KR20050088789A - 연료 전지 시스템의 개질기 및 이를 채용한 연료 전지시스템 - Google Patents

연료 전지 시스템의 개질기 및 이를 채용한 연료 전지시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료 전지 시스템의 개질기에 관한 것이다.
이를 위하여 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 수소를 함유한 액상의 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키는 개질기; 상기 개질기로부터 생성된 수소 가스와 외부 공기의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 복수의 전기 생성부를 구비한 스택; 액상의 연료와 물을 상기 개질기로 공급하는 연료 공급부; 및 외부 공기를 상기 개질기 및 스택으로 공급하는 공기 공급부를 포함하고, 상기 개질기는 액상의 연료와 공기를 연소시켜 열을 발생시키고 상기한 열에 의해 액상의 연료와 물의 혼합 연료를 증발시킴으로써 상기 혼합 연료로부터 수소 가스를 생성하고 일산화탄소를 제거하는 다수의 반응부들이 순차적으로 적층되는 것을 특징으로 한다.

Description

연료 전지 시스템의 개질기 및 이를 채용한 연료 전지 시스템 {REFORMER FOR FUEL CELL SYSTEM AND FUEL CELL SYSTEM HAVING THEREOF}
본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료 전지 시스템의 개질기에 관한 것이다.
일반적으로, 연료 전지는 메탄올, 에탄올 또는 천연가스 등 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소 또는 산소를 포함하는 공기를 연료로 하여 일어나는 전기화학 반응에 의하여 화학에너지를 직접 전기에너지로 변화시키는 발전 시스템이다.
이러한 연료 전지는 사용하는 전해질의 종류에 따라, 150∼200℃ 부근에서 작동하는 인산형 연료전지, 600∼700℃의 고온에서 작동하는 용융탄산염 형 연료전지, 1000℃ 이상의 고온에서 작동하는 고체 산화물형 연료전지, 상온 내지 100℃ 이하에서 작동하는 고분자 전해질형 및 알칼리형 연료전지 등으로 분류되며, 이들 각각의 연료전지는 근본적으로 같은 원리에 의해 작동하나, 연료의 종류, 운전 온도, 촉매 및 전해질이 서로 다르다.
이 중에서 근래에 개발되고 있는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrance Fuel Cell: PEMFC)는, 다른 연료 전지에 비하여 출력 특성이 탁월하고 작동 온도가 낮을 뿐더러 빠른 시동 및 응답 특성을 가지고 있으며, 메탄올, 에탄올 또는 천연 가스 등을 개질하여 만들어진 수소를 연료로 사용하여 자동차와 같은 이동용 전원은 물론, 주택, 공공건물과 같은 분산용 전원 및 전자기기용과 같은 소형 전원 등 그 응용 범위가 넓은 장점을 가지고 있다.
상기와 같은 고분자 전해질형 연료 전지가 기본적으로 시스템의 구성을 갖추기 위해서는, 스택(stack)이라 불리는 연료 전지 본체(이하, 편의상 스택이라 칭한다.), 연료 탱크 및 이 연료 탱크로부터 상기 스택으로 연료를 공급하기 위한 연료 펌프 등이 필요하다. 그리고, 연료 탱크에 저장된 연료를 스택으로 공급하는 과정에서 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키고 그 수소 가스를 스택으로 공급하는 개질기(reformer)가 더욱 포함된다. 따라서, 고분자 전해질형 연료 전지는 연료 펌프의 펌핑력에 의해 연료 탱크에 저장된 연료를 개질기로 공급하고, 개질기가 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키며, 스택이 수소 가스와 산소를 전기 화학적으로 반응하여 전기에너지를 생산해 내게 된다.
한편, 연료 전지는 액상의 메탄올 연료를 직접 스택에 공급할 수 있는 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC) 방식을 채용할 수 있다. 이러한 직접 메탄올형 연료 방식의 연료 전지는 고분자 전해질형 연료 전지와 달리, 개질기가 배제된다.
상기와 같은 연료 전지 시스템에 있어서, 전기를 실질적으로 발생시키는 스택은 전극-전해질 합성체(Membrane Electrode Assembly: MEA)와 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)로 이루어진 단위 셀이 수 개 내지 수 십 개로 적층된 구조를 가진다. 전극-전해질 합성체는 전해질막을 사이에 두고 애노드 전극(일명, "연료극" 또는 "산화전극"이라고 한다)과 캐소드 전극(일명, "공기극" 또는 "환원전극"이라고 한다)이 부착된 구조를 가진다. 그리고 바이폴라 플레이트는 연료 전지의 반응에 필요한 수소 가스와 산소가 공급되는 통로의 역할과 각 전극-전해질 합성체의 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체의 역할을 동시에 수행한다. 따라서, 바이폴라 플레이트에 의해 애노드 전극에는 수소 가스가 공급되는 반면, 캐소드 전극에는 산소가 공급된다. 이 과정에서 애노드 전극에서는 수소 가스의 전기 화학적인 산화 반응이 일어나고, 캐소드 전극에서는 산소의 전기 화학적인 환원이 반응이 일어나며 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기와 열 그리고 물을 함께 얻을 수 있다.
전술한 바 있는 개질기는 수소를 함유한 연료와 물을 개질하여 스택의 전기 생성에 필요한 수소 가스로 전환할 뿐만 아니라, 연료 전지를 피독시켜 수명을 단축시키는 일산화탄소와 같은 유해 물질을 제거하는 장치이다. 통상적으로 상기한 개질기는 연료를 개질하는 개질부와, 일산화탄소를 제거하는 일산화탄소 제거부를 포함한다. 개질부는 연료를 수증기 개질, 부분산화, 자열 반응 등의 촉매 반응을 통해 상기한 연료를 수소가 풍부한 개질 가스로 전환한다. 일산화탄소 제거부는 수성가스 전환 방법, 선택적 산화 방법 등과 같은 촉매 반응 또는 분리막을 이용한 수소의 정제 등과 같은 방법으로 개질 가스로부터 일산화탄소를 제거한다.
