KR100507734B1 - 수소생성장치 및 연료전지 시스템 - Google Patents

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마츠시타 덴끼 산교 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명의 수소생성장치는 유기화합물을 함유하는 원료와 물을 반응시킴으로써 적어도 수소 및 일산화탄소를 함유하는 개질가스를 생성하는 개질부와, 상기 개질부에 의해 생성된 상기 개질가스 중에 함유된 상기 일산화탄소를 시프트 반응에 따라서 감소시키는 적어도 하나의 변성부를 포함하는 일산화탄소 제거수단과, 상기 개질가스 중에 함유된 수분을 사용하여 직접 또는 간접적으로 상기 원료를 가습하는 원료가습수단을 구비한다.

Description

수소생성장치 및 연료전지 시스템{HYDROGEN GENERATION APPARATUS AND FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 탄화수소계 등의 연료를 개질함으로써 개질가스를 생성하는 수소생성장치 및 상기 수소생성장치를 사용하는 연료전지 시스템 등에 관한 것이다.
연료전지를 사용하는 연료전지 발전 시스템은 발전효율이 높고, 발전 시에 발생된 열을 효과적으로 이용할 수 있기 때문에, 가정용 코제너레이션(cogeneration) 시스템으로의 응용이 기대된다.
가정용의 경우, 장치의 빈번한 기동/정지에의 대응, 장치의 내구성 및 비용절감의 관점으로부터 비교적 저온으로 연료전지 발전 시스템을 동작시키는 것이 바람직하다. 그러므로, 발전부로서 고분자 전해질막을 사용하는 고분자형 전기 연료전지의 개발이 진행되고 있다.
대부분의 연료전지는 연료로서 수소를 이용하여 발전한다. 그러나, 현재에는 개질가스의 기본적 시설이 준비되어 있지 않기 때문에, 발전시스템은 연료전지뿐만 아니라, 천연가스 또는 LPG와 같은 탄화수소 성분, 메탄올과 같은 알코올, 또는 나프타(naphtha) 성분과 같은 원료와 물을 반응시킴으로써 수소를 함유하는 개질가스를 생성하는 개질부가 제공된 수소생성장치를 사용한다.
개질부에 의해 생성된 개질가스 중에는 수소뿐만 아니라 이산화탄소 및 일산화탄소가 부성분으로 함유되어 있다. 현재 개발되고 있는 고분자형 전기 연료전지는 100℃ 이하의 저온에서 동작하기 때문에, 전지 전극 촉매의 활성을 유지하기 위해 개질가스 중에 함유된 일산화탄소를 최소화 하는 것이 필요하다. 그러므로, 수소생성장치는 개질가스를 생성하는 개질부뿐만 아니라 일산화탄소와 물을 시프트 반응시키는 변성부 및 일산화탄소를 산화시키는 정화부로 구성된 일산화탄소 제거수단을 사용하는 구성을 갖는다.
수소생성장치의 효율은 개질부를 개질반응에 필요한 온도까지 가열하기 위한 열량이 증가할수록 저하된다.
수소생성장치에서는 탄화수소와 같은 원료와 수증기를 반응시킨다. 그러나, 물은 증발 잠열(evaporative latent heat)량이 매우 크기 때문에, 개질부는 물을 증발시키기 위해 다량의 열량을 필요로 한다. 그러므로, 수소생성장치의 효율을 일정값 이상으로 상승시키는 것은 곤란하다.
반면, 시프트 반응은 발열평형반응이기 때문에, 개질부의 하류 측에 위치되어 시프트 반응을 실행하는 변성부에서는 저온에서 개질가스에 대한 수증기의 비율이 증가할수록 일산화탄소를 더욱 쉽게 감소시키고, 반응에 필요한 공기 공급량은 변성부의 하류 측에 위치하는 정화부에서 감소시킬 수 있다. 그러므로, 과도한 수소의 소비가 억제될 수 있고, 안정한 동작이 실행될 수 있다. 수증기의 양을 증가시키고 온도를 상승시킴으로써, 시프트 반응 속도가 증가하기 때문에 촉매량을 감소시켜 변성부를 더욱 소형화하는 것이 가능하다.
그러나, 변성부 내의 수증기는 개질부에 의해 얻어지고, 상술한 바와 같이 수증기의 양을 증가시키기 위해서는 다량의 증발 잠열이 필요하기 때문에 개질부의 가열에 필요한 열량이 증가하고, 변성부의 효율을 향상시키고 변성부를 소형화하기 위해 개질부 내의 수증기의 양을 증가시키면 개질부의 효율저하를 초래한다.
상술한 것을 방지하기 위해, 개별적으로 준비된 물을 원료가스에 첨가함으로써 가습을 실행하는 기술이 제안되었다(예컨대, 일본 특개평 10-330101 및 일본 특개평 11-106204 참조). 그 기술에 의하면, 물을 수증기로 변화시키기 위한 증발 잠열이 저하되기 때문에, 개질장치에 필요한 가열량을 감소시키고 변성부 내의 시프트 반응의 효율을 향상시키는 것이 가능하다. 또한, 일산화탄소 제거부 또는 연료전지용 냉각수의 열을 사용함으로써, 효율의 저하없이 가습을 실행하는 것이 가능하다.
그러나, 종래의 수소생성장치에 사용된 원료가스는 수소생성장치의 열원을 사용하여서만 가습된다. 그 때문에, 효율의 향상이 제한되어 열회수용 배관 및 가습이 복잡하게 되는 문제점이 발생한다.
본 발명은 상술한 종래의 수소생성장치의 문제점을 해결하여, 고효율로 동작하며 간단한 구조와 저열량으로 원료가스를 가습하는 수소생성장치 및 상기 수소생성장치를 사용하는 연료전지 발전 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 제 1 발명은 유기화합물을 함유하는 원료와 물을 반응시킴으로써 적어도 수소 및 일산화탄소를 함유하는 개질가스를 생성하는 개질부와, 상기 개질부에 의해 생성된 상기 개질가스 중에 함유된 상기 일산화탄소를 시프트 반응에 따라서 감소시키는 적어도 하나의 변성부를 포함하는 일산화탄소 제거수단과, 상기 개질가스 중에 함유된 수분을 사용하여 직접 또는 간접적으로 상기 원료를 가습하는 원료가습수단을 구비하는 수소생성장치이다.
본 발명의 제 2 발명은 제 1 발명에 따르는 수소생성장치에 있어서, 상기 원료가습수단은 상기 일산화탄소 제거수단으로부터 배출되는 상기 개질가스에 의해 동작된 연료전지로부터 배출되는 오프가스 중에 함유된 적어도 수분을 사용함으로써 상기 원료를 가습하는 수소생성장치이다.
