KR20060020019A - 연료 전지 시스템 및 이에 사용되는 개질기 - Google Patents

연료 전지 시스템 및 이에 사용되는 개질기 Download PDF

Info

Publication number
KR20060020019A
KR20060020019A KR1020040068743A KR20040068743A KR20060020019A KR 20060020019 A KR20060020019 A KR 20060020019A KR 1020040068743 A KR1020040068743 A KR 1020040068743A KR 20040068743 A KR20040068743 A KR 20040068743A KR 20060020019 A KR20060020019 A KR 20060020019A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
reaction
fuel
unit
conduit
hydrogen gas
Prior art date
Application number
KR1020040068743A
Other languages
English (en)
Other versions
KR101107116B1 (ko
Inventor
박진
김주용
임현정
한지성
조은숙
권호진
Original Assignee
삼성에스디아이 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 삼성에스디아이 주식회사 filed Critical 삼성에스디아이 주식회사
Priority to KR1020040068743A priority Critical patent/KR101107116B1/ko
Publication of KR20060020019A publication Critical patent/KR20060020019A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101107116B1 publication Critical patent/KR101107116B1/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/32—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air
    • C01B3/34—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents
    • C01B3/38—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents using catalysts
    • C01B3/382—Multi-step processes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/50—Separation of hydrogen or hydrogen containing gases from gaseous mixtures, e.g. purification
    • C01B3/56—Separation of hydrogen or hydrogen containing gases from gaseous mixtures, e.g. purification by contacting with solids; Regeneration of used solids
    • C01B3/58—Separation of hydrogen or hydrogen containing gases from gaseous mixtures, e.g. purification by contacting with solids; Regeneration of used solids including a catalytic reaction
    • C01B3/583—Separation of hydrogen or hydrogen containing gases from gaseous mixtures, e.g. purification by contacting with solids; Regeneration of used solids including a catalytic reaction the reaction being the selective oxidation of carbon monoxide
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0612—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
    • H01M8/0618—Reforming processes, e.g. autothermal, partial oxidation or steam reforming
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0662—Treatment of gaseous reactants or gaseous residues, e.g. cleaning
    • H01M8/0668—Removal of carbon monoxide or carbon dioxide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/02—Processes for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0283—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a CO-shift step, i.e. a water gas shift step
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/04—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas containing a purification step for the hydrogen or the synthesis gas
    • C01B2203/0435—Catalytic purification
    • C01B2203/044—Selective oxidation of carbon monoxide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/04—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas containing a purification step for the hydrogen or the synthesis gas
    • C01B2203/0465—Composition of the impurity
    • C01B2203/047—Composition of the impurity the impurity being carbon monoxide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/06—Integration with other chemical processes
    • C01B2203/066—Integration with other chemical processes with fuel cells
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/10—Catalysts for performing the hydrogen forming reactions
    • C01B2203/1005—Arrangement or shape of catalyst
    • C01B2203/1011—Packed bed of catalytic structures, e.g. particles, packing elements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)

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 열 에너지를 발생시키는 가열부와, 상기 열 에너지에 의한 화학 촉매 반응을 통해 상기 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 복수의 반응부를 일체로 형성하는 본체를 구비하고, 상기 가열부는 각각의 반응부에 대하여 서로 다른 촉매량을 가지면서 상기 연료의 산화 촉매 반응에 의한 서로 다른 온도 범위의 열원을 상기 각각의 반응부에 제공한다.
연료전지, 스택, 개질기, 전기발생부, 관로, 원통, 본체, 반응부, 개질반응부, 일산화탄소저감부, 촉매, 가열부

