KR20060095109A - 개질기용 미반응 연료 용해장치 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템 - Google Patents

개질기용 미반응 연료 용해장치 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템 Download PDF

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KR20060095109A
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김주용
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Abstract

본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 수소와 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키고 상기 수소와 산소의 결합 반응에 의해 생성되는 수분을 배출시키는 스택과, 열원에 의한 개질 반응을 통해 연료로부터 수소 가스를 발생시키고 상기 수소 가스와 함께 미반응된 연료를 배출시키는 개질기와, 상기 수소 가스 중에 함유된 일산화탄소의 선택적 산화 반응을 통해 상기 일산화탄소의 농도를 저감시키는 일산화탄소 정화기와, 상기 스택의 수분 배출부, 상기 개질기의 수소 가스 배출부 및 상기 일산화탄소 정화기의 수소 가스 주입부와 연결 설치되어 상기 수분에 의해 미반응 연료를 용해시키고 상기 수소 가스를 상기 일산화탄소 정화기로 공급하는 용해장치를 포함한다.
연료전지, 스택, 개질기, 일산화탄소정화기, 미반응연료, 수분, 용해장치, 용해조, 용해

Description

개질기용 미반응 연료 용해장치 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템 {NON-REACTIVE FUEL SOLUTION APPARATUS FOR REFORMER AND FUEL CELL SYSTEM WITH THE SAME}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시한 스택의 구성을 나타내 보인 분해 사시도이다.
도 3은 도 1에 도시한 개질기의 구성을 나타내 보인 단면 구성도이다.
도 4는 도 1에 도시한 일산화탄소 정화기의 구성을 나타내 보인 단면 구성도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 개질기용 미반응 연료 용해장치의 구성을 도시한 단면 구성도이다.
본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 개질기로부터 배출되는 미반응 연료를 용해시키는 용해장치에 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), 연료 처리장치, 연료 탱크, 및 연료 펌프 등을 구비한다. 이 중에서 상기 연료 처리장치는 열원에 의한 개질 촉매 반응을 통해 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키는 개질기와, 상기 수소 가스 중에 함유된 일산화탄소와 산소의 선택적 산화 반응을 통해 일산화탄소의 농도를 저감시키는 일산화탄소 정화기 예컨대, 통상적으로 널리 알려진 PROX(Preferential CO Oxidation) 반응기로 구성된다.
따라서, 이러한 연료 전지 시스템은 연료 펌프의 작동으로 연료 탱크 내의 연료를 개질기로 공급하고, 이 개질기에서 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키며, 일산화탄소 정화기에서 수소 가스 중에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시킨다. 그리고 상기 일산화탄소의 농도가 저감된 수소 가스를 스택으로 공급하고, 별도의 펌프 등을 통해 공기를 스택으로 공급한다. 그러면 스택에서는 상기 수소 가스 중의 수소와 공기 중에 함유된 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시킨다.
그런데, 종래의 연료 전지 시스템에 있어, 개질기는 상기한 연료의 개질 반응을 완전히 행해는 것이 곤란하여 수소 가스와 함께 미반응 연료를 배출시키고, 이 수소 가스와 미반응 연료를 일산화탄소 정화기로 공급하게 된다. 이러한 경우 일산화탄소 정화기에서는 상기 미반응 연료와 산소의 산화 반응에 의하여 불필요한 열을 발생시키는 바, 상기한 열에 의하여 일산화탄소 정화기에서 행해지는 PROX 반응의 활성이 저하되고 수소 가스가 소비되어 버리는 메탄화 반응이 일어나거나 일산화탄소 정화기를 손상시킬 염려가 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 감안한 것으로서, 그 목적은 개질기로부터 배출되는 미반응 연료를 스택으로부터 배출되는 수분으로서 용해시켜 미반응 연료가 일산화탄소 정화기로 공급되지 않도록 하는 개질기용 미반응 연료 용해장치 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템을 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 개질기용 미반응 연료 용해장치는, 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질기, 및 수소와 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 스택에 각각 연결 설치되어 상기 개질기로부터 배출되는 미반응 연료를 상기 스택에서 배출되는 수분으로서 용해시키기 위한 것으로서,
상기 미반응 연료와 상기 수분을 수용하는 밀폐 공간을 가지면서 상기 스택의 수분 배출부와 상기 개질기의 수소 가스 배출부에 각각 연결 설치되는 용해조를 포함한다.
