KR100560442B1 - 연료 전지 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 개질 가스의 일산화탄소 농도를 효과적으로 저감시키는 연료 전지 시스템에 관한 것이다.

이를 위하여 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 수소를 함유한 액상의 연료로부터 수소가 풍부한 개질 가스를 생성하는 개질부와, 100 내지 150℃의 운전 온도 조건을 가지면서 상기 개질 가스와 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 전기를 발생시키는 제1 스택과, 상기 제1 스택 보다 상대적으로 낮은 100℃ 미만의 운전 온도 조건을 가지면서 상기 제1 스택으로부터 미반응된 상태로 배출되는 개질 가스와 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 전기를 발생시키는 제2 스택과, 상기 제1 스택과 제2 스택 사이에 배치되어 상기 제1 스택과 제2 스택에 연결 설치되는 일산화탄소 제거부와, 상기 개질부로 액상의 연료를 공급하는 연료 공급부와, 상기 제1 및 제2 스택과 일산화탄소 제거부로 외부 공기를 공급하는 공기 공급부를 포함한다.

연료전지, 연료 공급부, 공기 공급부, 개질부, 제1 스택, 제2 스택, 전기 생성부, 전극-전해질 합성체, 바이폴라 플레이트, 일산화탄소 제거부, 일산화탄소 선택 산화, 촉매층

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 일산화탄소 제거부 부위를 나타내 보인 단면 구성도이다.

본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 개질 가스의 일산화탄소 농도를 효과적으로 저감시키는 연료 전지 시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 연료 전지는 메탄올, 에탄올 또는 천연가스 등 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소 또는 산소를 포함한 공기를 연료로 하여 일어나는 전기화학 반응에 의해 화학에너지를 직접 전기에너지로 변화시키는 발전 시스템이다. 특히, 연료 전지는 연소 과정 없이 수소와 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 생성되는 전기와 그 부산물인 열을 동시에 사용할 수 있다는 특징을 갖고 있다.

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.

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, 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.

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, 개질부가 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키며, 스택이 수소 가스와 산소를 전기 화학적으로 반응하여 전기에너지를 생산해 내게 된다.

상기와 같은 연료 전지 시스템에 있어 전기를 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 전극과 캐소드 전극이 부착된 구조를 가진다. 그리고 바이폴라 플레이트는 연료 전지의 반응에 필요한 산소와 수소 가스가 공급되는 통로의 역할과 각 전극-전해질 합성체의 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체의 역할을 동시에 수행한다. 따라서, 바이폴라 플레이트에 의해 애노드 전극에는 수소 가스가 공급되는 반면, 캐소드 전극에는 산소가 공급된다. 이 과정에서 애노드 전극에서는 수소 가스의 산화 반응이 일어나게 되고, 캐소드 전극에서는 산소의 환원 반응이 일어나게 되며 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기와 열 그리고 물을 함께 얻을 수 있다.

그리고 개질기는 수소를 함유한 액상의 연료와 물을 개질 반응에 의해 스택의 전기 생성에 필요한 수소 가스로 전환할 뿐만 아니라, 연료 전지를 피독시켜 수명을 단축시키는 일산화탄소와 같은 유해 물질을 제거하는 장치이다.

통상적으로 상기한 개질기는 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키는 부분과, 그 수소 가스로부터 일산화탄소를 제거하는 부분으로 이루어진다. 즉, 개질기는 수증기 개질, 부분산화, 자열 반응 등의 촉매 반응을 통해 상기한 연료로부터 수소가 풍부한 개질 가스로 전환하고, 수성가스 전환 방법, 선택적 산화 방법 등과 같은 촉매 반응 또는 분리막을 이용한 수소의 정제 등과 같은 방법으로 개질 가스로부터 일산화탄소를 제거한다. 이러한 개질기는 상기한 반응들이 실질적으로 완전 하게 행해지면 일산화탄소를 함유하지 않은 개질 가스를 생성하게 되지만, 실제에서는 일산화탄소를 제거하기 위한 반응을 완전하게 행하는 것이 곤란하여 일산화탄소가 포함된 개질 가스를 생성하게 된다.

한편, 상술한 바와 같이 개질기로부터 생성된 개질 가스의 일산화탄소 농도를 저감시키기 위한 연료 전지 시스템이 미국특허 제 6294278 호에 제안된 바 있다.