그런데, 종래에 따른 연료 전지 시스템의 개질기는 개질부와 일산화탄소 제거부에 위와 같은 각각의 반응에 필요한 유체를 공급하기 위해 개질부와 일산화탄소 제거부가 각각 분산 배치되고 이들 각각이 파이프 타입의 배관으로 연결된다. 이로 인해, 전체적인 시스템을 컴팩트 하게 구현하지 못하게 되고, 배관을 통한 연결 구조가 복잡하여 생산성이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 감안한 것으로서, 그 목적은 전체적인 시스템을 컴팩트 하게 구현할 수 있으며, 제조 공정을 단순화시킬 수 있는 간단한 구조의 개질기를 가진 연료 전지 시스템을 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 개질기는, 수소를 함유한 액상의 연료와 공기를 연소시켜 열을 발생시키고, 상기한 열에 의해 액상의 연료와 물의 혼합연료를 증발시킴으로써 상기 혼합 연료로부터 수소 가스를 생성하고 일산화탄소를 제거하는 다수의 반응부들이 순차적으로 적층되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 개질기에 있어서, 상기 각각의 반응부는 상기한 유체의 흐름을 가능하게 하는 유로 채널과 관통홀을 포함할 수 있다. 이러한 각각의 반응부는: 수소를 함유한 액상의 연료와 공기를 연소시켜 열을 발생시키는 제1 반응부; 상기 제1 반응부에 의해 발생되는 열에 의해 액상의 연료와 물의 혼합연료를 증발시키는 제2 반응부; 상기 제2 반응부에서 증발된 유체로부터 수소 가스를 생성하는 제3 반응부; 상기 제3 반응부에서 발생하는 유체로부터 수소 가스를 추가 생성하고, 일산화탄소를 1차적으로 제거하는 제4 반응부; 및 상기 제4 반응부에 의해 생성된 수소 가스로부터 일산화탄소를 2차적으로 제거하는 제5 반응부를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 개질기는, 상기 제1 반응부를 중심에 두고 그 상측에 제3,4 반응부, 하측에 제2 및 제 5 반응부가 순차적으로 적층될 수 있으며, 상기 제4 반응부와 결합하는 커버를 구비할 수도 있다.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 개질기에 있어서, 상기 제1 반응부는: 플레이트 타입으로 이루어지는 제1 몸체; 시작단과 끝단을 가지면서 상기 제1 몸체의 상면에 형성되는 제1 유로 채널; 상기 제1 유로 채널의 시작단에 연결되는 유입구; 상기 제1 유로 채널의 끝단에 연결되는 유출구; 및 상기 유출구 측에 형성된 제1 관통홀 및 제2 관통홀을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 개질기에 있어서, 상기 제2 반응부는: 플레이트 타입으로 이루어지는 제2 몸체; 시작단과 끝단을 가지면서 상기 제2 몸체의 상면에 형성되는 제2 유로 채널; 상기 제2유로 채널의 시작단에 연결되는 유입구; 상기 제1 관통홀에 연통하는 제 3관통홀; 및 상기 제 2관통홀에 연통하며 상기 제2 유로 채널의 끝단에 연결되는 제 4관통홀을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 개질기에 있어서, 상기 제3 반응부는: 플레이트 타입으로 이루어지는 제3 몸체; 시작단과 끝단을 가지면서 상기 제3 몸체의 상면에 형성되는 제3 유로 채널; 상기 제3 유로 채널의 시작단에 연결되며 상기 제 2관통홀에 연통하는 제 5관통홀; 상기 제3 유로 채널의 끝단에 연결되는 제 6관통홀; 및 상기 제 1관통홀에 연통하는 제 7관통홀을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 개질기에 있어서, 상기 제4 반응부는: 플레이트 타입으로 이루어지는 제4 몸체; 시작단과 끝단을 가지면서 상기 제4 몸체의 상면에 형성되는 제4 유로 채널; 상기 제4 유로 채널의 시작단에 연결되며 상기 제 6관통홀에 연통하는 제 8관통홀; 및 상기 제4 유로 채널의 끝단에 연결되며 상기 제 7관통홀에 연통하는 제 9관통홀을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 개질기에 있어서, 상기 제5 반응부는: 플레이트 타입으로 이루어지는 제5 몸체; 시작단과 끝단을 가지면서 상기 제5 몸체의 상면에 형성되는 제5 유로 채널; 상기 제5 유로 채널의 시작단에 연결되는 유입구; 및 상기 제5 유로 채널의 끝단에 연결되는 유출구를 포함할 수 있다.
또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 수소를 함유한 액상의 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키는 개질기; 상기 개질기로부터 생성된 수소 가스와 외부 공기의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 복수의 전기 생성부를 구비한 스택; 액상의 연료와 물을 상기 개질기로 공급하는 연료 공급부; 및 외부 공기를 상기 개질기 및 스택으로 공급하는 공기 공급부를 포함하고, 상기 개질기는 액상의 연료와 공기를 연소시켜 열을 발생시키고 상기한 열에 의해 액상의 연료와 물의 혼합 연료를 증발시킴으로써 상기 혼합 연료로부터 수소 가스를 생성하고 일산화탄소를 제거하는 다수의 반응부들이 순차적으로 적층되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 각각의 반응부는 플레이트 타입으로 이루어진 몸체를 구비할 수 있으며, 상기 각각의 반응부가 열전도성을 가진 알루미늄, 구리, 철로 이루어지는 군에서 선택되는 재질로 형성될 수도 있다.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 각각의 반응부가, 수소를 함유한 액상의 연료와 공기를 연소시켜 열을 발생시키는 제1 반응부; 상기 제1 반응부에 의해 발생되는 열에 의해 액상의 연료와 물의 혼합연료를 증발시키는 제2 반응부; 상기 제2 반응부에서 증발된 유체로부터 수소 가스를 생성하는 제3 반응부; 상기 제3 반응부에서 발생하는 유체로부터 수소 가스를 추가 생성하고, 일산화탄소를 1차적으로 제거하는 제4 반응부; 및 상기 제4 반응부에 의해 생성된 수소 가스로부터 일산화탄소를 2차적으로 제거하는 제5 반응부를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기한 개질기는 제1 반응부를 중심에 두고 그 상측에 제3,4 반응부, 하측에 제2 및 제 5 반응부가 순차적으로 적층될 수 있으며, 상기 제4 반응부와 결합하는 커버를 구비할 수도 있다.
