KR20060022869A - 연료 전지 시스템 및 개질기 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 열 에너지에 의한 화학 촉매 반응을 통해 수소를 함유한 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질 반응부와, 이 수소 가스의 산화 반응을 통해 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 적어도 하나의 일산화탄소 저감부를 구비한 개질기; 상기 수소 가스와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부; 상기 연료를 상기 개질 반응부로 공급하는 연료 공급원; 산소를 상기 일산화탄소 저감부 및 전기 발생부로 각각 공급하는 산소 공급원; 및 상기 개질 반응부로 공급되는 연료를 상기 일산화탄소 저감부로 순환시켜 상기 일산화탄소 저감부에서 발생되는 열을 냉각시키는 냉각장치를 포함한다.

연료전지, 스택, 전기발생부, 개질기, 개질반응부, 일산화탄소저감부, SR, PROX, 냉각장치, 패스부재

Description

연료 전지 시스템 및 개질기 {FUEL CELL SYSTEM AND REFORMER}

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

도 2는 도 1에 도시한 스택의 구조를 나타내 보인 분해 사시도이다.

도 3은 도 1에 도시한 개질기 구조를 나타내 보인 개략도이다.

도 4는 도 3에 도시한 냉각장치 부위를 나타내 보인 사시도이다.

본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 개질기의 냉각장치에 관한 것이다.

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

상기 연료 전지는 메탄올 또는 에탄올 등을 개질하여 만들어진 수소를 연료로 사용하여 자동차와 같은 이동용 전원은 물론, 주택, 공공건물과 같은 분산용 전원 및 전자기기용과 같은 소형 전원 등 그 응용 범위가 넓은 장점을 갖는다.

이와 같은 연료 전지는 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. 그리고 개질기는 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키고 그 수소 가스를 스택으로 공급한다.

일반적인 연료 전지 시스템에 있어 상기 개질기는 열 에너지에 의한 개질 촉매 반응을 통해 상기 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질 반응부와, 상기 수소 가스와 산소의 산화 반응을 통해 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 일산화탄소 저감부로 구성된다.

그러나 상기한 일산화탄소 저감부는 수소 가스와 산소의 산화 반응시 수소 가스와 공기의 발열 반응이 일어나므로, 상기한 발열 반응에 의해 발생되는 열과 수소 가스 자체의 열이 예를 들어 200℃를 초과하는 경우, 상기한 열에 의해 수소가 소비되어 버리는 메탄화 반응이 일어나 개질기의 효율을 저하시키는 문제점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 종래의 연료 전지 시스템은, 냉각수를 일산화탄소 저감부로 공급하여 이 일산화탄소 저감부에서 발생하는 열을 냉각시키는 구조를 가지는 바, 일산화탄소 저감부를 거치면서 데워진 냉각수를 그대로 배수하여 실질적으로 상기 일산화탄소 저감부로부터 회수한 열을 버리게 되므로, 그 만큼의 에너지 손실을 유발하게 되는 문제점이 있다.

또한 종래의 연료 전지 시스템은 별도의 예열장치를 이용하여 개질 반응부로 공급되는 연료를 예열하는 바, 상기 연료를 예열하는데 따른 에너지의 소모로 인해 전체적인 시스템의 성능 효율이 저하되는 문제점이 있다.

