KR20070039363A - Package type fuel cell system - Google Patents
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Abstract
패키지 타입의 연료전지 시스템이 개시된다. 개시된 연료전지 시스템은 전해질막과 이 전해질막의 양면에 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극으로 이루어진 막-전극 어셈블리, 및 세퍼레이터를 구비하는 고온 무가습 연료전지 스택과, 열원부 및 개질부를 구비하며, 개질부가 열원부와 스택의 열 에너지를 받고 개질연료로부터 수소가 풍부한 개질가스를 발생시키는 연료개질기, 그리고 스택과 연료개질기를 포위하며 열을 차단하는 하우징을 포함한다. 전술한 구성에 의하면, 고온 스택과 연료개질기를 단일 포장하여 외부로의 열방출을 차단함으로써, 고온 스택의 열을 연료개질기에 이용하여 열 효율을 향상시킬 수 있다.A package type fuel cell system is disclosed. The disclosed fuel cell system includes a membrane-electrode assembly consisting of an electrolyte membrane and anode and cathode electrodes positioned on both sides of the electrolyte membrane, and a high temperature unhumidified fuel cell stack having a separator, a heat source portion and a reforming portion, and a reforming portion. A fuel reformer that receives heat energy from the heat source and the stack and generates hydrogen-rich reformed gas from the reformed fuel, and a housing surrounding the stack and the fuel reformer and blocking heat. According to the above-described configuration, by thermally packaging the hot stack and the fuel reformer to block heat release to the outside, heat of the hot stack can be used in the fuel reformer to improve thermal efficiency.
연료전지, 개질기, 스택, 고온, 무가습, 단일 포장, 열효율 Fuel Cell, Reformer, Stack, High Temperature, Humidification, Single Package, Thermal Efficiency
Description
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 패키지 타입의 연료전지 시스템에 대한 주요 부분을 나타내는 구성도이다.1 is a block diagram showing a main part of a package type fuel cell system according to a first embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 패키지 타입의 연료전지 시스템을 나타내는 구성도이다.2 is a configuration diagram illustrating a fuel cell system of a package type according to a second embodiment of the present invention.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
100: 연료전지 시스템 110: 스택100: fuel cell system 110: stack
120: 연료개질기 130: 하우징120: fuel reformer 130: housing
본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고온 스택과 연료개질기를 일체로 포장함으로써 열 효율과 출력 효율을 향상시킬 수 있는 진공 패키지 타입의 연료전지 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly, to a vacuum package type fuel cell system capable of improving thermal efficiency and output efficiency by integrally packing a high temperature stack and a fuel reformer.
연료전지(fuel cell)는 연료가 가지고 있는 에너지를 화학반응에 의해 직접 전기에너지로 변환하는 발전 시스템이다. 예를 들면, 연료전지는 수소와 산소로부터 물이 생성되는 반응, 즉 수소의 연소 반응을 이용해 전기 에너지를 발생시킨다. 이러한 연료전지는 사용되는 전해질(electrolyte)의 종류에 따라, 인산형 연료전지, 용융탄산염형 연료전지, 고체 산화물형 연료전지, 고분자 전해질형 연료전지, 알칼리형 연료 전지 등으로 분류된다. 이들 각각의 연료전지는 기본적으로 같은 원리에 의해 작동되지만 사용되는 연료의 종류, 운전온도, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다.A fuel cell is a power generation system that converts energy contained in a fuel into electrical energy directly by chemical reaction. For example, fuel cells generate electrical energy using a reaction in which water is generated from hydrogen and oxygen, that is, a combustion reaction of hydrogen. Such fuel cells are classified into phosphoric acid fuel cells, molten carbonate fuel cells, solid oxide fuel cells, polymer electrolyte fuel cells, alkaline fuel cells, and the like, depending on the type of electrolyte used. Each of these fuel cells basically operates on the same principle, but differs in the type of fuel used, operating temperature, catalyst, and electrolyte.
그 가운데, 고분자 전해질형 연료전지(polymer electrolyte membrane fuel cell or proton exchange membrane fuel cell; PEMFC)는 다른 연료전지에 비하여 출력 특성이 월등히 높고, 작동 온도가 낮으며, 아울러 빠른 시동 및 응답특성과 함께, 휴대용 전자기기용과 같은 이동용(transportable) 전원이나 자동차용 동력원과 같은 수송용 전원은 물론, 주택, 공공건물의 정지형 발전소와 같은 분산용 전원 등 그 응용 범위가 넓은 장점을 가진다. 한편, 고분자 전해질형 연료전지의 일종으로 액상의 메탄올 연료를 직접 사용하는 직접 메탄올 연료전지(direct methanol fuel cell, DMFC)는 고분자 전해질형 연료전지와 달리 개질기를 사용하지 않기 때문에 소형화에 더욱 유리하다.Among them, polymer electrolyte membrane fuel cell (PEEMFC) or proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) has much higher output characteristics than other fuel cells, low operating temperature, and fast start-up and response characteristics. A wide range of applications, such as transportable power sources such as portable electronic devices or transport power sources such as automotive power sources, as well as distributed power sources such as stationary power plants of houses and public buildings. On the other hand, a direct methanol fuel cell (DMFC) using liquid methanol fuel directly as a kind of polymer electrolyte fuel cell is more advantageous for miniaturization because it does not use a reformer unlike a polymer electrolyte fuel cell.
