KR100570754B1 - 연료 전지 시스템의 개질기 및 이를 채용한 연료 전지시스템 - Google Patents

연료 전지 시스템의 개질기 및 이를 채용한 연료 전지시스템 Download PDF

Info

Publication number
KR100570754B1
KR100570754B1 KR1020040012966A KR20040012966A KR100570754B1 KR 100570754 B1 KR100570754 B1 KR 100570754B1 KR 1020040012966 A KR1020040012966 A KR 1020040012966A KR 20040012966 A KR20040012966 A KR 20040012966A KR 100570754 B1 KR100570754 B1 KR 100570754B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
fuel
conduit
fuel cell
reformer
cell system
Prior art date
Application number
KR1020040012966A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20050087254A (ko
Inventor
김주용
임홍섭
Original Assignee
삼성에스디아이 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 삼성에스디아이 주식회사 filed Critical 삼성에스디아이 주식회사
Priority to KR1020040012966A priority Critical patent/KR100570754B1/ko
Priority to JP2005051792A priority patent/JP4674099B2/ja
Priority to US11/065,800 priority patent/US8486162B2/en
Priority to CNB2005100641961A priority patent/CN100341189C/zh
Publication of KR20050087254A publication Critical patent/KR20050087254A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR100570754B1 publication Critical patent/KR100570754B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04201—Reactant storage and supply, e.g. means for feeding, pipes
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A01—AGRICULTURE; FORESTRY; ANIMAL HUSBANDRY; HUNTING; TRAPPING; FISHING
    • A01K—ANIMAL HUSBANDRY; CARE OF BIRDS, FISHES, INSECTS; FISHING; REARING OR BREEDING ANIMALS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; NEW BREEDS OF ANIMALS
    • A01K15/00—Devices for taming animals, e.g. nose-rings or hobbles; Devices for overturning animals in general; Training or exercising equipment; Covering boxes
    • A01K15/02—Training or exercising equipment, e.g. mazes or labyrinths for animals ; Electric shock devices ; Toys specially adapted for animals
    • A01K15/025—Toys specially adapted for animals
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/24—Stationary reactors without moving elements inside
    • B01J19/248—Reactors comprising multiple separated flow channels
    • B01J19/249—Plate-type reactors
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/32—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air
    • C01B3/323—Catalytic reaction of gaseous or liquid organic compounds other than hydrocarbons with gasifying agents
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/32—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air
    • C01B3/34—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents
    • C01B3/38—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents using catalysts
    • C01B3/384—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents using catalysts the catalyst being continuously externally heated
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0612—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0662—Treatment of gaseous reactants or gaseous residues, e.g. cleaning
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/24—Stationary reactors without moving elements inside
    • B01J2219/2401—Reactors comprising multiple separate flow channels
    • B01J2219/245—Plate-type reactors
    • B01J2219/2451—Geometry of the reactor
    • B01J2219/2453—Plates arranged in parallel
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/24—Stationary reactors without moving elements inside
    • B01J2219/2401—Reactors comprising multiple separate flow channels
    • B01J2219/245—Plate-type reactors
    • B01J2219/2451—Geometry of the reactor
    • B01J2219/2456—Geometry of the plates
    • B01J2219/2458—Flat plates, i.e. plates which are not corrugated or otherwise structured, e.g. plates with cylindrical shape
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/24—Stationary reactors without moving elements inside
    • B01J2219/2401—Reactors comprising multiple separate flow channels
    • B01J2219/245—Plate-type reactors
    • B01J2219/2461—Heat exchange aspects
    • B01J2219/2462—Heat exchange aspects the reactants being in indirect heat exchange with a non reacting heat exchange medium
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/24—Stationary reactors without moving elements inside
    • B01J2219/2401—Reactors comprising multiple separate flow channels
    • B01J2219/245—Plate-type reactors
    • B01J2219/2474—Mixing means, e.g. fins or baffles attached to the plates
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/24—Stationary reactors without moving elements inside
    • B01J2219/2401—Reactors comprising multiple separate flow channels
    • B01J2219/245—Plate-type reactors
    • B01J2219/2476—Construction materials
    • B01J2219/2477—Construction materials of the catalysts
    • B01J2219/2479—Catalysts coated on the surface of plates or inserts
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/24—Stationary reactors without moving elements inside
    • B01J2219/2401—Reactors comprising multiple separate flow channels
    • B01J2219/245—Plate-type reactors
    • B01J2219/2476—Construction materials
    • B01J2219/2483—Construction materials of the plates
    • B01J2219/2485—Metals or alloys
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/24—Stationary reactors without moving elements inside
    • B01J2219/2401—Reactors comprising multiple separate flow channels
    • B01J2219/245—Plate-type reactors
    • B01J2219/2491—Other constructional details
    • B01J2219/2492—Assembling means
    • B01J2219/2493—Means for assembling plates together, e.g. sealing means, screws, bolts
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/02—Processes for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0205—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step
    • C01B2203/0227—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step containing a catalytic reforming step
    • C01B2203/0233—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step containing a catalytic reforming step the reforming step being a steam reforming step
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/02—Processes for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0283—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a CO-shift step, i.e. a water gas shift step
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/04—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas containing a purification step for the hydrogen or the synthesis gas
    • C01B2203/0435—Catalytic purification
    • C01B2203/044—Selective oxidation of carbon monoxide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/04—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas containing a purification step for the hydrogen or the synthesis gas
    • C01B2203/0465—Composition of the impurity
    • C01B2203/047—Composition of the impurity the impurity being carbon monoxide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/06—Integration with other chemical processes
    • C01B2203/066—Integration with other chemical processes with fuel cells
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/08—Methods of heating or cooling
    • C01B2203/0805—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0838—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas by heat exchange with exothermic reactions, other than by combustion of fuel
    • C01B2203/0844—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas by heat exchange with exothermic reactions, other than by combustion of fuel the non-combustive exothermic reaction being another reforming reaction as defined in groups C01B2203/02 - C01B2203/0294
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/08—Methods of heating or cooling
    • C01B2203/0805—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/085—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas by electric heating
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/10—Catalysts for performing the hydrogen forming reactions
    • C01B2203/1005—Arrangement or shape of catalyst
    • C01B2203/1035—Catalyst coated on equipment surfaces, e.g. reactor walls
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/12—Feeding the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1205—Composition of the feed
    • C01B2203/1211—Organic compounds or organic mixtures used in the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1217—Alcohols
    • C01B2203/1223—Methanol
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/12—Feeding the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1205—Composition of the feed
    • C01B2203/1211—Organic compounds or organic mixtures used in the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1217—Alcohols
    • C01B2203/1229—Ethanol
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/12—Feeding the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1205—Composition of the feed
    • C01B2203/1211—Organic compounds or organic mixtures used in the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1235—Hydrocarbons
    • C01B2203/1241—Natural gas or methane
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/12—Feeding the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1288—Evaporation of one or more of the different feed components
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0612—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
    • H01M8/0625—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material in a modular combined reactor/fuel cell structure
    • H01M8/0631—Reactor construction specially adapted for combination reactor/fuel cell
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Abstract

