KR20070075041A - 열공급판을 구비한 연료전지 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 촉매층이 양면에 각각 제공되어 있는 수소이온 교환막을 갖는 전극막 조립체와 상기 촉매층에 대면하는 분리판으로 이루어진 단위전지가 복수개 적층되어 있고, 인접하는 단위전지 사이에는 열매체가 유동할 수 있는 유동채널부가 형성되어 있는 열공급판이 제공되어 있는 전기 발생부와; 상기 전기 발생부에 제1반응유체를 공급하는 제1유체 공급부와; 상기 전기 발생부에 제2반응유체를 공급하는 제2유체 공급부로 이루어진 것을 특징으로 하므로, 인접하는 단위전지들 사이에 개재되어 있는 열공급판을 통해서 열매체를 적층형 스택의 내부에 원활하게 공급하므로, 시동 초기에 신속하면서도 균일하게 전기 발생부를 가열하여 연료전지 시스템의 발전효율을 향상시킬 수 있다.

열매체 유입구, 유동채널, 연소기

Description

열공급판을 구비한 연료전지 시스템{FUEL CELL SYSTEM HAVING HEAT SUPPLYING PLATE}

도 1은 본 발명에 따라서 열공급판을 갖는 연료전지 시스템의 개략도;

도 2는 열공급판이 설치되어 있는 도 1의 연료전지 시스템용 스택의 개략적인 단면도;

도 3은 본 발명에 따른 열공급판의 가열기체 유동부를 나타낸 평면도;

도 4는 종래 일실시예에 따른 연료전지 시스템의 도면;

도 5는 종래 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템의 도면;

도 6은 종래 일실시예에 따른 연료전지 시스템의 도면.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

10 : 전기 발생부

18 : 분리판

20 : 연료 저장부

30 : 개질기

40 : 연소기

50 : 개폐밸브

100 : 열공급판

110 : 유동 채널부

[특허문헌 1] 일본 특허공개번호 제1993-234610호 공보

[특허문헌 2] 대한민국 특허공개번호 제2003-0076259호 공보

[특허문헌 3] 일본 특허공개번호 제2003-017127호 공보

본 발명은 가열공기가 유동할 수 있는 유동부를 갖는 열공급판을 구비한 연료전지 시스템에 관한 것이고, 더 상세하게, 가열공기가 유입되는 유입부와 가열공기가 배출되는 배출부와 상기 유입부와 배출부 사이에서 가열공기가 유동하는 유동채널을 구비할 뿐만 아니라 인접하는 단위전지에 반응유체가 제공될 수 있도록 유로가 형성되어 있는 열공급판을 갖는 연료전지 시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 환경문제나 자원문제를 해결하기 위한 방안으로서 천연가스 등의 탄화수소연료, 메탄올 등과 같은 수소함유연료로부터 얻어지는 수소와 공기 중의 산소를 전기화학적으로 반응시켜 전기를 생성하는 연료전지 시스템에 대한 관심이 집중되어 왔다.

연료전지 시스템은 수소함유연료와 산화제인 산소의 전기화학반응에 의해서 전기를 생성하는 발전장치이다. 이러한 연료전지 시스템은 기본적으로 전기를 생성하는 발전부를 갖는다. 상기 발전부는 선택적 이온투과특성을 갖는 전해질막과, 상기 전해질막의 양면에 제공된 애노드 전극 및 캐소드 전극으로 이루어진 전극막 조립체를 구비한 단위전지(unit cell)을 갖는다.

연료전지 시스템은 사용되는 전해질의 종류에 따라서 인산형 연료전지(PAFC; phosphoric acid fuel cell), 용융탄산염형 연료전지(MCFC; molten carbonate fuel cell), 고체산화물형 연료전지(SOFC; solid oxide fuel cell), 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC; polymer electrolyte membrane fuel cell), 알칼리형 연료전지(AFC; alkaline fuel cell) 등으로 분류된다. 이러한 연료전지 시스템 중에서, 고분자 전해질형 연료전지는 출력특성이 상대적으로 탁월하고 작동온도가 낮을 뿐만 아니라 빠른 시동 및 응답특성을 갖는 장점에 때문에 최근에 휴대용 발전기의 용도로 널리 개발연구되고 있다.

