KR20060102130A

KR20060102130A - 연료 공급장치 및 연료 전지 시스템

Info

Publication number: KR20060102130A
Application number: KR1020050024048A
Authority: KR
Inventors: 김주용; 공상준; 조은숙
Original assignee: 삼성에스디아이 주식회사
Priority date: 2005-03-23
Filing date: 2005-03-23
Publication date: 2006-09-27

Abstract

본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 수소와 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 전기 발생부와, 열 에너지에 의한 개질 촉매 반응을 통해 액상의 연료로부터 수소 가스를 발생시키고 이 수소 가스를 상기 전기 발생부로 공급하는 개질기와, 공기와 함께 기체 연료를 연소시켜 상기 열 에너지를 발생시키고 이 열 에너지를 상기 개질기에 제공하는 버너와, 상기 기체 연료와 공기를 상기 버너로 공급하고 상기 액상의 연료를 상기 개질기로 공급하는 연료 공급장치와, 상기 전기 발생부로 공기를 공급하는 공기 공급부를 포함하며, 상기 연료 공급장치가, 상기 기체 연료, 공기 및 액상의 연료를 각각 저장하는 저장 공간을 형성하고, 이 기체 연료와 공기의 압력을 상기 액상의 연료에 제공하는 구조로 이루어진다.

연료전지, 퓨얼셀, 스택, 버너, 개질기, 공기공급부, 연료공급장치, 실린더부재, 스토리지부, 격벽부재, 압력전달부재

Description

연료 공급장치 및 연료 전지 시스템 {FUEL SUPPLY APPARATUS AND FUEL CELL SYSTEM}

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 연료 공급장치의 구조를 개략적으로 도시한 사시도이다.

도 4는 도 3의 단면 구성도이다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료 공급장치 구조를 개략적으로 도시한 단면 구성도이다.

본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 버너 및 개질기로 연료를 공급하는 연료 공급장치에 관한 것이다.

알려진 바와 같이, 연료 전지(Fuel Cell)는 메탄올, 에탄올, 천연 가스와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와, 별도로 공급되는 산소의 화 학 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 중에서 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) 등을 구비한다. 스택은 연료 전지의 본체를 형성하며, 개질기는 액상의 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키고 이 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 액상의 연료를 공급받아 열 에너지에 의한 화학 촉매 반응을 통해 상기 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 바, 이에 종래의 연료 전지 시스템은 상기 개질기로 기설정된 온도 범위의 열 에너지를 제공하는 버너를 구비하고 있다. 이러한 버너는 공기와 함께 기체 연료를 연소시켜 열 에너지를 발생시키는 구조로 이루어진다.

그리고 종래의 연료 전지 시스템은 상기 버너로 기체 연료와 공기를 공급하고 상기 개질기로 액상의 연료를 공급하는 연료 공급장치를 구비하는 바, 이 연료 공급장치는 기체 연료를 버너로 공급하는 제1 펌프와, 공기를 버너로 공급하는 제2 펌프와, 액상의 연료를 개질기로 공급하는 제3 펌프를 구비하고 있다.

한편, 이와 같은 구조를 갖는 연료 전지 시스템은 스택에 의해 생산되는 전력을 다시 소모하여 전체적인 시스템을 구동하기 때문에, 그 구동에 필요한 만큼의 기생전력을 발생시킨다.

그런데, 종래에 따른 연료 전지 시스템은 상술한 바와 같이, 버너로 기체 연료와 공기를 공급하고 개질기로 액상의 연료를 공급하기 위한 각각의 펌프를 구비하는 바, 이 펌프들을 구동시키기 위한 기생전력이 증가함에 따라 전체적인 시스템 성능 및 에너지 효율이 저하되는 문제점이 있었다.

