 위치의 연료 분지관(121-124)에 설치되며, 이때 상기 개질기(130, 140, 150, 160)는 투과율이 스택모듈(110, 112, 114, 116)의 투과율보다 낮도록 설계하여 각 스택모듈들(110, 112, 114, 116)로 연료를 균등하게 분배하여 공급할 수 있다. 상기 개질기(130, 140, 150, 160)의 투과율을 낮춤에 따라 각 스택모듈((110, 112, 114, 116))로 공급되는 연료 유량은 균등해지지만, 개질기(130, 140, 150, 160)의 투과율이 지나치게 낮을 경우 유량의 공급이 어려워지므로 적정 범위에서 조절될 수 있다.
이하, 실험예를 참조하여 본 발명의 유체 공급시스템을 더욱 상세히 설명한다. 본 실험은 연료전지 시스템에 본 발명을 적용한 예로서, 스택모듈들은 연료전지 스택모듈을 나타내고, 유체는 연료 또는 공기를 나타낸다.
[실험예]
도 6은 복수 개의 스택모듈(유체가 공급되는 공급 대상물)에 유체가 공급되는 연료전지 시스템을 개시한다. 예를 들어, 상기 연료전지 시스템은 5 개의 스택모듈(210, 212, 214, 216, 218)을 포함하는 것을 예시한다. 도 7은 다공성 매질의 투과율에 따른 각 연료전지 스택모듈들로의 유체 유량의 분배 분포도이다. 도 7은 공급관에서 공급되는 전체 유체를 5 개의 연료전지 스택모듈(210, 212, 214, 216, 218)에 분배하는 경우, 각 분지관(221-225)에 다공성 매질(porous media)이 설치되지 않았거나 투과율이 10-5 m2 내지 10-10 m2인 다공성 매질(porous media)이 설치되었을 때 각 연료전지 스택모듈들(210, 212, 214, 216, 218)로 공급되는 정규화된 유량(normalized flow rate)의 분포를 보여준다.
도 7의 결과를 통해, 다공성 매질이 없을 때와 다공성 매질(230, 240, 250, 260, 270)의 투과율이 10-5 m2에서 10-7 m2일 때에는 각 연료전지 스택모듈들(210, 212, 214, 216, 218) 별로 유체의 균등한 분배가 이루어지지 않는 것을 확인할 수 있다. 반면, 다공성 매질(230, 240, 250, 260, 270)의 투과율이 10-8 m2 이하일 때는 각 연료전지 스택모듈들(210, 212, 214, 216, 218로 전체 유체의 20%로 균등한 분배가 이루어지는 것을 알 수 있다.
이를 통해 스택모듈보다 낮은 투과율을 갖는 다공성 매질을 배치시킴으로써 각 스택모듈들로 공급되는 유체의 공급 유량을 균등하게 분배할 수 있으며, 다공성 매질의 투과율을 낮춤에 따라 공급 유량은 점점 더 균등하게 분배됨을 알 수 있다.
도 8은 각 연료전지 스택모듈의 투과율이 상이한 경우, 다공성 매질이 설치되지 않은 상태 및 투과율이 다른 다공성 매질이 설치된 상태에서 각 연료전지 스택모듈들로의 유체 유량의 분배 분포를 비교한 그래프이다.
도 8은 1번째 연료전지 스택모듈(210), 3번째 연료전지 스택모듈(214), 5번째 연료전지 스택모듈(218)의 투과율이 10-9 m2 이고, 2번째 연료전지 스택모듈(212)의 투과율이 2×10-9 m2 이고, 4번째 연료전지 스택모듈(216)의 투과율이 0.5×10-9 m2일 때, 각 스택모듈들의 입구에 다공성 매질 (porous media)이 설치되지 않은 경우와 투과율이 10-10 m2이거나 10-11 m2인 다공성 매질 (porous media)이 설치된 경우의 각 스택모듈들로의 정규화된 유량(normalized flow rate) 분포를 보여준다.
도 8을 통해, 각 연료전지 스택모듈(210, 212, 214, 216, 218)의 입구에 다공성 매질(porous media)이 설치되지 않은 경우에는 유량 분포가 10%에서 35%까지 큰 차이를 보이지만, 투과율이 10-10 m2 이하인 다공성 매질(230, 240, 250, 260, 270)이 설치된 경우 서로 다른 투과율을 가지는 각 연료전지 스택모듈들(210, 212, 214, 216, 218)에서 거의 균등한 유체의 분배가 이루어짐을 알 수 있다.
이처럼 다공성 매질이 이용됨에 따라 연료전지 시스템 내에 공급되는 유체인 연료 또는 공기가 균등하게 분배될 수 있으며, 유체의 균등한 분배는 다공성 매질의 투과율을 적절히 조절함으로써 가능하다.
연료전지의 경우 각 스택모듈들의 투과율에 약간의 차이가 있을 수 있을 뿐만 아니라 스택모듈을 시스템에 조립할 경우 배관의 길이 또한 달라질 수 있는 조건을 가지므로, 도 8에서 사용된 다공성 매질들과 같이 스택모듈의 투과율의 1/10 이하의 투과율을 갖는 다공성 매질을 설치함으로써 유체를 각 스택모듈들로 균등하게 분배할 수 있다. 다만, 이는 연료전지가 통상적으로 위와 같은 조건으로 설계되므로 그러한 조건에서 다공성 매질의 투과율이 위 범위를 갖는 것이 적정함을 설명하는 것이며, 다공성 매질의 투과율의 범위를 이로써 한정하는 것은 아니다.
상기 실험예는 연료전지 시스템에서의 유체 공급시스템에 대한 것이지만, 본 발명은 이에 국한되지 않고 기체나 액체와 같은 유체를 공급하는 모든 시스템, 예를 들어 유체 필터에 확대 적용할 수 있으며, 본 발명의 명세서의 기술적 사상을 이해한 자라면 일반 유체에 대하여 다양하게 적용 및 변형 실시할 수 있다.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 일 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
10, 12, 14, 16; 스택모듈 20; 공급관
21, 22, 23, 24; 분지관 50, 52, 54, 56; 스택모듈
60; 공기 공급관 61, 62, 63, 64; 공기 분지관
70, 75, 80, 85; 다공성매질 110, 112, 114, 116; 스택모듈
120; 연료 공급관 121, 122, 123, 124; 연료 분지관
130, 140, 150, 160; 개질기 210, 212, 214, 216, 218; 스택모듈
220; 유체 공급관 221, 222, 223, 224, 225; 유체 분지관
230, 240, 250, 260, 270; 다공성매질

