KR100560495B1 - 연료 전지 시스템의 개질기 및 이를 채용한 연료 전지시스템 - Google Patents

연료 전지 시스템의 개질기 및 이를 채용한 연료 전지시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료 전지 시스템의 개질기에 관한 것이다.
이를 위하여 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 수소와 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 전기를 발생시키는 스택; 수소를 함유한 액상의 연료와 물의 혼합 연료를 기화시키고,상기 기화된 유체를 개질하여 수소 가스를 발생시키는 개질기; 상기 개질기로 혼합 연료를 공급하는 연료 공급부; 및 상기 스택으로 외부 공기를 공급하는 공기 공급부를 포함하고, 상기 개질기는 본체와, 다공성의 입구 및 상기 입구와 서로 연통하는 적어도 하나의 출구를 가지면서 상기 본체에 형성되는 모세관 채널과, 상기 본체에 접촉 설치되어 상기 모세관 채널의 출구 측을 가열하는 히팅부재와, 상기 모세관 채널의 출구와 연결 설치되는 적어도 하나의 반응부를 구비하며, 상기 모세관 채널은 상기 입구로부터 출구 측으로 갈수록 그 통로가 점차 작아지는 제1 영역과, 상기 제1 영역에 연장되면서 출구 측으로 갈수록 그 통로가 점차 확장되는 제2 영역을 포함한다.
연료전지, 연료 공급부, 공기 공급부, 개질기, 스택, 전기 생성부, 전극-전해질 합성체, 바이폴라 플레이트, 본체, 모세관, 채널, 반응부, 삼투압

Description

연료 전지 시스템의 개질기 및 이를 채용한 연료 전지 시스템 {REFORMER FOR FUEL CELL SYSTEM AND FUEL CELL SYSTEM HAVING THEREOF}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 도시한 개략도이다.
도 2는 도 1에 도시한 개질기의 구성을 나타내 보인 단면 구성도이다.
도 3은 도 2에 도시한 개질기의 주요 부분을 나타내 보인 분해 사시도이다.
도 4는 도 1에 도시한 스택 구조를 나타내 보인 분해 사시도이다.
본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료 전지 시스템의 개질기에 관한 것이다.
일반적으로, 연료 전지는 메탄올이나 천연가스 등 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소 또는 산소를 포함한 공기를 연료로 하여 일어나는 전기화학 반응에 의해 화학에너지를 직접 전기에너지로 변화시키는 발전 시스템이다. 특히, 연료 전지는 연소 과정 없이 수소와 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 생성되는 전기와 그 부산물인 열을 동시에 사용할 수 있다는 특징을 갖고 있다.
이러한 연료 전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라, 150∼200℃ 부근에서 작동하는 인산형 연료전지, 600∼700℃의 고온에서 작동하는 용융탄산염 형 연료전지, 1000℃ 이상의 고온에서 작동하는 고체 산화물형 연료전지, 상온 내지 100℃ 이하에서 작동하는 고분자 전해질형 및 알칼리형 연료전지 등으로 분류되며, 이들 각각의 연료전지는 근본적으로 같은 원리에 의해 작동하나, 연료의 종류, 운전 온도, 촉매 및 전해질이 서로 다르다.
이 중에서 근래에 개발되고 있는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrance Fuel Cell: PEMFC)는, 다른 연료 전지에 비하여 출력 특성이 탁월하고 작동 온도가 낮을뿐더러 빠른 시동 및 응답 특성을 가지고 있으며, 메탄올, 에탄올, 천연 가스 등을 개질하여 만들어진 수소를 연료로 사용하여 자동차와 같은 이동용 전원은 물론, 주택, 공공건물과 같은 분산용 전원 및 전자기기용과 같은 소형 전원 등 그 응용 범위가 넓은 장점을 가지고 있다.
상기와 같은 고분자 전해질형 연료 전지가 기본적으로 시스템의 구성을 갖추기 위해서는, 스택(stack)이라 불리는 연료 전지 본체(이하, 편의상 스택이라 칭한다.), 연료 탱크 및 이 연료 탱크로부터 상기 스택으로 연료를 공급하기 위한 연료 펌프 등이 필요하다. 그리고, 연료 탱크에 저장된 연료를 스택으로 공급하는 과정에서 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키고 그 수소 가스를 스택으로 공급하는 개질기(reformer)가 더욱 포함된다. 따라서, 고분자 전해질형 연료 전지는 연료 펌프의 펌핑력에 의해 연료 탱크에 저장된 연료를 개질기로 공급하고, 개질기가 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키며, 스택이 수소 가스와 산소를 전기 화학적으로 반응하여 전기에너지를 생산해 내게 된다.
