KR100388161B1 - 연료개질장치 - Google Patents

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KR100388161B1
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오자키도시아키
가와하라다츠야
기노시타가츠히코
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Abstract

흡열반응인 탄화수소와 수증기로부터 수소가 풍부한 가스를 생성하는 수증기 개질반응과 함께 발열반응인 산화반응을 진행시킴으로써, 수증기 개질반응에서 필요로 하는 열을 공급하도록 한 연료개질장치에 있어서, (1) 상류측의 가스유속을 빠르게 하는, (2) 상류측의 촉매량을 적게 하는, (3) 상류측과 하류측에서 열교환을 하는 등의 수단에 의하여 산화반응이 진행되는 영역의 온도가 지나치게 상승하지 않도록 한 것이다.

Description

연료개질장치{APPARATUS FOR REFORMING OF FUEL}
탄화수소와 수증기로부터 수소가 풍부한 가스를 생성하는 연료개질장치는 연료전지에 연료가스를 공급하기 위한 장치로서 알려져 있다. 연료전지는 연료가 가지는 화학에너지를 기계에너지나 열에너지를 경유하지 않고 직접 전기에너지로 변환하는 장치로서 높은 에너지효율을 실현할 수 있다. 이와 같은 연료전지는 수소를 함유하는 연료가스를 애노드측에 공급하고, 산소를 함유하는 산화가스를 캐소드측에 공급하여 양 극에서 일어나는 전기화학반응에 의해 기전력을 얻는다. 이하에 연료전지에서 일어나는 전기화학반응을 나타내는 식을 나타낸다. (1)식은 애노드측에서의 반응, (2)식은 캐소드측에서의 반응을 나타내며, 연료전지 전체에서는 (3)식에 나타내는 반응이 진행한다.
각종 연료전지중, 고체고분자형 연료전지, 인산형 연료전지, 용융탄산염전해질형 연료전지 등에서는 그 전해질의 성질로부터 이산화탄소를 포함한 산화가스나 연료가스를 사용하는 것이 가능하다. 따라서 통상 이들 연료전지에서는 공기를 산화가스로서 사용하여 메탄올이나 천연가스 등의 탄화수소를 수증기 개질하여 생성한 수소가 풍부한 가스를 연료가스로서 사용하고 있다. 그 때문에 이와 같은 연료전지를 구비하는 연료전지시스템에는 상기한 연료개질장치가 설치되어 있고, 이 연료개질장치에 있어서 수증기 개질반응을 행하여 연료가스를 생성하고 있다. 이하에 연료개질장치의 내부에서 진행하는 개질반응에 대하여 설명한다. 여기서는 개질반응에 제공하는 탄화수소로서 메탄올을 사용하는 경우에 대하여 설명한다. 이하에 메탄올을 수증기 개질하는 반응을 나타내는 식을 나타낸다.
상기 (4)식에 나타내는 바와 같이, 수증기 개질반응은 흡열반응이므로, 개질반응을 진행시키기 위해서는 열에너지를 공급할 필요가 있다. 개질반응에 필요한열에너지를 공급하는 방법으로서는 연료개질장치에 버너나 히터 등을 설치하여 외부가열을 행하는 방법이나, 연료개질장치 내부에 있어서 수증기 개질반응에 더하여 발열반응인 산화반응을 행하게 하여 산화반응에 의해 생기는 열을 이용하여 수증기개질반응을 진행시키는 방법 등이 알려져 있다. 이들 방법중에서 연료개질장치 내부에서 수증기 개질반응과 함께 산화반응을 진행시키는 방법에 대하여 설명한다.
상기 (5)식은 메탄올의 산화반응의 일례(부분 산화반응)를 나타낸다. 수증기 개질반응을 행하는 연료개질장치에 대하여 산소를 공급하고 (4)식에 나타내는 수증기 개질반응과 함께 메탄올의 산화반응을 행하게 하면 산화반응으로 생긴 열에너지를 수증기 개질반응에 있어서 이용할 수 있다. 여기서 연료개질장치에 공급하는 산소량을 조절하면 수증기 개질반응에 필요로 하는 열량과 산화반응에 의해 생기는 열량이 균형을 이루게 할 수 있어 이론적으로는 수증기 개질반응에 필요로 하는 열량을 모두 산화반응에 의해 생기는 열량에 의해 공급하는 것도 가능해진다. 이와 같은 수증기 개질반응에 필요로 하는 열량을 산화반응에 의해 생기는 열량에 의해 공급하는 방법은 상기한 외부가열을 행하는 방법과 비교하여 방열에 의해 손실되는 에너지량을 줄일 수 있어 더욱 높은 에너지효율을 실현할 수 있다. 또한 외부가열을 행하는 방법과 비교하여 연료개질장치의 구성을 간소화할 수 있어 시스템 전체를 소형화할 수 있다.
그러나 연료개질장치에 대하여 메탄올이나 수증기와 함께 산소를 공급하여 산화반응으로 생긴 열에너지를 수증기 개질반응으로 이용하는 상기한 방법은, 연료개질장치의 내부에 있어서 온도의 분포상태가 불균일하게 된다는 문제가 있었다. 도 38은 메탄올 및 수증기와 함께 산소를 연료개질장치에 공급하여 수증기 개질반응과 함께 산화반응을 행할 때의 연료개질장치 내부에 있어서의 온도분포의 형태를 나타내는 설명도이다. 연료개질장치에 대하여 메탄올 및 수증기와 함께 산소를 도입하면 수증기 개질반응보다도 산화반응쪽이 반응속도가 빠르기 때문에 연료개질장치에 있어서의 상류측(메탄올, 수증기 및 산소를 함유하는 가스를 도입하는 측)에서는 산화반응에 의해 생기는 열량이 수증기반응에 필요로 하는 열량을 상회하여 도 38에 나타내는 바와 같이 이와 같은 상류측에 있어서 급격하게 내부온도가 상승하여 온도분포의 피크를 형성한다. 또 산화반응에 의해 산소가 소비된 후 수증기 개질반응만이 진행하게 되기 때문에, 상기한 온도분포의 피크 후의 연료개질장치의 내부온도는 하류측(수소가 풍부한 가스가 배출되는 측)을 향하여 계속해서 하강한다.
연료개질장치 내부에서 온도분포가 피크를 형성하여 온도가 지나치게 상승하는 경우에는 촉매가 열화하거나 부생성물이 생기는 등의 문제를 생긴다. 먼저, 촉매의 열화에 대하여 설명한다. 예를 들어 메탄올의 수증기 개질반응 및 산화반응을 촉진하는 촉매로서 Cu-Zn 촉매를 사용하는 경우에는 300℃를 넘는 고온하에서 이 Cu-Zn 촉매를 사용하면 촉매의 내구성이 저하하여 소결을 일으킬 우려가 있다. 여기서 소결이란 담체표면에 담지된 촉매가 응집하는 현상을 말한다. Cu-Zn 촉매는 통상, 아연입자의 표면에 구리미립자가 산재하는 형상을 하고 있으나, 소결을 일으키면 구리미립자가 응집하여 입자가 거대화한다. 이와 같은 현상이 생기면 구리입자의 표면적의 저하에 따라 촉매의 활성을 가지는 면적이 감소하기 때문에 연료개질장치의 성능이 저하하여 버린다.
또 촉매온도가 지나치게 상승함에 의한 또 하나의 문제인 부생성물의 발생이란, 소정의 고온하에서 개질반응이 진행할 때에 상기한 정상적인 반응 이외의 반응이 일어나 메탄이 생기거나, 공급한 가압공기중의 질소가스가 반응하여 질소 산화물이 생기는 것을 말한다. 이들 부생성물은 연료개질장치에 있어서의 개질반응온도의 범위에서는 분해되는 일이 없고, 그대로 연료가스로서 연료전지에 공급된다.
특히 메탄 등의 생성량이 증가하는 것은 연료가스중의 수소분압의 저하에 연결되어 바람직하지 않다.
한편, 연료개질장치의 하류측에 있어서 내부온도가 저하하면 온도의 저하와 함께 수증기 개질반응의 활성이 저하한다는 문제가 생긴다. 수증기 개질반응의 활성이 저하하여 버리면 개질반응이 완료하지 않은 가스, 즉 메탄올이 잔류하여 수소농도가 불풍부한 가스가 생성될 우려가 있다. 또는 하류측에서 내부온도가 저하하여도 개질반응이 완료하도록 충분히 큰 연료개질장치를 구비하는 것이 필요하게 된다.
본 발명의 연료개질장치는 이와 같은 문제를 해결하여 연료개질장치의 내부온도를 소정의 온도범위내에서 균일화하는 것을 목적으로 하고 있다.
본 발명은 연료개질장치에 관한 것으로, 상세하게는 탄화수소와 수증기로부터 수소가 풍부한 가스를 생성하는 연료개질장치에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 적합한 일 실시예인 연료전지장치(20)의 구성의 개략을 나타내는 블록도,
도 2는 연료전지(40)가 구비하는 유닛셀(48)의 구성을 나타내는 단면 모식도,
도 3은 개질기(34)의 구성을 모식적으로 나타내는 설명도,
도 4는 개질기(34)를 구성하는 허니콤의 단면을 모식적으로 나타내는 설명도,
도 5는 개질기(34) 및 종래기술의 개질기에 있어서의 내부의 온도분포상태를 나타내는 설명도,
도 6은 제 1 실시예의 변형예에 있어서의 허니콤 단면의 형태를 나타내는 설명도,
도 7은 제 1 실시예의 다른 변형예인 개질기의 구성을 모식적으로 나타내는 설명도,
도 8은 제 2 실시예의 개질기(90)의 구성을 모식적으로 나타내는 설명도,
도 9(a)는 반응부(92)를 구성하는 허니콤의 단면의 일부를 나타내는 단면모식도,
도 9(b)는 허니콤의 표면의 일부를 더욱 확대한 형태를 나타내는 모식도,
도 10은 개질기(90) 및 종래기술의 개질기에 있어서의 내부의 온도분포상태를 나타내는 설명도,
도 11은 제 3 실시예의 개질기(100)의 구성을 모식적으로 나타내는 설명도,
도 12는 개질기(100) 및 종래기술의 개질기에 있어서의 내부의 온도분포상태를 나타내는 설명도,
도 13은 제 4 실시예의 개질기(110)의 구성을 모식적으로 나타내는 설명도,
도 14는 개질기(110)를 구비하는 연료전지장치에서 실행되는 공기혼합량 제어처리루틴을 나타내는 플로우차트,
도 15는 제 4 실시예의 변형예인 개질기(110A)의 구성을 모식적으로 나타내는 설명도,
도 16은 개질기(110A) 및 종래기술의 개질기에 있어서의 내부의 온도분포상태를 나타내다 설명도,
도 17은 제 5 실시예의 개질기(120)의 구성을 모식적으로 나타내는 설명도,
도 18은 연료전지(20)에 있어서 실행되는 가스입구 전환처리루틴을 나타내는 플로우차트,
도 19는 개질기(120) 및 종래기술의 개질기에 있어서의 내부의 온도분포상태를 나타내는 설명도,
도 20은 제 6 실시예의 개질기(130) 및 이 개질기(130)와 접속되는 부재의 구성을 모식적으로 나타내는 설명도,
도 21은 개질기(130) 및 종래기술의 개질기에 있어서의 내부의 온도분포상태를 나타내는 설명도,
도 22는 제 7 실시예의 개질기(140)의 구성을 모식적으로 나타내는 설명도,
도 23은 개질기(140) 및 종래기술의 개질기에 있어서의 내부의 온도분포상태를 나타내는 설명도,
도 24는 제 7 실시예의 변형예인 개질기(140A)의 구성을 모식적으로 나타내는 설명도,
도 25는 제 8 실시예의 개질기(150)의 구성을 나타내는 단면모식도,
도 26은 개질기(150) 및 종래기술의 개질기에 있어서의 내부의 온도분포상태를 나타내는 설명도,
도 27은 제 9 실시예의 개질기(160)의 구성을 나타내는 단면모식도,
도 28은 개질기(160) 및 종래기술의 개질기에 있어서의 내부의 온도분포상태를 나타내는 설명도,
도 29는 제 9 실시예의 변형예인 개질기(160A)의 구성을 모식적으로 나타내는 설명도,
도 30은 제 10 실시예의 개질기(170)의 구성을 나타내는 단면모식도,
도 31은 개질기(170) 및 종래기술의 개질기에 있어서의 내부의 온도분포상태를 나타내는 설명도,
도 32는 제 11 실시예의 개질기(180)의 구성을 모식적으로 나타내는 설명도,
도 33은 개질기(180) 및 종래기술의 개질기에 있어서의 내부의 온도분포상태를 나타내는 설명도,
도 34는 제 12 실시예의 개질기(190)의 구성을 모식적으로 나타내는 설명도,
도 35는 개질기(190) 및 종래기술의 개질기에 있어서의 내부의 온도분포상태를 나타내는 설명도,
도 36은 제 12 실시예의 변형예인 개질기(190A)의 구성을 모식적으로 나타내는 설명도,
도 37은 제 12 실시예의 변형예인 개질기(190B)의 구성을 모식적으로 나타내는 설명도,
도 38은 종래의 연료개질장치 내부에 있어서의 온도분포의 형태를 나타내는 설명도이다.
본 발명의 제 1 연료개질장치는,
흡열을 수반하는 반응으로서, 탄화수소와 수증기로부터 수소를 생성하는 수증기 개질반응과 발열을 수반하는 반응으로서 상기 탄화수소를 산화하는 산화반응을 진행하여 상기 수증기 개질반응을 진행할 때에 상기 산화반응으로 생긴 열을 이용하는 연료개질장치로서,
상기 수증기 개질반응과 상기 산화반응을 촉진하는 촉매를 구비하는 촉매부와,
상기 촉매부에 대하여 상기 탄화수소와 수증기와 산소를 함유하는 원연료가스를 공급하는 원연료가스 공급수단과,
상기 촉매부에서 진행하는 상기 수증기 개질반응 및 상기 산화반응의 결과 생긴 수소가 풍부한 연료가스를 상기 촉매부로부터 배출하는 연료가스 배출수단과,
상기 촉매부에 있어서 상기 원연료가스가 공급되는 측의 영역에서 일어나는 상기 산화반응으로 생긴 열이 상기 연료가스가 배출되는 측의 영역으로까지 충분히 운반되도록 상기 원연료가스가 공급되는 측의 영역에 있어서의 상기 원연료가스의 유속을 상기 배출되는 측의 영역에 있어서의 유속과 비교하여 빠르게 하는 가스유속 조절수단을 구비하는 것을 요지로 한다.
이상과 같이 구성된 본 발명의 제 1 연료개질장치는, 수증기 개질반응과 산화반응을 촉진하는 촉매를 구비하는 촉매부에 대하여 탄화수소와 수증기와 산소를 함유하는 원연료가스를 공급하면 이 촉매부에 있어서 흡열을 수반하는 반응으로서 탄화수소와 수증기로부터 수소를 생성하는 수증기 개질반응과 발열을 수반하는 반응으로서 상기 탄화수소를 산화하는 산화반응을 진행한다. 이 때 상기 산화반응으로 생긴 열을 이용하여 상기 수증기 개질반응이 진행하여 수소가 풍부한 연료가스가 생성되어 상기 촉매부로부터 배출된다. 여기서 촉매부에 있어서는 상기 원연료가스가 공급되는 측의 영역에 있어서의 상기 원연료가스의 유속이 상기 배출되는 측의 영역에 있어서의 유속과 비교하여 빨라지도록 조절함으로써 상기 원연료가스가 공급되는 측의 영역에서 일어나는 상기 산화반응으로 생긴 열을 상기 연료가스가 배출되는 측의 영역으로까지 충분히 운반한다.
이와 같은 연료개질장치에 의하면 상기 원연료가스가 공급되는 측의 영역에서 일어나는 산화반응에 의해 생긴 열이 충분히 하류측으로 운반되기 때문에 상기원연료가스가 공급되는 측의 영역에서 온도가 지나치게 상승하는 일이 없다. 따라서 온도가 지나치게 상승함에 의한 촉매열화나 부생성물의 발생이라는 단점이 생기는 일이 없고, 개질기의 내구성을 크게 향상시킬 수 있다. 또한 산화반응으로 생긴 열이 연료가스가 배출되는 측의 영역으로까지 충분히 운반되기 때문에 하류측에 있어서 수증기 개질반응의 활성을 충분히 높게 할 수 있고, 연료개질장치를 소형화하는 것이 가능해진다.
여기서 원연료가스를 구성하는 탄화수소, 수증기 및 산소는 미리 모두를 혼합하고 나서 공급할 필요는 없고 적어도 하나의 성분 또는 원연료가스의 일부는 별개로 공급하는 것으로 하여도 좋다. 미리 혼합하여 두지 않더라도 원연료가스를 구성하는 이들 성분이 촉매부에 있어서의 가스의 흐름 방향의 상류측으로부터 공급되면 상기한 효과를 얻을 수 있다. 또 수증기 개질반응을 촉진하는 촉매와 산화반응을 촉진하는 촉매는 동일하여도 되고, 다르더라도 상관없다. 즉 수증기 개질반응과 산화반응은 단일의 촉매에 의해 양 반응이 촉진되는 것으로 하여도 되고, 다른 촉매에 의해 각각의 반응이 촉진되는 것으로 하여도 된다. 다른 촉매를 사용하는 경우에는 개질기내에서 양자가 충분히 혼합되어 있는 것이 바람직하다.
상기 본 발명의 제 1 연료개질장치에 있어서,
상기 가스유속 조절수단은, 상기 촉매부에 있어서의 상기 원연료가스가 공급되는 측에 있어서, 상기 연료가스가 배출되는 측보다도 상기 원연료가스가 흐르는 유로의 단면의 총면적을 작게 하여 이루어지는 것으로 하여도 된다. 이와 같은 구성으로 함으로써, 상기 원연료가스가 공급되는 측에 있어서의 상기 원연료가스의 유속을 상기 연료가스가 배출되는 측보다도 빠르게 할 수 있어 상기한 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 제 2 연료개질장치는,
흡열을 수반하는 반응으로서, 탄화수소와 수증기로부터 수소를 생성하는 수증기 개질반응과 발열을 수반하는 반응으로서 상기 탄화수소를 산화하는 산화반응을 진행하여 상기 수증기 개질반응을 진행할 때에 상기 산화반응으로 생긴 열을 이용하는 연료개질장치로서,
상기 수증기 개질반응과 상기 산화반응을 촉진하는 촉매를 구비하는 촉매부와,
상기 촉매부에 대하여 상기 탄화수소와 수증기와 산소를 함유하는 원연료가스를 공급하는 원연료가스 공급수단과,
상기 촉매부에서 진행하는 상기 수증기 개질반응 및 상기 산화반응의 결과 생긴 수소가 풍부한 연료가스를 상기 촉매부로부터 배출하는 연료가스 배출수단을 구비하고,
상기 촉매부에 있어서의 상기 촉매는 열전도성이 비교적 높은 재료로 형성되는 촉매담체에 유지되는 것을 요지로 한다.
이상과 같이 구성된 본 발명의 제 2 연료개질장치는, 수증기 개질반응과 산화반응을 촉진하는 촉매를 구비하는 촉매부에 대하여 탄화수소와 수증기와 산소를 함유하는 원연료가스를 공급하면 이 촉매부에 있어서 흡열을 수반하는 반응으로서 탄화수소와 수증기로부터 수소를 생성하는 수증기 개질반응과 발열을 수반하는 반응으로서 상기 탄화수소를 산화하는 산화반응을 진행하여 생성한 수소가 풍부한 연료가스를 배출한다. 여기서 상기 촉매는 열전도성이 비교적 높은 재료로 형성되는 촉매담체에 담지되기 때문에, 상기 산화반응으로 생긴 열은 촉매담체에 의해 신속하게 주변부로 전달되어 상기 수증기 개질반응에 이용된다.
이와 같은 연료개질장치에 의하면, 산화반응으로 생긴 열이 신속하게 확산하기 때문에 상기 원연료가스가 공급되는 측으로서 상기 산화반응이 활발하게 진행하는 측에 있어서 온도가 지나치게 상승하는 일이 없다. 따라서 온도가 지나치게 상승함에 의한 촉매열화나 부생성물의 발생이라는 단점이 생기는 일이 없고, 개질기의 내구성을 크게 향상시킬 수 있다. 또한 산화반응으로 생긴 열이 확산되어 하류측으로 전해짐에 따라 하류측에 있어서 수증기 개질반응의 활성을 충분히 높게 할 수 있고, 연료개질장치를 소형화하는 것이 가능해진다.
본 발명의 제 3 연료개질장치는,
흡열을 수반하는 반응으로서, 탄화수소와 수증기로부터 수소를 생성하는 수증기 개질반응과, 발열을 수반하는 반응으로서 상기 탄화수소를 산화하는 산화반응을 진행하여 상기 수증기 개질반응을 진행할 때에 상기 산화반응으로 생긴 열을 이용하는 연료개질장치로서,
상기 수증기 개질반응을 촉진하는 촉매와 상기 산화반응을 촉진하는 촉매를 구비하는 촉매부와,
상기 촉매부에 대하여 상기 탄화수소와 수증기를 함유하는 원연료가스를 공급하는 원연료가스 공급수단과,
상기 촉매부에 대하여 산소를 함유하는 산화가스를 공급하는 산화가스 공급수단과,
상기 촉매부에서 진행하는 상기 수증기 개질반응 및 상기 산화반응의 결과 생긴 수소가 풍부한 연료가스를 상기 촉매부로부터 배출하는 연료가스 배출수단과,
상기 촉매부에 있어서의 상기 산화가스가 공급되는 측에 있어서, 상기 산화반응의 진행을 억제하는 산화반응 억제수단을 구비하는 것을 요지로 한다.
이상과 같이 구성된 본 발명의 제 3 연료개질장치는, 수증기 개질반응과 산화반응을 촉진하는 촉매를 구비하는 촉매부에 대하여 탄화수소와 수증기를 함유하는 원연료가스와 산소를 함유하는 산화가스를 공급하면 이 촉매부에 있어서 흡열을 수반하는 반응으로서 탄화수소와 수증기로부터 수소를 생성하는 수증기 개질반응과, 발열을 수반하는 반응으로서 상기 탄화수소를 산화하는 산화반응을 진행한다.이 때 상기 산화반응으로 생긴 열을 이용하여 상기 수증기 개질반응이 진행되고 수소가 풍부한 연료가스가 생성되어 상기 촉매부로부터 배출된다. 여기서 촉매부에 있어서는 상기 산화가스가 공급되는 측에 있어서 상기 산화반응의 진행이 억제된다.
이와 같은 연료개질장치에 의하면 상기 산화가스가 공급되는 측에 있어서, 상기 산화반응의 진행이 억제되기 때문에 상기 산화가스가 공급되는 측에 있어서 온도가 지나치게 상승하는 일이 없다. 따라서 온도가 지나치게 상승함에 의한 촉매열화나 부생성물의 발생이라는 단점이 생기는 일이 없고, 개질기의 내구성을 크게 향상시킬 수 있다. 또한 상기 산화가스가 공급되는 측에서 산화반응의 진행이 억제됨으로써 산화반응이 진행되는 영역이 더욱 하류측으로 넓어지고, 이에 의하여 하류측의 온도를 상승시켜 수증기 개질반응의 활성을 충분히 높게 할 수 있다. 따라서 연료개질장치를 소형화하는 것이 가능해진다.
상기 본 발명의 제 3 연료개질장치에 있어서,
상기 산화반응 억제수단은 상기 촉매부에 있어서 상기 산화가스가 공급되는 측쪽이 상기 연료가스가 배출되는 측보다도 상기 산화반응을 촉진하는 촉매의 양이 적어지도록 형성하여 이루어지는 것으로 하여도 된다.
또 본 발명의 제 3 연료개질장치에 있어서,
상기 수증기 개질반응을 촉진하는 촉매와 상기 산화반응을 촉진하는 촉매는 동일한 촉매이며,
상기 산화반응 억제수단은, 상기 산화가스가 공급되는 측쪽이 상기 연료가스가 배출되는 측보다도 상기 촉매의 양이 적어지도록 형성하여 이루어지는 것으로 하여도 된다.
본 발명의 제 4 연료개질장치는,
흡열을 수반하는 반응으로서 탄화수소와 수증기로부터 수소를 생성하는 수증기 개질반응과 발열을 수반하는 반응으로서 상기 탄화수소를 산화하는 산화반응을 진행하여 상기 수증기 개질반응을 진행할 때에 상기 산화반응으로 생긴 열을 이용하는 연료개질장치로서,
상기 수증기 개질반응을 촉진하는 촉매와 상기 산화반응을 촉진하는 촉매를 구비하는 촉매부와,
상기 촉매부에 대하여 상기 탄화수소와 수증기를 함유하는 원연료가스를 공급하는 원연료가스 공급수단과,
상기 촉매부에 대하여 산소를 함유하는 산화가스를 공급하는 산화가스 공급수단과,
상기 촉매부에서 진행하는 상기 수증기 개질반응 및 상기 산화반응의 결과 생긴 수소가 풍부한 연료가스를 상기 촉매부로부터 배출하는 연료가스 배출수단과,
상기 촉매부내에서 진행하는 반응의 진행상태를 검출하는 반응상태 검출수단을 구비하고,
상기 산화가스 공급수단은,
상기 촉매부에 공급하는 단위시간당의 산소량을 소망의 양으로 유지하면서 상기반응상태 검출수단이 검출한 상기 반응의 진행상태에 의거하여 상기 촉매부에공급하는 상기 산화가스중의 산소농도를 제어하는 산소농도 조절수단을 더욱 구비하는 것을 요지로 한다.
이상과 같이 구성된 본 발명의 제 4 연료개질장치는 수증기 개질반응과 산화반응을 촉진하는 촉매를 구비하는 촉매부에 대하여 탄화수소와 수증기를 함유하는 원연료가스와 산소를 함유하는 산화가스를 공급하면, 이 촉매부에 있어서 흡열을 수반하는 반응으로서 탄화수소와 수증기로부터 수소를 생성하는 수증기 개질반응과 발열을 수반하는 반응으로서 상기 탄화수소를 산화하는 산화반응을 진행한다. 이 때 상기 산화반응으로 생긴 열을 이용하여 상기 수증기 개질반응이 진행되고 수소가 풍부한 연료가스가 생성되어 상기 촉매부로부터 배출된다. 여기서 상기 촉매부내에서 진행하는 반응의 진행상태를 검출하여 상기 촉매부에 공급하는 단위시간당의 산소량을 소망의 양으로 유지하면서 이 검출한 상기 반응의 진행상태에 의거하여 상기 촉매부에 공급하는 상기 산화가스중의 산소농도를 제어한다.