본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료 전지 시스템의 개질기 구조에 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 개질하여 수소가 풍부한 개질 가스를 발생시키는 개질기; 상기 혼합 연료를 상기 개질기로 공급하는 연료 공급부; 및 외부 공기를 상기 스택으로 공급하는 공기 공급부를 포함하며, 상기 개질기는, 상기 혼합 연료가 통과하는 소정 길이의 관로를 구비하고, 상기 관로 자체가 촉매 작용을 하여 상기 개질 가스를 발생시키는 촉매 물질로서 이루어지는 개질부와, 상기 관로에 열을 가하여 상기한 혼합 연료를 기화시키는 열원부를 구비한다.
연료전지, 연료 공급부, 공기 공급부, 개질기, 스택, 전기 생성부, 전극-전해질 합성체, 바이폴라 플레이트, 관로, 촉매, 열원부, 반응부

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 개질부와 열원부 부위를 나타내 보인 분해 사시도이다.
도 3은 도 2에 도시한 개질부의 단면 구성도이다.
도 4는 도 1에 도시한 스택 구조를 나타내 보인 분해 사시도이다.
본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료 전지 시스템의 개질기 구조에 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 연료 를 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 촉매 반응에 의해 스택의 전기 생성에 필요한 수소 가스로 전환할 뿐만 아니라, 연료 전지를 피독시켜 수명을 단축시키는 일산화탄소와 같은 유해 물질을 제거하는 장치이다. 상기한 개질기는 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키는 개질부와, 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.
종래에 따른 연료 전지 시스템의 개질기에 있어 특히, 개질부는 소정의 반응기에 액상의 연료와 물의 혼합 연료를 개질하기 위한 개질 촉매층을 형성한 구조를 갖는다. 따라서 개질부는 외부로부터 소정의 열을 전달받아 개질 촉매층을 통한 개질 촉매 반응에 의해 상기한 혼합 연료로부터 수소가 풍부한 개질 가스를 발생시키게 된다.
그런데, 종래에 따른 연료 전지 시스템의 개질기는 반응기 내에 위와 같은 개질 촉매층을 형성하기 위한 별도의 공정이 요구되는 바, 이의 제조 단가가 상승하게 되어 결과적으로 전체적인 시스템의 가격이 상승하게 되는 문제점이 있다. 또한 반응기가 금속 재질인 경우, 반응기에 산화 피막을 형성하고, 그 위에 촉매 용액을 도포하는 방식으로 개질 촉매층을 형성하게 된다. 따라서 제조 공정이 복잡해지고 개질 촉매층이 반응기에 강하게 부착되지 못하고 떨어져 나가는 등의 단점을 갖는다.
본 발명은 상술한 문제점을 감안한 것으로서, 그 목적은 구조가 간단하고 개 질 촉매층을 형성하기 위한 별도의 공정을 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 개질하여 수소가 풍부한 개질 가스를 발생시키는 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 혼합 연료가 통과하는 소정 길이의 관로를 구비하고, 상기 관로 자체가 촉매 작용을 하여 상기 개질 가스를 발생시키는 촉매 물질로서 이루어지는 개질부와, 상기 관로에 열을 가하여 상기한 혼합 연료를 기화시키는 열원부를 포함한다.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 개질기에 있어서, 상기 관로는 상기 혼합 연료가 유입되도록 하는 유입구와, 상기 개질 반응을 거쳐 생성된 개질 가스가 유출되도록 하는 유출구를 가지면서 상기 관로의 내주면이 공기와 수소의 산화/환원 반응에 의해 거칠게 형성될 수 있다. 이 경우 상기 관로는 구리(Cu), 니켈(Ni), 아연(Zn), 백금(Pt)으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나의 재질로 형성될 수 있다.
그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 개질기에 있어서, 상기 열원부는 상기 관로에 접촉 설치되어 상기 관로를 가열하는 히팅부재를 구비하며, 상기 히팅부재는 상기 관로에 접촉하는 히팅 플레이트와, 상기 히팅 플레이트에 내장된 열선을 포함하고, 상기 히팅 플레이트에 상기 관로가 형합되는 형합홈을 형성하고 있는 것이 바람직하다. 이 경우 상기 관로는 지그재그 상으로 굴곡되게 형성될 수 있다.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 개질기는, 상기 관로에 연결 설치되어 상기 개질부에 의해 생성된 개질 가스로부터 일산화탄소의 농도를 저감시키는 적어도 하나의 일산화탄소 저감부를 더 포함할 수도 있다.
