KR101107070B1 - Fuel cell system - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 열 에너지에 의한 화학 촉매 반응을 통해 수소를 함유한 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질기; 상기 수소 가스와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부; 상기 개질기로 연료를 공급하는 연료 공급원; 및 상기 개질기 및 전기 발생부로 산소를 공급하는 산소 공급원을 포함하며, 상기 연료 공급원은, 상기 연료를 저장하는 연료 탱크와, 상기 연료 탱크와 개질기에 연결 설치되어 상기 연료를 정량으로 조절하여 상기 개질기로 토출하는 다이아프램 펌프를 포함한다.

연료전지, 스택, 전기발생부, 개질기, 다이아프램펌프

A fuel cell system according to the present invention includes: a reformer for generating hydrogen gas from a fuel containing hydrogen through a chemical catalytic reaction by thermal energy; At least one electricity generating unit generating electrical energy through an electrochemical reaction between the hydrogen gas and oxygen; A fuel supply source for supplying fuel to the reformer; And an oxygen supply source for supplying oxygen to the reformer and the electricity generating unit, wherein the fuel supply source is connected to a fuel tank for storing the fuel, the fuel tank and the reformer to quantitatively regulate the fuel to the reformer. And a diaphragm pump for discharging.

Fuel Cell, Stack, Electricity Generator, Reformer, Diaphragm Pump

Description

연료 전지 시스템 {FUEL CELL SYSTEM}Fuel Cell System {FUEL CELL SYSTEM}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 도시한 개략도이다.1 is a schematic diagram showing an overall configuration of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.

도 2는 도 1에 도시한 스택의 구조를 나타내 보인 분해 사시도이다.2 is an exploded perspective view showing the structure of the stack shown in FIG.

도 3은 본 실시예에 대한 개질기 구조의 변형예를 도시한 분해 사시도이다.3 is an exploded perspective view showing a modification of the reformer structure for this embodiment.

도 4는 도 1에 도시한 다이아프램 펌프의 구조를 개략적으로 나타내 보인 단면 구성도이다.4 is a cross-sectional view schematically showing the structure of the diaphragm pump shown in FIG.

본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 개질기 및 스택으로 연료와 공기를 공급하는 펌프 구조를 개선한 연료 전지 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly, to a fuel cell system having an improved pump structure for supplying fuel and air to a reformer and a stack.

알려진 바와 같이, 연료 전지(Fuel Cell)는 메탄올, 에탄올, 천연 가스와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와, 산소의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다.As is known, a fuel cell is a power generation system that converts chemical reaction energy of hydrogen and oxygen contained in hydrocarbon-based materials such as methanol, ethanol, and natural gas directly into electrical energy.

이 연료 전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라, 인산형 연료전지, 용융탄산 염형 연료전지, 고체 산화물형 연료전지, 고분자 전해질형 또는 알칼리형 연료전지 등으로 분류된다. 이들 각각의 연료전지는 근본적으로 같은 원리에 의해 작동되지만 사용되는 연료의 종류, 운전 온도, 촉매, 및 전해질 등이 서로 다르다.This fuel cell is classified into a phosphate fuel cell, a molten carbonate fuel cell, a solid oxide fuel cell, a polymer electrolyte type or an alkaline fuel cell according to the type of electrolyte used. Each of these fuel cells operates on essentially the same principle, but differs in the type of fuel used, operating temperature, catalyst, and electrolyte.

이들 중 근래에 개발되고 있는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell : PEMFC, 이하 편의상 PEMFC라 한다)는 다른 연료 전지에 비하여 출력 특성이 탁월하며 작동 온도가 낮고 아울러 빠른 시동 및 응답 특성을 가지며, 자동차와 같은 이동용 전원은 물론, 주택, 공공건물과 같은 분산용 전원 및 전자기기용과 같은 소형 전원 등 그 응용 범위가 넓은 장점을 가진다.Among these, the polymer electrolyte fuel cell (PEMFC, hereinafter referred to as PEMFC for convenience), which has been developed recently, has excellent output characteristics, low operating temperature, and fast start-up and response characteristics compared to other fuel cells. In addition to mobile power supplies such as automobiles, as well as distributed power supplies such as homes and public buildings and small power supplies such as for electronic devices has a wide range of applications.

상기와 같은 PEMFC는 기본적으로 시스템을 구성하기 위해 스택(stack), 개질기(Reformer), 연료 탱크, 및 연료 펌프 등을 구비한다. 스택은 연료 전지의 본체를 형성하며, 연료 펌프는 연료 탱크 내의 연료를 개질기로 공급한다. 개질기는 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키고 그 수소 가스를 스택으로 공급한다.Such a PEMFC basically includes a stack, a reformer, a fuel tank, a fuel pump, and the like to constitute a system. The stack forms the body of the fuel cell, and the fuel pump supplies the fuel in the fuel tank to the reformer. The reformer reforms the fuel to generate hydrogen gas and supplies the hydrogen gas to the stack.

상기와 같은 연료 전지 시스템에 있어 스택의 작용시 개질기로부터 공급되는 수소 가스와 별도의 펌프 등을 통해 공급되는 공기 중에 함유된 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 기설정된 전기 용량을 출력시키고, 상기 수소 가스와 공기 중 반응을 일으키지 않은 미반응 수소 가스와 공기를 배출시킨다.In the fuel cell system as described above, a predetermined electric capacity is output through an electrochemical reaction of hydrogen gas supplied from a reformer and oxygen contained in air supplied through a separate pump when the stack is operated, and the hydrogen gas And unreacted hydrogen gas and air which did not cause a reaction in air.

