KR100627089B1 - 화학반응기와 연료 전지 시스템 - Google Patents

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Abstract

화학반응기는 제 1 유동로를 갖는 제 1 반응부를 갖고, 이는 제 1 유동로내에서 제 1 반응을 일으킨다. 가열부는 제 1 반응부를 가열한다. 제 2 반응부는 제 2 유동로를 갖고, 제 1 반응부를 경우하여 전달된 가열부의 열에 의해 상기 제 2 유동로내에서 제 2 반응을 일으킨다.
화학반응기, 연료전지, 유동로, 미세펌프, 일산화탄소, 히터, 발전, 연소

Description

화학반응기와 연료 전지 시스템{Chemical reactor and fuel cell system}
본 발명은 화학반응기와 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
화학반응의 기술 분야에 있어서, 화학반응으로 원하는 유동물질을 생산하기 위해 기판 내에 형성된 유동로로 유동물질이 흘러다니는 화학반응기가 알려져 있다. 그러한 보편적인 화학반응기들 중 몇가지는 크기가 작고 미크론 또는 밀리미터 규모의 유동로를 갖고 있다. 미크론 또는 밀리미터 규모의 유동로는 반도체 집적회로나 그와 같은 것을 위한 반도체 생산 기술에 의해 축척된 미세 제작기술의 사용으로 만들어진 작은 크기의 기판 내에 형성된다. 그리고, PCT 국제공개번호 제 2001-524019호는 반응 유체를 위한 로가 형성되어 있는 다수의 적층기판을 가진 미세 화학반응기를 개시한다. 그러한 화학반응기는 반응로를 가열함으로써 반응을 촉진시키는데 반응로 자체는 작기 때문에 균일한 열이 전달되어 반응이 균일하게 유도되도록 할 수 있는 잇점을 제공한다.
복수의 반응을 일으키는 어떤 화학반응기에서는 각 반응에 적절한 온도가 다를 수 있기 때문에 온도가 국부적으로 변해야 할 필요가 있다.
그러므로 이 발명의 잇점에 의하면 복수의 화학반응을 수행할 수 있으며 전체 반응기가 단순화되고 작은 크기로 되는 것이 허용되는 화학반응기와 연료 전지 시스템이 제공된다.
본 발명은 첫번째 반응을 일으키는 제 1 반응로를 갖는 제 1 반응부; 제 1 반응부를 가열하는 가열부; 및 제 1 반응부에서 전도된 가열부의 열에 의해 제 2 반응을 일으키는 제 2 가열로를 갖는 제 2 반응부로 이루어진 화학반응기를 제공한다.
가열부는 복수의 반응부를 가열할 수 있는데 특히, 서로 다른 적정 반응온도를 갖는 복수의 반응부를 가열할 때에는 가열부가 하나의 반응부를 가열함으로써 그 하나의 반응부를 통하여 나머지 반응부를 가열할 수 있어서 이에 의하여 적정한 온도들로 두개의 반응부 모두에서 반응을 일으킬 수 있다. 반응을 일으키기 위해 형성된 유동로가 형성된 기판은 이러한 종류의 열전달을 위해 바람직하다. 그러나 기판의 열전도도가 너무 좋으면 더 낮은 온도를 필요로 하는 반응 부분에 도달하는 열의 온도가 충분히 낮지 않을 수 있다. 그런 경우에는 열전달을 막기위해 기판의 일부분에 슬릿을 제공함으로써 온도를 조절할 수 있다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예로써 화학반응기를 구성하는 연료 전지의 한가지 예의 필수적 부분들을 나타내는 블럭도;
도 2는 도 1에서 나타난 화학반응기의 필수적 부분의 투시도;
도 3은 도 2의 III-III선을 따라서 나타낸 단면도;
도 4는 도 3에서 나타난 제 1 기판에 해당하는 부분의 전개도;
도 5는 도 3에서 나타난 제 2 기판에 해당하는 부분의 전개도;
도 6은 도 3에서 나타난 제 3 기판에 해당하는 부분의 전개도;
도 7은 기화 유동로, 개질 유동로 및 일산화탄소 제거 유동로에서 가열온도의 시간에 따른 변화를 나타내는 그래프;
도 8은 도 1에서 나타난 연료 전지부와 충전부의 개략적인 배치도;
도 9는 본 발명의 또 하나의 실시예로써 화학반응기의 필수적인 부분들을 나타내는 도 3과 유사한 단면도;
도 10은 도 9에서 나타난 제 4 기판에 해당하는 부분의 전개도;
도 11은 본 발명의 여전히 또다른 하나의 실시예로써 화학반응기의 필수적인 부분을 나타내는 도 3과 유사한 단면도; 및
도 12는 본 발명의 화학반응기를 구성하는 부분 절개된 연료 전지 시스템을 나타내는 투시도이다.
다음으로, 연료 개질 형태 연료 전지 시스템의 개질 반응로에 적용된 이 발명의 하나의 실시예로써 미세 화학반응기가 설명되어질 것이다. 도 1은 연료 전지 시스템 1의 한가지 예의 필수적 부분을 나타내는 블럭도이다. 이 연료 전지 시스템(1)은 발전연료부(2), 연소연료부(3), 미세 화학반응기(4), 연료 전지부(5) 및 충전부(6)로 구성되어 있다.
발전연료부(2)는 발전연료(68)(예, 메탄올 용액)가 밀봉되어 있어서 그 발전연료(68)를 미세 화학반응기(4)에 공급하는 발전연료 저장용기를 포함한다. 연소연 료부(3)는 연소연료(69)(예, 메탄올)가 밀봉되어 있어서 그 연소연료(69)를 미세 화학반응기(4)에 공급하는 연소연료 저장용기를 포함한다. 미세 화학반응기(4)는 유체 발전연료(68)를 기화시키는 발전연료 기화부(7); 기화된 발전연료(68)를 개질하는 개질 반응부(8); 개질된 유체에 함유된 일산화탄소를 제거하는 일산화탄소 제거부(9); 발전연료 기화부(7), 개질 반응부(8) 및 일산화탄소 제거부(9)를 가열하기위한 연소부(10); 및 박막 히터부(11)를 포함한다.
도 2는 미세 화학반응기(4)의 필수적 부분의 투시도이다. 미세 화학반응기(4)는 크기가 작고 상호 적층되어 있는 제 1 기판(12), 제 2 기판(13) 및 제 3 기판(14)을 포함한다. 3개의 기판(12 내지 14)은 서로 접합되어 있는 제 1 외부층(15)과 제 2 외부층(16)으로 구성된 외부 패키지내에 수용된다. 바꾸어 말하면, 오목한 부분(17, 18)이 제 1 및 제 2 외부층(15, 16)의 서로에 반대면에 형성되고, 제 1 내지 제 3 기판(12 내지 14)이 이 오목한 부분(17, 18)에 수용된다. 유리는 제 1 내지 제 3 기판(12 내지 14) 그리고 제 1 및 제 2 외부층(15, 16)의 재료의 한가지 예이다. 그러나 우수한 작업성을 갖는 실리콘, 세라믹, 금속단체(예, 알루미늄), 금속합금, 금속성 혼합물 등이 후술될 유동로가 형성되는 제 1 기판(12) 내지 제 3 기판(14)에 사용될 수 있다.
제 1 외부층(15)의 3개의 소정 부위에 연료공급관(21)의 제 1 말단부, 발전 방전관(22)과 산소공급관(23)이 삽입되어 있는 둥근 관통구멍(24, 25 및 26)이 형성된다. 제 2 외부층의 3개의 소정 부위에 연소연료 공급관(27)의 제 1 말단부, 연소 가스방전관(28)과 산소 공급관(29)이 삽입된 둥근 관통구멍(30, 31 및 32)이 형 성된다. 제 1 외부층(15)의 소정 부위에 다수의 전극(33)의 제 1 말단이 삽입되어 있는 다수의 둥근 관통구멍(34)이 형성된다. 다수의 전극(33)은 추후 설명될 미세 화학반응기의 발전연료 기화부(7)와 개질반응부(8)를 가열하는 박막히터 또는 가열부 (11)를 전기적으로 제어하고 제 1 미세펌프(46)(도 1 참조)를 전기적으로 제어하기위한 신호전선 그룹으로써 기능하고 또한, 미세 화학반응기(4)에서 온도를 감지하는 온도계부(19)에 의해 감지된 온도 데이터를 포함하는 신호를 주고 받기위한 전선으로써 기능한다.
