KR20050116444A - 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 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 열 에너지에 의한 화학 촉매 반응을 통해 수소를 함유한 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질기; 및 상기 수소 가스와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부를 포함하며, 상기 개질기는 제1 관로와, 상기 제1 관로의 단면적 보다 상대적으로 작은 단면적을 가지면서 제1 관로의 내부 중심 방향으로 배치되는 제2 관로를 포함하는 이중 관로 형태로 이루어지고, 수소를 함유한 연료의 산화 반응을 통해 소정의 열 에너지를 발생시키는 산화 촉매층이 상기 제2 관로의 내부 공간에 위치하는 제1 반응부와, 상기 열 에너지에 의한 개질 반응을 통해 상기 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질 촉매층이 상기 제1 관로와 제2 관로 사이의 공간에 위치하는 제2 반응부와, 상기 제2 관로의 외주면에 설치되어 상기 제1 반응부에서 발생하는 열 에너지를 상기 제2 반응부로 전달하는 제1 열전달유니트를 포함한다.

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 개질기의 구조를 개선한 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.
전술한 바 있는 개질기는 열 에너지에 의한 화학 촉매 반응을 통해 수소를 함유한 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 장치이다. 통상적으로 개질기는 상기한 열 에너지를 발생시키고 상기 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질 반응부와, 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 일산화탄소 저감부를 포함하여 구성된다.
종래에 따른 연료 전지 시스템의 개질기에 있어 특히, 개질 반응부는 촉매를 이용한 발열 및 흡열 반응 특성을 이용하는 바, 연료와 공기의 산화 촉매 반응을 통해 반응열을 발생시키는 발열부와, 상기한 반응열을 전달받아 연료의 개질 촉매 반응을 통해 수소 가스를 발생시키는 흡열부로 구성된다.
그런데, 종래에 따른 개질기는 위와 같은 발열부와 흡열부가 분산 배치되어 발열부로부터 발생되는 열을 흡열부로 전달할 수 있는 구조를 가지는 바, 발열부와 흡열부의 열교환이 직접적으로 이루어지지 않아 흡열부의 예열 시간이 상대적으로 길어지고 열 전달 패스가 길어지게 되는 등 열 효율면에서 불리한 문제점이 있다. 또한 발열부와 흡열부의 별개 구조로 인해 전체적인 시스템의 크기를 컴팩트하게 구현하지 못하게 되는 문제점이 있다. 아울러, 종래의 연료 전지 시스템은 초기 구동시 개질기로 공급되는 연료를 별도로 예열하는 바, 상기 연료를 예열하는데 따른 에너지의 소모로 인해 전체적인 시스템의 성능 효율이 떨어지게 되는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 감안한 것으로서, 그 목적은 간단한 구조로서 수소 가스를 발생시키기 위한 반응 효율 및 열 효율을 향상시킬 수 있는 구조를 가진 연료 전지 시스템의 개질기 및 이를 채용한 연료 전지 시스템을 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 개질기는, 제1 관로와, 상기 제1 관로의 단면적 보다 상대적으로 작은 단면적을 가지면서 제1 관로의 내부 중심 방향으로 배치되는 제2 관로를 포함하는 이중 관로 형태로 이루어지고,
수소를 함유한 연료의 산화 반응을 통해 소정의 열 에너지를 발생시키는 산화 촉매층이 상기 제2 관로의 내부 공간에 위치하는 제1 반응부; 상기 열 에너지에 의한 개질 반응을 통해 상기 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질 촉매층이 상기 제1 관로와 제2 관로 사이의 공간에 위치하는 제2 반응부; 및 상기 제2 관로의 외주면에 설치되어 상기 제1 반응부에서 발생하는 열 에너지를 상기 제2 반응부로 전달하는 제1 열전달유니트를 포함한다.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 개질기는, 상기 제2 관로의 한 쪽 단부에 주입구를 형성하고 있는 제1 캡을 결합하고 다른 쪽 단부에 배출구를 형성하고 있는 제2 캡을 결합하여 제1 반응부를 구성할 수 있다.
그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 개질기는, 상기 제1 관로의 한 쪽 단부에 주입구를 형성하고 있는 제3 캡을 결합하고, 다른 쪽 단부에 배출구를 형성하고 있는 제4 캡을 결합하여 제2 반응부를 구성할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 개질기에 있어서, 상기 제1 열전달유니트는, 상기 제2 캡의 배출구에 연결되어 상기 제1 관로의 외주면에 대하여 코일 형태로 감긴 제1 패스부재를 포함할 수 있다.
그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 개질기에 있어서, 상기 제3 캡은 상기 제2 관로와 결합하는 결합공을 가지면서 상기 주입구가 결합공 주위에 방사상으로 배치되는 환형의 형상으로 이루어지는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 개질기는, 상기 제1 관로의 외주면에 설치되어 상기 제1 반응부에서 발생하는 열 에너지를 상기 제2 반응부로 공급되는 연료로 전달하는 제2 열전달유니트를 포함할 수도 있다.
