KR20040028542A - 연료 전지 시스템 - Google Patents

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Abstract

연료 전지 시스템은 대기압보다 높은 압력에서 연료를 저장하는 연료 탱크, 연료를 증발시키는 증발기, 증발된 연료를 수소 다함유 가스로 개질시키는 개질기, 수소 다함유 가스 내의 CO 가스를 제거시키는 CO 가스 제거 장치, 및 수소 다함유 가스를 산소와 반응하도록 하여 전기를 발생시키는 전지 유닛을 포함한다.

Description

연료 전지 시스템 {FUEL CELL SYSTEM}
본 출원은 2002년 9월 30일에 출원된 종래의 일본 특허 출원 제2002-288061호, 제2002-288066호, 제2002-288069호에 기초하고 우선권의 이익을 주장한다.
본 발명은 연료 전지 시스템, 특히 프로톤 교환막 연료 전지를 이용하는 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
연료 전지는 사용된 전해질의 종류에 따라 폴리머 전해질 연료 전지, 인산형 연료 전지, 알칼리형 연료 전지, 용융 탄산염 연료 전지, 고체 산화물 연료 전지 등으로 분류된다. 수소가 연료 전지로 공급됨에 따라, 천연 가스, 프로판 가스, 메탄올과 같은 연료는 개질기에 의해 수소 다함유 가스(hydrogen rich gas)로 개질된 후 공급된다. 한편, 수소 다함유 가스를 발생시키기 위한 개질기 및 연료 전지로 공급된 공기는 직접적으로 압축기 등을 사용함으로써 공급된다.
그러한 연료 전지 시스템에 있어서, 전지 유닛에 공기 및 연료를 공급하기 위한 펌프가 요구된다. 그러나, 연료 시스템에 사용되는 펌프의 용량이 크기 때문에, 시스템은 커져야 된다. 게다가, 펌프 내의 모터는 커다란 잡음을 발생시킬 수 있다.
본 발명은 전술한 문제들을 해결하기 위해 제조되었다. 본 발명의 목적은 공기 및 연료를 전지 유닛에 공급하기 위한 펌프 없이 작고 간단한 구조를 구비한 연료 전지 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 한 태양은 대기압보다 높은 압력에서 연료를 저장하는 연료 탱크, 연료를 증발시키는 증발기, 증발된 연료를 수소 다함유 가스로 개질시키는 개질기, 수소 다함유 가스에서 CO 가스를 제거하는 CO 가스 제거 장치 및 수소 다함유 가스를 산소와 반응하도록 하여 전기를 발생시키는 전지 유닛을 둘러싸는 연료 전지 시스템이 포함되어 있다.
본 발명의 다른 한 태양은 대기압보다 높은 압력에서 연료를 저장하는 연료탱크, 연료를 수소 다함유 가스로 개질시키는 개질기, 상기 연료 탱크에 결합되고, 상기 개질기로 공급되는 물을 저장하는 물탱크, 물탱크 내의 물을 증발시키는 증발기, 수소 다함유 가스에서 CO 가스를 제거하는 CO 가스 제거 장치 및 수소 다함유 가스를 산호와 반응하도록 하여 전기를 발생시키는 전지 유닛을 둘러싸는 연료 전지 시스템이 포함되어 있다.
도1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 한 예를 도시한 블록 선도.
도2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 제1 변경을 도시한 블록 선도.
도3은 도2에서 도시된 배치의 한 예를 도시한 개략도.
도4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 제2 변경을 도시한 블록 선도.
도5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 한 예를 도시한 블록 선도.
도6은 본 발명의 제2 실시예를 따른 제1 변경을 도시한 블록 선도.
도7은 본 발명의 제2 실시예를 따른 제2 변경을 도시한 블록 선도.
도8은 본 발명의 제2 실시예를 따른 제3 변경을 도시한 블록 선도.
도9는 도8에서 도시된 제1 산소 공급 유닛의 제1 변경의 한 예를 도시한 블록 선도.
도10은 도8에서 도시된 제1 산소 공급 유닛의 제2 변경의 한 예를 도시한 블록 선도.
도11은 도8에서 도시된 제1 산소 공급 유닛의 제3 변경의 한 예를 도시한 블록 선도.
도12는 도11에서 도시된 가변 전도도 밸브의 변경을 도시한 블록 선도.
도13은 도8에 도시된 제1 공기 공급 유닛을 도1에 적용한 한 예를 도시한 블록 선도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
8A, 8B : 열 절연체
9 : 수조
11 : 연료 탱크
12 : 증발기
13 : 개질기
14 : CO 가스 제거 장치
15 : 전지 유닛
15a : 연료 전극
15b : 폴리머막
15c : 공기 전극
16 : 연소기
17 : 열교환기
18, 19, 65, 115: 펌프
20, 53, 61, 62, 63, 64, 71, 72, 74, 75, 76, 81, 82, 111, 112, 113, 114: 가변 전도도 밸브
21 : 역압 조절 밸브
22, 23 : 유량 제어 밸브
24, 25, 26, 93, 94 : 전도도 제어 밸브
30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 52, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 66, 67, 77, 78, 79, 101, 102, 103 ,104, 105, 106, 107, 108: 관
51 : 가압 탱크
60 : 물탱크
70, 80 : 산소 공급 유닛
90 : 열관
91 : 유체 실린더
92A, 92B : 버퍼 탱크
95 : 체크 밸브
100 : 공기 탱크
본 발명의 다양한 실시예들은 첨부된 도면에 참조로 설명될 것이다. 동일 또는 유사한 도면 부호들은 도면들을 통해 동일 또는 유사 부품에 적용되고, 동일 또는 유사 부품 및 요소의 설명은 생략되거나 단순화됨이 주목되어야 한다. 그러나, 이 기술 분야에서 숙련자들에게 본 발명이 그런 구체적인 상세함 없이 수행될 수 있다는 것은 명백하다.
(제1 실시예)
도1에서 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템(101)은 대기압보다 높은 압력에서 연료를 저장하는 연료 탱크(11), 연료를 증발시키는 증발기(12), 증발된 연료를 수소 다함유 가스로 개질시키는 개질기(13), 수소 다함유 기체에 포함된 CO 가스를 제거하는 CO 가스 제거 장치(14) 및 수소 다함유 기체를 산소와 반응하도록 하여 전기를 발생시키는 전지 유닛(15)을 포함한다. 전지 유닛(15)은 개질기(13)로부터 공급된 수소 다함유 가스를 유입시키는 연료 전극(15a), 펌프(18)로부터 공급된 산소를 유입시키는 공기 전극(15c), 및 연료 전극(15a) 및 공기 전극(15c) 사이에 개재된 폴리머막(15b)을포함한다.
연료 탱크(11)의 하류 측, 즉 전도도를 조절할 수 있는 가변 전도도 밸브(20)는 관(30)을 통해 연결된다. 가변 전도도 밸브(20)는 관(31)을 통해 증발기(12)에 연결되고, 개질기(13)는 관(32)을 통해 증발기(12)의 출구 측에 연결된다. CO 가스 제거 장치(14)는 관(33)을 통해 개질기(13)의 출구 측에 연결된다. 연료 전극(15a)은 CO 가스 제거 장치(14)의 출구 측에 관(34)을 통해 연결된다. 가변 전도도 밸브(21)는 CO 제거 장치(14)의 다른 출구 측에 관(35)을 통해 연결되고, 관(36)은 가변 전도도 밸브(21)의 하류 측에 연결된다. 관(37)은 연료 전극(15a)의 출구 측에 연결된다. 관(37)은 연료 전극(15a) 내의 배기 가스를 연소시키는 연소기(16)에 연결된다. 관(36)의 하류 측은 관(37)을 통해 연소기(16)에 연결된다. 연소기(16)의 출구 측은 관(46)을 통해 열교환기(17)에 연결된 관(38)에 연결된다. 연소기(16)로부터 배출된 가스는 관(38, 46)을 통해 열교환기(17)로 유입되고 밖으로 배출된다.
