KR101117635B1 - 연료 전지 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명에 연료 전지 시스템은, 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부; 상기 수소를 함유한 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키고, 이 수소 가스를 상기 전기 발생부로 공급하는 개질기; 상기 연료를 상기 개질기로 공급하는 연료 공급원; 상기 산소를 상기 전기 발생부로 공급하는 산소 공급원; 및 상기 수소 가스의 주입부에 연결 설치되어 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소와 반응하여 변화하는 색상을 통해 상기 일산화탄소의 농도를 감지할 수 있는 농도 감지부를 포함한다.

연료전지, 스택, 전기발생부, 개질기, 수소가스, 일산화탄소, 피독, 농도감지부, 본체, 농도센서, 색상, 변화

Description

연료 전지 시스템 {FUEL CELL SYSTEM}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 도시한 개략도이다.

도 2는 도 1에 도시한 스택 구조를 나타내 보인 분해 사시도이다.

도 3은 도 2에 도시한 세퍼레이터 중 일측 세퍼레이터를 선회한 상태의 분해 사시도이다.

도 4는 도 2에 도시한 막-전극 어셈블리와 세퍼레이터가 조립된 상태의 부분 단면 구성도이다.

도 5는 도 1에 도시한 농도 감지부를 개략적으로 도시한 사시도이다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 패키지 구조를 도시한 사시도이다.

본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료전지용 일산화탄소의 농도 감지 구조에 관한 것이다.

알려진 바와 같이, 연료 전지(Fuel Cell)는 메탄올, 에탄올, 천연 가스와 같 은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와, 산소의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다.

이 연료 전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라, 인산형 연료전지, 용융탄산염형 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.

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.

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. 따라서, 이 PEMFC는 연료 펌프의 작동으로 연료 탱크 내의 연료를 개질기로 공급하고, 이 개질기에서 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키며, 스택에서 이 수소 가스와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시킨다.

그런데, 종래의 연료 전지 시스템에 있어 상기한 개질기는 일산화탄소를 제거하기 위한 화학 촉매 반응을 완전하게 행하는 것이 곤란하여 미량의 일산화탄소 를 함유하고 있는 수소 가스를 발생시킨다. 따라서 이러한 수소 가스를 막-전극 어셈블리의 애노드 전극으로 공급하게 되면, 상기 일산화탄소에 의한 애노드 전극의 촉매 피독으로 인해 촉매의 활성이 약화되어 결과적으로 연료 전지의 성능을 저하시키고, 연료 전지의 수명을 단축시키는 문제점이 있다.

본 발명은 상술한 문제점을 감안한 것으로서, 그 목적은 일산화탄소에 의한 연료 전지의 촉매 피독을 미연에 방지할 수 있도록 일산화탄소의 농도를 용이하게 감지할 수 있는 연료 전지 시스템을 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 연료 전지 시스템은, 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부; 상기 수소를 함유한 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키고, 이 수소 가스를 상기 전기 발생부로 공급하는 개질기; 상기 연료를 상기 개질기로 공급하는 연료 공급원; 상기 산소를 상기 전기 발생부로 공급하는 산소 공급원; 및 상기 수소 가스의 주입부에 연결 설치되어 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소와 반응하여 변화하는 색상을 통해 상기 일산화탄소의 농도를 감지할 수 있는 농도 감지부를 포함한다.

본 발명에 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 연료 공급원은, 상기 연료를 저장하는 연료 탱크; 및 상기 연료 탱크에 연결 설치되어 상기 연료 탱크에 저장된 연료를 배출시키는 연료 펌프를 포함하며, 상기 연료 탱크와 개질기가 제1 공급라 인에 의해 연결 설치될 수 있다.

또한 본 발명에 연료 전지 시스템은, 상기 전기 발생부를 복수로 구비하며, 이들 전기 발생부의 집합 구조로 이루어진 스택을 형성하고, 상기 개질기와 상기 주입부가 제2 공급라인에 의해 연결 설치되도록 구성할 수 있다.

그리고 본 발명에 연료 전지 시스템은, 상기 제2 공급라인 상에 상기 농도 감지부를 설치하고 있다.

또한 본 발명에 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 농도 감지부는, 양단이 개방된 투명한 관로 형태의 본체; 및 상기 본체 내에 배치되어 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도에 따라 고유한 색상이 변화하는 형태의 농도 센서를 포함할 수 있다.

