KR100820664B1 - 연료 처리 장치 및 그 방법 - Google Patents

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도시바 넨료 덴치 시스템 가부시키가이샤
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Abstract

연료 전지 본체(20)에 수소가 풍부한 가스를 공급하는 연료 처리 장치(10)가 개시되어 있다. 연료 처리 장치(10)는, 원연료의 공급 정지 시에는, 퍼지 가스로서 수증기를 순방향으로 흐르게 하고, 공기를 역방향으로 흐르게 하는 퍼지 처리를 실행한다. 이 퍼지 처리에 의해, 장치 내의 잔류 가스를 퍼지한다.
Figure R1020067000623
일산화 탄소, 이산화 황, 이산화 유황, 퍼지(purge), 수증기, 잔류 가스

Description

연료 처리 장치 및 그 방법{FUEL TREATMENT DEVICE AND FUEL TREATMENT METHOD}
본 발명은, 특히 연료 전지의 연료 처리 장치에 관한 것으로서, 잔류(殘留) 가스의 퍼지(purge) 처리 기능을 포함하는 연료 처리 장치에 관한 것이다.
최근 연료 전지 또는 연료 전지에 의한 발전(發電) 시스템의 개발이 추진되고 있다. 연료 전지(또는 시스템)는 크게 나누어 연료 전지 본체와, 상기 연료 전지 본체에 연료를 공급하는 연료 처리 장치로 이루어진다.
연료 처리 장치는, 개략적으로는 도시가스, 나프타, 프로판 등의 원연료를 수소가 풍부한 개질(改質) 가스로 변환하여 연료 전지 본체에 공급한다.
연료 처리 장치는, 예를 들어 탈황기, 개질 반응기, 일산화탄소(CO) 변성 반응기, 일산화탄소(CO) 선택 산화 반응기 등에 의해 구성되어 있다.
탈황기는 주로 원연료로부터 유황 화합물을 제거하기 위한 기기이다. 개질 반응기는 탈황기에 의해 유황 화합물을 제거한 원연료로부터 수소가 풍부한 가스 즉 수소 가스를 주성분으로 하는 개질 가스를 생성하는 메인 반응기이다.
한편, CO 변성 반응기 및 CO 선택 산화 반응기는, 개질 반응기에 의해 생성된 개질 가스에 포함되는 일산화탄소(CO)를 제거하기 위한 반응기이다.
그런데, 원연료에 유황 화합물이 포함되어 있으면, 이 유황 화합물의 유황이 개질 반응기, CO 변성 반응기, CO 선택 산화 반응기 또는 연료 전지 본체 등에 사용되고 있는 촉매에 흡착(吸着)되어, 촉매 능력이 저하되는 것이 확인되었다. 이러한 유황 화합물이 촉매 등에 흡착되는 상태를 유황 피독(被毒)이라고 부르는 경우가 있다.
또한, 개질 가스에 일산화탄소(CO)가 포함되어 있으면, 연료 전지 본체에서의 전극의 촉매가 CO 피독 상태로 되어, 그 촉매 능력이 저하되는 것이 확인되었다.
그래서, 연료 처리 장치에서는, 탈황기에 의해 원연료에 포함되는 유황 화합물을 제거하는 탈황 처리가 실행되고 있다. 또한, CO 변성 반응기 및 CO 선택 산화 반응기에 의해, 개질 가스로부터 일산화탄소(CO)를 제거하는 처리가 실행되고 있다.
다음으로, 연료 전지(또는 발전 시스템)의 운전을 정지시킬 때는, 연료 처리 장치는 원연료의 공급 정지에 따라 연료 전지 본체에 대한 개질 가스의 공급을 정지한다.
이 운전 정지 시에, 연료 처리 장치에는 이미 공급된 원연료나 생성된 개질 가스 등의 가연성(可燃性) 잔류 가스가 존재한다.
이 때문에, 연료 처리 장치에는 원연료의 공급 정지 시에, 상기 잔류 가스를 장치 내로부터 배출(이것을 퍼지(purge)라고 함)하는 기능이 마련되어 있다. 구체적으로는, 장치 내의 가스 유통로(流通路)(각 반응기를 포함함)에 질소 가스를 흐 르게 하여, 잔류 가스를 퍼지하는 방법이 제안되어 있다(예를 들어 일본국 공개 특허 공보 2000-277137호 참조).
또한, 다른 방법으로서, 연료 전지 본체의 운전 정지 시에, 수증기를 흐르게 하여 잔류 가스를 퍼지하고, 그 후에 공기를 도입하여 수증기의 응축수(凝縮水)를 제거하는 방법이 제안되어 있다(예를 들어 일본국 공개 특허 공보 2002-151124호 참조).
그러나, 선행 기술의 방법과 같이 질소 가스, 수증기, 또는 공기와 같은 퍼지 가스를 단순히 흐르게 하는 것만으로는 상기 유황 피독이 장치 내의 가스 유통로에 확산될 가능성이 높다. 이 때문에, 개질 반응기 등에 사용되고 있는 촉매의 능력 저하를 초래하는 문제가 있다.