본 발명은 상술한 문제점을 감안한 것으로서, 그 목적은 개질 반응부로 공급되는 연료를 이용하여 일산화탄소 저감부에서 발생하는 열을 냉각시키고, 이를 통해 연료를 예열할 수 있는 연료 전지 시스템을 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 개질기는, 열 에너지에 의한 개질 촉매 반응을 통해 수소를 함유한 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질 반응부; 상기 개질 반응부와 실질적으로 연결 설치되어 상기 수소 가스의 산화 반응을 통해 이 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 적어도 하나의 일산화탄소 저감부; 및 상기 개질 반응부로 공급되는 연료를 상기 일산화탄소 저감부로 순환시켜 상기 일산화탄소 저감부에서 발생되는 열을 냉각시키는 냉각장치를 포함한다.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 개질기에 있어서, 상기 냉각장치는, 상기 일산화탄소 저감부의 몸체에 코일 형태로 접촉 설치되어 상기 연료를 통과시키고, 이 연료를 상기 개질 반응부로 공급하는 패스부재를 포함할 수 있다. 이 경우 상기 몸체와 패스부재는 열전도성을 갖는 써스, 알루미늄, 구리, 철로 이루어지는 군에서 선택되는 재질로 형성될 수 있다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 개질기는, 상기 개질 반응부와 연 결 설치되어 상기 연료의 산화 촉매 반응을 통해 상기 열 에너지를 발생시키고, 이 열 에너지를 상기 개질 반응부에 제공하는 열원부를 포함할 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 개질 반응부와, 이 수소 가스의 산화 반응을 통해 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 적어도 하나의 일산화탄소 저감부를 구비한 개질기; 상기 수소 가스와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부; 상기 연료를 상기 개질 반응부로 공급하는 연료 공급원; 산소를 상기 일산화탄소 저감부 및 전기 발생부로 각각 공급하는 산소 공급원; 및 상기 개질 반응부로 공급되는 연료를 상기 일산화탄소 저감부로 순환시켜 상기 일산화탄소 저감부에서 발생되는 열을 냉각시키는 냉각장치를 포함한다.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 냉각장치는, 상기 일산화탄소 저감부의 몸체에 코일 형태로 접촉 설치되어 상기 연료를 통과시키고, 이 연료를 상기 개질 반응부로 공급하는 패스부재를 포함할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 개질기는, 상기 연료의 산화 촉매 반응을 통해 상기 열 에너지를 발생시키고, 이 열 에너지를 상기 개질 반응부에 제공하는 열원부를 포함한다.

그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 연료 공급원은, 상기 연료를 저장하는 제1 탱크; 물을 저장하는 제2 탱크; 및 상기 제1,2 탱크와 연 결 설치되는 연료 펌프를 포함할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 제1,2 탱크와 상기 개질 반응부에 상기 패스부재를 연결 설치하는 것이 바람직하다.

그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 산소 공급원은 공기를 흡입하여 이 공기를 상기 개질 반응부 및 전기 발생부로 각각 공급하는 적어도 하나의 공기 펌프를 포함할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 전기 발생부가 복수로 구비되며, 이 전기 발생부의 적층 구조에 의한 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 도시한 개략도이고, 도 2는 도 1에 도시한 스택의 구조를 나타내 보인 분해 사시도이다.

도면을 참고하면, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)은 수소를 함유한 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키고, 이 수소 가스와 산소를 반응시켜 전기 에너지를 발생시키는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrode Membrane Fuel Cell; PEMFC) 방식을 채용한다.

이러한 연료 전지 시스템(100)에 있어 전기를 발생시키기 위한 연료라 함은 메탄올, 에탄올 또는 천연 가스 등과 같이 액상 또는 기체 상태로 이루어진 수소 연료를 의미한다. 그러나 이하에서 설명하는 연료는 편의상 액상으로 이루어진 연료라 정의하고, 이 액상의 연료와 물을 혼합 연료라고 정의한다.

그리고 본 시스템(100)은 상기 수소와 반응하는 산소로서 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.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)은, 기본적으로 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부(11)를 구비한 스택(10)과, 전술한 바 있는 액상의 연료로부터 수소 가스를 발생시키고 이 수소 가스를 전기 발생부(11)로 공급하는 개질기(30)와, 상기 연료를 개질기(30)로 공급하는 연료 공급원(50)과, 산소를 개질기(30)와 전기 발생부(11)로 각각 공급하는 산소 공급원(70)을 포함하여 구성된다.

