KR100691368B1 - 증발 부의 배압을 감소시킨 박형 개질 기 - Google Patents

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장재혁
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Abstract

연료 전지에서 사용되고, 증발 부의 배압을 감소시킨 박형 개질 기가 제공된다.
본 발명은, 내부에 유로를 형성한 기판; 상기 기판의 유로 내로 연료를 유입시키는 연료 도입부; 상기 기판 내에서 상기 연료 도입부의 후류 측에서 액체상태의 연료가 기화하는 기체 팽창 부와, 기화 시의 배압을 수용하는 배압 수용 부를 포함하여 배압이 상기 연료 도입 부측으로 미치는 것을 차단하는 증발 부; 상기 증발 부의 후류 측에 유로를 형성하고 흡열 반응을 통하여 연료를 수소 가스로 개질시키는 개질 부; 상기 개질 부의 후류 측에 유로를 형성하고, 발열 반응에 의해서 상기 수소 가스와 함께 포함된 CO 가스를 제거하는 CO 제거 부; 및 상기 기판의 상부를 덮어 내부 유로를 외부로부터 차폐시키는 덮개;를 포함하는 증발 부의 배압을 감소시킨 박형 개질 기를 제공한다.
본 발명에 의하면 배압(back pressure)의 압력 상승을 억제하고, 원활한 기체 흐름을 유도하여 전체적인 장치의 소형화를 이루면서도 개질 성능을 향상시킬 수 있는 효과를 얻는다.
연료 전지, 박형 개질 기, 기체 팽창 부, CO 제거 부, 배압 수용 부, 증발부

Description

증발 부의 배압을 감소시킨 박형 개질 기{A Micro Reformer of Thin Type To Reduce Back Pressure In Evaporation Section}
제 1도는 종래의 기술에 따른 개질 장치를 도시한 단면도.
제 2도는 종래의 기술에 따른 다른 구조의 개질 장치를 도시한 구조도로서,
a)도는 사시도, b)도는 단면도.
제 3도는 종래의 기술에 따른 또 다른 구조의 개질 장치를 도시한 사시도.
제 4도는 본 발명에 따른 박형 개질 기를 도시한 분해 사시도.
제 5도는 본 발명에 따른 박형 개질 기를 도시한 평면도.
제 6도는 본 발명에 따른 박형 개질 기에 구비된 증발 부의 기체 흐름을 상세히 도시한 작동 설명도.
제 7도는 본 발명의 일 실시 예에 따른 박형 개질 기의 단면도로서,
a)도는 평편한 덮개 구조를 도시한 단면도,
b)도는 오목한 유로를 형성한 덮개 구조의 단면도.
제 8도는 본 발명에 따라서 입자형 촉매를 갖는 다른 실시 예의 박형 개질 기를 도시한 단면도로서,
a)도는 평편한 덮개 구조를 도시한 단면도,
b)도는 오목한 유로를 형성한 덮개 구조의 단면도.
제 9도는 본 발명에 따른 박형 개질 기에 구비된 가열 수단이 기판의 하면에 전기적 저항 회로 패턴으로 형성된 것을 나타낸 저면 도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1..... 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 박형 개질 기
10.... 기판 20.... 연료 도입부
22.... 격벽 24.... 출구
30.... 증발 부 32.... 기체 팽창 부
34.... 배압 수용 부 36a,36b.... 증발 부 격벽
38.... 관통 구 40.... 개질 부
42.... 개질 부 유로 44.... 격벽
46,46'.... 촉매 50.... 연결부
60.... CO 제거 부 62.... 유로
66,66'.... 촉매 68.... 가열 수단
100.... 덮개 110.... 연료 도입 구
112.... 공기 유입구 114.... 반응 가스 배출구
200.... 종래의 소형 개질 장치 202.... 증발 실
204.... 공동 206.... 히터
208.... 연료 분사 수단 210.... 혼합액
212.... 마이크로 유로 214.... 개질 촉매
250.... 종래의 개질 기 252.... 실리콘 기판
254.... 유로 홈 256.... 개질 공간
260.... 덮개 판 350.... 종래의 개질 기
351.... 기판 353.... 기화 부
354.... 개질 부 355.... CO 제거 부
360.... 수소 배기구
본 발명은 연료 전지에 사용되는 박형 개질 기에 관한 것으로, 보다 상세히는 연료 도입부를 기판의 중앙에 형성하고, 증발 부 내에 액체 연료를 방울 상태로 공급하며, 증발 부 내에서 공간을 개방시켜 액체 연료를 팽창시킴으로써 액체 연료의 증발 중에 발생하는 배압(back pressure) 상승을 감소시킬 수 있고, 그에 따라서 배압에 의한 연료의 역류를 방지하여 원료 주입 압력을 높일 필요가 없으며, 유로 내에서 원활한 기체 흐름을 유도하여 개질 성능을 향상시키도록 개선된 박형 개질 기에 관한 것이다.