본 발명의 목적은 잔류 가스를 확실하게 퍼지하는 동시에, 장치 내에 유황 피독의 확산을 방지할 수 있는 연료 처리 장치를 제공함에 있다.
본 발명의 관점에 따른 연료 처리 장치는, 원연료를 도입하여, 수소가 풍부한 개질 가스로 변환하여 공급하기 위한 반응기와, 상기 원연료의 공급 정지 시에, 상기 반응기의 잔류 가스를 퍼지하기 위한 퍼지 가스를 공급하는 퍼지 가스 공급 수단과, 상기 반응기를 포함하는 가스 유통로에서, 상기 개질 가스의 유통 방향과는 역방향으로 상기 퍼지 가스 공급 수단으로부터 공급되는 상기 퍼지 가스를 유통시키는 유통 제어 수단을 구비한 구성이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 관한 연료 처리 장치의 구성을 나타낸 블록도.
도 2는 본 실시예에 관한 연료 처리 장치의 구체적인 구성을 나타낸 블록도.
도 3은 본 실시예에 관한 퍼지 처리를 설명하기 위한 도면.
도 4의 (a) 내지 (c)는 본 실시예에 관한 연료 처리 장치에서의 유황 피독의 실험 데이터를 나타낸 도면.
도 5는 다른 실시예에 관한 퍼지 처리를 설명하기 위한 도면.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다.
도 1은 본 실시예에 관한 연료 처리 장치의 기본적인 구성을 나타낸 블록도이다.
본 실시예에서는, 후술하는 퍼지 가스로서는, 수증기와 공기의 조합의 경우에 대해서 설명한다. 다만, 퍼지 가스로서는, 수증기만, 수증기와 공기와 불활성 가스의 조합, 수증기와 불활성 가스의 조합, 불활성 가스와 공기의 조합, 또는 연소 배기 가스의 어느쪽 경우에도 적용할 수 있다. 또한, 불활성 가스는 질소 가스, 이산화탄소 가스, 및 이들의 혼합 가스 등이다.
또한, 본 실시예에서는, 연료 처리 장치 내의 가스 유통로에서, 개질 가스가 흐르는 방향과 동일한 방향을 순(順)방향으로 하고, 상기 개질 가스의 방향과 반대 방향을 역방향으로 한다.
본 실시예의 연료 처리 장치(10)는, 연료 전지 발전 시스템(1)의 구성요소로서, 연료 전지 본체(20)에 수소 가스 연료(개질 가스)를 공급한다.
연료 처리 장치(10)는, 후술하는 바와 같이, 외부로부터 공급되는 원연료(100)를 수소가 풍부한 개질 가스로 변환하여 연료 전지 본체(20)에 공급한다. 원연료(100)는 예를 들어 도시가스, 나프타, 프로판, 소화가스, 등유 등이다.
또한, 본 실시예의 연료 처리 장치(10)는 개질 가스 및 퍼지 가스(200)의 가스 유통로를 제어하기 위한 가스 유통 제어 장치를 갖는다. 가스 유통 제어 장치는, 개념적으로는 도 1에 나타낸 바와 같이, 퍼지 가스(200)의 유통을 제어하기 위한 가스 유통로 제어부(30A, 30B) 및 개질 가스의 유통로 제어부(30C)로 이루어진다.
가스 유통 제어 장치는, 연료 전지 발전 시스템(1)의 운전 시 즉 원연료(100)의 공급 시에는, 유통로 제어부(30A, 30B)를 차단 상태로 제어한다. 그리고, 가스 유통 제어 장치는 유통로 제어부(30C)를 개방 상태로 제어하여 연료 처리 장치(10)에 의해 생성된 개질 가스를 연료 전지 본체(20)에 공급시킨다.
한편, 시스템(1)의 운전 정지 시 즉 원연료(100)의 공급 정지 시에는, 가스 유통 제어 장치는 유통로 제어부(30C)를 차단 상태로 제어하여 연료 전지 본체(20)로의 개질 가스의 공급을 정지시킨다.
또한, 가스 유통 제어 장치는 유통로 제어부(30A, 30B)를 제어하여 퍼지 가스(200)를 도입하고, 연료 처리 장치(10) 내부의 가스 유통로(후술하는 바와 같은 각종 반응기를 포함함)를 유통시켜 연료 처리 장치(10)의 외부로 배출시킨다.
요컨대, 가스 유통 제어 장치는 개질 가스의 유통 방향(순방향)과는 역방향으로 퍼지 가스(본 실시예에서는 공기)(200)를 유통시켜 연료 처리 장치(10)의 내 부에 잔류되어 있는 잔류 가스를 배출시킨다.
(연료 처리 장치의 구성)
다음으로, 도 2 및 도 3을 참조하여 본 실시예의 연료 처리 장치(10)의 구체적인 구성을 설명한다.
