KR20050102233A

KR20050102233A - 연료 전지 시스템

Info

Publication number: KR20050102233A
Application number: KR1020040027410A
Authority: KR
Inventors: 김주용; 김형준; 권호진
Original assignee: 삼성에스디아이 주식회사
Priority date: 2004-04-21
Filing date: 2004-04-21
Publication date: 2005-10-26
Also published as: CN100342577C; JP2005310783A; US20050238933A1; KR101023147B1; JP4329939B2; CN1691393A

Abstract

본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 전기 에너지에 의한 전해 반응으로 수소를 함유한 연료로부터 수소 가스와 부 생성물을 발생시키고, 상기 수소 가스와 부 생성물을 배출하는 각각의 배출부를 가진 제1 개질기; 열 에너지에 의한 화학 반응으로 수소를 함유한 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 제2 개질기; 상기 수소 가스와 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 전기를 발생시키는 복수의 전기 생성부를 구비하고, 상기 전기 생성부에서 반응하고 남은 수소 가스를 배출하는 미반응 수소 가스 배출부를 가진 스택; 상기 연료를 제1 및 제2 개질기로 공급하는 연료 공급부; 외부의 공기를 스택으로 공급하는 공기 공급부; 상기 제1 개질기의 부 생성물 배출부와 제2 개질기를 연결하는 제1 연결부; 및 상기 스택의 미반응 수소 가스 배출부와 제2 개질기를 연결하는 제2 연결부를 포함한다.

Description

연료 전지 시스템 {FUEL CELL SYSTEM}

본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전기 에너지와 열 에너지를 이용한 복합 구조의 개질기를 갖는 연료 전지 시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 연료 전지는 메탄올이나 천연가스 등 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소 또는 산소를 포함한 공기를 연료로 하여 일어나는 전기화학 반응에 의해 화학에너지를 직접 전기에너지로 변화시키는 발전 시스템이다. 특히, 연료 전지는 연소 과정 없이 수소와 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 생성되는 전기와 그 부산물인 열을 동시에 사용할 수 있다는 특징을 갖고 있다.

이러한 연료 전지는 사용되는 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 낮을뿐더러 빠른 시동 및 응답 특성을 가지고 있으며, 메탄올, 에탄올, 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.

상기와 같은 연료 전지 시스템에 있어 스택은 전극-전해질 합성체(Membrane Electrode Assembly: MEA)와 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)로 이루어진 단위 셀이 수개 내지 수십개로 적층된 구조를 갖는다. 그리고 개질기는 열에너지를 이용한 화학 촉매 반응을 통해 수소를 함유한 연료를 스택의 전기 생성에 필요한 수소 가스로 전환할 뿐만 아니라, 연료 전지를 피독시켜 수명을 단축시키는 일산화탄소와 같은 유해 물질을 제거할 수 있는 구조를 갖는다.

그런데 이와 같은 구조를 갖는 연료 전지 시스템은 개질기가 열 에너지를 이용한 화학 촉매 반응을 통해 수소 가스를 발생시키므로, 초기 구동시 열 에너지와 촉매 반응을 일으키는데 걸리는 시간이 지연되고, 이에 따라 시스템의 로드가 개질기에 집중되어 전체적인 시스템의 성능 및 효율 면에서 불리한 단점을 갖는다.

이로서 시스템의 초기 구동시, 빠른 기동과 시스템에 걸리는 로드를 분산시키기 위한 각종 노력이 진행되어 왔으며, 이와 관련한 종래 기술로는 미국특허 제6299744호에 개시된 개질기를 들 수 있다.

이와 같은 종래의 개질기는 전기 에너지에 의한 전해 반응으로 순수한 수소 가스와 수소 가스 이외의 부 생성물, 예컨대 일산화탄소, 이산화탄소 등의 생성물을 각각 생성할 수 있는 구조를 갖는다.

그러나 선행 특허에 개시된 개질기는 초기 구동과 로드의 분산에 유리한 반면, 부 생성물을 별도로 제거하거나 재활용하지 못하고 그대로 방출하므로 전체적인 시스템의 성능 및 효율이 저하될 수 있다.

한편, 종래의 연료 전지 시스템은 스택의 전기 생성시 전극-전해질 합성체에서 반응하고 남은 수소 가스를 배출하게 되는데, 이러한 미반응 수소 가스를 재활용하지 못하고 그대로 방출하게 되므로, 전체적인 시스템의 열 효율이 저하되는 문제점이 있다.

본 발명은 상술한 문제점을 감안한 것으로서, 그 목적은 시스템의 초기 구동시의 빠른 기동 및 로드의 분산과 전체적인 시스템의 열 효율을 향상시킬 수 있도록 전기 에너지와 열 에너지를 이용한 복합 구조의 개질기를 갖는 연료 전지 시스템을 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 전기 에너지에 의한 전해 반응으로 수소를 함유한 연료로부터 수소 가스와 부 생성물을 발생시키고, 상기 수소 가스와 부 생성물을 배출하는 각각의 배출부를 가진 제1 개질기; 열 에너지에 의한 화학 반응으로 수소를 함유한 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 제2 개질기; 상기 수소 가스와 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 전기를 발생시키는 복수의 전기 생성부를 구비하고, 상기 전기 생성부에서 반응하고 남은 수소 가스를 배출하는 미반응 수소 가스 배출부를 가진 스택; 상기 연료를 제1 및 제2 개질기로 공급하는 연료 공급부; 외부의 공기를 스택으로 공급하는 공기 공급부; 상기 제1 개질기의 부 생성물 배출부와 제2 개질기를 연결하는 제1 연결부; 및 상기 스택의 미반응 수소 가스 배출부와 제2 개질기를 연결하는 제2 연결부를 포함한다.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 제1 개질기가, 수소 가스를 배출하는 수소 가스 배출부를 구비한다.