관(39)은 공기 전극(15c)의 입구 측에 연결된다. 유량 조절 밸브(22)는 관(39)의 상류 측에 연결되고, 관(40)은 유량 제어 밸브(22)의 상류 측에 연결된다. 관(40)의 상류 측은 관(41)에 연결되고, 열교환기(17)는 관(41)의 상류 측에 연결된다. 공기 흡입을 위한 펌프(18)는 관(42)을 통해 열교환기(17)의 상류 측에 연결된다. 또한, 관(41)은 관(40)이 연결된 한 지점으로부터 그 하류 측으로 분기한 관(43)에 연결된다. 유량 제어 밸브(23)는 관(43)의 하류 측에 연결되고, 관(37)에 연결된 관(43)은 유량 제어 밸브(23)의 하류 측에 위치된다. 한편,관(44)은 공기 전극(15c)의 출구 측에 연결된다. 관(45) 및 관(46)은 관(44)에 연결된다. 유량 제어 밸브(24)는 관(45)의 하류 측에 연결되고, 제2 펌프(19)는 관(47)을 통해 유량 제어 밸브(24)에 연결된다. 관(39)에 연결된 관(48)은 제2 펌프의 하류 측에 연결된다. 한편, 관(46)의 하류 측은 열교환기(17)에 연결된다. 열교환기(17)는 관(49)을 통해 수조(9)에 추가로 연결되고, 수조(9)의 하류 측은 관(50)을 통해 폴리머막(15b)에 연결된다.
전지 유닛(15)에 수소를 공급하기 위한 연료가 연료 탱크(11)에 저장된다. 예컨대, 연료로는 1:6 및 그와 유사한 몰 비율로 디메틸 에테르(DME) 및 물을 혼합하여 얻어진 용액이 적당하다. 디메틸 에테르 대신에, 디메틸 에테르 및 물의 혼합 용액이 사용될 수 있다. 연료는 대기압보다 높은 압력에서 연료 탱크에 저장된다. 공지된 바와 같이, 실온(25℃)에서 DME의 포화 수증기압은 대기압보다 높은 약 6atm이다. 그러므로, DME 및 물의 혼합 용액이 실온에서 연료 탱크(11)에 연료로서 저장될 때, 연료 탱크(11) 내에서 약 4atm의 포화 수증기압이 유지될 수 있다.
증발기(12)는 가열하여 연료에 포함된 수분을 증발시키는 장치이다. 예컨대, 증발기(12)는 약 150℃로부터 250℃까지 외부에서 열원 등과 같은 것에 의해 가열된다. 게다가, 증발기(12)는 연료 탱크(11) 내에 작용하는 포화 수증기압에 의해 대기압보다 높은 압력까지 압축된다. 물과 같은 액체를 함유하는 연료는 증발기(12)에 의해 가열되어 증발되고 어떤 조성을 갖는 가스 연료가 된다.
개질기(13)는 증발기(12)에서 증발된 연료를 수증기와 반응하도록 하는 장치이다. 개질기(13)의 내부는 약 300℃로부터 400℃까지, 바람직하게는 약 350℃까지 가열된다. 개질기(13)의 내부는 연료 탱크(11) 내에 작용하는 포화 수증기압에 의해 대기압보다 높은 압력까지 압축된다. 개질기(13)에서, 알루미나(Al2O3) 및 로듐(Rh)을 지닌 촉매가 개질 촉매로서 채워진다. 예컨대, 도1에 도시된 개질기(13)에서, 다음의 반응이 진행됨에 따라, 수소 다함유 가스가 연료로부터 발생된다.
CH3OCH3+ 3H2O →2CO2+ 6H2···(1)
CO 가스 제거 장치(14)는 개질기(13)에서 발생된 수소 다함유 가스로부터 일산화탄소(CO) 가스를 선별적으로 제거하는 장치이다. 대략 유일하게 수소만을 선별적으로 여과하는 반투막이 CO 가스 제거 장치(14) 내부에 위치된다. 예컨대, 반투막으로서, 반투막을 포함하는 실리카가 적합하다. 반투막을 포함하는 실리카는 약 350㎛의 두께를 갖는 α-Al2O3판 상에 약 0.6㎛의 두께를 갖는 γ-Al2O3를 증착하여 얻어진다. 그런 방식으로, 반투막이 CO 가스 제거 장치(14)에 내장될 때, 그 내부 온도는 약 250℃ 내지 350℃에서 유지될 수 있다. CO 가스 제거 장치(14)는 연료 탱크(11) 및 역압 조절 밸브(21) 내에 작용하는 포화 수증기압에 의해 대기압보다 큰 압력에서 유지된다. 예컨대, 개질기(13) 내부의 압력은 약 3atm이 되도록 역압 조절 밸브(21)에 의해 조절된다.
연료 전극(15a), 폴리머막(15b) 및 공기 전극(15c)을 포함하는 전지 유닛(15)으로서, PEMFC는 적합하다. 전지 유닛(15)에 있어서, 연료 전극(15a)은 CO 가스 제거 장치(14)로부터 공급된 수소 다함유 기체를 수소 이온 및 전자로 해리한다. 해리된 수소 이온은 프로톤 교환 폴리머막(15b)을 통과하여 공기 전극(15c)으로 이동한다. 결론적으로, 공기 전극(15c)에서 수소 이온 및 전자는 외부 회로를 통과하고 관(39)을 통해 공급된 산소와 반응하여 물을 발생시킨다.
연소기(16)는 CO 가스 제거 장치(14) 내에서 반투막을 통과하지 못한 CO 가스와 연료 전극(15a)으로부터 공급된 수소 따위를 함유한 배기 가스를 연소하는 장치이다. 플래티넘(Pt)과 같은 촉매가 연소기(16) 내에 채워져 있다. 연소기(16) 내에 발생된 열은 증발기(12), 개질기(13) 및 CO 가스 제거 장치(14)에 전달되고, 연료의 증발 에너지, 개질을 위한 반응 에너지 및 반투막의 가열 에너지를 위해 이용된다. 연소기(16)로부터 배출된 연소 가스는 관(38) 및 관(46)을 통해 열교환기(17)로 유입되고 물로 응축된다.
다음으로, 도1과 관련하여, 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 이용하기 위한 방법이 설명된다.
첫째로, 전도도를 적절히 조절하는 동안, 가변 전도도 밸브(20)는 개방된다. 가변 전도도 밸브(20)가 개방될 때, 액체 연료는 연료 탱크(11) 내에 작용하는 포화 증기압에 의해 증발기(12)로 활발히 공급된다. 다음으로, 액체 연료는 증발기(12) 내에서 가열되고 증발된다. 증발된 연료는 증발기(12)의 출구 측에서 관(32)을 통해 개질기(13)로 유입된다.
