KR20070014682A - 연료 전지 시스템 - Google Patents

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KR20070014682A
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김주용
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이찬호
이성철
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이동욱
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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템은, 기체 연료를 착화 연소시켜 기설정된 온도 범위의 열 에너지를 발생시키는 버너와, 상기 열 에너지에 의한 상기 기체 연료의 개질 반응에 의해 상기 기체 연료로부터 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키는 개질기와, 상기 개질 가스, 및 산소를 제공받아 상기 수소와 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 스택과, 상기 버너 및 상기 개질기로 상기 기체 연료를 공급하는 연료 공급장치를 포함하며,
상기 연료 공급장치는, 상기 기체 연료를 저장하는 연료 탱크와, 상기 연료 탱크와 상기 버너를 연결하는 제1 벤트라인과, 상기 연료 탱크와 상기 개질기를 연결하는 제2 벤트라인과, 상기 제2 벤트라인에 설치되어 상기 연료 탱크의 내부 압력에 따라 상기 제2 벤트라인의 유로를 선택적으로 개폐시키는 세이프티 밸브를 포함한다.
버너, 개질기, 스택, 연료공급장치, 기체연료, 물공급원, 산소공급원, 세이프티밸브

Description

연료 전지 시스템 {FUEL CELL SYSTEM}
도 1은 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시한 버너와 개질기의 예시적인 실시예를 개략적으로 나타내 보인 단면 구성도이다.
도 3은 도 1에 도시한 세이프티 밸브를 나타내 보인 도면 기호이다.
본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 부탄과 같은 기체 연료를 사용하는 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
알려진 바와 같이, 연료 전지(Fuel Cell)는 탄화 수소 계열의 연료에 함유되어 있는 수소, 및 산소의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 발생시키는 발전 시스템으로서 구성된다.
이러한 연료 전지는 크게, 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)와, 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxydation Membrane Fuel Cell)로 구분될 수 있다.
이 중에서 고분자 전해질형 연료 전지는 다른 연료 전지에 비하여 출력 특성이 탁월하며, 작동 온도가 낮고, 빠른 시동 및 응답 특성으로 인해 자동차와 같은 이동용 전원은 물론, 주택, 공공 건물과 같은 분산용 전원 및 전자기기용과 같은 소형 전원 등 그 응용 범위가 넓은 장점을 가진다.
이와 같은 고분자 전해질형 연료 전지 방식을 채용한 연료 전지 시스템은 스택(stack)이라 불리는 연료 전지 본체(이하, 편의상 "스택" 이라 한다)와, 열 에너지를 이용하여 연료를 개질함으로써 이 연료로부터 수소를 발생시키고 이 수소를 스택으로 공급하는 연료처리장치와, 산소를 스택으로 공급하기 위한 공기 펌프 또는 팬을 구비하고 있다. 따라서 스택에서는 연료처리장치로부터 공급되는 수소와, 공기펌프 또는 팬의 가동에 의해 공급되는 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시킨다.
한편, 최근 들어서는 부탄 가스와 같이 시중에서 쉽게 구할 수 있는 기체 연료를 사용하여 이 기체 연료의 착화 연소 방식으로 열 에너지를 발생시키는 버너와, 열 에너지에 의한 기체 연료의 개질 반응을 통해 이 기체 연료로부터 수소를 발생시키는 개질기를 갖춘 연료 전지 시스템이 개시된 바 있다.