또한 종래의 연료 전지 시스템은 위와 같은 펌프들의 설치 공간이 필요하게 되므로, 전체적인 시스템의 크기를 컴팩트하게 구현하지 못하게 되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상술한 문제점을 감안한 것으로서, 그 목적은 간단한 구조로서 기체 연료와 공기를 버너로 공급하고, 액상의 연료를 개질기로 공급할 수 있는 연료 공급장치 및 이를 채용한 연료 전지 시스템을 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료 공급장치는, 기체 연료를 저장하는 제1 스토리지부와, 공기를 저장하는 제2 스토리지부와, 액상의 연료를 저장하는 제3 스토리지부를 각각 형성하는 실린더부재와,

상기 제1 스토리지부와 제2 스토리지부를 각각 구획하는 격벽부재와,

상기 제1,2 스토리지부와 상기 제3 스토리지부를 각각 구획하면서 상기 기체 연료와 공기의 압력을 상기 액상의 연료에 제공하는 압력 전달부재를 포함한다.

본 발명에 따른 연료 공급장치는, 상기 격벽부재가 상기 실린더부재의 내벽 및 상기 압력 전달부재에 부착 설치되는 구조로 되어 있다.

또한 본 발명에 따른 연료 공급장치는, 상기 압력 전달부재가 상기 실린더부재의 내벽에 부착 설치되는 구조로 되어 있다.

그리고 본 발명에 따른 연료 공급장치는, 상기 압력 전달부재가 상기 기체 연료와 공기의 압력에 의해 탄성 변형되는 신축성을 지니고 형성될 수 있다.

또한 본 발명에 따른 연료 공급장치에 있어서, 상기 실린더부재는, 상기 제1 스토리지부에 저장된 상기 기체 연료를 배출시키는 제1 배출구와, 상기 제2 스토리지부에 저장된 상기 공기를 배출시키는 제2 배출구와, 상기 제3 스토리지부에 저장된 상기 액상의 연료를 배출시키는 제3 배출구를 형성할 수 있다.

그리고 본 발명에 따른 연료 공급장치에 있어서, 상기 실린더부재는, 상기 제1 스토리지부로 상기 기체 연료를 주입시키기 위한 제1 주입구와, 상기 제2 스토리지부로 상기 공기를 주입시키기 위한 제2 주입구와, 상기 제3 스토리지부로 상기 액상의 연료를 주입시키기 위한 제3 주입구를 형성할 수도 있다.

아울러 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템 은, 수소와 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 전기 발생부와, 열 에너지에 의한 개질 촉매 반응을 통해 액상의 연료로부터 수소 가스를 발생시키고 이 수소 가스를 상기 전기 발생부로 공급하는 개질기와, 공기와 함께 기체 연료를 연소시켜 상기 열 에너지를 발생시키고 이 열 에너지를 상기 개질기에 제공하는 버너와, 상기 기체 연료와 공기를 상기 버너로 공급하고 상기 액상의 연료를 상기 개질기로 공급하는 연료 공급장치와, 상기 전기 발생부로 공기를 공급하는 공기 공급부를 포함하며,

상기 연료 공급장치가, 상기 기체 연료, 공기 및 액상의 연료를 각각 저장하는 저장 공간을 형성하고, 이 기체 연료와 공기의 압력을 상기 액상의 연료에 제공하는 구조로 이루어진다.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 연료 공급장치가 카트리지 형태로 이루어지는 것이 바람직하다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 연료 공급장치는, 상기 기체 연료를 저장하는 제1 스토리지부와, 상기 공기를 저장하는 제2 스토리지부와, 상기 액상의 연료를 저장하는 제3 스토리지부를 각각 형성하는 실린더부재와,

상기 제1,2 스토리지부와 상기 제3 스토리지부를 각각 구획하면서 상기 기체 연료와 공기의 압력을 상기 액상의 연료에 제공하는 압력 전달부재를 포함하여 구성된다.

그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 압력 전달부재가 상기 기 체 연료와 공기의 압력에 의하여 탄성 변형되는 신축성을 지니고 형성될 수 있다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 실린더부재는, 상기 제1 스토리지부에 저장된 상기 기체 연료를 배출시키는 제1 배출구와, 상기 제2 스토리지부에 저장된 상기 공기를 배출시키는 제2 배출구와, 상기 제3 스토리지부에 저장된 상기 액상의 연료를 배출시키는 제3 배출구를 형성할 수 있다.

