KR20060081605A - 연료 전지 시스템 및 개질기 - Google Patents

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KR20060081605A
KR20060081605A KR1020050002118A KR20050002118A KR20060081605A KR 20060081605 A KR20060081605 A KR 20060081605A KR 1020050002118 A KR1020050002118 A KR 1020050002118A KR 20050002118 A KR20050002118 A KR 20050002118A KR 20060081605 A KR20060081605 A KR 20060081605A
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서준원
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Abstract

본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 내부 공간에 히팅부재를 설치하고 개질 촉매를 충전 형성하여 구성되는 개질기와, 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 전기 발생부와, 상기 개질기로 연료와 물을 공급하는 연료 공급원과, 상기 개질기 및 전기 발생부로 산소를 공급하는 산소 공급원을 포함한다.
연료전지, 스택, 개질기, 개질기본체, 열원부, 히팅부재, 개질반응부, 개질촉매, 자열반응

Description

연료 전지 시스템 및 개질기 {FUEL CELL SYSTEM AND REFORMER}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시한 스택의 구조를 나타내 보인 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 개질기 구조를 개략적으로 도시한 분해 사시도이다.
도 4는 도 3의 결합 단면 구성도이다.
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 연료에 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.
이러한 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 스택에서는 개질기로부터 공급되는 수소 가스와, 별도 공급되는 산소 가스 또는 공기 중에 함유된 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시킨다.
상기와 같이 구성되는 연료 전지 시스템에 있어 개질기는 열 에너지에 의한 화학 촉매 반응을 통해 연료와 물이 혼합된 혼합 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 바, 상기한 열 에너지를 발생시키는 열원부와, 이 열 에너지를 이용한 개질 촉매 반응을 통해 수소 가스를 발생시키는 개질 반응부를 구비하고 있다. 여기서 열원부는 산화 촉매에 의한 순수한 연료와 공기의 산화 반응을 통해 열 에너지를 발생시키는 구조로 이루어진다.
그리고 종래의 연료 전지 시스템은 상기 열원부 및 개질 반응부로 연료와 공 기를 공급하는 연료 공급장치 및 공기 공급장치를 별도로 구비하는 바, 상기 연료 공급장치는 순수한 연료를 저장하는 제1 탱크와, 혼합 연료를 저장하는 제2 탱크와, 순수한 연료를 제1 탱크로부터 배출시키고 이 연료를 열원부로 공급하는 제1 연료 펌프와, 상기 혼합 연료를 제2 탱크로부터 배출시키고 이 혼합 연료를 개질 반응부로 공급하는 제2 연료 펌프를 구비한다. 그리고 공기 공급장치는 공기를 열원부와 개질 반응부로 각각 공급하는 제1,2 공기 펌프를 구비하고 있다.
그런데, 종래에 따른 연료 전지 시스템은 개질기를 구성하는 열원부가 고가의 산화 촉매를 사용하기 때문에, 제조 상의 경제적인 부담을 가중시키고, 연료와 공기의 산화 반응을 열 에너지를 급격히 상승시키는 고유한 특성으로 인해 전체적인 개질기의 열 관리에 불리하며, 촉매로서의 수명에 한계가 있어 내구성이 현저히 떨어지는 문제점이 있다.
또한 종래의 연료 전지 시스템은 상술한 바와 같이 개질기의 열원부와 개질 반응부로 연료와 공기를 공급하기 위해 다수의 탱크, 연료 펌프 및 공기 펌프를 구비하는 바, 스택에 의해 생산되는 전력을 소모(기생전력)하여 이들 구성 요소들을 가동시키는 시스템의 특성상, 실질적으로 기생전력이 증가하게 되어 전체적인 시스템 성능 및 에너지 효율이 저하되는 문제점이 있다.
이에 더하여 종래의 연료 전지 시스템은 위와 같은 연료 공급장치 및 공기 공급장치의 설치 공간이 반드시 필요하게 되므로, 전체적인 시스템의 크기를 컴팩트하게 구현하지 못하게 되는 문제점이 있었다.
