KR100639012B1 - 연료전지용 일산화탄소 저감기 및 이를 구비한 연료전지 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 연료전지 시스템은, 개질 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 일산화탄소 저감기를 구비하여 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 발생부로 산소를 공급하는 산소 공급원을 포함하며, 상기 일산화탄소 저감기는, 내부에 공간부를 가지면서 양단에 개질 가스의 유입부와 유출부가 구비되는 하우징; 상기 개질 가스의 흐름방향에 따라 통로가 형성되도록 상기 하우징의 내부 공간부에 배치되는 반응시트; 및 상기 반응시트의 표면에 일산화탄소 선택 산화 촉매가 담지되어 형성되는 촉매층을 포함하여 구성된다.

연료전지, 개질기, 하우징, 반응시트, 금속박막, 통로, 촉매층, 다공성, 일산화탄소 저감기

Description

연료전지용 일산화탄소 저감기 및 이를 구비한 연료전지 시스템{PROX REACTOR FOR FUEL CELL AND FUEL CELL SYSTEM HAVING THE SAME}

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

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 일산화탄소 저감기를 도시한 사시도이다.

도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 일산화탄소 저감기 구조를 나타내 보인 단면도이다.

도 4는 본 발명의 제1 실시예의 변형예를 도시한 단면도이다.

도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 일산화탄소 저감기를 도시한 사시도이다.

도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 일산화탄소 저감기 구조를 나타내 보인 단면도이다.

도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 일산화탄소 저감기 구조를 나타내 보인 단면도이다.

도 8은 본 발명의 제4 실시예에 따른 일산화탄소 저감기 구조를 나타내 보인 단면도이다.

본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 개질기로부터 발생되는 수소 가스 중의 일산화탄소의 농도를 저감시키기 위한 일산화탄소 저감기의 구조를 개선한 연료전지 시스템에 관한 것이다.

알려진 바와 같이, 연료전지(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.

이 연료전지는 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 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell : PEMFC, 이하 편의상 PEMFC라 한다)는 다른 연료전지에 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 연료전지의 하우징 를 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 전기에너지를 발생시킨다.

상기와 같은 연료전지 시스템에 있어 상기 개질기는 열 에너지에 의한 화학 촉매 반응을 통해 수소를 함유한 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 장치이다. 통상적으로 개질기는 상기한 열 에너지를 발생시키고 상기 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질 반응기와, 상기 개질 반응부로부터 발생되는 수소 가스의 수성가스 전환(Water-Gas Shift: WGS) 반응 또는 상기 수소가스와 공기의 선택적 산화 반응(Preferential CO Oxidation: PROX, 이하 PROX 반응이라 함)을 통해 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 일산화탄소 저감기를 구비하고 있다.

통상의 연료전지 시스템에 포함된 일산화탄소 저감기는 PROX 반응을 이용한 것으로서, 개질 가스에 공기를 혼합한 후 일산화탄소 선택도가 높은 촉매를 이용하여 개질 가스로부터 일산화탄소를 제거한다.

일산화탄소 저감기에 있어서, 산화 반응의 선택성과 그 반응 속도를 양호하게 하기 위해서는 반응부를 130~250℃ 정도의 온도범위로 유지시킬 필요가 있다.

그런데, 일산화탄소 저감기에서의 PROX 반응은,

로 표시되는 큰 발열을 수반하는 발열반응이기 때문에 상기 온도범위를 지키는 것이 매우 곤란하다.

또한, 개질 가스의 흐름방향으로 온도차가 생기기 쉽기 때문에 균일한 반응온도를 지키기 어려워 한결같은 산화반응이 일어나기 어렵다는 문제점이 있었다.

특히, 촉매층 내에 고온의 열점(hot spot)이 발생하면, 상기 열점에 위치하는 촉매는 급격히 촉매활성이 크게 저하되고, 열점이 이동하여 결국 반응기 내 촉매들을 망가트리는 현상이 발생한다.

이와 같이 PROX 반응기는 온도에 민감한 반응이 행해지는 반응기이고, 온도 범위의 변화에 따라 성능이 저하되기 때문에 반응기의 온도 변화를 억제하고 온도를 일정 범위 내로 유지하도록 냉각시키는 것이 필요하다.

