KR20090068703A - 연료전지용 반응기 및 이를 포함하는 연료전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지용 반응기 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것으로, 보다 구체적으로 (a) 내부에 형성되고 수납 공간을 갖는 공간부; 각각 독립적으로 표면의 일측 단부에 형성되면서, 상기 공간부로 가스를 유입시키는 가스 유입부 및 상기 공간부로부터 가스를 유출시키는 가스 유출부; 및 표면의 일측 단부에 형성되면서 상기 공간부에 연결되는 마개입구부를 포함하여 구성되는 반응기 몸체; (b) 삽입 및 탈리될 수 있는 카트리지 방식이면서 상기 마개입구부를 통하여 상기 공간부에 삽입 설치되는 3차원의 메쉬(mesh) 형태의 촉매 구조체; 및 (c) 상기 마개입구부를 외부와 차단시키는 마개;를 포함하는 연료전지용 반응기, 및 이러한 연료전지용 반응기를 포함하는 연료전지에 관한 것이다.

Description

연료전지용 반응기 및 이를 포함하는 연료전지 {REACTOR FOR FUEL CELL AND FUEL CELL COMPRISING THE SAME}
본 발명은 연료전지용 반응기 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 삽입 및 탈리가 용이한 카트리지 방식의 촉매 구조체를 포함하여 개질기 및/또는 일산화탄소 저감기 등의 용도로 사용 가능한 연료전지용 반응기 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지는 수소와 산소를 연료로 하여 그 화학적 반응에 의해 생성되는 화학 에너지를 전기 에너지로 변환하는 전지로서, 산화환원반응을 이용한다는 점에 있어서는 보통의 화학전지와 동일하나, 폐쇄계 내에서 전지 반응을 하는 화학전지와는 달리 반응물이 연속적으로 외부에서 공급되면서 반응 생성물인 물과 전기가 연속적으로 계외로 전달되는 발전 장치의 역할을 수행하게 되는 일종의 무공해 고효율 발전기이다.
이러한 연료전지 중 근래에 개발되고 있는 고분자 전해질형 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC)는 출력 특성이 탁월하며 작동 온도가 낮고 아울러 빠른 시동 및 응답 특성을 가지는 바, 자동차와 같은 이동용 전원은 물론, 주택, 공공건물과 같은 분산용 전원 및 전자기기용과 같은 소형 전원 등 그 응용 범위가 넓은 장점을 가진다.
일반적으로 PEMFC는 기본적으로 시스템을 구성하기 위해 스택(stack), 연료 처리 장치, 연료 탱크, 연료 펌프 등을 구비한다.
스택은 수소와 산소의 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 연료 전지의 본체를 형성한다.
연료 처리 장치는 촉매를 이용한 촉매반응기로서, 상기 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질기와, 상기 개질 반응부로부터 수소가스와 함께 발생되는 일산화탄소 가스의 수성가스 전환(Water-Gas Shift: WGS) 반응 또는 상기 일산화탄소 가스와 공기의 선택적 산화 반응(Preferential CO Oxidation: PROX)을 통해 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 일산화탄소 저감기로 구성된다.
그리고, 연료 펌프는 연료 탱크 내의 연료를 개질기로 공급하며, 이때 연료는 수소를 직접 연료로 사용하거나 메탄올, 에탄올 등의 탄화수소계 물질을 사용한다.
연료 처리 장치로서 상기 촉매반응기는 일반적으로 충진식 반응기 또는 마이크로채널 반응기가 사용되고 있다.
충진식 반응기의 경우 오래 전부터 사용되었던 방식으로 반응기 내부에 촉매를 충진시킬 수 있는 내부 공간을 두고 반응기를 제작한 후 나중에 촉매를 충진시키는 방식이다. 이러한 충진식 반응기의 경우 촉매의 충진 및 교체가 간편하고, 반응기 구조가 간단하며 내구성 측면에서 유리하며, 또한 반응기 유지와 보수가 수월 하다는 장점을 가지고 있다. 그러나 촉매가 담지되는 지지체의 크기에 따라 필요한 촉매량이 결정되기 때문에 촉매 지지체에 작은 사이즈의 촉매를 많이 충진시킬 경우 큰 압력강하가 발생되며, 소형 촉매반응기로 제작하기가 어렵다.