고분자 전해질형 연료전지는 통상 고출력에 적합하도록 스택 구조로 제작된다. 스택은 캐소드와 애노드를 분리하고 전기화학적인 반응에 의해 생성된 이온 물질을 통과시키며 캐소드와 애노드에 발생하는 기전력에 의해 전기를 발생시키는 막-전극 어셈블리(membrane-electrode assembly; MEA)와, 이 막-전극 어셈블리의 전 극들에 결합되며 전극들 간의 전자의 전달기능과 함께 연료와 산화제의 공급 및 반응 생성물을 배출하는 역할, 및 각 전극들의 집전체 역할을 하는 세퍼레이터가 교대로 적층된 구조를 갖는다.The polymer electrolyte fuel cell is usually manufactured in a stack structure to be suitable for high power. The stack is a membrane-electrode assembly (MEA) that separates the cathode and the anode, passes the ionic material produced by the electrochemical reaction, and generates electricity by electromotive force generated at the cathode and the anode, It is coupled to the electrodes of the electrode assembly and has a structure in which a separator serving as a current collector of each electrode and a supply of fuel and an oxidant together with a function of transferring electrons between the electrodes, and exhausting a reaction product, are alternately stacked.
고분자 전해질형 연료전지의 막-전극 어셈블리는 고분자 전해질막과 그 양면에 위치하는 다공질의 애노드 전극과 캐소드 전극으로 구성된다. 고분자 전해질막으로 현재 사용되고 있는 것은 술폰산기(-SO3H)를 가진 퍼플루오로술폰산계의 이온교환막이며 술폰화 고분자들의 고유한 프로톤 전도특성을 이용한다. 예를 들면, Nafion막, Gore막, Flemion막, Aciplex막 등이 주로 사용되고 있다. 이온교환 당량당 막의 중량(equivalent weight; EW)은 막의 종료에 따라 다르지만, 약 1,000(g/중량) 정도이다. 술폰산기 1몰당 최대 약 10몰의 물을 흡수해서 약 0.1S㎝-1의 높은 프로톤 전도율을 나타낸다. 고분자 전해질막을 이용하는 고분자 전해질형 연료전지는 술폰산 고분자의 특성상 대게 동작온도가 60~80℃이고, 외부로부터 가습이 있어야만 좋은 성능을 발휘할 수 있다. 하지만, 고분자 전해질형 연료전지에서는 운전 중에 고분자막에 적절한 수분을 공급하기 위한 가습기가 요구된다. 따라서, 고분자 전해질형 연료전지에서는 별도로 물관리를 해야하기 때문에 시스템이 커지고 복잡해지는 단점이 있다.The membrane-electrode assembly of a polymer electrolyte fuel cell is composed of a polymer electrolyte membrane and porous anode electrodes and cathode electrodes located on both sides thereof. Currently used as polymer electrolyte membranes are perfluorosulfonic acid based ion exchange membranes with sulfonic acid groups (-SO 3 H) and utilize the inherent proton conduction properties of sulfonated polymers. For example, Nafion membrane, Gore membrane, Flemion membrane, Aciplex membrane, etc. are mainly used. The equivalent weight (EW) per ion exchange equivalent is about 1,000 (g / weight), depending on the termination of the membrane. It absorbs up to about 10 moles of water per mole of sulfonic acid group and exhibits a high proton conductivity of about 0.1 Scm −1 . The polymer electrolyte fuel cell using the polymer electrolyte membrane generally has an operating temperature of 60 to 80 ° C. due to the nature of the sulfonic acid polymer, and can be exhibited only when humidified from the outside. However, in the polymer electrolyte fuel cell, a humidifier is required to supply adequate moisture to the polymer membrane during operation. Therefore, the polymer electrolyte fuel cell has a disadvantage in that the system becomes large and complicated because water management must be performed separately.
전술한 단점을 극복하기 위해, 최근에는 고온에서 작동하며, 외부로부터의 가습이 필요없는 연료전지 시스템이 새롭게 연구되고 있다. 예를 들어, 기존의 술폰화 고분자들이 아닌 폴리벤즈이미다졸(polybenzimidazole; PBI)과 같은 고분자를 전해질로 사용하는 연료전지는 120~200℃의 고온에서 외부로부터의 가습 없이 구동될 수 있다고 보고되고 있다.In order to overcome the above-mentioned disadvantages, recently, fuel cell systems that operate at high temperatures and do not require humidification from the outside have been newly studied. For example, it is reported that a fuel cell using a polymer such as polybenzimidazole (PBI), which is not a conventional sulfonated polymer, as an electrolyte can be operated without humidification from the outside at a high temperature of 120 to 200 ° C. .