본 발명은 상술한 문제점을 감안한 것으로서, 그 목적은 내구성이 향상된 간단한 구조로서 수소 가스를 발생시키는 개질기를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 시스템을 이루는 구성요소를 줄임으로써 시스템을 단순화시키고 소모되는 전력을 줄일 수 있는 연료 전지 시스템 및 개질기를 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템용 개질기는, 내부 공간을 형성하는 개질기 본체와, 상기 내부 공간에 히팅부재를 설치하여 이루어지는 열원부와, 상기 내부 공간에 개질 촉매를 충전 형성하여 이루어지는 개질 반응부를 포함한다.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템용 개질기는, 상기 내부 공간으로 공급되는 연료, 물 및 산소로부터 수소 가스를 발생시키는 구조로 되어 있다.
이 경우 본 발명에 따른 연료 전지 시스템용 개질기는, 시스템의 초기 기동 모드시, 상기 히팅부재로부터 발열되는 열 에너지 및 상기 개질 촉매에 의하여 상기 연료와 물의 수증기 개질(Steam Reforming: SR) 반응을 통해 수소 가스를 발생시키는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템용 개질기는, 상기 시스템의 정상 운전 모드시, 상기 연료와 산소의 자열(Auto-Thermal Reaction) 반응을 통해 열 에너지를 발생시키고, 이 열 에너지 및 상기 개질 촉매에 의하여 상기 연료와 물의 수증기 개질 반응을 통해 수소 가스를 발생시키는 것이 바람직하다.
그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템용 개질기에 있어서, 상기 개질기 본체는 양측 단부가 개방된 관로 형태로 이루어지며, 일측 단부에 적어도 하나의 주입구를 갖는 제1 캡을 결합하고, 다른 일측 단부에 배출구를 갖는 제2 캡을 결합하여 구성될 수 있다.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템용 개질기는, 상기 개질 촉매가 상기 개질기 본체의 내부 공간에 펠릿 형태로 충전 형성되어 이루어지는 구조로 되어 있다.
그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템용 개질기는, 상기 히팅부재가 소정 전원에 의하여 발열되는 열선으로 구성될 수 있다.
아울러 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 내부 공간에 히팅부재를 설치하고 개질 촉매를 충전 형성하여 구성되는 개질기와, 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 전기 발생부와, 상기 개질기로 연료와 물을 공급하는 연료 공급원과, 상기 개질기 및 전기 발생부로 산소를 공급하는 산소 공급원을 포함한다.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 개질기는, 상기 내부 공간을 형성하는 개질기 본체와, 상기 히팅부재 및 연료와 산소의 반응을 통해 기설정된 온도 범위의 열 에너지를 발생시키는 열원부와, 상기 열 에너지 및 개질 촉매에 의한 상기 연료와 물의 수증기 개질(Steam Reforming: SR) 반응을 통해 수소 가스를 발생시키는 개질 반응부를 포함할 수 있다.
이러한 상기 연료 전지 시스템은, 시스템의 초기 기동시 상기 히팅부재가 상 기 열 에너지를 발생시키는 구조로 되어 있다.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 시스템의 정상 운전시, 상기 연료와 산소의 자열(Auto-Thermal Reaction) 반응을 통해 상기 열 에너지를 발생시키는 구조로 이루어진다.
그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 개질기 본체는 양측 단부가 개방된 관로 형태로 이루어지며, 일측 단부에 적어도 하나의 주입구를 갖는 제1 캡을 결합하고, 다른 일측 단부에 배출구를 갖는 제2 캡을 결합하여 구성될 수 있다. 이 경우 상기 제1 캡은 상기 개질기 본체의 내부 공간으로 상기 연료와 물을 주입시키기 위한 제1 주입구와, 상기 내부 공간으로 산소를 주입시키기 위한 제2 주입구를 구비한다.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 개질 촉매가 상기 내부 공간에 펠릿 형태로 충전 형성되어 이루어지는 것이 바람직하다.
그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 히팅부재가 소정 전원에 의하여 발열되는 열선으로 구성될 수 있다.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 연료 공급원은, 상기 연료와 물을 혼합하여 저장하는 연료 탱크와, 이 연료 탱크에 연결 설치되어 상기 연료와 물을 배출시키는 연료 펌프를 포함할 수 있다.
