KR101813231B1 - 전기자동차 배터리 충전용 연료전지 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전기자동차의 주동력원인 배터리의 충전상태가 기준 값 이하로 내려가면 작동을 시작하여 상기 배터리를 충전시키는 전기자동차 배터리 충전용 연료전지 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 메탄올 등과 같은 액체연료의 개질 공정을 단순화하여, 시스템의 크기를 줄일 수 있고, 전기자동차의 주동력원인 배터리의 충전을 효과적으로 수행할 수 있으며, 이를 이용하여 동력원의 가격이나 전체 크기에 큰 부담을 주지 않으면서 전기자동차의 주행거리를 높일 수 있다.

Description

전기자동차 배터리 충전용 연료전지 시스템{Fuel cell system for charging electric vehicle batteries}
본 발명은 전기자동차 배터리 충전용 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전기자동차의 동력원으로 사용되는 배터리의 충전을 목적으로 하는 수소연료전지 시스템의 구성에 관한 것과 이 연료전지 시스템이 필요로 하는 수소가스를 메탄올 같은 액체연료의 개질에 의하여 생산하는 전기자동차 배터리 충전용 연료전지 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 전기자동차의 동력원으로는 리튬 배터리 또는 수소연료전지와 같은 높은 전기에너지 저장체를 사용한다. 그러나 순수 전기저장체를 100% 동력원으로 이용할 경우, 몇 가지 근본적인 문제점에 부딪치게 된다. 첫째, 배터리나 연료전지 시스템의 무게나 부피가 너무 커서 승용차의 경우, 그 탑재가 한계점에 이르게 되어 한번 충전 주행거리에 제한이 생기게 된다. 수소연료전지의 경우, 수소연료를 고압용기에 저장해 사용해야 하며, 그 부피가 승용차의 허용 범위를 훨씬 초과한다. 둘째, 리튬 배터리나 백금계열 촉매를 사용하는 수소연료전지를 동력원으로하는 전기자동차는 내연기관 자동차보다 가격이 최소 3배 이상 높다.
가스연료인 수소 대신에 메탄올(메칠알콜) 같은 액체연료를 사용하는 연료전지가 한 때는 전기자동차의 동력원으로 관심을 모았다. 메탄올 연료의 부피는 내연 엔진이 사용하는 가솔린이나 디젤유의 그 것과 비슷하므로 메탄올 연료전지는 수소연료전지에 비하여 부피를 크게 줄일 수 있을 것이라고 기대되었었다. 또한 메탄올 연료전지는 비(非)백금계열 촉매 사용이 가능하므로 수소연료전지보다 가격이 훨씬 낮다는 장점도 관심의 대상이었다. 그러나 메탄올 연료전지는 촉매의 사용에 상관없이 그 변환 효율이 (일정량의 화학에너지를 전기에너지로 변환하는 비율) 수소연료전지의 1/3 이하이기에, 따라서 전지의 크기는 3배 이상 커져야 하므로, 전지의 용량이 커질수록 액체연료가 갖는 부피의 이점이 크게 퇴색되고 만다.
그러나 메탄올 연료전지를 전기 차량의 주 동력원인 배터리의 충전 수단인 보조 동력원으로 사용한다면 그 장점을 살릴 수 있게 된다. 전기자동차의 주행 시 파워의 부담은 배터리가 담당하며, 방전되는 배터리의 충전은 연료전지가 담당하게 된다. 즉 배터리를 주 동력원(源), 그리고 연료전지를 보조 동력원으로 하는 하이브리드(hybrid) 모델은 전기 차량의 주행거리를 늘리고, 동력원의 가격을 낮추는 것을 가능하게 한다. 여기서 보조 동력원은 주 동력원을 충전할 수 있는 충분한 에너지를 보유해야 하나, 시간당 전기 생산 능력은 주 동력원에 비하여 훨씬 낮다.
그러므로 저장 에너지의 크기가 중요한 요구 사항이며, 연료전지의 크기는 신축성을 갖게 된다. 구체적인 예를 들어서 리튬 배터리는 완전 충전 후 150 km의 주행거리를 보장한다고 할 때, 새로운 주행거리의 목표를 그 두 배인 300 km로 늘렸을 때 메탄올 연료전지를 배터리의 충전 수단으로 사용한다면, 그 목표 달성의 실현성이 커진다. 왜냐하면 충전 에너지로 사용하는 메탄올 연료의 부피는 작으므로 추가 탑재에 큰 문제를 야기하지 않기 때문이다.
이의 실현을 위해서는 하나의 전제 조건이 필요한데, 전기 차량이 연속 주행을 하는 것이 아니라, 간헐적인 운전 정지 시간을 갖는다는 것이다. 이 조건이 만족된다면 보조 동력원은 차량의 주행 또는 비(非)주행에 관계없이 충전 기능을 수행할 수 있는 시간적 여유를 갖게 된다. 따라서 배터리의 충전 후 주행거리는 비(非)주행 시간이 길어질수록 크게 연장될 수 있다. 충전 목적의 메탄올 연료전지는 출력에 대한 부담이 줄어 그 크기를 주 동력원 연료전지에 비하여 크게 줄일 수 있으므로 공간이나 가격 면으로 볼 때 보조 동력원 후보로의 현실성을 높인다. 요약하여 메탄올 연료전지 시스템은 연료 탑재에 대한 공간적인 부담이 거의 없으므로 전지의 크기가 작아지면 보조 동력원으로 차량 탑재가 용이할 뿐 아니라 가격 면에서도 큰 이점을 제공한다.
이와 같은 이점을 가지는 메탄올 연료전지는 다음과 같은 이유로 시장 진출이 지연되고 있는데, 근본적인 기술 문제가 미해결 상태이기 때문이다. 이 연료전지는 크게 두 가지 유형으로 분류된다. 첫째 형태는 메탄올 연료를 연료전지 외부에서 개질하여 수소를 생산하고, 이 수소를 연료로 사용하는 외부 개질 연료전지 시스템이며, 둘째 형태는 메탄올 연료를 직접 연료로 사용하는 직접 메탄올 연료전지 시스템이다. 후자인 직접 연료전지 시스템은 수소이온통과 멤브레인(proton exchange membrane)을 사용하는 산성 전지와 KOH와 같은 알칼리 전해액을 사용하는 알칼리성 전지로 다시 분류된다. 그런데 반드시 백금 계열의 촉매를 사용해야하는 산성전지는 가격대비 전기화학 효율이 매우 낮아 경제성이 낮으며, 저렴한 대체 촉매의 개발이라는 근본적인 문제를 안고 있다. 니켈과 같은 비(非)백금계열 촉매의 사용이 가능한 알칼리성 전지는 백금의 사용량이 전자(前者)에 비하여 소량인데 반하여 효율이 높다는 장점을 갖고 있다. 그러나 이 전지는 연료전극(산화전극)에서 탄산염(CO3 2-)이 생성된다는 치명적인 약점을 갖고 있다. 전지의 가동 시간이 길어짐에 따라 탄산염의 농도가 높아지며, 이로 인해 일정 시간 간격으로 KOH 전해액을 전량 교환해야 된다는 유지 차원에서의 큰 불편함을 안고 있다. 탄산염 생성 속도를 줄이기 위해서 음이온 교환막을 분리막으로 사용하기도 하지만, 이는 근본적인 해결책이 되지 못하고 있으며, 이를 개선하기 위한 해결책이 제시되고 있지 못하다.
