KR20050104618A - 연료 전지 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 열 에너지에 의한 화학 촉매 반응을 통해 수소를 함유한 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질기; 상기 수소 가스와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 생성부; 상기 개질기로 연료를 공급하는 연료 공급부; 상기 전기 생성부로 산소를 공급하는 산소 공급부; 시스템의 초기 기동시 상기 개질기의 열 에너지를 전기 생성부에 제공하여 상기 전기 생성부를 예열시키는 제1 열교환부; 및 시스템의 정상 기동시 상기 전기 생성부 내로 상기 연료를 순환시켜 상기 전기 생성부에서 발생되는 열을 냉각시키고, 상기 전기 생성부를 순환하면서 예열된 연료를 상기 개질기로 공급하는 제2 열교환부를 포함한다.

Description

연료 전지 시스템 {FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전체적인 시스템의 열 효율을 개선한 구조를 갖는 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
알려진 바와 같이, 연료 전지(Fuel Cell)는 메탄올, 에탄올, 천연 가스와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와, 산소의 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, 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.
상기와 같은 연료 전지 시스템에 있어 전기를 실질적으로 발생시키는 스택은 전극-전해질 합성체(Membrane Electrode Assembly: MEA)와 이의 양면에 밀착하는 세퍼레이터(separator)로 이루어진 단위 셀이 수 개 내지 수십 개로 적층된 구조를 갖는다. 전극-전해질 합성체는 전해질막을 사이에 두고 애노드 전극과 캐소드 전극이 부착된 구조를 가진다. 그리고 세퍼레이터는 통상 당 업계에서 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)라고 칭하는 것으로서, 상기 각각의 전극-전해질 합성체를 분리하고 연료 전지의 반응에 필요한 수소 가스와 산소를 전극-전해질 합성체의 애노드 전극과 캐소드 전극으로 공급하는 통로의 역할과, 각 전극-전해질 합성체의 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체의 역할을 동시에 수행한다. 따라서, 세퍼레이터를 통해 애노드 전극에는 수소 가스가 공급되는 반면, 캐소드 전극에는 산소가 공급된다. 이 과정에서 애노드 전극에서는 수소 가스의 산화 반응이 일어나게 되고, 캐소드 전극에서는 산소의 환원 반응이 일어나게 되며 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기를 발생시키고, 열과 수분을 부수적으로 발생시킨다.
이러한 연료 전지 시스템은 스택을 항상 적정 온도로 관리를 하여야 전해질막의 안정성을 보장할 수 있을 뿐만 아니라, 성능 저하를 미연에 방지할 수 있다. 이를 위해 종래의 연료 전지 시스템은 통상적인 공냉식 냉각장치를 구비하여 운전 중에 스택에서 발생하는 열을 비교적 온도가 낮은 찬 공기로 식혀 주거나 또는 냉각수를 공급하여 스택에서 발생하는 열을 식혀 주는 수냉식 냉각장치를 구비하고 있다.
그런데, 이와 같은 공냉식 또는 수냉식의 냉각 구조를 갖는 종래의 연료 전지 시스템은 스택에 공기 또는 냉각수를 공급하여 스택에서 발생하는 열을 냉각시키는 경우, 스택을 거치면서 데워진 공기 또는 냉각수를 그대로 배출하여 결과적으로 스택으로부터 회수한 열을 버리게 되므로, 그 만큼의 에너지 손실을 유발하게 되는 문제점이 있다.
또한, 종래의 연료 전지 시스템은 캐소드 전극으로 공급되는 공기 중의 일부가 반응을 하고 나머지 공기가 미반응되어 전기 생성시 발생하는 수분과 함께 고온의 수증기 형태로 배출되게 된다.
그런데, 종래의 연료 전지 시스템은 스택으로부터 배출되는 수분을 비교적 낮은 온도를 유지하는 대기로 직접 방출할 경우, 상기 수분이 대기와 접촉하면서 응축이 일어나게 된다. 이로 인해 본 시스템을 채용하는 전자기기 등의 외관 케이스를 통해 상기 응축된 물이 흘러 나와 사용자에게 불쾌감을 끼치게 하는 문제점이 있다.
또한, 종래의 연료 전지 시스템은 초기 구동시 개질기와 스택을 예열하기도 하는 바, 개질기와 스택을 예열하는데 따른 에너지의 소모로 인해 전체적인 시스템의 성능 효율이 떨어지게 되는 문제점이 있다.
또한, 종래의 연료 전지 시스템은 스택의 전기 생성에 필요한 연료를 별도로 가열하여 기화시키고 개질기를 통해 수소 가스를 발생시키는 구조를 가지는 바, 연료를 개질기에서 요구하는 온도로 가열하는데 따른 에너지의 소모로 인해 전체적인 시스템의 성능 효율이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 감안한 것으로서, 그 목적은 전체적인 시스템의 성능 및 열 효율을 향상시키기 위해 전기 생성시 발생하는 열과 수분을 시스템의 구동에 필요한 에너지원으로 재활용할 수 있는 구조를 가진 연료 전지 시스템을 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 열 에너지에 의한 화학 촉매 반응을 통해 수소를 함유한 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질기; 상기 수소 가스와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 생성부; 상기 개질기로 연료를 공급하는 연료 공급부; 상기 전기 생성부로 산소를 공급하는 산소 공급부; 및 상기 개질기와 전기 생성부에 연결 설치되어 시스템의 초기 기동시 상기 개질기의 열 에너지를 전기 생성부에 제공하여 상기 전기 생성부를 예열시키는 제1 열교환부를 포함한다.
이 경우 상기 개질기는 상기 연료와 산소의 산화 반응을 통해 상기 열 에너지를 발생시키는 제1 반응부를 포함할 수 있다. 그리고 상기 연료 공급부는 상기 연료를 저장하는 제1 탱크, 상기 제1 탱크에 연결 설치되는 제1 펌프를 포함하며, 상기 제1 탱크와 제1 반응부가 제1 공급라인에 의해 연결될 수 있다.
그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 산소 공급부는 공기를 흡입하는 공기 펌프를 포함하며, 상기 공기 펌프와 제1 반응부가 제2 공급라인에 의해 연결될 수 있다.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 개질기는 상기 연료와 산소의 산화 반응을 통해 상기 열 에너지를 발생시키는 제1 반응부를 포함하고, 상기 전기 생성부가 복수로 구비되어 각각의 전기 생성부를 적층한 스택을 형성하고, 상기 스택은 상기 열 에너지를 통과시키는 유로를 가지면서 서로 이웃하는 전기 생성부 사이에 위치하는 유로부를 포함한다.
그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 제1 열교환부는 상기 유로의 일측 단부에 결합되어 상기 제1 반응부와 유로를 실질적으로 연결하는 노즐부재와, 상기 유로의 타측 단부에 결합되어 상기 노즐부재와 실질적으로 연통하는 회수부재를 포함할 수 있다. 이 경우 상기 제1 반응부와 노즐부재는 제3 공급라인에 의해 연결된다.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 유로부는 상기 유로를 가지면서 서로 이웃하는 전기 생성부 사이에 개재되는 플레이트 타입의 고열전도 고체부재를 포함할 수 있다. 이 때 상기 고열전도 고체부재는 열전도성을 갖는 알루미늄, 구리, 철로 이루어지는 군에서 선택되는 재질로 형성될 수 있다.
그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 전기 생성부는 전극-전해질 합성체와 상기 전극-전해질 합성체의 양면에 배치되는 세퍼레이터를 포함하며, 상기 유로부는 서로 이웃하는 세퍼레이터에 상기 유로를 형성할 수도 있다.
또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 열 에너지에 의한 화학 촉매 반응을 통해 수소를 함유한 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질기; 상기 수소 가스와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 생성부; 상기 개질기로 연료를 공급하는 연료 공급부; 상기 전기 생성부로 산소를 공급하는 산소 공급부; 및 상기 전기 생성부 내로 상기 연료를 순환시켜 상기 전기 생성부에서 발생되는 열을 냉각시키고, 상기 전기 생성부를 순환하면서 예열된 연료를 상기 개질기로 공급하는 제2 열교환부를 포함할 수 있다.
그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 산소 공급부는 공기를 흡입하는 공기 펌프를 포함하며, 상기 공기 펌프와 전기 생성부가 제4 공급라인에 의해 연결될 수 있다.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 전기 생성부가 복수로 구비되어 각각의 전기 생성부를 적층한 스택을 형성하고, 상기 스택은 상기 열 에너지를 통과시키는 유로를 가지면서 서로 이웃하는 전기 생성부 사이에 위치하는 유로부를 포함할 수 있다.