이러한 고분자 전해질형 연료전지에 있어서, 발전부는 복수개의 단위전지가 적층되어 있는 스택형 구조를 갖는다. 이러한 스택형 발전부는 발전과정에서 발생되는 열을 방출하여 최적 동작 온도를 유지할 수 있도록 냉각수가 유동하는 냉각 시스템이 제공된다. 한편, 고분자 전해질형 연료전지의 시동초기에 스택형 발전부를 가열시키기 위한 가열 시스템이 제공될 수도 있었다. 종래의 고분자 전해질형 연료전지의 스택형 발전부에는 상기 냉각 시스템 또는 가열 시스템의 작동에 의해서 냉각되거나 또는 가열되었다.

일본 특허공개번호 제1993-234610호 공보를 참조하면, 셀에서 전지반응이 행해진 후에 캐소드 배기가스를 개질유닛에 공급하는 캐소드 배기가스 공급수단이 제공되어 있는 용융 탄산염형 연료전지(도 4 참조)가 개시되어 있다. 이러한 연료전지에는 시동 초기에 스택형 발전부를 가열시키기 위한 가열 시스템이 제공되어 있으므로, 초기 시동을 위해 상대적으로 많은 시간이 요구되었다.

대한민국 특허공개번호 제2003-0076259호 공보를 참조하면, 단열 재킷과 고온 연료전지의 적층부 사이에 일체형 열교환기가 배열되어 있는 연료전지 배터리(도 5 참조)가 개시되어 있다. 상기 열교환기는 배기가스로부터 기상 산소 캐리어로의 열교환을 위해 제공된다. 그러나, 이러한 구성의 배터리에 의해서도 연료전지 적층부를 시동 초기에 가열시킬 수 없으므로 초기 시동을 위해 상대적으로 많은 시간이 요구되었다.

일본 특허공개번호 제2003-017127호를 참조하면, 종래 일실시예에 따라서 전극군들 사이에 열매개부가 개재되어 있는 전지 시스템(도 6 참조)이 개시되어 있다. 이러한 전지 시스템에 있어서, 열매개부의 작용에 의하여 전극군은 효과적으로 가열되거나 경우에 따라서는 냉각되었다. 그러나, 상기 열매개부에는 반응유체를 상기 전극군에 공급하기 위한 유로가 형성되어 있지 않는다.

본 발명은 상기된 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 시동 초기에 발전부의 내부를 효과적으로 가열시킬 수 있도록 열매체가 유동할 수 있는 유동채널을 갖는 열공급판을 구비한 연료전지 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 인접하는 단위전지와의 사이에 반응유체가 유동할 수 있는 개구가 형성되어 있는 열공급판을 구비한 연료전지 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면, 연료전지 시스템은 촉매층이 양면에 각각 제공되어 있는 수소이온 교환막을 갖는 전극막 조립체와 상기 촉매층에 대면하는 분리판으로 이루어진 단위전지가 복수개 적층되어 있고, 인접하는 단위전지 사이에는 열매체가 유동할 수 있는 유동채널부가 형성되어 있는 열공급판이 제공되어 있는 전기 발생부와; 상기 전기 발생부에 제1반응유체를 공급하는 제1유체 공급부와; 상기 전기 발생부에 제2반응유체를 공급하는 제2유체 공급부로 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기 제1유체 공급부는 수소함유연료를 개질하는 개질부와, 상기 개질부를 가열하기 위한 연소부를 포함하고, 상기 열공급판은 상기 연소부에 유체소통이 가능하게 연결된다.

상기 분리판의 양면에는 반응유체용 유동채널과 냉각수용 유동채널이 각각 제공되고 상기 열공급판에는 상기 반응유체용 유동채널과 냉각수용 유동채널에 각각 연결되는 복수개의 관통구가 형성된다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다.

