KR20050095954A

KR20050095954A - 연료 전지 시스템

Info

Publication number: KR20050095954A
Application number: KR1020040021174A
Authority: KR
Inventors: 이동훈
Original assignee: 삼성에스디아이 주식회사
Priority date: 2004-03-29
Filing date: 2004-03-29
Publication date: 2005-10-05
Also published as: KR100536204B1

Abstract

본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 생성부; 및 상기 전기 생성부로 수소와 산소를 공급하는 각각의 공급경로들 중 적어도 어느 하나의 공급경로 상에 설치되는 연료 예열장치를 포함하며, 상기 연료 예열장치가, 상기 공급 경로를 따라 유동하는 유체를 가열하는 히터와, 상기 유체의 온도 변화에 따라 저항값이 가변하는 가변 저항부와, 상기 히터와 가변 저항부를 직렬로 연결하여 이들과 함께 폐회로를 이루는 전원 공급부를 포함한다.

Description

연료 전지 시스템 {FUEL CELL SYSTEM}

본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료 전지에 사용되는 연료의 예열장치에 관한 것이다.

알려진 바와 같이, 연료 전지(Fuel Cell)는 메탄올과 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와, 산소 또는 산소를 포함한 공기의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다.

이 연료 전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라, 인산형 연료전지, 용융탄산염형 연료전지, 고체 산화물형 연료전지, 고분자 전해질형 또는 알칼리형 연료전지 등으로 분류된다. 이들 각각의 연료전지는 근본적으로 같은 원리에 의해 작동되지만 사용되는 연료의 종류, 운전 온도, 촉매, 및 전해질 등이 서로 다르다.

이들 중 근래에 개발되고 있는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell : PEMFC, 이하 편의상 PEMFC라 한다)는 다른 연료 전지에 비하여 출력 특성이 탁월하며 작동 온도가 낮고 아울러 빠른 시동 및 응답 특성을 가지며, 메탄올 또는 에탄올 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 가진다.

상기와 같은 PEMFC는 기본적으로 시스템을 구성하기 위해 스택(stack), 개질기(Reformer), 연료 탱크, 및 연료 펌프 등을 구비한다. 스택은 연료 전지의 본체를 형성하며, 연료 펌프는 연료 탱크 내의 연료를 개질기로 공급한다. 개질기는 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키고 그 수소 가스를 스택으로 공급한다. 따라서, 이 PEMFC는 연료 펌프의 작동으로 연료 탱크 내의 연료를 개질기로 공급하고, 이 개질기에서 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키며, 스택에서 이 수소 가스와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시킨다.

한편, 연료 전지는 수소를 함유한 액상의 연료를 직접 스택에 공급하여 전기를 발생시키는 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell : DMFC, 이하 편의상 DMFC라 한다) 방식을 채택하며, 이 방식에서는 PEMFC와 달리 개질기를 배제할 수 있다.

이와 같은 구조를 갖는 연료 전지 시스템은 연료 전지의 성능 및 열 효율을 향상시키기 위해 연료 전지로 공급하는 연료 즉, 광의(廣義)의 연료서 수소 및 산소를 포함하는 연료를 연료 전지에서 요구하는 최적의 작동 온도, 대략 60∼80℃로 예열할 필요가 있다.

이를 위해 종래의 연료 전지 시스템은 연료 전지로 공급되는 연료를 예열시키기 위한 연료 예열장치를 구비하고 있다. 이러한 연료 예열장치는 연료 전지로 연료가 공급되는 공급경로 상에 히터와 온도 센서를 설치하고, 이들을 제어하는 컨트롤러를 포함하고 있다. 따라서 온도 센서를 통해 상기 공급경로를 따라 유동하는 연료의 온도를 감지하고, 컨트롤러가 온도 센서에 의해 감지된 신호를 처리하여 히터의 구동을 제어함으로써 상기 연료를 연료 전지의 구동에 필요한 온도로 예열하게 된다.

그런데 종래의 연료 전지 시스템는 상기 연료 예열장치가 온도 센서에 의해 감지된 신호를 처리하여 히터를 제어하는 컨트롤러를 구비하여야 함에 따라, 전체적인 시스템의 구조와 제어 프로세스가 복잡해지고, 시스템의 부품 수가 증가하여 제조 단가가 상승하게 되는 문제점이 있다.