본 발명에 따른 개질기용 미반응 연료 용해장치에 있어서, 상기 용해조는 상 기 수분 배출부와 실질적으로 연결 설치되는 제1 연결부와, 상기 수소 가스 배출부와 실질적으로 연결 설치되는 제2 연결부를 포함할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 개질기용 미반응 연료 용해장치에 있어서, 상기 용해조는 상기 수소 가스 중에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키기 위한 일산화탄소 정화기와 연결 설치되어, 상기 개질기로부터 미반응 연료와 함께 배출되는 수소 가스를 저장하고 이 수소 가스를 상기 일산화탄소 정화기로 공급하는 구조로 되어 있다. 이 경우 상기 용해조는 상기 일산화탄소 정화기의 수소 가스 주입부와 실질적으로 연결 설치되는 제3 연결부를 포함할 수 있다.
아울러 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 수소와 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키고 상기 수소와 산소의 결합 반응에 의해 생성되는 수분을 배출시키는 스택과, 열원에 의한 개질 반응을 통해 연료로부터 수소 가스를 발생시키고 상기 수소 가스와 함께 미반응된 연료를 배출시키는 개질기와, 상기 수소 가스 중에 함유된 일산화탄소의 선택적 산화 반응을 통해 상기 일산화탄소의 농도를 저감시키는 일산화탄소 정화기와, 상기 스택의 수분 배출부, 상기 개질기의 수소 가스 배출부 및 상기 일산화탄소 정화기의 수소 가스 주입부와 연결 설치되어 상기 수분에 의해 미반응 연료를 용해시키고 상기 수소 가스를 상기 일산화탄소 정화기로 공급하는 용해장치를 포함한다.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 용해장치는 상기 수분, 상기 미반응 연료 및 상기 수소 가스를 실질적으로 저장하는 용해조를 포함하며, 상기 용해조는 상기 수분 배출부와 실질적으로 연결 설치되는 제1 연결부와, 상기 수 소 가스 배출부와 실질적으로 연결 설치되는 제2 연결부와, 상기 수소 가스 주입부와 실질적으로 연결 설치되는 제3 연결부를 포함할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 개질기로 연료를 공급하는 연료 공급원과, 상기 스택 및 일산화탄소 정화기로 산소를 공급하는 산소 공급원을 포함한다.
그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 연료 공급원은 상기 연료를 저장하는 연료 탱크와, 이 연료 탱크에 연결 설치되어 상기 연료를 배출시키는 연료 펌프를 포함할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 개질기는 상기 연료 탱크로부터 공급되는 연료를 주입시키기 위한 연료 주입부를 포함하며, 이 경우 상기 연료 탱크와 상기 연료 주입부는 제1 공급라인에 의해 연결 설치될 수 있다.
그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 산소 공급원이 적어도 하나의 공기 펌프인 것이 바람직하다.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 스택과 일산화탄소 정화기는 상기 공기 펌프로부터 공급되는 공기를 주입시키기 위한 공기 주입부를 포함하며, 이 경우 상기 스택의 공기 주입부와 상기 공기 펌프는 제2 공급라인에 의해 연결 설치되며, 상기 일산화탄소 정화기의 공기 주입부와 상기 공기 펌프는 제3 공급라인에 의해 연결 설치될 수 있다.
그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 일산화탄소 정화기는 일산화탄소의 농도가 실질적으로 저감된 수소 가스를 배출시키기 위한 수소 가 스 배출부를 포함하며, 상기 스택은 상기 수소 가스를 주입시키기 위한 수소 가스 주입부를 포함하고, 이 경우 상기 수소 가스 배출부와 상기 수소 가스 주입부는 제4 공급라인에 의해 연결 설치될 수 있다.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 스택의 수분 배출부와 상기 제1 연결부가 제5 공급라인에 의해 연결 설치되고, 상기 개질기의 수소 가스 배출부와 상기 제2 연결부가 제6 공급라인에 의해 연결 설치되며, 상기 일산화탄소 정화기의 수소 가스 주입부와 상기 제3 연결부가 제7 공급라인에 의해 연결 설치될 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 블록도이다.
