KR20060102132A - Reformer for fuel cell system - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 연료 전지 시스템용 개질기는, 관로 형태의 제1 본체와, 상기 제1 본체의 내부 중심 방향으로 배치되는 제2 본체와, 상기 제1 본체와 제2 본체 사이의 제1 공간에 산화 촉매를 충전 형성하여 이 산화 촉매에 의한 연료와 산소의 산화 반응에 의해 열을 발생시키는 버너부와, 상기 제2 본체 내부의 제2 공간에 개질 촉매를 충전 형성하여 상기 개질 촉매에 의한 연료의 개질 반응을 통해 상기 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질 반응부와, 상기 제1 공간과 연통하면서 상기 제1 본체의 외주면에 접촉 설치되며 상기 제2 공간을 관통하는 패스를 형성하도록 구비되어 상기 제1 공간으로부터 상기 연료와 산소의 연소 가스를 배출시키는 제1 패스부재와, 상기 제2 공간과 연통하면서 상기 제1 패스부재에 접촉 설치되어 상기 연료를 상기 제2 공간으로 주입시키는 제2 패스부재를 포함한다.The reformer for a fuel cell system according to the present invention is oxidized in a pipe-shaped first body, a second body arranged in an inner center direction of the first body, and a first space between the first body and the second body. A burner part which charges and forms a catalyst to generate heat by oxidation of fuel and oxygen by the oxidation catalyst, and reforming fuel by the reforming catalyst by filling and reforming a catalyst in a second space inside the second body. A reforming reaction unit that generates hydrogen gas from the fuel through a reaction, and is formed in contact with the first space while being in contact with the outer circumferential surface of the first body to form a path passing through the second space. A first pass member for discharging the combustion gas of the fuel and oxygen from the first pass member and in contact with the first pass member while communicating with the second space to supply the fuel to the second hole; As a second path member for injection.

연료전지, 개질기, 본체, 버너부, 개질반응부, 패스부재 Fuel cell, reformer, main body, burner part, reforming reaction part, pass member

Description

연료 전지 시스템용 개질기 {REFORMER FOR FUEL CELL SYSTEM}Reformer for fuel cell system {REFORMER FOR FUEL CELL SYSTEM}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 개질기에 적용되는 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 도시한 개략도이다.1 is a schematic diagram showing the overall configuration of a fuel cell system applied to a reformer according to an embodiment of the present invention.

도 2는 도 1에 도시한 스택 구조를 나타내 보인 분해 사시도이다.FIG. 2 is an exploded perspective view illustrating the stack structure shown in FIG. 1.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템용 개질기를 도시한 사시도이다.3 is a perspective view illustrating a reformer for a fuel cell system according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 4는 도 3의 단면 구성도이다.4 is a cross-sectional configuration diagram of FIG. 3.

본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키는 개질기에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to a reformer for reforming fuel to generate hydrogen gas.

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.As is known, a fuel cell is a power generation system that directly converts the chemical reaction energy of hydrogen and oxygen contained in a hydrocarbon-based fuel such as methanol, ethanol, and natural gas into electrical energy.

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.This fuel cell is classified into a phosphoric acid fuel cell, a molten carbonate fuel cell, a solid oxide fuel cell, a polymer electrolyte type or an alkaline fuel cell according to the type of electrolyte used. Each of these fuel cells operates on essentially the same principle, but differs in the type of fuel used, operating temperature, catalyst, and electrolyte.

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.Among these, the polymer electrolyte fuel cell (PEMFC, hereinafter referred to as PEMFC for convenience), which has been developed recently, has excellent output characteristics, low operating temperature, and fast start-up and response characteristics compared to other fuel cells. In addition to mobile power supplies such as automobiles, as well as distributed power supplies such as homes and public buildings and small power supplies such as for electronic devices has a wide range of applications.

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.Such a PEMFC basically includes a stack, a reformer, a fuel tank, a fuel pump, and the like to constitute a system. The stack forms the body of the fuel cell, and the fuel pump supplies the fuel in the fuel tank to the reformer. The reformer reforms the fuel to generate hydrogen gas and supplies the hydrogen gas to the stack. Therefore, the stack generates electrical energy through an electrochemical reaction between hydrogen gas supplied from the reformer and oxygen gas supplied separately or oxygen contained in the air.

상기와 같이 구성되는 연료 전지 시스템에 있어 개질기는 열 에너지에 의한 화학 촉매 반응을 통해 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 바, 상기한 열 에너지를 발생시키는 버너부와, 이 열 에너지를 이용한 개질 촉매 반응을 통해 수소 가스를 발생시키는 개질 반응부를 구비하고 있다. 여기서 버너부는 반응기 본체 내부에 마련된 산화 촉매에 의한 연료와 공기의 산화 반응을 통해 열 에너지를 발생시키는 구조로 이루어진다.In the fuel cell system configured as described above, the reformer generates hydrogen gas from the fuel through a chemical catalytic reaction by thermal energy, and includes a burner unit for generating the thermal energy, and a reforming catalytic reaction using the thermal energy. It is equipped with the reforming reaction part which generates hydrogen gas through. Here, the burner part is configured to generate thermal energy through an oxidation reaction between fuel and air by an oxidation catalyst provided inside the reactor body.