그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 제2 개질기가, 상기 부 생성물 배출부를 통해 배출되는 부 생성물과 상기 미반응 수소 가스 배출부를 통해 배출되는 미반응 수소 가스를 산화 촉매 반응으로 연소시켜 열을 발생시키는 열원부; 및 상기 열원부로부터 발생되는 열을 흡열하여 연료를 기화시키고 개질 촉매 반응에 의해 상기 연료로부터 수소가 풍부한 개질 가스를 발생시키는 개질 반응부를 포함할 수 있다. 그리고 상기한 제2 개질기는 상기 개질 반응부에 의해 생성되는 개질 가스로부터 수소 가스 이외의 부 생성물을 제거하는 적어도 하나의 부 생성물 제거부를 더 포함할 수도 있다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 제1 연결부가 상기 열원부와 부 생성물 배출부를 연결하고, 상기 제2 연결부가 상기 열원부와 미반응 수소 가스 배출부를 연결할 수 있다.

한편 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 전기 에너지에 의한 전해 반응으로 수소를 함유한 연료로부터 수소 가스와 부 생성물을 발생시키고, 상기 수소 가스와 부 생성물을 배출하는 각각의 배출부를 가진 제1 개질기; 열 에너지에 의한 화학 반응으로 수소를 함유한 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 제2 개질기; 상기 수소 가스와 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 전기를 발생시키는 복수의 전기 생성부를 구비하고, 상기 전기 생성부에서 반응하고 남은 수소 가스를 배출하는 미반응 수소 가스 배출부를 가진 스택; 상기 연료를 제1 및 제2 개질기로 공급하는 연료 공급부; 외부의 공기를 스택으로 공급하는 공기 공급부; 상기 제1 개질기의 부 생성물 배출부와 제2 개질기를 연결하는 제1 연결부; 상기 스택의 미반응 수소 가스 배출부와 제2 개질기를 연결하는 제2 연결부; 및 상기 공기 공급부와 제2 개질기를 연결하는 제3 연결부를 포함한다.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 제2 개질기가, 상기 제1 개질기의 구동 모드시 상기 제1 개질기로부터 생성되는 부 생성물과 상기 스택으로부터 배출되는 미반응 수소 가스를 산화 촉매 반응으로 연소시켜 열을 발생시키고, 상기 제1 개질기의 정지 모드시 연료와 공기를 산화 촉매 반응으로 연소시켜 열을 발생시키는 열원부; 및 상기 열원부로부터 발생되는 열을 흡열하여 연료를 기화시키고 개질 촉매 반응에 의해 상기 연료로부터 수소가 풍부한 개질 가스를 발생시키는 개질 반응부를 포함할 수 있다. 그리고 상기한 제2 개질기는 상기 개질 반응부에 의해 생성된 개질 가스로부터 수소 가스 이외의 부 생성물을 제거하는 적어도 하나의 부 생성물 제거부를 더 포함할 수도 있다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 제1 연결부가 상기 열원부와 부 생성물 배출부를 연결하고, 상기 제2 연결부가 상기 열원부와 미반응 수소 가스 배출부를 연결하며, 상기 제3 연결부가 상기 열원부와 공기 공급부를 연결할 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 발명의 연료 전지 시스템은 수소를 함유한 액상의 연료로부터 수소 가스를 발생시키고, 상기한 수소 가스와 산소의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrode Membrane Fuel Cell; PEMFC) 방식을 채용할 수 있다.

본 시스템에서 전기를 생성하기 위한 연료라 함은 메탄올, 에탄올 또는 천연 가스와 같은 탄화 수소 계열의 수소 연료 이 외에 물 및 산소가 더욱 포함되며, 이 중에서 상기한 탄화 수소 계열의 수소 연료를 액상의 연료라 정의하고, 상기 액상의 연료와 물을 이하의 설명에서는 편의상 혼합 연료라 정의한다. 그리고 상기한 산소는 별도의 저장수단에 저장된 순수한 산소 가스를 사용할 수 있으며, 산소를 포함하는 공기를 그대로 사용할 수도 있다. 그러나 이하에서는 편의상 산소 연료로서 외부의 공기를 사용하는 예를 설명한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 도시한 개략도이다.

도 1을 참고하면, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)은 기본적으로, 전술한 바 있는 혼합 연료를 전기 에너지에 의한 전해 반응으로 개질하여 수소 가스를 발생시키는 제1 개질기(10)와, 열 에너지에 의한 화학 촉매 반응으로 혼합 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키는 제2 개질기(20)와, 상기한 수소 가스와 공기의 화학 반응 에너지를 전기 에너지로 변환시켜 전기를 생산 해 내는 스택(50)과, 상기 혼합 연료를 제1 및 제2 개질기(10, 20)로 각각 공급하는 연료 공급부(30)와, 공기를 스택(50)으로 공급하는 공기 공급부(40)를 포함하여 구성된다.