도 1은 본 발명에 따라서 열공급판을 갖는 연료전지 시스템의 개략도이고, 도 2는 열공급판이 설치되어 있는 연료전지 스택의 개략적인 단면도이고, 도 3은 본 발명에 따른 열공급판의 가열기체 유동부를 나타낸 평면도이다.

연료전지 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이 수소와 산소의 전기화학반응에 의해서 전기를 발생시키는 전기 발생부(10)와, 전기 발생부(10)에 수소를 공급하는 연료 공급부와, 전기 발생부(10)에 산소함유기체를 공급하는 산소 공급부(미도시)를 갖는다.

상기 연료 공급부는 수소함유연료가 저장되어 있는 연료 저장부(20)와 연료 저장부(20)로부터 공급되는 수소함유연료를 개질하여 수소를 주성분으로 하는 개질가스를 생성하는 개질기(30)를 갖는다.

개질기(30)는 연료 저장부(20)에 유체소통이 가능하게 연결된 열분해부(cracking unit)와, 전기 발생부(10)에 유체소통이 가능하게 연결된 CO가스 제거부(CO removing unit)로 이루어지고, 상기 열분해부와 CO가스 제거부는 유체소통이 가능하게 서로 연결된다.

상기 열분해부는 연료 저장부(20)로부터 공급되는 수소함유연료를 열분해 방식 등을 통해서 개질시켜 수소가스가 주성분인 수소부유가스(Hydrogen rich gas)를 생성시킨다. 상기 CO가스 제거부는 상기 열분해부로부터 공급되는 수소부유가스에 함유된 CO가스를 제거한다. CO가스 제거부에서는 수소부유가스에 함유된 CO가스를 50ppm 미만, 바람직하게는 10ppm 미만으로 감소시킨 고순도의 수소가스, 즉 개질가스를 생성하고, 이러한 개질가스는 전기 발생부(10)에 공급된다.

상기 열분해부는 이에 한정되지는 않지만, 수증기 개질방식(SR: steam reforming), 자열개질방식(ATR: autothermal reforming) 및 부분산화방식(POX: partial oxidation)을 이용하여 수소함유연료를 개질시킨다. 부분산화방식과 자열개질방식은 초기시동 및 부하변동에 따른 응답특성이 우수한 반면에 수증기 개질방식은 수소생산효율 측면에서 우수하다는 장점이 있다.

수증기 개질방식은 촉매 상에서 수소함유연료와 수증기의 화학반응, 즉 흡열반응에 의해서 수소함유 혼합가스를 얻는다. 이러한 수증기 개질방식은 상기 흡열반응을 수행하기 위하여 외부로부터 많은 양의 에너지를 필요로 하는 방식이지만, 수소가스 공급이 안정적이고 상대적으로 고농도의 수소를 얻을 수 있으므로 가장 보편적으로 사용된다. 자열개질방식은 흡열반응인 수증기 개질반응과 발열반응인 산화반응을 통해서 수소함유연료를 수소가스로 개질하므로 외부 열원을 필요로 하지 않는 방식이다. 그리고, 부분산화방식은 촉매 상에서 수소함유연료와 산소와의 화학반응, 즉 발열반응에 의해서 수소를 생성하므로 외부 열원을 필요로 하지 않는 방식이다.

도 1에 도시된 연료전지 시스템에 있어서, 상기 열분해부가 수증기 개질방식을 채택한 경우에, 상기 열분해부에 많은 양의 에너지를 공급하기 위하여, 연소기(40)를 포함한다. 연소기(40)에는 연료 저장부(20)로부터의 수소함유연료, 예를 들어 메탄올과 상기 산소 공급부로부터의 공기가 공급되므로, 하기 식 1의 연소반 응에 의해서 이들이 연소됨으로써 생성되는 에너지는 상기 열분해부에 제공한다.

