KR20080017991A - 연료 전지 개질기용 열원부 및 그를 포함하는 연료 전지시스템 - Google Patents

연료 전지 개질기용 열원부 및 그를 포함하는 연료 전지시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료 전지 개질기용 열원부 및 그를 포함하는 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 상기 열원부는 산화 촉매; 및 연료 공급부로부터 공급되는 혼합 연료를 포함하고, 상기 혼합 연료는 탄소계 연료와 수소의 혼합물을 사용한다.
본 발명의 연료 전지 개질기용 열원부는 간단한 구조를 가지며, 상온에서 연료의 산화 촉매 반응이 일어날 수 있도록 한다.
연료 전지, 개질기, 열원부, 혼합 연료

Description

연료 전지 개질기용 열원부 및 그를 포함하는 연료 전지 시스템{HEATING UNIT FOR REFORMER USED IN FUEL CELL, AND FUEL CELL SYSTEM COMPRISING SAME}
도 1은 본 발명의 연료 전지 시스템의 구조를 개략적으로 나타낸 도면.
도 2는 도 1에 도시한 스택의 구조를 나타내 보인 분해 사시도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 개질기용 열원부를 개략적으로 도시한 사시도.
도 4는 도 3의 단면 구성도.
도5는 실시예 1에서 제조한 열원부 내부의 시간이 경과함에 따른 온도 변화를 나타낸 도면.
[산업상 이용 분야]
본 발명은 연료 전지 개질기용 열원부 및 그를 포함하는 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 간단한 구조를 가지며, 상온에서 연료의 산화 촉매 반응이 일어날 수 있도록 하는 연료 전지 개질기용 열원부 및 그를 포함하는 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
[종래 기술]
연료 전지(Fuel Cell)는 탄화 수소 계열의 연료를 이용하여 전기 에너지를 발생시키는 발전 시스템으로서 구성된다.
이러한 연료 전지는 크게, 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)와, 직접 산화형 연료 전지로 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, 연료를 개질하여 수소를 함유하고 있는 개질 가스를 발생시키고, 이 개질 가스를 스택으로 공급하는 연료 개질장치와, 산화제 가스를 스택으로 공급하기 위한 산화제 가스 공급장치를 구비한다. 따라서 스택에서는 연료 개질장치로부터 공급되는 개질 가스, 및 산화제 공급장치로부터 공급되는 산화제 가스의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시킨다.
이 중에서, 연료 개질장치는 산화 촉매에 의한 연료의 산화 방식으로 열 에너지를 발생시키는 열원부와, 이 열 에너지를 이용한 연료의 개질 반응에 의해 개질 가스를 발생시키는 개질 반응부를 포함하여 구성된다. 그런데, 종래의 연료 개질장치에 있어, 상기 열원부는 상온에서 산화 촉매에 의한 기체 연료의 산화 반응 을 일으키지 못하는 바, 산화 촉매를 일정한 온도로 예열하여 상기 연료의 산화 반응을 가능케 하는 별도의 예열장치가 요구되고 있는 실정이다.
또한, 종래의 연료 개질장치는, 기체 연료에 의한 착화 연소 방식의 열원부를 채용하는 경우, 이 열원부의 위치에 따라 전체 개질장치의 에너지 효율이 달라지게 되고, 화염으로 인해 열원부가 산화되면서 결과적으로는 열원부의 내구성이 저하됨에 따라 이 열원부를 수시로 교체해야 하는 등 전체 개질장치의 수명이 단축되는 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은 간단한 구조를 가지며, 상온에서도 연료의 산화 촉매 반응이 일어날 수 있도록 하는 연료 전지 개질기용 열원부를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 연료 전지 개질기용 열원부를 포함하는 연료 전지 시스템을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 산화 촉매; 및 연료 공급부로부터 공급되는 혼합 연료를 포함하고, 상기 혼합 연료는 탄소계 연료와 수소의 혼합물인 것인 연료 전지 개질기용 열원부를 제공한다.