그런데, 종래의 연료 전지 시스템은 부탄 가스통과 같은 연료 탱크를 버너와 개질기에 연결하여 사용하게 되는 바, 버너 및 스택 등으로부터 발생하는 복사열이 연료 탱크에 전달되거나 또는, 기체 연료가 개질기로 공급되는 도중 개질기의 촉매 등에 의해 바이어스되면서 연료 탱크의 내압이 기설정된 압력 이상으로 상승하는 경우, 상기한 내부 압력에 의해 연료 탱크가 폭발할 염려가 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 감안한 것으로, 그 목적은 연료 탱크 내부에서 이상 압력이 발생하는 경우 기체 연료의 흐름을 차단할 수 있는 안전장치를 채용하여 연료 탱크의 내압 상승으로 인해 연료 탱크가 폭발하는 것을 방지할 수 있는 연료 전지 시스템을 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템은, 기체 연료를 착화 연소시켜 기설정된 온도 범위의 열 에너지를 발생시키는 버너와, 상기 열 에너지에 의한 상기 기체 연료의 개질 반응에 의해 상기 기체 연료로부터 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키는 개질기와, 상기 개질 가스, 및 산소를 제공받아 상기 수소와 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 스택과, 상기 버너 및 상기 개질기로 상기 기체 연료를 공급하는 연료 공급장치를 포함하며, 상기 연료 공급장치는, 상기 기체 연료를 저장하는 연료 탱크와, 상기 연료 탱크와 상기 버너를 연결하는 제1 벤트라인과, 상기 연료 탱크와 상기 개질기를 연결하는 제2 벤트라인과, 상기 제2 벤트라인에 설치되어 상기 연료 탱크의 내부 압력에 따라 상기 제2 벤트라인의 유로를 선택적으로 개폐시키는 세이프티 밸브를 포함한다.
상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 세이프티 밸브는, 상기 연료 탱크의 내부 압력을 기준할 때, 상기 내부 압력이 기준치 이상이면 상기 제2 벤트라인의 유로를 폐쇄시키고, 상기 내부 압력이 기준치 미만이면 상기 제2 벤트라인의 유로 를 개방시키는 구조로서 이루어질 수 있다.
상기 연료 전지 시스템은, 제1 도관, 상기 제2 도관의 내부에 동축 방향으로 배치되는 제2 도관을 구비하여 상기 버너 및 상기 개질기를 구성하고, 이 경우 상기 버너는 상기 제2 도관의 일측 단부에 연결 설치되어 상기 기체 연료를 공기와 함께 착화 연소시키는 토치부재를 포함할 수 있다.
상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 개질기는, 상기 제1 도관과 상기 제2 도관 사이의 공간에 개질 촉매를 충전 형성하여 상기 개질 촉매에 의한 상기 기체 연료와 물의 수증기 개질 반응을 통해 상기 개질 가스를 발생시키는 구조로서 이루어질 수 있다.
상기 연료 전지 시스템은, 상기 개질기와 연결 설치되어 상기 개질기로 물을 공급하는 물 공급원과, 상기 버너 및 상기 스택과 연결 설치되어 상기 버너 및 상기 스택으로 산소를 각각 공급하는 산소 공급원을 포함할 수 있다.
상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 물 공급원은, 상기 물을 저장하는 물 탱크와, 상기 물 탱크에 연결 설치되어 상기 물 탱크에 저장된 물을 배출시키는 액체 펌프를 포함할 수 있다.
상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 산소 공급원은, 공기를 흡입하고, 이 공기를 상기 버너 및 상기 스택으로 각각 공급하는 공기 펌프를 포함할 수 있다.
상기 연료 전지 시스템은, 상기 개질기와 상기 스택 사이에 설치되어 상기 개질 가스 중에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 적어도 하나의 일산화탄소 정화기를 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 블록도이다.
이 도면을 참조하여 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)을 설명하면, 이 연료 전지 시스템(100)은, 연료를 개질하여 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키고, 이 개질 가스의 산화 반응 및 산화제 가스의 환원 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 고분자 전해질형 연료 전지 방식으로서 구성된다.
이러한 연료 전지 시스템(100)에 사용되는 연료는 메탄올, 에탄올, LPG, LNG, 가솔린 등과 같이 수소를 함유한 액체 또는 기체 연료를 포함할 수 있다. 그러나 본 발명의 실시예에서는 LPG 또는 LNG와 같은 기체 연료를 연소시켜 열을 발생시키고, 이 기체 연료를 개질하여 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키는 예를 설명한다.