그런데, 종래에 따른 개질기는 위와 같은 버너부와 개질 반응부가 별도로 마 련되어 버너부로부터 발생되는 열을 개질 반응부로 전달할 수 있는 구조를 가지는 바, 버너부와 개질 반응부의 열교환이 직접적으로 이루어지지 않아 열 전달면에서 불리한 문제점이 있었다. 또한 버너부와 개질 반응부의 별개 구조로 인해 전체 시스템의 크기를 컴팩트하게 구현하지 못하는 문제점이 있었다. 이에 더하여, 종래의 연료 전지 시스템은 초기 구동시 개질기로 공급되는 연료를 예열하는 바, 상기 연료를 예열하는데 따르는 에너지의 소모로 인해 전체 시스템의 성능 효율이 떨어지게 되는 문제점이 있었다.However, the reformer according to the related art has a structure capable of transferring the heat generated from the burner part to the reforming reaction part by separately preparing the burner part and the reforming reaction part as described above. There was a disadvantage in terms of heat transfer. In addition, due to the separate structure of the burner part and the reforming reaction part, there is a problem that the size of the entire system cannot be compactly implemented. In addition, the conventional fuel cell system preheats the fuel supplied to the reformer during initial operation, and there is a problem in that the performance efficiency of the entire system is reduced due to the consumption of energy for preheating the fuel.

본 발명은 상술한 문제점을 감안한 것으로서, 그 목적은 개질 반응부에 대한 버너부의 열 전달 효율을 극대화시키고, 전체 시스템의 부피를 최소화할 수 있는 연료 전지 시스템용 개질기를 제공하는데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object thereof is to provide a reformer for a fuel cell system capable of maximizing a heat transfer efficiency of a burner unit to a reforming reaction unit and minimizing a volume of an entire system.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템용 개질기는, 관로 형태의 제1 본체와, 상기 제1 본체의 내부 중심 방향으로 배치되는 제2 본체와, 상기 제1 본체와 제2 본체 사이의 제1 공간에 산화 촉매를 충전 형성하여 이 산화 촉매에 의한 연료와 산소의 산화 반응에 의해 열을 발생시키는 버너부와, 상기 제2 본체 내부의 제2 공간에 개질 촉매를 충전 형성하여 상기 개질 촉매에 의한 연료의 개질 반응을 통해 상기 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질 반응부와, 상기 제1 공간과 연통하면서 상기 제1 본체의 외주면에 접촉 설치되며 상기 제2 공간을 관통하는 패스를 형성하도록 구비되어 상기 제1 공간으로부터 상기 연료 와 산소의 연소 가스를 배출시키는 제1 패스부재와, 상기 제2 공간과 연통하면서 상기 제1 패스부재에 접촉 설치되어 상기 연료를 상기 제2 공간으로 주입시키는 제2 패스부재를 포함한다.A reformer for a fuel cell system according to the present invention for achieving the above object, the first body in the form of a pipe, a second body disposed in the direction of the inner center of the first body, the first body and the second A burner part which fills and forms an oxidation catalyst in the first space between the main bodies and generates heat by an oxidation reaction between fuel and oxygen by the oxidation catalyst, and charges a reforming catalyst in the second space inside the second main body. A reforming reaction unit generating hydrogen gas from the fuel through a reforming reaction of the fuel by the reforming catalyst, and a path passing through the second space while contacting the outer circumferential surface of the first body while communicating with the first space. A first pass member configured to form a first pass member for discharging combustion fuel of the fuel and oxygen from the first space, and in contact with the first pass member while communicating with the second space; It is installed and a second path member for injecting the fuel into the second space.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템용 개질기에 있어서, 상기 제1 본체는 양단이 폐쇄된 형태로서 일측 단부에 제1 주입부를 형성하고, 다른 일측 단부에 제1 배출부를 형성할 수 있다. 이 경우 본 발명에 따른 연료 전지 시스템용 개질기는, 상기 제1 배출부에 상기 제1 패스부재를 연결하여 이루어진다. 그리고 상기 제1 패스부재는 상기 제1 본체의 외주면에 코일 형태로 감긴 구조로 되어 있다.In the reformer for a fuel cell system according to the present invention, both ends of the first body may have a first injection portion at one end and a first discharge portion at the other end. In this case, the reformer for a fuel cell system according to the present invention is formed by connecting the first pass member to the first discharge part. In addition, the first pass member has a structure wound in a coil form on the outer circumferential surface of the first body.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템용 개질기에 있어서, 상기 제2 본체는 양단이 폐쇄된 형태로서 일측 단부에 제2 주입부를 형성하고, 다른 일측 단부에 제2 배출부를 형성할 수 있다. 이 경우 본 발명에 따른 연료 전지 시스템용 개질기는, 상기 제2 주입부에 상기 제2 패스부재를 연결하여 이루어진다. 그리고 상기 제2 패스부재는 상기 제1 본체의 외주면에 코일 형태로 감긴 구조로 되어 있다.In addition, in the reformer for a fuel cell system according to the present invention, both ends of the second main body may be formed to have a second injection portion at one end and a second discharge portion at the other end. In this case, the reformer for a fuel cell system according to the present invention is formed by connecting the second pass member to the second injection portion. The second pass member has a structure wound in a coil form on an outer circumferential surface of the first body.