한편, 연료 전지는 수소를 함유한 액상의 연료를 직접 스택에 공급하여 전기를 생산해 낼 수 있는 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC) 방식을 채용할 수 있다. 이러한 직접 메탄올형 연료 방식의 연료 전지는 고분자 전해질형 연료 전지와 달리, 개질기가 배제된다.
상기와 같은 연료 전지 시스템에 있어서, 전기를 실질적으로 발생시키는 스택은 전극-전해질 합성체(Membrane Electrode Assembly: MEA)와 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)로 이루어진 단위 셀이 수개 내지 수십개로 적층된 구조를 가진다. 전극-전해질 합성체는 전해질막을 사이에 두고 애노드 전극과 캐소드 전극이 부착된 구조를 가진다. 그리고 바이폴라 플레이트는 연료 전지의 반응에 필요한 산소와 수소 가스가 공급되는 통로의 역할과 각 전극-전해질 합성체의 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체의 역할을 동시에 수행한다. 따라서, 바이폴라 플레이트에 의해 애노드 전극에는 수소 가스가 공급되는 반면, 캐소드 전극에는 산소가 공급된다. 이 과정에서 애노드 전극에서는 수소 가스의 산화 반응이 일어나게 되고, 캐소드 전극에서는 산소의 환원 반응이 일어나게 되며 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기와 열 그리고 물을 함께 얻을 수 있다.
전술한 바 있는 개질기는 수소를 함유한 액상의 연료와 물을 개질 반응에 의해 스택의 전기 생성에 필요한 수소 가스로 전환할 뿐만 아니라, 연료 전지를 피독시켜 수명을 단축시키는 일산화탄소와 같은 유해 물질을 제거하는 장치이다.
통상적으로 상기한 개질기는 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키는 개질 부와, 그 수소 가스로부터 일산화탄소를 제거하는 일산화탄소 제거부를 포함한다. 개질부는 연료를 수증기 개질, 부분산화, 자열 반응 등의 촉매 반응을 통해 상기한 연료를 수소가 풍부한 개질 가스로 전환한다. 일산화탄소 제거부는 수성가스 전환 방법, 선택적 산화 방법 등과 같은 촉매 반응 또는 분리막을 이용한 수소의 정제 등과 같은 방법으로 개질 가스로부터 일산화탄소를 제거한다.
한편, 이와 같은 연료 전지 시스템은 스택에 의해 생산되는 전력을 다시 소모하여 전체적인 시스템을 구동하기 때문에, 그 구동에 필요한 만큼의 기생전력을 발생시킨다.
그런데, 종래의 연료 전지 시스템은 연료 탱크에 저장된 연료를 개질기로 공급하기 위한 별도의 연료 펌프를 구비하는 바, 이러한 연료 펌프는 소정 펌핑력으로 연료 탱크의 연료를 개질기로 공급하기 위한 기생전력이 요구되므로 전체 시스템의 효율을 감소시키는 문제점이 있다. 또한 종래의 연료 전지 시스템은 위와 같은 연료 펌프가 차지하는 설치 공간이 필요하므로, 결과적으로 전체적인 시스템의 크기를 컴팩트하게 구현하지 못하게 되는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 감안한 것으로서, 그 목적은 기생전력을 많이 소비하는 연료 펌프를 배제할 수 있는 연료 전지 시스템의 개질기 및 이를 채용한 연료 전지 시스템을 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 개질기는, 수소를 함유한 액상의 연료와 물의 혼합 연료를 기화시키고, 상기 기화된 유체를 개질하여 수소 가스를 발생시키기 위한 것으로서, 본체; 다공성의 입구 및 상기 입구와 서로 연통하는 적어도 하나의 출구를 가지면서 상기 본체에 형성되는 모세관 채널; 상기 본체에 접촉 설치되어 상기 모세관 채널의 출구 측을 가열하는 히팅부재; 및 상기 모세관 채널의 출구와 연결 설치되는 적어도 하나의 반응부를 포함하며,
상기 모세관 채널은 상기 입구로부터 출구 측으로 갈수록 그 통로가 점차 작아지는 제1 영역과, 상기 제1 영역에 연장되면서 출구 측으로 갈수록 그 통로가 점차 확장되는 제2 영역을 포함한다.