한편, 고분자 전해질형 연료전지는 연료로서 수소를 이용하므로 수소를 공급하는 시스템이 요구된다. 그러나, 수소는 연료 전지의 애노드 전극에서 일어나는 전기화학적 산화 반응에 있어서 가장 반응성이 뛰어나고 산소와 반응한 후 물을 생성하여 공해물질을 배출하지 않기 때문에 연료전지의 연료로 가장 적합하다. 하지만, 연료로서의 수소는 자연 상태에서 거의 존재하지 않고 수소의 저장에 많은 비용이 들기 때문에 비교적 저장이 용이한 다른 연료, 예컨대, 가솔린, 디젤, 메탄올, 에탄올, 천연 가스, 도시 가스 등과 같은 수소를 함유한 연료를 개질하여 얻는 것이 일반적이다. 이처럼, 고분자 전해질형 연료전지는 연료를 개질하여 수소를 발생시키는 연료 개질기가 요구된다. 그것은 시스템의 부피를 증가시키고 효율을 감소시키는 문제점이 있다. 게다가, 연료 개질기는 고온에서 작동하기 때문에 고온 연료에 의해 고분자 전해질막이 손상될 수 있는 기존의 스택과 연계하기 어렵다는 단점이 있다.On the other hand, since the polymer electrolyte fuel cell uses hydrogen as a fuel, a system for supplying hydrogen is required. However, hydrogen is most suitable as a fuel for fuel cells because it is most responsive to the electrochemical oxidation reaction occurring at the anode electrode of the fuel cell and does not generate pollutants by generating water after reacting with oxygen. However, hydrogen as a fuel contains other fuels that are relatively easy to store, such as gasoline, diesel, methanol, ethanol, natural gas, city gas, etc., because they are rarely present in nature and are expensive to store hydrogen. It is common to obtain one fuel by reforming. As such, the polymer electrolyte fuel cell requires a fuel reformer for reforming fuel to generate hydrogen. It has the problem of increasing the volume of the system and reducing the efficiency. In addition, since the fuel reformer operates at a high temperature, it is difficult to link with an existing stack in which the polymer electrolyte membrane may be damaged by the high temperature fuel.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 대략 120~200℃의 온도에서 작동하는 고온 스택과 연료개질기를 일체로 포장함으로써 열 효율과 출력 효율을 향상시킬 수 있는 패키지 타입의 연료전지 시스템을 제공하는 데 있다.An object of the present invention is to provide a package type fuel cell system that can improve thermal efficiency and output efficiency by integrally packing a high temperature stack and a fuel reformer operating at a temperature of about 120 to 200 ° C.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 의하면, 전해질막과 이 전해질막의 양면에 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극으로 이루어진 막-전극 어셈블리, 및 세퍼레이터를 구비하는 고온 무가습 연료전지 스택; 열원부 및 개질부를 구비하며, 개질부는 열원부와 스택의 열 에너지를 받고 개질연료로부터 수소가 풍부한 개질가스를 발생시키는 연료개질기; 및 스택과 연료개질기를 포위하며 열이 외부로 전달되는 것을 차단하는 하우징을 포함하는 패키지 타입의 연료전지 시스템이 제공된다.In order to achieve the above technical problem, according to an aspect of the present invention, a high-temperature humidified fuel cell stack having an electrolyte membrane and a membrane-electrode assembly comprising an anode electrode and a cathode electrode positioned on both sides of the electrolyte membrane, and a separator; A reformer having a heat source unit and a reforming unit, the reforming unit receiving a heat energy of the heat source unit and the stack and generating a reformed gas rich in hydrogen from the reformed fuel; And a housing surrounding the stack and the fuel reformer and blocking heat from being transferred to the outside.
바람직하게, 상기 하우징은 스택 및 연료개질기를 진공 포장하는 진공 패키징 수단을 포함한다. 또한, 상기 진공 패키징 수단은 몰딩 부재를 포함하며, 몰딩 부재는 고무, 합성수지, 복합재료, 금속 중 적어도 어느 하나의 재료로 이루어진다.Preferably, the housing comprises vacuum packaging means for vacuum packaging the stack and the fuel reformer. In addition, the vacuum packaging means comprises a molding member, the molding member is made of at least one of rubber, synthetic resin, composite material, metal.
또한, 상기 연료개질기는 개질가스에 함유된 일산화탄소를 저감시키는 일산화탄소 저감부를 추가적으로 구비한다.In addition, the fuel reformer further includes a carbon monoxide reduction unit for reducing carbon monoxide contained in the reformed gas.
또한, 상기 하우징은 연료개질기에 개질연료, 물, 연소연료 및 산화제를 공급하기 위한 복수의 유입관이 통과하며, 연료개질기로부터 나오는 배기 가스를 방출하기 위한 배기관이 통과하고, 스택에 산화제를 공급하기 위한 유입관이 통과하며, 스택의 미반응 연료 및 반응생성물을 배출하기 위한 복수의 배출관이 통과하는 적어도 하나의 개구부를 구비한다. 여기서, 상기 연료개질기에서 개질가스를 유출하는 유출구와 스택의 애노드 유입구는 하우징 내부에서 연결된다. 또한, 상기 연 료개질기에 개질연료를 공급하는 유입관은 개질연료의 가열을 위하여 스택과 연료개질기 사이를 통과하도록 설치된다.The housing also passes through a plurality of inlet pipes for supplying reformed fuel, water, combustion fuel and oxidant to the fuel reformer, an exhaust pipe for releasing exhaust gas from the fuel reformer, and supplies oxidant to the stack. And an at least one opening through which a plurality of discharge pipes for passing unreacted fuel and reaction products of the stack pass. Here, the outlet for outflowing the reformed gas from the fuel reformer and the anode inlet of the stack are connected inside the housing. In addition, an inlet pipe for supplying reformed fuel to the fuel reformer is installed to pass between the stack and the fuel reformer for heating the reformed fuel.