도 3은 도 2의 선III-III과 도 4의 선III-III을 따라서 나타낸 단면도이다. 도 4는 제 1 기판(12)에 해당하는 부분의 전개도, 도 5는 제 2 기판(13)에 해당하는 부분의 전개도 그리고 도 6는 제 3 기판(14)에 해당하는 부분의 전개도이다. 제 1 외부층(15)의 오목부분(17)과 제 2 외부층의 오목부분(18)의 내부 벽면에 높은 열선 반사율을 갖는 Au, Ag 또는 Al같은 금속으로 이루어진 열복사 방지막(35)이 도 2에 보여진 둥근 전달구멍(24, 25, 26, 30, 31,32 및 34)을 제외하고 제공된다.
제 1 내지 제 3 기판(12 내지 14)의 최외곽면, 다시 말하면, 제 1기판(12)의 상부면(제 2기판(13)을 마주보고 있는 쪽의 반대면)과 측면, 제 2기판(13)의 측면과 제 3기판(13)의 하부면(제 2기판(13)을 마주보고 있는 쪽의 반대면)과 측면에 상기와 같은 재료로 이루어진 발열방지막(36)이 도 2에서 보여지는 둥근 전달구멍(24, 25, 26, 30, 31, 32 및 34)에 해당하는 부분과 나중에 설명될 슬릿(56)에 해당하는 부분을 제외하고 제공된다.
제 1 내지 제 3기판(12 내지 14)의 최외곽면에 설치된 발열 또는 방출 방지 막과 제 1 및 제 2 외부층(15, 16)의 내부면에 설치된 발열방지막 사이에 공간이나 틈새(37)가 제공되는데 이는 제 1 내지 제 3기판(12 내지 14)로부터 방출된 열이 제 1 및 제 2 외부층(15, 16)에 최소한으로 전달되도록 하기 위함이다. 공간(37)의 다수의 소정 부위에 제 1 내지 제 3 기판(12 내지 14)을 고정하고 틈(37)의 폭을 유지하기 위해 다수의 압력저항 스페이서(38)가 제공된다. 다수의 압력저항 스페이서(38)중 2개가 제 1 내지 제 3 기판(12 내지 14)의 각 면에 제공된다.
틈(37)은 후술되어지는 것과 같이 제 1 내지 제 3 기판(12 내지 14)에서 발생된 열이 대기로 방출되는 것을 억제한다. 그리고 진공이 틈(37)에 형성되거나 낮은 열전도도를 갖는 기체(대기의 공기, 이산화탄소 또는 클로로플로로카본)가 틈(37)을 채운다. 열방출 방지막(35, 36)은 제 1 내지 제 3 기판(12 내지 14)으로부터 제 1, 제 2 외부층(15, 16)으로의 열 발생을 억제하고 열발생 방지막중 어느 하나는 불필요할 수도 있다.
도 4에서 보여지는 것처럼, 기화 유동로 홈(57), 개질 유동로 홈(58) 및 일산화탄소 제거 유동로(59)는 제 1 기판(12)의 내면에 연속적으로 형성된다. 제 1 기판(12)의 기화 유동로 홈(57)과 제 2 기판(13)의 대칭면은 기화시 유체 발전연료(68)가 흐르는 기화 유동로(41)를 형성하기 위해 서로 결합된다. 제 1 기판(12)의 개질 유동로 홈(58)과 제 3 기판(13)의 대칭면은 개질시 기화 발전연료(68)에서 기인한 유체가 흐르는 개질 유동로를 형성하기 위해 서로 결합된다. 제 1 기판(12)의 일산화탄소 제거 유동로 홈(59)와 제 3기판(13)의 대칭면은 함유된 일산화탄소의 제거시 개질 발전연료(68)에 기인한 유체가 흐르는 일산화탄 소 제거 유동로를 형성하기 위해 서로 결합된다. 제 1 기판(12)의 내면(제 3 기판(13)의 대칭면)의 주변부 주위에 1cm 이상 및 10cm 이하의 전체길이를 갖고 시계 방향으로 하부 왼쪽 모서리로부터 약 한바퀴 반을 만드는 기화 유동로(41)가 제공된다. 구불구불한 개질 유동로(42)는 해칭에 의해 표시되는 것처럼 제 1 기판(12)의 내면의 중심부에서 3cm이상 및 20cm이하의 전체길이를 갖고 기화유동로(41)에 연이어 제공된다. 적당히 구불구불한 일산화탄소 제거 유동로(43)는 주변부와 중심부를 제외한 제 1 기판(12)의 내면에 3cm이상 및 20cm이하의 전체길이를 갖고 개질 유동로(42)에 연이어 형성된다. 기화 유동로(41), 개질 유동로(42) 및 일산화탄소 제거유동로(43)의 폭과 깊이는 예를 들면 모두 500㎛ 또는 그 이하이다. 이런 식으로, 기화 유동로(41)의 말단은 개질 유동로(42)의 시단에 연결되고 개질 유동로(42)의 말단은 일산화탄소 제거 유동로(43)의 시단에 연결된다.
기화 유동로(41)는 액체형의 발전연료(68)가 기화되는 반응로인 발전연료 기화부(7)의 구성요소가 된다. 기화 유동로(41)는 그속에 반응 촉매가 제공되지 않는다. 개질 반응로(42)는 발전연료 기화부(7)에 의해 기화된 발전연료(68)가 개질되는 반응로인 개질 반응부(8)의 구성요소가 된다. 이 경우, 개질 반응로 내에 개질 반응로 홈(58)의 표면은 Cu 또는 ZnO 같은 개질 촉매로 형성되고, Al2O3같은 다공성 지지막에 의해 지지된 개질촉매층(44)이 제공된다(도 3 참조). 일산화탄소 제거 유동로(43)는 개질 반응부(8)에 의해 생성된 부산물에 함유된 일산화탄소가 제거되는 반응로인 일산화탄소 제거부(9)의 반응로의 구성요소가 된다. 이 경우, 일산화탄소 제거 유동로(43)내에 일산화탄소 제거 유동로 홈(43)은 PT같은 개질 촉매로 형성되고, Al2O3같은 다공성 지지막에 의해 지지된 선택적 산화 촉매층(45)이 제공된다.
제 1 미세펌프(46)는 제 1기판(12)의 내면의 하부 왼쪽 모서리 소정 위치에 제공된다. 제 1 미세펌프(46)는 전극(33) 등을 통해서 연료전지 시스템(1) 내에 제어 회로부(20)(도 1 참조)로부터 제공된 신호에 해당하는 많은 양의 발전연료(68)를 발전연료부(2)로부터 흡수하여 발전연료 공급관(21)을 통하여 기화 유동로(41)의 시단에 공급한다.
제 1 미세펌프(46)는 초소형일 수 있고 노즐로부터 입자형으로 액체를 그 주입량을 조절하면서 주입할 수도 있다. 제 1 미세펌프(46)는 바람직하게는 막 끓음에 의해 생성된 노즐내의 공기방울의 압력에 의해서 입자형으로 액체를 주입하기위하여 액체를 가열하는 주입기; 전기왜곡 소자(피에조 소자)의 변형으로 노즐에서 야기된 압력 파형에 의해 입자형으로 노즐에 액체를 주입하는 주입기(일명 피에조 젯 방식); 또는, 노즐속에 격판의 정전기적 힘에 기인한 진동에 의해 입자형으로 노즐에 액체를 주입하는 주입기(일명 정전기 젯 방식)이다. 후술될 제 2 미세펌프 등에도 동일한 것이 적용된다.
산소 공급관(23)의 일단은 일산화탄소 제거 유동로(43)의 시단 부근에 소정의 부위(43a)에 연결된다. 미세 화학반응기(4)의 외면에 제공된 제 4 미세펌프(49)를 구동함으로써, 대기에 산소(공기)가 산소공급관(23)을 통해서 일산화탄소 제거 유동로(43)의 시단 부근에 소정의 부위(43a)에 공급된다. 제 3 미세펌프(48)는 연 료전지 시스템(1)에서 제어 집적회로(20)로부터 제공된 신호에 따라서 산소의 공급양을 조절한다. 발전 방전관(22)의 일단은 일산화탄소 제거 유동로(43)의 말단의 부근에 소정 부위(43b)에 연결된다.
