KR20070038649A - 개질기 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템은, 수소, 및 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 연료전지 본체와, 연료를 연소시켜 열 에너지를 발생시키고, 이 열 에너지를 이용한 연료와 물의 개질 반응을 통해 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키는 개질기와, 상기 연료를 상기 개질기로 공급하기 위한 연료 공급원과, 상기 물을 상기 개질기로 공급하기 위한 물 공급원과, 공기를 상기 연료전지 본체로 공급하기 위한 공기 공급원과, 상기 개질기 내로 상기 물을 순환시켜 상기 개질기에서 발생되는 열에 의해 상기 물을 가열하고, 상기 가열된 물을 상기 개질기로 공급하는 예열장치를 포함한다.
연료전지, 본체, 스택, 개질기, 연료공급원, 물공급원, 공기공급원, 예열장치, 물, 예열, 패스부재

Description

개질기 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템 {REFORMER AND FUEL CELL SYSTEM WITH THE SAME}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시한 연료전지 본체의 구성을 나타내 보인 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 개질기의 예시적인 실시예를 도시한 사시도이다.
도 4는 도 3의 단면 구성도이다.
도 5는 본 발명에 따른 개질기의 예시적인 다른 실시예를 도시한 단면 구성도이다.
본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료와 물의 수증기 개질 반응을 통해 개질 가스를 발생시키는 개질기 구조를 개선한 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
알려진 바와 같이, 연료 전지(Fuel Cell)는 탄화 수소 계열의 연료를 이용하 여 전기 에너지를 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)(당 업계에서는 통상적으로 "직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC)" 라고도 한다.)로 구분될 수 있다.
이 중에서 고분자 전해질형 연료 전지는 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, 물과 함께 연료를 개질하여 수소를 함유하고 있는 개질 가스를 발생시키고 이 개질 가스를 스택으로 공급하는 개질기와, 산화제 가스를 스택으로 공급하기 위한 산화제 가스 공급장치를 구비한다. 따라서 스택에서는 개질기로부터 공급되는 개질 가스, 및 산화제 공급장치로부터 공급되는 산화제 가스의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시킨다.
이 중에서, 개질기는 연료를 직접적으로 연소시켜 열 에너지를 발생시키는 열원부와, 이 열 에너지를 이용한 연료와 물의 수증기 개질 반응에 의해 개질 가스를 발생시키는 개질 반응부를 포함하여 구성된다.
그런데, 종래의 연료 전지 시스템은 상온을 유지하는 물을 연료와 함께 개질 기의 개질 반응부로 공급하여 이 개질 반응부에 의한 연료와 물의 수증기 개질 반응을 통해 개질 가스를 발생시키게 되는 바, 이러한 개질 반응부는 열원부로부터 발생되는 열 에너지를 제공받아 연료와 물을 수증기 개질 반응의 고유한 반응 개시 온도 범위로서 가열한 상태에서 수증기 개질 반응을 일으키게 된다. 따라서, 종래의 연료 전지 시스템에 있어, 개질기는 상온의 연료와 물을 수증기 개질 반응의 고유한 반응 개시 온도 범위로서 가열함에 따라, 그 만큼 초기 기동 시간이 길어지게 되며, 결과적으로는 전체 개질기의 열 효율 및 성능 효율이 떨어지게 되는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 감안한 것으로서, 그 목적은 열원부에서 발생되는 열 에너지에 의해 물을 예열한 상태에서 이 물을 개질 반응부로 공급할 수 있는 개질기 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템을 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 개질기는, 제1 도관, 및 상기 제1 도관의 내부에 배치되는 제2 도관을 포함하는 본체와, 상기 제2 도관에 형성되어 상기 제2 도관의 내부에서 소정의 연료를 연소시켜 기설정된 온도 범위의 열 에너지를 발생시키는 열원부와, 상기 제1 도관과 상기 제2 도관 사이의 영역에 개질 촉매를 충진 형성하여 상기 열 에너지에 의한 연료와 물의 개질 반응에 의해 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키는 개질 반응부와, 상기 본체에 접촉되게 설치되어 상기 물을 상기 개질 반응부로 공급하기 위한 패스를 형성하고, 상기 열원부에서 발생되는 열에 의해 상기 물을 가열하는 패스부재를 포함한다.
