KR20060036409A - 반응기 및 동력 발생기 - Google Patents

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Abstract

압력 손실을 저하시킬 수 있으며 많은 촉매들을 지지할 수 있는 마이크로 반응기 및 이를 구비한 동력 발생기가 개시된다. 개질기(5)는 내부에 형성된 내부 공간을 가지는 반응기 본체(501), 및 반응기 본체(501)에 유지되는 채널 구조(502)를 구비한다. 채널 구조(502)는 기초 구조로서 베이스판(505)을 가진다. 복수의 관통공들(506)이 반응기 본체(501)의 영역(510)을 영역(511)에 연결하기 위하여 베이스판(505)에 형성된다. 베이스판(505)의 표면층은 다공성 금속 산화물로 변화되도록 양극화되며, 촉매 성분이 표면층 위에 지지된다.
반응기, 동력발생기, 연료전지, 화학반응, 전기화학반응, 개질기, 기화기

Description

반응기 및 동력 발생기{REACTOR AND POWER GENERATOR}
본 발명은 채널 구조의 본체를 가지는 반응기 및 이를 구비한 동력 발생기에 관한 것이다.
최근, 고효율의 에너지 소비를 보장하는 연료 전지의 연구 및 개발이 적극적으로 진행되어 왔다. 공기 중에서 연료와 산소의 전기화학적인 반응을 통하여 화학 에너지로부터 전기 에너지를 직접 획득하는 연료 전지들이 유망하고 장래성 있는 배터리로서 위치된다. 수소는 연료 전지에 사용되는 연료의 하나이나, 수소는 상온에서 가스 상태이므로 수소의 취급 및 저장에 주의를 기울여야 한다. 알콜이나 가솔린과 같은 액체 연료의 사용은 액체 연료를 저장하기 위한 시스템을 비교적 소형으로 만든다. 그러나 액체 연료의 사용은 발전에 필요한 수소를 생성하기 위하여 높은 반응 온도로 액체 연료와 수증기를 가열하기 위한 개질기(reformer)가 필요하다. 연료 개질형 연료 전지가 마이크로 전자 장치용 동력원으로 사용되는 경우, 개질기 및 연료 전지는 소형으로 제작되어야 한다.
미심사된 일본 특허출원 공개공보 2002-102681호에 기술된 바와 같은 화학적 마이크로 반응기를 개질기로서 사용하는 것에 대한 연구 및 개발이 이루어져 왔는 데, 상기 특허공개에는 서로 연결된 복수의 베이스판들을 가지는 소형의 화학적인 마이크로 반응기를 사용하여 마이크로 화학 반응이 유발되는 것을 개시한다. 상기 공개공보에 기재된 화학적 마이크로 반응기에 대해 간단하게 설명할 것이다. 채널이 될 감기홈이 그 일면에 형성되는 폴리스티렌 제 1 베이스판이 우선 준비된다. 이어서, 홈을 덮어 두 베이스판들의 접합부에서 감기 채널을 형성하도록 자외선 경화 수지에 의하여 제 1 베이스판에 제 2 베이스판이 접합된다. 반응물질이 펌프 등에 의하여 화학적 마이크로 반응기의 감기 채널에 전달된다. 반응물질의 반응이 유발됨에 따라 목표 제품이나 중간 제품이 생산된다.
화학적 마이크로 반응기가 가열됨에 따라 그 열은 채널을 관통하여 흐르고 채널의 벽에 접하는 반응 물질에 전달되어 더욱 효과적인 반응을 초래한다. 채널의 벽 위에 촉매가 지지되면, 채널을 통과하여 흐르는 반응 물질은 채널의 벽과 접하여 반응 물질을 더욱 효과적으로 반응시킨다. 그러나, 감기 채널이 여러 위치에서 감겨지면, 유체의 흐름 방향이 변경되어 압력 손실을 증가시킨다. 이는 펌프와 같은 유체공급기구에 대해 큰 용량을 요구한다.
반응 물질이 화학적 마이크로 반응기의 채널 내에서 흐르면, 최종 제품 또는 중간 제품을 생산하기 위한 반응 물질의 반응이 초래된다. 반응 물질의 반응이 상온에서 발생하기 어려우면, 화학적 마이크로 반응기는 가열되는 것이 필요하다. 화학적 마이크로 반응기를 가열하는 하나의 방법은 일본 특허출원공개공보 2002-102681에 개시되어 있는데, 니크롬선과 같은 전기 히터를 사용하여 채널이 형성된 베이스판에서 열을 전달하는 것이다. 그러나 이러한 방법에 의하면 베이스판의 히터 접촉부의 온도가 히터와 접하지 않는 베이스판 부분의 온도와 다르게 되거나 채 널을 형성할 홈의 깊이 방향으로 온도 경사를 유발한다. 이로써 반응물질이 균일하게 반응할 수 없도록 홈에서 반응 온도가 변화하는 문제를 발생한다.
따라서, 본 발명은 압력 손실을 감소시킬 수 있는 마이크로 반응기를 제공함을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 반응 물질이 균일하게 반응할 수 있는 반응기를 제공하는 것이다.
상기 목적들을 달성하기 위하여 본 발명의 일 측면에 따라, 반응기로서:
내부에 형성된 내부 공간을 가지는 반응기 본체(21, 301, 501, 601); 및
반응기 본체(21, 301, 501, 601)의 내부 공간을 두 영역들로 분리하도록 개재되며 두께 방향으로 복수의 관통공들(306, 506, 606)이 형성되는 베이스판(305, 505, 705, 325, 525, 725)을 구비하는 반응기가 제공된다.
베이스판에 의하여 분리된 영역들의 하나에 반응 물질이 공급되면, 공급된 반응 물질은 채널로서 작용하는 베이스판의 관통공들을 통하여 다른 영역으로 흐른다. 베이스판에는 다수의 관통공들이 형성되므로 일 영역으로부터 타 영역으로 흐르는 반응 물질의 압력 손실은 적게 된다.
복수의 관통공들을 형성하는 것에 의하여 관통공들의 전체 부피에 대한 관통공들의 벽 위에 더 많은 양의 촉매가 지지될 수 있다.
반응기 본체에 유지된 베이스판에 복수의 관통공들이 형성되므로 관통공들을 더 얇게 형성하고 베이스판들을 관통하는 관통공들의 숫자를 증가시킴으로써 접촉 면적이 크게 된다. 즉, 관통공들을 통과하여 흐르는 유체는 더욱 용이하게 관통공들의 벽에 접촉하여 유체가 벽에 접할 가능성을 증대시킴으로써 효과적인 반응을 유발한다.
반응기에서 관통공들(306, 506, 606)을 포함하는 베이스판들(305, 505, 705, 325, 525, 725)의 표면층은 양극화되고 촉매(516, 616)가 양극화된 표면층 위에 지지됨이 바람직하다.
베이스판의 표면층의 양극화는 베이스판의 표면층을 다공성 금속 산화물로 변화시켜 표면적을 증가시키므로 표면층 위에 많은 촉매 성분들이 지지되어 반응을 촉진할 수 있다.
반응기에서 전기 가열 필름(308, 508, 708)이 베이스판들(305, 505, 705)의 두 표면들의 적어도 하나 위에 형성됨이 바람직하다.
베이스판에 전기 가열 필름을 형성하면 전기 가열 필름이 전기로 가열되면 베이스판을 통하여 열이 전달될 수 있다. 관통공들을 통과하는 반응 물질들이 베이스판과 접촉하므로, 반응 물질은 가열되고 반응을 더욱 효과적으로 진행하게 한다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 내부에 형성된 내부 공간을 가지는 반응기 본체(21, 701, 801, 901); 및
반응기 본체(21, 701, 801, 901)의 내부 공간을 두 영역들로 분리하도록 개재되며 두께 방향으로 복수의 관통공들(706, 806, 906)이 형성되는 저항기 베이스판( 705, 805, 905)을 구비하는 반응기가 제공된다.
저항기 베이스판이 본 발명에 따르면 전기 발열 저항기로서 작용하므로 저항기 베이스판은 전압 인가시 자체 발열한다. 자체 가열 저항기 베이스판은 관통공들 둘레 영역을 신속히 가열하여 반응 물질이 탄소기 베이스판에 의하여 효과적으로 반응할 수 있다.
본 발명의 이러한 목적들 및 다른 목적들과 효과는 이하의 상세한 설명과 첨부 도면을 참조하여 더욱 명백해질 것인 데, 여기에서:
도 1은 동력 발생기(1)의 블럭도이며;
도 2는 기화기(3), 개질기(5), 및 선택적 CO 산화기(6)의 사시도이며;
도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ 선을 따라 두께 방향으로 취한 기화기(3), 개질기(5) 및 선택적 CO 산화기(6)의 단면도이며;
도 4는 베이스판(305)의 평면도이며;
도 5는 기화기(13), 개질기(15) 및 선택적 CO 산화기(16)의 단면도이며;
도 6은 반응기(20)의 사시도이며;
도 7은 도 6의 Ⅶ-Ⅶ 선에서 반응기 본체(21)의 두께 방향을 따라 취한 반응기의 단면도이며;
도 8은 기화기(3), 개질기(5) 및 선택적 CO 산화기(6)의 사시도이며;
도 9는 도 8의 Ⅸ-Ⅸ 선에서 두께 방향을 따라 취한 기화기, 개질기 및 선택적 CO 산화기의 단면도이며;
도 10은 탄소기 베이스판(705)의 평면도이며;
도 11은 반응기(20)의 사시도이며;
도 12는 도 11의 ⅩⅡ- ⅩⅡ선에서 반응기 본체(21)의 두께 방향을 따라 취한 반응기의 단면도이다.
첨부 도면과 관련하여 본 발명의 최선의 모드가 설명될 것이다. 본 발명을 실시하기 위하여 기술적으로 바람직한 여러 한정들이 이하에서 설명되어질 실시예들에 가해지지만, 이러한 한정들은 이하의 실시예들과 예시된 예들로 본 발명의 범위를 제한하지는 않는다.
[제 1 실시예]
도 1은 동력 발생기(1)의 블럭도이다.
동력 발생기(1)는 데스크탑 컴퓨터, 노트북 컴퓨터, 휴대폰, PDA, 전자 오가나이저, 손목 시계, 디지털 스틸 카메라, 게임 장치, 게임기, 가정용 기기, 및 기타 전자 장치들에 구비되며, 전자 장치의 본체를 작동시키기 위하여 동력원으로서 사용된다.