다음으로, 개질기(13)는 증발된 연료를 수소 다함유 가스로 개질한다. 예컨대, 연료로 디메틸 에테르 및 물의 혼합액을 사용하는 경우에 있어서, 식(1)의 반응이 개질기(13) 내에 개질 촉매가 존재하는 상태에서 진행되고, 수소 다함유 가스가 발생된다. 발생된 수소 다함유 가스는 개질기(13)의 출구 측에서 관(33)을 통해 CO 가스 제거 장치(13)에 공급된다.
다음으로, CO 가스 제거 장치(14)는 수소 다함유 가스를 반투막에 접촉하도록 한다. 수소 다함유 가스 내의 수소는 반투막에 의해 선별적으로 여과되고, 관(34)을 통해 필요한 만큼 연료 전극(15a)에 공급된다. 한편, 반투막을 통과하지 못한 CO, CO2, H2또는 H2O와 같은 가스들은 역압 조절 밸브(21)를 통해 관(36)으로 공급된다.
다음으로, 전지 유닛(15)은 공기 전극(15c)에 공급된 산소와 반응하도록 연료 전극(15a)에 공급된 수소를 허용함으로써 전기를 발생시킨다. 산소는 펌프(18)로부터 공기를 송급함으로써 관(42)으로부터 열교환기(17), 관(41, 40), 전도도 제어 밸브(22) 및 관(39)을 통해 공기 전극(15c)으로 공급된다. 공기 전극(15c)으로부터 배출된 가스의 일부는 관(44)으로부터 관(45)으로 유입되고, 전도도 제어 밸브(24)와 관(47)을 거쳐 제2 펌프(19)로 유입되며, 제2 펌프(19)로부터 관(39)을 거쳐 다시 공기 전극(15c)으로 공급된다. 한편, 공기 전극(15c) 내에서 순환되지 않은 가스는 관(44)으로부터 관(46)을 통해 열교환기(17)로 유입되고, 열교환기(17)에 의해 응축된 후 수조(9)에 저장된다. 수조(9)에 저장된 물은 관(50)을 통해 폴리머막(15b)에 공급된다. 한편, 연료 전극(15a)으로부터 배출된 수소 가스는 관(37)으로 송급된다.
다음으로, 관(37)에서, 연료 전극(15a)으로부터 배출된 잉여 수소 가스, 즉CO 가스 제거 장치(14) 내의 반투막을 통과하지 못한 가스는 펌프(18)로부터 관(42), 열교환기(17), 관(41, 43), 유량 제어 밸브(23) 및 관(43A)을 거쳐 공급된 공기와 혼합된다. 그 후에, 혼합물은 연소기(16)로 공급된다. 잉여 수소 가스 및 반투막을 통과하지 못한 가스는 연소기(16) 내에서 소각된다. 이러한 경우에 있어서, 연소기(16) 내에서 발생된 열은 증발기(12), 개질기(13) 및 CO 가스 제거 장치(14)로 전달되고, 연료의 증발에너지, 개질을 위한 반응 에너지 및 반투막을 위한 가열에너지로 사용된다. 실질적으로, 연소기(16)로부터 배출된 연소 가스는 관(38)을 통해 관(46)으로 유입되고, 관(46)으로부터 열교환기(17)로 유입된다. 유입된 연소 가스는 열교환기(17)에 의해 냉각된다. 열교환기(17) 내에서 생성된 물은 관(49)을 통해 수조(9) 내에 저장되고, 관(50)을 통해 폴리머막(15b)에 공급된다.
상기 설명된 바와 같이, 도1에 도시된 연료 전지 시스템이 이용될 수 있다. 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템(101)에 있어서, 연료 탱크(11) 내의 연료의 포화 수증기압은 증발기(12), 개질기(13), CO 가스 제거 장치(14) 및 연료 전지 유닛(15)에 각각 작용한다. 그러므로, 연료를 공급하기 위한 펌프는 생략될 수 있고, 따라서 펌프에 요구되는 동력은 필요하지 않다. 동시에, 전체 연료 전지 시스템(101)은 소형화 및 단순화될 수 있다. 게다가, 도1에 도시된 연료 전지 시스템(101)에 있어서, 연료 탱크 내에 있는 액체 연료는 증발기(12)에 의해 증발되고, 그 후에 개질기(13)로 유입된다. 그러므로, 어떤 조성을 갖는 가스가 개질기(13)로 안정적으로 유입될 수 있고, 연료는 개질기(13) 내에서 안정적으로 개질될 수 있다. 반투막의 상류 측은 역압 조절 밸브(21)에 의해 대기압보다 높은 압력에서 유지되고, 따라서 대기압 하에서 진행하는 수소의 경우보다 반투막 유닛 당 수소의 투과 속도를 촉진시키는 것이 가능하다. 공기 전극(15c)으로부터 배출된 증기를 포함하는 가스의 일부는 공기 전극(15c)으로 다시 공급되고, 동력 발생 반응에 의해 생성된 물은 폴리머막(15b)을 가습하기 위해 사용될 수 있다. 한편, 공기 전극(15c)에 유입되지 않은 잔여 가스는 열교환기(17)에 의해 물로 응축된 후에 수조(9), 관(50)을 통해 폴리머막(15b)으로 또한 공급된다. 따라서, 폴리머막(15b)의 수분 보유 특성은 적절한 조건에서 유지될 수 있다. 게다가, 연료 탱크(11)가 가열될 때, 연료의 포화 수증기압은 증가한다. 그러므로, 증발기(12)로 연료를 송급하는 능력이 향상되고, 개질기(13) 및 CO 가스 제거 장치(14)는 추가로 가압된다.
(제1 실시예의 제1 변경예)
도2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예의 제1 변경예에 따른 연료 전지 시스템(102)에 있어서, 전도도 제어 밸브(25)는 가변 전도도 밸브(20) 및 증발기(12) 사이에 개재된다. 게다가, 전도도 제어 밸브(26)는 CO 가스 제거 장치(14) 및 연료 전지 유닛(15) 사이에 개재된다. 전도도 제어 밸브(25)는 관(31)에 연결된 상류 측과 증발기(12)에 연결된 하류 측을 구비한 관(31A)에 연결된다. 전도도 연결 밸브(26)는 관(34)에 연결된 상류 측과 연료 전극(15a)에 연결된 하류 측을 구비한 관(34A)에 연결된다. 상기와 다른 부위들은 대략 도1에 도시된 구조의 것들과 동일하고, 따라서 설명은 생략될 것이다.
도2에 도시된 CO 가스 제거 장치(14)는 CO 가스를 CO2, H2또는 메탄과 같은 다른 가스로 전환시키기 위한 전환 촉매(shift catalyst) 및 선별 메탄화 촉매(selective methanation catalyst)를 포함하는 CO 제거 촉매를 탑재한다. 전환 촉매는 수소 다함유 가스 내에서 CO 가스를 증기와 반응시킴으로써 CO를 CO2및 H2로 전환시킨다. 선별 메탄화 촉매는 수소 다함유 가스 내에서 CO 가스를 H2와 반응시킴으로써 CO를 메탄올로 전환시킨다. Cu-Zn 및 그와 유사한 것을 함유한 전환 촉매가 적합하다. Ru 및 그와 유사한 것을 함유한 선별 메탄화 촉매가 적합하다. 이러한 경우에 있어서, CO 가스 제거 장치(14)의 내부는 약 200℃로부터 400℃까지, 바람직하게는 약 250℃까지 가열된다. 예컨대, CO 가스 제거 장치에 있어서, Cu-Zn와 같은 촉매가 있는 상태에서, 다음 반응이 진행되고,
CO + H2O →CO2+ H2···(2)
Ru와 같은 촉매가 있는 상태에서, 다음 반응이 진행된다.