본 발명은 상술한 문제점을 감안한 것으로서, 그 목적은 간단한 구조로서 연료 예열을 구현할 수 있는 연료 전지 시스템을 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 생성부; 및 상기 전기 생성부로 수소와 산소를 공급하는 각각의 공급경로들 중 적어도 어느 하나의 공급경로 상에 설치되는 연료 예열장치를 포함하며, 상기 연료 예열장치가, 상기 공급 경로를 따라 유동하는 유체를 가열하는 히터와, 상기 유체의 온도 변화에 따라 저항값이 가변하는 가변 저항부와, 상기 히터와 가변 저항부를 직렬로 연결하여 이들과 함께 폐회로를 이루는 전원 공급부를 포함한다.

이 경우 상기 공급경로가 수소 또는 산소를 통과시키는 관로이고, 상기 히터를 관로의 외주면에 접촉되도록 설치할 수 있다. 대안으로서 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은 상기 히터를 관로의 내부에 설치할 수도 있다.

그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 히터가 열선을 포함하며, 상기 관로의 내부에 가변 저항부를 설치하는 것이 바람직하다. 이 때 상기 가변 저항부는 상기 유체의 기설정된 온도에 상응하는 저항값을 가지면서 그 저항값이 상기 기설정된 온도의 변화에 따라 변화하는 써미스터(thermister)를 포함할 수 있다. 또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 관로의 내부에 필터를 설치할 수 있고, 상기 필터에 가변 저항부를 내장시킬 수도 있다.

아울러 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 생성부; 수소를 함유한 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키고, 이 수소 가스를 상기 전기 생성부로 공급하는 개질기; 상기 연료를 개질기로 공급하는 연료 공급원; 공기를 상기 전기 생성부로 공급하는 공기 공급원; 및 상기 개질기와 전기 생성부를 연결하는 수소 가스 공급경로, 및 상기 공기 공급원과 전기 생성부를 연결하는 공기 공급경로들 중 적어도 어느 하나의 공급경로 상에 설치되는 연료 예열장치를 포함하며, 상기 연료 예열장치가, 상기 공급 경로를 따라 유동하는 유체를 가열하는 히터와, 상기 유체의 온도 변화에 따라 저항값이 가변하는 가변 저항부와, 상기 히터와 가변 저항부를 직렬로 연결하여 이들과 함께 폐회로를 이루는 전원 공급부를 포함한다.

그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 연료 공급원과 개질기가 제1 관로에 의해 연결되고, 상기 개질기와 전기 생성부가 제2 관로에 의해 연결되고, 상기 공기 공급원과 전기 생성부가 제3 관로에 의해 연결될 수 있다.

이 경우 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 히터를 제2 관로 및 제3 관로 중 적어도 어느 한 관로의 외주면에 접촉되도록 설치할 수 있으며, 상기 히터를 제2 관로 및 제3 관로 중 적어도 어느 한 관로의 내부에 설치할 수도 있다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 가변 저항부가 제2 관로 및 제3 관로 중 적어도 어느 한 관로의 내부에 위치하도록 구성할 수 있으며, 상기 가변 저항부는 상기 유체의 기설정된 온도에 상응하는 저항값을 가지면서 그 저항값이 상기 기설정된 온도의 변화에 따라 변화하는 써미스터(thermister)를 포함할 수 있다.

그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 연료 공급원은 상기 연료를 저장하는 연료 탱크와, 상기 연료 탱크에 연결 설치되는 연료 펌프를 포함할 수 있으며, 상기 공기 공급원은 공기를 흡입하는 공기 펌프를 포함할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 연료 공급원과 개질기를 연결하는 연료 공급경로 상에 상기 연료 예열장치를 설치할 수도 있다.