본 발명의 제 3 발명은 제 1 발명에 따르는 수소생성장치에 있어서, 상기 원료가습수단은 상기 일산화탄소 제거수단으로부터 배출되는 개질가스 중에 함유된 수분을 사용함으로써 상기 원료를 가습하는 수소생성장치이다.
본 발명의 제 4 발명은 제 2 발명 또는 제 3 발명에 따르는 수소생성장치에 있어서, 상기 원료가습수단은 적어도 수분을 투과하는 투과막을 갖고, 상기 투과막은 상기 오프가스 또는 상기 개질가스의 경로 및 상기 원료의 경로 사이에 경계를 형성하도록 제공된 수소생성장치이다.
본 발명의 제 5 발명은 제 4 발명에 따르는 수소생성장치에 있어서, 상기 투과막은 수소도 투과하는 수소생성장치이다.
본 발명의 제 6 발명은 제 2 발명에 따르는 수소생성장치에 있어서, 상기 원료가습수단은 상기 오프가스의 경로 및 상기 원료의 경로 사이에 경계를 형성하도록 제공된 친수성 프로톤 전도체와, 상기 친수성 프로톤 전도체에 전압을 인가하는 전압인가수단을 포함하는 수소생성장치이다.
본 발명의 제 7 발명은 제 4 발명에 따르는 수소생성장치에 있어서, 상기 원료가습수단은 상기 오프가스 또는 상기 개질가스와 상기 원료를 열교환하는 수소생성장치이다.
본 발명의 제 8 발명은 제 6 발명에 따르는 수소생성장치에 있어서, 상기 오프가스는 상기 개질부를 가열하도록 사용되고, 상기 전압인가수단은 상기 친수성 프로톤 전도체에 인가되는 전압을 조절함으로써 상기 개질부의 온도를 제어하는 수소생성장치이다.
본 발명의 제 9 발명은 제 1 발명, 제 2 발명, 제 3 발명, 제 6 발명 또는 제 8 발명 중 어느 한 발명에 따르는 수소생성장치와, 상기 수소생성장치로부터 공급된 개질가스에 의해 발전하는 연료전지를 포함하는 연료전지 발전 시스템이다.
본 발명의 제 10 발명은 유기화합물을 함유하는 원료와 물을 반응시킴으로써 적어도 수소 및 일산화탄소를 함유하는 개질가스를 생성하는 개질부와, 상기 개질부에 의해 생성된 상기 개질가스 중에 함유된 상기 일산화탄소를 시프트 반응에 따라서 감소시키는 적어도 하나의 변성부를 포함하는 일산화탄소 제거수단과, 상기 일산화탄소 제거수단으로부터 배출되는 상기 개질가스에 의해 발전하는 연료전지와, 상기 원료를 가습하는 원료가습수단을 포함하고, 상기 원료가습수단은 상기 원료에 물을 공급하는 수열담지체 및 상기 수열담지체를 순환시키는 순환수단을 구비하며, 상기 수열담지체는 상기 연료전지와 열교환하는 연료전지 발전 시스템이다.
본 발명의 제 11 발명은 제 10 발명에 따르는 연료전지 발전 시스템에 있어서, 상기 원료에 공급되는 물의 양은 상기 수열담지체의 온도에 따라서 제어되는 연료전지 발전 시스템이다.
본 발명의 제 12 발명은 유기화합물을 함유하는 원료와 물을 반응시킴으로써 적어도 수소 및 일산화탄소를 함유하는 개질가스를 생성하는 개질단계와, 상기 개질단계에서 생성된 상기 개질가스 중의 상기 일산화탄소를 시프트 반응에 따라서 감소시키는 적어도 변성단계를 갖는 일산화탄소 제거단계와, 상기 개질가스 중에 함유된 수분을 사용하여 직접 또는 간접적으로 상기 원료를 가습하는 원료가습단계를 포함하는 수소생성방법이다.
본 발명의 제 13 발명은 제 12 발명에 따르는 수소생성방법에 있어서, 상기 원료가습단계는 상기 일산화탄소 제거단계를 통하여 배출되는 상기 개질가스에 의해 동작되는 연료전지로부터 배출되는 오프가스 중에 함유된 적어도 수분을 사용함으로써 상기 원료를 가습하는 단계를 포함하며, 친수성 프로톤 전도체를 사용함으로써 상기 오프가스의 경로 및 상기 원료의 경로 사이에 경계를 형성하도록 제공된 친수성 프로톤 전도체에 전압을 인가하는 전압인가단계를 추가로 포함하는 수소생성방법이다.
본 발명의 제 14 발명은 제 13 발명에 따르는 수소생성방법에 있어서, 상기 개질단계에서의 온도는 상기 개질단계에서 가열하는 상기 오프가스를 사용하고 상기 전압인가단계에서의 상기 친수성 프로톤 전도체에 인가되는 전압을 조절함으로써 제어되는 수소생성방법이다.
(실시예)
이하, 본 발명의 실시예를 첨부도면을 참조하여 설명한다.
(제 1 실시예)
우선, 제 1 실시예의 연료전지 발전 시스템의 구성을 도 1을 참조하여 설명한다. 도 1은 제 1 실시예의 수소생성장치의 구성을 나타내는 개략적인 단면도이다.
도 1에서, 참조번호 1은 개질부를 나타내고, 참조번호 2는 개질부(1)를 가열하는 가열부를 나타내며, 참조번호 3은 개질부(1)에 원료를 공급하는 원료공급부를 나타내고, 참조번호 4는 개질부(1)에 물을 공급하는 개질수(reforming water) 공급부를 나타낸다. 개질부(1), 원료공급부(3) 및 개질수 공급부(4)는 본 발명의 개질부(reformer)를 구성한다. 개질부(1)의 하류측에는 본 발명의 변성부(shifter)에 대응하는 CO 변성부(5)가 설치되고, CO 변성부(5)의 하류측에는 공기공급부(6) 및 본 발명의 일산화탄소 제거수단의 일부에 대응하는 CO 정화부(7)가 설치된다. CO 변성부(5) 및 CO 정화부(7)는 본 발명의 일산화탄소 제거수단을 구성한다. CO 정화부(7)의 하류측에는 본 발명의 연료전지에 대응하는 연료전지 발전부(8)가 설치된다. 참조번호 9는 본 발명의 원료가습수단에 대응하는 원료가습부를 나타내고, 참조번호 10은 연료전지 발전부(8)를 통하여 냉각수를 순환시키는 냉각수 순환부를 나타낸다. 본 발명의 수열담지체의 역할을 하는 냉각수의 온도는 냉각수 온도 검출부(11)에 의해 검출된다. 참조번호 12는 가열부(2)에 연소가스를 공급하는 연소가스 공급부를 나타낸다. 개질부(1)의 내부에는 알루미나(alumina)에 루테늄(ruthenium; Ru)을 담지함으로써 얻어진 개질촉매가 충만되고, CO 변성부(5)의 내부에는 구리 및 아연으로 이루어진 변성촉매가 충만되며, CO 정화부(7)의 내부에는 알루미나에 백금(Pt)을 담지함으로써 얻어진 CO 정화촉매가 충만된다. 일반적으로, 이들 촉매는 수소생성장치에 사용되는 촉매이다. 동일한 기능을 갖는 다른 촉매를 사용하더라도 본 발명의 장점은 변화되지 않는다. 예컨대, 개질촉매로서는 니켈(Ni)촉매가 사용되고, CO 변성촉매로서는 백금촉매 또는 Fe-Cr 촉매가 사용되며, CO 정화촉매로서는 루테늄(Ru)촉매 등이 사용된다.