그리고 본 시스템(100)은 산화제 가스로서 별도의 저장수단에 저장된 산소를 사용할 수 있으며, 산소를 함유하고 있는 공기를 그대로 사용할 수도 있다. 이하에서는 후자를 예로 하여 설명한다.
이와 같은 연료 전지 시스템(100)은, 기체 연료를 연소시켜 기설정된 온도 범위의 열 에너지를 발생시키는 버너(10)와, 이 열 에너지를 이용한 기체 연료와 물의 수증기 개질(Steam Reforming) 반응을 통해 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키는 개질기(20)와, 이 개질 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 일산화탄소 정화기(30)와, 개질 가스 중에 함유된 수소의 산화 반응 및 공기 중에 함유된 산소의 환원 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 스택(40)과, 버너(10)와 개질기(20)로 기체 연료를 각각 공급하는 연료 공급장치(50)와, 개질기(20)로 물을 공급하는 물 공급원(60)과, 버너(10)와 스택(40)으로 산소를 각각 공급하는 산소 공급원(70)을 포함하여 구성된다.
도 2는 도 1에 도시한 버너와 개질기의 예시적인 실시예를 개략적으로 나타내 보인 단면 구성도이다.
도면을 참고하면, 버너(10)는 공기와 함께 기체 연료를 착화 연소시켜 열 에너지를 발생시키는 착화 연소 방식으로서 구성된다. 그리고 개질기(20)는 버너(10)에서 발생하는 열 에너지를 이용하여 기체 연료의 촉매 반응 예컨대, 수증기 개질, 부분 산화 또는 자열 반응 등의 촉매 반응, 더욱 바람직하게는 기체 연료와 물의 수증기 개질(Steam Reforming) 반응을 통해 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키는 구조로서 이루어진다.
이와 같은 버너(10)와 개질기(20)를 구성하기 위해, 본 실시예에서는 제1 도관(21)과, 제1 도관(21)의 내부에 위치하는 제2 도관(11)을 구비하고 있다. 제1 도관(21)은 소정의 관로 단면적을 가지면서 실질적으로 양단이 폐쇄된 원형의 파이프 타입으로 이루어진다. 제2 도관(11)은 제1 도관(21) 보다 상대적으로 작은 관로 단면적을 가지면서 실질적으로 양단이 폐쇄된 원형의 파이프 타입으로 이루어진다. 이 때, 제2 도관(11)은 이의 외주면과 제1 도관(21)의 내주면이 일정 간격 이격되게 제1 도관(21)의 내부 중심 방향(동축 방향)으로 배치된다.
본 실시예에서, 버너(10)는 제2 도관(11)의 일측 단부에 연결 설치되는 토치부재(13)를 구비한다. 이 토치부재(13)는 제2 도관(11)의 내부 공간에서 공기와 함께 기체 연료를 착화 연소시켜 화염을 발생시키는 기능을 하게 된다.
이러한 토치부재(13)는 기체 연료와 공기를 점화시키기 위한 통상적인 점화 플러그(도면에 도시하지 않음)를 설치하고 있으며, 기체 연료와 공기를 제2 도관(11)의 내부 공간으로 주입시키기 위한 제1 주입구(13a)를 형성하고 있다. 이 때, 제1 주입구(13a)는 파이프 라인 등에 의해 뒤에서 더욱 설명하는 연료 공급장치(50), 및 산소 공급원(70)과 연결될 수 있다.
이에 더하여, 버너(10)는 제2 도관(11)의 내부 공간에서 기체 연료와 공기가 연소될 때 발생되는 연소 가스를 제2 도관(11)의 외부로 배출시키기 위한 제1 배출구(11b)를 제2 도관(11)의 다른 일측 단부에 형성하고 있다.
본 실시예에서, 개질기(20)는 버너(10)로부터 발생하는 열 에너지를 제공받아 기체 연료와 물의 수증기 개질 반응에 의해 이 기체 연료로부터 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키기 위한 것이다. 이를 위해 개질기(20)는 제1 도관(21)과 제2 도관(11) 사이의 공간에 개질 촉매(23)를 충전하여 이루어진다.