Claims (17)

  1. 공기를 공급하는 공기 공급시스템;
    연료를 공급하는 연료 공급시스템; 및
    상기 공기 공급시스템 및 연료 공급시스템으로부터 각각 공기 및 연료를 공급받아 전기화학적 반응에 의해 전기에너지를 발생시키는 복수 개의 스택모듈들을 포함하되,
    상기 공기 공급시스템은,
    복수 개의 스택모듈들에 각각 연결되는 복수 개의 공기 분지관들;
    상기 공기 분지관들의 일단과 공통적으로 연결되는 공기 공급관; 및
    상기 복수 개의 공기 분지관들 선상에 위치하고 상기 공기를 각각의 상기 스택모듈들로 균등하게 분배 공급하는 다공성 매질들을 포함하고,
    상기 연료 공급시스템은,
    복수 개의 스택모듈들에 각각 연결되는 복수 개의 연료 분지관들;
    상기 연료 분지관들의 일단과 공통적으로 연결되는 연료 공급관; 및
    상기 복수 개의 연료 분지관들 선상에 위치하고 상기 연료를 각각의 상기 스택모듈들로 균등하게 분배 공급하는 연료 개질 촉매층이 구비된 개질기를 포함하는 연료전지 스택모듈.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 연료 개질 촉매층은 연료 개질 촉매 분말들이 다공성 매질 상에 담지된 형상으로 구성되는 연료전지 스택모듈.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 연료 개질 촉매층은 연료 개질 촉매 비드(bead)들이 충진된 충진층(packed bed) 형상으로 구성되는 연료전지 스택모듈.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 연료 개질 촉매는 백금계 금속, CeO2, Pr6O11 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 무기 산화물, 강산 이온 및 담체를 포함하는 연료전지 스택모듈.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 백금계 금속은 Pt, Pd, Ru 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 포함하는 연료전지 스택모듈.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 담체는 Al2O3, TiO2 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 포함하는 연료전지 스택모듈.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 다공성 매질들은 동일한 유체 투과율을 가지되, 상기 스택모듈보다 낮은 유체 투과율을 갖는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택모듈.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 다공성 매질들은 폴리머, 메탈 및 세라믹으로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 물질을 포함하는 연료전지 스택모듈.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 다공성 매질의 유체 투과율은 상기 스택모듈의 유체 투과율의 1/10 이하인 것을 특징으로 하는 연료전지 스택모듈.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 개질기는 연료 개질 촉매를 포함하는 개질 반응부를 포함하되,
    상기 개질 반응부는 펠릿(pellet) 또는 허니콤(honey comb) 타입으로 구성되는 연료전지 스택모듈.
  11. 공급된 연료와 공기를 예열시키고, 연소된 고온의 연소가스를 배출하는 열교환기;
    상기 열교환기와 연결되고, 상기 예열된 연료를 수소를 포함하는 연료로 변환하는 개질기;
    상기 열교환기와 연결되고, 상기 예열된 공기를 공급하는 공기 공급시스템;
    상기 개질기 및 공기 공급시스템으로부터 각각 연료 및 공기를 공급받아 전기화학적 반응에 의해 전기에너지를 발생시키는 스택모듈; 및
    상기 스택모듈 후단에 위치하고, 미반응 연료와 공기가 혼합되어 연소하는 연소기를 포함하되,
    상기 개질기는,
    상기 복수 개의 연료 분지관들 내측에 위치하고 상기 연료를 각각의 상기 스택모듈들로 균등하게 분배 공급하는 연료 개질 촉매층을 포함하고,
    상기 공기 공급시스템은,
    복수 개의 스택모듈들에 각각 연결되는 복수 개의 공기 분지관들;
    상기 공기 분지관들의 일단과 공통적으로 연결되는 공급관; 및
    상기 복수 개의 공기 분지관들 내측에 위치하고 상기 공기를 각각의 상기 스택모듈들로 균등하게 분배 공급하는 다공성 매질들을 포함하는 연료전지 시스템.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 연료 개질 촉매층은 연료 개질 촉매 분말들이 다공성 매질 상에 담지된 형상으로 구성되는 연료전지 시스템.
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 연료 개질 촉매층은 연료 개질 촉매 비드(bead)들이 충진된 충진층(packed bed) 형상으로 구성되는 연료전지 시스템.
  14. 제 12항에 있어서,
    상기 연료 개질 촉매는 백금계 금속, CeO2, Pr6O11 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 무기 산화물, 강산 이온 및 담체를 포함하는 연료전지 시스템.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 백금계 금속은 Pt, Pd, Ru 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 포함하는 연료전지 시스템.
  16. 복수 개의 스택모듈들에 각각 연결되는 복수 개의 연료 분지관들;
    상기 연료 분지관들의 일단과 공통적으로 연결되는 연료 공급관; 및
    상기 복수 개의 연료 분지관들 내측에 위치하고 예열되어 공급되는 연료를 수소를 포함하는 연료로 변환하여 상기 복수개의 스택모듈들에 공급하는 개질기를 포함하되,
    상기 개질기는 상기 연료를 각각의 상기 스택모듈들로 균등하게 분배 공급하는 연료 개질 촉매층을 포함하는 연료 공급시스템.
  17. 공급된 연료를 예열시키고, 연소된 고온의 연소가스를 배출하는 열교환기;
    상기 열교환기와 연결되고, 상기 예열된 연료를 수소를 포함하는 연료로 변환하는 연료 공급시스템;
    상기 연료 공급시스템으로부터 연료를 공급받아 전기화학적 반응에 의해 전기에너지를 발생시키는 스택모듈; 및
    상기 스택모듈 후단에 위치하고, 미반응 연료와 공기가 혼합되어 연소하는 연소기를 포함하되,
    상기 연료 공급시스템은,
    복수 개의 스택모듈들에 각각 연결되는 복수 개의 연료 분지관들;
    상기 연료 분지관들의 일단과 공통적으로 연결되는 연료 공급관; 및
    상기 복수 개의 연료 분지관들 선상에 위치하고 예열되어 공급되는 연료를 수소를 포함하는 연료로 변환하여 상기 복수개의 스택모듈들에 공급하는 개질기를 포함하되,
    상기 개질기는 상기 연료를 각각의 상기 스택모듈들로 균등하게 분배 공급하는 연료 개질 촉매층을 포함하는 연료전지 시스템.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20180062242A (ko) * 2016-11-30 2018-06-08 삼성전자주식회사 멀티 모듈 구조의 공기 공급부를 구비하는 금속 공기 전지
KR20220096062A (ko) 2020-12-30 2022-07-07 고등기술연구원연구조합 공전해 시스템의 가스 이송용 모듈 및 가스 이송용 모듈 어셈블리