최근 휴대폰, PDA, 디지털 카메라, 노트 북 PC 등 휴대용 소형 전자기기의 사용이 증가하고 있으며, 특히 휴대폰용 DMB 방송이 시작되면서 휴대용 소형 단말 기에서 전원 성능의 향상이 요구되고 있다. 현재 일반적으로 사용되고 있는 리튬 이온 2차 전지는 그 용량이 DMB 방송을 2시간 시청할 수 있는 수준이며, 성능 향상이 진행되고 있기는 하지만, 보다 근본적인 해결방안으로서 소형 연료전지에 대한 기대가 커지고 있다.
이러한 소형 연료전지를 구현할 수 있는 방식으로서는 연료 극에 메탄올을 직접 공급하는 직접메탄올(Direct Methanol) 방식과, 메탄올로부터 수소를 추출하여 연료 극에 주입하는 RHFC(Reformed Hydrogen Fuel Cell) 방식이 있으며, RHFC 방식은 PEM(Polymer Electrode Membrane) 방식과 같이 수소를 연료로 사용하므로 고 출력 화, 단위 체적당 구현 가능한 전력용량, 그리고 물 이외의 반응물이 없는 점에서 장점이 있으나 시스템에 개질 기(Reformer)가 추가되어야 하므로 소형화에 불리한 단점 또한 지니고 있다.
이와 같이 연료 전지가 높은 전원 출력밀도를 얻기 위해서는 액체 연료를 수소가스 등의 기체 연료로 만들어주기 위한 개질 기(Reformer)가 필수적으로 사용된다. 이러한 개질 기는 메탄올 수용액을 기화시키는 증발 부와, 250℃ 내지 290℃ 의 온도에서 촉매반응을 통해 연료인 메탄올을 수소로 전환시키는 개질 부, 그리고 부산물인 CO를 제거하는 CO 제거 부(또는 PROX 부)로 구성되어 있다. 상기 개질 부에서는 흡열 반응이 진행되며, 온도를 250℃ 내지 290℃ 사이로 유지시켜주어야 하며, 발열반응이 진행되는 CO 제거 부 또한 170℃ 내지 200℃ 정도의 온도로 일정하게 유지시켜야 반응효율이 양호하게 이루어진다.
종래의 개질 기로는 도 1에 도시된 바와 같은 일본 특개평 2003-048701호의 개질 장치(200)가 있다. 이러한 종래의 소형 개질 장치(200)는 도 1에 도시된 바와 같이, 증발 실(202)에 공동(204)이 마련되어 있고，이 공동(204)에 증발용 히터(206)가 마련되어 있다．그리고 상기 공동(204)에는 연료 분사 수단(208)이 마련되어 있고，이 연료 분사 수단(208)은 연료인 메틸 알코올과 물의 혼합액(210)을 상기 공동(204)으로 분사한다. 이와 같이 분사된 연료 혼합액(210)은 증발용 히터(206)에 의해서 가열되고 증발하는 것이다．상기와 같이 혼합액(210)이 기화하여 이루어진 가스는 마이크로 유로(212) 내로 흐르고，마이크로 유로(212) 내에 설치된 개질 촉매(214)에 의해서 수소와 이산화탄소로 개질 된다．
그렇지만, 상기와 같은 종래의 방식은 증발기의 효율을 증가시키기 위해서 연료 주입구에 분사 수단(208)을 마련하여 연료를 분사시켜서 개질 원료에 대한 표 면적을 넓힘으로써 증발을 빨리 시킬 수 있는 장점이 있다. 그리고 이와 같은 종래의 기술은 연료 분사 수단(208)을 이용하여 연료를 분사시키면, 연료 혼합액(210)이 방울 장의 형태를 갖게 되면서 개질 원료의 체적에 대한 표 면적의 비율이 커짐으로써 같은 열량이 주어졌을 때 개질 원료가 효율적으로 증발한다.
그러나 이러한 종래의 기술은 연료 분사수단(208)을 따로 설치해야 한다는 부담감이 있고, 분사 수단(208)을 통해 나오는 연료의 유량을 따로 제어해야 하는 등 별도의 제어부의 설치가 필요하다. 따라서, 이와 같은 종래의 구조는 장치가 복잡해 질뿐만 아니라 개질 장치(200)의 소형화에도 어려움이 있다.
도 2에는 또 다른 종래의 개질 기(250)로서 일본 특개 2005-166453호에 제시된 구조가 있다. 이러한 종래의 개질 기(250)는 소형의 연료 개질 기로서 대량의 연료를 효율적으로 개질할 수 있도록 하여 연료 전지를 소형화한다. 이와 같은 종래의 개질 기(250)는 실리콘 기판(252) 상에 얇은 미세한 유로 홈(254)과 개질 공간(256)을 형성하며, 이 유로 홈(254)과 개질 공간(256)에 촉매를 부착하여 탄화 수소 연료를 개질시키고, 수소를 발생시키며 상기 유로 홈(254)과 개질 공간(256)을 덮개 판(260)으로 덮는 것이다.