다음에, 본 발명의 연료전지 발전시스템의 동작을 설명한다.
개질부(1)에 공급되는 원료로는 천연가스, 메탄올 및 가솔린이 있고, 개질방식에는 수증기를 첨가함으로써 실행되는 수증기개질 및 공기를 첨가함으로써 실행되는 부분개질이 있다. 이하, 천연가스를 수증기개질함으로써 개질가스를 얻는 경우를 설명한다.
원료공급부(3)로부터 원료인 천연가스가 개질부(1)에 공급된다. 개질수 공급부(4)로부터 개질부(1)에 물이 공급되어 개질부(1) 내에서 수증기로 증발된다. 그 수증기는 원료와 혼합되어 개질부(1) 내에 충만된 개질촉매와 접촉하게 된다.
개질촉매는 약 700℃ 정도의 온도를 갖도록 가열되어 원료와 수증기를 반응시켜 수소를 주성분으로 하는 개질가스로 변환된다. 생성된 개질가스의 조성은 다소 개질촉매의 온도에 따르지만, 수증기를 제외한 평균값으로서 약 80%의 수소, 약 10%의 이산화탄소 및 약 10%의 일산화탄소가 각각 포함된다. 개질가스의 CO 농도는 개질부(1)의 하류측에 설치된 CO 변성부(5)에서의 시프트 반응을 통하여 약 0.5% 정도까지 저감된 후, 정화공기 공급부(6)로부터 공급된 공기 중의 산소와 CO를 반응시킴으로써 10ppm 이하까지 더욱 저감된다.
그러므로, CO를 제거시킨 개질가스가 연료전지 발전부(8)에 공급된다. 발전시에는 전기와 동시에 열이 발생되기 때문에, 연료전지 발전부(8)는 냉각수 순환부(10)에 의해 공급된 냉각수에 의해 냉각되어 일정 온도를 유지한다. 연료전지 발전부(8)의 온도는 냉각수 온도검출부(11)에 의해 검출되는 온도가 일정하게 되도록 냉각수의 양을 증감시킴으로써 제어된다.
가열된 냉각수는 원료가습부(9)에 보내져 원료공급부(3)로부터 공급된 원료를 가습하는데 사용된다. 원료가습부(9)에서는 원료와 물이 충분하게 접촉하도록 동작하여, 원료는 냉각수 온도에서 이슬점(dew point)까지 가습된다. 가습된 원료는 개질부(1)에 공급된다. 일반적으로, 냉각수 온도는 연료전지 발전부(8)가 고특성을 나타내는 65℃ 내지 90℃에 설정되기 때문에, 원료가습부(9) 통과 후의 S/C(수증기 및 원료 중의 탄소의 비)는 약 0.5 및 2 사이의 범위이다. 그러므로, 물은 S/C가 개질부(1)에서 2.5 내지 3.5 사이의 범위가 되도록 개질수 공급부(4)에 의해 추가로 공급된다. 냉각수 온도가 충분히 상승하는 경우, 필요한 양의 물과 원료를 혼합하는 것이 가능하기 때문에, 개질수 공급부(4)로부터 개질기(1)에 물을 공급할 필요가 없다. 또한, 냉각수 온도검출부(11)에 의해 검출된 냉각수 온도에 따라서 원료의 가습량을 산출하여 개질수 공급부(4)로부터 추가로 공급되는 물의 양을 제어함으로써, 장치를 기동하는 경우 또는 연료전지 발전부(8)의 온도를 변화시키는 동안에 운전을 계속하는 경우에도 대응하는 것이 가능하다.
이하, 제 1 실시예의 동작 원리를 설명한다. 연료전지 발전 시스템을 사용하는 코제너레이션 시스템은 일반 가정의 전력 및 열 사이의 수요 밸런스의 관점으로부터 발전시에 발생된 열도 효과적으로 사용하지만, 전력비율 즉, 발전효율을 향상시키는 것이 필요하다. 발전효율을 향상시키기 위해서는 수소생성장치의 효율을 향상시키는 것이 필요하다. 그러므로, 개질부를 가열하는 연소부의 배기가스의 열을 효과적으로 사용하거나 수소생성장치로부터 배출되는 열의 손실을 저하시키는 것이 일반적으로 연구된다.
그러나, 저온 배기열을 회수하기 위해서는 광범위한 열교환 면적이 필요하다. 이것은 장치가 대형화되는 원인이 되기 때문에, 일정 레벨 이상으로 효율을 향상시키는 것은 곤란하다. 특히, 개질반응에 따라서 원료와 접촉시키기 위한 물은 다량의 증발잠열을 갖는데, 이것은 효율이 향상되는 것을 방지한다. 또한, 연료전지 발전부는 일반적으로 발전시에 발생된 열을 냉각수를 사용하여 냉각시킴으로써 65℃ 내지 90℃의 온도가 일정하게 유지되도록 동작된다. 일반적으로, 열은 온수를 공급하기 위해 사용된다.
반면, 제 1 실시예에서는, 연료전지 발전부(8)에서 발생된 열의 일부를 원료의 가습에 사용하여 개질부(1)에 필요한 수증기의 일부를 추출할 수 있기 때문에, 수소생성장치에 공급되는 물을 증발시키기 위해 사용된 가열량을 제어하는 것이 가능하다. 물을 대기압 하에서 효과적으로 증발시키기 위해서는 100℃ 이상의 온도가 필요하다. 그러나, 원료와 100℃ 미만의 물을 접촉시킴으로써 연료전지 발전부와 같은 저온 열원으로부터 효과적으로 열을 회수하고, 물을 증발시키는 경우보다 작은 가열량으로 효과적으로 수증기를 얻어, 수소생성장치의 효율을 향상시키는 것이 가능하다.