따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 촉매가 안정적으로 작동하는 온도 범위 내로 반응온도가 유지되도록 하여, 충분한 촉매 성능을 확보할 수 있도록 일산화탄소 저감기의 구조를 개선한 연료전지 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 촉매의 표면적을 넓혀 반응속도를 향상시킬 수 있도록 일산화탄소 저감기의 구조를 개선한 연료전지 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지 시스템에 사용되는 일산화탄소 저감기는, 내부에 공간부를 가지면서 양단에 개질 가스의 유입부 와 유출부가 구비되는 하우징; 상기 개질 가스의 흐름방향에 따라 통로가 형성되도록 상기 하우징의 내부 공간부에 배치되는 반응시트; 및 상기 반응시트의 표면에 일산화탄소 선택 산화 촉매가 담지되어 형성되는 촉매층을 포함한다.

본 발명에 따른 연료전지 시스템에 사용되는 일산화탄소 저감기는, 상기 하우징이 사각 케이스 형태의 플레이트형으로 이루어지는 것이 바람직하다. 이 경우 상기 반응시트는 적어도 두 겹 이상으로 적층구비되며, 각각의 반응시트 사이에 개질 가스의 흐름을 가능케하는 통로가 형성되도록 소정의 간격을 두고 적층될 수 있다.

이 경우, 상기 하우징은 상기 유입부와 유출부가 구비되는 양단에 상기 반응시트가 배치되는 간격마다 가스 분배공이 형성되며, 상기 유입부와 유출부는 상기 가스 분배공에 연통되는 연통공이 형성되도록 할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 연료전지 시스템에 사용되는 일산화탄소 저감기는, 상기 하우징이 원통 형태로 이루어지는 것이 바람직하다. 이 경우 상기 반응시트는 상기 하우징의 길이 방향에 수직한 단면형상이 원형이 되도록 원통 형태로 이루어지며, 상기 반응시트는 적어도 두 겹 이상으로 각각의 반응시트 사이에 개질 가스의 흐름을 가능케하는 통로가 형성되도록 소정의 간격을 두고 적층될 수 있다.

또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지 시스템에 사용되는 일산화탄소 저감기는, 내부에 공간부를 가지면서 양단에 개질 가스의 유입부와 유출부가 구비되는 하우징; 상기 하우징의 내부 공간부에 배치되며 다공성층을 형성하는 일산화탄소 선택 산화용 촉매 구조체를 포함하여 구성될 수 있다.

여기서, 상기 촉매 구조체는 일산화탄소 선택 산화 촉매가 금속분말의 형태로 이루어진 금속분말형 촉매 구조체로 되어 상기 하우징의 내부 공간부에 충진되어 다공성층을 형성하거나, 다공성 부재에 일산화탄소 선택 산화 촉매가 코팅되는 다공성 촉매 구조체로 구성함도 가능하다. 이 경우, 상기 다공성 촉매 구조체는 수지 폼(foam)이 적용될 수 있다.

아울러, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지 시스템은, 개질 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 일산화탄소 저감기를 구비하여 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 발생부로 산소를 공급하는 산소 공급원을 포함하며, 상기 일산화탄소 저감기는, 내부에 공간부를 가지면서 양단에 개질 가스의 유입부와 유출부가 구비되는 하우징; 상기 개질 가스의 흐름방향에 따라 통로가 형성되도록 상기 하우징의 내부 공간부에 배치되는 반응시트; 및 상기 반응시트의 표면에 일산화탄소 선택 산화 촉매가 담지되어 형성되는 촉매층을 포함하여 구성된다.

본 발명에 따른 연료전지 시스템은, 상기 하우징은 사각 케이스 형태의 플레이트형으로 이루어지는 것이 바람직하며, 이 경우 상기 반응시트는 적어도 두 겹 이상으로 적층구비되며, 각각의 반응시트 사이에 개질 가스의 흐름을 가능케하는 통로가 형성되도록 소정의 간격을 두고 적층될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 연료전지 시스템은, 상기 하우징이 원통 형태로 이루 어지는 것이 바람직하다. 이 경우 상기 반응시트는 상기 하우징의 길이 방향에 수직한 단면형상이 원형이 되도록 원통형으로 이루어지며, 상기 반응시트는 적어도 두 겹 이상으로 각각의 반응시트 사이에 개질 가스의 흐름을 가능케하는 통로가 형성되도록 소정의 간격을 두고 적층된다.

그리고, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지 시스템은, 개질 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 일산화탄소 저감기를 구비하여 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 발생부로 산소를 공급하는 산소 공급원을 포함하며, 상기 일산화탄소 저감기는, 내부에 공간부를 가지면서 양단에 개질 가스의 유입부와 유출부가 구비되는 하우징; 상기 하우징의 내부 공간부에 배치되며 다공성층을 형성하는 일산화탄소 선택 산화용 촉매 구조체를 포함하여 구성될 수 있다.