상기한 종래의 연료 전지 시스템은 고온(100℃ 이상)의 운전 조건을 갖는 스택과 저온(100℃ 미만)의 운전 조건을 갖는 별도의 스택을 포함하여 구성된다. 따라서 개질기로부터 생성된 개질 가스를 고온 스택으로 공급하여 개질 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키고, 상기 일산화탄소의 농도가 저감된 개질 가스를 저온 스택으로 공급하여 전기를 생산해 낼 수 있게 된다. 즉, 100℃ 이상의 운전 온도 조건을 갖는 고온 스택으로 개질 가스를 공급하게 되면, 전극-전해질 합성체의 애노드 전극의 촉매층이 일산화탄소의 피독 저항성을 갖는 물질로 이루어지고 고온에 의한 촉매 활성을 가지므로, 개질 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시킬 수 있다.

그런데, 종래의 연료 전지 시스템은 고온 운전 조건의 스택을 이용하여 개질기로부터 생성된 개질 가스의 일산화탄소 농도를 저감시키더라도 최종적으로 저온 운전 조건의 스택으로 공급되는 개질 가스에는 미량의 일산화탄소를 함유하고 있다. 따라서 이와 같은 일산화탄소의 피독으로 인해 저온 운전 조건의 스택 성능이 저하되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상술한 문제점을 감안한 것으로서, 그 목적은 개질기로부터 생성된 일산화탄소의 농도 저감 효율을 극대화하여 전체적인 시스템의 성능을 더욱 향상시킬 수 있는 연료 전지 시스템을 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 수소를 함유한 액상의 연료로부터 수소가 풍부한 개질 가스를 생성하는 개질부와, 100 내지 150℃의 운전 온도 조건을 가지면서 상기 개질 가스와 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 전기를 발생시키는 제1 스택과, 상기 제1 스택 보다 상대적으로 낮은 100℃ 미만의 운전 온도 조건을 가지면서 상기 제1 스택으로부터 미반응된 상태로 배출되는 개질 가스와 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 전기를 발생시키는 제2 스택과, 상기 제1 스택과 제2 스택 사이에 배치되어 상기 제1 스택과 제2 스택에 연결 설치되는 일산화탄소 제거부와, 상기 개질부로 액상의 연료를 공급하는 연료 공급부와, 상기 제1 및 제2 스택과 일산화탄소 제거부로 외부 공기를 공급하는 공기 공급부를 포함한다.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 연료 공급부는: 수소를 함유한 액상의 연료를 저장하는 제1 탱크; 물을 저장하는 제2 탱크; 및 상기 제1 탱크 및 제2 탱크에 각각 연결 설치되는 연료 펌프를 포함할 수 있으며, 상기 공기 공급부는 외부 공기를 흡입하는 공기 펌프를 포함할 수 있다.

삭제

본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 일산화탄소 제거부가, 상기 제1 및 제2 스택과 연결 설치되는 반응 챔버와, 상기 반응 챔버 내에 형성되는 일산화탄소 선택 산화(Preferential CO Oxidation: PROX) 촉매층을 구비할 수 있으며, 이 경우 일산화탄소 선택 산화 촉매층은 Pt 또는 Ru으로 이루어지는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 연료 공급부와 개질부가 제1 공급라인에 의해 연결되고, 상기 개질부와 제1 스택이 제2 공급라인에 의해 연결될 수 있다.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 제1 스택과 일산화탄소 제거부가 제3 공급라인에 의해 연결되고, 상기 일산화탄소 제거부와 제2 스택이 제4 공급라인에 의해 연결될 수 있다.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 제1 스택과 공기 공급부가 제5 공급라인에 의해 연결되고, 상기 제2 스택과 공기 공급부가 제6 공급라인에 의해 연결되며, 상기 일산화탄소 제거부와 공기 공급부가 제7 공급라인에 의해 연결될 수 있다.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrance Fuel Cell: PEMFC) 방식으로 이루어진다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설 명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

본 시스템은 수소를 함유한 연료를 개질하여 수소가 풍부한 개질 가스를 생성하고, 상기한 개질 가스와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 생기는 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrode Membrane Fuel Cell; PEMFC) 방식을 채용한다.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어 전기를 생성하기 위한 연료라 함은 메탄올, 에탄올, 천연 가스와 같은 탄화 수소 또는 알코올 계열의 액상의 연료 이 외에 물 및 산소가 더욱 포함되며, 이 중에서 액상의 연료와 물을 이하의 설명에서는 편의상 혼합 연료라 정의한다. 그리고 상기한 산소 연료로서 별도의 저장수단에 저장된 순수한 산소 가스를 사용할 수 있으며, 산소를 포함하는 공기를 그대로 사용할 수도 있다. 그러나 이하에서는 산소 연료로서 외부의 공기를 사용하는 예를 설명한다.

