KR100711893B1 - 연료 전지용 개질 장치 - Google Patents

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Abstract

연료전지에 수소를 공급하는 개질 장치가 개시된다. 본 발명은 연소연료의 연소를 통해 열을 발생시키는 열원부와, 열원부로부터 열을 받고 연료와 물을 혼합 예열시키는 예열부와, 열원부로부터 열을 받고 혼합된 연료 및 물을 수증기 개질하는 중공형 개질부와, 개질부로부터 중공 형상으로 연장 설치되며 개질부로부터 개질 가스를 받고, 개질 가스에 함유된 일산화탄소를 저감시키는 제1 일산화탄소 저감부와, 중공형 개질부의 내표면에 돌출 설치되며 열원부의 열에 의해 가열되는 돌기를 포함하는 개질 장치를 제공한다. 본 발명에 의하면, 개질부 내측의 중공부에서 가열된 공기의 배출을 지연시키고 열원부에 의한 가열 면적을 증가시켜 열효율을 향상시킬 수 있다.
연료 전지, 개질기, 원통형, 버너, 부탄

Description

연료 전지용 개질 장치{Reformer for Fuel Cell}
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 개질 장치를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 개질 장치를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 개질 장치를 부분적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 제4 실시예에 따른 개질 장치를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 제5 실시예에 따른 개질 장치를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 제6 실시예에 따른 개질 장치를 나타내는 부분 분해 사시도이다.
도 7은 본 발명의 제7 실시예에 따른 개질 장치를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 제8 실시예에 따른 개질 장치를 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 개질 장치가 채용된 연료전지 시스템의 일례를 나타내는 블록도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
100: 개질 장치 110: 예열부
120: 개질부 130: 수성가스 전환부(WGS)
140: 중공부 150: 돌기
160: 열원부 200: 연료전지 시스템
본 발명은 연료전지용 개질 장치에 관한 것으로, 특히 열효율을 향상시킬 수 있고 각 반응부의 반응 온도를 용이하게 제어할 수 있는 연료전지용 개질 장치에 관한 것이다.
연료전지는 수소와 산소를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시키는 발전 시스템이다. 연료전지는 사용되는 전해질(electrolyte)의 종류에 따라, 인산형 연료전지, 용융탄산염형 연료전지, 고체 산화물형 연료전지, 고분자 전해질형 연료전지, 알칼리형 연료 전지 등으로 분류된다. 이들 각각의 연료전지는 기본적으로 같은 원리에 의해 작동되지만 사용되는 연료의 종류, 운전온도, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다. 그 가운데, 고분자 전해질형 연료전지(polymer electrolyte membrane fuel cell, PEMFC)는 다른 연료전지에 비하여 출력 특성이 월등히 높고, 작동 온도가 낮으며, 아울러 빠른 시동 및 응답특성과 함께, 휴대용 전자기기용과 같은 이동용(transportable) 전원이나 자동차용 동력원과 같은 수송용 전원은 물론, 주택, 공공건물의 정지형 발전소와 같은 분산용 전원 등 그 응용 범위가 넓은 장점을 가진다.
수소는 연료전지의 애노드 전극에서 일어나는 전기화학적 산화 반응에 있어 서 가장 반응성이 뛰어나고 산소와 반응한 후, 물을 생성하여 공해물질을 배출하지 않기 때문에 연료전지의 연료로 가장 적합하다. 하지만 수소는 자연 상태에 거의 존재하지 않기 때문에 다른 원료로부터 개질하여 얻는다. 예를 들면, 수소는 가솔린, 디젤, 메탄올, 에탄올, 천연 가스 등와 같은 탄화수소 계열의 연료로부터 개질 장치를 통해 얻을 수 있다. 또한, 수소는 현재 시중에 판매되고 있는 부탄캔 등의 연료 제품으로부터 손쉽게 얻을 수 있다. 따라서, 연료전지의 연료 공급원으로서 부탄캔을 이용한다면, 부탄캔의 내부 압력을 이용하여 연료를 공급할 수 있다는 이점이 있다.
한편, 개질 장치의 각 반응부는 설치되는 각각의 반응 촉매에 따라 요구되는 반응온도 범위가 서로 다르다. 예를 들면, 수증기 개질(steam reforming, SR) 반응의 반응온도 범위는 개질 원료의 종류에 따라 다른데, 부탄 등의 탄화수소계 연료일 때는 대략 600℃ 내지 900℃이고, 메탄올 연료일 때는 대략 250℃ 내지 400℃이다. 그리고 일산화탄소를 제거하기 위한 공정 중의 하나인 수성가스 전환(water gas shift, WGS) 반응의 반응온도 범위는 대략 200℃ 내지 350℃이고 선택적 산화(preferential CO oxidation, PROX) 반응의 반응온도 범위는 대략 100℃ 내지 250℃이다. 이와 같이, 개질기의 각 반응부의 반응온도 범위는 개질 반응부, 수성가스 전환부, 선택적 산화부 순으로 반응온도 대역이 낮아진다.
이와 같이, 부탄 등의 탄화수소계 연료를 개질하는 개질 장치에서는 메탄올 연료를 개질하는 개질 장치보다 각 반응부의 반응온도 차이가 커서 각 반응부의 반응온도를 적절히 제어하기가 어렵다. 따라서, 탄화수소계 연료를 개질하는 개질 장 치에서는 각 반응부의 반응온도 범위를 적절히 제어하면서 신속한 예열과 높은 열효율을 갖는 개질 장치가 요구되고 있다.
본 발명은 부탄을 함유한 연료로부터 수소가 풍부한 개질 가스를 발생시키는 개질 장치로서, 중공 파이프 형상의 개질 장치의 내부에 돌기를 설치함으로써 개질부를 신속하게 예열할뿐 아니라 각 반응부의 온도를 적절하게 제어하여 부탄함유연료의 수증기 개질 효율을 향상시킬 수 있는 개질 장치를 제공하는데 있다.