그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템용 개질기는, 상기 산화 촉매와 개질 촉매가 펠릿 형태로 이루어지는 것이 바람직하다.The reformer for a fuel cell system according to the present invention preferably comprises the oxidation catalyst and the reforming catalyst in pellet form.

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.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the present invention. As those skilled in the art would realize, the described embodiments may be modified in various different ways, all without departing from the spirit or scope of the present invention.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 개질기에 적용되는 연료 전지 시스템의 전 체적인 구성을 도시한 개략도이다.1 is a schematic diagram showing the overall configuration of a fuel cell system applied to a reformer according to an embodiment of the present invention.

이 도면을 참고하여 본 발명에 적용되는 연료 전지 시스템(100)을 설명하면, 상기 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.Referring to the fuel cell system 100 applied to the present invention with reference to the drawings, the fuel cell system 100 generates a hydrogen gas by reforming a fuel containing hydrogen, and the hydrogen gas and the oxidant gas A polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) method that chemically reacts to generate electrical energy is employed.

이러한 연료 전지 시스템(100)에 있어 연료라 함은 메탄올, 에탄올 또는 천연 가스 등과 같이 수소를 함유한 액상 또는 기체 상태로 이루어진 연료를 포함한다. 그러나 이하에서 설명하는 연료는 상기 액상의 연료를 의미한다.The fuel in the fuel cell system 100 includes a fuel made of a liquid or gaseous state containing hydrogen such as methanol, ethanol or natural gas. However, the fuel described below means the liquid fuel.

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.The system 100 may use oxygen gas stored in a separate storage means as an oxidant gas that reacts with hydrogen gas, and may use air containing oxygen. However, the latter example is explained below.

이와 같은 상기 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 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, 상기 개질기(30)와 전기 발생부(11)로 공기를 각각 공급하는 공기 공급원(70)을 포함하여 구성된다.The fuel cell system 100 basically includes an electric generator 11 for generating electrical energy through an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, and a fuel as described above through a chemical catalytic reaction with thermal energy. A reformer 30 for generating hydrogen gas and supplying the hydrogen gas to the electricity generating unit 11, a fuel supply source 50 for supplying the fuel to the reformer 30, the reformer 30, and an electricity generating unit And an air supply source 70 for supplying air to the air 11, respectively.

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 발명에서는 위와 같은 최소 단위의 전기 발생부(11)를 복수로 구비하고, 이들을 연속적으로 배치함으로써 전기 발생부(11)의 집합체 구조에 의한 스택(10)을 형성할 수 있다.As shown in FIG. 2, the electricity generator 11 has a membrane-electrode assembly (MEA) 12 centered on both sides thereof and a separator (also referred to as 'bipolar plate' in the art). The separator 16 is arranged to form a fuel cell of a minimum unit. Accordingly, in the present invention, the stack 10 having the aggregate structure of the electricity generating units 11 may be formed by providing a plurality of the electricity generating units 11 having the minimum unit as described above, and arranging them continuously.

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.The membrane-electrode assembly 12 includes an anode electrode on one side and a cathode electrode on the other side and an electrolyte membrane between the two electrodes, each having an active area having a predetermined area causing an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. Consists of The anode electrode functions to oxidize hydrogen and convert hydrogen ions (protons) into electrons. The cathode electrode functions to reduce and react the hydrogen ions and oxygen to generate heat and moisture at a predetermined temperature. The electrolyte membrane functions as an ion exchange to move hydrogen ions generated at the anode electrode to the cathode electrode. In addition to supplying hydrogen and oxygen to both sides of the membrane-electrode assembly 12, the separator 16 also functions as a conductor that connects the anode electrode and the cathode electrode in series.

이와 같은 스택(10)의 구성은 통상적인 고분자 전해질형 연료 전지의 스택 구성으로 이루어질 수 있으므로 본 명세서에서 그 자세한 설명한 생략하기로 한다.Since the stack 10 may be configured as a stack of a conventional polymer electrolyte fuel cell, detailed description thereof will be omitted herein.

본 발명에 따른 상기 개질기(30)는 열 에너지에 의한 화학 촉매 반응 예컨대, 수증기 개질, 부분 산화 또는 자열 반응 등의 촉매 반응을 통해 상기 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 구조를 갖는다. 이러한 개질기(30)는 상기 열 에너지를 발생시키는 버너부(35)와, 상기 열 에너지를 이용한 촉매 반응을 통해 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질 반응부(39)로 구성되는 바, 이의 구성은 도 3 및 도 4를 참조하여 뒤에서 더욱 설명하기로 한다.The reformer 30 according to the present invention has a structure that generates hydrogen gas from the fuel through a catalytic reaction such as chemical reforming by thermal energy, for example, steam reforming, partial oxidation or autothermal reaction. The reformer 30 is composed of a burner unit 35 for generating the heat energy, and a reforming reaction unit 39 for generating hydrogen gas from fuel through a catalytic reaction using the heat energy. This will be described later with reference to 3 and 4.