도 3 및 도 5에 도시된 바와 같이, 제어 회로부(20)로부터의 신호에 의해 적용된 전위에 따라서 열을 발생시키는 TaSiOx 또는 TaSiOxN 같은 발열 저항소자 박막으로 구성된 박막 히터부(11)는 제 1 기판(12)의 반대쪽 제 2 기판(13)의 표면위에 있는 개질 유동로(42)의 반대편 부위에 제공된다. 박막 히터부(11)는 개질 유동로(42) 내에 배치되어 개질 반응부(8)의 개질 유동로(42)에서 개질 반응의 초기 상태에 필요한 열원으로써 이용되고, 개질 유동로(42)에서 온도를 제어하며 또한, 발전연료 기화부(7)의 기화 유동로(41)와 일산화탄소 제거부(9)의 일산화탄소 제거 유동로(43)에서 화학 반응의 초기 상태에 필요한 열원으로써 이용된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 연소부(10)(세부사항은 하기에서 기술됨)에서 주로 발생되는 열에너지에 의해 개질 유동로(42)내의 가열이 이루어진다. 박막 히터부(11)는 2차로 사용된다. 즉, 연소부(10)는 주로 발전연료 기화부(7)의 기화 유동로(41), 개질 반응부(8)의 개질 유동로(42), 및 일산화탄소 제거부(9)의 일산화탄소 제거 유동로(43)내에서 반응을 증진시키기 위해 전달되는 주열원이다. 박막 히터부(11)는 미세조절기능을 구비함으로써, 적절한 온도가 전극(33)등에 의해 연료전지 시스템(1)내의 제어회로부(20)로부터 제공된 신호에 따라 기화 유동로(41), 개질 유동로(42), 및 일산화탄소 제거 유동로(43)내에서 얻어진다.
박막 온도계 또는 반도체 박막 열전지로 구성된 박막 온도계부(19)는 개질 유동로(42) 근방에 구비된다. 박막 온도계부(19)는 연소부(10)와 박막 히터부(11)에 의해 가열된 발전연료 기화부(7)의 기화 유동로(41)내의 온도, 개질 반응부(8)의 개질 유동로(42)내의 온도, 및 일산화탄소 제거부(9)의 일산화탄소 제거 유동로(43)내의 온도를 검출한 후, 그 온도검출신호를 전극(33)등에 의해 연료전지 시스템(1)내의 제어회로부(20)에 제공한다. 이와 같은 온도 검출 신호를 근거로, 연료전지 시스템(1)내의 제어회로부(20)는 박막 히터부(11)의 열생성을 제어하여 적절한 온도가 발전연료 기화부(7)의 기화 유동로(41), 개질 반응부(8)의 개질 유동로(42), 및 일산화탄소 제거부(9)의 일산화탄소 제거유동로(43)내에서 얻어질 수 있도록 한다.
열생성 저항요소인 박막을 포함한 상술한 박막 히터부(11)는 저항변화가 가열온도(t)에 대해 선형이며 크다면 정확한 온도계부(19)로도 기여할 수 있다. 다시 말하면, 전극(33)에 연결된 적어도 2개의 단자는 박막 히터부(11)의 양 단부에 연결되도록 구비되며, 전압이 양 단자에 인가됨으로써, 박막 히터부(11)는 가열된다. 이러한 경우에, 박막 히터부(11)의 저항이 가열온도에 의존하기 때문에, 제어회로부(20)는 전극(33)에 의해 양 단자에 걸린 전압의 변화를 감지함으로써 박막 히터부(11)에서의 저항변화를 감지할 수 있다. 상술한 형상은 더 높은 밀도 패키지를 가능하게 한다.
도 6에 도시된 바와 같이, 제 3 기판(14)의 내면(제 2 기판(13)의 상응면)의 주변부 둘레의 연소연료 기화 유동로 홈(51)은 제 1 기판(12)의 개질 유동로(42)에 중첩됨과 동시에 그 경로를 따라 연장되는 방법으로 시계방향으로 대략 한바퀴 반 을 형성하면서 연속적으로 절단된다. 도 6에 해칭으로 도시된 바와 같이, 연소유동로 홈(52)은 제 1 기판(12)의 개질 유동로(42)에 중첩됨과 동시에 그 경로를 따라 연장되는 방법으로 구불구불하게 형성된다. 선형 배출 유동로 홈(53)은 제 3 기판(14)의 내면 중심부의 왼쪽 하부에서 절단된다. 연소연료 기화유동로 홈(51)의 말단부는 연소 유동로 홈(52)의 시단부와 상호 연결된다. 연소 유동로 홈(52)의 말단부는 배출 유동로 홈(53)의 시단부와 상호 연결된다. 제 3 기판(14)의 연소연료 기화 유동로 홈(51)과 제 2 기판(13)의 대향면은 연소연료 기화 유동로(75)를 형성하도록 상호 결합된다. 제 3 기판(14)의 연소 유동로 홈(52)과 제 2 기판(13)의 대향면은 연소 유동로(76)를 형성하도록 상호 결합된다. 제 3 기판(14)의 배출 유동로 홈(53)과 제 2 기판(13)의 대향면은 배출 유동로(77)를 형성하도록 상호 결합된다. 상술한 유동로 사이의 연소 유동로(76)에서, Pt, Au, Ag 등으로 만들어진 연소 촉매층(54)(도 3에서 알 수 있음)이 연소 유동로 홈(52)내에 제공된다. 연소 유동로(76)는 연소부(10)로써 기능한다. 연소연료 기화 유동로(75), 연소 유동로(76), 및 배출 유동로(77)의 너비와 깊이는 일옐로서 대략 500㎛ 또는 그 이하이다.
제 2 미세펌프(47)는 제 3 기판(14)의 내면의 하부 왼쪽 모서리의 소정의 위치에 제공된다. 제 2 미세펌프(47)에는 모세관현상 또는 제 2 미세펌프(47)의 구동에 의해 연소연료 공급관(27)을 통해 연소 연료부(3)로부터 연소연료(69)가 자동공급된다. 제 2 미세펌프(47)는 전극(33)등에 의해 연료전지 시스템(1)의 제어회로부(20)로부터 제공된 신호에 따라 주입량을 제어하는 동안 연소연료(69)를 연소연료 기화 유동로(75)의 시단부로 주입한다.
연소연료 기화 유동로(75)의 말단부의 소정의 위치(75a)에, 둥근 전달구멍(32)을 제 2 외부층(16)내에 형성하여 도 2에 도시된 바와 같이 산소공급관(29)의 일단부와 상호 연결되도록 하며, 관통구멍은 제 3 기판(14)내에 형성된다. 미세펌프 화학반응기(4)의 외부에 구비된 제 3 미세펌프(48)를 구동함에 의해, 대기내의 산소는 산소공급관(29)을 통해 연소연료 기화 유동로(75)의 말단부 근처 소정의 위치(75a)에 공급된다. 제 3 미세펌프(48)는 연료전지 시스템(1)의 제어회로부(20)로부터 제공된 신호에 따라 산소공급량을 제어한다. 도 2에 도시된 연소가스 배출관(28)의 일단은 배출 유동로(77)의 말단부에 연결된다. 연소가스 배출관(28)의 타단은 연료전지 시스템(1)의 외부와 상호 연결되어 대기에 노출되어 있다.
도 3 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 개질 유동로(42), 박막 히터부(11) 및 연소유동로(76)는 평면도에서 볼 때 동일위치에 구비된다. 박막 히터부(11)의 너비는 개질 유동로(42)의 너비보다 좁아 개질 유동로 홈(58)내에 수용될 수 있다. 개질 유동로(42), 박막 히터부(11) 및 연소 유동로(76)가 구비된 영역의 주변에 있는 제 1 기판(12) 내지 제 3 기판(14)의 부분에는 4개의 슬릿(56)이 각각 형성된다. 슬릿(56)은 열전도도가 제 1 기판(12) 내지 제 3 기판(14)의 열전도도 보다 더 낮은, 낮은 효율의 열전도부를 구성하며, 연소부(10)에 의해 발생된 열에너지와 추후 설명되는 바와 같은 박막 히터부(11)가 제 1 기판(12) 내지 제 3 기판(14)을 통해 기화 유동로(41)와 일산화탄소 제거 유동로(43)에 과도하게 전달되어 기화 유동로(41)와 일산화탄소 제거 유동로(43)를 과열시키지 않도록 조정한다. 슬릿(56)은 낮은 열전도성 가스로 채워지거나 또는 1Pa 이하로 감압된 대기를 제공한다.
이하, 상술한 형상을 구비한 미세펌프 화학반응기(4)의 작동에 대해 설명한다.
