KR20050079421A - Fuel cell system - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료 전지의 스택에 대한 냉각장치를 가진 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 수소와 외부 공기의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 복수의 전기 생성부를 구비한 스택; 상기 스택으로 연료를 공급하는 연료 공급부; 상기 연료 공급부로부터 공급받은 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키는 개질기; 및 상기 스택 내로 상기 연료를 순환시켜 상기 스택에서 발생되는 열을 냉각시키는 냉각장치를 포함한다.The present invention relates to a fuel cell system having a cooling device for a stack of fuel cells, comprising: a stack having a plurality of electricity generating units for generating electrical energy by an electrochemical reaction of hydrogen and external air; A fuel supply unit supplying fuel to the stack; A reformer for generating hydrogen gas by reforming the fuel supplied from the fuel supply unit; And a cooling device for circulating the fuel into the stack to cool the heat generated in the stack.

Description

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

본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료 전지의 스택에 대한 냉각장치를 가진 연료 전지 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to a fuel cell system having a cooling device for a stack of fuel cells.

일반적으로, 연료 전지(fuel cell)는 메탄올, 에탄올 또는 천연 가스 등 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 공기 중의 산소를 연료로 하여 일어나는 전기화학 반응에 의하여 화학에너지를 직접 전기에너지로 변화시키는 발전 시스템이다. 특히, 연료 전지는 연소 과정 없이 연료가스와 산화제 가스의 전기 화학적인 반응에 의해 생성되는 전기와 그 부산물인 열을 동시에 사용할 수 있다는 특징을 갖고 있다.In general, a fuel cell is a power generation that directly converts chemical energy into electrical energy by an electrochemical reaction caused by hydrogen contained in a hydrocarbon-based material such as methanol, ethanol or natural gas and oxygen in air as a fuel. System. In particular, the fuel cell is characterized by being able to simultaneously use electricity generated by the electrochemical reaction of fuel gas and oxidant gas and heat as a byproduct thereof without a combustion process.

이러한 연료 전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라, 150∼200℃ 부근에서 작동하는 인산형 연료전지, 600∼700℃의 고온에서 작동하는 용융탄산염 형 연료전지, 1000℃ 이상의 고온에서 작동하는 고체 산화물형 연료전지, 상온 내지 100℃ 이하에서 작동하는 고분자 전해질형 및 알칼리형 연료전지 등으로 분류되며, 이들 각각의 연료전지는 근본적으로 같은 원리에 의해 작동하나, 연료의 종류, 운전 온도, 촉매 및 전해질이 서로 다르다.Such fuel cells are phosphoric acid fuel cells operating near 150-200 ° C., molten carbonate fuel cells operating at high temperatures 600-700 ° C. and solid oxide types operating at high temperatures 1000 ° C. or higher depending on the type of electrolyte used. It is classified into fuel cell, polymer electrolyte type and alkaline type fuel cell operating at room temperature to below 100 ° C. Each of these fuel cells operates on the same principle, but the type of fuel, operating temperature, catalyst and electrolyte Are different.

이 중에서 근래에 개발되고 있는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrance Fuel Cell: PEMFC)는, 다른 연료 전지에 비하여 출력 특성이 탁월하고 작동 온도가 낮을뿐더러 빠른 시동 및 응답 특성을 가지고 있으며, 메탄올, 에탄올 또는 천연 가스 등을 개질하여 만들어진 수소를 연료로 사용하여 자동차와 같은 이동용 전원은 물론, 주택, 공공건물과 같은 분산용 전원 및 전자기기용과 같은 소형 전원 등 그 응용 범위가 넓은 장점을 가지고 있다.Among these, polymer electrolyte fuel cells (PEMFCs), which have been recently developed, have excellent output characteristics, low operating temperatures, fast start-up and response characteristics compared to other fuel cells, and methanol and ethanol. In addition, using hydrogen produced by reforming natural gas as a fuel has a wide range of applications such as a mobile power source such as a car, a distributed power source such as a house and a public building, and a small power source such as an electronic device.

상기와 같은 고분자 전해질형 연료 전지가 기본적으로 시스템의 구성을 갖추기 위해서는, 스택(stack)이라 불리는 연료 전지 본체(이하, 편의상 스택이라 칭한다.), 연료 탱크 및 이 연료 탱크로부터 상기 스택으로 연료를 공급하기 위한 연료 펌프 등이 필요하다. 그리고, 연료 탱크에 저장된 연료를 스택으로 공급하는 과정에서 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키고 그 수소 가스를 스택으로 공급하는 개질기(reformer)가 더욱 포함된다. 따라서, 고분자 전해질형 연료 전지는 연료 펌프의 펌핑력에 의해 연료 탱크에 저장된 연료를 개질기로 공급하고, 개질기가 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키며, 스택이 수소 가스와 산소를 전기 화학적으로 반응하여 전기에너지를 생산해 내게 된다.In order for the polymer electrolyte fuel cell as described above to basically have a system configuration, a fuel cell body (hereinafter referred to as a stack for convenience) called a stack, a fuel tank, and a fuel tank are supplied from the fuel tank to the stack. A fuel pump for this purpose is needed. Further, a reformer for reforming the fuel to generate hydrogen gas and supplying the hydrogen gas to the stack is further included in the process of supplying the fuel stored in the fuel tank to the stack. Therefore, the polymer electrolyte fuel cell supplies the fuel stored in the fuel tank to the reformer by the pumping force of the fuel pump, the reformer reforms the fuel to generate hydrogen gas, and the stack electrochemically reacts the hydrogen gas with oxygen. Electric energy is produced.

한편, 연료 전지는 액상의 메탄올 연료를 직접 스택에 공급할 수 있는 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC) 방식을 채용할 수 있다. 이러한 직접 메탄올형 연료 방식의 연료 전지는 고분자 전해질형 연료 전지와 달리, 개질기가 배제된다.On the other hand, the fuel cell may employ a direct methanol fuel cell (DMFC) method that can supply the liquid methanol fuel directly to the stack. Such a direct methanol fuel cell fuel cell, unlike the polymer electrolyte fuel cell, the reformer is excluded.