그런데, 종래의 연료 전지 시스템은 개질기로 연료를 공급하는 연료 펌프와, 공기를 흡입하여 스택으로 공급하는 공기 펌프의 구조가 소정 펌핑력을 연속적으로 제공하는 통상적인 펌프로 구성되는 바, 연료와 공기를 개질기 및 스택에서 필요한 기설정된 양으로 조절하여 공급하지 못하게 된다. 따라서 전기 발생에 필요한 연료 와 공기의 사용량을 증대시켜 결과적으로 펌프를 구동하는데 따르는 에너지 소모가 가중되어 전체적인 시스템의 성능 및 효율이 저하되는 문제점이 있다.However, the conventional fuel cell system includes a fuel pump for supplying fuel to a reformer, and a conventional pump for continuously supplying a predetermined pumping force by a structure of an air pump that sucks air and supplies it to the stack. May not be fed at a predetermined amount necessary in the reformer and stack. Therefore, the amount of fuel and air required for electricity generation is increased, resulting in increased energy consumption in driving the pump, thereby degrading overall system performance and efficiency.

본 발명은 상술한 문제점을 감안한 것으로서, 그 목적은 전기 발생에 필요한 연료와 공기의 양을 선택적으로 조절하여 개질기 및 스택으로 공급할 수 있는 구조를 가진 연료 전지 시스템을 제공하는데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object thereof is to provide a fuel cell system having a structure capable of selectively controlling the amounts of fuel and air required for generation of electricity and supplying the reformer and the stack.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 열 에너지에 의한 화학 촉매 반응을 통해 수소를 함유한 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질기; 상기 수소 가스와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부; 상기 개질기에 대하여 상기 연료를 소정 시간차를 두고 간헐적으로 공급하는 연료 공급원; 및 상기 개질기 및 전기 발생부로 산소를 공급하는 산소 공급원을 포함한다.A fuel cell system according to the present invention for achieving the above object, the reformer for generating hydrogen gas from a fuel containing hydrogen through a chemical catalytic reaction by thermal energy; At least one electricity generating unit generating electrical energy through an electrochemical reaction between the hydrogen gas and oxygen; A fuel supply source intermittently supplying the fuel to the reformer at a predetermined time difference; And an oxygen source for supplying oxygen to the reformer and the electricity generator.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 연료 공급원은, 상기 연료를 저장하는 연료 탱크; 및 상기 연료 탱크와 개질기에 연결 설치되는 다이아프램 펌프를 포함할 수 있다.A fuel cell system according to the present invention, wherein the fuel supply source comprises: a fuel tank for storing the fuel; And a diaphragm pump connected to the fuel tank and the reformer.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 산소 공급원은, 상기 개질기와 전기 발생부에 연결 설치되어 상기 개질기 및 전기 발생부로 공기를 공급하는 다이아프램 펌프를 포함할 수 있다.In addition, in the fuel cell system according to the present invention, the oxygen supply source may include a diaphragm pump connected to the reformer and the electricity generator to supply air to the reformer and the electricity generator.

아울러 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템 은, 열 에너지에 의한 화학 촉매 반응을 통해 수소를 함유한 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질기; 상기 수소 가스와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부; 상기 개질기로 연료를 공급하는 연료 공급원; 및 상기 개질기 및 전기 발생부로 산소를 공급하는 산소 공급원을 포함하며, 상기 연료 공급원은, 상기 연료를 저장하는 연료 탱크와, 상기 연료 탱크와 개질기에 연결 설치되어 상기 연료를 정량으로 조절하여 상기 개질기로 토출하는 다이아프램 펌프를 포함한다.In addition, a fuel cell system according to the present invention for achieving the above object, the reformer for generating hydrogen gas from a fuel containing hydrogen through a chemical catalytic reaction by thermal energy; At least one electricity generating unit generating electrical energy through an electrochemical reaction between the hydrogen gas and oxygen; A fuel supply source for supplying fuel to the reformer; And an oxygen supply source for supplying oxygen to the reformer and the electricity generating unit, wherein the fuel supply source is connected to a fuel tank for storing the fuel, the fuel tank and the reformer to quantitatively regulate the fuel to the reformer. And a diaphragm pump for discharging.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 개질기는, 상기 연료와 산소의 산화 촉매 반응을 통해 소정의 열 에너지를 발생시키는 열원부; 상기 열 에너지에 의한 개질 촉매 반응을 통해 상기 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질 반응부; 및 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 적어도 하나의 일산화탄소 저감부를 포함할 수 있다.In the fuel cell system according to the present invention, the reformer comprises: a heat source unit for generating a predetermined heat energy through an oxidation catalyst reaction of the fuel and oxygen; A reforming reaction unit generating hydrogen gas from the fuel through the reforming catalytic reaction by the thermal energy; And it may include at least one carbon monoxide reduction unit for reducing the concentration of carbon monoxide contained in the hydrogen gas.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 개질기는 상기 연료의 흐름을 가능케 하는 채널을 일면에 형성하고 있는 적어도 하나의 반응 기판을 포함할 수 있다.In addition, in the fuel cell system according to the present invention, the reformer may include at least one reaction substrate forming a channel on one surface to enable the flow of the fuel.

