KR100673747B1 - 분사노즐 조립체 및 이를 구비한 연료전지 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 수소함유연료가 수용되는 연료수용실을 한정하는 하우징과, 수소함유연료가 상기 연료수용실로 유입되도록 상기 하우징의 일단에 제공되는 유입구와, 상기 연료수용실에 저장된 수소함유연료가 유출되도록 상기 하우징의 타단에 제공되는 유출구를 갖고; 상기 하우징의 내부면에는 개질촉매층이 피복되어 있고, 상기 연료수용실에는 분사수단이 내장되어 있는 분사노즐 조립체 및 이를 구비한 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 연료펌프의 구동에 의한 노이즈 및 진동 발생을 방지하면서 소요전력을 절감할 수 있도록 수소함유연료를 개질기 또는 스택에 공급하는 방식을 연료펌프의 구동방식 대신에 분사방식으로 대체할 수 있도록 분사수단을 구비함과 동시에 수소함유연료로부터 수소가스를 얻기 위한 개질효율을 향상시킬 수 있다.
분사노즐 조립체, 분사수단, 가열수단, 스택, 개질기
Description
도 1은 본 발명에 따른 개질촉매코팅 분사노즐 조립체의 구성을 나타내는 단면도;
도 2는 도 1에 도시된 개질촉매코팅 분사노즐 조립체가 직접 메탄올형 연료전지에 설치된 상태를 도시한 구성도;
도 3은 연료전지 시스템의 스택 부위를 나타내는 상세도;
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 실시예에 따른 분사노즐 조립체가 스택 부위에 장착된 상태를 도시한 구성도;
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 분사노즐 조립체가 스택 부위에 장착된 상태를 도시한 구성도;
도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 분사노즐 조립체가 스택 부위에 장착된 상태를 도시한 구성도;
도 7은 도 1에 도시된 개질촉매코팅 분사노즐 조립체가 고분자 전해질형 연료전지에 설치된 상태를 도시한 구성도;
도 8은 본 발명에 따른 분사노즐 조립체가 개질기 전단에 설치된 상태를 도 시한 구성도;
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 실시예에 따른 분사노즐 조립체가 개질기 전방에 장착된 상태를 도시한 구성도;
도 10a 및 도 10b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 분사노즐 조립체가 개질기 전방에 장착된 상태를 도시한 구성도;
도 11a 내지 도 11c는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 분사노즐 조립체가 개질기 전방에 장착된 상태를 도시한 구성도.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
10 : 스택
12a, 12b : 엔드 플레이트
14 : 전극막 조립체
14a : 고분자막
14b, 14c : 전극
16 : 바이폴라 플레이트
20 : 연료 저장부
30 : 공기 공급부
40, 140, 240, 340 : 분사노즐 조립체
42, 142, 242, 342 : 하우징
44, 144, 244, 344 : 개질촉매층
46, 146 : 열선
48 : 진동판
50 : 개질기
148 : 압전소자
248 : 히터
248 : 가열판
본 발명은 수소가스와 공기의 전기화학반응을 통해서 전기를 생성하는 연료전지 시스템에 관한 것이고, 더 상세하게 수소함유연료를 수소가스로 용이하게 개질할 수 있는 준개질화(quasi-reforming) 상태로 전환하도록 개질촉매층이 피복되어 있는 연료수용실을 갖는 분사노즐 조립체 및 이를 구비한 연료전지 시스템에 관한 것이다.
환경문제나 자원문제를 해결하기 위한 방안으로서 천연가스 등의 탄화수소연료, 메탄올 등과 같은 수소함유연료를 개질하여 얻은 수소와 공기 중의 산소를 전기화학적으로 반응시켜 전기를 생성하는 연료전지에 대한 관심이 집중되어 왔다. 이러한 연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라서 인산형 연료전지(PAFC; phosphoric acid fuel cell), 용융탄산염형 연료전지(MCFC; molten carbonate fuel cell), 고체산화물형 연료전지(SOFC; solid oxide fuel cell), 고분자 전해질형 연 료전지(PEMFC; polymer electrolyte membrane fuel cell), 알칼리형 연료전지(AFC; alkaline fuel cell) 등으로 분류된다. 연료전지는 그 종류에 따라서 사용되는 연료의 원료와 함께 작동온도, 출력범위 등에 따라서 이동전원용, 수송용, 분산발전용 등의 다양한 응용분야에 적용될 수 있다.
상술된 연료전지들 중에서 고분자 전해질형 연료전지는 출력특성이 탁월하고 작동온도가 낮을뿐만 아니라 빠른 시동 및 응답특성을 가지고 있으며, 기본적으로 수소가스와 산소의 화학적 반응에 의해서 전기를 생성하는 단위전지가 내장되어 있는 스택(stack)과, 메탄올, 에탄올 또는 천연가스와 같은 탄화수소계열의 수소함유연료를 개질하여 생성되는 수소가스를 상기 스택에 공급하는 개질기(reformer)와, 펌프작동에 의해서 수소함유연료를 상기 개질기에 공급하는 연료공급부와, 공기를 상기 스택에 공급하기 위한 공기 공급부를 갖는다.
한편, 수소가스를 얻기 위한 개질기의 사용없이 수소함유연료를 직접 발전에 이용하는 직접 메탄올형 연료전지(DMFC: direct methanol fuel cell)는 낮은 작동온도 및 빠른 응답특성 등의 장점뿐만 아니라 소형화의 장점에 의해서 연구개발되고 있다. 이러한 직접 메탄올형 연료전지는 수소가스와 산소의 전기화학반응을 통해서 전기를 생성하는 단위전지가 내장되어 있는 스택과, 펌프작동에 의해서 수소함유연료를 상기 스택에 공급하는 연료공급부와, 상기 스택에 공기를 공급하는 공기 공급부를 포함하고 있다.
종래의 고분자 전해질형 연료전지 또는 직접 메탄올형 연료전지에 있어서, 수소함유연료를 개질기 또는 스택에 원활하게 공급하기 위해서는 펌프가 작동되어 야 하며, 그 결과 펌프 작동에 의한 노이즈 및 진동 발생 그리고 소요전력이 큰 문제점으로 작용하였다. 또한, 공급되는 수소함유연료로부터 수소가스를 생성시키기 위한 개질효율이 낮다는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기된 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 연료펌프의 구동에 의한 노이즈 및 진동 발생을 방지하면서 소요전력을 절감할 수 있도록 수소함유연료를 개질기 또는 스택에 공급하는 방식을 연료펌프의 구동방식 대신에 분사방식으로 대체할 수 있도록 분사수단을 구비함과 동시에 수소함유연료로부터 수소가스를 얻기 위한 개질효율을 향상시킬 수 있도록 연료수용실의 내부에 개질촉매층이 피복되어 있는 분사노즐 조립체와 이를 구비한 연료전지 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면, 분사노즐 조립체는 수소함유연료가 수용되는 연료수용실을 한정하는 하우징과, 수소함유연료가 상기 연료수용실로 유입되도록 상기 하우징의 일단에 제공되는 유입구와, 상기 연료수용실에 저장된 수소함유연료가 유출되도록 상기 하우징의 타단에 제공되는 유출구를 갖고; 상기 연료수용실에는 분사수단이 내장되어 있고, 상기 하우징의 내부면에는 개질촉매층이 피복되어 있는 것을 특징으로 한다.