그리고 본 발명에 연료 전지 시스템은, 이 시스템 전체를 내장시키는 패키징부를 구비하며, 상기 패키징부는 상기 본체를 외부로 노출시키는 구멍을 형성하고 있다.

또한 본 발명에 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 산소 공급원은 공기를 흡입하여 이 공기를 상기 전기 발생부로 공급하는 공기 펌프를 포함하며, 상기 공기 펌프와 전기 발생부가 제3 공급라인에 의해 연결 설치될 수 있다.

그리고 본 발명에 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 전기 발생부는 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode assembly: MEA)와 이 막-전극 어셈블리의 양면에 배치되는 세퍼레이터(Separator)의 밀착 구조로 이루어지고, 상기 막-전극 어셈블리는 전해질막을 중심에 두고 이의 양측에 애노드 전극과 캐소드 전극이 위치하며, 상기 애노드 전극이 Pt 또는 Ru 중 적어도 하나로 이루어지는 촉매층을 구비하고 있다.

이와 같은 구조로 이루어진 본 발명에 연료 전지 시스템은, 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC) 방식을 채용한다.

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.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 도시한 개략도이다.

도 1을 참고하면, 본 시스템(100)은 노트북 PC 또는 이동 통신 단말기기와 같은 휴대용 전자기기에 장착되어 이 휴대용 전자기기의 구동에 필요한 전원을 공급하는 전원 공급 시스템이다.

이러한 연료 전지 시스템(100)은 수소를 함유한 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키고, 이 수소 가스와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrode Membrane Fuel Cell; PEMFC) 방식을 채용한다.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)에 있어 전기를 발생시키기 위한 연료라 함은 메탄올, 에탄올 또는 천연 가스등을 포함한다.

그러나 이하에서 설명하는 연료는 편의상 액상으로 이루어진 연료라 정의한 다.

그리고 본 시스템(100)은 상기 연료에 함유된 수소와 반응하는 산소로서 별도의 저장수단에 저장된 순수한 산소 가스를 사용할 수 있으며, 산소를 함유하고 있는 공기를 그대로 사용할 수도 있다. 그러나 이하에서는 후자의 예를 설명한다.

상기 연료 전지 시스템(100)은 기본적으로, 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부(11)와, 수소를 함유한 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키고 이 수소 가스를 전기 발생부(11)로 공급하는 개질기(20)와, 상기 연료를 개질기(20)로 공급하는 연료 공급원(30)과, 산소를 전기 발생부(10)로 공급하는 산소 공급원(40)를 포함하여 구성된다.

전기 발생부(11)는 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode assembly: MEA)(이하, 'MEA'라고 한다.)(12)를 중심에 두고 이의 양면에 세퍼레이터(Separator)(당업계에서는 '바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)'라고도 한다.)(14, 15)를 배치하여 전기를 발생시키는 최소 단위의 연료 전지를 의미한다. 따라서 위와 같은 복수의 전기 발생부(11)를 연속적으로 적층 배치함으로써 본 실시예와 같은 적층 구조의 스택(10)을 형성할 수 있다.

개질기(20)는 열 에너지에 의한 화학 촉매 반응을 통해 수소를 함유한 연료로부터 수소 가스를 발생시키고, 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 통상적인 개질기의 구조를 갖는다. 부연 설명하면, 상기 개질기(20)는 일 례로서, 수증기 개질, 부분산화 또는 자열 반응 등의 촉매 반응을 통해 상기한 연료로부터 수소 가스를 발생시킨다. 그리고 상기 개질기(20)는 일 례로서, 수성가스 전환 방법, 선택적 산화 방법 등과 같은 촉매 반응 또는 분리막을 이용한 수소의 정제 등과 같은 방법으로 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시킨다.

연료 공급원(30)은 전술한 바 있는 연료를 저장하는 연료 탱크(31)와, 연료 탱크(31)에 저장된 연료를 배출시키도록 이 연료 탱크(31)에 연결 설치되는 연료 펌프(33)를 포함한다. 이 때 상기 연료 탱크(31)와 개질기(20)는 관로 형태의 제1 공급라인(91)에 의해 연결 설치될 수 있다.

산소 공급원(40)은 소정 펌핑력으로 공기를 흡입하고, 이 공기를 스택(10)의 전기 발생부(11)로 공급할 수 있는 공기 펌프(41)를 포함한다. 대안으로서, 상기 산소 공급원(40)은 본 시스템(100)을 채용하는 휴대용 전자기기에 장착 가능한 공지 기술의 팬(fan)이 사용될 수도 있다.