그리고 상기와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템은, 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrance Fuel Cell: PEMFC) 또는 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC) 방식을 모두 채용할 수 있다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어 전기를 생성하기 위한 연료라 함은 메탄올, 에탄올과 같이 수소를 함유한 협의(狹義)의 연료 이 외에, 광의(廣義)의 연료로서 물 및 산소가 더욱 포함된다. 그러나 이하에서 설명하는 연료는 상기 협의의 연료로서 편의상 액상의 연료라 정의한다. 그리고 본 시스템은 상기 연료에 함유된 수소와 반응하는 산소로서 별도의 저장수단에 저장된 순수한 산소 가스를 사용할 수 있으며, 산소를 함유한 공기를 그대로 사용할 수도 있다. 그러나 이하에서는 산소로서 공기를 사용하는 후자의 예를 설명한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 도시한 개략도이다.

도 1을 참고하면, 본 시스템(100)은 기본적으로 상기 액상의 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키는 개질기(10)와, 개질기(10)에 의해 생성된 수소 가스와 공기 중에 함유된 산소의 화학 반응 에너지를 전기 에너지로 변환시켜 전기를 생산 해 내는 스택(20)과, 상기 액상의 연료를 개질기(10)로 공급하는 연료 공급원(30)과, 공기를 스택(20)으로 공급하는 공기 공급원(40)를 포함하여 구성된다.

이와 같이 본 시스템(100)은 개질기(10)를 통해 상기 액상의 연료로부터 수소 가스를 발생시키고, 이 수소 가스를 스택(20)으로 공급하여 공기와 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrode Membrane Fuel Cell; PEMFC) 방식을 채용한다.

대안으로서, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)은 상기 액상의 연료를 직접 스택(20)으로 공급하여 전기를 생산해 낼 수 있는 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC) 방식을 채용할 수도 있다. 이러한 직접 메탄올형 연료 방식의 연료 전지는 위와 같은 고분자 전해질형 연료 전지와 달리, 도 1에 도시한 개질기(10)가 배제된 구조를 가진다. 그러나, 이하에서는 고분자 전해질형 연료 전지 방식을 채용한 연료 전지 시스템(100)을 예로 들어 설명할 뿐, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

전술한 바 있는 개질기(10)는 통상적으로 화학 촉매 반응을 통해 액상의 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질부와, 그 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 일산화탄소 저감부를 포함한다. 개질부는 예컨대, 수증기 개질, 부분산화 또는 자열 반응 등의 촉매 반응을 통해 액상의 연료로부터 수소 가스를 발생시킨다. 그리고 일산화탄소 저감부는 예컨대, 수성가스 전환 방법, 선택적 산화 방법 등과 같은 촉매 반응 또는 분리막을 이용한 수소의 정제 등과 같은 방법으로 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시킨다.

그리고 상기 연료 공급원(30)은 액상의 연료를 저장하는 연료 탱크(31)와, 연료 탱크(31)에 연결 설치되는 연료 펌프(33)를 포함한다. 이 때 연료 탱크(31)와 개질기(10)는 제1 관로(81)에 의해 연결될 수 있다. 그리고 공기 공급원(40)은 소정의 펌핑력으로 공기를 흡입하는 공기 펌프(41)를 구비한다. 이 때 상기 공기 펌프(41)와 스택(20)은 제3 관로(83)에 의해 연결 설치될 수 있다.

도 2는 도 1에 도시한 스택 구조를 나타내 보인 분해 사시도이다.

도 1 및 도 2를 참고하면, 본 시스템(100)에 적용되는 스택(20)은 개질기(10)에 의해 개질된 수소 가스와 공기 중에 함유된 산소의 산화/환원 반응을 통하여 전기 에너지를 발생시키는 복수의 전기 생성부(21)가 적층된 구조를 갖는다.

부연 설명하면, 각각의 전기 생성부(21)는 전극-전해질 합성체(22)를 중심에 두고 이의 양면에 세퍼레이터(26)를 배치하여 전기를 발생시키는 최소 단위의 셀을 형성하고, 이 단위 셀이 복수로 구비되어 본 실시예와 같은 적층 구조의 스택(20)을 형성한다. 그리고 스택(20)의 최 외곽에는 상기한 복수의 전기 생성부(21)를 밀착시키는 별도의 가압 플레이트(23)를 설치할 수도 있다. 그러나 본 발명에 의한 스택(20)은 상기한 가압 플레이트(23)를 배제하고, 복수의 전기 생성부(21)의 최 외곽에 위치하는 세퍼레이터(26)가 상기 가압 플레이트의 역할을 대신하도록 구성할 수도 있다. 또한 가압 플레이트(23)가 복수의 전기 생성부(21)를 밀착시키는 기능 외에, 세퍼레이터(26)의 고유한 기능을 갖도록 구성할 수도 있다.