그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 개질기는 상기 반응 기판이 복수로 구비되며, 상기 복수의 반응 기판에 의한 적층 구조로 이루어질 수 있다.In the fuel cell system according to the present invention, the reformer may include a plurality of reaction substrates, and may have a stacked structure by the plurality of reaction substrates.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 산소 공급원은 공기를 흡입하여 상기 개질기 및 전기 발생부로 공급하는 공기 펌프를 포함할 수 있다. In addition, in the fuel cell system according to the present invention, the oxygen supply source may include an air pump for sucking air and supplying it to the reformer and the electricity generator.                     

그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 공기 펌프는 상기 공기를 정량으로 조절하여 상기 개질기 및 전기 발생부로 토출하는 다이아프램 펌프를 포함할 수 있다.In the fuel cell system according to the present invention, the air pump may include a diaphragm pump that discharges the air to the reformer and the electricity generating unit by quantitatively adjusting the air.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 전기 발생부가 복수로 구비되며, 상기 복수의 전기 발생부에 의한 적층 구조의 스택을 형성한다.In addition, the fuel cell system according to the present invention is provided with a plurality of electricity generating units, and forms a stack of a laminated structure by the plurality of electricity generating units.

이와 같은 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrance Fuel Cell: PEMFC) 방식으로 이루어진다.Such a fuel cell system according to the present invention is made of a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) method.

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.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the present invention. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 도시한 개략도이고, 도 2는 도 1에 도시한 스택의 구조를 나타내 보인 분해 사시도이다.1 is a schematic diagram showing the overall configuration of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention, Figure 2 is an exploded perspective view showing the structure of the stack shown in FIG.

도면을 참고하면, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)은 수소를 함유한 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키고, 이 수소 가스와 산소를 반응시켜 전기 에너지를 발생시키는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrode Membrane Fuel Cell; PEMFC) 방식을 채용한다.Referring to the drawings, the fuel cell system 100 according to the present invention reforms a fuel containing hydrogen to generate hydrogen gas, and reacts the hydrogen gas with oxygen to generate electrical energy. Electrode Membrane Fuel Cell (PEMFC) is adopted.

상기한 연료 전지 시스템(100)에 있어 전기를 발생시키기 위한 연료라 함은 메탄올, 에탄올, 천연 가스 등을 포함한다. 그러나 이하에서 설명하는 연료는 편의 상 액상으로 이루어진 연료라 정의하고, 상기 액상의 연료와 물을 혼합 연료라고 정의한다.In the fuel cell system 100, the fuel for generating electricity includes methanol, ethanol, natural gas, and the like. However, the fuel described below is defined as a fuel consisting of a liquid phase for convenience, and the fuel and water in the liquid phase are defined as a mixed fuel.

그리고 본 시스템(100)은 상기 연료에 함유된 수소와 반응하는 산소 연료로서 별도의 저장수단에 저장된 순수한 산소 가스를 사용할 수 있으며, 산소를 함유한 공기를 그대로 사용할 수도 있다. 그러나 이하에서는 상기한 산소 연료로서 공기를 사용하는 후자의 예를 설명한다.In addition, the system 100 may use pure oxygen gas stored in a separate storage means as oxygen fuel reacting with hydrogen contained in the fuel, and may use air containing oxygen as it is. However, the latter example of using air as the oxygen fuel described above will be described below.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)은, 기본적으로 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 전기 발생부(11)와, 전술한 바 있는 혼합 연료로부터 수소 가스를 발생시키고 이 수소 가스를 전기 발생부(11)로 공급하는 개질기(30)와, 상기 연료를 개질기(30)로 공급하는 연료 공급원(50)과, 산소를 개질기(30)와 전기 발생부(11)로 각각 공급하는 산소 공급원(70)을 포함하여 구성된다.The fuel cell system 100 according to the present invention basically generates an electric energy through an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, and generates hydrogen gas from the aforementioned mixed fuel. A reformer 30 for supplying hydrogen gas to the electricity generator 11, a fuel supply source 50 for supplying the fuel to the reformer 30, and oxygen to the reformer 30 and the electricity generator 11, respectively. It is comprised including the oxygen supply source 70 which supplies.

상기 전기 발생부(11)는 전극-전해질 합성체(12)를 중심에 두고 이의 양면에 세퍼레이터(16)를 배치하여 전기를 발생시키는 최소 단위의 스택을 형성하고, 복수로 구비되어 본 실시예에서와 같은 적층 구조의 스택(10)을 형성한다. 여기서 전극-전해질 합성체(12)는 양측에 애노드 전극과 캐소드 전극을 구비하며, 수소와 공기 중의 산소를 산화/환원 반응시키는 기능을 가진다. 그리고 세퍼레이터(16)는 전극-전해질 합성체(12)의 양측에 수소와 산소를 함유한 공기를 공급하는 기체 통로를 형성하고, 상기 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체의 기능을 하게 된다. 이와 같은 스택(10)의 구성은 통상적인 고분자 전해질형 연료 전지 의 스택 구성으로 이루어질 수 있으므로 본 명세서에서 그 자세한 설명한 생략하기로 한다.The electricity generating unit 11 forms a stack of minimum units for generating electricity by arranging the separators 16 on both sides thereof with the electrode-electrolyte composite 12 at the center thereof, and provided in the present embodiment. To form a stack 10 of a laminated structure such as. Here, the electrode-electrolyte composite 12 has an anode electrode and a cathode electrode on both sides, and has a function of oxidizing / reducing hydrogen and oxygen in air. The separator 16 forms a gas passage for supplying air containing hydrogen and oxygen to both sides of the electrode-electrolyte composite 12, and functions as a conductor that connects the anode electrode and the cathode electrode in series. do. Since the stack 10 may be configured as a stack of a conventional polymer electrolyte fuel cell, detailed description thereof will be omitted herein.