상기 개질기에 있어서, 상기 패스부재는 상기 제1 도관의 외주면에 대해 코일 형태로 감기면서 상기 개질 반응부와 연결되게 설치되는 파이프 라인 형태로서 이루어질 수 있다.
상기 개질기는, 상기 본체를 감싸도록 설치되는 하우징을 더욱 포함할 수 있다. 이 경우 상기 패스부재는 상기 제1 도관과 상기 하우징 사이에 배치되며, 상기 제1 도관의 외주면에 대해 코일 형태로 감기면서 상기 개질 반응부와 연결되게 설치되는 파이프 라인 형태로서 이루어질 수 있다.
상기 개질기에 있어서, 상기 열원부는 상기 제2 도관의 일측 단부에 연결되게 설치되어 상기 연료를 공기와 함께 착화 연소시키는 토치부재를 포함할 수 있다. 이 경우 상기 열원부는 상기 토치부재에 형성되어 상기 연료와 공기를 상기 제2 도관의 내부로 주입시키기 위한 제1 주입구와, 상기 제2 도관의 다른 일측 단부에 형성되어 상기 연료의 연소 가스를 배출시키기 위한 제1 배출구를 포함할 수 있다.
상기 개질기에 있어서, 상기 열원부는 상기 제2 도관의 내부에 산화 촉매를 충진 형성하여 상기 산화 촉매에 의한 상기 연료와 공기의 산화 반응을 통해 상기 열 에너지를 발생시키는 구조로서 이루어질 수도 있다. 이 경우 상기 열원부는 상기 제2 도관의 일측 단부에 형성되어 상기 연료와 공기를 상기 제2 도관의 내부로 주입시키기 위한 제1 주입구와, 상기 제2 도관의 다른 일측 단부에 형성되어 상기 연료의 연소 가스를 배출시키기 위한 제1 배출구를 포함할 수 있다.
상기 개질기에 있어서, 상기 개질 반응부는 상기 제1 도관의 일측 단부에 형성되어 상기 연료를 상기 제1 도관과 상기 제2 도관 사이의 영역으로 주입시키기 위한 제2 주입구와, 상기 제1 도관의 일측 단부에 형성되어 상기 물을 상기 제1 도관과 상기 제2 도관 사이의 영역으로 주입시키기 위한 제3 주입구와, 상기 제1 도관의 다른 일측 단부에 형성되어 상기 개질 가스를 배출시키기 위한 제2 배출구를 포함할 수 있다. 이 경우 상기 패스부재는 상기 제1 도관의 외주면에 대해 코일 형태로 감기면서 상기 개질 반응부의 상기 제3 주입구와 연결되게 설치되는 파이프 라인 형태로서 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템은, 수소, 및 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 연료전지 본체와, 연료를 연소시켜 열 에너지를 발생시키고, 이 열 에너지를 이용한 연료와 물의 개질 반응을 통해 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키는 개질기와, 상기 연료를 상기 개질기로 공급하기 위한 연료 공급원과, 상기 물을 상기 개질기로 공급하기 위한 물 공급원과, 공기를 상기 연료전지 본체로 공급하기 위한 공기 공급원과, 상기 개질기 내로 상기 물을 순환시켜 상기 개질기에서 발생되는 열에 의해 상기 물을 가열하고, 상기 가열된 물을 상기 개질기로 공급하는 예열장치를 포함한다.
상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 개질기는 제1 도관, 및 상기 제1 도관의 내부에 배치되는 제2 도관을 포함하는 본체와, 상기 제2 도관에 형성되어 상기 제2 도관의 내부에서 소정의 연료를 연소시켜 열 에너지를 발생시키는 열원부 와, 상기 제1 도관과 상기 제2 도관 사이의 영역에 개질 촉매를 충진 형성하여 상기 열 에너지에 의한 연료와 물의 개질 반응에 의해 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키는 개질 반응부를 포함할 수 있다.
상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 예열장치는 상기 제1 도관의 외주면에 대해 코일 형태로 감기면서 상기 개질 반응부와 연결되게 설치되는 패스부재를 포함할 수 있다.