위와 같은 개질기(30)로 연료를 공급하는 연료 공급원(50)은 연료를 저장하는 연료 탱크(51)와, 이 연료 탱크(51)에 연결 설치되어 상기 연료 탱크(51)에 저장된 연료를 배출시키는 연료 펌프(53)를 포함하고 있다. 이 때 상기 연료 탱크(51)는 뒤에서 더욱 설명하는 개질기(30)의 버너부(35) 및 개질 반응부(39)와 연결 설치될 수 있다.The fuel supply source 50 for supplying fuel to the reformer 30 as described above is connected to the fuel tank 51 for storing the fuel and the fuel tank 51 to discharge the fuel stored in the fuel tank 51. A fuel pump 53 is included. At this time, the fuel tank 51 may be connected to the burner part 35 and the reforming reaction part 39 of the reformer 30 which will be described later.

그리고 공기 공급원(70)은 소정 펌핑력으로 공기를 흡입하여 이 공기를 상기 스택(10)의 전기 발생부(11) 및 상기한 버너부(35)로 각각 공급하는 공기 펌프(71)를 포함하고 있다. 본 실시예에서, 상기 공기 공급원(70)은 도면에서와 같이, 단일의 공기 펌프(71)를 통해 전기 발생부(11)와 버너부(35)로 공기를 공급하는 구조로 되어 있으나, 이에 한정되지 않고 상기 전기 발생부(11) 및 버너부(35)에 각각 연결 설치되는 한 쌍의 공기 펌프를 구비할 수도 있다.In addition, the air supply 70 includes an air pump 71 for sucking air with a predetermined pumping force and supplying the air to the electricity generating unit 11 and the burner unit 35 of the stack 10, respectively. have. In this embodiment, the air supply 70 is configured to supply air to the electricity generating unit 11 and the burner unit 35 through a single air pump 71, as shown in the figure, but is not limited thereto. Instead, it may be provided with a pair of air pumps connected to the electricity generating unit 11 and the burner unit 35 respectively.

이하에서는, 언급한 바 있는 본 발명의 실시예에 따른 개질기(30)를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, the reformer 30 according to the embodiment of the present invention will be described in detail.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템용 개질기를 도시한 사시도이고, 도 4는 도 3의 단면 구성도이다.3 is a perspective view illustrating a reformer for a fuel cell system according to an exemplary embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a cross-sectional view of FIG. 3.

도면을 참고하면, 상기 개질기(30)는 연료와 공기의 산화 촉매 반응을 통해 열 에너지를 발생시키는 버너부(35)와, 상기 열 에너지를 이용한 개질 촉매 반응을 통해 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질 반응부(39)를 포함하여 구성된다.Referring to the drawings, the reformer 30 includes a burner unit 35 for generating heat energy through an oxidation catalyst reaction of fuel and air, and a reforming for generating hydrogen gas from fuel through a reforming catalyst reaction using the heat energy. It is comprised including the reaction part 39.

본 실시예에 따르면, 상기 개질기(30)는 상호 독립적인 제1 공간(A)과 제2 공간(B)을 형성하는 이중의 원통 관로 형태로 이루어지며, 버너부(35)를 형성하는 제1 본체(31), 및 상기 제1 본체(31)의 내부에 배치되어 개질 반응부(39)를 형성하는 제2 본체(32)를 구비한다.According to this embodiment, the reformer 30 is formed in the form of a double cylindrical pipe forming the first space (A) and the second space (B) independent of each other, the first forming the burner portion 35 The main body 31 and the 2nd main body 32 which is arrange | positioned inside the said 1st main body 31 and forms the reforming reaction part 39 are provided.

제1 본체(31)는 소정 단면적을 가지면서 실질적으로 양측 단부가 폐쇄된 원형의 파이프 형태로 이루어진다. 이 때 제1 본체(31)는 단열성을 갖는 통상적인 금속 또는 비금속 단열 소재로 형성될 수 있다.The first body 31 is formed in the shape of a circular pipe having a predetermined cross-sectional area and substantially closed at both ends thereof. At this time, the first body 31 may be formed of a conventional metal or non-metal insulating material having heat insulating properties.

그리고 상기 제2 본체(32)는 제1 본체(31)의 단면적 보다 상대적으로 작은 단면적을 가지면서 실질적으로 양측 단부가 폐쇄된 원형의 파이프 형태로 이루어진다. 이 때, 제2 본체(32)는 그 외주면과 제1 본체(31)의 내주면이 일정 간격 이격되도록 제1 본체(31)의 내부 중심 방향으로 배치되며, 양측 단부가 제1 본체(31)의 양측 단부를 관통하여 외부로 인출되게 설치된다.In addition, the second main body 32 has a cross-sectional area that is relatively smaller than that of the first main body 31, and has a circular pipe shape in which both ends thereof are closed. In this case, the second main body 32 is disposed in the direction of the inner center of the first main body 31 so that the outer peripheral surface thereof and the inner circumferential surface of the first main body 31 are spaced apart by a predetermined interval, and both ends of the second main body 32 have It is installed to be drawn out through the both ends.

이러한 구조로서 본 실시예에 의한 개질기(30)는 제1 본체(31)와 제2 본체(32) 사이에 제1 공간(A)을 형성하고, 제2 본체(32) 내부에 제2 공간(B)을 형성할 수 있다.With this structure, the reformer 30 according to the present embodiment forms a first space A between the first main body 31 and the second main body 32, and the second space (3) inside the second main body 32. B) can be formed.