연료 처리 장치(10)는 원연료 공급기(2)로부터 원연료(100)를 도입하고, 또한 수증기 발생기(3)로부터 수증기, 및 공기 공급기(4)로부터 공기를 도입한다. 수증기 및 공기는, 후술하는 바와 같이, 잔류 가스를 퍼지하기 위한 퍼지 가스로서 사용된다.
여기서, 연료 전지 본체(20)는 백금 등의 귀금속을 포함하는 촉매층을 구비한 캐소드극(cathode electrode) 및 아노드극(anode electrode)을 갖는다. 연료 전지 본체(20)는 이들 사이에 삽입된 고체 고분자막 등의 전해질막으로 이루어지는 셀을 단위로 하여 상기 셀이 다수 적층(stack)되어 구성되어 있고, 수소와 산소를 반응시켜 발전을 행한다.
연료 전지 본체(20)는 연료 처리 장치(10)로부터 개질 가스로서 수소 가스가 공급된다. 또한, 도 3에 나타낸 바와 같이, 연료 전지 본체(20)는 캐소드(cathode) 공기 공급기(5)로부터 캐소드극에 공기가 공급된다. 또한, 캐소드 공기 공급기(5)는 블로어(blower) 등에 의해 고압(高壓)으로 공기를 공급하는 구성일 수도 있다.
원연료 공급기(2)는 일반적으로 도시가스 등의 탄화수소로부터 추출(抽出)된 원연료(100)를 공급한다. 이 원연료(100)에는 원래부터 또는 안전성의 확보를 위해 인위적으로 유황 화합물이 첨가되어 있다.
수증기 발생기(3)는 개질 반응기(12)나 일산화탄소 변성 반응기(13)를 포함하는 가스 유통로에 대하여 퍼지 가스로서 수증기를 공급한다.
공기 공급기(4)는, 퍼지 가스로서의 공기의 공급 이외에, 일산화탄소(CO) 선택 산화 반응기(14)에도 공기를 공급한다. 또한, 공기 공급기(4)는 블로어 등에 의해 고압으로 공기를 공급하는 구성일 수도 있다.
연료 처리 장치(10)는, 도 2에 나타낸 바와 같이, 탈황기(11)와, 개질 반응기(12)와, 일산화탄소(CO) 변성 반응기(13)와, 일산화탄소(CO) 선택 산화 반응기(14)를 갖는다.
또한, 연료 처리 장치(10)는 컨트롤러(31) 및 복수의 유통로 제어부(32 내지 38)로 구성되는 가스 유통 제어 장치를 갖는다. 유통로 제어부(32 내지 38)는, 도 3을 참조하여 후술하는 바와 같이, 구체적으로는 가스의 유통을 제어하기 위한 전동 밸브(V32, V33, V35 내지 V40)이다. 컨트롤러(31)는 상기 각 유통로 제어부(32 내지 38)의 동작(개폐 동작)을 제어한다.
탈황기(11)는 원연료(100)에 포함되는 유황 화합물을 촉매 작용 또는 흡착 작용에 의해 제거한다.
개질 반응기(12)는 탈황기(11)에 의해 유황 화합물이 탈황된 원연료(100)와 수증기를 반응시켜 수소가 풍부한 가스를 생성한다.
또한, 개질 반응기(12)로서는, 수증기 개질 반응기, 부분 산화 반응기, 오토서멀(aut0 ℃hermal) 반응기 등의 어느쪽일 수도 있다. 다만, 본 실시예에서는, 개질 반응기(12)로서 수증기형 개질기를 상정(想定)한다.
여기서, 개질 반응기(12)에서는, 원연료와 수증기를 출구(出口) 온도 약 300 ℃ 내지 850 ℃에서 반응시켜 수소가 풍부한 개질 가스를 생성하고 있다. 이 때의 반응은 흡열 반응이기 때문에, 개질용 연소기(15)에 의해 개질 촉매층의 온도를 높이고 있다.
일산화탄소(CO) 변성 반응기(13)는, 개질 반응기(12)로부터의 개질 가스에 포함되는 일산화탄소(CO)를 촉매 하에서 수증기와 반응시켜 저감시킨다.
또한, 개질 가스에는, 일반적으로는 약 10 질량% 전후의 CO가 포함되어 있다. CO 변성 반응기(13)는 그 CO를 약 1 질량% 이하까지 저감시킨다. 이 때의 반응 온도는 약 200 ℃ 내지 300 ℃이다.
일산화탄소 선택 산화 반응기(14)는, CO 변성 반응기(13)로부터 보내지는 개질 가스에 잔존(殘存)하는 일산화탄소를 촉매 하에서 공기 중의 산소와 반응시켜 저감시킨다.
즉, CO 변성 반응기(13)에서는 제거할 수 없는 CO를 10ppm 이하까지 저감시킨다. 이 때의 반응 온도는 약 1O0 ℃ 내지 200 ℃이다.