이와 같은 연료개질장치에 의하면 상기 산화가스중의 산소농도가 제어되기 때문에 산화가스가 공급되는 측에 있어서 진행하는 산화반응의 반응속도를 제어할 수 있어 상기 산화가스가 공급되는 측에 있어서 온도가 지나치게 상승하는 것을 방지할 수 있다. 따라서 온도가 지나치게 상승함에 의한 촉매열화나 부생성물의 발생이라는 단점이 생기는 일이 없고, 개질기의 내구성을 크게 향상시킬 수 있다. 또한 산화가스중의 산소농도를 제어하여 산화반응의 반응속도를 제어함으로써, 산화반응이 진행되는 영역을 더욱 하류측으로 넓힐 수 있고, 이에 의하여 하류측의 온도를 상승시켜 수증기 개질반응의 활성을 충분히 높게 할 수 있다. 따라서 연료개질장치를 소형화하는 것이 가능해진다.
상기한 본 발명의 제 4 연료개질장치에 있어서,
상기 촉매부는 상기 촉매를 구비하는 복수의 반응부로 이루어지고,
상기 산화가스 공급수단은 상기 복수의 반응부의 각각에 대하여 상기 산화가스를 공급하는 것으로 하여도 된다. 이와 같은 구성으로 하면 산화가스가 공급되는 부분을 복수로 함으로써 촉매부 내부의 온도를 균일화하는 효과를 더욱 높일 수 있다.
본 발명의 제 5 연료개질장치는,
흡열을 수반하는 반응으로서 탄화수소와 수증기로부터 수소를 생성하는 수증기 개질반응과 발열을 수반하는 반응으로서 상기 탄화수소를 산화하는 산화반응을 진행하고, 상기 수증기 개질반응을 진행할 때에 상기 산화반응으로 생긴 열을 이용하는 연료개질장치로서,
상기 수증기 개질반응과 상기 산화반응을 촉진하는 촉매를 구비하는 촉매부와,
상기 촉매부에 대하여 상기 탄화수소와 수증기와 산소를 함유하는 원연료가스를 공급하는 원연료가스 공급수단과,
상기 촉매부에서 진행하는 상기 수증기 개질반응 및 상기 산화반응의 결과 생긴 수소가 풍부한 연료가스를 상기 촉매부로부터 배출하는 연료가스 배출수단과,
상기 촉매부에서 상기 원연료가스 공급수단으로부터 상기 원연료가스를 공급되는 부위와, 상기 연료가스 배출수단에 의해 상기 연료가스를 배출하는 부위를 교체하여 상기 촉매부에 있어서의 가스의 흐름을 역전시키는 가스공급방향 변경수단을 구비하는 것을 요지로 한다.
이상과 같이 구성된 본 발명의 제 5 연료개질장치는, 수증기 개질반응과 산화반응을 촉진하는 촉매를 구비하는 촉매부에 대하여 탄화수소와 수증기와 산소를 함유하는 원연료가스를 공급하면, 이 촉매부에 있어서 흡열을 수반하는 반응으로서 탄화수소와 수증기로부터 수소를 생성하는 수증기 개질반응과 발열을 수반하는 반응으로서 상기 탄화수소를 산화하는 산화반응을 진행한다. 이 때 상기 산화반응으로 생긴 열을 이용하여 상기 수증기 개질반응이 진행되고, 수소가 풍부한 연료가스가 생성되어 상기 촉매부로부터 배출된다. 이와 같은 반응이 진행될 때에 상기 촉매부에 있어서 상기 원연료가스를 공급하는 부위와, 상기 연료가스를 배출하는 부위의 교체가 행하여진다.
이와 같은 연료개질장치에 의하면 상기 촉매부에 있어서 상기 원연료가스를 공급하는 부위와 상기 연료가스를 배출하는 부위의 교체가 행하여지기 때문에 원연료가스가 공급되는 특정한 영역에 있어서 온도가 지나치게 상승하는 일이 없다. 따라서 온도가 지나치게 상승함에 의한 촉매열화나 부생성물의 발생이라는 단점이 생기는 일이 없고, 개질기의 내구성을 크게 향상시킬 수 있다. 또한 특정한 하류측에 있어서 온도가 저하하는 일이 없고, 촉매부 전체에서 수증기 개질반응의 활성을 충분히 높게 할 수 있다. 따라서 연료개질장치를 소형화하는 것이 가능해진다.
상기한 본 발명의 제 5 연료개질장치에 있어서,
상기 촉매부에 있어서 상기 원연료가스 공급수단으로부터 상기 원연료가스를공급하는 측의 소정위치의 온도를 검출하는 끝단부 온도검출수단을 더 구비하고,
상기 가스공급방향 변경수단은, 상기 끝단부 온도검출수단의 검출결과에 의거하여 상기 원연료가스 공급수단으로부터 상기 원연료가스를 공급하는 부위와 상기 연료가스 배출수단에 의해 상기 연료가스를 배출하는 부위를 교체하는 것으로 하여도 된다. 이와 같은 구성으로 함으로써, 원연료가스가 공급되는 측에 있어서 온도가 지나치게 상승하는 것을 확실하게 방지할 수 있다.
본 발명의 제 6 연료개질장치는,
흡열을 수반하는 반응으로서 탄화수소와 수증기로부터 수소를 생성하는 수증기 개질반응과 발열을 수반하는 반응으로서 상기 탄화수소를 산화하는 산화반응을 진행하여 상기 수증기 개질반응을 진행할 때에 상기 산화반응으로 생긴 열을 이용하는 연료개질장치로서,
상기 수증기 개질반응과 상기 산화반응을 촉진하는 촉매를 구비하는 입자를 내부에 밀봉하여 이루어지는 촉매부와,
상기 촉매부에 대하여 상기 탄화수소와 수증기와 산소를 함유하는 원연료가스를 공급하는 원연료가스 공급수단과,
상기 촉매부에서 진행하는 상기 수증기 개질반응 및 상기 산화반응의 결과 생긴 수소가 풍부한 연료가스를 상기 촉매부로부터 배출하는 연료가스 배출수단과,
상기 촉매를 구비하는 입자를 상기 촉매부내에서 교반하는 촉매교반수단을 구비하는 것을 요지로 한다.
이상과 같이 구성된 본 발명의 제 6 연료개질장치는, 수증기 개질반응과 산화반응을 촉진하는 촉매를 구비하는 입자를 내부에 충전하여 이루어지는 촉매부에 대하여 탄화수소와 수증기와 산소를 함유하는 원연료가스를 공급한다. 그 때 상기촉매부에 있어서 상기 촉매를 구비하는 입자를 교반하면서 흡열을 수반하는 반응으로서 탄화수소와 수증기로부터 수소를 생성하는 수증기 개질반응과 발열을 수반하는 반응으로서 상기 탄화수소를 산화하는 산화반응을 진행한다. 이 때 상기 산화반응으로 생긴 열을 이용하여 상기 수증기 개질반응이 진행되고, 수소가 풍부한 연료가스가 생성되어 상기 촉매부로부터 배출된다.
이와 같은 연료개질장치에 의하면 상기 촉매부에 있어서 상기 촉매를 구비하는 입자를 교반하기 때문에 이 입자가 구비하는 촉매는 차례로 상기 산화반응에 관계되어 원연료가스가 공급되는 측의 특정한 영역에 있어서 온도가 지나치게 상승하는 일이 없다. 따라서 온도가 지나치게 상승함에 의한 촉매열화나 부생성물의 발생이라는 단점이 생기는 일이 없고, 개질기의 내구성을 크게 향상시킬 수 있다. 또한 특정한 하류측에 있어서 온도가 저하하는 일이 없고, 촉매부 전체에서 수증기 개질반응의 활성을 충분히 높게 할 수 있다. 따라서 연료개질장치를 소형화하는 것이 가능해진다.
상기한 본 발명의 제 6 연료개질장치에 있어서,
상기 촉매 교반수단은 상기 원연료가스 공급수단에 구비되고, 상기 탄화수소와 수증기와 산소중의 적어도 하나를 함유하는 가스를 상기 촉매부내에 분무하고 상기 촉매를 구비하는 입자를 상기 촉매부내에서 교반하는 것으로 하여도 된다. 이와 같은 구성으로 하면 상기 촉매부에 대하여 상기 원연료를 구성하는 가스를 공급하는 동작과 상기 촉매를 구비하는 입자를 교반하는 동작을 동시에 행할 수 있다.
본 발명의 제 7 연료개질장치는,
흡열을 수반하는 반응으로서, 탄화수소와 수증기로부터 수소를 생성하는 수증기 개질반응과 발열을 수반하는 반응으로서 상기 탄화수소를 산화하는 산화반응을 진행하여 상기 수증기 개질반응을 진행할 때에 상기 산화반응으로 생긴 열을 이용하는 연료개질장치로서,
상기 수증기 개질반응과 상기 산화반응을 촉진하는 촉매를 구비하는 촉매부와,
상기 촉매부에 대하여 상기 탄화수소와 수증기를 함유하는 원연료가스를 공급하는 원연료가스 공급수단과,
상기 촉매부에 대하여 산소를 함유하는 산화가스를 공급하는 산화가스 공급수단과,
상기 촉매부에서 진행하는 상기 수증기 개질반응 및 상기 산화반응의 결과 생긴 수소가 풍부한 연료가스를 상기 촉매부로부터 배출하는 연료가스 배출수단과,
상기촉매부에 있어서 상기 산화가스 공급수단으로부터 상기 산화가스가 공급되는 부분을 경시적으로 변화시키는 공급개소 변경수단을 구비하는 것을 요지로 한다.
이상과 같이 구성된 본 발명의 제 7 연료개질장치는, 수증기 개질반응과 산화반응을 촉진하는 촉매를 구비하는 촉매부에 대하여 탄화수소와 수증기를 함유하는 원연료가스와 산소를 함유하는 산화가스를 공급하면 이 촉매부에 있어서 흡열을 수반하는 반응으로서 탄화수소와 수증기로부터 수소를 생성하는 수증기 개질반응과, 발열을 수반하는 반응으로서 상기 탄화수소를 산화하는 산화반응을 진행한다. 이 때 상기 촉매부에 있어서 상기 산화가스가 공급되는 부분을 경시적으로 변화시킨다. 이와 같이 하여 공급된 산화가스를 사용하여 진행하는 상기 산화반응으로 생긴 열을 이용하여 상기 수증기 개질반응이 진행되고, 수소가 풍부한 연료가스가 생성되어 상기 촉매부로부터 배출된다.
이와 같은 연료개질장치에 의하면, 상기 촉매부에 있어서 상기 산화가스가 공급되는 부분을 경시적으로 변화시키기 때문에 산화가스가 공급되는 측의 특정한 영역에 있어서 온도가 지나치게 상승하는 일이 없다. 따라서 온도가 지나치게 상승함에 의한 촉매열화나 부생성물의 발생이라는 단점이 생기는 일이 없고, 개질기의 내구성을 크게 향상시킬 수 있다.
본 발명의 제 8 연료개질장치는,
흡열을 수반하는 반응으로서 탄화수소와 수증기로부터 수소를 생성하는 수증기 개질반응과 발열을 수반하는 반응으로서 상기 탄화수소를 산화하는 산화반응을 진행하여 상기 수증기 개질반응을 진행할 때에 상기 산화반응으로 생긴 열을 이용하는 연료개질장치로서,
상기 수증기 개질반응과 상기 산화반응을 촉진하는 촉매를 구비하는 촉매부와,
상기 촉매부에 대하여 상기 탄화수소와 수증기를 함유하는 원연료가스를 공급하는 원연료가스 공급수단과,
상기 촉매부에 대하여 산소를 함유하는 산화가스를 공급하는 산화가스 공급수단과,
상기 촉매부에서 진행하는 상기 수증기 개질반응 및 상기 산화반응의 결과 생긴 수소가 풍부한 연료가스를 상기 촉매부로부터 배출하는 연료가스 배출수단과,
상기 촉매부에 있어서 상기 원연료가스와 함께 산화가스가 공급되는 공급측과, 상기 연료가스가 배출되는 배출측을 인접하여 상기 공급측과 상기 배출측의 사이에서 열교환을 행하게 하는 균열화수단을 구비하는 것을 요지로 한다.
이상과 같이 구성된 본 발명의 제 8 연료개질장치는, 수증기 개질반응과 산화반응을 촉진하는 촉매를 구비하는 촉매부에 대하여 탄화수소와 수증기를 함유하는 원연료가스와 산소를 함유하는 산화가스를 공급하면, 이 촉매부에 있어서 흡열을 수반하는 반응으로서 탄화수소와 수증기로부터 수소를 생성하는 수증기 개질반응과 발열을 수반하는 반응으로서 상기 탄화수소를 산화하는 산화반응을 진행한다. 여기서 상기 촉매부는 상기 원연료가스와 함께 산화가스가 공급되는 공급측과, 상기 연료가스가 배출되는 배출측을 인접하여 형성되어 있기 때문에, 상기 공급측과 상기 배출측의 사이에서 열교환이 행하여져 상기 산화반응으로 생긴 열을 이용하여 상기 수증기 개질반응이 진행되고, 수소가 풍부한 연료가스가 생성되어 상기 촉매부로부터 배출된다.
이와 같은 연료개질장치에 의하면, 상기 촉매부에 있어서 상기 원연료가스와 함께 산화가스가 공급되는 공급측과, 상기 연료가스가 배출되는 배출측의 사이에서열교환이 행하여지기 때문에, 산화가스가 공급되는 특정한 영역에 있어서 온도가 지나치게 상승하는 일이 없다. 따라서 온도가 지나치게 상승함에 의한 촉매열화나 부생성물의 발생이라는 단점이 생기는 일이 없고, 개질기의 내구성을 크게 향상시킬 수 있다. 또한 특정한 하류측에 있어서 온도가 저하하는 일이 없고, 촉매부 전체에서 수증기 개질반응의 활성을 충분히 높게 할 수가 있다. 따라서 연료개질장치를 소형화하는 것이 가능해진다.
상기한 본 발명의 제 8 연료개질장치에 있어서,
상기 촉매부는,
각각 내부에 상기 촉매를 구비하고, 각각의 상기 공급측과 상기 배출측이 서로 반대의 위치에 있는 적어도 2개 이상의 반응부를 가지며,
상기 2개 이상의 반응부를 한쪽의 상기 반응부의 상기 공급측과 다른쪽의 상기 공급부의 상기 배출측을 인접하여 설치하여 이루어지는 것으로 하여도 된다.
또 본 발명의 제 8 연료개질장치에 있어서,
상기 촉매부는 내부에 형성되는 상기 원연료가스의 유로에 있어서 반환부를 가지고, 상기 유로의 입구부와 출구부를 인접하여 설치하여 이루어지는 것으로 하여도 된다.
본 발명의 제 9 연료개질장치는,
흡열을 수반하는 반응으로서 탄화수소와 수증기로부터 수소를 생성하는 수증기 개질반응과, 발열을 수반하는 반응으로서 상기 탄화수소를 산화하는 산화반응을 진행하여 상기 수증기 개질반응을 진행할 때에 상기 산화반응으로 생긴 열을 이용하는 연료개질장치로서,
상기 수증기 개질반응과 상기 산화반응을 촉진하는 촉매를 구비하는 촉매부와,
상기 촉매부에 대하여 상기 탄화수소와 수증기를 함유하는 원연료가스를 공급하는 원연료가스 공급수단과,
상기 촉매부에 대하여 산소를 함유하는 산화가스를 공급하는 산화가스 공급수단과,
상기 촉매부에서 진행하는 상기 수증기 개질반응 및 상기 산화반응의 결과 생긴 수소가 풍부한 연료가스를 상기 촉매부로부터 배출하는 연료가스 배출수단과,
상기 연료개질장치를 구비하는 시스템을 구성하는 소정의 부재에 있어서 생기는 열을 전달하는 소정의 유체에 의해 상기 산화가스가 공급되는 측 이외의 부분을 가열하는 가열수단을 구비하는 것을 요지로 한다.
이상과 같이 구성된 본 발명의 제 9 연료개질장치는, 수증기 개질반응과 산화반응을 촉진하는 촉매를 구비하는 촉매부에 대하여 탄화수소와 수증기를 함유하는 원연료가스와 산소를 함유하는 산화가스를 공급하면, 이 촉매부에 있어서 흡열을 수반하는 반응으로서 탄화수소와 수증기로부터 수소를 생성하는 수증기 개질반응과 발열을 수반하는 반응으로서 상기 탄화수소를 산화하는 산화반응을 진행한다. 여기서 상기 촉매부에 있어서 상기 산화가스가 공급되어 상기 산화반응이 행하여지는 영역에 있어서는 상기 산화반응으로 생긴 열을 이용하여 상기 수증기 개질반응이 진행된다. 또 상기 산화가스가 공급되는 측 이외의 부분에서는 상기 연료개질장치를 구비하는 시스템을 구성하는 소정의 부재에 있어서 생기는 열이 소정의 유체에 의해 전달되고, 이 열을 이용하여 상기 수증기 개질반응이 진행된다. 생성된 수소가 풍부한 연료가스는 상기 촉매부로부터 배출된다.
이와 같은 연료개질장치에 의하면, 상기 산화가스가 공급되는 측 이외의 부분에서는 상기 연료개질장치를 구비하는 시스템을 구성하는 소정의 부재에 있어서 생기는 열을 이용하여 상기 산화반응이 진행되기 때문에, 상기 촉매부에 공급하는 상기 원연료가스의 양에 대하여 상기 촉매부에 공급하는 상기 산화가스의 양을 줄일 수 있어 상기 산화가스가 공급되는 측에 있어서 온도가 지나치게 상승하는 일이 없다. 따라서 온도가 지나치게 상승함에 의한 촉매열화나 부생성물의 발생이라는 단점이 생기는 일이 없고, 개질기의 내구성을 크게 향상시킬 수 있다. 또한 상기산화가스가 공급되는 측 이외의 부분에서는 상기 연료개질장치를 구비하는 시스템을 구성하는 소정의 부재에 있어서 생기는 열이 전달되기 때문에 온도가 저하함으로써 수증기 개질반응의 활성이 저하하는 일이 없다. 따라서 촉매부 전체에서 수증기 개질반응의 활성을 충분히 높게 할 수 있고, 연료개질장치를 소형화하는 것이 가능해진다. 또 상기 연료개질장치를 구비하는 시스템을 구성하는 소정의 부재에 있어서 생기는 열을 이용하기 때문에, 상기 산화가스가 공급되는 측 이외의 부분을 가열함으로써 시스템 전체의 에너지효율이 저하하는 일도 없다.
또 상기한 본 발명의 제 9 연료개질장치에 있어서,
상기 가열수단은 상기 연료개질장치를 구비하는 시스템을 구성하는 소정의 부재로부터 배출되는 고온가스에 의해 상기 산화가스가 공급되는 측 이외의 부분을가열하는 것으로 하여도 된다.
본 발명의 제 10 연료개질장치는,
흡열을 수반하는 반응으로서, 탄화수소와 수증기로부터 수소를 생성하는 수증기 개질반응과, 발열을 수반하는 반응으로서 상기 탄화수소를 산화하는 산화반응을 진행하여 상기 수증기 개질반응을 진행할 때에 상기 산화반응으로 생긴 열을 이용하는 연료개질장치로서,
상기 수증기 개질반응과 상기 산화반응을 촉진하는 촉매를 구비하는 촉매부와,
상기 촉매부에 대하여 상기 탄화수소와 수증기를 함유하는 원연료가스를 공급하는 원연료가스 공급수단과,
상기 촉매부에 대하여 산소를 함유하는 산화가스를 공급하는 산화가스 공급수단과,
상기 촉매부에서 진행하는 상기 수증기 개질반응 및 상기 산화반응의 결과 생긴 수소가 풍부한 연료가스를 상기 촉매부로부터 배출하는 연료가스 배출수단과,
상기 탄화수소 및 물중 적어도 한쪽을 함유하는 액체를 상기 원연료가스 및 상기 산화가스가 공급되는 측의 부분에 대하여 분무하는 끝단부 냉각수단을 구비하는 것을 요지로 한다.
이상과 같이 구성된 본 발명의 제 10 연료개질장치는 수증기 개질반응과 산화반응을 촉진하는 촉매를 구비하는 촉매부에 대하여 탄화수소와 수증기를 함유하는 원연료가스와 산소를 함유하는 산화가스를 공급하면 이 촉매부에 있어서 흡열을수반하는 반응으로서 탄화수소와 수증기로부터 수소를 생성하는 수증기 개질반응과, 발열을 수반하는 반응으로서 상기 탄화수소를 산화하는 산화반응을 진행한다. 여기서 상기 촉매부에 있어서 상기 산화가스가 공급되어 상기 산화반응이 행하여지는 영역에서는 상기 산화반응으로 생긴 열을 이용하여 상기 수증기 개질반응이 진행되나, 이 때 상기 원연료가스 및 상기 산화가스가 공급되는 측의 부분에 대하여 상기 탄화수소 및 물중 적어도 한쪽을 함유하는 액체가 분무되고 상기 액체가 분무된 부분이 냉각된다. 생성된 수소가 풍부한 연료가스, 상기 촉매부로부터 배출된다.
이와 같은 연료개질장치에 의하면, 상기 원연료가스 및 상기 산화가스가 공급되는 측의 부분에서는 상기 탄화수소 및 물중 적어도 한쪽을 함유하는 액체가 분무되기 때문에, 상기 산화반응에 의해 생긴 열의 일부가 기화열로서 소비되고 상기 산화가스가 공급되는 측에 있어서 온도가 지나치게 상승하는 일이 없다. 따라서 온도가 지나치게 상승함에 의한 촉매열화나 부생성물의 발생이라는 단점이 생기는 일이 없고, 개질기의 내구성을 크게 향상시킬 수 있다.
본 발명의 제 11 연료개질장치는,
흡열을 수반하는 반응으로서, 탄화수소와 수증기로부터 수소를 생성하는 수증기 개질반응과 발열을 수반하는 반응으로서 상기 탄화수소를 산화하는 산화반응을 진행하고, 상기 수증기 개질반응을 진행할 때에 상기 산화반응으로 생긴 열을 이용하는 연료개질장치로서,
상기 수증기 개질반응과 상기 산화반응을 촉진하는 촉매를 구비하는 제 1 반응부와, 상기 수증기 개질반응을 촉진하는 촉매를 구비하는 제 2 반응부를 구비하는 촉매부와,
상기 촉매부에 대하여 상기 탄화수소와 수증기를 함유하는 원연료가스를 공급하는 원연료가스 공급수단과,
상기 제 1 반응부에 대하여 산소를 함유하는 산화가스를 공급하는 산화가스 공급수단과,
상기 촉매부에서 진행하는 상기 수증기 개질반응 및 상기 산화반응의 결과 생긴 수소가 풍부한 연료가스를 상기 촉매부로부터 배출하는 연료가스 배출수단을 구비하고,
상기 촉매부는 상기 제 1 반응부와 상기 제 2 반응부를 인접시켜 상기 제 1 반응부와 상기 제 2 반응부의 사이에서 열교환을 행하게 하는 것을 요지로 한다.
이상과 같이 구성된 본 발명의 제 11 연료개질장치는, 수증기 개질반응과 산화반응을 촉진하는 촉매를 구비하는 제 1 반응부에 대하여 탄화수소와 수증기를 함유하는 원연료가스와 산소를 함유하는 산화가스를 공급하면, 이 제 1 반응부에 있어서 흡열을 수반하는 반응으로서 탄화수소와 수증기로부터 수소를 생성하는 수증 기 개질반응과 발열을 수반하는 반응으로서 상기 탄화수소를 산화하는 산화반응을 진행한다. 또 상기 수증기반응을 촉진하는 촉매를 구비하는 제 2 반응부에 대하여 상기 원연료가스를 공급하면, 이 제 2 반응부에 있어서 상기 수증기 개질반응을 진행한다. 여기서 상기 제 1 반응부에서는 상기 산화반응으로 생긴 열을 이용하여 상기 수증기 개질반응이 진행되나, 상기 제 2 반응부도 인접하는 상기 제 1 반응부와 열교환함으로써, 상기 제 1 반응부에 있어서의 상기 산화반응으로 생긴 열을 이용하여 상기 수증기 개질반응이 진행된다. 생성된 수소가 풍부한 연료가스는 상기 촉매부로부터 배출된다.
이와 같은 연료개질장치에 의하면 상기 제 1 반응부에 있어서 상기 산화가스가 공급되어 상기 산화반응이 진행되는 영역에서는 상기 산화반응에 의해 생긴 열은 상기 제 1 반응부에서 진행하는 상기 수증기 개질반응에 이용되는 것 외에 인접하는 제 2 반응부에도 전달되어 이 제 2 반응부에서 진행하는 상기 수증기 개질반응에도 이용된다. 따라서 산화반응으로 생긴 열에 의해 상기 촉매부의 온도가 지나치게 상승하여 촉매열화나 부생성물의 발생이라는 단점이 생기는 일이 없고, 개질기의 내구성을 크게 향상시킬 수 있다.
여기서 본 발명의 제 1 또는 제 2 연료개질장치, 또는 본 발명의 제 5 내지 제 10 연료개질장치에 있어서,
상기 탄화수소는 메탄올이고,
상기 수증기 개질반응과 상기 산화반응을 촉진하는 촉매는, 단일의 구리계 촉매인 것으로 하여도 된다.
또 본 발명의 제 3 또는 제 4 연료개질장치에 있어서, 상기 탄화수소는 메탄올이고,
상기 수증기 개질반응을 촉진하는 촉매와 상기 산화반응을 촉진하는 촉매는 동일한 구리계 촉매인 것으로 하여도 된다.
또 본 발명의 제 11 연료개질장치에 있어서, 상기 탄화수소는 메탄올이고,
상기 제 1 반응부가 구비하는 촉매는 단일의 구리계 촉매인 것으로 하여도 된다.
이와 같은 구성의 연료개질장치이면 단일의 구리계 촉매에 의해 메탄올의 수증기 개질반응과 메탄올의 산화반응이 촉진된다. 구리계 촉매에 의해 메탄올의 산화반응을 촉진하는 경우에는 백금 등 종래기술의 다른 산화촉매를 사용하여 산화반응을 촉진하는 경우와는 달리, 진행하는 산화반응의 대부분은 일산화탄소를 발생하지 않는 반응이 된다. 따라서 이와 같은 구성으로 함으로써 더욱 일산화탄소 농도가 낮은 연료가스를 생성할 수 있다.