그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 제2 열교환부는 상기 유로의 일측 단부에 결합되어 상기 연료 공급부와 유로를 실질적으로 연결하는 노즐부재와, 상기 유로의 타측 단부에 결합되어 상기 노즐부재와 실질적으로 연통하는 회수부재를 포함할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 연료 공급부는 수소를 함유한 액상의 연료를 저장하는 제1 탱크와, 물을 저장하는 제2 탱크 및 상기 제1 탱크와 제2 탱크에 각각 연결 설치되는 제1 펌프를 포함할 수도 있다. 이 경우 상기 제1,2 탱크와 노즐부재가 제5 공급라인에 의해 연결될 수 있다.
그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 개질기는 상기 연료와 산소의 산화 반응을 통해 열 에너지를 발생시키는 제1 반응부와, 상기 열 에너지를 이용하여 상기 연료와 물의 혼합 연료를 증발시키는 제2 반응부와, 수증기 개질 촉매 반응을 통해 상기 증발된 혼합 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 제3 반응부를 포함할 수도 있다. 이 때 상기 회수부재와 제2 반응부가 제6 공급라인에 의해 연결될 수 있다.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 유로부는 상기 유로를 가지면서 서로 이웃하는 전기 생성부 사이에 개재되는 고열전도 고체부재를 포함할 수 있다.
그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 전기 생성부는 전극-전해질 합성체 및 상기 전극-전해질 합성체의 양면에 배치되는 세퍼레이터를 포함하며, 상기 유로부는 서로 이웃하는 세퍼레이터에 상기 유로를 형성할 수도 있다.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 개질기는 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 적어도 하나의 반응부를 더 포함할 수도 있다.
그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 개질기는 수성 가스 전환 촉매 반응을 통해 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 1차적으로 저감시키는 제4 반응부와, 선택적 산화 촉매 반응을 통해 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 2차적으로 저감시키는 제5 반응부를 포함할 수도 있다. 이 경우 상기 제5 반응부와 전기 생성부가 제7 공급라인에 의해 연결될 수 있다.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 각각의 반응부는 플레이트 타입의 몸체와, 상기 몸체의 상면에 형성되어 유체의 흐름을 가능하게 하는 채널과, 상기 각각의 채널을 연결하는 관통공을 형성할 수도 있다. 이 때 상기 개질기는 상기 각각의 몸체에 의한 적층 구조로 이루어지는 것이 바람직하다. 더욱이 상기 개질기는 최상부의 몸체와 결합하는 덮개부를 포함할 수 있다.
그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 전기 생성부는 수소와 산소의 결합 반응에 의해 생성되는 고온 다습한 수분과 수소와 미반응한 상태로 상기 수분에 함유된 산소를 배출하는 수분 배출부와 산소와 미반응한 수소 가스를 배출하는 수소 가스 배출부를 포함하며, 상기 개질기는 상기 연료와 산소의 산화 반응을 통해 상기 열 에너지를 발생시키는 제1 반응부를 포함할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 수분 배출부를 통해 미반응 산소를 함유한 상태로 배출되는 상기 수분을 응축하여 물과 산소를 각각 발생시키는 제3 열교환부와, 상기 제3 열교환부에 의해 생성된 물을 연료 공급부로 공급하고, 산소를 상기 제1 반응부로 공급하는 제1 순환부를 포함할 수도 있다.
이 경우 상기 제3 열교환부는 상기 수분 배출부와 연결 설치되는 응축기를 포함하며, 상기 수분 배출부와 응축기가 제8 공급라인에 의해 연결될 수 있다. 그리고 상기 제1 순환부는 상기 응축기와 연료 공급부를 연결하는 제9 공급라인 및 상기 응축기와 제1 반응부를 연결하는 제10 공급라인을 포함할 수 있다.
그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 수소 가스 배출부로부터 배출되는 미반응 수소 가스를 제1 반응부로 공급하는 제2 순환부를 더 포함할 수도 있다. 이 경우 상기 제2 순환부는 상기 수소 가스 배출부와 제1 반응부를 연결하는 제11 공급라인을 포함할 수 있다.
또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 열 에너지에 의한 화학 촉매 반응을 통해 수소를 함유한 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질기; 상기 수소 가스와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 생성부; 상기 개질기로 연료를 공급하는 연료 공급부; 상기 전기 생성부로 산소를 공급하는 산소 공급부; 시스템의 초기 기동시 상기 개질기의 열 에너지를 전기 생성부에 제공하여 상기 전기 생성부를 예열시키는 제1 열교환부; 및 시스템의 정상 기동시 상기 전기 생성부 내로 상기 연료를 순환시켜 상기 전기 생성부에서 발생되는 열을 냉각시키고, 상기 전기 생성부를 순환하면서 예열된 연료를 상기 개질기로 공급하는 제2 열교환부를 포함할 수도 있다.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 전기 생성부는 수소와 산소의 결합 반응에 의해 생성되는 고온 다습한 수분과 수소와 미반응한 상태로 상기 수분에 함유된 산소를 배출하는 수분 배출부와 산소와 미반응한 수소 가스를 배출하는 수소 가스 배출부를 포함하며, 상기 개질기는 상기 연료와 산소의 산화 반응을 통해 상기 열 에너지를 발생시키는 제1 반응부를 포함할 수 있다.
그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 수분 배출부를 통해 미반응 산소를 함유한 상태로 배출되는 상기 수분을 응축하여 물과 산소를 각각 발생시키는 제3 열교환부와, 상기 제3 열교환부에 의해 생성된 물을 연료 공급부로 공급하고, 산소를 상기 제1 반응부로 공급하는 제1 순환부를 포함할 수도 있다.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 수소 가스 배출부로부터 배출되는 미반응 수소 가스를 제1 반응부로 공급하는 제2 순환부를 포함할 수도 있다.
그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 제1 반응부로부터 배출되는 배출 가스를 기화시키는 제4 열교환부를 포함할 수도 있다. 이 경우 상기 제4 열교환부는 상기 배출 가스를 가열하는 가열기를 포함하고, 상기 가열기와 제1 반응부가 제12 공급라인에 의해 연결될 수 있다.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 개질기는 상기 열 에너지를 이용하여 상기 연료와 물의 혼합 연료를 증발시키는 제2 반응부와, 수증기 개질 촉매 반응을 통해 상기 증발된 혼합 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 제3 반응부와, 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 적어도 하나의 반응부를 포함할 수 있다.
그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 일산화탄소의 농도가 저감된 수소 가스를 상기 제1 반응부로 재공급하는 제1 보조 연료 공급부를 포함할 수도 있다. 이 경우 상기 제1 보조 연료 공급부는 상기 개질기로부터 전기 생성부로 수소 가스를 공급하는 공급경로와 상기 전기 생성부로부터 배출되는 미반응 수소 가스를 제1 반응부로 공급하는 공급경로 사이를 연결하는 제13 공급라인을 포함할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 제1 반응부에 연료를 추가적으로 공급하는 제2 보조 연료 공급부를 더 포함할 수도 있다. 이 경우 상기 제2 보조 연료 공급부는 연료 공급부와 제1 반응부를 연결하는 제 14 공급라인과, 상기 제14 공급라인에 연결 설치되는 제2 펌프를 포함할 수 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; 상기 전기 생성부로 연료를 공급하는 연료 공급부; 상기 전기 생성부로 산소를 공급하는 산소 공급부; 및 상기 연료를 외부 로드로 순환시켜 상기 외부 로드에서 발생하는 열을 냉각시키는 제5 열교환부를 포함할 수도 있다.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 제5 열교환부는 상기 연료를 통과시키는 유로를 가지면서 상기 외부 로드에 접촉하도록 구비되는 냉각 플레이트를 포함하며, 상기 연료 공급부와 유로가 제15 공급라인에 의해 연결될 수 있다.
그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 전기 생성부와 연료 공급부 사이에, 열 에너지에 의한 화학 촉매 반응을 통해 상기 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질기가 배치되어 상기 연료 공급부와 전기 생성부에 연결 설치될 수 있다.
이 경우 본 시스템은 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrance Fuel Cell: PEMFC) 방식을 채용한다. 그러나 본 시스템은 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC) 방식을 채용할 수도 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.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 도시한 개략도이다.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)에 있어 전기를 생성하기 위한 연료라 함은 메탄올, 에탄올 또는 천연 가스와 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 정의하고, 액상의 연료와 물을 혼합 연료라고 정의한다.
그리고 본 시스템(100)은 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 1을 참고하면, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)은, 기본적으로 상기 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질기(30)와, 상기 수소 가스와 공기 중에 함유된 산소의 화학 반응 에너지를 전기 에너지로 변환시켜 전기를 생산 해 내는 스택(10)과, 상기 연료를 개질기(30)로 공급하는 연료 공급부(50)와, 공기를 스택(10)으로 공급하는 산소 공급부(70)를 포함하여 구성된다.
이러한 연료 전지 시스템(100)은 개질기(30)를 통해 상기 수소 가스를 생성하고, 이 수소 가스를 스택(10)으로 공급하여 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrode Membrane Fuel Cell; PEMFC) 방식을 채용한다.