여기서, 상기 촉매 구조체는 일산화탄소 선택 산화 촉매가 금속분말의 형태로 이루어진 금속분말형 촉매 구조체로 되어 상기 하우징의 내부 공간부에 충진되어 다공성층을 형성하거나, 다공성 부재에 일산화탄소 선택 산화 촉매가 코팅되는 다공성 촉매 구조체로 구성함도 가능하다. 이 경우, 상기 다공성 촉매 구조체는 수지 폼(foam)이 적용될 수 있다.

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 연료전지 시스템의 전체적인 구성을 도시한 개략도이다.

도면을 참고하면, 본 발명에 따른 연료전지 시스템(100)은 수소를 함유한 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키고, 이 수소 가스와 산소를 반응시켜 전기 에너지를 발생시키는 고분자 전해질형 연료전지(Polymer Electrode Membrane Fuel Cell; PEMFC) 방식을 채용한다.

상기한 연료전지 시스템(100)에 있어 전기를 발생시키기 위한 연료라 함은 메탄올, 에탄올, 천연 가스 등을 포함한다. 그러나 이하에서 설명하는 연료는 편의상 액상으로 이루어진 연료라 정의하고, 상기 액상의 연료와 물을 혼합 연료라고 정의한다.

그리고 본 시스템(100)은 상기 수소와 반응하는 산소로서 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.

본 발명에 따른 연료전지 시스템(100)은, 기본적으로 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부(11)를 구비한 스택(10)과, 전술한 바 있는 액상의 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.

상기 전기 발생부(11)는 전극-전해질 합성체(12)를 중심에 두고 이의 양면에 세퍼레이터(16)를 배치하여 전기를 발생시키는 최소 단위의 스택을 형성하고, 이 전기 발생부(11)가 복수로 구비되어 본 실시예에서와 같은 적층 구조의 스택(10)을 형성한다. 여기서 전극-전해질 합성체(12)는 양측에 애노드 전극과 캐소드 전극을 구비하며, 수소와 산소를 산화/환원 반응시키는 기능을 하게 된다. 그리고 세퍼레이터(16)는 전극-전해질 합성체(12)의 양측에 수소 가스와 산소를 공급하는 기체 통로를 형성하고, 상기 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체의 기능을 하게 된다.

도면에 도시한 바와 같이, 상기 스택(10)의 최 외곽에는 상기한 복수의 전기 발생부(11)를 밀착시키는 밀착 플레이트(13)가 위치할 수도 있다. 그러나 본 발명에 의한 스택(10)은 상기한 밀착 플레이트(13)를 배제하고, 복수의 전기 발생부(11)의 최 외곽에 위치하는 세퍼레이터(16)가 상기 밀착 플레이트의 역할을 대신하도록 구성할 수 있다. 또한 밀착 플레이트(13)가 복수의 전기 발생부(11)를 밀착시키는 기능 외에, 세퍼레이터(16)의 고유한 기능을 갖도록 구성할 수도 있다.

그리고 상기 밀착 플레이트(13)에는 개질기(30)로부터 발생되는 수소 가스를 전기 발생부(11)로 공급하기 위한 제1 주입부(13a)와, 산소 공급원(-)으로부터 공급되는 공기를 전기 발생부(11)로 공급하기 위한 제2 주입부(13b)와, 전극-전해질 합성체(12)의 애노드 전극에서 반응하고 남은 수소 가스를 배출시키기 위한 제1 배 출부(13c)와, 전극-전해질 합성체(12)의 캐소드 전극에서 수소와 산소의 결합 반응에 의해 생성된 수분을 함유한 미반응 공기를 배출시키기 위한 제2 배출부(13d)를 형성하고 있다.

한편 본 발명에 적용되는 개질기(30)는 액상의 연료와 공기의 산화 촉매 반응을 통해 열 에너지를 발생시키는 열원부(31)와, 상기 열 에너지에 의한 수증기 개질 촉매 반응을 통해 전술한 바 있는 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 저감시키는 수성가스 전환 반응부(33)와, 수소 가스와 공기의 선택적 산화(Preferential CO Oxidation: PROX) 촉매 반응을 통해 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 PROX 반응부(34)를 포함할 수 있으며, 본 발명의 일산화탄소 저감기는 선택적 산화(PROX) 촉매 반응을 통해 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 상기 PROX 반응부(34)임을 전제로 한다.

위와 같은 개질기(30)로 연료를 공급하는 연료 공급원(50)은 액상의 연료를 저장하는 제1 탱크(51)와, 물을 저장하는 제2 탱크(52)와, 각각의 제1 및 제2 탱크(51, 52)에 연결 설치되는 연료 펌프(53)를 포함하고 있다.