삭제
본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 개질기에 있어서, 상기 히팅부재를 모세관 채널의 제2 영역에 상응하는 본체에 접촉 설치하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 개질기에 있어서, 상기 모세관 채널의 출구를 적어도 하나의 홈에 형성할 수도 있다.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 개질기에 있어서, 상기 반응부는: 상기 모세관 채널의 출구를 통과한 유체를 개질하여 수소 가스를 발생시키는 제1 반응부; 및 상기 제1 반응부에 의해 개질된 수소 가스로부터 일산화탄소를 제거하는 제2 반응부를 포함할 수 있다.
또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 수소와 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 전기를 발생시키는 스택; 수소를 함유한 액상의 연료와 물의 혼합 연료를 기화시키고,상기 기화된 유체를 개질하여 수소 가스를 발생시키는 개질기; 상기 개질기로 혼합 연료를 공급하는 연료 공급부; 및 상기 스택으로 외부 공기를 공급하는 공기 공급부를 포함하고,
상기 개질기는 본체와, 다공성의 입구 및 상기 입구와 서로 연통하는 적어도 하나의 출구를 가지면서 상기 본체에 형성되는 모세관 채널과, 상기 본체에 접촉 설치되어 상기 모세관 채널의 출구 측을 가열하는 히팅부재와, 상기 모세관 채널의 출구와 연결 설치되는 적어도 하나의 반응부를 구비하며,
상기 모세관 채널은 상기 입구로부터 출구 측으로 갈수록 그 통로가 점차 작아지는 제1 영역과, 상기 제1 영역에 연장되면서 출구 측으로 갈수록 그 통로가 점차 확장되는 제2 영역을 포함한다.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 연료 공급부는: 수소를 함유한 액상의 연료를 저장하는 제1 탱크; 및 물을 저장하는 제2 탱크를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 연료 공급부와 모세관 채널의 입구가 제1 공급라인에 의해 연결될 수 있다.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 히팅부재를 모세관 채널의 제2 영역에 상응하는 본체에 접촉 설치하는 것이 바람직하다.
삭제
본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 모세관 채널의 출구를 적어도 하나의 홈에 형성할 수도 있다.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 반응부는: 상기 모세관 채널의 출구를 통과한 유체를 개질하여 수소 가스를 발생시키는 제1 반응부; 및 상기 제1 반응부에 의해 개질된 수소 가스로부터 일산화탄소를 제거하는 제2 반응부를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 모세관 채널의 출구와 제1 반응부가 제2 공급라인에 의해 연결되고, 상기 제1 반응부와 제2 반응부가 제3 공급라인에 의해 연결되며, 상기 제2 반응부와 스택이 제4 공급라인에 의해 연결될 수 있다.
그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 제2 반응부와 스택 사이에 개폐밸브가 배치되어 제2 반응부와 스택에 연결 설치될 수도 있다.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrance Fuel Cell: PEMFC) 방식으로 이루어진다.
이하, 본 발명을 명확히 하기 위한 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명하도록 한다.
본 시스템은 수소를 함유한 연료를 개질하여 수소가 풍부한 개질 가스를 발생시키고, 상기한 수소 가스와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 생기는 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrode Membrane Fuel Cell; PEMFC) 방식을 채용한다.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어 전기를 생성하기 위한 연료라 함은 메탄올, 에탄올 또는 천연 가스와 같은 탄화 수소 계열의 액상의 연료 이 외에 물 및 산소가 더욱 포함되며, 이 중에서 액상의 연료와 물을 이하의 설명에서는 편의상 혼합 연료라 정의한다. 그리고 상기한 산소 연료로서 별도의 저장수단에 저장된 순수한 산소 가스를 사용할 수 있으며, 산소를 포함하는 공기를 그대로 사용할 수도 있다. 그러나 이하에서는 산소 연료로서 외부의 공기를 사용하는 예를 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 도시한 개략도이다.
도 1을 참고하면, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)은, 기본적으로 상기한 혼합 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키는 개질기(30)와, 개질기(30)에 의해 생성된 수소 가스와 외부 공기의 화학 반응 에너지를 전기 에너지로 변환시켜 전기를 생산 해 내는 스택(10)과, 상기한 혼합 연료를 개질기(30)로 공급하는 연료 공급부(50)와, 외부 공기를 스택(10)으로 공급하는 공기 공급부(70)를 포함하여 구성된다.
상기한 연료 공급부(50)는 개질기(30)와 연결 설치되는 것으로, 종래와 같은 연료 펌프가 배재된 구조를 가진다. 즉, 연료 공급부(50)는 수소를 함유한 액상의 연료를 저장하는 제1 탱크(51)와, 물을 저장하는 제2 탱크(52)를 구비한다. 이 때 연료 공급부(50)와 개질기(30)는 제1 공급라인(81)에 의해 연결 설치될 수 있다.