동력 발생기(1)는 연료 용기(2), 기화기(3), 연료 펌프(4), 개질기(5), CO 선택적 산화기(6), 연료 전지(7), 공기 펌프(8) 및 전압 인가부(9)를 포함한다. 연료 용기(2)는 동력 발생원이 될 연료를 수용한다. 기화기(3)는 연료 용기(2)로부터 공급된 연료를 기화시키는 마이크로 반응기를 구비한다. 연료 펌프(4)는 연료 용기(2)로부터 연료를 흡입하여 흡입 연료를 기화기(3)로 공급한다. 개질기(5)는 기화기(3)로부터 공급된 공기-연료 혼합물을 수소로 개질하는 마이크로 반응기를 구비한다. CO 선택적 산화기(6)는 개질기(5)로부터 공급된 공기-연료 혼합물에서 일산 화탄소를 제거하는 마이크로 반응기를 구비한다. 연료 전지(7)는 CO 선택적 산화기(6)로부터 공급된 공기-연료 혼합물 내의 수소와 공기중의 산소의 전기화학적 반응에 의하여 전기 에너지를 발생한다. 공기 펌프(8)는 외부 공기를 흡입하여 흡입 공기를 CO 선택적 산화기(6) 및 연료 전지(7)에 공급한다. 전압 인가부(9)는 기화기(3), 개질기(5), CO 선택적 산화기(6)에 전압을 인가한다. 본 발명에 따른 반응기는 기화기(3), 개질기(5), CO 선택적 산화기(6)에 적용된다.
기화기(3), 연료 펌프(4), 개질기(5), CO 선택적 산화기(6), 연료 전지(7) 및 공기 펌프(8)가 전자 장치의 본체에 장착된다. 연료 용기(2)는 전자 장치의 본체에 분리가능하게 제공되며, 연료 용기(2)가 전자 장치의 본체에 부착되면, 연료 용기(2)의 연료는 연료 펌프(4)를 통해 기화기(3)에 공급된다.
연료 용기(2)에 수용된 연료는 액체 화학 연료와 물의 혼합물이다. 유용한 화학 연료는 메탄올과 에탄올 같은 알콜과 가솔린과 같은 수소 함유 화합물이다. 메탄올과 물의 혼합물은 본 실시예에서 연료로 사용된다.
연료 전지(7)는 촉매 입자와 지지 입자를 포함하는 가스 확산층으로서 연료 전극과, 촉매 입자들과 지지 입자들을 포함하는 가스 확산층으로서의 공기 전극 및 연료 전극과 공기 전극 사이에 지지되는 수소 이온 도전성 고체 폴리머 전해 필름을 구비한다. 공기 전극은 파이프 등을 통해 공기 펌프(8)에 연결되므로 공기 전극으로 공기가 공급된다.
도 2는 기화기(3), 개질기(5), 및 CO 선택적 산화기(6)의 사시도이고, 도 3은 기화기(3), 개질기(5), 및 CO 선택적 산화기(6)의 도 2의 Ⅲ - Ⅲ 선을 따라 두 께 방향으로 취한 단면도이다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 기화기(3)는 내부 공간이 형성된 용기인 반응기 본체(301), 반응기 본체(301)에 유지되는 채널 구조(302)를 구비한다.
반응기 본체(301)는 내부 공간을 가지는 직사각형 또는 육면체 상자로 형성된다. 반응기 본체(301)는 유리 또는 세라믹과 같은 비교적 낮은 열전도성을 가진 단열 소재로 제조된다. 반응기 본체(301)는 내부 공간 및 반응기 본체(301) 외부와 연통하는 유입 파이프(303) 및 유출 파이프(304)를 구비한다. 유입 파이프(303)는 반응기 본체(301)에서 유출 파이프(304)에 대향하는 위치에 제공된다. 본 실시예에서, 유입 파이프(303)는 반응기 본체(301)의 상부 벽에 제공되며, 유출 파이프(304)는 반응기 본체(301)의 바닥 벽에 제공된다. 유입 파이프(303)는 연료 펌프(4)와 연통하고, 유출 파이프(304)는 이하에서 설명되는 개질기(5)의 유입 파이프(503)에 연통한다.
채널 구조(302)는 기본적인 구조로서 높은 열 전도성을 가지고 양극산화처리에 의하여 다공성이 될 수 있는 상면을 가진 알루미늄(237W/mK의 열전도성), 세리움(11.4W/mK의 열전도성), 티타늄(21.9W/mK의 열전도성), 또는 실리콘(148W/mK의 열 전도성)과 같은 금속으로 제조되는 베이스판(305)을 가진다. 베이스판(305)의 두께는 평면 방향으로 베이스판(305)의 길이 및 폭 보다 작다. 베이스판(305)은 일면으로부터 타면으로 관통하여 채널로서 작용하는 다수의 관통공들(306)을 가진다. 관통공들(306)은 베이스판(305)의 길이 방향을 따라 서로 평행하도록 그리고 중간에서 굽지 않도록 직선으로 연장하게 형성된다. 베이스판(305)의 일부 평면도인 도 4와 관련하여, 관통공들(306)은 육각형 단면을 가지며, 벌집 패턴으로 배열된다. 관통공들(306)은 육각형으로 형성될 필요는 없으나 삼각형, 직사각형, 직사각형 보다 큰 다각형, 원 또는 타원과 같은 다른 형태를 가질 수 있다. 베이스판(305)을 평면으로 보면, 관통공들(306)은 벌집 패턴으로 배열될 필요는 없으나 2차원 배열(즉, 매트릭스 형태)로 배치될 수 있다. 베이스판(305)은 관통공들(306)을 관통하여 흐르는 유체에 수용된 물질에 대해 낮은 반응성, 높은 열전도성, 및 작은 열팽창계수를 가져야 한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 실리콘 산화물(SiO2) 필름이나 실리콘 질화물(SiN) 필름과 같은 단열 필름(307)이 채널구조(302)의 베이스판(305)의 일측 위에 관통공들(306) 사이에 형성된다. Ta-Si-O-N과 같은 금속 산화물 또는 Au와 같은 금속으로 제조된 전기 가열 필름(308)이 단열 필름(307) 위에 형성된다. 전기 가열 필름(308)은 전기 저항 발열기 또는 반도체 발열기이며, 거기에 전류가 흐르거나 전압이 인가되면 전기 에너지로 열을 발생한다. 전기 가열 필름(308)과 베이스판(305) 사이에 단열 필름(307)을 개재시킴으로써 전기 가열 필름(308)에 전압이 인가됨으로써 낮은 저항으로 베이스판(305)에 전류가 흐르는 결과 전기 가열 필름(308)의 충분한 가열이 이루어지지 않는 것을 피할 수 있다. 단열 필름(307)의 개재는 또한 전기 가열 필름(308)이 직접 베이스판(305) 위에 형성되는 경우 보다 전기 가열 필름(308)을 분리시키는 것을 더욱 어렵게 한다.
실리콘 산화물 필름이나 실리콘 질화물 필름과 같은 보호 절연 필름(309)이 전기 가열 필름(308) 위에 형성된다. 전기 가열 필름(308) 위에 코팅되어 보호 절 연 필름(309)은 전기 가열 필름(308)을 보호한다.
베이스판(305)은 반응기 본체(301)에 유지되어 상부 지지부(312)에 의하여 반응기 본체(301)의 상부 벽으로부터 떨어져 지지되며, 하부 지지부(313)에 의하여 반응기 본체(301)의 바닥 벽으로부터 떨어져 지지된다. 반응기 본체(301)의 내부 공간은 베이스판(305)에 의하여 유입 파이프(303) 측 영역(310)과 유출 파이프(304)측 영역(311)으로 분리된다. 베이스판(305)의 일면은 반응기 본체(301)의 상부 벽에 대면하며, 베이스판(305)의 타면은 반응기 본체(301)의 바닥 벽에 대면하며, 유입 파이프(303) 측의 영역(310)은 관통공들(306)에 의하여 유출 파이프(304) 측의 영역(3110과 연통한다. 따라서, 관통공들(306)은 유입 파이프(303) 측의 영역으로부터 유출 파이프(304) 측의 영역으로의 채널로서 작용한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 베이스판(305)의 네 측면들 중의 하나는 반응기 본체(301)의 일측으로부터 연장한다. 전기 가열 필름(308)에 일체로 형성된 두 와이어들(314, 315)은 반응기 본체(301)로부터 노출된 부분에서 베이스판(301) 위에 형성된다. 전압 인가부(9)는 80°에서 120°범위로 전기 가열 필름(308)을 가열하기 위하여 와이어들(314, 315)을 통하여 전기 가열 필름(308)에 전압/전류를 인가한다.
베이스판(305)과 반응기 본체(301) 사이의 계면은 베이스판(305)이 반응기 본체(301)의 일측을 관통하는 부분에서 밀봉된다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 기화기(3)와 같이, 개질기(5)는 내부 공간을 가지는 용기인 반응기 본체(501), 반응기 본체(501) 내부에 유지된 채널 구조 (502)를 가진다. 도 2 및 도 3에서, 절연 필름(307)과 실질적으로 동일한 절연 필름(507)과 같이 기화기(3)의 상응하는 부분과 실질적으로 동일한 개질기(5) 부분들은 기화기(3)의 상응하는 부분들의 도면부호들의 뒷자리 두 숫자와 같은 뒷자리 두 숫자의 500번대의 도면부호를 가진다. 기화기(3)의 실질적으로 동일한 부분들에 대응하는 개질기(5)의 상기 부분들에 대한 설명은 생략되며, 개질기(5)와 기화기(3) 사이의 차이점들만이 설명될 것이다.
개질기(5)에서, 유입 파이프(503)는 기화기(3)의 유출 파이프(304)와 연통하며, 유출 파이프(504)는 CO 선택적 산화기(6)의 유입 파이프(603)와 연통한다.