이 경우 상기 제2 열전달유니트는, 상기 제3 캡의 주입구에 연결되어 상기 제1 관로의 외주면에 대하여 코일 형태로 감긴 제2 패스부재를 포함한다.
그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 개질기에 있어서, 상기 제2 반응부는 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 수성가스 전환 촉매층이 상기 제1 관로와 제2 관로 사이의 공간에 위치하는 구조로 이루어질 수도 있다.
이 경우 상기 수성가스 전환 촉매층은 상기 개질 촉매층과 연속적으로 배치되어 상기 제4 캡의 배출구 측에 위치하는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 개질기는, 상기 제1 및 제2 관로가 원형 파이프 타입으로 이루어지고, 열전도성을 갖는 써스, 알루미늄, 구리, 철로 이루어지는 군에서 선택되는 재질로 형성될 수 있다.
그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 개질기는, 상기 제1 및 제2 반응부 전체를 감싸도록 설치되는 단열부를 더 포함할 수도 있다.
이 경우 상기 단열부는: 내벽; 및 상기 내벽에 대하여 소정 간격 이격되도록 상기 내벽 전체를 감싸는 외벽을 포함하며, 상기 내벽과 외벽 사이의 공간이 진공 상태를 유지하는 것이 바람직하다. 그리고 상기한 내, 외벽은 세라믹, 스테인레스 또는 알루미늄으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나의 재질로 형성될 수 있다. 더욱 구체적으로 상기 단열부는: 일단부가 폐쇄되고 타단부가 개방된 원통 형상의 몸체; 및 상기 몸체의 타단부에 결합되어 상기 몸체의 내부 공간을 밀봉하는 밀봉캡을 포함할 수 있다.
또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 열 에너지에 의한 화학 촉매 반응을 통해 수소를 함유한 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질기; 및 상기 수소 가스와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부를 포함하며,
상기 개질기는 제1 관로와, 상기 제1 관로의 단면적 보다 상대적으로 작은 단면적을 가지면서 제1 관로의 내부 중심 방향으로 배치되는 제2 관로를 포함하는 이중 관로 형태로 이루어지고,
수소를 함유한 연료의 산화 반응을 통해 소정의 열 에너지를 발생시키는 산화 촉매층이 상기 제2 관로의 내부 공간에 위치하는 제1 반응부와, 상기 열 에너지에 의한 개질 반응을 통해 상기 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질 촉매층이 상기 제1 관로와 제2 관로 사이의 공간에 위치하는 제2 반응부와, 상기 제2 관로의 외주면에 설치되어 상기 제1 반응부에서 발생하는 열 에너지를 상기 제2 반응부로 전달하는 제1 열전달유니트를 포함한다.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 제2 반응부는 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 수성가스 전환 촉매층이 상기 개질 촉매층과 연속적으로 배치될 수도 있다.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 제1 열전달유니트는, 상기 제2 관로의 외주면에 대하여 코일 형태로 감기면서 이 제2 관로의 내부와 연통하는 제1 패스부재를 포함할 수 있다.
그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 제1 관로의 외주면에 설치되어 상기 제1 반응부에서 발생하는 열 에너지를 상기 제2 반응부로 공급되는 연료로 전달하는 제2 열전달유니트를 포함할 수도 있다.
이 경우 상기 제2 열전달유니트는, 상기 제1 관로의 외주면에 대하여 코일 형태로 감기면서 상기 제1 관로와 제2 관로 사이의 공간과 연통하는 제2 패스부재를 포함한다.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 개질기는 상기 제1 및 제2 반응부 전체를 감싸도록 설치되는 단열부를 포함할 수도 있다. 이 경우 상기 단열부는 내벽과, 상기 내벽에 대하여 소정 간격 이격되도록 상기 내벽 전체를 감싸는 외벽을 포함하며, 상기 내벽과 외벽 사이의 공간이 진공 상태를 유지하는 것이 바람직하다.
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 액상으로 이루어진 연료라 정의하고, 상기 액상의 연료와 물을 혼합 연료라고 정의한다.
그리고 본 시스템(100)은 상기 연료에 함유된 수소와 반응하는 산소 연료로서 별도의 저장수단에 저장된 순수한 산소 가스를 사용할 수 있으며, 산소를 함유한 공기를 그대로 사용할 수도 있다. 그러나 이하에서는 상기한 산소 연료로서 공기를 사용하는 후자의 예를 설명한다.
도 1을 참고하면, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)은, 기본적으로 상기 액상의 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질기(20)와, 상기 수소 가스와 산소의 화학 반응 에너지를 전기 에너지로 변환시켜 전기를 생산 해 내는 스택(10)과, 상기 개질기(20)로 연료를 공급하는 연료 공급원(50)과, 상기 스택(10)과 개질기(20)로 산소를 공급하는 산소 공급원(70)을 포함하여 구성된다.