마이크로채널 반응기의 경우 마이크로채널 구조가 형성된 플레이트를 적층시켜 반응기를 제작한 후 촉매를 코팅하는 방식으로 촉매반응기를 제작하는 방식이다. 이와 같은 마이크로채널 촉매반응기의 경우 부피의 소형화가 가능하고, 촉매 반응속도가 빠르며 작은 압력강하가 일어나는 장점을 가지고 있다. 그러나 마이크로채널 구조가 형성된 플레이트에 촉매를 코팅하기가 어렵고, 균일한 촉매 코팅을 하기가 어렵다.
본 발명은 상술한 종래 촉매반응기의 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 촉매의 코팅이 균일하면서 용이하고, 설치, 교체 및 사이즈의 조절이 용이하고, 큰 압력강하가 일어나지 않도록 카트리지 방식이면서 메쉬(mesh) 형태인 촉매 구조체를 포함하는 연료전지용 반응기, 및 이를 구비한 연료전지의 제공을 그 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지용 반응기는,
(a) 내부에 형성되고 수납 공간을 갖는 공간부;
각각 독립적으로 표면의 일측 단부에 형성되면서, 상기 공간부로 가스를 유입시키는 가스 유입부 및 상기 공간부로부터 가스를 유출시키는 가스 유출부; 및
표면의 일측 단부에 형성되면서 상기 공간부에 연결되는 마개입구부
를 포함하여 구성되는 반응기 몸체;
(b) 삽입 및 탈리될 수 있는 카트리지 방식이면서 상기 마개입구부를 통하여 상기 공간부에 삽입 설치되는 3차원의 메쉬(mesh) 형태의 촉매 구조체; 및
(c) 상기 마개입구부를 외부와 차단시키는 마개;를 포함한다.
또한, 상기 가스 유입부 및 가스 유출부는 반응기 몸체 표면의 서로 다른 일측 단부에 각각 형성되며, 상기 마개입구부는 상기 가스 유입부 또는 가스 유출부(44)의 반대편 일측 단부에 형성될 수 있다.
또한, 상기 촉매 구조체는 금속 소재 또는 비금속 소재로 이루어진 구조체에 촉매가 코팅된 것일 수 있다.
본 발명에 따른 또 다른 연료전지용 반응기는,
(a) 내부에 형성되고 수납 공간을 갖는 제1공간부 및 제2공간부;
각각 독립적으로 표면의 일측 단부에 형성되면서, 상기 제1공간부로 가스를 유입시키는 가스 유입부 및 상기 제2공간부로부터 가스를 유출시키는 가스 유출부;
내부에 형성되고 상기 제1공간부 및 상기 제2공간부를 연결하는 가스 통로부; 및
각각 독립적으로 표면의 일측 단부에 형성되면서, 상기 제1공간부에 연결되는 제1마개입구부 및 상기 제2공간부에 연결되는 제2마개입구부
를 포함하여 구성되는 반응기 몸체;
(b) 각각 독립적으로 삽입 및 탈리될 수 있는 카트리지 방식이면서 상기 제1마개입구부를 통하여 상기 제1공간부에 삽입 설치되는 제1촉매 구조체 및 상기 제2마개입구부를 통하여 상기 제2공간부에 삽입 설치되는 제2촉매 구조체; 및
(c) 상기 제1마개입구부를 외부와 차단시키는 제1마개, 및 상기 제2마개입구부를 외부와 차단시키는 제2마개;를 포함한다.
이때, 상기 제1촉매 구조체 및 제2촉매 구조체는 각각 3차원의 메쉬(mesh) 형태인 것이 바람직하다.
또한, 상기 가스 유입부 및 가스 유출부는 반응기 몸체 표면의 동일한 일측 단부에 나란히 형성될 수 있으며, 상기 제1마개입구부 및 제2마개입구부는 상기 가 스 유입부 및 가스 유출부의 반대편 일측 단부에 나란히 형성될 수 있다.