상기와 같은 연료 전지 시스템에 있어서, 전기를 실질적으로 발생시키는 스택은 전극-전해질 합성체(Membrane Electrode Assembly: MEA)와 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)로 이루어진 단위 셀이 수개 내지 수십개로 적층된 구조를 가진다. 전극-전해질 합성체는 전해질막을 사이에 두고 애노드 전극(일명, "연료극" 또는 "산화전극"이라고 한다)과 캐소드 전극(일명, "공기극" 또는 "환원전극"이라고 한다)이 부착된 구조를 가진다. 그리고 바이폴라 플레이트는 연료 전지의 반응에 필요한 산소가스와 연료가스가 공급되는 통로의 역할과 각 전극-전해질 합성체의 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체의 역할을 동시에 수행한다. 따라서, 바이폴라 플레이트에 의해 애노드 전극에는 수소를 함유하는 연료가스가 공급되는 반면, 캐소드 전극에는 산소를 함유한 산소가스가 공급된다. 이 과정에서 애노드 전극에서는 연료가스의 전기 화학적인 산화가 일어나고, 캐소드 전극에서는 산소가스의 전기 화학적인 환원이 일어나며 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기와 열 그리고 물을 함께 얻을 수 있다.In the fuel cell system as described above, the stack which substantially generates electricity has a structure in which several to tens of unit cells composed of an electrode-electrolyte assembly (MEA) and a bipolar plate are stacked. . The electrode-electrolyte composite has a structure in which an anode electrode (also called "fuel electrode" or "oxide electrode") and a cathode electrode (also called "air electrode" or "reduction electrode") are attached with an electrolyte membrane interposed therebetween. . The bipolar plate simultaneously serves as a passage for supplying the oxygen gas and the fuel gas required for the reaction of the fuel cell and a conductor for connecting the anode electrode and the cathode electrode of each electrode-electrolyte composite in series. Therefore, the anode electrode is supplied with the fuel gas containing hydrogen by the bipolar plate, while the oxygen gas containing oxygen is supplied to the cathode electrode. In this process, the electrochemical oxidation of fuel gas occurs at the anode electrode, the electrochemical reduction of oxygen gas occurs at the cathode electrode, and electricity, heat, and water can be obtained together due to the movement of the generated electrons.

이러한 연료 전지 시스템은 스택을 항상 적정 온도로 관리를 하여야 전해질막의 안정성을 보장할 수 있을 뿐만 아니라, 성능 저하를 미연에 방지할 수 있다. 이를 위해 종래의 연료 전지 시스템은 통상적인 공냉식 냉각장치를 구비하여 운전 중에 스택에서 발생하는 열을 비교적 온도가 낮은 찬 공기로 식혀 주거나 또는 냉각수를 공급하여 스택에서 발생하는 열을 식혀 주는 수냉식 냉각장치를 구비하고 있다.In such a fuel cell system, the stack must be managed at an appropriate temperature at all times to ensure the stability of the electrolyte membrane, and to prevent performance degradation. To this end, the conventional fuel cell system includes a conventional air-cooled cooling device that cools the heat generated from the stack to cool air having a relatively low temperature during operation, or a water-cooled cooling device to cool the heat generated from the stack by supplying cooling water. Equipped.

그런데, 종래에 따른 연료 전지 시스템은 특히, 스택으로 냉각수를 공급하여 스택에서 발생하는 열을 냉각시키는 경우, 스택을 거치면서 데워진 냉각수를 그대로 배수하여 실질적으로 스택으로부터 회수한 열을 버리게 되므로, 그 만큼의 에너지 손실을 유발하게 되는 문제점이 있다. 또한, 종래의 연료 전지 시스템은 스택의 전기 생성에 필요한 액상의 연료를 별도로 가열하여 기화시키고, 개질기를 통해 수소 가스를 발생시키는 구조를 가진다. 이에 따라, 액상의 연료를 개질기에서 요구되는 온도로 별도 가열하는데 따른 열 부하의 증가로 인해 전체 시스템의 효율 및 성능이 저하되는 문제점이 있다.However, the fuel cell system according to the related art, in particular, when cooling the heat generated in the stack by supplying the cooling water to the stack, drains the cooling water heated through the stack as it is and discards the heat recovered from the stack. There is a problem that causes energy loss. In addition, the conventional fuel cell system has a structure in which the liquid fuel required for generating electricity of the stack is separately heated and vaporized, and hydrogen gas is generated through the reformer. Accordingly, there is a problem in that the efficiency and performance of the entire system are deteriorated due to the increase in the heat load caused by separately heating the liquid fuel to the temperature required by the reformer.

본 발명은 상술한 문제점을 감안한 것으로서, 스택의 전기 생성에 필요한 액상의 연료를 이용하여 스택에서 발생하는 열을 냉각하고 스택을 냉각하면서 예열된 연료를 개질기에 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 has a fuel cell system having a structure capable of supplying preheated fuel to a reformer while cooling the heat generated in the stack by using liquid fuel required for generating electricity of the stack and cooling the stack. To provide.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 수소와 외부 공기의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 복수의 전기 생성부를 구비한 스택; 상기 스택으로 연료를 공급하는 연료 공급부; 및 상기 스택 내로 상기 연료를 순환시켜 상기 스택에서 발생되는 열을 냉각시키는 냉각장치를 포함한다.In order to achieve the above object, a fuel cell system according to the present invention, a stack having a plurality of electricity generating unit for generating electrical energy by the electrochemical reaction of hydrogen and external air; A fuel supply unit supplying fuel to the stack; And a cooling device for circulating the fuel into the stack to cool the heat generated in the stack.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 연료 공급부가, 수소를 함유한 액상의 연료를 저장하는 제1 탱크를 구비할 수 있다.In the fuel cell system according to the present invention, the fuel supply unit may include a first tank for storing liquid fuel containing hydrogen.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 냉각장치는 상기 연료가 통과하는 적어도 하나의 유체 통과공을 가지면서 서로 이웃하는 적어도 하나의 전기 생성부 사이에 개재되는 유로부재를 포함할 수 있다.In the fuel cell system according to the present invention, the cooling device may include a flow path member interposed between at least one electricity generating unit adjacent to each other while having at least one fluid passage hole through which the fuel passes.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 연료 공급부와 유로부재가 제1 공급라인에 의해 연결될 수 있다.In the fuel cell system according to the present invention, the fuel supply unit and the flow path member may be connected by a first supply line.