그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 실린더부재는, 상기 제1 스토리지부로 상기 기체 연료를 주입시키기 위한 제1 주입구와, 상기 제2 스토리지부로 상기 공기를 주입시키기 위한 제2 주입구와, 상기 제3 스토리지부로 상기 액상의 연료를 주입시키기 위한 제3 주입구를 형성할 수도 있다.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 공기 공급부가 공기 펌프인 것이 바람직하다.

그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 전기 발생부를 복수로 구비하여 이들 전기 발생부의 집합체 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.

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

상기한 연료 전지 시스템(100)에 있어 전기를 발생시키기 위한 연료라 함은 수소를 함유하고 있는 메탄올, 에탄올 또는 메탄 가스, 프로판 가스 등과 같이 액상 또는 기체 상태로 이루어진 연료를 의미한다.

그리고 본 시스템(100)은 상기 연료에 함유된 수소와 반응하는 산화제 가스로서 별도의 저장수단에 저장된 산소 가스를 사용할 수 있으며, 산소를 함유한 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 전기 발생부(11)와, 열 에너지에 의한 화학 촉매 반응을 통해 전술한 바 있는 액상의 연료로부터 수소 가스를 발생시키고 이 수소 가스를 상기 전기 발생부(11)로 공급하는 개질기(20)와, 공기와 함께 전술한 바 있는 기체 연료를 연소시켜 상기 열 에너지를 발생시키고 이 열 에너지를 상기 개질기(20)에 제공하는 버너(30)와, 상기 기체 연료와 공기를 버너(30)로 공급하고 상기 액상의 연료를 개질기(20)로 각각 공급하는 연료 공급장치(50)와, 상기 전기 발생부(11)로 공기를 공급하는 공기 공급부(70)를 포함하여 구성된다.

도 2는 도 1에 도시한 스택 구조를 나타내 보인 분해 사시도로서, 이 스택을 구성하는 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 발명에서는 위와 같은 최소 단위의 전기 발생부(11)를 복수로 구비하고, 이들을 연속 배치함으로써 전기 발생부(11)들의 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. 상기 애노드 전극은 수소를 산화 반응시켜 수소 이온(프로톤)과 전자로 변환시키는 기능을 하게 된다. 캐소드 전극은 상기 수소 이온과 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 세퍼레이터(16)는 막-전극 어셈블리(12)의 양측에 수소와 산소를 공급하는 기능 이 외에, 상기 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체의 기능도 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 개질기(20)는 열원에 의한 개질 촉매 반응 예컨대, 수증기 개질, 부분 산화 또는 자열 반응 등의 촉매 반응을 통해 상기한 액상의 연료로 부터 수소 가스를 발생시키고, 이 수소 가스를 스택(10)의 전기 발생부(11)로 공급할 수 있는 통상적인 개질기 구조로 이루어진다. 이 때 상기 개질기(20)는 위의 개질 반응을 촉진시키기 위한 통상적인 개질 촉매를 충전 형성하고 있는 원통형의 반응기를 구비할 수 있으며, 반응 기판 상에 채널을 형성하고 이 채널의 내표면에 촉매층을 형성하는 플레이트 타입의 반응기를 구비할 수도 있다.

상기한 열원을 개질기(20)에 제공하는 버너(30)는 개질기(20)와 연결 설치되는 것으로, 공기와 함께 메탄 가스 또는 프로판 가스 등과 같은 기체 상태의 연료를 산화 촉매에 의한 산화 반응을 통해 연소시켜 기설정된 온도 범위의 열 에너지를 발생시키는 통상적인 산화 방식의 버너를 구비한다. 이러한 버너(30)는 위의 개질기(20)와 같이 산화 촉매를 충전 형성하고 있는 원통형의 반응기 또는 반응 기판 상에 채널을 형성하고 이 채널의 내표면에 산화 촉매층을 형성하는 플레이트 타입의 반응기를 구비할 수 있다. 이와 같은 버너(30)의 구성은 통상적인 산화 방식의 버너 구성으로 이루어질 수 있으므로, 본 명세서에서 그 자세한 설명은 생략하기로 한다.