CO + H2→CH4+ H2O ···(3)
결론적으로, 수소 다함유 가스 내에 함유된 CO는 제거된다. CO 가스 제거 장치(14)의 내부는 연료 탱크(11)의 증기압에 의해 대기압보다 큰 압력으로 가압되고, 전도도 제어 밸브(26)에 의해 약 3atm이 되도록 제어된다.
다음으로, 도2에 대해, 본 발명의 제1 실시예의 제1 변경예에 따른 연료 전지 시스템을 사용하기 위한 방법이 설명된다.
첫째로, 전도도 제어 밸브(25)에 의해 전도도를 제어하는 동안, 가변 전도도 밸브(20)는 개방된다. 액체 연료는 연료 탱크(11) 내에 작용하는 포화 수증기압에 의해 관(30,31 및 31A)을 통해 증발기(12)로 유입되고, 가스 연료가 된다. 다음으로, 가스 연료는 개질기(13)에서 수소 다함유 가스로 개질된다. 예컨대, 연료로서 디메틸 에테르 및 물을 혼합한 용액을 사용하는 경우에 있어서, 식(1)의 반응이 개질기(13)에서 진행되고, 따라서 수소 다함유 가스가 생성된다. 그 결과로, 개질기에서 생성된 수소 다함유 가스는 개질기(13)의 출구 측에서 관(33)을 통해 CO 가스 제거 장치(14)로 공급된다.
다음으로, CO 가스 제거 장치(14)에 있어서, 수소 다함유 가스 내의 CO 가스는 CO 제거 촉매를 사용함으로써 제거된다. CO 가스 제거 장치(14)에 있어서, 식(2)의 반응은 Cu-Zn과 같은 것을 함유하는 전환 촉매의 사용하여 진행된다. 게다가, 식(3)의 반응은 Ru와 같은 것을 함유하는 선별 메탄화 촉매를 사용하여 진행된다. 그리고 나서, 수소 다함유 가스 내의 CO는 10ppm 이하까지 감소될 수 있다. 그 결과로, CO 가스가 10ppm 이하로 감소된 수소 다함유 가스는 관(34)으로 유입되고, 전도도 제어 밸브(26)에 의해 전도도를 제어하는 동안 관(34A)을 통해 연료 전극(15a)으로 유입된다. 상기 이외의 부위들은 도1에 도시된 연료 전지 시스템(101)을 사용하기 위한 방법의 것들과 유사하고, 따라서 설명은 생략될 것이다.
상기 설명된 바와 같이, 도2에 도시된 연료 전지 시스템(102)은 이용될 수 있다. 본 발명의 제1 실시예의 제1 변경예에 따른 연료 전지 시스템(102)에 있어서, 연료 탱크(11) 내에 함유된 연료 자체의 포화 수증기압은 연료를 증발기(12)로 흐르도록 압박한다. 따라서, 연료를 공급하기 위한 펌프는 생략될 수 있고, 동시에 전체 연료 전지 시스템(102)은 소형화 및 단순화될 수 있다. 게다가, 도2에 도시된 연료 전지 시스템(102)에 있어서, 액체 연료는 증발기(12)에서 증발되고, 그 후에 개질기(13)로 유입된다. 그러므로, 어떤 조성을 지닌 가스는 안정적으로 개질기(13)로 공급될 수 있고, 연료는 적절한 조건에서 수소 다함유 가스로 개질될 수 있다. 게다가, CO 가스 제거 장치(14)는 전도도 제어 밸브(34A)에 의해 대기압보다 높은 약 3atm까지 가압된다. 그러므로, 개질기(13) 및 CO 가스 제거 장치(14)의 부피는 감소될 수 있다. 따라서, 공기 전극(15c)으로부터 배출된 증기를 함유하는 가스의 일부는 펌프(19)에 의해 흡입되고 다시 관(48)을 통해 관(39)으로 공급되고, 동력 발생 반응에 의해 생성된 물은 폴리머막(15b)을 가습하기 위해 사용될 수 있다. 펌프(19)로 유입되지 않은 잔여 가스는 열교환기(17)에 의해 냉각되고 물로 응축된 후에 폴리머막(15b)으로 유입되고, 폴리머막(15b)의 수분 보유 특성은 적절한 조건에서 유지될 수 있다.
(제1 변경예)
도3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예의 제1 변경예에 따른 연료 전지 시스템(102)에 있어서, 증발기(12)는 열 절연체(8A) 아래에 위치된다. CO 가스 제거 장치(14)는 증발기(12) 아래에 위치되고, 연소기(16)는 CO 가스 제거 장치(14) 아래에 위치된다. 개질기(16)는 연소기(16) 아래에 위치되고, 열 절연체(8B)는 개질기(13) 아래에 위치된다. 도3에 도시된 연료 전지 시스템(102)에 따라서, 발열 반응이 진행되는 CO 가스 제거 장치(14)는 흡열 반응이 진행되는 증발기(12) 아래에 위치되고, 흡열 반응이 진행되는 개질기(13)는 발열 반응이 진행되는 연소기(16) 아래에 위치된다. 따라서, 열효율이 추가로 향상될 수 있다.
(제1 실시예의 제2 변경예)
도4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예의 제2 변경예에 따른 연료 전지 시스템(103)은 관(54)을 통해 연료 탱크(11)의 상류 측에 연결된 가변 전도도 밸브(53)와, 관(52)을 통해 가변 전도도 밸브(53)의 상류 측에 연결된 가압 탱크(51)를 추가로 포함한다. 상기 이외의 부위들은 도1에 도시된 연료 전시 시스템(101)의 것들과 대략 동일하고, 따라서 그 상세한 설명은 생략될 것이다.
연료 탱크(11)는 연료로서 메탄올 및 물의 용액을 담고 있다. 에탄올은 메탄올 대신에 사용될 수 있다. 이러한 에탄올의 포화 수증기압은 상온에서 대기압보다 낮음을 알아야 한다. 결론적으로, 연료 탱크(11)의 상류 측에 연결된 가압 탱크(51)에 작용하는 압력은 액체 연료를 증발기(12)로 밀어낸다. 예컨대, 가압 탱크(51) 내부에 질소 및 그와 유사한 가스가 채워질 수 있다.
다음으로, 도4에 관하여, 본 발명의 제1 실시예의 제2 변경예에 따른 연료 전지 시스템을 사용하기 위한 방법이 설명된다.
첫째로, 가변 전도도 밸브(53)는 개방되고, 가압 탱크(51)에 채워진 가스는 관(52, 54)을 통해 연료 탱크(11)로 공급된다. 연료 탱크(11)는 가압 탱크(51)로부터 공급된 가스에 의해 가압된다. 다음으로, 전도도를 조절할 수 있는 가변 전도도 밸브(20)가 개방되고, 연료는 연료 탱크(11)에 작용하는 압력에 의해증발기(12)로 공급된다. 증발기(12)에 연료를 공급한 후의 방법은 도1에 도시된 연료 전지 시스템(101)의 것과 유사하고, 따라서 설명은 생략될 것이다.