첫째, 액체상태의 연소연료(69)가 제 2 미세펌프(47)로부터 연소연료 기화 유동로(75)의 시단부에 공급될 때, 박막 히터부(11)의 초기 열생성만에 의한 열에너지는 제 1 기판(12) 내지 제 3 기판(14)을 통해 연소연료 기화 유동로 홈(51)에 전달되어, 연소연료 기화 유동로(75)의 내부를 소정의 온도로 가열한다. 연소연료 기화 유동로(75)에서, 연소연료(69)는 가열되고 기화되어 연소연료 가스가 된다(예를들면, 연소연료(69)가 메탄올이면 CH3OH).
이와 같이 생성된 연소연료 가스(CH3OH)는 연소연료 기화유동로(75)의 말단부 근처 소정의 위치(75a)에서 대기로부터 산소공급관(29)을 통해 공급된 산소와 혼합된다. 혼합가스(CH3OH + O2)가 연소촉매층(54)을 구비한 연소유동로(76)로 공급될 때, 공급된 혼합가스는 다음 식(1)로 나타내지는 연소반응에 의해 연소촉매층(54)에서 연소되며, 이때 열에너지가 발생된다.
CH3OH + (3/2)O2 → CO2 + 2H2O … (1)
이러한 열에너지는 주로 개질 유동로(42)의 내부를 가열한 후, 제 1 기판(12) 내지 제 3 기판(14)에 전달되고, 일산화탄소 제거부(9)의 일산화탄소 제거유동로(43)의 내부 및 발전연료 기화부(7)의 기화유동로(41)의 내부를 가열한다. 그 이후에, 박막 히터부(11)는 정지하고 초기 열생성만을 감소시키며, 부수적인 열생성은 온도계부(19)의 온도검출 신호에 따라 연료전지 시스템(1)내의 제어회로부(20)에 의해 제어된다. 다른 한편으로, 식 (1)의 연소가스(CO2)는 배출 유동로(77)와 연소가스 배출관(28)을 통해 대기로 방출된다. 부산물인 물은 하기에서 설명될 부산물 수집부(109)에 의해 수집된다.
개질 유동로(43)에 의해 구성된 개질 반응부(8)의 반응로내에서 필요한 가열온도는 대략 250℃ 내지 320℃ 이고, 일산화탄소 제거 유동로(43)에 의해 구성된 일산화탄소 제거부(9)의 반응로내에서 필요한 가열온도는 대략 160℃ 내지 220℃ 이며, 기화 유동로(41)에 의해 구성된 발전연료 기화부(7)의 반응로 내에서 필요한 가열온도는 대략 100℃ 내지 150℃ 이다. 기화 유동로(41)내에는 제 1 기판(12)과 제 2 기판(13)보다 열전도성이 더 높은 금속막이 제공되어 히터으로부터 열을 효율적으로 흡수하고 유동로로 방출한다.
상술한 바와 같이, 히터인 연소부(10)의 연소 유동로(76)와 박막 히터부(11)는 제 1 기판(12) 내지 제 3 기판(14)의 중심부에 구비되며, 가장 높은 가열온도(대략 250℃ 내지 320℃)가 요구되는 개질 반응부(8)의 개질 유동로(42)도 중심부에 구비되며, 그 외측에는 요구되는 가열온도가 상대적으로 낮은(대략 160℃ 내지 220℃) 일산화탄소 제거부(9)의 일산화탄소 제거 유동로(43)가 구비되고, 더 외측에는 요구되는 가열온도가 상대적으로 가장 낮은(대략 100℃ 내지 150℃) 발전연료 기화부(7)의 기화 유동로(41)가 구비된다. 이러한 방법으로, 연소부(10)로부터 거리는 개질 유동로(42), 일산화탄소 제거 유동로(43) 및 기화 유동로(41) 순서로 짧아지며, 박막 히터부(11)으로부터 거리는 개질 유동로(42), 일산화탄소 제거 유동로(43) 및 기화 유동로(41) 순서로 짧아진다. 그럼으로서, 연소부(10)와 박막 히터부(11)에서 발생된 열에너지는 우선 요구되는 가열온도에서 개질 반응부(8)를 가열한다. 열에너지가 제 1 기판(12) 내지 제 3 기판(14)을 통해 전달됨에 따라 온도는 감소한다. 열에너지가 개질 반응부(8)의 주변에 구비된 일산화탄소 제거부(9)에 도달할 때, 온도는 일산화탄소 제거부(9)의 필요한 가열온도까지 낮아진다. 종국적으로, 열에너지가 제 1 기판(12) 내지 제 3 기판(14)을 통해 일산화탄소 제거부(9) 외측에 구비된 발전연료 기화부(7)에 도달할 때, 온도는 발전연료 기화부(7)의 필요한 가열온도까지 낮아진다. 따라서, 발전연료 기화부(7), 개질 반응부(8) 및 일산화탄소 제거부(9)는 각각 적절한 온도까지 가열된다.
가열온도가 박막 히터부(11)에서 쉽게 제어되는 반면에, 연소부(10)의 연소유동로(76)내의 연소반응을 제어함으로써 개질 유동로(42)내의 가열온도를 정확하게 제어하는 것은 어려운 일이다. 그러므로, 연소유동로(76)내의 연소반응에 의해 발생한 열에너지는 대략 190℃ 내지 300℃가 되며, 이것은 개질 반응부(8)의 개질 유동로(42)에서 필요한 가열온도(대략 250℃ 내지 320℃)보다 약간 더 낮다. 그 이후에, 제어회로부(20)는 전극(33)으로부터 개질 유동로(42)내의 온도에 대한 정보를 수신하고 전력이 박막 히터부(11)에 공급되도록 피드백하여 필요한 가열온도에 빠르게 도달하며 필요한 온도를 계속하여 유지하는 미세 온도제어를 얻을 수 있도록 하며, 그럼으로써 발전연료 기화부(7), 개질 반응부(8) 및 일산화탄소 제거부(9)는 필요한 가열온도내에 유지될 수 있다.
만약 제 1 기판(12) 내지 제 3 기판(14)의 재료가 유리, 실리콘, 세라믹, 금속 및 이와 유사한 것이라면, 열전도도는 공기의 열전도도보다 상당히 높을 것이며, 어떠한 측정을 취하지 않아도, 온도는 제 1 기판(12) 내지 제 3 기판(14)에 걸쳐서 대략 동일하게 된다. 그러므로, 상술한 바와 같이, 4개의 슬릿(56)이 연소부(10)의 연소 유동로(76), 박막 히터부(11), 및 개질 반응부(8)의 개질 유동로(42)가 구비된 영역의 주변에 있는 제 1 기판(12) 내지 제 3 기판(14)의 부분들에 제공되며, 진공이 이들 슬릿(56) 내부의 대기내에 형성되거나 또는 낮은 열전도성의 가스(대기성 공기, 이산화탄소 가스 또는 염화불화탄소)가 이들 슬릿(56) 내부의 대기를 채운다. 그럼으로써, 연소부(10) 및 박막 히터부(11)에서 발생된 열에너지가 제 1 기판(12) 내지 제 3 기판(14)을 통해 일산화탄소 제거 유동로(43)와 기화 유동로(41)로 과도하게 전달되는 것을 방지할 수 있다. 세라믹등으로 만들어진 열전달 특성을 가진 다공성 구조는 슬릿(56)내에 포함될 수 있다.
제 1 기판(12) 내지 제 3 기판(14)에서, 크기는 작고 체적에 대한 표면적비가 크기 때문에 대기로 방출된 열에너지는 크게 되고, 열에너지 이용효율은 낮아지게 된다. 그러므로, 상술한 바와 같이, 제 1 기판(12) 내지 제 3 기판(14)은 제 1 외부층(15)과 제 2 외부층(16)으로 커버되며, 그 사이에 공간부(37)가 구비되고 공간부(37) 내부에는 진공이 형성되거나 낮은 열전도성의 가스(예를들면, 대기성 공기, 이산화탄소 가스, 또는 염화불화탄소)가 채워진 후, 제 1 기판(12) 내지 제 3 기판(14)의 외측면은 열발생 방지막(36)으로 커버되고 제 1 외부층(15)과 제 2 외 부층(16)의 내측면은 열발생 방지막(35)으로 커버됨으로써, 연소부(10)와 박막 히터부(11)에 의해 발생된 열에너지가 대기로 방출되는 것을 방지하고 열에너지의 활용효율을 개선시킬 수 있다.