(발전 운전 동작)
우선, 도 2 및 도 3을 참조하여 발전 시스템(1)의 운전 시에서의 연료 처리 장치(10)의 동작을 설명한다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 운전 시에는, 컨트롤러(31)는 유통로 제어부(32, 33, 36, 38)를 개방 상태로 하여 연료 처리 장치(10)로부터 개질 가스가 연료 전지 본체(20)에 공급되도록 제어한다. 이하, 도 3을 참조하여 가스 유통 제어를 중심으 로 하여 구체적으로 설명한다.
컨트롤러(31)는, 도 3에 나타낸 바와 같이, 전동 밸브(V38)를 개방하여, 공기 공급기(4)로부터의 공기를 배관(P9)을 통하여 CO 선택 산화 반응기(14)에 공급한다. 이 때, 컨트롤러(31)는 전동 밸브(V37)를 폐쇄하여, 공기의 유통을 차단한다.
또한, 컨트롤러(31)는 전동 밸브(V39)를 개방하여, 수증기 발생기(3)로부터의 수증기를 배관(P2)을 통하여 개질 반응기(12)에 공급한다.
또한, 컨트롤러(31)는 전동 밸브(V32, V33, V36)를 개방하도록 제어한다. 이것에 의해, 원연료 공급기(2)로부터의 원연료(100)는 탈황기(11)에 의해 유황 화합물이 탈황된 후에, 배관(P1)을 통하여 개질 반응기(12)에 공급된다.
개질 반응기(12)는, 탈황기(11)에 의해 유황 화합물이 탈황된 원연료(100)와 수증기 발생기(3)로부터의 수증기를 반응시켜 수소가 풍부한 개질 가스를 생성한다. 이 때의 반응 온도는 흡열 반응이다.
여기서, 도 2에 나타낸 바와 같이, 개질용 연소기(15)에서의 연료로서, 연료 전지 본체(20)로부터 배출된 사용 완료의 개질 가스가 이용된다.
개질 반응기(12)로부터의 개질 가스는, 도 3에 나타낸 바와 같이, 배관(P5)을 통하여 CO 변성 반응기(13)에 공급된다. CO 변성 반응기(13)에서는, 개질 가스에 포함되는 일산화탄소(CO)와 수증기에 의해 수소와 이산화탄소(CO2)를 변성하는 시프트 반응이 실행된다. 그 후, 개질 가스는 배관(P6)을 통하여 CO 변성 반응기 (13)로부터 CO 선택 산화 반응기(14)에 공급된다.
CO 선택 산화 반응기(14)에서는, 공기 공급기(4)로부터 배관(P9)을 통하여 공급된 공기에 의해, 개질 가스 중에 잔존하고 있는 일산화탄소가 산화되어 이산화탄소로 된다. 이것에 의해, CO가 더욱 저감된 개질 가스가 아노드극의 연료 가스로서 연료 전지 본체(20)에 추가로 공급된다.
이렇게 하여, 연료 전지 본체(20)의 아노드극에는 수소가 풍부한 개질 가스가 연료 가스로서 공급된다. 한편, 캐소드극에는 상술한 바와 같이 캐소드 공기 공급기(5)로부터 공기가 공급된다.
연료 전지 본체(20)에서는, 아노드극에서의 촉매의 작용에 의해, 수소 가스가 이온화되어 프로톤(proton)과 전자로 괴리(乖離)된다. 프로톤은 고체 고분자 전해질막을 통하여 캐소드극으로 전도(傳導)된다. 또한, 전자는 외부 회로를 통하여 캐소드극으로 전도된다. 이 캐소드극에서, 프로톤, 전자, 산소에 의해 물생성 반응이 일어난다.
한편, 외부 회로를 통한 전자의 흐름(전류)에 의해, 직류 전력을 취출(取出)하는 것이 가능해진다. 즉, 연료 전지 본체(20)에서의 발전이 실현된다.
(퍼지 처리)
다음으로, 발전 시스템(1)의 운전 정지 시에는, 연료 처리 장치(10)는 원연료 공급기(2)로부터의 원연료(100)의 공급 정지와 함께, 잔류 가스를 퍼지(배출)하기 위한 퍼지 처리를 실행한다.
본 실시예의 연료 처리 장치(10)는, 컨트롤러(31)의 가스 유통 제어에 의해, 퍼지 가스로서의 수증기를 순방향(개질 가스와 동일한 방향)으로 흐르게 하고, 그 후에 퍼지 가스로서의 공기를 역방향으로 흐르게 한다. 이 공기의 공급에 의해, 잔류 가스의 퍼지에 사용된 수증기에 의한 수분(水分)이 제거된다.
이하, 도 3을 참조하여 퍼지 처리 시의 가스 유통 제어를 설명한다.
여기서, 본 실시예의 연료 처리 장치(10)는, 도 3에 나타낸 바와 같이, 퍼지되는 잔류 가스를 처리(예를 들어 유황 산화물의 제거)하는 배기 가스 처리 장치(16)를 갖는다.