또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 수소와 외부 공기의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 복수의 전기 생성부를 구비한 스택; 상기 스택으로 연료를 공급하는 연료 공급부; 상기 연료 공급부로부터 공급받은 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키는 개질기; 및 상기 스택 내로 상기 연료를 순환시켜 상기 스택에서 발생되는 열을 냉각시키는 냉각장치를 포함한다.In addition, in order to achieve the above object, a fuel cell system according to the present invention, a stack having a plurality of electricity generating unit for generating electrical energy by the electrochemical reaction of hydrogen and external air; A fuel supply unit supplying fuel to the stack; A reformer for generating hydrogen gas by reforming the fuel supplied from the fuel supply unit; And a cooling device for circulating the fuel into the stack to cool the heat generated in the stack.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 연료 공급부가, 수소를 함유한 액상의 연료를 저장하는 제1 탱크와, 물을 저장하는 제2 탱크를 구비할 수 있다.In the fuel cell system according to the present invention, the fuel supply unit may include a first tank for storing liquid fuel containing hydrogen, and a second tank for storing water.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 냉각장치는 상기 연료가 통과하는 적어도 하나의 유체 통과공을 가지면서 서로 이웃하는 적어도 하나의 전기 생성부 사이에 개재되는 유로부재를 포함할 수 있다.In the fuel cell system according to the present invention, the cooling device may include a flow path member interposed between at least one electricity generating unit adjacent to each other while having at least one fluid passage hole through which the fuel passes.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 개질기와 유로부재가 제2 공급라인에 의해 연결될 수 있다.In the fuel cell system according to the present invention, the reformer and the flow path member may be connected by a second supply line.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 연료 공급부와 개질기가 제3 공급라인에 의해 연결될 수도 있다.In the fuel cell system according to the present invention, the fuel supply unit and the reformer may be connected by a third supply line.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 유로부재가 열전도성을 가진 알루미늄, 구리, 철로 이루어지는 군에서 선택되는 재질로 형성될 수 있다.In the fuel cell system according to the present invention, the flow path member may be formed of a material selected from the group consisting of aluminum, copper, and iron having thermal conductivity.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 유로부재가 바이폴라 플레이트에 일체로 형성될 수도 있다.In the fuel cell system according to the present invention, the flow path member may be integrally formed on the bipolar plate.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 연료를 유로부재에 분사하는 노즐부재가 상기 유로부재에 연결 설치되고, 상기 유로부재를 통과하면서 데워진 연료를 회수하여 개질기로 공급하는 회수부재가 상기 유로부재에 연결 설치될 수 있다.In the fuel cell system according to the present invention, a nozzle member for injecting the fuel into the flow path member is connected to the flow path member, and a recovery member for collecting and supplying the fuel heated while passing through the flow path member to the reformer is provided to the flow path member. Connection can be installed.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 노즐부재는 상기 연료 공급부와 연결 설치되고, 상기 유로부재와 실질적으로 연통하는 구멍이 형성될 수 있다.In the fuel cell system according to the present invention, the nozzle member may be installed in connection with the fuel supply part, and a hole may be formed to substantially communicate with the flow path member.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 회수부재는 상기 개질기와 연결 설치되고, 상기 유로부재와 실질적으로 연통하는 구멍이 형성될 수 있다.In the fuel cell system according to the present invention, the recovery member may be connected to the reformer, and a hole may be formed to substantially communicate with the flow path member.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템이, 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrance Fuel Cell: PEMFC) 방식으로 이루어질 수 있다.The fuel cell system according to the present invention may be made of a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) method.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템이, 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC) 방식으로 이루어질 수도 있다.The fuel cell system according to the present invention may be made by a direct methanol fuel cell (DMFC) method.

따라서, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 스택의 전기 생성에 필요한 액상의 연료를 이용하여 스택에서 발생하는 열을 냉각하고 스택을 냉각하면서 예열된 연료를 개질기에 공급할 수 있는 구조를 가지므로, 종래의 수냉식 냉각장치와 같이 스택을 냉각하면서 손실되는 열에너지를 줄일 수 있는 점에 그 특징이 있다. 또한, 개질기에 공급되는 액상의 연료를 별도로 예열할 필요가 없으므로, 연료의 기화에 필요한 열 부하를 줄여 에너지의 손실을 막고, 전체적인 시스템의 효율 및 성능을 더욱 향상시킬 수 있는 점에 다른 특징이 있다.Therefore, the fuel cell system according to the present invention has a structure capable of supplying preheated fuel to the reformer while cooling the heat generated in the stack by using liquid fuel required for generating electricity of the stack and cooling the stack. Like the water-cooled cooling system of the feature is that it can reduce the heat energy lost while cooling the stack. In addition, since the liquid fuel supplied to the reformer does not need to be preheated separately, there is another feature in that it is possible to reduce the heat load required for gasification of the fuel to prevent energy loss and further improve the efficiency and performance of the overall system. .

이하, 본 발명을 명확히 하기 위한 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명하도록 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 도시한 개략도이고, 도 2는 도 1에 도시한 스택 부위를 나타내 보인 분해 사시도이고, 도 3은 도 1에 도시한 냉각장치 부위를 나타내 보인 분해 사시도이다.1 is a schematic view 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 a stack portion shown in Figure 1, Figure 3 is a cooler portion shown in Figure 1 It is an exploded perspective view showing the.

도 1을 참고하면, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)은, 메탄올, 에탄올 또는 천연 가스와 같은 탄화 수소 계열의 연료를 개질하여 수소가 풍부한 개질 가스를 발생시키고, 그 수소 가스와 공기를 전기 화학적으로 반응시켜 생기는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrode Membrane Fuel Cell; PEMFC) 방식을 채용한다.Referring to FIG. 1, the fuel cell system 100 according to the present invention generates a reformed gas rich in hydrogen by reforming a hydrocarbon-based fuel such as methanol, ethanol or natural gas, and converts the hydrogen gas and air into electricity. A polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) method that converts chemical energy generated by chemical reaction into electrical energy is adopted.

본 시스템(100)은 기본적으로, 수소를 함유한 액상의 연료와 물을 공급하는 연료 공급부(50)와, 연료 공급부(50)로부터 공급받은 액상의 연료와 물의 혼합 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키는 개질기(30)와, 개질기(30)에 의해 생성된 수소 가스와 공기의 화학 반응 에너지를 전기 에너지로 변환시켜 전기를 생산 해 내는 스택(10)으로 구성된다.The system 100 basically generates a hydrogen gas by reforming a fuel supply unit 50 for supplying liquid fuel and water containing hydrogen, and a mixed fuel of liquid fuel and water supplied from the fuel supply unit 50. It is composed of a reformer 30 to be made, and a stack 10 for converting the chemical reaction energy of hydrogen gas and air generated by the reformer 30 into electrical energy to produce electricity.

대안으로서, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)은 액상의 연료를 직접 스택(10)으로 공급하여 전기를 생산해 낼 수 있는 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC) 방식을 채용할 수도 있다. 이러한 직접 메탄올형 방식의 연료 전지는 위와 같은 고분자 전해질형 연료 전지와 달리, 도 1에 도시한 개질기(30)가 배제된 구조를 가진다.Alternatively, the fuel cell system 100 according to the present invention may employ a direct methanol fuel cell (DMFC) method capable of supplying liquid fuel directly to the stack 10 to produce electricity. have. Unlike the polymer electrolyte fuel cell as described above, the direct methanol type fuel cell has a structure in which the reformer 30 shown in FIG. 1 is excluded.

이하에서는 전술한 고분자 전해질형 연료 전지 방식을 채용한 연료 전지 시스템(100)을 예로 들어 설명한다. 그러나 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the fuel cell system 100 employing the polymer electrolyte fuel cell method described above will be described as an example. However, the present invention is not necessarily limited thereto.