그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 산소 공급원은 공기를 흡입하여 이 공기를 상기 개질기 및 전기 발생부로 공급하는 적어도 하나의 공기 펌프를 포함할 수 있다. 이 경우 상기 산소 공급원은, 상기 개질기와 연결 설 치되는 제1 공기 펌프와, 상기 전기 발생부와 연결 설치되는 제2 공기 펌프를 구비한다.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 전기 발생부를 복수로 구비하여 이들 전기 발생부의 집합체 구조에 의한 스택을 형성할 수 있다.
그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 본 시스템의 전반적인 구동을 실질적으로 제어하는 제어부를 포함할 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 개략적으로 도시한 블록도이고, 도 2는 도 1에 도시한 스택의 구조를 나타내 보인 분해 사시도이다.
이 도면을 참조하여 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)을 설명하면, 이 연료 전지 시스템(100)은, 수소를 함유한 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키고, 이 수소 가스와 산화제 가스를 전기 화학적으로 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 수소를 함유한 액상 또는 기체 상태로 이루어진 연료를 포함한다. 그러나 이하에서 설명하는 연료는 편의상 상기한 액상의 연료로 정의하고, 상기 액상의 연료와 물이 혼합된 연료를 혼합 연료라고 정의한다.
그리고 본 시스템(100)은 수소 가스와 반응하는 산화제 가스로서 별도의 저장수단에 저장된 산소 가스를 사용할 수 있으며, 산소를 함유하고 있는 공기를 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 전기 발생부(11)와, 전술한 바 있는 혼합 연료로부터 수소 가스를 발생시키고 이 수소 가스를 전기 발생부(11)로 공급하는 개질기(30)와, 상기 혼합 연료를 개질기(30)로 공급하는 연료 공급원(50)과, 산소를 개질기(30)와 전기 발생부(11)로 공급하는 산소 공급원(70)을 포함하여 구성된다.
도 2에 도시한 바와 같이, 상기 전기 발생부(11)는 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode Assembly: MEA)(12)를 중심에 두고 이의 양면에 세퍼레이터(당 업계에서는 '바이폴라 플레이트'라고도 한다.)(Separator)(16)를 배치하여 최소 단위의 연료 전지(fuel cell)를 형성한다.
따라서 본 실시예에서는 위와 같은 최소 단위의 전기 발생부(11)를 복수로 구비하여 이들 전기 발생부(11)의 집합체 구조에 의한 스택(10)을 형성할 수 있다. 여기서 상기 막-전극 어셈블리(12)는 수소와 산소의 전기 화학 반응을 일으키는 소정 면적의 활성 영역을 가지면서 일면에 애노드 전극, 다른 일면에 캐소드 전극을 구비하고, 두 전극 사이에 전해질막을 구비하는 구조로 이루어져 있다. 여기서 상기 애노드 전극은 수소를 산화 반응시켜 수소 이온(프로톤)과 전자로 변환시키는 기능을 하게 된다. 캐소드 전극은 산소와 상기 애노드 전극으로부터 이동된 수소 이온을 환원 반응시켜, 소정 온도의 열과 수분을 발생시키는 기능을 하게 된다. 전해질막은 애노드 전극에서 생성된 수소 이온을 캐소드 전극으로 이동시키는 이온 교환의 기능을 하게 된다. 그리고 세퍼레이터(16)는 막-전극 어셈블리(12)의 양측에 수소와 산소를 공급하는 기능 이 외에, 상기 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체의 기능을 하게 된다.
이와 같은 스택(10)의 구성은 통상적인 고분자 전해질형 연료 전지의 스택 구성으로 이루어질 수 있으므로 본 명세서에서 그 자세한 설명한 생략하기로 한다.
본 발명에 적용되는 상기 개질기(30)는 열 에너지에 의한 화학 촉매 반응 예컨대, 수증기 개질, 부분 산화 또는 자열 반응 등의 촉매 반응을 통해 상기 혼합 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 구조를 갖는다. 이러한 개질기(30)의 구조는 뒤에서 더욱 설명하기로 한다.