삭제
상기 분사수단은 진동판, 압전소자, 히터, 가열판으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 하나이다.
상기 하우징에는 상기 연료수용실에 저장된 수소함유연료를 가열하기 위한 가열수단이 제공된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 연료전지 시스템은 전기를 생성시키는 하나 이상의 단위전지가 내장되어 있는 스택과, 상기 스택에 공급하고자 하는 수소함유연료가 저장되어 있는 연료 저장부와, 상기 스택에 공기를 공급하기 위한 공기 공급부로 이루어지고; 상기 연료 저장부로부터 수소함유연료가 유입될 수 있도록 상기 스택의 일측에 제공된 유입부의 전방에는 분사노즐 조립체가 분리가능하게 제공되어 있고; 상기 분사노즐 조립체는 수소함유연료가 수용되는 연료수용실을 한정하는 하우징과, 수소함유연료를 상기 유입부 측으로 분사하도록 상기 하우징에 설치되는 분사수단을 갖고; 상기 하우징의 내부면에는 개질촉매층이 피복되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 연료전지 시스템은 전기를 생성시키는 하나 이상의 단위전지가 내장되어 있는 스택과, 수소함유연료를 개질하여 발생되는 수소가스를 상기 스택에 공급하는 개질기와, 상기 개질기에 공급하고자 하는 수소함유연료가 저장되어 있는 연료 저장부와, 상기 스택에 공기를 공급하기 위한 공기 공급부로 이루어지고; 상기 연료 저장부로부터 수소함유연료가 유입될 수 있도록 상기 개질기의 일측에 제공된 유입부의 전방에는 분사노즐 조립체가 분리가능하게 제공되어 있고; 상기 분사노즐 조립체는 수소함유연료가 수용되는 연료수용실을 한 정하는 하우징과, 수소함유연료를 상기 개질기의 유입부 측으로 분사하도록 상기 하우징에 설치되는 분사수단을 갖고; 상기 하우징의 내부면에는 개질촉매층이 피복되어 있는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하고, 동일하거나 유사한 구성요소는 설명의 간략화를 위해서 동일 도면번호를 부여한다.
이때, 본 발명을 설명함에 있어서 사용되는 용어, 예를 들어, 후속 공정에서 수소가스가 용이하게 생성될 수 있도록 수소함유연료를 예비처리하는 상태를 의미하는 '준개질화 상태'(quasi-reforming state)라는 용어는 설명의 편리성을 위하여 정의된 것이다. 따라서, 본 명세서에서 사용되는 용어는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있고 또한 본 발명의 기술적 구성요소를 한정하는 의미로 이해되어서는 아니될 것이다.
먼저, 본 발명에 따른 분사노즐 조립체(40)는 도 1에 도시된 바와 같이 수소함유연료가 수용되는 연료수용실(A)을 한정하는 하우징(42)을 갖고, 하우징(42)의 일단에는 수소함유연료가 외부로부터 연료수용실(A)로 유입되는 유입구(40a)가 형성되어 있고, 하우징(42)의 타단에는 연료수용실(A)로부터 수소함유연료가 유출되는 유출구(40b)가 형성된다.
연료수용실(A)에 수용되어 있는 수소함유연료를 유출구(40b)를 통해서 유출시키기 위하여 연료수용실(A)에는 분사수단이 제공된다. 이때, 상기 분사수단은 외부로부터 인가되는 전원에 의해서 진동하는 진동판(48; 도 1와 도 2 참조)으로 구성될 수 있다.
진동판(48)은 외부로부터 전원이 인가되면 예를 들어 점선으로 표시한 바와 같이 유출구(40b) 측으로 만곡하면서 연료수용실(A)에 수용되어 있는 수소함유연료를 유출구(40b) 측으로 밀어낸다. 이때, 유출구(40b)를 통해서 유출되는 수소함유연료의 유출량에 비례하는 수소함유연료량이 유입구(40a)를 통해서 연료수용실(A)로 유입된다. 그리고, 외부로부터의 전원이 차단되면 진동판(48)은 초기 상태로 복귀되며 이때 수소함유연료는 진동판(48) 주위에 형성되어 있는 우회유로(미도시)를 통해서 유동하여 연료수용실(A)에 수용된다.
상술된 바와 같은 전원의 인가/차단이 반복됨에 따라 진동판(48)은 진동하게 되며, 이와 연동하여 연료수용실(A)에 수용되어 있는 수소함유연료는 유출구(40b)를 통해서 단속적으로 유출된다.
바람직하게, 후속 공정에서 수소함유연료에 대한 수소가스로의 개질화 작업이 원활하게 수행될 수 있도록, 연료수용실(A)에 수용되어 있는 수소함유연료를 준개질화시키기 위하여 하우징(42)의 내부면에는 개질촉매층(44)이 피복된다. 따라서, 연료수용실(A)에 수용되어 있는 수소함유연료는 개질촉매층(44)에 의한 개질작용에 의해서 준개질화 상태로 전환된다. 그리고, 진동판(48)이 진동하게 되면, 하우징(42)의 유출구(40b)를 통해서 준개질화 상태로 전환된 수소함유연료, 즉 준개질화 연료가 유출되므로, 후속 공정에서 수소함유연료에 대한 개질화 작업을 원활하게 수행할 수 있게 된다.
더 바람직하게, 연료수용실(A)에서 개질촉매층(44)에 의한 개질작용이 원활하게 수행할 수 있도록 연료수용실(A)에 수용된 수소함유연료를 가열하기 위한 가열수단(46)이 하우징(42)에 제공된다. 가열수단(46)은 이에 한정되지는 않지만 예를 들어 하우징(42)을 둘러싸는 열선 등으로 구성될 수 있다. 따라서, 가열수단(46)의 가열작용에 의해서 연료수용실(A)에 수용된 수소함유연료는 가열되며, 이와 같이 가열된 수소함유연료는 개질촉매층(44)에 의한 개질작용에 의해서 상대적으로 용이하게 준개질화 상태로 전환된다.
한편, 도 4a 및 도 4b를 참조하면, 분사노즐 조립체(140)를 구성하는 분사수단은 외부로부터 전원이 인가되면 변형하는 압전소자(148; piezo actuator)로 구성될 수 있다. 압전소자(148)는 외부로부터 전원이 인가됨에 따라 변형하게 되며, 이와 연동하여 연료수용실(A)에서 개질촉매층(144)의 개질작용에 의해서 준개질화 상태로 전환된 수소함유연료는 유출구(140b)를 통해서 유출된다. 그리고, 유출구(140b)를 통한 수소함유연료의 유출량에 비례하여 유입구(140a)를 통해서 수소함유연료가 연료수용실(A)로 유입된다.