그리고 상기 산소 공급원(70)은 소정의 펌핑력으로 공기를 흡입하여 이 공기를 상기 개질기(30) 및 전기 발생부(11)로 각각 공급하는 공기 펌프(71)를 포함하 고 있다. 이 때 상기 공기 펌프(71)와 스택(10)의 제2 주입부(13b)는 관로 형태의 공급라인(99)에 의해 연결 설치될 수 있다.

도면 중 미설명부호 91, 92, 93, 94, 95, 96, 97, 98은 각각의 구성품을 연결하는 관로 형태의 연결라인을 나타내는 것이다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 연료전지 시스템(100)의 작용시 개질기(30)를 통해 발생되는 수소 가스와, 공기 펌프(71)를 통해 흡입되는 공기 중의 산소를 전기 발생부(11)로 공급하게 되면, 상기 전기 발생부(11)에서는 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기와 물 그리고 열을 발생시킨다.

이와 같은 연료전지 시스템(100)에서 PROX 반응을 하는 상기 일산화탄소 저감기(34)를 구성하는 각각의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 일산화탄소 저감기를 도시한 사시도이고, 도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 일산화탄소 저감기 구조를 나타내 보인 단면도이다.

본 발명의 제1 실시예에 따르면, 상기 일산화탄소 저감기(34)는 사각 케이스 형태의 플레이트형 하우징(35)과, 상기 하우징(35) 내에 배치되어 상기 수소 가스와 공기의 선택적 산화 촉매 반응을 통해 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 반응시트(38,39)를 포함하여 이루어진다.

상기 하우징(35)은 소정 용적의 내부 공간부(35a)를 가지면서, 상기 수소 가스와 공기를 상기 공간부(35a)로 공급하기 위한 유입부(36)와, 상기 유입부(36)와 실질적으로 연통되어 상기 선택적 산화 촉매 반응에 의해 발생되는 수소 가스를 배 출시키기 위한 유출부(37)를 형성하고 있다.

이 때 상기 유입부(36)와 상기한 개질 반응부(32) 또는 수성가스 전환 반응부(33)는 관로 형태의 유로에 의해 연결 설치될 수 있다. 그리고 상기 유입부(36)와 산소 공급원(70: 도 1)의 공기 펌프(71)는 상기한 유로에 의해 연결 설치될 수 있다.

바람직하게, 상기 하우징(35)은 서로 대응되는 위치에 유입부(36)와 유출부(37)를 형성한다.

상기 반응시트(38,39)는 상기 수소 가스와 공기의 선택적 산화 촉매 반응을 통해 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키기 위한 촉매 모듈로서, 금속박막(39a)과 그 표면에 일산화탄소 선택 산화 촉매가 담지되어 형성되는 촉매층(39b)으로 구성된다.

상기 반응시트(38,39)는 알루미늄 소재로 이루어질 수 있으며, 이 외에도 구리(Cu), 니켈(Ni), 아연(Zn), 철(Fe) 또는 이들의 합급형태로 형성될 수 있다.

또한, 상기 반응시트(38,39)는 상기 수소 가스와 공기의 흐름방향에 따라 통로가 형성되도록 상기 유입부(36) 및 유출부(37)와 소정의 간격을 두고 설치되며, 상기 하우징(35)의 내부 공간부(35a)에 길이방향으로 평행하게 배치되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 반응시트(38,39)는 적어도 두 겹 이상으로 적층구비될 수 있다. 이 경우 각각의 반응시트(38,39) 사이에 개질 가스의 흐름을 가능케하는 통로가 형성되도록 상기 반응시트(38,39)는 소정의 간격을 두고 적층되며, 하우징(35)의 내 부 표면에 대해서도 약간 떨어지도록 설치하여 상기 촉매층(39b)과 수소가스 및 공기의 접촉면적을 최대화하는 것이 바람직하다.

본 발명의 제1 실시예는 도 3에서 보는 바와 같이, 상기 반응시트(38,39)를 두겹으로 구성하였으나, 본 발명의 일산화탄소 저감기(34)는 이에 한정되지 않으며, 더 많은 수의 반응시트를 구성하여 반응면적을 넓히고 반응속도를 향상시킬 수 있다.

이와 같은 본 발명의 제1 실시예에 의한 일산화탄소 저감기(34)는 산화 촉매 반응을 일으키는 평평한 반응시트(38,39)를 하우징(35) 내 공간부(35a)에 일정간격을 두고 적층구성함으로써, 상기 유입부(36)에서 유입된 수소 가스와 공기의 흐름 분포가 균일하고, 수소 가스 및 공기가 통과하는 통로를 복수층으로 형성하여 촉매층(39b)의 표면에 대한 연료와 공기의 접촉 면적을 증대시켜 반응속도를 향상시킬 수 있다.