상기 전기 발생부(11)는 막-전극 어셈블리(12)를 중심에 두고 이의 양면에 세퍼레이터(16)를 배치하여 전기를 발생시키는 최소 단위의 스택을 형성하고, 이 전기 발생부(11)가 복수로 구비되어 본 실시예에서와 같은 적층 구조의 스택(10)을 형성한다. 여기서 막-전극 어셈블리(12)는 양측에 애노드 전극과 캐소드 전극을 구비하며, 수소와 산소를 산화/환원 반응시키는 기능을 하게 된다. 그리고 세퍼레이터(16)는 막-전극 어셈블리(12)의 양측에 수소 가스와 산소를 공급하는 기체 통로를 형성하고, 상기 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체의 기능을 하게 된다.

도면에 도시한 바와 같이, 상기 스택(10)의 최 외곽에는 상기한 복수의 전기 발생부(11)를 밀착시키는 가압 플레이트(13)가 위치할 수도 있다. 그러나 본 발명에 의한 스택(10)은 상기한 가압 플레이트(13)를 배제하고, 복수의 전기 발생부(11)의 최 외곽에 위치하는 세퍼레이터(16)가 상기 가압 플레이트의 역할을 대신하도록 구성할 수 있다. 또한 가압 플레이트(13)가 복수의 전기 발생부(11)를 밀착시키는 기능 외에, 세퍼레이터(16)의 고유한 기능을 갖도록 구성할 수도 있다.

그리고 상기 가압 플레이트(13)에는 개질기(30)로부터 발생되는 수소 가스를 전기 발생부(11)로 공급하기 위한 제1 주입부(13a)와, 산소 공급원(40)으로부터 공급되는 공기를 전기 발생부(11)로 공급하기 위한 제2 주입부(13b)와, 막-전극 어셈블리(12)의 애노드 전극에서 반응하고 남은 수소 가스를 배출시키기 위한 제1 배출부(13c)와, 막-전극 어셈블리(12)의 캐소드 전극에서 수소와 산소의 결합 반응에 의해 생성된 수분을 함유한 미반응 공기를 배출시키기 위한 제2 배출부(13d)를 형성하고 있다.

한편 본 발명에 적용되는 개질기(30)는 열 에너지에 의한 화학 촉매 반응을 통해 전술한 바 있는 혼합 연료로부터 수소 가스를 발생시키고, 이 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시킬 수 있는 구조로 이루어진다.

위와 같은 개질기(30)로 연료를 공급하는 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 포함하고 있다.

그리고 상기 산소 공급원(70)은 소정의 펌핑력으로 공기를 흡입하여 이 공기를 상기 개질기(30) 및 전기 발생부(11)로 각각 공급하는 공기 펌프(71)를 포함하고 있다. 이 때 상기 공기 펌프(71)와 스택(10)의 제2 주입부(13b)는 관로 형태의 제7 공급라인(97)에 의해 연결 설치될 수 있다.

도 3은 도 1에 도시한 개질기 구조를 나타내 보인 개략도이다.

전술한 바 있는 개질기(30)의 구조를 도 1 및 도 3을 참조하여 살펴보면, 본 실시예에 의한 개질기(30)는 액상의 연료와 공기의 산화 촉매 반응을 통해 소정 온도의 열 에너지를 발생시키는 열원부(31)와, 상기 열 에너지에 의한 수증기 개질(Steam Reforming: SR) 촉매 반응을 통해 전술한 바 있는 혼합 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질 반응부(32)와, 상기 수소 가스의 산화 반응을 통해 이 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 적어도 하나의 일산화탄소 저감부(33)를 포함하고 있다.