그리고 본 발명에 적용되는 개질기(30)는 통상적으로 액상의 연료와 산소의 산화 촉매 반을 통해 열 에너지를 발생시키는 열원부(31)와, 상기 열 에너지에 의한 수증기 개질 촉매 반응을 통해 혼합 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질 반응부(32)와, 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 적어도 하나의 일산화탄소 저감부(33, 34)를 포함하고 있다. 일 예로서, 상기 일산화탄소 저감부(33, 34)는 수성가스 전환(Water-Gas Shift: WGS) 촉매 반응을 통해 추가의 수소 가스를 발생시키고 그 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 1차적으로 저감시키는 제1 일산화탄소 저감부(33)와, 수소 가스와 산소의 선택적 산화(Preferential CO Oxidation: PROX) 촉매 반응을 통해 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 2차적으로 저감시키는 제2 일산화탄소 저감부(34)를 포함할 수 있다.The reformer 30 applied to the present invention typically includes a heat source unit 31 for generating heat energy through an oxidation catalyst half of liquid fuel and oxygen, and a mixed fuel through a steam reforming catalytic reaction by the heat energy. A reforming reaction unit 32 for generating hydrogen gas and at least one carbon monoxide reduction unit 33, 34 for reducing the concentration of carbon monoxide contained in the hydrogen gas are included. As an example, the carbon monoxide reduction units 33 and 34 generate additional hydrogen gas through a water-gas shift (WGS) catalytic reaction and primarily reduce the concentration of carbon monoxide contained in the hydrogen gas. The second carbon monoxide reduction unit 33 to secondly reduce the concentration of carbon monoxide contained in the hydrogen gas through a catalytic reaction of the first carbon monoxide reduction unit 33 and the selective oxidation of hydrogen gas and oxygen (PROX) ( 34).

이와 같이 구성되는 상기 개질기(30)에 있어 각각의 열원부(31), 개질 반응부(32) 및 일산화탄소 저감부(33, 34)는 원통 형상의 용기 타입으로 이루어지고, 이 용기들이 배관으로 연결된 구조를 갖는다.In the reformer 30 configured as described above, each of the heat source part 31, the reforming reaction part 32, and the carbon monoxide reduction parts 33 and 34 are formed in a cylindrical container type, and the containers are connected by pipes. Has a structure.

도 3은 본 발명의 실시예에 대한 개질기 구조의 변형예로서, 이 경우는 열원부(31), 개질 반응부(32), 일산화탄소 저감부(33, 34)들이 연료의 흐름을 가능케 하는 플레이트 타입으로 이루어지고, 이들의 적층 구조로 이루어진 개질기(30)를 구성한다. 3 is a modification of the reformer structure according to the embodiment of the present invention, in which case the heat source portion 31, the reforming reaction portion 32, the carbon monoxide reducing portion 33, 34 to enable the flow of fuel plate type And a reformer 30 composed of these laminated structures.                     

상기 개질기(30)는 열원부(31)의 상측에 개질 반응부(32)와 제1 일산화탄소 저감부(33)를 순차적으로 적층하고, 열원부(31)의 하측에 제2 일산화탄소 저감부(34)를 적층하여 구성할 수 있다.The reformer 30 sequentially stacks the reforming reaction part 32 and the first carbon monoxide reduction part 33 on the heat source part 31, and the second carbon monoxide reduction part 34 on the lower part of the heat source part 31. ) Can be laminated.

보다 구체적으로, 이 경우는 제1 반응 기판(31a)을 중심으로 그 상측에 제2 반응 기판(32a)과 제3 반응 기판(33a)을 순차적으로 적층하고, 제1 반응 기판(31a)의 하측에 제4 반응 기판(34a)을 적층하여 본 실시예에 의한 개질기(30)를 구성할 수 있다. 그리고 개질기(30)의 최상측에 위치하고 있는 제3 반응 기판(33a)의 상면에는 덮개 플레이트(41)가 결합될 수 있다.More specifically, in this case, the second reaction substrate 32a and the third reaction substrate 33a are sequentially stacked on the upper side of the first reaction substrate 31a and the lower side of the first reaction substrate 31a. The reformer 30 according to the present embodiment can be configured by stacking the fourth reaction substrate 34a on the substrate. The cover plate 41 may be coupled to an upper surface of the third reaction substrate 33a positioned at the uppermost side of the reformer 30.

상기와 같이 구성된 개질기(30)는 각 반응 기판(31a, 32a, 33a, 34a)의 상면에 연료의 흐름을 가능하게 하는 채널(31c, 32c, 33c, 34c)을 형성하고, 이 채널(31c, 32c, 33c, 34c)의 내표면에 촉매층(도시하지 않음)을 형성하고 있다.The reformer 30 configured as described above forms channels 31c, 32c, 33c, 34c on the upper surface of each reaction substrate 31a, 32a, 33a, 34a to enable the flow of fuel, and the channels 31c, Catalyst layers (not shown) are formed on the inner surfaces of 32c, 33c, and 34c.

