KR101029909B1 - Ｍｃｆｃ용 촉매-화염 복합연소장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 MCFC용 촉매-화염 복합연소장치에 관한 것으로, 그 목적은 MCFC 내부개질형 스택의 연소 시스템에 적용하기 위해 촉매연소와 화염연소가 복합된 새로운 개념의 연소장치 구조를 구비하여 MCFC 내부개질용 시스템의 운전 개시 및 정상상태 운전 조건에서의 안정되고 최적화된 연소장치를 제공함에 있다.

본 발명의 구성은 연료극(anode) 측에서 배출되는 부생가스(22)와 송풍기로부터 공급되는 공기(21)가 균일하게 혼합된 가스를 연소하여 이를 다시 내부개질형 MCFC의 열원으로 공급하는 촉매연소장치(1a)와; 스택의 운전개시 및 정상운전 시 발생되는 열량 부족을 보완하기 위하여 공급된 연소용 공기와 연소용 연료가 연소되는 화염연소장치(1b);가 하나의 시스템으로 구성되고, 그 형태는 촉매연소장치(1a)의 내부에 충전된 촉매체(51)의 중심부에 구멍을 뚫고, 그 위치에 화염연소장치(1b)를 끼워 넣은 구조로 이루어져 화염연소와 촉매연소가 각각 제어되도록 구성되는 촉매-화염 복합연소장치를 특징으로 한다.

촉매연소, 화염버너, MCFC, anode 부생가스, 혼합가스

Description

ＭＣＦＣ용 촉매-화염 복합연소장치{Catalytst-flame combustor for molten carbonate fuel cell(MCFC)}

본 발명은 MCFC용 연소장치에 관한 것으로, 자세하게 설명하자면 MCFC(molten carbonate fuel cell) 시스템의 개질반응에서는 수소, 이산화탄소, 일산화탄소, 수증기 등의 부생가스(off-gas)가 연료극(anode) 측에서 다량 생성되는데, 이중에는 양질의 가연성 연료(수소나 일산화탄소)가 다량 포함되어 있어, MCFC시스템에 필요한 열로 다시 재생이 가능하다. 이러한 열 재생을 위한 연소장치로서 촉매연소장치가 매우 유용하다. 또한 MCFC 시스템의 운전을 개시하기 위해서는 초기 상당한 열량을 공급해 주어야 하는데, 이때 필요한 열량은 전기히터나 버너 등으로 공급이 가능하지만, 용량이 큰 시스템에서는 버너에 의한 열 공급이 더욱 유리하다. 본 발명은 이러한 두 가지 연소 형태가 하나의 시스템으로 조합된 연소형태에 관한 것으로, 자세하게는 촉매-화염 복합연소 기술에 관한 내용이다.

MCFC용 연소장치 기술은 일본과 미국 등의 선진국에서 이미 개발이 진행중에 있다.

미국의 FCE사에서는 내부개질형 MCFC를 개발하고 있으며, 약 300 kW를 단위모듈로 한 제품을 상용화하여 미국을 비롯한 세계 각국에 보급하고 있다. FCE사의 촉매연소기는 연료극(anode) 측의 출구가스와 송풍기로부터 필요한 공기를 혼합하여 촉매층에 공급하고, 혼합가스 중의 가연성 가스가 촉매층에서 소각되면서, 이때 발생된 열은 공급된 상온의 공기를 예열시키는 데 이용하고 있다. 촉매연소기의 출구가스는 공기극(cathode)의 입구측에 곧바로 공급되는 방식이며, 따라서 연소가스는 공기극(cathode) 입구측 온도 조건인 약 600 ℃에 맞게 조절되고 있다.

FCE사에서는 특허 US6,902,840에서 연료극(anode)측에서 배출되는 부생가스를 외부 공기와 혼합시키기 위해 벤츄리 타입의 혼합기를 개발하여 사용하고 있는데, 벤츄리 구조를 사용함으로서 공기가 분출되는 노즐 출구에서 공기의 속도는 최대로 증가하고 주위의 압력은 감소하게 되어, 연료극(anode) 측에서 배출되는 부생가스는 자연적으로 흡입되는 구조이다. 이로 인하여 스택의 연료극(anode)측과 공기극(cathode)측의 압력차를 최소화할 수 있는 장점을 가지고 있다. 그러나 여전히 혼합기(mixer)는 단순한 벤츄리 타입을 사용함으로 인하여 연료극(anode)측 부생가스와 공기와의 균일한 혼합 성능에 있어서는 개선되어야 할 점을 가지고 있다.