전극-전해질 합성체(22)는 양면에 애노드 전극과 캐소드 전극을 구비하고, 두 전극 사이에 전해질막을 구비하는 구조로 이루어져 있다. 애노드 전극은 수소 가스를 산화 반응시켜, 변환된 전자를 외부로 인출하여 이 전자의 흐름으로 전류를 발생시키고, 수소 이온을 전해질막을 통하여 캐소드 전극으로 이동시킨다. 캐소드 전극은 상기한 수소 이온, 전자 및 산소를 환원 반응시켜 물로 변환시킨다. 그리고 전해질막은 애노드 전극에서 생성된 수소 이온을 캐소드 전극으로 이동시키는 이온 교환을 가능하게 한다.

세퍼레이터(26)는 전극-전해질 합성체(22)의 산화/환원 반응에 필요한 수소 가스와 공기를 애노드 전극과 캐소드 전극으로 공급하는 통로의 기능을 가지며, 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체의 기능도 가진다. 보다 구체적으로, 세퍼레이터(26)는 전극-전해질 합성체(22)의 애노드 전극에 밀착되는 면에 애노드 전극으로 수소 가스를 공급하기 위한 수소 통로를 형성하고, 전극-전해질 합성체(22)의 캐소드 전극에 밀착되는 면에 캐소드 전극으로 공기를 공급하기 위한 공기 통로를 형성하는 유로 채널(27)을 구비하고 있다.

한편, 가압 플레이트(23)에는 수소 가스를 세퍼레이터(26)의 수소 통로로 공급하기 위한 제1 주입부(23a)와, 공기를 세퍼레이터(26)의 공기 통로로 공급하기 위한 제2 주입부(23b)와, 전극-전해질 합성체(22)의 애노드 전극에서 반응하고 남은 수소 가스를 배출시키기 위한 제1 배출부(23c)와, 전극-전해질 합성체(22)의 캐소드 전극에서 수소와 산소의 결합 반응에 의해 생성된 수분과 수소와 반응하고 남은 공기를 배출시키기 위한 제2 배출부(23d)를 형성하고 있다. 여기서 제1 주입부(23a)는 제2 관로(82)에 의해 개질기(10)와 연결 설치될 수 있다. 그리고 제2 주입부(23b)는 전술한 바 있는 제3 관로(83)에 의해 공기 펌프(41)와 연결될 수 있다.

상기와 같은 구조를 갖는 연료 전지 시스템(100)의 작용시, 시스템의 성능과 열 효율을 향상시키기 위해 전기 생성부(21)로 공급되는 수소 가스와 공기를 전기 생성부(21)의 최적의 작동 성능에 요구되는 온도 예컨대, 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrode Membrane Fuel Cell; PEMFC) 방식의 전기 생성부(21)에 요구되는 60∼80℃의 온도 범위로 예열할 필요가 있다.

이에 본 시스템(100)은 제2 관로(82)를 통해 전기 생성부(21)로 공급되는 수소 가스와, 제3 관로(83)를 통해 전기 생성부(21)로 공급되는 공기를 예열하기 위해 제2 및 제2 관로(82, 83) 상에 설치되는 연료 예열장치(50)를 구비하고 있다.

도 3은 도 1에 도시한 연료 예열장치를 개략적으로 나타내 보인 사시도이고, 도 4는 도 3의 단면 구성도이다.

도 3 및 도 4를 참고하면, 본 발명에 의한 상기 연료 예열장치(50)는 위와 같이 제2 관로(82) 및 제3 관로(83)에 각각 설치될 수 있고, 상기 관로(82, 83)들 중 어느 하나의 관로에 설치될 수도 있다. 그러나 이하에서는 제2 관로(82) 및 제3 관로(83) 각각에 상기 연료 예열장치(50)를 설치하는 예를 설명한다. 그리고 이하에서 설명하는 상기 각각의 제2 관로(82) 및 제3 관로(83)는 편의상 관로(85)라고 정의한다.