상기 연료 공급부(50)는 전술한 바 있는 액상의 연료를 저장하는 제1 탱크(51)와, 물을 저장하는 제2 탱크(53)와, 각각의 제1 및 제2 탱크(51, 53)에 연결 설치되는 제1 펌프(55)를 포함한다. 그리고 연료 공급부(50)는 제1 탱크(51)에 연결 설치되는 제1 개폐 밸브(57)와, 제2 탱크(53)에 연결 설치되는 제2 개폐 밸브(59)를 구비할 수도 있다. 이러한 제1 및 제2 개폐 밸브(57, 59)는 일반적인 구조의 2-웨이(2-way) 밸브로서, 제1 펌프(55)와 제1,2 탱크(51, 53)를 연결하는 유로 상에 설치되어 제1 펌프(55)로부터 작용하는 펌핑력에 의해 상기한 유로를 선택적으로 개폐시키는 기능을 갖는다. 아울러 상기 산소 공급부(70)는 소정의 펌핑력으로 공기를 흡입하는 공기 펌프(71)를 구비한다.
도 2는 도 1에 도시한 개질기의 구조를 나타내 보인 분해 사시도이고, 도 3은 도 2의 결합 사시도이다.
도 1 내지 도 3을 참고하면, 본 발명에 적용되는 개질기(30)는 통상적으로 열 에너지에 의한 화학 촉매 반응을 통해 액상의 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키고, 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 구조를 갖는다. 이러한 개질기(30)는 예컨대, 수증기 개질, 부분 산화 또는 자열 반응 등의 촉매 반응을 통해 액상의 연료로부터 수소 가스를 발생시킨다. 그리고 개질기(30)는 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.
본 실시예에 따르면, 상기 개질기(30)는 액상의 연료와 산소의 산화 반응을 통해 열 에너지를 발생시키고, 그 열 에너지를 이용하여 상술한 바와 같은 화학 촉매 반응을 통해 혼합 연료로부터 수소 가스를 발생시키며, 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 다수의 반응부(31-35)들이 순차적으로 적층된 구조를 가진다.
보다 구체적으로, 상기 개질기(30)는 상기 화학 촉매 반응에 필요한 반응열을 발생시키는 제1 반응부(31)와, 제1 반응부(31)로부터 발생하는 열 에너지를 이용하여 혼합 연료를 증발시키는 제2 반응부(32)와, 수증기 개질(Steam Reformer: SR) 촉매 반응을 통해 상기 증기화된 혼합 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 제3 반응부(33)와, 수성가스 전환(Water-Gas Shift Reaction: WGS) 촉매 반응을 통해 추가의 수소 가스를 발생시키고 상기한 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 1차적으로 저감시키는 제4 반응부(34)와, 선택적 산화(Preferential CO Oxidation: PROX) 촉매 반응을 통해 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 2차적으로 저감시키는 제5 반응부(35)를 포함한다.
본 실시예에 따르면, 상기 개질기(30)는 제1 반응부(31)를 중심에 두고 그 상측에 제3 반응부(33) 및 제4 반응부(34)를 순차적으로 적층하고, 하측에 제2 반응부(32) 및 제5 반응부(35)를 순차적으로 적층하며, 이들 각각의 상면에는 상기한 유체의 흐름을 가능하게 하는 유로 채널과 관통홀을 형성하고 있다. 그리고 개질기(30)의 최상측에 위치하는 제4 반응부(34)의 상면에는 커버(36)가 결합될 수 있다. 또한 상기 제1 내지 제5 반응부(31-35)는 소정 폭과 길이를 가진 사각형의 플레이트 형상을 취하고, 열전도성을 갖는 금속 소재 예컨대, 알루미늄, 구리 또는 철로 형성될 수 있다.
상기 제1 반응부(31)는 수소 가스의 생성에 필요한 열 에너지를 발생시키고 개질기(30) 전체를 예열하기 위한 발열 부분으로서, 액상의 연료와 공기를 산화 촉매 반응을 통해 연소시키는 구조를 갖는다.
제1 반응부(31)는 사각형의 플레이트 타입으로 이루어진 제1 몸체(31p)를 구비하고, 제1 몸체(31p)에는 연료와 공기의 유체 흐름을 가능케 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 반응를 촉진시키는 촉매층(도시하지 않음)을 형성하고 있다.
그리고 제1 반응부(31)의 제1 몸체(31p)에는 액상의 연료와 공기를 제1 유로 채널(31a)로 공급하기 위한 제1 유입구(31b) 및, 제1 유로 채널(31a)을 통과하면서 산화 연소되는 연소 가스를 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)는 제1 공급라인(111)을 통해 연료 공급부(50)의 제1 탱크(51)와 연결되며, 제2 공급라인(72)를 통해 산소 공급부(70)의 공기 펌프(71)와 연결될 수 있다. 그리고 제2 공급라인(72) 상에는 제3 개폐밸브(75)를 설치하고 있다.
상기 제2 반응부(32)는 수소 가스를 생성하기 위한 혼합 연료를 실질적으로 공급받는 부분으로서, 제1 반응부(31)로부터 발생하는 열 에너지를 전달받아 상기 혼합 연료를 증발시키는 기능을 갖는다.
제2 반응부(32)는 사각형의 플레이트 타입으로 이루어진 제2 몸체(32p)를 구비하고, 제2 몸체(32p)에는 혼합 연료의 흐름을 가능케 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 촉진시키는 촉매층(도시하지 않음)을 형성하고 있다.
또한 제2 반응부(32)의 제2 몸체(32p)에는 혼합 연료를 제2 유로 채널(32a)로 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.
상기 제3 반응부(33)는 수증기 개질(Steam Reformer: SR) 촉매 반응을 통해 제2 반응부(32)에서 증기화된 혼합 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 부분이다. 제3 반응부(33)는 사각형의 플레이트 타입으로 이루어진 제3 몸체(33p)를 구비하고, 제3 몸체(33p)에는 상기 혼합 연료의 흐름을 가능케 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 상기 증기화된 혼합 연료의 개질 반응을 촉진시키는 촉매층(도시하지 않음)을 형성하고 있다.
또한 제3 반응부(33)의 제3 몸체(33p)에는 제2 반응부(32)에서 증발된 혼합 연료를 전달받도록, 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 수성 가스 전환(Water-Gas Shift Reaction: WGS) 촉매 반응을 통해 제3 반응부(33)에서 발생한 수소 가스 외에 추가의 수소 가스를 생성하고, 상기한 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 1차적으로 저감시키는 기능을 갖는다.
제4 반응부(34)는 사각형의 플레이트 타입으로 이루어진 제4 몸체(34p)를 구비하고, 제4 몸체(34p)에는 상기 수소 가스의 흐름을 가능케 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(도시하지 않음)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 생성된 수소 가스와 공기의 선택적 산화(Preferential CO Oxidation: PROX) 촉매 반응을 통해 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 2차적으로 저감시킴과 동시에 상기 수소 가스를 배출시킬 수 있는 구조를 갖는다.
제 5반응부(35)는 사각형의 플레이트 타입으로 이루어진 제5 몸체(35p)를 구비하고, 제5 몸체(35p)에는 제4 반응부(34)에서 반응한 상기 수소 가스의 흐름을 가능케 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(도시하지 않음)을 형성하고 있다.
또한 제5 반응부(35)의 제5 몸체(35p)에는 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)는 제7 공급라인(73)을 통해 산소 공급부(70)의 공기 펌프(71)와 연결될 수 있다. 여기서 제7 공급라인(73) 상에는 제4 개폐밸브(76)를 설치하고 있다. 그리고 제2 유출구(35c)는 수소 가스 공급경로(175)를 통해 스택(10)과 연결될 수 있다.
위와 같이 제1-5 반응부(31-35)는 각각의 몸체(31p-35p)가 일례로서 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 나타내 보인 분해 사시도이다.
도 1 및 도 4를 참고하면, 본 시스템(100)에 적용되는 스택(10)은 개질기(30)에 의해 생성된 수소 가스와 공기 중에 함유된 산소의 산화/환원 반응을 통하여 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 생성부(11)를 포함한다.
각각의 전기 생성부(11)는 전극-전해질 합성체(12)를 중심에 두고 이의 양면에 세퍼레이터(16)를 배치하여 전기를 발생시키는 최소 단위의 셀을 형성하고, 이 단위 셀이 복수로 구비되어 본 실시예와 같은 적층 구조의 스택(10)을 형성한다. 그리고 스택(10)의 최 외곽에는 상기한 복수의 전기 생성부(11)를 밀착시키는 별도의 가압 플레이트(13)를 설치할 수도 있다. 그러나 본 발명에 의한 스택(10)은 상기한 가압 플레이트(13)를 배제하고, 전기 생성부(11)의 최 외곽에 위치하는 세퍼레이터(16)가 상기 가압 플레이트의 역할을 대신하도록 구성할 수도 있다. 또한 가압 플레이트(13)가 복수의 전기 생성부(11)를 밀착시키는 기능 외에, 다음에 설명하는 세퍼레이터(16)의 고유한 기능을 갖도록 구성할 수도 있다.