이러한 개질기(20)에 있어, 개질 촉매(23)는 기체 연료와 물의 수증기 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 담지하여 형성될 수 있다.
이에 더하여, 개질기(20)에는 제1 도관(21)과 제2 도관(11) 사이의 공간으로 기체 연료와 물을 주입시키기 위한 제2 주입구(21a)를 제1 도관(21)의 일측 단부에 형성하고 있다. 이 때, 제2 주입구(21a)는 파이프 라인 등에 의해 뒤에서 더욱 설명하는 연료 공급장치(50), 및 물 공급원(60)과 연결될 수 있다. 그리고 개질기(20)에는 제1 도관(21)과 제2 도관(11) 사이에서 개질 촉매(23)에 의한 기체 연료와 물의 수증기 개질 반응을 통해 발생하는 개질 가스를 배출시키기 위한 제2 배출구(21b)를 제1 도관(21)의 다른 일측 단부에 형성하고 있다. 이 때, 제2 배출구(21b)는 파이프 라인 등에 의해 뒤에서 더욱 설명하는 일산화탄소 정화기(30)와 연결될 수 있다.
상기에서, 일산화탄소 정화기(30)는 도 1에 도시한 바와 같이, 개질기(20)와 스택(40) 사이에 설치되며, 파이프 라인 등에 의해 개질기(20)의 제2 배출구(21b)와 스택(40)의 전기 발생부(41)에 연결될 수 있다. 이러한 일산화탄소 정화기(30)는 개질기(20)로부터 개질 가스를 공급받아 이 개질 가스 중에 함유된 일산화탄소의 수성 가스 전환(WGS) 반응 및/또는 선택적 산화(PROX) 반응에 의해 일산화탄소의 농도를 저감시키고, 이 개질 가스를 스택(40)의 전기 발생부(41)로 공급하는 통상적인 구조의 일산화탄소 정화기를 구비한다.
한편, 스택(40)은 도 1에 도시한 바와 같이, 파이프 라인 등에 의해 일산화 탄소 정화기(30)와 산소 공급원(70)에 연결 설치되어 일산화탄소 정화기(30)로부터 일산화탄소의 농도가 저감된 개질 가스를 공급받고, 산소 공급원(70)으로부터 산소를 공급받아 수소, 및 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 셀(cell) 단위의 전기 발생부(41)를 구비한다.
따라서 본 실시예에서는 이와 같은 전기 발생부(41)를 복수로 구비하고, 이들을 연속적으로 배치함으로써 전기 발생부(41)들의 집합체 구조에 의한 스택(40)을 형성할 수 있다.
여기서, 전기 발생부(41)는 통상적인 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode Assembly: MEA)(42)를 중심에 두고 이의 양면에 세퍼레이터(Separator)(당 업계에서는 "바이폴라 플레이트(bipolar plate)"라고도 한다.)(46)를 밀착되게 배치하여 이루어지는 최소 단위의 연료 전지(fuel cell)로서 구성된다.
이와 같은 스택(40)의 구성은 통상적인 고분자 전해질형 연료 전지의 스택 구성으로 이루어질 수 있으므로 본 명세서에서 그 자세한 설명은 생략하기로 한다.
본 실시예에서, 연료 공급장치(50)는 도 1에 도시한 바와 같이, 부탄 가스통과 같이 기체 연료를 기설정된 압력으로서 압축 저장하는 연료 탱크(51)와, 이 연료 탱크(51)와 버너(10)의 제1 주입구(13a)를 연결하는 파이프 형태의 제1 벤트라인(53)과, 연료 탱크(51)와 개질기(20)의 제2 주입구(21a)를 연결하는 파이프 형태의 제2 벤트라인(55)을 구비하고 있다.
본 실시예에서, 물 공급원(60)은 도 1에 도시한 바와 같이, 물을 저장하는 물 탱크(61)와, 물 탱크(61)에 연결 설치되어 물 탱크(61)에 저장된 물을 배출시키 기 위한 액체 펌프(63)를 구비한다. 이 때 물 탱크(61)는 파이프 라인 등에 의해 개질기(20)의 제2 주입구(21a)와 연결될 수 있다.