전술한 바 있는 공기 공급부(70)는 스택(10)과 연결 설치되는 것으로, 소정의 펌핑력으로 외부 공기를 흡입하는 공기 펌프(71)를 구비한다. 이 때 스택(10)과 공기 공급부(70)는 공기 공급라인(85)에 의해 연결 설치될 수 있다.
도 2는 도 1에 도시한 개질기의 구성을 나타내 보인 단면 구성도이고, 도 3은 도 2에 도시한 개질기의 주요 부분을 나타내 보인 분해 사시도이다.
도 1 내지 도 3을 참고하면, 본 발명의 실시예에 따른 개질기(30)는 상기한 혼합 연료를 기화시키는 부분과, 상기 기화된 유체를 개질하여 수소 가스를 발생시키는 부분으로 이루어진다. 더욱이 상기한 개질기(30)는 혼합 연료를 기화시키는 과정에서 모세관 및 삼투압 작용에 의한 혼합 연료의 흐름을 가능케 하는 구조를 갖는다.
구체적으로, 개질기(30)는 혼합 연료를 기화시키는 부분으로서, 본체(31)와, 다공성의 입구(33a) 및 그 입구(33a)와 서로 연통하는 출구(33b)를 가지면서 본체(31)에 형성되는 모세관 채널(33)과, 본체(31)를 가열하는 가열하는 히팅부재(35)를 포함한다. 그리고 개질기(30)는 상기 기화된 유체를 개질하여 수소 가스를 발생시키는 부분으로서, 모세관 채널(33)의 출구(33b)와 연결 설치되는 적어도 하나의 반응부(37, 39)를 포함한다.
상기 본체(31)는 소정의 길이, 폭 및 두께를 가진 대략 사각형의 플레이트 타입으로 이루어지며, 열전도성을 가진 다공성 금속 소재로 형성될 수 있다.
상기 모세관 채널(33)은 모세관 및 삼투압 작용에 의해 연료 공급부(50)에 저장된 액상의 연료와 물의 혼합 연료가 통과할 수 있는 유체 이동 통로로서, 본체(31)의 길이 방향(도면의 Y축 방향)을 따라 그 내부에 형성된다. 모세관 채널(33)은 본체(31)의 폭 방향(도면의 X축 방향)을 기준으로 도면의 좌측면에 다공성의 입구(33a)를 형성하고, 도면의 우측면에 입구(33a)와 서로 연통하는 출구(33b)를 형성하고 있다. 그리고 모세관 채널(33)은 입구(33a)로부터 출구(33b) 측으로 갈수록 그 통로가 점차 작아지는 제1 영역(A)과, 제1 영역(A)에 연장되면서 출구(33b) 측으로 갈수록 그 통로가 점차 확장되는 제2 영역(B)을 포함한다. 여기서 상기한 다공성의 입구(33a)는 전술한 바 있는 제1 공급라인(81)을 통하여 연료 공급부(50)와 연결된다. 그리고 상기한 모세관 채널(33)의 출구(33b)는 본체(31)의 측면에 형성된 적어도 하나의 홈(31a)에 위치하는 것이 바람직하다.
상기 히팅부재(35)는 모세관 채널(33)의 제2 영역(B)에 상응하는 본체(31)를 가열하여 모세관 작용에 의해 연료 공급부(50)로부터 모세관 채널(33)의 제2 영역(B)을 통과하는 혼합 연료를 기화시키는 기능을 가진다. 히팅부재(35)는 모세관 채널(33)의 제2 영역(B)에 상응하는 본체(31)의 상,하면에 접촉 설치되며, 소정 전원(도시하지 않음)과 연결되는 열선(36)을 내장한 통상적인 히팅 플레이트를 구비한다.
대안으로서, 본 발명은 상기 히팅부재(35)를 모세관 채널(33)의 제2 영역(B)에 상응하는 본체(31)의 상,하면에 각각 배치하는 것에 한정되지 않고, 본체(31)의 길이 방향을 기준으로 모세관 채널(33)의 제2 영역(B)에 상응하는 본체(31)의 양측면에 각각 배치할 수 있고, 상기한 모세관 채널(33)의 제2 영역(B)에 상응하는 본체(31)의 상,하면 및 양측면에 각각 배치할 수도 있다.