위와 같은 개질기(30)로 혼합 연료를 공급하는 연료 공급원(50)은 액상의 연료와 물의 혼합 연료를 저장하는 연료 탱크(51)와, 상기 연료 탱크(51)에 연결 설치되어 이 연료 탱크(51)에 저장된 혼합 연료를 배출시키는 연료 펌프(53)를 포함하고 있다.
그리고 산소 공급원(70)은 소정 펌핑력으로 공기를 흡입하여 이 공기를 상기 스택(10)의 전기 발생부(11) 및 개질기(30)로 각각 공급하는 적어도 하나의 공기 펌프(71, 72)를 포함하고 있다. 본 실시예에서, 상기 산소 공급원(70)은 개질기(30)와 연결 설치되어 이 개질기(30)로 상기 공기를 공급하는 제1 공기 펌프(71)와, 상기 스택(10)과 연결 설치되어 이 스택(10)의 전기 발생부(11)로 공기를 공급하는 제2 공기 펌프(72)를 구비한다.
상기와 같이 구성된 본 시스템(100)의 작용시, 개질기(30)로부터 발생되는 수소 가스를 전기 발생부(11)로 공급하고, 공기를 상기 전기 발생부(11)로 공급하게 되면, 상기 스택(10)에서는 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 기설정된 출력량의 전기 에너지와 물 그리고 열을 발생시킨다.
한편, 본 발명에 의한 상기 연료 전지 시스템(100)은 이 시스템의 전반적인 구동 예컨대, 연료 공급원(50), 산소 공급원(70) 및 뒤에서 더욱 설명하는 히팅부재(35)의 구동을 실질적으로 제어하는 통상적인 마이콤 타입의 제어부(90)를 설치하고 있다.
본 발명에 있어 전술한 바 있는 개질기(30) 구조의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 개질기 구조를 개략적으로 도시한 분해 사시도이고, 도 4는 도 3의 결합 단면 구성도이다.
도면을 참고하면, 본 실시예에 따른 상기 개질기(30)는 연료와, 물 및 공기를 공급받아 상기 연료와 물의 혼합 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 구조로 이루어진다.
이러한 개질기(30)는 시스템(100)의 초기 기동시 별도의 발열수단을 통해 발 생되는 열 에너지를 이용하여 상기 혼합 연료로부터 수소 가스를 발생시키고, 상기 시스템(100)의 정상 운전시 연료와 공기의 자열 반응(Auto-Thermal Reaction)을 통해 발생되는 열 에너지를 이용하여 상기 혼합 연료로부터 수소 가스를 발생시킨다.
구체적으로, 상기 개질기(30)는 소정의 내부 공간을 갖는 관로 형태의 개질기 본체(31)와, 이 개질기 본체(31)의 내부 공간에 히팅부재(35)를 설치하여 이루어지는 열원부(34)와, 그 내부 공간에 개질 촉매(36)를 충전 형성하여 이루어지는 개질 반응부(37)로 구성된다.
개질기 본체(31)는 양측 단부가 실질적으로 개방된 원통형 구조로 이루어지며, 상대적으로 열전도도가 작은 단열 소재 예컨대, 써스(SUS), 지르코늄, 스테인레스, 알루미늄 등과 같은 금속 단열 소재 또는 세라믹 등과 같은 비금속 단열 소재로 형성될 수 있다.
그리고 이 개질기 본체(31)의 일측 단부에는 제1 캡(32)이 결합되는 바, 이 제1 캡(32)은 연료 탱크(51)로부터 배출되는 혼합 연료를 상기 내부 공간으로 주입시키기 위한 제1 주입구(32a)와, 제1 공기 펌프(71)로부터 공급되는 공기를 상기 내부 공간으로 주입시키기 위한 제2 주입구(32b)를 형성하고 있다. 이 때 상기 제1 주입구(32a)와 연료 탱크(51)는 통상적인 파이프에 의해 연결될 수 있다. 그리고 상기 제2 주입구(32b)와 제1 공기 펌프(71)는 통상적인 파이프에 의해 연결될 수 있다.