이러한 연료 전지 시스템(100)은 상기 개질기(20)를 통해 상기 혼합 연료로부터 수소 가스를 발생시키고, 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 공급원(50)은 액상의 연료를 저장하는 제1 탱크(51)와, 물을 저장하는 제2 탱크(53)와, 각각의 제1 및 제2 탱크(51, 53)에 연결 설치되는 연료 펌프(55)를 포함한다. 그리고 산소 공급원(70)은 소정 펌핑력을 이용하여 공기를 흡입하는 공기 펌프(71)를 구비한다.
도 2는 도 1에 도시한 개질기의 구조를 나타내 보인 분해 사시도이고, 도 3은 도 2의 부분 결합 사시도이고, 도 4는 도 3의 결합 단면 구성도이다.
도 1 내지 도 4를 참고하면, 본 발명에 적용되는 개질기(20)는 상호 독립적인 내부 공간을 갖는 적어도 이중의 관로 형태로 이루어지며, 액상의 연료와 공기의 산화 반응을 통해 열 에너지를 발생시키는 제1 반응부(23)와, 상기 열 에너지를 이용한 개질 반응을 통해 혼합 연료로부터 수소 가스를 발생시키며 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 제2 반응부(27)를 포함하여 구성된다.
본 실시예에 따르면, 상기 개질기(20)는 제1 관로(21)와, 제1 관로(21)의 내부에 위치하는 제2 관로(22)를 포함하고 있다. 상기 제1 관로(21)는 소정 단면적을 가지면서 실질적으로 양단이 개방된 원형 파이프 타입으로 이루어진다. 그리고 제2 관로(22)는 제1 관로(21)의 단면적 보다 상대적으로 작은 단면적을 가지면서 실질적으로 양단이 개방된 원형 파이프 타입으로 이루어진다. 이 때 제2 관로(22)는 그 외주면과 제1 관로(21)의 내주면이 일정 간격 이격되도록 제1 관로(21)의 내부 중심 방향으로 배치된다. 이러한 제1 관로(21) 및 제2 관로(22)는 열전도성을 갖는 써스, 알루미늄, 구리, 철로 형성될 수 있다.
상기한 바와 같이 구성된 개질기를 기본으로 하면서 본 발명의 실시예에 따른 제1 반응부(23)는 제2 관로(22)의 내부 공간에 형성되는 산화 촉매층(24)을 가지면서 제2 관로(22)의 한 쪽 단부에 주입구(25a)를 형성하고, 다른 쪽 단부에 배출구(26a)를 형성하고 있는 구조를 갖는다.
여기서 상기 주입구(25a)는 액상의 연료와 공기를 제2 관로(22)의 내부 공간으로 주입하는 구멍을 형성하고, 상기 배출구(26a)는 액상의 연료와 공기의 산화 반응을 통해 연소되는 연소 가스를 상기 내부 공간으로부터 외부로 배출시키는 구멍을 형성하고 있다.
보다 구체적으로, 상기 제1 반응부(23)는 제2 관로(22)의 한 쪽 단부에 상기 주입구(25a)를 갖는 제1 캡(25)을 결합하고, 다른 쪽 단부에 상기 배출구(26a)를 갖는 제2 캡(26)을 결합하여 이루어진다. 이 때 상기 제1 캡(25)의 주입구(25a)와 제1 탱크(51)는 파이프 형태의 제1 공급라인(81)에 의해 연결되고, 상기 주입구(25a)와 공기 펌프(71)는 파이프 형태의 제3 공급라인(83)에 의해 연결될 수 있다. 바람직하게, 상기 제1 공급라인(81) 및 제3 공급라인(83)은 단일의 합류라인(91)에 의해 서로 합쳐지면서 이 합류라인(91)을 통하여 제1 캡(25)의 주입구(25a)에 연결될 수 있다. 이 경우 상기 합류라인(91)은 다음에 설명하는 단열부(36)와 제1 관로(21)를 관통하여 상기 주입구(25a)에 연결될 수 있다. 이를 위해 상기 제1 관로(21)에는 위와 같은 합류라인(91)을 제1 관로(21)의 외부로 관통시킬 수 있는 제1 관통공(21a)을 형성하고 있다.
그리고 상기 산화 촉매층(24)은 액상의 연료와 공기의 산화 반응을 촉진시켜 소정 온도의 열원을 발생시키기 위한 것으로서, 제2 관로(22)의 내부 공간에 충전된다. 이러한 산화 촉매층(24)은 알루미나(Al2O3), 실리카(SiO2) 또는 티타니아(TiO2)로 이루어진 펠릿(pellet) 형태의 담체에 백금(Pt), 루테늄(Ru)과 같은 촉매 물질을 담지하고 있는 구조로 이루어진다.
본 발명의 실시예에 따른 상기 제2 반응부(27)는 제1 관로(21)와 제2 관로(22) 사이의 공간에 형성되는 개질 촉매층(28)을 가지면서 제1 관로(21)의 한 쪽 단부에 주입구(31a)를 형성하고, 다른 쪽 단부에 배출구(32a)를 형성하고 있는 구조를 갖는다.