위와 같은 개질기(30)로 연료를 공급하는 연료 공급원(50)은 액상의 연료를 저장하는 제1 탱크(51)와, 물을 저장하는 제2 탱크(53)와, 각각의 제1 및 제2 탱크(51, 53)에 연결 설치되는 연료 펌프(55)를 포함하고 있다. 그리고 산소 공급원(70)은 소정의 펌핑력으로 공기를 흡입할 수 있는 공기 펌프(71)를 포함하고 있다.The fuel supply source 50 for supplying fuel to the reformer 30 as described above includes a first tank 51 for storing liquid fuel, a second tank 53 for storing water, and first and second, respectively. A fuel pump 55 connected to the tanks 51 and 53 is provided. In addition, the oxygen source 70 includes an air pump 71 capable of sucking air with a predetermined pumping force.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)의 작용시 개질기(30)를 통해 발생되는 수소 가스와, 산소를 함유한 공기를 전기 발생부(11)로 공급하게 되면, 상기 전기 발생부(11)에서는 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기와 물 그리고 열을 발생시킨다.When the hydrogen-containing gas and oxygen-containing air are supplied to the electricity generating unit 11 during the operation of the fuel cell system 100 according to the present invention configured as described above, the electricity generating unit 11 In (11), electricity, water and heat are generated through the electrochemical reaction of hydrogen and oxygen.

이러한 연료 전지 시스템(100)에 있어 본 발명에 따른 연료 공급원(50)은 상 기 연료 전지 시스템(100)의 구동시 상기 개질기(30)에 대하여 연료를 소정 시간차를 두고 간헐적으로 공급할 수 있는 구조를 갖는다.In the fuel cell system 100, the fuel supply source 50 according to the present invention has a structure capable of intermittently supplying fuel to the reformer 30 at a predetermined time when the fuel cell system 100 is driven. Have

이를 위해 연료 공급원(50)의 연료 펌프(55)는 제1 및 제2 탱크(51, 53)와 개질기(30)에 연결 설치되어 상기 연료를 정량으로 조절하여 개질기(30)로 토출하는 제1 다이아프램 펌프(40)를 구비한다.To this end, the fuel pump 55 of the fuel supply source 50 is connected to the first and second tanks 51 and 53 and the reformer 30 so that the fuel is quantitatively regulated and discharged to the reformer 30. A diaphragm pump 40 is provided.

도 4는 도 1에 도시한 다이아프램 펌프의 구조를 개략적으로 나타내 보인 단면 구성도이다.4 is a cross-sectional view schematically showing the structure of the diaphragm pump shown in FIG.

도면을 참고하면, 본 실시예에 따른 제1 다이아프램 펌프(40)는 모터의 회전 운동을 캠 등의 기구를 통해 다이아프램을 직선 왕복 운동으로 변환시켜 소정 유체를 펌핑하는 펌프로서, 토출 유량의 변동이 작기 때문에 유체의 정량 공급을 가능케 한다.Referring to the drawings, the first diaphragm pump 40 according to the present embodiment is a pump for converting a diaphragm into a linear reciprocating motion through a mechanism such as a cam and pumping a predetermined fluid through a mechanism such as a cam. Small fluctuations allow for quantitative supply of fluids.

보다 구체적으로, 상기 제1 다이아프램 펌프(40)는 몸체(41)와, 제1 및 제2 탱크(51, 53)에 저장된 연료가 흡입되도록 하는 흡입부(42)와, 흡입부(42)로 흡입된 연료가 배출되도록 하는 토출부(43)와, 토출부(43)와 흡입부(42)로 배출되는 연료가 임시 저장되는 공간부를 각각 형성하는 격판(44)과, 흡입부(42)측 공간부의 격판(44) 저면에 장착된 제1 역류방지밸브(45)와, 토출부(43)측 공간부의 격판(44) 저면에 장착된 제2 역류방지밸브(45A)와, 제1 역류방지밸브(45)를 통과한 연료를 제2 역류방지밸브(45A)로 배출시키며 푸시로드(47A)를 구비한 다이아프램(47)과, 격판(44)의 저면과 다이아프램(47) 사이에 장착된 리턴스프링(46)과, 다이아프램(47)의 푸시로드(47A)에 맞닿으며 그를 상하로 움직이는 캠(48)과, 캠(48)의 축에 연결된 모터(49)로 구성된다.More specifically, the first diaphragm pump 40 includes a body 41, a suction unit 42 through which the fuel stored in the first and second tanks 51 and 53 is sucked, and the suction unit 42. Discharge portion 43 for discharging the fuel sucked into the discharge portion, a diaphragm 44 for forming a space portion for temporarily storing the fuel discharged to the discharge portion 43 and the suction portion 42, and the suction portion 42. The first non-return valve 45 mounted on the bottom surface of the diaphragm 44 of the side space portion, the second backflow prevention valve 45A mounted on the bottom face of the diaphragm 44 of the discharge portion 43 side space, and the first backflow. The diaphragm 47 provided with the push rod 47A and the diaphragm 47 provided with the push rod 47A and the diaphragm 47 between the bottom face of the diaphragm 44 and the fuel passing through the prevention valve 45 are discharged to the second check valve 45A. It consists of a return spring 46 mounted, a cam 48 that abuts against the push rod 47A of the diaphragm 47 and moves it up and down, and a motor 49 connected to the axis of the cam 48.