삭제
상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 수소와 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 연료전지에 수소를 함유한 연료를 공급하는 개질 장치에 있어서, 연소연료의 연소를 통해 열을 발생시키는 열원부와, 열원부의 열을 받고 연료와 물을 혼합 예열시키는 예열부와, 중공부를 구비하며 중공부를 통해 열원부의 열을 받고 상기 혼합된 연료 및 물을 수증기 개질하는 개질부와, 개질부의 중공부로부터 연장되는 또 다른 중공부를 구비하며 개질부로부터 개질 가스를 받고 개질 가스에 함유된 일산화탄소를 저감시키는 제1 일산화탄소 저감부와, 개질부와 제1 일산화탄소 저감부 사이에 위치하는 열차단부와, 개질부의 중공부측 내표면에 돌출 설치되며 열원부의 열에 의해 가열되는 돌기를 포함하는 연료 전지용 개질 장치가 제공된다.
바람직하게, 연료 전지용 개질 장치는 제1 일산화탄소 저감부의 내표면에 설치되는 돌기를 더 포함한다. 돌기의 높이는 개질부로부터 제1 일산화탄소 저감부로 가면서 낮아진다.
또한, 개질부 및/또는 제1 일산화탄소 저감부는 돌기에 대응하는 나사산을 갖는 단면을 구비하고 나선형으로 설치되는 배관과, 이 배관에 삽입 설치되는 촉매층으로 이루어진다. 다른 한편으로, 개질부 및/또는 제1 일산화탄소 저감부는 돌기에 대응하는 나사산 및 채널을 갖는 단면을 구비하는 중공형 배관과, 채널에 삽입 설치되는 촉매층으로 이루어진다. 또한, 개질부 및/또는 제1 일산화탄소 저감부는 중공 형상의 구조물 하부측에 설치되는 채널과, 각 반응부의 채널에 삽입 설치되는 촉매층으로 이루어진다.
또한, 제1 일산화탄소 저감부의 중공부 단면적은 개질부의 중공부 단면적보다 크다.
또한, 예열부는 중공부를 사이에 두고 열원부와 마주 설치되는 나선형 배관을 구비한다. 또한, 열원부는 중공부 내부로 화염을 방출하는 버너를 포함한다.
또한, 위에 기술한 개질 장치는 제1 일산화탄소 저감부로부터 연장 설치되며, 제1 일산화탄소 저감부로부터 받은 개질 가스에 함유된 일산화탄소를 일정 농도 이하로 저감시키는 제2 일산화탄소 저감부를 추가적으로 포함한다. 또한 제2 일산화탄소 저감부는 제1 일산화탄소 저감부의 외표면에 연장 설치된다. 또한, 제1 일산화탄소 저감부는 수성가스 전환부이고, 제2 일산화탄소 저감부는 선택적 산화 부이다.
또한, 위에 기술한 개질 장치는 예열부 및/또는 개질부를 덮는 캡을 추가적으로 포함한다. 또한, 연료는 부탄을 함유한 연료이다. 또한, 연소연료는 부탄을 함유한 연료이다.
이하, 본 발명의 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하의 설명에서 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 요소를 사이에 두고 연결되어 있는 경우도 포함한다. 도면에서 각 구성요소의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되었다. 도면상에서 동일 부호는 유사하거나 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 개질 장치를 나타내는 도면이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 제1 실시예에 따른 개질 장치(100)는 연료공급장치(미도시)로부터 공급되는 부탄함유연료를 수증기 개질하여 수소가 풍부한 개질가스를 발생시킨다. 또한, 개질 장치(100)는 부탄함유연료의 개질 과정 중에 발생하며, 고분자 전해질형 연료전지의 전극에 악영향을 미치는 일산화탄소(CO)를 일정 농도 이하로 저감시킨다. 이를 위해, 개질 장치(100)는 나선형 배관(112)의 예열부(110), 중공 파이프 형상 또는 관형의 개질부(120), 중공 파이프 형상의 일산화탄소 저감부(130), 개질부(120)의 내표면으로부터 중공부(140)로 돌출되도록 설치되는 돌기(150), 및 화염 분사형 열원부(160)를 구비한다.
보다 구체적으로 설명하면, 개질 장치(100)에서 예열부(110)는 열원부(160)의 화염이나 이 화염에 의해 뜨거워진 공기에 의해 가열되는 금속성 배관(112)으로 이루어진다. 금속성 배관(112)은 철, 알루미늄 또는 이들 중 적어도 어느 하나를 주성분으로 하는 합금으로 이루어진다. 또한, 예열부(110)는 금속성 배관(112)이 나선형으로 구부려진 상태로 중공 파이프 형상의 개질부(120)의 중공부(140) 부근에 인접하게 설치된다. 예컨대, 나선형 예열부(110)의 중심축이 원통형 개질부(120)의 중심축과 대략 일치하도록 설치된다. 상술한 구성에 의하면, 예열부(110)는 유입부(102)로 유입되는 부탄함유연료와 물이 적절히 혼합되고 신속히 예열되도록 기능한다. 적절히 혼합되고 예열된 부탄함유연료와 물은 예열부(110)로부터 개질부(120)로 유입된다.