또한, 상기 제1촉매 구조체 및 제2촉매 구조체는 각각 독립적으로 금속 소재 및/또는 비금속 소재로 이루어진 구조체에 촉매가 코팅된 것일 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지용 반응기에서, 촉매구조체, 제1촉매 구조체 및 제2촉매 구조체에 사용되는 상기 금속 소재는 각각 알루미늄, 구리, 니켈, 아연, 철, 스테인레스스틸 및 알루미나로 이루어진 군에서 선택되는 금속 또는 이들의 합금일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 또한, 상기 금속 소재 및/또는 비금속 소재로 이루어진 구조체는 표면에 알루미나 층이 형성되거나, 알루미나가 코팅된 것일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
또한, 본 발명에 따른 연료전지는 상기 연료전지용 반응기를 포함하는 것이 특징이다. 상기 연료전지용 반응기는 개질기 및/또는 일산화탄소 저감기로 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지용 반응기에 의하면, 촉매 구조체가 메쉬(mesh) 형태이고 카트리지 방식이므로 반응기 내의 삽입 및 탈리가 용이하고 촉매가 균일하고 용이하게 코팅될 수 있으며 사이즈의 조절이 쉬우며 촉매 반응 면적이 넓으며 또한 압력강하가 작아질 수 있으며, 이에 따라 촉매 성능 및 반응속도를 향상시킬 수 있고, 전체적인 반응기의 반응 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 연료전지용 반응기는 촉매 구조체의 소재 및 촉매 성분을 용이하게 변경하여 개질기, 일산화탄소 저감기 등의 다양한 용도로 사용할 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예들에 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 실시예들에 한정되지 않는다.
도 1 및 도 2는 각각 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 반응기를 도시한 사시도 및 분해사시도이며, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 반응기를 도시한 평 단면도이다. 도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 반응기(40)를 설명하면, 다음과 같다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 연료전지용 반응기(40)는 반응기 몸체(41), 촉매 구조체(47) 및 마개(48)를 포함하여 이루어진다.
이때 상기 반응기 몸체(41)는, 내부에 형성되고 수납 공간을 갖는 공간부(42); 각각 독립적으로 표면의 일측 단부에 형성되면서, 상기 공간부로 가스를 유입시키는 가스 유입부(43) 및 상기 공간부로부터 가스를 유출시키는 가스 유출부(44); 및 표면의 일측 단부에 형성되면서 상기 공간부에 연결되는 마개입구부(46)을 포함하여 구성된다.
또한, 상기 촉매 구조체(47)는 삽입 및 탈리될 수 있는 카트리지 방식이면서 상기 마개입구부(46)를 통하여 상기 공간부(42)에 삽입 설치되는 3차원의 메쉬(mesh) 형태의 촉매 구조체이며, 상기 마개(48)는 상기 마개입구부(46)를 외부와 차단시키는 역할을 한다.
본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 반응기(40)에서, 상기 가스 유입부(43)을 통해 가스(연료)가 공간부(42)에 유입되면 상기 촉매 구조체(47)를 통해 반응이 일어날 수 있고, 상기 반응 후 생성된 최종 가스는 가스 유출부(44)를 통해 반응기(40)의 외부로 배출된다.
이때, 상기 반응 및 이의 결과물은 상기 촉매 구조체(47)를 구성하는 촉매 및 구조체의 소재에 따라 달라질 수 있으며, 예를 들면 개질 촉매 반응을 통해 반응기 내부로 유입되는 가스로부터 수소 가스가 발생되거나, 수소가스와 함께 발생되는 일산화탄소 가스의 수성가스 전환(Water-Gas Shift: WGS) 반응 또는 상기 일산화탄소 가스와 공기의 선택적 산화 반응(Preferential CO Oxidation: PROX)을 통해 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도가 저감될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 반응기(40)에서 상기 촉매 구조체(47)는 상기 공간부(42)에 용이하게 삽입 및 탈리가 될 수 있는 카트리지 방식의 구조체로서, 그 크기는 특별히 제한되지 않는다.