도4에 도시된 연료 전지 시스템(103)에 따라, 가압 탱크(51) 내에 채워진 가압 가스의 압력은 연료 탱크(11)의 내부에 있는 연료를 증발기(12)로 밀어낸다. 따라서, 연료를 공급하기 위한 펌프는 생략될 수 있고, 동시에 전체 연료 전지 시스템(103)은 소형화 및 단순화될 수 있다. 게다가, 도4에 도시된 연료 전지 시스템(103)에 있어서, 액체 연료는 증발기(12)에 의해 증발되고, 그 후에 개질기(13)로 유입된다. 따라서, 어떤 조성을 지닌 가스가 개질기(13)에 안정적으로 공급될 수 있고, 연료는 적절한 조건에서 수소 다함유 가스로 개질될 수 있다. 반투막이 도4에서 CO 가스 제거 장치(14)로 채택된다는 것을 알아야 한다. 그러나, 도2에 도시된 바와 같이 전환 촉매 및 선별 메탄화 촉매를 포함하는 CO 가스 제거 촉매도 역시 채택될 수 있다.
(제2 실시예)
제5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템(104)은 대기압보다 높은 압력에서 연료를 저장하는 연료 탱크(11)와, 연료를 수소 다함유 가스로 개질시키는 개질기(13)와, 연료 탱크(11)에 연결되어 있는 개질기(13)에 공급되는 물을 저장하는 물탱크(60)와, 물탱크(60) 내의 물을 증발시키는 증발기(12)와, 수소 다함유 가스 내의 CO 가스를 제거시키는 CO 가스 제거 장치(14)와, 수소 다함유 가스를 산소와 반응하도록 하여 전기를 발생시키는 전지 유닛(15)을 포함한다.
액체 DME는 연료로서 연료 탱크(11)에 담겨진다. 상온에서 DME의 포화 수증기압은 약 6atm이다. 따라서, 약 6atm의 포화 수증기압이 연료 탱크(11) 내에서 유지될 수 있다. 예컨대, 물탱크(60)는 피스톤이나 다이아프램과 같은 이동 가능한 격벽을 사용함으로써 제1 챔버(60A) 및 제2 챔버(60B)로 분리된다. 가스는 제1 챔버(60A)에 채워지고, 물은 제2 챔버(60B)에 담겨진다. 제1 챔버(60A)의 상부는 관(56)을 통해 가변 전도도 밸브(61)에 연결된다. 게다가, 관(56)은 관(57)을 통해 대기로 자유로이 방출되는 가변 전도도 밸브(62)에 연결된다. 가변 전도도 밸브(61)의 상류 측은 관(55)을 통해 연료 탱크(11)의 상부에 연결된다. 한편, 제2 챔버(60B)의 하부는 관(58)을 통해 가변 전도도 밸브(64)에 연결된다. 가변 전도도 밸브(64)는 관(67)을 통해 제3 펌프(65)에 연결된다. 게다가, 관(58)은 관(59)을 통해 가변 전도도 밸브(63)에 연결된다. 가변 전도도 밸브(63)는 관(59A)을 통해 증발기(12)에 연결되고, 증발기(12)의 하류에 연결된 관(32)과 관(32)에 연결된 관(31)을 통해 개질기(13)에 연결된다. 상기 이외의 부위는 도1에 도시된 연료 전지 시스템(101)의 것들과 대략 동일하고, 따라서 그 설명은 생략될 것이다.
다음으로, 도5에 대하여, 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 사용하기 위한 방법이 설명된다.
첫째로, 전도도를 조절할 수 있는 가변 전도도 밸브(20), 가변 전도도 밸브(62, 64)가 닫히고, 가변 전도도 밸브(61, 63)가 개방된다. 연료 탱크(11)는 상온에서 대기압보다 높은 포화 수증기압을 갖는 연료(DME)를 담는다. 따라서, 가변 전도도 밸브(61)가 개방될 때, 연료 탱크(11)에 작용하는 연료의 포화 수증기압은 관(55)으로부터 관(56)을 통해 제1 챔버(60A)에 작용한다. 물탱크(60)의 격벽(60C)은 제1 챔버(60A) 측으로부터 제2 챔버(60B) 측으로 가압된다. 제2 챔버(60B) 내의 물은 관(58), 전도도를 조절할 수 있는 가변 전도도 밸브(63) 및 관(59)을 통해 증발기(12)로 유입된다.
다음으로, 제2 챔버(60B)로부터 유입된 증발기(12) 내의 물은 가열되고 증발된다. 증발된 물은 수증기로 관(32)으로부터 관(31)으로 유입된다. 그 결과로, 전도도를 조절할 수 있는 가변 전도도 밸브(20)는 전도도를 조절할 수 있는 가변 전도도 밸브(63)가 개방된 상태에서 개방되고, 연료 탱크(11) 내의 연료는 전도도를 제어하는 동안 관(31)으로 송급되고, 연료는 수증기와 혼합된다. 이 경우에 있어서, 연료로서 DME와 물의 혼합비는 1:4의 몰 비가 되도록 가변 전도도 밸브(20, 63)에 의해 제어된다.
다음으로, 연료 및 수증기는 관(31)으로부터 개질기(13)로 유입된다. 개질기(13)에서 Cu-Zn 촉매를 사용하여 식(1)의 반응을 진행함으로써, 수소 다함유 가스가 발생된다. 그 결과로, 개질기(13) 내의 수소 다함유 가스는 관(33)을 통해 CO 가스 제거 장치(14)에 공급된다. 상기 이후의 방법은 도1에 도시된 연료 전지 시스템을 사용하기 위한 방법이 대략 동일하다. 도5에서 물탱크(60)의 제2 챔버(60B) 내의 수위가 낮을 때, 가변 전도도 밸브(61, 63)는 닫히고, 가변 전도도 밸브(62)는 개방된다. 그리고 나서, 제1 챔버(60A) 내의 압력은 대기압과 같을 수 있다. 그 후, 가변 전도도 밸브(64)는 개방되고, 수조(9)에 저장된 물은 관(66)으로부터 펌프(65)와 관(67, 68)을 통해 제2 챔버(60B)로 공급된다. 최종적으로, 가변 전도도 밸브(62, 62)는 닫힌다.
상기 설명된 바와 같이, 도5에 도시된 연료 전지 시스템은 사용될 수 있다. 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템(104)에 있어서, 제2 챔버(60B) 내의 연료 및 물은 연료 탱크(11) 내에 작용하는 연료의 포화 수증기압에 의해 개질기(13)로 활발히 유입된다. 따라서, 연료를 공급하기 위해 요구되는 펌프는 생략될 수 있고, 동시에 전체 연료 전지 시스템(104)은 소형화 및 단순화될 수 있다. 게다가, 반투막의 상류 측, 즉 CO 가스 제거 장치(14)는 역압 조절 밸브(21)에 의해 대기압보다 높은 압력에서 유지될 수 있다. 따라서, 대기압 하에서 수소를 진행시키는 경우보다 반투막 당 큰 수소 투과 속도를 갖는 것이 가능할 수 있고, CO 가스 제거 장치(14)는 감소될 수 있다. 게다가, 열교환기(17)에서 응축된 물은 개질 반응에서 사용될 수 있고, 개질 반응을 위해 준비된 물은 감소된다.