개질부(120)는 제1 채널(122)이 형성되어 있는 중공 파이프 형상의 금속성 부재로 이루어지며, 열원부(160)의 화염에 의해 직접 가열되거나 이 화염으로 뜨거워진 공기에 의해 가열된다. 제1 채널(122)은 예열부(110)로부터 유입되는 부탄함유연료와 물이 지나는 유로이다. 제1 채널(122) 내부에는 수증기 개질 반응(steam reforming, SR)을 위한 개질 촉매층(124)이 삽입 설치된다. 예컨대, 개질 촉매층(124)은 Ni/Al2O3, Ru/ZrO2, Ru/Al2O3/ Ru/CeO2-Al2O3 등에서 선택된 촉매가 알갱이 형태로 충진되어 이루어진다. 이 경우, 알갱이 촉매의 비산을 방지하기 위하여 개질부(120)의 유입부 부근과, 개질부(120)와 일산화탄소 저감부(130) 사이에는 적절한 망상체(미도시)가 설치될 수 있다. 금속성 부재는 철, 알루미늄 등의 금속이나 또는 이들 금속 중 적어도 하나를 주성분으로 하는 합금을 포함한다. 물론, 개질부(120)는 금속성 부재 이외에 내열성 복합 재료로 구성될 수 있다.
상술한 부탄의 수증기 개질 반응을 반응식으로 나타내면 다음과 같다.
n-C4H10 + 8H2O ↔ 4CO2 + 13H2
일산화탄소 저감부(130)는 제2 채널(132)이 형성되어 있는 중공 파이프 형상의 금속성 부재로 이루어지며, 개질부(120)로부터 유입되는 개질 가스에 함유된 일산화탄소를 소정 농도로 저감시킨다. 제2 채널(132)은 개질부(120)의 제1 채널(122)로부터 연장되며, 개질 가스가 지나는 유로이다. 제2 채널(132) 내부에는 개질 가스에 함유된 일산화탄소를 저감시키기 위한 촉매층(134)이 삽입 설치된다. 예컨대, 촉매층(134)은 Cr2O3/Fe3O4, Cu/ZnO/Al2O3 등의 촉매가 알갱이 형태로 충진되어 이루어진다. 이 경우, 알갱이 촉매의 비산을 방지하기 위하여 개질부(120)와 일산화탄소 저감부(130) 사이와, 일산화탄소 저감부(130)의 배출부 부근에는 적절한 망상체(미도시)가 설치될 수 있다. 그리고, 일산화탄소 저감부(130)을 구성하는 금속성 부재는 개질부(120)을 구성하는 금속성 부재와 동일하거나 이와 유사한 부재로 이루어진다.
본 실시예에서, 일산화탄소 저감부(130)는 첨가된 수증기에 의해 일산화탄소를 수소와 이산화탄소로 전환하는 수성가스 전환(water gas shift, WGS) 반응부로 이루어지는 것이 바람직하다. 수성가스 전환 반응을 반응식으로 나타내면 다음과 같다.
CO + H2O ↔ CO2 + H2
상술한 경우, 개질 장치(100)는 일산화탄소 저감부(130)의 제2 채널(132)로부터 외부로 연장되는 유출관(136)에 결합되는 제2 일산화탄소 저감부(미도시)를 구비하는 것이 바람직하다. 제2 일산화탄소 저감부는, 예컨대, 산화 반응으로 일산화탄소를 이산화탄소로 전환하는 선택적 산화(preferential CO oxidation, PROX) 반응부로 이루어지며, 일산화탄소 저감부(130)로부터 일산화탄소 농도의 소정 농도로 저감된 개질 가스를 받고, 이 개질 가스에 함유된 일산화탄소를 원하는 일정 농도 이하로 저감시킨다.
또한, 일산화탄소 저감부(130)는 열원부(160)의 화염에 의해 직접 가열되거나, 이 화염으로 뜨거워진 공기, 또는 개질부(120)의 전열에 의해 가열된다. 예를 들면, 일산화탄소 저감부(130)는 개질 장치(100)의 초기 구동시 일정 시간 동안 열원부(160)의 화염에 의해 직접 가열되고, 열원부(160)가 개질부(120)측으로 전진 이동되어 열원부(160)의 화염에 의해 개질부(120)가 직접 가열될 때, 개질부(120)로부터 전달되는 열에 의해 가열될 수 있다. 이것은 일산화탄소 저감부(130)가 개질부(120)의 반응온도보다 상대적으로 낮은 반응 온도를 갖기 때문에, 일산화탄소 저감부(130)의 반응 온도를 예컨대 대략 200℃ 내지 350℃로 적절하게 조절하기 위한 것이다.
특히, 본 실시예에 따른 개질 장치(100)는 개질부(120)와 일산화탄소 저감부(130)의 내표면으로부터 중공부(140)측으로 돌출 설치되는 돌기(150)를 구비한다. 돌기(150)는 개질부(120)를 구성하는 금속성 부재와 동일하거나 이와 유사한 재료로 이루어지며, 열원부(160)의 화염 또는 이 화염으로 뜨거워진 공기에 의해 가열된다. 돌기(150)는 삼각뿔 형상으로 설치된다. 물론, 돌기(150)는 요철 및/또는 엠보싱 형상이나 핀(pin) 형상의 구조물로 설치될 수 있다. 그리고 돌기(150)는 개질부(120) 및/또는 일산화탄소 저감부(130)를 구성하는 부재에 일체로 설치되거나 용접 등에 의해 접합 설치될 수 있다.
열원부(160)는 예열부(110), 개질부(120) 및 일산화탄소 저감부(130)에 화염과 이 화염으로 뜨거워진 공기에 의해 직접 또는 간접 열을 제공한다. 열원부(160)는 버너(burner), 토치(torch) 등의 화염 방사 장치로 이루어진다. 열원부(160)는 일산화탄소 저감부(130)의 중공부(140) 부근에 인접하게 설치된다.