CH₃OH(g) + 1.5O₂ ↔ 2H₂O(g) + CO₂ ‥‥‥‥ (1)

또한, 상기 열분해부에는 수증기 개질반응을 활성화시키기 위한 개질촉매, 예를 들어 니켈계 촉매, 루테늄계 촉매 또는 로듐계 촉매 등이 제공되어 있으며, 상술된 바와 같이 연소기(40)로부터 공급되는 에너지에 의해서 개질촉매가 활성온도까지 예열된 상태에서, 열분해부에 공급된 수소함유연료, 예를 들어 메탄올은 수증기와 함께 하기 식 2와 식 3의 개질반응을 통해서 수소가스가 주성분인 수소부유가스를 생성한다.

CH₃OH(g) + H₂O(g) ↔ CO₂ + 3H₂ ‥‥‥‥ (2)

CH₃OH(l) + H₂O(l) ↔ CO₂ + 3H₂ ‥‥‥‥ (3)

한편, 상술된 열분해부에서의 개질반응시 하기 식 4의 반응을 수반하므로 결과적으로, 열분해부에서는 CO가스를 생성한다. 이러한 CO가스는 전기 발생부(10)에 제공된 촉매를 피독시켜 연료전지의 수명을 단축시키므로 제거되어야 한다.

CH₃OH ↔ CO + 2H₂ ‥‥‥‥ (4)

따라서, 상기 CO가스 제거부에서는 상기 열분해부에서 생성된 수소부유가스에 함유되어 있는 CO가스를 제거하여 약 50ppm 미만, 바람직하게는 약 10ppm 미만의 CO 농도를 갖는 고순도의 수소가스, 즉 개질가스를 생산하기 위한 설비이다. CO가스 제거부는 수성가스 전환부(WGS: water gas shift) 및/또는 선택적 산화반응부(PROX: preferential CO oxidation)로 이루어진다. 상기 수성가스 전환부에는 예를 들어 동-아연계 촉매와 같은 시프트 촉매가 제공되고, 상기 선택적 산화반응부에는 예를 들어 백금계 촉매 또는 루테늄계 촉매 등으로 구성된 CO산화촉매가 제공된다.

상기 열분해부에서 생성된 수소부유가스에 함유된 CO가스는 상기 수성가스 전환부에서 수증기와의 화학반응함으로써 1차적으로 제거되고, 이 후에 수소부유가스에 함유되어 있는 나머지 CO가스가 선택적 산화반응부에서 산소와 화학반응함으로써 제거된다. 결과적으로 최종 목표농도의 CO가스를 갖는 고순도의 수소가스, 즉 개질가스가 전기 발생부(10)에 공급된다.

전기 발생부(10)에는 도 2에 도시된 바와 같이 고분자막(12)과, 고분자막(12)의 양측에 제공된 캐소드 전극(16) 및 애노드 전극(14)으로 이루어진 전극막 조립체(10a: MEA)를 포함하는 단위전지가 복수개 적층된 상태로 제공된다. 전극막 조립체(10a)에 있어서, 애노드 전극(14)과 캐소드 전극(16)은 카본종이와 같은 다공성 지지체 위에 촉매물질을 도포시킴으로써 제조된다. 애노드 전극(14)은 하기에 설명되는 개질가스를 구성하는 수소가스를 산화시켜 수소이온(H⁺)과 전자(e^-)를 발생시키면서 이러한 산화과정의 부산물로 생성되는 이산화탄소를 외부로 배출시킨다. 캐소드 전극(16)은 산소와 수소이온의 화학반응이 이루어지면서 이러한 화학반응결과 생성되는 물을 외부로 배출시킨다.

또한, 상기 단위전지는 인접하는 전극막 조립체(10a)의 사이에 대면하는 상태로 개재되어 개질가스와 산소를 전극막 조립체(10a)의 애노드 전극(14)과 캐소드 전극(16)에 각각 공급하는 분리판(18)을 포함한다. 분리판(18)에 있어서, 애노드 전극(14) 또는 캐소드 전극(16)에 대면하는 일측면에는 개질가스 또는 산소가 유동하는 제1통로부가 제공되고 상기 일측면의 반대측면에는 전기 발생부(10)가 전기화학반응시 온도상승하는 것을 방지할 수 있도록 냉매, 예를 들어 냉각수가 유동하는 제2통로부가 제공된다.