또한, 도 5a 및 도 5b를 참조하면, 분사노즐 조립체(240)를 구성하는 분사수단은 외부로부터 전원이 인가되면 가열되는 히터(248; heater)로 구성될 수 있다. 외부로부터 전원이 인가되면 히터(248)가 급속히 가열되며 이때 연료수용실(A)에 수용되어 있는 수소함유연료에는 기포(248a)가 발생하게 된다. 이러한 기포(248a)의 팽창력에 의해서 연료수용실(A)에서 개질촉매층(244)의 개질작용에 의해서 준개질화 상태로 전환된 수소함유연료는 유출구(240b)를 통해서 유출된다. 그리고, 유 출구(240b)를 통한 수소함유연료의 유출량에 비례하여 유입구(240a)를 통해서 수소함유연료가 연료수용실(A)로 유입된다.
또 한편, 도 6a 내지 도 6c를 참조하면, 분사노즐 조립체(340)를 구성하고 있는 분사수단은 외부로부터 전원이 인가되면 가열되는 가열판(348; heating plate)으로 구성될 수 있다. 외부로부터 전원이 인가되어 가열판(348)이 가열되면 수소함유연료가 팽창하면서 공기방울(348a 또는 348b)이 생긴다. 그리고, 생성되는 공기방울(348a 또는 348b)의 부피만큼 수소함유연료는 유출구(340b)를 통해서 유출된다. 이때, 수소함유연료는 개질촉매층(344)의 개질작용에 의해서 준개질화 상태로 전환되어 유출된다. 그리고, 전원이 차단되어 가열판(348)이 냉각되면 줄어드는 부피만큼 수소함유연료가 보충된다.
본 발명에 따르면, 상술된 분사노즐 조립체(40, 140, 240 또는 340)가 설치되는 연료전지 시스템은 에탄올, 메탄올 또는 천연가스와 같은 탄화수소계열의 수소함유연료를 직접 스택에 공급하여 전기를 발생시키는 직접 메탄올형 연료전지(DMFC) 또는 개질기에서 수소함유연료를 개질하여 얻어지는 수소가스를 스택에 공급하여 전기를 발생시키는 고분자 전해질형 연료전지에 적용될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 직접 메탄올형 연료전지는 도 2에 도시된 바와 같이 적어도 하나의 단위전지를 구비한 스택(10)과, 스택(10)에 공급하고자 하는 수소함유연료가 저장되어 있는 연료 저장부(20)와, 스택(10)에 공기를 강제로 공급 하기 위한 공기 공급부(30)를 갖는다.
도 2를 참조하면, 스택(10)에는 고분자막(14a)과 고분자막(14a)의 양측에 제공된 전극(14b, 14c)으로 이루어진 전극막 조립체(14)(MEA; Membrane Electrode Assembly)와, 전극막 조립체(14)의 양측에 각각 대면하는 상태로 설치되어 수소가스와 산소가스를 공급하는 분리판으로 구성된 단위전지가 복수개 제공된다. 상기 분리판은 이에 한정되지는 않지만 인접하는 전극막 조립체(14) 사이에 개재되어 일면에는 수소가스를 공급하는 유로가 형성되어 있고 타면에는 산소가스를 공급하는 유로가 형성되어 있는 바이폴라 플레이트(16)로 이루어질 수 있다.
전극막 조립체(14)에 있어서, 전극은 카본종이와 같은 다공성 지지체 위에 촉매물질을 도포시킴으로써 제조되며, 수소함유연료에 함유된 수소가스를 산화시켜 수소이온(H+)과 전자(e-)를 발생시키는 애노드 전극(14b)과, 산소환원반응을 통해서 물을 생성시키는 캐소드 전극(14c)으로 구분된다. 즉, 애노드 전극(14b)은 바이폴라 플레이트(16)의 일면에 대면한 상태로 제공되어 상기 일면에 형성된 유로를 통해 공급되는 수소가스를 산화반응에 의해 수소이온과 전자로 변환시키는 촉매층과, 전자와 수소이온을 원활하게 이동시키는 기체 확산층(GDL; gas diffustion layer)으로 구성된다. 유사하게, 캐소드 전극(14c)은 바이폴라 플레이트(16)의 타면에 대면한 상태로 제공되어 상기 타면에 형성된 유로를 통해 공급되는 공기 중의 산소를 산소이온과 전자로 변환시키는 촉매층과, 생성된 산소이온과 전자를 원활하게 이동시키기 위한 기체 확산층으로 구성된다.
그리고, 고분자막(14a)은 애노드 전극(14b)의 촉매층에서 발생된 수소이온을 캐소드 전극(14c)의 촉매층에 전달하는 이온교환의 기능과 함께 수소함유연료의 투과를 방지하는 기능을 갖는 전도성 고분자 전해질막으로서 약 50~200㎛ 정도의 두께를 갖는다. 이러한 고분자막(14a)으로서는 예를 들어 퍼플루오로셀포네이트 수지(Nafion)로 제조된 과불화불소산 수지막, 다공성 폴리테트라플루오로에틸렌 박막 지지체에 과불화설폰산(perfluorinated sulfonic acid) 등의 수지용액이 코팅되어 있는 막, 다공성의 비전도성 고분자 지지체에 양이온 교환수지 및 무기 실리케이트가 피복되어 있는 막 등이 사용된다.
애노드 전극(14b)과 캐소드 전극(14c) 각각의 일측면에는 수소함유연료와 산소를 각각 공급하기 위한 바이폴라 플레이트(16)가 대면한 상태로 제공된다. 애노드 전극(14b)에 대면하는 바이폴라 플레이트(16)의 일면에는 수소함유연료가 유입되고 유동하는 연료유입부와 연료유로채널이 형성되는 반면에 캐소드 전극(14c)에 대면하는 바이폴라 플레이트(16)의 타면에는 공기중의 산소가 유입되고 유동하는 산소유입부와 산소유로채널이 형성된다.
한편, 스택(10)의 최외측에는 엔드 플레이트(12a, 12b)가 제공된다. 애노드 전극(14b)과 캐소드 전극(14c) 각각에 대면하는 엔드 플레이트(12a, 12b) 각각의 접촉면에는 수소함유연료와 산소가 각각 유동할 수 있는 연료유로채널과 산소유로채널이 각각 형성된다. 애노드 전극(14b)에 대면하는 엔드 플레이트(12a)의 외측면에는 이에 한정되지는 않지만 수소함유연료가 유입되는 제1유입부(10a)와, 스택(10) 내부의 단위전지에서의 화학반응결과 생성되는 D.C 전기를 외부로 급전하기 위한 출력단자(10c)가 제공된다. 캐소드 전극(14c)에 대면하는 엔드 플레이트(12b)의 외측면에는 공기가 유입되는 제2유입부(10b)와, 이산화탄소(CO2) 및 물(H2O)을 각각 외부로 배출하기 위한 배출부(10d)가 제공된다.