개질기(5)에서 개질 촉매로서의 촉매(516)가 전기 가열 필름(508)으로 덮혀있는 부분을 제외하고 베이스판(505)의 전면층 위에 형성된다. 특히, 촉매(516)는 관통공(506)에도 베이스판(505)의 표면층 위에 형성된다. 촉매(516)는 표면층을 다공성 금속 산화물로 변경하기 위하여 베이스판(505)의 표면층을 산화시키고 다공성 금속 산화물의 표면층 위에 촉매 성분을 지지체로서 지지함으로써 획득되는 것이다. 베이스판(505)이 알루미늄이면, 다공성 금속 산화물은 알루미나(Al2O3)이다. 베이스판(505)이 티타늄이면, 다공성 금속 산화물은 티타늄 산화물이다. 개질기(5)에서, Cu/ZnO-기초 촉매가 촉매 성분으로서 베이스판(505)의 표면층 위에 지지된다. 베이스판(505)은 관통공(506)을 흐르는 유체 함유 물질에 대해 우수한 내식성을 가져야 하며, 촉매를 용이하게 지지하고, 높은 열전도성과 낮은 열팽창계수를 가져야 한다. 베이스판(505)의 두께는 평면 방향으로 베이스판(505)의 길이 및 폭 보다 작 다. 베이스판(505)의 길이 방향을 따라 서로 평행하도록 그리고 중간에서 굽어지지 않고 직선으로 연장하도록 복수의 관통공들(506)이 형성된다. 전압 인가부(9)는 전기 가열필름(508)을 200℃ ~ 300℃ 범위로 가열하기 위하여 와이어들(514, 515)을 관통하여 전기 가열 필름(508)에 전압/전류를 인가한다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 기화기(3)와 동일하게, CO 선택적 산화기(6)는 내부 공간을 가지는 용기인 반응기 본체(601), 반응기 본체(601) 내부에 유지된 채널 구조(602)를 가진다. 도 2 및 도 3에서, 절연 필름(307)과 실질적으로 동일한 절연 필름(607)과 같이 기화기(3)의 상응하는 부분과 실질적으로 동일한 CO 선택적 산화기(6) 부분들은 기화기(3)의 상응하는 부분들의 도면부호들의 뒷자리 두 숫자와 같은 뒷자리 두 숫자의 600번대의 도면부호를 가진다. 기화기(3)의 실질적으로 동일한 부분들에 대응하는 CO 선택적 산화기(6)의 상기 부분들에 대한 설명은 생략되며, CO 선택적 산화기(6)와 기화기(3) 사이의 차이점들만이 설명될 것이다.
CO 선택적 산화기(6)에서 반응기 본체(601)에는 유입 파이프(603)와 유출 파이프(604) 외에 공기 파이프(617)가 구비된다. 공기 파이프(617)는 유입 파이프(603) 측의 반응기 본체(601)의 내부 공간의 영역(610)으로 향한다. 공기 파이프(617)는 공기 펌프(8)와 연통한다. 유입 파이프(603)는 개질기(5)의 유출 파이프(504)와 연통하며, 유출 파이프(604)는 연료 전지(7)의 연료 전극과 연통한다.
CO 선택적 산화기(6)에서 탄소 산화물의 산화 반응용 촉매로서의 촉매(616)는 전기 가열 필름(608)으로 덮힌 부분을 제외한 베이스판(605)의 전면층(관통공 (606)의 표면층을 포함)에 형성된다. 촉매(616)는 표면층을 다공성 금속 산화물로 변화시키기 위하여 베이스판(605)의 표면층을 산화시키고 다공성 금속 산화물의 표면층 위의 촉매 성분을 지지체로서 지지함으로써 획득된다. CO 선택적 산화기(6)에서, Pt 기의 촉매는 촉매 성분으로서 베이스판(605)의 표면층 위에 지지된다. 베이스판(605)은 관통공(606)을 흐르는 유체에 함유된 물질에 대해 우수한 내식성을 가지며, 촉매(616)를 용이하게 지지하며, 높은 열전도성과 낮은 열팽창계수를 가져야 한다. 베이스판(605)의 두께는 평면 방향으로 베이스판(605)의 길이 및 폭 보다 작다. 베이스판(605)의 길이방향을 따라 서로 평행하도록 그리고 중간에서 굽지 않고 직선으로 연장하도록 다수의 관통공들(606)이 형성된다. 전압 인가부(9)는 140℃ 내지 190℃ 범위로 전기 가열 필름(608)을 가열하기 위하여 와이어들(614, 615)을 통하여 전기 가열 필름(608)에 전압/전류를 인가한다.
기화기(3), 개질기(5), 및 CO 선택적 산화기(6)의 제조방법이 이하에 설명될 것이다.
우선, 포토리소그라피(photolithography) 기술을 사용하여 준비된 평평한 베이스판(305, 505, 및 605) 위에 보호(resist) 마스크들이 형성된다. 다음에, 그 위에 보호 마스크들이 형성된 베이스판들(305, 505 및 605)은 식각된다. 따라서, 관련 베이스판들(305, 505 및 605)에 관통공들(306, 506, 및 606)이 형성된다.
이어서, CVD, PVD 또는 스퍼터링과 같은 증착에 의하여 관련 베이스판들(305, 505 및 605)의 일 표면들 위에 단열 필름들(307, 507 및 607), 전기 가열 필름(308, 508 및 608)(와이어들(314, 315 및, 514, 515 및 614, 615 포함), 보호 단 열필름(309, 509, 609)이 이러한 순서로 형성된다.
다음에, 베이스판들(505, 605)이 양극으로 작용하면서, 음극은 인 용액(바람직하게는 4% 농도) 또는 옥살산 용액(바람직하게는 5% 농도)과 같은 전해질에 침지되어, 베이스판들(505, 605)의 표면층을 산화시킨다(양극화). 베이스판들(505, 605)의 표면층들이 양극화(anodization)함에 따라 베이스판들(505, 605)의 표면층들은 다공성 금속 산화물(지지체(support))로 변화된다. 이로써 각각의 베이스판(505, 605)은 지지체로서의 성질을 가질 수 있다.
다음에, 베이스판들(505, 605)의 표면층들 위에 촉매 성분들이 지지되어 촉매들(516, 616)을 형성한다. 베이스판들(505, 605)의 표면층들이 다공성 금속 산화물로 변화됨에 따라 촉매 성분의 접착 강도는 향상될 수 있다.
이어서, 베이스판들(305, 505 및 605)은 각각의 반응기 본체들(301, 501 및 601)의 내부 공간을 유입 파이프(304, 504 및 604) 측의 영역(310, 510, 610)과 유출 파이프(304, 504, 604) 측의 영역(311, 511, 611)으로 분리시키기 위하여 관련 반응기 본체(301, 501 및 601) 내부에 유지된다. 유입 파이프(304, 504 및 604) 측의 영역(310, 510, 610)은 관통공들(3306, 506 및 606)을 통하여 유출 파이프(304, 504, 604) 측의 영역(311, 511, 611)과 연통하도록 구성된다. 각각의 베이스판들(301, 501 및 601)의 일부와 와이어들(314, 315; 514, 515; 614, 615)은 전압 인가부(9)에 연결되도록 관련 반응기 본체(301, 501 및 601)로부터 연장하도록 구성된다.
이하에서 동력 발생기(1)의 작용이 설명될 것이다.
각각의 전기 가열 필름(308, 508 및 608)에 전압/전류가 인가되면, 전기 가열 필름(308, 508, 608)에 의하여 발생된 열은 베이스판들(301, 501, 및 601)에 전달되고 표면층 위의 촉매(516, 616)에 전달된다.
연료펌프(4)가 작동되면 연료는 연료용기(2)로부터 기화기(3)의 반응기 본체(301)로 공급된다. 공기펌프(8)가 작동되면, 공기가 외부로부터 CO 선택적 산화기(6)의 공기 파이프(617)를 통해 반응기 본체(601)의 영역(610)으로 공급된다.
기화기(3)에서, 연료는 반응기 본체(301)의 영역(310)으로부터 관통공(306)을 통하여 영역(311)으로 흐른다. 이 때, 연료는 가열되고 기화된다. 베이스판(305)에 다수의 관통공들(306)을 형성하면 베이스판의 표면적을 증가시킨다. 따라서, 연료와 베이스판의 접촉 면적이 커서 연료의 기화를 용이하게 한다.
기화 연료(메탄올과 물의 혼합 가스)는 개질기(5)의 반응기 본체(501)로 공급되어 유출 파이프(304)와 유입 파이프(303)를 통과한다. 개질기(5)에서 연료는 관통공(506)을 통하여 반응기 본체(501)의 영역(510)으로부터 영역(511)을 향하여 흐른다. 반응기 본체(501)에서 연료는 촉매(516)와 접촉하여 가열되며, 수소와 이산화탄소를 발생한다. 특히, 메탄올은 증기와 반응하여 다음 화학 반응식 1로 표시되는 바와 같이 이산화탄소와 수소를 발생한다.
CH3OH + H2O → 3H2 +CO2
메탄올과 수증기가 완전히 반응기 본체(501)에서 이산화탄소와 수소로서 개 질되지 않는 경우도 있을 것이다. 이러한 경우, 메탄올은 수증기와 반응하여 다음 화학식(2)으로 나타내는 바와 같이 이산화탄소 및 일산화탄소를 생성할 것이다.
2CH3OH + H2O → 5H2 + CO + CO2
개질기(5)에서 생성된 일산화탄소, 이산화탄소 및 수소 등의 혼합가스는 유출 파이프(504) 및 유입 파이프(503)를 통과하는 CO 선택적 산화기(6)의 반응기 본체(601)로 공급된다. 외부 공기는 공기 파이프(617)를 통하여 반응기 본체(601)로 공급된다. 이어서, 반응기 본체(601)의 영역(610)으로 공급된 혼합가스는 관통공(606)을 통하여 반응기 본체(601)의 영역(610)으로부터 영역(611)을 향하여 흐른다. 반응기 본체(601)에서, 개질기(5)로부터 공급된 혼합가스에 함유된 일산화탄소는 반응기 본체(601)에서 선택적으로 산화되어 이산화탄소를 제거한다. 구체적으로, 개질기(5)로부터 공급된 혼합 가스에서 특정하여 선택된 일산화탄소는 공기 중의 산소와 반응하여 다음의 화학식(3)으로 표현하는 바와 같이 이산화탄소를 생성한다.
2CO + O2 →2CO2
이어서, 반응기 본체(601)의 혼합가스는 유출 파이프(604)를 통하여 연료 전지(7)의 연료 전극에 공급된다. 연료 전지(7)의 연료 전극에서 공급된 혼합가스의 수소 가스는 연료 전극의 촉매 입자의 작용에 의하여 다음의 전기화학식(4)에 의하 여 나타내지는 바와 같이 수소 이온과 전자로 분리된다.
H2 → 2H+ + 2e-
연료전지(7)의 연료 전극에 공급된 혼합 가스에서 전기화학반응에 기여함이 없는 제품(이산화탄소 등)은 외부로 배출된다.
공기는 연료 전지(7)의 공기 전극으로 공급된다. 전자화학적인 화학식(5)으로 표현된 바와 같이, 공기 중의 산소와 고체 중합체 전해 필름을 통과한 수소 이온은 연료 전극에서 얻은 전자들과 반응하여 생성물로서 물을 생성시킨다.