본 발명은 또한 상기 연료 전지 개질기용 열원부, 및 개질 촉매 반응을 통해 혼합 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질 반응부를 포함하는 개질기; 상기 수소 가스와 산화제의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부; 상기 혼합 연료를 상기 개질 반응부로 공급하는 연료 공급부; 및 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 산화제 공급부를 포함하는 연료 전지 시스템을 제공한다.
이하 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명의 연료 전지 개질기용 열원부는 산화 촉매; 및 연료 공급부로부터 공급되는 혼합 연료를 포함하고, 상기 혼합 연료는 탄소계 연료와 수소의 혼합물을 사용한다.
종래의 열원부는 상기한 바와 같이, 상온에서 산화 촉매에 의한 연료의 산화 반응을 일으키지 못하는 바, 산화 촉매를 일정한 온도로 예열하여 연료의 산화 반응을 가능케 하는 별도의 예열 장치가 요구되었다. 본 발명의 열원부의 경우, 수소를 포함하는 혼합 연료를 사용함으로써, 20 내지 50 ℃에서도 연료의 산화 반응이 일어날 수 있어, 별도의 예열 장치가 필요 없다. 혼합 연료에 포함된 수소가 산화 촉매와 먼저 반응하여, 연료의 산화 촉매 반응을 촉진시키므로 상온인 낮은 온도에서도 연료의 산화 반응이 일어난다. 또한, 상온에서 반응이 일어날 수 있으므로, 연료가 공급된 후 빠른 시간 안에 연료의 산화 촉매 반응이 시작될 수 있다.
상기 탄소계 연료는 종래 연료 전지에서 사용 가능한 모든 탄소계 연료를 사용할 수 있다. 다만, 상기 탄소계 연료는 탄화수소계 연료, 일산화탄소, 석유, 천연가스 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 탄화수소계 연료는 메탄, 프로판, 부탄, 벤젠, 메탄올, 에탄올, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나인 것이 바람직하고, 부탄인 것이 가장 바람직하다.
상기 탄소계 연료는 기상 또는 액상일 수 있고, 상기 수소 또한 기상 또는 액상일 수 있다. 상기 탄소계 연료가 기상인 경우, 상기 수소는 기상 또는 액상일 수 있고, 상기 탄소계 연료가 액상인 경우, 상기 수소는 액상 또는 기상일 수 있다.
상기 혼합 연료는 상기 탄소계 연료를 50 내지 95 부피%로 포함하고, 상기 수소를 5 내지 50 부피%로 포함하는 것이 바람직하다. 상기 혼합 연료에서 수소가 5 부피% 미만인 경우, 연료의 산화 촉매 반응을 낮은 온도에서 시작할 수 있는 효과를 얻을 수 없고, 50 부피%를 초과하는 경우, 탄소계 연료의 양이 부족해 진다.
상기 연료의 산화 촉매는 상기 탄소계 연료를 산화시킬 수 있는 것이면, 어느 것이나 사용 가능하나, Pt, Pd, Ru, Rh, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 산화 촉매는 촉매 자체로 사용할 수도 있고, 담체에 담지시켜 사용할 수도 있다. 상기 담체는 Al2O3, TiO2, SiO2, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 담체를 사용하는 것이 바람직하고, Al2O3를 사용하는 것이 더욱 바람직하다.
본 발명은 또한, 상기 연료 전지 개질기용 열원부, 및 개질 촉매 반응을 통해 혼합 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질 반응부를 포함하는 개질기; 상기 수소 가스와 산화제의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부; 상기 혼합 연료를 상기 개질 반응부로 공급하는 연료 공급 부; 및 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 산화제 공급부를 포함하는 연료 전지 시스템을 제공한다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 구현예에 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 구현예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2는 도 1에 도시한 스택의 구조를 나타내 보인 분해 사시도이다.