상기 촉매 구조체(47)의 형태는 2차원 또는 3차원의 메쉬(즉, 그물 또는 망상) 또는 허니컴(즉, 벌집) 형태일 수 있으나, 바람직하게는 3차원의 메쉬 형태이다. 또한, 상기 촉매 구조체(47)는 금속 소재 및/또는 비금속 소재로 이루어진 메쉬 형태의 구조체에 촉매가 코팅된 것이 바람직하다. 또한, 본 발명에서 상기 촉매 구조체(47)는 촉매가 코팅된 상기 메쉬 또는 허니컴 형태의 구조체가 2개 이상 적층된 것일 수 있다. 도 8은 본 발명의 연료전지용 반응기에 포함되는 촉매 구조체의 일예를 나타내는 사진이며, 상기 촉매 구조체(47)는 도 8에 도시된 구조체가 2 개 이상 적층된 것이 바람직하다.
본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 반응기(40)에서 상기 촉매 구조체(47)는 촉매 코팅된 메쉬 형태이므로, 촉매를 상기 촉매 구조체에 균일하고 용이하게 코팅할 수 있으며, 이에 따라 촉매 반응 면적이 넓어지며, 촉매 충진에 따른 압력강하를 줄일 수 있다. 그 결과, 촉매 성능 및 반응속도를 향상시킬 수 있고, 전체적인 반응기의 반응 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 촉매 구조체(47)가 카트리지 방식의 구조체임으로 인하여, 상기 공간부(42)에서 상기 촉매 구조체(47)를 쉽게 설치 및 교체할 수 있으며, 유지 보수가 용이하다. 그리고, 이에 따라 본 발명에 따른 연료전지용 반응기는 촉매 구조체의 소재 및 촉매 성분을 용이하게 변경하여 개질기, 일산화탄소 저감기 등의 다양한 용도로 사용할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 반응기(40)에서 상기 반응기 몸체(41)의 형태 및 소재는 특별히 한정되지 않으며, 비제한적인 예로 사각 케이스 형태의 금속플레이트, 또는 타원 형태의 금속플레이트일 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 반응기(40)에서 도 1 내지 도 3에서 보는 바와 같이, 상기 가스 유입부(43) 및 가스 유출부(44)는 반응기 몸체(41) 표면의 서로 다른 일측 단부에 각각 형성되며, 상기 마개입구부(46)는 상기 가스 유입부(43) 또는 가스 유출부(44)의 반대편 일측 단부에 형성될 수 있다. 이때, 도 1 내지 도 3에서의 가스 유입부 및 가스 유출부는 각각 가스 유출부 및 가스 유입부로 사용되어도 무방하다. 즉, 상기 가스 유입부 및 가스 유출부는 서로 바뀌어도 상관없다.
본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 반응기(40)에서 상기 마개입구부(46)는 촉매 구조체(47)를 반응기 몸체 내부의 공간부(42)에 설치한 후, 마개(48)로 막게 된다. 이때, 상기 마개입구부(46)의 크기는 상기 촉매 구조체(47)의 크기에 의해 결정되며, 보통 촉매 구조체(47)의 크기보다 약간 크게 제작되는 것이 바람직하다.
본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 반응기(40)에서 상기 마개(48)는 금속 또는 비금속으로 이루어질 수 있고, 상기 반응기 몸체(41)과 동일 소재일 수 있다. 비제한적인 예로서 상기 마개(48)는 구리로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 상기 마개의 형상은 특별히 한정되지 않는다.
도 4 및 도 5는 각각 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지용 반응기를 도시한 사시도 및 분해사시도이며, 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지용 반응기를 도시한 평 단면도이며, 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지용 반응기를 도시한 측 단면도이다. 도 4 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지용 반응기(50)를 설명하면, 다음과 같다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 연료전지용 반응기(50)는 반응기 몸체(51), 촉매 구조체(57a, 57b) 및 마개(58a, 58b)를 포함하여 이루어진다.