(제2 실시예의 제1 변경예)
도6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예의 제1 변경예에 따른 연료 전지 시스템(105)에 있어서, 공기 탱크(100)는 CO 가스 제거 장치(14)의 상류 측에 연결된다. 공기 탱크(100)는 격벽(100C)을 사용하여 제1 챔버(100A) 및 제2 챔버(100B)로 분리된다. 피스톤 및 다이아프램이 격벽(100C)용으로 사용될 수 있다. 제1 챔버(100A)는 가스를 수용하고, 제2 챔버(100B)는 그 안에 공기를 수용한다. 관(102)은 제2 챔버(100B)의 하부 측에 연결된다. 관(102)은 그 하류 측에서 가변 전도도 밸브(111)와 연결되고, 관(33)에 연결된 관(102)은 가변 전도도 밸브(111)의 하류 측에 연결된다. 관(103)은 관(102)에 연결된 측과 대향된 제2챔버(100b)의 하부의 다른 측에 연결된다. 가변 전도도 밸브(112)는 관(103)의 상류 측에 연결되고, 제4 펌프(115)는 관(104)을 통해 가변 전도도 밸브(12)의 상류 측에 연결된다. 제4 펌프(115)는 외부로부터 공기를 펌핑한다. 관(105)은 제1 챔버(100A)의 상부에 연결된다. 관(105)은 관(106, 107)으로 분기한다. 대기압에 배출 가능한 가변 전도도 밸브(113)는 관(106)의 하류 측에 위치된다. 관(107)의 상류 측은 가변 전도도 밸브(114)를 통해 관(108)에 연결된다. 관(108)은 연료 탱크(11)의 상류에 연결된다. 도6에서, 물 또는 수소와 접촉함으로서 수소 다함유 가스 내의 CO 가스를 제거하기 위한 전환 촉매 및 선별 메탄화 촉매와 같은 CO 가스 제거 촉매는 CO 가스 제거 장치(14)에 내장된다. CO 가스 제거 장치(14)의 출구 측에 연결된 관(34) 및 연료 전극(15a)의 입구 측에 연결된 관(34A) 사이에, 전도도 제어 밸브(26)가 연결된다. 상기 이외의 부위는 도5에 도시된 연료 전지 시스템(105)의 것들과 대략 동일하고, 따라서 그 설명은 생략될 것이다.
다음으로, 도6에 대하여, 본 발명의 제5 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 사용하기 위한 방법이 설명된다.
첫째로, 가변 전도도 밸브(20, 62 내지 64, 112, 113)들은 닫히고, 가변 전도도 밸브(61, 63, 114, 111)들은 개방된다. 따라서, 연료(DME)는 연료 탱크(11) 내에 담겨진 연료의 포화 수증기압에 의해 관(55, 108)에 활발히 공급된다. 관(108)에 공급된 연료는 가변 전도도 밸브(114)와 관(107, 105)을 통해 제1 챔버(100A)에 공급된다. 격벽(100C)은 이동되고, 제1 챔버(100A)에 작용하는 연료 압력에 의해 제2 챔버(100B)에 압력을 가한다. 결론적으로, 제2 챔버(70B) 내의공기는 관(102)으로 밀려난다. 한편, 관(55)에 공급된 연료는 가변 전도도 밸브(61)와 관(56)을 통해 제1 챔버(60A)에 공급된다. 격벽(60C)은 제1 챔버(60A)에 작용하는 연료 압력에 의해 제2 챔버(60B)로 밀린다. 결론적으로, 제2 챔버(60B) 내의 물은 관(58, 59)과 가변 전도도 밸브(63)를 통해 증발기(12)로 유입된다. 증발기(12)로 유입된 물은 수증기가 되고, 관(32, 31)을 통해 개질기(13)로 유입된다. 그 결과로, 가변 전도도 밸브(63, 20)들은 개방되고, 연료 탱크(11) 내의 연료는 전도도를 제어하는 동안 관(31)으로 공급되고, 연료는 수증기와 혼합된다. 이 경우에 있어서, 연료로서 DME와 수증기의 혼합비는 1:4의 몰 비가 되도록 가변 전도도 밸브(20, 63)에 의해 제어된다. Cu-Zn 촉매를 사용하여 식(1)의 반응을 진행함으로써 수소 다함유 가스가 개질기(13) 내에 발생된다. 결론적으로, 개질기(13) 내에서 얻어진 수소 다함유 가스는 관(33)에 공급된다. 개질기(13)로부터 공급된 수소 다함유 가스 및 공기는 혼합되고 CO 가스 제거 장치(14)에 공급된다. 제2 챔버 측으로 밀린 격벽(100C)을 초기 위치로 되돌리기 위하여, 공기는 가변 전도도 밸브(111, 114)가 닫히고 가변 전도도 밸브(112, 113)가 개방된 상태에서 제4 펌프(115)로부터 제2 챔버(100B)로 공급될 수 있다는 것을 알아야 한다. CO 가스 제거 장치(14)는 CO를 CO2로 산화시키기 위해 부분 연소 촉매를 수용한다. 상기 이후의 방법은 도5에 도시된 연료 전지 시스템(104)을 사용하기 위한 방법과 대략 동일하다.
상기 설명된 바와 같이, 도6에 도시된 연료 전지 시스템은 사용될 수 있다.본 발명의 제2 실시예의 제1 변경예에 따른 연료 전지 시스템(105)에 있어서, CO 가스 제거 장치(14) 내에서 부분 연소 촉매를 사용하여 연소를 수행하기 위해 요구되는 공기는 펌프를 사용하지 않고 가압된 영역에 공급될 수 있고, 따라서 어떤 소음도 발생되지 않는다. 게다가, 전제 연료 전지 시스템(105)은 소형화 및 단순화될 수 있다.
(제2 실시예의 제2 변경예)
제7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예의 제2 변경예에 따른 연료 전지 시스템(106)은 관(54)을 통해 연료 탱크(11)의 상류 측에 연결된 가변 전도도 밸브(53)와, 관(52)을 통해 가변 전도도 밸브(53)의 상류 측에 연결된 가압 탱크(51)를 포함한다. 관(55)은 관(52)에 연결된다. 상기 이외의 부위는 도5에 도시된 연료 전지 시스템의 것들과 대략 동일하다.
연료 탱크(11)에 있어서, 메탄올이 연료로서 함유된다. 에탄올은 메탄올 대신으로 사용될 수 있다. 이러한 알코올의 포화 수증기압은 상온에서 대기압보다 낮다. 결론적으로, 연료 탱크(11)의 상류 측에 연결된 가압 탱크(51)에 작용하는 압력이 연료를 증발기(12) 측으로 밀어낸다. 예컨대, 가압 탱크(11)에 질소가 채워질 수 있다.
도7에 도시된 연료 전지 시스템(106)에 따르면, 가압 탱크(51) 내에 채워진 가압된 가스의 압력은 연료 탱크(11) 내에 수용된 연료를 증발기(12)로 흐르도록 밀어낸다. 따라서, 연료를 공급하기 위한 펌프는 생략될 수 있고, 동시에 전체 연료 전지 시스템(106)은 소형화 및 단순화될 수 있다.
(제2 실시예의 제3 변경예)
도7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예의 제3 변형에 따른 연료 전지 시스템(107)에 있어서, 제1 산소 공급 유닛(80)은 도5에 도시된 제1 펌프(18)의 자리에 위치되고, 제2 산소 공급 유닛(70)은 제2 펌프(19)의 자리에 위치된다.