대안으로서, 상기한 버너(30)는 위와 같은 구조로 이루어지는 것에 한정되지 않고, 별도의 점화 장치를 채용하여 공기와 함께 전술한 바 있는 기체 연료를 착화 연소시켜 열원을 발생시키는 통상적인 구조의 버너를 구비할 수도 있다.

그리고 본 실시예에 의한 연료 공급장치(50)는 전술한 바 있는 기체 연료, 공기 및 액상의 연료를 각각 저장하는 저장 공간을 형성하고, 이 기체 연료와 공기의 압력을 상기 액상의 연료에 제공할 수 있는 구조로 이루어진다. 부연 설명하면, 상기 연료 공급장치(50)는 기체 연료와 공기를 압축 저장하여 이 기체 연료와 공기 자체의 압력에 의해 언급한 바 있는 버너(30)로 상기 기체 연료와 공기를 공급하고, 상기 기체 연료와 공기의 압력을 액상의 연료에 제공하여 이 액상의 연료를 개질기(20)로 공급할 수 있는 구조를 갖는다. 이와 같은 본 실시예에 따른 연료 공급장치(50)의 구조는 도 3 및 도 4를 참조하여 뒤에서 더욱 설명하기로 한다.

본 발명에 있어 공기 공급부(70)는 공기를 흡입하여 이 공기를 스택(10)의 전기 발생부(11)로 공급할 수 있는 공기 펌프(71)를 포함한다. 대안으로서, 상기한 공기 공급부(70)는 펌프를 구비하는 것에 한정되지 않고, 통상적인 팬 또는 블로워 등을 구비할 수도 있다.

이하에서는, 본 발명에 따른 연료 공급장치(50)의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료 공급장치의 구조를 개략적으로 도시한 사시도이고, 도 4는 도 3의 단면 구성도이다.

도면을 참고하면, 본 실시예에 의한 연료 공급장치(50)는 연료 전지 시스템에 착탈 가능하게 설치되는 카트리지 형태로 이루어지며, 종래와 달리 펌프를 사용하지 않으면서 기체 연료와 공기를 버너(30: 도 1)로 공급하고, 액상의 연료를 개질기(20: 도 1)로 공급할 수 있는 구조로 이루어진다.

이를 위한 상기 연료 공급장치(50)는 기체 연료, 공기 및 액상의 연료를 각각 저장할 수 있는 서로 독립된 내부 공간을 가진 실린더부재(51)와, 상기 기체 연료와 공기의 저장 공간을 각각 구획하는 격벽부재(56)와, 상기 액상의 연료를 저장 할 수 있는 저장 공간을 구획하면서 상기 기체 연료와 공기의 압력을 상기 액상의 연료에 제공하는 압력 전달부재(58)를 포함하여 구성된다.

이 실린더부재(51)는 소정 용적의 내부 공간을 갖는 밀폐 용기로서, 기체 연료를 압축하여 저장하는 제1 스토리지부(52)와, 공기를 압축하여 저장하는 제2 스토리지부(53)와, 액상의 연료를 저장하는 제3 스토리지부(54)를 형성하고 있다.

이러한 제1 스토리지부(52) 및 제2 스토리지부(53)는 전술한 바 있는 격벽부재(56)에 의하여 각각 구획 형성될 수 있다. 그리고 제1,2 스토리지부(52, 53)와 제3 스토리지부(54)는 전술한 바 있는 압력 전달부재(58)에 의하여 각각 구획 형성될 수 있다.

본 발명에 있어, 상기 압력 전달부재(58)는 제1,2 스토리지부(52, 53)와 제3 스토리지부(54)가 서로 독립적인 저장 공간을 형성하도록 실린더부재(51) 내부의 대략 중간 지점에 상응하는 내벽에 부착 설치될 수 있다.