그렇지만 이와 같은 종래의 개질 기(250)는 액체 연료의 기화 중에 액체 연료가 팽창하기 때문에 상기 유로(254) 내로 연료를 주입하기 위해서는 고압의 용량이 큰 연료 주입 펌프(미 도시)를 필요로 하는 것이다.
도 3에는 또 다른 개질 기(350)가 도시된 것으로서, 일본특개 2004-89748호 에 제시된 구조가 도시되어 있다. 이러한 종래의 기술은 기판(351)의 일측에 유로가 확장된 기화 부(353)가 위치되고, 그 후류 측으로 개질 부(354)와 CO 제거 부(355)가 차례로 위치되며, 그 후류 측으로 수소 배기구(360)가 위치되어 있다. 그렇지만, 이와 같은 종래의 기술은 기화 부(353)에서 유로가 확장되기는 하지만, 액체 연료가 기화 및 팽창되면서 발생하는 배압 현상을 적절하게 해소시키지는 못하는 것이다.
따라서, 상기와 같은 종래의 개질 장치들은 그 증발 부에서 연료가 액체로부터 기체로 변하면서 순간적으로 부피가 팽창하면 연료 도입부 측으로의 배압(back pressure)이 미쳐서 연료의 유입을 방해한다는 단점이 있다. 따라서, 당 업계에서는 이와 같은 증발 부의 구조를 개선하여 낮은 공급 압력으로도 연료 유입이 가능하고, 소형이면서 개질 성능이 우수한 박형 개질 기의 요구가 있는 것이다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위한 것으로서, 그 목적은 증발 부의 구조를 변경함으로써 기판의 중앙에서 방울 장의 형태로 원료를 공급하기 때문에 원료 체적에 대한 표 면적의 비율이 커짐으로써 같은 열량으로 증발시켰을 때 증발 효율을 증가시킬 수 있도록 개선된 박형 개질 기를 제공함에 있다.
그리고 본 발명은 다른 목적으로서, 액체 연료의 순간적인 기체 팽창 시 발생하는 배압(back pressure)에 의해서 생기는 연료 주입의 역류 현상을 효과적으로 억제할 수 있도록 개선된 박형 개질 기를 제공함에 있다.
또한 본 발명은 다른 목적으로서, 증발 부의 공간을 크게 확대하여 개방함으로써 기체가 팽창할 수 있는 공간을 충분히 확보하여 증발 부로부터 연료 도입부로 미치는 배압(back pressure)을 크게 줄일 수 있고, 유로가 넓어져서 생기는 내부 압력의 감소는 배압에 의해서 대체할 수 있어서 증발 부에서 압력 평형을 이룰 수 있도록 개선된 박형 개질 기를 제공함에 있다.
그리고, 본 발명은 다른 목적으로서, 증발 부 영역을 기체 팽창 부와 배압 수용 부로 나누어 적당히 조절함으로써 배압(back pressure)의 압력 상승을 억제하고, 원료 주입 압력을 높일 필요가 없으며, 효율적이고 원활한 원료 기체의 흐름을 유도하여 전체적인 장치의 소형화를 이루면서 개질 성능을 향상시키도록 개선된 박형 개질 기를 제공함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 연료 전지에 사용되는 박형 개질 기에 있어서,
내부에 유로를 형성한 기판;
상기 기판의 유로 내로 연료를 유입시키는 연료 도입부;
상기 기판 내에서 상기 연료 도입부의 후류 측에서 액체상태의 연료가 기화하는 기체 팽창 부와, 기화 시의 배압을 수용하는 배압 수용 부를 포함하여 배압이 상기 연료 도입 부측으로 미치는 것을 차단하는 증발 부;
상기 증발 부의 후류 측에 유로를 형성하고 흡열 반응을 통하여 연료를 수소 가스로 개질시키는 개질 부;
상기 개질 부의 후류 측에 유로를 형성하고, 발열 반응에 의해서 상기 수소 가스와 함께 포함된 CO 가스를 제거하는 CO 제거 부; 및
상기 기판의 상부를 덮어 내부 유로를 외부로부터 차폐시키는 덮개;를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 박형 개질 기를 제공한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예들을 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 박형 개질 기(1)는 도 4에 도시된 바와 같이, 내부에 유로를 형성한 기판(10)을 구비한다. 상기 기판(10)은 실리콘, 금속, 글라스, 세라믹 및 내열 플라스틱 등을 사용할 수 있으며, 내부에는 기판(10)의 일면을 에칭(Etching) 등으로 식각하여 형성한 오목한 유로들이 격벽을 통하여 일정 형태로 형성되어 있다.
즉, 상기 기판(10)의 일 측면은 에칭처리되고, 식각 처리를 하여 원하는 형태의 유로를 오목하게 형성하는 것이다.