상기한 개질기(20)와 산소 공급원(40)로부터 수소 가스와 공기를 공급받아 전기를 발생시키는 스택(10)은 도 2를 참조하여 설명한다.

도 2는 도 1에 도시한 스택 구조를 나타내 보인 분해 사시도이다.

도 1 및 도 2를 참고하면, 본 시스템(100)에 적용되는 스택(10)은 상술한 바와 같이 복수의 전기 발생부(11)를 밀착 배치하여 이루어지는 전기 발생부(11)의 집합체로서, 이 스택(10)의 최 외곽에는 상기한 복수의 전기 발생부(11)를 가압하여 밀착시키는 가압 플레이트(13)가 위치할 수도 있다. 그러나 본 발명에 의한 스택(10)은 상기한 가압 플레이트(13)를 배제하고, 스택(10)의 최 외곽에 위치하는 세퍼레이터(14, 15)가 상기 가압 플레이트의 역할을 대신하도록 구성할 수 있다. 또한 가압 플레이트(13)가 복수의 전기 발생부(11)를 가압 밀착시키는 기능 외에, 뒤에서 더욱 설명하는 세퍼레이터(14, 15)의 고유한 기능을 갖도록 구성할 수도 있다.

그리고 상기 가압 플레이트(13)에는 개질기(20)로부터 발생되는 수소 가스를 세퍼레이터(14)를 통해 전기 발생부(11)로 주입시키기 위한 제1 주입부(13a)와, 공기 공급원(40)으로부터 공급되는 공기를 세퍼레이터(14)를 통해 전기 발생부(11)로 주입시키기 위한 제2 주입부(13b)와, 전기 발생부(11)에서 반응하고 남은 수소 가스를 배출시키기 위한 제1 배출부(13c)와, 상기 전기 발생부(11)에서 수소와 산소의 결합 반응에 의해 생성된 수분과 미반응 공기를 배출시키기 위한 제2 배출부(13d)를 형성하고 있다. 이 때 상기 제1 주입부(13a)와 개질기(20)는 관로 형태의 제2 공급라인(92)에 의해 연결 설치되며, 상기 제2 주입부(13b)와 공기 펌프(41)는 관로 형태의 제3 공급라인(93)에 의해 연결 설치될 수 있다.

도 3은 도 2에 도시한 세퍼레이터 중 일측 세퍼레이터를 선회한 상태의 분해 사시도이고, 도 4는 도 2에 도시한 막-전극 어셈블리와 세퍼레이터가 조립된 상태의 부분 단면 구성도이다.

도 3 및 도 4를 참고하면, 전술한 바 있는 막-전극 어셈블리(12)는 전해질막(Membrane)(16)을 사이에 두고 이의 양측에 위치하는 애노드 전극(17)과 캐소드 전극(18)으로 구성된다. 그리고 세퍼레이터(14, 15)는 막-전극 어셈블리(12)를 사이에 두고 밀착 배치되어, 막-전극 어셈블리(12)의 양측에 수소통로(19a)와 공기통로(19b)를 형성한다. 이 때 수소통로(19a)는 막-전극 어셈블리(12)의 애노드 전극(17) 측에 위치하고, 공기통로(19b)는 막-전극 어셈블리(12)의 캐소드 전극(18) 측 에 위치하게 된다.

상기 애노드 전극(17)은 일측 세퍼레이터(14)의 수소통로(19a)를 통하여 수소 가스를 공급받는 부분으로써, 수소 가스를 산화 반응시켜 전자와 수소 이온으로 변환시키는 촉매층(17a)과, 상기 수소 가스를 촉매층(17a)으로 원활하게 이동시키기 위한 기체 확산층(Gas Diffusion Layer: GDS)(17b)으로 구성된다. 이 때 애노드 전극(17)의 촉매층(17a)은 일산화탄소의 피독 저항성을 갖는 Pt 또는 Pt와 Ru의 합금으로 이루어진다.

그리고 캐소드 전극(18)은 다른 일측 세퍼레이터(15)의 공기 통로(19b)를 통하여 공기를 공급받는 부분으로써, 공기 중의 산소를 환원 반응시켜 전자와 산소 이온으로 변환시키는 촉매층(18a)과, 상기 산소를 촉매층(18a)으로 원활하게 이동시키기 위한 기체 확산층(18b)으로 구성된다.