Description

연료 전지 시스템 및 이에 사용되는 개질기 {FUEL CELL SYSTEM AND REFORMER USED THERETO}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 도시한 개략도이다.
도 2는 도 1에 도시한 스택 구조를 나타내 보인 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 개질기의 구조를 나타내 보인 사시도이다.
도 4는 도 3의 단면 구성도이다.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 실시예에 대한 개질기 구조의 변형예를 도시한 개략도이다.
본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 개질기의 열전달 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.
전술한 바 있는 개질기는 열 에너지에 의한 화학 촉매 반응을 통해 수소를 함유한 연료로부터 수소 가스를 발생시키고, 이 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 장치이다.
종래에 따른 연료 전지 시스템의 개질기는 일례로서, 개질 반응을 통해 상기 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질 반응부와, 개질 반응부에 의해 발생되는 수소 가스 중의 일산화탄소 농도를 저감시키는 다수의 일산화탄소 저감부를 구비하고 있다. 이러한 개질 반응부와 일산화탄소 저감부는 각각의 반응에 요구되는 고유한 반응 온도 범위의 열 에너지를 필요로 한다. 이에 종래의 개질기는 상기 개질 반응부 및 일산화탄소 저감부로 서로 다른 온도 범위의 열 에너지를 제공하는 열원부를 구비하고 있다.
그런데, 종래에 따른 개질기는 위와 같은 개질 반응부와 일산화탄소 저감부를 분산 배치하고 있는 바, 각각의 개질 반응부와 일산화탄소 저감부에 대하여 서로 다른 온도 범위의 열 에너지를 제공하는 열원부를 별도로 설치해야 한다. 따라서 각각의 개질 반응부와 일산화탄소 저감부에 대한 열원부의 별개 구조로 인해 개질기의 구조가 복잡해지게 되어 전체적인 시스템의 크기를 컴팩트하게 구현하지 못하게 되는 문제점이 있다. 또한 개질기의 초기 기동 시간이 지연되어 전체적인 개질기의 열 효율 및 반응 효율이 떨어지게 되는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 감안한 것으로서, 그 목적은 간단한 구조로서 각 반응부에서 요구되는 서로 다른 온도 범위의 열 에너지를 제공할 수 있는 연료 전지 시스템의 개질기 및 이를 채용한 연료 전지 시스템을 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 개질기는, 열 에너지를 발생시키는 가열부와, 상기 열 에너지에 의한 화학 촉매 반응을 통해 수소를 함유한 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 복수의 반응부를 일체로 형성하는 본체를 포함하며,
상기 가열부는 각각의 반응부에 대하여 서로 다른 촉매량을 가지면서 연료의 산화 촉매 반응에 의한 서로 다른 온도 범위의 열원을 상기 각각의 반응부에 제공한다.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 개질기에 있어서, 상기 본체는, 제1 관로; 및 상기 제1 관로의 내부 중심 방향으로 배치되며, 상기 각각의 반응부를 연속적으로 구획 형성하는 제2 관로를 포함할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 개질기에 있어서, 상기 가열부는, 상기 각각의 반응부에 대하여 상기 제1 관로 및 제2 관로 사이에 형성되는 촉매를 구비할 수 있다.
아울러 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 개질기는, 제1 관로; 상기 제1 관로의 내부 중심 방향으로 배치되는 제2 관로; 상기 제2 관로 내부에 연속적으로 구획 배치되어 화학 촉매 반응을 통해 수소를 함유한 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 복수의 반응부; 및 상기 제1 관로 및 제2 관로 사이에 형성되어 상기 각각의 반응부에 대하여 서로 다른 촉매량을 가지면서 상기 연료의 산화 촉매 반응에 의한 서로 다른 온도 범위의 열원을 상기 각각의 반응부에 제공하는 가열부를 포함한다.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 개질기에 있어서, 상기 제1 및 제2 관로는 한 쪽 단부에 유입부를 형성하고, 다른 한 쪽 단부에 유출부를 형성할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 개질기에 있어서, 상기 각각의 반응부는, 상기 제2 관로의 유입부 측에 배치되어 개질 촉매 반응을 통해 상기 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질 반응부; 및 상기 개질 반응부와 연속적으로 배치되어 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 적어도 하나의 일산화탄소 저감부를 포함할 수 있다.
그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 개질기에 있어서, 상기 각각의 반응부는, 상기 제2 관로의 유입부 측에 배치되어 상기 연료를 기화시키는 기화부; 상기 기화부와 연속적으로 배치되어 개질 촉매 반응을 통해 상기 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질 반응부; 및 상기 개질 반응부와 연속적으로 배치되어 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 적어도 하나의 일산화탄소 저감부를 포함할 수도 있다.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 개질기에 있어서, 상기 일산화탄소 저감부는, 상기 수소 가스의 수성 가스 전환(Water-Gas Shift: WGS) 촉매 반응을 통해 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 제1 반응부를 포함할 수 있다.
그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 개질기에 있어서, 상기 일산화탄소 저감부는, 상기 수소 가스와 산소의 선택적 산화(Preferential CO Oxidation: PROX) 촉매 반응을 통해 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 적어도 하나의 제2 반응부를 포함할 수도 있다.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 개질기에 있어서, 상기 각각의 반 응부는 메쉬 형태의 배리어부재에 의하여 상기 제2 관로의 내부에 구획 형성되고, 펠릿 형태의 촉매가 충전된 구조로 이루어지는 것이 바람직하다.