본 실시예에 따른 상기 연료 예열장치(50)는, 관로(85)를 따라 유동하는 수소 가스와 공기를 실질적으로 가열하는 히터(51)와, 수소 가스와 공기의 온도 변화에 따라 저항값이 가변하는 가변 저항부(53)와, 히터(51)와 가변 저항부(53)를 직렬로 연결하여 이들과 함께 폐회로를 이루는 전원 공급부(55)를 포함하고 있다.

상기 히터(51)는 전원 공급부(55)로부터 기설정된 전압을 인가받아 상기 수소 가스와 공기로 기설정된 온도 범위의 열을 발산시킬 수 있는 열선(52)을 구비한다. 바람직하게, 상기 열선(52)은 관로(85)의 외주면을 감싸도록 설치되며, 전원 공급부(55)와 전기적으로 연결된다.

상기 가변 저항부(53)는 히터(51)와 직렬로 연결되고 전원 공급부(55)와 폐회로를 이루도록 관로(85)의 내부 영역에 설치된다. 바람직하게, 가변 저항부(53)는 히터(51)로부터 발생하는 열이 관로(85)를 따라 유동하는 수소 가스와 공기에 충분하게 전달될 수 있는 관로(85)의 내부 영역 즉, 스택(20: 도 2)의 제1 및 제2 주입부(23a, 23b: 도 2) 각각에 근접하는 관로(85)의 내부 영역에 배치된다.

이러한 가변 저항부(53)는 미소한 온도 변화에도 전기 저항값이 급격하게 변하는 통상적인 써미스터(thermister)(54)를 포함한다. 상기 써미스터(54)는 수소 가스와 공기의 기설정된 온도 예컨대, 60∼80℃ 범위의 온도에 상응하는 기설정된 저항값(R)을 가지면서 그 저항값(R)이 상기 수소 가스와 공기의 기설정된 온도의 변화에 따라 증가 또는 감소하는 특징을 갖는다. 따라서 상기 써미스터(54)는 수소 가스 및 공기와 직접적으로 접촉하면서 그 수소 가스와 공기로부터 열을 전달받게 되는 바, 상기 수소 가스와 공기의 온도가 기설정된 온도 범위를 초과하게 되면, 상기한 열에 의해 원자들의 열적 진동이 활발해지고 이러한 원자와 전자의 충돌이 활발해져 전자가 일정한 방향으로 흐리지 못하게 됨으로써 저항값이 증가하게 된다. 반대로 수소 가스와 공기의 온도가 기설정된 온도 범위 미만으로 하강하게 되면, 원자들의 열적 진동 및 원자와 전자의 충돌이 감소하게 됨으로서 결과적으로는 저항값이 감소하게 된다. 부연 설명하면, 본 실시예에 따른 가변 저항부(53)는 관로(85)를 따라 유동하는 수소 가스와 공기가 히터(51)와의 열 교환에 의해 기설정된 온도 범위를 초과하는 경우, 그 온도 상승분의 발열에 의해 상기 기설정된 저항값(R) 보다 큰 저항값(R1)을 가지게 되고, 반대로 상기 수소 가스와 공기의 온도가 기설정된 온도 범위 미만으로 하강하는 경우, 상기 기설정된 저항값(R) 보다 작은 저항값(R2)을 갖는다.

상기 전원 공급부(55)는 히터(51)와 가변 저항부(53)를 직렬로 연결하여 이들과 함께 폐회로를 이루고, 상기 폐회로에 기설정된 전압을 인가할 수 있는 구조를 갖는다. 여기서 상기 기설정된 전압이란 히터(51)의 허용 작동 전압을 초과하지 않는 범위 내에서 관로(85)를 따라 유동하는 수소 가스와 공기의 유량에 따라 가변적으로 설정될 수 있는 전압을 의미한다.

이러한 전원 공급부(55)는 히터(51)와 가변 저항부(53)에 직렬로 연결되므로, 히터(51)에 의해 수소 가스와 공기의 온도가 기설정된 온도 범위를 초과하게 되면, 가변 저항부(53)의 저항값(R1)이 기설정된 저항값(R) 보다 증가하게 되어 기설정된 전압 보다 상대적으로 작은 전압을 폐회로에 인가한다. 반대로 수소 가스와 공기의 온도가 기설정된 온도 범위 미만으로 하강하게 되면, 가변 저항부(53)의 저항값(R2)이 기설정된 저항값(R) 보다 감소하게 되므로, 기설정된 전압 내에서 상대적으로 높은 전압을 폐회로에 인가한다.