제 1 기판(12) 내지 제 3 기판(14)이 제 1 외부층(15)과 제 2 외부층(16)으로 커버되어 열이 대기로 방출되는 것을 감소시킨다. 제 1 외부층(15)과 제 2 외부층(16)내의 온도가 매우 높게 증가한다면, 전달된 열이 슬릿(56)에 의해 조정된 후에도 제 1 기판(12) 내지 제 3 기판(14)의 온도분포를 초기값으로 유지하는 것은 어려우며, 다수의 압력저항 공간부(38) 전체 또는 일부가 금속이나 유리와 같은 높은 열전도성 물질로 형성되며, 열은 압력저항 공간부(38)를 통해 미세 화학반응기(4) 외부로 적절하게 방출된다. 따라서, 제 1 기판(12) 내지 제 3 기판(14)의 온도분포는 초기값을 가질 수 있다. 더욱이, 박막 히터부(11)와 연소부(10)의 열발생이 정지될 때, 발생된 열은 압력저항 공간부(38)에 의해 방출되어 제 1 외부층(15)과 제 2 외부층(16)의 온도를 빠르게 낮추는데 기여할 수 있다.
이러한 방법으로, 연료전지 시스템(1)은 압력저항 공간부(38)를 통해 외부로 방출되는 열을 조정하여, 제 1 기판(12) 내지 제 3 기판(14)의 온도분포가 초기값으로 유지될 수 있도록 한다.
여기서, 연소부(10)와 박막 히터부(11)에서 발생된 열에너지로 가열된 이후에, 기화 유동로(41), 개질 유동로(42), 일산화탄소 제거 유동로(43)에서 각 가열온도 시간은 변한다.
그리고 일산화탄소 제거유로가 체크되고, 그에 따라 도 7에 도시된 결과를 얻게 된다. 도 7에서, 실선은 개질반응부(8)의 개질유로(42)에서의 가열온도를 지시하고, 파선은 일산화탄소 제거부(9)의 일산화탄소 제거유로(43)에서의 가열온도를 지시하며, 일점쇄선은 발전연료 기화부(7)의 기화유로(41)에서의 가열온도를 지시한다.
도 7로부터 명확한 바와 같이, 발열의 시작부터 대략 40초 후, 각각의 가열온도는 거의 안정화되고, 실선으로 지시된 개질유로(42)에서 가열온도는 대략 300℃가 될 수 있고, 파선으로 지시된 일산화탄소 제거유로(43)에서 가열온도는 대략 200℃가 될 수 있고, 일점쇄선으로 지시된 기화유로(41)에서 가열온도는 대략 150℃가 될 수 있다.
이러한 방식으로, 연소부(10)의 연소 유로(76)에서 발생된 열에너지와 박막히터부(11)에 의해 발생된 열에너지로 가열함으로써, 개질유로(42)로 구성된 개질반응부(8)의 반응로에서 가열온도는 요구되는 대략 250℃ 내지 320℃의 가열온도에 도달되고, 일산화탄소 제거유로(43)로 구성된 일산화탄소 제거부(9)의 반응로에서 가열온도는 요구되는 대략 160℃ 내지 220℃의 가열온도에 도달되며, 기화유로(41)로 구성된 발전연료 기화부(7)의 반응로에서 가열온도는 요구되는 대략 100℃ 내지 150℃의 가열온도에 도달된다.
액체 형태(예컨데, 메탄올 용액)로 된 발전연료(68)가 제 1 미세펌프(46)로부터 기화유로(41)의 선단에 공급될 때, 발전연료(68)는 내부가 요구되는 대략 100℃ 내지 150℃의 가열온도로 가열된 기화유로(41)에서 기화되고, 발전연료 가스(예 컨데, 발전연료(68)가 메탄올 용액일 때 CH3OH(g)+H2O(g))가 발생된다. 다시 말해서, 발전연료 가스(CH3OH+H2O)가 발전연료 기화부(7)에서 발생된다.
이렇게 발생된 발전연료 가스(CH3OH+H2O)는 개질유로(42)에 공급된다. 다시 말해서, 발전연료 기화부(7)에서 발생된 발전연료 가스(CH3OH+H2O)는 개질반응부(8)에 공급된다. 그 후, 발전연료 가스(CH3OH+H2O)가 개질촉매층(44)을 갖는 개질유로(42)에 공급될 때, 다음의 식 (2)에 의해 지시된 바와 같은 흡열반응이, 개질유로(42)의 내부가 요구되는 가열온도인 대략 250℃ 내지 320℃로 가열되기 때문에 개질유로(42)에서 일어나고, 그에 따라 수소와 부산물인 이산화탄소가 생성된다.
CH3OH + H2O →3H2 + CO2 … (2)
이 때, 미량의 일산화탄소가 개질유로(42)에서 생성될 수 있다. 이 생성물들(수소, 이산화탄소 그리고 미량의 일산화탄소)은 일산화탄소 제거유로(43)로 공급된다. 다시 말해서, 개질반응부(8)에서 생성된 수소, 이산화탄소 그리고 미량의 일산화탄소가 일산화탄소 제거부(9)로 공급된다. 이 생성물들(수소, 이산화탄소 및 미량의 일산화탄소)은 일산화탄소 제거유로(43)의 선단 근처의 소정 부분(43a)에 있는 연료전지 시스템(1)의 외부 대기로부터 산소공급관(23)을 통해 공급된 산소(공기)와 혼합된다. 이 경우에서, 체크밸브가 산소공급관(23)에 제공되고, 따라서 생성물들이 연료전지 시스템(1)의 외부로 누출되지 않는다.
혼합물(수소, 이산화탄소, 미량의 일산화탄소 및 산소)은 선택적 산화 촉매층(45)을 갖는 일산화탄소 제거유로(43)에 공급되고, 일산화탄소와 산소는 그 내부가 요구되는 가열온도인 대략 160℃ 내지 220℃로 가열된 일산화탄소 제거유로(43)에서 재반응되고, 그에 따라 다음의 식 (3)으로 지시된 바와 같이 이산화탄소를 생성한다.
CO + (1/2)O2 →O2 + CO2 … (3)
결론적으로, 일산화탄소 제거부(9)의 반응로를 구성하는 일산화탄소 제거유로(43)의 말단에 도달한 대부분의 유체는 수소와 이산화탄소이다. 이 생성물들은 발생물 배출관(22)을 통해 외부로 버려지나, 이 생성물들 중에서, 이산화탄소는 연료전지 시스템(1) 외부로 배출되도록 분리부(66)(도 1 참조)에 의해 수소와 분리된다. 따라서, 수소와 수증기가 일산화탄소 제거부(9)로부터 연료전지부(5)로 공급된다.
상술한 바와 같이, 상기한 구성을 갖는 미세 화학반응기에서, 제 1 기판(12)의 내면에서, 발전연료 기화부(7)의 반응로를 구성하는 기화유로(41), 개질반응부(8)의 반응로를 구성하는 개질유로(42) 그리고 일산화탄소 제거부(9)의 반응로를 구성하는 일산화탄소 제거유로(43)가 동일한 기판내에서 연속적으로 제공되고, 따라서 3개의 화학반응이 3종류의 유로, 즉, 기화유로(41), 개질유로(42) 그리고 일산화탄소 제거유로(43)에서 연속적으로 일어날 수 있고, 그에 따라 전체 반응기를 간단하고 콤팩트하게 할 수 있다.
또한, 열원이 되는, 연소부(10)의 연소유로(76)와 박막히터부(11)는 제 1 내지 제 3 기판(12 내지 14)의 중앙부에 배치되고, 요구되는 가열온도(대략 250℃ 내지 320℃)가 가장 높은 개질반응부(8)의 개질유로(42)는 중앙부에 배치되고, 이 바깥에, 요구되는 가열온도(대략 160℃ 내지 220℃)가 상기한 것 보다 낮은 일산화탄소 제거부(9)의 일산화탄소 제거유로(43)가 배치되고, 또한 이 바깥에, 요구되는 가열온도(대략 100℃ 내지 150℃)가 가장 낮은 발전연료 기화부(7)의 기화유로(41)가 배치되고, 슬릿(56)이 전달된 열을 조절하며, 그에 따라 효율적인 가열이 기화유로(41), 개질유로(42) 그리고 일산화탄소 제거유로(43)에서 이루어지고 발전연료(68)가 개질된다.