그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 개질기에 있어서, 상기 각각의 반응부는 허니콤(honey comb) 타입의 촉매를 구비할 수도 있다.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 개질기에 있어서, 상기 가열부는, 상기 제1 관로 및 제2 관로 사이에 상기 각각의 반응부에 대하여 서로 다른 용적의 공간을 구획 형성하고, 상기 각각의 공간에 펠릿 형태의 촉매를 충전하여 형성되는 것이 바람직하다.
그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 개질기에 있어서, 상기 제1 관로는 단열성을 갖는 세라믹, 스테인레스 또는 알루미늄으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나의 재질로 형성될 수 있다.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 개질기에 있어서, 상기 제2 관로는 열전도성을 갖는 써스, 알루미늄, 구리, 철로 이루어지는 군에서 선택되는 재질로 형성될 수 있다.
아울러 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 열 에너지를 발생시키는 가열부와, 상기 열 에너지에 의한 화학 촉매 반응을 통해 상기 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 복수의 반응부를 일 체로 형성하는 본체를 구비하고,
상기 가열부는 각각의 반응부에 대하여 서로 다른 촉매량을 가지면서 상기 연료의 산화 촉매 반응에 의한 서로 다른 온도 범위의 열원을 상기 각각의 반응부에 제공한다.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 본체는, 제1 관로; 및 상기 제1 관로의 내부 중심 방향으로 배치되어 상기 각각의 반응부를 연속적으로 구획 형성하는 제2 관로를 포함할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 제1 및 제2 관로는 한 쪽 단부에 유입부를 형성하고, 다른 한 쪽 단부에 유출부를 형성할 수 있다.
그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 각각의 반응부는, 상기 제2 관로 내부의 유입부 측에 배치되어 개질 촉매 반응을 통해 상기 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질 반응부; 및 상기 개질 반응부와 연속적으로 배치되어 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 적어도 하나의 일산화탄소 저감부를 포함할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 각각의 반응부는, 상기 제2 관로 내부의 유입부 측에 배치되어 상기 연료를 기화시키는 기화부; 상기 기화부와 연속적으로 배치되어 개질 촉매 반응을 통해 상기 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질 반응부; 및 상기 개질 반응부와 연속적으로 배치되어 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 적어도 하나의 일산화탄소 저감부를 포함할 수도 있다.
그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 각각의 반응부는 메쉬 형태의 배리어부재에 의하여 상기 제2 관로의 내부에 구획 형성되고, 펠릿 형태의 촉매가 충전된 구조로 이루어지는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 각각의 반응부는 허니콤 타입의 촉매를 구비할 수도 있다.
그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 가열부는, 상기 제1 관로 및 제2 관로 사이에 상기 각각의 반응부에 대하여 서로 다른 용적의 공간을 구획 형성하고, 상기 각각의 공간에 펠릿 형태의 촉매를 충전하여 형성되는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 개질기로 연료를 공급하는 연료 공급원과, 상기 개질기 및 전기 발생부로 산소를 공급하는 산소 공급원을 포함한다. 이 경우 상기 산소 공급원은 공기를 흡입하여 이 공기를 상기 개질기 및 전기 발생부로 공급하는 적어도 하나의 공기 펌프를 포함할 수 있다.
그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 전기 발생부가 복수로 구비되며, 상기 복수의 전기 발생부에 의한 적층 구조의 스택을 형성할 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.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 도시 한 개략도이고, 도 2는 도 1에 도시한 스택 구조를 나타내 보인 분해 사시도이다.
도면을 참고하면, 본 시스템(100)은 수소를 함유한 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키고, 이 수소 가스와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrode Membrane Fuel Cell; PEMFC) 방식을 채용한다.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)에 있어 전기를 생성하기 위한 연료라 함은 메탄올, 에탄올 또는 천연 가스등을 포함한다. 그러나 이하에서 설명하는 연료는 편의상 액상으로 이루어진 연료라 정의하고, 상기 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 함유하고 있는 공기를 그대로 사용할 수도 있다. 그러나 이하에서는 후자의 예를 설명한다.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)은, 기본적으로 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 스택(10)과, 전술한 바 있는 혼합 연료로부터 수소 가스를 발생시키고 이 수소 가스를 스택(10)으로 공급하는 개질기(30)와, 상기 혼합 연료를 개질기(30)로 공급하는 연료 공급원(50)과, 산소를 상기 스택(10)과 개질기(30)로 각각 공급하는 산소 공급원(70)을 포함하여 구성된다.
상기 스택(10)은 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly: MEA)(12)를 중심에 두고 이의 양면에 세퍼레이터(Separator)(당업계에서는 '바이폴라 플레이트'라고도 한다.)(16)를 배치하여 전기를 발생시키는 최소 단위의 전기 발생부 (11)를 구비한다. 따라서 이 전기 발생부(11)가 복수로 구비되고, 이들 전기 발생부(11)가 밀착 배치됨으로써 본 실시예에서와 같은 적층 구조의 스택(10)을 형성한다.