상기 연료 공급부(30)는 수소를 포함하는 액상의 연료를 저장하는 제1 탱크(31)와, 물을 저장하는 제2 탱크(32)와, 제1 및 제2 탱크(31, 32)로부터 액상의 연료와 물을 배출하도록 제1 및 제2 탱크(31, 32)에 각각 연결 설치되는 연료 펌프(33)를 구비한다. 그리고 공기 공급부(40)는 공기를 흡입하여 스택(50)으로 공급하는 공기 펌프(41)를 구비한다.

도 2는 도 1에 도시한 제1 개질기 구조를 구체적으로 나타내 보인 단면 구성도이다.

도 1 및 도 2를 참고하면, 본 실시예에 의한 제1 개질기(10)는 미국특허 제6299744호에 개시된 공지의 구조를 갖는다.

이러한 제1 개질기(10)는 소정의 내부 공간을 형성하고 있는 하우징(11)과, 하우징(11)의 내부 공간을 서로 독립된 공간으로 구획하여 애노드 챔버(12)와 캐소드 챔버(13)를 형성하는 전해질막(14)과, 애노드 챔버(12) 내의 전해질막(14)에 위치하는 애노드 전극(15)과, 캐소드 챔버(13) 내의 전해질막(14)에 위치하는 캐소드 전극(16)과, 애노드 전극(15)과 캐소드 전극(16)에 연결되어 애노드 전극(15)과 캐소드 전극(16)으로 소정 전위차를 갖는 전압을 인가하는 전원 공급부(17)로 구성된다.

애노드 챔버(12)는 연료 공급부(30)의 제1 및 제2 탱크(31, 32)와 제1 공급라인(91)에 의해 연결되며, 제1 및 제2 탱크(31, 32)로부터 제1 공급라인(91)을 통해 공급되는 액상의 연료와 물의 혼합 연료를 수용한다. 캐소드 챔버(13)는 전해질막(14)에 의해 애노드 챔버(12)의 내부 공간과 서로 독립된 빈 공간을 형성하고 있다. 애노드 전극(15)은 전기 산화(electro-oxidation)를 위한 촉매로서 전해질막(14)의 한 쪽 면에 형성된다. 캐소드 전극(16)은 전기 환원(electro-reduction)을 위한 촉매로서 전해질막(14)의 다른 한 쪽 면에 형성된다. 그리고 애노드 챔버(12)에는 애노드 전극(15)의 전기 산화 작용에 의해 생성되는 수소 가스 이외의 부 생성물 예컨대, 일산화탄소, 이산화탄소 등을 배출하는 부 생성물 배출부(18)를 구비하고 있다. 캐소드 챔버(13)에는 캐소드 전극(16)의 전기 환원 작용에 의해 생성되는 순수한 수소 가스를 배출하는 수소 가스 배출부(19)를 구비하고 있다.

도 3은 도 1에 도시한 제2 개질기 구조를 구체적으로 나타내 보인 단면 구성도이다.

도 1 및 도 3을 참고하면, 상기 제2 개질기(20)는 연료 공급부(30)로부터 공급되는 혼합 연료를 화학 촉매 반응으로 개질하여 수소가 풍부한 개질 가스를 발생시키는 구조를 갖는다.

본 실시예에 따르면, 상기 제2 개질기(20)는 상기 화학 촉매 반응에 필요한 반응열을 발생시키는 열원부(21)와, 열원부(21)로부터 발생하는 열을 흡열하여 수증기 개질(Steam Reformer: SR) 촉매 반응을 통해 상기한 혼합 연료로부터 수소가 풍부한 개질 가스를 발생시키는 개질 반응부(22)를 포함한다.

열원부(21)는 산화 촉매 반응에 의해 수소, 탄소 및 산소를 함유한 연료를 연소시키기 위한 촉매를 구비하고, 개질 반응부(22)는 개질 촉매 반응에 의해 혼합 연료로부터 수소가 풍부한 개질 가스를 발생시키는 촉매를 구비할 수 있다.

개질 반응부(22)는 연료 공급부(30)의 제1 및 제2 탱크(31, 32)와 제2 공급라인(92)에 의해 연결될 수 있다. 따라서 개질 반응부(22)는 제2 공급라인(92)을 통해 공급되는 혼합 연료의 분해 반응과 일산화탄소의 변성 반응("시프트 반응"이라고도 함)이 동시에 진행되어 상기한 개질 가스를 생성하게 된다.

이와 같은 구조를 갖는 제2 개질기(20)는 상기한 반응들이 실질적으로 완전하게 행해지면 일산화탄소와 같은 부(副) 생성물을 함유하지 않은 순수한 수소 가스를 생성하게 되지만, 실제의 개질 반응부(22)에서는 일산화탄소의 변성 반응을 완전히 행하게 하는 것이 곤란하여 일산화탄소가 포함된 개질 가스를 생성하게 된다.

이에 본 실시예에 의한 제2 개질기(20)는 수성가스 전환(Water-Gas Shift Reaction: WGS) 촉매 반응 또는 선택적 산화(Preferential CO Oxidation: PROX) 촉매 반응을 통해 상기한 개질 가스의 일산화탄소 농도를 저감시키는 적어도 하나의 부 생성물 제거부(23)를 포함하고 있다.