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 수소를 함유한 연료라 함은 메탄올, 에탄올 또는 천연 가스 등과 같이 액상 또는 기체 상태로 이루어진 연료를 통칭한다. 그러나 이하에서 설명하는 연료는 편의상 액상으로 이루어진 연료로 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 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 스택(10)과, 열원에 의한 개질 촉매 반응을 통해 상기한 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질기(20)와, 상기 열원을 발생시키고 이 열원을 개질기(20)에 제공하는 버너(30)와, 상기 수소 가스 중에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키고 이 수소 가스를 상기 스택(10)으로 공급하는 일산화탄소 정화기(40)와, 상기 연료를 개질기(20)로 공급하는 연료 공급원(60)과, 상기 스택(10)과 일산화탄소 정화기(40)로 산소를 공급하는 산소 공급원(70)을 포함하여 구성된다.
상기에서 스택(10)은 일산화탄소 정화기(40)로부터 공급받은 수소 가스와, 상기 산소 공급원(70)으로부터 공급받은 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 연료 전지(fuel cell)로 구성될 수 있다.
도 2는 도 1에 도시한 스택의 구성을 나타내 보인 분해 사시도이다.
도 2를 참고하면, 본 발명에 적용되는 스택(10)은 상기한 전기 에너지를 실질적으로 발생시키는 최소 단위의 전기 발생부(11)를 복수로 구비하고, 이들 전기 발생부(11)를 연속적으로 밀착 배치하여 이루어지는 전기 발생부의 집합체 구조로 서 형성된다.
구체적으로, 상기 전기 발생부(11)는 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode assembly: MEA)(이하, 'MEA'라고 한다.)(12)를 중심에 두고 이의 양면에 세퍼레이터(Separator)(당업계에서는 '바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)'라고도 한다.)(13)를 밀착 배치하여 구성될 수 있다.
상기 MEA(12)는 일면에 애노드 전극이 위치하고 다른 일면에 캐소드 전극(도시하지 않음)이 위치하며, 상기 두 전극 사이에 전해질막(도시하지 않음)이 위치하는 구조로 이루어져 있다. 여기서 상기 애노드 전극은 언급한 바 있는 수소 가스를 산화 반응시켜 수소를 수소 이온(프로톤)과 전자로 변환시키는 기능을 하게 된다. 캐소드 전극은 상기 애노드 전극으로부터 이동된 수소 이온과 별도로 공급되는 산소를 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 상기 세퍼레이터(13)는 수소 가스를 MEA(12)의 애노드 전극으로 공급하고 산소를 MEA(12)의 캐소드 전극으로 공급하는 수소 가스 및 산소 이동 채널을 형성하며, 상기 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체의 기능을 하게 된다.
이와 같이 전기 발생부(11)의 집합체 구조로 이루어지는 스택(10)의 최 외곽에는 상기한 복수의 전기 발생부(11)를 밀착시키는 별도의 가압 플레이트(15)를 설치할 수도 있다. 그러나 본 발명에 의한 스택(10)은 상기한 가압 플레이트(15)를 배제하고, 전기 발생부(11)의 최 외곽에 위치하는 세퍼레이터(13)가 상기 가압 플레이트의 역할을 대신하도록 구성할 수도 있다. 또한 상기 스택(10)은 가압 플레이트(15)가 복수의 전기 발생부(11)를 밀착시키는 기능 외에, 전술한 바 있는 세퍼레이터(13)의 고유한 기능을 갖도록 구성할 수도 있다.
이에 더하여, 상기 가압 플레이트(15)에는 수소 가스를 전기 발생부(11)로 공급하기 위한 제1 주입부(15a)와, 산소를 상기 전기 발생부(11)로 공급하기 위한 제2 주입부(15b)와, 이 전기 발생부(11)에서 반응하고 남은 수소 가스를 배출시키는 제1 배출부(15c)와, 상기 전기 발생부(11)에서 수소와 산소의 결합 반응에 의해 생성되는 수분을 배출시키는 제2 배출부(15d)를 형성하고 있다.
상기한 스택(10)으로 수소 가스를 제공하기 위하여 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질기(20)는, 열원에 의한 개질 촉매 반응 예컨대, 수증기 개질, 부분 산화 또는 자열 반응 등의 촉매 반응을 통해 상기한 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 통상적인 개질기의 구조로 이루어진다.
도 3은 도 1에 도시한 개질기의 구성을 나타내 보인 단면 구성도이다.
도 3을 참고하면, 상기 개질기(20)는 위의 개질 반응을 촉진시키기 위한 통상적인 개질 촉매(25)를 충전 형성하고 있는 원통형 관로 형태의 개질기 본체(21)를 구비한다.