제1 산소 공급 유닛(80)은 피스톤 및 다이아프램과 같은 이동 가능한 격벽(80C)을 사용함으로써 제1 챔버(80A) 및 제2 챔버(80B)로 분리된다. 제2 챔버(80B) 및 격벽(80C)의 하부에 연결된 탄성 부재(80b)는 제2 챔버(80B) 내부에 위치된다. 예컨대, 탄성 부재로서, 스프링과 그와 유사한 것들이 사용될 수 있다. 관(79A)은 제1 챔버(80A)의 상부에 연결되고, 가변 전도도 밸브(75)는 관(79A)의 상류 측에 연결된다. 가변 전도성 밸브(75)는 CO 가스 제거 장치(14) 및 전지 유닛(15)의 사이에 개재된 관(34B)에 연결된다. 관(34B)은 그 상류에서 가변 전도성 밸브(76A)와 연결되고, 관(34)을 통해 CO 가스 제거 장치(14)에 연결된다. 가변 전도도 밸브(76B)는 관(34B)의 하류 측에 연결되고, 가변 전도도 밸브(76B)에 연결된 관(34C)을 통해 연료 전극(15a)에 연결된다.
제2 산소 공급 유닛(70)은 피스톤 및 다이아프램과 같은 이동 가능한 격벽을 사용함으로써 제1 챔버(70A) 및 제2 챔버(70B)로 분리된다. 제2 챔버(70B) 및 격벽(70C)에 연결된 스프링과 같은 탄성 부재(70b)는 제2 챔버(70B) 내부에 위치된다. 관(77)은 제1 챔버(70A)의 상부에 연결되고, 관(77)의 상류 측에 연결된 가변 전도도 밸브(74)에 연결된다. 가변 전도도 밸브(74)는 관(78)을 통해 관(79)에 연결된다. 가변 전도도 밸브(71)에 연결된 관(74)은 제2 챔버(70B)의 측에 연결된다. 가변 전도도 밸브(71)는 관(47A)을 통해 전도도 제어 밸브(24)에 연결된다. 가변 전도도 밸브(71)가 연결되어 있는 측의 대향 측에, 가변 전도도 밸브(72)는 관(48A)을 통해 위치된다. 가변 전도도 밸브(72)는 관(48)을 통해 관(39)에 연결된다.
다음으로, 도8에 대하여, 본 발명의 제2 실시예의 제3 변형에 따른 연료 전지 시스템(107)을 사용하는 방법이 설명된다. CO 가스 제거 장치(14)로부터 관(34)까지 연료를 공급하기까지의 진행 과정은 도5에 도시된 연료 전지 시스템(104)과 유사하고, 따라서 설명은 생략될 것이다.
가변 전도도 밸브(71, 72, 76B, 81, 82)는 닫히고, 가변 전도도 밸브(74,75, 76A)는 개방된다. 따라서, 수소 다함유 가스는 연료 탱크(11) 내의 연료(DME)의 포화 수증기압에 의해 관(34), 가변 전도도 밸브(76A) 및 관(34B, 79)에 활발히 공급된다. 관(79)으로부터 가변 전도도 밸브(74)와 관(77)을 통해 제1 챔버(70A)에 공급되는 수소 다함유 가스는 격벽(70C)을 제2 챔버 측을 향해 밀어낸다. 결론적으로, 제2 챔버(70B) 내에 담긴 가스는 관(47A, 48A)에 공급된다. 한편, 관(79)으로부터 가변 전도도 밸브(75)와 관(79A)을 통한 수소 다함유 가스는 제1 챔버(80A)에 공급된다. 결론적으로, 격벽(80C)은 제2 챔버(80B) 측으로 밀리고, 따라서 제2 챔버(80B) 내의 공기는 관(42A, 83)에 공급된다. 다음으로, 가변 전도도 밸브(75)는 닫히고, 가변 전도도 밸브(76B)는 개방된다. 수소 다함유 가스는 관(34), 가변 전도도 밸브(76A)와 관(34B, 76B, 34C)을 통해 연료 전극(15a)에 공급된다. 그 결과로, 가변 전도도 밸브(81)는 개방된다. 관(42)에 공급된 공기는 가변 전도도 밸브(81), 관(42), 열교환기(17) 및 관(41, 40, 39)을 통해 공기 전극(15c)에 공급된다. 이러한 경우에 있어서, 가변 전도도 밸브(74)를 닫고 가변 전도도 밸브(72)를 개방함으로써, 관(48A)에 공급된 가스는 관(48, 39)을 통해 공기 전극(15c)에 공급된다. 상기 이외의 부위는 도5에 도시된 연료 전지 시스템(104)의 것들과 유사하다.
도8에 도시된 연료 전지 시스템(107)에 따라서, 연료 및 산소는 액체 송급 펌프 또는 공기 펌프를 사용하지 않고 공급될 수 있고, 따라서 어떤 소음도 발생하지 않고, 장치는 또한 소형화 및 단순화될 수 있다.
(제3 변경예의 제1 예)
도9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예의 제3 변경예의 제1 예에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 열관(90)은 제1 산소 공급 유닛(80) 및 공기 전극(15c) 사이에 개재된다. 다른 부위들은 도8에 도시된 구성의 것들과 대략 동일하고, 따라서 상세한 설명은 생략될 것이다. 예컨대, 열관(90)으로서, 구리, 철 및 스테인리스강으로 제조된 튜브가 사용될 수 있다. 열관(90)의 내부에 심지가 형성되고, 작동 유체는 심지에 둘러싸여질 수 있다. 도9에 도시된 연료 전지 시스템(107)에 따라서, 공기 전극(15c) 내에서 발생된 열은 열관(90)을 통해 제1 챔버(80A)로 전달된다. 따라서, 가스 팽창으로 제1 챔버(80) 내에 발생된 온도 강하가 방지된다. 게다가, 제2 챔버(80B)로부터 작용하는 공기의 압력은 더 높은 수준에서 유지될 수 있다.
(제3 변경예의 제2 예)
도10에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예의 제3 변경예의 제2 예에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 유체 실린더(91)는 제1 챔버(80A)의 상류 측에 위치된다. 다른 부위는 도8에 도시된 구성의 것들과 대략 동일하고, 따라서 상세한 설명은 생략될 것이다. 유체 실린더(91)는 피스톤 및 다이아프램과 같은 이동 가능한 격벽(91C)(제2 격벽)을 사용함으로써 제1 챔버(91A) 및 제2 챔버(91B)로 분리된다. 피스톤 막대(91b)는 격벽(91C) 및 격벽(80C) 사이에 개재된다. 제1 챔버(91A)의 상부는 관(79)에 연결된다. 도10에 도시된 바와 같이, 유체 실린더(91)의 체적은 제1 산소 공급 유닛(80)의 것보다 작다. 따라서, 예컨대, 격벽(91C)의 표면적이 0.25cm2이고, 격벽(80C)의 표면적이 25cm2이라고 가정할 때, 격벽(80C)에 의해 밀려나간 공기의 양은 격벽(90C)에 의해 밀려나간 공기의 양의 약 100배이다. 제2 챔버(80B)로부터 공급된 공기의 제트 압력은 약 0.01kgf/cm2이다. 따라서, 비록 연료가 약 100배 팽창하더라도, 연료는 공급될 수 있다.