전극-전해질 합성체(12)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(16)는 전극-전해질 합성체(12)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(16)는 전극-전해질 합성체(12)의 애노드 전극에 밀착되는 면에 애노드 전극으로 수소 가스를 공급하기 위한 수소 통로를 형성하고, 전극-전해질 합성체(12)의 캐소드 전극에 밀착되는 면에 캐소드 전극으로 공기를 공급하기 위한 공기 통로를 형성하는 유로 채널(17)을 구비하고 있다.
그리고 상기 가압 플레이트(13)에는 수소 가스를 세퍼레이터(16)의 수소 통로로 공급하기 위한 제1 주입부(13a)와, 공기를 세퍼레이터(16)의 공기 통로로 공급하기 위한 제2 주입부(13b)와, 전극-전해질 합성체(12)의 애노드 전극에서 반응하고 남은 수소 가스를 배출시키기 위한 제1 배출부(13c)와, 전극-전해질 합성체(22)의 캐소드 전극에서 수소와 산소의 결합 반응에 의해 생성된 수분과 수소와 반응하고 남은 공기를 배출시키기 위한 제2 배출부(13d)를 형성하고 있다. 여기서 제1 주입부(13a)는 전술한 바 있는 수소 가스 공급경로(175)를 통해 개질기(30)를 구성하는 제5 반응부(35: 도 2)의 제2 유출구(35c)와 연결될 수 있다. 그리고 제2 주입부(13b)는 제4 공급라인(74)를 통해 산소 공급부(70)의 공기 펌프(71)와 연결될 수 있다. 여기서 제4 공급라인(74) 상에는 제5 개폐밸브(77)를 설치하고 있다.
그리고 위와 같은 구조를 갖는 스택(10)은 적어도 하나의 유로(22)을 가지면서 서로 이웃하는 적어도 하나의 전기 생성부(11) 사이에 위치하는 유로부(21)를 포함하고 있다. 바람직하게, 상기 유로부(21)는 2~3개의 군을 이루는 전기 생성부(11) 사이에 각각 배치되는 플레이트 타입의 고열전도 고체부재(23)를 구비한다. 상기 고열전도 고체부재(23)는 전기 생성부(11)로부터 발생하는 열이 용이하게 전도되도록 하는 열전도성 금속 소재 예컨대, 알루미늄, 구리, 철 소재 등으로 형성될 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 대한 스택의 변형예를 도시한 분해 사시도이다.
도 5를 참고하면, 본 실시예의 변형예에 따른 스택(10)은 서로 이웃하는 전기 생성부(11)의 세퍼레이터(16)에 유로(22)를 형성하고 있는 유로부(21)가 구비된다. 상기 유로부(21)는 서로 이웃하는 각각의 세퍼레이터(16)에 형성된 홈(22a)을 포함하며, 상기 이웃하는 각각의 세퍼레이터(16)가 서로 밀착될 때 그 홈(22a)이 서로 합쳐지면서 상기 유로(22)를 형성한다.
한편, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)은 그 성능과 열 효율을 향상시키기 위해 초기 기동시 개질기(30)에서 발생하는 열 에너지를 스택(10)의 전기 생성부(11)에 제공하여 상기 전기 생성부(11)를 예열시키는 제1 열교환부(100)를 포함하고 있다.
도 6은 도 1에 도시한 제1 열교환부 부위를 나타내 보인 개략도이다.
도 1 및 도 6을 참고하면, 본 실시예에 따른 제1 열교환부(110)는 액상의 연료와 공기를 개질기(30)의 제1 반응부(31)로 공급하여 연료와 공기의 산화 반응에 의해 발생하는 열 에너지를 전기 생성부(11)에 제공할 수 있는 구조를 갖는다. 다시 말하면, 제1 열교환부(110)는 제1 반응부(31)로부터 배출되는 비교적 높은 온도의 배출 가스를 전기 생성부(11)에 공급하여 이 전기 생성부(11)를 예열할 수 있는 구조를 갖는다.
상기 제1 열교환부(110)는 제1 공급라인(111)을 통해 제1 탱크(51)와 제1 반응부(31)의 제1 유입구(31b)를 연결하고, 제2 공급라인(72)을 통해 공기 펌프(71)와 상기 제1 유입구(31b)를 연결한다.
그리고 제1 열교환부(110)는 제1 반응부(31)로부터 배출되는 상기 배출 가스를 전기 생성부(11)로 분사하는 노즐부재(114)와, 전기 생성부(11)를 거친 배출 가스를 회수하는 회수부재(117)를 포함한다.
도 7은 도 6에 도시한 노즐부재와 회수부재 부위를 나타내 보인 분해 사시도이다.
도 6 및 도 7을 참고하면, 상기 노즐부재(114)는 제1 반응부(31)로부터 배출되는 상기 배출 가스를 스택(10)의 유로부(21)로 공급하여 이 유로부(21)와 밀착하는 전기 생성부(11)를 예열시키기 위한 것이다. 상기 노즐부재(114)는 유로부(21)의 유로(22)에 결합된다. 노즐부재(114)는 유로(22)와 연통하는 다수의 노즐 구멍(115)을 형성하고, 일단이 개방되고 타단이 폐쇄된 파이프 형상으로 이루어진다. 이 때 노즐부재(114)는 노즐 구멍(115)의 가장자리 부분이 돌출된 구조를 가지면서 그 돌출된 부분을 유로(22)의 일측 단부에 억지 끼워 맞춤식으로 결합한다. 여기서 노즐부재(114)의 개방된 단부는 상기 배출 가스가 주입되는 입구(116)로서, 제3 공급라인(113)을 통해 제1 반응부(31)의 제1 유출구(31c)와 연결된다.
상기 회수부재(117)는 노즐부재(114)에 의해 유로부(21)를 통과한 상기 배출 가스를 회수하여 시스템(100)의 외부로 배출시키거나 제1 반응부(31)로 재공급하기 위한 것이다. 상기 회수부재(117)는 유로부(21)의 유로(22)에 결합된다. 회수부재(117)는 유로(22)와 연통하는 다수의 회수 구멍(118)을 형성하고, 일단이 개방되고 타단이 폐쇄된 파이프 형상으로 이루어진다. 이 때 회수부재(117)는 회수 구멍(118)의 가장자리 부분이 돌출된 구조를 가지면서 그 돌출된 부분을 유로(22)의 타측 단부에 억지 끼워 맞춤식으로 결합한다. 여기서 회수부재(117)의 개방된 단부는 유로(22)를 통과한 배출 가스를 배출시키는 출구(117)로서, 도 1에 도시한 제6 개폐밸브(112)와 연결 설치된다.
상기와 같은 구조를 갖는 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)은 제1 열교환부(110)를 통해 전기 생성부(11)를 예열한 상태에서 정상적인 기동이 이루어지고, 전기 생성부(11)에서는 수소 가스와 공기 중에 함유된 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시킨다. 이 때 전기 생성부(11)에서는 수소 가스와 산소의 화학적인 반응에 의해 부수적으로 열이 발생하게 된다.
이에 본 발명의 실시예에서는 액상의 연료와 물의 혼합 연료를 스택(10) 내로 순환시켜 전기 생성부(11)에서 발생하는 열을 냉각시키고, 이 스택(10)을 냉각하면서 가열된 혼합 연료를 개질기(30)로 공급할 수 있는 제2 열교환부(12)를 포함하고 있다.
도 8은 도 1에 도시한 제2 열교환부 부위를 나타내 보인 개략도이다.
도 1 및 도 8을 참고하면, 상기 제2 열교환부(120)는 제5 공급라인(121)을 통해 연료 공급부(50)와 스택(10)의 유로부(21)를 연결하고, 제6 공급라인(123)을 통해 상기 유로부(21)와 개질기(30)의 제 2반응부(32)를 연결한다.
그리고 상기 제2 열교환부(120)는 제1 탱크(51)로부터 배출되는 액상의 연료와 제2 탱크(53)로부터 배출되는 물의 혼합 연료를 전기 생성부(11)로 분사하는 노즐부재(114)와, 전기 생성부(11)를 거친 혼합 연료를 회수하여 상기 제2 반응부(32)로 공급하는 회수부재(117)를 포함하고 있다.