또한, 상기 전해질막은 인산-도프된 폴리벤즈이미다졸(phosphoric-acid-doped polybenzimidazole; PBI)로 이루어진다.In addition, the electrolyte membrane is made of phosphoric acid-doped polybenzimidazole (PBI).
또한, 상기 전해질막은 알킬술폰화폴리벤즈이미다졸, 알킬포스폰화폴리벤즈이미다졸, 인산함유 아크릴모노머 중합체, 폴리벤즈이미다졸/강산 복합체, 염기성 고분자/산성 고분자 복합체 및 이들의 유도체로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나로 이루어진다.In addition, the electrolyte membrane is selected from the group consisting of alkyl sulfonated polybenzimidazole, alkylphosphonated polybenzimidazole, phosphoric acid-containing acrylic monomer polymer, polybenzimidazole / strong acid complex, basic polymer / acid polymer complex and derivatives thereof Consists of at least one.
또한, 상기 전해질막은 엔지니어링 플라스틱에 술폰기를 도입한 술폰화폴리페닐렌 유도체 또는 술폰화폴리에테르에테르케톤으로 이루어진다.In addition, the electrolyte membrane is a sulfonated polyphenylene derivative or sulfonated polyether ether ketone having a sulfone group introduced into an engineering plastic.
또한, 상기 전해질막은 나노 홀을 구비한 프로톤 도전성 전해질막, 유기-무기 프로톤 전도성 전해질막, 나피온-지르코늄 포스페이트 전해질막, 인산 도프된 나피온 117 및 애퍼타이트로 강화한 전해질막 중 적어도 어느 하나로 이루어진다.The electrolyte membrane may include at least one of a proton conductive electrolyte membrane having nano holes, an organic-inorganic proton conductive electrolyte membrane, a Nafion-zirconium phosphate electrolyte membrane, a phosphate-doped Nafion 117 and an atitized electrolyte membrane.
또한, 상기 패키지 타입의 연료전지 시스템은 개질가스의 온도를 검출하는 온도 센서를 추가적으로 포함한다.In addition, the package type fuel cell system further includes a temperature sensor for detecting the temperature of the reformed gas.
또한, 상기 패키지 타입의 연료전지 시스템은 온도 센서로부터의 온도 검출 신호에 기초하여 연료개질기에 공급되는 연소연료의 공급량 또는 공기의 공급량을 제어하는 제어부를 추가적으로 포함한다.In addition, the package type fuel cell system further includes a control unit for controlling the supply amount of combustion fuel or the supply amount of air supplied to the fuel reformer based on the temperature detection signal from the temperature sensor.
또한, 상기 패키지 타입의 연료전지 시스템은 열원부에 연소연료를 공급하고 개질부에 개질연료를 공급하는 적어도 하나의 연료공급장치를 추가적으로 포함한 다.In addition, the package type fuel cell system further includes at least one fuel supply device for supplying combustion fuel to a heat source and reforming fuel to a reformer.
또한, 상기 패키지 타입의 연료전지 시스템은 스택 및 연료개질기에 산화제를 공급하는 적어도 하나의 산화제공급장치를 추가적으로 포함한다.In addition, the package type fuel cell system further includes at least one oxidant supply device for supplying an oxidant to the stack and the fuel reformer.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 패키지 타입의 연료전지 시스템을 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, a package type fuel cell system according to an exemplary embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 패키지 타입의 연료전지 시스템의 주요 부분을 나타내는 구성도이다.1 is a block diagram showing a main part of a package type fuel cell system according to a first embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 패키지 타입의 연료전지 시스템(100)은 연료전지 스택(110), 연료개질기(120) 및 하우징(130)을 포함한다.Referring to FIG. 1, a package type
연료전지 스택(110)은 복수의 연료전지 셀이 세퍼레이터와 함께 적층된 구조를 구비하며, 애노드 유입구로 유입되는 개질가스와 캐소드 유입구로 유입되는 산화제의 전기화학적인 반응에 의해 전기 에너지와 열을 발생시키며, 애노드 배출구와 캐소드 배출구로 미반응 연료와 반응 생성물을 배출한다. 연료전지는 무가습 조건에서 대략 200℃의 고온에서 정상적으로 작동할 수 있는 연료전지, 예컨대, 전해질막 재료로 인산-도프된 폴리벤즈이미다졸(phosphoric-acid-doped polybenzimidazole; PBI)을 사용하는 연료전지로 구현되는 것이 바람직하다.The