아울러 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 수소와 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 전기를 발생시키는 스택과, 수소를 함유한 액상의 연료와 물의 혼합 연료를 개질하여 수소가 풍부한 개질 가스를 발생시키는 개질기와, 상기 혼합 연료를 상기 개질기로 공급하는 연료 공급부와, 외부 공기를 상기 스택으로 공급하는 공기 공급부를 포함하며, 상기 개질기는, 상기 혼합 연료가 통과하는 소정 길이의 관로를 구비하고, 상기 관로 자체가 촉매 작용을 하여 상기 개질 가스를 발생시키는 촉매 물질로서 이루어지는 개질부와, 상기 관로에 열을 가하여 상기한 혼합 연료를 기화시키는 열원부를 구비할 수 있다.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 연료 공급부는, 수소를 함유한 액상의 연료를 저장하는 제1 탱크와, 물을 저장하는 제2 탱크와, 상기 제1 및 제2 탱크에 연결 설치되는 연료 펌프를 포함하며, 상기 공기 공급부는 외부 공기를 흡입하는 공기 펌프를 포함할 수 있다.
그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 관로는 상기 혼합 연료가 유입되도록 하는 유입구와 상기 개질 반응을 거쳐 생성된 개질 가스가 유출되도록 하는 유출구를 가지면서 상기 유입구에 상기 연료 공급부가 연결 설치될 수 있다. 이 경우 상기 관로의 내주면이 공기와 수소의 산화/환원 반응에 의해 거칠게 형성될 수 있으며, 상기 관로가 구리(Cu), 니켈(Ni), 아연(Zn), 백금(Pt)으로 이루 어지는 군에서 선택되는 적어도 하나의 재질로 형성될 수도 있다.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 열원부는 상기 관로에 접촉 설치되어 상기 관로를 가열하는 히팅부재를 구비하며, 상기 히팅부재는 상기 관로에 접촉하는 히팅 플레이트와 상기 히팅 플레이트에 내장된 열선을 구비하고, 상기 히팅 플레이트에 상기 관로가 형합되는 형합홈을 형성하고 있는 것이 바람직하다. 이 때 상기 관로는 지그재그 상으로 굴곡되게 형성될 수 있다.
그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 개질기는, 관로의 유출구에 연결 설치되어 상기 개질부에 의해 생성된 개질 가스로부터 일산화탄소의 농도를 저감시키는 적어도 하나의 일산화탄소 저감부를 더 포함할 수도 있다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 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 실시예에 한정되지 않는다.
본 시스템은 수소를 함유한 연료를 개질하여 수소가 풍부한 개질 가스를 생성하고, 상기한 개질 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, 천연 가스 등과 같은 탄화 수소 또는 알코올 계열의 액상의 연료 이 외에 물 및 산소가 더욱 포함된다. 이 중에서 액상의 연료와 물을 이하의 설명 에서는 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 외부 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 수소와 산소의 화학 반응 에너지를 전기 에너지로 변환시켜 전기를 생산 해 내는 스택(10)과, 수소를 함유한 연료와 물의 혼합 연료를 개질하여 수소가 풍부한 개질 가스를 발생시키고 그 개질 가스를 스택(10)으로 공급하는 개질기(20)와, 상기한 혼합 연료를 개질기(20)로 공급하는 연료 공급부(30)와, 외부 공기를 스택(10)으로 공급하는 공기 공급부(40)로 구성된다.
연료 공급부(30)는 수소를 함유한 액상의 연료를 저장하는 제1 탱크(31)와, 물을 저장하는 제2 탱크(32)와, 제1 탱크(31) 및 제2 탱크(32)에 각각 연결 설치되는 연료 펌프(33)를 구비한다. 이 때 연료 공급부(30)의 제1 및 제2 탱크(31, 32)는 제1 공급라인(91)에 의해 개질기(20)와 연결 설치될 수 있다.
그리고 공기 공급부(40)는 외부의 공기를 흡입하는 공기 펌프(41)를 포함한다. 여기서, 상기한 공기 펌프(41)는 제2 공급라인(92)에 의해 스택(10)과 연결 설치될 수 있다.
도 2는 도 1에 도시한 개질부와 열원부 부위를 나타내 보인 분해 사시도이 고, 도 3은 도 2에 도시한 개질부의 단면 구성도이다.
도 1 내지 도 3을 참고하면, 본 실시예에 의한 개질기(20)는 개질 촉매 반응에 의해 상기한 혼합 연료로부터 수소가 풍부한 개질 가스를 발생시키는 튜브 형태의 개질부(21)와, 개질부(21)로 공급되는 혼합 연료를 기화시키는 열원부(24)를 구비한다.