도 6 및 도 7에 도시한 바와 같이, 노즐부재(114)는 상기 혼합 연료를 스택(10)의 유로부(21)로 공급하여 전기 생성부(11)에서 발생하는 열을 냉각시키기 위한 것이다. 상기 노즐부재(114)는 유로부(21)의 유로(22)에 결합된다. 노즐부재(114)는 유로(22)와 연통하는 다수의 노즐 구멍(115)을 형성하고, 일단이 개방되고 타단이 폐쇄된 파이프 형상으로 이루어진다. 이 때 노즐부재(114)는 노즐 구멍(115)의 가장자리 부분이 돌출된 구조를 가지면서 그 돌출된 부분을 유로(22)의 일측 단부에 억지 끼워 맞춤식으로 결합한다. 여기서 노즐부재(114)의 상기 혼합 연료가 주입되는 입구(116)로서, 전술한 바 있는 제5 공급라인(121)에 의해 연료 공급부(50)의 제1 및 제2 탱크(51, 53)에 연결된다.
상기 회수부재(117)는 노즐부재(114)에 의해 유로부(21)를 통과한 상기 혼합 연료를 회수하여 개질기(30)의 제2 반응부(32)로 공급하기 위한 것이다. 상기 회수부재(117)는 유로부(21)의 유로(22)에 결합된다. 회수부재(117)는 유로(22)와 연통하는 다수의 회수 구멍(118)을 형성하고, 일단이 개방되고 타단이 폐쇄된 파이프 형상으로 이루어진다. 이 때 회수부재(117)는 회수 구멍(118)의 가장자리 부분이 돌출된 구조를 가지면서 그 돌출된 부분을 유로(22)의 타측 단부에 억지 끼워 맞춤식으로 결합한다. 여기서 회수부재(117)의 개방된 단부는 유로(22)를 통과한 혼합 연료를 개질기(30)의 제2 반응부(32)로 공급하는 출구(117)로서, 전술한 바 있는 제 6공급라인(123)에 의해 상기 제2 반응부(32)의 제2 유입구(32b)와 연결된다.
상기와 같은 구조를 갖는 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)의 작용시 스택(10)의 제2 배출부(13d)에서는 전기 생성부(11)의 수소와 산소의 결합 반응에 의해 생성되는 고온 다습한 수분과, 수소와 미반응한 상태로 상기 수분에 함유된 공기를 배출하게 된다.
이에 본 발명의 실시예에서는 스택(10)의 제2 배출부(13d)를 통해 미반응 공기를 함유한 상태로 배출되는 상기 수분을 응축하여 물과 공기를 각각 발생시키는 제3 열교환부(130)를 포함하고 있다.
도 9는 도 1에 도시한 제3 열교환부 부위를 나타내 보인 개략도이다.
도 1 및 도 9를 참고하면, 제3 열교환부(13)는 상기 수분을 응축시키는 응축기(131)를 포함하며, 상기 제2 배출부(13d)와 응축기(131)가 제8 공급라인(133)에 의해 연결된다. 이 때 상기 응축기(131)는 미반응 공기를 함유한 고온 다습의 수분을 응축시켜 물과 공기를 각각 발생시킨다. 그리고 응축기(131)에 의해 발생된 물과 공기는 제1 순환부(140)를 통해 연료 공급부(50)와 개질기(30)로 각각 공급된다.
도 10은 도 1에 도시한 제1 순환부 부위를 나타내 보인 개략도이다.
도 1 및 도 10을 참고하면, 본 실시예에 따르면, 상기 제1 순환부(140)는 상기한 물을 연료 공급부(50)의 제2 탱크(53)로 공급하기 위해 응축기(131)와 제2 탱크(53)를 연결하는 제9 공급라인(141)을 구비한다. 그리고 제1 순환부(140)는 상기한 공기를 개질기(30)의 제1 반응부(31)로 공급하기 위해 응축기(131)와 제1 반응부(31)의 제1 유입구(31b)를 연결하는 제10 공급라인(143)을 구비한다.
상기와 같은 구조를 갖는 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)의 작용시 스택(10)의 제1 배출부(13c)에서는 전기 생성부(11)에서 반응하고 남은 수소 가스를 배출하게 된다.
이에 본 발명의 실시예에서는 상기 미반응 수소 가스를 개질기(30)의 제1 반응부(31)로 재공급할 수 있는 제2 순환부(150)를 포함하고 있다.
도 11은 도 1에 도시한 제2 순환부 부위를 나타내 보인 개략도이다.
도 1 및 도 11을 참고하면, 본 실시예에 따르면, 제2 순환부(150)는 스택(10)의 제1 배출부(13c)와 제1 반응부(31)의 제1 유입구(31b)를 연결하는 제11 공급라인(151)을 구비한다.
상기와 같은 구조를 갖는 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)의 작용시 제2 순환부(150)에 의해 개질기(30)의 제1 반응부(31)로 재 공급된 미반응 수소 가스의 일부가 반응을 하고 나머지의 수소 가스가 미반응한 상태로 배출될 수도 있다.
이에 본 발명의 실시예에서는 상기 배출 가스를 가열하여 외부로 배출시키기 위한 제4 열교환부(160)를 포함하고 있다.
도 12는 도 1에 도시한 제4 열교환부 부위를 나타내 보인 개략도이다.
도 1 및 도 12를 참고하면, 제4 열교환부(160)는 상기 배출 가스를 가열하는 가열기(161)를 포함하며, 가열기(161)와 제1 반응부(31)의 제1 유출구(31c)가 제12 공급라인(163)에 의해 연결된다. 이 때 가열기(161)는 제2 공급라인(163) 상에 마련된 제7 개폐 밸브(165)와 연결 설치된다.
한편, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)은 개질기(30)의 제1 반응부(31)에서 발생하는 열 에너지를 더욱 가중시키기 위한 제1 및 제2 보조 연료 공급부(170, 180)를 포함하고 있다.
도 13은 도 1에 도시한 제1 보조 연료 공급부 부위를 나타내 보인 개략도이고, 도 14는 도 1에 도시한 제2 보조 연료 공급부 부위를 나타내 보인 개략도이다.
도 1 및 도 13을 참고하면, 상기 제1 보조 연료 공급부(170)는 개질기(30)의 제5 반응부(35)로부터 스택(10)의 제1 주입부(13a)로 공급되는 수소 가스를 제1 반응부(31)로 재 공급할 수 있는 구조를 갖는다.
상기 제1 보조 연료 공급부(170)는 제5 반응부(35)의 제2 유출구(35c)와 스택(10)의 제1 주입부(13a)를 연결하는 수소 가스 공급 경로(175)와 제2 순환부(150)의 제11 공급라인(151)을 연결하는 제13 공급라인(171)을 구비한다.
도 1 및 도 14를 참고하면, 상기 제2 보조 연료 공급부(180)는 연료 공급부(50)의 제1 탱크(51)에 저장된 액상의 연료를 제1 반응부(31)로 직접 공급할 수 있는 구조를 갖는다.
상기 제2 보조 연료 공급부(180)는 연료 공급부(50)의 제1 탱크(51)와 제1 반응부(31)의 제1 유입구(31b)를 연결하는 제14 공급라인(181)과, 제14 공급라인(181) 상에 설치되는 제2 펌프(183)를 구비한다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 동작을 상세히 설명하면 다음과 같다.
우선, 본 시스템(100)의 초기 기동시, 제1 펌프(55)를 가동시켜 제1 탱크(51)에 저장된 액상의 연료를 제1 공급라인(111)을 통해 제1 반응부(31)로 공급한다. 이와 동시에, 공기 펌프(71)를 가동시켜 공기를 제2 공급라인(72)을 통해 제1 반응부(31)로 공급한다. 이 때 상기 액상의 연료와 공기는 제1 반응부(31)의 제1 유입구(31b)를 통해 제1 유로 채널(31a)로 공급되게 된다.
이어서, 상기 액상의 연료와 공기가 제1 반응부(31)의 제1 유로 채널(31a)을 따라 유동하면서 촉매 산화 반응을 일으킨다. 그러면, 제1 반응부(31)에서는 이와 같은 산화 반응을 통해 소정 온도의 반응열을 발생시킨다. 따라서, 제1 반응부(31)로부터 발생하는 열 에너지가 제2 반응부(32), 제3 반응부(33), 제4 반응부(34) 및 제5 반응부(35)에 전도되면서 개질기(30) 전체를 예열시키게 된다.
이러는 과정을 거치는 동안, 제1 반응부(31)에서 발생하는 연소 가스를 제1 유출구(31c)를 통해 배출시킨다. 그러면, 상기 배출 가스는 비교적 높은 온도를 유지하면서 제3 공급라인(113)을 통해 노즐부재(114)의 입구(116)로 주입된다.
다음, 상기 배출 가스를 노즐부재(114)의 노즐 구멍(115)을 통해 유로부(21)의 유로(22)로 분사한다. 그러면 상기 배출 가스가 유로(22)를 통과하는 동안, 배출 가스 자체의 열이 세퍼레이터(16)에 전도됨에 따라 전기 생성부(11) 전체를 예열시키게 된다.