전술한 개질부(120) 및 일산화탄소 저감부(130)의 내표면에 설치된 돌기(150)와 화염 방사 방식의 열원부(160)를 이용하면, 열원부로부터 개질부와 일산화탄소 저감부로의 열전달 효율이 향상되고 그것에 의해 예열부뿐 아니라 개질부와 일산화탄소 저감부를 신속하게 예열할 수 있다. 특히, 개질부의 온도가 부탄함유연료의 수증기 개질 반응에 적합한 고온 분위기, 대략 600℃ 내지 900℃에 신속하게 도달하도록 할 수 있다.
이하, 본 발명의 다양한 실시 형태를 설명한다. 이하의 설명에서는 위에 기술한 제1 실시예와 중복되는 설명은 생략한다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 개질 장치를 나타내는 도면이다. 그리고 도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선을 따라 절단하여 얻어지는 단면에 부분적으로 대응된다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 개질 장치(100a)는 가이드암(161)과 가이드홈(131)을 구비한 것을 제외하고 제1 실시예에 따른 개질 장치(100)와 실질적으로 동일하다.
다시 말해서, 개질 장치(100a)는 부탄함유연료와 물의 유입을 위한 유입부(102)를 구비한 예열부, 개질부, 일산화탄소 저감부(130a), 돌기(150a) 및 열원부(160a)를 포함한다. 예열부와 개질부 및 돌기(150a)는 제1 실시예에 따른 개질 장치(100)의 예열부와 개질부 및 돌기와 실질적으로 동일하다. 일산화탄소 저감부(130a)는 그 내표면에 설치되는 세 개의 가이드홈(131)을 제외하고 제1 실시예에 따른 개질 장치(100)의 일산화탄소 저감부와 실질적으로 동일하다. 그리고, 열원부(160a)는 그 외표면으로부터 가이드홈(131)에 대응하여 연장되는 세 개의 가이드암(161)을 제외하고 제1 실시예에 따른 개질 장치(100)의 열원부와 실질적으로 동일하다.
위에 기술한 가이드암(161)은 열원부(160a)로부터 방사상 방향으로 연장되며, 그 일단이 가이드홈(131)에 삽입되고, 일산화탄소 저감부(130a)의 중공부(140)에서 열원부(160a)의 화염 방사 방향으로 슬라이딩하며 전진 또는 후진한다. 예를 들면, 개질 장치(100a)의 초기 구동시 열원부(160a)의 화염 대부분이 일산화탄소 저감부(130a)의 중공부(140)에 위치하도록 하여 예열부, 개질부 및 이산화탄소 저감부(130a)를 예열시키고, 그후 열원부(160a)를 개질부측으로 전진 이동시켜 열원 부(160a)의 화염 대부분이 개질부의 중공부에 위치하도록 하여, 개질부가 600℃ 내지 900℃의 고온으로 신속하게 가열될 수 있도록 한다.
본 실시예에 따르면, 개질 장치 전체를 신속하게 예열한 후 열원부의 화염 방사 위치를 조정하여 개질부 부분만을 더욱 신속하게 가열할 수 있다. 아울러 개질부와 일산화탄소 저감부의 반응 온도를 용이하게 조절할 수 있다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 개질 장치를 나타내는 부분 단면도이다. 그리고 도 3은 도 1의 개질 장치의 중공부와 돌기가 설치된 개질부 및 일산화탄소 저감부 부분에 대응된다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 개질 장치(100b)는 개질부(120b)와 일산화탄소 저감부(130b)의 내표면으로부터 중공부(140b)로 돌출 설치되는 돌기(150b)의 높이가 개질부(120b)로부터 일산화탄소 저감부(130b)로 가면서 낮아지도록 설치된 것을 제외하고, 제1 실시예에 따른 개질 장치(100)와 실질적으로 동일하다.
전술한 돌기(150b)의 구성에 의하면, 열원부의 화염에 의해 뜨거워진 공기가 중공부(140b)로부터 즉시 배출되는 것을 억제하여 예열된 공기의 배출을 지연시킴으로써, 개질 장치(100b)의 열효율을 향상시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 제4 실시예에 따른 개질 장치를 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 제4 실시예에 따른 개질 장치(100c)는 개질부(120c)와 일산화산소 저감부(130c)를 구성하는 중공 파이프 형상의 구조물 내표면에 나사산 구조와 유사한 형상의 산(150c)과 골(151)이 설치되는 것과, 열원부 (160c)에 방사관(162)이 설치되는 것을 제외하고 제1 실시예에 따른 개질 장치(100)와 실질적으로 동일하다.
개질부(120c)와 일산화산소 저감부(130c)를 구성하는 중공 파이프 구조물은 예를 들어 일측면에 산(150c)이 형성되고 그 내부에 촉매층(124, 134)이 삽입 설치된 채널(122a, 132a)이 설치된 파이프를 나선형으로 접합시켜 제작할 수 있다.
열원부(160c)에 설치되는 방사관(162)은 화염의 방사 위치를 조절하기 위한 것이다. 예를 들면, 본 실시예에서는 방사관(162)의 길이를 짧게 설치하여 방사관(162)으로부터 방사되는 화염 대부분이 일산화탄소 저감부(130c)를 직접 가열하도록 설치하거나, 방사관(162)의 길이를 길게 설치하여 방사관(162)으로부터 방사되는 화염 대부분이 개질부(120c)를 직접 가열하도록 설치할 수 있다.
전술한 개질 장치(100c)에서는 제1 실시예에 따른 개질 장치(100)의 돌기 대신에 나사산 구조의 산(150c)을 형성하여 열원부(160c)와 개질부(120c) 및 일산화탄소 저감부(130c)와의 열효율을 향상시킨다. 또한, 열원부(160c)로부터 연장 설치되는 방사관(162)의 길이를 이용하여 화염의 위치를 조절함으로써, 개질 장치(100c)의 각 반응부에 대한 온도 제어를 용이하게 실시할 수 있다.