전해질막(16)은 두께가 50～200㎛인 고체 폴리머 전해질로 형성되어, 애노드 전극(17)의 촉매층(17a)에서 생성된 수소 이온을 캐소드 전극(18)의 촉매층(18a)으로 이동시켜, 캐소드 전극(18)의 산소 이온과 결합되어 물을 생성시키는 이온 교환을 가능하게 한다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)의 작용시 개질기(20)로부터 발생되는 수소 가스를 일측 세퍼레이터(14)의 수소 통로(19a)를 통해 스택(10)의 전기 발생부(11)로 공급하고, 공기 펌프(41)로부터 흡입되는 공기를 다른 일측 세퍼레이터(15)의 공기 통로(19b)를 통해 상기 전기 발생부(11)로 공급하게 되면, 상기 전기 발생부(11)에서는 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기와 물 그리고 열을 발생시킨다.

이 때 상기 개질기(20)를 통해 발생되는 수소 가스에는 부(副) 생성물로서의 일산화탄소를 함유하고 있다. 이러한 수소 가스가 막-전극 어셈블리(12)의 애노드 전극(17)으로 공급되게 되면, 애노드 전극(17)의 촉매층(17a)이 일산화탄소에 의해 피독되어 촉매의 활성이 약화되고, 결과적으로는 전기 발생부(11)의 성능 및 수명이 단축되게 된다.

이에 본 발명의 실시예에 따르면, 개질기(20)로부터 발생되는 수소 가스를 스택(10)의 전기 발생부(11)로 공급하는 과정에서, 이 수소 가스에 함유된 일산화탄소와 반응하여 변화하는 색상을 통해 사용자로 하여금 상기 일산화탄소의 농도를 감지할 수 있는 농도 감지부(60)를 포함하고 있다.

도 5는 도 1에 도시한 농도 감지부를 개략적으로 도시한 사시도이다.

도 1 및 도 5를 참고하면, 본 실시예에 따른 농도 감지부(60)는 개질기(20)와 스택(10)의 제1 주입부(13a)를 연결하는 제2 공급라인(92) 상에 설치된다. 대안으로서, 상기 농도 감지부(60)는 제2 공급라인(92) 상에 설치되는 것에 한정되지 않고, 제2 공급라인(92)과 상기 제1 주입부(13a)를 연결하는 연결 부위에 설치될 수도 있다.

구체적으로, 상기 농도 감지부(60)는 미국 에너지부의 로렌스 버클리 연구소(U.S. Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory: LBNL)와, 미국 퀀텀 그룹사(Quantum Group Incorporated: QGI, San Diego)에 의해 개발되어 이미 공지된 일산화탄소 감지 및 모니터링 시스템을 채용한다.

이러한 농도 감지부(60)는 실질적으로 양단이 개방된 투명 관로 형태의 본체(61)와, 상기 본체(61) 내에 배치되어 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도에 따라 고유한 색상이 변화하도록 구비되는 농도 센서(62)를 구비하고 있다.

상기 본체(61)는 사각형의 투명한 관로 형태를 취하는 바, 개질기(20)로부터 스택(10)의 제1 주입부(13a)로 공급되는 수소 가스의 흐름을 가능케 하는 구조로 이루어진다. 바람직하게, 상기 본체(61)는 폴리스티렌으로 이루어진다. 상기 본체(61)는 한 쪽 단부에 유입구(61a)를 형성하고, 다른 한 쪽 단부에 유출구(61b)를 형성하고 있다. 이 때 상기 유입구(61a)와 유출구(61b)에는 제2 공급라인(92)이 연결 설치되고 있다.

그리고 상기 농도 센서(62)는 본체(61)의 내부에 배치되며, 이 본체(61)를 따라 흐르는 수소 가스 중에 함유된 일산화탄소와 반응하여 이 일산화탄소의 양에 따라 비례하여 최초의 고유한 색상이 적어도 하나의 다른 색상으로 변화되도록 구성된다. 바람직하게, 상기 농도 센서(62)는 팔라듐과 몰리브데늄으로 이루어지는 시트 형태를 취하며, 상기 본체(61)의 내주면에 부착 설치된다.