여기서 막-전극 어셈블리(12)는 일면에 애노드 전극을 형성하고, 다른 일면에 캐소드 전극을 형성하여, 수소와 산소를 산화/환원 반응시키는 기능을 하게 된다. 그리고 세퍼레이터(16)는 개질기(30)로부터 공급되는 수소 가스와, 산소 공급원(70)으로부터 공급되는 공기를 막-전극 어셈블리(12)로 공급하는 기능 외에, 막-전극 어셈블리(12)의 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체의 기능도 하게 된다.
본 발명에 적용되는 상기 개질기(30)는 열 에너지에 의한 화학 촉매 반응을 통해 상기 혼합 연료로부터 수소 가스를 발생시키고, 이 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 구조를 갖는다.
위와 같은 개질기(30)로 연료를 공급하는 연료 공급원(50)은 액상의 연료를 저장하는 제1 탱크(51)와, 물을 저장하는 제2 탱크(53)와, 제1,2 탱크(51, 53)에 연결 설치되어 각각의 탱크(51, 53)로부터 상기 액상의 연료와 물을 배출시키는 연료 펌프(55)를 포함하고 있다.
그리고 산소 공급원(70)은 소정의 펌핑력으로 공기를 흡입하여 소정 유로(93, 96)를 통해 상기한 공기를 스택(10)의 전기 발생부(11)와 개질기(30)로 각각 공급하는 적어도 하나의 공기 펌프(71)를 포함하고 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)의 작용시 개질기 (30)로부터 발생되는 수소 가스와, 공기 펌프(71)로부터 흡입되는 공기 중의 산소를 세퍼레이터(16)를 통해 스택(10)의 전기 발생부(11)로 공급하게 되면, 상기 전기 발생부(11)에서는 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기와 물 그리고 열을 발생시킨다.
본 발명에 있어 상기 개질기(30)를 구성하는 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 개질기의 구조를 나타내 보인 사시도이고, 도 4는 도 3의 단면 구성도이다.
도 1 내지 도 4를 참고하면, 본 실시예에 의한 개질기(30)는 화학 촉매 반응을 통해 열 에너지를 발생시키고, 이 열 에너지를 이용하여 전술한 바 있는 혼합 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 본체(31)를 포함한다.
본 실시예에 따르면, 본체(31)는 상기한 수소 가스를 발생시키는 복수의 반응부(35)와, 상기 열 에너지를 발생시키고 이 열 에너지를 복수의 반응부(35)에 제공하는 가열부(37)를 일체로 형성하고 있다. 이러한 구조를 갖는 상기 본체(31)는 제1 관로(32)와, 제1 관로(32)의 내부에 위치하는 제2 관로(33)를 포함하여 구성된다.
구체적으로, 제1 관로(32)는 소정 단면적을 가지면서 실질적으로 양단이 개방된 원형의 파이프 형태로 이루어진다. 제1 관로(32)는 한 쪽 단부에 유입부(32a)를 형성하고, 다른 쪽 단부에 유출부(32b)를 형성하고 있다. 이러한 제1 관로(32)는 상대적으로 열전도도가 작은 단열 소재 예컨대, 써스, 지르코늄, 스테인레스, 알루미늄 등과 같은 금속 단열 소재 또는 세라믹과 같은 비금속 단열 소재로 형성될 수 있다.
제2 관로(33)는 전술한 바 있는 각각의 반응부(35)를 일체로 형성하기 위한 것으로서, 제1 관로(32)의 단면적 보다 상대적으로 작은 단면적을 가지면서 실질적으로 양단이 개방된 원형의 파이프 형태로 이루어지며, 제1 관로(32)의 길이 방향에 대해 그 내부의 중심 방향으로 배치된다. 제2 관로(33)는 한 쪽 단부에 유입부(33a)를 형성하고, 다른 쪽 단부에 유출부(33b)를 형성하고 있다. 이러한 제2 관로(33)는 열전도성을 갖는 써스, 알루미늄, 구리, 철 등으로 형성될 수 있다. 이 때 상기 유입부(33a)는 소정의 유로(91)에 의하여 연료 공급원(50)의 제1,2 탱크(51, 53)와 연결 설치될 수 있다. 그리고 상기 유출부(33b)는 소정의 유로(92)에 의하여 스택(10)의 전기 발생부(11)와 연결 설치될 수 있다.
상기 각각의 반응부(35)는 제2 관로(33)의 내부에 연속적으로 구획 형성되며, 상기 혼합 연료의 수증기 개질(Steam reaforming: SR) 촉매 반응을 통해 이 혼합 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질 반응부(42)와, 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 실질적으로 저감시키는 적어도 하나의 일산화탄소 저감부(45)를 구비한다.
여기서 상기 각각의 반응부(35)는 제2 관로(33)의 내부에 소정 간격으로 이격 설치되는 다수의 배리어부재(36)에 의해 구획 형성될 수 있다. 이 배리어부재(36)는 다수의 기공(36a)을 갖는 메쉬 타입으로 이루어지는 바, 제2 관로(33)의 내부 공간에 대하여 개질 반응부(42) 및 일산화탄소 저감부(45)를 실질적으로 구획하 는 기능을 하면서 각각의 반응부(35)에서 발생되는 반응 가스를 상기한 기공(36a)을 통해 제2 관로(33)의 유출부(33b) 쪽으로 통과시키는 기능도 하게 된다. 이 때 상기한 유출부(33b)를 통해서는 상기 일산화탄소 저감부(45)에 의해 일산화탄소의 농도가 저감된 수소 가스가 배출된다.
상기 개질 반응부(42)는 연료 공급원(50)으로부터 공급되는 혼합 연료를 기화시키고, 수증기 개질 촉매 반응을 통해 상기 기화된 혼합 연료로부터 수소 가스를 발생시키기 위한 것이다. 개질 반응부(42)는 제2 관로(33) 내부의 유입부(33a) 측에 배치되며, 상기 혼합 연료의 수증기 개질 반응을 촉진시키는 통상적인 촉매(42a)를 구비하고 있다. 이러한 촉매(42a)는 펠릿(pellet) 형태로 이루어져 배리어부재(36)에 의해 구획된 제2 관로(33)의 내부 공간에 충전 배치된다. 이 때 상기한 개질 반응부(42)의 촉매(42a)에 의한 개질 반응은 흡열 반응이며, 그 운전 온도는 대략 300∼600℃이다.
그리고 상기 일산화탄소 저감부(45)는 상기 개질 반응부(42)로부터 발생되는 수소 가스의 수성가스 전환(Water-Gas Shift: WGS) 촉매 반응을 통해 상기 수소 가스 중에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 제1 반응부(43)와, 상기 제1 반응부(43)를 통해 일산화탄소의 농도가 저감된 상기 수소 가스의 선택적 산화(Preferential CO Oxidation: PROX) 촉매 반응을 통해 상기 수소 가스 중에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 제2 반응부(44)를 구비하고 있다.