이 도면을 참조하여 본 발명에 따른 연료전지 시스템(100)을 설명하면, 이 연료전지 시스템(100)은 수소를 함유한 연료를 개질하여 수소를 발생시키고, 이 수소와 산화제를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키는 고분자 전해질형 연료전지(Polymer Electrode Membrane Fuel Cell; PEMFC) 방식을 채용한다.
상기 연료전지 시스템(100)에 있어 산화제는 수소와 반응하는 가스로서, 별도의 저장 공간에 저장된 산소 또는 산소를 포함하는 공기가 가능하다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템(100)은, 개질기(30)를 통해 개질된 개질 가스와 산화제의 산화/환원 반응을 유도하여 전기 에너지를 발생시키는 전기 발생부(11)와, 연료를 개질기(30)로 공급하는 연료 공급부(50)과, 상기 연료를 개질하여 수소를 발생시키고, 이 수소를 전기 발생부(11)로 공급하는 개질기(30)와, 상기 개질기(30)와 전기 발생부(11)로 산화제를 공급하는 산화제 공급부(70)을 포함하여 구성된다. 본 발명의 연료 공급부는 도 1에 도시된 바와 같이, 연료와 수소가 혼합된 혼합 연료를 하나의 저장 장소에 보관할 수도 있고, 연료와 수소를 별도의 저장 장소에 보관하고 개질기(30)에 공급할 때 혼합하여 공급할 수도 있다.
이러한 연료전지 시스템(100)은 기설정된 출력량의 전기 에너지를 소정 로드 예컨대, 노트북, PDA와 같은 휴대용 전자기기 또는 이동통신 단말기기로 출력시킬 수 있게 된다.
도 2에 도시한 바와 같이, 상기 전기 발생부(11)는 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode Assembly; MEA)(12)를 중심에 두고 이의 양면에 세퍼레이터(Separator, 16, 또는 바이폴라 플레이트라고 한다)를 배치하여 최소 단위의 연료전지(fuel cell)를 형성한다. 따라서 본 실시예에서는 위와 같은 최소 단위의 전기 발생부(11)를 복수로 구비하여 이들 전기 발생부(11)의 집합체 구조에 의한 스택(10)을 형성할 수 있다.
여기서 상기 막-전극 어셈블리(12)는 수소와 산화제의 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.
여기서 상기 애노드 전극은 수소를 산화 반응시켜 수소 이온(프로톤)과 전자로 변환시키는 기능을 하고, 캐소드 전극은 상기 수소 이온과 산화제를 환원 반응시켜, 소정 온도의 열과 수분을 발생시키는 기능을 하게 된다. 또한 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 산화제를 공급하는 기능 이외에, 상기 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체의 기능도 하게 된다.
이와 같은 스택(10)의 구성은 통상적인 고분자 전해질형 연료전지의 스택 구성으로 이루어질 수 있으므로 본 명세서에서 그 자세한 설명한 생략하기로 한다.
본 발명에 적용되는 상기 개질기(30)는 열 에너지에 의한 화학 촉매 반응 예컨대, 수증기 개질, 부분 산화 또는 자열 반응 등의 촉매 반응을 통해 수소를 함유한 연료로부터 수소를 발생시키고, 이 수소를 스택(10)으로 공급하는 구조로 이루어진다. 상기 개질기(30)는 파이프 라인 등을 통하여 스택(10)과 연결 설치될 수 있다.
본 발명에 있어 상기 개질기(30)는 연료 공급부(50)과 산화제 공급부(70)으로부터 공급되는 혼합 연료와 산화제의 산화촉매 반응을 통해 소정의 열 에너지를 발생시키는 본 발명의 열원부(35)와, 상기 열원부(35)로부터 발생되는 열 에너지를 흡열하여, 연료 공급부(50)으로부터 공급되는 혼합 연료의 개질 촉매 반응 예컨대, 수증기 개질(Steam Reforming: SR) 촉매 반응을 통해 상기 혼합 연료로부터 수소를 발생시키는 개질 반응부(39)를 구비한다. 또한, 선택적으로, 일산화탄소를 선택적으로 산화시키는 일산화탄소 저감부를 더 포함할 수 있다.