본 발명에 의하면, 제2 개질기(20)를 구성하는 열원부(21), 개질 반응부(22) 및 부 생성물 제거부(23)가, 도면에 도시한 바와 같이 일례로 원통형의 반응 용기 타입으로 이루어질 수 있다. 즉, 열원부(21), 개질 반응부(22) 및 부 생성물 제거부(23)에 해당하는 각각의 반응 용기가 소정의 유로(24a, 24b)에 의해 연결되고, 각각의 반응 용기 내부에 각각의 반응에 필요한 촉매를 갖는 구조로 이루어질 수 있다. 그러나 본 발명은 상기한 제2 개질기(20)가 위와 같은 반응 용기 타입으로 이루어지는 것에 국한되지 않고, 각각의 촉매 반응에 필요한 유체의 흐름을 가능하게 하는 유로 채널 및 유로 채널에 형성되는 촉매층을 가지면서 서로 밀접하게 설치되는 플레이트 타입으로 이루어질 수도 있다.

도 4는 도 1에 도시한 스택의 구조을 나타내 보인 분해 사시도이다.

도 1 및 도 4를 참고하면, 본 시스템(100)에 적용되는 스택(50)은 상기와 같은 제1 및 제2 개질기(10, 20)를 통해 배출되는 수소 가스와 공기의 산화/환원 반응을 유도하여 전기 에너지를 발생시키는 복수의 전기 생성부(51)를 구비하고 있다.

각각의 전기 생성부(51)는 전기를 발생시키는 단위의 셀을 의미하며, 수소 가스와 산소를 산화/환원시키는 전극-전해질 합성체(Membrane Electrode assembly: MEA)(52) 및, 수소 가스와 공기를 전극-전해질 합성체(52)로 공급하기 위한 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)(56)를 포함하여 구성된다.

이러한 전기 생성부(51)는 전극-전해질 합성체(52)를 중심에 두고 이의 양측에 바이폴라 플레이트(56)가 각각 배치된다. 이로서 스택(50)은 위와 같은 복수의 전기 생성부(51)가 연속적으로 적층됨으로써 전기를 생성하기 위한 단일의 연료 전지 본체를 구성할 수 있는 것이다. 그리고 스택(50)의 최 외곽에는 엔드 플레이트(53)가 위치하고 있다.

상기 전극-전해질 합성체(52)는 양측면을 이루는 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 전해질막이 개재된 통상적인 MEA(Membrane Electrode Assembly)의 구조를 갖는다. 애노드 전극은 수소 가스의 원활한 확산을 위한 기체 확산층(Gas Diffusion Layer: GDS)과, 산화 반응에 의해 개질 가스를 전자와 수소 이온으로 변환시키는 촉매층으로 구성된다. 캐소드 전극은 공기의 원활한 확산을 위한 기체 확산층과, 환원 반응에 의해 공기 중의 산소를 전자와 산소 이온으로 변환시키는 촉매층으로 구성된다. 그리고 전해질막은 두께가 50∼200㎛인 고체 폴리머 전해질로서, 애노드 전극의 촉매층에서 생성된 수소 이온을 캐소드 전극의 촉매층으로 이동시키는 이온 교환의 기능을 가진다.

상기 바이폴라 플레이트(56)는 전극-전해질 합성체(52)를 사이에 두고 그 양측에 각각 배치되며, 전극-전해질 합성체(52)의 애노드 전극 및 캐소드 전극에 밀착된다. 그리고 바이폴라 플레이트(56)에는 상기 애노드 전극 및 캐소드 전극에 각각 밀착되는 밀착면에 애노드 전극으로 수소 가스를 공급하고, 캐소드 전극으로 공기를 공급하기 위한 유로 채널(57)을 형성하고 있다.

그리고 전술한 바 있는 각각의 엔드 플레이트(53)는 스택(50)의 최 외곽에 각각 배치되어 복수의 전기 생성부(51)를 밀착하는 기능을 갖는다. 또한 엔드 플레이트(53)에는 바이폴라 플레이트(56)의 유로 채널(57)에 제1 및 제2 개질기(10, 20)로부터 생성된 수소 가스를 주입하기 위한 제1 주입부(53a)와, 상기한 유로 채널(57)에 공기를 주입하기 위한 제2 주입부(53b)와, 전기 생성부(51)에서 반응하고 남은 수소 가스를 배출하는 제1 배출부(53c)와, 전기 생성부(51)에서 반응하고 남은 공기를 배출하는 제2 배출부(53d)를 구비하고 있다. 여기서 제1 주입부(53a)는 제3 공급라인(93)에 의해 제1 개질기(10)의 수소 가스 배출부(19)와 연결될 수 있다. 또한 제1 주입부(53a)는 제4 공급라인(94)에 의해 제2 개질기(20)의 부 생성물 제거부(23)와 연결될 수 있다. 그리고 제2 주입부(53b)는 제5 공급라인(95)에 의해 공기 공급부(40)와 연결될 수 있다.

도 1 내지 도 4를 참고하면, 상기와 같은 구조를 갖는 본 시스템(100)의 작용시, 제1 개질기(10)의 부 생성물 배출부(18)를 통해 배출되는 고온의 부 생성물과 스택(50)의 제1 배출부(53c)를 통해 배출되는 고온의 미반응 수소 가스를 재활용하지 못하고 그대로 방출하여 전체적인 시스템의 열 효율이 저하될 수 있다.