그리고 상기 기판(10)의 중앙에는 상기 기판(10)의 유로 내로 외부로부터 연료를 유입시키는 연료 도입부(20)가 구비되는바, 상기 연료 도입부(20)는 도 5에 도시된 바와 같이, 그 형성 위치가 상기 기판(10)의 대략 중앙에 형성되는 것으로서, 연료 도입부(20)를 구획하는 격벽(22)이 기판(10)에 형성되고, 그 격벽(22)의 일측에는 좁은 출구(24)를 형성하여 방울(액적) 형태의 액체 연료를 이후에 설명되는 증발 부(30)로 공급하는 구조이다.
상기 격벽(22)은 바람직하게는 사각형의 단면을 형성하는 것이고, 그 일측에 출구(24)가 형성되어 액체 연료의 배출이 이루어지는 것이다.
이와 같이 상기 연료 도입부(20)의 출구(24)는 액체연료 분사 시, 소량을 방울 장 형태로 분사하는 역할을 하게 되어 같은 열량이 공급되었을 때에도 증발 효율을 높일 수 있으며, 그 좁은 출구(24)의 크기 때문에 메탄올 액체를 유입하는 부분의 압력이 높아져서 연료가 액체로부터 기체로의 전환 시 발생하는 배압(back pressure)에 대항하는 역할을 한다.
또한 상기와 같은 연료 도입부(20) 측으로 액체 연료인 메탄올이 공급되기 위해서는 상기 기판(10)의 상부에 덮이는 덮개(100)의 대략 중앙에 연료 도입 구(110)가 형성되어 상기 연료 도입부(20)에 액체 연료를 공급하는 것이다.
그리고 상기 연료 도입부(20)의 출측으로는 액체 연료를 가열시켜 기체상태로 기화시키는 증발 부(30)가 형성된다. 상기 증발 부(30)는 액체 상태의 연료를 기화시켜 기체 상태로 공급하도록 함으로써 이후에 설명되는 개질 부(40)에서 연료의 개질 반응이 양호하게 이루어지도록 하는 것으로서, 상기 연료 도입부(20)를 포위하는 형태로 형성되며, 상기 기판(10)의 대략 중앙에 위치한다.
상기 증발 부(30)는 상기 기판(10) 내에서 상기 액체상태의 연료가 기화하는 기체 팽창 부(32)와, 기화 시의 배압을 수용하는 배압 수용 부(34)를 포함하여 증발 부(20)에서 액체 연료의 기화시, 배압 생성을 최소한으로 억제시키고, 상기 연료 도입 부(20) 측으로 미치지 않도록 한다.
즉, 상기 기체 팽창 부(32)와 상기 배압 수용 부(34)는 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 증발 부(30)의 중앙을 구획하는 복수의 증발 부 격벽 (36a)(36b)에 의해서 구획되며, 상기 증발 부 격벽(36a)(36b)들 사이에는 관통 구(38)가 형성되고, 상기 관통 구(38)는 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 연료 도입 부(20)의 출구(24)에 인접하여 형성된 것이다.
상기 관통 구(38)는 그 크기가 상기 출구(24)보다 크게 형성되어 이후에 설명되는 바와 같이, 액체 연료가 연료 도입 부(20)로부터 기체 팽창 부(32)로 유입되면, 그 액체 연료의 둘레를 통하여 상기 기체 팽창 부(32)로부터 상기 배압 수용 부(34)로 연료 기체의 흐름을 허용하는 것이다.
이와 같은 증발 부(30)는 액체 연료, 즉 메탄올 수용액이 액체에서 기체로 기화되는 경우 상기 기체 팽창 부(32)에서 공간을 크게 개방(open)함으로써, 액체로부터 기체로의 부피 팽창 시, 최대한 증발 공간을 확보할 수 있고 그에 따라 기체 체적 증가에 따른 배압(back pressure)의 상승을 최소화시키고, 증발 부(30)에서 안정된 증발이 이루어지도록 하는 것이다.
또한 상기 증발 부(30)는 상기 기체 팽창 부(32)와 상기 배압 수용 부(34)가 상기 증발 부(30)의 중앙을 가로지르는 복수의 증발 부 격벽(36a)(36b)에 의해서 구획되고, 상기 증발 부(30)의 격벽(36a)(36b)들 사이의 관통 구(38)를 통하여 서로 연통되어 있으므로, 상기 기체 팽창 부(32)에서 상승된 배압은 관통 구(38)를 통하여 배압 수용 부(34) 측으로 전달됨으로써 증발 부(30)내의 배압 상승을 더욱 방지할 수 있다. 그리고, 상기 배압 수용 부(34)는 상기 연료 도입 부(20)를 에워싸는 형태로 되어 있고, 연료 도입 부(20)의 출구(24)를 제외한 격벽(22)들에 의해 서 그 공간들이 구획되어 있다.
그리고, 상기 증발 부(30)는 그 열원으로서 가열 수단(35)을 구비하는바, 상기 가열 수단(35)은 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 기판(10)의 하부 면(10a)에 전기적 저항 회로가 패턴으로 형성되어 상기 기판(10)을 통하여 그 상부 측의 증발 부(30)를 가열시킨다.