개질부(21)는 혼합 연료가 통과할 수 있는 유체 이동 통로를 가진 소정 길이의 관로(22)를 구비한다. 상기한 관로(22)는 1㎜ 미만의 내경을 가지며, 양단이 개방된 원형의 파이프 타입으로 이루어진다. 관로(22)는 연료 공급부(30)를 통해 공급되는 혼합 연료가 상기한 유체 이동 통로로 유입되도록 하는 유입구(22a)와, 그 관로(22) 내에서 상기한 개질 반응에 의해 생성된 개질 가스가 유출되도록 하는 유출구(22b)를 형성하고 있다. 바람직하게, 상기 관로(22)는 도면에 도시한 바와 같이 지그재그 상으로 굴곡되게 형성할 수 있다. 그러나 본 발명의 개질부(21)는 관로(22)의 형상이 지그재그 형태로 이루어지는 것에 국한되지 않고, 직선 또는 코일의 형태를 취할 수 있으며, 본 시스템(100)을 이루는 구성 요소들의 배치 상태에 따라 여러 가지의 형태로 다양하게 변형될 수도 있다.
본 실시예에 따르면, 상기한 관로(22)는 그 자체가 촉매 작용을 하여 개질 반응을 일으키는 소재 예컨대, 구리(Cu), 니켈(Ni), 아연(Zn), 백금(Pt)으로 이루어지는 군에서 선택되는 하나의 재질 또는 둘 이상의 합금 형태로 형성될 수 있다. 여기서 상기한 관로(22)의 유입구(22a)는 전술한 바 있는 제1 공급라인(91)을 통해 연료 공급부(30)와 연결 설치될 수 있다.
그리고 관로(22)는 자체의 소재가 촉매 활성을 이루도록 그 내주면에 공기와 수소의 산화/환원 반응에 의해 비교적 미세하고 거친 표면 입자를 형성하고 있다. 이러한 관로(22)의 내주면은 산과 알칼리를 통해서 표면 처리될 수 있고, 산소에 의한 표면 산화 및 수소에 의한 환원 반응을 통해 표면 처리될 수도 있다. 특히, 후자의 경우는 관로(22)를 고온으로 가열한 후, 관로(22)의 내부로 고온의 산소 혹은 공기를 주입하여 내주면을 산화시켜 그 내주면의 표면 입자를 미세하고 거칠게 변화시킴으로써 내주면의 표면적을 증대시키고, 고온의 수소 가스를 관로(22)의 내부로 주입하여 상기한 내주면을 환원시킴으로써 반응성을 갖는 표면 입자를 형성할 수 있다.
전술한 바 있는 열원부(24)는 개질부(21)의 개질 가스 생성에 필요한 열원을 공급하기 위한 발열 부분으로서, 관로(22)의 상,하부에 각각 접촉 설치되는 히팅부재(25)를 구비한다. 각각의 히팅부재(25)는 소정 전원(도시하지 않음)과 전기적으로 연결되는 열선(25a)을 내장한 히팅 플레이트(25b)를 구비한다. 그리고 히팅 플레이트(25b)는 관로(22)의 상,하부가 접촉되는 면에 상기한 관로(22)가 형합될 수 있는 형합홈(25c)을 각각 형성하고 있다. 따라서 관로(22)는 히팅 플레이트(25b)의 형합홈(25c)에 형합됨에 따라 이 히팅 플레이트(25b)에 견고히 고정되게 된다.
대안으로서, 상기한 열원부(24)는 액상의 연료와 외부 공기의 촉매 산화 반응에 의해 소정 온도의 연소열을 발생시키는 구조의 열원부를 구비할 수도 있다. 이를 위해 열원부(24)는 히팅 플레이트(25b)의 내부에 상기한 유체의 흐름을 가능하게 하는 유로(미도시)를 형성하고, 상기한 유로에 백금(Pt) 또는 루테늄(Ru)과 같은 촉매 물질의 산화 촉매층을 형성할 수 있다.
한편, 본 실시예에 의한 개질기(20)는 스택(10)과 개질부(21) 사이에, 수성가스 전환(Water-Gas Shift Reaction: WGS) 촉매 반응 또는 선택적 산화(Preferential CO Oxidation: PROX) 촉매 반응을 통해 추가의 개질 가스를 발생시키고 상기한 개질 가스로부터 일산화탄소의 농도를 저감시키는 적어도 하나의 일산화탄소 저감부(27)를 별도로 배치할 수도 있다.
상기한 일산화탄소 저감부(27)는 개질부(21)와 연결 설치되는 반응 용기(28)와, 반응 용기(28)의 내부에 형성되는 수성 가스 전환 촉매층 또는 일산화탄소 선택 산화 촉매층을 포함하여 구성된다. 반응 용기(28)는 개질부(21)로부터 배출되는 개질 가스가 용기의 내부 공간으로 유입되도록 하는 유입구(28a)와, 상기한 내부 공간에서 위와 같은 촉매층에 의해 촉매 반응을 일으킨 개질 가스가 스택(10)으로 배출되도록 하는 유출구(28b)를 형성하고 있다. 여기서 상기 개질부(21) 즉, 관로(22)의 유출구(22b)와 반응 용기(28)의 유입구(28a)는 제3 공급라인(93)에 의해 연결될 수 있다. 그리고 반응 용기(28)의 유출구(28b)와 스택(10)은 제4 공급라인(94)에 의해 연결 설치될 수 있다.
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 상기와 같은 구조의 개질기(20)를 통해 개질된 개질 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, 개질 가스와 공기 중의 산소를 산화/환원시키는 전극-전해질 합성체(Membrane Electrode assembly: MEA )(12)와, 개질 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 개질 가스를 공급받는 부분으로서, 산화 반응에 의해 개질 가스를 전자와 수소 이온으로 변환시키는 촉매층과, 전자와 수소 이온의 원활한 이동을 위한 기체 확산층(Gas Diffusion Layer: GDS)으로 구성된다. 캐소드 전극은 바이폴라 플레이트(16)을 통해 공기를 공급받는 부분으로서, 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 개질 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)을 형성하고 있다.