상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 물 공급원은, 상기 물을 저장하는 물탱크와, 상기 물탱크와 연결되게 설치되어 상기 물탱크에 저장된 물을 배출시키는 펌프를 포함할 수 있다. 이 경우 상기 예열장치는 상기 제1 도관의 외주면에 대해 코일 형태로 감기면서 설치되는 파이프 라인 형태의 패스부재를 포함하며, 상기 패스부재는 상기 개질 반응부와 상기 펌프에 각각 연결되게 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 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
이 도면을 참조하여 본 발명의 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(Polymer Electrode Membrane Fuel Cell; PEMFC) 방식으로서 구성된다.
이러한 연료 전지 시스템(100)에 사용되는 연료는 메탄올, 에탄올, LPG, LNG, 가솔린 등과 같은 탄화수소 계열의 액체 또는 기체 연료를 포함할 수 있다.
그리고 본 시스템(100)은 산화제 가스로서 별도의 저장수단에 저장된 산소를 사용할 수 있으며, 산소를 함유하고 있는 공기를 그대로 사용할 수도 있다. 그러나, 이하에서는 후자를 예로 하여 설명한다.
이와 같은 연료 전지 시스템(100)은 기본적으로, 수소 및 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 연료 전지 본체(10)와, 물과 함께 연료를 개질하여 이 연료로부터 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키고 이 개질 가스를 연료전지 본체(10)로 공급하는 개질기(20)와, 개질기(20)로 연료를 공급하기 위한 연료 공급원(50)과, 개질기(20)로 물을 공급하기 위한 물 공급원(60)과, 연료전지 본체(10) 및 개질기(20)로 공기를 공급하기 위한 공기 공급원(70)을 포함하여 구성된다.
본 실시예에서, 연료전지 본체(10)는 개질기(20)와 공기 공급원(70)에 연결되게 설치되며, 개질기(20)로부터 개질 가스를 공급받고 공기 공급원(70)으로부터 공기를 제공받아 수소, 및 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 셀(cell) 단위의 전기 발생부(11)를 구비한다.
따라서, 연료전지 본체(10)는 이와 같은 전기 발생부(11)를 복수로 구비하고, 이들을 연속적으로 배치함으로써 전기 발생부(11)들의 집합체 구조에 의한 스택(stack)으로 구성될 수 있다.
도 2는 도 1에 도시한 연료전지 본체의 구성을 나타내 보인 분해 사시도이다.
도면을 참고하면, 본 실시예에 의한 연료전지 본체(10)는 언급한 바와 같이 전기 발생부(11)들의 집합체 구조로서 이루어지는 바, 이 전기 발생부(11)는 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode Assembly: MEA)(12)를 중심에 두고 이의 양면에 세퍼레이터(Separator)(13)를 밀착되게 배치하여 구성될 수 있다.
여기서, 막-전극 어셈블리(12)는 일면에 애노드 전극을 형성하고, 다른 일면에 캐소드 전극을 형성하며, 이들 두 전극 사이에 전해질막을 형성하고 있다. 애노드 전극은 개질 가스 중에 함유된 수소를 전자와 수소 이온으로 분리시키며, 전해질막은 수소 이온을 캐소드 전극으로 이동시키고, 캐소드 전극은 애노드 전극으로부터 받은 전자, 수소 이온, 및 별도로 제공되는 공기 중의 산소를 반응시켜 수분과 열을 생성하는 기능을 하게 된다. 그리고 세퍼레이터(13)는 개질 가스를 막-전극 어셈블리(12)의 애노드 전극으로 공급하고, 공기를 막-전극 어셈블리(12)의 캐소드 전극으로 공급하기 위한 개질 가스 및 공기 이동 채널을 형성하며, 막-전극 어셈블리(12)의 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체로서의 기능을 하게 된다.
도 3은 본 발명에 따른 개질기의 예시적인 실시예를 도시한 사시도이고, 도 4는 도 3의 단면 구성도이다.
도면을 참고하면, 본 실시예에 의한 개질기(20)는 연료를 연소시켜 기설정된 온도 범위의 열 에너지를 발생시키는 열원부(30)와, 이 열 에너지를 이용한 연료와 물의 수증기 개질(Steam Reforming: SR) 반응에 의해 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키는 개질 반응부(40)를 포함하여 구성된다.