열원부(31)는 관로 형태의 제1 공급라인(91)에 의해 제1 탱크(51)와 연결 설치되고, 관로 형태의 제2 공급라인(92)에 의해 공기 펌프(71)와 연결 설치되어 액상의 연료와 공기를 통과시키는 몸체(31a)를 구비한다. 그리고 상기 몸체(31a)에는 상기 연료와 공기의 산화 반응을 촉진시켜 상기 열 에너지를 발생시키는 촉매층(도시하지 않음)을 구비하고 있다. 이 때 상기 몸체(31a)는 도면에 도시한 바와 같이 액상의 연료와 공기의 흐름을 가능케 하는 채널(도시하지 않음)을 형성하고 있는 플레이트 형태로 구비되어 이 채널의 표면에 상기 촉매층을 코팅 형성하고 있다. 대안으로서 상기 몸체(31a)는 소정의 내부 공간을 갖는 원통 형태로 구비되어 상기 내부 공간에 촉매층 예컨대, 펠릿 형태로 충전되는 촉매 모듈 또는 허니콤(honey comb) 타입으로 이루어지는 촉매 모듈을 형성할 수도 있다.

개질 반응부(32)는 상기 열원부(31)로부터 발생되는 열 에너지를 흡열하여, 제1,2 탱크(51, 53)로부터 공급되는 혼합 연료의 수증기 개질 촉매 반응을 통해 상기 혼합 연료로부터 수소 가스를 발생시킨다. 이러한 개질 반응부(32)는 관로 형태의 제3 공급라인(93)에 의해 열원부(31)의 몸체(31a)와 연결 설치되고, 뒤에서 더욱 설명하는 패스부재(36)에 의해 제1,2 탱크(51, 53)와 연결 설치되는 몸체(32a)를 구비한다. 그리고 상기 몸체(32a)에는 상기 혼합 연료의 수증기 개질 반응을 촉진시켜 상기 수소 가스를 발생시키는 촉매층(도시하지 않음)을 구비하고 있다. 이 때 상기 몸체(32a)는 도면에 도시한 바와 같이 혼합 연료의 흐름을 가능케 하는 채널(도시하지 않음)을 형성하고 있는 플레이트 형태로 구비되어 이 채널의 표면에 상기 촉매층을 코팅 형성하고 있다. 대안으로서 상기 몸체(32a)는 소정의 내부 공간을 갖는 원통 형태로 구비되어 상기 내부 공간에 촉매층 예컨대, 펠릿 형태로 충전되는 촉매 모듈 또는 허니콤(honey comb) 타입으로 이루어지는 촉매 모듈을 형성할 수도 있다.

일산화탄소 저감부(33)는 상기 개질 반응부(32)로부터 발생되는 수소 가스와 공기 펌프(71)로부터 공급되는 공기의 선택적 산화(Preferential CO Oxidation: PROX) 촉매 반응을 통해 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시킨다. 이러한 일산화탄소 저감부(33)는 관로 형태의 제4 공급라인(94)에 의해 개질 반응부(32)의 몸체(32a)와 연결 설치되고, 관로 형태의 제5 공급라인(95)에 의해 공기 펌프(71)와 연결 설치되어 상기 수소 가스와 공기를 통과시키는 몸체(33a)를 구비한다. 그리고 상기 몸체(33a)에는 상기 수소 가스와 공기의 선택적 산화 반응을 촉진시켜 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 촉매층(도시하지 않음)을 구비하고 있다. 이 때 상기 몸체(33a)는 도면에 도시한 바와 같이 상기 수소 가스와 공기의 흐름을 가능케 하는 채널(도시하지 않음)을 형성하고 있는 플레이트 형태로 구비되고, 이 채널의 표면에 상기 촉매층을 코팅 형성하고 있다. 대안으로서 상기 몸체(33a)는 소정의 내부 공간을 갖는 원통 형태로 구비되어 상기 내부 공간에 촉매층 예컨대, 펠릿 형태로 충전되는 촉매 모듈 또는 허니콤(honey comb) 타입으로 이루어지는 촉매 모듈을 형성할 수도 있다. 그리고 본 발명에 의한 상기 일산화탄소 저감부(33)는 도면에 도시한 바와 같이, 하나의 개소로 이루어지는 것에 국한되지 않고, 둘 이상의 개소로 구비될 수도 있다. 이 때 상기 일산화탄소 저감부(33)의 몸체(33a)와 스택(10)의 제1 주입부(13a)는 관로 형태의 제6 공급라인(96)에 의해 연결 설치되는 바, 일산화탄소 저감부(33)에 의해 일산화탄소의 농도가 저감된 수소 가스를 상기 스택(10)의 전기 발생부(11)로 공급할 수 있는 구조로 이루어진다. 그리고 상기한 일산화탄소 저감부(33)의 몸체(33a)는 열전도성을 갖는 써스, 알루미늄, 구리, 철 등으로 형성될 수 있다.