제1 반응부(43)는 제2 관로(33)의 내부에 대하여 개질 반응부(42)와 연속적으로 배치되고, 상기 수소 가스의 수성가스 전환 반응을 촉진시키는 통상적인 촉매 (43a)를 구비하고 있다. 이러한 촉매(43a)는 펠릿(pellet) 형태로 이루어져 배리어부재(36)에 의해 구획된 제2 관로(33)의 내부 공간에 충전 배치된다. 이 때 상기한 제1 반응부(43)의 촉매(43a)에 의한 수성가스 전환 반응은 발열 반응이며, 그 운전 온도는 대략 200∼300℃이다.
제2 반응부(44)는 제2 관로(33)의 내부에 대하여 제1 반응부(43)와 연속적으로 배치되고, 제1 반응부(43)를 통해 일산화탄소의 농도가 저감된 상기 수소 가스와 공기의 선택적 산화 반응을 촉진시키는 통상적인 촉매(44a)를 구비하고 있다. 이러한 촉매(44a)는 펠릿(pellet) 형태로 이루어져 배리어부재(36)에 의해 구획된 제2 관로(33)의 내부 공간에 충전 배치된다. 이 때 상기한 제2 반응부(44)의 촉매(44a)에 의한 선택적 산화 반응은 발열 반응이며, 그 운전 온도는 대략 150∼200℃이다. 그리고 상기 제2 반응부(44)는 소정의 유로(93)에 의하여 산소 공급원(70)의 공기 펌프(71)와 연결 설치될 수 있다. 본 실시예에 의한 도면에서는 단일의 제2 반응부(44)를 도시하고 있으나, 이에 한정되지 않고 둘 이상의 제2 반응부(44)를 구비할 수도 있다.
이와 같이 구성되는 각각의 반응부(35)에 대하여 열 에너지를 제공하는 본 실시예에 의한 가열부(37)는 액상의 연료와 공기의 산화 촉매 반응을 통해 열 에너지를 발생시킬 수 있는 구조로 이루어진다.
본 실시예에 따르면, 상기 가열부(37)는 제1 관로(32)와 제2 관로(33) 사이의 공간에 충전 형성되어 전술한 연료와 공기의 산화 반응을 촉진시키는 펠릿 형태의 촉매(37a)를 구비하고 있다. 이러한 촉매(37a)는 각각의 반응부(35)에 상응하는 제1 관로(32)와 제2 관로(33) 사이의 공간에 대하여 서로 다른 양을 가지면서 상기 공간에 충전되게 된다.
이하에서 개질 반응부(42)에 상응하는 제1 관로(32)와 제2 관로(33) 사이의 공간을 제1 영역(a), 제1 반응부(43)에 상응하는 제1 관로(32)와 제2 관로(33) 사이의 공간을 제2 영역(b), 제2 반응부(44)에 상응하는 제1 관로(32)와 제2 관로(33) 사이의 공간을 제3 영역(c)으로 정의한다.
상기한 가열부(37)는 제1 영역(a)을 제2 영역(b)의 용적 보다 크게 형성하고, 제2 영역(b)을 제3 영역(c)의 용적 보다 크게 형성하고, 각각의 영역(a, b, c)에 대하여 서로 다른 양의 촉매(37a)를 충전하고 있는 것이 바람직하다.
이는 상술한 바와 같이 개질 반응부(42)에서의 운전 온도가 300∼600℃이고, 제1 반응부(43)에서의 운전 온도가 200∼300℃이며, 제2 반응부(44)에서의 운전 온도가 150∼200℃이므로, 상기 각각의 반응부(35)에 상응하는 제1 관로(32)와 제2 관로(33) 사이 공간의 용적을 서로 다르게 하여 이들 영역(a, b, c)에 서로 다른 양의 촉매(37a)를 충전시키기 위함이다. 즉, 제1 영역(a)에는 개질 반응부(42)에서 요구하는 온도 범위의 열을 발생시키기 위해 제2 영역(a) 보다 많은 양의 촉매(37a)를 충전시키고, 제2 영역(b)에는 제1 반응부(43)에서 요구하는 온도 범위의 열을 발생시키기 위해 제3 영역(c) 보다 많은 양의 촉매(37a)를 충전시킨다. 그리고 제3 영역(c)에는 제2 반응부(44)에서 요구하는 온도 범위의 열을 발생시키기 위해 제2 영역(b) 보다 적은 양의 촉매(37a)를 충전시킨다.
이와 같이 제1 및 제2 관로(32, 33) 사이에 상기 각각의 영역(a, b, c)에 대 하여 서로 다른 용적을 갖는 공간을 형성하기 위해 제1 관로(32)의 내벽에는 상기 각각의 용적을 결정하는 단턱(32c)을 형성하고 있다. 그리고 제1 관로(32)의 유입부(32a)와 제1 탱크(51)는 소정의 유로(94)에 의해 연결 설치될 수 있다. 또한 상기 유입부(32a)와 공기 펌프(71)는 소정의 유로(95)에 의하여 연결 설치될 수 있다.
따라서 본 발명의 실시예에 의하면, 각각의 반응부(35)에 상응하는 제1 관로(32)와 제2 관로(33) 사이의 공간에 대하여 서로 다른 양의 촉매(37a)를 충전시킴으로써, 촉매(37a)에 의한 연료와 공기의 산화 반응을 통해 각각의 반응부(35)에서 요구하는 서로 다른 온도의 열 에너지를 상기 각각의 반응부(35)로 동시에 제공할 수 있게 된다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 동작을 상세히 설명하면 다음과 같다.
우선, 연료 펌프(55)를 가동시켜 제1 관로(32)와 제2 관로(33) 사이의 공간으로 제1 탱크(51)에 저장된 액상의 연료를 공급한다. 이와 동시에, 공기 펌프(71)를 가동시켜 상기 공간으로 공기를 공급한다. 그러면 상기한 제1 및 제2 관로(32, 33) 사이의 공간에서는 촉매(37a)에 의한 상기 연료와 공기의 산화 반응을 통해 소정 온도의 열 에너지를 발생시킨다.
이러는 과정에서, 각각의 반응부(35)에 상응하는 제1 관로(32)와 제2 관로(33) 사이의 영역(a, b, c)에 서로 다른 양의 촉매(37a)를 구비함에 따라, 각각의 반응부(35)로 서로 다른 온도 범위의 열원을 제공한다. 즉, 제1 영역(a)에서는 개 질 반응부(42)의 반응에 필요한 대략 300∼600℃의 열 에너지를 발생시킨다. 제2 영역(b)에서는 제1 반응부(43)의 반응에 필요한 대략 200∼300℃의 열 에너지를 발생시킨다. 제3 영역(c)에서는 제2 반응부(44)의 반응에 필요한 대략 150∼200℃의 열 에너지를 발생시킨다.
이러한 상태에서 연료 펌프(55)의 가동에 의하여 제1 탱크(51)에 저장된 액상의 연료와 제2 탱크(53)에 저장된 물을 제2 관로(33)의 내부 공간으로 공급한다. 그러면 개질 반응부(42)에서는 가열부(37)의 제1 영역(a)으로부터 제공되는 열 에너지를 흡열하여 200∼300℃의 고유한 운전 온도를 유지함에 따라, 상기한 열 에너지에 의하여 액상의 연료와 물의 혼합 연료를 기화시키고, 촉매(42a)에 의한 수증기 개질 반응을 통해 상기 기화된 혼합 연료의 분해 반응이 진행되어 이산화탄소와 수소를 함유하고 있는 수소 가스를 발생시킨다. 이 때 상기 개질 반응부(42)에서는 수증기 개질 촉매 반응에 의한 부(副) 생성물로서의 일산화탄소가 함유된 수소 가스를 생성하게 된다.
이어서, 상기 수소 가스를 배리어부재(36)의 기공(36a)을 통해 제1 반응부(43)로 공급한다. 그러면 제1 반응부(43)에서는 촉매(43a)에 의한 수성가스 전환 반응을 통해 상기 수소 가스로부터 추가의 수소를 발생시키고, 이 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 1차적으로 저감시킨다. 이 때 상기 제1 반응부(43)는 가열부(37)의 제2 영역(b)으로부터 제공되는 열 에너지를 전달받아 200∼300℃의 고유한 운전 온도를 유지함으로써 상기한 수성가스 전환 촉매 반응을 일으킬 수 있다.