연료개질기(120)는 열원부와 개질부(124)를 구비하며, 연료전지 스택(110)에서 발생되는 열이 전도되도록 연료전지 스택(110)에 인접하게 설치된다. 상기 열원부는 분배실(123)에 의해 분산 공급되는 공기를 이용하여 연소실(122)에서 연소연 료를 연소시켜 열을 발생시킨다. 상기 개질부(124)는 열원부(122)로부터 전달되는 열과 연료전지 스택(110)으로부터 전달되는 열을 이용하여 개질연료로부터 수소가 풍부한 개질가스를 발생시키고, 발생된 개질가스를 전기발생부(10)에 공급한다. 연료개질기(120)는 탄화수소 연료와 수증기의 반응으로 고농도의 수소를 얻을 수 있는 수증기 개질 방식의 개질기로 구현된다. 다른 한편으로, 연료개질기(120)의 개질 방식은 수증기 개질 방식 이외에 부분 산화, 자열 개질, 탄화수소의 분해, 이들의 조합 등의 방식 중 적어도 어느 하나의 방식으로 구현될 수 있다.The
하우징(130)은 연료전지 스택(110)과 연료개질기(120)를 진공 포장할 수 있는 진공 패키징 수단을 포함한다. 예를 들면, 진공 패키징 수단은 내부 공간을 갖는 용기에 연료전지 스택(110)과 연료개질기(120)를 삽입 설치하고, 용기를 밀폐시킨 후 용기에 부착된 배기관을 통한 배기에 의해 용기의 내압을 소정값 이하로 조정, 유지할 수 있는 장치를 포함한다. 다른 한편으로, 진공 패키징 수단은 내부 공간을 갖는 주형을 이용하여 연료전지 스택(110)과 연료개질기(120)를 기밀하게 포장할 수 있는 몰딩 부재를 포함한다. 몰딩 부재의 재료는 고무, 합성수지, 복합재료, 금속 등의 기존의 다양한 재료에서 선택될 수 있다.The
전술한 연료전지 스택(110)과 연료개질기(120)의 크기, 형상 등의 구조는 스택(110)에서 발생되는 열이 연료개질기(120)에 효과적으로 전달될 수 있는 구조라면, 사각형, 삼각형, 반타원형, 반원형 등의 어떠한 구조라도 가능하다.The structure of the
상기 구성에 의하면, 스택(110)과 연료개질기(120)를 하우징(130)으로 단일 포장하여 열을 차단으로써, 스택(110)에서 발생되는 고온의 열이 외부로 방출되지 않고 연료개질기(120)의 개질부(124)에 전달될 수 있다. 따라서, 본 발명은 열원부(122)의 온도를 낮추어 연료 소모를 감소시킬 수 있고, 시스템의 열 효율을 향상시킬 수 있다.According to the above configuration, by stacking the
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 패키지 타입의 연료전지 시스템을 나타내는 구성도이다.2 is a configuration diagram illustrating a fuel cell system of a package type according to a second embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 패키지 타입의 연료전지 시스템(100a)은 연료전지 스택(110), 연료개질기(120), 하우징(130), 연료공급부, 산화제공급부 및 제어부(150)를 포함한다.Referring to FIG. 2, the package type
본 실시예에 따른 연료전지 시스템(100a)은 앞서 설명한 제1 실시예의 연료전지 시스템(100)과 비교할 때, 연료전지 스택(110)의 열 에너지를 보다 효율적으로 이용하기 위하여 연료개질기(120)에 공급할 개질연료를 이송하는 유입관이 스택(110)과 연료개질기(120) 사이를 경유하도록 설치한 것과, 연료개질기(120)에서 유출되는 개질가스의 온도를 측정하여 연료전지 스택(110)의 작동을 최적화시킬 수 있는 온도의 개질가스가 스택(110)에 공급되도록 제어하는 것에 차이가 있다.Compared to the
먼저, 연료전지 스택(110)을 보다 구체적으로 설명한다.First, the
연료전지 스택(110)은 전해질막(111), 애노드 전극(112a), 캐소드 전극(112b), 개스킷(gasket)(113), 세퍼레이터(separator)(114) 및 엔드 플레이트(end plate)(115)를 포함한다. 전해질막(111)과 이 전해질막(111)의 양면에 위치하는 애노드 전극(112a) 및 캐소드 전극(112b)은 막-전극 어셈블리(membrane-electrode assembly; MEA)를 구성한다. 그리고, 연료전지 스택(110)은 애노드 유입구(116a), 애노드 배출구(116b), 캐소드 유입구(117a) 및 캐소드 배출구(117b)를 구비한다.The
전해질막(111)은 무가습 조건에서 200℃의 고온에서도 정상적으로 작동하는 인산-도프된 폴리벤즈이미다졸(phosphoric-acid-doped polybenzimidazole; PBI)로 구현되는 것이 바람직하다. 한편으로, 상기 전해질막은 알킬술폰화폴리벤즈이미다졸, 알킬포스폰화폴리벤즈이미다졸, 인산함유 아크릴모노머 중합체, 폴리벤즈이미다졸/강산 복합체, 염기성 고분자/산성 고분자 복합체 및 이들의 유도체로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나로 구현될 수 있다. 다른 한편으로, 상기 전해질막(111)은 엔지니어링 플라스틱에 술폰기를 도입한 술폰화폴리페닐렌 유도체 또는 술폰화폴리에테르에테르케톤으로 구현될 수 있다. 또 다른 한편으로, 상기 전해질막(111)은 나노 홀을 구비한 프로톤 도전성 전해질막, 유기-무기 프로톤 전도성 전해질막, 나피온-지르코늄 포스페이트 전해질막, 인산 도프된 나피온 117 및 애퍼타이트로 강화한 전해질막 중 적어도 어느 하나로 구현될 수 있다.The
애노드 전극(112a) 및 캐소드 전극(112b)은 촉매층(catalyst layer)과 확산층(diffusing layer)을 구비하는 것이 바람직하다. 확산층은 미세기공층(microporous layer)과 지지층(backing layer)을 구비하는 것이 바람직하다. 상기 촉매층은 각 전극에 공급되는 연료 및 산화제가 화학적으로 빠르게 반응하도록 반응속도를 변화시키는 역활을 한다. 미세기공층은 촉매층으로 반응물을 확산시켜 반응물이 촉매층으로 쉽게 접근할 수 있도록 하는 역할을 한다. 미세기공층은 지지층 상에 탄소층(carbon layer)으로 코팅되어 구현된다. 지지층은 촉매층 또는 전극을 지지하는 역할을 하면서 연료, 물, 공기 등의 분산을 균일하게 하는 연료분산 작용과 생산되는 전기를 모아주는 집전 작용, 및 촉매층의 물질이 유체에 의해 소실되는 것을 막아주는 보호 작용을 한다. 지지층은 탄소천(carbon cloth), 탄소종이(carbon paper)와 같은 탄소 기재로 구현될 수 있다.The