제 1 실시예에서는 원료가습부(9)로서 냉각수를 저장하는 탱크를 통하여 원료가스를 순환시키는 구성을 갖는 부분을 사용한다. 그러나, 본 발명의 원료가습수단은 냉각수와 원료가스가 효과적으로 접촉할 수 있는 구성을 갖기만 하면 어떤 수단을 사용해도 된다. 또한, 냉각수와 열교환을 통하여 가열된 물과 원료를 접촉시킬 수 있는 구성을 사용해도 된다. 또, 본 발명의 수열담지체는 열 및 수분을 직접 원료에 공급하는 냉각수로서 설명하였다. 그러나, 그 대신에 에틸렌 글리콜(ethylene glycol)과 같은 가열매체로 물을 가열하여, 그 가열된 물로 원료를 가습하는 것도 가능하다. 이 경우, 가열매체는 열 및 수분을 간접적으로 원료에 공급한다.
또한, 연료전지 발전부(8)는 일반적으로 귀금속을 담지하는 탄소로 코팅된 평판 전극으로 고분자 전해질을 보유하고, 이것들을 탄소 또는 금속제 세퍼레이터(separator)로 분할하여 적층함으로써 구성된다. 제 1 실시예의 경우, 연료전지 발전부(8)는 상기 세퍼레이터 상에 냉각수 유로를 형성함으로써 물을 순환시키도록 구성되었지만, 냉각부는 연료전지 발전부(8)의 전극에 의해 발생된 열을 효과적으로 제거하도록 구성되어도 된다.
(제 2 실시예)
이하, 본 발명의 제 2 실시예를 설명한다. 도 2의 (a)에 나타낸 바와 같이, 제 2 실시예는 본 발명의 원료가습수단에 대응하는 전열교환부(30)가 연료전지 발전부(8)의 하류 측에 제공된 것을 제외하고는 제 1 실시예와 유사하다. 그러므로, 제 2 실시예에서는 도 1과 동일부분 또는 대응부분에 대해서는 도 2의 (a)에 동일부호를 부여함으로써 상세한 설명은 생략하고 제 1 실시예와 상이한 점을 주로 설명한다. 이하, 본 발명의 수소생성장치의 일예 및 수소생성방법의 일예를 설명한다.
도 2의 (a)는 제 2 실시예의 연료전지 발전시스템의 구성을 나타내는 개략적인 단면도이다. 수소생성장치에 의해 생성된 개질가스는 연료전지 발전부(8)에 공급되고, 대부분의 수소는 발전용으로 소비되어 오프가스(off-gas)로서 배출된다. 배출되는 오프가스는 여전히 수소를 함유하고 있기 때문에, 개질부(1)를 가열하기 위한 가열부(2)에 의해 연소가스 공급부(12)로부터 공급된 가열연료와 함께 연소된다.
오프가스 중에는 다량의 수증기가 함유되어 있기 때문에, 가열부(2) 내에서 오프가스를 직접 연소시키면 화염온도가 낮아지고 개질부(1)의 효율이 저하된다.
그러나, 제 2 실시예의 경우, 오프가스는 전열교환부(30)의 원료공급부(3)로부터 공급된 원료와 완전히 열교환된다. 또한, 도 2의 (b)에 나타낸 바와 같이, 오프가스와 원료를 분리하여 오프가스 및 원료의 경로 사이에 경계를 형성하는 물 투과막(30a)이 전열교환부(30) 내에 형성되기 때문에, 오프가스 중의 수증기는 물 투과막(30a)을 통하여 원료로 이동하여, 원료를 가습한다.
이와 같이, 원료를 가습하여, 그 원료로부터 개질반응용 수증기의 일부를 얻음으로써, 개질수 공급부(4)로부터 개질부(1)에 공급되는 물의 양을 감소시켜 개질부(1)의 가열량을 제어하는 것이 가능하다. 또한, 오프가스 중에 함유된 수증기가 동시에 제거되기 때문에, 가열부(2)의 화염온도의 저하가 억제되므로, 수소생성장치의 효율이 더욱 향상된다.
제 2 실시예에서는 본 발명의 투과막으로서 물 투과막 및 고분자형 연료전지용으로 사용된 전해질막을 사용하였지만, 물을 투과시키는 막(물 투과 고분자막 등)이기만 하면 어떤 막이라도 사용될 수 있다. 제올라이트(zeolite)와 같이 물을 투과시킬 수 있는 재료에 의해 형성된 막의 경우라도, 동일한 효과가 얻어질 수 있다.
(제 3 실시예)
이하, 본 발명의 제 3 실시예를 설명한다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 제 3 실시예는 본 발명의 원료가습수단에 대응하는 전열교환부(40)가 CO 정화부(7) 및 연료전지 발전부(8) 사이에 설치된 것을 제외하고는 제 2 실시예와 유사하다. 그러므로, 제 3 실시예에서는 도 2의 (a)와 동일부분 또는 대응부분에 대해서는 도 3에 동일부호를 부여함으로써 상세한 설명은 생략하고 제 2 실시예와 상이한 점을 주로 설명한다. 또한, 전열교환부(40)는 CO 정화부(7)로부터 배출되는 개질가스를 원료로부터 분리하여 개질가스 및 원료의 경로 사이에 경계를 형성하는 물 투과막을 갖는다.
도 3은 제 3 실시예의 연료전지 발전 시스템의 구성을 나타내는 개략적인 단면도이다. 제 3 실시예의 경우, 전열교환부(40)는 CO 정화부(7)를 통과한 후의 개질가스를 원료와 전적으로 열교환하여 물 투과막에 의해 개질가스 내의 수증기를 원료에 이동시킴으로써 원료를 가습한다. 원료를 가습함으로써, 개질수 공급부(4)로부터 공급되는 물의 양을 감소시켜 개질부(1)의 가열량을 제어하는 것이 가능하다.
또한, CO 정화부(7)를 통과한 후의 개질가스는 통상적으로 연료전지 발전부(8)의 동작 온도보다 높은 100℃ 이상이기 때문에, 제 3 실시예에서의 CO 정화부(7) 및 연료전지 발전부(8) 사이의 개질가스로부터 수증기 및 열을 회수함으로써, 개질부(1)의 효율뿐만 아니라 낮은 개질가스 온도를 연료전지 발전부(8)의 온도까지 효율적으로 상승시켜 CO 정화부(7) 및 연료전지 발전부(8) 사이의 배관 내의 물의 응축을 제어하는 것이 가능하다.