또한 본 발명은 상기 증발 부(30)의 출구(39) 후류 측에 상기 기판(10) 내에서 연료가 통과하는 유로(42)를 형성하고 흡열 반응을 통하여 연료를 수소 가스로 개질시키는 개질 부(40)가 형성된다. 상기 개질 부(40)는 기판(10)의 일측에 치우쳐서 증발 부(30)의 출구(39) 후류 측에 형성되는바, 그 유로(42)는 상기 증발 부(30)의 출구(39)를 통하여 연결된 구조이다. 그리고 상기 개질 부(40)의 유로(42)는 일정한 사행 패턴(Serpentine Pattern)을 형성하도록 격벽(44)들이 형성된다.
따라서, 상기 개질 부(40)의 유로(42)는 그 개질 부(40)의 전체 길이를 따라서 지그재그(zigzag)의 사행으로 형성되고, 상기 개질 부(40)의 유로(42) 내에는 액체 연료를 수소 기체로 개질시키는 촉매(46)가 형성된 구조이다. 상기 개질 부(40)에서는 기화된 연료가 촉매반응에 의해 수소가 풍부한 개질 가스로 전환되며, 상기 개질 부(40)의 촉매(46)로서는 Cu/ZnO 또는 Cu/ZnO/Al2O3가 사용되며, 상기 촉매(46)는 바람직하게는 상기 유로(42)를 형성하는 격벽(44)에 증착을 통하여 형성 가능하다.
뿐만 아니라, 상기와 같은 촉매는 격벽(44)에 증착 등으로 형성되는 것과는 다르게 입자 형으로 충진될 수도 있고, 그 입자들 사이를 연료 가스들이 흐르도록 할 수도 있다.
즉, 상기 개질 부(40)에서는 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 변형 실시예의 개질 기(1')의 촉매(46')로서 Cu/ZnO 또는 Cu/ZnO/Al2O3로 이루어진 입자들이 상기 개질 부(40)의 유로(42) 내에 충전될 수 있다. 이와 같은 경우, 상기 촉매(46') 입자들의 크기는 개질 부(40) 전방 측의 증발 부(30)로, 또는 개질 부(40) 후방 측의 연결부(50) 측으로 빠져나가지 않는 큰 크기로 형성될 수 있다.
이와 같이, 상기 개질 부(40)는 흡열 반응을 수반하는 촉매반응을 통하여 메탄올 등의 탄화수소계 연료를 수소 가스로 개질시키며, 이 과정에서 필요한 열원은 기판(10)의 하부 측에 형성된 가열 수단(48)을 통하여 이룬다. 상기 개질 부(40)의 가열 수단(48)은 상기 기판(10)의 하부 면에 전기적 저항 회로가 패턴으로 형성되어 상기 기판(10)을 통하여 그 상부 측의 개질 부(40)를 가열시키는 것으로서, 상기 증발 부(30)의 가열 수단(35)과 일체로 된 하나의 전기 저항 회로 패턴으로 형성될 수 있다.
이와 같은 개질 부(40)의 가열 수단(48)은 도 9에 도시된 바와 같이, 기판 (10)의 하부 면(10a)에 형성되어 상기 기판(10)을 통하여 개질 부(40)의 온도를 일정 온도, 바람직하게는 250-290℃ 사이의 온도로 유지하게 된다.
그리고 본 발명은 상기 기판(10)의 개질 부(40) 후류 측에서 유로를 형성하고, 상기 개질 부(40)에서 발생된 개질 가스 내에 포함된 CO 가스를 제거하는 CO 제거 부(60)를 구비한다.
상기 CO 제거 부(60)는 상기 기판(10) 내에서 상기 연료 도입부(20)의 타측에 유로(62)를 형성하고, 발열 반응에 의해서 상기 수소 가스와 함께 포함된 CO 가스를 제거한다.
이와 같은 CO 제거 부(60)는 상기 개질 부(40)로부터 발생된 수소 가스, 일산화 탄소 및 이산화 탄소 등을 포함하는 개질 가스가 공급되는바, 이는 유로의 단면이 축소된 좁은 연결부(50)를 통하여 이루어진다. 상기 연결부(50)는 상기 기판(10)의 모서리를 따라서 연장되며, 상기 CO 제거 부(60)의 입구 측에는 상기 연결부(50)의 유로 면적보다 큰 유로 확대 부(54)가 구비된다.
이와 같이 개질 가스에 포함된 수소 가스, 일산화 탄소 및 이산화 탄소 등의 기체는 면적이 좁은 연결부(50)를 통과한 후에 면적이 큰 유로 확대 부(54)로 방출되므로 그 부분에서 압력 강하가 이루어지고, 낮은 압력 상태로 상기 CO 제거 부(60)로 유입된다.
한편, 상기 CO 제거 부(60)는 상기 개질 부(40)에서와 같이 다수의 격벽(64) 들을 통하여 유로(62)가 형성되고, 상기 유로(62)의 입측, 즉 유로 확대 부(54)에는 상기 기판(10) 위로 덮이는 덮개(100) 상에 공기 유입구(112)가 배치된다.