촉매층은 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 및 백금-M 합금(M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이금속)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속 촉매를 포함하는 것이 바람직하다. 다른 한편으로, 상기 촉매층은 담지체에 담지된 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 및 백금-M 합금(M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이금속)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속 촉매를 포함할 수도 있다. 담지체는 전도성을 가지는 물질이라면 어느 것이라도 좋으나, 탄소 담지체인 것이 바람직하다.The catalyst layer is platinum, ruthenium, osmium, platinum-ruthenium alloy, platinum-osmium alloy, platinum-palladium alloy and platinum-M alloy (M is Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu and Zn Preferably at least one metal catalyst selected from the group consisting of one or more transition metals selected from the group consisting of: a. On the other hand, the catalyst layer is platinum, ruthenium, osmium, platinum-ruthenium alloy, platinum-osmium alloy, platinum-palladium alloy and platinum-M alloy (M is Ga, Ti, V, Cr, Mn, And at least one metal catalyst selected from the group consisting of Fe, Co, Ni, Cu, and Zn). The carrier may be any material as long as it is conductive, but is preferably a carbon carrier.
미세기공층은 흑연, 탄소나노튜브(CNT), 플러렌(C60), 활성탄소, 벌칸, 케첸블랙, 카본블랙 및 탄소나노혼(carbon nano horn)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 탄소물질을 포함하는 것이 바람직하며, 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(테트라플루오로에틸렌) 및 플로리네이티드 에틸렌-프로필렌으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 바인더를 더 포함할 수 있다.The microporous layer comprises at least one carbon material selected from the group consisting of graphite, carbon nanotubes (CNT), fullerenes (C60), activated carbon, vulcans, ketjen black, carbon black, and carbon nano horns. Preferably, it may further comprise at least one binder selected from the group consisting of poly (perfluorosulfonic acid), poly (tetrafluoroethylene) and florinated ethylene-propylene.
개스킷(113)은 스택(110) 내부를 통과하는 유체의 누설을 방지한다. 개스킷(113)은 연료전지의 액티브 영역 주위에서 밀봉이 요구되는 부분에 직접 도포되거 나 일체로 제작된 판 형태로 막-전극 어셈블리와 세퍼레이터(114) 사이에 삽입 설치될 수 있다. 개스킷(113)은 고무 등의 탄성 부재나 금속판으로 구현될 수 있다.The
세퍼레이터(114)는 개개의 막-전극 어셈블리를 직렬로 연결하여 원하는 전압을 출력하는 스택(110)을 형성한다. 세퍼레이터(114)는 전자를 수집하고 애노드로부터 캐소드로 전자를 전달하며, 애노드에 수소가 풍부한 개질가스를 공급하고 캐소드에 산소를 함유한 공기를 공급한다. 세퍼레이터(114)는 얇은 고분자 전해질막과 전극을 지지한다. 전술한 세퍼레이터(114)는 연료와 산화제, 예컨대, 공기를 분리하는 비다공성, 우수한 전기전도성, 및 연료전지의 온도 제어를 위한 충분한 열전도율을 가진 임의의 재료로 이루어진다. 또한, 세퍼레이터(114)는 연료전지 스택(110)을 클램핑(clamping)하는 힘을 견딜 정도의 충분한 기계적 강도와 수소 이온에 대한 내부식성을 가진 임의의 재료로 이루어진다.The
전술한 연료전지 스택(110)은 막-전극 어셈블리와 개스킷(113) 및 세퍼레이터(114)를 적층하고, 적층된 구조의 양측 단면에 한 쌍의 엔드 플레이트(115)를 위치시킨 후, 체결 수단(미도시)에 의해 두 엔드 플레이트를 소정의 체결압으로 연결함으로써 제작된다. 그리고, 연료전지 스택(110)은 연료와 산화제의 전기화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키며 대략 120~200℃의 고온을 발생시킨다.In the
다음, 연료개질기(120)를 보다 구체적으로 설명한다. 연료개질기(120)는 열원부, 개질부(124) 및 일산화탄소 저감부(126)를 포함한다.Next, the
열원부는 내부에 산화 촉매층(122a)이 위치하고 연소연료가 통과하는 연소실(122)을 구비하며, 연소연료의 연소시 핫스팟(hot spot)이 발생하지 않도록 또 다 른 유입구(127b)를 통해 유입된 산화제를 고르게 분산하면서 연소실(122)로 전달하기 위한 다수개의 분배공(123a)이 형성된 분배실(123)을 구비한다. 유입구(127a)를 통해 연소실(122)로 유입된 연소연료는 산화 촉매층(122a)과 산화제에 의해 연소된 후, 배출구(127c)를 통해 배기 가스로 배출된다.The heat source unit includes an