또한, 하우징(35) 내 공간부(35a)로 인해 PROX 반응시 발생하는 열을 공냉식으로 냉각시켜줄 수 있게 된다.

따라서, 개질 가스의 흐름방향으로 온도차가 생기는 것을 최소화하여 균일한 반응온도를 지키도록 하여 반응부의 온도를 일정한 범위로 유지시킬 수 있으며, 특히, 촉매층 내에 고온의 열점(hot spot)이 발생하는 것을 방지하여 충분한 촉매 성능을 확보할 수 있다.

한편, 도 4는 본 발명에 따른 제1 실시예의 변형예로서, 반응시트(438,439)가 두겹 이상 적층되는 경우, 유입부(436)를 통해 유입되는 수소 가스와 공기가 적 층구비되는 모든 반응시트(438,439)의 표면에 골고루 접하면서 통과하도록 상기 하우징(435)의 양단에 상기 반응시트(438,439)가 배치되는 간격마다 가스 분배공(431,432)을 형성하여 구성하였다.

이 때, 상기 유입부(436)와 유출부(437)는 상기 하우징(435)과 별도로 구비될 수 있으며 도면에서와 같이, 상기 하우징(435)의 양단에 설치되되, 상기 가스 분배공(431,432)과 연통되게 설치된다.

그 일예로서, 상기 유입부(436)와 유출부(437)는 수소 가스와 공기가 유입, 유출되는 유입구(436a)와 유출구(437a)가 구비되고, 반대측 하우징(435)과 접하는 면에는 상기 가스 분배공(431,432)에 연통되는 연통공(433,434)이 형성된다.

이와 같은 본 발명의 제1 실시예의 변형예는 상기 유입부(436)의 유입구(436a)를 통해 유입되는 수소 가스와 공기가 상기 연통공(433,434)과 가스 분배공(431,432)을 통해 각각의 반응시트(438,439)의 표면에 골고루 접하면서 반응부를 통과하게 되므로 수소 가스와 공기의 흐름 분포가 균일하여 반응이 더욱 안정적으로 이루어질 수 있다.

본 발명의 제2 실시예로서, 도 5 및 도 6에 도시한 바와 같이, 하우징(135)이 소정 용적의 내부 공간을 가진 관로 형태의 원통형 구조로 이루어지며, 그 양단에 유입부(136)와 유출부(137)를 형성하고 있다.

그리고 상기 하우징(135)의 내부에는 상기 수소 가스와 공기의 선택적 산화 촉매 반응을 통해 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 반응시트(138,139)가 배치된다.

상기 반응시트(138,139)는 상기 수소 가스와 공기의 선택적 산화 촉매 반응을 통해 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키기 위한 촉매 모듈로서, 금속박막과, 그 표면에 일산화탄소 선택 산화 촉매가 담지되어 형성되는 촉매층으로 구성되며, 이와 같은 구성은 전기 제1 실시예와 동일하므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.

상기 반응시트(138,139)는 알루미늄 소재로 이루어질 수 있으며, 이 외에도 구리(Cu), 니켈(Ni), 아연(Zn), 철(Fe) 또는 이들의 합급형태로 형성될 수 있다.

또한, 상기 반응시트(138,139)는 상기 수소 가스와 공기의 흐름방향에 따라 통로가 형성되도록 상기 하우징(135)의 길이 방향에 수직한 단면형상이 원형이 되도록 원통 형태로 이루어진다.

또한, 상기 반응시트(138,139)는 적어도 두 겹 이상으로 구비될 수 있으며, 이 경우 각각의 반응시트(138,139) 사이에 개질 가스의 흐름을 가능케하는 통로가 형성되도록 상기 반응시트(138,139)는 소정의 간격을 두고 겹으로 설치되며, 하우징(135)의 내부 표면에 대해서도 약간 떨어지도록 설치하여 촉매층과 수소가스 및 공기의 접촉면적을 최대화하는 것이 바람직하다.

이와 같은 본 발명의 제2 실시예는 전술한 제1 실시예와 마찬가지로, 산화 촉매 반응을 일으키는 원통 형태의 반응시트(138,139)를 하우징(135) 내 공간부에 소정의 간격을 두고 겹으로 설치됨으로써, 상기 유입부(136)에서 유입된 수소 가스와 공기의 흐름 분포가 균일하고, 수소 가스 및 공기가 통과하는 통로를 복수층으로 형성하여 촉매층의 표면에 대한 연료와 공기의 접촉 면적을 증대시켜 반응속도 를 향상시킬 수 있다.