(제 4 실시예)
이하, 본 발명의 제 4 실시예를 설명한다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 제 4 실시예는 전열교환부(50)가 CO 변성부(5) 및 CO 정화부(7) 사이에 설치되고, CO 변성부(5)에 물을 공급하는 변성수 공급부(51)가 CO 변성부(5)의 하류 측에 설치된 것을 제외하고는 제 2 실시예와 유사하다. 그러므로, 제 4 실시예에서는 도 2의 (a)와 동일부분 또는 대응부분에 대해서는 도 4에 동일부호를 부여함으로써 상세한 설명은 생략하고 제 2 실시예와 상이한 점을 주로 설명한다. 또한, 전열교환부(50)는 CO 변성부(5)로부터 배출되는 개질가스를 원료로부터 분리하여, 전열교환부(30 및 40)의 경우와 유사하게 개질가스 및 원료의 경로 사이에 경계를 형성하는 물 투과막을 갖는다.
도 4는 제 4 실시예의 연료전지 발전 시스템의 구성을 나타내는 개략적인 단면도이다.
제 3 실시예의 경우, 개질가스 내에 함유된 수증기 및 개질가스의 열은 CO 정화부(7)의 하류 측에서 회수된다. 그러나, CO 변성부(5)에서 수증기의 양을 증가시킬 때, CO 변성부(5)의 하류 측에 위치된 CO 정화부(7)의 반응성이 과도한 수증기로 인하여 저하되고, CO 정화부(7)의 하류 측에 위치된 연료전지 발전부(8) 내의 수증기의 양이 과도하게 되기 때문에 전극 표면 상에 물이 쉽게 응축됨으로써 발전효율이 저하될 수 있는 문제점이 발생한다.
그러나, 제 4 실시예의 경우, 원료 및 CO 변성부(5)를 통과한 후의 개질가스는 전열교환부(50)에 의해 전적으로 열교환되고, 원료는 개질가스 내의 수증기를 물 투과막을 통하여 원료에 이동시킴으로써 가습된다. 그러나, 수증기 및 열은 CO 변성부(5)를 통과한 후의 개질가스로부터 회수되기 때문에, CO 정화부(7)의 반응성이 과도한 수증기로 인해 저하하거나 연료전지 발전부(8)의 전극 표면 상에 물이 응축되는 것을 방지할 수 있다. 이로 인하여, 수소생성장치의 효율을 저하시키지 않고 CO 변성부(5)의 용적을 축소시켜 안정되게 CO 농도를 감소시킬 수 있다.
제 4 실시예에서는 본 발명의 원료가습수단으로서 전열교환부(50)를 사용한다. 그러나, CO 변성부(5)로부터 배출되는 개질가스로부터 수분을 회수할 수 있는 구성이기만 하면 어떤 구성도 사용될 수 있다. 예컨대, 개질수 공급부(4) 및 변성수 공급부(51)에 의해 개질부(1) 및 CO 변성부(5)에 공급되는 물로 개질가스를 냉각시키고 개질가스 내의 수분을 응축시킴으로써 액체로부터 가스를 분리하는 방법을 사용해도 된다. 또한, 변성수 공급부(51)를 제외한 구성을 사용해도 된다.
(제 5 실시예)
이하, 본 발명의 제 5 실시예를 설명한다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 제 5 실시예는 태양광에 의해 가열된 물을 그 내부에 저장하는 원료가습부(69)가 원료공급부(3) 및 개질부(1)의 사이에 설치되는 것을 제외하고는 제 1 실시예와 유사하다. 그러므로, 제 5 실시예에서는 도 1과 동일부분 또는 대응부분에 대해서는 도 5에 동일부호를 부여함으로써 상세한 설명은 생략하고 제 1 실시예와 상이한 점을 주로 설명한다.
도 5는 제 5 실시예의 연료전지 발전 시스템의 구성을 나타내는 개략적인 단면도이다. 제 1 실시예에서는 연료전지 발전부(8)의 열을 사용함으로써 원료가습부(9) 내의 물을 가열하지만, 연료전지 발전부(8)의 폐열을 사용하는 온수공급의 효율이 저하되는 문제점이 발생한다.
그러나, 제 5 실시예의 경우, 원료가습부(69) 내의 물이 태양광에 의해 가열되기 때문에 온수 공급효율을 저하시키지 않고 개질부(1)의 효율을 효과적으로 향상시키는 것이 가능하다.
태양광 대신에 온천지 등에서는 지열을 사용함으로써 동일한 효과를 얻을 수 있다.
(제 6 실시예)
이하, 본 발명의 제 6 실시예를 설명한다. 제 6 실시예는 수소도 투과하는 물-수소 투과막(81)을 사용하는 원료가습부(80)가 물 투과막(30a)을 갖는 전열교환부(30) 대신에 사용되는 것을 제외하고는 제 2 실시예와 유사하다. 그러므로, 제 6 실시예에서는 상세한 설명은 생략하고 제 2 실시예와 상이한 점을 주로 설명한다.
도 6은 제 6 실시예의 연료전지 발전 시스템의 원료가습부(80)의 개략적인 단면도이다. 제 6 실시예에서, 수분 및 수소를 투과하는 물-수소 투과막(81)은 물 투과막(30a)이 제공되는 위치에 형성된다.
제 2 실시예의 경우, 원료는 전열교환부(30) 내의 물 투과막(30a)에 의해 오프가스 중의 수분을 이동시킴으로써 가습되지만, 오프가스 중의 전체 수소는 가열부(2)에 공급된다. 그러나, 제 6 실시예의 경우, 오프가스 중의 수소의 일부가 물-수소 투과막(81)으로부터 오프가스를 투과함으로써 원료에 되돌아가기 때문에, 연료전지 발전을 위해 연료전지 발전부(8)에서 반응하지 않은 수소를 재사용함으로써 발전효율이 향상될 수 있다.
고분자 연료전지용으로 사용된 고분자 전해질막은 물-수소 투과막(81)으로 사용된다. 고분자 전해질막이 수소를 투과한다는 것은 공지되어 있다. 그러나, 연료전지부에서, 발전의 영향없이 투과된 수소는 캐소드(cathode) 측에서 산소와 반응하여 발전효율을 저하시키거나 막을 손상시킨다. 그러므로, 제어를 위한 다양한 연구가 이루어졌다. 일반적으로, 수소는 순환가스의 이슬점이 낮고, 막이 약간 건조한 경우에 쉽게 투과된다. 제 6 실시예의 경우, 수소는 원료가스입구(84)에 인접한 원료가스 및 오프가스출구(83)에 인접한 오프가스가 각각 낮은 이슬점을 갖기 때문에 쉽게 투과된다. 물-수소 투과막으로는 고분자 전해질막뿐만 아니라 이산화탄소 및 수소, 실시콘 고무 또는 인산염과 같은 친수성 화합물을 폴리이미드(polyimide)와 같은 내열성 고분자막으로 혼합함으로써 얻어진 막 중 수소만 투과시킬 수 있는 미세구멍 직경을 갖는 제올라이트막도 사용할 수 있다.