스택(10) 내부에 있어서, 하나의 단위전지를 구성하는 바이폴라 플레이트의 일면에 형성된 연료유입부는 다른 단위전지를 구성하는 바이폴라 플레이트의 일면에 형성된 연료유입부와 연료소통이 가능하게 연결된다. 유사하게, 하나의 단위전지를 구성하는 바이폴라 플레이트의 타면에 형성된 산소유입부는 다른 단위전지를 구성하는 바이폴라 플레이트의 타면에 형성된 산소유입부와 산소의 소통이 가능하게 연결된다. 또한, 엔드 플레이트(12a, 12b) 각각에 형성된 제1유입부(10a)와 제2유입부(10b)는 인접하는 단위전지를 구성하는 바이폴라 플레이트의 일면에 형성된 연료유입부와 바이폴라 플레이트의 타면에 형성된 산소유입부와 연료소통 및 산소소통이 가능하게 각각 연결된다.
미설명 도면번호 20은 에탄올, 메탄올, 천연가스와 같은 탄화수소계열의 수소함유연료가 저장되어 있는 연료 저장부이고, 도면번호 30은 공기를 스택(10)에 강제적으로 공급하기 위한 펌프를 포함하는 공기 공급부이다.
그리고, 직접 메탄올형 연료전지는 제1엔드 플레이트(12a)에 제공된 제1유입부(10a)의 전방에 분리가능하게 설치되어 연료저장부(20)에 저장되어 있는 수소함유연료를 분사방식으로 공급하기 위한 분사노즐 조립체(40, 140, 240 또는 340)를 더 포함하고, 분사노즐 조립체(40, 140, 240 또는 340)의 내부에는 이에 한정되지 는 않지만 하기에 설명되는 바와 같은 분사수단(48, 148, 248 또는 348)이 설치된다.
도 3을 참조하면, 분사노즐 조립체(40)는 연료저장부(20; 도 2 참조)에 연료소통이 가능하게 연결되는 유입구(40a)가 일단에 제공되어 있고, 유입구(40a)를 통해서 연료저장부(20)로부터 공급되는 수소함유연료가 수용되는 연료수용실(A)을 한정하는 하우징(42)을 갖는다. 하우징(42)의 내부면에는 연료수용실(A)에 수용되어 있는 수소함유연료를 준개질화 상태로 전환시키기 위한 개질촉매층(44)이 피복되어 있다. 또한 하우징(42)에는 연료수용실(A)에 수용되어 있는 수소함유연료를 가열하기 위한 가열수단(46)이 설치된다. 그리고, 연료수용실(A)에는 외부로부터 인가되는 전원에 의해서 진동하는 진동판(48)이 분사수단으로서 제공되어 있고, 이의 대향면에는 제1엔드 플레이트(12a)의 제1유입부(10a)를 향해서 수소함유연료를 유출시키는 유출구(40b)가 형성되어 있다.
따라서, 제어부(미도시)로부터 진동판(48)에 전기신호를 보내면, 진동판(48)이 진동을 하게 되고, 이러한 진동에 의해서 연료수용실(A)에 수용되어 있는 수소함유연료는 유출구(40b)를 통해서 스택(10)의 제1유입부(10a) 측으로 유출되어 스택(10) 내부에 공급된다. 그리고, 수소함유연료가 유출되면, 그 유출량에 비례해서 수소함유연료가 모세현상과 관성법칙 등에 의해서 연료 저장부(20)로부터 연료수용실(A)에 보충된다.
이때, 개질촉매층(44)에 의한 준개질 작용에 의해서 준개질화 상태로 유지되어 있는 수소함유연료가 스택(10) 내부에 공급되므로, 스택(10)에서 수소함유연료 에 대한 개질화 작업이 원활하게 수행될 수 있다. 또한, 상기 제어부로부터 가열수단(46)에 전원이 인가되어 연료수용실(A)에 수용되어 있는 수소함유연료가 가열되면 개질촉매층(44)에 의한 준개질화 작용은 더욱 수월하게 수행된다.
도 4a와 도 4b를 참조하면, 스택(10)의 제1유입부(10a)의 전방에 설치되는 분사노즐 조립체(140)는 연료저장부(20; 도 2 참조)에 연료소통이 가능하게 연결되는 유입구(140a)가 일단에 제공되어 있고, 유입구(40a)를 통해서 연료저장부(20)로부터 유입되는 수소함유연료가 수용되는 연료수용실(A)을 한정하는 하우징(142)을 갖는다. 하우징(142)의 내부면에는 연료수용실(A)에 수용되어 있는 수소함유연료를 준개질화 상태로 전환시키기 위한 개질촉매층(144)이 피복되어 있다. 또한 하우징(142)에는 연료수용실(A)에 수용되어 있는 수소함유연료를 가열하기 위한 가열수단(146)이 설치된다. 그리고, 하우징(142)의 일면에는 압전소자(148; piezo actuator)가 분사수단으로서 제공되어 있고, 이의 대향면에는 제1엔드 플레이트(12a)의 제1유입부(10a)를 향해서 수소함유연료를 유출시키는 유출구(140b)가 형성되어 있다.
따라서, 제어부(미도시)로부터 압전소자(148)에 전기신호를 보내면, 압전소자(148)가 변형하게 되고, 이러한 변형에 의해서 연료수용실(A)에 수용되어 있는 수소함유연료는 유출구(140b)를 통해서 유출된 후 스택(10)의 제1유입부(10a)를 경유해서 스택 내부에 공급된다. 그리고, 수소함유연료가 유출되면, 유출량에 비례해서 수소함유연료가 모세현상과 관성법칙 등에 의해서 연료 저장부(20)로부터 연료수용실(A)에 보충된다.
이때, 개질촉매층(144)에 의한 준개질 작용에 의해서 준개질화 상태로 유지되어 있는 수소함유연료가 스택(10) 내부에 공급되므로, 스택(10)에서 수소함유연료에 대한 개질화 작업이 원활하게 수행될 수 있다. 또한, 상기 제어부로부터 가열수단(146)에 전원이 인가되어 연료수용실(A)에 수용되어 있는 수소함유연료가 가열되면 개질촉매층(144)에 의한 준개질화 작용은 더욱 수월하게 수행된다.
상술된 바와 같이 압전소자를 이용한 분사방식은 전류제어로 액체연료의 분사량을 정밀하게 제어할 수 있다는 장점이 있다. 또한 유출구(40b)를 통한 수소함유연료의 방울이 부풀어 오를때 압전소자(148)의 전류를 제어하는 시간을 조절하면 밀려나가는 수소함유연료의 방울크기를 조절할 수 있다.