상기 반응부(37, 39)는 모세관 채널(33)의 출구(33b)를 통과하는 유체 즉, 히팅부재(35)에 의해 상기한 출구(33b)에서 증기화된 기체를 개질하여 수소 가스를 발생시키는 제1 반응부(37)와, 제1 반응부(37)에 의해 개질된 수소 가스로부터 일 산화탄소를 제거하는 제2 반응부(39)를 포함한다.
제1 반응부(37)는 모세관 채널(33)의 출구(33b)와 연결 설치된다. 제1 반응부(37)는 수증기 개질(Steam Reformer: SR) 촉매 반응을 통해 상기한 유체로부터 수소 가스를 발생시키는 기능을 가진다. 여기서 제1 반응부(37)와 모세관 채널(33)의 출구(33b)는 제2 공급라인(82)에 의해 연결 설치될 수 있다.
제2 반응부(39)는 제1 반응부(37)와 스택(10) 사이에 배치되어 제1 반응부(37)와 스택(10)에 각각 연결 설치된다. 제2 반응부(39)는 수성가스 전환(Water-Gas Shift Reaction: WGS) 촉매 반응 또는 선택적 산화(Preferential CO Oxidation: PROX) 촉매 반응을 통해 제1 반응부(37)에 의해 생성된 수소 가스로부터 일산화탄소를 제거하는 기능을 가진다. 여기서 제1 반응부(37)와 제2 반응부(39)는 제3 공급라인(83)에 의해 연결 설치될 수 있다. 그리고 제2 반응부(39)와 스택(10)은 제4 공급라인(84)에 의해 연결 설치될 수 있다.
한편, 본 실시예에 따르면, 제2 반응부(39)와 스택(10) 사이에 개폐밸브(88)를 설치할 수도 있다. 바람직하게, 상기한 개폐밸브(88)는 전술한 바 있는 제4 공급라인(84) 상에 설치된다. 개폐밸브(88)는 제2 반응부(39)에 작용하는 수소 가스의 일정 압력에 의해 선택적으로 개폐되는 일반적인 밸브체의 구조를 가진다. 개폐밸브(88)는 제2 반응부(39)에 작용하는 수소 가스의 압력이 기설정된 압력으로 상승하게 되면 제4 공급라인(84)을 개방시키고, 상기한 압력이 기설정된 압력 보다 낮게 유지되면 제4 공급라인(84)을 폐쇄시키는 기능을 가진다.
그리고 개폐밸브(88)는 전체적인 시스템에 요구되는 부하에 따라 선택적으로 개폐되어 제4 공급라인(84)을 통해 스택(10)으로 공급되는 수소 가스의 양을 제어하는 기능도 가진다.
도 4는 도 1에 도시한 스택 구조를 나타내 보인 분해 사시도이다.
도 1 및 도 4를 참고하면, 본 시스템(100)에 적용되는 스택(10)은 개질기(30)를 통해 개질된 수소 가스와 외부 공기의 산화/환원 반응을 유도하여 전기 에너지를 발생시키는 복수의 전기 생성부(11)를 구비한다.
각각의 전기 생성부(11)는 전기를 발생시키는 단위의 셀을 의미하며, 수소 가스와 공기 중의 산소를 산화/환원시키는 전극-전해질 합성체(Membrane Electrode assembly: MEA)(12)와, 수소 가스와 공기를 전극-전해질 합성체(12)로 공급하기 위한 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)(16)로 이루어진다.
이러한 전기 생성부(11)는 전극-전해질 합성체(12)를 중심에 두고 이의 양측에 바이폴라 플레이트(16)가 각각 배치된다. 이로서 스택(10)은 위와 같은 복수의 전기 생성부(11)가 연속적으로 배치됨으로써 구성된다. 여기서 스택(10)의 최외측에 각각 위치하는 바이폴라 플레이트(16)는 엔드 플레이트(13)라고 정의할 수 있다.
상기 전극-전해질 합성체(12)는 양측면을 이루는 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 전해질막이 개재된 통상적인 MEA(Membrane Electrode Assembly)의 구조를 가진다. 애노드 전극은 바이폴라 플레이트(16)를 통해 수소 가스를 공급받는 부분으로, 산화 반응에 의해 수소 가스를 전자와 수소 이온으로 변환시키는 촉매층과, 전자와 수소 이온의 원활한 이동을 위한 기체 확산층(Gas Diffusion Layer: GDS)으 로 구성된다. 캐소드 전극은 바이폴라 플레이트(16)을 통해 공기를 공급받는 부분으로, 환원 반응에 의해 공기 중의 산소를 전자와 산소 이온으로 변환시키는 촉매층과, 전자와 산소 이온의 원활한 이동을 위한 기체 확산층으로 구성된다. 그리고 전해질막은 두께가 50∼200㎛인 고체 폴리머 전해질로서, 애노드 전극의 촉매층에서 생성된 수소 이온을 캐소드 전극의 촉매층으로 이동시키는 이온 교환의 기능을 가진다.