수소투과막의 구동력은 오프가스 및 원료의 수소 부분압력 사이의 차에 있다. 그러므로, 막의 충분한 면적을 확보함으로써, 구동력 즉, 막의 양측의 수소 농도 사이의 차이가 소멸하기 전에 수소를 회수하는 것이 가능하다. 그러나, 생성장치의 설계자는 비용 및 설치공간의 관점으로부터 상술한 것을 자유롭게 선택할 수 있다.
또한, 물-수소 투과막(81)의 면적을 증대시키기 위해서, 막을 적층하고 각 막의 양측에 오프가스 및 원료가스를 교대로 공급함으로써, 작은 용적으로 원료에 수소 및 수분의 회수를 실현하는 것이 가능하다.
(제 7 실시예)
이하, 본 발명의 제 7 실시예를 설명하다. 도 7에 나타낸 바와 같이, 제 7 실시예는 본 발명의 원료가습수단에 대응하는 원료가습부(90)가 연료전지 발전부(8)의 하류측에 제공되고, 원료가습부(90)는 백금을 담지하는 탄소전극이 프로톤 도전막(91)의 양면 상에 제공되는 고분자 전기 연료전지의 경우와 동일한 구성을 갖는 것을 제외하고는 제 2 실시예와 유사하다.
그러므로, 제 7 실시예에서는 상세한 설명은 생략하고 제 2 실시예와 상이한 점을 주로 설명한다.
도 7은 제 7 실시예의 연료전지 발전 시스템의 원료가습부(90)의 개략적인 단면도이다. 오프가스의 흐름과 동일 방향의 전극(92a) 및 원료의 흐름과 동일 방향의 전극(92b)이 배열된 프로톤 도전막(91)은 물 투과막(30a)이 제공된 위치에 제공된다. 전극(92a, 92b)은 외부의 전압제어기(93)에 접속되어, 전압제어기(93)로부터 인가되는 전압에 따라 원료가습부(90) 내에 전위차를 생성한다. 상기 구성에서, 프로톤 도전막(91)은 친수성 프로톤 전도체의 일예이고, 전극(92a 및 92b) 및 전압제어기(93)는 본 발명의 전압인가수단의 역할을 한다.
제 6 실시예에서는 원료가습부(80) 내의 물-수소 투과막(81)에 의한 진행에 따라 오프가스 중의 수분 및 수소를 투과함으로써 원료를 가습시킨다.
그러나, 제 7실시예에서는 프로톤 도전막(91)의 양측에 설치된 전극(92a 및 92b)에 전압을 인가함으로써 오프가스 중의 수소를 투과시킨다. 그러므로, 투과되는 수소의 양이 제어될 수 있고 수소 이온을 이동시킨 다음 물분자를 이동시키기 때문에, 물과 수소를 더욱 효과적으로 투과시키는 것이 가능하다. 이 경우, 전극(92a 및 92b) 사이의 전위차는 전극(92b)의 전위가 전극(92a)의 전위보다 높아지도록 설정된다.
원료가습부(90)와 유사한 구성을 갖는 고분자 전기 연료전지가 수소전극(개질가스 전극) 및 산소전극(공기전극)으로 구성된다 하더라도, 제 7 실시예의 경우, 원료가스는 산소전극측에서 산소 대신에 순환된다. 원료가스가 산화제로서의 기능을 하지는 않지만, 질소와 같은 불활성가스와 동일한 기능을 갖는다. 즉, 수소전극에 의해 분리된 수소는 이온이 되고, 그 이온이 막을 통과하여 원료가스측 전극에서 재결합되어 수소분자가 된다. 원료가습부(90)는 양(both)전극의 수소 농도차에 따라 농도차전지로서의 기능을 하기 때문에, 수소는 양전극을 쇼트시킴으로써 이동한다. 또한, 전압을 인가함으로써, 수소의 이동거리를 증가시키는 것이 가능하다.
또한, 개질부(1)를 가열하는 가열부(2)가 오프가스출구(83)의 하류 측에 존재하는 경우, 수소의 투과율을 제어함으로써 개질부(1)의 온도를 제어하는 것이 가능하다. 수소의 투과율은 상기 원리에 따라 프로톤 도전막(91)의 양면에 설치된 전극(92a 및 92b)에 인가되는 전압을 제어함으로써 제어될 수 있다.
[실험예]
(실험예 1)
도 1의 연료전지 발전 시스템의 경우, 개질부(1)에는 0.2L의 루테늄(Ru) 촉매가 충만되고, CO 변성부(5)에는 2L의 구리-아연촉매가 충만되며, CO 정화부(7)에는 0.2L의 백금(Pt)촉매가 충만된다. 원료공급부(3)로부터 공급된 7L/min(1분당 7L)의 메탄은 원료정화부(9)에 의해 가습되고 또한, 물은 S/C가 3이 되도록 개질수 공급부(4)에 의해 추가되어 개질부(1)에 공급된다. 가열부(2)의 연소량은 개질부(1) 내의 루테늄(Ru) 촉매가 700℃가 되도록 조절되어 개질가스를 생성시켜, 그 개질가스를 연료전지 발전부(8)에 공급한다. 연료전지 발전부(8)에 의해 DC 전력이 2kW가 되도록 발전된다. 냉각수 온도검출부(11)에 의해 검출되는 온도가 80℃가 되도록 냉각수의 유량을 조절함으로써, 원료공급부(3)와 가열부(2)에 공급된 메탄의 총발열량 및 2kW의 DC 전력에 따라 산출되는 발전효율이 37%였다.
(실험예 2)
도 2의 연료전지 발전 시스템의 경우, 실험예 1의 경우와 유사하게, 개질부(1), CO 변성부(5) 및 CO 정화부(7)에는 각각 촉매가 충만된다. 원료공급부(3)로부터 공급된 7L/min의 메탄은 전열교환부(30)에 의해 가습되고 또한, S/C가 3이 되도록 개질수 공급부(4)에 의해 물이 첨가되어 개질부(1)에 공급된다. 가열부(2)의 연소량은 개질부(1) 내의 루테늄(Ru) 촉매가 700℃가 되도록 조절되어 개질가스를 생성시켜, 그 개질가스를 연료전지 발전부(8)에 공급한다. 연료전지 발전부(8)에 의해 DC 전력이 2kW가 되도록 발전된다. 원료공급부(3)와 가열부(2)에 공급된 메탄의 총발열량 및 2kW의 DC 전력에 따라 산출되는 발전효율이 38%였다.