이때 상기 반응기 몸체(51)는, 내부에 형성되고 수납 공간을 갖는 제1공간부(52a) 및 제2공간부(52b); 각각 반응기 몸체 표면의 일측 단부에 형성되면서, 상기 제1공간부로 가스를 유입시키는 가스 유입부(53) 및 상기 제2공간부로부터 가스를 유출시키는 가스 유출부(54); 내부에 형성되고 상기 제1공간부 및 상기 제2공간 부를 연결하는 가스 통로부(55); 및 각각 반응기 몸체 표면의 일측 단부에 형성되면서, 상기 제1공간부에 연결되는 제1마개입구부(56a) 및 상기 제2공간부에 연결되는 제2마개입구부(56b)를 포함하여 구성된다.
또한, 상기 촉매 구조체는, 상기 제1마개입구부(56a)를 통하여 상기 제1공간부(52a)에 삽입 설치되는 제1촉매 구조체(57a) 및 상기 제2마개입구부(56b)를 통하여 상기 제2공간부(52b)에 삽입 설치되는 제2촉매 구조체(57b)로 구성되며, 이들은 각각 독립적으로 삽입 및 탈리될 수 있는 카트리지 방식이다.
또한, 상기 마개는, 상기 제1마개입구부(56a)를 외부와 차단시키는 제1마개(58a) 및 상기 제2마개입구부(56b)를 외부와 차단시키는 제2마개(58b)로 구성된다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지용 반응기(50)에서, 상기 가스 유입부(53)을 통해 가스(연료)가 제1공간부(52a)에 유입되면 상기 제1촉매 구조체(57a)를 통해 제1차 반응이 일어날 수 있고, 이어서 가스 통로부(55)를 통해 제2공간부(52b)로 가스(연료)가 유입되면 상기 제2촉매 구조체(57b)를 통해 제2차 반응이 일어날 수 있으며, 상기 제2차 반응 후 생성된 최종 가스는 가스 유출부(54)를 통해 반응기(50)의 외부로 배출된다.
이때, 상기 제1차 반응과 제2차 반응, 그리고 이들 반응의 결과물은 각각 상기 제1촉매 구조체(57a) 및 제2촉매 구조체(57b)를 구성하는 촉매 및 구조체의 소재에 따라 달라질 수 있으며, 예를 들면 개질 촉매 반응을 통해 반응기 내부로 유입되는 가스로부터 수소 가스가 발생되거나, 수소가스와 함께 발생되는 일산화탄소 가스의 수성가스 전환(Water-Gas Shift: WGS) 반응 또는 상기 일산화탄소 가스와 공기의 선택적 산화 반응(Preferential CO Oxidation: PROX)을 통해 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도가 저감될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지용 반응기(50)에서 상기 제1촉매 구조체(57a) 및 제2촉매 구조체(57b)는 각각 상기 제1공간부(52a) 및 제2공간부(52b)에 용이하게 삽입 및 탈리가 될 수 있는 카트리지 방식의 구조체로서, 그 크기는 특별히 제한되지 않는다.