퍼지 처리에서는, 우선, 컨트롤러(31)는 전동 밸브(V39)를 개방하여, 수증기 발생기(3)로부터 수증기를 도입하여, 상기 수증기를 배관(P2)을 통하여 개질 반응기(12)에 흐르게 한다. 동시에, 컨트롤러(31)는 전동 밸브(V35)를 개방하여, 상기 수증기를 개질 반응기(12)로부터 배관(P5, P6, P7, P10)을 통하여 순방향으로 흐르게 한다(실선(實線)으로 나타낸 방향).
또한, 컨트롤러(31)는, 운전 정지 시이기 때문에, 전동 밸브(V32, V36)를 차단 상태로 제어한다.
이상과 같이 하여, 퍼지 가스로서 수증기를 흐르게 함으로써, 개질 반응기(12), CO 변성 반응기(13), 및 CO 선택 산화 반응기(14)의 냉각을 실행하면서, 잔류 가스를 배기 가스 처리 장치(16)까지 퍼지한다.
다음으로, 컨트롤러(31)는 전동 밸브(V37, V40)를 개방하여, 공기 공급기(4)로부터의 공기를 배관(P8, P5)을 통하여 개질 반응기(12)에 대하여 역방향으로 흐르게 한다. 즉, 공기는 개질 반응기(12)를 통과하여, 배관(P3) 및 전동 밸브(V40) 를 통하여 역방향으로 흐른다(점선으로 나타낸 방향).
또한, 공기 공급기(4)로부터의 공기는 배관(P5)에서 분류되어 CO 변성 반응기(13), CO 선택 산화 반응기(14), 배관(P10)의 방향으로도 흐른다.
이상과 같이 하여, 우선, 퍼지 가스로서 수증기를 순방향으로 흐르게 함으로써, 개질 반응기(12), CO 변성 반응기(13), 및 CO 선택 산화 반응기(14)의 냉각을 실행하면서, 잔류 가스를 퍼지할 수 있다.
또한, 퍼지 가스로서 공기를 역방향으로 흐르게 함으로써, 특히 개질 반응기(12)에서 수증기에 의한 수분을 제거하는 동시에, 또한 잔류 가스를 퍼지할 수 있다. 여기서, 공기를 역방향으로 흐르게 함으로써, 개질 반응기(12)의 촉매에 흡착되어 있는 유황 화합물을 CO 변성 반응기(13)나 CO 선택 산화 반응기(14) 등에 확산시키는 유황 피독의 확산을 억제할 수 있다.
즉, 퍼지 가스로서 공기를 역방향으로 흐르게 함으로써, 개질 반응기(12)의 촉매에 흡착된 유황 화합물과 산소의 반응으로부터 촉매의 활성 회복을 도모할 수 있다. 또한, 연료 처리 장치(10) 내부에서의 유황 피독의 확산을 억제할 수 있기 때문에, 결과적으로 장치의 수명 장기화가 가능해진다.
(본 실시예의 효과)
이하, 도 4의 (a) 내지 (c)를 참조하여 본 실시예의 퍼지 처리의 효과를 구체적으로 설명한다.
도 4의 (a)는 개질 반응기(12)에 관한 것이고, 도 4의 (b)는 일산화탄소 변성 반응기(13)에 관한 것이며, 도 4의 (c)는 일산화탄소 선택 산화 반응기(14)에 관한 촉매층에 미치는 유황 피독량을 나타낸 실험 결과이다.
도면 중의 곡선 400은 발전 후의 유황 피독량을 나타내고, 곡선 401은 수증기 및 공기를 순방향으로 흐르게 했을 때의 유황 피독량을 나타낸다. 또한, 곡선 402는, 본 실시예의 퍼지 처리로서, 퍼지 가스로서 공기를 역방향으로 흐르게 한 경우의 유황 피독량을 나타낸다. 또한, 횡축(橫軸) 및 종축(縱軸)은 임의의 단위(arbitrary unit)이다.
이들 도면으로부터 알 수 있듯이, 발전 후의 촉매층의 유황 농도 분포는 수증기나 공기를 흐르게 하는 방향이 순방향인지 역방향인지에 관계없이 상대적으로 작아지고 있다. 특히 입구측 근방에서는 그 감소가 현저하게 나타난다. 이것은 피독된 촉매에 흡착되어 있는 유황이 제거되어 활성화된 것을 의미한다(이하, 이 결과를 「촉매 활성화 현상」이라고 함).
또한, 이 활성화된 촉매와 피독된 촉매의 활성을 조사한 결과, 개질 반응기(12)의 촉매와 일산화탄소 변성 반응기(13)의 촉매가 모두 유황이 제거됨으로써 촉매 활성이 회복되는 것이 확인되었다.
또한, 수증기와 공기의 촉매 활성화 현상으로의 기여에 대해서는, 수증기보다 공기가 더 크다.