그리고 본 발명에 의한 연료 전지 시스템(100)에 있어 산소 공급원(70)의 공기 펌프(71)는 상기 개질기(30) 및 전기 발생부(11)에 대하여 공기를 소정 시간차를 두고 간헐적으로 공급할 수 있는 제2 다이아프램 펌프(60)를 구비한다. 이러한 제2 다이아프램 펌프(60)의 구조는 전술한 바 있는 제1 다이아프램 펌프(40)의 구조와 동일하므로 자세한 설명은 생략한다.In the fuel cell system 100 according to the present invention, the air pump 71 of the oxygen source 70 may intermittently supply air to the reformer 30 and the electricity generator 11 at a predetermined time interval. A second diaphragm pump 60 is provided. Since the structure of the second diaphragm pump 60 is the same as that of the first diaphragm pump 40 described above, a detailed description thereof will be omitted.

상기와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 동작을 상세히 설명하면 다음과 같다.Referring to the operation of the fuel cell system according to an embodiment of the present invention configured as described above in detail as follows.

우선, 제1 다이아프램 펌프(40)를 가동시켜 제1 탱크(51)에 저장된 액상의 연료를 열원부(31)로 공급한다.First, the first diaphragm pump 40 is operated to supply the liquid fuel stored in the first tank 51 to the heat source part 31.

상기 액상의 연료를 열원부(31)로 공급하는 제1 다이아프램 펌프(40)의 작동 과정을 살펴보면, 제1 탱크(51)에 저장된 액상의 연료는 흡입부(42)로 유입되고 모터(49)에 의해 회전되는 캠(48)의 회전운동에 따라 푸시로드(47A)가 상승되면 다이아프램(47)에 의해 토출부(43)로 빠져 나가게 된다.Looking at the operation of the first diaphragm pump 40 for supplying the liquid fuel to the heat source unit 31, the liquid fuel stored in the first tank 51 is introduced into the suction unit 42 and the motor 49 When the push rod 47A is raised in accordance with the rotational movement of the cam 48 rotated by the diaphragm 48, the diaphragm 47 exits the discharge portion 43.

이 때 토출부(43)를 통해 배출되는 연료는 푸시로드(47A)가 상하 이동되는 행정수에 의해 그 토출량이 조절되는 바, 모터(49)의 회전수를 변화시켜 푸시로드(47A)의 행정수를 변화시킴으로서 열원부(31)에 대하여 기설정된 양의 연료를 소정 시간차를 두고 간헐적으로 공급할 수 있다.At this time, the fuel discharged through the discharge part 43 is discharged by the number of strokes in which the push rod 47A is moved up and down, and thus the rotational speed of the motor 49 is changed so that the stroke of the push rod 47A is changed. By changing the number, a predetermined amount of fuel can be intermittently supplied to the heat source unit 31 at a predetermined time difference.

이와 동시에, 제2 다이아프램 펌프(60)를 가동시켜 공기를 열원부(31)로 공급한다. 이 때에도 위에서와 같이 제2 다이아프램 펌프(60)를 통해 기설정된 양의 공기를 열원부(31)로 공급할 수 있다. 그러면, 열원부(31)에서는 상기 액상의 연료와 공기 산화 촉매 반응을 통해 소정 온도의 반응열을 발생시킨다.At the same time, the second diaphragm pump 60 is operated to supply air to the heat source part 31. In this case, the predetermined amount of air may be supplied to the heat source unit 31 through the second diaphragm pump 60 as described above. Then, the heat source unit 31 generates heat of reaction at a predetermined temperature through the reaction between the liquid fuel and the air oxidation catalyst.

이어서 상기한 제1 다이아프램 펌프(40)를 통해 제1 탱크(51)에 저장된 액상의 연료와 제2 탱크(53)에 저장된 물을 개질 반응부(32)로 공급한다. 이 때 액상의 연료와 물의 혼합 연료는 제1 다이아프램 펌프(40)에 의해 기설정된 양으로 조절되어 개질 반응부(32)로 공급될 수 있다. 그러면 개질 반응부(32)에서는 열원부(31)에서 발생하는 열 에너지를 흡열하고, 이 열 에너지를 이용한 수증기 개질 촉매 반응을 통해 상기 혼합 연료로부터 수소 가스를 발생시킨다. 즉, 상기 개질 반응부(32)는 수증기 개질 촉매 반응을 통한 혼합 연료의 분해 반응이 진행되어 이산화탄소와 수소를 함유하고 있는 수소 가스를 생성하게 된다. 이 때 상기 개질 반응부(32)는 부(副) 생성물로서의 일산화탄소가 미량 함유된 수소 가스를 생성하게 된다.Subsequently, the liquid fuel stored in the first tank 51 and the water stored in the second tank 53 are supplied to the reforming reaction part 32 through the first diaphragm pump 40. At this time, the mixed fuel of the liquid fuel and water may be adjusted to a predetermined amount by the first diaphragm pump 40 and supplied to the reforming reaction unit 32. Then, the reforming reaction unit 32 absorbs heat energy generated from the heat source unit 31, and generates hydrogen gas from the mixed fuel through a steam reforming catalytic reaction using the heat energy. That is, the reforming reaction unit 32 generates a hydrogen gas containing carbon dioxide and hydrogen by decomposition of the mixed fuel through the steam reforming catalytic reaction. At this time, the reforming reaction unit 32 generates hydrogen gas containing a trace amount of carbon monoxide as a minor product.