본 발명의 제 12 연료개질장치는,
흡열을 수반하는 반응으로서 탄화수소와 수증기로부터 수소를 생성하는 수증기 개질반응과, 발열을 수반하는 반응으로서 상기 탄화수소를 산화하는 산화반응을 진행하여 상기 수증기 개질반응을 진행할 때에 상기 산화반응으로 생긴 열을 이용하는 연료개질장치로서,
상기 수증기 개질반응과 상기 산화반응을 촉진하는 촉매를 구비하는 촉매부와,
상기 촉매부에 대하여 상기 탄화수소와 수증기와 산소를 함유하는 원연료가스를 공급하는 원연료가스 공급수단과,
상기 촉매부에서 진행하는 상기 수증기 개질반응 및 상기 산화반응의 결과 생긴 수소가 풍부한 연료가스를 상기 촉매부로부터 배출하는 연료가스 배출수단을 구비하고,
상기 촉매는 상기 산화반응으로서 일산화탄소를 생성하는 반응경로를 경유하지 않는 반응을 촉진하는 것을 요지로 한다.
이와 같은 연료개질장치에 의하면 상기 촉매가 일산화탄소를 생성하는 반응경로를 경유하지 않는 상기 산화반응을 촉진할 수 있기 때문에, 촉매부내에서 진행하는 반응에 의해 생기는 일산화탄소량을 억제하여 일산화탄소 농도가 낮은 연료가스를 생성할 수 있다.
본 발명의 제 12 연료개질장치에 있어서 상기 탄화수소는 메탄올이며,
상기 수증기 개질반응과 상기 산화반응을 촉진하는 촉매는 단일의 구리계 촉매인 것으로 하여도 된다.
이와 같은 구성의 연료개질장치이면 구리계 촉매에 의해 메탄올의 산화반응을 촉진하기 위하여 백금 등 종래기술의 다른 산화촉매를 사용하여 산화반응을 촉진하는 경우와는 달리 진행하는 산화반응의 대부분은 일산화탄소를 발생하지 않는 반응이 된다. 따라서 이와 같은 구성으로 함으로써, 더욱 일산화탄소 농도가 낮은 연료가스를 생성할 수 있다. 또 단일의 구리계 촉매에 의해 메탄올의 수증기 개질반응과 메탄올의 산화반응이 촉진되기 때문에 연료개질장치의 구성을 간소화할 수 있다.
이상 설명한 본 발명의 구성·작용을 한층 분명하게 하기 위하여, 이하 본 발명의 실시형태를 실시예에 의거하여 설명한다. 도 1은 본 발명의 가장 적합한 제 1 실시예인 개질기를 구비하는 연료전지장치(20)의 구성을 예시하는 개략구성도이다. 연료전지장치(20)는 메탄올을 저장하는 메탄올탱크(22), 물을 저장하는 물탱크(24), 연소가스를 발생하는 버너(26), 공기의 압축을 행하는 압축기(28), 버너(26)와 압축기(28)를 병설한 증발기(32), 개질반응에 의해 연료가스를 생성하는 개질기(34), 연료가스중의 일산화탄소(CO)농도를 저감하는 CO 저감부(36), 전기화학반응에 의해 기전력을 얻는 연료전지(40), 컴퓨터에 의해 구성되는 제어부(50)를 주된 구성요소로 한다.
제일 먼저 연료전지장치(20)에 있어서의 발전의 주체인 연료전지(40)에 관해서 설명한다.
연료전지(40)는 고체고분자 전해질형의 연료전지이며, 구성단위인 유닛셀을 복수 적층한 스택구조를 가지고 있다. 도 2는 연료전지(40)를 구성하는 유닛셀 (48)의 구성을 예시하는 단면도이다. 유닛셀(48)은 전해질막(41)과 애노드(42) 및 캐소드(43)와 세퍼레이터(44, 45)로 구성되어 있다.
애노드(42) 및 캐소드(43)는 전해질막(41)을 양측으로부터 사이에 끼워 샌드위치구조를 이루는 가스확산전극이다. 세퍼레이터(44, 45)는 이 샌드위치구조를 다시 양측으로부터 사이에 끼우면서 애노드(42) 및 캐소드(43)의 사이에 연료가스 및 산화가스의 유로를 형성한다. 애노드(42)와 세퍼레이터(44)의 사이에는 연료가스유로(44P)가 형성되어 있고, 캐소드(43)와 세퍼레이터(45)의 사이에는 산화가스유로(45P)가 형성되어 있다. 세퍼레이터(44, 45)는 도 2에서는 각각 한쪽 면에만 유로를 형성하고 있으나, 실제로는 그 양면에 리브가 형성되어 있고, 한쪽 면은 애노드(42)와의 사이에서 연료가스유로(44P)를 형성하고, 다른 면은 인접하는 유닛셀이 구비하는 캐소드(43)와의 사이에서 산화가스유로(45P)를 형성한다. 이와 같이 세퍼레이터(44, 45)는 가스확산전극과의 사이에서 가스유로를 형성함과 동시에 인접하는 유닛셀 사이에서 연료가스와 산화가스의 흐름을 분리하는 역활을 하고 있다. 물론 유닛셀(48)을 적층하여 스택구조를 형성할 때, 스택구조의 양쪽 끝에 위치하는 2매의 세퍼레이터는 가스확산전극과 접하는 한쪽 면에만 리브를 형성하는 것으로 하여도 좋다.
여기서 전해질막(41)은 고체고분자재료, 예를 들어 불소계 수지에 의해 형성된 프로톤전도성의 이온 교환막이며, 습윤상태에서 양호한 전기전도성을 나타낸다. 본 실시예에서는 나피온막(듀퐁사 제품)을 사용하였다. 전해질막(41)의 표면에는 촉매로서의 백금 또는 백금과 다른 금속으로 이루어지는 합금이 담지되어 있다.
애노드(42) 및 캐소드(43)는 모두 탄소섬유로 이루어지는 실로 짜서 이루어진 카본크로스에 의해 형성되어 있다. 또한 애노드(42) 및 캐소드(43)는 카본크로스에 의해 형성하는 외에 탄소섬유로 이루어지는 카본페이퍼 또는 카본펠트에 의해형성하는 구성도 적합하다.
세퍼레이터(44, 45)는 가스 불투과의 도전성부재, 예를 들어 카본을 압축하여 가스 불투과로 한 치밀질 카본에 의해 형성되어 있다. 세퍼레이터(44, 45)는 그 양 면에 평행하게 배치된 복수의 리브를 형성하고 있고, 상기한 바와 같이 애노드(42)의 표면에 의해 연료가스유로(44P)를 형성하고, 인접하는 유닛셀의 캐소드 (43)의 표면에 의해 산화가스유로(45P)를 형성한다. 여기서 각 세퍼레이터의 표면에 형성된 리브는 양면 모두 평행하게 형성할 필요는 없고, 면마다 직행하는 등 소정의 각도를 이루는 것으로 하여도 된다. 또 리브의 형상은 평행한 홈형상일 필요는 없고, 가스확산전극에 대하여 연료가스 또는 산화가스를 공급할 수 있으면 된다.
이상, 연료전지(40)의 기본구조인 유닛셀(48)의 구성에 대하여 설명하였다. 실제로 연료전지(40)으로서 조립되었을 때에는 세퍼레이터(44), 애노드(42), 전해질막(41), 캐소드(43), 세퍼레이터(45)의 순서로 구성되는 유닛셀(48)을 복수세트 적층하여(본 실시예에서는 100세트), 그 양쪽 끝에 치밀질 카본이나 구리판 등에 의해 형성되는 집전판을 배치함으로써 스택구조를 구성한다.
이하, 연료전지장치(20)를 구성하는 연료전지(40) 이외의 구성요소 및 그들의 접속관계에 대하여 차례로 설명한다. 증발기(32)는 메탄올탱크(22) 및 물탱크 (24)로부터 메탄올과 물의 공급을 받아 이들 메탄올과 물을 기화시키는 장치이다. 증발기(32)는 설명한 바와 같이 버너(26)와 압축기(28)를 병설하고 있으나, 뒤에서 설명하는 바와 같이 압축기(28)를 개재하여 버너(26)의 연소배기가스가 유도되고,이 연소열이 증발기(32)가 구비하는 도시 생략한 열교환기에 전달되어 증발기(32)에 공급된 메탄올과 물을 비등, 기화시킨다.
메탄올탱크(22)로부터 증발기(32)에 원연료인 메탄올을 보내주는 메탄올유로 (60)에는 제 2 펌프(71)가 설치되어 있고 증발기(32)에 공급하는 메탄올량을 조절가능하게 되어 있다. 이 제 2 펌프(71)는 제어부(50)에 접속되어 있고, 제어부 (50)로부터 출력되는 신호에 의해 구동되어 증발기(32)에 공급하는 메탄올유량을 조절한다.
물탱크(24)로부터 증발기(32)에 물을 보내주는 물공급로(62)에는 제 3 펌프 (72)가 설치되고 있고, 증발기(32)에 공급하는 물의 양을 조절가능하게 되어 있다. 이 제 3 펌프(72)는 제 2 펌프(71)와 마찬가지로 제어부(50)에 접속되어 있고, 제어부(50)로부터 출력되는 신호에 의해 구동되어 증발기(32)에 공급하는 수량을 조절한다. 상기 메탄올유로(60)와 물공급로(62)는 합류하여 제 1 연료공급로(63)를 형성하고, 이 제 1 연료공급로(63)는 증발기(32)에 접속한다. 메탄올유량과 수량은 상기 제 2 펌프(71)와 제 3 펌프(72)에 의해 조절되기 때문에 소정량씩 혼합된 메탄올과 물은 제 1 연료공급로(63)를 개재하여 증발기(32)에 공급된다.
증발기(32)에 병설된 압축기(28)는 연료전지장치(20)의 외부로부터 공기를 도입하여 이것을 압축하고, 이 압축공기를 연료전지(40)의 캐소드측에 공급하기 위한 장치이다. 압축기(28)는 터어빈(28a) 및 콤프레서(28b)를 구비하고, 이들은 임펠러형으로 성형되어 있다. 터어빈(28a) 및 콤프레서(28b)는 동일 축상의 샤프트 (28c)로 연결되어 있고, 터어빈(28a)을 회전구동함으로써, 콤프레서(28b)를 회전구동할 수 있다. 증발기(32)에는 다시 버너(26)가 병설되어 있으나, 이 버너(26)로부터의 고온의 연소가스에 의해 터어빈(28a)은 구동된다. 터어빈(28a)의 회전과 함께 콤프레서(28b)도 회전하고, 이 콤프레서(28b)는 상기한 바와 같이 공기의 압축을 행한다. 콤프레서(28b)로는 공기도입로(29)를 개재하여 외부로부터 공기가 도입가능하게 되어 있고, 압축기(28)로 압축된 공기는 산화가스공급로(68)를 개재하여 연료전지(40)에 공급되어 연료전지(40)에 있어서의 전기화학반응에 제공된다.
여기서 터어빈(28a)은 버너(26)로부터의 고온의 연소가스에 의해 구동되기 때문에 내열성 및 내구성을 실현하기 위하여 초내열합금이나 세라믹스 등에 의해 형성된다. 본 실시예에서는 니켈베이스의 합금(인코넬 700, 인코넬사)을 사용하였다. 또 콤프레서(28b)는 경량인 알루미늄합금에 의해 형성된다.
터어빈(28a)을 구동하는 버너(26)는 연소를 위한 연료를 연료전지(40)의 애노드측 및 메탄올탱크(22)로부터 공급된다. 연료전지(40)는 메탄올을 개질기(34)로 개질하여 생성한 수소가 풍부한 가스를 연료로 하여 전기화학반응을 행하나, 연료전지(40)에 공급된 모든 수소가 전기화학반응에 있어서 소비되는 것은 아니고, 소비되지 않고 남은 수소를 포함하는 연료배기가스는 연료배출로(67)에 배출된다. 버너(26)는 이 연료배출로(67)에 접속하여 연료배기가스의 공급을 받아 소비되지 않고 남은 수소를 완전연소시켜 연료의 이용율의 향상을 도모하고 있다. 통상은 이와 같은 비연료만으로는 버너(26)에 있어서의 연소반응을 위한 연료로서 부족되기 때문에 이 부족분에 상당하는 연료 및 연료전지장치(20)의 기동시와 같이 연료전지(40)로부터 비연료의 공급을 받지 않을 때의 버너(26)에 있어서의 연소반응을위한 연료는 메탄올탱크(22)로부터 버너(26)에 대하여 공급된다. 버너(26)로 메탄올을 공급하기 위하여 메탄올분기로(61)가 설치되어 있다. 이 메탄올분기로(61)는 메탄올탱크(22)로부터 증발기(32)에 메탄올을 공급하는 메탄올유로(60)로부터 분기하고 있다.
여기서 버너(26)에는 제 1 온도센서(73)가 설치되어 있고, 버너(26)에서의 연소열의 온도를 측정하여 이 측정결과를 제어부(50)에 입력하고 있다. 제어부 (50)는 이 제 1 온도센서(73)로부터의 입력결과를 기초로 제 1 펌프(70)에 구동신호를 출력하여 버너(26)에 공급하는 메탄올량을 조절하고 버너(26)에서의 연소온도를 소정의 범위(약 800℃ 내지 1000℃)로 유지하고 있다. 이 버너(26)에 있어서의 연소가스는 터어빈(28a)을 회전구동한 후 증발기(32)로 유도된다. 터어빈(28a)에서의 열교환 효율은 그다지 높지 않기 때문에(약 10% 이내), 증발기(32)로 유도되는 연소배기가스의 온도는 약 600 내지 700℃에 도달하여 증발기(32)의 열원으로서 충분하게 된다. 여기서 상기한 제 1 연료공급로(63)를 개재하여 공급된 메탄올과 물과의 혼합용액은 증발기(32)로 유도된 버너(26)의 고온연소배기가스에 의해 기화시킨다. 증발기(32)로 기화된 메탄올과 물로 이루어지는 원연료가스는 제 2 연료공급로(64)로 유도되어 개질기(34)에 전달된다.
개질기(34)는 공급된 메탄올과 물로 이루어지는 원연료가스를 개질하여 수소가 풍부한 연료가스를 생성한다. 이 개질기(34)의 구성 및 개질기(34)로 행하여진 개질반응은 본 발명의 요부에 대응한 것으로, 뒤에서 상세하게 설명한다. 또한 개질기(34)에 메탄올과 물로 이루어지는 원연료가스를 공급하는 제 2 연료공급로(64)에는 제 2 온도센서(74)가 설치되어 있고, 개질기(34)에 공급되는 메탄올과 물로 이루어지는 원연료가스의 온도를 측정하고 있다. 이 원연료가스의 온도에 관한 측정결과는 제어부(50)에 입력된다. 제어부(50)는 상기한 제 1 온도센서(73)로부터의 입력결과에 의거하여 제 1 펌프(70)에 구동신호를 출력할 때에 이 제 2 온도센서(74)로부터의 신호를 기초로 하여 상기 제 1 펌프(70)의 구동량을 보정하여 버너(26)에 공급하는 메탄올량을 조절한다. 이와 같이 하여 버너(26)에서의 연소가스의 온도를 제어함으로써, 증발기(32)로 기화된 상기 원연료가스의 온도를 조절한다. 증발기(32)로부터 공급되는 원연료가스는 통상 약 250℃로 승온하고 있다.
또 뒤에서 설명하는 바와 같이 개질기(34)에 있어서의 개질반응에서는 산소가 관여하나, 이 개질반응에 필요한 산소를 공급하기 위하여 개질기(34)에는 블로워(38)가 병설되어 있다. 블로워(38)는 외부로부터 공기를 도입하여 이것을 압축하고, 이 도입한 공기를 공기공급로(39)를 개재하여 개질기(34)에 공급한다. 본 실시예에서는 공기공급로(39)는 제 2 연료공급로(64)에 접속되어 있고, 블로워(38)가 도입한 공기는 증발기(32)로부터 공급되는 원연료가스와 함께 개질기(34)에 공급된다. 블로워(38)는 제어부(50)에 접속되어 있고, 제어부(50)에 의해 그 구동상태가 제어된다.
CO 저감부(36)는 제 3 연료공급로(65)를 개재하여 개질기(34)로부터 공급된 연료가스중의 일산화탄소 농도를 저감시키는 장치이다. 메탄올의 일반적인 개질반응은 이미 (4)식에 나타내었으나, 실제로 개질반응이 행하여질 때에는 이들 식에 나타낸 바와 같이 이상적으로 반응이 진행되는 것은 아니고, 개질기(34)로 생성된연료가스는 소정량의 일산화탄소를 포함하고 있다. 따라서 CO 저감부(36)를 설치함으로써 연료전지(40)에 공급하는 연료가스중의 일산화탄소 농도의 저감을 도모하고 있다.
본 실시예의 연료전지(40)는 고체고분자형의 연료전지로서 전지반응을 촉진하는 백금 또는 백금과 다른 금속으로 이루어지는 촉매를 구비하고 있으나[본 실시예에서는 백금촉매를 전해질막(41)의 표면에 도포하였다], 연료가스중에 일산화탄소가 포함되는 경우에는 이 일산화탄소가 백금촉매에 흡착하여 촉매로서의 기능을 저하시키고, (1)식에 나타낸 애노드에 있어서의 반응을 저해하여 연료전지의 성능을 저하시킨다. 그 때문에 연료전지(40)와 같은 고체고분자형의 연료전지를 사용하여 발전을 행하기 위해서는 공급하는 연료가스중의 일산화탄소 농도를 충분히 저감하여 전지성능의 저하를 방지하는 것이 필수가 된다. 또한 이와 같은 고체고분자형 연료전지에 있어서 공급되는 연료가스중의 일산화탄소 농도로서의 허용농도는 통상은 수 ppm 정도 이하이다.
CO 저감부(36)에 공급되는 연료가스는 상기한 바와 같이 소정량의 일산화탄소를 함유하는 수소가 풍부한 가스이며, CO 저감부(36)에 있어서는 연료가스중의 수소에 우선하여 일산화탄소의 산화가 행하여진다. CO 저감부(36)에는 일산화탄소의 선택 산화촉매인 백금촉매, 루테늄촉매, 팔라듐촉매, 금촉매, 또는 이들을 제 1원소로 한 합금촉매를 담지한 담체가 충전되어 있다. 이 CO 저감부(36)에서 처리된 연료가스중의 일산화탄소 농도는 CO 저감부(36)의 운전온도, 공급되는 연료가스중의 일산화탄소 농도, CO 저감부(36)에 대한 단위촉매 체적당의 연료가스의 공급유량 등에 의해 정해진다. CO 저감부(36)에는 도시 생략한 일산화탄소농도 센서가 설치되어 있고, 이 측정결과에 의거하여 CO 저감부(36)의 운전온도나 공급하는 연료가스유량을 조절하여 처리후의 연료가스중의 일산화탄소 농도가 수 ppm 이하가 되도록 제어하고 있다.
CO 저감부(36)에서 상기한 바와 같이 일산화탄소 농도가 내려간 연료가스는 제 4 연료공급로(66)에 의해서 연료전지(40)에 유도되어 애노드측에 있어서의 전지반응에 공급된다. 연료전지(40)로 전지반응에 사용된 후의 연료배기가스는 상기한 바와 같이 연료배출로(67)로 배출되어 버너(26)로 유도되고, 이 연료배기가스중에 남아 있는 수소가 연소를 위한 연료로서 소비된다. 한편 연료전지(40)의 캐소드측에 있어서의 전지반응에 관계되는 산화가스는 상기한 바와 같이 압축기(28)로부터 산화가스공급로(68)를 개재하여 압축공기로서 공급된다. 전지반응에 사용된 나머지 산화배기가스는 산화배기가스로(69)를 개재하여 외부로 배출된다.
제어부(50)는 마이크로컴퓨터를 중심으로 한 논리회로로서 구성되고, 상세하게는 미리 설정된 제어프로그램에 따라 소정의 연산 등을 실행하는 CPU(54)와, CPU(54)로 각종 연산처리를 실행하는 데 필요한 제어프로그램이나 제어데이터 등이 미리 저장된 ROM(56)과, 마찬가지로 CPU(54)로 각종 연산처리를 하는 데 필요한 각종 데이터가 일시적으로 판독/기록되는 RAM(58)과, 상기한 각종 온도센서로부터의 검출신호를 입력함과 함께 CPU(54)에서의 연산결과에 따라 상기한 각종 펌프나 블로워(38) 등에 구동신호를 출력하는 입출력포트(52) 등을 구비한다.
다음으로, 본 발명의 요부에 대응하는 개질기(34)의 구성에 대하여 설명한다. 도 3은 개질기(34)의 구성의 개략을 모식적으로 나타내는 설명도이다. 본 실시예의 개질기(34)는 제 2 연료공급로(64)에 접속하는 측의 끝단부로부터 원연료가스 및 공기의 공급을 받아, 이들 원연료가스 및 공기는 개질기(34)의 내부를 통과하면서 수증기 개질반응 및 산화반응(부분 산화반응)에 공급된다. 개질기(34)내에있어서 (4)식에 나타내는 수증기 개질반응 및 (5)식에 나타내는 산화반응에 의해 생성된 수소가 풍부한 연료가스는 다른 한 쪽의 끝단부로부터 제 3 연료공급로(65)로 배출된다. 이 개질기(34)는 그 내부에 제 1 반응부(80) 및 제 2 반응부(81)를 구비하고 있다. 이들 제 1 반응부(80) 및 제 2 반응부(81)는 표면에 Cu - Zn 촉매를 담지한 메탈 허니콤으로서 구성되어 있고, 상류측[제 2 연료공급로(64)와의 접속부에 가까운 측]에 형성된 제 1 반응부(80)는, 하류측[제 3 연료공급로(65)와의 접속부에 가까운 측]에 형성된 제 2 반응부(81)보다도 뒤에서 설명하는 셀수가 적어지도록 형성되어 있다.
도 4는 제 1 반응부(80) 및 제 2 반응부(81)를 형성하는 메탈 허니콤의 횡단면의 일부를 나타내는 모식도이다. 메탈 허니콤은 스테인레스판(82, 83)을 적층하여 형성되어 있다. 즉 평판형상의 스테인레스판(82)과, 물결형상으로 구부린 스테인레스판(83)을 교대로 배치하여 메탈 허니콤은 형성되어 있다. 스테인레스판(83)은 1mm 간격으로 물결형상으로 구부러져 있기 때문에, 이 스테인레스판(83)과 평판형상의 스테인레스판(82)을 교대로 적층함으로써 한 변의 길이가 1mm 인 대략 정방형의 단면을 가지는 셀로 이루어지는 허니콤를 형성할 수 있다.
여기서 제 1 반응부(80)와 제 2 반응부(81)에서는 메탈 허니콤를 형성하기위하여 사용한 스테인레스판(82, 83)의 두께가 다르며 이에 의해 제 1 반응부(80)와 제 2 반응부(81)는 각각이 구비하는 셀수가 다르게 형성된다. 제 1 반응부(80)는 두께가 0.1mm 의 스테인레스판(82, 83)에 의해 형성된 허니콤으로 이루어지고, 제 2 반응부(81)는 두께가 0.03mm의 스테인레스판(82, 83)에 의해 형성되는 허니콤로 이루어진다. 따라서 제 1 반응부(80)는 그 단면적 1cm2당 약 75개의 셀을 구비하고, 제 2 반응부(81)는 마찬가지로 1cm2당 약 91개의 셀을 구비하게 된다. 개질기(34) 전체에서는 단면적은 일정하기 때문에 상기한 바와 같이 두께가 다른 스테인레스판에 의해 허니콤를 구성함으로써, 제 1 반응부(80)에 있어서의 가스유로의 단면의 총면적[제 1 반응부(80)를 구성하는 각 셀의 단면적의 총합]은 제 2 반응부 (81)에 있어서의 가스유로의 단면의 총면적[제 2 반응부(81)를 구성하는 각 셀의 단면적의 총합]보다도 작아진다.
제 1 반응부(80) 및 제 2 반응부(81)는 각각을 구성하는 허니콤 표면에 촉매를 담지하고 있기 때문에, 상류측으로부터 원연료가스를 공급하면 원연료가스는 상기 허니콤 표면을 통과하는 사이에 수증기 개질반응 및 산화반응에 공급되어 수소가 풍부한 연료가스가 된다. 본 실시예에서는 허니콤 표면에 담지시키는 촉매는 구리와 산화아연을 사용하여 공침법에 의해 제조하였다. 공침법에 의해 얻은 Cu-Zn 촉매는 이것을 분쇄하여 다시 알루미나졸 등의 바인더를 가하여 허니콤상에 도포하는 등의 방법에 의해 허니콤상에 담지시킬 수 있다.
이상과 같이 구성된 개질기(34)에 원연료가스를 공급하면 원연료가스는 먼저셀수가 적은 즉 가스유로단면의 총면적이 작은 제 1 반응부(80)내를 통과하고, 다음에 셀수가 많은, 즉 가스유로 단면의 총면적이 큰 제 2 반응부(81)내를 통과한다. 이와 같이 소정량의 원연료가스가 가스유로 단면의 총면적이 작은 허니콤내를 통과한 후, 가스유로 단면의 총면적이 큰 허니콤내를 통과하기 때문에 개질기(34)내를 통과하는 원연료가스의 유속은 제 1 반응부(80)내를 통과할 때의 쪽이 제 2 반응부(81)내를 통과할 때 보다도 빨라진다.
따라서 제 1 실시예의 개질기(34)에 의하면 상류측에 있어서의 원연료가스의 유속을 빠르게 함으로써, 상류측에 있어서의 급격한 온도상승을 억제하여 개질기 (34)내 전체의 온도분포상태를 개질반응에 적합한 온도범위인 250 내지 300℃의 온도범위내에서 균일화한다는 효과를 나타낸다. 도 5는 허니콤 단면적이 일정한 종래기술의 개질기와 본 실시예의 개질기(34)에 대하여 가스의 흐름방향에 관한 내부의 온도분포상태를 나타낸 설명도이다. 상기한 바와 같이 산화반응은 수증기 개질반응보다도 반응속도가 빠르기 때문에, 종래의 개질기에서는 원연료가스의 입구부부근에서 산화반응이 활발하게 진행하며 이 입구부 부근의 온도가 400℃ 정도로 상승된다. 이에 대하여 본 실시예의 개질기(34)에서는 상류측에서의 원연료가스의 유속이 빠르기 때문에, 상류측에서 진행한 산화반응에 의해 생긴 열이, 빠른 가스의 흐름에 의해 신속하게 하류측으로 운반된다. 또 상류측에서의 원연료가스의 유속이 빠르기 때문에 상류측이 좁은 영역에서 산화반응이 종료하는 일이 없어 산화반응이 활발하게 진행되는 영역이 더욱 하류측으로 넓어진다. 따라서 입구부 부근에서 온도가 급격하게 상승하는 일이 없다. 또한 상류측에 배치된 제 1 반응부(80)는 두꺼운 스테인레스판을 사용하여 형성한 허니콤를 구비하고 있기 때문에 큰 열용량을 가지고 있고, 산화반응으로 생긴 열은 이 허니콤에 전달되어 허니콤를 승온시키기 전에 가스의 흐름에 의해 하류측으로 전달되기 쉽게 되어 있다.