수증기나 공기를 순방향으로 흐르게 한 경우에는, 도 4의 (a) 및 도 4의 (b)의 A 영역에서 명확히 알 수 있듯이, 도중에 발전 후의 유황 농도 분포보다 커지는 영역이 발생한다. 이것은 발전 후의 상태에서는 피독되지 않은 촉매가 순방향의 퍼지에 의해 피독된 것을 의미한다(이하, 이 결과를 「피독 확산 현상」이라고 함).
특히, 도 4의 (c)에 나타낸 바와 같이 발전 후의 일산화탄소 선택 산화 반응기(14)의 촉매는 거의 피독되어 있지 않지만, 순방향으로 퍼지하면 거의 모든 촉매(입구 측에서부터 출구 측까지의 촉매)가 피독되고, 역방향으로 흐르게 하면 상기 촉매의 피독은 거의 검출되지 않게 되어 있다.
그리고, 도 4의 (a) 내지 (c)의 전반(全般)에 대해서, 수증기나 공기를 역방향으로 흐르게 한 경우가 순방향으로 흐르게 한 경우보다 유황 농도 분포가 더 작아지고 있음을 알 수 있다(이하, 이 결과를 「피독 확산 억제 현상」이라고 함).
여기서, 수증기나 공기인 퍼지 가스를 순방향으로 흐르게 하는 경우에 대해서 설명한다.
수증기나 공기를 흐르게 하면, 개질 반응기(12), 일산화탄소 변성 반응기(13), 일산화탄소 선택 산화 반응기(14)의 촉매에 흡착된 유황은 상기 수증기나 공기에 포함되는 산소에 의해 이산화유황(SO2)으로 되고, 이것에 의해 금속 활성점이 노정(露呈)된다(촉매 활성화 현상).
이 때, 이산화유황이 수증기나 공기와 함께 순방향으로 흐르면, 그 일부가 하류 측의 유황이 제거된 촉매나 처음부터 피독되지 않은 촉매에 흡착되어 피독 확산이 생긴다.
이렇게 순방향으로 수증기나 공기를 흐르게 한 경우에도, 촉매 활성화 현상은 일어나지만, 순방향의 경우는 유황 농도가 높은 쪽에서부터 낮은 쪽으로 수증기나 공기가 흐르기 때문에, 활성화된 촉매가 재피독(再被毒)을 일으킬 확률이 높아 져 개질 반응기(12), 일산화탄소 변성 반응기(13), 일산화탄소 선택 산화 반응기(14) 등의 반응기 전체에서는 활성화된 촉매량보다 피독된 촉매량이 많아지게 된다. 따라서, 피독 확산이 일어나 촉매 활성화 현상의 효과가 감소된다고 생각된다.
또한, 종래와 같이 수증기나 공기를 순방향으로 흐르게 할 경우에는 냉각 효율이 나쁜데, 그 이유는 이하와 같이 생각된다.
즉, 개질 반응기(12)의 반응 온도는 약 300 ℃ 내지 850 ℃이다. 일산화탄소 변성 반응기(13)의 반응 온도는 약 200 내지 300 ℃이다. 또한, 일산화탄소 선택 산화 반응기(14)의 반응 온도는 약 100 내지 200 ℃이다. 또한, 연료 전지 본체(20)의 반응 온도는 약 50 내지 100 ℃이다. 즉, 연료 전지 본체(20)의 방향에 따라 반응 온도는 낮아지고 있다.
따라서, 수증기나 공기를 순방향으로 흐르게 할 경우에는, 고온 측에서부터 저온 측으로 흐르게 되어, 냉각 효율이 저하된다.
예를 들어 수증기가, 개질 반응기(12)를 냉각시키고, 일산화탄소 변성 반응기(13)에 흐르는 경우를 상정한다. 개질 반응기(12)의 온도가 800 ℃이면, 개질 반응기(12)를 냉각시켜 고온으로 된 수증기가 약 300 ℃의 일산화탄소 변성 반응기(13)에 유입된다. 이 때문에, 상기 일산화탄소 변성 반응기(13)의 냉각을 충분히 행할 수 없고, 오히려 일산화탄소 변성 반응기(13)를 가열하게 되는 사태도 생겨, 냉각 효율을 저하시킨다.
이상과 같은 결과로부터, 본 실시예는, 수증기를 순방향으로 흐르게 한 후에, 퍼지 가스로서의 공기를 역방향으로 흐르게 함으로써, 잔류 가스의 퍼지와 함 께, 피독 확산의 방지, 촉매 능력의 회복, 냉각 효율의 향상을 도모하는 것이 가능해진다.
특히, DSS 운전(Daily Start Stop 운전)이라고 불리는 하루에 기동 정지를 반복하는 운전을 행하는 연료 전지 발전 시스템(1)에서는, 시스템의 수명 장기화 효과가 크다.