이 개질기 본체(21)는 소정 단면적을 가지면서 실질적으로 양측 단부가 개방된 파이프 형태로 이루어진다. 상기 개질기 본체(21)는 외부에 노출되게 되므로 단열성을 갖는 통상적인 금속 또는 비금속 단열 소재로 형성될 수 있다. 이 때, 상기 개질기 본체(21)의 일측 단부에는 연료 공급원(60)으로부터 공급되는 연료를 이 개질기 본체(21)의 내부 공간으로 주입시키기 위한 연료 주입부(22)를 형성하고, 다른 일측 단부에는 개질 촉매(25)에 의한 연료의 개질 반응을 통해 발생되는 수소 가스와 함께 미반응된 연료를 배출시키기 위한 수소 가스 배출부(23)를 형성하고 있다. 대안으로서, 상기한 개질기 본체(21)는 원통형의 관로 형태로 이루어지는 것에 한정되지 않고, 반응 기판 상에 채널을 형성하고 이 채널의 내표면에 촉매층을 형성하는 통상적인 플레이트 타입의 반응기를 구비할 수도 있다.
그리고 상기 개질 촉매(25)는 알루미나(Al2O3), 실리카(SiO2) 또는 티타니아(TiO2)로 이루어진 펠릿(pellet) 형태의 담체에 통상적인 개질 촉매 물질을 담지하고 있는 구조로 이루어진다. 대안으로서, 상기 개질 촉매(25)는 위와 같이 펠릿 형태로 이루어지는 것에 한정되지 않고, 통상적인 하니콤(honey comb) 타입으로 형성될 수도 있다.
상기에서 언급한 바 있는 열원을 발생시키고 이 열원을 상기 개질기(20)에 제공하는 버너(30)는 도 1에 도시한 바와 같이, 개질기(20)와 실질적으로 연결 설치될 수 있다. 이러한 버너(30)는 공기와 함께 연료, 예컨대, 메탄올, 에탄올과 같은 액상의 연료 또는 메탄 가스, 프로판 가스와 같은 기체 상태의 연료를 산화 촉매에 의한 산화 반응을 통해 연소시켜 기설정된 온도 범위의 열원을 발생시키는 통상적인 구조의 버너를 구비한다. 대안으로서, 상기 버너(30)는 위와 같은 산화 반응 형태의 구조로 이루어지는 것에 한정되지 않고, 별도의 점화 장치를 채용하여 공기와 함께 전술한 바 있는 연료를 착화 연소시켜 열원을 발생시키는 통상적인 착화 연소 방식 구조의 버너를 구비할 수도 있다.
이상에서와 같이 개질기(20)와 버너(30)의 구동에 의하여 발생되는 수소 가스 중에는 미량의 일산화탄소를 함유하고 있는 바, 이러한 일산화탄소의 농도를 저감시키기 위한 일산화탄소 정화기(40)는, 상기 일산화탄소와, 산소 공급원(70)에 의해 공급되는 산소의 선택적 산화(Preferential CO Oxidation: PROX) 반응을 통해 상기 일산화탄소의 농도를 저감시키는 구조로 이루어진다.
도 4는 도 1에 도시한 일산화탄소 정화기의 구성을 나타내 보인 단면 구성도이다.
도 4를 참고하면, 상기 일산화탄소 정화기(40)는 소정 용적의 내부 공간을 갖는 원통형 관로 형태의 정화기 본체(41)와, 이 정화기 본체(41)의 내부 공간에 충전 형성되는 산화 촉매(45)를 구비한다.
상기 정화기 본체(41)는 소정 단면적을 가지면서 실질적으로 양측 단부가 개방된된 파이프 형태로 이루어진다. 이 때, 상기 정화기 본체(41)의 일측 단부에는 개질기(20)로부터 발생되는 수소 가스를 이 정화기 본체(41)의 내부 공간으로 주입시키기 위한 수소 가스 주입부(42)와, 산소 공급원(70)에 의해 공급되는 산소를 이 정화기 본체(41)의 내부 공간으로 주입시키기 위한 산소 주입부(43)를 형성하고 있다. 그리고 정화기 본체(41)의 다른 일측 단부에는 산화 촉매(45)에 의한 일산화탄소와 산소의 선택적 산화 반응을 통해 상기 일산화탄소의 농도가 저감된 수소 가스를 배출시키기 위한 수소 가스 배출부(44)를 형성하고 있다. 이 때 상기 정화기 본 체(41)의 수소 가스 배출부(44)와 스택(10)의 제1 주입부(15a)는 파이프 형태의 제4 공급라인(94)에 의해 연결될 수 있다.