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 개질 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 수행함과 동시에 복수의 전기 생성부(11)를 밀착하는 기능도 가진다. 각각의 엔드 플레이트(13)는 전극-전해질 합성체(12)의 애노드 전극 및 캐소드 전극 중 어느 하나의 전극에 밀착될 수 있다. 그리고 전극-전해질 합성체(12)에 밀착되는 엔드 플레이트(13)의 밀착면에는 상기한 어느 하나의 전극으로 개질 가스 및 공기 중 어느 하나를 공급하기 위한 유로 채널(17)을 형성할 수도 있다.
그리고 엔드 플레이트(13)에는 바이폴라 플레이트(16)의 유로 채널(17)에 개질기(20)로부터 생성된 개질 가스를 주입하기 위한 파이프 형상의 제1 공급관(13a) 과, 상기한 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 구비하고 있다. 여기서 제1 공급관(13a)은 전술한 바 있는 제4 공급라인(94)에 의해 일산화탄소 저감부(27)의 반응 용기(28)의 유출구(28b)와 연결될 수 있다. 그리고 제2 공급관(13b)은 전술한 바 있는 제2 공급라인(92)에 의해 공기 공급부(40)의 공기 펌프(41)와 연결 설치될 수 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 동작을 상세히 설명하면 다음과 같다.
우선, 연료 펌프(33)를 가동시켜 제1 탱크(31)에 저장된 액상의 연료와 제2 탱크(32)에 저장된 물을 제1 공급라인(91)을 통해 관로(22)의 유입구(22a)로 공급한다. 그러면 액상의 연료와 물의 혼합 연료는 관로(22)의 내부로 유입되게 된다.
이 때 상기한 관로(22)는 히팅부재(25)의 열선(25a)으로부터 발산되는 열에 의해 소정 온도로 가열된 상태에 있다. 즉, 상기한 열선(25a)에 전원(도시하지 않음)을 인가하게 되면, 열선(25a)으로부터 소정 온도의 열이 발생하게 되고, 상기한 열이 관로(22)로 전달되게 된다.
따라서 상기한 혼합 연료는 관로(22)의 내부를 따라 흐르면서 열에 의해 기화되고, 관로(22) 자체의 소재에 의해 개질 촉매 반응을 일으키게 된다. 그러면, 관로(22) 내에서는 개질 촉매 반응에 의해 상기 기화된 유체로부터 수소가 풍부한 개질 가스를 발생시키게 된다. 그리고 상기한 개질 가스는 관로(22)의 유출구(22b)를 통해 배출되게 된다.
이어서, 관로(22)의 유출구(22b)를 통해 배출되는 개질 가스를 제3 공급라인(93)을 통해 일산화탄소 저감부(27)의 반응 용기(28)로 공급한다. 이 때 상기한 개질 가스는 연료 펌프(33)의 펌핑력에 의해 반응 용기(28)로 공급될 수 있다. 그러면 반응 용기(28)에서는 수성가스 전환(Water-Gas Shift Reaction: WGS) 촉매 반응 또는 선택적 산화(Preferential CO Oxidation: PROX) 촉매 반응을 통해 상기한 개질 가스로부터 일산화탄소의 농도를 저감시킨다.
다음, 일산화탄소의 농도가 제거된 개질 가스를 제4 공급라인(94)을 통해 스택(10)의 제1 공급관(13a)으로 공급한다. 이 때 상기한 개질 가스는 연료 펌프(33)의 펌핑력에 의해 스택(10)의 제1 공급관(13a)으로 공급될 수 있다.
이와 동시에, 공기 펌프(41)를 가동시켜 외부의 공기를 제2 공급라인(92)을 통해 스택(10)의 제2 공급관(13b)으로 공급한다.
따라서 개질 가스가 스택(10)의 제1 공급관(13a)을 통해 공급되고, 외부의 공기가 제2 공급관(13b)을 통해 공급되면, 스택(10)은 다음의 반응식 1과 같은 반응에 따라 전기와 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 개질 가스가 공급되고, 캐소드 전극으로 공기가 공급된다. 상기한 개질 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, 관로 자체의 소재를 통해 개질 촉매 반응을 유도할 수 있는 간단한 구조를 가지므로, 종래와 같은 개질 촉매층을 형성하기 위한 별도의 공정이 배제되어 제조 단가가 저렴해지고, 결과적으로는 전체적인 시스템의 가격을 낮출 수 있는 효과가 있다. 또한 종래와 같이 개질 촉매층 이 떨어져 나갈 염려가 없어지므로, 전체적인 시스템의 성능 및 효율을 더욱 향상시킬 수 있으며, 시스템의 크기를 컴팩트 하게 구현할 수 있다.