외부 개질 연료전지 시스템의 약점은 메탄올의 개질 공정과 제어의 복잡성 때문에 시스템이 커지게 되며, 차량탑재의 조건인 작은 부피를 만족하는 것이 어렵다는 것이다.
*또한 종래에서 전기자동차의 동력원에 대한 기술들은 전기모터의 출력보강에 대해서만 관심을 가질 뿐, 전기자동차의 주행거리를 증대시키기 위한 해결책을 제시하고 있지 못하고 있다.
1. 한국등록특허 제10-1377077호의 "하이브리드형 수소가스 생산장치 및 이를 이용한 수소가스 생산방법" 2. 한국등록특허 제10-1163537호의 "전기자동차의 연료전지 이원화 시스템" 3. 한국등록특허 제10-0946472호의 "연료전지 하이브리드 시스템" 4. 한국등록특허 제10-0921125호의 "멀티동력원 및 멀티구동계를 갖는 하이브리드 연료전지차량" 5. 한국등록특허 제10-0534701호의 "연료전지 하이브리드 전기자동차용 리튬이온 폴리머 전지시스템"
상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 메탄올 등과 같은 액체연료의 개질 공정을 단순화하여, 시스템의 크기를 줄이고, 전기자동차의 주동력원인 배터리의 충전을 효과적으로 수행하며, 이를 이용하여 동력원의 가격이나 전체 크기에 큰 부담을 주지 않으면서 전기자동차의 주행거리를 높이도록 하는데 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적들은 이하의 실시례에 대한 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일측면에 따르면, 전기자동차의 주동력원인 배터리의 충전상태가 기준 값 이하로 내려가면 작동을 시작하여 상기 배터리를 충전시키는, 전기자동차 배터리 충전용 연료전지 시스템이 제공된다.
상기의 시스템은 액체연료가 저장되는 액체연료저장부; 상기 액체연료저장부로부터 공급되는 액체연료의 개질에 의하여 수소(H2)를 생산하는 수소발생장치; 및 상기 수소발생장치로부터 생산되는 수소로부터 상기 배터리의 충전에 필요한 전기를 생산하는 수소연료전지;를 포함할 수 있다.
상기 수소연료전지는, 동작에 필요한 산소(O2)로서, 공기를 공급받거나, 질소(N2)가 분리되어 산소가 주성분인 공기를 공급받을 수 있다.
*상기 수소발생장치는, 퍼니스(furnace) 내부에 각각 위치하여 200~500℃로 유지되는 개질반응장치 및 고농도수소저장실; 및 상기 퍼니스 외부에 위치하여 공기에 노출되어 15~200℃로 유지되는 비수소가스제거장치;를 포함하고, 상기 개질반응장치는, 액체연료의 부분 산화, 수성가스 교환반응(water gas shift reaction), 그리고 투과에 의한 수소의 방출이 수행되고, 상기 고농도수소저장실은, 상기 퍼니스 내부에서 상기 개질반응장치의 후단에 연결되어, 상기 개질반응장치로부터 투과된 가스나 상기 비수소가스제거장치로부터 가스를 공급받아 투과나 유출에 의하여 수소의 방출을 수행하고, 상기 비수소가스제거장치는, 상기 개질반응장치로부터 공급되는 가스로부터 비수소가스를 흡착 내지 탈착에 의해 제거할 수 있다.
상기 개질반응장치는, 직렬로 연결된 제 1 및 제 2 섹션으로 나뉘어지고, 상기 제 1 섹션의 초입부와, 상기 제 1 및 제 2 섹션의 연결부에 제 1 및 제 2 가스주입포트가 각각 설치되고, 상기 제 1 가스주입포트를 통해서 메탄올과 산소가 2~6 : 1의 몰 혼합비율로 혼합되는 혼합가스를 주입하고, 상기 제 2 가스주입포트를 통해서 상기 메탄올 몰 수의 50~100%인 수증기를 주입하며, 상기 제 1 섹션에서 메탄올을 부분 산화시켜서 수소와 일산화탄소(CO)를 생성하도록 하고, 수소와 일산화탄소를 촉매로 충진된 제 2 섹션으로 유입시켜서 수소와 이산화탄소(CO2)를 생성시킬 수 있다.
상기 개질반응장치는, 상기 제 1 가스주입포트에 산소로서, 공기가 주입되거나, 질소가 분리되어 산소가 주성분인 공기가 주입되고, 상기 제 2 가스주입포트에 상기 수소연료전지의 산화전극에서 생성되는 물을 이용하여 발생하는 수증기가 주입될 수 있다.
상기 개질반응장치는, 상기 제 2 섹션의 내벽 일부에 수소만을 투과시키는 제 1 금속성멤브레인이 마련되고, 상기 제 1 금속성멤브레인을 통해서 수소만을 외부로 유출시킴으로써 내부의 반응속도를 증가시키도록 하며, 상기 제 1 금속성멤브레인을 통해서 유출되는 수소가 상기 수소연료전지의 연료로 사용되도록 할 수 있다.
상기 개질반응장치는, 상기 제 2 섹션의 후단에 누센(Knudsen)형 분리막을 배치하고, 상기 누센형 분리막을 투과하는 가스가 상기 고농도수소저장실로 보내지며, 상기 누센형 분리막을 투과하지 못하는 가스가 상기 비수소가스제거장치로 보내질 수 있다.
상기 비수소가스제거장치는, 흡착제가 충진된 다수의 흡착칼럼을 포함하고, 상기 개질반응장치에서 유출된 가스가 상기 흡착칼럼을 통과할 때 이산화탄소, 일산화탄소, 메탄(CH4), 질소를 흡착하여 수소가 통과하도록 할 수 있다.