또한, 이렇게 촉매의 활성화가 가능하기 때문에, 지금까지 유황 피독에 극단적으로 약한 촉매로 간주되었던 귀금속 촉매의 약점을 커버할 수 있어, 촉매의 선정 자유도가 넓어지게 된다.
또한, 지금까지는 유황 피독을 방지하기 위해 고가(高價)의 탈황 성능이 높은 탈황기(11)를 사용할 필요가 있었지만, 촉매의 활성화 작용에 의해, 저렴한 탈황기(11)를 사용하는 것이 가능해져 연료 전지 발전 시스템(1)의 비용 저감이 가능해진다.
또한, 냉각 효율의 향상에 의해, 냉각에 필요한 수증기 등의 양이 적어져 에너지 절약이 도모된다.
또한, 본 실시예에서는 가스 유통로 제어부로서 전동 밸브를 상정했지만, 수동 밸브일 수도 있다. 다만, 수동 밸브의 경우에는, 컨트롤러(31)는 불필요해진다.
또한, 본 실시예에서는, 공기의 도입 개시에 대해서는 수증기의 도입 후이지만, 이것은 가연성 가스에 공기가 혼합되면 위험하기 때문이다. 따라서, 공기의 도입 개시는 잔류 가스와 공기의 반응에 의한 위험이 작아진 시점으로 하는 것이 가능하다. 이러한 시점에서 공기를 도입함으로써, 수증기에 의한 응축수의 수량(水 量)을 적게 할 수 있고, 단시간에 배기 가스 처리를 완료할 수 있게 된다.
또한, 산소에 의한 촉매 활성화도 온도가 높은 쪽이 더 일어나기 쉽다고 생각되며, 공기를 흐르게 하여도 위험이 없고, 또한 촉매의 온도가 충분히 낮아지지 않을 때에 공기를 도입하면, 효과적으로 촉매 활성화를 행할 수 있다.
이러한 온도 범위의 일례로서, 예를 들면 개질 반응기(12)의 온도가 200 ℃ 내지 900 ℃의 범위, 일산화탄소 변성 반응기(13)의 온도가 약 100 ℃ 내지 550 ℃의 범위, 일산화탄소 선택 산화 반응기(14)의 온도가 약 80 ℃ 내지 250 ℃의 범위이다.
또한, 본 실시예에서는, 퍼지 처리에 의해, 잔류 가스는 배기 가스 처리 장치(16)에 의해 처리된 후에, 대기 중에 방출된다. 이 경우, 잔류 가스를 개질용 연소기(15)를 통하여 배기 가스 처리 장치(16)에 보내는 구성일 수도 있다.
(다른 실시예)
도 5는 다른 실시예에 관한 연료 처리 장치(10)의 퍼지 처리를 설명하기 위한 도면이다. 본 실시예의 퍼지 처리는, 퍼지 가스로서 공기와 함께 수증기도 역방향으로 흐르게 하는 경우의 구성이다.
또한, 도 3과 동일한 구성에 관해서는 동일한 부호를 사용하여 설명을 적절히 생략한다.
본 실시예는, 도 5에 나타낸 바와 같이, 도 3에서의 전동 밸브(V35) 및 배관(P10)을 생략하고, 전동 밸브(V41, V42) 및 배관(P11)을 추가한 구성이다.
이러한 구성에 의해, 수증기 및 공기를 흐르게 하여 잔류 가스를 퍼지하는 퍼지 처리를 설명한다.
우선, 도 2에 나타낸 컨트롤러(31)는, 도 5에 나타낸 전동 밸브(V39, V41, V42, V40)를 개방하여 수증기 발생기(3)로부터 수증기를 도입한다. 즉, 컨트롤러(31)는 배관(P11) 및 전동 밸브(V41)를 통하여 상기 수증기를 역방향으로 개질 반응기(12)에 흐르게 한다(실선으로 나타낸 방향).
또한, 컨트롤러(31)는 배관(P11) 및 전동 밸브(V42)를 통하여 상기 수증기를 역방향으로 CO 변성 반응기(13)에 흐르게 한다(실선으로 나타낸 방향).
또한, 컨트롤러(31)는, 운전 정지 시이기 때문에, 전동 밸브(V32, V36)를 차단 상태로 제어한다.
이상과 같이 하여, 퍼지 가스로서 수증기를 흐르게 함으로써, 개질 반응기(12) 및 CO 변성 반응기(13)의 냉각을 실행하면서, 잔류 가스를 배기 가스 처리 장치(16)까지 퍼지한다.
다음으로, 컨트롤러(31)는, 상술한 바와 동일하게, 전동 밸브(V37, V40)를 개방하여, 공기 공급기(4)로부터의 공기를 배관(P8, P5)을 통하여 개질 반응기(12)에 대하여 역방향으로 흐르게 한다. 즉, 공기는 개질 반응기(12)를 통과하여 배관(P3) 및 전동 밸브(V40)를 통하여 역방향으로 흐른다.