상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)의 작용시 일산화탄소 저감부(33)에서 반응하는 수소 가스와 공기의 선택적 산화 반응이 발열 반응이므로, 일산화탄소 저감부(33)에서는 수소 가스와 공기의 선택적 산화 반응에 필요한 온도 범위를 초과하는 열이 발생하게 된다.

이에 본 발명의 실시예에서는 개질 반응부(33)로 공급되는 비교적 온도가 낮은 혼합 연료를 일산화탄소 저감부(33)로 순환시켜 이 일산화탄소 저감부(33)에서 발생하는 열을 냉각시키는 냉각장치(35)를 포함하고 있다.

도 4는 도 3에 도시한 냉각장치 부위를 나타내 보인 사시도이다.

도 1 내지 도 4를 참고하면, 본 실시예에 따른 상기 냉각장치(35)는 상기한 혼합 연료를 일산화탄소 저감부(33)로 순환시키기 위해 제1,2 탱크(51, 53)와 개질 반응부(32)의 몸체(32a)에 연결 설치되는 관로 형태의 패스부재(36)를 구비한다.

상기 패스부재(36)는 일산화탄소 저감부(33)의 몸체(33a)에 접촉 설치되어 상기 혼합 연료를 통과시키고, 이 혼합 연료를 개질 반응부(32)의 몸체(32a)로 공급하기 위한 것이다.

구체적으로, 상기 패스부재(36)는 상기 몸체(33a)의 외주면에 대하여 코일 형태로 감긴 구조로 이루어진다. 이 때 상기한 패스부재(36)는 일산화탄소 저감부(33)의 몸체(33a)와 같이 열전도성을 갖는 써스, 알루미늄, 구리, 철 등으로 형성될 수 있다.

상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 작용을 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(91)을 통해 열원부(31)로 공급한다.

이와 동시에, 공기 펌프(71)를 가동시켜 공기를 제2 공급라인(92)을 통해 상기 열원부(31)로 공급한다. 그러면 상기 열원부(31)에서는 촉매층에 의한 액상의 연료와 공기의 산화 반응을 통해 소정 온도의 반응열을 발생시킨다. 이 때 상기 산화 촉매 반응에 의해 발생되는 액상의 연료와 공기의 연소 가스는 상기한 반응열과 함께 제3 공급라인(93)을 통해 개질 반응부(32)로 공급된다.

이어서, 상기 연료 펌프(55)의 구동에 의하여 제1 탱크(51)에 저장된 액상의 연료와 제2 탱크(53)에 저장된 물을 패스부재(36)를 통해 개질 반응부(32)로 공급한다. 그러면 상기 액상의 연료와 물의 혼합 연료는 개질 반응부(32)에서 상기한 반응열을 흡열하게 된다. 따라서 상기 개질 반응부(32)에서는 촉매층에 의한 혼합 연료의 개질 반응을 통해 이 혼합 연료로부터 수소 가스를 발생시킨다. 즉, 상기 개질 반응부(32)는 수증기 개질 촉매 반응을 통한 연료의 분해 반응이 진행되어 이산화탄소와 수소를 함유하고 있는 수소 가스를 생성하게 된다. 이 때 상기 개질 반응부(32)에서는 부(副) 생성물로서의 일산화탄소가 미량 함유된 수소 가스를 생성하게 된다.