다음, 상기 수소가스를 배리어부재(36)의 기공(36)을 통해 제2 반응부(44)로 공급하고, 이와 동시에 공기 펌프(71)의 가동에 의하여 공기를 제2 반응부(44)로 공급한다. 그러면 제2 반응부(44)에서는 촉매(44a)에 의한 상기 수소 가스와 공기의 선택적 산화 반응을 통해 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 2차적으로 저감시킨다. 이 때 상기 제2 반응부(44)는 가열부(37)의 제3 영역(c)으로부터 제공되는 열 에너지를 전달받아 150∼200℃의 고유한 운전 온도를 유지함으로써 상기한 선택적 산화 촉매 반응을 일으킬 수 있다.
이와 같이 가열부(37)로부터 발생하는 열 에너지를 각각의 반응부(35)로 전달하는 과정에서, 제1 관로(32)가 단열 소재로 이루어져 있기 때문에, 상기한 열 에너지가 제1 관로(32)를 통해 외부로 방출되지 않게 된다. 따라서 가열부(37)에서 발생하는 열 에너지의 손실을 막을 수 있으므로, 개질기(30) 전체의 반응 효율 및 열효율을 향상시킬 수 있다.
한편, 가열부(37)에서 열 에너지를 발생시킬 때 생성되는 연소 가스는 제1 관로(32)의 유출부(32b)를 통해 배출되게 된다. 그리고 제2 반응부(44)를 통해 일산화탄소의 농도가 저감된 수소 가스는 제2 관로(33)의 유출부(33b)를 통해 배출되게 된다.
이어서, 상기 수소 가스를 스택(10)의 전기 발생부(11)로 공급한다. 이와 동시에, 공기 펌프(71)의 가동에 의하여 공기를 상기 전기 발생부(11)로 공급한다. 그러면 상기 수소 가스는 전기 발생부(11)의 세퍼레이터(16)를 통해 전극-전해질 합성체(12)의 애노드 전극으로 공급된다. 그리고 공기는 상기 세퍼레이터(16)를 통 해 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.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 실시예에 대한 개질기 구조의 변형예를 도시한 개략도이다.
도 5a는 첫번째 변형예로서, 이 경우는 전술한 실시예의 구조를 기본으로 하면서 각각의 반응부(35A) 즉, 개질 반응부(42), 제1 반응부(43) 및 제2 반응부(44)에 구비되는 촉매(42b, 43b, 44b)를 허니콤(honey comb) 타입으로 형성하고 있는 개질기(30A)를 구성한다.
이러한 촉매(42b, 43b, 44b)는 제2 관로(33)의 내부 공간에 연속적으로 배치되고, 다수의 평행한 관통 구멍(42c, 43c, 44c) 즉, 셀을 가진 세라믹 담체 또는 금속 담체의 셀 내부 표면에 촉매 물질을 담지시킨 구조로 이루어진다. 이 때 상기 관통 구멍(42c, 43c, 44c)은 연료를 통과시키는 통로로서, 이 통로의 내표면에 반응부(35A) 각각의 고유 반응에 필요한 촉매 물질을 형성하고, 각각의 반응부(35A)에 대하여 서로 연통하도록 형성되고 있다.
본 변형예에 의한 개질기(30A)의 나머지 구성 및 작용은 전기 실시예와 동일하므로 자세한 설명은 생략한다.
도 5b는 두번째 변형예로서, 이 경우는 전술한 실시예 또는 첫번째 변형예의 구조를 기본으로 하면서 제2 관로(33)의 내부 공간에 대하여 개질 반응부(62) 및 적어도 둘 이상의 제2 반응부(64)를 연속적으로 배치하고 있는 개질기(30B)를 구성한다.
본 변형예에서 상기한 제2 반응부(64)는 개질 반응부(62)로부터 발생되는 수소 가스와 산소의 선택적 산화 촉매 반응을 통해 이 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키기 위한 것이다. 여기서 본 변형예에 의하면 상기 제2 반응부(64)가 도면에 도시한 바와 같이 2의 개소로 구비되고 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 그 이상의 개소로 구비될 수 있다.
본 변형예에 의한 개질기(30B)의 나머지 구성 및 작용은 전기 실시예 및 첫번째 변형예와 동일하므로 자세한 설명은 생략한다.
도 5c는 세번째 변형예로서, 이 경우는 전술한 실시예의 구조를 기본으로 하면서 제2 관로(33) 내부의 유입부(33a) 측에 기화부(71)를 배치하여 이 유입부(33a)를 통해 유입되는 혼합 연료를 기화시킬 수 있는 개질기(30C)를 구성할 수 있다. 이 때 전술한 실시예에서와 같은 개질 반응부(72), 제1 반응부(73) 및 제2 반응부(74)는 기화부(71)에 대해 순차적으로 연속 배치되는 것이 바람직하다.
이와 같은 기화부(71)는 가열부(37)로부터 대략 700℃ 정도의 열 에너지를 전달받아 상기 혼합 연료를 기화시킨 상태에서 상기 기화된 혼합 연료를 개질 반응부(72)로 공급할 수 있는 구조를 갖는다.
이를 위해 상기 가열부(37)는 기화부(71)에 상응하는 제1 관로(32)와 제2 관 로(33) 사이 공간의 용적을 가장 크게 형성하고, 개질 반응부(72), 제1 반응부(73) 및 제2 반응부(74)에 상응하는 제1 관로(32)와 제2 관로(33) 사이 공간의 용적을 점차 작아지도록 형성하는 것이 바람직하다. 따라서 각각의 반응부에 상응하는 제1 관로(32) 및 제2 관로(33) 사이의 공간에 서로 다른 양의 촉매(37a)를 구비함에 따라, 기화부(71)에 상응하는 제1 관로(32)와 제2 관로(33) 사이의 공간에서는 촉매(37a)에 의한 연료와 공기의 산화 반응을 통해 기화부(71)에 필요한 대략 700℃의 열 에너지를 발생시킨다.
본 변형예에 의한 개질기(30C)의 나머지 구성 및 작용은 전기 실시예와 동일하므로 자세한 설명은 생략한다.
도 5d는 네번째 변형예로서, 이 경우는 전술한 두번째 변형예 및 세번째 변형예의 구조를 기본으로 하면서 제2 관로(33)의 내부 공간에 대하여 연속적으로 배치되는 기화부(81), 개질 반응부(82) 및 적어도 둘 이상의 제2 반응부(84)를 구비하고 있는 개질기(30D)를 구성한다.
본 변형예에 의한 개질기(30D)의 나머지 구성 및 작용은 두번째 변형예 및 세번째 변형예와 동일하므로 자세한 설명은 생략한다.
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, 개질기의 각 반응부와 이 반응부로 열 에너지를 제공하는 가열부를 일체로 형성하고, 가열부를 구성하는 산화 촉매의 양을 조절하여 각 반응부에서 요구되는 서로 다른 온도 범위의 열 에너지를 제공할 수 있는 구조를 가지므로, 개질기의 구조를 단순화시켜 전체적인 시스템의 크기를 컴팩트 하게 구현할 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 의하면, 이와 같은 개질기의 열 전달 구조에 의해 개질기의 초기 기동 시간을 단축시킬 수 있으므로, 전체적인 시스템의 열 효율 및 반응 효율을 극대화시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (25)