그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrance Fuel Cell: PEMFC) 방식으로 이루어진다.
이하, 본 발명을 명확히 하기 위한 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명하도록 한다.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 수소를 함유한 연료를 개질하여 수소가 풍부한 개질 가스를 발생시키고, 상기한 수소 가스와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 생기는 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrode Membrane Fuel Cell; PEMFC) 방식을 채용한다.
본 시스템에서 전기를 생성하기 위한 연료라 함은 메탄올, 에탄올 또는 천연 가스와 같은 탄화 수소 계열의 액상의 연료 이 외에 물 및 산소가 더욱 포함되며, 이 중에서 액상의 연료와 물을 이하의 설명에서는 편의상 혼합 연료라 정의한다. 그리고 상기한 산소는 별도의 저장수단에 저장된 순수한 산소 가스를 사용할 수 있으며, 산소를 포함하는 외부 공기를 그대로 사용할 수도 있다. 그러나 이하에서는 편의상 산소 연료로서 외부 공기를 그대로 사용하는 예를 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 도시한 개략도이다.
도 1을 참고하면, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)은 기본적으로, 상기한 혼합 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키는 개질기(30)와, 개질기(30)에 의해 생성된 수소 가스와 외부 공기의 화학 반응 에너지를 전기 에너지로 변환시켜 전기를 생산 해 내는 스택(10)과, 상기한 혼합 연료를 개질기(30)로 공급하는 연료 공급부(50)와, 외부 공기를 스택(10) 및 개질기(30)로 공급하는 공기 공급부(70)를 포함하여 구성된다.
연료 공급부(50)는 상기한 액상의 연료를 저장하는 제1 탱크(51)와, 물을 저장하는 제2 탱크(53)와, 제1 탱크(51)에 저장된 액상의 연료와 제2 탱크(53)에 저장된 물을 소정 펌핑력으로 배출시키도록 각각의 탱크(51, 53)와 연결 설치되는 연료 펌프(55)를 구비한다.
그리고 전술한 바 있는 공기 공급부(70)는 외부의 공기를 흡입하여 스택(10)과 개질기(30)로 각각 공급하기 위한 것이다. 이를 위한 공기 공급부(70)는 소정의 펌핑력으로 외부의 공기를 흡입하는 공기 펌프(71)를 포함한다.
도 2는 도 1에 도시한 개질기의 구조를 나타내 보인 분해 사시도이고, 도 3은 도 2의 결합 사시도이다.
도 1 내지 도 3을 참고하면, 본 실시예에 따른 개질기(30)는 액상의 연료와 외부 공기의 촉매 산화 연소를 유도하여 연소열을 발생시키며, 혼합 연료를 개질하여 수소 가스를 생성시키고 그 수소 가스로부터 일산화탄소를 적극적으로 제거할 수 있는 다수의 반응부(31-35)들이 순차적으로 적층된 구조를 가진다.
구체적으로, 상기한 개질기(30)는, 액상의 연료와 외부 공기를 촉매 산화 방식으로 연소하여 연소열을 발생시키는 제1 반응부(31)와, 제1 반응부(31)로부터 발생하는 열에 의해 혼합 연료를 증발시키는 제2 반응부(32)와, 제2 반응부(32)에서 반응한 유체의 개질 반응을 통해 상기한 유체로부터 수소 가스를 생성해 내는 제3 반응부(33)와, 제3 반응부(33)에서 반응한 유체의 수성가스 전환 촉매 반응을 통하여 상기한 유체로부터 수소 가스를 추가 생성하고 일산화탄소를 1차적으로 제거하는 제4 반응부(34)와, 제4 반응부(34)에서 반응한 유체의 산화 촉매 반응을 통해 상기한 유체로부터 일산화탄소를 2차적으로 제거하는 제5 반응부(35)를 포함한다.
본 실시예에 따른 개질기(30)는 제1 반응부(31)를 중심에 두고 그 상측에 제3 반응부(33) 및 제4 반응부(34)가 순차적으로 적층되고, 하측에 제2 반응부(32) 및 제5 반응부(35)가 순차적으로 적층되며, 이들 각각의 상면에는 상기한 유체의 흐름을 가능하게 하는 유로 채널과 관통홀이 각각 형성된다. 그리고 개질기(30)의 최상측에 위치하는 제4 반응부(34)의 상면에는 커버(36)가 결합될 수 있다. 각각의 층을 이루는 제1 내지 제5 반응부(31-35)가 소정의 폭과 길이를 가진 대략 사각 형의 플레이트 형상을 취할 수 있으며, 열전도성이 양호한 금속 소재 예컨대, 알루미늄, 구리 또는 철로 형성될 수 있다.
상기 제1 반응부(31)는 수소 가스의 생성에 필요한 열원을 공급하고 개질기(30)의 전체를 예열하기 위한 발열 부분으로서, 연료 공급부(50)로부터 공급받은 액상의 연료와 공기 공급부(70)로부터 공급받은 외부의 공기를 촉매 산화 반응에 의해 연소시킬 수 있는 구조를 가진다.