도 5는 본 발명의 제5 실시예에 따른 개질 장치를 나타내는 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 제5 실시예에 따른 개질 장치(100d)는 중공 파이프 형상의 개질부(120d)로부터 연장되는 중공 파이프 형상의 일산화탄소 저감부(130d)의 중공부(141b) 단면적이 개질부(120d)의 중공부(141a) 단면적보다 크게 설치되고, 돌기(150d)가 개질부(120d)의 내표면 하부측에만 부분적으로 설치되며, 개 질부(120d)와 일산화탄소 저감부(130d)를 구성하는 채널(122d, 132d)이 대략 직선 상에 배치되는 것을 제외하고, 제1 실시예에 따른 개질 장치(100)와 실질적으로 동일하다.
일산화탄소 저감부(130d)의 중공부(141b) 단면적을 개질부(120d)의 중공부(141a) 단면적보다 크게 설치하면, 일산화탄소 저감부(130d)의 중공부(141b)에서 외부 공기의 유출입을 용이하게 하여 일산화탄소 저감부(130d)의 온도 상승을 부분적으로 억제하고, 열원부(160)로부터 방사되는 화염에 의해 뜨거워진 공기 대부분은 돌기(150d)가 설치되어 있는 개질부(120d)의 중공부(141a)에 머물다가 배출되게 되므로 개질부(120d)의 열효율을 향상시킬뿐 아니라 개질부(120d)와 일산화탄소 저감부(130d)의 각 반응 온도를 용이하게 조절할 수 있다.
또한, 본 실시예에서는 개질부(120d)와 일산화탄소 저감부(130d)에 설치되는 채널(122d, 132d)이 나선형으로 배치되지 않고 대략 직선 형상으로 배치된다. 예를 들면, 채널(122d, 132d)는 예열부(110)의 나선형 배관(112)으로부터 유출관(136d)으로 연장되는 부분에 일정 폭을 갖고 설치된다. 채널(122d, 132d)에는 수증기 개질 반응과 일산화탄소 저감 반응에 적절한 촉매층(124d, 134d)이 각각 삽입 설치된다. 예컨대, 수증기 개질 반응을 위한 촉매층으로는 Ni/Al2O3, Ru/ZrO2, Ru/Al2O3, 고분산 Ru/CeO2-Al2O3, 그외 Ru계 촉매, Rh계 촉매등의 촉매가 사용될 수 있고, 일산화탄소 저감부의 촉매층으로는 Cr2O3/Fe3O4, Cu/ZnO/Al2O3 등의 촉매가 사용될 수 있다.
도 6은 본 발명의 제6 실시예에 따른 개질 장치를 나타내는 부분 분해 사시도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 제6 실시예에 따른 개질 장치(100e)는 개질부(120e)와 일산화탄소 저감부(130e) 사이에 열전달을 부분적으로 차단하는 열차단부(126a, 126b)가 설치되고, 돌기(150e)가 개질부(120e)의 내표면에만 설치되는 것을 제외하고는 제1 실시예에 따른 개질 장치(100)와 실질적으로 동일하다.
예열부(110e)는 부탄함유연료와 물의 유입을 위한 유입관(102a)으로부터 연장되는 나선형 배관(112a)으로 이루어진다. 예열부(110e)는 개질부(120e)의 중공부(140e)에 대하여 대략 동심의 나선형으로 설치된다. 예열부(110e)로부터 개질부(120e)로 유입된 연료와 물은 수증기 개질 반응을 통해 수소가 풍부한 개질 가스로 전환된다. 그리고 전환된 개질 가스는 일산화탄소 저감부(130e)를 통해 일산화탄소의 농도가 저감된 후 유출관(136e)으로 유출된다.
열차단부(126a, 126b)는 개질부(120e)와 일산화탄소 저감부(130e)를 구성하는 금속성 재료보다 열전도율이 낮은 재료, 예컨대, 내열성 복합재료로 이루어진다. 열차단부(126a, 126b)는 열원부(160e)에 의해 가열된 개질부(120e)로부터 일산화탄소 저감부(130e)로 전달되는 열을 부분적으로 차단한다. 예를 들면, 두 조각의 열차단부(126a, 126b)는 중공 파이프 형상의 개질부(120e)와 중공 파이프 형상의 일산화탄소 저감부(130e) 사이에 끼워진 형태로 삽입 설치된다. 이때, 개질부(120e)의 채널과 일산화탄소 저감부(130e)의 채널은 연결 배관(128a)에 의해 결합된다. 다시 말해서, 두 조각의 열차단부(126a, 126b)는 연결 배관(128a)과 더미 배 관(128b)이 끼워지는 홈(127a, 127b)이 그 양단부에 각각 설치되며, 개질부(120e)와 일산화탄소 저감부(130e) 사이에 일정 두께의 링 형상으로 삽입 설치된다.
상술한 구성에 의하면, 돌기(150e)를 통해 부탄함유연료를 수증기 개질하는 개질부(120e)의 반응 온도를 신속하게 상승시키고, 일산화탄소 저감부(130e)의 온도 분위기를 개질부(120e)의 반응 온도보다 상대적으로 낮은 반응 온도로 용이하게 제어할 수 있다.
도 7은 본 발명의 제7 실시예에 따른 개질 장치를 나타내는 도면이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 제 7 실시예에 따른 개질 장치(100f)는 예열부(110f) 및 개질부(120f)를 덮는 갭(cap, 170)을 제외하고 제1 실시예에 따른 개질 장치(100)와 실질적으로 동일한다.