그리고 상기한 산화 촉매(45)는 언급한 바 있는 일산화탄소와 산소의 선택적 산화 반응을 촉진시키기 위한 것으로서, 알루미나(Al2O3), 실리카(SiO2) 또는 티타니아(TiO2)로 이루어진 펠릿(pellet) 형태의 담체에 통상적인 산화 촉매 물질을 담지하고 있는 구조로 이루어진다. 대안으로서, 상기 산화 촉매(45)는 위와 같이 펠릿 형태로 이루어지는 것에 한정되지 않고, 통상적인 하니콤(honey comb) 타입으로 형성될 수도 있다.
한편, 전술한 바 있는 개질기(20)로 연료를 공급하는 연료 공급원(60)은 도 1에 도시한 바와 같이, 연료를 저장하는 연료 탱크(61)와, 이 연료 탱크(61)에 연결 설치되어 상기 연료를 배출시키는 연료 펌프(63)를 포함하고 있다. 이 때 상기 연료 탱크(61)는 파이프 형태의 제1 공급라인(91)에 의하여 개질기(20)의 연료 주입부(22)와 연결 설치될 수 있다.
그리고 스택(10)과 일산화탄소 정화기(40)로 산소를 각각 공급하기 위한 산소 공급원(70)은 도 1에 도시한 바와 같이, 소정 펌핑력으로 공기를 흡입하여 이 공기를 상기 스택(10)의 제2 주입부(15b) 및 일산화탄소 정화기(40)의 산소 주입부(43)로 각각 공급하는 공기 펌프(71)를 포함하고 있다. 이 때 상기 스택(10)의 제2 주입부(15b)와 공기 펌프(71)는 파이프 형태의 제2 공급라인(92)에 의해 연결 설치되며, 상기 일산화탄소 정화기(40)의 산소 주입부(43)와 공기 펌프(71)는 제3 공급 라인(93)에 의해 연결 설치될 수 있다.
본 실시예에서, 상기 공기 공급원(70)은 도면에서와 같이, 단일의 공기 펌프(71)를 통해 스택(10)과 일산화탄소 정화기(40)로 공기를 공급하는 구조로 되어 있으나, 이에 한정되지 않고 상기 스택(10) 및 일산화탄소 정화기(40)에 대하여 각각 연결 설치되는 한 쌍의 공기 펌프를 구비할 수도 있다.
이와 같이 구성되는 본 시스템(100)에, 본 발명에 따른 개질기용 미반응 연료 용해장치(80)가 제공되는 바, 이 용해장치(80)는 개질기(20)로부터 배출되는 미반응 연료를 스택(10)으로부터 배출되는 수분으로서 용해시키고, 상기 미반응 연료와 함께 배출되는 수소 가스를 일산화탄소 정화기(40)로 공급하는 구조로 이루어진다(도 1 참조).
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 개질기용 미반응 연료 용해장치의 구성을 도시한 단면 구성도이다.
도 1 및 도 5를 참고하면, 본 실시예에 의한 상기 용해장치(80)는 개질기(20)의 수소 가스 배출부(23), 스택(10)의 제2 배출부(15d) 및 일산화탄소 정화기(40)의 수소 가스 주입부(42)와 연결 설치되는 용해조(81)를 포함한다.
이 용해조(81)는 상기 개질기(20)의 수소 가스 배출부(23)를 통해 수소 가스와 함께 배출되는 미반응 연료와, 상기 스택(10)의 제2 배출부(15d)를 통해 배출되는 수분을 실질적으로 저장하는 밀폐 용기 형태로서 구성된다. 이러한 용해조(81)는 액상으로 이루어진 미반응 연료 및 수분과, 기체 상태의 수소 가스를 서로 분리하여 저장하고, 상기 수소 가스를 일산화탄소 정화기(40)로 공급할 수 있는 구조로 이루어진다.
이를 위해 상기 용해조(81)는 개질기(20)의 수소 가스 배출부(23)와 연결되는 주입구 형태의 제1 연결부(82)와, 스택(10)의 제2 배출부(15d)와 연결되는 주입구 형태의 제2 연결부(83)와, 일산화탄소 정화기(40)의 수소 가스 주입부(42)와 연결되는 배출구 형태의 제3 연결부(84)를 형성하고 있다.