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

도 1을 참고하면, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)은, 기본적으로 상기한 혼합 연료로부터 수소가 풍부한 개질 가스를 생성하는 개질부(30)와, 개질부(30)에 의해 생성된 개질 가스의 일산화탄소 농도를 1차적으로 저감하고 상기한 개질 가스와 외부 공기의 화학 반응 에너지를 전기 에너지로 변환시켜 전기를 생산 해 내는 제1 스택(10)과, 제1 스택(10)으로부터 미반응된 상태로 배출되는 개 질 가스와 외부 공기의 화학 반응 에너지를 전기 에너지로 변환시켜 전기를 생산해 내는 제2 스택(20)과, 상기한 혼합 연료를 개질부(30)로 공급하는 연료 공급부(50)와, 외부 공기를 제1 및 제2 스택(10, 20)으로 공급하는 공기 공급부(70)를 포함하여 구성된다.

상기한 연료 공급부(50)는 개질부(30)와 연결 설치되며, 수소를 함유한 액상의 연료를 저장하는 제1 탱크(51)와, 물을 저장하는 제2 탱크(52)와, 제1 및 제2 탱크(51, 52)에 각각 연결 설치되는 연료 펌프(53)를 구비한다.

전술한 바 있는 공기 공급부(70)는 제1 및 제2 스택(10, 20)과 연결 설치되며, 소정의 펌핑력으로 외부 공기를 흡입하는 통상적인 구조의 공기 펌프(71)를 구비한다. 이 때 공기 공급부(70)와 제1 스택(10)은 제5 공급라인(85)에 의해 연결 설치될 수 있다. 그리고 공기 공급부(70)와 제2 스택(20)은 제6 공급라인(86)에 의해 연결 설치될 수 있다.

상기한 개질부(30)는 연료 공급부(50)로부터 공급되는 혼합 연료를 개질하여 수소가 풍부한 개질 가스를 발생시키는 통상적인 개질부의 구조를 갖는다. 개질부(30)는 수증기 개질(Steam Reformer: SR) 반응을 통해 상기한 혼합 연료의 분해 반응과 일산화탄소의 변성 반응("시프트 반응"이라고도 함)이 동시에 진행되어 이산화탄소와 수소를 함유하고 있는 개질 가스를 생성하는 개질 반응부(31)를 구비하고 있다. 여기서 개질 반응부(31)와 연료 공급부(50)의 제1 및 제2 탱크(51, 52)는 제1 공급라인(81)에 의해 연결 설치될 수 있다. 그리고 연료 공급부(50)의 연료 펌프(53)는 제1 공급라인(81) 상에 설치될 수 있다.

그리고 개질부(30)는, 개질 반응부(31)에서 행해지는 반응들이 전체적으로 흡열 반응이기 때문에, 개질 반응부(31)의 반응에 필요한 열량을 제공하는 연소부(32)를 구비하고 있다.

상기한 연소부(32)는 개질 가스의 생성에 필요한 열원을 개질 반응부(31)로 공급하는 발열 부분으로서, 액상의 연료와 외부 공기를 촉매 산화 반응에 의해 연소시켜 소정 온도의 연소열을 발생시킨다. 그리고 연소부(32)는 연료 공급부(50)로부터 액상의 연료를 공급받는 동시에, 공기 공급부(70)로부터 외부 공기를 공급 받는다. 여기서 연소부(32)와 연료 공급부(50)의 제1 탱크(51)는 제8 공급라인(88)에 의해 연결 설치될 수 있다. 그리고 연소부(32)와 공기 공급부(70)는 제9 공급라인(89)에 의해 연결 설치될 수 있다.