다음, 상기 일산화탄소가 미량 함유된 수소 가스를 제1 일산화탄소 저감부(33)로 공급한다. 그러면, 제1 일산화탄소 저감부(33)에서는 수성가스 전환 촉매 반응을 통해 추가의 수소 가스를 발생시키고, 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 1차적으로 저감시킨다.Next, the hydrogen gas containing the trace amount of carbon monoxide is supplied to the first carbon monoxide reduction unit 33. Then, the first carbon monoxide reduction unit 33 generates additional hydrogen gas through the water gas shift catalytic reaction, and primarily reduces the concentration of carbon monoxide contained in the hydrogen gas.

이어서, 상기 수소 가스를 제2 일산화탄소 저감부(34)로 공급하고, 이와 동시에 제2 다이아프램 펌프(60)를 통해 공기를 제2 일산화탄소 저감부(34)로 공급한다. 이 때 상기 공기는 제2 다이아프램 펌프(60)에 의해 기설정된 양으로 조절되어 제2 일산화탄소 저감부(34)로 공급될 수 있다. 그러면, 제2 일산환탄소 저감부 (34)에서는 선택적 산화 촉매 반응을 통해 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 2차적으로 저감시키고, 상기 수소 가스를 스택(10)의 전기 발생부(11)로 배출시킨다.Subsequently, the hydrogen gas is supplied to the second carbon monoxide reduction unit 34, and at the same time, air is supplied to the second carbon monoxide reduction unit 34 through the second diaphragm pump 60. At this time, the air may be adjusted to a predetermined amount by the second diaphragm pump 60 and supplied to the second carbon monoxide reducing unit 34. Then, in the second carbon monoxide reducing unit 34, the concentration of carbon monoxide contained in the hydrogen gas is secondarily reduced through the selective oxidation catalyst reaction, and the hydrogen gas is transferred to the electricity generating unit 11 of the stack 10. Discharge it.

이러는 과정을 거치는 동안, 제2 다이아프램 펌프(60)를 가동시켜 공기를 스택(10)의 전기 발생부(11)로 공급한다. 이 때 상기한 공기는 제2 다이아프램 펌프(60)에 의해 기설정된 양으로 조절되어 전기 발생부(11)로 공급될 수 있다.During this process, the second diaphragm pump 60 is operated to supply air to the electricity generator 11 of the stack 10. In this case, the air may be adjusted to a predetermined amount by the second diaphragm pump 60 and supplied to the electricity generator 11.

그러면 상기 수소 가스는 세퍼레이터(16)의 수소 통로를 통해 전극-전해질 합성체(12)의 애노드 전극으로 공급된다. 그리고 공기는 세퍼레이터(16)의 공기 통로를 통해 전극-전해질 합성체(12)의 캐소드 전극으로 공급된다.The hydrogen gas is then supplied to the anode electrode of the electrode-electrolyte composite 12 through the hydrogen passage of the separator 16. Air is then supplied to the cathode electrode of the electrode-electrolyte composite 12 through the air passage of the separator 16.

따라서 애노드 전극에서는 산화 반응을 통해 수소 가스를 전자와 프로톤(수소이온)으로 분해한다. 그리고 프로톤이 전해질막을 통하여 캐소드 전극으로 이동하고, 전자는 전해질막을 통하여 이동되지 못하고 세퍼레이터(16)를 통해 이웃하는 전극-전해질 합성체(12)의 캐소드 전극으로 이동하게 되는데 이 때 전자의 흐름으로 전류를 발생시키고, 부수적으로 열과 물을 발생시킨다.Therefore, the anode decomposes hydrogen gas into electrons and protons (hydrogen ions) through an oxidation reaction. The proton moves to the cathode electrode through the electrolyte membrane, and the electrons do not move through the electrolyte membrane, but move to the cathode electrode of the neighboring electrode-electrolyte composite 12 through the separator 16. And concomitantly generates heat and water.

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.Although the preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited thereto, and various modifications and changes can be made within the scope of the claims and the detailed description of the invention and the accompanying drawings. Naturally, it belongs to the scope of the invention.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 의하면, 연료와 공기의 양을 정량으로 조절하여 개질기 및 스택으로 간헐적으로 공급할 수 있는 구조를 가지므로, 연료와 공기의 사용량을 줄여 결과적으로 전체적인 시스템의 에너지 소모를 줄일 수 있다. 따라서 전체적인 시스템의 성능 및 효율을 더욱 향상시킬 수 있는 효과가 있다.According to the fuel cell system according to the present invention, since the fuel and air can be quantitatively regulated and intermittently supplied to the reformer and the stack, the amount of fuel and air can be reduced, thereby reducing the energy consumption of the overall system. Can be. Therefore, there is an effect that can further improve the performance and efficiency of the overall system.