일본의 IHI(Ishikawajima-Harima Heavy Industries Co.)에서는 NEDO의 지원 하에 외부개질형 MCFC를 개발 중에 있다. IHI에서 채택하고 있는 촉매연소기 및 혼합기는 연료전지 스택과 함께 용기(vessel) 내부에 설치하는 구조이며, 촉매연소기에서 발생된 열은 개질기의 열원으로 사용되도록 하였다.

IHI사의 촉매연소기는 촉매연소 후 얻어지는 고온의 가스를 개질기의 열원으로 사용하게 됨으로, 촉매연소기 출구가스의 온도는 개질기의 개질온도 이상으로 유지되어야 원활한 공정을 수행할 수 있게 된다. 그러므로 IHI사의 개질기에서 적정한 개질 전환율을 얻기 위해서는 개질 촉매층의 온도는 800 ℃ 이상이 되어야 하며, 이를 만족시키기 위한 촉매연소기 출구단의 열원은 800℃ 이상의 고온을 유지해야 한다. 이에 따라서 촉매연소기 내에서 촉매는 800℃ 이상의 고온에서 내구성을 가지는 촉매를 사용하여야 한다. 그러나 현재 연소용 촉매 가운데서 800 ℃ 이상의 고온에서 수분이 다량으로 포함된 가연가스를 처리하는데 장시간 안전하게 운전할 수 있는 촉매를 확보할 수 없는 상황이다.

촉매-화염 복합연소기술은 가스터빈이나 기타 고 부하 운전이 필요한 시스템에 적용되는 연소기술로서, 국내에서는 한국에너지기술연구원, 가스공사 등, 국외적으로는 일본의 오사카 가스, 미국의 catalyca 등에서 다수의 특허를 보유하고 있다. 이 방식의 연소형태로는 크게 2가지 형태로 구분이 가능하다.

우선 촉매층 내에서 촉매연소와 화염연소를 동시에 발생시키는 방식이 있는데, 이는 촉매층 전단에서 촉매연소와 화염연소에 필요한 모든 연료를 공급해 주어야 하기 때문에 촉매층의 연소 안정성에 매우 부담이 되고 촉매층의 온도를 최대 800도 미만으로 유지해주어야 하기 때문에 시스템의 부하 변화에 매우 민감하게 반응될 수 있는 단점이 있다.

두 번째로는 촉매연소와 화염연소를 따로 구분하여 제어하는 방식으로 각각 의 연소를 제어하기에 유리하고, 촉매연소를 비교적 낮은 온도에서 제어할 수 있기 때문에 연소 시스템의 안정성에 매우 큰 장점을 갖는다. 그러나 기존의 방식에서는 촉매연소장치와 화염버너가 따로 설치되어야 하기 때문에 장치가 대형화됨에 따라 연소 시스템을 소형화하기에 어려움이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 MCFC 내부개질형 스택의 연소 시스템에 적용하기 위해 촉매연소와 화염연소가 복합된 새로운 개념의 연소장치 구조를 구비하여 MCFC 내부개질용 시스템의 운전 개시 및 정상상태 운전 조건에서의 안정되고 최적화된 연소장치를 제공함에 있다.

구체적인 본 발명의 목적은 anode에서 공급된 혼합가스와 송풍기로부터 공급된 공기의 혼합가스를 처리하는 촉매연소장치와 MCFC의 초기 운전 개시 및 정상상태 시 부족한 열량을 공급하기 위해 필요한 화염연소장치가 최적화된 구조로 복합된 연소장치를 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명은 연료극(anode) 측에서 배출되는 부생가스와 송풍기로부터 공급되는 공기가 균일하게 혼합된 가스를 연소하여 이를 다시 내부개질형 MCFC의 열원으로 공급하는 촉매연소장치와; 스택의 운전개시 및 정상운전 시 발생되는 열량 부족을 보완하기 위하여 공급된 연소용 공기와 연소용 연료가 연소되는 화염연소장치;가 하나의 시스템으로 구성되고, 그 형태는 촉매연소장치의 내부에 충전된 촉매체의 중심부에 구멍을 뚫고, 그 위치에 화염연소장치를 끼워 넣은 구조로 이루어져 화염연소와 촉매연소가 각각 제어되도록 구성된 촉매-화염 복합연소장치를 제공함 으로써 달성된다.