전술한 바 있는 바이폴라 플레이트(16)는 전극-전해질 합성체(12)의 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체의 기능을 가진다. 그리고 바이폴라 플레이트(16)는 전극-전해질 합성체(12)의 산화/환원 반응에 필요한 수소 가스와 공기를 애노드 전극과 캐소드 전극에 공급하는 통로의 기능도 가진다.
이를 위해, 바이폴라 플레이트(16)의 표면에는 전극-전해질 합성체(12)의 산화/환원 반응에 필요한 가스를 공급하는 유로 채널(17)이 형성된다. 보다 구체적으로, 상기한 바이폴라 플레이트(16)는 전극-전해질 합성체(12)를 사이에 두고 그 양측에 각각 배치되어 전극-전해질 합성체(12)의 애노드 전극 및 캐소드 전극에 밀착된다. 그리고 바이폴라 플레이트(16)는 전극-전해질 합성체(12)의 애노드 전극 및 캐소드 전극에 각각 밀착되는 밀착면에 애노드 전극으로 수소 가스를 공급하고, 캐소드 전극으로 공기를 공급하기 위한 유로 채널(17)을 형성하고 있다.
각각의 엔드 플레이트(13)는 스택(10)의 최외측에 각각 배치되어 위와 같은 바이폴라 플레이트(16)의 기능을 수행하는 플레이트로서, 전극-전해질 합성체(12)의 애노드 전극 및 캐소드 전극 중 어느 하나의 전극에 밀착된다.
그리고 전극-전해질 합성체(12)에 밀착되는 엔드 플레이트(13)의 밀착면에는 상기한 어느 하나의 전극으로 수소 가스 및 공기 중 어느 하나를 공급하기 위한 유로 채널(17)을 형성하고 있다.
또한 엔드 플레이트(13)는 어느 하나의 유로 채널(17)에 개질기(30)로부터 생성된 수소 가스를 주입하기 위한 파이프 형상의 제1 공급관(13a)과, 다른 하나의 유로 채널(17)에 공기를 주입하기 위한 파이프 형상의 제2 공급관(13b)과, 복수의 전기 생성부(11)에서 최종적으로 미반응되고 남은 수소 가스를 배출시키기 위한 제1 배출관(13c)과, 상기한 전기 생성부(11)에서 최종적으로 미반응되고 남은 공기를 배출시키기 위한 제2 배출관(13d)을 구비한다.
제1 공급관(13a)은 전술한 바 있는 제4 공급라인(84)을 통하여 개질기(30)의 제2 반응부(39)와 연결된다. 그리고 제2 공급관(13b)은 전술한 바 있는 공기 공급라인(85)을 통하여 공기 공급부(70)와 연결된다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 동작을 상세히 설명하면 다음과 같다.
우선, 연료 공급부(50)의 제1 탱크(51) 및 제2 탱크(52)를 개방하여 제1 탱크(51)에 저장된 액상의 연료와 제2 탱크(52)에 저장된 물을 제1 공급라인(81)을 통해 배출시킨다. 이 때 제1 탱크(51) 및 제2 탱크(52)에 저장된 액상의 연료와 물은 무부하 상태에서 상기한 유체의 고유한 압력과 대기압 차에 의해 제1 공급라인(81)을 통해 자연스럽게 배출될 수 있다. 따라서 상기한 액상의 연료와 물의 혼합 연료는 제1 공급라인(81)을 통해 모세관 채널(33)의 다공성 입구(33a)에 접촉되고, 모세관 채널(33)의 모세관 작용에 의해 다공성 입구(33a)를 통해 제1 영역(A)으로 주입된다.
다음, 모세관 채널(33)의 제1 영역(A)으로 주입된 상기한 혼합 연료는, 제2 영역(B)이 제1 영역(A)에 연장되면서 출구(33b) 측으로 갈수록 그 통로가 점차 확장되므로, 제1 영역(A)과 제2 영역(A) 통로의 단면적 차에 의해 제1 영역(A)으로부터 제2 영역(B)으로 자연스럽게 배출되게 된다.