상기 제1통로부에는 개질가스 또는 산소가 유동할 수 있는 유동경로를 제공하는 복수개의 제1유동채널(18a)과, 제1유동채널(18a)과 소통하여 개질가스 또는 산소와 같은 반응유체가 유입되는 유입구와 배출되는 배출구가 제공된다. 상기 제2통로부에는 냉각수가 유동할 수 있는 유동경로를 제공하는 복수개의 제2유동채널(18b)과, 제2유동채널(18b)과 소통하여 냉각수가 유입되는 유입구와 배출되는 배출구가 제공된다.

전기 발생부(10)에 있어서, 복수개의 단위전지가 적층된 상태로 제공되고, 인접하는 단위전지들 사이에는 열매체가 유동할 수 있는 유동채널부(110)를 갖는 열공급판(100)이 제공된다.

도 3을 참조하면, 열공급판(100)에는 열매체가 유동할 수 있는 유동채널부(110)와, 유동채널부(110)에 소통하여 열매체가 유입되는 유입부(110a) 및 열매체가 배출되는 배출부(110b)가 제공된다. 열매체용 유입부(110a)는 연소기(40)에 유체소통이 가능하게 연결되어 연소기(40)에서 발생되는 가열기체는 열공급판(100)으로 유입된다.

열공급판(100)은 개질가스 또는 산소와 같은 반응유체 뿐만 아니라 냉각수가 소통할 수 있도록 인접하는 단위전지의 분리판(18)에 연결된다. 즉, 열공급판(100)에는 분리판(18)에 형성되어 있는 반응유체용 유입구와 배출구에 유체소통이 가능하게 연결되는 연료 유입구(119) 및 연료 배출구(113)와, 산소 유입구(117) 및 부산물 배출구(115)가 제공된다. 또한, 열공급판(100)에는 분리판(18)에 형성되어 있는 냉각수용 유입구와 배출구에 유체소통이 가능하게 연결되는 냉각수 유입구(121)와 냉각수 배출구(123)이 제공된다.

미설명 도면번호 101은 복수개의 단위전지를 조립할 때 볼트가 관통하여 체결하는 체결구를 나타낸다.

도 1을 다시 참조하면, 전기 발생부(10)에는 열공급판(110)의 열매체용 유입부(110a)와 연소기(40)를 유체소통이 가능하게 연결하는 연결부(미도시)가 제공된다. 그리고, 연소기(40)와 전기 발생부(10)의 연결부 사이에 설치된 유동배관에는 개폐밸브(50)가 제공된다. 개폐밸브(50)가 개방되면 연소기(40)로부터 가열기체가 상기 연결부를 경유하여 열공급판(110)의 열매체용 유입부(110a)를 통해서 유동채널부(110)로 유입된다. 유동채널부(110)에 유입된 가열기체는 유동채널부(110)를 따라 유동한 후에 열매체용 배출부(110b)를 통해서 외부로 배출된다. 이와 같이 연소기(40)로부터 공급되는 가열기체가 유동채널부(110)를 유동함으로써 전기 발생부(10)는 신속하면서도 균일하게 가열될 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 작동에 대하여 설명한다.

먼저, 연료전지 시스템의 가동 초기에, 연료 공급부에 있어서, 연료 저장부 (20)로부터 수소함유연료의 일부는 연소연료로서 연소기(40)에 공급된다. 상기 연소연료가 연소기(40)에서 연소할 때 발생되는 연소열은 개질기(30)에 공급되어 개질기를 촉매활성화 온도까지 가열시킨다. 그리고, 연료 저장부(20)로부터 수소함유연료의 나머지는 개질원료로서 개질기(30)에 공급된다. 개질기(30)에서의 개질과정을 통해서, 상기 개질원료로부터 개질가스가 생성된다.