제1 반응부(31)는 사각형의 플레이트 타입으로 이루어진 제1 몸체(31p)를 구비하고, 제1 몸체(31p)에는 위와 같은 촉매 산화 연소에 필요한 연료와 공기의 유체 흐름을 가능하게 하는 제1 유로 채널(31a)을 형성하고 있다. 여기서 상기한 제1 유로 채널(31a)은 시작단과 끝단을 가지면서 제1 몸체(31p)의 상면에 형성된다. 그리고 제1 유로 채널(31a)에는 연료와 공기의 산화 연소를 촉진시키는 촉매층(미도시)을 형성하고 있다.
그리고 제1 반응부(31)의 제1 몸체(31p)에는 액상의 연료와 외부의 공기를 제1 유로 채널(31a)에 공급하기 위한 제1 유입구(31b) 및, 제1 유로 채널(31a)을 통과하면서 산화 연소되는 연소 가스를 외부로 배출시키기 위한 제1 유출구(31c)를 형성하고 있다. 제1 유입구(31b)는 제1 유로 채널(31a)의 시작단에 연결된다. 그리고 제1 유출구(31c)는 제1 유로 채널(31a)의 끝단에 연결된다. 또한 제1 유출구(31c) 측에는 제1 관통홀(31d) 및 제2 관통홀(31e)이 형성된다. 여기서 제1 유입구(31b)와 연료 공급부(50)의 제1 탱크(51)는 제1 공급라인(81)을 통해 연결될 수 있으며, 제1 유입구(31b)와 공기 공급부(70)는 제2 공급라인(82)을 통해 연결될 수 있다.
상기 제2 반응부(32)는 수소 가스를 생성하기 위한 혼합 연료를 연료 공급부(50)로부터 공급받는 부분으로서, 제1 반응부(31)로부터 발생하는 연소열을 전달받아 상기한 혼합 연료를 증발시키는 기능을 가진다.
제2 반응부(32)는 사각형의 플레이트 타입으로 이루어진 제2 몸체(32p)를 구비하고, 제2 몸체(32p)에는 혼합 연료의 흐름을 가능하게 하는 제2 유로 채널(32a)을 형성하고 있다. 여기서 상기한 제2 유로 채널(32a)은 시작단과 끝단을 가지면서 제2 몸체(32p)의 상면에 형성된다. 그리고 제2 유로 채널(32a)에는 위와 같은 혼합 연료의 기화를 촉진시키기 위한 촉매층(미도시)을 형성하고 있다.
또한 제2 반응부(32)의 제2 몸체(32p)에는 혼합 연료를 제2 유로 채널(32a)에 공급하기 위한 제2 유입구(32b)를 형성하고 있다. 제2 유입구(32b)는 제2 유로 채널(32a)의 시작단에 연결된다. 그리고 제2 몸체(32p)에는 제1 반응부(31)의 제1 관통홀(31d)에 연통하는 제3 관통홀(32c)과, 제2 관통홀(31e)에 연통하며 제2 유로 채널(32a)의 끝단에 연결되는 제4 관통홀(32d)을 형성하고 있다. 여기서 제2 유입구(32b)와 연료 공급부(50)의 제1,2 탱크(51)(53)는 제3 공급라인(83)을 통해 연결될 수 있다.
상기 제3 반응부(33)는 수증기 개질(Steam Reformer: SR) 촉매 반응에 의해 제2 반응부(32)에서 반응한 상기한 유체로부터 수소 가스를 생성해 내는 부분이다.
제3 반응부(33)는 사각형의 플레이트 타입으로 이루어진 제3 몸체(33p)를 구비하고, 제3 몸체(33p)에는 위와 같은 수증기 개질 촉매 반응에 필요한 유체의 흐름을 가능하게 하는 제3 유로 채널(33a)을 형성하고 있다. 여기서 상기한 제3 유로 채널(33a)은 시작단과 끝단을 가지면서 제3 몸체(33p)의 상면에 형성된다. 그리고 제3 유로 채널(33a)에는 제2 반응부(32)로부터 증발된 유체의 수증기 개질 반응을 촉진시키는 촉매층(미도시)을 형성하고 있다.
또한 제3 반응부(33)의 제3 몸체(33p)에는 제2 반응부(32)로부터 증발된 유체를 전달 받을 수 있도록, 제3 유로 채널(33a)의 시작단에 연결되며 제1 반응부(31)의 제2 관통홀(31e)에 연통하는 제5 관통홀(33b)과, 제3 유로 채널(33a)의 끝단에 연결되는 제6 관통홀(33c)과, 제1 반응부(31)의 제1 관통홀(31d)에 연통하는 제7 관통홀(33d)을 형성하고 있다.
상기 제4 반응부(34)는 수성가스 전환(Water-Gas Shift Reaction: WGS) 촉매 반응을 통해 제3 반응부(33)에서 반응한 유체로부터 추가의 수소 가스를 생성하고, 상기한 수소 가스로부터 일산화탄소를 1차적으로 제거하는 기능을 가진다.
이를 위해 제4 반응부(34)는 사각형의 플레이트 타입으로 이루어진 제4 몸체(34p)를 구비하고, 제4 몸체(34p)에는 상기한 유체의 흐름을 가능하게 하는 제4 유로 채널(34a)을 형성하고 있다. 여기서 상기한 제4 유로 채널(34a)은 시작단과 끝단을 가지면서 제4 몸체(34p)의 상면에 형성된다. 그리고 제4 유로 채널(34a)에는 위와 같은 수성가스 전환 반응을 촉진시키는 촉매층(미도시)을 형성하고 있다.
또한 제4 반응부(34)에는 제4 유로 채널(34a)의 시작단에 연결되며 제3 반응부(33)의 제6 관통홀(33c)에 연통하는 제8 관통홀(34b)과, 제4 유로 채널(34a)의 끝단에 연결되며 제3 반응부(33)의 제7 관통홀(33d)에 연통하는 제9 관통홀(34c)을 형성하고 있다.