다음, 상기 일산화탄소를 함유하고 있는 수소 가스를 제4 공급라인(94)을 통해 일산화탄소 저감부(33)로 공급한다. 이와 동시에, 공기 펌프(71)의 구동에 의하여 공기를 제5 공급라인(95)을 통해 상기 일산화탄소 저감부(33)로 공급한다. 그러면 상기 일산화탄소 저감부(33)에서는 촉매층에 의한 수소 가스와 공기의 선택적 산화 반응을 통해 이 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시킨다.

이어서, 상기 수소 가스를 제6 공급라인(96)을 통해 스택(10)의 제1 주입부(13a)로 공급하고, 상기 공기 펌프(71)의 구동에 의하여 공기를 제7 공급라인(97)을 통해 스택(10)의 제2 주입부(13b)로 공급한다.

따라서 상기 수소 가스는 세퍼레이터(16)를 통하여 막-전극 어셈블리(12)의 애노드 전극으로 공급된다. 그리고 공기는 세퍼레이터(16)를 통하여 막-전극 어셈블리(12)의 캐소드 전극으로 공급된다.

이로써 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 막-전극 어셈블리(12)의 캐소드 전극으로 이동하게 되는데 이 때 전자의 흐름으로 전류를 발생시키고, 부수적으로 열과 물을 발생시킨다.

상기와 같은 본 시스템(100)의 초기 기동 과정을 거치는 동안, 일산화탄소 저감부(33)에서는 수소 가스와 산소의 산화 반응에 필요한 온도 범위를 초과하는 열이 발생하게 된다.

이 후에서는 본 실시예에 의한 연료 전지 시스템(100)의 본격적인 운전 과정을 설명하는 것으로, 연료 펌프(55)의 구동에 의하여 제1 탱크(51)에 저장된 액상의 연료와 제2 탱크(53)에 저장된 물을 패스부재(36)로 공급한다. 그러면 상기 패스부재(36)가 일산화탄소 저감부(33)의 몸체(33a)에 코일 형태로 감긴 구조로 이루어지고 있기 때문에, 비교적 낮은 온도의 혼합 연료가 패스부재(36)를 통과하면서 상기 몸체(33a)에서 발생하는 열을 냉각시킨다. 그리고 상기 혼합 연료는 몸체(33a)로부터 발생하는 열을 흡열한 하여 소정 온도로 예열된 상태에서 상기 패스부재(36)를 통해 개질 반응부(32)로 공급된다. 이 때 열원부(31)에서는 액상의 연료와 공기를 계속적으로 공급받아 이 연료와 공기의 산화 촉매 반응을 통해 열 에너 지를 계속적으로 발생시키고 있다.

본 실시예에 의한 연료 전지 시스템(100)의 나머지 동작은 전술한 바와 같은 초기 기동 과정과 동일하므로 자세한 설명은 생략한다.

따라서 상기 연료 전지 시스템(100)은 이와 같은 일련의 반복적인 동작에 의해 연료 공급원(50)으로부터 공급되는 혼합 연료를 일산화탄소 저감부(33)로 순환시켜 이 일산화탄소 저감부(33)에서 발생하는 열을 냉각시키고, 상기 일산화탄소 저감부(33)를 냉각하면서 예열된 혼합 연료를 개질 반응부(32)로 공급할 수 있게 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, 개질 반응부로 공급되는 비교적 낮은 온도의 혼합 연료를 일산화탄소 저감부로 순환시켜 이 일산화탄소 저감부에서 발생하는 열을 냉각시킬 수 있으므로, 일산화탄소 저감부의 과도한 열에 의해 수소가 소모되어 버리는 메탄화 반응을 억제하여 개질기의 효율을 향상시킬 수 있다.