그리고 상기 유로(62) 내에는 상기 개질 부(40)에서 생성된 CO 가스를 제거시키는 촉매(66)가 증착 등으로 코팅된 구조이다.
이러한 CO 제거 부(60)는 개질 부(40)로부터 유입되는 개질 가스를 공기 중의 산소와 반응시켜 CO를 제거하며, 이와 같은 CO 제거 부(60)에서 사용되는 촉매(66)는 바람직하게는 Pt, Pt/Ru, Cu/CeO/Al2O3 들이 사용 가능하다.
또한 상기 CO 제거 부(60)에서 사용되는 촉매(66)는 상기와는 다르게, 도 8에 도시된 바와 같이, 입자 형태의 촉매(66')로 이루어질 수 있다. 즉, 상기 촉매(66')는 바람직하게는 Pt, Pt/Ru, Cu/CeO/Al2O3 중의 어느 하나로 이루어진 입자 형태를 구비할 수 있다.
이와 같은 CO 제거 부(60)의 입자형 촉매(66')들도 그 입측 유로 확대 부(54) 측으로, 또는 CO 제거 부(60)의 출측 반응 가스 배출구(114) 측으로 빠져나가지 않는 큰 크기로 형성될 수 있다.
상기 CO 제거 부(60)는 발열 반응을 수반하는 촉매반응을 통하여 인체에 유해한 CO를 인체에 무해한 CO2 로 변환시켜 처리하며, 이 과정에서 필요한 열원은 기 판(10)의 하부 면(10a)에 형성된 CO 제거 부 용 가열 수단(68)을 통하여 이룬다.
상기 CO 제거 부(60)의 가열 수단(68)은 도 9에 도시된 바와 같이, 기판(10)의 하부 면에 전기적 저항 회로가 패턴으로 형성되어 상기 기판(10)을 통하여 그 상부 측의 CO 제거 부(60)를 가열시키는 것이다.
이와 같은 CO 제거 부(60)의 가열 수단(68)도 전기 저항 회로 패턴으로 이루어져 적절한 전원 공급 및 제어를 통하여 상기 CO 제거 부(60)를 일정 온도, 바람직하게는 170℃-200℃로 유지하게 된다.
또한 본 발명은 도 7a) 및 8a)에 도시된 바와 같이, 상기 기판(10)의 상부를 덮어 내부 공간을 외부로부터 차폐시키는 평판형 덮개(100)를 포함한다. 상기 덮개(100)는 기판(10)과 동일한 실리콘, 금속, 글라스, 세라믹 및 내열 플라스틱 등의 재료를 사용할 수 있으며, 상기 기판(10)의 상부 면에 본딩 접합으로 일체화될 수 있다.
그리고 이와 같은 덮개(100)는 바람직하게는 도 7b) 및 8b)에 도시된 바와 같이, 상기 연료 도입부(20), 증발 부(30), 개질 부(40) 및 CO 제거 부(60)의 공간 또는 유로에 대응하도록 오목한 공간 또는 유로(100')를 형성하여 상기 기판(10)과 덮개(100)가 내부에 형성하는 공간 또는 유로 크기를 보다 크게 확대시킬 수 있다.
또한 상기 덮개(100)는 기판(10)에 접착되어 일체화된 상태에서 상기 CO 제거 부(60)의 유로(62) 출측 부분에 반응 가스 배출구(114)를 형성한다. 즉, 상기 CO 제거 부(60)를 통하여 생성시킨 수소 가스와 CO2를 포함하는 반응 가스를 상기 반응 가스 배출구(114)를 통하여 기판(10)의 외부로 배출시킨다.
따라서, 상기 덮개(100)는 연료 도입부(20) 측에 연료 도입 구(110)가 형성되고, CO 제거 부(60)의 입측 유로 확대 부(54)에는 공기 유입구(112)가 형성되며, CO 제거 부(60)의 출측에는 반응 가스 배출구(114)가 형성되어 액체 상태의 연료가 연료 도입 구(110)를 통하여 유입되고, 개질된 다음 수소가스와 CO2 를 포함하는 반응 가스로서 반응 가스 배출구(114)를 통하여 외부로 배출되는 것이다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 박형 개질 기(1)는 덮개(100)의 연료 도입 구(110)를 통하여 액체 상태의 연료가 기판(10)의 대략 중앙에 배치된 연료 도입부(20)의 내부로 진입된다. 이러한 액체 연료는 연료 도입부(20)의 출구(24)를 통하여 기판(10)의 증발 부(30) 측에 방울 상태로 유입된다.
이와 같이 유입되는 액체 연료의 유량은 대략 10~100㎛/min로서 적은 유량이다. 이러한 연료 도입부(20)를 통과한 액체 연료는 그 출구(24)를 통하여 증발 부(30)의 기체 팽창 부(32)로 도입되어 개질에 필요한 온도, 즉 250-290℃ 사이의 온도로 기화하면서 그 부피가 팽창된다.