여기서 상기 주입구(31a)는 액상의 연료와 물의 혼합 연료를 제1 관로(21)와 제2 관로(22) 사이의 공간으로 주입하는 구멍을 형성하고, 상기 배출구(32a)는 혼합 연료의 개질 반응을 통해 발생되는 수소 가스를 상기 내부 공간으로부터 외부로 배출시키는 구멍을 형성하고 있다.
보다 구체적으로, 상기 제2 반응부(27)는 제1 관로(21)의 한 쪽 단부에 상기 주입구(31a)를 갖는 제3 캡(31)을 결합하고, 다른 쪽 단부에 상기 배출구(32a)를 갖는 제4 캡(32)을 결합하여 이루어진다. 이 때 상기 제3 캡(31)은 제2 관로(22)를 관통시키는 결합공(31b)을 형성하고, 상기 결합공(31b)의 주위에 주입구(31a)를 방사상으로 형성하고 있는 환형의 플랜지 형상으로 이루어진다. 그리고 상기 주입구(31a)와 제1 및 제2 탱크(51, 53)는 파이프 형태의 제2 공급라인(82)에 의해 연결되고, 상기 배출구(32a)와 다음에 설명하는 스택(10)의 전기 발생부(11)는 파이프 형태의 제4 공급라인(84)에 의해 연결될 수 있다. 이 경우 상기 제4 공급라인(84)은 다음에 설명하는 단열부(36)를 관통하여 상기 전기 발생부(11)와 배출구(32a)를 연결할 수 있다.
그리고 상기 개질 촉매층(28)은 혼합 연료의 개질 반응 즉, 혼합 연료의 분해 반응 및 일산화탄소의 변성 반응을 촉진시켜 상기 혼합 연료로부터 수소 가스를 발생시키기 위한 것으로서, 제1 관로(21)와 제2 관로(22) 사이의 공간에 충전된다. 이러한 개질 촉매층(28)은 알루미나(Al2O3), 실리카(SiO2) 또는 티타니아(TiO 2)로 이루어진 펠릿(pellet) 형태의 담체에 구리(Cu), 니켈(Ni), 백금(Pt)과 같은 촉매 물질을 담지하고 있는 구조로 이루어진다.
또한 상기 제2 반응부(27)는 도면에 도시한 바와 같이 제1 관로(21)와 제2 관로(22) 사이의 공간에 상기 개질 촉매층(28)과 연속적으로 위치하는 수성가스 전환 촉매층(29)을 더 포함할 수도 있다. 상기 수성가스 전환 촉매층(29)은 개질 촉매층(28)에 의해 생성된 수소 가스에 대하여 수성가스 전환 반응(Water-Gas Shift Reaction: WGS)을 통해 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 기능을 갖는다. 상기 수성가스 전환 촉매층(29)은, 혼합 연료가 제3 캡(31)의 주입구(31a)를 통해 제1 관로(21)와 제2 관로(22) 사이의 공간으로 주입되고 개질 촉매층(28)을 거치면서 수소 가스로 전환된 상태에서 제4 캡(31)의 배출구(31a)를 통해 배출되는 경로를 기준으로, 상기 제1 관로(21)와 제2 관로(22) 사이의 공간에 대하여 제4 캡(31)의 배출구(31a) 측에 위치하는 것이 바람직하다. 이러한 수성가스 전환 촉매층(29)은 알루미나(Al2O3), 실리카(SiO2) 또는 티타니아(TiO 2)로 이루어진 펠릿(pellet) 형태의 담체에 구리(Cu), 아연(Zn), 철(Fe), 크롬(Cr)과 같은 촉매 물질을 담지하고 있는 구조로 이루어진다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 개질기(20)는 상기 제1 반응부(23)로부터 발생하는 열 에너지의 효율을 극대화시키기 위해 상기 열 에너지를 제2 반응부(27)로 신속하게 전달할 수 있는 제1 열전달유니트(33A)를 구비하고 있다.
상기 제1 열전달유니트(33A)는 제2 관로(22)의 배출구(26a)를 통해 배출되는 연소 가스의 열 에너지를 제1 관로(21)와 제2 관로(22) 사이의 공간에 위치하는 개질 촉매층(28)으로 전달할 수 있는 제1 패스부재(34)를 포함한다.
상기 제1 패스부재(34)는 한 쪽 단부가 제2 관로(22)의 배출구(26a) 즉, 제2 캡(26)의 배출구(26a)에 연결되며, 제2 관로(22)의 외주면에 대하여 코일 형태로 감긴 파이프 구조로 이루어진다.
이를 위해 제2 캡(26)의 배출구(26a)측 제1 관로(21)에는 상기 배출구(26a)와 연결되는 제1 패스부재(34)를 제1 관로(21)와 제2 관로(22) 사이의 내부 공간으로 관통시키기 위한 제2 관통공(21b)를 형성하고 있다. 그리고 제4 캡(32)의 배출구(32a)측 제1 관로(21)에는 제2 관통공(21b)을 통해 제1 관로(21)와 제2 관로(22) 사이의 내부 공간으로 인입되어 제2 관로(22)의 외주면에 대해 코일 형태로 감긴 제1 패스부재(34)의 다른 쪽 단부를 제1 관로(21)의 외부로 인출시키기 위한 제3 관통공(21c)을 형성하고 있다. 이 때 상기 제3 관통공(21c)으로 인출되는 제1 패스부재(34)의 다른 쪽 단부는 다음에 설명하는 단열부(36)의 내부에서 이 단열부(36)를 관통하여 외부로 인출된다.