상기와 같은 구조를 가진 개질부(30)는 상기한 반응들이 실질적으로 완전하게 행해지면 일산화탄소를 함유하지 않은 개질 가스를 생성하게 되지만, 실제의 개질부에서는 일산화탄소의 변성 반응을 완전히 행하게 하는 것이 곤란하여 부(副) 생성물로서의 일산화탄소가 포함된 개질 가스를 생성하게 된다.

본 실시예에 따르면, 위와 같이 일산화탄소를 함유하고 있는 개질 가스를 제1 스택(10)으로 공급하여 스택 자체의 고온 온도 조건에 기인한 촉매 활성을 통해 개질 가스의 일산화탄소 농도를 저감할 수 있다.

상기한 제1 스택(10)은 개질 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키기 위해 그 운전 온도가 100℃ 내지 150℃의 범위로 제어된다. 이와 같은 제1 스택(10)의 운전 온도는 개질부(30)로부터 공급되는 개질 가스와 공기 공급부(70) 로부터 공급되는 외부 공기의 공급량에 의해 제어될 수 있다. 그리고 제1 스택(10)은 개질부(30)로부터 생성된 개질 가스와 외부 공기의 산화/환원 반응을 유도하여 전기 에너지를 발생시키는 고유한 기능도 가진다.

상기 제1 스택(10)은 전극-전해질 합성체(Membrane Electrode assembly: MEA)(12)와, 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)(16)로 이루어진 복수의 전기 생성부(11)를 구비하고 있다.

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.

상기한 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 수소가 풍부한 개질 가스를 공급받는 부분으로서, 개질 가스에 함유된 수소를 산화 반응에 의해 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 부분으로서, 환원 반응에 의해 공기 중의 산소를 전자와 산소 이온으로 변환시키는 촉매층과, 전자와 산소 이온의 원활한 이동을 위한 기체 확산층으로 구성된다. 여기서 애노드 전극의 촉매층은 일산화탄소의 피독 저항성을 갖는 Pt 또는 Pt와 Ru의 합금으로 이 루어진다.

그리고 전해질막은 두께가 50∼200㎛인 고체 폴리머 전해질로서, 애노드 전극의 촉매층에서 생성된 수소 이온을 캐소드 전극의 촉매층으로 이동시키는 이온 교환의 기능을 가진다.

따라서 제1 스택(10)은 전극-전해질 합성체(12)의 애노드 전극 측에 Pt 또는 Pt와 Ru의 합금으로 이루어진 촉매층이 형성되고 스택의 운전 온도 조건이 100℃ 내지 150℃의 범위를 유지하고 있기 때문에, 개질부(30)로부터 공급받은 개질 가스 중의 일산화탄소 농도를 저감시킬 수 있게 된다. 즉, 상기한 촉매층이 스택의 운전 온도가 높으면 높을수록 촉매 활성이 가속화되는 고유한 특성을 가지고 있기 때문에 일산화탄소의 농도를 저감시키게 된다.

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 개질 가스와 공기를 애노드 전극과 캐소드 전극에 공급하는 통로의 기능도 가진다.

보다 구체적으로, 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 개질 가스를 공급하고, 캐소드 전극으로 공기를 공급하기 위한 유로 채널(미도시)을 형성하고 있다.

한편 제1 스택(10)에는 개질부(30)로부터 생성된 개질 가스를 전극-전해질 합성체(12)로 공급하기 위한 제1 공급관(13a)과, 외부 공기를 전극-전해질 합성체(12)로 공급하기 위한 제2 공급관(13b)과, 복수의 전기 생성부(11)에서 최종적으로 미반응되고 남은 개질 가스를 배출시키기 위한 제1 배출관(13c)과, 상기한 전기 생성부(11)에서 최종적으로 미반응되고 남은 공기를 배출시키기 위한 제2 배출관(13d)을 구비하고 있다. 여기서 제1 공급관(13a)과 개질부(30)는 제2 공급라인(82)에 의해 서로 연결될 수 있다. 그리고 제2 공급관(13b)과 공기 공급부(70)는 전술한 바 있는 제5 공급라인(85)에 의해 서로 연결될 수 있다.