따라서 증발 부(30)의 기체 팽창 부(32)에서는 기화단계에서 순간적으로 연료의 부피 증가가 1800배 정도 일어나게 된다. 이때 증발 부(30)는, 만일 그 유로가 좁으면 내부 압력이 증가하여 메탄올 혼합가스를 촉매 층으로 전달하기는 원활 해지지만, 기화 시에 순간적으로 부피가 확대되어 배압(back pressure) 증가에 따른 원료의 역류 현상이 일어난다.
그러나 본 발명에서는 증발 부(30)의 기체 팽창 부(32)에서 기체가 넓게 퍼질 수 있도록 유로 공간이 크게 확대된 것이고, 상기 기체 팽창 부(32)는 격벽(36a)(36b)에 형성된 관통 구(38)를 통하여 배압 수용 부(34)에 연통되어 있다. 따라서 기화된 연료는 도 6에서 화살표로 도시된 바와 같이, 기체 팽창 부(32)로 유입되는 액체 연료의 외측을 지나쳐서 상기 기체 팽창 부(32)로부터 배압 수용 부(34)측으로 이동되어 증발 부(30) 내에서 연료의 팽창에 의한 배압 상승을 더욱 억제한다.
한편, 이와 같이 기화된 액체에 의한 배압 상승이 연료 도입 부(20) 측에 영향을 주려 하지만, 상기 연료 도입부(20)로부터 증발 부(30)로 이어지는 출구(24)는 대략 그 크기가 10~100㎛ 정도로 좁게 구성되어 마치 노즐과 같은 역할을 함으로써 증발 부(30)의 입구 측의 내부 압력을 높이게 되므로, 그에 따라 연료 기체의 배압(back pressure)에 의한 액체 연료의 역류는 발생하지 않는다.
이와 같이 증발 부(30)의 기체 팽창 부(32)로부터 배압 수용 부(34) 측으로 이동한 연료 기체는 다시 기체 팽창 부(32) 측으로 이동하고, 증발 부(30)의 출구(39)를 통하여 그 후류 측에 형성된 개질 부(40)로 유입되어 흡열 반응을 수반하는 촉매 반응을 거치게 되며, 이 과정에서 250-290℃ 사이의 온도에서 수소 가스, CO, CO2 를 포함하는 개질 가스가 발생 된다.
그리고 이와 같은 개질 가스는 유로 단면적이 작은 연결부(50)를 통하여 그 후류 측의 CO 제거 부(60)로 이동되며, 이 과정에서 고온, 고압상태의 개질 가스는 좁은 연결부(50)를 통과하고, 상기 유로 확대 부(54)는 그 유로 면적을 급격히 확대시켜 압력을 낮춤으로써 해당 유로 확대 부(54)의 압력이 개질 부(40)의 압력보다 현저히 낮아지도록 한다.
또한 상기 개질 가스는 유로 확대 부(54)에 위치된 덮개(100)의 공기 유입구(112)를 통하여 공기유입이 이루어지는 상태로 CO 제거 부(60)를 통과하게 된다.
상기 CO 제거 부(60)에서는 170-200℃ 정도의 온도에서 발열반응이 수반되면서 선택 산화의 촉매 반응이 이루어져 개질 가스 내의 CO는 CO2 로 변환되어 인체에 무해하게 제거되는 것이다.
이와 같은 상태로 CO 제거 부(60)를 통과하면 수소 가스와 CO2를 포함하는 반응 가스가 생성되고, 이는 덮개(100)의 반응 가스 배출구(114)를 통하여 외부로 배출된다. 또한 본 발명은 상기 CO 제거 부(60)의 산화반응에 필요한 공기를 외부에서 공급해주어야 하는데, 이와 같은 경우, 덮개(100)의 공기 유입구(112)를 통하여 공기를 공급하는 펌프(미 도시)는 용량이 적은 소형으로 이루어질 수 있다. 즉, 개질 가스가 개질 부(40)로부터 유로 단면적이 좁은 연결부(50)를 통하여 CO 제거 부(60)의 입측 유로 확대 부(54)로 이동하기 때문에, 상기 유로 확대 부(54)에서는 내부 압력 강하로 인하여 상기 개질 부(40)에 비하여 현저히 압력이 낮아지게 되므로, 상기 공기 유입구(112)를 통하여 쉽게 외부 공기가 유입될 수 있다.
따라서, 상기 공기 유입구(112)로 공기를 제공하는 펌프는 종래에 비하여 작은 크기의 소형으로 이루질 수 있는 것이다.
한편, 본 발명은 상기에서 가열 수단(35)이 증발 부(30)의 아래에 형성된 것으로 설명되었으나, 상기 가열 수단(35)은 증발 부(30) 아래에서 제거되어 개질 부(40)와 CO 제거 부(60)만을 가열 수단(48)(68)이 가열시키도록 하고, 상기 증발 부(30)는 개질 부(40)와 CO 제거 부(60)로부터 전열되는 열량을 통하여 가열시키도록 구성가능한 것이다.