또한, 하우징(135) 내 공간부로 인해 PROX 반응시 발생하는 열을 공냉식으로 냉각시켜줄 수 있게 된다.

따라서, 개질 가스의 흐름방향으로 온도차가 생기는 것을 최소화하여 균일한 반응온도를 지키도록 하여 반응부의 온도를 일정한 범위로 유지시킬 수 있으며, 특히, 촉매층 내에 고온의 열점(hot spot)이 발생하는 것을 방지하여 충분한 촉매 성능을 확보할 수 있다.

또한, 본 발명에서는 촉매의 반응 면적을 넓혀 반응성능 및 반응속도를 향상시키도록 하우징의 내부 공간부에 다공성층을 형성하는 일산화탄소 선택 산화용 촉매 구조체를 배치하여 구성되는 일산화탄소 저감기를 제안한다.

첨부한 도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 일산화탄소 저감기 구조를 나타내 보인 단면도로서, 본 발명의 제3 실시예는 내부에 공간부를 가지면서 양단에 개질 가스의 유입부(236)와 유출부(237)가 구비되는 하우징(235)과, 상기 하우징(235)의 내부 공간부에 충진되어 다공성층을 형성하는 금속분말형 촉매 구조체(238)를 포함하여 구성된다.

상기 촉매 구조체(238)는 일산화탄소 선택 산화 촉매로서, 금속분말의 형태로 상기 하우징(235) 내부 공간부에 충진되는 것이다.

이와 같은 금속분말형 촉매 구조체(238)는 상기 하우징(235)의 내부에 다공성층을 형성한다. 따라서, 상기 유입부(236)를 통해 유입된 개질 가스가 상기 촉매 구조체(238) 사이사이의 다공성층을 통과하면서 반응을 일으키고, 상기 유출부 (237)로 빠져나가게 된다.

이와 같은 본 발명의 제3 실시예는 상기 촉매 구조체(238)로 인한 다공성층으로 인해 반응 면적이 넓어지게 되므로 연료가 일산화탄소 저감기(234)를 통과할 때 반응성능이 좋아지게 되고, 반응속도가 크게 향상되는 것이다.

한편, 첨부한 도 8은 본 발명의 제4 실시예에 따른 일산화탄소 저감기 구조를 나타내 보인 단면도로서, 본 발명의 제4 실시예는 내부에 공간부를 가지면서 양단에 개질 가스의 유입부(336)와 유출부(337)가 구비되는 하우징(335)과, 상기 하우징(335)의 내부 공간부에 배치되며, 일산화탄소 선택 산화 촉매가 코팅되는 다공성 촉매 구조체(338)를 포함한다.

상기 다공성 촉매 구조체(338)는 스폰지(sponge)와 같은 다공성 부재에 일산화탄소 선택 산화 촉매가 코팅된 것으로, 그 일예로서 수지 폼(foam)이 사용되는 것이 바람직하다.

상기와 같은 폼형태의 다공성 촉매 구조체(338)는 폼의 수많은 구멍이 개질 가스의 흐름을 가능케하는 통로의 역할을 하며, 각각의 구멍 및 전체 표면에 촉매가 코팅되어 있으므로 촉매에 대한 연료와 공기의 접촉 면적을 증대시켜 수소 가스 및 공기가 상기 다공성 촉매 구조체(338)를 통과할 때 반응속도를 크게 향상시킬 수 있다.

이와 같이 폼형태의 다공성 촉매 구조체(338)를 하우징(335) 내부에 구비하면 상기 다공성 촉매 구조체(338)로 인해 상기 하우징(335)의 내부에 다공성층이 형성된다. 따라서, 상기 유입부(336)를 통해 유입된 개질 가스가 상기 다공성 촉매 구조체(338)의 구멍을 통과하면서 반응을 일으키고, 상기 유출부(337)로 빠져나가게 된다.

이와 같은 본 발명의 제4 실시예는 상기 다공성 촉매 구조체(338)로 인해 연료가 일산화탄소 저감기(334)를 통과할 때 반응 면적이 넓어지게 되므로 반응성능이 좋아지게 되고, 반응속도가 크게 향상되는 것이다.

상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.

우선, 연료 펌프(53)를 가동시켜 제1 탱크(51)에 저장된 액상의 연료를 공급라인(91)을 통해 열원부(31)로 공급한다. 이와 동시에, 공기 펌프(71)를 가동시켜 공기를 열원부(31)로 공급한다. 그러면 상기 액상의 연료와 공기는 소정 온도의 반응열을 발생시킨다. 이 때 상기 산화 촉매 반응에 의해 발생되는 액상의 연료와 공기의 연소 가스는 상기한 반응열과 함께 공급라인(93)을 통해 개질 반응부(32)로 공급된다.