상기 제1촉매 구조체(57a) 및 제2촉매 구조체(57b)의 형태는 각각 2차원 또는 3차원의 메쉬(즉, 그물 또는 망상) 또는 허니컴(즉, 벌집) 형태일 수 있으나, 3차원의 메쉬 형태가 바람직하다. 또한, 상기 제1촉매 구조체(57a) 및 제2촉매 구조체(57b)는 각각 독립적으로 금속 소재 및/또는 비금속 소재로 이루어진 메쉬 형태의 구조체에 촉매가 코팅된 것이 바람직하다. 또한, 본 발명에서 상기 제1촉매 구조체(57a) 및 제2촉매 구조체(57b) 각각은 촉매가 코팅된 상기 메쉬 또는 허니컴 형태의 구조체가 2개 이상 적층된 것일 수 있다. 도 8은 본 발명의 연료전지용 반응기에 포함되는 촉매 구조체의 일예를 나타내는 사진이며, 상기 제1촉매 구조체(57a) 및 제2촉매 구조체(57b)는 도 8에 도시된 구조체가 2개 이상 적층된 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지용 반응기(50)에서 상기 제1촉매 구조체(57a) 및 제2촉매 구조체(57b)는 각각 촉매 코팅된 메쉬 형태이므로, 촉매를 상기 촉매 구조체에 균일하고 용이하게 코팅할 수 있으며, 이에 따라 촉매 반응 면 적이 넓어지며, 촉매 충진에 따른 압력강하를 줄일 수 있다. 그 결과, 촉매 성능 및 반응속도를 향상시킬 수 있고, 전체적인 반응기의 반응 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 제1촉매 구조체(57a) 및 제2촉매 구조체(57b)가 카트리지 방식의 구조체임으로 인하여, 상기 제1공간부(52a) 및 제2공간부(52b)에서 이들 촉매 구조체(57a, 57b)를 쉽게 설치 및 교체할 수 있으며, 유지 보수가 용이하다. 그리고, 이에 따라 본 발명에 따른 연료전지용 반응기는 촉매 구조체의 소재 및 촉매 성분을 용이하게 변경하여 개질기, 일산화탄소 저감기 등의 다양한 용도로 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지용 반응기(50)에서 상기 반응기 몸체(51)의 형태 및 소재는 특별히 한정되지 않으며, 비제한적인 예로 사각 케이스 형태의 금속플레이트, 또는 타원 형태의 금속플레이트일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 연료전지용 반응기(50)에서 상기 가스 유입부(53) 및 가스 유출부(54)는 상기 반응기 몸체(51) 표면의 일측 단부에 나란히 형성되며,
상기 제1마개입구부(56a) 및 제2마개입구부(56b)는 상기 가스 유입부(53) 및 가스 유출부(54)의 반대편 일측 단부에 나란히 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서는 도 4 내지 도 6에서 보는 바와 같이, 상기 가스 유입부(53) 및 가스 유출부(54)는 상기 반응기 몸체(51) 표면의 일측 단부에 나란히 형성되었으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 각각 독립적으로 반응기 몸체 표면의 어디에든 형성될 수 있다. 바람직하게는, 상기 가스 유입부(53) 및 가스 유출부(54)는 각각 상기 제1마개입구부(56a) 및 제2마개입구부(56b)가 형성된 반응기 몸체의 반대편에 배치될 수 있다.
이때, 상기 가스 유입부 및 가스 유출부는 서로 바뀌어도 상관없다. 즉, 도 4 내지 도6에서의 가스 유입부 및 가스 유출부는 각각 가스 유출부 및 가스 유입부로 사용되어도 무방하다.
반응기 몸체(51)의 내부에 형성되는 가스 통로부(55)는 상기 제1공간부(52a) 및 제2공간부(52b)를 연결하여 상기 가스 유입부로부터 유입되는 가스가 상기 가스 유출부를 통해 유출되도록 하는 통로 역할을 한다. 상기 가스 통로부(55)의 위치는 반응기 몸체(51)의 내부이면 특별히 한정되지 않으나, 반응의 효율성 측면에서 반응 상기 가스 유입부(53) 및 가스 유출부(54)로부터 멀수록 바람직하며, 또한 상기 제1마개입구부(56a) 및 제2마개입구부(56b)와 가까울수록 바람직하다. 또한, 상기 가스 통로부(55)의 크기와 형태는 특별히 제한되지 않는다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지용 반응기(50)에서 상기 제1마개입구부(56a) 및 제2마개입구부(56b)는 각각 제1촉매 구조체(57a) 및 제2촉매 구조체(57b)를 반응기 몸체 내부의 제1공간부(52a) 및 제2공간부(52b)에 설치한 후, 각각 제1마개(58a) 및 제2마개(58b)로 막게 된다. 이때, 상기 제1마개입구부(56a) 및 제2마개입구부(56b)의 크기는 상기 제1촉매 구조체(57a) 및 제2촉매 구조체(57b) 각각의 크기에 의해 결정되며, 보통 제1촉매 구조체(57a) 및 제2촉매 구조체(57b)의 크기보다 약간 크게 제작되는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지용 반응기(50)에서 상기 제1마개(58a) 및 제2마개(58b)는 금속 또는 비금속으로 이루어질 수 있고, 상기 반응기 몸체(51)과 동일 소재일 수 있다. 비제한적인 예로서 상기 제1마개 및 제2마개는 구리로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 상기 제1마개 및 제2마개의 형상은 특별히 한정되지 않는다.