이 후, 유로(22)을 통과하는 배출 가스를 회수부재(117)를 통해 시스템(100) 외부로 배출시키거나 개질기(30)의 제1 반응부(31)로 공급한다.
이와 같이 개질기(30)와 전기 생성부(11)의 예열이 완료되면, 제1 펌프(55)를 가동시켜 제1 탱크(51)에 저장된 액상의 연료와 제2 탱크(53)에 저장된 물을 연료 공급라인(58)을 통해 제2 반응부(32)로 공급한다. 이 때 제2 반응부(32)는 제1 반응부(31)로부터 발생하는 열을 전달받아 소정 온도로 가열된 상태가 된다.
이어서, 상기 액상의 연료와 물의 혼합 연료가 제2 반응부(32)의 제2 유로 채널(32a)을 따라 흐르는 도중 상기 열에 의해 기화된다. 그리고 상기 기화된 혼합 연료는 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. 그러면, 제3 반응부(33)는 수증기 개질 촉매 반응을 통해 상기 기화된 혼합 연료로부터 수소 가스를 발생시킨다. 부연 설명하면, 제3 반응부(33)는 수증기 개질 촉매 반응을 통해 혼합 연료의 분해 반응과 일산화탄소의 변성 반응이 동시에 진행되어 이산화탄소와 수소를 함유하고 있는 수소 가스를 생성하게 된다. 이 때 제3 반응부(33)는 일산화탄소의 변성 반응을 완전히 행하게 하는 것이 곤란하여 부(副) 생성물로서의 일산화탄소가 미량 함유된 수소 가스를 생성하게 된다.
다음, 상기 수소 가스가 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 반응을 통해 추가의 수소 가스를 발생시키고, 그 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 1차적으로 저감시킨다.
이어서, 제4 반응부(34)의 제4 유로 채널(34a)을 통과한 상기 수소 가스가 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 공기를 제7 공급라인(73)을 통해 제5 반응부(35)의 제3 유입구(35b)로 주입시킨다. 그러면, 제5 반응부(35)는 선택적 산화 촉매 반응을 통해 상기한 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 2차적으로 저감시키고, 최종적으로 생성된 수소 가스를 제2 유출구(35c)를 통해 배출시킨다.
다음, 상기 수소 가스를 수소 가스 공급경로(175)를 통해 스택(10)의 제1 주입부(13a)로 공급한다. 이와 동시에, 공기 펌프(71)를 가동시켜 공기를 제4 공급라인(74)을 통해 스택(10)의 제2 주입부(13b)로 공급한다.
그러면 상기 수소 가스는 세퍼레이터(16)의 수소 통로를 통해 전극-전해질 합성체(12)의 애노드 전극으로 공급된다. 그리고 공기는 세퍼레이터(16)의 공기 통로를 통해 전극-전해질 합성체(12)의 캐소드 전극으로 공급된다.
따라서 애노드 전극에서는 산화 반응을 통해 수소 가스를 전자와 프로톤(수소이온)으로 분해한다. 그리고 프로톤이 전해질막을 통하여 캐소드 전극으로 이동하고, 전자는 전해질막을 통하여 이동되지 못하고 세퍼레이터(16)를 통해 이웃하는 전극-전해질 합성체(12)의 캐소드 전극으로 이동하게 되는데 이 때 전자의 흐름으로 전류를 발생시킨다. 또한 캐소드 전극에서는 상기 이동된 프로톤 및 전자와 산소의 환원 반응을 통해 수분과 열을 부가적으로 발생시키게 된다. 이 때, 전기 생성부(11)에서 발생하는 열은 세퍼레이터(16)를 통해 유로부(21)에 전도된 상태가 된다.
이러는 과정에서 제1 펌프(55)를 가동시켜 제1 탱크(51)에 저장된 액상의 연료와 제2 탱크(53)에 저장된 물을 제5 공급라인(121)을 통해 노즐부재(114)의 입구(116)로 주입한다.
이어서, 상기 액상의 연료와 물의 혼합 연료를 노즐부재(114)의 노즐 구멍(115)을 통해 유로부(21)의 유로(22)로 분사한다. 그러면 상기 혼합 연료가 유로(22)를 통과하면서 전기 생성부(11)로부터 발생하는 열을 냉각시키게 된다. 이 후, 유로(22)을 통과하는 혼합 연료를 회수부재(117)를 통해 회수한다. 이 때, 상기 혼합 연료는 전기 생성부(11)를 냉각하면서 소정 온도로 데워져 예열된 상태가 된다.
다음, 제6 공급라인(123)을 통해 상기 예열된 혼합 연료를 제2 반응부(32)로 공급한다. 이 때 상기한 혼합 연료는 제1 펌프(55)로부터 작용하는 펌핑력에 의해 노즐부재(114)를 통해 유로부(21)로 분사되고, 회수부재(117)에 의해 회수되어 제2 반응부(32)의 제2 유입구(32b)로 공급되게 된다. 이로서 개질기(30)는 상술한 바와 같은 일련의 동작에 의해 수소 가스를 발생시키고 그 수소 가스를 스택(10)의 제1 주입부(13a)로 공급한다.
한편, 전기 생성부(11)의 전기 생성시 세퍼레이터(16)를 통해 전극-전해질 합성체(12)의 캐소드 전극으로 공급되는 공기 중의 일부가 반응을 하고 나머지 공기가 수소와 산소의 결합 반응을 통해 발생되는 고온 다습한 수분에 함유된 상태로 제 2배출부(13d)를 통해 배출되게 된다.
이어서, 상기 미반응 공기를 함유한 수분을 제8 공급라인(133)을 통해 응축기(131)로 공급한다. 그러면, 상기 수분은 응축기(131)를 거치면서 물과 공기로 전환되게 된다.
다음, 상기 물을 제9 공급라인(141)을 통해 제2 탱크(53)로 귀환시킨다. 그리고 상기 공기를 제10 공급라인(143)을 통해 제1 반응부(31)로 귀환시킨다.
다른 한편으로, 전기 생성부(11)의 전기 생성시 세퍼레이터(16)를 통해 전극-전해질 합성체(12)의 애노드 전극으로 공급되는 수소 가스 중의 일부가 반응을 하고 나머지 수소 가스가 미반응되어 제1 배출부(13c)을 통해 배출되게 된다.
이어서, 상기 미반응 수소 가스를 제11 공급라인(151)을 통해 제1 반응부(31)로 공급한다. 이 때 제1 반응부(31)로 재 공급된 미반응 수소 가스의 일부가 반응을 하고 나머지의 수소 가스가 미반응된 상태로 제1 반응부(31)의 제1 유출구(31c)로 배출될 수 있다.
그러면, 상기 배출 가스를 제12 공급라인(163)을 통해 가열기(161)로 공급하여 가열시킨다. 그런 다음, 상기 가열된 배출 가스를 제7 개폐 밸브(165)를 통해 시스템(100)의 외부로 배출시킨다.
또 다른 한편으로, 개질기(30)의 제5 반응부(35)로부터 스택(10)의 제1 주입부(13a)로 공급되는 수소 가스를 제13 공급라인(171)을 통해 제1 반응부(31)로 재공급 한다. 그러면, 본 시스템(100)의 개질기(30)에 작용하는 열 에너지를 더욱 보강할 수 있게 된다. 또한 상기 개질기(30)에 작용하는 열 에너지를 더욱 보강하기 위한 다른 방법으로 제2 펌프(183)를 가동시켜 제1 탱크(51)에 저장된 액상의 연료를 제14 공급라인(181)을 통해 제1 반응부(31)로 공급할 수도 있다.
도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 도시한 개략도이다. 도 1에서 설명된 부호와 동일한 구성요소는 동일한 기능을 가진 동일부재이다.
도 15를 참고하면, 본 실시예에 따른 연료 전지 시스템(200)은 전기 실시예의 구조를 기본으로 하면서 본 시스템(200)을 채용하는 소형 전자기기 예컨대, 노트북 PC 또는 이동통신 단말기와 같은 전자기기의 로드(199)에서 발생하는 열을 냉각시킬 수 있는 구조를 갖는다. 여기서 상기 로드(199)라 함은 일반적인 전자기기에 장착되어 본 시스템(200)에서 생산되는 전기 에너지를 실질적으로 처리하는 중앙 처리 장치(CPU) 또는 각종 회로 소자 등을 포함한다.