이에 더하여 상기 개질기 본체(31)의 다른 일측 단부에는 제2 캡(33)이 결합되는 바, 이 제2 캡(33)은 개질기 본체(31) 내부에서 개질 반응부(37)에 의해 발생 되는 수소 가스를 배출시키기 위한 배출구(33a)를 형성하고 있다. 이 때 상기 배출구(33a)는 통상적인 파이프에 의하여 스택(10)에 연결된다.
본 실시예에서, 상기 열원부(34)는 시스템(100)의 구동시 혼합 연료의 개질 촉매 반응에 필요한 열 에너지를 제공하기 위한 것으로서, 이러한 열원부(34)를 구성하는 상기 히팅부재(35)는 개질기 본체(34)의 내부 중심 방향으로 배치되며, 시스템(100)의 초기 기동시 제어부(90)에 의해 제어되어 소정 전원을 인가받아 열 에너지를 발생시키는 공지 기술의 열선을 구비한다. 이때 상기 히팅부재(35)는 개질기 본체(34)의 내부 중심 방향을 따라 나선 형태로 배치됨이 바람직하다.
그리고 상기 개질 반응부(37)는 열원부(34)에서 발생되는 열 에너지를 흡열하여 혼합 연료의 수증기 개질(Steam Reforming: SR) 반응을 통해 이 혼합 연료로부터 수소 가스를 발생시키기 위한 것이다. 즉, 상기 개질 반응부(37)는 시스템(100)의 초기 기동시, 히팅부재(35)로부터 발생되는 열 에너지를 흡열하여 상기 혼합 연료의 수증기 개질 반응을 통해 수소 가스를 발생시킨다. 그리고 상기 개질 반응부(37)는 시스템(100)의 정상 운전시, 히팅부재(35)의 가동을 정지시킨 상태에서 개질기 본체(31)의 내부 공간으로 공급되는 연료와 공기의 자열 반응을 통해 발생되는 열 에너지를 흡열하여 상기 혼합 연료의 수증기 개질 반응을 통해 수소 가스를 발생시킨다.
이러한 개질 반응부(37)를 구성하는 개질 촉매(36)는 히팅부재(35)를 설치하고 있는 개질기 본체(31)의 내부 공간에 충전 형성되어 혼합 연료의 수증기 개질 반응을 촉진시키기 위한 것으로, 알루미나(Al2O3), 실리카(SiO2) 또는 티타니아(TiO2)로 이루어진 펠릿(pellet) 형태의 담체에 구리(Cu), 니켈(Ni), 백금(Pt)과 같은 촉매 물질을 담지하고 있는 구조로 이루어진다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 동작을 상세히 설명하면 다음과 같다.
우선, 본 시스템(100)의 초기 기동시, 제어부(90)를 통해 히팅부재(35)에 기설정된 전원을 인가한다. 그러면, 상기 히팅부재(35)는 기설정된 온도 범위의 열 에너지를 발생시키고, 이 열은 개질 촉매(36)에 전달되게 된다.
이어서, 연료 펌프(53)를 가동시켜 연료 탱크(51)에 저장된 혼합 연료를 배출시키고, 이 혼합 연료를 제1 주입구(32a)를 통해 개질기 본체(31)의 내부로 공급한다.
이러는 과정을 거치는 동안, 제1 공기 펌프(71)를 가동시켜 공기를 제2 주입구(32b)를 통해 개질기 본체(31)의 내부로 공급한다. 그러면, 개질 반응부(37)는 상기한 열 에너지 및 개질 촉매(36)에 의한 수증기 개질 반응을 통해 상기 혼합 연료로부터 수소 가스를 발생시킨다. 이 때 상기 개질 반응부(37)는 수증기 개질 반응에 필요한 상기 열 에너지가 부족한 경우, 연료와 공기의 산화 반응을 통해 그 열 에너지를 보충 받을 수도 있다.
이 후부터는 본 실시예에 의한 개질기(30)의 본격적인 운전이 이루어지는 시점으로 위와 같은 상태에서, 제어부(90)를 통해 히팅부재(35)에 인가되는 전원을 차단시킨다. 이 때 상기 혼합 연료와 공기는 개질기 본체(31) 내부에 계속적으로 공급되는 상태에 있다.