2H+ + 1/2O2 + 2e- → H2O
연료전지(7)의 공기 전극으로 공급된 공기 중에서 전기화학적인 반응에 기여함이 없는 가스(질소 등)와 생성된 물은 외부로 배출된다.
상기 설명으로부터 명백한 바와 같이, 동력 발생기(1)에서 화학식(4, 5)으로 표현한 전기화학적인 화학반응들이 연료전지(7)에서 발생하여 전기 에너지를 발생한다. 발생된 전기 에너지는 전자장치의 본체, 연료 펌프(4) 및 전기가열필름(308, 508, 및 608)을 작동시키도록 사용된다.
본 실시예에 따르면, 상기 설명한 바와 같이, 관련된 베이스판들(305, 505 및 605)을 관통하여 다수의 관통공들(306, 506 및 606)이 형성됨에 따라 관통공들 을 흐르는 연료의 압력 손실은 적어진다. 특히, 관통공들에 의하여 형성되는 채널이 굽지 않으므로 유체가 직선으로 흘러 압력 손실을 감소시킬 수 있다.
관련 베이스판들(301, 501, 및 601)에 관통공들(306, 506, 및 606)이 형성되므로 많은 촉매 성분들은 관통공들(506, 606)의 전체 부피에 대해 관통공들(506, 606)의 벽 위에 지지될 수 있다. 이로써 연료와 촉매(516, 616) 사이의 접촉 영역이 크게 되어 촉매들(516, 616)에 의하여 반응 물질들의 반응이 더욱 효과적으로 발생된다.
각각의 관통공들(306, 506, 및 606)의 단면적이 작아질수록, 반응기 본체(301, 501 및 601)의 각 관통공들(306, 506, 및 606)의 벽 면적은 관련 베이스판들을 관통하는 관통공들(306, 506, 및 606)의 숫자를 증가시킴으로써 증가될 수 있어서 연료가 효율적으로 반응할 수 있게 한다. 또한, 관통공들(306, 506, 및 606)의 숫자를 증가시키는 것은 흐르는 반응물질의 양을 증가시킬 수 있다.
[제 2 실시예]
제 2 실시예에 따른 동력 발생기에서, 제 1 실시예에 따른 동력 발생기(1)의 기화기(3), 개질기(5), 및 CO 선택적 산화기(6)는 각각 기화기(13), 개질기(15), 및 CO 선택적 산화기(16)로 변경된다.
기화기(3)가 제 1 실시예에서 베이스판(305)과 반응기 본체(301)를 가지는 채널 구조(302)를 포함하지만, 기화기(13)는 제 2 실시예에서 베이스판(325)과 반응기 본체(301)를 포함하는 채널 구조(322)를 구비한다. 제 1 실시예의 기화기(3)의 대응하는 부분들과 실질적으로 동일한 도 5의 제 2 실시예의 기화기(13) 부분들 은 중복기화기(3)의 실질적으로 동일한 부분들에 대응하는 기화기(13) 부분들의 중복 설명을 피하기 위하여 동일한 도면부호들이 부여되며, 기화기(13)와 기화기(3) 사이의 차이 부분들이 설명될 것이다.
기화기(3)의 베이스판(305)이 하나의 금속판이지만, 기화기(13)의 베이스판(325)은 두 금속판들 또는 열전도판들(327, 329)과 그 사이에 개재된 전기 가열필름(328)으로 이루어진 복합판이다. 전기 가열 필름(328)은 전기 가열 필름(308)과 같이, 전기 저항열 발생기 또는 Ta-Si-O-N, Au 또는 탄소의 반도체 열 발생기이다. 전기 가열 필름(328)이 열 전도판들(327, 329) 사이에 유지되므로 전기 가열 필름, 단열 필름, 및 보호 단열 필름이 베이스판(325)의 외측에 형성되지 않아서 채널 구조(322)의 형성시는 단열 필름 및 보호 단열 필름의 형성 단계가 제거될 수 있다. 베이스판(305)과 같이 열 전도판들(327, 329)이 알루미늄, 세륨, 티타늄, 실리콘과 같은 금속으로 형성되지만. 열 전도판(327)의 금속 형태는 열 전도판(329)의 금속과 다를 수 있다. 열 전도판(327)은 반응기 본체(301)의 영역(310)을 향하나, 열 전도판(329)은 영역(311)을 향한다. 복수의 관통공들(326)이 동일하게 베이스판(325)을 일면에서 타면으로 관통하며, 영역(310)을 영역(311)에 연통시킨다. 베이스판(325)의 일부는 반응기 본체(301)로부터 연장하여 전기 가열 필름(328)에 외부로부터 전류/전압이 인가된다. 베이스판(325)의 두께는 평면 방향에서 베이스판의 길이 및 폭 보다 작다.
제 2 실시예에서 개질기(15)는 베이스판(525) 및 반응기 본체(501)를 가지는 채널 구조(522)를 포함한다. 제 1 실시예의 개질기(5)의 대응하는 부분들과 실질적 으로 동일한 도 5의 제 2 실시예의 개질기(15) 부분들은 개질기(5)의 실질적으로 동일한 부분들에 대한 부분에 대응하는 개질기(15)의 부분들에 대한 중복 설명을 피하기 위하여 동일한 도면 부호들이 부여되며, 개질기(15)와 개질기(5)의 상이한 부분들에 대해서 설명될 것이다.
개질기(15)의 베이스판(525)은 두 금속판들 또는 열전도판들(527, 529)과 그 사이에 개재된 전기 가열필름(528)으로 이루어진 복합판이다. 전기 가열 필름(528)은 전기 가열 필름(508)과 같이, 전기 저항열 발생기 또는 Ta-Si-O-N, Au 또는 탄소의 반도체 열 발생기이다. 전기 가열 필름(528)이 열 전도판들(527, 529) 사이에 유지되므로 전기 가열 필름, 단열 필름, 및 보호 단열 필름이 베이스판(525)의 외측에 형성되지 않는다. 베이스판(505)과 같이, 열 전도판들(527, 529)이 알루미늄, 세륨, 티타늄, 실리콘과 같은 금속으로 형성되지만. 열 전도판(527)의 금속 형태는 열 전도판(529)의 금속과 다를 수 있다. 열 전도판(527)은 반응기 본체(501)의 영역(510)을 향하나, 열 전도판(529)은 영역(511)을 향한다. 복수의 관통공들(526)이 동일하게 베이스판(525)을 일면에서 타면으로 관통하며, 영역(510)을 영역(511)에 연통시킨다. 관통공들(526)의 내측을 포함하는 베이스판(525)의 전 표면층 위에 촉매(536)가 형성된다(전기 가열 필름(528)이 노출되는 관통공들(526)의 부분들을 제외). 촉매(536)는 표면층들을 다공성 금속 산화물로 변화시키기 위하여 열전도성 판들(527, 529)의 표면층들을 산화시키고 지지체로서 다공성 금속 산화물의 표면층들 위에 촉매 성분(Cu/ZnO 기 촉매)을 지지함으로써 획득되는 것이다. 베이스판(525)의 일부는 반응기 본체(501)로부터 연장하여 전기 가열 필름(528)에 외부로부 터 전류/전압이 인가된다. 베이스판(525)의 두께는 평면 방향에서 베이스판(525)의 길이 및 폭 보다 작다.
제 2 실시예에서, CO 선택적 산화기(16)는 베이스판(625) 및 반응기 본체(601)를 가지는 채널 구조(622)를 포함한다. 제 1 실시예의 CO 선택적 산화기(6)의 대응하는 부분들과 실질적으로 동일한 도 5의 제 2 실시예의 개질기(16) 부분들은 CO 선택적 산화기(6)의 실질적으로 동일한 부분들에 대한 부분에 대응하는 CO 선택적 산화기(16)의 부분들에 대한 중복 설명을 피하기 위하여 동일한 도면 부호들이 부여되며, CO 선택적 산화기(16)와 CO 선택적 산화기(6)의 상이한 부분들에 대해서 설명될 것이다.
CO 선택적 산화기(16)의 베이스판(625)은 두 금속판들 또는 열전도판들(627, 629)과 그 사이에 개재된 전기 가열필름(628)으로 이루어진 복합판이다. 전기 가열 필름(628)은 전기 가열 필름(608)과 같이, 전기 저항열 발생기 또는 Ta-Si-O-N, Au 또는 탄소의 반도체 열 발생기이다. 전기 가열 필름(628)이 열 전도판들(627, 629) 사이에 유지되므로 전기 가열 필름, 단열 필름, 및 보호 단열 필름이 베이스판(625)의 외측에 형성되지 않는다. 베이스판(605)과 같이, 열 전도판들(627, 629)이 알루미늄, 세륨, 티타늄, 실리콘과 같은 금속으로 형성되지만. 열 전도판(627)의 금속 형태는 열 전도판(629)의 금속과 다를 수 있다. 열 전도판(627)은 반응기 본체(601)의 영역(610)을 향하나, 열 전도판(629)은 영역(611)을 향한다. 복수의 관통공들(626)이 동일하게 베이스판(625)을 일면에서 타면으로 관통하며, 영역(610)을 영역(611)에 연통시킨다. 관통공들(626)의 내측을 포함하는 베이스판(625)의 전 표면층 위에 촉매(636)가 형성된다(전기 가열 필름(628)이 노출되는 관통공들(626)의 부분들을 제외). 촉매(636)는 표면층들을 다공성 금속 산화물로 변화시키기 위하여 열전도성 판들(627, 629)의 표면층들을 산화시키고 지지체로서 다공성 금속 산화물의 표면층들 위에 촉매 성분(Pt기 촉매)을 지지함으로써 획득되는 것이다. 베이스판(625)의 일부는 반응기 본체(601)로부터 연장하여 전기 가열 필름(628)에 외부로부터 전류/전압이 인가된다. 베이스판(625)의 두께는 평면 방향에서 베이스판(625)의 길이 및 폭 보다 작다.
기화기(13), 개질기(15), 및 CO 선택적 산화기(16)를 제조시, 베이스판들(325, 525, 625)이 준비되고 포토리소기라피 기술에 의하여 베이스판들(325, 525, 625) 위에 관통공들(326, 526, 및 626)이 각각 형성된다. 이어서, 베이스판들(525, 625)의 표면층들은 양극화에 의하여 다공성 금속 산화물로 변화되고, 촉매 성분들은 베이스판들(525, 625)의 표면층 위에 지지된다. 베이스판들(325, 525 및 625)은 관련 반응기 본체들(301, 510 및 601) 내부에 유지된다.