이때 개질기(30)의 열원부(35) 및 개질반응부(39)는 각각 독립적으로 형성하여 통상의 연결 장치를 통해 연결된 분리형태로 제작하거나, 내부에 열원부(35)가 위치하고, 외부에 개질 반응부(39)가 위치하는 2중 관로의 일체형으로 제작될 수 있다.
상기 개질 반응부(39)는 반응기 본체와, 이 반응기 본체에 형성되는 개질 촉매를 구비한다. 상기 반응기 본체는 여러 가지 형태로 제작될 수 있으며, 바람직하기로는 상기 열원부 본체(31)의 구조와 유사하게 소정의 내부 공간을 갖는 용기 타입으로 형성한다.
상기 개질 촉매는 열원부(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 니켈(Ni), 백금(Pt), 루테늄(Ru), 은(Au), 팔라듐(Pd), 구리(Cu), 아연(Zn) 및 구리-아연 합금(Cu-Zn)으로 이루어진 그룹 중에서 선택된 1종 이상의 촉매가 담지된 구조로 이루어진다.
이러한 개질 촉매는 반응기 본체가 반응 기판으로 구성되는 경우 상기한 채널의 내표면에 형성될 수 있으며, 상기 반응기 본체가 용기 타입으로 이루어지는 경우 펠릿(pellet) 또는 허니콤(honey comb) 타입으로 형성되어 반응기 본체의 내부 공간에 충전되는 것이 바람직하다.
위와 같은 개질기(30)로 연료를 공급하는 연료 공급부(50)은 연료를 저장하는 연료 탱크(51)와, 이 연료 탱크(51)에 연결 설치되어 상기 연료 탱크(51)로부터 연료를 배출시키는 연료 펌프(53)를 포함한다. 이때 상기 연료 탱크(51)는 뒤에서 더욱 설명하는 개질기(30)의 열원부(35) 및 개질 반응부(39)와 파이프 라인을 통해 연결 설치될 수 있다.
그리고 산화제 공급부(70)은 소정의 펌핑력으로 산화제를 흡입하여 이 산화 제를 스택(10)의 전기 발생부(11) 및 상기 열원부(35)로 각각 공급하는 산화제 펌프(71)를 포함한다. 본 실시예에서 상기 산화제 공급부(70)은 도면에서와 같이, 단일의 산화제 펌프(71)를 통해 스택(10)과 열원부(35)로 산화제를 공급하는 구조로 되어 있으나, 이에 한정되지 않고 상기 스택(10) 및 열원부(35)와 각각 연결 설치되는 한 쌍의 산화제 펌프를 구비할 수도 있다.
상기와 같이 구성되는 본 시스템(100)의 작용시, 개질기(30)로부터 발생되는 수소를 스택(10)의 전기 발생부(11)로 공급하고, 산화제를 상기 전기 발생부(11)로 공급하게 되면, 이 스택(10)에서는 수소와 산화제의 전기 화학적인 반응을 통해 기설정된 출력량의 전기 에너지와 물 그리고 열을 발생시킨다.
한편, 본 발명에 의한 상기 연료전지 시스템(100)은 별도 구비된 통상적인 컨트롤유니트(도시하지 않음)에 의하여 시스템의 전반적인 구동 예컨대, 연료 공급부(50) 및 산화제 공급부(70) 등의 가동을 실질적으로 제어할 수 있다.
이하에서는, 상기 개질기(30) 중 열원부(35)의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 관 형태의 열원부(35)의 구조를 개략적으로 도시한 사시도이고, 도 4는 도 3의 단면 구성도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 열원부(35)는 양 단부에 연료 및 산화제를 주입하기 위한 주입구(31a)와, 산화촉매반응에 의해 발생한 열 에너지 및 수소가 배출되는 배출구(31b)가 구비된 관 형태의 열원부 본체(31)와, 상기 열원부 본체(31) 내부에 충전되는 산화촉매(32)를 구비한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 기재한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐, 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
(실시예 1)
관 형태의 반응기에 1 중량%로 Pt가 담지된 Pt/알루미나 촉매를 10ml로 충전하였다. 상기 반응기에 부탄이 73.6 부피%, 수소가 26.4 부피%로 혼합된 혼합 연료를 397.1 ml/min으로 공급하였으며, 상기 반응기에 공기를 2000 ml/min으로 공급하였다.