다음으로, 연료전지부(5)와 충전부(6)가 설명될 것이다. 연료전지부(5)는 도 8에 도시된 바와 같이 단단한 고분자 타입 연료전지로 구성된다. 보다 상세하게는, 연료전지부(5)는 백금과 탄소와 같은 촉매가 꽂아넣어진 탄소전극으로 이루어진 캐소드(61)와 백금, 루테늄 및 탄소와 같은 촉매가 꽂아넣어진 탄소전극으로 이루어진 애노드(62)를 갖는다.
이 경우에서, 공간부(64)가 캐소드(61)의 바깥에 제공된다. 수소와 물이 분리부(66)를 통해 공간부(64)로 공급되고, 따라서 수소와 물이 캐소드(61)에 도달한다. 다른 공간부(65)가 애노드(62)의 바깥에 제공된다. 미세펌프를 통해 대기로부터 흡입된 산소가 공간부(65)로 공급되고, 따라서 산소가 애노드(62)에 공급된다.
수소에서 전자(e-)가 분리된 수소이온들(양자;H+)이 다음의 식 (4)에서 보여 지는 바와 같이 캐소드(61) 측에서 생성되고, 이온전도필름(63)을 통해 애노드(62)측으로 이동하고, 그 후 캐소드(61)는 전류가 흐르도록 그것으로부터 전자(e-)를 끄집어낸다.
H2 →2H+ + 2e- … (4)
반면에, 충전부(6)를 통해 공급된 전자(e-), 이온전도필름(63)을 통과한 수소이온들(H+), 그리고 산소는 애노드(62) 측에서 반응을 일으키고, 그에 따라 다음의 식 (5)에서 보여지는 바와 같이, 부산물인 물을 생성한다.
2H+ + (1/2)O2 + 2e- →H2O … (5)
상술한 일련의 전기화학적인 반응들이 상대적으로 낮은 온도인 대략 실내온도 내지 80℃ 환경하에서 진행되고, 물은 기본적으로 전력을 제외한 유일한 부산물이다. 연료전지부(5)에 의해 발생된 전력은 충전부(6)에 공급되고, 그에 따라 충전부(6)가 충전된다. 연료전지부(5)에 의해 생성된 부산물로서의 물은 부산물 흡입부(107)에서 일단 흡입되고, 이어서 후술할 연료저장모듈(102)에 있는 부산물 수집부(109)에 의해 수집된다. 부산물 흡입부(107)는 적정량의 흡입된 물을 필요에 따라 개질반응부(8)와 일산화탄소 제거부(9)에 공급할 수 있다.
여기, 상술한 구성을 갖는 미세 화학반응기(4)에서, 서로 적층된 제 1 내지 제 3 기판들(12 내지 14)은 서로 연결된 제 1 및 제 2 외부층(15, 16)에 설치되고, 그것은 공간을 절약하고 건전지와 같은 다목적 화학전지의 크기와 형태에 대응하는 연료전지 시스템(1) 자체의 크기와 형태로 설계하는 것이 가능하게 한다.
상술한 실시예에서, 박막히터부(11)가 열원의 일부로서 사용되는 경우가 설명되었지만 그것에 한정되지 않는다. 예를 들어, 도 9 및 도 10에 도시된 본 발명의 다른 실시예가 적용될 수 있다. 도 9는 본 발명의 다른 실시예로서 미세 화학반응기의 요부를 보여주는 도 3에 유사한 단면도이고, 도 10은 제 4 기판(71)에 대응하는 부분의 투과평면도이다.
이 경우에서, 제 4 기판(71)은 제 1 기판(12)과 제 2 기판(13) 사이에 설치된다. 박막히터는 제 4 기판(71)에 맞은 편에 있는 제 2 기판(13)의 표면의 중앙부에 설치되지 않는다. 대신에 열유체 유로홈(67)이 제 2 기판(13)에 맞은 편에 있는 제 4 기판(71)의 표면의 중앙부에 새겨진다. 열유체 유로홈(67)과 제 2 기판(13)은 서로 결합되어 열유체 유로(72)를 형성한다. 열유체 유로(72)는 개질유로(42)와 연소유로(76)와 유사하게 굽이져서 설치된다. 유입측 유로(73)가 열유체유로(72)의 유입측 상의 열유체 유로홈(67)에 제공되고, 유출측 유로(74)는 유출측 상의 열유체 유로홈(67)에 제공된다.
유입측 유로(73)의 유입측 말단은 도 4에 도시된 바와 같이 기화유로(41)의 말단과 중첩되지 않는 위치에 배치되고, 도면에는 도시되지 않은, 제 1 외부 패널(15)과 제 1 기판(12)의 소정 부분에 제공된 둥근 전달구멍에 삽입된 열유체 공급관의 일단에 연결된다. 유출측 유로(74)의 유출측 말단은 도 4에 도시된 바와 같이 일산화탄소 제거유로(43)의 시단과 중첩되지 않은 위치에 배치되고, 도면에는 도시되지 않은, 제 1 외부층(15)과 제 1 기판(12)의 다른 소정의 부분에 제공된 둥근 전달구멍에 삽입된 열유체 배출관의 일단에 연결된다.
열유체 공급관의 타단과 열유체 배출관의 타단은 미세펌프와 도면에는 도시되지 않은 미세 화학반응기(4)의 외부에 제공된 히터를 갖는 열유체 회로의 양단에 연결된다. 그 후, 실리콘 오일과 같은 액체 또는 수증기와 같은 가스, 공기 그리고 질소가 열유체로서 열유체유로(72)와 기화유로(41)에 공급된다. 개질유로(42)와 일산화탄소 제거유로(43)가 공급된 열유체로부터 얻어진 열에너지로 가열된다. 그러나 이 경우에서와 마찬가지로, 가열은 주로 연소부(10)의 연소유로(76)에 있는 촉매 연소 반응을 통한 연소에 의해 발생된 열에너지로 수행된다. 열유체로부터의 열에너지는 부차적인 가열을 위해 사용된다. 열유체는 연소부(10)의 열에너지를 저장하고 필요에 따라 열유체유로(72)에서 순환한다.
상술한 실시예에서, 홈은 각각 유로를 형성하기 위해 제 1 기판(12)과 제 3 기판(14)에 제공되나, 도 11에 도시된 바와 달리, 제 2 기판(13)의 일면에 계속적으로 형성된 기화유로홈(57), 개질유로홈(58) 그리고 일산화탄소 제거 유로홈(59), 그리고 이 홈들을 덮는 제 1 기판(12)은 발전연료 기화부(7)의 기화유로(41), 개질반응부(8)의 개질유로(42) 그리고 일산화탄소 제거부(9)의 일산화탄소 제거 유로(43)를 각각 구성한다. 또한, 제 2 기판(13)의 타면에 연속적으로 형성된 연소연료 기화유로홈(51), 연소유로홈(52) 그리고 배출유로홈(53), 그리고 이 홈들을 덮는 제 3 기판(14)은 연소연료 기화유로(75), 연소 유로(76) 그리고 배출 유로(77)를 각각 형성한다.
도 11은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ선과 유사한 선을 따라 절단한 단면도이고, 여기서 발전연료 공급관(21), 산소공급관(23), 연소연료 공급관(27), 전극(33) 및 배출유로(77)는 도시되지 않았다. 제 2 기판(13)은 뛰어난 작업성과 상대적으로 높은 열전도율을 갖는 실리콘 기판이고, 제 2 기판(13)의 위와 아래에 있는 제 1 기판(12)과 제 3 기판(14)은 그 열전도율이 실리콘 기판의 열전도율 보다 낮은 유리로 이루어지고, 따라서 기화유로(41), 개질유로(42) 그리고 일산화탄소 제거유로(43)는 가열하기 쉽고 열이 과도하게 외부에서 생성되지 않도록 열을 저장할 수 있는 구성으로 가질 수 있다. 개질촉매층(44)과 선택적 산화촉매층(45)이 홈의 3면에 형성되어지나, 적어도 일면 또는 그 이상에 형성되어질 수 있다.
상술한 실시예에서, 일산화탄소 제거부(9)는 상기 식(3)에 따라 일산화탄소를 산화시키며, 즉 다음의 식(6)에 의해 나타내어지는 수용성 전이반응에 의해 일산화탄소를 산화시킬 수 있고, 일산화탄소 제거유로(43)는 식 (6)과 식 (3)의 화학반응이 일어나는 양 쪽에 제공될 수 있다.