Claims (18)

  1. 수소를 함유한 액상의 연료와 물의 혼합 연료를 개질하여 수소가 풍부한 개질 가스를 발생시키는 연료 전지 시스템의 개질기에 있어서,
    상기 혼합 연료가 통과하는 소정 길이의 관로를 구비하고, 상기 관로 자체가 촉매 작용을 하여 상기 개질 가스를 발생시키는 촉매 물질로서 이루어지는 개질부; 및
    상기 관로에 열을 가하여 상기한 혼합 연료를 기화시키는 열원부
    를 포함하는 연료 전지 시스템의 개질기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 관로는 상기 혼합 연료가 유입되도록 하는 유입구와, 상기 개질 반응을 거쳐 생성된 개질 가스가 유출되도록 하는 유출구를 가지면서 상기 관로의 내주면이 공기와 수소의 산화/환원 반응에 의해 거칠게 형성되는 연료 전지 시스템의 개질기.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 관로가 구리(Cu), 니켈(Ni), 아연(Zn), 백금(Pt)으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나의 재질로 형성되는 연료 전지 시스템의 개질기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 열원부는 상기 관로에 접촉 설치되어 상기 관로를 가열하는 히팅부재를 구비하는 연료 전지 시스템의 개질기.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 히팅부재는 상기 관로에 접촉하는 히팅 플레이트와, 상기 히팅 플레이트에 내장된 열선을 포함하며, 상기 히팅 플레이트에 상기 관로가 형합되는 형합홈을 형성하고 있는 연료 전지 시스템의 개질기.
  6. 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 관로가 지그재그 상으로 굴곡되게 형성되는 연료 전지 시스템의 개질기.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 관로에 연결 설치되어 상기 개질부에 의해 생성된 개질 가스로부터 일산화탄소의 농도를 저감시키는 적어도 하나의 일산화탄소 저감부를 더 포함하는 연료 전지 시스템의 개질기.
  8. 수소와 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 전기를 발생시키는 스택;
    수소를 함유한 액상의 연료와 물의 혼합 연료를 개질하여 수소가 풍부한 개질 가스를 발생시키는 개질기;
    상기 혼합 연료를 상기 개질기로 공급하는 연료 공급부; 및
    외부 공기를 상기 스택으로 공급하는 공기 공급부
    를 포함하며,
    상기 개질기는, 상기 혼합 연료가 통과하는 소정 길이의 관로를 구비하고, 상기 관로 자체가 촉매 작용을 하여 상기 개질 가스를 발생시키는 촉매 물질로서 이루어지는 개질부와, 상기 관로에 열을 가하여 상기한 혼합 연료를 기화시키는 열원부를 구비하는 연료 전지 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 연료 공급부가, 수소를 함유한 액상의 연료를 저장하는 제1 탱크와, 물을 저장하는 제2 탱크와, 상기 제1 및 제2 탱크에 연결 설치되는 연료 펌프를 포함하는 연료 전지 시스템.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 공기 공급부는 외부 공기를 흡입하는 공기 펌프를 포함하는 연료 전지 시스템.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 관로는 상기 혼합 연료가 유입되도록 하는 유입구와 상기 개질 반응을 거쳐 생성된 개질 가스가 유출되도록 하는 유출구를 가지면서 상기 유입구에 상기 연료 공급부가 연결 설치되는 연료 전지 시스템.
  12. 제 8 항 또는 제 11 항에 있어서,
    상기 관로의 내주면이 공기와 수소의 산화/환원 반응에 의해 거칠게 형성되는 연료 전지 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 관로가 구리(Cu), 니켈(Ni), 아연(Zn), 백금(Pt)으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나의 재질로 형성되는 연료 전지 시스템.
  14. 제 8 항에 있어서,
    상기 열원부는 상기 관로에 접촉 설치되어 상기 관로를 가열하는 히팅부재를 구비하는 연료 전지 시스템.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 히팅부재는 상기 관로에 접촉하는 히팅 플레이트와 상기 히팅 플레이트에 내장된 열선을 구비하며, 상기 히팅 플레이트에 상기 관로가 형합되는 형합홈을 형성하고 있는 연료 전지 시스템.
  16. 제 8 항 또는 제 15 항에 있어서,
    상기 관로가 지그재그 상으로 굴곡되게 형성되는 연료 전지 시스템.
  17. 제 8 항에 있어서,
    상기 개질기는, 관로의 유출구에 연결 설치되어 상기 개질부에 의해 생성된 개질 가스로부터 일산화탄소의 농도를 저감시키는 적어도 하나의 일산화탄소 저감부를 더 포함하는 연료 전지 시스템.
  18. 제 8 항에 있어서,
    상기 연료 전지 시스템이, 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrance Fuel Cell: PEMFC) 방식으로 이루어지는 연료 전지 시스템.
KR1020040012966A 2004-02-26 2004-02-26 연료 전지 시스템의 개질기 및 이를 채용한 연료 전지시스템 KR100570754B1 (ko)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020040012966A KR100570754B1 (ko) 2004-02-26 2004-02-26 연료 전지 시스템의 개질기 및 이를 채용한 연료 전지시스템
JP2005051792A JP4674099B2 (ja) 2004-02-26 2005-02-25 燃料電池システムの改質器及びこれを備えた燃料電池システム
US11/065,800 US8486162B2 (en) 2004-02-26 2005-02-25 Reformer for fuel cell system and fuel cell system having the same
CNB2005100641961A CN100341189C (zh) 2004-02-26 2005-02-28 用于燃料电池***的重整器和具有重整器的燃料电池***