기화기(13), 개질기(15), 및 CO 선택적 산화기(16)에서 전기 가열 필름들(328, 528 및 628)은 전기로 열을 발생하며, 베이스판들(325, 525 및 625)을 가열하여 촉매들(536 및 636)을 가열한다. 연료 펌프(4)가 작동되면, 연료는 기화기(13), 개질기(15), CO 선택적 산화기(16), 및 연료 전지(7) 순서로 흐른다. 기화기(13)에서 연료는 관통공들(326)을 통하여 영역(310)으로부터 영역(311)으로 흘러서 기화되도록 가열된다. 개질기(15)에서, 기화된 연료는 관통공들(526)을 통하여 영역(510)으로부터 영역(511)을 향하여 흐르며, 연료로부터 수소와 이산화탄소 등이 생성된다. CO 선택적 산화기(16)에서, 개질기(15)에서 생성된 혼합 가스가 관통공들(526)을 통하여 영역(610)으로부터 영역(611)으로 흐르며, 일산화탄소는 산화에 의하여 제거된다.
본 실시예에서 복수의 관통공들(326, 526 및 626)이 관련 베이스판들(325, 525 및 625)을 관통하므로 관통공들(326, 526 및 626)을 흐르는 연료의 압력 손실은 더욱 적게 된다. 관통공들(326, 526, 626)이 굽지 않으므로 특히 압력 손실은 더욱 적어질 수 있다.
각각의 전기 가열 필름들(328, 528 및 628)이 관련된 열 전도성 판들 사이에 유지되므로 촉매 성분은 베이스판들(325, 525 및 625)의 대부분의 표면층 위에 지지될 수 있다.
[제 3 실시예]
제 1 실시예에서는 채널 구조들(302, 502 및 602)이 별개의 반응기 본체들(301, 501 및 601)에 유지되지만, 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 제 3 실시예의 채널 구조들(302, 502 및 602)은 동일한 반응기 본체(21)에 유지된다. 도 6은 일체화된 기화기, 개질기 및 CO 선택적 산화기를 가지는 반응기의 사시도이며, 도 7은 도 6의 Ⅶ-Ⅶ선에서 반응기 본체(21)의 두께 방향을 따라 취한 반응기(20)의 단면도이다. 도 1에 도시된 기화기(3), 개질기(5) 및 CO 선택적 산화기(6)를 모두 대체하는 도 6 및 도 7에 도시된 반응기(20)가 동력 발생기(1)에 사용된다.
반응기 본체(21)는 내부에 형성된 내부 공간을 가진다. 반응기 본체(21)에는 반응기 본체(21)의 내부 공간으로부터 연장하는 유입 파이프(22), 유출 파이프(23) 및 공기 파이프(24)가 구비된다. 유입 파이프(22)는 반응기 본체(21)의 상부 벽에 제공되며, 유출 파이프(23)는 유입 파이프(22)에 대면하여 바닥 벽에 제공되고, 공기 파이프(24)는 반응기 본체(21)의 측벽에 제공된다. 유입 파이프(22)는 연료 펌프(4)에 연통하며, 유출 파이프(23)는 연료 전지(7)의 연료 전극에 연통하며, 공기 파이프(24)는 공기 펌프(8)에 연통한다.
도 6 및 7에 도시된 채널 구조(302, 502, 602)는 각각 제 1 실시예와 동일하다. 제 1 실시예의 채널 구조들(302, 502, 602)에 동일한 도 6 및 도 7 부분들에 대해서는 도 6 및 도 7에 도시된 채널 구조들(302, 502, 602)의 각 부분들에 대한 중복 설명을 피하기 위하여 동일한 도면 부호들이 부여된다.
반응기 본체(21)에서, 채널 구조(302)의 베이스판(305), 채널 구조(502)의 베이스판(505), 및 채널 구조(602)의 베이스판(605)은 상기 순서로 유입 파이프(22)로부터 유출 파이프(23)에 위치된다. 베이스판(305)의 일면은 유입 파이프(22)를 향하고, 베이스판(605)의 타면은 유출 파이프(23)를 향하며, 베이스판들(305,505, 605)은 서로 평행하게 서로를 향한다. 베이스판(305)은 반응기 본체(21)의 내부 공간을 유입 파이프(22) 측의 영역(25)과 베이스판(305)과 베이스판(505) 사이 영역(26)으로 분리시키며, 베이스판(505)은 반응기 본체(21)의 내부 공간을 영역(26)과 베이스판(505)과 베이스판(605) 사이 영역(27)으로 분리시키며, 베이스판(605)은 반응기 본체(21)의 내부 공간을 영역(27)과 유출 파이프(23) 측의 영역(28)으로 분리시킨다. 공기 파이프(24)는 베이스판(505)과 베이스판(605) 사이의 영역(27)을 향한다.
각각의 베이스판(305, 505, 605)의 일부는 반응기 본체(21)의 외부로 연장하며, 반응기 본체(21)로부터 노출된 부분들에 와이어들(314, 315; 514, 515; 614, 615)이 형성된다. 와이어들(314, 315)은 베이스판(305) 위의 전기 가열 필름(308)과 일체로 형성되며, 와이어들(514, 515)은 베이스판(505) 위의 전기가열필름(508)과 일체로 형성되고, 와이어들(614, 615)은 베이스판(605) 위의 전기 가열 필름(608)과 일체로 형성된다.
반응기(20)에서 전기 가열 필름(328, 528, 628)은 전기로 발열하여 베이스판들(305, 505, 605)을 가열하며, 이로써 촉매들(516, 616)을 가열한다. 연료 펌프(4)가 작동되면, 연료는 유입 파이프922)로부터 반응기 본체(21)로 공급된다. 연료가 관통공(306)을 통하여 영역(25)으로부터 영역(26)으로 흐르면, 연료는 가열되고 기화된다. 기화된 연료가 관통공(506)을 통하여 영역(26)으로부터 영역(27)을 향하여 흐르면 연료부터 수소와 이산화탄소 등이 생성된다. 생성된 혼합 가스가 관통공(606)을 통하여 영역(27)으로부터 영역928)을 향하여 흐르면 혼합물 중의 일산화탄소는 산화에 의하여 제거된다.
실시예에서 베이스판들(305, 505, 605)을 복수의 관통공들(306, 506, 606)이 관통하므로, 관통공들(306, 506, 606)을 통하여 흐르는 연료의 압력 손실은 적어진다. 관통공들(306, 506, 606)이 굽지 않으므로 압력 손실이 저하될 수 있다.
본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 사상과 범위에서 벗어남이 없이 다양하게 변경 및 수정가능하다.
각각의 전기 가열 필름(308, 508, 608)이 실시예에서는 관련된 베이스판들 (305, 505, 605)의 일면 위에 형성되지만, 예컨대, 전기 가열 필름들은 다른 면 위에 형성되거나 양면 위에 형성될 수 있다. 제 3 실시예에서 제 2 실시예의 베이스판들(325, 525, 625)은 베이스판들(305, 505, 605) 대신 사용될 수 있다.
연료 펌프(4)가 기화기(3), 실시예들의 반응기(20)의 기화기(13)에 액체 연료를 공급하도록 구성되지만, 연료들은 잉크젯 프린터의 헤드들(액적(droplets) 배출 헤드)에 의하여 반응기(20)의 기화기(13), 기화기(3)에 연료 액적들로 공급될 수 있다. 예컨대, 기화기(3)에 대해, 복수의 액적 배출 헤드들이 반응기 본체(301)의 상부 벽의 내면에 관통공들(306)을 향하도록 위치될 수 있으므로 액적 배출헤드들은 연료를 관통공들(306)을 향하여 액적으로 분사하여 연료를 기화기(3)에 공급할 수 있다.
베이스판들(305, 505, 605)이 포토리소그라피 기술에 의하여 보호 마스크를 사용하여 식각되지만, 관통공들(306, 506, 606)은 금속 마스크를 사용하여 샌드 블라스트로 형성될 수 있다.
[제 4 실시예]
도 8은 기화기(3), 개질기(5), CO 선택적 산화기(6)의 사시도이며, 도 9는 도 8의 Ⅸ-Ⅸ 선에서 두께 방향을 따라 취한 기화기(3), 개질기(5), CO 선택적 산화기(6)의 단면도이다.
도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 기화기(3)는 형성된 내부 공간을 가지는 용기인 반응기 본체(701), 반응기 본체(701)에 수용된 채널 구조(702)를 가진다.
반응기 본체(701)는 내부 공간을 가지는 사각형 또는 입방 상자로서 형성된 다. 반응기 본체(701)는 유리나 세라믹과 같은 비교적 낮은 열전도성을 가지는 단열 소재로 형성된다. 반응기 본체(701)는 반응기 본체(701)의 내부 공간 및 외부와 연통하는 유입 파이프(703) 및 유출 파이프(704)를 가진다. 유입 파이프(703)는 반응기 본체(701)에서 유출 파이프(704)에 대향하는 위치에서 제공된다. 실시예에서, 유입 파이프(703)는 반응기 본체(701)의 상부 벽에 제공되며, 유출 파이프(704)는 반응기 본체(701)의 바닥 벽에서 제공된다. 유입 파이프(703)는 연료 펌프(4)와 연통하고, 유출 파이프(704)는 이하에서 설명되는 개질기(5)의 유입 파이프(503)와 연통한다.
채널 구조(702)는 기본 구조로서, 도전성 흑연 또는 다공성 활성 탄소를 함유하는 탄소기 베이스판(705)을 가진다. 탄소기 베이스판(705)는 충분한 저항성과 도전성을 가진 전기열 발생 저항기로서 전압 인가부(9)로부터 전류/전압을 인가받으면 열을 발생한다. 탄소기 베이스판(705)은 관통공(706)을 통하여 흐르는 유체에 함유된 물질에 대해 낮은 반응성을 가지며 아주 높은 열전도성을 가져서 베이스판의 전 표면에 걸쳐 균일한 온도를 더욱 용이하게 보장할 수 있으며, 낮은 열팽창계수를 가지므로 가열되면 촉매를 분리하기 어렵다. 탄소기 베이스판(705)의 두께는 평면 방향으로 탄소기 베이스판(705)의 길이 및 폭 보다 작다.
일면으로부터 타면에 걸쳐 탄소기 베이스판(705)을 관통하고 채널로서 작용하는 복수의 관통공들(706)이 탄소기 베이스판(705)의 길이 방향을 따라 서로 평행하도록 탄소기 베이스판(705)에 형성되고 중간에서 굽어지지 않게 연장한다. 탄소기 베이스판(705)의 일부 평면도인 도 10에 있어서, 관통공들(706)은 육각 단면을 가지며, 벌집 패턴으로 위치된다. 관통공들(706)은 육각형일 필요는 없지만, 삼각형, 사각형, 사각 이상의 다각형, 원 또는 타원과 같은 다른 형상을 취할 수 있다. 평면으로 탄소기 베이스판(705)을 보면, 관통공들(706)은 벌집 패턴으로 위치될 필요는 없지만, 2차원 배열로 위치될 수 있다(즉, 매트릭스 형태).