도 5a 및 도 5b를 참조하면, 스택(10)의 제1유입부(10a)의 전방에 설치되어 있는 분사노즐 조립체(240)는 연료저장부(20; 도 2 참조)에 연료소통이 가능하게 연결되는 유입구(240a)가 일단에 제공되어 있고, 유입구(240a)를 통해서 연료저장부(20; 도 2 참조)로부터 공급되는 수소함유연료가 수용되는 연료수용실(A)을 한정하는 하우징(242)을 갖는다. 하우징(242)의 내부면에는 연료수용실(A)에 수용되어 있는 수소함유연료를 준개질화 상태로 전환시키기 위한 개질촉매층(244)이 피복되어 있다. 그리고, 하우징(242)의 일면에는 히터(248)가 분사수단으로서 제공되어 있고 이의 대향면에는 제1유입부(10a)를 향해서 수소함유연료를 유출시키는 유출구(240b)가 형성되어 있다.
따라서, 제어부(미도시)로부터 히터(248)에 전기신호를 가해지면, 히터(248)가 급속히 가열되어 연료수용실(A) 내의 수소함유연료에 기포(248a)가 발생하게 된 다. 이러한 기포(248a)의 팽창력에 의해서 수소함유연료는 유출구(240b)를 통해서 유출된다. 이와 같이 분사되는 액체연료는 스택(10)의 제1유입부(10a)를 경유해서 스택 내부에 공급된다. 그리고, 수소함유연료가 유출된 후에 기포가 수축되면 수소함유연료의 유출량에 비례해서 연료저장부(20)로부터 수소함유연료는 유입구(240a)을 통해서 연료수용실(A)에 보충된다.
이때, 개질촉매층(144)에 의한 준개질 작용에 의해서 준개질화 상태로 유지되어 있는 수소함유연료가 스택(10) 내부에 공급되므로, 스택(10)에서 수소함유연료에 대한 개질화 작업이 원활하게 수행될 수 있다. 특히, 상기 제어부로부터 인가되는 전원에 의해서 히터(248)가 가열되어 연료수용실(A)에 수용되어 있는 수소함유연료를 가열하게 되므로 개질촉매층(144)에 의한 준개질화 작용은 더욱 수월하게 수행될 수 있다.
도 6a 내지 도 6c를 참조하면, 스택(10)의 제1유입부(10a)의 전방에 설치되어 있는 분사노즐 조립체(340)는 연료수용실이 별도로 제공되어 있지 않고 연료저장부(20; 도 2 참조)와 스택(10)의 제1유입부(10a)를 연결하는 연결관(342) 내부에 설치되어서 분사수단으로서 작용하는 가열판(348)을 갖는다. 연결관(342)의 내부면에는 수소함유연료를 준개질화 상태로 전환시키기 위한 개질촉매층(344)이 피복되어 있다. 따라서, 제어부(미도시)로부터 가열판(348)에 전기신호를 가해져서 가열판(348)이 가열되면 수소함유연료가 팽창하면서 공기방울(348a 또는 348b)이 생긴다. 그리고, 생성되는 공기방울(348a 또는 348b)의 부피만큼 수소함유연료는 유출구(340b)를 통해서 제1유입부(10a) 측으로 유출된다. 수소함유연료가 유출된 후 에 전류공급을 차단하여 가열판(348)이 냉각되면서 줄어드는 공간만큼 연료 저장부(20)로부터 수소함유연료는 연결관(342) 내부에 보충된다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 직접 메탄올형 연료전지의 작동에 대하여 설명한다.
하나 이상의 단위전지가 설치되어 있는 스택(10)의 제1유입부(10a) 전방에 본 발명에 따른 분사노즐 조립체(40)가 분리가능하게 설치되어 있고, 분사노즐 조립체(40)는 수소함유연료가 저장되어 있는 연료 저장부(20)에 연료소통이 가능하게 연결된다. 이때, 분사노즐 조립체(40)의 내부에는 상술된 바와 같이 진동판(48), 압전소자(148), 히터(248) 또는 가열판(348)과 같은 분사수단이 설치된다. 스택(10)의 제2유입부(10b)에는 공기소통이 가능하게 펌프(30)에 연결된다.
분사수단(48, 148, 248 또는 348)의 작동에 의해서 연료수용실(A)에 수용되어 있는 수소함유연료는 분사노즐 조립체(40)의 유출구(40b, 140b, 240b 또는 340b)를 통해서 스택(10)의 제1유입부(10a)로 유입된다. 제1유입부(10a)로 유입되는 수소함유연료는 분사노즐 조립체(40)에 제공되어 있는 개질촉매층(44, 144, 244 또는 344)의 준개질화 작용에 의해서 준개질화 상태로 유지된다.
준개질화 상태로 유지된 수소함유연료는 제1엔드 플레이트(12a)에 형성된 연료유로채널뿐만 아니라 바이폴라 플레이트(16)의 일면에 제공된 연료유입부(미도시)와 연료유로채널(미도시)을 통해서 전극막 조립체(14)의 애노드 전극(14b)에 공급된다. 이 후에, 애노드 전극(14b)의 촉매층에서 수소함유연료에 함유된 수소는 하기 식 1의 산화반응을 통하여 수소이온(프로톤)과 전자로 용이하게 변환된다.
H2(g) → 2H+ + 2e- ‥‥‥‥ (1)
한편, 펌프(30)의 작동에 의해서 스택(10)의 제2유입부(10b) 측으로 유입된 공기중의 산소는 제2엔드 플레이트(12b)에 형성된 산소유로채널뿐만 아니라 바이폴라 플레이트(16)의 타면에 제공된 산소유입부(미도시)와 산소유로채널(미도시)을 통해서 전극막 조립체(14)의 캐소드 전극(14c)에 공급된다. 이 후에, 캐소드 전극(14c)의 촉매층에서 산소는 산소이온과 전자로 변환된다.
애노드 전극(14b)에서 생성된 수소이온은 고분자막(14a)을 통해서 캐소드 전극(14c)으로 이동한 후에, 캐소드 전극(14c)에서 생성된 산소이온 및 전자와 하기 식 2의 산소환원반응을 통하여 물을 생성하게 된다.
2H+ + (1/2)O2(g) + 2e- → H2O(g)
이와 같이 생성되는 물은 스택(10) 내부에서 생성되는 이산화탄소 등과 함께 제2엔드 플레이트(12b)에 제공된 배출부(10d)를 통해서 외부로 배출된다. 그리고, 애노드 전극(14b)에서 생성된 전자는 집전체(미도시)를 통하여 집전된 후에 제1엔드 플레이트(12a)에 제공된 출력단자(10c)를 통해서 외부 회로로 출력된다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 고분자 전해질형 연료전지는 도 7에 도시된 바와 같이 수소가스와 산소의 화학반응에 의해서 전기를 생성하는 단위전지를 구비한 스택(10)과, 수소함유연료를 개질하여 생성되는 수소가스를 스택(10)에 공급하는 개질기(50)와, 개질기(50)에 공급하고자 하는 수소함유연료가 저장되어 있는 연료 저장부(20)와, 스택(10)에 공기를 강제로 공급하기 위한 공기 공급부(30)를 갖는다.