상기 촉매연소장치는,

연료전지 스택의 연료극(anode) 측에서 배출되는 부생가스와 송풍기로부터 공급되는 공기가 혼합되어 공급되는 유로를 가지는 촉매연소용 가스공급관과;

상기 부생가스와 공기가 혼합되어 공급된 혼합가스가 촉매연소 개시에 필요한 온도로 예열시키도록 촉매연소용 가스공급관 둘레에 설치된 예열히터와;

예열된 혼합가스를 촉매체로 확산 공급시키는 촉매연소용 확산관과;

균일한 혼합가스를 연소시키는 연소용 촉매체가 내부에 충전된 촉매연소관으로 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 화염연소장치는,

연소용 공기를 공급하는 연소용공기공급관과 연소용 연료를 공급하는 연소용연료공급관으로 이루어진 화염연소용 공급관과;

화염연소용 공급관의 끝단에 설치되어 화염이 형성되고 화염의 날림 및 꺼짐이 발생하지 않도록 하는 화염연소 보염기와;

촉매연소관에 연접되어 확산화염이 이루어지는 확산화염연소관으로 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 촉매연소관에 설치된 촉매체는 세라믹 재질의 다공성 구조를 갖는 하니 컴 또는 폼구조체로 이루어진 것을 특징으로 한다.

본 발명은 MCFC의 핵심 주변기술(BOP)인 연료극(anode)측 출구의 부생가스의 완전 처리 및 시스템의 안정적인 열평형을 유지할 수 있는 촉매-화염 복합연소장치의 독자 기술을 확보함으로써, 기존 제품에 대한 기술 경쟁력 및 수출 경쟁력에서 우위를 확보할 수 있을 것으로 판단되며,

특히 본 발명에서 제시된 핵심 기술인 복합연소장치는 독창적인 구조로 연소 안정성이 매우 우수하며, 특히 장치가 대용량으로 설계 변경됨에 따라 연소장치가 더욱 소형화될 수 있도록 제작이 가능한 구조로 되어 있어 매우 효과적인 고 부하 연소장치이다.

특히 본 발명은 연료전지 스택 뿐 아니라, 고부하 열량이 필요한 다양한 산업에 응용이 가능하기 때문에 산업상 그 이용이 크게 기대되는 발명이다.

이하 본 발명의 구성과 그 작용을 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다. 또한 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명에 따른 MCFC용 촉매-화염 복합연소장치에 대한 개략도이다.

도시된 바와 같이 본 발명에 따른 MCFC용 촉매-화염 복합연소장치(1)는 연료극(anode) 측에서 배출되는 부생가스(22)와 송풍기로부터 공급되는 공기(21)가 균일하게 혼합된 가스를 연소하여 이를 다시 내부개질형 MCFC의 열원으로 공급하는 촉매연소장치(1a)와; 스택의 운전개시 및 정상운전 시 발생되는 열량 부족을 보완하기 위하여 공급된 연소용 공기와 연소용 연료가 연소되는 화염연소장치(1b);가 하나의 시스템으로 구성되는데, 그 형태는 촉매연소장치(1a)의 내부에 충전된 촉매체(51)의 중심부에 구멍을 뚫고, 그 위치에 화염연소장치(1b)를 끼워 넣은 구조로 되어 있어 화염연소와 촉매연소가 각각 제어되면서도 하나의 시스템으로 구성하였다.

이와 같은 형태를 구비한 이유는 촉매-화염 복합연소장치의 소형화 및 화염 안정성을 최적의 상태로 유지하기 위해 화염버너가 촉매연소가 발생되는 촉매체의 중심부를 관통하도록 구성한 것이다.

구체적으로 상기 촉매연소장치(1a)는,

연료전지 스택의 연료극(anode) 측에서 배출되는 부생가스(22)와 송풍기로부터 공급되는 공기가 혼합되어 공급되는 유로를 가지는 촉매연소용 가스공급관(2)과,

상기 부생가스와 공기가 혼합되어 공급된 혼합가스가 촉매연소 개시에 필요한 온도로 예열시키도록 촉매연소용 가스공급관(2) 둘레에 설치된 예열히터(3)와;

예열된 혼합가스를 촉매체로 확산 공급시키는 촉매연소용 확산관(4)과;

그리고 균일한 혼합가스를 연소시키는 연소용 촉매체가 내부에 충전된 촉매연소관(5)으로 구성된다.

또한 상기 화염연소장치(1b)는,

연소용 공기를 공급하는 연소용공기공급관(61)과 연소용 연료를 공급하는 연소용연료공급관(62)으로 이루어진 화염연소용 공급관(6)과;

화염연소용 공급관의 끝단에 설치되어 화염이 형성되고 화염의 날림 및 꺼짐이 발생하지 않도록 하는 화염연소 보염기(7)와,

촉매연소관(5)에 연접되어 확산화염이 이루어지는 확산화염연소관(8)으로 구성하였다.