이러한 개질기(20)는 동심원을 갖는 이중 관로 형태의 본체(23)로서 구성되는 바, 이 본체(23)는 제1 도관(21)과, 제1 도관(21)의 내부에 배치되는 제2 도관(22)을 구비한다.
제1 도관(21)은 소정의 관로 단면적을 가지면서 실질적으로 양단이 폐쇄된 원형의 파이프 타입으로 이루어진다. 제2 도관(22)은 제1 도관(21)의 관로 단면적 보다 상대적으로 작은 관로 단면적을 가지면서 실질적으로 양단이 폐쇄된 원형의 파이프 타입으로 이루어진다. 이 때 제2 도관(22)은 이의 외주면과 제1 도관(21)의 내주면이 일정 간격 이격되도록 제1 도관(21)의 내부 중심 방향(동축 방향)으로 배치된다.
이와 같이 구성되는 개질기(20)에 있어, 본 실시예에 의한 열원부(30)는 연료를 연소시켜 이 때 발생하는 열 에너지를 개질 반응부(40)에 제공하기 위한 것으로서, 제2 도관(22)의 일측 단부에 연결되게 설치되는 토치부재(31)를 구비한다. 이 토치부재(31)는 제2 도관(22)의 내부 공간에서 공기와 함께 연료를 착화 연소시키는 기능을 하게 된다.
이러한 토치부재(31)는 연료와 공기를 점화시키기 위한 통상적인 점화 플러그(도면에 도시하지 않음)를 설치하고 있으며, 연료와 공기를 제2 도관(22)의 내부 공간으로 주입시키기 위한 제1 주입구(33a)를 형성하고 있다. 이에 더하여, 열원부(30)는 제2 도관(22)의 내부 공간에서 연료와 공기가 연소될 때 발생되는 연소 가 스를 배출시키기 위한 제1 배출구(33b)를 제2 도관(22)의 다른 일측 단부에 형성하고 있다.
본 실시예에서, 개질 반응부(40)는 열원부(30)로부터 제공되는 열 에너지를 흡열하여 별도로 공급되는 연료와 물의 수증기 개질 반응을 통해 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키기 위한 것이다.
이 개질 반응부(40)는 제1 도관(21)과 제2 도관(22) 사이의 영역에 개질 촉매(41)를 충진 형성하여 이루어진다. 이러한 개질 촉매(41)는 연료와 물의 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 담지하여 형성될 수 있다.
이에 더하여, 개질 반응부(40)에는 제1 도관(21)과 제2 도관(22) 사이의 영역으로 연료를 주입시키기 위한 제2 주입구(43a)와, 물을 제1 도관(21)과 제2 도관(22) 사이의 영역으로 주입시키기 위한 제3 주입구(43b)를 제1 도관(21)의 일측 단부에 형성하고 있다. 그리고 개질 반응부(40)는 제1 도관(21)과 제2 도관(22) 사이의 영역에서 개질 촉매(41)에 의한 연료와 물의 수증기 개질 반응을 통해 발생되는 개질 가스를 배출시키기 위한 제2 배출구(43c)를 제1 도관(21)의 다른 일측 단부에 형성하고 있다. 이 때, 제2 배출구(43c)는 통상적인 파이프 라인 등을 통해 연료전지 본체(10: 도 1)와 연결된다.
상기와 같이 구성되는 개질기(20)는 본체(23)를 감싸도록 설치되는 하우징 (25)이 제공되는 바, 이 하우징(25)은 열원부(30)에서 발생되는 열 에너지가 외부로 방출되는 것을 저지하는 이른바 단열 케이스로서의 기능을 하게 된다.