(실험예 3)
도 3의 연료전지 발전 시스템의 경우, 실험예 1의 경우와 유사하게, 개질부(1), CO 변성부(5) 및 CO 정화부(7)에는 각각 촉매가 충만된다. 원료공급부(3)로부터 공급된 7L/min의 메탄은 전열교환부(40)에 의해 가습되고 또한, 물은 S/C가 3이 되도록 개질수 공급부(4)에 의해 추가되어 개질부(1)에 공급된다. 가열부(2)의 연소량은 개질부(1) 내의 루테늄(Ru) 촉매가 700℃가 되도록 조절되어 개질가스를 생성시켜, 그 개질가스를 연료전지 발전부(8)에 공급한다. 연료전지 발전부(8)에 의해 DC 전력이 2kW가 되도록 발전된다. 원료공급부(3)와 가열부(2)에 공급된 메탄의 총발열량 및 2kW의 DC 전력에 따라 산출되는 발전효율이 38.5%였다.
(실험예 4)
도 4의 연료전지 발전 시스템의 경우, CO 변성부(5)에는 1L의 구리-아연촉매가 충만된다. 개질부(1) 및 CO 정화부(7)에는 실험예 1의 경우와 동등한 양의 촉매가 각각 충만된다. 원료공급부(3)로부터 공급된 7L/min의 메탄은 전열교환부(50)에 의해 가습되고 또한, 물은 S/C가 3이 되도록 개질수 공급부(4)에 의해 추가되어 개질부(1)에 공급된다. 가열부(2)의 연소량은 개질부(1) 내의 루테늄(Ru) 촉매가 700℃가 되도록 조절되어 개질가스를 생성시킨다. S/C가 5가 되도록 CO 변성부(5)의 상류측에서 변성수 공급부(51)에 의해 물이 공급된다. 연료전지 발전부(8)에 의해 DC 전력이 2kW가 되도록 발전된다. 원료공급부(3)와 가열부(2)에 공급된 메탄의 총발열량 및 2kW의 DC 전력에 따라 산출되는 발전효율이 39%였다.
(실험예 5)
도 5의 연료전지 발전 시스템의 경우, 실험예 1의 경우와 유사하게, 원료공급부(3)로부터 공급된 7L/min의 메탄은 원료가습부(69)에 의해 가습되어 개질부(1)에 공급된다. 원료가습부(69)는 태양광에 충분히 노출되도록 흑색으로 도장(paint)된다. 원료가습부(69)의 수온을 가습수 온도검출부(71)로 측정한 결과, 수온은 93℃를 나타내었다. 원료가습부(69)를 통과한 후의 가스의 수증기량을 측정한 결과, S/C는 3.1을 나타내었다. 그러므로, 개질수 공급부(4)에서는 물이 추가되지 않는다. 가열부(2)의 연소량은 개질부(1) 내의 루테늄(Ru) 촉매가 700℃가 되도록 조절되어 개질가스를 생성시켜, 그 개질가스를 연료전지 발전부(8)에 공급한다. 연료전지 발전부(8)에 의해 DC 전력이 2kW가 되도록 발전된다. 원료공급부(3)와 가열부(2)에 공급된 메탄의 총발열량 및 2kW의 DC 전력에 따라 산출되는 발전효율이 41%였다.
(실험예 6)
도 2의 연료전지 발전 시스템의 경우, 실험예 1의 경우와 유사하게, 개질부(1), CO 변성부(5) 및 CO 정화부(7)에는 각각 촉매가 충만된다. 전열교환부(30) 대신에 도 6에 나타낸 원료가습부(80)가 설치된다. 원료공급부(3)로부터 공급된 7L/min의 메탄은 원료가습부(80)에 의해 가습되고 또한, 물은 S/C가 3이 되도록 개질수 공급부(4)에 의해 추가되어 개질부(1)에 공급된다. 가열부(2)의 연소량은 개질부(1) 내의 루테늄(Ru) 촉매가 700℃가 되도록 조절되어 개질가스를 생성시켜, 그 개질가스를 연료전지 발전부(8)에 공급하여, 연료전지 발전부(8)를 발전시킨다. 원료공급부(3)와 가열부(2)에 공급된 메탄의 총발열량 및 발전된 DC 전력에 따라 산출되는 발전효율이 41.5%였다.
(실험예 7)
도 2의 연료전지 발전 시스템의 경우, 실험예 1의 경우와 유사하게, 개질부(1), CO 변성부(5) 및 CO 정화부(7)에는 각각 촉매가 충만된다. 전열교환부(30) 대신에 도 7에 나타낸 원료가습부(90)가 설치된다. 원료공급부(3)로부터 공급된 7L/min의 메탄은 원료가습부(90)에 의해 가습되고 또한, 물은 S/C가 3이 되도록 개질수 공급부(4)에 의해 추가되어 개질부(1)에 공급된다. 가열부(2)의 연소량은 개질부(1) 내의 루테늄(Ru) 촉매가 700℃가 되도록 조절되어 개질가스를 생성시켜, 그 개질가스를 연료전지 발전부(8)에 공급하여, 연료전지 발전부(8)를 발전시킨다. 프로톤 도전막(91)의 양면의 전극(92a, 92b)에는 200mV의 전압이 인가된다. 원료공급부(3)와 가열부(2)에 공급된 메탄의 총발열량 및 발전된 DC 전력에 따라 산출되는 발전효율이 42%였다.
(비교예)
실험예 1의 경우, 원료공급부(3)로부터 공급된 7L/min의 메탄은 원료가습부(9)에 의해 가습되지 않고 개질부(1)에 직접 공급된다. 실험예 1의 경우와 유사하게, 연료전지 발전부(8)에 의해 DC 전력이 2kW가 되도록 발전된다. 냉각수의 유량은 냉각수 온도검출부(11)에 의해 검출된 온도가 80℃가 되도록 조절된다. 원료공급부(3)와 가열부(2)에 공급된 메탄의 총발열량 및 2kW의 DC 전력에 따라 산출되는 발전효율이 33%였다.
상기 각 실시예는 연료전지 발전부(8)를 포함하는 연료전지 발전 시스템으로서 설명하였다. 그러나, 본 발명은 연료전지 발전부(8)를 제외한 단일의 수소생성장치로서도 실현된다.