따라서 본 실시예에서는 제1 반응부(23)를 구성하는 제2 관로(22)가 제2 반응부(27)를 구성하는 제1 관로(21)의 내부에 위치하고 있으므로, 제1 반응부(23)에서 액상의 연료와 공기의 산화 촉매 반응을 통해 발생하는 열 에너지를 제2 관로(22)를 통해 제2 반응부(27) 즉, 개질 촉매층(28) 및 제1 관로(21)로 용이하게 전달할 수 있게 된다.
더욱이 본 실시예에서는 제2 관로(22)의 외주면에 제1 패스부재(34)가 코일 형태로 감긴 구조를 가지므로, 제2 관로(22)의 내부에서 발생하는 비교적 높은 온도의 연소 가스가 제1 패스부재(34)를 통해 배출되는 과정에서 그 연소 가스의 열 에너지를 제2 반응부(27)로 용이하게 전달할 수 있게 된다. 즉, 본 실시예에서는 제1 패스부재(34)가 제2 관로(22)의 외주면에 감긴 구조로 이루어짐에 따라, 제2 반응부(27)의 개질 촉매층(28)에 대한 제1 반응부(23)의 열 전달율을 증대시킬 수 있게 된다.
다른 한편으로, 본 발명의 실시예에 따른 개질기(20)는 제1 반응부(23)로부터 발생하는 열 에너지의 효율을 더욱 극대화시키기 위해 상기 열 에너지를 제1 관로(21)의 주입구(31a)를 통해 제2 반응부(27)로 공급되는 혼합 연료로 전달할 수 있는 제2 열전달유니트(33B)를 구비하고 있다.
상기 제2 열전달유니트(33B)는 제1 반응부(23)로부터 제1 관로(21)로 전달된 열 에너지를 제2 반응부(28)로 공급되는 혼합 연료로 전달할 수 있는 제2 패스부재(35)를 포함한다.
상기 제2 패스부재(35)는 한 쪽 단부가 제1 관로(21)의 주입구(31a) 즉, 제3 캡(31)에 방사 상으로 형성된 다수의 주입구(31a)에 각각 연결 설치되며, 상기 제1 관로(21)의 외주면에 대하여 코일 형태로 감긴 파이프 구조로 이루어진다. 이 때 제2 패스부재(35)의 다른 쪽 단부는 다음에 설명하는 단열부(36)의 내부에서 이 단열부(36)를 관통하여 외부로 인출되며, 전술한 바 있는 제2 공급라인(82)을 통해 제1 및 제2 탱크(51, 53)와 연결된다.
따라서 개질기(20)의 초기 기동시 제1 반응부(23)로부터 제1 관로(21)로 전달된 열 에너지를 이용하여 상기 제2 패스부재(35)를 통해 제2 반응부(28)로 공급되는 연료를 예열시킬 수 있으므로, 개질기(20) 전체의 열 효율을 향상시킬 수 있게 된다.
상기와 같은 구조를 갖는 개질기(20)의 작용시 제1 반응부(23)에서 발생하는 열 에너지가 제2 반응부(27)로 완전히 전달되지 못하고 개질기(20)의 외부로 방출될 수 있다. 이로 인해 개질기(20)는 제2 반응부(27)에서의 온도 불균형이 발생함으로써 반응 효율 및 열효율이 저하될 수 있다.
이에 본 발명의 실시예에 따른 개질기(20)는, 제1 반응부(23)에서 발생하는 열 에너지가 외부로 방출되지 않게 단열시키는 단열부(36)를 구비하고 있다.
본 실시예에 의한 상기 단열부(36)는 열전달유니트(33)를 포함한 제1 관로(21) 전체를 감싸도록 일단부가 폐쇄되고 타단부가 개방된 원통 형상의 몸체(37)와, 상기 몸체(37)의 타단부와 결합하여 상기 몸체(37)의 내부 공간을 실질적으로 밀봉하는 밀봉캡(38)을 포함하고 있다.
상기 몸체(37)는 제1 관로(21) 전체를 감싸는 내벽(37a)과, 상기 내벽(37a)과 소정 간격 이격되도록 그 내벽(37a)을 지지하면서 상기 내벽(37a) 전체를 감싸는 외벽(37b)을 포함하여 구성된다. 이 때 상기한 내벽(37a)과 외벽(37b) 사이의 공간은 진공 상태를 유지하는 것이 바람직하다. 그리고 상기 내벽(37a)과 외벽(37b)은 상대적으로 열전도도가 작은 단열 소재 예컨대, 써스, 지르코늄, 스테인레스, 알루미늄 등과 같은 금속 단열 소재 또는 세라믹과 같은 비금속 단열 소재로 형성될 수 있다.