본 실시예에서, 산소 공급원(70)은 도 1에 도시한 바와 같이, 소정 펌핑력으로 공기를 흡입하고 이 공기를 버너(10) 및 스택(40)으로 각각 공급하는 적어도 하나의 공기 펌프(71)를 구비한다. 여기서, 산소 공급원(70)은 도면에서와 같이, 단일의 공기 펌프(71)를 통해 버너(10)와 스택(40)으로 공기를 공급하는 구조로 되어 있으나, 이에 한정되지 않고 버너(10)와 스택(40)에 각각 연결되는 한 쌍의 공기 펌프를 구비할 수도 있다. 그리고 산소 공급원(70)은 위와 같은 공기 펌프(71)를 구비하는 것에 한정되지 않고, 통상적인 구조의 팬(fan)을 구비할 수도 있다. 이 때, 공기 펌프(71)는 파이프 라인 등에 의해 버너(10)의 제1 주입구(13a), 및 스택(40)의 전기 발생부(41)와 연결될 수 있다.
상기와 같이 구성되는 연료 전지 시스템(100)의 작용시, 버너(10) 및 스택(40) 등으로부터 발생하는 복사열이 연료 탱크(51)에 전달되거나 또는, 기체 연료가 제2 벤트라인(55)을 통해 제1 도관(21)과 제2 도관(11) 사이의 개질 촉매(23)로 공급되는 도중 이 기체 연료가 개질 촉매(23)에 의해 바이어스되면서 연료 탱크(51)의 내부 압력이 상승하게 되는 바, 연료 탱크(51)의 내부 압력이 기설정된 압력 이상으로 상승하는 경우 상기한 내부 압력에 의해 연료 탱크(51)가 폭발할 염려가 있다.
이에, 본 발명의 실시예에서는 도 1에 도시한 바와 같이, 연료 탱크(52)의 내부 압력에 따라 제2 벤트라인(55)의 유로를 선택적으로 개폐시키는 세이프티 밸 브(80)를 포함하고 있다.
이러한 세이프티 밸브(80)는 연료 탱크(51)의 내부 압력을 기준할 때, 그 내부 압력이 기준치 이상이면 제2 벤트라인(55)의 유로를 폐쇄시키고, 내부 압력이 기준치 미만이면 벤트라인(55)의 유로를 개방시키는 안전장치로서의 기능을 하게 된다.
본 실시예에 의한 세이프티 밸브(80)는 도 3에 도시한 바와 같이, 제2 벤트라인(55)에 설치되는 통상적인 스풀 밸브(spool valve)로서 구비되는 바, 이 스풀 밸브는 원통형 슬리브 내측에 스프링(83)에 의해 탄성 지지되면서 슬리브의 축 방향으로 왕복 이동 가능하게 설치되는 밸브 몸체(스풀: spool)(81)를 설치하여 구성될 수 있다. 따라서 연료 탱크(51)의 내부 압력이 기설정된 압력 범위까지 상승하는 경우, 세이프티 밸브(80)는 밸브 몸체(81)가 기체 연료의 압력에 의해 스프링(83)의 탄성력을 극복하면서 축방향으로 이동됨에 따라 제2 벤트라인(55)의 유로를 폐쇄시킨다. 그리고 연료 탱크(51)의 내부 압력이 기설정된 압력 미만으로 작용하게 되면 세이프티 밸브(80)는 밸브 몸체(81)가 스프링(83)에 의해 탄성 바이어스되어 원래의 위치로 이동됨에 따라 제2 벤트라인(55)의 유로를 개방시키게 된다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.
우선, 연료 탱크(51)에 압축 저장된 기체 연료는 제1 벤트라인(53), 및 토치부재(13)의 제1 주입구(13a)를 통해 제2 도관(11)의 내부 공간으로 공급된다. 이와 동시에, 공기 펌프(71)는 공기를 흡입하고, 이 공기를 제1 주입구(32a)를 통해 제2 도관(11)의 내부 공간으로 공급한다.