이상과 같이 하여, 본 실시예의 구성에 의하면, 퍼지 가스로서의 수증기도 공기와 동일하게 역방향으로 흐르게 할 수 있다. 따라서, 상술한 바와 같이, 잔류 가스의 퍼지와 함께, 피독 확산의 방지 및 촉매의 활성화를 실현할 수 있다. 이것에 의해, 결과적으로 연료 처리 장치(10)의 수명 장기화, 탈황기(11)의 비용 저감, 냉각 효율의 향상, 냉각에 필요한 수증기 등의 감소에 의한 에너지 절약을 도모할 수 있다.
또한, 본 실시예 및 다른 실시예에서, 퍼지 가스로서 수증기 및 공기의 조합을 사용하는 경우에 대해서 설명했지만, 상술한 바와 같이, 퍼지 가스로서는, 수증기와 공기와 불활성 가스(질소 가스 등)의 조합, 수증기와 불활성 가스의 조합, 불활성 가스와 공기의 조합, 또는 연소 배기 가스의 어느쪽 경우에도 적용할 수 있다.
본 발명의 연료 처리 장치에 의하면, 특히 연료 전지 또는 연료 전지 발전 시스템에 연료를 공급하고, 운전 정지 시에 잔류 가스를 확실하게 퍼지할 수 있는 연료 처리 장치를 실현할 수 있다.

Claims (10)

  1. 원연료(原燃料)를 도입하여, 수소가 풍부한 개질(改質) 가스로 변환하여 공급하기 위한 반응기와,
    상기 반응기의 잔류(殘留) 가스를 퍼지(purge)하기 위한 가스로서, 수증기를 포함하는 제 1 퍼지 가스 및 공기를 포함하는 제 2 퍼지 가스를 공급하는 퍼지 가스 공급 수단과,
    상기 반응기를 포함하는 가스 유통로(流通路)에서, 상기 제 1 퍼지 가스를 상기 개질 가스의 유통 방향과 동일한 방향으로 유통시키고, 상기 제 2 퍼지 가스를 상기 개질 가스의 유통 방향과 역방향으로 유통시키는 유통 제어 수단을 구비하는 연료 처리 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 퍼지 가스는 공기, 불활성 가스, 상기 개질 가스 또는 상기 원연료를 연소하여 얻어지는 연소 배기 가스 중 어느 하나의 가스를 더 포함하고,
    상기 제 2 퍼지 가스는 수증기, 불활성 가스, 상기 개질 가스 또는 상기 원연료를 연소하여 얻어지는 연소 배기 가스 중 어느 하나의 가스를 더 포함하는 연료 처리 장치.
  3. 삭제
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 반응기는 상기 원연료를 상기 개질 가스로 변환하는 개질 반응기를 포함하는 복수 종류의 반응기가 연접(連接)하여 구성되어 있고,
    상기 유통 제어 수단은 상기 제 1 및 제 2 퍼지 가스를 상기 각 반응기의 연접부로부터 상기 각 반응기에 공급하도록 제어하는 연료 처리 장치.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 유통 제어 수단에 의해 상기 가스 유통로로부터 배출되는 상기 잔류 가스를 포함하는 배출 대상 가스를 외부로 배출하는 장치로서, 상기 배출 대상 가스를 정화(淨化) 처리하여 배출하는 배기 가스 처리 장치를 갖는 연료 처리 장치.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 개질 가스를 연료로서 발전(發電)하는 연료 전지에 적용하는 연료 처리 장치.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 유통 제어 수단은 상기 가스 유통로에서의 복수 개소에 설치되어, 가스의 차단 또는 통과를 제어하는 각 밸브를 포함하는 연료 처리 장치.
  8. 원연료를 도입하여, 수소가 풍부한 개질 가스로 변환하여 공급하기 위한 반응기와, 상기 반응기의 잔류 가스를 퍼지하기 위한 가스로서, 수증기를 포함하는 제 1 퍼지 가스 및 공기를 포함하는 제 2 퍼지 가스를 공급하는 퍼지 가스 공급 수단을 갖는 연료 처리 장치의 운전 방법으로서,
    상기 원연료의 공급 정지 시에, 상기 반응기를 포함하는 가스 유통로에서, 상기 제 1 퍼지 가스를 상기 개질 가스의 유통 방향과 동일한 방향으로 유통시키고, 상기 제 2 퍼지 가스를 상기 개질 가스의 유통 방향과 역방향으로 유통시키는 유통 제어를 실행하는 연료 처리 장치의 운전 방법.
  9. 삭제
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 연료 처리 장치는 상기 가스 유통로로부터 배출되는 상기 잔류 가스를 포함하는 배출 대상 가스를 처리하여 외부로 배출하는 배기 가스 처리 장치를 포함하고,
    상기 배출 대상 가스를 외부로 배출할 때에, 상기 배기 가스 처리 장치에 의해 정화 처리한 후에 배출하는 연료 처리 장치의 운전 방법.
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