상기한 연료 공급부(50)는 수소를 함유한 액상의 연료를 저장하는 제1 탱크(51)와, 물을 저장하는 제2 탱크(53)와, 제1 탱크(51)에 저장된 연료와 제2 탱크(53)에 저장된 물을 배출시키도록 각각의 탱크(51)(53)와 연결 설치되는 연료 펌프(미도시)를 구비한다. 여기서 상술한 바와 같은 액상의 연료는 탑재와 저장이 용이한 탄화 수소 계열의 연료 예컨대, 메탄올, 에탄올, 천연 가스 등을 포함한다. 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)에 있어 연료라 함은, 위와 같은 메탄올, 에탄올 또는 천연 가스 외에 물과 공기를 모두 포함하며, 이하의 설명에서 편의 상 메탄올, 에탄올 또는 천연 가스를 액상의 연료라고 정의하고, 액상의 연료와 물이 혼합된 것을 혼합 연료라고 정의한다.The fuel supply unit 50 includes a first tank 51 for storing a liquid fuel containing hydrogen, a second tank 53 for storing water, a fuel and a second stored in the first tank 51. A fuel pump (not shown) connected to each of the tanks 51 and 53 to discharge the water stored in the tank 53 is provided. Here, the liquid fuel as described above includes hydrocarbon-based fuels, such as methanol, ethanol, natural gas, etc., which are easy to mount and store. In the fuel cell system 100 according to the present invention, the term "fuel" includes both water and air in addition to methanol, ethanol, or natural gas as described above. The mixture of liquid fuel and water is defined as mixed fuel.

전술한 바 있는 개질기(30)는 연료 공급부(50)로부터 공급되는 연료와 물의 혼합 연료를 개질 반응에 의해 수소 가스로 전환할 뿐만 아니라, 수소 가스로부터 일산화탄소와 같은 유해 물질을 제거하는 장치이다. 상기한 개질기(30)는 연료를 개질하는 개질부와, 일산화탄소를 제거하는 일산화탄소 제거부를 포함한다. 개질부는 수증기 개질, 부분산화, 자열 반응 등의 촉매 반응을 통해 상기한 연료를 수소가 풍부한 개질 가스로 전환한다. 일산화탄소 제거부는 수성가스 전환 방법과 선택적 산화 방법과 같은 촉매 반응 또는 분리막을 이용한 수소의 정제 등과 같은 방법으로 개질 가스로부터 일산화탄소를 제거한다. 그리고 개질기(30)는 유입구(31)와 유출구(32)를 갖는 본체(33)를 포함한다. 상기 유입구(31)는 연료 공급부(50)로부터 공급되는 액상의 연료와 물의 혼합 연료를 본체(33)의 내부로 유입시키는 기능을 가진다. 상기 유출구(32)는 본체(33)의 내부에서 개질부 및 일산화탄소 제거부의 촉매 반응에 의해 생성된 수소 가스를 외부로 배출시키는 기능을 가진다.The reformer 30 described above is a device that not only converts a mixed fuel of water and fuel supplied from the fuel supply unit 50 into hydrogen gas by a reforming reaction, but also removes harmful substances such as carbon monoxide from hydrogen gas. The reformer 30 includes a reforming unit for reforming fuel and a carbon monoxide removing unit for removing carbon monoxide. The reforming unit converts the fuel into hydrogen-rich reforming gas through catalytic reactions such as steam reforming, partial oxidation, and autothermal reaction. The carbon monoxide removal unit removes carbon monoxide from the reformed gas by a catalytic reaction such as a water gas conversion method and a selective oxidation method or purification of hydrogen using a separator. And the reformer 30 includes a body 33 having an inlet 31 and an outlet 32. The inlet 31 has a function of introducing a mixed fuel of liquid fuel and water supplied from the fuel supply unit 50 into the body 33. The outlet 32 has a function of discharging hydrogen gas generated by the catalytic reaction of the reforming unit and the carbon monoxide removing unit to the outside in the body 33.

도 1 및 도 2를 참고하면, 본 발명에 따른 스택(10)은 개질기(30)를 통해 개질된 수소 가스를 공급받고 공기 공급부(미도시)로부터 외부 공기를 공급받아 이들의 산화/환원 반응을 유도하여 전기 에너지를 발생시키는 복수의 전기 생성부(11)를 구비한다.1 and 2, the stack 10 according to the present invention receives the modified hydrogen gas through the reformer 30 and receives external air from an air supply unit (not shown) to perform the oxidation / reduction reaction thereof. It is provided with a plurality of electricity generating unit 11 for inducing to generate electrical energy.

상기한 각각의 전기 생성부(11)는 전기를 발생시키는 단위의 셀을 의미한다. 전기 생성부(11)는 수소 가스와 공기를 산화/환원시키는 전극-전해질 합성체(Membrane Electrode assembly: MEA )(12)와, 수소 가스와 공기를 전극-전해질 합성체(12)로 공급하기 위한 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)(16)로 이루어진다. 이러한 전기 생성부(11)는 전극-전해질 합성체(12)를 중심에 두고 이의 양측에 바이폴라 플레이트(16)가 각각 배치된다. 이로서 스택(10)은 위와 같은 복수의 전기 생성부(11)가 연속적으로 배치됨으로써 구성된다. 여기서 스택(10)의 최외측에 각각 위치하는 바이폴라 플레이트(16)는 엔드 플레이트(13)라고 정의한다.Each of the electricity generating units 11 refers to a cell of a unit for generating electricity. The electricity generating unit 11 is an electrode-electrolyte composite (MEA) 12 that oxidizes / reduces hydrogen gas and air, and supplies the hydrogen gas and air to the electrode-electrolyte composite 12. It consists of a bipolar plate (16). The electricity generating unit 11 has the electrode-electrolyte composite 12 in the center and bipolar plates 16 are disposed on both sides thereof. As a result, the stack 10 is configured by continuously arranging the plurality of electricity generating units 11 as described above. Herein, the bipolar plates 16 positioned at the outermost sides of the stack 10 are defined as end plates 13.

상기 전극-전해질 합성체(12)는 양측면을 이루는 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 전해질막이 개재된 통상적인 MEA(Membrane Electrode Assembly)의 구조를 가진다. 애노드 전극은 바이폴라 플레이트(16)를 통해 수소 가스를 공급받는 부분으로, 산화 반응에 의해 수소 가스를 전자와 수소 이온으로 변환시키는 촉매층과, 전자와 수소 이온의 원활한 이동을 위한 기체 확산층(Gas Diffusion Layer: GDS)으로 구성된다. 캐소드 전극은 바이폴라 플레이트(16)을 통해 공기를 공급받는 부분으로, 환원 반응에 의해 산소를 전자와 산소 이온으로 변환시키는 촉매층과, 전자와 산소 이온의 원활한 이동을 위한 기체 확산층으로 구성된다. 그리고 전해질막은 두께가 50∼200㎛인 고체 폴리머 전해질로서, 애노드 전극의 촉매층에서 생성된 수소 이온을 캐소드 전극의 촉매층으로 이동시키는 이온 교환의 기능을 가진다.The electrode-electrolyte composite 12 has a structure of a conventional MEA (membrane electrode assembly) in which an electrolyte membrane is interposed between an anode electrode and a cathode electrode forming both sides. The anode electrode is a portion receiving hydrogen gas through the bipolar plate 16, a catalyst layer for converting hydrogen gas into electrons and hydrogen ions by an oxidation reaction, and a gas diffusion layer for smooth movement of electrons and hydrogen ions. : GDS). The cathode electrode is a portion to which air is supplied through the bipolar plate 16, and is composed of a catalyst layer for converting oxygen into electrons and oxygen ions by a reduction reaction, and a gas diffusion layer for smooth movement of electrons and oxygen ions. The electrolyte membrane is a solid polymer electrolyte having a thickness of 50 to 200 µm, and has an ion exchange function for transferring hydrogen ions generated in the catalyst layer of the anode electrode to the catalyst layer of the cathode electrode.