이 상태에서, 점화 플러그(도면에 도시하지 않음)는 제2 도관(11)의 내부 공간으로 공급되는 기체 연료와 공기를 착화시킨다. 그러면, 버너(10)에서는 기체 연료와 공기가 제2 도관(11)의 내부 공간에서 연소되면서 기설정된 온도 범위의 열 에너지를 발생시키게 된다. 따라서, 상기한 열 에너지는 제2 도관(11)을 통해 개질기(20)의 개질 촉매(23)에 제공된다. 이로써 개질기(20)는 버너(10)의 외측에 형성되고 있기 때문에, 이 버너(10)로부터 열 에너지를 제공받아 개질 촉매(23)가 개질기(20)의 고유한 운전 온도 조건에 상응하는 온도 범위로서 예열된 상태를 유지하게 된다.
이러한 과정을 거친 후, 연료 탱크(51)에 압축 저장된 기체 연료는 제2 벤트라인(55), 및 개질기(20)의 제2 주입구(21a)를 통해 제1 도관(21)과 제2 도관(11) 사이의 영역으로 공급된다. 이와 동시에, 액체 펌프(63)는 물 탱크(61)에 저장된 물을 배출시키고, 이 물을 개질기(20)의 제2 주입구(21a)를 통해 제1 도관(21)과 제2 도관(11) 사이의 영역으로 공급한다.
그러면, 개질기(20) 즉, 제1 도관(21)과 제2 도관(11) 사이의 영역에서는 개질 촉매(23)에 의한 기체 연료와 물의 수증기 개질 반응이 진행되어 수소를 함유하고 있는 개질 가스를 발생시킨다. 이 때 개질기(20)에서는 기체 연료의 불완전한 개질 반응에 의해 부(副) 생성물로서 일산화탄소가 함유된 개질 가스를 발생시키게 된다.
이어서, 개질 가스는 개질기(20)의 제2 배출구(21b)를 통해 배출되고, 일산 화탄소 정화기(30)로 공급된다. 그러면, 일산화탄소 정화기(30)에서는 개질 가스에 함유된 일산화탄소의 수성 가스 전환 반응 및/또는 선택적 산화 반응에 의해 일산화탄소의 농도를 저감시키게 된다.
다음, 일산화탄소의 농도가 저감된 개질 가스는 일산화탄소 정화기(30)로부터 배출되어 스택(40)의 전기 발생부(41)로 공급된다. 이와 동시에, 공기 펌프(71)는 공기를 스택(40)의 전기 발생부(41)로 공급한다. 그러면 스택(40)에서는 전기 발생부(41)에 의한 수소와 산소의 산화 반응, 및 환원 반응에 의해 기설정된 용량의 전기 에너지를 출력시키게 된다.
이러는 과정을 거치는 동안, 버너(10) 및 스택(40) 등으로부터 발생하는 복사열이 연료 탱크(51)에 전달되거나 또는, 기체 연료가 제2 벤트라인(55)을 통해 제1 도관(21)과 제2 도관(11) 사이의 개질 촉매(23)로 공급되는 도중 이 기체 연료가 개질 촉매(23)에 의해 바이어스되면서 연료 탱크(51)의 내부 압력이 기준치 이상으로 상승하는 경우, 본 실시예에 의한 세이프티 밸브(80)는 밸브 몸체(81)가 기체 연료의 압력에 의해 스프링(83)의 탄성력을 극복하면서 축방향으로 이동됨에 따라 제2 벤트라인(55)의 유로를 폐쇄시킨다. 이로써, 제2 벤트라인(55)의 유로가 세이프티 밸브(80)에 의해 폐쇄됨에 따라, 기체 연료는 개질기(20)로 공급되지 않게 된다. 이 때, 연료 탱크(51)에 저장된 기체 연료는 제1 벤트라인(53)을 통해 버너(10)에 계속적으로 공급되고 있는 상태에 있다.