이를 위해 본 시스템(200)은 연료 공급부(50)의 제1 및 제2 탱크(51, 53)에 저장된 액상의 연료, 물 또는 상기 액상의 연료와 물의 혼합 연료(이하에서는 편의상 "연료"라 한다.)를 상기 로드(199)로 순환시켜 상기 로드(199)에서 발생하는 열을 냉각시키는 제5 열교환부(190)를 포함하고 있다. 이 때 본 시스템(200)은 개질기(30)를 통해 수소 가스를 생성하고, 이 수소 가스를 전기 생성부(11)로 공급하여 산소와의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrode Membrane Fuel Cell; PEMFC) 방식을 채용할 수 있다. 대안으로서, 본 시스템(200)은 상기 연료를 직접 전기 생성부(11)로 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, 개질기(30)가 배제된 구조를 갖는다. 그러나, 이하에서는 고분자 전해질형 연료 전지 방식을 채용한 연료 전지 시스템(100)을 예로 들어 설명할 뿐, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제5 열교환부(190)는 상기 연료를 통과시키는 유로(191)를 가지면서 상기 로드(199)에 접촉하도록 구비되는 냉각 플레이트(193)를 포함한다. 이 때 연료 공급부(50)와 상기 유로(191)는 제15 공급라인(195)에 의해 연결될 수 있다.
본 실시예에 따르면, 본 시스템(200)이 가동되는 동안 로드(199)에서는 열이 발생하게 되는 바, 제15 공급라인(195)을 통해 제1 및 제2 탱크(51, 53)에 저장된 연료를 상기 유로(191)로 공급한다. 이 때 상기 로드(199)로부터 발생하는 열은 냉각 플레이트(193)로 전도된 상태가 된다. 그러면 상기 연료는 유로(191)를 따라 흐르면서 냉각 플레이트(193)를 냉각시킨다. 따라서 로드(199)에서 발생하는 열은 상기 연료에 의해 냉각된다. 그리고 상기 로드(199)를 냉각하면서 가열된 연료는 전기 생성부(11) 또는 개질기(30)로 공급되게 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, 시스템의 초기 구동시 개질기와 스택을 예열할 수 있는 구조를 가지므로, 전체적인 시스템의 열효율 및 운전 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.
또한, 시스템의 정상 기동시 스택의 전기 생성에 필요한 연료를 이용하여 스택에서 발생하는 열을 냉각하고 스택을 냉각하면서 예열된 연료를 개질기로 공급할 수 있는 구조를 가지므로, 시스템의 냉각 효율을 더욱 향상시킴은 물론 스택을 냉각하면서 손실되는 열에너지를 줄일 수 있고, 스택의 폐열을 이용하여 개질기의 구동에 필요한 예열 요구를 충족시킬 수 있다.
또한, 스택으로부터 배출되는 미반응 공기를 물과 기체로 회수하여 수소 가스를 생성하기 위한 연료로 사용할 수 있으므로, 시스템으로부터 수분의 누출이 없고, 전체적인 시스템의 열효율을 향상시킬 수 있으며, 연료 탱크의 용량을 줄여 전체적인 시스템을 컴팩트하게 구현할 수 있다.
또한, 스택으로부터 배출되는 미반응 수소 가스를 개질기의 에너지원으로 재활용할 수 있으므로, 전체적인 시스템의 열효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 도시한 개략도이다.
도 2는 도 1에 도시한 개질기의 구조를 나타내 보인 분해 사시도이다.
도 3은 도 2의 결합 사시도이다.
도 4는 도 1에 도시한 스택의 구조를 나타내 보인 분해 사시도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 대한 스택의 변형예를 도시한 분해 사시도이다.
도 6은 도 1에 도시한 제1 열교환부 부위를 나타내 보인 개략도이다.
도 7은 도 6에 도시한 노즐부재와 회수부재 부위를 나타내 보인 분해 사시도이다.
도 8은 도 1에 도시한 제2 열교환부 부위를 나타내 보인 개략도이다.
도 9는 도 1에 도시한 제3 열교환부 부위를 나타내 보인 개략도이다.
도 10은 도 1에 도시한 제1 순환부 부위를 나타내 보인 개략도이다.
도 11은 도 1에 도시한 제2 순환부 부위를 나타내 보인 개략도이다.
도 12는 도 1에 도시한 제4 열교환부 부위를 나타내 보인 개략도이다.
도 13은 도 1에 도시한 제1 보조 연료 공급부 부위를 나타내 보인 개략도이다.
도 14는 도 1에 도시한 제2 보조 연료 공급부 부위를 나타내 보인 개략도이다.
도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 도시한 개략도이다.

Claims (47)

  1. 열 에너지에 의한 화학 촉매 반응을 통해 수소를 함유한 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질기;
    상기 수소 가스와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 생성부;
    상기 개질기로 연료를 공급하는 연료 공급부;
    상기 전기 생성부로 산소를 공급하는 산소 공급부; 및
    상기 개질기와 전기 생성부에 연결 설치되어 시스템의 초기 기동시 상기 개질기의 열 에너지를 전기 생성부에 제공하여 상기 전기 생성부를 예열시키는 제1 열교환부
    를 포함하는 연료 전지 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 개질기는 상기 연료와 산소의 산화 반응을 통해 상기 열 에너지를 발생시키는 제1 반응부를 포함하는 연료 전지 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 연료 공급부는:
    상기 연료를 저장하는 제1 탱크; 및
    상기 제1 탱크에 연결 설치되는 제1 펌프
    를 포함하며,
    상기 제1 탱크와 제1 반응부가 제1 공급라인에 의해 연결되는 연료 전지 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 산소 공급부는:
    공기를 흡입하는 공기 펌프
    를 포함하며,
    상기 공기 펌프와 제1 반응부가 제2 공급라인에 의해 연결되는 연료 전지 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 개질기는 상기 연료와 산소의 산화 반응을 통해 상기 열 에너지를 발생시키는 제1 반응부를 포함하고,
    상기 전기 생성부가 복수로 구비되어 각각의 전기 생성부를 적층한 스택을 형성하고,
    상기 스택은 상기 열 에너지를 통과시키는 유로를 가지면서 서로 이웃하는 전기 생성부 사이에 위치하는 유로부를 포함하는 연료 전지 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제1 열교환부는:
    상기 유로의 일측 단부에 결합되어 상기 제1 반응부와 유로를 실질적으로 연결하는 노즐부재; 및
    상기 유로의 타측 단부에 결합되어 상기 노즐부재와 실질적으로 연통하는 회수부재
    를 포함하는 연료 전지 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제1 반응부와 노즐부재가 제3 공급라인에 의해 연결되는 연료 전지 시스템.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 유로부는 상기 유로를 가지면서 서로 이웃하는 전기 생성부 사이에 개재되는 플레이트 타입의 고열전도 고체부재를 포함하는 연료 전지 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 고열전도 고체부재가 열전도성을 갖는 알루미늄, 구리, 철로 이루어지는 군에서 선택되는 재질로 형성되는 연료 전지 시스템.
  10. 제 5 항에 있어서,
    상기 전기 생성부는:
    전극-전해질 합성체; 및
    상기 전극-전해질 합성체의 양면에 배치되는 세퍼레이터
    를 포함하며,
    상기 유로부는 서로 이웃하는 세퍼레이터에 상기 유로를 형성하는 연료 전지 시스템.
  11. 열 에너지에 의한 화학 촉매 반응을 통해 수소를 함유한 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질기;
    상기 수소 가스와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 생성부;
    상기 개질기로 연료를 공급하는 연료 공급부;
    상기 전기 생성부로 산소를 공급하는 산소 공급부; 및
    상기 전기 생성부 내로 상기 연료를 순환시켜 상기 전기 생성부에서 발생되는 열을 냉각시키고, 상기 전기 생성부를 순환하면서 예열된 연료를 상기 개질기로 공급하는 제2 열교환부
    를 포함하는 연료 전지 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 산소 공급부는:
    공기를 흡입하는 공기 펌프
    를 포함하며,
    상기 공기 펌프와 전기 생성부가 제4 공급라인에 의해 연결되는 연료 전지 시스템.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 전기 생성부가 복수로 구비되어 각각의 전기 생성부를 적층한 스택을 형성하고,
    상기 스택은 상기 열 에너지를 통과시키는 유로를 가지면서 서로 이웃하는 전기 생성부 사이에 위치하는 유로부를 포함하는 연료 전지 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제2 열교환부는:
    상기 유로의 일측 단부에 결합되어 상기 연료 공급부와 유로를 실질적으로 연결하는 노즐부재; 및
    상기 유로의 타측 단부에 결합되어 상기 노즐부재와 실질적으로 연통하는 회수부재
    를 포함하는 연료 전지 시스템.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 연료 공급부는:
    수소를 함유한 액상의 연료를 저장하는 제1 탱크;
    물을 저장하는 제2 탱크; 및
    상기 제1 탱크와 제2 탱크에 각각 연결 설치되는 제1 펌프
    를 포함하는 연료 전지 시스템.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 제1,2 탱크와 노즐부재가 제5 공급라인에 의해 연결되는 연료 전지 시스템.