전술한 바 있는 바이폴라 플레이트(16)는 전극-전해질 합성체(12)의 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체의 기능을 가진다. 그리고 바이폴라 플레이트(16)는 전극-전해질 합성체(12)의 산화/환원 반응에 필요한 수소 가스와 공기를 애노드 전극과 캐소드 전극에 공급하는 통로의 기능도 가진다. 이를 위해, 바이폴라 플레이트(16)의 표면에는 전극-전해질 합성체(12)의 산화/환원 반응에 필요한 반응 가스를 공급하는 유로 채널(17)이 형성된다.The bipolar plate 16 described above has the function of a conductor that connects the anode electrode and the cathode electrode of the electrode-electrolyte composite 12 in series. The bipolar plate 16 also has a function of a passage for supplying hydrogen gas and air required for the oxidation / reduction reaction of the electrode-electrolyte composite 12 to the anode electrode and the cathode electrode. To this end, a flow channel 17 is formed on the surface of the bipolar plate 16 to supply a reaction gas for the oxidation / reduction reaction of the electrode-electrolyte composite 12.

보다 구체적으로, 상기한 바이폴라 플레이트(16)는 전극-전해질 합성체(12)를 사이에 두고 그 양측에 각각 배치되어 전극-전해질 합성체(12)의 애노드 전극 및 캐소드 전극에 밀착된다. 그리고 바이폴라 플레이트(16)는 전극-전해질 합성체(12)의 애노드 전극 및 캐소드 전극에 각각 밀착되는 밀착면에 애노드 전극으로 수소 가스를 공급하고, 캐소드 전극으로 공기를 공급하기 위한 유로 채널(17)을 형성하고 있다.More specifically, the bipolar plate 16 is disposed on both sides thereof with the electrode-electrolyte composite 12 interposed therebetween to be in close contact with the anode electrode and the cathode electrode of the electrode-electrolyte composite 12. In addition, the bipolar plate 16 supplies a hydrogen gas to the anode electrode and a flow path channel 17 for supplying air to the cathode electrode, in contact with the anode electrode and the cathode electrode of the electrode-electrolyte composite 12, respectively. To form.

상기 각각의 엔드 플레이트(13)는 스택(10)의 최외측에 각각 배치되어 위와 같은 바이폴라 플레이트(16)의 기능을 수행하는 플레이트로서, 전극-전해질 합성체(12)의 애노드 전극 및 캐소드 전극 중 어느 하나의 전극에 밀착된다. 그리고 전극-전해질 합성체(12)에 밀착되는 엔드 플레이트(13)의 밀착면에는 상기 어느 하나의 전극으로 수소 가스 및 공기 중 어느 하나를 공급하기 위한 유로 채널(17)이 형성된다.Each of the end plates 13 is disposed on the outermost side of the stack 10 to perform the function of the bipolar plate 16 as described above, and includes the anode electrode and the cathode electrode of the electrode-electrolyte composite 12. It is in close contact with either electrode. In addition, a channel channel 17 for supplying any one of hydrogen gas and air to any one of the electrodes is formed on the contact surface of the end plate 13 which is in close contact with the electrode-electrolyte composite 12.

또한 각각의 엔드 플레이트(13)에는 어느 하나의 유로 채널(17)에 개질기(30)로부터 생성된 수소 가스를 주입하기 위한 파이프 형상의 제1 공급관(13a)과, 다른 하나의 유로 채널(17)에 공기를 주입하기 위한 파이프 형상의 제2 공급관(13b)과, 복수의 전기 생성부(11)에서 최종적으로 미반응되고 남은 수소 가스를 외부로 배출시키기 위한 제1 배출관(13c)과, 상기한 전기 생성부(11)에서 최종적으로 미반응되고 남은 공기를 외부로 배출시키기 위한 제2 배출관(13d)을 구비한다. 여기서 상기 제1 공급관(13a)은 개질기(30)의 유출구(32)와 소정의 유로로 연결된다.In addition, each end plate 13 has a pipe-shaped first supply pipe 13a for injecting hydrogen gas generated from the reformer 30 into one flow channel 17 and the other flow channel 17. A pipe-shaped second supply pipe 13b for injecting air into the air, a first discharge pipe 13c for discharging the remaining unreacted hydrogen gas from the plurality of electricity generating units 11 to the outside, and A second discharge pipe 13d for discharging the air remaining unreacted finally in the electricity generating unit 11 to the outside is provided. Here, the first supply pipe 13a is connected to the outlet 32 of the reformer 30 by a predetermined flow path.

따라서, 상기와 같은 구성을 가진 스택(10)은 다음의 반응식 1과 같은 반응에 따라 전기와 물이 생성된다.Therefore, the stack 10 having the configuration as described above generates electricity and water according to the reaction shown in Scheme 1 below.

<반응식 1><Scheme 1>

양극반응: H₂ → 2H⁺ + 2e^- Anode ^{_{reaction: H 2 → 2H + + 2e}} -

음극반응: O₂ + 2H⁺ + 2e^- → H₂OCathodic ^{_{reaction: O 2 + 2H + + 2e}} - → H 2 O

전체반응: H₂ + O₂ → H₂O + 전류 + 열Total reaction: H ₂ + O ₂ → H ₂ O + Current + Heat

반응식 1을 참고하면, 바이폴라 플레이트(16)을 통해 전극-전해질 합성체(12)의 애노드 전극으로 수소 가스가 공급되고, 캐소드 전극으로 공기가 공급된다. 상기한 수소 가스가 애노드 전극으로 흐르게 되면 촉매층에서 수소가 전자와 프로톤(수소이온)으로 분해된다. 프로톤이 전해질막을 통하여 이동되면 역시 촉매의 도움으로 캐소드 전극에서 전자와 산소이온 그리고 이동된 프로톤이 합쳐져서 물을 생성한다. 여기서 애노드 전극에서 생성된 전자는 전해질막을 통하여 이동되지 못하고 외부 회로를 통하여 캐소드 전극으로 이동된다. 이러한 과정을 거치면서 전기와 물을 생성하게 된다.Referring to Scheme 1, hydrogen gas is supplied to the anode electrode of the electrode-electrolyte composite 12 through the bipolar plate 16, and air is supplied to the cathode electrode. When the hydrogen gas flows to the anode electrode, hydrogen is decomposed into electrons and protons (hydrogen ions) in the catalyst layer. When protons are transported through the electrolyte membrane, electrons, oxygen ions, and transported protons at the cathode electrode, with the help of a catalyst, also combine to produce water. Here, electrons generated at the anode electrode are not moved through the electrolyte membrane, but are moved to the cathode electrode through an external circuit. This process generates electricity and water.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)의 작용시, 스택(10)에서는 수소 가스와 산소의 화학적인 반응에 의해 부수적으로 열이 발생하게 된다.In the operation of the fuel cell system 100 according to the present invention, heat is incidentally generated in the stack 10 by a chemical reaction between hydrogen gas and oxygen.