  1. 열 에너지를 발생시키는 가열부와, 상기 열 에너지에 의한 화학 촉매 반응을 통해 수소를 함유한 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 복수의 반응부를 일체로 형성하는 본체
    를 포함하며,
    상기 가열부는 각각의 반응부에 대하여 서로 다른 촉매량을 가지면서 연료의 산화 촉매 반응에 의한 서로 다른 온도 범위의 열원을 상기 각각의 반응부에 제공하는 연료 전지 시스템의 개질기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 본체는,
    제1 관로; 및
    상기 제1 관로의 내부 중심 방향으로 배치되며, 상기 각각의 반응부를 연속적으로 구획 형성하는 제2 관로
    를 포함하는 연료 전지 시스템의 개질기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 가열부는,
    상기 각각의 반응부에 대하여 상기 제1 관로 및 제2 관로 사이에 형성되는 촉매를 구비하는 연료 전지 시스템의 개질기.
  4. 제1 관로;
    상기 제1 관로의 내부 중심 방향으로 배치되는 제2 관로;
    상기 제2 관로 내부에 연속적으로 구획 배치되어 화학 촉매 반응을 통해 수소를 함유한 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 복수의 반응부; 및
    상기 제1 관로 및 제2 관로 사이에 형성되어 상기 각각의 반응부에 대하여 서로 다른 촉매량을 가지면서 상기 연료의 산화 촉매 반응에 의한 서로 다른 온도 범위의 열원을 상기 각각의 반응부에 제공하는 가열부
    를 포함하는 연료 전지 시스템의 개질기.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 관로는 한 쪽 단부에 유입부를 형성하고, 다른 한 쪽 단부에 유출부를 형성하는 연료 전지 시스템의 개질기.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 각각의 반응부는,
    상기 제2 관로의 유입부 측에 배치되어 개질 촉매 반응을 통해 상기 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질 반응부; 및
    상기 개질 반응부와 연속적으로 배치되어 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄 소의 농도를 저감시키는 적어도 하나의 일산화탄소 저감부를 포함하는 연료 전지 시스템의 개질기.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 각각의 반응부는,
    상기 제2 관로의 유입부 측에 배치되어 상기 연료를 기화시키는 기화부;
    상기 기화부와 연속적으로 배치되어 개질 촉매 반응을 통해 상기 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질 반응부; 및
    상기 개질 반응부와 연속적으로 배치되어 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 적어도 하나의 일산화탄소 저감부를 포함하는 연료 전지 시스템의 개질기.
  8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
    상기 일산화탄소 저감부는,
    상기 수소 가스의 수성 가스 전환(Water-Gas Shift: WGS) 촉매 반응을 통해 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 제1 반응부를 포함하는 연료 전지 시스템의 개질기.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 일산화탄소 저감부는,
    상기 수소 가스와 산소의 선택적 산화(Preferential CO Oxidation: PROX) 촉매 반응을 통해 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 적어도 하나의 제2 반응부를 포함하는 연료 전지 시스템의 개질기.
  10. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
    상기 각각의 반응부는 메쉬 형태의 배리어부재에 의하여 상기 제2 관로의 내부에 구획 형성되고, 펠릿 형태의 촉매가 충전된 구조로 이루어지는 연료 전지 시스템의 개질기.
  11. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
    상기 각각의 반응부는 허니콤(honey comb) 타입의 촉매를 구비하는 연료 전지 시스템의 개질기.
  12. 제 4 항에 있어서,
    상기 가열부는,
    상기 제1 관로 및 제2 관로 사이에 상기 각각의 반응부에 대하여 서로 다른 용적의 공간을 구획 형성하고, 상기 각각의 공간에 펠릿 형태의 촉매를 충전하여 형성되는 연료 전지 시스템의 개질기.
  13. 제 4 항에 있어서,
    상기 제1 관로가 단열성을 갖는 세라믹, 스테인레스 또는 알루미늄으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나의 재질로 형성되는 연료 전지 시스템의 개질기.
  14. 제 4 항에 있어서,
    상기 제2 관로가 열전도성을 갖는 써스, 알루미늄, 구리, 철로 이루어지는 군에서 선택되는 재질로 형성되는 연료 전지 시스템의 개질기.
  15. 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 열 에너지를 발생시키는 가열부와, 상기 열 에너지에 의한 화학 촉매 반응을 통해 상기 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 복수의 반응부를 일체로 형성하는 본체를 구비하고,
    상기 가열부는 각각의 반응부에 대하여 서로 다른 촉매량을 가지면서 상기 연료의 산화 촉매 반응에 의한 서로 다른 온도 범위의 열원을 상기 각각의 반응부에 제공하는 연료 전지 시스템.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 본체는,
    제1 관로; 및
    상기 제1 관로의 내부 중심 방향으로 배치되어 상기 각각의 반응부를 연속적으로 구획 형성하는 제2 관로
    를 포함하는 연료 전지 시스템.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 관로는 한 쪽 단부에 유입부를 형성하고, 다른 한 쪽 단부에 유출부를 형성하는 연료 전지 시스템.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 각각의 반응부는,
    상기 제2 관로 내부의 유입부 측에 배치되어 개질 촉매 반응을 통해 상기 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질 반응부; 및
    상기 개질 반응부와 연속적으로 배치되어 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 적어도 하나의 일산화탄소 저감부를 포함하는 연료 전지 시스템.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 각각의 반응부는,
    상기 제2 관로 내부의 유입부 측에 배치되어 상기 연료를 기화시키는 기화부;
    상기 기화부와 연속적으로 배치되어 개질 촉매 반응을 통해 상기 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질 반응부; 및
    상기 개질 반응부와 연속적으로 배치되어 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 적어도 하나의 일산화탄소 저감부를 포함하는 연료 전지 시스템.
  20. 제 18 항 또는 제 19 항에 있어서,
    상기 각각의 반응부는 메쉬 형태의 배리어부재에 의하여 상기 제2 관로의 내부에 구획 형성되고, 펠릿 형태의 촉매가 충전된 구조로 이루어지는 연료 전지 시스템.
  21. 제 18 항 또는 제 19 항에 있어서,
    상기 각각의 반응부는 허니콤 타입의 촉매를 구비하는 연료 전지 시스템.
  22. 제 16 항에 있어서,
    상기 가열부는,
    상기 제1 관로 및 제2 관로 사이에 상기 각각의 반응부에 대하여 서로 다른 용적의 공간을 구획 형성하고, 상기 각각의 공간에 펠릿 형태의 촉매를 충전하여 형성되는 연료 전지 시스템.
  23. 제 15 항에 있어서,
    상기 개질기로 연료를 공급하는 연료 공급원과, 상기 개질기 및 전기 발생부로 산소를 공급하는 산소 공급원을 포함하는 연료 전지 시스템.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 산소 공급원은 공기를 흡입하여 이 공기를 상기 개질기 및 전기 발생부로 공급하는 적어도 하나의 공기 펌프를 포함하는 연료 전지 시스템.
  25. 제 15 항에 있어서,
    상기 전기 발생부가 복수로 구비되며, 상기 복수의 전기 발생부에 의한 적층 구조의 스택을 형성하는 연료 전지 시스템.
KR1020040068743A 2004-08-30 2004-08-30 연료 전지 시스템 및 이에 사용되는 개질기 KR101107116B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020040068743A KR101107116B1 (ko) 2004-08-30 2004-08-30 연료 전지 시스템 및 이에 사용되는 개질기