Claims (11)

열 에너지에 의한 화학 촉매 반응을 통해 수소를 함유한 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질기;A reformer for generating hydrogen gas from a hydrogen containing fuel through a chemical catalytic reaction by thermal energy; 상기 수소 가스와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부;At least one electricity generating unit generating electrical energy through an electrochemical reaction between the hydrogen gas and oxygen; 상기 개질기에 대하여 상기 연료를 소정 시간차를 두고 간헐적으로 공급하는 연료 공급원; 및A fuel supply source intermittently supplying the fuel to the reformer at a predetermined time difference; And 상기 개질기 및 전기 발생부로 산소를 공급하는 산소 공급원An oxygen supply source for supplying oxygen to the reformer and the electricity generator 을 포함하고,Including, 상기 연료 공급원은,The fuel supply source, 상기 연료를 저장하는 연료 탱크; 및A fuel tank for storing the fuel; And 상기 연료 탱크와 개질기에 연결 설치되는 다이아프램 펌프를 포함하며,It includes a diaphragm pump connected to the fuel tank and reformer, 상기 다이아프램 펌프는,The diaphragm pump, 모터의 회전 운동을 캠과 푸시로드를 통하여 다이아프램을 직선 왕복 운동으로 변환시켜 상기 연료를 정량 토출하는 연료 전지 시스템.A fuel cell system for converting a diaphragm into a linear reciprocating motion through a cam and a push rod to quantitatively discharge the fuel. 삭제delete 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 산소 공급원은, 상기 개질기와 전기 발생부에 연결 설치되어 상기 개질기 및 전기 발생부로 공기를 공급하는 다이아프램 펌프를 포함하는 연료 전지 시스 템.The oxygen source includes a diaphragm pump connected to the reformer and the electricity generating unit and supplying air to the reformer and the electricity generating unit. 열 에너지에 의한 화학 촉매 반응을 통해 수소를 함유한 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질기;A reformer for generating hydrogen gas from a hydrogen containing fuel through a chemical catalytic reaction by thermal energy; 상기 수소 가스와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부;At least one electricity generating unit generating electrical energy through an electrochemical reaction between the hydrogen gas and oxygen; 상기 개질기로 연료를 공급하는 연료 공급원; 및A fuel supply source for supplying fuel to the reformer; And 상기 개질기 및 전기 발생부로 산소를 공급하는 산소 공급원An oxygen supply source for supplying oxygen to the reformer and the electricity generator 을 포함하며,Including; 상기 연료 공급원은,The fuel supply source, 상기 연료를 저장하는 연료 탱크와, 상기 연료 탱크와 개질기에 연결 설치되어, 모터의 회전 운동을 캠과 푸시로드를 통하여 다이아프램을 직선 왕복 운동으로 변환시켜 상기 연료를 정량으로 조절하여 상기 개질기로 토출하는 다이아프램 펌프를 포함하는 연료 전지 시스템.A fuel tank for storing the fuel, and a fuel tank and a reformer, the diaphragm is converted into a linear reciprocating motion through a cam and a push rod, and the fuel is quantitatively adjusted and discharged to the reformer. A fuel cell system comprising a diaphragm pump. 제 4 항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 개질기는,The reformer, 상기 연료와 산소의 산화 촉매 반응을 통해 소정의 열 에너지를 발생시키는 열원부;A heat source unit generating predetermined heat energy through an oxidation catalyst reaction of the fuel and oxygen; 상기 열 에너지에 의한 개질 촉매 반응을 통해 상기 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질 반응부; 및A reforming reaction unit generating hydrogen gas from the fuel through the reforming catalytic reaction by the thermal energy; And 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 적어도 하나의 일산화탄소 저감부를 포함하는 연료 전지 시스템.A fuel cell system comprising at least one carbon monoxide reduction unit for reducing the concentration of carbon monoxide contained in the hydrogen gas. 제 5 항에 있어서,The method of claim 5, 상기 개질기는 상기 연료의 흐름을 가능케 하는 채널을 일면에 형성하고 있는 적어도 하나의 반응 기판을 포함하는 연료 전지 시스템.The reformer includes at least one reaction substrate forming a channel on one surface to enable the flow of the fuel. 제 6 항에 있어서,The method of claim 6, 상기 반응 기판이 복수로 구비되며, 상기 복수의 반응 기판에 의한 적층 구조로 이루어지는 연료 전지 시스템.A fuel cell system comprising a plurality of said reaction substrates, and having a laminated structure by said plurality of reaction substrates. 제 4 항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 산소 공급원은 공기를 흡입하여 상기 개질기 및 전기 발생부로 공급하는 공기 펌프를 포함하는 연료 전지 시스템.And the oxygen source includes an air pump that sucks air and supplies the air to the reformer and the electricity generator. 제 8 항에 있어서,The method of claim 8, 상기 공기 펌프가 상기 공기를 정량으로 조절하여 상기 개질기 및 전기 발생부로 토출하는 다이아프램 펌프를 포함하는 연료 전지 시스템.And a diaphragm pump in which the air pump regulates the air quantitatively and discharges the air to the reformer and the electricity generator. 제 4 항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 전기 발생부가 복수로 구비되며, 상기 복수의 전기 발생부에 의한 적층 구조의 스택을 형성하는 연료 전지 시스템.And a plurality of electricity generating units, and forming a stack having a stacked structure by the plurality of electricity generating units. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,The method according to claim 1 or 4, 상기 연료 전지 시스템이, 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrance Fuel Cell: PEMFC) 방식으로 이루어지는 연료 전지 시스템.The fuel cell system is a fuel cell system comprising a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) method.

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