한편, 기체 연료가 버너(10)에 계속적으로 공급되면서 연료 탱크(51)의 내부 압력이 기준치 미만으로 하강하는 경우, 세이프티 밸브(80)는 밸브 몸체(81)가 스 프링(83)에 의해 탄성 바이어스되면서 원래의 위치로 이동됨에 따라 제2 벤트라인(55)의 유로를 개방시키게 된다. 이로써 제2 벤트라인(55)의 유로가 세이프티 밸브(80)에 의해 개방됨에 따라 기체 연료는 개질기(20)로 공급되게 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, 연료 탱크와 개질기를 연결하는 벤트라인 상에 세이프티 밸브를 구비함에 따라, 연료 탱크 내부에서 이상 압력이 발생하는 경우 기체 연료의 흐름을 차단함으로써 연료 탱크의 내압 상승으로 인해 연료 탱크가 폭발하는 것을 미연에 방지할 수 있다.

Claims (8)

  1. 기체 연료를 착화 연소시켜 기설정된 온도 범위의 열 에너지를 발생시키는 버너;
    상기 열 에너지에 의한 상기 기체 연료의 개질 반응에 의해 상기 기체 연료로부터 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키는 개질기;
    상기 개질 가스, 및 산소를 제공받아 상기 수소와 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 스택; 및
    상기 버너 및 상기 개질기로 상기 기체 연료를 공급하는 연료 공급장치
    를 포함하며,
    상기 연료 공급장치는, 상기 기체 연료를 저장하는 연료 탱크와, 상기 연료 탱크와 상기 버너를 연결하는 제1 벤트라인과, 상기 연료 탱크와 상기 개질기를 연결하는 제2 벤트라인과, 상기 제2 벤트라인에 설치되어 상기 연료 탱크의 내부 압력에 따라 상기 제2 벤트라인의 유로를 선택적으로 개폐시키는 세이프티 밸브를 포함하는 연료 전지 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 세이프티 밸브는,
    상기 연료 탱크의 내부 압력을 기준할 때, 상기 내부 압력이 기준치 이상이면 상기 제2 벤트라인의 유로를 폐쇄시키고, 상기 내부 압력이 기준치 미만이면 상 기 제2 벤트라인의 유로를 개방시키는 구조로서 이루어지는 연료 전지 시스템.
  3. 제1 항에 있어서,
    제1 도관, 상기 제2 도관의 내부에 동축 방향으로 배치되는 제2 도관을 구비하여 상기 버너 및 상기 개질기를 구성하고,
    상기 버너는 상기 제2 도관의 일측 단부에 연결 설치되어 상기 기체 연료를 공기와 함께 착화 연소시키는 토치부재를 포함하는 연료 전지 시스템.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 개질기는,
    상기 제1 도관과 상기 제2 도관 사이의 공간에 개질 촉매를 충전 형성하여 상기 개질 촉매에 의한 상기 기체 연료와 물의 수증기 개질 반응을 통해 상기 개질 가스를 발생시키는 구조로서 이루어지는 연료 전지 시스템.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 개질기와 연결 설치되어 상기 개질기로 물을 공급하는 물 공급원; 및
    상기 버너 및 상기 스택과 연결 설치되어 상기 버너 및 상기 스택으로 산소를 각각 공급하는 산소 공급원
    을 포함하는 연료 전지 시스템.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 물 공급원은,
    상기 물을 저장하는 물 탱크와, 상기 물 탱크에 연결 설치되어 상기 물 탱크에 저장된 물을 배출시키는 액체 펌프를 포함하는 연료 전지 시스템.
  7. 제5 항에 있어서,
    상기 산소 공급원은,
    공기를 흡입하고, 이 공기를 상기 버너 및 상기 스택으로 각각 공급하는 공기 펌프를 포함하는 연료 전지 시스템.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 개질기와 상기 스택 사이에 설치되어 상기 개질 가스 중에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 적어도 하나의 일산화탄소 정화기를 포함하는 연료 전지 시스템.
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