이러한 하우징(25)은 본체(23)를 수용하는 내부 공간을 가지면서 양단이 폐쇄된 원통형의 도관 형태로서 이루어진다. 즉, 하우징(25)은 제1 도관(21) 및 제2 도관(22)에 대하여 동심원을 가지면서 이의 내주면과 제1 도관(21)의 외주면이 일정 간격으로 이격되게 설치되는 바, 제1 도관(21)의 관로 단면적 보다 큰 관로 단면적을 갖도록 구비된다. 이 때, 하우징(25)은 열원부(30)에 의해 본체(23)에 작용하는 열 에너지를 단열시키기 위해, 열전도도가 작은 단열 소재 예컨대, 스테인레스 강, 지르코늄, 알루미늄 등과 같은 금속 단열 소재 또는 세라믹 등과 같은 비금속 단열 소재로서 형성될 수 있다.
이와 같이 구성되는 개질기(20)로 연료를 공급하기 위한 연료 공급원(50)은 도 1에 도시한 바와 같이, 액체 연료를 저장하는 연료 탱크(51)와, 연료 탱크(51)와 개질기(20)에 연결되게 설치되는 제1 펌프(53)를 포함하고 있다. 이 때, 제1 펌프(53)는 통상적인 파이프 라인 등에 의해 연료 탱크(51) 및 열원부(30)의 제1 주입구(33a)와, 연료 탱크(51) 및 개질 반응부(40)의 제2 주입구(43a)와 연결되게 설치될 수 있다.
그리고, 개질기(20)로 물을 공급하기 위한 물 공급원(60)은 도 1에 도시한 바와 같이, 물을 저장하는 물 탱크(61)와, 물 탱크(61)와 연결되게 설치되는 제2 펌프(63)를 포함하고 있다. 이 때 제2 펌프(63)는 뒤에서 더욱 설명하는 예열장치(90)에 의해 개질 반응부(40)의 제3 주입구(43b: 도 4)와 연결되게 설치될 수 있 다.
이에 더하여, 연료전지 본체(10) 및 개질기(20)로 공기를 각각 공급하기 위한 공기 공급원(70)은 도 1에 도시한 바와 같이, 소정의 펌핑 압력으로 공기를 흡입하는 제3 펌프(71)를 포함하고 있다. 이 때, 제3 펌프(71)는 통상적인 파이프 라인 등에 의해 연료전지 본체(10), 및 열원부(30)의 제1 주입구(33a)와 연결되게 설치될 수 있다.
상기와 같이 구성되는 연료 전지 시스템(100)은 도 3 및 도 4에 도시한 바와 같이, 개질기(20)에 예열장치(90)가 제공되는 바, 이 예열장치(90)는 제2 펌프(63: 도 1)의 가동에 의하여 물을 개질기(20) 내로 순환시켜 열원부(30)에서 발생되는 열에 의해 물을 가열하고, 이 가열된 물을 개질 반응부(40)로 공급하는 구조로서 이루어진다.
본 실시예에서, 예열장치(90)는 물 공급원(60: 도 1)의 제2 펌프(63: 도 1)와 연결되면서 개질 반응부(40)의 제3 주입구(43b)와 연결되게 설치되는 파이프(튜브) 라인 형태의 패스부재(91)를 포함한다.
이 패스부재(91)는 제2 펌프(63)에 의해 물 탱크(61)로부터 배출되는 물을 개질 반응부(40)의 제3 주입구(43b)로 공급하는 패스를 형성하는 바, 제1 도관(21)과 하우징(25) 사이에서 제1 도관(21)의 외주면에 접촉되게 설치된다. 이러한 패스부재(91)는 열원부(30)로부터 제1 도관(21)에 제공된 열 에너지를 전달받아 이의 유로를 따라 흐르는 물을 가열하고, 이 가열된 물을 개질 반응부(40)의 제3 주입구(43b)로 공급하는 기능을 하게 된다. 이에, 패스부재(91)는 열전도성을 갖는 통상 적인 금속 소재 예컨대, 알루미늄, 구리, 철 등으로 형성될 수 있다.
구체적으로, 패스부재(91)는 하우징(25)의 일측 단부 측을 관통하여 이 하우징(25)과 제1 도관(21) 사이의 공간으로 인입되는 구조로서, 일측 단부가 제2 펌프(63)의 토출 부위에 연결되고, 다른 일측 단부가 개질 반응부(40)의 제3 주입구(43b)와 연결된다.