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020040068743A KR101107116B1 (ko) 2004-08-30 2004-08-30 연료 전지 시스템 및 이에 사용되는 개질기

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20060020019A true KR20060020019A (ko) 2006-03-06
KR101107116B1 KR101107116B1 (ko) 2012-01-30

Family

ID=37127228

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020040068743A KR101107116B1 (ko) 2004-08-30 2004-08-30 연료 전지 시스템 및 이에 사용되는 개질기

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101107116B1 (ko)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100748362B1 (ko) * 2006-11-14 2007-08-09 삼성에스디아이 주식회사 고온형 연료전지 스택 및 이를 채용한 연료전지
KR100790850B1 (ko) * 2006-05-26 2008-01-02 삼성에스디아이 주식회사 이동가능한 버너를 구비한 연료개질기와 그 구동방법 및연료전지 시스템

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102204580B1 (ko) * 2019-02-01 2021-01-19 주식회사 동양아이에프 고주파 유도 가열을 이용한 수소 생산용 개질 반응 장치

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5861137A (en) 1996-10-30 1999-01-19 Edlund; David J. Steam reformer with internal hydrogen purification
JP2001155756A (ja) 1999-11-30 2001-06-08 Tokyo Gas Co Ltd 燃料電池用水蒸気改質反応器
JP2004155629A (ja) 2002-11-08 2004-06-03 Corona Corp 水素含有ガス製造装置及びこれを用いた小型燃料電池発電装置
KR100551053B1 (ko) 2004-06-29 2006-02-09 삼성에스디아이 주식회사 연료 전지 시스템의 개질기 및 이를 채용한 연료 전지시스템

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100790850B1 (ko) * 2006-05-26 2008-01-02 삼성에스디아이 주식회사 이동가능한 버너를 구비한 연료개질기와 그 구동방법 및연료전지 시스템
KR100748362B1 (ko) * 2006-11-14 2007-08-09 삼성에스디아이 주식회사 고온형 연료전지 스택 및 이를 채용한 연료전지

Also Published As

Publication number Publication date
KR101107116B1 (ko) 2012-01-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8043389B2 (en) Fuel cell heat recovering reformer and system
US8133622B2 (en) Heated reformer and fuel cell system having the same
US7799449B2 (en) Reformer having improved heat delivery and fuel cell system having the same
US20050191532A1 (en) Reformer for fuel cell system and fuel cell system having the same
US20050193628A1 (en) Fuel cell system and reformer therefor
KR100551053B1 (ko) 연료 전지 시스템의 개질기 및 이를 채용한 연료 전지시스템
KR100599685B1 (ko) 연료 전지 시스템의 개질기 및 이를 채용한 연료 전지시스템
US8053119B2 (en) Reformer and fuel cell system having the same
KR100551036B1 (ko) 연료 전지 시스템의 개질기 및 이를 채용한 연료 전지시스템
US20050214614A1 (en) Fuel cell system
US7674542B2 (en) Fuel cell system
KR100590039B1 (ko) 연료 전지 시스템 및 이에 사용되는 개질기
KR101107116B1 (ko) 연료 전지 시스템 및 이에 사용되는 개질기
KR101023147B1 (ko) 연료 전지 시스템
KR101125650B1 (ko) 연료 전지 시스템, 개질기 및 버너
KR100560495B1 (ko) 연료 전지 시스템의 개질기 및 이를 채용한 연료 전지시스템
KR100570698B1 (ko) 연료 전지 시스템 및 이에 사용되는 개질기
KR101030042B1 (ko) 연료 전지 시스템의 개질기 및 이를 채용한 연료 전지시스템
KR100639012B1 (ko) 연료전지용 일산화탄소 저감기 및 이를 구비한 연료전지 시스템
KR100560442B1 (ko) 연료 전지 시스템
KR20070027968A (ko) 개질기 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템
KR20060034426A (ko) 연료 전지 시스템

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20141211

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20151218

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20161223

Year of fee payment: 6

LAPS Lapse due to unpaid annual fee