(제3 변경예의 제3 예)
도11에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예의 제3 변경예의 제3 예에 따른 연료 전지 시스템은 연료 전극(15a)의 상류 측에 연결된 제1 버퍼 탱크(92A)와, 제2 챔버의 하류 측에 연결된 제2 버퍼 탱크(92B)를 추가로 포함한다. 제1 버퍼 탱크(92A) 및 제2 버퍼 탱크(92B)를 제외한 다른 부위는 도8에 도시된 구성의 것들과 대략 동일하고, 따라서 상세한 설명은 생략될 것이다. 제1 버퍼 탱크(92A)의 상류 측은 관(34C)을 통해 가변 전도도 밸브(74B)에 연결되고, 그 하류 측은관(34D)을 통해 전도도 제어 밸브(93)에 연결된다. 전도도 제어 밸브(93)는 관(34E)을 통해 전지 유닛(15a)에 연결된다. 한편, 버퍼 탱크(92B)의 상류 측에 관(42B)을 통해 가변 전도도 밸브(81)에 연결되고, 그 하류 측에는 관(42C)을 통해 전도도 제어 밸브(94)에 연결된다. 관(42)은 전도도 제어 밸브(94)의 하류 측에 연결된다. 도11에 도시된 연료 전지 시스템에 따르면, 유체 압력 실린더의 구동에 인해 공급된 가스의 전도도의 변동은 제1 및 제2 버퍼 탱크(92A, 92B) 및 제1 및 제2 버퍼 탱크(92A, 92B)의 하류 측에 연결된 전도도 제어 밸브(93, 94)에 의해 감소될 수 있다. 따라서, 연료 및 공기는 전지 유닛(15)에 안정적으로 공급될 수 있다. 도12에 도시된 바와 같이, 가변 전도도 밸브(81, 82)의 위치에 체크 밸브(95A, 95B)를 사용함으로써, 유사한 효과가 얻어질 수 있다.
본 개시 내용의 가르침을 받은 후에 이 분야에 숙련자들에게는 그 범위를 벗어나지 않은 다양한 변경이 가능해질 것이다. 예컨대, 도13에 도시된 바와 같이, 도1에 도시된 펌프처럼 도9 내지 도12에 도시된 제1 산소 공급 유닛(80) 및 제2 산소 공급 유닛(70)을 채택함으로써, 어떤 펌프나 압축기를 요구하지 않는 연료 전지 시스템이 제공될 수 있다. 게다가, 도9 내지 도12에 도시된 제1 및 제2 산소 공급 유닛(80, 70)에 유입된 가스, 즉 DME와 같은 가압된 연료는 개질된 수소 다함유 가스 대신으로 사용될 수 있다.
본 발명은 공기 및 연료를 전지 유닛에 공급하기 위한 펌프 없이 작고 간단한 구조를 구비한 연료 전지를 제공한다.

Claims (28)

  1. 대기압보다 높은 압력에서 연료를 저장하는 연료 탱크와,
    상기 연료를 증발시키는 증발기와,
    증발된 연료를 수소 다함유 가스로 개질시키는 개질기와,
    수소 다함유 가스 내의 CO 가스를 제거시키는 CO 가스 제거 장치와,
    수소 다함유 가스를 산소와 반응하도록 하여 전기를 발생시키는 전지 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 전지 유닛은 수소 다함유 가스를 공급받는 연료 전극과,
    수소 다함유 가스와 반응시키고 전기를 발생시키기 위하여 산소를 공급받는 공기 전극과,
    연료 전극 및 공기 전극 사이에 개재된 폴리머막을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상온에서 연료의 포화 수증기압은 대기압보다 높은 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 연료는 디메틸 에테르 및 물의 용액을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 증발기의 내부는 연료 탱크 내에 작용하는 포화 수증기압에 의해 대기압보다 높은 압력까지 가압되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  6. 제1항에 있어서, CO 가스 제거 장치 내에 수소를 선별적으로 여과하는 반투막이 위치되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  7. 제1항에 있어서, CO 가스 제거 장치는 CO 가스를 다른 가스로 전환시키는 CO 제거 촉매를 수용하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 연료 탱크의 상류 측에 연결된 가압 탱크를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 연료 탱크는 메탄올 및 물의 용액을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  10. 대기압보다 높은 압력에서 연료를 저장하는 연료 탱크와,
    상기 연료를 수소 다함유 가스로 개질시키는 개질기와,
    개질기에 공급되는 물을 저장하고, 연료 탱크에 연결된 물탱크와,
    물탱크 내의 물을 증발시키는 증발기와,
    수소 다함유 가스 내의 CO 가스를 제거시키는 CO 가스 제거 장치와,
    수소 다함유 가스를 산소와 반응하도록 하여 전기를 발생시키는 전지 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  11. 제10항에 있어서, 전지 유닛은 수소 다함유 가스를 공급받는 연료 전극과,
    수소 다함유 가스와 반응시키고 전기를 발생시키기 위하여 산소를 공급받는 공기 전극과,
    연료 전극 및 공기 전극 사이에 개재된 폴리머막을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  12. 제10항에 있어서, 상온에서 연료의 포화 수증기압은 대기압보다 높은 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  13. 제10항에 있어서, 상기 연료는 디메틸 에테르를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  14. 제10항에 있어서, 상기 연료는 메탄올을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  15. 제10항에 있어서, 상기 물탱크는 연료 탱크의 상부에 연결된 제1 챔버와,
    증발기의 상류에 연결된 제2 챔버와,
    제1 챔버 및 제2 챔버 사이에 배치된 격벽을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  16. 제10항에 있어서, 증발기의 내부는 연료 탱크 내에 작용하는 포화 수증기압에 의해 대기압보다 높은 압력까지 가압되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  17. 제10항에 있어서, CO 가스 제거 장치 내에 수소를 선별적으로 여과하는 반투막이 위치되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  18. 제10항에 있어서, CO 가스 제거 장치는 CO 가스를 다른 가스로 전환시키는 CO 제거 촉매를 수용하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  19. 제10항에 있어서, CO 가스 제거 장치의 상류 측에 공기 탱크가 연결되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  20. 제10항에 있어서, 연료 탱크의 상류 측에 연결된 가압 탱크를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  21. 제20항에 있어서, 연료 탱크는 메탄올을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  22. 제20항에 있어서, 연료 탱크는 에탄올을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  23. 제11항에 있어서, 전지 유닛에 산소를 공급하는 제1 산소 공급 유닛을 추가로 포함하고,
    상기 전지 유닛은 CO 가스 제거 장치 및 전지 유닛의 연료 전극 사이에 연결된 제1 챔버와,
    전기 유닛의 공기 전극에 연결된 제2 챔버와,
    제1 챔버 및 제2 챔버 사이에 배치된 격벽을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  24. 제23항에 있어서, 제1 산소 공급 유닛 및 전지 유닛 사이에 개재된 열관을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  25. 제23항에 있어서, 제1 챔버의 상류 측에 위치된 유체 실린더를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  26. 제25항에 있어서, 유체 실린더 내에 배치된 제2 격벽의 표면적은 산소 공급 유닛 내에 배치된 격벽보다 작은 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  27. 제23항에 있어서, 제1 챔버의 상류 측에 제1 버퍼 탱크가 연결되고, 제2 챔버의 하류 측에 제2 버퍼 탱크가 연결되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  28. 제23항에 있어서, 제2 챔버에 체크 밸브가 연결되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
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