이어서, 상기 연료 펌프(53)의 구동에 의하여 제1 탱크(51)에 저장된 액상의 연료와 제2 탱크(52)에 저장된 물을 공급라인(94)을 통해 개질 반응부(32)로 공급한다. 그러면 상기 개질 반응부(32)에서는 상기 혼합 연료가 반응열을 흡열하면서 연료의 개질 반응을 통해 상기 혼합 연료로부터 수소 가스를 발생시킨다. 즉, 상기 개질 반응부(32)는 수증기 개질 촉매 반응을 통한 연료의 분해 반응이 진행되어 이산화탄소와 수소를 함유하고 있는 수소 가스를 생성하게 된다. 이 때 상기 개질 반응부(32)에서는 부(副) 생성물로서의 일산화탄소가 미량 함유된 수소 가스를 생성 하게 된다.

다음, 상기 일산화탄소를 미량 함유한 수소 가스를 공급라인(95)을 통해 수성가스 전환 반응부(33) 내부로 공급한다. 여기서, 수소 가스의 수성 가스 전환 반응을 통해 추가적으로 수소를 발생시키고, 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 1차적으로 저감시킨다.

이어서, 상기 수소 가스를 공급라인(96)을 통해 일산화탄소 저감기(34) 내부로 공급한다. 이와 동시에, 공기 펌프(71)의 구동에 의하여 공기를 공급라인(97)을 통해 일산화탄소 저감기(34)로 공급한다. 여기서, 수소 가스와 공기의 선택적 산화 반응을 통해 이 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 2차적으로 저감시킨다.

이때, 본 발명의 실시예에 따른 일산화탄소 저감기(34)는 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시킬 때 발생하는 열을 공냉식으로 효과적으로 냉각시켜주므로 산화 반응의 선택성과 그 반응 속도를 양호하게 한다.

또한, 다공성층으로 인해 반응 면적이 넓어지게 되므로 연료가 일산화탄소 저감기(34)를 통과할 때 반응성능이 좋아지게 되고, 반응속도가 크게 향상되는 것이다.

다음, 상기 수소 가스를 공급라인(98)을 통해 스택(10)의 제1 주입부(13a)로 공급하고, 상기 공기 펌프(71)의 구동에 의하여 공기를 공급라인(99)을 통해 스택(10)의 제2 주입부(13b)로 공급한다.

따라서 상기 수소 가스는 세퍼레이터(16)를 통하여 전극-전해질 합성체(12)의 애노드 전극으로 공급된다. 그리고 공기는 세퍼레이터(16)를 통하여 전극-전해 질 합성체(12)의 캐소드 전극으로 공급된다.

이로써 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.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예들에 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 연료전지 시스템에 의하면, 일산화탄소 저감기의 하우징 내 공간부로 인해 PROX 반응시 발생하는 열을 공냉식으로 냉각시켜줄 수 있게 되어 촉매가 안정적으로 작동하는 온도 범위 내로 반응온도가 유지되도록 하여, 충분한 촉매 성능을 확보할 수 있는 효과가 있다.

또한, 촉매의 표면적을 넓혀 반응속도를 향상시키고, 전체적인 일산화탄소 저감기의 반응 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 일산화탄소 저감기의 반응부 구조가 단순하여 제조 하기가 용이하며, 제조 단가를 절감시켜 상대적인 경쟁적 우위를 확보할 수 있는 효과가 있다.

Claims (20)

1. 내부에 공간부를 가지면서 양단에 개질 가스의 유입부와 유출부가 구비되는 하우징;

   상기 개질 가스의 흐름방향에 따라 통로가 형성되도록 상기 하우징의 내부 공간부에 배치되는 반응시트; 및

   상기 반응시트의 표면에 일산화탄소 선택 산화 촉매가 담지되어 형성되는 촉매층;

   을 포함하여 구성되는 연료전지용 일산화탄소 저감기.
2. 제1항에 있어서,

   상기 하우징은 사각 케이스 형태의 플레이트형으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 일산화탄소 저감기.
3. 제2항에 있어서,

   상기 반응시트는 적어도 두 겹 이상으로 적층구비되며, 각각의 반응시트 사이에 개질 가스의 흐름을 가능케하는 통로가 형성되게 하는 간격을 두고 적층되는 연료전지용 일산화탄소 저감기.
4. 제3항에 있어서,