따라서 상기 개질기(30)는 제1 본체(31)와 제2 본체(32) 사이의 제1 공간(A)에 산화 촉매(34)를 충전 형성하여 이 산화 촉매(34)에 의한 연료와 공기의 산화 반응을 통해 열 에너지를 발생시키는 버너부(35)와, 제2 본체(32) 내부의 제2 공간(B)에 개질 촉매(37)를 충전 형성하여 이 개질 촉매(37)에 의한 연료의 개질 반응을 통해 수소 가스를 발생시키는 개질 반응부(39)를 구성할 수 있다.Therefore, the reformer 30 fills and forms an oxidation catalyst 34 in the first space A between the first body 31 and the second body 32 so that the fuel and air by the oxidation catalyst 34 The reforming catalyst 37 is charged and formed in the burner part 35 which generates heat energy through the oxidation reaction, and in the second space B inside the second main body 32, and the fuel produced by the reforming catalyst 37 The reforming reaction unit 39 may be configured to generate hydrogen gas through the reforming reaction.

상기에서, 버너부(35)는 제1 본체(31)의 일측 단부에 제1 주입부(31a)를 형성하고, 다른 일측 단부에 제1 배출부(31b)를 형성하고 있다. 상기 제1 주입부(31a)는 연료 탱크(51)로부터 공급되는 연료와, 공기 펌프(71)에 의해 공급되는 공기를 상기 제1 공간(A)으로 주입시키기 위한 것이다. 그리고 제1 배출부(31b)는 산화 촉매(34)에 의한 연료와 공기의 산화 반응을 통해 연소되는 연소 가스를 배출시키기 위한 것이다. 이 때 상기 제1 주입부(31a)는 파이프 라인을 통해 연료 탱크(51) 및 공기 펌프(71)와 연결되는 바, 바람직하게 제1 주입부(31a)에는 연료 탱크(51)로부터 공급되는 연료와 공기 펌프(71)에 의해 공급되는 공기를 제1 공간(A)으로 동시에 주입시키도록 합류관 형태의 파이프 라인이 연결 설치된다.In the above, the burner part 35 forms the 1st injection part 31a in the one end part of the 1st main body 31, and forms the 1st discharge part 31b in the other end part. The first injection portion 31a is for injecting the fuel supplied from the fuel tank 51 and the air supplied by the air pump 71 into the first space A. The first discharge part 31b is for discharging the combustion gas which is combusted through the oxidation reaction of the fuel and the air by the oxidation catalyst 34. At this time, the first injection portion 31a is connected to the fuel tank 51 and the air pump 71 through a pipeline, and preferably, the fuel supplied from the fuel tank 51 is supplied to the first injection portion 31a. And pipes in the form of joining pipes are connected to each other so as to simultaneously inject air supplied by the air pump 71 into the first space A.

상기 버너부(35)에 있어, 산화 촉매(34)는 연료와 공기를 산화 연소시켜 개질 반응부(39)의 개질 반응에 필요한 온도 범위, 대략 200∼300℃의 열원을 발생시키기 위한 것으로서, 알루미나(Al2O3), 실리카(SiO2) 또는 티타니아(TiO2)로 이루어진 펠릿(pellet) 형태의 담체에 백금(Pt), 루테늄(Ru)과 같은 촉매 물질을 담지하고 있는 구조로 이루어진다.In the burner unit 35, the oxidation catalyst 34 is for oxidatively burning fuel and air to generate a heat source having a temperature range required for reforming reaction of the reforming reaction unit 39, approximately 200 to 300 ° C. It is composed of a structure in which a catalyst material such as platinum (Pt) and ruthenium (Ru) is supported on a pellet-type carrier made of (Al 2 O 3 ), silica (SiO 2 ) or titania (TiO 2 ).

그리고 개질 반응부(39)는 제2 본체(32)의 일측 단부에 제2 주입부(32a)를 형성하고, 다른 일측 단부에 제2 배출부(32b)를 형성하고 있다. 상기 제2 주입부(32a)는 연료 탱크(51)로부터 공급되는 연료를 제2 공간(B)으로 주입시키기 위한 것이다. 상기 제2 배출부(32b)는 개질 촉매(37)에 의한 연료의 개질 반응을 통해 발생되는 수소 가스를 배출시키기 위한 것이다. 이 때 상기 제2 배출부(32b)는 파 이프 라인을 통하여 스택(10)의 전기 발생부(11)와 연결 설치될 수 있다.The reforming reaction unit 39 forms a second injection unit 32a at one end of the second body 32 and a second discharge unit 32b at the other end. The second injection portion 32a is for injecting fuel supplied from the fuel tank 51 into the second space B. The second discharge part 32b is for discharging hydrogen gas generated through the reforming reaction of the fuel by the reforming catalyst 37. In this case, the second discharge part 32b may be connected to the electricity generator 11 of the stack 10 through a pipe line.