그리고 상기 격벽부재(56)는 제1 스토리지부(52) 및 제2 스토리지부(53)가 서로 독립적인 저장 공간을 형성하도록 실린더부재(51)의 내벽 및 압력 전달부재(58)에 부착 설치될 수 있다.

도면에서, 상기 압력 전달부재(58)는 실린더부재(51)의 내부에서 수평 방향으로 배치되며, 이의 가장자리 부분이 실린더부재(51)의 내벽에 부착 설치되고 있다. 그리고 상기 격벽부재(56)는 압력 전달부재(58)에 의해 구획된 실린더부재(51) 내부의 상측 공간에 상기 압력 전달부재(58)와 수직하는 방향으로 배치되며, 이의 가장자리 부분이 실린더부재(51)의 내벽 및 압력 전달부재(58)의 상면에 부착 설치 되고 있다.

본 실시예에서, 상기 압력 전달부재(58)는 제1 스토리지부(52)에 압축 저장된 기체 연료와, 제2 스토리지부(53)에 압축 저장된 공기의 고유한 압력에 의하여 제3 스토리지부(54)의 내부 공간으로 만곡지게 굴곡되면서 탄성 변형될 수 있는 신축성을 지닌 소재 예컨대, 고무 소재 등으로 형성될 수 있다. 이와 같은 압력 전달부재(58)는 상기한 기체 연료와 공기의 압력에 의해 제3 스토리지부(54)의 내부 공간으로 탄성 변형되면서 상기 제3 스토리지부(54)에 저장된 액상의 연료를 배출시키는 기능을 하게 된다.

이와 같은 구조의 연료 공급장치(50)에 있어, 상기 제1 스토리지부(52)는 기체 연료의 압력을 압력 전달부재(58)를 통하여 액상의 연료에 제공함과 동시에, 기체 연료 자체의 압력에 의하여 상기한 기체 연료를 배출시킬 수 있는 구조로 이루어진다. 이를 위해 상기 제1 스토리지부(52)에는 이 제1 스토리지부(52)의 내부 공간에 저장된 기체 연료를 배출시키기 위한 제1 배출구(52a)를 형성하고 있다. 이 때 상기 제1 배출구(52a)는 제1 파이프 라인(55a)을 통해 버너(30)와 연결 설치될 수 있다. 이에 더하여 상기 제1 파이프 라인(55a) 상에는 컨트롤유닛(도시하지 않음)에 의해 제어되어 상기한 제1 배출구(52a)를 선택적으로 개폐시키기 위한 제1 밸브체(V1)를 설치하고 있다(도 1 참조).

상기 제2 스토리지부(53)는 공기의 압력을 압력 전달부재(58)를 통하여 액상의 연료에 제공함과 동시에, 공기 자체의 압력에 의하여 상기한 공기를 배출시킬 수 있는 구조로 이루어진다. 이를 위해 상기 제2 스토리지부(53)에는 이 제2 스토 리지부(53)의 내부 공간에 저장된 공기를 배출시키기 위한 제2 배출구(53a)를 형성하고 있다. 이 때 상기 제2 배출구(53a)는 제2 파이프 라인(55b)을 통해 버너(30)와 연결 설치될 수 있다. 이에 더하여 상기 제2 파이프 라인(55b) 상에는 컨트롤유닛에 의해 제어되어 상기한 제2 배출구(53a)를 선택적으로 개폐시키기 위한 제2 밸브체(V2)를 설치하고 있다(도 1 참조).

그리고 상기 제3 스토리지부(54)는 압력 전달부재(58)를 통해 기체 연료와 공기의 압력을 제공받아 상기한 압력에 의하여 이 제3 스토리지부(54)의 내부 공간에 저장된 액상의 연료를 배출시킬 수 있는 구조로 이루어진다. 이를 위해 상기 제3 스토리지부(54)에는 이 제3 스토리지부(54)의 내부 공간에 저장된 액상의 연료를 배출시키기 위한 제3 배출구(54a)를 형성하고 있다. 이 때 상기 제3 배출구(54a)는 제3 파이프 라인(55c)을 통해 개질기(20)와 연결 설치될 수 있다. 이에 더하여 상기 제3 파이프 라인(55c) 상에는 컨트롤유닛에 의해 제어되어 상기한 제3 배출구(54a)를 선택적으로 개폐시키기 위한 제3 밸브체(V3)를 설치하고 있다(도 1 참조).