또한 본 발명의 연료 전지 시스템에 의하면, 일산화탄소 저감부를 냉각하면서 데워진 연료를 개질 반응부로 공급할 수 있는 냉각장치를 구비하므로, 종래의 수냉식 냉각장치와 같이 일산화탄소 저감부를 냉각하면서 손실되는 열에너지를 줄 일 수 있다.

또한 개질 반응부로 공급되는 연료를 별도로 예열할 필요가 없으므로, 연료의 예열에 필요한 열 부하를 줄여 에너지의 손실을 막고, 전체적인 시스템의 효율 및 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.

Claims (11)

1. 열 에너지에 의한 개질 촉매 반응을 통해 수소를 함유한 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질 반응부;

   상기 개질 반응부와 실질적으로 연결 설치되어 상기 수소 가스의 산화 반응을 통해 이 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 적어도 하나의 일산화탄소 저감부; 및

   상기 개질 반응부로 공급되는 연료를 상기 일산화탄소 저감부로 순환시켜 상기 일산화탄소 저감부에서 발생되는 열을 냉각시키는 냉각장치

   를 포함하는 연료 전지 시스템의 개질기.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 냉각장치는,

   상기 일산화탄소 저감부의 몸체에 코일 형태로 접촉 설치되어 상기 연료를 통과시키고, 이 연료를 상기 개질 반응부로 공급하는 패스부재

   를 포함하는 연료 전지 시스템의 개질기.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 몸체와 패스부재가 열전도성을 갖는 써스, 알루미늄, 구리, 철로 이루어지는 군에서 선택되는 재질로 형성되는 연료 전지 시스템의 개질기.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 개질 반응부와 연결 설치되어 상기 연료의 산화 촉매 반응을 통해 상기 열 에너지를 발생시키고, 이 열 에너지를 상기 개질 반응부에 제공하는 열원부를 포함하는 연료 전지 시스템의 개질기.
5. 열 에너지에 의한 화학 촉매 반응을 통해 수소를 함유한 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질 반응부와, 이 수소 가스의 산화 반응을 통해 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 적어도 하나의 일산화탄소 저감부를 구비한 개질기;

   상기 수소 가스와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부;

   상기 연료를 상기 개질 반응부로 공급하는 연료 공급원;

   산소를 상기 일산화탄소 저감부 및 전기 발생부로 각각 공급하는 산소 공급원; 및

   상기 개질 반응부로 공급되는 연료를 상기 일산화탄소 저감부로 순환시켜 상기 일산화탄소 저감부에서 발생되는 열을 냉각시키는 냉각장치

   를 포함하는 연료 전지 시스템.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 냉각장치는,

   상기 일산화탄소 저감부의 몸체에 코일 형태로 접촉 설치되어 상기 연료를 통과시키고, 이 연료를 상기 개질 반응부로 공급하는 패스부재를 포함하는 연료 전지 시스템.
7. 제 5 항에 있어서,

   상기 개질기는,

   상기 연료의 산화 촉매 반응을 통해 상기 열 에너지를 발생시키고, 이 열 에너지를 상기 개질 반응부에 제공하는 열원부를 포함하는 연료 전지 시스템.
8. 제 6 항에 있어서,

   상기 연료 공급원은,

   상기 연료를 저장하는 제1 탱크;

   물을 저장하는 제2 탱크; 및

   상기 제1,2 탱크와 연결 설치되는 연료 펌프를 포함하는 연료 전지 시스템.
9. 제 8 항에 있어서,

   상기 제1,2 탱크와 상기 개질 반응부에 상기 패스부재를 연결 설치하는 연료 전지 시스템.
10. 제 5 항에 있어서,

    상기 산소 공급원은 공기를 흡입하여 이 공기를 상기 개질 반응부 및 전기 발생부로 각각 공급하는 적어도 하나의 공기 펌프를 포함하는 연료 전지 시스템.
11. 제 5 항에 있어서,

    상기 전기 발생부가 복수로 구비되며, 이 전기 발생부의 적층 구조에 의한 스택을 형성하는 연료 전지 시스템.

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