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020040012966A KR100570754B1 (ko) 2004-02-26 2004-02-26 연료 전지 시스템의 개질기 및 이를 채용한 연료 전지시스템

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20050087254A KR20050087254A (ko) 2005-08-31
KR100570754B1 true KR100570754B1 (ko) 2006-04-12

Family

ID=34880292

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020040012966A KR100570754B1 (ko) 2004-02-26 2004-02-26 연료 전지 시스템의 개질기 및 이를 채용한 연료 전지시스템

Country Status (4)

Country Link
US (1) US8486162B2 (ko)
JP (1) JP4674099B2 (ko)
KR (1) KR100570754B1 (ko)
CN (1) CN100341189C (ko)

Families Citing this family (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20060080385A (ko) * 2005-01-05 2006-07-10 삼성에스디아이 주식회사 연료 전지 시스템, 개질기, 반응 기판 및 그 반응 기판의제조 방법
KR20060096701A (ko) * 2005-03-02 2006-09-13 삼성에스디아이 주식회사 연료전지 시스템
US20080187797A1 (en) * 2006-07-10 2008-08-07 Protonex Technology Corporation Fuel processor for fuel cell systems
KR100805582B1 (ko) 2006-08-16 2008-02-20 삼성에스디아이 주식회사 연료전지 시스템용 가열기
US20100216053A1 (en) * 2007-07-09 2010-08-26 Atomic Energy Council - Institute Of Nuclear Energy Research Stack flow path of planar solid oxide fuel cell
CN101597028B (zh) * 2008-06-02 2013-02-27 汉能科技有限公司 一种耦合式富氢燃料重整制氢***
CN103887540B (zh) * 2012-12-21 2016-03-02 中国科学院大连化学物理研究所 一种高温液体燃料电池或电池堆的燃料进料装置
US20140205921A1 (en) * 2013-01-18 2014-07-24 Samsung Sdi Co., Ltd. Catalyst for Fuel Cell, Electrode for Fuel Cell, Membrane-Electrode Assembly for Fuel Cell and Fuel Cell System Using the Same
US10516171B2 (en) 2013-01-18 2019-12-24 Kolon Industries, Inc. Catalyst for fuel cell, electrode for fuel cell, membrane-electrode assembly for fuel cell and fuel cell system using the same
WO2015069836A2 (en) 2013-11-06 2015-05-14 Watt Fuel Cell Corp. Gaseous fuel cpox reformers and methods of cpox reforming
KR101925826B1 (ko) 2013-11-06 2018-12-06 와트 퓨얼 셀 코퍼레이션 구조적 구성요소로서 페로브스카이트를 가지는 개질장치
CA2929816C (en) 2013-11-06 2018-03-13 Watt Fuel Cell Corp. Chemical reactor with manifold for management of a flow of gaseous reaction medium thereto
EP3065858A2 (en) 2013-11-06 2016-09-14 Watt Fuel Cell Corp. Liquid fuel cpox reformers and methods of cpox reforming
CN105705227B (zh) 2013-11-06 2018-09-25 瓦特燃料电池公司 液体燃料催化部分氧化重整器和燃料电池***、以及产生电力的方法
WO2015069842A2 (en) 2013-11-06 2015-05-14 WATT Fuel Cell Corp Integrated gaseous fuel cpox reformer and fuel cell systems, and methods of producing electricity
DK178843B1 (en) * 2014-07-16 2017-03-20 Serenergy As A reformer for a fuel cell system
WO2017217433A1 (ja) * 2016-06-16 2017-12-21 京セラ株式会社 改質器、セルスタック装置、燃料電池モジュールおよび燃料電池装置
US20210316269A1 (en) * 2018-08-07 2021-10-14 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Continuous flow reactor for reacting an educt