연료의 반응에 관련없는 금속 산화물 필름은 탄소기 베이스판(705)의 일부의 상면에 보호 필름으로서 형성될 수 있다.
탄소기 베이스판(705)은 반응기 본체(701)에 유지되고, 상부 지지부(712)에 의하여 반응기 본체(701)의 상부 벽으로부터 떨어져서 지지되며, 하부 지지부(713)에 의하여 반응기 본체의 바닥 벽으로부터 떨어지게 지지된다. 반응기 본체(701)의 내부 공간은 탄소기 베이스판(705)에 의하여 유입 파이프(703) 측의 영역(710)과 유출 파이프(704) 측의 영역(711)으로 분리된다. 탄소기 베이스판(705)의 일면은 반응기 본체(701)의 상부 벽을 향하고, 탄소기 베이스판(705)의 타 면은 반응기 본체(701)의 바닥 벽을 향하며, 유입 파이프(703) 측의 영역(710)은 관통공들(706)에 의하여 유출 파이프(704) 측의 영역(711)과 연통한다. 따라서, 관통공들(706)은 유입 파이프(703) 측의 영역으로부터 유출 파이프(704) 측의 영역으로의 채널로서 작용한다.
도 8에 도시된 바와 같이, 탄소기 베이스판(701)의 네 측면들의 대향하는 두 측면들은 반응기 본체(701)의 대향하는 두 측면들로부터 각각 연장한다. 전압 인가부(9)에 의하여 연장하는 두 측면들 사이로 전압이 인가되어 탄소기 베이스판(705)에 전기적으로 열을 발생시킨다. 탄소기 베이스판(705) 및 반응기 본체(701) 사이 의 계면은 탄소기 베이스판(705)이 반응기 본체(701)를 관통하는 부분에서 밀봉된다.
탄소기 베이스판(705)의 상면에 금속 산화물 필름이 형성되면, 탄소기 베이스판(705)의 상면을 노출시키기 위하여 반응기 본체(701)의 외측에서 금속 산화물 필름이 분리됨이 바람직하다.
도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 기화기(3)와 같이, 개질기(5)는 형성된 내부 공간을 가지는 용기인 반응기 본체(801), 반응기 본체(801)에 수용된 채널 구조(802)를 가진다. 도 8 및 도 9에서 반응기 본체(701)에 실질적으로 동일한 반응기 본체(801)와 같이, 기화기(3)의 대응하는 부분들에 실질적으로 동일한 개질기(5)의 부분들에 대해서는 기화기(3)의 대응하는 부분들의 도면부호들의 뒤 두자리와 같은 뒷 두자리들을 가지는 500대 도면부호로서 표시된다. 기화기(3)의 실질적으로 동일한 부분들에 대한 개질기(5)의 대응하는 부분들에 대한 설명은 생략되며, 개질기(5)와 기화기(3)의 상이한 부분들에 대해서만 설명될 것이다.
개질기(5)에서 유입 파이프(803)는 기화기(3)의 유출 파이프(704)에 연통하며, 유출 파이프(804)는 CO 선택적 산화기(6)의 유입 파이프(903)와 연통한다.
탄소기 베이스판(805)은 반응기 본체(801)에 유지되며, 상부 지지부(812)에 의하여 반응기 본체(801)의 상부 벽으로부터 떨어져서 지지되며, 하부 지지부(813)에 의하여 반응기 본체의 바닥 벽으로부터 떨어지게 지지된다. 개질기(5)에서 탄소기 베이스판(805)의 전 표면층은 그 위에 촉매(816)가 지지되는 다공성 필름이다. 따라서, 촉매(816)는 관통공(806)에서도 탄소기 베이스판(805)의 표면층 위에 형성 된다.
촉매(816)는 표면층이 지지체로서 작용하고 탄소기 베이스판(805)의 표면층 위에 지지되는 촉매 성분이다. 개질기(5)에서 Cu/ZnO 기의 촉매가 촉매 성분으로서 탄소기 베이스판(805)의 표면층 위에 지지된다.
촉매(816)는 지지체로서 작용하는 탄소기 베이스판(805)의 표면층으로 지지되지 않을 수 있다. 예컨대, 촉매(816)는 탄소기 베이스판(805)의 표면층 위에 지지체로서 형성된 다공성 금속 산화물(예컨대, 알루미나(Al2O3), 티타늄 산화물 또는 세륨 산화물) 위에 지지되는 촉매 성분일 수 있다. 다공성 금속 산화물은 연료의 반응에 포함되지 않는 금속 산화물(상기 설명한 화학식 1 참조), 또는 연료 반응에 유효한 금속 산화물일 수 있다. 탄소기 베이스판(805)의 두께는 평면 방향에서 탄소기 베이스판(805)의 길이 및 폭 보다 작다. 관통공들(806)은 탄소기 베이스판(805)의 길이 방향을 따라 서로 평행하고 중간에서 굽지 않고 직선으로 연장하도록 탄소기 베이스판(805) 위에 형성된다.
도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 기화기(3)와 같이 CO 선택적 산화기(6)는 형성된 내부 공간을 가지는 용기인 반응기 본체(901), 반응기 본체(901)에 수용된 채널 구조(902)를 가진다. 도 8 및 도 9에서 단열 필름(707)에 실질적으로 동일한 단열 필름(907)과 같이, 기화기(3)의 대응하는 부분들에 실질적으로 동일한 CO 선택적 산화기(6)의 부분들에 대해서는 기화기(3)의 대응하는 부분들의 도면부호들의 뒤 두자리와 같은 뒷 두자리들을 가지는 900대 도면부호로서 표시된다. 기화기(3) 의 실질적으로 동일한 부분들에 대한 CO 선택적 산화기(6)의 대응하는 부분들에 대한 설명은 중복 설명을 피하기 위하여 생략되며, CO 선택적 산화기(6)와 기화기(3)의 상이한 부분들에 대해서만 설명될 것이다.,
CO 선택적 산화기(6)에서 반응기 본체(901)에는 유입 파이프(903)와 유출 파이프(904) 외에 공기 파이프(917)가 더 구비된다. 공기 파이프(917)는 유입 파이프(903) 측에 위치하는 반응기 본체(901)의 내부 공간 영역(910)을 향한다. 공기 파이프(917)는 공기 펌프(8)에 연통한다. 유입 파이프(903)는 개질기(5)의 유출 파이프(804)에 연통하고, 유출 파이프(904)는 연료 전지(7)의 연료 전극에 연통한다.
탄소기 베이스판(905)은 반응기 본체(901)에 유지되며, 상부 지지부(912)에 의하여 반응기 본체(901)의 상부 벽으로부터 멀어지게 지지되며, 하부 지지부(913)에 의하여 반응기 본체(901)의 바닥 벽으로부터 멀어지게 지지된다.
CO 선택적 산화기(6)에서 촉매(916)는 탄소기 베이스판(905)의 전체 다공성 표면층(관통공들(906) 내부의 표면층을 포함) 위에 형성된다. 일산화탄소의 산화 반응을 위한 촉매(916)는 다공성 필름이 지지체로서 작용하여 탄소기 베이스판(905)의 표면층 위에 다공성 필름 위에 지지되는 촉매 성분이다. CO 선택적 산화기(6)에서 Pt기의 촉매는 탄소기 베이스판(905)의 다공성 필름 위에 촉매 성분으로서 지지된다.
촉매(916)는 지지체로서 작용하는 탄소기 베이스판(905)의 표면층으로 지지되지 않을 수 있다. 예컨대, 촉매(916)는 탄소기 베이스판(905)의 표면층 위에 지 지체로서 형성된 다공성 금속 산화물(예컨대, 알루미나(Al2O3), 티타늄 산화물, 또는 세륨 산화물) 위에 지지되는 촉매 성분일 수 있다. 다공성 금속 산화물은 일산화탄소의 산화에 포함되지 않는 금속 산화물, 또는 연료 반응에 효과적인 금속 산화물일 수 있다. 촉매(916)가 지지체로서 작용하는 다공성 금속 산화물 필름 위에 지지되면, 금속 산화물 필름은 탄소기 베이스판(905)의 상면을 노출시키도록 반응기 본체(901) 외부로 분리되어야 하는 것이 바람직하다. 탄소기 베이스판(905)의 두께는 평면 방향으로 탄소기 베이스판(905)의 길이 및 폭 보다 작다. 관통공들(906)이 탄소기 베이스판(905)의 길이 방향을 따라 서로 평행하도록 그리고 중간에서 굽지 않고 직선으로 연장하도록 탄소기 베이스판(905)에 형성된다.
기화기(3), 개질기(5) 및 CO 선택적 산화기(6)의 제조방법이 이하에서 설명될 것이다.
우선, 다공성 표면층을 갖는 발열 저항기로서 작용하기에 충분한 높은 전도성과 높은 저항성을 보이는 평평한 탄소기 베이스판(705, 805 및 905)이 준비되며, 탄소기 베이스판들(705, 805 및 905) 위에 금속 마스크들이 형성되며, 이는 이어서 그 위의 금속 마스크가 식각된다. 따라서, 복수의 관통공들(706, 806 및 906)이 각각 탄소기 베이스판들(705, 805 및 905) 위에 형성된다. 관통공들(706, 806, 906)은 미세입자들을 탄소기 베이스판들(705, 805, 905)의 상면들에 국부적으로 블라스팅하여(샌드 블라스팅) 탄소기 베이스판들(705, 805, 905)에 형성될 수 있다.
다음에, 촉매들(816, 916)이 베이스판들(805, 905)의 다공성 표면층들(관통 공들(806, 906) 내부의 다공성 표면층들을 포함) 위에 성분들을 지지시켜 형성된다. 탄소기 베이스판들(805, 905)의 표면층들 위에 촉매 성분들을 지지하는 방법은 침투(impregnation) 방법 또는 침액(dipping) 방법(탄소기 베이스판들(805, 905) 위에 촉매 슬러리 용액을 코팅함)일 수 있다.
탄소기 베이스판들(805, 905)의 표면층들이 지지체로서 작용하지 않으면, 촉매들(816, 916)은 졸-겔 방법, 침액 코팅 방법 등을 사용하여 탄소기 베이스판들(805, 905)의 표면층들(관통공들(806, 906)의 표면 포함) 위에 다공성 금속 산화물필름을 형성(코팅)하고, 다공성 금속 산화물 필름 위에 촉매 성분들을 지지하는 것에 의하여 형성된다.