한편, 본 발명에 따른 연료전지용 반응기(40, 50)에서, 촉매 구조체(47), 제1촉매 구조체(57a) 및 제2촉매 구조체(57b)의 소재로 사용 가능한 상기 금속 소재는 알루미늄, 구리, 니켈, 아연, 철, 스테인레스스틸 및 알루미나로 이루어진 군에서 선택되는 금속 또는 이들의 합금일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 또한, 상기 금속 소재 및/또는 비금속 소재로 이루어진 구조체는 표면에 알루미나 층이 형성되거나, 알루미나가 코팅된 것일 수 있다. 예를 들면, 상기 금속 소재가 알루미늄인 경우, 알루미늄을 산화시켜 구조체 표면에 알루미나 층을 형성시킨 뒤 촉매를 코팅시킬 수 있으며, 스테인레스스틸의 경우도 알루미나로 먼저 코팅을 한 후 촉매를 코팅할 수 있다. 또한 스테인레스스틸의 소재일 경우 전기영동법을 사용하여 알루미나를 코팅한 후 촉매를 코팅할 수도 있다.
상기 촉매 코팅은 딥핑법, 스퍼터링, CVD(열화학증착법), PECVD(플라즈마강화화학증착법), 열증발법, 또는 E-beam(전자선) 증발법 등이 있으나, 이에 한정되지 않는다. 또한, 상기 촉매는 Pt, Ru, Cu, Zn 등의 귀금속 촉매 및/또는 비귀금속 물질이 사용될 수 있고, 또한 상기 귀금속 촉매 및/또는 비귀금속 물질이 담지체에 담지된 촉매가 사용될 수도 있다. 또한, 이들 촉매는 단독으로 또는 2종 이상 혼합되어 사용될 수 있다. 또한, 상기 담지체는 알루미나(Al2O3), 실리카(SiO2) 또는 티 타니아(TiO2) 등이 사용될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
본 발명의 연료전지용 반응기(40, 50)은 촉매의 가스 처리 용량 및 기타 조건에 따라 그 크기 및 부피를 적절히 조절할 수 있다.
이와 같은 본 발명의 실시예들에 따른 연료전지용 반응기(40, 50)은 종래 충진식 반응기 및 마이크로채널 반응기가 갖는 장점은 유지하면서 이들 반응기의 단점을 보완할 수 있는 구성을 가진다.
또한, 본 발명에 따른 연료전지는 이상 설명한 본 발명의 연료전지용 반응기를 구비한다. 이때, 본 발명의 연료전지용 반응기는 개질기 및/또는 일산화탄소 저감기로 사용될 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.
이때, 본 발명에 따른 연료전지는 당업계에 알려진 통상의 연료전지의 구성을 갖는다. 비제한적인 예를 들면, 본 발명에 따른 연료전지는, 수소와 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 전기 발생부; 열 에너지에 의한 개질 촉매 반응을 통해 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질기; 상기 개질기로부터 수소 가스와 함께 발생되는 일산화탄소 가스와 별도로 공급되는 공기의 선택적 산화 촉매 반응을 통해 상기 수소 가스 중에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 일산화탄소 저감기; 상기 개질기로 연료를 공급하는 연료 공급원; 및 상기 일산화탄소 저감기 및 전기 발생부로 공기를 공급하는 공기 공급원을 포함할 수 있으며, 이때 본 발명에 따른 연료전지용 반응기는 상기 개질기 및/또는 일산화 탄소 저감기로 사용되어 포함될 수 있다.
상기 전기 발생부는 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode Assembly: MEA)를 중심에 두고 이의 양면에 세퍼레이터(당 업계에서는 '바이폴라 플레이트'라고도 한다.)를 배치하여 형성할 수 있다.