상기 개질 반응부(39)에 있어, 개질 촉매(37)는 버너부(35)로부터 발생되는 열원을 흡열하여 상기 연료의 개질 반응을 촉진시키기 위한 것으로서, 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.In the reforming reaction unit 39, the reforming catalyst 37 absorbs the heat source generated from the burner unit 35 to promote the reforming reaction of the fuel, and includes alumina (Al 2 O 3 ) and silica (SiO). 2 ) or a pellet-type carrier made of titania (TiO 2 ), and has a structure in which a catalyst material such as copper (Cu), nickel (Ni), or platinum (Pt) is supported.

이러한 개질기(30)에, 본 발명에 따른 제1,2 패스부재(61, 62)가 제공되는 바, 제1,2 패스부재(61, 62)는 버너부(35)에서 발생하는 열 에너지를 개질 반응부(39)에 효과적으로 전달하는 기능을 하게 된다.In the reformer 30, the first and second pass members 61 and 62 according to the present invention are provided, and the first and second pass members 61 and 62 provide heat energy generated from the burner part 35. The function to effectively deliver to the reforming reaction unit 39.

제1 패스부재(61)는 버너부(35)에서 배출되는 연소 가스의 배출 경로를 형성하는 파이프 구조로 이루어지며, 제1 본체(31)의 제1 배출부(31b)에 연결 설치된다. 이러한 제1 패스부재(61)는 제1 본체(31)의 외주면에 코일 형태로 감기면서 개질 반응부(39) 즉, 제2 본체(32) 내부의 제2 공간(B)을 관통하여 외부로 인출된 구조로서 구비된다.The first pass member 61 has a pipe structure forming a discharge path of the combustion gas discharged from the burner part 35 and is connected to the first discharge part 31b of the first body 31. The first pass member 61 is wound around the outer circumferential surface of the first body 31 in a coil form and penetrates the reforming reaction part 39, that is, the second space B inside the second body 32 to the outside. It is provided as a withdrawn structure.

이를 위해 제2 본체(32)의 제2 주입부(32a) 측에는 상기 제1 패스부재(61)를 제2 공간(B)으로 인입시키기 위한 인입구(63)를 형성하고 있다. 그리고 제2 본체(32)의 제2 배출부(32b) 측에는 제2 공간(B)을 관통한 상기 제1 패스부재(61)를 인출시키기 위한 인출구(64)를 형성하고 있다.To this end, an inlet 63 for introducing the first path member 61 into the second space B is formed at the second injection part 32a side of the second body 32. In the second discharge part 32b side of the second main body 32, a discharge port 64 for drawing out the first path member 61 passing through the second space B is formed.

그리고 상기 제2 패스부재(62)는 개질 반응부(39)로 공급되는 연료의 공급 경로를 형성하는 파이프 구조로 이루어지며, 일측 단부가 도 1에 도시한 연료 탱크(51)와 연결 설치되고, 다른 일측 단부가 제2 본체(32)의 제2 주입부(32a)에 연결 설치된다. 이러한 제2 패스부재(62)는 제1 본체(31)의 외주면에 코일 형태로 감기면서 제1 패스부재(61)와 접촉되는 구조로서 구비된다.The second pass member 62 has a pipe structure that forms a supply path for the fuel supplied to the reforming reaction unit 39, and one end thereof is connected to the fuel tank 51 shown in FIG. 1. The other end portion is connected to the second injection portion 32a of the second body 32. The second pass member 62 is provided as a structure in contact with the first pass member 61 while being wound in a coil form on the outer circumferential surface of the first body 31.

상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템용 개질기의 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.Referring to the operation of the reformer for a fuel cell system according to an embodiment of the present invention configured as described above in detail as follows.

우선, 연료 펌프(53)를 가동시켜 연료 탱크(51)에 저장된 연료를 배출시키고, 이와 동시에 공기 펌프(71)를 가동시켜 상기 연료와 공기를 제1 본체(31) 내부의 제1 공간(A)으로 공급한다. 그러면 상기 연료와 공기는 버너부(35) 즉, 제1 본체(31) 내부의 산화 촉매(34)을 거치면서 산화 촉매 반응을 일으키게 된다.First, the fuel pump 53 is operated to discharge fuel stored in the fuel tank 51, and at the same time, the air pump 71 is operated to collect the fuel and air in the first space A inside the first body 31. ). Then, the fuel and air pass through the oxidation catalyst 34 inside the burner part 35, that is, the first body 31 to cause the oxidation catalyst reaction.

이러는 동안, 상기 버너부(35)에서는 산화 촉매(34)에 의한 연료와 공기의 산화 반응을 통해 이 연료와 공기가 연소되면서 개질 반응부(39)의 개질 반응에 필요한 기설정된 온도 범위, 예컨대 200∼300℃의 열원을 발생시킨다. 그리고 상기한 열원은 제2 본체(32)를 통해 상기 제2 본체(32) 내부의 개질 촉매(37)로 전달되게 된다. 이 때 제2 본체(32)의 내부에서 발생하는 비교적 높은 온도의 연소 가스는 제1 배출부(31b)를 통해 배출되게 된다.In the burner unit 35, the fuel and air are combusted through the oxidation reaction of the fuel and the air by the oxidation catalyst 34, and the predetermined temperature range required for the reforming reaction of the reforming reaction unit 39, for example, 200. A heat source of ˜300 ° C. is generated. The heat source is transferred to the reforming catalyst 37 inside the second body 32 through the second body 32. At this time, the combustion gas of a relatively high temperature generated inside the second body 32 is discharged through the first discharge portion 31b.