상기와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 동작을 상세히 설명하면 다음과 같다.

우선, 제1 스토리지부(52)의 내부 공간에 기체 연료를 압축 저장하고, 제2 스토리지부(53)의 내부 공간에 공기를 압축 저장하고 있으며, 제3 스토리지부(54)의 내부 공간에 액상의 연료를 저장하고 있는 실린더부재(51)를 본 발명의 시스템(100)에 카트리지 식으로 장착한다.

이러한 경우 실린더부재(51) 내부의 압력 전달부재(58)는 제1,2 스토리지부 (52, 53)에 저장된 기체 연료와 공기 자체의 압력에 의하여 도 4에 가상선으로 도시한 바와 같이, 제3 스토리지부(54)의 내부 공간으로 탄성 변형된 상태에 있다. 즉, 상기한 압력 전달부재(58)의 탄성 변형에 의하여 기체 연료와 공기의 압력이 액상의 연료에 제공되고 있는 상태에 있다. 그리고 제1,2,3 밸브체(V1, V2, V3)는 컨트롤유닛에 의해 제어되어 각 스토리지부(52, 53, 54)의 제1,2,3 배출구(52a, 53a, 54a)를 폐쇄시킨 상태에 있다.

이와 같은 상태에서, 컨트롤유닛을 통해 제1 밸브체(V1)를 조작하여 제1 스토리지부(52)의 제1 배출구(52a)를 개방시킨다. 그러면, 제1 스토리지부(52)의 내부 공간에 저장된 기체 연료는 자체의 압력에 의하여 제1 파이프 라인(55a)을 통해 버너(30)로 공급된다.

이와 동시에, 제2 밸브체(V2)를 조작하여 제2 스토리지부(53)의 제2 배출구(53a)를 개방시킨다. 그러면 제2 스토리지부(53)의 내부 공간에 저장된 공기는 자체의 압력에 의하여 제2 파이프 라인(55b)을 통해 버너(30)로 공급된다.

이에 따라 상기한 버너(30)는 산화 촉매에 의한 기체 연료와 공기의 산화 반응을 통해 이 기체 연료와 공기를 연소시킴으로써, 기설정된 온도 범위의 열 에너지를 발생시키고, 이 열 에너지를 개질기(20)에 제공하게 된다.

이러한 과정을 거친 후, 제3 밸브체(V3)를 조작하여 제3 스토리지부(54)의 제3 배출구(54a)를 개방시킨다. 그러면, 제3 스토리지부(54)의 내부 공간에 저장된 액상의 연료는, 압력 전달부재(58)를 통해 제1,2 스토리지부(52, 53)에 각각 저장된 기체 연료와 공기의 압력을 제공받고 있기 때문에, 제3 파이프 라인(55c)을 통 해 개질기(20)로 공급된다.

이에 따라 상기 개질기(20)는 버너(30)로부터 제공되는 열 에너지를 흡열하여, 개질 촉매에 의한 개질 반응을 통해 상기한 액상의 연료로부터 수소 가스를 발생시키고, 이 수소 가스를 스택(10)의 전기 발생부(11)로 공급한다.

이와 동시에, 컨트롤유닛을 통해 공기 펌프(71)를 가동시켜 공기를 스택(10)의 전기 발생부(11)로 공급한다.

그러면, 상기 수소 가스는 전기 발생부(11)의 세퍼레이터(16)를 통하여 막-전극 어셈블리(12)의 애노드 전극으로 공급된다. 그리고 상기 공기는 전기 발생부(11)의 세퍼레이터(16)를 통하여 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 휴 대용 전자기기 또는 이동통신 단말기기로 출력시킬 수 있게 된다.