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH02280838A (ja) * 1989-04-21 1990-11-16 Mitsubishi Heavy Ind Ltd メタノール改質触媒化反応管の製造方法
JPH07116517A (ja) * 1993-10-29 1995-05-09 Takeshi Masumoto メタノール改質用触媒およびその製造方法並びにメタノールの改質法
JPH09315801A (ja) * 1996-03-26 1997-12-09 Toyota Motor Corp 燃料改質方法と燃料改質装置ならびに該燃料改質装置を備えた燃料電池システム
JPH09306525A (ja) * 1996-05-16 1997-11-28 Kansai Electric Power Co Inc:The 固体電解質型燃料電池発電モジュールの構造
JPH1021942A (ja) * 1996-07-01 1998-01-23 Kansai Electric Power Co Inc:The 固体電解質型燃料電池セル
DE19727588C1 (de) * 1997-06-28 1999-02-18 Dbb Fuel Cell Engines Gmbh Vorrichtung zur Erzeugung eines wasserstoffreichen und kohlenmonoxidarmen Gases
CN1178322C (zh) * 1999-12-28 2004-12-01 松下电器产业株式会社 发电装置及其运作方法
JP3920516B2 (ja) * 2000-01-12 2007-05-30 三洋電機株式会社 改質器
JP4810721B2 (ja) 2000-08-02 2011-11-09 イビデン株式会社 燃料電池用改質器の製造方法
JP3874334B2 (ja) * 2000-10-13 2007-01-31 本田技研工業株式会社 燃料電池システム
JP4029575B2 (ja) 2001-01-30 2008-01-09 スズキ株式会社 燃料改質装置
JP2002242989A (ja) 2001-02-16 2002-08-28 Kimio Kawai 免震方法及び免震装置
JP2002362901A (ja) * 2001-06-08 2002-12-18 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 改質装置
JP4400012B2 (ja) * 2001-08-01 2010-01-20 カシオ計算機株式会社 蒸発装置、改質装置及び燃料電池システム
JP3891131B2 (ja) 2002-03-29 2007-03-14 カシオ計算機株式会社 化学反応装置及び電源システム

Also Published As

Publication number Publication date
US20050191533A1 (en) 2005-09-01
US8486162B2 (en) 2013-07-16
CN1661841A (zh) 2005-08-31
JP2005243642A (ja) 2005-09-08
CN100341189C (zh) 2007-10-03
KR20050087254A (ko) 2005-08-31
JP4674099B2 (ja) 2011-04-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4674099B2 (ja) 燃料電池システムの改質器及びこれを備えた燃料電池システム
JP4351643B2 (ja) 燃料電池システムの改質器及び燃料電池システム
US8318363B2 (en) Reformer for fuel cell system and fuel cell system comprising the same
JP2005243647A (ja) 燃料電池システムの改質器及びこれを採用した燃料電池システム
US7691509B2 (en) Reformer and fuel cell system having the same
KR100542201B1 (ko) 연료 전지 시스템의 개질기 및 이를 채용한 연료 전지시스템
KR101155924B1 (ko) 연료 전지 시스템, 개질기 및 버너
US20050271907A1 (en) Reformer and fuel cell system having the same
JP4351641B2 (ja) 燃料電池システム
KR101023147B1 (ko) 연료 전지 시스템
KR100560495B1 (ko) 연료 전지 시스템의 개질기 및 이를 채용한 연료 전지시스템
KR101030045B1 (ko) 연료전지용 개질기 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템
KR100560442B1 (ko) 연료 전지 시스템
KR101030042B1 (ko) 연료 전지 시스템의 개질기 및 이를 채용한 연료 전지시스템
KR100570685B1 (ko) 연료전지용 일산화탄소 정화기, 및 이를 포함하는연료전지 시스템
KR100599684B1 (ko) 연료 전지용 개질기 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템
KR101117635B1 (ko) 연료 전지 시스템
KR101126209B1 (ko) 개질기용 미반응 연료 회수장치를 갖는 연료 전지 시스템
KR20050117279A (ko) 개질기용 증발기 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템
KR100599773B1 (ko) 휴대형 전자기기용 연료 전지 시스템

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20120326

Year of fee payment: 7

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20130322

Year of fee payment: 8

LAPS Lapse due to unpaid annual fee