이와 같이 개질기(34)는 그 입구부 부근에서 온도가 급격하게 상승하는 일이 없기 때문에 온도상승에 기인하는 상기한 촉매열화나 부생성물의 발생이라는 단점을 방지할 수 있다. 촉매의 열화가 억제됨으로써 개질기의 내구성을 크게 향상시키는 것이 가능해져 도 5에 온도분포의 모양을 나타낸 종래의 개질기는 사용시간 200시간 정도의 내구성이었던 것에 대하여 본 실시예의 개질기(34)는 5000시간 이상의 사용이 가능하게 되었다.
또 상기한 바와 같이 산화반응이 진행되는 영역이 하류측으로 넓어짐과 동시에 상류측에서 진행한 산화반응으로 생긴 열이 신속하게 하류측으로 운반됨으로써 본 실시예의 개질기(34)에서는 그 하류측에서 종래의 개질기와 같이 온도가 지나치게 저하하는 일이 없다. 따라서 개질기의 하류측에 있어서도 수증기 개질반응의 활성이 높은 상태로 유지되고, 하류측이 구비하는 촉매도 충분히 이용할 수 있음과 동시에 수증기 개질반응의 속도를 향상시킬 수 있다. 이와 같이 하류측에서의 수증기 개질반응의 활성이 높아짐으로써 개질기를 더욱 콤팩트하게 하는 것이 가능해진다.
상기한 제 1 실시예에서는 개질기(34)가 구비하는 허니콤은 메탈 허니콤으로 하였으나, 세라믹 허니콤를 사용하는 것으로 하여도 된다. 세라믹 허니콤을 사용한 구성을 제 1 실시예의 변형예로서 이하에 나타낸다. 이 변형예에 있어서의 개질기도 제 1 실시예의 개질기(34)와 마찬가지로 제 1 반응부(80)와 제 2 반응부 (81)로 이루어진다. 세라믹 허니콤에 의해 형성한 제 1 반응부(80) 및 제 2 반응부(81)의 단면의 모식도를 도 6에 나타낸다. 도 6(a)는 세라믹 허니콤으로 구성하는 제 1 반응부(80)의 일례, 도 6(b)는 마찬가지로 제 1 반응부(80)의 다른 예, 도 6(c)는 세라믹 허니콤으로 구성하는 제 2 반응부(81)를 나타낸다.
도 6(a)에서는 허니콤를 구성하는 각 셀의 단면적을 각각 작게 형성하고, 도 6(b)에서는 허니콤를 구성하는 셀의 총수를 적게 함으로써 도 6(c)의 허니콤과 비교하여 가스의 유로단면의 총면적을 작게 하고 있다. 따라서 도 6(a)와 도 6(b)의 어느 한쪽의 제 1 반응부(80)를 사용하는 경우에도 도 6(c)에 나타낸 제 2 반응부(81)와 조합하여 개질기(34)를 구성함으로써 상기한 제 1 실시예와 동일한 효과를 얻을 수 있다.
또 상기 실시예에서는 개질기(34)의 내부를 제 1 반응부(80)와 제 2 반응부 (81)의 2개로 분할하여 전반부와 후반부로서 내부를 통과하는 원연료가스의 유속이 다른 구성으로 하였으나, 개질기의 내부를 3개 이상으로 분할하는 구성으로 하여도 된다. 이 경우에도 상류측의 가스유속이 하류측보다도 빨라지는 구성으로 함으로써 상기한 실시예와 동일한 효과를 얻을 수 있다.
상기한 실시예에서는 개질기의 상류측에 배치된 허니콤에 있어서 단위 단면적당의 셀의 수를 적게 하거나, 각 셀의 단면적을 작게 형성함으로써 상류측에 있어서의 가스유로 단면의 총면적을 하류측과 비교하여 작게 하고 있다. 상류측의 가스유속이 하류측보다도 빨라지는 개질기의 구성으로서는 상기한 구성 외에 개질기 전체의 단면적을 상류측에서 더욱 작아지도록 형성하는 구성을 들 수 있다. 이와 같은 개질기(34A)의 구성을 도 7에 나타낸다. 개질기(34A)는 총단면적이 다른 3개의 허니콤으로 구성되어 있고 상류측만큼 총단면적이 작은 허니콤에 의해 형성되어 있다. 이와 같은 구성으로 하면 상류측의 가스유속이 하류측보다도 빨라지게 되기 때문에, 상기한 실시예와 동일한 효과를 얻을 수 있다. 도 5에 개질기(34A)에 있어서의 내부의 온도분포상태를 나타낸다. 상기 개질기(34A)와 같이 개질기 전체의 총단면적을 점차로 크게 하는 구성으로 하면 단위 단면적당의 셀수 및 각 유닛셀의 단면적은 동일하여도 된다. 또 개질기을 총단면적이 다른 복수의 부위에 의해 구성할 때에는 3개 이외의 복수의 부위로 이루어지는 것으로 하여도 되고, 상류측일 수록 유로단면의 총면적이 작아지는 구성으로 하면 상기한 효과를 얻을 수 있다.
다음으로 개질기의 상류부에서 진행하는 산화반응에 의해 생긴 열을 적극적으로 하류측에 전달하는 다른 구성으로서 수증기 개질반응 및 산화반응을 촉진하는 촉매를 열전도성이 비교적 높은 재료로 형성되는 담체로 유지하는 구성을 제 2 실시예로서 이하에 설명한다. 도 8은 제 2 실시예의 개질기(90)의 구성을 모식적으로 나타내는 설명도이다. 제 2 실시예의 개질기(90)는 도 1의 연료전지장치(20)와 동일한 구성의 연료전지장치로 구비되어 있다. 도 8에 나타내는 바와 같이 개질기 (90)는 허니콤에 의해 구성된 단일의 반응부(92)로 이루어진다. 이 반응부(92)를 구성하는 허니콤의 단면의 일부를 나타내는 단면모식도를 도 9(a)에, 또 도 9(a)에 나타낸 허니콤의 표면의 일부[도 9(a)중에 영역 B로서 원으로 둘러싼 범위]를 더욱확대한 형태를 모식적으로 나타내는 도면을 도 9(b)에 나타낸다.
본 실시예의 개질기(90)는 제 1 실시예의 개질기(34)와 마찬가지로 메탈 허니콤에 의해 구성되어 있다. 또한 본 실시예에서는 두께가 0.05mm의 스테인레스판 (94)을 사용하여 허니콤를 형성하였다. 이 스테인레스판(94)의 표면에는 수증기 개질반응 및 산화반응을 촉진하는 촉매를 함유하고, 두께가 약 0.05mm의 촉매층 (96)이 형성되어 있다. 촉매층(96)에서는 Cu-Zn 촉매를 구성하는 구리분자와 산화아연분자가 열전도성이 높은 바인더중에 분산된 상태로 담지되어 있다.
여기서 촉매층(96)의 조제방법에 대하여 설명한다. 먼저, 촉매원료로서 주지의 공침법에 의해 CuO·ZnO 분말을 제작하고, 이것에 바인더로서 알루미나졸 5%와, 다시 산화알루미늄과 비교하여 열전도성이 높은 물질을 첨가한다. 여기서 사용하는 열전도성이 높은 물질로서는 질화물인 질화알루미늄(AlN)이나 질화티탄(Ti N), 또는 탄화물인 탄화실리콘(SiC)이나 탄화붕소(B4C), 또는 그래파이트 등을 들 수 있고, 첨가량으로서는 5 내지 30%가 바람직하다. 예를 들어 상기한 열전도성이 높은 물질중에서 AlN은 0.07ca1/cm/s/℃의 열전도율을 나타내고, SiC는 0.1 ca1/cm/s/℃, 그래파이트는 0.30. 1 ca1/cm/s/℃의 열전도율을 나타내고, 모두 종래 사용되어 온 산화알루미늄(0.02 ca1/cm/s/℃)과 비교하여 높은 열전도율을 나타낸다.
이들을 물로 희석하여 볼밀로 분쇄혼합하여 스테인레스판(94)상에 도포하고, 다시 가열처리 및 환원처리를 행한다. 이와 같은 처리에 의해 상기 촉매원료는 구리분자와 산화아연분자로 이루어지는 Cu-Zn 촉매로 이루어지고, 이들 Cu - Zn 촉매는 열전도성이 높은 물질을 함유하는 바인더중에 분산되어 담지된 상태로 촉매층 (96)을 형성한다.
이상과 같이 구성한 개질기(90)를 연료전지장치(20)에 적용하여 개질기(90)에 대하여 원연료가스를 공급하면 상기한 바와 같이 산소가 공급되는 상류측에서는 산화반응이 활발하게 행하여져 많은 열이 생긴다. 이와 같이 산화반응에 의해 생긴 열은 상류측에서 진행하는 수증기 개질반응에서 이용되는 외에 상기한 열전도성이 높은 물질을 함유하는 바인더속을 신속하게 전달한다. 이와 같이 바인더속을 전달하는 열중의 일부는 열전도성이 높은 스테인레스에 의해 형성된 허니콤기재에다시 전달된다. 스테인레스로 이루어지는 허니콤기재에 전달된 열은 이 허니콤기재를 개재하여 하류측에 전달된다. 또 허니콤기재에 전달되지 않는 나머지 열은 그대로 바인더속을 하류측에 전달한다. 이와 같이 개질기(90)의 하류측에 전달된 열은 하류측에서 진행하는 수증기 개질반응에서 이용된다.
따라서 본 실시예의 개질기(90)에 의하면 열전도성이 높은 바인더속에 촉매가 담지되어 있기 때문에 상류측에서 산화반응으로 생긴 열이 신속하게 하류측으로 전달되어 상류측에서의 급격한 온도상승을 억제할 수 있다. 도 10은 상기 열도전성이 높은 물질을 포함하지 않는 바인더를 사용한 종래기술의 개질기와, 본 실시예의 개질기(90)에 대하여 가스의 흐름방향에 관한 내부의 온도분포상태를 나타낸 설명도이다. 본 실시예의 개질기(90)는 종래의 개질기와는 달리 상류측에서 진행하는 산화반응으로 생긴 열이 신속하게 하류측으로 전달되기 때문에 상류측이 급격하게 승온되는 일 없이, 개질기의 내부온도를 250 내지 300℃의 온도범위로 균일화할 수 있다. 이와 같이 개질기(90)는 그 입구부 부근에서 온도가 급격하게 상승하는 일이 없기 때문에 온도상승에 기인하는 상기한 촉매열화나 부생성물의 발생이라는 단점을 방지할 수 있다. 촉매의 열화가 억제됨으로써 개질기의 내구성을 크게 향상시키는 것이 가능해지고, 도 10에 온도분포상태를 나타낸 종래의 개질기는 사용시간 200시간 정도의 내구성이었던 것에 대하여, 본 실시예의 개질기(90)는 5000시간 이상의 사용이 가능하게 되었다.
또 상기한 바와 같이 상류측에서 진행한 산화반응에 의해 생긴 열이 신속하게 하류측에 전달되기 때문에 본 실시예의 개질기(90)에서는 그 하류영역에서 종래의 개질기와 같이 온도가 지나치게 저하하는 일이 없다. 따라서 개질기의 하류측에 있어서도 수증기 개질반응의 활성이 높은 상태로 유지되고, 하류측이 구비하는 촉매도 충분히 이용할 수 있음과 동시에 수증기 개질반응의 속도를 향상시킬 수 있다. 그 때문에 개질기를 더욱 콤팩트하게 하는 것이 가능해진다.
상기 제 2 실시예에서는 열전도성이 우수한 스테인레스판을 기재로 하는 허니콤상에 열전도성이 높은 물질을 함유하는 바인더를 사용한 촉매층(96)을 형성하였기 때문에, 상류에서 하류로의 열전도는 촉매층(96) 자신에 의한 것과, 스테인레스판(94)을 개재하는 것의 양쪽이 행하여져 높은 효율로 전열을 행할 수 있어 특히 뛰어난 효과를 얻을 수 있었다. 여기서 촉매층(96)을 세라믹 허니콤상에 형성하거나 촉매를 열전도성이 높은 바인더와 함께 펠릿형상으로 성형하여 개질기내에 충전하는 구성으로 하여도 상류측에서 하류측으로의 열전도성이 향상함에 의한 소정의효과를 얻을 수 있다.
다음으로, 제 3 실시예로서 개질기내의 상류측이 담지하는 촉매량을 하류측과 비교하여 적게 함으로써, 상류측에 있어서 산화반응의 활성을 억제한 구성을 이하에 나타낸다. 도 11은 제 3 실시예의 개질기(100)의 구성을 모식적으로 나타내는 설명도이다. 이 개질기(100)는 도 1의 연료전지장치(20)와 동일한 구성의 연료전지장치로 구비되어 있다. 도 11에 나타내는 바와 같이 개질기(100)는 제 1 반응부(101)와 제 2 반응부(102)를 구비하고 있다. 이들 제 1 반응부(101) 및 제 2 반응부(102)는 동일한 형상의 허니콤에 의해 구성되어 있고, 이 허니콤 표면에 상기한 실시예와 동일한 Cu-Zn 촉매가 담지되어 있으나, 허니콤상에 담지된 촉매의 양이 제 1 반응부(101)보다도 제 2 반응부(102)의 쪽이 많아져 있다. 즉, 제 1 반응부(101)는 50g/ℓ(허니콤의 단위체적당의 촉매량)의 비율로 Cu-Zn 촉매를 담지하고 있는 데 대하여, 제 2 반응부(102)는 180g/ℓ의 비율로 Cu-Zn 촉매를 담지하고 있다.
이상과 같이 구성한 개질기(100)에 의하면 상류측의 제 1 반응부(101)가 담지하는 촉매량이 적기 때문에 원연료가스 및 공기의 도입측에서의 산화반응의 진행이 억제된다. 따라서 개질기의 상류측에서 급격하게 산화반응이 진행되는 일이 없고, 산화반응이 행하여지는 영역이 더욱 하류측으로 넓어진다. 따라서 상류측에 있어서의 급격한 온도상승을 억제할 수 있다.
도 12는 상류측도 하류측과 동일한 양의 촉매를 담지하는 허니콤를 구비한 종래기술의 개질기와, 본 실시예의 개질기(100)에 대하여 가스의 흐름방향에 관한내부의 온도분포상태를 나타낸 설명도이다. 본 실시예의 개질기(100)는 종래의 개질기와는 달리 상류측에서는 산화반응의 진행이 억제되기 때문에, 상류측이 급격하게 승온되는 일 없이, 개질기의 내부온도를 250 내지 300℃의 온도범위로 균일화할 수 있다. 이와 같이 개질기(100)는 그 입구부 부근에서 온도가 급격하게 상승하는 일이 없기 때문에 온도상승에 기인하는 상기한 촉매열화나 부생성물의 발생이라는 단점을 방지할 수 있다. 촉매의 열화가 억제됨으로써 개질기의 내구성을 크게 향상시키는 것이 가능하게 되어 도 12에 온도분포상태를 나타낸 종래의 개질기는 사용시간 200시간 정도의 내구성이었던 것에 대하여 본 실시예의 개질기(100)는 5000시간 이상의 사용이 가능하게 되었다.
또 상기한 바와 같이 발열을 수반하는 산화반응이 진행하는 영역이 더욱 하류측으로 넓어지기 때문에, 본 실시예의 개질기(100)에서는 그 하류영역에서 종래의 개질기와 같이 온도가 지나치게 저하하는 일이 없다. 따라서 개질기의 하류측에 있어서도 수증기 개질반응의 활성이 높은 상태로 유지되어 하류측이 구비하는 촉매도 충분히 이용할 수 있음과 동시에 수증기 개질반응의 속도를 향상시킬 수 있다. 그 때문에 개질기를 더욱 콤팩트하게 하는 것이 가능해진다.
또한 상기 제 3 실시예에서는 개질기(100)에 있어서 담지하는 촉매량을 2단계로 변화시키는 것으로 하였으나, 3단계 이상으로 변화시키는 것으로 하여도 되고, 상류측의 촉매담지량을 줄임으로써 상기한 소정의 효과를 얻을 수 있다. 여기서 상류측일 수록 촉매의 담지량을 줄이는 구성으로 하여 촉매의 담지량을 변화시키는 단계의 수를 조절함으로써, 개질기 내부의 온도를 더욱 균일화시키는 것이 가능해져 상기한 효과를 높일 수 있다.
또 상기 제 3 실시예에서는 수증기 개질반응과 산화반응은 동일한 Cu - Zn 촉매에 의해 촉진하는 것으로 하였으나, 수증기 개질반응과 산화반응을 다른 촉매에 의해 촉진하는 것으로 하여도 된다. 이와 같은 경우에는 개질기의 상류측과 하류측에서 촉매의 총담지량을 바꾸는 대신에 산화반응을 촉진하는 촉매의 담지량만을 상류측에서 적게 하면 된다.
다음으로 제 4 실시예로서 개질기에 공급하는 가스중의 산소농도를 내림으로써 상류측에서의 산화반응의 활성을 억제함과 동시에 공급하는 가스의 유속을 빠르게 하여 상류측에 있어서의 산화반응으로 생긴 열을 하류측에 전달하는 구성을 나타낸다. 도 13은 제 4 실시예의 개질기(110)의 구성을 모식적으로 나타내는 설명도이다. 이 개질기(110)는 도 1의 연료전지장치(20)와 대략 동일한 구성의 연료전지장치로 구비되어 있고, 공통하는 부재에는 동일한 부재번호를 부착하여 이하의 설명을 행한다.
여기서 상기한 실시예에서는 블로워(38)로부터 개질기에 공기를 공급하는 공기공급로(39)는 일단 제 2 연료공급로(64)와 합류하고 있고, 원연료가스는 공기를 혼합한 다음에 개질기에 공급되고 있었으나, 제 4 실시예의 개질기(110)를 구비하는 연료전지장치에서는 상기 공기공급로(39)는 개질기(110)에 직접 접속하고 있다. 또 본 실시예의 개질기(110)를 구비하는 연료전지장치에서는 연료전지(40)로부터 산화배기가스로(69)로 배출되는 산화배기가스도, 또 블로워(38)로부터 도입되는 공기와 함께 개질기(110)에 공급가능하게 되어 있다. 통상의 공기에는 약 20%의 산소가 함유되어 있으나, 연료전지로부터 배출되는 산화배기가스는 연료전지에 있어서의 전기화학반응으로 소정량의 산소가 소비되고 있기 때문에, 함유하는 산소량은 공기보다 적다. 산화배기가스중의 산소농도는 연료전지에 공급되는 산화가스에 있어서의 공기과잉율(실제로 공급한 공기중의 산소량과 이론상 필요하게 되는 산소량과의 비율) 등에 의해 변하나, 본 실시예의 연료전지장치에서는 산화배기가스중의 산소농도는 약 10%가 된다. 따라서 개질기(110)에 대하여 공기와 산화배기가스를 혼합하여 공급가능하게 함으로써, 개질기(110)에 공급하는 공기중의 산소농도를 약 10% 내지 약 20%의 범위내에서 조절하는 것이 가능해진다.
도 13에 의거하여 개질기(110)의 구성을 상세하게 설명한다. 개질기(110)는 표면에 Cu-Zn 촉매가 담지된 허니콤에 의해 구성되는 단일의 반응부(111)를 구비한다. 또 상기 공기공급로(39) 및 산화배기가스로(69)는 합류하여 제 2 공기공급로 (115)가 되고, 이 제 2 공기공급로(115)는 개질기(110)에 있어서 제 2 연료공급로 (64)로부터 원연료가스가 공급되는 상류측에 대하여 공기와 산화배기가스와의 혼합 기체(이하, 혼합공기라 함)를 공급한다. 공기공급로(39)에는 제 2 공기공급로 (115)에 대한 합류부의 부근에 매스플로우콘트롤러(112)가 설치되어 있고, 제 2 공기공급로(115)측에 공급하는 공기량을 조절가능하게 되어 있다. 또 산화배기가스로(69)에는 마찬가지로 제 2 공기공급로(115)에 대한 합류부의 부근에 매스플로우콘트롤러(113)가 설치되어 있고, 제 2 공기공급로(115)측에 공급하는 산화배기가스량을 조절가능하게 되어 있다. 이들 매스플로우콘트롤러(112, 113)는 상기한 제어부(50)에 접속되어 있고 제어부(50)에 의해 공기공급로(39)로부터 공급되는 공기와, 산화배기가스로(69)로부터 공급되는 산화배기가스가 혼합될 때의 혼합량이 제어된다. 또한 제 2 공기공급로(115)에는 산소농도센서(114)가 설치되어 있다. 이 산소농도센서(114)도, 또 제어부(50)에 접속되어 있고, 혼합공기중의 산소농도에 관한 정보가 제어부(50)에 입력가능하게 되어 있다. 또 반응부(111) 내부에 있어서 그 상류측의 끝단부로부터 소정의 위치에는 온도센서(117)가 설치되어 있다. 이 온도센서(117)도 제어부(50)에 접속되어 있고 반응부(111)내의 온도에 관한 정보가 제어부(50)에 입력가능하게 되어 있다.
본 실시예의 개질기(110)는 소정량의 산소를 함유하는 혼합공기를 개질기 (110)에 공급할 때에 이 혼합공기중의 산소농도를 저하시킴과 동시에, 반응부(111)내를 통과하는 가스 전체의 유속을 증가시켜 개질기(110)의 상류부에서 온도가 급격하게 상승하는 것을 억제한다. 즉 개질기(110)에 공급하는 혼합공기중의 산소농도를 저하시킴으로써, 반응부(111)내를 통과하는 가스중의 산소농도도 저하하고, 그에 의하여 상류측에서의 산화반응의 활성이 억제되어 급격한 온도상승을 방지할 수 있다. 또 소정량의 산소를 함유하는 혼합공기중의 산소농도를 저하시킴으로써 반응부(111)에 공급되는 혼합공기량이 증대하여 반응부(111)내를 통과하는 가스의 유속이 빨라진다. 그에 의하여 상류측에서 진행하는 산화반응으로 산소가 다 사용되기 전에 더욱 하류측으로 산소가 운반되어 산화반응이 진행되는 영역을 더욱 하류측으로 넓힐 수 있다. 또한 반응부(111)내를 통과하는 가스의 유속을 빠르게 함으로써, 상류측에서 진행하는 산화반응으로 생긴 열은 신속하게 하류측으로 전달되어 반응부의 상류측이 지나치게 승온하는 것을 방지할 수 있다.
도 14는 본 실시예의 개질기(110)를 구비하는 연료전지장치에서 실행되는 공기혼합량 제어처리루틴을 나타내는 플로우차트이다. 본 루틴은 개질기(110)를 구비하는 연료전지장치에 있어서, 도시 생략한 소정의 스타트스위치를 조작함으로써 이 연료전지장치의 시동이 지시된 후에 개질기(110) 내부가 충분히 승온하여 정상상태에 도달하였다고 판단되면 소정의 시간마다 실행된다.
본 루틴이 실행되면 CPU(54)는 먼저, 메탄올유로(60)에 설치된 제 2 펌프 (71)의 구동량을 기초로 개질기(110)에 공급되는 원연료가스중의 메탄올량의 판독/기록을 행한다(단계 S200). 다음으로, 이 메탄올량에 의거하여 개질기(110)에 공급해야 할 산소량을 구하여 필요량의 산소를 공급가능하게 되도록 매스플로우콘트롤러(112, 113)를 구동한다(단계 S210). 즉 개질기에 공급되는 메탄올량이 결정되면 수증기 개질반응에서 요하는 열량과 산화반응으로 생기는 열량이 균형을 이루기 위해 필요한 산소량을 결정할 수 있으므로, 이 결정한 산소량을 함유하는 공기가 개질기(110)에 공급되도록 매스플로우콘트롤러(112, 113)를 구동한다. 여기서 공급해야 할 산소량이 결정되었을 때에 공급해야 할 산소량을 공급하기 위하여 각 매스플로우콘트롤러를 구동하는 구동량은 기준구동량으로서 각각의 공급산소량에 대하여 미리 결정되어 제어부(50)내에 기억되어 있다.
매스플로우콘트롤러(112, 113)를 구동하여 필요량의 산소를 함유하는 혼합공기를 개질기(110)에 대하여 공급하기 시작하면, 다음에 온도센서(117)로부터 반응부(111)에 있어서의 상류측의 내부온도(T1)를 판독/기록한다(단계 S220). 다음으로 이 내부온도(T1)를 소정의 기준온도(Ta)와 비교한다(단계 S230). 여기서 소정의 기준온도(Ta)란, 상류측의 내부온도(T1)의 상한으로서 미리 설정하여 제어부 (50)에 기억시켜 둔 값이며 본 실시예에서는 300℃로 하였다.
단계(S230)에 있어서 상류측의 내부온도(T1)가 상기 소정의 기준온도(Ta)보다도 작은 경우에는 반응부(111)의 상류측의 내부온도(T1)는 충분히 낮은 온도라고 판단되어 그대로 본 루틴은 종료된다. 상류측의 내부온도(T1)가 상기 소정의 기준온도(Ta) 이상인 경우에는 매스플로우콘트롤러(112)의 구동량을 줄임과 동시에 매스플로우콘트롤러(113)의 구동량을 늘린다. 즉 개질기(110)에 공급하는 혼합공기에 있어서 단위시간당에 공급하는 산소량을 바꾸는 일 없이, 산화배기가스의 비율을 증가시킨다(단계 S240). 이 단계(S240)에 있어서의 산화배기가스의 비율의 변화량, 즉 개질기(110)에 공급하는 혼합공기중의 산소농도의 변화량은 본 실시예에서는 미리 최소단위의 변화량을 정하여 두고, 이 최소단위마다 산소농도를 저하시키는 것으로 하였다. 또는 내부온도(T1)가 기준온도(Ta)를 넘는 양에 따라 조절하는 것으로 하여도 된다. 산화배기가스의 비율을 증가시킴으로써, 개질기(110)에 공급되는 가스 전체에서의 산소농도가 저하하기 때문에, 상류측에서 진행하는 산화반응이 억제된다. 또 단위시간당에 공급하는 산소량을 바꾸는 일 없이 산화배기가스의 비율을 증가시킴으로써 개질기(110)에 공급되는 혼합공기량이 증가하여 개질기(110)내를 통과하는 가스의 유속이 빨라지고, 상류측에서 진행하는 산화반응으로 생긴 열이 더욱 신속하게 하류측으로 운반되게 된다. 따라서 단계(S240)를 실행함으로써, 반응부(111)의 상류측의 내부온도(T1)를 내릴 수 있다.