상기 비수소가스제거장치는, 상기 흡착칼럼이 순차적으로 설치되는 제 1 내지 제 3 흡착칼럼을 포함하고, 상기 제 1 흡착칼럼이 이산화탄소를 흡착하여 제거하도록 하며, 상기 제 2 흡착칼럼이 메탄가스를 흡착하여 제거하도록 하고, 상기 제 3 흡착칼럼이 질소를 포함하는 가스를 흡착하여 제거한 후에 통과된 가스를 상기 고농도수소저장실로 보내지도록 하며, 상기 고농도수소저장실은, 상기 제 1 내지 제 3 흡착칼럼을 통과하여 내측으로 유입되는 가스 중에서 내측에 설치되는 제 2 금속성멤브레인을 투과하는 순수 수소와, 후단에 연결된 일산화탄소제거칼럼을 통과한 고농도 수소가 상기 수소연료전지의 연료로 사용되도록 할 수 있다.
상기 비수소가스제거장치는, 백금(Pt) 또는 로듐(Rh)이 다공성 알루미나의 지지체 표면에 코팅되고, 상기 제 2 흡착칼럼으로부터 공급되는 메탄(CH4)을 산소와 함께 15~100℃로 유지되는 내부를 통과시킴으로써 수소와 일산화탄소로 변환시키도록 하는 촉매칼럼을 더 포함하고, 상기 개질반응장치는, 상기 촉매칼럼으로부터 공급되는 수소와 일산화탄소가 직렬로 연결된 제 1 및 제 2 섹션의 연결부에 설치되는 제 3 가스주입포트를 통하여 내부에 주입될 수 있다.
상기 비수소가스제거장치는, 상기 개질반응장치에서 유출되는 가스가 상기 제 1 내지 제 3 흡착칼럼을 통과할 때, 상기 제 1 흡착칼럼을 통과하는 가스 중 메탄(CH4)가스의 농도가 기준치 이하일 때, 상기 제 1 흡착칼럼만으로 상기 메탄(CH4)가스를 처리하도록 할 수 있다.
상기 수소발생장치에 대하여 주입되는 원료가스의 양과 생산되거나 배출되는 가스의 양이 시간에 따라 변하지 않는 정상(steady-state)상태에 도달하도록, 상기 수소발생장치로부터 생산되는 수소와 상기 개질반응장치로부터 유출되어 상기 비수소가스제거장치로 유입되는 가스의 유량을 모니터하여, 제 1 및 제 2 금속성멤브레인의 면적이나, 상기 고농도수소저장실 후단의 일산화탄소제거칼럼의 단면적 또는 이산화탄소(CO2)를 흡착하기 위한 제 1 흡착칼럼의 단면적을 조절할 수 있다.
메탄올, 산소, 수증기, 일산화탄소의 원료가스를 상기 개질반응장치에 주입할 때 사용하는 가스주입포트의 내부에는 고압원에 연결되어 원료가스를 고압에 의하여 내부로 주입하기 위한 고압주입유닛이 설치될 수 있다.
본 발명에 따른 전기자동차 배터리 충전용 연료전지 시스템에 의하면, 메탄올 등과 같은 액체연료의 개질 공정을 단순화하여, 시스템의 크기를 줄일 수 있고, 전기자동차의 주동력원인 배터리의 충전을 효과적으로 수행할 수 있으며, 이를 이용하여 동력원의 가격이나 전체 크기에 큰 부담을 주지 않으면서 전기자동차의 주행거리를 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시례에 따른 전기자동차 배터리 충전용 연료전지 시스템을 가지는 하이브리드 동력 시스템을 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시례에 따른 전기자동차 배터리 충전용 연료전지 시스템을 도시한 구성도이다.
도 3는 본 발명의 일 실시례에 따른 전기자동차 배터리 충전용 연료전지 시스템을 구체적으로 도시한 구성도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시례에 따른 전기자동차 배터리 충전용 연료전지 시스템에서 누센형 분리막을 투과하는 혼합가스 각 성분의 유출속도를 압력의 함수로 측정한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시례에 따른 전기자동차 배터리 충전용 연료전지 시스템에서 Pd-Ag합금 수소분리막의 순수수소 투과율을 온도의 함수로 측정한 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고, 여러 가지 실시례를 가질 수 있는 바, 특정 실시례들을 도면에 예시하고, 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니고, 본 발명의 기술 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 식으로 이해되어야 하고, 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시례에 한정되는 것은 아니다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시례를 상세히 설명하며, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성요소에 대해서는 동일한 참조 번호를 부여하고, 이에 대해 중복되는 설명을 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시례에 따른 전기자동차 배터리 충전용 연료전지 시스템을 가지는 하이브리드 동력 시스템을 도시한 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시례에 따른 전기자동차 배터리 충전용 연료전지 시스템을 가지는 하이브리드 동력 시스템(1)은 전기자동차의 전기모터(21)를 작동시키는 주동력원인 배터리(20)와, 보조동력원인 본 발명의 일 실시례에 따른 전기자동차 배터리 충전용 연료전지 시스템(10)을 포함한다.
전기자동차 배터리 충전용 연료전지 시스템(10)은 전기자동차의 배터리 충전상태가 기준 값 이하로 내려가면 작동을 시작하여 배터리(20)를 충전시킨다. 전기자동차 배터리 충전용 연료전지 시스템(10)의 작동은 배터리(20)의 충전상태를 모니터하는 전압/전류 센서(22)가 보낸 신호에 따라 시작되거나 정지되며, 이는 전압/전류 센서(22)에 내장되거나 전압/전류 센서(22)와 별개로 이루어지는 제어부(미도시)가 전압/전류 센서(22)의 감지신호로부터 배터리(20)의 충전상태가 미리 정해진 기준 값 이하인 경우, 배터리(20)가 충전되도록 배터리 충전용 연료전지 시스템(10)의 동작을 제어할 수 있다. 따라서 전기자동차 배터리 충전용 연료전지 시스템(10)은 배터리(20)의 충전상태에 따라 전기자동차의 주행 여부와 관계없이 가동된다.
도 2는 본 발명의 일 실시례에 따른 전기자동차 배터리 충전용 연료전지 시스템을 도시한 구성도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시례에 따른 전기자동차 배터리 충전용 연료전지 시스템(10)은 액체연료가 저장되는 액체연료저장부(100)와, 액체연료저장부(100)로부터 공급되는 액체연료의 개질에 의하여 수소(H2)를 생산하는 수소발생장치(200)와, 수소발생장치(200)로부터 생산되는 수소로부터 배터리(20)의 충전에 필요한 전기를 생산하는 수소연료전지(300)를 포함할 수 있다. 수소발생장치(200)는 배터리(20)의 충전이 필요한 경우 수소를 즉시(on-demand) 생산하도록 한다.