상기 촉매연소용 확산관(4)은 유체(혼합가스) 흐름방향(축방향)에 대하여 확산각도(41)가 0보다 크고 최대 15도가 되도록 형성하여 촉매체(51)로 유입된 혼합가스가 촉매연소 발생시 국부적으로 연소가 발생되는 현상을 최소화하여 완전 연소되도록 하였다.

상기 화염연소용 공급관(6)은 내관이 연소용 공기공급관(61)이고, 그 둘레에 외관인 연소용 연료공급관(62)이 형성된 이중관이다.

상기 촉매연소관(5)에 내부에 충전되어 설치된 촉매체(51)는 세라믹 재질의 다공성 구조를 갖는 하니컴 또는 폼구조체로 이루어지고, 그 외형은 원형의 프레임에 중심부가 뚫린 도우넛 형태를 갖도록 구성하였다.

바람직하게는 상기 촉매체(51)는 4개의 조각이 도우넛 구조를 갖도록 구성하고, 다층으로 적층 구성한 것을 사용한다.

도 2는 본 발명에 따른 MCFC용 촉매-화염 복합연소장치에서 촉매연소장치와 화염연소장치의 복합 구조 및 촉매체의 구성에 대한 개략도로, 도시된 바와 같이 본 발명의 촉매-화염 복합연소장치(1)는 화염연소장치(1b)가 촉매연소장치(1a)의 촉매체(51) 중심부를 관통하도록 구성되었는데, 촉매체(51)는 바람직하게는 4개의 호 모양의 조각이 서로 어울러 맞춰진 모양으로 각각의 조각은 세라믹 재질의 보온재나 페이퍼로 틀을 이룬다.

이러한 구조를 통해 화염과 촉매연소 상태를 각각 제어하면서도 가장 작은 크기에서 두 개의 연소를 동시에 작동할 수 있어 장치를 소형화할 수 있는 장점을 갖는다.

또한 화염연소의 안정성을 유지하기 위해 촉매연소관(5)을 통해 유입되는 촉매연소의 배기가스에 의한 화염연소의 영향을 최소화하기 위해 화연염소 보염기(7)를 설치하여, 화염의 날림 및 꺼짐을 방지하도록 했다.

즉, 촉매체에서 배기되는 촉매연소 배기가스의 양이 무시할 수 없을 정도로 많습니다. 더욱이 화염연소가 예혼합이 아닌 확산화염이기 때문에 촉매연소 배기가스 구간에서의 유동 흐름에 많은 영향을 받게 된다. 심각하면 화염이 꺼지거나 흔들리면서 화염 연소가 완전하지 못하고 불완전 화염연소에 의한 미연가스 및 수트가 발생할 수 있기 때문이다.

도 3은 본 발명에 따라 제작된 MCFC용 촉매연소장치에 대한 전체 공정도를 나타낸다.

송풍기로부터 공급되는 촉매연소용 공기(21)는 공기 블로워(101a)로 모사되었다. 공급된 공기(21)는 게이트 밸브(102a)에 의해 제어되며, 오리피스 유량계(103a)에 의해 공급되는 양이 확인된다.

연료극(anode) 측에서 공급되는 혼합가스(22)는 수소, 일산화탄소, 이산화탄소 등을 각각 공급하도록 한다.

이렇게 각각 공급되는 혼합가스는 혼합장치(105)에서 균일하게 혼합된 이후 말단 근처의 오리피스 유량계(103b)를 통해 최종적으로 유량이 확인된 이후 예열용 히터(3)로 이동하여 촉매연소의 개시에 적합한 온도로 상승한다.

이후 예열된 혼합가스는 확산각도(41)가 최대 15도 내외로 형성된 촉매연소용확산관(4)을 거쳐 촉매연소관(5) 내부에 충전되어 설치된 촉매체(51)로 유입되어 완전 연소된다.

한편, 화염연소를 위한 연소용 공기는 블로워(101b)로 공급된다. 공급된 연 소용 공기(61)는 게이트 밸브(102b)에 의해 제어되며, 오리피스 유량계(103c)에 의해 공급되는 양이 확인된다.

화염연소를 위한 연료는 가스 레귤레이터(107)를 거쳐 화염연소용 공급관(6)으로 공급되는데, 화염의 안정적인 제어를 위해 라인 중간에 솔레노이드 밸브(108)를 장착했다.