유입관(102)으로 부탄함유연료와 물이 유입되면, 그것들은 예열부(110f)의 나선형 배관(112)을 통과하면서 혼합 예열된다. 예열된 연료와 물은 개질부(120f)의 채널(122f)을 통과하면서 개질 촉매층(124f)에 의해 수증기 개질된다. 개질부(120f)에서 발생된 개질 가스는 일산화탄소 저감부(130f)의 채널(132f)을 통과하면서 촉매층(134f)에 의해 일산화탄소가 저감된다. 이때, 열원부(160)로부터 개질부(120f)와 일산화탄소 저감부(130f)에 공급되는 열은 개질부(120f)와 일산화탄소 저감부(130f)의 내표면으로부터 중공부(140f)로 돌출 설치된 돌기(150f)에 의해 효과적으로 전달된다. 그리고, 일산화탄소가 저감된 개질 가스는 유출관(136)을 통해 유출된다.
캡(170)은 개질부(120f)를 구성하는 금속성 재료나 내열성 복합 재료로 이루 어진다. 캡(170)은 열원부(160)으로부터 발생되는 열이 외부로 배출되는 것을 억제하며, 가열된 공기가 개질부(120)의 외표면을 다시 가열하도록 하여 개질부(120)를 신속하게 가열할 수 있도록 기능한다.
물론, 상술한 캡(170)은 예열부(110)만을 덮도록 설치될 수 있다. 이 경우는 캡(170)의 내부로부터 배출되는 가열된 공기가 개질부(120)의 외표면을 효과적으로 가열할 수 없으므로, 위에 기술한 경우보다 신속한 예열과 열효율면에서 그 효과가 약간 뒤질 수 있다.
전술한 돌기(150f)와 캡(170)을 이용하면, 개질 장치(100f)를 매우 신속하게 예열시킬 수 있을뿐 아니라 부탄함유연료를 수증기 개질하는 개질부(120f)를 원하는 반응 온도로 신속하게 가열시킬 수 있다. 또한, 가열된 공기가 배출되면서 개질부(120f)의 외표면을 가열하도록 함으로써 열효율을 향상시킬 수 있다.
한편, 위에 기술한 실시예들에서 개질 장치로부터 유출되는 개질 가스는 제2의 일산화탄소 저감부, 예컨대, 선택적 산화 반응부를 통과하도록 설치되는 것이 바람직하다. 이 경우, 개질 가스 대부분이 선택적 산화 반응부의 반응 온도 범위보다 높은 온도를 갖을 수 있다. 따라서, 전술한 제2 일산화탄소 저감부는 반응 온도를 적절히 낮출 수 있는 냉각 장치(미도시), 예컨대, 팬과 이 팬을 구동시키는 팬 드라이버를 구비하는 것이 바람직하다.
도 8은 본 발명의 제8 실시예에 따른 개질 장치를 나타내는 도면이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 제8 실시예에 따른 개질 장치(100g)는 제2 일산화탄소 저감부(180)가 일산화탄소 저감부(130g)(이하 제1 일산화탄소 저감부라 한 다)의 외주면에 설치되고, 돌기(150g)가 개질부(120g)의 내표면으로부터 중공부(140g)로 돌출 설치된 것을 제외하고, 제1 실시예에 따른 개질 장치(100)와 실질적으로 동일하다.
유입관(102)으로 유입된 부탄함유연료와 물은 예열부(110)의 나선형 배관(112)을 통과하면서 혼합 예열된다. 예열된 연료와 물은 개질부(120g)의 채널(122g)을 통과하면서 개질 촉매층(124g)에 의해 수증기 개질된다. 개질부(120g)에서 발생된 개질 가스는 제1 일산화탄소 저감부(130g)의 채널(132g)을 통과하면서 촉매층(134g)에 의해 일산화탄소가 저감된다. 이때, 열원부(160)로부터 개질부(120g)와 제1 일산화탄소 저감부(130g)에 공급되는 열은 개질부(120g)와 제1 일산화탄소 저감부(130g)의 내표면으로부터 중공부(140g)로 돌출 설치된 돌기(150g)에 의해 효과적으로 전달된다. 제1 일산화탄소 저감부(130g)로부터 나오는 개질 가스는 제2 일산화탄소 저감부(180)의 채널(182)을 통과하면서 촉매층(184)에 의해 일산화탄소가 일정 농도 이하로 저감된다. 그리고, 일정 농도 이하의 일산화탄소를 함유한 개질 가스가 유출관(186)을 통해 유출된다.
제2 일산화탄소 저감부(180)는 제1 일산화탄소 저감부(130g)로부터 유입되는 개질 가스에 함유된 일산화탄소를 일정 농도 이하로 저감시킨다. 여기서, 일정 농도 이하는 고분자 전해질형 연료전지의 촉매를 쉽게 피독시킬 수 있는 농도보다 낮은 농도를 말하며, 예컨대, 10ppm 이하가 적합하다.
제2 일산화탄소 저감부(180)는 제1 일산화탄소 저감부(130) 즉, 수성가스 전환 반응부로부터 연장되는 채널(182)과, 이 채널(182)에 삽입 설치되는 촉매층 (184)을 구비한다. 예를 들면, 제2 일산화탄소 저감부(180)는 중공 파이프 형상의 제1 일산화탄소 저감부(130g)의 외주부에 일정 간격을 두고 나선형 채널(182)를 갖은 중공 파이프 형상으로 설치된다. 여기서, 일정 간격은 제2의 일산화탄소 저감부(180)의 내주면이 제1의 일산화탄소 저감부(130g)의 외주면으로부터 소정 간격을 두고 설치되도록 하여 개질부(120g)나 제1 일산화탄소 저감부(130g)로부터 열 전달을 가급적 억제하고 공기에 의해 자연 냉각을 유도하기 위한 것이다.
상술한 경우, 제2 일산화탄소 저감부(180)는 산화 반응으로 일산화탄소를 이산화탄소로 전환하는 선택적 산화 반응부로 이루어진다. 선택적 산화 반응을 반응식으로 간략히 나타내면 다음과 같다.