수소발생장치(200)에 필요한 원료로서, 메탄올, 산소 또는 공기, 물 등을 액체연료저장부(100), 수소연료전지(300), 외기 또는 산소분리장치(미도시)로부터 공급받을 수 있다. 또한 수소연료전지(300)에 필요한 수소와 산소는 수소발생장치(200)와, 외기 또는 산소분리장치(미도시)로부터 각각 공급받을 수 있다. 여기서 외기의 경우는 자연적 흡입 또는 송풍기를 이용한 흡입에 이루어질 수 있다. 또한 산소분리장치는 외부의 공기 중 PSA(pressure swing adsorption) 방법이나 멤브레인 방법을 사용하여 질소를 제거하여 공기에서 보다 훨씬 높은 농도의 산소를 수소발생장치(200)나 수소연료전지(300)에 공급할 수 있다. 산소는 산소분리장치를 사용하지 않고 공기로 대체 사용 가능하다. 또한 액체연료로서 메탄올을 예로 들었으나, 이에 한하지 않고 에탄올, 디메칠에테르를 비롯하여 수소발생에 필요한 다양한 액체연료가 사용될 수 있음은 물론이다.
도 3는 본 발명의 일 실시례에 따른 전기자동차 배터리 충전용 연료전지 시스템을 구체적으로 도시한 구성도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 수소발생장치(200)는 고온의 퍼니스(furnace; 210) 내부에 각각 위치하여 200~500℃, 일례로 300~400℃로 유지되는 개질반응장치(220) 및 고농도수소저장실(230)과, 퍼니스(210) 외부에 위치하여 공기에 노출되어 200℃ 이하, 예컨대 15~200℃로 유지되는 비수소가스제거장치(240)를 포함할 수 있다. 여기서, 퍼니스(210)는 고온을 유지하도록 단열재로 감싸여질 수 있다. 개질반응장치(220)는 액체연료, 예컨대 메탄올의 부분 산화, 수성가스 교환반응(water gas shift reaction), 그리고 투과에 의한 수소의 방출이 수행된다. 고농도수소저장실(230)은 퍼니스(210) 내부에서 개질반응장치(220)의 후단에 연결되어, 개질반응장치(220)로부터 투과된 가스나 비수소가스제거장치(240)로부터 가스를 공급받아 수소의 방출을 수행하는데, 개질반응장치(220)로부터 투과된 고농도 수소와 비수소가스제거장치(240)로부터 공급되는 고농도 수소를 임시 저장 후, 고농도 수소의 방출을 수행한다. 예컨대 15~200℃로 유지되는 비수소가스제거장치(240)는 개질반응장치(220)로부터 공급되는 가스로부터, 이산화탄소, 메탄, 질소 등의 비수소가스를 흡착 내지 탈착에 의해 제거한다.
개질반응장치(220)는 직렬로 연결된 제 1 및 제 2 섹션(221,222)으로 나뉘어지고, 제 1 섹션(221)의 초입부와, 제 1 및 제 2 섹션(221,222)의 연결부에 제 1 및 제 2 가스주입포트(223,224)가 각각 설치되고, 제 1 가스주입포트(223)를 통해서 메탄올과 산소가 2~6 : 1, 일례로 4 : 1의 몰 혼합비율로 혼합되는 혼합가스를 주입하고, 제 2 가스주입포트(224)를 통해서 메탄올 몰 수의 50~100%인 수증기를 주입하며, 제 1 섹션(221)에서 메탄올을 부분 산화시켜서 수소와 일산화탄소(CO)를 생성하도록 하고, 수소와 일산화탄소를 Al2O3, CuO, ZnO, Cr2O3 등의 촉매로 충진된 제 2 섹션(222)으로 유입시켜서 수소와 이산화탄소(CO2)를 생성시킨다. 즉, 제 1 섹션(221)은 부분산화실로서, 제 2 섹션(222)은 촉매실로서 역할을 하는데, 메탄올 연료와 산소의 혼합가스가 부분산화실인 제 1 섹션(221)으로 주입되어 메탄올의 부분산화가 일어나도록 한다. 부분산화실인 제 1 섹션(221)과, 촉매실인 제 2 섹션(222)의 연결부위로 수증기가 주입되어 부분산화 생성물과 함께 촉매실인 제 2 섹션(222)으로 유입되어 개질반응을 완결한다. 개질반응장치(220)는 제 1 가스주입포트(223)에 산소로서, 공기가 주입되거나, 질소가 분리되어 산소가 주성분인 공기가 주입될 수 있고, 제 2 가스주입포트(224)에 수소연료전지(300)의 산화전극에서 생성되는 물을 이용하여 발생하는 수증기가 주입될 수 있다.
개질반응장치(220)는 제 2 섹션(222)의 내벽 일부에 수소만을 투과시키는 제 1 금속성멤브레인(225)이 대체되도록 마련될 수 있고, 제 2 섹션(222)으로부터 제 1 금속성멤브레인(225)을 통해서 수소만을 외부로 유출시킴으로써 내부의 반응속도를 증가시키도록 하며, 제 1 금속성멤브레인(225)을 통해서 유출되는 수소가 수소연료전지(300)의 연료로 사용되도록 한다. 제 1 금속성멤브레인(225)은 Pd-Ag 합금과 같은 금속물질로 만들어질 수 있는데, 이러한 제 1 금속성멤브레인(225)을 투과하지 않은 모든 가스가 가스유출포트(228)와 이송라인을 통해서 퍼니스(210)를 벗어나 피수소가스제거장치(240)로 유입되도록 한다.
개질반응장치(220)는 제 2 섹션(222)의 후단에 누센(Knudsen)형 분리막(226)을 배치하고, 누센형 분리막(226)을 투과하는 가스가 고농도수소저장실(230)로 보내지며, 누센형 분리막(226)을 투과하지 못하는 가스가 가스유출포트(228)를 통해서 비수소가스제거장치(240)로 보내지도록 한다.
비수소가스제거장치(240)는 200℃ 이하, 일례로 100℃ 이하로 유지되는 내부에 흡착제가 충진된 다수의 흡착칼럼(241,242,243)이 배치되어, 개질반응장치(220)에서 유출된 가스가 흡착칼럼(241,242,243)을 통과할 때, 이산화탄소(CO2), 일산화탄소(CO), 메탄(CH4), 질소(N2) 등과 같은 가스가 선별적으로 대부분 흡착하여 수소가 통과하도록 한다. 이러한 흡착칼럼(241,242,243)에 흡착되지 않고 통과한 수소와 다른 가스는 다시 고온의 퍼니스(210) 내부에 위치한 고농도수소저장실(230)로 제 4 가스주입포트(232)를 통해서 유입된다. 고농도수소저장실(230) 내부에는 제 2 금속성멤브레인(231)을 배치하여 수소만을 투과시켜서 수소연료전지(300)에 공급되도록 한다.
비수소가스제거장치(240)는 흡착칼럼(241,242,243)이 순차적으로 설치되는 제 1 내지 제 3 흡착칼럼(241,242,243)을 포함하고, 제 1 흡착칼럼(241)이 이산화탄소를 흡착하여 제거하도록 하며, 제 2 흡착칼럼(242)이 메탄가스를 흡착하여 제거하도록 하고, 제 3 흡착칼럼(243)이 질소를 포함하는 가스를 흡착하여 제거한 후에 통과된 가스를 고농도수소저장실(230)로 보내지도록 한다.