또한, 상기 각 실시예의 경우, 연료전지 발전 시스템은 연료전지 발전부(8)로부터 배출되는 오프가스를 개질부(1)의 가열부(2)에 공급하는 사이클을 형성한다. 그러나, 연료전지 발전부(8)로부터 배출되는 오프가스는 다른 외부수단에 사용해도 되고, 본 발명의 연료전지 발전 시스템은 모든 가스 및 원료를 순환시키는 모든 종류의 폐쇄 사이클을 형성하지 않아도 된다.
또한, 상기 각 실시예에서, 원료를 가습시키기 위해서는 개질부(1)로부터 직접 배출되는 개질가스 또는 연료전지 발전 시스템(8)으로부터 배출되는 오프가스를 사용하지만, 본 발명은 이러한 구성에 한정되지 않는다. 본 발명에서의 간접적으로 원료를 가습시키는 원료가습수단은 연료전지 발전 시스템의 개질부(1)로부터 직접 배출되는 개질가스 이외의 가스에 의해 원료를 가습시킬 수 있다는 것을 의미한다.
또한, 상기 실험예 5의 경우, 본 발명의 외부수단은 태양광 또는 지열의 방식으로 열이 공급되는 원료가습부(69)이다. 그러나, 외부수단은 원료가습부(69)에 한정되지 않는다. 연료전지 발전 시스템으로부터 독립한 보일러 및 냉동장치와 같이 원료에 대하여 열원 및 수분 공급원으로서의 역할을 하는 시스템을 사용해도 된다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 물의 증발에 필요한 가열량은 개질부에 의해 제어될 수 있다.
또한, 연료전지 발전부를 통과한 후의 오프가스와 원료를 전열교환함으로써, 물의 증발에 필요한 가열량을 제어할뿐만 아니라 오프가스로부터 수증기를 제거시키는 것도 가능하다. 그러므로, 가열부의 화염온도가 저하하는 것을 방지할 수 있다.
또한, CO 정화부를 통과한 후의 개질가스와 원료를 전열교환함으로써, 물의 증발에 필요한 가열량을 제어할뿐만 아니라 개질가스 온도를 연료전지 발전부의 동작 온도까지 효율적으로 저하시킴과 동시에 배관 내의 물의 응축을 제어하는 것도 가능하다.
또한, CO 변성부를 통과한 후의 개질가스와 원료를 전열교환함으로써, 물의 증발에 필요한 가열량을 제어할뿐만 아니라 CO 변성부의 용적을 축소시키고 안정적으로 CO 농도를 저하시키는 것도 가능하다.
또한, 원료가습부를 태양광으로 가열함으로써, 온수공급효율을 저하시키지 않고 수소생성부의 효율을 향상시키는 것도 가능하다.
이와 같이, 본 발명에 따르면, 발전효율이 높은 연료전지 발전 시스템을 제공하는 것이 가능하다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 수소생성장치의 효율을 향상시키고 CO 변성부의 촉매량을 감소시키는 것이 가능하다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예의 연료전지 발전 시스템의 구성을 나타내는 개략적인 종단면도.
도 2의 (a)는 본 발명의 제 2 실시예의 연료전지 발전 시스템의 구성을 나타내는 개략적인 종단면도.
도 2의 (b)는 본 발명의 제 2 실시예의 연료전지 발전 시스템의 원료가습부의 구성을 나타내는 개략적인 종단면도.
도 3은 본 발명의 제 3 실시예의 연료전지 발전 시스템의 구성을 나타내는 개략적인 종단면도.
도 4는 본 발명의 제 4 실시예의 연료전지 발전 시스템의 구성을 나타내는 개략적인 종단면도.
도 5는 본 발명의 제 5 실시예의 연료전지 발전 시스템의 구성을 나타내는 개략적인 종단면도.
도 6은 본 발명의 제 6 실시예의 연료전지 발전 시스템의 원료가습부의 구성을 나타내는 개략적인 종단면도.
도 7은 본 발명의 제 7 실시예의 연료전지 발전 시스템의 원료가습부의 구성을 나타내는 개략적인 종단면도.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
1 : 개질부 2 : 가열부
3 : 원료공급부 4 : 개질수 공급부
5 : CO 변성부 6 : 공기공급부
7 : CO 정화부 8 : 연료전지 발전부
9, 69 : 원료가습부 10 : 냉각수 순환부
11 : 냉각수 온도검출부 12 : 연소가스 공급부
30, 40, 50 : 전열교환부 51 : 변성수 공급부
71 : 가습수 온도검출부

Claims (14)

  1. 유기화합물을 함유하는 원료와 물을 반응시켜서, 적어도 수소 및 일산화탄소를 함유하는 개질가스를 생성하는 개질부와,
    상기 개질부에 의해 생성된 상기 개질가스 중에 함유된 상기 일산화탄소를 시프트 반응에 따라서 감소시키는 변성부를 적어도 포함하는 일산화탄소 제거수단과,
    상기 개질가스 중에 함유된 수분을 사용하여 상기 원료를 가습하는 원료가습수단을 구비하며,
    상기 원료가습수단은 상기 일산화탄소 제거수단으로부터 배출되는 개질가스 중에 함유된 수분을 사용함으로써 상기 원료를 가습하는 것을 특징으로 하는 수소생성장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 원료가습수단은 적어도 수분을 투과하는 투과막을 갖고,
    상기 투과막은 상기 개질가스의 경로 및 상기 원료의 경로 사이에 경계를 형성하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 수소생성장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 투과막은 수소도 투과하는 것을 특징으로 하는 수소생성장치.
  6. 삭제
  7. 제 4항에 있어서,
    상기 원료가습수단은 상기 개질가스와 상기 원료를 열교환시키는 것을 특징으로 하는 수소생성장치.
  8. 삭제
  9. 제 1항에 기재된 수소생성장치와,
    상기 수소생성장치로부터 공급되는 개질가스에 의해 발전하는 연료전지를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 발전 시스템.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 유기화합물을 함유하는 원료와 물을 반응시켜서, 적어도 수소 및 일산화탄소를 함유하는 개질가스를 생성하는 개질단계와,
    상기 개질단계에서 생성된 상기 개질가스 중의 상기 일산화탄소를 시프트 반응에 따라서 감소시키는 변성단계를 적어도 갖는 일산화탄소 제거단계와,
    상기 개질가스 중에 함유된 수분을 사용하여 상기 원료를 가습시키는 원료가습단계를 포함하고,
    상기 원료가습단계는 상기 일산화탄소 제거단계에서 배출되는 개질가스 중에 함유된 수분을 사용하여 상기 원료를 가습하는 것을 특징으로 하는 수소생성방법.
  13. 삭제
  14. 삭제
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