이에 본 발명의 실시예에 따르면, 제1 개질기(10)의 부 생성물 배출부(18)를 통해 배출되는 부 생성물과 스택(50)의 제1 배출부(53c)를 통해 배출되는 미반응 수소 가스를 제2 개질기(20)의 열원부(21)로 순환시키기 위한 제1 및 제2 연결부(60, 70)를 구비한다.

상기 제1 연결부(60)는 제1 개질기(10)의 부 생성물 배출부(18)와 제2 개질기(20)의 열원부(21)를 서로 연결하는 유로로서 제1 연결라인(61)을 구비하고 있다. 따라서 제1 개질기(10)의 부 생성물 배출부(18)로부터 배출되는 부 생성물은 제1 연결라인(61)을 통해 제2 개질기(20)의 열원부(21)로 공급될 수 있다.

그리고 상기 제2 연결부(70)는 스택(50)의 제1 배출부(53c)와 제2 개질기(20)의 열원부(21)를 서로 연결하는 유로로서 제2 연결라인(71)을 구비하고 있다. 따라서 스택(50)의 제1 배출부(53c)로부터 배출되는 미반응 수소 가스는 제2 연결 라인(71)을 통해 제2 개질기(20)의 열원부(21)로 공급될 수 있다.

이로서 상기 열원부(21)에서는 산화 촉매 반응에 의해 위와 같은 일산화탄소, 이산화탄소 등의 부 생성물과 미반응 수소 가스를 연소시킴으로써 소정 온도의 연소열을 발생시킨다.

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

우선, 연료 펌프(33)를 가동시켜 제1 탱크(31)에 저장된 액상의 연료와 제2 탱크(32)에 저장된 물을 제1 공급라인(91)을 통해 제1 개질기(10)의 애노드 챔버(12)로 공급한다.

이어서, 제1 개질기(10)의 전원 공급부(17)를 통해 애노드 전극(15)에 (+) 전압을 인가하고, 캐소드 전극(16)에 (-) 전압을 인가한다. 그러면 애노드 전극(15)과 캐소드 전극(16)에서는 소정 전위차에 의한 전해 반응이 동시에 일어나게 된다. 즉, 애노드 챔버(12)에서는 애노드 전극(15)을 통한 전기 산화 반응에 의해 상기한 혼합 연료로부터 일산화탄소 및 이산화탄소와 같은 부 생성물과, 수소 이온(프로톤) 및 전자를 생성하게 된다. 이 때 상기한 부 생성물은 애노드 챔버(12)의 부 생성물 배출부(18)를 통해 배출되게 된다.

다음, 상기한 수소 이온이 전해질막(14)을 통해 캐소드 전극(16)으로 이동하게 되고, 전자 또한 별도로 설치된 도선을 통해 캐소드 전극(16)으로 이동하게 된다. 그러면 캐소드 챔버(13)에서는 캐소드 전극(16)을 통한 전기 환원 반응에 의해 상기한 수소 이온과 전자를 화합하게 함으로서 순수한 수소 가스를 생성하게 된다. 그리고 상기한 수소 가스는 캐소드 챔버(13)의 수소 가스 배출부(19)를 통해 배출되게 된다.

이어서, 상기 수소 가스 배출부(19)를 통해 배출되는 수소 가스를 제3 공급라인(93)을 통해 스택(50)의 제1 주입부(53a)로 공급한다. 이와 동시에, 공기 펌프(41)를 가동시켜 공기를 제5 공급라인(95)을 통해 스택(50)의 제2 주입부(53b)로 공급한다. 그러면 수소 가스가 바이폴라 플레이트(56)의 유로 채널(57)을 통해 전극-전해질 합성체(52)의 애노드 전극으로 공급되고, 공기가 바이폴라 플레이트(56)의 유로 채널(57)을 통해 전극-전해질 합성체(52)의 캐소드 전극으로 공급된다.

따라서 스택(50)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, 상기한 수소 가스가 애노드 전극으로 흐르게 되면 그 촉매층에서 수소 가스가 전자와 프로톤(수소이온)으로 분해되고, 이 프로톤이 전극-전해질 합성체(52)의 전해질막을 통하여 캐소드 전극으로 이동된다. 그러면 캐소드 전극에서는 촉매의 도움으로 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 물 그리고 열을 생성하게 된다.

이 때, 전극-전해질 합성체(52)에서 반응하고 남은 수소 가스가 스택(50)의 제1 배출부(53c)를 통해 배출되고, 전극-전해질 합성체(52)에서 반응하고 남은 공기를 스택(50) 제2 배출부(53d)를 통해 배출되게 된다.

이러는 과정을 거치는 동안, 제1 개질기(10)의 부 생성물 배출부(18)를 통해 배출되는 부 생성물을 제1 연결라인(61)을 통해 제2 개질기(20)의 열원부(21)로 공급한다. 그리고 스택(50)의 제1 배출부(53c)를 통해 배출되는 미반응 수소 가스를 제2 연결라인(71)을 통해 상기 열원부(21)로 공급한다. 그러면 열원부(21)에서는 산화 촉매 반응에 의해 부 생성물과 미반응 수소 가스를 연소시킴으로써 소정 온도의 연소열을 발생시킨다.