상기 제2 스택(20)은 제1 스택(10)으로부터 미반응된 상태로 배출되는 개질 가스 즉, 제1 스택(10)의 운전 온도 조건에 기인한 촉매 활성에 의해 일산화탄소의 농도가 저감된 개질 가스와 외부 공기의 산화/환원 반응을 유도하여 전기 에너지를 발생시키는 구조를 갖는다. 제2 스택(20)은 운전 온도가 100℃ 미만의 범위로 제어된다. 이와 같은 제2 스택(20)의 운전 온도는 제1 스택(10)으로부터 배출되는 미반응된 개질 가스와 공기 공급부(70)로부터 공급되는 외부 공기의 공급량에 의해 제어될 수 있다.

위와 같은 제2 스택(20)에는 제1 스택(10)으로부터 미반응된 상태로 배출되는 개질 가스를 전극-전해질 합성체(22)로 공급하기 위한 제1 공급관(23a)과, 외부 공기를 전극-전해질 합성체(22)로 공급하기 위한 제2 공급관(23b)과, 복수의 전기 생성부(21)에서 최종적으로 미반응되고 남은 개질 가스를 배출시키기 위한 제1 배출관(23c)과, 상기한 전기 생성부(21)에서 최종적으로 미반응되고 남은 공기를 배 출시키기 위한 제2 배출관(23d)을 구비하고 있다. 여기서 상기한 제2 공급관(23b)과 공기 공급부(70)는 전술한 바 있는 제 6공급라인(86)에 의해 연결될 수 있다.

상기 제2 스택(20)의 나머지 구성 요소는 전술한 바 있는 제1 스택(10)과 동일하므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.

상기와 같은 본 시스템(100)의 작용시, 제1 스택(10)의 운전 온도 조건 및 전극-전해질 합성체(12)의 애노드 전극측 촉매층의 촉매 활성에 의해 개질부(30)로부터 생성된 개질 가스의 일산화탄소 농도를 어느 정도 저감시킨다 해도 최종적으로 제1 배출관(13c)을 통해 배출되는 미반응된 개질 가스에는 미량의 일산화탄소가 혼재되어 있으므로 제2 스택(20)의 성능을 저하시킬 우려가 있다.

이에 본 발명의 실시예에 따르면, 제1 스택(10)으로부터 배출되는 미반응된 개질 가스로부터 일산화탄소의 농도를 2차적으로 저감하기 위한 일산화탄소 제거부(90)가 제1 스택(10)과 제2 스택(20) 사이에 배치된다.

도 2는 도 1에 도시한 일산화탄소 제거부 부위를 나타내 보인 단면 구성도이다.

도 1 및 도 2를 참고하면, 상기한 일산화탄소 제거부(90)는 제1 스택(10)으로부터 미반응된 상태로 배출되는 개질 가스와 외부 공기의 선택적 산화(Preferential CO Oxidation: PROX) 촉매 반응을 통해 상기한 개질 가스 내의 일산화탄소를 수소에 우선하여 산화시킴으로써 개질 가스의 일산화탄소 농도를 저감시킬 수 있는 구조를 갖는다.

이를 위한 일산화탄소 제거부(90)는 제1 스택(10)과 제2 스택(20)에 실질적 으로 연결 설치되는 반응 챔버(91)와, 반응 챔버(91)의 내부에 형성되는 Pt 또는 Ru의 일산화탄소 선택 산화(Preferential CO Oxidation: PROX) 촉매층(93)을 포함하여 구성된다.

상기한 반응 챔버(91)는 소정 용적의 내부 공간을 가진 밀폐 용기로서, 제1 스택(10)의 제1 배출관(13c)과 제2 스택(20)의 제1 공급관(23a)에 각각 연결 설치된다. 그리고 반응 챔버(91)는 공기 공급부(70)와 연결 설치된다.

구체적으로, 반응 챔버(91)는 제1 스택(10)의 제1 배출관(13c)으로부터 일산화탄소의 농도가 저감된 상태로 배출되는 미반응의 개질 가스가 상기한 내부 공간으로 유입되도록 하는 제1 유입구(91a)와, 공기 공급부(70)로부터 공급되는 외부 공기가 상기한 내부 공간으로 유입되도록 하는 제2 유입구(91b)와, 상기한 내부 공간에서 촉매층(93)에 의해 선택적 산화 촉매 반응을 일으킨 유체를 제2 스택(20)의 제1 공급관(23a)으로 배출되도록 하는 유출구(91c)를 형성하고 있다. 여기서 제1 스택(10)의 제1 배출관(13c)과 반응 챔버(91)의 제1 유입구(91a)는 제3 공급라인(83)에 의해 연결될 수 있다. 그리고 반응 챔버(91)의 유출구(91c)와 제2 스택(20)의 제1 공급관(23a)은 제4 공급라인(84)에 의해 연결될 수 있다. 또한 반응 챔버(91)의 제2 유입구(91b)와 공기 공급부(70)는 제7 공급라인(87)에 의해 연결될 수 있다.