따라서 시스템(100)의 정상 운전 모드시, 본 실시예에 의한 개질기(30)는시스템(100)의 초기 기동시와 같이 히팅부재(35)를 통해 열 에너지를 발생시킬 필요 없이 연료와 공기의 자열 반응(Auto-Thermal Reaction)을 통해 열 에너지를 발생시키게 된다.
이로써 상기 개질기(30)의 개질 반응부(37)는 상기한 열 에너지 및 개질 촉매(36)에 의한 수증기 개질 반응을 통해 상기 혼합 연료로부터 수소 가스를 발생시킨다.
한편, 상기 개질 반응부(37)를 통해 발생되는 수소 가스는 제2 캡(33)의 배출구(33a)를 통해 배출되는 바, 이 수소 가스는 스택(10)의 전기 발생부(11)로 공급된다. 그러면 상기 수소 가스는 세퍼레이터(16)를 통해 막-전극 어셈블리(12)의 애노드 전극으로 공급된다.
이와 동시에, 제2 공기 펌프(72)를 가동시켜 공기를 스택(10)의 전기 발생부(11)로 공급한다. 그러면, 상기 공기는 세퍼레이터(16)를 통해 막-전극 어셈블리(12)의 캐소드 전극으로 공급된다.
따라서 상기 애노드 전극에서는 수소의 산화 반응을 통해 상기 수소를 전자와 프로톤(수소이온)으로 분해한다. 그러면, 상기 프로톤은 막-전극 어셈블리(12)의 전해질막을 통하여 캐소드 전극으로 이동되고, 전자는 전해질막을 통하여 이동되지 못하고 세퍼레이터(16) 또는 별도의 단자부(도시하지 않음)를 통해 이웃하는 막-전극 어셈블리(12)의 캐소드 전극으로 이동하게 되는 바, 이 때 전자의 흐름으로 전류를 발생시킨다. 그리고 상기 캐소드 전극에서는 전해질막을 통하여 캐소드 전극으로 이동된 수소 이온과 공기 중에 함유된 산소의 환원 반응을 통해 소정 온도의 열과 수분을 발생시킨다.
이로써 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)은 이와 같은 일련의 과정을 통해 기설정된 출력량의 전기 에너지를 소정 로드 예컨대, 노트북, PDA와 같은 휴대용 전자기기 또는 이동통신 단말기기로 출력시킬 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.
상술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 종래와 달리 개질기의 열원부를 구성하는 고가의 산화 촉매를 필요로 하지 않게 되어, 제조 상의 경제적인 부담을 감소시킬 수 있으며, 개질기의 열 관리에 유리하고, 개질기의 내구성 및 지속성을 향상시킬 수 있다. 이에 따라 전체 시스템의 생산성 및 신뢰성을 더욱 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 종래와 달리 개질기로 연료와 공기를 공급하는 구성 요소로서 단일의 연료 탱크, 연료 펌프 및 공기 펌프 만을 구비하는 바, 전체 시스템의 크기를 컴팩트 하게 구현할 수 있으며, 시스템의 구동에 소모되는 기생전력을 줄여 시스템의 성능 및 에너지 효율을 더욱 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (20)

  1. 내부 공간을 형성하는 개질기 본체;
    상기 내부 공간에 히팅부재를 설치하여 이루어지는 열원부; 및
    상기 내부 공간에 개질 촉매를 충전 형성하여 이루어지는 개질 반응부
    를 포함하는 연료 전지 시스템용 개질기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 내부 공간으로 공급되는 연료, 물 및 산소로부터 수소 가스를 발생시키는 구조의 연료 전지 시스템용 개질기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    시스템의 초기 기동 모드시, 상기 히팅부재로부터 발열되는 열 에너지 및 상기 개질 촉매에 의하여 상기 연료와 물의 수증기 개질(Steam Reforming: SR) 반응을 통해 수소 가스를 발생시키는 연료 전지 시스템용 개질기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 시스템의 정상 운전 모드시, 상기 연료와 산소의 자열(Auto-Thermal Reaction) 반응을 통해 열 에너지를 발생시키고, 이 열 에너지 및 상기 개질 촉매에 의하여 상기 연료와 물의 수증기 개질 반응을 통해 수소 가스를 발생시키는 연 료 전지 시스템용 개질기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 개질기 본체는 양측 단부가 개방된 관로 형태로 이루어지며, 일측 단부에 적어도 하나의 주입구를 갖는 제1 캡을 결합하고, 다른 일측 단부에 배출구를 갖는 제2 캡을 결합하여 구성되는 연료 전지 시스템용 개질기.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 개질 촉매가 상기 개질기 본체의 내부 공간에 펠릿 형태로 충전 형성되어 이루어지는 연료 전지 시스템용 개질기.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 히팅부재가 소정 전원에 의하여 발열되는 열선으로 구성되는 연료 전지 시스템용 개질기.