이 후, 연료 펌프(33)를 가동시켜 제1 탱크(31) 및 제2 탱크(32)에 저장된 액상의 연료와 물을 제2 공급라인(92)을 통해 제2 개질기(20)의 개질 반응부(22)에 공급한다. 이 때 상기한 개질 반응부(22)는 열원부(21)로부터 발산되는 연소열을 유로(24a)를 통해 전달받아 소정 온도로 가열된 상태를 유지하고 있다. 그러면 개질 반응부(22)에서는 상기한 액상의 연료와 물의 혼합 연료를 기화시키고, 수증기 개질(Steam Reformer: SR) 촉매 반응을 통한 혼합 연료의 분해 반응과 일산화탄소의 변성 반응이 동시에 진행된다.

이로서 개질 반응부(22)에서는 위와 같은 개질 촉매 반응을 통해 상기한 혼합 연료로부터 수소가 풍부한 개질 가스를 생성하게 된다. 이 때 개질 반응부(22)는 일산화탄소의 변성 반응을 완전히 행하지 못하게 되어 부(副) 생성물로서의 일산화탄소가 미량 함유된 개질 가스를 생성하게 된다.

다음, 개질 반응부(22)에서 생성된 개질 가스를 유로(24b)를 통해 부 생성물 제거부(23)로 공급한다. 그러면 부 생성물 제거부(23)에서는 수성가스 전환(Water-Gas Shift Reaction: WGS) 촉매 반응 또는 선택적 산화(Preferential CO Oxidation: PROX) 촉매 반응을 통해 상기한 개질 가스로부터 추가의 수소 가스를 생성함과 동시에 개질 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시킨다.

이어서, 상기한 개질 가스를 제4 공급라인(94)을 통해 스택(50)의 제1 주입부(53a)로 공급한다. 따라서 상기 스택(50)은 제2 개질부(20)에 의해 생성된 추가의 수소 가스를 공급 받게 된다.

한편, 본 발명의 실시예에 의한 연료 전지 시스템(100)은 제1 및 제2 개질기(10, 20)로부터 스택(50)으로 공급되는 수소 가스의 양을 별도의 제어수단(도시하지 않음)을 통해 제어할 수도 있다. 예컨대, 제1 개질기(10)와 스택(50)을 연결하는 제3 공급라인(93)과 제2 개질기(20)와 스택(50)을 연결하는 제4 공급라인(94)에 상기한 제어수단에 의해 제어되는 밸브(98, 99)를 설치하여 수소 가스의 공급량을 선택적으로 통제할 수 있다.

따라서 본 발명의 연료 전지 시스템(100)은 이와 같은 일련의 동작에 의해 초기 구동 모드시 제1 개질기(10)를 통한 빠른 기동이 가능하여 종래와 같이 제2 개질기(20)에 집중적으로 작용하는 로드를 분산시킬 수 있다. 또한 제1 개질기(10)를 통해 배출되는 부 생성물과 스택(50)으로부터 배출되는 미반응 수소 가스를 제2 개질기(20)의 열원으로 재활용함으로써 전체적인 시스템의 열 효율을 향상시킬 수 있다.

도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 도시한 개략도이고, 도 6은 도 5에 도시한 제2 개질기 구조를 구체적으로 나타내 보인 단면 구성도이다.

도 5 및 도 6을 참고하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템(200)은 전기 실시예와 달리, 제1 개질기(10)의 정지 모드시 액상의 연료와 공기를 제2 개질기(20)로 공급하고 액상의 연료와 물의 혼합 연료를 제2 개질기(20)로 공급하여 상기한 혼합 연료로부터 수소가 풍부한 개질 가스를 발생시키는 구조를 갖는다.

이를 위해 본 시스템(200)은 연료 공급부(30)의 제1 탱크(31)와 제2 개질기(20)의 열원부(21)가 제 6공급라인(96)에 의해 연결되고, 공기 공급부(40)와 열원부(21)가 제3 연결부(80)에 의해 연결되도록 구성된다. 상기 제3 연결부(80)는 공기 공급부(40)와 열원부(21)를 서로 연결하는 유로로서, 제3 연결라인(81)을 구비하고 있다.

따라서 제1 탱크(31)에 저장된 액상의 연료가 제6 공급라인(96)을 통해 열원부(21)로 공급되고, 공기 공급부(40)에 의해 흡입된 공기가 제3 연결라인(81)을 통해 열원부(21)로 공급될 수 있다. 이로서 상기 열원부(21)에서는 산화 촉매 반응에 의해 위와 같은 액상의 연료와 공기를 연소시킴으로써 소정 온도의 연소열을 발생시킨다.

한편, 본 실시예에 의한 시스템(200)은 연료 공급부(30)로부터 제1 및 제2 개질기(10, 20)로 혼합 연료를 공급하는 과정을 별도의 제어수단(도시하지 않음)을 통해 제어할 수도 있다. 예컨대, 연료 공급부(30)와 제1 개질기(10)를 연결하는 제1 공급라인(91)과 연료 공급부(30)와 제2 개질기(20)를 연결하는 제2 공급라인(92)에 상기한 제어수단에 의해 제어되는 밸브(97a, 97b)를 설치하여 제1 및 제2 개질기(10, 20)에 대한 혼합 연료의 공급을 선택적으로 통제할 수 있다. 그리고 상기 제어수단은 필요에 따라 제1 개질기(10)의 구동을 선택적으로 제어할 수도 있다.