단계(S240)에 있어서 산화배기가스의 비율을 바꾸면 다음에 다시 단계(S220)로 되돌아가 내부온도(T1)의 판독/기록 및 이 내부온도(T1)와 소정의 기준온도(Ta)의 비교동작을 반복한다. 단계(S230)에 있어서 내부온도(T1)가 소정의 기준온도 (Ta)보다도 낮아지면 개질기(110)에 공급되는 혼합공기중의 산화배기가스의 비율이 적당하게 되어 반응부(111)의 상류측의 내부온도(T1)는 충분히 낮아졌다고 판단되어 본 루틴을 종료한다.
또한 본 실시예의 개질기(110)를 구비하는 연료전지장치는 상기한 바와 같이 산소농도센서(114)를 제 2 공기공급로(115)에 구비하고 있고, 그 검출결과에 의거하여 개질기(110)에 공급하는 혼합공기중의 산소농도를 보정한다. 즉 상기 공기혼합량 제어처리루틴에 있어서의 단계(S210) 또는 단계(S240)에 있어서 매스플로우콘트롤러를 구동하였을 때에는 개질기(110)에 공급하는 혼합공기중의 산소농도를 산소농도센서(114)에 의해 검출하고, 그 결과에 의거하여 매스플로우콘트롤러의 구동량을 보정하고 있다.
이상과 같이 구성된 제 4 실시예의 개질기(110)를 구비하는 연료전지장치에 의하면 개질기(110)에 공급되는 혼합공기중의 산소농도를 제어할 수 있기 때문에 상기 혼합공기중의 산소농도를 낮게 함으로써 원연료가스 및 혼합공기의 도입측에있어서 산화반응이 진행하는 것을 억제할 수 있다. 따라서 상류측에 있어서의 급격한 온도상승을 억제할 수 있다. 또한 단위시간당 소정량의 산소를 개질기(110)에 공급하면서 혼합공기중의 산소농도를 내림으로써 혼합공기의 유량이 증대되고 반응부(111) 내부를 통과하는 가스의 유속이 빨라진다. 따라서 상류측에서 진행하는 산화반응으로 생긴 열은 신속하게 하류측에 전달되어 상류측에서 온도가 지나치게 상승하는 것을 억제할 수 있다.
또 상기한 바와 같이 상류측에 있어서 산화반응이 억제됨으로써, 산화반응이 진행되는 영역이 더욱 하류측으로 넓어지기 때문에 본 실시예의 개질기(110)에서는 그 하류영역에서 종래의 개질기와 같이 온도가 지나치게 저하하는 일이 없다. 또한 반응부(111) 내부를 통과하는 가스의 유속이 빨라짐으로써 상류측에서 생긴 열이 하류측으로 전달되기 쉬워지기 때문에, 하류영역에서의 온도저하가 더욱 억제된다. 따라서 개질기(110)에서는 그 하류측에 있어서도 수증기 개질반응의 활성이 높은 상태로 유지되어 하류측이 구비하는 촉매도 충분히 이용할 수 있음과 동시에, 수증기 개질반응의 속도를 향상시킬 수 있다. 그 때문에 개질기를 더욱 콤팩트하게 하는 것이 가능해진다.
상기 제 4 실시예에서는 메탄올유로(60)에 설치된 제 2 펌프(71)의 구동량을 기초로 개질기(110)에 공급되는 원연료가스중의 메탄올량을 판독/기록하고, 또 온도센서(117)의 검출결과를 기초로 상류측에 있어서 산화반응이 과잉으로 진행되고 있지 않은 지의 여부를 판단하고 있다. 개질기(110)에 공급되는 메탄올량이나 개질기(110)에 있어서의 산화반응과 수증기 개질반응의 진행상태에 관한 이와 같은 판단은 상기 이외의 측정량에 의해 또는 상기 이외의 측정량을 다시 이용하여 행하는 것으로 하여도 된다. 예를 들어 개질기(110)내에 있어서의 수증기 개질반응과 산화반응의 진행상태를 판단하기 위하여 제 3 연료공급로(65)에 제 3 연료공급로 (65)를 통과하는 가스중의 성분을 분석가능한 기기를 배치하여 개질기(110)로부터 배출되는 연료가스중의 메탄올, 수소, 이산화탄소, 산소 등의 양을 측정하고, 이측정결과를 다시 이용하여 개질기(110)내에 있어서의 수증기 개질반응 및 산화반응의 진행상태를 판단하는 것으로 하여도 된다.
상기 제 4 실시예에서는 혼합공기는 개질기(110)의 상류측에서만 공급하는 구성으로 하였으나, 복수개소로부터 혼합공기를 공급하는 구성도 바람직하다. 이와 같은 구성을 제 4 실시예의 변형예로서 이하에 나타낸다. 도 15는 제 4 실시예의 변형예인 개질기(110A)의 구성을 모식적으로 나타내는 설명도이다. 개질기 (110A)는 2개의 반응부(111A, 111B)를 구비하고 있고, 각각의 반응부에 대하여 혼합산소가 공급된다. 여기서 개질기(110A)에 공급되는 원연료가스는 반응부(111A, 111B)의 순으로 통과한다. 또 개질기(110A)에 대하여 공기 및 산화배기가스를 공급하는 공기공급로(39) 및 산화배기가스로(69)는 각각 공기분기로(39A, 39B), 산화배기가스분기로(69A, 69B)로 분기된다. 공기분기로(39A)와 산화배기가스분기로 (69A)는 합류하여 제 2 공기공급로(115A)가 되고 상류측에 배치된 반응부(111A)에 대하여 혼합공기를 공급한다. 공기분기로(39B)와 산화배기가스분기로(69B)는 합류하여 제 2 공기공급로(115B)가 되어 하류측에 배치된 반응부(111B)에 대하여 혼합공기를 공급한다. 각각의 반응부에 공급되는 혼합공기중의 산소량 및 산소농도는 제 4 실시예와 마찬가지로 개질기(110A)에 공급되는 메탄올량이나, 각 반응부의 상류측의 온도 등에 의거하여 매스플로우콘트롤러(112A, 112B, 113A, 113B)의 구동량을 조절함으로써 제어된다.
이상과 같이 구성된 개질기(110A)에 의하면, 혼합공기를 분할하여 공급하고 있기 때문에, 한번에 공급하는 혼합가스중의 산소량을 줄일 수 있어 국소적으로 온도가 지나치게 상승하는 것을 방지하는 효과를 더욱 높일 수 있다. 또한 개질기 내부를 복수의 반응부로 분할하여 각 반응부마다 혼합공기를 공급함으로써 개질기내부의 온도분포를 더욱 정밀도 좋게 제어하는 것이 가능해져 더욱 용이하게 개질기의 내부 전체를 바람직한 온도범위로 유지할 수 있다.
도 16은 산화반응에서 필요로 하는 산소원으로서 개질기에 대해서는 통상의 공기만을 공급하는 종래기술의 개질기와, 상기한 개질기(110A)에 대하여 가스의 흐름방향에 관한 내부의 온도분포상태를 나타낸 설명도이다. 개질기(110A)는 종래의 개질기와는 달리, 상류측에 있어서의 산화반응의 진행이 억제되기 때문에, 상류측이 급격하게 승온되는 일 없이, 개질기의 내부온도를 250 내지 300℃의 온도범위로 균일화할 수 있다. 이상 설명한 바와 같이, 본 실시예의 개질기(110 및 110A)는 그 입구부 부근에서 온도가 급격하게 상승하는 일이 없기 때문에, 온도상승에 기인하는 상기한 촉매열화나 부생성물의 발생이라는 단점을 방지할 수 있다. 따라서 상기한 실시예와 마찬가지로 개질기의 내구성을 크게 향상시키는 것이 가능해진다.
또 상기한 실시예의 개질기(110 및 110A)는 허니콤에 의해 구성된 반응부를 구비하는 것으로 하였으나, 개질기의 내부에 촉매를 담지한 펠릿을 충전하는 구성으로 하여도 된다. 이 경우에도 산화반응에 필요로 하는 산소원으로서 개질기에 공급하는 혼합공기중의 산소농도를 제어가능하게 함에 의한 동일한 효과를 얻을 수 있다.
상기 제 3 및 제 4 실시예에서는 개질기의 상류측에서 진행하는 산화반응의 활성을 억제함으로써, 상류측에서 급격한 온도상승이 일어나지 않도록 하였으나,촉매부 내부에 있어서 산화반응이 활발하게 진행되는 영역과, 산화반응의 진행이 활발하지 않은 영역을 변경가능하게 함으로써, 열이 생기는 영역을 변경하여 국소적으로 온도가 지나치게 상승하는 것을 방지하는 것도 가능하다. 이하에 이와 같은 구성으로서 원연료가스 및 산소가 도입되는 입구부와, 수소가 풍부한 연료가스가 배출되는 출구부가 전환 가능한 개질기를 제 5 실시예로서 설명한다.
도 17은 제 5 실시예의 개질기(120)의 구성을 모식적으로 나타내는 설명도이다. 이 개질기(120)는 도 1의 연료전지장치(20)와 동일한 구성의 연료전지장치로 구비되어 있다. 도 17에 나타내는 바와 같이 개질기(120)는 표면에 Cu - Zn 촉매를 담지하는 허니콤에 의해 구성된 단일의 반응부(121)를 구비한다. 이 반응부(121)는 그 양쪽 끝부의 내부온도를 측정하는 온도센서(122) 및 온도센서 (123)를 구비하고 있다. 이들 온도센서는 상기한 제어부(50)에 접속되어 있고, 반응부(121)의 양쪽 끝부에 있어서의 내부온도에 관한 정보는 제어부(50)에 입력된다.
또 본 실시예에서는 제 2 연료공급로(64)는 제 1 공급분기로(124)와 제 2 공급분기로(125)로 분기하고 있고, 각각의 분기로는 개질기(120)의 각각의 끝단부에 접속한다. 여기서 개질기(120)의 한쪽 끝은 상기 제 1 공급분기로(124)와 접속하는 외에 제 1 배출분기로(126)와도 접속하고 있다. 또 개질기(120)의 다른쪽 끝은 상기 제 2 공급분기로(125)와 접속하는 외에 제 2 배출분기로(127)와 접속하고 있다. 이들 제 1 배출분기로(126)와 제 2 배출분기로(127)는 합류하여 제 3 연료공급로(65)가 되어 CO 저감부(36)에 접속한다. 또한 상기 제 1 공급분기로(124), 제2 공급분기로(125), 제 1 배출분기로(126), 제 2 배출분기로(127)에는 각각 전자밸브(128, 129, 128A, 129A)가 설치되어 있다. 이들 전자밸브(128, 129, 128A, 129A)는 제어부(50)에 접속되어 있고, 제어부(50)에 의해 그 개폐상태가 제어된다.
이와 같은 개질기(120)에서는 통상은 상기 전자밸브의 개폐상태는 전자밸브 (128와 128A)가 개방상태, 전자밸브(129와 129A)가 폐쇄상태가 되는 제 1 상태와, 전자밸브(129와 129A)가 개방상태, 전자밸브(128와 128A)가 폐쇄상태가 되는 제 2상태중의 어느 하나가 된다. 전자밸브의 개폐상태가 상기 제 1 상태가 될 때에는 제 2 연료공급로(64)로부터 공급되는 원연료가스는 반응부(121)내에 있어서 도 13에 있어서 좌측으로부터 우측을 향하여 통과한다. 또 전자밸브의 개폐상태가 상기 제 2 상태가 될 때에는 원연료가스는 반응부(121)내에 있어서 도 13에 있어서의 우측으로부터 좌측을 향하여 통과한다.
도 18은 개질기(120)에 있어서 상기한 바와 같은 가스의 입구부의 전환이 행하여질 때에 연료전지장치(20)로 실행되는 가스입구 전환처리루틴을 나타내는 플로우차트이다. 본 루틴은 연료전지장치(20)에 있어서 도시 생략한 소정의 스타트스위치를 조작함으로써 연료전지장치(20)의 시동이 지시되면 소정의 시간마다 실행된다.
본 루틴이 실행되면 먼저 CPU(54)는 상기한 각 전자밸브의 개폐상태로부터 전자밸브의 개폐상태가 제 1 상태인 지의 여부를 판단한다(단계 S300).
제 1 상태라고 판단된 경우에는 가스가 공급되는 상류측의 끝단부에 있어서의 내부온도(T1)를 온도센서(122)로부터 판독/기록한다(단계 S310). 다음으로 이내부온도(T1)를 미리 설정한 소정의 기준온도(T0)와 비교한다(단계 S320). 여기서 소정의 기준온도(T0)란 반응부(121)의 내부온도가 소망하지 않는 상태로까지 승온하고 있는 것을 나타내는 기준이 되는 온도로서 미리 제어부(50)내에 기억시킨 값이며, 본 실시예에서는 300℃로 설정하였다. 단계(S320)에 있어서 내부온도(T1)가 기준온도(T0)에 도달하고 있지 않을 때에는 단계(S310)로 되돌아가 내부온도(T1)가 기준온도(T0)에 도달할 때까지 상기한 내부온도의 입력과 비교의 동작을 반복한다.
단계(S320)에 있어서 내부온도(T1)가 기준온도(T0) 이상이라고 판단되면, 다음에 모든 전자밸브를 폐쇄상태로 함과 동시에, 제어부(50)에 구비된 도시 생략한 소정의 타이머에 의해 경과시간(t)의 측정을 개시한다(단계 S330). 단계(S330)에 있어서 모든 밸브를 폐쇄상태로 함으로써, 개질기(120)에 있어서의 가스의 출입은 정지되고, 반응부(121)내에서는 잔류하는 원연료가스를 사용한 수증기 개질반응 및 산화반응이 그대로 속행된다. 다음에 경과시간(t)을 미리 설정한 소정의 기준시간 (t0)과 비교한다(단계 S340). 여기서 소정의 기준시간(t0)이란 상기한 바와 같이 모든 밸브를 폐쇄상태로 하였을 때에 개질기(120) 내부에 잔류하는 원연료가스를 사용한 수증기 개질반응 및 산화반응이 완료하는 데 요하는 시간으로서, 미리 제어부(50)내에 기억시킨 값이며, 본 실시예에서는 1 sec로 설정하였다. 단계(S340)에 있어서 경과시간(t)이 기준시간(t0)에 도달하고 있지 않을 때에는 기준시간(t0)이 경과할 때까지 단계(S340)의 동작을 반복한다. 단계(S340)에 있어서 경과시간(t)이 기준시간(t0)에 도달하였을 때에는 소정의 전자밸브에 구동신호를 출력하여 전자밸브의 개폐상태를 제 2 상태로 하고(단계 S350) 본 루틴을 종료한다.
또 단계(S300)에 있어서 제 1 상태가 아니라고 판단되었을 때에는 개질기 (120)는 제 2 상태라고 판단되어 가스가 공급되는 상류측의 끝단부에 있어서의 내부온도(T2)를 온도센서(123)로부터 판독한다(단계 S360). 그 다음에는 단계(S370) 내지 단계(S390)까지 상기한 단계(S320) 내지 단계(S340)까지 동일한 처리를 행한다. 즉 산화반응의 진행과 함께 내부온도(T2)가 소정의 기준치(T0)(본 실시예에서는 300℃)에 도달하면, 소정의 시간(본 실시예에서는 1 sec) 모든 밸브를 폐쇄상태로 하고, 그 다음에 전자밸브의 개폐상태를 제 1 상태로 하고(단계 S400) 본 루틴을 종료한다.
또한 상기한 가스입구 전환처리루틴은 상기한 바와 같이 도시 생략한 소정의 스타트스위치를 조작함으로써 연료전지장치(20)의 시동이 지시되면 소정시간마다 실행되는 것으로 하였으나, 연료전지장치(20)의 시동이 지시된 최초의 상태로서는 각 전자밸브의 개폐상태는 상기한 제 1 상태 또는 제 2 상태가 되도록 하여 두면 된다. 예를 들어 전회(前回)에 연료전지장치(20)를 정지하였을 때와 동일한 상태로 다음번에 연료전지장치(20)를 시동하는 것으로 하여도 되고, 연료전지장치(20)의 시동시에는 각 전자밸브의 개폐상태가 상기 제 1 상태 또는 제 2 상태가 되도록설정하여 두어도 된다.
이상과 같이 구성된 제 5 실시예의 개질기(120)를 구비하는 연료전지장치에 의하면 개질기(120)에 공급하는 혼합공기중의 공급부분을 상류측과 하류측에서 전환하여 반응부(121)내의 가스의 흐름방향을 역전시킬 수 있기 때문에, 산화반응으로 생기는 열에 의해 개질기의 한쪽의 끝단부만이 지나치게 승온하는 일이 없다.따라서 상류측에 있어서의 급격한 온도상승을 억제할 수 있다. 여기서 가스의 흐름방향의 전환은 반응부(121)의 끝단부의 온도에 의거하여 행하기 때문에, 반응부 (121)의 끝단부의 온도가 지나치게 상승하는 것을 더욱 확실하게 방지하는 것이 가능해진다.
또 상기한 바와 같이 가스의 흐름방향을 전환함으로써 반응부(121)의 양쪽 끝이 상류측이 될 수 있기 때문에 종래의 개질기와 같이 특정한 하류측에서 온도가 지나치게 저하하는 일이 없다. 따라서 개질기(120)에서는 그 양측에서 수증기 개질반응의 활성이 높은 상태로 유지되어 반응부(121) 전체가 구비하는 촉매를 충분히 이용할 수 있음과 동시에 수증기 개질반응의 속도를 향상시킬 수 있다. 그 때문에 개질기를 더욱 콤팩트하게 하는 것이 가능해진다.
도 19는 내부의 가스의 흐름방향이 일정한 종래기술의 개질기와, 상기한 개질기(120)에 대하여 한쪽 끝측으로부터 다른쪽 끝측으로의 내부의 온도분포상태를 나타낸 설명도이다. 개질기(120)는 종래의 개질기와는 달리, 특정한 끝단부측에 있어서 산화반응이 지나치게 진행되는 것이 억제되고, 또 양쪽 끝부측이 상류측이 될 수 있기 때문에, 개질기의 내부온도를 250 내지 300℃의 온도범위로 균일화할 수 있다. 이상 설명한 바와 같이 본 실시예의 개질기(120)는 그 입구부 부근에서 온도가 급격하게 상승하는 일이 없기 때문에 온도상승에 기인하는 상기한 촉매열화나 부생성물의 발생이라는 단점을 방지할 수 있다. 따라서 상기한 실시예와 마찬가지로 개질기의 내구성을 크게 향상시키는 것이 가능해진다.
또한 본 실시예의 개질기(120)는 허니콤에 의해 구성된 반응부를 구비하는것으로 하였으나, 개질기의 내부에 촉매를 담지한 펠릿을 충전하는 구성으로 하여도 된다. 이 경우에도 개질부내를 통과하는 가스의 흐름방향을 전환함에 의한 동일한 효과를 얻을 수 있다.
또 본 실시예의 개질기(120)는 반응부(121)의 끝단부의 온도에 의거하여 가스의 흐름방향을 전환하는 것으로 하였으나, 전환의 타이밍은 다른 요인에 의거하는 것으로 하여도 된다. 반응부(121)의 끝단부 온도에 의거하는 경우에는 개질기 (120)에 공급되는 원연료가스의 양이 변동하여 개질기(120)내부에서 진행하는 수증기 개질반응과 산화반응의 양이 변동하는 경우에도 내부온도를 소정의 범위내로 유지하는 데에 있어서 높은 효과가 얻어진다는 이점이 있으나, 예를 들어 개질기에 공급되는 원연료가스량의 변동이 충분히 작은 경우에는 소정의 시간마다 가스의 흐름방향을 전환하는 것으로 하여도 된다.
다음으로, 제 6 실시예로서 개질기 내부에 밀봉한 촉매입자를 교반함으로써 개질기내의 특정한 상류측만이 지나치게 승온하는 것을 방지하는 구성을 나타낸다. 도 20은 제 6 실시예의 개질기(130) 및 이 개질기(130)와 접속되는 부재의 구성을 모식적으로 나타내는 설명도이다. 본 실시예의 개질기(130)는 도 1의 연료전지장치(20)와 동일한 구성의 연료전지장치로 구비되어 있기 때문에, 이하의 설명에서는 공통하는 부재에 대해서는 동일한 부재번호를 부착하여 상세한 설명을 생략한다.
개질기(130)는 상기한 Cu - Zn 촉매로 이루어지는 입자가 내부에 밀봉되어 있다. 이 촉매는 주지의 공침법에 의해 제작한 Cu - Zn 촉매를 약 500㎛의 입자지름이 되도록 입자를 만든 것이다. 또는 Cu - Zn 촉매를 소정의 용매로 분산시킨다음에 스프레이 건조장치에 공급하여 분무함으로써 상기한 입자지름의 미립자를 제작하는 것으로 하여도 된다. 또 촉매입자의 입자지름은 상기한 바와 같이 이 촉매입자를 밀봉하는 개질기내에 가스를 분사할 때에 이 가스에 의해 충분히 교반될 수 있는 크기이면 되고, 예를 들어 100㎛ 내지 수 mm의 입자지름으로 하는 것이 바람직하다. 또 촉매입자의 형상은 어떠한 것이어도 되나, 뒤에서 설명하는 교반의 효율을 생각하면 볼형상에 가까운 쪽이 바람직하다.
개질기(130)는 상기한 실시예와 마찬가지로 메탄올 및 수증기로 이루어지는 원연료가스가 증발기(32)로부터 공급됨과 동시에 블로워(38)로부터 공기가 공급되나, 본 실시예에서는 이들 원연료가스 및 공기는 조압밸브(132)및 분사노즐(134)을 개재하여 개질기(130)내에 공급된다. 증발기(32)에서는 메탄올 및 물이 기화·승온되기 때문에, 증발기(32)로부터는 소정의 온도와 압력을 가지는 상태로 원연료가스가 배출된다. 이 원연료가스는 공기공급로(39)로부터 공급되는 공기와 혼합된 후, 조압밸브(132) 및 분사노즐(134)을 개재하여 개질기(130)내에 분사된다. 개질기(130)내에는 상기한 바와 같이 촉매입자가 밀봉되어 있기 때문에, 공기를 함유하는 원연료가스를 분사함으로써 촉매입자는 도 20에 있어서 화살표로 나타내는 바와 같이 개질기(130)내에서 유동하여 교반된다. 여기서 본 실시예의 개질기(130)에서는 공기를 함유하는 원연료의 분사는 7개소로부터 행하는 것으로 하였으나, 개질기내에서 촉매입자를 충분히 교반할 수 있으면 분사개소의 수는 다른 구성으로 하여도 된다. 또 개질기(130) 내부의 용적은 소정량의 촉매입자가 소정의 유량, 소정의 압력으로 공급되는 가스(산소를 포함하는 원연료가스)에 의해 충분히 교반될 수있는 크기이면 된다.
개질기(130)에 있어서 분사노즐이 접속하는 끝단부와 반대측의 끝단부에는 발포니켈에 의해 형성된 필터(136)가 설치되어 있다. 이 필터(136)는 충분히 눈이 미세한 그물형상으로 형성되어 있기 때문에 개질기(130)내에 밀봉된 촉매입자가 외부로 누설되는 것은 방해하나, 개질기(130)내에서 생성된 연료가스가 CO 저감부 (36)측에 공급되는 것은 방해하지 않는다. 필터(136)를 통과한 연료가스는 CO 저감부(36)에 공급되어 일산화탄소 농도가 저감된 후, 연료전지(40)에 공급된다.
이상과 같이 구성된 개질기(130)를 구비하는 연료전지장치에 의하면 개질기 (130)내에 밀봉된 촉매입자는 공기를 함유하는 원연료가스에 의해 항상 교반되기 때문에 고농도의 산소를 포함하는 원연료가스가 공급되는 위치에 존재하는 촉매입자가 항상 교체되어 산화반응으로 생기는 열에 의해 촉매의 특정한 영역만이 지나치게 승온하는 일이 없다. 여기서 촉매입자를 교반하기 위하여 개질기내에 분사하는 가스는 개질기내에서 진행하는 수증기 개질반응 및 산화반응에 제공하기 위한 가스(공기를 함유하는 원연료가스)이기 때문에, 개질기(130)에 원연료를 공급하는 동작과, 촉매입자를 교반하는 동작을 동시에 행할 수 있다. 또 개질기내에 가스를 분사함으로써 개질기내의 반응이나 연료전지에 있어서의 전기화학반응이 영향을 받는 일이 없다.
또 개질기(130)내에 있어서의 촉매입자의 교반에 의해 산화반응으로 생긴 열도 개질기(130)내에 분산되기 때문에, 종래의 개질기와 마찬가지로 특정한 하류측에서 온도가 지나치게 저하하는 일이 없다. 따라서 개질기(130)에서는 촉매입자전체에 있어서 수증기 개질반응의 활성이 높은 상태로 유지되고, 수증기 개질반응의 속도를 향상시킬 수 있다.
도 21은 내부의 가스의 흐름방향이 일정한 종래기술의 개질기와, 상기한 개질기(130)에 대하여 한쪽 끝측으로부터 다른쪽 끝측으로의 내부의 온도분포상태를 나타낸 설명도이다. 여기서 개질기(130)에 공급하는 가스는 온도 250℃, 유량 670ℓ/min의 원연료가스와, 유량 140ℓ/min의 공기를 혼합하여 5기압으로 하여 분사노즐(134)로부터 개질기(130)내에 분사하였다. 개질기(130)는 종래의 개질기와는 달리, 특정한 끝단부측에서 산화반응이 지나치게 진행되는 일이 없고, 또 내부의 촉매입자가 균등한 상태로 반응에 관계하기 때문에 개질기의 내부온도를 250 내지 300℃의 온도범위로 균일화할 수 있다. 이상 설명한 바와 같이 본 실시예의 개질기(130)는 그 입구부 부근에서 온도가 급격하게 상승하는 일이 없기 때문에, 온도 상승에 기인하는 상기한 촉매열화나 부생성물의 발생이라는 단점을 방지할 수 있다. 따라서 상기한 실시예와 마찬가지로 개질기의 내구성을 크게 향상시키는 것이 가능해진다.