고농도수소저장실(230)은 제 1 내지 제 3 흡착칼럼(241,242,243)을 통과하여 내측으로 유입되는 가스 중에서, 내측에 설치되는 제 2 금속성멤브레인(231)을 투과하는 순수 수소와, 후단에 연결된 일산화탄소제거칼럼(233)을 통과한 고농도 수소가 수소연료전지(300)의 연료로 사용되도록 할 수 있다.
비수소가스제거장치(240)는 백금(Pt) 또는 로듐(Rh) 등과 같은 귀금속이 다공성 알루미나의 지지체 표면에 코팅되고, 제 2 흡착칼럼(242)으로부터 공급되는 메탄(CH4)을 산소와 함께 15~100℃로 유지되는 내부를 통과시킴으로써 수소와 일산화탄소로 변환시키도록 하는 촉매칼럼(244)을 더 포함할 수 있다. 개질반응장치(220)는 촉매칼럼(244)으로부터 공급되는 수소와 일산화탄소가 직렬로 연결된 제 1 및 제 2 섹션(221,222)의 연결부에 설치되는 제 3 가스주입포트(227)를 통하여 내부에 주입될 수 있다.
비수소가스제거장치(240)는 개질반응장치(220)에서 유출되는 가스가 제 1 내지 제 3 흡착칼럼(241,242,243)을 통과할 때, 제 1 흡착칼럼(241)을 통과하는 가스 중 메탄(CH4) 가스의 농도가 기준치 이하일 때, 흡착칼럼이나 촉매칼럼(244) 등의 설치를 생략하고서 제 1 흡착칼럼(241)만으로 메탄(CH4)가스를 처리하도록 할 수 있다.
수소발생장치(200)에 대하여 주입되는 원료가스의 양과 생산되거나 배출되는 가스의 양이 시간에 따라 변하지 않는 정상(steady-state)상태에 도달하도록, 장치로 주입되는 원료가스의 유량을 유량조절기(255)로 조절하며, 수소발생장치(200)로부터 생산되는 수소의 유량과, 개질반응장치(220)로부터 유출되어 비수소가스제거장치(240)로 유입되는 가스의 유량, 그리고 비수소가스제거장치(240) 내부의 압력을 유량센서(251,252,253,254) 각각과 압력센서(270)에 의해 모니터하여, 제 1 및 제 2 금속성멤브레인(225,231)의 면적이나 고농도수소저장실(230) 후단의 일산화탄소제거칼럼(233)의 단면적 또는 이산화탄소(CO2)를 흡착하기 위한 제 1 흡착칼럼(241)의 단면적을 조절할 수 있다. 또한 누센형 분리막(226)을 통하여 수소가 고농도수소저장실(230)로부터 제 2 섹션(222)으로 역류하는 것을 방지하기 위하여, 제 2 섹션(222)과 고농도수소저장실(230) 내부의 압력을 압력센서(271,272)로 각각 모니터하여 이 둘간의 압력차가 있도록 일산화탄소제거칼럼(233)의 단면적 등을 조절할 수 있다. 이는 앞서 설명한 제어부가 유량센서(251,252,253,254)와 압력센서(270,271,272) 등을 통해서 수신되는 유량값과 압력값에 대한 감지신호를 수신받아, 정해진 프로세스에 따라 면적이나 단면적을 조절하는 액추에이터의 제어에 의해 수행될 수 있다. 또한 메탄올, 산소, 수증기, 일산화탄소의 원료가스를 개질반응장치(220)에 주입할 때 사용하는 가스주입포트(223,224,227)의 내부에는 고압원에 연결되어 원료가스를 고압에 의하여 내부로 주입하기 위한 고압주입유닛(미도시)이 설치될 수 있다. 고압주입유닛은 유압이나 공압에 의해 동작하는 피스톤이거나, 그 밖에 다양한 압축기가 사용될 수 있다.
수소연료전지(300)는 동작에 필요한 산소(O2)로서, 공기를 공급받거나, 질소(N2)가 분리되어 산소가 주성분인 공기를 공급받을 수 있다.
이와 같은 본 발명에 따른 전기자동차 배터리 충전용 연료전지 시스템의 작용을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
수소발생장치(200)의 퍼니스(210) 내부는 200℃ 이상으로 유지되며, 이를 위해서 그 내벽이 단열재로 덮이도록 할 수 있는데, 퍼니스(210) 내부에 배치된 개질반응장치(220)의 내부 역시 200~500℃의 고온으로 유지된다. 전체적으로 발열반응인 개질반응은 개질반응장치(220)의 내부온도를 높이는 것을 돕는다. 개질반응장치(220)는 직렬로 연결된 부분산화실인 제 1 섹션(221)과 촉매실인 제 2 섹션(222)의 두 섹션으로 구성되어 있다. 메탄올을 개질할 때 재래적으로는 알루미나와 같은 촉매의 존재 하에서 고온에서 수증기와 반응시키는 방법을 사용한다. 그러나 이 반응은 흡열 반응이므로 외부에서의 열 공급이 필요하며 반응속도가 느리다는 단점을 갖고 있다. 본 발명에서는 첫 단계로 산소를 사용하여 메탄올을 부분산화시킨다. 이 반응은 발열반응이며 신속하게 진행되어 일산화탄소와 수소를 생성한다. 이 생성물을 둘째 단계에서 역시 알루미나와 같은 촉매의 존재 하에서 수증기와 반응시키면, 이산화탄소와 수소를 생성한다(water gas shift reaction). 상기한 두 단계의 반응은 아래의 반응식 1 및 2와 같다.
[반응식 1]
2CH3OH + 1/2 O2 → 4H2 + CO + CO2 (1 단계)
[반응식 2]
CO + H2O → H2 + CO2 (2 단계)
상기한 두 단계 반응의 이점은 재래 방법에 비하여 열 공급이 필요없고, 반응속도가 빠르다는 것이다. 1 단계 반응은 부분산화실인 제 1 섹션(221)에서, 2 단계 반응은 촉매실인 제 2 섹션(222)에서 각각 일어난다.