CO + 1/2O2 ↔ CO2
상술한 구성에 의하면, 개질 장치(100g)를 신속하게 예열하고, 개질부(120g)를 신속하게 개질 반응 온도로 가열하며, 수성가스 전환 반응부와 선택적 산화 반응부를 일체로 형성하여 개질 장치(100g)를 소형화할 수 있다.
위에 기술한 실시예들에서는 각각의 기술적 특징을 구분하여 설명하였지만, 각 실시예들은 다른 실시예의 적용가능한 특징과 적절히 조합될 수 있다.
또한, 위에 기술한 실시예들의 개질 장치에서는 각 반응부에서 촉매층의 코킹(coking) 등의 악영향을 방지하고 적절한 촉매 효율을 유지하기 위하여 적절한 반응 온도의 유지와 함께 수증기와 탄소의 비율(S/C)이 적절히 유지되도록 하는 것 이 바람직하다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 개질 장치를 채용한 연료전지 시스템의 일례를 나타내는 블록도이다. 이하의 연료전지 시스템에 채용된 개질 장치는 위에 기술한 본 발명의 실시예에 따른 개질 장치이다. 따라서, 이하의 상세한 설명에서 개질 장치에 대한 중복되는 설명은 생략한다.
도 9를 참조하면, 연료전지 시스템(200)은 연료저장용기(202), 탈황장치(204), 물탱크(206), 개질 장치(210) 및 연료전지(220)를 구비한다. 또한, 연료전지 시스템(200)은 연료나 공기를 공급하기 위한 복수의 펌프(P1, P2, P3) 및 공기 펌프(P4)를 구비한다.
연료전지(220)는 수소와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키는 발전 시스템을 포함한다. 여기서, 수소는 연료저자용기(202)에 저장된 부탄함유연료로부터 개질 장치(210)를 통해 얻어지며, 산소는 공기나 산화제로부터 얻어진다. 연료전지(220)로는 고분자 전해질형 연료전지가 이용될 수 있다.
또한, 연료전지(220)는 고출력에 적합한 스택 구조의 연료전지 즉, 연료전지스택으로 이루어진다. 연료전지스택은 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly: MEA)(미도시)로 이루어진 단위 연료전지 복수개가 세퍼레이터(separator)(미도시)를 사이에 두고 적층된 구조를 가진다. 막-전극 어셈블리는 고분자 전해질막의 양측에 애노드 전극(일명, "연료극" 또는 "산화전극"이라고 한다)과 캐소드 전극(일명, "공기극" 또는 "환원전극"이라고 한다)이 부착된 구조를 가진다.
상술한 연료전지(220)의 구성에서, 애노드 전극의 애노드측 촉매층에 연료 즉, 수소가 풍부한 개질가스가 공급되면 수소는 촉매층에서 전기화학적인 반응을 일으키면서 수소 이온(proton, H+)과 전자(e-)로 이온화되며 산화된다. 이온화된 수소 이온은 애노드측 촉매층에서 고분자 전해질막을 통과하여 캐소드 전극의 캐소드측 촉매층으로 이동하고, 전자는 외부 도선을 통해 캐소드측 촉매층으로 이동하게 된다. 캐소드측 촉매층으로 이동한 수소 이온은 캐소드측 촉매층에 공급되는 공기 중의 산소와 전기화학적인 환원 반응을 일으켜 반응열과 물을 발생시킨다. 그리고 전자의 이동으로 전기 에너지가 발생된다. 상술한 연료전지(220)의 반응을 반응식으로 나타내면 다음과 같다.
애노드 전극: H2 → 2H+ + 2e-
캐소드 전극: 1/2O2 + 2H+ + 2e- → H2O
전체 반응: H2 + 1/2O2 → H2O
연료저장용기(202)는 부탄함유연료를 저장하는 용기를 포함한다. 예컨대, 연료저장용기(202)는 부탄캔 등과 같이 부탄을 함유한 연료를 저장하고 일정 압력으로 방출할 수 있는 용기를 포함한다. 이 경우, 연료저장용기(202)에는 부탄캔과 같은 연료저장용기(202)에 설치된 방출 밸브(미도시)를 개방시켜 일정량의 연료를 방출시키는 부착 장치(미도시)가 결합 설치된다.
탈황장치(204)는 부탄함유연료에 함유된 유기 황화합물 성분을 제거하기 위한 장치이다. 유기 황화합물 성분은 예컨대 부취제 등에 함유되어 있는 유기 황화합물을 포함한다.
위에 기술한 연료전시 시스템(200)의 동작을 설명하면 다음과 같다. 먼저 연료전지 시스템(200)의 제어부(미도시)는 연료저장용기(202)에 저장된 부탄함유연료를 두 펌프(P1, P2)를 이용하여 개질장치(210) 내의 개질부(212)와 열원부(214)에 각각 공급한다. 이때, 개질부(212)에 공급되는 연료에 함유된 유기 황화합물은 탈황장치(204)를 거치면서 제거된다. 그리고, 제어부는 물탱크(206)에 저장된 물을 펌프(P3)를 통해 개질부(212)에 공급한다.
열원부(214)는 부탄함유연료를 연소시켜 열을 발생시키고, 발생된 열을 개질부(212)와 수성가스 전환 반응부(WGS, 216)에 공급한다. 그리고, 개질부(212)는 수증기 개질 반응을 통해 부탄함유연료로부터 수소가 풍부한 개질 가스를 발생시킨다. 이때, 부탄함유연료를 연소연료로 이용하므로, 열원부(214)에는 연료의 용이한 점화를 위해 점화수단(215)이 설치된다.