상기 제5 반응부(35)는 제4 반응부(34)에서 반응한 소정의 유체와 외부의 공기를 공급받아 선택적 산화(Preferential CO Oxidation: PROX) 촉매 반응을 통해 상기한 유체로부터 일산화탄소를 2차적으로 제거함과 동시에 최종적으로 생성된 수소 가스를 외부로 배출시킬 수 있는 구조를 가진다.
제 5반응부(35)는 사각형의 플레이트 타입으로 이루어진 제5 몸체(35p)를 구비하고, 제5 몸체(35p)에는 제4 반응부(34)에서 반응한 유체의 흐름을 가능하게 하는 제5 유로 채널(35a)을 형성하고 있다. 여기서 상기한 제5 유로 채널(35a)은 시작단과 끝단을 가지면서 제5 몸체(35p)의 상면에 형성된다. 그리고 제5 유로 채널(35a)에는 위와 같은 선택적 산화 반응을 촉진시키는 촉매층(미도시)을 형성하고 있다.
또한 제5 반응부(35)의 제5 몸체(35p)에는 외부의 공기를 제5 유로 채널(35a)에 공급하기 위한 제3 유입구(35b)와, 최종적으로 생성된 수소 가스를 스택(10)으로 공급하기 위한 제2 유출구(35c)를 형성하고 있다. 제3 유입구(35b)는 제5 유로 채널(35a)의 시작단에 형성된다. 그리고 제2 유출구(35c)는 제5 유로 채널(35a)의 끝단에 형성된다. 여기서 제3 유입구(35b)와 공기 공급부(70)가 제4 공급라인(84)을 통해 연결될 수 있으며, 제2 유출구(35c)와 다음에 설명하는 스택(10)의 제1 공급관(13a)이 제5 공급라인(85)을 통해 연결될 수 있다.
위와 같이 제1-5 반응부(31-35)는 각각의 몸체(31p-35p)가 일례로 사각형의 플레이트 타입으로 이루어질 수 있으나, 이에 국한되지 않고 이들이 서로 적층될 수 있는 다양한 형태로 변형될 수 있다.
도 4는 도 1에 도시한 스택의 구조를 도시한 분해 사시도이다.
도 1 및 도 4를 참고하면, 본 시스템(100)에 적용되는 스택(10)은 개질기(30)를 통해 개질된 수소 가스와 공기 공급부(70)로부터 공급되는 외부 공기의 산화/환원 반응을 유도하여 전기 에너지를 발생시키는 복수의 전기 생성부(11)를 구비한다.
각각의 전기 생성부(11)는 전기를 발생시키는 단위의 셀을 의미하며, 수소 가스와 공기 중의 산소를 산화/환원시키는 전극-전해질 합성체(Membrane Electrode assembly: MEA )(12)와, 수소 가스와 공기를 전극-전해질 합성체(12)로 공급하기 위한 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)(16)로 이루어진다.
이러한 전기 생성부(11)는 전극-전해질 합성체(12)를 중심에 두고 이의 양측에 바이폴라 플레이트(16)가 각각 배치된다. 이로서 스택(10)은 위와 같은 복수의 전기 생성부(11)가 연속적으로 배치됨으로써 구성된다. 여기서 스택(10)의 최외측에 각각 위치하는 바이폴라 플레이트(16)는 엔드 플레이트(13)라고 정의할 수 있다.
상기 전극-전해질 합성체(12)는 양측면을 이루는 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 전해질막이 개재된 통상적인 MEA(Membrane Electrode Assembly)의 구조를 가진다. 애노드 전극은 바이폴라 플레이트(16)를 통해 수소 가스를 공급받는 부분으로, 산화 반응에 의해 수소 가스를 전자와 수소 이온으로 변환시키는 촉매층과, 전자와 수소 이온의 원활한 이동을 위한 기체 확산층(Gas Diffusion Layer: GDS)으로 구성된다. 캐소드 전극은 바이폴라 플레이트(16)을 통해 공기를 공급받는 부분으로, 환원 반응에 의해 공기 중의 산소를 전자와 산소 이온으로 변환시키는 촉매층과, 전자와 산소 이온의 원활한 이동을 위한 기체 확산층으로 구성된다. 그리고 전해질막은 두께가 50∼200㎛인 고체 폴리머 전해질로서, 애노드 전극의 촉매층에서 생성된 수소 이온을 캐소드 전극의 촉매층으로 이동시키는 이온 교환의 기능을 가진다.
전술한 바 있는 바이폴라 플레이트(16)는 전극-전해질 합성체(12)의 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체의 기능을 가진다. 그리고 바이폴라 플레이트(16)는 전극-전해질 합성체(12)의 산화/환원 반응에 필요한 수소 가스와 공기를 애노드 전극과 캐소드 전극에 공급하는 통로의 기능도 가진다. 이를 위해, 바이폴라 플레이트(16)의 표면에는 전극-전해질 합성체(12)의 산화/환원 반응에 필요한 가스를 공급하는 유로 채널(17)이 형성된다.
보다 구체적으로, 상기한 바이폴라 플레이트(16)는 전극-전해질 합성체(12)를 사이에 두고 그 양측에 각각 배치되어 전극-전해질 합성체(12)의 애노드 전극 및 캐소드 전극에 밀착된다. 그리고 바이폴라 플레이트(16)는 전극-전해질 합성체(12)의 애노드 전극 및 캐소드 전극에 각각 밀착되는 밀착면에 애노드 전극으로 수소 가스를 공급하고, 캐소드 전극으로 공기를 공급하기 위한 유로 채널(17)을 형성하고 있다.