여기서, 패스부재(91)는 언급한 바와 같이 하우징(25)과 제1 도관(21) 사이에서 제1 도관(21)의 외주면에 접촉되게 설치되는 바, 바람직하게는 제1 도관(21)의 외주면에 코일 형태로서 감긴 구조로 이루어진다.
이와 같이, 패스부재(91)를 제1 도관(21)의 외주면에 코일 형태로 감아 구성한 이유는, 제1 도관(21)의 외주면에 대한 패스부재(91)의 접촉 면적을 극대화시키고, 제2 펌프(63)에 의해 물 탱크(61)로부터 배출되는 물의 유동 경로를 더욱 연장시키기 위함이다.
따라서, 본 실시예에 의한 패스부재(91)는 제2 펌프(63)에 의해 물 탱크(61)로부터 배출되는 물을 제1 도관(21)의 외주면에 대해 나선형 패스를 형성하면서 개질 반응부(40)의 제3 주입구(43b)로 공급할 수 있게 된다. 이로써, 패스부재(91)는 열원부(30)로부터 제1 도관(21)에 제공되는 열 에너지를 전달받아 물을 소정의 온도로 가열한 상태에서, 이 가열된 물을 개질 반응부(40)의 제3 주입구(43b)로 공급하게 된다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 동작을 상세히 설명하면 다음과 같다.
우선, 제1 펌프(53)는 연료 탱크(51)에 저장된 연료를 배출시키고, 이 연료를 열원부(30)의 제1 주입구(33a)를 통해 제2 도관(22)의 내부로 공급한다. 이와 동시에, 제3 펌프(71)는 공기를 흡입하고, 이 공기를 열원부(30)의 제1 주입구(33a)를 통해 제2 도관(22)의 내부로 공급한다.
이 상태에서, 점화 플러그(도면에 도시하지 않음)를 작동시키게 되면, 열원부(30)에서는 연료와 공기가 제2 도관(22)의 내부 공간으로 분산되면서 점화 플러그의 작동에 의해 착화되고, 제2 도관(22)의 내부 공간에서 연소되면서 열 에너지를 발생시키게 된다. 따라서, 개질 반응부(40)가 열원부(30)의 외측에 형성되고 있기 때문에, 상기한 열 에너지는 제2 도관(22)을 통해 개질 반응부(40)의 개질 촉매(41)에 제공된다. 이로써 개질 촉매(41)는 개질 반응에 필요한 반응 개시 온도 범위 이상으로서 예열된 상태를 유지하게 된다.
이러는 과정에서, 제2 도관(22)의 내부에서 연료와 공기가 연소될 때 발생하는 연소 가스는 열원부(30)의 제1 배출구(33b)를 통해 배출되게 된다. 그리고, 개질 반응부(40)의 제1 도관(21)은 열원부(30)로부터 개질 촉매(41)로 전달된 열을 제공받아 소정 온도로 가열된 상태에 있다.
이 상태에서, 제1 펌프(53)는 연료를 개질 반응부(40)의 제2 주입구(43a)를 통해 제1 도관(21)과 제2 도관(22) 사이의 영역으로 공급한다. 이와 동시에, 제2 펌프(63)는 물 탱크(61)에 저장된 물을 배출시키고, 이 물을 패스부재(91)를 통해 제1 도관(21)과 제2 도관(22) 사이의 영역으로 공급한다.
이러는 과정을 거치는 동안, 패스부재(91)가 소정 온도로 가열된 제1 도관 (21)의 외주면에 코일 형태로서 감겨져 있기 때문에, 물은 패스부재(91)를 따라 나선형의 패스를 형성하면서 유동하게 되는 바, 이러는 도중 열원부(30)로부터 제1 도관(21)에 제공된 열 에너지를 패스부재(91)를 통해 전달받아 소정 온도로 가열된다. 따라서, 상기 가열된 물은 개질 반응부(40)의 제3 주입구(43b)를 통해 제1 도관(21)과 제2 도관(22) 사이의 영역으로 공급된다. 이로써, 개질기(20)는 본 실시예에 의한 패스부재(91)를 통해 소정 온도로 예열된 물을 개질 반응부(40)에 제공할 수 있기 때문에, 전체 개질기(20)의 초기 기동 시간을 단축시킬 수 있게 된다.