상기 밀봉캡(38)은 몸체(37)의 타단부에 나사 결합 방식 또는 억지 끼워 맞춤식으로 결합될 수 있다. 이 때 액상의 연료와 공기를 제2 관로(22)의 내부 공간으로 공급하기 위한 합류라인(91)은 밀봉캡(38)과 제1 관로(21)를 관통하여 제2 관로(22)의 주입구(25a)와 연결될 수 있다. 그리고 혼합 연료를 제1 관로(21)와 제2 관로(22) 사이의 공간으로 공급하기 위한 제2 패스부재(35)는 상기 몸체(37)의 내부 공간으로부터 밀봉캡(38)을 관통하여 상기 내부 공간의 외부로 인출될 수 있다. 또한 다음에 설명하는 스택(10)의 전기 발생부(11)와 연결되는 제4 공급라인(84)은 밀봉캡(38)을 관통하여 제1 관로(21)의 배출구(32a)와 연결될 수 있다. 아울러 제2 관로(22)의 내부 공간에서 발생된 액상의 연료와 공기의 연소 가스를 배출시키기 위한 제1 패스부재(34)는 상기 몸체(37)의 내부 공간으로부터 밀봉캡(38)을 관통하여 상기 내부 공간의 외부로 인출될 수 있다. 이를 위해 상기 밀봉캡(38)에는 합류라인(91)을 관통시켜 상기 주입구(25a)와 연결할 수 있는 제4 관통공(38a)과, 상기 제2 패스부재(35)를 관통시켜 상기 내부 공간의 외부로 인출할 수 있는 제5 관통공(38b)과, 상기 제4 공급라인(84)을 관통시켜 상기 배출구(32a)와 연결할 수 있는 제6 관통공(38c)과, 상기 제1 패스부재(34)를 관통시켜 상기 내부 공간의 외부로 인출할 수 있는 제7 관통공(38d)을 형성하고 있다.
도 5는 도 1에 도시한 스택의 구조를 도시한 분해 사시도이다.
도 1 및 도 5를 참고하면, 본 시스템(100)에 적용되는 스택(10)은 개질기(20)에 의해 생성된 수소 가스와 공기 중에 함유된 산소의 산화/환원 반응을 통하여 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부(11)를 포함하고 있다.
상기 전기 발생부(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 발생부(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 발생부(11)의 최 외곽에 위치하는 세퍼레이터(16)가 상기 가압 플레이트의 역할을 대신하도록 구성할 수도 있다. 또한 가압 플레이트(13)가 복수의 전기 발생부(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(12)의 캐소드 전극에서 수소와 산소의 결합 반응에 의해 생성된 수분과 수소와 반응하고 남은 공기를 배출시키기 위한 제2 배출부(13d)를 형성하고 있다. 이 때 상기 제1 주입부(13a)와 개질기(20)를 구성하는 제1 관로(21)의 배출구(32a)는 전술한 바 있는 제4 공급라인(84)에 의해 연결되고, 상기 제2 주입부(13b)와 공기 펌프(71)는 파이프 형태의 제5 공급라인(85)에 의해 연결될 수 있다. 대안으로서, 상기 제1 배출부(13c)는 별도의 관로(도시하지 않음)를 통해 개질기(20)를 구성하는 제2 관로(22)의 주입구(25a)와 연결될 수도 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 동작을 상세히 설명하면 다음과 같다.
우선, 본 시스템(100)의 초기 기동시 연료 펌프(55)를 가동시켜 제1 탱크(51)에 저장된 액상의 연료를 제1 공급라인(81)을 통해 제2 관로(22)의 내부 공간으로 공급한다. 이와 동시에, 공기 펌프(71)를 가동시켜 공기를 제3 공급라인(83)을 통해 제2 관로(22)의 내부 공간으로 공급한다. 이 때 상기 제1 공급라인(81)을 통과하는 액상의 연료와 제3 공급라인(83)을 통과하는 공기는 합류라인(91)을 통해 합류된 상태에서 제2 관로(22)의 내부 공간으로 주입된다.
따라서 상기 액상의 연료와 공기는 제2 관로(22) 내부의 산화 촉매층(24)을 거치면서 산화 촉매 반응을 일으키게 된다. 이러는 과정을 거치는 동안, 제2 관로(22)의 내부에서는 액상의 연료와 공기가 산화 촉매 반응을 통해 연소되면서 소정 온도의 반응열을 발생시킨다. 이 때 상기한 반응열은 제2 관로(22)를 통해 제1 관로(21)와 제2 관로(22) 사이의 공간에 위치하는 개질 촉매층(28) 및 제1 관로(21)로 전달되게 된다.