이에 본 발명의 실시예는, 도 1 및 도 3에 도시된 바와 같이, 연료 공급부(50)로부터 공급되는 액상의 연료와 물의 혼합 연료를 스택(10)으로 직접 경유시켜 스택(10)에서 발생하는 열을 냉각하고, 그 스택(10)을 경유하면서 예열된 혼합 연료를 개질기(30)로 공급할 수 있는 액냉식의 냉각장치(70)를 구비한다.1 and 3, the mixed fuel of the liquid fuel and water supplied from the fuel supply unit 50 is directly generated through the stack 10 and generated in the stack 10. It is provided with a liquid-cooling cooling device 70 capable of cooling the heat and supplying the preheated mixed fuel to the reformer 30 via the stack 10.

상기한 냉각장치(70)는 적어도 하나의 유체 통과공(22)을 가지면서 스택(10)의 서로 이웃하는 적어도 하나의 전기 생성부(11) 사이에 개재되는 유로부재(21)를 포함한다. 바람직하게, 유로부재(21)는 2~3개의 군을 이루는 전기 생성부(11) 사이에 각각 배치되며, 서로 이웃하는 바이폴라 플레이트(16)의 유로 채널(17)이 형성된 면의 반대쪽 면에 각각 밀착된다. 유로부재(21)는 전기 생성부(11)로부터 발생하는 열이 용이하게 전도되도록 열전도성 소재 예컨대, 알루미늄, 구리, 철 소재 등으로 형성될 수 있다.The cooling device 70 includes a flow path member 21 having at least one fluid passage hole 22 and interposed between at least one electricity generating unit 11 adjacent to each other of the stack 10. Preferably, the flow path members 21 are disposed between the electricity generating units 11 forming two to three groups, respectively, on opposite sides of the surfaces on which the flow channel channels 17 of the neighboring bipolar plates 16 are formed. Close contact. The flow path member 21 may be formed of a thermally conductive material such as aluminum, copper, iron, or the like so that heat generated from the electricity generating unit 11 may be easily conducted.

상기 유로부재(21)는 제1 공급라인(71)을 통해 연료 공급부(50)와 연결 설치되고, 제2 공급라인(72)을 통해 개질기(30)의 유입구(31)와 연결 설치된다. 전술한 바 있는 유체 통과공(22)은 연료 공급부(30)로부터 공급되는 액상의 혼합 연료가 한 쪽 단부에 주입되고 다른 쪽 단부를 통해 개질기(30)의 유입구(31)로 배출되도록 하는 유동 통로로서, 전기 생성부(11)가 배치되는 방향에 수직하는 방향으로 형성된다.The flow path member 21 is connected to the fuel supply unit 50 through the first supply line 71 and connected to the inlet 31 of the reformer 30 through the second supply line 72. The above-described fluid passage hole 22 is a flow passage for allowing a liquid mixed fuel supplied from the fuel supply unit 30 to be injected at one end and discharged to the inlet 31 of the reformer 30 through the other end. As an example, the electric generator 11 is formed in a direction perpendicular to the direction in which the electricity generating unit 11 is disposed.

대안으로서, 본 시스템(100)은 초기 구동시 스택(10)을 예열하기 위해, 액상의 혼합 연료를 연료 공급부(50)로부터 개질기(30)로 직접 공급할 수 있는 제3 공급라인(73)을 구비할 수도 있다. 제3 공급라인(73)은 연료 공급부(50)와 제2 공급라인(72)에 연결 설치된다.As an alternative, the system 100 has a third supply line 73 which can supply liquid mixed fuel directly from the fuel supply 50 to the reformer 30 for preheating the stack 10 during initial operation. You may. The third supply line 73 is connected to the fuel supply unit 50 and the second supply line 72.

한편, 상기 냉각장치(70)는 연료 공급부(50)로부터 배출되는 액상의 혼합 연료를 유로부재(21)의 유체 통과공(22)으로 분사하는 노즐부재(74)와, 유체 통과공(22)을 통과하는 액상의 혼합 연료를 회수하여 개질기(30)의 유입구(31)로 공급하는 회수부재(77)를 구비한다.On the other hand, the cooling device 70 is a nozzle member 74 for injecting the mixed fuel of the liquid discharged from the fuel supply unit 50 to the fluid passage hole 22 of the flow path member 21, and the fluid passage hole 22 It is provided with a recovery member 77 for recovering the mixed fuel of the liquid passing through the supply to the inlet 31 of the reformer 30.

상기 노즐부재(74)는 유체 통과공(22)의 한 쪽 단부 측에 배치된다. 노즐부재(74)는 유체 통과공(22)과 연통하는 다수의 노즐 구멍(75)이 형성되며, 일단이 개방되고 타단이 폐쇄된 관로를 가진 파이프 형상의 배관을 구비한다. 여기서 노즐부재(74)의 개방된 단부는 액상의 혼합 연료가 주입되는 입구(76)로서, 제1 공급라인(71)과 연결된다. 노즐부재(74)는 노즐 구멍(75)의 가장자리 부분이 돌출되어 유체 통과공(22)의 한 쪽 단부에 억지 끼워 맞춤식으로 결합된다.The nozzle member 74 is disposed at one end side of the fluid passage hole 22. The nozzle member 74 is provided with a plurality of nozzle holes 75 in communication with the fluid passage hole 22, and has a pipe-shaped pipe having an open end at one end and a closed end at the other end. Here, the open end of the nozzle member 74 is an inlet 76 into which the liquid mixed fuel is injected, and is connected to the first supply line 71. The nozzle member 74 has an edge portion of the nozzle hole 75 protruding and is forcibly fitted to one end of the fluid passage hole 22.