이러한 과정을 거친 후, 개질 반응부(40)에서는 개질 촉매(41)에 의한 연료와 물의 수증기 개질 반응이 진행되어 수소를 함유하고 있는 개질 가스를 발생시킨다. 이 때, 개질 가스는 개질 반응부(40)의 제2 배출구(43c)를 통해 배출되어 연료전지 본체(10)의 전기 발생부들(11)로 공급된다.
이와 동시에, 제3 펌프(71)는 공기를 연료전지 본체(10)의 전기 발생부들(11)로 공급한다. 그러면, 연료전지 본체(10)는 전기 발생부들(11)에 의한 수소와 산소의 산화 반응, 및 환원 반응을 통해 기설정된 용량의 전기 에너지를 출력시키게 된다.
도 5는 본 발명에 따른 개질기의 예시적인 다른 실시예를 도시한 단면 구성도이다.
도면을 참고하면, 본 실시예에 의한 개질기(120)는 전기 실시예의 구조를 기본으로 하면서, 제2 도관(122)의 내부에 산화 촉매(135)를 충진 형성하여 이루어지는 열원부(130)를 구성할 수 있다.
이러한 열원부(130)는 산화 촉매(135)에 의한 연료와 공기의 산화 반응을 통해 열 에너지를 발생시키는 구조로서 이루어진다. 이 열원부(130)는 제2 도관(122)의 일측 단부에 형성되어 연료와 공기를 제2 도관(122)의 내부로 주입시키기 위한 제1 주입구(133a)와, 제2 도관(122)의 다른 일측 단부에 형성되어 산화 촉매(135)에 의해 연료와 공기가 연소될 때 발생하는 연소 가스를 배출시키기 위한 제1 배출구(133b)를 구비한다.
여기서, 산화 촉매(135)는 연료와 공기의 산화 반응을 촉진시키기 위한 것으로서, 알루미나(Al2O3), 실리카(SiO2) 또는 티타니아(TiO2)로 이루어진 펠릿(pellet) 형태의 담체에 백금(Pt), 루테늄(Ru)과 같은 촉매 물질을 담지하여 형성될 수 있다.
따라서, 상기와 같이 구성되는 개질기(120)의 작용시, 열원부(130)의 제1 주입구(133a)를 통해 연료와 공기를 제2 도관(122)의 내부로 공급하게 되면, 열원부(130)에서는 산화 촉매(135)에 의한 연료와 공기의 산화 반응을 통해 열 에너지를 발생시키게 된다.
본 실시예에 의한 개질기(120)의 나머지 구성 및 작용은 전기 실시예와 같으므로 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 범 위에 속하는 것은 당연하다.
상술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 열원부에서 발생되는 열 에너지를 이용하여 물을 예열하고 이 물을 개질 반응부로 공급할 수 있는 예열장치(패스부재)를 구비함에 따라, 개질기의 초기 기동 시간을 단축시킬 수 있으며, 결과적으로는 전체 개질기의 열 효율 및 성능 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.