각각의 엔드 플레이트(13)는 스택(10)의 최외측에 각각 배치되어 위와 같은 바이폴라 플레이트(16)의 기능을 수행하는 플레이트로서, 전극-전해질 합성체(12)의 애노드 전극 및 캐소드 전극 중 어느 하나의 전극에 밀착된다. 그리고 전극-전해질 합성체(12)에 밀착되는 엔드 플레이트(13)의 밀착면에는 상기한 어느 하나의 전극으로 수소 가스 및 공기 중 어느 하나를 공급하기 위한 유로 채널(17)을 형성하고 있다.
또한 각각의 엔드 플레이트(13)에는 어느 하나의 유로 채널(17)에 개질기(30)로부터 생성된 수소 가스를 주입하기 위한 파이프 형상의 제1 공급관(13a)과, 다른 하나의 유로 채널(17)에 산소 가스를 주입하기 위한 파이프 형상의 제2 공급관(13b)과, 복수의 단위 셀(11)에서 최종적으로 미반응되고 남은 수소 가스를 외부로 배출시키기 위한 제1 배출관(13c)과, 상기한 단위 셀(11)에서 최종적으로 미반응되고 남은 공기를 외부로 배출시키기 위한 제2 배출관(13d)을 구비한다. 여기서 제1 공급관(13a)과 제5 반응부(35: 도 2)의 제2 유출구(35c: 도 2)가 제5 공급라인(85)을 통해 연결될 수 있다. 그리고 제2 공급관(13b)과 공기 공급부(70)가 제6 공급라인(86)을 통해 연결될 수 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 동작을 상세히 설명하면 다음과 같다.
우선, 본 시스템(100)의 초기 구동시, 연료 펌프(55)를 가동시켜 제1 탱크(51)에 저장된 액상의 연료를 제1 공급라인(81)을 통해 제1 반응부(31)의 제1 유입구(31b)에 공급한다.
이와 동시에, 공기 펌프(71)를 가동시켜 외부의 공기를 제2 공급라인(82)을 통해 제1 반응부(31)의 제1 유입구(31b)에 공급한다.
그러면 상기한 액상의 연료와 공기는 제1 반응부(31)의 제1 유로 채널(31a)을 통해 유동하면서 촉매 산화 연소 반응을 일으키게 되고, 제1 반응부(31)에서는 이와 같은 촉매 산화 반응에 의해 소정 온도의 연소열을 발생시키게 된다.
따라서, 제1 반응부(31)로부터 발생하는 연소열이 제2 반응부(32), 제3 반응부(33), 제4 반응부(34) 및 제5 반응부(35)에 전도됨에 따라 개질기(30) 전체가 예열된다.
이러는 과정을 거치는 동안, 제1 반응부(31)에서 발생하는 연소 가스를 제1 유출구(31c)를 통해 개질기(30)의 외부로 배출시킨다.
이와 같이 개질기(30)의 예열이 완료되고, 본 시스템(100)이 정상 운전 모드로 전환되면, 연료 펌프(55)를 가동시켜 제1 탱크(51)에 저장된 액상의 연료와 제2 탱크(53)에 저장된 물을 제3 공급라인(83)을 통해 제2 반응부(32)의 제2 유입구(32b)에 공급한다. 이 때 제2 반응부(32)는 제1 반응부(31)로부터 발생하는 열을 전달받아 소정 온도로 가열된 상태가 된다.
그러면 상기한 액상의 연료와 물의 혼합 연료가 제2 반응부(32)의 제2 유로 채널(32a)을 따라 흐르면서 기화된다. 그리고 상기 기화된 유체가 제2 반응부(32)의 제4 관통홀(32d), 제1 반응부(31)의 제2 관통홀(31e) 및 제3 반응부(33)의 제 5관통홀(33b)을 순차적으로 통과하여 제3 반응부(33)의 제3 유로 채널(33a)을 따라 흐르게 된다. 이에 따라 제3 반응부(33)는 수증기 개질 촉매 반응에 의해 상기한 유체로부터 수소 가스를 발생시키게 된다.
다음, 제3 반응부(33)의 제3 유로 채널(33a)을 통과한 유체는 제3 반응부(33)의 제6 관통홀(33c) 및 제4 반응부(34)의 제8 관통홀(34b)을 통해 제4 반응부(34)의 제4 유로 채널(34a)을 따라 흐르게 된다. 그러면, 제4 반응부(34)는 수성가스 전환 촉매 반응에 의해 상기한 유체로부터 추가의 수소 가스를 발생시키고, 그 수소 가스에 함유된 일산화탄소를 1차적으로 제거한다.
이어서, 제4 반응부(34)의 제4 유로 채널(34a)을 통과한 유체가 제4 반응부(34)의 제9 관통홀(34c), 제3 반응부(33)의 제7 관통홀(33d), 제1 반응부(31)의 제1 관통홀(31d) 및 제2 반응부(32)의 제3 관통홀(32c)을 통해 제5 반응부(35)의 제5 유로 채널(35a)을 따라 흐르게 된다. 이와 동시에, 공기 펌프(71)를 가동시켜 외부의 공기를 제4 공급라인(84)을 통해 제5 반응부(35)의 제3 유입구(35b)로 주입시킨다. 그러면, 제5 반응부(35)는 선택적 산화 촉매 반응에 의해 상기한 유체로부터 일산화탄소를 2차적으로 제거하고, 최종적으로 생성된 수소 가스를 제5 반응부(35)의 제2 유출구(35c)를 통해 배출시킨다.
다음, 제5 반응부(35)의 제2 유출구(35c)를 통해 배출되는 수소 가스를 제5 공급라인(85)을 통해 스택(10)의 제1 공급관(13a)에 공급한다. 이와 동시에, 공기 펌프(71)를 가동시켜 외부의 공기를 제6 공급라인(86)을 통해 스택(10)의 제2 공급관(13b)에 공급한다.
따라서 수소 가스가 스택(10)의 제1 공급관(13a)을 통해 공급되고, 외부의 공기가 제2 공급관(13b)을 통해 공급되면, 스택(10)은 다음의 반응식 1과 같은 반응에 따라 전기와 열 그리고 물을 생성하게 된다.