본 실시예에서, 상기 연소 가스는 제1 패스부재(61)를 통해 코일 형태의 패스를 형성하면서 제2 본체(32) 내부를 관통하여 외부로 배출되게 된다. 그러면, 상기 제1 패스부재(61)는 상기 연소 가스 자체의 열 에너지에 의해 소정 온도로 가열되어 상기 열 에너지를 방출하게 되는 바, 상기 제1 패스부재(61)가 제2 본체(32) 내부를 관통하여 설치되고 있기 때문에, 개질 촉매(37)에 대하여 부가적인 열 에너지를 제공하게 된다. 이로 인해 개질 반응부(39)는 전 영역에서 고른 온도 분포를 이룰 수 있게 된다.In the present embodiment, the combustion gas is discharged to the outside through the inside of the second body 32 while forming a coil-shaped path through the first pass member 61. Then, the first pass member 61 is heated to a predetermined temperature by the heat energy of the combustion gas itself to release the heat energy, so that the first pass member 61 is inside the second body 32. Since it penetrates through, the additional thermal energy is provided to the reforming catalyst 37. As a result, the reforming reaction unit 39 may achieve an even temperature distribution in all regions.

이와 같은 상태에서, 연료 펌프(53)의 가동에 의하여 연료 탱크(51)에 저장된 연료를 제2 패스부재(62)를 통해 제2 본체(32) 내부의 제2 공간(B)으로 공급한다. 이 과정에서, 상기 제2 패스부재(62)를 통과하는 연료는, 제2 패스부재(62)가 제1 본체(31)의 외주면에 대하여 코일 형태로 감기면서 제1 패스부재(61)와 접촉 설치되고 있기 때문에, 제1 패스부재(61)로부터 방출되는 열 에너지를 전달받아 소정 온도로 예열되게 된다.In this state, the fuel stored in the fuel tank 51 is supplied to the second space B inside the second body 32 through the second pass member 62 by the operation of the fuel pump 53. In this process, the fuel passing through the second pass member 62 is in contact with the first pass member 61 while the second pass member 62 is wound in a coil form with respect to the outer circumferential surface of the first body 31. Since it is installed, it receives heat energy emitted from the first pass member 61 and is preheated to a predetermined temperature.

이 후, 상기 연료는 제2 본체(32)의 제2 주입부(32a)를 통해 제2 본체(32) 내부의 제2 공간(B)으로 공급되어 개질 촉매(37)에 의한 개질 반응을 일으키게 된다. 이러는 동안, 개질 반응부(39)에서는 언급한 바 있듯이 전 영역에 대해 고른 온도 분포를 유지하고 있기 때문에, 개질 촉매(37)에 의한 연료의 분해 반응(흡열 반응)이 효율적으로 진행되어 상기 연료로부터 수소 가스를 용이하게 발생시킬 수 있게 된다.Thereafter, the fuel is supplied to the second space B inside the second body 32 through the second injection portion 32a of the second body 32 to cause a reforming reaction by the reforming catalyst 37. do. In the meantime, since the reforming reaction unit 39 maintains an even temperature distribution over the entire region as mentioned, the decomposition reaction (endothermic reaction) of the fuel by the reforming catalyst 37 proceeds efficiently to remove from the fuel. Hydrogen gas can be easily generated.

이어서, 상기 수소 가스는 제2 본체(32)의 제2 배출부(32b)를 통해 배출되어 스택(10)의 전기 발생부(11)로 공급된다. 그러면 상기 수소 가스는 세퍼레이터(16)를 통해 막-전극 어셈블리(12)의 애노드 전극으로 공급된다.Subsequently, the hydrogen gas is discharged through the second discharge part 32b of the second body 32 and supplied to the electricity generating part 11 of the stack 10. The hydrogen gas is then supplied to the anode electrode of the membrane-electrode assembly 12 through the separator 16.

이와 동시에, 공기 펌프(71)의 가동에 의하여 공기를 스택(10)의 전기 발생부(11)로 공급한다. 그러면, 상기 공기는 세퍼레이터(16)를 통해 막-전극 어셈블리 (12)의 캐소드 전극으로 공급된다.At the same time, air is supplied to the electricity generating unit 11 of the stack 10 by the operation of the air pump 71. The air is then supplied through the separator 16 to the cathode electrode of the membrane-electrode assembly 12.

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.Therefore, the anode decomposes the hydrogen into electrons and protons (hydrogen ions) through an oxidation reaction of hydrogen. Then, the proton is moved to the cathode electrode through the electrolyte membrane of the membrane-electrode assembly 12, and electrons are not moved through the electrolyte membrane and neighboring the membrane-electrode through the separator 16 or a separate terminal portion (not shown). It is moved to the cathode electrode of the assembly 12, and at this time, a flow of electrons generates a current. The cathode electrode generates heat and moisture at a predetermined temperature through a reduction reaction of hydrogen ions transferred to the cathode electrode through the electrolyte membrane and oxygen contained in the air.

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.As a result, the fuel cell system 100 according to the present invention can output electric energy of a predetermined output amount to a predetermined load, for example, a portable electronic device such as a laptop or a PDA, or a mobile communication terminal through such a series of processes.