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008007371A (ja) 2006-06-29 2008-01-17 Nippon Oil Corp 改質器および間接内部改質型固体酸化物形燃料電池
KR100831014B1 (ko) 2007-02-12 2008-05-20 삼성에스디아이 주식회사 연료 전지 시스템의 개질기, 및 이를 포함하는 연료 전지시스템
KR20120053795A (ko) * 2010-11-18 2012-05-29 한국에너지기술연구원 유체 공급 시스템 및 이를 이용하는 유체 필터
KR20120054233A (ko) * 2010-11-19 2012-05-30 한국에너지기술연구원 연료전지의 연료 가스 공급 시스템 및 이를 포함하는 연료전지

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008007371A (ja) 2006-06-29 2008-01-17 Nippon Oil Corp 改質器および間接内部改質型固体酸化物形燃料電池
KR100831014B1 (ko) 2007-02-12 2008-05-20 삼성에스디아이 주식회사 연료 전지 시스템의 개질기, 및 이를 포함하는 연료 전지시스템
KR20120053795A (ko) * 2010-11-18 2012-05-29 한국에너지기술연구원 유체 공급 시스템 및 이를 이용하는 유체 필터
KR20120054233A (ko) * 2010-11-19 2012-05-30 한국에너지기술연구원 연료전지의 연료 가스 공급 시스템 및 이를 포함하는 연료전지

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20180062242A (ko) * 2016-11-30 2018-06-08 삼성전자주식회사 멀티 모듈 구조의 공기 공급부를 구비하는 금속 공기 전지
KR102659197B1 (ko) * 2016-11-30 2024-04-19 삼성전자주식회사 멀티 모듈 구조의 공기 공급부를 구비하는 금속 공기 전지
KR20220096062A (ko) 2020-12-30 2022-07-07 고등기술연구원연구조합 공전해 시스템의 가스 이송용 모듈 및 가스 이송용 모듈 어셈블리

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