한편, 상기 연소열은 개폐밸브(50)를 개방시킴으로써 유동배관을 통해서 연소기(40)로부터 전기 발생부(10)로 유입된다. 즉, 상기 연소열은 열공급판(100)의 열매체용 유입부(110a)를 통해서 유동채널부(110)로 유입된 후에 유동채널부(110)를 따라서 유동하고, 이에 의해서 상대적으로 저온상태로 유지되어 있는 전기 발생부(10)를 균일하면서도 신속하게 가열시킨다.

전기 발생부(10)가 소정 온도로 가열되면, 개폐밸브(50)를 폐쇄시켜 연소열이 전기 발생부(10)에 유입되는 것을 차단한다. 이때, 전기 발생부(10)에서는 개질가스를 구성하고 있는 수소와 산소 공급부로부터 유입되는 산소의 전기화학반응을 통해서 전기가 생성된다. 이러한 전기화학반응 과정에 의해서 생성되는 열은 분리판(18)의 제2유동채널(18b)을 따라 유동하는 냉각수와 열교환하며, 그 결과 전기 발생부(10)를 소정 온도로 유지한다.

개질기(30)와 산소 공급부로부터 전기 발생부(10)에 유입되는 개질가스와 산소와 같은 반응유체는 인접하는 단위전지의 분리판(18)들 사이에 개재되어 있는 열공급판(100)에 형성되어 있는 반응유체용 유입구(117, 119)를 통해 유동하므로, 적층형 스택에 원활하게 공급될 수 있다.

그리고, 상술된 바와 같이 개질가스의 수소와 산소의 전기화학반응 결과 생성되는 부산물은 열공급판(100)의 부산물 배출구(115)를 통해서 원활하게 배출될 수 있다.

상기 내용은 본 발명의 바람직한 실시예를 단지 예시한 것으로 본 발명이 속하는 분야의 당업자는 첨부된 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 요지로부터 벗어나지 않고 본 발명에 대한 수정 및 변경을 가할 수 있다는 것을 인식하여야 한다.

본 발명에 따르면, 인접하는 단위전지들 사이에 개재되어 있는 열공급판을 통해서 열매체를 적층형 스택의 내부에 원활하게 공급하므로, 시동 초기에 신속하면서도 균일하게 전기 발생부를 가열하여 연료전지 시스템의 발전효율을 향상시킬 수 있다.

Claims (6)

1. 촉매층이 양면에 각각 제공되어 있는 수소이온 교환막을 갖는 전극막 조립체와 상기 촉매층에 대면하는 분리판으로 이루어진 단위전지가 복수개 적층되어 있고, 인접하는 단위전지 사이에는 열매체가 유동할 수 있는 유동채널부가 형성되어 있는 열공급판이 제공되어 있는 전기 발생부와;

   상기 전기 발생부에 제1반응유체를 공급하는 제1유체 공급부와;

   상기 전기 발생부에 제2반응유체를 공급하는 제2유체 공급부로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
2. 제1항에 있어서,

   상기 제1유체 공급부는 수소함유연료를 개질하는 개질부와, 상기 개질부를 가열하기 위한 연소부를 포함하고, 상기 열공급판은 상기 연소부에 유체소통이 가능하게 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
3. 제2항에 있어서,

   상기 제1반응유체는 수소함유 개질가스이고, 상기 제2반응유체는 산소함유기체인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
4. 제3항에 있어서,

   상기 분리판에는 상기 제1반응유체 또는 제2반응유체가 유동하는 유동채널부가 제공되고, 상기 열공급판에는 상기 유동채널부에 유체소통이 가능하게 연결되는 복수개의 관통구가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
5. 제2항에 있어서,

   상기 연소부와 열공급판 사이에는 개폐밸브가 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
6. 제1항에 있어서,

   상기 전기 발생부의 분리판에는 냉각수가 유동할 수 있는 냉각수용 유동채널이 제공되고, 상기 열공급판에는 상기 냉각수용 유동채널에 유체소통이 가능하게 연결되는 냉각수용 개구가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.

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