도 8를 참조하면, 스택(10)에는 고분자막(14a) 및 고분자막(14a)의 양측에 제공된 전극(14b, 14c)으로 이루어진 전극막 조립체(14)(MEA; Membrane Electrode Assembly)와, 전극막 조립체(14)의 양측에 각각 대면하는 상태로 설치되어 수소가스와 산소를 공급하는 분리판으로 구성된 단위전지가 복수개 제공되어 있으며, 이들에 대한 상세한 설명은 상술된 직접 메탄올형 연료전지의 설명과 중복되므로 이를 생략한다.
스택(10)의 전방에 설치된 개질기(50)는 메탄올, 에탄올 또는 천연가스와 같은 탄화수소 계열의 수소함유연료를 개질반응에 의해 수소가스를 발생시키고 또한 부산물로서 생성되는 일산화탄소와 같은 유해물질을 제거하는 통상적인 구조를 가진다. 즉, 개질기(50)는 수소함유연료를 개질하는 개질부와, 상기 개질부에서 발생되는 일산화탄소를 제거하는 일산화탄소 제거부(미도시)를 포함한다.
개질기(50)의 개질부는 수증기 개질, 부분산화, 자열 반응 등의 촉매반응을 통해 수소함유연료를 수소가스로 전환시키는 부분으로서, 수소함유연료가 유입되는 유입구와 수소함유연료의 개질결과 생성되는 수소가스를 스택(10)으로 유출시키는 유출구를 갖고, 상기 유입구와 유출구 사이에는 수소함유연료가 유동하면서 기화하고 개질되는 유로(50a)가 형성된다. 상기 일산화탄소 제거부는 유로(50a)에서 생 성되는 수소가스로부터 수성가스 전환방식과 선택적 산화방식과 같은 촉매반응 또는 분리막을 이용한 수소의 정제 등과 같은 방식에 의하여 일산화탄소를 제거하는 부분이다.
이때, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 고분자 전해질형 연료전지는 개질기(50) 유입구의 전방에 분리가능하게 설치되어 연료저장부(20)에 저장되어 있는 수소함유연료를 분사방식으로 공급하기 위한 분사노즐 조립체(40, 140, 240 또는 340)를 더 포함하고, 분사노즐 조립체(40, 140, 240 또는 340)의 내부에는 이에 한정되지는 않지만 하기에 설명되는 바와 같은 분사수단(48, 148, 248 또는 348)이 설치된다.
도 8을 참조하면, 분사노즐 조립체(40)는 연료저장부(20; 도 7 참조)에 연료소통이 가능하게 연결되는 유입구(40a)가 일단에 제공되어 있고, 유입구(40a)를 통해서 연료저장부(20)로부터 공급되는 수소함유연료가 수용되는 연료수용실(A)을 한정하는 하우징(42)을 갖는다. 하우징(42)의 내부면에는 연료수용실(A)에 수용되어 있는 수소함유연료를 준개질화 상태로 전환시키기 위한 개질촉매층(44)이 피복되어 있다. 또한 하우징(42)에는 연료수용실(A)에 수용되어 있는 수소함유연료를 가열하기 위한 가열수단(46)이 설치된다. 그리고, 연료수용실(A)에는 외부로부터 인가되는 전원에 의해서 진동하는 진동판(48)이 분사수단으로서 제공되어 있고, 이의 대향면에는 개질기(50)의 유입구를 향해서 수소함유연료를 유출시키는 유출구(40b)가 형성되어 있다.
따라서, 제어부(미도시)로부터 진동판(48)에 전기신호를 보내면, 진동판(48) 이 진동을 하게 되고, 이러한 진동에 의해서 연료수용실(A)에 수용되어 있는 수소함유연료는 유출구(40b)를 통해서 개질기(50)의 유입구 측으로 유출되어 개질기(50)의 내부에 공급된다. 그리고, 수소함유연료가 유출되면, 그 유출량에 비례해서 수소함유연료가 모세현상과 관성법칙 등에 의해서 연료 저장부(20)로부터 연료수용실(A)에 보충된다.
이때, 개질기(50)의 내부에 공급된 수소함유연료는 개질촉매층(44)에 의한 준개질 작용에 의해서 준개질화 상태로 유지되어 있으므로 개질기(50)의 유로(50a)를 따라서 흐르는 동안 보다 수월하게 수소가스로 개질될 수 있다. 개질기(50)에서 생성된 수소가스는 개질기(50)의 유출구를 통해서 스택(10)으로 유출된다. 또한, 상기 제어부로부터 가열수단(46)에 전원이 인가되어 연료수용실(A)에 수용되어 있는 수소함유연료가 가열되면 개질촉매층(44)에 의한 준개질화 작용은 더욱 수월하게 수행된다.
도 9a와 도 9b를 참조하면, 분사노즐 조립체(140)는 연료저장부(20; 도 7 참조)에 연료소통이 가능하게 연결되는 유입구(140a)가 일단에 제공되어 있고, 유입구(140a)를 통해서 연료저장부(20)로부터 공급되는 수소함유연료가 수용되는 연료수용실(A)을 한정하는 하우징(142)을 갖는다. 하우징(142)의 내부면에는 연료수용실(A)에 수용되어 있는 수소함유연료를 준개질화 상태로 전환시키기 위한 개질촉매층(144)이 피복되어 있다. 또한, 하우징(142)에는 연료수용실(A)에 수용되어 있는 수소함유연료를 가열하기 위한 가열수단(146)이 설치된다. 그리고, 하우징(142)의 일면에는 압전소자(148)가 분사수단으로서 제공되어 있고, 이의 대향면에는 개질기 (50)의 유입구를 향해서 수소함유연료를 유출시키는 유출구(140b)가 형성되어 있다.
따라서, 제어부(미도시)로부터 압전소자(148)에 전기신호를 보내면, 압전소자(148)가 변형하게 되고, 이러한 변형에 의해서 연료저장실(A)에 저장되어 있는 수소함유연료는 유출구(140b)를 통해서 유출된 후 개질기(50)의 유입구를 경유해서 개질기(50)의 내부에 공급된다. 그리고, 수소함유연료가 유출되면, 유출량에 비례해서 수소함유연료가 모세현상과 관성법칙 등에 의해서 연료 저장부(20)로부터 연료수용실(A)에 보충된다.