  8. 내부 공간에 히팅부재를 설치하고 개질 촉매를 충전 형성하여 구성되는 개질기;
    수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 전기 발생부;
    상기 개질기로 연료와 물을 공급하는 연료 공급원; 및
    상기 개질기 및 전기 발생부로 산소를 공급하는 산소 공급원
    을 포함하는 연료 전지 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 개질기는,
    상기 내부 공간을 형성하는 개질기 본체와,
    상기 히팅부재 및 연료와 산소의 반응을 통해 기설정된 온도 범위의 열 에너지를 발생시키는 열원부와,
    상기 열 에너지 및 개질 촉매에 의한 상기 연료와 물의 수증기 개질(Steam Reforming: SR) 반응을 통해 수소 가스를 발생시키는 개질 반응부를 포함하는 연료 전지 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    시스템의 초기 기동시, 상기 히팅부재가 상기 열 에너지를 발생시키는 구조의 연료 전지 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 시스템의 정상 운전시, 상기 연료와 산소의 자열(Auto-Thermal Reaction) 반응을 통해 상기 열 에너지를 발생시키는 구조의 연료 전지 시스템.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 개질기 본체는 양측 단부가 개방된 관로 형태로 이루어지며, 일측 단부에 적어도 하나의 주입구를 갖는 제1 캡을 결합하고, 다른 일측 단부에 배출구를 갖는 제2 캡을 결합하여 구성되는 연료 전지 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제1 캡은 상기 개질기 본체의 내부 공간으로 상기 연료와 물을 주입시키기 위한 제1 주입구와, 상기 내부 공간으로 산소를 주입시키기 위한 제2 주입구를 구비하는 연료 전지 시스템.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 개질 촉매가 상기 내부 공간에 펠릿 형태로 충전 형성되어 이루어지는 연료 전지 시스템.
  15. 제 8 항 내지 제 10 항 중에서 선택되는 어느 한 항에 있어서,
    상기 히팅부재가 소정 전원에 의하여 발열되는 열선으로 구성되는 연료 전지 시스템.
  16. 제 8 항에 있어서,
    상기 연료 공급원은,
    상기 연료와 물을 혼합하여 저장하는 연료 탱크와, 이 연료 탱크에 연결 설치되어 상기 연료와 물을 배출시키는 연료 펌프를 포함하는 연료 전지 시스템.
  17. 제 8 항에 있어서,
    상기 산소 공급원은 공기를 흡입하여 이 공기를 상기 개질기 및 전기 발생부로 공급하는 적어도 하나의 공기 펌프를 포함하는 연료 전지 시스템.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 산소 공급원은,
    상기 개질기와 연결 설치되는 제1 공기 펌프와, 상기 전기 발생부와 연결 설치되는 제2 공기 펌프를 포함하는 연료 전지 시스템.
  19. 제 8 항에 있어서,
    상기 전기 발생부를 복수로 구비하여 이들 전기 발생부의 집합체 구조에 의한 스택을 형성하는 연료 전지 시스템.
  20. 제 8 항에 있어서,
    시스템 구동을 실질적으로 제어하는 제어부를 포함하는 연료 전지 시스템.
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