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.Although the preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited thereto, and various modifications and changes can be made within the scope of the claims and the detailed description of the invention and the accompanying drawings. Naturally, it belongs to the scope of the invention.

상술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 버너부에서 발생되는 열 에너지를 개질 반응부에 효율적으로 전달할 수 있는 구조를 가지므로, 개질 반응부의 전 영역에서 고른 온도 분포를 유지시킬 수 있다. 따라서 개질기의 성능 및 열 효율을 더욱 향 상시킬 수 있다.According to the present invention as described above, since it has a structure capable of efficiently transferring the heat energy generated in the burner unit to the reforming reaction unit, it is possible to maintain an even temperature distribution in all areas of the reforming reaction unit. Thus, the performance and thermal efficiency of the reformer can be further improved.

또한, 본 발명에 의하면, 이중 관로 형태의 간단한 구조로서 개질기를 구성함에 따라, 전체적인 시스템의 크기를 컴팩트 하게 구현할 수 있다.In addition, according to the present invention, by forming a reformer as a simple structure in the form of a double pipe, it is possible to implement a compact size of the overall system.

또한, 본 발명에 의하면, 시스템의 초기 구동시 개질기로 공급되는 연료를 예열할 수 있는 구조를 가지므로, 전체 시스템의 열효율 및 운전 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.In addition, according to the present invention, since it has a structure capable of preheating the fuel supplied to the reformer during the initial operation of the system, it is possible to further improve the thermal efficiency and operating performance of the entire system.

Claims (8)

관로 형태의 제1 본체;A first body in the form of a conduit; 상기 제1 본체의 내부 중심 방향으로 배치되는 제2 본체;A second body disposed in an inner center direction of the first body; 상기 제1 본체와 제2 본체 사이의 제1 공간에 산화 촉매를 충전 형성하여 이 산화 촉매에 의한 연료와 산소의 산화 반응에 의해 열을 발생시키는 버너부;A burner unit filling and forming an oxidation catalyst in a first space between the first body and the second body to generate heat by an oxidation reaction of fuel and oxygen by the oxidation catalyst; 상기 제2 본체 내부의 제2 공간에 개질 촉매를 충전 형성하여 상기 개질 촉매에 의한 연료의 개질 반응을 통해 상기 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질 반응부;A reforming reaction unit filling and reforming a reforming catalyst in a second space inside the second body to generate hydrogen gas from the fuel through a reforming reaction of the fuel by the reforming catalyst; 상기 제1 공간과 연통하면서 상기 제1 본체의 외주면에 접촉 설치되며 상기 제2 공간을 관통하는 패스를 형성하도록 구비되어 상기 제1 공간으로부터 상기 연료와 산소의 연소 가스를 배출시키는 제1 패스부재; 및A first pass member installed in contact with an outer circumferential surface of the first body while communicating with the first space, and configured to form a pass passing through the second space to discharge combustion gas of the fuel and oxygen from the first space; And 상기 제2 공간과 연통하면서 상기 제1 패스부재에 접촉 설치되어 상기 연료를 상기 제2 공간으로 주입시키는 제2 패스부재A second pass member installed in contact with the first pass member while being in communication with the second space to inject the fuel into the second space; 를 포함하는 연료 전지 시스템용 개질기.Reformer for a fuel cell system comprising a. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제1 본체는 양단이 폐쇄된 형태로서 일측 단부에 제1 주입부를 형성하고, 다른 일측 단부에 제1 배출부를 형성하는 연료 전지 시스템용 개질기.The first body has a closed shape at both ends and forms a first injection portion at one end and a first discharge portion at the other end. 제 2 항에 있어서,The method of claim 2, 상기 제1 배출부에 상기 제1 패스부재를 연결하여 이루어지는 연료 전지 시스템용 개질기.A reformer for a fuel cell system formed by connecting the first pass member to the first discharge part. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,The method according to claim 1 or 3, 상기 제1 패스부재가 상기 제1 본체의 외주면에 코일 형태로 감긴 연료 전지 시스템용 개질기.A reformer for a fuel cell system in which the first pass member is wound in a coil form on an outer circumferential surface of the first body. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제2 본체는 양단이 폐쇄된 형태로서 일측 단부에 제2 주입부를 형성하고, 다른 일측 단부에 제2 배출부를 형성하는 연료 전지 시스템용 개질기.The second body has a closed shape at both ends to form a second injection portion at one end, and to form a second discharge portion at the other end. 제 5 항에 있어서,The method of claim 5, 상기 제2 주입부에 상기 제2 패스부재를 연결하여 이루어지는 연료 전지 시스템용 개질기.A reformer for a fuel cell system formed by connecting the second pass member to the second injection portion. 제 1 항 또는 제 6 항에 있어서,The method according to claim 1 or 6, 상기 제2 패스부재가 상기 제1 본체의 외주면에 코일 형태로 감긴 연료 전지 시스템용 개질기.A reformer for a fuel cell system in which the second pass member is wound in a coil form on an outer circumferential surface of the first body. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 산화 촉매와 개질 촉매가 펠릿 형태로 이루어지는 연료 전지 시스템용 개질기.A reformer for a fuel cell system in which the oxidation catalyst and the reforming catalyst are in pellet form.
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