메탄올 연료와 산소의 혼합가스가 제 1 가스주입포트(223)를 통하여 먼저 제1 섹션(221)으로 주입되어 메탄올의 부분산화가 일어난다. 이 후 제 1 섹션(221)과 제 2 섹션(222)의 연결부위에 위치한 제 2 가스주입포트(224)를 통하여 수소연료전지(300)로부터 공급돠는 수증기가 추가로 주입되어 부분산화 생성물과 함께 제 2 섹션(222)으로 유입되어 개질반응을 완결한다. 수증기의 양은 기체 메탄올 부피의 50~100% 정도를 취한다. 제 2 섹션(222)은 Al2O3, Cu, CuO, ZnO, Cr2O3, 등의 촉매로 충진된 칼럼의 형태를 취한다. 반응 생성물은 수소(H2), 이산화탄소(CO2), 일산화탄소(CO), 메탄(CH4) 등으로 구성되며, 공기로부터 산소를 분리할 때 묻혀 온 질소(N2) 등의 가스로 구성된다. 이 중 수소와 이산화탄소의 농도가 가장 높으며, 일산화탄소는 ppm(part per million) 정도로 존재하며, 메탄과 질소는 각각 약 10%의 부피를 차지한다. 제 2 섹션(222)에서 반응이 진행되는 동안 제 2 섹션(222)으로부터 수소를 제거하면, Le Chatlier 법칙으로부터 반응의 평형을 정방향으로 이동시켜 반응속도를 더욱 높이는 효과를 얻을 수 있다. 수소를 제거하기 위해서 제 2 섹션(222) 내벽의 일부를 수소 투과를 위한 제 1 금속성멤브레인(225)으로 교체한다. 제 1 금속성멤브레인(225)을 투과한 순수 수소는 수소연료전지(300)로 보낸다.
개질반응장치(220)의 제 2 섹션(222) 끝 부분에는 누센형 분리막(226)을 배치하여 개질반응장치(220)로부터 유출되는 가스의 부분적 분리를 가능하게 만들며, 이로부터 고농도 수소를 일측에 연결된 고농도수소저장실(230)로 투과에 의해 공급할 수 있다. 분자량이 낮은 수소의 투과도는 분자량이 높은 이산화탄소, 질소 등에 비하여 4배 이상 높으므로 선택적 투과에 의한 분리가 가능해진다. 누센형 분리막(226)을 투과하지 못하는 모든 가스는 고온의 퍼니스(210)를 벗어나 비수소가스제거장치(240)로 유입된다. 누센형 분리막(226)을 투과하여 고농도수소저장실(230)로 이동한 가스는 수소가 주성분이며, 이 가스는 고농도수소저장실(230) 내측에 설치된 제 2 금속성멤브레인(231)을 투과하는 순수 수소의 형태와 고농도수소저장실(230) 후단에 연결된 일산화탄소제거칼럼(233)을 통과한 고농도 수소의 형태로 수소연료전지(300)에 공급된다.
개질반응장치(220)에서 촉매실인 제 2 섹션(222)의 촉매는 내부에 마련된 제 1 금속성멤브레인(225)과 누센형 분리막(226)의 안쪽(촉매실 내부와 접촉하는) 표면에 각각 코팅하는 방식에 의하여 사용될 수 있다.
200℃ 이하로 유지되는 비수소가스제거장치(240) 내부에는 다수의 흡착칼럼(241,242,243)이 배치되어 이산화탄소(CO2), 일산화탄소(CO), 메탄(CH4), 질소(N2) 등 가스의 흡탈착을 돕는다. 흡착칼럼(241,242,243)에 충진되는 흡착제는 활성탄(activated carbon), CMS(carbon molecular sieve), ZMS(zeolite molecular sieve), 실리카겔(silica gel) 또는 MOF(metal-organic framework) 등이 사용될 수 있다. 개질반응장치(220)에서 유출된 생성가스가 흡착칼럼(241,242,243)을 통과할 때 이산화탄소(CO2), 일산화탄소(CO), 메탄(CH4), 질소(N2) 등의 가스 중 일부 가스는 대부분 흡착되며, 수소는 통과하는 방식에 의하여 수소와 비수소가스가 분리된다. 흡착칼럼(241,242,243)에 흡착되지 않은 가스는 다시 퍼니스(210) 내부에 위치한 고농도수소저장실(230)로 보내진다. 이 고농도수소저장실(230)은 내벽과 후단에 각각 Pd-Ag와 같은 제 2 금속성멤브레인(231)과 일산화탄소제거칼럼(233)이 설치되어 있으며, 비수소가스제거장치(240)로부터 유입된 가스가 제 2 금속성멤브레인(231)을 투과하는 순수 수소의 형태와 일산화탄소제거칼럼(233)을 통과한 고농도 수소의 형태로 수소연료전지(300)로 보내진다.
일산화탄소제거칼럼(233)을 통과한 고농도 수소에 혼합된 이산화탄소가 수소연료전지(300)에 민감하게 반응할 경우는 일산화탄소제거칼럼(233)의 입구를 폐쇄하거나 고농도수소저장실(230) 내부의 압력 조절을 위해서, 고농도 수소가스를 일부 외부로 방출할 수 있다.
흡착칼럼(241,242,243)을 통과하는 가스 중 흡착의 정도는 이산화탄소가 제일 강하며, 메탄과 질소가 그 뒤를 따른다. 흡착칼럼(241,242,243) 각각은 또는 그 일부는 흡착과 탈착을 위해서 평행으로 배열된 2 개 이상의 칼럼으로 구성될 수 있으며, 평행의 두 칼럼은 흡착과 탈착을 교대로 수행할 수 있다. 제 1 흡착칼럼(241)에 대부분 흡착되는 이산화탄소는 칼럼을 대기압의 공기 중으로 노출시키면 탈착에 의하여 제거된다. 흡착되는 정도가 중간 정도인 메탄은 이산화탄소가 대부분 흡착되는 제 1 흡착칼럼(241) 다음에 위치한 제 2 흡착칼럼(242)에 흡착시킬 수 있다. 그러나 제 1 흡착칼럼(241)을 통과하는 가스 중 메탄의 농도가 전체 부피비 약 5% 이하이면 제 2 흡착칼럼(242)은 불필요하며, 제 2 흡착칼럼(242)을 통과한 모든 가스는 제 3 흡착칼럼(243)에 보내지며, 이 제 3 흡착칼럼(243)에 흡착된 질소는 탈착으로 제거되며, 제 3 흡착칼럼(243)을 통과한 가스는 앞에서 설명한 바와 같이 퍼니스(210) 내부의 고농도수소저장실(230)로 보내진다.
메탄의 농도가 전체 부피비 5% 이상일 때는 제 2 흡착칼럼(242)에 흡착시킨 후, 후속 처리를 하여 수소연료로의 변환이 필요하다. 제 2 흡착칼럼(242)에서 탈착된 메탄은 소형의 귀금속 촉매칼럼(244)으로 보내지며, 이 때 메탄 농도의 약 50%(부피비)에 해당하는 산소도 함께 촉매칼럼(244)에 주입된다. 이 촉매는 소량의 백금(Pt) 혹은 로듐(Rh) 같은 귀금속을 다공성 알루미나 같은 지지체 표면에 코팅하여 제조되며, 칼럼의 온도는 100℃ 이하로 유지시킨다. 이 촉매의 존재 하에서 메탄(CH4)과 산소는 아래의 반응식 3에 의하여, 수소와 일산화탄소로 변환된다.