개질부(124)는 열원부의 열과 연료전지 스택(110)의 열에 의해 가열되도록 설치된다. 바람직하게, 개질부(124)는 열원부보다 스택(110)에 인접하게, 즉 열원부와 스택 사이에 위치한다. 개질부(124)는 유입구(128a)를 통해 유입된 개질연료, 예컨대, 메탄올 등의 탄화수소계 연료와 물이 통과하는 공간 또는 채널을 구비한다. 개질부(124)의 공간 또는 채널에는 수증기 개질 반응을 위한 개질 촉매층(124a)이 삽입 설치된다. 개질 촉매층(124a)은 Cu/ZnO/Al2O3, Ni/Al2O3, Ru/ZrO2, Ru/Al2O3/Ru/CeO2-Al2O3으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 재료로 이루어지며, 개질부(124)에 알갱이 형태로 충진될 수 있다. 이 경우, 알갱이 촉매의 비산을 방지하기 위하여 개질부(124)의 유입부과 유출부 부근에는 적절한 망상체(미도시)가 설치될 수 있다.The reforming
일산화탄소 저감부(126)는 열원부의 열과 연료전지 스택(110)의 열을 이용하여 이 반응부를 통과하는 개질가스 내의 유해물질 예컨대 일산화탄소를 제거한다. 일산화탄소 저감부(126)는 내부 공간 또는 채널을 구비하며, 이 공간 또는 채널에는 개질가스에 함유된 일산화탄소를 저감시키기 위한 촉매층(126a)이 삽입 설치된다. 예컨대, 촉매층(126a)은 Cr2O3/Fe3O4, Cu/ZnO/Al2O3 등의 촉매가 알갱이 형태로 충진되어 이루어진다. 이 경우, 일산화탄소 저감부(126)는 대략 200℃ 이하의 온도 조건에서 첨가된 수증기에 의해 일산화탄소를 수소와 이산화탄소로 전환하는 수성가스 전환(water gas shift; WGS) 반응부로 구현된다. 다른 한편으로, 일산화탄소 저감부(126)는 대략 100~200℃의 온도 조건에서 산화 반응으로 일산화탄소를 이산화탄소로 전환하는 선택적 산화(preferential CO oxidation, PROX) 반응부로 구현되거나 수성가스 전환 반응부와 조합된 반응부로 구현될 수 있다.The carbon
다음, 하우징(130)을 보다 구체적으로 설명한다.Next, the
하우징(130)은 연료전지 스택(110)과 연료개질기(120)를 단일 포장하여 스택(110)에서 발생된 열 에너지가 외부로 방출되지 않고 연료개질기(120)에서 이용되도록 하기 위한 수단이다. 하우징(130)은 앞서 언급한 바와 같이 진공 패키징 수단이나 몰딩 부재 등으로 구현될 수 있다.The
또한, 상기 하우징(130)은 연료개질기(120)에 개질연료, 물, 연소연료 및 산화제를 공급하기 위하여 연료개질기(120)의 유입구(127a, 127b)와 배출구(127c)에 결합되는 유입관과 배기관이 통과하며, 스택(110)에 산화제를 공급하기 위하여 스택(110)의 유입구(117a)에 결합되는 유입관이 통과하고, 스택(110)의 미반응 연료 및 반응생성물을 방출하기 위하여 배출구(116b, 117b)에 결합되는 배출관이 통과하는 적어도 하나의 개구부를 구비한다. 개구부는 하우징이 딱딱한 재질로 이루어지는 경우, 유입관, 배기관, 배출관 등의 배관이 통과하도록 소정 형상으로 형성된 후, 밀봉 부재로 밀봉될 수 있다. 다른 한편으로, 하우징이 밀봉 부재로 이루어지는 경우, 개구부는 배관들이 통과하는 부분이 된다.In addition, the
여기서, 연료개질기(120)에 개질연료를 공급하는 유입관(129a)은 개질연료의 가열을 위하여 스택(110)과 연료개질기(120) 사이를 통과하도록 설치된다. 이 경우, 연료개질기(120)에 유입되는 개질연료를 예열함으로써, 개질 반응의 효율을 향상시킬 수 있다. 그리고, 연료개질기(120)에서 유출되는 개질가스를 스택(110)의 애노드측으로 이송하기 위한 이송관(129b)은 하우징(130) 내부에서 연료개질기(120)의 유출구(128b)와 스택(110)의 애노드 유입구(116a)에 연결된다. 이 경우, 연료개질기(120)에서 유출되는 개질가스의 온도가 연료전지 스택(110)의 작동 온도 범위 내에 위치하는 것이 바람직하다.Here, the
전술한 연료개질기(120)의 각 반응부의 크기, 형상 등의 구조는 스택(110)에서 발생되는 열이 연료개질기(120)에 효과적으로 전달될 수 있는 구조라면, 평판형, 원형, 반타원형, 반원형 등의 어떠한 구조라도 가능하다.The structure, such as the size, shape, and the like of each reaction unit of the
다음, 연료공급부, 산화제공급부 및 제어부(150)을 차례로 보다 상세히 설명한다.Next, the fuel supply unit, the oxidant supply unit, and the
연료공급부는 연료개질부(120)에 연소연료, 개질연료, 산화제 및 물을 공급한다. 연료공급부는 연소연료와 개질연료를 저장하는 적어도 하나의 연료저장용기(140)와 소정의 압력을 제공하는 펌프(141, 142)를 구비한다. 연소연료 및 개질연료는 가솔린, 디젤, 메탄올, 에탄올, 천연 가스, 도시 가스 등의 탄화수소계 연료를 포함한다.The fuel supply unit supplies combustion fuel, reformed fuel, oxidant, and water to the
산화제공급부는 연료전지 스택(110)과 연료개질부(120)에 산화제를 공급한다. 산화제공급부는 공기 펌프(143, 144)로 구현된다. 물론, 산화제공급부는 공기 펌프 대신에 송풍기와 같은 다른 수단으로 대체될 수 있다. 산화제는 공기나 순수 산소를 포함한다.The oxidant supply unit supplies the oxidant to the
제어부(150)는 이송관(129b)을 통과하는 개질가스의 온도를 측정하는 온도 센서(146)로부터 온도 검출 신호를 받고, 온도 검출 신호에 기초하여 개질가스의 온도를 제어한다. 예를 들면, 제어부(150)는 개질가스의 온도가 스택(110)의 작동 온도 범위보다 높으면, 열원부에 공급되는 연소연료의 공급량이나 산화제의 공급량을 감소시켜 열원부의 온도를 낮추거나, 혹은 스택(110)의 작동 온도 범위보다 낮으면, 열원부에 공급되는 연소연료의 공급량이나 산화제의 공급량을 증가시켜 열원부의 온도를 높임으로써, 개질가스의 온도를 제어한다.The
상기 구성에 의하면, 스택(110)과 연료개질기(120)를 하우징(130)으로 단일 포장하여 열을 차단하고, 연료개질기(120)로부터 연료전지 스택(110)에 공급되는 개질가스의 온도를 적절하게 제어함으로써, 연료전지 스택(110)의 운전을 최적화시키고, 아울러 최적화된 운전 조건에서 발생되는 스택(110)의 고열을 연료개질기(120)에서 이용함으로써, 시스템 효율을 향상시킬 수 있다.According to the above configuration, the