도 5는 본 발명의 실시예에 대한 연료 예열장치의 제1 변형예를 도시한 개략도이고, 도 6은 본 발명의 실시예에 대한 연료 예열장치의 제2 변형예를 도시한 개략도이다.

도 5를 참고하면, 본 실시예에 대한 제1 변형예로서, 열선(52)을 포함하는 히터(51)가 관로(85)의 내부 즉, 그 관로(85)의 내주면에 설치되는 연료 예열장치(50)를 구성할 수 있다.

도 6을 참고하면, 본 실시예에 대한 제2 변형예로서, 스택(20: 도 2)의 제1 및 제2 주입부(23a, 23b: 도 2)에 근접하는 관로(85)의 내부 영역에 필터(56)를 설치하고, 상기한 필터(56)에 가변 저항부(53)를 내장시키는 연료 예열장치(50)를 구성할 수도 있다. 따라서 상기 관로(85)를 통과하는 수소 가스와 공기 중에 함유된 이물질 등을 필터(56)를 통해 필터링시킬 수 있다.

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

우선, 연료 펌프(33)를 가동시켜 연료 탱크(31)에 저장된 액상의 연료를 제1 관로(81)를 통해 개질기(10)로 공급한다. 그러면 개질기(10)는 일례로, 열 에너지에 의한 수증기 개질(Steam Reformer: SR) 촉매 반응을 통해 상기한 연료로부터 수소 가스를 발생시키고, 수성가스 전환(Water-Gas Shift Reaction: WGS) 촉매 반응 또는 선택적 산화(Preferential CO Oxidation: PROX) 촉매 반응 등을 통해 상기한 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시킨다.

이러는 과정을 거치는 동안, 연료 예열장치(50)의 전원 공급부(55)를 제어하여 히터(51)에 기설정된 전압을 인가한다. 그러면 히터(51)는 제2 관로(82)를 가열하게 된다.

이어서, 상기와 같이 일산화탄소의 농도가 저감된 수소 가스를 제2 관로(82)를 통해 스택(20)으로 공급하는데, 이 때 제2 관로(82)를 통과하는 수소 가스는 히터(51)로부터 제2 관로(82)로 전달된 열에 의해 소정 온도로 가열된 상태가 된다. 그리고 상기 가열된 수소 가스는 히터(51)로부터 전달받은 열을 가변 저항부(53)로 전달하게 된다. 이 때 상기 가변 저항부(53)는 그 자체가 기설정된 전기 저항값(R)을 가지면서 수소 가스의 기설정된 온도의 변화에 따라 상기 기설정된 전기 저항값(R)이 증가 또는 감소하게 된다.

만약, 제2 관로(82)를 따라 유동하는 수소 가스가 히터(51)에 의해 기설정된 온도 범위 이상으로 가열된 경우, 가변 저항부(53)는 기설정된 저항값(R) 보다 큰 저항값(R1)을 갖게 된다. 따라서 히터(51)와 가변 저항부(53) 및 전원 공급부(55)가 직렬로 연결된 폐회로를 이루기 때문에, 전원 공급부(55)는 기설정된 전압 보다 상대적으로 낮은 전압을 히터(51)에 인가하게 된다. 그러면 히터(51)의 발열량이 감소하게 되어 개질기(10)로부터 제2 관로(82)를 통해 공급되는 수소 가스의 온도를 기설정된 온도 범위로 조절할 수 있게 된다. 이 후 상기한 수소 가스는 스택(20)의 제1 주입부(23a)로 공급된다.