한편, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 패키지 구조를 도시한 사시도로서, 상술한 바와 같은 구조로 이루어진 연료 전지 시스템(100: 도 1)은 박스 형태의 패키징부(70) 내에 장착될 수 있다. 이러한 패키징부(70)는 공지의 결합수단(도시하지 않음)에 의하여 휴대용 전자기기에 착탈 가능하도록 구비된다.

그리고 상기 패키징부(70)에는 본 실시예에 의한 농도 감지부(60)의 본체 (61)를 외부로 노출시키기 위한 노출 구멍(71)을 형성하고 있다. 이에 상기 본체(61)는 패키징부(70)의 노출 구멍(71)을 통해 외부에 일부 노출되게 된다. 이는 상기 본체(61)가 투명한 소재로 이루어져 있기 때문에, 본체(61) 내부에 배치된 농도 센서(62)를 이 본체(61)를 통해 외부로 노출시켜 일산화탄소에 의한 상기 농도 센서(62)의 색상 변화를 사용자에게 시각적으로 인식시키기 위함이다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 동작을 상세히 설명하면 다음과 같다.

우선, 본 시스템을 내장하고 있는 패키징부(50)를 휴대용 전자기기에 장착시킨 상태에서, 연료 펌프(33)를 가동시켜 연료 탱크(31)에 저장된 연료를 제1 공급라인(91)을 통해 개질기(20)로 공급한다. 그러면 상기 개질기(20)는 일례로서, 열 에너지에 의한 수증기 개질(Steam Reformeing : SR) 촉매 반응을 통해 상기한 연료로부터 수소 가스를 발생시키고, 수성가스 전환(Water-Gas Shift Reaction: WGS) 촉매 반응 또는 선택적 산화(Preferential CO Oxidation: PROX) 촉매 반응을 통해 상기한 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시킨다. 이 때 상기 수소 가스에는 위와 같은 일련의 촉매 반응을 완전히 행하는 것이 곤란하여 미량의 일산화탄소를 함유하고 있다.

이어서, 상기 수소 가스를 제2 공급라인(92)을 통해 스택(10)의 제1 주입부(13a)로 공급한다.

이러는 과정에서, 상기 수소 가스는 농도 감지부(60)의 본체(61)를 통과하게 된다. 그러면, 농도 센서(62)는 이 수소 가스 중에 함유된 일산화탄소와 반응하여 상기 일산화탄소의 양에 따라 최초의 고유한 색상에서 다른 색상으로 변화하게 된다. 이 때 상기 본체(61)가 투명한 소재로 이루어지고 패키징부(70)의 노출 구멍(71)으로 노출되고 있기 때문에, 상기한 농도 센서(62)는 이 본체(61)를 통해 외부로 노출되어 사용자로 하여금 색상의 변화를 인식하게 한다.

이 후, 상기 농도 센서(62)의 변색 정도를 통상의 분광 광도계(spectrophotometer)로 측정하게 되면, 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 알 수 있게 된다. 이러한 농도 센서(62)의 색상 변화는 그 변색 정도에 따라 전기 발생부(11)의 피독 위험성이 없는 허용 범위의 일산화탄소 농도 또는 이 허용 범위를 초과하는 일산화탄소 농도를 사용자로 하여금 인식케 한다.

이로써 개질기(20)로부터 스택(10)으로 공급되는 수소 가스 중의 일산화탄소 농도를 위와 같은 방식으로 측정이 가능함에 따라, 일산화탄소에 의한 전기 발생부(11)의 피독 현상을 미연에 방지할 수 있다. 즉, 상기 일산화탄소의 농도가 허용 범위를 초과하는 경우, 사용자는 상기 농도 센서(62)의 변색 정도를 통해 이를 인식하고, 시스템(100)의 기동을 정지시켜 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시킬 수 있다. 반대로, 상기 일산화탄소의 농도가 허용 범위를 초과하지 않는 경우, 사용자는 상기 농도 센서(62)의 변색 정도를 통해 이를 인식하고, 상기 수소 가스가 제2 공급라인(92)을 통해 스택(10)의 제1 주입부(13a)에 계속적으로 공급되게 한다.

이러한 과정을 거친 상태에서, 공기 펌프(41)를 가동시켜 공기를 제3 공급라인(93)을 통해 스택(10)의 제2 주입부(13b)로 공급한다.