상기한 일산화탄소 선택 산화 촉매층(93)은 통상적으로 선택적 산화 촉매 반응에 사용되는 촉매 물질로 이루어져 제1 스택(10)의 제1 배출관(13c)을 통해 반응 챔버(91)의 내부 공간으로 유입된 개질 가스의 일산화탄소 농도를 저감시키는 기능 을 가진다.

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

우선, 연료 펌프(53)를 가동시켜 제1 탱크(51)에 저장된 액상의 연료를 제8 공급라인(88)을 통해 개질부(30)의 연소부(32)에 공급한다. 이와 동시에, 공기 펌프(71)를 가동시켜 외부의 공기를 제9 공급라인(89)를 통해 상기한 연소부(32)에 공급한다. 그러면 연소부(32)에서는 액상의 연료와 공기의 촉매 산화 반응에 의해 소정 온도의 연소열을 발생시키게 된다.

이어서, 연료 펌프(53)를 가동시켜 제1 탱크(51) 및 제2 탱크(52)에 저장된 액상의 연료와 물을 제1 공급라인(81)을 통해 개질부(30)의 개질 반응부(31)에 공급한다. 이 때 상기한 개질 반응부(31)는 연소부(32)로부터 발산되는 연소열을 전달받아 소정 온도로 가열된 상태를 유지하고 있다. 그러면 개질 반응부(31)는 수증기 개질(Steam Reformer: SR) 촉매 반응을 통해 혼합 연료의 분해 반응과 일산화탄소의 변성 반응이 동시에 진행되어 이산화탄소와 수소를 함유하고 있는 개질 가스를 생성하게 된다. 이 때 개질 반응부(31)는 일산화탄소의 변성 반응을 완전히 행하게 하는 것이 곤란하여 부(副) 생성물로서의 일산화탄소가 미량 함유된 개질 가스를 생성하게 된다.

다음, 상기한 개질 가스를 개질 반응부(31)로부터 배출시키고, 제2 공급라인(82)을 통해 제1 스택(10)의 제1 공급관(13a)으로 공급한다. 이와 동시에, 공기 펌프(71)를 가동시켜 외부 공기를 제5 공급라인(85)을 통해 제1 스택(10)의 제2 공급관(13b)으로 공급한다. 그러면 제1 스택(10)의 전기 생성부(11)는 개질 가스에 함유된 수소와 공기의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키게 된다. 이 때 제1 스택(10)의 운전 온도 조건은 상기한 개질 가스와 공기의 공급량에 의해 100℃ 내지 150℃의 범위로 제어된다.

따라서 제1 스택(10)은 전기 생성부(11)에서 전기 에너지를 발생시키는 도중, 스택 자체의 운전 온도 조건에 의해 전극-전해질 합성체(12)의 애노드 전극의 촉매층이 활성화되면서 개질 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 1차적으로 저감시킨다.

이어서, 제1 스택(10)의 전기 생성부(11)에서 미반응된 개질 가스 즉, 일산화탄소의 농도가 1차적으로 저감된 개질 가스를 제1 배출관(13c)을 통해 배출시킨다. 여기서 상기한 개질 가스는 제1 스택(10)의 운전 온도 조건에 기인한 촉매 활성에 의해 일산화탄소의 농도가 어느 정도 저감되더라도 미량의 일산화탄소를 함유하고 있다.

다음, 상기한 개질 가스를 제3 공급라인(83)을 통해 반응 챔버(91)로 공급한다. 그러면 개질 가스는 제1 유입구(91a)를 통해 반응 챔버(91)의 내부 공간으로 유입된다. 이와 동시에, 공기 펌프(71)를 가동시켜 외부의 공기를 제7 공급라인(87)을 통해 반응 챔버(91)로 공급한다. 그러면 외부 공기는 제2 유입구(91b)를 통해 반응 챔버(91)의 내부 공간으로 유입된다.