이러는 과정을 거치는 동안, 히팅부재(35)의 열선(36)에 전원(도시하지 않음)을 인가하여 모세관 채널(33)의 제2 영역(B)에 상응하는 본체(31)를 가열시킨다. 그러면 모세관 채널(33)의 제2 영역(B)을 통과하는 혼합 연료가 히팅부재(35)의 열선(36)으로부터 발산되는 열에 의해 증기화되면서 모세관 채널(33)의 출구(33b)를 통해 배출되게 된다.
따라서 제1 탱크(51) 및 제2 탱크(52)에 각각 저장된 액상의 연료와 물은 모세관 작용에 의해 제1 영역(A)으로 주입된 액상의 혼합 연료와 출구(33b) 측의 증기화된 기체와의 농도 차에 의한 삼투압 작용 및 제2 영역(B)에서 혼합 연료의 열 팽창에 의해 제1 영역(A)으로 연속적으로 공급되게 된다. 이 때 제1 영역(A)으로 공급되는 혼합 연료의 유량은 히팅부재(35)의 발열량에 의해 제어된다. 즉, 히팅부재(35)의 발열량이 증가하게 되면, 상기한 삼투압이 증가하게 되어 제1 영역(A)으로 공급되는 유량이 증가하게 된다. 반대로 히팅부재(35)의 발열량이 감소하게 되면, 상기한 삼투압이 감소하게 되어 제1 영역(A)으로 공급되는 유량이 감소하게 된다.
한편, 모세관 채널(33)의 출구(33b)를 통해 배출되는 증기화된 기체를 제2 공급라인(82)을 통해 제1 반응부(37)로 공급한다. 그러면 제1 반응부(37)에서는 수증기 개질(Steam Reformer: SR) 촉매 반응을 통해 증기화된 기체로부터 수소 가스를 발생시키게 된다.
다음, 상기한 수소 가스를 제3 공급라인(83)을 통해 제2 반응부(39)로 공급한다. 그러면 제2 반응부(39)에서는 수성가스 전환(Water-Gas Shift Reaction: WGS) 촉매 반응 또는 선택적 산화(Preferential CO Oxidation: PROX) 촉매 반응을 통해 상기한 수소 가스로부터 일산화탄소가 제거하게 된다.
이어서, 일산화탄소가 제거된 수소 가스를 제4 공급라인(84)을 통해 제2 반응부(39)로부터 스택(10)의 제1 공급관(13a)으로 공급한다.
이러는 동안 개폐밸브(88)를 조작하여 제4 공급라인(84)을 통해 제2 반응부(39)로부터 스택(10)으로 공급되는 수소 가스의 양을 제어할 수 있다. 더욱이 개폐밸브(88)를 조작하여 제2 반응부(39)에 수소 가스를 기설정된 압력으로 포집하고, 상기한 기설정된 압력 이상으로 상승된 수소 가스를 스택(10)으로 공급할 수도 있다. 그러면 제2 반응부(39)에 작용하는 수소 가스의 압력을 이용하여 별도의 펌프 없이 상기한 수소 가스를 스택(10)으로 공급할 수 있게 된다.
이와 동시에, 공기 펌프(71)를 가동시켜 외부 공기를 공기 공급라인(85)을 통해 스택(10)의 제2 공급관(13b)으로 공급한다.
따라서 수소 가스가 제1 공급관(13a)을 통해 공급되고, 외부 공기가 제2 공급관(13b)을 통해 공급되면, 스택(10)은 다음의 반응식 1과 같은 반응에 따라 전기 와 열 그리고 물을 생성하게 된다.
<반응식 1>
양극반응: H2 → 2H+ + 2e-
음극반응: O2 + 2H+ + 2e- → H2O
전체반응: H2 + O2 → H2O + 전류 + 열
반응식 1을 참고하면, 바이폴라 플레이트(16)을 통해 전극-전해질 합성체(12)의 애노드 전극으로 수소 가스가 공급되고, 캐소드 전극으로 공기가 공급된다. 상기한 수소 가스가 애노드 전극으로 흐르게 되면 촉매층에서 수소가 전자와 프로톤(수소이온)으로 분해된다. 프로톤이 전해질막을 통하여 이동되면 역시 촉매의 도움으로 캐소드 전극에서 전자와 산소이온 그리고 이동된 프로톤이 합쳐져서 물을 생성한다. 여기서 애노드 전극에서 생성된 전자는 전해질막을 통하여 이동되지 못하고 외부 회로를 통하여 캐소드 전극으로 이동된다. 이러한 과정을 거치면서 전기와 물 그리고 열을 생성하게 된다.