상기 회수부재(77)는 유체 통과공(22)의 다른 쪽 단부 측에 배치된다. 회수부재(77)는 유체 통과공(22)과 연통하는 다수의 회수 구멍(78)이 형성되며, 일단이 개방되고 타단이 폐쇄된 관로를 가진 파이프 형상의 배관을 구비한다. 여기서 회수부재(77)의 개방된 단부는 유체 통과공(22)을 통과한 액상의 혼합 연료를 개질기(30)의 유입구(31)로 공급할 수 있는 출구(79)로서, 제2 공급라인(72)과 연결된다. 회수부재(77)는 회수 구멍(78)의 가장자리 부분이 돌출되어 유체 통과공(22)의 다른 쪽 단부에 억지 끼워 맞춤식으로 결합된다.The recovery member 77 is disposed on the other end side of the fluid passage hole 22. The recovery member 77 has a plurality of recovery holes 78 formed in communication with the fluid passage hole 22, and includes a pipe-shaped pipe having an open end at one end and a closed end at the other end. Here, the open end of the recovery member 77 is an outlet 79 for supplying the mixed fuel of the liquid that has passed through the fluid passage hole 22 to the inlet 31 of the reformer 30, and the second supply line 72. ). The recovery member 77 has an edge portion of the recovery hole 78 protruded and is forcibly fitted to the other end of the fluid passage hole 22.

본 발명에 의하면, 스택(10)을 통해 전기를 생성하는 도중, 전기 생성부(11)에서는 열이 발생하게 된다. 그러면, 상기한 열은 바이폴라 플레이트(16)로부터 유로부재(21)에 전달된다.According to the present invention, heat is generated in the electricity generating unit 11 while generating electricity through the stack 10. Then, the heat is transferred from the bipolar plate 16 to the flow path member 21.

이와 같이 전기 생성부(11)에서 발생하는 열을 냉각하기 위해서는, 연료 펌프를 가동시켜 제1 탱크(51) 및 제2 탱크(53)에 각각 저장된 액상의 연료와 물을 제1 공급라인(71)으로 배출시킨다. 그러면, 상기한 액상의 연료와 물의 혼합 연료가 노즐부재(74)의 입구(76)로 주입되고, 그 노즐부재(74)의 관로를 따라 유동하면서 노즐 구멍(75)을 통해 유체 통과공(22)으로 분사된다. 이 때 상기한 혼합 연료는 연료 펌프의 펌핑력에 의해 유체 통과공(22)으로 분사된다.In order to cool the heat generated by the electricity generating unit 11 as described above, the fuel pump is operated to supply liquid fuel and water stored in the first tank 51 and the second tank 53, respectively, to the first supply line 71. To be discharged. Then, the mixed fuel of the liquid fuel and the water is injected into the inlet 76 of the nozzle member 74, and the fluid passage hole 22 through the nozzle hole 75 while flowing along the conduit of the nozzle member 74. Sprayed). At this time, the mixed fuel is injected into the fluid passage hole 22 by the pumping force of the fuel pump.

따라서 상기한 액상의 혼합 연료가 전기 생성부(11)에서 발생하는 열 보다 상대적으로 낮은 온도를 유지하고 있기 때문에, 유로부재(21)의 유체 통과공(22)을 통과하면서 바이폴라 플레이트(16)로부터 유로부재(21)로 전도된 열을 회수하여 소정 온도로 데워지게 된다.Therefore, since the mixed fuel of the liquid phase is maintained at a relatively lower temperature than the heat generated in the electricity generating section 11, the bipolar plate 16 passes through the fluid passage hole 22 of the flow path member 21. The heat conducted to the flow path member 21 is recovered and warmed to a predetermined temperature.

이 후, 유로부재(21)의 유체 통과공(22)을 통과하면서 데워진 혼합 연료가 회수부재(77)의 회수 구멍(78)을 통해 그 회수부재(77)의 관로에 유입되고, 연료 공급부(30) 자체의 펌핑력에 의해 출구(79)로 배출된다. 그러면 회수부재(77)로부터 배출되는 액상의 혼합 연료는 제2 공급라인(72)을 따라 개질기(30)의 유입구(31)로 공급된다.Thereafter, the mixed fuel warmed while passing through the fluid passage hole 22 of the flow path member 21 flows into the conduit of the recovery member 77 through the recovery hole 78 of the recovery member 77, and the fuel supply unit ( 30) It is discharged to the outlet 79 by its pumping force. Then, the mixed fuel of the liquid discharged from the recovery member 77 is supplied to the inlet 31 of the reformer 30 along the second supply line 72.

이로서 개질기(30)는 상기한 혼합 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키게 되고, 그 수소 가스는 개질기(30)의 유출구(32)를 통해 스택(10)의 제1 공급관(13a)으로 공급된다.As a result, the reformer 30 reforms the mixed fuel to generate hydrogen gas, and the hydrogen gas is supplied to the first supply pipe 13a of the stack 10 through the outlet 32 of the reformer 30.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)은 이와 같은 일련의 반복적인 동작에 의해 스택(10)의 전기 생성 및 냉각이 이루어지게 되고, 스택(10)을 냉각하면서 예열된 액상의 혼합 연료를 회수하여 개질기(30)로 공급할 수 있게 된다.As described above, the fuel cell system 100 according to the present invention generates electricity and cools the stack 10 by such a series of repetitive operations, and preheats the liquid phase while cooling the stack 10. The mixed fuel can be recovered and supplied to the reformer 30.

한편, 본 발명은 시스템(100)의 초기 구동시, 혼합 연료를 연료 공급부(50)로부터 제3 공급라인(73)을 통해 개질기(30)의 유출구(32)로 직접 공급할 수 있다. 그러면 앞서 설명한 바와 같이, 스택(10)이 개질기(30)로부터 생성된 수소 가스와 외부 공기를 공급받아 전기를 생성해 낸다. 이로서 스택(10)은 시스템(100)의 초기 구동시 전기를 생성하는 과정에서 발생하는 열에 의해 그 자체가 예열된다.On the other hand, the present invention, when the system 100 is initially driven, the mixed fuel can be directly supplied from the fuel supply unit 50 to the outlet 32 of the reformer 30 through the third supply line 73. Then, as described above, the stack 10 is supplied with hydrogen gas and external air generated from the reformer 30 to generate electricity. As such, the stack 10 itself is preheated by the heat generated in the course of generating electricity during initial drive of the system 100.

도 4는 도 2에 도시한 스택 구조의 변형예를 나타내 보인 분해 사시도이다.4 is an exploded perspective view showing a modification of the stack structure shown in FIG.

도 4를 참고하면, 본 실시예의 변형예에 따른 스택(10)은 서로 이웃하는 전기 생성부(11)의 바이폴라 플레이트(16)에 유체 통과공(42)이 일체로 형성된 유로부재(41)가 구비된다. 상기한 유로부재(41)는 유체 통과공(42)을 형성하기 위해 바이폴라 플레이트(16)의 유로 채널(17)의 반대쪽 면에 형성된 홈(42a)을 포함한다. 따라서, 유체 통과공(42)은 바이폴라 플레이트(16)의 상기한 반대쪽 면이 서로 밀착되면서 전술한 홈(42a)이 합쳐짐으로써 혼합 연료의 이동 통로를 형성하게 된다.Referring to FIG. 4, the stack 10 according to the modified example of the present embodiment includes a flow path member 41 having the fluid passage hole 42 integrally formed in the bipolar plate 16 of the electricity generating unit 11 adjacent to each other. It is provided. The flow path member 41 includes a groove 42a formed on the opposite side of the flow channel 17 of the bipolar plate 16 to form the fluid passage hole 42. Accordingly, the fluid passage hole 42 forms the movement path of the mixed fuel by joining the aforementioned grooves 42a while the opposite surfaces of the bipolar plate 16 are in close contact with each other.