공급된 화염연소용 공기와 연료는 보염기(7)에 위치한 이그나이터(도시없음)에 의해 화염(81)이 점화되고, 보염기(7)에 의해 화염이 안정적으로 유지된다. 보염기를 통한 공기와 연료는 확산화염연소관(8)에서 완전 연소되어 배가스관(9)으로 배출된다.

이러한 모든 상황은 화염관찰유리(91)를 통해 관찰된다.

촉매연소관(5)의 전 후단과 촉매체(51)의 전단, 끝단 중간단에는 연소 상태를 관찰하기 위한 열전대(도시없음)가 설치된다.

촉매연소관(5) 및 확산화염연소관(8)의 내벽은 세라믹 재질의 단열재(도시없음)로 쌓아 열손실 및 안전에 대비한다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

도 1은 본 발명에 따른 MCFC용 촉매-화염 복합연소장치에 대한 개략도를 나타내고,

도 2는 본 발명에 따른 MCFC용 촉매-화염 복합연소장치에서 촉매연소장치와 화염연소장치의 복합 구조 및 촉매체의 구성에 대한 개략도이고,

도 3은 본 발명에 따라 제작된 MCFC용 촉매-화염 복합연소장치에 대한 설계도를 나타낸다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

(1) : 촉매-화염 복합연소장치 (1a) : 촉매연소장치

(1b) : 화염연소장치 (2) : 촉매연소용 가스공급관

(3) : 예열히터 (4) : 촉매연소용 확산관

(5) : 촉매연소관 (6) : 화염연소용 공급관

(7) : 화염연소 보염기 (8) : 확산화염연소관

(9) : 배가스관 (21) : 촉매연소용 공기

(22) : 부생가스 (41) : 확산각도

(51) : 촉매체 (61) : 화염연소용 공기 공급관

(62) : 화염연소용 연료 공급관 (81) : 화염

(91) : 화염관찰유리 (101a, 101b) : 블로워

(102a, 102b) : 게이트 밸브 (103a,103b, 103c) 오리피스 유량계

(105) : 혼합장치 (107) : 가스 레귤레이터

(108) : 솔레노이드 밸브

Claims (4)

1. 연료극(anode) 측에서 배출되는 부생가스(22)와 송풍기로부터 공급되는 공기(21)가 균일하게 혼합된 가스를 연소하여 이를 다시 내부개질형 MCFC의 열원으로 공급하는 촉매연소장치(1a)와; 스택의 운전개시 및 정상운전 시 발생되는 열량 부족을 보완하기 위하여 공급된 연소용 공기와 연소용 연료가 연소되는 화염연소장치(1b);가 하나의 시스템으로 구성되고, 그 형태는 촉매연소장치(1a)의 내부에 충전된 촉매체(51)의 중심부에 구멍을 뚫고, 그 위치에 화염연소장치(1b)를 끼워 넣은 구조로 이루어져 화염연소와 촉매연소가 각각 제어되도록 구성된 것을 특징으로 하는 MCFC용 촉매-화염 복합연소장치.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 촉매연소장치(1a)는,

   연료전지 스택의 연료극(anode) 측에서 배출되는 부생가스(22)와 송풍기로부터 공급되는 공기가 혼합되어 공급되는 유로를 가지는 촉매연소용 가스공급관(2)과;

   상기 부생가스와 공기가 혼합되어 공급된 혼합가스가 촉매연소 개시에 필요한 온도로 예열시키도록 촉매연소용 가스공급관(2) 둘레에 설치된 예열히터(3)와;

   예열된 혼합가스를 촉매체로 확산 공급시키는 촉매연소용 확산관(4)과;

   균일한 혼합가스를 연소시키는 연소용 촉매체가 내부에 충전된 촉매연소관(5)으로 구성된 것을 특징으로 하는 MCFC용 촉매-화염 복합연소장치.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 화염연소장치(1b)는,

   연소용 공기를 공급하는 연소용공기공급관(61)과 연소용 연료를 공급하는 연소용연료공급관(62)으로 이루어진 화염연소용 공급관(6)과;

   화염연소용 공급관의 끝단에 설치되어 화염이 형성되고 화염의 날림 및 꺼짐이 발생하지 않도록 하는 화염연소 보염기(7)와;

   촉매연소관(5)에 연접되어 확산화염이 이루어지는 확산화염연소관(8)으로 구성된 것을 특징으로 하는 MCFC용 촉매-화염 복합연소장치.
4. 청구항 2에 있어서,

   상기 촉매연소관에 설치된 촉매체는 세라믹 재질의 다공성 구조를 갖는 하니컴 또는 폼구조체로 이루어진 것을 특징으로 하는 MCFC용 스택 직결형 촉매-화염 복합연소장치.

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