이때, 개질촉매층(144)에 의한 준개질 작용에 의해서 준개질화 상태로 유지되어 있는 수소함유연료가 개질기(50)의 내부에 공급되므로, 개질기(50)의 유로(50a)를 따라서 유동하고 있는 수소함유연료에 대한 개질화 작업이 원활하게 수행될 수 있다. 또한, 상기 제어부로부터 가열수단(146)에 전원이 인가되어 연료수용실(A)에 수용되어 있는 수소함유연료가 가열되면 개질촉매층(144)에 의한 준개질화 작용은 더욱 수월하게 수행된다. 수소함유원료가 개질기(50)의 유로(50a)를 따라서 흐르는 동안 개질됨으로써 생성되는 수소가스는 개질기(50)의 유출구를 통해서 스택(10)으로 유출된다.
도 10a 및 도 10b를 참조하면, 개질기(50)의 유입구의 전방에 설치되어 있는 분사노즐 조립체(240)는 연료저장부(20; 도 7 참조)에 연료소통이 가능하게 연결되는 유입구(240a)가 일단에 제공되어 있고, 유입구(240a)를 통해서 연료저장부(20)로부터 공급되는 수소함유연료가 수용되는 연료수용실(A)을 한정하는 하우징(242) 을 갖는다. 하우징(242)의 내부면에는 연료수용실(A)에 수용되어 있는 수소함유연료를 준개질화 상태로 전환시키기 위한 개질촉매층(244)이 피복되어 있다. 그리고, 하우징(242)의 일면에는 히터(248)가 분사수단으로서 제공되어 있고 이의 대향면에는 개질기(50)의 유입구를 향해서 수소함유연료를 유출시키는 유출구(240b)가 형성되어 있다.
따라서, 제어부(미도시)로부터 히터(248)에 전기신호를 가해지면, 히터(248)가 급속히 가열되어 연료수용실(A) 내의 수소함유연료에 기포(248a)가 발생하게 된다. 이러한 기포(248a)의 팽창력에 의해서 수소함유연료는 유출구(240b)를 통해서 유출된다. 이와 같이 분사되는 액체연료는 개질기(50)의 유입구를 경유해서 개질기(50)의 내부에 공급된다. 그리고, 수소함유연료가 유출된 후에 기포가 수축되면 수소함유연료의 유출량에 비례해서 연료저장부(20)로부터 수소함유연료는 유입구(240a)을 통해서 연료수용실(A)에 보충된다.
이때, 개질기(50)의 내부에 공급되는 수소함유연료는 개질촉매층(144)에 의한 준개질화 작용에 의해서 준개질화 상태로 유지되어 있으므로, 개질기(50)의 유로(50a)를 따라서 흐르는 동안 수소함유연료에 대한 개질화 작업이 원활하게 수행될 수 있고, 이때 생성되는 수소가스는 개질기(50)의 유출구를 통해서 스택(10)으로 유출된다. 특히, 상기 제어부로부터 인가되는 전원에 의해서 히터(248)가 가열되어 연료수용실(A)에 수용되어 있는 수소함유연료를 가열하게 되므로 개질촉매층(144)에 의한 준개질화 작용은 더욱 수월하게 수행될 수 있다.
도 11a 내지 도 11c를 참조하면, 개질기(50)의 유입구의 전방에 설치되어 있 는 분사노즐 조립체(340)는 연료수용실이 별도로 제공되어 있지 않고 연료저장부(20; 도 7 참조)와 개질기(50)의 유입구를 연결하는 연결관(342) 내부에 설치되어서 분사수단으로서 작용하는 가열판(348)을 갖는다. 연결관(342)의 내부면에는 수소함유연료를 준개질화 상태로 전환시키기 위한 개질촉매층(344)이 피복되어 있다. 따라서, 제어부(미도시)로부터 가열판(348)에 전기신호를 가해져서 가열판(348)이 가열되면 수소함유연료가 팽창하면서 공기방울(348a 또는 348b)이 생긴다. 그리고, 생성되는 공기방울(348a 또는 348b)의 부피만큼 수소함유연료는 유출구(340b)를 통해서 개질기(50)의 유입구 측으로 유출된다. 수소함유연료가 유출된 후에 전류공급을 차단하여 가열판(348)이 냉각되면서 줄어드는 공간만큼 연료 저장부(20)로부터 수소함유연료는 연결관(342) 내부에 보충된다.
수소함유원료가 개질기(50)의 유로(50a)를 따라서 흐르는 동안 개질됨으로써 생성되는 수소가스는 개질기(50)의 유출구를 통해서 스택(10)으로 유출된다.
이하, 본 발명의 다른 실시예에 따른 고분자 전해질형 연료전지의 작동에 대하여 설명한다.
수소가스와 산소의 화학반응을 이용하여 전기를 생성하는 하나 이상의 단위전지가 설치되어 있는 스택(10)에 수소가스를 공급하기 위한 개질기(50)의 유입구 전방에 본 발명에 따른 분사노즐 조립체(40, 140, 240 또는 340)가 설치되어 있고, 분사노즐 조립체(40, 140, 240 또는 340)는 수소함유연료가 저장되어 있는 연료 저장부(20)에 연료소통이 가능하도록 분리가능하게 연결된다. 이때, 분사노즐 조립 체(40, 140, 240 또는 340)의 내부에는 상술된 바와 같이 진동판(48), 압전소자(148), 히터(248) 또는 가열판(348)과 같은 분사수단이 설치된다.
그리고, 스택(10)의 제2유입부(10b)에는 공기소통이 가능하게 공기 공급부(30)에 연결된다.
따라서, 분사수단(48, 148, 248 또는 348)의 작동에 의해서 연료수용실(A)에 수용되어 있는 수소함유연료는 분사노즐 조립체(40, 140, 240 또는 340)의 유출구(40b, 140b, 240b 또는 340b)를 통해서 개질기(50)의 유입구로 유입된다. 수소함유연료는 분사노즐 조립체(40)에 제공되어 있는 개질촉매층(44, 144, 244 또는 344)의 준개질화 작용에 의해서 준개질화 상태로 유지되어 개질기(50)의 유입구로 유입된다.
준개질화 상태로 유지된 수소함유연료는 개질기(50)의 유로(50a)를 유동하면서 기화 및 개질되어 수소가스로 용이하게 전환된다. 이러한 수소가스는 개질기(50)의 유출구를 통해서 스택(10)의 제1유입구(10a)로 유입된다.
제1유입부(10a)로 유입된 수소가스는 제1엔드 플레이트(12a)에 형성된 수소가스 유로채널뿐만 아니라 바이폴라 플레이트(16)의 일면에 제공된 수소가스 유입부(미도시)와 수소가스 유로채널(미도시)을 통해서 전극막 조립체(14)의 애노드 전극(14b)에 공급된다. 이 후에, 애노드 전극(14b)의 촉매층에서 수소가스는 하기 식 1의 산화반응을 통하여 수소이온(프로톤)과 전자로 변환된다.