이어서, 탄소기 베이스판들(705, 805, 905)은 관련된 반응기 본체(701, 801, 901)에 유지되어 반응기 본체의 각각의 내부 공간을 유입 파이프(703, 803, 903) 측의 영역(710, 810, 910)과 유출 파이프(704, 804, 904) 측의 영역(711, 811, 911)으로 분리시킨다. 유입 파이프(703, 803, 903) 측의 영역(710, 810, 910)은 관통공들(706, 806, 906)에 의하여 유출 파이프(704, 804, 904) 측 위의 영역과 연통하도록 구성되며, 각각의 탄소기 베이스판들(705, 805, 905)의 대향하는 두 측면들은 관련된 하나의 반응기 본체(701, 801, 901)로부터 연장하도록 구성된다.
동력 발생기(1)의 작용이 이하에서 설명될 것이다.
전압 인가부(9)에 의하여 각각의 탄소기 베이스판(705, 805, 905)에 전압/전류가 인가되면, 탄소기 베이스판(705, 805, 905)은 발열하여 촉매들(816,916)을 가열한다.
연료 펌프(4)가 작동되면, 연료가 연료 용기(2)로부터 기화기(3)의 반응기 본체(701)로 공급된다. 공기 펌프(8)가 작동되면, 공기가 외부로부터 CO 선택적 산화기(6)의 공기 파이프(917)를 통해 반응기 본체(901)의 영역(910)으로 공급된다.
기화기(3)에서, 연료는 반응기 본체(701)의 영역(710)으로부터 관통공(706)을 통하여 영역(711)을 향하여 흐른다. 연료가 관통공들(706)을 통하여 흐르는 동안 연료는 탄소기 베이스판(705)의 상면에 접하여 가열되고 기화된다. 탄소기 베이스판(705)에 다수의 관통공들(706)을 형성하는 것에 의하여 탄소기 베이스판(705)의 표면 면적이 증가되며, 연료와 탄소기 베이스판(705)의 접촉 면적이 커져서 연료가 용이하게 기화하도록 한다.
기화된 연료(메탄올과 물의 혼합물)는 개질기(5)의 반응기 본체(801)로 공급되며, 유출 파이프(704)와 유입 파이프(803)를 통과한다. 개질기(5)에서 연료는 반응기 본체(801)의 영역(810)으로부터 영역(811)을 향하여 관통공들(806)을 통과하여 흐른다. 반응기 본체(801)에서 연료는 촉매(816)와 접하여 가열되며, 수소와 이산화탄소를 생성한다. 특히, 메탄올은 증기와 반응하여 화학식 (1)에 의하여 나타낸 바와 같이 이산화탄소와 수소를 발생한다.
메탄올과 증기가 반응기 본체(801)에서 이산화탄소와 수소를 발생하도록 완전히 개질되지 않을 수도 있다. 이러한 경우, 메탄올은 수증기와 반응하여 화학식 (2)에 의하여 나타낸 바와 같이, 이산화탄소와 일산화탄소를 생성시킨다.
개질기(5)에서 생성된 일산화탄소, 이산화탄소, 수소 등의 혼합 가스는 유출 파이프(804) 및 유입 파이프(903)를 지나는 CO 선택적 산화기(6)의 반응기 본체 (901)로 공급된다. 외부 공기는 공기 파이프(917)를 통과하여 반응기 본체(901)에 공급된다. 이어서, 반응기 본체(901)의 영역(910)으로 공급된 혼합가스는 반응기 본체(901)의 영역(910)으로부터 영역(911)을 향하여 관통공들(906)을 통하여 흐른다. 반응기 본체(901)에서, 개질기(5)로부터 공급된 혼합가스 중에 함유된 일산화탄소는 반응기 본체(901)에서 선택적으로 산화되어 일산화탄소를 제거시킨다. 구체적으로, 일산화탄소는 특히 개질기(5)로부터 공급된 혼합 가스로부터 선택되어 공기 중의 산소와 반응하여 화학식 (3)으로 나타낸 바와 같이 이산화탄소를 생성시킨다.
이어서, 반응기 본체(901)의 혼합 가스는 연료 전지(7)의 연료 전극에 공급되어 유출 파이프(904)를 통과한다. 연료 전지(7)의 연료 전극에서 공급된 혼합 가스 중의 수소 가스는 전기화학식 (4)에 의하여 표현된 바와 같이 연료 전극의 촉매 입자들의 작용에 의하여 수소 이온과 전자로 분리된다.
연료 전지(7)의 연료 전극에 공급된 혼합 가스 중에서 전기화학 반응에 기여하지 않는 생성물(이산화탄소 등)은 외부로 배출된다.
공기는 연료 전지(7)의 공기 전극으로 공급된다. 전기화학적인 화학식 (5)에 의하여 표현된 바와 같이, 고체 폴리머 전해 필름을 통과한 공기 중의 산소 및 수소 이온들은 연료 전극으로부터 얻어진 전자들과 반응하여 생성물로서 물을 발생한다.
연료 전지(7)의 공기 전극에 공급된 공기에서 전기화학 반응에 기여하지 않는 가스(질소 등)와 생성된 물은 외부로 배출된다.
동력 발생기(1)에서 식(4, 5)에 의하여 표현된 전기화학적인 화학 반응들은 연료 전지(7)에서 발생하여 전기 에너지를 발생한다. 발생된 전기 에너지는 전자 장치와 연료 펌프(4)를 작동시키는 데 사용된다.
도전성 탄소기 베이스판들(705, 805, 905)이 실시예들에서 촉매들을 지지하기 위하여 사용되므로 탄소기 베이스판들(705, 805, 905)은 인가된 전류/전압으로 열을 자체 발생한다. 이는 반응기 본체들(701, 801, 9010에서 별도의 히터, 전기 가열 필름 등의 필요성을 제거하며, 기화기(3), 개질기(5), CO 선택적 산화기(6)의 구조를 단순화시킨다.
연료가 직접 열을 자체 발생하는 탄소기 베이스판들(705, 805, 905)과 접하므로 베이스판들의 상면들에서의 온도는 균일하게 될 수 있어서 효과적이고 균일한 연료 반응을 보장한다.
관련된 탄소기 베이스판들(705, 805, 905)을 관통하여 다수의 관통공들(706, 806, 906)이 형성되므로 관통공들(706, 806, 906)을 통하여 흐르는 연료의 압력 손실은 적게 된다. 관통공들(706, 806, 906)에 의하여 형성된 채널이 굽지 않으므로 특히 유체가 직선으로 흐르므로 압력 손실을 감소시킬 수 있다.
관련 베이스판들(805, 905)에 다수의 관통공들(806, 906)이 형성되므로 많은 촉매 성분들이 관통공들(806, 906)의 전체 부피에 대해 관통공들(806, 906)의 벽들 위에 지지될 수 있다. 이로써 연료와 촉매들(516, 616) 사이의 접촉 면적이 크게 되어 촉매들(516, 616)에 의한 반응 물질들의 반응이 더욱 효과적으로 발생된다. 또한, 관통공들(806, 906)이 직선으로 연장하므로 관통공들(806, 906)의 압력 손실 이 지지되는 촉매 성분들의 양이 커지게 되더라도 억제될 수 있다.
각각의 관통공들(806, 906)의 단면적이 작아지면, 반응기 본체(701, 801, 901)의 각 관통공들(706, 806, 906)의 벽 면적이 관련 탄소기 베이스판들(705, 805, 905)을 관통하는 관통공들(706, 806, 906)의 숫자를 증가시키는 것에 의하여 증가되어 연료를 효과적으로 반응시킨다. 또한, 관통공들(706, 806, 906)의 숫자를 증가시키면, 흐르는 반응 물질들의 양을 증가시킬 수 있다.
[제 5 실시예]
채널 구조들(702, 802, 902)은 제 4 실시예의 별개의 반응기 본체들(701, 801, 901)에 유지되어도, 채널 구조들(702, 802, 902)은 도 11 및 도 12에 도시된 바와 같이, 제 4 실시예에서 동일한 반응기 본체(21)에 유지된다. 도 11은 일체화된 기화기, 개질기, 및 CO 선택적 산화기를 가지는 반응기(20)의 사시도이다. 도 12는 도 11의 선 ⅩⅡ-ⅩⅡ에서 반응기 본체(21)의 두께 방향을 따라 취한 반응기(20)의 단면도이다. 도 1에 도시된 기화기(3), 개질기(5), 및 CO 선택적 산화기(6)를 모두 대체하는 도 11 및 도 12에 도시된 반응기(20)는 동력 발생기(1)에 사용된다.
반응기 본체(21)는 내부에 형성된 공간을 가진다. 반응기 본체(21)는 반응기 본체(1)의 내부 공간으로부터 외부로 연장하는 유입 파이프(22), 유출 파이프(23) 및 공기 파이프(24)를 구비한다. 유입 파이프(22)는 반응기 본체(21)의 상부 벽에 제공되며, 유출 파이프(23)는 유입 파이프(22)를 향하는 바닥 벽에서 제공되며, 공기 파이프(24)는 반응기 본체(21)의 측벽에 제공된다. 유입 파이프(22)는 연료 펌 프(4)와 연통하며, 유출 파이프(23)는 연료 전지(7)의 연료 전극에 연통하고, 공기 파이프(24)는 공기 펌프(8)에 연통한다.
도 11 및 도 12에 도시된 채널 구조들(702, 802, 902)은 각각 제 4 실시예의 경우와 같다. 제 4 실시예의 채널 구조들(702, 802, 902)의 대응하는 부분들과 같은 도 11 및 도 12의 부분들은 동일한 도면 부호들을 부여함으로써 도 11 및 도 12에 도시된 채널 구조들(702, 802, 902)의 개별 부분들에 대한 중복 설명을 피한다.