Claims (15)

  1. 제1 도관, 및 상기 제1 도관의 내부에 배치되는 제2 도관을 포함하는 본체;
    상기 제2 도관에 형성되어 상기 제2 도관의 내부에서 소정의 연료를 연소시켜 기설정된 온도 범위의 열 에너지를 발생시키는 열원부;
    상기 제1 도관과 상기 제2 도관 사이의 영역에 개질 촉매를 충진 형성하여 상기 열 에너지에 의한 연료와 물의 개질 반응에 의해 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키는 개질 반응부; 및
    상기 본체에 접촉되게 설치되어 상기 물을 상기 개질 반응부로 공급하기 위한 패스를 형성하고, 상기 열원부에서 발생되는 열에 의해 상기 물을 가열하는 패스부재
    를 포함하는 개질기.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 패스부재는,
    상기 제1 도관의 외주면에 대해 코일 형태로 감기면서 상기 개질 반응부와 연결되게 설치되는 파이프 라인 형태로서 이루어지는 개질기.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 본체를 감싸도록 설치되는 하우징을 더욱 포함하는 개질기.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 패스부재는,
    상기 제1 도관과 상기 하우징 사이에 배치되며, 상기 제1 도관의 외주면에 대해 코일 형태로 감기면서 상기 개질 반응부와 연결되게 설치되는 파이프 라인 형태로서 이루어지는 개질기.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 열원부는,
    상기 제2 도관의 일측 단부에 연결되게 설치되어 상기 연료를 공기와 함께 착화 연소시키는 토치부재를 포함하는 개질기.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 열원부는,
    상기 토치부재에 형성되어 상기 연료와 공기를 상기 제2 도관의 내부로 주입시키기 위한 제1 주입구와,
    상기 제2 도관의 다른 일측 단부에 형성되어 상기 연료의 연소 가스를 배출시키기 위한 제1 배출구
    를 포함하는 개질기.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 열원부는,
    상기 제2 도관의 내부에 산화 촉매를 충진 형성하여 상기 산화 촉매에 의한 상기 연료와 공기의 산화 반응을 통해 상기 열 에너지를 발생시키는 구조로서 이루어지는 개질기.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 열원부는,
    상기 제2 도관의 일측 단부에 형성되어 상기 연료와 공기를 상기 제2 도관의 내부로 주입시키기 위한 제1 주입구와,
    상기 제2 도관의 다른 일측 단부에 형성되어 상기 연료의 연소 가스를 배출시키기 위한 제1 배출구
    를 포함하는 개질기.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 개질 반응부는,
    상기 제1 도관의 일측 단부에 형성되어 상기 연료를 상기 제1 도관과 상기 제2 도관 사이의 영역으로 주입시키기 위한 제2 주입구와,
    상기 제1 도관의 일측 단부에 형성되어 상기 물을 상기 제1 도관과 상기 제2 도관 사이의 영역으로 주입시키기 위한 제3 주입구와,
    상기 제1 도관의 다른 일측 단부에 형성되어 상기 개질 가스를 배출시키기 위한 제2 배출구
    를 포함하는 개질기.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 패스부재는,
    상기 제1 도관의 외주면에 대해 코일 형태로 감기면서 상기 개질 반응부의 상기 제3 주입구와 연결되게 설치되는 파이프 라인 형태로서 이루어지는 개질기.
  11. 수소, 및 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 연료전지 본체;
    연료를 연소시켜 열 에너지를 발생시키고, 이 열 에너지를 이용한 연료와 물의 개질 반응을 통해 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키는 개질기;
    상기 연료를 상기 개질기로 공급하기 위한 연료 공급원;
    상기 물을 상기 개질기로 공급하기 위한 물 공급원;
    공기를 상기 연료전지 본체로 공급하기 위한 공기 공급원; 및
    상기 개질기 내로 상기 물을 순환시켜 상기 개질기에서 발생되는 열에 의해 상기 물을 가열하고, 상기 가열된 물을 상기 개질기로 공급하는 예열장치
    를 포함하는 연료 전지 시스템.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 개질기는,
    제1 도관, 및 상기 제1 도관의 내부에 배치되는 제2 도관을 포함하는 본체와,
    상기 제2 도관에 형성되어 상기 제2 도관의 내부에서 소정의 연료를 연소시켜 열 에너지를 발생시키는 열원부와,
    상기 제1 도관과 상기 제2 도관 사이의 영역에 개질 촉매를 충진 형성하여 상기 열 에너지에 의한 연료와 물의 개질 반응에 의해 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키는 개질 반응부
    를 포함하는 연료 전지 시스템.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 예열장치는,
    상기 제1 도관의 외주면에 대해 코일 형태로 감기면서 상기 개질 반응부와 연결되게 설치되는 패스부재
    를 포함하는 연료 전지 시스템.
  14. 제11 항에 있어서,
    상기 물 공급원은,
    상기 물을 저장하는 물탱크와,
    상기 물탱크와 연결되게 설치되어 상기 물탱크에 저장된 물을 배출시키는 펌 프
    를 포함하는 연료 전지 시스템.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 예열장치는 상기 제1 도관의 외주면에 대해 코일 형태로 감기면서 설치되는 파이프 라인 형태의 패스부재를 포함하며,
    상기 패스부재는 상기 개질 반응부와 상기 펌프에 각각 연결되게 설치되는 연료 전지 시스템.
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