상기 실시예 1에서, 시간이 경과함에 따른 반응기 내부에서의 온도 변화를 도 5에 도시하였다. 도 5를 참조하면, 연료 공급 후 빠른 시간 안에 연료의 산화 촉매 반응이 시작되며, 상온에서 연료의 산화 촉매 반응이 시작됨을 확인할 수 있으며, 시간이 지남에 따라 반응기 내부의 온도가 최고 온도인 700℃까지 상승함을 확인할 수 있다. 또한, 상기 최고에 도달하는 시간이 연료 공급 후 약 7분 이내인 것을 확인할 수 있다.
본 발명의 단순한 변형 또는 변경은 모두 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.
본 발명의 연료 전지 개질기용 열원부는 상온에서도 연료의 산화 촉매 반응이 시작되어 별도의 예열 장치를 필요로 하지 않는다. 상온에서도 연료의 산화 촉 매 반응이 일어나므로 연료 전지 시스템의 빠른 가동이 가능하다. 또한, 본 발명의 열원부는 빠른 시간 안에 최고 온도에 도달할 수 있다.

Claims (14)

  1. 산화 촉매; 및
    연료 공급부로부터 공급되는 혼합 연료를 포함하고,
    상기 혼합 연료는 탄소계 연료와 수소의 혼합물인 것인 연료 전지 개질기용 열원부.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 탄소계 연료는 탄화수소계 연료, 일산화탄소, 석유, 천연가스, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나인 것인 연료 전지 개질기용 열원부.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 탄화수소계 연료는 메탄, 프로판, 부탄, 벤젠, 메탄올, 에탄올, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나인 것인 연료 전지 개질기용 열원부.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 혼합 연료는 상기 탄소계 연료를 50 내지 95 부피%로 포함하고, 상기 수소를 5 내지 50 부피%로 포함하는 것인 연료 전지 개질기용 열원부.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 산화 촉매는 Pt, Pd, Ru, Rh, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료 전지 개질기용 열원부.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 산화 촉매는 Al2O3, TiO2, SiO2, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 담체에 담지된 것인 연료 전지 개질기용 열원부.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 연료의 산화 촉매 반응은 20 내지 50℃에서 시작되는 것인 연료 전지 개질기용 열원부.
  8. 산화 촉매, 및 연료 공급부로부터 공급되는 혼합 연료를 포함하고, 상기 혼합 연료는 탄소계 연료와 수소의 혼합물인 것인 연료 전지 개질기용 열원부, 및 개질 촉매 반응을 통해 혼합 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질 반응부를 포함하는 개질기;
    상기 수소 가스와 산화제의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부;
    상기 혼합 연료를 상기 개질 반응부로 공급하는 연료 공급부; 및
    산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 산화제 공급부
    를 포함하는 연료 전지 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 탄소계 연료는 탄화수소계 연료, 일산화탄소, 석유, 천연가스, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나인 것인 연료 전지 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 탄화수소계 연료는 메탄, 프로판, 부탄, 벤젠, 메탄올, 에탄올, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나인 것인 연료 전지 시스템.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 혼합 연료는 상기 탄소계 연료를 50 내지 95 부피%로 포함하고, 상기 수소를 5 내지 50 부피%로 포함하는 것인 연료 전지 시스템.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 산화 촉매는 Pt, Pd, Ru, Rh, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료 전지 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 산화 촉매는 Al2O3, TiO2, SiO2, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 담체에 담지된 것인 연료 전지 시스템.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 연료의 산화 촉매 반응은 20 내지 50℃에서 시작되는 것인 연료 전지 시스템.
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