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, 스택의 전기 생성에 필요한 액상의 연료를 이용하여 스택에서 발생하는 열을 냉각하고 스택을 냉각하면서 예열된 연료를 개질기에 공급할 수 있는 구조를 가지므로, 종래의 수냉식 냉각장치와 같이 스택을 냉각하면서 손실되는 열에너지를 줄일 수 있다.The fuel cell system according to the present invention has a structure in which a heat generated from the stack can be cooled using liquid fuel required for generating electricity of the stack, and the preheated fuel can be supplied to the reformer while cooling the stack. As with water-cooled chillers, the thermal energy lost while cooling the stack can be reduced.

또한, 개질기에 공급되는 액상의 연료를 별도로 예열할 필요가 없으므로, 연료의 기화에 필요한 열 부하를 줄여 에너지의 손실을 막고, 전체적인 시스템의 효율 및 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.In addition, since the liquid fuel supplied to the reformer does not need to be preheated separately, it is possible to reduce the heat load required for gasification of the fuel, thereby preventing energy loss and further improving the efficiency and performance of the overall 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 스택 부위를 나타내 보인 분해 사시도이다.FIG. 2 is an exploded perspective view illustrating the stack portion illustrated in FIG. 1.

도 3은 도 1에 도시한 냉각장치 부위를 나타내 보인 분해 사시도이다.3 is an exploded perspective view showing a portion of the cooling device shown in FIG.

도 4는 도 2에 도시한 스택의 변형예를 나타내 보인 분해 사시도이다.4 is an exploded perspective view showing a modification of the stack shown in FIG.

Claims (16)

수소와 외부 공기의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 복수의 전기 생성부를 구비한 스택;A stack having a plurality of electricity generating portions for generating electrical energy by an electrochemical reaction of hydrogen and external air; 상기 스택으로 연료를 공급하는 연료 공급부; 및A fuel supply unit supplying fuel to the stack; And 상기 스택 내로 상기 연료를 순환시켜 상기 스택에서 발생되는 열을 냉각시키는 냉각장치를 포함하는 연료 전지 시스템.And a cooler that circulates the fuel into the stack to cool the heat generated in the stack. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 연료 공급부가, 수소를 함유한 액상의 연료를 저장하는 제1 탱크를 구비하는 연료 전지 시스템.And a fuel tank including a first tank for storing liquid fuel containing hydrogen. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 냉각장치는 상기 연료가 통과하는 적어도 하나의 유체 통과공을 가지면서 서로 이웃하는 적어도 하나의 전기 생성부 사이에 개재되는 유로부재를 포함하는 연료 전지 시스템.The cooler system includes a flow passage member interposed between at least one electricity generating unit adjacent to each other while having at least one fluid passage hole through which the fuel passes. 제 3 항에 있어서,The method of claim 3, wherein 상기 연료 공급부와 유로부재가 제1 공급라인에 의해 연결되는 연료 전지 시스템.And a fuel supply unit and a flow path member connected by a first supply line. 수소와 외부 공기의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 복수의 전기 생성부를 구비한 스택;A stack having a plurality of electricity generating portions for generating electrical energy by an electrochemical reaction of hydrogen and external air; 상기 스택으로 연료를 공급하는 연료 공급부;A fuel supply unit supplying fuel to the stack; 상기 연료 공급부로부터 공급받은 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키는 개질기; 및A reformer for generating hydrogen gas by reforming the fuel supplied from the fuel supply unit; And 상기 스택 내로 상기 연료를 순환시켜 상기 스택에서 발생되는 열을 냉각시키는 냉각장치를 포함하는 연료 전지 시스템.And a cooler that circulates the fuel into the stack to cool the heat generated in the stack. 제 5 항에 있어서,The method of claim 5, 상기 연료 공급부가, 수소를 함유한 액상의 연료를 저장하는 제1 탱크와, 물을 저장하는 제2 탱크를 구비하는 연료 전지 시스템.And a fuel tank comprising a first tank for storing liquid fuel containing hydrogen and a second tank for storing water. 제 6 항에 있어서,The method of claim 6, 상기 냉각장치는 상기 연료가 통과하는 적어도 하나의 유체 통과공을 가지면서 서로 이웃하는 적어도 하나의 전기 생성부 사이에 개재되는 유로부재를 포함하는 연료 전지 시스템.The cooler system includes a flow passage member interposed between at least one electricity generating unit adjacent to each other while having at least one fluid passage hole through which the fuel passes. 제 7 항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 개질기와 유로부재가 제2 공급라인에 의해 연결되는 연료 전지 시스템.And the reformer and the flow path member are connected by a second supply line. 제 6 항에 있어서,The method of claim 6, 상기 연료 공급부와 개질기가 제3 공급라인에 의해 연결되는 연료 전지 시스템.And a fuel supply unit and a reformer are connected by a third supply line. 제 7 항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 유로부재가 열전도성을 가진 알루미늄, 구리, 철로 이루어지는 군에서 선택되는 재질로 형성되는 연료 전지 시스템.And the flow path member is formed of a material selected from the group consisting of aluminum, copper, and iron having thermal conductivity. 제 7 항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 유로부재가 바이폴라 플레이트에 일체로 형성되는 연료 전지 시스템.And a flow path member integrally formed on a bipolar plate. 제 7 항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 연료를 유로부재에 분사하는 노즐부재가 상기 유로부재에 연결 설치되고, 상기 유로부재를 통과하면서 데워진 연료를 회수하여 개질기로 공급하는 회수부재가 상기 유로부재에 연결 설치되는 연료 전지 시스템.And a nozzle member for injecting the fuel into the flow path member connected to the flow path member, and a recovery member for recovering the fuel heated while passing through the flow path member and supplying it to the reformer. 제 12 항에 있어서,The method of claim 12, 상기 노즐부재는 상기 연료 공급부와 연결 설치되고, 상기 유로부재와 실질적으로 연통하는 구멍이 형성되는 연료 전지 시스템.And the nozzle member is connected to the fuel supply part and has a hole in communication with the flow path member. 제 12 항에 있어서,The method of claim 12, 상기 회수부재는 상기 개질기와 연결 설치되고, 상기 유로부재와 실질적으로 연통하는 구멍이 형성되는 연료 전지 시스템.And the recovery member is connected to the reformer and has a hole in communication with the flow path member. 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서,The method according to claim 1 or 5, 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. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 연료 전지 시스템이, 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC) 방식으로 이루어지는 연료 전지 시스템.The fuel cell system is a fuel cell system comprising a direct methanol fuel cell (DMFC) system.