또한 상기 제 6 실시예에서는 교반을 위해 개질기(130)내에 분사하는 가스로서 공기를 함유하는 원연료가스를 사용하였으나, 메탄올가스, 수증기, 공기중의 적어도 어느 하나로 이루어지는 가스를 사용하는 것으로 하여도 된다. 이 경우에는 촉매의 교반을 위해 개질기내에 분사하는 데 사용하지 않은 나머지의 성분은 개질기의 소정의 위치(상기 분사위치에 가까운 상류측인 것이 바람직하다)로부터 개질기내에 대하여 촉매입자가 밀봉된 상태를 유지하면서 공급하는 것으로 하면 된다.
또 상기 제 6 실시예에서는 개질기(130)내에 고압의 가스를 분사함으로써, 개질기(130)내에 밀봉한 촉매입자를 교반하고 있으나, 가스의 분사 이외의 수단에 의해 촉매입자를 교반하는 것으로 하여도 된다. 예를 들어 개질기내에 내부의 촉매입자를 교반 가능한 기계적인 수단을 설치하는 것으로 하여도 된다.
다음으로, 제 7 실시예로서 촉매부에 있어서 산화반응에 제공하는 공기가 공급되는 부분을 경시적으로 변화시키는 구성을 나타낸다. 도 22는 제 7 실시예의 개질기(140)의 구성을 모식적으로 나타내는 설명도이다. 이 개질기(140)는 도 1의 연료전지장치(20)와 동일한 구성의 연료전지장치로 구비되어 있다. 도 22에 나타내는 바와 같이 개질기(140)는 표면에 Cu-Zn 촉매를 담지하는 허니콤에 의해 구성된 단일의 반응부(141)를 구비하고, 대략 원통형상으로 형성되어 있다. 또 개질기 (140)는 도시 생략한 소정의 모터에 의해 회전가능하게 되어 있다. 여기서 개질기 (140)는 상기한 실시예와 마찬가지로 제 2 연료공급로(64)로부터 원연료가스가 공급됨과 동시에 생성한 연료가스를 제 3 연료공급로(65)로 배출하나, 이들 제 2 연료공급로(64) 및 제 3 연료공급로(65)는 개질기(140)의 대략 원형을 한 단면의 대략 중심부에 접속하고 있다. 상기한 모터를 구동함으로써 개질기(140)는 상기 단면의 중심부를 중심으로 하여 매초 1회전의 속도로 회전한다.
또 개질기(140)에는 제 2 연료공급로(64)로부터 원연료가스가 공급됨과 동시에 공기공급로(39)로부터 공기가 공급되나, 본 실시예에서는 이 공기공급로(39)에 있어서의 개질기(140)와의 접속측의 끝단부는 제 2 연료공급로(64)내에 형성되어 있다. 제 2 연료공급로(64)내에 형성된 공기공급로(39)의 끝단부는 개질기(140)에있어서 반응부(141)의 상류측에 설치된 공간내에서 만곡하고, 그 다음에 분출구 (142)로서 개구하고 있다. 이 분출구(142)는 반응부(141)의 상류측 끝단부에 대면하여 개구하고 있고, 그 개구하는 위치는 본 실시예에서는 반응부(141)의 끝단부 단면의 중심점과 동일하게 끝단부 단면의 원주부와의 중간부근으로 하였다. 공기공급로(39)로부터 공급되는 공기를 이 분출구(142)로부터 분출함으로써, 반응부 (141)를 구성하는 허니콤의 각 셀중, 분출구(142)의 전면(全面)에 있는 셀을 중심으로 하여 약 반수의 셀에 대하여 공기를 공급할 수 있다.
따라서 본 실시예의 개질기(140)를 사용하면 분출구(142)로부터 공기의 공급을 받는 셀에 있어서는 수증기 개질반응과 산화반응의 양쪽이 진행되고, 공기의 공급을 받지 않는 셀에 있어서는 수증기 개질반응만이 진행된다. 이 때 개질기(140)는 상기한 바와 같이 회전하여 분출구(142)의 위치는 개질기(140)의 회전상태에 관계없이 변화하지 않기 때문에 공기의 공급을 받는 셀은 경시적으로 변화한다.
이상과 같이 구성된 제 7 실시예의 개질기(140)에 의하면 공기의 공급을 받아 산화반응을 진행하는 셀이 경시적으로 변화되기 때문에, 특정한 셀의 상류부에서 온도가 지나치게 상승하는 일이 없다. 공기의 공급을 받아 산화반응이 진행되어 상류측이 승온하기 시작한 셀에서는 즉시 공기의 공급을 받지 않는 상태로 되어 산화반응이 정지하고, 생긴 열은 수증기 개질반응으로 소비되기 때문에 그 이상 온도가 상승하는 일이 없다. 또 공기의 공급을 받지 않고 수증기반응에 의해 열이 소비된 셀에서는 즉시 공기가 공급되어 산화반응에 의해 열이 생기기 때문에 온도가 지나치게 저하하는 일이 없다.
또한 개질기(140)에 있어서 공급되는 메탄올량과 공기량의 비는 상기한 실시예과 마찬가지로 개질기내에서 진행하는 수증기 개질반응에서 필요로 하는 열량과, 산화반응으로 생기는 열량으로 정해지기 때문에 일정하다. 여기서 본 실시예의 개질기(140)에서는 공기의 공급을 받는 셀은 항상 허니콤를 구성하는 셀 전체의 약 절반이다. 따라서 각 셀이 공기의 공급을 받을 때는 메탄올량에 대하여 통상시보다도 과잉량의 산소를 공급하게 되고, 공급된 메탄올을 수증기 개질하는 데 필요로 하는 열 이상의 열을 일으키는 산화반응이 일어난다. 그러나 상기한 바와 같이 이들 셀은 즉시 공기의 공급이 정지되기 때문에 공기가 공급된 상류측에서 온도가 지나치게 상승하는 일이 없다. 또 산소가 과잉상태에서 공기와 원연료가스가 공급되기 때문에 통상의 농도의 산소를 공급하는 경우보다 산화반응이 일어나는 영역이 더욱 하류측으로까지 넓어진다. 따라서 종래의 개질기와 같이 하류측에서 온도가 지나치게 저하하는 일이 없다. 이와 같이 개질기(140)에서는 반응부 전체를 소정의 온도범위로 유지하여 수증기 개질반응의 활성을 높은 상태로 유지하는 동시에 수증기 개질반응의 속도를 향상시킬 수 있다.
도 23은 허니콤를 구성하는 셀 전체에 항상 소정 비율의 산소를 공급하는 종래기술의 개질기와, 상기한 개질기(140)에 대하여 상류측으로부터 하류측으로의 내부의 온도분포상태를 나타낸 설명도이다. 이 온도분포상태의 측정은 개질기(140)에 공급하는 가스에 있어서 LHSV(1시간에 처리하는 메탄올체적/촉매체적) = 3, 산소/메탄올의 비가 11%가 되는 공기, 물/메탄올의 비가 2가 되는 물을 포함하는 조건에 있어서 행하였다. 개질기(140)는 종래의 개질기와는 달리 상류측에서 온도가지나치게 상승하는 일이 없고, 개질기의 내부온도를 250 내지 300℃의 온도범위로 균일화할 수 있다. 따라서 본 실시예의 개질기(140)는 온도상승에 기인하는 상기한 촉매열화나 부생성물의 발생이라는 단점을 방지할 수 있고, 상기한 실시예와 마찬가지로 개질기의 내구성을 크게 향상시키는 것이 가능해진다. 또한 상기한 조건에 있어서 개질기(140)를 사용하여 연료가스를 생성하면 H2 = 50%, CO2 = 23%, H2 O = 17.5%, N2 = 9%, CO = 0.5%가 되는 연료가스가 얻어져 양호하게 작동하는 것이 확인되었다.
이상 설명한 제 7 실시예의 개질기(140)는 공기가 공급되는 분출구(142)가 고정되어 개질기(140)가 회전하는 구성으로 하였으나, 분출구가 회전하고 개질기가 고정된 구성으로 할 수도 있다. 이와 같은 구성의 개질기를 제 7 실시예의 변형예로서 이하에 나타낸다. 도 24는 제 7 실시예의 변형예인 개질기(140A)의 구성을 모식적으로 나타내는 설명도이다. 개질기(140A)는 개질기(140)와 대략 동일한 구성을 구비하고 있고, 대응한는 부재에는 동일한 번호에 부호 A를 부착하여 설명한다. 이 개질기(140A)에 있어서는 개질기(140A)는 회전하는 일이 없다. 또 공기공급로(39)에 있어서의 분출구(142A)에 이르는 끝단부측에 있어서 설치된 상기한 만곡부에는 소정의 회전기구(144)가 설치되어 있다. 이 회전기구(144)에 의해 분출구(142A)를 구비한 공기공급로(39)의 끝단부는 회전하여 반응부(141A)의 상류측 끝단부면에 있어서 분출구(142A)로부터 공기가 공급되는 영역이 경시적으로 변화된다.
이와 같이 구성된 개질기(140A)를 사용하는 경우에도 제 7 실시예의 개질기(140)와 동일한 효과를 가질 수 있다. 또한 공기공급로(39)의 끝단부 부근에 설치된 회전기구(144)는 분출구(142A)를 구비하는 끝단부 부재(143)와, 공기공급로(39)의 기초부를 회전자유롭게 지지하는 구성으로 하고, 상기 끝단부 부재(143)는 분출구(142A)로부터 공기가 분출되는 반력에 의해 회전하는 것으로 하여도 되고, 외부로부터 공급되는 소정의 동력을 사용하여 회전력을 발생하는 것으로 하여도 된다.
또한 상기 실시예에서는 공기의 분출구와 개질기중 어느 하나를 회전시키는 것으로 하였으나, 개질기의 상류부에 복수의 공기공급구를 설치하고, 실제로 공기가 공급되는 공기공급구를 경시적으로 전환하는 구성으로 하여도 되고, 반응부에 있어서 공기가 공급되는 부위를 경시적으로 변화시킬 수 있으면 된다. 또 상기 개질기(140) 및 개질기(140A)는 허니콤에 의해 구성된 반응부를 가지는 것으로 하였으나, 각각의 반응부는 촉매를 담지하는 펠릿을 충전함으로써 구성하여도 된다. 이 경우에도 반응부에 있어서 공기가 공급되는 부위를 경시적으로 변화시킴으로써 실시예와 동일한 효과를 얻을 수 있다.
또한 상기한 제 6 실시예 및 제 7 실시예의 개질기는 상기한 효과 외에 시동시에 있어서 내부에서 더욱 많은 산화반응을 진행시켜 개질기를 더욱 빠르게 정상상태로까지 승온시킬 수 있다는 효과도 가진다. 시동시에는 개질기의 온도가 실온부근으로까지 저하하여 있기 때문에 신속하게 승온시켜 정상상태로 할 필요가 있다. 여기서 메탄올 및 산소를 대량으로 공급하여 적극적으로 산화반응을 일으켜 개질기를 내부로부터 가열하는 방법을 생각할 수 있으나, 종래의 개질기에서는 다량의 공기를 공급하여 산화반응을 일으키면 개질기 전체의 온도가 낮은 경우이더라도 상류의 특정영역만이 지나치게 승온할 염려가 있었다. 상기 제 6 및 제 7 실시예의 개질기에 의하면 산화반응이 활발하게 진행되는 영역(산소가 높은 농도로 공급되는 촉매부위)이 경시적으로 변화하기 때문에 다량의 산소를 공급하여 적극적으로 산화반응을 행하게 하여도 특정부위만이 지나치게 승온하는 일이 없고, 신속하게 개질기를 승온시키는 것이 가능해진다.
다음으로, 제 8 실시예로서 개질기내에 복수의 반응부를 설치하고, 이들 반응부의 일부에 대하여 나머지 반응부와는 가스의 흐름을 역방향으로 함으로써 인접하는 반응부의 사이에서 원연료가스 및 공기가 공급되는 상류측과 연료가스가 배출되는 하류측에서 열교환시키는 구성을 나타낸다. 도 25는 제 8 실시예의 개질기 (150)의 구성을 나타내는 단면모식도이다. 개질기(150)는 도 1의 연료전지장치 (20)와 동일한 연료전지장치로 구비되어 있다. 이 개질기(150)는 대략 원주형상으로 형성되어 있고, 그 내벽을 따라 고리형상으로 반응부(152)를 구비하고, 반응부 (152)의 안쪽에 반응부(151)를 구비하고 있으며, 2중관형상의 구조를 가지고 있다. 반응부(151)는 그 한쪽 끝측(도 25에 있어서 좌측)으로부터 원연료가스 및 공기의 공급을 받고, 다른쪽 끝측(도 25에 있어서 우측)에 있어서 연료가스를 배출한다. 반응부(152)도 한쪽의 끝단부측으로부터 원연료가스 및 공기의 공급을 받고, 다른쪽 끝단부에 있어서 연료가스를 배출하나, 각각의 위치는 반응부(151)와는 반대이다. 따라서 반응부(151)와 반응부(152)에서는 내부의 가스의 흐름방향이 역방향이 된다. 여기서 각각의 반응부(151) 및 반응부(152)는 표면에 Cu-Zn 촉매를 담지하는 허니콤에 의해 구성하여도 되고, Cu-Zn 촉매로 이루어지는 펠릿을 충전하여 형성하여도 된다.
이상과 같이 구성된 제 8 실시예의 개질기(150)에 의하면, 안쪽에 설치한 반응부(151)의 상류측과 바깥쪽에 설치한 반응부(152)의 하류측 및 반응부(151)의 하류측과 반응부(152)의 상류측이 인접한 상태가 되기 때문에, 각각 상류측과 하류측의 사이에서 열교환을 행하는 것이 가능해진다. 따라서 한쪽의 반응부의 상류측에있어서 산화반응으로 생긴 열은 인접하는 다른쪽 반응부의 하류측으로 전달되고(도 25에 있어서 점선 화살표 참조), 원연료가스와 함께 공기를 공급하는 상류측에서 온도가 지나치게 상승하는 일이 없다.
또 개질기(150)를 구성하는 각 반응부의 하류측에서는 상기한 바와 같이 인접하는 반응부의 상류측으로부터 열이 공급되기 때문에 종래의 개질기와 같이 하류측에서 온도가 지나치게 저하하는 일이 없다. 따라서 개질기(150)에서는 각 반응부 전체에 있어서 수증기 개질반응의 활성이 높은 상태로 유지되고 수증기 개질반응의 속도를 향상시킬 수 있다.
도 26은 개질기가 구비하는 반응부에 있어서 내부의 가스의 흐름방향이 일정 한 종래기술의 개질기와, 상기한 개질기(150)에 대하여 한쪽 끝측으로부터 다른쪽 끝측으로의 내부의 온도분포상태를 각 반응부별로 나타낸 설명도이다. 개질기 (150)는 종래의 개질기와는 달리, 특정한 상류측에 있어서 산화반응으로 생긴 열에 의해 지나치게 승온하는 일이 없고, 또 특정한 하류측에 있어서 내부의 온도가 지나치게 저하하는 일이 없기 때문에, 개질기의 내부온도를 250 내지 300℃의 온도범위로 균일화할 수 있다. 이상 설명한 바와 같이 본 실시예의 개질기(150)는 그 입구부 부근에서 온도가 급격하게 상승하는 일이 없기 때문에, 온도상승에 기인하는 상기한 촉매열화나 부생성물의 발생이라는 단점을 방지할 수 있다. 따라서 상기한 실시예와 마찬가지로 개질기의 내구성을 크게 향상시키는 것이 가능해진다.
이상 설명한 제 8 실시예의 개질기(150)는 안쪽에 형성된 반응부(151)와 바깥쪽에 형성된 반응부(152)를 구비하는 2중관타입으로 하고, 각각의 반응부에 있어서 가스의 흐름방향이 반대로 되는 구성으로 하였으나, 개질기를 복수의 반응부에 의해 구성하고, 그들중 일부의 반응부에 있어서 나머지 반응부와는 가스의 흐름방향이 반대로 되는 구성으로 하면, 발열량이 많은 상류측과 열의 소비량이 많은 하류측과의 사이에서 열교환을 행할 수 있어 상기 제 8 실시예과 동일한 소정의 효과를 얻을 수 있다. 예를 들어 개질기를 2중관타입으로 하는 대신에, 복수개의 박형의 반응부를 적층한 적층타입으로 하고, 이들 적층한 각 반응부에 대하여 교대로 가스의 흐름방향이 반대방향이 되는 구성으로 하여도 된다. 이와 같은 경우에도 인접하는 반응부 사이에 있어서 상류측과 하류측에서 열교환을 행하여 내부온도를 균열화할 수 있다.
다음으로 제 9 실시예로서 소정의 반응부가 형성하는 유로에 있어서 도중에서 반환부를 형성하고, 이 소정의 반응부에 있어서 상류측과 하류측을 인접시켜 열교환을 행하게 하는 구성을 나타낸다. 도 27은 제 9 실시예의 개질기(160)의 구성을 나타내는 단면모식도이다. 개질기(160)는 도 1의 연료전지장치(20)와 동일한 연료전지장치로 구비되어 있다. 이 개질기(160)는 제 8 실시예의 개질기(150)와 마찬가지로 대략 원주형상으로 형성되어 있고, 그 내부는 안쪽부(161)와 바깥쪽부(162)로 분리된 2중관 구조로 되어 있는, 이들 안쪽부(161) 및 바깥쪽부(162)는 연속된 구조로서 형성되어 있고, 양자는 단일의 반응부(163)를 구성하고 있다.
제 2 연료공급로(64)는 안쪽부(161)의 한쪽 끝에 접속되어 있고 제 2 연료공급로(64)로부터 공급되는 원연료가스 및 공기는 안쪽부(161)에 있어서 한쪽 끝측으로부터 다른쪽 끝측을 향하여 이동한다. 안쪽부(161)의 다른쪽 끝에서는 안쪽부 (161)는 바깥쪽부(162)와 접속하고 있고, 안쪽부(161)내를 통과하는 가스는 상기 다른쪽 끝에 있어서 바깥쪽부(162)로 도입된다(도 27에 있어서 실선 화살표 참조). 바깥쪽부(162)내로 도입된 가스는 그대로 바깥쪽부(162)내를 통과하여 안쪽부(161)에 있어서의 상기 한쪽 끝측에 대응하는 끝단부에 있어서 제 3 연료공급로(65)에 접속하여 반응부(163)내를 가스가 통과할 때에 생성한 연료가스를 이 제 3 연료공급로(65)로 배출한다. 또한 반응부(163)를 구성하는 안쪽부(161) 및 바깥쪽부 (162)는 Cu-Zn 촉매를 담지하는 허니콤에 의해 구성하여도 되고, Cu-Zn 촉매로 이루어지는 펠릿을 충전하여 형성하여도 된다.
이상과 같이 구성된 제 9 실시예의 개질기(160)에 의하면 안쪽에 설치한 안쪽부(161)와 바깥쪽에 설치한 바깥쪽부(162)가 인접한 상태가 되기 때문에, 이들 안쪽부(161)와 바깥쪽부(162) 사이에서 열교환을 행하는 것이 가능해진다. 안쪽부 (161)는 반응부(163)에서는 상류측에 상당하고 산화반응이 활발하게 행하여져 많은 열이 생긴다. 또 바깥쪽부(162)는 반응부(163)에서는 하류측에 상당하고 주로 수증기 개질반응만이 행하여져 열을 필요로 한다. 개질기(160)에서는 많은 열을 발생하는 안쪽부(161)로부터 열을 필요로 하는 바깥쪽부(162)에 대하여 열이 전달되기 때문에(도 27에 있어서 점선 화살표참조), 상류측에 상당하는 안쪽부(161)에 있어서 온도가 지나치게 상승하는 일이 없다.
또 개질기(160)에 있어서 하류측에 상당하는 바깥쪽부(162)에서는 상기한 바와 같이 인접하는 안쪽부(161)로부터 열이 공급되기 때문에, 종래의 개질기와 같이 하류측에서 온도가 지나치게 저하하는 일이 없다. 따라서 개질기(160)에서는 각 반응부 전체에 있어서 수증기 개질반응의 활성이 높은 상태로 유지되고 수증기 개질반응의 속도를 향상시킬 수 있다.
도 28은 개질기가 구비하는 반응부에 있어서 내부의 가스의 흐름방향이 일정 한 종래기술의 개질기와, 상기한 개질기(160)에 대하여 제 2 연료공급로(64)와의 접속측으로부터 다른쪽 끝측으로의 내부의 온도분포상태를 나타낸 설명도이다. 개질기(160)는 종래의 개질기와는 달리, 상류측에 있어서 산화반응으로 생긴 열에 의해서 지나치게 승온하는 일이 없고, 또 하류측에 있어서 내부의 온도가 지나치게 저하하는 일이 없기 때문에, 개질기의 내부온도를 250 내지 300℃의 온도범위로 균일화할 수 있다. 이상 설명한 바와 같이 본 실시예의 개질기(160)는 그 입구부 부근에서 온도가 급격하게 상승하는 일이 없기 때문에, 온도상승에 기인하는 상기한 촉매열화나 부생성물의 발생이라는 단점을 방지할 수 있다. 따라서 상기한 실시예와 마찬가지로 개질기의 내구성을 크게 향상시키는 것이 가능해진다.
이상 설명한 제 9 실시예의 개질기(160)는 안쪽에 형성된 안쪽부(161)와 바깥쪽에 형성된 바깥쪽부(162)를 구비하는 2중관 타입으로 하여 안쪽부(161)와 바깥쪽부(162)에서 가스의 흐름방향이 반대로 되는 구성으로 하였으나, 개질기을 상기2중관 이외의 구성으로 하여도 된다. 원연료가스 및 공기가 통과하는 유로에 있어서 도중에서 반환부를 설치하고 상류측과 하류측을 인접시켜 양자 사이에서 열교환이 가능한 구성으로 하면 상기 제 9 실시예와 동일한 소정의 효과를 얻을 수 있다. 예를 들어 개질기를 2중관 타입으로 하는 대신에 소정의 유로를 2개로 접은 형상으로 하고 상류측과 하류측에서 가스의 흐름방향이 반대방향으로 되는 구성으로 하여도 된다. 이와 같은 구성의 개질기(160A)를 도 29에 나타낸다. 이와 같은 경우에도 인접하는 상류측으로부터 하류측으로 열이 전달되어(도 29에 있어서 화살표참조), 내부온도를 균열화할 수 있다.
다음으로, 제 10 실시예로서 증발기(32)로부터 배출되는 고온의 연소배기가스를 사용하여 개질기의 하류측을 가열하는 구성을 나타낸다. 도 30은 제 10 실시예의 개질기(170)의 구성을 나타내는 단면모식도이다. 개질기(170)는 도 1의 연료전지장치(20)와 동일한 연료전지장치로 구비되어 있다. 이 개질기(170)는 표면에 Cu - Zn 촉매를 담지하는 허니콤에 의해 구성된 2개의 반응부(171, 172)를 구비하고 있다. 이와 같이 개질기(170) 내부를 2개의 반응부로 분할함으로써, 상류측의 반응부(171)에 있어서 허니콤의 각 셀에 의해 분리된 가스를 도중에서 다시 혼합할 수 있고 반응부(170)내를 통과하는 가스의 상태를 더욱 균일하게 할 수 있다. 개질기(170)는 공기공급로(39)로부터 공기를 공급하는 제 2 연료공급로(64)와 접속하여 공기를 함유하는 원연료가스의 공급을 받는다. 공기를 함유하여 제 2 연료공급로(64)로부터 공급된 원연료가스는 반응부(171, 172)의 순으로 통과하여 수소가 풍부한 연료가스가 되어 제 3 연료공급로(65)로 배출된다.
또 반응부(171, 172)에는 온도센서(173, 174)가 각각 설치되어 있다. 이들 온도센서(173, 174)는 제어부(50)에 접속되어 있고 반응부(171, 172)의 내부온도에 관한 정보는 제어부(50)에 전해진다. 뒤에서 설명하는 바와 같이 온도센서(173)의 검출결과는 반응부(171)의 내부온도가 지나치게 상승하는 것을 방지하기 위하여 사용되고, 온도센서(174)의 검출결과는 반응부(172)의 내부온도가 지나치게 저하하는 것을 방지하기 위하여 사용된다. 따라서 온도센서(173)는 반응부(171)의 더욱 상류측에, 온도센서(174)는 반응부(172)의 더욱 하류측에 설치하는 것이 바람직하다.
또 개질기(170)에 있어서 반응부(172)가 설치되어 있는 위치에 대응하는 바깥 둘레부에는 상기한 증발기(32)로부터 배출되는 연소배기가스가 도입되는 배기가스도입부(175)가 설치되어 있다. 증발기(32)에서는 상기한 바와 같이 압축기(28)를 경유하여 연소배기가스가 버너(26)로부터 공급되고, 이 연소배기가스가 가지는 열량을 이용하여 메탄올 및 물을 승온·기화시킨다. 이와 같이 메탄올 및 물을 승온·기화시킨 후에 압축기(28)로부터 배출되는 연소배기가스는 증발기(32)로 열량을 소비한 후이더라도 소정의 열량을 가지고 있고, 본 실시예의 개질기(170)에서는 이 연소배기가스를 상기 배기가스도입부(175)로 도입함으로써 하류측에 설치한 반응부(172)를 가열하고 있다.
본 실시예의 개질기(170)를 구비하는 연료전지장치에는 증발기(32)로부터 배출되는 연소배기가스를 배기가스도입부(175)에 공급하는 연소배기가스로(176)가 설치되어 있고, 이 연소배기가스로(176)에는 배기가스도입부(175)에 공급하는 연소배기가스의 양을 조절하는 매스플로우콘트롤러(177)가 설치되어 있다. 매스플로우콘트롤러(177)는 제어부(50)에 접속되어 있고, 제어부(50)에 의해 배기가스도입부 (175)에 공급되는 연소배기가스량이 제어가능하게 되어 있다. 여기서 증발기(32)로부터 배기가스도입부(175)에 공급되는 연소배기가스의 온도는 약 300℃ 정도이고, 매스플로우콘트롤러(177)의 구동상태를 제어하여 배기가스도입부(175)에 공급하는 연소배기가스량을 조절함으로써 반응부(172)의 내부온도를 제어할 수 있다. 상기한 바와 같이 배기가스도입부(175)에 도입된 연소배기가스는 반응부(172)를 가열한 후, 연료전지장치의 외부로 배출된다.