도면을 참고하면, 본 실시예에 의한 연료 공급장치(150)는 전기 실시예의 구조를 기본으로 하면서, 제1 스토리지부(152)의 내부 공간으로 기체 연료를 충전하고, 제2 스토리지부(153)의 내부 공간으로 공기를 충전하며, 제3 스토리지부(154)의 내부 공간으로 액상의 연료를 충전할 수 있는 구조로 이루어진다.

이러한 구성은 카트리지 형태로 이루어진 전기 실시예와 달리, 기체 연료, 공기 및 액상의 연료를 각각의 스토리지부(152, 153, 154)에 충전할 수 있도록 하여 본 연료 공급장치(150)를 반영구적으로 사용할 수 있게 하기 위함이다.

이를 위해 본 실시예에 의한 실린더부재(151)의 제1 스토리지부(152)에는 전기 실시예에서와 같은 제1 배출구(152a)와, 이 제1 스토리지부(152)의 내부 공간으로 기체 연료를 주입시키기 위한 제1 주입구(152b)를 형성하고 있다. 그리고 제2 스토리지부(153)에는 전기 실시예에서와 같은 제2 배출구(153a)와, 이 제2 스토리지부(153)의 내부 공간으로 공기를 주입시키기 위한 제2 주입구(153b)를 형성하고 있다. 아울러 제3 스토리지부(154)에는 전기 실시예에서와 같은 제3 배출구(154a)와, 이 제3 스토리지부(154)의 내부 공간으로 액상의 연료를 주입시키기 위한 제3 주입구(154b)를 형성하고 있다.

따라서 각각의 스토리지부(152, 153, 154)에 저장된 기체 연료, 공기 및 액상의 연료를 다 쓰고 난 상태에서, 제1 주입구(152b)를 통해 기체 연료를 제1 스토 리지부(152)의 내부 공간으로 충전시킬 수 있고, 제2 주입구(153b)를 통해 공기를 제2 스토리지부(153)의 내부 공간으로 충전시킬 수 있으며, 제3 주입구(154b)를 통해 액상의 연료를 제3 스토리지부(154)의 내부 공간으로 충전시킬 수 있게 된다.

본 실시예에 의한 연료 공급장치(150)의 나머지 구성은 전기 실시예의 구성과 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.

상술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 압축 기체 연료, 압축 공기 및 액상의 연료를 각각 저장하고 기체 연료 및 공기 자체의 압력에 의하여 기체 연료와 공기를 버너로 공급함은 물론 액상의 연료를 개질기로 공급할 수 있는 연료 공급장치를 구비하므로, 종래와 달리 기체 연료 및 공기를 버너로 공급하고 액상의 연료를 개질기로 공급하기 위한 각각의 펌프를 필요로 하지 않게 된다. 따라서 전체적인 시스템의 구동에 소모되는 기생전력을 대폭적으로 줄일 수 있게 되어 전체 시스템의 성능 및 에너지 효율을 더욱 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 종래와 같은 다수의 펌프를 배제함에 따라, 전체적인 시스템의 크기를 컴팩트하게 구현할 수 있는 효과가 있다.

Claims

기체 연료를 저장하는 제1 스토리지부와, 공기를 저장하는 제2 스토리지부와, 액상의 연료를 저장하는 제3 스토리지부를 각각 형성하는 실린더부재;