한편, 제2 관로(82)를 따라 유동하는 수소 가스가 히터(51)에 의해 기설정된 온도 범위 미만으로 가열된 경우, 가변 저항부(53)는 기설정된 저항값(R) 보다 작은 저항값(R2)을 갖게 된다. 따라서 히터(51)와 가변 저항부(53) 및 전원 공급부(55)가 직렬로 연결된 폐회로를 이루기 때문에, 전원 공급부(55)는 기설정된 전압의 범위 내에서 상대적으로 높은 전압을 히터(51)에 인가하게 된다. 이로써 히터(51)의 발열량이 증가하게 되어 개질기(10)로부터 제2 관로(82)를 통해 공급되는 수소 가스의 온도를 기설정된 온도 범위로 조절할 수 있게 된다. 이 후 상기한 수소 가스는 스택(20)의 제2 주입부(23b)로 공급된다.

이러한 상태에서 상기 수소 가스는 세퍼레이터(26)의 수소 통로를 통해 전극-전해질 합성체(22)의 애노드 전극으로 공급된다.

이와 동시에, 공기 펌프(41)를 가동시켜 공기를 제3 관로(83)를 통해 스택(20)으로 공급하는데, 이 때 제3 관로(83)를 통과하는 공기는 히터(51)로부터 발생하는 열에 의해 가열된 상태가 되고, 전술한 바와 같은 연료 예열장치(50)의 동일한 작용에 의해 제3 관로(83)를 통해 공급되는 공기를 기설정된 온도 범위로 조절하여 스택(20)의 제2 주입부(23b)로 공급하게 된다.

이러한 상태에서, 공기는 세퍼레이터(26)의 공기 통로를 통해 전극-전해질 합성체(22)의 캐소드 전극으로 공급된다.

따라서 애노드 전극에서는 산화 반응을 통해 수소 가스를 전자와 프로톤(수소이온)으로 분해한다. 그리고 프로톤이 전해질막을 통하여 캐소드 전극으로 이동되고, 전자는 전해질막을 통하여 이동되지 못하고 세퍼레이터(16)를 통해 이웃하는 전극-전해질 합성체(22)의 캐소드 전극으로 이동되는데 이 때 전자의 흐름으로 전류를 발생시킨다. 또한 캐소드 전극에서는 상기 이동된 프로톤 및 전자와 산소의 환원 반응을 통해 수분을 생성하게 된다.

도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 도시한 개략도이다. 도 1에서 설명된 부호와 동일한 구성요소는 동일한 기능을 가진 동일부재이다.

도 7을 참고하면, 본 실시예에 의한 연료 전지 시스템(200)은 전기 제1 실시예의 구조를 기본으로 하면서, 연료 공급원(30)과 개질기(10)를 연결하는 제1 관로(81)에 연료 예열장치(50)를 설치한다. 이 때 본 실시예에 따른 연료 예열장치(50)는 제1 관로(81)를 통해 연료 공급원(30)으로부터 개질기(10)로 공급되는 액상의 연료를 예열시킨다.

상기 연료 예열장치(50) 및 나머지 구성요소는 전기 제1 실시예와 동일한 구조를 가지므로 자세한 설명은 생략한다.

본 실시예에 의하면, 연료 공급원(30)으로부터 개질기(10)로 공급되는 액상의 연료를 예열할 수 있는 연료 예열장치(50)를 더욱 구비함에 따라, 시스템의 초기 구동시 개질기(10)를 예열하는데 소모되는 에너지를 줄일 수 있다.

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.

상술한 바와 같은 본 발명의 연료 전지 시스템에 의하면, 연료의 온도에 따라 전기 저항값이 가변하는 가변 저항을 히터 및 전원 공급부와 직렬로 연결한 연료 예열장치를 구비함에 따라, 히터를 제어하기 위한 별도의 컨트롤러가 필요 없게 되어 전체적인 시스템의 구조 및 제어 프로세스를 간단하게 구현할 수 있는 효과가 있다.

도 3은 도 1에 도시한 연료 예열장치를 개략적으로 나타내 보인 사시도이다.

도 4는 도 3의 단면 구성도이다.

도 5는 본 발명의 실시예에 대한 연료 예열장치의 제1 변형예를 도시한 개략도이다.

도 6은 본 발명의 실시예에 대한 연료 예열장치의 제2 변형예를 도시한 개략도이다.

도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 도시한 개략도이다.