CO + H2O →CO2 + H2 … (6)
일산화탄소의 수용성 전이를 일으키며, 식 (6)의 왼쪽 편에 있는 물은 발전연료부(2)에 포함되고, 식 (2)에서 반응하지 않은 물이 사용되어질 수 있고, 부산물 흡입부(107)에 의해 연료전지부(5)로부터 흡입된 물이 또한 사용되어질 수 있다. 식 (6)의 반응은 수소를 생성하기 때문에, 연료전지부(5)로 공급되는 수소의 양은 증가될 수 있고, 식 (6)의 반응을 일으키는 부분은 바람직하게는 식 (3)의 반 응을 일으키는 부분 보다는 개질유로(42)의 측에 더 가깝게 설치되어야 한다.
상술한 실시예에서, 슬릿(56)은 제 1 기판(12), 제 2 기판(13) 그리고 제 3 기판(14)에서 연속적으로 설치되나, 강도를 향상시키기 위해, 제 1 기판(12), 제 2 기판(13) 그리고 제 3 기판(14)에 서로 나란히 제공된 슬릿은 서로 중첩되지 않는 방식으로 배열되어 배치될 수 있다.
도 12는 본 발명의 콤팩트한 화학반응기와 연료전지를 구성하는 부분적으로 절개한 연료전지 시스템(1)의 사시도이다.
도 12에 도시된 바와 같이, 연료전지 시스템(1)은 개질될 발전연료(68)와 연소될 연소연료(69)를 저장하는 연료저장모듈(102)과, 연료저장모듈(102)에 저장된 발전연료(68)를 사용하여 전기를 발생하기 위한 내장된 미세 화학반응기(4)를 갖는 발전모듈(103)을 포함한다. 미세 화학반응기(4)는 발전연료 기화부(7), 개질반응부(8), 일산화탄소 제거부(9), 연소부(10), 박막히터부(11), 제 1 미세펌프(46) 그리고 제 2 미세펌프(47)를 갖는다.
연료저장모듈(102)은 실질적으로 원통형인 케이스(104)를 갖는다. 케이스(104)는 발전모듈(103)에 탈부착될 수 있다. 둥근 관통구멍(105)이 케이스(104)의 머리 꼭대기부에 형성되어 있고, 발전모듈(103)에 의해 만들어지는 부산물인 물이 흐르도록 하는 제 1 배출관(106)은 케이스(104)의 바깥쪽 둘레의 내측부에 형성된다. 배출될 물을 저장하는 부산물 수집부(109)는 연료 저장모듈(102)의 바닥에 위치된다. 부산물 수집부(109)는 제 1 배출관(106)에 연결된다.
연료 패키지(108)는 케이스(104)의 내부에 착탈 가능하게 수용되고, 연료 패 키지(108)의 외부 둘레면의 일부는 케이스(104)의 외측으로부터 노출된다. 연료 패키지(108)는 발전연료(68)가 밀봉되는 발전연료부(2) 및 연소연료(69)가 밀봉되는 연소연료부(3)를 더 갖는다. 연료 패키지(108)는 내부 공간을 갖는 투명 또는 반투명한 기둥상 부재이고, 박테리아 등에 의해 분해되는 생분해성 물질로 만들어진다. 연료 패키지(108)의 일부가 노출되고 연료 패키지(108)가 투명 또는 반투명이기 때문에, 연료 패키지(108)를 내통하여 발전연료(68) 및 연소연료(69)의 현재 및 잔량을 쉽게 체크하는 것이 가능하다.
발전연료(68)는 액체 화학 연료와 물의 혼합물이고, 메탄올 또는 에탄올과 같은 알콜 또는 수소성분을 포함하는 예를 들어 디에틸 에테르와 같은 에테르인 탄소 화합물 그리고 가솔린이 화학적 연료로 응용 가능하다. 본 실시예에서, 메탄올과 물이 혼합된 혼합물이 발전연료(68)로서 사용된다.
연소연료(69)는 액체 화학 연료이고, 메탄올 및 에탄올과 같은 알콜 또는 수소성분을 포함하는 예를 들어 디에틸 에테르와 같은 에테르인 탄소 화합물 그리고 가솔린이 화학적 연료로 응용 가능하다. 본 발명에서 고농도의 메탄올이 연소연료(69)로서 사용된다.
연소연료(69)로부터 발전연료(68)를 분리하는 분할판(111)이 연료 패키지(108)의 내부에 형성된다. 발전모듈(103)로 발전연료(68) 및 연소연료(69)를 공급하기 위한 공급부(110)는 케이스(104)의 관통구멍(105)내로 삽입되어지도록 돌출되는 방식으로 연료 패키지(108)의 헤드탑부에 구비된다.
공급포트(110)내로 삽입되어지도록 도 12의 상하방향으로 연장된 공급관(112)이 연료 패키지(108)의 내부에 구비된다. 공급관(112)은 연료 패키지(108)의 바닥으로부터 공급포트(110)의 가장자리가지 연장된다. 공급관(112)은 분할판(111)에 의해 작은 부품들로 나누어지기 때문에 공급관(112)과 분할판(111) 사이의 발전연료(68)는 제 1 미세펌프(46)까지 도달하기 위하여 모세관 현상에 의해 상승한다. 공급관(112)과 분할판 사이의 연소연료(69)는 제 2 미세펌프(47)까지 도달하기 위하여 모세관 현상에 의해 상승한다.
밀봉막은 공급포트(110)의 내부에 구비되고, 이러한 밀봉막은 공급포트(110) 전체를 막음으로서 발전연료(68)와 연소연료(69)가 발전모듈(103)의 흡입니플부(137)가 삽입되지 않은 상태에서 누설되지 않도록 할 뿐만 아니라, 발전모듈(103)의 흡입니플부(137, 138)가 밀봉막을 깨고 공급포트(110)내로 삽입되도록 한다. 그리고 흡입니플부(137, 138)는 연료 패키지(108)와 교류함으로서 발전연료(68)와 연소연료(69)를 각각 흡입할 수 있다.
발전모듈(103)은 대략적으로 원통 형상인 케이스(130)를 포함한다. 미세 화학반응기(4)는 케이스(130)의 내부에 배치된다. 연료전지부(5)는 미세 화학반응기(4)의 원주둘레상에 그리고 케이스(130)의 바깥쪽 둘레측상에 배치된다. 부산물 흡입부(135)는 연료전지부(5)에 의해 만들어진 부산물의 일부를 흡수하고 필요에 따라 이를 미세 화학반응기(4)로 공급한다. 제어회로부(20)는 이들을 전기적으로 제어한다.
발전에 필요한 발전모듈(103) 밖의 대기중의 산소를 연료전지부(5)에 의해 연료전지부(5)로 공급하기 위한 복수의 슬릿(131)은 연료 전지부(5)의 외측에 상호 평행하게 배치되고 그리고 케이스(130)의 바깥 원주면상에 배치된 상태로 형성되어 있다.
연료전지부(5)에 의해 생성된 전기에너지를 외부장치에 공급하기 위한 단자(132)는 케이스(130)의 헤드탑부에 구비된다. 연소연료(69)를 연소하기 위하여 미세 화학반응기(4)의 연소부(10)에 필요한 산소 뿐만 아니라 일산화탄소를 산화하기 위해 일산화탄소 제거부(9)에 필요한 산소를 흡입하고 그리고 미세 화학반응기(4)에 의해 생성된 이산화탄소를 배출하기 위한 복수의 공기구멍(133)이 단자(132)의 원주상 및 케이스(130)의 헤드탑부에 형성되어 있다.
제 2 배출관(134)은 케이스(130)의 외부 둘레상에 구비된다. 제 2 배출관(134)은 볼록한 형상을 갖고, 그 가장자리는 케이스(130)의 바닥으로부터 하향 돌출되어 있다. 그리고 볼록부는 연료 저장모듈(102)의 제 1 배출관(106)내에 있는 대응 오목부분에 수용될 수 있다. 제 2 배출관(134)은 연료전지부(5)에 의해 만들어지는 부산물인 물을 분배하도록 하는 관이다. 부산물인 물은 제 2 배출관(134)과 제 1 배출관(106)을 통해 부산물 흡입부(135)로 방출된다.