여기서 상기 개질기(20)의 수소 가스 배출부(23)와 제1 연결부(82)는 파이프 형태의 제5 공급라인(95)에 의하여 연결 설치되며, 상기 스택(10)의 제2 배출부(15d)와 제2 연결부(83)는 파이프 형태의 제6 공급라인(96)에 의해 연결 설치되며, 상기 일산화탄소 정화기(40)의 수소 가스 주입부(42)와 제3 연결부(84)는 파이프 형태의 제7 공급라인(97)에 의하여 연결 설치될 수 있다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)의 작용시, 스택(10)은 전기 발생부(11)에서 수소와 산소의 결합 반응에 의해 생성되는 수분을 제2 배출부(15d)를 통해 배출시킨다. 따라서 상기 수분은 제6 공급라인(96)을 통해 용해조(81)의 내부 공간으로 유입되어 상기 내부 공간에 저장되게 된다.
이러는 과정을 거치는 동안, 개질기(20)는 연료 공급원(60)으로부터 연료를 공급받아 이 연료의 개질 반응을 통해 수소 가스를 발생시키는 바, 개질기 본체(21) 내부에서 반응하고 남은 미반응 연료와 함께 상기 수소 가스를 수소 가스 배출부(23)를 통해 배출시킨다. 따라서 상기 수소 가스와 미반응 연료는 제5 공급라인(95)을 통해 용해조(81)의 내부 공간으로 유입되어 상기 내부 공간에 저장되게 된다.
따라서 상기 미반응 연료는 수분에 의하여 용해되고, 상기 수소 가스는 제7 공급라인(97)을 통해 일산화탄소 정화기(40)의 정화기 본체(41) 내부로 공급된다. 이와 동시에, 공기 펌프(71)의 가동에 의하여 공기를 상기 정화기 본체(41) 내부로 공급한다. 이에 상기 일산화탄소 정화기(40)에서는 수소 가스 중에 함유된 일산화탄소와 상기 공기 중에 함유된 산소의 선택적 산화 반응을 통해 일산화탄소의 농도를 저감시키고, 상기 일산화탄소의 농도가 저감된 수소 가스를 스택(10)의 전기 발생부(11)로 공급한다. 그러면 상기 스택(10)은 전기 발생부(11)에 의한 수소와 산소의 반응을 통해 기설정된 출력량의 전기 에너지를 소정 로드 예컨대, 노트북, PDA와 같은 휴대용 전자기기 또는 이동통신 단말기기로 출력시킬 수 있게 된다.
이로써 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)은 이와 같은 일련 반복적인 과정을 통해 개질기(20)로부터 배출되는 미반응 연료를 용해시켜 이 미반응 연료가 일산화탄소 정화기(40)로 공급되는 것을 방지하고, 기체 상태의 수소 가스 만을 일산화탄소 정화기(40)로 공급할 수 있게 된다. 그리고 개질기(20)로부터 배출되는 수소 가스를 용해조(81)를 통하여 냉각시킨 상태에서 일산화탄소 정화기(40)로 공급하게 되므로, 일산화탄소와 산소의 선택적 산화(PROX) 반응에 대한 선택성을 더욱 향상시킬 수 있다.
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, 개질기로부터 배출되는 미반응 연료를 스택으로부터 배출되는 수분으로서 용해시키는 용해장치를 구비하므로, 미반응 연료가 일산화탄소 정화기로 공급되지 않게 한다. 따라서 일산화탄소 정화기에서 미반응 연료와 산소의 산화 반응에 의한 불필요한 열을 발생시키지 않으므로, 일산화탄소와 산소의 선택적 산화 반응을 더욱 활성화시키며, 일산화탄소 정화기 및 전체 시스템의 성능 및 수명을 더욱 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (15)

  1. 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질기, 및 수소와 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 스택에 각각 연결 설치되어 상기 개질기로부터 배출되는 미반응 연료를 상기 스택에서 배출되는 수분으로서 용해시키기 위한 개질기용 미반응 연료 용해장치에 관한 것으로서,
    상기 미반응 연료와 상기 수분을 수용하는 밀폐 공간을 가지면서 상기 스택의 수분 배출부와 상기 개질기의 수소 가스 배출부에 각각 연결 설치되는 용해조
    를 포함하는 개질기용 미반응 연료 용해장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 용해조는,
    상기 수분 배출부와 실질적으로 연결 설치되는 제1 연결부와,
    상기 수소 가스 배출부와 실질적으로 연결 설치되는 제2 연결부를 포함하는 개질기용 미반응 연료 용해장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 용해조는 상기 수소 가스 중에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키기 위한 일산화탄소 정화기와 연결 설치되어, 상기 개질기로부터 미반응 연료와 함께 배출되는 수소 가스를 저장하고 이 수소 가스를 상기 일산화탄소 정화기로 공급하 는 구조의 개질기용 미반응 연료 용해장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 용해조는 상기 일산화탄소 정화기의 수소 가스 주입부와 실질적으로 연결 설치되는 제3 연결부를 포함하는 개질기용 미반응 연료 용해장치.