나머지 구성은 전기 제1 실시예와 동일하므로 자세한 설명은 생략한다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 동작을 상세히 설명하면 다음과 같다.

우선, 본 시스템(200)의 초기 구동 모드시, 전기 제1 실시예에서와 같이 제1 개질기(10)가 전기 에너지에 의한 전해 반응으로 연료 공급부(30)로부터 공급받은 혼합 연료로로부터 순수한 수소 가스와 수소 가스 이외의 부 생성물을 생성한다.

이어서, 상기한 수소 가스를 스택(50)의 전기 생성부(51)로 공급하고, 상기한 부 생성물을 제2 개질기(20)의 열원부(21)로 공급한다. 그리고 공기 공급부(40)를 통해 공기를 전기 생성부(51)로 공급한다. 그러면 전기 생성부(51)는 수소 가스와 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 소정 용량의 전기를 발생시키고, 반응하고 남은 미반응 수소 가스를 제2 개질기(20)의 열원부(21)로 공급한다. 따라서 열원부(21)에서는 산화 촉매 반응에 의해 부 생성물과 미반응 수소 가스를 연소시킴으로써 소정 온도의 연소열을 발생시킨다.

다음, 제1 개질기(10)의 구동을 정지시킨다. 이와 동시에, 제1 공급라인(91)에 설치된 밸브(97a)를 제어하여 연료 공급부(30)로부터 제1 공급라인(91)을 통해 제1 개질기(10)로 공급되는 혼합 연료를 차단시킨다. 이 때 제2 공급라인(92)을 통해서는 혼합 연료가 연료 공급부(30)로부터 제2 개질기(20)의 개질 반응부(22)로 공급된다.

이어서, 전기 제1 실시예에서와 같이, 혼합 연료가 제2 개질기(20)의 개질 반응부(22)에 공급되면, 상기한 개질 반응부(22)가 열원부(21)로부터 발산되는 연소열을 전달받아 혼합 연료를 기화시키고, 개질 촉매 반응을 통해 부(副) 생성물로서의 일산화탄소가 미량 함유된 개질 가스를 생성하게 된다.

다음, 개질 반응부(22)에서 생성된 개질 가스를 생성물 제거부(23)로 공급한다. 그러면 부 생성물 제거부(23)에서는 추가의 수소 가스를 생성함과 동시에 개질 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시킨다.

이어서, 상기한 개질 가스를 스택(50)의 전기 생성부(51)로 공급하고, 공기 공급부(40)를 통해 공기를 상기 전기 생성부(51)로 공급하게 되면, 전기 생성부(51)가 수소 가스와 산소의 화학 반응 에너지를 전기 에너지로 변환하여 소정 용량의 전기를 발생시키게 된다.

다음, 연료 펌프(33)를 가동시켜 제1 탱크(31)에 저장된 액상의 연료를 제6 공급라인(96)을 통해 열원부(21)로 공급하고, 공기 펌프(41)를 가동시켜 공기를 제3 연결라인(93)을 통해 열원부(21)로 공급한다. 그러면 열원부(21)에서는 산화 촉매 반응으로 액상의 연료와 공기를 연소시킴으로써 소정 온도의 연소열을 발생시키게 된다.

이어서, 연료 펌프(33)를 가동시켜 제1 탱크(31) 및 제2 탱크(32)에 저장된 액상의 연료와 물을 제2 공급라인(92)을 통해 제2 개질기(20)의 개질 반응부(22)로 공급한다. 그러면 제2 개질기(20)가 앞서 설명한 바와 같이 일산화탄소의 농도가 저감된 개질 가스를 생성하게 된다.

이 후, 상기한 개질 가스를 스택(50)의 전기 생성부(51)로 공급하고, 공기 공급부(40)를 통해 공기를 상기 전기 생성부(51)로 공급하게 되면, 전기 생성부(51)가 수소 가스와 산소의 화학 반응 에너지를 전기 에너지로 변환하여 소정 용량의 전기를 발생시키게 된다.

따라서 본 실시예에 의한 연료 전지 시스템(200)은 제1 개질기(10)의 구동이 정지된 상태에서 이와 같이 액상의 연료와 공기를 제2 개질기(20)의 열원부(21)로 공급하고 혼합 연료를 제2 개질기(20)의 개질 반응부(22)로 공급하여 수소가 풍부한 개질 가스를 생성하고, 상기한 개질 가스를 스택(50)으로 공급하는 일련의 동작을 반복하여 전기를 생성하게 된다.

이로서 본 발명의 연료 전지 시스템(200)은 이와 같은 일련의 동작에 의해 초기 구동시 제1 개질기(10)를 통한 빠른 기동이 가능하고 제2 개질기(20)에 집중적으로 작용하는 로드를 분산시킴은 물론 제1 개질기(10)로부터 배출되는 부 생성물과 스택(10)으로부터 배출되는 미반응 수소 가스를 제2 개질기(20)의 열원으로 이용할 수 있기 때문에, 정상 운전 모드시 제1 개질기(10)의 구동을 정지시킨 상태에서 제2 개질기(20)를 통하여 수소가 풍부한 개질 가스를 발생시킬 수도 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.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 의하면, 전기 에너지와 열 에너지를 이용한 복합 구조의 개질기를 구비하므로, 시스템의 초기 구동시 빠른 기동이 가능하고 열 에너지를 이용한 개질기에 걸리는 로드를 분산시키는 효과가 있다. 또한 전기 에너지를 이용한 개질기로부터 배출되는 부 생성물과 스택으로부터 배출되는 미반응 수소 가스를 이용하여 열 에너지를 이용한 개질기에 열원을 제공할 수 있으므로, 전체적인 시스템의 열 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 도시한 개략도이다.