<반응식 1>
양극반응: H2 → 2H+ + 2e-
음극반응: O2 + 2H+ + 2e- → H2O
전체반응: H2 + O2 → H2O + 전류 + 열
반응식 1을 참고하면, 바이폴라 플레이트(16)을 통해 전극-전해질 합성체(12)의 애노드 전극으로 수소 가스가 공급되고, 캐소드 전극으로 공기가 공급된다. 상기한 수소 가스가 애노드 전극으로 흐르게 되면 촉매층에서 수소가 전자와 프로톤(수소이온)으로 분해된다. 프로톤이 전해질막을 통하여 이동되면 역시 촉매의 도움으로 캐소드 전극에서 전자와 산소이온 그리고 이동된 프로톤이 합쳐져서 물을 생성한다. 여기서 애노드 전극에서 생성된 전자는 전해질막을 통하여 이동되지 못하고 외부 회로를 통하여 캐소드 전극으로 이동된다. 이러한 과정을 거치면서 전기와 물을 생성하게 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, 수소 가스를 생성하고 일산화탄소를 제거하기 위한 열원부, 기화부 및 반응부가 서로 적층되고 촉매 반응에 필요한 유체의 흐름이 관통홀을 통해 이루어지는 간단한 구조를 가지므로, 전체적인 시스템을 컴팩트하게 구현할 수 있으며, 제조 공정의 단순화에 의해 생산성이 더욱 향상된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 도시한 개략도이다.
도 2는 도 1에 도시한 개질기 구조를 나타내 보인 분해 사시도이다.
도 3은 도 2의 결합 사시도이다.
도 4는 도 1에 도시한 스택 구조를 도시한 분해 사시도이다.

Claims (16)

  1. 수소를 함유한 액상의 연료와 공기를 연소시켜 열을 발생시키고, 상기한 열에 의해 액상의 연료와 물의 혼합연료를 증발시킴으로써 상기 혼합 연료로부터 수소 가스를 생성하고 일산화탄소를 제거하는 다수의 반응부들이 순차적으로 적층된 연료 전지 시스템의 개질기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 각각의 반응부는 상기한 유체의 흐름을 가능하게 하는 유로 채널과 관통홀을 포함하는 연료 전지 시스템의 개질기.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기한 각각의 반응부는:
    수소를 함유한 액상의 연료와 공기를 연소시켜 열을 발생시키는 제1 반응부;
    상기 제1 반응부에 의해 발생되는 열에 의해 액상의 연료와 물의 혼합연료를 증발시키는 제2 반응부;
    상기 제2 반응부에서 증발된 유체로부터 수소 가스를 생성하는 제3 반응부;
    상기 제3 반응부에서 발생하는 유체로부터 수소 가스를 추가 생성하고, 일산화탄소를 1차적으로 제거하는 제4 반응부; 및
    상기 제4 반응부에 의해 생성된 수소 가스로부터 일산화탄소를 2차적으로 제거하는 제5 반응부를 포함하는 연료 전지 시스템의 개질기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제1 반응부를 중심에 두고 그 상측에 제3,4 반응부, 하측에 제2 및 제 5 반응부가 순차적으로 적층되는 연료 전지 시스템의 개질기.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제4 반응부와 결합하는 커버를 구비하는 연료 전지 시스템의 개질기.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 제1 반응부는:
    플레이트 타입으로 이루어지는 제1 몸체;
    시작단과 끝단을 가지면서 상기 제1 몸체의 상면에 형성되는 제1 유로 채널;
    상기 제1 유로 채널의 시작단에 연결되는 유입구;
    상기 제1 유로 채널의 끝단에 연결되는 유출구; 및
    상기 유출구 측에 형성된 제1 관통홀 및 제2 관통홀을 포함하는 연료 전지 시스템의 개질기.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제2 반응부는:
    플레이트 타입으로 이루어지는 제2 몸체;
    시작단과 끝단을 가지면서 상기 제2 몸체의 상면에 형성되는 제2 유로 채널;
    상기 제2유로 채널의 시작단에 연결되는 유입구;
    상기 제1 관통홀에 연통하는 제 3관통홀; 및
    상기 제 2관통홀에 연통하며 상기 제2 유로 채널의 끝단에 연결되는 제 4관통홀을 포함하는 연료 전지 시스템의 개질기.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 제3 반응부는:
    플레이트 타입으로 이루어지는 제3 몸체;
    시작단과 끝단을 가지면서 상기 제3 몸체의 상면에 형성되는 제3 유로 채널;
    상기 제3 유로 채널의 시작단에 연결되며 상기 제 2관통홀에 연통하는 제 5관통홀;
    상기 제3 유로 채널의 끝단에 연결되는 제 6관통홀; 및
    상기 제 1관통홀에 연통하는 제 7관통홀을 포함하는 연료 전지 시스템의 개질기.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제4 반응부는:
    플레이트 타입으로 이루어지는 제4 몸체;
    시작단과 끝단을 가지면서 상기 제4 몸체의 상면에 형성되는 제4 유로 채널;
    상기 제4 유로 채널의 시작단에 연결되며 상기 제 6관통홀에 연통하는 제 8관통홀; 및
    상기 제4 유로 채널의 끝단에 연결되며 상기 제 7관통홀에 연통하는 제 9관통홀을 포함하는 연료 전지 시스템의 개질기.
  10. 제 3 항에 있어서,
    상기 제5 반응부는:
    플레이트 타입으로 이루어지는 제5 몸체;
    시작단과 끝단을 가지면서 상기 제5 몸체의 상면에 형성되는 제5 유로 채널;
    상기 제5 유로 채널의 시작단에 연결되는 유입구; 및
    상기 제5 유로 채널의 끝단에 연결되는 유출구를 포함하는 연료 전지 시스템의 개질기.