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 범위에 속하는 것은 당연하다.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 의하면, 종래와 달리 연료 펌프를 배제할 수 있는 개질기를 구비하므로, 전체적인 시스템의 구동에 소모되는 기생전력을 줄여 시스템의 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
또한, 전체적인 시스템의 크기를 컴팩트 하게 구현할 수 있으므로 상대적인 경쟁적 우위를 확보할 수 있다.

Claims (16)

  1. 수소를 함유한 액상의 연료와 물의 혼합 연료를 기화시키고, 상기 기화된 유체를 개질하여 수소 가스를 발생시키는 연료 전지 시스템의 개질기에 있어서,
    본체;
    다공성의 입구 및 상기 입구와 서로 연통하는 적어도 하나의 출구를 가지면서 상기 본체에 형성되는 모세관 채널;
    상기 본체에 접촉 설치되어 상기 모세관 채널의 출구 측을 가열하는 히팅부재; 및
    상기 모세관 채널의 출구와 연결 설치되는 적어도 하나의 반응부
    를 포함하며,
    상기 모세관 채널은 상기 입구로부터 출구 측으로 갈수록 그 통로가 점차 작아지는 제1 영역과, 상기 제1 영역에 연장되면서 출구 측으로 갈수록 그 통로가 점차 확장되는 제2 영역을 구비하는 연료 전지 시스템의 개질기.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 히팅부재를 모세관 채널의 제2 영역에 상응하는 본체에 접촉 설치하는 연료 전지 시스템의 개질기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 모세관 채널의 출구를 적어도 하나의 홈에 형성하는 연료 전지 시스템의 개질기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응부는:
    상기 모세관 채널의 출구를 통과한 유체를 개질하여 수소 가스를 발생시키는 제1 반응부; 및
    상기 제1 반응부에 의해 개질된 수소 가스로부터 일산화탄소를 제거하는 제2 반응부를 포함하는 연료 전지 시스템의 개질기.
  6. 수소와 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 전기를 발생시키는 스택;
    수소를 함유한 액상의 연료와 물의 혼합 연료를 기화시키고,상기 기화된 유체를 개질하여 수소 가스를 발생시키는 개질기;
    상기 개질기로 혼합 연료를 공급하는 연료 공급부; 및
    상기 스택으로 외부 공기를 공급하는 공기 공급부
    를 포함하고,
    상기 개질기는 본체와, 다공성의 입구 및 상기 입구와 서로 연통하는 적어도 하나의 출구를 가지면서 상기 본체에 형성되는 모세관 채널과, 상기 본체에 접촉 설치되어 상기 모세관 채널의 출구 측을 가열하는 히팅부재와, 상기 모세관 채널의 출구와 연결 설치되는 적어도 하나의 반응부를 구비하며,
    상기 모세관 채널은 상기 입구로부터 출구 측으로 갈수록 그 통로가 점차 작아지는 제1 영역과, 상기 제1 영역에 연장되면서 출구 측으로 갈수록 그 통로가 점차 확장되는 제2 영역을 포함하는 연료 전지 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 연료 공급부는:
    수소를 함유한 액상의 연료를 저장하는 제1 탱크; 및
    물을 저장하는 제2 탱크를 포함하는 연료 전지 시스템.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 연료 공급부와 모세관 채널의 입구가 제1 공급라인에 의해 연결되는 연료 전지 시스템.
  9. 삭제
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 히팅부재를 모세관 채널의 제2 영역에 상응하는 본체에 접촉 설치하는 연료 전지 시스템.
  11. 제 6 항에 있어서,
    상기 모세관 채널의 출구를 적어도 하나의 홈에 형성하는 연료 전지 시스템.
  12. 제 6 항에 있어서,
    상기 반응부는:
    상기 모세관 채널의 출구를 통과한 유체를 개질하여 수소 가스를 발생시키는 제1 반응부; 및
    상기 제1 반응부에 의해 개질된 수소 가스로부터 일산화탄소를 제거하는 제2 반응부를 포함하는 연료 전지 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 모세관 채널의 출구와 제1 반응부가 제2 공급라인에 의해 연결되고, 상기 제1 반응부와 제2 반응부가 제3 공급라인에 의해 연결되는 연료 전지 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제2 반응부와 스택이 제4 공급라인에 의해 연결되는 연료 전지 시스템.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 제2 반응부와 스택 사이에 개폐밸브가 배치되어 제2 반응부와 스택에 연결 설치되는 연료 전지 시스템.
  16. 제 6 항에 있어서,
    상기 연료 전지 시스템이, 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrance Fuel Cell: PEMFC) 방식으로 이루어지는 연료 전지 시스템.
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