상기 제1 스토리지부와 제2 스토리지부를 각각 구획하는 격벽부재; 및

상기 제1,2 스토리지부와 상기 제3 스토리지부를 각각 구획하면서 상기 기체 연료와 공기의 압력을 상기 액상의 연료에 제공하는 압력 전달부재

를 포함하는 연료 공급장치.
제 1 항에 있어서,

상기 격벽부재가 상기 실린더부재의 내벽 및 상기 압력 전달부재에 부착 설치되는 구조의 연료 공급장치.
제 1 항에 있어서,

상기 압력 전달부재가 상기 실린더부재의 내벽에 부착 설치되는 구조의 연료 공급장치.
제 3 항에 있어서,

상기 압력 전달부재가 상기 기체 연료와 공기의 압력에 의해 탄성 변형되는 신축성을 지니고 형성되는 연료 공급장치.
제 1 항에 있어서,

상기 실린더부재는, 상기 제1 스토리지부에 저장된 상기 기체 연료를 배출시키는 제1 배출구와, 상기 제2 스토리지부에 저장된 상기 공기를 배출시키는 제2 배출구와, 상기 제3 스토리지부에 저장된 상기 액상의 연료를 배출시키는 제3 배출구를 형성하는 연료 공급장치.
제 1 항에 있어서,

상기 실린더부재는, 상기 제1 스토리지부로 상기 기체 연료를 주입시키기 위한 제1 주입구와, 상기 제2 스토리지부로 상기 공기를 주입시키기 위한 제2 주입구와, 상기 제3 스토리지부로 상기 액상의 연료를 주입시키기 위한 제3 주입구를 형성하는 연료 공급장치.
수소와 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 전기 발생부;

열 에너지에 의한 개질 촉매 반응을 통해 액상의 연료로부터 수소 가스를 발생시키고, 이 수소 가스를 상기 전기 발생부로 공급하는 개질기;

공기와 함께 기체 연료를 연소시켜 상기 열 에너지를 발생시키고, 이 열 에너지를 상기 개질기에 제공하는 버너;

상기 기체 연료와 공기를 상기 버너로 공급하고, 상기 액상의 연료를 상기 개질기로 공급하는 연료 공급장치; 및

상기 전기 발생부로 공기를 공급하는 공기 공급부

를 포함하며,

상기 연료 공급장치가, 상기 기체 연료, 공기 및 액상의 연료를 각각 저장하는 저장 공간을 형성하고, 이 기체 연료와 공기의 압력을 상기 액상의 연료에 제공하는 구조로 이루어진 연료 전지 시스템.
제 7 항에 있어서,

상기 연료 공급장치가 카트리지 형태로 이루어지는 연료 전지 시스템.
제 7 항에 있어서,

상기 연료 공급장치는,

상기 기체 연료를 저장하는 제1 스토리지부와, 상기 공기를 저장하는 제2 스토리지부와, 상기 액상의 연료를 저장하는 제3 스토리지부를 각각 형성하는 실린더부재와,

상기 제1 스토리지부와 제2 스토리지부를 각각 구획하는 격벽부재와,

상기 제1,2 스토리지부와 상기 제3 스토리지부를 각각 구획하면서 상기 기체 연료와 공기의 압력을 상기 액상의 연료에 제공하는 압력 전달부재를 포함하는 연료 전지 시스템.
제 9 항에 있어서,

상기 압력 전달부재가 상기 기체 연료와 공기의 압력에 의하여 탄성 변형되는 신축성을 지니고 형성되는 연료 전지 시스템.
제 9 항에 있어서,

상기 실린더부재는, 상기 제1 스토리지부에 저장된 상기 기체 연료를 배출시키는 제1 배출구와, 상기 제2 스토리지부에 저장된 상기 공기를 배출시키는 제2 배출구와, 상기 제3 스토리지부에 저장된 상기 액상의 연료를 배출시키는 제3 배출구를 형성하는 연료 전지 시스템.
제 9 항에 있어서,

상기 실린더부재는, 상기 제1 스토리지부로 상기 기체 연료를 주입시키기 위한 제1 주입구와, 상기 제2 스토리지부로 상기 공기를 주입시키기 위한 제2 주입구와, 상기 제3 스토리지부로 상기 액상의 연료를 주입시키기 위한 제3 주입구를 형성하는 연료 전지 시스템.
제 7 항에 있어서,

상기 공기 공급부가 공기 펌프인 연료 전지 시스템.
제 7 항에 있어서,

상기 전기 발생부를 복수로 구비하여 이들 전기 발생부의 집합체 구조에 의 한 스택을 형성하는 연료 전지 시스템.