[반응식 3]
CH4 + 1/2O2 → 2H2 + CO
수소와 일산화탄소를 고온의 퍼니스(210) 내부에 위치한 개질반응장치(220)의 제 2 섹션(222)으로 유입시키기 위해서, 제 1 및 제 2 섹션(221,222)의 연결부위에 위치한 제 3 가스주입포트(227)를 통하여 내부로 주입된다. 이 중 일산화탄소는 앞에서 설명한 바와 같이 이미 제 2 가스주입포트(224)를 통하여 주입된 수증기와의 반응(앞에서 설명한 water gas shift reaction)에 의하여 아래의 반응식 4에서와 같이, 수소와 이산화탄소로 변환된다.
[반응식 4]
CO + H2O → H2 + CO2
이로써 비수소가스제거장치(240)에서 제거된 메탄은 모두 연료인 수소로 변환된다.
상기한 모든 반응이 진행될 때 주입되는 원료가스의 양과 생산되거나 방출되는 가스의 양이 시간에 따라 변하지 않는 정상(定常, steady-state)상태에 도달하게 만들기 위해서는 장치의 곳곳에 유량센서(251,252,253,254)와 유속조절기(flow controller; 255)를 배치할 수 있으며, 나아가서 압력센서(270,271,272)가 배치될 수 있다. 그 중 대표적인 것이 메탄올/산소 혼합가스의 개질반응장치(220)로의 유입속도를 조절하는 유속조절기(255)와, 제 1 금속성멤브레인(225)과 제 2 금속성멤브레인(231)을 통과한 수소의 유량을 측정하는 제 1 및 제 2 유량센서(251,252), 개질반응장치(220)로부터 유출되어 비수소가스제거장치(240)로 유입되는 가스의 유량을 측정하는 제 3 유량센서(253), 고농도수소저장실(230)의 일산화탄소제거칼럼(233)을 통과한 고농도 수소의 유량을 측정하는 제 4 유량센서(254), 그리고 제 1 흡착칼럼(241) 내부 압력, 제 2 섹션(222)의 내부 압력, 그리고 고농도수소저장실(230)의 내부 압력을 각각 측정하는 제 1 내지 제 3 압력센서(270,271,272) 등이다. 생산되는 수소의 양은 제 1 및 제 2 금속성멤브레인(225,231)의 면적, 일산화탄소제거칼럼(233)의 단면적, 그리고 투과 온도 등의 조절에 의하여 조정이 가능하며, 배출되는 이산화탄소의 양은 제 1 흡착칼럼(241)의 단면적 그리고 내부 압력 등의 조절에 의하여 그 조정이 가능하다.
상기한 개질반응장치(220) 내부는 반응이 진행됨에 따라 압력이 상승하므로 주입하려는 원료가스의 압력이 내부 압력보다 높은 값을 가져야만 주입이 가능하다. 이를 위해서 가스주입포트(223,224,227) 내부에는 가스를 개질반응장치(220) 내부로 주입시킬 수 있는 피스톤 같은 기계적인 디바이스와 고압원이 장착되어 있다.
[실험례 1]
수소/이산화탄소/질소 혼합가스의 누센형 분리막을 통한 투과율을 300℃에서 기체압력의 함수로 측정하였으며, 그 결과를 도 4에 표시하였다. 수소의 투과 효율이 다른 가스에 비하여 3배 이상 높으므로 혼합가스가 분리막을 투과하면 고농도 수소로 변환됨을 알 수 있다.
[실험례 2]
두께가 약 10 μm인 팔라디움(Pd)/은(Ag) 합금박막을 투과하는 순수 수소의 투과율을 온도의 함수로 측정한 결과를 도 5에 표시하였다. 촉매실인 제 2 섹션이나 고농도수소실의 온도를 400℃ 이하로 유지하여도 수소가 잘 투과됨을 보여준다.
이와 같은 본 발명에 따른 전기자동차 배터리 충전용 연료전지 시스템에 의하면, 메탄올 등과 같은 액체연료의 개질 공정을 단순화하여, 시스템의 크기를 줄일 수 있고, 전기자동차의 주동력원인 배터리의 충전을 효과적으로 수행할 수 있으며, 이를 이용하여 동력원의 가격이나 전체 크기에 큰 부담을 주지 않으면서 전기자동차의 주행거리를 높일 수 있다.
이와 같이 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시례에 한정되어서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이러한 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
1 : 하이브리드 동력 시스템
10 : 전기자동차 배터리 충전용 연료전지 시스템
20 : 배터리 21 : 전기모터
22 : 센서 100 : 액체연료저장부
200 : 수소발생장치 210 : 퍼니스
220 : 개질반응장치 221 : 제 1 섹션
222 : 제 2 섹션 223 : 제 1 가스주입포트
224 : 제 2 가스주입포트 225 : 제 1 금속성멤브레인
226 : 누센형 분리막 227 : 제 3 가스주입포트
228 : 가스유출포트 230 : 고농도수소저장실
231 : 제 2 금속성멤브레인 232 : 제 4 가스주입포트
233 : 일산화탄소제거칼럼 240 : 비수소가스제거장치
241 : 제 1 흡착칼럼 242 : 제 2 흡착칼럼
243 : 제 3 흡착칼럼 244 : 촉매칼럼
251 : 제 1 유량센서 252 : 제 2 유량센서
253 : 제 3 유량센서 254 : 제 4 유량센서
255 : 유량조절기 270 : 제 1 압력센서
271 : 제 2 압력센서 273 : 제 3 압력센서
300 : 수소연료전지

Claims (8)

  1. 수소를 전기로 변환하는 차량 탑재용 수소연료전지(300);
    수소의 공급원인 액체연료저장부(100); 및
    상기 수소연료전지(300)에 수소연료를 공급하는 수소발생장치(200)를 포함하고,
    상기 수소발생장치(200)는,
    수소의 공급원인 상기 액체연료저장부(100)로부터 연료를 공급 받으며,
    내부 온도를 섭씨 200도 내지 섭씨 500도로 유지하는 퍼니스(210);
    상기 퍼니스(210) 내부에 위치하여 온도가 섭씨 200도 내지 섭씨 500도로 유지되고, 액체연료의 개질에 의하여 가스를 발생시키는 개질반응장치(220);
    상기 퍼니스(210) 내부에 위치하여 온도가 섭씨 200도 내지 섭씨 500도로 유지되고, 상기 개질반응장치(220)로부터의 가스생성물 중 수소가스가 다른 가스에 비하여 수소가스를 더 잘 투과시키는 분리막(226)을 통과하여 일시적으로 저장되는 고농도수소저장실(230); 및
    상기 개질반응장치(220)의 가스생성물 중 상기 분리막(226)을 투과하지 못하는 가스가 유입되는 것으로, 상기 퍼니스(210)의 외부에 위치하여 상기 퍼니스(210) 내부의 온도보다 낮은 온도로 유지되는 비수소가스제거장치(240)를 포함하고,
    상기 비수소가스제거장치(240)는 상기 개질반응장치(220)로부터 공급되는 가스 중 비수소가스를 흡착 내지 탈착에 의해 제거한 후 잔존 수소가스를 상기 고농도수소저장실(230)로 보내며,
    상기 수소연료전지(300)는, 상기 고농도수소저장실(230)로부터 공급되는 순수수소를 사용하여 전기를 생산하고, 전기자동차의 동력원인 배터리의 충전상태가 기준 값 이하로 내려가면 그 작동을 시작하여 상기 배터리를 충전시키는 전기자동차 배터리 충전용 연료전지 시스템(10).