다음, 제2 관로(22)의 내부에서 발생하는 비교적 높은 온도의 연소 가스는 제1 패스부재(34)를 통해 배출되게 된다. 그러면 상기 제1 패스부재(34)는 상기 연소 가스 자체의 열 에너지에 의해 소정 온도로 가열되고, 상기 열 에너지는 제1 관로(21)와 제2 관로(22) 사이의 공간에 위치하는 개질 촉매층(28)으로 전달되게 된다.
이와 같은 상태에서, 연료 펌프(55)를 가동시켜 제1 탱크(51)에 저장된 액상의 연료와 제2 탱크(53)에 저장된 물을 제2 공급라인(82)을 통해 제2 패스부재(35)로 공급한다. 이 때 상기 제2 패스부재(35)를 통과하는 액상의 연료와 물의 혼합 연료는, 제2 패스부재(35)가 소정 온도로 가열된 제1 관로(21)의 외주면에 코일 형태로 접촉된 상태를 유지하고 있기 때문에, 제1 관로(21)의 열을 전달받아 소정 온도로 예열되게 된다.
따라서 상기와 같이 예열된 혼합 연료는 제2 패스부재(35)를 통해 제1 관로(21)와 제2 관로(22) 사이의 공간으로 주입되고, 그 공간에 위치하고 있는 개질 촉매층(28)을 거치면서 제2 관로(22) 및 제1 패스부재(34)로부터 제공되는 열 에너지를 흡열하게 된다. 이러는 과정을 거치는 동안, 제1 관로(21)와 제2 관로(22) 사이의 내부 공간에서는 개질 촉매층(28)에 의한 혼합 연료의 분해 반응이 진행되어 이산화탄소와 수소를 함유하고 있는 수소 가스를 발생시킨다. 이 때 제1 관로(21)와 제2 관로(22) 사이의 공간에서는 개질 촉매 반응에 의한 부(副) 생성물로서의 일산화탄소가 함유된 수소 가스를 생성하게 된다.
이어서, 상기 수소 가스는 수성가스 전환 촉매층(29)을 통과하게 된다. 그러면 제1 관로(21)의 배출구(32a) 측에서는 수성가스 전환 촉매 반응을 통해 추가의 수소 가스를 발생시키고, 이 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시킨다.
이러는 과정을 거치는 동안, 제1 반응부(23) 즉, 제2 관로(22)의 내부 공간에서 발생하는 반응열이 본 실시예에 의한 단열부(36)에 의해 차단되어 외부로 방출되지 않게 된다. 즉, 제1 반응부(23)로부터 발생하는 열 에너지를 제2 반응부(27) 및 열전달유니트(33)로 전달하는 과정에서 상기한 열 에너지를 단열부 몸체(37)의 내벽(37a)을 통해 1차적으로 단열시키고, 내벽(37a)과 외벽(37b) 사이의 진공 공간 및 외벽(37b)을 통해 2차적으로 단열시키게 된다. 따라서 단열부(36)를 통해 제1 반응부(23)에서 발생하는 열 에너지의 손실을 막을 수 있으므로, 개질기(20)의 반응 효율 및 열효율을 향상시킬 수 있다.
다음, 상기와 같이 일산화탄소의 농도가 저감된 수소 가스를 제4 공급라인(84)를 통해 스택(10)의 제1 주입부(13a)로 공급한다. 이와 동시에, 공기 펌프(71)를 가동시켜 공기를 제5 공급라인(85)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 발생시키고, 부수적으로 열과 물을 발생시킨다.
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, 각종 반응에 필요한 열 에너지를 신속하게 전달하도록 개질기의 구조를 개선함에 따라, 전체적인 시스템의 열 효율 및 운전 성능을 더욱 향상시킬 수 있으며, 전체적인 시스템의 크기를 컴팩트 하게 구현할 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 부분 결합 사시도이다.
도 4는 도 3의 결합 단면 구성도이다.
도 5는 도 1에 도시한 스택 구조를 나타내 보인 분해 사시도이다.