이어서, 반응 챔버(91)의 내부 공간으로 유입된 개질 가스와 공기가 일산화탄소 선택 산화 촉매층(93)을 통과하게 된다. 그러면 상기한 촉매층(93)이 선택적 산화(Preferential CO Oxidation: PROX) 촉매 반응을 통해 개질 가스 내의 일산화탄소를 수소에 우선하여 산화시킴으로써 일산화탄소의 농도를 2차적으로 저감시키게 된다.

다음, 상기와 같이 일산화탄소의 농도가 더욱 저감된 개질 가스를 유출구(91c)를 통해 반응 챔버(91)의 내부 공간으로부터 배출시키고, 제4 공급라인(84)을 통해 제2 스택(20)의 제1 공급관(23a)으로 공급한다. 이와 동시에, 공기 펌프(71)를 가동시켜 외부 공기를 제6 공급라인(86)을 통해 제2 공급관(23b)으로 공급한다.

따라서 제2 스택(20)의 전기 생성부(21)는 개질 가스에 함유된 수소와 공기의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키게 된다. 이 때 제2 스택(20)의 운전 온도 조건은 상기한 개질 가스와 공기의 공급량에 의해 100℃ 미만의 범위로 제어된다.

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, 개질기로부터 생성된 개질 가스의 일산화탄소 농도를 1차적으로 저감시키는 고온 운전 조건의 스택과 고온 스택으로부터 미반응된 상태로 배출되는 개질 가스의 일산화탄소 농도를 2차적으로 저감 시키는 일산화탄소 제거부를 구비하므로, 최종적으로 전기를 생산해 내는 저온 운전 조건의 스택이 일산화탄소에 의해 피독되는 것을 방지함으로써 전체적인 시스템의 성능 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.

Claims (11)

1. 수소를 함유한 액상의 연료로부터 수소가 풍부한 개질 가스를 생성하는 개질부;

   100 내지 150℃의 운전 온도 조건을 가지면서 상기 개질 가스와 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 전기를 발생시키는 제1 스택;

   상기 제1 스택 보다 상대적으로 낮은 100℃ 미만의 운전 온도 조건을 가지면서 상기 제1 스택으로부터 미반응된 상태로 배출되는 개질 가스와 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 전기를 발생시키는 제2 스택;

   상기 제1 스택과 제2 스택 사이에 배치되어 상기 제1 스택과 제2 스택에 연결 설치되는 일산화탄소 제거부;

   상기 개질부로 액상의 연료를 공급하는 연료 공급부; 및

   상기 제1 및 제2 스택과 일산화탄소 제거부로 외부 공기를 공급하는 공기 공급부

   를 포함하는 연료 전지 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 연료 공급부는:

   수소를 함유한 액상의 연료를 저장하는 제1 탱크;

   물을 저장하는 제2 탱크; 및

   상기 제1 탱크 및 제2 탱크에 각각 연결 설치되는 연료 펌프를 포함하는 연료 전지 시스템.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 공기 공급부는 외부 공기를 흡입하는 공기 펌프를 포함하는 연료 전지 시스템.
4. 삭제
5. 삭제
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 일산화탄소 제거부가, 상기 제1 및 제2 스택과 연결 설치되는 반응 챔버와, 상기 반응 챔버 내에 형성되는 일산화탄소 선택 산화(Preferential CO Oxidation: PROX) 촉매층을 구비하는 연료 전지 시스템.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 일산화탄소 선택 산화 촉매층이 Pt 또는 Ru으로 이루어지는 연료 전지 시스템.
8. 제 1 항에 있어서,

   상기 연료 공급부와 개질부가 제1 공급라인에 의해 연결되고, 상기 개질부와 제1 스택이 제2 공급라인에 의해 연결되는 연료 전지 시스템.
9. 제 8 항에 있어서,

   상기 제1 스택과 일산화탄소 제거부가 제3 공급라인에 의해 연결되고, 상기 일산화탄소 제거부와 제2 스택이 제4 공급라인에 의해 연결되는 연료 전지 시스템.
10. 제 9 항에 있어서,

    상기 제1 스택과 공기 공급부가 제5 공급라인에 의해 연결되고, 상기 제2 스택과 공기 공급부가 제6 공급라인에 의해 연결되며, 상기 일산화탄소 제거부와 공기 공급부가 제7 공급라인에 의해 연결되는 연료 전지 시스템.
11. 제 1 항에 있어서,

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

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