본 실시예의 개질기(170)에 있어서의 상류측의 반응부(171)에서는 이 반응부 (171)에서 진행하는 수증기 개질반응에 필요로 하는 열량은 산화반응으로 생긴 열량에 의해 공급하고 있다. 이에 대하여 하류측의 반응부(172)에서는 이 반응부 (172)에서 진행하는 수증기 개질반응에 필요로 하는 열량으로서는 상류측에서 진행하는 산화반응으로 생긴 열량에 더하여 배기가스도입부(175)에 공급되는 상기 연소배기가스가 가지는 열이 사용된다. 여기서 본 실시예의 개질기(170)를 구비하는 연료전지장치에 있어서, 제어부(50)는 개질기(170)에 공급하는 공기를 도입하는 블로워(38)의 구동량을 온도센서(173)의 검출결과에 의거하여 제어하고 있고, 반응부(171)의 내부온도가 300℃를 넘지 않도록 개질기(170)에 공급하는 공기량을 조절하고 있다. 또 마찬가지로 본 실시예의 연료전지장치에 있어서 제어부(50)는 상기 매스플로우콘트롤러(177)의 구동량을 온도센서(174)의 검출결과에 의거하여 제어하고 있고, 반응부(172)의 내부온도가 250℃ 이상이 되도록 배기가스도입부 (175)에 공급하는 연소배기가스량을 조절하고 있다.
이상과 같이 구성된 제 10 실시예의 개질기(170)에 의하면 하류측의 반응부 (172)는 상기한 연소배기가스에 의해 가열되기 때문에 개질기(170)내에서 진행하는 수증기 개질반응에 필요로 하는 열량의 전부를 산화반응으로 생기는 열량에 의해 공급할 필요는 없고, 산화반응에 제공하기 위하여 개질기(170)에 제공하는 공기의 양을 줄여 상류측에서 진행하는 산화반응의 양을 줄일 수 있다. 여기서 개질기 (170)에 공급하는 공기량은 반응부(171)의 내부온도에 의거하여 조절되기 때문에 산화반응이 활발하게 행하여지는 반응부(171)에 있어서 온도가 지나치게 상승하는 일이 없다.
또 개질기(170)에 있어서 하류측의 반응부(172)에서는 상기한 바와 같이 배기가스도입부(175)로 도입되는 연소배기가스로부터 열이 공급되기 때문에 종래의 개질기와 마찬가지로 하류측에서 온도가 지나치게 저하하는 일이 없다. 따라서 개질기(170)에서는 각 반응부 전체에 있어서 수증기 개질반응의 활성이 높은 상태로 유지되고, 수증기 개질반응의 속도를 향상시킬 수 있다. 또한 반응부(172)를 가열하기 위하여 종래 폐기되었던 연료배기가스의 열을 이용하고 있기 때문에, 반응부 (172)를 가열함으로써 에너지효율이 저하하는 일이 없다.
도 31은 수증기 개질반응에서 필요로 하는 열량의 대략 전체를 산화반응으로 생기는 열에 의해 제공하는 종래기술의 개질기와, 상기한 개질기(170)에 대하여 공기를 포함하는 원연료가스가 공급되는 상류측으로부터 하류측으로의 내부의 온도분포상태를 나타낸 설명도이다. 개질기(170)는 종래의 개질기와는 달리, 상류측에 있어서 산화반응으로 생긴 열에 의해 지나치게 승온하는 일이 없고, 또 하류측에있어서 내부의 온도가 지나치게 저하하는 일이 없기 때문에 개질기의 내부온도를 250 내지 300℃의 온도범위로 균일화할 수 있다. 이상 설명한 바와 같이 본 실시예의 개질기(170)는 그 입구부 부근에서 온도가 급격하게 상승하는 일이 없기 때문에 온도상승에 기인하는 상기한 촉매열화나 부생성물의 발생이라는 단점을 방지할 수 있다. 따라서 상기한 실시예와 마찬가지로 개질기의 내구성을 크게 향상시키는 것이 가능해진다.
이상 설명한 제 10 실시예의 개질기(170)는 허니콤에 의해 구성된 2개의 반응부(171, 172)를 구비하는 것으로 하였으나, 허니콤를 사용하는 대신에 촉매를 담지한 펠릿을 내부에 충전하는 구성으로 하여도 된다. 이 경우에는 개질기 내부를 2개로 나누는 일 없이, 개질기 내부에 균일하게 펠릿을 충전하는 것으로 하여도 지장이 없다.
또 하류측을 가열하기 위하여 증발기(32)로부터 배출되는 연소배기가스 이외의 고온가스를 사용하는 것으로 하여도 된다. 예를 들어 본 실시예의 개질기(170)를 구비하는 연료전지장치에 있어서 증발기(32)에서 필요로 하는 열을 공급하는 열원과, 연료전지(40)의 캐소드측에 압축공기를 공급하기 위한 압축기(28)의 구동원이 다른 경우에는 상기 열원과 상기 구동원중 어느 것으로부터 배출되는 배기가스를 사용하는 것으로 하여도 된다. 또 연료전지장치를 구성하는 다른 고온부로부터 배출되는 가스를 사용하는 것으로 하여도 되고, 개질기의 내부온도를 250 내지 300℃의 온도범위로 유지하기 위하여 사용가능한 에너지를 가지고 있으면 좋다. 또는 고온의 부재로부터 배출되는 고온의 배기가스를 사용하는 대신에 고온의 부재와 개질기 사이에 소정의 유체를 순환시키고, 이 유체에 의해 고온부재의 열에너지를 개질기에 공급하는 것으로 하여도 된다.
다음으로, 제 11 실시예로서 개질기의 상류측에 있어서 원연료의 일부를 액체의 상태로 공급하는 구성을 나타낸다. 도 32는 제 11 실시예의 개질기(180)의 구성의 개요를 나타내는 설명도이다. 개질기(180)는 도 1의 연료전지장치(20)와 동일한 연료전지장치로 구비되어 있다. 이 개질기(180)는 표면에 Cu - Zn 촉매를 담지하는 허니콤에 의해 구성된 단일의 반응부(181)를 구비하고 있다. 여기서 개질기(180)는 제 2 연료공급로(64)와 접속하여 원연료가스의 공급을 받으나, 그 외에 메탄올과 물의 혼합액(이하, 액체원연료라 함)의 공급을 받는다. 액체원연료는 상기한 바와 같이 제 1 연료공급로(63)를 개재하여 증발기(32)에 공급되나, 이 제 1 연료공급로(63)는 도중에서 분기되어 원연료분기로(182)가 되고, 개질기(180)에 대해서도 액체원연료가 공급가능하게 되어 있다. 또한 본 실시예에서는 공기공급로(39)는 제 2 연료공급로(64)와는 합류하지 않고 상기 원연료분기로(182)와 합류하여 원연료로(183)가 된다. 이 원연료로(183)는 개질기(180)의 상류측 끝단부에 접속되어 있고, 공기를 혼합한 액체원연료가 개질기(180)에 공급가능하게 되어 있다.
또한 공기공급로(39)에는 매스플로우콘트롤러(184)가, 원연료분기로(182)에는 매스플로우콘트롤러(185)가 설치되어 있으며, 개질기(180)에 공급하는 공기량 및 액체원연료의 양을 제어가능하게 되어 있다. 이들 매스플로우콘트롤러(184, 185)는 제어부(50)에 접속되어 있고, 제어부(50)에 의해 그 구동량이 제어된다.또 개질기(180) 내부에 있어서 반응부(181)의 상류측 끝단부의 근방에는 원연료로 (183)의 끝단부 구조로서 분사노즐(187)이 설치되어 있다. 상기한 바와 같이 공기를 혼합한 액체원연료는 이 분사노즐(187)로부터 공기의 압력을 이용하여 반응부 (181)의 끝단부를 향하여 분사되어 반응부(181)의 끝단부 단면에 대하여 넓은 범위로 공급된다. 또한 분사노즐(187)은 액체를 넓은 범위로 분사가능한 형상이면 되고, 노즐형상 이외의 형상이더라도 상관없다. 또한 개질기(180)에 있어서 반응부 (181)의 상류측 끝단부 부근에는 온도센서(186)가 설치되어 있다. 이 온도센서 (186)는 제어부(50)에 접속되어 있고, 반응부(181)의 상류측의 온도에 관한 정보가 제어부(50)에 입력된다.
상기한 바와 같이 개질기에 대하여 원연료가스와 함께 공기를 공급하면 산소의 농도가 높은 상류측에서는 산화반응이 활발하게 진행되어 온도가 상승하나, 본 실시예에서는 반응부(181)의 상류측에 대하여 액체원연료를 분사함으로써, 이 상류측의 온도를 제어하고 있다. 즉, 소정의 고온으로 되어 있는 반응부(181)에 대하여 액체원연료를 분사하면 액체원연료는 분사된 반응부(181)로부터 열을 빼앗아 기화·승온한다. 따라서 이 액체원연료의 공급량을 조절함으로써 반응부(181)의 상류측의 온도를 소정의 온도 이하로 제어할 수 있다.
이와 같은 구성의 개질기(180)를 사용하여 수소가 풍부한 연료가스의 생성을 행할 때에는, 온도센서(186)가 검출한 반응부(181)내의 온도에 의거하여 개질기 (180)에 대하여 액체원연료량을 공급할 지의 여부, 또는 그 공급량이 제어된다. 개질기(180)에 공급되는 메탄올의 총량은 연료전지(40)에 접속되는 부하의 크기,즉, 연료전지(40)에 공급해야 할 연료가스량에 의거하여 결정되나, 온도센서(186)의 검출결과에 의거하여 제 1 연료공급로(63)로부터 액체 그대로 개질기(180)에 공급되는 메탄올량이 조절된다. 구체적으로는 반응부(181)의 온도가 소정의 온도(본 실시예에서는 300℃)를 넘으면 분사노즐(187)로부터 액체원연료의 분사를 행하게 되어 반응부(181)의 온도가 상기 소정의 온도 이하가 되도록 분사노즐(187)로부터 공급하는 액체원연료의 양을 조절한다. 또한 반응부(181)의 온도가 상기 소정의 온도 이하일 경우에는 분사노즐(187)로부터는 공기만이 분사된다.
이상과 같이 구성된 제 11 실시예의 개질기(180)에 의하면 개질기(180)내에서 액체를 분사하여 기화시킴으로써 반응부(181)의 상류부를 냉각할 수 있으므로 산화반응으로 생기는 열 때문에 반응부(181)의 상류부의 온도가 지나치게 상승하는 것을 방지할 수 있다. 여기서 반응부(181)의 상류부를 냉각하기 위하여 개질기 (180)중에서 분사하는 액체는 개질기(180)내에서 진행하는 수증기 개질반응 및 산화반응에서 이용되는 원연료로 이루어지기 때문에, 이와 같은 액체분사의 조작을 행함으로써 개질기(180)내에서 진행하는 반응이 영향을 받는 일이 없다.
도 33은 소망하는 양의 연료가스를 생성하기 위하여 필요로 하는 메탄올의 전량(全量)을 증발기(32)를 경유하여 공급되는 종래기술의 개질기와, 상기한 개질기(180)에 대하여 공기를 포함하는 원연료가스가 공급되는 상류측으로부터 하류측으로의 내부의 온도분포상태를 나타낸 설명도이다. 개질기(180)는 종래의 개질기와는 달리, 상류측에 있어서 산화반응으로 생긴 열에 의해 지나치게 승온하는 일이 없기 때문에 개질기의 내부온도를 250 내지 300℃의 온도범위로 균일화할 수 있다.이와 같이 본 실시예의 개질기(180)는 그 입구부 부근에서 온도가 급격하게 상승하는 일이 없기 때문에, 온도상승에 기인하는 상기한 촉매열화나 부생성물의 발생이는 단점을 방지할 수 있다. 따라서 상기한 실시예과 마찬가지로 개질기의 내구성을 크게 향상시키는 것이 가능해진다.
또한 개질기(180)의 상류측의 온도가 지나치게 상승하여 분사노즐(187)로부터 분사하는 액체원연료량을 증가하였을 때에 연료전지(40)에 접속되는 부하에 있어서의 소요전력이 감소하면 개질기(180)에 공급하는 메탄올량이 과잉이 되어 필요량 이상의 연료가스가 생성되는 경우가 있다. 본 실시예의 개질기(180)를 구비하는 연료전지장치에서는 연료전지(40)으로부터 배출되는 연료배기가스는 상기한 바와 같이 버너(26)에 있어서의 연소를 위한 연료로서 이용되기 때문에, 상기한 경우 이더라도 시스템 전체의 에너지효율이 저하하는 일이 없다.
또 본 실시예의 개질기(180)에서는 반응부(181)의 상류부를 냉각하기 위하여 분사노즐(187)로부터 분사하는 것은, 메탄올과 물의 혼합액으로 하였으나, 메탄올 또는 물만을 분사하는 구성으로 하여도 된다. 이 경우에는 제 1 연료공급로(63) 대신에, 메탄올유로(60) 또는 물공급로(62)에 있어서 분기로를 설치하고, 이 분기로에 의해 분사노즐(187)과 동일한 노즐에 대하여 메탄올 또는 물을 공급하는 것으로 하면 된다. 이와 같은 구성으로 하여도 반응부(181)의 상류부에 있어서 분사된 액체가 기화할 때에 열을 빼앗기 때문에, 상기 제 11 실시예의 개질기(180)와 동일한 효과를 얻을 수 있다.
다음으로, 제 12 실시예로서 수증기 개질반응과 산화반응의 양쪽이 진행되는반응부와, 수증기 개질반응만이 진행되는 반응부를 인접하여 설치하고, 양자 사이에서 열교환을 행하게 하여 산화반응으로 생기는 열에 의해 과도한 온도상승이 야기되는 것을 방지하는 구성을 나타낸다. 도 34는 제 12 실시예의 개질기(190)의 구성의 개요를 나타내는 설명도이다. 개질기(190)는 도 1의 연료전지장치(20)와 동일한 연료전지장치로 구비되어 있다. 이 개질기(190)는 대략 원주형상으로 형성되어 있고, 허니콤에 의해 구성된 3개의 반응부(191, 192, 193)를 구비하고 있다. 개질기(190)의 내벽에 따라 고리형상으로 반응부(193)가 형성되어 있고 이 반응부 (193)의 안쪽에 반응부(191, 192)가 형성되어 있다. 여기서 반응부(191)는 상류측, 반응부(192)는 하류측에 설치되어 있고, 양자 사이에는 소정의 공간(200)이 형성되어 있다.
이 개질기(190)에 있어서 반응부(191, 192, 193)는 어느 것이나 상기한 Cu -Zn 촉매를 표면에 담지하고 있다. 여기서 반응부(193)는 제 2 연료공급로(64)와 접속하고 있어 원연료가스를 공급하나, 공기의 공급은 받지 않기 때문에, 반응부 (193)에 있어서는 수증기 개질반응은 행하여지나, 산화반응은 행하여지지 않는다. 제 2 연료공급로(64)는 상기 반응부(193) 외에 반응부(191)에도 접속되어 있고, 반응부(191)에 공급된 원연료가스는 반응부(191), 반응부(192)의 순으로 내부를 통과한다. 또 공기공급로(39)는 도중에서 공기분기로(194, 195)로 분기되고, 이들 공기분기로는 각각 반응부(191) 및 반응부(192)의 상류측에 접속한다. 이들 공기분기로(194, 195)는 각각의 반응부에 대하여 공기를 공급한다. 따라서 반응부(191) 및 반응부(192)에서는 수증기 개질반응과 함께 산화반응이 진행된다. 반응부(191,192)에 있어서의 수증기 개질반응 및 산화반응에 의해 생긴 수소가 풍부한 가스와, 반응부(193)에 있어서의 수증기 개질반응에 의해 생긴 수소가 풍부한 가스는, 제 3 연료공급로(65)로 배출되어 CO 저감부(36)에 공급된다.
또 공기공급로(39)로부터 분기되는 공기분기로(194, 195)에는 각각 매스플로우콘트롤러(196, 197)가 설치되어 있고, 반응부(191, 192)에 공급하는 공기량을 조절가능하게 되어 있다. 이들 매스플로우콘트롤러(196, 197)는 제어부(50)에 접속되어 있고, 제어부(50)에 의해 각 반응부에 공급되는 공기량이 제어된다. 또 반응부(191, 192) 각각의 상류측에는 각 반응부의 내부온도를 검출하는 온도센서(198, 199)가 설치되어 있다. 이들 온도센서(198, 199)는 제어부(50)에 접속되어 있고, 각 반응부의 내부온도를 검출한 결과는 제어부(50)에 입력된다. 제어부(50)는 각 온도센서로부터 입력되는 상기 검출결과에 의거하여 각 반응부에 공급하는 공기량을 제어한다.
본 실시예의 개질기(190)에 있어서의 반응부(191, 192)에서는 내부에서 진행하는 수증기 개질반응에 필요로 하는 열량은 마찬가지로 내부에서 진행하는 산화반응으로 생긴 열량에 의해 제공하고 있다. 이에 대하여 바깥 둘레부에 설치한 반응부(193)에서는 이 반응부(193)에서 진행하는 수증기 개질반응에 필요로 하는 열은 안쪽에 인접하는 반응부(191, 192)에 있어서의 산화반응으로 생긴 열을 이용하고 있다(도 34에 있어서의 점선 화살표참조). 여기서 본 실시예의 개질기(190)를 구비하는 연료전지장치에 있어서 제어부(50)는 반응부(191, 192)에 공급하는 공기량을 조절하는 매스플로우콘트롤러(196, 197)의 구동량을 온도센서(198, 199)의 검출결과에 의거하여 제어하고 있고, 반응부(191, 192)의 내부온도가 300℃를 넘지 않도록 공급하는 공기량을 조절하고 있다.
이상과 같이 구성된 제 12 실시예의 개질기(190)에 의하면 반응부(191, 192)에서 진행하는 산화반응으로 생긴 열은 인접하는 반응부로서 흡열반응만이 진행되는 반응부(193)에 있어서도 소비된다. 따라서 산화반응이 활발하게 진행되는 반응부(191, 192)의 상류부에 있어서 과도하게 온도가 상승하는 것을 방지할 수 있다. 여기서 반응부(191, 192)에 공급하는 공기량은 각 반응부의 내부온도에 의거하여 조절되기 때문에, 각 반응부의 내부온도를 소정의 온도 이하로 유지하도록 제어할 수 있다.
또 본 실시예의 개질기(190)에서는 반응부(191, 192)의 각각에 대하여 공기를 공급하고 있기 때문에, 반응부(191)의 하류측에 위치하는 반응부(192)에 있어서도 발열반응인 산화반응을 행하게 할 수 있어 종래의 개질기와 같이 하류측에서 온도가 지나치게 저하하는 일이 없다. 따라서 개질기(190)에서는 각 반응부 전체에 있어서 수증기 개질반응의 활성이 높은 상태로 유지되고, 수증기 개질반응의 속도를 향상시킬 수 있다.
도 35는 수증기 개질반응과 산화반응의 양쪽을 진행시키는 반응부에 의해서만 구성된 종래기술의 개질기와, 상기한 개질기(190)에 대하여 원연료가스가 공급되는 상류측으로부터 하류측으로의 내부의 온도분포상태를 나타낸 설명도이다. 개질기(190)는 종래의 개질기와는 달리, 상류측에서 산화반응으로 생긴 열에 의해 지나치게 승온하는 일이 없고, 또 하류측에서 내부의 온도가 지나치게 저하하는 일이없기 때문에, 개질기의 내부온도를 250 내지 300℃의 온도범위로 균일화할 수 있다. 이상 설명한 바와 같이 본 실시예의 개질기(190)는 그 입구부 부근에서 온도가 급격하게 상승하는 일이 없기 때문에, 온도상승에 기인하는 상기한 촉매열화나 부생성물의 발생이라는 단점을 방지할 수 있다. 따라서 상기한 실시예와 마찬가지로 개질기의 내구성을 크게 향상시키는 것이 가능해진다.
또한, 상기 제 12 실시예의 개질기(190)에서는 안쪽에 설치되어 수증기 개질반응과 산화반응의 양쪽을 진행하는 반응부(191, 192)에 있어서 각각에 대하여 공기를 공급하는 구성으로 하였기 때문에, 하류측에 있어서 온도가 저하하는 것을 억제하는 효과를 크게 할 수 있었으나, 공기의 공급을 상류측에서만 행하는 경우에도 상류측에 있어서의 과도한 온도상승을 억제하는 소정의 효과를 얻을 수 있다.
상기 제 12 실시예의 개질기(190)는 수증기 개질반응과 산화반응의 양쪽을 행하는 반응부와, 수증기 개질반응 만을 행하는 반응부는, 안쪽과 바깥 둘레부로 분리되어 있고, 2중관형상으로 형성하였으나, 이하에 제 12 실시예의 변형예로서 상기 2가지의 반응부를 교대로 적층하는 적층형의 구성을 나타낸다. 도 36은 제 12 실시예의 변형예인 개질기(190A)의 구성의 개략을 모식적으로 나타내는 설명도이다. 개질기(190A)는 개질기(190)와 마찬가지로 도 1의 연료전지장치(20)와 동일한 연료전지장치로 구비되어 있고, 개질기(190)와 공통하는 부재에는 부재번호에 부호 A를 부착하여 이하의 설명을 행한다.
개질기(190A)는 각각 평판형상으로 형성된 반응부(191A)와 반응부(193A)를 교대로 복수개 적층한 구조를 가지고 있다. 이들 반응부(191A 및 193A)는 표면에Cu - Zn 촉매를 담지한 허니콤에 의해 구성되어 있고, 각 반응부에 대해서는 제 2 연료공급로(64)로부터 원연료가스가 공급된다. 또 공기공급로(39)는 분기되어 각각의 반응부(191A)의 상류부에 접속되고 각 반응부(191A)에 대하여 공기를 공급한다. 복수의 반응부(191A)에 대하여 공급하는 공기량은, 공기공급로(39)에 설치된 매스플로우콘트롤러(196A)에 의해 제어되나, 이 제어는 제 12 실시예와 마찬가지로 각 반응부(191A)의 상류부에 설치한 온도센서(도시 생략)에 의한 검출결과에 의거하여 행하여진다.
이상과 같이 구성된 제 12 실시예의 변형예인 개질기(190A)에 의하면 제 12 실시예의 개질기(190)와 마찬가지로 산화반응으로 생긴 열은 인접하는 반응부에서 진행하는 수증기 개질반응에서 소비되기 때문에, 산화반응이 활발하게 진행하는 상류부의 온도가 과도하게 상승하는 일이 없다. 따라서 개질기(190)와 같이 촉매열화나 부생성물의 발생이라는 단점을 방지하고, 개질기의 내구성을 크게 향상시킬 수 있다는 효과를 얻을 수 있다.
다음으로, 제 12 실시예의 제 2 변형예로서 다관삽입형의 개질기(190B)를 나타낸다. 도 37은 제 12 실시예의 제 2 변형예인 개질기(190B)의 구성의 개략을 나타내는 단면모식도이다. 도 37(a)는 개질기(190B)의 종단면도, 도 37(b)는 도 37(a)의 B-B 선에 있어서의 횡단면도이다. 개질기(190B)는 개질기(190)와 마찬가지로 도 1의 연료전지장치(20)와 동일한 연료전지장치로 구비되어 있고, 개질기 (190)와 공통하는 부재에는 부재번호에 부호 B를 부착하여 이하의 설명을 행한다.
개질기(190B)는 대략 원주형상으로 형성되어 있고, 그 내부에 반응부(191B)와 반응부(193B)를 구비하고 있다. 반응부(191B)는 바닥면의 직경이 짧은 대략 약원주형상으로 형성되어 있고, 개질기(190B)내에 7개가 형성되어 있다. 개질기 (190B)내에 있어서 반응부(191B)가 형성되어 있지 않은 공간은 반응부(193B)를 구성하고 있다. 이들 반응부(191B 및 193B)는 표면에 Cu - Zn 촉매를 담지한 허니콤에 의해 구성되어 있고, 각 반응부에 대해서는 제 2 연료공급로(64)로부터 원연료가스가 공급된다. 또 공기공급로(39)는 분기하여 각각의 반응부(191B)의 상류부에 접속하여 각 반응부(191B)에 대하여 공기를 공급한다. 복수의 반응부(191B)에 대하여 공급하는 공기량은 공기공급로(39)에 설치된 매스플로우콘트롤러(196B)에 의해 제어되나, 이 제어는 제 12 실시예와 마찬가지로 각 반응부(191B)의 상류부에 설치한 온도센서(도시 생략)에 의한 검출결과에 의거하여 행하여진다.
이상과 같이 구성된 제 12 실시예의 변형예인 개질기(190B)에 의하면 제 12 실시예의 개질기(190)와 마찬가지로 산화반응으로 생긴 열은 인접하는 반응부에서 진행하는 수증기 개질반응에서 소비되기 때문에, 산화반응이 활발하게 진행되는 상류부의 온도가 과도하게 상승하는 일이 없다. 따라서 개질기(190)와 마찬가지로 촉매열화나 부생성물의 발생이라는 단점을 방지하고, 개질기의 내구성을 크게 향상시킬 수 있다는 효과를 얻을 수 있다.
상기한 개질기(190, 190A, 190B)에서는 산화반응을 한정된 반응부에 있어서 행하게 하고 있다. 개질기내에서 진행하는 수증기 개질반응에서 필요로 하는 열이 일정한 경우에 산화반응이 진행되는 영역을 작게 하면 공급한 산소량과 비교하여 촉매량이 부족한 상태가 되어 산소가 공급되는 영역에 있어서의 산화반응의 속도를억제할 수 있다. 따라서 산화반응이 진행되는 영역을 더욱 하류측으로 넓힐 수 있어 개질기의 하류측에서 온도가 지나치게 저하하는 것을 억제하는 효과를 더욱 크게 할 수 있다.
또한 상기한 제 12 실시예의 변형예인 개질기(190A, 190B)에 있어서, 개질기 (190)와 마찬가지로 개질기의 상류측에 더하여 그 중간정도라도 공기를 공급하는 구성으로 하여도 된다. 이와 같은 구성으로 하면, 개질기의 하류측에서 온도가 지나치게 저하하는 것을 방지할 수 있다. 또 상기 개질기(190, 190A, 190B)의 각각을 구성하는 각 반응부는 허니콤에 의해 구성하였으나, 촉매를 담지한 펠릿을 충전하는 구성으로 하여도 상관없다. 이 경우에도 수증기 개질반응과 함께 산화반응을 진행하는 반응부와, 수증기 개질반응만을 진행하는 반응부를 인접시킴으로써 반응부의 상류측에서 온도가 지나치게 상승하는 것을 방지할 수 있다.