  17. 제 13 항에 있어서,
    상기 개질기는:
    상기 연료와 산소의 산화 반응을 통해 열 에너지를 발생시키는 제1 반응부;
    상기 열 에너지를 이용하여 상기 연료와 물의 혼합 연료를 증발시키는 제2 반응부; 및
    수증기 개질 촉매 반응을 통해 상기 증발된 혼합 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 제3 반응부
    를 포함하는 연료 전지 시스템.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 회수부재와 제2 반응부가 제6 공급라인에 의해 연결되는 연료 전지 시스템.
  19. 제 13 항에 있어서,
    상기 유로부는 상기 유로를 가지면서 서로 이웃하는 전기 생성부 사이에 개재되는 고열전도 고체부재를 포함하는 연료 전지 시스템.
  20. 제 13 항에 있어서,
    상기 전기 생성부는:
    전극-전해질 합성체; 및
    상기 전극-전해질 합성체의 양면에 배치되는 세퍼레이터
    를 포함하며,
    상기 유로부는 서로 이웃하는 세퍼레이터에 상기 유로를 형성하는 연료 전지 시스템.
  21. 제 17 항에 있어서,
    상기 개질기는:
    상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 적어도 하나의 반응부를 더 포함하는 연료 전지 시스템.
  22. 제 17 항에 있어서,
    상기 개질기는:
    수성 가스 전환 촉매 반응을 통해 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 1차적으로 저감시키는 제4 반응부; 및
    선택적 산화 촉매 반응을 통해 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 2차적으로 저감시키는 제5 반응부
    를 포함하며,
    상기 제5 반응부와 전기 생성부가 제7 공급라인에 의해 연결되는 연료 전지 시스템.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 각각의 반응부는 플레이트 타입의 몸체와, 상기 몸체의 상면에 형성되어 유체의 흐름을 가능하게 하는 채널과, 상기 각각의 채널을 연결하는 관통공을 형성하는 연료 전지 시스템.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 개질기는 상기 각각의 몸체에 의한 적층 구조로 이루어지는 연료 전지 시스템.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 개질기는 최상부의 몸체와 결합하는 덮개부를 포함하는 연료 전지 시스템.
  26. 제 11 항에 있어서,
    상기 전기 생성부는 수소와 산소의 결합 반응에 의해 생성되는 고온 다습한 수분과 수소와 미반응한 상태로 상기 수분에 함유된 산소를 배출하는 수분 배출부와, 산소와 미반응한 수소 가스를 배출하는 수소 가스 배출부를 포함하며,
    상기 개질기는 상기 연료와 산소의 산화 반응을 통해 상기 열 에너지를 발생시키는 제1 반응부를 포함하는 연료 전지 시스템.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 수분 배출부를 통해 미반응 산소를 함유한 상태로 배출되는 상기 수분을 응축하여 물과 산소를 각각 발생시키는 제3 열교환부; 및
    상기 제3 열교환부에 의해 생성된 물을 연료 공급부로 공급하고, 산소를 상기 제1 반응부로 공급하는 제1 순환부
    를 포함하는 연료 전지 시스템.
  28. 제 27 항에 있어서,
    상기 제3 열교환부는 상기 수분 배출부와 연결 설치되는 응축기를 포함하며, 상기 수분 배출부와 응축기가 제8 공급라인에 의해 연결되는 연료 전지 시스템.
  29. 제 28 항에 있어서,
    상기 제1 순환부는:
    상기 응축기와 연료 공급부를 연결하는 제9 공급라인; 및
    상기 응축기와 제1 반응부를 연결하는 제10 공급라인
    을 포함하는 연료 전지 시스템.
  30. 제 27 항에 있어서,
    상기 수소 가스 배출부로부터 배출되는 미반응 수소 가스를 제1 반응부로 공급하는 제2 순환부를 포함하는 연료 전지 시스템.
  31. 제 30 항에 있어서,
    상기 제2 순환부가 상기 수소 가스 배출부와 제1 반응부를 연결하는 제11 공급라인을 포함하는 연료 전지 시스템.
  32. 열 에너지에 의한 화학 촉매 반응을 통해 수소를 함유한 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질기;
    상기 수소 가스와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 생성부;
    상기 개질기로 연료를 공급하는 연료 공급부;
    상기 전기 생성부로 산소를 공급하는 산소 공급부;
    시스템의 초기 기동시 상기 개질기의 열 에너지를 전기 생성부에 제공하여 상기 전기 생성부를 예열시키는 제1 열교환부; 및
    시스템의 정상 기동시 상기 전기 생성부 내로 상기 연료를 순환시켜 상기 전기 생성부에서 발생되는 열을 냉각시키고, 상기 전기 생성부를 순환하면서 예열된 연료를 상기 개질기로 공급하는 제2 열교환부
    를 포함하는 연료 전지 시스템.
  33. 제 32 항에 있어서,
    상기 전기 생성부는 수소와 산소의 결합 반응에 의해 생성되는 고온 다습한 수분과 수소와 미반응한 상태로 상기 수분에 함유된 산소를 배출하는 수분 배출부와, 산소와 미반응한 수소 가스를 배출하는 수소 가스 배출부를 포함하며,
    상기 개질기는 상기 연료와 산소의 산화 반응을 통해 상기 열 에너지를 발생시키는 제1 반응부를 포함하는 연료 전지 시스템.
  34. 제 33 항에 있어서,
    상기 수분 배출부를 통해 미반응 산소를 함유한 상태로 배출되는 상기 수분을 응축하여 물과 산소를 각각 발생시키는 제3 열교환부; 및
    상기 제3 열교환부에 의해 생성된 물을 연료 공급부로 공급하고, 산소를 상기 제1 반응부로 공급하는 제1 순환부
    를 포함하는 연료 전지 시스템.
  35. 제 34 항에 있어서,
    상기 수소 가스 배출부로부터 배출되는 미반응 수소 가스를 제1 반응부로 공급하는 제2 순환부를 포함하는 연료 전지 시스템.
  36. 제 33 항에 있어서,
    상기 제1 반응부로부터 배출되는 배출 가스를 기화시키는 제4 열교환부를 포함하는 연료 전지 시스템.
  37. 제 36 항에 있어서,
    상기 제4 열교환부는 상기 배출 가스를 가열하는 가열기를 포함하고, 상기 가열기와 제1 반응부가 제12 공급라인에 의해 연결되는 연료 전지 시스템.
  38. 제 33 항에 있어서,
    상기 개질기는:
    상기 열 에너지를 이용하여 상기 연료와 물의 혼합 연료를 증발시키는 제2 반응부;
    수증기 개질 촉매 반응을 통해 상기 증발된 혼합 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 제3 반응부;
    상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 적어도 하나의 반응부를 포함하는 연료 전지 시스템.
  39. 제 38 항에 있어서,
    상기 일산화탄소의 농도가 저감된 수소 가스를 상기 제1 반응부로 재공급하는 제1 보조 연료 공급부를 포함하는 연료 전지 시스템.
  40. 제 39 항에 있어서,
    상기 제1 보조 연료 공급부는 상기 개질기로부터 전기 생성부로 수소 가스를 공급하는 공급경로와 상기 전기 생성부로부터 배출되는 미반응 수소 가스를 제1 반응부로 공급하는 공급경로 사이를 연결하는 제13 공급라인을 포함하는 연료 전지 시스템.
  41. 제 39 항에 있어서,
    상기 제1 반응부에 연료를 추가적으로 공급하는 제2 보조 연료 공급부를 포함하는 연료 전지 시스템.
  42. 제 41 항에 있어서,
    상기 제2 보조 연료 공급부는 연료 공급부와 제1 반응부를 연결하는 제 14 공급라인과, 상기 제14 공급라인에 연결 설치되는 제2 펌프를 포함하는 연료 전지 시스템.
  43. 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 생성부;
    상기 전기 생성부로 연료를 공급하는 연료 공급부;
    상기 전기 생성부로 산소를 공급하는 산소 공급부; 및
    상기 연료를 외부 로드로 순환시켜 상기 외부 로드에서 발생하는 열을 냉각시키는 제5 열교환부를 포함하는 연료 전지 시스템.
  44. 제 43 항에 있어서,
    상기 제5 열교환부는 상기 연료를 통과시키는 유로를 가지면서 상기 외부 로드에 접촉하도록 구비되는 냉각 플레이트를 포함하며,
    상기 연료 공급부와 유로가 제15 공급라인에 의해 연결되는 연료 전지 시스템.
  45. 제 43 항에 있어서,
    상기 전기 생성부와 연료 공급부 사이에, 열 에너지에 의한 화학 촉매 반응을 통해 상기 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질기가 배치되어 상기 연료 공급부와 전기 생성부에 연결 설치되는 연료 전지 시스템.
  46. 제 43 항 또는 제 45 항에 있어서,
    상기 연료 전지 시스템이, 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrance Fuel Cell: PEMFC) 방식으로 이루어지는 연료 전지 시스템.
  47. 제 43 항에 있어서,
    상기 연료 전지 시스템이, 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC) 방식으로 이루어지는 연료 전지 시스템.
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