도 6은 도 5에 도시한 제2 개질기 구조를 구체적으로 나타내 보인 단면 구성도이다.

Claims

전기 에너지에 의한 전해 반응으로 수소를 함유한 연료로부터 수소 가스와 부 생성물을 발생시키고, 상기 수소 가스와 부 생성물을 배출하는 각각의 배출부를 가진 제1 개질기;

열 에너지에 의한 화학 반응으로 수소를 함유한 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 제2 개질기;

상기 수소 가스와 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 전기를 발생시키는 복수의 전기 생성부를 구비하고, 상기 전기 생성부에서 반응하고 남은 수소 가스를 배출하는 미반응 수소 가스 배출부를 가진 스택;

상기 연료를 제1 및 제2 개질기로 공급하는 연료 공급부;

외부의 공기를 스택으로 공급하는 공기 공급부;

상기 제1 개질기의 부 생성물 배출부와 제2 개질기를 연결하는 제1 연결부; 및

상기 스택의 미반응 수소 가스 배출부와 제2 개질기를 연결하는 제2 연결부

를 포함하는 연료 전지 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 제1 개질기가, 수소 가스를 배출하는 수소 가스 배출부를 구비하는 연료 전지 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 제2 개질기가,

상기 부 생성물 배출부를 통해 배출되는 부 생성물과 상기 미반응 수소 가스 배출부를 통해 배출되는 미반응 수소 가스를 산화 촉매 반응으로 연소시켜 열을 발생시키는 열원부; 및

상기 열원부로부터 발생되는 열을 흡열하여 연료를 기화시키고 개질 촉매 반응에 의해 상기 연료로부터 수소가 풍부한 개질 가스를 발생시키는 개질 반응부를 포함하는 연료 전지 시스템.
제 3 항에 있어서,

상기 개질 반응부에 의해 생성되는 개질 가스로부터 수소 가스 이외의 부 생성물을 제거하는 적어도 하나의 부 생성물 제거부를 더 포함하는 연료 전지 시스템.
제 3 항에 있어서,

상기 제1 연결부가 상기 열원부와 부 생성물 배출부를 연결하는 연료 전지 시스템.
제 3 항에 있어서,

상기 제2 연결부가 상기 열원부와 미반응 수소 가스 배출부를 연결하는 연료 전지 시스템.
전기 에너지에 의한 전해 반응으로 수소를 함유한 연료로부터 수소 가스와 부 생성물을 발생시키고, 상기 수소 가스와 부 생성물을 배출하는 각각의 배출부를 가진 제1 개질기;

열 에너지에 의한 화학 반응으로 수소를 함유한 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 제2 개질기;

상기 수소 가스와 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 전기를 발생시키는 복수의 전기 생성부를 구비하고, 상기 전기 생성부에서 반응하고 남은 수소 가스를 배출하는 미반응 수소 가스 배출부를 가진 스택;

상기 연료를 제1 및 제2 개질기로 공급하는 연료 공급부;

외부의 공기를 스택으로 공급하는 공기 공급부;

상기 제1 개질기의 부 생성물 배출부와 제2 개질기를 연결하는 제1 연결부;

상기 스택의 미반응 수소 가스 배출부와 제2 개질기를 연결하는 제2 연결부; 및

상기 공기 공급부와 제2 개질기를 연결하는 제3 연결부

를 포함하는 연료 전지 시스템.
제 7 항에 있어서,

상기 제2 개질기가,

상기 제1 개질기의 구동 모드시 상기 제1 개질기로부터 생성되는 부 생성물과 상기 스택으로부터 배출되는 미반응 수소 가스를 산화 촉매 반응으로 연소시켜 열을 발생시키고, 상기 제1 개질기의 정지 모드시 연료와 공기를 산화 촉매 반응으로 연소시켜 열을 발생시키는 열원부; 및

상기 열원부로부터 발생되는 열을 흡열하여 연료를 기화시키고 개질 촉매 반응에 의해 상기 연료로부터 수소가 풍부한 개질 가스를 발생시키는 개질 반응부를 포함하는 연료 전지 시스템.
제 8 항에 있어서,

상기 개질 반응부에 의해 생성된 개질 가스로부터 수소 가스 이외의 부 생성물을 제거하는 적어도 하나의 부 생성물 제거부를 더 포함하는 연료 전지 시스템.
제 8 항에 있어서,

상기 제1 연결부가 상기 열원부와 부 생성물 배출부를 연결하는 연료 전지 시스템.
제 8 항에 있어서,

상기 제2 연결부가 상기 열원부와 미반응 수소 가스 배출부를 연결하는 연료 전지 시스템.
제 8 항에 있어서,

상기 제3 연결부가 상기 열원부와 공기 공급부를 연결하는 연료 전지 시스템.
제 1 항 또는 제 7 항에 있어서,

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