상기한 제 1 내지 제 12 실시예에서는 각각의 개질기가 구비하는 촉매로서 Cu - Zn 촉매를 사용하고 있기 때문에, 단일의 촉매에 의해 (4)식에 나타낸 수증기 개질반응과 (5)식에 나타낸 산화반응의 양쪽을 촉진시킬 수 있다. 물론 수증기 개질반응과 산화반응의 양쪽을 촉진가능한 Cu - Zn 촉매 이외의 촉매(예를 들어 Pd - Zn 촉매 등)를 사용하는 것으로 하여도 된다. 이와 같은 촉매를 사용하는 경우에도 이 촉매를 상기한 실시예의 개질기에 구비하도록 함으로써 개질기 내부의 일부 영역에서 내부 온도가 지나치게 상승하는 것을 억제하는 상기한 효과를 얻을 수 있다.
또 상기 각각의 실시예에 있어서, 수증기 개질반응과 산화반응을 단일의 촉매에 의해 촉진하는 대신에, 각각의 반응을 다른 촉매를 사용하여 촉진하는 구성으로 하여도 된다. 또는 Cu - Zn 촉매에 대하여 산화반응을 촉진하는 다른 촉매를 더욱 더하여 사용하는 것으로 하여도 된다. 이와 같이 복수 종류의 촉매를 사용하는 경우에도 개질기내에서의 이들 촉매의 혼재상태가 충분하고, 산소가 공급되고 있는 영역에 있어서, (5)식에 나타낸 산화반응과 (4)식에 나타낸 수증기 개질반응의 양쪽이 풍부한 효율로 진행 가능하게 되면 각각의 실시예의 구성에 있어서 개질기 내부의 일부의 영역에서 내부온도가 지나치게 상승하는 것을 억제하는 상기한 효과를 얻을 수 있다. 여기서 산화반응을 촉진가능한 다른 촉매로서는 예를 들어 팔라듐, 백금, 니켈, 로듐, 크롬, 텅스텐, 레늄, 금, 은, 철 등의 금속, 또는 이들 금속과 다른 금속의 합금 등을 들 수 있다.
또 상기한 실시예에서는 원연료로서 메탄올을 사용하는 것으로 하였으나, 다른 종류의 탄화수소를 원연료로서 사용하고, 이 원연료를 수증기 개질반응 및 산화반응에 제공하는 것으로 하여도 된다. 이와 같이 메탄올 이외의 원연료를 사용하는 경우에도 사용하는 원연료에 따른 촉매를 상기한 실시예의 구성을 가지는 개질기에 구비하게 함으로써 개질기 내부의 일부 영역에서 내부 온도가 지나치게 상승하는 것을 억제하는 상기한 효과를 얻을 수 있다.
또한 상기한 제 1 내지 제 12 실시예의 개질기에 있어서 구비된 Cu - Zn 촉매는 메탄올의 수증기 개질반응을 촉진하는 촉매로서는 주지의 촉매이다. 상기한 바와 같이 Cu - Zn 촉매는 300℃를 넘는 고온하에서는 열화하기 때문에, 수증기 개질반응이 진행되는 반응온도가 높은 탄화수소를 원연료로 하는 경우에는, 수증기개질반응을 촉진하는 촉매로서 사용할 수는 없으나, 다른 탄화수소와 비교하여 수증기 개질반응시의 반응온도가 낮은 메탄올을 원연료로서 사용하는 경우에는 이 반응을 촉진하는 촉매로서 양호하게 작용한다. 그러나 이 Cu - Zn 촉매를 산화촉매로서 사용하는 사용방법은 종래 알려져 있지 않았다. 즉 Cu - Zn 촉매는 용이하게 산화되는 성질을 가지고 있고(구리가 산화열화함), 산소의 존재하에서는 신속하게 산화되어 촉매활성이 손상되기 때문에 통상은 산화촉매로서 사용할 수 없다. 이에 대하여 이 Cu - Zn 촉매를 메탄올의 존재하에서 사용하면 산화자유에너지차이로부터 구리보다도 메탄올쪽이 산화되기 쉽기 때문에 촉매 자신은 산화되는 일 없이, 상기양 반응을 촉진하는 촉매로서 유효하게 작용할 수 있다.
이와 같이 Cu - Zn 촉매를 사용함으로써, 단일의 촉매로 메탄올의 수증기 개질반응과 산화반응의 양쪽을 촉진시킬 수 있고, 개질기의 구성을 간소화할 수 있다는 효과가 얻어지나, Cu - Zn 촉매를 사용하여 메탄올의 산화반응을 촉진함으로써 개질기에서 생성되는 수소가 풍부한 연료가스중의 일산화탄소 농도를 더욱 낮게 할 수 있다는 효과를 더욱 얻을 수 있다. 여기서 개질기내에서 생기는 일산화탄소에 대하여 설명한다. Cu - Zn 촉매는 이산화탄소와 수소의 존재하에서는 이하에 나타내는 (6)식의 반응을 약간 진행시키는 활성을 가진다.
Cu - Zn 촉매에 의해 메탄올의 수증기 개질반응, 또는 이와 동시에 메탄올의산화반응을 촉진시키면, 상기한 바와 같이 수소와 이산화탄소가 생성되나, 수소와 이산화탄소의 생성량이 증가함에 따라 상기 (6)식의 반응이 약간 진행되어 일산화탄소가 생성된다. 그 결과 개질기에서 생성되는 연료가스중에는 소정량의 일산화탄소가 함유되게 된다.
이와 같이 메탄올을 개질하기 위하여 Cu - Zn 촉매를 사용하는 것은, 소정량의 일산화탄소의 생성을 수반하나, 상기한 실시예와 같이 수증기 개질반응과 동시에 진행하는 메탄올의 산화반응을 촉진하는 촉매로서 Cu - Zn 촉매를 사용하는 경우에는 이 산화반응이 진행될 때에 일산화탄소가 생성되지 않기 때문에, 연료가스중의 일산화탄소 농도의 상승이 억제된다. Cu - Zn 촉매에 의해 촉진되는 메탄올의 산화반응은 상기한 (5)식에 나타내었으나, 이 반응은 주로 이하의 (7)식 및 (8)식에 나타내는 반응으로 이루어져 있고, 전체로서 (5)식의 반응이 진행된다.
(7)식 및 (8)식에 나타내는 바와 같이 Cu - Zn 촉매에 의해 촉진되는 메탄올의 산화반응은 주로 일산화탄소를 발생하지 않는 반응경로를 경유한다. 이에 대하여 상기한 종래기술의 산화촉매, 예를 들어 백금촉매에 의해 촉진되는 산화반응은 주로 이하의 (9)식 및 (10)식에 나타내는 반응으로 이루어져 있고, 전체로서 (5)식의 반응이 진행되기 때문에, 반응의 도중에서 일산화탄소가 발생한다. 따라서 백금촉매와 같은 종래기술의 산화촉매를 사용하여 메탄올의 산화반응을 촉진하는 경우에는 이와 같이 하여 생긴 일산화탄소의 일부가 개질기내에서 생성되는 연료가스중에 잔류하고, 연료가스중의 일산화탄소 농도를 더욱 끌어올린다.
상기한 실시예과 같이 Cu - Zn 촉매를 사용하여 메탄올의 수증기 개질반응과 산화반응의 양쪽을 촉진하는 경우에는 그 산화반응은 일산화탄소를 생성하지 않는 반응경로를 경유하기 때문에, 종래기술의 백금 등의 산화촉매를 사용하여 메탄올의 산화반응을 촉진하고, Cu - Zn 촉매를 사용하여 수증기 개질반응을 촉진하는 경우와 비교하여 생성되는 연료가스중의 일산화탄소 농도를 훨씬 낮게 하는 것이 가능해진다. 종래기술의 백금 등의 산화촉매를 개질기내에 구비시켜 Cu - Zn 촉매에 의해 메탄올의 수증기 개질반응을, 상기 산화촉매에 의해 메탄올의 산화반응을 진행시킨 경우에는 통상은 1.5 내지 2% 이상의 일산화탄소가 연료가스중에 잔류한다. 이에 대하여 Cu - Zn 촉매만을 사용하여 메탄올의 수증기 개질반응과 산화반응을 진행시킨 경우에는 연료가스중에 잔류하는 일산화탄소 농도를 0.5% 정도로 억제하는 것이 가능해진다.
일산화탄소가 잔류하는 연료가스를 연료전지에 공급하면, 이 일산화탄소는 전해질막상에 설치된 백금을 함유하는 촉매층에 흡착되어 전기화학반응의 진행을 저해한다. 상기한 실시예의 연료전지장치에서는 개질기의 하류에 C0 저감부를 설치하고 연료전지에 공급하는 연료가스중의 일산화탄소 농도를 저감하고 있으나, Cu - Zn 촉매를 사용하여 메탄올의 산화반응과 수증기 개질반응을 촉진하여 개질기에서 생성되는 연료가스중의 일산화탄소 농도를 저감함으로써 C0 저감부에 요구되는 처리량(C0 저감부에서 산화해야 할 일산화탄소량)이 적어진다. 따라서 C0 저감부를 더욱 소형화하더라도 충분히 일산화탄소 농도가 낮은 연료가스를 연료전지에 공급하는 것이 가능해진다. 또한 개질기에서 생성되는 연료가스중의 일산화탄소 농도가 충분히 낮으면, CO 저감부를 설치하지 않는 것으로 하여도 된다. 이와 같이 Cu - Zn 촉매를 사용하여 메탄올의 수증기 개질반응과 메탄올의 산화반응의 양쪽을 촉진함으로써, 개질기에서 생성되는 연료가스중의 일산화탄소 농도를 더욱 낮게 하고, 이 개질기를 구비하는 연료전지장치 전체를 콤팩트화할 수 있다.
또한 상기한 실시예의 Cu - Zn 촉매에서는 이 촉매를 제조하는 재료로서 산화구리(CuO)와 산화아연(ZnO)을 사용하였으나, 이들을 공침시킬 때에, 다른 물질을더 가하는 것으로 하여도 된다. 예를 들어 산화구리와 산화아연을 공침시켜 Cu - Zn 촉매를 제조할 때에 알루미나를 2 내지 5% 정도 가하여도 되고, 이와 같은 구성으로 하면, Cu - Zn 촉매의 내열성을 향상시켜 촉매를 형성하는 구리와 산화아연의 불균일한 상태를 향상시킬 수 있다.
또 상기한 설명에서는 메탄올의 수증기 개질반응과 메탄올의 산화반응의 양쪽을 촉진하는 촉매로서, 산화구리와 산화아연을 재료로 하는 Cu - Zn 촉매를 사용하는 것으로 하였으나, Cu - Zn 이외의 구리계 촉매를 사용하여도 메탄올의 수증기 개질반응과 산화반응을 촉진하여 일산화탄소 농도가 낮은 연료가스를 생성할 수 있다는 효과를 얻을 수 있다. 예를 들어 산화구리와 산화크롬(Cr2O3)을 재료로서 사용하거나, 산화구리와 산화규소(SiO2)를 재료로서 사용하거나, 또는 산화구리와 다른 금속산화물을 재료로서 사용하여도 상기한 양 반응을 촉진 가능한 촉매를 얻을 수 있다. 이 때 이들 구리계 촉매를 제조하는 방법으로서는 상기한 공침법 외에 함침법이나 혼련법, 또는 이온 교환법 등, 사용하는 재료에 따른 제조방법을 채용하면 된다.
이상 본 발명의 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 이와 같은 실시예에 전혀 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위내에 있어서 다양한 형태로 실시할 수 있음은 물론이다.
이상과 같이 본 발명에 이와 같은 연료개질장치는 연료전지의 제조·판매분야, 또는 이와 같은 연료전지를 탑재하는 전기자동차의 제조·판매분야에 있어서 사용할 수 있다.

Claims (26)

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  13. 흡열을 수반하고 원연료 및 수증기로부터 수소를 생성하는 연료 개질반응 및 발열을 수반하고 원연료를 산화하는 산화반응을 진행하여 상기 산화반응으로 발생되는 열을 상기 수증기 개질반응 과정에 이용하는 연료개질장치로서,
    수증기 개질반응 및 산화반응을 촉진하는 촉매를 구비하는 입자를 내부에 밀봉한 촉매부;
    원연료, 수증기 및 산소를 함유하는 원연료 가스를 상기 촉매부로 공급하는 원연료 가스 공급수단;
    상기 촉매부에서 진행하는 수증기 개질반응 및 산화반응을 통하여 생성되는 수소가 풍부한 연료가스를 상기 촉매부로부터 배출하도록 하는 연료가스 배출수단및 상기 촉매부에서 상기 촉매를 구비한 입자를 교반하는 촉매교반수단을 구비하는 연료개질장치.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 촉매 교반수단은 상기 원연료가스 공급수단에 구비되고, 원연료, 수증기 및 산소중의 적어도 하나 이상을 함유하는 가스를 상기 촉매부에 분무하여, 상기 촉매부에서 상기 촉매를 구비하는 입자를 교반하는 것을 특징으로 하는 연료개질장치.
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  18. 흡열을 수반하고 원연료 및 수증기로부터 수소를 생성하는 연료개질반응 및 발열을 수반하고 원연료를 산화하는 산화반응을 진행하여 상기 산화반응으로 발생되는 열을 상기 수증기 개질반응 과정에 이용하는 연료개질장치로서,
    수증기 개질반응 및 산화반응을 촉진하는 촉매를 구비하는 촉매부;
    원연료 및 수증기를 함유하는 원연료 가스를 상기 촉매부로 공급하는 원연료가스 공급수단;
    산소를 함유하는 산화가스를 상기 촉매부에 공급하는 산화가스 공급수단;
    상기 촉매부에서 진행하는 수증기 개질반응 및 산화반응을 통하여 생성되는 수소가 풍부한 연료가스를 상기 촉매부로부터 배출하도록 하는 연료가스 배출수단및 상기 촉매부에서 상기 원연료가스와 함께 산화가스가 공급되는 공급측과, 상기 연료가스를 배출하는 배출측을 인접하게 하여 상기 공급측과 상기 배출측의 사이에서 열교환을 행하게 하는 가열균등화수단을 구비하고,
    상기 촉매부는 내부에 형성되는 상기 원연료가스의 유로에 반환부를 가지고, 상기 유로의 입구부와 출구부는 서로 입접하여 설치되는 것을 특징으로 하는 연료개질장치.
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  21. 흡열을 수반하고 원연료 및 수증기로부터 수소를 생성하는 연료개질반응 및 발열을 수반하고 원연료를 산화하는 산화반응을 진행하여, 상기 산화반응으로 발생되는 열을 상기 수증기 개질반응 과정에 이용하는 연료개질장치로서,
    수증기 개질반응 및 산화반응을 촉진하는 촉매를 구비하는 촉매부;
    원연료 및 수증기를 함유하는 원연료 가스를 상기 촉매부로 공급하는 원연료가스 공급수단;
    산소를 함유하는 산화가스를 상기 촉매부에 공급하는 산화가스 공급수단;
    상기 촉매부에서 진행하는 수증기 개질반응 및 산화반응을 통하여 생성되는 수소가 풍부한 연료가스를 상기 촉매부로부터 배출하도록 하는 연료가스 배출수단및 원연료 및 산화가스를 공급하는 측 영역에 원연료 및 물중 적어도 하나 이상을 함유하는 액체를 분무하는 끝단부 냉각수단을 구비하는 연료개질장치.
  22. 제 13항, 제 14항, 제 18항 및 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 원연료는 메탄올이고,
    상기 수증기 개질반응 및 산화반응을 촉진하는 촉매는 단일의 구리계 촉매인 연료개질장치.
  23. 흡열을 수반하고 원연료 및 수증기로부터 수소를 생성하는 연료개질반응 및 발열을 수반하고 원연료를 산화하는 산화반응을 진행하고, 상기 산화반응으로 발생되는 열을 상기 수증기 개질반응 과정에 이용하는 연료개질장치로서,
    수증기 개질반응 및 산화반응을 촉진하는 촉매를 구비하는 제 1 반응부 및 수증기 개질반응을 촉진하는 촉매를 구비하는 제 2 반응부를 구비하는 촉매부;
    원연료 및 수증기를 함유하는 원연료 가스를 상기 촉매부로 공급하는 원연료 가스 공급수단;
    산소를 함유하는 산화가스를 상기 제 1 반응부에 공급하는 산화가스 공급수단 및 상기 촉매부에서 진행하는 수증기 개질반응 및 산화반응을 통하여 생성되는 수소가 풍부한 연료가스를 상기 촉매부로부터 배출하도록 하는 연료가스 배출수단을 구비하고,
    적어도 연료가스 흐름의 수직방향에서 보이는 중첩영역이 있도록 상기 촉매부에서 상기 제 1 반응부와 상기 제 2 반응부를 서로 인접하여 설치하여, 상기 제 1 반응부와 상기 제 2 반응부의 사이에서 열교환이 행해지는 연료개질장치.
  24. 제 23항에 있어서,
    상기 원연료는 메탄올이고,
    상기 제 1 반응부에 구비되는 촉매는 단일의 구리계 촉매인 연료개질장치.
  25. 삭제
  26. 삭제
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20160041179A (ko) 2014-10-06 2016-04-18 현대중공업 주식회사 연료개질장치 및 그를 포함하는 합성가스 제조 시스템

Families Citing this family (34)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6569553B1 (en) * 2000-08-28 2003-05-27 Motorola, Inc. Fuel processor with integrated fuel cell utilizing ceramic technology
US7192458B1 (en) * 2001-03-22 2007-03-20 Hyradix Incorporated Process, control system and apparatus for the distribution of air in a fuel cell/fuel processor system
GB0125321D0 (en) * 2001-10-22 2001-12-12 Lattice Intellectual Property Catalyst surfaces
DE10159735A1 (de) * 2001-12-05 2004-02-05 Daimlerchrysler Ag Reaktor zur autothermen Reformierung von Kohlenwasserstoffen
DE10213792A1 (de) * 2002-03-27 2003-10-23 Bosch Gmbh Robert Reformierungseinrichtung für eine Brennstoffstelle
JP2004018363A (ja) * 2002-06-20 2004-01-22 Nissan Motor Co Ltd 燃料改質装置
US7192460B2 (en) * 2003-02-28 2007-03-20 Modine Manufacturing Company Reformate cooling system and method for use in a fuel processing subsystem
US7438987B2 (en) * 2003-05-15 2008-10-21 Lawrence Livermore National Security, Llc Carbon fuel particles used in direct carbon conversion fuel cells
DE10329162A1 (de) 2003-06-27 2005-01-13 Alstom Technology Ltd Katalytischer Reaktor und zugehöriges Betriebsverfahren
KR100542217B1 (ko) * 2004-06-07 2006-01-12 삼성에스디아이 주식회사 연료 전지 시스템 및 이에 사용되는 개질기
KR100551036B1 (ko) * 2004-06-30 2006-02-13 삼성에스디아이 주식회사 연료 전지 시스템의 개질기 및 이를 채용한 연료 전지시스템
US20100202941A1 (en) * 2004-07-02 2010-08-12 Hideki Chikada Liquid Fuel Reforming Device
KR101155910B1 (ko) * 2005-03-16 2012-06-20 삼성에스디아이 주식회사 개질 기능을 갖는 스택 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템
JP4462082B2 (ja) * 2005-03-22 2010-05-12 トヨタ自動車株式会社 燃料改質装置
MY161064A (en) * 2005-06-13 2017-04-14 Osaka Gas Co Ltd Method and apparatus for producing hydrogen-containing gas
DE102005044926B3 (de) * 2005-09-20 2007-01-25 Eads Deutschland Gmbh Vorrichtung zur Erzeugung von Wasserstoffgas durch Dehydrogenierung von Kohlenwasserstoff-Brennstoffen
JP5194373B2 (ja) * 2006-03-27 2013-05-08 トヨタ自動車株式会社 改質装置
DE102006047493B4 (de) * 2006-10-05 2010-01-07 Ws Reformer Gmbh Brennstoffzellensystem und Verfahren zur Erzeugung von Strom und Wärme aus flüssigen und gasförmigen Brennstoffen
EP2116509B1 (en) * 2007-03-01 2012-08-29 Panasonic Corporation Hydrogen producing apparatus, its driving method, and fuel-cell system
KR101292737B1 (ko) * 2007-11-02 2013-08-05 에스케이이노베이션 주식회사 수증기 개질반응을 이용한 수소발생장치
JP5018550B2 (ja) * 2008-02-27 2012-09-05 トヨタ自動車株式会社 燃料改質装置
JP2010132482A (ja) * 2008-12-03 2010-06-17 Ngk Insulators Ltd リアクタ
GB0822544D0 (en) * 2008-12-11 2009-01-14 Compactgtl Plc Chemical reactor operation
US8288187B2 (en) * 2010-01-20 2012-10-16 Universal Display Corporation Electroluminescent devices for lighting applications
US9120985B2 (en) 2010-05-26 2015-09-01 Exxonmobil Research And Engineering Company Corrosion resistant gasifier components
TWI412172B (zh) * 2010-11-05 2013-10-11 Ind Tech Res Inst 燃料重組裝置及其方法
US9116528B2 (en) * 2011-04-26 2015-08-25 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Hydrogen generation apparatus, fuel cell system, and method of operating the same
RU2567233C2 (ru) * 2011-06-17 2015-11-10 Тойота Дзидося Кабусики Кайся Система генерирования электрической энергии на базе топливных элементов и способ управления данной системой генерирования электрической энергии
CA2958748C (en) * 2014-08-19 2023-04-04 WATT Fuel Cell Corp Multi-reformable fuel delivery systems and methods for fuel cells
CN105070929B (zh) * 2015-08-06 2017-08-25 广东合即得能源科技有限公司 一种甲醇水重整制氢发电机
KR102439812B1 (ko) * 2017-09-01 2022-09-02 엘지전자 주식회사 연료 개질 장치
RU2690469C1 (ru) * 2018-10-08 2019-06-03 Государственный научный центр Российской Федерации - федеральное государственное унитарное предприятие "Исследовательский Центр имени М.В. Келдыша" Устройство для извлечения диоксида углерода из газовых смесей
CN111346590B (zh) * 2020-03-31 2021-10-08 上海岚泽能源科技有限公司 整体型反应器
RU2742851C1 (ru) * 2020-09-22 2021-02-11 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова" Способ удаления кислорода из жидкого топлива

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0112613A2 (en) * 1982-09-30 1984-07-04 Engelhard Corporation Process for producing hydrogen-rich gas from hydrocarbonaceous feeds
WO1994026656A1 (en) * 1993-05-13 1994-11-24 Gastec N.V. Process for the production of hydrogen/carbon monoxide mixtures or hydrogen from methane
JPH09315801A (ja) * 1996-03-26 1997-12-09 Toyota Motor Corp 燃料改質方法と燃料改質装置ならびに該燃料改質装置を備えた燃料電池システム
KR19980024908A (ko) * 1996-09-24 1998-07-06 와다 아키히로 일산화탄소 농도 저감 장치 및 일산화탄소 농도 저감 방법
KR100290078B1 (ko) * 1996-09-06 2001-05-15 와다 아끼히로 연료전지의 발전장치 및 그 방법

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2201125A1 (en) * 1972-10-04 1974-04-26 Bogossian Antoine Hot catalytic bed reactor - with precisely controlled even temperature throughout all parts of the bed
US3946104A (en) * 1973-01-13 1976-03-23 Friedrich Uhde Gmbh Method of producing an homogeneous gas mixture
IL51237A (en) 1976-01-19 1979-11-30 Uop Inc Hydrocarbon conversion with gravity-flowing catalyst particles
US4272823A (en) * 1979-10-26 1981-06-09 Phillips Petroleum Company Control system for a reactor
DE3272205D1 (en) 1981-12-21 1986-08-28 Ici Plc Process for steam reforming a hydrocarbon feedstock and catalyst therefor
US4650651A (en) 1983-06-09 1987-03-17 Union Carbide Corporation Integrated process and apparatus for the primary and secondary catalytic steam reforming of hydrocarbons
FR2560866B1 (fr) 1984-03-09 1988-05-20 Inst Francais Du Petrole Nouveau procede de fabrication de gaz de synthese par oxydation indirecte d'hydrocarbures
GB8521953D0 (en) 1985-09-04 1985-10-09 Johnson Matthey Plc Catalytic hydrogen generator
JPH0752649B2 (ja) 1988-01-12 1995-06-05 川崎重工業株式会社 燃料電池用燃料改質方法
JPH0733242B2 (ja) 1988-12-15 1995-04-12 川崎重工業株式会社 燃料電池用燃料改質方法
US5567398A (en) * 1990-04-03 1996-10-22 The Standard Oil Company Endothermic reaction apparatus and method
JP2631244B2 (ja) 1990-10-19 1997-07-16 川崎重工業株式会社 燃料電池用水素製造方法及び装置
US5411927A (en) 1992-08-14 1995-05-02 Council Of Scientific & Industrial Research Process of preparing composite catalysts for production of synthesis gas by oxidative conversion of methane or natural gas
NO300117B1 (no) * 1994-12-22 1997-04-14 Norske Stats Oljeselskap Reaktor for dehydrogenering av hydrokarboner med selektiv oksidasjon av hydrogen
US6641625B1 (en) * 1999-05-03 2003-11-04 Nuvera Fuel Cells, Inc. Integrated hydrocarbon reforming system and controls

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0112613A2 (en) * 1982-09-30 1984-07-04 Engelhard Corporation Process for producing hydrogen-rich gas from hydrocarbonaceous feeds
WO1994026656A1 (en) * 1993-05-13 1994-11-24 Gastec N.V. Process for the production of hydrogen/carbon monoxide mixtures or hydrogen from methane
JPH09315801A (ja) * 1996-03-26 1997-12-09 Toyota Motor Corp 燃料改質方法と燃料改質装置ならびに該燃料改質装置を備えた燃料電池システム
KR100290078B1 (ko) * 1996-09-06 2001-05-15 와다 아끼히로 연료전지의 발전장치 및 그 방법
KR19980024908A (ko) * 1996-09-24 1998-07-06 와다 아키히로 일산화탄소 농도 저감 장치 및 일산화탄소 농도 저감 방법
KR100286414B1 (ko) * 1996-09-24 2001-04-16 와다 아끼히로 일산화탄소 농도저감장치 및 일산화탄소 농도 저감방법

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20160041179A (ko) 2014-10-06 2016-04-18 현대중공업 주식회사 연료개질장치 및 그를 포함하는 합성가스 제조 시스템

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ATE500196T1 (de) 2011-03-15
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PL345402A1 (en) 2001-12-17
CA2336545A1 (en) 2000-01-20
US6887286B1 (en) 2005-05-03
CN1430301A (zh) 2003-07-16

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