제 2 배출관(134)은 부산물 흡입부(135)와 연결된다. 케이스(130)에 구비된 물유입관(136)은 부산물 흡입부(135)를 경유하여 제 2 배출관(134)까지 다다른다. 부산물 흡입부(135)는 연료전지부(5)에서 만들어진 부산물인 물을 필요에 따라 미세 화학반응기(4)로 유입시키고, 그리고 미세 화학반응기(4)를 위한 적정량의 물을 물유입관(136)으로 공급함으로서 제 2 배출관(134)으로 여분의 물을 방출하는 펌프와 같은 기능을 한다. 미세 화학반응기(4)에서 물을 필요로 하는 부분은 상기 식(2)의 개질반응을 일으키는 개질반응부(8)와 상기 식(6)의 수용성 전이반응을 일으키는 일산화탄소 제거부(9)이다. 미세 화학반응기(4)는 연료전지 시스템(1)에서 만들어진 물을 재사용함으로서, 연료 패키지(108)의 발전연료부(2)내의 발전연료(68)에 포함된 물을 제외한 화학적 연료의 농도를 높이고, 연료의 단위 체적당 생성되는 수소의 양을 증가시키며, 또한 연료의 단위 체적당 연료전지부(5)의 출력을 증가시키는 것이 것이 가능해진다.
전술한 연료 저장모듈(102) 및 발전모듈(103)에서, 연료 패키지(108)를 저장하는 연료 저장모듈(102)이 발전모듈(103)에 부착될 때, 발전모듈(103)의 제 2 배출관(134)은 모듈(102, 103)들이 연결된 영역의 외부 둘레상에서 연료 저장모듈(102)의 제 1 배출관(106)에 연결된다. 이러한 방식에서, 제 2 배출관(134)은 제 1 배출관(106)과 통함으로서 발전모듈(103)에 의해 만들어진 부산물인 물이 제 2 배출관(134)으로부터 부산물 흡입부(135)로 방출되어질 제 1 배출관(106)으로 흐르도록 하는 것이 가능해진다.
현재 연구 및 개발중인 연료 개질형 연료 전지에 적용되는 연료는 상대적으로 높은 에너지 변환 효율에서 연료전지부(5)에 의해 전기 에너지가 생성될 수 있도록 적어도 수소성분을 포함하는 액체 연료 또는 액화연료 또는 가스 연료와 같은 연료이고, 그리고 만족스럽게 적용될 수 있는 유체연료는 전술한 메탄올에 덧붙여 에탄올 및 부탄올과 같은 알콜 액체 연료들, 예를 들어 디메틸 에테르, 이소부탄 및 천연가스(CNG)와 같이 상온과 대기압에서 기화되는 탄화수소로 만들어진 액체 연료들 또는 수소가스와 같은 가스연료들을 포함한다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 유로는 유로 구조내에 구비되고, 유로들은 서로 다른 화학반응들이 일어나는 복수의 연속적인 부품들로 구성되며, 이로서 복수의 화학반응들이 다양한 유로들내에서 효과적이면서 연속적으로 일어나도록 하는 것이 가능하고, 그리고 반응기 전체를 단순하고 콤팩트하게 만들 수 있다.

Claims (28)

  1. 개질 유로를 갖고, 상기 개질 유로내에서 개질 반응을 일으키는 개질 반응부;
    상기 개질 반응부를 가열하기 위한 가열부; 및
    일산화탄소 제거 유로를 갖고, 상기 개질 반응부를 경유하여 전달되는 가열부의 열에 의하여 상기 일산화탄소 제거 유로 내에서 일산화탄소 제거 반응을 일으키는 일산화탄소 제거부로 구성되는 것을 특징으로 하는 화학반응기.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 일산화탄소 제거 반응은 상기 개질 반응이 일어나는 온도보다 더 낮은 온도에서 일어나는 것을 특징으로 하는 화학반응기.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 개질 유로 및 일산화탄소 제거 유로는 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 화학반응기.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 개질 반응부 및 일산화탄소 제거부는 동일한 기판상에 형성되는 것을 특징으로 하는 화학반응기.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 가열부의 열은 상기 기판을 경유하여 상기 개질 반응부로부터 상기 일산화탄소 제거부로 전달되는 것을 특징으로 하는 화학반응기.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 개질 유로와 상기 가열부 사이의 거리는 상기 일산화탄소 제거 유로와 상기 가열부 사이의 거리보다 짧은 것을 특징으로 하는 화학반응기.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 일산화탄소 제거 유로는 상기 개질 유로의 원주 둘레상에 배치되는 것을 특징으로 하는 화학반응기.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 개질 유로 및 일산화탄소 제거 유로의 형태를 갖는 홈들이 형성된 기판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 화학반응기.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 개질 반응부와 일산화탄소 제거부는 미세 반응기인 것을 특징으로 하는 화학반응기.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 가열부의 온도를 측정하는 온도계부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 화학반응기.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 온도계부의 온도 정보에 기초하여 상기 가열부가 발열하도록 하는 제어 회로부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 화학반응기.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 가열부는 연소 반응에 의하여 가열을 수행하는 연소부를 갖는 것을 특징으로 하는 화학반응기.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 개질 반응부가 형성된 기판을 더 포함하고, 상기 연소부는 상기 기판을 통해 상기 개질 반응부를 가열하는 것을 특징으로 하는 화학반응기.
  17. 제 1 항에 있어서, 상기 가열부는 저항부재를 갖는 것을 특징으로 하는 화학반응기.
  18. 제 1 항에 있어서,
    기화 유로를 갖고, 상기 일산화탄소 제거부를 통해 전달된 상기 가열부의 열에 의하여 상기 기화 유로내에서 기화 반응을 일으키는 발전 연료 기화부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 화학반응기.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 기화 반응은 상기 개질 반응을 일으키는 온도 보다 더 낮은 온도에서 일어나는 것을 특징으로 하는 화학반응기.
  20. 제 18 항에 있어서, 상기 기화 반응은 상기 일산화탄소 제거 반응을 일으키는 온도 보다 더 낮은 온도에서 일어나는 것을 특징으로 하는 화학반응기.
  21. 제 18 항에 있어서, 상기 기화 유로와 개질 유로는 연결된 것을 특징으로 하는 화학반응기.
  22. 삭제
  23. 제 18 항에 있어서, 상기 개질 반응부, 일산화탄소 제거부 및 발전 연료 기화부가 형성된 단일 기판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 화학반응기.
  24. 제 23 항에 있어서, 상기 가열부의 열은 상기 기판을 통해 상기 개질 반응부로부터 상기 일산화탄소 제거부로 전달되고, 상기 기판을 통해 상기 일산화탄소 제거부로부터 상기 발전 연료 기화부로 더 전달되는 것을 특징으로 하는 화학반응기.
  25. 제 18 항에 있어서, 상기 일산화탄소 제거 유로와 상기 가열부 사이의 거리는 상기 기화 유로와 상기 가열부 사이의 거리보다 더 짧은 것을 특징으로 하는 화학반응기.
  26. 제 18 항에 있어서, 상기 기화 유로는 상기 일산화탄소 제거 유로의 원주 둘레상에 배치되는 것을 특징으로 하는 화학반응기.
  27. 상호 적층된 제 1 및 제 2 기판을 포함하는 복수의 기판;
    상기 제 1 기판과 제 2 기판 사이에 개질 유로를 갖고, 상기 개질 유로 내에서 개질 반응을 일으키는 개질 반응부;
    상기 개질 반응부를 가열하는 가열부; 및
    상기 제 1 기판과 제 2 기판 사이 또는 상기 제 2 기판과 상기 제 2 기판에 인접한 또 다른 기판 사이에 일산화탄소 제거 유로를 갖고, 상기 일산화탄소 제거 유로내에서 상기 가열부에 의해 상기 개질 반응을 일으키는 온도보다 더 낮은 온도로 일산화탄소 제거 반응을 일으키는 일산화탄소 제거부를 포함하는 것을 특징으로 하는 화학반응기.
  28. 상호 적층된 적어도 2개의 기판;
    상기 기판들 사이에 개질 유로를 갖고, 상기 개질 유로내에서 개질 반응을 일으키는 개질 반응부;
    상기 개질 반응부를 가열하는 가열부; 및
    상기 기판들 사이에 일산화탄소 제거 유로를 갖고, 상기 일산화탄소 제거 유로내에서 상기 가열부에 의해 상기 개질 반응을 일으키는 온도보다 더 낮은 온도로 일산화탄소 제거 반응을 일으키는 일산화탄소 제거부;로 구성된 화학반응기; 및
    상기 화학반응기에 의해 개질된 연료의 사용에 의해 전기를 생산하는 연료전지를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
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