  11. 수소를 함유한 액상의 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키는 개질기;
    상기 개질기로부터 생성된 수소 가스와 외부 공기의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 복수의 전기 생성부를 구비한 스택;
    액상의 연료와 물을 상기 개질기로 공급하는 연료 공급부; 및
    외부 공기를 상기 개질기 및 스택으로 공급하는 공기 공급부
    를 포함하고,
    상기 개질기는 액상의 연료와 공기를 연소시켜 열을 발생시키고 상기한 열에 의해 액상의 연료와 물의 혼합 연료를 증발시킴으로써, 상기 혼합 연료로부터 수소 가스를 생성하고 일산화탄소를 제거하는 다수의 반응부들이 순차적으로 적층되는 연료 전지 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 각각의 반응부는 플레이트 타입으로 이루어진 몸체를 구비하며, 상기한 몸체가 열전도성을 가진 알루미늄, 구리, 철로 이루어지는 군에서 선택되는 재질로 형성되는 연료 전지 시스템.
  13. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    상기한 각각의 반응부는:
    수소를 함유한 액상의 연료와 공기를 연소시켜 열을 발생시키는 제1 반응부;
    상기 제1 반응부에 의해 발생되는 열에 의해 액상의 연료와 물의 혼합연료를 증발시키는 제2 반응부;
    상기 제2 반응부에서 증발된 유체로부터 수소 가스를 생성하는 제3 반응부;
    상기 제3 반응부에서 발생하는 유체로부터 수소 가스를 추가 생성하고, 일산화탄소를 1차적으로 제거하는 제4 반응부; 및
    상기 제4 반응부에 의해 생성된 수소 가스로부터 일산화탄소를 2차적으로 제거하는 제5 반응부를 포함하는 연료 전지 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제1 반응부를 중심에 두고 그 상측에 제3,4 반응부, 하측에 제2 및 제 5 반응부가 순차적으로 적층되는 연료 전지 시스템.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 제4 반응부와 결합하는 커버를 구비하는 연료 전지 시스템.
  16. 제 11 항에 있어서,
    상기 연료 전지 시스템이, 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrance Fuel Cell: PEMFC) 방식으로 이루어지는 연료 전지 시스템.
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JP2005059418A JP2005251750A (ja) 2004-03-03 2005-03-03 燃料電池用改質器およびこれを含む燃料電池システム
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100764404B1 (ko) * 2005-12-29 2007-10-05 삼성전기주식회사 마이크로 연료전지용 세라믹 다층 기판 개질 기 및 그제조방법
US8318363B2 (en) 2004-06-29 2012-11-27 Samsung Sdi Co., Ltd. Reformer for fuel cell system and fuel cell system comprising the same

Families Citing this family (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4331539B2 (ja) * 2003-07-31 2009-09-16 株式会社フジキン チャンバへのガス供給装置及びこれを用いたチャンバの内圧制御方法
KR20060080385A (ko) * 2005-01-05 2006-07-10 삼성에스디아이 주식회사 연료 전지 시스템, 개질기, 반응 기판 및 그 반응 기판의제조 방법
JP4341587B2 (ja) * 2005-06-09 2009-10-07 カシオ計算機株式会社 反応装置
DE102006011496A1 (de) * 2006-03-14 2007-09-20 Bayer Technology Services Gmbh Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Chlor durch Gasphasenoxidation in einem gekühlten Wandreaktor
JP4809117B2 (ja) * 2006-04-28 2011-11-09 株式会社豊田中央研究所 熱交換型改質器及び改質装置
JP4809113B2 (ja) * 2006-04-24 2011-11-09 株式会社豊田中央研究所 熱交換型改質器
US20090064579A1 (en) * 2006-04-24 2009-03-12 Tokyota Jidosha Kabushiki Kaisha Heat exchange reformer unit and reformer system
KR100810965B1 (ko) * 2006-05-29 2008-03-10 주식회사 엘지화학 다단계 반응용 마이크로 채널 반응 장치
KR100898855B1 (ko) * 2006-07-21 2009-05-21 주식회사 엘지화학 열교환기를 포함한 마이크로 채널 개질 반응기
US10093538B2 (en) 2012-11-19 2018-10-09 Intelligent Energy Inc. Heater assembly, hydrogen generator and method of providing hydrogen gas
US9243560B2 (en) * 2012-11-19 2016-01-26 Intelligent Energy Inc. Hydrogen generator having a thermal actuator

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5811062A (en) * 1994-07-29 1998-09-22 Battelle Memorial Institute Microcomponent chemical process sheet architecture
JP3129670B2 (ja) * 1997-02-28 2001-01-31 三菱電機株式会社 燃料改質装置
EP1094031A4 (en) * 1999-04-20 2005-02-02 Tokyo Gas Co Ltd MONOTUBE CYLINDRICAL REFORMER AND METHOD FOR OPERATING THE SAME
OA12158A (en) * 2000-01-11 2006-05-08 Accentus Plc Catalytic reactor.
US20020071797A1 (en) * 2000-10-06 2002-06-13 Loffler Daniel G. Catalytic separator plate reactor and method of catalytic reforming of fuel to hydrogen
US20020131919A1 (en) * 2001-03-15 2002-09-19 Debellis Crispin L. Modular fuel processing system for plate reforming type units
JP2003089502A (ja) * 2001-09-12 2003-03-28 Suzuki Motor Corp メタノール改質装置
US7220699B2 (en) * 2003-03-31 2007-05-22 Intelligent Energy, Inc. Catalyst incorporation in a microreactor

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8318363B2 (en) 2004-06-29 2012-11-27 Samsung Sdi Co., Ltd. Reformer for fuel cell system and fuel cell system comprising the same
KR100764404B1 (ko) * 2005-12-29 2007-10-05 삼성전기주식회사 마이크로 연료전지용 세라믹 다층 기판 개질 기 및 그제조방법

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