상기와 같이 본 발명에 의하면, 원료 도입부와 증발 부의 위치 및 구조 등을 변경함으로써 방울 장의 형태로 원료를 공급하기 때문에 원료 체적에 대한 표 면적의 비율이 커짐으로써 같은 열량으로 증발시켰을 때 그 증발 효율을 증가시킬 수 있다.
그리고 연료 도입부의 출구가 좁아서 액체 연료의 주입하는 부분의 압력이 커지게 되므로, 순간적인 기체 팽창 시 발생하는 배압(back pressure)에 의해서 생기는 연료 주입의 역류 현상을 효과적으로 억제할 수 있는 것이다.
또한 증발 부에는 기체 팽창 부와 배압 수용 부를 형성하여 액체 연료의 팽창 공간을 크게 확대시켜 개방함으로써 증발 부에서 발생하는 배압(back pressure)의 크기를 크게 줄일 수 있고, 유로가 넓어져서 생기는 증발 부 내부 압력의 감소는 연료 기화시 발생하는 배압(back pressure)으로 대체 가능한 것이다. 따라서 증발 부에서의 압력 평형을 이루어 액체 연료의 원활한 도입이 가능하게 된다.
뿐만 아니라, 본 발명에 의하면 증발 부 영역을 기체 팽창 부와 배압 수용 부로 나누어 적당히 조절함으로써 배압(back pressure)의 압력 상승을 억제하고, 원료 주입 압력을 높일 필요가 없으며, 효율적이고 원활한 기체 흐름을 유도하여 전체적인 장치의 소형화를 이루면서도 개질 성능을 향상시킬 수 있는 개선된 효과를 얻는 것이다.
상기에서 본 발명은 특정한 실시 예에 관하여 도시되고 설명되었지만, 이는 단지 예시적으로 본 발명을 설명하기 위하여 기재된 것이며, 본 발명을 이와 같은 특정 구조로 제한하려는 것은 아니다. 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 알 수 있을 것이다. 그렇지만 이러한 수정 및 변형 구조들은 모두 본 발명의 권리범위 내에 포함되는 것임을 분명하게 밝혀두고자 한다.

Claims (7)

  1. 연료 전지에 사용되는 박형 개질 기에 있어서,
    내부에 유로를 형성한 기판;
    상기 기판의 유로 내로 탄화수소계 연료를 유입시키는 연료 도입부;
    상기 기판 내에서 상기 연료 도입부의 후류 측에서 액체상태의 탄화수소계 연료가 기화하는 기체 팽창 부와, 기화 시의 배압을 수용하는 배압 수용 부를 포함하여 배압이 상기 연료 도입 부측으로 미치는 것을 차단하는 증발 부;
    상기 증발 부의 후류 측에 유로를 형성하고, 상기 유로에 형성된 촉매에 의한 촉매반응을 수반하는 흡열 반응을 통하여 탄화수소계 연료를 수소 가스로 개질시키는 개질 부;
    상기 개질 부의 후류 측에 유로를 형성하고, 상기 유로에 형성된 촉매에 의한 촉매반응을 수반하는 발열반응에 의해서 상기 수소 가스와 함께 포함된 CO 가스를 제거하는 CO 제거 부; 및
    상기 기판의 상부를 덮어 내부 유로를 외부로부터 차폐시키는 덮개;를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 박형 개질 기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 연료 도입부는 그 형성 위치가 상기 기판의 중앙에 형성되는 것임을 특징으로 하는 박형 개질 기.
  3. 제2항에 있어서, 상기 연료 도입부는 격벽이 기판에 형성되고, 그 격벽의 일 측에는 출구를 형성하여 방울 형태의 액체 연료를 공급하는 것임을 특징으로 하는 박형 개질 기.
  4. 제1항에 있어서, 상기 증발 부의 기체 팽창 부와 상기 배압 수용 부는 복수의 증발 부 격벽에 의해서 구획되며, 상기 증발 부 격벽들 사이에는 관통 구가 형성되어 서로 연통하는 것임을 특징으로 하는 박형 개질 기.
  5. 제4항에 있어서, 상기 관통 구는 상기 연료도입부의 출구에 형성되는 유로보다 큰 크기로 형성되어 액체 연료가 연료 도입부로부터 기체 팽창 부로 유입되면, 그 액체 연료의 둘레를 통하여 상기 기체 팽창 부로부터 상기 배압 수용 부로 향한 연료 기체의 흐름을 허용하는 것임을 특징으로 하는 박형 개질 기.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 관통 구는 상기 연료 도입 부의 출구에 인접하여 형성된 것임을 특징으로 하는 박형 개질 기.
  7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 증발 부는 상기 기판의 하 부 면에 전기적 저항 회로가 패턴으로 형성된 가열 수단을 구비하여 상기 기판을 통하여 증발 부를 가열시키는 것임을 특징으로 하는 박형 개질 기.
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