개질부(212)에서 발생된 개질 가스가 수성가스 전환 반응부(216)에 유입되면, 수성가스 전환 반응부(216)는 개질 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 소정 농도로 감소시킨다. 그리고, 선택적 산화 반응부(218)는 공기 펌프(P4)에 의해 유입되는 공기 중의 산소를 이용하여 일산화탄소를 산화시켜 개질 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 일정 농도 이하로 감소시킨다. 전술한 선택적 산화 반응부(218)에는 원하는 반응 온도보다 높은 고온의 개질 가스가 유입될 수 있다. 따라서, 선 택적 산화 반응부(218)에는 반응 온도를 낮출 수 있는 팬(217)과 이 팬(217)을 구동시키는 구동수단(219)이 설치되어 있다.
연료전지(220)는 선택적 산화 반응부(218)로부터 수소가 풍부한 양질의 개질 가스를 받고, 개질 가스에 함유된 수소와 공기 중의 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시킨다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
상술한 구성에 의하면, 개질 장치의 열효율을 향상시킬 수 있다. 아울러 개질 장치를 신속하게 예열할 수 있고, 부탄함유연료를 개질하기 위한 각 반응부의 온도를 용이하게 제어할 수 있다.

Claims (23)

  1. 수소와 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 연료전지에 상기 수소를 함유한 연료를 공급하는 개질 장치에 있어서,
    연소연료의 연소를 통해 열을 발생시키는 열원부;
    상기 열을 받고 상기 연료와 물을 혼합 예열시키는 예열부;
    중공부를 구비하며 상기 중공부를 통해 상기 열원부의 열을 받고 상기 혼합된 연료 및 물을 수증기 개질하는 개질부;
    상기 개질부의 중공부로부터 연장되는 또 다른 중공부를 구비하며 상기 개질부로부터 개질 가스를 받고 상기 개질 가스에 함유된 일산화탄소를 저감시키는 제1 일산화탄소 저감부;
    상기 개질부와 상기 제1 일산화탄소 저감부 사이에 위치하는 열차단부; 및
    상기 개질부의 중공부측 내표면에 돌출 설치되며 상기 열에 의해 가열되는 돌기를 포함하는 연료 전지용 개질 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 일산화탄소 저감부의 중공부의 내표면에는 또 다른 돌기가 더 설치되는 연료 전지용 개질 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 돌기의 높이는 상기 개질부로부터 상기 제1 일산화탄소 저감부로 가면서 낮아지는 연료 전지용 개질 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 개질부는 상기 돌기에 대응하는 나사산을 갖는 단면을 구비하고 나선형으로 적층 설치되는 배관과, 상기 배관에 삽입 설치되는 개질 촉매층으로 이루어지는 연료 전지용 개질 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 개질부는 상기 돌기에 대응하는 나사산 및 채널을 갖는 단면을 구비하는 중공형 배관과, 상기 채널에 삽입 설치되는 개질 촉매층으로 이루어지는 연료 전지용 개질 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 개질부는 중공 파이프 형상의 구조물 하부측에 설치되는 제1 채널과 상기 제1 채널에 삽입 설치되는 개질 촉매층으로 이루어지며, 상기 제1 일산화탄소 저감부는 상기 제1 채널로부터 연장되며 상기 개질부로부터 나오는 개질 가스가 지나가는 제2 채널과 상기 제2 채널에 삽입 설치되는 일산화탄소 저감을 위한 촉매층으로 이루어지는 연료 전지용 개질 장치.
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 일산화탄소 저감부의 중공부의 단면적은 상기 개질부의 중공부 단면적보다 큰 연료 전지용 개질 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 예열부는 상기 개질부 및 상기 제1 일산화탄소 저감부의 상기 중공부들을 사이에 두고 상기 열원부와 마주 설치되는 나선형 배관을 구비하는 연료 전지용 개질 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 열원부는 상기 제1 일산화탄소 저감부의 중공부에서 화염 방사 방향으로 왕복 운동하기 위한 슬라이딩 구조를 구비하며, 상기 개질부의 중공부로 화염을 방출하는 버너를 포함하는 연료 전지용 개질 장치.
  11. 제 1 항 내지 제 6 항 및 제 8 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 일산화탄소 저감부로부터 연장 설치되며, 상기 제1 일산화탄소 저감부로부터 받은 상기 개질 가스에 함유된 일산화탄소를 일정 농도 이하로 저감시키는 제2 일산화탄소 저감부를 추가적으로 포함하는 연료 전지용 개질 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제2 일산화탄소 저감부는 반응 온도를 낮추기 위한 냉각 장치를 구비하는 연료 전지용 개질 장치.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 제2 일산화탄소 저감부는 상기 제1 일산화탄소 저감부의 외표면에 연장 설치되는 연료 전지용 개질 장치.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 제1 일산화탄소 저감부는 수성가스 전환부이고, 상기 제2 일산화탄소 저감부는 선택적 산화부인 연료 전지용 개질 장치.
  15. 제 1 항 내지 제 6 항 및 제 8 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 예열부를 덮는 캡을 추가적으로 포함하는 연료 전지용 개질 장치.
  16. 제 1 항 내지 제 6 항 및 제 8 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 예열부 및 상기 개질부를 덮는 캡을 추가적으로 포함하는 연료 전지용 개질 장치.
  17. 제 1 항 내지 제 6 항 및 제 8 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료는 부탄을 함유한 연료인 연료 전지용 개질 장치.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 연소연료는 부탄을 함유한 연료인 연료 전지용 개질 장치.
  19. 제 1 항 내지 제 6 항 및 제 8 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 개질부는 부탄캔으로부터 상기 수소를 함유한 연료를 받는 연료 전지용 개질 장치.
  20. 삭제
  21. 삭제
  22. 삭제
  23. 삭제
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