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 액체연료저장부(100)는 메탄올, DME 를 포함하는 액체연료의 그룹에서 선택된 하나 이상의 액체연료를 저장하고,
    상기 개질반응장치(220)는 상기 액체연료저장부(100)로부터 공급되는 연료의 개질에 의하여 수소와 이산화탄소를 포함하는 가스를 생산하며
    상기 고농도수소저장실(230)은 상기 개질반응장치(220)로부터 생성된 가스 중의 수소분리 효율을 높이기 위해 상기 개질반응장치(220)에 접하여 배치되고,
    상기 개질반응장치(220)로부터 상기 고농도수소저장실(230)로 수소 가스가 이동하는 경로는 상기 퍼니스의 외부에 위치하는 상기 비수소가스제거장치(240)를 통과하는 경로와, 상기 개질반응장치(220)와 상기 고농도수소저장실(230) 사이에 위치하는 상기 분리막(226)을 통과하는 경로의 두 가지이며,
    상기 분리막(226)은 누센(Knudsen) 분리막인 전기자동차 배터리 충전용 연료전지 시스템(10).
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 비수소가스제거장치(240)는
    상기 퍼니스(210) 외부에 위치하여 공기에 노출되어 15~200℃로 유지되고,
    상기 개질반응장치(220)에서는,
    액체연료의 부분 산화, 수성가스 교환반응(water gas shift reaction), 그리고 투과에 의해 수소의 방출이 수행되고,
    상기 고농도수소저장실(230)은,
    상기 퍼니스(210) 내부에서 상기 개질반응장치(220)의 후단에 연결되어, 상기 개질반응장치(220)로부터 누센(Knudsen)형 분리막을 통하여 투과된 가스나 상기 비수소가스제거장치(240)로부터 가스를 공급받아 일시 저장하고, 투과에 의하여 상기 수소연료전지(300)의 수소전극으로 수소를 방출하며,
    상기 비수소가스제거장치(240)는,
    상기 개질반응장치(220)로부터 공급되는 가스로부터 비수소가스를 흡착 내지 탈착에 의해 제거한 후 잔존 수소가스를 상기 고농도수소저장실(230)로 보내는 전기자동차 배터리 충전용 연료전지 시스템(10).
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 개질반응장치(220)는,
    직렬로 연결된 제 1 및 제 2 섹션으로 나뉘어지고, 상기 제 1 섹션의 초입부와, 상기 제 1 및 제 2 섹션의 연결부에 제 1 및 제 2 가스주입포트가 각각 설치되고,
    상기 제 1 가스주입포트를 통해서 메탄올, DME를 포함하는 액체연료의 그룹 중에서 선택된 액체연료와 산소가 정량 혼합비율로 혼합되는 혼합가스를 주입하고,
    상기 제 2 가스주입포트를 통해서 상기 액체연료 몰 수의 50~100%인 수증기를 주입하며, 상기 제 1 섹션에서 메탄올을 부분 산화시켜서 수소와 일산화탄소(CO)를 생성하도록 하고, 수소, 수증기, 일산화탄소를 촉매로 충진된 제 2 섹션으로 유입시켜서 수소와 이산화탄소(CO2)를 생성시키는, 전기자동차 배터리 충전용 연료전지 시스템(10).
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 개질반응장치(220)는,
    상기 제 2 섹션의 내벽 일부에 수소만을 투과시키는 제 1 금속성멤브레인이 마련되고, 상기 제 1 금속성멤브레인을 통해서 수소만을 외부로 유출시킴으로써 내부의 반응속도를 증가시키도록 하며, 상기 제 1 금속성멤브레인을 통해서 유출되는 수소가 상기 수소연료전지의 연료로 사용되도록 하는, 전기자동차 배터리 충전용 연료전지 시스템(10).
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 개질반응장치(220)는,
    상기 제 2 섹션의 후단에 상기 누센(Knudsen)형 분리막을 배치하고, 상기 누센형 분리막을 투과하는 가스가 상기 고농도수소저장실로 보내지며, 상기 누센형 분리막을 투과하지 못하는 가스가 상기 비수소가스제거장치(240)로 보내지는, 전기자동차 배터리 충전용 연료전지 시스템(10).
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 비수소가스제거장치(240)는,
    흡착제가 충진된 복수의 흡착칼럼을 포함하고, 상기 개질반응장치(220)에서 유출된 가스가 상기 흡착칼럼을 통과할 때 이산화탄소, 일산화탄소, 메탄(CH4), 질소를 흡착하여 수소가 통과하도록 하는, 전기자동차 배터리 충전용 연료전지 시스템(10).
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 비수소가스제거장치(240)는,
    상기 흡착칼럼이 순차적으로 설치되는 제 1 내지 제 3 흡착칼럼을 포함하고, 상기 제 1 흡착칼럼이 이산화탄소를 흡착하여 제거하도록 하며, 상기 제 2 흡착칼럼이 메탄가스를 흡착하여 제거하도록 하고, 상기 제 3 흡착칼럼이 질소를 포함하는 가스를 흡착하여 제거한 후에 통과된 가스를 상기 고농도수소저장실로 보내지도록 하며,
    상기 고농도수소저장실(230)은,
    상기 누센(Knudsen)형 분리막을 통과하여 내측으로 유입되거나 제 1 내지 제 3 흡착칼럼을 통과하여 내측으로 유입되는 가스 중에서 내측에 설치되는 제 2 금속성멤브레인을 투과하는 순수 수소가 상기 수소연료전지의 연료로 사용되도록 하며 내부 수소농도가 기준치 이하로 내려가면 일부 가스를 비수소가스제거장치(240)로 방출하는, 전기자동차 배터리 충전용 연료전지 시스템(10).
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