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그것들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상에 의해 스택을 구성하는 막-전극 어셈블리와 세퍼레이터의 길이, 깊이, 폭, 형태를 서로 대응하도록 다양하게 형성할 수 있을 것이다. 또한, 연료개질기를 구성하는 각 반응부의 형태를 다양하게 형성할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정해지는 것이 아니고 특허청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정해져야 한다.While many details are set forth in the foregoing description, they should be construed as illustrative of preferred embodiments rather than to limit the scope of the invention. Those skilled in the art to which the present invention pertains may variously form the length, depth, width, and shape of the membrane-electrode assembly and the separator constituting the stack according to the technical spirit of the present invention. . In addition, it is possible to form a variety of forms of each reaction unit constituting the fuel reformer. Therefore, the scope of the present invention should not be defined by the described embodiments, but should be determined by the technical spirit described in the claims.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 고온 스택과 연료개질기를 단일 포장하여 외부로의 열방출을 차단함으로써, 고온 스택의 열을 연료개질기에 이용하여 열 효율을 향상시킬 수 있다. 아울러, 연료개질기로부터 고온 스택에 공급되는 개질가스의 온도를 제어함으로써 열 효율을 더욱 향상시킬 수 있다. 게다가, 연료전지 스택과 연료개질기의 열 효율을 향상시켜 시스템 효율 향상에 기여할 수 있다.As described above, according to the present invention, by heat wrapping the hot stack and the fuel reformer in a single package to block heat release to the outside, the heat efficiency of the hot stack can be utilized in the fuel reformer. In addition, the thermal efficiency can be further improved by controlling the temperature of the reformed gas supplied from the fuel reformer to the hot stack. In addition, the thermal efficiency of the fuel cell stack and the fuel reformer can be improved to contribute to the system efficiency.
Claims (15)
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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KR1020050094601A KR20070039363A (en) | 2005-10-07 | 2005-10-07 | Package type fuel cell system |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020050094601A KR20070039363A (en) | 2005-10-07 | 2005-10-07 | Package type fuel cell system |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
KR20070039363A true KR20070039363A (en) | 2007-04-11 |
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ID=38160242
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
KR1020050094601A KR20070039363A (en) | 2005-10-07 | 2005-10-07 | Package type fuel cell system |
Country Status (1)
Country | Link |
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KR (1) | KR20070039363A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR101308304B1 (en) * | 2011-09-28 | 2013-09-17 | 현대건설주식회사 | Method for operating fuel cell system usable for an emergency generation set |
-
2005
- 2005-10-07 KR KR1020050094601A patent/KR20070039363A/en not_active Application Discontinuation
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR101308304B1 (en) * | 2011-09-28 | 2013-09-17 | 현대건설주식회사 | Method for operating fuel cell system usable for an emergency generation set |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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WITN | Withdrawal due to no request for examination |