Claims (20)

  1. 제1 관로와, 상기 제1 관로의 단면적 보다 상대적으로 작은 단면적을 가지면서 제1 관로의 내부 중심 방향으로 배치되는 제2 관로를 포함하는 이중 관로 형태로 이루어지며,
    수소를 함유한 연료의 산화 반응을 통해 소정의 열 에너지를 발생시키는 산화 촉매층이 상기 제2 관로의 내부 공간에 위치하는 제1 반응부;
    상기 열 에너지에 의한 개질 반응을 통해 상기 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질 촉매층이 상기 제1 관로와 제2 관로 사이의 공간에 위치하는 제2 반응부; 및
    상기 제2 관로의 외주면에 설치되어 상기 제1 반응부에서 발생하는 열 에너지를 상기 제2 반응부로 전달하는 제1 열전달유니트
    를 포함하는 연료 전지 시스템의 개질기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 관로의 한 쪽 단부에 주입구를 형성하고 있는 제1 캡을 결합하고, 다른 쪽 단부에 배출구를 형성하고 있는 제2 캡을 결합하여 제1 반응부를 구성하고,
    상기 제1 관로의 한 쪽 단부에 주입구를 형성하고 있는 제3 캡을 결합하고, 다른 쪽 단부에 배출구를 형성하고 있는 제4 캡을 결합하여 제2 반응부를 구성하는 연료 전지 시스템의 개질기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 열전달유니트는,
    상기 제2 캡의 배출구에 연결되어 상기 제1 관로의 외주면에 대하여 코일 형태로 감긴 제1 패스부재를 포함하는 연료 전지 시스템의 개질기.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 제3 캡은 상기 제2 관로와 결합하는 결합공을 가지면서 상기 주입구가 결합공 주위에 방사상으로 배치되는 환형의 형상으로 이루어지는 연료 전지 시스템의 개질기.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제1 관로의 외주면에 설치되어 상기 제1 반응부에서 발생하는 열 에너지를 상기 제2 반응부로 공급되는 연료로 전달하는 제2 열전달유니트를 포함하는 연료 전지 시스템의 개질기.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제2 열전달유니트는,
    상기 제3 캡의 주입구에 연결되어 상기 제1 관로의 외주면에 대하여 코일 형태로 감긴 제2 패스부재를 포함하는 연료 전지 시스템의 개질기.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 제2 반응부는 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 수성가스 전환 촉매층이 상기 제1 관로와 제2 관로 사이의 공간에 위치하는 구조로 이루어지는 연료 전지 시스템의 개질기.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 수성가스 전환 촉매층은 상기 개질 촉매층과 연속적으로 배치되어 상기 제4 캡의 배출구 측에 위치하는 연료 전지 시스템의 개질기.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 관로가 원형 파이프 타입으로 이루어지고, 열전도성을 갖는 써스, 알루미늄, 구리, 철로 이루어지는 군에서 선택되는 재질로 형성되는 연료 전지 시스템의 개질기.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 반응부 전체를 감싸도록 설치되는 단열부를 더 포함하는 연료 전지 시스템의 개질기.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 단열부는:
    내벽; 및
    상기 내벽에 대하여 소정 간격 이격되도록 상기 내벽 전체를 감싸는 외벽
    을 포함하며,
    상기 내벽과 외벽 사이의 공간이 진공 상태를 유지하는 연료 전지 시스템의 개질기.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 내, 외벽이 세라믹, 스테인레스 또는 알루미늄으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나의 재질로 형성되는 연료 전지 시스템의 개질기.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 단열부는:
    일단부가 폐쇄되고 타단부가 개방된 원통 형상의 몸체; 및
    상기 몸체의 타단부에 결합되어 상기 몸체의 내부 공간을 밀봉하는 밀봉캡을 포함하는 연료 전지 시스템의 개질기.
  14. 열 에너지에 의한 화학 촉매 반응을 통해 수소를 함유한 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질기; 및
    상기 수소 가스와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부
    를 포함하며,
    상기 개질기는,
    제1 관로와, 상기 제1 관로의 단면적 보다 상대적으로 작은 단면적을 가지면서 제1 관로의 내부 중심 방향으로 배치되는 제2 관로를 포함하는 이중 관로 형태로 이루어지고,
    수소를 함유한 연료의 산화 반응을 통해 소정의 열 에너지를 발생시키는 산화 촉매층이 상기 제2 관로의 내부 공간에 위치하는 제1 반응부와, 상기 열 에너지에 의한 개질 반응을 통해 상기 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질 촉매층이 상기 제1 관로와 제2 관로 사이의 공간에 위치하는 제2 반응부와, 상기 제2 관로의 외주면에 설치되어 상기 제1 반응부에서 발생하는 열 에너지를 상기 제2 반응부로 전달하는 제1 열전달유니트를 포함하는 연료 전지 시스템.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 제2 반응부는 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 수성가스 전환 촉매층이 상기 개질 촉매층과 연속적으로 배치되는 연료 전지 시스템.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 제1 열전달유니트는,
    상기 제2 관로의 외주면에 대하여 코일 형태로 감기면서 이 제2 관로의 내부와 연통하는 제1 패스부재를 포함하는 연료 전지 시스템.
  17. 제 14 항에 있어서,
    상기 제1 관로의 외주면에 설치되어 상기 제1 반응부에서 발생하는 열 에너지를 상기 제2 반응부로 공급되는 연료로 전달하는 제2 열전달유니트를 포함하는 연료 전지 시스템.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 제2 열전달유니트는,
    상기 제1 관로의 외주면에 대하여 코일 형태로 감기면서 상기 제1 관로와 제2 관로 사이의 공간과 연통하는 제2 패스부재를 포함하는 연료 전지 시스템.
  19. 제 14 항에 있어서,
    상기 개질기는 상기 제1 및 제2 반응부 전체를 감싸도록 설치되는 단열부를 포함하는 연료 전지 시스템.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 단열부는 내벽과, 상기 내벽에 대하여 소정 간격 이격되도록 상기 내벽 전체를 감싸는 외벽을 포함하며, 상기 내벽과 외벽 사이의 공간이 진공 상태를 유지하는 연료 전지 시스템.
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