H2(g) → 2H+ + 2e- ‥‥‥‥ (1)
한편, 펌프(30)의 작동에 의해서 스택(10)의 제2유입부(10b) 측으로 유입된 공기중의 산소는 제2엔드 플레이트(12b)에 형성된 산소유로채널뿐만 아니라 바이폴라 플레이트(16)의 타면에 제공된 산소유입부(미도시)와 산소유로채널(미도시)을 통해서 전극막 조립체(14)의 캐소드 전극(14c)에 공급된다. 이 후에, 캐소드 전극(14c)의 촉매층에서 산소는 산소이온과 전자로 변환된다.
애노드 전극(14b)에서 생성된 수소이온은 고분자막(14a)을 통해서 캐소드 전극(14c)으로 이동한 후에, 캐소드 전극(14c)에서 생성된 산소이온 및 전자와 하기 식 2의 산소환원반응을 통하여 물을 생성하게 된다.
2H+ + (1/2)O2(g) + 2e- → H2O(g)
이와 같이 생성되는 물은 스택(10) 내부에서 생성되는 이산화탄소 등과 함께 제2엔드 플레이트(12b)에 제공된 배출부(10d)를 통해서 외부로 배출된다. 그리고, 애노드 전극(14b)에서 생성된 전자는 집전체(미도시)를 통하여 집전된 후에 제1엔드 플레이트(12a)에 제공된 출력단자(10c)를 통해서 외부 회로로 출력된다.
상기 내용은 본 발명의 바람직한 실시예를 단지 예시한 것으로 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 첨부된 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 요지로부터 벗어나지 않고 본 발명에 대한 수정 및 변경을 가할 수 있다는 것을 인식하여야 한다.
본 발명에 따르면, 연료펌프의 구동에 의한 노이즈 및 진동 발생을 방지하면서 소요전력을 절감할 수 있도록 수소함유연료를 개질기 또는 스택에 공급하는 방식을 연료펌프의 구동방식 대신에 분사방식으로 대체할 수 있도록 분사수단을 구비함과 동시에 수소함유연료로부터 수소가스를 얻기 위한 개질효율을 향상시킬 수 있도록 연료수용실의 내부에 개질촉매층이 피복되어 있는 분사노즐 조립체와 이를 구비한 연료전지 시스템을 제공할 수 있다.
Claims (25)
- 수소함유연료가 수용되는 연료수용실을 한정하는 하우징;수소함유연료가 상기 연료수용실로 유입되도록 상기 하우징의 일단에 제공되는 유입구;상기 연료수용실에 저장된 수소함유연료가 유출되도록 상기 하우징의 타단에 제공되는 유출구;상기 연료수용실에 설치된 분사수단으로 이루어지고,상기 하우징의 내부면에 피복되어 있는 개질촉매층을 더 포함하는 것을 특징으로 분사노즐 조립체.
- 삭제
- 제1항에 있어서,상기 분사수단은 외부에서 인가되는 전원에 의해서 진동하는 진동판인 것을 특징으로 하는 분사노즐 조립체.
- 제1항에 있어서,상기 분사수단은 외부에서 인가되는 전원에 의해서 변형되는 압전소자인 것 을 특징으로 하는 분사노즐 조립체.
- 제1항에 있어서,상기 분사수단은 상기 수소함유연료에 기포를 발생시키는 히터인 것을 특징으로 하는 분사노즐 조립체.
- 제1항에 있어서,상기 하우징은 연결관으로 구성되고, 상기 분사수단은 상기 연결관 내부의 수소함유연료에 공기방울을 생성시키는 가열판인 것을 특징으로 하는 분사노즐 조립체.
- 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,상기 수소함유연료는 에탄올, 메탄올 또는 천연가스로 이루어지는 탄화수소계열의 연료인 것을 특징으로 하는 분사노즐 조립체.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,상기 하우징에 제공된 가열수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 분사노즐 조립체.
- 제8항에 있어서,상기 가열수단은 열선인 것을 특징으로 하는 분사노즐 조립체.
- 전기를 생성시키는 하나 이상의 단위전지가 내장되어 있는 스택;상기 스택에 공급하고자 하는 수소함유연료가 저장되어 있는 연료 저장부;상기 스택에 공기를 공급하기 위한 공기 공급부;상기 스택의 일측에 제공된 유입부의 전방에 분리가능하게 제공된 분사노즐 조립체를 포함하여 이루어지며,상기 분사노즐 조립체는 수소함유연료가 수용되는 연료수용실을 한정하는 하우징과 상기 하우징에 설치되는 분사수단을 포함하여 이루어지고,상기 분사노즐 조립체는 상기 하우징의 내부면에 피복되어 있는 개질촉매층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
- 삭제
- 제10항에 있어서,상기 분사수단은 외부에서 인가되는 전원에 의해서 진동하는 진동판인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
- 제10항에 있어서,상기 분사수단은 외부에서 인가되는 전원에 의해서 변형되는 압전소자인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
- 제10항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,상기 하우징에 제공된 가열수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
- 제14항에 있어서,상기 가열수단은 열선인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
- 제10항에 있어서,상기 분사수단은 상기 수소함유연료에 기포를 발생시키는 히터인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
- 제10항에 있어서,상기 하우징은 연결관으로 구성되고, 상기 분사수단은 상기 연결관 내부의 수소함유연료에 공기방울을 생성시키는 가열판인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
- 전기를 생성시키는 하나 이상의 단위전지가 내장되어 있는 스택;수소함유연료를 개질하여 발생되는 수소가스를 상기 스택에 공급하는 개질기;상기 개질기에 공급하고자 하는 수소함유연료가 저장되어 있는 연료 저장부;상기 스택에 공기를 공급하기 위한 공기 공급부;상기 개질기의 일측에 제공된 유입부의 전방에 분리가능하게 제공된 분사노즐 조립체를 포함하여 이루어지며;상기 분사노즐 조립체는 수소함유연료가 수용되는 연료수용실을 한정하는 하우징과, 상기 하우징에 설치되는 분사수단을 포함하여 이루어지고,상기 하우징의 내부면에 피복되어 있는 개질촉매층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
- 삭제
- 제18항에 있어서,상기 분사수단은 외부에서 인가되는 전원에 의해서 진동하는 진동판인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
- 제18항에 있어서,상기 분사수단은 외부에서 인가되는 전원에 의해서 변형되는 압전소자인 것 을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
- 제18항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,상기 하우징에 제공된 가열수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
- 제22항에 있어서,상기 가열수단은 열선인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
- 제18항에 있어서,상기 분사수단은 상기 수소함유연료에 기포를 발생시키는 히터인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
- 제18항에 있어서,상기 하우징은 연결관으로 구성되고, 상기 분사수단은 상기 연결관 내부의 수소함유연료에 공기방울을 생성시키는 가열판인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
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