Claims

수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 생성부; 및

상기 전기 생성부로 수소와 산소를 공급하는 각각의 공급경로들 중 적어도 어느 하나의 공급경로 상에 설치되는 예열장치

를 포함하며,

상기 예열장치가, 상기 공급 경로를 따라 유동하는 유체를 가열하는 히터와, 상기 유체의 온도 변화에 따라 저항값이 가변하는 가변 저항부와, 상기 히터와 가변 저항부를 직렬로 연결하여 이들과 함께 폐회로를 이루는 전원 공급부를 포함하는 연료 전지 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 공급경로가 수소 또는 산소를 통과시키는 관로이고, 상기 히터를 관로의 외주면에 접촉되도록 설치하는 연료 전지 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 공급경로가 수소 또는 산소를 통과시키는 관로이고, 상기 히터를 관로의 내부에 설치하는 연료 전지 시스템.
제 1 항 내지 제 3 중 선택된 어느 한 항에 있어서,

상기 히터가 열선을 포함하는 연료 전지 시스템.
제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,

상기 관로의 내부에 가변 저항부를 설치하는 연료 전지 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 가변 저항부가, 상기 유체의 기설정된 온도에 상응하는 저항값을 가지면서 그 저항값이 상기 기설정된 온도의 변화에 따라 변화하는 써미스터(thermister)를 포함하는 연료 전지 시스템.
제 5 항에 있어서,

상기 관로의 내부에 필터를 설치하고, 상기 필터에 가변 저항부를 내장시키는 연료 전지 시스템.
수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 생성부;

수소를 함유한 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키고, 이 수소 가스를 상기 전기 생성부로 공급하는 개질기;

상기 연료를 개질기로 공급하는 연료 공급원;

공기를 상기 전기 생성부로 공급하는 공기 공급원; 및

상기 개질기와 전기 생성부를 연결하는 수소 가스 공급경로, 및 상기 공기 공급원과 전기 생성부를 연결하는 공기 공급경로들 중 적어도 어느 하나의 공급경로 상에 설치되는 예열장치

를 포함하며,

상기 예열장치가, 상기 공급 경로를 따라 유동하는 유체를 가열하는 히터와, 상기 유체의 온도 변화에 따라 저항값이 가변하는 가변 저항부와, 상기 히터와 가변 저항부를 직렬로 연결하여 이들과 함께 폐회로를 이루는 전원 공급부를 포함하는 연료 전지 시스템.
제 8 항에 있어서,

상기 연료 공급원과 개질기가 제1 관로에 의해 연결되고, 상기 개질기와 전기 생성부가 제2 관로에 의해 연결되고, 상기 공기 공급원과 전기 생성부가 제3 관로에 의해 연결되는 연료 전지 시스템.
제 9 항에 있어서,

상기 히터를 제2 관로 및 제3 관로 중 적어도 어느 한 관로의 외주면에 접촉되도록 설치하는 연료 전지 시스템.
제 9 항에 있어서,

상기 히터를 제2 관로 및 제3 관로 중 적어도 어느 한 관로의 내부에 설치하는 연료 전지 시스템.
제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,

상기 가변 저항부가 제2 관로 및 제3 관로 중 적어도 어느 한 관로의 내부에 위치하는 연료 전지 시스템.
제 8 항에 있어서,

상기 가변 저항부가, 상기 유체의 기설정된 온도에 상응하는 저항값을 가지면서 그 저항값이 상기 기설정된 온도의 변화에 따라 변화하는 써미스터(thermister)를 포함하는 연료 전지 시스템.
제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,

상기 연료 공급원은 상기 연료를 저장하는 연료 탱크와, 상기 연료 탱크에 연결 설치되는 연료 펌프를 포함하는 연료 전지 시스템.
제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,

상기 공기 공급원은 공기를 흡입하는 공기 펌프를 포함하는 연료 전지 시스템.
제 8 항에 있어서,

상기 연료 공급원과 개질기를 연결하는 연료 공급경로 상에 상기 예열장치를 설치하는 연료 전지 시스템.
제 1 항 또는 제 8 항에 있어서,

상기 연료 전지 시스템이, 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrance Fuel Cell: PEMFC) 방식으로 이루어지는 연료 전지 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 연료 전지 시스템이, 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC) 방식으로 이루어지는 연료 전지 시스템.