반응기 본체(21)에서, 채널 구조(702)의 탄소기 베이스판(705), 채널 구조(802)의 탄소기 베이스판(805) 및 채널 구조(902)의 탄소기 베이스판(905)은 이러한 순서로 유입 파이프(22)로부터 유출 파이프(23)를 향하여 배치된다. 탄소기 베이스판(705)의 일면은 유입 파이프(22)를 향하고, 탄소기 베이스판(905)의 타면은 유출 파이프(23)를 향하며, 베이스판들(705, 805, 905)은 서로에 평행하게 서로를 향한다. 탄소기 베이스판(705)은 반응기 본체(21)의 내부 공간을 유입 파이프(22) 측의 영역(25)과 탄소기 베이스판(705)과 탄소기 베이스판(805) 사이의 영역(26)으로 분리시키며, 탄소기 베이스판(805)은 반응기 본체(21)의 내부 공간을 영역(26)과 탄소기 베이스판(805)과 탄소기 베이스판(905) 사이 영역(27)으로 분리시키며, 탄소기 베이스판(905)은 반응기 본체(21)의 내부 공간을 영역(27)과 유출 파이프(23) 측의 영역(28)으로 분리시킨다. 공기 파이프(24)는 탄소기 베이스판(805)과 탄소기 베이스판(905) 사이의 영역(27)을 향한다.
탄소기 베이스판(705)의 네 측면들의 대향하는 두 측면들은 각각 반응기 본체(21)의 대향하는 두 측면들로부터 각각 연장한다. 전압 인가부(9)에 의하여 연장 하는 두 측면들 사이에 전압이 인가되면, 탄소기 베이스판들(705, 805, 905)이 전기적으로 발열하게 된다.
반응기(20)에서 탄소기 베이스판들(705, 805, 905)이 발열하면서 연료 펌프(4)가 작동되면, 연료는 유입 파이프(22)로부터 반응기 본체(21)로 공급된다. 연료가 관통공들(706)을 통해 영역(25)으로부터 영역(260을 향하여 흐르면, 연료는 가열되어 기화된다. 기화된 연료가 관통공들(806)을 통하여 영역(26)으로부터 영역(27)을 향하여 흐르면 연료로부터 수소와 이산화탄소 등이 생성된다. 관통공들(906)을 통하여 영역(27)으로부터 영역(28)을 향하여 혼합물이 흐르면, 산화에 의하여 혼합물로부터 일산화탄소가 제거된다.
실시예에서 다수의 관통공들(706, 806, 906)이 관련된 탄소기 베이스판들(705, 805, 905)을 관통하므로 관통공들(706, 806, 906)을 통과하는 연료의 압력 손실은 적어진다. 특히, 관통공들(706, 806, 906)이 굽지 않으므로 압력 손실이 저하될 수 있다. 도전성 탄소기 베이스판들(705, 805, 905)이 인가된 전류/전압에 의하여 자체 발열하므로 반응기 본체(701, 801, 901)에 히터들, 전기 가열 필름들 등을 제공할 필요가 없으므로 기화기(3), 개질기(5), CO 선택적 산화기(6)의 구조를 단순화시킨다. 연료가 직접 자체 발열하는 탄소기 베이스판들(705, 805, 905)과 접하므로 연료 반응이 효과적으로 발생한다. 더우기, 탄소기 베이스판들(705, 805, 905)에서 발생되는 열량이 연료 반응에 효과적으로 사용될 수 있다.
본 발명은 실시예들에 한정되지 않으며, 다양한 수정 및 설계 변경들이 본 발명의 사상과 범위로부터 벗어남이 없이 이루어질 수 있다.
연료 펌프(4)가 액체 연료를 기화기(3) 및 반응기(20)에 공급하는 기구이지만, 연료는 액적(droplets) 형태로 잉크젯 프린터의 헤드(액적 배출 헤드)에 의하여 기화기(3) 및 반응기(20)에 공급될 수 있다. 예컨대, 다수의 액적 배출 헤드들이 관통공들(706)을 향하도록 반응기 본체(21, 701)의 상부 벽 내면에 배치될 수 있으므로 액적 배출 헤드들은 연료를 공급하기 위하여 관통공들(706)을 향하여 액적으로서 연료를 분사한다.
본 실시예의 상세한 설명에서 탄소기 베이스판의 제작에 대해서는 상세하게 설명되지 않았으나, 탄소기 베이스판은 마이크로 반응기의 온도에서 용해와 같은 변화를 유발하지 않는 바인더에 활성 탄소 분말 및 그래파이트의 적어도 하나를 혼합하고 얻어진 산출물을 소결하여 형성될 수 있다.
따라서, 본 발명에 의하면, 마이크로 반응기를 제공함으로 압력 손실을 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 반응 물질이 균일하게 반응할 수 있다.
본 발명의 사상과 범위를 벗어남이 없이 다양한 변경과 실시예들이 이루어질 수 있을 것이다. 상기 설명한 실시예들은 본 발명을 설명하기 위함이지 본 발명의 범위를 한정하기 위함이 아니다. 본 발명의 범위는 실시예들에 의해서 보다 첨부의 특허청구범위들에 의해 표현된다. 본 발명의 특허청구범위 및 그 균등물들의 의미 내에서 이루어진 다양한 수정들은 본 발명의 범위 내에 속하는 것으로 간주된다.

Claims (19)

  1. 반응기로서:
    내부에 형성된 내부 공간을 가지는 반응기 본체(21, 301, 501, 601); 및
    상기 반응기 본체(21, 301, 501, 601)의 내부 공간을 두 영역들로 분리하도록 개재되며 두께 방향으로 복수의 관통공들(306, 506, 606)이 형성되는 베이스판(305, 505, 705, 325, 525, 725)을 구비하는 것을 특징으로 하는 반응기.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 관통공들(306, 506, 606)을 포함하는 상기 베이스판(305, 505, 705, 325, 525, 725)의 표면층은 산화되며, 촉매(516, 616)가 상기 산화된 표면층 위에 지지되는 것을 특징으로 하는 반응기.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 베이스판(305, 505, 705)의 두 표면들의 적어도 하나 위에 전기 가열 필름(308, 508, 708)이 형성되는 것을 특징으로 하는 반응기.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 베이스판(325, 525, 725)은 두 금속판들(327, 329; 527, 529; 727, 729)과 상기 금속층들 사이에 개재된 전기 가열 필름(328, 528, 728)을 포함하는 것을 특징으로 하는 반응기.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 관통공들(306, 506, 606)은 상기 베이스판(305, 505, 705, 325, 525, 725)의 길이 방향을 따라 서로 평행으로 중간에서 굽지 않도록 직선으로 연장하게 형성되는 것을 특징으로 하는 반응기.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 반응기 본체(21)는 복수의 관통공들(506)을 가진 베이스판(505)을 구비하며 연료를 개질하고, 상기 개질 연료를 연료 전지(7)에 공급하는 개질기(5)를 구비하는 것을 특징으로 하는 반응기.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 반응기 본체(21)는 복수의 관통공들(306)이 형성된 베이스판(305)을 구비한 기화기(3), 및 복수의 관통공들(506)이 형성된 베이스판(505)을 구비하는 수소 개질기(5)를 가지는 것을 특징으로 하는 반응기.
  8. 동력 발생기로서:
    연료를 개질하고 상기 개질된 연료를 연료 전지(7)에 공급하는 개질기(5)를 가지는 반응기 본체(21)를 포함하는 청구항 1항에 기재된 반응기(20); 및
    상기 개질기(5)에 의하여 개질된 상기 연료로 동력을 발생하는 상기 연료 전지(7)를 구비하는 것을 특징으로 하는 동력 발생기.
  9. 반응기로서:
    내부에 형성된 내부 공간을 가지는 반응기 본체(21, 701, 801, 901); 및
    상기 반응기 본체(21, 701, 801, 901)의 내부 공간을 두 영역들로 분리하도 록 개재되며 두께 방향으로 복수의 관통공들(706, 806, 906)이 형성되는 저항기 베이스판(705, 805, 905)을 구비하는 것을 특징으로 하는 반응기.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 저항기 베이스판들(705, 805, 905)은 탄소기 소재를 가지는 것을 특징으로 하는 반응기.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 저항기 베이스판(705, 805, 905)으로부터 발열하기 위하여 상기 저항기 베이스판(705, 805, 905)에 전압을 직접 인가하는 전압 인가부(9)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반응기.
  12. 제 9 항에 있어서, 상기 관통공들(706, 806, 906)을 포함하는 상기 저항기 베이스판들(705, 805, 905)의 표면층 위에 촉매 성분이 지지되는 것을 특징으로 하는 반응기.
  13. 제 9 항에 있어서, 상기 관통공들(706, 806, 906)을 포함하는 상기 저항기 베이스판들(705, 805, 905)의 표면층 위에 지지 필름이 형성되며, 촉매 성분이 상기 지지 필름 위에 지지되는 것을 특징으로 하는 반응기.
  14. 제 9 항에 있어서, 상기 관통공들(706, 806, 906)은 상기 베이스판(705, 805, 905)의 길이 방향을 따라 서로 평행으로 중간에서 굽지 않도록 직선으로 연장 하게 형성되는 것을 특징으로 하는 반응기.
  15. 제 9 항에 있어서, 상기 반응기 본체(21)는 복수의 관통공들(806)이 형성된 베이스판(805)을 구비하고 연료를 개질하며 개질된 연료를 연료 전지(7)에 공급하는 개질기(5)를 가지는 것을 특징으로 하는 반응기.
  16. 제 9 항에 있어서, 상기 반응기 본체(21)는 복수의 관통공들(706)이 형성된 베이스판(705)을 구비한 기화기(3), 및 복수의 관통공들(806)이 형성된 베이스판(805)을 구비하는 수소 개질기(5)를 가지는 것을 특징으로 하는 반응기.
  17. 동력 발생기로서:
    연료를 개질하고 상기 개질된 연료를 연료 전지(7)에 공급하는 개질기(5)를 가지는 반응기 본체(21)를 포함하는 청구항 9항에 기재된 반응기(20); 및
    상기 개질기(5)에 의하여 개질된 상기 연료로 동력을 발생하는 상기 연료 전지(7)를 구비하는 것을 특징으로 하는 동력 발생기.
  18. 동력 발생기로서:
    내부에 형성된 내부 공간을 가지는 반응기 본체(21, 501, 601); 및 상기 반응기 본체(21, 501, 801)의 내부 공간을 두 영역들로 분리하도록 개재되며 관통공들(506, 806)을 연료가 통과하는 동안 개질되도록 두께 방향으로 복수의 관통공들 (506, 806)이 형성되는 베이스판(505, 525, 805)을 구비하는 반응기;
    상기 베이스판들(505, 525, 805)에 의하여 개질된 유체로 동력을 발생하는 연료 전지(7); 및
    상기 연료 전지(7)에 의하여 발생된 동력에 의해 작동하는 부하(4)를 구비하는 것을 특징으로 하는 동력 발생기.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 베이스판들(505, 525, 805)을 가열하기 위하여 상기 베이스판(505, 525, 805)에 전압을 직접 인가하기 위한 가열부(9)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반응기.
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