따라서, 상기 수소 가스는 세퍼레이터(14)의 수소 통로(19a)를 통해 막-전극 어셈블리(12)의 애노드 전극(17)으로 공급되고, 공기는 세퍼레이터(15)의 공기 통로(19b)를 통해 막-전극 어셈블리(12)의 캐소드 전극(18)으로 공급된다. 이 때 상기 애노드 전극(17)의 촉매층(17a)은 Pt 또는 Pt와 Ru의 합금으로 이루어져 있기 때문에, 수소 가스에 함유된 일산화탄소에 의해 피독되지 않게 된다.

이로써 애노드 전극(17)의 촉매층(17a)에서는 산화 반응을 통해 수소 가스를 전자와 프로톤(수소이온)으로 분해한다. 그리고 프로톤이 전해질막(16)을 통하여 캐소드 전극(18)으로 이동되고, 전자는 전해질막(16)을 통하여 이동되지 못하고 세퍼레이터(14, 15)를 통해 이웃하는 막-전극 어셈블리(12)의 캐소드 전극(18)으로 이동되는데 이 때 전자의 흐름으로 전류를 발생시킨다. 또한 캐소드 전극(18)의 촉매층(18a)에서는 상기 이동된 프로톤 및 산소의 환원 반응을 통해 열과 수분을 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, 스택으로 공급되는 수소 가스에 함유된 일산화탄소와 반응하여 변화하는 색상을 통해 상기 일산화탄소의 농도를 감지할 수 있는 농도 감지부를 구비하므로, 사용자의 시각을 통해 일산화탄소의 농도 를 실시간으로 감지할 수 있다. 따라서 일산화탄소에 의한 연료 전지의 피독을 미연에 방지할 수 있으므로, 연료 전지의 성능을 더욱 향상시킴은 물론 수명을 더욱 연장시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (9)

1. 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부;

   상기 수소를 함유한 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키고, 이 수소 가스를 상기 전기 발생부로 공급하는 개질기;

   상기 연료를 상기 개질기로 공급하는 연료 공급원;

   상기 산소를 상기 전기 발생부로 공급하는 산소 공급원; 및

   상기 수소 가스의 주입부에 연결 설치되어 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소와 반응하여 변화하는 색상을 통해 상기 일산화탄소의 농도를 감지할 수 있는 농도 감지부

   를 포함하고,

   상기 개질기와 상기 주입부가 제2 공급라인에 의해 연결 설치되고,

   상기 제2 공급라인 상에 상기 농도 감지부를 설치하고,

   상기 농도 감지부는,

   양단이 개방된 투명한 관로 형태의 본체; 및

   상기 본체 내에 배치되어 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도에 따라 고유한 색상이 변화하는 형태의 농도 센서를 포함하는 연료 전지 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 연료 공급원은,

   상기 연료를 저장하는 연료 탱크; 및

   상기 연료 탱크에 연결 설치되어 상기 연료 탱크에 저장된 연료를 배출시키는 연료 펌프를 포함하며,

   상기 연료 탱크와 개질기가 제1 공급라인에 의해 연결 설치되는 연료 전지 시스템.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 전기 발생부를 복수로 구비하며, 이들 전기 발생부의 집합 구조로 이루어진 스택을 형성하는 연료 전지 시스템.
4. 삭제
5. 삭제
6. 제 1 항에 있어서,

   시스템 전체를 내장시키는 패키징부를 구비하며,

   상기 패키징부는 상기 본체를 외부로 노출시키는 구멍을 형성하는 연료 전지 시스템.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 산소 공급원은 공기를 흡입하여 이 공기를 상기 전기 발생부로 공급하는 공기 펌프를 포함하며,

   상기 공기 펌프와 전기 발생부가 제3 공급라인에 의해 연결 설치되는 연료 전지 시스템.
8. 제 1 항에 있어서,

   상기 전기 발생부는 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode assembly: MEA)와 이 막-전극 어셈블리의 양면에 배치되는 세퍼레이터(Separator)의 밀착 구조로 이루어지고,

   상기 막-전극 어셈블리는 전해질막을 중심에 두고 이의 양측에 애노드 전극과 캐소드 전극이 위치하며,

   상기 애노드 전극이 Pt 또는 Ru 중 적어도 하나로 이루어지는 촉매층을 구비하는 연료 전지 시스템.
9. 제 1 항에 있어서,

   상기 연료 전지 시스템이, 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC) 방식으로 이루어지는 연료 전지 시스템.

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