   상기 하우징은 상기 유입부와 유출부가 구비되는 양단에 상기 반응시트가 배치되는 간격마다 가스 분배공이 형성되며,

   상기 유입부와 유출부는 상기 가스 분배공에 연통되는 연통공이 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 일산화탄소 저감기.
5. 제1항에 있어서,

   상기 하우징은 원통 형태이고, 상기 반응시트는 상기 하우징의 길이 방향에 수직한 단면형상이 원형이 되도록 원통 형태로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 일산화탄소 저감기.
6. 제5항에 있어서,

   상기 반응시트는 적어도 두 겹 이상으로 구비되며, 각각의 반응시트 사이에 개질 가스의 흐름을 가능케하는 통로가 형성되게 하는 간격을 두고 설치되는 연료전지용 일산화탄소 저감기.
7. 내부에 공간부를 가지면서 양단에 개질 가스의 유입부와 유출부가 구비되는 하우징;

   상기 하우징의 내부 공간부에 배치되며 다공성층을 형성하는 일산화탄소 선택 산화용 촉매 구조체;

   를 포함하여 구성되는 연료전지용 일산화탄소 저감기.
8. 제7항에 있어서, 상기 촉매 구조체는 일산화탄소 선택 산화 촉매가 금속분말의 형태로 이루어진 금속분말형 촉매 구조체로 되며, 상기 하우징의 내부 공간부에 충진되어 다공성층을 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 일산화탄소 저감기.
9. 제7항에 있어서, 상기 촉매 구조체는 다공성 부재에 일산화탄소 선택 산화 촉매가 코팅되는 다공성 촉매 구조체로 되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 일산화탄소 저감기.
10. 제9항에 있어서, 상기 다공성 촉매 구조체는 수지 폼(foam)인 것을 특징으로 하는 연료전지용 일산화탄소 저감기.
11. 개질 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 일산화탄소 저감기를 구비하여 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 발생부로 산소를 공급하는 산소 공급원을 포함하며,

    상기 일산화탄소 저감기는,

    내부에 공간부를 가지면서 양단에 개질 가스의 유입부와 유출부가 구비되는 하우징;

    상기 개질 가스의 흐름방향에 따라 통로가 형성되도록 상기 하우징의 내부 공간부에 배치되는 반응시트; 및

    상기 반응시트의 표면에 일산화탄소 선택 산화 촉매가 담지되어 형성되는 촉매층;

    을 포함하여 구성되는 연료전지 시스템.
12. 제11항에 있어서,

    상기 하우징은 사각 케이스 형태의 플레이트형으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
13. 제12항에 있어서,

    상기 반응시트는 적어도 두 겹 이상으로 적층구비되며, 각각의 반응시트 사이에 개질 가스의 흐름을 가능케하는 통로가 형성되게 하는 간격을 두고 적층되는 연료전지 시스템.
14. 제13항에 있어서,

    상기 하우징은 상기 유입부와 유출부가 구비되는 양단에 상기 반응시트가 배치되는 간격마다 가스 분배공이 형성되며,

    상기 유입부와 유출부는 상기 가스 분배공에 연통되는 연통공이 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
15. 제11항에 있어서,

    상기 하우징은 원통 형태이고, 상기 반응시트는 상기 하우징의 길이 방향에 수직한 단면형상이 원형이 되도록 원통 형태로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
16. 제15항에 있어서,

    상기 반응시트는 적어도 두 겹 이상으로 구비되며, 각각의 반응시트 사이에 개질 가스의 흐름을 가능케하는 통로가 형성되게 하는 간격을 두고 설치되는 연료전지 시스템.
17. 개질 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 일산화탄소 저감기를 구비하여 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 발생부로 산소를 공급하는 산소 공급원을 포함하며,

    상기 일산화탄소 저감기는,

    내부에 공간부를 가지면서 양단에 개질 가스의 유입부와 유출부가 구비되는 하우징;

    상기 하우징의 내부 공간부에 배치되며 다공성층을 형성하는 일산화탄소 선택 산화용 촉매 구조체;

    를 포함하여 구성되는 연료전지 시스템.
18. 제17항에 있어서, 상기 촉매 구조체는 일산화탄소 선택 산화 촉매가 금속분말의 형태로 이루어진 금속분말형 촉매 구조체로 되며, 상기 하우징의 내부 공간부에 충진되어 다공성층을 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
19. 제17항에 있어서, 상기 촉매 구조체는 다공성 부재에 일산화탄소 선택 산화 촉매가 코팅되는 다공성 촉매 구조체로 되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
20. 제19항에 있어서, 상기 다공성 촉매 구조체는 수지 폼(foam)인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.

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