  5. 수소와 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키고, 상기 수소와 산소의 결합 반응에 의해 생성되는 수분을 배출시키는 스택;
    열원에 의한 개질 반응을 통해 연료로부터 수소 가스를 발생시키고, 상기 수소 가스와 함께 미반응된 연료를 배출시키는 개질기;
    상기 수소 가스 중에 함유된 일산화탄소의 선택적 산화 반응을 통해 상기 일산화탄소의 농도를 저감시키는 일산화탄소 정화기; 및
    상기 스택의 수분 배출부, 상기 개질기의 수소 가스 배출부 및 상기 일산화탄소 정화기의 수소 가스 주입부와 연결 설치되어 상기 수분에 의해 미반응 연료를 용해시키고 상기 수소 가스를 상기 일산화탄소 정화기로 공급하는 용해장치
    를 포함하는 연료 전지 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 용해장치는 상기 수분, 상기 미반응 연료 및 상기 수소 가스를 실질적으로 저장하는 용해조를 포함하며,
    상기 용해조는 상기 수분 배출부와 실질적으로 연결 설치되는 제1 연결부와, 상기 수소 가스 배출부와 실질적으로 연결 설치되는 제2 연결부와, 상기 수소 가스 주입부와 실질적으로 연결 설치되는 제3 연결부를 포함하는 연료 전지 시스템.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 개질기로 연료를 공급하는 연료 공급원과, 상기 스택 및 일산화탄소 정화기로 산소를 공급하는 산소 공급원을 포함하는 연료 전지 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 연료 공급원은 상기 연료를 저장하는 연료 탱크와, 이 연료 탱크에 연결 설치되어 상기 연료를 배출시키는 연료 펌프를 포함하는 연료 전지 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 개질기는 상기 연료 탱크로부터 공급되는 연료를 주입시키기 위한 연료 주입부를 포함하며,
    상기 연료 탱크와 상기 연료 주입부가 제1 공급라인에 의해 연결 설치되는 연료 전지 시스템.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 산소 공급원이 적어도 하나의 공기 펌프인 연료 전지 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 스택과 일산화탄소 정화기는 상기 공기 펌프로부터 공급되는 공기를 주입시키기 위한 공기 주입부를 포함하며,
    상기 스택의 공기 주입부와 상기 공기 펌프가 제2 공급라인에 의해 연결 설치되며, 상기 일산화탄소 정화기의 공기 주입부와 상기 공기 펌프가 제3 공급라인에 의해 연결 설치되는 연료 전지 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 일산화탄소 정화기는 일산화탄소의 농도가 실질적으로 저감된 수소 가스를 배출시키기 위한 수소 가스 배출부를 포함하며,
    상기 스택은 상기 수소 가스를 주입시키기 위한 수소 가스 주입부를 포함하고,
    상기 수소 가스 배출부와 상기 수소 가스 주입부가 제4 공급라인에 의해 연결 설치되는 연료 전지 시스템.
  13. 제 6 항에 있어서,
    상기 스택의 수분 배출부와 상기 제1 연결부가 제5 공급라인에 의해 연결 설치되는 연료 전지 시스템.
  14. 제 6 항 또는 제 13 항에 있어서,
    상기 개질기의 수소 가스 배출부와 상기 제2 연결부가 제6 공급라인에 의해 연결 설치되는 연료 전지 시스템.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 일산화탄소 정화기의 수소 가스 주입부와 상기 제3 연결부가 제7 공급라인에 의해 연결 설치되는 연료 전지 시스템.
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