연료전지의 기타 구성들과 제조방법은 당업계에 공지되어 있으므로 이에 대한 설명은 본 명세서에서 생략한다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예들에 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.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 반응기의 사시도이며,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 반응기의 분해사시도이며,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 반응기의 평 단면도이며,
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지용 반응기의 사시도이며,
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지용 반응기의 분해사시도이며,
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지용 반응기의 평 단면도이며,
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지용 반응기의 측 단면도이며,
도 8은 본 발명의 연료전지용 반응기에 포함되는 촉매 구조체의 일예를 나타내는 사진이다.

Claims (9)

  1. (a) 내부에 형성되고 수납 공간을 갖는 공간부;
    각각 독립적으로 표면의 일측 단부에 형성되면서, 상기 공간부로 가스를 유입시키는 가스 유입부 및 상기 공간부로부터 가스를 유출시키는 가스 유출부; 및
    표면의 일측 단부에 형성되면서 상기 공간부에 연결되는 마개입구부
    를 포함하여 구성되는 반응기 몸체;
    (b) 삽입 및 탈리될 수 있는 카트리지 방식이면서 상기 마개입구부를 통하여 상기 공간부에 삽입 설치되는 3차원의 메쉬(mesh) 형태의 촉매 구조체; 및
    (c) 상기 마개입구부를 외부와 차단시키는 마개;를 포함하는 연료전지용 반응기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가스 유입부 및 가스 유출부는 반응기 몸체 표면의 서로 다른 일측 단부에 각각 형성되며,
    상기 마개입구부는 상기 가스 유입부 또는 가스 유출부의 반대편 일측 단부에 형성되는 것이 특징인 연료전지용 반응기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 촉매 구조체는 금속 소재 또는 비금속 소재로 이루어진 구조체에 촉매 가 코팅된 것이 특징인 연료전지용 반응기.
  4. (a) 내부에 형성되고 수납 공간을 갖는 제1공간부 및 제2공간부;
    각각 독립적으로 표면의 일측 단부에 형성되면서, 상기 제1공간부로 가스를 유입시키는 가스 유입부 및 상기 제2공간부로부터 가스를 유출시키는 가스 유출부;
    내부에 형성되고 상기 제1공간부 및 상기 제2공간부를 연결하는 가스 통로부; 및
    각각 독립적으로 표면의 일측 단부에 형성되면서, 상기 제1공간부에 연결되는 제1마개입구부 및 상기 제2공간부에 연결되는 제2마개입구부
    를 포함하여 구성되는 반응기 몸체;
    (b) 각각 독립적으로 삽입 및 탈리될 수 있는 카트리지 방식이면서, 상기 제1마개입구부를 통하여 상기 제1공간부에 삽입 설치되는 제1촉매 구조체 및 상기 제2마개입구부를 통하여 상기 제2공간부에 삽입 설치되는 제2촉매 구조체; 및
    (c) 상기 제1마개입구부를 외부와 차단시키는 제1마개, 및 상기 제2마개입구부를 외부와 차단시키는 제2마개;를 포함하는 연료전지용 반응기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1촉매 구조체 및 제2촉매 구조체는 각각 3차원의 메쉬(mesh) 형태인 것이 특징인 연료전지용 반응기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 가스 유입부 및 가스 유출부는 반응기 몸체 표면의 동일한 일측 단부에 나란히 형성되며,
    상기 제1마개입구부 및 제2마개입구부는 상기 가스 유입부 및 가스 유출부의 반대편 일측 단부에 나란히 형성되는 것이 특징인 연료전지용 반응기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1촉매 구조체 및 제2촉매 구조체는 각각 독립적으로 금속 소재 또는 비금속 소재로 이루어진 구조체에 촉매가 코팅된 것이 특징인 연료전지용 반응기.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 연료전지용 반응기를 포함하는 연료전지.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 연료전지용 반응기는 개질기, 또는 일산화탄소 저감기, 또는 개질기와 일산화탄소 저감기로 사용되는 것이 특징인 연료전지.
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KR101435393B1 (ko) * 2012-08-29 2014-08-28 삼성중공업 주식회사 선박의 연료전지 시스템용 개질기

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